KR20130072253A - 양자 도트를 이용한 광학 조립체 - Google Patents

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KR20130072253A
KR20130072253A KR1020137010335A KR20137010335A KR20130072253A KR 20130072253 A KR20130072253 A KR 20130072253A KR 1020137010335 A KR1020137010335 A KR 1020137010335A KR 20137010335 A KR20137010335 A KR 20137010335A KR 20130072253 A KR20130072253 A KR 20130072253A
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타이코 일렉트로닉스 코포레이션
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Abstract

광학 조립체(200)를 제공한다. 광학 조립체(200)는 상류측 단부(222)와 하류측 단부(224)를 갖는 하우징(220)을 포함한다. LED(204)는 하우징(220)의 상류측 단부(222)에 배치된다. LED(204)는 여기 광(226)을 생성하도록 구성된다. 여기 광(226)은 제1 파장을 갖는다. 광학체(210)는 하우징(220)의 하류측 단부(224)에 배치된다. 광학체(210)는, LED(204)와 광학체(210) 사이에 캐비티(228)가 형성되도록 LED(204)로부터 원격 배치된다. LED(204)로부터 생성된 여기 광(226)은, 캐비티(228)를 통해 광학체(210)를 향하여 하류측으로 전달된다. 양자 도트들(212)은 광학체 상에 배치된다. 여기 광(226)은, 양자 도트들(212)이 여기 광(226)의 제1 파장과는 다른 제2 파장을 갖는 방출 광(230)을 생성하도록 양자 도트들(212)을 여기한다.

Description

양자 도트를 이용한 광학 조립체{OPTIC ASSEMBLY UTILIZING QUANTUM DOTS}
본 명세서에서 개시하는 주제는 광학 조립체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 양자 도트를 이용하는 광학 조립체에 관한 것이다.
백색 LED는 냉(cool) 백색 LED 또는 온(warm) 백색 LED로서 제조될 수 있다. LED의 냉기나 온기는 켈빈 단위의 색 온도로서 표현된다. 이러한 백색 LED들은, 통상적으로 LED에 매우 근접해 있는 황색 및 적색 형광체들(phosphors)의 특정한 조합과 함께 청색 LED(이하 냉 LED라 칭함)를 사용함으로써 백색을 생성한다. 직관과는 반대로, 냉 백색 LED는 가시 스펙트럼의 청색 경계에서 광을 생성하고 더욱 높은 색 온도, 통상적으로, 5000°K를 초과하는 색 온도에서 특정되는 반면, 온 광 LED들은 약 2700°K의 더욱 낮은 색 온도로 가시 스펙트럼의 적색 경계에서 더욱 높은 대응 파장을 갖는 광을 생성한다. 사용할 냉 백색 LED 또는 온 백색 LED를 선택하는 것은, 광의 기능, 광이 사용되는 환경, 및/또는 문화적 차이에 의존할 수 있다. 예를 들어, 일부 문화에서는 냉 광원을 선호하는 반면, 다른 문화에서는, 예를 들어, 북미에서는 온 광이 더 선호된다. 그러나, 냉 백색 LED는 일반적으로 온 백색 LED보다 뛰어난 효율을 갖는다. 예를 들어, 냉 백색 LED는 온 백색 LED보다 35% 더 효율적일 수 있다. 이에 따라, 냉 백색 LED의 효율을 유지하면서 온 광을 생성하도록 변경될 수 있는 냉 백색 LED를 구비하는 것이 바람직하다.
양자 도트들은, 광이 양자 도트를 관통하는 경우 광의 파장을 변경하는 2 내지 10 나노미터 정도 크기의 반도체 나노결정들이다. 충분한 에너지를 갖는 입사 광이 양자 도트와 충돌하면, 이 입사 광은 전자를 가전자대로부터 대역 갭을 가로질러 인접하는 더욱 높은 도전성 대역으로 일시적으로 변위시켜 가전자대에 양으로 대전된 대응 정공을 생성한다. 이러한 불안정 상태에서, 전자는 다시 가전자대로 적하하여 프로세스에 있어서 에너지를 광의 형태로 방출한다. 재방출 광의 특정 파장은 양자 도트의 크기 및 대역 갭으로부터 결정된다. 예를 들어, 레이저 양자 도트들은 인입 파장들을 더욱 높은 파장에서의 더욱 낮은 에너지 광으로 시프트한다. 이에 따라, 더욱 큰 양자 도트가 인입 파장들을 가시 스펙트럼의 적색 경계를 향하여 시프트한다. 역으로, 더욱 작은 양자 도트는 더욱 작은 파장에서 더욱 높은 에너지 광을 방출한다. 더욱 작은 양자 도트들은 가시 스펙트럼의 청색 경계에서 인입 파장을 시프트한다. 이처럼, 양자 도트들은 방출되는 광의 색을 조절하도록 조명에 사용될 수 있다. 통상적인 예로, LED 등의 단색 청색 광원은, 방출되는 광의 에너지나 파장을 조절하고 이에 따라 냉 광을 승온하도록 양자 도트들로 도포될 수 있다.
그러나, 양자 도트들에도 단점이 있다. 구체적으로, 양자 도트들은 고온에 노출되는 경우 파괴될 수 있으며 열화될 수 있다. 이처럼, 조명에 양자 도트들을 사용하는 것은, 전도 및 방사 열의 최소량을 방출하는 저 전력 라이트로 한정된다. 반면에, 고 전력 라이트 및 구체적으로 LED는, 고 전력 LED로부터의 열이 양자 도트들을 빠르게 열화시키기 때문에, 양자 도트들과 함께 사용될 수 없다.
또한, 고 전력 LED는 일반적으로 냉 백색 LED처럼 값싸며 제조가 용이하다. 그러나, 설치시, 온 광이 필요할 수도 있다. 양자 도트들에 매우 근접해 있는 고 전력 LED는 양자 도트들을 열화시키기 때문에, 양자 도트들을 사용하여 고 전력 냉 LED로부터의 광을 승온하는 것은 선택 사항이 아니다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 냉 LED의 효율을 유지하면서 양자 도트들에 의해 승온될 수 있는 고 전력 냉 LED가 필요하다.
해결책은 광학 조립체(optic assembly)를 제공하는 것이다. 광학 조립체는, 상류측 단부(upstream end)와 하류측 단부(downstream end)를 갖는 하우징(housing)을 포함한다. LED는 하우징의 상류측 단부에 배치된다. LED는 여기 광(excitation light)을 생성하도록 구성된다. 여기 광은 제1 파장을 갖는다. 광학체는 하우징의 하류측 단부에 배치된다. 광학체는 LED와 광학체 간에 캐비티(cavity)가 형성되도록 LED로부터 원격 배치된다. LED로부터 생성되는 여기 광은 캐비티를 통과하여 광학체를 향하여 하류측으로 이동한다. 양자 도트들은 광학체 상에 배치된다. 여기 광은, 양자 도트들이 여기 광의 제1 파장과는 다른 제2 파장을 갖는 방출 광을 생성하도록, 양자 도트들을 여기한다(excite).
이제, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 예를 들어 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따라 형성된 LED의 개략도.
도 2는 일 실시예에 따라 형성된 광학 조립체의 개략도.
도 3은 다른 일 실시예에 따라 형성된 광학 조립체의 개략도.
도 4는 일 실시예에 따라 형성된 LED로부터의 광의 색 스펙트럼을 도시하는 그래프.
도 5는 다른 일 실시예에 따라 형성된 LED로부터의 광의 색 스펙트럼을 도시하는 그래프.
일 실시예에서는, 광학 조립체를 제공한다. 광학 조립체는 상류측 단부와 하류측 단부를 갖는 하우징을 포함한다. LED는 하우징의 상류측 단부에 배치된다. LED는 여기 광을 생성하도록 구성된다. 여기 광은 제1 파장을 갖는다. 광학체는 하우징의 하류측 단부에 배치된다. 광학체는 LED와 광학체 간에 캐비티가 형성되도록 LED로부터 원격 배치된다. LED로부터 생성되는 여기 광은 캐비티를 통과하여 광학체를 향하여 하류측으로 이동한다. 양자 도트들은 광학체 상에 배치된다. 여기 광은, 양자 도트들이 여기 광의 제1 파장과는 다른 제2 파장을 갖는 방출 광을 생성하도록, 양자 도트들을 여기한다.
다른 일 실시예에서는, 광학 조립체를 제공한다. 광학 조립체는 상류측 단부와 하류측 단부를 갖는 하우징을 포함한다. LED는 하우징의 상류측 단부에 배치된다. LED는 여기 광을 생성하도록 구성된다. 광학체는 하우징의 하류측 단부에 배치된다. 광학체는 LED와 광학체 간에 캐비티가 형성되도록 LED로부터 원격 배치된다. LED로부터 생성되는 여기 광은 캐비티를 통과하여 광학체를 향하여 하류측으로 이동한다. 양자 도트들은 광학체 상에 배치된다. 여기 광은 양자 도트들을 여기하여 여기 광보다 따뜻한 방출 광을 생성한다.
또 다른 일 실시예에서는, 광학 조립체를 제공한다. 광학 조립체는 상류측 단부와 하류측 단부를 갖는 하우징을 포함한다. LED는 하우징의 상류측 단부에 배치된다. LED는 여기 광을 생성하도록 구성된다. LED는 여기 광을 포커싱하도록 구성된 일차 광학체를 갖는다. 이차 광학체는 하우징의 하류측 단부에 배치된다. 이차 광학체는, 일차 광학체와 이차 광학체 간에 캐비티가 형성되도록 일차 광학체로부터 원격 배치된다. LED로부터 생성되는 여기 광은 캐비티를 통과하여 광학체를 향하여 하류측으로 이동한다. 양자 도트들은 이차 광학체 상에 배치된다. 여기 광은 양자 도트들을 여기하여 여기 광보다 따뜻한 방출 광을 생성한다.
다음에 따르는 일부 실시예들의 상세한 설명과 함께 전술한 개요는 첨부 도면과 함께 읽음으로써 더욱 이해될 것이다. 본 명세서에서 사용하는 바와 같이, 단수로 언급되며 관사("a", "an")로 시작되는 요소 또는 단계는, 그러한 요소나 단계의 복수의 경우를 명백하게 언급하지 않는 한, 이러한 복수의 경우를 배제하지 않는 것으로 이해해야 한다. 또한, "일 실시예"에 대한 참조는 언급된 특징들을 또한 원용하는 추가 실시예들의 존재를 배제하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 명백하게 달리 언급하지 않는 한, 특정한 성질을 갖는 요소 또는 복수의 요소를 "포함" 또는 "구비"하는 실시예들은 그 성질을 갖지 않는 그러한 요소들을 추가로 포함할 수도 있다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "온 광" 및 "냉 광'이라는 용어들은 산업 표준에 의해 정의된다. 구체적으로, "냉 광"은 더욱 높은 청색 함량을 갖는 광을 정의하며, 백색 광을 언급하는 경우, 색 보정 온도(CCT)는 5000K 내지 6500K 정도이다. 반면에, "온 광"은 더욱 높은 적색 함량을 갖는 광을 의미하며, 색 보정 온도는 2700K 내지 3500K 정도이다. 냉 광 LED와 온 광 LED 모두는 발광 다이오드 다이 내로 또는 이러한 다이에 매우 근접하여 놓인 형광물질들(phosphors)의 사유적 혼합(proprietary mix)에 의해 백색 광을 생성한다. 더욱 냉한 백색 LED가 일반적으로 온 광 LED보다 효율적이라는 점에 주목하기 바란다. 예를 들어, 냉 광 LED는 온 광 LED보다 25 내지 35% 더 효율적일 수 있다. 냉 광 또는 온 광을 설치하는 선택은 광의 기능, 환경, 문화, 및/또는 눈의 감도에 의존할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따라 형성된 LED(100)를 도시한다. LED(100)는 일반적인 조명, 항공 조명, 자동차 조명, 신호, 사인, 텍스트 및 비디오 디스플레이, 전구 등의 응용 분야에 사용될 수 있다. LED(100)는 기판(102)에 전기적으로 연결된다. 기판(102)은 회로 기판일 수 있으며, 예를 들어, 인쇄 회로 기판, 유연성 기판 등일 수 있다. 기판(102)은 LED(100)가 광을 방출할 수 있도록 LED(100)에 전력을 제공한다. LED(100)는 발광 다이오드(104)를 포함한다. 다이오드(104)는, LED(100)가 기판(102)을 통해 통전되면 광(101)을 생성하도록 구성된다. 구체적으로, 다이오드(104) 내에서의 전자의 이동으로 인해, 다이오드(104)가 에너지를 광자의 형태로 방출한다. 광(101)은 다이오드(104)로부터의 에너지의 방출에 의해 생성된다. 광(101)의 색은 특정한 반도체 유형, 구조, 및 다이오드(104)에 의해 생성되는 에너지 양에 의존한다. 일차 광학체(106)는 다이오드(104) 주위에 근접하여 배치된다. 일차 광학체(106)는 다이오드(104)를 보호한다. 일차 광학체(106)는 다이오드(104)에 의해 생성되는 광(101)을 성형하도록 구성될 수도 있다. 일차 광학체(106)는 광(101)을 반사, 굴절, 회절 등을 통해 성형할 수 있다. 일차 광학체(106)는 렌즈일 수 있다. 대안으로, 일차 광학체(106)는 투명 덮개일 수도 있다.
일 실시예에서, LED(100)는 청색 다이오드를 갖는 냉 광 LED이다. LED(100)의 다이오드(104)는 가시 스펙트럼의 청색 경계에서 광(101)을 생성한다. 청색 광 LED에 의해 생성되는 광은 일반적으로 가시 스펙트럼의 적색 경계에서 생성되는 광에 비해 짧은 파장과 높은 에너지를 갖는다. 예를 들어, 청색 광(101)은 450nm 내지 500nm 범위의 파장을 가질 수 있다. LED(100)의 일차 광학체(106)는 형광체를 포함하거나 형광체로 도포될 수 있다. 형광체로 인해 냉 광(101)이 스토크스 시프트(Stokes shift)를 겪게 되며, 여기서 냉 광(101)의 파장은 더욱 길어진다. 다이오드(104)에 의해 생성되는 광(101)은 더욱 따뜻한 황색 광(103)으로 시프트된다. 더욱 따뜻한 황색 광(103)은 LED(100)로부터 방출된다. 대안으로, 일차 광학체(106)는 냉 광(101)을 승온하도록 구성된 임의의 다른 적절한 화합물들로 도포될 수도 있다. 예를 들어, 일차 광학체(106)는 알루미늄, 갈륨, 인듐 등의 화합물들로 도포될 수 있다.
일 실시예에서, LED(100)는 고 전력 LED이다. 고 전력 LED는 일반적으로 더욱 낮은 전력 LED에 비해 증가된 광 출력과 강도를 갖는다. LED(100)는 수백 마이크로 암페어의 전류 내지 일 암페어 초과의 전류 범위에서 구동될 수 있다. LED(100)는 1000 루멘을 초과하는 강도로 광을 생성할 수 있다. 일 실시예에서는, 고 전력 LED(100)가 가시 스펙트럼의 적색 경계에서 온 광을 생성하는 것이 바람직할 수도 있다. 양자 도트들은 온 광을 생성하는 데 사용될 수 있다. 그러나, 양자 도트들은 고 전력 LED(100)에 의해 생성되는 고 열에 민감하다. 이처럼, LED(100)를 양자 도트들로 도포하는 것은, 고 전력 LED(100)에 의해 생성되는 열이 양자 도트들을 열화시키기 때문에, 온 광을 생성하기 위한 선택 사항이 아니다.
도 2는 일 실시예에 따라 형성된 광학 조립체(200)의 개략도이다. 광학 조립체(200)는 냉 광 LED로부터 온 광을 생성하도록 구성된다. 광학 조립체(200)는 상류측 단부(222)와 하류측 단부(224)를 갖는 하우징(220)을 포함한다. 기판(202)은 하우징(220)의 상류측 단부(222)에 배치된다. LED(204)는 하우징(220)의 상류측 단부(222)에 배치되며 기판(202)에 연결된다. LED(204)는 기판(202)을 통해 통전된다. 일 실시예에서, LED(204)는, 수백 마이크로 암페어의 전류 내지 일 암페어 초과의 전류로 구동되며 1000 루멘을 초과하는 강도로 광을 생성하는 고 전력 LED일 수 있다. 일 실시예에서, LED(204)는 온 광 LED의 효율보다 뛰어난 효율로 동작하도록 구성된 냉 광 LED일 수 있다. 기판(202)은 회로 기판일 수 있으며, 예를 들어, 인쇄 회로 기판, 유연성 회로 등일 수 있다. 기판(202)은, LED(204)가 여기 광(226)을 생성하도록 LED(204)에 전력을 제공한다. LED(204)는 다이오드(206) 및 다이오드(206)를 덮는 일차 광학체(208)를 포함한다. 일 실시예에서, LED(204)는 높은 에너지를 갖는 청색 광(205)을 생성하는 청색 다이오드(206)를 구비한다. 다이오드(206)는 450nm 내지 500nm 범위의 파장을 갖는 청색 광(205)을 생성할 수 있다.
일차 광학체(208)는 청색 다이오드(206)에 의해 생성되는 청색 광(205)을 승온하도록 형광체 도포물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 형광체 도포물은 스토크스 시프트(Stokes shift)를 야기하여 570nm 내지 590nm 범위의 파장을 갖는 황색 광(207)이 생성되게 한다. 황색 광(207)은 청색 광(205)보다 낮은 에너지와 높은 파장을 갖는다. 형광체의 밀도는 여기 광(226)에서 생성되는 황색 광(207)의 양을 변경하도록 변경될 수 있다. 형광체의 밀도가 높을수록 590nm에 더욱 가까운 파장을 갖는 여기 광(226)이 생성된다. 형광체의 밀도가 낮을수록 450nm에 더욱 가까운 파장을 갖는 여기 광(226)이 생성된다. 형광체의 밀도는, 450nm 내지 570nm 범위의 파장을 갖는 일차 광학체(208)로부터 여기 광(226)을 생성하도록 변경될 수 있다. LED(204)에 의해 생성되는 여기 광(226)은 황색 광(207)을 포함한다. 일 실시예에서, 청색 광(205)의 일부는 일차 광학체(208)를 통과할 수 있다. 이러한 실시예에서, 여기 광(226)은 청색 광(205)과 황색 광(207)을 포함한다. 청색 광의 일부의 투과 및 형광체로부터의 황색 광의 방출이 가능하도록 황색 형광체의 밀도와 조성을 조절함으로써, 백색 광이 방출된다.
이차 광학체(210)는 하우징(220)의 하류측 단부(224)에 배치된다. 이차 광학체(210)는, 이차 광학체(210)와 LED(204) 사이에 캐비티(228)가 형성되도록 LED(204)로부터 원격 배치된다. 이차 광학체는 오목 렌즈, 볼록 렌즈, 또는 평면 렌즈 등의 빔 변경 광학체일 수 있다. 또한, 광학체는 형성되는 캐비티(228)의 크기를 최소화하는 내부 전반사 유형일 수도 있다. 예시한 실시예에서, 이차 광학체(210)는, 일차 광학체(208)와 이차 광학체(210) 사이에 캐비티(228)가 형성되도록 일차 광학체(208)로부터 원격 배치된다. 일 실시예에서, 이차 광학체(210)는, 이차 광학체(210)가 LED(204)와 접촉하지 않는 한 일차 광학체(208)로부터 임의의 거리에 배치되어도 된다. 내부 전반사 렌즈를 이용하는 일 실시예에서, 내부 전반사 렌즈는 외측 렌즈와 내측 렌즈를 이들 간에 형성되는 공간을 두고 포함할 수도 있다. 이러한 실시예에서, 내측 렌즈는 LED(204) 상에 직접 배치될 수도 있다. 이차 광학체(210)는, 여기 광(226)이 LED(204)로부터 캐비티(228)를 통해 이차 광학체(210)를 향하여 하류측으로 이동하도록 배치된다. 일 실시예에서, 이차 광학체(210)는 투명한 디스크이다. 대안으로, 이차 광학체(210)는 렌즈일 수도 있다. 예를 들어, 이차 광학체(210)는 내부 전반사 렌즈일 수 있다. 대안으로, 이차 광학체(210)는 굴절 렌즈, 회절 렌즈, 및/또는 다른 임의의 적절한 렌즈일 수도 있다.
이차 광학체(210)는 자신의 표면 상에 배치된 양자 도트들(212)을 포함한다. 양자 도트들(212)은 콜로이드성 용액 내에 형성된 반도체 나노결정들이다. 양자 도트들(212)의 여기자(Exciton)들은 양자 도트들(212)의 여기가 방출 광(230)을 생성하도록 공간적 3차원 내에 한정된다. 양자 도트들(212)은 가시 스펙트럼 내지 적외선 스펙트럼 범위의 방출 광(230)을 생성할 수 있다. 양자 도트들(212)의 크기 범위는 5nm 내지 50nm일 수 있다. 양자 도트들(212)의 크기가 작을수록 더욱 많은 양의 여기 에너지가 필요하다. 이에 따라, 양자 도트들(212)의 크기가 작을수록 더욱 많은 양의 에너지가 방출된다. 더욱 많은 양의 에너지는, 450nm 내지 500nm 범위의 파장을 갖는 가시 스펙트럼의 청색 경계에서 방출 광(230)을 생성한다. 양자 도트들(212)의 크기가 클수록 여기 에너지가 덜 요구된다. 이에 따라, 양자 도트들(212)의 크기가 클수록 에너지가 덜 방출된다. 더욱 적은 양의 에너지는, 610nm 내지 760nm 범위의 파장을 갖는 가시 스펙트럼의 적색 경계에서 방출 광(230)을 생성한다. 양자 도트들의 크기는, 양자 도트들이 생성할 방출 광(230)의 소정의 색에 기초하여 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 이차 광학체(210)는 양자 도트들(212)로 도포된다. 예를 들어, 양자 도트들(212)의 함침(impregnated)이 광학체 전체에 걸쳐 균등한 분포로 이차 광학체(210) 내로 진행될 수 있다. 다른 일 실시예에서, 양자 도트들(212)은 이차 광학체(210)의 일차 표면 및/또는 이차 표면에 부착된 라미네이트 층에 제공된다. 일 실시예에서, 양자 도트들(212)은, 610nm 내지 760nm 범위의 파장을 갖는 가시 스펙트럼의 적색 경계에서 더욱 낮은 에너지와 높은 파장의 방출 광(230)을 생성하기 위한 크기를 갖는다. 이차 광학체(210) 상의 양자 도트들(212)의 밀도는, 양자 도트들(212)에 의해 방출되는 방출 광(230)의 파장을 변경하도록 변경될 수도 있다. 예를 들어, 양자 도트들(212)의 고 밀도는 760nm에 더욱 가까운 파장을 갖는 방출 광(230)을 생성하고, 양자 도트들(212)의 저 밀도는 610nm에 더욱 가까운 파장을 갖는 방출 광(230)을 생성한다.
동작 동안, LED(204)의 다이오드(206)는 450nm 내지 500nm 범위의 파장을 갖는 가시 스펙트럼의 청색 경계에서 청색 광(205)을 생성한다. 청색 광(205)은 일차 광학체(208)를 통과한다. 일 실시예에서, 일차 광학체(208)는 형광체로 도포된다. 일차 광학체(208)를 형광체로 도포하는 것은 예시일 뿐이라는 점에 주목하기 바란다. 다른 실시예들에서, 일차 광학체(208)는 다른 화합물로 도포될 수도 있다. 형광체로 인해, 청색 광(205)이 스토크스 시프트를 겪게 되어 청색 광(205)의 파장이 증가하여 570nm 내지 590nm 범위의 파장을 갖는 더욱 따뜻한 황색 광(207)이 형성된다. 일차 광학체(208)에 의해 생성되는 더욱 따뜻한 황색 광(207)의 양은 형광체의 양에 의존할 수 있다. 예를 들어, 형광체의 더욱 높은 밀도는, 590nm에 더욱 가까운 파장을 갖는 황색 광(207)을 생성할 수 있다. 형광체의 더욱 낮은 밀도는, 450nm에 더욱 가까운 파장을 갖는 황색 광(207)을 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 일차 광학체는 청색 광(205) 중 일부가 일차 광학체를 통과하게 할 수 있다. 청색 광(205)은, 가시 스펙트럼의 청색과 황색의 범위 내의 제1 파장을 갖는 여기 광(226)을 생성하도록 온 황색 광(207)과 함께 LED(204)로부터 방출된다. 일차 광학체(208)를 통과할 수 있는 청색 광(205)의 양은, LED(204)가 450nm 내지 590nm 범위의 제1 파장을 갖는 여기 광(226)을 생성하도록 변경될 수 있다. 일 실시예에서, 여기 광(226)은 황색 광(207)만을 포함한다. 다른 일 실시예에서, 일차 광학체(208)는 형광체로 도포되지 않으며, 여기 광(226)이 청색 광(205)만을 포함한다. 대안으로, 일차 광학체(208)는 서로 다른 색의 광을 생성하도록 다른 화학적 화합물들로 도포될 수도 있다. 예를 들어, 일차 광학체(208)는 알루미늄, 갈륨, 인듐 등의 화합물들로 도포될 수도 있다.
여기 광(226)은 캐비티(228)를 통해 이차 광학체(210)를 향하여 하류측으로 향한다. 여기 광(226)은 이차 광학체(210) 상에 배치된 양자 도트들(212)을 여기하도록 구성된다. 양자 도트들(212)은 방출 광(230)을 생성한다. 양자 도트들(212)은 낮은 에너지 긴 파장의 방출 광(230)을 방출하도록 구성된다. 일 실시예에서, 방출 광(230)의 제2 파장은 여기 광(226)의 제1 파장보다 크다. 방출 광(230)은 가시 스펙트럼의 적색 경계에서 제2 파장을 가질 수 있다. 예를 들어, 방출 광(230)은 610nm 내지 760nm 범위의 제2 파장을 가질 수 있다. 대안으로, 양자 도트들(212)은 여기 광(226)의 제1 파장보다 큰 임의의 제2 파장을 갖는 방출 광(230)을 방출하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 방출 광(230)의 제2 파장 범위는 590nm 내지 760nm일 수 있다. 방출 광(230)은 여기 광(226)보다 따뜻하다.
일 실시예에서, 양자 도트들(212)의 밀도는 여기 광(226)의 일부가 이차 광학체(210)를 통과할 수 있도록 변경될 수 있다. 여기 광(226)의 일부(209)는, 광학 조립체(200)에 의해 방출되는 전체 광(232)의 온기를 변경하도록 방출 광(230)과 함께 이차 광학체(210)를 통과할 수 있다. 예를 들어, 양자 도트들(212)의 고 밀도는, 여기 광(226)이 이차 광학체(210)를 통과하여 610nm 내지 760nm 범위의 가시 스펙트럼의 적색 경계에서의 파장을 갖는 전체 광(232)을 생성하는 것을 제한할 수 있다. 양자 도트들(212)의 낮은 밀도는, 여기 광(226) 중 일부가 이차 광학체(210)를 통과하여 광학 조립체(200)에 의해 생성되는 전체 광(232)이 가시 스펙트럼의 황색에 더욱 가깝게 되도록 할 수 있다. 양자 도트들(212)의 밀도와 조성은, 590nm 내지 760nm 범위의 광학 조립체(200)로부터의 전체 광(232)을 생성하도록 변경될 수 있다. 여기 광(226)의 파장과 양자 도트들의 조성을 통해, 2700K 내지 6500K인 넓은 범위의 다양한 백색 광의 색 온도를 생성할 수 있다.
광학 조립체(200)는 냉 백색 LED(204)로부터 온 백색 광을 생성한다. 광학 조립체(200)는 냉 광 LED(204)의 효율을 유지하면서 온 백색 광을 생성한다. 이차 광학체(210)는 조립시 광학 조립체(200) 내에 배치될 수 있다. 이에 따라, 광학 조립체(200)는 냉 LED로서 제조 및 출하될 수 있다. 이차 광학체(210)의 다양한 버전들을 제시하여 조립체(200)에 적용되는 경우 다양한 정도의 냉기나 온기를 제공할 수 있다. 조립이나 최종 고정물 설치시, 소망하는 이차 광학체(210)를 광학 조립체(200)에 부가하여 광학 조립체(200)로부터 냉 광 또는 온 광을 생성할 수 있다. 이처럼, 광학 조립체(200)를 냉 광 LED 또는 온 광 LED로서 설치하는 결정은, 조립 동안 설치 시점에서 내릴 수 있다. 따라서, 별도의 냉 또는 온 광 LED들을 제조 및 출하할 필요가 없다.
또한, 이차 광학체(210)는 양자 도트들(212)이 고 전력 LED들과 함께 이용될 수 있게 한다. 이차 광학체(210)는, 양자 도트들(212)이 고 전력 LED(204)에 의해 생성되는 열에 노출되지 않도록 LED(204)로부터 떨어진 거리에 배치된다. 일 실시예에서, 이차 광학체(210)는, 이차 광학체(210)가 고 전력 LED(204)와 접촉하지 않도록 배치되면 된다. 대안으로, 이차 광학체(210)는, 양자 도트들(212)이 LED(204)에 의해 방출되는 여기 광(226)에 의해 여기되도록 LED(204)로부터 떨어진 임의의 적절한 거리에 배치될 수도 있다. 이차 광학체(210)를 LED(204)로부터 원격 배치함으로써, 이차 광학체(210) 상에 배치된 양자 도트들(212)의 열화를 방지한다.
도 3은 일 실시예에 따라 형성된 광학 조립체(300)의 개략도이다. 광학 조립체(300)는 상류측 단부(322)와 하류측 단부(324)를 갖는 하우징(320)을 포함한다. 광학 조립체(300)는 냉 백색 광 LED로부터 온 광을 생성하도록 구성된다. 광학 조립체(300)는 하우징(320)의 상류측 단부(322)에 배치된 기판(302)을 포함한다. LED(304)는 하우징(320)의 상류측 단부(322)에 배치되고 기판(302)에 연결된다. LED(304)는 전력을 갖는다. 일 실시예에서, LED(304)는 고 전력 LED를 가질 수 있다. 일 실시예에서, LED(304)는 냉 광 LED일 수 있다. LED(304)는 여기 광(326)을 생성하도록 구성된다. LED(304)는 다이오드(306) 및 다이오드(306)를 덮는 일차 광학체(308)를 포함한다. 일 실시예에서, LED(304)는 450nm 내지 500nm 범위의 파장을 갖는 대략 단색인 냉 광(305)을 생성하는 청색 다이오드(306)를 구비한다. 일차 광학체(308)는, 황색 형광체와 결합되는 경우 냉 백색 광(307)을 생성하는 청색 다이오드(306)로부터 방출되는 냉 광(305)을 승온하도록 형광체 도포물을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 여기 광(326)은 황색 광(307) 및 냉 청색 광(305)의 일부를 포함한다. 형광체의 밀도는, 여기 광(326) 내의 냉 청색 광(305)과 황색 광(307)의 양을 변경하도록 변경될 수 있다.
이차 광학체(310)는 하우징(320)의 하류측 단부(324)에 배치된다. 이차 광학체(310)는, 이차 광학체(310)와 LED(304) 간에 캐비티(328)가 형성되도록 LED(304)로부터 원격 배치된다. 이차 광학체(310)는, 이차 광학체(310)와 일차 광학체(308) 간에 캐비티(328)가 형성되도록 일차 광학체(308)로부터 원격 배치된다. 일 실시예에서, 이차 광학체(310)는, 이차 광학체(310)가 LED(304)와 접촉하지 않는 한 일차 광학체(308)로부터 임의의 거리에 배치되어도 된다. 이차 광학체(310)는, 여기 광(326)이 LED(304)에 의해 생성되는 캐비티(328)를 통해 이차 광학체(310)를 향하여 하류측으로 이동하도록 배치된다. 예시한 실시예에서, 이차 광학체(310)는 마이크로렌즈이다. 마이크로렌즈는 1차원 어레이로 또는 2차원 어레이로 함께 연결된 복수의 마이크로렌즈를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로렌즈들은 육각형 어레이로 배치될 수 있다. 마이크로렌즈들은 1 밀리미터보다 작은 직경을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로렌즈들은 10 마이크로미터만큼 작은 직경을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로렌즈는 굴절률 렌즈(gradient-index lens), 마이크로 프레즈넬 렌즈(micro Presnel lens) 등이다. 마이크로렌즈들은 마이크로렌즈를 통과하는 여기 광(326)을 포커싱하는 데 이용될 수 있다. 마이크로렌즈들은 반살, 굴절, 회절 등을 통해 여기 광(326)을 포커싱할 수 있다.
이차 광학체(310)는, 이차 광학체 상에 또는 이차 광학체 내에 배치된 양자 도트들(312)을 포함한다. 일 실시예에서, 이차 광학체(310)는 양자 도트들(312)로 도포된다. 예를 들어, 양자 도트들(312)은, 리소그래피 처리, 포토 에칭 처리, 또는 널리 허용되는 다수의 다른 인쇄 방법들에 의해 이차 광학체(310) 상에 부착될 수 있다. 양자 도트들은 이차 광학체의 제1 표면이나 제2 표면에 부착될 수 있다. 대안으로, 양자 도트들은 이차 광학체를 형성하는 물질 내에 포함될 수도 있다. 다른 일 실시예에서, 양자 도트들(312)은 이차 광학체(310)에 부착된 라미네이트 층에 제공된다. 여기 광(326)은 양자 도트들(312)이 방출 광(330)을 생성하도록 양자 도트들(312)을 여기한다. 양자 도트들(312)의 크기는 방출 광(330)의 파장을 결정한다. 일 실시예에서, 양자 도트들(312)은, 610nm 내지 760nm 범위의 가시 스펙트럼의 적색 경계에서 더욱 낮은 에너지와 높은 파장의 방출 광(330)을 생성하기 위한 크기를 갖는다. 이차 광학체(310) 상의 양자 도트들(312)의 밀도는 방출 광(330)의 파장을 변경하도록 변경될 수 있다.
동작 동안, LED(304)의 다이오드(306)는, 가시 스펙트럼의 청색 경계에서 450nm 내지 500nm 범위의 파장을 갖는 냉 광(305)을 방출한다. 냉 광(305)은 일차 광학체(308)를 통과한다. 일 실시예에서, 일차 광학체(308)는 형광체로 도포되거나 형광체를 포함한다. 형광체는 냉 광(305)을 시프트하며, 570nm 내지 590nm 범위의 파장을 갖는 더욱 따뜻한 황색 광(307)을 방출한다. 일 실시예에서, 일차 광학체는 냉 광(305)의 일부가 일차 광학체를 통과할 수 있게 한다. 냉 광(305)은 더욱 따뜻한 황색 광(307)과 함께 방출되어, 가시 스펙트럼의 청색과 황색의 범위 내의 제1 파장을 갖는 여기 광(326)을 생성하여 백색으로 보이는 광을 형성하게 된다. 다른 일 실시예에서, 일차 광학체(308)는 형광체로 도포되지 않으며, 냉 광(305)은 변경되지 않고서 일차 광학체를 통과하고 여기 광(326)은 냉 청색 광(305)만을 포함한다. 또 다른 일 실시예에서, 여기 광(326)은 황색 광(307)만을 포함한다. 대안으로, 일차 광학체(308)는 서로 다른 색의 광을 생성하도록 형광체가 아닌 화학적 화합물들로 도포될 수도 있다.
여기 광(326)은, 양자 도트들(312)이 방출 광(330)을 생성하도록 이차 광학체(310) 상의 양자 도트들(312)을 여기한다. 방출 광(330)은 낮은 에너지 및 높은 제2 파장을 갖는다. 방출 광(330)은 가시 스펙트럼의 적색 경계에서 제2 파장을 가질 수 있다. 방출 광(330)은 여기 광(326)의 제1 파장보다 큰 제2 파장을 가질 수 있다. 방출 광(330)은 여기 광(326)보다 따뜻하다. 일 실시예에서, 양자 도트들(312)의 밀도는, 여기 광(326)의 일부(309)가 이차 광학체(310)를 통과할 수 있도록 변경될 수 있다. 이차 광학체(310)를 통과하는 여기 광(326)의 일부(309)는, 방출 광(330)과 함께 광학 조립체(300)로부터, 광학 조립체(300)로부터의 전체 광(332)으로서 방출된다. 이차 광학체(310)를 통과하는 여기 광(326)의 일부(309)는 광학 조립체(300)에 의해 방출되는 전체 광(332)의 온기를 변경한다. 양자 도트들(312)의 밀도는, 광학 조립체(300)로부터 590nm 내지 760nm 범위의 파장을 갖는 전체 광(332)을 생성하도록 변경될 수 있다.
광학 조립체(300)는 냉 광 LED(304)로부터 온 광을 생성한다. 광학 조립체(300)는 냉 광 LED(304)의 효율을 유지하면서 온 광을 생성한다. 이차 광학체(310)는 조립시 광학 조립체(300) 내에 배치될 수 있다. 이에 따라, 광학 조립체(300)는 냉 광 LED로서 제조 및 출하될 수 있다. 조립시, 이차 광학체(310)는 광학 조립체(300)에 부가되어 광학 조립체(300)로부터 온 광을 생성할 수 있다. 이처럼, 광학 조립체(300)를 냉 광 LED 또는 온 광 LED로서 설치하는 결정은 조립 동안 설치 시점에서 내려질 수 있다. 이에 따라, 온 광 LED들을 제조 및 출하할 필요가 없다.
또한, 이차 광학체(310)는 양자 도트들(312)을 고 전력 LED와 함께 이용할 수 있게 한다. 이차 광학체(310)는, 양자 도트들(312)이 고 전력 LED(304)에 의해 생성되는 열에 노출되지 않도록 LED(304)로부터 떨어진 거리에 배치된다. 일 실시예에서, 이차 광학체(310)는, 이차 광학체(310)가 고 전력 LED(304)와 접촉하지 않도록 배치되면 된다. 대안으로, 이차 광학체(310)는, 양자 도트들(312)이 LED(304)로부터 방출되는 여기 광(326)에 의해 여기되도록 LED(304)로부터 임의의 적절한 거리에 배치될 수도 있다. 이차 광학체(310)를 LED(304)로부터 원격 배치함으로써, 이차 광학체(310) 상에 제공된 양자 도트들(312)의 열화를 방지한다.
도 4는 일 실시예에 따라 형성된 LED로부터의 전체 광의 색 스펙트럼(402)을 도시하는 그래프(400)이다. 그래프(400)는 청색 다이오드와 형광체 도포물을 갖는 냉 광 LED로부터의 색 스펙트럼(402)을 나타낸다. 예를 들어, 그래프(400)는 도 1에 도시한 LED(100) 등의 LED로부터의 전체 광의 색 스펙트럼(402)을 나타낼 수 있다. 그래프(400)는 y축(404) 상에 광의 강도(intensity) 및 x(406) 상에 광의 파장(λ)을 나타낸다. 색 스펙트럼(402)은 제1 피크(408)와 제2 피크(410)를 포함한다. 피크들(408, 410)은 고 강도를 갖는 광의 파장들을 나타낸다. 제1 피크(408)는 450nm 내지 500nm 범위의 파장에서 발생한다. 제1 피크(408)는 청색 다이오드에 의해 방출되는 냉 청색 여기 광을 나타낸다. 제2 피크(410)는 570nm 내지 590nm 범위의 파장에서 발생한다. 제2 피크(410)는 형광체 도포물에 의해 방출되는 황색 여기 광을 나타낸다. 그래프(400)는 청색과 황색 여기 광을 갖는 전체 광을 방출하는 LED로부터의 색 스펙트럼(402)을 도시한다. 황색 여기 광은 다이오드에 의해 방출되는 청색 여기 광을 승온하여 냉 광 LED로부터 더욱 따뜻한 전체 광이 생성된다.
도 5는 일 실시예에 따라 형성된 LED로부터의 색 스펙트럼(502)을 도시하는 그래프(500)이다. 그래프(500)는, 청색 다이오드, 형광체 도포물, 및 양자 도트들을 포함하는 이차 광학체를 구비하는 냉 광 LED로부터의 색 스펙트럼(502)을 나타낸다. 예를 들어, 그래프(500)는 도 2, 도 3에 각각 도시한 LED들(200, 300) 등의 LED로부터의 전체 광의 색 스펙트럼(502)을 나타낼 수 있다. 그래프(500)는, y축(504)에 광의 강도 및 x축(506)에 광의 파장을 나타낸다. 색 스펙트럼(502)은 제1 피크(508), 제2 피크(510), 및 제3 피크(512)를 포함한다. 피크들(508, 510, 512)은 고 강도를 갖는 광의 파장들을 나타낸다. 제1 피크(508)는 450nm 내지 500nm 범위의 파장에서 발생한다. 제1 피크(508)는 청색 다이오드에 의해 방출되는 냉 청색 여기 광을 나타낸다. 제2 피크(510)는 570nm 내지 590nm 범위의 파장에서 발생한다. 제2 피크(510)는 황색 형광체 도포물에 의해 방출되는 여기 광을 나타낸다. 제3 피크(512)는 610nm 내지 760nm 범위의 파장에서 발생한다. 제3 피크(512)는 이차 광학체 상의 양자 도트들로부터 방출되는 적색 방출 광을 나타낸다. 그래프(500)는 청색과 황색 여기 광 및 적색 방출 광을 갖는 전체 광을 생성하는 LED로부터의 색 스펙트럼(502)을 도시한다. 황색 여기 광은 다이오드에 의해 방출되는 청색 여기 광을 승온하여 냉 광 LED로부터 더욱 따뜻한 여기 광이 생성된다. 적색 방출 광은 LED에 의해 방출되는 여기 광을 더욱 승온하여 가시 스펙트럼의 적색 경계에 더욱 가까운 파장을 갖는 전체 온 광을 생성한다. 적색 방출 광을 부가함으로써, 도 5에 나타낸 색 스펙트럼은 도 4에 도시한 색 스펙트럼보다 따뜻한 전체 광을 생성한다.

Claims (8)

  1. 광학 조립체(200)로서,
    상류측 단부(222)와 하류측 단부(224)를 갖는 하우징(220);
    상기 하우징(220)의 상류측 단부(222)에 배치되고, 제1 파장을 갖는 여기 광(226)을 생성하도록 구성된 LED(204);
    상기 하우징(220)의 하류측 단부(224)에 배치된 광학체(210) - 상기 광학체(210)는, 상기 LED(204)와 상기 광학체(210) 사이에 캐비티(228)가 형성되도록 상기 LED(204)로부터 원격 배치되고, 상기 LED(204)로부터 생성된 여기 광(226)은 상기 캐비티(228)를 통해 상기 광학체(210)를 향하여 하류측으로 전달됨 - ; 및
    상기 광학체(210) 상에 배치된 양자 도트들(212)을 포함하고,
    상기 양자 도트들(212)이 상기 여기 광(226)의 제1 파장과는 다른 제2 파장 을 갖는 방출 광(230)을 생성하도록 상기 여기 광(226)이 상기 양자 도트들(212)을 여기하는, 광학 조립체(200).
  2. 제1항에 있어서, 상기 방출 광(230)은 상기 여기 광(226)보다 따뜻한, 광학 조립체(200).
  3. 제1항에 있어서, 상기 방출 광(230)의 제2 파장은 상기 여기 광(226)의 제1 파장보다 긴, 광학 조립체(200).
  4. 제1항에 있어서, 상기 LED(204)와 상기 광학체(210) 사이의 캐비티(228)는 상기 양자 도트들(212)의 열적 열화(thermal degradation)를 방지하는, 광학 조립체(200).
  5. 제1항에 있어서, 상기 광학체(210)는 내부 전반사 렌즈나 마이크로렌즈 중 적어도 하나인, 광학 조립체(200).
  6. 제1항에 있어서, 상기 광학체(210)는 상기 양자 도트들(212)로 도포된, 광학 조립체(200).
  7. 제1항에 있어서, 상기 양자 도트들(212)은 상기 광학체(210) 상에 배치된 라미네이트 층(laminate layer) 내에 임베딩된, 광학.조립체(200).
  8. 제1항에 있어서, 상기 LED(204)는 냉 광(cool light) LED인, 광학 조립체(200).
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