KR20140003549A - 조명 디바이스 - Google Patents

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제이미 고메즈 리바스
아브라함 루돌프 발켄엔데
마르쿠스 안토니우스 베르쉬우렌
가브리엘 세바스티안 로자노 바르베로
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코닌클리케 필립스 엔.브이.
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Abstract

LED 또는 레이저 다이오드와 같은 광원(110), 인광체와 같은 파장 변환 매체(120), 및 금속과 같은 고도로 편광가능한 재료로 이루어진 주기 안테나 어레이(300)를 포함하는 조명 디바이스(100)가 제안된다. 광원은 파장 변환 매체에 의해 적어도 일부가 2차 파장 광으로 변환되는 1차 파장 광을 방출한다. 주기 안테나 어레이는 파장 변환 매체에 가까이 근접하여 배치되고, 입사 1차 파장 광 또는 방출된 2차 광을 어레이의 개별 안테나의 국소 표면 플라스몬 폴라리톤의 회절 커플링으로부터 발생하는 표면 격자 공명에 커플링시킴으로써 파장 변환 매체의 흡수 및/또는 방출 공정의 효율을 증가시키는 작용을 한다. 이는 특히 프로젝션 시스템에 사용하기에 적합한 낮은 에텐듀의 조명 디바이스를 형성하거나, 2차 파장 광의 방향, 편광 및/또는 색을 제어하는데 특히 유리하다.

Description

조명 디바이스{ILLUMINATION DEVICE}
본 발명은 조명 디바이스에 관한 것이다. 본 발명은 특히 파장 변환 매체를 적용하는 디바이스에 관한 것이다. 상기 디바이스는, 예를 들어 조명 시스템, 프로젝션 시스템 및 레이저 시스템에 사용된다.
서술된 종류의 조명 디바이스의 실시예는 미국특허 제US7709811호에 공지된다. 상기 문헌은 청색 LED(예를 들어, GaN 또는 InGaN) 광원, 내부 광학 요소, 파장 변환 재료 및 외부 광학 요소(예를 들어, 플라스틱 또는 유리 렌즈)를 포함하는 조명 디바이스를 개시한다. 파장 변환 재료(예를 들어, 유기 염료 또는 무기 인광체(phosphor))는 LED로부터 떨어져 마주하는 내부 요소 측에 적용된다. 내부 광학 요소는 직사각형 또는 피라미드형 프리즘이며 LED에 의해 방출된 1차 광(primary light)을 파장 변환 재료로 지향시키도록 작용한다. 또한, 이는 파장 변환 재료에 의해 방출된 후방 방향의(즉, LED를 향한) 2차 광을 전방 방향으로(즉, LED로부터 멀어지도록) 재지향시키도록 작용한다. 외부 광학 요소는 1차 및 2차 광의 혼합물로 구성된 애플리케이션 특정 조도 분포(application specific illumination distribution)를 정의하도록 작용한다.
미국특허 제US7709811호에 개시된 바와 같은 디바이스는 열관리 문제, 효율 문제 및 발광 방향 문제와 같은, 그의 유용성을 제한하는 몇 가지 어려움을 나타낸다.
예를 들어, 다수의 조명 애플리케이션은 대략 수 와트(Watts)의 전력 수준을 제공하는 LED 기반 시스템을 지정한다. 비교적 작은 부피의 인광체 재료에 상기 전력 수준을 갖는 광을 집중시킬 경우, 파장 변환 공정에 고유한 스토크 손실(Stokes losses)은 높은 국소 열 소실을 초래한다. 대부분의 인광 재료에 공통된 통상적인 0.1-10 WK-1m-1의 전도도로는, 여기하는 1차 파장 광을 충분히 흡수하기 위해 필요한 통상적인 도포 두께(~100 ㎛)의 인광체 층에서 열 수송이 제한 요인이 된다. 이는 200-300 ℃를 쉽게 초과할 수 있는, 완화된 온도 수준의 인광체를 초래한다. 상기 수준에서 인광체의 변환 효율이 현저하게 저하되어, 잠재적으로는 추가 전력 손실 및 제어되지 않는 추가 가열을 초래한다.
또한, 상기 조명 디바이스의 전반적인 효율은 파장 변환 재료에서의 여기 및 방출 공정 효율에 의존한다. 여기 효율은 LED에 의해 방출된 1차 파장 광에서의 인광체의 흡수 강도에 의존한다. 방출 효율은 흡수 에너지(즉, 1차 파장 광)가 방출 에너지(즉, 2차 파장 광)로 변환되는 정도 및 이 방출된 에너지가 전방 방향으로 디바이스로부터 커플링되는 정도 모두에 의해 영향을 받는다. 흡수 효율에 있어서, 다수의 파장 변환 재료는 비교적 낮은 흡수 계수(400-480 nm 범위에서 여기시 통상적으로 10-100 cm-1)를 나타낸다. 이는 충분하거나 심지어는 완전한 여기 방사의 흡수를 위해 100-1000 ㎛ 두께의 파장 변환 재료 층이 필요함을 시사한다. 상기와 같은 비교적 두꺼운 두께는, 특히 레이저 광원과 조합하여 사용되는 경우 발광 영역 크기의 확장을 초래할 수 있으며, 따라서, 예를 들어 비머(beamers)로서의 프로젝션 애플리케이션 또는 자동차 헤드라이트에서 낮은 에텐듀(low etendue)의 광원으로서 상기 디바이스의 사용이 제한되는 결과를 초래할 수 있다.
또한, 파장 변환 재료의 평탄한 방출 표면은 램버시안(Lambertian) 방출 프로파일을 야기한다. 빔 성형 광학 요소는 애플리케이션 특정 조도 분포를 실현하기 위해 유용한 것으로 알려져 있지만, 이들 광학 요소는 대개 부피가 커서 LED 및/또는 파장 변환 재료와 정밀하게 정렬될 필요가 있으며, 통상적으로, 상이한 빔 성형, 및 상이한 광 색의 빔 지향(beam directing)이 가능하지 않은 약 분산 재료(weakly dispersing material)(예를 들어, 유리, 플라스틱)를 기반으로 한다.
본 발명의 목적은 상술한 문제들 중 적어도 하나가 경감된, 서술한 종류의 조명 디바이스를 제공하는 것이다. 상기 목적은 하기를 포함하는, 애플리케이션 특정 조도 분포를 제공하도록 설계된 조명 디바이스로 달성된다:
(i) 1차 파장의 광을 방출하도록 배열된 광원,
(ii) 광원과 수광 관계로 배열되며 1차 파장 광의 적어도 일부를 2차 파장 광으로 변환하도록 설계된 파장 변환 매체, 및
(iii)파장 변환 매체에 가까이 근접하여 배치되며, 애플리케이션 특정 조도 분포가 가능하도록 하기 위해 안테나 어레이가 개별 안테나의 국소 표면 플라스몬 공명의 회절 커플링으로부터 발생한 표면 격자 공명을 지원하도록 배열된 주기 안테나 어레이(periodic antenna array).
유리하게도, 본 발명은, 파장 변환 공정(여기 및/또는 방출)의 효율이 증가하므로 더 얇은 파장 변환 매체를 사용하는 것이 가능한 조명 디바이스를 제공한다. 또한 디바이스는, 주기 안테나 어레이의 적절한 설계를 통해, 방출된 광의 색, 방향 및 편광을 제어할 뿐만 아니라 방출된 광의 강도를 증가시키는 것을 가능하게 한다.
본 명세서에 사용된 용어 "가까이 근접한"은 주기 안테나 어레이와 파장 변환 매체 간의 거리가 1차 및/또는 2차 광의 파장보다 더 작은 것을 지칭한다. 따라서, 통상적인 조명 디바이스에 있어서, 상기 거리는 700 nm보다 작아야 하며, 바람직하게는 300 nm보다 작아야 하고, 더욱 바람직하게는 100 nm보다 작아야 한다. 따라서, 가까이 근접함은 또한 안테나 어레이가 파장 변환 매체의 표면상에 도포되는 경우도 포함한다. 이는 또한 안테나 어레이가 파장 변환 매체에 의해 에워싸인 경우도 포함한다.
제2항에 따른 본 발명의 실시예는 입사 1차 파장 광 또는 방출된 2차 광을 어레이의 개별 안테나의 국소 표면 플라스몬 폴라리톤(polaritons)의 회절 커플링으로부터 발생하는 표면 격자 공명에 커플링시킴으로써 파장 변환 공정을 개선하는 장점을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따라, 안테나 어레이의 주기성(periodicity)은 1차 또는 2차 파장 광 정도이다. 유리하게는, 이로 인해 광이 표면 격자 공명을 여기시키는 것이 가능하다.
제4항에 따른 조명 디바이스의 실시예는 유리하게도 디바이스의 조도 분포의 변형을 제어하는 것을 가능하게 한다. 램버시안으로부터 더 한정된 입체각(solid angle)으로의 발광 분포의 상기 변형은, 비머의 프로젝션 및 자동차 전면 조명과 같은 낮은 에텐듀의 조명 애플리케이션에 특히 유리하다.
제5항의 본 발명의 실시예는, 유리하게도 1차 및/또는 2차 파장 광과 어레이의 안테나 및 표면 격자 공명과의 커플링을 향상시키는 것을 가능하게 한다.
제6항에 따른 실시예에서, 연신가능하게 제어가능한 기판에 의해, 조명 디바이스의 방출 효율, 방출의 방향 및 방출된 파장을 적극적으로 제어하는 것이 가능하다.
제7항 내지 제10항에 따른 실시예에서, 예를 들어, 하나의 서브-어레이는 파장 변환 매체의 여기를 증가시키는 한편 다른 서브-어레이는 2차 파장 광의 방출을 증가시키고 2차 파장 광의 방향을 정의하는 것과 같이, 2개의 서브-어레이에 의해 안테나 어레이가 수 개의 광학 현상을 수용하도록 적절히 설계되는 것이 가능하다.
제11항 내지 제14항의 실시예는 유리하게도, 분포 피드백 레이저(distributed feedback laser)와 같은, 분포 피드백 발광 디바이스를 설계하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 상기 및 다른 양태들은 이후에 서술된 실시예로부터 명백하며 이후에 서술된 실시예를 참조로 설명된다. 하지만, 이들 실시예들은 본 발명의 보호 범위를 제한하는 것으로 해석될 수 없음을 이해한다.
본 발명의 추가의 상세내용, 특징 및 장점은 도면과 연계한 예시적이고 바람직한 실시예의 후속하는 설명에서 개시된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 조명 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 2a는 주기 안테나 어레이를 도해로 도시한다.
도 2b는 어레이 평면에 평행한 파동 벡터와 주파수의 함수로서 도 2a의 안테나 어레이를 통한 투과도를 도시한다.
도 3은 조명 디바이스의 방출 특성에 대한 안테나 어레이 변수의 조정 효과를 개략적으로 도시한다.
도 4는 안테나 어레이의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 조명 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 6a는 어레이 평면에 평행한 파동 벡터와 광 주파수의 함수로서 도 5의 실시예의 안테나 어레이를 통한 광의 소광(extinction)을 도시한다.
도 6b는 ~1.2°의 각도로 입사한 광에 대한 광 주파수와 안테나 길이의 함수로서 도 5의 다른 실시예의 안테나 어레이를 통한 광의 소광을 도시한다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 도파관 구조를 나타내는 조명 디바이스의 일부를 개략적으로 도시한다.
도 7b는 도 7a의 도파관 구조를 통한 광의 소광을 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 조명 디바이스(100)를 도시한다. 조명 디바이스(100)는 예를 들어, (무기 또는 유기) 발광 다이오드(LED), 공진 공동(resonant cavity) 발광 다이오드와 같은 반도체 광원, 수직 공동(vertical cavity) 레이저 다이오드 또는 측면 발광(edge emitting) 레이저 다이오드와 같은 레이저 다이오드(LD)와 같은 광원(110)을 포함한다. 가시 스펙트럼에서 구동가능한 상기 반도체 광원의 제조시 현재 유리한 재료 시스템은 III-V 족 반도체를 포함한다. 특히, III-질화물 재료로도 지칭되는, 갈륨, 알루미늄, 인듐 및 질소의 2원, 3원 및 4원 합금이 유리하다. 통상적으로, III-질화물 반도체 광원은 유기 금속 화학 기상 증착법, 분자 빔 에피택시 또는 다른 에피택셜 기법에 의해 사파이어, 탄화 규소, III-질화물 또는 다른 적절한 기판 상에 조성 및 도펀트 농도가 상이한 반도체 층들의 스택을 에피택셜 성장시킴으로써 제조된다. 스택은 종종 (i) 기판 위에 형성된, 예를 들어 Si으로 도핑된 하나 이상의 n-형 층, (ii) n-형 층 또는 층들 위에 형성된 발광 또는 활성 영역, 및 (iii) 활성 영역 위에 형성된, 예를 들어 Mg로 도핑된 하나 이상의 p-형 층을 포함한다. 종종 III-질화물 반도체 광원은 디바이스의 동일한 측 상에 두 콘택 모두를 갖도록 사파이어와 같은 절연 기판상에 제조된다. 상기 광원은, 콘택을 통하거나(에피택시-업 디바이스로 공지됨) 콘택에 대향하는 광원 표면을 통해(플립-칩 디바이스로 공지됨) 광이 추출되도록 탑재된다. 광원(110)은 1차 파장 광(111)을 방출하도록 배열된다. 상술한 반도체 광원에 적용된 합금에 따라, 1차 파장 광은 UV 근방(~365 nm) 내지 IR 근방(~1000 nm)의 범위이다.
또한, 조명 디바이스(100)는 파장 변환 매체(120)를 포함한다. 파장 변환 매체는 예를 들어 인광체, 양자 점(quantum dots), 유기 형광 염료 분자 등을 포함할 수 있다. 광원(110)에 의해 방출된 1차 파장 광(111)은 파장 변환 매체(120)에 의해 적어도 일부가 2차 파장 광(122)으로 변환된다. 당해 분야에 공지된 다수의 실제 파장 변환 매체에 있어서, 이들 매체의 여기 스펙트럼에 부합하는, 반도체 디바이스에 의해 방출된 1차 파장 광은 ~400 nm 내지 ~490 nm 범위이다.
실시예에 따라, 인광체를 포함하는 파장 변환 매체(120)는, 본 명세서에서 "발광 세라믹"으로 지칭되는 세라믹 슬래브(slab)로 형성된다. 상기 세라믹 슬래브는 일반적으로 광원(110)과 별도로 형성된 자립층(self-supporting layers)이다. 이후에, 이들은 완성된 (반도체) 광원에 부착되거나 광원과 수광 관계로 배치된다. 세라믹층은 반투명 또는 투명일 수 있다. 후자의 경우, 불투명 파장 변환 매체와 관련된 산란 손실이 현저하게 감소할 수 있다. 또한, 발광 세라믹층이 고형이므로, 안테나 어레이(300)와 같은 추가 광학 요소와 광학 접촉하도록 하는 것이 더 용이할 수 있다. 발광 세라믹층 내에 형성될 수 있는 인광체의 예는, 황색-녹색 범위에서 발광하는, Lu3Al5O12:Ce3 + 및 Y3Al5O12:Ce3 +와 같은 일반식 (Lu1 -x-y-a-bYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:CeaPrb(상기에서, 0<x<1, 0<y<1, 0<z≤0.1, 0<a≤0.2 및 0<b≤0.1); 및 적색 범위에서 발광하는, Sr2Si5N8:Eu2 +와 같은 (Sr1 -x- yBaxCay)2- zSi5 - aAlaN8 -aOa:Euz 2+(상기에서, 0≤a<5, 0<x≤1, 0≤y≤1, 및 0<z≤1)의 알루미늄 가닛(garnet) 인광체들을 포함한다. 적절한 Y3Al5O12:Ce3 + 세라믹 슬래브는 Baikowski International Corporation of Charlotte, NC로부터 구입할 수 있다. 예를 들어, SrSi2N2O2:Eu2+를 포함하는 (Sr1 -a- bCabBac)SixNyOz:Eua 2 +(a=0.002-0.2, b=0.0-0.25, c=0.0-0.25, x=1.5-2.5, y=1.5-2.5, z=1.5-2.5); 예를 들어 SrGa2S4:Eu2 +를 포함하는 (Sr1-u-v-xMguCavBax)(Ga2-y-zAlyInzS4):Eu2+; Sr1 - xBaxSiO4:Eu2 +; 및 예를 들어 CaS:Eu2 + 및 SrS:Eu2+를 포함하는 (Ca1 - xSrx)S:Eu2 +(상기에서, 0<x≤1)를 포함하는, 다른 녹색, 황색 및 적색 방출 인광체가 또한 적절할 수 있다.
실시예에 따라, 파장 변환 매체(120)는 양자 점을 포함할 수 있다. 이들 양자 점은 CdS, CdSe, CdTe, ZnS 또는 ZnSe을 포함할 수 있으며, ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, CdTe 또는 MgSe를 포함하는 재료로 선택적으로 오버코팅될 수 있다. 양자 점은 호스트 매트릭스의 중합체 성분에 관련된 단량체와 같은, 이들이 내장되는 호스트 매트릭스에 대해 친화성을 갖는 재료로 추가 코팅될 수 있다. 유리하게, 상기 코팅에 의해, 양자 점이 응집되지 않고 호스트 매트릭스에 분산되는 것이 가능하게 된다. 호스트 매트릭스는 폴리스티렌, 폴리이미드 또는 에폭시와 같은 중합체, 실리카 글라스 또는 실리카 겔일 수 있다.
실시예에 따라, 파장 변환 매체(120)는 호스트 매트릭스에 용해된 유기 형광 분자를 포함할 수 있다. 예를 들어, PMMA(Polymethylmethacrylaat), PC(Polycarbonate), PET(Polyethylene terephthalate), PEN(Polyethylene naphthalate)와 같은 호스트 재료 내의 BASF 루모겐(Lumogen) 염료이다.
조명 디바이스(100)는 또한 파장 변환 매체(120)에 가까이 근접하여 배치된, 즉 주기 안테나 어레이와 파장 변환 매체 간의 거리가 약 1차 및/또는 2차 광의 파장보다 더 작은 주기 안테나 어레이(300)를 포함한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 광원(110)을 향해 마주하는 파장 변환 매체(120) 측 상에 어레이가 배치될 수 있다. 이와 달리, 주기 안테나 어레이(300)는 광원에서 떨어져 마주보는 파장 변환 매체 측 상에 배치될 수 있다. 주기 안테나 어레이(300)는 예를 들어 금속과 같은 고도로 편광가능한 재료를 포함하는 안테나(301)(도 2a 참조)에 의해 형성된다. 예로서, 안테나는 금, 은, 구리, 백금 및 팔라듐과 같은 귀금속을 포함할 수 있다. 이와 달리, 이들은 니켈 또는 알루미늄과 같은 금속을 포함할 수 있다. 언급된 금속의 합금도 또한 가능하다. 이와 달리, 안테나(301)는 두 금속층: 크롬과 같은, 접합 목적의 얇은 하부층, 및 상술한 금속 또는 합금을 포함하는 더 두꺼운 상부층으로 구성될 수 있다.
따라서, 실시예에서, 주기 안테나 어레이는 예를 들어 기판 등각 임프린트 리소그래피(substrate conformal imprint lithography)를 이용하여 석영, 사파이어 또는 비도핑 세라믹 슬래브와 같은 (투명) 기판(140) 상에 증착될 수 있다. 이 기술은 얇은 유리 기판상의 2개의 고무 층으로 구성된 스탬프를 이용한다. 패턴은 단단한 실리콘 고무에서 주조되며, 얇은 유리 플레이트는 면외 방향으로 가요성이다. 상기 가요성으로 인해 등각 접촉이 이루어질 수 있으며, 따라서 결함 또는 표면 오염이 존재할 가능성이 있음에도 불구하고 매우 넓은 표면적 위에 나노-스케일 특징부의 정밀한 재현이 가능하다. 상기 기술을 이용하여, 250x40 nm2의 통상적인 크기이고 200-600 nm 범위의 주기성을 갖는 안테나를 포함하는 크기가 12 인치 웨이퍼만큼 큰 어레이를 용이하게 제조할 수 있다. 양자 점(적절한 호스트 매트릭스를 갖거나 갖지 않는)을 포함하는 파장 변환 매체(120)는 예를 들어, 안테나 어레이(300) 위에 스핀 코팅될 수 있다. 이와 달리, 적절한 호스트 매트릭스 내의 유기 형광 분자가 안테나 어레이 위에 스핀 코팅될 수 있다. 안테나는 광학적으로 균질의 매체, 바람직하게는 호스트 매트릭스에 내장되는 것이 유리하므로, 파장 변환 매체는 기판(140)과 동일하거나 실질적으로 유사한 유효 굴절율을 갖는다. 상기와 같은 균일한 광학적 주변 환경에 의해, 파장 변환 매체(120)의 산란 광이 기판(140)의 산란 광과 동일한 위상으로 전파할 수 있으므로, 1차 및/또는 2차 파장 광이 어레이의 안테나 및 표면 격자 공명과 더 잘 커플링되는 것이 가능하다. 이러한 문맥에서, 표면 격자 공명의 파장에서 실질적으로 유사한 유효 굴절율은 Δn이 0.5보다 작음을, 바람직하게는 0.3보다 작음을, 더욱 바람직하게는 0.05보다 작음을 의미한다. 일반적으로, 안테나(301)가 작을수록 더 대칭인 환경을 필요로 한다. 이와 달리, 주기 안테나 어레이(300)가 비도핑 세라믹 슬래브 상에 증착되는 경우, 이 슬래브는 파장 변환 매체(120)를 형성하는 도핑된 세라믹 슬래브에 접합될 수 있다. 이들 슬래브는 동일한 굴절율을 가지므로, 주기 안테나 어레이(300)를 동일한 호스트 결정을 포함하는 도핑된 세라믹 슬래브와 비도핑된 세라믹 슬래브 사이에 샌드위치되도록 배열하는 것이 특히 유리하다. 두 슬래브와 안테나 어레이 간의 공간을 두 슬래브의 굴절율에 부합하는 굴절율을 갖는 재료(예를 들어, 유체, 중합체 또는 졸겔)로 충진하여 어레이 환경의 광학적 균일성을 추가로 증가시킬 수 있다.
또한 이와 달리, 안테나 어레이(300)는 두 파장 변환 매체(120) 사이에 샌드위치될 수 있다. 예를 들어, 안테나 어레이(300)는 제1 파장 변환 매체(120) 상에 배치될 수 있는 한편, 제2 파장 변환 매체는 안테나 어레이를 커버한다. 실시예에서, 제1 및 제2 파장 변환 매체는 2개의 도핑된 세라믹 슬래브에 의해 형성된다. 다른 실시예에서, 제1 파장 변환 매체는 안테나 어레이가 그 위에 증착된 도핑된 세라믹 슬래브에 의해 형성되며, 제2 파장 변환 매체는 어레이 위에 스핀 코팅된 양자 점을 포함한다. 이들 실시예에서, 파장 변환 매체(120)는 안테나 어레이(300)를 둘러싼다. 선택적으로, 파장 변환 매체(120)는 별개의 방출 스펙트럼 또는 색상을 갖는 2개(또는 3개 또는 4개와 같은 그 이상의)의 재료를 포함할 수 있다. 상기 복수의 재료는 실질적으로 균질의 파장 변환 매체를 형성할 수 있다. 이와 달리, 재료는 상술한 샌드위치된 실시예에서와 같이 물리적으로 분리될 수 있다.
주기 안테나 어레이(300)는 개별 안테나(301)의 국소 표면 플라스몬 공명의 회절 커플링으로부터 발생하는 표면 격자 공명을 지원하도록 배열된다. 국소 표면 플라스몬 공명은 안테나(301)의 전도성 전자와 1차 파장 광(111) 및/또는 2차 파장 광(122)과 같은 전자기장과의 커플링을 통해 여기된 비-전파(non-propagating) 표면 모드이다. 전자기장은 도전성 전자가 안테나(301) 내부로 진동(oscillate)하도록 구동하여, 안테나의 형태 인자(form factor)에 따라 안테나로부터 발산되는 양극성 또는 다극성 필드(field)를 초래한다. 또한, 안테나 표면에서의 구동된 전자의 전하 축적은 안테나 내부에 편극소거 장(depolarization field)을 초래할 것이다. 전자의 반응이 구동 전자기장에 대해 π/2 위상 지연을 나타내는 경우 국소 표면 플라스몬 공명이 발생한다. 공명의 스펙트럼 위치(즉, 공명이 발생하는 주파수 또는 파장) 및 특징부는 안테나(301)의 재료 조성, 크기, 기하학적 구조 및 주변 환경에 의해 결정된다. 또한, 이들은 전자기장의 편극(polarization) 및 안테나-간 커플링에 의해 결정된다. 이들 변수를 적절히 제어함으로써, 1차 파장 광(111)이 국소 표면 플라스몬 공명과 공진할 수 있으며, 이로 인해 파장 변환 매체(120)의 여기가 증가하는 것이 가능하다. 유리하게는, 본 발명은 파장 변환 공정의 효율이 증가하므로 더 얇은 파장 변환 매체(120)를 사용하는 것이 가능하게 되는 조명 디바이스(100)를 제공한다. 또한, 2차 광원으로서 기능하는 더 얇은 파장 변환 매체(120)는, 특히 광원(110)으로서 레이저(다이오드)를 사용하는 경우, 낮은 에텐듀의 발광 디바이스로서 조명 디바이스(100)의 적합성을 향상시킨다. 또한, 국소 표면 플라스몬 공명은 안테나 어레이(300) 면에 대한 임의의 입사각의 1차 파장 광(111)에 대해 여기될 수 있어서, 유리하게는 비-시준(non-collimated) LED를 사용하는 것을 가능하게 한다.
여기 효율은 개별 국소 표면 플라스몬 공명의 회절 커플링으로부터 발생하는 표면 격자 공명에 입사 1차 파장 광(111)을 커플링함으로써 추가로 증가할 수 있다. 유리하게는, 표면 격자 공명에 대한 커플링을 최적화하도록 1차 파장 광(111)이 시준될 수 있다. 따라서, 조명 디바이스(100)는 렌즈 또는 복합 포물선 시준기(compound parabolic collimator)와 같은 선택적인 시준 광학체(160)를 포함할 수 있다(도 1 참조). 또한, 조명 디바이스는 안테나(301)의 방향에 대해 1차 파장 광(111)의 편광을 제어하기 위해 선택적인 편광체(예를 들어, 시준 광학체(160)와 통합됨)를 포함할 수 있다. 1차 파장 광(111)을 주기 안테나 어레이(300)의 표면 격자 공명에 커플링시킴으로써 여기 효율을 증가시키는 것에 추가하거나, 그에 대신하여, 2차 파장 광(122)을 상기 격자 공명에 커플링시킬 수 있다. 상기 커플링으로 인해, 디바이스의 광학 축(200)에 대해 미리 정해진 각도 α로 미리 정해진 입체각(solid angle) Ω 내에서 조명 디바이스(100)로부터 2차 파장 광(122)이 방출될 수 있다. 반대로, 주기 안테나 어레이(300)가 없으면, 2차 광은 근본적으로 램버시안 분포로 파장 변환 매체(120)로부터 방출될 것이다. 램버시안으로부터 좀 더 한정된 입체각까지의 상기와 같은 발광 분포의 변형은 특히, 비머의 프로젝션 및 자동차 전면 조명과 같은 낮은 에텐듀의 조명 애플리케이션에 유리하다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 주기 안테나 어레이(300)의 적용은, 여기된 파장 변환 매체(120)가 안테나 어레이(300)에 그레이징(grazing)하는 격자 모드로 감쇠되는 것을 증가시키고 어레이에서의 산란을 통해 이들 모드를 자유 공간 복사(free space radiation)에 커플링시킴으로써, 상기 애플리케이션에서 조명 디바이스(100)의 유용한 방출을 효과적으로 증가시킨다. 이러한 증가는 안테나 어레이를 적용하지 않고 수득된 램버시안 방출 프로파일과 비교하여 특정 파장-각도 영역 내에서 10, 20 또는 50 초과의 인자에 도달할 수 있다.
상술한 2가지 효과-펌프 증가 및 방출 변형은 안테나(301)의 기하학적 구조 및 크기, 및 어레이(300)에서의 안테나(301)의 공간 구성에 따라 조합되거나 독립적으로 적용될 수 있다. 따라서, 커플링의 강도는 파장 및 편광에 의존하고 2차 파장 광(122)의 방출 방향성은 표면 격자 공명의 각도 분산과 근접하게 유사하므로, 애플리케이션 특정 조도 분포-색상(색조(hue), 채도(saturation), 색점, 색온도), 방향 및 편광을 포함-는 주기 안테나 어레이(300)를 적절히 설계함으로써 실현될 수 있다.
산란된 (1차 및/또는 2차) 광의 파장과 동시간에 걸치는 격자 상수를 갖는 어레이(300)에 안테나(301)가 주기적으로 배열될 경우 표면 격자 공명이 효과적으로 여기될 수 있다. 어레이(300)에 의해 일관되게 산란된 지연 필드(retarded field)에 의해 단일 안테나(301)의 국소 표면 플라스몬 공명과 관련한 감폭(damping)이 부분 소거(partial cancelation)되는 것으로부터 공명이 초래될 수 있다. 표면 격자 공명은 회절 차수가 특징상 복사에서 소멸(evanescent)로 변화하는 에너지 근방(통상적으로 약간 적색 편이(red-shifted)되어)에서, 즉 레일리 이상(Rayleigh anomaly) 근방에서 발생한다. 레일리 이상이 발생하는 파장은 안테나 어레이(300)를 둘러싸는 매체의 격자 상수 및 굴절율에 의해 주로 결정된다.
Figure pct00001
로 주어지는, 평면 또는 어레이(300)에 평행한 파동 벡터 성분에 있어서, 이는 하기식에 대한 해이다.
Figure pct00002
상기에서, (m1,m2)는 회절 차수를 정의하는 정수이며, kout 및 kin은 각각 산란 및 입사 파동 벡터이다. 안테나 어레이(300) 평면에의 법선(normal)에 대한 광의 입사각은 θin으로 나타내며(
Figure pct00003
으로 가정 - 도 2a 참조), ax 및 ay는 각 방향의 어레이의 주기성을 정의한다.
도 2a에 나타낸 바와 같이, 안테나(301)는 길이(L), 폭(W) 및 높이(H)를 갖는 직사각형 형태 인자를 가질 수 있으며, 주기성(ax 및 ay)을 갖는 직사각형 어레이에 배치된다. L은 50 nm 내지 400 nm 범위일 수 있으며, W는 20 nm 내지 200 nm 범위일 수 있고, H는 10 nm 내지 70 nm 범위일 수 있다. 어레이(300)의 주기성 ax은 통상적으로 150 nm 내지 600 nm 또는 ~1.5xL 내지 ~2xL의 범위인 반면, 주기성 ay는 통상적으로 100 nm 내지 300 nm 또는 ~1.5xW 내지 ~3xW의 범위이다. 예로서, 석영 기판 상에 증착되고 200 nm 두께의 CdSe/CdS 코어 쉘 양자 점 코팅으로 커버되며 상수 ax=350 nm 및 ay=200 nm인 직사각형 격자에 구성되고 치수가 LxWxH=250x70x20 nm3인, 은을 포함하는 안테나(301)의 어레이(300)는 484 nm[ω/c=2π/λ]에서 안테나의 단축에 평행한 편광을 갖는 광에 대해 국소 표면 플라스몬 공명, 및 587 nm 근방의 표면 격자 공명을 산출한다(도 2b 참조). 도면은 어레이/양자 점 구조를 통한 광의 투과도를 묘사한다(우변상에 상대 스케일로). 관찰될 수 있는 바와 같이, 484 nm 근방에서의 국소 표면 플라스몬 공명은 모든 k//값(또한
Figure pct00004
)에 대해 거의 일정한 채로 유지되며, 이는 비-전파 또는 국소 거동을 나타낸다. 이는 또한 상기 공명이, 비-시준 광원(110)으로부터 1차 파장 광(111)의 흡수가 증가되는 것을 가능하도록 하는 임의의 입사각을 본질적으로 갖는 광에 의해 여기될 수 있음을 나타낸다. 국소 표면 플라스몬 공명의 회절 커플링은 k//=0에서, 즉 법선(normal) 입사에서 587 nm 근방으로 투과되는 광에서 광학적으로 훨씬 더 좁은 감소를 초래한다. 이 경우 회절 커플링은 편광에 수직인 방향을 따라, 즉 x-방향을 따라 발생한다. 레일리 이상의 위치는 검은색 곡선으로 나타낸다.
안테나(301)는 반드시 직사각형이어야 할 필요는 없으며: 이들은 원형, 타원형 및 다각형-예를 들어, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 오각형 및 육각형- 형상으로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 또한 어레이(300)의 주기성도 정사각형 어레이, 직사각형 어레이, 삼각형 어레이, 육각형 어레이 및 준결정 어레이로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 준결정은 5-겹 또는 10-겹 대칭과 같은 금지된 결정 대칭을 갖는 어레이 류를 구성한다. 개별 안테나(301)의 형상 및 어레이(300)의 주기성 모두 조명 디바이스(100)에 의해 방출된 광의 대칭 및 방향에 영향을 미친다. 예를 들어, 좀더 원형인 형상 및 좀더 정사각형인 주기성은 좀더 대칭적인 특징을 갖는 조도 분포를 초래한다. 이와 달리, 삼각형 또는 실질적인 삼각형(배 유사) 형상과 같은 비대칭 형태를 갖는 안테나는 비대칭 조도 분포를 초래한다. 후자는 자동차 전면 조명의 변환 또는 통과 빔(dipped or passing beam)과 같은, 상기 비대칭 광 분포를 요구하는 조명 애플리케이션에 유리할 수 있다.
예로서, 2개 이상의 안테나 어레이(300)를 적용함으로써 도넛 또는 링 종류의 조도 분포가 가능하다. 예를 들어, 한 어레이의 안테나(301)의 장축이 다른 어레이에 대해 회전하도록 직사각형 격자를 갖는 2개 이상의 어레이를 배향시킬 수 있다. 예를 들어 서로에 대해 90도로 회전된 거울 대칭을 갖는 2개의 동일한 어레이의 경우를 고려한다. 어레이가 한 방향만을 따라 표면 격자 공명을 계속하고 광각(large angle)에서만 인광체 방출의 중첩을 계속하는 경우, 방출은 광각에서만 안테나(301)에 의해 증가할 것이다. 따라서, 두 경우 모두 광각에서만 한 어레이는 +/- x-방향을 향해 방출이 증가하는 한편, 다른 어레이는 +/- y방향을 향해 방출이 증가할 것이다. 상술한 바와 같이 서로에 대해 회전되는 어레이를 추가로 추가함으로써, 도넛 형상의 빔이 생성될 수 있다. 이들 어레이는 한 평면에 배치될 수 있으며, 따라서 이들은 수퍼-어레이를 형성하는 서로 엮여 있는(interwoven) 서브-어레이로서 본질적으로 이해될 수 있다. 이와 달리, 어레이는 적층 구성으로 배치될 수 있으며, 여기서 제1 안테나 어레이는 광원(110)을 향해 마주하는 파장 변환 매체(120) 측에 가까이 근접할 수 있으며, 제2 안테나 어레이는 광원으로부터 떨어져 마주하는 측에 가까이 근접할 수 있다. 실시예에서, 그러한 적층 구성은 어레이1-매체1-어레이2-매체2-어레이3 구성의 3개의 안테나 어레이 및 2개의 파장 변환 매체와 같은, 서로 교호하는 다중 안테나 어레이 및 파장 변환 매체를 포함할 수 있다. 그러한 적층 구성은 좀 더 많은 어레이 및 매체를 갖도록 확장될 수 있으며, 상기에서 이들 어레이 각각은 상이한 안테나 재료를 포함할 수 있거나, 서브-어레이를 포함할 수 있거나, 상이한 주기성을 가질 수 있으며, 상기에서 파장 변환 매체는 모두 단일 재료를 포함할 수 있거나, 각각 상이한 재료를 포함할 수 있거나, 파장 변환 재료의 혼합물을 포함할 수 있다.
도 3은 조명 디바이스(100)의 발출 특성에 대한 안테나 어레이(300) 설계의 영향을 질적으로 설명하며, 어레이(300)는 2차 파장 광(122)에서 표면 격자 공명을 지원하도록 설계된 것으로 가정한다. 묘사된 것은 수직축 상의 광학 스펙트럼 대 어레이 평면에 평행한 적절한 파동 벡터이다. 곡선(400)은 파장 변환 매체(120)의 방출 스펙트럼의 스펙트럼 강도를 묘사한다. 곡선(410 및 420)은 각각, 제1 어레이 및 제2 어레이의 표면 격자 공명의 분산 관계를 묘사한다. 일반적으로, 형태 인자가 더 작은 안테나 및 주기성이 더 낮은 어레이는 각각 상응하는 국소 표면 플라스몬 공명 및 표면 격자 공명을 스펙트럼의 청색 부분으로 이동시킨다. 또한, 은 안테나의 공명은 동일한 기하학적 특성 및 주기성을 갖는 금 안테나에 대해 청색 이동된다. 따라서, 예를 들어, 도시된 구성에서, 제1 어레이(곡선 410)는 제2 어레이(곡선 420)보다 더 조밀하다. 곡선(410 및 420)이 인광체의 방출 스펙트럼(400)과 중첩되는(굵은 선 부분) 곳에서 광학적 증가가 발생한다. 곡선(420 및 400)이 더 작게 중첩됨으로 인해, 조명 디바이스(100)의 방출은 제2 어레이 적용시 좀더 채도가 높은 색을 가질 수 있다. 또한, 유리하게는 제1 어레이를 적용한 경우 더 작은 각(smaller angle) α1과 비교하여 어레이(300) 평면의 법선에 대해 좀더 광각 α2에서 광이 방출될 것이다. 어레이가 조명 디바이스의 광학 축(200)에 수직(normal)으로 배치된다고 가정하면, 이들 각은 방출 각 α에 상응한다(도 1 참조). 하지만, 어레이가 반드시 광학 축에 수직으로 배치되어야 할 필요는 없다.
실시예에서, 주기 안테나 어레이(300)는 광원(110)을 향해 마주하는 파장 변환 매체(120) 측 상에 배치된다. 그러한 구성은, 예를 들어 파장 변환 매체의 두께가 어레이와의 상호작용 길이를 넘어 연장되는, 즉 약 1차 및/또는 2차 광의 파장보다 더 큰 두께인 경우에 특히 유리하다. 이어서 파장 변환 매체(120)는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 안테나 어레이(300)에 가까이 근접하는 제1 부분은 상술한 바와 같이 어레이와의 상호작용에 의해 결정된 발광 방출(복사 증가, 변형된 방출 분포 등)을 나타낼 것이다. 제2 부분은, 2차 파장 광이 4π를 초과하여, 즉 전방 및 후방 방향으로, 즉 광원(110)을 향해 방출되는 "종래의" 방출 특성을 나타낼 것이다. 후방 방향으로 방출된 광은 이제 표면 격자 공명을 통해 어레이(300)와 상호작용할 수 있다. 상기 후방을 향한 광의 일부는 안테나 어레이에 의해 반사되어, 후방 방향의 2차 파장 광(122)의 손실을 감소시킴으로써 디바이스의 발광 효율을 증가시킬 수 있다.
실시예에서, 주기 안테나 어레이(300)는 2개의 서로 엮여 있는 서브-어레이(도 4)를 포함한다. 제1 서브-어레이(310)는 제1 안테나(311)를 포함하고, 제2 서브-어레이(320)는 제2 안테나(322)를 포함한다. 각 서브-어레이는 고유 주기성을 가질 수 있으며, 각 서브-어레이의 안테나의 형태 인자 및 재료 조성은 요구된 광학 효과를 위해 조정되도록 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 제1 안테나는 금을 포함할 수 있으며 직사각형 형상을 갖는 한편, 제2 안테나는 은을 포함할 수 있고 실질적으로 삼각형 형상을 갖는다. 도 4에 묘사된 바와 같은 어레이 평면에서의 안테나의 삼각형 형상과 달리, 삼각형 형상은 예를 들어 피라미드, 리지(ridge) 또는 사면체 형상 안테나에 의해 형성된 바와 같이 면외(out of plane)일 수 있다. 유리하게는, 제2 서브-어레이(320)는 1차 파장 광(111)이 국소 표면 플라스몬 공명을 여기시켜 파장 변환 매체(120)의 여기를 증가시키도록 설계될 수 있는 반면, 제1 서브-어레이(310)는 2차 파장 광(122)에서, 즉 파장 변환 매체(120)의 방출 스펙트럼 내에서 표면 격자 공명을 지원하도록 설계될 수 있다. 이와 달리, 파장 변환 매체(120)는 각각 제1 방출 파장 범위 및 제2 방출 파장 범위를 갖는, 2개의 인광체 또는 2종류의 양자 점과 같은 2개의 재료를 포함할 수 있다. 주기 안테나 어레이(300)는 이제, 제1 서브-어레이(310)가 제1 방출 파장 범위 내의 제2 파장(122)에서 개별 제1 안테나(311)의 국소 표면 플라스몬 공명의 회절 커플링으로부터 발생한 표면 격자 공명을 지원하도록 설계될 수 있다. 또한, 제2 서브-어레이(320)는 제2 방출 파장 범위 내의 제2 파장(122)에서 개별 제2 안테나(322)의 국소 표면 플라스몬 공명의 회절 커플링으로부터 발생한 표면 격자 공명을 지원할 수 있다. 이에 의해 방향 및 색 모두에 있어서 조명 디바이스(100)의 방출 특성 제어가 가능하다. 애플리케이션 특정 조도 분포는 조명 디바이스(100)의 광학 축(200)에 대해 제1 입체각 Ω1 및 제 1각 α1으로 방출되는 제1 색점 또는 색온도를 갖는 광, 및 제2 입체각 Ω2 및 제2 각 α2으로 방출되는 제2 색점 또는 색온도를 갖는 광을 포함할 수 있다. 예로서, 차량의 하향 또는 변환빔(low or dipped beam)은 유리하게는 도로 중간부를 향해서는 좀더 황색이 도는 색점을 갖는 광을 포함할 수 있고 도로 측부를 향해서는 좀더 청색이 도는 색점을 갖는 광을 포함할 수 있다. 유리하게는, 상기와 같은 광 분포는 다가오는 운전자에 대한 불편함을 감소시킴과 동시에, - 인간의 눈은 암소시(scotopic) 광 조건하에서 가시 스펙트럼의 청색 부분에 좀더 민감하므로 - 자동차 운전자가 도로 측부 또는 보도의 표지판 또는 사람을 더 잘 볼 수 있게 할 것이다.
실시예에서, 기판(140)은 연신가능하게 제어가능하도록 배열된다. 예로서, 니오븀산 리튬(LiNbO3) 또는 KTP(potassium titanyl phosphate)와 같은, 압전 효과를 나타내는 광학 투명 재료가 기판(140)을 형성하기 위해 기능할 수 있다. 상기 재료의 전기적 제어가능한 팽창 및 수축으로 인해 단일(x 또는 y) 방향 또는 양방향 중 어느 하나로 안테나 어레이(300)의 주기성을 조정하는 것이 가능하다. 표면 격자 공명이 발생하는 광학 주파수는 다른 무엇보다도 어레이의 주기성에 의해 결정되므로, 이로 인해 조명 디바이스(100)의 방출 효율, 방출의 방향성 및 방출 파장을 적극적으로 제어하는 것이 가능하다. 이와 달리, 안테나 어레이(300)는 30%를 초과하여 기계적으로 연신될 수 있는, 폴리디메틸실록산(PDMS)을 포함하는 기판과 같은 변형가능 중합체 기판(140) 상에 증착될 수 있다. 기계적 연신은 MEMS(microelectromechanical system)의 사용을 통해 전기적으로 제어가능할 수 있거나, 열 또는 습도에 의해 유도될 수 있다. 다른 실시예에서, 안테나 어레이(300)는 변형에 의해 상 전이되는 액정 중합체를 포함하는 기판상에 증착될 수 있다. 후자는 전기적으로 제어가능할 수 있다.
도 5에 따른 본 발명의 실시예에서, 조명 디바이스(500)는, 애플리케이션 특정 조도 분포를 제공하도록 설계되며, 1차 파장(511)에서 발광하도록 배열된 광원(510), 광원과 수광 관계로 배열되며 1차 파장 광의 적어도 일부를 2차 파장 광(522)으로 변환시키도록 설계된 파장 변환 매체(520), 및 파장 변환 매체에 가까이 근접하게 배치되며, 안테나 어레이가, 예를 들어 방출 스펙트럼의 피크 파장 또는 방출 스펙트럼 측면의 파장에서 파장 변환 매체의 방출 스펙트럼 내의 주파수 갭을 지원하도록 배열된 주기 안테나 어레이(530)를 포함한다. 다른 실시예에서, 안테나 어레이(530)는 조명 디바이스(500)로부터 방출된 2차 파장 광(522)에서 방출 스펙트럼 내의 전자기 유도 투과(electromagnetically induced transparency)를 지원한다. 또 다른 실시예에서, 안테나 어레이(530)는 주파수 갭 및 전자기 유도 투과 모두를 지원한다.
도 6a는 유리 기판상에 배치되며 상수 ax=600 nm 및 ay=300 nm인 격자에 배열된 치수 450x120x38 nm3의 금 안테나의 3x3 mm2 어레이(530)의 소광(extinction)을 도시한다(삽도 SEM 이미지 참조). 소광 스펙트럼은 환산 주파수(reduced frequency)(ω/c), 및 입사 파동 벡터의 어레이 평면 상으로의 투영(projection)의 함수로서 표시된다. 광의 편광은 안테나의 단축을 탐색하면서 y-방향을 따라 설정되었다. 소광은 다수의 공명을 표시한다. 무엇보다도, ~9 mrad/nm에 집중된 광범위하고 분산되지 않은 피크는 국소 표면 플라스몬 공명의 여기에 상응한다. (±1,0) 레일리 이상은 상향 경사 및 하향 경사의 진한 선으로 나타낸다. 상향 및 하향 경사의 격자 공명은 레일리 이상에 약간 적색-이동된 것을 관찰할 수 있다. 표면 격자 공명의 근원은 상술한 레일리 이상에 대한 국소 표면 플라스몬의 커플링이다. 더 낮은 (-1,0) 격자 공명은 안테나 어레이의 분산도에서 주파수 갭을 발생시키면서 k//=0 근방에서 사라지는 것을 관찰할 수 있다. 유리하게는, 그러한 주파수 갭으로 인해 분포 피드백 레이저(500)를 형성하는 것이 가능하다.
도 6b는 다른 모든 변수들(안테나 폭, 높이, 격자 상수 등)은 일정하게 유지하면서 안테나의 길이(x 방향의)를 감소시키는 경우 작은 입사각(~ 1.2 °)에서의 어레이의 소광을 도시한다. 소광 스펙트럼은 주어진 입사각에 대해 도 6a에 설명된 바와 같은 표면 격자 공명이 발생하는 주파수로 한정된다. 소광에서 관찰된 피크는 표면 격자 공명의 여기에 상응하고, 7.07 mrad/nm 및 7.2 mrad/nm 근방의 소광의 딥(dips)은 각각 (1,0) 및 (-1,0) 레일리 이상에 상응한다. 도 6a에 도시된 소광은 길이 450 nm의 안테나에 상응하고; 이 길이에 대해, 상기와 같은 작은 입사각에서는 (-1,0) 표면 격자 공명이 존재하지 않으며, 즉 단일 공명이 존재한다. 하지만, 안테나 길이가 감소함에 따라, 소광 스펙트럼은 도 6b에 도시된 바와 같이, 단일 공명 피크를 갖는 것에서 2개의 공명 피크를 갖는 것으로 변경된다. 특히 유리한 것은, 딥(전자기 유도 투과 영역)이 2개의 피크 사이에서 관찰될 수 있는, 250 nm 안테나 길이 근방의 영역이다. 이 구성에서, 소광에서의 상기 딥이 발생하는 주파수는 (-1,0) 레일리 이상의 주파수와 동일하다. 하지만, 안테나 어레이는 전자기 유도 투과가 (0,-1), (-1,1) 또는 (2,1) 레일리 이상과 같은 다른 레일리 이상에서 발생하도록 설계될 수 있다.
따라서 실시예에서, 안테나 어레이(530)는, 조명 디바이스(500)로부터 방출된 2차 파장 광(522) 근방의 표면 격자 공명을 지원하고 2차 파장 광에 상응하는 주파수에서 레일리 이상이 표면 격자 공명과 교차하도록 배열된다. 이와 같은 구성은 어레이의 주기성에 대해 안테나의 기하학적 형태 인자(LxWxH)를 적절히 설계함으로써 배열될 수 있다.
상기는 7 mrad/nm(~ 888 nm의 파장에 상응) 근방에서 유도 투과를 표시하는 어레이와 함께 설명되지만, 어레이 변수를 적절히 조정함으로써 가시 스펙트럼의 임의의 위치에 투과를 설계하는 것이 가능하다. 예를 들어, 상수 ax=350 nm 및 ay=200 nm인 직사각형 격자에 구성된 치수 250x70x20 nm3의 은 안테나 어레이는 λ=483 nm에서 안테나의 단축에 대해 국소 플라스몬 공명을 산출할 것이며, λ=587 nm 근방에서 표면 격자 공명을 초래한다. 또한, 안테나 폭을 70 nm 에서 40 nm로 감소시키면 국소 플라스몬 공명이 청색으로 더 이동할 것이며; 격자 상수 ax=350 nm를 ax=250 nm로 감소시키면 표면 격자 공명이 450 nm 근방으로 청색-이동할 것이다.
유리하게는, 전자기 유도 투과로 인해 도 5에 묘사된 것과 같은 분포 피드백 표면 폴라리톤 조명 디바이스(500)를 제조하는 것이 가능하다. 그러한 디바이스는 파장 변환 매체(520) 및 안테나 어레이(530)를 내장 또는 양쪽에 걸치는 선택적인 캐비티(560)를 추가로 포함할 수 있다. 캐비티(560)는 거울(561 및 562)에 의해 형성된다. 거울(561)은 1차 파장 광(511)에 투과성인 반면, 2차 파장 광(522)에 반사성이다. 거울(562)은 2차 파장 광에 대해 적어도 일부가 반사성이다. 유리하게는, 공명 안테나에 대한 커플링이 파장 변환 매체의 발광체의 감쇠 속도를 증가시키므로, 안테나 어레이(530)에 가까이 근접한 파장 변환 매체(520)의 방출이 증가할 것이다. 이러한 방출 증가에도 불구하고, 안테나 어레이(530)는 전자기 유도 투과로 인해 파장 변환 매체(520)의 방출 주파수에서 원거리(far field) 소광에 대해 투과성이 유지된다. 방출 증가 및 원거리 투과가 동시에 일어날 가능성이 안테나 어레이(530)의 상이한 근거리 및 원거리 거동으로부터 발생한다. 따라서, 이로 인해 조명 디바이스(500)는 (수퍼-형광) LED 로서 뿐만 아니라 레이저로서도 기능하는 것이 가능하다. 이와 달리, 도 6a에 도시된 바와 같은 분산을 갖는 안테나 어레이(530)를 이용하여, 즉 전자기 유도 투과가 없이 분포 피드백 레이저도 또한 생성될 수 있다. 그러한 디바이스에서, 밴드 에지(band edge)에서, 즉 2개의 표면 격자 공명의 주파수가 서로 접근하는 주파수 갭 근방에서 레이저광선을 발하는 것(lasing)이 가능하다. 2차 파장에서 전자기 유도 투과를 갖는 것의 주요 장점은, 도 5에 도시된 바와 같이 캐비티(560)에 안테나 어레이(530)를 내장할 수 있으며 캐비티 내에서 방출의 공명 증가와 피드백 광의 무시할만한 손실이 동시에 발생한다는 것에 있다. 안테나는 2차 파장(522)에서 공명하므로, 상기 유도 투과 없이도, 캐비티 내에서 재순환되는 임의의 2차 파장 광은 안테나 어레이(530)에 의해 흡수 또는 산란되기 쉽다는 것을 깨닫는 것이 중요하다.
또 다른 실시예에서, 조명 디바이스는 그의 광원과 수광 관계로 배치된, 도 7a에 묘사된 바와 같은 도파관 구조를 포함한다. 도파관 구조는 안테나 어레이(730)의 가까이에 근접하여 배열되며 투명 기판(740) 및 투명 매체(760)에 의해 덮인(clad) 파장 변환 매체(720)를 포함한다. 투명 기판(740)(예를 들어, SiO2- n=1.46) 및 투명 매체(760)(예를 들어, 공기 - n=1)는 이후에 광에 대해 도파 모드(guided mode)를 유도하기 위해 파장 변환 매체(720)(예를 들어, YAG:Ce - n=1.7)의 굴절율보다 더 낮은 굴절율을 갖는다. 안테나 어레이(730)는 어레이 주변 환경의 광학적 균일성을 증가시키도록 배열된 코팅(750)(예를 들어, Si3N4 - n=2.0)에 침지되며, 이로 인해 파장 변환 매체(720)에서의 도파 모드의 1차 및/또는 2차 파장 광을 안테나의 국소 표면 플라스몬 공명 및 안테나 어레이(730)의 표면 격자 공명과 좀더 효율적으로 커플링하는 것이 가능하다. 국소 표면 플라스몬 공명과 도파 모드 간의 강력한 커플링은 비교적 긴 수명 및 큰 품질 인자가 특징적인 폴라리톤 혼성 모드를 초래하며, 따라서 조명 디바이스에 의해 방출된 광을 증가시키고 조정하는(tailoring) 것을 가능하게 한다.
도파 구조의 안테나 어레이(730)에 의해, 그렇지 않으면 모멘텀 불일치로 인해 원거리 조명에 의한 접근이 어려운 도파관(720)의 도파 모드에 조명 디바이스 광원의 원거리 입사 1차 광을 커플링시키는 것이 가능하다. 파장 변환 매체(720)는 통상적으로 두께가 50 nm-5 ㎛ 사이, 더 바람직하게는 100 nm-1 ㎛ 사이, 더욱더 바람직하게는 200 nm-800 nm 사이이다. 안테나를 둘러싼 코팅(750)의 두께는 5 nm-50 nm 사이, 바람직하게는 10 nm-40 nm 사이, 예를 들어 20 nm이다. 이는 파장 변환 매체(720) 상에 예를 들어 Si3N4 층을 1차 증착한 다음, 기판 등각 임프린트 리소그래피를 이용하여 안테나 어레이를 배치하고, 플라즈마 강화 화학 기상 증착을 통해 안테나를 캡슐화하는 예를 들어 Si3N4의 제2층에 의해 완성함으로써 적용될 수 있다. 추가의 장점으로서, 코팅(750)은 안테나 어레이를 산화의 유해한 결과로부터 보호한다.
도 7b는 도 7a의 도파관 구조를 통한 광의 소광을 도시한다. 3개의 구별되는 특징부를 관찰할 수 있다. 먼저, 입사각과는 무관하게, 약 500-550 nm 사이에서 개별 안테나에서의 국소 표면 플라스몬 공명을 확인할 수 있다. 또한, 2개의 공명 구조를 확인할 수 있다. 0°의 입사각에 대한 약 760 nm에서의 첫번째는 레일리 이상, 및 도 5&6과 함께 상술한 표면 격자 공명에 기인한 것일 수 있다. 0°의 입사각에 대한 약 700 nm에서의 두번째 공명 구조는 강력하게 커플링된 도파 모드와 국소 표면 플라스몬 공명의 폴라리톤 혼성 모드와 관련될 수 있다. 소광 및 발광(미도시) 모두에 있어서 공명 구조의 스펙트럼 위치 및 각 위치(angular position)는 안테나의 크기, 형상 및 재료, 안테나 어레이의 주기성, 도파관 및 코팅의 존재 및 두께, 및 투명 기판(740) 및 매체(760)의 굴절율에 따라 조정될 수 있다. 이로 인해 조명 디바이스에 의해 제공된 애플리케이션 특정 조도 분포의 다용도 설계가 가능하다. 예를 들어, 안테나(730) 주변에 코팅(750)을 생략하면 표면 격자 공명에 지나치게 큰 광학적 불균질이 발생하도록 유도된다. 이와 달리, 기판(740) 및 매체(760)의 굴절율을 파장 변환 매체(720)의 굴절율 이상까지 증가시키면 도파 모드가 발생하는 것을 방지할 것이다.
따라서, 애플리케이션 특정 조도 분포를 제공하도록 설계된 조명 디바이스가 제공되며, 이는: (i) 1차 파장에서 발광하도록 배열된 광원, (ii) 광원과 수광 관계로 배열되며 1차 파장 광의 적어도 일부를 2차 파장 광으로 변환하도록 설계된 파장 변환 매체, 및 파장 변환 매체에 가까이 근접하여 배치되며, 애플리케이션 특정 조도 분포가 가능하도록 하기 위해 안테나 어레이가 개별 안테나의 국소 표면 플라스몬 공명을 도파관 모드와 커플링시키는 것을 지원하도록 배열된 주기 안테나 어레이를 포함하는 도파관 구조를 포함한다. 실시예에서, 안테나 어레이는, 개별 안테나의 국소 표면 플라스몬 공명의 회절 커플링으로부터 발생하는 표면 격자 공명을 지원하기 위한 안테나 환경의 광학적 균질성을 증가시키기 위해 코팅으로 캡슐화된다.
비록 본 발명은 상술한 실시예를 참조로 설명되었지만, 동일한 목적을 달성하기 위해 다른 실시예를 사용할 수 있음이 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 상술한 실시예로 한정되지 않는다. 즉, 본 발명의 사상 및 범위는 청구항 및 그의 균등물에 의해서만 한정되는 것이다.

Claims (15)

  1. 애플리케이션 특정 조도 분포를 제공하도록 설계된 조명 디바이스(100)로서,
    1차 파장의 광(111)을 방출하도록 배열된 광원(110),
    상기 광원(110)과 수광 관계로 배열되며 상기 1차 파장 광의 적어도 일부를 2차 파장 광(122)으로 변환하도록 설계된 파장 변환 매체(120), 및
    상기 파장 변환 매체(120)에 가까이 근접하여 배치되며, 상기 애플리케이션 특정 조도 분포를 가능하도록 하기 위해 안테나 어레이가 개별 안테나(301,311,321)의 국소 표면 플라스몬 공명의 회절 커플링으로부터 발생하는 표면 격자 공명을 지원하도록 배열된 주기 안테나 어레이(300)
    를 포함하는 조명 디바이스(100).
  2. 제1항에 있어서, 상기 안테나 어레이(300)는 상기 1차 파장 광(111)과 상기 2차 파장 광(122) 중 적어도 하나에서 표면 격자 공명을 지원하는 조명 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 주기 안테나 어레이(300)의 주기성(periodicity)은 상기 1차 파장 또는 2차 파장 광 정도인 조명 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 주기 안테나 어레이(300)의 주기성은 상기 2차 파장 광(122)이 상기 조명 디바이스(100)의 광학 축(200)에 대해 미리 정의된 각도 α로 미리 정의된 입체각 Ω 내에서 방출되도록 배열되는 조명 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 주기 안테나 어레이(300)는 기판(140)과 상기 파장 변환 매체(120) 사이에 내장되며, 상기 기판 및 상기 파장 변환 매체는 실질적으로 동일한 굴절율을 갖는 조명 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기판(140)은 상기 주기 안테나 어레이(300)의 주기성을 조정하기 위해 연신가능하게 제어가능하도록 배열되는 조명 디바이스.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주기 안테나 어레이(300)는 제1 안테나(311)의 제1 서브-어레이(310) 및 제2 안테나(322)의 제2 서브-어레이(320)를 포함하며, 상기 제1 서브-어레이 및 상기 제2 서브-어레이는 서로 엮여 있는(interwoven) 조명 디바이스.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 안테나(311) 및 상기 제2 안테나(322)는 원형, 타원형, 다각형 및 실질적으로 다각형 형상으로 구성된 그룹으로부터 선택된 형상을 갖는 조명 디바이스.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제1 서브-어레이(310) 및 상기 제2 서브-어레이(320)는 정사각형 어레이, 직사각형 어레이, 삼각형 어레이, 육각형 어레이 및 준결정 어레이로 구성된 그룹으로부터 선택되는 조명 디바이스.
  10. 제7항에 있어서, 상기 파장 변환 매체(120)는 제1 방출 파장 범위를 갖는 제1 인광체, 및 제2 방출 파장 범위를 갖는 제2 인광체를 포함하며, 상기 제1 서브-어레이(310)는 상기 제1 방출 파장 범위 내의 2차 파장 광에서 개별 제1 안테나(311)의 국소 표면 플라스몬 공명의 회절 커플링으로부터 발생한 표면 격자 공명을 지원하도록 배열되고, 상기 제2 서브-어레이(320)는 상기 제2 방출 파장 범위 내의 2차 파장 광에서 개별 제2 안테나(322)의 국소 표면 플라스몬 공명의 회절 커플링으로부터 발생한 표면 격자 공명을 지원하도록 배열되는 조명 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, 상기 주기 안테나 어레이(530)는 상기 파장 변환 매체(520)의 방출 스펙트럼 내의 주파수 갭을 지원하도록 배열되는 조명 디바이스(500).
  12. 제1항 또는 제11항에 있어서, 상기 주기 안테나 어레이(530)는 상기 2차 파장 광(522)에서 전자기 유도 투과를 지원하도록 배열되는 조명 디바이스(500).
  13. 제12항에 있어서, 상기 안테나 어레이(530)는 상기 2차 파장 광(522) 근방의 표면 격자 공명을 지원하도록 구성되고, 레일리 이상(Rayleigh anomaly)은 상기 2차 파장 광에 상응하는 주파수에서 표면 격자 공명과 교차하는 조명 디바이스(500).
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 디바이스는 상기 파장 변환 매체(520) 및 상기 안테나 어레이(530)를 내장한 캐비티(560)를 더 포함하는 조명 디바이스.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원(110)은 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)를 포함하는 조명 디바이스.
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