KR20140004694A - 원격 인광체 ｌｅｄ 소자를 위한 인광체 반사기 조립체 - Google Patents

원격 인광체 ｌｅｄ 소자를 위한 인광체 반사기 조립체 Download PDF

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Abstract

인광체 조립체는 인광체 층 및 인광체 층에 부착되는 광대역 반사기를 포함한다. 인광체 조립체는 원격 인광체 조명 시스템을 제공하기 위해 단파장(예컨대, 청색) 방출 LED 및 다른 선택적인 구성요소와 조합될 수 있다. 적어도 일부 LED 광은 광대역 반사기에 도달하기 전에 인광체 층을 통과한다. 광대역 반사기는 LED 광 및 더 긴 파장의 인광체 광 둘 모두에 대해 높은 반사율을 제공한다. LED 광에 대한 인광체 층의 투명도 또는 투과도는 조명 시스템의 광대역 광 출력을 증가시키도록 맞춰질 수 있다. 그러한 증가는 실제로 인광체 층에 사용되는 인광체의 양을 감소시킴으로써 달성될 수 있다. LED 광에 대한 인광체 층의 단일 통과 투과율 T는 30 내지 65%일 수 있고, 광대역 반사기의 반사율은 90, 94 또는 98% 이상일 수 있다.

Description

원격 인광체 ＬＥＤ 소자를 위한 인광체 반사기 조립체{PHOSPHOR REFLECTOR ASSEMBLY FOR REMOTE PHOSPHOR LED DEVICE}
본 발명은 일반적으로 광원에 관한 것으로, 특히 발광 다이오드(light emitting diode, LED) 및 인광체(phosphor)를 포함하는 고체 광원(solid state light source)에 대한 응용에 관한 것이다. 본 발명은 또한 관련 물품, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
광대역 광(broadband light)을 방출하는 고체 광원이 알려져 있다. 일부 경우에, 그러한 광원은 청색 LED 상에 황색-방출 인광체의 층을 적용함으로써 제조된다. 청색 LED로부터의 광이 인광체 층을 통과함에 따라, 청색 광의 일부는 흡수되고, 흡수된 에너지의 상당한 부분은 가시 스펙트럼 내의 더 긴 파장에서의 스토크스-편이된 광(Stokes-shifted light), 전형적으로 황색 광으로서 인광체에 의해 재방출된다. 인광체 두께는 청색 LED 광의 일부가 인광체 층을 완전히 통과하고 인광체로부터의 황색 광과 조합되어 백색 외양을 갖는 광대역 출력 광을 제공하도록 하기에 충분히 작다.
다른 LED-펌핑된(pumped) 인광체 광원이 또한 제안되었다. 미국 특허 제7,091,653호(오더커크(Ouderkirk) 등)에서, LED로부터의 광이 롱-패스 반사기(long-pass reflector)에 의해 인광체 층 상으로 반사되는 광원이 논의되어 있다. 인광체 층은 가시(바람직하게는 백색) 광을 방출하고, 이 광은 실질적으로 롱-패스 반사기에 의해 투과된다. LED, 인광체 층 및 롱-패스 필터(filter)는 광이 LED로부터 롱-패스 반사기로 이동함에 따라 광이 인광체 층을 통과하지 않도록 하는 방식으로 배열된다.
원격 인광체 조명 시스템에 사용하기 위한 새로운 계열의 인광체 조립체를 개발하였다. 인광체 조립체는 전형적으로 인광체 층 및 인광체 층에 부착되는 광대역 반사기를 포함한다. 인광체 조립체는 원격 인광체 조명 시스템을 제공하기 위해 하나 이상의 단파장(예컨대, 청색) 방출 LED 및 다른 선택적인 구성요소와 조합하여 사용될 수 있다. 그러한 시스템에서, LED(들)로부터의 적어도 일부 광은 광대역 반사기에 도달하기 전에 인광체 층을 통과한다. 광대역 반사기는 LED 광 및 더 긴 파장의 인광체 광 둘 모두에 대해 높은 반사율을 제공한다. LED 광에 대한 인광체 층의 투명도(또는 투과도)가, 예컨대 조명 시스템의 광대역 광 출력을 증가시키기 위해 인광체 층의 인광체 농도 및 물리적 두께의 적절한 선택에 의해 맞춰질 수 있다는 것을 밝혀냈다. 광 출력의 그러한 증가는 실제로 인광체 층에 사용되는 인광체의 양을 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 일부 경우에, 인광체 층의 인광체 농도 및 물리적 두께는 인광체 층을 통한 LED 광의 단일 통과 투과율(single pass transmission) T를 제공하도록 선택될 수 있다. T는 조명 시스템의 광대역 광 출력을 최대화하도록 선택될 수 있다. T는 예를 들어 30 내지 65%, 또는 35 내지 60%, 또는 40 내지 50% 범위일 수 있다는 것을 밝혀냈다.
일부 경우에, 광대역 반사기는 LED 광 및 인광체 광에 대해 94% 이상, 또는 98% 이상의 반사율을 가질 수 있다. 인광체 조립체는 예컨대 중합체 베이스 필름 또는 필름들을 사용하여 롤 형태로 제조될 수 있고, 그 후 적합한 크기 및 형상의 단편들이 특정한 원격 인광체 조명 시스템으로의 통합을 위해 롤로부터 절단될 수 있다. 따라서, 조립체는 다이-커팅가능할(die-cuttable) 수 있다. 일부 경우에 광대역 반사기는 인광체 층에 직접 부착될 수 있는 반면, 다른 경우에 광대역 반사기는 하나 이상의 중간 층을 통해 인광체 층에 부착될 수 있다. 인광체 조립체는 인광체 층에 부착되는 접착제 층을 포함할 수 있다. 조립체는 인광체 층에 부착되는 구조 층(structural layer)을 포함할 수 있고, 구조 층은 자립형(self-supporting)이다. 조립체는 인광체 층 및 광대역 반사기를 지지하도록 구성된 이형 라이너(release liner)를 포함할 수 있다.
원격 인광체 조명 시스템은 단파장 LED 광을 제공하기 위한 하나 이상의 LED와 조합하여 인광체 조립체를 포함할 수 있다. 그러한 시스템은 또한 LED 광의 제1 부분을 반사하고, LED 광의 제2 부분을 투과시키며, 인광체 광의 일부를 투과시키도록 구성된 이색성 반사기(dichroic reflector)를 포함할 수 있다.
광대역 광 출력을 제공하는 원격 인광체 조명 시스템을 또한 기술한다. 그러한 시스템은 하나 이상의 LED 및 인광체 조립체를 포함한다. LED(들)는 400 내지 500 ㎚ 범위의 하나 이상의 방출 피크(emission peak)를 갖는 LED 광을 방출할 수 있다. 인광체 조립체는 인광체 층 및 인광체 층에 부착되는 광대역 반사기를 포함할 수 있다. 인광체 층은 LED 광의 일부를 흡수하고 흡수된 LED 광에 응답하여 인광체 광을 방출하도록 구성될 수 있고, 광대역 반사기는 LED 광 및 인광체 광에 대해 90% 이상의 반사율을 가질 수 있다. 광대역 광 출력은 인광체 조립체에 의해 방출되는 인광체 광의 일부 및 인광체 조립체에 의해 반사되는 LED 광의 일부를 포함할 수 있다. 인광체 층은 T의 인광체 층을 통한 LED 광의 단일 통과 투과율을 제공하도록 맞춰진 인광체 농도 및 물리적 두께를 가질 수 있고, 여기서 T는 광대역 광 출력을 최대화하도록 선택된다. T는 30 내지 65%, 또는 35 내지 60%, 또는 40 내지 50% 범위일 수 있다. 광대역 반사기는 LED 광 및 인광체 광에 대해 94% 이상, 또는 98% 이상의 반사율을 갖는다.
그러한 시스템은 또한 하나 이상의 LED에 의해 방출되는 LED 광의 일부를 반사시켜서 조립체를 통과하지 않는 광 경로를 통해 조립체에 충돌시키도록 구성된 이색성 반사기를 포함할 수 있고, 이색성 반사기는 또한 하나 이상의 LED에 의해 방출되는 LED 광의 일부를 투과시키고 인광체 광의 일부를 투과시키도록 구성된다. 시스템은 또한 외부 표면 및 내부 표면을 갖는 렌즈 부재를 포함할 수 있고, 이색성 반사기가 외부 표면의 적어도 일부분 상에 배치될 수 있다. 이색성 반사기는 렌즈 부재의 외부 표면의 실질적으로 전부를 덮도록 제조될 수 있거나, 이는 렌즈 부재의 외부 표면의 면적의 50%, 70% 또는 80% 이상을 덮을 수 있다. 인광체 조립체는 인광체 층이 렌즈 부재와 광대역 반사기 사이에 배치되도록 배향된다.
그러한 시스템의 광대역 광 출력은 실질적으로 백색일 수 있고, 적어도 (1) 조립체에 의해 반사되고 이색성 반사기에 의해 투과되는 LED 광, 및 (2) 이색성 반사기에 의해 투과되는 인광체 광을 포함할 수 있다. 광대역 광 출력은 (3) 이색성 반사기에 의해 투과되지만 조립체에 의해 반사되지 않는 LED 광을 추가로 포함할 수 있다. 광대역 광 출력은 CIE 색상 좌표(x, y)를 가질 수 있고, x는 0.25 내지 0.4 범위일 수 있으며, y는 0.25 내지 0.4 범위일 수 있다.
관련 방법, 시스템 및 물품이 또한 논의된다.
본 출원의 이들 및 다른 태양이 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 어떠한 경우에도 상기 개요는 청구된 기술적 요지에 대한 제한으로서 해석되어서는 안 되며, 그 기술적 요지는 절차를 수행하는 동안 보정될 수도 있는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 한정된다.
도 1a는 LED, 이색성 반사기 및 인광체 층을 포함하는 원격 인광체 광대역 광원의 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 1b는 예시적인 청색 LED 및 예시적인 인광체의 스펙트럼 세기 분포의 이상화된 그래프.
도 2는 LED, 이색성 반사기 및 인광체 조립체를 포함하는 원격 인광체 광대역 광원의 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 3a 및 도 3b는 예시적인 인광체 조립체의 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 4는 다른 예시적인 광대역 광원의 개략적인 사시도.
도 5는 광대역 광원의 일부분의 개략적인 평면도.
도 6은 인광체 조립체를 도시하는, 다른 예시적인 광대역 광원의 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 7은 LED 및 인광체 조립체를 포함하는 다른 원격 인광체 광대역 광원의 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 8은 예시적인 청색 LED의 정규화된 전력 스펙트럼의 그래프가 그 상에 중첩된, 상이한 입사각에 대한 모델링된 이색성 반사기의 스펙트럼 반사율의 그래프.
도 9는 인광체 농도(입자 밀도)의 함수로서 인광체 조립체의 인광체 층을 통한 단일-통과 투과율의 그래프.
도 10은 인광체 농도(입자 밀도)의 함수로서 원격 인광체 광대역 광원으로부터의 총 방출의 그래프.
도 11은 인광체 농도(입자 밀도)의 함수로서 원격 인광체 광대역 광원으로부터의 광대역 출력의 색상 좌표의 그래프.
도 12는 인광체 조립체를 도시하는, 다른 예시적인 광대역 광원의 개략적인 측면도 또는 단면도.
도면에서, 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 지시한다.
상기 언급된 바와 같이, 본 출원은 특히 광대역 고체 광원 또는 시스템에 사용하기 위한 인광체 조립체를 기술하며, 광원은 LED와 같은 하나 이상의 고체 발광 소자로부터의 광에 의해 펌핑 또는 여기되는 인광체 재료의 층을 이용한다. 인광체 조립체는 광대역 반사기에 부착된 인광체 층을 포함한다. LED 광이 LED로부터 인광체 조립체로 전파됨에 따라, 이는 광대역 반사기에 도달하기 전에 인광체 층을 통과한다. 광대역 반사기는 LED 광 및 더 긴 파장의 인광체 광 둘 모두에 대해 예컨대 90% 이상의 높은 반사율을 제공한다. 광원의 출력은 광대역이고, 인광체에 의해 방출되는 광의 적어도 일부 및 LED에 의해 방출되는 광의 적어도 일부를 포함한다. LED 광에 대한 인광체 층의 투명도 또는 투과도가, 예컨대 조명 시스템의 광대역 광 출력을 증가시키기 위해 인광체 층의 인광체 농도 및 물리적 두께의 적절한 선택에 의해 맞춰질 수 있다. 광 출력의 그러한 증가는 실제로 인광체 층에 사용되는 인광체의 양을 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 필요할 경우, 그러한 증가는 또한 광대역 광 출력의 실질적인 백색 색상을 유지하면서 달성될 수 있다.
일부 경우에, 광원은 또한 LED로부터의 광의 적어도 일부를 인광체 조립체를 향해 반사하는 이색성 반사기를 포함할 수 있다. 그러한 경우, LED 광의 적어도 일부는 이것이 LED로부터 이색성 반사기로 전파되기 때문에 인광체 조립체로 또는 인광체 층으로 통과하지 않는다. 그러나, 이색성 반사기에 의해 반사된 LED 광은 이어서 인광체 층에 충돌하여, 더 긴 파장의 인광체 광을 방출하게 된다. 인광체 광은 광원의 광대역 출력 광을 제공하거나 이에 기여하도록 이색성 반사기를 통과한다. 전형적으로 청색 색상 또는 유사한 단파장인 LED 광의 일부는 또한 광원의 광대역 출력 광에 기여하도록 반사되기보다는 이색성 반사기를 통과할 수 있다.
이와 관련하여, "발광 다이오드" 또는 "LED"는 가시, 자외선 또는 적외선이든 간에 광을 방출하는 다이오드를 지칭하지만, 많은 실제 실시예에서 방출된 광은 약 430 내지 530 ㎚, 또는 약 440 내지 500 ㎚, 또는 약 445 내지 480 ㎚ 범위의 피크 파장을 가질 것이다. LED라는 용어는 통상적인 또는 초 방사성(super radiant) 종류이든 간에 "LED"로서 판매되는 비간섭성의 매입된(encased) 또는 봉지된(encapsulated) 반도체 소자, 및 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)를 포함하지만 이에 제한되지 않는 레이저 다이오드와 같은 간섭성의 반도체 소자를 포함한다. "LED 다이(die)"는 그의 가장 기본적인 형태, 즉 반도체 처리 절차에 의해 제조된 개별 구성요소 또는 칩(chip) 형태의 LED이다. 예를 들어, LED 다이는 하나 이상의 III족 원소 및 하나 이상의 V족 원소의 조합(III-V 반도체)으로부터 형성될 수 있다. 적합한 III-V족 반도체 재료의 예는 질화갈륨과 같은 질화물, 및 인화인듐갈륨과 같은 인화물을 포함한다. 다른 유형의 III-V 재료뿐만 아니라, 주기율 표의 다른 족으로부터의 무기 재료가 또한 사용될 수 있다. 이러한 구성요소 또는 칩은 소자에 에너지를 공급하기 위한 전력의 인가에 적합한 전기 접점을 포함할 수 있다. 예는 와이어 본딩(wire bonding), 테이프 자동 본딩(tape automated bonding, TAB), 또는 플립-칩 본딩(flip-chip bonding)을 포함한다. 구성요소 또는 칩의 개별 층 및 다른 기능 요소는 전형적으로 웨이퍼(wafer) 스케일로 형성되고, 완성된 웨이퍼는 이어서 개별 단품(piece part)으로 다이싱되어(diced) 다수의 LED 다이를 생성할 수 있다. LED 다이는 표면 장착, 칩-온-보드(chip-on-board), 또는 다른 공지된 장착 구성을 위해 구성될 수 있다. 일부 패키징된 LED는 LED 다이 및 관련 반사기 컵(cup) 위에 중합체 봉지재를 형성함으로써 제조된다. LED는 몇몇 기판 중 하나 상에서 성장될 수 있다. 예를 들어, GaN LED는 사파이어, 규소 및 질화갈륨 상에서 에피택시(epitaxy)에 의해 성장될 수 있다. 이러한 응용의 목적을 위한 "LED"는 또한 통상적으로 OLED로 지칭되는 유기 발광 다이오드를 포함하는 것으로 고려되어야 한다.
도 1a에서, LED(120), 이색성 반사기(116) 및 인광체 재료의 층(132)을 포함하는 원격 인광체 광대역 광원(110)의 개략도를 볼 수 있다. LED(120)는 비교적 단파장의 광(141a), 예컨대 주로 청색 광 및/또는 자외선 광을 방출하지만, 일부 경우에 청색-녹색 또는 녹색 광이 또한 사용될 수 있다. 광(141a)은 400 내지 500 ㎚ 범위에서 주 또는 가장 강한 방출 피크를 포함하는, 하나 이상의 스펙트럼 방출 피크를 가질 수 있다. LED 광(141a)은 인광체 층(132)을 통과하지 않고서 LED(120)로부터 이색성 반사기(116)로 전파된다. 이색성 반사기(116)는, 이하에서 추가로 논의되는 바와 같이, 관심 대상의 실질적으로 모든 광학 파장에 대해 낮은 흡수율을 갖도록, 단파장 LED 광에 대해 높은 반사율(및 낮은 투과율)을 갖도록, 그리고 더 긴 파장의 인광체 광에 대해 더 낮은 반사율(및 더 높은 투과율)을 갖도록 구성된다. 따라서, LED 광(141a)은 반사기(116)에 의해 강하게 반사되어 반사된 LED 광(141b)을 생성한다. 반사기(116)의 형상, 및 LED(120) 및 인광체 층(132)의 위치는 반사된 LED 광(141b)이 도시된 바와 같이 인광체 층(132)에 충돌하도록 선택된다. 이색성 반사기(116)는 투과된 LED 광(141c)을 제공하도록 LED 광(141a)의 일부를 투과시킬 수 있다.
인광체 층(132)은 입사 LED 광(141b)의 일부 또는 전부를 흡수하고, 흡수된 에너지의 일부를 스토크스 편이된(더 긴 파장의) 인광체 광(143a)으로서 재방출한다. 인광체 광(143a)은 전형적으로 모든 방향으로 인광체 재료에 의해 방출되고, 그러한 광 자체는 이하에서 추가로 논의되는 바와 같이 전형적으로 광대역이다. 인광체 광(143a)의 일부는 이색성 반사기(116)를 향해 전파된다. 그러한 광은 반사기(116)에 의해 실질적으로 투과되어 투과된 인광체 광(143b)을 생성한다. 투과된 LED 광(141c) 및 투과된 인광체 광(143b)의 조합은 광원(110)의 광대역 출력 광을 생성할 수 있다.
이색성 반사기(116)는 일부 경우에, 일반성을 위해 도 1a에는 도시되지 않았지만 본 명세서의 다른 도면에 도시된 렌즈 부재의 외부 표면에 정합할 수 있다. 각각의 광선(141a)에 대한 투과된 광선(141c)의 편향은 LED 광이 렌즈 재료로부터 공기 매질 또는 유사한 저굴절률 매질 내로 통과함에 따른 LED 광의 굴절을 나타낸다. 따라서, 이색성 반사기(116) 및 외부 렌즈 표면(존재할 경우)은 오목한 및/또는 만곡된 형상을 가질 수 있어서, LED(120)에 의해 방출된 그리고 반사기(116)에 의해 반사된 광이 우세하게 인광체 층(132) 상으로 지향된다. 이색성 반사기는 렌즈 부재의 외부 표면의 실질적으로 전부를 덮도록 제조될 수 있거나, 이는 렌즈 부재의 외부 표면의 면적의 50%, 70% 또는 80% 이상을 덮을 수 있다.
이색성 반사기는 또한 때때로 이색성 미러(mirror) 또는 이색성 필터로 지칭된다. 이들은 일부 광학 파장에 대해 높은 반사율 및 낮은 투과율을 갖고 다른 광학 파장에 대해서는 낮은 반사율 및 높은 투과율을 갖도록 설계된다. 그러한 반사기는 보통 무시할 수 있는 흡수율을 가져서, 적어도 가시, 근적외선 및 근자외선 파장에 걸쳐 반사되지 않은 임의의 광이 실질적으로 투과되고, 그 반대의 경우도 가능하다. 그러한 반사기는, 전형적으로 이산화규소 및 이산화티타늄의 교번하는 층들과 같은 큰 굴절률 부정합을 갖는 재료들의 교번하는 배열로 광학적으로 얇은 미세층들의 스택(stack)을 포함하지만, 다른 적합한 무기 또는 유기 재료가 또한 사용될 수 있다. 그러한 반사기는 유리 또는 다른 적합한 기판 상의, 예컨대 렌즈 부재의 외부 표면 상의 직접적인 또는 그러한 표면에 후속하여 적용될 수 있는 필름 또는 기판 상의 교번하는 층들의 진공 증착에 의해 제조될 수 있다. 대안적으로, 적합한 반사 필름이, 예컨대 미국 특허 제5,882,774호 및 제6,783,349호에 기술되어 있는 바와 같이, 교번하는 중합체 재료들의 공압출 및 생성된 다층 중합체 웨브를 연신시키는 것을 포함할 수 있는 연속 공정에 의해 제조될 수 있다. 이색성 반사기에 사용되는 재료 및 사용되는 제조 방법에 관계 없이, 반사기에는 본 명세서의 다른 부분에 기술된 바와 같이, 파장의 함수로서 원하는 반사 특성을 제공하도록 맞춰진 미세층들의 스택을 위한 층 두께 프로파일이 제공된다. 이와 관련하여 미국 특허 제6,967,778호를 참조한다. 두께 프로파일은 롱 패스 필터 또는 노치 필터(notch filter)로서 작동하는 이색성 반사기를 제공하도록 맞춰질 수 있고, 예를 들어 그럼으로써 비교적 장파장 인광체 광은 입사각의 범위에 걸쳐 실질적으로 투과되고 비교적 단파장 LED 광이 우세하게 반사된다. 이색성 반사기는 예를 들어 인광체 광에 대해 50% 이상, 또는 60% 이상, 또는 70% 이상의 투과율을 가질 수 있다. 이색성 반사기는 일부 경우에 가시 청색 광을 실질적으로 반사하고 가시 마젠타색 광을 실질적으로 투과시킬 수 있다. 일부 경우에, 이색성 반사기는 다층 미러 필름, 반사 편광기, 및/또는 주어진 파장에서 직교 편광 상태를 상이하게 반사하는 미러와 같은 부분 편광 반사기일 수 있거나 이를 포함할 수 있다.
이색성 반사기의 반사 및 투과 특성은 전형적으로 반사기에 충돌하는 광의 입사각이 변화함에 따라 변화한다. 예를 들어, 이색성 반사기(116)는 반사기에 수직으로 입사하는 LED 광선에 비교할 때 반사기에 비스듬히 입사하는 LED 광선에 대해 더 큰 투과율을 가질 수 있다. 이러한 특성은 2011년 5월 18일자로 출원된, 공히 양도되고 계류 중인 미국 특허 출원 제61/487,423호에 더욱 완전하게 논의되어 있는 바와 같이, 렌즈 조립체 아래에 배열된 다수의 LED의 상대적인 구동 강도를 제어함으로써 그의 출력 색상이 조정될 수 있는 원격 인광체 고체 광원을 생성하기 위해 이용될 수 있다.
인광체 층(132)은 형광을 발하거나 흡수된 LED 광에 대해 스토크스 편이된 광을 달리 방출하는 하나 이상의 적합한 인광체 재료를 함유한다. 인광체 재료는 바람직하게는 LED의 방출 스펙트럼과 파장이 중첩되는 범위의 광을 흡수하여, LED는 인광체를 여기시키고 이것이 형광을 발하게 하거나 달리 인광체 광을 방출하게 할 수 있다. 많은 경우에, 주어진 인광체 재료는 전자기 스펙트럼의 자외선, 청색 및/또는 청색-녹색 부분의 광을 흡수할 수 있고, 가시 또는 근가시 영역의 광을 방출할 수 있다. 방출된 인광체 광은 전형적으로 광대역인데, 예컨대 이는 100 나노미터 이상의 스펙트럼 폭을 가질 수 있다. 광대역 인광체 광은 연속적인 넓은 대역으로 분포될 수 있거나, 이는 이격된 좁은 방출 선들의 집합인 경우에서와 같이 스파이크형 분포(spiked distribution)를 가질 수 있거나, 이는 좁은 방출 선들과 연속적인 넓은 대역의 조합일 수 있다. 예시적인 인광체 재료는 알려진 형광 염료 및 인광체를 포함한다. 세륨-도핑된 이트륨 알루미늄 가넷(Ce:YAG)이 사용될 수 있는 인광체의 일례이다. 광원의 설계 상세 사항 및 제약에 따라 다른 희토류 도핑된 가넷 또는 다른 희토류 도핑된 재료, 예컨대 유로퓸- 및/또는 스트론튬-도핑된 실리케이트, 질화물 및 알루미네이트가 또한 적합할 수 있다. 적합한 인광체 재료는, 도핑된 무기 산화물 또는 질화물, 양자점, 및 II-VI족 및 III-V족 재료를 포함하는 반도체와 같은 유기 및 무기 형광 또는 인광 재료를 포함할 수 있다.
전형적인 인광체 광 방출 스펙트럼이 도 1b에 곡선 162로 도시되어 있다. 곡선 160으로 표시된 전형적인 청색 LED 방출 스펙트럼이 또한 도시되어 있다. 이들 곡선은 전형적인 구성요소를 대표하는 것으로 의도되지만, 반드시 제한하는 것으로 의도되지는 않는다. 도면에 도시된 바와 같이, 주어진 LED/인광체 쌍의 경우, 인광체 광은 일반적으로 LED 광보다 더 긴 파장에 분포된다. LED(120)가 청색 광을 방출하고, 이색성 반사기(116)가 이러한 광의 일부를 투과시키는 경우, 인광체 층(132)은 황색 인광체 광을 방출하도록 맞춰질 수 있어서, 청색 LED 광 및 황색 인광체 광의 조합은 공칭적으로 백색 광을 제공한다.
도 2는, 간단한 인광체 층(132)이 인광체 미러 조립체(230)에 의해 대체된 것을 제외하고는, 도 1a의 광원(110)과 동일하거나 유사할 수 있는 원격 인광체 광대역 광원(210)의 개략도를 도시한다. 따라서, 광원(210)은 LED(220), 이색성 반사기(216) 및 인광체 미러 조립체(230)를 포함한다. LED(220)는 비교적 단파장의 광(241a), 예컨대 주로 청색 광 및/또는 자외선 광을 방출하지만, 일부 경우에 청색-녹색 또는 녹색 광이 또한 사용될 수 있다. 광(241a)은 400 내지 500 ㎚ 범위에서 주 또는 가장 강한 방출 피크를 포함하는, 하나 이상의 스펙트럼 방출 피크를 가질 수 있다. LED 광(241a)은 인광체 층(232)을 통과하지 않고서 LED(220)로부터 이색성 반사기(216)로 전파된다. 이색성 반사기(216)는, 본 명세서의 다른 부분에서 논의되는 바와 같이, 관심 대상의 실질적으로 모든 광학 파장에 대해 낮은 흡수율을 갖도록, 단파장 LED 광에 대해 높은 반사율(및 낮은 투과율)을 갖도록, 그리고 더 긴 파장의 인광체 광에 대해 더 낮은 반사율(및 더 높은 투과율)을 갖도록 구성된다. 따라서, LED 광(241a)은 반사기(216)에 의해 강하게 반사되어 반사된 LED 광(241b)을 생성한다. 반사기(216)의 형상, 및 LED(220) 및 인광체 조립체(230)의 위치는 반사된 LED 광(241b)이 도시된 바와 같이 인광체 조립체(230)에 충돌하도록 선택된다. 이색성 반사기(216)는 투과된 LED 광(241c)을 제공하도록 LED 광(241a)의 일부를 투과시킬 수 있다.
인광체 조립체(230)는 광대역 반사기(234)에 부착된 인광체 재료의 층(232)을 포함한다. 인광체 층(232)은, 층(232)이 층(132)보다 물리적으로 및/또는 광학적으로 더 얇을 수 있다는 것을 제외하고는, 도 1a의 인광체 층(132)과 동일하거나 유사할 수 있다. 예를 들어, 층(232)은 층(132)과 단위 체적당 동일한 농도의 인광체 재료를 가질 수 있지만, LED 광(241b)의 일부가 인광체 층(232)을 통해 완전히 관통하는 것을 보장하기 위해 물리적으로 더 얇을 수 있다. 대안적으로, 층(232)은 층(132)의 두께와 동일한 물리적 두께를 가질 수 있지만, 역시 LED 광(241b)의 일부가 인광체 층(232)을 통해 완전히 관통하는 것을 보장하기 위해 층(132)보다 단위 체적당 더 낮은 농도의 인광체 재료를 가질 수 있다. 다른 경우에, 층(232)은 층(132)보다 물리적으로 더 얇고 또한 층(132)보다 더 낮은 인광체 농도를 가질 수 있다. 어느 경우에서도, LED 광(241b)의 일부는 인광체 층(232)에 입사하고, 그 광의 일부는 흡수되어 인광체 광(243a)으로서 재방출된다. LED 광(241b)의 잔여부는 광대역 반사기(234)에 도달하고, 인광체 층(232)으로 다시 반사된다. 이러한 이중으로 반사된 LED 광의 일부는 인광체 층(232)에 의해 다시 흡수되어 재방출되고, 잔여부는 반사된 LED 광(241d)으로서 층(232)으로부터 그리고 조립체(230)로부터 나온다. 인광체 광(243a)의 일부 및 이중으로 반사된 LED 광(241d)의 일부는 이색성 반사기(216)를 향해 전파될 수 있다. 인광체 광(243a)은 반사기(216)에 의해 실질적으로 투과되어 투과된 인광체 광(243b)을 생성한다. 이중으로 반사된 LED 광(241d)의 일부는 또한 반사기(216)에 의해 투과되어 투과된 LED 광(241c)의 양을 증가시킬 수 있다. 투과된 LED 광(241c) 및 투과된 인광체 광(243b)의 조합은 광원(210)의 광대역 출력 광을 생성할 수 있다. LED(220)가 청색 광을 방출하고, 이색성 반사기(216)가 이러한 광의 일부를 투과시키는 경우, 인광체 층(232)은 황색 인광체 광을 방출하도록 맞춰질 수 있어서, 청색 LED 광 및 황색 인광체 광의 조합은 공칭적으로 백색 광을 제공한다.
인광체 조립체는 2개만큼 적은 층 - 인광체 층 및 광대역 반사기 층 - 을 포함할 수 있거나, 이는 추가 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 인광체 조립체는 하나 이상의 접착제 층, 스페이서 층, 구조 층, 열 전도성 층, 접합 층 및 이형 라이너를 포함할 수 있다. 인광체 조립체에 대한 광범위한 상이한 구성이 고려된다. 도 3a 및 도 3b는 2가지의 그러한 구성을 개략적으로 도시한다. 도 3a에서, 아주 간단한 설계의 인광체 조립체(330)가 광대역 반사기(334)에 부착된 인광체 층(332)을 포함한다. 도 3b에서, 더욱 복잡한 설계의 인광체 조립체(331)는 광대역 반사기(336)에 부착된 인광체 층(332)을 포함하고, 조립체는 접착제 층(333), 구조 층(337) 및 열 전도성 층(338)을 추가로 포함한다. 열 전도성 층(338)은 히트 싱크에 부착되어 인광체 층(335)을 더 낮은 작동 온도에서 유지하는 것을 도울 수 있다. 바람직하게는, 광은, 여기서 인광체 조립체의 "작동 표면"으로 지칭되는 동일한 표면을 통해 주어진 인광체 조립체에 진입하고 진출한다. 도 3a에서 작동 표면은 표면(332a)이고, 도 3b에서 작동 표면은 표면(333a)이다. 광대역 반사기가 도 3a 및 도 3b에서 인광체 층에 직접 부착되어 있는 것으로 도시되어 있지만, 다른 경우에 광대역 반사기는 하나 이상의 중간 층을 통해 인광체 층에 부착될 수 있다. 본 명세서의 다른 부분에 기술되는 바와 같이, 중요할 수 있는 인광체 조립체의 하나의 설계 파라미터는 도 3a 및 도 3b에서 "t"로 표시된 인광체 층(332, 333)의 물리적 두께이다. 중요할 수 있는 인광체 조립체의 다른 설계 파라미터는 인광체 층 내의 인광체 재료의 농도이다. 인광체 미러 조립체 내에 포함될 수 있는 구성 성분 층의 일부가 이제 더욱 상세하게 논의될 것이다.
인광체 조립체의 인광체 층은 하나 이상의 인광체가 내부에 분산된 광-안정성 및 열-안정성 결합제로부터 제조될 수 있다. 결합제는 예를 들어 실리콘 및/또는 플루오로중합체를 포함하는 중합체일 수 있고, 실리콘 접착제 또는 실리콘 겔과 같은 접착제 또는 겔일 수 있다. 인광체 재료(인광체)는 혼합되거나, 층을 이루거나, 패턴화되거나, 이들 구성 중 둘 이상의 조합일 수 있다. 코팅의 적합한 수단은 나이프(knife) 코팅, 압출 코팅 및 바아(bar) 코팅을 포함한다. 패턴화된 코팅을 적용하기 위한 적합한 수단은 로토그라비어(rotogravure), 요판(intaglio), 실크 스크린(silk screen) 및 잉크젯(ink jet)을 비롯한 인쇄를 위해 사용되는 것들을 포함한다. 하나 이상의 인광체 층이 인광체의 비패턴화된 층 상에 패턴화될 수 있거나, 상이한 면적들이 우세하게 하나의 인광체 유형을 가질 수 있다. 예를 들어, 적색-방출 인광체 및 녹색-방출 인광체의 픽셀 패턴이 사용될 수 있고, 여기서 각각의 픽셀은 대략 적어도 하나의 방향으로 (인광체를 구동하거나 여기시키는) 관련 LED의 크기를 갖는다. 픽셀 패턴은 일차원 열 또는 이차원 격자의 형태일 수 있다. 재흡수 손실은 상이한 인광체들을 공간적으로 분리시킴으로써 감소될 수 있다. 상이한 인광체들은 일부 경우에, 그의 측방향 또는 횡방향 치수가 인광체 함유 층의 두께의 약 2 내지 20배 범위인 영역들로 분리될 수 있다.
인광체 조립체의 광대역 반사기는 비교적 단파장 LED 광 및 더 긴 파장의 인광체 광 둘 모두에 대해 높은 반사율을 갖는다. 따라서, 인광체 층을 완전하게 통과하여 전파되는 임의의 LED 광은 감소된 두께의 인광체 층 내에서 LED 광의 증가된 흡수율을 허용하도록 인광체 층 내로 다시 반사될 수 있다. 또한, 광대역 광원의 출력 단부로부터 먼(그리고 인광체 조립체의 작동 표면으로부터 먼) 방향으로 전파되는 임의의 인광체 광은 광원의 전체 출력 중 인광체 광 성분을 증가시키도록 광대역 반사기에 의해 인터셉트되어(intercepted) 인광체 층을 통해 다시 재지향될 수 있다. 광대역 반사기는 경면 반사기, 확산 반사기 및/또는 반-경면 반사기(경면 및 확산의 조합)일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 광대역 반사기는 결합제 및 안료를 포함할 수 있고, 다른 첨가제를 함유할 수 있다. 적합한 결합제는 인광체 층과 관련하여 언급된 것들과 같은 동일한 결합제 재료를 포함한다. 광대역 반사기에 사용되는 결합제는 인광체 층에 사용되는 결합제와 동일하거나 상이할 수 있다. 예시적인 안료는 예추석 또는 금홍석 TiO2를 포함한다. 바람직하게는, TiO2는 실리카와 같은 코팅에 의해 부동태화된다. 다른 첨가제는 열 전도성을 향상시키기 위한 무기 충전제를 포함할 수 있다. 적합한 충전제는 알루미나, 질화알루미늄, 질화붕소 및/또는 다이아몬드를 포함할 수 있다. 광대역 반사기 내의 그러한 충전제는 바람직하게는 LED 광 및 인광체 광의 낮은 흡광도를 갖는다. 우세하게 경면 특성을 가진 적합한 광대역 반사기는 가시 영역에 걸쳐 98% 초과의 반사율을 갖는, 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)에 의해 판매되는 비퀴티(Vikuiti)™ 강화 경면 반사기 필름(Enhanced Specular Reflector Film, ESR)과 같은, 가시 스펙트럼에 걸쳐 높은 반사율을 갖도록 구성된 다층 광학 필름을 포함한다. 나노공극형 중합체 또는 다른 중합체, MgF2, TiO2, SiO2, Al2O3, 및/또는 ZrO2와 같은 고굴절률 재료 및 저굴절률 재료의 광학적으로 얇은 층으로부터 제조된 다른 유전체 코팅 반사기가 또한 사용될 수 있다. 알루미늄-코팅된 중합체 필름 또는 은-코팅된 중합체 필름과 같은 더 간단한 금속-코팅된 필름이 또한 사용될 수 있다. 금속 코팅의 반사율은 예를 들어 나노공극형 중합체 또는 다른 중합체, 무기 나노미립자 충전된 중합체, MgF2, TiO2, SiO2, Al2O3, 및/또는 ZrO2와 같은 하나 이상의 알려진 유전체 코팅을 추가함으로써 향상될 수 있다.
접착제 층이 또한 인광체 조립체 내에 포함될 수 있다. 접착제 층은 바람직하게는 LED 광 및 인광체 광 둘 모두에 대해 높은 투과율 및 낮은 흡수율을 갖는다. 적합한 접착제 층은 아크릴레이트 및 실리콘을 포함한다. 접착제는 열 또는 방사선에 의해 경화될 수 있는 다른 첨가제를 함유할 수 있다. 예를 들어, 영구적인 접합을 형성하도록 경화될 수 있는 감압 접착제를 형성하기 위해 열 경화 에폭시가 B-스테이지 경화 아크릴레이트(B-staged cured acrylate)와 혼합될 수 있다. 접착제는 또한 열 또는 광분해 활성화 촉매를 가진 실리콘 수지 단량체와 같은 경화성 액체로서 적용될 수 있다. 일부 경우에, 접착제는 인광체 층과 렌즈 부재와 같은 광원의 다른 구성요소 사이에 실질적인 영구 접합을 제공할 수 있다. 다른 경우에, 접착제는 제거가능한 접합을 제공할 수 있다. 이와 관련하여, 접착제는 최종 응용에서 양호한 내구성을 제공하기에 충분히 높은, 그러나 또한 인광체 층의 하나 이상의 부분이 예컨대 다이-커팅 및 피일링(peeling)에 의해 제거되는 것을 허용하기에 충분히 낮은 접합 강도를 가질 수 있다.
투명한 스페이서 층이 또한 인광체 조립체에 포함될 수 있다. 그러한 층은 조립체의 작동 표면에, 또는 달리 작동 표면과 인광체 층 사이에 배치될 수 있다. 스페이서 층은 하기 기능들 중 하나 이상을 수행하도록 맞춰질 수 있다: 이는 인광체 층으로부터 방출되는 광의 광학 출력 특성을 변화시킬 수 있고; 렌즈 부재와 같은 하나의 구성요소로부터 멀리 그리고 열 전도성 기판과 같은 다른 구성요소에 더 가깝게 인광체 층을 변위시키거나 위치시킬 수 있으며; 그리고/또는 장치의 휘도를 증가시키기 위해 렌즈 부재와 인광체 층 사이에 저굴절률 층을 제공할 수 있음. 적합한 저굴절률 코팅은 용매와 배합되어 경화되고 이어서 건조되어 저굴절률 층을 생성하는 플루오로중합체, 실리콘 및 방사선 경화성 재료를 포함한다.
구조 층이 또한 인광체 조립체에 포함될 수 있다. 이와 관련하여 구조 층은, 자립형이고 접착되어 있는 인광체 층의 부분(들)과 함께 기계적으로(예컨대, 피일링에 의해) 제거될 수 있도록 충분히 두껍고 강한 층을 지칭한다. 제거 전에, 구조 층은 보유될 부분(들)을 제거될 부분(들)으로부터 분리하기 위해 스코어링되거나(scored) 절단될 수 있고, 그 결과 제거될 부분(들)은 렌즈 부재의 내부 표면의 부분(들)을 선택적으로 노출시키도록 인광체 층의 대응하는 부분(들)과 함께 렌즈 부재 또는 다른 구성요소로부터 기계적으로 제거될 수 있다. 적합한 구조 층은, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 폴리에틸렌 나프탈레이트를 포함하는 폴리에스테르, 플루오로중합체, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 실리콘을 포함한다. 구조 층은 또한 셀룰로오스, 합성 섬유, 및 세라믹 또는 유리 섬유와 같은 재료를 포함하는 직조 또는 랜덤 섬유질 매트일 수 있다.
열 전도성 층이 또한 인광체 조립체에 포함될 수 있다. 열 전도성 층은 인광체 층 후방에 배치될 수 있어서, 인광체 층은 조립체의 열 전도성 층과 작동 표면 사이에 놓인다. 열 전도성 층은 낮은 작동 온도에서 인광체 층을 유지하기 위해 열 전도성 기판 또는 히트 싱크에 접촉 또는 달리 결합될 수 있다. 열 전도성 층은 중합체 층, 특히 알루미나, 실리카, 질화붕소 및/또는 질화알루미늄과 같은 열 전도성 분말(들) 또는 재료(들)의 적절한 양으로 충전된 것들로 제조될 수 있다. 중합체 층은 실리콘 또는 아크릴레이트와 같은 단일중합체, 또는 중합체들의 혼합물, 또는 방사선 경화 아크릴레이트와의 열 경화 에폭시의 혼합물과 같은 B-스테이지 경화성 재료일 수 있다.
(이미 논의된 접착제 층(525)과 다른) 접합 층이 또한 인광체 조립체에 포함될 수 있다. 예를 들어, 프라이머 층이 인접한 기능성 층들 사이에서, 그러한 층들 사이의 접합을 향상시키기 위해 포함될 수 있다.
인광체 조립체의 샌드위치 구성 내의 2개 이상의 층의 기능이 단일 층으로 조합될 수 있다. 예를 들어, 접착제 층은 또한 투명한 스페이서 층으로서 역할할 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 단일 층으로 기술되거나 도시된 층들 중 임의의 것이 인광체 조립체의 샌드위치 구성 내의 2개 이상의 그러한 별개의 층을 제공하도록 분할되거나 복제될 수 있다. 또한, 인광체 조립체는 예컨대 중합체 베이스 필름 또는 필름들을 사용하여 롤 형태로 제조될 수 있고, 그 후 적합한 크기 및 형상의 단편들이 특정한 원격 인광체 조명 시스템으로의 통합을 위해 롤로부터 절단될 수 있다. 따라서, 조립체는 다이-커팅가능할 수 있도록 제조될 수 있다.
도 4는 인광체 조립체(429)를 포함하는 광대역 광원(410)을 도시한다. 광원(410)은 직교 x-y-z 좌표계와 관련하여 도시된다. 광원(410)은 히트 싱크이거나 이를 포함할 수 있는 기판(412)을 포함한다. 기판(412)은 상부(작동) 표면(429a) 및 기준점(429b)을 갖는 인광체 조립체(429)를 지지한다. 인광체 조립체(429)는 인광체 층 및 광대역 반사기를 포함하지만, 또한　본 명세서의 다른 부분에 기술된 것과 같은 다른 층 및 특징부를 포함할 수 있다. 18개의 LED가 인광체 조립체의 상부 또는 달리 근접하게 배치되고, LED는 6개의 이웃하는 LED의 3개의 웨지(wedge)-형상 그룹(430, 432, 434)으로 배열되며, 이웃하는 LED의 각각의 그룹은 기판의 웨지-형상 영역 내에 배치된다. LED의 3개의 웨지-형상 그룹의 레이아웃 및 각각의 그룹 내의 LED의 도시된 수 및 배향은 많은 가능한 배열 중 하나이고, 제한하는 방식으로 해석되어서는 안 된다. 예를 들어, 웨지형 형상 이외의 형상이 또한 고려된다. LED는 또한 3개의 웨지 이외의 다른 구성으로 배열될 수 있고, 각각의 LED로부터의 광의 대부분이 이하에서 논의되는 바와 같이 인광체의 차단되지 않은 면적을 우선적으로 조명하도록 적합하게 위치된 하나 이상의 LED가 존재할 수 있다. LED는 투명 중합체 또는 유리, 또는 렌즈 부재를 형성하는 다른 적합한 광-투과성 재료 내에 봉지될 수 있거나, LED는 렌즈 부재의 하부 또는 내부 표면 아래에 직접 배치될 수 있다. 렌즈 부재의 상부 또는 외부 표면은 이색성 반사기(416)가 그러한 표면에 적용될 수 있고 그러한 표면에 형상적으로 정합할 수 있도록 오목하거나 만곡될 수 있다. 이색성 반사기는 본 명세서에 기술된 다른 이색성 반사기와 동일하거나 유사할 수 있다. 이색성 반사기(416)의 형상은 정점(416a) 및 대칭 축 또는 광학 축(416b)을 한정할 수 있다. 광학 축(416b)은 광원(410)의 광학 축과 일치할 수 있고, 기준점(429b) 및 정점(416a)을 통과할 수 있다.
이웃하는 LED의 그룹은 인광체 조립체(429)의 차단되지 않은 웨지-형상 부분(440, 442, 444)에 의해 서로로부터 분리된다. 이와 관련하여 "차단되지 않은"은 LED가 실질적으로 존재하지 않는 인광체 조립체(429)의 부분을 지칭한다. 또한, 이웃하는 LED의 각각의 그룹은 점(429b)의 관점으로부터 인광체 조립체의 차단되지 않은 웨지-형상 부분들 중 대체로 대향하는 부분인 기판의 웨지-형상 영역에 놓인다. 기판의 웨지-형상 영역(예컨대, LED의 웨지-형상 그룹(430)이 놓인 영역) 및 인광체 조립체의 그의 대응하는 웨지-형상 부분(예컨대, 부분(440))의 각각의 쌍은 또한 점(429b)에 대하여 대체로 대칭일 수 있다. 이색성 반사기(416)를 광학 축(416b)이 점(429b)을 통과하도록 구성함으로써, 그리고 이색성 반사기의 적합한 곡률 반경을 선택함으로써, 이색성 반사기에 의해 반사되는 이웃하는 LED의 각각의 웨지-형상 그룹으로부터의 LED 광의 부분은 인광체 조립체의 그의 대응하는 웨지-형상 부분 상으로 (적어도 대략적으로) 이미징될 수 있다.
차단되지 않은 부분(440, 442, 444) 부근에서, 인광체 조립체는 내부 표면이 실질적으로 평평할 수 있는 렌즈 부분의 저부 또는 내부 표면에 직접 접착될 수 있다. 또한, 대안적인 실시예에서, 인광체 조립체는, 3개의 차단되지 않은 부분(440, 442, 444)과 정렬되고 렌즈 요소의 내부 표면에 접합될 수 있는 3개의 웨지-형상 단편들로 절단(예컨대, 다이 커팅)될 수 있다. 그러한 경우, 어떠한 인광체 조립체도 LED 아래에 존재하지 않을 수 있고, LED는 기판(412)에 직접 접촉할 수 있다.
3개의 LED 그룹 각각의 이웃하는 LED는 점(429b)으로부터 그리고/또는 광학 축(416b)으로부터 상이한 반경방향 거리(x-y 평면에 평행하게 측정됨)에 배열된다. 도시된 배열에서, 예를 들면, 각각의 그룹 내의 하나의 LED는 축(416b)에 가장 가깝게 배치되고, 각각의 그룹 내의 3개의 LED는 축(416b)으로부터 가장 멀리 배치되며, 각각의 그룹 내의 2개의 LED는 축(416b)으로부터 중간 거리에 배치된다. 필요할 경우, LED의 그러한 배열은 광원(410)의 광대역 출력의 색상을 조정 또는 제어하기 위해, 그의 반사 및 투과 특성이 입사각의 함수로서 변화하는 이색성 반사기(416)와 조합하여 사용될 수 있다. 출력 색상은 2011년 5월 18일자로 출원된, 공히 양도되고 계류 중인 미국 특허 출원 제61/487,423호에 더욱 완전히 논의되어 있는 바와 같이, 렌즈 부재 아래에 배열된 다양한 LED의 상대 구동 강도를 제어함으로써 조정될 수 있다.
도 5는 광원(410)과 동일하거나 유사할 수 있는 광대역 광원(510)의 일부분의 개략적인 평면도를 도시한다. 직교 x-y-z 좌표계에 관련하여 도시된 광원(510)에서, 인광체 조립체 및/또는 기판은 서로 실질적으로 일치할 수 있는 대향하는 쌍인 6개의 웨지-형상 영역 또는 부분으로 구획된다. 인광체 조립체는 본 명세서의 다른 부분에 기술된 인광체 조립체와 동일하거나 유사할 수 있다. 18개의 LED가 도 4에 도시된 것과 유사한 방식으로, 즉 6개의 이웃하는 LED의 3개의 웨지-형상 그룹(530, 532, 534)으로 기판 또는 인광체 조립체 상에 배열되고, 이웃하는 LED의 각각의 그룹은 기판의 웨지-형상 영역들 중 하나에 배치된다. LED의 이들 그룹 각각은 소자의 중심에 도시된 중심점(표시되지 않음)의 관점으로부터, 인광체 조립체의 차단되지 않은 웨지-형상 부분에 대향하여 배열된다. 따라서, LED 그룹(530)은 웨지-형상 인광체 조립체 부분(540)에 대향하여 배열되고, LED 그룹(532)은 웨지-형상 인광체 조립체 부분(542)에 대향하여 배열되며, LED 그룹(534)은 웨지-형상 인광체 조립체 부분(544)에 대향하여 배열된다. 예시적인 실시예에서, 오목한 이색성 반사기가 도 5에 도시된 광원의 부분을 부분적으로 또는 완전히 덮도록 제공된다. 본 명세서의 다른 부분에 논의된 이색성 반사기와 동일하거나 유사할 수 있는 이색성 반사기가 광-투과성 봉지재 또는 렌즈 부재의 표면 상에 배치될 수 있고, z-축에 평행하고 중심점(표시되지 않음)을 통과하는 대칭 축 또는 광학 축을 가질 수 있다. 그러한 반사기는 상이한 LED들이 인광체 조립체 내에서 인광체 층의 상이한 부분을 주로 여기시키도록 인광체 조립체의 선택된 부분들 상으로 다양한 LED로부터의 적어도 일부 광을 반사할 수 있다. 인광체 조립체 부분(540, 542, 544)을 중심점으로부터 다른 반경방향 거리에서 하위부분을 포함하는 것으로, 즉 부분(540)은 하위부분(540-1, 540-2, 540-3, 540-4)을 포함하고, 부분(542)은 하위부분(542-1, 542-2, 542-3, 542-4)을 포함하며, 부분(544)은 하위부분(544-1, 544-2, 544-3, 544-4)을 포함하는 것으로 고려하는 경우, 이색성 반사기는 다양한 LED로부터의 LED 광을 하기와 같이 다양한 인광체 조립체 하위부분으로 우선적으로 반사할 수 있다:
LED(521a)로부터의 광을 인광체 하위부분(540-2) 상으로;
LED(522a, 523a)로부터의 광을 인광체 하위부분(540-3) 상으로;
LED(524a, 525a, 526a)로부터의 광을 인광체 하위부분(540-4) 상으로;
LED(521b)로부터의 광을 인광체 하위부분(542-2) 상으로;
LED(522b, 523b)로부터의 광을 인광체 하위부분(542-3) 상으로;
LED(524b, 525b, 526b)로부터의 광을 인광체 하위부분(542-4) 상으로;
LED(521c)로부터의 광을 인광체 하위부분(544-2) 상으로;
LED(522c, 523c)로부터의 광을 인광체 하위부분(544-3) 상으로; 그리고
LED(524c, 525c, 526c)로부터의 광을 인광체 하위부분(544-4) 상으로.
독자는 LED 광의 우선적인 반사가, 주어진 LED로부터의 모든 반사된 LED 광이 특정된 인광체 하위부분에 충돌하는 것을 요구하는 것으로 좁게 해석되어서는 안 된다는 것을, 그리고 그러한 LED로부터의 일부 반사된 LED 광이 또한 다른 인광체 하위부분 및/또는 광원의 다른 LED 또는 다른 요소에 충돌할 수 있다는 것을 명심해야 할 것이다.
광원(510)의 일 실시예에서, 모든 18개의 LED는 동일한 LED 방출 스펙트럼에 따른 LED 광을 방출할 수 있고, 인광체 층은 인광체 층의 조성 및 구조가 웨지-형상 부분(540, 542, 544)에 걸쳐 그리고 그들 간에 동일하도록 균일한 조성 및 구조를 가질 수 있다. 광원(510)으로부터의 전체 광대역 광 방출의 색상은 근접한, 중간 및 먼 LED의 하위그룹이 에너지를 공급받는 상대적인 정도를 제어함으로써 제어 또는 조정될 수 있다. 광원(510)의 다른 실시예에서, 상이한 색상이 상이한 LED와 관련된 인광체 조립체의 부분들에 대해 상이한 조성 및/또는 구조를 사용함으로써 상이한 광대역 광 부분에 대해 달성될 수 있다. 예를 들어, LED 그룹(530)의 6개의 LED에 의해 여기되는 인광체 조립체의 웨지-형상 부분(540)은 부분(542 및/또는 544)의 인광체 조립체와 상이한 조성 및/또는 구조를 가질 수 있다. 그러면 광원으로부터의 전체 광대역 광 방출의 색상은 이웃하는 LED의 하나의 그룹(예컨대, LED 그룹(530))이 이웃하는 LED의 다른 그룹(예컨대, LED 그룹(532, 534))에 비해 에너지를 공급받는 상대적인 정도를 제어 또는 조정함으로써 제어 또는 조정될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 인광체 조립체의 웨지-형상 부분(540, 542, 544) 중 하나, 일부 또는 전부는 이색성 반사기의 광학 축 또는 중심점(표시되지 않음)으로부터 상이한 반경방향 거리에서 상이한 조성 및/또는 구조를 가질 수 있다. 오목한 이색성 반사기의 이미징 특성으로 인해, 이웃하는 LED의 각각의 그룹 내의 하나의 근접한 LED의 하위그룹은 중심점에 가장 근접한 웨지-형상 인광체 조립체 부분의 부분을 우선적으로 여기시키는 경향이 있고, 이웃하는 LED의 각각의 그룹 내의 2개의 중간 LED의 하위그룹은 웨지-형상 인광체 조립체 부분의 중간 부분을 우선적으로 여기시키는 경향이 있으며, 이웃하는 LED의 각각의 그룹 내의 3개의 먼 LED의 하위그룹은 중심점에서 가장 먼 웨지-형상 인광체 조립체 부분의 부분을 우선적으로 여기시키는 경향이 있다. 따라서, 반경방향으로 변하는 인광체 층이 근접한 LED, 중간 LED 및 먼 LED의 하위그룹이 에너지를 공급받는 상대적인 정도를 조정 또는 제어함으로써 광원(510)으로부터의 전체 광대역 광 방출의 색상 온도를 제어 또는 조정하도록 사용될 수 있다. 광원(510)의 또 다른 실시예에서, 상이한 색상은 상이한 방출 스펙트럼을 갖는 개별 LED를 선택하고, 이어서 상이한 방출 특성의 LED가 에너지를 공급받는 상대적인 정도를 제어 또는 조정함으로써 상이한 광대역 광 부분들에 대해 달성될 수 있다.
도 6은 광원(410, 510)과 동일하거나 유사할 수 있는 다른 예시적인 광대역 광원(610)의 개략적인 측면도 또는 단면도이다. 직교 x-y-z 좌표계와 관련하여 도시된 광원(610)에서, LED(621a, 622a, 625a, 621c, 622c, 624c)는 인광체 층(629)의 주 표면(629a) 상에 배치되고, 인광체 층은 차례로 반사성 기판(618) 상에 배치된다. LED 광 및 인광체 광 둘 모두를 강하게 반사하는 반사성 기판(618) 및 인광체 층(629)은 인광체 조립체를 형성한다. LED는, 그 상에 제2 봉지 부재 또는 렌즈 부재(614)가 형성된 제1 봉지 부재(617) 내에 봉지된다. 제1 및 제2 봉지 부재는 상이한 광-투과성 재료, 예컨대 상이한 투명 중합체 재료로 구성될 수 있지만, 다른 실시예에서 제1 및 제2 봉지 부재는 부재들이 일체형 구성요소를 형성하도록 동일한 재료로 제조될 수 있다. 제2 부재(614)는 제1 부재(617)와 접촉하는 평평한 하부 또는 내부 표면(614a)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 제2 부재는 또한 이색성 반사기(616)가 그 상에 형성되는 만곡된 상부 또는 외부 표면을 갖는다. 만곡된 외부 표면 및 이색성 반사기(616)의 오목한 형상은 이색성 반사기의 정점(616a)을 통과하는 그리고 인광체 층(629)의 표면(629a) 상의 중심점(629b)을 통과하는 대칭 축 또는 광학 축(616b)을 한정한다.
제1 부재(617)는 선택적으로 내부 표면(614a)에 접합되고 표면(614a)과 표면(629a) 사이의 공간을 충전하는 접착제의 층이거나 이를 포함할 수 있다. 부재(617)는 또한 약 50 내지 약 400 ㎚ 범위의 직경을 갖는 기체-충전된 공극을 함유하는 중합체 층과 같은 저굴절률 재료이거나 이를 포함할 수 있다. 공극형 중합체는 용매를 함유하는 단량체를 경화시키고 경화 후에 용매를 제거함으로써 제조될 수 있다. 예를 들어, PCT 공개 WO 2011/0881661호를 참조한다. 다른 실시예에서, 부재(617)는 표면(614a)과 표면(629a) 사이의 공기-충전된 간극이거나 이를 포함할 수 있다.
도 6의 도면은 표면(629a) 상에서 LED의 배열 또는 레이아웃에 관한 완전한 정보를 제공하지 않는다. 일 실시예에서, LED들은 도 4 및 도 5에 도시된 것들과 유사한 웨지-형상 영역들에서 함께 그룹화될 수 있다. 예를 들어, LED(621a, 622a, 625a)는 도 5의 LED(521a, 522a, 523a, 524a, 525a, 526a)와 유사한 6개의 이웃하는 LED의 그룹 중 3개의 LED일 수 있고, LED(621c, 622c, 624c)는 도 5의 LED(521c, 522c, 523c, 524c, 525c, 526c)와 유사한 6개의 이웃하는 LED의 그룹으로부터의 3개의 LED일 수 있다. 대안적으로, LED들은, 주어진 LED로부터의 광이 다른 LED에 의해 실질적으로 가려지지 않은 인광체 표면(629a)의 일부분 상으로 이색성 반사기(616)에 의해 반사되도록, 이웃하는 LED의 그룹으로, 또는 분산되거나 이격된 배열로, 또는 이웃하는 및 분산된 LED의 조합으로 중 어느 하나로의 임의의 다른 배열로 표면(629a) 상에 위치될 수 있다. 임의의 경우에, 광이 LED들 중 하나, 일부 또는 전부로부터 이색성 반사기로 전파됨에 따라, 이는 인광체 층을 통과하지 않는다. LED는 단순함을 위해 도시되지 않은 리드선(lead line), 와이어 본드 또는 다른 도전성 요소에 의해 제어기에 접속될 수 있다.
인광체 층은 본 명세서의 다른 부분에 기술된 인광체 층과 동일하거나 유사한 것일 수 있고, 본 명세서의 다른 부분에 기술된 하나 이상의 인광체 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 인광체 층은 다수의 인광체 입자가 분산되어 있는 투명 중합체의 층이거나 이를 포함할 수 있다. 인광체 층(629)은 층(629)이 부분적으로 광-투과성이도록 충분히 작은 두께(t3)를 갖는 것으로 가정되어, 적어도 일부 반사된 LED 광이 층(629)을 통해 완전하게 전파되어 반사성 기판(618)에 충돌한다. 그러면 반사성 기판에 의해 반사된 LED 광은, 인광체 재료에 의해 흡수될 다른 기회를 위해, 다시 인광체 층(629)을 통해 전파될 수 있다.
광원(610)은 본 명세서에, 또는 본 명세서의 다른 부분에 참조된 공히 양도된 미국 특허 출원 제61/487,423호에 논의된 기술 중 임의의 것을 사용하여, 상이한 색상을 갖는 복수의 광대역 광 부분으로 구성된 전체 광대역 광 방출을 제공하도록 구성될 수 있다.
도 7은 대안적인 원격 인광체 광대역 광원(710)의 개략도를 도시한다. 광원(710)은 출력 개구 또는 표면(715)으로부터 백색 광과 같은 광대역 광을 방출한다. 광원(710)은 LED(720), 반사기(716) 및 인광체 미러 조립체(730)를 포함한다. LED(720)는 본 명세서의 다른 부분에 논의된 비교적 단파장의 광(741a)을 방출한다. LED(720)는 광-투과성 기판 또는 이를 반사기(716)에 연결하는 하나 이상의 지지 비임(beam)과 같은 임의의 적합한 지지 구조물(도시 안됨)을 사용하여 제위치로 유지될 수 있다. LED 광의 일부는 인광체 조립체(730)에 충돌하기 전에 반사기(716)에 의해 반사될 수 있고(광(741b) 참조), 반면에 다른 LED 광은 인광체 조립체(730)로 직접 이동할 수 있다. 반사기(716)는 임의의 원하는 수준의 반사율을 가질 수 있지만, 바람직하게는 반사기는 LED 광 및 인광체 광 둘 모두에 대해 높은 반사율을 갖는다. 반사기(716)는 경면 반사기, 확산 반사기 및/또는 반-경면 반사기(경면 및 확산의 조합)일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 반사기(716)는 본 명세서에 기술된 광대역 반사기들 중 임의의 것과 동일하거나 유사할 수 있다. 일부 경우에, LED(720)는 이것이 일부 LED 광을 대체로 인광체 조립체(730)를 향해 방출하고 다른 LED 광을 대체로 출력 표면(715)을 향해 방출하도록 양방향성일 수 있다.
인광체 조립체(730)는 본 명세서에 기술된 다른 인광체 미러 조립체와 동일하거나 유사할 수 있다. 그러한 것으로서, 조립체(730)는 적어도 광대역 반사기(734)에 부착된 인광체 재료의 층(732)을 포함한다. LED 광의 일부는, 직접적이든 반사기(716)로부터의 반사에 의해 간접적이든 간에, 인광체 층(732)에 충돌하고, 그 광의 일부는 흡수되어 인광체 광(743a)으로서 재방출된다. 인광체 층(732)에 충돌하는 LED 광의 잔여부는 광대역 반사기(734)에 도달하고, 다시 인광체 층(732)으로 반사된다. 이러한 반사된 LED 광의 일부는 인광체 층(732)에 의해 다시 흡수되어 재방출되고, 잔여부는 반사된 LED 광(741c)으로서 층(732)으로부터 그리고 조립체(730)로부터 나온다. 인광체 광(743a)의 일부 및 반사된 LED 광(741c)의 일부는 반사기(716)로부터 반사되지 않거나 한 번 이상 반사 후에 광원(710)의 출력 표면(715)으로부터 나온다. 나오는 LED 광 및 나오는 인광체 광은 조합되어 광원(710)의 광대역 출력 광을 제공한다. LED(720)가 청색 광을 방출하는 경우, 인광체 층(732)은 황색 인광체 광을 방출하도록 맞춰질 수 있어서, 청색 LED 광 및 황색 인광체 광의 조합은 공칭적으로 백색 광을 제공한다.
도 12는 온백색 광 출력을 효율적으로 제공하는 다른 예시적인 광대역 광원(810)의 개략적인 측면도 또는 단면도이다. 직교 x-y-z 좌표계와 관련하여 도시된 광원(810)에서, LED(821a, 822a, 825a, 821c, 822c, 824c)는 인광체 층(829)의 주 표면(829a) 상에 배치되고, 인광체 층은 차례로 반사성 기판(818) 상에 배치된다. LED 광 및 인광체 광 둘 모두를 강하게 반사하는 반사성 기판(818) 및 인광체 층(829)은 인광체 조립체를 형성한다. LED는, 그 상에 제2 봉지 부재 또는 렌즈 부재(814)가 형성된 제1 봉지 부재(817) 내에 봉지된다. 제1 및 제2 봉지 부재는 상이한 광-투과성 재료, 예컨대 상이한 투명 중합체 재료로 구성될 수 있지만, 다른 실시예에서 제1 및 제2 봉지 부재는 부재들이 일체형 구성요소를 형성하도록 동일한 재료로 제조될 수 있다. 제2 부재(814)는 제1 부재(817)와 접촉하는 평평한 하부 또는 내부 표면(814a)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 제2 부재는 또한 이색성 반사기(816)가 그 상에 형성되는 만곡된 상부 또는 외부 표면을 갖는다. 만곡된 외부 표면 및 이색성 반사기(616)의 오목한 형상은 이색성 반사기의 정점(816a)을 통과하는 그리고 인광체 층(829)의 표면(829a) 상의 중심점(829b)을 통과하는 대칭 축 또는 광학 축(816b)을 한정한다.
제1 부재(817)는 선택적으로 내부 표면(814a)에 접합되고 표면(814a)과 표면(829a) 사이의 공간을 충전하는 접착제의 층이거나 이를 포함할 수 있다. 부재(817)는 또한 약 50 내지 약 400 ㎚ 범위의 직경을 갖는 기체-충전된 공극을 함유하는 중합체 층과 같은 저굴절률 재료이거나 이를 포함할 수 있다. 공극형 중합체는 용매를 함유하는 단량체를 경화시키고 경화 후에 용매를 제거함으로써 제조될 수 있다. 예를 들어, PCT 공개 WO 2011/0881661호를 참조한다. 다른 실시예에서, 부재(817)는 표면(814a)과 표면(829a) 사이의 공기-충전된 간극이거나 이를 포함할 수 있다.
도 12의 도면은 표면(829a) 상에서 LED의 배열 또는 레이아웃에 관한 완전한 정보를 제공하지 않는다. 일 실시예에서, LED들은 도 4 및 도 5에 도시된 것들과 유사한 웨지-형상 영역들에서 함께 그룹화될 수 있다. 예를 들어, LED(821a, 822a, 825a)는 도 5의 LED(521a, 522a, 523a, 524a, 525a, 526a)와 유사한 6개의 이웃하는 LED의 그룹 중 3개의 LED일 수 있고, LED(821c, 822c, 824c)는 도 5의 LED(521c, 522c, 523c, 524c, 525c, 526c)와 유사한 6개의 이웃하는 LED의 그룹으로부터의 3개의 LED일 수 있다. 대안적으로, LED들은, 주어진 LED로부터의 광이 다른 LED에 의해 실질적으로 가려지지 않은 인광체 표면(829a)의 일부분 상으로 이색성 반사기(816)에 의해 반사되도록, 이웃하는 LED의 그룹으로, 또는 분산되거나 이격된 배열로, 또는 이웃하는 및 분산된 LED의 조합으로 중 어느 하나로의 임의의 다른 배열로 표면(829a) 상에 위치될 수 있다. 임의의 경우에, 광이 LED들 중 하나, 일부 또는 전부로부터 이색성 반사기로 전파됨에 따라, 이는 인광체 층을 통과하지 않는다. LED는 단순함을 위해 도시되지 않은 리드선, 와이어 본드 또는 다른 도전성 요소에 의해 제어기에 접속될 수 있다.
이러한 태양에서, 인광체 층은 본 명세서의 다른 부분에 기술된 인광체 층과 동일하거나 유사한 방식으로 배열될 수 있다. 이러한 태양에서, 인광체 층(829)은 반사성 기판(818)의 상당한 부분에 걸쳐 배치된 녹색-방출 인광체를 포함할 수 있고, 여기서, 일 실시예에서, 인광체 층은 다수의 인광체 입자가 분산되어 있는 투명 중합체의 층이거나 이를 포함할 수 있다. 적합한 녹색-방출 인광체는 예를 들어 인터매틱스(Intermatix) 및 포스포테크(Phosphortech)로부터 입수가능하다.
녹색-방출 인광체의 사용과 관련하여, LED는 청색 LED 및 적색 LED의 조합으로 그룹화될 수 있고, 여기서 LED(821a, 822a, 825a, 821c, 822c, 824c) 중 적어도 하나는 적색 LED를 포함하며, 녹색 LED는 생략될 수 있다. 이러한 방식으로, 청색 LED는 단지 작은 양(약 10% 정도)의 청색 광이 이색성 반사기(816)를 통해 투과되는 상태에서, 이색성 반사기(816)에 의해 인광체 층 상으로 실질적으로 반사된 청색 광을 방출할 것이다. 적색 LED는 이색성 반사기(816)를 직접 통과하는 광을 방출할 것이다. 인광체 층에 의해 발생된 녹색 광은 또한 이색성 반사기(816)를 통해 투과될 것이고, 그에 따라 온색상 특성을 가진 백색 광을 생성하는 RGB 색상 혼합을 제공할 것이다.
추가의 대안적인 태양에서, LED는 청색 LED 및 적어도 하나의 적색 LED의 조합으로 그룹화될 수 있고, 여기서 적색 LED는 중심점(829b)에서와 같은 표면(829a)의 중심에 배치될 수 있다. LED(821a, 822a, 825a, 821c, 822c, 824c)는 이용되는 인광체의 유형에 따라 청색 LED 또는 청색 및 녹색 LED의 조합을 포함할 수 있다.
이전 실시예들 중 적어도 일부에서와 같이, 인광체 층(829)은 층(829)이 부분적으로 광-투과성이도록 충분히 작은 두께(t3)를 갖는 것으로 가정되어, 적어도 일부 반사된 LED 광이 층(829)을 통해 완전하게 전파되어 반사성 기판(818)에 충돌한다. 그러면 반사성 기판에 의해 반사된 LED 광은, 인광체 재료에 의해 흡수될 다른 기회를 위해, 다시 인광체 층(829)을 통해 전파될 수 있다.
광원(810)은 더 온색의 광 출력을 제공하도록 구성될 수 있다. 통상적인 원격 인광체 시스템과 달리, 적색 광은 인광체를 통과하거나 반사됨으로써 보통 생성되는 손실 없이 시스템에 의해 직접 방출된다.
모델링된 예
도 6에 도시된 것과 유사한 광대역 광원을 광학 설계 소프트웨어로 모델링하였다. 모델링된 설계는 실질적으로 도 5의 평면도에 도시된 바와 같이, 6개의 이웃하는 LED의 3개의 그룹으로 배열된 18개의 LED를 이용하는 광원을 가정하였다. 모든 18개의 LED는 동일한 물리적 및 광학적 특성을 갖는 것으로 가정하였다. 각각의 LED는 평면도에서 1 ㎜ × 1 ㎜ 치수의 정사각형 형상 및 10 마이크로미터의 두께(도 6의 치수 t1 참조)를 갖는 질화갈륨-온-사파이어(GaN/사파이어) LED 다이인 것으로 가정하였다. 각각의 LED의 후방 또는 배면 정사각형 표면은 모든 파장에서 50% 반사율을 갖는 것으로 가정하였다. 각각의 LED 다이는 455 ㎚의 피크 파장 및 15 ㎚의 반치폭(FWHM)으로서 측정된 스펙트럼 폭을 갖는 방출 대역의 청색 광을 방출하는 것으로 가정하였다. 이러한 청색 LED 광은 도 8에서 정규화된 전력 스케일 상에 곡선 816으로서 플로팅되어 있다. 도 8의 그래프는 또한 이하에서 추가로 논의되는, 상이한 입사각에 대한 모델링된 이색성 반사기의 스펙트럼 반사율을 도시한다.
LED는 1.41의 굴절률 및 49 마이크로미터의 물리적 두께(도 6의 치수 t2 참조)를 갖는 실리콘 매트릭스 내에 침지되는 것으로 가정하였다. 스코트(Schott)™ BK7 유리로서 모사된, 도 6에서 요소(614)에 대응하는, 굴절률 1.5의 반구형 렌즈가 실리콘의 층 상부에 있었다. 반구형 렌즈는 7.5 ㎜의 곡률 반경 및 도 6에서 도시된 바와 같은 정점 및 대칭 축을 갖는 것으로 가정하였다.
이색성 반사기가 반구형 렌즈의 전체 만곡된 외부 표면을 덮었다. 반사기는 6개의 층 쌍 또는 "광학 반복 유닛"을 형성하도록 이산화티타늄(TiO2)의 6개의 미세층이 개재된 이산화규소(SiO2)의 6개의 미세층을 갖는 것으로 가정하였다. 층 쌍의 두께 프로파일은 도 8에 도시된 스펙트럼 반사율을 제공하도록 맞춰졌다. 곡선 810은 0도의 입사각(즉, 수직 입사)에서 이색성 반사기의 반사율이다. 곡선 812는 20도의 입사각에서 평균 반사율이고, 여기서 "평균"은 s-편광된 광 및 p-편광된 광의 평균을 지칭한다. 곡선 814는 유사하게 40도의 입사각에서 이색성 반사기의 평균 반사율이다. 이 단락에서 지칭되는 입사각은 반구형 렌즈의 매질, 즉 굴절률 1.5의 매질에서 측정되는 바와 같은 입사각이다. 이색성 반사기는 흡수율이 없는 것으로 가정되었고, 따라서 이색성 반사기의 퍼센트 투과율(또는 퍼센트 평균 투과율)은 임의의 주어진 입사각 및 파장에 대해 100%에서 퍼센트 반사율(또는 퍼센트 평균 반사율)을 뺀 것으로서 용이하게 계산될 수 있다.
도 8의 그래프로부터, 이색성 반사기는 적어도 다양한 LED로부터의 광이 이색성 반사기에 충돌하는 일부 입사각에 대해 LED의 스펙트럼 방출과 일정 정도로 파장이 중첩되는 대역 에지 또는 스펙트럼 전이 영역을 갖는다는 것을 알 수 있다. 이와 관련하여, 인광체 층의 표면 상의 LED의 배열의 결과로서, 특히 일부 LED(예컨대, 도 5의 LED(521a, 521b, 521c) 참조)가 이색성 반사기의 광학 축에 대해 비교적 작은 반경방향 거리에 배치되고, 다른 LED(예컨대, 도 5의 LED(524a, 525a, 526a, 524b, 525b, 526b, 524c, 525c, 526c) 참조)가 광학 축에 대해 비교적 큰 반경방향 거리에 배치된다는 사실로 인해, 다양한 LED는 상이한 입사각에서 이색성 반사기에 충돌하는 광을 방출한다. 예를 들어 도 5의 LED(521a, 521b, 521c)에 대응하는 모델링된 LED는 약 0 내지 12도 범위의 입사각에서 모델링된 이색성 반사기에 충돌하는 광을 방출한다. 다른 한편, 도 5의 LED(524a, 526a, 524b, 526b, 524c, 526c)에 대응하는 모델링된 LED는 약 0 내지 31도 범위의 입사각에서 모델링된 이색성 반사기에 충돌하는 광을 방출한다. 이 단락에서 언급되는 입사각은 반구형 렌즈의 매질, 즉 굴절률 1.5의 매질에서 측정되는 바와 같은 입사각이다.
그 전체 면적에 걸쳐 조성 및 구조가 균일한 모델링된 인광체 층은 Ce:YAG 인광체의 15 마이크로미터 직경 구형 입자들이 굴절률 1.8의 투명한 재료 내에 균일하게 분포되어 있는 것으로 가정하였다. Ce:YAG는 청색 및 자외선 광을 흡수하고, 광대역인 비교적 평탄한 방출 대역으로 황색 외양을 갖는 광을 방출한다. 황색 인광체 광은, 적절한 양의 청색 LED 광과 조합될 때, 공칭적으로 백색 광을 생성한다. 인광체 층의 물리적 두께(도 6의 t3 참조)는 100 마이크로미터인 것으로 가정하였다. 입자의 농도(인광체 농도)는 모델에서 가변적이었고, 세제곱밀리미터당 5,000개 입자 내지 세제곱밀리미터당 30,000개 입자 범위 내에서 선택될 수 있었다.
모델링된 광대역 반사기(도 6의 요소(618) 참조)는 또한 모델에서 가변적일 수 있는 반사율을 갖는 것으로 가정하였다. 반사율은 전체 가시 파장 범위에 걸쳐 균일한 것으로 가정하였다.
도 9의 모델링 결과는 인광체 층에서의 인광체 농도 또는 입자 밀도의 함수로서, 인광체 층(629)을 통한 수직 입사 LED 광의 계산된 단일-통과 투과율을 도시한다. 예상된 바와 같이, 투과율은 인광체 농도가 증가함에 따라 감소한다. 세제곱밀리미터당 5,000개 입자의 인광체 입자 밀도의 경우, 투과율은 약 65%이다. 세제곱밀리미터당 30,000개 입자의 인광체 입자 밀도의 경우, 투과율은 약 20%이다.
도 10은 인광체 농도의 함수로서 그리고 광대역 반사기의 반사율의 함수로서 모델링된 원격 인광체 광대역 광원으로부터의 계산된 총 방출(즉, 이 광원에 의해 방출된 총 광학 전력)을 도시한다. 총 광학 전력은 이색성 반사기에 의해 투과된 LED 광에 기인한 광학 전력과 이색성 반사기에 의해 투과된 인광체 광에 기인한 광학 전력의 합이다. 곡선 1010, 1012, 1014, 1016은 각각 80%, 90%, 94% 및 98%의 광대역 반사기(618)의 반사율에 대응한다. 이들 반사율 값은 모든 파장에 대해 균일한 것으로 가정하였다.
일부 관찰이 도 10의 곡선에 관해 이뤄질 수 있다. 곡선이 나타내는 진행은 약 80% 이하의 광대역 반사기의 반사율의 경우, 인광체 농도가 증가함에 따라 총 출력 전력이 단조 증가되는 것으로 보이고 매우 높은 인광체 농도의 경우에 최대 점근값에 접근한다는 것을 보여준다. 그러나, 대조적으로, 적어도 광대역 반사율이 90% 이상인 경우, 총 전력은 점근값보다 높은 최대 또는 피크값을 나타내고, 이러한 피크값은 인광체의 중간 내지 낮은 농도의 경우에 달성된다. 따라서, 일부 조건 하에서, 원격 인광체 광대역 광원의 총 출력 전력은 실제로 인광체 조립체의 인광체 층 내의 인광체의 양을 감소시킴으로써 증가될 수 있다는 것을 밝혀냈다. 이러한 관찰은 인광체 재료를 절약하는 동시에 광대역 광원의 총 광 출력을 증대시키기 위해 광원 제조자에 의해 활용될 수 있다. 도 9 및 도 10의 비교는 인광체 층을 통한 LED 광의 단일 통과 투과율 T가 30 내지 65%, 또는 35 내지 60%, 또는 40 내지 50% 범위일 때 특정 관심 대상의 설계 공간이 존재한다는 것을 나타낸다. 이들 투과율 범위는 고정된 두께의 인광체 층 내의 인광체 농도를 조정함으로써, 또는 고정된 인광체 농도를 갖는 인광체 층의 두께를 조정함으로써, 또는 인광체 층의 두께 및 인광체 농도 둘 모두를 조정함으로써 달성될 수 있다는 것에 유의한다. 광대역 반사기는 바람직하게는 90%, 또는 94%, 또는 98% 이상의 반사율을 갖는다.
인광체 농도가 세제곱밀리미터당 5,000개 입자로부터 30,000개 입자로 증가함에 따라, 인광체 광과 관련된 총 출력 광의 비율이 증가하고, LED 광과 관련된 총 출력 광의 비율이 감소하는 것으로 예상될 것이다. 따라서, 모델링 결과와 관련하여, LED 광 및 인광체 광의 상대적인 혼합은 인광체 농도의 함수로서 변화하는 것으로 예상될 것이다. 이를 고려하여, 도 10의 곡선이 나타내는 최대 출력 전력이 백색 광에 대응하는지, 또는 대신에 백색으로서 보통의 관찰자에게 인지되지 않을 광, 예컨대 과도하게 청색이거나 과도하게 황색인 광에 대응하는지에 대해 의문을 가질 수 있다. 도 11의 모델링 결과는 이 질문에 대답하는 것을 돕는다. 도 11은 모델링된 광원의 총 광대역 광 출력에 대한 CIE 색상 색도 x 및 y 좌표를 플로팅한다. 때때로 본 명세서에서 더욱 간단히 색상 좌표로서 지칭되는 CIE 색도 좌표는 1931년 국제 조명 위원회(Commission international de l'eclairage)("CIE" 또는 Internation Commission on Illumination)에 의해 개발된 수학적으로 정의된 색상 공간을 특징으로 한다. x 및 y 색도 또는 색상 좌표는 물리적 위치 또는 변위와 관련된 x 및 y 좌표와 혼동되어서는 안 된다. 물리적 좌표와는 달리, (x,y) 색도 좌표는 단위가 없다. 백색 광을 그의 CIE 색상 좌표 (x,y)가 0.25 ≤ × ≤ 0.4 및 0.25 ≤ y ≤ 0.4를 만족하는 광으로 정의할 수 있고, 이때 그 정의된 영역 내의 다양한 점들은 백색 광의 다양한 음영 또는 색조, 예컨대 온백색 대 냉백색에 대응한다.
도 11의 곡선 1110, 1112는 광대역 반사기(618)가 94%의 반사율을 갖는 경우의 모델링된 원격 인광체 광대역 광원에 의해 방출되는 총 출력 광의 CIE x-좌표 및 CIE y-좌표에 각각 대응한다. 도 11의 검토 및 도 10과의 비교는 색상이 실질적으로 백색인 광대역 출력을 유지하면서 도 10의 곡선이 나타내는 최대 출력 전력이 달성된다는 것을 보여준다.
달리 지시되지 않는 한, 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 특징부 크기, 양, 물리적 특성 등을 표현하는 모든 수는 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 지시되지 않는 한, 명세서 및 특허청구범위에 기재된 수치 파라미터는 본 출원의 교시 내용을 이용하여 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 달라질 수 있는 근사치이다.
본 발명의 다양한 수정 및 변경이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 당업자에게 명백할 것이며, 본 발명이 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예로 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 본 명세서에서 언급된 모든 미국 특허, 공개 및 미공개 특허 출원, 및 다른 특허 및 비-특허 문헌이, 상기한 개시 내용과 직접적으로 모순되지 않는 정도로 참고로 포함된다.

Claims (15)

  1. 원격 인광체(remote phosphor) LED 소자에 사용하기 위한 조립체로서, 조립체는 400 내지 500 ㎚ 범위의 방출 피크(emission peak)를 갖는 LED 광으로 조명되고, 조립체는,
    LED 광의 일부를 흡수하고 흡수된 LED 광에 응답하여 인광체 광을 방출하도록 구성된 인광체 층; 및
    인광체 층에 부착되는 광대역 반사기(broadband reflector)를 포함하며,
    광대역 반사기는 LED 광 및 인광체 광에 대해 90% 이상의 반사율을 갖고,
    인광체 층은 T의 인광체 층을 통한 LED 광의 단일 통과 투과율(single pass transmission)을 제공하도록 맞춰진 인광체 농도 및 물리적 두께를 가지며, 여기서 T는 30 내지 65% 범위인 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 다이-커팅가능한(die-cuttable) 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 광대역 반사기는 인광체 층에 직접 부착되는 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 광대역 반사기는 하나 이상의 중간 층을 통해 인광체 층에 부착되는 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 인광체 층에 부착되는 접착제 층을 추가로 포함하는 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 인광체 층에 부착되는 구조 층(structural layer)을 추가로 포함하고, 구조 층은 자립형(self-supporting)인 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 인광체 층 및 광대역 반사기를 지지하도록 구성된 이형 라이너(release liner)를 추가로 포함하는 조립체.
  8. LED 광을 제공하기 위한 하나 이상의 LED와 조합하여 제1항의 조립체를 포함하는 원격 인광체 조명 시스템.
  9. 제8항에 있어서, LED 광의 제1 부분을 반사하고, LED 광의 제2 부분을 투과시키며, 인광체 광의 일부를 투과시키도록 구성된 이색성 반사기(dichroic reflector)를 추가로 포함하는 시스템.
  10. 광대역 광 출력을 제공하는 원격 인광체 조명 시스템으로서,
    400 내지 500 ㎚ 범위의 하나 이상의 방출 피크를 갖는 LED 광을 방출하도록 구성된 하나 이상의 LED; 및
    인광체 층 및 인광체 층에 부착되는 광대역 반사기를 포함하는 조립체를 포함하고, 인광체 층은 LED 광의 일부를 흡수하고 흡수된 LED 광에 응답하여 인광체 광을 방출하도록 구성되며, 광대역 반사기는 LED 광 및 인광체 광에 대해 90% 이상의 반사율을 갖고,
    광대역 광 출력은 조립체에 의해 방출되는 인광체 광의 일부 및 조립체에 의해 반사되는 LED 광의 일부를 포함하며,
    인광체 층은 T의 인광체 층을 통한 LED 광의 단일 통과 투과율을 제공하도록 맞춰진 인광체 농도 및 물리적 두께를 갖고, 여기서 T는 광대역 광 출력을 최대화하도록 선택되는 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    하나 이상의 LED에 의해 방출되는 LED 광의 일부를 반사시켜서 조립체를 통과하지 않는 광 경로를 통해 조립체에 충돌시키도록 구성된 이색성 반사기를 추가로 포함하고, 이색성 반사기는 또한 하나 이상의 LED에 의해 방출되는 LED 광의 일부를 투과시키고 인광체 광의 일부를 투과시키도록 구성된 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    외부 표면 및 내부 표면을 갖고, 이색성 반사기가 외부 표면 상에 배치되는 렌즈 부재를 추가로 포함하고,
    조립체는 인광체 층이 렌즈 부재와 광대역 반사기 사이에 배치되도록 배향되는 시스템.
  13. 제10항에 있어서, 광대역 광 출력은 CIE 색상 좌표 (x, y)를 갖고, x는 0.25 내지 0.4 범위이며, y는 0.25 내지 0.4 범위인 시스템.
  14. 제10항에 있어서, 인광체 층은 녹색-방출 인광체인 시스템.
  15. 원격 인광체 LED 소자에 사용하기 위한 조립체로서, 조립체는 LED 광으로 조명되고, 조립체는,
    400 내지 500 ㎚ 범위의 제1 LED 광을 방출하기 위한 하나 이상의 LED의 어레이;
    제1 LED 광의 일부를 흡수하고 흡수된 제1 LED 광에 응답하여 인광체 광을 방출하도록 구성된 인광체 층;
    적색 LED 광을 방출하는 적어도 하나의 추가 LED;
    제1 LED 광의 제1 부분을 반사하고, LED 광의 제2 부분을 투과시키며, 적색 LED 광을 투과시키고, 인광체 광의 일부를 투과시키도록 구성된 이색성 반사기; 및
    인광체 층에 부착되는 광대역 반사기를 포함하고,
    광대역 반사기는 제1 LED 광 및 인광체 광에 대해 90% 이상의 반사율을 갖는 조립체.
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