KR20140054060A - 개선된 ｌｅｄ 조명 시스템 및/또는 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20140054060A
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비자옌 에스. 비라사미
젬시 알바레즈
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가디언 인더스트리즈 코퍼레이션.
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Abstract

특정한 예시의 실시형태는 개선된 조명 시스템 및/또는 그 제조 방법에 관한 것이다. 특정한 예시의 실시형태에서, 조명 시스템은 하나 이상의 어퍼쳐(110)를 갖는 유리 기판(114)을 포함한다. LED(104) 또는 그 외의 광원이 어퍼쳐의 일 단부에 배치되어 광이 LED로부터 유리 기판의 어퍼쳐를 통해서 어퍼쳐에 대향하는 단부로 빠져나간다. 어퍼쳐의 내면 (108)은 LED로부터 방출되는 광을 반사하기 위한 은과 같은 거울 코팅 물질을 포함한다. 특정한 예시의 실시형태에서, 리모트 인광체 제품 또는 층은 어퍼쳐의 다른 단부에서 LED에 대향하도록 배치된다. 특정한 예시의 실시형태에서, 렌즈는 리모트 인광체 제품과 LED 사이의 어퍼쳐에 배치된다.

Description

개선된 ＬＥＤ 조명 시스템 및/또는 그 제조 방법{IMPROVED LED LIGHTING SYSTEMS AND/OR METHODS OF MAKING THE SAME}
본 발명의 특정한 예시의 실시형태는 발광 다이오드(LED) 시스템, 및/또는 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 특정한 예시의 실시형태는 조명기구(예를 들면, 픽스처(fixture))와 같은 어플리케이션에 대해서, 광 수집이 증가하고 아이텐듀(etendue)가 보존되는 개선된 LED 시스템에 관한 것이다.
한 세기 이상 동안, 백열 전구는 전기적으로 발생하는 광의 대부분을 제공했다. 그러나, 백열 전구는 일반적으로 광의 발생 면에서 비효율적이다. 즉, 백열 전구에서 공급되는 전력은 대부분 광보다 열로 변환될 수 있다.
최근에, 발광 다이오드(LED), 또는 무기 LED(ILED)가 개발되어 왔다. 이러한 비교적 새로운 광원이 매우 빠른 속도로 지속적으로 개발되고 있고, 특정한 반도체 제작 기술을 적용해서 루멘 출력을 더 증가시켰다. 따라서, LED의 증가한 루멘 출력과 높은 발광 효율의 조합에 의해서, LED가 특정한 상황에서 바람직한 조명으로서 선택될 수 있다. 광원으로서 LED를 채택한 것은 1) 활물질을 디바이스(device) 패키지에 통합하기 위한 비용 효율적인 기술; 2) 모듈에 디바이스를 연결하는 것; 3) 작동 중에 축적된 열을 관리하는 것; 및/또는 4) 제품의 수명 동안 광 출력을 소망의 색도 수준까지 공간적으로 균일화하는 것에 관련된 다양한 영역에서 개선에 관련될 수 있다.
일반적으로 말하면, LED는 백열 광원에 비해서, 내구성 증가, 수명 증가, 및 에너지 소비 감소와 같은 여러 이점을 갖는다. 또한, 좁은 스펙트럼 방출 밴드 및 낮은 작동 전압을 갖는 소규모(small nature)의 LED는 컴팩트, 경량 및 저렴한 조명(예를 들면, 고상 트랙 조명 시스템)의 광원으로서 바람직할 수 있다.
그러나, LED는 이러한 이점에도 불구하고, 또한 특정한 단점들도 있다. 예를 들면, LED의 아이텐듀의 유닛당 광 출력이 UHP(초고성능) 램프보다 상당히 낮을 수 있다. 알려진 바와 같이, 아이텐듀는 광이 소정의 매체의 소정의 영역 및 입체각에 서 확산되는 것을 의미한다. 이러한 차이는 30 이하이고, 경우에 따라서 30 을 초과할 수 있다. 이러한 차이는 경우에 따라서 배리어를 형성하여 광원의 면으로부터 떨어져서 소정의 거리에 있는 대상에서 광의 휘도를 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 일반적인 광원 또는 램프는 광원으로부터 방출되는 광의 50%만을 수집하는 데에 효과적일 수 있다.
특정한 예에서, LED 광원의 효율은 LED에 관련된 접합 온도의 증가에 의해서 악영향을 받을 수 있다. 접합 온도는 LED의 성능 및 수명에 직접적으로 영향을 미칠 수 있다. 접합 온도가 증가함에 따라서 상당한 출력(광도) 손실이 예상될 수 있다. LED의 순방향 전압은 접합 온도에 의존할 수도 있다. 구체적으로, 온도가 증가함에 따라서, 순방향 전압이 감소한다. 이러한 증가는 어레이의 그 외의 LED에서 과전류 드레인(excessive current drain)을 일으킬 수 있다. 상기 드레인에 의해서 LED 디바이스의 결함을 일으킬 수 있다. 높은 온도는 또한 갈륨 비소, 갈륨 니트라이드 또는 실리콘 카바이드를 사용해서 제작된 LED의 파장에 영향을 미칠 수도 있다.
종래의 냉각 시스템은 열 발생기로부터 대류, 전도, 복사 등을 이용해서 효율적으로 열을 이동시킨다. 그러나, LED의 경우에, 광원의 이면 측의 열을 제거하기 위한 기본 설비가 없다. 이것은 종래에 광원이 그 전면 측의 대류에 의존하기 때문일 수도 있다.
LED 광원으로부터 광을 개선(또는 양호하게 이용)하기 위한 새로운 기술이 지속적으로 요구되는 것을 알 수 있다. 특정한 경우에, 예를 들면, LED 광원으로부터 광의 광학 효율 및/또는 콜리메이션(collimation)을 개선하는 것이 바람직할 수 있는 것을 알 수 있다. LED 광원의 새로운 열 관리 기술이 지속적으로 요구되는 것도 알 수 있다.
본 발명의 특정한 예시의 실시형태의 일 양상은 LED 광 수집 장치에 관한 것이다. 이러한 장치는 예를 들면 컴팩트한 LED계 트랙 조명 시스템의 사용에 적용될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, DC 또는 AC로 구동된 LED의 어레이(예를 들면 열관리 특징을 가지면서 실장된, 칩-온-기판 또는 칩-온-유리일 수 있는 것)가 제공될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 구체적으로 설계된 렌즈는 광원의 아이텐듀를 보존하기 위해서 유리 기판에 형성된 어퍼쳐(aperture)(예를 들면 복합 포물선형 집광기)에 결합되는 콜리메이터(collimator)로서 사용될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 광원(예를 들면, LED 광원)으로부터 방출되는 광을 조절하거나 변형하기 위해서, 비-영상 기술(non-imaging technique)이 적당한 표면에서 사용될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, LED는 유리 기판에 형성된 어퍼쳐의 뒤 또는 그 내부에 배치될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 유리 기판은 복합 포물선형 집광기 (CPC) 홀의 어레이를 형성하기 위한 표면을 제공한다. 특정한 예시의 실시형태에서, 유리 기판은 보조 열 싱크를 장착한 베어 다이(bare die) 인쇄 회로 기판(PCB) 또는 전체 패키지화된 LED를 수용하도록 구성될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 형성된 유리 기판은 렌즈를 수용할 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 상기 유리 기판에는 인광체 성분을 갖는 또 다른 유리 플레이트가 LED로부터 멀리 떨어져서 배치될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서 LED는 베어 다이일 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 방출되는 광의 균일성 및/또는 확산을 증가시키기 위해서 프레넬 렌즈를 장착한 리모트 인광체 플레이트(remote phosphor plate)가 사용될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 조명 픽스처의 제조 방법이 입증된다. 적어도 하나의 캐비티가 유리 기판에 형성되고, 적어도 하나의 캐비티는 그 깊이에 따라 테이퍼지고, 적어도 하나의 캐비티는 캐비티의 제 1 단부로부터 캐비티의 제 2 단부로 직경 또는 거리가 증가한다. 적어도 하나의 캐비티의 표면에 반사 소자를 배치한다. 결합된 반사 소자가 각각의 발광 다이오드(LED)로부터 방출되는 광의 적어도 일부를 반사해서 각각의 LED로부터의 광의 아이텐듀를 보존할 수 있도록 각각의 캐비티의 제 1 단부 또는 그 근방에 LED를 위치시킨다.
특정한 예시의 실시형태에서, 조명 픽스처의 제조방법이 제공된다. 적어도 하나의 캐비티가 유리 기판에 형성되고, 적어도 하나의 캐비티는 그 깊이에 따라 테이퍼지고, 적어도 하나의 캐비티는 캐비티의 제 1 단부로부터 캐비티의 제 2 단부로 직경 또는 거리가 증가한다. 광원으로부터 광의 아이텐듀를 보존하기 위해서, 각각의 캐비티의 제 1 단부 또는 그 근방에 위치할 수 있는 광원으로부터 광의 적어도 일부를 반사하도록 적용되는 반사소자를 적어도 하나의 캐비티의 표면에 배치한다.
특정한 예시의 실시형태에서, 조명 픽스처의 제조방법이 제공된다. 적어도 하나의 캐비티를 갖는 유리 기판이 제공되고, 적어도 하나의 캐비티는 (a)캐비티의 깊이에 따라 테이퍼지고, 적어도 하나의 캐비티는 캐비티의 제 1 단부로부터 캐비티의 제 2 단부로 직경 또는 거리가 증가하고, (b) 캐비티의 표면에 반사 소자가 배치된다. 결합된 반사 소자가 각각의 발광 다이오드(LED)로부터 방출되는 광의 적어도 일부를 반사해서 각각의 LED로부터 광의 아이텐듀를 보존할 수 있도록 각각의 캐비티의 제 1 단부 또는 그 근방에 LED를 위치시킨다.
특정한 예시의 실시형태에서, 장치가 제공된다. 장치는 복수의 캐비티를 갖는 유리 기판을 포함하고, 각각의 캐비티는 (a)캐비티의 깊이에 따라 테이퍼지고, 적어도 하나의 캐비티는 캐비티의 제 1 단부로부터 캐비티의 제 2 단부로 직경 또는 거리가 증가하고, (b) 캐비티의 표면에 반사 소자를 포함한다. 장치는 결합된 캐비티의 반사 소자가 각각의 발광 다이오드(LED)로부터 방출되는 광의 적어도 일부를 반사해서 각각의 LED로부터의 광의 아이텐듀를 보존할 수 있도록 각각의 캐비티의 제 1 단부 또는 그 근방에 복수의 LED를 포함한다.
특정한 예시의 실시형태에서, 렌즈가 제공된다. 렌즈는 커브된 상면을 갖는 바디 부분; 및 바디 부분에 대향하는 측에 제 1 플레어 및 제 2 플레어를 포함하고, 제 1 플레어 및 제 2 플레어는 바디 부분의 축에 대해서 대칭이고, 각각의 플레어는 제 1 프로파일, 제 2 프로파일 및 제 3 프로파일을 포함하고, 제 1 프로파일은 포물선 형상이고 바디 부분으로부터 커브되어 있고, 제 2 프로파일은 일반적으로 제 1 프로파일의 최상부로부터 상방 및 내방으로 연장되고, 제 3 프로파일은 제 2 프로파일의 최상부와 바디 부분의 커브된 상면의 단부 사이에서 연장되고, 각도는 제 2 프로파일 및 제 3 프로파일로부터 연장되는 면에 대해서 형성되고, 각도는 약 20 내지 50도이다.
특정한 예시의 실시형태에서, 장치가 제공된다. 장치는, 복수의 캐비티 - 각각의 캐비티는 거울 코팅되어 있고 일반적으로 포물선 형상의 단면을 갖는다 - 를 갖는 기판; 및 복수의 캐비티에 각각 배치되는 복수의 렌즈를 포함하고, 각각의 렌즈는 커브된 상면을 갖는 바디 부분 및 바디 부분에 대향하는 측에 제 1 플레어 및 제 2 플레어를 포함하고, 제 1 플레어 및 제 2 플레어는 바디 부분의 축에 대해서 대칭이고, 각각의 플레어는 제 1 프로파일, 제 2 프로파일 및 제 3 프로파일을 포함하고, 제 1 프로파일은 바디 부분으로부터 커브되고 렌즈가 배치되는 캐비티의 포물선 형상에 실질적으로 매칭되고, 제 2 프로파일은 일반적으로 제 1 프로파일의 최상부로부터 상방 및 내방으로 연장되고, 제 3 프로파일은 제 2 프로파일의 최상부와 바디 부분의 커브된 상면의 단부 사이에서 연장된다.
특정한 예시의 실시형태에서, 조명 픽스처의 제조 방법이 제공된다. 복수 렌즈는 유리 기판에 형성된 각각의 캐비티에 제공되고, LED는 각각의 캐비티 또는 그 근방에 배치되고, 각각의 렌즈는 커브된 상면을 갖는 바디 부분; 및 바디 부분에 대향하는 측에 제 1 플레어 및 제 2 플레어를 포함하고, 제 1 플레어 및 제 2 플레어는 바디 부분의 축에 대해서 대칭이고, 각각의 플레어는 제 1 프로파일, 제 2 프로파일 및 제 3 프로파일을 포함하고, 제 1 프로파일은 바디 부분으로부터 커브되고 렌즈가 삽입되는 캐비티의 형상에 실질적으로 매칭되고, 제 2 프로파일은 일반적으로 제 1 프로파일의 최상부로부터 상방 및 내방으로 연장되고, 제 3 프로파일은 제 2 프로파일의 최상부와 바디 부분의 커브된 상면의 단부 사이에서 연장된다.
특정한 예시의 실시형태에서, 렌즈의 제조 방법이 제공된다. 커브된 상면을 갖는 바디 부분; 및 바디 부분에 대향하는 측에 제 1 플레어 및 제 2 플레어를 포함하는 형상으로 유리 또는 PMMA를 캐스팅하고, 제 1 플레어 및 제 2 플레어는 바디 부분의 축에 대해서 대칭이고, 각각의 플레어는 제 1 프로파일, 제 2 프로파일 및 제 3 프로파일을 포함하고, 제 1 프로파일은 포물선 형상이고 바디 부분으로부터 커브되어 있고, 제 2 프로파일은 일반적으로 제 1 프로파일의 최상부로부터 상방 및 내방으로 연장되고, 제 3 프로파일은 제 2 프로파일의 최상부와 바디 부분의 커브된 상면의 단부 사이에서 연장되고, 각도는 제 2 프로파일과 제 3 프로파일로부터 연장되는 면에 대해서 형성되고, 각도는 약 20 내지 50도이다.
특정한 예시의 실시형태에서, 렌즈는 LED로부터 방출되는 광을 수집하고, 집중시키고, 및/또는 콜리메이팅할 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 적어도 하나의 캐비티 - 각각의 캐비티는 (a) 캐비티의 제 1 단부로부터 제 2 단부로의 직경 또는 거리가 증가하고, (b) 반사면을 갖는다 - 를 갖는 제 1 유리 기판; 결합된 캐비티의 반사면이 각각의 발광 다이오드(LED)로부터 방출되는 광의 적어도 일부를 반사시킬 수 있도록 각각의 캐비티의 제 1 단부 또는 그 근방의 적어도 하나의 LED; 및 적어도 하나의 LED 및 제 1 단부 위에 배치되는 인광체-함유 물질을 포함하는 장치가 제공된다.
특정한 예시의 실시형태에서, 조명 픽스처의 제조 방법이 제공된다. 적어도 하나의 캐비티가 유리 기판에 형성되고, 각각의 캐비티는 캐비티의 제 1 단부로부터 제 2 단부로 직경 또는 거리가 증가한다. 반사 소자가 적어도 하나의 캐비티의 표면에 배치된다. 결합된 반사 소자가 각각의 발광 다이오드(LED)로부터 방출되는 광의 적어도 일부를 반사할 수 있도록 각각의 캐비티의 제 1 단부 또는 그 근방에 LED를 위치시킨다. 인광체-함유 물질이 제 1 단부 위에 배치된다.
특정한 예시의 실시형태에서, 조명 픽스처의 제조 방법이 제공된다. 적어도 하나의 캐비티가 유리 기판에 형성되고, 적어도 하나의 캐비티는 캐비티의 깊이에 따라 테이퍼지고, 적어도 하나의 캐비티는 캐비티의 제 1 단부로부터 캐비티의 제 2 단부로 직경 또는 거리가 증가한다. 반사소자는 적어도 하나의 캐비티의 표면에 배치되고, 광원으로부터 광의 아이텐듀를 보존하기 위해서 각각의 캐비티의 제 1 단부 또는 그 근방에 위치할 수 있는 광원으로부터 광의 적어도 일부를 반사하도록 적용된다. 콜리메이팅 렌즈는 각각의 캐비티 내에 배치되고, 각각의 캐비티의 제 2 단부를 빠져나가는 반사광이 10도 내지 30도 분포를 갖도록 실질적으로 콜리메이팅된다. 인광체-함유 물질이 제 1 단부 위에 배치된다.
특정한 예시의 실시형태에서, 상기 장치를 포함하는 조명 시스템이 제공될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 상호 연결된 장치를 복수개 포함하는 조명 시스템이 제공될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 적어도 하나의 광원을 포함하는 조명 장치와 사용하도록 적용되는 인광체 어셈블리가 제공되고, 어셈블리는 광원으로부터 순서대로 제 1 유리 기판, 제 1 인덱스층, 인광체 성분, 제 2 인덱스층 및 제 2 유리 기판을 포함한다. 적어도 하나의 광원으로부터 방출되는 광은 광의 적어도 일부가 인광체 성분을 수회 통과하도록 제 1 인덱스층과 제 2 인덱스층 사이에서 부분적으로 굴절된다. 제 1 인덱스층 및 제 2 인덱스층의 굴절률은 실질적으로 서로 매칭되고 인광체 성분 물질에 따라 선택된다.
특정한 예시의 실시형태에서, 타일을 포함하는 장치가 제공된다. 타일은 적어도 하나의 캐비티 - 각각의 캐비티는 (a) 캐비티의 제 1 단부로부터 제 2 단부로 직경 또는 거리가 증가하고, (b) 반사면을 갖는다 - 를 갖는 제 1 유리 기판을 적어도 포함한다. 타일은 또한 결합된 캐비티의 반사면이 각각의 발광 다이오드(LED)로부터 방출되는 광의 적어도 일부를 반사할 수 있도록 각각의 캐비티의 제 1 단부 또는 그 근방에서 적어도 하나의 LED를 포함할 수 있다. 타일은 적어도 하나의 LED의 근방에 배치되는 활성 열관리 시스템 또는 층을 포함하고, LED가 활성 열관리 시스템 또는 층과 제 2 단부 사이에 있고, 활성 열관리 시스템 또는 층은 그 제 1 측으로부터 제 2 측으로 열을 가변적으로 전달하도록 구성되고, 제 1 측이 제 2 측보다 적어도 하나의 LED 근접하고 있다. 열 제어기는 활성 열관리 시스템 또는 층에 커플링(couple)되어, 적어도 하나의 LED 및/또는 활성 열관리 시스템 또는 층에 관련된 온도를 센싱하고, 센싱된 온도 제어에 기초해서 각각의 활성 열관리 시스템 또는 층에 가변적으로 전달된 열을 제어하도록 구성된다.
특정한 예시의 실시형태에서, 청구 범위에 기재된 장치는 복수의 타일을 포함하고, 복수의 타일은 상호 연결되어 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 온도 제어기는 LED, 타일, 및/또는 활성 가열 시스템의 일부 또는 전첼의 근방에서 열 흐름을 제어하도록 적용될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 조명 픽스처의 제조 방법이 제공된다. 적어도 하나의 캐비티가 유리 기판에 형성되고, 각각의 캐비티는 캐비티의 제 1 단부로부터 제 2 단부로 직경 또는 거리가 증가한다. 반사 소자가 적어도 하나의 캐비티의 표면에 배치된다. 발광 다이오드(LED)는 결합된 반사 소자가 각각의 LED로부터 방출되는 광의 적어도 일부를 반사할 수 있도록 각각의 캐비티의 제 1 단부 또는 그 근방에 위치된다. 활성 열관리 시스템 또는 층은 위치된 각각의 LED의 근방에 배치되고, 각각의 LED는 활성 열관리 시스템 또는 층과 제 1 단부 사이에 있고, 활성 열관리 시스템 또는 층은 그 제 1 측으로부터 제 2 측으로 열을 가변적으로 전달하도록 구성되고, 제 1 측이 제 2 측보다 각각의 LED에 근접하고 있다. 열 제어기는 적어도 활성 열관리 시스템 또는 층에 커플링되어, 적어도 하나의 LED 및/또는 활성 열관리 시스템 또는 층에 관련된 온도를 센싱하고, 센싱된 온도 제어에 기초해서 가변적으로 전달된 열을 제어하도록 구성된다.
본원에 기재된, 특징, 양상, 이점 및 예시의 실시형태는 임의의 적당한 조합 또는 하위조합으로 결합해서 실시형태를 더욱 실현할 수 있다.
이러한 및 그 외의 특징 및 이점은 도면과 함께, 하기 상세한 설명의 실시형태를 참조하여 충분히 이해할 수 있다:
도 1a는 특정한 예시의 실시형태에 따른 예시의 조명 픽스처를 도시하는 설명 단면도이고;
도 1b는 도 1a의 단면도의 일부의 설명 단면도이고;
도 1c는 예시의 조명 픽스처의 설명 완성 예상도(illustrative rendering)이고;
도 2는 특정한 예시의 실시형태에 따른 조명 픽스처를 제조하기 위한 예시의 방법의 플로우 차트이고;
도 3a는 특정한 예시의 실시형태에 따른 또 다른 예시의 조명 픽스처를 도시하는 설명 단면도이고;
도 3b는 특정한 예시의 실시형태에 따른 예시의 인광체 어셈블리를 도시하는 설명 단면도이고;
도 3c는 특정한 예시의 실시형태에 따른 예시의 인광체 어셈블리를 제조하기 위한 예시의 방법의 플로우 차트이고;
도 4는 특정한 예시의 실시형태에 따른 조명 픽스처를 제조하기 위한 예시의 방법의 플로우 차트이고;
도 5a-5b는 특정한 예시의 실시형태에 따른 예시의 렌즈의 설명 단면도이고;
도 5c는 특정한 예시의 실시형태에 따른 예시의 렌즈의 설명 단면도이고;
도 5d는 특정한 예시의 실시형태에 따른 예시의 렌즈의 일부의 설명 단면도이고;
도 6a는 특정한 예시의 실시형태에 따른 예시의 렌즈를 포함하는 조명 픽스처를 제조하기 위한 예시의 방법의 플로우 차트를 도시하고;
도 6b는 특정한 예시의 실시형태에 따른 또 다른 예시의 조명 픽스처를 도시하는 설명 단면도이고;
도 7은 특정한 예시의 실시형태에 따른 예시의 조명 픽스처의 일부의 예시의 치수를 도시하는 절반의 단면도이고;
도 8-9는 특정한 예시의 실시형태에 따른 예시의 콜리메이터의 예시의 조명 프로파일을 도시하고;
도 10은 예시의 커브된 인광체 플레이트의 단면도이고;
도 11a-11c는 특정한 예시의 실시형태에 따른 예시의 조명 기구의 도면이고;
도 12는 특정한 예시의 실시형태에 따른 또 다른 예시의 조명 픽스처의 단면도이고;
도 13은 특정한 예시의 실시형태에 따른 예시의 활성 열 관리 시스템의 단면도이고;
도 14는 특정한 예시의 실시형태에 따른 열 관리층을 포함하는 조명 픽스처를 제조하기 위한 예시의 방법의 플로우 차트를 도시한다.
이하의 설명은 일반적인 특징, 특성 등을 공유할 수 있는 여러 예시의 실시형태에 대해서 제공된다. 임의의 하나의 실시형태의 하나 이상의 특성은 그 외의 실시형태의 하나 이상의 특성과 조합할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 하나의 특성, 또는 특성들의 조합은 추가의 실시형태를 구성할 수 있다.
특정한 예시의 실시형태는 아이텐듀를 보존하고 방출되는 광을 콜리메이팅하는 LED 디바이스에 관한 것이다. 특정한 예시의 실시형태에서, 조명 장치는 조명의 과소비를 방지함으로써 조명 장치의 효율을 증가시키는 데에 효과적일 수 있다.
도 1a는 특정한 예시의 실시형태에 따른 예시의 조명 픽스처를 도시하는 설명 단면도이다. 도 1b에는 도 1a의 조명기구(100)의 일부를 확대한 확대 단면도가 도시된다. 조명 픽스처(또는 조명기구)(100)는 LED(104)를 수용하기 위해서 사용되는 인쇄 회로 기판(PCB)(102)를 포함한다. 이러한 실시형태에서, PCB(102)는 칩-온-기판(COB) 기술에 기초해서 LED(104)를 실장하기 위해서 사용된다. 그러나, 그 외의 형태의 LED 구성이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 표준 원통형 구조의 LED(예를 들면, 플라스틱 코쿤에 의해서 둘러싸인 것)가 사용될 수 있다. 또한, 표면 실장된 디바이스(SMD) LED가 사용될 수 있다. 그러나, 상기 나타낸 바와 같이, 도 1의 예시의 실시형태에서, LED는 COB 기술에 의해서 실장된다. 따라서, LED(104)는 반도체 칩의 형태로 제공될 수 있다. 이러한 칩은 PCB에 배치되거나 고정될 수 있다. LED를 제공하기 위한 COB 기술은, 특정한 예시의 실시형태에 따라서 LED를 설계하면, 유연성을 증가시킬 수 있다.
도 1b에서 최상으로 도시된 바와 같이, PCB(102) 및 LED(104)는 열전도성 접착제(116)에 의해서 연결된다. 예를 들면, PCB(102)에 배치된 LED(104)는 구리에 열전도성 그래핀 코팅을 사용해서 PCB(102) 상의 열전냉각기(TEC) 칩에 열적으로 커플링된다. 특정한 예시의 실시형태에서, 수동 열싱크는 디바이스에서 여기된 LED 및/또는 구동 회로를 함유하는 PCB의 이면으로부터 열을 전도시키기 위해서 사용될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, PCB는 PCB의 이면(예를 들면, 104)에서 전용 열싱크(예를 들면, 102)에 결합된(예를 들면, 열 글루에 의한 결합) 구리 배선 및/또는 패드를 포함할 수 있다.
커넥션(118)은 PCB(102)와 LED(104) 사이에 전류가 흐르게 한다. 인클로저(예를 들면, 밀봉 화합물)은 LED 및/또는 PCB 및 결합된 물질을 외부 환경으로부터 분리 및/또는 밀봉하기 위해서 사용될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 열전도성 접착제(116)는 보호 캡슐 코팅으로서 역할을 하는 것을 도울 수 있다. PCB(102)는 다수의 LED(예를 들면, 도 1a에서 도시된 것)를 포함할 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 드라이버 칩(driver chip) 및/또는 보조 열관리 시스템은 PCB 내에 또는 PCB와 함께 포함될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 이러한 배열은 LED의 작동 중에 전력 밀도가 증가할 수 있다. 또한, 이러한 배열은 LED/ILED 어플러케이션에 대한 열관리에 적당한, 측정가능한 밀리미터 크기의 칩에서 반응시간이 증가할 수 있다. 높은 전력 밀도 및 작은 열 질량 때문에 반응시간이 짧아질 수 있고, 필요에 따라서 LED 디바이스마다 독립적인 온도 제어를 용이하게 할 수 있다. 특정한 예시의 실시형태는 장시간 동안 LED 마다 약 160 X 16 루멘/와트의 출력을 가질 수 있다.
도 1a를 참조하면, LED(104) 및 결합된 PCB(102)는, 복합 포물선형 집광기(CPC)로서 또는 이와 마찬가지로 기능할 수 있는 하나 이상의 어퍼쳐(110)를 포함하도록 형성된 유리 기판(114) 위에 또는 유리기판과 함께 배치된다. 유리의 이러한 구조를 제조하기 위한 예시의 방법은 하기에 상세하게 기재된다. 어퍼쳐는 LED(104)로부터 방출되는 광(112A 및 112B)을 반사시키도록 구성되어 있는 측면(108)에 의해서 형성된다. 도 1a에서 도시된 바와 같이, 광선(112A 및 112B)은 어퍼쳐(110)를 빠져나갈 때에 실질적으로 서로 평행할 수 있다(예를 들면, 콜리메이팅될 수 있다).
도 1c는 도 1a의 예시의 조명 픽스처의 설명 완성 예상도이다(어퍼쳐(110) 중 하나를 도시). 도 8 내지 9는 특정한 예시의 실시형태에 따른 도 1c에서 도시된 설명의 조명 픽스처의 예시의 조명 프로파일을 도시한다. 아이텐듀는, 광이 단순한 LED로부터 출력되는 상황과 비교해서 포물선형 단면 형상의 캐비티에 의해서 보존될 수 있는 것을 알 수 있다.
도 2는 특정한 예시의 실시형태에 따른 조명 픽스처를 제조하는 예시의 방법의 플로우 차트이다. 단계 202에서 기판이 제공되고 및/또는 위치된다. 바람직한 실시형태에서, 기판은 유리 기판일 수 있다. 예를 들면, 소다-라임 실리카계 유리가 사용될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 제공된 유리 기판의 두께는 5 mm와 100 mm 사이, 바람직하게 약 10 mm와 50 mm의 사이, 더 바람직하게 약 20 mm일 수 있다. 유리는 그 외의 형태의 물질에 비해서 특정한 이점을 가질 수 있다. 예를 들면, 유리는 증가한 내스크래치성 및/또는 굽힘 강도를 포함할 수 있다. 이러한 특성은 유리가 화학적으로 템퍼링되고(tempered) 및/또는 광학 표면 마감을 유지할 수 있는 능력과 함께 결합되어, 장시간 작동 중에 은도금 또는 코팅된 거울을 지지하는 것을 도울 수 있다. 또한, 유리는 UV 선에 의해서 황변 현상이 발생하는 데에 덜 민감하고, 인광체 코팅 열처리(하기 상세하게 기재됨)의 높은 작동온도를 유지해서 결정화할 수 있다. 또한, 유리의 팽창 계수는 일반적으로 대부분의 플라스틱에 비해서 감소한다. 이것은 큰 조명기구 어레이(따라서 큰 유리 조각)의 팽창 작용에 대한 내성이 증가하기 때문에 유리 기판에 PCB가 쉽게 접착될 수 있다.
유리가 바람직한 실시형태일 수 있지만(예를 들면, 유리가 예를 들면 460 nm 또는 그 근방에서 청색광 또는 UV LED로부터 그 외의 광의 조사하에서 황변 현상이 발생하지 않거나 열화되지 않을 수 있다), 특정한 예시의 실시형태는 그 외의 형태의 기판(예를 들면, 청색광 또는 그 외의 착색광에 노출되는 경우에 안정한 기판)를 사용할 수 있다. 예를 들면, 특정한 예시의 실시형태는 플라스틱 또는 세라믹 물질을 포함하는 기판을 사용할 수 있다. 특정한 예시의 실시형태는 다른 물질 형태의 조합을 사용할 수 있다. 예를 들면, 기판의 일부가 유리이고 또 다른 일부가 세라믹, 플라스틱, 금속 등일 수 있다.
도 2를 참조해서, 기판이 제공되면, 단계 204에서 하나 이상의 개구 또는 어퍼쳐가 기판에 형성될 수 있다. 개구를 형성하는 방법은 여러 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 워터 제트를 사용해서 유리 기판에서 초기의 어퍼쳐를 형성할 수 있다. 초기의 개구가 형성된 후, 드릴을 적용해서 새롭게 형성된 개구를 정제하고 정밀하게 소망의 형상을 형성할 수 있다. 상기 설명된 바와 같이, 어퍼쳐의 형상은 복합 포물선형 집광기와 유사하거나 이것에 기초할 수 있다. 이러한 일반적인 원추형 캐비티를 제조하는 데에 있어서, 그 외의 유사한 기술을 사용해서 캐비티를 형성하는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 워터 제트 없이 드릴을 사용할 수 있다. 그 외의 예시의 실시형태는 워터 제트 및/또는 그 외의 기술만을 사용해서 유리에 개구를 형성할 수 있다. 특정한 예시의 실시형태는 초기에 기판을 제조하는 경우 초기에 어퍼쳐/개구를 형성하기 위한 몰드를 사용할 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, CO2 또는 그 외의 레이저 컷팅을 사용해서 유리의 홀을 절단할 수 있다.
도 7은 특정한 예시의 실시형태에 따른 예시의 캐비티의 부분의 예시의 치수를 도시하는 절반-단면도이다. 따라서, 특정한 예시의 실시형태는 유사한 깊이에서 형성된 개구를 갖는, 두께 약 20 mm의 유리 기판을 사용할 수 있다. 개구는 단부에서 직경이 약 12 mm 이고 정점에서 개구부의 직경이 4 mm 이도록 형성될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 개구의 깊이 및/또는 폭은 소정의 어플러케이션의 입자에 기초해서 조절될 수 있다. 예를 들면, LED 로부터 먼 쪽의 개구 직경이 약 4 mm이고, 정점에서 직경이 1 mm이며, 비교적 작은 깊이 5 mm 가 사용될 수 있다. 따라서, 개구는 깊이가 적어도 약 5 mm와 50 mm 사이일 수 있고 폭이 1 mm와 25 mm의 사이에서 변화될 수 있다. 개구는 예를 들면 이차식으로 모델링된 일반적으로 아치형일 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 캐비티의 깊이가 유리 기판의 두께보다 작을 수 있다. 특정한 예시의 실시형태는 프로파일(예를 들면, 렌즈의 내부 프로파일)을 결정/정의하기 위해서 다음의 식: y = 0.0335 - 0.6198x + 4.5946 x2 - 17.5060 x3 37.1804 x4 - 40.8119x5 + 17.1293 x6 (2 mm≤ mod x≤ 6 mm); 및 y = 0 (mod x≤ 2)을 사용할 수 있다.
단계 204에서 개구를 형성한 후, 단계 206에서 표면에 거울 코팅(예를 들면, 박막 물질)을 배치한다. 이것은, 사용되는 광이 개구의 내면에서 반사되도록 내면(예를 들면, 도 1a에서 표면(108))을 거울 코팅할 수 있다. 또한, 도 1a에서 도시된 바와 같이, 어퍼쳐 및 반사 물질은 개구의 정점에서 LED 로부터 방출되는 광선의 콜리메이션을 증가하는 데에 효과적일 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 내면 포물선형 표면(예를 들면, 108)에 적용되는 코팅은 은거울(silver-mirroring)의 웨트 방법(예를 들면, 표면에 Ag의 적용)을 통해서 실시될 수 있다. 은도금 방법은 표준 도포 기술을 사용할 수 있다(예를 들면, 거울을 형성하는 데에 사용되는 것과 같은 방법). 물론, 그 외의 반사 코팅이 적용될 수 있는 것을 알 수 있다. 추가로 또는 대체해서, 특정한 예시의 실시형태에서 다층 거울 코팅이 사용될 수 있다. 예를 들면, 특정한 예시의 실시형태에서, 보호층(예를 들면, 실리콘 옥사이드, 실리콘 나트라이드, 또는 실리콘 옥시니트라이드와 같은 실리콘-함유 물질)은 거울 코팅 위에 또는 아래에 배치될 수 있다.
예를 들면 도포된 거울 위에 보호층을 형성하기 위해서, 단계 208에서 거울 코팅은 광학적으로 "투명한" 물질로 보호될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태는 예를 들면 실리케이트, 웨트-적용된 졸겔형 코팅, 원자층 증착(ALD)에 의해서 증착된 매우 치밀한 층, 폴리머, 에폭시, 수지 등을 포함하는 보호 거울 코팅을 사용할 수 있다.
단계 210에서, 상기 형성된 반사기를 장착한 유리 기판은 LED와 결합될 수 있다. LED로부터의 광이 상기 형성된 캐비티를 향하도록(예를 들면, 도 1a에서 도시된 위치에서), LED는 유리 기판의 뒤 및/또는 내에서 실장될 수 있다. LED로부터 방출되는 광은 예를 들면 거울 코팅된 측벽에 의해서 아이텐듀를 보존 및/또는 콜리메이션을 증가시킬 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 다수의 LED는 하나 이상의 캐비티와 함께 사용될 수 있다. 예를 들면 하나의 패턴으로 배열된 4개의 LED는 하나 이상의 캐비티에 배치될 수 있다. 따라서, 4개의 LED로부터 광은 하나 이상의 캐비티의 외부로 향하게 될 수 있다. 즉, 특정한 예시의 실시형태에서, LED와 캐비티 사이에서 일 대 일 맵핑(one-to-one mapping)이 제공될 수 있는 반면, 다른 예시의 실시형태는 다수의 LED와 하나의 캐비티 사이에서 다 대 일 맵핑(many-to-one mapping)을 포함할 수 있다.
도 3a는 특정한 예시의 실시형태에 따른 또 다른 예시의 조명 픽스처를 도시하는 설명 단면도이다. 조명 기구(300)는 특정한 경우에 도 1a에서 도시된 조명기구(100)와 유사할 수 있다. PCB(302)가 LED(304)에 연결될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, LED는 보호 밀봉제(306)에 의해서 둘러싸일 수 있다. PCB(302) 및/또는 LED는 다수의 어퍼쳐 또는 개구(310)을 포함할 수 있는 유리 기판(316) 상에 또는 유리기판과 함께 배치될 수 있다. 개구는 콜리메이션이 증가된 LED(304)로부터 방출되는 광(312)을 반사하는 데에 효과적인 반사 포물선형 표면(308)을 포함할 수 있다. 이러한 예시의 실시형태에서, 인광체층 또는 플레이트(314)가 제공될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 인광체층 또는 플레이트(314)는 LED(304) 및/또는 PCB(302)로부터 떨어져서 배치될 수 있다. 예를 들면, 별도의 기판이 인광체층을 지지하고, 별도의 기판이 PCB(302)에 대향하는 LED(304) 측의 표면 위에(예를 들면, 패턴화된 유리 기판(316) 내에 또는 위에) 배치될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 인광체가 개개의 LED의 에폭시 캡(예를 들면 밀봉제(306))에 포함될 수 있다. 그러나, 특정한 예에서, 이러한 에폭시 캡 및 에폭시 캡 내부의 인광체는 LED의 광 투과 및/또는 작동시에 비효율적일 수 있다. 또한, 에폭시는 황변 현상이 발생하는 경향이 있다. 따라서, 상기 기재된 바와 같이, 특정한 예시의 실시형태는 임베디드된 또는 코팅된 인광체를 포함하는 유리 기판을 사용할 수 있다.
인광체층을 배치하는 그 외의 기술도 사용될 수 있다. 예를 들면, 인광체가 유리 기판 위에 위치되고(예를 들면, 스퍼터링 방법을 통해), 인광체가 2개 이상의 유리 기판 사이에 적층되고, 및/또는 인광체가 PVB, PDMS, 또는 그 외의 폴리머계 또는 폴리머형 물질(예를 들면, EVA 또는 캡슐화해서 습기 침입에 대해서 보호하는 그 외의 소수성 폴리머)에 임베디드될 수 있다. 임의의 경우에, 변경된 유리가 도 3a에 도시된 바와 같이 인광체 플레이트(314)로서 사용되고, 거울 코팅된 홈을 포함하는 LED 어레이를 함유하는 유리 이면에 부착될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태는 실란트(sealant)(306)을 포함하는 것이 반드시 필요한 것은 아니다. 대신에, 개구(310)는 실질적으로(또는 전체) 인광체 플레이트로 기밀 봉지될 수 있다. 이러한 기술은 광이 LED로부터 실란트 캡을 통해서 잠재적인 하측으로 이동하지 않고 외부 환경 영향으로부터 LED를 보호하는 데에 효과적일 수 있다. 특정한 예시의 실시형태는 실란트(306)와 인광체 플레이트(314) 중 하나 또는 둘 다를 포함할 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 인광체 플레이트(314)에서 인광체는 다양한 백색 인광체에 기초할 수 있다. 예를 들면, Ce:YAG 및/또는 Mn: ZnGeO4 는 유리 기판에 스퍼터링되거나 졸겔 코팅된 두꺼운 필름으로서 사용될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태는 청색 LED를 황색 인광체와 결합해서 백색 광을 생성함으로써 실시할 수 있다. 특정한 예시의 실시형태는 청색, 적색 및 녹색 인광체를 혼합함으로써 실시할 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 다른 형태의 인광체 플레이트가 조명 어레이에 포함될 수 있다. 예를 들면, 일부 인광체 플레이트는 청색 광을 형성하고 일부는 적색 광을 형성할 수 있다. 따라서, 하나(또는 다수)의 어레이는 사용자에게 다색의 광을 제공할 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, LED는 제 1 스펙트럼에서 광을 생성하고, 인광체 물질은 제 2 스펙트럼을 가지며, 장치를 빠져나가는 광은 제 3 스펙트럼을 가질 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 인광체는 가넷계 인광체, 예를 들면 이트륨 알루미늄 가넷(YAG-예를 들면, Y3Al5O12)을 포함할 수 있다. YAG 인광체는 열안정성 및 신뢰성이 증가하며 높은 휘도를 제공할 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 터븀 알루미늄 가넷(TAG-예를 들면, Tb3Al5O12)은 예시의 인광체에서 사용될 수 있다. TAG는 YAG 인광체에 비해서 휘도가 감소하지만 동등한(또는 유사한) 신뢰성 및 성능을 가질 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 인광체는 질화물형 인광체(예를 들면, M2Si5N8)일 수 있다. 이러한 인광체는 열안정성 및 신뢰성이 증가하지만 효율이 상대적으로 감소할 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 적색 질화물을 사용함으로써 연색지수(color rendering index(CRI))를 높일 수 있다. 또한, 녹색 질화물은 좁은 스펙트럼 폭(예를 들면, 높은 NTSC)을 제공할 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 녹색 알루미네이트(예를 들면, GAL계 인광체)가 사용될 수 있다. 이러한 인광체는 증가하는 CRI 값에 대해서 넓은 녹색 방출 피크를 가지고 효율을 높일 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 다른 인광체 형태가 혼합될 수 있다. 예를 들면, TAG 및 GAL 인광체가 혼합될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 인광체는 유로퓸(Eu -예를 들면, Eu(II) 또는 Eu2+)에 의해서 활성화될 수 있다. 예를 들면, 유로퓸에 의해서 활성화된/도프된 SiO4에 기초한 인광체가 인광체층(326)에 사용될 수 있다.
특정한 광원을 조사하는 경우, CRI 는 물체의 표면 색의 이동(shift)을 측정한 상대적인 값이다. CRI는, 조명 시스템이 8개의 참조 색을 조사하는 경우, 조명 시스템의 연색을 참조 라디에이터의 연색과 비교해서 수정된 측정값의 평균이다. 조명 시스템에 의해서 조사된 일련의 실험 색의 좌표가 참조 라디에이터에 의해서 조사된 동일한 실험 색의 좌표와 동일한 경우에, CRI는 100이다. 일광은 높은 CRI(약 100)을 가지며, 백열 전구도 비교적 유사하지만(95 초과), 형광등은 정밀도가 낮다(예를 들면, 70-80).
따라서, 특정한 예시의 실시형태는 85 초과, 바람직하게 90 초과, 더 바람직하게 95 초과하는 CRI 값을 가질 수 있다.
도 3b는 특정한 예시의 실시형태에 따른 예시의 인광체 어셈블리를 도시하는 설명 단면도이다. 특정한 예시의 실시형태에서, 인광체 어셈블리(320)는 도 3a에 도시된 인광체 플레이트(314)로서 사용될 수 있다. 인광체 어셈블리(320)는 대향하는 유리 기판(322A 및 322B)을 포함할 수 있다. 인덱스층(324A 및 324B)은 기판(322A 및 322B) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 인광체층(326)이 인덱스층(324A 및 324B) 사이에서 개재될 수 있다. 그러나, 특정한 그 외의 예시의 실시형태에서, 인광체는 적층 물질, 예를 들면, PVB, EVA, PMMA, PDMS 등에 임베디드될 수 있다. 이러한 폴리머는 기판(322A 및 322B)의 사이, 또는 임베디드되거나 배치된 하층 LED 및 기판과 하나의 슈퍼스트레이트(superstrate)의 사이에서 제공될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 인덱스층(324A 및 324B)은 인덱스가 적어도 1.8, 바람직하게 적어도 약 1.95 내지 2.0, 더 바람직하게 약 2.2인 높은 인덱스층일 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 높은 인덱스를 갖는 인덱스층이 청색 LED와 사용될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 인덱스층(324A 및 324B)은 인덱스가 약 1.3456와 1.5 의 사이인 낮은 인덱스층일 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 낮은 인덱스층은 백색 광(예를 들면, 백색 LED)과 사용될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 인광체 어셈블리의 층상 구조는 광이 인덱스층(324A 및 324B) 사이에서 산란할 수 있도록 광(예를 들면, 광선(328))을 쉽게 포집할 수 있다. 2개의 인덱스층 사이에서 산란하는 광의 하나의 결과로는 인광체 물질을 개재하는 인덱스층 사이에서 광의 "산란"에 의해서 인광체층의 여기가 지속되고 및/또는 높아질 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 인광체층(326)은 상기 기재된 인광체를 포함할 수 있다. 층의 두께는 50 미크론과 350 미크론의 사이, 바람직하게 약 100 미크론과 250 미크론의 사이, 경우에 따라서 약 150 미크론일 수 있다.
도 3c는 특정한 예시의 실시형태에 따른 예시의 인광체 어셈블리를 제조하기 위한 예시의 방법의 플로우 차트이다. 단계 350에서, 2개의 기판(예를 들면, 유리 기판)이 제공된다. 단계 352에서 인덱스층이 각각의 기판에 배치된다. 특정한 예시의 실시형태에서, 인덱스층은 높은 인덱스층(예를 들면, 1.8 초과)일 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 인덱스층은 낮은 인덱스층(예를 들면, 1.3 내지 1.5)일 수 있다. 단계 354에서, 인광체층 또는 성분이 기판과 인덱스층 사이에 배치된다. 도 3b로부터 알 수 있듯이, 이것은 인덱스층과 유리 기판 사이에 개재된 인광체 성분을 형성할 수 있다. 단계 356에서, 인광체 성분이 밀봉될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 이러한 밀봉은 기밀 봉지일 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 밀봉제는 물이 인광체층에 들어가서 관여하는 것을 방지하는 소수성 밀봉제일 수 있다. 기밀 봉지를 제공하기 위해서 제 2 기판이 반드시 사용될 필요는 없는 것을 유의한다. 예를 들면, 특정한 예시의 실시형태는 ZrOx, DLC, SiOx, SixNy, SiOxNy 등이거나 이를 포함하는 박막 밀봉제를 포함할 수 있고, 이는 스퍼터-증착, 화염 열분해에 의해서 증착, 또는 원자층 증착에 의해서 증착될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 캡슐화한 폴리머 또는 폴리머형 물질로는, 예를 들면 PVB, EVA, PMMA, 등을 들 수 있고, 이들이 사용될 수 있다. 상기 기재된 바와 같이, 인광체는 이러한 물질에 임베디드될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에 따라서 도 3c에서 도시된 단계가 변경될 수 있는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 제 1 기판이 제공되고; 제 1 인덱스층이 기판에 배치(예를 들면, 증착, 스퍼터링)될 수 있고; 인광체층이 위치될 수 있고; 또 다른 인덱스층이 위치될 수 있고; 인광체가 밀봉될 수 있고; "상부" 기판이 어셈블리에 첨가될 수 있다. 어셈블리의 성분은 상기 나타낸 바와 같이 적층되거나 접착될 수 있다.
도 4는 특정한 예시의 실시형태에 따른 조명 픽스처를 제조하기 위한 예시의 방법의 플로우 차트이다. 단계 402, 404, 406, 408 및 410는 각각 도 2의 단계 202, 204, 206, 208, 및 210과 유사할 수 있다. 그러나, 도 4의 단계 412에서는 인광체층이 유리 기판에 적용될 수 있다. 상기 설명된 바와 같이, 인광체층은 유리 기판에 임베디드될 수 있다. 따라서, 임베디드된 인광체층을 포함하는 유리 기판은 LED에 대향하고 CPC(복합 포물선형 집광기)를 장착한 유리기판에 대해서 배치될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태는 상기 형성된 CPC (예를 들면, 거울 코팅된 캐비티)과 함께(또는 분리된 형태)로 작동할 수 있는 렌즈를 포함할 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 렌즈는 CPC에 새로 장착된 컴팩트한 복합 수집 렌즈일 수 있다. 렌즈는 그 출구에서 각도 분포가 감소하면서(바람직하게 5-60 도, 더 바람직하게 5-45 도, 및 더욱 더 바람직하게 10-30 도), 효율을 쉽게 증가시키고 광선의 콜리메이션을 증가시킬 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 렌즈는 높은 광학 표면 마감에 의해서 캐스팅될 수 있는 폴리머인 PMMA(폴리메틸 메타크릴레이트)로 제조될 수 있다. 이 폴리머가 UV에 노출되는 경우에, 이 폴리머는 황변 현상이 발생하는 것을 보호 및 방지할 수 있다. 물론, 다른 실시형태에서 그 외의 폴리머 및 그 외의 물질이 사용될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 렌즈는 캐스팅에 의해서 형성될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 렌즈는 유리, 예를 들면 투명하고 높은 투과율의 유리로 형성될 수 있다.
높은 투과율의 유리를 제조하는 기술은 적은 철의 유리를 생성하는 것이다. 예를 들면, 미국 특허 7,700,870; 7,557,053; 및 5,030,594, 및 미국 공보 2006/0169316; 2006/0249199; 2007/0215205; 2009/0223252; 2010/0122728; 2009/0217978; 2010/0255980를 참조하고, 전체 내용은 본원에 참조로 포함되어 있다.
본 발명의 특정한 실시형태에 따른 예시의 소다 라임 실라카계 유리는 다음의 기본 재료를 중량% 기준으로 포함한다:
예시의 기본 유리
재료 Wt%
SiO2 67-75%
Na2O 10-20%
CaO 5-15%
MgO 0-7%
Al2O3 0-5%
K2O 0-5%
다양한 종래의 정제 조제, 예를 들면, SO3, 탄소 등을 포함한 그 외의 소수의 재료가 기본 유리에 포함될 수 있다. 특정한 실시형태에서, 예를 들면 유리는 배치 원료, 실리카 모래, 소다 애시, 돌로마이트, 리메스톤으로부터 제조하고, 정제제로서 설페이트 염, 예를 들면 설트 케이크(Na2SO4) 및/또는 엡솜염(MgSO4 x 7H2O) 및/또는 석고(예를 들면, 약 1:1 조합)을 사용한다. 특정한 예시의 실시형태에서, 소다라임 실리카계 유리는 약 10-15 중량% Na2O 및 약 6-12 중량% CaO를 포함한다.
기본 유리(예를 들면, 상기 표 1 참조) 이외에, 본 발명의 특정한 예시의 실시형태에 따른 유리를 제조할 때에, 유리 배치(batch)는, 얻어진 유리가 상당히 중성의 색(특정한 예시의 실시형태에서 약간 황색, 양(positive)의 b*값으로 표시)이 되고, 높은 가시광 투과율을 갖는 물질(착색제 및/또는 산화제를 포함)을 포함한다. 이러한 물질이 원료(예를 들면, 소량의 철)에 존재하거나, 배치에서 기본 유리 물질(예를 들면, 안티몬 등)에 첨가될 수 있다. 본 발명의 특정한 예시의 실시형태에서, 얻어진 유리의 가시광 투과율은 적어도 75%, 더 바람직하게 적어도 80%, 더욱 더 바람직하게 적어도 85%, 가장 바람직하게 적어도 약 90%(경우에 따라서 적어도 91%)(Lt D65)이다.
본 발명의 특정한 실시형태에서, 기본 유리 이외에, 유리 및/또는 유리 배치는 하기 표 2에 기재된 물질을 포함하거나 필수적으로 이루어진다(전체의 유리 조성물의 중량% 에 대해서):
유리에서 예시의 추가 물질
재료 일반적 양(Wt%) 더 바람직한 양 가장 바람직한 양
전체의 철(Fe2O3) 0.001 -0.06% 0.005 -0.045% 0.01 -0.03%
%FeO 0 - 0.0040% 0 - 0.0030% 0.001-0.0025%
유리 레독스(FeO/전체의 철) <= 0.10 <= 0.06 <= 0.04
세륨 옥사이드 0 -0.07% 0 -0.04% 0 -0.02%
안티몬 옥사이드 0.01 -1.0% 0.01-0.5% 0.1-0.3%
SO3 0.1 -1.0% 0.2 -0.6% 0.25 -0.5%
TiO2 0 -1.0% 0.005-0.4% 0.01-0.04%
특정한 예시의 실시형태에서, 안티몬은 Sb2O3 및/또는 NaSbO3 중 하나 이상의 형태로 유리 배치에 첨가할 수 있다. 또한, Sb(Sb2O5)를 주목한다. 본원에 사용된 용어 "안티몬 옥사이드"은 임의의 가능한 산화 상태의 안티몬을 의미하고, 임의의 특정한 화학양론으로 한정되지 않는다.
낮은 유리 레독스는 매우 산화된 상태의 유리를 나타낸다. 안티몬(Sb) 때문에, 유리는 안티몬 트리옥사이드(Sb2O3), 소디움 안티모나이트 (NaSbO3), 소디움 피로안티모네이트(Sb(Sb2O5)), 소디움 또는 포타슘 니트레이트 및/또는 소디움 설페이트의 형태인, 안티몬과 결합한 산화물에 의해서 매우 낮은 함량의 제 1 철(% FeO)으로 산화된다. 특정한 예시의 실시형태에서, 유리 기판(1)의 조성물은 전체의 철 옥사이드의 적어도 2배, 바람직하게 적어도 약 3배, 가장 바람직하게 적어도 약 4배 많은 안티몬 옥사이드를 포함한다.
본 발명의 특정한 예시의 실시형태에서, 착색제 부분은 실질적으로 그 외의 착색제(잠재적으로 흔적량 이외의 것)를 함유하지 않는다. 그러나, 본 발명의 특정한 그 외의 실시형태에서, 그 외의 물질(예를 들면, 정제 조제, 용융 조제, 착색제 및/또는 불순물)의 양은 본 발명의 목적 및/또는 목표를 손상시키지 않는 정도로 유리에 존재하는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 특정한 예시의 실시형태에서, 유리 조성물은 에르븀 옥사이드, 니켈 옥사이드, 코발트 옥사이드, 네오디뮴 옥사이드, 크롬 옥사이드 및 셀레늄 중 1개, 2개, 3개, 4개 또는 모두를 실질적으로 함유하지 않거나 함유하지 않는다. "실질적으로 함유하지 않는"은 소자 또는 물질의 2 ppm 이하 및 경우에 따라 0 ppm 인 것을 의미한다.
유리 배치 및 얻어진 유리, 즉 그 착색제 부분에서 존재하는 철의 총량은 표준 관행에 따라서 Fe2O3로 표시된다. 그러나, 이것은 실제로 모든 철이 Fe2O3의 형태로 존재하는 것을 의미하는 것은 아니다(이 점에서 상기 기재된 것 참조). 마찬가지로, 유리 배치 또는 유리에서 모든 제 1 철 상태의 철이 FeO의 형태로 존재하지 않더라도 제 1 철 상태(Fe+2)의 철은 FeO로 기재된다. 상기 언급된 바와 같이, 제 2 철 상태(Fe3 +)의 철은 황녹색 착색제이지만, 제 1 철 상태(Fe2 +; FeO)의 철은 청녹색 착색제로서 강한 착색제이어서, 중성 또는 투명한 색의 유리를 얻으려고 할 때 바람직하지 않을 수 있는 상당한 색이 유리에 도입될 수 있기 때문에, 특히 우려된다.
상기의 점에서, 본 발명의 특정한 예시의 실시형태에 따른 유리는 중성 또는 실질적으로 투명한 색 및/또는 높은 가시광 투과율을 달성한다. 특정한 실시형태에서, 본 발명의 특정한 예시의 실시형태에 따라 얻어진 유리는 두께가 약 1 mm 내지 6 mm(가장 바람직하게 약 3 내지 4 mm; 이것은 참조로 사용되는 것으로 제한되지 않는다)로 측정될 때 다음의 투과 광 특징 또는 색 특징 중 하나 이상을 특징으로 한다(Lta는 가시광 투과율%이다). 하기에서 a* 및 b* 색 값은 Ill. D65, 10 degree Obs 따라 결정되는 것을 유의한다.
예시의 실시형태의 유리 특징
특징 일반적인 양 바람직한 양 가장 바람직한 양
Lta(Lt D65): >= 85% >= 90% >= 91%
%τe (ISO 9050): >= 85% >= 90% >= 91%
% FeO (wt. %): <= 0.004% = 0.003% <= 0.0020%
L* (Ill. D65, 10 deg.): 90-99 n/a n/a
a* (Ill. D65, 10 deg.): -1.0 to +1.0 -0.5 to +0.5 -0.2 to 0.0
b* (Ill. D65, 10 deg.): 0 to +1.5 +0.1 to +1.0 +0.2 to +0.7
따라서, 렌즈는 특정한 예시의 실시형태에 따라서 폴리머, 유리, 또는 그 외의 적당한 물질을 사용해서 제조될 수 있다. 도 5a-5b는 예시의 렌즈의 설명 단면도이다. 다양한 다른 렌즈 형태는 특정한 적용의 필요에 따라서 제조될 수 있다. 따라서, 특정한 예시의 실시형태에서, 렌즈는 2 단계, 예를 들면 2D 설계 단계 후 3D 선 추적 단계로 설계될 수 있다. 특정한 설계 변수를 고려하면, MATLAB(Matrix Laboratory, MathWorks사에 의해서 시판되는 소프트웨어 프로그램) 루틴은 도 5a에서 적당한 프로파일 L0-L5 및 도 5b에서 L0A-L5F를 산출하는 데에 사용될 수 있다. 이러한 산출의 일부로서, 굴절률 구배가 결정될 수 있다.
MATLAB에서 산출된 후에, 얻어진 렌즈는 ASAP, 시판 광학 설계 소프트웨어로 평가될 수 있다. 이러한 단계는 메리트 함수의 (전체) 최대값에 도달할 때까지 MATLAB 최적 루프에서 반복된다. 특정한 예시의 실시형태에서, 최적의 방법은 Nelder-Mead 알고리즘을 사용할 수 있다(예를 들면, MATLAB에서 실시될 때). 특정한 예시의 실시형태에서, 메리트 함수는 렌즈를 직각으로 통과하는 플럭스에 관련될 수 있다. 렌즈가 다이(예를 들면, LED)와 대상 사이에서 아이텐듀 전달을 위해서 최적화될 수 있다(및, 예를 들면 아이텐듀를 보존하는 데에 효과적일 수 있다). 본원의 발명자는 이러한 방법을 아이텐듀 최적 동기화(Etendue Optimization Synchronization)라고 했다.
특정한 예시의 실시형태에서, 프로파일 L3 및 L4(또는 도 5b에서 상응하는 프로파일)은 10도와 50도의 사이, 더 바람직하게 30도와 40도의 사이, 경우에 따라서 약 35도의 각도에서 접합될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 각도는 프로파일의 선형 연장 (예를 들면, 각각의 프로파일의 일반적인 방향에 따라서 연장되는 면)에 기초해서 형성될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 프로파일의 접합은 예리한 첨단에 존재하거나 부드러운 만곡에 존재할 수 있다. 따라서, 특정한 예시의 실시형태는 아이텐듀 효율을 증가시키기 위해서(예를 들면 아이텐듀를 양호하게 보존하기 위해서), 광원의 광을 정확히 변형시키는 적합한 프로파일을 사용할 수 있다. 따라서, LED(502 또는 522)로부터 광이 보호 밀봉제(504/524)을 통과한 다음 렌즈(500/520)를 통과할 수 있다. 또한, 하기 상세하게 기재된 바와 같이, 광은 유리 기판에서 CPC에 의해서 반사될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태는 렌즈를 제조할 경우에 그 외의 조건을 포함할 수 있다. 예를 들면, 반사면에서 전체의 내부 반사율(TIR) 또는 항반사 코팅의 유무는 렌즈의 유용성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 특정한 예시의 실시형태에서, 이는 상기 기재된 광선 추적 단계에서 고려될 수 있다. 예를 들면, ASAP 코드에서, 굴절면에서 코팅(예를 들면 프레넬의 법칙을 만족하는 베어 코팅)의 값이 포함되어도 좋다. 따라서, 특정한 예시의 실시형태는 소정의 렌즈에 대해서 설명된 전체의 메리트 함수의 일부로서 이러한 특징을 설명할 수 있다.
도 5c는 특정한 예시의 실시형태에 따른 또 다른 예시의 렌즈의 설명 단면도이다. 여기서, 렌즈(550)는 다양한 특성을 포함하거나 관련될 수 있다. 구체적으로, 본 실시형태에서, n1은 LED 캡슐(예를 들면 도 1b에서 소자(106))의 굴절률일 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 렌즈와 함께 사용되는 LED는 굴절률이 일정한 베어 다이 LED일 수 있다(예를 들면, 캡슐이 사용되지 않을 수 있다). 또한, n2는 수집 렌즈의 굴절률일 수 있고; L2는 렌즈의 중심부의 직경일 수 있고; S1은 LED로부터의 광이 렌즈에 들어가는 하면일 수 있고; S2는 광이 렌즈를 빠져나가는 상면일 수 있고; r1 및 r2는 각각 렌즈 아래에 LED의 경계일 수 있다.
따라서, 특정한 예시의 실시형태에서, 표면 S1에서 아이텐듀는 E1 = 2 * (n1) * (r2-r1)이도록 결정될 수 있다. 또한, S2를 출발하는 광의 아이텐듀는 E2 = 4 * n2 * L2 * sin θ 일 수 있다. 여기서, θ 는 광을 수집하고 콜리메이팅하는 소망의 각도일 수 있다. 또한, 아이텐듀를 보존함으로써, E1 및 E2는 동일하게 결정될 수 있다. 이러한 원리로부터, S1의 프로파일이 산출될 수 있다. 또한, 아이텐듀의 보존 원리를 사용해서, 측면의 로브 또는 플랜지의 각도가 산출될 수 있다.
상기 산출은 도시된 렌즈의 2D 단면에 대해서 제공되는 것을 알 수 있다. 따라서, 특정한 예시의 실시형태에서, 3D 렌즈가 CPC에 적용되면, 다른 식이 적용될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, LED의 어레이가 사용되고 렌즈는 어레이에 기초해서 유도될 수 있다. 도 5a-5c에서 도시된 렌즈는, 예를 들면 예시의 렌즈의 중심 단면을 통해서 얻을 수 있다. 3차원 렌즈는 기판에 인접한 렌즈의 에지가 적소에 고정된 채로 간단히 회전할 수 있다.
도 5d는 특정한 예시의 실시형태에 따른 예시의 렌즈의 일부의 설명 단면도이다. 여기서, LED(554)는 실란트(556)에 의해서 둘러싸일 수 있다. LED(554)는 실란트(556)를 빠져나올 때 굴절될 수 있는 광(예를 들면, 광선(558) 변화 방향에 의해서 도시됨)을 방출할 수 있다. 광선 (558)은 플렌지(flange) 또는 플레어 부분(flared portion)(552)를 포함하는 렌즈(550)와 상호작용할 수 있다. 광과 렌즈(550)의 상호작용은 조명 기구의 수집 효율을 증가시키는 기능을 할 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 렌즈를 통과하는 광의 통로는 방출되는 광의 아이텐듀를 보존할 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 렌즈는 새롭게 형성된 CPC 반사기를 장착해서 사용되거나 기존의 및/또는 사용중인 CPC 반사기를 새로 장착해서 사용될 수 있다. 이러한 조합(예를 들면, 캐비티 또는 CPC 반사기를 장착한 렌즈를 사용해서)은 예시의 조명 기구의 수집 효율을 더 증가시키는 데에 효과적일 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 렌즈(110)로부터 광의 방출 각은 1-60도, 더 바람직하게 5-45도, 더욱 바람직하게 10도와 30도의 사이일 수 있다. 따라서, 특정한 예시의 실시형태에서, 렌즈를 빠져나가는 광은 적어도 실질적으로 콜리메이팅될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 렌즈는 다른 부분을 포함할 수 있다. 예를 들면, 렌즈의 바디 부분은 커브된 상면을 가질 수 있다. 제 1 플레어 및 제 2 플레어는 바디 부분에 대향하는 측에 포함될 수 있고, 바디 부분의 축에 대해서 대칭일 수 있다. 각각의 플레어는 제 1 프로파일, 제 2 프로파일, 및 제 3 프로파일을 포함할 수 있다. 제 1 프로파일은 포물선 형상이고, 바디 부분으로부터 커브될 수 있다. 제 2 프로파일은 일반적으로 제 1 프로파일의 최상부로부터 상방 및 내방으로 연장될 수 있다. 제 3 프로파일은 제 2 프로파일의 최상부와 바디 부분의 커브된 상면의 일단 사이에서 연장할 수 있다. 렌즈는 제 2 프로파일과 제 3 프로파일로부터 연장되는 면에 대해서 각도(예를 들면, 상기 기재된 바와 같이 L3과 L4 사이에서)가 형성되도록 구성될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 상기 면은 제 2 및 제 3 프로파일로부터 연장되어 바디 부분의 커브된 상면의 최대 높이를 초과한 높이에서 만날 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 제 3 프로파일과 바디 부분의 커브된 상면의 단부 사이에서 만나는 위치는 제 1 프로파일과 제 2 프로파일 사이의 만나는 위치 아래에 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 바디 부분의 커브된 상면의 적어도 일부는 실질적으로 평평하다.
특정한 예시의 실시형태에서, 렌즈(예를 들면, 실질적으로 축대칭 렌즈)는 관통된 유리(예를 들면 캐비티를 갖는 유리 기판)를 통해서 예시의 인덱스 매칭 시멘트(UV, 청색광, 또는 그 외의 광 스펙트럼에 내성이 있는 것)를 사용해서 LED(또는 LED의 어레이)에 배치거나 고정된다. 특정한 예시의 실시형태에서, 렌즈 및 은도금 거울 표면은 복합 수집 렌즈와 유사하게 작용할 수 있다. 이러한 조합에 의해서 적어도 65%, 더 바람직하게 적어도 75%, 더욱 더 바람직하게 적어도 85%, 특정한 실시형태에서 약 87% 내지 90%(예를 들면 89%)의 수집 효율을 달성할 수 있다. 이러한 효율은 이상적인 반사 코팅을 고려하고 및/또는 프레넬 손실을 무시할 수 있다.
도 6a는 특정한 예시의 실시형태에 따른 예시의 렌즈를 포함하는 조명 픽스처를 제조하기 위한 예시의 방법의 플로우 차트를 도시한다. 단계 602, 604, 606, 608, 610, 및 616는 도 4의 단계 402, 404, 406, 408, 410, 및 412에 상응할 수 있다. 따라서, 형성된 기판에 LED(예를 들면, PCB를 갖는)를 결합시킨 후에, 렌즈는 상기 기재된 바와 같이 제조될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 렌즈는 별도로 제조되고(예를 들면 본원에 기재된 방법 전), 그 다음에 캐비티에 배치될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 렌즈는 형성된 캐비티에 대해서 편리하게 피팅되도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 5a에 도시된 프로파일 L2는 개구의 표면의 만곡(예를 들면, 도 1a로부터 108)에 실질적으로 매칭될 수 있다. 배치된 렌즈는 투명한 접착제 등(예를 들면, PVB)에 의해서 개구의 측벽에 부착될 수 있다. 렌즈가 상기 기판의 개구에 실장되면, 상기 기판에 인광체 기판이 배치될 수 있다(예를 들면, 배치된 LED에 대향하는 측).
도 6b는 특정한 예시의 실시형태에 따른 또 다른 예시의 조명 픽스처를 도시하는 설명 단면도이다. 조명 픽스처(650)의 구조는 도 3a에서 도시된 것과 유사할 수 있다. 따라서, 조명 픽스처(650)는 LED(656A 및 656B)가 배치된 하나 이상의 캐비티(658 및 660)를 포함할 수 있다. 인광체층(662)이 캐비티 위에 배치된다. 또한, 캐비티에 렌즈가 배치될 수 있다. 따라서, 렌즈(654)가 캐비티(658)에 배치되고 렌즈(652)가 캐비티(660)에 배치될 수 있다. 도시된 바와 같이, 조명 픽스처에서 캐비티를 갖는 렌즈의 위치는 소정의 어플러케이션의 필요에 따라서 변화할 수 있다. 따라서, 렌즈(654)가 캐비티(658)에 배치되는 경우보다 렌즈(652)가 캐비티(660)에 더 배치될 수 있다. 렌즈의 위치는, 예를 들면 각각의 캐비티에 배치된 LED의 상태에 따라 변화할 수 있다.
도 10은 예시의 커브된 인광체 플레이트의 단면도이다. 여기서, 커브된 플레이트 및 인광체 코팅의 광학 시스템은 2개의 수집부에 의한 렌즈 효과를 갖는다. 특정한 예시의 실시형태에서, 개구를 포함하는 유리 기판에 배치된 인광체 플레이트(예를 들면 도 3에서 314)가 커브될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 커브된 인광체 플레이트는 본원에 기재된 형성된 개구 및/또는 복합 렌즈 대신에 사용될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 수집 디바이스 다음에, 플라이 아이 적분기(fly's eye integrator)가 배치될 수 있다. 대체해서, 또는 추가로 릴레이 렌즈 시스템(relay lens system)은 소정의 대상에 균일한 빔을 투영하기 위해서 사용될 수 있다. 따라서, 컴팩트한 조명 엔진이 설계되고 실시될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 프레넬 렌즈는 추가의 조명 제어를 제공하기 위해서 사용될 수 있다. 예를 들면, 프레넬 렌즈 등은 인광체층을 때리는 LED로부터의 광 앞에 배치될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 프레넬 렌즈는 광원으로부터 방출되는 광을 확산하고 균일화하는 데에 효과적일 수 있다.
도 12는 특정한 예시의 실시형태에 따른 또 다른 예시의 조명 픽스처의 단면도이다. 조명 픽스처(1200)는 열 싱크(1202)를 포함할 수 있다. 열싱크(1202)는, 예를 들면 구리 열 싱크일 수 있다. 그러나, 본 발명의 다른 실시형태에서 그 외의 형태의 열싱크가 사용될 수 있다. 열싱크(1202)는 도 1b에 도시된 바와 같은, PCB 기판 및 결합된 LED 또는 LED 어레이를 포함할 수 있는 LED 층(1204)과 함께 배치될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 활성 열관리 시스템은 추가로 또는 대체해서 제공될 수 있다. 예를 들면, 열전냉각기(TEC)는 LED 층(1204)으로부터 열싱크(1202)로 쉽게 열전달을 실시하기 위해서 사용될 수 있다. 유리 층(1206)은 캐비티(1214)을 포함할 수 있다. 유리층(1206)은 캐비티(1214)을 통해서 LED 층으로부터 방출되는 광을 콜리메이팅하는 기능을 할 수 있다. 인광체층(1208)은 유리층(1206)에 인접해서 배치될 수 있다. 본원에서 알 수 있듯이, 인광체층은 그 사이에 배치된 인광체 물질과 함께 다수의 유리 기판을 포함할 수 있다. 광 유리층(1210A 및 1210B)이 배치될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 광유리층은 프레넬 렌즈일 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 프레넬 렌즈는 30도와 70도의 사이, 더 바람직하게 40도와 60도의 사이, 더 바람직하게 약 50도의 라인 A 및 라인 B 사이의 각을 이룰 수 있다. 조명 픽스처(1200)는 하나 이상의 성분을 지지하기 위한 하우징(1212)을 포함할 수 있다.
도 11a-11c는 특정한 예시의 실시형태에 따른 예시의 조명 기구의 도면이다. 조명 픽스처는 LED에 의해서 지지되는 하나 이상의 개구(1102)을 포함하는 다수의 별도의 유리 기판(1104)을 포함할 수 있다. 큐브 픽스처(1100) 또는 선형 픽스처(1110)와 같은 큰 배열을 형성하기 위해서 별도의 유리 기판이 결합될 수 있다. 또한, 개개의 유리 기판은 형성된 다수의 개구를 포함할 수 있고, 각각의 유리기판은 배열(1120)로 도시되는 하나 이상의 LED를 함유한다. 유리 기판은 새롭고 흥미로운 설계로 형성될 수 있다. 예를 들면, 육각형으로 형성된 유리 기판을 포함하는 배열(1130)이 만들어질 수 있다.
따라서, 형성된 유리 기판은 다양한 형상(예를 들면, 원 등)을 포함할 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 유리 기판에 형성된 개구는 입방체, 육각형, 원형, 삼각형 또는 그 외의 형상으로 배열될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 형성된 개구는 다양한 직경을 가질 수 있고 다른 출력 (예를 들면, LED의 설계을 통해서 또는 소정의 LED에 공급된 전력으로 한정)을 갖는 LED에 관련될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 렌즈는 CPC가 방출되는 광을 콜리메이팅하고 광의 확산을 제어하면서, LED 또는 LED 어레이에 의해서 방출되는 광의 일부(예를 들면 대부분)를 추출할 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 렌즈와 CPC의 결합이 탄뎀에 사용되어 방출되는 광의 아이텐듀를 보존한다. 특정한 예시의 실시형태에서, 광의 수집도(예를 들면, 효율)은 적어도 65%, 바람직하게 적어도 75%, 더 바람직하게 적어도 85%, 및 특정한 실시형태의 경우에 약 87% 내지 90%일 수 있다.
도 13은 특정한 예시의 실시형태에 따른 예시의 활성 열관리 시스템의 단면도이다. LED광원은 열을 생성한다. 특정한 예시의 실시형태에서, LED의 열을 관리하는 것은 조명 기구의 효율을 증가시킬 수 있다. 따라서, 특정한 예시의 실시형태는 활성 열 관리 시스템을 포함할 수 있다. 예시의 조명 기구(1300)의 일부는 수동 열싱크(1302)(예를 들면 또 다른 유사하게 배치된 물질의 구리)를 포함할 수 있다. 열싱크(1302)는 활성 열관리 시스템(1306)에 의해서 LED 층(1304)에 고정될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 이 시스템(1306)은 열전냉각기(TEC)일 수 있다. 이러한 시스템은 냉각기의 일 측과 다른 측 사이에서 열을 이동시키는 펠티어 효과에 의존할 수 있다. 따라서, 열은 LED(1304)로부터 열싱크(1302)로 시스템(1306)을 통해서 전달될 수 있다(예를 들면, 화살표(1310)으로 도시). 시스템(1306)은 시스템에 전력을 공급하는 제어기(1308)를 통해서 공급된 전류에 의해서 전력을 공급할 수 있다. 제어기(1308)는 열싱크(1302) 및 LED(1304)의 온도 특징을 결정하기 위한 센서(1312)와 통신할 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 제어기(1308)는 시스템(1306)의 작동에 의해서 전력을 관리하고 및/또는 제어하는 하나 이상의 처리기 또는 제어 회로를 포함할 수 있다. 즉, 특정한 예시의 실시형태에서, 제어기(1308)는 조명 시스템 및/또는 그 일부의 온도를 모니터링 하기 위한 수단, 및 선택적으로 예를 들면 펠티어 효과 및 하나 이상의 펠티어 소자를 사용해서 LED로부터 열을 전달하기 위한 활성 냉각 소자를 구비할 수 있다. 펠티어 효과는 비스무트계 펠티어 소자 등을 사용해서 달성될 수 있다. 예를 들면, 특정한 예에서, 비스무트 텔루라이드(예를 들면, Bi2Te3)이 사용될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 높은 S 계수를 갖는 그 외의 형태의 물질이 사용될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 제어기는 LED에 전력을 공급할 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, LED 타일은 LED의 어레이 또는 그룹을 포함할 수 있고, 각각은 LED에 용이하게 활성 냉각을 공급하는 구동 전자장치를 포함한다. 특정한 예시의 실시형태에서, 타일의 심미적 특성은 타일의 두께와 길이의 비율(예를 들면, t/L)이 0.1과 0.3의 사이, 더 바람직하게 0.15과 0.25의 사이, 더 바람직하게 약 0.2이도록 할 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 타일의 두께가 약 3 mm와 15 mm의 사이, 더 바람직하게 약 4mm와 10 mm의 사이, 더욱 바람직하게 약 5 mm일 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 타일의 크기 특징은 기존의 표면 위에 타일을 용이하게 배치할 수 있는 것이다.
특정한 예시의 실시형태에서, 이러한 타일은, 전력 및/또는 열제어 관리가 대면적에 걸쳐서 전개되도록 선택적으로 결합할 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 제어기(1308)는 2개 이상의 모드(mode)를 가질 수 있다. 제 1 모드에서, 양의 전압이 인가될 수 있다. 제 2 모드에서, 제어기(1308)는 예를 들면 TEC에 음의 전압을 인가할 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 제어기는 H-브리지 회로(bridge circuit)를 포함할 수 있다.
전력의 선형 공급에 의해서 소음이 감소하지만, 효율이 비교적 낮고, 냉각기에 부과된 폐열의 양을 줄이기 위해서 추가의 열을 단열하기 위한 큰 부품을 필요로 한다. 특정한 예시의 실시형태에서, 보조 드라이버를 포함하는 2개의 동기형 벅 회로(buck circuit)는 하나의 양의 공급(single positive supply)으로부터 양극(bipolar) 전력을 공급할 수 있는 공급 효율을 증가시킬 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 펄스-폭-변조(PWM)(예를 들면 강제된)은 전류가 소스(source)되고 및/또는 싱크(sink)되도록 2개의 출력 전압을 제어할 수 있다. 따라서, 전류가 싱크되면, 전력이 회수되고 공급라인으로 보내진다.
특정한 예시의 실시형태에서, PCB를 함유하는 LED를 피기 백(piggy back)을 실시하는 PCB에 펠티어 소자가 배치된다. 펠티어 소자는 최대 열 전도용 그래핀계 잉크를 통해서 열적으로 연결될 수 있다. 이것은 열-저항 접합을 줄이는 기능을 할 수 있다.
센서(1312)에 의해서 결정된 정보에 기초해서, 제어기(1308)는 시스템(1306)이 LED와 열싱크 사이에서 열을 전달하는 것을 제어할 수 있다. 예를 들면, LED(1304)가 "hot"으로 운영되면(예를 들면 고온을 가지면), 제어기는 시스템(1306)에 많은 전력을 공급할 수 있으며, 이어서 많은 열이 LED(1304)와 열싱크(1302) 사이에서 전달될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 제어기는 LED의 온도를 125°F, 더 바람직하게 110°F, 및 더욱 더 바람직하게 약 100°F 하에서 유지하기 위해서 작동된다. 특정한 예시의 실시형태에서, 제어기(1308)는 각각의 타일의 평균 발광 효율이 소정의 범위내에 있도록 활성 냉각 소자를 제어할 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 본원에 기재된 활성 온도 관리는 LED의 어레이 위에 실시될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 열관리 실행의 TEC 층은 배치된 소정의 LED(또는 LED 층)에 맞는 크기일 수 있다.
도 14는 특정한 예시의 실시형태에 따른 열관리층을 포함하는 조명 픽스처를 제조하기 위한 예시의 방법의 플로우 차트를 도시한다. 단계 1402, 1404, 1406, 1408, 1410, 및 1412는 도 4의 각각 단계 402, 404, 406, 408, 410, 및 412 에 상응할 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 단계 1414에서, 보호층을 거울 코팅하는 캐비티 또는 개구에서, 열관리층은 LED에 인접해서 배치될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 열층은 박막 TEC 등을 포함할 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 열층 및 LED는 미리 결합한 후 조명 픽스처에 배치될 수 있다. 단계 1416에서, 열 제어기가 하나 이상의 열층에 부착될 수 있다. 열 제어기는 LED 및/또는 열층의 전원, 센서, 및/또는 열층에 인가된 전기 에너지를 결정하기 위한 처리기로서 기능할 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 수집된 LED 타일 및 타일 내에 LED는 직렬, 병렬, 또는 이들의 혼합으로 전기적으로 연결될 수 있다.
활성 냉각은 바람직한 실시형태이지만, 그 외의 형태의 냉각 시스템은 특정한 예시의 실시형태에 따라서 실시될 수 있다. 예를 들면, 수동 냉각 시스템은 활성 가열 배열 대신에 또는 추가로 실시될 수 있다. 또한, 활성 냉각은 펠티어 소자와 함께 달성될 수 있지만, 특정한 예시의 실시형태에서 전기 수력학 냉각 시스템이 사용될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 예시의 냉각 시스템은 이동부를 거의 또는 전혀 포함하지 않기 때문에 비교적 컴팩트하고 및/또는 국부적 열을 용이하게 인출할 수 있다.
본원에 설명된 바와 같이, 다수의 LED는 하나의 캐비티에 대해서 사용될 수 있다. 따라서, 특정한 예시의 실시형태에서, 하나의 렌즈는 다수의 LED와 함께 사용될 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에서, 본원에 기재된 유리 제품(예를 들면, 개구를 갖는 유리 기판, 렌즈, 인광체층 등)은 설계 또는 그 외의 조건(예를 들면, 조절)에 기초해서 화학적으로 또는 열적으로 강화될 수 있다.
"TEC"는 임의의 열전냉각기 또는 열 펌프를 의미하는 것으로 사용되는 것을 알 수 있다.
본원에서 특정한 예시의 실시형태는 표준 가정 조명 기구와 함께 기재될 수 있지만, 본원에 기재된 기술은 그 외의 형태의 조명기구에 적용될 수 있는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 본원에 기재된 시스템 및/또는 기술은 산업적인 적용, 실외(예를 들면, 정원), 차량(예를 들면 트럭, 비행기), 전자 디바이스(예를 들면, LCD, 플라즈마, 및/또는 그 외의 평면 패널 디스플레이의 백라이트) 등에 사용될 수 있다. 즉, 본원에 기재된 기술은 임의의 형태의 분야(전체는 아님)에서 사용되는 광원에 적용될 수 있다.
본원에 기재된 예시의 실시형태는 미국 출원 번호 12/923,833; 12/923,834; 12/923,835; 12/923,842; 및 12/926,713(각각은 본원에 참조로 포함되어 있다)의 임의의 하나 이상에서 기재된 기술과 함께 사용될 수 있다. 예를 들면, 절연 유리(IG) 유닛 구조, 전기 접속, 층 스택, 및/또는 물질이 본 발명의 다른 실시형태에 관련해서 사용될 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "~에", "에 의해서 지지되는" 등은 명백하게 기재되지 않는 한, 2개의 요소가 서로 직접적으로 인접한 것을 의미하는 것은 아니다. 즉, 제 1층과 제 2층 사이에 하나 이상의 층이 존재하는 경우에도, 제 1층은 제 2 층에 위치하거나 제 2층에 의해서 지지된다고 할 수 있다.
본 발명은 현재 가장 실용적이고 바람직한 실시형태로 고려되는 것에 관련해서 기재되지만, 본 발명은 개시된 실시형태로 한정되는 않고, 첨부한 청구범위의 사상과 범위 내에서 포함된 다양한 변경 및 동등한 배열을 포함하는 것으로 이해된다.

Claims (26)

  1. 유리 기판 내에 적어도 하나의 캐비티(cavity) - 상기 적어도 하나의 캐비티는 상기 캐비티의 깊이에 따라 테이퍼지고, 상기 적어도 하나의 캐비티는 상기 캐비티의 제 1 단부로부터 상기 캐비티의 제 2 단부로 직경 또는 거리가 증가한다 - 를 형성하는 단계;
    상기 적어도 하나의 캐비티의 표면에 반사 소자를 배치하는 단계;
    상기 결합된 반사 소자가 각각의 발광 다이오드(LED)로부터 방출되는 광의 적어도 일부를 반사해서 실질적으로 상기 각각의 LED로부터의 광의 아이텐듀를 보존할 수 있도록 각각의 상기 캐비티의 제 1 단부 또는 그 근방에 LED를 위치시키는 단계를 포함하는 조명 픽스처의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기판에 복수의 캐비티가 형성되는, 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 상기 캐비티는 단면에서 보면 포물선형 측벽이 있는, 방법.
  4. 상기 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사 소자를 배치하는 단계는 각각의 상기 캐비티의 표면에 박막 물질을 배치하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 박막 물질은 은이거나 은을 포함하는, 방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 박막 물질 위에 보호 물질을 배치하는 단계를 더 포함하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 보호 물질은 폴리머, 에폭시, 수지 또는 원자층 증착에 의해서 증착된 층인, 방법.
  8. 상기 어느 한 항에 있어서,
    각각의 상기 캐비티는 관통홀인, 방법.
  9. 상기 어느 한 항에 있어서,
    각각의 상기 캐비티는 상기 제 1 기판의 깊이보다 작게 형성되는, 방법.
  10. 상기 어느 한 항에 있어서,
    각각의 상기 LED가 인쇄 회로 기판에 위치되는, 방법.
  11. 상기 어느 한 항에 있어서,
    각각의 상기 LED는 칩-온-유리로 형성된 LED인, 방법.
  12. 상기 어느 한 항에 있어서,
    각각의 상기 캐비티의 제 2 단부를 빠져나가는 반사광은 10도 내지 30도 분포를 갖도록 실질적으로 콜리메이팅되는, 방법.
  13. 유리 기판 내에 적어도 하나의 캐비티 - 상기 적어도 하나의 캐비티는 상기 캐비티의 깊이에 따라 테이퍼지고, 상기 적어도 하나의 캐비티는 상기 캐비티의 제 1 단부로부터 상기 캐비티의 제 2 단부로 직경 또는 거리가 증가한다 - 를 형성하는 단계;
    실질적으로 광원으로부터 광의 아이텐듀를 보존하기 위해서 각각의 상기 캐비티의 제 1 단부 또는 그 근방에 위치할 수 있는 광원으로부터 광의 적어도 일부를 반사하도록 적용된 반사소자를 상기 적어도 하나의 캐비티의 표면에 배치하는 단계를 포함하는 조명 픽스처의 제조 방법.
  14. 적어도 하나의 캐비티 - 상기 적어도 하나의 캐비티는 (a) 상기 캐비티의 깊이에 따라 테이퍼지고, 상기 적어도 하나의 캐비티는 상기 캐비티의 제 1 단부로부터 상기 캐비티의 제 2 단부로 직경 또는 거리가 증가하고, (b) 상기 캐비티의 표면에 반사 소자가 배치된다 - 를 갖는 유리 기판을 제공하는 단계; 및
    상기 결합된 반사 소자가 각각의 발광 다이오드(LED)로부터 방출되는 광의 적어도 일부를 반사해서 실질적으로 상기 각각의 LED로부터의 광의 아이텐듀를 보존할 수 있도록 각각의 상기 캐비티의 제 1 단부 또는 그 근방에 LED를 위치시키는 단계를 포함하는 조명 픽스처의 제조 방법.
  15. 복수의 캐비티 - 각각의 상기 캐비티는 (a) 상기 캐비티의 깊이에 따라 테이퍼지고, 상기 적어도 하나의 캐비티는 상기 캐비티의 제 1 단부로부터 상기 캐비티의 제 2 단부로 직경 또는 거리가 증가하고, (b) 상기 캐비티의 표면에 반사 소자를 포함한다 - 를 갖는 유리 기판; 및
    상기 결합된 캐비티의 반사 소자가 각각의 발광 다이오드(LED)로부터 방출되는 광의 적어도 일부를 반사해서 실질적으로 각각의 상기 LED로부터의 광의 아이텐듀를 보존할 수 있도록 각각의 상기 캐비티의 제 1 단부 또는 그 근방의 복수의 LED를 포함하는 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    각각의 상기 캐비티는 단면에서 보면 포물선형 측벽이 있는, 장치.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    각각의 상기 캐비티의 반사 소자는 박막 층을 포함하는, 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 박막 층 위에 보호 물질을 더 포함하는 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 보호 물질은 폴리머, 에폭시, 수지, 또는 원자층 증착에 의해서 증착된 층인, 장치.
  20. 제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 상기 캐비티는 관통홀인, 장치.
  21. 제 15 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 상기 캐비티는 상기 제 1 기판의 깊이보다 작게 형성되는, 장치.
  22. 제 15 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 LED를 지지하는 인쇄 회로 기판을 더 포함하는 장치.
  23. 제 15 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 상기 LED는 칩-온-유리로 형성된 LED인, 장치.
  24. 제 15 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 상기 캐비티의 제 2 단부를 빠져나가는 반사광은 10도 내지 30도 분포를 갖도록 실질적으로 콜리메이팅되는, 장치.
  25. 제 15 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 따르는 장치를 포함하는 조명 시스템.
  26. 복수의 상호 연결된 장치를 포함하고, 각각의 상기 장치는 제 15 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따르는 장치인, 조명 시스템.
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