KR20140063852A - 발광 모듈, 램프, 조명기구 및 디스플레이 장치 - Google Patents
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Abstract
발광 모듈(150)은 광 출사 창(104)을 통해 광을 방출하고 기저부(110), 고체 광 방출기(154, 158) 및 부분 확산 반사성 층(102)을 포함한다. 기저부(110)는 광 출사 창(104) 쪽으로 향하는 광 반사성 표면(112)을 갖는다. 광 반사성 표면(112)은 광 반사성 표면에 의해 반사되는 광량과 광 반사성 표면상에 충돌하는 광량 간의 비에 의해 정의되는 기저부 반사 계수(Rbase)를 갖는다. 고체 광 방출기(154, 158)는 제1 컬러 범위의 광(114)을 방출하고, 상부 표면(152, 158)을 포함하고, 고체 광 방출기(154, 156)에 의해 반사되는 광량과 고체 광 방출기(154, 156)의 상부 표면(152, 158)상에 충돌하는 광량 간의 비에 의해 정의되는 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL)를 갖는다. 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면(106)의 최대 선형 크기(dSSL)는, 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면(152, 158)상의 한 지점에서 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면(152, 158)상의 다른 지점까지의 직선을 따르는 최장 거리로서 정의된다. 광 출사 창(104)은 부분 확산 반사성 층(102)의 적어도 일부를 포함한다. 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)는 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면의 면적과 기저부의 광 반사성 표면의 면적 간의 비로서 정의된다. 적어도 하나의 고체 광 방출기(154, 156)의 상부 표면(152, 158)과 부분 확산 반사성 층(102) 사이에 거리(h)를 갖는 갭이 존재한다. 0<ρSSL<0.1에 대해 0.3*dSSL≤h≤5*dSSL, 0.1≤ρSSL≤0.25에 대해 0.15*dSSL≤h≤3*dSSL, 및 ρSSL>0.25에 대해 0.1*dSSL≤h≤2*dSSL인 경우 그리고 기저부 반사 계수(Rbase)의 값이 70%보다 크며 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL)보다 큰 경우, 비교적 효율적인 발광 모듈이 획득된다.
Description
본 발명은 발광 층(luminescent layer) 및 고체 광 방출기(solid state light emitter)를 포함하는 발광 모듈(light emitting module)에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 발광 모듈을 포함하는 램프, 조명기구 및 디스플레이 장치에 관한 것이다.
공개된 특허 출원 US2009/0322208A1호는 발광 장치를 개시한다. 발광 다이오드(LED)는 오목한(recessed) 하우징에 의해 형성된 원추형 캐비티 내에 제공된다. 오목한 하우징의 전면 측에서, 원추형 캐비티는 내화성 발광 층이 위에 제공된 투명한 열 전도체 층으로 덮인다. 오목한 하우징의 후면(backplane)에 히트 싱크가 제공되고 오목한 하우징의 측벽들은 금속 프레임으로 덮인다. 원추형 캐비티는 실리콘과 같은 재료로 채워질 수 있다.
LED는 발광 층 쪽으로 제1 컬러의 광을 방출한다. 방출된 광의 일부는 발광 층에 의해 캐비티로 후방 반사 또는 산란(reflected or scattered back)될 수 있다. 방출된 광의 또 다른 일부는 발광 층에 의해 제2 컬러의 광으로 변환된다. 발광 층이 제2 컬러의 광을 방출할 경우, 이 광은 모든 방향으로 방출되고, 따라서 또 다른 컬러의 광의 일부가 캐비티로 방출된다. 캐비티로 후방 반사된 광 또는 캐비티로 방출된 제2 컬러의 광의 일부는 캐비티의 기저부(base)상에 충돌하고(impinges), 일부는 캐비티의 벽 상에 충돌하고, 일부는 LED상에 충돌한다. LED의 표면들에서 및 캐비티의 표면들에서, 광의 일부는 반사되고 일부는 흡수된다. 특히, 광의 흡수는 발광 장치의 비효율을 초래한다.
일부 광 모듈 제조사들은 기저부를 갖는 캐비티를 포함하는 발광 모듈들을 제공한다. 이러한 모듈들은 종종 기저부상에 제공되는, 예를 들어 LED와 같은 복수의 광 방출기들을 갖는다. 이러한 발광 모듈들의 특정 실시형태들에서, 발광 층은, 예를 들어 접착층을 통해 광 방출기들의 상부 바로 위에 제공되고, 다른 실시형태들에서, 발광 층은 소위 원격 발광 층이며, 이는 광 방출기와 발광 층 사이에 센티미터 단위의 비교적 먼 거리가 존재함을 의미한다.
상부 바로 위에 발광 층을 갖는 광 방출기들을 구비한 발광 모듈들의 문제점은, LED 내부의 후방 반사기들(back reflectors)이 제한된 반사율(통상적으로, 백 미러(back mirror)는 90% 반사율 수준인 은임)을 갖는다는 사실로 인해, 발광 층으로부터 LED로 후방 인도된(directed back) 광이 불량한 재활용 효율(recycling efficiency)을 갖는다는 것이다. 사실, 광 방출기 재료, 통상적으로 GaN/InGaN 또는 AlInGaN은 높은 굴절률을 가져서, 광이 광 방출기 내부에 갇히도록 하여 금속 반사율을 더 제한하기 때문에 실제 반사율은 훨씬 더 낮다. 통상적인 LED 반사 계수들은 70%에 가깝다(가시 스펙트럼 범위에 걸쳐서 평균을 내고 수직 입사로 측정됨). 이러한 발광 모듈들의 또 다른 문제점은 대부분의 광이 LED의 상부 상의 영역에 집중되는 핫 스폿들(hot spots)을 형성한다는 것이고, 따라서 모듈의 광 출력이 크게 불균일하게 되어 광 출력 및 열 분포 모두에서 핫 스폿들을 초래한다. 또한, LED 다이 상부 상의 인광체 층(phosphor layer)은 비교적 뜨거워질 수 있고 높은 선속 밀도(flux density)로 여기되어, 최적이 아닌 인광체 변환 효율을 초래하여, 발광 성능을 제한한다.
원격 발광 층을 구비하는 발광 모듈들은, 캐비티 내부에서의 광의 좀더 효율적인 재활용 때문에, 상부 바로 위에 발광 층을 갖는 광 방출기들을 구비한 발광 모듈들보다 일반적으로 더 효율적이다. 또한, 이러한 모듈들의 광 출력은 통상적으로 더 균일하여, 핫 스폿을 감소시킨다. 그러나, 원격 발광 층을 구비하는 발광 모듈들은 상부 바로 위에 발광 층을 갖는 광 방출기들을 구비한 발광 모듈들에 비해 비교적 큰 크기를 갖는다. 비교적 부피가 큰 원격 발광 층에 대한 해결책은, 예를 들어 할로겐 교체 램프들 및 포물면 반사기 램프들인 스폿 램프(spot lamp) 응용들과 같은, 크기 제약 응용들에서는 사용될 수 없다.
원격 발광 층을 구비하는 발광 모듈들의 다른 단점은, 발광 층의 비교적 큰 면적이 비교적 높은 재료 비용 수준을 초래한다는 것이다. 추가로, 인광체 층 내의 열 전도는 광 방출기의 측벽들 쪽으로 횡 방향으로만 인도(direct)되고, 그들의 부피가 큰 구성으로 인해, 원격 인광체 플레이트로부터 열을 멀리 인도하는 능력이 제한된다.
본 발명의 목적은 비교적 효율적인 발광 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태는 제1항에서 청구된 발광 모듈을 제공한다. 본 발명의 제2 양태는 제23항에 청구된 램프를 제공한다. 본 발명의 제3 양태는 제24항에 청구된 조명기구를 제공한다. 본 발명의 제4 양태는 제25항에 청구된 디스플레이 장치를 제공한다. 유리한 실시형태들이 종속 청구항들에 정의된다.
본 발명의 제1 양태에 따른 발광 모듈은 광 출사 창(light exit window)을 통해 광을 방출한다. 발광 모듈은 기저부, 적어도 하나의 고체 광 방출기, 및 입사광의 적어도 일부는 확산 반사되고(diffusively reflected) 입사광의 적어도 일부는 이 층을 통해 투과되는 확산 반사성(diffuse reflective properties)을 갖는 층인, 부분 확산 반사성 층을 포함한다. 기저부는 표면을 갖고, 기저부 표면의 적어도 일부는 기저부의 표면상에 충돌하는 광을 반사한다. 광을 반사하는 기저부 표면의 일부는 이하에서 기저부의 광 반사성 표면으로 지칭된다. 광 반사성 표면은 기저부의 광 반사성 표면에 의해 반사된 광량과 기저부의 광 반사성 표면상에 충돌하는 광량 간의 비에 의해 정의된 기저부 반사 계수를 갖는다. 적어도 하나의 고체 광 방출기는 제1 컬러 범위의 광을 방출하도록 구성되며, 상부 표면, 및 적어도 하나의 고체 방출기에 의해 반사된 광량과 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면상에 충돌하는 광량 간의 비에 의해 정의된 고체 광 방출기 반사 계수를 갖는다. 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면의 최대 선형 크기는, 직선을 따르는, 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면상의 한 지점에서 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면상의 또 다른 지점까지의 최장 거리로서 정의된다. 광 출사 창은 적어도 일부의 부분 확산 반사성 층을 포함한다. 고체 광 방출기 면적 비는 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면의 면적과 기저부의 광 반사성 표면의 면적 간의 비로서 정의된다. 기저부 반사 계수의 값은 70%보다 크며, 고체 광 방출기 반사 계수보다 크다. 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면과 부분 확산 반사성 층 간에 갭이 존재한다. 갭은 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면과 부분 확산 반사성 층 간의 거리에 의해 정의된다. 이 거리는, 비교적 작은 값의 고체 방출기 면적 비, 즉 0.1 미만에 있어서, 최소값이 0.3 × 상부 표면의 최대 선형 크기 이상이고 최대값이 5 × 상부 표면의 최대 선형 크기 이하인 범위이다. 고체 방출기 면적 비의 중간값에 있어서, 즉, 최소값이 0.1 이상이고 최대값이 0.25 이하인 범위에 있어서, 거리는, 최소값이 0.15 × 상부 표면의 최대 선형 크기 이상이고 최대값이 3 × 상부 표면의 최대 선형 크기 이하인 범위이다. 비교적 큰 값의 고체 방출기 면적 비에 있어서, 즉 0.25보다 큰 경우에, 거리는, 최소값이 0.1 × 상부 표면의 최대 선형 크기 이상이고 최대값이 2 × 상부 표면의 최대 선형 크기 이하인 범위이다.
고체 광 방출기의 상부 표면과 부분 확산 반사성 층 간의 거리는, 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면과, 적어도 하나의 고체 광 방출기를 향하는 부분 확산 반사성 층의 표면 간의 최단 선형 경로의 길이로서 정의된다. 발광 모듈이 1개보다 많은 고체 광 방출기들을 포함할 경우, 고체 광 방출기들의 상부 표면들과 부분 확산 반사성 층 간의 거리는 고체 광 방출기들의 각 상부 표면들과 부분 확산 반사성 층 간의 거리의 평균이다.
고체 광 방출기의 상부 표면의 최대 선형 크기는, 직선을 따르는, 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면상의 한 지점에서 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면상의 또 다른 지점까지의 최장 거리로서 정의된다. 발광 모듈이 1개보다 많은 고체 광 방출기를 포함할 경우, 상부 표면들의 최대 선형 크기들의 평균값이 사용된다. 상부 표면은 임의의 형상일 수 있으며, 예를 들어 정사각형, 직사각형, 원형 또는 타원형일 수 있다. 정사각형 또는 직사각형에 있어서, 최장 선형 거리는 정사각형 또는 직사각형의 대각선의 길이이다. 원형에 있어서, 최장 선형 크기는 원의 직경의 길이이다.
본 발명자들은, 고체 광 방출기(들)와 부분 확산 반사성 층 간의 거리가, 발광 모듈의 비교적 큰 광 출력이 획득되고 고체 방출기 면적 비에 의존하는 최소값을 가져야 함을 실험으로 확인하였다. 이 최소값 미만에서는 발광 모듈이 덜 효율적으로 작동하고, 부분 확산 반사성 층에 의해 적어도 하나의 고체 광 방출기에 지나치게 많은 광이 반사, 후방 산란 및/또는 재방출된다. 또한, 본 발명자들은, 적어도 하나의 고체 광 방출기와 부분 확산 반사성 층 간의 거리가 지나치게 크게 될 경우, 또한 고체 방출기 면적 비의 값에 따라, 광 출력이 감소하기 시작하므로, 불리하다는 것을 확인하였다. 감소는, 광은 발광 모듈을 통해 더 긴 이동 경로를 갖고 따라서 더 많은 흡수 작용을 경험할 수 있으므로, 광이 더 많이 흡수된 결과이다.
기저부 반사 계수의 값은 고체 광 방출기 반사 계수 값보다 적어도 더 크며, 결과적으로 기저부는 고체 방출기보다 광을 덜 흡수한다. 이는, 더 많은 광이 기저부에 의해 반사되어 더 많은 광이 발광 모듈 주변의 광 출사 창을 통해 방출될 수 있으므로 유리하다. 이는 사실상 더 많은 광이 기저부에 의해 반사된 다음 흡수되는 대신 재활용됨을 의미한다. 본 발명에 따른 발광 모듈에서의 광 손실이 최소화되므로, 발광 모듈의 효율은 전체적으로 향상된다. 고체 광 방출기의 상부 바로 위에 발광 층을 갖는 발광 모듈에 비해, 더 적은 광이 고체 광 방출기의 광 흡수에 의해 손실된다. 부분 확산 반사성 층으로 작용하는 원격 발광 층을 구비하는 발광 모듈에 비해, 부분 확산 반사성 층에 의해 모듈의 내부로 반사, 후방 산란 및/또는 재방출되는 광은, 광 출사 창을 나가기 전에 모듈 내부에서 상호작용(반사)이 더 적으므로 더 효율적으로 재활용된다. 그 결과, 본 발명에 따른 발광 모듈은 비교적 효율적이다.
본 발명자들은 기저부 반사 계수의 특정 조합이 이전에 특정된 기준에 따른 고체 광 방출기 반사 계수보다 더 높고 고체 광 방출기(들)의 상부 표면과 발광 층 간의 거리의 기준이 특정 범위에 있어서, 비교적 높은 광 출력을 초래하여 비교적 효율적인 발광 모듈을 초래함을 실험으로 확인하였다.
갭은 광범위하게 해석되어야 한다. 이 의미는 부분 확산 반사성 층이 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면 또는 상부 표면들과 직접 접하지 않고, 적어도 하나의 고체 광 방출기와 부분 확산 반사성 층 간에 특정 거리가 존재한다는 것이다. 갭은 공기로 채워질 수 있지만, 갭에 실질적으로 투명한 재료도 존재할 수 있다.
부분 확산 반사성 층이 고체 광 방출기 또는 고체 광 방출기들의 상부 표면과 직접 접하지 않을 경우, 비교적 더 많은 양의 광이 반사되고 광 반사성 표면 쪽으로 방출될 것이다. 본 발명에 따라, 광 반사성 표면이 적어도 하나의 고체 광 방출기보다 더 높은 반사율을 가질 경우, 더 많은 광이 부분 확산 반사성 층으로 후방 반사되고, 결과적으로 더 높은 광 출력이 획득될 것이다.
본 발명자들은 비교적 높은 반사율의 광학 효과가 광 출력을 더 증가시킬 수 있음을 실험으로 확인하였다. 고체 광 방출기(들)와 부분 확산 반사성 층 간에 갭이 존재할 경우, 적어도 하나의 고체 광 방출기는, 부분 확산 반사성 층이 고체 광 방출기(들)의 상부 상에 또는 이에 매우 근접하게 배치될 경우만큼 따뜻하게(warm) 되지 않는다. 이는 적어도 하나의 고체 광 방출기의 효율을 더 향상시키고, 고체 광 방출기 또는 고체 광 방출기의 납땜 이음(solder joint)에서 임계 온도에 도달하기 전에 더 높은 전류 부하를 가능하게 할 수 있다. 따라서, 더 높은 절대 광 출력이 실현된다. 또한, 부분 확산 반사성 층이 적어도 하나의 고체 광 방출기에 열적으로 직접 결합되지 않을 경우, 적어도 하나의 고체 광 방출기로부터 열을 수신하지 않는다. 부분 확산 반사성 층이 얼마나 잘 냉각될 수 있는지는 기저부 쪽으로의 열 계면, 및 모듈이 접속되는 가능한 히트 싱크의 품질에 의존한다.
따라서, 기저부 반사 계수의 특정 조합은, 갭의 존재에 따라 고체 광 방출기 반사 계수보다 더 높아서, 기저부의 광 반사성 표면에 의한 더 많은 반사의 광학 효과만을 토대로 기대하는 광 출력보다 더 높은 광 출력을 초래한다.
일 실시형태에서, 부분 확산 반사성 층은 제1 컬러 범위의 광의 적어도 일부를 제2 컬러 범위의 광으로 변환하기 위한 발광 재료를 포함한다. 제2 컬러 범위의 광은 발광 재료에 의해 모든 방향으로 방출되며, 이 광의 일부는 적어도 하나의 고체 광 방출기 또는 기저부의 광 반사성 표면 쪽으로도 방출된다.
제1 스펙트럼 범위에서 제2 스펙트럼 범위로의 광 변환은, 부분 확산 반사성 층이 발광 층으로서 작용하는 경우에, 광 에너지의 일부를 열로 변환시키며, 이는 통상적으로 '스토크스 이동(Stokes shift)' 손실로 나타낸다. 또한, 사실상 발광 재료(들)의 양자 효율(Quantum Efficiency; QE)은 예를 들어 0.9까지 제한되며, 이는, 이후에 발광 층으로 지칭되는, 발광 재료를 포함하는 부분 확산 반사성 층의 추가 열적 가열(thermal heat-up)을 초래한다. 발광 재료의 온도가 용인되는 한도 내에 유지된 경우 발광 재료의 효율이 더 높다. 이는 발광 재료상에서 광속(light flux) 부하, 즉 선속 밀도 분포를 제한함으로써, 예를 들어 고체 광 방출기들과 발광 층 사이에 특정 거리를 적용하여 광이 확산되는 것이 가능하도록 하여 발광 층 상의 선속 밀도를 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 하지만, 더욱 바람직하게는 발광 층과 기저부 간, 및 발광 층과 히트 싱크 간의 열 저항을 최적화하여 낮은 열 저항을 달성한다. 이는 발광 층을 광 출사 창 주변의 열 전도성 벽에 결합시키거나, 방출기들과 기저부와 발광 재료 사이에 열 전도성 유리 또는 세라믹과 같은 열 전도성 재료를 적용하거나, 열 전도성을 갖고 발광 층이 부착된 캐리어 기판과 같은 열 확산(heat spreading) 층들 또는 구조들을 발광 층 상에 적용하는 것과 같은 다양한 수단에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 그러한 수단들로, 고체 광 방출기(들)와 발광 층 간의 갭은 더 효율적인 발광 층의 광열 효과(photothermal effect)를 초래할 수 있다.
또한, 적어도 하나의 고체 광 방출기와 부분 확산 반사성 층 간의 갭은, 부분 확산 반사성 층의 매우 특정한 영역에서의 비교적 높은 광속 대신, 부분 확산 반사성 층을 통한 광속의 더 균일한 분포를 초래한다. 또한, 부분 확산 반사성 층이 발광 재료를 포함하는 경우에, 이러한 방식으로 열 핫 스폿들(thermal hot spots) 및 온도 경사(temperature gradients)의 감소가 달성된다. 발광 재료들은 광 포화(photosaturation)에 민감한 경향이 있으며, 이는 특정 광속 위에서 발광 재료가 더 낮은 효율로 광을 변환함을 의미한다. 따라서, 고체 광 방출기(들)와, 발광 재료를 포함하는 부분 확산 반사성 층 사이에 갭을 가짐으로써, 발광 재료의 광 포화가 방지되고 효율이 향상된다.
일 실시형태에서, 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면은 광 출사 창쪽을 향한다. 일 실시형태에서, 고체 광 방출기들 중 하나는 소위 사이드 방출기(side emitter)이다. 일 실시형태에서, 적어도 하나의 고체 광 방출기는 광 출사 창의 적어도 일부 쪽으로 광을 방출한다.
일 실시형태에서, 발광 모듈은 복수의 고체 광 방출기들을 포함한다. 고체 광 방출기들 각각은 특정 컬러 범위의 광을 방출하도록 구성된다. 다른 실시형태에서, 복수의 고체 광 방출기들은 기저부와 광 출사 창 사이에 존재하는 가상 면 상에 제공된다. 추가 실시형태에서, 복수의 고체 광 방출기들 중 적어도 하나는 광 출사 창의 적어도 특정 부분 쪽으로 광을 방출한다. 추가로 또는 대안적으로, 복수의 고체 광 방출기들 중 적어도 하나는 광 출사 창 쪽으로 향하는 상부 표면을 갖는다. 고체 광 방출기 반사 계수는 복수의 고체 광 방출기들의 반사 계수의 평균값으로 정의된다. 추가 실시형태에서, 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면은 광 출사 창을 향하고, 다른 고체 광 방출기의 상부 표면은 광 출사 창을 향하지 않는다.
특정 실시형태에서, 광 방출기는 한 평면에서 발광 면이 서로 매우 근접하게 배치된 복수의 고체 광 방출기들의 조합일 수 있다. "매우 근접하게"는 개별 고체 광 방출기들 간의 거리가 수십 마이크로미터 단위이지만 0.2 mm 이하임을 의미한다. 그렇게 근접하게 배치된 고체 광 방출기들은 본 발명의 맥락에서 멀티-다이 LED로도 지칭되는 단일 광 방출기로 제시된다. 상부 표면은 매우 근접하게 배치된 고체 광 방출기들의 개별 고체 광 방출기들의 상부 표면들의 조합이다. 매우 근접한 배치는 고체 광 방출기들의 다이들에 관한 것이지, 고체 광 방출기의 패키지들의 매우 근접한 배치에 관한 것이 아님을 주목해야 한다.
1개보다 많은 고체 광 방출기가 제공될 경우, 발광 모듈은 더 많은 광을 방출할 수 있다. 절대값으로 나타낸, 더 많은 광이 발광 모듈 내에서 반사되고, 결과적으로 고체 광 방출기들, 및 기저부의 광 반사성 표면 쪽으로 후방 방출될 것이다. 따라서, 기저부의 광 반사성 표면이 고체 광 방출기들보다 반사율이 더 우수할 경우, 반사성 표면을 통해 부분 확산 반사성 층으로(및 광 출사 창을 통해) 광을 후방 반사시킴으로써, 절대값으로 나타낸 더 많은 광이 재활용될 수 있다. 또한, 복수의 고체 광 방출기들을 구비한 발광 모듈은 단일 고체 광 방출기를 구비한 발광 모듈과 동일한 장점을 갖는다. 2개 이상의 고체 광 방출기들의 경우, 고체 광 방출기 면적 비의 계산에 고체 광 방출기들의 상부 표면들의 총합 면적이 사용된다.
일 실시형태에서, 기저부 반사 계수의 값은, 고체 광 방출기 반사 계수 + 인자 c × (1과 고체 광 방출기 반사 계수 간의 차)보다 더 크다. 인자 c의 값은, 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면의 면적과 기저부의 광 반사성 표면의 면적 간의 비로 정의되는 고체 광 방출기 면적 비 값에 의존한다. 고체 광 방출기 면적 비가 비교적 작을 경우, 즉 0.1 미만인 값일 경우, 인자 c가 0.2 이상이면 비교적 효율적인 발광 모듈이 제공된다. 고체 광 방출기 면적 비가 중간 범위일 경우, 즉 최소값이 0.1 이상이고 최대값이 0.25 이하인 범위일 경우, 인자 c가 0.3 이상이면 비교적 효율적인 발광 모듈이 제공된다. 고체 광 방출기 면적 비가 비교적 클 경우, 즉 0.25보다 큰 값을 가질 경우, 인자 c가 0.4 이상이면 비교적 효율적인 발광 모듈이 제공된다. 반사 계수 값이 1보다 클 수 없으므로, 인자 c는 최대값이 1이다. 사실상, 고체 광 방출기 면적 비의 값은 0과 1 사이의 범위이다.
부분 확산 반사성 층상에 충돌하는 제1 컬러 범위의 광은, 산란되고, 부분 확산 반사성 층의 표면에 의한 반사, 및 내부 반사, 및 부분 확산 반사성 층에서의 후방 산란으로 인해 적어도 하나의 고체 광 방출기 및 기저부 쪽으로 일부가 반사되고, 일부는 또한 부분 확산 반사성 층을 통해 투과된다.
적어도 하나의 고체 광 방출기는 그의 구성으로 인해 제한된 고체 광 방출기 반사 계수를 가지며, 이는 적어도 하나의 고체 광 방출기 상에 충돌하는 광의 상당한 부분이 적어도 하나의 고체 광 방출기에 의해 흡수됨을 의미한다. 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면은 상부 표면상에 충돌하는 광의 비교적 적은 부분을 반사하고, 그 광의 비교적 많은 부분이 고체 광 방출기의 중심부(core)에 투과된다. 후면(back surface), 및 고체 광 방출기 내부의 반도체 영역은 상당한 부분의 광을 흡수하고, 그 결과, 고체 광 방출기의 중심부에 입사하는 제한된 양의 광이 고체 광 방출기 주변으로 후방 방출된다. 종종 용어 "다이"가 고체 광 방출기 칩에 사용되며, 두 용어 모두, 광이 생성되는 반도체 장치를 지칭한다. 반도체 장치는, 광을 사실상 생성하는 반도체 재료를 포함하며, 또한 전극, 구획(segmentation), 비아들, 후측 미러들(back side mirrors), 및 예를 들어 보호층을 포함할 수도 있다. 일부 응용에서 고체 광 방출기들은 광 투과 기판, 예를 들어 사파이어 상에서 성장함을 주목해야 한다. 제조 후, 기판은 여전히 고체 광 방출기 다이 상에 존재할 수 있으며, 고체 광 방출기에서 생성된 광은 성장 기판을 통해 방출된다. 용어 "상부 표면"은 성장 기판의 표면을 지칭하는 것이 아니라, 대부분의 광을 방출하는 고체 광 방출기 다이의 표면을 지칭한다. 일부 실시형태에서, 상부 표면을 통한 광 방출은 주로 광 출사 창의 방향이다.
기저부 반사 계수가 고체 광 방출기 반사 계수보다 충분히 더 높을 경우, 발광 모듈의 효율은 전체적으로 실질적으로 향상됨을 주목하였다. 또한, 고체 광 방출기 면적 비에 따라 반사 계수의 특정한 차이를 초과할 경우 상당한 향상이 주목되었다. 따라서, 이 실시형태에 따라, 기저부 반사 계수는, 고체 광 방출기 반사 계수 + 인자 c × (1과 고체 광 방출기 반사 계수 값 간의 차)의 값보다 적어도 더 크다. Rbase가 기저부 반사 계수이고 R_SSL이 고체 광 방출기 반사 계수라고 가정할 경우, 이 기준은 식: Rbase > R_SSL + c*(1- R_SSL)으로 나타낸다. 따라서, 고체 광 방출기 면적 비가 비교적 작을 경우, 즉 0.1 미만일 경우, 이는 기저부의 반사성 표면이 고체 광 방출기의 상부 표면 면적에 비해 비교적 큰 면적을 가짐을 의미하고, c≥0.2일 경우에 대해 비교적 효율적인 발광 모듈이 제공된다. 예로서, 이 경우에 R_SSL=0.7일 경우, 기저부의 반사성 표면의 반사 계수는 비교적 효율적인 발광 모듈을 달성하기 위해 0.76 이상이어야 한다. 고체 광 방출기 면적 비가 중간 범위인 경우, 즉 최소값이 0.1 이상이고 최대값이 0.25 이하인 범위인 경우, 이는 기저부의 반사성 표면의 면적이 고체 광 방출기의 상부 표면의 면적과 비슷함을 의미하고, c≥0.3일 경우에 대해 비교적 효율적인 발광 모듈이 제공된다. 예로서, 이 경우에 R_SSL=0.7인 경우, 기저부의 반사성 표면의 반사 계수는 비교적 효율적인 발광 모듈을 달성하기 위해 0.79 이상이어야 한다. 고체 광 방출기 면적 비가 비교적 클 경우, 즉, 0.25보다 클 경우, 이는 기저부의 반사성 표면이 고체 광 방출기의 상부 표면의 면적에 비해 비교적 작은 면적을 가짐을 의미하고, 인자 c는 비교적 효율적인 발광 모듈을 달성하기 위해 0.4 이상이어야 한다. 예로서, 이 경우에 R_SSL=0.7인 경우, 기저부의 반사성 표면의 반사 계수는 비교적 효율적인 발광 모듈을 제공하기 위해 0.82 이상이어야 한다.
반사 계수들은 그들이 관련된 전체 표면에 걸쳐 평균 수라는 것을 주목해야 한다. 기저부의 광 반사성 표면은, 예를 들어 기저부 상에 상이한 재료들 및/또는 상이한 반사기 층 두께들을 이용함으로써, 예를 들어, 다른 영역들보다 덜 반사성인 영역들을 포함할 수 있다. 하지만, 상이한 파장들의 광의 반사는 상이할 수 있으며, 바람직하게는 반사 계수는, 적어도 제1 컬러 범위의 광을 포함하는 스펙트럼 범위에 걸친 그리고 입사각 분포에 걸친 가중 평균이다.
일부 경우에, 적어도 하나의 고체 광 방출기는 기판, 예를 들어, 세라믹 기판에 부착되고, 기판과 적어도 하나의 고체 광 방출기의 조합은 또 다른 캐리어 층에 부착된다. 이 캐리어 층은, 예를 들어, IMS(insulated metal substrate)로도 지칭되는 MCPCB(metal core printed circuit board), 또는 FR4와 같은 종래의 PCB, 또는 알루미나 또는 질화 알루미늄과 같은 다른 세라믹 캐리어일 수 있다. 그러한 상황들에서, 발광 모듈의 기저부는 또 다른 캐리어 층과, 적어도 하나의 고체 광 방출기가 부착된 기판의 조합이다. 다시 말해, 기저부는 고체 광 방출기(들)가 위에 제공되는 재료들 및/또는 층들의 조합이다. 결과적으로, 이러한 특정 경우에, 기저부 반사 계수는 기판들 및 캐리어 층의 반사 계수들의 가중 평균이다. 모호함을 방지하기 위해, 계산에 있어서, 기저부의 반사성 표면의 면적은 적어도 하나의 고체 광 방출기에 의해 덮인 면적을 포함하지 않는다.
고체 광 방출기 면적 비가 비교적 작을 경우, 즉, 0.1 미만일 경우, 0.4≤c≤1인 경우에 더 효율적인 발광 모듈이 획득된다. 이 경우에, 0.6≤c≤1에 대해 훨씬 더 효율적인 발광 모듈이 획득된다. 고체 광 방출기 면적 비가 중간 범위일 경우, 즉, 최소값이 0.1 이상이고 최대값이 0.25 이하인 범위일 경우, 0.6≤c≤1인 경우에 더 효율적인 발광 모듈이 획득된다. 이 경우에, 0.84≤c≤1에 대해 훨씬 더 효율적인 발광 모듈이 획득된다. 고체 광 방출기 면적 비가 비교적 클 경우, 즉, 0.25보다 클 경우, 0.8≤c≤1인 경우에 더 효율적인 발광 모듈이 획득된다.
일 실시형태에서, 적어도 하나의 고체 광 방출기가 기저부의 광 반사성 표면상에 제공된다. 모호함을 방지하기 위해, 계산에 있어서, 기저부의 반사성 표면의 면적은 적어도 하나의 고체 광 방출기에 의해 덮인 면적을 포함하지 않는다. 하지만, 다른 실시형태에서, 적어도 하나의 고체 광 방출기는 기저부와 광 출사 창 사이에 제공되는 와이어들의 네트워크상에 배치될 수 있다. 그러한 실시형태에서, 와이어들은 고체 광 방출기(들)를 지니고(carry) 고체 광 방출기(들)에 전력을 제공한다. 와이어는 금속 코어 및 보호용 플라스틱 클래딩(protective plastic cladding)을 포함할 수 있으며, 예를 들어 납땜 이음 접속(solder joint connection)에 의해, 방출기의 기판 또는 캐리어에 접촉점에서 전기적으로만 부착될 수 있다.
일 실시형태에서, 발광 모듈은 기저부와 광 출사 창 사이에 개재된 벽을 포함한다. 기저부, 벽 및 광 출사 창은 캐비티를 둘러싼다. 벽은 캐비티 쪽으로 향하는 광 반사성 벽 표면을 포함하고, 광 반사성 벽 표면은 광 반사성 벽 표면에 의해 반사되는 광량과 광 반사성 벽 표면상에 충돌하는 광량 간의 비에 의해 정의되는 벽 반사 계수를 갖는다. 이 실시형태에서, 유효 반사 계수는, 예를 들어, 각 표면적의 크기들에 상응하여 가중되는, 기저부 및 벽 반사 계수의 가중 평균으로 정의된다. 이 실시형태에서, 유효 반사 계수는 적어도 70%보다 크며, 고체 광 방출기 반사 계수보다 더 크다. 따라서, 조합된 기저부와 벽이 특정한 바와 같은 유효 반사 계수를 가질 경우 발광 모듈이 비교적 효율적이다.
추가 실시형태에서, 유효 반사 계수는 고체 광 방출기 반사 계수 + 인자 c × (1과 고체 광 방출기 반사 계수 간의 차)보다 적어도 더 크다. 인자 c에 대한 기준들은 벽들이 없는 실시형태에서와 유사하고, 유일한 차이는 전체 반사성 표면이 이제 벽의 반사성 표면 및 기저부의 반사성 표면을 포함한다는 것이다. 따라서, 고체 방출기 피복비(coverage ratio)는 이제, 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면의 면적과, 기저부의 반사성 표면 면적과 반사성 벽 표면 면적의 합 간의 비로 정의된다. 기저부 및 고체 광 방출기 반사 계수와 함께, 벽 반사 계수는 사전 정의된 스펙트럼의 광의 광 반사의 가중 평균이라는 것을 주목해야 한다. 벽들은, 이 예에서 발광 재료를 포함하는 부분 확산 반사성 층에서 기저부 쪽으로 열을 전도하는 것과 같은 추가 기능을 가질 수 있음을 주목해야 한다. 기저부는 종종 히트 싱크에 결합되고, 발광 층은 제1 컬러 범위의 광이 제2 컬러 범위의 광으로 변환되는 경우에 열 생성의 결과로서 비교적 뜨겁게 될 수 있다. 벽들의 반사성 표면은 비교적 효율적인 발광 모듈을 달성하는 것을 돕는다.
일 실시형태에서, 벽 반사 계수, 즉 벽들의 반사 계수는 적어도 95% 미만이며, 고체 광 방출기의 상부 표면과 부분 확산 반사성 층 간의 거리는, 비교적 작은 값의, 즉 0.1 미만의 고체 방출기 면적 비에 대해, 최소값이 0.3 × 상부 표면의 최대 선형 크기(또는 상부 표면들의 최대 선형 크기들의 평균값)이고 최대값이 0.75 × 상부 표면의 최대 선형 크기(또는 상부 표면들의 최대 선형 크기들의 평균값)보다 작은 범위이다. 고체 방출기 면적 비가 중간값, 즉 최소값이 0.1 이상이고 최대값이 0.25 이하인 범위인 경우에, 이 경우 거리는, 최소값이 0.15 × 상부 표면의 최대 선형 크기(또는 상부 표면들의 최대 선형 크기들의 평균값)이고 최대값이 0.3 × 상부 표면의 최대 선형 크기(또는 상부 표면들의 최대 선형 크기들의 평균값)보다 작은 범위이다. 고체 방출기 면적 비가 비교적 큰 값, 즉 0.25보다 클 경우에, 이 경우 거리는, 최소값이 0.1 × 상부 표면의 최대 선형 크기(또는 상부 표면들의 최대 선형 크기들의 평균값)이고 최대값이 0.2 × 상부 표면의 최대 선형 크기(또는 상부 표면들의 최대 선형 크기들의 평균값)보다 작은 범위이다. 본 발명자들은 상기 기준들에서 비교적 효율적인 발광 모듈이 획득됨을 확인하였다.
일 실시형태에서, 벽 반사 계수는 95% 이상이고, 고체 광 방출기의 상부 표면과 부분 확산 반사성 층 간의 거리가, 비교적 작은 값의, 즉 0.1 미만의 고체 방출기 면적 비에 대해, 최소값이 0.75 × 상부 표면의 최대 선형 크기(또는 상부 표면들의 최대 선형 크기들의 평균값)이고 최대값이 2 × 상부 표면의 최대 선형 크기(또는 상부 표면들의 최대 선형 크기들의 평균값)인 범위일 경우, 비교적 효율적인 발광 모듈이 획득된다. 고체 방출기 면적 비가 중간값, 즉 최소값이 0.1 이상이고 최대값이 0.25 이하인 범위인 경우에, 이 경우 거리는, 최소값이 0.3 × 상부 표면의 최대 선형 크기(또는 상부 표면들의 최대 선형 크기들의 평균값)이고 최대값이 0.7 × 상부 표면의 최대 선형 크기(또는 상부 표면들의 최대 선형 크기들의 평균값)인 범위이다. 고체 방출기 면적 비가 비교적 큰 값일 경우, 즉 0.25보다 클 경우에, 이 경우 거리는, 최소값이 0.2 × 상부 표면의 최대 선형 크기(또는 상부 표면들의 최대 선형 크기들의 평균값)이고 최대값이 0.5 × 상부 표면의 최대 선형 크기(또는 상부 표면들의 최대 선형 크기들의 평균값)인 범위이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 반사성 기저부 표면의 적어도 일부는 고체 광 방출기의 상부 표면보다 부분 확산 반사성 층에 더 가깝다. 이 실시형태에서, 상부 표면과 부분 확산 반사성 층 간의 거리가, 0.1 미만의 고체 광 방출기 면적 비에 대해 최소값이 0.4*dSSL+△h/2이고 최대값이 5*dSSL+△h/2인 범위, 최소값이 0.1 이상이고 최대값이 0.25 이하의 범위인 고체 광 방출기 면적 비에 대해 최소값이 0.15*dSSL+△h/2이고 최대값이 3*dSSL+△h/2인 범위, 또는 0.25보다 큰 고체 광 방출기 면적 비에 대해 최소값이 0.1*dSSL+△h/2이고 최대값이 2*dSSL+△h/2의 범위인 경우, 효율적인 발광 모듈이 획득된다. 파라미터 dSSL은 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면의 최대 선형 크기이고, 파라미터 △h는 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상부 표면과 부분 확산 반사성 층 사이의 거리와, 반사성 기저부 표면과 부분 확산 반사성 층 간의 거리 또는 평균 거리 사이의 차이의 절대값이다. 복수의 고체 광 방출기들의 경우, 평균값들이 사용된다. 이러한 실시형태에서, 기저부는, 예를 들어, 고체 광 방출기(들)가 배치된 하나 이상의 오목부들(recesses)을 갖는다.
일 실시형태에서, 벽은 이하의 재료들: 알루미늄, 구리, 알루미나와 같은 세라믹, 폴리아미드 또는 스펙트라론(spectralon)과 같은 열 전도성 중합체 중 적어도 하나를 포함한다.
또 다른 실시형태에서, 기저부의 광 반사성 표면 및/또는 광 반사성 벽 표면 중 적어도 하나는 광 반사성 코팅, 광 반사성 몰딩, 광 반사성 세라믹 또는 광 반사성 포일(foil)을 포함한다. 광 반사성 코팅은 각 광 반사성 표면들의 반사율을 증가시켜, 발광 모듈의 효율을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 기저부 및/또는 벽의 광 반사성 표면은 광을 확산성으로(diffusely) 산란시키며, 이는 백색 코팅에 의해 획득될 수 있다. 확산성 산란 표면은 발광 모듈의 광 재활용 효율을 더 향상시킨다. 또 다른 실시형태에서, 기저부 및/또는 벽의 광 반사성 표면은 정반사성으로(specularly) 반사할 수 있으며, 이는 금속 미러(예를 들어, 보호된 은 또는 알루미늄)에 의해 획득될 수 있다. 추가 실시형태에서, 기저부 및/또는 벽의 광 반사성 표면은 확산성 산란 재료 및 정반사성 반사 재료의 조합일 수 있다.
추가 실시형태에서, 광 반사성 벽 표면은 광 출사 창 쪽으로 광의 반사를 증가시키기 위해 기저부의 법선 축(normal axis)에 대해 기울어진다(tilted). 또 다른 추가 실시형태에서, 광 반사성 벽 표면은 광 출사 창 쪽으로 광의 반사를 증가시키기 위해 구부러진다(curved). 그러한 기울어진 벽 표면 또는 구부러진 벽 표면은, 캐비티의 내부에서 보았을 때, 볼록한(convex) 캐비티를 초래한다. 또한, 기울어짐(tilting) 또는 구부러짐(curving)은 기저부에 접하는 광 반사성 벽 표면의 에지들이 부분 확산 반사성 층에 접하는 광 반사성 벽 표면의 에지들보다 서로 더 가깝도록 하는 것이다. 그러한 기울어진 또는 구부러진 광 반사성 벽 표면을 구비하는 볼록한 캐비티는 광 반사성 벽 표면상에 충돌하는 광을 부분 확산 반사성 층(및 따라서 광 출사 창) 쪽으로 더 잘 반사한다. 이는, 광이 광 반사성 벽 표면에 의해 캐비티의 내부로 반사되어 다른 반사 지점에서 또는 고체 광 방출기에 의해 더 많은 흡수를 초래하는 것을 적어도 부분적으로 방지한다. 결과적으로, 발광 모듈의 효율이 증가한다. 이는 특히, 고체 광 방출기 면적 비가 비교적 높은 값일 때 유리하다.
일 실시형태에서, 부분 확산 반사성 층은 광 출사 창을 형성한다. 부분 확산 반사성 층은 에지를 갖고, 부분 확산 반사성 층의 에지는 기저부와 접촉한다. 이 실시형태에 따른 구성은 부분 확산 반사성 층과 기저부 사이에서 벽들의 사용을 방지하며, 이는 특정 응용에서 유리할 수 있다. 이 실시형태에서, 캐비티는 광 출사 창 및 기저부에 의해 형성된다. 또한, 이는 더 넓은 각도의 광 출력 분포를 초래할 수 있다.
다른 실시형태에서, 발광 모듈은 하나 이상의 고체 광 방출기(들)와 발광 층 사이에 배치된 실질적으로 투명한 재료를 포함하고, 투명한 재료는 하나 이상의 고체 광 방출기(들)에 광학적으로 결합된다. 실질적으로 투명한 재료는 고체 광 방출기로부터의 광의 아웃커플링(outcoupling)을 돕는다. 고체 광 방출기의 재료는 일반적으로 비교적 높은 굴절률을 갖고, 그에 따라, TIR(total internal reflection) 때문에, 상당한 양의 광이 고체 광 방출기 내에 포획된다(caught). 실질적으로 투명한 재료는, 예를 들어 공기의 굴절률보다 고체 광 방출기의 굴절률에 더 가까운 굴절률을 가지며, 그 결과, 더 많은 광이 투명 재료로 방출되고, 결과적으로, 최종적으로 발광 모듈 밖으로 방출된다. 투명 재료는 고체 광 방출기의 굴절률에 가까운 굴절률을 가질 수 있다. 고체 광 방출기가 InGaN 재료 종류일 경우, 방출기의 굴절률은 2.4에 가깝고, 방출기 표면에 부착된 고 굴절률 유리 또는 세라믹은 대부분의 광을 칩으로부터 추출할 것이다. 투명 재료는 다양한 층들에 사용되거나 혼합물들로서 사용된 다양한 재료들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고 굴절률 세라믹 기판은 적어도 하나의 고체 광 방출기에 고 굴절률 유리 또는 고 굴절률 수지로 접착될 수 있다. 실질적으로 투명한 재료는, 예를 들어, 적어도 하나의 고체 광 방출기 상에 배치된 돔 또는 편평한 캡슐화재(encapsulant)일 수 있다. 일 실시형태에서, 투명 재료의 굴절률은 1.4보다 높다. 또 다른 실시형태에서, 투명 재료의 굴절률은 1.7보다 높다.
추가 실시형태에서, 실질적으로 투명한 재료는 광학적으로 및 열적으로 발광 층에 결합된다. 예를 들어, 기저부와 부분 확산 반사성 층 사이의 전체 공간은 투명 재료로 채워지고, 따라서, 투명 재료는 또한 부분 확산 반사성 층에 광학적으로 결합되어, 부분 확산 반사성 층과 캐비티 사이의 계면에서 더 적은 반사를 초래한다. 결과적으로, 더 많은 광이 발광 모듈의 주변에 방출된다. 또한, 투명 재료가 부분 확산 반사성 층과 접촉할 경우, 투명 재료는 또한 부분 확산 반사성 층에 열적으로 결합되고, 부분 확산 반사성 층으로부터, 예를 들어 기저부 쪽으로의 열 전도를 돕는다. 이는 덜 따뜻한 부분 확산 반사성 층을 초래하고, 이는, 일반적으로 더 효율적이고 더 긴 수명을 갖는다. 예를 들어, 부분 확산 반사성 층이 발광 층인 경우, 투명 재료는 따라서 발광 재료와 기저부 사이에 공기 갭에 비해 증가된 열 접촉을 제공한다. 공기는 약 0.025 W/mK의 열 전도율을 가지므로, 약 0.3 W/mK의 열 전도율을 갖는 실리콘 수지는 더 우수한 열 계면을 제공하는 한편, 약 1.0 W/mK의 열 전도율을 갖는 소다석회 유리와 같은 유리 기판이 좀더 우수하고, 약 1.3 W/mK의 보로실리케이트 유리(borosilicate glass) 또는 용융 실리카 유리(fused silica glass), 약 30 W/mK의 반투명 다결정질 알루미나 기판, 및 42 W/mK의 사파이어 기판이 훨씬 더 우수하다. 선택적으로, 매우 우수한 열 성능과 조합된 비교적 높은 반투명성을 제공하기 위해, 실질적으로 투명한 재료는 입자 크기가 바람직하게는 44 ㎛보다 크거나 바람직하게는 1 ㎛ 미만인 소결된 반투명 다결정질 알루미나(sintered translucent polycrystalline alumina)일 수 있다.
다른 실시형태에서, 실질적으로 투명한 재료는: 투명 수지, 투명 겔, 투명 액체, 투명 유리, 투명 중합체, 및 투명 세라믹 중 적어도 하나를 포함한다. '투명'은 제1 및 제2 파장 범위의 스펙트럼 영역에서 실질적인 광 흡수가 없음을 지칭한다. 특히 이러한 산란이 전방 산란 종류(forward scattering type)인 경우, 일부 제한된 수준의 산란이 투명 층들에서 허용될 수 있다. 따라서, 예를 들어 약간 흐린(hazy) 재료의 반투명 층을 이용함으로써 발광 재료와 기저부 사이의 실질적으로 투명한 재료에서 일부 산란 센터들(scattering centers)이 허용될 수 있다.
추가 실시형태에서, 발광 재료는: 무기 인광체, 유기 인광체, 세라믹 인광체 및 양자 점들(quantum dots), 또는 다른 형광 재료, 또는 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함한다. 발광 층은, 예를 들어 유리 기판인 캐리어 층, 및 발광 재료 층을 포함할 수 있거나, 발광 층은 캐리어 층에 무작위하게 분포된 발광 재료의 입자들을 포함하거나, 세라믹 인광체의 경우 실질적으로 전체 발광 층이 발광 재료임을 주목해야 한다. 발광 층은 적층되거나 근접하게 이격된 다양한 별개의 발광 층들로 구성될 수 있음도 또한 주목해야 한다. 상이한 층들에서 상이한 발광 재료들이 사용될 수 있다. 그러나, 발광 재료들은 또한 동일 층(들)에서 함께 혼합될 수도 있다. 무기 발광 재료들의 예는, Ce 도핑 YAG(Y3Al5O12) 또는 LuAG(Lu3Al5O12)를 포함할 수 있고, 이것으로 제한되지 않는다. Ce 도핑 YAG는 황색 광을 방출하고, Ce 도핑 LuAG는 녹황색 광을 방출한다. 적색 광을 방출하는 다른 무기 발광 재료들의 예는, ECAS(Ca1 - xAlSiN3:Eux인 ECAS; 0<x≤1이고; 특히 x≤0.2임) 및 BSSN(Ba2 -x-zMxSi5-yAlyN8-yOy:Euz(M=Sr, Ca; 0≤x≤1, 특히, x≤0.2; 0≤y≤4, 0.0005≤z≤0.05)인 BSSNE)을 포함할 수 있고, 이것으로 제한되지 않는다.
일 실시형태에서, 광 출사 창은, 확산 광 방출(a diffuse light emission)을 획득하고, 컬러, 및 각도에 따른 컬러가 공간적으로 균일한 광 방출(a spatially, color and color over-angle uniform light emission)을 획득하고, 컬러 혼합된 광 방출(a color mixed light emission)을 획득하기 위한 확산기 층(diffuser layer)을 더 포함한다. 광 출사 창은 또한, 각도에 따른 컬러 변형 또는 광 균일성을 보정하기 위한 이색성 층(dichroic layer)을 포함할 수 있다. 발광 층에 의해 광 방출 특성에 영향을 미치는 것에 추가하여, 예를 들어 원하는 광 빔 형상을 제공하기 위한 광학 요소와 같이, 광 출사 창을 통해 발광 모듈의 주변으로 방출되는 광의 특성에 영향을 미치기 위해 다른 광학 층들도 사용될 수 있다.
일 실시형태에서, 확산 광 방출을 획득하고, 컬러, 및 각도에 따른 컬러가 공간적으로 균일한 광 방출을 획득하고, 컬러 혼합된 광 방출을 획득하기 위한 확산기 층은, 적어도 하나의 고체 광 방출기로부터 떨어져 마주보는 부분 확산 반사성 층 측으로부터 떨어져 제공된다.
일 실시형태에서, 편광 요소는 적어도 하나의 고체 광 방출기로부터 떨어져 마주보는 부분 확산 반사성 층 측에 배치된다.
본 발명의 제2 양태에 따라, 본 발명에 따른 발광 모듈을 포함하는 램프가 제공된다. 램프는 복수의 발광 모듈을 포함할 수 있다. 램프는 개량(retrofit) 백열 전구, 개량 타원형 알루미늄 반사기(parabolic aluminized reflector; PAR) 램프, 스폿 램프, 다운라이터 램프(downlighter lamp), 개량 할로겐 램프 또는 개량 광 튜브를 포함할 수 있다.
본 발명의 제3 양태에 따라, 본 발명에 따른 발광 모듈을 포함하거나 본 발명에 따른 램프를 포함하는 조명기구가 제공된다. 조명기구는 복수의 발광 모듈들을 포함할 수 있다.
본 발명의 제4 양태에 따라, 본 발명에 따른 발광 모듈을 포함하는 디스플레이 장치가 제공된다. 사용시, 발광 모듈은 LCD 디스플레이 장치를 위한 백라이팅 유닛으로서 작용할 수 있다. 발광 모듈이 비교적 효율적인 (편광된) 광을 생성하므로, 디스플레이 장치의 비용 수준이 감소한다.
각각, 본 발명의 제2, 제3 및 제4 양태에 따른 램프, 조명기구 및 디스플레이 장치는 본 발명의 제1 양태에 따른 발광 모듈과 동일한 장점을 제공하고, 발광 모듈의 상응하는 실시형태들과 유사한 효과를 갖는 유사한 실시형태들을 갖는다.
이런 맥락에서, 한 컬러 범위의 광은 통상적으로 사전 정의된 스펙트럼을 갖는 광을 포함한다. 사전 정의된 스펙트럼은, 예를 들어, 사전 정의된 파장 근방의 특정 대역폭을 갖는 원색(primary color)을 포함할 수 있거나, 예를 들어, 복수의 원색들을 포함할 수 있다. 사전 정의된 파장은 방사 전력 스펙트럼 분포(radiant power spectral distribution)의 평균 파장이다. 이런 맥락에서, 사전 정의된 컬러의 광은 또한 자외선 광과 같은 비-가시광을 포함한다. 원색의 광은, 예를 들어, 적색, 녹색, 청색, 황색 및 호박색(amber) 광을 포함한다. 사전 정의된 컬러의 광은 또한, 청색 및 호박색, 또는 청색, 황색 및 적색과 같은 원색들의 혼합물들을 포함할 수 있다. 제1 컬러 범위는 또한 자외선 또는 적외선과 같은, 육안으로 보이지 않는 광을 포함할 수 있음을 주목해야 한다. 용어 "자색 광" 또는 "자색 방출"은 특히 약 380-440 nm 범위의 파장을 갖는 광에 관한 것이다. 용어 "청색 광" 또는 "청색 방출"은 특히 약 440-490 nm 범위의 파장(일부 자색 및 청록색(cyan) 색조들(hues)을 포함함)을 갖는 광에 관한 것이다. 용어 "녹색 광" 또는 "녹색 방출"은 특히 약 490-560 nm 범위의 파장을 갖는 광에 관한 것이다. 용어 "황색 광" 또는 "황색 방출"은 특히 약 560-590 nm 범위의 파장을 갖는 광에 관한 것이다. 용어 "주황색 광" 또는 "주황색 방출"은 특히 약 590-620 nm 범위의 파장을 갖는 광에 관한 것이다. 용어 "적색 광" 또는 "적색 방출"은 특히 약 620-750 nm 범위의 파장을 갖는 광에 관한 것이다. 용어 "호박색 광" 또는 "호박색 방출"은 특히 약 575-605 nm 범위의 파장을 갖는 광에 관한 것이다. 용어 "가시 광" 또는 "가시 방출"은 약 380-750 nm 범위의 파장을 갖는 광을 지칭한다.
본 발명의 이들 및 다른 양태들은 이후에 설명되는 실시형태들로부터 명백하며 이들을 참조로 더 자세히 설명될 것이다.
당업자들은, 본 발명의 상술한 실시형태들, 구현들, 및/또는 양태들의 2개 이상이 유용하다고 여겨지는 임의의 방식으로 조합될 수 있음을 이해할 것이다.
또한, 설명 및 청구항에서, 제1, 제2, 제3 등의 용어는 유사한 요소들 간에 구별하기 위해 사용되는 것이며 반드시 순차적 또는 시간적 순서를 설명하기 위한 것은 아니다. 그렇게 사용된 용어들은 적절한 상황하에서 교환가능하고, 또한 본 출원에서 설명된 본 발명의 실시형태들은 본 출원에서 설명 또는 예시된 것과 다른 순서로 동작할 수 있음이 이해되어야 한다.
설명된 발광 모듈의 변경들 및 변형들에 상응하는 발광 모듈, 램프, 조명기구 및/또는 디스플레이 장치의 변경들 및 변형들은 본 설명에 기초하여 당업자에 의해 수행될 수 있다.
도 1a 및 1b는 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태들의 단면들을 개략적으로 도시하고,
도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태들의 평면도를 개략적으로 도시하고,
도 3a는 캐비티를 포함하는 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태를 개략적으로 도시하고,
도 3b는 원통 형상을 갖는 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태를 개략적으로 도시하고,
도 4a 및 4b는 캐비티를 포함하는 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태의 단면의 실시형태들을 개략적으로 도시하고,
도 5a 및 5b는 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태들의 복수의 단면들을 개략적으로 도시하고,
도 6은 발광 층이 광 출사 창을 형성하고 발광 층의 에지가 기저부에 닿는, 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태들의 복수의 단면들을 개략적으로 도시하고,
도 7a 및 7b는 가요성(flexible) 발광 모듈의 본 발명에 따른 실시형태들의 단면들을 개략적으로 도시하고,
도 8a, 8b 및 8c는 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태들의 단면들을 개략적으로 도시하고,
도 9는 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태의 측정 결과들을 나타내는 그래프를 도시하고,
도 10a는 제1 참조 발광 모듈의 개략적 단면을 도시하고,
도 10b는 제2 참조 발광 모듈의 개략적 단면을 도시하고,
도 10c는 본 발명에 따른 발광 모듈의 개략적 단면을 도시하고,
도 11, 12, 13, 14 및 15는 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태의 시뮬레이션들의 결과들을 나타내는 그래프를 도시하고,
도 16a 및 16b는 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태들의 단면들을 개략적으로 도시하고,
도 16c는 도 16a 및 16b에 따른 발광 모듈의 실시형태들의 시뮬레이션들의 결과들을 나타내는 그래프를 도시하고,
도 17a는 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태의 평면도를 개략적으로 도시하고,
도 17b, 17c 및 17d는 도 17a에 따른 발광 모듈에 대한 실시형태의 시뮬레이션들의 결과들을 나타내는 3개의 다른 그래프들을 도시하고,
도 18은 본 발명에 따른 발광 모듈의 시뮬레이션들의 결과들을 나타내는 다른 그래프를 도시하고,
도 19a 및 19b는 본 발명의 양태에 따른 램프들의 2개의 실시형태들을 도시하고,
도 19c는 본 발명의 양태에 따른 조명기구의 실시형태를 도시하고,
도 20은 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태의 단면의 실시형태를 개략적으로 도시하고,
도 21은 본 발명의 양태에 따른 디스플레이 장치의 실시형태를 도시한다.
다른 도면들에서 동일한 참조 번호로 표시된 항목들은 동일한 구조적 특징들 및 동일한 기능들을 갖거나, 동일한 신호들임을 주목해야 한다. 그러한 항목의 기능 및/또는 구조가 설명된 경우에, 상세한 설명에서 그의 설명을 반복할 필요는 없다.
도면은 순전히 도식적이며, 크기에 맞게 그려지지 않는다. 특히 명료성을 위해, 일부 치수는 크게 과장된다.
도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태들의 평면도를 개략적으로 도시하고,
도 3a는 캐비티를 포함하는 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태를 개략적으로 도시하고,
도 3b는 원통 형상을 갖는 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태를 개략적으로 도시하고,
도 4a 및 4b는 캐비티를 포함하는 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태의 단면의 실시형태들을 개략적으로 도시하고,
도 5a 및 5b는 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태들의 복수의 단면들을 개략적으로 도시하고,
도 6은 발광 층이 광 출사 창을 형성하고 발광 층의 에지가 기저부에 닿는, 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태들의 복수의 단면들을 개략적으로 도시하고,
도 7a 및 7b는 가요성(flexible) 발광 모듈의 본 발명에 따른 실시형태들의 단면들을 개략적으로 도시하고,
도 8a, 8b 및 8c는 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태들의 단면들을 개략적으로 도시하고,
도 9는 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태의 측정 결과들을 나타내는 그래프를 도시하고,
도 10a는 제1 참조 발광 모듈의 개략적 단면을 도시하고,
도 10b는 제2 참조 발광 모듈의 개략적 단면을 도시하고,
도 10c는 본 발명에 따른 발광 모듈의 개략적 단면을 도시하고,
도 11, 12, 13, 14 및 15는 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태의 시뮬레이션들의 결과들을 나타내는 그래프를 도시하고,
도 16a 및 16b는 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태들의 단면들을 개략적으로 도시하고,
도 16c는 도 16a 및 16b에 따른 발광 모듈의 실시형태들의 시뮬레이션들의 결과들을 나타내는 그래프를 도시하고,
도 17a는 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태의 평면도를 개략적으로 도시하고,
도 17b, 17c 및 17d는 도 17a에 따른 발광 모듈에 대한 실시형태의 시뮬레이션들의 결과들을 나타내는 3개의 다른 그래프들을 도시하고,
도 18은 본 발명에 따른 발광 모듈의 시뮬레이션들의 결과들을 나타내는 다른 그래프를 도시하고,
도 19a 및 19b는 본 발명의 양태에 따른 램프들의 2개의 실시형태들을 도시하고,
도 19c는 본 발명의 양태에 따른 조명기구의 실시형태를 도시하고,
도 20은 본 발명에 따른 발광 모듈의 실시형태의 단면의 실시형태를 개략적으로 도시하고,
도 21은 본 발명의 양태에 따른 디스플레이 장치의 실시형태를 도시한다.
다른 도면들에서 동일한 참조 번호로 표시된 항목들은 동일한 구조적 특징들 및 동일한 기능들을 갖거나, 동일한 신호들임을 주목해야 한다. 그러한 항목의 기능 및/또는 구조가 설명된 경우에, 상세한 설명에서 그의 설명을 반복할 필요는 없다.
도면은 순전히 도식적이며, 크기에 맞게 그려지지 않는다. 특히 명료성을 위해, 일부 치수는 크게 과장된다.
본 발명의 제1 양태에 따른 발광 모듈(100)의 단면을 도시하는 도 1a에 제1 실시형태가 도시된다. 발광 모듈(100)은 광 출사 창(104)을 갖는다. 이 실시형태에서 광 출사 창(104)은 발광 재료를 포함하는 발광 층(102)에 의해 형성된다. 발광 재료는, 발광 재료상에 충돌하는 제1 컬러 범위의 광(114)의 적어도 일부를 제2 컬러 범위의 광(116)으로 변환시킨다. 발광 모듈(100)의 다른 측에, 광 출사 창(104) 쪽으로 향하는 광 반사성 표면(112)을 갖는 기저부(110)가 제공된다. 기저부(110)상에, 사용시 광 출사 창(104)의 일부 쪽으로 제1 컬러 범위의 광(114)을 방출하는 고체 광 방출기(108)가 제공된다. 기저부에는 통상적으로, 전력을 제공하기 위해 고체 광 방출기(108)의 다이 또는 복수의 다이들에 접촉하는 전극 구조들이 제공된다. 전극 구조들은 도면에 도시되지 않는다. 고체 광 방출기(108)로 덮인 기저부(110)의 표면은 기저부(110)의 광 반사성 표면(112)에 포함되지 않는다.
광 반사성 표면(112)은 기저부 반사 계수(Rbase)를 가지며, 이는 광 반사성 표면(112)에 의해 반사되는 광량과 광 반사성 표면(112)상에 충돌하는 광량 간의 비로 정의된다. 고체 광 방출기(108)는 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL)를 가지며, 이는 고체 광 방출기(108)에 의해 반사되는 광량과 고체 광 방출기(108) 상에 충돌하는 광량 간의 비로 정의된다. 두 반사 계수들은 상이한 파장들의 광에 관련된 반사 계수들의 평균이며, 예를 들어, 제1 컬러 범위의 광(114) 및 제2 컬러 범위의 광(116)에 대한 (가중) 평균이라는 것에 주목한다.
발광 층(102)은 고체 광 방출기(108)의 상부 표면(106) 바로 위에 배치되지 않고, 고체 광 방출기(108)로부터 거리(h)에 배치된다. 고체 광 방출기(108)가 제1 컬러 범위의 광(114)을 방출하는 경우, 제1 컬러 범위의 광(114)의 적어도 일부는 발광 층(102)에 의해 기저부(110) 및 고체 광 방출기(108) 쪽으로 반사된다. 제1 컬러 범위의 광(114)의 일부는, 광이 충돌하는 표면에서의 반사 때문에, 또는 내부 반사 또는 후방 산란 때문에 발광 층(102)에 의해 반사된다. 후방 반사되는 광은, 일부는 고체 광 방출기(108) 상에 충돌하고, 일부는 기저부(110)의 광 반사성 표면(112)상에 충돌한다.
제1 컬러 범위의 광(114)의 다른 일부는 발광 층(102)을 통해 발광 모듈(100)의 주변으로 투과될 수 있다. 제1 컬러 범위의 광(114)의 또 다른 일부는 발광 재료에 의해 제2 컬러 범위의 광(116)으로 변환된다. 발광 재료는 복수의 방향으로 제2 컬러 범위의 광(116)을 방출하고, 결과적으로, 제2 컬러 범위의 광(116)의 일부는 발광 모듈(100)의 주변으로 방출되고, 제2 컬러 범위의 광(116)의 또 다른 일부는 기저부(110) 및 고체 광 방출기(108) 쪽으로 방출된다.
고체 광 방출기(108)의 상부 표면(106)상에 충돌하는 광은 일부는 반사되고 일부는 고체 광 방출기(108)의 반도체 재료로 투과된다. 고체 광 방출기(108) 내부에서, 광의 일부는 흡수되고 광의 다른 일부는 상부 표면(106) 쪽으로 후방 반사되고 광 출사 창(104) 쪽으로 후방 방출된다. 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL)의 값은 충돌하는 광 중의 어느 부분이 후방 반사되는지를 정의하고, 값 (1-R_SSL)은 충돌하는 광의 어느 정도가 고체 광 방출기(108)에 의해 흡수되는지를 정의한다. 사실상, 고체 광 방출기(108)는 일반적으로 0.7 정도의 비교적 낮은 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL) 값을 갖는다.
발광 층에 의해 기저부(110) 쪽으로 반사되거나, 산란되거나, 즉 확산 반사되거나, 방출되고, 고체 광 방출기(108) 상에 충돌하지 않는 광은 대부분 기저부(110)의 광 반사성 표면(112)에 의해 반사된다. 하지만, 소량의 광은 여전히 표면에서 또는 하부의 층들에서 흡수될 수 있다. 기저부 반사 계수(Rbase)는 충돌하는 광의 어느 부분이 광 반사성 표면(112)에 의해 후방 반사되는지를 정의하고, 값 (1-Rbase)는 충돌하는 광의 어느 정도가 광 반사성 표면(112)에 의해 흡수되는지를 정의한다.
기저부 반사 계수(Rbase) 및 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL)의 값은 항상 0과 1 사이의 값이다. 고체 광 방출기(108)에 의해 생성되는 광의 양은 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL)를 결정할 때 고려되지 않음을 주목해야 한다. 반사되는 광의 일부는 고체 광 방출기(108) 상에 충돌하는 광량의 일부이다.
본 발명에 따르면, 기저부 반사 계수(Rbase) 값은 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL) 값보다 적어도 더 크다. 바람직하게는, 기저부 반사 계수(Rbase)의 값은, 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL) + 인자 c × (1과 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL)간의 차)의 값보다 적어도 더 크다. 따라서, Rbase>R_SSL + cㆍ(1-R_SSL)이다. 따라서, 광 반사성 표면(112)은, 평균적으로, 적어도 c × (완전 반사성 고체 광 방출기, 즉 100%의 반사율과 사용된 고체 광 방출기(108)의 실제 반사율 간의 차)의 값인 값으로, 고체 광 방출기(108)보다 더 광 반사성이다. 인자 c는 기저부(110)의 전체 반사성 면적에 대한 고체 광 방출기(108)의 전체 면적에 의존하며, 이는 이후에 고체 광 방출기 면적 비 ρSSL:ρSSL =(A_SSL/Abase)로 지칭되고, 여기서, A_SSL은 고체 광 방출기(108)의 상부 표면(106)의 전체 면적을 나타내고, Abase는 기저부(110)의 반사성 표면(112)의 전체 면적을 나타낸다. 사실상, 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)는 1.0의 최대값을 갖는다. 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL) 값이 0.1 미만일 경우, 즉 ρSSL<0.1일 경우, 이는 고체 광 방출기(108)의 상부 표면(106)의 면적에 대한 기저부(110)의 반사성 면적이 비교적 큼을 나타내고, 인자 c는 비교적 효율적인 발광 모듈을 갖기 위해 기준 c≥0.2을 충족해야 한다. 0.1≤ρSSL≤0.25일 경우, 이는 고체 광 방출기(108)의 상부 표면(106)의 면적과 비슷한(comparable) 기저부(110)의 반사성 면적을 나타내고, 인자 c는 비교적 효율적인 발광 모듈을 갖기 위해 기준 c≥0.3을 충족해야 한다. ρSSL>0.25일 경우, 이는 고체 광 방출기(108)의 상부 표면(106)의 면적에 대한 기저부(110)의 반사성 면적이 비교적 작음을 나타내고, 인자 c는 비교적 효율적인 발광 모듈을 갖기 위해 기준 c≥0.4를 충족해야 한다. 모든 경우에서 인자 c의 값은 사실상 1.0 미만이다.
상당한 광량이 발광 층(102)에 의해 발광 층(102)으로부터 멀어지는 방향으로 기저부(110) 쪽으로 반사, 산란 또는 방출되므로, 광 출사 창(104) 쪽으로 광을 후방 반사시킴으로써 이 광을 재사용하여 발광 모듈(100)의 효율을 향상시키는 것이 유리하다. 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL)는, 발광 모듈(100)에서 사용되어야 하는 특정 고체 광 방출기(108)의 고정된 특징이므로, 종종 선택될 수 없다. 따라서, 발광 모듈(100)의 효율을 향상시키기 위해, 충돌하는 광을 고체 광 방출기(108)보다 더 잘 반사하는 기저부(110)의 광 반사성 표면(112)을 갖는 것이 유리하다. 또한, Rbase>R_SSL + cㆍ(1-R_SSL)일 경우 상당한 효율 향상이 획득될 수 있음을 확인하였다.
본 발명자들은 0.0<ρSSL<0.1에 대해 c≥0.4이고, 0.1≤ρSSL≤0.25에 대해 c≥0.6이고, ρSSL>0.25에 대해 c≥0.8일 경우, 훨씬 더 효율적인 발광 모듈들이 달성됨을 추가로 확인하였다. 0.0<ρSSL<0.1에 대해 c≥0.6이고, 0.1≤ρSSL≤0.25에 대해 c≥0.84일 경우, 더욱더 효율적인 발광 모듈이 달성된다.
부분 확산 반사 광의 특성은 본 발명에 따른 효율적인 발광 모듈을 달성하기 위해 중요하고, 따라서, 본 발명에 따라, 발광 층은 또한, 입사광의 일부가 확산 반사되고 일부가 투과되는 부분 확산 반사성을 갖는 다른 층으로 대체될 수 있다.
응용에 따라, 발광 모듈 및 고체 광 방출기의 발광 면적의 크기 및 그들의 루멘 출력(lumen output)에 대해 발광 모듈들에 있어서 상이한 요구조건들이 존재한다. 광 강도의 특정 각도 분포가 요구되는 응용들에 있어서, 통상적으로 빔-성형 광학 요소들이 적용된다. 통상적으로 램버시안(Lambertian) 방출기 프로파일에 가까운 고체 광 방출기 광 빔의 빔 프로파일을 콜리메이트 빔(collimated beam)으로 변환하기 위해, 초기 광 방출 크기를 비교적 작게 유지하는 것이 요구된다. 이 경우, 발광 모듈의 휘도는 비교적 높아야 하고, 이는 루멘 출력에 의해 결정되고, 예를 들어 1개보다 많은 고체 광 방출기(108)를 사용함으로써 증가시킬 수도 있는 고체 광 방출기(108)의 발광 표면(106)의 전체 면적과 관련된다. 이러한 응용들을 위해, 비교적 높은 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)가 요구된다. 일례는 개량 할로겐 램프용 모듈이다.
발광 모듈의 휘도 레벨, 특정 빔 형상, 또는 고체 광 방출기(108)의 전체 방출 면적에 대한 엄격한 요구조건이 존재하지 않는 응용들에서, 더 효율적인 광 재활용 및 더 높은 효율을 제공하기 위해, 고체 광 방출기(108)의 부분 흡수 표면(106)에 대해 비교적 큰 반사성 기저부 표면(112)을 갖는 것이 바람직하다. 이들 응용들에 있어서, 비교적 낮은 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)가 바람직하다. 일례는 발광 모듈의 기하학적 구조(geometry)에 제한된 제약들만을 부과하는 개량 전구 응용들에서 실현된 고 루멘 패키지이다.
반사 계수들은 그들이 관련된 전체 표면에 걸친 평균 수임을 주목해야 한다. 기저부의 광 반사성 표면은, 예를 들어, 다른 영역들보다 덜 반사성인 영역들을 포함할 수 있다. 또한, 상이한 입사각에서 상이한 파장의 광의 반사는 상이할 수 있다. 바람직하게는, 반사 계수는 스펙트럼 범위 및 입사각 분포에 걸쳐 평균화되며, 예를 들어 주광(daylight)의 스펙트럼 범위에 걸치거나 제1 컬러 범위 및 제2 컬러 범위의 특정 양을 포함하는 스펙트럼 범위에 걸쳐 평균화된다. 반사율 계수의 측정은 종종, 스펙트럼 범위의 콜리메이트 광 빔을 반사율이 측정되어야 할 대상물로 향하게하고 반사된 광의 양을 측정함으로써 수행된다. 이는 통상적으로 하나 이상의 입사각들에서 행해지고 반사 계수는 입사각이 상이한 경우에 획득된 반사 계수들의 가중 평균이며, 여기서 가중 인자는 발광 모듈의 대상물 상에 다양한 입사각으로 충돌하는 광의 양에 의존한다.
일부 경우에, 고체 광 방출기는, 예를 들어 세라믹 또는 실리콘 기판인 기판에 부착되며, 기판과 고체 광 방출기의 조합은 다른 캐리어 층에 부착된다. 이 캐리어 층은, 예를 들어, IMS(insulated metal substrate)로도 지칭되는 MCPCB(metal core printed circuit board), 또는 FR4와 같은 종래의 PCB, 또는 알루미나 또는 질화 알루미늄과 같은 또 다른 세라믹 캐리어, 또는 실리콘 기판일 수 있다. 그러한 상황에서, 발광 모듈의 기저부는 고체 광 방출기가 부착된 기판과 또 다른 캐리어 층의 조합이다. 다시 말해, 기저부는 고체 광 방출기들이 그 위에 제공된 재료들 및/또는 층들의 조합이다. 결과적으로, 이러한 특정 경우에, 기저부 반사 계수는 기판 및 캐리어 층의 반사 계수의 가중 평균이다. 고체 광 방출기가 부착된 기판 또는 캐리어 기판이 완전히 편평할 필요는 없다. 통상적으로, 방출기들에 전력을 공급하기 위해, 물리적 높이를 갖는 기판들 상에 전도성 구리 트랙들과 같은 금속 전극들이 존재할 것이다. 또한, 표면에 도포된 열 확산 층이 존재할 수 있다. 예를 들어 모듈을 클램핑하거나 콜리메이터들(collimators)을 모듈에 부착하기 위한 추가 지지 구조를 달성하기 위해, 또는 림(rim)을 정의하기 위해, 예를 들어 전기적 기능들에서 광학적 기능들을 분리하기 위해 캐리어 기판의 일부는 국소적으로 더 두꺼울 수 있다. 캐패시터들, NTC와 같은 온도 센서들, 저항들, ESD 보호 다이오드들, 제너 다이오드들, 배리스터들(varistors), 포토다이오드와 같은 광 센서들 또는 집적 회로(IC)와 같은 다른 전기 부품들이 기판 또는 캐리어 상에 존재할 수 있다. 이러한 부품들은 광학 출사 창(optical exit window)의 둘레 외측에 배치될 수 있지만, 원칙적으로 광학 출사 창의 둘레 내측에 배치될 수도 있다. 후자의 경우, 이들은 기저부의 평균 반사율에 기여할 것이다. 이들 부품들은 광학적 손실을 최소화하기 위해 반사성 층으로 덮일 수 있다.
도 1b는 본 발명의 제1 양태에 따른 발광 모듈(150)의 또 다른 실시형태를 도시한다. 발광 모듈(150)은 발광 모듈(100)과 유사한 구조를 갖지만, 발광 층(102) 쪽으로 제1 컬러 범위의 광(114)을 방출하는 복수의 고체 광 방출기들(154, 156)이 제공된다. 발광 모듈(150)에 있어서, 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL)는 복수의 고체 광 방출기들(154, 156)의 광 반사 계수들의 평균으로 정의된다.
도 1b에 나타낸 바와 같이, 발광 모듈(150)의 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)가 발광 모듈(100)의 그러한 면적 비보다 크며, 여기서, ρSSL의 계산을 위해, 고체 광 방출기들의 상부 표면들(152, 158)의 전체 합산 면적은 A_SSL에 대해 치환되어야 한다. 따라서, 발광 모듈(150)에서, 비교적 더 많은 양의 광이 고체 광 방출기들(154, 156) 상에 충돌하고, 따라서 발광 모듈(100)에서보다 고체 광 방출기들(154, 156)에 의해 비교적 더 많은 양의 광이 흡수된다. 발광 모듈(150)은 면적 비(ρSSL)가 0.25보다 큰 발광 모듈의 일례이고, 인자 c의 값은 비교적 효율적인 발광 모듈을 갖기 위해 0.4 이상이어야 한다.
다른 실시형태들에서, 상이한 고체 광 방출기들(154, 156)이 상이한 컬러 범위들을 방출함을 주목해야 한다. 또한, 발광 층(102)은, 광 출사 창(104)을 통해 투과되는 광이 단지 제1 컬러 범위(114) 및 제2 컬러 범위(116)보다 더 많이 포함하도록, 각각 상이한 변환 특징을 갖는 상이한 발광 재료들을 포함할 수 있다.
도 1a 및 도 1b에서, 각각의 고체 광 방출기들(108, 154, 156)은 광 출사 창(104) 및 발광 층(102) 쪽으로 향하는 상부 표면(106, 152, 158)을 갖는다. 상부 표면들(106, 152, 158)은 그를 통해 제1 컬러 범위의 광(114)이 주로 발광 층 방향으로 방출되는 표면들이다. 고체 광 방출기들(108, 154, 156)의 상부 표면들(106, 152, 158)과, 상부 표면들(106, 152, 158)을 향하는 발광 층(102)의 표면 사이의 거리는 고체 광 방출기들(108, 154, 156)의 상부 표면들(106, 152, 158)과, 상부 표면들(106, 152, 158)을 향하는 발광 층(102)의 표면 사이의 최단 선형 경로의 길이로서 정의된 거리(h)이다.
본 발명자들은 광 반사성 표면에 의한 더 많은 반사의 광학 효과가 더 높은 광 출력에 기여하는 유일한 인자가 아님을 실험적으로 확인하였다. 고체 광 방출기(들)(108, 154, 156)와 발광 층(102) 사이의 거리(h) 및 갭도 또한 발광 모듈의 광 출력 및 효율에 기여한다. 각각의 상부 표면들(106, 152, 158)은 상부 표면(106, 152, 158)상의 라인을 따르는 최대 선형 거리로 정의된 최대 선형 크기(dSSL)를 갖는다. 상부 표면들이 원형일 경우, 최대 선형 크기(dSSL)는 원의 직경의 길이이다. 상부 표면이 정사각형 또는 직사각형의 형상을 가질 경우, 최대 선형 크기(dSSL)는 정사각형 또는 직사각형의 대각선의 길이이다. 본 발명자들은, 거리(h)가 너무 작을 경우, 너무 많은 광이 고체 광 방출기들(108, 154, 156)에 의해 흡수되도록 너무 많은 광이 고체 광 방출기들(108, 154, 156) 상에 후방 충돌(impinge back)함을 알았다. 그리고 본 발명자들은 또한, 거리(h)가 특정 값보다 클 경우, 광 반사성 표면으로 후방 방출된 광량에 비해 고체 방출기들(108, 154, 156)로 후방 방출된 광량은, 거리(h)가 더 증가되는 경우에 상당한 효율 향상이 획득되지 않을 수 있도록 하는 것일 수 있음을 추가로 인식하였다. 또한, 본 발명자들은 비교적 효율적인 발광 모듈을 초래하는 거리(h) 값의 범위가 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)에 의존함을 확인하였다. 상부 표면들(106, 152, 158)과 발광 층(102) 사이의 거리(h)는 ρSSL<0.1에 대해, 최소값이 0.3 × 상부 표면들(106, 152, 158)의 최대 선형 크기(dSSL)이고, 최대값이 5 × 상부 표면들(106, 152, 158)의 최대 선형 크기(dSSL)인 범위인 것이 바람직하다. 0.1≤ρSSL≤0.25에 대해, 상부 표면들(106, 152, 158)과 발광 층(102) 사이의 거리(h)는 최소값이 0.15 × 상부 표면들(106, 152, 158)의 최대 선형 크기(dSSL)이고, 최대값이 3 × 상부 표면들(106, 152, 158)의 최대 선형 크기(dSSL)인 범위인 것이 바람직하다. ρSSL>0.25에 대해, 상부 표면들(106, 152, 158)과 발광 층(102) 사이의 거리(h)는 최소값이 0.1 × 상부 표면들(106, 152, 158)의 최대 선형 크기(dSSL)이고, 최대값이 2 × 상부 표면들(106, 152, 158)의 최대 선형 크기(dSSL)인 범위인 것이 바람직하다.
발광 모듈들(100 및 150)은, 상기 제시된 식들 및 기준들에서, 인자 c가 상기 언급된 값들보다 더 클 경우 훨씬 더 효율적일 수 있다. 상부 표면 바로 위에 발광 층을 구비하는 고체 광 방출기에 대해 40% 정도의 효율 증가가 획득될 수 있다.
발광 모듈(150)에서, 복수의 광 방출기(154, 156)가 제공되고, 복수의 광 방출기들(154, 156)은 각각 발광 층(102)에 대해 상이한 거리를 가질 수 있다. 거리가 상이한 경우, 거리의 평균은 상기에 정의된 범위들 중 하나에 있어야 한다. 각각의 고체 광 방출기들(154, 156)이 상이한 형상 및/또는 크기의 상부 표면들(152, 158)을 가질 경우, 최대 선형 크기(dSSL)는 복수의 고체 광 방출기들(154, 156)의 상부 표면들의 최대 선형 크기(dSSL)의 평균으로 정의된다.
고체 광 방출기(들)(108, 154, 156)와 발광 층(102) 사이에 거리(h) 및 갭이 존재할 경우, 고체 광 방출기(들)(108, 154, 156)는 발광 층(102)이 고체 광 방출기(들)(108, 154, 156)의 상부 상에 또는 그에 매우 근접하게 배치되는 경우에서와 같이 따뜻하게 되지 않는다. 이 경우, 발광 층(102)은 고체 광 방출기(들)(108, 154, 156)에 열적으로 직접 결합되지 않고, 고체 광 방출기(들)(108, 154, 156)의 열을 더 적은 정도로 제공하거나 수신한다. 발광 재료의 온도가 용인되는 한도 내로 유지되는 경우 발광 재료의 효율이 더 높다. 또한, 고체 광 방출기(들)(108, 154, 156)의 온도가 용인되는 한도 내로 유지되는 경우, 고체 광 방출기(들)(108, 154, 156)의 효율이 더 높다. 따라서, 고체 광 방출기(들)(108, 154, 156)와 발광 층(102) 사이의 거리(h)는 더 효율적인 발광 층(102)의 광열 효과(photothermal effect)를 초래한다. 또한, 고체 광 방출기(들)(108, 154, 156)와 발광 층(102) 사이의 거리(h)는 발광 층(102)의 매우 특정한 영역에서의 비교적 높은 광속 대신에 발광 층(102)을 통한 더 균일한 광속 분포를 초래한다. 발광 재료는 광 포화에 민감한 경향이 있으며, 이는 특정 선속 값을 초과할 경우, 발광 재료가 더 낮은 효율로 광을 변환함을 의미한다. 또한, 유기 인광체들 또는 유기 바인더들과 같은, 일부 발광 재료들 또는 이러한 이들 재료들의 바인더들도 광 열화(photodegradation)에 민감한 경향이 있으며, 이는 특정 선속 값을 초과할 경우 발광 재료 또는 바인더가 열화하기 시작하고, 이는 통상적으로 효율 저하를 초래함을 의미한다. 따라서, 고체 광 방출기(들)(108, 154, 156)와 발광 층(102) 사이에 거리(h)를 생성함으로써, 발광 재료의 광 포화 및 광 열화 효과들이 방지된다. 또한, 거리(h)는 출사 창에서 더 균일한 광 출력 분포를 달성하는 것을 돕고, 제1 스펙트럼 범위(들)와 제2 스펙트럼 범위(들) 사이에서 컬러 분포들을 혼합하는 것을 돕는다. 따라서, 공간적 및 각도 컬러 균일성 모두가 향상된다. 이는 고체 광 방출기 상부 상의 또는 광 출사 창 내의 확산기 또는 이색성 층으로 더 강화될 수 있다.
고체 광 방출기(들)(108, 154, 156)는 발광 다이오드(들)(LEDs), 유기 발광 다이오드(들)(OLEDs), 또는 예를 들어, 레이저 다이오드(들), 예를 들어 수직 캐비티 표면 방출 레이저(들)(VCSEL)일 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제1 양태에 따른 발광 모듈들(200, 250)의 평면도를 제시한다. 제시된 평면도는, 광 출사 창을 통해 고체 광 방출기들이 그 위에 제공된 발광 모듈들(200, 250)의 기저부 표면 쪽으로 향하는 경우에 보인다. 발광 층은 도 2a 및 2b에 묘사되지 않았음을 주목해야 한다.
도 2a에서, 기저부의 광 반사성 표면(204) 및 고체 광 방출기의 상부 표면(206)이 묘사된다. 화살표(202)는 고체 광 방출기의 상부 표면(206)의 최대 선형 크기(dSSL)를 나타낸다. 고체 광 방출기의 상부 표면(206)의 면적은 LwLh이다. 기저부의 광 반사성 표면(204)의 면적은 (BwBh-LwLh)이며, 이는 (기저부의 전체 면적 - 고체 광 방출기에 의해 점유된 기저부의 면적)이다. 따라서, 기저부의 광 반사성 표면(204)의 면적은 고체 광 방출기에 의해 덮이는 기저부의 면적을 포함하지 않는다.
도 2b는 광 반사성 표면(254), 제1 고체 광 방출기의 제1 상부 표면(256) 및 제2 고체 광 방출기의 제2 상부 표면(258)을 도시한다. 직사각형 제1 고체 광 방출기의 최대 선형 거리는 화살표(252)로 나타낸다. 제1 고체 광 방출기의 제1 상부 표면(256)의 면적은 L1wL1h이다. 제2 고체 광 방출기의 제2 상부 표면(258)은 원형이며, 그의 직경은 화살표(260)로 나타낸다. 제2 고체 광 방출기의 제2 상부 표면(258)의 면적은 1/4π(L2d)2이다. 기저부의 광 반사성 표면(254)의 면적은 이 경우에 (BwBh-L1wL1h-1/4π(L2d)2)이다.
도 3a는 캐비티(316)를 포함하는 발광 모듈(300)의 일 실시형태를 제시한다. 발광 모듈(300)은 캐비티(316) 내부에 광 반사성 표면(306)을 갖는 기저부(309)를 포함한다. 광 반사성 표면(306)상에는 광 출사 창 쪽으로 제1 컬러 범위의 광을 방출하는 고체 광 방출기(312)가 제공된다. 광 출사 창은 발광 층(308)에 의해 형성된다. 기저부(309)와 발광 층(308) 사이에는 벽들(314)이 제공되며, 이 경우, 4개의 벽들(314)이 제공된다. 벽들(314)의 내부 표면들(304)은 광 반사성이며, 벽 반사 계수(Rwall)를 갖는다. 벽 반사 계수는 벽들(314)의 광 반사성 표면(304)에 의해 반사되는 광량과 벽들(314)의 광 반사성 표면(304)상에 충돌하는 광량 사이의 비이다. 고체 광 방출기(312)는 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL)를 갖는다. 기저부(309)의 광 반사성 표면(306)은 기저부 반사 계수(Rbase)를 갖는다. 기저부 및 고체 광 방출기 반사 계수의 정의는 도 1a 및 1b의 설명에서 주어진다.
벽들(314)은 다양한 재료들로 구성될 수 있다. 벽 재료는, 반사성 알루미나, 지르코니아 또는 다른 세라믹들과 같은 산란 세라믹, 산란 유리, 백색 폴리아미드와 같은 산란 착색 중합체; 또는 스펙트라론 또는 산란 실리콘 수지와 같은 산란 불소중합체들을 사용할 때와 같이 고 반사율을 제공할 수 있다. 벽들(314)은 또한 알루미늄 또는 은과 같은 금속 재료로 구성될 수 있다. 금속은 상표가 Alanod인 고 반사성의 시판 금속 미러들과 같은 금속 포일 또는 필름일 수 있다.
벽 재료는 또한 저 반사율을 가질 수 있고 반사성 층으로 덮일 수 있다. 이 경우, 벽은, 탄소 충전 플라스틱, 예를 들어 폴리아미드와 열 전도성 중합체, 또는 구리, 니켈, 스테인레스 스틸과 같은 금속성 재료들, 또는 질화 알루미늄(AlN)과 같은 세라믹 재료들과 같은 또 다른 재료를 포함할 수 있다. 이들 재료들은 통상적으로 유리한 높은 열 전도율을 가지며, 예를 들어, 구리=~400 W/mK, AlN=~140 W/mK이다. 반사성 층은 코팅, 필름 또는 얇은 층일 수 있다. 반사성 층은 예를 들어, TiO2 또는 ZrO2와 같은 산란 입자들로 착색된, 예를 들어 알킬실리케이트계 재료와 같은 백색 실리콘 또는 백색 졸겔의 캐스트된(casted), 침지된(dipped), 디스펜스된(dispensed) 또는 스프레이된(sprayed) 층일 수 있다. 또는, 반사성 층은 예를 들어, 벽 재료상에 증착되거나 스퍼터링될 수 있는, 보호된 은 또는 알루미늄과 같은 얇은 금속 코팅일 수 있다. 벽들(314)은, 예를 들어, 링과 같은 원형, 원통형, 사각형 또는 삼각형과 같은 다양한 형상으로 될 수 있다. 벽은 냉각을 용이하게 하기 위해 핀(fin)과 같은 표면 구조들을 포함할 수 있다.
벽 재료는 또한 반사기 코팅 또는 필름만 있는 것과 같은 박막 층으로 구성될 수 있다. 이 경우, 벽 반사기는, 유리 또는 세라막 기판의 둘레와 같은, 기저부와 발광 재료 사이에 존재하는 고체 재료의 에지들을 덮을 수 있다.
벽은 확산 반사기(diffuse reflector) 또는 정반사기(specular reflector)일 수 있다. 일부 실시형태에서, 정반사성 벽(specular reflecting wall)은 확산 반사성 벽(diffuse reflecting wall)보다 더 우수한 성능을 나타내고, 다른 실시형태에서, 확산 반사성 벽은 정반사성 벽보다 더 우수한 성능을 나타낸다.
또한, 기저부(306) 및 벽들(314)은 열 전도성 재료를 포함할 수 있다. 발광 층(308)은 바람직하게는 발광 층(308)의 에지에서 벽들(314)에 열적으로 접속된다. 예를 들어, 벽들(314)에 발광 층(308)을 접속시키기 위해 열 전도성 페이스트 또는 열 전도성 접착제가 사용될 수 있다. 기저부(306)에, 히트 싱크(미도시)에 대한 계면이 제공될 수 있다. 기저부(306)는 히트 싱크의 일부일 수 있거나, 기저부(306)가 히트 싱크를 구성할 수 있다. 고체 광 방출기(312)는 캐비티(316) 내에 제공되고, 광 반사성 기저부(306)에 적용된다. 고체 광 방출기(312)와 광 반사성 기저부(306) 사이의 접촉은 고체 광 방출기(312)가 기저부(306)에 열적으로 결합되도록 이루어진다. 고체 광 방출기(312)는 광 반사성 기저부(306)에, 납땜되거나,예를 들어 금속 입자 충전 접착제와 같은 열 전도성 접착제로 접착될 수 있다. 캐비티(316)의 기저부(306) 및/또는 벽들(314)은 열 전달을 더 향상시키기 위해 열 비아들(thermal vias)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기저부(306)는 구리로 금속화된 스루 홀들(through holes)을 포함하는 산화알루미늄 세라믹으로 이루어질 수 있다. 구리는 더 높은 열 전도율을 갖는다(산화 알루미늄(20-30 W/mK)과 비교하여 대략 400 W/mK). 고체 광 방출기(312)는 또한 캐비티(316)의 기저부(306)를 통하는 전기적 비아들로 전원에 접속될 수 있다. 전기적 비아들은 또한 열을 전도할 수 있다.
발광 층은 제1 컬러 범위의 광을 제2 컬러 범위의 광으로 변환하기 위한 인광체들을 포함할 수 있다. 제2 컬러 범위는 제1 컬러 범위와는 다른 것이 바람직하다 - 하지만, 범위들은 부분적으로 중첩될 수 있다. 인광체는, 조합된 실질적인 백색광 방출이 획득될 수 있도록 고체 광 방출기에 의해 생성된 청색 광을 황색 광으로 부분 변환하기 위한, YAG:Ce, LuAG:Ce 또는 LuYAG:Ce와 같은 황색 인광체일 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 인광체는 청색 광을 호박색 광 또는 적색 광으로 각각 완전히 변환하기 위한 BSSNE:Eu 또는 ECAS:Eu와 같은 완전 변환 인광체일 수 있다. 발광 층은 좀더 온백색인 광 방출을 획득하기 위해, 예를 들어 YAG:Ce 및 ECAS:Eu와 같은 인광체의 조합을 포함할 수 있다.
제1 컬러 범위의 광의 제2 컬러 범위의 광으로의 변환은 고 효율이지만, 일부 광은 흡수되고 열로 변환된다. 특히, 고 출력 고체 광 방출기들을 이용할 경우, 흡수된 에너지의 양이 비교적 높을 수 있다. 발광 층(308)이 너무 뜨겁게, 예를 들어 200 ℃보다 높게 되는 경우 발광 층의 효율이 저하될 수 있다. 또한, 발광 층은 고온에서 열화하여 그들의 발광 특성도 또한 저하하는 재료들을 포함할 수 있다. 발광 모듈에서, 발생된 열은 벽들 및 기저부를 통해 히트 싱크 쪽으로 전달된다. 이로써, 발광 층이 너무 뜨거워지지 않는다.
발광 층은 인광체의 분말 입자들의 소결을 통해, 또는 반응성 소결 공정에서 인광체를 형성하는 전구체 분말들로부터 용융된(fused) 거시적 몸체(macroscopic body)로 제조되는 세라믹 인광체일 수 있다. 그러한 세라믹 인광체는 플레이트로 제조되고, 이들 플레이트들은 광 출사 창과 일치하는 적절한 크기를 제공하도록 기계적으로 다이싱된다. 세라믹 인광체 시트와 같은, 발광 재료의 단일 시트가 복수의 이웃 캐비티들을 덮을 수 있음을 주목해야 한다.
세라믹 인광체는 비교적 우수한 열 전도체이다. 열 전도율은 세라믹 인광체의 종류 및 잔여 공극률(residual porosity)에 의존한다. 일례로서, 세라믹 Ce 도핑 YAG 인광체의 통상적인 열 전도율은 실온에서 9-13 W/mK이다. 실리콘 또는 유기 중합체와 같은 바인더 수지에서의 분말 인광체 층의 통상적인 열 전도율은 약 0.15-0.3 W/mK의 열 전도율을 갖는 바인더에 의해 좌우된다. 세라믹 인광체 층은, 두께가 약 10-300 미크론일 수 있고, 통상적으로 약 100 미크론일 수 있으며, 따라서, 견고하고 자립형(self-supporting)이므로, 발광 층을 위한 추가 지지 기판이 필요없다.
발광 층은 또한 인광체 입자들을 포함하는 반투명 수지 층이 그 위에 퇴적된 유리 기판일 수 있다. 예를 들어, 인광체 입자들을 갖는 분말이 통상적으로 실리콘 수지인 바인더에 분산된다. 그러나, 바람직하게는 바인더는 통상적인 열 전도율이 약 1 W/mK인 유리 또는 졸-겔 유래(derived) 실리케이트 또는 알킬실리케이트와 같은 더 우수한 열 전도성 재료이다. 발광 층은 또한 2개의 다른 층들 사이에 개재될 수 있으며, 예를 들어 발광층이 유리 층 상에 도포되고, 발광 층의 상부 상에 유리 층이 도포되며, 이는 열의 확산을 향상시킨다. 다른 층 조합들의 예들은 세라믹 층-발광 층-유리 층 및 세라믹 층-발광 층-세라믹 층이다.
일 실시형태에서, 각도 컬러 균일성이 향상되어 복수의 출력 방향들로 발광 모듈(300)이 광을 방출하도록 확산기로서 작용하는 추가 층이 발광 층의 상부 상에 배치된다. 발광 층은, 발광 층을 통해 다소(more or less) 수직으로 이동하는 광을 법선에서 큰 각도들로 이동하는 광보다 더 적게 변환할 것이다. 부분 변환된 발광 층이 이용되는 경우, 이는 큰 각도들에서보다 수직 각도 근처에서 더 많은 광(통상적으로 청색 광)이 방출되도록 유도한다. 이는 각도에 따른 용인될 수 없는 컬러 변형들을 초래한다. 확산기는 각도에 따른 컬러 균일성(color-over-angle uniformity)을 향상시키기 위해, 주변 쪽으로 방출하기 전에 광을 스크램블한다. 확산기는 바람직하게는 전방 산란(forward scattering)이 지배적이다.
대안적으로, 발광 층을 통해 방출된 광에서 각도에 따른 컬러 오차들을 보정하기 위해 발광 층의 상부 상에 이색성 또는 간섭 층이 존재할 수 있다. 이색성 층은 광을 간섭하는 교대의(alternative) 더 높고 더 낮은 굴절률들을 갖는 다수의 박층들로 구성된다. 이색성 층의 광학적 특성들은, 청색 광이 법선 근처에서 더 많이 반사되고, 점진적 방식으로 더 큰 각도들에서는 적게 반사되거나 반사되지 않도록 하는 것이다. 인광체를 통한 법선 근처의 여분의 청색 고체 광 방출기는 그 다음에 이색성 층에 의한 더 높은 후방반사(backreflection)에 의해 보상된다. 후방반사된 청색 광의 일부는 인광체를 여기시키고, 컬러 변환되고, 일부는 캐비티에서 재활용된다. 이색성 층은 유리와 같은 캐리어 기판상에 박막으로서 존재할 수 있고, 인광체에 접속될 수 있다. 접속은 접착제를 이용하여 이루어질 수 있다.
대안적으로, 인광체는 대향하는 측에 이색성 층과 동일한 기판상에 코팅으로서 존재할 수 있다. 이색성 층의 캐리어 기판은 세라믹과 같은 열 전도성 투명 기판일 수 있다.
발광 층에 의해 반사 또는 산란되고 발광 층에 의해 방출되는 광은 또한 벽들(314) 쪽으로도 반사되고, 벽들(314)의 광 반사성 표면들(304)에 의해 반사된다. 이로써, 광 출사 창을 통해 주변으로 즉시 투과되지 않은 광은 벽들(314)의 광 반사성 표면들(304) 및/또는 기저부(309)의 광 반사성 표면(306)을 통해 반사된다. 따라서, 주변으로 즉시 투과되지 않는 광은 더 효율적으로 재활용되고, 효율적인 발광 모듈에 기여한다. 이 경우에, 유효 반사 계수(Reff)는 기저부 및 벽 반사 계수의 가중 평균으로 정의되거나, 다시 말해, 유효 반사율은 기저부 및 벽 반사 계수들의 가중 평균이다. 유효 반사 계수(Reff)는 다음과 같이 정의될 수 있다:
여기서, 기저부 반사 계수(Rbase)는 기저부(309)의 광 반사성 표면(306)의 반사 계수이고, 벽 반사 계수(Rwall)는 벽들(314)의 광 반사성 표면들(304)의 반사 계수이며, Abase는 기저부(309)의 반사성 표면(306)의 전체 면적이고, Awall은 벽들(314)의 반사성 표면들(304)의 전체 면적이다.
이러한 실시형태에서, 유효 반사 계수(Reff)의 값은 적어도 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL)의 값보다 커야만 한다. 바람직하게는, 유효 반사 계수(Reff)의 값은 적어도 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL) + 인자 c × (1과 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL) 간의 차)의 값보다 커야만 한다. 따라서, Reff>R_SSL+c(1-R_SSL)이다. 인자 c는 도 1a 및 1b에 설명된 실시형태들과 유사하게, 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)에 의존하며, 이 경우에, 이는 하기와 같이 정의된다:
따라서, 도 1a 및 1b의 실시형태들에 비해, 이 경우, 벽들(314)의 반사성 표면들(304)의 면적이 또한 고려되며, 즉, 전체 반사성 면적은 이제 기저부 및 벽 반사성 면적을 포함한다. ρSSL<0.1일 경우, 이는 고체 광 방출기(312)의 상부 표면의 면적에 대한 기저부(309) 및 벽(314)의 반사성 면적이 비교적 큼을 나타내고, 인자 c의 값은 비교적 효율적인 발광 모듈을 갖기 위해 0.2 이상이어야 한다. 0.1≤ρSSL≤0.25일 경우, 이는 고체 광 방출기(312)의 상부 표면의 면적과 비슷한 기저부(309) 및 벽들(314)의 반사성 면적을 나타내고, 인자 c의 값은 비교적 효율적인 발광 모듈을 갖기 위해 0.3 이상이어야 한다. ρSSL>0.25일 경우, 이는 고체 광 방출기(312)의 상부 표면의 면적에 대한 기저부(309) 및 벽들(314)의 반사성 면적이 비교적 작음을 나타내고, 인자 c의 값은 비교적 효율적인 발광 모듈을 갖기 위해 0.4 이상이어야 한다. 두 경우에서 인자 c의 값은 사실상 1.0 미만이다.
도 3b는 본 발명의 제1 양태에 따른 발광 모듈(350)의 또 다른 실시형태를 도시한다. 발광 모듈(350)은 도 3a의 발광 모듈(300)과 유사하다. 그러나, 일부 사소한 차이들이 존재한다. 발광 모듈(350)은 캐비티 쪽으로 향하는 광 반사성 표면(354)을 갖는 원형 기저부(358)를 갖는다. 캐비티는 기저부(358), 원통형 벽(362) 및 발광 층(352)에 의해 둘러싸인다. 캐비티 쪽으로 향하는 원통형 벽(362)의 표면은 광 반사성 벽 표면(356)이다. 기저부(358)의 광 반사성 표면(354)상에, 캐비티의 광 출사 창 쪽으로 제1 컬러 범위의 광을 방출하는 복수의 고체 광 방출기들이 제공된다. 캐비티의 광 출사 창은 제1 컬러 범위의 광의 일부를 제2 컬러 범위의 광으로 변환하기 위한 발광 재료를 포함하는 발광 층(352)에 의해 형성된다.
또한, 이 실시형태에서도, ρSSL은 고체 광 방출기들(360)의 상부 표면들의 전체 합산 면적과 기저부(358)의 반사성 표면(354)의 면적의 비로 정의된다. 도 3a를 참조로 설명된 것과 동일한 기준들 및 범위들이 적용된다.
라인 A-A'를 따르는 도 3a의 발광 모듈(300)의 단면이 도 4a에 제시된다. 광 출사 창은 402로 표시된다. 발광 층(308)의 일부가 특정 두께를 갖는 벽들(404, 314)의 상부 상에 배치되므로, 광 출사 창(402)은 발광 층(308)의 일부이다. 대안적으로, 발광 층(308)이 발광 층(308)의 지지부로서 맞춰질 수 있는 오목부가 벽 에지에 존재할 수 있다. 벽의 상부 또는 벽의 오목부에 발광 층(308)을 부착하기 위해 접착제가 사용될 수 있다. 발광 층(308)을 부착하기 위해 오목부가 사용되는 경우, 발광 층(308)의 측면이 벽에 열 접촉하는 추가 이득이 존재한다.
따라서, 유효 반사 계수(Reff)의 값은 적어도 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL)의 값보다 커야 한다. 바람직하게는, 유효 반사 계수(Reff)의 값은 적어도 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL) + 인자 c × (1과 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL) 간의 차)의 값보다 커야 한다. 인자 c는 도 1a 및 1b를 참조로 설명된 실시예들과 유사하게, 본 실시형태에서도 또한, 벽들(362)의 반사성 표면(356)의 면적을 포함하는, 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)에 의존한다. ρSSL<0.1일 경우, 이는 고체 광 방출기(312)의 상부 표면의 면적에 대한 기저부(309)와 벽들(404, 314)의 반사성 면적이 비교적 큼을 나타내고, 인자 c의 값은 비교적 효율적인 발광 모듈을 갖기 위해 0.2 이상이어야 한다. 0.1≤ρSSL≤0.25일 경우, 이는 고체 광 방출기(312)의 상부 표면의 면적과 비슷한 기저부(309)와 벽들(404, 314)의 반사성 면적을 나타내고, 인자 c의 값은 비교적 효율적인 발광 모듈을 갖기 위해 0.3 이상이어야 한다. ρSSL>0.25일 경우, 이는 고체 광 방출기(312)의 상부 표면의 면적에 대한 기저부(309)와 벽들(404, 314)의 반사성 면적이 비교적 작음을 나타내고, 인자 c의 값은 비교적 효율적인 발광 모듈을 갖기 위해 0.4 이상이어야 한다. 두 경우들에서, 인자 c의 값은 사실상 1.0 미만이다.
또한, 본 발명자들은, 고체 광 방출기(312)의 상부 표면(412)과 발광 층(308) 사이의 거리(h)가, 0.1 미만의 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)의 값들에 대해, 최소값이 0.3×(상부 표면(412)의 최대 선형 크기(dSSL))이고, 최대값이 5×(상부 표면(308)의 최대 선형 크기(dSSL))인 범위인 것이 바람직함을 확인하였다. 0.1≤ρSSL≤0.25에 대해, 상부 표면(308)과 발광 층(102) 사이의 거리(h)는 최소값이 0.15×(상부 표면(308)의 최대 선형 크기(dSSL))이고, 최대값이 3×(상부 표면(308)의 최대 선형 크기(dSSL))인 범위인 것이 바람직하다. ρSSL>0.25에 대해, 상부 표면(308)과 발광 층(102) 사이의 거리(h)는 최소값이 0.1×(상부 표면(308)의 최대 선형 크기(dSSL))이고, 최대값이 2×(상부 표면(308)의 최대 선형 크기(dSSL))인 범위인 것이 바람직하다.
고체 광 방출기(312)가 위의 기준들을 충족할 경우, 발광 모듈(300)은 비교적 효율적인 발광 모듈임을 주목한다. 고체 광 방출기에 의한 흡수는 비효율에 상당히 기여하는 한편, 다른 모든 거리들, 크기들 및 반사 계수들은 최대 광 출력을 위해 최적화된다. 발광 모듈(300)은, 상기 제시된 식들에서, 인자 c가 상술된 값들보다 클 경우 훨씬 더 효율적일 수 있다. 고체 광 방출기의 상부 표면 바로 위에 발광 층을 갖는 발광 모듈에 대해 40% 정도의 효율 증가가 획득될 수 있다.
발광 층(308)은 벽들(404, 314)의 상부 에지 상에 배치되고, 이로써, 발광 층(308)은 벽들(404, 314)에 열적으로 결합된다. 제1 컬러 범위의 광을 제2 컬러 범위의 광으로 변환시키는 동안 발광 재료에 의한 에너지의 흡수 때문에 발광 층(308)이 따뜻하게 된다. 발광 층(308)과 벽들(404, 314) 사이의 열적 결합에 의해, 기저부(309)를 히트 싱크에 결합하기 위한 계면을 포함할 수 있는 기저부(309) 쪽으로 벽(404, 314)이 발광 층의 열을 전도하는 것이 가능하다. 이 메커니즘은 발광 모듈(300)의 효율적 열 관리를 제공하고 발광 층(308)이 너무 따뜻하게 되는 것을 방지하며, 이는 발광 재료의 효율 및 수명을 증가시킨다. 또한, 캐비티(316)는 실질적으로 광학적으로 투명한 재료로 채워질 수 있다. 전체 캐비티가 투명 재료로 채워질 경우, 투명 재료는 또한 발광 층(308)에 열적으로 결합되고, 공기 갭이 이용될 때보다 훨씬 더 효율적인 방식으로 발광 층으로부터 벽들(404, 314) 및 기저부(309) 쪽으로 열을 전도해낼 수 있다. 도 5a의 문맥에서 논의되는 바와 같이, 투명 재료는 고체 광 방출기(412)로부터의 광 아웃커플링의 증가와 같은 추가 이점을 갖는다.
실질적으로 투명한 재료는 통상적으로, 0.2 내지 0.3 W/mK의 열 전도율을 갖는 고화되거나 경화된 실리콘 수지와 같은 고체 재료이다. 그러한 재료들의 다수의 종류들은 경질 실리콘 수지류로부터, 연질 실리콘 수지류에서, 가요성 탄성 실리콘 수지류 또는 겔 종류의 수지류에 이르는 범위에 걸쳐 존재한다. 다른 재료들은 에폭시 수지류, 당업자에게 공지된 많은 종류들의 광학적으로 투명한 중합체들을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 열 전도율이 약 1.0 W/mK인 소다 석회 유리 또는 열 전도율이 약 1.3 W/mK인 보로실리케이트 유리 또는 용융 실리카 유리와 같은 광범위한 유리 종류의 재료들이 사용될 수 있다. 또한, 열 전도율이 약 30 W/mK인 반투명 다결정질 알루미나 기판류, 42 W/mK인 사파이어 기판류, 9.5 W/mK인 AlON, 15 W/mK인 스피넬(spinel) 또는 7 W/mK인 YAG와 같은 세라믹 재료들이 사용될 수 있다. 그러한 재료들의 조합들이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 고체 유리 또는 세라믹 기판들은 방출기들 및/또는 기저부에 접착될 수 있다. 또한, 실질적으로 투명한 재료로서 소결된 반투명 다결정질 알루미나가 사용될 수 있으며, 상기에서 비교적 높은 전방 광 투과를 획득하기 위해 입자 크기는 바람직하게는 44 ㎛ 초과이거나, 바람직하게는 1 ㎛ 미만이다. 1 mm 두께의 재료 및 1 ㎛ 미만의 입자 크기에 대해 광의 전체 전방 투과는 84% 초과이다. 1 mm 두께 재료 및 44 ㎛ 초과의 입자 크기에 대해 광의 전체 전방 투과는 82% 초과이다. 다결정질 알루미나는 예를 들어 Al2O3 분말이, 예를 들어 분말 프레싱, 슬립 캐스팅(slip casting), 사출 성형, 및 예비 소결(pre-sintered) 및 마무리 소결(end-sintered)에 의해 성형되는 세라믹 분말 가공 기술로 제조될 수 있다. 비교적 큰 입자 크기, 즉 44 ㎛ 초과의 입자 크기는, 입자 크기가 비교적 큰 알루미나 분말을 적용함으로써, 더 긴 소결 시간 및/또는 더 높은 소결 온도를 적용함으로써, 입자 성장을 덜 억제하는 MgO 도핑(<300 ppm) 및/또는 입자 성장 자극 도핑을 이용함으로써, 또는 위의 방법들의 하나 이상의 조합을 적용함으로써 달성될 수 있다. 바람직하게는, 다결정질 알루미나의 미세균열을 방지하기 위해 입자 크기가 120 ㎛ 미만이다. 이러한 방식에서, 열 전도율이 약 30 W/mK이므로, 이러한 재료의 뛰어난 열 특성들은 비교적 높은 반투명성과 조합된다.
선택적으로, 방출기로부터 더 많은 광을 추출하도록 하는 방출기 표면과의 광학적 및 열적 접촉이 달성되고, 공기 갭은 고체 재료와 기저부 사이에 여전히 존재한다. 이는, 광 균일성을 증가시키기 위해 고체 재료에서의 도광(lightguiding)에 의해 더 효과적으로 광을 확산시키는 것을 도울 수 있다. 최적의 열적 접촉을 위해, 고체 기판은 또한 예를 들어 접착제를 이용하여, 기저부에 부착될 수 있다. 고체 기판은, 이것이 또한 발광 층에 결합되는 경우에, 열 확산 층 및 열 계면 재료의 기능을 수행한다. 방출기 다이가 그 위에 형성된 성장 기판일 수 있는, 한 피스의(a piece of) 사파이어 또는 탄화 규소(SiC)와 같은 고체 재료가 방출기 상에 또한 존재할 수 있다. 또한, 통상적으로 최장 선형 크기보다 적어도 2배 더 크고 예를 들어 유리 재료의 실리콘 수지로부터 형성될 수 있는 돔 형상 또는 렌즈 형상의 광학체(optical body)가 다이 상에 존재할 수 있다. 돔 또는 렌즈 형상 광학체는 다른 투명 재료로 덮일 수 있다.
실질적으로 투명한 재료는 바람직하게는, 방출기 다이에 광학적으로 접촉하는 경우에, 비교적 높은 굴절률을 갖는다. GaN 또는 InGaN 또는 AlInGaN과 같은, 통상적인 고체 광 방출기들은 약 2.4의 높은 굴절률을 가지므로, 다이에의 고 굴절률 접촉은 고체 광 방출기 칩에서 내부 전반사를 감소시킴으로써 다이로부터 더 많은 광을 추출한다. 대부분의 투명 재료들은 1.4 내지 1.6의 범위, 통상적으로 1.5인 굴절률을 갖는다. 방출기에 부착하는데 적합한 고 굴절률 재료들의 일부 예들은 LaSFN9와 같은 고 굴절률 유리, 또는 사파이어(n~1.77), 알루미나(n~1.77), YAG(n~1.86), 지르코니아(n~2.2) 또는 탄화 규소(SiC, n~2.6)와 같은 세라믹 재료들이다. 고 굴절률 유리 또는 고 굴절률 수지와 같은 기판들을 부착하기 위해 고 굴절률의 광학 접착제를 사용할 수 있다. 고 굴절률 수지는 고 굴절률 나노 입자로 채워진 저 굴절률 바인더, 예를 들어 직경이 100 nm 미만인 나노 TiO2 입자들, 또는 다른 고 굴절률 나노 입자들, 예를 들어, ZrO2, 또는 BaTiO3, SrTiO3와 같은 티탄산염으로 채워진 실리콘 수지로 구성될 수 있다. 일부 종류의 방출기 다이들에서, 사파이어 및 탄화 규소와 같은 통상적인 성장 기판들이 여전히 다이 상에 존재할 수 있다. 바람직하게, 이러한 다이들은 이 경우에 상술한 바와 같은 고 굴절률 재료로 덮인다.
대안적으로, 액체 재료들, 예를 들어 실리콘 오일류(n~1.4)나 광물성 오일류 (n~1.5), 또는 예를 들어 지방족 또는 방향족 탄화수소류와 같은 매우 다양한 액체류 또는 당업자에게 공지된 고 굴절률의 액체류가 또한 사용될 수 있다. 액체가 사용될 경우, 발광 모듈로부터의 누설을 방지하기 위해 출사 창의 에지들 주변을 기밀하는 것이 바람직하다. 액체는 대류 흐름에 의해 및/또는 주위에 펌프됨으로써 발광 층을 냉각시킬 목적으로 제공될 수 있다.
또 4b는 도 3a의 발광 모듈의 다른 실시형태의 단면을 도시한다. 발광 모듈(450)은 하우징(455), 캐비티(460), 발광 층(465), 히트 싱크(480)에 대한 계면(470) 및 광 출사 창(472)을 포함한다. 이 경우에, 하우징(455)은 광 반사성 기저부 표면(462) 및 광 반사성 벽 표면들(466,468)을 갖는 벽들과 기저부 모두를 포함한다. 2개의 와이어(492)에 의해 전원에 접속되는 특정 종류의 고체 광 방출기(482)가 도시된다. LED는 종종, 고체 광 방출기(482)의 상부 표면(483)에서 고체 광 방출기(482)에 접속되는 접착 와이어들(bond wire)(492)을 갖는다. 상부 표면(483)은 발광 층(465)에 가장 가깝고 광이 캐비티(460)로 방출되는 고체 광 방출기(482)의 표면이다. 일부 실시형태들에서, 상부 표면(483)에 2개의 전기 와이어 접촉들이 존재하고, 다른 실시형태들에서, 상부 표면(483)에 하나의 전기 와이어 접촉 및 고체 광 방출기(482)의 하부 표면에 기저부로의 하나의 전기 접촉이 존재한다.
도 4b에 나타낸 바와 같이, 히트 싱크(480)에 대한 계면(470)은 발광 모듈(450)의 후측에 제공된다. 후측은 발광 층(465)이 존재하는 측과 실질적으로 대향하고, 후측을 형성하는 하우징의 일부는 또한 캐비티(460)의 기저부를 형성함을 주목해야 한다. 도 4b에 나타낸 바와 같이, 고체 광 방출기(482)는 캐비티(460)의 광 반사성 기저부(462)에 적용된다. 고체 광 방출기(482)와 하우징(455) 사이의 접촉은, 고체 광 방출기(482)와 하우징(455) 사이, 및 이로써 고체 광 방출기(482)와 히트 싱크(480) 사이에 우수한 열 결합이 획득되도록 이루어진다.
대안적으로, 고체 광 방출기(482)는, 광이 캐비티(460)로 방출되고 고체 광 방출기(482)가 하우징(455)과 우수한 열 접촉을 갖도록 광 반사성 기저부의 스루 홀에 탑재될 수 있다.
와이어 접착 상부 접속(492)은 보통 금속화되는 LED(482)의 상부 표면(483)에서의 전기 접촉 영역에 전기적으로 접속되는 와이어이고, 와이어는 LED(482)에 전기 에너지를 제공한다. LED(482)의 상부 표면(483)은 또한, 종종 LED(482)의 발광 표면이다. LED(482)의 발광 표면은, LED(482)에 의해 생성된 광이 캐비티(460)로 방출되는, LED(482)의 방해받지 않은 방출 표면 영역으로서 정의된다. 이러한 실시형태에서, LED(482)의 상부 표면(483)은 발광 층(465) 쪽으로 향하는 표면이다.
와이어-접착 상부 접속(492)을 구비하는 LED(482)와 조합하여, 세라믹 인광체로서 구현되거나, 예를 들어 유리 기판상에 퇴적된 인광체 층으로서 구현되는 발광 층(465)을 이용하는 것이 어려운 것으로 입증되었다. 와이어들(492)은 발광 표면의 상부 상에 그러한 세라믹 인광체 층이 직접 제공되는 것을 방해한다. 해결책은 그를 통해 와이어가 인도되는 정밀 홀들을 세라믹 인광체에 뚫는 것일 수 있으며, 이는 비교적 고비용 공정이다. 하지만, 와이어를 따라 정밀 홀들을 통한 광 누설을 방지하는 것은 어렵다. 이는 컬러 제어의 감소를 초래한다. 특히, 발광 층(465)이 제1 컬러 범위의 광의 대부분을 변환해야 할 경우 광 누설은 용인될 수 없는 감소된 컬러 포화를 초래한다. 또한, 홀들은 통상적으로 레이저 어블레이션(laser ablation)으로 뚫리는데, 이는 뚫린 홀들 근방의 인광체를 손상시켜 어블레이션 부산물들이 광을 흡수하고 인광체의 일부가 비활성화될 위험이 있다.
YAG:Ce와 같은, 통상적인 세라믹 인광체, 및 호박색의 바륨 스트론튬 실리콘 질화물(BSSNE:Eu)은 각각 약 1.86 및 2의 굴절률을 갖는다. 따라서, 1.4보다 높은 굴절률을 갖는 투명 수지는 이러한 특정 LED들과 논의된 특정한 세라믹 인광체들 사이에 비교적 우수한 광학적 결합을 제공할 수 있다. 산란 입자들과 같은, 여분의 산란 센터들은 바람직하게는 전방 산란 특성들과 통합될 수 있다.
이 실시형태는 하나 이상의 와이어-접착 상부 접속들(492)을 구비한 LED(482)의 광을 다른 컬러로 변환하기 위한 효과적이고 효율적인 해법을 제공한다. 캐비티(460)는 와이어들(492)을 위한 공간을 제공하고, 캐비티 내부에서의 광의 반사 때문에, 와이어들(492)의 그림자(shadow)는 광 출사 창(472)에서 보이지 않는다. 실시형태의 캐비티(460)는 발광 모듈(450)의 크기에 대하여 비교적 크고, 이로써, 캐비티가 비교적 작은 공지된 발광 모듈들에 비해 더 적은 와이어 그림자들이 가능할 수 있음을 주목해야 한다.
LED(482)와 발광 층(465) 사이에 배치된 투명 수지(498)와 함께 와이어-접착 상부 접속(492)을 사용하는 것이 유리하다. 투명 수지(498)는 하우징(455)에 LED(482)를 조립한 후 캐비티(460)에 주입될 수 있다. 주입 동안, 투명 수지(498)는 액체 상태이고, 캐비티의 각 코너 쪽으로 흐를 수 있다. 와이어들(492)은 주입된 투명 수지들에 대한 장애물이 아니며, 이로써, 투명 수지(498)와 LED(482)의 전체 상부 표면(483) 사이에 우수한 접촉이 이루어질 수 있다. 그러므로, 투명 수지(498)는 LED(482)로부터의 광의 아웃커플링을 증가시킨다. 또한, 투명 수지(498)가 경화될 경우, 와이어-접착 상부 접속들(492)은 수지(498)에 의해 고정되고, 예를 들어 자동차 응용들에서와 같이 발광 모듈(450)에 진동이 가해지는 경우, 손상에 덜 민감하다.
도 5a는 본 발명의 제1 양태에 따른 발광 모듈의 여러 대안적인 실시형태들을 제시한다. 도 5a의 (i)에 묘사된 발광 모듈(500)은 기저부(518), 기판들(516) 상에 제공된 복수의 LED들(514), 벽들(510), 벽들의 에지 상에 제공되고 광 출사 창을 형성하는 제1 발광 층(506) 및 제2 발광 층(504)을 포함한다. LED들(514)은 제1 컬러 범위의 광을 방출하고 모든 LED들(514)은 최장 선형 크기(d)와 동일한 크기를 갖는다. 제1 발광 층(506)은 제1 컬러 범위의 광을 제2 컬러 범위의 광으로 변환하기 위한 발광 재료를 포함한다. 제2 발광 층(504)은 제1 컬러 범위의 광을 제3 컬러 범위의 광으로 변환하기 위한, 또는 제2 컬러 범위의 광을 제3 컬러 범위의 광으로 변환하기 위한 또 다른 발광 재료를 포함한다. 벽들(510), 기저부(518) 및 제1 발광 층(506)은 투명 재료(502)로 채워지는 캐비티를 둘러싼다. 따라서, 투명 재료는 LED들(514)과 제1 발광 층(506) 사이에 개재된다. 투명 재료는 LED들(514)에 광학적 결합되고 제1 발광 층(506)에 광학적 및 열적 결합된다. 광 방출기들과 제1 발광 층(506) 사이의 거리는 h로 표시된다. 캐비티 쪽으로 향하는 벽들(510)의 표면들에는 광 반사성 코팅(508)이 제공된다. LED들(514)과 광 투과 재료(502) 사이의 공간들은 광 반사성 재료(512)로 채워져서, 기저부(518) 및 기판들(516)을 덮는다. 광 반사성 표면은 LED들(514) 사이에 개재된 광 반사성 재료(512)의 표면에 의해 형성된다. 광 반사성 재료는 기저부 반사 계수(Rbase)를 갖는다. LED 다이들은 반사 계수(R_SSL)를 갖는다. 광 반사성 코팅(508)은 벽 반사 계수(Rwall)를 갖는다. 발광 모듈(500)의 파라미터들은 도 1a, 1b, 3a, 3b 및 4a를 참조로 이전 실시형태들에서 설명된 것과 동일한 기준들에 따라 서로 관련되며, 상기에서 고체 광 방출기의 상부 표면의 면적(A_SSL)은 이 실시형태에서 복수의 LED들(514)의 상부 표면들의 합산된 전체 면적으로서 계산된다.
광 반사성 코팅 대신에, 기저부 및/또는 벽들에 부착되거나 이동될 수 있는 광 반사성 포일 또는 필름도 또한 사용할 수 있다. 부착을 위해 압력 민감성 접착제와 같은 접착제가 사용될 수 있다. 반사성 코팅층은, 표면 전극들을 금속 캐리어로부터 분리하기 위해 MCPCB 캐리어에 통상적으로 사용되는 것과 같은 유전체 층, 또는 표면 전극들을 차폐(screen-off)하기 위해 MCPCB 또는 PCB 캐리어에 통상적으로 사용되는 납땜 마스크일 수 있다. 기판(516)은 반사성 층으로 덮이고, 따라서 광학적으로 차폐되므로, 질화알루미늄(AlN)과 같은 열악한 반사율을 갖는 재료로 구성될 수 있다. AlN은 약 140 W/mK의 매우 높은 열 전도율을 갖는다는 이점이 있다. 따라서, 반사성 코팅 또는 포일을 이용함으로써 광학적 기능들이 열적 기능들로부터 차폐될 수 있어, 유리한 두 기능에 대한 개개의 최적화가 가능하다.
광 반사성 코팅 또는 필름은 산란 안료 또는 다양한 산란 안료들로 채워진 바인더로 구성된 백색 코팅과 같은 확산 반사 재료로 구성될 수 있다. 적합한 바인더들은 실리콘 재료들 또는 실리케이트 재료들 또는 알킬실리케이트 재료들 또는 에폭시 재료들 또는 폴리이미드 재료들 또는 불화중합체 또는 폴리아미드 또는 폴리우레탄 또는 다른 중합체 재료들이다. 코팅은 또한 고 반사성 BaSO4(Barium Sulphate)계 재료로 구성될 수 있다. 산란 안료들의 예는 TiO2 안료, ZrO2 안료, Al2O3 안료가 있지만, 당업자에게 알려진, 많은 다른 산란 입자들 또는 기공들(pores)도 또한 사용될 수 있다. 반사성 코팅 또는 필름은 또한 알루미늄 또는 은과 같은 금속 층들로 구성될 수 있다. 금속은 상표명이 Alanod인 고 반사성 시판 금속 미러들과 같은 금속 포일 또는 필름일 수 있다. 얇은 금속 층은 벽 재료상에 증착되거나 스퍼터링될 수 있다. 금속 포일은 기저부에 삽입 부착/접착/납땜되어 이용될 수 있다. 금속 층은, 예를 들어, 착색된 메틸실리케이트와 같은 백색 알킬실리케이트 층, 또는 백색 실리콘 층인 백색 코팅층으로 덮일 수 있다. 기저부 또는 벽들 상에는, 예를 들어 통상적으로 다공성인 산란 알루미나층, 또는 다른 반사성 세라믹 재료인 세라믹 반사기 층이 또한 사용될 수 있다.
또 5a의 (ii)에 묘사된 발광 모듈(520)은 발광 모듈(500)과 유사하지만, 벽들(522) 자체가 광 반사성 재료로 되어 있고, 이로써, 추가의 코팅이 벽들(522)에 도포되지 않는다. 또한, 하나의 발광 층(506)만이 도포된다. LED들(514)이 위에 제공되는 기판들(524)은 또한 광 반사성 재료로 되어 있고, 이로써, 기판들(524) 사이의 공간들만이 광 반사성 입자들(512)로 채워진다.
도 5a의 (iii)에 묘사된 발광 모듈(530)은 소위 돔형 LED들(514)이 사용된 또 다른 변형이다. LED들(514)은 기판(516)상에 제공되고, LED들의 상부 상에 광 투과 재료(502)의 돔들이 배치된다. 광 투과 재료(502)의 돔은 LED의 다이에 광학적으로 결합된다. 또한, 캐비티는 추가 광 투과 재료(532)로 채워진다. 추가 광 투과 재료(532)는 광 투과 재료(502)의 돔들에 광학적으로 결합되고, 제1 발광 층(506)에 광학적으로 결합된다. 이는, 발광 층에서 생성된 열이 기저부, 및 기저부가 통상적으로 부착된 히트 싱크 쪽으로 열 전달되는 것을 용이하게 한다.
도 5a의 (iv)에 묘사된 발광 모듈(540)은 발광 모듈(500)과 유사하지만, 벽들(542)은 기저부(518)에 대한 법선 축에 대해 기울어진다. 벽들(542)은 기울어진 벽들(542) 상에 충돌하는 광이 기저부(518) 쪽의 방향 대신에 제1 발광 층(506) 쪽으로 반사되도록 하는 방식으로 기울어진다. 기울어진 벽들(542)은 벽들(542) 상에서 반사된 광을 발광 층(506) 쪽으로 인도하고, 광선들이 벽들(542)과 기저부 사이에서 다수 회 반사되는 것을 방지하여, 불필요한 광 흡수를 방지하며, 즉, 모든 반사가 완벽하지는 않고 모든 반사에서 소량의 광이 흡수된다.
도 5a의 (v)에 묘사된 발광 모듈(550)은 발광 모듈(540)의 변형이다. 발광 모듈(550)의 벽들(552)은, 구부러진 벽들(552) 상에 충돌하는 더 많은 광이 제1 발광 층(506) 쪽으로 및 따라서 광 출사 창 쪽으로 반사되도록 하는 방식으로 구부러진다. 또한, 기판 표면들(516)은 코팅되지 않지만 기판들 사이의 공간(512)은 반사성 재료로 코팅된다. 기판(516)은 반사성 재료, 예를 들어, 산란 기공들, 및/또는 지르코니아 입자들과 같은 산란 입자들을 포함하는 알루미나와 같은, 산란 세라믹으로 구성될 수 있다. 따라서, 기저부(518)의 광 반사성 표면의 반사율은 그 면적에 걸쳐서 가중된, 기판(516)과 공간(512)의 반사율의 평균이다.
도 5a의 (vi)에 묘사된 발광 모듈(560)은 제2 발광 층(504)을 포함하지 않는 또 다른 변형이다. 캐비티는 실질적으로 투명한 재료(562)로 채워지고, 발광 모듈의 광 출사 측에 구부러진 표면을 갖는다. 제1 발광 층(506)은 투명 재료(562)의 상부 상에 제공된다. 도시된 바와 같이, LED들(514)과 제1 발광 층(506) 사이의 거리들은 상이하다. 2개의 LED들이 제1 발광 층(506)으로부터 거리 h1에 배치되고, 2개의 LED들은 제1 발광 층(506)으로부터 거리 h2에 배치된다. 본 실시형태에서, LED들(514)의 상부 표면 사이의 거리(h)의 값은 평균 거리: h=(h1+h2)/2로서 계산되어야 한다. 3개 이상의 LED들이 발광 모듈에 적용되는 경우, 평균 거리 식은 그에 따라 적응된다.
도시되지 않은 또 다른 실시형태에서, 고체 광 방출기 다이들은 추가 중간 기판 없이 캐리어 보드에 직접 접착된다. 이는, 다이와 보드 사이 및 보드가 통상적으로 부착되는 히트 싱크와 다이 사이의 열 저항을 더 감소시킨다. LED 다이의 상부에 전기적으로 접촉하기 위해 와이어 접착들이 존재할 수 있다.
도 5b는 4개의 다른 발광 모듈들(570,580,590,595)을 제시한다. 도 5b의 (i)에 묘사된 발광 모듈(570)은 발광 모듈(520)과 유사하고, 캐비티 내부에 추가 발광 층(572)을 갖는다. 따라서, 예를 들어, 다른 종류의 발광 재료를 갖는 층이 광 반사성 벽들(522), 및 기저부(518)의 광 반사성 표면에 도포될 수 있으며, 이는 제1 발광 층(506)에 도포된 발광 재료와 상이하다. 이러한 또 다른 발광 재료는 제1 컬러 범위의 광을 제3 컬러 범위의 광으로 변환한다. 대안적으로, 제1 발광 층에 사용된 것과 동일한 발광 재료가 광 반사성 벽들(522), 및 기저부(518)의 광 반사성 표면에 도포될 수 있다. 추가 발광 층(527) 상에 충돌하는 모든 광이 변환되지는 않고, 일부 광은 광 반사성 벽들(522), 및 기저부(518)의 광 반사성 표면 쪽으로 방출되고, 후속해서 캐비티 쪽으로 및 따라서 광 출사 창 쪽으로 후방 반사된다. 예를 들어, 이는 온백색(warm white) 방출을 달성하기 위해 백색 방출에 추가 적색 광을 추가하기 위해 사용될 수 있다.
도 5b의 (ii)에 묘사된 발광 모듈(580)은 발광 모듈(500)과 유사하다. 첫 번째 차이는 광 출사 창에 단일 발광 층(506)만이 제공된다는 것이다. 제조 동안, 발광 층(506)은 예를 들어 유리인 투명 기판(582)에 도포된다. 발광 층(506)을 갖는 기판(582)은 예를 들어 톱을 이용하여 피스들(pieces)로 절단되거나 뚫리고, 발광 층(506)을 갖는 기판(582)의 한 피스가 발광 모듈(580)의 벽들(510) 상에 제공된다.
5b의 (iii)에 묘사된 발광 모듈(590)은 발광 모듈(580)과 유사하지만, 캐비티는 실질적으로 투명한 재료가 아니라 발광 층(506)을 갖는 투명 기판(582)의 한 피스로 채워진다. 피스는 광 반사성 벽 표면들, 및 기저부(518)의 광 반사성 표면에 예를 들어 투명 수지(592)로 접착된다. 투명 기판(582)은 예를 들어 2 mm 두께이고, 이로써 LED들(514)의 상부 표면들과 발광 층(506) 간에 약 2 mm의 높이 차를 제공한다. 디바이스의 상부 상에서, LED들(514)에 의해 방출된 광(예를 들어, 청색)(미도시)의 직접 광(direct light)이 빠져나가는 것을 방지하기 위해 발광 층(506)의 둘레에 백색 실리콘 림이 도포될 수 있다.
도 5b의 (iv)에 묘사된 발광 모듈(595)은 발광 모듈(520)과 유사하다. 그러나, 다른 종류의 LED들이 사용된다. 기저부(598)는 금속 코어 PCB(MCPCB)이다. 비교적 큰 기판이 없는 LED들은 MCPCB 바로 위에 탑재될 수 있다. 그와 같은 응용들에 적합한 LED들은 소위 CSP 또는 COB 기술들로 제조된 LED들이다. COB는 LED 칩이 MCPCB 바로 위에 납땜된 칩-온-보드(chip-on-board)를 지칭한다. CSP는, LED가 그 위에 제조된 웨이퍼에 캐리어가 제공되는 칩 스케일 패키지들(Chip Scale Packages)을 지칭하며, 웨이퍼를 다이싱하여 CSP LED들을 획득한다. 그와 같은 CSP LED들이 발광 모듈(595)에 제공된다. CSP LED들에서, 캐리어(597)는 LED 칩(596)과 동일한 크기를 갖는다. CSP의 측면들이 반사성일 수 있고 PCB의 표면이 반사성일 수 있어서, 추가의 (두꺼운) 기저부 반사기 층이 필요하지 않을 수 있다.
도 6에서, 발광 모듈(600, 620, 630, 640, 650, 660)의 실시형태들의 다른 개략적으로 묘사된 크로스 컷들이 제시된다. 발광 모듈들(600, 620, 630, 640, 650, 660)은 발광 층(604, 622, 632, 642, 652, 662)과 기저부 사이에 벽들을 갖지 않지만, 그들은 그 에지가 광 반사성 표면 또는 기저부(610,664)에 접하는 발광 층(604, 622, 632, 642, 652, 662)을 갖는다. 발광 층(604, 622, 632, 642, 652, 662)은 전체로서 발광 모듈들(600, 620, 630, 640, 650, 660)의 전체 광 출사 창을 형성한다. 발광 모듈들(600, 620, 630, 640, 650, 660)은 기저부(610,664)에 대한 법선 축과 실질적으로 평행한 방향으로 광을 방출할 뿐만 아니라, 기저부의 법선 축에 대하여 다양한 광 방출 각도들로 광을 방출한다. 발광 모듈(620)의 개략적 단면인 도 6의 (ii)에, 발광 층(622)의 에지(624)가 도시된다. 보이는 것처럼, 에지(624)는 기저부(610)의 광 반사성 표면과 접촉하고, 발광 층(622)은 기저부의 표면상에 연장할 수 있다.
도 6의 (i)에 묘사된 발광 모듈(600)은 기저부(610)를 포함하며, 그 위에 LED들(606)을 갖는 기판들(608)이 제공된다. 기판들(608) 및 LED들(606)은 광 반사성 표면을 형성하는 광 반사성 재료(612)로 둘러싸인다. LED들(606)의 발광 상부 표면들은 발광 층(604)과 또한 접촉하는 투명 재료(602)에 광학적으로 결합된다. 발광 모듈들(620, 630, 640)은 또 다른 형상의 발광 층들(622, 632, 642)을 가지며, 각각 도 6의 (ii), (iii) 및 (iv)에 묘사된다.
도 6의 (v)에 묘사된 발광 모듈(650)이 기저부(610)를 가지며, 그 위에 단일 칩 스케일 패키지된 LED(656)가 제공된다. 종종 칩 스케일 패키지된 LED(656)에 대해 약어 CSP-LED가 사용된다 - 그러한 칩 스케일 패키지된 LED(656)는 이전 실시형태들에 도시된 바와 같은 여분의 기판을 포함하지 않는다. LED(656) 주변에, 발광 층(652) 쪽으로 향하는 광 반사성 표면을 생성하는 광 반사성 재료(612)가 도포된다. LED(656)와 광 반사성 재료(612)의 상부 상에는, 발광 층(652)이 위에 배치된 투명 재료의 돔(654)이 배치된다. 반경(r)은 LED(656)와 발광 층(652) 사이의 거리이다. 거리(h)의 정의는 이 경우에 반경(r)으로 대체된다.
도 6의 (vi)에 묘사된 발광 모듈(660)은 투명 재료의 돔이 아니라 박스 형상의 투명 재료(663)를 포함한다. 또한, 기저부(664)는 광 반사성 재료로 이루어지고, 이로써 발광 층(662) 쪽으로 향하는 기저부(664)의 표면상에 추가 광 반사성 재료 층이 제공되지 않는다. 다른 형상들 및 조합들도 또한 생각될 수 있다.
개략적으로 도시된 발광 모듈들(500, 520, 530, 540, 550, 560, 600, 620, 630, 640, 650,660)은 (순환적으로) 대칭일 수 있지만, 또한 묘사된 단면의 평면을 벗어나서는 비대칭일 수 있다. 예를 들어, 모듈은 가늘고 긴(elongated), 튜브, 로드 또는 원통 같은 형상을 형성하는 것과 같이, 종이의 평면에 대한 깊이 방향으로 가늘고 길 수 있다. 복수의 방출기들은 깊이 방향으로 방출기 어레이를 형성할 수 있다. 그러한 형상은 예를 들어 LED 가로등 또는 LED 개량 TL 램프에 사용될 수 있다. 원칙적으로 수십 내지 수백 개의 LED들의 LED 방출기 어레이들이 사용될 수 있다. 관련 응용에서 요구된 광 출력에 일치하도록 상이한 양의 방출기들이 존재할 수 있다.
도 7a에는, 가요성 기저부 포일(712) 상에 제조된 발광 모듈(700)이 도시된다. 전극 접속 패드들(미도시)을 구비한 작은 기판(708) 상에 제공된 고체 광 방출기들(706)이 가요성 기저부 포일(712) 상에 제공되고, 기판들(708) 사이에 있는 영역은 광 반사성 재료(710)로 채워진다. 광 방출기들(706)은 가요성 투명 재료(704)의 층에 광학적으로 결합된다. 가요성 광 투과 재료(704)의 상부 상에, 적어도 하나의 발광 재료를 포함하는 발광 층(702)이 제공된다. 가요성 광 투과 재료(704)의 전체 표면이 발광 층(702)에 의해 덮일 필요는 없고, 예를 들어 표면의 일부가 상부 반사기로 차단될 수 있다. 도 7a에 나타낸 바와 같이, 발광 모듈(700)은 복수의 고체 광 방출기들(706)을 포함한다. 일 실시형태에서, 비교적 큰 광 출사 창을 획득하기 위해 고체 방출기들의 비교적 큰 2차원 어레이가 제공된다. 이전 실시형태에 따라, 고체 광 방출기(706)와 발광 층(702) 사이의 거리는 고체 광 방출기들(706)의 상부 표면들의 최장 선형 크기에 의존하는 범위에 있어야 하고, 기판들(708)과 광 반사성 재료(710)의 조합에 의해 형성된, 기저부(712)의 광 반사성 표면의 평균 반사율은 고체 광 방출기(706)의 반사율보다 실질적으로 커야만 한다. 또한, 고체 광 방출기들은 광 반사성 재료(710)에 의해 형성된 광 반사성 표면과 기판들(708)의 비교적 작은 부분만을 덮어야 한다. 광 반사성 표면의 반사 계수(Rbase)는 전체 광 반사성 표면의 평균 반사율로서 정의됨을 주목해야 한다. 따라서, 반사 계수(Rbase)는 기판들의 반사 계수와 광 반사성 재료의 반사 계수 간의 가중 평균이며, 바람직하게는 가중치들(weights)은 특정 재료에 의해 덮이는 전체 면적의 일부에 의해 형성된다.
도 7b에서, 가요성 발광 모듈(750)의 또 다른 실시형태가 제시된다. 발광 모듈(750)은 발광 모듈(700)과 유사하지만, 기저부는, 투명 재료(704)의 측부에 도포되는 광 반사성 포일(754)로만 존재한다. 광 반사성 포일(754)이 도포되는 측과 대향하는 가요성 투명 재료(704)의 또 다른 측 상에, 발광 층(702)이 배치된다. 투명 재료 와이어들 내에는, 고체 광 방출기들(706)이 위에 제공된 기판들(708)을 지지하는 바(bar)들 또는 로드들(752)이 제공된다. 와이어들, 바들 또는 로드들(752)은 고체 광 방출기들(706)에 전력을 제공한다. 고체 광 방출기들의 상부 표면으로부터 발광 층(702)까지의 거리는 h로 나타낸다. 거리(h)는 바람직하게는, 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)가 0.1 미만인 경우에, 고체 광 방출기들(706)의 상부 표면들의 최대 선형 크기(dSSL)의 0.3배 이상이고 고체 광 방출기들(706)의 상부 표면들의 최대 선형 크기(dSSL)의 5배 이하이다. 최소값이 0.1 이상이고 최대값이 0.25 이하인 범위에 있는 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL) 값에 대해, 거리(h)는 바람직하게는 고체 광 방출기들(706)의 상부 표면들의 최대 선형 크기(dSSL)의 0.15배 이상이고 고체 광 방출기들(706)의 상부 표면들의 최대 선형 크기(dSSL)의 3배 이하이다. 0.25 초과의 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL) 값에 대해, 거리(h)는 바람직하게는 고체 광 방출기들(706)의 상부 표면들의 최대 선형 크기(dSSL)의 0.1배 이상이고 고체 광 방출기들(706)의 상부 표면들의 최대 선형 크기(dSSL)의 2배 이하이다. 이 기준은 또한 발광 모듈(700)에도 적용됨을 주목해야 한다. 또한, 이전에 논의된 실시형태들에 따라, 광 반사성 포일(754)의 기저부 반사 계수(Rbase)는 고체 광 방출기들(706)의 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL)보다 크고, 바람직하게는 광 반사성 포일(754)의 기저부 반사 계수(Rbase)는 Rbase>R_SSL+c(1-R_SSL)에 따라 고체 광 방출기들(706)의 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL)와 관련되고, 상기에서, 이 경우에도 또한, 인자 c의 값은, 이 경우에 이전의 일부 실시형태들에 설명된 바와 같이 기저부의 반사성 면적만 포함하는 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)에 의존한다.
도 8a-8c는 본 발명에 따른 발광 모듈들의 실시형태들의 개략적 단면을 도시한다. 도 8a는, 예를 들어 알루미나 또는 질화 알루미늄을 포함하는 기판 캐리어(2020) 상에 LED 다이들(2030)을 포함하는 발광 모듈(2000)의 개략적 단면을 도시한다. 기판 캐리어(2020)는 전기적 콘택트들(2015), 예를 들어 납땜 콘택트들을 통해 인쇄 회로 기판(2010)의 콘택트 패드(contact pad)들에 전기적으로 접속된다. 인쇄 회로 기판(2010)은 유전체 절연층(미도시)에 의해 덮인 알루미늄 기저부를 포함하는 금속 코어 인쇄 회로 기판일 수 있다. 유전체 층 상에 전기 전도성 전극들 및 콘택트 패드들이 제공되고, 전극들은 납땜 마스크 보호층(미도시)에 의해 보호된다. LED 다이들(2030)은 투명 보호층(2035), 예를 들어 투명 실리콘층으로 덮인다. LED 다이들(2030), 기판 캐리어(2020) 및 투명 보호층(2035)을 포함하는 LED 패키지들 또는 디바이스들 사이에, 예를 들어 백색 TiO2 착색된 실리콘인 반사성 층(2040)이 제공된다. 캐비티는 인쇄 회로 기판(2010), 벽들(2050) 및 발광 층(2060)에 의해 정의된다. 벽들(2050)은 예를 들어 실리콘에 분배된(dispensed) TiO2를 포함하고, 발광 층(2060)은 예를 들어 인광체 재료를 포함한다. 투명 보호층(2035) 및 반사성 층(2040)상에, 투명 보호층(2035)과 충전 층(filling layer)(2055) 사이에 광학 접착(optical bonding)을 제공하는 예를 들어 실리콘을 포함하는 광학 접착층(2045)이 제공되며, 상기에서 충전 층(2055)은 예를 들어 유리를 포함하고, 광학 접착층(2045), 발광 층(2060) 및 벽들(2050) 사이의 캐비티를 실질적으로 채운다.
도 8b는 예를 들어 알루미나 또는 질화 알루미늄을 포함하는 기판 캐리어(2120) 상에 LED 다이들(2130)을 포함하는 발광 모듈(2100)의 개략적 단면을 도시한다. 기판 캐리어(2120)는 전기적 콘택트들(2115), 예를 들어 납땜 콘택트들을 통해 인쇄 회로 기판(2110)의 콘택트 패드들에 전기적으로 접속된다. 인쇄 회로 기판(2110)은 도 8a에 묘사된 발광 모듈(2000)과 관련하여 설명된 바와 같이 금속 코어 인쇄 회로 기판일 수 있다. LED 다이들(2130)은 투명 보호층(2135), 예를 들어 투명 실리콘층으로 덮인다. 각각의 LED 다이들(2130)의 투명 보호층(2135) 상에, 예를 들어 실리콘을 포함하는 광학 접착층(2145)이 제공된다. LED 다이들(2130), 기판 캐리어(2120) 및 투명 보호층(2135)을 포함하며 광학 접착층(2145)을 구비한 LED 패키지들 또는 디바이스들 사이에는, 예를 들어 백색 TiO2 착색된 실리콘과 같은 반사성 층(2140)이 제공된다. 캐비티는 인쇄 회로 기판(2110), 벽들(2150) 및 발광 층(2160)에 의해 정의된다. 벽들(2150)은 예를 들어 실리콘에 분배된 TiO2를 포함하고, 발광 층(2160)은 예를 들어 인광체 재료를 포함한다. 예를 들어 유리를 포함하는 충전 층(2155)이 광학 접착층(2145), 반사성 층(2140), 발광 층(2160) 및 벽들(2150) 사이의 캐비티를 실질적으로 채운다. 광학 접착층(2145)은 투명 보호층(2135)과 충전 층(2155) 사이에 광학 접착을 제공한다. 광학 접착층(2145)을 통해 충전 층(2155)에 LED 패키지들 또는 디바이스들을 접착한 후에, 예를 들어 언더필링(underfilling) 또는 오버몰딩(overmolding)을 통해 LED 패키지들 또는 디바이스들 사이에 반사성 층(2140)이 제공된다.
도 8c는, 예를 들어 알루미나 또는 질화 알루미늄을 포함하는 기판 캐리어(2320) 상에 LED 다이들(2330)을 포함하는 발광 모듈(2300)의 개략적 단면을 도시한다. 기판 캐리어(2320)는 전기적 콘택트들(2315), 예를 들어 납땜 콘택트를 통해 인쇄 회로 기판(2310)의 콘택트 패드들에 전기적으로 접속된다. 인쇄 회로 기판(2310)은 도 8a에 묘사된 발광 모듈(2000)과 관련하여 설명된 바와 같이 금속 코어 인쇄 회로 기판일 수 있다. LED 다이들(2330) 및 기판 캐리어들(2320)을 포함하는 LED 패키지들 또는 디바이스들 사이에는, 예를 들어 백색 TiO2 착색된 실리콘인 반사성 층(2340)이 제공된다. 캐비티는 인쇄 회로 기판(2310), 벽들(2350) 및 발광 층(2360)에 의해 정의된다. 벽들(2350)은 예를 들어 실리콘에 분배된 TiO2를 포함하고 발광 층(2360)은 예를 들어 인광체 재료를 포함한다. 반사성 층(2340)과 LED 디바이스들 또는 패키지들 상에, LED 패키지들 또는 디바이스들과 충전 층(2355) 사이에 광학 접착을 제공하는 예를 들어 실리콘을 포함하는 광학 접착층(2345)이 제공되며, 상기에서 충전 층(2355)은 예를 들어 유리를 포함하고, 광학 접착층(2345), 발광 층(2360) 및 벽들(2350) 사이의 캐비티를 실질적으로 채운다. LED 다이들(2330)이 투명 보호층이 아닌 광학 접착층(2345)으로 덮인다는 점에서, 이 발광 모듈(2300)은 도 8a에 묘사된 발광 모듈(2000)과 상이하다.
본 발명에 따라 여러 실시형태들이 제조되었다. 제1 실험에서, 1800 루멘의 광선속(luminous flux)으로 다이들의 상부 바로 위에 인광체를 갖는 16개의 LED들을 포함하는 필립스 포티모 SLM 발광 모듈이 참조로서 사용되었다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 모듈들은 LED들로부터 2.1 mm의 거리에 LumiramicTM 인광체 층을 구비하고 22 mm의 캐비티 직경을 갖는 고 반사성 혼합 챔버에 16개의 청색 발광 LED들을 포함하였다. 640 mA에서, 벽 플러그 효율(Wall Plug Efficiency; WPE)은 30%와 50% 사이의 범위의 인자로 향상되었다. 벽 플러그 효율은 전기 전력이 광학 전력(단위:와트)으로 변환되는 에너지 변환 효율이고, 입력 전기 전력에 대한 방사속(radiant flux)(즉, 단위 시간당 방사 에너지이며, 방사 전력(radiant power)으로도 지칭됨)의 비로도 정의된다. 도 9는 16개의 LED들을 갖는 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 모듈들 중 하나에 대해, 가변 전류 레벨들에서 수행된 측정 결과들을 도시한다. 수평 x축은 전류 레벨을 나타내고 수직 y축은, LED들 바로 위에 인광체를 갖는 16개의 LED들을 구비하는 참조 발광 모듈의 방사속에 대한, 16개의 LED들을 갖는 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 모듈들 중 하나의 방사속의 이득 또는 향상을 나타낸다. 도 9는 전류가 증가할 경우 참조 발광 모듈에 대한 방사속의 향상이 증가함을 도시하며, 이는 참조 발광 모듈에 대한 인광체 층의 향상된 광-열 성능에 기여할 수 있다.
또 다른 실험에서, LED들로부터 2.1 mm의 거리에 LumiramicTM 인광체 층을 각각 가지며, 상부 표면 면적이 각각 1 mm2인 9개의 LED들을 포함하고 상부 표면 면적이 각각 2 mm2인 4개의 LED들을 포함하는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 모듈들을 제조하였다. 방사속의 측정들은, 상부 바로 위에 인광체를 구비하는 16개의 LED들을 갖는 참조 발광 모듈에 대해 방사속이 20%와 40% 사이의 범위로 향상됨을 도시하였다.
도 10a-c는 또 다른 비교 실험의 개략적 단면들을 도시한다. 도 10a는 기저부 기판(851)상에 배치되고 상부 바로 위에 발광 층(853)을 구비한 4개의 LED들(852)(하나의 LED는 미도시)을 포함하는 제1 참조 발광 모듈(850)의 개략적 단면을 도시한다. 각각의 LED는 돔 형상의 광학 요소(854)로 덮인다. 도 10b는 LED들의 사이의 기저부 기판(851)상에 도포된 반사성 층(855) 때문에 제1 참조 발광 모듈과 상이한 제2 참조 발광 모듈(860)의 개략적 단면을 도시한다. 도 10c는 반사성 층(875)으로 덮인 기저부 기판(871)상에 4개의 LED들(872)(하나의 LED는 미도시)을 포함하는 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 모듈(870)의 개략적 단면을 도시한다. LED들은 LED들(872)의 상부 표면으로부터 2.1 mm의 거리에서 발광 층(873)으로 덮인 캐비티(874) 내에 배치된다. 방사속의 측정들은 제2 참조 발광 모듈(860)의 방사속이 제1 참조 발광 모듈(850)의 방사속에 대해 대략 4%(700 mA에서 측정) 향상됨을 도시하고, 이는 주로 제2 참조 발광 모듈(860)에서의 추가 반사성 층(855)으로 인한 것이다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 모듈(870)의 방사속은 제1 참조 발광 모듈(850)의 방사속에 대해 대략 25%(700 mA에서 측정) 향상된 것으로 측정된다.
도 11, 12, 13 및 14는 본 발명에 따른 발광 모듈의 시뮬레이션들의 결과들을 나타내는 그래프들을 도시한다. 광선 추적 소프트웨어 패키지를 이용하여, 본 발명에 따른 발광 모듈들에 대한 광학적 모델을 구축하였다. 모델은 각각 1x1 mm2의 상부 표면을 갖는 다이들을 구비한 7개의 청색 발광 LED들을 포함한다. 따라서, 이들 LED들의 상부 표면들의 최대 선형 크기(dSSL)는 약 1.4 mm이다. LED 다이들은 제1 및 제2 스펙트럼 범위에 걸친 가중 평균이 약 70%인 확산 반사율을 갖고, 이는 통상적인 조면화된(surface roughened) GaN 종류의 LED 다이에 상응한다. 캐비티는 가변 직경을 갖는 원형을 갖는다. LED들은 고 반사성 기판상에 균일하게 분포되고, 캐비티를 형성하는 고 반사성 벽들로 둘러싸인다. 캐비티의 광 출사 창은 세라믹 인광체를 포함하는 발광 층, 및 실리콘 내의 또 다른 인광체 입자들을 갖는 추가 코팅층에 의해 덮인다. 광 출사 창을 통해 발광 모듈에 의해 방출된 광은 온백색 컬러 점을 갖는다.
광학 시뮬레이션은, 확산 반사성 또는 정반사성 중 어느 하나인 벽들 및/또는 기저부, 또는 이들의 조합들이 발광 모듈의 성능에 대해 수 퍼센트 정도의 작은 영향을 미침을 도시한다. 이 영향은 무엇보다도 캐비티의 기하학적 구조 및 면적비에 의존한다.
도 11은 고체 방출기 면적 비의 여러 값들에 있어서 광학 효율에 대한 인자 c의 영향을 도시한다. 도 11에서, 수직 y축은 혼합 캐비티(mixing cavity)를 나가는 백색 방사의 선속(Wwhite)(단위: 와트)과 제1 스펙트럼 범위, 통상적으로 청색 스펙트럼 범위에서 고체 광 방출기들에 의해 방출된 전체 청색 선속(Wblue)(단위: 와트)의 비에 의해 표현되는 광학 성능의 효율의 최적 값을 나타낸다. 광학 효율의 최적 값은 고체 광 방출기 상부 표면과 발광 층 사이의 거리(h)를 변경함으로써 결정된다. 수평 x축은 식 Reff>R_SSL+c*(1-R_SSL)로부터의 인자 c를 나타낸다. 곡선 801은, 이 경우에 0.01과 0.02 사이에서 변화하는, 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)의 비교적 낮은 값들의 범위를 나타내고, 곡선 802는, 이 경우에 0.19와 0.28 사이에서 변화하는, 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)의 중간값 범위를 나타내고, 곡선 803은, 이 경우에 0.39와 0.68 사이에서 변화하는, 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)의 비교적 높은 값들의 범위를 나타낸다. LED들의 상부 바로 위에 발광 층을 구비하는 참조 발광 모듈은 약 0.5의 광학 효율을 나타내고, 따라서 참조 발광 모듈에 대한 효율 향상은 이 경우에 0.5 초과의 광학 효율 값으로 달성된다. 도 11은, 인자 c가, 비교적 낮은 값 범위의 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)에서 0.5 초과의 광학 효율을 갖기 위해 약 0.2 초과이어야 하고, 중간값 범위의 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)에서 0.5 초과의 광학 효율을 갖기 위해 약 0.3 초과이어야 하고, 비교적 높은 값 범위의 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)에서 0.5 초과의 광학 효율을 갖기 위해 약 0.4 초과이어야 함을 도시한다. 각 범위들의 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)에서 더 큰 값의 인자 c에 대해 훨씬 더 우수한 광학 효율 값에 도달할 수 있다.
도 12는 캐비티 벽들의 반사 계수(Rwall)에 대한, 그래프에서 Hopt로 나타낸 최적 거리(h)의 의존성을 도시한다. 최적 거리(Hopt)는 발광 모듈의 광학 효율이 최적인, 예를 들어 국소 최대값을 갖는, 고체 광 방출기의 상부 표면과 발광 층 사이의 거리(h)이다. 도 12에서, 수직 y축은 최적 거리(Hopt)와 LED의 최대 선형 크기(dSSL)의 비율을 나타내고, 수평 x축은 캐비티 벽들의 반사 계수(Rwall)를 %로 나타낸다. 이 경우에, 각각의 곡선(811,812,813)이 LED 상부 표면과 발광 층 사이의 가변 거리(h), 따라서 벽들의 가변 높이를 나타내므로, 기저부 및 벽들에 대한 LED 면적 비(ρSSL)는 각 곡선들에 대해 변화하고, 따라서 벽들 및 기저부의 전체 반사성 면적에 대한 LED 면적 비(ρSSL)는 변화한다. 곡선 811에 있어서, 전체 LED 면적 비(ρSSL)는 0.01과 0.02 사이에서 변화하고, 곡선 812에 있어서, 전체 LED 면적 비(ρSSL)는 0.16과 0.22 사이에서 변화하고, 곡선 813에 있어서, 전체 LED 면적 비(ρSSL)는 0.28과 0.41 사이에서 변화한다. 이 경우에, 기저부의 반사 계수(R base)는 85%와 95% 사이의 범위이다. 발광 층과 LED들 사이의 최적 거리(Hopt)는 LED들 및 캐비티 벽들에서의 광 흡수 손실들의 균형에 의해 결정된다. LED 상부 표면과 발광 층 사이의 거리(h)가 비교적 작은 값들인 경우, LED들에 의해 방출된 광은 LED, LED 기판 및 LED의 기저부 반사기의 표면과 지배적으로 상호작용할 것이다. LED 상부 표면과 발광 층 사이의 거리(h)가 비교적 큰 값들인 경우, 벽들의 면적이 지배적이 될 것이고, 흡수 손실들은 벽들에 의해 지배될 것이다. 발광 층과 LED들 사이의 최적 거리(Hopt)는 벽들의 표면들의 반사 계수(Rwall) 및 LED 면적 비 파라미터(ρSSL)에 대부분 의존한다. 비교적 낮은 LED 면적 비(ρSSL), 및 예를 들어 80% 내지 90%의 범위인 통상적인 벽 반사 계수(Rwall) 값들에 대해 평균적으로, 최적 거리(Hopt)는 LED의 최대 선형 크기(dSSL)의 대략 절반이다. 예를 들어 95% 위까지 벽 반사 계수(Rwall) 값을 증가시키면 LED들과 발광 층 사이의 최적 거리(Hopt)의 증가를 초래한다. LED 면적 비(ρSSL)를 증가시키면 최적 거리(Hopt)의 감소를 초래한다. Rwall<95%이고, 0<ρSSL<0.1에 대해 0.3*dSSL≤h≤0.75*dSSL, 0.1≤ρSSL≤0.25에 대해 0.15*dSSL≤h≤0.3*dSSL 및 ρSSL>0.25에 대해 0.1*dSSL≤h≤0.2*dSSL인 경우에 비교적 효율적인 발광 모듈이 제공됨을 확인하였다. 또한, Rwall≥95%인 경우에, 발광 모듈이 하기 기준들: 0<ρSSL<0.1에 대해 0.75*dSSL≤h≤2*dSSL, 0.1≤ρSSL≤0.25에 대해 0.3*dSSL≤h≤0.7*dSSL, 및 ρSSL>0.25에 대해 0.2*dSSL≤h≤0.5*dSSL을 충족할 경우 비교적 효율적인 발광 모듈이 제공됨을 확인하였다. 도 12의 결과들은 기저부에 직교하는 벽들 및 균일한 LED 배치를 갖는 캐비티들만을 고려한다. 기울어진 벽들 및/또는 비균일 LED 배치의 경우, LED들과 발광 층 사이의 최적 거리가 증가할 수 있다.
도 13은 기저부 및 벽 반사 계수들의 여러 조합들에 있어서, 광학 효율에 대한 전체 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)의 영향을 도시한다. 도 13에서, 수직 y축은 혼합 캐비티를 나가는 백색 방사의 선속(Wwhite)(단위: 와트)과 제1 스펙트럼 범위, 통상적으로 청색 스펙트럼 범위에서 고체 광 방출기들에 의해 방출된 전체 청색 선속(Wblue)(단위: 와트)의 비에 의해 표현된 광학 성능의 효율의 최적 값을 나타낸다. 광학 효율의 최적 값은 고체 광 방출기 상부 표면과 발광 층 사이의 거리(h)를 변화시킴으로써 결정된다. 수평 x축은 기저부 및 벽 면적에 대한 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)를 나타낸다. 총 6개의 곡선들(821, 822, 823, 824, 825, 826)은 2개의 상이한 기저부 반사 계수(Rbase) 값 및 3개의 상이한 캐비티 벽들의 반사 계수(Rwall) 값에 대해 도시된다. 곡선 821은 Rbase=80% 및 Rwall=90%를 나타내고, 곡선 822은 Rbase=80% 및 Rwall=98%를 나타내고, 곡선 823은 Rbase=90% 및 Rwall=90%를 나타내고, 곡선 824은 Rbase=90% 및 Rwall=98%를 나타내며, 곡선 825은 Rbase=98% 및 Rwall=90%를 나타내고, 곡선 826은 Rbase=98% 및 Rwall=98%를 나타낸다. 도 13은 광 혼합 캐비티의 광학 효율의 최적 값과 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL) 사이에 반비례 관계가 존재함을 도시한다. 도 13은 세 범위의 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL) 값들이 비교적 낮은 범위, 중간 범위, 및 비교적 높은 범위의 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL) 값들로 구분될 수 있음을 추가로 도시한다. 비교적 낮은 값의 ρSSL에서, 예를 들어 ρSSL<0.1에서, 광학 효율 값에 대한 벽 반사 계수(Rwall) 값의 영향은 기저부 반사 계수(Rbase) 값의 영향에 비해 거의 무시할 만하며, 즉, 이와 같이 비교적 낮은 값 범위의 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)에서는, 기저부 반사 계수(Rbase) 값의 변화가 발광 모듈의 광학 효율에 영향을 미치고, 벽 반사 계수(Rwall)의 값의 변화는 무시할 만한 정도로 광학 효율에 영향을 미친다. 비교적 높은 값의 ρSSL에서, 예를 들어 ρSSL>0.25이면, 광학 효율 값에 대한 벽들의 반사 계수(Rwall)의 값의 영향은 기저부의 반사 계수(Rbase)의 영향과 비슷하며, 즉, 이와 같이 높은 값 범위의 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)에서는, 기저부 반사 계수(Rbase)의 값의 변화는 발광 모듈의 광학 효율에 대해 벽 반사 계수(Rwall) 값의 변화만큼 비슷한 영향을 미친다. 중간값의 ρSSL에서, 예를 들어 0.1≤ρSSL≤0.25에 대해, 광학 효율 값에 대한 기저부 반사 계수(Rbase)의 영향은, 이 범위에서 무시하지 못할, 벽들의 반사 계수(Rwall) 값의 영향보다 더 크며, 즉, 이러한 중간값 범위의 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)에서는, 기저부 반사 계수(Rbase) 값의 변화는 발광 모듈의 광학 효율에 영향을 미치고, 벽 반사 계수(Rwall) 값의 변화 또한 광학 효율에 영향을 미치지만, 더 적은 정도로 영향을 미친다.
도 14는 본 발명의 일 양태에 따른 기저부 및 벽들의 유효 반사 계수(Reff)의 함수로서, 광학 효율에서의 이득이 달성되는 최대 가능 고체 광 방출기 면적 비의 의존성을 도시한다. 도 14에서 수직 y축은, 고체 광 방출기 상부 바로 위에 발광 층이 배치된 발광 모듈에 대해 향상된 광학 효율이 달성되는, ρSSL , MAX로 나타낸, 최대 가능 고체 광 방출기 면적 비를 나타낸다. 수평 x축은 캐비티 기저부 및 벽들 표면들의 유효 반사 계수(Reff)를 나타낸다. 데이터 포인트들(831)의 집합은, 고체 광 방출기의 최대 선형 크기(dSSL)의 0.35배인 고체 광 방출기 표면과 발광 층 사이의 거리(h)를 나타내고, 데이터 포인트들(832)의 집합은 고체 광 방출기의 최대 선형 크기(dSSL)의 1.04배인 거리(h)를 나타내고, 데이터 포인트들(833)의 집합은 고체 광 방출기의 최대 선형 크기(dSSL)의 1.73배인 거리(h)를 나타낸다. 결과들에 의해, 발광 층이 고체 광 방출기들 바로 위에 배치된 동일 개수의 고체 광 방출기들에 비해 비교적 우수한 성능 및 비교적 큰 광 재활용 효율을 여전히 가능하게 하는 특정 거리(h)에서 최대 가능 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL , MAX)를 예측하는 것이 가능하다. 도 14로부터, 발광 층이 고체 광 방출기들 바로 위에 배치된 참조 상태(reference situation)에 비해 향상된 광학 효율을 여전히 달성하면서, 더 큰 값의 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL,MAX)에 대해 더 큰 값의 유효 반사 계수(Reff)가 가능하다(고체 광 방출기 상부 표면과 발광 층 사이의 거리(h)에 따라)는 결론을 내릴 수 있다. 고체 광 방출기와 발광 층 사이의 거리(h)를 증가시키면, 발광 층이 고체 광 방출기들 바로 위에 배치된 참조 상태에 비해 향상된 광학 효율을 여전히 제공하는 유사한 값의 유효 반사 계수(Reff)에서 최대 허용된 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL,MAX)가 감소한다.
도 15는 기저부에 직교하는 벽들 및 기울어진 벽들을 갖는 캐비티를 구비하는, 본 발명에 따른 발광 모듈에 대한 광학 모델링 결과의 비교를 도시한다. 결과들은 각각 2 mm2의 다이 면적을 갖는 4개의 LED들에 대한 광학적 시뮬레이션 모델링으로부터 획득되었다. 발광 층의 직경은 6.5 mm이고 기저부 면적만에 대한 LED 면적 비(ρSSL)는 직교 및 기울어진 벽들에 대해 각각 0.241 및 0.298이다. 또한, 이 경우에, 기저부 및 벽들에 대한 LED 면적 비(ρSSL)는 LED와 발광 층 사이의 거리(h)의 함수로서 변화한다. 기울어진 벽들의 반사성 표면과 기저부의 반사성 표면 사이의 각도는 이 경우에 5 내지 33도의 범위이다. 도 15에서, 수직 y축은 혼합 캐비티를 나가는 백색 방사의 선속(Wwhite)(단위: 와트)과 청색 스펙트럼 범위에서 고체 광 방출기들에 의해 방출된 전체 청색 선속(Wblue)(단위: 와트)의 비로서 표현된 광학 성능의 효율을 나타내고, 수평 x축은 LED 상부 표면과 발광 층 사이의 거리(h)를 밀리미터 단위로 나타낸다. 곡선 841은 수직 벽들을 갖는 발광 모듈을 나타내고, 곡선 840은 경사지거나 기울어진 벽들을 갖는 발광 모듈을 나타낸다. LED 면적 비(ρSSL)가 중간값 범위인 이러한 실시형태에 있어서, 벽들을 기울어지게 함으로써 비교적 큰 광학 효율이 달성될 수 있음이 명백하다. 이 경우에, 광학 효율의 최적 값은 기울어진 및 직교 벽들에 대해 각각 대략 1.1 mm 및 0.75 mm인, LED 상부 표면과 발광 층 사이의 거리(h)에서 달성되며, 이 거리에서 기저부 및 벽들에 대한 LED 면적 비(ρSSL)는 수직 벽들(straight walls)을 갖는 발광 모듈에 대해 0.18이고, 경사지거나 기울어진 벽들을 갖는 발광 모듈에 대해 0.21이다. 중간 LED 면적 비(ρSSL)를 갖는 발광 모듈들에 있어서, 벽들로부터 반사된 상당한 광량이 열악한 반사성의 LED 영역 상에 충돌할 수 있다. 벽들의 기울어짐은 발광 층을 포함하는 출사 창 쪽으로 광을 더 효율적으로 재인도(re-direction)함으로써 상태를 향상시키고, 이는 비교적 큰 Wwhite/Wblue 값들을 초래하여, 향상된 광학 효율을 초래한다. 이 효과는 비교적 큰 값들의 LED 면적 비(ρSSL)에 대해 더 현저하게 된다. 비교적 작은 값들의 LED 면적 비(ρSSL)에 있어서, 벽들은 LED들로부터 더 멀어지고 벽들의 기울어짐은 광학 효율에 대한 비교적 작은 효과를 가질 것이다.
제조 관점에서, 백색 반사성 재료로 LED 패키지들 사이의 공간을 채우지 않고, 고 반사성 PCB 보드 상에 LED 다이들이 배치될 수 있다. 이 경우에, 기저부의 반사성 표면은 LED 다이들의 표면보다 상당히 더 낮은 레벨 상에 배치될 수 있다. 발광 층의 최적 위치에 대한, LED의 상부 표면과 발광 층 간의 거리(h), 및 h2로 나타낸, 반사성 기저부 표면과 발광 층 간의 거리의 영향을, 하나의 LED를 갖는 본 발명에 따른 발광 모듈의 광선 추적 모델링(optical ray-trace modeling)으로 조사하였다. 도 16a는 기저부(906), 고체 광 방출기(908), 예를 들어 LED, 및 LED(908)의 상부 표면(903)보다 발광 층(902)으로부터 더 이동된, 즉, h2>h인 반사성 기저부 표면(901)을 갖는 제1 발광 모듈(900)의 단면을 도시한다. 도 16b는 반사성 기저부 표면(901)이 LED의 상부 표면(903)보다 발광 층(902)에 더 가까운, 즉 h2<h인 제2 발광 모듈(910)의 단면을 도시한다. 후자의 경우, 반사성 기저부의 중심에는 예를 들어 45도의 각도를 갖는 원추형 개구부 또는 오목부가 존재한다.
도 16c는, 수직 y축이, 혼합 캐비티를 나가는 백색 방사의 선속(Wwhite)(단위: 와트) 및 제1 청색 스펙트럼 범위에서 고체 광 방출기(908)에 의해 방출된 전체 청색 선속(Wblue)(단위: 와트)의 비로서 표현된 광학 성능의 효율을 나타내고, 수평 x축이 발광 층(902)과 고체 광 방출기(908)의 상부 표면(903) 간의 거리(h)를 나타내는 시뮬레이션 결과들을 도시한다. 도 16c는 반사성 기저부 표면(901)과 발광 층(902) 간의 거리(h2)와 LED 상부 표면(903)과 발광 층(902) 간의 거리(h) 사이의 차에 대해 각각 상이한 값을 나타내는 7개의 곡선들(951, 952, 953, 954, 955, 956, 957)을 도시한다. 곡선 951, 952 및 953은 반사성 기저부 표면(901)이 LED 상부 표면(903)보다 발광 층(902)으로부터 더 떨어져 있는, 즉 h2>h인 제1 발광 모듈(900)의 변형들을 나타내고, 곡선 951은 h2=h+1.5 mm을 나타내고, 곡선 952는 h2=h+1.0 mm를 나타내고, 곡선 953은 h2=h+0.5 mm를 나타낸다. 곡선 954는 반사성 기저부 표면(901)과 발광 층(902) 간의 거리(h2)가 LED 상부 표면(903)과 발광 층(902) 간의 거리(h)와 동일한 상태, 즉 h2=h를 나타낸다. 곡선 955, 956 및 957은 반사성 기저부 표면(901)이 LED 상부 표면(903)보다 발광 층(902)에 더 가까운, 즉 h2<h인 제2 발광 모듈(910)의 변형들을 나타내며, 곡선 955는 h2=h-0.5 mm를 나타내고, 곡선 956는 h2=h-1.0 mm를 나타내고, 곡선 957는 h2=h-1.5 mm를 나타낸다. 도 16c의 곡선들로부터, 반사성 기저부 표면(901)이 LED의 상부 표면(903)보다 발광 층(902)에 더 가까운, 즉 h2<h인 LED 디바이스(910)에 있어서, 광학 효율이 최적 값, 예를 들어 국소 최대값을 갖는 거리(h)의 값인, LED 상부 표면(903)과 발광 층(902) 간의 거리(h)의 최적 값은 반사성 기저부 표면(901)과 발광 층(902) 간의 거리(h2)에 거의 독립적이라는 결론을 내릴 수 있다. 따라서, 고체 광 방출기의 상부 표면과 발광 층 간의 거리(h)를 위한 기준들은, 상기에 정의된 바와 같이, 이 제1 발광 모듈(900)에 대해서도 적용될 수 있다. 반사성 기저부 표면(901)이 LED의 상부 표면(903)보다 발광 층(902)에 더 가까운 경우, 예를 들어 LED가 반사성 기저부의 오목부에 배치되는 경우, 즉 h>h2인 경우에, 효율이 최적 값을 갖는 거리(h)는 반사성 기저부 표면(901) 및 LED 표면(903)이 발광 층(902)에 대해 동일한 거리를 갖는 상태에 비해 더 크다. 반사성 기저부 표면(901)이 LED의 상부 표면(903)보다 발광 층(902)에 더 가까운, 즉 h2<h인 제2 발광 모듈(910)에 있어서, 거리에 대한 기준들은: ρSSL<0.1에 대해 0.4*d+△h/2<h<5*d+△h/2, 0.1≤ρSSL≤0.25에 대해 0.15*d+△h/2<h<3*d+△h/2, 및 ρSSL>0.25에 대해 0.1*d+△h/2<h<2*d+△h/2로 변화하며, 상기에서, △h는 반사성 기저부 표면(901)과 LED 상부 표면(903) 간의 거리의 절대값, 즉 △h=｜h2-h｜이다.
기저부상의 복수의 고체 광 방출기의 상대적 위치지정(positioning) 또는 배치는 또 다른 설계 파라미터이다. 캐비티에서의 고체 광 방출기들의 배치는 발광 층을 포함하는 캐비티의 출사 창에서의 광학 선속(optical flux)의 분포 및 균일성에 영향을 미칠 수 있다. 열 핫 스폿들(thermal hot spots)을 야기할 수 있는 광학 핫 스폿들(optical hot spots)을 방지하는 것이 바람직하다. 이는, 예를 들어, 비교적 긴 거리로 인해 및/또는 일부 실시형태들에서, 캐비티 벽들의 비교적 높은 열 전도율에 비해 캐비티를 채우는 광학 재료의 비교적 낮은 열 전도율로 인해, 발광 층에서의 열 부하가 PCB 보드 및 히트 싱크로 전달되기가 더 어려운 캐비티의 중심에서 특히 중요하다.
효율에 대한, 그리고 LED들과 발광 층 간의 최적 거리에 대한 캐비티 내부의 상이한 LED 분포들의 영향은 본 발명에 따른 발광 모듈의 광선 추적 모델링으로 조사된다. 도 17a는 하나의 LED(984)가 기저부(982)의 중심에 배치되고 6개의 다른 LED(983)가 중심으로부터 등거리이고 서로에 대해 등거리인, 배치 반경(rpl)을 갖는 가상 원상에 배치된, 벽(981) 및 기저부 표면(982)을 구비하는 발광 모듈(980)의 개략적 평면도를 도시한다. 이 경우에, 발광 모듈(980)은 각각 1x1 mm2의 면적을 갖는 7개의 LED들을 포함한다. 각각 7.46 mm, 3.05 mm 및 2.36 mm인 3개의 상이한 기저부 반경(rbase) 값들에 대하여 계산을 수행한다. LED 상부 표면과 발광 층 간의 거리는 변경되어, 벽들의 상이한 높이 값들 및 따라서 벽의 상이한 면적들을 초래한다. 따라서, 기저부 및 벽들에 대한 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL) 값은, rbase가 7.46 mm인 경우에, 0.02와 0.04 사이의 범위이고, rbase가 3.05 mm인 경우에, 0.09와 0.22 사이의 범위이고, rbase가 2.36 mm인 경우에, 0.13과 0.39 사이의 범위이다. 도 17b, 17c 및 17d는, 수직 y축은 혼합 캐비티를 나가는 백색 방사의 선속(Wwhite)(단위: 와트)과 청색 스펙트럼 범위에서 고체 광 방출기에 의해 방출된 전체 청색 선속(Wblue)(단위: 와트)의 비로서 표현된 광학 성능의 효율을 나타내고, 수평 x축은 발광 층과 LED 상부 표면 간의 거리(h)를 밀리미터 단위로 나타낸 광선 추적 시뮬레이션 결과들을 도시한다. 도 17b, 17c 및 17d에서의 상이한 곡선들은 상이한 값들의 배치 반경(rpl)을 나타낸다. 도 17b에서, 7.46 mm의 기저부 반경(rbase)에서의 결과들을 도시하고, 곡선 1101은 rpl=1.2 mm을 나타내고, 곡선 1102은 rpl=1.5 mm을 나타내고, 곡선 1103은 rpl=2.5 mm을 나타내고, 곡선 1104은 rpl=3.5 mm을 나타내고, 곡선 1105은 rpl=4.5 mm을 나타내고, 곡선 1106은 rpl=5.5 mm을 나타내고, 곡선 1107은 rpl=6.5 mm을 나타낸다. 도 17c에서, 3.05 mm의 기저부 반경(rbase)에서의 결과들을 도시하며, 곡선 1111은 rpl=1.2 mm을 나타내고, 곡선 1112은 rpl=1.4 mm을 나타내고, 곡선 1113은 rpl=1.8 mm을 나타내고, 곡선 1114은 rpl=2.2 mm을 나타낸다. 도 17d에서, 2.36 mm의 기저부 반경(rbase)에서의 결과들을 도시하며, 곡선 1121은 rpl=1.2 mm을 나타내고, 곡선 1122은 rpl=1.4 mm을 나타내고, 곡선 1123은 rpl=1.6 mm을 나타낸다.
도 17c 및 17d의 곡선들과 도 17b의 곡선들의 비교는, 광학 효율에 대한, 및 효율이 최적 값을 갖는, LED 상부 표면에서 발광 층까지의 최적 거리에 대한 상이한 LED 위치지정의 영향은 비교적 낮은 LED 면적 비(ρSSL)를 갖는 캐비티에 대해 더욱 현저함을 도시하며, 그 결과들은 도 17b에 도시된다. 도 17b는 외부 LED들이, 배치 반경(rpl)의 최저값 및 곡선 1101에 상응하는 중심에 비교적 가깝게 배치되고, 배치 반경(rpl)의 최대값 및 곡선 1107에 상응하는 벽들에 비교적 가깝게 배치되는, LED 배치의 두 가지 극단적인 경우를 추가로 도시한다. 두 극단의 경우들은 비교적 낮은 광학 효율 값을 초래한다.
LED들 사이의 공간이 LED들의 크기와 비슷하도록 LED들이 비교적 가깝게 함께 배치되는 경우, 각각의 LED들 주변의 기저부 표면의 반사율이 상당히 감소하고, 이 상태는 하나의 큰 LED 다이(멀티-다이 LED)의 모델로 근사될 수 있다. 이러한 멀티-다이 LED 상태에서, LED 상부 표면들과 발광 층 간의 최적 거리는 광의 효율적인 재활용을 달성하기 위해 증가되며, 이는 비교적 낮은 LED 면적 비(ρSSL)를 갖는 발광 모듈에서 명백하게 볼 수 있다(도 17b 참조). 이 효과는 중간 내지 높은 LED 면적 비(ρSSL)를 갖는 발광 모듈들에서는 덜 현저하다(도 17c 및 17d). 이러한 후자의 발광 모듈들에 있어서는, 광학 효율에 대한 LED 배치의 영향이 더 적으며, 즉, 중심에 더 가깝거나 캐비티 벽들에 더 가깝게 LED를 배치하는 것은 비교적 낮은 값의 LED 면적 비(ρSSL)를 갖는 발광 모듈들보다 광학 효율에 영향을 덜 미친다.
광학 효율을 이유로, 고체 광 방출기들을 서로 등거리로 및 벽들로부터 등거리로 배치하는 것이 바람직하다. 비균일 고체 광 방출기 배치는 핫 스폿들을 초래하고, 또한 고체 광 방출기들에서의 광 흡수 손실들을 증가시킨다. 비교적 높은 값의 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)는, 이 경우에도 LED의 위치를 변경하기 위한 발광 모듈 상의 물리적 공간이 더 적게 존재하므로, 고체 광 방출기들의 배치에 대한 광학 효율(Wwhite/Wblue)의 민감도를 감소시킨다. 가장 높은 광학 효율을 초래하는 거리에 상응하는, 고체 광 방출기 상부 표면과 발광 층 간의 최적 거리 값은 비교적 큰 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL) 값들에 있어서 일반적으로 더 낮다.
캐비티의 높은 효율 값들을 달성하기 위해, 캐비티 내부의 모든 표면들이 디바이스의 전체 스펙트럼 범위에 걸쳐 고 반사성인 것이 바람직하다. 이 목적을 위해, 벽 표면들뿐만 아니라 LED 패키지들과 LED 기판들 사이의 공간들 자체도, 예를 들어 백색 반사성 코팅, 예를 들어 TiO2로 채원진 실리콘으로 추가로 코팅된다. 실용적인 이유로, LED 패키지들 상에 반사성 코팅을 도포하는 단계는 어렵다. 따라서, 기저부 표면 외의 LED에 이웃하는 표면들의 반사율 계수는 사실상 비교적 낮다.
도 18은, 수직 y축이 혼합 캐비티를 나가는 백색 방사의 선속(Wwhite)(단위: 와트)과 청색 스펙트럼 범위에서 고체 광 방출기에 의해 방출된 전체 청색 선속(Wblue)(단위: 와트)의 비로서 표현된 광학 성능의 효율을 나타내고, 수평 x축은 발광 층과 LED 상부 표면 간의 거리(h)를 밀리미터 단위로 나타내는 광선 추적 시뮬레이션 결과들을 도시한다. 시뮬레이션들은 각각 다이 면적이 2 mm2인 4개의 LED들을 포함하고, 발광 층의 직경은 6.5 mm이다. 곡선 1152는 코팅되지 않은 LED 패키지를 나타내고, 곡선 1151은 반사성 층으로 코팅된 LED 패키지를 나타낸다. 도 18은 코팅되지 않은 LED 패키지들이 반사성 코팅을 갖는 LED 패키지들에 비해 다소 더 낮은 광학 효율을 갖지만, LED 표면에서 발광 층까지의 최적 거리(h)는 현저한 변화들이 관찰되지 않았음을 도시한다. 이러한 시뮬레이션 결과들은 코팅되지 않은 및 코팅된 LED 패키지들에 대한 실험에 의해 검증되었으며, 반사성 코팅을 갖는 LED 패키지가 코팅되지 않은 LED 패키지에 비해 광학 효율이 대략 7% 증가함을 도시하였다.
도 19a는 본 발명의 제2 양태에 따른 램프(1000)의 일 실시형태를 도시한다. 램프(1000)는 히트 싱크, 전력 구동기 및 전기적 접속들을 포함하는 램프 기저부(1006)에 접속된 개량 전구(1002)를 포함한다. 램프 기저부(1006)상에, 본 발명의 제1 양태에 따른 발광 모듈(1004)이 제공된다. 램프의 실시형태들은 종래 전구의 크기를 갖는 램프들로 제한되지는 않음을 주목해야 한다. 튜브와 같은 기타 형상들도 또한 가능하다. 스폿 램프들 또는 다운라이터와 같은 다른 램프 종류들이 또한 사용될 수 있다. 램프들은 또한 복수의 발광 모듈들을 포함할 수 있다.
도 19b는 램프(1020)의 또 다른 실시형태를 도시한다. 램프(1020)는 발광 모듈(1004)에 의해 방출된 광을 시준하기 위한 반사기(1022)를 포함하는 스폿 램프이다. 발광 모듈(1004)은 발광 모듈(1004)로부터 열을 멀리 전도하고 열을 램프(1020)의 주변에 제공하기 위해 히트 싱크(1024)에 열적 결합된다. 히트 싱크(1024)는 수동적으로 또는 능동적으로 냉각될 수 있다.
또 19c는 본 발명의 제3 양태에 따른 조명기구(1050)의 일 실시형태를 도시한다. 조명기구(1050)는 본 발명의 제1 양태에 따른 발광 모듈(1052)을 포함한다. 다른 실시형태들에서, 조명기구(1050)는 본 발명의 제2 양태에 따른 램프를 포함한다.
본 발명의 제2 양태에 따른 램프 및 본 발명의 제3 양태에 따른 조명기구는 도 1-18을 참조하여 설명된 본 발명의 제1 양태의 발광 모듈과 유사한 효과들을 갖는 유사한 실시형태들을 갖는다.
도 20은 본 발명에 따른 발광 모듈의 또 다른 실시형태를 제시한다. 발광 모듈(1300)은, 발광 모듈(520)과 유사하게, 기저부(518), 기판들(524) 상에 제공된 복수의 발광 다이오드(514), 발광 층(506), 반사성 벽들(522), 투명 재료(502), 및 광 반사성 입자들로 채워진 층(512)을 포함한다. 그러나, 발광 다이오드들(514)로부터 떨어져 마주보는 측의 발광 층(506)상에 공기 층(1301)과 편광 요소(1302)가 배치된다. 발광 모듈(1300)은, 사용시, 무엇보다도 도로 조명, 사무실 조명 및 소매점 조명에 이용될 수 있고 이러한 응용들에서 눈부심의 양을 감소시킬 수 있는 편광을 생성한다. 대안적으로, 이는 액정 디스플레이(LCD) 백라이팅 응용들에 사용될 수 있어서, 별도의 편광자가 더 이상 필요하지 않으므로 비용 수준을 감소시킨다. 발광 층(506)을 나가서 정확한 편광을 갖는 편광 요소(1302) 상에 충돌하는 광은 편광 요소를 통해 투과되는 반면, 부정확한 편광을 갖는 광은 발광 모듈(1300)의 발광 층(506) 및 캐비티로 후방 인도된다. 이 광은 발광 층(506)에서의 산란에 의해, 및/또는 반사성 벽들(522) 및/또는 광 반사성 입자들로 채워진 층(512)을 통한 캐비티 내부에서의 확산 반사에 의해 무작위로 편광되거나 탈편광(depolarize)될 것이고, 편광 요소(1302) 방향으로 다시 반사될 것이며, 정확한 편광을 갖는 광은 편광 요소(1302)를 통해 투과될 것이다. 투과되지 않은 광은 발광 층(506) 및 캐비티로 다시 후방 인도되며, 이러한 프로세스는 반복된다. 캐비티의 비교적 높은 광 재활용 효율로 인해, 발광 모듈(1300)은 비교적 효율적인 편광 소스이다. 발광 층(506)에서 생성된 열로 인한 편광 요소(1302)의 열 안정성을 향상시키기 위해 편광 요소(1302)는 공기 층(1301)에 의해 발광 층(506)으로부터 분리된다. 다른 실시형태에서, 편광 요소(1302)는, 예를 들어 발광 재료를 포함하는 세라믹 층상의 발광 층(506)과 직접 접촉한다. 편광 요소(1302)는 반사성 또는 산란성 편광자일 수 있다. 편광 요소(1302)는 예를 들어 3M사의 시판 Vikuity DBEF 포일인, 반사성 편광 포일일 수 있다. 대안적으로, 편광 요소(1302)는 예를 들어 Moxtek사에 의해 시판되는 고 반사성의 좁은 금속 라인들을 포함한다. 금속 라인들의 폭 및/또는 금속 라인들 간의 피치를 변경함으로써, 편광 대 광 투과의 양이 최적화될 수 있다.
도 21은 본 발명의 제4 양태에 따른 디스플레이 장치(1400)의 일 실시형태를 도시한다. 디스플레이 장치는 도 1 내지 18 및 도 20을 참조하여 설명된 본 발명에 따른 발광 모듈을 포함한다. 사용시, 발광 모듈은 LCD 디스플레이 장치용 백라이팅 유닛으로서 또는 백라이트 시스템의 도광 층(lightguide layer)에 편광을 주입하기 위한 광원 유닛으로서 작용할 수 있다. 발광 모듈은 비교적 효율적인 (편광) 광을 생성하므로, 디스플레이 장치(1400)의 비용 수준은 감소된다.
모든 적용가능한 실시형태들에서, 적어도 하나의 측 방향으로 광을 방출하는 고체 광 방출기가 캐비티에 제공될 수 있다. 측 방향 방출(sideward emission)은 통상적으로, 범용 고체 광 방출기의 상부 상에 2개의 추가 층들, 즉, 투명 재료 층 및 광 반사성 재료 층을 제공함으로써 획득된다. 고체 광 방출기인 LED는 종종 투명 사파이어 기판상에 제조된다. 제조 후, 대다수의 경우에, 사파이어층은 제거된다. 그러나, 사파이어가 제거되지 않거나 일부만 제거되는 경우, LED에 실질적으로 대향하는 사파이어층 표면에 광 반사성 코팅을 추가하면, 측 방향 방출 고체 광 방출기의 제조가 초래된다. 대안적으로, 한 피스의 유리 또는 사파이어를 LED에 부착할 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 하나 이상의 추가 고체 광 방출기(들)가 발광 모듈의 벽상에 제공될 수 있다. 그러한 경우에, 벽 표면의 반사성 영역은 발광 모듈의 벽 상에 제공된 고체 광 방출기(들)의 영역에 의해 보정되어야 한다.
일 실시형태에서, 발광 모듈은, 광 출사 창으로부터 떨어져 마주보는 부분 확산 반사성 층의 한 측 상에 존재할 수 있는 돔 형상 또는 렌즈 형상의 광학체를 추가로 포함한다. 대안적으로 또는 추가로, 확산 광 방출을 획득하고, 컬러 및 각도에 따른 컬러가 공간적으로 균일한 광 방출을 획득하고, 컬러 혼합된 광 방출을 획득하기 위한 확산기 층이, 적어도 하나의 고체 광 방출기로부터 떨어져 마주보는 부분 확산 반사성 층의 측면으로부터 떨어져서 제공된다.
모든 적용가능한 실시형태들에 있어서, 벽들 및 기저부는 하나의 동일한 재료로 제조되고 함께 접착될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 벽들 및 기저부는 상이한 재료들이다. 기저부는, 예를 들어 하나의 기저부를 복수의 이웃 발광 모듈들과 공유할 경우에, 예를 들어 기저부가 열 전도성 인쇄 회로 기판인 경우에, 묘사된 바와 같이, 벽들을 넘어 연장될 수 있음을 주목해야 한다.
본 발명은 통상적으로, 적어도 하나의 그러나 통상적으로 다수의 LED 패키지들을 포함하는 모듈 레벨, 예를 들어 PCB 보드 상에 적용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 또한 하나 또는 하나보다 많은 LED 다이들 또는 칩들을 포함하는 LED 패키지들 상에 사용될 수 있다. 또한, LED 다이들 또는 칩들은 LED 다이들이 중간 LED 패키지들 없이 (PCB) 보드에 직접 부착되는 소위 칩-온-보드 종류를 포함할 수 있다. 추가로, LED 다이(들)로부터 보드까지의 와이어 접착 접속들이 사용될 수 있다.
상술한 실시형태들은 본 발명을 제한하기보다는 예시하며, 당업자는 첨부된 청구항의 범위에서 벗어나지 않고 다수의 다른 실시형태들을 설계할 수 있을 것이라는 점에 주목해야 한다.
청구항에서, 괄호 사이에 배치된 임의의 참조 부호들이 청구항을 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 동사 "포함하다(comprise)" 및 그 활용형의 사용은 청구항에 기술된 것 이외의 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다. 요소에 선행하는 관사 "하나(a,an)"는 복수의 그러한 요소들의 존재를 배제하지 않는다. 본 발명은 여러 개의 개별 요소들을 포함하는 하드웨어 및 적절히 프로그래밍된 컴퓨터에 의해 구현될 수 있다. 여러 개의 수단들을 열거하는 장치 청구항에서, 여러 개의 이러한 수단들은 하나의 동일한 하드웨어 아이템에 의해 구현될 수 있다. 상호 상이한 종속 청구항들에서 특정 척도(measure)들이 인용되는 단순한 사실이, 이러한 척도들의 조합이 유리하게 사용될 수 없음을 나타내지 않는다.
Claims (26)
- 발광 모듈(100, 150, 300, 350)의 광 출사 창(light exit window; 104, 402)을 통해 광을 방출하기 위한 발광 모듈(100, 150, 300, 350)로서,
광 반사성 표면(112, 306, 354)을 포함하는 기저부(base; 110, 309, 358) - 상기 광 반사성 표면(112, 306, 354)은, 상기 기저부의 상기 광 반사성 표면(112, 306, 354)에 의해 반사되는 광량과 상기 기저부의 상기 광 반사성 표면(112, 306, 354) 상에 충돌하는 광량 사이의 비에 의해 정의되는 기저부 반사 계수(Rbase)를 가짐 -,
제1 컬러 범위(114)의 광을 방출하도록 구성된 적어도 하나의 고체 광 방출기(solid state light emitter; 108, 154, 156, 312, 360) - 상기 적어도 하나의 고체 광 방출기(108, 154, 156, 312, 360)는 상부 표면(106, 152, 158, 412)을 갖고, 상기 적어도 하나의 고체 광 방출기(108, 154, 156, 312, 360)에 의해 반사되는 광량과 상기 적어도 하나의 고체 광 방출기(108, 154, 156, 312, 360)의 상기 상부 표면(106, 152, 158, 412) 상에 충돌하는 광량 사이의 비에 의해 정의되는 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL)를 갖고, 상기 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상기 상부 표면(106, 152, 158, 412)의 면적과 상기 기저부의 상기 광 반사성 표면(112, 306, 354)의 면적 사이의 비로서 고체 광 방출기 면적 비(solid state light emitter area ratio; ρSSL)가 정의되고, 상기 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상기 상부 표면(106, 152, 158, 412)의 최대 선형 크기(dSSL, 202, 252, 260)는, 상기 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상기 상부 표면(106, 152, 158, 412) 상의 한 지점으로부터 상기 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상기 상부 표면(106, 152, 158, 412) 상의 다른 지점까지의 직선을 따르는 최장 거리로서 정의됨 -, 및
부분 확산 반사성 층(partially diffusive reflective layer; 102, 308, 352) - 상기 광 출사 창(104, 402)은 상기 부분 확산 반사성 층(102, 308, 352)의 적어도 일부를 포함하고, 상기 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상기 상부 표면(106, 152, 158, 412)과 상기 부분 확산 반사성 층(102, 308, 352) 사이에 거리(h, h1, h2)를 갖는 갭이 존재하고, 여기서 0<ρSSL<0.1에 대해 0.3*dSSL≤h≤5*dSSL이고, 0.1≤ρSSL≤0.25에 대해 0.15*dSSL≤h≤3*dSSL이고, ρSSL>0.25에 대해 0.1*dSSL≤h≤2*dSSL임 -
을 포함하고,
상기 기저부 반사 계수(Rbase)의 값은 70%보다 크며 상기 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL)보다 큰 발광 모듈(100, 150, 300, 350). - 제1항에 있어서, 상기 부분 확산 반사성 층(102, 308, 352)은 상기 제1 컬러 범위(114)의 광의 적어도 일부를 제2 컬러 범위(116)의 광으로 변환하기 위한 발광 재료(luminescent material)를 포함하는 발광 모듈(100, 150, 300, 350).
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고체 광 방출기(108, 154, 156, 312, 360)의 상기 상부 표면(106, 152, 158, 412)은 상기 광 출사 창(104, 402) 쪽으로 향하는 발광 모듈(100, 150, 300, 350).
- 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고체 광 방출기(108, 154, 156, 312, 360)는 상기 광 출사 창(104, 402)의 적어도 일부 쪽으로 광을 방출하는 발광 모듈(100, 150, 300, 350).
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 고체 광 방출기들(108, 154, 156, 312, 360)을 포함하고,
상기 고체 광 방출기들(108, 154, 156, 312, 360) 각각은 특정 컬러의 광을 방출하도록 구성되고, 상기 고체 광 방출기들 각각은 상부 표면(106, 152, 158, 412)을 갖고, 상기 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL)는 상기 복수의 고체 광 방출기들(108, 154, 156, 312, 360)의 반사 계수들의 평균값으로서 정의되는 발광 모듈(100, 150, 300, 350). - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기저부 반사 계수(Rbase)의 값은, 상기 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL)의 값 + 인자 c × (1과 상기 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL)의 값 사이의 차)보다 크고, 여기서 0<ρSSL<0.1에 대해 0.2≤c≤1이고, 0.1≤ρSSL≤0.25에 대해 0.3≤c≤1이고, ρSSL>0.25에 대해 0.4≤c≤1인 발광 모듈(100, 150, 300, 350).
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기저부(110, 309, 358)와 상기 광 출사 창(104, 402) 사이에 개재된 벽(314, 362, 404)을 더 포함하고, 상기 기저부(110, 309, 358), 상기 벽(314, 362, 404) 및 상기 광 출사 창(104, 402)은 캐비티(316)를 둘러싸고, 상기 벽(314, 362, 404)은 상기 캐비티(316) 쪽으로 향하는 광 반사성 벽 표면(304, 406)을 포함하고, 상기 광 반사성 벽 표면(304, 406)은, 상기 광 반사성 벽 표면(304, 406)에 의해 반사되는 광량과 상기 광 반사성 벽 표면(304, 406) 상에 충돌하는 광량 사이의 비에 의해 정의되는 벽 반사 계수(Rwall)를 갖고,
상기 기저부 반사 계수(Rbase)와 상기 벽 반사 계수(Rwall)의 가중 평균(weighted average)으로서 유효 반사 계수(Reff)가 정의되고,
상기 고체 광 방출기 면적 비(ρSSL)는, 상기 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상기 상부 표면의 면적과, 상기 기저부의 반사성 표면의 면적과 상기 반사성 벽 표면(304, 406)의 면적의 합계 사이의 비로서 정의되고,
상기 유효 반사 계수(Reff)의 값은 70%보다 크며 상기 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL)보다 큰 발광 모듈(100, 150, 300, 350). - 제7항에 있어서, 상기 유효 반사 계수(Reff)의 값은, 상기 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL) + 인자 c × (1과 상기 고체 광 방출기 반사 계수(R_SSL) 사이의 차)보다 크고, 여기서 0<ρSSL<0.1에 대해 0.2≤c≤1이고, 0.1≤ρSSL≤0.25에 대해 0.3≤c≤1이고, ρSSL>0.25에 대해 0.4≤c≤1인 발광 모듈(100, 150, 300, 350).
- 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 벽 반사 계수(Rwall)는 95% 미만이고, 여기서 ρSSL<0.1에 대해 0.3*dSSL≤h≤0.75*dSSL이고, 0.1≤ρSSL≤0.25에 대해 0.15*dSSL≤h≤0.3*dSSL이고, ρSSL>0.25에 대해 0.1*dSSL≤h≤0.2*dSSL인 발광 모듈(100, 150, 300, 350).
- 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 벽 반사 계수(Rwall)는 95% 이상이고, 여기서 0<ρSSL<0.1에 대해 0.75*dSSL≤h≤2*dSSL이고, 0.1≤ρSSL≤0.25에 대해 0.3*dSSL≤h≤0.7*dSSL이고, ρSSL>0.25에 대해 0.2*dSSL≤h≤0.5*dSSL인 발광 모듈(100, 150, 300, 350).
- 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기저부(906)의 상기 반사성 표면(901)의 적어도 일부는 상기 적어도 하나의 고체 광 방출기(908)의 상기 상부 표면(903)보다 상기 부분 확산 반사성 층(902)에 더 가깝고,
상기 상부 표면(903)과 상기 부분 확산 반사성 층(902) 사이의 거리(h)는, 0<ρSSL<0.1에 대해 0.4*dSSL+△h/2≤h≤5*dSSL+△h/2이고, 0.1≤ρSSL≤0.25에 대해 0.15*dSSL+△h/2≤h≤3*dSSL+△h/2이고, ρSSL>0.25에 대해 0.1*dSSL+△h/2≤h≤2*dSSL+△h/2이고, 여기서 △h는 상기 적어도 하나의 고체 광 방출기의 상기 상부 표면(903)과 상기 부분 확산 반사성 층(902) 사이의 거리(h)와, 상기 기저부의 반사성 표면(901)과 상기 부분 확산 반사성 층(902) 사이의 최단 거리(h2) 사이의 차의 절대값인 발광 모듈(910). - 제1항 또는 제7항에 있어서,
제1항에 종속될 때, 상기 기저부의 상기 광 반사성 표면(112, 306, 354)은 광 반사성 코팅(light reflective coating), 광 반사성 몰딩(light reflective molding) 또는 광 반사성 포일(light reflective foil)을 포함하고, 제7항에 종속될 때, 상기 기저부(110, 309, 358)의 상기 광 반사성 표면 및 상기 광 반사성 벽 표면(304, 406) 중 적어도 하나는 광 반사성 코팅, 광 반사성 세라믹 또는 광 반사성 포일을 포함하는 발광 모듈(100, 150, 300, 350). - 제7항에 있어서, 상기 광 반사성 벽 표면(304, 406)은, 상기 광 출사 창(104, 402) 쪽으로의 광의 반사를 증가시키기 위해 상기 기저부(110, 309, 358)의 법선 축(normal axis)에 대해 기울어지거나(tilted), 또는 상기 광 반사성 벽 표면(304, 406)은 상기 광 출사 창(104, 402) 쪽으로의 광의 반사를 증가시키기 위해 구부러지는 발광 모듈(100, 150, 300, 350).
- 제1항에 있어서, 상기 부분 확산 반사성 층(102, 308, 352)은 상기 광 출사 창(104, 402)을 형성하고, 상기 부분 확산 반사성 층(102, 308, 352)은 에지(624)를 갖고, 상기 부분 확산 반사성 층(102, 308, 352)의 상기 에지(624)는 상기 기저부(110, 309, 358)와 접촉하는 발광 모듈(100, 150, 300, 350).
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고체 광 방출기(108, 154, 156, 312, 360)와 상기 부분 확산 반사성 층(102, 308, 352) 사이에 배치된 실질적으로 투명한 재료를 포함하고, 상기 투명한 재료는 상기 적어도 하나의 고체 광 방출기(108, 154, 156, 312, 360)에 광학적으로 결합되는 발광 모듈(100, 150, 300, 350).
- 제15항에 있어서, 상기 실질적으로 투명한 재료는 상기 부분 확산 반사성 층(102, 308, 352)에 광학적으로 그리고 열적으로 또한 결합되는 발광 모듈(100, 150, 300, 350).
- 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 실질적으로 투명한 재료는, 44㎛보다 크거나 1㎛보다 작은 입자 크기(grain size)를 갖는 소결된 반투명 다결정질 알루미나(sintered translucent polycrystalline alumina)인 발광 모듈(100, 150, 300, 350).
- 제2항에 있어서, 상기 발광 재료는, 무기 인광체, 유기 인광체, 세라믹 인광체 및 양자 점(quantum dot), 또는 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 발광 모듈(100, 150, 300, 350).
- 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 출사 창(104, 402)은,
확산 광 방출(diffuse light emission)을 획득하고, 컬러 및 각도에 따른 컬러가 공간적으로 균일한 광 방출(spatially, color and color over-angle uniform light emission)을 획득하고, 컬러 혼합된 광 방출(color mixed light emission)을 획득하기 위한 확산기 층,
각도 변형에 따른 컬러 또는 광 균일성(color over angle variations or light uniformity)을 보정하기 위한 이색성 층(dichroic layer), 및
원하는 광 빔 형상을 제공하기 위한 광학 요소
중 적어도 하나를 더 포함하는 발광 모듈(100, 150, 300, 350). - 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 확산 광 방출을 획득하고, 컬러 및 각도에 따른 컬러가 공간적으로 균일한 광 방출을 획득하고, 컬러 혼합된 광 방출을 획득하기 위한 확산기 층이, 상기 적어도 하나의 고체 광 방출기로부터 떨어져 대향하는 상기 부분 확산 반사성 층의 측면으로부터 떨어져 제공되는 발광 모듈(100, 150, 300, 350).
- 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고체 광 방출기로부터 떨어져 대향하는 상기 부분 확산 반사성 층의 측면에 배치된 편광 요소(1302)를 더 포함하는 발광 모듈(100, 150, 300, 350).
- 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 0.0<ρSSL<0.1에 대해 0.4≤c≤1이고, 0.1≤ρSSL≤0.25에 대해 0.6≤c≤1이고, ρSSL>0.25에 대해 0.8≤c≤1인 발광 모듈(100, 150, 300, 350).
- 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 0.0<ρSSL<0.1에 대해 0.6≤c≤1이고, 0.1≤ρSSL≤0.25에 대해 0.84≤c≤1인 발광 모듈(100, 150, 300, 350).
- 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 발광 모듈(100, 150, 300, 350)을 포함하는 램프(1000, 1020).
- 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 발광 모듈(100, 150, 300, 350)을 포함하거나, 제24항에 따른 램프(1000, 1020)를 포함하는 조명기구(luminaire; 1050).
- 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 발광 모듈(100, 150, 300, 350, 1300)을 포함하는 디스플레이 장치(1400).
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