KR20140082793A - 리모트 포스퍼 led 장치용 렌즈 조립체 - Google Patents

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KR20140082793A
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phosphor
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앤드류 제이 오더커크
라비 케이 수라
니콜라스 티 가브리엘
후앙 친 훙
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

리모트 포스퍼 조명 시스템에서의 사용을 위한 렌즈 조립체들, 및 이들을 제조 및 사용하는 방법이 기술된다. 렌즈 조립체는 전형적으로, 렌즈 부재, 렌즈 부재의 외부 표면에 부착되는 이색성 반사기, 및 렌즈 부재의 내부 표면에 부착되는 인광체 층을 포함한다. 이색성 반사기는 내부 표면에 근접한 기준면 내의 소정의 소스 지점으로부터 유래된 LED 광을 기준면 내의 소정의 이미지 지점으로 반사하다. 인광체 층은 내부 표면의 하나 이상의 제1 부분들을 덮도록 그리고 하나 이상의 제2 부분들을 노출시키도록 패턴화될 수 있고/있거나 인광체 층은 내부 표면에 제거 가능하게 접합될 수 있다. 렌즈 조립체는 리모트 포스퍼 조명 시스템을 제공하기 위해, 하나 이상의 단파장(예컨대, 청색) LED 및 다른 구성요소들과 용이하게 조합될 수 있다.

Description

리모트 포스퍼 LED 장치용 렌즈 조립체{LENS ASSEMBLY FOR REMOTE PHOSPHOR LED DEVICE}
본 발명은 일반적으로 광원에 관한 것으로, 특히 발광 다이오드(LED) 및 인광체(phosphor)를 포함하는 고체 광원(solid state light source)에 대한 응용에 관한 것이다. 본 발명은 또한 관련 물품, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
광대역 광을 방출하는 고체 광원이 알려져 있다. 일부 경우에, 그러한 광원은 청색 LED 상에 황색-방출 인광체의 층을 도포함으로써 만들어 진다. 청색 LED로부터의 광이 인광체 층을 통과할 때, 청색광의 일부가 흡수되고, 흡수된 에너지의 상당 부분이 가시 스펙트럼 내의 보다 긴 파장들에서 스토크스-이동(Stokes-shifted) 광, 전형적으로는 황색광으로서 인광체에 의해 재방출된다. 인광체 두께는, 청색 LED 광의 일부가 인광체 층을 도중 내내 통과하고 인광체로부터의 황색광과 조합되어 백색 외양을 갖는 광대역 출력 광을 제공하기에 충분히 작다.
다른 LED-펌핑식 인광체 광원이 또한 제안되었다. 미국 특허 제7,091,653호(오우더커크(Ouderkirk) 등)에서는, LED로부터의 광이 롱-패스 반사기(long-pass reflector)에 의해 인광체 층 상으로 반사되는 광원이 논의되어 있다. 인광체 층은 가시(바람직하게는, 백색)광을 방출하며, 이 광은 롱-패스 반사기에 의해 실질적으로 투과된다. LED, 인광체 층, 및 롱-패스 필터는 광이 LED로부터 롱-패스 반사기로 이동할 때, 광이 인광체 층을 통과하지 않는 방식으로 배열된다.
리모트 포스퍼(remote phosphor) 조명 시스템에서의 사용을 위한 새로운 계열의 렌즈 조립체들, 및 이들을 제조 및 사용하는 방법이 개발되어 왔다. 렌즈 조립체는 전형적으로, 렌즈 부재, 렌즈 부재의 외부 표면에 부착되는 이색성 반사기(dichroic reflector), 및 렌즈 부재의 내부 표면에 부착되는 인광체 층을 포함한다. 이색성 반사기는 내부 표면에 근접한 기준면 내의 소정의 소스 지점으로부터 유래된 LED 광을 기준면 내의 소정의 이미지 지점으로 반사하다. 인광체 층은 내부 표면의 하나 이상의 제1 부분들을 덮도록 그리고 하나 이상의 제2 부분들을 노출시키도록 패턴화될 수 있고/있거나 인광체 층은 내부 표면에 제거 가능하게 접합될 수 있다. 렌즈 조립체는 리모트 포스퍼 조명 시스템을 제공하기 위해, 하나 이상의 단파장(예컨대, 청색) LED 및 다른 구성요소들과 용이하게 조합될 수 있다.
렌즈 조립체는 또한, 효율적이고 편리한 방식으로 리모트 포스퍼 조명 시스템을 제조하는 데 사용될 수 있다. 하나의 접근법은 렌즈 부재의 내부 표면에 인광체 층을 제거 가능하게 접합시키는 단계, 및 이어서 내부 표면의 일부분(들)을 노출시키면서 내부 표면의 다른 부분(들)이 인광체 층의 나머지에 의해 덮여 있는 상태로 유지되도록 인광체 층을 패턴화하는 단계를 포함한다. 인광체 층은 일부 경우에, 스코어링(scoring)하고, 이어서 예컨대 박리(peeling)에 의해 인광체 층의 일부분(들)을 인광체 층의 나머지로부터 분리시킴으로써 패턴화될 수 있다.
본 명세서에서는 특히, 리모트 포스퍼 LED 장치에서의 사용을 위한 렌즈 조립체가 설명되는데, 렌즈 조립체는 렌즈 부재, 이색성 반사기 및 인광체 층을 포함한다. 렌즈 부재는 외부 표면 및 내부 표면을 가질 수 있고, 외부 표면은 내부 표면과 교차하는 광축을 한정하도록 만곡된다. 이색성 반사기는 렌즈 부재의 외부 표면의 적어도 일부분에 부착될 수 있고, 내부 표면에 근접한 기준면 내의 소정의 소스 지점으로부터 유래된 LED 광을 기준면 내의 소정의 이미지 지점으로 반사하도록 구성될 수 있다. 인광체 광을 방출하도록 구성된 인광체 층이 내부 표면의 적어도 일부분에 부착될 수 있다. 이색성 반사기는 인광체 광을 투과시키도록 구성된다. 인광체 층은 내부 표면의 하나 이상의 제1 부분들을 덮도록 그리고 내부 표면의 하나 이상의 제2 부분들을 노출시키도록 패턴화될 수 있으며, 소정의 이미지 지점은 하나 이상의 제1 부분들에 근접하여 배치되고, 소정의 소스 지점은 하나 이상의 제2 부분에 근접하여 배치된다. 대안적으로 또는 그에 더하여, 인광체 층은 렌즈 부재의 내부 표면에 제거 가능하게 접합될 수 있다.
렌즈 부재의 외부 표면은 연속적으로 만곡될 수 있으며, 일부 경우에 외부 표면은 실질적으로 반구형일 수 있다. 외부 표면은 또한 구획될 수 있다. 예를 들어, 외부 표면은 프레넬(Fresnel) 렌즈 표면을 포함할 수 있다. 외부 표면은 또한 외부 표면을 별개의 부분들로 세그먼트화하는 복수의 아치형 특징부들을 포함할 수 있다. 이색성 반사기는 렌즈 부재의 외부 표면의 실질적으로 전부를 덮도록 제조될 수 있거나, 렌즈 부재의 외부 표면의 면적의 50%, 70% 또는 80% 이상을 덮을 수 있다.
내부 표면은 일부 경우에 평탄할 수 있다. 소정의 소스 및 이미지 지점들은 기준점에 의해 양분되는 선분을 한정할 수 있으며, 기준점은 기준면과 광축의 교차점에 배치된다. 렌즈 부재는 횡방향 치수(D)를 가질 수 있으며, 기준면과 내부 표면 사이의 최소 간격은 D/10 미만일 수 있고, 0일 수 있다. 기준면은 광축과 내부 표면 사이의 교차점을 포함할 수 있다.
인광체 층은 내부 표면에 제거 가능하게 접합될 수 있고, 소정의 이미지 지점 및 소정의 소스 지점 둘 모두에서 내부 표면을 덮을 수 있다. 이색성 반사기는 소정의 소스 지점으로부터 유래된 반사 LED 광을 소정의 이미지 지점에 집중시키는 데 효과적일 수 있다.
조립체는 또한, 인광체 층과 내부 표면 사이에 배치되는 접착제 층을 포함할 수 있고, 접착제 층은 인광체 층의 일부분이 내부 표면으로부터 분리되게 하기에 충분히 낮은 접합 강도를 가질 수 있다. 하나 이상의 스페이서(spacer) 요소들이 또한, 렌즈 부재의 내부 표면에 부착될 수 있다. 하나 이상의 스페이서 요소들은 인광체 층을 둘러싸는 링 구조체를 포함할 수 있다.
인광체 층에 의해 발생되는 광은 광대역 가시광을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광대역 가시광은 황색광을 포함할 수 있거나, 광대역 가시광은 백색광을 포함할 수 있다.
또한, 리모트 포스퍼 LED 장치를 제조하는 방법이 개시된다. 이들 방법은 외부 표면 및 내부 표면을 갖는 렌즈 부재를 제공하는 단계를 포함할 수 있으며, 외부 표면은 내부 표면과 교차하는 광축을 한정하도록 만곡된다. 방법은 또한, 내부 표면에 근접한 기준면 내의 소정의 소스 지점으로부터 유래된 LED 광을 기준면 내의 소정의 이미지 지점으로 반사하도록 구성되는 이색성 반사기를 외부 표면의 적어도 일부분에 부착시키는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 내부 표면의 하나 이상의 제1 부분들을 덮는 하나 이상의 제1 부분들 및 내부 표면의 하나 이상의 제2 부분들을 덮는 하나 이상의 제2 부분들을 포함하는 인광체 층을 내부 표면의 적어도 일부분에 제거 가능하게 접합시키는 단계를 포함할 수 있는데, 소정의 이미지 지점은 내부 표면의 하나 이상의 제1 부분들에 근접하여 배치되고, 소정의 소스 지점은 내부 표면의 하나 이상의 제2 부분들에 근접하여 배치된다. 방법은 내부 표면의 하나 이상의 제2 부분을 노출시키기 위해 인광체 층을 패턴화하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
일부 경우에서, 패턴화하는 단계는 인광체 층의 하나 이상의 제1 부분들과 하나 이상의 제2 부분들 사이에서 인광체 층을 스코어링하는 단계, 및 렌즈 부재의 내부 표면으로부터 인광체 층의 하나 이상의 제2 부분들을 분리시키는 단계를 포함할 수 있다. 분리하는 단계는 인광체 층의 하나 이상의 제2 부분들을 내부 표면으로부터 벗겨내는 단계를 수반할 수 있다. 스코어링하는 단계는 인광체 층에 대항하여 다이 커터(die cutter)를 가압하는 단계를 수반할 수 있다.
일부 경우에서, 패턴화하는 단계는 인광체 층의 하나 이상의 제2 부분들에서의 내부 표면에 대한 인광체 층의 접합 강도에 비해, 인광체 층의 하나 이상의 제1 부분들에서의 내부 표면에 대한 인광체 층의 접합 강도를 증가시키는 단계를 포함한다. 일부 경우에서, 방법은 또한, 인광체 층에 연결되는 하나 이상의 탭(tab)들을 제공하는 단계를 포함하고, 패턴화하는 단계는 하나 이상의 탭들 사용하여 인광체 층의 하나 이상의 제2 부분들을 벗겨내는 단계를 포함한다.
관련 방법, 시스템 및 물품이 또한 논의된다.
본 출원의 이들 태양 및 다른 태양이 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 어떠한 경우에도, 상기의 개요는 청구된 요지에 대한 제한으로서 해석되어서는 안되며, 그 요지는 절차의 수행 동안에 보정될 수 있는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 한정된다.
<도 1>
도 1은 렌즈 조립체를 포함하는 리모트 포스퍼 광대역 광원의 개략 사시도.
<도 2>
도 2는 렌즈 조립체를 포함하는 광대역 광원의 개략 측면도 또는 단면도.
<도 3>
도 3은 예시적인 청색 LED 및 예시적인 인광체의 스펙트럼 강도 분포(spectral intensity distribution)의 이상화된 그래프.
<도 4>
도 4는 렌즈 조립체의 개략 측면도 또는 단면도.
<도 5>
도 5는 렌즈 조립체의 일부분의 개략 측면도 또는 단면도.
<도 6>
도 6은 렌즈 조립체를 갖는 광대역 광원의 일부분의 개략 평면도.
<도 7>
도 7은 렌즈 조립체를 포함하는 예시적인 광대역 광원의 개략 분해 사시도.
<도 8, 도 9 및 도 10>
도 8, 도 9 및 도 10은 구획된 외부 표면을 각각 갖는 렌즈 조립체들의 개략 사시도들.
<도 11>
도 11은 다이 커팅 공구와 조합된 렌즈 조립체의 개략 측면도 또는 단면도.
<도 12>
도 12는 패턴화된 인광체 층을 갖는 렌즈 조립체의 사시도.
<도 13>
도 13은 리프트-오프 링(lift-off ring)을 포함하는 렌즈 조립체의 사시도.
<도 14>
도 14는 탭-형성된(tabbed) 리프트-오프 필름을 갖는 렌즈 조립체의 사시도.
도면에 있어서, 유사한 도면 부호는 유사한 요소를 지시한다.
전술된 바와 같이, 본 출원은 특히, LED와 같은 하나 이상의 고체 발광 장치들로부터의 광에 의해 펌핑되거나 여기되는 인광체 층 또는 재료를 이용하는 광대역 고체 광원에서의 사용을 위한 렌즈 조립체를 기술한다. 광원은 또한, LED로부터의 광의 적어도 일부를 인광체 층 상으로 반사하는 이색성 반사기를 포함한다. 광이 LED로부터 이색성 반사기로 전파될 때, 광은 인광체 층을 통과하지 않는다. 그러나, 이색성 반사기에 의해 반사된 LED 광은 이어서 인광체 층에 충돌하여, 인광체 층이 보다 더 긴 파장의 인광체 광을 방출하게 한다. 인광체 광은 이색성 반사기를 통과하여 광원의 광대역 출력 광을 제공하거나 이에 기여한다. 색상이 전형적으로 청색이거나 유사한 단파장을 갖는 LED 광의 일부는, 광원의 광대역 출력 광에 또한 기여하도록 반사되기보다는, 이색성 반사기를 또한 통과할 수 있다.
이와 관련하여, "발광 다이오드" 또는 "LED"는 가시선이든, 자외선이든 또는 적외선이든지 간에, 광을 방출하는 다이오드를 지칭하지만, 대부분의 실제적인 실시예들에서, 방출된 광은 약 430 내지 530 nm, 또는 약 440 내지 500 nm, 또는 약 445 내지 480 nm 범위의 피크 파장을 가질 것이다. LED라는 용어는 수직 공동 표면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)를 포함하지만 이로 한정되지 않는 레이저 다이오드와 같은 간섭성 반도체 장치뿐만 아니라, 종래의 것이든 초복사형(super radiant variety)이든, "LED"로서 판매되는 비간섭성의 매립된 또는 봉지된 반도체 장치를 포함한다. "LED 다이"는 그의 가장 기본적인 형태, 즉 반도체 처리 절차에 의해 제조된 개별 구성요소 또는 칩 형태의 LED이다. 예를 들어, LED 다이는 하나 이상의 III족 원소들과 하나 이상의 V족 원소들의 조합(III-V족 반도체)으로부터 형성될 수 있다. 적합한 III-V 반도체 재료의 예는 갈륨 질화물과 같은 질화물, 및 인듐 갈륨 인화물과 같은 인화물을 포함한다. 주기율표의 다른 족의 무기 재료뿐만 아니라 다른 유형의 III-V족 재료가 또한 사용될 수 있다. 구성 요소 또는 칩은 소자에 전압을 가하기 위해 전력 인가에 적합한 전기 접촉부를 포함할 수 있다. 예에는 와이어 본딩(wire bonding), 테이프 자동 본딩(tape automated bonding; TAB), 또는 플립칩 본딩(flip-chip bonding)이 포함된다. 구성요소 또는 칩의 개별 층 및 다른 기능 요소는 전형적으로 웨이퍼 규모로 형성되고, 완성된 웨이퍼는 이어서 개별적인 단품(piece part)으로 절단되어 다수의 LED 다이가 얻어진다. LED 다이는 표면 장착, 칩-온-보드(chip-on-board) 또는 기타 공지된 장착 구성용으로 구성될 수 있다. 일부 패키징된 LED는 LED 다이 및 관련 반사기 컵 위에 중합체 봉지재를 형성함으로써 제조된다. LED는 몇몇 기판들 중 하나의 기판 상에서 성장될 수 있다. 예를 들어, GaN LED는 사파이어, 규소, 및 질화갈륨 상에서 에피택시(epitaxy)에 의해 성장될 수 있다. 이러한 응용을 위한 "LED"는 또한, 통상 OLED로 지칭되는 유기 발광 다이오드를 포함하는 것으로 간주되어야 한다.
도 1에서, 렌즈 조립체(112)를 포함하는 리모트 포스퍼 광대역 광원(110)의 개략 사시도가 나타나 있다. 참고 목적을 위해, 광원(110)은 xyz 데카르트 좌표계와 관련하여 도시되어 있다. 조립체(112)는 기판(116)에 의해 지지되는 2개의 LED(114a, 114b)들 위에 위치된다. LED는 전형적으로 비교적 짧은 파장의 광, 예컨대 주로 청색광 및/또는 자외광을 방출하지만, 일부 경우에 청록색 또는 녹색광이 또한 사용될 수 있다. LED는 그 외부 표면으로부터 모든 방향들로 그러한 광을 방출할 수 있으며, 이러한 광의 많은 것은 렌즈 조립체(112)를 향해 (도 1의 관점에서) 상방으로 전파된다.
렌즈 조립체(112)는 렌즈 부재(120), 이색성 반사기(도 1에는 부호 표기되어 있지 않음), 및 인광체 층(124)을 포함한다. 렌즈 부재는 외부 표면 및 내부 표면을 포함하고, 외부 표면은 지점(121a)에서 외부 표면과 교차하고 지점(121b)에서 내부 표면과 교차하는 광축(121)을 한정하도록 만곡된다. 이색성 반사기는 렌즈 부재(120)의 외부 표면의 적어도 일부분에 부착될 수 있는데, 예컨대 이색성 반사기는 렌즈 부재의 외부 표면의 면적의 50%, 70%, 또는 80% 이상을 덮을 수 있으며, 일부 경우에 이색성 반사기는 실질적으로 전체의 외부 표면에 부착되고 이를 덮을 수 있다. 또한, 이색성 반사기는 바람직하게는, 내부 표면에 근접한 기준면 내의 소정의 소스 지점으로부터 유래된 LED 광을 기준면 내의 소정의 이미지 지점으로 반사하도록 형상화되고 달리 구성된다. 이러한 구성은 도 4와 관련하여 이하에서 추가로 논의된다. 도 1의 실시예에서 그리고 본 명세서에 기술된 다른 실시예들에서, 이색성 반사기는 바람직하게는, 이색성 반사기의 형상(예컨대, 곡률)이 렌즈 부재의 외부 표면의 형상과 실질적으로 동일하도록, 렌즈 부재의 외부 표면에 따른다.
인광체 층(124)은 렌즈 부재의 내부 표면의 일부분에 부착되고, LED 광에 의한 조명 및 LED 광의 흡수에 응답하여 인광체 광을 방출하도록 구성된다. 또한, 인광체 층은 내부 표면의 제1 부분을 덮고 내부 표면의 제2 부분을 노출시키도록 패턴화되거나 형상화된다. LED(114a, 114b)들은, LED로부터의 광이 인광체 층을 통과함이 없이 LED로부터 렌즈 부재(120)를 통해 이색성 반사기로 전파될 수 있도록, 내부 표면의 제2 (노출된) 부분 근처에 배치된다. 이색성 반사기에 의해 반사되는 LED 광은 인광체 층 상에서 대략적으로 이미지화(예를 들어, 초점화 또는 집중화)되어, 인광체 층이 인광체 광을 방출하게 한다(즉, 형광을 내게 한다). (달리 말해, 소정의 이미지 지점은 내부 표면의 제1 (덮인) 부분에 근접하여 배치된다고 말해질 수 있으며, 소정의 소스 지점은 내부 표면의 제2 (노출된) 부분에 근접하여 배치된다고 말해질 수 있다). 인광체 층에서 인광체 물질의 적절한 선택에 의해, 인광체 광은 바람직하게는 인간의 눈에 황색 외양 또는 백색 외양을 갖는 광대역이 되도록 맞춤될 수 있다. 인광체 층(124)에 의해 방출된 인광체 광은 렌즈 부재(120)를 통과하고, 외부 표면에서 이색성 반사기에 충돌하며, 그 후에 인광체 광은 인광체 광에 대한 이색성 반사기의 고 투과율의 결과로서 실질적으로 투과된다.
이색성 반사기에 의해 투과된 인광체 광은 광원(110)의 광대역 출력 광을 생성하기 위해, 이색성 반사기에 의해 투과될 수 있는 임의의 LED 광과 조합된다.
도 2는 도 1의 광원(110)과 동일하거나 유사할 수 있는 광대역 광원(210)을 도시하지만, 도 2의 개략 측면도 또는 단면도는 렌즈 조립체의 구성요소들이 서로 어떻게 관련되는지, 그리고 렌즈 조립체가 LED(들)와 어떻게 연관되는지를 독자들이 보다 용이하게 이해하게 한다. 다시 한번, 참고 목적을 위해, 광원(210)은 xyz 데카르트 좌표계와 관련하여 도시되어 있다. 광원(210)은 기판(216)에 의해 지지되는 LED(214) 위에 위치되는 렌즈 조립체(212)를 포함한다. 렌즈 조립체(212)는 외부 표면(220a) 및 내부 표면(220b)을 구비하는 렌즈 부재(220); 외부 표면(220a)에 부착되는 이색성 반사기(222); 및 내부 표면(220b)의 일부분에 부착되는 인광체 층(224)을 포함한다. 외부 표면(220a)은, 지점(221a)에서 외부 표면(220a)과 교차하고 지점(221b)에서 내부 표면(220b)과 교차하며 지점(221c)에서 (내부 표면에 근접한) 기준면(219)과 교차하는 광축(221) 또는 대칭축을 한정하도록 만곡된다. 렌즈 부재(220)는 또한, 렌즈를 LED에 매우 근접하는 안정한 위치에서 유지하기 위해, 연속적인 링의 일부 또는 별도의 구조체일 수 있는 스페이서 특징부(223a, 223b)들을 포함한다. LED가 그의 상부 표면에 부착된 도선(lead wire)과 같은 전기 접촉부를 갖는다면, 렌즈가 전기 접촉부를 손상시키는 것을 방지하기 위해, LED와 렌즈(220) 사이에 작은 간극이 필요할 수 있다.
LED(214)는 그 외부 표면으로부터 모든 방향들로 광을 방출하며, 이러한 광의 많은 것은 렌즈 조립체(212)를 향해 (도 2의 관점에서) 상방으로 전파된다. 2개의 대표적인 LED 광선(231a)들이 LED(214)로부터 방사되는 것으로 도시되어 있다. 이들 광선은 내부 표면(220b)을 통해 렌즈 부재(220)로 진입하고, 렌즈 부재를 통해 전파되며, 외부 표면(220a)에서 이색성 반사기(222) 상에 충돌한다. 간략화를 위해, 내부 표면(220b)에서의 광선(231a)의 굴절은 도시되어 있지 않다. 이는 굴절률 정합 겔 또는 다른 재료가 LED와 렌즈 부재 사이의 공간에 제공되는 경우일 수 있으며, 그렇지 않다면 그 공간에 공기 간극이 존재하는 경우에, 표면(220b)에서 광선(231a)의 굴절이 일어날 것이다. 광선(231a)이 이색성 반사기(222)에 직면할 때, 이들 광선은 실질적으로 그리고 일부 경우에서는 심지어 완전히 반사되어 반사 광선(231b)을 생성할 수 있다. 그러나, 이색성 반사기(222)는 전형적으로 입사 LED 광의 적어도 작은 부분을 투과시키며, 그 후에 광선(231c)으로 도시된 LED 광의 그 부분이 렌즈 부재 외부로 굴절되어 광원(210)의 전체 출력에 기여한다. 한편, 반사된 LED 광선(231b)은, 이색성 반사기(222)(및 외부 표면(220a))의 형상에 의해, 인광체 층(224)에 의해 덮인 내부 표면(220b)의 영역을 향해 안내된다. 인광체 층에 의해 흡수된 LED 광은 인광체 층 내의 인광체 물질(들)을 여기시키고, 인광체 광(232a)을 생성한다. 인광체 광은 모든 방향들로 방출되고, 그의 많은 것은 투과된 인광체 광(232b)으로서 이색성 반사기(222)에 의해 투과된다. 임의의 투과된 LED 광(231c)과 조합되는 투과된 인광체 광(232b)은 광원(210)의 광대역 광 출력을 제공한다.
이제, 광원(210)의 구성요소들 중 일부의 바람직하거나 선택적인 특성 및 특징이 논의될 것이며, 그러한 특성 및 특징들은 적절한 경우, 본 명세서에 설명된 다른 실시예들 중 임의의 실시예에 유사한 방식으로 관련될 수 있음을 유념한다. 렌즈 조립체(212)의 일부 주요 구성요소들, 즉 렌즈 부재(220), 이색성 반사기(222) 및 인광체 층(224)의 논의로 시작하기로 한다.
렌즈 부재(220)는 바람직하게는, LED 광에 대해 그리고 인광체 광에 대해 높은 광 투과율을 갖는 안정적이고 강건한 재료로 구성된다. 투명한 외양을 갖거나, 그렇지 않으면 LED 광 및 인광체 광에 대해 높은 광 투과율을 갖는 유리 재료 및 중합체 재료(플라스틱)가 특히 적합하다. 일부 경우에, 외부 및 내부 표면(220a, 220b)들의 형상이 정밀하고 저렴하게 제조될 수 있도록, 성형 가능한 물질(들)을 사용하는 것 및 성형 가공을 사용하여 렌즈 부재를 제조하는 것이 유리하다. 그러한 경우에, 액체 전구체 재료가 적합하게 형상화된 주형 내로 부어지거나 달리 도입될 수 있으며, 이어서 냉각에 의해 또는 다른 공지의 수단에 의해 고화되어 렌즈 부재를 제조한다. 렌즈 부재를 제조하기 위한 일부 예시적인 재료에는 성형 가능한 유리, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리카르보네이트, 실리콘, 및 예를 들어 제온 케미칼스 엘.피.(Zeon Chemicals L.P)에 의해 판매되는 제오넥스(Zeonex)™ 사이클로 올레핀 폴리머즈(Cyclo Olefin Polymers) 및 아크릴 수지를 포함한 폴리올레핀이 포함된다.
이색성 반사기(222)는 바람직하게는, 렌즈 부재(220)의 외부 표면(220a)에 따른다. 따라서, 이색성 반사기(222) 및 표면(220a) 둘 모두는, 소정의 LED에 의해 방출되고 반사기(222)에 의해 반사된 광이 주로 그 LED와 관련된 인광체 층의 국부화된 부분 상으로 안내되도록, 오목하고/하거나 만곡된 형상을 가질 수 있다. 일부 경우에, 이들 요소는 정확하게 또는 실질적으로 반구형일 수 있다. 일부 경우에, 이들 요소는 반구 이외의 부분적으로 구형인 형상이거나 이와 근사할 수 있다. 일부 경우에, 이들 요소는, 보다 작은 별개의 평탄한 또는 만곡된 소면(facet)들의 배열로부터 형성되는 돔형 구조체의 경우에서와 같이, 낱낱이 오목하고/하거나 낱낱이 만곡될 수 있다. 일부 경우에, 이들 요소는 도 8, 도 9 및 도 10과 관련하여 이하에 추가로 논의되는 바와 같이, 구획될 수 있다. 반사기(222)의 형상은 바람직하게는, 내부 표면(220b)과 일치하거나 이에 근접하여 있는 기준면(219) 내의 소정의 소스 지점으로부터 유래되는 광이 동일한 기준면 내의 소정의 이미지 지점 상으로 (적어도 대략적으로) 반사식으로 이미지화되도록 맞춤된다. 소정의 소스 지점 및 이미지 지점은, 중심이 기준면(219)과 광축(221)의 교차점과 실질적으로 일치하는 선분, 즉 중심이 지점(221c)과 실질적으로 일치하는 선분의 종점들을 형성하는 것으로 간주될 수 있다. 반사기(222)가 이러한 방식으로 형상화되는 경우, 렌즈 조립체(212) 바로 아래에서 내부 표면(220b)과 기준면(219)에 근접하여 위치된 소정의 LED로부터의 광이 이색성 반사기에 의해 반사되어, 소정의 LED와 독점적으로 또는 적어도 대체로 관련있는 인광체 층의 특정 부분 상에 이미지, 스폿, 또는 증가된 LED 광 세기의 유사한 국부화된 영역을 생성한다.
이색성 반사기는 또한 때때로, 이색성 미러 또는 이색성 필터로 지칭된다. 이들 반사기는 일부 광 파장에 대해서는 고 반사율 및 저 투과율을 갖도록, 그리고 다른 광 파장에 대해서는 저 반사율 및 고 투과율을 갖도록 설계된다. 그러한 반사기는 통상적으로, 반사되지 않은 임의의 광이 적어도 가시선 파장, 적외선 파장 및 근자외선 파장에 걸쳐 실질적으로 투과되도록 무시할만한 흡수를 가지며, 그 역도 마찬가지이다. 그러한 반사기는, 전형적으로 이산화규소와 이산화티타늄의 교번 층들과 같은 큰 굴절률 부정합을 갖는 재료들의 교번적 배열로 광학적으로 얇은 미세 층들의 적층물을 포함하지만, 다른 적합한 무기 또는 유기 재료들이 또한 사용될 수 있다. 그러한 반사기는 유리 또는 다른 적합한 기판 상에, 예컨대 렌즈 부재(220)의 외부 표면(220a) 바로 위에, 또는 후속적으로 외부 표면(220a)에 도포될 수 있는 필름 또는 기판 상에, 교번 층들의 진공 증착에 의해 제조될 수 있다. 대안적으로, 적합한 반사성 필름이 미국 특허 제5,882,774호(존자(Jonza) 등) 및 제6,783,349호(니빈(Neavin) 등)에 기술된 바와 같은, 교번하는 중합체 재료들의 공압출 및 얻어진 다층 중합체 웨브의 연신을 수반할 수 있는 연속 공정에 의해 제조될 수 있다. 이색성 반사기에 사용되는 재료 및 사용되는 제조 방법에 상관없이, 반사기에는 본 명세서의 다른 부분에서 설명되는 바와 같이, 파장의 함수로서 원하는 반사 특성을 제공하도록 맞춤되는 미세 층들의 적층물을 위한 층 두께 프로파일이 제공된다. 이와 관련하여, 미국 특허 제6,967,778호(위틀리(Wheatley) 등)가 참조된다. 두께 프로파일은 예를 들어 롱 패스 필터 또는 노치 필터로서 작동하는 이색성 반사기를 제공하도록 맞춤될 수 있으며, 이에 의해 비교적 긴 파장의 인광체 광은 입사각의 범위에 걸쳐 실질적으로 투과되고, 비교적 짧은 파장의 LED 광은 주로 반사된다. 이색성 반사기는 예를 들어 인광체 광에 대해 50% 이상, 또는 60% 이상, 또는 70% 이상의 투과율을 가질 수 있다. 일부 경우에, 이색성 반사기는 가시 청색광을 실질적으로 반사시키고, 가시 자홍색광을 실질적으로 투과시킬 수 있다. 일부 경우에, 이색성 반사기는 다층 미러 필름, 반사성 편광기, 및/또는 소정의 파장에서 직교 편광 상태들을 상이하게 반사하는 미러와 같은 부분 편광 반사기이거나, 이들을 포함할 수 있다.
이색성 반사기의 반사 특성 및 투과 특성은 전형적으로, 반사기에 충돌하는 광의 입사각이 변함에 따라 변한다. 예를 들어, 이색성 반사기(222)는 반사기에 수직 입사하는 LED 광선에 비해, 반사기에 비스듬히 입사하는 LED 광선에 대해 더 큰 투과율을 가질 수 있다. 이러한 특성은, 공동 양도된 계류 중인 PCT 출원 제PCT/US2011/065780호에서 보다 완전하게 논의된 바와 같이, 렌즈 조립체 아래에 배열된 다수의 LED들의 상대 구동 강도들을 제어함으로써 출력 색상이 조절될 수 있는 리모트 포스퍼 고체 광원을 제조하는 데 사용될 수 있다.
인광체 층(224)은 형광을 내거나 그렇지 않으면 흡수된 LED 광에 대해 스토크스 이동된 광을 방출하는 하나 이상의 적합한 인광체 재료를 함유한다. 인광체 재료는 바람직하게는, LED가 인광체를 여기시키고, 인광체가 형광을 내게 하거나 달리 인광체 광을 방출하게 할 수 있도록, LED의 방출 스펙트럼과 파장이 겹치는 범위의 광을 흡수한다. 많은 경우에, 소정의 인광체 재료는 전자기 스펙트럼의 자외선, 청색 및/또는 청록색 부분의 광을 흡수할 수 있으며, 가시 또는 근가시(near-visible) 영역의 광을 방출할 수 있다. 방출된 인광체 광은 전형적으로 광대역인데, 예를 들어 100 나노미터 이상의 스펙트럼 폭을 가질 수 있다. 광대역 인광체 광은 연속적인 넓은 대역에 분포될 수 있거나, 이격된 좁은 방출선들의 집합의 경우에서와 같이 스파이크형 분포를 가질 수 있거나, 좁은 방출선 및 연속적인 넓은 대역의 조합일 수 있다. 예시적인 인광체 재료는 공지의 형광 염료 및 인광체를 포함한다. 세륨-도핑 이트륨 알루미늄 가넷(Ce:YAG)이 사용될 수 있는 인광체의 일례이다. 광원의 설계 상세 및 제약에 따라, 다른 희토류 도핑된 가넷 또는 다른 희토류 도핑된 재료, 예컨대 유로퓸- 및/또는 스트론튬-도핑된 실리케이트, 질화물, 및 알루미네이트가 또한 적합할 수 있다. 적합한 인광체 재료는 유기 및 무기 형광 또는 인광 재료, 예를 들어 도핑된 무기 산화물 또는 질화물, 양자점(quantum dot), 및 II-VI 족 및 III-V족 재료를 포함하는 반도체를 포함할 수 있다.
전형적인 인광체 광 방출 스펙트럼이 도 3에 곡선(312)으로 도시되어 있다. 또한, 전형적인 LED 방출 스펙트럼이 곡선(310)으로 부호 표기되어 도시되어 있다. 이들 곡선은 전형적인 성분들을 대표하고자 하는 것으로, 반드시 한정하고자 의도된 것은 아니다. 도면에 도시된 바와 같이, 소정의 LED/인광체 쌍에 대해, 인광체 광은 일반적으로 LED 광보다 더 긴 파장에서 분포된다. LED(214)가 청색광을 방출하고 이색성 반사기(222)가 이 광의 일부를 투과시키는 경우에, 인광체 층(224)은 청색 LED 광 및 황색 인광체 광의 조합이 명목상 백색광을 제공하도록, 황색 인광체 광을 방출하게끔 맞춤될 수 있다.
렌즈 조립체(212) 아래 배치된 구성요소들에 관심을 돌려보면, LED(214)는 그 출력 광이 인광체 층(224)을 여기시킬 수 있는, 이미 공지되어 있거나 나중에 개발될 임의의 적합한 LED일 수 있다. 전술된 바와 같이, LED는 비교적 짧은 파장의 광, 예컨대 주로 청색광 및/또는 자외광을 방출할 수 있지만, 일부 경우에 청록색 또는 녹색광이 또한 사용될 수 있다. LED를 렌즈 부재(220)에 (그리고 내부 표면(220b)에) 근접하여 장착하기 위해, 때때로 LED의 바닥 또는 장착 표면 상에 둘 모두의 전기 접촉부들이 제공되는 저-프로파일 패키지, 예컨대 플립-칩(flip-chip) LED 패키기를 갖는 LED를 사용하는 것이 바람직하다.
LED(214) 및 다른 구성요소들을 지지하는 기판(216)은 임의의 적합한 설계의 것일 수 있다. 기판은 요구되는 대로 가요성이거나 강성일 수 있다. 기판은 또한, LED 또는 광원의 다른 전기적 구성요소들에 대하여 전기 접속이 이루어질 수 있게 하는, 하나 이상의 전도성 트레이스 및/또는 구멍 또는 "비아(via)"를 포함할 수 있다. 전기 접속은 또한, 도면에는 도시되어 있지 않지만 와이어 본드 또는 다른 적합한 수단에 의해 이루어질 수 있다. 기판은 또한 히트 싱크로서 기능할 수 있거나 별도의 히트 싱크에 결합될 수 있어, LED(214) 및 인광체(224)가 타당한 작동 온도에서 유지될 수 있게 한다.
이제 도 4로 돌아가면, 거기에서 렌즈 조립체(412)의 개략 측면도 또는 단면도가 보여진다. 조립체(412)는 도 1 및 도 2의 렌즈 조립체들과 동일하거나 유사할 수 있으며, 대응하는 부품들은 대응하는 특징 및 속성을 가질 수 있다. 그러나, 오목한 이색성 반사기의 특성이 보다 용이하게 설명되고 이해될 수 있도록, 인광체 층, LED 및 기판이 도면에서 생략되어 있다.
따라서, 도 4에서, 렌즈 조립체(412)는 외부 표면(420a) 및 내부 표면(420b)을 갖는 렌즈 부재(420); 및 외부 표면(420a)에 부착되는 이색성 반사기(422)를 포함한다. (도 2의 층(224)과 같은) 인광체 층이 전형적으로 내부 표면(420b)의 일부분에 부착될 것이다. 외부 표면(420a)은, 지점(421a)에서 외부 표면(420a)과 교차하고 지점(421b)에서 내부 표면(420b)과 교차하며 지점(421c)에서 내부 표면에 근접한 기준면(419)과 교차하는 광축(421) 또는 대칭축을 한정하도록 만곡되거나 달리 형상화된다. 렌즈 부재(420)는 또한, 도 2의 스페이서 특징부와 동일하거나 유사할 수 있는 스페이서 특징부(423a, 423b)들을 포함한다.
기준면(419)은 이색성 반사기에 의해 그 자신 상에 적어도 대략적으로 이미지화되는 평면으로서 특징지어질 수 있는데, 내부 표면에 부착될 수 있는 임의의 인광체 층의 효과는 무시된다. 이 평면의 위치는 적어도 이색성 반사기의 형상 및 렌즈 부재의 형상에 따른다. 예시적인 실시예들에서, 기준면(419)은 렌즈 부재의 내부 표면(420b)에 비교적 근접하여 있다. 기준면과 내부 표면 사이의 최소 간격(예컨대, 지점(421b)과 지점(421c) 사이의 거리)은 렌즈 부재의 최대 횡방향 또는 측방향 치수(D)(예컨대, 직경)에 의해 표현될 수 있는데, 예를 들어, 이 간격은 D/2 미만, 또는 D/5 미만, 또는 D/10 미만일 수 있다. 이 간격은 일부 경우에 0일 수 있다. 기준면이 내부 표면(420b)의 어느 측에도 배치될 수 있거나, 그러한 표면과 일치할 수 있음에 주목한다. 또한, 내부 표면이 일부 실시예에서 평면일 수 있지만, 다른 실시예에서는 비-평면일 수 있음에 주목한다.
LED 광이 방출되어 나올 수 있는 가상 소스 지점으로서 이 기준면 내의 일 지점이 선택될 수 있다. 도면에서, 가능성 있는 것들의 비제한적인 세트로부터 그러한 2개의 소스 지점들, 즉 지점(419a) 및 지점(419c)이 도시되어 있다. 광선은 이들 지점 각각으로부터 방사되는 것으로 도시되어 있으며, 그러한 광선은 내부 표면(420b)에서 렌즈 부재(420)로 진입하고, 렌즈 부재를 가로질러 외부 표면(420a)에서 이색성 반사기(422)로부터 반사된다. 반사기(422)(및 표면(420a))의 기하학적 구조로 인해, 지점(419a)으로부터 방사되는 광선은 이미지 지점(419b)에서 초점화, 집중화 또는 이미지화되고, 지점(419c)으로부터 방사되는 광선은 이미지 지점(419d)에서 초점화, 집중화 또는 이미지화된다. 초점화, 집중화, 또는 이미지화는 정확할 필요는 없으며, "이미지 지점"은 정밀한 회절-제한된 지점이라기보다는 (기준면에 평행한) 측방향 치수가 내부 표면(420b)의 치수에 비해 작은 증가된 광 집중의 영역일 수 있음에 주목한다. 또한, 축외 수차(off-axis aberration) 및 왜곡의 효과는 일반적으로 이미지 지점으로부터 광축(421)(및 지점(421c)으로부터)까지의 거리가 증가함에 따라, 흐려짐의 증가 또는 스폿 크기의 증가를 야기한다.
쌍(419a, 419b) 또는 쌍(419c, 419d)과 같은 대응하는 소스/이미지 지점들의 각각의 쌍은 기준면(419) 내에 놓일 뿐만 아니라, 중심이 지점(421c)과 실질적으로 일치하는 선분의 종점들을 한정한다. 달리 말하면, 소정의 소스 지점 및 그의 관련된 이미지 지점은 광축(421)에 대해, 그리고 지점(421c)에 대해 실질적으로 대칭으로 배치된다. 그러한 배열은 외부 표면(420a)(및 이색성 반사기(422))이 반구로서 형상화되거나, 곡률 반경이 지점(421a, 421b)들 사이의 물리적 거리와 정확하게 또는 대략적으로 동일한 구의 다른 부분으로서 형상화되는 경우에 달성될 수 있다. 그러나, 유사한 결과를 제공하기 위해, 대안적으로 비구면 형상, 회절 표면 등을 포함한 다른 표면 형상들이 사용될 수 있다. 이러한 배열에 의해, 내부 표면(420b)에 근접하여 그리고 기준면(419)에 근접하여 렌즈 조립체(412) 아래에 위치되지만 광축(421) 및 지점(421c)으로부터 측방향으로 변위되어 있는 LED는, 이색성 반사기(422)에 의해 LED의 방출 표면으로서 유사한 크기 및 형상을 갖는 이미지 영역 또는 구역 내로 반사되는 LED 광을 생성할 것이며, 이미지 구역은 내부 표면(420b) 또는 기준면(419)에 또는 그 근처에 위치되고, LED의 방출 표면 및 이미지 구역은 광축(421) 및 지점(421c)에 대해 실질적으로 대칭으로 배치된다. 원하는 경우, 다수의 LED들이 이러한 방식으로 렌즈 조립체 아래에 위치될 수 있으며, LED와 관련된 이미지 구역 또는 지점에 대응하는 내부 표면(420b)의 부분을 덮기 위해 인광체 물질이 제공되는 한, 이미지화된 LED 광이 흡수되어 인광체 재료에 의해 인광체 광으로서 재방출될 것이다.
렌즈 조립체(512)의 일부분이 도 5에 개략적으로 도시되어 있다. 이 렌즈 조립체는 도 1, 도 2 또는 도 4에 도시된 것들 중 임의의 것과 동일하거나 유사할 수 있다. 도면은 인광체 층 및 다른 층, 그리고 인광체 층과 관련된 구성요소에 대해 고려되는 많은 상이한 구성들 중 일부 특정 구성을 보여주기 위해 제공된다. 도 5에서, 렌즈 조립체(512)의 렌즈 부재(520)는 외부 표면(도시되지 않음) 및 내부 표면(520b)을 구비한다. 패턴화된 인광체 층(524)이 내부 표면에 부착된다. 도시된 바와 같이, 인광체 층(524)은 내부 표면(520b)의 일부분을 덮고, 내부 표면(520b)의 다른 부분을 덮지 않는다(따라서, 노출시킨다).
바람직하게는, 인광체 층(524)은 렌즈 조립체를 조명하도록 배열될 수 있는 LED(들)에 대응하는 이미지 구역(들) 근처에 위치되는 내부 표면의 임의의 부분(들)을 덮는다. 인광체 층은 하나 이상의 인광체들이 내부에 분산되어 있는 광-안정성 및 열-안정성 결합제로부터 제조될 수 있다. 결합제는 예를 들어 실리콘 및/또는 플루오로중합체를 포함한 중합체일 수 있으며, 실리콘 접착제 또는 실리콘 겔과 같은 접착제 또는 겔일 수 있다. 인광체 재료들(인광체들)은 혼합되거나, 층상으로 되거나, 패턴화될 수 있거나, 이들 구성들 중 2개 이상의 구성의 조합일 수 있다. 적합한 코팅 수단은 나이프 코팅, 압출 코팅, 및 바아(bar) 코팅을 포함한다. 패턴화된 코팅을 적용하기 위한 적합한 수단은 로토그라비어(rotogravure), 음각(intaglio), 실크 스크린, 및 잉크 젯을 포함한 인쇄를 위해 사용되는 것들을 포함한다. 하나 이상의 인광체 층들은 인광체의 미패턴화 층 상에 패턴화될 수 있거나, 상이한 영역들이 주로 하나의 인광체 유형을 가질 수 있다. 예를 들어, 적색-방출 인광체 및 녹색-방출 인광체의 픽셀 패턴이 사용될 수 있으며, 여기서 각각의 픽셀은 적어도 하나의 방향으로 (인광체를 구동하거나 여기시키는) 관련 LED의 대략적인 크기이다. 픽셀 패턴은 1차원 열(row) 또는 2차원 그리드(grid)의 형태일 수 있다. 상이한 인광체들을 공간적으로 분리시킴으로써 재흡수 손실이 감소될 수 있다. 일부 경우에, 상이한 인광체들은 측방향 또는 횡방향 치수가 인광체 함유 층의 두께의 약 2 내지 20배의 범위에 있는 영역들로 분리될 수 있다.
도 5의 렌즈 조립체(512)에서, 인광체 층(524)과 렌즈 부재(520) 사이에 접착제 층(525)이 제공된다. 접착제 층은 바람직하게는 LED 광 및 인광체 광 둘 모두에 대해 고 투과율 및 저 흡수율을 갖는다. 적합한 접착제 층들은 아크릴레이트 및 실리콘을 포함한다. 접착제는 열 또는 방사선으로 경화될 수 있는 다른 첨가제들을 함유할 수 있다. 예를 들어, 경화되어 영구적 접합을 형성할 수 있는 감압 접착제를 형성하기 위해, 열경화 에폭시가 B-스테이지 경화된 아크릴레이트와 혼합될 수 있다. 접착제는 또한, 열에 의해 또는 광분해에 의해 활성화되는 촉매를 갖는 실리콘 수지 단량체와 같은 경화성 액체로서 도포될 수 있다. 일부 경우에, 접착제는 인광체 층과 렌즈 부재 사이에 실질적으로 영구적인 접합을 제공할 수 있다. 도 11 및 도 12와 관련하여 이하 추가로 설명되는 다른 경우에, 접착제는 제거 가능한 접합을 제공할 수 있다. 이와 관련하여, 접착제는, 최종 응용에서 양호한 내구성을 제공하기에 충분히 크지만, 또한 인광체 층의 하나 이상의 부분들이 예를 들어 다이-커팅 및 박리에 의해 제거되게 하기에 충분히 작은 접합 강도를 가질 수 있다.
접착제 층(525)은 인광체 층(524)에 의해 덮이는 내부 표면(520b)의 부분들 및 인광체 층(524)에 의해 노출되는 내부 표면(520b)의 부분들 둘 모두를 덮는 것으로 도시되어 있다. 대안적인 실시예에서, 접착제 층은 인광체 층에 의해 또한 덮이는 내부 표면의 부분들만 덮도록 크기가 제한될 수 있다.
도 5의 렌즈 조립체(512)에서, 반사성 층(526)은 인광체 층이 반사성 층(526)과 렌즈 부재(520) 사이에 놓이도록, 인광체 층(524)의 다른 측에 제공된다. 반사성 층은 비교적 짧은 파장의 LED 광 및 보다 긴 파장의 인광체 광 둘 모두에 대해 고 반사율을 갖는 광대역 반사기일 수 있다. 그 경우에, 인광체 층을 완전히 통해 전파되는 임의의 LED 광은 감소된 두께의 인광체 층에서 LED 광의 증가된 흡수를 허용하도록 인광체 층 내로 다시 반사될 수 있다. 또한, 렌즈 부재로부터 멀어지는 방향들로 전파되는 임의의 인광체 광은 반사성 층에 의해 차단되고 인광체 층을 통해 렌즈 부재를 향하여 방향전환되어, 광원의 전체 출력의 인광체 광 성분을 증가시킬 수 있다. 반사성 층은 정반사성(specular) 반사기, 확산성 반사기, 또는 반-정반사성(semi-specular) 반사기(정반사성 및 확산성의 조합)일 수 있다. 반사성 층은 결합제 및 안료를 포함할 수 있으며, 다른 첨가제를 함유할 수 있다. 적합한 결합제는 인광체 층과 관련하여 언급된 것들과 동일한 결합제 재료를 포함한다. 반사성 층에 사용된 결합제는 인광체 층에 사용된 결합제와 동일하거나 상이할 수 있다. 예시적인 안료는 예추석(anatase) 또는 금홍석(rutile) TiO2를 포함한다. 바람직하게는, TiO2는 실리카와 같은 코팅으로 부동태화된다(passivated). 다른 첨가제는 열전도도를 개선하기 위해 무기물 충전제를 포함할 수 있다. 적합한 충전제는 알루미나, 질화알루미늄, 질화붕소, 및/또는 다이아몬드를 포함할 수 있다. 반사성 층에서의 그러한 충전제는 바람직하게는 LED 광 및 인광체 광의 낮은 흡광도를 갖는다. 주로 정반사성 특성을 갖는 적합한 광대역 반사기는 가시 영역에 걸쳐 98% 초과의 반사율을 갖는 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)에 의해 판매되는 비퀴티(Vikuiti)™ 인핸스드 스펙큘러 리플렉터 필름(Enhanced Specular Reflector Film)(ESR)과 같은, 가시 스펙트럼에 걸친 고 반사율을 위해 구성된 다층 광학 필름을 포함한다. 나노공극형(nanovoided) 중합체 또는 다른 중합체, MgF2, TiO2, SiO2, Al2O3, 및/또는 ZrO2와 같은 고 굴절률 및 저 굴절률 재료들의 광학적으로 얇은 층으로부터 제조되는 다른 유전체 코팅 반사기가 또한 사용될 수 있다. 알루미늄-코팅된 중합체 필름 또는 은-코팅된 중합체 필름과 같은 보다 간단한 금속-코팅된 필름이 또한 사용될 수 있다. 금속 코팅의 반사율은 예를 들어 나노공극형 중합체 또는 다른 중합체, 무기물 나노미립자 충전된 중합체, MgF2, TiO2, SiO2, Al2O3, 및/또는 ZrO2와 같은 하나 이상의 공지된 유전체 코팅들을 추가함으로써 향상될 수 있다.
도 5에 도시된 것에 대한 매우 다양한 대안적 구성들이 고려된다. 예를 들어, 접착제 층(525) 및/또는 반사성 층(526)은 생략될 수 있다. 또한, 추가적인 층들이 구성에 추가될 수 있다. 그러한 추가적인 층들은 하나 이상의 투명한 스페이서 층들, 구조용 층들, 열전도성 층들 및 접합 층들을 포함할 수 있다.
따라서, 투명한 스페이서 층이 또한 구성에 포함될 수 있다. 그러한 층은 바람직하게는 렌즈 부재와 인광체 층 사이에 배치된다. 스페이서 층은 하기의 기능들 중 하나 이상에 기여하도록 맞춤될 수 있다: 스페이서 층은 인광체 층으로부터 렌즈를 통해 방출되는 광의 광학 출력 특성을 변경시킬 수 있음; 스페이서 층은 렌즈 부재로부터 멀리, 그리고 열전도성 기판(예컨대, 도 1의 기판(116) 및 도 2의 기판(216))에 더 가깝게 인광체 층을 배치하거나 위치시킬 수 있음; 그리고/또는 스페이서 층은 장치의 휘도를 증가시키기 위해 렌즈 부재와 인광체 층 사이에 저 굴절률 층을 제공할 수 있음. 적합한 저 굴절률 코팅은 플루오로중합체, 실리콘, 및 용제와 조합되어 경화된 후 건조되어 저 굴절률 층을 생성하는 방사선 경화성 재료들을 포함한다.
구조용 층이 또한 구성물 내에 포함될 수 있다. 이와 관련하여, 구조용 층은, 예를 들어 도 11 및 도 12와 관련하여 이하에서 논의되는 바와 같이, 구조용 층이 부착되는 인광체 층의 부분(들)과 함께, (예컨대, 박리에 의해) 기계적으로 제거될 수 있도록 충분히 두껍고 강하며 자체-지지식인 층을 지칭한다. 제거 전에, 구조용 층은 제거될 부분(들)으로부터 보유될 부분(들)을 분리시키기 위해 스코어링되거나 절단될 수 있으며, 그 후에 제거될 부분(들)이 인광체 층의 대응하는 부분(들)과 함께 렌즈 부재로부터 기계적으로 제거되어 렌즈 부재의 내부 표면의 부분(들)을 선택적으로 노출시킬 수 있다. 적합한 구조용 층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 폴리에틸렌 나프탈레이트, 플루오로중합체, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 및 실리콘을 포함한 폴리에스테르를 포함한다. 구조용 층은 또한 셀룰로오스, 합성 섬유, 및 세라믹 또는 유리 섬유와 같은 재료들을 포함하는 직조 또는 랜덤 섬유상 매트의 것일 수 있다.
열전도성 층이 또한 구성물에 포함될 수 있다. 열전도성 층은 바람직하게는 인광체 층이 열전도성 층과 렌즈 부재 사이에 놓이도록 인광체 층의 후방에 배치된다. 열전도성 층은 보다 낮은 작동 온도에서 인광체 층을 유지하기 위해, 열전도성 기판(예컨대, 도 1의 기판(116) 및 도 2의 기판(216))과 접촉하거나 달리 결합될 수 있다. 열전도성 층은 중합체 층, 특히 알루미나, 실리카, 질화붕소 및/또는 질화알루미늄과 같은 적당량의 열전도성 분말(들) 또는 재료(들)로 충전된 중합체 층들로부터 제조될 수 있다. 중합체 층은 실리콘 또는 아크릴레이트와 같은 단일중합체, 또는 중합체들의 혼합물, 또는 방사선 경화된 아크릴레이트와 열 경화된 에폭시의 혼합물과 같은 B-스테이지 경화성 재료일 수 있다.
(이미 논의된 접착제 층(525) 이외의) 접합 층이 또한 구성물에 포함될 수 있다. 예를 들어, 인접한 기능성 층들 사이에 프라이머 층이 포함되어, 그러한 층들 사이의 접합을 향상시킬 수 있다.
인광체 층이 그 일부인 샌드위치 구성물에서 2개 이상의 층들의 기능들이 단일 층 내로 조합될 수 있다. 예를 들어, 접착제 층이 또한 투명한 스페이서 층으로서 역할할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 단일 층으로서 설명되거나 도시된 층들 중 임의의 층이 분할되거나 복제되어 샌드위치 구성물 내의 2개 이상의 그러한 별개의 층들을 제공할 수 있다.
개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 인광체 층은 적어도 반사성 층(526)과 같은 광대역 반사기를 또한 포함하는 인광체 조립체의 일부일 수 있다. 광대역 반사기는 LED 광에 대한 그리고 인광체 광에 대한 반사율이 90, 94, 또는 98% 이상일 수 있다. 또한, LED 광에 대한 인광체 층의 투명도 또는 투과율의 정도는 조명 시스템의 광대역 광 출력을 증가시키기 위해 맞춤될 수 있다. 그러한 증가는 인광체 층에 사용되는 인광체의 양을 감소시킴으로써 달성될 수 있다. LED 광에 대한 인광체 층의 단일 패스 투과율(T)은 30 내지 65%, 또는 35 내지 60%, 또는 40 내지 50%일 수 있다. 예시적인 인광체 조립체에 대한 추가적인 상세 사항이 통상적으로 양도된 PCT 출원 제PCT/US2011/065784호에서 보다 완전하게 논의되어 있다.
도 6은 렌즈 부재의 내부 표면의 선택된 부분들을 덮기 위해 인광체 층이 어떻게 패턴화될 수 있는지, 그리고 이색성 반사기에 의해 반사된 LED 광이 인광체 층을 조명할 수 있도록, LED 그룹들이 어떻게 내부 표면의 노출된 부분들에 근접하여 위치될 수 있는지에 대한 하나의 특정 예를 도시한다. 도면은 렌즈 조립체 약간 아래의 관측 표면으로부터 렌즈 조립체를 향해 상방으로 보았을 때, 광대역 광원(610)의 평면도인 것으로 간주될 수 있다. 광원(610)은 렌즈 조립체(612) 및 렌즈 조립체에 근접한 기판(도시되지 않음) 상에 배치된 이웃하는 LED들의 그룹(630a, 630b, 630c)들을 포함한다. 렌즈 조립체(612)는, 외부 표면(도시되지 않음) 및 내부 표면(620b)을 갖는 렌즈 부재(620); 렌즈 부재의 외부 표면 상에 배치된 이색성 반사기(도시되지 않음); 및 웨지-형상의 섹터(wedge-shaped sector)들에 배열된 3개의 별개의 부분(640, 642, 644)들을 갖고, 웨지-형상의 부분들에서 내부 표면(620b)을 덮도록 그리고 LED 그룹들이 차지하는 나머지 (상호보완적인) 웨지-형상의 영역들에서 내부 표면을 노출시키도록 패턴화되는 인광체 층을 포함한다. 광원(610) 및 광원의 각자의 구성요소들의 특성은 본 명세서의 다른 부분에서 논의되는 대응하는 구성요소들의 특성과 동일하거나 유사할 수 있다. 예를 들어, 렌즈 부재(620)의 외부 표면은, 도면의 평면에 직각이고 도면의 중심에 있는 지점(부호가 표기되지 않음)을 통과하는 광축을 한정하도록 형상화될 수 있다.
총 18개의 LED들이 도 6에 도시되어 있는데, LED들은 6개의 이웃하는 LED들의 3개의 웨지-형상의 그룹(630a, 630b, 630c)들로 배열되며, 이웃하는 LED들의 각각의 그룹은 내부 표면(620b)의 웨지-형상의 영역 부근에 배치된다. LED들의 3개의 웨지-형상의 그룹들의 레이아웃, 및 각각의 그룹에서의 도시된 LED들의 개수 및 배향은 많은 가능한 배열들 중 하나이며, 제한적인 방식으로 해석되어서는 안된다. 예를 들어, 웨지-유사 형상 이외의 형상들이 또한 고려된다.
이러한 평면도에서, 이웃하는 LED들의 그룹들은 인광체 층의 웨지-형상의 부분(640, 642, 644)들에 의해 서로 분리된다. 또한, 이웃하는 LED들의 각각의 그룹은 도면의 중심에 있는 지점에 대해, 인광체 층의 웨지-형상의 부분들 중 대체로 대향하는 부분인 웨지-형상의 영역에 위치한다. LED들의 웨지-형상의 영역 및 인광체 층의 대응하는 웨지-형상의 부분의 각각의 쌍이 또한 도면의 중심점에 대해 대체로 대칭일 수 있다. 광축이 중심점을 통과하도록 이색성 반사기를 구성함으로써 그리고 이색성 반사기의 적합한 곡률 반경을 선택함으로써, 이색성 반사기에 의해 반사되는 이웃하는 LED들의 각각의 웨지-형상의 그룹으로부터의 LED 광의 일부분이 인광체 층의 대응하는 웨지-형상의 부분 상에 (적어도 대략적으로) 이미지화될 수 있다. 3개의 LED 그룹들 각각의 이웃하는 LED들은 또한 중심점으로부터 (x-y 평면에 평행하게 측정된) 상이한 반경방향 거리로 배열되는 것으로 도시되어 있다. 예를 들어, 도시된 배열에서, 각각의 그룹 내의 하나의 LED(LED(614a, 614b, 614c)들 참조)는 중심점에 가장 근접하여 배치되고, 각각의 그룹 내의 3개의 LED들(LED(616a, 616b, 616c)들 참조)은 중심점으로부터 가장 멀리 떨어져 배치되며, 각각의 그룹 내의 2개의 LED들(LED(615a, 615b, 615c)들 참조)은 중심점으로부터 중간 거리에 배치된다. 이색성 반사기는 상이한 LED들이 주로 인광체 층의 상이한 하위부분(subportion)을 여기시키도록, 다양한 LED들로부터의 적어도 일부의 광을 인광체 층의 선택된 부분들 상으로 반사시킨다. 인광체 부분(640, 642, 644)들을 중심점으로부터 상이한 반경방향 거리들에 있는 하위부분들을 포함하는 것으로, 즉 하위부분(640-1, 640-2, 640-3, 640-4)들을 포함하는 부분(640), 하위부분(642-1, 642-2, 642-3, 642-4)들을 포함하는 부분(642), 및 하위부분(644-1, 644-2, 644-3, 644-4)들을 포함하는 부분(644)인 것으로 고려한다면, 이색성 반사기는 다양한 LED들로부터의 LED 광을 하기와 같이 다양한 인광체 층 하위부분들 상으로 우선적으로 반사시킬 수 있다:
LED(614a)로부터의 광을 인광체 하위부분(640-2) 상으로;
LED(615a)로부터의 광을 인광체 하위부분(640-3) 상으로;
LED(616a)로부터의 광을 인광체 하위부분(640-4) 상으로;
LED(614b)로부터의 광을 인광체 하위부분(642-2) 상으로;
LED(615b)로부터의 광을 인광체 하위부분(642-3) 상으로;
LED(616b)로부터의 광을 인광체 하위부분(642-4) 상으로;
LED(614c)로부터의 광을 인광체 하위부분(644-2) 상으로;
LED(615c)로부터의 광을 인광체 하위부분(644-3) 상으로; 및
LED(616c)로부터의 광을 인광체 하위부분(644-4) 상으로.
독자들은 LED 광의 우선적인 반사가 소정의 LED로부터의 반사된 LED 광 전부가 지정된 인광체 하위부분 상에 충돌할 것을 요구하는 것으로 그렇게 좁게 해석되어서는 안되며, 그러한 LED로부터의 일부 반사된 LED 광은 또한 다른 인광체 하위부분들 상에 그리고/또는 다른 LED 상에 또는 광원의 다른 요소 상에 충돌할 수 있다는 점을 유념할 것이다.
광원(610)의 일 실시예에서, 모두 18개의 LED들이 동일한 LED 방출 스펙트럼에 따라 LED 광을 방출할 수 있으며, 인광체 층은 인광체 층의 조성 및 구조가 웨지-형상의 부분(640, 642, 644)들 전반에 걸쳐 그리고 이들 사이에서 동일하도록 균일한 조성 및 구조의 것일 수 있다. 다른 실시예에서, 상이한 LED와 관련된 인광체 층의 부분들에 대해 상이한 조성들 및/또는 구조들을 사용함으로써, 상이한 광대역 광 부분들에 대해 상이한 색상들이 달성될 수 있다. 부수적으로 또는 대안적으로, 웨지-형상의 부분(640, 642, 644)들 중 하나, 일부 또는 전부는 중심점(부호로 표기되지 않음) 또는 이색성 반사기의 광축으로부터 상이한 반경방향 거리들에서 상이한 조성 및/또는 구조를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 상이한 방출 스펙트럼들을 갖는 개별 LED들을 선택한 후 상이한 방출 특성들의 LED들이 동력공급되는 상대적 정도를 제어하거나 조절함으로써, 상이한 광대역 광 부분들에 대해 상이한 색상들이 달성될 수 있다. 이와 관련하여, 추가적인 상세 사항을, 본 명세서의 다른 부분에서 참조되는 통상적으로 양도된 PCT 출원 제PCT/US2011/065780호에서 찾아볼 수 있다.
도 7은 하나 이상의 LED 장치들과 렌즈 조립체를 정합시킴으로써 광대역 고체 광원(710)이 어떻게 제조될 수 있는지를 분해도로 도시한다. 광원(710) 및 광원의 각자의 구성요소들의 특성은 본 명세서의 다른 부분에서 논의되는 대응하는 구성요소들의 특성과 동일하거나 유사할 수 있다.
광원(710)에서, 렌즈 조립체(712)는 LED 조립체와 정합된다. 렌즈 조립체는, 외부 표면(720a) 및 내부 표면(720b) - 외부 표면은 지점(721a)에서 외부 표면과 교차하고 지점(721b)에서 내부 표면과 교차하는 대칭축 또는 광축(721)을 한정함 - 을 갖는 렌즈 부재(720); 외부 표면(720a) 상에 배치되는 이색성 반사기; 및 웨지-형상의 섹터들에 배열된 3개의 별개의 부분(740, 742, 744)들을 갖고, 웨지-형상 부분들에서 내부 표면(720b)을 덮도록 그리고 나머지 (상호보완적인) 웨지-형상 영역들에서 내부 표면을 노출시키도록 패턴화되는 인광체 층을 포함한다.
렌즈 조립체가 정합되는 LED 조립체는 기판(716) 상에 배치되는 이웃하는 LED들의 그룹(730a, 730b, 730c)들을 포함한다. 다시 한번, LED들의 3개의 웨지-형상의 그룹들의 레이아웃, 및 각각의 그룹에서의 도시된 LED들의 개수 및 배향은 많은 가능한 배열들 중 하나이며, 제한적인 방식으로 해석되어서는 안된다. 이웃하는 LED들의 그룹들은 렌즈 조립체(712)가 LED 조립체에 결합될 때(예컨대, 접촉하게 되거나 달리 매우 근접하게 될 때), 인광체 층 부분(740, 742, 744)들과 각각 정렬되는 기판(716)의 웨지-형상의 영역(740a, 742a, 744a)들에 의해 서로로부터 분리된다. 그러한 결합이 달성될 때, LED들 및 인광체 층 부분들의 배열은 실질적으로 도 6과 관련하여 도시되고 설명된 바와 같을 수 있다. 렌즈 조립체(712)의 광축(721)이 LED 그룹(730a, 730b, 730c)들 및 영역(740a, 742a, 744a)들로 둘러싸인 중심점에 대응하는 기판 상의 지점(721c)을 통과한다는 점에 주목한다.
렌즈 부재의 외부 표면에 대한 다양하고 상이한 구성 스타일들이 고려된다. 일부 경우에, 외부 표면은 소정의 응용에서 유리할 수 있는 특정의 설계 특징부들을 제공하도록 구획될 수 있다. 구획된 외부 표면들을 갖는 렌즈 조립체들이 도 8, 도 9 및 도 10에 개략적으로 도시되어 있다. 이들 실시예의 특징부들은 본 명세서에서 논의된 다른 실시예들에 채용될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
도 8에서, 렌즈 조립체(812)는 외부 표면(820a) 및 내부 표면(820b)을 갖는 렌즈 부재(820)를 포함한다. 외부 표면은 원형의 경계 특징부(825)들에 의해 구획되며, 이 경계 특징부(825)들은 하나 이상의 홈 또는 노치 및/또는 하나 이상의 리지(ridge) 또는 돌출부이거나 이들을 포함할 수 있다. 이색성 반사기가 외부 표면(820a)의 일부 또는 전부에 침착되거나 달리 부착되지만, 경계 특징부(825)에는 없을 수 있다. 외부 표면(820a)의 구획은 몇몇 목적에 기여할 수 있다: 이색성 코팅의 단일의 연속 표면 영역을 인접한 세트의 보다 작은 연속 영역들로 나눔으로써, 이색성 코팅과 렌즈 부재(820) 사이의 열팽창 부정합의 기계적 영향이 감소될 수 있으며; 또한 경계 특징부들은 미코팅 표면들로부터 산란되는 제어된 양의 광을 제공할 수 있다. 경계 특징부(825)들의 존재에도 불구하고, 외부 표면(820a)은 여전히 바람직하게는, 정점(821a)에서 외부 표면(820a)과 교차하는 대칭축 또는 광축(821)을 한정하도록 그리고 본 명세서의 다른 부분에서 논의된 초점화 또는 이미지화 특성을 제공하도록 하는 방식으로 형상화된다.
도 9에서, 렌즈 조립체(912)는 외부 표면(920a) 및 내부 표면(920b)을 갖는 렌즈 부재(920)를 포함한다. 외부 표면은 아치형 경계 특징부(925a, 925b)들에 의해 구획되며, 이 경계 특징부들은 하나 이상의 홈 또는 노치 및/또는 하나 이상의 리지 또는 돌출부이거나 이들을 포함할 수 있다. 경계 특징부(925a)들은 대체로 x-z 평면에 평행한 평면 내에 놓이고, 경계 특징부(925b)들은 대체로 y-z 평면에 평행한 평면에 놓여서, 경계 특징부(925a)들과 교차한다. 이색성 반사기가 외부 표면(920a)의 일부 또는 전부에 침착되거나 달리 부착되지만, 경계 특징부(925a, 925b)들에는 없을 수 있다. 외부 표면(920a)의 구획은 도 8과 관련하여 논의된 것들을 포함한 몇몇 목적에 기여할 수 있다. 경계 특징부(925a, 925b)들의 존재에도 불구하고, 외부 표면(920a)은 여전히 바람직하게는, 정점(921a)에서 외부 표면(920a)과 교차하는 대칭축 또는 광축(921)을 한정하도록 그리고 본 명세서의 다른 부분에서 논의된 초점화 또는 이미지화 특성을 제공하도록 하는 방식으로 형상화된다.
도 10에서, 렌즈 조립체(1012)는 외부 표면(1020a) 및 내부 표면(1020b)을 갖는 렌즈 부재(1020)를 포함한다. 외부 표면은 도 8의 원형 경계 특징부들과 일부 사항들에서 유사한 원형 경계 특징부들에 의해 구획된다. 그러나, 도 10에서, 경계 특징부들 각각은 외부 표면의 인접한 부분들 사이의 가파른 연결 벽 부분을 포함하여서, 프레넬-렌즈 구조체를 생성한다. 이색성 반사기가 외부 표면(1020a)의 일부 또는 전부에 침착되거나 달리 부착되지만, 경계 특징부에는 없을 수 있다. 렌즈 부재(1020)의 전체 높이 또는 두께가 도 8 및 도 9의 렌즈 부재의 높이 또는 두께보다 실질적으로 작도록, 가파른 벽 부분들은 외부 표면의 상이한 부분들이 z-축을 따라 병진이동하게 한다는 것에 주목한다. 따라서, 외부 표면(1020a)의 구획은 도 8 및 도 9와 관련하여 논의된 목적들에 기여할뿐만 아니라, 렌즈 부재 및 렌즈 조립체의 전체 높이를 감소시키는 역할도 할 수 있다. 경계 특징부들의 존재에도 불구하고, 외부 표면(1020a)은 여전히 바람직하게는, 정점(1021a)에서 외부 표면(1020a)과 교차하는 대칭축 또는 광축(1021)을 한정하도록 그리고 본 명세서의 다른 부분에서 논의된 초점화 또는 이미지화 특성을 제공하도록 하는 방식으로 형상화된다.
본 명세서에 개시된 렌즈 조립체들 중 임의의 렌즈 조립체는 LED 조립체에 대한 렌즈 조립체의 결합에 대비하여, 원하는 경우 인광체 층 또는 다른 층의 신속하고, 편리하며, 정밀한 패턴화를 허용하는 방식으로 맞춤될 수 있다. 그러한 설계 접근법은 단일 유형의 렌즈 조립체가 다수의 상이한 LED 조립체들, 예컨대 상이한 개수의 LED들 및/또는 기판 상에서의 LED들의 상이한 공간적 배열 또는 레이아웃을 갖는 LED 조립체와 함께 사용되게 한다. 동일한 사전-패턴화된 렌즈 조립체들이, 렌즈 조립체들 중 하나의 렌즈 조립체의 인광체 층을 그러한 제1 LED 조립체에 적합한 제1 패턴으로 패턴화하고, 렌즈 조립체들 중 다른 렌즈 조립체의 인광체 층을 제1 LED 조립체가 아닌 그러한 제2 LED 조립체에 적합한 제2 패턴으로 패턴화함으로써, 그러한 LED 조립체들 둘 모두와 함께 사용될 수 있다. 이들 능력을 갖는 렌즈 조립체들은 고체 조명 제조업자들에 대해, 재고를 감소시키고, 제조 융통성을 증가시키며, 비용을 감소시키는 것을 도울 수 있다.
도 11은 이러한 설계 융통성을 통합한 렌즈 조립체(1112)를 도시한다. 렌즈 조립체(1112)는 외부 표면(1120a) 및 내부 표면(1120b)을 갖는 렌즈 부재(1120)를 포함한다. 이색성 반사기(별도로 부호가 표기되어 있지 않음)가 외부 표면(1120a)의 일부 또는 전부 상에 침착되거나 이를 달리 덮는다. 인광체 층(1124)은 그 일부가 예컨대 박리에 의해 내부 표면으로부터 물리적으로 분리되게 하면서 인광체 층의 나머지 부분이 내부 표면에 부착된 상태로 유지될 수 있는 방식으로 내부 표면(1120b)에 제거 가능하게 접합되거나 달리 제거 가능하게 부착된다. 도 11에는 도시되지 않지만, 앞서 도 5와 관련하여 논의된 다른 층들 중 임의의 층이 또한 구성물에 포함될 수 있다는 것에 주목한다. 예를 들어, 접착제 층은 인광체 층과 내부 표면 사이에 개재될 수 있으며, 접착제 층은 최종 응용에서 양호한 내구성을 제공하기에 충분히 높지만 또한 인광체 층의 하나 이상의 부분들이 예컨대 다이-커팅 및 박리에 의해 제거되게 하기에 충분히 작을 수 있는 접합 강도를 갖는다. 인광체 층의 제거된 부분은 하나 이상의 LED들이 렌즈 부재의 노출된 부분들 내로 광을 주입할 수 있도록 내부 표면(1120b)의 대응하는 부분을 노출시키고; 인광체 층의 나머지 부분은 이색성 반사기에 의해 반사된 LED 광을 수용할 수 있도록 내부 표면의 대응하는 부분을 덮는다.
인광체 층을 패턴화하는 효과를 갖는 인광체 층의 선택적 제거는 인광체 층을 원하는 형상으로 스코어링하거나 달리 절삭하고 나서 예컨대 박리에 의해 스코어링된 부분을 분리시킴으로써 실행될 수 있다. 그러한 작업은 도 11에 개략적으로 도시되어 있다. 절삭 부재(1102)들을 갖는 다이-커팅 공구(1101)는, 절삭 부재들이 렌즈 부재(1120)의 내부 표면(1120b)에서 인광체 층(1124) 및/또는 인접한 층(들)을 관통하도록, 렌즈 조립체(1112)에 대항하여 가압된다. 이러한 작업에 수반되는 대향력들이 화살표(1103)로 도시되어 있다. 공구(1101) 상의 절삭 부재(1102)들은 내부 표면(1120b)에 대해 원하는 노출된 영역의 형상 또는 원하는 덮인 영역의 형상을 나타내는 특정 형상으로 구성된다. 공구(1101)를 렌즈 조립체(1112)로부터 후퇴시킨 후에, 인광체 층의 일부분은 예컨대 박리에 의해 내부 표면(1120b)으로부터 물리적으로 분리되는 반면, 인광체 층의 나머지 부분은 내부 표면에 부착된 상태로 유지된다. 인광체 층의 분리된 부분과 인광체 층의 나머지 부분 사이의 경계는 다이-커팅 공구(1102)의 절삭 부재(1102)들에 의해 생성되는 인광체 층의 스코어링된 부분에 의해 제공된다. 다이-커팅 공구(1101)를 상이한 절삭 부재들을 갖는 절삭 공구로 대체하는 것은 조명 장치 제조업자가 동일한 초기 렌즈 조립체(1112)를 사용하여 상이한 노출 영역 형상을 생성하게 하여, 얻어진 렌즈 조립체가 상이한 LED 조립체와 함께 사용될 수 있도록 할 수 있다.
인광체 층이 패턴화된 렌즈 조립체(1212)가 도 12에서 개략 사시도로 도시되어 있다. 이 렌즈 조립체는 다이-커팅 및 박리 후의 도 11의 렌즈 조립체와 동일하거나 유사할 수 있으며, 렌즈 조립체(1212)의 특징부들은 본 명세서에서 논의된 실시예들 중 임의의 실시예에 채용될 수 있고, 그 역도 마찬가지이다. 조립체(1212)는 외부 표면(1220a) 및 내부 표면(1220b)을 갖는 렌즈 부재(1220)를 포함한다. 조립체는 또한, 외부 표면(1220a)의 전부 또는 일부분 상에 배치되는 이색성 반사기, 및 내부 표면(1220b)의 일부분을 덮도록 그리고 내부 표면(1220b)의 다른 부분(1230)을 노출시키도록 패턴화된 인광체 층(1224)을 포함한다. 부분(1230)의 경계의 형상은 도 11의 것과 같은 다이-커팅 공구의 절삭 부재들과 동일한 형상일 수 있다. 인광체 층의 스코어링된 부분이 벗겨진 후에, 노출 부분(1230)이 얻어진다. 이어서, 제조된 바와 같은 렌즈 조립체(1212)는 도 7의 하부 부분에 도시된 것과 같은 LED 조립체와 정합되어, 리모트 포스퍼 광대역 고체 광원을 제공할 수 있다.
렌즈 조립체(1212)는 또한 링-형상의 탭(1232)을 포함한다. 탭(1232)은 인광체 층의 다이-커팅된 영역의 제거를 용이하게 하기 위해 도 13과 관련하여 이하에서 논의되는 바와 같이 구성될 수 있다. 도 13 및 도 14는 추가적인 렌즈 조립체들을 도시하는데, 그 특징부들은 본 명세서에서 논의된 실시예들 중 임의의 실시예에 채용될 수 있고 그 역도 마찬가지이다. 도 13에서, 렌즈 조립체(1312)는 외부 표면(1320a) 및 내부 표면(1320b)을 갖는 렌즈 부재(1320)를 포함한다. 조립체는 또한 외부 표면(1320a)의 전부 또는 일부분 상에 배치되는 이색성 반사기, 및 내부 표면(1320b)의 일부분에 부착되는 인광체 층(1324)을 포함한다. 인광체 층(1324)은 도 11 및 도 12에 도시된 것과 유사한 방식으로, 또는 임의의 다른 적합한 방식으로 패턴화될 수 있다. 렌즈 부재(1312)는 링-형상의 탭(1332)을 포함한다. 탭(1332)은 다이-커팅과 같은 패턴화 작업 후 인광체 층의 일부분의 리프트-오프를 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 그러한 링은 예를 들어 렌즈 부재(1320)의 내부 표면에 접합되는 감압 접착제를 갖는 폴리에스테르 필름으로부터 제조될 수 있으며, 인광체 층은 인광체 층이 폴리에스테르 필름에 또한 부착되도록 렌즈 부재(1320)의 내부 표면에 또한 적용될 수 있다. 링은 인광체 층의 다이-커팅된 영역의 추후 제거를 용이하게 한다.
대안적인 구성물에서, 링은 인광체 층이 렌즈 부재(1320)의 내부 표면에 접합된 후에 인광체 층의 표면에 접합될 수 있다. 링을 구성하기에 적합한 재료는 중합체 필름 및 부직 매트를 포함한다. 필름 또는 매트는 인광체 코팅에 직접 접합될 수 있거나, 접착제 층에 의해 접합될 수 있다.
도 14에서, 렌즈 조립체(1412)는 외부 표면(1420a) 및 내부 표면(1420b)을 갖는 렌즈 부재(1420)를 포함한다. 조립체(1412)는 또한 외부 표면(1420a)의 전부 또는 일부분 상에 배치되는 이색성 반사기, 및 내부 표면(1420b)의 일부분에 부착되는 인광체 층을 포함한다. 조립체(1412)는 또한 인광체 층 및 내부 표면(1420b)을 덮는 구조용 층(1434)을 포함한다. 구조용 층(1434)은 패턴화 이후 인광체 층의 일부분의 리프트-오프를 용이하게 하도록 파지될 수 있는 별개의 탭(1436)들에 부착된다. 예를 들어, 구조용 층(1434), 인광체 층, 및 (별도로 존재하는 경우의) 접착제 층은 다이-커팅 공구로 스코어링될 수 있으며, 이어서 인광체 층의 원치 않는 부분은 탭(1436)들을 사용하여 구조용 층(1434)의 일부분을 들어올려 떼어냄으로써 내부 표면(1420b)으로부터 분리될 수 있다. 탭들은 중합체 필름 또는 부직 매트로부터 제조될 수 있다. 필름 또는 매트는 인광체 코팅에 직접 접합될 수 있거나, 접착제 층에 의해 접합될 수 있다.
상기의 교시 내용에 대한 많은 변형 또는 이의 개조가 이루어질 수 있다. 예를 들어, 다이-커팅에 더하여 또는 이의 대안으로서, 접착제의 접합 강도를 패턴형 방식으로 수정하도록 접착제 층이 다양한 처리들을 받을 수 있다. 처리는 접착제의 접합 강도를 증가시키는 효과를 가질 수 있으며, 이 경우에 최종 제품에서 인광체 층에 의해 덮이도록 의도되는 영역(들)에 사용될 수 있다. 접합 강도를 증가시키는 하나의 방법은, 가열될 때를 제외하고는, 렌즈 부재의 유리 또는 플라스틱에 대해 저 점착성을 갖는 접착제를 사용하는 것이다. 적합한 접착제의 일례는 광경화된 아크릴 접착제 및 미경화된 열경화성 에폭시의 혼합물이다. 이어서, 하나 이상의 특정 영역들에서의 점착력을 증가시키기 위해 핫 스탬프(hot stamp)가 사용될 수 있으며, 접합 강도는 예를 들어 필름을 들어올리기 위한 탭(도 13 또는 도 14 참조)들을 사용하여 미가열 영역에서의 인광체 층을 제거하기에 충분할 수 있다.
또한, 레이저 융삭(laser ablation)이 인광체 층을 패턴화하는 데 사용될 수 있다. 적합한 구성물은 인광체 층, 금속 층, 레이저-융삭 가능한 층, 구조용 층을 포함할 수 있다. 그러한 절차는 레이저 융삭을 사용하여 레이저 융삭 가능한 층을 패턴화하는 것을 수반할 수 있으며, 이 후에 레이저에 의해 융삭되지 않은 영역(들)에서 렌즈로부터 인광체의 대응하는 미손상 부분(들)을 제거하기 위해, 구조용 층의 미손상 부분(들)이 제거될 수 있다.
달리 지시되지 않는 한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용되는 특징부 크기, 양, 물리적 특성 등을 표현하는 모든 수는 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 그에 따라, 반대로 지시되지 않는 한, 본 명세서 및 특허청구범위에 기술되는 수치적 파라미터는 본 출원의 교시 내용을 이용하여 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 변할 수 있는 근사치이다.
본 발명의 다양한 변형 및 변경은 본 발명의 범주 및 사상으로부터 벗어남이 없이 당업자에게 자명하게 될 것이며, 본 발명이 본 명세서에 나타낸 예시적인 실시예들로 제한되지 않음을 이해하여야 한다. 본 명세서에서 언급되는 모든 미국 특허, 공개 및 미공개 특허 출원, 기타 특허 및 특허외 문헌은, 그들이 전술한 개시 내용과 직접적으로 모순되지 않는 한, 참고로 포함된다.

Claims (22)

  1. 리모트 포스퍼(remote phosphor) LED 장치에서의 사용을 위한 렌즈 조립체로서,
    외부 표면 및 내부 표면 - 상기 외부 표면은 내부 표면과 교차하는 광축(optical axis)을 한정하도록 만곡됨 - 을 갖는 렌즈 부재;
    외부 표면의 적어도 일부분에 부착되고, 내부 표면에 근접한 기준면 내의 소정의 소스 지점으로부터 유래된 LED 광을 기준면 내의 소정의 이미지 지점으로 반사하도록 구성되는 이색성 반사기(dichroic reflector); 및
    내부 표면의 적어도 일부분에 부착되고, 인광체 광(phosphor light)을 방출하도록 구성된 인광체 층을 포함하며,
    이색성 반사기는 인광체 광을 투과시키도록 구성되고,
    (a) 인광체 층은 내부 표면의 하나 이상의 제1 부분들을 덮도록 그리고 내부 표면의 하나 이상의 제2 부분들을 노출시키도록 패턴화되고, 소정의 이미지 지점은 하나 이상의 제1 부분들에 근접하여 배치되며 소정의 소스 지점은 하나 이상의 제2 부분들에 근접하여 배치되고/되거나, (b) 인광체 층은 내부 표면에 제거 가능하게 접합되는, 렌즈 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 외부 표면은 연속적으로 만곡되는, 렌즈 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 외부 표면은 실질적으로 반구형인, 렌즈 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 외부 표면은 구획되는, 렌즈 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 외부 표면은 프레넬(Fresnel) 렌즈 표면을 포함하는, 렌즈 조립체.
  6. 제4항에 있어서, 외부 표면은 외부 표면을 별개의 부분들로 세그먼트화하는 복수의 아치형 특징부들을 포함하는, 렌즈 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 내부 표면은 평탄한, 렌즈 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 소정의 소스 및 이미지 지점들은 기준점에 의해 양분되는 선분을 한정하고, 기준점은 기준면과 광축의 교차점에 배치되는, 렌즈 조립체.
  9. 제1항에 있어서, 인광체 층은 내부 표면에 제거 가능하게 접합되고 소정의 이미지 지점 및 소정의 소스 지점 둘 모두에서 내부 표면을 덮는, 렌즈 조립체.
  10. 제1항에 있어서, 이색성 반사기는 소정의 소스 지점으로부터 유래된 반사 LED 광을 소정의 이미지 지점에 집중시키는 데 효과적인, 렌즈 조립체.
  11. 제1항에 있어서, 인광체 층과 내부 표면 사이에 배치되는 접착제 층을 추가로 포함하고, 접착제 층은 인광체 층의 일부분이 내부 표면으로부터 분리되게 하기에 충분히 낮은 접합 강도를 갖는, 렌즈 조립체.
  12. 제1항에 있어서, 내부 표면에 부착되는 하나 이상의 스페이서 요소(spacer element)들을 추가로 포함하는, 렌즈 조립체.
  13. 제12항에 있어서, 하나 이상의 스페이서 요소들은 인광체 층을 둘러싸는 링 구조체를 포함하는, 렌즈 조립체.
  14. 제1항에 있어서, 인광체 광은 광대역 가시광을 포함하는, 렌즈 조립체.
  15. 제14항에 있어서, 광대역 가시광은 황색광을 포함하는, 렌즈 조립체.
  16. 제14항에 있어서, 광대역 가시광은 백색광을 포함하는, 렌즈 조립체.
  17. 리모트 포스퍼 LED 장치를 제조하는 방법으로서,
    외부 표면 및 내부 표면 - 상기 외부 표면은 내부 표면과 교차하는 광축을 한정하도록 만곡됨 - 을 갖는 렌즈 부재를 제공하는 단계;
    내부 표면에 근접한 기준면 내의 소정의 소스 지점으로부터 유래된 LED 광을 기준면 내의 소정의 이미지 지점으로 반사하도록 구성되는 이색성 반사기를 외부 표면의 적어도 일부분에 부착시키는 단계;
    내부 표면의 하나 이상의 제1 부분들을 덮는 하나 이상의 제1 부분들 및 내부 표면의 하나 이상의 제2 부분들을 덮는 하나 이상의 제2 부분들을 포함하는 인광체 층을 내부 표면의 적어도 일부분에 제거 가능하게 접합시키는 단계 - 상기 소정의 이미지 지점은 내부 표면의 하나 이상의 제1 부분들에 근접하여 배치되고, 소정의 소스 지점은 내부 표면의 하나 이상의 제2 부분들에 근접하여 배치됨 - ; 및
    내부 표면의 하나 이상의 제2 부분들을 노출시키도록 인광체 층을 패턴화하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 패턴화하는 단계는 인광체 층의 하나 이상의 제1 부분들과 하나 이상의 제2 부분들 사이에서 인광체 층을 스코어링(scoring)하는 단계, 및 내부 표면으로부터 인광체 층의 하나 이상의 제2 부분들을 분리시키는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서, 분리하는 단계는 인광체 층의 하나 이상의 제2 부분들을 내부 표면으로부터 벗겨내는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제18항에 있어서, 스코어링하는 단계는 인광체 층에 대항하여 다이 커터(die cutter)를 가압하는 단계를 포함하는, 방법.
  21. 제17항에 있어서, 패턴화하는 단계는 인광체 층의 하나 이상의 제2 부분들에서의 내부 표면에 대한 인광체 층의 접합 강도에 비해, 인광체 층의 하나 이상의 제1 부분들에서의 내부 표면에 대한 인광체 층의 접합 강도를 증가시키는 단계를 포함하는, 방법.
  22. 제17항에 있어서, 인광체 층에 연결되는 하나 이상의 탭(tab)들을 제공하는 단계를 추가로 포함하고, 패턴화하는 단계는 하나 이상의 탭들을 사용하여 인광체 층의 하나 이상의 제2 부분들을 벗겨내는 단계를 포함하는, 방법.
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