KR20140136497A - 면광원 - Google Patents

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마티아스 자바틸
알렉산더 링코브
토마스 블라이허
노르빈 폰 말름
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Abstract

적어도 하나의 실시예에서, 면광원(1)은 일차 방사선(P)을 생성하기 위한 그리고 방사선 주 면(radiation main side)(20)을 갖는 하나 또는 복수의 광전자 반도체 칩(2)을 포함한다. 산란체(scattering body)(3)는 상기 반도체 칩(2)들의 주 빔 방향(main direction of beam)(x)을 따라서 상기 방사선 주 면(20)의 하류에 배치되어 있다. 상기 산란체(3)는 상기 일차 방사선(P)을 산란시킬 수 있도록 설계되었다. 상기 산란체(3)의 주 방출 방향(main emission direction)(y)은 상기 반도체 칩(2)의 주 빔 방향(x)에 대해 비스듬히 방향 설정되었다.

Description

면광원 {SURFACE LIGHT SOURCE}
본 발명은 면광원에 관한 것이다.
본 발명에서 해결해야 할 과제는, 비교적 작은 기하학적 치수들에서 높은 효율을 갖는 면광원을 제시하는 것이다.
상기 과제는 특히, 특허청구범위 청구항 1의 특징들을 갖는 면광원에 의해서 해결된다. 상기 면광원의 바람직한 개선예들은 종속 청구항들의 대상이다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 면광원은 하나 또는 복수의 광전자 반도체 칩을 포함한다. 상기 반도체 칩들로는 발광 다이오드, 요컨대 LED(Light Emitting Diode)가 사용될 수 있다. 상기 반도체 칩들은 일차 방사선을 생성할 수 있도록 설계되었다. 반도체 칩들은 방사선 주 면(radiation main side)을 가진다. 상기 방사선 주 면은 바람직하게 반도체 칩들의 에피택셜(epitaxial) 공법으로 형성된 반도체 층 시퀀스의 성장 방향에 대해 수직으로 방향 설정되어 있다. 상기 면광원이 복수의 반도체 칩을 포함하면, 모든 반도체 칩은 구조가 동일할 수 있고 동일한 파장의 방사선을 생성할 수 있도록 설계될 수 있다. 마찬가지로, 서로 상이하게 형성된 반도체 칩들, 예를 들면 상이한 파장의 방사선을 생성하기 위한 반도체 칩들이 존재할 수도 있다.
본원에서 면광원은 확장된 발광 면적을 갖는 광원이다. 이러한 면광원에 비해서, 점광원들은 매우 작은 발광 면적만을 가진다. 면광원들은, 예컨대 매입형 조명 기구(recessed luminaire)들과 관련한 전반 조명에 그리고 액정 디스플레이들의 후방 조명에 빈번히 적용된다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 면광원은 하나 또는 복수의 산란체(scattering body)를 포함한다. 상기 하나 이상의 산란체는 일차 방사선을 산란시킬 수 있도록 설계되었다. 산란체는 하나 이상의 반도체 칩의 주 빔 방향(main direction of beam)을 따라서 방사선 주 면의 하류에 배치되어 있다. 환언하면, 상기 산란체는 상기 반도체 칩의 방사선 주 면 위에 있다. 상기 방사선 주 면과 상기 산란체 사이에는 렌즈(lens), 필터(filter) 및/또는 파장 변환을 위한 변환 수단과 같은 추가적인 광 활성 컴포넌트들이 존재하지 않을 수 있다. 바람직하게는, 산란체는 평면도로 볼 때 반도체 칩을 완전히 덮는다. 산란체는 평면도로 볼 때 반도체 칩과 같은 높이로 종료될 수 있거나 측면에서 상기 반도체 칩보다 돌출하여 있을 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체는 하나 또는 다수의 주 방출 방향(main emission direction)을 가진다. 상기 주 방출 방향은 바로 산란체가 단위 입체각당 최대 방사 용량을 방출하는 방향이다. 특히, 산란체의 모든 주 면에는 주 방출 방향이 할당되어 있다. 바람직하게는 산란체가 정확히 2개의 주 방출 방향 및 정확히 2개의 주 방출 면을 가진다. 복수의 주 방출 방향이 존재하면, 이러한 복수의 주 방출 방향은 각도에 의존적인 방사 강도의 국부 최댓값(local maximum)들에 의해 형성될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체의 주 방출 방향 또는 주 방출 방향들 중 하나 이상의 주 방출 방향 또는 모든 주 방출 방향은 반도체 칩의 주 빔 방향에 대해 비스듬히 방향 설정되어 있다. 예를 들어, 산란체의 주 방출 방향과 반도체 칩의 주 빔 방향 사이 각도는 최소 45° 또는 최소 60° 또는 최소 70° 또는 최소 75°에 이른다. 대안적으로 또는 추가로, 상기 산란체의 주 방출 방향과 반도체 칩의 주 빔 방향 사이 각도는 최대 92° 또는 최대 90° 또는 최대 85° 또는 최대 80°에 이른다.
적어도 하나의 실시예에서, 면광원은 일차 방사선을 생성하기 위한 그리고 방사선 주 면을 갖는 하나 또는 복수의 광전자 반도체 칩을 포함한다. 상기 면광원의 산란체는 상기 반도체 칩들의 주 빔 방향을 따라서 상기 방사선 주 면의 하류에 배치되어 있다. 상기 산란체는 상기 일차 방사선을 산란시킬 수 있도록 설계되었다. 상기 산란체의 주 방출 방향은 상기 반도체 칩의 주 빔 방향에 대해 비스듬히 방향 설정되어 있다.
상기와 같은 면광원의 경우, 산란체에 의해, 특히 방사선 주 면에 대해 수직으로 방향 설정된, 반도체 칩의 주 빔 방향이 이러한 반도체 칩의 주 빔 방향과는 다른 주 방출 방향으로 편향된다. 따라서 산란체는 반도체 칩과는 다른 방사 특성 곡선을 가진다. 높은 광 효율을 갖는 상기와 같은 산란체에 의해서는, 특히 상이한 방출 파장을 갖는 복수의 반도체 칩 사용에서 조밀(compact)하면서도 균일한 방사선을 방출하는 면광원이 구현될 수 있다.
상기와 같은 면광원에 의해서는, 또한 비교적 작은 전체 높이와 높은 효율 그리고 작업면을 균일하게 조명하기에 충분한 색 혼합이 구현될 수 있다. 마찬가지로 고효율의 면광원도 구현될 수 있는데, 이러한 면광원의 광은 선호 편광(preferential polarization)을 가진다. 상기와 같은 광원을 이용하면, 액정 디스플레이들의 후방 조명으로서 사용되는 적용예에서 시스템 효율이 상승할 수 있다. 본원에서 '전체 높이'라는 개념은 확장된 발광 면적에 대해 수직인 방향으로의 치수를 의미한다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 면광원은 평면도로 볼 때 최소 50㎜ 또는 최소 100㎜ 또는 최소 150㎜의 평균 측면 치수를 가진다. 즉, '면광원'이라는 개념은, 면광원의 발광 면이 최소 0.01qm의 면적을 가진다는 것을 의미할 수 있다. 바람직하게 면광원은 광 출력 면에서 균일하게 방출한다. '균일하게'라는 표현은, 국부적인 방사 용량이 (전체 발광 면에 걸쳐 평균적으로 볼 때) 방사 용량의 평균값에서 최대 40%만큼 상이하다는 것을 의미할 수 있다. 국부적으로 방출된 방사선의 색도 좌표는 발광 면에 걸친 평균 색도 좌표에서 바람직하게는 CIE 표준 색표에서 최대 0.02 단위 또는 최대 0.01 단위만큼 상이하다.
면광원의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체는 회전체 형태를 가진다. 예를 들면, 이러한 경우 상기 산란체는 원통형(cylinder) 또는 원추형(cone) 또는 절두 원추형(truncated cone)으로 형성되어 있다.
면광원의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체는 다면체 형태를 가진다. 이러한 경우 상기 산란체는 예를 들면 각기둥(prism) 또는 각추형(pyramid) 또는 절두 각추형(truncated pyramid)으로 형성되어 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체는 삼각형 모양의 기본 형태를 갖는 횡단면을 가진다. 여기서 '기본 형태'라는 표현은, 상기 산란체의 외곽선이 횡단면으로 볼 때 삼각형 모양의 형태를 가진다는 것을 의미한다. 기본 형태를 결정할 때에는, 일 면에서, 특히 반도체 칩 쪽을 향하는 산란체의 하부면에서 비교적 작은 리세스(recess)들 또는 노치(notch)들은 고려되지 않을 수 있다. 횡단면은 특히 절단면이 반도체 칩의 주 빔 방향에 대해 평행하게 그리고 바람직하게는 산란체의 주 연장 방향, 예를 들면 길이 방향 축에 대해 수직으로도 결정된다. 삼각형 모양의 기본 형태에 대안적으로, 산란체는 사다리꼴 모양의 기본 형태를 가질 수도 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체는 형태가 원형의 횡단면을 가진다. 예컨대, 상기 산란체의 횡단면은 둥근 삼각형, 사각형 또는 둥근 모서리들을 갖는 사다리꼴이다. 대안적으로, 상기 산란체는 횡단면으로 볼 때 타원형으로 형성될 수 있거나, 또는 반원형 또는 반타원형 형태를 가질 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체의 폭은 주 빔 방향을 따라서 감소한다. 환언하면, 이러한 경우 상기 산란체는 방사선 주 면에 대해 수직인 방향으로 그리고 상기 방사선 주 면으로부터 멀어질수록 폭이 더 좁아진다. 주 빔 방향을 따라서 발생하는 산란체의 폭 감소는 바람직하게 단조롭게(monotonically) 또는 절대적으로 단조롭게 이루어진다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체는 주 빔 방향을 따라서 그리고/또는 방사선 주 면에 대해 수직인 방향을 따라서 삼각형 모양의 기본 형태를 갖는 산란체 횡단면의 최대 폭보다 큰 높이를 가진다. 즉, 이러한 경우 특히 산란체의 주 연장 방향에 대해 수직이고 그리고 반도체 칩의 방사선 주 면에 대해 수직인 횡단면으로 볼 때, 상기 산란체는 폭보다 높이가 더 높다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체는 방사선 투과성 매트릭스 재료(radiolucent matrix material)를 가진다. 상기 매트릭스 재료로는 PMMA(polymethylmethacrylate), 유리(glass), 실리콘(silicone), 에폭시(epoxy) 및/또는 실리콘-에폭시-하이브리드 재료(silicone-epoxy hybrid material)가 사용될 수 있다. 폴리카보네이트(polycarbonate, PC)와 같은 열가소성 플라스틱들 또한 산란체를 위한 매트릭스 재료로서 사용될 수 있다. 매트릭스 재료 내에는 산란 입자들이 매립되어 있다. 상기 산란 입자들은 바람직하게 매트릭스 재료와는 상이한 굴절률을 가진다. 산란 입자들은 이산화티타늄 입자(titanium dioxide particle) 또는 산화알루미늄 입자(aluminum oxide particle)일 수 있다. 상기 산란 입자들에 대안적으로 또는 추가로, 변환 수단의 입자들이 매트릭스 재료 내에 매립될 수 있다. 산란체 내에서 산란 입자들은 균일하게 또는 목적에 맞게 불균일하게, 예를 들면 반도체 칩들 가까이에 비교적 더 많이 집중되는 방식으로 분포될 수 있다.
면광원의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체는 결합된 방식으로 그리고 일체형으로 복수의 반도체 칩에 걸쳐서 연장된다. 즉, 이러한 경우 동일한 구조로 또는 상이한 파장의 방사선을 방출할 수 있도록 설계될 수 있는 복수의 반도체 칩은 산란체 아래에 위치하고 이러한 산란체에 의해 함께 덮여 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체 아래에 위치하는 반도체 칩들은 다색을 방출하는 그룹, 특히 RGB-그룹으로 통합되어 있다. 환언하면, 이러한 경우 산란체 아래에는 적어도 적색 광, 적어도 녹색 광 및/또는 적어도 청색 광을 방출하는 반도체 칩이 위치한다. 상기 반도체 칩들은 바람직하게 공간적으로 가깝게 인접 배치되어 있다. 이와 같은 배치는 인접한 반도체 칩들 간의 평균 간격이 산란체 높이의 최대 50% 또는 25% 또는 10%에 이른다는 것을 의미할 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체는 회전 대칭적으로 형성되어 있다. 예컨대, 이러한 경우 상기 산란체의 측면적은 원추형, 절두 원추형 또는 절두 회전 타원체 형태를 가진다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 공동의 산란체 아래에 배치된 반도체 칩들의 적어도 일부분은 서로 넓은 간격을 두고 배치되어 있다. 이러한 배치는 상기 반도체 칩들간의 간격이 산란체 높이의 최소 100% 또는 200% 또는 300%에 이른다는 것을 의미할 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체는 반도체 칩들에 걸친 높이와 관련하여 국부 최솟값(local minimum)들을 갖지 않는다. 상기 산란체는 이러한 경우 특히 반도체 칩들과 상관관계가 있는 높이 변조를 갖지 않는다. 특히, 산란체는 모든 반도체 칩에 걸쳐 일정한 높이로 연장된다. 대안적으로 또는 추가로, '일정한 높이'라는 개념은, 반도체 칩들의 두께의 최대 200% 또는 100% 허용 오차에서 산란체의 높이가 변하지 않고 일정하다는 것을 의미할 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체는 반도체 칩들에 걸친 높이와 관련하여 하나 또는 복수의 국부 최솟값을 가진다. 상기 산란체는 이러한 경우 특히 반도체 칩들과 상관관계가 있는 높이 변조를 가질 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 반도체 칩들은 하나 이상 또는 정확히 하나의 직선 라인을 따라서 배치되어 있고, 이때 상기 반도체 칩들에 걸쳐서 산란체가 연장된다. 산란체의 주 연장 방향은 바람직하게 반도체 칩들의 상기 직선 배치 라인에 대해 평행하게 방향 설정되어 있고, 평면도로 볼 때 반도체 칩들의 상기 직선 배치 라인 위에 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체의 주 방출 방향 또는 주 방출 방향들은 면광원에 대한 평면도로 볼 때, 바람직하게 최대 15° 또는 최대 10° 또는 최대 5°의 허용 오차에서, 반도체 칩들의 배치 라인에 대해 수직으로 방향 설정되어 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 면광원은 복수의 산란체를 포함한다. 상기 산란체들은 바람직하게 서로 간격을 두고 공동 캐리어(common carrier) 상에 배치되어 있다. 반도체 칩들의 주 빔 방향은 바람직하게 상기 캐리어의 주 면에 대해 수직으로 방향 설정되어 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체들 또는 이 산란체들의 적어도 일부분이 서로 평행하게 배치되어 있다. 특히, 모든 산란체가 서로 평행하게 정렬될 수 있다. 산란체들 또는 이 산란체들의 적어도 일부분의 주 방출 방향들도 서로 평행하게 정렬될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체들의 적어도 일부분 또는 모든 산란체는 서로에 대해 횡방향으로 또는 십자형으로 배치되어 있다. '서로에 대해 횡방향으로 배치되어 있다'는 표현은 특히, 산란체들 그리고 이 산란체들의 주 연장 방향들의 각도가 30°(30° 포함) 내지 90°, 특히 약 90°에 이른다는 것을 의미한다. '십자형으로 배치되어 있다'는 표현은 산란체들이 교차 리브 볼트(cross-ribbed vault)와 유사하게 상호 관통되고 그리고 부분적으로 겹친다는 것을 의미할 수 있다. 특히, 산란체들의 배치 그리드 및/또는 면광원의 모서리들 또는 가장자리에 위치하는 상기와 같은 산란체들은 서로에 대해 횡방향으로 배치될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체는 평면도로 볼 때 그물 모양이다. 이러한 경우 반도체 칩들은 바람직하게 규칙적인 격자 내에 배치되어 있고, 산란체는 모든 반도체 칩 또는 반도체 칩들의 적어도 일부분을 덮을 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체는 방사선 주 면에 직접적으로 설치되어 있다. '직접적으로'라는 표현은, 산란체와 방사선 주 면 사이에 단지 접착제와 같은 연결 수단만 존재한다는 것을 의미할 수 있다. 마찬가지로 산란체는 방사선 주 면에 접촉할 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 반도체 칩의 측면들에는 산란체가 없다. 이러한 경우 상기 반도체 칩의 측면들에 대해 수직인 방향으로 그리고 그와 더불어 특히 방사선 주 면에 대해 평행한 방향으로는, 반도체 칩이 산란체에 의해 덮여 있지 않다. 예를 들어, 반도체 칩의 측면들은 산란체를 고정하기 위한 접착제 또는 반사 작용하는 포팅부(reflective potting)에 의해 둘러싸이고/둘러싸이거나 덮여 있다. 이 경우 측면들에 대한 수직 투영도로 보면, 바람직하게 측면들 위에는 산란 입자들이 존재하지 않는다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 반도체 칩의 측면들은 부분적으로 또는 완전히 산란체에 의해 덮여 있다. 상기 측면들은 산란체에 접촉할 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 면광원의 발광 면적과 반도체 칩의 방사선 주 면의 면적의 비율은 최소 100 또는 최소 250 또는 최소 1,000 또는 최소 2,500에 이른다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 면광원은 하나 또는 복수의 리플렉터(reflector)를 포함한다. 상기 리플렉터들은 산란체에 의해 산란된 일차 방사선을 면광원의 발광 면 방향으로 편향시킬 수 있도록 설계되었다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 리플렉터는 횡단면으로 볼 때 대칭 또는 비대칭 사각형 형태를 가진다. 평면도로 볼 때, 상기 리플렉터는 구형, 원형, 타원형, 직사각형 또는 둥근 모서리들을 갖는 직사각형으로 형성될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 리플렉터는 반도체 칩의 방사선 주 면에 대해 수직인 횡단면으로 볼 때 사다리꼴 모양의 기본 형태를 가진다. 마찬가지로, 상기 리플렉터는 횡단면으로 볼 때 삼각형 모양의 기본 형태를 가질 수도 있다. 이러한 경우 리플렉터는 예컨대 각추형, 절두 각추형, 원추형 또는 절두 원추형의 측면적과 같이 형성되어 있다. 기본 형태는 반사 대칭을 가질 수 있다. 이와 달리, 리플렉터는 직선 라인을 따라서 뻗은 측면들이 아닌, 예컨대 포물선 형태로 만곡된 측면들을 가질 수도 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 리플렉터는 반도체 칩의 방사선 주 면의 평균 에지 길이(average edge length)를 최소 10배 또는 최소 50배 또는 최소 100배만큼 초과하는 평균 측면 연장부를 가진다. 환언하면, 이러한 경우 리플렉터는 평면도로 볼 때 반도체 칩보다 확연히 더 크다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 면광원은 하나 또는 복수의 히트 싱크(heat sink)를 포함한다. 상기 하나의 히트 싱크는 또는 하나 이상의 히트 싱크는 히트 싱크 상부면을 포함한다. 상기 히트 싱크 상부면에는 하나 이상의 반도체 칩이 설치되어 있다. 히트 싱크는 히트 싱크 상부면 및/또는 이 히트 싱크 상부면과 떨어져서 마주보는 히트 싱크 하부면에 구조화들을 가질 수 있다. 상기와 같은 구조화들에 의해서는 냉각 리브(cooling rib)들이 형성될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 히트 싱크는 일차 방사선을 반사할 수 있도록 설계되었다. 히트 싱크 상부면은 반도체 칩의 방사선 주 면에 대해 평행하게 방향 설정되어 있거나, 또는 히트 싱크 상부면이 상기 반도체 칩의 방사선 주 면에 대해 비스듬히 뻗어 있을 수 있다. 히트 싱크 상부면은 평탄하게 형성될 수 있거나, 또는 횡단면으로 볼 때 삼각형 모양 또는 사다리꼴 모양으로 뻗어 있을 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 히트 싱크 상부면은 평균 측면 연장부를 가지며, 상기 평균 측면 연장부는 반도체 칩의 방사선 주 면의 평균 에지 길이를 최소 10배 또는 최소 50배 또는 최소 100배만큼 초과한다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 광원은 하나 또는 복수의 방사선 투과성 광 분배기를 포함한다. 상기 하나 이상의 광 분배기는 고체로 형성되어 있다. 광 분배기로는 도파관이 사용될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 광 분배기 및/또는 리플렉터는 회전 대칭적으로 형성되어 있다. 이러한 경우 대칭축은 바람직하게 하나 이상의 반도체 칩의 주 빔 방향에 대해 평행하게 방향 설정되어 있다. 이때 상기 리플렉터 및/또는 상기 광 분배기는 예컨대 절두 원추형으로 형성되었다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체는 완전히 또는 주로 또는 적어도 부분적으로 광 분배기의 리세스 내에 설치되어 있다. 특히 횡단면으로 볼 때, 상기 광 분배기 내 리세스는 산란체와 동일한 기본 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 리세스뿐만 아니라 산란체도 삼각형 모양의 기본 형태를 가진다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 광 분배기는 횡단면으로 볼 때 사다리꼴 모양 또는 삼각형 모양의 기본 형태를 가진다. 다시 말해, 특히 방사선 주 면에 대해 수직인 횡단면으로 볼 때, 상기 광 분배기의 외형 또는 상기 광 분배기의 윤곽선은 삼각형 모양 또는 사다리꼴 모양의 형태를 보일 수 있다.
마찬가지로 광 분배기는 예를 들어 횡단면으로 볼 때, 포물선, 타원, 또는 쌍곡선의 부분과 같이 형성되도록 만곡된 측면들을 가질 수 있다. 상기 측면들은 둘레에서 동일하지 않은 형상을 가질 수 있다. 이 때문에 각기 다른 공간 방향들을 따라서, 상이한 도광 특성 및/또는 방사 특성이 구현될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 광 분배기는 평면도로 볼 때 평균 측면 연장부를 가지며, 상기 평균 측면 연장부는 반도체 칩의 방사선 주 면의 평균 에지 길이를 최소 10배 또는 최소 50배 또는 최소 100배만큼 초과한다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 광 분배기와 산란체 사이에는 커팅 슬릿(cutting slit)이 존재한다. 상기 커팅 슬릿은 바람직하게 진공화되어 있거나 가스로 채워져 있다. 커팅 슬릿의 평균 폭은 예컨대 최소 1㎛ 또는 최소 0.1㎜ 또는 최소 0.25㎜에 이른다. 특히, 상기 커팅 슬릿의 평균 폭은 최대 1.0㎜ 또는 최대 0.5㎜에 이른다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 광 분배기와 산란체는 서로 접촉하지 않는다. 마찬가지로 상기 광 분배기와 상기 산란체는 광학적으로 서로 직접 연결되지 않을 수 있다. '광학적으로 서로 직접 연결된다'라는 것은, 주 방출 방향을 따라 산란체와 광 분배기 사이에서, 0.1 또는 0.2를 초과하지 않는 일차 방사선의 파장에 대한 광 굴절률의 급격한 변화가 존재함을 의미할 수 있다. 바람직하게 광 분배기의 굴절률은 산란체의 굴절률보다 작지 않다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체의 방출 주 면 그리고 상기 산란체 쪽을 향하는 광 분배기의 광 입력 면은 국부적으로 또는 표면 전체적으로 서로 평행하게 방향 설정되어 있다. 환언하면, 이러한 경우 커팅 슬릿은 일정한, 즉 균일한 폭을 가진다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 방출 주 면과 광 입력 면 간의 각도는 적어도 국부적으로 최소 15° 또는 최소 20° 또는 최소 25°에 이른다. 대안적으로 또는 추가로, 상기 방출 주 면과 광 입력 면간의 각도는 최대 60° 또는 최대 55°에 이른다. 산란체의 방출 주 면과 광 분배기의 광 입력 면 간의 상기와 같은 각도에 의해서는, 광 입력 면에서 편광 선택적인(polarization-selective) 반사가 달성될 수 있는데, 다시 말해 바람직하게는 수직으로 편광되는 그리고 평행하게 편광되는 방사선에 대한 반사 계수가 서로 구별되도록 편광 선택적인 반사가 달성될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 광 분배기의 광 입력 면에는 편광 의존적으로 반사 작용하는 코팅부 또는 편광 의존적으로 반사 작용하는, 예를 들면 각기둥형 또는 각추형으로 형성되는 구조화가 제공되어 있다. 이 때문에, 선호 편광 방향을 갖는 방사선이 주로 광 분배기 내로 유입되는 것이 달성될 수 있다. 광 입력 면에서 반사된 방사선은 다시 산란체에 도달하고 이 산란체에서 산란된다. 이러한 산란으로 인해 편광 방향이 변경될 수 있으며, 이러한 경우 광 입력 면에 후속 입사될 때 상기 방사선이 광 분배기 내로 유입될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 면광원의 후면에는 리플렉터 및/또는 4분의 1 파장판(quarter-wavelength plate)이 제공되어 있다. 상기 4분의 1 파장판은 이러한 파장판과 리플렉터에 입사되는 방사선의 편광 방향을 변경하기 위해, 특히 약 90°만큼 회전시키기 위해 설계되었다. 다색 방사선(polychromatic radiation) 및/또는 넓은 입사각 영역에 있어서, 편광 방향은 단지 대략적으로 그리고 각도 분포의 소정의 폭에 맞게 90°만큼 회전된다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 면광원의 정면에는 편광 선택적인 미러가 위치하는데, 이 경우 상기 정면은 후면과 마주 놓일 뿐만 아니라 상기 면광원의 발광 면일 수 있다. 편광 선택적인 미러를 통해서는, 특정 편광 방향의 방사선만 면광원을 벗어나도록 하는 것이 달성될 수 있다. 상기 후면에서의 4분의 1 파장판과의 결합으로 소위 광자 리사이클링(photon recycling) 및 특정 선호 편광을 갖는 방사선의 효율적인 방사가 달성될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체는 편광과 무관하게 일차 방사선을 산란시킬 수 있도록 설계되어 있다. 환언하면, 이러한 경우 산란체의 산란 횡단면은 입사되는 방사선의 편광 방향과 무관하거나 또는 대체로 무관하다. 산란에 의해서는 일반적으로 방사선의 편광 방향이 변경된다. 이 때문에 상기와 같은 산란에 의해서는 입사되는 방사선의 편광 방향이 변경될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체의 방출 주 면과 면광원의 광 출력 면 사이 간극에는 투과(transmission)에 의한 측면 도광을 목적으로 제공된 도광체가 없다. 특히, 이러한 경우 면광원은 광 분배기를 갖지 않는다. 따라서 산란체로부터 배출된 방사선은 방사선 주 면에 대해 평행한 방향으로 고체를 관통할 수 없다. 특히, 상기 산란체로부터 배출된 방사선은 추가의 광 컴포넌트들을 반도체 칩의 방사선 주 면에 대해 그리고/또는 면광원의 주 연장 방향에 대해 수직으로 또는 대체로 수직으로 관통한다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 특히 반도체 칩의 방사선 주 면에 대해 상대적인 산란체의 방출 주 면의 측면각은 최소 45° 또는 최소 60° 또는 최소 70° 또는 최소 75°에 이른다. 대안적으로 또는 추가로, 이러한 측면각은 최대 88° 또는 최대 85° 또는 최대 82°에 이른다. 환언하면, 이러한 경우 산란체의 방출 주 면들은 반도체 칩의 방사선 주 면에 대해 그리고/또는 면광원의 주 연장 방향에 대해 거의 수직으로 방향 설정되어 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 광 분배기 및/또는 리플렉터의 측면각, 특히 산란체와 떨어져서 마주보는 상기 광 분배기의 측면들의 그리고 반도체 칩의 방사선 주 면의 측면각은 0°보다 크거나, 또는 최소 2° 또는 최소 5° 또는 최소 10° 또는 최소 12°이다. 대안적으로 또는 추가로, 이러한 측면각은 최대 45° 또는 최대 25° 또는 최대 20° 또는 최대 15°에 달한다. 따라서 상기 광 분배기의 측면들은 반도체 칩의 방사선 주 면에 대해 그리고/또는 면광원의 주 연장 방향에 대해 거의 평행하게 정렬될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 면광원의 두께는 최소 0.4㎜ 또는 최소 3㎜ 또는 최소 5㎜ 또는 최소 8㎜이다. 대안적으로 또는 추가로, 이러한 면광원의 두께는 최대 50㎜ 또는 최대 35㎜ 또는 최대 25㎜ 또는 최대 15㎜이다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 리플렉터 및/또는 광 분배기의 평균 측면 연장부(L)와 면광원의 두께(D)의 비율(L/D)에는 다음과 같은 하나 또는 다수의 관계식이 적용된다: 2 ≤ L/D 또는 5 ≤ L/D 또는 L/D ≤ 25 또는 L/D ≤ 100.
모듈(module)은 복수의 면광원을 가질 수 있으며, 이와 같은 복수의 면광원은 타일(tile) 식으로 서로 나란히 측면으로 인접 배치될 수 있다. 상기 면광원들은 서로에 대해 평행하게 또는 횡방향으로 방향 설정될 수 있다. 상기 면광원들은 공동의 캐리어 상에 설치될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 면광원들은 측면 도광을 위해 설계되어 있고 플라스틱 또는 유리와 같은 고형물로 형성된 광 분배기를 갖지 않는다. 이러한 경우 측면 광 분배는 오로지 또는 대체로, 반사 작용하는 광 박스(light box) 내에 배치될 수 있는 하나 이상의 산란체를 통해서만 이루어진다. 이러한 상황은, 하나 또는 복수의 산란체 다음에 공동으로 예를 들면 광 분배를 형성하기 위해 사용되는 덮개판(cover plate)이 배치되는 것을 가능하게 하지만, 이러한 커버 플레이트는 도파관으로 작용하지 않고 대체로 주 연장 방향들에 대해 수직으로만 조사된다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체는 기계적으로 유연하게 형성되어 있다. 이는 상기 산란체가 파손 없이 10㎝ 또는 그 이하, 혹은 20㎝ 또는 그 이하의 곡률 반경으로 구부려질 수 있다는 것을 의미할 수 있다. 이 때문에 산란체의 조립이 용이하다.
본 출원서에 기재된 면광원은 실시예들과 연관된 도면을 참조하여 하기에서 더욱 상세하게 설명된다. 이때 개별적인 도면들에서 동일한 소자들에는 동일한 도면 부호가 제공된다. 그러나 도면들의 도시는 일정한 축척에 의한 것으로 간주해서는 안 되며, 오히려 개별 소자들은 더 나은 이해를 위해 굉장히 크게 도시되어 있을 수 있다.
도 1 내지 도 9 그리고 도 12 내지 도 14는 본 출원서에 기재된 면광원의 실시예를 도시한 개략적인 도면들이고,
도 10 및 도 11은 면광원의 변형예를 도시한 개략적인 도면들이다.
도 1에는 면광원(1)의 실시예가 단면도로 개략적으로 도시되어 있다. 히트 싱크(9)의 히트 싱크 상부면(90) 상에는 하나 이상의 광전자 반도체 칩(2), 바람직하게는 발광 다이오드가 설치되어 있다. 상기 반도체 칩(2)은 상기 히트 싱크(9)와 떨어져서 마주보는 방사선 주 면(20)을 가진다. 상기 방사선 주 면(20)은, 제조 허용 오차 범위 내에서, 상기 히트 싱크 상부면(90)에 대해 평행하게 방향 설정될 수 있다. 반도체 칩(2)은 대체로 방사선 주 면(20)에서 일차 방사선(P)을 방출한다. 도면들에서 상기 일차 방사선(P)의 진행은 화살(표)-선(arrow line)으로 표시되었다. 히트 싱크 상부면(90)은 일차 방사선(P)을 위한 리플렉터로서 형성될 수 있다. 반도체 칩(2)의 주 빔 방향(x)은 방사선 주 면(20)에 대해 수직으로 정렬되어 있다.
상기 주 빔 방향(x)을 따라서 반도체 칩(2) 다음에는 산란체(3)가 이어진다. 상기 산란체(3)는 매트릭스 재료 및 이 매트릭스 재료 내에 매립된 산란 입자들을 가진다. 횡단면으로 볼 때, 산란체(3)는 외곽선 모양과 관련해 삼각형 형태로 형성되었다. 산란체(3)는 방사선 주 면(20)뿐만 아니라 측면(25)들에서도 반도체 칩(2)을 둘러쌀 수 있다. 산란체(3)는 반도체 칩(2)과 접촉할 수 있거나, 도시된 바와 달리 상기 반도체 칩(2)으로부터 간격을 두고 배치될 수 있다.
예를 들면 산란체(3)의 폭(B)은 최소 1㎜ 및 최대 4㎜, 특히 약 2㎜에 이른다. 산란체(3)의 높이(H)는 예를 들면 최소 3㎜ 및/또는 최대 10㎜, 특히 약 6㎜이다. 산란체(3)의 방출 주 면(35)들과 히트 싱크 상부면(90) 및/또는 방사선 주 면(20)간의 측면각(α)은 약 80°이다.
산란체(3)는 일차 반사선(P)을 산란시킨다. 이러한 산란 결과로 초래되는 산란체(3)의 주 방출 방향(y)들은 대체로 방출 주 면(35)들에 대해 수직으로 방향 설정되어 있기 때문에 방사선 주 면(20)에 대해 거의 평행하게 진행된다. 산란체(3)의 방출 주 면(35)들은 일차 방사선(P)에 대한 산란체(3)의 산란 특성으로 인해, 다른 모든 실시예에서와 마찬가지로 램버트 방사체일 수 있다.
선택적으로, 면광원(1)은 광 분배기(4)를 포함한다. 상기 광 분배기(4)의 재료는 예컨대, PMMA, 즉 폴리메틸메타크릴레이트이다. 광 분배기(4)는 횡단면으로 볼 때 삼각형 모양의 리세스(43)를 가진다. 산란체(3)는 완전히 상기 리세스(43) 내에 위치한다. 리세스(43)에 있는 광 분배기(4)의 광 입력 면(40)들은 산란체(3)의 방출 주 면(35)들에 대해 평행하게 정렬될 수 있다. 바람직하게 광 분배기(4)와 산란체(3) 사이에는, 예컨대 공기로 채워진 커팅 슬릿(6)이 존재한다.
광 분배기(4)는 횡단면으로 볼 때 사다리꼴 모양의 기본 형태를 가진다. 광 분배기(4)의 측면(48)들은 횡단면으로 볼 때 직선 라인으로 형성될 수 있거나 도면과 달리 만곡된 형태로 진행될 수 있다. 광 분배기(4)의 측면(48)들과 히트 싱크 상부면(90) 간의 측면각(β)은 예컨대 약 12.5°이다. 상기 광 분배기의 측면(48)들은 바람직하게 내부 전반사(total internal reflection)를 이용해서 반사한다. 면광원(1)의 두께(D)는 예를 들면 약 10㎜에 이른다. 광 분배기(4) 및/또는 리플렉터 그리고 주 연장 방향을 따라서 뻗은 면광원(1)의 평균 측면 연장부(L)는 예를 들면 2㎝(2㎝ 포함) 내지 20㎝ 또는 10㎝(10㎝ 포함) 내지 15㎝이다.
면광원(1)의 발광 면이기도 한 이러한 면광원의 정면(14)은 광 분배기(4)의 광 출력 면(45)에 의해 형성되어 있다. 이와 같은 광 출력 면(45)은 대체로 평면형으로 그리고 평탄하게 진행된다. 선택적으로, 광 출력 면 및/또는 광 입력 면 및/또는 방출 주 면(35)들 그리고 방사선 주 면(20)에는 개선된 방사선 주입 및/또는 개선된 방사선 방출을 위한 표면 거칠기들 또는 구조화들이 제공된다. 그 밖에도 선택적으로, 산란체(3)에는 일차 방사선(P)을 다른 방사선으로 변환하기 위한, 도면에 도시되지는 않은 변환 수단이 첨가될 수 있다. 이와 같은 변환 수단은 또한 산란체(3)에 또는 산란체(3) 내에 혹은 광 분배기(4)에 또는 광 분배기(4) 내에 존재할 수 있다.
도 1을 제외하고, 다른 모든 실시예에서처럼 반도체 칩(2)은 히트 싱크(9)의 리세스 내에 위치할 수 있다. 이러한 경우 산란체(3)는 바람직하게 투명한 접착체에 의해, 예를 들면 히트 싱크(9) 및 반도체 칩(2)의 실리콘 베이스 상에 고정된다. 이로 인해 산란체(3)는 접착제를 많이 사용하지 않고도 효율적으로 조립될 수 있다.
도 2의 단면도에 도시된 바와 같은 추가 실시예의 경우에는 광 분배기(4)의 측면(48)들에 리플렉터(8)가 제공되었다.
도 3에 따른 개략적인 사시도에는, 각기둥 모양의 산란체(3)가 3개의 상이한 반도체 칩(2) 다음에 배치되어 있다. 예를 들어 상기 반도체 칩(2)들 중 하나의 반도체 칩은 녹색 광을 방출하고, 제 2 반도체 칩은 적색 광을 방출하며, 그리고 제 3 반도체 칩은 청색 광을 방출한다. 산란체(3)에 의해, 이 산란체(3) 내부에서는 상기 3개의 반도체 칩(2)으로부터 방출되는 방사선의 색 혼합이 이루어진다. 상기와 같은 면광원(1)의 광 효율은 예컨대 92%(92% 포함) 내지 96%이다.
다른 모든 실시예에서와 마찬가지로, 선택적으로 커팅 슬릿(6)은 산란체(3)와 광 분배기(4) 사이에서 광 굴절률의 급격한 변화를 방지하거나 감소시키기 위한 매질로 채워질 수 있다. 그러나 바람직하게 커팅 슬릿(6)은 진공화되어 있거나 가스로 채워져 있다. 커팅 슬릿(6)은 바람직하게 산란체(3)로부터 나온 광 방사선이 광 분배기(4) 내에서 안내되는 방사선으로, 특히 소위 광 도파관 모드로 효율적으로 과결합(overcoupling)될 수 있도록 한다.
도 4에 따른 면광원(1)의 실시예의 단면도에서는, 리세스(43) 및 산란체(3)가 삼각형 모양의 기본 형태를 가진다. 그러나 광 입력 면(40)들과 방출 주 면(35)들은 서로 평행하게 진행되지 않고, 서로 상대적인 각도(γ)를 가진다. 이러한 각도(γ)는 예컨대 약 30°이다. 상기와 같은 리세스(43)의 형상에 의해서는, 광 입력 면(40)에서, 산란체(3)로부터 방출되는 방사선이 특정한 비율로 편광 선택적으로 광 분배기(4) 내로 주입되는 것이 달성될 수 있다.
도 5에 따른 면광원(1)은 복수의 산란체(3)를 가지며, 이러한 복수의 산란체는 삼각형 모양의 횡단면을 갖는 연장된 각기둥으로서 형성되어 있다. 개별적인 산란체(3)들은 리플렉터(8) 및/또는 히트 싱크(9)로도 형성될 수 있는 캐리어(5) 상에 서로 평행하게 배치되어 있다. 상기 산란체(3)들 각각은 도 5에는 도시되지 않은 복수의 반도체 위에 설치되어 있다.
도 6에는 면광원(1)의 추가 실시예들에 대한 평면도가 도시되어 있다. 도 6a에서 산란체(3a)들은 대체로 산란체(3b)들에 대해 수직으로 방향 설정되어 있다. 상기 산란체(3a, 3b)들은 부분적으로 서로 겹쳐지고 그리고 교차 리브 볼트 식으로 상호 관통된다.
도 6b에 따르면, 가장자리에 있는 산란체(3b)들은 중앙 영역에 있는 산란체(3a)들에 대해 수직으로 방향 설정되어 있다. 선택적으로, 특히 모서리 영역들에서 산란체(3a, 3b)들은 서로 비스듬히, 예컨대 약 45°의 각도로 설치될 수 있다(도 6b에는 도시되어 있지 않음). 도시된 바와 달리, 산란체(3a, 3b)들은 또한 서로 상이한 길이를 가질 수 있다. 도 6b에 따르면, 단변부(short side)들에서 산란체(3a, 3b)들의 경계면들은 캐리어(5)의 상부면에 대해 비스듬히 방향 설정되어 있다.
도 7에 도시된 바와 같은 실시예에 따른 면광원(1)의 단면도에서, 산란체(3)와 덮개(7) 사이 간극(13)에는 광 분배기가 없다. 환언하면, 이러한 간극(13)은 진공화되어 있거나 바람직하게는 공기와 같은 가스로 채워져 있다. 상기 덮개(7)는 선택적으로 방향성 방사를 위한 구조화들을 가질 수 있다.
따라서 덮개(7)는 다른 모든 실시예에서와 마찬가지로 광 형성 플레이트일 수 있다. 반도체 칩(2)에 의해 형성된 방사선은 대체로 주 빔 방향(x)을 따라서 덮개(7)를 관통하기 때문에 상기 덮개(7) 내에서는 상기 방사선이 바람직하게 주 방출 방향(y)을 따라서 약간만 안내되며, 결과적으로 상기 덮개(7)는 바람직하게 광이 주 방출 방향(y)을 따라 전송되는 도파관이 아니다. 면광원(1)의 발광 면인 앞면(14)은 특히 덮개(7)에 의해 형성되어 있다.
상기와 같은 면광원(1)은 LED-직접 후방 조명(LED-direct backlighting)을 구비한 소위 광 박스를 의미한다. 덮개(7)는 광학 기능성 플레이트, 바람직하게는 광 형성 플레이트이고, 예컨대 눈부심 방지(glare control) 목적으로 사용된다. 산란체(3)는 예를 들면 각기둥형, 원통형, 원추형 또는 직육면체형으로 형성되어 있다. 면광원(1)은 측면 도광을 위한 도파관을 갖지 않는다. 산란체(3)와 리플렉터(8)의 결합에 의해서는 특히 앞면(14)의 균일한 조명이 보장된다.
일반적으로 PMMA로 제조된 도파관을 필요로 하지 않기 때문에, 도 7에 따른 면광원(1)은 화염-임계적인(flame-critical) 적용예들, 예를 들면 비행기에도 사용될 수 있다.
도 7에 따르면, 면광원(1)은 광 박스의 구조에 상응하며, 따라서 상기 면광원(1)은 반사 작용하는 내부 벽들을 갖는 하우징 및 이러한 하우징 내부에 형성된 광원들을 포함한다. 상기 광원들은 산란체(3)와 결합된 반도체 칩(2)들에 의해 형성되어 있고 뚜렷한 측면 방사 특성 곡선을 가진다. 이 때문에 앞면(14)에 대해 수직으로 최대 램버트 방사 특성 곡선을 갖는 발광 다이오드 또는 형광관(fluorescent tube)들을 구비한 시스템들에 비해서, 광 박스의 전체 높이가 감소할 수 있다. 측면 방사 특성 곡선을 갖는 투명한 광학 수단들이 다음에 배치되어 있는 발광 다이오드와 달리, 산란체에 의해서 이미 이 산란체 내부에서 색 혼합이 이루어질 수 있다. 측벽들, 즉 특히 리플렉터(8)의 형상 및 산란체(3)의 측면 방사에 의해 광은 광 박스 내에서 측면으로 넓게 분포된다.
눈부심과 관련된 표준을 준수하고 광도 분포 곡선을 형성하기 위해, 덮개(7)는 광학 기능성 플레이트로서 광 박스의 앞면에 배치될 수 있다. 이와 같은 광 박스들은 빈번히 디스플레이 또는 조명용 광고 벽에도 사용된다. 이러한 경우 덮개(7)는 유백색 유리 패널(opal glass pane)에 의해 구현될 수 있다. 비교적 더 멀리 떨어져 있는 면들, 즉 면광원(1)으로부터 간격을 두고 배치된 면들을 조명할 때에는, 예를 들어 마이크로 렌즈와 같은 렌즈 시스템 또는 각기둥 모양의 마이크로 구조물과 같은 포괄적인 광학 기능을 갖춘 덮개들도 사용될 수 있다.
반도체 칩(2)들은 산란체(3)에 의해 광 박스, 예를 들면 특히 리플렉터(8)와 고정 연결되거나 상기 리플렉터 내에 모듈 방식으로 삽입될 수 있다. 모듈 방식의 구조에 의해서는 리플렉터(8)의 제조와 발광 다이오드(2)들 및 산란체(3)의 제조가 분리될 수 있고, 상기 리플렉터(8)의 오염 또는 손상이 방지되거나 감소할 수 있다.
다른 모든 실시예에서와 마찬가지로, 리플렉터(8)는 바람직하게 높은 반사율을 갖고 반영(specular) 또는 산란 방식으로 반사할 수 있다. 리플렉터는 다른 모든 실시예에서와 마찬가지로 만곡된 미러 면들을 가질 수 있다. 리플렉터(8)의 형상은 면광원(1)의 광도 분포를 지원할 수 있다.
리플렉터(8)에 의해 반도체 칩(2)들의 냉각이 보장되는 경우에는 히트 싱크(9)가 생략될 수 있다. 마찬가지로 회로 기판의 후면에 별도의 히트 싱크가 설치될 수도 있다(도 7에는 도시되어 있지 않음).
덮개(7)는 예컨대, PMMA 또는 PC, 즉 폴리카보네이트와 같은 플라스틱으로 형성되어 있다. 상기 덮개(7)에는 바람직하게 눈부심 방지 및/또는 광도 분포 형성을 위한 굴절 구조물들이 제공되어 있다. 도시된 바와 달리, 덮개(7)는 만곡된 형태로도 설계될 수 있다. 덮개(7)의 하나 이상의 주 면에는, 필터 층 또는 반사 층과 같은 광학 기능성 층들이 제공될 수 있다. 예를 들어 구조화들에 의해서는 상이한 공간 방향들을 따라서 형성되는 상이한 방사 특성 곡선들이 달성될 수 있다. 덮개(7)의 프레넬-렌즈(fresnel lens) 모양의 구조화도 가능하다.
도 8에 따른 면광원(1)은 후면(15)에 평탄한 리플렉터(8)를 가진다. 상기 리플렉터(8) 상에는 이러한 리플렉터에 입사되는 방사선의 편광을 변경하기 위한 코팅부(85)가 설치되어 있다. 바람직하게 넓은 입사각 및/또는 파장 영역에 걸친 상기 코팅부(85)에 의한 편광 변경은 1개의 4분의 1 파장판에 적어도 거의 일치한다. 4분의 1 파장판(85)과 방향성으로 반사 작용하는 미러의 결합 대신 확산 방식으로 산란하는 리플렉터(8)도 사용될 수 있다. 덮개(7)는 편광 선택적인 미러로 형성되어 있다. 덮개(7)에는 코팅부(75)가 제공될 수 있으며, 이러한 코팅부에 의해서는 광학 특성이 조절될 수 있거나, 예를 들면 액정 디스플레이용 전극들이 구현될 수 있다. 기능성 층(75)들로는 예를 들어 광 방출 구조물 또는 구조화된 투명 전도 산화물이 사용될 수 있다.
일차 방사선(P)의 진행은 화살(표)-선으로 표시되어 있고, 편광 방향은 도시된 일차 방사선(P)의 진행에서 점 및 화살표로 상징화되었다. 산란체(3)는 예를 들면 램버트 방사 특성 곡선을 이용해 비편광성 방사선을 방출하고, 방출 주 면(35)들에 원형의 별들로 상징화되었다. 광 분배기(4)의 광 입력 면(40)의 구조화 및/또는 코팅부에 의해서는 선택적으로 상기 광 분배기(4) 내로 유입되는 방사선의 선호 편광을 달성할 수 있다.
편광 선택적으로 반사 작용하는 그리고 광을 투과시키는 덮개(7)에 특정 편광으로 입사되는 광은 면광원(1)으로부터 방출된다. 다른 방법으로 편광된 광은 4분의 1 파장판(85) 쪽으로 반사되고, 그곳에서 편광 회전된 다음 방출된다.
다른 모든 실시예에서와 마찬가지로, 관련된 반도체 칩(2)을 갖는 복수의 산란체(3)는 평면이면서 균일한 조명을 달성하기 위해 서로 평행하게 배치될 수 있다(특히 도 5 참조). 산란체(3) 및/또는 리세스(43)의 쐐기 모양은 광의 선호 편광을 고려하여, 광 분배기(4) 내에서 최적화될 있다(도 4 참조). 이러한 경우 바람직하게 광 입력 면(40)에서 반사되는 광은 산란체(3)에서 편광 변경되고, 그 후에 광 분배기(4) 내로 주입된다. 사용된 편광성 및/또는 반사성 컴포넌트들은 바람직하게 가능한 한 스펙트럼 광대역 특성 곡선을 가진다.
상기와 같은 편광 선택적으로 반사 작용하는 덮개(7) 및 예를 들면 4분의 1 파장판(85)을 갖는 면광원에 의해서는 소위 편광 광 리사이클링이 가능하다.
그러나 도 8에 도시된 것과 유사하게 설계된 면광원(1)에서는, 이러한 면광원이 편광 선택적으로 반사 작용하는 덮개 및 4분의 1 파장판을 갖지 않으며, 그 대신 도 7과 관련해서 도시된 것과 같은 덮개를 갖고 약 0.25의 편광 비율이 달성될 수 있다. 이러한 편광 비율은 편광 광의 세기와 이러한 편광 광에 수직인 편광 광의 세기의 비율이다.
도 9에는 면광원(1)의 추가 실시예들이 개략적인 단면도로 도시되어 있다. 도 9a에 따르면, 캐리어(5) 상에 반도체 칩(2)이 설치되어 있다. 다른 모든 실시예에서와 마찬가지로, 반도체 칩(2)에는 변환 소자가 제공될 수 있다. 주 빔 방향(x)을 따라서 반도체 칩(2) 다음에는 렌즈 형태의 광학 소자(77)가 배치되어 있다. 상기 광학 소재(77)로부터 간격을 두고 별도의 산란체(3)가 설치되어 있다. 캐리어(5)에 산란체(3)를 고정하는 고정 장치는 도 9a에 도시되어 있지 않다.
다른 모든 실시예에서와 마찬가지로, 도 9a에는 선택적으로 그리고 도시된 바와 달리 산란체(3)가 반도체 칩(2) 쪽을 향하고 있는 하부면에 광학체를 위한 리세스를 가질 수 있다. 변환 수단은 선택적으로 다른 모든 실시예에서와 마찬가지로, 산란체(3)에 첨가되거나 산란체(3) 상에 설치될 수 있다.
도 9b에 도시된 바와 같은 실시예에서, 면광원(1)은 반도체 칩(2) 외에 하부 포팅부 및 상기 반도체 칩(2) 위에서 주 빔 방향(x)을 따라 평면형 포팅부를 가진다. 별도의 산란체(3)가 상기 평면 포팅부 상에 설치되어 있고, 이 평면 포팅부는 캐리어(5)로부터 멀어지는 방향으로 반도체 칩(2)보다 더 돌출한다. 다른 모든 실시예에서와 마찬가지로, 반도체 칩(2)은 캐리어(5)의 공동 내에 설치될 수 있다. 캐리어(5)의 전기 라인들은 도면들에 각각 표시만 되어 있다.
도 9c에 따르면, 산란체(3)는 광학적으로 반도체 칩(2) 바로 다음에 이어지는 반도체 칩(2)의 일차 광학 수단이다. 따라서 도 9c에 따르면, 반도체 칩(2)과 산란체(3) 사이에는 다른 광활성 컴포넌트가 존재하지 않는다. 선택적으로, 반도체 칩(2) 둘레는 반사 작용하는 하부 포팅부에 의해 둘러싸인다(도 9b 참조).
도 10에는 면광원의 변형예들이 도시되어 있다. 도 10a에 따르면, 산란체(3)는 렌즈 모양으로 형성되어 있고, 그리고 상기 산란체 다음에는 마찬가지로 렌즈 모양으로 형성되어 있고 빔 형성 목적으로 사용되는 광학체(77)가 이어진다.
도 10b에 도시된 바와 같은 변형예에서, 반도체 칩(2) 다음에는 광학체(77)가 직접적으로 배치되어 있다. 도 10b에 도시된 컴포넌트는 산란체를 갖지 않는다. 광학체(77)의 중앙 영역은 최소 치수를 갖고 둘레를 빙 둘러서 연속하는 벽을 가진다. 이와 같은 광학체(77)는 대체로 측면 방사를 수행하고, 비교적 적은 방사선량만 반도체 칩(2)의 빔 방향(x)에 대해 평행하게 방출된다. 그러나 도 10b에 도시된 바와 같은 광학체(77)에서는, 반도체 칩(2)에 대해 상대적인 정렬이 중요하고, 이는 비교적 복잡하다. 또한, 광학체(77) 내부에서 방사선의 상이한 파장 혼합이 달성될 수 없는데, 그 이유는 상기 광학체(77)가 광을 산란시키는 특성을 전혀 갖지 않거나 대체로 갖지 않기 때문이다.
도 11a에 따른 변형예에는 후방 조명 장치가 도시되어 있고, 이 후방 조명 장치의 경우 광원이 국부적으로 도파관의 에지에 설치되어 있다. 이 때문에 광 주입 손실이 초래될 수 있다. 또한, 도파관 내에서 방사선 흡수가 발생할 수 있고, 광원(2)의 국부적인 설치로 인해 냉각 방지책들도 필요하다(도 11a에는 도시되지 않음). 광 방출을 위해서는 특히 하부면의 구조화(95)가 사용된다.
도 11b의 변형예에서는 광원(2)들이 광 박스의 바닥에 설치되어 있다. 덮개(7)를 균일하게 조명하기 위하여, 광 박스는 대략 인접한 반도체 칩들의 간격에 상응하는 비교적 큰 높이를 가져야 한다. 따라서 도 11b에 따른 컴포넌트는 수 센티미터 범위의 비교적 큰 전체 높이를 가진다.
도 12에는 면광원(1)의 추가 실시예가 도시되어 있다(도 12a의 평면도, 도 12b 및 도 12c의 개략적인 단면도 참조). 복수의 산란체(3)가 매트릭스 방식으로 배치되어 있다. 서로 간격을 두고 배치된 산란체(3)들은 각각 공간적으로 가깝게 인접 배치된 3개의 반도체 칩(3)을 완전히 덮는다. 상기 반도체 칩(2)들 각각은 다른 스펙트럼 영역에서 광을 방출한다. 특히, 상기 반도체 칩(2)은 각각 적색 광, 녹색 광 및 청색 광을 방출한다. 도 12b에 따르면, 산란체(3)들은 원추형으로 형성되었다. 도 12c에 따르면, 회전 대칭적인 산란체(3)들은 횡단면으로 볼 때 만곡된 경계면들과 둥근 팁을 가진다. 다른 모든 실시예에서와 마찬가지로, 산란체(3)들의 폭(B)은 반도체 칩(2)의 평균 에지 길이의 최소 2배, 3배 또는 4배 및/또는 최대 20배, 10배 또는 5배에 이를 수 있다.
도시된 바와 달리, 산란체(3)들 다음에는 예를 들면 도 1과 유사하게 광 분배기가 배치될 수 있다. 상기 광 분배기와 산란체(3)들 사이에는 바람직하게 공극(air gap)이 존재하고, 이러한 경우 상기 광 분배기 내 리세스들은 특히 산란체(3)와 같은 기본 형태를 가진다.
도 13에 따른 실시예에서, 산란체(3)들은 횡단면으로 볼 때 사다리꼴 모양으로 형성되어 있다. 상기 산란체(3)들은 회전 대칭적으로 형성될 수 있거나(도 12 참조) 또는 길이가 연장된 형태를 가질 수 있다(도 3 및 도 6 참조). 산란체(3)들은 캐리어(5)를 형성하는 반사성 광 박스 내에 수용되어 있다.
도시된 바와 달리, 면광원(1)은 정확히 하나의 산란체(3)만 포함할 수도 있다(이는 도 12와 관련하여서도 마찬가지임). 이러한 경우 평균 측면 연장부는 예컨대 12㎝보다 작다.
도 14에 따른 실시예의 광 분배기(4)는 횡단면으로 볼 때 만곡된 측면(48)들을 가진다. 상기와 같은 광 분배기(4)는 다른 모든 실시예에서도 사용될 수 있다.
본 출원서에 기재된 발명은 실시예들을 참조한 설명에 한정되지 않는다. 오히려 본 발명은 각각의 새로운 특징뿐만 아니라, 특징들의 각각의 조합을 포함하며, 이런 점은, 비록 상기 특징 또는 상기 조합 자체가 특허청구범위 또는 실시예들에 명확하게 명시되어 있지 않다고 하더라도, 특히 특허청구범위 내 특징들의 각각의 조합을 포함한다.
본 특허 출원서는 독일 특허 출원서 10 2012 102 119.8호의 우선권을 청구하며, 상기 우선권 문서의 대응하는 공개 내용은 인용의 방식으로 본 출원서에 수용된다.

Claims (15)

  1. ― 일차 방사선을 생성하기 위한 그리고 방사선 주 면(radiation main side)(20)을 갖는 하나 이상의 광전자 반도체 칩(2) 및
    ― 상기 반도체 칩(2)의 주 빔 방향(main direction of beam)(x)을 따라서 상기 방사선 주 면(20)의 하류에 배치되어 있고 상기 일차 방사선을 산란시킬 수 있도록 설계된 하나 이상의 산란체(scattering body)(3)를 포함하고,
    ― 산란체(3)는 상기 반도체 칩(2)의 주 빔 방향(x)에 대해 비스듬히 방향 설정된 하나 이상의 주 방출 방향(main emission direction)(y)을 가지는,
    면광원(1).
  2. 제 1항에 있어서,
    ― 상기 산란체(3)는 다면체이고,
    ― 상기 산란체(3)는 삼각형 모양의 기본 형태를 갖는 횡단면을 가지며,
    ― 상기 주 빔 방향(x)을 따라서 상기 산란체(3)의 폭이 감소하고,
    ― 상기 주 빔 방향(x)을 따라서 형성되는 상기 산란체(3)의 높이(H)가 상기 삼각형 모양의 기본 형태를 갖는 횡단면의 최대 폭(B)보다 크며,
    ― 상기 산란체(3)는 방사선 투과성의 매트릭스 재료(radiolucent matrix material) 및 이 매트릭스 재료 내에 매립된 산란 입자들 및/또는 변환 수단의 입자들을 포함하고,
    ― 평면도로 볼 때, 상기 면광원(1)의 발광 면적과 상기 반도체 칩(2)의 방사선 주 면(20)의 면적의 비율은 최소 1,000에 이르며,
    ― 상기 산란체(3)는 평면도로 볼 때, 상기 반도체 칩(2)을 완전히 덮고, 그리고
    ― 횡단면으로 볼 때, 상기 산란체(3)의 주 방출 방향(y)과 상기 반도체 칩(2)의 주 빔 방향(x)은 70°(70°포함) 내지 90°의 각도에서 서로 방향 설정된,
    면광원.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 면광원(1)에서, 상기 산란체(3)가 결합된 방식으로 그리고 일체형으로 복수의 반도체 칩(2)에 걸쳐서 연장되고, 상기 산란체(3)는 상기 반도체 칩(2)의 두께의 최대 200%의 허용 오차로 일정한 높이를 가지는,
    면광원.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 면광원(1)에서, 상기 반도체 칩(2)들이 직선 라인을 따라서 배치되어 있고, 이때 상기 반도체 칩들에 걸쳐서 상기 산란체(3)가 연장되며, 그리고 상기 산란체(3)의 주 방출 방향(y)이 최대 15°의 허용 오차로 그리고 평면도로 볼 때, 상기 직선 라인에 대해 수직으로 방향 설정된,
    면광원.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 면광원(1)에서, 복수의 산란체(3)가 서로 간격을 두고 캐리어(carrier)(5) 상에 배치되어 있고, 상기 산란체(3)들은 적어도 부분적으로 서로에 대해 평행하게 그리고/또는 적어도 부분적으로 서로에 대해 횡방향으로 또는 십자형으로 배치된,
    면광원.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 면광원(1)에서, 상기 산란체(3)가 상기 방사선 주 면(20) 상에 직접적으로 제공되어 있고, 상기 반도체 칩(2)의 측면(25)들은 상기 산란체(3)를 갖지 않는,
    면광원.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 면광원(1)이 하나 이상의 리플렉터(reflector)(8)를 포함하고, 횡단면으로 볼 때, 상기 하나 이상의 리플렉터(8)는 사다리꼴 모양의 기본 형태를 가지며, 그리고 상기 리플렉터(8)의 평균 측면 연장부(L)는 상기 반도체 칩(2)의 방사선 주 면(20)의 평균 에지 길이(average edge length)를 최소 100배만큼 초과하는,
    면광원.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 면광원(1)이 상부면(90)을 갖는 하나 이상의 히트 싱크(heat sink)(9)를 포함하고, 상기 반도체 칩(2)은 상기 히트 싱크 상부면(90)에 설치되어 있으며, 그리고 상기 히트 싱크 상부면(90)은 상기 일차 방사선을 반사하기 위해 설계되었으며, 상기 히트 싱크 상부면(90)의 평균 측면 연장부(L)는 상기 반도체 칩(2)의 방사선 주 면(20)의 평균 에지 길이를 최소 100배만큼 초과하는,
    면광원.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 면광원(1)이 방사선 투과성이면서 고체로 형성된 하나 이상의 광 분배기(4)를 포함하고, 상기 산란체(3)는 상기 광 분배기(4)의 리세스(recess)(43) 내에 위치하며, 그리고 상기 리세스(43)는 상기 산란체(3)와 동일한 기본 형태를 가지며, 횡단면으로 볼 때, 상기 광 분배기(4)는 사다리꼴 모양의 기본 형태를 갖고, 그리고 상기 광 분배기(4)의 평균 측면 연장부(L)는 상기 반도체 칩(2)의 방사선 주 면(20)의 평균 에지 길이를 최소 20배만큼 초과하는,
    면광원.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 면광원(1)에서, 상기 광 분배기(4)와 상기 산란체(3) 사이에 진공화된 또는 가스로 채워진 커팅 슬릿(cutting slit)(6)이 존재하고, 그리고 상기 광 분배기(4)가 상기 산란체(3)와 접촉하지 않으며, 상기 커팅 슬릿(6)의 평균 폭은 최소 0.1㎜에 이르는,
    면광원.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 면광원(1)에서, 상기 산란체(3)의 방출 주 면(emission main side)(35)과 상기 방출 주 면 쪽을 향하는 광 분배기(4)의 광 입력 면(40)간의 각도(γ)가 적어도 국부적으로 15°(15° 포함) 내지 60°이고, 그리고/또는 상기 면광원에서, 상기 광 입력 면(40)에 편광 의존적으로 반사 작용하는 코팅부 또는 구조화가 제공된,
    면광원.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 면광원(1)에서, 후면(15)에 상기 리플렉터(8) 및 4분의 1 파장판(quarter-wavelength plate)(85)이 제공되어 있고, 그리고 상기 후면(15)에 마주 놓이고 상기 면광원(1)의 광 출력 면인 정면(14)에는 편광 선택적인 미러(polarization-selective mirror)(7)가 설치되어 있으며, 상기 산란체(3)는 편광과 무관하게 상기 일차 방사선을 산란시키기 위해 설계된,
    면광원.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 면광원(1)에서, 상기 산란체(3)의 방출 주 면(35)과 상기 면광원(1)의 광 출력 면 사이 간극(13)이 투과(transmission)에 의한 측면 도광(guiding of light)을 목적으로 제공되는 도광체를 갖지 않는,
    면광원.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    ― 상기 산란체(3)의 측면각(α)은 70°(70° 포함) 내지 85°이고,
    ― 상기 광 분배기(4)의 측면각(β)은 5°(5° 포함) 내지 20°이며,
    ― 측면각(α, β)들은 상기 반도체 칩(2)의 방사선 주 면(20)을 기준으로 하고,
    ― 상기 면광원(1)의 두께(D)는 5㎜(5㎜ 포함) 내지 50㎜이며, 그리고
    ― 상기 리플렉터(8) 및/또는 상기 광 분배기(4)의 평균 측면 연장부(L)와 상기 면광원의 두께(D)의 비율(L/D)에는 5 ≤ L/D ≤ 25의 관계식이 적용되는,
    면광원.
  15. 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
    ― 상기 복수의 산란체(3)는 회전 대칭적으로 형성되어 있고,
    ― 상기 산란체(3)들 각각은 상이한 색을 방출하는 2개 이상의 반도체 칩(2)을 덮으며,
    ― 상기 반도체 칩(2)들 사이 평균 간격은 상기 산란체(3)들의 높이(H)의 최대 25%에 이르고, 그리고
    ― 상기 산란체(3)들은 서로 간격을 두고 배치된,
    면광원.
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