KR20160056089A - 발광 장치 - Google Patents

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KR20160056089A
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base substrate
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손창균
김기철
박강열
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시 예의 발광 장치는 적어도 하나의 광원과, 적어도 하나의 광원으로부터 방출된 광의 파장을 변환하는 파장 변환부와, 파장 변환부에서 변환된 파장을 갖는 광과 파장 변환되지 않은 광을 반사하는 반사부 및 반사부와 파장 변환부 사이의 광이 지나가는 공간에 채워지고, 반사된 광을 출사시키는 굴절 부재를 포함한다.

Description

발광 장치{Light emitting apparatus}
실시 예는 발광 장치에 관한 것이다.
반도체 발광 다이오드(LED:Light Emitting Diode)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜서 신호를 주고 받거나, 광원으로 사용되는 반도체 소자의 일종이다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(group Ⅲ-Ⅴ nitride semiconductor)는 물리적 및 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD:Laser Diode) 등 발광 소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다.
이러한 발광 다이오드나 레이져 다이오드는 백열등과 형광등 등의 기존 조명기구에 사용되는 수은(Hg)과 같은 환경 유해물질이 포함되어 있지 않아 우수한 친환경성을 가지며, 긴 수명과 저전력 소비특성 등과 같은 장점이 있기 때문에 기존의 광원들을 대체하고 있다.
특히, 이러한 발광 소자는 자동차용 헤드 라이트나 손전등 등 다양한 분야에 폭 넓게 그 적용 범위를 넓혀가고 있다. 이와 같이, 발광 소자를 포함하는 발광 장치는 우수한 광 추출 효율 및 방열 효과 등을 가질 것이 요구되고, 소형화 및 경량화에 대한 요구도 지속적으로 증가하고 있는 실정이다.
실시 예는 광 추출 효율과 방열 효과가 우수하여 신뢰성이 개선된 발광 장치를 제공한다.
실시 예의 발광 장치는, 적어도 하나의 광원; 상기 적어도 하나의 광원으로부터 방출된 광의 파장을 변환하는 파장 변환부; 상기 파장 변환부에서 변환된 파장을 갖는 광과 파장 변환되지 않은 광을 반사하는 반사부; 및 상기 반사부와 상기 파장 변환부 사이의 광이 지나가는 공간에 채워지고, 상기 반사된 광을 출사시키는 굴절 부재를 포함할 수 있다.
상기 굴절 부재는 상기 반사부와 마주하는 라운드형 제1 면; 상기 파장 변환부와 마주하는 제1 부분을 갖는 제2 면; 및 상기 반사된 광이 출사되는 제3 면을 포함할 수 있다.
상기 발광 장치는, 상기 굴절 부재를 사이에 두고 상기 반사부와 대면하거나 상기 반사부를 사이에 두고 상기 굴절 부재와 대면하여 배치된 베이스 기판을 더 포함할 수 있다. 상기 베이스 기판은 상기 굴절 부재와 접할 수 있다.
상기 베이스 기판은 서로 인접하는 제1 및 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역은 상기 제2 영역을 제외한 영역 또는 상기 굴절 부재의 상기 제2 면에서 상기 제1 부분을 제외한 제2 부분과 마주하는 영역에 해당하고, 상기 제2 영역은 상기 파장 변환부가 배치되는 영역에 해당할 수 있다.
상기 베이스 기판의 상기 제2 영역은 상기 적어도 하나의 광원에서 방출된 광이 지나가는 제1 관통공을 포함하고, 상기 파장 변환부는 상기 제1 관통공에 배치될 수 있다. 상기 제1 관통공은 상기 굴절 부재의 상기 제3 면보다 상기 제1 면에 더 가깝게 배치될 수 있다.
또는, 상기 반사부는 상기 적어도 하나의 광원에서 방출된 광이 지나가는 제2 관통공을 포함할 수 있다. 상기 제2 관통공으로부터 상기 굴절 부재의 상기 제3 면과 접하는 상기 반사부의 일단까지의 제1 이격 거리는 상기 제2 관통공으로부터 상기 베이스 기판과 접하는 상기 반사부의 타단까지의 제2 이격 거리보다 클 수 있다. 상기 베이스 기판의 상기 제2 영역은 상기 파장 변환부가 배치되는 홈부를 포함할 수 있다. 상기 발광 장치는, 상기 홈부에서 상기 파장 변환부와 상기 베이스 기판 사이에 배치된 제2 반사층을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 반사층은 상기 파장 변환부 또는 상기 베이스 기판에 필름 형태로 부착되거나 코팅된 형태로 부착될 수 있다. 상기 파장 변환부는 상기 제2 관통공을 바라보도록 회전 가능하도록 상기 베이스 기판의 상기 제2 영역에 배치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 광원은 상기 파장 변환부 또는 상기 반사부로부터 10 ㎛ 이상 이격되어 배치될 수 있다.
상기 발광 장치는 상기 굴절 부재의 상기 제2 부분의 적어도 일부와 상기 베이스 기판의 상기 제1 영역 사이에 배치된 제1 반사층을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 반사층은 상기 굴절 부재의 상기 제2 부분 또는 상기 베이스 기판의 상기 제1 영역에 필름 형태로 부착되거나 코팅된 형태로 부착될 수 있다.
상기 발광 장치는, 상기 적어도 하나의 광원과 상기 제1 또는 제2 관통공 사이에 배치된 투광층을 더 포함할 수 있다. 상기 투광층은 1 내지 2의 굴절률을 갖는 물질을 포함할 수 있다.
상기 굴절 부재에 의해 굴절된 광이 상기 파장 변환부의 법선과 평행하게 진행하도록, 상기 파장 변환부의 회전 각도 또는 상기 적어도 하나의 광원으로부터 상기 제2 관통공으로의 광 입사각 중 적어도 하나가 조정될 수 있다.
상기 굴절 부재의 상기 제2 부분 또는 상기 베이스 기판의 상기 제1 영역 중 적어도 하나는 패턴을 가질 수 있다.
상기 패턴은 반구형, 원형, 원뿔형, 절두 원뿔형, 피라미드형, 절두 피라미드형, 리버스 원뿔형 또는 리버스 피라미드형 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 패턴은 원형, 도트형, 라인 교차형, 수평 라인형, 수직 라인형, 또는 링형 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 반사부와 상기 굴절 부재는 일체형일 수 있다.
상기 굴절 부재는 Al2O3 단결정, Al2O3 또는 SiO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 굴절 부재는 1 W/mK 내지 50 W/mK의 열전도 계수를 갖는 물질을 포함할 수 있다. 상기 굴절 부재는 20K 내지 400K의 기준 온도를 갖는 물질을 포함할 수 있다. 상기 굴절 부재의 상기 제1 면은 포물선 형상을 갖거나, 상기 굴절 부재의 상기 제1 면과 상기 제2 면은 포물선 형상을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 굴절 부재의 상기 제1 면은 상기 제2 면을 중심으로 좌우 대칭 형상을 가질 수 있다.
상기 발광 장치는, 상기 굴절 부재의 제3 면에 배치된 반사 방지막을 더 포함할 수 있다.
상기 반사부는 비구면, 자유형 만곡(freeform curve)면, 프레넬 렌즈, 또는 홀로그라피 광학 소자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 굴절 부재의 상기 제3 면은 평면, 곡면, 비구면, 전반사면, 또는 자유형 만곡면 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 반사부, 상기 제1 반사층 또는 제2 반사층 중 적어도 하나의 반사율은 60% 내지 100%일 수 있다.
상기 반사부는 상기 굴절 부재의 상기 제1 면에 코팅된 금속층을 포함할 수 있다.
상기 파장 변환부는 인광 물질, 루미포, 세라믹 인광 물질 또는 YAG 단결정 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 파장 변환부는 PIG형, 다결정 라인형 또는 단결정 라인형일 수 있다. 상기 파장 변환부에서 변환된 파장을 갖는 광의 색온도는 3000K 내지 9000K일 수 있다. 상기 파장 변환부의 상기 제1 굴절률은 1.3 내지 2.0일 수 있다.
상기 굴절 부재의 상기 제2 면의 직경은 10 ㎜ 내지 100 ㎜일 수 있다. 상기 굴절 부재의 상기 제2 면 또는 상기 제3 면의 면적에 대한 상기 파장 변환부에서 변환된 파장을 갖는 광의 반치폭 면적의 비율은 0.001 내지 1일 수 있다.
상기 발광 장치는, 상기 굴절 부재의 상기 제2 면의 상기 제1 부분과 상기 파장 변환부 사이에 배치된 제1 접착부를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 접착부는 소결 또는 소성된 폴리머, Al2O3 또는 SiO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 발광 장치는, 상기 굴절 부재의 상기 제2 면의 상기 제2 부분과 상기 베이스 기판의 상기 제1 영역 사이에 배치된 제2 접착부를 더 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 광원은 발광 다이오드 또는 레이져 다이오드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 광원은 400 ㎚ 내지 500 ㎚ 파장 대역의 광을 방출할 수 있다. 상기 적어도 하나의 광원은 10 ㎚ 이하의 스펙트럴 반치폭을 갖는 광을 방출하고, 상기 파장 변환부에 입사되는 광의 반치폭은 1 ㎚ 이하일 수 있다.
상기 적어도 하나의 광원은 복수의 광원을 포함하고, 상기 발광 장치는 상기 복수의 광원이 실장되는 회로 기판을 더 포함할 수 있다. 상기 발광 장치는, 상기 회로 기판의 배면 또는 상기 베이스 기판의 배면에 부착된 방열부를 더 포함할 수 있다. 상기 회로 기판에서 상기 복수의 광원이 실장되는 면은 평면 또는 곡면 또는 구면일 수 있다.
상기 적어도 하나의 광원은 복수의 광원을 포함하고, 상기 발광 장치는 상기 복수의 광원으로부터 방출된 광을 포커싱하여 상기 제1 또는 제2 관통공으로 출사하는 적어도 하나의 제1 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 발광 장치는, 상기 제1 렌즈와 상기 제1 또는 제2 관통공 사이에 배치된 제1 미러를 더 포함할 수 있다.
상기 발광 장치는, 상기 복수의 광원과 상기 적어도 하나의 제1 렌즈 사이에 배치된 프리즘, 제2 미러 또는 색선(dichroic)별 코팅층을 더 포함할 수 있다.
실시 예에 의한 발광 장치는 우수한 광 추출 효율을 가지며, 출사되는 광의 분포 즉, 조도 분포를 원하는 대로 조정할 수 있고, 전체 크기가 줄어들어 차량용 조명 기구나 손전등과 같은 일반 램프에 적용되어 디자인의 자유도를 증가시킬 수 있고, 축소된 크기로 인해 휴대성이나 취급성을 용이하게 하고, 우수한 방열 효과를 갖는다.
도 1은 일 실시 예에 의한 발광 장치의 사시도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 발광 장치를 I-I'선을 따라 절개한 결합 단면도를 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 발광 장치의 분해 단면도를 나타낸다.
도 4a는 제1 굴절률에 대한 광 추출 효율을 나타내는 그래프이다.
도 4b는 굴절률 차에 대한 광 추출 효율의 차분값을 나타낸 그래프이다.
도 5a 내지 도 5g는 도 2에 도시된 'B' 부분의 실시 예를 확대 도시한 부분 단면도이다.
도 6a 내지 도 6g는 굴절 부재의 제2 면의 제2 부분 또는 베이스 기판의 제1 영역의 상부면의 실시 예에 의한 2차원 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7d는 도 2에 도시된 'C' 부분의 실시 예를 확대 도시한 부분 단면도이다.
도 8은 도 1 내지 도 3에 도시된 굴절 부재의 사시도를 나타낸다.
도 9는 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 사시도를 나타낸다.
도 10은 도 9에 도시된 발광 장치를 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절개한 일 실시 예에 의한 결합 단면도를 나타낸다.
도 11은 도 10에 도시된 발광 장치의 분해 단면도를 나타낸다.
도 12는 도 9에 도시된 발광 장치를 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절개한 다른 실시 예에 의한 결합 단면도를 나타낸다.
도 13은 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 결합 단면도를 나타낸다.
도 14는 도 13에 도시된 발광 장치의 분해 단면도를 나타낸다.
도 15는 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 단면도를 나타낸다.
도 16은 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 단면도를 나타낸다.
도 17은 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 단면도를 나타낸다.
도 18은 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 단면도를 나타낸다.
도 19는 일 적용 례에 따른 발광 장치의 단면도를 나타낸다.
도 20은 다른 적용 례에 대한 발광 장치의 단면도를 나타낸다.
도 21은 실시 예에 의한 발광 장치를 자동차용 전조등에 적용될 경우 광의 조도 분포를 나타내는 도면이다.
도 22a 및 도 22b는 굴절 부재의 실시 예에 의한 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)”로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상부" 및 "하부" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.
도면에서 각층(또는, 각부)의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 실시 예에 의한 발광 장치(100A 내지 100I)를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 편의상, 데카르트 좌표계(x축, y축, z축)를 이용하여 발광 장치(100A 내지 100I)를 설명하지만, 다른 좌표계에 의해서도 이를 설명할 수 있음은 물론이다.
도 1은 일 실시 예에 의한 발광 장치(100A)의 사시도를 나타내고, 도 2는 도 1에 도시된 발광 장치(100A)를 I-I'선을 따라 절개한 결합 단면도를 나타내고, 도 3은 도 2에 도시된 발광 장치(100A)의 분해 단면도를 나타낸다. 도 1에서 도 2 및 도 3에 도시된 투광층(180)의 도시는 생략되었다.
일 실시 예에 의한 발광 장치(100A)는 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130A), 굴절 부재(140A), 기판(150A), 제1 반사층(160), 제1 접착부(170) 및 투광층(180)을 포함할 수 있다.
광원(110)은 광을 방출하는 역할을 하며, 발광 다이오드(LED:Light Emitting Diode) 또는 레이져 다이오드(LD:Laser Diode) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 실시 예는 광원(110)의 종류에 국한되지 않는다.
일반적으로 발광 다이오드의 지향각은 레이져 다이오드의 지향각보다 넓다. 따라서, 제1 관통공(PT1)으로 광을 입사시키기 위해 지향각이 발광 다이오드보다 좁은 레이져 다이오드가 유리할 수 있다. 그러나, 지향각을 좁힐 수 있는 광학계(미도시)를 광원(110)인 발광 다이오드와 제1 관통공(PT1) 사이에 배치할 경우, 발광 다이오드로부터 방출된 광의 지향각을 좁혀 제1 관통공(PT1)으로 광을 입사시킬 수 있다. 따라서, 발광 다이오드가 광원(110)으로서 사용될 수도 있다.
도 1의 경우 하나의 광원(110)만이 도시되어 있지만, 실시 예는 광원(110)의 개수에 국한되지 않는다. 즉, 광원(110)은 복수 개일 수 있다.
또한, 광원(110)에서 방출되는 광은 400 ㎚ 내지 500 ㎚의 파장 대역에서 임의의 피크(peak) 파장을 가질 수 있으나, 실시 예는 방출되는 광의 파장 대역에 국한되지 않는다. 광원(110)은 10 ㎚ 이하의 스펙트럴 반치폭(SFWHM:Spectral Full Width at Half Maximum)을 갖는 광을 방출할 수 있다. 이는 파장별 강도(intensity)에서의 파장 폭에 해당한다. 그러나, 실시 예는 SFWHM의 특정값에 국한되지 않는다. 그리고, 광원(110)에서 방출되어 파장 변환부(120)로 입사되는 광의 반치폭(FWHM) 즉, 빔의 크기는 1 ㎚ 이하일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, 광원(110)으로부터 방출되어 파장 변환부(120)를 향해 광이 지나가는 경로 상에 투광층(180)이 더 배치될 수도 있다. 즉, 투광층(180)은 광원(110)과 제1 관통공(PT1) 사이에 배치될 수 있다. 투광층(180)은 공기와 같이 굴절률이 1인 투명 매질을 포함할 수도 있고, 1보다 크고 2 이하의 굴절률을 갖는 투명 매질을 포함할 수 있다. 경우에 따라, 발광 장치(100A)는 투광층(180)을 포함하지 않을 수도 있다.
도 2 및 도 3의 경우 투광층(180)은 파장 변환부(120) 및 기판(150A)과 이격되고 광원(110)과도 이격된 것으로 예시되어 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 다른 실시 예에 의하면, 도 2 및 도 3에 예시된 바와 달리, 투광층(180)은 파장 변환부(120), 기판(150A) 및 광원(110)과 접하여 배치될 수도 있다. 즉, 광원(110)에서 방출된 광이 공기를 거치지 않고 투광층(180)만을 경유하여 파장 변환부(120)로 입사될 수 있다.
광원(110)은 파장 변환부(120)(또는, 제1 관통공(PT1))으로부터 제1 이격 거리(d1)만큼 이격될 수 있다. 만일, 제1 이격 거리(d1)가 작을 경우 광원(110)으로부터 발생되는 열에 의해 파장 변환부(120)가 영향을 받을 수 있다. 따라서, 제1 이격 거리(d1)는 10 ㎛ 이상일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
한편, 파장 변환부(120)는 광원(110)으로부터 방출된 광의 파장을 변환할 수 있다. 광원(110)에서 방출된 광이 제1 관통공(PT1)에 진입하여 파장 변환부(120)를 통과하는 동안 광의 파장이 변할 수 있다. 그러나, 파장 변환부(120)를 투과한 모든 광이 파장 변환된 광은 아닐 수 있다.
광원(110)에서 방출된 광의 파장이 파장 변환부(120)에서 변환됨으로써, 백색광이나 원하는 색 온도의 광이 발광 장치(100A)로부터 출사될 수 있다. 이를 위해, 파장 변환부(120)는 인광 물질(phosphor) 예를 들어 세라믹 인광 물질(ceramic phosphor), 루미포(lumphors) 또는 YAG 단결정(sigle-crystal) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 루미포란, 발광 물질(luminescent materials) 또는 발광 물질을 포함하는 구조를 의미할 수 있다.
또한, 파장 변환부(120)에 포함되는 다양한 물질의 농도, 입도 크기, 입도 크기 분포, 파장 변환부(120)의 두께, 파장 변환부(120)의 표면 거칠기, 기포 등을 조절함으로써, 원하는 색온도를 갖는 광이 발광 장치(100A)로부터 출사될 수 있다. 예를 들어, 파장 변환부(120)는 색 온도 기준으로 3000K 내지 9000K까지 광의 파장 대역을 변환할 수 있다. 즉, 파장 변환부(120)에서 파장이 변환된 광의 색 온도 범위는 3000K 내지 9000K일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
파장 변환부(120)는 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 파장 변환부(120)는 3가지의 형태 즉, PIG(Phosphor In Glass)형, 다결정 라인(poly crystal-line)형(또는 세라믹(ceramic)형) 또는 단결정 라인(single crystal-line)형일 수 있다.
파장 변환부(120)는 베이스 기판(150A)에 배치될 수 있다. 베이스 기판(150A)은 제1 및 제2 영역(A1, A2)을 포함할 수 있다. 베이스 기판(150A)의 제1 영역(A1)은 후술되는 굴절 부재(140A)의 제2 면(S2)에서 제1 부분(S2-1)을 제외한 제2 부분(S2-2)과 마주하는 영역으로서 정의될 수 있다. 또는, 도 14에서 제1 영역(A1)은 베이스 기판(150A)에서 제2 영역(A2) 이외의 영역으로서 정의될 수도 있다. 베이스 기판(150A)의 제2 영역(A2)은 제1 영역(A1)과 인접하며 파장 변환부(120)가 배치되는 영역으로서 정의될 수 있다. 베이스 기판(150A)의 제2 영역(A2)은 광원(110)에서 방출된 광이 입사되는 제1 관통공(PT1)을 포함할 수 있다. 파장 변환부(120)는 베이스 기판(150A)의 제2 영역(A2)의 제1 관통공(PT1)에 배치될 수 있다.
베이스 기판(150A)은 도 1에 예시된 바와 같이 굴절 부재(140A)와 직접 접촉할 수도 있고, 도 2에 예시된 바와 같이 제1 반사층(160)을 사이에 두고 배치될 수도 있다. 또한, 베이스 기판(150A)은 굴절 부재(140A)를 사이에 두고 반사부(130A)와 대면할 수 있다.
반사부(130A)는 파장 변환부(120)에서 변환된 파장을 갖는 광뿐만 아니라 파장 변환부(120)에서 파장이 변환되지 않은 광을 모두 반사할 수 있다. 또한, 반사부(130A)는 원하는 조도 분포에 따라 비구면, 자유형 만곡(freeform curve)면, 프레넬 렌즈(fresnel), 또는 홀로그라피 광학 소자(HOE:Holography Optical Element) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 자유형 만곡면이란, 다양한 형태의 곡선면이 배치된 형상을 의미할 수 있다.
만일, 반사부(130A)로서 프레넬 렌즈가 사용될 경우, 프레넬 렌즈는 파장 변환부(120)에서 변환된 파장을 갖는 광뿐만 아니라 파장이 변화되지 않은 광을 모두 반사시키는 반사부(130A)의 역할을 수행할 수 있다.
한편, 굴절 부재(140A)는 반사부(130A)와 파장 변환부(120) 사이의 공간 중 광이 지나가는 공간에 채워져, 제1 관통공(PT1)으로 입사된 광을 굴절시키거나 반사부(130A)에서 반사된 광을 출사시키는 역할을 한다. 광원(110)에서 방출되는 광이 제1 관통공(PT1)을 통해 입사된 후 파장 변환부(120)를 투과한다. 이 경우, 공기와 굴절 부재(140A)(또는, 파장 변환부(120))의 굴절률이 서로 다를 경우, 굴절 부재(140A)에서 광이 굴절될 수 있다.
이때, 실시 예에 의하면, 굴절 부재(140A)는 파장 변환부(120)를 투과한 후 반사부(130A)를 향해 광이 지나가는 공간의 전체를 채우도록 배치됨으로써, 파장 변환부(120)에서 투과된 광이 지나가는 공간에 공기가 포함되지 않도록 할 수 있다. 이로 인해, 파장 변환부(120)를 투과하여 반사부(130A)로 향하는 광은 공기를 거치지 않고 굴절 부재(140A)만을 경유하여 반사부(130A)로 진행할 수 있고, 반사부(130A)에서 반사된 광은 굴절 부재(140A)를 경유한 후 후술되는 제3 면(S3)을 통해 공기로 출사될 수 있다.
파장 변환부(120)의 제1 굴절률(n1)과 굴절 부재(140A)의 제2 굴절률(n2) 간의 굴절률 차(Δn)가 적으면 적을수록, 발광 장치(100A)의 광 추출 효율의 향상 폭은 커질 수 있다. 그러나, 제1 및 제2 굴절률(n1, n2) 간의 굴절률 차(Δn)가 크면, 발광 장치(100A)의 광 추출 효율의 향상 폭은 감소할 수 있다.
다음 표 1은 제1 굴절률(n1)과 제2 굴절률(n2) 간의 굴절률 차(Δn)와 광 추출 효율 간의 관계를 나타낸다.
n1 n2 Δn Ext (%) ΔExt (%)
1.4 1.0 0.4 30.01 0.00
1.1 0.3 38.14 8.13
1.2 0.2 48.49 18.48
1.3 0.1 62.88 32.87
1.4 0 100.00 69.99
1.6 1.0 0.6 21.94 0.00
1.1 0.5 27.38 5.44
1.2 0.4 33.86 11.92
1.3 0.3 41.70 19.77
1.4 0.2 51.59 29.65
1.5 0.1 65.20 43.26
1.6 0 100.00 78.06
1.8 1.0 0.8 16.85 0.00
1.1 0.7 20.85 3.99
1.2 0.6 25.46 8.61
1.3 0.5 30.83 13.98
1.4 0.4 37.15 20.29
1.5 0.3 44.72 27.87
1.6 0.2 54.19 37.34
1.7 0.1 67.13 50.28
1.8 0 100.00 83.15
2.0 1.0 1.0 13.40 0.00
1.1 0.9 16.48 3.09
1.2 0.8 20.00 6.60
1.3 0.7 24.01 10.61
1.4 0.6 28.59 15.19
1.5 0.5 33.86 20.46
1.6 0.4 40.00 26.60
1.7 0.3 47.32 33.92
1.8 0.2 56.41 43.01
2.0 0 100.00 86.60
여기서, Ext는 광 추출 효율을 나타내고, ΔExt는 광 추출 효율(Ext)의 변화량을 나타낸다.
도 4a는 제1 굴절률(n1)에 대한 광 추출 효율(Ext)을 나타내고, 도 4b는 굴절률 차(Δn)에 대한 광 추출 효율의 변화량(ΔExt)을 나타낸 그래프들이다.
표 1, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 제1 및 제2 굴절률(n1,n2) 간의 굴절률 차(Δn)가 적을수록 광 추출 효율이 우수함을 알 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 굴절률(n1, n2) 간의 굴절률 차(Δn)는 0(즉, 제1 및 제2 굴절률(n1, n2)이 서로 동일 한 경우)일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
파장 변환부(120)의 형태에 따라 제1 굴절률(n1)은 달라질 수 있다. 만일, 파장 변환부(120)가 PIG형일 경우 제1 굴절률(n1)은 1.3 내지 1.7이고, 파장 변환부(120)가 다결정 라인형일 경우 제1 굴절률(n1)은 1.5 내지 2.0이고, 파장 변환부(120)가 단결정 라인형일 경우 제1 굴절률(n1)은 1.5 내지 2.0일 수 있다. 이와 같이, 제1 굴절률(n1)은 1.3 내지 2.0일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
굴절 부재(140A)는 높은 제2 굴절률(n2)을 갖는 물질로 구현될 수 있다. 예를 들어, 굴절 부재(140A)는 Al2O3 단결정(single crystsal), Al2O3 또는 SiO2 glass 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이 제1 굴절률(n1)과의 굴절률 차(Δn)가 적은 제2 굴절률(n2)을 갖도록 굴절 부재(140A)의 재질을 선택할 수 있다.
또한, 굴절 부재(140A)의 열전도도가 높을 경우, 파장 변환부(120)에서 발생하는 열을 방열시키기 유리할 수 있다. 열전도도는 재질의 종류 및 기준 온도(즉, 주변 환경의 온도)에 따라 달라질 수 있다. 이를 고려하면, 굴절 부재(140A)는 1 W/mK 내지 50 W/mK의 열전도 계수(Thermal Conductivity) 및/또는 20K 내지 400K의 기준 온도를 갖는 물질을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 굴절 부재(140A)의 재질의 종류에 따라 광 추출 효율과 방열 특성이 결정되므로, 이들을 고려하여 굴절 부재(140A)의 재질이 결정될 수 있다.
다시, 도 2 및 도 3을 참조하면, 굴절 부재(140A)는 제1, 제2 및 제3 면(S1, S2, S3)을 포함할 수 있다. 굴절 부재(140A)의 제1 면(S1)은 반사부(130A)와 마주하는 라운드형(rounded) 단면 형상을 갖는 면으로 정의되고, 제2 면(S2)은 제1 또는 제2 부분(S2-1, S2-2) 중 적어도 하나를 포함한다. 제2 면(S2)의 제1 부분(S2-1)은 파장 변환부(120)와 마주하는 면으로서 정의되고, 제2 부분(S2-2)은 제2 면(S2)에서 제1 부분(S2-1)을 제외한 부분으로서 정의될 수 있다. 제3 면(S3)은 반사부(130A)에서 반사된 광이 출사되는 면으로서 정의될 수 있다.
또한, 굴절 부재(140A)의 제1 면(S1)(또는, 반사부(130A)은 포물선 형상을 가질 수 있지만, 실시 예는 제1 면(S1)의 형상에 국한되지 않는다. 이와 같이 제1 면(S1)이 포물선 형상을 가질 경우, 제3 면(S3)을 통해 출사되는 광의 콜리메이션(collimation)에 유리할 수 있다.
또한, 베이스 기판(150A) 상에서 파장 변환부(120)의 수평 방향(예를 들어, y축 방향)에서의 최적 위치는 다양한 인자 예를 들어, 반사부(130A)의 형상에 따라 결정될 수 있다.
일 례로서, 반사부(130A)가 비구면이나 자유형 만곡면일 경우, 베이스 기판(150A)에 형성된 제1 관통공(PT1)은 굴절 부재(140A)의 광이 출사되는 제3 면(S3)보다 반사부(130A)와 대면하는 제1 면(S1)에 더 가깝게 배치될 수 있다. 즉, 제1 관통공(PT1)은 제3 면(S3)으로부터 제1 거리(L1)만큼 이격되고, 제1 면(S1)의 단부로부터 제2 거리(L2)만큼 이격될 수 있다. 이는, 경우에 따라, 제2 거리(L2)가 제1 거리(L1)보다 작을 수록 더욱 많은 광이 반사부(130A)에서 반사될 수 있기 때문이다. 그러나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
다른 례로서, 반사부(130A)가 포물선 형상일 경우, 파장 변환부(120)의 위치는 포물선 형상의 초점에 해당할 수 있다. 따라서, 이 경우에는 반사부(130A)에서 많은 광이 반사될 수 있도록 전술한 바와 같이 제2 거리(L2)를 제1 거리(L1)보다 작게 할 필요가 없다.
반사부(130A)는 굴절 부재(140A)의 제1 면(S1)에 코팅된 금속층을 포함할 수 있다. 즉, 굴절 부재(140A)의 제1 면(S1)에 금속을 코팅하여 반사부(130A)를 구현할 수도 있다.
반사부(130A)와 굴절 부재(140A)는 일체형으로 구현될 수 있다. 이 경우, 굴절 부재(140A)는 렌즈의 역할뿐만 아니라 반사의 역할도 수행할 수 있다. 이와 같이, 반사부(130A)와 굴절 부재(140A)가 일체형으로 구현될 경우, 파장 변환부(120)를 투과하여 반사부(130A)로 진행하는 광이 공기와 접촉할 가능성이 없어질 수 있다.
또한, 굴절 부재(140A)와 베이스 기판(150A)은 발광 장치(100A)에서 구현시키고자 하는 원하는 조도 분포에 따라 2차원 패턴 또는 3차원 패턴 중 적어도 하나의 패턴을 가질 수 있다.
도 5a 내지 도 5g는 도 2에 도시된 'B' 부분의 실시 예(B1 내지 B7)를 확대 도시한 부분 단면도이다. 여기서, 설명의 편의상, 도 2에 도시된 제1 반사층(160)의 도시는 생략되었다.
굴절 부재(140A)의 제2 면(S2)의 제2 부분(S2-2) 또는 베이스 기판(150A)의 제1 영역(A1) 중 적어도 하나는 3차원 패턴을 가질 수 있다. 예를 들어, 베이스 기판(150A)의 제1 영역(A1)의 3차원 패턴은 도 5a에 예시된 실시 예(B1)에서와 같이 반구형일 수도 있고, 도 5c에 예시된 실시 예(B3)에서와 같이 원형일 수도 있고, 도 5e에 예시된 실시 예(B5)에서와 같이 원뿔형 또는 피라미드형일 수도 있고, 도 5g에 예시된 실시 예(B7)에서와 같이 절두(truncated) 원뿔형, 절두 피라미드형, 리버스(reversed) 원뿔형 또는 리버스 피라미드형 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 굴절 부재(140A)의 제2 면(S2)의 제2 부분(S2-2)의 3차원 패턴은 도 5b에 예시된 실시 예(B2)에서와 같이 반구형일 수도 있고, 도 5d에 예시된 실시 예(B4)에서와 같이 원형일 수도 있고, 도 5f에 예시된 실시 예(B6)에서와 같이 원뿔형 또는 피라미드형일 수도 있고, 도 5g에 예시된 실시 예(B7)에서와 같이 절두 원뿔형, 절두 피라미드형, 리버스(reversed) 원뿔형 또는 리버스 피라미드형 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 6a 내지 도 6g는 굴절 부재(140A)의 제2 면(S2)의 제2 부분(S2-2) 또는 베이스 기판(150A)의 제1 영역(A1)에서 굴절 부재(140A)와 마주하는 상부면의 실시 예에 의한 2차원 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6g에서, 참조부호 220A 내지 220G는 굴절 부재(140A)의 제2 부분(S2-2) 또는 베이스 기판(150A)의 제1 영역(A1)의 상부면에 해당할 수 있다. 만일, 도 6a 내지 도 6g에 도시된 참조부호 220A 내지 220G가 제2 면(S2)의 제2 부분(S2-2)에 해당할 경우 도 6a 내지 도 6g는 도 2에 도시된 발광 장치(100A)의 제2 부분(S2-2)을 -z축에서 +z축 방향으로 바라본 저면도에 해당한다. 그러나, 도 6a 내지 도 6g에 도시된 참조부호 220A 내지 220G가 제1 영역(A1)의 상부면에 해당할 경우, 도 6a 내지 도 6g는 도 2에 도시된 발광 장치(100A)의 제1 영역(A1)의 상부면을 +z축에서 -z축 방향으로 바라본 평면도에 해당한다.
굴절 부재(140A)의 제2 면(S2)의 제2 부분(S2-2)(또는, 베이스 기판(150A)의 제1 영역(A1)의 상부면)의 2차원 패턴은 도 6a에 예시된 바와 같이 원형일 수도 있고, 도 6b에 예시된 바와 같이 도트(dot)형일 수도 있고, 도 6c에 예시된 바와 같이 수직 라인형일 수도 있고, 도 6d에 예시된 바와 같이 수평 라인형일 수도 있고, 도 6e에 예시된 바와 같이 라인 교차형일 수도 있고, 도 6f 및 도 6g에 예시된 바와 같이 링(ring)형일 수도 있다. 도 6f에 도시된 복수의 링은 서로 등간격으로 배치되고, 도 6g에 도시된 복수의 링은 서로 다른 간격으로 배치됨을 예시한다. 예를 들어, 도 6g에 예시된 바와 같이 안쪽의 링부터 바깥 쪽의 링으로 갈수록 링들 간의 이격 거리가 차차 증가할 수 있다.
2차원 패턴은 여러 가지 변수를 조정함으로써 다양한 모습을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 6a 및 도 6b에 도시된 원형 및 도트형의 경우 원이나 도트의 직경이 변수에 해당하고, 도 6c, 도 6d 및 도 6e에 도시된 수직 및 수평 라인형 및 라인 교차형의 경우 선폭과 길이와 선들 간의 간격이 변수에 해당하고, 도 6f 및 도 6g에 도시된 링형의 경우 선폭과, 직경과, 링들의 간격이 변수에 해당할 수 있다.
다른 예에 의하면, 굴절 부재(140A)의 제2 면(S2)의 제2 부분(S2-2) 또는 베이스 기판(150A)의 제1 영역(A1)의 상부면은 도 5a 내지 도 5g에 예시된 바와 같은 3차원 패턴과 도 6a 내지 도 6g에 도시된 2차원 패턴을 복합적으로 가질 수도 있다.
전슬한 바와 같이, 베이스 기판(150A)의 제1 영역(A1) 또는 굴절 부재(140A)의 제2 면(S2)의 제2 부분(S2-2)이 2차원 또는 3차원 패턴 중 적어도 하나를 가질 경우, 굴절 부재(140A)의 제2 면(S2)과 베이스 기판(150A)의 제1 영역(A1)의 경계(interface) 부분에서 광의 산란이 활발해져 훨씬 많은 광이 반사부(130A)에서 반사된 후, 제3 면(S3)을 통해 출사될 수 있다. 이로써, 발광 장치(100A)의 광 추출 효율이 향상될 수 있다.
도 7a 내지 도 7d는 도 2에 도시된 'C' 부분의 실시 예(C1 내지 C4)를 확대 도시한 부분 단면도이다.
굴절 부재(140A)의 제3 면(S3)은 도 7a에 예시된 실시 예(C1)에서와 같이 평면(S3A)일 수도 있다.
또는, 도 7b에 예시된 실시 예(C2)에서와 같이 제3 면(S3)은 곡면(S3B) 또는 자유형 만곡면(S3B)을 포함할 수도 있다. 이 경우, 제3 면(S3B)은 적어도 하나의 변곡점을 가질 수 있다.
또는, 도 7c에 예시된 실시 예(C3)에서와 같이 제3 면(S3)은 전반사(TIR:Total Internal Reflective) 면(S3C)을 포함할 수도 있다.
또는, 도 7c에 예시된 실시 예(C3)에서와 같이 제3 면(S3)에 프레넬(Fresnel) 렌즈(lens)(S3C)를 부착할 수도 있다. 제3 면(S3)에 부착되는 프레넬 렌즈(S3C)는 반사부(130A)에서 반사된 광을 투과시키는 역할을 한다.
또는, 도 7d에 예시된 실시 예(C4)에서와 같이, 굴절 부재(140A)의 평평한 제3 면(S3A)에 반사 방지(AR:AntiReflect)막(142)이 더 배치될 수도 있다.
또는, 제3 면(S3)은 도 7a, 도 7b, 도 7c 또는 도 7d에 도시된 다양한 실시 예 중 적어도 2개를 복합적으로 포함할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 굴절 부재(140A)의 제3 면(S3)이 다양한 형상을 가질 경우, 반사부(130A)에서 반사되어 입사된 광이 더욱 많이 출사될 수 있다.
또한, 굴절 부재(140A)의 제2 부분(S2-2)의 적어도 일부와 베이스 기판(150A)의 제1 영역(A1) 사이에 제1 반사층(160)이 더 배치될 수도 있다. 제1 반사층(160)은 굴절 부재(140A)의 제2 부분(S2-2) 또는 베이스 기판(150A)의 제1 영역(A1)에 필름 형태로 부착되거나 코팅된 형태로 부착될 수 있으나, 실시 예는 제1 반사층(160)의 배치 형태에 국한되지 않는다.
만일, 제1 반사층(160)이 배치될 경우, 굴절 부재(140A)의 내부에 존재하는 광이 제1 반사층(160)에 반사된 후 반사부(130A)로 향할 수 있어, 더욱 많이 광이 제3 면(S3)을 통해 출사될 수 있다. 즉, 발광 장치(100A)의 광 추출 효율이 개선될 수 있다.
만일, 반사율이 60% 작을 경우 반사부(130A) 또는 제1 반사층(160)이 반사의 역할을 제대로 수행할 수 없을 수도 있다. 따라서, 반사부(130A) 또는 제1 반사층(160)의 반사율은 60% 내지 100%일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 경우에 따라서, 제1 반사층(160)은 생략될 수도 있다.
또한, 도 2 및 도 3을 다시 참조하면, 제1 접착부(170)가 굴절 부재(140A)의 제2 면(S2)의 제1 부분(S2-1)과 파장 변환부(120) 사이에 배치될 수 있다. 이때, 제1 접착부(170)는 소결(sintering) 또는 소성(firing)된 폴리머, Al2O3 또는 SiO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이와 같이, 굴절 부재(140A)의 제2 면(S2)의 제1 부분(S2-1)과 파장 변환부(120)는 제1 접착부(170)에 의해 서로 접합될 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
예를 들어, 굴절 부재(140A)와 파장 변환부(120)를 각각 별개로 제작한 경우, 다양한 방법으로 굴절 부재(140A)와 파장 변환부(120)가 접합될 수 있다.
일 례로서, 파장 변환부(120)와 굴절 부재(140A)를 접합할 부위에 Al2O3 또는 SiO2 Glass 등의 파우더(powder)를 균일하고 얇게 도포하거나 실리콘과 같은 폴리머(polymer)를 균일하게 얇게 도포한 후, 소결 또는 소성할 경우, 이들(120, 140A)은 서로 접합할 수 있다. 이때, 이들(120, 140A) 사이에 제1 접착부(170)가 존재할 수 있다.
또는, 비록 도시되지는 않았지만, 제2 접착부가 굴절 부재(140A)의 제2 면(S2)의 제2 부분(S2-2)과 베이스 기판(150A)의 제1 영역(A1) 사이에 배치되어, 이들(S2-2, A1)을 서로 접착시킬 수 있다. 또한, 제1 반사층(160)이 제2 접착부의 역할을 수행할 수 있다. 이와 같이, 파장 변환부(120)와 굴절 부재(140A)를 직접 접합시키는 대신에, 베이스 기판(150A)을 굴절 부재(140A)와 접합시킴으로써 파장 변환부(120)와 굴절 부재(140A)를 간접적으로 접합시킬 수도 있다.
또한, 굴절 부재(140A)와 파장 변환부(120) 중 하나를 먼저 제조한 후, 먼저 제조된 것을 나중에 제조할 것의 기판으로 이용할 수도 있다. 예를 들어, 굴절 부재(140A)를 먼저 제조할 경우, 먼저 제조된 굴절 부재(140A)의 평평한 면을 기판으로 하여, 그 기판 위에 파장 변환부(120)를 제조할 수도 있다.
또는, 지그(jig)를 사용하여 파장 변환부(120)와 굴절 부재(140A)를 동시에 제작할 수도 있다.
도 8은 도 1 내지 도 3에 도시된 굴절 부재(140A)의 사시도를 나타낸다.
굴절 부재(140A)의 크기는 발광 장치(100A) 전체의 성능에 따라 달라질 수 있지만, 굴절 부재(140A)의 크기에 따라 전체 발광 장치(100A)의 크기가 달라질 수 있다. 만일, 발광 장치(100A)의 전체 크기를 줄일 수 있다면, 발광 장치(100A)를 포함하는 자동차용 헤드 램프나 손전등 등의 디자인의 자유도를 증가시킬 수 있다. 게다가, 축소된 크기로 인해 휴대성이나 취급성이 용이할 수 있다.
이를 고려하여, 도 3 및 도 8을 참조하면, 굴절 부재(140A)의 제2 면(S2)의 직경(R)은 10 ㎜ 내지 100 ㎜일 수 있다. 또한, 굴절 부재(140A)의 제2 면(S2)의 면적(SA) 또는 제3 면(S3)의 면적(SB)에 대한 파장 변환부(120)에서 변환된 파장을 갖는 광의 반치폭(FWHM) 면적(FWHMA)의 비율(RAT)은 다음 수학식 1 또는 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
만일, 비율(RAT)이 0.001보다 작다면, 파장 변환부(120)에 의해 변환된 파장을 갖는 광이 조명용 기기로 사용될 수 없을 수도 있다. 또한, 비율(RAT)가 1보다 크다면, 대부분의 광이 넓게 퍼져서 발광 장치(100A)로부터 출사될 수도 있다. 따라서, 적용례에 따라 비율(RAT)은 0.001 내지 1일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
도 9는 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100B)의 사시도를 나타내고, 도 10은 도 9에 도시된 발광 장치(100B)를 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절개한 일 실시 예에 의한 결합 단면도(100B-1)를 나타내고, 도 11은 도 10에 도시된 발광 장치(100B-1)의 분해 단면도를 나타내고, 도 12는 도 9에 도시된 발광 장치(100B)를 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절개한 다른 실시 예에 의한 결합 단면도(100B-2)를 나타낸다.
설명의 편의상, 도 10 및 도 11에 도시된 투광층(180)은 도 9에서 생략되었다. 또한, 도 9에 도시된 참조부호 130B는 도 10 내지 도 12에 도시된 130B-1 또는 130B-2에 해당하고, 140B는 도 10 내지 도 12에 도시된 140B-1 또는 140B-2에 해당하고, 150B는 도 10 내지 도 12에 도시된 150B-1 또는 150B-2에 해당한다.
다른 실시 예에 의한 발광 장치(100B, 100B-1, 100B-2)는 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130B-1, 130B-2), 굴절 부재(140B-1, 140B-2), 기판(150B-1, 150B-2), 제1 및 제2 반사층(160, 162), 제1 접착부(170) 및 투광층(180)을 포함할 수 있다.
도 9 내지 도 12에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 굴절 부재(140B-1, 140B-2), 제1 반사층(160), 제1 접착부(170) 및 투광층(180)은 도 1 내지 도 3에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 굴절 부재(140A), 제1 반사층(160), 제1 접착부(170) 및 투광층(180)에 각각 해당하므로 이들에 대해서는 중복되는 설명을 생략한다.
따라서, 파장 변환부(120)와 굴절 부재(140B-1, 140B-2) 간의 굴절률 차이, 도 5a 내지 도 5g 및 도 6a 내지 도 6g에 도시된 굴절 부재(140A)의 제2 면(S2)의 제2 부분(S2-2)의 형상 또는 베이스 기판(150A)의 제1 영역(A1)의 3차원 및 2차원 패턴, 도 7a 내지 도 7d에 도시된 굴절 부재(140A)의 제3 면(S3)의 형상은 도 9 내지 도 12에 도시된 발광 장치(100B, 100B-1, 100B-2)에도 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 도 9 내지 도 12에 도시된 발광 장치(100B, 100B-1, 100B-2)에서 달리 설명되지 않는 한, 도 1 내지 도 3에 도시된 발광 장치(100A)의 전술한 특징은 도 9 내지 도 12에 도시된 발광 장치(100B, 100B-1, 100B-2)에도 적용될 수 있음은 물론이다.
다만, 도 1 내지 도 3에 도시된 발광 장치(100A)의 경우 투광층(180)은 광원(110)과 제1 관통공(PT1) 사이 즉, 광원(110)과 파장 변환부(120) 사이에 배치되는 반면, 도 9 내지 도 12에 도시된 발광 장치(100B, 100B-1, 100B-2)의 경우 투광층(180)은 광원(110)과 제2 관통공(PT2)의 사이 즉, 광원(110)과 반사부(130B-1, 130B-2) 사이에 배치된다. 이와 같이 배치된 위치가 다를 뿐, 도 9 내지 도 12에 도시된 투광층(180)은 도 1 내지 도 3에 도시된 투광층(180)과 그 역할이 동일하다.
또한, 광원(110)은 반사부(130B-1, 130B-2)로부터 제2 이격 거리(d2)만큼 이격될 수 있다. 여기서, 제2 이격 거리(d2)는 10 ㎛ 이상일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
한편, 도 1 내지 도 3에 도시된 발광 장치(100A)의 반사부(130A)와 달리, 도 9 내지 도 12에 도시된 반사부(130B-1, 130B-2)는 제2 관통공(PT2)을 포함한다. 제2 관통공(PT2)은 광원(110)에서 방출된 광이 입사되는 입구에 해당한다. 제1 관통공(PT1)이 굴절 부재(140A)의 제3 면(S3)보다 제1 면(S1)에 더 가깝게 배치되는 사유와 동일한 이유로, 제2 관통공(PT2) 역시 제3 면(S3)보다 베이스 기판(150B-1, 150B-2)에 더 가깝게 배치된다. 즉, 제2 관통공(PT2)으로부터 굴절 부재(140B-1, 140B-2)의 제3 면(S3)과 접하는 반사부(130B-1, 130B-2)의 일단(132)까지의 제1 이격 거리(CV1, CV3)는 제2 관통공(PT2)으로부터 베이스 기판(150B-1, 150B-2)과 접하는 반사부(130B-1, 130B-2)의 타단(134)까지의 제2 이격 거리(CV2, CV4)보다 클 수 있다.
제1 관통공(PT1)과 마찬가지로, 제2 관통공(PT2)으로 광을 입사시키기 위해 지향각이 발광 다이오드보다 좁은 레이져 다이오드가 유리할 수 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 지향각을 좁힐 수 있는 광학계(미도시)를 광원(110)인 발광 다이오드와 제2 관통공(PT2) 사이에 배치할 경우, 발광 다이오드로부터 방출된 광의 지향각을 좁혀 제2 관통공(PT2)으로 광을 쉽게 입사시킬 수도 있다.
또한, 도 1 내지 도 3에 예시된 발광 장치(100A)의 베이스 기판(150A)은 제1 관통공(PT1)을 갖는 반면, 발광 장치(100B, 100B-1)의 베이스 기판(150B-1)은 제1 관통공(PT1) 대신에 홈부(152)를 포함한다.
홈부(152)는 베이스 기판(150B-1)의 제2 영역(A2)에 형성되고, 파장 변환부(120)는 홈부(152)에 배치된다.
또한, 제2 반사층(162)은 홈부(152)에서 파장 변환부(120)와 베이스 기판(150B-1) 사이에 배치될 수 있다. 제2 관통공(PT2)을 통해 굴절 부재(140B-1)를 경유하여 파장 변환부(120)로 입사된 광은 파장 변환부(120)를 투과하여 베이스 기판(150B-1)에서 흡수되거나 베이스 기판(150B-1)의 저면으로 출사될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 제2 반사층(162)이 배치된다. 제2 반사층(162)은 파장 변환부(120)를 투과한 광을 반사시켜 굴절 부재(140B-1)로 향하도록 한다. 따라서, 발광 장치(100B, 100B-1)의 광 추출 효율이 향상될 수 있다. 제2 반사층(162)은 파장 변환부(120) 또는 베이스 기판(150B-1)에 필름 형태로 부착되거나 코팅된 형태로 부착될 수 있다.
만일, 제2 반사층(162)의 반사율이 60%보다 작을 경우, 제2 반사층(162)은 반사의 역할을 제대로 수행할 수 없다. 따라서, 제2 반사층(162)의 반사율은 60% 내지 100%일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
경우에 따라서, 제2 반사층(162)은 생략될 수도 있다.
한편, 도 12를 참조하면, 파장 변환부(120)는 제2 관통공(PT2)을 바라보며회전 가능하도록 베이스 기판(150B-2)에 배치될 수 있다. 제2 관통공(PT2)이 반사부(130B, 130B-1, 130B-2)의 타단(134)에 가깝게 배치될수록, 10에 도시된 제1-1 이격 거리(CV1)보다 도 12에 도시된 제1-1 이격 거리(CV3)가 더 커진다. 즉, 도 10에 도시된 제1-2 이격 거리(CV2)보다 도 12에 도시된 제2-2 이격 거리(CV4)가 더 작아진다. 이 경우, 제2 관통공(PT2)으로 입사된 광이 굴절 부재(140B-1)를 경유한 후 파장 변환부(120)에 도달하기 어려울 수 있다. 이를 해소하기 위해, 도 12에 도시된 바와 같이, 파장 변환부(120)가 회전축(122)을 중심으로 제2 관통공(PT2)을 바라보며 회전할 수 있도록 구현할 수 있다.
도 10 및 도 12를 참조하면, 제2 관통공(PT2)을 통해 굴절 부재(140B-1, 140B-2)에서 굴절된 후 파장 변환부(120)에서 파장이 변환되지 않은 광이 굴절 부재(140B-1, 140B-2)의 제3 면(S3)을 통해 화살표 방향(LP1)으로 출사될 경우 색분포에 영향을 미칠 수도 있고 인체를 해로운 영향을 미칠 수 있다.
만일, 파장 변환부(120)에서 파장이 변환되지 않고 반사부(130B-1, 130B-2)에서 광이 반사되어 출력되는 광의 MPE(Maximum Permissible Exposure) 수치가 0.00255 W/㎡ 이하이고 인체에 노출 시간이 0.25초 이하인 경우, 인체에 해로운 영향을 미치지 않는다. 여기서, MPE란, 인체에 손상을 주지 않는 레이져 빔 출력의 최대 강도를 의미한다.
그러나, MPE의 수치가 0.00255 W/㎡보다 크고 노출 시간이 0.25초보다 커질 경우, 눈 및 피부를 포함하여 인체에 생물학적인 손상을 야기할 수 있다. 그러로 이를 방지하기 위해, 파장 변환부(120)에서 파장이 변환되지 않은 광은 굴절 부재(140B-1, 140B-2)의 내면을 통해 화살표 방향(LP2)으로 진행한 후, 제2 관통공(PT2)을 통해 광원(110)으로 화살표 방향(LP3)으로 되돌릴 필요가 있다.
즉, 파장 변환부(120)에서 파장이 변환되지 않은 광이 굴절 부재(140B-1, 140B-2)의 내부에서 파장 변환부(120)의 제2 법선(NL2)과 평행하게 화살표 방향(LP2)으로 진행하도록 할 필요가 있다. 또한, 제2 관통공(PT2)을 통해 입사되어 굴절 부재(140B-1, 140B-2)에서 굴절되어 파장 변환부(120)로 향하는 광이 파장 변환부(120)의 제2 법선(NL2)과 평행하게 진행하도록 할 필요가 있다. 이를 위해, 도 10 및 도 12에 도시된 제2 관통공(PT2)에 광이 입사되는 입사각(θ1) 또는 도 12에 도시된 파장 변환부(120)의 회전 각도(θ2) 중 적어도 하나를 조정할 수 있다.
여기서, 입사각(θ1)이란, 광원(110)에서 출사된 광의 진행 경로와 반사부(130B-1, 130B-2)에서 제2 관통공(PT2)이 존재하는 지점의 제1 법선(NL1)이 이루는 각도를 의미한다.
만일, 제1 이격 거리(CV1, CV3)와 제2 이격 거리(CV2, CV4) 간의 차이값이 크지 않을 경우 입사각(θ1)이나 회전 각도(θ2)를 조정할 필요가 없을 수도 있다.
제1 이격 거리(CV1, CV3)와 제2 이격 거리(CV2, CV4) 간의 차이값이 커질 경우, 입사각(θ1)이나 회전 각도(θ2) 중 하나만 조정하여 광이 굴절 부재(140B-1, 140B-2)에서 제2 법선(NL2)과 평행하게 진행하도록 할 수 있다.
제1 이격 거리(CV1, CV3)와 제2 이격 거리(CV2, CV4) 사이의 차이 값이 더욱 커질 경우, 입사각(θ1)과 회전 각도(θ2)를 모두 조정하여 광이 굴절 부재(140B-2)에서 제2 법선(NL2)과 평행하게 진행하도록 할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제2 관통공(PT2)이 반사부(130B, 130B-1, 130B-2)의 어느 지점에 형성되는가에 따라, 즉, 광이 반사부(130B, 130B-1, 130B-2)의 어느 지점으로 입사되는가에 따라, 입사각(θ1) 또는 회전 각도(θ2) 중 적어도 하나를 조정할 수 있다
도 13은 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100C)의 결합 단면도를 나타내고, 도 14는 도 13에 도시된 발광 장치(100C)의 분해 단면도를 나타낸다.
또 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100C)는 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130C), 굴절 부재(140C), 기판(150C) 및 투광층(180)을 포함할 수 있다.
도 13 및 도 14에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130C), 굴절 부재(140C), 기판(150C) 및 투광층(180)은 도 1 내지 도 3과 도 9 내지 도 12에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130A, 130B-1, 130B-2), 굴절 부재(140A, 140B-1, 140B-2), 기판(150A, 150B-1, 150B-2) 및 투광층(180)과 각각 동일한 기능을 수행한다. 따라서, 도 13 및 도 14에 도시된 발광 장치(100C)에서 달리 설명되지 않는 한, 도 1 내지 도 3에 도시된 발광 장치(100A) 및 도 9 내지 도 12에 도시된 발광 장치(100B, 100B-1, 100B-2)의 전술한 특징은 도 13 및 도 14에 도시된 발광 장치(100C)에도 적용될 수 있음은 물론이다.
반사판(130C), 굴절 부재(140C) 및 기판(150C)의 상호 배치 구조는 도 1 내지 도 3에 도시된 발광 장치(100A) 및 도 9 내지 도 12에 도시된 발광 장치(100B, 100B-1, 100B-2)와 다르다. 이에 대해 살펴보면 다음과 같다.
도 1 내지 도 3과 도 9 내지 도 12에 도시된 발광 장치(100A, 100B, 100B-1, 100B-2)의 경우, 베이스 기판(150A, 150B-1, 150B-2)이 굴절 부재(140A, 140B-1, 140B-2)를 사이에 두고 반사부(130A, 130B-1, 130B-2)와 대면한다. 반면에, 도 13 및 도 14에 도시된 발광 장치(100C)의 경우, 베이스 기판(150C)은 반사부(130C)를 사이에 두고 굴절 부재(140C)와 대면하여 배치된다.
또한, 도 1 내지 도 3과 도 9 내지 도 12에 도시된 굴절 부재(140A, 140B-1, 140B-2)와 달리 굴절 부재(140C)의 제2 면(S2)은 굴절 부재(140A, 140B-1, 140B-2)의 제2 면(S2)의 제1 부분(S2-1)에 해당하는 부분만을 포함하고, 제2 면(S2)의 제2 부분(S2-2)에 해당하는 부분을 포함하지 않는다.
또한, 굴절 부재(140C)의 제1 면(S1)은 제2 면(S2)을 기준으로 좌우에 배치되어 반사부(130C)와 마주하는 제1 및 제2 부분(S1-1, S1-2)을 포함한다. 예를 들어, 제1 면(S1)의 제1 및 제2 부분(S1-1, S1-2)은 제2 면(S2)을 중심으로 좌우 대칭일 수도 있다.
또한, 도 1 내지 도 3에 도시된 발광 장치(100A) 또는 도 9 내지 도 12에 도시된 발광 장치(100A, 100B, 100B-1, 100B-2)와 달리, 도 13 및 도 14에 도시된 발광 장치(100S)의 경우, 베이스 기판(150C)은 굴절 부재(140C)의 제3 면(S3)의 하부에 배치된다.
또한, 굴절 부재(140C)의 제1 면(S1)과 제2 면(S2)은 포물선 형상을 가질 수도 있다.
반사부(130C)에 제3 관통공(PT3)이 형성되어 있음은 도 9 내지 도 12에 도시된 발광 장치(100B, 100B-1, 100B-2)와 동일하고, 베이스 기판(150C)에 형성된 제4 관통공(PT4)에 파장 변환부(120)가 배치됨은 도 1 내지 도 3에 도시된 발광 장치(100A)와 동일하고, 광이 파장 변환부(120)를 투과하여 굴절 부재(140C)로 입사됨은 도 1 내지 도 3에 도시된 발광 장치(100A)와 동일하다.
그러므로, 도 13 및 도 14에 도시된 발광 장치(100C)는 도 1 내지 도 3 및 도 9 내지 도 12에 도시된 발광 장치(100A, 100B, 100B-1, 100B-2)의 설명이 적용될 수 있다.
비록 도 13 및 도 14에는 도시되지 않았지만, 도 1 내지 도 3과 도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 제2 반사층(160)이 굴절 부재(140C)의 제1 면(S1)의 제1 및 제2 부분(S1-1, S1-2)과 반사부(130C) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제1 접착부(170)가 파장 변환부(120)와 굴절 부재(140C) 사이에 배치될 수 있다.
또한, 파장 변환부(120)와 굴절 부재(140A) 간의 굴절률 차이에 대한 전술한 설명은 파장 변환부(120)와 굴절 부재(140C) 간의 굴절률 차이에 대해서 적용될 수 있다. 또한, 도 5a 내지 도 5g 및 도 6a 내지 도 6g에 예시된 굴절 부재(140A)의 제2 면(S2)의 제2-2 부분(S2-2)의 패턴 형상 또는 베이스 기판(150A)의 제1 영역(A1)의 패턴 형상이 굴절 부재(140C)의 제1 면(S1)의 형상 또는 베이스 기판(150C)의 제1 영역(A1)에 적용될 수 있다. 또한, 도 7a 내지 도 7d에 도시된 굴절 부재(140A)의 제3 면(S3)의 형상이 도 13 및 도 14에 도시된 굴절 부재(140C)의 제3 면(S3)에도 적용될 수 있음은 물론이다.
전술한 발광 장치(100A 내지 100C)가 자동차용 조명 장치를 위해 사용될 경우, 광원(110)의 개수는 복수 개일 수 있다. 이와 같이, 실시 예에 의한 발광 장치(100A 내지 100C)의 적용 분야에 따라 광원(110)의 개수는 다양해질 수 있다.
이하, 광원(110)이 복수 개이며 다양한 광학 소자를 포함하는 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100D 내지 100G)에 대해 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 설명의 편의상 광원(110)의 개수는 3개인 것으로 설명하지만, 광원(110)의 개수는 2개일 수도 있고 3개보다 많을 수도 있다.
도 15 내지 도 18은 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100D 내지 100G)의 단면도를 나타낸다.
도 15 및 도 16에 도시된 발광 장치(100D, 100E)는 도 1 내지 도 3에 도시된 발광 장치(100A)를 포함하고, 도 17 및 도 18에 도시된 발광 장치(100F, 100G)는 도 10에 도시된 발광 장치(100B-1)를 포함하므로 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하였으며, 중복되는 설명을 생략한다. 설명의 편의상, 도 15 내지 도 17에 도시된 발광 장치(100D 내지 100G)에서 제1 및 제2 반사층(160, 162)과 제1 접착부(170)의 도시는 생략되었다.
또한, 도 15 및 도 16에 도시된 발광 장치(100D, 100E)는 도 1 내지 도 3에 도시된 발광 장치(100A) 대신에 도 13 및 도 14에 도시된 발광 장치(100C)를 포함할 수도 있다.
또한, 도 17 및 도 18에 도시된 발광 장치(100F, 100G)는 도 10 및 도 11에 도시된 발광 장치(100B-1) 대신에 도 12에 도시된 발광 장치(100B-2)를 포함할 수도 있다.
도 15 및 도 16에 도시된 발광 장치(100D, 100E)는 도 1 내지 도 3에 도시된 발광 장치(100A), 회로 기판(112A, 112B), 방열부(114), 제1-1 렌즈(116), 제1-2 렌즈(118) 및 제1 미러(196)를 포함할 수 있다. 또한, 도 17 및 도 18에 도시된 발광 장치(100F, 100G)는 도 10에 도시된 발광 장치(100B-1), 회로 기판(112A, 112B), 방열부(114), 제1-1 렌즈(116), 제1-2 렌즈(118) 및 제1 미러(196)를 포함할 수 있다.
도 15 내지 도 18에서, 발광 장치(100A, 100B-1)에 대한 설명은 전술한 바와 같으므로 생략한다. 다만, 도 15 내지 도 18에 도시된 각 발광 장치(100D, 100E, 100F, 100G)은 복수개의 광원(110-1, 110-2, 110-3)을 포함하며, 이들 복수 개의 광원(110: 110-1, 110-2, 110-3)은 회로 기판(112A, 112B)에 실장된다.
방열부(114)가 회로 기판(112A, 112B)의 배면에 부착되어, 발광 장치(100A 내지 100G)에서 발생한 열을 외부로 배출할 수 있으나, 실시 예는 방열부(114)의 배치 위치에 국한되지 않는다. 다른 실시 예에 의하면, 방열부(114)는 회로 기판(112A, 112B)뿐만 아니라 베이스 기판(150A, 150B-1)의 배면에도 부착될 수 있다. 또 다른 실시 예에 의하면, 방열부(114)는 회로 기판(112A, 112B)의 배면 대신에 베이스 기판(150A, 150B-1)의 배면에만 부착될 수도 있다. 또는, 경우에 따라 방열부(114)는 생략될 수도 있고, 회로 기판(112A, 112B) 또는 베이스 기판(150A, 150B-1)의 배면뿐만 아니라 측면에도 배치될 수도 있고, 배면이 아닌 측면에만 배치될 수도 있다.
방열부(114)는 알루미늄으로 구현될 수 있지만, 좀 더 높은 방열 효율을 갖도록 TEC(Thermal Electric Cooler) 등으로 구현될 수도 있다. 그러나, 실시 예는 방열부(114)의 배치 위치나 재질에 국한되지 않는다.
또한, 적어도 하나의 제1 렌즈(116, 118)는 복수의 광원(110)으로부터 방출된 광을 포커싱하여 제1 또는 제2 관통공(PT1, PT2)으로 출사할 수 있다.
예를 들어, 적어도 하나의 제1 렌즈는 제1-1 렌즈(116)와 제1-2 렌즈(118)를 포함할 수 있다. 제1-2 렌즈(118)는 각 광원(110-1, 110-2, 110-3)과 제1-1 렌즈(116) 사이에 각각 배치된 3개의 렌즈(118-1, 118-2, 118-3)를 포함할 수 있다. 즉, 제1-2 렌즈(118)는 광원(110)의 개수만큼 배치될 수 있다. 이러한 제1-2 렌즈(118; 118-1, 118-2, 118-3)는 해당하는 광원(110; 110-1, 110-2, 110-3)으로부터 방출된 광을 포커싱하거나 콜리메이팅(collimating)하는 역할을 한다. 따라서, 실시 예에 의한 발광 장치가 자동차의 헤드 라이트나 손전등에 적용될 경우 광이 일직선으로 멀리 도달할 수 있게 된다. 응용례에 따라서, 제1-2 렌즈(118, 118-1, 118-2, 118-3)는 생략될 수도 있다. 즉, 발광 장치가 신호등에 적용될 경우, 발광 장치에서 방출된 광이 직진성을 갖지 않고 퍼지도록 하고자 할 경우, 제1-2 렌즈(118, 118-1, 118-2, 118-3)는 생략될 수도 있다.
제1-1 렌즈(116)는 제1-2 렌즈(118)와 제1 또는 제2 관통공(PT1, PT2) 사이에 배치된다. 만일, 제1-2 렌즈(118)가 생략될 경우, 제1-1 렌즈(116)는 복수의 광원(110, 110-1, 110-2, 110-3)과 제1 또는 제2 관통공(PT1, PT2) 사이에 배치될 수 있다. 제1-1 렌즈(116)는 fθ 렌즈일 수 있다. 일반 렌즈의 경우 광원의 위치가 변하면 광원에서 발생된 광이 렌즈를 통과한 후 초점이 맺히는 위치도 변하게 된다. 그러나, fθ 렌즈의 경우 광원의 위치가 변하여도 렌즈를 통과한 광의 초점이 맺히는 위치가 변하지 않는다. 따라서, 제1-1 렌즈(116)는 복수의 광원(110-1, 110-2, 110-3)으로부터 방출된 광을 하나로 모아서 제1 미러(196)로 보낼 수 있다.
제1 미러(196)는 제1-1 렌즈(116)와 제1 또는 제2 관통공(PT1, PT2) 사이에 배치되어, 제1-1 렌즈(116)에서 포커싱된 광을 반사하여 제1 또는 제2 관통공(PT1, PT2)으로 입사시키는 역할을 한다.
한편, 회로 기판(112A, 112B)에서 복수의 광원(110:, 110-1, 110-2, 110-3)이 실장되는 면은 도 15 또는 도 17에 예시된 바와 같이 곡면 또는 구면일 수도 있고, 도 16 또는 도 18에 예시된 바와 같이 평면일 수도 있다.
복수 개의 광원(110)으로부터 빛을 하나로 모으기 위해, 다양한 방법이 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 15 및 도 17에 도시된 바와 같이 복수의 광원(110, 110-1, 110-2, 110-3)이 실장되는 회로 기판(112A)의 실장면을 곡면이나 구면으로 구현할 경우 복수의 광원(110)으로부터의 광이 하나의 광으로 모아질 수 있다. 만일, 회로 기판(112A)의 실장면이 구면일 경우, 구면에 해당하는 구의 반지름은 콜리메이션 렌즈의 역할을 수행하는 제1-2 렌즈(118)의 초점 거리에 해당할 수 있다.
그러나, 회로 기판(112B)에서 복수의 광원(110, 110-1, 110-2, 110-3)이 실장되는 면이 도 16 또는 도 18에 도시된 같이 평면일 경우, 복수의 광을 하나로 모으기 위해, 발광 장치(100E, 100G)는 복수의 광원(110)과 적어도 하나의 제1 렌즈 사이 즉, 제1-2 렌즈(118)와 제1-1 렌즈(116) 사이에 배치된 프리즘(Prism)(192, 194)(또는, 제2 미러 또는 색선(dichroic)별 코팅층)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 색선별 코팅층은 특정 파장대의 광을 반사시키거나 투과시키는 역할을 할 수 있다.
또한, 복수의 광원(110)으로부터 광을 하나로 모아서 제1 또는 제2 관통공(PT1, PT2)에 입사시키기 위해서, 광 섬유(optical fiber)가 이용될 수도 있다.
한편, 전술한 실시 예에 의한 발광 장치는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 예를 들어, 발광 장치는 자동차의 각종 램프(예를 들어, 하향등, 상향등, 후미등, 차폭등, 방향지시등, DRL(Day Running Light), 안개등) 또는 손전등 또는 신호등 또는 각종 조명용 기기와 같이 넓은 분야에 적용될 수 있다.
도 19 및 도 20은 일 적용 례에 따른 발광 장치(100H, 100I)의 단면도를 나타낸다.
도 19에 도시된 발광 장치(100H)는 도 17에 도시된 발광 장치(100F)와 제2 렌즈(198) 및 지지부(230)를 포함한다. 도 20에 도시된 발광 장치(100I)는 도 13에 도시된 발광 장치(100C)와 회로 기판(112B), 방열부(114), 제1-1 렌즈(116), 제1-2 렌즈(118), 프리즘(192, 194)(또는, 제2 미러 또는 색선별 코팅층) 및 지지부(230)를 포함한다. 여기서, 발광 장치(100B-1, 100C), 회로 기판(112A, 112B), 방열부(114), 제1-1 렌즈(116), 제1-2 렌즈(118), 제1 미러(196), 프리즘(192, 194)(또는, 제2 미러 또는 색선별 코팅층)는 도 10, 도 13, 도 17에서 설명하였으므로, 동일한 참조부호를 사용하였으며 이들에 대한 중복되는 설명을 생략한다.
제2 렌즈(198)는 굴절 부재(140B-1, 140C)의 제3 면(S3)을 마주하며 배치될 수 있다. 지지부(230)는 광원(110), 반사부(130B-1, 130C), 굴절 부재(140B-1, 140C), 베이스 기판(150B-1, 150C), 회로 기판(112A, 112B), 방열부(114), 또는 제2 렌즈(198) 중 적어도 하나가 결합되어 지지될 수 있는 부분이다. 도 19의 경우, 회로 기판(112A), 방열부(114), 베이스 기판(150B-1) 및 제2 렌즈(198)가 지지부(230)에 지지된 모습을 나타낸다. 또한, 도 20의 경우, 제2 렌즈(198)와 반사부(130C)만이 지지부(230)에 지지되는 것으로 도시되어 있지만, 각종 렌즈(116, 118, 192, 194), 회로 기판(112B), 방열부(114) 또는 베이스 기판(150C) 중 적어도 하나도 지지부(230)에 의해 지지될 수 있음은 물론이다.
도 19 및 도 20에 도시된 바와 같이 발광 장치(100H, 100I)에서 해당하는 구성 요소가 지지부(230)에 의해 1차적으로 지지된 이후, 에폭시(epoxy)나 레진(resin) 등으로 2차적으로 고정될 수 있으나, 실시 예는 발광 장치(100H, 100I)의 각 구성 요소의 고정 방식에 국한되지 않는다.
도 19 및 도 20에서 도시된 발광 장치(100H, 100I)는 일 례에 불과하며, 도 1 내지 도 3에 도시된 발광 장치(100A), 도 13에 도시된 발광 장치(100B-2) 또한 도 19 및 도 20에 도시된 바와 같이 지지부(230)에 결합되어 지지될 수 있다.
또한, 도 19 및 도 20에 도시된 제2 렌즈(198)는 반사부(130B-1, 130C)를 설계하는 방식에 따라 생략될 수도 있다.
결국, 전술한 실시 예에 의한 발광 장치(100A 내지 100I)는 광원(110)에서 여기된 광의 파장을 파장 변환부(120)에 의해 원하는 색상과 색온도를 갖도록 변환한 후 공기층을 거치지 않고 굴절 부재(140A 내지 140C)만을 통해 반사부(130A 내지 130C)로 직접 조사한다.
일반적으로 광은 굴절률이 높은 물질로부터 낮은 물질로 진행할 때 물질 간의 굴절률 차에 의해 내부 전반사될 수 있다. 만일, 물질들 간의 굴절률 차가 클 경우 내부 전반사의 확률은 높아지게 되어 외부로 광이 추출되는 효율이 감소할 수 있다. 이를 감안할 때, 실시 예에 의한 발광 장치(100A 내지 100I)의 경우 파장 변환부(120)에서 반사되거나 투과된 광이 공기층 대신에 굴절 부재(140A 내지 140C)를 통해 반사부(130A 내지 130C)로 진행하도록 하고, 반사부(130A 내지 130C)에서 반사된 광이 공기층을 거치지 않고 굴절 부재(140A 내지 140C)의 제3 면(S3)을 통해 공기로 출사되도록 한다. 즉, 실시 예에 의한 발광 장치(100A 내지 100I)의 경우, 굴절 부재(140A 내지 140C)와 반사부(130A 내지 130C)의 사이에도 공기층이 존재하지 않고, 굴절 부재(140A 내지 140B-2)와 베이스 기판(150A 내지 150B-2) 사이에도 공기층이 존재하지 않는다. 따라서, 광 추출 효율이 높아지고 출사되는 광의 분포 즉, 조도 분포를 원하는 대로 조정할 수 있다.
도 21은 실시 예에 의한 발광 장치(100A 내지 100I)를 자동차용 전조등에 적용될 경우 광의 조도 분포를 나타내는 도면이다.
도 21을 참조하면, 자동차(300)가 도로(302)를 달리는 상황에서, 실시 예에 의한 높은 광 추출 효율을 갖는 발광 장치(100A 내지 100I)는 광을 직진시켜 훨씬 멀리 예를 들어 자동차(300)로부터 600미터까지 도달시킬 수 있는 광 분포(310)를 가질 수 있다. 이 경우, 실시 예에 의한 발광 장치(100A 내지 100I)는 원거리 타겟 조명을 목표로 집광(spot beam)을 구현함으로서, ADAS(Advanced Driving Assistance System)에 연동하여 자동차의 상향등(high beam)의 보조적인 역할을 수행하기 위해 적용될 수 있다. 그러나, 실시 예는 이에 국한되지 않으며, 실시 예에 의한 발광 장치(100A 내지 100I)는 근거리의 광 분포(312, 314)를 갖는 광을 출사시키는 데 이용될 수도 있다. 예를 들어, 이와 같이, 반사부(130A 내지 130C)의 형상이나 각종 렌즈의 종류에 따라, 광이 모아져서 직진 방향으로 멀리 출사될 수도 있고, 광이 퍼져서 근거리로 출사될 수도 있다.
또한, 반사부(130A 내지 130C)를 굴절 부재(140A 내지 140C)와 일체로 구현할 경우 발광 장치(100A 내지 100I)의 전체 크기를 줄일 수 있다. 이와 같이 발광 장치(100A 내지 100I)의 크기가 줄어들 경우, 발광 장치(100A 내지 100I)가 차량용 조명이나, 손전등과 같은 일반 램프에 적용될 경우, 디자인의 자유도를 증가시킬 수 있다. 게다가, 발광 장치(100A 내지 100I)의 축소된 크기로 인해 그의 휴대성이나 취급성이 용이할 수도 있다.
또한, 굴절 부재(140A 내지 140C)가 열전도도가 높은 재질로 구현됨으로써, 파장 변환부(120)에서 발생되는 열을 원할히 방출하기 때문에, 우수한 방열 효과를 가질 수도 있다.
또한, 도 1 내지 도 3 또는 도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이 반사부(130A, 130B-1, 130B-2)는 굴절 부재(140A, 140B-1, 140B-2)에 의해 지지될 수도 있고, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이 굴절 부재(140C)에 의해 반사부(130C)의 형상이 유지될 수 있으므로, 반사부(130A 내지 130C)가 다양한 형상을 갖도록 쉽게 제작할 수 있다. 예를 들어, 반사부(130A 내지 130C)는 미세한 패턴(pattern)(또는, facete)을 가질 수 있다.
이하, 전술한 굴절 부재(140A, 140B-1, 140B-2)의 제작 방법을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명하지만, 굴절 부재(140A, 140B-1, 140B-2)는 이러한 방법 이외에 다양한 방법으로 제조될 수 있다.
도 22a 및 도 22b는 전술한 굴절 부재(140A, 140B-1, 140B-2)의 실시 예에 의한 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 22a에 예시된 바와 같은 굴절 물질(140)을 준비한다. 이러한 굴절 물질(140)은 전술한 바와 같이, Al2O3 단결정(single crystsal), Al2O3 또는 SiO2 glass 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
이후, 도 22b에 예시된 바와 같이, 도 22a에 도시된 'D' 부분의 굴절 물질(140)의 하단부를 절단하여, 도 22b에 도시된 바와 같이 굴절 부재(144)를 획득한다. 여기서, 참조부호 CS는 절단면을 나타낸다. 여기서, 획득된 굴절 부재(144)는 도 1 내지 도 3에 도시된 굴절 부재(140A)일 수도 있고, 도 9 내지 도 12에 도시된 굴절 부재(140B-1, 140B-2)일 수도 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100A 내지 100I: 발광 장치 110, 110-1, 110-2, 110-3: 광원
112A, 112B: 회로 기판 114: 방열부
116: 제1-1 렌즈 118, 118-1, 118-2, 118-3: 제1-2 렌즈
120: 파장 변환부 130A, 130B, 130B-1, 130B-2, 130C: 반사부
132, 134: 반사부의 단부 140: 굴절 물질
140A, 140B, 140B-1, 140B-2, 140C, 144: 굴절 부재
142: 반사 방지막
150A, 150B, 150B-1, 150B-2, 150C: 베이스 기판
152: 홈부 160: 제1 반사층
162: 제2 반사층 170: 제1 접착부
180: 투광층
192, 194: 프리즘, 제2 미러 또는 색선별 코팅층
196: 제1 미러 198: 제2 렌즈
230: 지지부 A1: 베이스 기판의 제1 영역
A2: 베이스 기판의 제2 영역 LP1, LP2, LP3: 광 경로
NL1, NL2: 법선 PT1: 제1 관통공
PT2: 제2 관통공 PT3: 제3 관통공
PT4: 제4 관통공 R: 직경
S1: 굴절 부재의 제1 면 S1-1: 제1 면의 제1 부분
S1-2: 제1 면의 제2 부분 S2: 굴절 부재의 제2 면
S2-1: 제2 면의 제1 부분 S2-2: 제2 면의 제2 부분
S3, S3A, S3B, S3C: 제3 면

Claims (52)

  1. 적어도 하나의 광원;
    상기 적어도 하나의 광원으로부터 방출된 광의 파장을 변환하는 파장 변환부;
    상기 파장 변환부에서 변환된 파장을 갖는 광과 파장 변환되지 않은 광을 반사하는 반사부; 및
    상기 반사부와 상기 파장 변환부 사이의 광이 지나가는 공간에 채워지고, 상기 반사된 광을 출사시키는 굴절 부재를 포함하는 발광 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 굴절 부재는
    상기 반사부와 마주하는 라운드형 제1 면;
    상기 파장 변환부와 마주하는 제1 부분을 갖는 제2 면; 및
    상기 반사된 광이 출사되는 제3 면을 포함하는 발광 장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 굴절 부재를 사이에 두고 상기 반사부와 대면하거나 상기 반사부를 사이에 두고 상기 굴절 부재와 대면하여 배치된 베이스 기판을 더 포함하는 발광 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 베이스 기판은 상기 굴절 부재와 접하는 발광 장치.
  5. 제3 항에 있어서, 상기 베이스 기판은 서로 인접하는 제1 및 제2 영역을 포함하고,
    상기 제1 영역은 상기 제2 영역을 제외한 영역 또는 상기 굴절 부재의 상기 제2 면에서 상기 제1 부분을 제외한 제2 부분과 마주하는 영역에 해당하고,
    상기 제2 영역은 상기 파장 변환부가 배치되는 영역에 해당하는 발광 장치.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 베이스 기판의 상기 제2 영역은 상기 적어도 하나의 광원에서 방출된 광이 지나가는 제1 관통공을 포함하고, 상기 파장 변환부는 상기 제1 관통공에 배치된 발광 장치.
  7. 제5 항에 있어서, 상기 반사부는 상기 적어도 하나의 광원에서 방출된 광이 지나가는 제2 관통공을 포함하는 발광 장치.
  8. 제6 항에 있어서, 상기 제1 관통공은 상기 굴절 부재의 상기 제3 면보다 상기 제1 면에 더 가깝게 배치된 발광 장치.
  9. 제7 항에 있어서, 상기 제2 관통공으로부터 상기 굴절 부재의 상기 제3 면과 접하는 상기 반사부의 일단까지의 제1 이격 거리는 상기 제2 관통공으로부터 상기 베이스 기판과 접하는 상기 반사부의 타단까지의 제2 이격 거리보다 큰 발광 장치.
  10. 제6 항 또는 제7 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 상기 파장 변환부 또는 상기 반사부로부터 10 ㎛ 이상 이격되어 배치된 발광 장치.
  11. 제5 항에 있어서, 상기 굴절 부재의 상기 제2 부분의 적어도 일부와 상기 베이스 기판의 상기 제1 영역 사이에 배치된 제1 반사층을 더 포함하는 발광 장치.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 제1 반사층은 상기 굴절 부재의 상기 제2 부분 또는 상기 베이스 기판의 상기 제1 영역에 필름 형태로 부착되거나 코팅된 형태로 부착된 발광 장치.
  13. 제6 항 또는 제7 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원과 상기 제1 또는 제2 관통공 사이에 배치된 투광층을 더 포함하는 발광 장치.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 투광층은 1 내지 2의 굴절률을 갖는 물질을 포함하는 발광 장치.
  15. 제7 항에 있어서, 상기 베이스 기판의 상기 제2 영역은 상기 파장 변환부가 배치되는 홈부를 포함하는 발광 장치.
  16. 제15 항에 있어서, 상기 홈부에서 상기 파장 변환부와 상기 베이스 기판 사이에 배치된 제2 반사층을 더 포함하는 발광 장치.
  17. 제16 항에 있어서, 상기 제2 반사층은 상기 파장 변환부 또는 상기 베이스 기판에 필름 형태로 부착되거나 코팅된 형태로 부착된 발광 장치.
  18. 제7 항에 있어서, 상기 파장 변환부는 상기 제2 관통공을 바라보도록 회전 가능하도록 상기 베이스 기판의 상기 제2 영역에 배치된 발광 장치.
  19. 제15 항 또는 제18 항에 있어서, 상기 굴절 부재에 의해 굴절된 광이 상기 파장 변환부의 법선과 평행하게 진행하도록, 상기 파장 변환부의 회전 각도 또는 상기 적어도 하나의 광원으로부터 상기 제2 관통공으로의 광 입사각 중 적어도 하나가 조정되는 발광 장치.
  20. 제5 항에 있어서, 상기 굴절 부재의 상기 제2 부분 또는 상기 베이스 기판의 상기 제1 영역 중 적어도 하나는 패턴을 갖는 발광 장치.
  21. 제20 항에 있어서, 상기 패턴은 반구형, 원형, 원뿔형, 절두 원뿔형, 피라미드형, 절두 피라미드형, 리버스 원뿔형 또는 리버스 피라미드형 중 적어도 하나를 포함하는 발광 장치.
  22. 제20 항에 있어서, 상기 패턴은 원형, 도트형, 라인 교차형, 수평 라인형, 수직 라인형, 또는 링형 중 적어도 하나를 포함하는 발광 장치.
  23. 제1 항에 있어서, 상기 반사부와 상기 굴절 부재는 일체형인 발광 장치.
  24. 제1 항에 있어서, 상기 굴절 부재는 Al2O3 단결정, Al2O3 또는 SiO2 중 적어도 하나를 포함하는 발광 장치.
  25. 제1 항에 있어서, 상기 굴절 부재는 1 W/mK 내지 50 W/mK의 열전도 계수를 갖는 물질을 포함하는 발광 장치.
  26. 제1 항에 있어서, 상기 굴절 부재는 20K 내지 400K의 기준 온도를 갖는 물질을 포함하는 발광 장치.
  27. 제2 항에 있어서, 상기 굴절 부재의 상기 제1 면은 포물선 형상을 갖는 발광 장치.
  28. 제2 항에 있어서, 상기 굴절 부재의 상기 제1 면과 상기 제2 면은 포물선 형상을 갖는 발광 장치.
  29. 제2 항에 있어서, 상기 굴절 부재의 상기 제1 면은 상기 제2 면을 중심으로 좌우 대칭 형상을 갖는 발광 장치.
  30. 제2 항에 있어서, 상기 굴절 부재의 제3 면에 배치된 반사 방지막을 더 포함하는 발광 장치.
  31. 제1 항에 있어서, 상기 반사부는 비구면, 자유형 만곡(freeform curve)면, 프레넬 렌즈, 또는 홀로그라피 광학 소자 중 적어도 하나를 포함하는 발광 장치.
  32. 제2 항에 있어서, 상기 굴절 부재의 상기 제3 면은 평면, 곡면, 비구면, 전반사면, 또는 자유형 만곡면 중 적어도 하나를 포함하는 발광 장치.
  33. 제1 항, 제11 항 및 제16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사부, 상기 제1 반사층 또는 제2 반사층 중 적어도 하나의 반사율은 60% 내지 100%인 발광 장치.
  34. 제2 항에 있어서, 상기 반사부는 상기 굴절 부재의 상기 제1 면에 코팅된 금속층을 포함하는 발광 장치.
  35. 제1 항에 있어서, 상기 파장 변환부는 인광 물질, 루미포, 세라믹 인광 물질 또는 YAG 단결정 중 적어도 하나를 포함하는 발광 장치.
  36. 제1 항에 있어서, 상기 파장 변환부는 PIG형, 다결정 라인형 또는 단결정 라인형인 발광 장치.
  37. 제1 항에 있어서, 상기 파장 변환부에서 변환된 파장을 갖는 광의 색온도는 3000K 내지 9000K인 발광 장치.
  38. 제1 항에 있어서, 상기 파장 변환부의 상기 제1 굴절률은 1.3 내지 2.0인 발광 장치.
  39. 제2 항에 있어서, 상기 굴절 부재의 상기 제2 면의 직경은 10 ㎜ 내지 100 ㎜인 발광 장치.
  40. 제2 항에 있어서, 상기 굴절 부재의 상기 제2 면 또는 상기 제3 면의 면적에 대한 상기 파장 변환부에서 변환된 파장을 갖는 광의 반치폭 면적의 비율은 0.001 내지 1인 발광 장치.
  41. 제2 항에 있어서, 상기 굴절 부재의 상기 제2 면의 상기 제1 부분과 상기 파장 변환부 사이에 배치된 제1 접착부를 더 포함하는 발광 장치.
  42. 제41 항에 있어서, 상기 제1 접착부는 소결 또는 소성된 폴리머, Al2O3 또는 SiO2 중 적어도 하나를 포함하는 발광 장치.
  43. 제5 항에 있어서, 상기 굴절 부재의 상기 제2 면의 상기 제2 부분과 상기 베이스 기판의 상기 제1 영역 사이에 배치된 제2 접착부를 더 포함하는 발광 장치.
  44. 제1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 발광 다이오드 또는 레이져 다이오드 중 적어도 하나를 포함하는 발광 장치.
  45. 제1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 400 ㎚ 내지 500 ㎚ 파장 대역의 광을 방출하는 발광 장치.
  46. 제45 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 10 ㎚ 이하의 스펙트럴 반치폭을 갖는 광을 방출하고, 상기 파장 변환부에 입사되는 광의 반치폭은 1 ㎚ 이하인 발광 장치.
  47. 제1 항 또는 제3 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 복수의 광원을 포함하고,
    상기 발광 장치는 상기 복수의 광원이 실장되는 회로 기판을 더 포함하는 발광 장치.
  48. 제47 항에 있어서, 상기 회로 기판의 배면 또는 상기 베이스 기판의 배면에 부착된 방열부를 더 포함하는 발광 장치.
  49. 제47 항에 있어서, 상기 회로 기판에서 상기 복수의 광원이 실장되는 면은 평면 또는 곡면 또는 구면인 발광 장치.
  50. 제6 항 또는 제7 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 복수의 광원을 포함하고,
    상기 발광 장치는 상기 복수의 광원으로부터 방출된 광을 포커싱하여 상기 제1 또는 제2 관통공으로 출사하는 적어도 하나의 제1 렌즈를 더 포함하는 발광 장치.
  51. 제50 항에 있어서, 상기 제1 렌즈와 상기 제1 또는 제2 관통공 사이에 배치된 제1 미러를 더 포함하는 발광 장치.
  52. 제50 항에 있어서, 상기 복수의 광원과 상기 적어도 하나의 제1 렌즈 사이에 배치된 프리즘, 제2 미러 또는 색선(dichroic)별 코팅층을 더 포함하는 발광 장치.
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