KR20160107774A - 조명장치 및 이를 포함하는 차량용 램프 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예은 고휘도를 구현할 수 있는 조명장치 및 이러한 고휘도 광원이 적용된 차량용 램프에 대한 것으로, LED 칩의 상부에 형성된 광변환부를 세라믹 형광체로 설계되어 LD광원 사용이 가능하게 함으로서, 상기 LED칩을 통해 출사되는 광과, 상기 LED 칩에서 출사되는 광의 방향과 역방향으로 형성된 LD광원 모두 상기 광변환부로 흡수되어 장파장으로 변환되어 상측으로 출사하고, 출사된 변환광은 광학계에 의해 반사 및 굴절시킴으로서 Low-beam hot spot과 High-beam booster가 형성되어 고휘도를 구현할 수 있는 헤드램프에 적용가능한 조명장치를 제공한다.

Description

조명장치 및 이를 포함하는 차량용 램프{Lamp device and automobile lamp using the same}
본 발명의 실시예은 고휘도를 구현할 수 있는 조명장치 및 이러한 고휘도 광원이 적용된 차량용 램프에 대한 것이다.
최근 자동차 디자인에 대한 마케팅 중요도가 상당히 커지면서, 전면 디자인에서 아주 큰 비중을 차지하는 스타일리쉬한 헤드램프 구현이 핵심이 되고 있다. 기존의 상/하향등 이외에도 최근 법규 신설에 의하여 DRL(Daytime Running Lamp) 및 포지셔닝 램프 등을 LED를 이용한 면광원 및 점광원으로 구현하여, 브랜드의 Identity를 표현하고 브랜드만의 개성을 헤드램프에 심어 넣어 페이스 룩(face-look)의 일관성으로 표현하려는 움직임이 점차 커지고 있다.
다수의 모터쇼로 보여진 최근 자동차 헤드램프 디자인의 추세는 헤드램프의 상하 간격을 조금 더 얇게 가져가고자 하는 디자이너들의 욕구가 크나, 현재 광원으로 사용되는 벌브 램프 및 멀티 패키징 LED 들의 광원 사이즈에 의한 광원 휘도의 선천적인 한계로 인해 법규 만족을 위한 광학계(헤드램프 두께)의 사이즈 축소가 현실적으로 어려운 부분이 있는 것이 사실이다.
이에 고휘도 광원에 대한 차량 업계의 요구는 증가하고 있고, LED의 개수를 늘려 광속을 얻으려는 방향보다는 최소의 LED 개수에 높은 전류를 사용하여 휘도를 늘리고자 하는 방향으로 광원 개발이 진행중이지만, 방열 신뢰성 등의 문제로 인해 백색 LED의 휘도 증가는 요구에 못 미치고 있는 실정이다.
최근 고휘도 확보를 위해 LD(Laser diode)를 이용한 헤드램프 광원이 미래 기술로 주목받고 있다. 그러나, 기존 광원 대비 현저하게 떨어지는 소비전력 효율에 의해 LD(Laser diode) 광원으로의 전면적인 세대 교체는 상당한 시일이 필요로 하며, 고가의 차량에 한정된 상향등 보조광 등의 응용만이 가능한 수준이다. 또한, LD(Laser diode) 상향등 보조광은 기존의 LED 상향등과 광학계 공유가 되지 않아, 별도의 광학계 설치를 위해 오히려 헤드램프의 공간을 필요로 하여 디자인적인 개선 방향과는 상충되는 부분이 있었다
본 발명의 실시예들은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 특히 세라믹 형광체를 포함하는 광변환모듈을 공유하는 2 종류의 발광모듈을 배치하여 고휘도의 발광효과를 구현할 수 있는 조명 및 이를 적용한 차량용 램프를 제공할 수 있도록 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로, 본 발명의 실시예에서는, 제1출사광을 방출하는 제1발광모듈; 상기 제1발광모듈의 광경로상에 배치되며, 상기 제1출사광을 흡수하여 제1변환광으로 변환하는 광변환모듈; 상기 제1발광모듈 및 상기 광변환부와 이격되며, 상기 광변환부로 제2출사광을 출사하는 제2발광모듈; 및 상기 제1발광모듈 및 상기 제2발광모듈의 사이에 배치되며, 상기 제1변환광 및 상기 제2변환광을 반사 또는 굴절시키는 광학계;를 포함하는 조명장치를 제공할 수 있도록 한다.
또한, 상술한 구조의 조명장치를 제한된 공간에 배치하는 하우징과 변환광을 외부로 발출하는 렌즈부를 결합하는 차량용 헤드 램프에 적용이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 세라믹 형광체를 포함하는 광변환모듈을 공유하는 2 종류의 발광모듈을 배치하여 고휘도의 발광효과를 구현할 수 있는 조명을 제공할 수 있는 효과가 있다.
특히, LED를 포함하는 발광모듈과 LD와 같은 고휘도의 점광원을 포함하는 발광모듈이 동일한 광학계를 공유하도록 배치하여, 엘이디(LED) 칩으로부터 방출된 엘이디(LED) 변환광과 레이져 다이오드(LD)으로부터 방출된 레이져 변환광을 동시에 공유할 수 있는 광학계로 인하여 상기 레이져 다이오드(LD)로부터 작은 빔(beam)을 엘이디(LED)의 더 큰 광학계를 이용하여 조사하므로 별도의 광학계를 사용하는 것보다 스팟빔 성능이 우수해지고, 우수해진 성능은 레이져 다이오드(LD) 개수 절감 또는 레이져 다이오드(LD) 소비전력 절감 등의 효과를 도모할 수 있다.
아울러 본 발명의 실시예에 따른 조명장치를 차량에 적용하는 경우, 헤드램프에 적용된 고휘도 광원에 있어서, 레이져 다이오드(LD)가 추가 작동되면서 발생되는 대부분의 열은 엘이디 칩에 포함된 방열판으로 열전달되므로 별도의 방열판없이 사용가능하므로 고휘도를 구현하면서도 모듈 추가가 없어 비용절감 효과를 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 헤드램프에 적용된 고휘도 광원을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 헤드램프에 적용된 고휘도 광원의 휘도를 측정한 파형을 그래프로 표시한 도면이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 헤드램프에 적용된 고휘도 광원이 차량에 적용되어 방출함으로서 제공되는 가시거리를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 조명장치를 차랑용 헤드램프에 적용시의 구조를 모식화한 것이다.
도 5는 도 1의 광변환모듈의 구조의 변형 실시예를 도시한 개념도이다.
도 6 내지 도 8은 도 5에서 상술한 본 발명의 실시예에 따른 광변환모듈의 구조에서, 광선택부의 다른 구현 실시예를 도시한 것이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 조명장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 조명장치는, 제1출사광을 방출하는 제1발광모듈(10)과 상기 제1발광모듈(10)의 광경로상에 배치되며, 상기 제1출사광을 흡수하여 제1변환광으로 변환하는 광변환모듈(20), 상기 제1발광모듈(20) 및 상기 광변환모듈(30)과 이격되며, 상기 광변환부로 제2출사광을 출사하는 제2발광모듈(30) 및 상기 제1발광모듈 및 상기 제2발광모듈의 사이에 배치되며, 상기 제1변환광 및 상기 제2변환광을 반사 또는 굴절시키는 광학계(40)를 포함하여 구성될 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에서는, 상기 제1발광모듈(10)과 상기 제2발광모듈(30)이 상기 광변환모듈(20)과 상기 광학계(40)를 공유하는 구조로 배치되도록 할 수 있다.
상기 제1발광모듈(10)은 광을 출사하는 제1발광소자 및 이를 실장하는 인쇄회로기판을 포함하여 구성되며, 상기 제1발광소자는 일예로 고체발광소자가 적용될 수 있다. 상기 고체발광소자는 LED, OLED, LD(laser diode), Laser, VCSEL 중 선택되는 어느 하나가 적용될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 상기 제1발광소자를 LED를 사용하는 것을 들어 설명하기로 한다.
또한, 상기 제1발광모듈(10)은 하부에 상기 제1발광소자에서 발생하는 열을 발산시키기 위한 방열모듈(50)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 후술하겠지만, 상기 방열모듈(50)은 상기 제1발광모듈(10)에서 발생한 열을 외부로 발산하는 기능과 더불어, 상기 제2발광모듈(30)에서 발생하는 열을 추가로 발산할 수 있도록 한다.
상기 광변환모듈(20)은 상기 제1발광모듈의 광경로상에 배치되며, 상기 제1출사광을 흡수하여 제1변환광으로 변환하는 기능을 수행한다. 특히, 상기 광변환모듈(20)은 상기 제1발광모듈(10)의 제1발광소자의 상부에 접촉하거나 인접하여 배치되거나, 이격되어 배치될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는, 상기 광변환모듈(20)은 제1발광소자인 LED의 상측면에 직접 밀착하여 배치되는 구조로 구현되어 출사광의 일부 또는 전부를 장파장의 제1변환광으로 변환하는 기능을 수행하는 형광체층을 포함하는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
상기 제2발광모듈(30)은 상기 제1발광모듈(10) 및 상기 광변환모듈(20)과 이격되어 배치되며, 상기 광변환모듈로 제2출사광을 출사하는 기능을 수행한다. 특히, 본 발명의 실시예에서는, 상기 제2발광모듈(30)은 제2발광소자와 이를 실장하는 인쇄회로기판을 포함하며, 상기 제2발광소자는 상술한 제1발광소자와 다른 종류의 광원을 적용할 수 있다. 특히, 고휘도의 광을 구현하기 위해, 상기 제1발광소자와는 다른 LED, OLED, LD(laser diode), Laser, VCSEL 중 선택되는 어느 하나의 광원을 적용할 수 있다. 본 실시예에서는 상기 제1발광소자를 LED로 하는 경우, 제2발광소자는 레이저 다이오드(LD)를 적용하는 것을 예로 하여 설명하기로 한다. 상기 제2발광모듈(30)은 상술한 상기 광변환모듈(20)에서 변환되어 상부로 방출되는 제1발광소자의 제1변환광의 진행 경로에 역방향으로 진입하는 제2출사광을 광변환모듈의 일부 또는 전부를 향해 방출할 수 있도록 한다. 이후, 상기 제2출사광은 상기 광변환모듈(20)에서 장파장인 제2변환광으로 변환되어 상부로 진행하게 된다.
이후, 상기 제1변환광과 상기 제2변환광은 상술한 상기 광학계(40)에 의해 일부 또는 전부가 반사되거나 굴절되어 출사할 수 있게 된다.
상기 광학계모듈(40)는 제1발광모듈(10) 및 상기 제2발광모듈(30)에서 출사되어 광변환모듈(20)에서 변환되는 변환광을 원하는 방향으로 유도하는 다양한 모듈 부재를 포함하여 구성될 수 있다. 일예로, 도 1에 도시된 것과 같이, 상기 광학계모듈(40)은 상기 제1발광모듈(10)과 제1발광모듈(30)의 사이에 배치되고, 제1발광모듈(10)에서 출사되어 변환된 광을 내측에서 반사하여 전방으로 진행시킬 수 있는 리플렉터 구조물로 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 광학계모듈(40)의 상부에 배치되는 제2발광모듈(30)은 본 발명의 실시예와 같이, 제1발광모듈(10)의 광변환모듈(20)을 공유하는바, 상기 광변환모듈(20)을 관통하여 제2출사광이 상기 광변환모듈(20)에 전달될 수 있도록 배치될 수 있다. 이를 위해, 광학계모듈(40)의 일영역에는 상기 제2발광모듈(30)의 출사광이 경유할 수 있는 광경로유도부(41)을 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 제2발광모듈(30)에서 출사된 제2출사광은 상기 광경로유도부(41)를 경유하여 상기 광변환모듈(20)에 도달하며, 이후 광변환모듈(20)에서 변환된 제2변환광으로 구현되어 다시 상부로 방출되고, 이후 제2변환광은 상기 리플렉터 구조물의 내측에서 반사 또는 굴절하여 원하는 방향으로 방출될 수 있도록 할 수 있다.
상기 광변환모듈(20)은 내부에 단층 또는 다층의 광변환부가 구현되는 구조로 구현될 수 있다. 나아가 후술하겠지만, 광변환부의 외각에 광변환부를 경유한 광의 파장 일부를 선별하여 투과하거나 반사하는 광선택부를 더 포함하여 구성될 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 상기 광변환모듈(20)은 외각부에 밀봉부재를 더 포함하며, 상기 밀봉부재의 녹는 점은 상기 광변환부 또는 상기 광선택부의 녹는점 보다 높게 구현할 수 있도록 한다. 이는 고휘도의 광을 구현하기 위해 레이저다이오드나 LED를 적용하는 경우 상대적으로 고전류의 구동이 불가피하게 되며 이에 고내열성의 재질과 방열특성의 확보는 무엇보다 중요하기 때문이다. 일예로, 본 실시예에서는 상기 밀봉부재의 녹는점이 350℃ 이상인 것을 적용할 수 있으며, 이러한 것들로는 SiO2 이나 Al2O3 , Al5O12 와 같은 재료를 적용할 수 있다.
나아가, 상기 광변환모듈의 최외각 상부면에 광투과성 방열부재가 배치되도록 하여, 광변환모듈의 상부면에서의 방열효과를 극대화할 수 있도록 한다. 그리고 상기 광투과성 방열부재의 상면에 반사방지막과 같은 구조층을 배치하여, 가시광선 영역의 투과율을 증가시킬 수 있도록 할 수 있다. 일예로 상기 광변환부모듈(20)에 형성된 방열소재는 알루미나 계열의 투명 방열시트와 같은 구조물로 구현할 수 있으며, 이후 상기 방열소재는 상측면에 가시광선 영역의 투과율을 증가하기 위하여 안티 리플렉션(Anti-Reflection) 박막 코팅을 통해 반사방지막을 구현할 수 있도록 한다.
도 2 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 조명장치를 차량용 헤드램프에 적용하는 경의 결고를 도시한 것이다. 이 경우, 제1발광모듈에는 LED를 발광소자로 사용하고, 제2발광모듈은 레이져 다이오드(Laser diode)를 발광소자로 사용하였다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 일반적으로 엘이디(LED) 칩(10)에서의 엘이디(LED)는 빛을 방출하는 다이오드로서 3-5족 혹은 2-6 족 화합물 반도체를 이용해서 주로 만들어지며 출사광은 자율방출으로 방향성이 없고 파장도 상당히 넓은 영역에 걸쳐 있는 반면, 레이져 다이오드(Laser diode)(30)는 반도체 다이오드로 만든 레이저로서 출사광은 유도방출로 휘도가 매우 높고 발광 면적이 작게 형성됨을 알 수 있다.
따라서, 도 2 및 도 3의 결과와 도 1의 구조를 참조하면, 상기 엘이디(LED)로부터 출사된 광과 레이져 다이오드(Laser diode)로 부터 출사된 광이 모두 광변환모듈(20)에 흡수하여 장파장으로 변환한 후 광학계모듈(40)를 통해 반사 및 굴절되어 변환광의 일부 또는 전부가 외부로 조사할 수 있도록 한 것으로서, 상기 엘이디(LED) 칩(10)과 레이져 다이오드(Laser diode)(30)가 공존하여 고휘도를 구현하면서도 목적에 따라 개별 구동 및 전류 조절 구동이 가능하도록 한다.
따라서, 상기 엘이디(LED) 칩과 레이져 다이오드(Laser diode)가 공존함으로서 레이져 다이오드(Laser diode)의 작은 빔(bam)이 엘이디(LED) 칩의 더 큰 광학계를 사용하여 조사됨으로서 스팟빔의 성능이 우수해지고, 레이져 다이오드(Laser diode)의 갯수 절감 또는 레이져 다이오드(Laser diode)의 소비전력의 절감효과를 함께 구현될 수 있도록 할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 조명장치를 차랑용 헤드램프(1)에 적용시의 구조를 모식화한 것이다.
도 4를 참고하면, 일반적으로 광원의 면적과 광 출사면의 면적의 비율은 성능과 비례하게 된다. 즉, 광원의 크기가 작으면 광원의 광량이 약해지는 것이 일반적이며, 광학계가 작아지는 경우에는 조사의 기능은 좋하지게 된다. 본 발명의 실시예에서는, 레이저 다이오드(LD)의 작은 빔(beam)을 LED와 병합사용하고, LED 용으로 적용되는 비교적 큰 규모의 광학계를 공유하여 사용하게 함으로써, 별도의 광하계를 사용하는 것보다 스팟빔(S)의 성능이 우수해지게 된다. 아울러, 성능이 우수해지는바, 레이저 다이오드의 개수가 절감될 수 있으며, 레이저 다이오드의 소비전력도 절감하게 된다.
일예로, 기존, LED를 이용하여 상향등을 구현하는 경우, LED 칩은 단위면적(1mm2) 당 4개의 LED 칩(총 1500lm)이 필요로 하며, , 60mmΦ 렌즈를 필요로 하게 된다. 즉, 이는 4mm2 광원과 2827mm2광학계(약 700배)로 구현하여, 약 4.5만 cd(칸델라)의 광도와 300m의 광 조사거리를 구현할 수 있게 된다.
이에 비해, 기존 레이저 다이오드(LD)만을 이용한 스팟등을 구현하는 경우, 레이저 빔의 사이즈가 0.35mmΦ(총 450lm)과 20mmΦ 리플렉터로 구현될 수 있다. 즉, 이는 0.1mm2 광원과 314mm2의 광학계(약 3만배)로 이는 약 13.5만 cd(칸델라)의 광도와 조사 거리 600m로 구현되게 된다. 즉 위 LED 광원과 비교시 광량은 1/3이고, 광학계의 면적이 1/9이더라도, 광원사이즈가 40배 작아진 효과로 인해 , 조사 강도는 오히려 레이저 다이오드를 사용하는 경우 월등하게 증가하게 되는 것이다.
따라서, 도 4(a)와 같이, 차량용 헤드렘프(1)를 스팟빔(S), 하이빔(H), 로우빔(L)과 같이 기능별로 구현하는 경우, 스팟빔(13.5만 cd), 하이빔(4.5만 cd)의 총 광도가 18만 cd(칸델라)가 필요하며, 이러한 헤드램프 구조가 한 쌍으로 구현되면 총 36만 칸델라(cd)로 구현되며, 이는 약 600m의 조사 거리를 구현하게 된다. 물론, 이 경우 헤드램프 모듈로 구현하는 경우, 60Φ 하이빔 모듈과 20Φ 스팟빔 모듈을 각각 별개로 설치해야 하게 된다.
그러나, 도 4(b)와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 조명장치를 적용(LD+LED)하는 경우, 스팟빔(S)와 하이빔(H)를 동시에 구현할 수 있게 된다. 이는 스팟빔(40만cd), 하이빔(4.5만 cd)로 합계가 44.5만 칸델라(cd)이며, 한 쌍이 헤드램프로 구현시, 89만 칸델라의 광도를 구현하여 950m의 광조사거리를 확보할 수 있게 된다. 물론, 헤드 램프의 모듈도 60Φ 단일 모듈로 구현하게 되어 구조가 간단해지면서도 조사거리가 월등히 향상되는 집중도를 구현할 수 있게 된다.
이하에서는, 도 1에서 상술한 광변환모듈의 다양한 변형 실시예를 설명하기로 한다. 상술한 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광변환모듈의 경우, LED에서 방출되는 제1출사광 및 레이저 다이오드(LD)에서 출사되는 제2출사광을 장파장으로 변환하여 방출하는 기능을 수행한다.
도 1에서 상술한 광변환모듈(30)은 세라믹 형광체 층으로 구성되는 단일 층 구조물인 광변환부로 구현될 수 있다. 이 경우 상술한 것과 같이 녹는 점이 높은 밀봉부재를 구현하거나, 광변환부 상부에 광투과성 방열부재 또는 반사방지막 등을 포함하여 구성될 수 있음은 물론이다.
도 5는 도 1의 광변환모듈의 구조의 변형 실시예를 도시한 개념도로, 발광유닛(100)에서 이격되어 배치되는 광변환모듈(200, 300)의 배치 구조로 설명하기로 한다. 물론, 배치구조는 일예이며, 발광유닛(100)과 광변환모듈(200, 300)이 접촉하는 형태로도 구현할 수 있음은 상술한 바와 같다.
나아가, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광변환모듈은 도 5에 도시된 구조와 같이, 출사광(A)을 흡수하여 변환광(B)으로 변환하는 인형광물질을 포함하는 광변환부(200) 및 상기 출사광(A)의 파장의 일부를 투과시키고, 상기 변환광(B)의 파장의 일부를 반사시키는 광선택부(300)의 결합구조로 구현하는 것도 가능하다. 즉, 상기 광변환부(200)는 상기 발광유닛(100)에서 출사하는 출사광의 광경로상에 배치되며, 출사광을 흡수, 여기, 방출하여 변환시켜 변환광(B)을 형성하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 상기 광변환부(200)는 인형광(lumiphor) 물질을 포함하여 구성될 수 있다. 일예로, 상기 광변환부(200)는 도시된 것과 같이, 플레이트 형태로 형성되며, 상기 발광유닛(100)에서 여기되는 광이 도달할 수 있는 이격되는 위치에 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 광변환부(200)와 상기 발광유닛(100) 사이의 사이에는 공간부가 형성될 수 있다. 상기 광변환부(200)는 상기 발광유닛(100)에서 생성된 얇은 스펙트럼 폭으로 발광하는 저파장의 출사광을 백색광으로 변환하여 변환광(B)을 형성하는 기능을 수행할 수 있다. 또한, 상기 광변환부(200)에서 변환된 변환광(B)은 광변환부(200)의 중심점을 기준으로 사방으로 발산될 수 있다. 이때, 사방으로 발산되는 변환광(B)은 후술하는 광선택부(300)에 의해 반사되어 특정 방향으로 광경로를 제어할 수 있게 된다.
또한, 이 경우 상기 광선택부(300)는 상기 발광유닛(100)과 이격되며, 상기 광변환부(200)에 인접하는 위치에 배치될 수 있다. 특히, 상기 광선택부(300)는 상기 광변환부(200)와 직접 밀착하는 구조로 형성될 수 있으며, 이격되어 배치되는 구조로 형성될 수도 있다. 어느 경우이든 상기 광선택부(300)는 상기 광변환부(200)로 입사되어 변환되는 변환광(B)이 사방으로 방출되는 경우, 반사를 통해 일정한 방향으로 광의 방향을 제어할 수 있도록 한다. 도 5에 도시된 것과 같이 상기 광선택부(300)는 상기 광변환부(200)의 표면 전체에 밀착되는 구조로 형성되거나, 광변환부의 표면 일부에 형성되는 구조로 구현될 수 있다. 특히, 상기 광선택부(300)가 상기 광변환부(200)의 표면에 밀착하는 구조로 형성되는 경우, 상기 발광유닛(100)에서 여기되는 출사광이 상기 광변환부(200)로 투과가 가능한 물질을 적용함이 바람직하며, 본 발명의 실시예에서는, 상기 발광유닛(100)에서 여기되는 출사광이 최대 강도(maximum intensity)로 상기 광변환부(200)를 향하여 입사하는 경우에, 입사되는 각도(α)에 따라 투과율이 변화할 수는 있으나, 최대한 입사되는 광의 70% 이상을 투과시킬 수 있도록 함이 더욱 바람직하다. 그 이하의 투과율로 형성되는 경우에는 상기 광선택부(300)에 따른 광손실이 너무 커 조명장치의 휘도 및 강도에 부합하지 못하기 때문이다. 또한, 이를 위해서는 상기 출사광의 최고파장(peak wavelength;λpeak)의 범위는 360nm~490nm를 충족하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 광선택부(300)는 상기 출사광이 상기 광변환부(200)에 입사되어 투과되는 지점의 투과율이 50% 이하로 감소되는 지점의 스펙트럼 파장이 상기 출사광의 최고파장(λpeak)의 +200nm 이내의 범위에 존재하도록 구현됨이 더욱 바람직하다. 이 범위에 존재하는 경우, 입사각도에 따른 광투과율이 70% 이상을 충족할 수 있게 된다. 본 발명의 실시형태에서 출사광이 수직으로 입사하는 경우를 가정하면, 광선택부의 파장별 투과율을 저파장에서 높다가 상술한 출사광의 최고파장(λpeak)의 200nm 이내의 파장(cut-off파장) 영역 내에서 점점 감소하여 장파장에서는 투과율은 낮아지고, 반사율은 높아지는 특성이 구현되게 된다. 즉, 발광유닛에서 여기되는 출사광은 투과율이 높은 저파장 영역이고, 변환되는 변환광(백색광)은 반사율의 높은 고파장 영역이므로, 투과율이 낮아지는 cut-off파장은 출사광 파장보다 장파장 영역 대에 형성되게 된다. 일예로 여기되는 출사광의 파장을 450nm라고 하면, 기준파장(cut-off파장)은 650nm 이내에 형성되게 된다. 이 경우, 기준 파장을 470~500nm로 상정하면, 형광체 변환광 파장은 520nm로 기준 파장대보다 장파장으로 형성되게 된다.
아울러, 출사광의 수직입사를 고려한 경우가 아닌, 입사되는 각도가 있는 경우, 입사각이 높아질수록 상술한 기준파장(cut-off파장)은 점점 단파장 범위로 형성되게 된다. 이를 테면, 출사광의 입사각도를 5~60도로 형성하는 경우에는 상술한 기준파장은 50nm 정도까지 범위가 좁혀질 수 있다. 따라서 본 발명의 수직방향의 입사각도를 고려한 실시예는 하나의 일예이며, 발광유닛(100)에서 여기되는 출사광이 최대 강도(maximum intensity)로 상기 광변환부(200)를 향하여 입사하는 경우에, 입사되는 각도(α)에 따라 투과율이 변화할 수는 있으나, 최대한 입사되는 광의 70% 이상을 투과시킬 수 있도록 함이 더욱 바람직하다. 상술한 출사광의 최고파장의 범위에서, 광변환부(200)에 의해 변화되는 변환광(B)는 상기 변환광의 주파장(λ dominant)의 범위가 525nm~590nm를 만족할 수 있다. 또한, 상기 변환광의 주파장 범위에서는, 사방으로 방출되는 주파장이 상기 광선택부(300)로 수직입사시, 상기 광선택부에서는 수직 입사되는 광의 60% 이상을 반사시킬 수 있도록 함이 더욱 바람직하다. 상술한 파장범위에서는 발광유닛과 광변환부가 이격된 상태에서 효율적으로 변환광을 조명장치에서 구현이 될 수 있도록 하는바, 고온, 고집적 저파장 광에 의한 광변환부 내의 형광체의 열화, 변질의 우려를 일소할 수 있으며, 일정한 방향으로 변환광을 재반사하여 광효율을 높일 수 있게 된다.
도 6 내지 도 8은 도 5에서 상술한 본 발명의 실시예에 따른 광변환모듈의 구조에서, 광선택부의 다른 구현 실시예를 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광선택부(300)는, 상기 광변환부(200)의 일면에 인접하여 형성되며, 특히 서로 다른 굴절률을 가지는 물질층이 2 이상 적층되는 구조로 형성될 수 있다. 즉, 적층되는 물질의 굴절률이 다층구조로 적층되도록 구현할 수 있다. 이 경우 적층구조는 박막구조의 적층만을 예시로 하였으나, 박막과 주기적인 격자 형태의 박막층, 또는 일정한 패턴구조를 가지는 박막층의 적층구조로 구현될 수도 있다. 이러한 적층구조는 상기 광변환부(200)에서 변환되는 변환광의 반사율을 더욱 높일 수 있도록 하는 한편, 광투과율의 조절을 용이하게 하여 효율적인 광강도를 구현할 수 있도록 할 수 있다. 도 6에서 도시된 구조는 광변환부(200)의 표면, 즉 발광유닛(100)에 대향 하는 면의 표면에 2층의 박막구조물을 적층 하는 예를 제시한 것으로, 이 경우 상기 광선택부(300)는 제1굴절률을 가지는 제1물질층(310)과 제2굴절률을 가지는 제2물질층(320)의 적층구조로 구현될 수 있다. 특히, 상기 제1물질층(310)과 제2물질층(320)의 굴절률은 상호 상이하며, 특히 굴절률의 차이가 0.1 이상 나도록 형성될 수 있다. 굴절률의 차이가 0.1 미만으로 형성되는 경우에는 적층구조로 반사율이 떨어지게 되며, 투과율의 제어가 어렵게 되며, 적층구조의 특수성을 구현하기 어렵기 때문이다.
특히 광선택부(300)의 적층구조에서는 광변환부의 표면과 밀착하는 부분에서부터 순차적으로 상대적으로 굴절률이 낮은 물질이 적층되고, 이후 굴절률이 높은 물질이 적층되는 구조가 교번하여 적층될 수 있도록 함이 더욱 바람직하다. 이를 테면, 제1물질층(310)의 굴절률이 1.4인 경우, 제2물질층(320)의 굴절률은 1.5 이상으로 구현될 수 있도록 함이 바람직하다.
또한, 도 7에 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예에서는 2층 구조의 굴절률이 상이한 물질이 다층으로 구현되는 구조로 다양하게 적층이 가능하지만, 바람직하게는 굴절률의 차이가 0.1 이상 나는 제1물질층(310)과 제2물질층(320)이 상호 교번하여 적층되는 구조로 구현되는 것이 반사율을 높일 수 있으며, 광 컨트롤 면에서 매우 유리하게 된다. 즉, 다층구조로 형성하는 광선택부(300)는 상기 광변환부(200)로 진입하는 출사광(A)의 중심파장(I_max)의 투과율을 70% 이상으로 상승할 수 있도록 할 수 있으며, 동시에 광변환부(300)의 내부에서 파장 변환된 변환광(B)의 반사율을 변환광 주파장의 60% 이상으로 높일 수 있게 된다. 이를 위한 구현 예로써, 본 발명의 일 실시예에서는 적층의 수를 상술한 제1물질층(310)과 제2물질층(320)의 교번 적층시 5층 이상으로 구현할 수 있으며, 장비의 박형화를 위해서는 5층 이상 30층 이하로 구현할 수 있다. 이를 위해, 상기 광선택부(300)는 [(L/2)H(L/2)]S의 형태로 박막을 생성하여 제작할 수 있다(L은 저굴절물질의 광학두께, H는 고굴절물질의 광학두께, S는 본문 수식에 대한 교번적층수를 의미). 일예로, 상기 광선택부를 구현하는 경우, L-S-H (Low index material/ Substrate/High index material) 중 S가 이미 1.5 정도, L은 1.45, H는 자유도의 폭이 큰바 2.3 이상으로 구현될 수 있다. 이 경우 L과 H의 차이는 크면 클수록 좋은데, H가 L+0.1 이하의 범위로 형성하는 것을 가정하는 경우라면, L=1.45, S=1.50로 구현할 수 있도록 한다. 물론, 이는 하나의 실시예이며 다양하게 설정 범위를 다르게 하여 구현될 수 있다. 또한, 상술한 광선택부는 TiO2, SiO2 등의 반사율과 투과율이 좋은 재질로 형성될 수 있다. 적층의 방법은 스퍼터링이나 증착, 디핑(dipping), 스프레이(spray) 코팅 등의 공정을 통해 구현할 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광변환모듈에 포함되는 광변환부와 광선택부의 구조를 도시한 것이다.
도 8의 구조는 도 5 내지 도 7에서의 실시예가 광변환부(200) 상에 직접 밀착하는 구조를 예시로 한 것이라면, 도 8의 구조는 독립적인 필름이나 플레이트 부재 등의 기판(400) 상에 광선택부(300)를 형성하고, 상기 기판(400)을 접착부재(410)를 매개로 상기 광변환부(200)에 접착하는 구조로 구현하는 것이다. 이 경우 상기 기판(400)은 광투과성 재질로 형성됨이 바람직하며, 일예로 유리기판이나 수지재질의 기판 등으로 형성될 수 있다. 나아가 상기 기판(400)은 광투과성을 가지는 재질이면 상술한 광선택부(200)의 박막구조물을 스퍼터링이나 증착, 디핑(dipping), 스프레이(spray) 코팅 등의 공정을 통해 구현할 수 있는 재질이면 어느 것이나 적용이 가능하다. 아울러, 상기 접착부재(410)는 상기 기판(400)을 투과한 출사광이나 변환광이 상기 광변환부(200)로 전달될 수 있도록 광투과성 재질을 적용함이 바람직하다. 예컨대, 상기 접착부재(410)는 투명 고분자 시트로서, PMMA, A-PET, PETG, PC 중 어느 하나로 형성될 수 있으며, 투광성능이 좋은 재질이라면 어떠한 것이든 사용할 수 있다. 상기 기판(400)을 채용하여 상기 광변환부(200)와 접착하는 구조로 구현하는 경우, 직접 광선택부(300)를 광변환부(200) 상에 적층 하는 것보다 기판 자체에 적층 구조를 별도로 구현하여 접착하는바, 공정이 용이해지며 광선택부와의 접착신뢰성이 좋은 기판을 적용하는 경우 전체적인 접합성이 좋아지게 된다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 조명장치의 광변환모듈을 다양하게 변형하는 경우, 형광체를 포함하는 광변환부의 표면이나 근접한 위치에 특정 파장을 선별할 수 있는 광선택부를 형성하여, 광변환부로 입사되는 광원의 광 투과율을 높이고 광원이 입사된 방향으로 되돌아 나가는 것은 억제할 수 있기 때문에 시스템 광 설계 난이도를 낮출 수 있다. 또한, 광변환부에서 변환된 변환광이 모든 방향(omnidirectional)으로 발산하는 것을 제어하여 특정 방향으로의 출력을 높일 수 있기 때문에, 변환광을 사용하는 차량용 등기구 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : 제1발광모듈 20 : 광변환모듈
30 : 제2발광모듈 40 : 광학계 50: 방열모듈
100: 발광유닛 200: 광변환부
300: 광선택부 310: 제1물질층
320: 제2물질층 400: 기판
410: 접착부재

Claims (13)

  1. 제1출사광을 방출하는 제1발광모듈;
    상기 제1발광모듈의 광경로상에 배치되며, 상기 제1출사광을 흡수하여 제1변환광으로 변환하는 광변환모듈;
    상기 제1발광모듈 및 상기 광변환부와 이격되며, 상기 광변환모듈로 제2출사광을 출사하는 제2발광모듈; 및
    상기 제1발광모듈 및 상기 제2발광모듈의 사이에 배치되며, 상기 제1변환광 및 상기 제2변환광을 반사 또는 굴절시키는 광학계;
    를 포함하는 조명장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1발광모듈 및 상기 제2발광모듈은,
    서로 다른 발광소자를 포함하는 조명장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1발광모듈 및 상기 제2발광모듈은,
    LED, OLED, LD(laser diode), Laser, VCSEL 중 선택되는 어느 하나인 조명장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1발광모듈은 LED 또는 OLED 인 조명장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 광변환모듈은,
    상기 제1발광모듈의 제1발광소자 상면에 배치되는 조명장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2발광모듈의 제2발광소자의 출사광은, 상기 광학계를 경유하여 상기 광변환모듈의 일부 또는 전부에 방출되는 조명장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 광변환모듈은,
    상기 제1출사광의 광경로상에 배치되며, 상기 제1출사광을 흡수하여 변환광으로 변환하는 인형광물질을 포함하는 광변환부; 및
    상기 제1출사광의 파장의 일부를 투과시키고, 상기 제1변환광의 파장의 일부를 반사시키는 광선택부;
    를 포함하는 조명장치.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 광변환모듈의 외각부에 밀봉부재를 더 포함하며,
    상기 밀봉부재의 녹는 점은 상기 광변환부 또는 상기 광선택부의 녹는점 보다 높은 조명장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 밀봉부재는,
    SiO2, Al2O3, Al5O12 중 선택되는 어느 하나의 소재를 포함하는 조명장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1발광모듈의 하면에 배치되는 제1방열모듈;
    을 더 포함하는 조명장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 광변환모듈의 최외각 상부면에 광투과성 방열부재;를 더 포함하는 조명장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 광투과성 방열부재의 상면에 반사방지막;을 더 포함하는 조명장치.
  13. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항의 조명장치를 포함하며,
    상기 조명장치를 내부에 수용하며, 변환광을 확산하는 렌즈모듈을 더 포함하는 차량용 램프.
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