KR20170060098A

KR20170060098A - 후면-방출 led 및 반사 기판을 사용하는 휘도 패턴 형상화

Info

Publication number: KR20170060098A
Application number: KR1020177010937A
Authority: KR
Inventors: 프레드릭 스테판 다이아나; 에르노 판찰리; 티에리 드 스메트; 그레고리 구스; 마르티노프 유리
Original assignee: 코닌클리케 필립스 엔.브이.
Priority date: 2014-09-23
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2017-05-31
Also published as: US20170279016A1; KR102475229B1; JP6688303B2; CN107251243A; WO2016048971A1; US10193035B2; EP3198659A1; JP2017529707A; EP3198659B1; CN107251243B

Abstract

발광 구조체는 반사 기판 상에 장착된 패키지된 후면-방출 발광 디바이스를 포함한다. 반사 표면의 특성들은 원하는 휘도 패턴을 제공하도록 제어될 수 있다. 이 방식으로, 원하는 휘도 패턴을 제공하는 발광 구조체의 생성은 패키지된 발광 디바이스의 제공자와 독립적일 수 있다.

Description

후면-방출 LED 및 반사 기판을 사용하는 휘도 패턴 형상화{LUMINANCE PATTERN SHAPING USING A BACK-EMITTING LED AND A REFLECTIVE SUBSTRATE}

본 발명은 발광 디바이스들의 분야, 및 특히 후면-방출 발광 디바이스 및 반사 기판을 사용하여 원하는 광 방출 패턴을 획득하는 것을 가능하게 하는 발광 구조체에 관한 것이다.

기술의 진보들로, 반도체 발광 디바이스들이 가정용 조명, 지역 조명, 차량용 조명 등을 포함하는 다양한 응용들에서 사용된다. 이들 응용 내에서, 특정한 휘도 패턴들이 제공된 조명의 효율 및 효과를 최적화하도록 요구될 수 있다.

종래의 발광 디바이스의 조명(illumination)(루미너스 세기, 휘도 패턴)은 일반적으로 방출 표면의 법선에 대해 일반적으로 램버시안이다. 램버시안이 아닌 원하는 조명을 제공하는 발광 구조체의 생성에 있어서, 광학 요소는 램버시안 휘도 패턴을 원하는 휘도 패턴으로 변환하기 위해 사용된다.

예를 들어, "플래시라이트" 응용은 램버시안 휘도를 좁은 빔 폭을 갖는 휘도 패턴으로 시준함으로써, 광을 렌즈에 직교하는 방향으로 집중시키는 프레넬 렌즈를 이용할 수 있다.

헤드라이트와 같은 자동차 응용들에서, 가늘고 긴 휘도 패턴은 휘도 패턴이 한 차원(도로를 교차)에서 다소 넓은 빔 폭 및 다른 차원(도로 위)에서 좁은 빔 폭을 갖도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 도 1a는 2008년 3월 4일자로 Amano 등에게 허여되고, 본원에 참조로 포함된, "LIGHT-EMITTING DIODE AND VEHICULAR LAMP"라고 하는 미국 특허 7,339,200에 개시된 것 같은 "땅콩형" 광학 렌즈(14)의 단면 프로필을 도시한다. 세로 방향에서, 렌즈는 오목 렌즈 섹션 C1의 양 측면 상에 2개의 볼록 렌즈 섹션 C2를 포함한다. 렌즈 섹션들의 이 조합은 LED(110)에 의해 방출된 광을 분산시키는 역할을 하고, 발광 표면의 법선으로부터 떨어져 주어진 각도에서 2개의 피크를 갖는 도 1b의 휘도 패턴(150)을 제공한다. LED(110)의 위치에 대한 광학 렌즈(14)의 다양한 차원들은 발광 표면에 법선인, '밸리' 내의 휘도의 크기뿐만 아니라, 이들 피크의 위치(법선에서 벗어난 각도) 및 크기를 결정한다.

원하는 휘도 패턴을 생성하는 광학 렌즈를 몰딩하거나 혹은 형성하는 비용들이 적을 수 있지만, 반도체 발광 디바이스들의 분야에서의 증가하는 경쟁력들은 어디에서 실행하든지 간에 보통 비용 감소들을 요구한다.

부가적으로, 비용 효과 및 다른 고려들을 위해, 원하는 광학 렌즈의 형성은 일반적으로 발광 구조체의 제조의 "패키징" 단계 동안 수행됨으로써, 발광 구조체의 제조업자가 원하는 휘도 패턴을 제공하는 렌즈를 생성하는 것과 관련되는 것을 요구한다.

광학 렌즈를 사용하지 않고 원하는 휘도 패턴의 생성을 가능하게 하는 발광 구조체를 제공하는 것이 유리할 것이다. '포스트 패키징' 공정으로서 원하는 휘도 패턴의 생성을 가능하게 함으로써, 패키지된 발광 디바이스의 구매자들에 의해 휘도 패턴의 맞춤화를 가능하게 하는 것이 또한 유리할 것이다.

이들 문제 중 하나 이상을 보다 잘 다루기 위해, 본 발명의 실시예에서, 발광 구조체는 반사 기판 상에 장착된 패키지된 발광 디바이스를 포함하고, 여기서 반사 표면의 특성들은 원하는 휘도 패턴을 제공하도록 제어될 수 있다. 이 방식으로, 원하는 휘도 패턴을 제공하는 발광 구조체의 생성은 패키지된 발광 디바이스의 제공자와 독립적일 수 있다.

패키지된 발광 디바이스는 반사 기판의 특성들이 원하는 방식으로 이 휘도에 영향을 주기 위해 사용될 수 있도록 법선으로부터 90도를 넘어선 각도들로(즉, 기판을 향해) 상향 및 후향 휘도 세기 성분들 둘 다를 포함하는, 상당한 측면 방출을 포함하는 휘도 패턴을 제공하는 발광 디바이스일 수 있다.

예시적인 후면-방출 발광 디바이스는 발광 표면을 갖는 발광 요소, 발광 표면에 대향하는 반사 표면을 갖는 반사기, 및 반사 표면을 발광 표면과 분리시키는 스페이서 요소를 포함한다. 스페이서 요소는 디바이스로부터 방출된 광의 약 반 이상이 반사기를 향해 발광 표면의 법선으로부터 90도보다 큰 각도로 방출되도록 반사 표면과 발광 표면 사이의 분리 거리를 제공한다. 실시예에서, 분리 거리는 500 내지 1000㎛이다.

반사 기판은 면적이 발광 디바이스보다 적어도 10배 클 수 있고, 실질적으로 확산 반사성, 거울 반사성, 또는 이 둘의 조합일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 발광 디바이스는 확산 반사 기판 상에 놓인 거울 반사 블록(specular reflective block)에 의해 둘러싸일 수 있다. 반사 기판은 또한 발광 요소에 결합된 도체들을 포함할 수 있다.

본 발명은 더 상세히, 그리고 예로서, 첨부 도면을 참조하여 설명된다:
도 1a-1b는 방출된 광을 형상화하기 위해 광학 요소들을 사용하여 원하는 휘도 패턴을 제공하는 예시적인 종래 기술의 발광 구조체를 도시한다.
도 2a-2c는 예시적인 종래 기술의 PSS-CSP(패턴된 사파이어 기판 칩 스케일 패키지) 및 그것의 휘도 패턴을 도시한다.
도 3a-3c는 법선으로부터 90도를 넘어선 각도들에서 상당한 휘도 세기를 포함하는 휘도 패턴을 갖는 예시적인 발광 디바이스를 도시한다.
도 4a-4b는 거울 반사 기판을 포함하는 예시적인 발광 구조체 및 그것의 휘도 패턴을 도시한다.
도 5a-5b는 확산 반사 기판을 포함하는 예시적인 발광 구조체 및 그것의 휘도 패턴을 도시한다.
도 6a-6b는 확산 반사 영역 및 거울 반사 영역을 갖는 반사 기판을 갖는 예시적인 발광 구조체 및 그것의 휘도 패턴을 도시한다.
도 7a-7b는 확산 반사 영역 및 거울 반사 영역을 갖는 반사 기판을 갖는 또 하나의 예시적인 발광 구조체 및 그것의 휘도 패턴을 도시한다.
도 8a-8c는 확산 반사 기판 상에 장착된 반사 인터포저 상에 장착된 발광 디바이스를 갖는 예시적인 발광 구조체 및 그것의 휘도 패턴을 도시한다.
도 9는 상기 발광 구조체들의 휘도 패턴들의 극 도표를 도시한다.
도 10은 법선으로부터 90도를 넘어선 각도들에서 상당한 휘도 세기를 포함하는 휘도 패턴을 갖는 또 하나의 예시적인 발광 디바이스를 도시한다.
도 11-13은 기판 상의 다른 예시적인 반사 패턴들을 도시한다.
도면들 전체에 걸쳐, 동일한 참조 번호들은 유사하거나 대응하는 특징들 또는 기능들을 표시한다. 도면들은 예시의 목적들을 위해 포함된 것이고 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다.

다음의 설명에서, 제한하기보다는 설명의 목적들을 위해, 특정한 상세들이 본 발명의 개념들의 철저한 이해를 제공하기 위해, 특정한 아키텍처, 인터페이스들, 기술들 등과 같이 기술된다. 그러나, 본 기술분야의 통상의 기술자들에게는 본 발명이 이들 특정한 상세에서 벗어나는, 다른 실시예들에서 실시될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 마찬가지 방식으로, 본 설명의 텍스트는 도면에 도시된 것과 같은 예시적인 실시예들에 관한 것이고, 청구범위 내에 명확히 포함된 제한들을 넘어 청구된 발명을 제한하려는 것은 아니다. 간단함 및 명료함의 목적들을 위해, 널리 공지된 디바이스들, 회로들, 및 방법들의 상세한 설명들은 본 발명의 설명을 불필요한 상세로 불명하게 하지 않도록 생략된다.

도 2a-2c는 예시적인 종래 기술의 PSS-CSP(패턴된 사파이어 기판 칩 스케일 패키지) 발광 디바이스(200) 및 그것의 휘도 패턴을 도시한다. 도 2a-2b의 디바이스(200)는 발광 표면(215), 및 이 발광 표면(215) 상의 선택적 파장 변환 층(220)을 갖는 칩 스케일 발광 요소(210)를 포함한다. 일부 광은 발광 요소(210)의 측면들(218)로부터 방출될 수 있고, 파장 변환 층(220)은 또한 이들 측면(218)을 감쌀 수 있다. 발광 요소(210) 상의 접점들(212A 및 212B)은 발광 요소(210)에 외부 접속들을 제공한다.

투명한 보호 층(230)이 발광 요소(210) 및 선택적 파장 변환 층(220)을 감싸도록 제공될 수 있다. 광은 보호 층(230)의 측면 표면들(238)로부터뿐만 아니라, 상부 표면(235)으로부터 방출될 수 있다. 본 예시적인 실시예에서, 보호 층(230)은 250㎛ 두께 사파이어 구조이지만, 실리콘과 같은 다른 투명한 재료가 사용될 수 있다.

법선(260)은 측면(235)의 평면에 대한 법선으로서 정해진다. 각도 P(265)가 법선(260)으로부터 측정된다. 법선(270)은 측면(238)의 평면에 대한 법선으로서 정해진다. 전형적으로 법선(260)과 법선(270) 사이의 각도는 90도이다. 각도 A(275)는 법선(270)으로부터 디바이스 상의 2개의 폐쇄된 모서리들 중 하나까지 측정된 각이고, 즉 직사각형 디바이스에 대해 45도이다.

2개의 예시적인 휘도 패턴들(250, 250')이 수평 축 상에 도시된 법선으로부터 +/-180도인 것으로, 도 2c에 도시된다. 휘도 패턴(250)은 0도의 고정된 방위각(270)에 대한 표면(235)의 법선(260)으로부터 측정된 극의 각, 또는 고각 P(265)(도 2a)의 함수로서의 각을 이루는 광 출력 분배의 단면이다. 즉, 그래프는 각도 P(265)가 측면(238)에 평행한 평면에서 +180으로부터 -180까지 스위프될 때의 휘도를 나타낸다. 고정된 방위각(270)은 표면(238)에 대한 법선인(또는 등가적으로, 대칭에 의해 임의의 다른 측면 표면에 대한 법선인) 각도로서 정의된다. 휘도 패턴(250')은 표면(238)에 대한 (등가적으로, 대칭에 의해 디바이스의 각각의 모서리를 향해 보여질 때) 45도의 고정된 방위각 A(275)에 대한 각을 이루는 광 출력 분배의 단면이다.

알 수 있는 바와 같이, 광의 대부분은 각각의 표면들에 대해 약 +/-60° 법선 내에서 방출된다. 위에 주목된 바와 같이, 이 방출 패턴은 많은 응용들에 적합할 수 있지만, 도 1b의 멀티-로브 방사 패턴과 같은, 실질적으로 상이한 방출 패턴들을 요구하는 응용들이 있고, 여기서 로브들의 크기 및 위치(방출 각도) 및 로브들 사이의 밸리의 크기는 상이한 응용들에 대해 변화할 수 있다.

측면-방출 발광 디바이스들은 본 기술 분야에 통상적이고, 여기서 휘도 로브들은 바람직하게는 발광 요소의 발광 표면의 법선으로부터 90°에 위치한다. 각각이 본원에 참조로 포함되고, 2009년 12월 1일자로 Shchekin 등에게 허여된 "LOW PROFILE SIDE EMITTING LED"라고 하는 미국 특허 7,626,210, 및 2014년 6월 17일자로 Bierhuizen 등에게 허여된 "THIN EDGE BACKLIGHT WITH LEDS OPTICALLY COUPLED TO THE BACK SURFACE"라고 하는 미국 특허 8,755,005는 발광 요소와 확산 반사기 사이에 샌드위치된 도파관을 포함하는 측면-방출 LED들을 개시한다. 광은 그것이 궁극적으로 도파관의 측 에지들로부터 빠져나갈 때까지 광 가이드 내에서 반사된다.

본 발명의 양태에 따라, 유사한 구조가 후면-방출 발광 디바이스를 생성하기 위해 사용된다. 여기서 사용된 용어 후면-방출 발광 디바이스는 방출된 광의 적어도 절반이 방출된 광의 방향으로 발광 소스의 발광 표면의 법선으로부터 90보다 큰 각도로 방출되는 디바이스이다.

도 3a-3b는 법선으로부터 90도를 넘어선 각도들에서 상당한 휘도 세기를 포함하는 휘도 패턴을 갖는 예시적인 후면-방출 발광 디바이스(300)를 도시한다.

발광 디바이스(300)는 본 실시예에서 도 2b의 PSS-CSP 발광 요소(210)와 유사한 발광 요소(310)를 포함한다. 그러나, 본 기술분야의 통상의 기술자는 발광 요소(310)의 특정한 구조가 본 발명에 필수적인 것은 아니고, 임의의 적합한 발광 구조체가 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

발광 요소(310)는 (청색, 녹색, 황색, UV, 적색, 진한 적색 등을 포함하는) '직접 색' 발광 요소일 수 있고/또는, 선택적 파장 변환 층(320)이 상이한 색의 광을 방출하기 위해 포함될 수 있다. 확산 반사기(340)가 비교적 두꺼운 투명한 스페이서 요소(330)에 의해 발광 요소(310)와 분리되어, 발광 요소(310) 위에 직접적으로 놓인다. 한 예에서, 발광 요소의 두께(301)는 약 250㎛이고, 파장 변환 층(320)은 약 75㎛ 두께이고 투명한 공간은 약 500-1000㎛이다. 전형적으로 발광 요소 두께(301)와 투명한 공간 두께(302) 사이의 비율은 2:1 내지 4:1이다.

발광 요소(310)가 그 위에 성장한 기판, 또는 발광 요소(310)가 그 위에 본드된 기판은 스페이서 요소(310)를 형성할 수 있고, 예를 들어, 사파이어 기판일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 기판/스페이서(330)는 발광 요소(310)가 그 안에 성장하거나, 또는 발광 요소(310)가 그 안에 본드되는 리세스들을 포함할 수 있다. 기판/스페이서(330)가 리세스를 포함하지 않으면, 실리콘 층과 같은 보호 재료가 발광 요소(310)의 주변 주위에 놓일 수 있다. 이 보호 재료는 광을 기판/스페이서(330)를 향해 지향시키기 위해, 반사성일 수 있다.

발광 디바이스(300)의 구조는 도 3c에 도시된 것과 같은 휘도 패턴들(350, 350')을 제공한다. 패턴(350)은 디바이스(300)의 벽 표면의 법선(270)에 따라 보여진 것과 같은 휘도 패턴이고, 패턴(350')은 디바이스(300)의 모서리를 향해, 각도 A(275)에서 보여진 것과 같은 휘도 패턴이다.

제시 및 이해의 용이성을 위해, 휘도 패턴들에 관한 후속하는 상세들은 벽의 표면의 법선(270)으로부터 보여진 것과 같은 휘도 패턴을 다룰 것이지만, 둘 다의 휘도 패턴들이 도시될 것이다. 즉, "프라임이 없는" 번호들(350, 450, 550, 650, 750, 850)로 식별된 패턴들은 법선(270)으로부터 보여진 것과 같은 휘도 패턴들인 반면, "프라임이 있는" 번호들(350', 450', 550', 650', 750', 850')로 식별된 패턴들은 디바이스(300)의 모서리를 향해, 각도 A(275)로부터 보여진 것과 같은 휘도 패턴들이다.

특히, 발광 디바이스(300)는 발광 요소의 발광 표면(315)의 법선으로부터 90°보다 큰 각도들에서 상당한 휘도를 제공한다. 이것은 확산 반사기(340)가 광을 다양한 각도들로 반사하고, 이들 각도의 사실상 모두가 (발광 표면(315)의 평면을 향하는) "아래" 방향에 있고, 스페이서 요소(330)가 반사된 광의 상당한 양이 디바이스(300) 내의 더 이상의 반사들 없이 스페이서 요소(330)에서 직접 나가게 하기에 충분히 높다는 사실에 기인한다. 스페이서 층(330)의 외부 벽들은 이들 벽을 통하는 광 추출을 향상시키기 위해 거칠어질 수 있다.

각도들 +/-90°에서의 휘도는 주로 스페이서 층의 외부 벽들로부터 직접 빠져 나가는 발광 요소(301)로부터의 광, 또는 스페이서 요소(330) 내에서 반사되고 "위" 방향으로 외부 벽들을 향해 재지향된 확산 반사기(340)로부터의 광이다.

확산 반사기(340)는 적어도 95% 반사율 및 5% 투과율을 제공하는 TiOx의 층일 수 있다. 100㎛의 TiOx 두께는 적어도 99%의 반사율, 1% 미만의 투과율을 제공할 수 있다. 추가적인 휘도가 발광 표면(315)의 법선에서 요구된다면, 더 얇은 층, 또는 상이한 재료가 사용될 수 있다.

디바이스(300)의 후면-방출 휘도 패턴(350)은 발광 디바이스(300)가 각각의 특정한 응용을 위해 원하는 휘도 패턴 내로 방출들을 형상화하도록 장착된 기판(도시되지 않음)의 반사 특성들을 사용할 기회를 제공한다.

도 4a-4b는 거울 반사 기판(410)을 포함하는 예시적인 발광 구조체(400)를 도시한다. 조명 패턴들(450, 450')은 발광 구조체(400)의 출력이다. 예시적인 기판(410)은 발광 디바이스(300)보다 적어도 5배 크고, 바람직하게는 발광 디바이스(300)보다 10배 크다. 여기의 예들에서, 발광 디바이스(300)는 약 1㎜×1㎜이고, 기판(410)은 약 25㎜×25㎜이다. 예시적인 구조체(400)에서, 발광 디바이스(300) 아래의 1.5㎜×1.5㎜ 영역(도시되지 않음)을 제외한, 기판(410)의 전체 표면 영역은 예를 들어, 거의 '미러-마감(mirror-finish)'으로 연마된 은의 얇은 층을 사용하여, 거울 반사성이다. 금속 막들, 포일들, 알루미늄- 또는 은-알루미늄-기반, 또는 유기-DBR-기반 미러 시트들(예를 들어 3M ESR)과 같은 다른 재료가 또한 사용될 수 있다. 1㎜×1㎜ 디바이스(300) 아래의 1.5㎜×1.5㎜ 영역이 디바이스(300)를 기판(410)의 표면 상의 거울 반사 재료와 전기적으로 절연시키기 위해 제공될 수 있다. 이 절연/노출된 영역은 거울 반사 영역을 증가시키도록 최소화될 수 있다. 백색 솔더 마스크(WSM) 재료와 같은 비도전 반사 재료가 디바이스(300)의 주변 주위의 노출된 영역을 덮기 위해 사용될 수 있다.

구조체(400)는 후면-방출 디바이스(300) 주위에 1.5㎜×1.5㎜ 확산 반사 WSM 영역이 있는 25㎜×25㎜ 거울-마감 반사 기판을 포함한다. 본 예, 및 다음의 예들 각각에서, 디바이스(300)의 반사 표면(340)(도 3b)은 95% 반사율 및 5% 투과율을 제공한다. 위에 주목된 바와 같이, 후면-방출 디바이스(300)는 발광 요소의 발광 표면(315)의 법선으로부터 90°보다 큰 각도들에서 상당한 휘도를 제공한다(도 3c). 따라서, 반사 기판(410)은 상당한 휘도를 수신하여 기판(410)의 평면으로부터 멀리, '위' 방향으로 반사한다. 구조체(400)는 도 4b의 예시적인 휘도 패턴들(450, 450')을 제공한다. 알 수 있는 바와 같이, 구조체(400)는 약 30° 내지 90°(460-470)의 FWHM(반치 전폭)으로, 강한 측면 방출들을 나타낸다. 발광 표면에 법선인, 0°에서의 휘도(490)는 약 70°에서의 최대 휘도(480)의 약 15%이다.

이 멀티-로브 휘도 패턴(450)이 도 1b의 멀티-로브 휘도 패턴(150)을 제공하는 도 1a의 렌즈(14)와 같은, 별도의 광학 렌즈 없이 달성되었다는 점에 주목하는 것은 중요하다.

위에 주목된 바와 같이, 상이한 응용들이 상이한 휘도 패턴들을 요구할 수 있다. 기판의 반사 특성들을 제어함으로써, 휘도 패턴의 형상이 변화될 수 있다.

도 5a-5b는 WSM과 같은 확산 반사 재료로 코팅된 25㎜×25㎜ 기판(510) 상에 장착된 발광 디바이스(300)을 포함하는 예시적인 발광 구조체(500) 및 그것의 휘도 패턴들(550, 550')을 도시한다.

25㎜×25㎜ WSM 확산 반사 기판 및 후면-방출 디바이스(300)를 포함하는 구조체(500)는 도 5b의 예시적인 휘도 패턴들(550, 550')을 제공한다. (도 4b에서와 같이, 휘도 패턴(550)은 +/- 90°를 넘어서 최소 방출들을 갖는다. 이 휘도 패턴(550) 및 후속하는 휘도 패턴들은 단지 +/-90°내의 방출들을 도시한다.) 알 수 있는 바와 같이, 구조체(500)는 또한 측면 방출들을 나타내지만, 휘도 패턴들(550, 550')의 형상은 실질적으로 '둥글고' 도 4a의 구조체(400)에 의해 발생된 휘도 패턴들(450, 450')보다 실질적으로 피크가 작다.

구조체(500)에 의해 발생된 휘도 패턴(550)은 -90°내지 90°(560-570)의 FWHM을 나타낸다. 발광 표면에 법선인, 0°에서의 휘도(590)는 약 50°에서의 최대 휘도(580)의 약 80%이다.

알 수 있는 바와 같이, 실질적으로 상이한 휘도 패턴들(550, 550')은 디바이스(300)가 거울 반사 기판(410) 상에 놓일 때 발생된 패턴들(450, 450')에 비해 디바이스(300)가 확산 반사 기판(510) 상에 놓일 때 후면-방출 디바이스(300)에 의해 발생된다.

이들 상이한 휘도 패턴들(450, 550)(450', 550')이 동일한 발광 디바이스(300)를 둘러싸는 기판(410, 510)의 반사 특성들을 제어함으로써 발생되었다는 점에 주목하는 것은 중요하다. 따라서, 반사 기판 및 디바이스(300)를 포함하는 발광 구조체의 각각의 제공자는 디바이스(300)의 제공자와 상호작용할 필요 없이, 그리고 도 1a에 도시된 것과 같은, 특수 목적 광학 렌즈를 만들 필요 없이 원하는 휘도 패턴을 제공할 수 있다.

거울 반사 구조체(400)와 확산 반사 구조체(500) 사이의 원하는 휘도 패턴을 획득하기 위해, 거울과 확산 반사의 혼합이 사용될 수 있다.

도 6a-6b는 확산 반사 영역(620) 및 거울 반사 영역(630)을 갖는 반사 기판(610) 상에 장착된 후면-방출 발광 디바이스(300)를 갖는 예시적인 발광 구조체 (600), 및 그것의 휘도 패턴들(650, 650')을 도시한다. 예시적인 구조체(600)에서와 같이, 1.5㎜×1.5㎜ 영역(도시되지 않음)은 디바이스(300)를 거울 반사 영역(630)과 분리시키기 위해 1㎜×1㎜ 디바이스(300)를 둘러싸고, WSM과 같은 확산 반사 재료를 포함할 수 있다. 확산 반사 영역(620)은 기판(610)의 주변으로 연장하고, 거울 반사 영역(630)은 10㎜ 직경 원형 거울 영역이다.

도 6b는 구조체(600)에 의해 제공된 예시적인 휘도 패턴들(650, 650')을 도시한다. 휘도 패턴들(450 및 550)과 대조적으로, 구조체(600)에 의해 발생된 휘도 패턴(650)은 약 30° 내지 90°(660-670)의 FWHM을 나타낸다. 발광 표면에 법선인, 0°에서의 휘도(690)는 약 60°에서의 최대 휘도(680)의 약 25%이다.

도 7a는 확산 반사 영역(720), 거울 반사 영역(730), 및 1.5㎜×1.5㎜ 확산 반사 영역(도시되지 않음)에 의해 둘러싸인 후면-방출 디바이스(300)를 갖는 반사 기판(710)을 가지는 예시적인 발광 구조체(700)를 도시한다. 확산 반사 영역(720)은 기판(710)의 주변으로 연장하고, 거울 반사 영역(730)은 5㎜ 직경 원형 거울 영역이다.

도 7b는 구조체(700)에 의해 제공된 예시적인 휘도 패턴들(750, 750')을 도시한다. 휘도 패턴들(450, 550, 650)과 대조적으로, 구조체(700)에 의해 발생된 휘도 패턴(750)은 약 20° 내지 90°(760-770)의 FWHM을 나타낸다. 발광 표면에 법선인, 0°에서의 휘도(790)는 약 60°에서의 최대 휘도(780)의 약 35%이다.

원하는 휘도 패턴을 생성하기 위한 기판 상의 반사 영역들의 다른 조합들 및 배열들이 본 개시내용에 비추어서 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다.

도 8a-8c는 반사 인터포저(830) 상에 장착된 발광 디바이스(300)를 갖는 예시적인 발광 구조체(800), 및 그것의 휘도 패턴들(850, 850')을 도시한다. 도 8a는 이 배열의 상면도를 도시하고 도 8b는 측면도를 도시한다.

반사 인터포저(830)는 기판(810) 상에 장착된다. 기판(810)의 장착 표면은 장착 표면의 일부 또는 모두 위에 확산 반사 코팅(820)을 포함한다. 본 예에서, 반사 인터포저(830)는 약 3.5㎜×3.5㎜의 거울 반사 표면을 갖고, 약 600㎜ 두께의 은 코팅된 세라믹 블록일 수 있다.

도 8c는 도 8a에 의해 제공된 예시적인 휘도 패턴(850)을 도시한다. 휘도 패턴들(450, 550, 650, 750)과 대조적으로, 구조체(800)에 의해 발생된 휘도 패턴(850)은 약 5° 내지 90°(860-870)의 FWHM을 나타낸다. 발광 표면에 법선인, 0°에서의 휘도(890)는 약 55°에서의 최대 휘도(880)의 약 40%이다.

위에 상세히 설명된 바와 같이, 후면-방출 발광 디바이스(300)가 놓이는 반사 표면의 선택은 보조 광학계의 사용 없이, 상이한 특성들을 갖는 휘도 패턴들을 제공한다.

도 9는 휘도 패턴들(550, 650, 750, 및 850)의 극 도표를 도시한다. 도 9는 또한 램버시안 패턴을 갖는 종래의 발광 디바이스의 휘도 패턴(960)의 극 도표, 및 도 8a-8b의 인터포저(830)와 같은, 반사 인터포저 상에 놓인 종래의 발광 디바이스의 휘도 패턴(950)의 극 도표를 포함한다.

알 수 있는 바와 같이, 반사 인터포저 상에 종래의 발광 디바이스를 배치하는 것은 램버시안 패턴(960)에 비해, 법선 방향으로 감소된 방출들, 측면으로부터 증가된 방출들을 갖는 휘도 패턴(950)을 제공한다. 그러나, 패턴(950)은 패턴들(650, 750, 및 850)의 실질적인 측 로브들을 나타내지 않는다.

확산 반사기 상에 후면-방출 디바이스(300)를 놓는 것은 반사 인터포저 상에 놓인 종래의 발광 디바이스의 휘도 패턴(950)보다 많은 측면 방출들을 갖는 휘도 패턴(550)을 제공하지만, 광의 상당한 양이 또한 법선 방향으로 방출된다.

구조들(600, 700, 및 800)의 거울 반사기들은 법선 방향으로 감소된 방출들을 갖는 뚜렷한 측 로브들을 제공한다. 휘도 패턴들(750 및 650)로부터 알 수 있는 바와 같이 거울 반사 재료의 영역(각각 5㎜ 원, 10㎜ 원)을 증가시키면 측 로브 세기들이 증가되고, 법선 방향에서의 방출들이 감소된다. 이것은 후면-방출 디바이스(300)로부터 방출된 광이 후면-방출 디바이스(300) '아래로' 그리고 그것'으로부터 멀리' 방출한다는 사실에 기인한다. 후면-방출 디바이스로부터 증가하는 거리들에 있는 거울 반사기에 충돌하는 광은 점점 더 감소하여 얕은 각도들로(법선으로부터 점점 더 멀리) 반사기에 충돌하고 결과적으로 이들 점점 더 감소하여 얕은 각도들로 반사된다. 반대로, 광이 얕은 각도로 확산 반사기에 충돌하면, 광의 일부만이 얕은 각도로 반사될 것이다.

거울 반사의 영역을 제어함으로써 휘도 패턴을 제어하는 것 외에, 확산 및 거울 반사 표면들의 기하구조는 확산 반사기 위의 상승된 거울 반사기의 휘도 패턴(850)에 의해 도시된 바와 같이, 휘도 패턴의 전체적인 형상을 또한 변화시킨다.

본 기술분야의 통상의 기술자는 또한 상이한 구조들이 상이한 방출 특성들, 및 그것이 장착된 반사 기판에 대한 대응하여 상이한 반사 특성들로, 후면-방출 발광 디바이스를 생성하기 위해 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

도 10은 후면-방출 발광 디바이스(1000)의 또 하나의 예를 도시한다. 발광 디바이스(1000)는 도 2a의 발광 요소(210)와 유사할 수 있는 발광 요소(1010)를 포함한다. 선택적 파장 변환 층(1020)은 발광 요소(1010)를 덮을 수 있다. '오버사이즈' 반사기(1040)는 투명한 층(1030)에 의해 발광 요소(1010)와 분리되어, 발광 요소(1010) 위에 놓인다.

반사기(1040)는 발광 요소(1010)의 폭의 약 3배인 것으로 도시되지만, 발광 디바이스(1000)로부터의 원하는 휘도 패턴에 따라 다른 크기들이 사용될 수 있다.

투명한 층(1030)은 반사기(1040)의 오버행 영역(1045)을 생성하도록, 반사기(1040)보다 좁은 것으로 도시된다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 투명한 층(1030)은 또한 발광 디바이스(1000)로부터의 원하는 휘도 패턴에 따라, 투명한 층(1040)과 동일한 크기일 수 있다는 것을 인식할 것이다.

반사기(1040)는 확산 반사성 또는 거울 반사성일 수 있고, 일부 실시예에서, 확산과 거울 반사 영역들의 조합이 사용될 수 있다. 예를 들어, 발광 요소(1010) 바로 위의 영역은 이 확산 반사 영역을 형성하기 위해 사용된 재료의 두께 또는 조성을 제어함으로써 제어될 수 있는 투과율을 갖는 확산 반사성일 수 있다. 발광 요소(1010)의 범위를 넘는 영역(1045)은 발광 디바이스(1000)로부터의 상이한 휘도 패턴을 각각 제공하는, 거울 또는 확산 반사성일 수 있다.

상기 실시예들 각각에서, 발광 요소 아래의 기판 상의 대칭 반사 패턴이 도시되고, 일반적으로 대칭 휘도 패턴을 발생한다. 그러나, 위에 주목된 바와 같이, 일부 응용들은 축들에 대해 비대칭 휘도 패턴을 요구한다. 도 11-12는 가늘고 긴 휘도 패턴을 발생하는 기판 상의 예시적인 반사 패턴들을 도시한다.

도 11에서, 타원형 거울 반사 영역(1130)이 기판(1110) 상의 확산 반사 영역(1120)의 중심에 놓인다. 장축의 평면 내의 휘도 패턴은 도 6b의 것과 유사하게 나타날 수 있고(넓은 거울 영역), 단축의 평면 내의 휘도 패턴은 도 7b의 것과 유사하게 나타날 수 있다(좁은 거울 영역).

도 12에서, 거울 반사 스트립(1230)은 기판(1210) 상의 확산 반사 영역(1220)을 분할한다. 장 치수(longer dimension)에서, 휘도 패턴은 도 4b와 유사하게 나타날 수 있고, 단 치수(shorter dimension)에서, 휘도 패턴은 도 8c와 유사하게 나타날 수 있다.

도 13에서, 기판(1310)은 확산 반사 영역(1320) 및 기판(1310)의 중심으로부터 폭이 더 멀리 증가하는 거울 반사 스트립(1330)을 포함하고, 발광 디바이스(300)로부터의 거리가 증가함에 따라 장 치수에서의 감소된 휘도를 보상할 수 있다.

원하는 휘도 패턴을 달성하기 위한 이들 및 다른 패턴들이 또한 가능하고, 본 개시내용에 비추어서 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 명백할 것이다.

본 발명이 발광 요소에 대향하는 단일의 반사 표면을 갖는 디바이스를 사용하여 개시되고 도시되었지만, 본 기술분야의 통상의 기술자는 추가의 반사 표면들이 광 방출 패턴을 더 형상화하기 위해 제공될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

즉, 제공된 예들에서, 광 방출 패턴은 수직축에 대해 대칭이고 각각의 차원에서 유사하다. 한편, 디바이스의 2개의 대향하는 측면이 반사성이라면, 한 차원에서의 광 방출 패턴은 도 4b, 5b, 6b, 7b, 및 8c에 도시된 것과 같이 될 것이지만, 다른 차원에서는 가려진다. 2개의 반사 측면이 인접한다면, 양 차원에서의 광 방출 패턴은 법선에 대해 비대칭일 것이다. 디바이스의 3개의 측면이 반사성이라면, 광 방출 패턴은 한 사분면으로 제한될 것이고 다른 3개의 사분면에서는 차단될 것이다.

본 발명이 도면 및 상기 설명에서 상세히 도시되고 설명되었지만, 이러한 도시 및 설명은 예시적 또는 모범적인 것으로 고려되고 제한되지 않고; 본 발명은 개시된 실시예들로 제한되지 않는다.

예를 들어, 발광 디바이스(300) 내의 반사 층(340)이 확산 반사성 대신에 거울 반사성인 실시예에서 본 발명을 동작시키는 것이 가능하다. 이러한 실시예에서, 이색성 필터가 발광 요소(310)와 투명한 층(330) 사이에 놓일 수 있어서, 발광 요소(310)로부터의 광이 필터를 통해 투과될 수 있지만, 반사 층(340)으로부터 반사된 광은 반사 층(340)을 향해 되반사되고 발광 요소(310)에 흡수되지 않는다.

마찬가지 방식으로, 광 출력 효율을 개선시키기 위해 사용되는 다른 기술들이 역시 적용될 수 있다. 예를 들어, 투명한 층(330)의 측벽들이 광 출력 효율을 개선시키기 위해 거칠어지고 결이 생길 수 있다. 일부 실시예들에서, 투명한 층(330)의 측면들이 발광 디바이스(300)로부터 후면-방출된 광의 양을 증가 또는 감소시키도록 형상화된다.

유사하게, 본 발명이 1.5㎜×1.5㎜ 영역이 발광 디바이스를 잠재적으로 도전성인 거울 반사 영역들과 절연시키기 위해 1㎜×1㎜ 발광 디바이스를 둘러싸는 것으로 개시되지만, 본 기술분야의 통상의 기술자는 발광 디바이스 주위의 전체 표면이 거울 반사성이게 하도록, 다른 절연 기술들이 사용될 수 있거나, 비도전성 거울 반사 재료가 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

마찬가지 방식으로, 예시적인 실시예에서 투명한 층(330)이 발광 요소(310)의 주변을 둘러싸도록 구성되지만, 본 기술분야의 통상의 기술자는 투명한 층(330)(및 선택적 파장 변환 재료(320))이 발광 요소(310)의 범위를 지나 연장할 필요가 없다는 것을 인식할 것이다. 이러한 실시예에서, 반사성일 수 있는 보호 재료가 발광 요소(310)의 주변을 둘러쌀 수 있다.

개시된 실시예들에 대한 다른 변화들이 도면, 개시내용, 및 첨부된 청구범위의 연구로부터, 청구된 발명을 실시하는 기술 분야의 통상의 기술자들에 의해 이해되고 이루어질 수 있다. 청구범위에서, 단어 "포함하는"는 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않고, 단수 표현은 복수를 배제하지 않는다. 소정의 수단들이 상호 상이한 종속 청구항들에서 나열된 사실 만으로 이들 수단의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다. 청구범위의 어떤 참조 부호들도 그 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

Claims

발광 디바이스로서,
발광 표면을 갖는 발광 요소,
상기 발광 표면에 대향하는 반사 표면을 갖는 반사기, 및
상기 반사 표면을 상기 발광 표면과 분리시키는 스페이서 요소
를 포함하고,
상기 스페이서 요소는 상기 디바이스로부터 방출된 광의 적어도 절반이 상기 반사기를 향해 상기 발광 표면의 법선으로부터 90도보다 큰 각도로 방출되도록 상기 반사 표면과 상기 발광 표면 사이의 분리 거리를 제공하는 발광 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 반사 표면은 실질적으로 확산 반사성(substantially diffuse reflective)인 발광 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 발광 요소와 상기 반사기 사이에 놓인 파장 변환 층을 더 포함하는 발광 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 분리 거리는 적어도 500㎛인 발광 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 스페이서 요소의 외부 벽들은 상기 스페이서 요소로부터의 광 추출을 용이하게 하기 위해 거칠어진(roughened) 발광 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 반사기보다 적어도 5배 큰 반사 기판을 더 포함하는 발광 디바이스.
제6항에 있어서, 상기 반사 기판은 상기 반사기보다 적어도 10배 큰 발광 디바이스.
제6항에 있어서, 상기 반사 기판은 실질적으로 확산 반사성인 발광 디바이스.
제6항에 있어서, 상기 반사 기판은 실질적으로 거울 반사성(substantially specular reflective)인 영역을 포함하는 발광 디바이스.
제6항에 있어서, 상기 반사 기판과 상기 발광 디바이스 사이에 거울 반사 블록(specular reflective block)을 더 포함하는 발광 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 스페이서 요소의 적어도 하나의 측벽은 반사성인 발광 디바이스.
발광 구조체로서,
기판, 및
상기 기판 상에 놓인 후면-방출 발광 디바이스(back-emitting light emitting device)
를 포함하고,
상기 기판은 상기 발광 디바이스를 둘러싸는 반사 표면을 포함하고, 상기 반사 표면은 면적이 상기 발광 디바이스보다 적어도 10배 큰 발광 구조체.
제12항에 있어서, 상기 반사 표면은 실질적으로 확산 반사성인 발광 구조체.
제13항에 있어서, 상기 반사 표면은 실질적으로 거울 반사성인 영역을 포함하는 발광 구조체.
제12항에 있어서, 상기 반사 표면은 실질적으로 거울 반사성인 발광 구조체.