KR20170085605A - 파장 변환 장치, 발광 장치 및 프로젝션 시스템 - Google Patents

파장 변환 장치, 발광 장치 및 프로젝션 시스템 Download PDF

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Abstract

파장 변환 장치, 발광 장치 및 프로젝션 시스템은, 파장 변환층(210) 및 파장 변환층(210)과 적층 형성된 난반사 기재(220)를 포함한다. 파장 변환층(210)은 서로 대향하는 제1 면(210a)과 제2 면(210b)을 포함하고, 제1 면(210a)은 여기광을 수광하기 위한 것이고, 파장 변환층(210)은 여기광을 수광하여 자극광을 발생시키고 자극광과 여기광의 혼합광을 제1 면(210a)과 제2 면(210b)으로부터 방출하기 위한 것이다. 난반사 기재(220)는 입사광을 산란시키기 위한 백색의 다공성 세라믹 또는 백색의 산란 재료와 유리 재료의 소결체를 포함하고, 백색의 산란 재료는 염 또는 산화물이다. 난반사 기재(220)는 제2 면(210b)과 대향하는 제3 면(222a)을 포함하며, 난반사 기재(220)는 제3 면(222a)의 입사광 중 적어도 일부를 산란시킨 후 전부를 제3 면(222a)으로부터 제2 면(210b)으로 방출하기 위한 것이다. 본 발명은 내고온 및 고반사율의 반사형 파장 변환 장치 및 이와 관련된 발광 장치, 프로젝션 장치를 제공한다.

Description

파장 변환 장치, 발광 장치 및 프로젝션 시스템{WAVELENGTH CONVERSION DEVICE, LIGHT-EMITTING DEVICE AND PROJECTION SYSTEM}
본 발명은 조명 및 표시 기술 분야에 관한 것이며, 특히 파장 변환 장치, 발광 장치 및 프로젝션 시스템에 관한 것이다.
레이저 또는 LED 등 광원을 이용하여 형광 분말을 여기하여 소정의 단색광 또는 다색광을 얻는 것은 조명 광원, 프로젝션 표시 등 분야에 광범위하게 적용되는 솔루션이다. 이러한 솔루션은 흔히 레이저 또는 LED의 출사광을 형광 분말 컬러 휠에 입사시킴으로써 양호한 방열 효과를 이룬다.
반사형 컬러 휠은 광 이용율이 높으므로 상기 솔루션에서 더욱 광범위하게 적용된다. 예를 들어, 도 1은 종래 기술에 따른 반사형 컬러 휠의 구성 개략도이며, 도 1과 같이 형광 분말층(110)은 기재(120)에 형성된다. 기재(120)는 기판(121)을 포함하며, 형광 분말층(110)의 출사광에 대한 기재(120)의 반사율을 향상하기 위해, 종래의 반사형 컬러 휠의 기판(121) 표면에는 모두 은 도금 공정이 실시되어 그 표면에 입사된 광을 반사한다. 구체적으로, 기판(121)(예를 들어 유리 또는 알루미늄판)의 표면에는 일반적으로 한 층의 은 도금층(122)이 도금된 후 다시 한 층의 투명 재료(예를 들어 알루미나)막(123)이 은의 산화 방지 보호층으로서 도금된다. 은 도금층(122)의 반사면의 반사율은 매우 높아 99%에 달할 수 있으며, 반사형 형광 분말 컬러 휠의 적용에서 중요한 작용을 발휘하며, 일반적인 수요도 만족시킬 수 있다.
그러나, 여기광의 광출력이 점점 커질 경우, 종래의 반사형 컬러 휠의 출광율은 크게 저하된다.
본 발명이 주로 해결하고자 하는 기술적 과제는 내고온성 고반사율의 반사형 파장 변환 장치 및 관련 발광 장치, 프로젝션 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예는 파장 변환 장치를 제공하며, 상기 파장 변환 장치는, 파장 변환층 및 상기 파장 변환층과 적층 형성된 난반사 기재를 포함하며,
상기 파장 변환층은 서로 대향하는 제1 면과 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면은 여기광을 수광하기 위한 것이고, 상기 파장 변환층은 상기 여기광을 흡수하여 자극광을 발생시키고 상기 자극광 또는 상기 자극광과 여기광의 혼합광을 상기 제1 면과 제2 면으로부터 방출하기 위한 것이며,
상기 난반사 기재는 백색의 다공성 세라믹 또는 백색의 산란 재료와 유리 재료의 소결체를 포함하고, 상기 백색의 산란 재료는 염 또는 산화물이며, 백색의 다공성 세라믹과 백색의 산란 재료는 입사광을 산란시키기 위한 것이며, 난반사 기재는 제2 면과 대향하는 제3 면을 포함하며, 난반사 기재는 상기 제3 면의 입사광의 적어도 일부를 산란시킨 후 전부를 제3 면으로부터 제2 면으로 방출하기 위한 것이다.
파장 변환 장치는 구동 장치를 더 포함하며, 상기 구동 장치는 파장 변환층과 난반사 기재를 구동하여 운동시킴으로써, 여기광이 상파장 변환층에 입사하여 형성한 광반이 소정 경로를 따라 상기 파장 변환층에 작용하도록 하는 것이 바람직하다.
난반사 기재는 백색의 다공성 세라믹판을 포함하는 것이 바람직하다.
백색의 다공성 세라믹판의 기공 직경은 1μm 이하인 것이 바람직하다.
난반사 기재는 금속판을 더 포함하며, 상기 금속판은 백색의 다공성 세라믹판에 있어서 파장 변환의 반대측 표면에 위치하여 상기 표면에 밀착되는 것이 바람직하다.
난반사 기재는 적층 형성된 난반사층과 기판을 포함하며, 난반사층은 백색의 산란 재료와 유리 재료의 소결체를 포함하고 기판과 파장 변환층 사이에 위치하여 기판에 고정되며, 난반사층에 있어서 파장 변환층을 마주한 표면은 난반사 기재의 제3 면이며, 난반사층은 상기 제3 면의 입사광을 전부 산란시킨 후 산란된 광을 전부 제3 면으로부터 방출하는 것이 바람직하다.
난반사 기재는 적층 형성된 난반사층과 기판을 포함하며,
난반사층은 백색의 산란 재료와 유리 재료의 소결체를 포함하며 상기 기판과 파장 변환층 사이에 위치하고 기판에 고정되며, 난반사층에 있어서 파장 변환층에 가까운 표면은 난반사 기재의 제3 면이고, 난반사층에 있어서 상기 제3 면과 대향하는 표면은 제4 면이며, 난반사층은 상기 제3 면의 입사광 중 일부를 산란시키고 산란된 광을 제3 면과 제4 면으로부터 방출하며 제3 면의 입사광 중 나머지 부분을 제4 면으로부터 투과시키기 위한 것이며,
*기판은 난반사층의 제4 면으로부터 상기 반사판으로 입사한 광을 상기 제4 면으로 리턴시키기 위한 미러 반사판인 것이 바람직하다.
미러 반사판의 반사율은 R이고, 난반사층은 제3 면의 입사광 중 일부를 산란시키고 산란된 광을 제3 면과 제4 면으로부터 방출하기 위한 것이며, 산란된 후 제3 면으로부터 방출된 광이 제3 면의 입사광에서 차지하는 비율은 P이며, (1-R)(1-P)≤10%이며, 여기서 R ≥ 50%인 것이 바람직하다.
상기 파장 변환층은 제1 유리 재료와 파장 변환 재료를 포함하고, 난반사층은 제2 유리 재료와 백색의 산란 재료를 포함하며, 제1 유리 재료의 용융점은 제2 유리 재료의 용융점보다 낮은 것이 바람직하다.
파장 변환층은 파장 변환 재료와 무기 접착제를 포함하고, 무기 접착제는 파장 변환 재료를 일체로 접착하기 위한 것임이 바람직하다.
본 발명은 제1 광원 및 전술한 파장 변환 장치를 포함하고, 상기 파장 변환 장치의 제1 면이 수광한 여기광은 제1 광원으로부터 공급된다.
제1 광원은 레이저 광원이며, 상기 레이저 광원은 레이저 여기광을 파장 변환 장치의 제1 면으로 방출하기 위한 것이며, 파장 변환 장치는 레이저 여기광을 수광하고 상기 레이저 여기광 중 일부를 자극광으로 변환시키고 미흡수 레이저 여기광을 난반사하기 위한 것이며, 자극광과 나머지 부분의 레이저 여기광은 제1 면으로부터 방출되는 것이 바람직하다.
발광 장치는 제2 광원과 합광 장치를 더 포함하며,
제1 광원은 제1 컬러 광을 방출하기 위한 레이저 광원이고, 제2 광원은 제2 컬러 광을 방출하기 위한 레이저 광원이며, 제1 컬러 광은 여기광이며,
합광 장치는 제1 영역과 제1 영역 주변을 둘러싼 제2 영역을 포함하며, 제1 컬러 광과 제2 컬러 광은 동일 방향으로부터 합광 장치의 제1 영역으로 입사하며,
제1 영역은 제1 컬러 광과 제2 컬러 광을 투과시키는 광학적 성질을 가지고, 제2 영역은 자극광과 제2 컬러 광을 반사하는 광학적 성질을 가지며, 제1 컬러 광과 제2 컬러 광은 제1 영역에 의해 파장 변환 장치의 제1 면으로 투과되거나, 또는,
제1 영역은 제1 컬러 광과 제2 컬러 광을 반사하는 광학적 성질을 가지고, 제2 영역은 자극광과 제2 컬러 광을 투과시키는 광학적 성질을 가지며, 제1 컬러 광과 제2 컬러 광은 제1 영역에 의해 파장 변환 장치의 제1 면으로 반사되며,
자극광 또는 자극광과 미흡수 제1 컬러 광의 혼합광은 제1 면으로부터 합광 장치로 방출되며, 파장 변환 장치는 제2 컬러 광을 흡수하지 않고 제2 컬러 광을 난반사한 후 제1 면으로부터 합광 장치로 방출하는 것이 바람직하다.
발광 장치는 제2 광원과 합광 장치를 더 포함하며,
제1 광원은 제2 광원의 주변을 둘러싸며, 제1 광원은 제1 컬러 광을 방출하기 위한 것이고, 제2 광원은 제2 컬러 광을 방출하기 위한 레이저 광원이며, 제1 컬러 광은 여기광이며,
합광 장치는 제1 영역과 제1 영역 주변을 둘러싼 제2 영역을 포함하고, 제1 컬러 광과 제2 컬러 광은 동일 방향으로부터 각각 합광 장치의 제2 영역과 제1 영역으로 입사하며,
제1 영역은 제2 컬러 광을 반사하는 광학적 성질을 가지고, 제2 영역은 제1 컬러 광을 반사하고 제2 컬러 광과 자극광을 투과시키는 광학적 성질을 가지며, 제1 컬러 광과 제2 컬러 광은 각각 제2 영역과 제1 영역에 의해 파장 변환 장치의 제1 면으로 반사되거나, 또는,
제1 영역은 제2 컬러 광을 투과시키는 광학적 성질을 가지고, 제2 영역은 제1 컬러 광을 투과시키고 제2 컬러 광과 자극광을 반사하는 광학적 성질을 가지며, 제1 컬러 광과 제2 컬러 광은 각각 제2 영역과 제1 영역에 의해 파장 변환 장치의 제1 면으로 투과되며,
자극광 또는 자극광과 미흡수 제1 컬러 광의 혼합광은 제1 면으로부터 합광 장치로 방출되며, 파장 변환 장치는 제2 컬러 광을 흡수하지 않고 제2 컬러 광을 난반사한 후 제1 면으로부터 합광 장치로 방출하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 발광 장치를 포함하는 프로젝션 시스템을 더 제공한다.
종래 기술에 비해, 본 발명의 실시예는 아래와 같은 유익한 효과를 가진다.
본 발명의 실시예에서, 파장 변환층의 제2 면의 출사광이 난반사 기재의 제3 면으로 방출되고, 난반사 기재에 의해 산란된 후 다시 제3 면으로부터 제2 파장 변환층의 제2 면으로 리턴함으로써, 결과적으로 광 전체가 모두 파장 변환층의 제1 면으로부터 방출된다. 적어도 일부의 미러 반사 대신 난반사를 이용하므로, 고온에서 미러 반사 효율이 저하되더라도 백색의 산란 재료의 산란 작용이 변하지 않으며, 난반사 기재의 난반사 효율이 저하되지 않는다. 따라서, 전체적인 반사율도 크게 저하되지 않으며, 파장 변환 장치의 광 이용율이 높다.
도 1은 종래 기술에 따른 반사형 컬러 휠의 구성 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 파장 변환 장치의 일실시예의 구성 분해도이다.
도 3은 본 발명에 따른 파장 변환 장치의 또 다른 실시예의 구성 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 발광 장치의 일실시예의 구성 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 발광 장치의 또 다른 실시예의 구성 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 발광 장치의 또 다른 실시예의 구성 개략도이다.
종래 기술에 따른 반사형 파장 변환 장치는 모두 고반사층이 도금된 금속판을 포함하며, 예를 들어 은 도금층 또는 알루미늄 도금층을 포함한다. 이들은 모두 고반사층을 이용하여 입사광을 미러 반사하여 반사형을 구현한다. 예를 들어, 알루미늄 반사판은 폴리싱된 알루미늄판일 수 있으며, 그 표면이 산화되어 “검게 되는” 것을 지연시키기 위해, 그 표면에 한 층의 투명한 산화물 박막을 도금하여 공기를 차단할 수 있다. 반사율을 더 향상하기 위해, 알루미늄 반사판은 폴리싱된 알루미늄판의 표면에 한 층의 고순도 알루미늄막(알루미늄 도금층)을 도금한 후, 다시 한 층의 투명 산화막을 도금할 수도 있으며, 이때 알루미늄 반사판의 반사율은 90% 이상에 도달할 수 있다.
고반사층이 도금된 금속판이 광범위하게 적용되는 이유는, 미러 반사에서 광선이 반사 법칙을 지키므로, 광학적으로 미러 반사는 광을 제어할 수 있으며, 입사광의 광 분포를 변화시키기 않기 때문이다. 광선에 대한 제어는 광학 설계의 본질적 요구이며, 예를 들어, 프로젝션 광원에서는 광이 일정한 방향으로 방출되도록 제어해야 한다. 한편, 파장 변환층이 자극광을 발생시킴과 동시에 대량의 열량을 발생시키므로, 후면판은 반드시 양호한 열 전도 성능을 구비해야 하는데, 금속판은 양호한 열 전도 능력을 구비하며, 파장 변환층의 온도를 낮출 수 있다.
그러나, 본 발명자는 실험을 통해, 여기광의 광출력이 매우 큰 경우에 형광 분말층이 검게 되는 현상이 발생하며, 파장 변환 장치의 출광률이 크게 저하됨을 발견했다. 그리고 추가적인 분석을 통해, 여기광의 광출력이 점점 증가할 경우 형광 분말의 온도가 점점 높아지고 100℃ 이상까지 도달할 수 있음을 발견했다. 이때, 은 도금층은 장기적인 고온 작동에서 산화되어 검게 되며 반사율이 저하된다. 은 도금막 대신 알루미늄 도금막을 이용할 수도 있으나, 알루미늄 도금막의 효율이 뚜렷하게 낮으며, 비록 장기적인 고온 작동에서 검게 되지 않으나, 산화로 인해 “검게” 되어 반사율이 80% 이하로 저하될 수 있다. 따라서, 은 도금층과 알루미늄 도금층은 모두 쉽게 산화되어 입사광에 대한 반사율이 저하되고 광 이용 효율에 영향을 미친다. 그러나, 종래에는 은 도금층과 알루미늄 도금층보다 더 적절한 반사 재료를 찾기 어려우며, 일반적인 기술적 공정에서는 산화에 관한 문제점을 해결하기도 쉽지 않다.
본 발명은 새로운 측면에서 상기 문제점을 해결하였다. 즉, 미러 반사 대신 난반사를 이용하는 것이다. 다시 말해, 고반사층 대신 산란 재료(예를 들어 백색 산화물)를 이용하여 반사 작용을 구현하여 고반사층의 산화에 따른 문제점을 해결하였다. 또한 산란 재료는 기본적으로 입사광을 흡수하지 않으므로 광 손실을 초래하지 않는다. 구체적으로, 산란 재료는 입사광을 산란시킬 수 있으며, 산란된 광은 램버시안 분포를 이루며, 그중 약 50%의 광은 입사 방향의 반대 방향으로 전파되고, 나머지 50%의 광은 입사 방향으로 전파된다. 그러나 산란 재료가 충분히 두꺼운 경우에는, 입사광은 수회 산란된 후 결국은 모두 반사된다. 또한, 산란 재료에 의해 산란된 광은 램버시안 분포를 이루어 파장 변환 재료의 출사광의 분포와 같으므로, 파장 변환 장치의 출사광의 광 분포에 영향을 미치지 않는다.
이하, 도면과 실시형태를 결합하여 본 발명의 실시예를 상세히 분석한다.
도 2는 본 발명에 따른 파장 변환 장치의 일실시예의 구성 분해도이다. 도 2와 같이, 파장 변환 장치는 적층 형성된 파장 변환층(210)과 난반사 기재(220)를 포함한다.
파장 변환층(210)은 서로 대향하는 제1 면(210a)과 제2 면(210b)을 포함하고, 제1 면(210a)은 여기광을 수광한다. 파장 변환층(210)에는 파장 변환 재료가 형성되고, 파장 변환 재료는 여기광을 흡수하여 자극광을 발생시킬 수 있다. 자극광은 램버시안 분포를 이루며, 제1 면(210a)과 제2 면(210b)으로부터 방출된다. 여기서 파장 변환 재료는 구체적으로 형광 분말이며, 본 발명의 다른 실시형태에서 파장 변환 재료는 양자점, 형광염료 등 파장 변환 능력을 구비한 재료일 수 있으며 형광 분말에 한정되지 않는다.
실제 적용시, 파장 변환 재료는 일반적으로 접착제를 이용하여 하나의 전체로 접착되며, 가장 흔히 사용되는 것은 실리콘 접착제이다. 실리콘 접착제는 화학적 성질이 안정하고 높은 기계적 강도를 가진다. 그러나 실리콘 접착제가 견딜 수 있는 온도가 낮으며 일반적으로 300℃~500℃이다. 대출력의 발광 장치에 적용하기 위해, 바람직하게는 무기 접착제를 이용하여 파장 변환 재료를 하나의 전체로 접착할 수 있으며, 예를 들어 물 유리 또는 유리분말을 이용하여 내고온성 반사형 형광 분말 휠을 구현할 수 있다. 예를 들어 형광 분말과 유리 분말(온도에 대한 요구가 낮으면 저온 유리 분말을 이용할 수 있다)을 일정한 불활성 분위기의 보호 속에서 용융 혼합한 후 다시 성형한다.
난반사 기재(220)는 적층 형성된 난반사층(222)과 기판(221)을 포함한다. 난반사층(222)은 기판(221)과 파장 변환층(210) 사이에 위치한다. 난반사층(222)에 있어서 파장 변환층(210)에 가까운 표면은 제3 면(222a)이다.
난반사층(222)은 염 또는 산화물계의 백색의 산란 재료, 예를 들어 황산바륨 분말, 알루미나 분말 또는 실리카 분말 등을 포함하며, 기본적으로 광을 흡수하지 않으며, 백색의 산란 재료의 성질이 안정적이어서 고온에서 산화되지 않는다.
난반사층(222)은 제3 면(222a)의 입사광을 전부 산란시킨 후 산란된 광을 전부 제3 면(222a)으로부터 방출하기 위한 것이다. 이를 위해, 본 실시예에서 난반사층(222)의 두께는 충분히 두꺼움으로써, 광에 대한 산란 재료의 미세한 흡수 작용에 따른 손실을 고려하지 않은 상황에서 제2 면(210b)으로부터 방출된 광이 난반사층(222)의 난반사에 의해 다시 그 전체가 파장 변환층(210)으로 리턴하고 최종적으로 모두 파장 변환층(210)의 제1 면(210a)으로부터 방출되도록 해야 한다.
난반사층(222)을 고정하기 위해, 난반사 기재(220)에는 또한 기판(222)이 마련되어 난반사층을 지지한다. 그러나 난반사층 자체의 강성이 충분한 경우에(예를 들어 산란 재료를 투명 유리에 도핑하여 형성된 것), 기판(222)은 생략할 수도 있다.
상기 설명으로부터 볼 수 있듯이, 본 실시예에 따른 파장 변환 장치는 종래 파장 변환 장치의 미러 반사 대신, 난반사 기재(220)의 난반사를 이용하여 반사형 산란 장치를 구현하며, 쉽게 산화되는 반사층 대신 성질이 안정한 백색의 산란 재료에 의해 구성한 난반사층을 이용함으로써, 반사층의 산화로 인한 반사율의 저하를 방지하고 광 이용 효율을 향상하였다. 또한, 상기 파장 변환 장치는 고출력 레이저 형광 분말 등 대출력 발광 장치에 이용할 수도 있다.
지적해야 할 것은, 상기 적층 형성된 파장 변환층(210)과 난반사 기재(220) 사이는 서로 밀착되어 파장 변환층(210)과 난반사 기재(220) 사이의 결합력을 강화한다. 또한, 양자는 밀착되어 광 방출면과 난반사 기재(220) 사이의 거리를 단축하여 파장 변환층(210)에서의 광의 확산 정도를 감소시킬 수 있다. 이와 유사하게, 난반사 기재(220)의 난반사층(222)과 기판(221) 사이의 관계도 마찬가지이다.
파장 변환층(210), 난반사층(222), 기판(221)이 차례로 적층되어 밀착된 경우, 도 2의 실시예에 따른 파장 변환 장치를 제조함에 있어 아래 방법을 이용할 수 있다. 먼저 난반사층(222)을 구성하는 산란 재료를 기판(221)에 도포한 후 다시 난반사층(222)에 형광 분말층(210)을 도포한다. 이러한 공정은 작업이 단순하고 쉽게 구현된다. 난반사층은 산란 재료 혼합 콜로이드를 기판에 스프레이 코팅함으로써 이루어질 수 있다. 이러한 방식을 이용하면 접착 강도가 크다. 산란 재료는 물 유리 등의 무기 접착액과 함께 혼합하여 기판(221)에 도포할 수도 있다. 이러한 방식을 이용하면 접착성은 강하지 않으나 높은 온도에 견딜 수 있다.
파장 변환 장치의 내열성을 향상하기 위해, 다른 방법을 이용할 수도 있다. 먼저 제2 유리 재료와 백색의 산란 재료의 혼합 분말을 기판(221)의 표면에 도포하고, 상기 제2 유리 재료와 백색의 산란 재료의 혼합 분말을 제2 유리 재료의 용융점보다 높은 온도에서 소결 성형하여 난반사층(222)을 얻는다. 그런 후 제1 유리 재료와 파장 변환 재료의 혼합 분말을 난반사층(222)의 표면에 도포하고 상기 제1 유리 재료와 파장 변환 재료의 혼합 분말을 제1 유리 재료의 용융점보다 높은 온도에서 소결 성형하여 파장 변환층을 얻는다. 여기서, 제1 유리 재료와 파장 변환 재료의 혼합 분말의 소결시 난반사층(222)의 제2 유리 재료가 용융되는 것을 방지하기 위하여 제1 유리 재료의 용융점은 제2 유리 재료의 용융점보다 낮아야 한다. 이때 소결 온도가 제1 유리 재료의 용융점보다 높고 제2 유리 재료의 용융점보다 낮으면 된다. 상기 방법에 의해, 파장 변환 재료와 제1 유리 재료을 포함한 파장 변환층, 및 백색의 산란 재료와 제2 유리 재료를 포함한 난반사층을 얻을 수 있다. 유리의 용융점이 실리콘 등 종래의 접착제에 비해 높아 더 높은 온도에 견딜 수 있으므로, 파장 변환 장치는 더 양호한 내고온 성능을 구비한다. 또한, 소결 성형을 이용하므로, 파장 변환층과 난반사층, 난반사층과 기판 사이는 더 높은 결합력을 가질 수 있다.
도 2에 따른 실시예에서, 입사광에 대한 완전한 난반사를 구현하기 위해, 난반사층의 두께는 매우 두꺼워야 한다. 그 이유는, 산란 재료가 쉽게 응집되므로 난반사층에는 산란이 매우 작게 이루어지는 국지적 영역이 존재하거나 심지어 핀홀(pin hole)이 존재하여, 입사된 레이저광이 매우 작게 산란되거나 심지어 산란되지 않고(핀홀을 바로 관통함) 산란 재료를 투과할 수 있다. 따라서 난반사층의 두께를 증가시켜 핀홀이 발생하는 것을 완전히 차단하여 난반사를 이루어야 한다. 그러나, 난반사층의 두께가 두꺼울 수록 산란 재료는 더 쉽게 탈락되므로 난반사층의 제조가 어려운 한편, 난반사층의 두께가 두꺼울 수록 파장 변환층과 기판 사이의 열 저항이 커지고 파장 변환층의 열량이 기판으로 전도되어 흩어지기 어려워 파장 변환층의 방열에 불리하다.
입사광에 대한 완전한 산란을 구현하고 상술한 두 가지 문제점을 해소하기 위해, 하나의 바람직한 솔루션으로서 도 2의 파장 변환 장치의 기판(221)를 미러 반사판으로 마련할 수 있으며, 구체적으로, 상기 미러 반사판은 알루미늄 반사판이다. 이때, 난반사층(222)의 산란 재료는 비교적 얇게 형성할 수 있으며, 제3 면(222a)으로부터 입사한 광을 일부 산란시키고 산란된 광을 제3 면(222a)과, 상기 제3 면(222a)과 대향한 표면(222b)인 제4 면으로부터 방출하면 된다. 제3 면(222a)의 입사광 중 산란되지 않은 부분의 광은 난반사층(222)을 투과하여 제4 면(222b)으로부터 미러 반사판(221)으로 방출된다. 난반사층(222)은 일부 산란광을 난반사 형태로 반사하여 리턴시키며, 상기 제4 면(222b)으로부터 방출된 산란광의 나머지 부분과 산란되지 않은 광은 모두 미러 반사판(221)에 의해 미러 반사의 형태로 반사되어 리턴하며 최종적으로 난반사 기재(220)로 입사한 광은 모두 제3 면(222a)으로부터 방출된다.
미러 반사의 형태를 완전히 사용하는 것에 비해, 광의 대부분이 난반사 형태로 반사되므로, 미러 반사판의 반사율이 낮아지더라도 전체 반사율에 큰 영향을 미치지 않는다.
예를 들어, 알루미늄 반사판을 미러 반사판으로 이용할 수 있다. 알루미늄 반사판의 표면은 장기적인 고온 작동에서 산화되더라도 알루미늄 반사판의 반사율은 70~80%로 낮아진다. 실험에서 알루미늄 반사판에 두께 0.22mm인 어떤 황산바륨 산란 재료층을 형성한 경우, 그중 상기 알루미늄 반사판의 반사율은 80%이며, 이때 대략 90%의 입사광이 난반사층에 의해 반사되고 대략 10%의 입사광이 알루미늄 반사판에 의해 반사되었으며, 이때 파장 변환 장치의 효율은 산화되지 않은 은 도금 기판을 이용한 경우에 비해 1%~2% 정도로만 미세하게 낮아진 것이 실험으로 측정되었다. 또한 상기 황산바륨 산란 재료층의 두께를 0.12mm로 감소시킨 경우, 대략 75%의 입사광이 난반사층에 의해 반사되고 대략 25%의 입사광이 알루미늄 반사판에 의해 반사되었으며, 이때 파장 변환 장치의 효율은 산화되지 않은 은 도금 기판을 이용한 경우에 비해 5% 정도로만 낮아지고, 두께는 40% 이상 감소된 것이 실험으로 측정되었다. 실험에 따르면, 파장 변환 장치가 90% 이상의 전체 반사율을 갖도록 유지하기 위해서는 50% 이상의 입사광이 산란 재료층에 의해 반사되도록 해야 한다. 사실상, 산란 재료층은 매우 얇게 형성할 수 없으며, 절대 대부분의 산란 재료층은 모두 50% 이상의 반사율을 유지할 수 있다.
물론, 기타 미러 반사판에 대해서는, 파장 변환 장치가 90% 이상의 전체 반사율을 갖도록 유지하고, 미러 반사판으로 입사한 광이 파장 변환 장치의 전체 입사광에서 차지하는 비율이 서로 다른 것을 허용해야 한다. 광에 대한 백색의 산란 재료의 흡수를 고려하지 않는 경우, 모든 광 손실은 모두 광에 대한 미러 반사판의 흡수로 인해 발생된다. 따라서 난반사층에 의해 반사된 광이 파장 변환 장치의 입사광에서 차지하는 비율은 (1-R)(1-P)≤10%을 충족시켜야 하며, 여기서 R은 미러 반사판의 반사율이고, P은 난반사층에 의해 반사된 광의 비율이다.
그리고, 이러한 파장 변환 장치는 난반사층의 제조 곤란도를 낮출 수 있어 파장 변환층의 방열에 유리하다. 따라서 상기 솔루션은 효율, 방열과 공정성을 모두 고려한 것으로서 바람직한 솔루션이라고 말할 수 있다. 물론, 알루미늄 반사판은 미러 반사를 구현할 수 있는 기타 미러 반사판으로 대신할 수도 있으며, 이때에도 마찬가지로 유사한 효과를 얻을 수 있다.
실제 적용시, 파장 변환층의 방열을 더 바람직하게 구현하기 위해 파장 변환 장치는 구동 장치(230)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 구동 장치(230)는 파장 변환층(210)과 난반사 기재(220)를 구동하여 운동시켜, 여기광이 상기 파장 변환층(210)에 형성한 광반이 소정 경로를 따라 상기 파장 변환층(210)에 작용함으로써, 여기광이 장시간 동안 파장 변환층(210)의 동일 위치에 작용함에 따른 상기 파장 변환층(210)의 국지적 온도가 과대하게 높아지는 문제점을 해결하고 나아가 파장 변환층의 방열 능력을 향상하고, 난반사층에 따른 영향을 감소시키기 위한 것이다. 구체적으로, 본 실시예에서 구동 장치(230)는 파장 변환층(210)을 회동시킴으로써, 여기광이 상기 파장 변환층(210)에 형성한 광반이 소정의 원형 경로를 따라 상기 파장 변환층에 작용하도록 하기 위한 것이다. 바람직하게는, 난반사 기재(220)는 디스크 형상을 나타내고, 파장 변환층(210)은 상기 디스크와 동심인 링형을 나타낸다. 구동 장치(230)는 원기둥형의 모터이며, 구동 장치(230)와 파장 변환층(210), 난반사 기재(220)는 동축으로 고정된다. 본 발명의 다른 실시형태에서 구동 장치는 파장 변환층을 기타 형태로 운동하도록, 예를 들어 수평 왕복 운동 등을 하도록 구동할 수 있다.
쉽게 이해할 수 있는 것은, 파장 변환층의 방열 문제점에 대한 상기 두 가지 개량 솔루션은 서로 결합하여 이용할 수 있으며, 더 바람직한 방열 효과를 이룰 수 있다.
상기 두 실시예로부터 볼 수 있듯이, 난반사 기재(220)는 제3 면(222a)의 입사광 중 적어도 일부를 산란시킨 후 전부 제3 면(222a)으로부터 파장 변환층(210)으로 방출하며, 난반사를 이용하여 적어도 부분적으로 미러 반사를 대신함으로써 광 이용 효율을 향상할 수 있다.
상기 실시예에서, 기판을 반사판으로 마련하여 난반사층의 두께를 줄였으나, 난반사층의 탈락 가능성을 철저히 해결하지 못했다. 도 3은 본 발명에 따른 파장 변환 장치의 또 다른 실시예의 구성 개략도이다. 도 3을 참조하면, 도 2에 따른 파장 변환 장치와 다른 점은, 상술한 문제점을 해결하기 위해 본 실시예에서 난반사 기재(320)가 백색의 다공성 세라믹판으로 마련된 점이다.
다공성 세라믹은 화학적 안정성이 좋고, 밀도가 낮으며, 강도가 높고, 무독성, 내부식, 내고온 등의 장점을 가지며, 다양한 분야에 적용할 수 있다. 예를 들어 촉매 담체, 식품 의약품 여과, 연소기, 흡음 재료, 항공 재료 등에 적용할 수 있다. 그리고 백색의 다공성 세라믹은 광을 흡수하지 않는 특성을 더 구비하며, 다공성 세라믹의 다공성 특성은 또한 광을 산란시키고 반사할 수 있다. 또한, 다공성 세라믹판(320)은 파장 변환층(310)과 바로 접촉하면 파장 변환층(310)의 열량을 전도하여 방열할 수도 있다.
깨끗한 세라믹 예를 들어 유리는 입사광에 대해 산란 기능을 가지지 않으나, 다공성 세라믹 내부에 많은 기공을 가지고 기공 부위의 결정 격자의 배열이 불규칙적이고, 서로 다른 결정 격자의 결정면의 방향은 큰 차이를 가진다. 광이 기공 부위의 결정 격자로 입사하면 굴절 또는 전반사가 발생하며, 동일한 기공 부위의 서로 다른 결정 격자로 입사한 광은 굴절 또는 전반사 이후 그 방향이 서로 달라지므로, 거시적으로 볼 때 하나의 광빔이 기공 부위에서 산란된 것처럼 보인다. 그리고, 백색의 다공성 세라믹의 두께가 충분히 두꺼운 경우, 전술한 난반사층의 작용과 유사하게, 백색의 다공성 세라믹은 입사광 전부를 반사하여 리턴시킨다. 실험에 따르면, 백색의 다공성 세라믹의 반사율은 99%에 달할 수 있다. 따라서, 백색의 다공성 세라믹은 도 2에 따른 실시예의 난반사층과 기재를 바로 대신하여 하나의 전체를 이룸으로써, 난반사층이 기판으로부터 쉽게 탈락되는 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 황산바륨 등 산란 재료에 비해, 백색의 다공성 세라믹의 산란 작용은 더욱 제어할 수 있다. 그 이유는 백색의 다공성 세라믹 내부의 기공이 비교적 균일하게 분포될 수 있고, 또한 그 크기는 공정 방법을 선택하고 공정 파라미터를 조절함으로써 제어할 수 있기 때문이다. 그러나 황산바륨 등 산란 재료는 매우 쉽게 응집되어 고르게 분포되지 않아, 입사광이 일부 영역을 투과하여 산란되지 않을 수 있으므로, 반드시 두꺼운 산란 재료를 마련하여 난반사 효과를 확보해야 한다. 따라서, 백색의 다공성 세라믹판은 산란 재료를 이용하여 구성한 난반사층에 비해 더 얇은 두께로 형성할 수 있다.
본 실시예에서 백색의 다공성 세라믹판(320)은 구체적으로 알루미나 다공성 세라믹이며, 그 공정이 성숙되고 성능이 믿음직하다. 그러나 본 발명의 다른 실시형태에서 백색의 다공성 세라믹은 질화알루미늄, 실리카, 질화실리콘, 탄화실리콘 등 재질일 수도 있으며, 이들 재료는 알루미나 다공성 세라믹과 마찬가지로 난반사를 구현함과 동시에 1000℃ 이상의 고온에 견딜 수 있어 고출력의 발광 장치에 적용될 수 있다.
백색의 다공성 세라믹판을 난반사 기재로 하는 파장 변환 장치의 제조 방법은 전술한 실시예와 유사하며, 파장 변환 재료를 백색의 다공성 세라믹판(320)에 도포하여 파장 변환층(310)을 제조할 수 있다. 이는 전술한 실시예에 따른 파장 변환 장치의 제조 공정에 비해 공정이 크게 단순화 된다.
파장 변환층(310)의 파장 변환 재료 또는 접착제가 다공성 세라믹판의 기공 속으로 침투되는 것을 방지하기 위해, 백색의 다공성 세라믹의 기공 직경이 1μm 이하인 것이 바람직하다. 기공 직경을 작게 구현하기 위해, 졸-겔법을 이용하여 백색의 다공성 세라믹판을 제조할 수 있으며, 이러한 방법에 의해 제조된 백색의 다공성 세라믹판의 기공 직경은 2 nm~100 nm 사이일 수 있다.
그러나 다공성 세라믹판의 문제점은 열 전도 능력이 높지 않은 것으로, 여기광의 출력이 특히 높은 경우, 파장 변환층(310)의 열량은 적시에 도출되기 어려우므로, 파장 변환층의 온도가 높다. 또한, 다공성 세라믹판은 여기광 광반 위치에서 온도가 매우 높고 주위 온도가 상대적으로 낮으므로, 다공성 세라믹판의 상기 위치는 열팽창으로 인해 하나의 커다란 열응력이 발생하여 다공성 세라믹판이 갈라질 수 있다. 따라서, 백색의 다공성 세라믹판(320)의 열응력을 낮추기 위한 하나의 방법으로서, 금속판(미도시)을 백색의 다공성 세라믹판(320)에 있어서 파장 변환층(310)의 반대측 표면에 설치하고 상기 표면에 밀착시킨다. 이로써 다공성 세라믹기판(320)의 방열을 가속화함으로써 파장 변환층(310)의 방열을 간접적으로 가속화하여 그 온도를 낮추어 다공성 세라믹판의 열응력을 낮출 수 있다.
구체적인 공정으로서, 증발 또는 스퍼터링의 방법으로 한 층의 솔더, 예를 들어 Au-Sn 솔더, Au-Sn-Cu 솔더 등을 다공성 세라믹판에 도금하고, 한 층의 은을 금속판에 도금한 후 다공성 세라믹판의 솔더 도금 면과 금속판의 은 도금 면을 밀착시키고 가압한 후 가열하여 솔더층을 용융시킨다. 냉각 후 다공성 세라믹판은 금속판과 일체로 솔더링되어 우수한 열 접촉을 동시에 구현한다. 물론, 열 전도성 은겔(Silver glue)을 이용하여 양자를 바로 일체로 접착할 수도 있다.
한편, 백색의 다공성 세라믹판(320)은 두께를 감소시켜 파장 변환층(310)과 금속판 사이의 열 저항을 감소시켜 방열을 가속화할 수도 있다. 그러나 백색의 다공성 세라믹판의 두께가 너무 얇으면 상기 백색의 다공성 세라믹판에 입사한 광의 전체를 반사할 수 없으며 일부가 투과될 수 있다. 이때 한편으로는 금속판 표면에 반사층을 형성하여 전체 반사율을 향상시킬 수 있는 바, 그 원리는 전술한 난반사층과 반사판에 의해 구성된 난반사 기재의 원리와 유사하다. 한편으로는 백색의 다공성 세라믹의 기공 직경을 감소시킴으로써 구현할 수도 있다. 이는 백색의 다공성 세라믹의 기공 직경이 작을 수록 백색의 다공성 세라믹의 산란 효과가 더 좋기 때문이다.
백색의 다공성 세라믹의 열응력을 낮추는 다른 하나의 방법으로는, 전술한 파장 변환 장치가 난반사층을 포함하는 경우와 유사하며, 본 실시예에 따른 파장 변환 장치는 구동 장치(330)를 설치하여 파장 변환층의 방열 능력을 향상할 수도 있다. 이때 열량은 레이저 광반이 스캔된 영역에 고르게 분포되어 파장 변환 장치 표면의 최고 온도를 낮추어 열응력을 감소시킨다. 쉽게 이해할 수 있듯이, 금속판을 이용한 방열 방법과 구동 장치의 설치에 의한 방법을 결합 사용하면 그 방열 효과가 더 좋아진다.
상기 실시예에 따른 파장 변환 장치는 양호한 내고온 성능을 구비하여 대출력 발광 장치에 이용될 수 있다. 또한, 난반사 기재의 존재로 인해, 입사광은 충분히 산란되어 램버시안 분포를 이룰 수 있으며, 이는 형광 분말의 출사광의 분포와 동일하다. 따라서 파장 변환 장치가 발광 장치에 적용되면 균일한 혼합광을 얻을 수도 있다.
도 4는 본 발명에 따른 발광 장치의 일실시예의 구성 개략도이다. 도 4와 같이, 발광 장치는 제1 광원(410), 합광 장치(420), 수렴 렌즈(430), 파장 변환 장치(440)를 포함한다.
제1 광원(410)은 레이저 여기광(L1)을 방출할 수 있으며, 상기 레이저 여기광(L1)은 합광 장치(420)에 의해 파장 변환 장치(440)의 제1 면(441)으로 반사된다. 여기서 합광 장치는 구체적으로 반사경이며, 파장 변환 장치(440)는 상기 어느 하나의 실시예에 따른 파장 변환 장치 및 그 변형일 수 있다. 파장 변환 장치(440)는 레이저 여기광(L1) 중 일부를 자극광으로 변환시키고 나머지 일부 레이저 여기광(L1)은 흡수되지 않고 난반사되며, 자극광과 나머지 일부 레이저 여기광의 혼합광(L2)은 제1 면(441)으로부터 방출된다.
램버시안 분포의 광학적 확장량이 크므로, 일정 거리를 진행한 후 광빔은 심각하게 확산되어 수렴하기 어려워진다. 따라서 본 실시예에서 발광 장치는 수렴 렌즈(430)를 더 포함하며, 상기 수렴 렌즈(430)는 반사경(420)과 파장 변환 장치(440) 사이의 광 경로에 위치하여, 파장 변환 장치(440)의 출사광(L2)을 조준(collimation)한 후 반사경(420)으로 방출한다. 물론, 원가를 낮추거나 또는 광학적 크기를 감소시키는 것만을 고려하고 광 이용 효율을 고려하지 않는 경우에는 수렴 렌즈를 사용하지 않아도 된다.
레이저 광의 광학적 확장이 작으므로 광빔의 단면적이 작으므로, 반사경(420)의 면적이 작아도 레이저 광을 반사할 수 있다. 그러나 파장 변환 장치(420)로부터 방출된 혼합광(L2)은 램버시안 분포를 이루므로, 조준 렌즈(430)를 이용하여 조준하더라도 그 단면적이 커서 대부분의 혼합광(L2)은 반사경(420)의 주변 영역을 관통하여 후단의 광학 장치에 이용되고, 소량은 반사경(420)에 의해 제1 광원(410) 방향으로 반사되어 손실된다. 본 발명의 다른 실시형태에서, 제1 광원(410)은 파장 변환 장치(440)로 경사지게 입사할 수도 있으며 이러한 경우 반사경(420)을 설치할 필요가 없다.
형광 분말에 의해 발생한 자극광은 램버시안 분포를 이루고, 레이저 광은 가우스 분포를 이루므로, 종래의 파장 변환 장치에서 레이저 여기광은 고반사층에 의한 미러 반사를 거친 후 여전히 가우스 분포를 이룬다. 형광 분말층이 레이저 여기광에 대해 일정한 산란 작용을 한다고 해도 형광 분말층의 산란 작용은, 자극광과 동일한 램버시안 분포를 이루도록 레이저 여기광을 산란시키기에는 불충분하다. 따라서 파장 변환 장치의 출사광 중 레이저 여기광과 자극광은 균일하게 혼합되지 않는다. 그러나 본 실시예에 따른 파장 변환 장치는 난반사층의 존재로 인해, 흡수되지 않은 부분의 레이저 여기광은 난반사 기재에 의해 산란되어 램버시안 분포를 이루므로, 상기 레이저 여기광과 자극광은 균일하게 혼합된다.
또한, 발광 장치 중 합광 장치(420)는 비아홀을 구비한 반사경일 수도 있다. 이때 레이저 광은 파장 변환 장치에 수직되게 입사하도록 설정되어, 레이저 여기광이 비아홀을 통과하여 파장 변환 장치로 입사하도록 한다. 그리고 파장 변환 장치의 출사광 중 대부분은 반사경의 비아홀의 주변 영역에 의해 반사되어 이용되고, 소량은 비아홀을 투과해 제1 광원으로 들어가 손실된다.
본 실시예에 따른 발광 장치는 백색광 광원에 이용될 수 있다. 예를 들어, 여기광은 남색 레이저 광이고, 파장 변환 장치는 황색광 형광 분말을 구비하고, 남색 레이저 광은 황색광 형광 분말을 여기하여 황색광을 발생시키며, 황색광과 나머지 남색광은 모두 램버시안 분포를 이루므로, 혼합되어 균일한 백색광을 형성할 수 있다. 물론, 레이저 광원과 파장 변환 재료는 모두 필요에 따라 설계할 수 있으며, 상기 예시에 한정되지 않는다.
황색광 중 적색광 파장대의 비율은 일반적으로 낮으므로, 프로젝션 표시에 바로 이용하면 프로젝션 화면의 적색광 성분의 휘도 비율이 낮고 표시 효과가 저하된다. 따라서 프로젝션 시스템의 화질을 향상하기 위해 도 4의 실시예에 따른 발광 장치에 적색광을 추가할 수 있다. 도 5는 본 발명에 따른 발광 장치의 또 다른 실시예의 구성 개략도이다. 도 5와 같이, 발광 장치는 제1 광원(510), 제2 광원(520), 필터(530), 합광 장치, 수렴 렌즈(560), 파장 변환 장치(560)를 포함한다.
제1 광원(510)은 제1 컬러 광(L1)을 방출할 수 있다. 구체적으로, 제1 광원은 남색 레이저 광원이고, 제1 컬러 광(L1)은 남색 레이저 광이다. 제2 광원(520)은 제2 컬러 광(L2)을 방출할 수 있다. 구체적으로, 제2 광원(520)은 적색 레이저 광원이고, 제2 컬러 광(L2)은 적색 레이저 광이다.
합광 장치는 제1 영역과 제1 영역 주변을 둘러싼 제2 영역을 포함한다. 본 실시예에서 제1 영역은 구체적으로 반사경(540)이고, 제2 영역은 반사경 주변을 둘러싼 영역이다(미도시).
제1 컬러 광(L1)과 제2 컬러 광(L2)은 필터(530)를 거쳐 동일한 광 경로를 따르도록 병합된 후 반사경(540)(즉 합광 장치의 제1 영역)으로 입사한다. 여기서 필터(530)는 제1 컬러 광(L1)과 제2 컬러 광(L2)의 파장이 서로 다름을 이용하여 합광하며, 적색광을 투과시키고 남색광을 반사시킬 수 있다. 물론, 제1 컬러 광(L1)과 제2 컬러 광(L2)은 다른 방식으로 합광할 수도 있다. 예를 들어 필터(530)를 편광 시트로 대체하고, 제1 컬러 광(L1)과 제2 컬러 광(L2)의 편광 상태가 서로 다르도록 설치하면, 편광 시트에 의해 각각 반사 및 투과될 수 있다. 나아가, 발광 장치는 상기 필터(530) 및 합광 장치를 설치하지 않고, 제1 컬러 광(L1)과 제2 컬러 광(L2)이 바로 서로 다른 각도로 파장 변환 장치(560)의 제1 면(561)으로 경사지게 입사하도록 할 수도 있다.
제1 컬러 광(L1)과 제2 컬러 광(L2)의 혼합광(L3)은 반사경(540)에 의해 파장 변환 장치(560)의 제1 면(561)으로 반사된다. 파장 변환 장치(560)는 황색광 형광 분말을 포함하며, 제1 컬러 광(L1) 중 일부를 흡수하여 황색광으로서의 자극광으로 변환시키고, 흡수되지 않은 제1 컬러 광(L1)은 난반사한 후 자극광과 함께 제1 면(561)으로부터 방출할 수 있다. 파장 변환 장치(560)는 제2 컬러 광을 흡수할 수 없으며, 제2 컬러 광을 난반사한 후 역시 제1 면(561)으로부터 방출한다.
파장 변환 장치(560)의 출사광(L4)도 수렴 렌즈(550)에 의해 조준된 후, 대부분은 반사경(540)의 주변 영역(즉 합광 장치의 제2 영역)을 관통하고, 소량은 반사경(540)(합광 장치의 제1 영역)에 의해 반사되어 손실되며, 발광 장치는 비교적 고르게 혼합된 백색광을 얻는다.
본 실시예에서, 적색 레이저 광은 파장 변환 장치의 파장 변환층을 경유할 때 황색 형광 분말에 의해 흡수되지 않으며, 소량은 형광 분말에 의해 산란된 후 파장 변환 장치의 제1 면으로부터 방출되고, 절대 대부분은 난반사 기재로 입사하여 난반사된 후 그 역시 결국은 파장 변환 장치의 제1 면으로부터 방출된다. 제1 면으로부터 방출된 적색 레이저 광은 가우스 분포로부터 램버시안 분포로 변환되며, 고반사층에 의해 반사된 적색 레이저 광의 가우스 분포에 근사한 광 분포에 비해, 상기 적색 레이저 광의 광 분포는 자극광의 광 분포에 더욱 근접하며 양자는 더욱 균일하게 혼합된다.
설명해야 할 것은, 본 실시예에서 발광 장치는 남색광, 황색광 및 적색광이 혼합된 백색광을 방출한다. 그리고 발광 장치가 황색광을 방출해야 하는 경우, 남색 레이저 광을 파장 변환 장치에 의해 실질적으로 전부 흡수되도록 설정할 수 있으며, 또는 합광 장치의 제2 영역을 필터로 하고, 필터를 이용하여 자극광과 제2 컬러 광을 투과시키고 제1 컬러 광을 반사해도 된다.
본 실시예에서, 반사경(540)은 제1 컬러 광과 제2 컬러 광을 반사할 수 있으나, 이와 동시에 자극광도 반사하므로 이 부분의 자극광이 손실된다. 자극광의 방출 효율을 향상하기 위해, 반사경 대신 자극광을 투과시키고 제1 컬러 광과 제2 컬러 광을 반사하는 필터를 이용할 수 있다.
또한, 합광 장치는 비아홀을 구비한 필터일 수도 있으며, 비아홀은 합광 장치의 제1 영역으로서, 제1 컬러 광과 제2 컬러 광 및 자극광을 투과시킬 수 있으며, 필터의 비아홀 이외의 영역은 제2 영역으로서, 자극광, 제1 컬러 광 및 제2 컬러 광을 반사할 수 있다. 이때 제1 컬러 광과 제2 컬러 광은 비아홀로부터 파장 변환 장치로 입사한다. 자극광의 이용 효율을 향상하기 위해, 비아홀은 필터를 커버할 수 있으며, 상기 필터는 제1 컬러 광과 제2 컬러 광을 투과시키고 자극광을 반사할 수 있다. 광 방출시 제1 컬러 광의 방출을 필요로 하지 않는 경우에는 제2 영역을 설치하여 자극광과 제2 컬러 광을 반사하고 제1 컬러 광을 투과시킬 수도 있다.
사실상, 도 5에 따른 발광 장치는, 발광 장치에 추가해야 할 적색광의 비율이 작은 경우에는, 먼저 적색광과 남색 레이저 광에 대해 파장에 의한 합광을 수행하지 않아도 되며, 기타 합광 방식을 이용함으로써 공간을 절약할 수 있다. 도 6은 본 발명에 따른 발광 장치의 또 다른 실시예의 구성 개략도이다. 도 6과 같이, 발광 장치는 제1 광원(610), 제2 광원(620), 합광 장치(630), 수렴 렌즈(640), 파장 변환 장치(650)를 포함한다.
본 실시예에 따른 발광 장치는 도 5에 따른 발광 장치와 아래와 같은 점에서 서로 다르다.
(1) 제1 광원(610)은 남색 레이저 광원이고, 제2 광원(620)은 적색 레이저 광원이며, 제1 광원(610)은 제2 광원(620)의 외곽을 둘러싸면서 배열된다. 제1 광원(610)이 방출한 제1 컬러 광(L1)은 남색 레이저 광이고, 제2 광원(620)이 방출한 제2 컬러 광(L2)은 적색 레이저 광이다.
(2) 제1 광원(610)와 제2 광원(620)의 배열 방식과 대응되도록, 발광 장치의 합광 장치(630)는 적층 형성된 반사 소자(632)와 필터(631)를 포함하고, 반사 소자(632)는 필터(631)에 있어서 파장 변환 장치(650)에 가까운 표면의 중간 위치에 배치된다. 반사 소자(632)는 제1 영역이며, 필터(631)에 있어서 반사 소자(632)에 의해 커버되지 않은 영역은 제2 영역이다. 필터(631)는 남색광을 반사하고 황색광과 적색광을 투과시킬 수 있다. 제2 컬러 광(L2)은 반사 소자(632)로 입사한 후 반사 소자(632)에 의해 반사된다. 추가가 필요한 적색광이 적으므로, 적색 레이저 광원에 포함된 레이저 다이오드의 수는 상대적으로 적고, 반사 소자(632)의 면적은 필터(631)보다 훨씬 작을 수 있다. 제1 컬러 광(L1)은 필터(631)에 있어서 반사 소자(632)에 의해 커버되지 않은 영역인 제2 영역으로 입사하여 필터(631)에 의해 반사된다. 제1 컬러 광(L1)과 제2 컬러 광(L2)은 모두 합광 장치(630)에 의해 수렴 렌즈(640)로 반사된 후 파장 변환 장치(650)의 제1 면(651)으로 집속된다.
도 5에 따른 실시예에서와 유사하게, 남색 레이저 광(L1)은 파장 변환 장치(650)에 의해 램버시안 분포를 가진 황색 자극광으로 변환되며, 적색 레이저광(L2)은 파장 변환 장치(650)에 의해 난반사되어 램버시안 분포를 이룬다. 또한 황색 자극광과 적색 레이저 광은 제1 면(651)으로부터 방출되어 균일한 혼합광(L3)을 형성한다. 파장 변환 장치의 기판에 고반사층이 형성되고 난반사층이 형성되지 않은 경우에 비해, 본 실시예에 따른 파장 변환 장치(650)는 더욱 균일한 혼합광(L3)을 방출한다. 그리고 상기 혼합광(L3)의 대부분은 합광 장치의 필터(631)에 있어서 반사 소자(632)에 의해 커버되지 않은 영역으로부터 투과되고, 소량은 반사 소자(632)에 의해 반사되어 손실된다.
여기서 합광 장치(630)의 반사 소자(632)는 적색광을 반사하고 황색광을 투과시키는 필터에 의해 대체될 수 있으며, 이로써 황색 자극광의 이용률을 향상할 수 있다. 상기 필터는 또한 필요에 따라 미흡수 제1 컬러 광을 투과 또는 반사하도록 설계할 수도 있다. 또한, 합광 장치(630)는 대역 코팅(zone coated) 형태를 이용하여 구현할 수도 있으나, 본 실시예에서의 두 개의 소자가 적층 형성된(예를 들어 광 접착제를 이용하여 접착) 경우에 비해 공정이 더 복잡하고 가격이 더 높다.
물론 쉽게 이해할 수 있듯이, 본 실시예의 합광 장치(632)는 비아홀을 구비한 필터에 의해 대체될 수도 있으며, 이때 비아홀은 제1 영역으로서 제1 컬러 광(남색광), 제2 컬러 광(적색광) 및 황색 자극광을 투과시키고, 상기 필터에 있어서 비아홀 이외의 영역은 제2 영역으로서 남색광을 투과시키고 적색광과 황색광을 반사할 수 있다. 이때, 제1 컬러 광과 제2 컬러 광은 파장 변환 장치에 수직으로 입사하도록 설정되며, 제2 컬러 광은 비아홀을 투과하여 파장 변환 장치로 입사하고, 제1 컬러 광은 제2 영역을 투과하여 파장 변환 장치로 입사하도록 한다. 파장 변환 장치의 출사광의 대부분은 필터 비아홀 주변 영역에 의해 반사되어 이용되며, 소량은 비아홀을 투과하여 손실된다. 이와 유사하게, 비아홀 영역에 필터를 설치할 수 있으며, 상기 필터는 제2 컬러 광을 투과시키고 황색 자극광을 반사하여 자극광의 이용률을 향상할 수 있다. 상기 필터는 또한 필요에 따라 미흡수 제1 컬러 광을 투과 또는 반사하도록 설계할 수도 있다.
설명해야 할 것은, 도 5에 따른 실시예의 발광 장치에 비해, 본 실시예는 파장 변환 장치(650)로부터 미흡수 남색광이 방출되더라도 합광 장치(630)를 투과하여 방출되지 않으므로, 발광 장치로부터 방출되는 것은 황색광이다. 백색광을 방출하기 위해, 발광 장치는 제1 광원(610)의 파장과 서로 다른 파장의 남색광 광원(미도시)을 설치하여 황색광과 합광할 수도 있다. 예를 들어 남색광 광원을 제1 광원(610) 및 제2 광원(620)과 대향하는 측에 설치하여, 남색광 광원의 출사광이 제1 컬러 광(L1)과 제2 컬러 광(L2)의 입사 방향과 반대되는 방향으로 분광 장치의 필터(631)로 입사하도록 할 수 있다. 상기 필터(631)는 남색광 광원이 방출한 광과 제1 광원이 방출한 남색광을 반사하고 적색광과 황색 자극광을 투과시키는 광학적 성질을 가짐으로써, 황색 자극광, 미흡수 적색광 및 남색광 광원의 출사광을 병합하여 동일한 광 경로를 따라 방출한다.
본 명세서에 기재한 각 실시예는 점진적 방식으로 설명되었으며, 각 실시예의 요점은 모두 그밖의 다른 실시예와 상이한 점이며, 각 실시예 사이의 동일 유사한 부분은 서로 참조하면 된다.
본 발명의 실시예는 발광 장치를 포함한 프로젝션 시스템을 더 제공하며, 상기 발광 장치는 상술한 각 실시예에 따른 구성과 기능을 가질 수 있다. 상기 프로젝션 시스템은 다양한 프로젝션 기술, 예를 들어 액정디스플레이(LCD, Liquid Crystal Display) 프로젝션 기술, 디지털 광 경로 프로세서(DLP, Digital Light Processor) 프로젝션 기술을 이용할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시형태는 본 발명의 특허 범위를 한정하기 위한 것이 아니며, 본 발명의 명세서 및 도면의 내용을 이용하여 진행한 등가적 구성 또는 등가적 프로세스 변경, 또는 기타 관련 기술 분야에 직간접적으로 적용한 것은 모두 본 발명의 특허 보호 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 파장 변환 장치에 있어서,
    파장 변환층 및 상기 파장 변환층과 적층 형성된 난반사 기재를 포함하며,
    상기 파장 변환층은 서로 대향하는 제1 면과 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면은 여기광을 수광하기 위한 것이고, 상기 파장 변환층은 상기 여기광을 수광하여 자극광을 발생시키고, 상기 자극광 또는 상기 자극광과 여기광의 혼합광을 상기 제1 면과 제2 면으로부터 방출하는데 이용되고,
    상기 난반사 기재는 백색의 다공성 세라믹 또는 백색의 산란 재료와 유리 재료의 소결체를 포함하고, 상기 백색의 산란 재료는 염 또는 산화물이며, 상기 백색의 다공성 세라믹과 백색의 산란 재료는 입사광을 산란시키는데 이용되고, 상기 난반사 기재는 제2 면과 대향하는 제3 면을 포함하며, 상기 난반사 기재는 상기 제3 면의 입사광의 적어도 일부를 산란시킨 후 전부를 상기 제3 면으로부터 상기 제2 면으로 방출하는 것을 특징으로 하는 파장 변환 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 파장 변환 장치는 구동 장치를 더 포함하며, 상기 구동 장치는 상기 파장 변환층과 난반사 기재를 구동하여 운동시킴으로써 상기 여기광이 상기 파장 변환층에 입사하여 형성된 광반이 소정 경로를 따라 상기 파장 변환층에 작용하도록 하는 것을 특징으로 하는 파장 변환 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 난반사 기재는 백색의 다공성 세라믹판을 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 변환 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 백색의 다공성 세라믹판의 기공 직경은 1μm 이하인 것을 특징으로 하는 파장 변환 장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 난반사 기재는 금속판을 더 포함하며, 상기 금속판은 상기 백색의 다공성 세라믹판에 있어서 상기 파장 변환층의 반대측 표면에 위치하고 상기 표면에 밀착된 것을 특징으로 하는 파장 변환 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 난반사 기재는 적층 형성된 난반사층과 기판을 포함하며, 상기 난반사층은 백색의 산란 재료와 유리 재료의 소결체를 포함하고, 상기 기판과 파장 변환층 사이에 위치하며, 상기 기판에 고정되고, 상기 난반사층에 있어서 상기 파장 변환층을 마주한 표면은 상기 난반사 기재의 제3 면이며, 상기 난반사층은 상기 제3 면의 입사광을 모두 산란시키고, 산란된 광을 모두 상기 제3 면으로부터 방출하는 것을 특징으로 하는 파장 변환 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 난반사 기재는 적층 형성된 난반사층과 기판을 포함하고,
    상기 난반사층은 백색의 산란 재료와 유리 재료의 소결체를 포함하고, 상기 기판과 파장 변환층 사이에 위치하고, 상기 기판에 고정되며, 상기 난반사층에 있어서 상기 파장 변환층에 가까운 표면은 상기 난반사 기재의 제3 면이고, 상기 난반사층에 있어서 상기 제3 면과 대향하는 표면은 제4 면이며, 상기 난반사층은 상기 제3 면의 입사광 중 일부를 산란시키고 산란된 광을 상기 제3 면과 제4 면으로부터 방출하며 상기 제3 면의 입사광 중 나머지 부분을 상기 제4 면으로부터 투과시키기 위한 것이며,
    상기 기판은 미러 반사판이며, 상기 미러 반사판은 상기 난반사층의 제4 면으로부터 상기 미러 반사판으로 입사한 광을 상기 제4 면으로 반사시키는 것을 특징으로 하는 파장 변환 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 미러 반사판의 반사율은 R이고, 상기 난반사층은 상기 제3 면의 입사광 중 일부를 산란시키고 산란된 광을 상기 제3 면과 제4 면으로부터 방출하기 위한 것이며, 산란된 후 상기 제3 면으로부터 방출된 광이 상기 제3 면의 입사광에서 차지하는 비율은 P이며, (1-R)(1-P)≤10%이며, 여기서 R ≥ 50%인 것을 특징으로 하는 파장 변환 장치.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서
    상기 파장 변환층은 제1 유리 재료와 파장 변환 재료를 포함하고, 상기 난반사층은 제2 유리 재료와 백색의 산란 재료를 포함하며, 상기 제1 유리 재료의 용융점은 상기 제2 유리 재료의 용융점보다 낮은 것을 특징으로 하는 파장 변환 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 파장 변환층은 파장 변환 재료와 무기 접착제를 포함하고, 상기 무기 접착제는 상기 파장 변환 재료를 일체로 접착하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 파장 변환 장치.
  11. 제1 광원 및 제1 항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 파장 변환 장치를 포함하고, 상기 파장 변환 장치의 제1 면이 수광하는 상기 여기광은 제1 광원으로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 광원은 레이저 광원이며, 상기 레이저 광원은 레이저 여기광을 상기 파장 변환 장치의 제1 면으로 방출하기 위한 것이며, 상기 파장 변환 장치는 상기 레이저 여기광을 수광하고 상기 레이저 여기광 중 일부를 자극광으로 변환시키고 미흡수 레이저 여기광을 난반사하기 위한 것이며, 상기 자극광과 상기 나머지 부분의 레이저 여기광은 상기 제1 면으로부터 방출되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 발광 장치는 제2 광원과 합광 장치를 더 포함하며,
    상기 제1 광원은 제1 컬러 광을 방출하기 위한 레이저 광원이고, 상기 제2 광원은 제2 컬러 광을 방출하기 위한 레이저 광원이며, 상기 제1 컬러 광은 여기광이며,
    상기 합광 장치는 제1 영역과 제1 영역의 주변을 둘러싼 제2 영역을 포함하며, 상기 제1 컬러 광과 제2 컬러 광은 동일 방향으로부터 상기 합광 장치의 제1 영역으로 입사하며,
    상기 제1 영역은 제1 컬러 광과 제2 컬러 광을 투과시키는 광학적 성질을 가지고, 상기 제2 영역은 상기 자극광과 제2 컬러 광을 반사하는 광학적 성질을 가지고, 상기 제1 컬러 광과 제2 컬러 광은 제1 영역에 의해 상기 파장 변환 장치의 제1 면으로 투사되거나, 또는,
    상기 제1 영역은 제1 컬러 광과 제2 컬러 광을 반사하는 광학적 성질을 가지고, 상기 제2 영역은 상기 자극광과 제2 컬러 광을 투과시키는 광학적 성질을 가지며, 상기 제1 컬러 광과 제2 컬러 광은 제1 영역에 의해 상기 파장 변환 장치의 제1 면으로 반사되며,
    상기 자극광 또는 자극광과 미흡수된 제1 컬러 광의 혼합광은 상기 제1 면으로부터 상기 합광 장치로 방출되며, 상기 파장 변환 장치는 상기 제2 컬러 광을 흡수하지 않고 상기 제2 컬러 광을 난반사한 후 상기 제1 면으로부터 상기 합광 장치로 방출하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  14. 제11 항에 있어서,
    발광 장치는 제2 광원과 합광 장치를 더 포함하며,
    상기 제1 광원은 상기 제2 광원의 주변을 둘러싸며, 상기 제1 광원은 제1 컬러 광을 방출하기 위한 것이고, 상기 제2 광원은 제2 컬러 광을 방출하기 위한 레이저 광원이며, 상기 제1 컬러 광은 여기광이며,
    상기 합광 장치는 제1 영역 및 상기 제1 영역의 주변을 둘러싼 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 컬러 광과 제2 컬러 광은 동일 방향으로부터 각각 상기 합광 장치의 제2 영역과 제1 영역으로 입사하며,
    상기 제1 영역은 제2 컬러 광을 반사하는 광학적 성질을 가지고, 상기 제2 영역은 제1 컬러 광을 반사하고 제2 컬러 광과 자극광을 투과시키는 광학적 성질을 가지며, 상기 제1 컬러 광과 제2 컬러 광은 각각 제2 영역과 제1 영역에 의해 상기 파장 변환 장치의 제1 면으로 반사되거나, 또는,
    상기 제1 영역은 제2 컬러 광을 투과시키는 광학적 성질을 가지고, 상기 제2 영역은 제1 컬러 광을 투과시키고 제2 컬러 광과 자극광을 반사하는 광학적 성질을 가지며, 상기 제1 컬러 광과 제2 컬러 광은 각각 제2 영역과 제1 영역에 의해 상기 파장 변환 장치의 제1 면으로 투과되며,
    상기 자극광 또는 자극광과 미흡수 제1 컬러 광의 혼합광은 상기 제1 면으로부터 상기 합광 장치로 방출되며, 상기 파장 변환 장치는 상기 제2 컬러 광을 흡수하지 않고 상기 제2 컬러 광을 난반사한 후 상기 제1 면으로부터 상기 합광 장치로 방출하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  15. 제11 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 따른 발광 장치를 포함한 것을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.

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