KR20180054607A - 온도 측정 수단을 포함하는 마이크로 와이어 또는 나노 와이어 led 광원 - Google Patents

온도 측정 수단을 포함하는 마이크로 와이어 또는 나노 와이어 led 광원 Download PDF

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KR20180054607A
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로타어 세이프
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발레오 비젼
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Abstract

본 발명은, 기판으로부터 돌출하며 복수의 동일한 그룹으로 나누어진 서브 밀리미터 크기의 발광 로드들을 포함하는 전계발광 광원을 제안한다. 광원은 발광 로드의 온도를 측정하는 수단을 통합한다. 본 발명을 이용하여 로드의 온도를 정확하고 국부적으로 측정할 수 있다.

Description

온도 측정 수단을 포함하는 마이크로 와이어 또는 나노 와이어 LED 광원
본 발명은 조명 및 광 신호 분야에 관한 것으로, 구체적으로는 차량용 조명 및 광 신호 분야에 관한 것이다.
차량용 조명 및 광 신호 분야에서, 예를 들어 발광 다이오드(LED)와 같은 발광 반도체 소자를 기반으로 하는 광원을 사용하는 것이 점점 더 보편화되고 있다. LED 소자는 적어도 임계 값과 동일한 값을 갖는 전압(직류 전압이라고도 함)이 단자에 인가될 때 광선을 방출한다.
공지된 방식에서, 차량용 조명 모듈의 하나 이상의 LED는 컨버터 회로를 포함하는 전력 공급 제어 수단을 통해 전력을 공급받는다. 전력 공급 제어 수단은, 예컨대 배터리와 같은 자동차의 전류원에 의해 전달되는 제1 크기의 전류를 제1 크기와 다른 제2 크기의 부하 전류로 변환하도록 구성된다.
LED의 동작은 pn 접합부의 온도에 의존한다. 이 온도가 임계 온도를 초과하면, LED 소자를 영구적으로 손상시킬 위험이 있다. LED에 의해 방출되는 광의 색과 그 강도 또한 접합 온도(junction temperature)에 의존한다. 일반적으로, 접합 온도는 접합부를 통과하는 전류의 크기와 조명 모듈의 주변 온도에 의존한다. 원하는 발광을 관리하고 LED 소자의 수명을 보장할 수 있도록, 하나 이상의 LED의 온도를 나타내는 온도 측정 수단을 사용하는 것이 알려져 있다. 이 정보는 그 후에 LED에 대한 전력 공급을 제어하는 회로에 의해 사용된다. 인쇄 회로 기판(PCB)에 이식된 칩 형태의 LED의 경우, 서미스터(thermistor)와 같이 온도에 따라 저항이 달라지는 SMD(surface-mounted device) 온도 수단이 사용된다. 서미스터의 단자 양단의 전압 강하를 측정함으로써 서미스터의 온도를 추론할 수 있다. 서미스터가 PCB 상의 LED에 근접하여 위치할 경우, 측정된 온도는 해당 LED의 접합 온도의 근사치인 것으로 결론 내릴 수 있다. 접합부의 실제 온도는 이 방법을 사용하여 측정할 수 없다. 무엇보다도 전자 부품의 공간에 제약이 있는 차량용 조명 모듈 분야에서는 공간 부족으로 인해 PCB 상에 복수의 LED가 존재하더라도 일반적으로 제한된 수의 서미스터가 사용된다. 그 결과, 개별 LED의 온도 근사치의 품질이 떨어질 수 밖에 없다.
본 발명의 하나의 목적은 전술한 문제점을 극복하는 해결책을 제안하는 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 목적들 중 하나는 통합된 온도 측정 수단을 갖는 마이크로 와이어 또는 나노 와이어 LED 광원을 제안하는 것이다.
본 발명의 하나의 주제는 제1 기판 및 기판으로부터 돌출하는 서브 밀리미터 크기의 복수의 발광 로드(light-emitting rod)를 포함하는 전계발광(electroluminescent) 광원이다. 이 광원은 발광 로드의 온도를 측정하는 수단을 포함한다는 점에서 주목할 만하다.
로드는 바람직하게는 행렬로 배열될 수 있다. 이 행렬은 바람직하게는 규칙적일 수 있으며, 따라서 주어진 구성의 2개의 연속하는 로드 사이에 일정한 간격이 있거나 또는 로드가 퀸컹스(quincunx)로 배열된다.
로드의 높이는 바람직하게는 1 내지 10 마이크로미터일 수 있다.
종단면(end face)의 최대 치수는 바람직하게는 2 마이크로미터보다 작을 수 있다.
2개의 인접 로드의 최소 분리 거리는 10 마이크로미터가 바람직할 수 있다.
광원의 조명 면의 면적은 바람직하게는 8㎟ 이하일 수 있다.
복수의 발광 로드에 의해 달성되는 휘도는, 예를 들어 60 Cd/㎟ 이상일 수 있다.
온도 측정 수단은 바람직하게는 발광 로드의 온도를 직접 측정하는 수단일 수 있다.
제1 기판은 바람직하게는 실리콘을 포함할 수 있다. 제1 기판은 실리콘으로 제조하는 것이 유리하다.
온도 측정 수단은 바람직하게는 제2 기판 상에 배치될 수 있으며, 제2 기판은 제1 기판의 로드가 돌출하는 면의 반대쪽 면에 부착된다.
제1 및 제2 기판, 발광 로드 및 측정 수단은 바람직하게는 단일의 구성 요소를 형성하도록 하나의 동일한 하우징 내에 캡슐화될 수 있다.
제2 기판은 실리콘을 포함하는 것이 바람직하다. 제2 기판은 실리콘으로 제조하는 것이 유리하다.
2개의 기판은 바람직하게는 금-주석 땜납을 통해 부착될 수 있다.
온도 측정 수단은 바람직하게는 제1 기판에 통합될 수 있다.
온도 측정 수단은 바람직하게는 로드들 사이에 배치될 수 있다.
발광 로드는 바람직하게는 복수의 그룹으로 분산될 수 있으며, 각 그룹의 로드는 특정 광을 방출할 수 있고, 광원은 그룹 각각에 온도 측정 수단을 포함한다.
광원은, 바람직하게는 각 그룹의 온도 측정에 기초하여 다른 그룹과 독립적으로 각 그룹을 제어할 수 있는 제어 수단을 포함할 수 있다.
각각의 그룹은 바람직하게는 특정 강도의 광을 방출할 수 있다. 각 그룹은 특정 색상의 광을 방출할 수 있다.
온도 측정 수단은 바람직하게는 바이폴라 다이오드를 포함할 수 있다.
온도 측정 수단은, 바람직하게는 특정 전류의 영향 하에서 바이폴라 다이오드의 직류 전압의 변화를 측정한 것을 기반으로 하여 동작하며 트랜지스터 및/또는 전류 생성기의 배열을 포함하는 전자 회로를 포함할 수 있다. 이 전자 회로는 바람직하게는 광원의 기판에 직접 이식될 수 있다. 이 회로는 바람직하게는 광원과 공동으로 전력을 공급받을 수 있으며, 따라서 전용 전류 소스에 추가적으로 연결될 필요가 없다.
온도 측정 수단은 바람직하게는 광원의 발광 로드의 그룹을 포함할 수 있다.
이 로드 그룹은 바람직하게는 주기보다 짧은 기간 동안 특정 전류에 의해 전력을 공급받고 이 주기의 나머지 기간 동안에는 주어진 전류에 의해 전력을 공급받을 수 있어 조명 기능에 기여할 수 있다.
온도 측정 수단은 바람직하게는 전자 측정 회로를 포함할 수 있다. 측정 회로는 바람직하게는 광원의 제1 기판에 통합될 수 있다.
본 발명의 다른 주제는 광선을 방출할 수 있는 적어도 하나의 광원과, 광선을 수용할 수 있고 광 빔을 생성할 수 있는 광학 장치를 포함하는 조명 모듈이다. 이 모듈은 광원(들)이 본 발명에 따른 점에서 주목할 만하다.
본 발명은 전계발광 나노 와이어 또는 마이크로 와이어 광원의 온도를 나타내는 측정치를 얻는 것을 가능하게 한다는 점에서 유리하며, 이들 와이어는 발광 로드로도 기술된다. 온도 수단이 광원의 기판 상에 직접 이식되거나 부착되므로, 측정된 온도는 로드의 반도체 접합부의 유효 온도를 잘 나타낸다. 하나의 바람직한 실시예에 따르면, 복수의 온도 측정 수단이 광원의 기판상의 특정 위치에 이식될 수 있어서, 광원 및/또는 광원의 다양한 로드 그룹의 견고한 관리를 가능하게 한다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은, 상세한 설명 및 도면을 참고하면 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 구현된 광원을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광원의 개략적인 평면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광원의 개략적인 평면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광원의 개략적인 측 단면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광원의 개략적인 측 단면도이다.
다음의 설명에서, 유사한 참조 번호는 일반적으로 본 발명의 다양한 실시예에 걸쳐 유사한 개념을 설명하기 위해 사용될 것이다. 따라서, 도면부호 001, 101, 201, 301, 401은 본 발명에 따른 다양한 실시예의 광원을 나타낸다.
달리 명시하지 않는 한, 하나의 주어진 실시예에 대해 상세하게 기술된 기술적인 특징은 비 제한적인 예로서 설명된 다른 실시예의 문맥으로 기술된 기술적인 특징과 결합될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계발광 광원(001)을 도시한 것이다. 도 1은 광원의 기본 원리를 보여준다. 광원(001)은 기판(010)을 포함하며, 이 기판 상에는 기판으로부터 돌출된 와이어 또는 로드(020)의 형태의 일련의 발광 다이오드가 배치된다. 각 로드(020)의 코어(022)는 n형 반도체 재료로 형성되는데, 즉 전자로 도핑되며, 반면에 외피(024)는 p형 반도체 재료로 형성되는데, 즉 정공(hole)으로 도핑된다. 재결합 영역(026)은 n형 반도체 재료와 p형 반도체 재료 사이에 제공된다. 그러나, 특히 선택된 기술에 따라, 반도체 재료를 반대로 하는 것도 가능하다.
기판은 바람직하게는 실리콘으로 제조되고, 로드는 1 미크론보다 작은 직경을 갖는다. 변형예로서, 기판은 정공으로 도핑된 반도체 재료 층을 포함하고, 와이어는 100nm 내지 500nm의 직경을 갖는다. 다이오드를 형성하는 전자와 홀로 도핑된 반도체 재료는 바람직하게는 갈륨 니트라이드(GaN) 또는 갈륨-인듐 니트라이드(InGaN)일 수 있다. 로드의 높이는 전형적으로 1 내지 10 마이크로미터이며, 종단면의 최대 치수는 2 마이크로미터보다 작다. 바람직한 일 실시예에 따르면, 로드는 규칙적인 배열로 행렬 형태로 배열된다. 두 로드 사이의 거리는 일정하며 적어도 10 마이크로미터이다. 로드는 퀸컹스로 배열될 수 있다. 이러한 광원의 조명면의 면적은 최대 8㎟이다. 광원은 적어도 60 Cd/㎟의 휘도를 생성할 수 있다.
도 1을 참조하면, 기판(010)은 바람직하게는 실리콘으로 제조된 메인 층(030), 로드(020) 반대쪽 메인 층의 표면 상에 배치된 제1 전극 또는 캐소드(040), 및 다이오드(020)를 포함하는 면 상에 배치된 제2 전극 또는 애노드(050)를 포함한다. 애노드(050)는, 다이오드(020)의 외피(024)를 형성하며 외피(024)와 애노드(050) 사이에 도전 층을 형성하도록 기판(010)의 대응 면 상에서 연장되는 p형 반도체 재료와 접촉한다. 로드의 코어 또는 중심(022)은 부분적으로 메인 반도체 층(030)과 접촉하고 또한 캐소드(040)와 전기적으로 접촉한다.
양극과 음극 사이에 전압이 인가되면, n형 반도체 재료의 전자는 p형 반도체 재료의 정공과 재결합하며 광자를 방출한다. 재결합의 대부분은 방사성이다. 다이오드의 방출 면은 p 영역인데, 이는 최고의 방사성 영역이기 때문이다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 광원(001)은 상이한 애노드에 연결된 복수의 발광 로드 그룹을 포함한다. 따라서 각 그룹은 다른 그룹과 독립적으로 전력을 공급받을 수 있다. 각 그룹의 다이오드 또는 로드는 바람직하게는 모두 동일한 유형, 즉 동일한 스펙트럼으로 방사하며 공통의 강도로 방사한다. 이들 그룹은 바람직하게는 동일하며, 공통의 직류 전압을 보여준다. 따라서, 각 그룹은 실질적으로 동일한 수의 반도체 와이어를 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명의 원리에 따르면, 온도 측정 수단은 광원(001)에 통합된다.
이러한 통합은 도 2 내지 5의 바람직한 실시예에서 볼 수 있다. 도 2는 기판(110) 및 기판으로부터 돌출된 와이어 형태의 복수의 발광 로드(120)를 포함하는 전계발광 광원(101)을 보여준다. 광원은 또한 로드의 온도를 측정하는 수단(130)을 포함한다. 기판(110)은 바람직하게는 실리콘으로 형성되며, 이에 따라 온도 측정 수단(130)을 기판(110)에 직접 집적할 수 있다. 측정 수단(130)을 다이오드(120)의 중간에 직접 이식함으로써 온도 측정 지점을 온도 측정이 필요한 반도체 접합부에 물리적으로 매우 가깝게 할 수 있다. 이러한 광원으로의 통합은 공지된 해결책과 비교하여 온도 측정 수단을 배치하는데 필요한 공간을 제한하는 것을 가능하게 한다. 측정 수단은 바람직하게는 바이폴라 다이오드를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 트랜지스터 및/또는 전류 생성기의 배열을 포함하는 특정 전류의 영향 하에 바이폴라 다이오드의 직류 전압의 변화를 측정하는 동작을 기반으로 하는 이러한 전자 회로는, 광원의 기판(110)에 직접 이식될 수 있다. 이 회로는 광원(101)과 함께 전력이 공급되므로, 전용 전류 소스에 대한 추가적인 연결이 필요하지 않다. 전용 바이폴라 다이오드를 사용하는 것에 대한 대안으로서, 광원(110)의 로드(120) 중 하나의 그룹이 온도의 측정치를 얻는데 사용될 수 있다. 이 경우, 해당 그룹은 특정 전류에 의해 전력이 공급된다. 바람직하게는, 로드 그룹(120)은 주기보다 짧은 기간 동안에 특정 전류에 의해 전력이 공급되고 이 주기의 나머지 기간 동안에는 주어진 전류에 의해 주기적으로 전력이 공급되어 조명 기능에 기여한다.
도 3의 실시예는 도 2의 특징을 포함한다. 전계발광 광원(201)은 기판(210)과 기판으로부터 돌출하는 복수의 발광 로드(220)를 포함한다. 이 실시예에서,로드(220)는 3개의 개별적인 그룹(222, 224, 226)으로 나누어진다. 물론 주어진 광원에 대해 목적하는 용도에 따라 더 많은 수의 그룹이 제공될 수 있다. 그룹은 스트립의 형태로 도시되어 있지만, 그 기하학적 구조는 임의적일 수 있다. 각 그룹은 유사한 특징을 갖는 발광 로드(220)를 포함하며 독립적으로 전력을 공급받을 수 있어, 각 그룹은 특정한 강도 및/또는 컬러를 갖는 광을 방출할 수 있다. 광원은 그룹들(222, 224, 226)마다 다이오드의 온도를 측정하기 위한 수단(230)을 더 포함한다. 기판(210)은 바람직하게는 실리콘으로 형성되며, 따라서 온도 측정 수단(230)을 기판(210)에 직접 집적시킬 수 있다.
도 4의 실시예에서, 전계발광 광원(301)은 제1 기판(310)과 기판으로부터 돌출하는 복수의 발광 로드(320)를 포함한다. 이 실시예에서, 로드의 온도를 측정하기 위한 수단은, 두 기판 사이의 양호한 열적 연결을 보장하기 위해, 제1 기판(310)에 부착된 제2 기판(340) 상에 이식된다. 2개의 기판은 예를 들어 금-주석 땜납을 통해 서로 부착된다. 제2 기판(340)은, 제1 기판(310)에서 다이오드(320)가 돌출하는 면의 반대쪽 면에 부착된다. 온도 측정 수단(330)의 위치는 로드(320)의 온도를 대표하는 측정치를 얻을 수 있도록 선택된다. 이 조립에 의한 컴포넌트는 '멀티 칩 패키지' 타입이며, 제2 기판은 광원의 주 기능, 즉 광선의 방출에 대해 추가 기능, 즉 온도 측정 기능을 통합한다.
도 5의 실시예는 도 3의 특징을 포함한다. 전계발광 광원(401)은 기판(410)과 기판으로부터 돌출하는 복수의 발광 로드(420)를 포함한다. 이 실시예에서, 로드(420)는 3개의 개별적인 그룹(422, 424, 426)으로 나누어진다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 주어진 광원에 대해 목적하는 용도에 따라 더 많은 수의 그룹이 제공될 수 있다. 그룹은 스트립의 형태로 도시되어 있지만, 그 기하학적 구조는 임의적일 수 있다. 각 그룹은 유사한 특징을 갖는 로드(420)를 포함하며 독립적으로 전력을 공급받을 수 있어, 각 그룹은 특정한 강도 및/또는 컬러를 갖는 광을 방출할 수 있다. 광원은 그룹들(422, 424, 426)마다 로드의 온도를 측정하기 위한 수단(430)을 더 포함한다. 측정 수단(430)은 모든 측정 수단에 공통인 제2 기판(440) 상에 이식될 수 있다. 대안으로서, 측정 수단(430)마다 하나의 전용 기판을 제공하는 것이 가능하다. 기판(430)은 전술한 도 4의 실시예와 유사한 방식으로 제1 기판에 부착된다. 측정 수단(430)의 위치는 각 로드 그룹(422, 424, 426)에 대해 해당 로드를 대표하는 온도를 측정할 수 있도록 선택된다.

Claims (14)

  1. 반도체 광원(101, 201, 301, 401)으로서,
    제1 기판(110, 210, 310, 410)과,
    상기 기판으로부터 돌출하는 서브 밀리미터 크기(submillimetric size)의 복수의 발광 로드(120, 220, 320, 420)를 포함하되,
    상기 광원은 발광 로드의 온도를 측정하는 수단(130, 230, 330, 430)을 포함하는
    반도체 광원.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판은 실리콘을 포함하는
    반도체 광원.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 온도 측정 수단(330, 430)은 제2 기판(340, 440) 상에 배치되고, 상기 제2 기판은 상기 제1 기판의 상기 로드(320, 420)가 돌출하는 면의 반대쪽 면에 부착되는
    반도체 광원.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 기판은 실리콘을 포함하는
    반도체 광원.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 2개의 기판은 금-주석 땜납을 통해 부착되는
    반도체 광원.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 온도 측정 수단(130, 230)은 상기 제1 기판(110,210)에 집적되는
    반도체 광원.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 온도 측정 수단(130, 230)은 상기 로드(220) 사이에 배치되는
    반도체 광원.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로드(220, 420)는 복수의 그룹(222, 224, 226, 422, 424, 426)으로 나누어지고, 각 그룹의 로드는 특정 광을 방출할 수 있으며, 상기 광원은 상기 그룹들 각각에 대한 온도 측정 수단(230, 430)을 포함하는
    반도체 광원.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 그룹들 각각은 특정 강도 또는 특정 색상, 또는 특정 강도 및 특정 색상의 광을 방출할 수 있는
    반도체 광원.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 측정 수단(130, 230, 330, 430)은 바이폴라 다이오드를 포함하는
    반도체 광원.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 측정 수단(130, 230, 330, 430)은 상기 광원의 발광 로드의 그룹(120, 220, 320, 420)을 포함하는
    반도체 광원.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 측정 수단(130, 230, 330, 430)은 전자 측정 회로를 포함하는
    반도체 광원.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 측정 회로는 상기 광원의 상기 제1 기판(110, 210)에 집적되는
    반도체 광원.
  14. 조명 모듈로서,
    광선을 방출할 수 있는 적어도 하나의 광원(101, 201, 301, 401)과,
    상기 광선을 수용하고 광 빔을 생성할 수 있는 광학 장치를 포함하되,
    상기 광원은 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 청구된 광원인
    조명 모듈.
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