KR20190099026A

KR20190099026A - 고정된 광학기 및 가변 방출 패턴을 갖는 led 조명 모듈

Info

Publication number: KR20190099026A
Application number: KR1020197021036A
Authority: KR
Inventors: 제임스 엘 스토파; 토드 제이 스미스
Original assignee: 휄렌 엔지니어링 컴퍼니, 인코퍼레이티드
Priority date: 2016-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2019-08-23
Also published as: EP3555525A1; CA3047545A1; WO2018118955A1; MX2019007317A; CN110249177A; IL267272A; AU2017379823A1; JP2020502744A

Abstract

LED 조명 모듈은 단일 초점을 갖는 광학기와 조합하여 기판 상에 복수의 발광 다이를 갖는 LED 램프를 포함한다. 발광 다이는 광학 축을 중심으로 하는 단일 중심 발광 다이와, 중심 다이 주위에 배치된 주변 다이를 포함한다. 조명 모듈은 중심 다이의 광학 축 상에 초점을 갖는 LED 램프에 걸쳐 배치된 단일 초점을 갖는 빔 형성 광학기를 포함한다. 중심 다이로부터 방출된 광은 집속된 "스폿" 방출 패턴으로 광학기에 의해 실질적으로 시준된다. 주변 다이로부터 방출된 광은 더욱 분산되거나 발산되는 "플러드" 방출 패턴을 생성한다. 중심 다이 및 주변 다이는 독립적으로 제어되고, 다이에 전달되는 전력은 동일한 광학기를 사용하여 상이한 발광 패턴을 생성하도록 독립적으로 변화될 수 있다.

Description

고정된 광학기 및 가변 방출 패턴을 갖는 LED 조명 모듈

발광 다이오드(light emitting diode; LED)는 이제 다양한 조명, 경고 및 시그널링 디바이스를 위한 표준 광원이다. LED는 전력에 의해 작동될 때 미리 결정된 파장(색상)의 광을 방출하는 반도체 다이(또는 다이)를 포함한다. 발광 다이(light emitting die)는 통상적으로 다이를 전기 회로에 연결하기 위한 전기 전도성 접점이 제공된 열 전도성 지지대 상에 배치되고, 주 광학기(primary optic)를 포함할 수 있다. 발광 다이, 열 전도성 지지대, 전기 연결부(electrical connection) 및 주 광학기(존재하는 경우)의 조립체는 LED 램프로서 지칭될 수 있다. 다양한 색상과 광 생성 능력을 가진 LED 램프가 일반적으로 이용 가능하다. 어떤 경우에는, 몇몇 발광 다이가 공통의 열 전도성 지지대 상에 배치된다. 발광 다이는 색상이 동일하거나 상이할 수 있다. 일부 LED 램프는 공통 지지대 상의 각각의 색상에 대해 발광 다이를 가진 색상 디스플레이에 필요한 원색 혼합을 제공한다.

광은 발광 다이의 중심을 통과하는 광학 축을 둘러싸는 발산 패턴(divergent pattern)으로 방출하는 열 전도성 지지대로부터 멀리 떨어진 LED의 다이로부터 방사된다. LED의 다이로부터의 발광은 또한 다이를 통과하는 평면으로부터 방출되는 것으로 설명될 수 있으며, 광학 축은 평면에 수직이다. LED 램프는 다이로부터 방출된 광의 패턴을 수정하는 주 광학기를 포함할 수 있지만, 모든 LED 램프는 광이 열 전도성 지지대로부터 멀어지는 방향으로 방출되는 "지향성" 광원이다. LED 램프를 사용하는 조명 디바이스는 조명 디바이스의 목적에 적합한 상이한 발광 패턴을 생성하도록 설계된다. 광 형상화 구성 요소(light-shaping component)(렌즈 및/또는 반사기)의 구성은 부분적으로 램프의 발광 패턴에 의해 결정되고, 부분적으로 조명 디바이스의 원하는 방출 패턴에 의해 결정된다. 일반적인 조명 디바이스의 발광 패턴은 시준된 빔(collimated beam)(스폿(spot))과 고르게 분포된(플러드(flood)) 패턴을 포함한다. 부분적으로 시준된 빔 및 형상화된 발광 패턴은 또한 특정 목적으로 사용된다. 조명 디바이스는 원하는 발광 패턴을 생성하도록 하나 이상의 LED 램프의 발광 패턴을 수정하기 위한 렌즈 및/또는 반사기의 광학 조립체를 포함한다. 광학 조립체는 일반적으로 초점 및/또는 초점 축 주위에 구성되며, 초점 또는 초점 축으로부터 방출되는 광은 광학 조립체에 의해 정확하게 처리된다. 조립체의 초점 또는 축으로부터 오프셋된 위치에서 방출된 광은 설계된 방출 패턴과 상이한 방출 패턴으로 조립체로부터 방출된다. LED로부터 정확한 방출 패턴을 생성하기 위한 광학 조립체의 능력은, 각각의 발광 다이가 영역을 갖고 다이의 중심으로부터 이격된 다이의 영역으로부터 방출된 광이 광학 조립체의 광학 초점 또는 초점 축으로부터 오프셋된다는 사실에 의해 다소 손상된다. 대형 발광 다이 및 다수의 다이를 갖는 대형 기판은 이러한 효과를 과장할 수 있으며, 이는 일반적으로 발광 패턴을 흐리게 한다.

일부 조명 디바이스는 하나 이상의 발광 패턴을 생성하도록 구성된다. 예를 들어, 손전등(flashlight)은 집속된 빔(focused beam)(스폿) 및 확산(플러드) 발광 패턴 모두를 방출하도록 설계될 수 있다. 이것은 통상적으로 방출되는 광의 패턴을 변경시키는 단일 광원에 대해 광학 조립체를 이동시킴으로써 달성된다. 다른 조명 디바이스는 각각 자체 전용 광학 조립체를 가진 다수의 광원을 포함할 수 있으며, 특정 발광 패턴을 생성하기 위해 상이한 광원을 동작시킬 수 있다. 다수의 광학 조립체는 제조 비용이 높을 수 있으며, 특정 조명 디바이스 구성에 적용 가능한 제한 내에서 가능하지 않을 수 있다.

본 기술 분야에서는 단일 초점을 갖는 동일한 고정 광학 조립체를 이용하는 상이한 발광 패턴을 생성할 수 있는 조명 디바이스가 필요하다.

본 기술 분야에서는 이동 부분이 없는 가변 발산 발광 패턴을 생성할 수 있는 고체 상태 조명 디바이스(solid state lighting device)가 필요하다.

본 개시에 따른 LED 조명 모듈의 일 실시예는 다이 중 하나로부터 방사된 광의 발산을 감소시키도록 구성된 광학 조립체와 결합하여 기판 상에 복수의 발광 다이를 갖는 LED 램프를 포함한다. 발광 다이는 단일 중심 발광 다이 또는 광학 축 상에 중심을 이룬 발광 다이의 중심 그룹을 포함할 수 있다. 광학 축은 광학 조립체의 축과 일치할 수 있다. 기판상의 발광 다이는 또한 중심 다이 또는 다이의 그룹 주위에 배치된 하나 이상의 주변 다이를 포함한다. 주변 다이는 중심 다이 또는 다이 그룹 주위에 대칭 또는 비대칭으로 배치될 수 있다. 개시된 조명 모듈은 단일 초점을 갖는 빔 형성 광학기(beam forming optic)를 포함할 수 있다. 광학기는 LED 램프 위의 고정된 위치에서 지지된다. 광학기의 초점은 중심 다이 또는 중심 그룹의 다이의 광학 축 상에 있을 수 있으며, 초점은 중심 다이 또는 다이의 그룹을 가진 평면 내에 있을 수 있다. 중심 다이 또는 다이 그룹으로부터 방출된 광은 실질적으로 광학기에 의해 시준될 수 있고, 집속된 "스폿" 방출 패턴으로 방출된다. 광학 조립체가 LED 램프로부터 방출된 광의 발산을 광각(wide angle) "플러드"에서 집속된 "스폿"까지의 방출 패턴 및 스폿과 플러드 사이의 다양한 발산의 빔으로 감소시키도록 구성되는 다른 방출 패턴이 선택될 수 있다. 하나 이상의 주변 다이로부터 방출된 광은 광학기의 초점으로부터 이격된 영역으로부터 방출되고, 더 분산되고 발산하는 "플러드" 방출 패턴으로서 방출된다. 중심 다이 또는 다이의 그룹 및 하나 이상의 주변 다이는 독립적으로 제어됨으로써, 스폿 또는 플러드 방출 패턴이 중심 다이와 주변 다이 사이를 스위칭함으로써 동일한 광학기로부터 생성될 수 있다. 대안으로, 중심 다이 및 주변 다이에 전달되는 전력은 움직이는 부품이 없고 단일 초점을 가질 수 있는 동일한 광학기를 사용하여 스폿(중심 다이만 켜짐)에서 스폿/플러드(모든 다이가 켜짐) 및 플러드(주변 디바이스만 켜짐)까지 발광 패턴을 생성하기 위해 독립적으로 변화될 수 있다.

주변 다이는 대칭 또는 비대칭 구성으로 중심 다이를 둘러싸는 단일 에피택셜 다이일 수 있다. 대안으로, 개시된 LED 조명 모듈은 기판의 중심에 그룹을 형성하는 복수의 다이 및 중심 그룹 주위에 배치된 복수의 다이를 사용하여 구성될 수 있다. 주변 다이의 서브세트는 에너지를 함께 수용하도록 구성될 수 있거나, 모든 주변 다이는 동시에 에너지를 수용할 수 있다. 주변 다이로부터의 광은 발광 패턴의 직경 방향 반대쪽을 향해 궤도을 가진 광학 조립체로부터 방출됨으로써, 주변 다이 또는 주변 다이의 그룹을 차례로 활성화하면 대칭 광학 조립체의 축을 중심으로 하는 움직이는 발광 패턴을 생성할 수 있다. LED 조명 모듈의 행으로부터 색상을 이룬 발광(colored light emission)은 각각의 색상의 하나의 다이를 광학기의 초점에 배치하고, 각각의 주변 위치에서 해당 색상 다이의 동일한 수를 보장함으로써 균형을 이룰 수 있다.

개시된 LED 램프의 일 실시예는 링이 중심 다이의 중심을 통과하는 방출기의 광학 축과 동심인 주변 다이의 복수의 링에 의해 둘러싸인 중심 다이를 포함한다. 각각의 링 내의 주변 다이는 그룹으로서 에너지가 공급되도록 연결될 수 있다. 이러한 LED 램프의 실시예가 빔 형성 광학 조립체 뒤에 위치될 때, 주변 다이의 각각의 링에 에너지를 공급하면 중심 다이에 의해 형성된 빔을 둘러싸는 패턴으로 광이 부가된다. 링이 광학 축으로부터 멀어짐에 따라, 각각의 링으로부터의 광은 중심 다이 및 방사상 내부으로 인접한 링으로부터의 광의 방사상 외부으로 방출 패턴에 광을 제공한다. 방출 패턴은 중심 다이 및 LED 다이의 링에 인가되는 전력을 변화시킴으로써 스폿 빔으로부터 플러드 패턴으로 조정될 수 있다.

본 출원에서 사용된 바와 같은 용어 "링"은 전력이 중심 다이와 다이의 다른 주변 "링"과 독립적으로 인가될 수 있는 중심 다이 주위에 위치된 다이의 형성을 포함한다. 각각의 링은 환형 또는 원형일 수 있고, 조립체의 광학 축과 동심일 수 있다. 링은 또한 다이의 사각형 배치과 같이 원형이 아닐 수 있다. 각각의 링은 중심 축에 대해 대칭인 균일한 패턴으로 배치된 다이의 배치로 구성될 수 있다. 본 개시에 따른 다이의 링은 또한 불균일한 다이의 배치을 포함할 수 있고, 조립체의 초점 축에 대하여 비대칭일 수 있다. 예를 들어, 링의 일부 위치에서 다이가 클러스터링될 수 있고, 다른 위치에서 다이의 수가 감소될 수 있다. 원형 빔 형성 광학기가 개시되지만, 다른 형상의 빔 형성 광학기는 개시된 조명 모듈과 호환 가능하다. 비원형 빔 형성 광학기의 경우에, 주변 다이의 링은 빔 형성 광학기의 반사 및 굴절 표면 상에 비교적 균일한 광 세기를 제공하도록 구성될 수 있으며, 이는 조립체의 광학 축에 대해 불균일한 다이 배치의 패턴을 초래할 수 있다.

개시된 LED 조명 모듈은 상이한 빔 방출 패턴을 갖는 조명기가 필요한 곳 어디에서나 사용될 수 있다. 애플리케이션은 자동차 내부 및 외부 조명, 비상 조명, 자동차 및 해양 사용을 위한 스포트라이트, 내부 및 외부 건축 조명, 작업등, 내부 및 외부 항공 조명, 오토바이 및 자전거 조명, 카메라 조명, 스테이지/연극 조명(theatrical lighting), 손전등, 탐조등, 무기 타겟팅 조명 장치, 원격 동작 탐조등, 및 드론 장착 조명을 포함하여 탐색 및 구조, 검사 등을 위한 로봇 장착된 조명 장치를 포함한다. 개시된 LED 조명 모듈은 움직이는 부품이 없는 단일 광학 구조물로부터의 가변 발광 패턴을 제공한다.

도 1은 본 개시의 양태에 따른 LED 조명 모듈의 일 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 1a는 도 1의 LED 조명 모듈의 발광 다이에 의해 생성된 발광 패턴의 그래프도이다.
도 2는 본 개시의 양태에 따른 도 1의 LED 조명 모듈과 호환 가능한 LED 램프의 일 실시예의 평면도이다.
도 3은 본 개시에 따라 개시된 LED 조명 모듈과 호환 가능한 대안적인 LED 램프이다.
도 4a는 본 개시의 양태에 따른 LED 조명 모듈의 대안적인 실시예의 정면도이다.
도 4b는 본 개시의 양태에 따른 LED 조명 모듈의 추가의 대안적인 실시예의 정면도이다.
도 5는 본 개시의 양태에 따른 LED 조명 모듈의 행의 정면도 개략적인 정면도이다.
도 6은 본 개시의 양태에 따라 개시된 LED 조명 모듈과 호환 가능한 대안적인 LED 램프의 평면도이다.
도 7은 본 개시의 양태에 따른 예시적인 LED 방출기의 사진이다.
도 8은 도 7의 LED 방출기의 전기적 개략도이다.
도 9는 도 7 및 도 8의 LED 방출기를 포함하는 조명 모듈의 실시예의 단면도이다.
도 10은 방출기 상의 다이의 그룹에 인가된 상이한 전력 패턴에 의해 생성된 방출 패턴을 도시하는 도 9의 조명 모듈로부터의 발광의 그래프도이다.
표 1은 도 10에 도시된 발광 패턴을 생성한 도 9의 조명 모듈의 LED 방출기상의 LED 다이의 각각의 그룹에 대한 "온(on)" 시간을 제공한다.
도 11은 도 9의 조명 모듈의 LED 방출기상의 LED 다이의 그룹에 전달된 전력의 변화에 일반적으로 상응하는 표 1에 도시된 PWM 백분율의 그래프도이다.
도 12는 조명 모듈로부터 대표 타겟(representative target)까지의 거리에 따라 빔 형상이 조정되는 범위 발견 능력(range finding capability)을 갖는 조명 모듈을 도시한다.
도 13은 본 개시의 양태에 따른 LED 조명 모듈의 대안적인 실시예의 단면도이다.

도 1은 본 개시의 양태를 포함하는 LED 조명 모듈(10)의 제 1 실시예를 도시하는 단면도이다. LED 램프(11)는 다수의 발광 다이(14, 16)를 지지하도록 구성된 열 전도성 세라믹 기판(12)을 포함한다. 기판(12)의 바닥 상의 전기 전도성 패드(13)는 발광 다이(12, 14)를 (도시되지 않은) 인쇄 회로 기판상의 전기 회로에 연결한다. 도 1의 실시예에서, 단일의 비교적 큰 중심 다이(14)는 세라믹 기판(12)의 중심에 위치된다. 이러한 실시예의 중심 다이(14)는 1mm 측면을 갖는 사각형 다이이다. 중심 다이(14)는 약 0.2mm의 측면의 많은 작은 사각형 주변 다이(16)에 의해 둘러싸여 있다. 각각의 다이(14, 16)의 형상은 개시된 사각형과 상이할 수 있고, 중심 다이(14)와 주변 다이(16) 사이의 상대적인 크기 차이는 개시된 관계와 다를 수 있다. 다이(14, 16)는 임의의 폐쇄된 규칙적인 또는 불규칙적인 다각형일 수 있다. YAG 인광체(phosphor)는 발광 다이(14, 16)로부터 방사된 짧은(청색, 보라색) 파장의 광을 호박색(amber), 적색 및 백색광으로 변환시키는데 사용될 수 있다. YAG 인광체는 도 1에 도시된 바와 같이 에폭시 수지(18) 또는 다른 캐리어에서 분산되어 발광 다이(14, 16) 사이의 영역과 발광 다이(14, 16) 위의 영역을 채울 수 있다. 다이(14, 16) 및 인광체/에폭시(18)는 보호를 위해 광학적으로 투명한 실리콘 캡슐(20)로 덮혀질 수 있다.

예시적인 내부 반사 광학기(22)는 중심 발광 다이(14) 및 주변 발광 다이(16)에 의해 생성되는 실질적으로 모든 광을 모으는 위치에서 LED 램프(11) 위에지지된다. 광학기(22)는 축 A에 대해 회전 대칭이고, 단일 초점(24)을 가지며, 초점(24)에서 생성된 광을 광학기(22)의 중심에서 축 A와 평행한 방향으로 시준하도록 구성된다. 도 1에서, 축 A는 중심 다이(14)의 중심을 통과하고 LED 램프(11)를지지하는 평면에 수직인 LED 램프(11)의 광축 Ao와 일치한다(co-incident). 광학기(22)는 다른 비-원형 빔 형성 광학기가 개시된 조명 모듈과 호환 가능한 "빔 형성" 광학 구조물의 일례이다. TIR 광학기의 주변 내부 반사 표면은 이러한 표면을 통한 광의 누출을 감소시키는 반사 재료로 코팅될 수 있다.

"시준하다(collimate)"라는 용어는 본 출원에서 기준선 또는 평면과 "실질적으로 평행하게 하는 것(make substantially parallel with)”을 의미하는데 사용된다. 통상의 기술자는, 광학기의 허용 오차 및 발광 다이가 실제의 점 광원이 아니라는 사실이 시준 광학기를 통해 LED 광원으로부터 방출된 광이 실질적으로 시준될 것이라는 것을 의미하며, 일부 광이 기준선 또는 평면과 정확하게 평행하지 않은 방출된 궤도을 갖는다는 것을 이해할 것이다. 개시된 광학기(22)는 LED 램프(11)의 발광 다이(14, 16)(이는 또한 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 미리 결정된 발광 패턴을 초래하는 궤도로의 (방출기)로서 지칭될 수 있음)로부터 방사되는 광의 궤도을 변경하기 위해 내부 반사 표면(30)과 협력하여 굴절 광 입력 표면(26)과 광 방출 표면(28)의 조합을 사용하는 TIR(total internal reflecting) 타입의 원형 광학기이다. 대안적인 광학기는 렌즈와 조합된 금속화된 반사 표면을 사용하여 유사한 발광 패턴을 생성하도록 발광 다이(14, 16)로부터 방사된 광을 다시 보낼 수 있다.

일반적으로, 시준 광학기(collimating optic)는 발광 다이의 중심을 통과하는 축 또는 평면에 대해 발광 다이로부터 방사된 광의 발산을 감소시킨다. 선(통상적으로 축으로서 지칭됨)에 대해 광을 시준하는 광학기는 선으로부터 20°미만의 발산 및 바람직하게는 약 10°의 발산으로 방출의 "스폿" 광 빔 형태를 형성한다. 20° 또는 10°발산은 빔의 한 쪽에서 다른 쪽까지 측정되며, 이는 10°빔이 축 A에서 축 A의 어느 한 쪽으로 약 5°발산한다는 것을 의미한다. 평면에 대해 광을 시준하는 광학기는 평면에 대해 방사된 광의 발산을 감소시키지만, 평면과 평행한 방향으로의 발산을 허용하며, 이는 평면 내 또는 그 부근의 유리한 지점에서 볼 수 있는 빔을 생성한다. 이러한 방출 패턴은 "광각(wide-angle)" 빔으로서 지칭될 수 있으며, "부분적으로 시준됨(partially collimated)"으로서 설명될 수 있다.

도 1 및 도 2의 LED 램프(11)에서, 중심 발광 다이(14)는 1mm 사각형이고, 다이의 중심을 통과하는 광학 축 Ao를 갖는다. 중심 다이(14)는 중심 다이(14)의 광학 축 Ao이 광학기(22)의 초점(24)을 통과하도록 위치된다. 광은 "램버시안(lambertian)" 방사 패턴으로서 지칭될 수 있는 반구의 광을 형성하는 방사된 궤도의 범위에 걸쳐 중심 다이(14)로부터 방사된다. 중심 다이(14)의 물리적 크기는 광의 일부가 광학기(22)의 광학 축 Ao 및 초점(24)으로부터 이격된 위치로부터 방출된다는 것을 의미한다. 중심 다이(14)로부터 방출된 광의 거의 전부는 광학기의 굴절 표면(26)을 통과하고, 실리콘, 폴리카보네이트, 아크릴 또는 유리와 같은 재료로 구성될 수 있는 광학기(22)의 광 투과성 재료로 수용된다. 광학기(22) 내부에 있으면, 광은 스넬(Snell)의 법칙과 같이 잘 이해된 원리에 따라 이동한다. 임계각보다 큰 각도로 광학기(22)의 주변에서 내부 반사 표면(30) 상에 입사된 광은 내부 반사 표면(30) 상에서 광의 방향 및 입사각에 따른 궤도로 반사된다. 도 1의 개시된 실시예에서, 광학기(22)의 바닥 및 꼭대기에서의 굴절 광 입구 표면(26) 및 광 방출 표면(28)은 각각 광학기(22)의 주변에서 내부 반사 표면(30)과 협력하여, 중심 다이(14)로부터의 광의 방사된 궤도를 중심 다이(14)의 광학 축 Ao(도 1의 축 A와 일치함)과 실질적으로 정렬되는 방출된 궤도로 변경시킨다. 내부 반사 표면(30)은 이러한 표면을 통한 광의 누출을 감소시키기 위해 금속화될 수 있다.

도 1a는 중심 다이(14) 및 TIR 광학기(22)로부터의 발광 패턴을 도시한다. 그래프는 축 A와 일치하는 0°에서의 중심선에 대한 대략 10° 시준된 "스폿" 빔에 상응하는 방사 패턴을 도시한다. 대안적으로 말하면, 시준 광학기(22)를 통한 중심 다이(14)로부터의 방출 패턴은 실질적으로 모든 광이 축 A의 어느 한 쪽에 대해 5°이하의 각도로 방출되는 빔을 생성한다. 중심 다이(14)에 의해 생성된 빔의 가장 큰 강도는 그래픽으로 제시될 때 축 A를 중심으로 한 비교적 날카롭고 좁은 스파이크(spike)와 유사한 방출 패턴의 중심에 있다. 도 1a는 또한 시준 광학기(22)를 통한 주변 다이(16)로부터의 방출 패턴을 도시한다. 주변 다이(16)는 광학기(22)의 중심 축 A에 대해 "오프 축(off axis)"인 광을 생성한다. 주변 다이(16)에 의해 생성된 광은 광학기(22)에 의해 시준되지 않고, 중심 다이(14)에 의해 생성된 스폿 빔을 둘러싸는 패턴으로 방출된다. 주변 다이(16)에 전달된 전력에 대해 중심 다이(14)에 대한 전력을 변화시키는 것은 광학기(22)의 축 A에 대한 발산이 변하는 방출 패턴을 생성한다는 것이 이해될 것이다. 전력이 중심 다이(14) 및 주변 다이(16) 모두에 인가될 때, 중심 다이(14)로부터의 발광은 조명 모듈(10)로부터의 광각 플러드 방출 패턴(wide angle flood emission pattern)을 제공하기 위해 주변 다이(16)로부터의 방사 패턴의 중심을 채운다.

빔 형성 광학기(22)는 중심 다이(14)로부터의 광을 매우 효율적으로 처리하는데, 이는 비교적 적은 양의 광속이 잘 정의된 스폿 빔을 생성한다는 것을 의미한다. 중심 다이(14)에 의해 생성된 광은 효율적으로 처리되고 작은 영역으로 집속되기 때문에, 스폿 빔은 또한 높은 광도를 갖는다. 주변 다이(16)는 광학기(22)에 의해 비교적 비효율적으로 처리되는 광을 생성하며, 이는 일부 광이 광학기에서 손실되고, 일부 광이 의도된 플러드 방출 패턴에 기여하지 않는 궤도에서 방출된다는 것을 의미한다. 더욱이, 주변 다이(16)에 의해 채워지는 발광의 체적은 중심 다이(14)에 의해 채워지는 발광의 체적보다 훨씬 크다. 이러한 요인의 결과로서, 주변 다이(16)의 총 휘도 용량(luminous capacity)은 중심 다이(14)의 총 휘도 용량보다 크다. 각각의 주변 다이(16)가 중심 다이(14)보다 작을 수 있을지라도, 주변 다이(16)에 의해 생성될 수 있는 전체 루멘(lumen)은 중심 다이(14)보다 크다. 게다가, 더 큰 광속을 생성할 때 주변 다이(16)에 의해 소비되는 전력은 중심 다이(14)에 의해 소비되는 전력보다 크다.

도 2는 도 1의 LED 램프(11)의 평면도로서, 본 개시의 양태에 따른 중심 다이(14) 및 훨씬 더 작은 다수의 주변 발광 다이(16)를 포함하는 발광 다이용 세라믹 지지대(12)를 도시한다. 비교적 큰 중심 다이(14) 및 더 작은 주변 다이가 도시되지만, 다이(14, 16)의 상대적 크기는 제한되지 않는다. 개시된 LED 램프(11)에서, 중심 다이(14) 및 주변 다이(16)는 중심 다이(14)가 주변 다이(16)와 별개로 에너지가 공급될 수 있도록 연결된다. 주변 다이(16)는 그룹과 함께 또는 별개로 에너지가 공급될 수 있는 서브세트로서 활성화되도록 연결될 수 있다. 주변 다이(16)는 중심 다이의 광학 축 Ao로부터 횡방향으로 이격되고, 또한 광학기(22)의 초점(24)으로부터 횡방향으로 이격된다. 이것은 주변 다이(16)로부터 방사된 광이 시준된 빔이 아니라 도 1a에 도시된 바와 같이 더욱 발산된 빔으로서 광학기(22)로부터 방출될 것이라는 것을 의미한다. 그래픽으로 제시될 때, 주변 다이(16)에 의해 형성된 빔은 축 A를 따라 훨씬 낮은 강도를 가지며, 광의 대부분은 축 A에 대해 약 45°까지 발산하는 각도의 범위에 걸쳐 방출된다. 주변 다이(16)로부터의 방출 패턴은 "플러드" 발광 패턴으로서 설명될 수 있지만, 특히 축 A를 따른 강도가 부족하다. 도 1 및 도 2의 조명 모듈(10)에서, 주변 다이(16)로부터의 방사 패턴의 피크 강도는 도 1a에 도시된 바와 같이 축 A로부터 약 20°만큼 오프셋되며, 이는 주변 다이(16)로부터의 광의 피크 강도가 축 A로부터 약 20도만큼 발산한다는 것을 의미한다.

도 1의 LED 조명 모듈(10)은 중심 다이(14) 및 주변 다이(16)가 함께 또는 별개로 에너지가 공급될 수 있도록 구성된다. 더욱이, 중심 다이(14) 및 주변 다이(16)로부터의 발광의 강도가 집속된 스폿으로부터 광각 플러드까지 발광 패턴을 생성하도록 변조될 수 있다. 예를 들어, 중심 다이(14)는 주변 다이(16)에 의해 생성된 플러드 방출 패턴의 중심을 채우기 위해 필요한 만큼 감소된 레벨로 에너지가 공급될 수 있다. 일반적으로, 스폿 발광 패턴은 피사체를 멀리 비추거나 등대(light house)에서와 같이 먼 거리에서 보이는 경고등 신호를 생성하는데 사용된다. 플러드 발광 패턴은 건설 작업 영역, 교통 사고 장면 등을 조명하는데 사용될 수 있다. 도 1의 LED 조명 모듈(10)은 단일 초점(24)을 가질 수 있고 움직이는 부품을 사용하지 않을 수 있는 단일 광학기(22)로부터 스폿, 플러드 또는 두 가지를 블렌딩하는 다양한 방출 패턴을 제공할 수 있다.

주변 다이의 배치는 중심 다이와 동일한 형상으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 도 2의 주변 다이(16)는 사각형 중심 다이(14) 주위에 사각형 형상으로 배치된다. 3개의 다이가 도 2에서 이러한 다이를 통해 "x"로 도시된 바와 같이 주변 다이(16)의 배치의 모서리로부터 제거될 수 있다. 지지대의 모서리에서 3개의 주변 다이(16)를 제거하면 광학기(22)로부터 더욱 둥근 발광 패턴이 생성될 것이다. 도 2의 주변 다이(16)의 배치는 본 개시에 따른 주변 다이(16)의 "링"의 일례이다.

도 3은 9개의 작은 다이(34)로 구성된 "중심(center)" 발광 다이(32)를 갖는 발광 다이의 대안적인 패턴을 도시하는 세라믹 지지대(12)의 평면도이다. 이러한 실시예에서, 지지대의 중심을 바로 둘러싸는 9개의 다이(34)의 그룹은 중심 그룹(32)으로서 함께 에너지가 공급되도록 구성되며, 이러한 중심 그룹을 둘러싸는 주변 다이(36)는 함께 또는 서브세트(38) 내에서 에너지가 공급되도록 구성된다. 도 3에서, 교차된 선(crossed line)은 9개의 주변 다이(36)의 그룹을 함께 에너지가 공급되도록 연결되는 서브세트(38)에 연결한다. 도 3에서 크로스 라인은 9개의 주변 다이(36)의 그룹을 함께 에너지가 공급되도록 연결되는 서브세트(38)로 연결한다. 서브세트는 도 3에 도시된 바와 같이 동일한 수의 다이 또는 동일하지 않은 수의 다이를 포함할 수 있다. 지지대(12) 및 발광 다이(34, 36)는 도 1 및 도 2의 실시예와 관련하여 상술한 바와 같이 기능할 것이고, 중심 그룹(32)으로서 중심 다이 및 주변 다이(36)의 그룹의 구성에 관해서만 상이할 것이다.

도 4a는 중심 다이(14)를 둘러싸는 8개의 주변 다이(16)를 갖는 발광 다이의 대안적인 그룹을 도시한다. TIR 광학기(22)는 다이(14, 16)의 전면에 개략적으로 도시된다. 중심 다이(14) 및 주변 다이(16)는 별개로 에너지가 공급되도록 구성된다. 일부 실시예에서, 다이(14, 16)의 각각은 별개로 동작될 수 있고, 각각의 다이에 인가된 에너지는 상이한 발광 패턴을 생성하도록 변화될 수 있다. 각각의 주변 다이(16)로부터 방사된 광은 에너지가 공급된 주변 다이(16)로부터 직경 방향으로 방출 패턴을 보강하는 궤도를 따라 광학기(22)로부터 방출된다. 예를 들어, 도 4a의 기판(12)의 상부 좌측 코너의 주변 다이(16)로부터의 광은 플러드 발광 패턴의 하부 우측 부분에 기여한다. 꼭대기 중심에 있는 주변 다이(16)로부터의 광은 플러드 발광 패턴의 바닥 중심에서의 플러드 발광에 기여한다. 8개의 주변 다이(16)의 각각을 회전 시퀀스로 에너지를 공급하는 것은 소용돌이치는 방출 패턴(swirling emission pattern)을 생성할 것이다. 주변 다이(16)를 좌우 또는 상하 패턴으로 에너지를 공급하는 것은 광학기(22)로부터 상응하여 반대 방향으로 움직이는 발광 패턴을 생성할 것이다.

도 4b는 TIR 광학기(22) 뒤에 밀접하게 그룹화된 3개의 LED 램프(44, 46, 48)를 도시한다. 통상의 기술자는 발광 다이가 도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 공통 기판 상에 배치될 수 있거나, 도 4b에 도시된 바와 같이 별개의 기판 상에 배치될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 본 개시 및 첨부된 청구항에서 언급될 때, "발광 다이"에 대한 언급은 공통 지지대 상의 다이 또는 별개의 지지대 상의 다이를 지칭할 수 있다. 각각의 LED 램프(44, 46, 48)는 자체의 기판, 전기 연결부, 발광 다이, 및 (존재한다면) 주 광학기를 포함한다. 중심 LED 램프(44)의 광학 축은 광학기(22)의 회전축과 일치하고, 중심 LED 램프(44)의 LED 다이는 TIR 광학기(22)의 초점에 있음으로써, 중심 LED 램프(44)로부터 방사된 광은 상술한 바와 같은 다이의 크기 및 광학기(22)의 정확도에 따라 시준된 빔으로 집속된다. 하나의 주변 LED 램프(46)는 좌측에 위치되고, 하나의 주변 LED 램프(48)는 중심 LED 램프(44)의 우측에 위치된다. 이러한 배치에서, 좌측 주변 LED 램프(46)로부터 방사된 광은 플러드 발광 패턴의 우측에 기여하고, 우측 주변 LED 램프(48)로부터 방사된 광은 플러드 발광 패턴의 좌측에 기여한다. 이러한 실시예에서 모두 3개의 LED 램프(44,46,48)에 에너지를 공급하면, 3개의 LED 램프(44, 46, 48)를 통해 수평면 위 또는 아래에서 비교적 작은 방출로 플러드 방출에 의해 좌우에 플랭킹된(flanked) 스폿 빔이 생성될 것이다.

도 5는 본 개시의 양태에 따른 LED 조명 모듈(50)의 행(row)을 도시하며, 각각의 LED 조명 모듈(50)은 도 4b에 도시된 것과 유사하게 TIR 광학기(22) 뒤에 행으로 배치된 3개의 LED 램프(52, 54, 56)를 갖는다. LED 램프(52, 54, 56)의 행은 공통 축 B를 따라 정렬되고, 3개(또는 그 이상)의 LED 조명 모듈(50)의 그룹은 시그널링 디바이스로서 사용 가능한 발광 바(bar)(도시되지 않음)를 형성하도록 함께 장착 가능하다. 이러한 실시예에서, 각각의 LED 램프(52, 54, 56)는 상이한 색상(파장)의 광을 방출한다. 예로서, 3개의 LED 램프의 각각의 세트에서, 하나의 램프는 호박색(52)이고, 하나의 램프는 청색(54)이며, 하나의 램프는 적색(56)이다. 상술한 바와 같이, 중심 램프만이 광학기(22)의 축과 정렬된 집속된 빔을 생성할 것이며, 다른 램프는 방출 패턴에 걸쳐 직경 방향으로 덜 집속된 방출을 보충한다. 3개의 색상을 생성하도록 설계된 조명 시스템에서, 모두 3개의 TIR 광학기(22)의 중심에 어느 하나의 색상을 배치하는 것은 다른 2개의 색상이 항상 초점을 벗어나고, 상이한 색상의 발광 패턴이 불균형하게 된다는 것을 의미한다. 도 5의 실시예에서, 각각의 색상의 하나의 다이는 각각의 TIR 광학기의 초점에 배치된다. 색상이 중심 위치에 있지 않은 2개의 TIR 광학기에서 색상은 한 번은 좌측 위치에 있고, 한 번은 우측 위치에 있다. 이러한 3개의 색상 발광 램프(또는 공통 기판상의 다이)의 패턴은 각각의 색상에 에너지가 공급될 때, 중심 위치에 하나의 다이, 우측 위치에 하나의 다이 및 좌측 위치에 하나의 다이를 가진 균형을 이룬 방출 패턴을 생성할 것이다.

도 6은 본 개시의 양태에 따른 LED 램프(60)를 도시한다. 지지대(62)의 중심에 있는 발광 다이(64)는 단일 에피택셜 발광 다이의 형태의 주변 다이(66)에 의해 둘러싸여 있다. 이러한 구성에서, 중심 다이(64) 및 주변 다이(66)는 별개로 제어된다. 중심 다이(64) 및 주변 다이(66)에 전달된 에너지는 스폿 빔으로부터 플러드 발광 패턴으로의 발광 패턴을 생성하도록 변화될 수 있으며, 각각의 방출 패턴의 특성은 광을 처리하는 광학기에 의존한다. 이러한 실시예는 부품을 이동시키지 않고 단일 초점을 가질 수있는 단일 광학기를 통해 스폿, 플러드, 조합 스폿/플러드 또는 이 사이의 변동을 생성시킬 수 있다. 주변 다이(66)는 본 개시의 양태에 따른 중심 다이(64)를 둘러싸는 "링"의 다른 예이다.

도 7은 본 개시의 양태에 따른 예시적인 LED 방출기(100)의 평면도이다. 알루미늄 산화물(Al₂O₃)인 기판(112)은 하나의 LED 다이(114)가 중심에 배치된 복수의 LED 다이를 지지한다. 기판(112)은 대안적인 세라믹 재료를 포함하는 다른 재료로 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 주변 LED 다이(116)는 중심 LED 다이(114)를 둘러싸는 원형 링 내에 배치된다. 도 8에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 주변 LED 다이(116a, 116b, 116c)의 각각의 링은 중심 다이(114) 및 서로와 별개로 에너지가 공급되도록 연결된다. 각각의 링(116a, 116b, 116c)을 구성하는 LED 다이는 서로 전기적으로 연결되어 전력이 동시에 링에서의 모든 다이에 인가된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 중심 다이(114)는 자체 양극(120) 및 음극(122)을 갖지만, 주변 다이(116)는 공통 양극(120)을 공유하며, 주변 다이(116a, 116b, 116c)의 각각의 링은 각각 별개의 음극(122a, 112b, 122c)을 갖는다. 제어기(128)는 상술한 바와 같이 각각의 스트링(string)에 선택적으로 인가된 전력을 제어하기 위해 LED 다이(114,116)의 각각의 스트링의 음극(122, 122a, 112b, 122c)에 연결된다. 도 7의 예시적인 방출기(100)는 내부 링에 9개의 주변 다이(116a), 및 각각 중간 및 외부 링의 각각에 12개의 주변 다이(116b, 116c)를 갖는다. 주변 다이(116)의 수, 형상 및 기하학적 배치는 이러한 예와 다를 수 있다.

더욱이, 각각의 내부 링, 중간 링 및 외부 링의 폭은, 각각 주변 다이(116)의 각각의 링(또는 그룹)에 대해 원하는 조합된 최대 광속을 제공하도록 선택된 광속을 생성할 수 있는 각각의 다소(more or less)의 주변 다이(116a, 166b, 116c) 또는 주변 다이(116)의 배치를 가능하게 하도록 설계될 수 있다. 기판(112)은 주변 다이(116)에 의해 생성된 열을 소산하도록 구성된다. 도 7은 각각의 링 내의 다이(116)의 반경 방향 간격 및 반경 방향 치수가 대략 동일한 방출기(100)를 도시한다. 다이(116)는 방출기(100)의 반경에 수직인 직사각형의 좁은 치수를 갖는 직사각형으로서 도시되어 있다. 그러나, 외부 링의 각각은 도시된 원주 방향보다는 더 많은 수의 주변 다이(116c), 또는 더 큰 크기의 다이, 또는 반경 방향에서의 다이의 배치를 허용하도록 더 넓은 반경 치수로 설계될 수 있다. 대안으로, 주변 링 내의 다이(116)는 보다 큰 전력이 인가될 수 있어, 플러드 발광 패턴의 주변을 채우기 위해 더 큰 광속을 생성한다.

도 7의 방출기에서, LED 다이(114,116)는 폐쇄된 정다각형으로서 구성되고, InGaN 반도체를 사용하여 스펙트럼의 청색 부분에서 발광하고, 이트륨 알루미늄 가닛(yttrium aluminum garnet, YAG) 인광체(세륨으로 도핑됨)와 조합된다. LED의 청색 광자의 대부분은 인광체에 의해 흡수되어 스펙트럼의 노란색 부분에서 다시 방출된다. 잔여 청색 광자와 노란색 조명의 혼합은 눈에 대한 백색광의 좋은 근사치(good approximation)를 제공한다. 인광체는 LED 다이(114, 116)를 덮고 보호하는 에폭시 층(118)에 분산된다. 이러한 구성은 각각의 다이로부터의 광이 광의 "패치(patch)"를 생성하도록 다른 인접한 다이로부터의 광과 조합된다는 것을 의미한다. 개시된 방출기(100)에서, 이러한 구성은 다이의 각각의 링에 에너지가 공급될 때 팽창하는 발광 영역을 생성한다. 다른 다이 재료 및/또는 다른 인광 재료는 백색과 다른 색상을 생성하도록 선택될 수 있다. 움직이는 부품없이 동시에 색상과 빔 형상을 변경하는 광을 생성하기 위해 상이한 다이 재료와 상이한 인광 재료를 선택할 수도 있다.

각각의 LED 다이(114, 116)는 LED의 타입에 따라 변하는 전압의 인가에 의해 순방향 바이어스되어야 한다. 여러 LED 다이를 직렬로 연결하면 직렬 연결된 LED 다이가 동시에 턴 온 및 오프되도록 허용하지만, 각각의 다이를 순방향 바이어스하기에 충분한 LED 다이의 직렬 스트링(series string)에 대한 전압의 인가를 필요로 한다. 필요한 전압은 직렬로 연결된 모든 LED 다이의 순방향 바이어스 전압의 합이다. 개개의 LED 다이를 턴온하는데 필요한 전압은 3.5V일 수 있으며, 따라서 직렬의 이러한 LED 다이 중 10개는 35V를 초과하는 전압원을 필요로 한다. 자동차의 전기 시스템은 통상적으로 12VDC 또는 24VDC 시스템이다. LED 다이의 스트링을 턴온하는데 필요한 전압이 이용 가능한 전압을 초과할 때, 이용 가능한 12VDC 또는 24VDC를 필요한 전압으로 변환할 수 있는 스위치 모드 전력 공급 장치를 사용할 필요가 있다. 대안으로, LED 다이는 스트링 내의 LED 다이의 순방향 전압의 합이 이용 가능한 전압을 초과하지 않는 짧은 직렬 스트링으로 연결될 수 있다. 도 8은 3개의 다이가 직렬로 배치된 주변 다이(116a, 116b, 116c) 및 병렬로 연결된 직렬 스트링을 도시한다. 3.5V의 순방향 전압을 필요로 하는 LED 다이의 경우에, 직렬로 연결된 3개의 LED 다이가 스위치 모드 전력 공급 장치가 없는 12VDC 자동차 전기 시스템에서 동작될 수 있다. 차량에서 이용 가능한 12 또는 24 VDC와 비교적 낮은 순방향 바이어스 전압을 효율적으로 일치시키기 위해 중심 다이용 스위치 모드 공급부를 사용하는 것이 더 바람직할 수 있다.

도 7은 에폭시에 내장되고, 양극 및 음극 전기 연결부에 연결된 도체(124)를 더 도시한다. 와이어 본드(126)는 각각의 주변 다이(116)를 직렬로 다른 다이에 연결하며, 도 8에 도시된 바와 같이 각각의 일련의 다이(116)는 일 단부에서는 양극에 연결되고, 다른 단부에서는 음극 전극에 연결된다. 도체(124) 및 와이어 본드(126)는 와이어와 같은 금속 도체일 수 있거나, 기판(112) 상에 증착된 전도성 재료(도시되지 않음)로 구성될 수 있다. 전도성 재료는 물리적 기상 증착 또는 분 기술 분야에 알려진 다른 기술에 의해 기판 상에 증착될 수 있다.

도 9는 도 7 및 도 8의 방출기(100)를 포함하는 조명 모듈(200)의 대안적인 실시예를 도시하는 단면도이다. 방출기(100)로부터 방사된 광은 반사기(212) 및 렌즈(214)에 의해 다시 보내진다. 개시된 실시예에서, 반사기(212) 및 렌즈(214)는 방출기(100)의 중심 다이(114) 상에 중심을 이룬 광학 축 Ao와 일치하는 축 A에 대해 회전 대칭이다. 반사기(212) 및 렌즈(214)는 중심 다이(214)로부터 방출된 광을 빔으로 실질적으로 시준하도록 구성된다. 광은 궤도의 범위에 걸쳐 방출기(100)의 중심 다이(114)로부터 방사되며, 이 중 일부는 반사기(212)에 입사되고(광각 광), 이 중 일부는 렌즈(214)에 입사된다(협각(narrow angle) 광). 렌즈(214)는 직경을 가지며, 반사기 내에 위치되어 중심 다이(114)의 방출기(100)로부터 방사된 광의 대부분이 렌즈(214)를 통과하거나 반사기(212)에 의해 다시 보내진다. 도 9의 조명 모듈(200)은 방출기(100)의 중심 다이(114)에 의해 생성된 광으로부터 스폿 빔 방출 패턴을 생성하도록 구성될 수 있다. 스폿 빔은 모듈(200)에 대한 의도된 사용에 따라 5°와 15°사이의 발산을 가질 수 있다. 반사기(212) 및 렌즈(214)의 광학 시스템은 중심 다이의 광학 축에 대해 큰 각도로 중심 다이(114)로부터 방사된 광을 광학 축 Ao에 대해 훨씬 작은 각도로 반사 또는 굴절된 궤도로 다시 보내도록 구성된다. 본 개시에서, 이러한 방출 패턴은 "시준된 빔(collimated beam)"으로서 지칭되지만, 시준의 정도는 특정 목적에 적합한 엔지니어의 선호도에 따라 선택된다. 대부분의 경우에, 중심 다이(114)의 방사 패턴은 축 A에 대해 중심 다이로부터의 광의 발산을 감소시킴으로써 "형상화"된다.

상술한 바와 같이, 주변 다이(116a, 116b, 116c)로부터 방출된 광은 중심 다이의 광학 축 Ao으로부터 반경 방향으로 오프셋되며, 각각의 링은 점점 더 큰 반경 방향 오프셋을 갖는다. 광이 방출기(100)로부터 방사되는 위치는 반사기(212) 및/또는 렌즈(214)를 통한 광의 경로를 결정한다. 일반적으로, 광학 축 Ao으로부터 더 멀리 광이 방출기(100)로부터 방사될수록, 반사기(212) 및/또는 렌즈(214)를 통과한 후에 광학 축 Ao으로부터의 발산 각도는 커질 것이다. 센터 아웃(center-out)으로부터의 순서로 LED 다이의 링에 에너지를 공급하면 모듈(200)로부터 점진적으로 더 넓은 "플러드" 발광 패턴이 생성된다.

도 10은 표 1 및 도 11에 도시된 패턴에 따라 중심 다이(114) 및 주변 다이(116a, 116b, 116c)의 링에 인가된 상이한 패턴의 전력에 의해 모듈(200)로부터 방출된 광의 그래프도이다. 중심 다이(114) 및 주변 다이(116a, 116b, 116c)의 링의 각각은 개별적으로 에너지가 공급될 수 있고, LED 다이의 각각의 그룹에 인가되는 유효 전력의 양은 본 기술 분야에 알려진 바와 같이 펄스 폭 변조(pulse width modulation; PWM)에 의해 제어될 수 있다. 표 1 및 도 11은 모듈(200)로부터 가변 발산 발광 패턴을 생성하는 전력 전달(power delivery)의 패턴의 하나의 대표적인 예를 도시한다. 도 10은 전기 에너지가 표 1 및 도 11의 패턴에 따라 LED 다이에 인가될 때 모듈(200)로부터 방출된 광 빔의 그래프도이다. 발광의 패턴은 중심 축 A의 어느 한 측면에 대해 5°미만의 발산을 갖는 타이트하게(tightly) 시준된 빔으로부터 약 7.5°의 각도로 중심 축으로부터 갈라지는 플러드 방출 패턴으로 명확하게 진행한다. 보다 적은 발산(스폿)에서 보다 많은 발산(플러드)으로의 빔 형상의 변화는 LED 다이의 4개의 그룹에 전달되는 전력을 변화시킴으로써 생성된다. LED의 그룹에 인가된 전력의 변화는 선형적이지 않다는 것이 주목될 것이다. 다이(114, 116)의 형상 및 위치와 주변 다이(116)로부터의 광에 의해 채워지는 넓은 영역의 방출 패턴은 주변 다이(116)로부터 방출된 광이 중심 다이(114)로부터 방출된 광에 비해 훨씬 덜 강하게 나타난다는 것을 의미하므로, 도 11 및 표 1에 도시된 바와 같이, 중심 다이(114)에 대한 전력은 주변 다이(116a, 116b, 116c)의 링으로 전력이 증가되는 것보다 더 빨리 감소된다.

중심 다이 주위에 배치된 다이의 각각의 링은 다이에 전달된 전류에 비례하여 광속을 생성한다. 각각의 링은 최대 지속 가능한 전류에서 구동될 때 각각의 다이에 의해 생성된 플럭스에 의해 결정되는 최대 광속을 갖는다. 최대 지속 가능한 전류는 다이를 연결하는 도체의 용량과, 다이로부터 열을 제거하기 위한 방출기 기판의 열 용량에 의해 제한된다. 방출기는 (중심 다이의 중심을 통과하는) 광학 축으로부터 링이 멀어짐에 따라 각각의 링의 휘도 용량이 증가하도록 구성될 수 있다. 링 사이의 휘도 용량의 관계는 지수 또는 로그와 같이 비선형일 수 있다. 외부 링은 내부 링보다 훨씬 밝아서 플러드 조명 패턴의 넓은 주변 영역을 채우기 위해 필요한 광속을 생성할 수 있다. 링이 내부 링으로부터 외부 링으로 비선형 방식으로 증가하는 휘도 용량으로 구성될 때, 각각의 링에 인가된 전력은 각각의 링 내의 다이의 전력 처리 범위 내에서 증가될 수 있다. 스폿 조명 패턴으로부터 플러드 조명 패턴으로의 전환 동안 다이의 링에 인가되는 균형 전력은 조명 모듈의 광학 축을 따라 명확하게 정의된 피크 밝기(peak brightness)를 가진 조명 패턴을 생성한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 스폿으로부터 플러드로의 전환의 첫번째 11개의 단계의 각각에 대한 조명 곡선은 광학 축을 따라 단일의 잘 정의된 피크를 가지며, 2차 오프 축 피크(secondary off axis peak)는 없다. 스폿으로부터 플러드로의 전환의 대부분에 대한 이러한 기본 빔 프로파일을 유지하면 장면(scene)의 시각 처리를 방해할 수 있는 밝은 스폿이 없는 조명 패턴이 제공된다.

도 7의 방출기에서, LED의 내부 및 중간 링은 최대 전력으로 구동되지 않는다. 이것은 이러한 링이 사용되지 않는 휘도 용량으로 구성된다는 것을 의미한다. 다른 예시적인 실시예에서, 원하는 강도로 플러드 빔의 주변 영역을 채우는데 필요한 광속을 제공하도록 외부 링을 구성한 후, 각각의 링이 전력 처리 용량(power handling capacity)에서나 전력 처리 능력에 가깝게 구동될 때 빔 프로파일을 채우는데 필요한 광속을 제공하기 위해 중심 다이와 외부 링 사이에 각각의 링을 구성하는 것이 더욱 효율적일 수 있다.

스폿 빔은 일반적으로 장거리 조명 또는 좁은 장소에서 상세한 작업을 위한 작은 영역을 밝게 조명하는데 더 유용하다. 플러드 발광 패턴은 일반적으로 넓은 영역을 조명하거나 짧은 거리에서 광각을 보는데 더 유용하다. 도 12는 본 개시의 양태에 따른 조명 모듈(200)을 포함하는 광원(300)을 도시한다. 광원(300)으로부터 제 1 거리 D1에 있는 타겟(302)은 집속된 빔으로 완전히 조명될 수 있다. 광원(300)에 더 가까운 거리 D2에 있는 제 2 타겟(303)은 동일한 빔 형상에 의해서 부분적으로만 조명될 것이다. 제 2 타겟(303)은 더 큰 발산 각을 갖는 빔에 의해 완전히 조명될 수 있다. 이러한 타겟의 일례는 범죄 현장에서의 용의자일 수 있다. 법 집행 요원이 해당 개인에 의해 나타나는 제시한 위협의 타입을 결정하기 위해 사람의 팔과 손을 볼 수 있는 것이 유용할 것이다. 집속된 광선은 사람 전체를 비추지 않을 수 있으므로, 팔과 손이 보이지 않을 수 있다. 빔의 형상을 변화시키면 법 집행 요원이 상황을 정확하게 평가할 수 있다. 빔 형상은 다이얼 또는 슬라이드와 같은 수동 입력을 사용하여 변경될 수 있다. 제어 회로는 입력에서의 사용자 조작에 따라 LED 다이에 인가된 전력을 조정하도록 구성될 수 있다. 이러한 종류의 조명기(illuminator)는 경찰 및 수색 차량에 사용되어 가변 스폿 조명 및 상이한 거리에 있는 타겟 또는 장면의 가시성을 개선하기 위해 가변적인 빔 형상을 가진 테이크다운 또는 가로등을 제공한다.

대안적인 일 실시예에서, 도 12의 광원(300)은 타겟까지의 거리를 결정하고 거리에 따라 빔 형상을 조정하는 거리 측정기(range finder; 320)를 구비할 수 있다. 거리 측정기는 레이저 거리 측정기 또는 초음파 거리 측정기와 같이 본 기술 분야에 공지된 다른 비접촉식 거리 측정 방법일 수 있다. 거리에 따라 빔 형상을 제어하는 것은 물체로부터의 거리에 따라 빔 폭을 변경하는 손전등 또는 다른 휴대용 조명기를 포함하는 많은 응용을 가질 수 있다. 일례는 장거리에서 볼 수 있는 집속된 빔이 거리에서 트래픽(traffic)을 경고하는데 사용될 수 있는 건설 구역 경고(construction zone warning)를 위한 조명이지만, 빔은 차량이 접근함에 따라 점차 초점을 덜 맞추게 되어 운전자의 시야를 가리지 않고 장면의 조명을 더 잘 제공한다. 무기 또는 카메라용 타겟 시스템은 빔이 조명 모듈로부터의 거리에 따라 타겟을 조명하도록 구성되는 다른 가능한 응용이다. 거리 측정은 타겟이 무기 또는 이미징 시스템에 대해 움직일 때 빔 형상을 연속적으로 변화시키는데 사용될 수 있다.

도 13은 방출기(402)를 포함하는 조명 모듈(400)의 대안적인 실시예를 도시하는 단면도이다. 방출기(402)로부터 방사된 광은 반사기(412) 및 렌즈(414)에 의해 다시 보내진다. 개시된 본 실시예에서, 반사기(412) 및 렌즈(414)는 방출기(402)의 중심 다이(414) 상에 중심을 이룬 광학 축 Ao와 일치하는 축 A에 대해 회전 대칭이다. 반사기(412) 및 렌즈(414)는 중심 다이(414)로부터 방출된 광을 빔으로 실질적으로 시준하도록 구성된다. 광은 궤도의 범위에 걸쳐 방출기(402)의 중심 다이(414)로부터 방사되며, 이 중 일부는 반사기(412)에 입사되고(광각 광), 이 중 일부는 렌즈(414)에 입사된다(협각 광). 렌즈(414)는 직경을 가지며, 반사기 내에 위치되어 중심 다이(414)의 방출기(402)로부터 방사된 광의 대부분이 렌즈(414)를 통과하거나 반사기(412)에 의해 다시 보내진다. 도 13의 조명 모듈(400)은 방출기(402)의 중심 다이(414)에 의해 생성된 광으로부터 스폿 빔 방출 패턴을 생성하도록 구성될 수 있다. 스폿 빔은 모듈(400)에 대한 의도된 사용에 따라 5°와 15°사이의 발산을 가질 수 있다. 반사기(412) 및 렌즈(414)의 광학 시스템은 중심 다이의 광학 축에 대해 큰 각도로 중심 다이(414)로부터 방사된 광을 광학 축 Ao에 대해 훨씬 작은 각도로 반사 또는 굴절된 궤도로 다시 보내도록 구성된다. 대부분의 경우에, 중심 다이(414)의 방사 패턴은 축 A에 대해 중심 다이로부터의 광의 발산을 감소시킴으로써 "형상화"된다.

상술한 바와 같이, 주변 다이(416a, 416b, 416c)로부터 방출된 광은 중심 다이의 광학 축 Ao으로부터 반경 방향으로 오프셋되며, 각각의 링은 중심 다이(414) 및 각각의 내부 링에 대해 상승된 위치를 갖는다. 광이 방출기(402)로부터 방사되는 위치는 반사기(412) 및/또는 렌즈(414)를 통한 광의 경로를 결정한다. 일반적으로, 광학 축 Ao으로부터 더 멀리 광이 방출기(402)로부터 방사될수록, 반사기(412) 및/또는 렌즈(414)를 통과한 후에 광학 축 Ao으로부터의 발산 각도는 더 커질 것이다. 또한, 각각의 링의 상승된 위치는 상응하는 주변 다이(416a, 416b, 416c)를 반사기(412)에 더 가깝게 위치시키고, 반사기(412)는 이러한 다이가 광학 축 Ao으로부터 더 멀리 광을 투사하게 한다. 주변 다이(416a, 416b, 416c)의 각각의 상승된 위치는 유리하게는 방출기(402)의 요구된 직경을 증가시키지 않으면서 더 넓은 플러드 방출 패턴을 또한 가능하게 한다. 주변 다이(416a, 416b, 416c)의 상승된 위치의 부가적인 이점은 또한 방출기(402)의 기판에서 열 제거를 향상시키는 더 큰 기회를 제공한다. 주변 다이(416a, 416b, 416c) 및 중심 다이(414) 아래의 방출기(402)의 영역은 고도의 열 전도성 재료로 채워질 수 있거나, 방출기(402)의 회선 표면(convoluted surface)에서 순환되는 냉각 유체(공기 또는 액체)가 있는 배치에서 열을 발산시키기 위해 회선 표면 영역(도시되지 않음)을 제공할 수 있다. 센터 아웃으로부터의 순서로 LED 다이의 링에 에너지를 공급하면 모듈(400)로부터 점진적으로 더 넓은 "플러드" 발광 패턴이 생성된다.

개시된 조명 모듈은 적외선(IR) 광과 같이 사람의 눈에 보이지 않는 광을 생성하도록 구성될 수 있다. 가변적인 형상을 갖는 IR 광의 빔은 야간에 야간 투시 장비(night vision equipment)와 조합하여 사용하기 위해 탐조등 및 다른 형태의 조명에 사용하기 위한 가시광과 동일한 이유로 야간 투시 장비에 유용할 수 있다.

자동차 헤드라이트 시스템은 통상적으로 적어도 2개의 조명기를 사용하는데, 하나는 거리 가시성을 위한 하이 빔(high beam)용이고, 다른 하나는 대향하는 트래픽에 대해 구동할 때 로우 빔(low beam)용이다. 하나의 조명기가 하이 빔과 로우 빔 방출 패턴을 모두 생성하기 위해 빔 형상을 변경할 수 있도록 본 개시에 따른 조명 모듈을 사용할 수 있다.

항공기는 통상적으로 장거리, 시준된 빔 및 또한 넓은 플러드 패턴을 가진 유도등(taxi light)을 생성하는 착륙등(landing light)을 사용한다. 착륙 및 유도 기능을 모두 제공하여, 별개의 등의 무게 및 비용을 제거할 수 있는 단일 항공 등화(aviation light)를 생성하기 위해 본 개시에 따른 조명 모듈을 사용할 수 있다. 조합된 착륙등 및 유도등은 항공기의 속도가 항공기가 지상에 있음을 나타내는 경우에만 유도 빔 형상을 사용할 수 있게 하는 속도 센서를 포함할 수 있다.

LED 기반 성장 광은 또한 방출 패턴의 자동 변화로부터 이익을 얻을 수 있다. 시드링(seedling)에 초점을 맞춘 빔은 성장하는 식물의 폭을 에워싸기 위해 확장되도록 제어될 수 있다. 빔 형상은 식물의 상단까지 측정된 거리에 따르거나 경과된 시간 주기 또는 주야간 사이클에 따라 변경될 수 있다. 또한, 중심 다이와 상이한 광의 파장을 방출하는 주변 다이 및/또는 다이 인광체 조합을 제공함으로써 빔 형상과 함께 성장 광으로부터 방출된 광의 파장을 변경할 수 있다. 성장 광의 광의 파장 또는 색상을 변화시키는 것은 계절의 변화를 시뮬레이션하거나 성장 또는 성숙 사이클의 상이한 단계에서 식물의 필요에 성장 광의 색상을 조정하기 위해 사용될 수 있다.

본 개시의 양태에 따르면, 개시된 조명기로부터의 빔의 형상은 속도, 고도, 거리, GPS 위치, 차량 시스템으로부터의 입력, 또는 조명기의 각도 방향을 포함하지만 이에 한정되지 않는 변수에 따라 변화될 수 있다. 일례는 각도 위치가 착용자가 자신의 앞에 있는 땅을 내려다 보고 있음을 나타낼 때의 플러드로부터 착용자가 위를 올려다 보고 거리를 볼 필요가 있을 때 빔으로 빔 형상을 변화시키는 헤드램프이다. 시스템은 개시된 조명 모듈에 의해 조명된 타겟으로부터 반사된 광을 측정하도록 장착될 수 있다. 반사된 광이 최대화될 때까지 반사된 광은 빔의 형상을 변경하는데 사용되어 빔의 형상이 타겟의 크기 및 거리와 일치된다는 것을 나타낼 수 있다. 가속도계, GPS 센서, 고도계 및 다른 계측기는 빔의 형상을 변경하기 위한 제어 입력을 제공하는데 사용될 수 있다.

개시된 조명기는 스폿과 플러드 사이를 교대하는 연속적 또는 간헐적 가변 방출 패턴을 생성하도록 제어될 수 있다. 이러한 가변 패턴은 주의를 끄는 경고등 신호로서 사용될 수 있거나, 인간 또는 동물의 개인 또는 집단을 혼란시키거나 일시적으로 눈이 멀게 하는데 사용될 수 있다. 특정 가변 빔 패턴은 새의 충돌을 피하기 위해 항공기에 유용할 수 있다.

빔 형상에 대한 제어는 수동 입력, 자동 제어 또는 네트워크를 통한 원격/무선 신호 또는 블루투스 또는 WiFi와 같은 로컬 무선 신호에 의해 달성될 수 있다. 본 개시에 따른 조명 모듈은 조명 모듈과 통신하도록 장착된 휴대 전화, 태블릿 또는 다른 디바이스 상에 설치된 애플리케이션 프로그램(app)에 의해 제어될 수 있다. 조명 모듈에는 예를 들어 블루투스 송수신기가 장착될 수 있고, 블루투스를 통해 전화기 또는 태블릿과 통신할 수 있다.

Claims

LED 조명 조립체에 있어서,
발광 영역 상에 중심을 이룬 광학 축을 각각 갖고, 지지대 상에 배치되는 복수의 발광 다이; 및
초점을 갖고, 상기 초점을 통과하는 상기 복수의 발광 다이 중 제 1 발광 다이의 광학 축과 배치되어 상기 제 1 발광 다이로부터 방출된 광이 상기 제 1 발광 다이의 광학 축에 대해 빔으로 시준되는 빔 형성 광학기를 포함하며,
상기 제 1 발광 다이와 다른 상기 복수의 발광 다이는 적어도 복수의 링 내에 배치되고, 각각의 링은 상기 광학 축 주위에 중심을 이룬 복수의 상기 발광 다이를 포함하고, 상기 제 1 발광 다이와 다른 상기 복수의 발광 다이로부터 방출된 광은 상기 광학 축에 대한 발산 각의 범위에 걸쳐 상기 빔 형성 광학기로부터 방출되며, 상기 발산 각의 범위는 상기 제 1 발산 각보다 큰, LED 조명 조립체.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 발광 다이 및 상기 제 1 발광 다이와 다른 상기 복수의 발광 다이는 독립적으로 에너지가 공급될 수 있는, LED 조명 조립체.
제 1 항에 있어서,
상기 LED 조명 조립체는 입력에 따라 상기 적어도 하나의 링에 배치된 상기 복수의 발광 다이 및 상기 제 1 발광 다이에 대한 전력을 변화시키는 제어기에 연결되는, LED 조명 조립체.
제 3 항에 있어서,
상기 입력은 조명 조립체의 각도 위치, 타겟까지의 거리, 속도, 고도, 및 GPS 위치로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, LED 조명 조립체.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 발광 다이는 공통 지지대 상에 배치되는, LED 조명 조립체.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 발광 다이의 조합된 출력은 일반적으로 균일한 휘도 출력인, LED 조명 조립체.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 발광 다이는 상기 제 1 발광 다이와 다른 상기 복수의 발광 다이로부터 방출된 광의 색상과 상이한 제 1 색상의 광을 방출하는, LED 조명 조립체.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 발광 다이는 상기 제 1 발광 다이와 다른 상기 복수의 발광 다이보다 적은 휘도 용량을 갖는, LED 조명 조립체.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 발광 다이와 다른 상기 복수의 발광 다이는 상기 제 1 발광 다이로부터 분리되어 에너지가 공급될 수 있고, 상기 복수의 발광 다이의 각각은 동일한 링 내에 배치되는 상기 다른 발광 다이와 함께 에너지가 공급될 수 있는, LED 조명 조립체.
제 1 항에 있어서,
다이의 각각의 링은 총 휘도 용량을 가지며, 각각의 링의 총 휘도 용량은 반경 방향 내부 링의 총 휘도 용량보다 큰, LED 조명 조립체.
LED 조명 조립체에 있어서,
발광 영역 상에 중심을 이룬 광학 축을 각각 갖고, 지지대 상에 배치되는 복수의 발광 다이; 및
초점을 갖고, 상기 초점을 통과하는 상기 복수의 발광 다이 중 제 1 발광 다이의 광학 축과 배치되어 상기 제 1 발광 다이로부터 방출된 광은 상기 제 1 발광 다이의 광학 축에 대해 빔으로 시준되는 빔 형성 광학기를 포함하며,
상기 제 1 발광 다이와 다른 상기 복수의 발광 다이는 상기 제 1 발광 다이의 위치로부터 제 1 축을 따라 상기 빔 형성 광학기에 근접하게 위치되고, 상기 제 1 발광 다이와 다른 상기 복수의 발광 다이로부터 방출된 광은 상기 광학 축에 대한 발산 각의 범위에 걸쳐 상기 빔 형성 광학기로부터 방출되며, 상기 발산 각의 범위는 상기 제 1 발산 각보다 큰, LED 조명 조립체.
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 발광 다이 및 상기 제 1 발광 다이와 다른 상기 복수의 발광 다이는 독립적으로 에너지가 공급될 수 있는, LED 조명 조립체.
제 11 항에 있어서,
상기 LED 조명 조립체는 입력에 따라 상기 적어도 하나의 링에 배치된 상기 복수의 발광 다이 및 상기 제 1 발광 다이에 대한 전력을 변화시키는 제어기에 연결되는, LED 조명 조립체.
제 11항에 있어서,
상기 입력은 조명 조립체의 각도 위치, 타겟까지의 거리, 속도, 고도, 및 GPS 위치로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, LED 조명 조립체.
제 11 항에 있어서,
상기 복수의 발광 다이는 공통 지지대 상에 배치되는, LED 조명 조립체.
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 발광 다이와 다른 적어도 복수의 상기 발광 다이는 상기 광학 축 주위를 중심으로 하는 적어도 하나의 링 내에 배치되는, LED 조명 조립체.
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 발광 다이는 상기 제 1 발광 다이와 다른 상기 복수의 발광 다이로부터 방출된 광의 색상과 상이한 제 1 색상의 광을 방출하는, LED 조명 조립체.
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 발광 다이는 상기 제 1 발광 다이와 다른 상기 복수의 발광 다이보다 큰, LED 조명 조립체.
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 발광 다이와 다른 상기 복수의 발광 다이는 상기 제 1 발광 다이로부터 분리되어 에너지가 공급될 수 있고, 상기 복수의 발광 다이의 각각은 동일한 링 내의 다른 발광 다이와 함께 에너지가 공급될 수 있는, LED 조명 조립체.
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 발광 다이 및 상기 제 1 발광 다이와 다른 상기 복수의 발광 다이의 각각은 독립적으로 에너지가 공급될 수 있는, LED 조명 조립체.