KR20190138316A - 등각 나선 곡률을 포함하는 광 가이드 및 이를 포함하는 장치 - Google Patents

Abstract

광 가이드는 적어도 하나의 발광 표면 및 적어도 하나의 광 결합 표면을 포함하고 상기 광 결합 표면의 적어도 일부는 등각 나선 곡률을 갖는다. 광 가이드에 광학적으로 결합된 적어도 하나의 광원을 포함하는 광학 조립체가 또한 본원에 개시되며, 더불어 이러한 조립체를 포함하는 디스플레이, 조명, 및 전자 장치가 개시된다.

Description

등각 나선 곡률을 포함하는 광 가이드 및 이를 포함하는 장치

본 출원은 2017년 5월 3일 제출된 미국 가출원 번호 62/500,775 미 2017년 11월 29일에 제출된 미국 가출원 번호 62/592,147의 우선권을 주장하며, 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.

본 발명은 일반적으로 등각 나선 곡률(equiangular spiral curvature)을 가진 적어도 하나의 광 결합 표면을 포함하는 광 가이드(light guide)에 대한 것이며, 더불어 상기 광 가이드를 포함하는 디스플레이 및 조명 장치에 대한 것이다.

액정 디스플레이(LCD)는 휴대폰, 랩톱, 전자 태블릿, 텔레비전 및 컴퓨터 모니터와 같은 다양한 전자 기기에 일반적으로 사용된다. 종래의 LCD는 전형적으로 청색 발광 다이오드(LED) 및 형광체 또는 양자점(QD, quantum dot)과 같은 색 변환 요소를 포함한다. LED는 또한 조명기구와 같은 조명 적용에서 색 변환 요소와 조합하여 사용될 수 있다. 예를 들어, LED로부터의 청색 광은 색 변환 매체를 통해 지향될 수 있으며, 색 변환 매체는 광의 일부를 통과할 때 녹색 및/또는 적색 광으로 변환할 수 있다. 청색, 녹색 및 적색 광의 조합은 인간의 눈에 백색광으로 인식된다.

형광체(phosphors) 및 QD와 같은 색 변환 요소는 광 변환에서 100 % 양자 효율적이지 않으며, 광 에너지의 일부는 열로서 색 변환 요소에 의해 흡수될 수 있다. 또한, 색 변환 프로세스 자체는, 예컨대, 짧은 파장이 더 긴 파장으로 변환될 때 스토크스 이동(Stokes shift)으로 인해 열을 발생시킬 수 있다. 일부 경우에, 흡수된 광의 최대 20-40 %가 열로 변환된다. 과도한 열은 색 변환 요소를 저하(degrade)시킬 수 있기 때문에, 발생된 열을 소산시키고 색 변환 요소를 원하는 작동 온도 내로 유지하기 위해 적절한 냉각 또는 열 싱크 경로를 확립하는 것이 중요할 수 있다. 형광체 재료는 적당한 온도 (예를 들어, 최대 약 300℃)에서 작동할 수 있지만, QD 재료는 온도에 민감하고 약 100℃ 이상의 온도에서 저하(degradation)를 경험할 수 있다.

QD의 온도 민감도로 인해, 종래의 백라이트 유닛(BLU)은 일반적으로 QD와 LED 사이의 근접 및/또는 직접 접촉을 피하도록 구성된다. 이러한 구성은 "원격" 구성으로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 LCD 어셈블리에 도시된 바와 같이, QD는 종종 유리 또는 중합체 튜브, 모세관, 시트 또는 필름, 예컨대, QD 향상 필름(QDEF)(1)의 형태로 공급되며, 이는 인쇄 회로 기판(PCB)에 배열된 다수의 LED(2) 위에 배치될 수 있다(직접 물리적으로 접촉하지는 않음). LED(2)로부터 방출된 광(4)은 액정(LC) 패널(5)로 이동함에 따라 QD를 통과할 수 있다. BLU(6)는 PCB에 부착된 히트 싱크(7, heat sink)를 더 포함할 수 있으며, 이는 LED에 의해 발생된 열을 방출할 수 있다.

그러나, QD로부터의 열은 LED와 QDEF 사이의 갭을 통과하는 자유 또는 강제 대류 공기력(8)에 의해 주로 방출되기 때문에 이러한 조립체는 충분히 냉각을 제공할 수 없다. QDEF 자체는 상대적으로 열악한 열 전도체이며 히트 싱크(7)와 직접 열 접촉하는 것이 유리하지 않다. 이와 같이, LCD 조립체는 저 광 강도 및/또는 전력으로 작동되어 열 저하(thermal degradation)되는 것으로부터 QD를 보호할 수 있으며, 이는 바람직하지 않게 디스플레이 또는 광 밝기의 전체적인 저하를 야기할 수 있다. 부가적으로, 이러한 조립체는 QD가 배열에서 각각의 개별 LED 위에만 이산적으로 배치되지 않고, 전체 LED 배열 위에 불균일하게 분산되기 때문에, 상당한 재료 낭비를 초래할 수 있다.

따라서, 재료 낭비를 줄여, 그러한 장치의 비용을 줄일 수 있는 패턴화된 색 변환 매체를 포함하는 광학 조립체를 제공하는 것이 바람직하다. 히트 싱크 경로 또는 색 변환 매체에 의해 생성된 열을 소산시킬 수 있는 다른 냉각 메커니즘을 포함하는 광학 조립체를 제공하는 것 또한 바람직하다. 더욱이, 전체 두께를 줄인 광학 조립체를 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명은, 다양한 실시예에서, 적어도 하나의 발광 표면 및 적어도 하나의 광 결합 표면을 포함하는 광 가이드(light guide)에 관한 것으로, 여기서 적어도 하나의 광 결합 표면의 적어도 일부는 등각 나선 곡률을 포함한다.

광 가이드는 일부 실시예에서 제1 주 표면, 대향하는 제2 주 표면 및 적어도 하나의 에지 표면을 포함하는 플레이트를 포함할 수 있으며, 여기서 적어도 하나의 에지 표면은 광 결합 표면을 포함한다. 대안적인 실시예에서, 광 가이드는 제1 주 표면, 대향하는 제2 주 표면; 및 에지 표면을 포함하고, 상기 에지 표면은 상기 광 결합 표면을 포함한다. 광 가이드 또는 디스크의 제2 주 표면은 발광 표면을 포함할 수 있다. 광 가이드 또는 디스크의 제1 주 표면은 색 변환 매체, 광 산란 특징부 및 반사성 재료 중 적어도 하나를 사용하여 패턴화될 수 있다. 반사 레이어는 제1 주 표면 상에 패턴화된 색 변환 매체를 적어도 부분적으로 캡슐화할 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 광 가이드는 내부 벽 표면, 외부 벽 표면 및 하나 이상의 에지 표면을 포함하는 환형을 포함할 수 있으며, 여기서 하나 이상의 에지 표면은 광 결합 표면을 포함한다. 일부 실시예에서, 외부 벽 표면은 발광 표면을 포함한다. 추가 실시예에서, 환형은 중공 실린더로 이루어진다. 다른 실시예에 따르면, 광 가이드는 제1 단부 표면, 제2 단부 표면, 외부 벽 표면 및 에지 표면을 포함하는 막대(rod)를 포함할 수 있으며, 에지 표면은 광 결합 표면을 포함한다. 제1 단부 표면, 제2 단부 표면 및 외부 벽 표면 중 적어도 하나는 발광 표면을 포함할 수 있다.

예컨대, 하나 이상의 광 결합 표면에 결합된, 광 가이드에 광학적으로 결합된 적어도 하나의 광원을 포함하는 광학 조립체가 또한 본원에 개시된다. 다양한 실시예에서, 적어도 하나의 광원은 인쇄 회로 기판에 접합된다. 특정 실시예에서, 광학 조립체는 색 변환 매체, 광 산란 특징부 및 반사 물질 중 적어도 하나로 패턴화된 주 표면을 포함하는 투명 기판을 더 포함할 수 있다. 반사 레이어는 투명 기판의 주 표면 상에 패턴화된 색 변환 매체를 적어도 부분적으로 캡슐화할 수 있다. 비제한적인 실시예에 따르면, 광학 조립체는 광 가이드의 적어도 하나의 발광 표면에 근접하여 위치된 확산 레이어를 더 포함할 수 있다.

광학 조립체는, 예를 들어, 약 10 mm 미만, 또는 약 5 mm 미만의 두께를 갖는 스택(stack)을 포함할 수 있다. 광 가이드 및/또는 투명 기판은 유리, 플라스틱 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 디스플레이, 조명 및 전자 장치는 이러한 광 가이드를 포함하고 광학 조립체 또는 그 배열이 또한 본원에 개시된다.

본 발명의 내용의 추가의 특징 및 이점은 하기의 상세한 설명에 기재될 것이며, 그 일부는 그 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이며 다음의 상세한 설명, 청구범위, 더불어 첨부된 도면을 포함하여, 본원에 기재된 방법을 실시함으로써 인식된다.

전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 본 발명의 다양한 실시예를 제시하고, 청구 범위의 본질 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 프레임워크를 제공하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다. 첨부 도면은 본 발명의 추가 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서에 포함되어 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 본 발명의 다양한 실시예를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리 및 동작을 설명하는 역할을 한다.

다음의 상세한 설명은 다음의 도면들과 함께 읽혀질 때, 더 이해될 수 있으며, 가능한 같은 번호는 같은 요소를 나타내도록 사용된다.
도 1은 예시의 LCD 조립체를 나타낸다.
도 2a-2c는 본 발명의 실시예에 따른 광 가이드 플레이트의 측면도, 평면도 및 사시도를 나타낸다.
도 3a-3c는 본 발명의 실시예에 따른 광 가이드 디스크의 측면도, 평면도 및 사시도를 나타낸다.
도 4a-4c는 본 발명의 실시예에 따른 광 가이드 환형의 측면도, 평면도 및 사시도를 나타낸다.
도 5a-5c는 본 발명의 실시예에 따른 광 가이드 막대의 측면도, 평면도 및 사시도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 등각 나선 곡률을 가진 적어도 하나의 에지를 포함하는 광 가이드 플레이트 내의 전체 내부 반사를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 일정한 입사각 곡선을 구성하는데 사용된 좌표계를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 추가 실시예에 따른 일정한 입사각 곡선을 나타낸다.
도 9는 등각 나선 곡률을 가진 절단된 광 결합 표면을 포함하는 광 가이드를 나타낸다.
도 10은 두 개의 등각 나선 곡률을 가진 광 결합 표면을 포함하는 광 가이드를 나타낸다.
도 11a- 11b는 단일 및 이중 등각 나선 곡률 프로파일을 가진 광 결합 표면을 위한 광선 추적 경로를 나타낸다.
도 12a-12b는 도 11a-11b에 도시된 광선 추적 경로의 확대도이다.
도 13은 단일 및 이중 등각 나선 곡률 프로파일을 가진 광 결합 표면을 포함하는 광 가이드를 위한 광원 정렬 오차를 나타내는 그래프이다.
도 14a는 반사 물질을 포함하고 색 변환 매체로 패턴화되고 주 표면을 가진 광 가이드의 측면도이다.
도 14b는 색 변환 매체 및 반사 물질로 패턴화된 주 표면을 가진 광 가이드의 측면도이다.
도 14c는 반사 레이어를 포함하고 색 변환 매체로 패턴화된 주 표면을 가진 기판의 측면도이다.
도 15는 상호 연결 광 가이드 및 기판을 포함하는 광 조립체를 나타낸다.
도 16a는 색 변환 매체로 패턴화된 기판의 평면도이다.
도 16b는 색 변환 매체 및 반사 물질로 패턴화된 기판의 평면도이다.
도 16c는 색 변환 레이어 및 반사 레이어를 포함하는 다층-레이어 기판의 사시도이다.
도 17은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 광학 조립체를 나타낸다.
도 18-19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 조립체 배열을 나타낸다.
도 20a-20c는 본 발명의 특정 실시예에 따른 광학 조립체에 대한 광 방사 강도 프로파일을 나타낸다.
도 21a-21d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 조립체에 대한 광 방사 강도 프로파일을 나타낸다.
도 22는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 광학 조립체를 나타낸다.
도 23a-23b는 본 발명의 비-한정적인 실시예에 따른 광학 조립체에 대한 출력 조도 프로파일을 나타낸다.

본 발명의 다양한 실시예들이 도 2 내지 도 22를 참조하여 논의될 것이며, 이는 광 가이드, 광학 조립체, 그 구성 요소, 및 그 특징 또는 특성의 예시적인 실시예를 나타낸다. 이들 조립체를 포함하는 디스플레이 및 조명 장치가 또한 본원에 개시된다. 다음의 일반적인 설명은 청구된 조립체 및 장치의 개요를 제공하기 위한 것이며, 비제한적인 도시된 실시예를 참조하여, 다양한 관점이 본 발명의 전반에 걸쳐보다 구체적으로 논의될 것이며, 이들 실시예는 본 발명의 문맥 내에서 서로 교체될 수 있다.

적합한 투명 물질은, 예를 들면, 디스플레이 및 다른 전자 장치에 사용하기 위해 당업계에 공지된 임의의 유리를 포함할 수 있다. 예시적인 유리는 알루미노실리케이트(aluminosilicate), 알칼리-알루미노실리케이트(alkali-aluminosilicate), 보로실리케이트(borosilicate), 알칼리-보로실리케이트(alkali-borosilicate), 알루미노보로실리케이트(aluminoborosilicate), 알칼리-알루미노보로실리케이트(alkali-aluminoborosilicate) 및 다른 적합한 유리를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 이들 기판은 다양한 실시예에서 화학적으로 강화되고 및/또는 열적으로 템퍼링될 수 있다. 적합한 상업적으로 이용 가능한 기판의 비제한적인 예시는, 예를 들어, 코닝 인코포레이티드(Corning Incorporated)의 EAGLE XG®, LotusTM, IrisTM, Willow® 및 Gorilla® 유리를 포함한다. 이온 교환에 의해 화학적으로 강화된 유리는 일부 비제한적인 실시예에 따른 기판으로서 적합할 수 있다. 다른 실시예에서, 플라스틱과 같은 중합체 재료(예컨대, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate) "PMMA", 메틸메타크릴레이트 스티렌(methylmethacrylate styrene) "MS" 또는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane) "PDMS")가 적합한 투명 물질로서 사용될 수 있다.

도 2 - 도 5는 각각 적어도 하나의 발광 표면 및 적어도 하나의 광 결합 표면을 포함하는 다양한 비제한적 광 가이드(100A-D)를 도시하고, 광 결합 표면은 등각 나선 곡률을 갖는 적어도 일부를 포함한다. 도 2를 참조하면, 광 가이드(100A)는 적어도 하나의 에지 표면(103)을 포함하는 시트 또는 플레이트 형태일 수 있다. 광 가이드 플레이트(LGP)(100A)는 제1 주 표면(101) 및 대향하는 제2 주 표면(102)을 포함할 수 있고, 이들 중 하나는 발광면으로서 기능할 수 있다. 도시된 실시예에서, 제2 주 표면(102)은 발광 표면으로서 작용할 수 있고 에지 표면(103)은 광 결합 표면으로서 작용할 수 있다. 에지 표면(103)의 적어도 일부는 등각 나선 곡률을 생성하도록 성형된다. 도 2a 내지 도 2c는 대칭으로 도시되고, 사각형 LGP(100A)는 2개의 광 결합 표면(예컨대, 에지 표면(103))을 포함하는 반면, LGP(100A)는 삼각형, 사각형, 마름모꼴, 사다리꼴, 오각형, 육각형 및 기타 적합한 모양과 같은 4개의 에지보다 더 적거나 더 많은 대칭 및 비대칭 형상을 포함하여, 임의의 규칙적이거나 불규칙적인 다각형 형상을 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 적어도 하나의 곡선형 에지 표면(103)을 포함하는 형상이 또한 고려된다. 또한, 제1 및 제2 주 표면(101, 102)은 도 2a 내지 도 2c에서 평면 및 평행한 것으로 도시되어 있다. 이들 표면 각각은 하나 이상의 곡률의 축을 포함할 수 있고 및/또는 서로 평행하지 않을 수 있음을 이해해야 한다.

도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 광 가이드(100B)는 또한 에지 표면(103)을 포함하는 디스크의 형태일 수 있다. 도 2a 내지 도 2c와 유사하게, 광 가이드 디스크(100B)는 또한 제1 주 표면(101) 및 대향하는 제2 주 표면(102)을 포함할 수 있으며, 이들 중 어느 하나는 발광 표면으로서 기능할 수 있다. 도시된 실시예에서, 제2 주 표면(102)은 발광 표면으로서 작용할 수 있고 에지 표면(103)은 광 결합 표면으로서 작용할 수 있다. 에지 표면(103)의 적어도 일부는 등각 나선 곡률을 생성하도록 성형된다. 도 3a 내지 도 3c는 대칭의 원형 광 가이드 디스크(100B)를 도시하지만, 디스크(100B)는 원형, 타원형 및 다른 자유 형태의 곡선 형태와 같은 대칭 및 비대칭 형상을 포함하는, 곡선형 에지 표면을 포함하는 임의의 규칙적이거나 불규칙한 형상을 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 제1 및 제2 주 표면(101, 102)은 도 3a-3c에서 평면 및 평행한 것으로 도시되어 있으며, 이들 표면 각각은 하나 이상의 곡률의 축을 포함할 수 있고 및/또는 서로 평행하지 않을 수 있음을 이해해야 한다.

도 4a 내지 도 4c를 참고하면, 광 가이드(100C)는 또한 에지 표면(103), 외부 벽 표면(104) 및 내부 벽 표면(104')을 포함하는 중공의 환형 형태일 수 있다. 도시된 실시예에서, 외부 벽 표면(104)은 발광 표면으로서 작용할 수 있고, 에지 표면(103)은 광 결합 표면으로서 작용할 수 있다. 에지 표면(103)의 적어도 일부는 등각 나선 곡률을 생성하도록 성형된다. 도 4a 내지 도 4c는 원형 단면 형상을 갖는 대칭의 원통형 광 가이드 환형(100C)을 도시하지만, 환형(100C)은 원형, 타원형, 삼각형, 정사각형, 마름모꼴, 사다리꼴, 오각형, 육각형 및 기타 적합한 단면 형상과 같은 하나 이상의 선형 또는 곡선형 에지를 갖는 대칭 및 비대칭 형상을 포함하여, 임의의 규칙적이거나 불규칙적인 단면 형상을 포함할 수 있음을 이해해야한다.

도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 광 가이드(100D)는 또한 에지 표면(103), 외부 벽 표면(104), 제1 단부 표면(106) 및 제2 단부 표면(107)을 포함하는 막대(rod) 형태일 수 있다. 도시된 실시예에서, 외부 벽 표면(104), 제1 단부 표면(106) 및/또는 제2 단부 표면(107)은 발광 표면으로서 작용할 수 있고, 에지 표면(103)은 광 결합 표면으로서 작용할 수 있다. 에지 표면(103)의 적어도 일부는 등각 나선 곡률을 생성하도록 성형된다. 도 5a 내지 도 5c는 원형 단면 형상을 갖는 대칭의 원통형 광 가이드 막대(100D)를 도시하지만, 막대(100D)는 원형, 타원형, 삼각형, 정사각형, 마름모꼴, 사다리꼴, 오각형, 육각형 및 기타 적합한 단면 형상과 같은 하나 이상의 선형 또는 곡선 형 모서리를 갖는 대칭 및 비대칭 형상을 포함하는 임의의 규칙적이거나 불규칙적인 단면 형상을 포함 할 수 있음을 이해해야한다.

일반적으로 도 2 내지 5를 참조하면, 에지 표면(103)은 일반적으로 참조 용이성을 위해 볼록한 곡률로 그려져 있으며; 그러나, 등각 나선 곡률의 특정 특성 및 결과 형상은 아래에서 더 상세하게 논의된다. 등각 나선 곡률은 2016년 6월 8일자로 출원된 미국 가출원 번호 62/347,351 호에서 논의되며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.

광 가이드의 광 결합 표면(예컨대, 에지 표면(103))의 곡률은, 일부 실시예에서, 광 가이드에 광학적으로 결합된 광원에 의해 방출된 광에 대한 원하는 광 경로에 의존한다. 예를 들어, 도 6을 참조하여, 광 결합 표면(105)의 곡률은 광 가이드(100)에 광학적으로 결합된 광원(예컨대, LED)(111)으로부터 방출된 광(110)이 임계각보다 더 큰 각도로 광 결합 표면(105)의 내부 측(105')에 부딪치고 전반사(TIR)로 인해 광 가이드 내에 "갇히게" 되도록 설계될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "광학적으로 결합된"은 광을 광원으로 도입하거나 주입하기 위해 광원이 광 가이드에 대해 위치되는 것을 의미한다. 구성 요소와 직접 물리적으로 접촉하지 않아도 광원은 광원에 광학적으로 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 광원은 적어도 하나의 광 결합 표면(105)에 광학적으로 결합될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 예컨대, 도 6에 도시된 바와 같이, 광원(111)은 광이 광 결합 표면(105)의 내부 측(105')에 입사되도록 광 결합 표면(105)에 근접한 광 가이드(100)의 제1 주 표면(101) 상에 또는 그 근처에 배치될 수 있다.

전반사(TIR)는 제1 굴절률을 포함하는 제1 재료(예컨대, 유리, 플라스틱 등)에서 전파되는 광이 제1 굴절률보다 낮은 제2 굴절률을 포함하는 제2 재료(예컨대, 공기 등)과의 계면에서 완전히 반사될 수 있는 현상이다. TIR은 스넬의 법칙(Snell's law)을 이용하여 다음과 같이 설명되며:

이는 상이한 굴절률의 두 재료들 사이의 계면에서의 광의 굴절을 설명한다. 스넬의 법칙을 따르면, n₁은 제1 재료의 굴절률이고, n₂는 제2 재료의 굴절률이고, θ_i는 계면에 대한 법선에 대해 계면에서 광 입사의 각도(입사 각)이고, θ_r는 법선에 대해 굴절된 광의 굴절각이다. 굴절 각도(θ_r)는 90도이고, 예컨대, sin(θ_r)=1, 스넬의 법칙은 아래와 같이 표현될 수 있다:

이러한 조건하의 입사각(θ_i)은 임계각(θ_c)으로서도 나타낼 수 있다. 임계각 보다 큰 입사각을 갖는(θ_i > θ_c) 광은 제1 재료 내에서 전체적으로 내부적으로 반사되는 반면, 임계각 이하의 입사각을 갖는(θ_i ≤ θ_c) 광은 제1 재료에 의해 투과 될 것이다.

공기(n₁=1)과 유리(n₂=1.5) 사이의 예시의 계면의 경우, 임계각(θ_c)은 대략 42도(°)로 계산될 수 있다. 따라서, 유리에서의 광 전파가 42도보다 큰 입사각으로 공기-유리 계면을 부딪치게 되면, 모든 입사각은 입사각과 동일한 각도에서 계면으로부터 반사될 것이다. 반사된 광은 제1 계면으로서 동일한 굴절률 관계를 포함하는 제2 계면과 마주치게 되고, 제2 계면에서의 광 입사는 다시 입사각과 동일한 반사각으로 반사될 것이다.

따라서, 본원에 개시된 광 가이드의 하나 이상의 에지 표면은 광을 예컨대, "가두도록(trap)" 구성되어, 광 가이드의 광 결합 표면으로 주입된 광은 광 가이드 내에서 되풀이하여 전파될 수 있으며, 예컨대, 계면 조건이 변화할 때까지 또는 변화하지 않는 한, 광 결합 표면(105)(예컨대, 에지 표면(103))을 따라 또는 대안으로서 광 가이드의 다른 표면들(예컨대, 제1 주 표면(101), 제2 주 표면(102), 외부 및 내부 벽 표면(104, 104'), 및/또는 제1 및 제2 단부 표면(106, 107)) 사이에서 반사된다. 일부 실시예에서, 광 결합 표면(105)(예컨대, 에지 표면(103))의 곡률은 광원 자체에 원점에 관계없이, 광원(111)에서 방출된 실질적으로 모든 광(110)이 θ_i > θ_c 인, 입사각(θ_i)에서 광 결합 표면과 부딪치도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 광원(111)의 상부 코너에서 방출된 광(110)은 광 결합 표면(105)에 대해 가장 작은 입사각을 가질 수 있으며, 따라서, 광 결합 표면(105)은 광원(111) 상의 이러한 위치로부터 방출된 광조차도 임계각(θ_c)보다 큰 입사각(θ_i)을 갖도록 구성될 수 있다. 비제한적인 실시예에 따라, 광 가이드의 적어도 하나의 광 결합 표면(105)(예컨대, 에지 표면(103))은 실질적으로 광원(111)으로부터의 모든 광이 θ_i = k > θ_c 인, 일정한 입사각(θ_i)으로 광 결합 표면(105)(예컨대, 에지 표면(103))과 부딪치도록 구성될 수 있다.

광 결합 표면의 일정한 입사 각 곡선 r(θ)은 광원의 상부 코너에 정의된 원점을 가진 좌표계를 정의함으로써 구성될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 곡선 r(θ)에 대한 접선 벡터(

)는 수식 (1)을 이용하여 도시될 수 있다:

(1)

여기서,

는 광선의 방향을 나타내는 단위 벡터이고,

는

에 수직인 단위 벡터이다.

와

의 곱은 수식 (2)로 표현될 수 있다:

(2)

여기서, α는

와

사이에 형성된 각도이다. 입사각이 α의 보수이므로, 수식 (2)는 다음의 수식 (3)으로서 다시 쓰여질 수 있다:

(3)

수식 (3)은 극좌표의 다른 수식 (4)을 제공하도록 더욱 단순화될 수 있다:

(4)

수식 (4)에 대한 해법은 수식 (5)로 나타낸다:

(5)

여기서, r(0)은 θ=0에서 곡선 r(θ)의 시점 또는 원점이다.

도 8은 r(0) = 0.4 mm 및 θ_i = 42도인, 광 결합 표면에 대해 예시의 일정한 입사각 곡률을 도시한다. 광원(111)에서 방출된 광에 대한 각도 범위 θ(0 < θ < π)가 개시되며, 이들 각각은 에지 표면을 통해 입사각 θ_i = 42도을 야기한다. 각도 θ < π에 대해, 일정한 입사각 곡선은 나선으로 정의되고, 또한 이른바 대수 나선, 등각 나선, 또는 성장 나선으로 형성된다. 이와 같이, 일정한 입사각 곡률을 가진 광 결합 표면은 등각 나선 곡률을 가진 적어도 하나의 영역을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 실질적으로 모든 광 결합 표면은 등각 나선 곡률을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 광 결합 표면의 적어도 일부는 등각 나선 곡률(예컨대, 도 9에 도시된 바와 같이, 잘린 표면의 경우)을 가질 수 있다.

(0 < θ < π)에 대한 곡선 r(θ)의 피크는 θ_p = θ_i + π/2로 표현될 수 있다. 이러한 피크에 대한 직교 좌표는 수식 (6a-b)로 표현될 수 있다:

(6a)

(6b)

y-축의 우측에 대한 볼록한 표면의 경계 또는 최대 한계(116)는 각도 (θ_i)에서 일어난다. 이와 같이, 이러한 가장 우측 지점에 대한 직교 좌표는 수식 (7a-b)로 표현될 수 있다:

(7a)

(7b)

x_r의 값은 에지 표면에 광학적으로 결합될 수 있는 광원의 최대 반경을 결정하는데 사용될 수 있다.

도 9를 참고하면, 광 가이드의 광 결합 표면(105)은, 어떤 실시예에서, 광 결합 표면(105)이 둘 이상의 부분을 포함하도록 적어도 부분적으로 잘려질 수 있다. 제1 부분(105A)은 직선 에지(straight edge)를 포함하며, 이는 광 가이드(100)의 수평 중심선에 대해 수직이거나 수직이 아닐 수 있으며, 다양한 실시예에서, 예컨대, 약 80도 내지 약 100도, 또는 약 85도 내지 약 95도, 예컨대, 약 90도의 범위로, 상기 중심선에 대해 다양한 각도를 형성할 수 있다. 광 결합 표면(105)의 적어도 일부, 예컨대, 제2 부분(105B)은 등각 나선 곡률을 가질 수 있다. 추가적인 실시예에 따라서 도 10에 도시된 바와 같이, 광 결합 표면(105)은 등각 나선 곡률을 가진 많은 부분을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제2 부분(105B)은 하나의 등각 나선 곡률 프로파일을 포함할 수 있고, 제3 부분(105C)는 다른 등각 나선 곡률 프로파일을 포함할 수 있으며, 이러한 프로파일들은 동일하거나 상이하며 및/또는 상이하거나 또는 동일한 일정한 입사각(θ_i)을 갖는다. 물론, 추가적인 프로파일을 가진 추가적인 부분이 제한 없이 포함될 수 있다.

광원으로부터 광 가이드로의 광선 추적 경로는 도 11a-b 및 도 12a-b에서 두 개의 자세한 수준으로 도시된다(확대). 도 11a 및 12a는 직선 에지 부분과 두 개의 등각 곡률 프로파일 부분을 가진 광 가이드에 대한 광선 추적 경로를 나타내며, 도 11b 및 12b(확대도)는 직선 에지 부분 및 단일 등각 곡률 프로파일 부분을 가진 광 가이드에 대한 광선 추적 경로를 나타낸다. 이론에 구애받지 않고, 선택적으로 직선 에지 부분을 가진, 둘 이상의 등각 나선 곡률 프로파일의 통합은 광 결합 효율에 대한 광원 오정렬의 영향을 감소시킬 수 있는 것으로 여겨진다. 광 가이드에 대한 광원의 위치는 중요할 수 있고 광 가이드의 에지를 통해 누출되는 광의 양에 영향을 줄 수 있다. 광원은 이론적으로 광 누출을 최소화하도록 위치될 수 있지만, 실제로 광원의 실제 위치는 이에 한정하지 않지만, 인쇄 회로 기판(PCB) 제조 오차, PCB의 포장 및/또는 PCB 지지 구조, PCB에 대한 광원의 납땜을 포함하는 여러 요인으로 인해 다양한 정도의 오정렬을 포함할 수 있다. 광원이 이상적인 위치로부터 오정렬될 때, 예컨대, 광원이 광 가이드의 에지를 지나 연장된 경우, 상당한 양의 광이 광 누출로서 손실될 수 있다. 추가적인 곡률 프로파일을 포함하는 것은(예컨대, 도 10의 제3 부분(105C) 이러한 잠재적인 광 누출의 일를 포착하고 광 가이드로 이를 재지향시킬 수 있다.

도 13은 LED 오정렬의 기능으로서 광 가이드로부터 광 누출의 그래프 플롯이다. 전력 누출은 광 가이드 에지를 통해 결합된 전력을 발광 표면을 통해 결합된 전력과 광 가이드 에지를 통해 결합된 전력의 합으로 나눈 것으로 계산된다. 오정렬에 대한 양수는 광 가이드의 잘려진 에지를 향한 오정렬을 나타낸다. 도 13의 오정렬은 음의 방향으로 -0.1 mm으로 제한되며, 이는 이러한 방향의 오정렬이 등각 나선 프로파일에 대한 TIR 조건을 만족시키지 못할 수 있기 때문이다. 이상적인 광원 위치에서도(오정렬 = 0), 광 누출은 단일 등각 나선 곡률 프로파일(플롯 A)을 가진 광 가이드에 대해 20 %이며 이중 프로파일을 가진 광 가이드(플롯 B)에 대해 21 %이다. 전력의 일부는 광원과 광 가이드 사이에서 누출되고 누출의 나머지 부분은 광가이드 내에서의 몇몇 반사 이후 광 가이드 에지로부터 나온 광 때문일 수 있다. 광원이 0.12 mm까지 오정렬될 때, 광 누출은 단일 프로파일 광 가이드에 대해 20 % 에서 25 % 로 증가한다. 그러나, 동일한 양의 오정렬은 이중 프로파일 광 가이드에 한 광 누출을 감소시지 않는다. 도 13에서 도시된 바와 같이, 이중 프로파일을 가진 광 가이드는 오정렬 오차의 86 % 개선을 야기하는, 오정렬의 단지 0.22 mm를 용인할 수 있는 단일 프로파일 광 가이드에 비해 광원 오정렬의 0.41 mm까지 용인할 수 있다.

도 2-5를 다시 참고하면, 적어도 하나의 광원(111)은 광 가이드(100A-D)에 광학적으로 결합되어 광학 조립체를 형성할 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 광원은 에지 표면(103) 인근에 배치될 수 있다. 광 가이드 플레이트 또는 디스크(100A, 100B)의 경우, 광원은 에지 표면(103) 근처 제1 주 표면(101)에 또는 그 근처에 위치될 수 있다. 도 2a, 3a, 4a, 및 5a에 도시된 단면도는 각각 대향하는 에지 표면(103)에서 하나씩 2개의 광원(111)을 도시한다. 그러나, 여러 광원은 하나 이상의 광 결합 표면을 따라 배치될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들면, 다수의 광원은 예컨대, 도 2b에 도시된 바와 같이, 대향하는 에지 표면을 따라 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 광원은 도 3b, 4b 및 5b에 도시된 바와 같이, 단일 광 결합 표면을 따라 배치될 수 있다. 또는, 사각형 또는 직사각형 광 가이드와 같은, 다중 에지 표면을 가진 광 가이드의 경우, 하나 이상의 광원은 제한 없이 임의의 하나 이상의 에지 표면을 따라 배치될 수 있다.

광 가이드(100)의 치수는 광원(111)의 크기에 따를 수 있다. 특정 실시예에서, 광 가이드(100)의 두께는 광원(111)의 가장 좁은 치수와 대량 선형으로 스케일링될 수 있다. 예를 들어, 0.7 mm x 0.7 mm LED에 광학적으로 결합된 광 가이드는 5 mm 이하의 두께를 가질 수 있다. 따라서, 광 가이드의 두께는 약 1 mm 내지 약 10 mm, 예컨대 약 2 mm 내지 약 9 mm, 약 3 mm 내지 약 8 mm, 약 4 mm 내지 7 mm, 또는 약 5 mm 내지 약 6 mm, 이들 사이의 모든 범위 및 하위 범위를 포함하는 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 광 가이드 두께는 약 5 mm 이하, 예컨대, 약 4.5 mm 이하, 약 4 mm 이하, 약 3.5 mm 이하, 또는 약 3 mm 이하, 및 이들 사이의 모든 범위 및 하위 범위를 포함하여, 예컨대, 약 3 mm 내지 약 5 mm의 범위에 있다.

도 14a-b에 도시된 바와 같이, 광 가이드(100)의 하나 이상의 표면은 색 변환 매체, 광 산란 또는 확산 특징부, 및/또는 반사 물질로 패턴화될 수 있다. 비제한적인 실시예에서, 제1 주 표면(101)은 색 변환 매체(112) 및 반사 레이어(135)를 포함한다. 대안으로서, 아래에서 더 자세하게 설명된 것처럼, 색 변환 매체(112), 광 산란 특징부 및/또는 반사 레이어(135)는 투명 기판과 같은 별도의 구성요소에 제공될 수 있으며, 이는 광 가이드(100)를 포함하는 광학 조립체에 포함될 수 있다. 색 변환 매체(112)는 형광체, 양자점 및/또는 발광단, 예컨태, 형광단, 및/또는 발광 중합체와 같은, 적어도 하나의 색 변환 요소를 포함할 수 있다. 색 변환 매체(112) 또는 광 산란 특징부는 예를 들어, 색 변화 매체(112) 또는 광 산란 특징부에 입사된 반사광이 임계각(θ_c) 이하의 각도에서 전방으로 산란되도록, 변경된 계면 조건의 영역을 제공할 수 있다. 특정 실시예에서, 색 변환 매체는 입사광을 산란시키고 다른 파장으로 이를 변환하는 이중 목적의 역할을 할 수 있다.

도 6에서 더 자세하게 도시되어 있는 바와 같이, 광원(111)에 의해 방출된 광(110)은 광 결합 표면(105)(예컨대, 에지 표면(103))의 곡률에 의해 촉진된 TIR로 인해 광 가이드(100) 내에서 재지향될 수 있다. 따라서, 광 가이드 내의 TIR은 색 변환 매체(112)가 분포된 영역에서 "파손되거나(broken)" 또는 중단되어, 광(110)은 투과된 광(110')으로서 광 가이드(100)를 빠져나갈 수 있다. 색 변환 매체는 또한 광(110)을 수정할 수 있으며, 투과된 광(110')은 광(110)의 원래 파장과 상이한 파장을 갖는다.

반사 레이어(135)는 광 가이드(100)의 주 표면에 배치될 수 있으며 색 변환 매체(112) 또는 광 산란 특징부(도시되지 않음)의 적어도 일부를 캡슐화할 수 있다. 비제한적인 실시예에서, 반사 레이어는 하나 이상의 Al, Au, Ag, Pt, Pd, Cu 합금과 이들의 조합을 포함하는 필름과 같은 금속 필름을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따라, 금속 필름의 레이어는 또한 알루미늄 레이어에 의해 덮혀진 은의 레이어 등과 같이 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 반사 레이어(135)는 예컨대, 색 변환 매체(112)로부터 열을 소산시킬 수 있는 높은 열전도율을 가진 재료를 포함할 수 있다. 더욱이, 반사 레이어(135)는 균열 또는 핀 구멍을 발생시키지 않고 열응력 하에서(예컨대, 색 변환 재료의 열 팽창으로 인해) 팽창 및/또는 신장될 수 있는 연성 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 반사 레이어(135)는 수분 및/또는 공기에 의해 색 변환 매체(112)로부터 열을 소산시키는 열 경로로서 및/또는 색 변환 매체(112)의 열화(degradation)를 방지하는 기밀 장벽으로서 역할을 할 수 있다. 색 변환 매체(112), 광 산란 특징부, 및 반사 레이어(135)에 대한 다른 배열은 아래에서 더욱 자세하게 논의된다. 이러한 실시예는 제한 없이 도 2-5에 도시된 실시예와 교체될 수 있다고 이해되어야 한다.

색 변환 매체를 통해 직접 광을 전송하는 대신("전송(transmission)" 모드), 본원에 개시된 광학 조립체는, 광이 색 변환 매체("반사" 모드)와 부딪치기 전에 더 큰 구역에 걸쳐 광을 펼치기 위해, 예컨대 본원에 개시된 미리 결정된 굴곡을 가진 적어도 하나의 광 결합 표면을 포함하는 광 가이드를 이용하여, 광원에서 방출된 광이 한번 이상 반사되도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 장치 내의 광학 플럭스(optical flux)는 예컨대, 최대 2배 이상까지 크게 감소될 수 있다. 다시 말해서, 색 변환 매체에 충돌하는 반사광은 광원으로부터 원래 투과된 광의 10 % 이하 또는 심지어 1 % 이하의 강도를 가질 수 있다. 더욱이, 광이 색 변환 매체 아래의 반사 표면으로부터 반사될 수 있기 때문에, 반사 모드 구성은 색 변환 매체를 통해 1회 이상 광을 통과시키는 추가적인 이점을 가질 수 있으며, 이에 따라, 상이한 파장으로 변화되는 기회를 증가시킬 수 있다.

더욱이, 색 변환 매체가 광원으로부터 이격된, "원격(remote)" 구성을 이용하여, "반사" 모드와 함께 매체 및/또는 매트릭스가 노출되는 광학 플럭스를 감소시킬뿐만 아니라, 임의의 발생된 열을 소산시키기 위한 추가적인 히트 싱크 경로도 제공한다. 또한, "원격" 구성은 더 차가운 온도에서 LED가 작동하게 하여, 더욱 효과적이라는 추가적인 이점을 가지며, 이는 색 변환 매체를 냉각시키기 위한 열 경로로서 작용할 필요가 없기 때문이다(예컨대, 등각 형광체 코팅(conformal phosphor coatings)의 경우). 그러므로, 광학 조립체의 수명은 상기 하나 이상의 이점으로 인해 종래의 장치에 비해 연장될 수 있다.

도 14a를 참고하여 논의된 바와 같이, 광 가이드(100)는 색 변환 매체, 광 산란 특징부, 및/또는 반사 재료로 패턴화된 적어도 하나의 표면을 포함할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "패턴화(patterning)"라는 용어는 광 가이드 또는 기판의 표면에 어떤 주어진 패턴 또는 디자인으로 매체, 특징부, 및/또는 재료가 존재한다는 것으로 의도되며, 이는 예를 들어, 반복적이거나 또는 비-반복적인, 균일하거나 또는 비균일하게, 무작위되거나 또는 배열될 수 있다. 본원에 논의된 바와 같이, 패턴은 또한 기판의 하나의 단부에서 다른 단부로 경사를 포함할 수 있다.

도 2a-c 및 3a-c의 광 가이드 플레이트(100a) 또는 광 가이드 디스크(100b)를 참고하면, 제1 및 제2 주 표면(101, 102) 중 하나 또는 둘 모두는 색 변환 매체, 광 산란 특징부, 및 반사 재료 중 적어도 하나로 패턴화될 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 주 표면(102)는 광 방출 표면일 수 있으며 제1 주 표면(101)은 색 변환 매체, 광 산란 특징부, 및/또는 반사 재료로 패턴화될 수 있다. 도 4a-c의 광 가이드 환형(100C)을 참고하면, 외부 및 내부 벽 표면(104, 104') 중 하나 또는 둘 모두는 색 변환 매체, 광 산란 특징부, 및 반사 재료 중 적어도 하나로 패턴화될 수 있다. 다양한 실시예에서, 외부 벽 표면(104)은 광 방출 표면일 수 있으며 내부 벽 표면(104')은 색 변환 매체, 광 산란 특징부, 및/또는 반사 재료로 패턴화될 수 있다. 도 5a-c의 광 가이드 막대(100D)를 참고하면, 외부 벽 표면(104)은 색 변환 매체, 광 산란 특징부, 및 반사 재료 중 적어도 하나로 패턴화될 수 있으며, 제1 및/또는 제2 단부 표면(106, 107)은 광 방출 표면일 수 있다.

일부 실시예에서, 반사 레이어(135)는 도 14a에 도시된 바와 같이, 연속적일 수 있다. 추가 실시예는 또한 도 14b에 설명된 바와 같이, 비연속적인 반사 레이어(135')를 포함할 수 있다. 알루미늄과 같은 금속은 약간 흡수될 수 있기 때문에, 연속 반사 금속 코팅은 광 가이드에 의해 투과된 광의 약간의 감쇠를 야기할 수 있다. 이와 같이, 일부 실시예에서, 반사 레이어는 색 변환 매체(112)의 증착(deposits)에 상응하는 영역에만 제공될 수 있다. 따라서, 영역(137)은 더 큰 TIR을 허용하는, 유리/공기 또는 플라스틱/공기 계면을 가질 수 있다. 부가적으로, 도시되지 않았지만, 영역(137)에 상응하는 표면(101)의 부분은 투과된 광에 대한 원하는 색 밸런스를 얻는데 사용될 수 있는 백색 산란 입자와 같은 다른 광 산란 특징부로 제공될 수 있다. 도 14b는 패턴화된 색 변환 매체(112)를 포함하는 광 가이드(100)를 도시하고 있지만, 거기에 도시된 구성과 더불어 도 14a에 도시된 구성은 도 14c에 도시된 바와 같이 투명 기판(130)에 적용될 수 있다. 기판(130)은 본원에 개시된 유리 및 플라스틱과 같은 임의의 투명 재료로 구성될 수 있다. 도 15에 도시된 바와 같이, 광 가이드(100)는 적어도 하나의 리세스(150)를 포함할 수 있으며, 거기에 투명 기판(130)은 광 가이드(100)와 매치되거나 상호 맞물리도록 위치될 수 있다. 투명 기판은, 이에 한정하지 않지만, 색 변환, 광 산란, 광 흡수, 광 반사, 광 편광 기능, 및 이들의 결합을 포함하는 하나 이상의 기능들을 포함할 수 있다.

도 14c는 제1 및 제2 주 표면(131, 132)을 포함하는 예시의 투명 기판(130)의 대안 실시예를 나타내고, 상기 표면(131)은 색 변환 매체(112)로 패턴화된다. 잉크 레이어(138, ink layer)는 색 변환 매체(112)와 반사 레이어(135) 사이에 제공될 수 있다. 잉크 레이어(138)는 예를 들어, 금속 산화물(예컨대, TiO₂)과 같은 반사 백색 잉크를 포함할 수 있으며, 시야로부터 반사 레이어(135)를 부분적으로 또는 완전히 가리는 역할을 할 수 있다. 원하는 경우, 잉크 레이어(138)는 도 14c에 도시된 바와 같이, 색 변환 매체(112)가 없는 영역에도, 투명 기판(130)의 전체 제1 주 표면(131)을 따라 적용될 수 있다. 대안으로, 잉크 레이어(138)는 색 변환 매체(112)을 포함하는 영역에만 제공될 수 있다. 도 14c는 패턴화된 색 변환 매체(112)를 포함하는 투명 기판(130)을 도시하지만, 거기에 도시된 구성은 또한 광 가이드(100)에 적용될 수 있다. 투명 기판은 대안으로 색 면환 매체 및/또는 도 14a-b에 도시된 구성을 가진 반사 재료로 패턴화된 주 표면을 포함할 수 있다.

색 변환 매체는 업계에 공지된 임의 방법을 이용하여 증착될 수 있다. 적합한 증착 방법은 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 마이크로프린팅(microprinting) 등과 같은 프린팅과, 스핀 코팅, 슬롯 코팅, 딥 코팅(dip coating) 등과 같은 코팅, 드롭-케스팅(drop-casting), 피펫팅(pipetting), 포토리소그라피(photolithography) 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 하나 이상의 용액에 떠있는 색 변환 매체의 액적은 임의의 원하는 패턴으로 광 가이드 또는 기판의 표면에 증착될 수 있다. 용액은 주위 온도 또는 상승된 온도에서 건조됨으로써 임의로 제거될 수 있다. 유사하게, 색 변환 매체는 원하는 패턴을 가진 포토마스크(photomask)를 이용하여 선택적으로 제거될 수 있는 포토레지스트(photoresist)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 양자점(quantum dots)이 떠있는 포토레지스트는 또한 청색 광을 산란시키기 위한 산란 매체를 포함할 수 있다. TiO₂ 입자와 같은, 광 산란 특징부는 표면에 프린트될 수 있으며 및/또는 광 산란 특징부는 표면 또는 표면 아래를 손상시키는 에칭 또는 레이저에 의해 제공될 수 있다.

색 변환 매체(112) 및/또는 광 산란 특징부는 또한 도 14a-c에 도시된 것처럼, 반사 레이어(135)와 같은 보호 레이어로 밀봉되거나 캡슐화될 수 있다. 반사 레이어를 증착시키는 방법은, 예를 들어, 박막증착(sputtering) 또는 증기 증착 공정을 포함할 수 있다. 예를 들면, 색 변환 매체(112)는 유리 또는 플라스틱 기판과 같은 광 가이드(100) 또는 기판(130)의 주 표면에 증착될 수 있으며, 보호 금속 필름은 이후 색 변환 매체(112)를 적어도 부분적으로 캡슐화하기 위해 표면에 박막증착되거나 또는 증발될 수 있다. 다양한 실시예에서, 광 가이드 또는 기판 및 반사 레이어는 색 변환 매체가 함유된 밀봉 캡슐을 형성할 수 있다.

추가적인 실시예에서, 광 가이드 또는 투명 기판은 색 변환 매체가 증착될 수 있는 하나 이상의 공동을 포함할 수 있다. 공동은 예컨대, 프레싱, 몰딩, 커팅, 또는 다른 적합한 방법에 의해 제공될 수 있다. 추가적인 실시예에 따라, 반사 레이어는 약 0.1 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 예컨대 약 0.5 ㎛ 내지 약 9 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 8 ㎛, 약 2 ㎛ 내지 약 7 ㎛, 약 3 ㎛ 내지 약 6 ㎛, 또는 약 4 ㎛ 내지 약 5 ㎛, 및 이들 사이의 모든 범위 및 하위 범위를 포함하는 두께 범위를 가질 수 있다.

다양한 실시예에 따라, 색 변환 매체 및/또는 광 산란 특징부는 광 가이드 또는 투명 기판의 주 표면에 적합한 밀도로 패턴화되어 광 가이드에 걸쳐 실질적으로 균일한 광 출력 밀도를 생성할 수 있다. 증가된 밀도의 영역 A 및 감소된 밀도의 영역 B-E과 같은 예시의 패턴이 도 16a에 도시된다. 각 영역에서, 각각의 개별 점은 색 변환 매체의 개별 "섬(island)"을 나타낸다. 일부 실시예에서, 색 변환 매체의 밀도는 영역 B보다 영역 A가 더 크고, 영역 C보다 영역 B가 더 크며, 영역 D보다 영역 C가 더 크고, 영역 E보다 영역 D가 더 클 수 있으며, 예컨대, A > B > C > D > E이다.

특정 실시예에서, 색 변환 매체 및/또는 광원에 인접한 광 산란 특징부의 밀도는, 광 가이드에 걸쳐 원하는 광 출력 분포를 생성하기 적절한, 예컨대 하나의 단부에서 다른 단부로의 경사와 같은, 광원에서 추가로 제거된 지점에서의 밀도보다 더 높거나, 또는 그 반대일 수 있다. 도 16a를 다시 참고하면, (도시되지 않은) 광원의 위치는 복수의 애퍼쳐(140)로 표시된다. 애퍼쳐(140)는 반사 레이어에 의해 다시 반사되지 않고 색 변환 매체의 영역을 직접 통과하지 않고 광 가이드로 광이 주입될 수 있도록 광원의 영역에서, 예를 들어, 색 변환 매체, 광 산란 특징부, 및/또는 반사 레이어를 제거하기 위해 생성될 수 있다. 애퍼쳐(140, aperture)는 일부 실시예에서, 공극을 생성하기 위해 기판의 일부분을 제거하기 위해, 원하는 영역으로부터 색 변환 매체 및/또는 반사 레이어를 선택적으로 제거하기 위해 포토리소그라피(photolithography) 기술에 의해, 또는 머시닝(machining)과 같은 기계적 수단을 이용하여 생성될 수 있다. 도 16a에 도시된 패턴은 광 가이드 또는 개별 투명 기판으로 직접 적용될 수 있다.

도 16b는 색 변환 매체 및 반사 물질의 다른 예시의 패턴을 나타낸다. 색 변환 매체(112)는 광원(도시되지 않음) 근처 영역에서 연속되거나 밀도가 더 높을 수 있으며, 그 위치는 애퍼쳐(140)로 나타낸다. 색 변환 매체(112)는 광원, 예컨대, 도 16b에 도시된 중앙 영역으로부터 추가로 제거된 영역에서의 감소된 밀도로 패턴화될 수 있다. 선택적으로, 색 변환 매체의 연속 시트는 빈 공극을 생성하기 위해 원하는 구역에 색 변환 매체를 제거하도록 가공될 수 있으며, 이는 비연속적인 반사 레이어(135')로 이후 체워질 수 있다. 도시된 실시예에서, 단일 레이어는 색 변환 매체(112)로 둘러싸인 반사 레이어(135')의 섬을 포함할 수 있다. 도 16b에 도시된 패턴은 광 가이드 또는 별도의 투명 기판으로 직접 적용될 수 있다.

대안 실시예에서, 다중-레이어 기판은 도 16c에 도시된 구성과 같은, 광학 조립체에 포함될 수 있다. 색 변환 매체(112)의 연속 시트(예컨대, 3M의 QDEF 또는 나노코(Nanoco)의 RN16-006)는 빈 공극(155)을 생성하기 위해 원하는 구역의 색 변환 매체를 제거하도록 가공될 수 있다. 별도의 반사 레이어(135)(예컨대, 3M의 ESR)는 가공된 색 변환 매체에 접착되고, 임의로 색 변환 매체와 백킹 시트(160, backing sheet) 사이에 끼워질 수 있다. 백킹 시트(160)는 일부 실시예에서, 다중-레이어 시트에 추가적인 기계적 지지대를 제공하도록 포함될 수 있으며, 또는 다른 실시예에서, 광학 조립체의 전체 두께를 제거하도록 제외될 수 있다. 백킹 시트(160)는 유리, 플라스틱, 및 금속을 포함하는 본원에 개시된 임의의 재료로 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 백킹 시트(160)는 예컨대, 알루미늄, 은, 구리 등의 금속과 같은 열전도 재료를 포함할 수 있다.

도 8을 다시 참고하면, 등각 나선 곡률의 영역을 따라 반사되는 광선은 광원 근처의 갭(115, gap)을 남길 수 있는 곡선의 상단을 따라 이동하는 경향이 있음을 알 수 있다. 이와 같이, 광원의 제1 주 표면과 부딪치는 광은 비-균일한 분포, 예를 들면, 광원 근처의 더 낮은 광선 분포를 가질 수 있다. 색 변환 매체(112) 및/또는 광 산란 특징부를 광 가이드 또는 투명 기판에 패턴화할 때, 증가된 밀도의 영역은 갭(115)에 상응하는 구역에 광원 근처에 위치될 수 있다. 따라서, 너무 밝은 광 강도를 야기할 수 있는 높은 광선 분포의 영역에서, 색 변환 및/또는 광 산란 섬의 밀도는 감소되어 대신 광선이 반사 레이어와 부딪치고 광 가이드 내에서 연속 반사하는 가능성을 증가시킬 수 있다. 광원에 근접한 것과 같은, 낮은 광선 분포의 영역에서, 색 변환 및/또는 광 산란 영역의 밀도는 광선이 색 변환 및/또는 광 산란 영역에 부딪치고 광 가이드 밖으로 산란될 가능성을 증가시키기 위해 증가될 수 있다.

색 변환 매체 및/또는 광 산란 특징부는 투과된 광 강도의 실질적 균일성을 달성하도록 패턴화될 수 있기 때문에, 광 가이드와 투과광을 확산시키는데 필요할 수 있는 장치의 다른 구성 요소 사이에 갭을 두지 않으면서, 본원에 개시된 광 가이드를 사용하는 광학 조립체는 디스플레이 또는 조명 장치와 같은 장치에 통합될 수 있다. 따라서, 비교적 두꺼운 광 가이드 또는 확산층을 포함하는 광학 조립체의 경우에도, 아래에서 보다 상세히 논의되는 바와 같이, 전체 조립체의 두께가 감소될 수 있다. 특정 실시예에서, 광학 조립체의 총 두께는 약 10 mm 미만, 또는 심지어 약 5 mm 미만일 수 있다.

색 변환 매체(112)는 일부 실시예에서, 실리콘 또는 다른 적합한 재료와 같은 유기 또는 무기 매트릭스에 부유될(suspended) 수 있는 적어도 하나의 색 변환 요소를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 색 변환 요소는 열 전도성 매트릭스에 부유될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 색 변환 재료는 예를 들어 약 5 ㎛ 내지 약 400 ㎛, 예컨대 약 10 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 약 20 ㎛ 내지 약 200 ㎛ 또는 약 50 ㎛ 내지 약 100 ㎛이며 그 사이의 모든 범위 및 하위 범위를 포함하는 두께를 갖는 레이어로서 증착될 수 있다. 적어도 하나의 색 변환 요소는 예를 들어 형광체, 양자점(QD), 및 형광단(fluorophores) 또는 발광 중합체 등과 같은 루미포어(lumiphores)로부터 선택될 수 있다. 예시적인 형광체는 이트륨(yttrium)- 및 황화 아연계 형광체, 예컨대, 이트륨 알루미늄 가넷(YAG, yttrium aluminum garnet), Eu²⁺ 도핑된(doped) 적색 질화물, 및 이들의 조합과 같은 적색 및 녹색 방출 형광체를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.

QD는 원하는 파장의 방출된 광에 따라 다양한 형상 및/또는 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 양자점의 크기가 감소함에 따라 방출된 광의 주파수가 증가할 수 있는데, 예컨대, 방출된 광의 색은 양자점의 크기가 감소함에 따라 적색에서 청색으로 변할 수 있다. 청색, UV 또는 근 자외선을 조사할 때, 양자점은 광을 더 긴 적색, 황색, 녹색 또는 청색 파장으로 변환할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 색 변환 요소는 청색, UV 또는 근 자외선 광이 조사 될 때 적색 및 녹색 파장으로 방출되는 QD로부터 선택될 수 있다.

다양한 실시예에서, 색 변환 매체(112)는 동일하거나 상이한 유형의 색 변환 요소, 예컨대, 상이한 파장의 광을 방출하는 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 광 가이드(100) 또는 투명 기판(130)은 녹색 및 적색 파장 모두를 방출하는 색상 변환 요소의 혼합물로 패턴화될 수 있으며, 예컨대, 색상 변환 매체의 각각의 개별 "섬"은 적색 및 녹색 QD를 모두 포함할 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에 따르면, 개별 섬이 동일한 양자점을 포함하는 섬 또는 적색 형광체만을 포함하는 섬과 같은 동일한 파장을 방출하는 색 변환 요소만을 포함하는 것이 가능하다. 추가의 실시예에서, 단일 영역(예컨대, 도 16a의 영역들 A-E)은 예를 들어 휠 또는 파이 피스(pie pieces) 또는 바둑판 사각형 상의 스포크(spokes)와 같이 세분화될 수 있으며, 모든 다른 하위 영역이 녹색 변환 요소로 채워지고 및 그 보완물은 적색 변환 요소로 채워진다. 이러한 실시예는, 예를 들어, 청색을 녹색으로 변환한 다음 녹색을 적색으로 변환하거나 그 반대로의 광의 변환을 피하는데 유용할 수 있다.

원하는 디스플레이 또는 조명 효과를 달성하기 위해 각각의 위치에 배치될 색 변환 패턴의 구성 및 색 변환 매체의 유형 및 양을 선택하는 것은 당업자의 능력 내에 있다. 더욱이, 적색 및 녹색 발광 요소가 위에서 논의되었지만, 적색, 주황색, 황색, 녹색, 또는 이들로 제한되지 않는 임의의 유형의 광을 방출할 수 있는 임의의 유형의 색 변환 요소가 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 청색 또는 가시 광선 스펙트럼의 다른 색상(예컨대, ~ 420 - 750nm). 예를 들면, 고체 상태의 조명 적용에서, 다양한 크기를 갖는 양자점은 흑체(black body)의 출력을 모방(emulate)하기 위해 조합될 수 있으며, 이는 우수한 색 렌더링(color rendering)을 제공할 수 있다. 이러한 장치는, 예를 들어, 가시 파장과 같은 다양한 파장에서 방출되는 다양한 유형 및/또는 크기의 색 변환 요소를 포함할 수 있다. 일부 예시에서, 3개 이상의 상이한 파장을 방출하는 색 변환 요소, 예컨대 4개 이상, 5개 이상 또는 6개 이상의 상이한 파장 등의 조합이 사용될 수 있다.

장치

본원에 개시된 광 가이드 및 광학 조립체는, 이에 한정되지 않지만, 디스플레이 및 조명 분야를 포함하는 다양한 분야에 사용될 수 있다. 예를 들면, 조명 기구 또는 고체 상태 조명 장치와 같은 조명 장치는 본원에 개시된 광 가이드 또는 광학 조립체를 포함할 수 있다. 광 가이드 및 광학 조립체는 텔레비젼, 컴퓨터, 휴대 장치, 등의 백라이트 유닛(BLU)과 같은 디스플레이 장치로 또한 포함될 수 있다.

예를 들어, 도 17은 본원에 개시된 바와 같이, 광 가이드(100)를 포함하는 예시의 광학 조립체(200)의 단면을 개시한다. 광학 조립체는 하나 이상의 광원(111)이 예컨대, 납땜에 의해 장착될 수 있는 인쇄 회로 기판(PCB)(122)을 더욱 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, PCB는 적어도 하나의 히트 싱크(도시되지 않음)로 부착될 수 있다. PCB(122)는 하나 이상의 열 비아(thermal vias, 도시되지 않음)가 또한 장착될 수 있으며, 이는 열 싱크 경로를 제공하도록 위치될 수 있다. 열 비아는, 일부 실시예에서, 전도성 재료(예컨대, Cu, Ag 등과 같은 금속)로 채워진 PCB(122)의 구멍 또는 애퍼쳐를 포함할 수 있으며, 이는 PCB(122)의 하나의 측면으로부터 다른 측면으로 그리고 히트 싱크(존재하는 경우)로 열 전달을 가능하게 할 수 있다.

특정 실시예에서, 도 17에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 공동(128)을 포함하는 선택적 스페이서 기판(126, spacer substrate)은 광원(111)을 위한 하우징을 제공하는데 사용될 수 있다. 다른 실시예에서(도시되지 않음), 투명 기판(130)은 조립체에 포함될 수 있으며, 광원(111)을 위한 하우징을 제공하도록 PCB(122)와 정렬될 수 있는 하나 이상의 공동(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 열 테이프 또는 실리콘 테이프와 같은 접착제 레이어(124)는 스페이서 기판(126)을 PCB(122)로 접착하는데 사용될 수 있다. 실리콘과 같은 광원 매체(134)는 스페이서 기판(126)(또는 기판(130))의 공동을 채우는데 사용될 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 공동은 매체로 채워질 수 없으며, 예컨대, 공동은 공기를 포함할 수 있다.

도 17에 도시된 광학 조립체(200)에서, 투명 기판(130)은, 예컨대, 도 14a-14c, 또는 16a-c에 도시된 바와 같이, 색 변환 매체, 광 산란 특징부, 및/또는 반사 재료(도시되지 않음)로 패턴화될 수 있다. 접착제 레이어(124)는 투명 기판(130)을 스페이서 기판(126)(존재하는 경우) 또는 PCB(122)로 접착하는데 사용될 수 있다. 광 가이드(100)는 유사하게 접착제 레이어(124)를 이용하여 투명 기판(130)에 접착될 수 있다. 특정 실시예에서, 접착제 레이어(124) 중 하나 이상 또는 모두는 선택적으로 깨끗한 접착제를 포함할 수 있다. 추가 실시예에서, 접착제 레이어(124) 중 하나 이상 또는 모두는 열 전도 접착제를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 접착제 레이어(124) 중 하나 이상 또는 모두는 예컨대, 광 가이드 및/또는 투명 기판의 굴절률의 5% 이내의 굴절률을 가진, 광 가이드 및/또는 투명 기판에 굴절률 정합될(index matched) 수 있다.

추가 실시예에 따르면, 광 가이드(100)는 플라스틱을 포함할 수 있고 투명 기판(130)은 유리를 포함할 수 있다. 물론, 전술한 바와 같이, 광 가이드(100)는 색 변환 매체 및/또는 광 산란 특징부 및/또는 반사 재료(예컨대, 도 14a-도 14b에 도시된 바와 같이)로 패턴화된 주 표면을 포함할 수 있고, 이러한 실시예에서, 투명 기판(130)은 장치에 존재하지 않을 수 있다. 광 가이드(100)는 광원(111)이 광 가이드(100)의 에지 표면에 근접하게 배치되도록 PCB(122)에 대해 정렬될 수 있다.

도 17에는 도시되어 있지 않지만, 광학 조립체는 확산 레이어를 추가로 포함할 수 있으며, 이는 확산 조립체로부터 방출된 광의 균일성을 향상시키기 위해 포함될 수 있다. 이러한 확산 레이어는 광 가이드(100)의 발광 표면에 근접하여 포함될 수 있고, 추가 접착제 레이어(124)를 사용하여 광 가이드에 선택적으로 부착될 수 있다. 예시적인 확산 레이어는, 이에 제한되지는 않지만, 아크릴, 폴리카보네이트(polycarbonate) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate) 시트와 같은 중합체 시트를 포함할 수 있지만, 이는 예컨대, 서브 미트론(submicron) 크기의 확산 특징부와 같이 확산될 광의 파장보다 작거나 같은 광 확산 특징부를 생성하기 위해 텍스쳐되거나, 거칠게 또는 입자 충전될 수 있다. 예시적인 입자 충전된 중합체 시트는 예를 들면 약 500 nm 이하의 입자 크기를 갖는 티타니아(titania) 또는 알루미나(alumina)를 포함할 수 있다. 텍스쳐된 폴리머 시트는 Luminit^TM에서 상업적으로 입수할 수 있다. 특정 실시예에서, 예컨대, 도 14a-c 또는 도 16a-c에 도시된 바와 같이, 색 변환 매체, 광 산란 특징부 및/또는 반사 재료는 광 가이드 및/또는 투명 기판의 주 표면 상에 패턴으로 배치되어 광 가이드의 발광 표면을 가로질러 충분히 균일한 색 및/또는 광 강도를 생성할 수 있다. 이러한 경우, 확산 레이어은 조립체의 전체 두께를 추가로 감소시키기 위해 광학 조립체로부터 배제될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본원에 개시된 광학 조립체는 광원과 광 가이드 사이의 공기 갭의 부족으로 인해 적어도 부분적으로 종래의 광학 조립체에 비해 개선된 얇음(thinness)을 가질 수 있다. 현재 시판되는 광학 조립체는 전체 두께가 15 mm 이상일 수 있다. 대조적으로, 본원에 개시된 광학 조립체는 약 10 mm 이하의 전체 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 확산 레이어를 포함하는 예시적인 광학 조립체는 약 10 mm 미만의 두께를 가질 수 있고, 확산 레이어가 없는 예시적인 광학 조립체는 약 5 mm 미만의 두께를 가질 수 있다. 확산 레이어가 있거나 없는 광학 조립체의 두께는, 일부 실시예에서, 그 사이의 모든 범위 및 하위 범위를 포함하여, 약 4 mm 내지 약 10 mm, 약 4.5 mm 내지 약 9 mm, 약 5 mm 내지 약 8 mm, 또는 약 6 mm 내지 약 7 mm 의 범위일 수 있다.

도 18은 다수의 광원(111)에 광학적으로 결합된 광 결합 표면(105)을 포함하는 다수의 광 가이드(100)를 포함하는 예시적인 장치의 평면도를 도시한다. 도시된 실시예에서, 광원(111)은 각각의 광 가이드(100)의 둘레 주위에 위치된다. 배열로 개별 광 가이드(100) 당 8개의 광원(111)이 도시되어 있지만, 이 수는 임의적이며 임의의 수의 광원이 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 광원(111)의 위치는 원하는대로 그리고 제한없이 또 한 도 18에 도시된 위치와 다를 수 있다. 패턴화된 색 변환 매체(미도시)는 광원(111)의 수 및 위치에 적합하도록 원하는대로 조정될 수 있다.

도 19의 비제한적인 실시예에 도시된 바와 같이, 광원(111)을 보다 중앙 위치에 배치하는 것이 또한 가능하다. 이러한 구성에서, 광 결합 표면(105")은 광 가이드(100)의 중심 영역에 위치된 돔형(dome) 형상을 포함할 수 있으며, 예컨대, 등각 나선 곡률은 하부의 광원에 수직인 중심축 주위에서 회전되어 돔형 형태를 제공할 수 있다. 돔형 광 결합 표면(105")은 광원(111)으로부터의 광을 재지향시켜 색 변환 매체와 접촉할 때까지 광 가이드(100)로 다시 반사되어 광 가이드에 의해 변환 및 투과될 수 있다. 또한, 배열로 개별 광 가이드(100) 당 4개의 광원(111)이 도시되어 있지만, 이 수는 임의적이며 임의의 수의 광원이 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 광원(111)의 위치는 또한 원하는 바와 같이 제한없이 도 19에 도시된 위치와 다를 수 있다. 패턴화된 색 변환 매체(도시되지 않음)는 광원(111)의 수 및 위치에 적합하도록 원하는대로 조정될 수 있다.

다양한 개시된 실시예는 그 특정 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 요소 또는 단계를 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 하나의 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 특정 특징, 요소 또는 단계는 도시되지 않은 다양한 조합 또는 순열에서 대안의 실시예와 교환되거나 조합될 수 있음을 이해할 것이다.

본원에 사용된 용어 "하나" 또는 "한" 은 "적어도 하나"를 의미하고, 달리 명확하게 나타내지 않는한 "오직 하나"로 제한되어서는 않된다. 따라서, 예를 들어, "공동"에 대한 언급은 문맥 상 명백하게 달리 나타내지 않는 하나의 "공동"또는 2개 이상의 "공동"을 갖는 예시를 포함한다. 유사하게, "복수" 또는 "배열"은 "공동의 배열" 또는 "복수의 공동"가 둘 이상의 그러한 공동을 나타내도록 둘 이상을 나타내는 것으로 의도된다.

본원에서 범위는 "약" 하나의 특정 값 및/또는 "약" 다른 특정 값으로 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현될 때, 예시는 하나의 특정 값 및/또는 다른 특정 값을 포함한다. 유사하게, 선행 "약" 을 사용하여 값이 근사치로 표현될 때, 특정 값이 다른 측면을 형성하는 것으로 이해될 것이다. 각 범위의 종말점은 다른 종말점과 관련하여 그리고 다른 종말점과 무관하게 중요하다는 것이 추가로 이해 될 것이다.

본원에 표현된 모든 수치는 달리 명시적으로 지시되지 않는 한, 언급 여부에 관계없이 "약"을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 그러나, 인용된 각각의 수치는 그 값이 "약"으로 표현되는지 여부에 관계없이 정확하게 고려되는 것으로 이해된다. 따라서, "10 mm 미만의 치수" 및 "약 10 mm 미만의 치수"는 모두 "약 10 mm 미만의 치수"뿐만 아니라 "10 mm 미만의 치수"의 실시예를 포함한다.

달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 본원에 제시된 임의의 방법은 그 단계들이 특정 순서로 수행될 것을 요구하는 것으로 해석되는 것으로 의도되지 않는다. 따라서, 방법 청구항이 실제로 그 단계에 뒤 따르는 순서를 인용하지 않거나, 청구항 또는 발명의 설명에서 단계가 특정 순서로 제한되어야 한다는 것이 구체적으로 언급되지 않은 경우, 특정 순서를 추론하려는 의도는 없다.

특정 실시예들의 다양한 특징들, 요소들 또는 단계들이 "포함하는" 문구를 사용하여 개시될 수 있지만, "구비하는" 또는 "기본적으로 구성되는" 문구를 사용하여 설명될 수 있는 것을 포함하는 대안 실시예들이 암시되는 것이라고 이해되어야한다. 따라서, 예를 들어, A + B + C를 포함하는 방법에 대한 암시적인 대안적인 실시예는 방법이 A + B + C로 구성되는 실시예 및 방법이 본질적으로 A + B + C로 구성되는 실시예를 포함한다.

본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명에 대한 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명 내용의 사상 및 재료를 포함하는 개시된 실시예의 변형 조합, 하위 조합 및 변형은 당업자에게 발생할 수 있으므로, 본 발명 내용은 첨부된 청구 범위 및 그 등가물의 범위 내에있는 모든 것을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

하기 예시는 비 제한적이고 예시적인 것으로 의도되며, 본 발명의 범위는 청구 범위에 의해 정의된다.

예시

예시 1

일정한 경사각 θ_i = 42°을 가진 등각 나선 곡률(예컨대, 도 2a-c 참고)을 가진 2개의 광 결합 에지를 갖춘 광 가이드 플레이트는 n = 1.5의 굴절률을 가진 PMMA로 제조되었다. 광 가이드 플레이트는 38.5 mm의 폭, 45 mm의 길이, 그리고 4.608 mm의 두께를 갖는다. 2개의 광학 조립체는 광 가이드 플레이트를 이용하여 형성되었고, 제1 광학 조립체는 4개의 LED에 결합되고 제2 광학 조립체는 6개의 LED에 결합된다. LED는 PCB에 납땜되고 200 mA 작동 회로를 가진 키슬리 전원 공급장치(Keithley power supply)에 의해 전원이 공급된다. 광학 조립체는 5.3 mm의 전체 두께를 갖는다.

해양 분광계(Ocean Optic spectrometer)는 광학 조립체에 의해 방출된 광의 스펙트럼을 측정하는데 사용되었다. 코니카 미놀타 크로마 미터(Konica Minolta Chroma Meter)(CS 160)는 광학 조립체에 의해 방출된 광의 색과 밝기를 측정하는데 사용되었다. 줌 렌즈를 가진 디지털 카메라는 광학 조립체를 촬영 및 검사하는데 사용되었다. 광 가이드의 중심 근처에서 열 및 행을 따라 측정되면서, 제1 광학 조립체(4 LED, 0.0039 초 노출)에 대한 광 방사 강도 프로파일은 도 20a-b에 각각 도시된다. 100 mA 작동 전류를 갖는 4 LED에 의해 조명될 때 광 가이드의 중앙에서 7,400 니트(nits)를 생성하는 별도의 실험이 있었다. 광 가이드의 중앙 근처의 열을 따라 측정된, 제2 광학 조립체(6개의 LED, 0.01013 초 노출)에 대한 광 방사 강도 프로파일이 도 20c에 도시되어있다. 16.5 x 45 mm 조명 영역(전체 면적의 43 %)이 설계된대로 광 결합 에지를 갖는 광 가이드의 중간에 생성되었다.

제1 광 조립체(4 LED)는 광 가이드 플레이트의 바닥 (제1 주) 표면에 배치된 나노코 코퍼레이션의 반사 필름 및 QD 필름을 포함하는 스택으로 통합되었다. 광 가이드에서 방출된 광의 밝기 및 색의 균일성을 개선하기 위한 패턴 디자인은 기계적인 수단을 이용하여 QD 필름에 생성되었다. 이 경우, 확산 필름은 광 가이드 플레이트의 상부 (제2 주) 표면에 배치되고, 이는 스택 두께를 9.7 mm로 증가시킨다. 광 가이드의 중앙 근처에서 행 및 열을 따라 측정된, 확산 필름 및 패턴화되지 않은 QD 필름을 가진 광학 조립체(4 LED, 0.0039 초 노출)에 대한 광 방사 강도 프로파일은 도 21a-b에 각각 도시되었다. 광 가이드의 중앙 근처에서 열을 따라 측정된, 패턴화된 QD 필름은 있지만 확산 필름이 없는 광학 조립체(4 LED, 0.01초 노출)에 대한 광 방사 강도 프로파일은 도 21c에 도시되었다. 광 가이드의 중앙 근처에서 열을 따라 측정된, 패턴화된 QD 필름과 확산 필름을 가진 광학 조립체(4 LED, 0.04초 노출)에 대한 광 방사 강도 프로파일은 도 21d에 도시되었다. 확산 필름을 포함하는 스택은 아마도 제조 결함으로 인해 더 적은 방사선을 생성하지만, 이들 필름이 없는 스택에 비해 강도 분포의 균일성이 개선된다. 또한, 확산 필름을 사용하더라도, 총 두께가 15 mm 이상인 현재 시판되는 LCD 스택에 비해 스택의 두께가 감소된다.

예시 2

도 22에 도시된 광학 조립체(300)는 5 mm 이하의 총 두께를 가진 조립체의 예시의 실시예로서 디자인되었다. 광 가이드 플레이트(100A)(도 2a-c 참고)는 굴절률 n = 1.5를 가진 PMMA로 구성되었다. 광 가이드 플레이트의 폭은 50 mm, 길이는 60 mm, 두께는 4.035 mm이다. 광 결합 에지(105)는 직선 에지 부분 및 일정한 입사각 θ_i = 42°을 가진 프로파일된 부분을 제공하도록 절단된다(도 9 참조). 광 가이드 플레이트(100A)의 제2 주 표면(102)으로부터 광(L)이 방출된다.

이 디자인은 굴절률 n = 1.5 인 투명 기판(130)을 포함한다. 투명 기판은 폭 50 mm, 길이 60 mm 및 두께 0.3 mm를 갖는다. 투명 기판의 주 표면은 마스킹 기술(masking technique)을 사용하여 QD (예컨대, 3M으로부터 QDEF)로 패턴화되어, 다수의 공극(예컨대, 직경, 1.9 mm, 피치 2 mm)를 제공하고, 이는 반사 재료(예컨대, 은 또는 알루미늄)로 채워질 수 있다(도 16b 참조).

4개의 광원(111)(플립 칩 옵토(Flip Chip Opto)로부터의 청색 LED, 450 nm, > 0.42 W, 0.5 A)은 0.508 mm의 두께를 갖는 FR4 PCB(122)에 부착된다. LED는 길이와 폭이 0.875 mm이고 두께가 0.145 mm 이다. LED의 공간 분포는 거의 램버트(Lambertian)이다. 전류(C)는 PCB(122)의 전기 회로에 인가되어 LED의 광 출력을 제어할 수 있다. LED는 더 높은 다이오드 전류에서 최대 1W의 광 출력을 생성할 수 있다. LED 및/또는 색 변환 매체로부터의 열(H)는 PCB(122)(도시되지 않음)의 바닥 표면상의 금속 레이어를 통해 수행될 수 있다. PCB(122)는 LED로의 연결을 위한 금속 라인 및 패드, 그리고 PCB의 상부 표면으로부터 하부 표면으로 열을 전달하기 위한 열 비아(thermal vias)가 장착된다.

광 가이드 플레이트(100A)를 투명 기판(130)에 부착하기 위해 0.025 mm의 두께를 갖는 굴절률 정합하는 광학적으로 투명한 접착제 레이어(124A) (다우 코닝(Dow Corning)의 실리콘 접착제, n = 1.5)이 사용된다. 다우 코닝으로부터의 열 전도성 접착제 레이어(124B)는 투명 기판(130)을 PCB(122)에 부착하기 위해 사용된다. 광원(111)에 상응하는 애퍼쳐(140)는 각각의 접착제 레이어(124A, 124B) 및 투명 기판(130)에 제공된다. 애퍼쳐(140) 사이의 피치는 25 mm이며 이는 기판 에지로부터 12.5 mm 이격된다. 광학 조립체의 총 두께는 4.92 mm이다. 더 얇은 조립체는 예컨대 루미레드 다이오드(Lumileds diode)와 같은 더 작은 LED (455 nm, > 0.65W, 0.5A), 광 가이드로 직접 색 변환 매체와 반사 재료를 패턴화시킴으로써, 및/또는 n > 1.7과 같은 고굴절률을 가진 광 가이드를 사용하여 달성될 수 있다.

예시 3

예시 2에 설명된 광학 조립체(300)는 다음의 상정을 이용하여 라이트툴(Lighttools) 광선 전파 소프트웨어를 통해 분석되었다: (1) LED의 상부 표면과 광 가이드의 바닥 표면 사이의 공간은 굴절률 정합 레이어로 채워진다; (20 광 가이드의 굴절률, 투명 기판, 및 굴절률 정합 레이어는 n = 1.5이다; (3) 투명 기판의 상부 표면은 광각 가이드의 바닥 표면에 광학적으로 결합된다; (4) 투명 기판 상의 양자점(quantum dots)은 램버티 산란 속성을 가진 단순 산란 표면을 형성한다; (5) 반사 레이어는 광대역 거울 표면을 갖는다; (6) 모든 다른 표면들은 고품질 광학 표면이다; 및 (7) 광 가이드의 바닥 (제2 주) 표면을 제외하고, 모든 다른 광 가이드 표면은 공기와 접촉하는 것으로 추정된다. LED 표면은 조명 표면으로서 설정되고 수신기는 광 가이드의 제1 주 (발광) 표면과 평행하고 단지 외부에 있는 광 출력 평면 상에 배치된다. 라이트툴스(Lighttools)는 광 출력 평면에서 조명 특성을 계산하는데 사용되었다.

QD로 균일하게 코팅된 유리 기판을 포함하는 광학 조립체는 기준선(baseline) 계산으로 사용되었다. 이러한 광학 조립체에 대한 출력 조사 프로파일(W/mm²)이 도 23a에 도시된다. 조사 프로파일은 4개의 LED에 상응하는 높은 강도를 갖는 4개의 구역을 보여준다. 평균에 대한 표준 편차의 비에 의해 측정된 방사 조도 균일성은 41 %였다. 이론에 구애됨이 없이, 이 광학 조립체의 방사 조도 균일성은 광학 조립체 내에 확산 레이어를 포함시킴으로써 개선될 수 있지만, 그러한 레이어는 장치의 전체 두께를 증가시킬 것이라 생각된다. 그러나, 이러한 확산 레이어를 사용하더라도, 조립체의 전체 두께는 여전히 10 mm 미만일 수 있으며, 이는 15 mm보다 큰 두께를 갖는 현재 이용 가능한 조립체에 비해 개선된 것이다.

패턴화된 투명 기판(130)을 포함하여, 예시 2에서 제조된 광학 조립체(300)는 라이트툴 소프트웨어를 사용하여 유사하게 시험되었다. 출력 방사 조도 프로파일(output irradiance profile)(W/mm²)이 도 23b에 도시되어 있다. 방사 조도 프로파일은 도 23a에 도시된 기준선 프로파일과 비교하여 훨씬 더 균일하다. 평균에 대한 표준 편차의 비율로 측정한 방사 조도 균일도는 18.5 %이며, 이는 기준선 조립체와 현재 이용 가능한 조립체보다 현저하게 향상되었다.

광 출력 평면에서 측정된 휘도는 LED로부터 4W의 총 입력 전력에 대해 50,000 니트(nits)보다 큰 것으로 계산되었다. 원하는 경우, 광 결합 표면을 따라 더 많은 LED를 추가함으로써 휘도가 증가될 수 있다. QD가 색 변환이 없는 산란 레이어로 가정하면, LED 출력의 61 %가 광 출력 평면에서 방출되고, 29 %의 LED 전력이 광 결합 에지(50mm 폭)에서 방출되고, 그리고 비-광 결합 에지(60mm 길이)에서 LED 출력의 10 %가 방출되었다. 이론에 구속되지 않고, 비-광 결합 에지에 반사 코팅을 적용함으로써 광 출력 평면에 더 많은 출력이 이용될 수 있는 것으로 여겨진다.

Claims (21)

1. 적어도 하나의 발광 표면 및 적어도 하나의 광 결합 표면을 포함하되, 상기 적어도 하나의 광 결합 표면의 적어도 일부는 등각 나선 곡률을 포함하는, 광 가이드.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 광 가이드는 광 가이드 플레이트를 포함하고,
   상기 광 가이드 플레이트는:
   제1 주 표면;
   대향하는 제2 주 표면; 및
   적어도 하나의 에지 표면;을 포함하고,
   여기서, 상기 적어도 하나의 에지 표면은 상기 광 결합 표면을 포함하는, 광 가이드.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 광 가이드는 광 가이드 디스크를 포함하고,
   상기 광 가이드 디스크는:
   제1 주 표면;
   대향하는 제2 주 표면; 및
   에지 표면;을 포함하고,
   여기서, 상기 에지 표면은 상기 광 결합 표면을 포함하는, 광 가이드.
4. 청구항 2 또는 3에 있어서,
   상기 제2 주 표면은 상기 발광 표면을 포함하는, 광 가이드.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 제1 주 표면 상에 패턴화된 색 변환 매체, 광 산란 특징부, 및 반사 재료 중 적어도 하나를 더욱 포함하는, 광 가이드.
6. 청구항 4에 있어서,
   반사 레이어는 상기 제1 주 표면 상에 배치되고 상기 제1 주 표면 상에 패턴화된 색 변환 매체를 적어도 부분적으로 캡슐화하는, 광 가이드.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 광 가이드는 광 가이드 환형을 포함하고,
   상기 광 가이드 환형은:
   내부 벽 표면;
   외부 벽 표면; 및
   적어도 하나의 에지 표면;을 포함하고,
   상기 적어도 하나의 에지 표면은 광 결합 표면을 포함하는, 광 가이드.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 외부 벽 표면은 발광 표면을 포함하는, 광 가이드.
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 광 가이드 환형은 중공 실린더를 포함하는, 광 가이드.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 가이드는 광 가이드 막대를 포함하고,
    상기 광 가이드 막대는:
    제1 단부 표면;
    제2 단부 표면;
    외부 벽 표면; 및
    에지 표면;을 포함하고,
    상기 에지 표면은 광 결합 표면을 포함하는, 광 가이드.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 단부 표면, 제2 단부 표면, 및 외부 벽 표면 중 적어도 하나는 발광 표면을 포함하는, 광 가이드.
12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항의 광 가이드에 광학적으로 결합된 적어도 하나의 광원을 포함하는, 광학 조립체.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광원은 인쇄된 회로 기판에 접착되는, 광학 조립체.
14. 청구항 12 또는 13에 있어서,
    색 변환 매체, 광 산란 특징부, 및 반사 재료 중 적어도 하나로 패턴화된 주 표면을 포함하는 투명 기판을 더욱 포함하는, 광학 조립체.
15. 청구항 13에 있어서,
    색 변환 매체는 제1 주 표면 상에 패턴화되고 반사 레이어는 색 변환 매체를 적어도 부분적으로 캡슐화하는, 광학 조립체.
16. 청구항 12 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 가이드의 적어도 하나의 발광 표면 근처에 배치된 확산 레이어를 더욱 포함하는, 광학 조립체.
17. 청구항 12 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 조립체는 약 10 mm 이하의 총 두께를 가진 스택을 포함하는, 광학 조립체.
18. 청구항 17에 있어서,
    상기 스택은 약 5 mm 이하의 총 두께를 갖는, 광학 조립체.
19. 청구항 12에 있어서,
    상기 광 가이드 및 투명 기판은 유리, 플라스틱, 또는 이들의 조합을 포함하는, 광학 조립체.
20. 청구항 12 내지 19 중 어느 한 항의 광학 조립체를 포함하는, 디스플레이, 조명, 또는 전자 장치.
21. 청구항 20에 있어서,
    상기 장치는 다수의 광학 조립체를 포함하는, 디스플레이, 조명, 또는 전자 장치.
    

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