KR101282814B1 - 레이저광을 이용한 조명 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 조명 장치는, 레이저광을 방출하는 광원, 레이저광이 입사되고 입사된 레이저광을 집속시키는 제 1 렌즈, 제 1 렌즈를 통과한 레이저광에 의해 여기되어 자발 방출광을 방출하는 형광체를 포함하는 형광 발광 수단 및 방출되는 자발 방출광의 발산각을 줄여주는 제 2 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저광을 이용한 조명 장치{lighting apparatus using laser}
본 발명은 디스플레이 장치의 광원이나 자동차의 헤드라이트 등에 사용되는 조명 장치에 대한 것이다. 상세하게는 광원으로 레이저광을 이용하며 상기 레이저광을 집속해 형광체를 여기시켜 자발 방출광을 발생시키고 이를 평행광으로 변환하는 조명 장치에 대한 것이다.
발산각이 비교적 작은 레이저광은 가우스 함수 모양을 가지는 단일 횡 모드를 가질 경우, 렌즈나 광학계로 고품질의 평행광을 만들 수 있다. 광의 발산각은 회절 한계에 의해 결정되는데, 예를 들어 파장이 632 nm 이고, 직경 1 mm 인 단일 모드 He-Ne 레이저 경우, 발산각은 0.4 mrad(mili radian) 정도이다.
상기와 같이 레이저광은 매우 작은 발산각을 가진다는 장점은 있지만 레이저 능동 매질의 종류에 따라 특정한 파장에서만 구현이 가능하다는 단점이 있다. 예를 들어 480 nm 파장이나 510 nm 파장에서 동작하는 레이저광을 만드는 것은 가능하지만 개별적으로 레이저 능동 매질을 성장하고 공진기를 개별적으로 제작하는 등, 전체 제작 비용이 매우 높아지게 된다. 또한 레이저광을 물체에 비출 경우, 간섭 현상에 의한 스펙클(speckle)이 생겨서 상의 질이 저하되는 단점도 있다.
반면에 필라멘트나 형광등, LED와 같은 광원은 넓은 파장 대역을 얻을 수 있지만, 광원의 크기가 커서 아무리 좋은 광학계를 사용한다고 해도 평행광을 만들 수는 없다. 도 1은 광원과 렌즈 발산각의 관계를 보여 주고 있다. 여기서 광원의 직경이 d이고, 렌즈의 초점 거리가 f일 때, 발산각의 두 배각인 Ω는 d/f 가 된다. 예를 들어 LED 광원의 직경이 1 mm 이고, 초점 거리가 10 mm 인 렌즈를 사용한다면, 광의 발산각은 50 mrad 정도로서 레이저광의 100 배 정도 된다. 광원 크기에 따른 발산각의 증가는 렌즈의 수차가 사라져도 피할 수 없는 현상이다. 보다 일반적으로는 광학 이론의 에텐듀(etendue) 정리를 통하여 설명된다.
광원의 크기가 커질수록 광의 발산각은 비례해서 커지기 때문에 고품질의 우수한 평행광을 만들기 위해서는 광원의 크기가 작아야 하는데, 필라멘트, 형광등, LED 같은 광원은 광원의 크기를 줄일 경우 광의 출력도 크기의 제곱에 비례해서 줄어들게 된다. 따라서 레이저광과 같은 발산각을 가지는 광원을 만들기 위해서는 광 출력이 10,000배 작아지며, 또한 형광등 또는 LED와 같은 광원에서 방출되는 자발 방출광(spontaneous emission)은 사방으로 빛을 방출하기 때문에 광학계의 개구수(numerical aperture)가 작을 경우에는 그만큼 출력이 감소하여 보통은 100,000 배 이상의 출력 감소를 예상해야 한다.
LED를 광원으로 사용한 조명 장치에 대한 선행 발명으로서 미국 루미레드(Lumileds) 사에 의하여 개발된 도 2와 같은 LED 조명 장치가 있다. 상기 발명에 따르면 LED에서 방출된 빛이 방출되면 LED의 중앙 부분에서 방출된 빛은 중앙 부분에 설치된 렌즈에 의하여 각도가 변경되어 장치로부터 벗어나게 된다. 그리고 상기 중앙 부분 외에서 방출된 빛은 플라스틱 광학계의 내부를 통과한 후 외부의 포물 형상의 면에서 전반사하여 마찬가지로 평행광에 가깝게 각도가 변경되어 조명 광학계를 벗어나게 된다. 위와 같은 방식으로 작동하는 상기 발명은 1개의 사출 광학 부품만으로 구현이 가능하므로 구성이 간단한 반면 중심에서 큰 각도로 방출되는 광에 대해서는 전환 효율의 감소가 심하다는 단점을 가진다.
도 3은 EP 1452979(출원인 Cateye, 일본)에 개시된 내용으로 평행광을 방출하는 조명장치에 대한 것이다. 도 3에 도시된 것처럼 상기 발명은 LED 장치(5), LED 칩(6), 제 1 반사경(4) 및 제 2 반사경(2)을 포함하고, LED 칩(6)으로부터 방출된 중앙 부분의 광은 내부에 위치하는 제 2 반사경(2)에 의하여 평행광에 가깝게 각도가 변경된다. 그리고 제 2 반사경(2)에 의하여 처리되지 못한 LED 칩(6)의 바깥 부분의 각도가 큰 방출광은 외부에 위치하는 제 1 반사경(4)에 의하여 평행광으로 각도가 변경됨으로서 LED 방출 광 전체를 평행광에 가깝게 변경시키기 위한 장치이다. 위와 같은 방식으로 작동하는 상기 발명은 루미레드 사의 발명에 비하여 각도가 큰 광의 전달 효율을 높아지지만 제 2 반사경(2)에 도달하지 못하고 방출되는 중심 부근의 광을 평행광으로 만들 수 없다는 단점을 가진다. 아울러 종래 기술에서는 평행 광으로 만들기 위하여 별도의 렌즈 계를 설치할 경우 전체 광학 시스템의 조립 및 조정이 용이하지 못하다는 문제점이 있다.
예로 든 두 선행 발명들에서도, 렌즈나 거울을 사용하여 부분적으로 평행광을 만들려고 시도하였지만, 이것 역시 도 1에서 설명한 것과 같이 LED의 크기가 유한하다면, 렌즈에 의해 부분적으로 형성된 준-평행광 조차도 일정 크기 이상의 발산각을 갖게 되므로 레이저광과 같은 평행광을 가질 수 없다. 보다 일반적으로는 레이저와 같이 작은 에텐듀(etendue)를 가질 수 없다. 여기서 에텐듀(etendue)는 광의 단면적과 광이 발산하는 입체각(project solid angle)의 곱으로 정의된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광원으로 발산각이 작은 레이저광을 사용하고 상기 레이저광으로 형광체를 여기시켜 발생되는 자발 방출광을 평행광으로 변환시켜 출력하는 조명 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저광을 이용한 조명 장치는, 레이저광을 방출하는 광원, 상기 레이저광이 입사되고 상기 입사된 레이저광을 집속시키는 제 1 렌즈, 상기 제 1 렌즈를 통과한 레이저광에 의해 여기되어 자발 방출광을 방출하는 형광체를 포함하는 형광 발광 수단 및 상기 방출되는 자발 방출광의 발산각을 줄여주는 제 2 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 형광 발광 수단은 형광체를 포함하는 형광층, 자발 방출광이 제 2 렌즈 방향으로 방출되도록 안내하는 이색 반사층 및 상기 형광층과 이색 반사층을 지지하는 기판을 포함하고, 상기 기판, 이색 반사층 및 형광층이 순차적으로 적층되어 이루어진 것이 바람직하다.
상기 형광층은 각각 다른 색깔의 다수 개의 형광체를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 형광층은 제 1 렌즈의 초점 거리에 위치하도록 배치되는 것이 바람직하다.
상기 형광층은 제 2 렌즈의 초점 거리에 위치하도록 배치되는 것이 바람직하다.
상기 이색 반사층은, 상기 광원에서 방출된 레이저광과 동일한 파장의 광에 대해서 투광성을 갖고, 상기 자발 방출광에 대해서는 높은 반사율을 갖는 것이 바람직하다.
상기 제 1 렌즈 또는 제 2 렌즈는 비구면 렌즈로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 형광체는 양자점(Quantum Dot) 형광체로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 레이저광은 파장이 150 nm 내지 12,000 nm의 범위인 것이 바람직하다.
상기 제 1 렌즈와 제 2 렌즈의 렌즈면은 프레넬 렌즈(Fresnel lense)로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 형광 발광 수단은, 상하 방향으로 슬라이딩 가능하게 배치되어 상기 다수 개의 형광체 중 어느 하나가 상기 제 1 렌즈를 통과한 레이저광에 의해 여기되는 것이 바람직하다.
상기 형광 발광 수단은, 회전 가능하게 배치되어 상기 다수 개의 형광체 중 어느 하나가 상기 제 1 렌즈를 통과한 레이저광에 의해 여기되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 조명 장치는 레이저광이 제공하는 수준의 발산각을 갖는 평행광을 방출할 수 있으면서도 레이저광에 존재하지 않는 파장의 광을 형광체를 통하여 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따른 조명 장치에서 방출된 광은 자발 방출광이므로 레이저광에 의한 스펙클 효과가 없으며, 생성된 평행광은 렌즈를 이용하여 집속하거나 다양한 발산각을 가지는 광으로 변환시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 광원과 렌즈 발산각의 관계를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2 및 도 3은 광원으로 LED를 사용한 공지의 조명 장치를 각각 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 일실시예에 따른 레이저광을 이용한 조명 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 비구면 렌즈를 통과하는 광선도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 비구면 렌즈에 의한 스폿 다이어그램이다.
도 7a 내지 7c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저광을 이용한 조명 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저광을 이용한 조명 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 이하에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저광을 이용한 조명 장치 및 광경로의 예시적인 일 실시형태를 개략적으로 도시한 것이다.
조명 장치(100)는, 레이저광을 방출하는 광원(101), 레이저광이 입사되고 입사된 레이저광을 집속시키는 집속 렌즈(102) 및 집속 렌즈(102)를 통과한 레이저광에 의해 여기 및 발광되어 자발 방출광을 방출하는 형광체를 포함하는 형광 발광 수단(110) 및 형광체가 여기되어 방출된 자발 방출광을 모으는 시준 렌즈(107)를 포함한다.
광원(101)은 레이저광을 방출하는 것이다. 레이저광은 발산각이 2 mrad 이하인 것이다. 바람직하게는 레이저광은 발산각이 0.4 mrad 이하인 것이다.
레이저광은 가우스 함수 모양을 가지는 단일 횡 모드를 가질 경우, 렌즈나 광학계를 이용해서 발산각을 작게 할 수 있다. 일반적으로 직경이 1 mm인 He-Ne 레이저의 경우 발산각은 보통 2 mrad 이하이다. 발산각은 회절 한계에 의해 결정된다. 예를 들어, 파장이 632 nm 이고, 직경 1 mm 인 단일 모드 He-Ne 레이저 경우, 회절 한계에 의한 발산각은 0.4 mrad 정도이다.
조명 장치(100)에 있어서, 발산각이 작은 고품질의 평행광을 만들기 위해서는 광원의 크기가 작아야 한다. 필라멘트나 형광등, LED와 같은 광원은 넓은 파장 대역을 얻을 수 있지만, 광원의 크기가 커서 광의 발산각도 커지기 때문에 광학계의 설계만으로는 평행광을 만들기가 어렵다.
만일 필라멘트, 형광등 또는 LED 과 같은 광원의 크기를 줄인다면 광의 출력도 크기의 제곱에 비례해서 줄어들게 된다. 예를 들어, 필라멘트, 형광등 또는 LED 와 같은 광원의 크기를 축소시켜 레이저광과 같은 발산각을 갖게 한다면 광출력이 10,000배 작아진다. 또한 LED와 같은 자발 방출광(spontaneous emission)은 사방으로 빛을 방출하기 때문에 광학계의 개구수(numerical aperture)가 작을 경우에는 그만큼 출력이 감소하여 보통은 100,000배 이상 광출력이 감소하게 된다.
따라서, 광원(101)으로는 발산각이 작으면서도 광출력이 높은 레이저광이 방출되는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
레이저광은 다음에 설명할 형광층(105) 내 형광체를 여기시켜 자발 방출광을 발생시키기 위해 형광체의 흡수 파장, 즉 가시광선 또는 자외선 영역의 파장을 갖는 레이저광인 것이 바람직하다. 레이저광의 파장은 150 nm 내지 12,000 nm의 범위 내인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 5,000 nm 이하인 것이다.가장 바람직하게는 1,000 nm 이하인 것이다. 또한 레이저 다이오드는 작은 부피를 차지하기 때문에 조명 장치(100)의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다. 양자점(Quantum Dot) 형광체를 사용하는 경우에는 세라믹이나 유기 형광체에 비하여 흡수 파장 대역이 넓어서 여러 파장의 여기 광원을 사용할 수 있다. 최근 들어 405 nm 파장대 부근의 청색 레이저광을 발생하는 다이오드가 생산되고 있어서 가격이 저렴하면서도 가시광선 대역의 양자점 형광체를 여기시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 EUV(extream ultraviolet) 리소그라피에도 적용될 수 있다. 이때 형광체는 Xe, Sn이 되고, 고출력 레이저광을 사용해서 작은 면적에 집속된 높은 에너지는 플라즈마를 발생시키고, 매우 짧은 파장의 자발 방출광이 방출된다.
상기와 같이 레이저광을 방출하는 광원은, 종래 대면적의 자발 방출 광원을 이용하여 생성시킨 광과는 달리 매우 작은 크기의 점에서 발생했기 때문에, 외부 광학계를 이용하여 다시 작은 점으로 모을 수 있는 장점이 있다.
광원(101)에서 방출된 레이저광은 집속 렌즈(102)를 투과하면서 일정 경사각으로 굴절하여 통과한 후 형광층(105)에서 집속된다. 집속 렌즈(101)는 시준 렌즈(107)의 초점 부위에 레이저광의 촛점이 형성될 수 있도록 배치하는 것이 바람직하다. 촛점의 크기는 집속 렌즈의 수차가 클수록 커지며, 렌즈 수차가 없고 레이저광의 횡모드가 공간적으로 균일한 단일 모드일 경우에는 회절에 의하여 최소 직경이 정해진다. 촛점의 직경은 렌즈 초점 거리가 f이고 발산각을 θ라고 할 때, 대략 2fθ해당한다. θ는 대략
Figure 112011076377185-pat00001
이므로, 초점의 직경은 2f(
Figure 112011076377185-pat00002
)정도이다. 예를 들어 파장 500 nm의 레이저광의 직경이 1.0 mm 이고, 렌즈 초점 거리가 10 mm 이면 형성된 촛점의 직경은 약 10㎛ 정도이다.
집속 렌즈(102)와 시준 렌즈(107)의 렌즈면은 프레넬 렌즈(Fresnel lense)로 형성될 수 있다(미도시). 프레넬 렌즈는 렌즈의 두께를 줄이기 위하여 렌즈의 굴절면을 몇 개의 띠 모양으로 나누어 각 띠에서 렌즈의 굴절 작용을 하도록 하여 일반 렌즈와 동일한 성능을 구현하도록 한 것으로서 이 분야에서 공지된 것을 사용할 수 있다. 이와 같이 프레넬 렌즈는 렌즈의 구성 요소가 되는 일련의 동심원들을 평면상에 적절하게 배치하여 짧은 초점 거리가 형성되도록 한 것이다. 본 발명에 따른 조명 장치(100)는 프레넬 렌즈를 사용함으로써 광 손실을 감소시킬 수 있으며 조명 장치(100)의 경량화 및 박형화를 실현할 수 있다.
집속 렌즈(102)를 투과한 레이저광은 일정한 각도로 굴절되어 형광 발광 수단(110)의 형광층(105)에 촛점을 형성한다.
형광 발광 수단(110)은 기판(103), 이색 반사층(104) 및 형광체를 포함한 형광층(105)이 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다.
형광층(105)은 형광체를 포함한다. 형광체는 종래의 유기 또는 무기 형광 화합물로 이루어진 형광체일 수 있다. 또는 형광체는 유기 또는 무기 형광 화합물에 비해 강한 형광을 좁은 파장대에서 발생하는 양자점 형광체일 수 있다. 양자점 형광체를 사용할 경우, 양자점 형광체의 발광 파장은 흡수 파장대가 넓고 양자점 크기에 따라 조절할 수 있으므로 이를 조절하여 임의의 파장에서 평행광을 생성할 수 있다. 또한, 형광체와 시준 렌즈의 상대적 위치에 따라 다양한 발산각을 가지는 광을 생성할 수 있다. 더불어, 형광층(105)은 각각의 색깔이 다른 다수 개의 형광체들을 구비할 수도 있다.
광원(101)에서 방출된 레이저광은 형광층(105)에 집속되며 집속된 광은 형광층(105) 내 형광체를 여기시켜 자발 방출광을 발생시킨다. 형광층(105)에 여러 색깔의 형광체들이 구비되는 경우에 있어서는, 개개의 형광체들은 슬라이드 형식이나 또는 회전판 형식 등으로 이동 가능하게 배치되어, 개개의 형광체 중 어느 하나가 선택적으로 여기되어 자발 방출광을 발생시킨다.
자발 방출광은 일정한 지향점이 없이 360°의 전 방향으로 빛을 발산하는데 이색 반사층(104)은 기판(103) 방향으로 방출되는 광을 반사하여 시준 렌즈(107) 방향으로 보내는 역할을 한다. 기판(103)은 이색 반사층(104)과 형광층(105)이 적층되는 지지대의 역할을 한다.
형광 발광 수단(110)은 형광층(105)이 시준 렌즈(107)의 초점에 위치하도록 배치하면 형광층(105)에서 발생된 광이 시준 렌즈(107)에서 굴절되어 평행광으로 변환될 수 있다.
집속 렌즈(102)와 시준 렌즈(107)은 비구면 렌즈를 사용하여 성능을 향상할 수 있다. 도 5는 비구면 렌즈를 이용하여 평행광을 집속하는 모습을 보이고 있으며 스폿 다이아그램이 도 6에 나와 있다. 직경 3.3 mm 인 비구면 렌즈를 이용하여 평행광을 집속하면 스폿 직경이 0.2 micron 이내로 에어리 디스크보다 훨씬 작은 스폿이 얻어진다. 집속 렌즈일 경우에는 평행광을 스폿에 모으는 역할을 하고, 시준 렌즈일 경우에는 초점에서 나오는 빛을 평행광으로 바꾸는 역할을 한다. 시준 렌즈의 경우에는 초점에서 나오는 형광을 평행광으로 바꾸는 비율이 중요하며, 렌즈의 개구수 값이 클수록 좋다. 보통 구면 렌즈의 경우에는 수치 구경이 클수록 구면 수차가 증가하여 스폿 직경이 커진다. 시준 렌즈 경우, 스폿 직경이 크다는 것은 평행광이 잘 만들어지지 않고 발산각이 커진다는 것을 의미한다. 따라서 집속 렌즈(102)와 시준 렌즈(107)에 비구면 렌즈를 사용하면 발산각이 작은 평행광과 에너지 변환 효율을 높일 수 있다. 도 5의 경우에 에너지 변환 효율은 60 % 정도이다. 형광체에서 방출되는 빛의 60 %를 시준 렌즈가 평행광으로 바꾼다는 의미이다. 이것은 이색 필터와 함께 사용될 경우의 효율로서 이색 필터의 효과는 나중에 설명된다.
변환된 광은 평행광으로 광의 발산각은 형광층(105)에 형성된 촛점 크기에 의해서 결정된다. 촛점의 크기가 5 ㎛이고, 시준 렌즈(107)의 초점 거리가 5 mm 인 경우, 발산각은 0.5 mrad 으로 광원(101)에서 발생되는 레이저광의 발산각에 가깝다.
형광층(105)에 포함된 형광체가 여기되어 방출된 자발 방출광은 이색 반사층(104)에서 반사되어 조명 장치(100)의 전면으로 방출된다. 상기 설명한 바와 같이 만일 형광층(105)을 시준 렌즈(107)의 초점부위에 위치시키면 자발 방출광은 평행광으로 변환된다. 이색 반사층(104)은 입사하는 청색 레이저광은 통과시키지만 형광체(105)에서 발생하는 광은 반사하도록 설계할 수 있다. 이러한 이색 반사층은 코팅 설계에 따라서 반사와 투과하는 파장을 조절할 수 있으다.
이색 반사층(104)는 굴절율이 물질과 굴절율이 낮은 물질의 박막을 교대로 여러 층을 적층한 것이다. 이의 선택적 광투과 기능은 다층막간섭 현상에 의한 높은 반사율에 의하여 달성될 수 있다. 낮은 굴절율을 갖는 물질은 금속 또는 금속 산화물로 예를 들어, MgF2 이나 SiO2 등 이며, 높은 굴절율을 갖는 물질은 금속 또는 금속 산화물로 예를 들어, Ag, TiO2, Ti2O3, Ta2O3 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면 이색 반사층(104)는 굴절률이 서로 다른 복수의 유전체 박막이 적층되어 이루어진 구조를 가진다. 이 경우, 이색 반사층(104)은 금속보다 훨씬 높은 반사율을 가진 거울면에 의한 다층막간섭 현상이 발생한다. 이러한 이색 반사층은 광학 분야에서 에지 필터라고도 불리며 설계에 따라서 특정 파장을 경계로 반사율이 급격하게 변하도록 설계할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면 이색 반사층(104)은 이색 반사층(104)을 구성하는 유전체 박막의 구성에 따라 자유로이 임의의 파장 영역의 광을 선택적으로 투과/반사시켜 광이용율을 향상시킬 수 있게 한다. 가령 필터로 입사되는 평행광이 청색광인 경우, 이색 반사층(104)은 청색광은 투과시키지만 녹색광과 적색광에 대해서는 반사하도록 설계할 수 있다. 따라서 형광층(105)에서 발생되는 녹색광 및 적색광은 이색 반사층(104)에 의해 반사되어 기판 방향으로 출사된다. 이러한 방식으로 이색 반사층(104)은 형광층의 광 효율을 증가시킬 수 있다. 이색 반사층(104)은 그 구성으로 인해 형광층의 광 효율을 대략 두 배 증가시킬 수 있다. 아울러, 본 발명의 일실시예에 따른 조명 장치(100)는 이색 반사층(104)의 구성이 없다 하여도 자발 방출광을 만들어 평행광으로 변환 가능하다.
본원 발명에 따른 일 실시형태에 있어서, 이색 반사층(104)는 유리기판 상에 은(Ag) 박막과 SiO2 스페이서 박막을 순차적으로 적층하여 패브리-패로(Fabry-Perot) 공진기 구조의 특징을 갖도록 할 수 있다. 이러한 형태의 이색 반사층(104)은 청색광 파장에 대한 공진 파장만 투과시키고 나머지 파장의 광은 반사하는 특징을 보인다.
본원 발명의 일 실시형태에 따르면, 기판의 재질은 레이저 광원(101)에서 입사되는 광이 최소 80% 이상, 바람직하게는 99% 이상 투과되는 것이라면 어느 것이나 사용가능하다. 본원 발명의 일 실시형태에 따르면 기판은 폴리염화비닐계, 아크릴계 또는 에폭시계 합성 수지재 또는 유리재로 구성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일실시예에 따른 조명 장치(100)를 통해 광이 방출되는 광경로를 다음과 같이 도 4에 예시된 조명 장치(100)를 이용해 요약할 수 있다.
광원(101)에서 발생된 레이저광은 집속 렌즈(102)를 통과하여 일정한 경사각으로 굴절되어 집속되어 형광 발광 수단(105)의 형광층에 촛점을 형성한다. 이때 광은 집속 렌즈(102)와 형광 발광 수단(105) 사이에 위치한 기판(103)을 통과하여야 하는데 기판(103)은 입사하는 레이저 광원(101)의 파장에서 높은 투과율을 가지고 있다. 형광층(105)은 형광체를 포함하고 있어 집속된 광에 의해 형광체가 여기되어 자발 방출광을 방출한다. 자발 방출광은 360°의 전방향으로 방출되는데 방출된 광 중에서 기판(103) 방향으로 방출되는 광은 형광체와 기판 사이에 형성된 이색 반사층(104)에서 반사되어 시준 렌즈(107) 방향으로 출사된다. 형광층(105)을 시준 렌즈(107)의 초점 위치에 배치하게 되면 형광층(105)에서 발생된 광은 평행광으로 변환되어 조명 장치(100)를 빠져나가게 된다. 집속 렌즈(102)와 시준 렌즈(107)로 비구면 렌즈를 사용할 경우, 평행광의 발산각은 줄이고, 에너지 효율은 증가시킬 수 있다.
계속해서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저광을 이용한 조명 장치에 대해 설명한다. 각 실시예에서 상술된 실시예들과 동일한 구조를 갖는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호로써 지칭하며, 중복적인 설명은 생략하거나 간략화하고, 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저광을 이용한 조명 장치를 검토하면 다음과 같다.
도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 조명 장치(200)는, 광원(101), 집속 렌즈(102), 시준 렌즈(107) 및 형광 발광 수단(210)을 포함한다.
형광 발광 수단(210)은, 기판(203), 이색 반사층(204) 및 형광층(205)을 포함한다.
형광층(205)은 내부에 각각 서로 다른 색깔의 다수 개의 형광체들을 포함한다.
다수 개의 형광체들은 형광층(205) 내부에서 상하 방향으로 일정 거리 이격되게 배치된다.
형광 발광 수단(210)은 상하 방향으로 슬라이딩 가능하게 장착된다.
본 실시예에 따른 조명 장치(200)는 형광 발광 수단(210)의 상하 방향 슬라이딩을 통해 다수 개의 형광체 중 어느 하나가 선택적으로 집속 렌즈(102)를 통과한 레이저광에 의해 여기될 수 있다. 때문에, 본 실시예에 따른 조명 장치(300)는 각각 다른 색깔을 가진 다수 개의 형광체에서 다양한 자발 방출광을 선택적으로 발생시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저광을 이용한 조명 장치를 검토하면 다음과 같다.
도 8을 참조하면, 조명 장치(300)는, 광원(101), 집속 렌즈(102), 시준 렌즈(107) 및 형광 발광 수단(310)을 포함한다.
형광 발광 수단(310)은, 기판(303), 이색 반사층(304) 및 형광층(305)을 포함한다.
형광층(205)은 내부에 서로 다른 색깔의 다수 개의 형광체를 포함하고, 이색 반사층(204)의 중심으로부터 편심되게 장착된다.
형광 발광 수단(310)은 회전 가능하게 배치되고, 다수 개의 형광체는 형광 발광 수단(310)의 회전시 어느 하나의 형광체가 선택적으로 집속 렌즈(102)를 통과한 레이저광에 의해 여기될 수 있게 형광층(205) 내부에 원형이나 십자 형태 등으로 배치된다.
본 실시예에 따른 조명 장치(300)는 상기와 같은 구성으로 인해, 상술한 조명장치(200)와 같이, 각각 다른 색깔을 가진 다수 개의 형광체에서 다양한 자발 발충광을 선택적으로 발생시킬 수 있다.
마지막으로, 본 발명은 평행광을 만드는 장치를 예시로 들었지만, 레이저의 스폿이 맺히는 형광체의 위치를 초점이 아닌 다른 위치로 옮기면 발산하거나, 수렴하는 자발 방출광을 만들 수 있다. 이러한 경우에도 빛의 품질을 나타나내는 에텐듀는 매우 작아서 레이저광의 에텐듀와 비슷한 크기이다. 보통 LED나 필라멘트, 방전관에서 나오는 광의 에텐듀 보다 훨씬 작기 때문에 렌즈나 거울과 같은 광학계를 추가하면 발산각이 매우 작은 광으로의 변환이 가능하다.
그리고, 이상에서는 본 발명의 일 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.
100, 200, 300: 조명 장치 101: 광원
102: 집속 렌즈 103, 203, 303: 기판
104, 204, 304: 이색 반사층 105, 205, 305: 형광층
107: 시준 렌즈 110, 210, 310: 형광 발광 수단

Claims (12)

  1. 레이저광을 방출하는 광원;
    상기 레이저광이 입사되고 상기 입사된 레이저광을 집속시키는 제 1 렌즈;
    상기 제 1 렌즈를 통과한 레이저광에 의해 여기되어 자발 방출광을 방출하는 형광체를 포함하는 형광 발광 수단; 및
    상기 방출되는 자발 방출광의 발산각을 줄여주는 제 2 렌즈;를 포함하며,
    상기 제 1 렌즈 또는 제 2 렌즈는 비구면 렌즈로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 형광 발광 수단은
    형광체를 포함하는 형광층;
    자발 방출광이 제 2 렌즈 방향으로 방출되도록 안내하는 이색 반사층; 및
    상기 형광층과 이색 반사층을 지지하는 기판;을 포함하고,
    상기 기판, 이색 반사층 및 형광층이 순차적으로 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 형광층은 각각 다른 색깔의 다수 개의 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 형광층은 제 1 렌즈의 초점 거리에 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 형광층은 제 2 렌즈의 초점 거리에 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 이색 반사층은,
    상기 광원에서 방출된 레이저광과 동일한 파장의 광에 대해서 투광성을 갖고, 상기 자발 방출광에 대해서는 높은 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 형광체는 양자점(Quantum Dot) 형광체로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 레이저광은 파장이 150 nm 내지 12,000 nm의 범위인 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제 1 렌즈와 제 2 렌즈의 렌즈면은 프레넬 렌즈(Fresnel lense)로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명 장치.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 형광 발광 수단은,
    상하 방향으로 슬라이딩 가능하게 배치되어 상기 다수 개의 형광체 중 어느 하나가 상기 제 1 렌즈를 통과한 레이저광에 의해 여기되는 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명 장치.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 형광 발광 수단은,
    회전 가능하게 배치되어 상기 다수 개의 형광체 중 어느 하나가 상기 제 1 렌즈를 통과한 레이저광에 의해 여기되는 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명 장치.
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