KR101758188B1 - 고체 상태 광원 전구 - Google Patents

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KR101758188B1
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Abstract

발광장치는 램프 베이스, 광 투과 전구 엔벨로프, 발광을 위한 광원, 광원에 결합되는 히트싱크를 포함한다. 고체 상태 LED 전구는 다운 컨버젼 재료를 더 포함할 수 있다. 다운 컨버젼 재료는 전구 엔벨로프 내에, 광원으로부터 떨어져서, 광원과 램프 베이스 사이에 배치된다. 히트싱크는 적어도 하나의 금속 핀을 포함할 수 있고, 추가적으로 또는 대안으로, 적어도 전구 엔벨로프의 외부의 일부에 배치되는 메쉬를 포함할 수 있다. 고체 상태 전구는 광원에 의해 방사되는 빛을 보내기 위한 라이트 가이드를 포함할 수 있다. 고체 전구 구성은, 광원에 의해 생산되는 열을 외부로 사라지게 하기 위해, 전구 엔벨로프의 정점에, 전구 베이스와 떨어지게 광원 및 히트싱크를 배치한다. 또한, 히트싱크의 적어도 일부는 열 소멸을 극대화하기 위해 전구 엔벨로프 외부에 있다.

Description

고체 상태 광원 전구{SOLID STATE LIGHT SOURCE LIGHT BULB}
본 출원은, 여기서 참조로 포함되는 게시인, 2009년 6월 10일에 출원된, 미국 가출원 제61/268,230호에 대한 혜택을 요청한다.
본 발명은 일반적으로 고체 상태 조명에 관한 것으로, 보다 상세하게는 히트 싱크(heat sink)와 리모트 인광물질(remote phosphor) 및 고체-상태의 광(SSL) 소스를 사용하는 전구에 관한 것이다.
발광 다이오드(LEDs)를 구비한 고체 상태 램프를 포함하는 고체 상태의 광(SSL) 조명 장치가 아주 유용하게 사용되고 있으며, 이는 그들이 종래의 백열 램프 및 형광 램프에 비하여 보다 낮은 제조 비용과 장기간 내구성의 이익을 제공하기 때문이다. 긴 작동(burn) 시간 및 낮은 전력 소모에 기인하여, 종래의 램프 보다 초기 비용이 더 크게 되더라도, 고체 상태의 조명 장치는 종종 기능적인 비용 이익을 제공한다. 거대한 규모의 반도체 제조 기술이 사용될 수 있기 때문에, 많은 고체 상태 램프들이 아주 저비용으로 제조될 수 있다.
또한, 차량용 도구나 통신 장치, 오디오 비주얼 장치, 소모용 전기 기구 및 가정에서의 지시 조명과 같은 응용과 더하여, 발광 다이오드(LEDs)들은 외부 및 내부의 정보 디스플레이 장치에서 의미있는 응용 기술을 찾아왔다.
푸른 빛이나 자외선 빛에 효과적인 발광 다이오드의 개발에 의하여, 보다 긴 파장으로 엘이디(LED)의 가장 중요한 방사의 한 부분의 인광물질 변환(phosphor convension)을 통하여 백색 광을 발생하는 발광 다이오드를 제조하는 것이 실현 가능하게 되었다. 보다 긴 파장으로 엘이디(LED)의 가장 중요한 방사에 관한 변환은 일반적으로 다운 컨버전(down conversion)으로 인용되고 있다. 보다 기 파장의 빛을 구비한 전술한 중요한 방사의 비변환 부분을 결합함에 의하여 백색 광을 제조하기 위한 시스템은 종래에 잘 알려져 있다. 엘이디(LED)에 의하여 백색 광을 제조하기 위한 다른 옵션은 상이한 비율에서 둘 또는 그 이상의 색상 혼합 엘이디(LED)들을 포함한다. 예컨대, 적색과 녹색 및 청색(RGB) 엘이디(LED)의 혼합이 백색 광을 제조하는 것은 종래에 잘 알려져 있다. 마찬가지로, RGB와 황색 엘이디(RGBA LEDs)의 혼합이나 RGB 및 백색 엘이디(RGBW LEDs)의 혼합 역시 백색광을 제조하는 것으로 알려져 있다.
또한, 반사 표면 기술의 사용도 잘 알려져 있다. 반사 표면은 다운 컨버전 물질 측에 엘이디(LED)로부터의 빛을 안내하거나, 다운 컨버전 부재 측으로부터 발생되는 빛을 반사시키는데 사용된다.
그러한 기술 개발에도 불구하고, 현재 상태의 아트 엘이디(LED) 기술은 가시 스펙트럼서 불충분하다. 하나의 엘이디(LED)에 대한 광 출력은 알려진 백열등 이하이며, 가시 스펙트럼에서 대략 10%의 효과이다. 현재 백열 램프에 비교할만한 광 출력 밀도를 얻기 위하여, 엘이디(LED) 장치는 종종 보다 큰 엘이디(LED) 또는 멀티플 엘이디(LED)를 구비하는 기술을 요구한다. 하지만, 보다 큰 엘이디(LED) 또는 멀티플 엘이디(LED)를 결합시키는 기술은 도전을 받고 있다.
최근의 연구는 엘이디(LED)로부터 발생되는 열이 전구의 내구성 및 조명을 전반적으로 감소시키는 것으로 평가되었다. 보다 구체적으로, 엘이디(LED)는 100도 이상의 온도로 가열될 경우에 보다 덜 효과적이며, 그로 인하여 가시 스펙트럼 영역에서의 감소되는 반환(declining return)을 초래한다. 또한, 높은 열에 대한 노출은 엘이디(LED)의 수명을 감소시킨다. 게다가, 온도가 90도의 임계치 이상으로 증가할 때에는 소정의 다운 컨버전 인광물질에 대한 본질적인 다운 컨버전 효율을 상당히 감소시킨다.
그러한 단점을 극복하기 위한 시도는 전통적인 백열 램프와 다른 전구 기술에 초점을 맞추게 되었다. 전구의 베이스에 히트 싱크를 사용하는 것은 열소산을 지원하지만, 램프 디자인 기술로 하여금 전통적인 백열 램프와 상당히 상이한 미감과 광 분포 기능을 갖도록 유도하고 있다. 비록 고체 상태 조명 장치가 빠르게 진보하여 종래의 백열 전구의 조명 효능을 능가한다고 하더라도 백열 램프와 비슷한 광 수준을 제조하고 매우 높은 조명 효능 및 보다 긴 수명을 구비하는 SSL-기반 대체 전구는 없다.
그러므로, 전구의 미감과 내구성 및 성능 효과를 비슷하게 하거나 개량함에 종래의 백열 램프를 대체할 수 있는 고체 상태 조명 장치를 위한 특별한 요구가 있다.
이런 그리고 다른 요구를 충족시키기 위하여, 그리도 이러한 목적을 고려하여 본 발명은, 램프베이스; 전구 엔벨로프의 제1부분이 상기 램프베이스에 결합된 투광성 전구 엔벨로프; 상기 램프베이스의 반대쪽 끝에서 광원의 적어도 한 부분이 상기 전구 엔벨로프 내부에 배치되는, 빛을 방출하는 광원; 및 적어도 일부분이 상기 전구 엔벨로프 외부에 있는, 상기 광원에 결합된 히트싱크(heat sink);를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치를 제공한다. 상기 광원은, 예컨대, 적어도 하나의 발광다이오드(LED)일 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 광원에 의해 방출된 빛의 적어도 일부를 받아 다운 컨버팅하고 받고 다운 컨버팅된 빛의 일부를 다시 전달하는 다운 컨버젼 물질(down conversion material)을 더 포함한다. 상기 다운 컨버젼 물질은, 상기 전구 엔벨로프 내부에 배치되고 상기 광원으로부터 떨어져 상기 광원과 램프베이스 사이에 있다. 하나 이상의 파장 변환 물질은, 하나의 분광범위(spectral region)에서 방사선을 흡수하고 다른 분광범위에서 방사선을 방출하기 위하여 사용되고, 상기 파장 변환 물질은 다운 컨버젼 물질 또는 업 컨버젼 물질 중 하나일 수 있다. 다중 파장 변환 물질은 상기 광원으로부터 방출된 파장을 같거나 다른 분광범위로 변환할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 예컨대 광원으로서 백색 LED를 채용하는 것에 있어서, 방출된 빛은 이미 백열성 램프에 의해 형성된 것과 상당히 유사해서, 다운 컨버젼 물질은 필요치 않을 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 발광장치는 상기 광원에 의해 방출된 빛을 받고 반사하는 제1리플렉터를 더 포함한다. 이 리플렉터는 전구 엔벨로프 내부에 배치되고 상기 광원과 램프 베이스 사이에 있다. 구체적인 실시예에서, 상기 리플렉터는 상기 다운 컨버젼 물질에 인접한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 장치는 상기 광원으로부터 방출된 빛을 안내하는 적어도 하나의 제2리플렉터를 포함하고, 상기 광원은 상기 리플렉터 내부에 배치된다. 상기 제2리플렉터는 적어도 하나의 반사컵 또는 광학렌즈일 수 있다. 상기 광원이 다수의 발광다이오드를 채용할 대, 상기 발광다이오드는 적어도 하나의 리플렉터 내부에 각각 배치된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 히트싱크의 적어도 일부분은 상기 전구 엔벨로프로 돌출된다. 상기 히트싱크는 적어도 하나의 금속 핀을 포함하고, 추가적으로 또는 대체적으로, 상기 전구 엔벨로프의 적어도 외측부분 위에 배치되는 망을 포함한다. 본 발명의 여러 실시예는 일반적인 전구 구성, 예컨대, 상기 전구 엔벨로프 내부에 배치되어 전압과 전류를 좌우하는 전자구동기 및/또는 상기 전구 엔벨로프 내부에 배치되어 상기 램프베이스와 상기 전원 사이의 전류를 연결하는 전자전도체를 포함한다. 전자구동기를 포함하는 일부 실시예에서, 상기 전자구동기의 적어도 일부분은 상기 램프베이스 내부에 배치된다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 상기 광원에 의해 방출된 빛을 안내하는 라이트 가이드를 더 포함한다. 상기 라이트 가이드의 제1단부는 상기 광원에 연결되고 상기 라이트 가이드의 제2단부는 상기 다운 컨버젼 물질에 연결된다. 상기 라이트 가이드는 다양한 모양과 크기를 채택할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 상기 라이트 가이드는 실린더 또는 테이퍼진 실린더이다. 다른 실시에에서, 상기 테이퍼진 실린더 라이트 가이드는 앵글커트(angle cut), 평면, 뾰족한 것, 구, 반구 및 원뿔로 이루어지는 상측부분을 갖는다. 어떠한 실시예에서, 상기 떨어진 다운 컨버젼 물질은 이런 것에 놓이고 상기 라이트 가이드의 상측 끝 부분에서 끝나게 된다.
본 발명의 실시예에서 상기 광원과 히트싱크는, 상기 광원에 의해 형성된 열을 주변으로 소멸시키기 위하여, 상기 램프 베이스에서 떨어져서 상기 전구 엔벨로프의 정점에 배치된다.
상업적으로 이용가능한 SSL 기반의 대체 백열전구로서 광원과 선택적인 히트싱크를 상기 램프베이스에 배치하는 백열전구와 비교할 때, 이러한 배열은 더 많은 양의 빛이 생산될 수 있도록 한다. 본 발명의 상기 배열은 또한 상기 전구 구성의 온도가 유지될 수 있도록 돕고, 전구 내구성과 수명을 연장한다.
도 1은 종래이 엘이디(LED) 기반 램프의 개략도이며,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체 상태 광원 전구의 단면도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 상태 광원 전구의 단면도,
도 4a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광원 및 광 평행 렌즈의 단면도,
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광원과, 광 평행 렌즈 및 원추형 광 가이드의 단면도,
도 4c 및 도 4d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광원과, 광 평행 렌즈 및 평형 팁(flattended tip)을 구비한 원추형 광 가이드의 단면도,
도 5a 및 도 5d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 각각 0도와 30도, 45도 및 60도 방향의 평형 표면을 구비한 평형 팁을 갖는 원추형 광 가이드와 광원 및 광 평행 렌즈의 단면도,
도 5e는 도 5d에 도시된 실시예에서 90도 회전된 상태롤 도시한 개략도,
도 6a 및 도 6c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 각각 60도와 90도 및 120도의 꼭지 각을 갖는 원추형 상부 표면을 구비한 테이퍼 형성된 광 가이드를 도시한 개략도,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일실시예에 따라 각각 온 및 오프 조건에서 인광물질 코팅된 상부 표면을 갖는 테이퍼 형성된 광 가이드를 구비한 청색 광 조명 다이오드(LED)를 도시한 개략도,
도 8a는 본 발명의 일실시에에 따라 백색광 LED 패키지를 나타내는 3차원 처리 도면,
도 8b는 도 8a에 도시된 실시예의 3차원 분해 도면,
도 9a는 본 발명의 다른 실시에에 따라 SPE 타입의 청색광 LED 패키지를 나타내는 3차원 처리 도면,
도 9b는 도 9a에 도시된 실시예의 3차원 분해 도면,
도 10a는 본 발명의 일실시예에 따라 6개의 핀을 구비한 히트 싱크의 3차원 처리 도면,
도 10b는 도 10a에 도시된 실시예의 단면도,
도 11a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광원과 히트 싱크 및 제1 포물선 반사체를 도시한 개략도,
도 11b는 도 11a에 도시된 실시예의 3차원 단면도,
도 12a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광원과 히트 싱크 및 제1 포물선 반사체를 도시한 개략도,
도 12b는 도 12a에 도시된 실시예의 3차원 단면도이다.
비록 본 발명이 특정 실시 예를 참조하여 도시되고 설명되나, 본 발명은 도시된 상세한 설명에 한정되어서는 안된다. 게다가, 다양한 변경들이 청구항의 범위 내 및 본 발명에서 벗어남이 없이 상세한 설명에서 만들어질 수 있다.
발명자들은 발광 다이오드와 같은 광원이 램프 베이스에 혹은 램프 베이스 내에 위치할 때 장치를 방사하는 고체 조명의 성능이 부정적으로 영향을 미친다는 사실을 발견하였다. 램프 베이스에서 광원의 위치는 고체 조명 기반 램프의 효율, 광 생산, 및 수명에 해로운 열 레벨을 생산하는 것으로 알려졌다. 이러한 단점들을 극복하려는 시도들은 종래의 백열 A-램프와 다른 전구 디자인에 중점을 두었다.
상업적으로 이용가능한 발광 다이오드 기반 제품에 있어서, 만일 모두 존재한다면, 열을 소멸시키는데 도움이 되도록 하기 위하여 일반적으로 램프의 베이스 및 발광 다이오드 소스(source) 사이에 히트싱크(heat sink)가 위치된다. 대부분의 경우에, 히트싱크는 램프의 베이스와 통합된다. 그러나, 램프 베이스에서 혹은 램프 베이스 내의 히트싱크의 위치는 발광 다이오드의 적절한 열 관리를 방지한다. 이는 발광 다이오드로부터 환경으로 없어지는 대신에, 열의 많은 비율이 방광 다이오드의 뒤로부터 램프의 베이스로 전달되기 때문이다. 예를 들면, 도 1은 램프 베이스에서 열 소멸 소자를 사용하는 상업적 발광 다이오드 기반 대체 램프를 도시한다. 이러한 방식으로 전구의 베이스에서 히트싱크의 사용이 열 소멸에 도움을 주는 데 반하여, 그러한 대체 전구로부터 분포되는 광선은 종래의 백열 램프 전구로부터 분포되는 광과는 상당히 다르다.
부가적으로, 현재 상업적으로 이용가능한 대체 램프 디자인은 종래의 백열 램프와는 상당히 다른 미학 및 광 분산 기능을 갖는다. 예를 들면, 상업적으로 이용가능한 발광 다이오드 기반 제품에 쓰이는 히트싱크의 위치 및 형태 대문에, 히트싱크의 방향에서 대부분의 광이 차단된다. 이는 고체 조명 기반 램프에 의해 대체되려는 백열 램프가 아닌, 그리고 백열 램프와는 다른 램프 뒤의 그림자에 기인한다는 것이 알려졌다. 최소한, 광 분산에서의 차이는 보기에 문제점을 만들 수 있다. 바꾸어 말하면, 광 분산에서의 차이는 백열 램프를 위하여 디자인된 조명기구와는 완전히 용납할 수 없는 성능을 야기할 수 있다.
본 발명은 주로 백열 A-램프에 반대되는 전구 엔벨로프(bulb envelope)의 단에서의 광원의 위치에 의한 이러한 문제점들을 다룬다. 광원은 발광 다이오드, 레이저 다이오드, 혹은 공진 공동 발광 다이오드와 같은, 적어도 하나의 반도체 발광 다이오드일 수 있다. 본 발명의 실시 예들은 단일 발광 다이오드와 같은 단일 고체 조명을 사용할 수 있거나, 혹은 광원으로서 다중 고체 조명(예를 들면, 복수의 발광 다이오드)을 포함할 수 있다. 광원은 적어도 전구 엔벨로프의 외부의 히트싱크의 일부와 함께, 히트싱크에 결합될 수 있다. 본 발명의 설정에서 광원을 위치는 광원 상의 램프 베이스에서의 고유 열 효과를 최소화한다. 부가적으로, 히트싱크는 열을 광원으로부터 빠져나올 수 있게 하는, 광원을 위한 열 소멸 소자로서의 기능을 한다. 히트싱크는 또한 광원에 기계적 지원을 제공한다. 예를 들면, 히트싱크는 전구 엔벨로프의 외부에 있을 수 있으나, 전구 엔벨로프 내의 브레이크 쓰루(break-through)에서 내부 광원에 결합될 수 있다. 이러한 결합은 전구 엔벨로프 내의 광원을 효과적으로 유지하며 또한 닫힌 전구 엔벨로프를 밀봉한다. 본 발명의 이러한 디자인 특징은 대체 전구가 매우 높은 발광 효율 값을 가지며 백열 램프와 유사한 광 레벨을 생산하도록 할 수 있으며, 또한 고체 조명 기반의 수명을 연장하도록 할 수 있다.
광원의 생산에서 하향 변환 물질 지원(down conversion materials aids)의 사용은 미적으로 종래의 백열 A-램프에 의해 생산된 것과 유사하다. 용어 "하향 변환(down conversion)", "하향 변환하는(down converting)", 및 "하향 변환된(down-converted)"은 하나의 스펙트럼 구역에서 방사선을 흡수하고 또 다른 스펙트럼 구역으로 방사선을 방사하는 물질을 언급하는 것으로 이해될 것이다. 위에서 설명된 것과 같이, 본 발명의 하향 변환 물질은 하나의 스펙트럼 구역에서 방사선을 흡수하고 또 다른 스펙트럼 구역으로 방사선을 방사하도록 적용된 하나 혹은 그 이상의 파장 변환 물질로 구성되며, 파장 변환 물질은 하향 변환이거나 혹은 상향 변환 물질일 수 있다. 그러한 것과 같이, 본 발명의 실시 예들은 하향 변환하거나 상향 변환하거나 혹은 모두 변환하는 파장 변환 물질을 통합할 수 있다. 따라서, 용어 "하향 변환 물질"은 그것들의 구성을 통하여, 어떤 스펙트럼 구역에서도 방사선을 흡수하고 그것을 또 다른 구역으로 방사할 수 있는 물질로서 정의된다. 또한 용어 "전달된 광" 및 "반사된 광"도 이러한 적용을 통하여 사용되는 것으로 이해될 것이다. 그러나, 더 정확하게는 용어들은 각각 "전방으로 전달된 광" 및 "후방으로 전달된 광"이다. 광원으로부터 방사된 광이 하향 변환 물질에 도달하면, 하향 변환 물질은 단파장 광을 흡수하며 하향 변환된 광을 방사한다. 방사된 하향 변환된 광은 모든 방향(람베르시안 방사체(Lambertian emitter)로 알려진)을 이동하며, 따라서, 하향 변환된 광의 일부는 위쪽으로 이동하며 반면에 또 다른 부는 아래쪽으로 이동한다. 하향 변환 물질로부터 위쪽(혹은 바깥쪽)으로 이동하는 광은 광의 전방으로 전달된 부이며 광원을 향하여 아래쪽으로 이동하는 광은 후방으로 전달된 부이다.
본 발명의 몇몇 실시 예들에서 근접 하향 전환 개념을 구현함으로써, 존재하는 대체 전구의 낮은 성능의 문제점이 또한 해결된다. 근접 하향 전환 개념을 사용하는 시스템에서, 광원으로부터의 단파장 방사 에너지는 광원으로부터 떨어져 위치되는 하향 변환 물질을 향하여 방사된다. 하향 변환 물질을 부딪치는 방사 에너지의 적어도 일부는 더 긴 파장 방사선으로 하향 변환되며, 둘이 혼합할 때, 백열 A-램프에 의해 생산되는 광과 유사한 백색 광을 야기한다. 하향 변환 물질은 하나의 스펙트럼 구역에서 방사선을 흡수하고 또 다른 구역에서 방사선을 방사하도록 적용된 하나 혹은 그 이상의 파장 변환 물질을 포함할 수 있다. 다중 파장 변환물질은 광원으로부터 동일하거나 혹은 다른 스펙트럼 구역으로 방사된 파장을 변환할 수 있다. 광원으로서 백색 발광 다이오드를 사용하는 본 발명의 몇몇 실시 예들에서, 하향 변환 물질은 필요하지 않을 수 있는데, 그 이유는 방사된 광이 이미 백열 램프에 의해 생산된 것과 대체로 유사하기 때문이다. 백색 발광 다이오드를 사용하는 또 다른 실시 예들에서, 백색 발광 다이오드의 특성을 만드는 색을 향상시키기 위하여 예를 들면, "적색" 인광물질과 같은 특정 하향 변환 물질이 선택될 수 있다. 그러한 설정은 예를 들면, 중간 품질의 색 표현 특성을 갖는 일반 백색 발광 다이오드의 사용으로 더 낫거나 혹은 더 좋은 색 표현 특성과 함께 발광 다이오드 램프로부터 백색 광 출력을 획득할 수 있도록 한다.
광원에 의해 방사되고 하향 변환 물질(예를 들면, 전방으로 전달된 광)에 의해 하향 변환된 광을 수신하고 반사하기 위하여 리플렉터(reflector)가 사용될 수 있다. 리플렉터는 예를 들면, 구형, 포물선형, 원뿔형, 및 타원형과 같은 모든 기하학적 형태를 취할 수 있으며, 종래에 알려진 다양한 반사 표면을 포함할 수 있다. 예를 들면, 리플렉터는 알루미늄, 증발된 알루미늄 반사 층 혹은 모든 종류의 반사 표면을 갖는 플라스틱일 수 있다. 리플렉터는 하향 변환 물질 및 램프 베이스 사이에 위치되며, 하향 변환 물질과 분리되거나, 혹은 인접할 수 있다. 본 발명의 적어도 일 실시 예에서, 하향 변환 물질은 종래에 알려진 종래 기술을 사용하는 리플렉터에 적용되며 상기 리플렉터에 포함할 수 있다. 방사되고 하향 변환된 광의 전방으로 전달된 부 및 후방으로 전달된 부 모두를 포획함으로써, 시스템 효율은 향상될 것이다. 유사하게, 균일한 백색 광을 생산하고 더 많은 광이 장치로부터 나가기 위하여 광원으로부터의 광이 하향 변환 물질에 균일하게 영향을 주도록 보장하기 위하여 하향 변환 물질의 위치 및 리플렉터는 조정될 수 있다. 동시에, 광원으로부터 떨어진 하향 변환 물질의 위치는 광원 내로의 광 피드백을 예방한다.
선택적으로, 광원으로부터 방사된 광을 향하도록 하기 위하여 제2리플렉터가 사용될 수 있다. 적절한 제2리플렉터는 예를 들면, 리플렉터 컵(cup) 혹은 광학 렌즈를 포함할 수 있다. 제2리플렉터가 사용될 때, 광원은 제2리플렉터 내에서 배치될 수 있다. 복수의; 고체 조명 소스가 광원으로서 사용될 때, 각각의 고체 조명 소스는 각각의 제2리플렉터 내에 배치될 수 있다. 대안으로서, 모든 고체 조면 소스는 하나의 제2리플렉터 내에 배치될 수 있다. 제2리플렉터는 예를 들면, 구형, 포물선형, 타원형과 같은 모든 기하학적 형태를 취할 수 있으며, 종래에 알려진 다양한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 광학 렌즈가 제2리플렉터로서 사용될 때, 렌즈는 유리 혹은 플라스틱과 같은 모든 광 전달 물질일 수 있다. 제2리플렉터는 광원으로부터 방사된 광을 향하도록 기능을 하며 대체로 광원으로부터 하향 변환 물질로 방사된 모든 종류의 광을 향하도록 설정될 수 있다. 특정 실시 예들에서, 제2리플렉터는 히트싱크의 부품일 수 있거나 혹은 히트싱크에 통합될 수 있다. 예를 들면, 광원에 결합된 히트싱크의 일부는 제2리플렉터일 수 있거나 혹은 제2리플렉터의 기능을 가질 수 있다. 이러한 설정에서, 제2리플렉터는 광원에 의해 옆으로 방사된 광을 모으고 그것을 광원으로부터 멀리 향하도록 한다. 이러한 디자인은 광학 효율을 증가시킨다.
나아가 종래의 백열 A-램프의 미학 및 성능을 모방하기 위하여 라이트 가이드(light guide)가 사용될 수 있다. 예를 들면, 라이트 가이드의 제 1 단은 광원에 결합될 수 있으며 라이트 가이드의 제 2 단은 하향 변환 물질에 결합될 수 있다. 종래 백열 A-램프의 필라멘트 미학을 모방하기 위하여 이러한 부품들이 설정될 수 있다. 유사하게, 광원이 제2리플렉터 내에 배치될 때, 광원은 광원으로부터의 광 및 제2리플렉터를 하향 변환 물질로 향할 수 있다. 부가적으로, 라이트 가이드가 다양한 형태 및 크기로 디자인될 때, 광원으로부터 방사된 모든 광이 하향 변환 물질로 향하도록 제작되고 위치될 수 있으며, 이는 고체 조명 장치의 효율을 증가시킨다.
본 발명의 고체 조명 방사 장치는 나아가 종래에 알려진 다른 부품들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 고체 조명 장치는 나아가 전자 드라이버(elctronic driver)를 포함할 수 있다. 대부분의 고체 조명 소스는 저전압 직류 소스이다. 따라서 고체 조명 기반 램프에서의 사용을 위하여 전압 및 전류를 유지하기 위하여 전자 드라이버가 필요하다. 대안으로서, 대한민국의 서울반도체에서 "아크리치(Acriche)"라는 이름으로 판매되는 교류 발광 다이오드와 같은, 몇몇 교류 고체 조명 소스가 존재한다. 이러한 경우에 있어서, 고체 조명 소스(예를 들면, 발광 다이오드 혹은 발광 다이오드 어레이)는 그리드(grid)로부터 이용가능한 교류 전원장치에 직접 연결될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시 예들은 고체 조명 기반 램프에서 사용되는 고체 조명 소스의 종류에 따라, 선택적으로 적어도 일 부가 램프 베이스(12) 내부에 있는, 전자 드라이버(30)를 포함한다. 램프 베이스 및 광원 사이에 전기 교류를 결합하기 위하여 전자 전도체가 전구 엔벨로프 내에 배치될 수 있다.
도 2는 예를 들면, 종래의 백열 A-램프의 동일한 크기 및 형태인 램프 베이스(12), 광 전달 전구 엔벨로프(20), 광을 방사하기 위한 광원(16), 하향 변환 물질(22), 리플렉터(24), 및 히트싱크(18)를 갖는 본 발명의 바람직한 제 1 실시 예를 도시한다. 램프 베이스(12)는 현재의 백색 램프에서 알려진 베이스와 동일한 표준 베이스이다. 전구 엔벨로프(20)는 예를 들면, 플라스틱 혹은 유리와 같은 다양한 광 전달 물질로 만들어질 수 있다. 도시된 것과 같이, 전구 엔벨로프(20)의 제 1 부는 램프 베이스(12)에 결합되며, 광원(16)의 적어도 일 부는 대체로 램프 베이스(12) 반대편의 단에서 전구 엔벨로프(20) 내에 배치된다. 하향 변환 물질(22)은 전구 엔벨로프(20) 내에 배치된다. 리플렉터(24)는 또한 하향 변환 물질(22) 및 램프 베이스(12) 사이의 전구 엔벨로프(20) 내에 배치된다.
히트싱크(18)는 대체로 램프 베이스(12) 반대편의 단에서, 전구 엔벨로프(20)의 바닥에 위치되도록 도시된다. 히트싱크(18)의 적어도 일 부는 전구 엔벨로프(20)의 외부에 존재한다. 히트싱크는 일련의 금속 핀들(metal fin, 금속 핀(18a)으로서 8a 및 8b에 도시)을 포함할 수 있다. 히트싱크는 대안으로서, 혹은 부가적으로, 히트싱크(18)로부터 확장하며 광원(16) 및 램프 베이스(12)의 바닥 사이의 전구 엔벨로프(20)의 외부 표면의 적어도 일 부를 둘러싸는 메쉬(mesh)를 포함할 수 있다. 히트싱크(18)는 알루미늄 혹은 구리와 같은, 종래에 알려진 다양한 열 소멸 물질로 제조될 수 있다. 히트싱크는 물질의 열 소멸 능력을 향상시키거나 혹은 변경하기 위하여 예를 들면 백색으로 칠해진, 색으로 칠해질 수 있다. 히트싱크(28)의 적어도 일 부는 전구 엔벨로프(20)의 외부에 존재하나, 히트싱크(18)는 내부 광원(16)에 결합된다. 이는 예를 들면, 대체로 램프 베이스(12)의 반대편의 일 단에서의 전구 엔벨로프(20) 내의 브레이크 쓰루에서 달성될 수 있다. 이러한 결합은 대체로 전구 엔벨로프(20) 내에서 광원(16)을 유지하며 도한 닫힌 전구 엔벨로프(20)을 밀봉한다. 일단 조립되면, 전구 엔벨로프(20)의 내부는 진공이거나 혹은 예를 들면, 아르곤(argon)이나 크립톤(krypton)과 같은 비활성 가스로 채워질 수 있다.
도 2는 전기 전도체(32)를 거쳐 광원(16)으로 연결되는 전자 드라이버(30)를 도시한다. 위에서 설명된 것과 같이, 직류 고체 조명 소스를 사용하는 고체 조명 기반 램프에서의 사용을 위하여 전압 및 전류를 유지하도록 하기 위하여 전자 드라이버(30)가 선택적으로 포함된다. 대안으로서, 교류 고체 조명 소스가 선택될 때 전자 드라이버(30)는 필요하지 않다. 따라서, 본 발명의 실시 예들은 고체 조명 기반 램프에서 사용되는 고체 조명 소스의 종류에 따라, 선택적으로 적어도 일 부가 램프 베이스(12) 내부에 있는, 전자 드라이버(30)를 포함할 수 있다. 연결 와이어(connection wire)와 같은, 적어도 하나의 전기 전도체(32)가 또한 도 2에 도시된 본 발명의 실시 예에서 사용될 수 있다. 전기 전도체(32)는 만일 필요하면 전기 전도체(32)를 통과하는, 램프 베이스(12)에서의 입력 및 광원(16) 사이에 전기 전류를 결합하기 위하여 전구 엔벨로프 내에 배치될 수 있다.
광원(16)은 제2리플렉터(26) 내부에 위치될 수 있는데, 이는 개방 상부(open top)를 갖는 리플렉터일 수 있다. 광원은 다중 발광 다이오드와 같은, 다중 고체 조명 소스를 포함할 수 있는데, 각각의 내부는 고유의 제2리플렉터(26)를 갖는다. 제2리플렉터(26)는 광원(16)으로부터 방사된 광을 인광물질일 수 있는 하향 변환 층(22) 및 리플렉터(24)를 향하여 위쪽으로 맞춘다. 제2리플렉터(26)로서 반사 컵 대신에 혹은 반사 컵에 부가하여 렌즈가 사용될 수 있다. 리플렉터(24) 및 제2리플렉터(26)는 알루미늄, 증발된 알루미늄 반사 층 혹은 모든 종류의 반사 표면을 갖는 플라스틱일 수 있다. 광원(16)으로부터 방사된 광을 하향 변환 물질(22)로 향하도록 함으로써, 제2리플렉터는 광원(16)으로부터 하향 변환 물질(22) 및 리플렉터(24)로 전달되는 동안에 전구 엔벨로프의 측면들에 존재하는 광의 가능성을 최소화한다. 도시된 실시 예에서, 참조 번호 34는 물리적 소재가 아닌, 광선 빔을 나타내며, 본 발명의 청구항의 구성요소는 아니다.
이러한 바람직한 실시 예에서, 하향 변환 물질(22)은 광원(16)에서보다 램프 베이스(12)에 더 가깝게 위치되며, 리플렉터(24)는 하향 변환 물질(22)에 인접한다. 대안의 실시 예에서, 하향 변환 물질(22)은 예를 들면, 위치 D에서 전구의 중간을 가로질러 위치될 수 있으며, 리플렉터(24)는 하향 변환 물질(22)로부터 떨어져 위치될 수 있다. 그러한 실시 예에서, 리플렉터(24)로부터 반사된 일부 광은 리플렉터(24) 및 하향 변환 물질(22) 사이에 위치된 전구 엔벨로프(20)의 측면을 통하여 빠져나올 수 있다. 하향 변환 물질(22)은 또한 전구 엔벨로프(20)의 중심 위치(D) 위에 있는 위치(예를 들면, 램프 베이스로부터 멀리 떨어진)에 존재할 수 있다. 광원(16)으로부터 광이 하향 변환 물질(22) 및 리플렉터(24)를 칠 때, 일부 광은 하향 변환 물질로부터 다시(back) 반사되며(예를 들면 후방으로 전달되는) 전구 엔벨로프(20)의 측면으로부터 빠져나온다. 하향 변환 물질(22)을 통하여 어떤 광(예를 들면, 전방으로 전달되는)이 이동할지라도, 리플렉터(24)에 의해 다시 반사되며, 전구 엔벨로프(20)의 측면으로부터 빠져나온다. 비록 하향 변환 물질(22) 및 리플렉터(24)가 전구 엔벨로프(20)의 전체 넓이를 횡단하는 것과 같이 도시되나, 이러한 부품들은 전체 넓이 이하일 수 있다. 이러한 부품들의 크기 및 형태뿐만 아니라, 전구 엔벨로프(20) 내의 하향 변환 물질(22) 및 리플렉터(24)의 위치는 통상의 지식을 가진 자들에게 이해되는 것과 같이, 고체 조명 기반 램프에 바람직한 성능 효율을 달성하도록 조절된다.
바람직하거나 혹은 대안의 실시 예에서, 하향 변환 물질 층은 하나 혹은 그 이상의 인광물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 하향 변환 물질은 하나 혹은 그 이상의 다음을 포함할 수 있다: 세륨이 섞인 이트륨 알루미늄 가넷(YAG:Ce), 유로퓸이 섞인 스트론튬 황화물(SrS:Eu), 유로퓸이 섞인, 세륨이 섞인 이트륨 알루미늄 가넷 인광물질; 세륨이 섞인 이트륨 알루미늄 가넷 인광물질 + 셀렌화 카드뮴(cadmium selenide) 혹은 납 및 실리콘을 포함하는 다른 물질로부터 생성된 다른 종류의 양자점(quantum dot); 및 종래에 알려진 다른 종류의 인광물질. 본 발명의 다른 실시 예들은 내장형 인광물질 층 혹은 내장되지 않은 인광물질 층을 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 게다가, 인광물질 층은 균일한 두께일 필요가 없으며, 오히려 더 균일한 색 출력을 생성하기 위하여 서로 다른 두께이거나 혹은 서로 다른 인광물질 혼합일 수 있다. 하향 변환 층은 유사하게 다른 인광물질, 양자점, 양자점 결정체, 양자점 나노 결정체, 혹은 종래에 알려진 다른 변환 물질을 포함할 수 있다. 하향 변환 물질은 결합 매체와 혼합된 분말형 물질 대신에 파장 변환 결정체일 수 있다. 통상의 지식을 가진 자들에게 알려진 것과 같이, 하향 변환 물질 층은 서로 다른 파장의 광의 혼합을 향상시키기 위하여 미소구체(micro sphere)와 같은, 부가적인 분산 입자들을 포함할 수 있다. 대안의 일 실시 예에서, 파장 변환 물질 층은 다중의 연속적이거나 혹은 분리된 하부 층(sub-layer)들을 포함할 수 있으며, 각각은 유사하거나 혹은 서로 다른 파장 변환 물질을 포함한다. 하향 변환 물질 혹은 개별적인 파장 변환 층은 예를 들면, 실장(mounting), 코팅, 스텐실, 및 스크린 프린팅과 같은, 종래에 알려진 적절한 기법에 의해 형성될 수 있다.
도 3은 램프 베이스(12), 광 전달 전구 엔벨로프(20), 광을 방사하기 위한 광원(16), 하향 변환 물질(22), 리플렉터(24), 및 히트싱크(18)를 갖는 본 발명의 또 다른 제 1 실시 예를 도시한다. 본 실시 예는 부가적으로 라이트 가이드(28)를 포함한다. 라이트 가이드(28)의 제 1 단은 광원(16)에 결합되며 라이트 가이드(28)의 제 2 단은 하향 변환 물질(22)에 결합되는데, 모두 대체로 전구 엔벨로프(20) 내에 위치된다. 본 실시 예는 광원(16)이 제2리플렉터(26) 내에, 도한 대체로 전구 엔벨로프(20) 내에 배치되는 것을 도시한다. 리플렉터 컵이 도 3에 도시되나, 이전에서와 같이, 제2리플렉터로서 리플렉터 컵을 대치하거나 혹은 리플렉터 컵에 부가하여 광학 렌즈가 사용될 수 있다. 따라서, 라이트 가이드(28)는 광원(16) 및 제2리플렉터(26)로부터의 광이 하향 변환 물질(22)로 향하도록 한다. 대안으로서, 라이트 가이드(28)는 제2리플렉터가 사용되지 않을 때 광원(16)에 결합되거나, 혹은 광원으로부터 광을 직접 인도할 수 있다. 도 3에 도시된 실시 예에서, 하향 변환 물질(22)은 물질 층 대신에 파장 변환 물질의 작은 실린더이다. 하향 변환 물질(22)은 도 3에 도시된 것과 같이, 전구의 중심 부에 위치될 수 있거나, 혹은 고체 조명 가반 램프의 성능 미적 목표를 달성하기 위하여 또 다른 위치에 위치될 수 있다. 이러한 부품들은 종래의 백열 A-램프의 필라멘트 미학을 모방하기 위하여 전구 엔벨로프(20) 내에 설정될 수 있다. 예를 들면, 전구의 증심에 실린더형 하향 변환 물질(22)을 위치시킴으로써, 맨 위에 테이퍼진(tapered) 라이트 가이드(28), 광의 표준 텅스텐 필라멘트 점광원(point source)과 유사한 광의 점광원이 달성된다. 도 3은 또한 하향 변환 물질(22)과 떨어져 간격을 두는 리플렉터(24)를 도시한다. 이 실시 예에서, 리플렉터(24)로부터 반사된 광은 하향 변환 물질(22)에 별로 영향을 주지 않는데, 그 이유는 하향 변환 물질이 너무 적기 때문이다. 그러나, 라이트 가이드(28)는 대체로 광원(16)으로부터 방사된 모든 광이 하향 변환 물질(22)로 향하는 것을 보장하도록 기능을 하는데, 이는 하향 변환될 수 있으며 백색 광으로서 전구 엔벨로프(20)를 빠져나온다.
도 4a-4e는 제2리플렉터를 사용하는 본 발명의 다양한 실시 예들을 도시한다. 이러한 도면들은 광학 렌즈로서의 제2리플렉터를 도시하나, 제2리플렉터는 또한 리플렉터 컵일 수 있다. 발광 다이오드와 같은, 고체 조명 소스는 도 4a에 도시된 것과 같이 광학 렌즈 내에 위치될 수 있다. 도 4b-4e는 나아가 라이트 가이드를 포함한다. 광원, 제2리플렉터, 및 라이트 가이드는 대체로 전구 엔벨로프 내에 위치된다. 렌즈 및 라이트 가이드는 단일 부품으로서 제조될 수 있거나, 혹은 두 개의 분리된 부품을 포함할 수 있다. 라이트 가이드는 많은 형태 및 크기를 취할 수 있다. 예를 들면, 라이트 가이드는 도 4b-4e에 도시된 것과 같이, 테이퍼진 실린더형일 수 있거나, 혹은 직선의 실린더형일 수 있다. 라이트 가이드의 상부는 도 4b에 도시된 것과 같이 뾰족하거나, 혹은 도 4c-4e에 도시된 것과 같이 평평할 수 있다. 도 4c-4e는 또한 라이트 가이드가 다양한 길이 및 면적을 갖는다는 것을 도시한다. 예를 들면, 도 4c-4e는 각각 길이가 40㎜, 35㎜, 및 30㎜인 라이트 가이드를 특징으로 한다.
라이트 가이드의 상부는 또한 다양한 각도의 각 절단일 수 있다. 예를 들면, 도 5a-5d는 각각 0˚, 30˚, 45˚, 및 60˚ 지향의 평평한 표면을 갖는 납작해진 상부를 갖는 테이퍼진 라이트 가이드를 도시한다. 도 5e는 라이트 가이드 디자인을 더 도시하기 위하여 도 5d에 도시된 실시 예의 90˚ 회전된 도이다. 게다가, 라이트 가이드의 상부는 도 6a-6c에 도시된 것과 같이, 구형(볼) 형태, 반구형, 혹은 원뿔형일 수 있다. 도 6a-6c는 각각 120˚, 90˚, 및 60˚의 꼭대기 각을 갖는 원뿔 형태의 상부 표면을 갖는 테이퍼진 라이트 가이드를 도시한다. 근접 하향 변환 물질이 이러한 단에 위치되며 라이트 가이드의 상부에서 끝난다. 도 7a-7b는 본 발명의 실시 예에 따라, 인광물질이 코팅된 상부 표면을 갖는 테이퍼진 라이드 가이드를 갖는 청색 발광 다이오드를 도시한다. 도 7a는 "오프(off)" 상태에서 고체 조명 기반 램프를 도시하며 반면에 도 7b는 "온(on)" 상태에서 고체 조명 기반 램프를 도시한다.
도 8a는 광원으로 백색 LED 패키지를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 대한 3차원 렌더링을 도시한다. 도 8b는 도 8a에 도시된 실시예의 3차원 분해도를 도시한다. 이러한 도면들은 전구 엔벨로프(20) 외부에 6 개의 히트싱크 핀들(18a)을 갖는 히트싱크를 도시한다. 본 발명의 대안적인 실시예들에서 더 많은 또는 더 적은 히트싱크 핀들이 사용될 수 있다. 히트싱크(18)는 대안적으로, 또는 추가적으로, 히트싱크(18)로부터 확장되고 광원(16)과 램프 베이스(12)의 바닥 사이에서 전구 엔벨로프(20)의 외면의 적어도 일부를 감싸는 메쉬(mesh)를 포함할 수 있다. 히트싱크(18), 히트싱크 핀(18a), 및 메쉬는 알루미늄 또는 구리와 같은, 종래기술에서 알려진, 다양한 방열 재료들로 제조될 수 있다. 도 8b는 또한 전구 엔벨로프 내에 제2리플렉터(26) 및 광원(16)을 삽입하기 위해 전구 엔벨로프(20)를 브레이크 쓰루(break-through)하는 것을 도시한다. 히트싱크(18)는 사실상 전구 엔벨로프(20)의 외부에 있고, 전구 엔벨로프에서의 브레이크 쓰루에서 광원(16)과 결합한다.
도 9a는 광원으로 SPE형 청색 LED 패키지를 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 대란 3차원 랜더링을 도시한다. SPE형 LED 패키지는 산란 광자 추출(SPE)을 이용하고, 적어도 일 실시예에서, 전구 엔벨로프(20) 내에서 함께 결합되는 LED 광원(16), 제2리플렉터(26), 라이트 가이드(28), 및 다운 컨버젼 재료(22)를 포함한다. 도 9b는 도 9a에 도시된 실시예에 대한 3차원 분해도를 도시한다. 도 3에서 도시된 바와 같이, 도 9a 및 9b에 도시된 본 발명의 실시예는 테이퍼진 라이트 가이드(28)의 상부에 있는 작은 원통형 다운 컨버젼 재료(22)를 포함한다. 라이트 가이드(28)는 광원(16)이 배치되어 있는 제2리플렉터(26)에 결합된다. 제2리플렉터(26) 및 라이트 가이드(28)는 광원(16)으로부터 나오는 사실상 모든 빛을 다운 컨버전 재료(22)로 보내도록 기능한다. 이러한 도면들은 또한 전구 엔벨로프(20)의 외부에 6개의 히트싱크 핀들(18a)을 갖는 히트싱크(18)를 도시한다. 본 발명의 다른 실시예들은 더 많은 또는 더 적은 히트싱크 핀들을 포함할 수 있다. 히트싱크(18)는, 대안적으로, 또는 추가적으로, 히트싱크(18)로부터 확장되고, 광원(16)과 램프 베이스(12)의 바닥 사이에서 전구 엔벨로프(20)의 외면의 적어도 일부를 감싸는 메쉬를 포함한다. 히트싱크(18)는 사실상 전구 엔벨로프(20)의 외부에 있고, 전구 엔벨로프에서의 브레이크 쓰루에서 광원(16)과 결합한다.
본 발명에 따른 적어도 하나의 실시예에 있어서, 제2 반사체는 상기 히트 싱크의 한 요소 및 일체로 구성될 수 있다. 도 10a는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 도면이고 도 10b는 상기 실시예에 따른 조명 장치의 단면도이다. 상기 광원에 결합되는 히트 싱크의 한 부분이 제2 반사체로 구성되거나 그 기능을 구비할 수 있다. 그와 같은 구성에 있어서, 상기 제2 반사체는 광원에 의하여 사이드통로(sideway)에 반사되는 광의 적어도 일부를 모으며, 광학적 효율을 증대시키도록 광원으로부터 떨어지게 그것들을 안내한다. 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 광원(16)은 히트 싱크(18)에 결합되거나 및/또는 그 안에 구성된다. 상기 히트 싱크(18)의 한 부분은 광원(16)에 결합되어 제2 반사체로서 작용하며, 광원으로부터 사이드통로에 반사되는 광을 모아서 안내되도록 한다(도 10b에 점선으로 표기됨).
도 11a 및 도 11b 그리고, 도 12a 및 12b는 광원과 히트 싱크 및 제 반사체를 포함하는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것이다. 도 11a 및 도 11b는 제 포물선 반사체(parabolic reflector)를 포함하는 반면에, 도 12a 및 12b는 원추형 제1 반사체를 포함한다. 전술한 바와 같이, 제1 반사체는 소정의 기하학적인 형태, 예컨대, 구형이나 포물선현, 원추형 및 타원형으로 구성될 수 있으며, 공지의 다양한 반사 표면도 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 반사체는 증착 알루미늄 반사 레이어 또는 다른 유형의 반사 표면을 구비한 플라스틱 및 알루미늄으로 구성될 수 있다. 다른 변형 실시예에 있어서, 상기 반사체는 소정의 광 분포 또는 미적 효과를 얻기 위해 처리되거나 도포될 수 있으며, 그것은 반사체에 의해 형성될 수 있는 견고한 쉐도우 차단(shadows)을 방지하도록 광의 작은 부분을 전송할 수도 있다. 상기 반사체는 램프 베이스와 광원 사이에 구성되며, 다운 컨버전이 적용될 때에는 다운 컨버전 부재와 이격되거나 인접하게 구성될 수도 있다. 본 발명에 따른 적어도 하나의 실시예에 있어서, 상기 다운 컨버전 부재는 공지 기술을 사용하는 광원과 접하는 사이드 상에서 반사체에 포함되어 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 반사체는 SSL-기반 램프의 광학적 효율을 증대시키는 기능을 수행한다.
LED 광원으로부터의 열의 양 및 램프의 베이스 측으로 들어가는 전기 전자적 드라이버(driver) 또는 구동체는 LED의 전체 캐패시티를 한정하며, 이는 신뢰성 있는 성능을 구비하도록 사용될 수 있고, 그러므로써 제조되는 광의 양을 한정한다. LED를 적용하거나 경우에 따라서 램프 베이스 내에 또는 램프 베이스에 히트 싱크를 적용하는 구성에 있어서, 광이 양은 25~40W 백열 램프에 상응하도록 제한될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 그러한 환경으로 제조되는 것 이상의 열을 소산 시키기 위하여 전구의 꼭대기에 히트 싱크 및 LED 광원을 구성한 것이다. 그러한 구성은 보다 큰 양의 광을 제조할 수 있으며, 그 반면에 LED 및 전기적 드라버 작동 온도를 적절하게 유지할 수 있다. 완전히 밀폐된 조명 기구를 얻는 이익에 비교시에, 전술한 구성은 LED 램프가 개방된 조명 기구에 사용되는 응용 장치용으로써 보다 이익이 될 수 있다.
전술한 바와 같이, 다운 컨버전 부재에 충돌하는 복사 에너지는 보다 높은 파장의 복사로 변환될 수 있으며, 혼합시에는 백열 A-램프에 의해 제조되는 광과 같은 백색광을 제조한다. 최종적인 광 출력의 스펙트럼은 다운 컨버전 부재에 의존한다. 전체적인 광 추출은 다운 컨버전 레이어에 접근하는 광의 양과 다운 컨버전 레이어의 두께 및 반사체의 디자인 및 자재에 의존한다. 광 가이드는 SSL-기반 램프의 미적 목표와 성능을 달성하기 위해 의도한 소정의 디자인에서의 크기 및 형태로 구성될 수 있다. 이하에 설명되는 실시예 및 테이블은 광 가이드를 위한 미적 형태의 다양한 실시예이며, 각각의 그들 형태들은 SSL-기반 램프의 광 복사 및 효율을 가질 수 있다.
실시예
본 발명의 적어도 일 실시예에서, 산란 광자 추출(scattered photon extraction ,SPE)을 구비한 LED 패키지가 구현된다. 전형적인 종래의 백색 LED 패키지와는 달리, 다운 컨버젼 인광물질이 광원 또는 다이 주위에 퍼지면, 본 발명의 SPE 패키지에서 인광물질층이 다이로부터 멀어져서, 다이와 인광물질 사이에 투명한 매체를 남긴다. 그러한 패키지들과 관련한 효율적인 기하학적 형태는 광선 추적 분석을 통해 결정될 수 있다. 종래의 백색 LED 패키지와 유사한 색도 좌표를 갖는 백색광을 생성하기 위해 SPE 패키지가 서로 다른 인광물질 밀도를 요구하는 것은 가치가 없다. 이 차이는 다른 스펙트럼들을 갖는 투과 역반사 광을 혼합하는 SPE 패키지의 결과인데, 반면 종래의 패키지는 대개 투과광을 사용한다.
라이트 가이드 개념의 실현가능성을 평가하기 위한 광선 추적 분석이 수행되었다. 추가로, 전체 광 출력 및 발광 효과를 연구하기 위해 실험실 평가가 수행되었다. 테이퍼진(tapered) 라이트 가이드에 결합된 광원, 출력 백색 광, 및 상기 시스템의 전체 효율을 결정하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션이 수행되었다. 기본 모델은 원격 인광물질 및 제2리플렉터로 내부 전반사(total internal reflected, TIR) 렌즈를 구비한 청색 LED로 구성되었다. 청색 LED는 람베르시안 강도 분포(Lambertian intensity distribution) 및 451nm의 스펙트럼 최고 파장을 갖는다. (도 4a에 도시된 바와 같이) 청색 LED로부터 TIR 렌즈의 상면으로 광 빔을 평행하게 하기 위해 TIR 렌즈가 LED의 상부에 장착되었다. 테이퍼진 라이트 가이드가 그리고 나서 TIR 렌즈의 상부에 접합되었다.
모의 시험
테이퍼진 라이트 가이드에 대한 작동 및 바람직한 기하학적 크기를 결정하기 위해, 50mm 높이의 원뿔 형태의 테이퍼진 라이트 가이드가 처음에 시험되었다. 테이퍼진 라이트 가이드의 바닥면은 TIR 렌즈의 상면과 동일한 직경 너비를 갖는다. 테이퍼진 라이트 가이드의 상면에 광을 좀더 결합하고 상면 부분을 최소화하기 위해, (도 4c 내지 도 4e에 도시된 바와 같이) 일련의 라이트 가이드 높이들이 시뮬레이션되었으며, 표 1에 도시된 바와 같이, 선택된 라이트 가이드의 최적 높이는 35mm였다. 만약 좀더 짧은 높이의 테이퍼진 라이트 가이드가 사용되면, 상면에서 수신되는 증가된 광의 양과 상면에서 더 넓은 초첨 부분 사이에 상충관계(trade-off)가 있다. 상면에서의 더 작은 부분은 인광물질가 덜 사용되고 더 초점이 잘 맞춰진 광 빔이 발생될 수 있음을 의미한다. 이러한 상충관계를 고려하여, 상대적으로 더 작은 상면 및 더 높은 상면으로부터 전방에서 투과되는 광 비율을 갖는 35mm 높이의 테이퍼진 라이트 가이드가 선택되었다.
서로 다른 높이들을 갖는 테이퍼진 라이트 가이드의 상면으로부터의 방사속
테이퍼진 라이트 가이드의 길이 전체 방사 P(W) 상면 방사 P(W) 방사 비율(상면/전체)
40mm 0.956 0.613 64%
35mm 0.972 0.796 82%
30mm 0.982 0.820 84%
테이퍼진 라이트 가이드의 기하학적 크기가 결정된 이후에, 테이퍼진 라이트 가이드의 평평한 원형 상면은 인광물질 층을 다운 컨버젼하는 0.24mm 두께로 코팅되었다. 테이퍼진 라이트 가이드의 평평한 상면의 다양한 방향들이 도 5a 내지 5e에 도시된 바와 같이 시뮬레이션되었다. 표 2는 각각의 테이퍼진 라이트 가이드 백색 LED 패키지로부터의 광 출력 및 색도를 도시한다. 상면이 60도를 향하는 경우에, 광 출력 및 그에 따라 상기 시스템 효율은 유사한 색도 값들이 최고에 이르렀다. 그러나, 높은 광 출력과 시스템 효율은 사용되는 인광물질의 더 많은 양과 상충관계이다. 평평한 상면의 테이퍼진 라이트 가이드에서의 한 가지 단점은 공간적 색 분포의 비균일성인데, 이는 인광물질 코팅의 비대칭적인 공간적 분포로부터 야기된다.
다양한 상면 방향들을 갖는 테이퍼진 라이트 가이드 백색 LED 패키지의 방사속 및 색도
상면 방향 각(도) 전체 방사 P(W) 색도
X Y
0 0.811 0.288 0.291
30 0.827 0.286 0.288
45 0.811 0.286 0.288
60 0.854 0.290 0.299
평평한 상면의 테이퍼진 라이트 가이드에서의 잠재적인 약점을 극복하기 위해, 원뿔 형태의 상면을 갖는 다른 형태의 테이퍼진 라이트 가이드가 시뮬레이션되었다. 원뿔 형태의 상면은 도 6a 내지 6c에 도시된 바와 같이 연필의 끝과 비슷하다. 원뿔 형태의 상면에 대한 세 개의 서로 다른 꼭지점 각들이 시뮬레이션되었는데, 각각은 원뿔 형태의 상면을 도포하는 인광물질 코팅의 0.24mm 두께의 균일한 층을 갖는다. 표 3에서 보여지는 바와 같이, 60도의 원뿔 형태 상면의 테이퍼진 라이트 가이드는 매칭하는 색도 값들을 갖는 방사속에서 가장 높은 광 출력을 산출한다. 이는 가장 높은 시스템 효율과 관련되어 있다. 그러나, 높은 광 출력 및 시스템 효율이라는 결과는 다시 필요로 하는 인광물질의 더 많은 양에 대한 비용이라는 것을 알게 되었다. 원뿔 형태 상면의 테이퍼진 라이트 가이드는 평평한 상면의 테이퍼진 라이트 가이드보다 더 나은 공간적 색상 균일성을 제공하는 것이 확인되었다.
다양한 꼭지점 각들을 갖는 원뿔 형태 상면의 테이퍼진 라이트 가이드의 방사속 및 색도
원뿔 상면의 꼭지점 각(도) 전체 방사 P(W) 색도
X Y
120 0.808 0.290 0.293
90 0.807 0.290 0.294
60 0.822 0.289 0.294
실험실 연구
원통형 광 라이트 가이드에 결합하는 광에 사용되는 렌즈가 고출력 청색 LED와 함께 사용되었다. YAG:Ce 인광물질의 얇은 층이 8mg/㎠의 구역 밀도를 갖는 렌즈의 상면에 코팅되었다. 실험실 연구는 350mA 아래에서 구동되는 청색 LED로 수행되었다. 색도, 광 출력, 및 시스템 효율은 조정된 적분구에서 측정되었다. 표 4에 나타난 바와 같이, 산란 광자 추출(SPE) 패키지와 비교하여, 이러한 원격 인광물질 백색 LED 패키지는 11% 덜 효율적이다. 그러나, SPE 패키지들은 종래의 인광물질가 컨버젼되는 백색 LED 패키지들보다 60% 더 효율적임이 앞서 입증되었다. 이에 따라, 이러한 새로운 테이퍼진 라이트 가이드 백색 LED 패키지는 종래의 인광물질가 컨버젼되는 백색 LED 패키지보다 약 50% 더 효율적이다. 또한, 종래의 시스템보다 더 적은 수의 인광물질가 이 새로운 테이퍼진 라이트 가이드 백색 LED 패키지에 사용되었고, 좀더 초점이 맞춰진 광 빔이 상기 새로운 백색 LED 패키지로부터 발생되었다. 더 나은 초점이 맞춰진 광 빔 및 인광물질의 더 적은 사용은 LED A 램프에서 비용에 대한 고려뿐만 아니라 응용 목적에 대해 이상적이다.
이전의 SPE 패키지와 비교한 테이퍼진 렌즈 백색 LED 패키지의 광 출력, 시스템 효율 및 색도
LED 렌즈 인광물질 구역 밀도 Φ(lm) 효율성
(lm/W)		 CIE1931 (x, y)
x y
고출력 청색 SPE 6mg/㎠ 97.4 89.6 0.312 0.324
고출력 청색 테이퍼진 렌즈 8mg/㎠ 86.4 79.6 0.310 0.317
SSL 기반 램프의 기하학적 구조는 도면에 도시되거나, 상술되거나, 실시예에서 나타난 특정 형태들로 국한되지 않음이 이해될 것이다. 빛의 색깔과 같은 다른 디자인 사안들 및 전구의 수명을 고려하면서 특정 성능 도는 미적인 것을 달성하기 위해 대안적인 형태들이 사용될 수 있다. 비록 본 발명이 바람직한 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 그에 국한되지는 않는다. 오히려, 첨부되는 청구항들은, 본 발명의 실제 사상 및 범위에서 벗어나지 않으며 당업자에 의해 이루어질 수 있는 본 발명에 대한 다양한 변형들 및 실시예들을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

Claims (40)

  1. 램프베이스;
    투광성 전구 엔벨로프이되, 전구 엔벨로프의 제1부분이 상기 램프베이스에 결합된 투광성 전구 엔벨로프;
    빛을 방출하는 광원이되, 광원의 적어도 한 부분이 상기 램프베이스의 반대쪽 끝에서 상기 전구 엔벨로프 외부에 배치되는, 빛을 방출하는 광원;
    상기 광원에 의해 방출된 빛의 적어도 일부를 받아 다운 컨버팅하고(다운 컨버팅;낮은 주파수로 바꾸는 것) 받고 다운 컨버팅된 빛의 일부를 다시 전달하며, 상기 전구 엔벨로프 내부에 배치되고 상기 광원으로부터 떨어져 상기 광원과 램프베이스 사이에 있는 다운 컨버젼 물질(down conversion material);
    상기 광원에 의해 방출되고 상기 다운 컨버젼 물질에 의해 다운 컨버팅된 빛을 받고 반사하고, 상기 전구 엔벨로프 내부에 배치되고 상기 다운 컨버젼 물질과 상기 램프 베이스 사이에 있는 리플렉터; 및
    적어도 일부분이 상기 전구 엔벨로프 외부에 있는, 상기 광원에 결합된 히트싱크(heat sink);를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원에 의해 방출된 빛을 안내하는 라이트 가이드이며, 상기 라이트 가이드의 제1단부가 상기 광원에 연결되고 상기 라이트 가이드의 제2단부가 상기 다운 컨버젼 물질에 연결되는 라이트 가이드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 라이트 가이드는 실린더 또는 테이퍼진 실린더 중 어느 하나이고, 상기 실린더 또는 테이퍼진 실린더는, 앵글커트(angle cut), 평면, 뾰족한 것, 구, 반구 및 원뿔로 이루어지는 그룹에서 선택된 상측부분을 갖는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 적어도 하나의 발광다이오드(LED)인 것을 특징으로 하는 발광장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트싱크의 적어도 일부분이 상기 전구 엔벨로프로 돌출된 것을 특징으로 하는 발광장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원으로부터 방출된 상기 빛을 안내하는 제2리플렉터를 더 포함하고,
    상기 광원은 상기 리플렉터 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광원으로부터 방출된 빛을 안내하는 상기 제2리플렉터는 반사컵과 광학렌즈로 구성된 그룹 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 발광장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2리플렉터는 상기 히트싱크의 내장부품인 것을 특징으로 하는 발광장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 광원은 다수의 발광다이오드로 이루어지고, 상기 발광다이오드는 적어도 하나의 리플렉터 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 다운 컨버젼 물질은 적어도 하나의 인광물질(phosphor)로 구성되는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 리플렉터는 상기 다운 컨버젼 물질에 인접한 것을 특징으로 하는 발광장치.
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 전구 엔벨로프 내부에 배치되는 전자구동기(electronic driver)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전자구동기의 적어도 한 부분은 상기 램프베이스의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  15. 제 1 항 내지 제 9 항, 제 11항, 제 13 항, 제 14 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 히트싱크는 상기 전구 엔벨로프의 적어도 한쪽 바짝 부분 위에 배치되는 망(mesh)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
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