KR101848842B1 - 레이저 조명 장치 - Google Patents

레이저 조명 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101848842B1
KR101848842B1 KR1020170057417A KR20170057417A KR101848842B1 KR 101848842 B1 KR101848842 B1 KR 101848842B1 KR 1020170057417 A KR1020170057417 A KR 1020170057417A KR 20170057417 A KR20170057417 A KR 20170057417A KR 101848842 B1 KR101848842 B1 KR 101848842B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
light
plate
laser
incident
conversion member
Prior art date
Application number
KR1020170057417A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170056488A (ko
Inventor
문영부
김명식
Original Assignee
주식회사 유제이엘
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 유제이엘 filed Critical 주식회사 유제이엘
Priority to KR1020170057417A priority Critical patent/KR101848842B1/ko
Publication of KR20170056488A publication Critical patent/KR20170056488A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101848842B1 publication Critical patent/KR101848842B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • F21K9/60—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction
    • F21K9/64—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction using wavelength conversion means distinct or spaced from the light-generating element, e.g. a remote phosphor layer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • F21K9/60—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction
    • F21K9/62—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction using mixing chambers, e.g. housings with reflective walls
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S10/00—Lighting devices or systems producing a varying lighting effect
    • F21S10/02—Lighting devices or systems producing a varying lighting effect changing colors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V7/00—Reflectors for light sources
    • F21V7/0066—Reflectors for light sources specially adapted to cooperate with point like light sources; specially adapted to cooperate with light sources the shape of which is unspecified
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V7/00—Reflectors for light sources
    • F21V7/04—Optical design
    • F21V7/06—Optical design with parabolic curvature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V7/00—Reflectors for light sources
    • F21V7/22—Reflectors for light sources characterised by materials, surface treatments or coatings, e.g. dichroic reflectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2101/00—Point-like light sources
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/30—Semiconductor lasers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Planar Illumination Modules (AREA)

Abstract

본 발명은 레이저 조명 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 다이오드를 이용하는 레이저 조명 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저 조명 장치는 레이저광을 방출하는 레이저 다이오드, 상기 레이저광이 입사되고 입사된 상기 레이저광의 일부에 의해 여기되어 방출되는 상기 레이저광과 상이한 파장의 2차광과 나머지 레이저광의 혼합광을 출사하는 판상의 광변환부재 및 상기 판상의 광변환부재의 주위를 둘러 상기 판상의 광변환부재로부터 입사되는 상기 혼합광을 반사시키는 포물경을 포함하고, 상기 판상의 광변환부재는, 그 측면의 전체면; 및 상기 레이저광이 입사하는 입사 영역과 상기 포물경의 초점에 위치하는 상기 혼합광의 출사 영역을 제외한 그 상부면과 하부면의 표면;에 형성되는 반사층을 포함할 수 있다.

Description

레이저 조명 장치 {Laser lighting apparatus}
본 발명은 레이저 조명 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 다이오드를 이용하는 레이저 조명 장치에 관한 것이다.
점 광원의 한 종류인 발광다이오드(Light Emitting Diode; LED)는 시간이 지날수록 비약적으로 발전하여 디스플레이 목적의 광학부품에서부터 에너지를 절감할 수 있는 대체용 조명까지 다양한 분야에서 널리 이용되고 있다.
이러한 발광다이오드가 일반 조명으로 활용되기 위해서는 다양한 조명 응용 분야를 만족시킬 수 있는 배광분포를 제공할 수 있어야 한다. 이를 달성하고자 한국등록특허 제10-0919760호(2009.09.24) 등에서는 조명 장치의 광 지향성을 향상시키는 기술이 제시되어 있으나, 발광다이오드는 발광 광원이 비교적 커서 평행광을 형성하기 위해서는 전체적으로 크고 무거운 광학시스템이 필요하고, 열이 많이 발생하기 때문에 방열시스템도 필요한 문제점이 있다.
한국등록특허공보 제10-0919760호
본 발명은 레이저 다이오드를 이용하여 보다 효과적으로 평행광을 제공할 수 있는 레이저 조명 장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저 조명 장치는 레이저광을 방출하는 레이저 다이오드; 상기 레이저광이 입사되고, 입사된 상기 레이저광의 일부에 의해 여기되어 방출되는 상기 레이저광과 상이한 파장의 2차광과, 나머지 레이저광의 혼합광을 출사하는 판상의 광변환부재; 및 상기 판상의 광변환부재의 주위를 둘러 상기 판상의 광변환부재로부터 입사되는 상기 혼합광을 반사시키는 포물경;을 포함하고, 상기 판상의 광변환부재는, 그 측면의 전체면; 및 상기 레이저광이 입사하는 입사 영역과 상기 포물경의 초점에 위치하는 상기 혼합광의 출사 영역을 제외한 그 상부면과 하부면의 표면;에 형성되는 반사층을 포함할 수 있다.
상기 판상의 광변환부재는 상기 2차광을 방출하는 형광체 분말과 세라믹 분말의 복합재료로 이루어질 수 있다.
상기 판상의 광변환부재는 상기 2차광을 방출하는 형광체로 이루어진 단결정 또는 소결체일 수 있다.
상기 판상의 광변환부재는 상기 출사 영역 중 적어도 일부에 형성되는 광추출구조를 포함할 수 있다.
상기 광추출구조는 상기 포물경의 초점에 위치할 수 있다.
상기 형광체는 YAG계 형광체, TAG계 형광체, LuAG계 형광체, 실리케이트계 형광체, 오르소실리케이트계 형광체, 알루미네이트계 형광체, 산화물계 형광체, 질화물계 형광체, 산질화물계 형광체, 황화물계 형광체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 레이저 다이오드는 상기 포물경의 외측에 위치하고, 상기 레이저광을 반사시켜 상기 판상의 광변환부재로 상기 레이저광을 입사시키는 반사부재;를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 다이오드는 상기 포물경의 후면을 관통하여 상기 판상의 광변환부재에 상기 레이저광을 입사시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 레이저 조명 장치는 레이저 다이오드를 사용하여 종래의 발광다이오드를 사용하는 조명 장치보다 점광원에 가까운 평행광을 제공할 수 있고, 조명 장치의 크기와 무게를 줄일 수 있다.
그리고 판상의 광변환부재에 광추출구조를 형성하여 내부 반사로 인해 판상의 광변환부재에서 출사되기 어려웠던 혼합광을 효과적으로 출사시킬 수 있으며, 레이저광이 판상의 광변환부재의 표면에서 반사되지 않고 판상의 광변환부재에 효과적으로 입사될 수 있어 레이저광의 색 변환 효율을 높일 수도 있다. 또한, 광추출구조를 광출사면의 일부 영역으로 제한하여 보다 점광원에 가깝게 만들 수 있고, 이러한 점광원이 포물경의 초점을 지나게 함으로써 보다 효과적으로 평행광을 제공할 수 있다.
한편, 판상의 광변환부재가 포물경의 초점에 위치하면 가장 좋은 평행광을 나타낼 수 있고, 판상의 광변환부재가 형광체 분말과 세라믹 분말이 혼합되어 성형되거나 판상의 광변환부재 전체가 단결정의 형광체로 이루어지도록 하여 열에 의한 변성과 특성 저하를 방지할 수 있다. 그리고 광추출구조를 제외한 판상의 광변환부재의 표면에 반사층을 형성하여 광추출구조를 통해 혼합광이 효과적으로 출사되도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 조명 장치를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광추출구조가 형성된 판상의 광변환부재를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 조명 장치의 변형예를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 조명 장치의 레이저광 입사방법을 나타내는 단면도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 조명 장치를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 조명 장치는 레이저광(10)을 방출하는 레이저 다이오드(110); 상기 레이저광(10)이 입사되고, 입사된 상기 레이저광(10)의 일부에 의해 여기되어 방출되는 상기 레이저광(10)과 상이한 파장의 2차광과 나머지 레이저광(10)의 혼합광(20)을 출사하는 판상의 광변환부재(120); 및 상기 판상의 광변환부재(120)의 주위를 둘러 상기 판상의 광변환부재(120)로부터 입사되는 상기 혼합광(20)을 반사시키는 포물경(130)을 포함할 수 있다.
레이저 다이오드(110)는 전기적인 신호에 의해 레이저광을 방출하는 반도체 소자로서, 발광다이오드에 비해 좁은 파장 대역의 빛(즉, 레이저광)을 방출하며, 방출되는 빛은 직진성을 갖는다. 또한, 레이저 다이오드(110)는 빛을 증폭하여 레이저광을 방출하기 때문에 발광다이오드에 비해 출력이 세고, 종래의 레이저에 비해 소형이며, 소모전력이 작다는 장점이 있다. 또한, 고속으로 작동가능하고, 청색광 또는 자외선을 방출하는 레이저 다이오드(110)는 대전류(high current)에서도 효율의 감소가 없다는 장점이 있다.
한편, 레이저 다이오드(110)는 복수 개가 사용될 수도 있고, 도 1과 같이 레이저 다이오드(110)와 판상의 광변환부재(120)의 사이에 집광 렌즈(140)를 배치하여 집광 렌즈(140)를 통해 레이저광(10)이 판상의 광변환부재(120)에서 집광되도록 할 수도 있다. 일반적으로 레이저 다이오드(110)에서 방출되는 레이저광(10)은 직경이 5 ㎜ 정도로 비교적 넓은데, 집광 렌즈(140)를 통해 집광하여 판상의 광변환부재(120)에서 레이저광(10)의 직경이 1 내지 2 ㎜가 되도록 할 수 있다. 이때, 집광 렌즈(140)는 포물경(130)의 초점 부근에 집광 렌즈(140)의 초점이 오도록 배치하여 포물경(130)의 초점 부근에 레이저광(10)이 집광되도록 하는 것이 바람직할 수 있다.
판상의 광변환부재(120)는 레이저광(10)이 입사되고, 입사된 레이저광(10)의 일부에 의해 여기되어 레이저광(10)의 파장과 상이한 파장의 2차광을 방출하며, 레이저광(10) 중 여기되지 않은 나머지의 레이저광(10)과 2차광의 혼합광(20)을 출사시킨다. 판상의 광변환부재(120)는 조사되는 빛에 의해 여기되어 조사된 빛과 다른 파장의 빛을 방출하는 형광체를 포함할 수 있다. 그리고 판상의 광변환부재(120)는 판상이기 때문에 다른 형상을 가진 광변환부재보다 형성이 용이하다.
판상의 광변환부재(120)는 2차광을 방출하는 형광체 분말과 내열성을 갖는 세라믹 분말의 복합재료로 이루어질 수 있다. 형광체는 입사된 레이저광(10)의 일부에 의해 여기되어 레이저광(10)의 파장과 상이한 파장의 2차광을 방출하는데, 무기 형광 화합물로 이루어진 형광체일 수 있고, 무기 형광 화합물에 비해 강한 형광을 좁은 파장대에서 발생하는 양자점 형광체일 수도 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 있으며, 형광체와 포물경(130)의 상대적 위치에 따라 다양한 발산각을 가지는 광을 생성할 수 있다. 상기 형광체는 보다 구체적으로 YAG계 형광체, TAG계 형광체, LuAG계 형광체, 실리케이트계 형광체, 오르소실리케이트계 형광체, 알루미네이트계 형광체, 산화물계 형광체, 질화물계 형광체, 산질화물계 형광체, 황화물계 형광체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 빛을 조사할 때 황색의 2차광을 방출하는 형광체로, (Y1-x-yGdxCey)3Al5O12, (Y1- xCex)3Al5O12, (Y1-xCex)3(Al1-yGay)5O12, (Y1-x-yGdxCey)3(Al1-zGaz)5O12와 같은 YAG계 형광체와 (Y1-x- yLuxCey)3Al5O12와 같은 LuAG계 형광체, (Sr,Ca,Ba,Mg)2SiO4:Eu와 같은 실리케이트(Silicate)계 형광체, (Ca,Sr)Si2N2O2:Eu와 같은 산질화물계 형광체 등이 이용될 수 있다. 그리고 빛을 조사할 때 녹색의 2차광을 방출하는 형광체로, (Y1-x- yLuxCey)3Al5O12와 같은 LuAG계 형광체를 이용할 수 있고, 그 외에도 Y3(Al,Ga)5O12:Ce, CaSc2O4:Ce, Ca3(Sc,Mg)2Si3O12:Ce, (Sr,Ba)2SiO4:Eu, (Si,Al)6(O,N)8:Eu(β-sialon), (Ba,Sr)3Si6O12N2:Eu, SrGa2S4:Eu, BaMgAl10O17:Eu,Mn 등이 이용될 수 있다. 또한, 빛을 조사할 때 적색의 2차광을 방출하는 형광체로, (Ca,Sr,Ba)2Si5(N,O)8:Eu, (Ca,Sr,Ba)Si(N,O)2:Eu, (Ca,Sr,Ba)AlSi(N,O)8:Eu, (Sr,Ba)3SiO5:Eu, (Ca,Sr)S:Eu, (La,Y)2O2S:Eu, K2SiF6:Mn, CaAlSiN:Eu 등을 이용할 수 있다.
빛은 보색관계에 있는 빛을 혼합하거나 빛의 삼원색(즉, 적색광, 녹색광 및 청색광)을 모두 혼합하면 백색의 혼합광이 되는데, 상기 형광체들을 이용하여 백색광을 만들 수 있다. 일실시예로, 레이저광(10)의 색이 청색일 때, 황색의 2차광을 방출하는 형광체(예를 들어, YAG계 형광체)를 사용하여 백색광(즉, 백색의 혼합광)을 만들거나, 녹색의 2차광을 방출하는 형광체(예를 들어, LuAG계 형광체)와 적색의 2차광을 방출하는 형광체(예를 들어, 질화물계 형광체)를 함께 사용하여 백색광을 만들 수 있다. 한편, 일정한 색을 가지는 레이저광(10)과 상기의 형광체들을 이용하여 원하는 색의 빛(또는 혼합광)을 만들 수도 있다.
세라믹(또는 세라믹 분말)은 알루미나(Al2O3)를 포함할 수 있는데, 투명 혹은 반투명하여 빛이 입사될 수 있으며, 내열성을 가져 열에 의해 형광체가 열화되는 것을 방지할 수 있으면 족하고, 그 종류는 특별히 한정되지 않는다. 종래에는 주로 파우더 상태의 형광체를 플레이트 형태로 만들기 위해 실리콘 수지와 같은 유기(또는 폴리머) 바인더에 혼합하여 판형 부재에 도포하는 방식을 이용하였는데, 실리콘 수지는 열적 안정성이 낮아 레이저 다이오드(110)에서 공급되는 고출력의 레이저광(10)에 이용하기 어렵다는 한계가 있으며, 형광체도 열에 의해 변성되고 특성 저하를 일으키게 된다. 하지만, 본 발명에서는 형광체 분말과 내열성을 갖는 세라믹 분말을 혼합하여 판상의 광변환부재(120)를 형성함으로써 열적 안정성이 낮은 실리콘 바인더를 사용할 필요가 없으며, 세라믹 분말이 내열성을 갖기 때문에 형광체가 열에 의해 변성되거나 특성이 저하되지 않아 판상의 광변환부재(120)의 열적 안정성이 우수하다. 한편, 세라믹이 포함된 판상의 광변환부재(120)는 형성시 표면이 인위적이지 않게 자연적으로 거칠게 되기 때문에 광추출구조(121)를 별도로 형성하지 않고 광추출 효과를 얻을 수 있으며, 이에 판상의 광변환부재(120)의 표면을 매끄럽게 하는 공정과 판상의 광변환부재(120)에 광추출구조(121)를 형성하는 공정을 거치지 않아도 되기 때문에 레이저 조명 장치의 생산을 위한 공정수를 줄일 수 있다.
또한, 판상의 광변환부재(120)는 2차광을 방출하는 형광체로 이루어진 단결정 또는 소결체일 수도 있다. 판상의 광변환부재(120)가 형광체로 이루어진 단결정일 경우, 형광체가 단결정을 이루기 때문에 열에 의한 변성이 미미하고, 특성 저하가 적으며, 실리콘 바인더를 사용할 필요가 없다. 그리고 판상의 광변환부재(120)가 형광체로 이루어진 단결정이므로 전체가 굴절률이 균일하기 때문에 레이저광(10)의 광입사 또는 혼합광(20)의 광출사를 유도하는 구조를 만들기 용이하다. 빛은 입사각이 임계각보다 크면 전반사가 일어나는데, 판상의 광변환부재(120) 전체가 단결정의 상기 형광체로 이루어지면 모든 면의 굴절률이 동일하기 때문에 레이저광(10)의 반사율을 저감시키기 위한(즉, 레이저광의 입사각을 임계각보다 작게 하기 위한) 레이저광(10)의 입사각을 결정하기 용이하다. 또한, 판상의 광변환부재(120)는 단결정이어서 굴절률이 균일하고 판상이므로 표면이 균질해서 광입사와 광출사를 원활하게 할 수 있으며, 이에 색변환 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고 판상의 광변환부재(120)가 형광체로 이루어진 소결체인 경우, 판상의 광변환부재(120)는 형광체 분말을 성형한 후 고온에서 열처리(소결)한 소결체일 수 있다. 이러한 판상의 광변환부재(120)는 형광체로만 이루어져 있기 때문에 입사되는 빛의 색변환이 효과적일 수 있고, 한 가지 재료의 분말을 사용하기 때문에 분말이 잘 융화될 수 있다.
한편, 광변환부재를 판상으로 만들면, 형광체로 이루어진 단결정을 광변환부재로 사용할 때 그 형상을 형성하기 용이하다. 그리고 상기 형광체는 신틸레이터의 안트라센을 포함하는 유기 결정 형광체일 수도 있다.
포물경(130)은 판상의 광변환부재(120)의 주위를 둘러 판상의 광변환부재(120)에서 출사되는 혼합광(20) 중 포물경(130)으로 입사되는 혼합광(20)을 반사시켜 혼합광(20)이 퍼지지 않고 레이저 조명 장치의 전방으로 평행하게 나아가도록 한다. 상기의 평행하게 나아가는 빛을 평행광이라고 하는데, 이러한 평행광은 집약되어 멀리까지 조사될 수 있는 장점이 있다. 한편, 포물경(130)은 레이저광(10)을 반사시켜 판상의 광변환부재(120)에 레이저광(10)이 입사되도록 할 수도 있다. 레이저광(10)은 공기 중에서 다른 물질로 입사되면, 퍼지지 않고 직진하는 집광성(集光性)을 잃고 임의의 방향으로 분산되게 되는데, 이에 판상의 광변환부재(120)의 내부에서 레이저광(10)의 일부에 의해 여기되어 방출되는 2차광도 레이저광(10)이 조사되는 방향에 따라 나아가는 방향이 결정되며, 2차광과 나머지 레이저광(10)의 혼합광(20)도 역시 임의의 방향으로 나아가 판상의 광변환부재(120)에서 여러 방향으로 출사되게 된다. 이렇게 여러 방향으로 출사되는 혼합광(20)을 포물경(130)이 한 방향(즉, 레이저 조명 장치의 전방)으로 나아갈 수 있게 한다. 포물경(130)은 내면이 반사 코팅되어 있을 수 있는데, 반사 효율을 높이기 위해 알루미늄, 은 등과 같은 금속 박막 코팅이 될 수 있다. 또한, 고반사 코팅이 될 수 있는데, 둘 이상의 금속 물질이 혼합된 박막 코팅이 될 수 있으며, 본 발명의 분야에서 공지되어 있는 방법에 따라 다양하게 이루어질 수 있다.
한편, 포물경(130)은 투광부를 포함할 수도 있고, 투광부를 통해 포물경(130)의 후면 또는 측면의 외측에서 포물경(130) 내측의 판상의 광변환부재(120)에 레이저광(10)이 입사되게 할 수 있다. 투광부는 홀(hole) 형태일 수 있는데, 투광부가 홀 형태이면 판상의 광변환부재(120)에서 출사된 혼합광(20)이 투광부를 통과하여 소실되는 것을 최소화하기 위해 홀의 직경이 작아야 하고, 레이저광(10)이 작은 투광부를 잘 통과할 수 있도록 집광 렌즈(140)로 레이저광(10)을 집광하여 통과시켜야 한다.
판상의 광변환부재(120)는 포물경(130)의 초점에 위치할 수 있다. 포물경(130)에서 포물경(130)의 초점을 지난 빛은 포물경(130)의 내면에서 반사되어 포물경(130)의 축과 평행하게 나아가는데, 판상의 광변환부재(120)가 포물경(130)의 초점에 위치하면 판상의 광변환부재(120)에서 출사되어 포물경(130)의 내면으로 입사된 혼합광(20)은 포물경(130)의 내면에서 반사되어 평행광으로 변환될 수 있다. 이에 따라 혼합광(20)이 레이저 조명 장치의 전방으로 퍼지지 않고 평행가게 나아가도록 할 수 있어 점 광원의 형태를 유지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광추출구조가 형성된 판상의 광변환부재를 나타낸 단면도로, 도 2(a)는 한 면에만 광추출구조가 형성된 판상의 광변환부재이고, 도 2(b)는 두 면에 광추출구조가 형성된 판상의 광변환부재이며, 도 2(c)는 면의 일부 영역에 광추출구조가 형성된 판상의 광변환부재이다.
도 2를 참조하면, 판상의 광변환부재(120)는 서로 대향하는 상부면과 하부면 중 적어도 한 면에 형성된 광추출구조(121)를 포함할 수 있다. 여기서, 상부면과 하부면은 판상의 광변환부재(120)에서 서로 대향하는 두 넓은 면을 의미하고, 상부와 하부는 판상의 광변환부재(120)를 넓게 펴놓았을 때를 가정하여 두 면을 구분하기 위해 위치적으로 위와 아래를 나눈 것일 뿐 특별한 위치적 의미를 담고 있지는 않다. 즉, 판상의 광변환부재(120)는 상기 출사 영역 중 적어도 일부에 형성되는 광추출구조(121)를 포함할 수 있다. 또한, 판상의 광변환부재(120)는 동일한 면에서 광입사와 광출사가 일어날 수도 있고, 서로 대향하는 면에서 광입사와 광출사가 일어날 수도 있으며, 광입사가 일어나는 면이 하나 이상일 수도 있고, 광출사가 일어나는 면이 하나 이상일 수도 있다. 서로 대향하는 면에서 광입사와 광출사가 일어나게 할 경우 광입사가 일어나는 면과 광출사가 일어나는 면 중 어느 한 면에만 광추출구조(121)를 형성할 수도 있고, 광입사가 일어나는 면과 광출사가 일어나는 면 모두에 광추출구조(121)를 형성할 수도 있다.
판상의 광변환부재(120)는 표면이 평탄하면 입사되는 레이저광(10)의 약 10% 정도가 반사되며, 출사되는 혼합광(20)도 표면에서 한번에 출사되지 못하고 약 50% 이상이 내부 반사를 일으켜 광추출이 원활하지 못한데, 광추출구조(121)를 형성하면 광입사가 일어나는 면에서는 입사되는 레이저광(10)의 반사율을 저감시킬 수 있고, 광출사가 일어나는 면에서는 출사되는 혼합광(20)의 광추출을 원활하게 만들 수 있다. 광추출구조(121)는 판상의 광변환부재(120)의 내부에서 혼합광(20)의 약 50% 이상이나 출사되지 못하고 내부 반사를 일으키기 때문에 광입사의 목적보다는 광출사의 목적이 더 크다. 이에 광출사가 일어나는 면에 광추출구조(121)를 형성하는 것이 바람직하고, 광입사가 일어나는 면과 광출사가 일어나는 면 모두에 광추출구조(121)를 형성하는 것이 더욱 바람직하다.
광추출구조(121)는 입사 또는 출사되는 빛의 경로가 굴절되게 하거나 광산란이 일어나게 하여 빛이 효과적으로 판상의 광변환부재(120)에 입사되거나 판상의 광변환부재(120)에서 출사되도록 한다. 빛은 입사각이 임계각보다 크면 전반사가 일어나는데, 임계각은 빛의 파장 및 입사면의 굴절률에 따라 결정된다. 이에 레이저광(10)의 반사율을 저감시키기 위해서는 레이저광(10)의 파장을 조절하거나 입사면의 굴절률을 변화시켜야 한다. 입사면의 굴절률을 변화시키려면 입사면 재료를 변경하거나 레이저광(10)의 입사각을 변화시켜야 하는데, 광추출구조(121)는 레이저광(10)의 입사각을 변화시키는 역할을 한다. 광추출구조(121)의 형상은 반구형, 피라미드형, 콘형, 쐐기형, 삼각뿔형, 사각뿔형 또는 일방향으로 연장되는 형상 등으로 다양하게 구성될 수 있는데, 레이저광(10)의 입사 방향에 따라 형상이 달라질 수 있고, 광추출구조(121)의 형성 위치에 따라 그 형상이 다를 수 있다. 한편, 판상의 광변환부재(120)에 별도로 광추출구조(121)를 형성하지 않고, 판상의 광변환부재(120)를 형성할 때 표면이 자연적으로 거칠게 형성된 것을 광추출구조(121)로 사용할 수도 있다.
이때, 광추출구조(121)는 반복되는 요철구조를 포함할 수 있다. 요철구조는 돌출 또는 오목이 연속되는 것으로, 돌출 또는 오목이 규칙적으로 반복되게 할 수 있다.
광추출구조(121)는 도 2(a)와 같이 한 면에만 형성될 수 있는데, 외측 방향을 향하여 돌출된 돌출부일 수 있다. 상기 돌출부는 패터닝하여 형성할 수 있고, 판 위에 덧붙여서 형성할 수도 있는데, 판과 돌출부가 동일한 재료로 이루어질 수도 있고, 서로 다른 재료로 이루어질 수도 있다. 판과 다른 재료의 돌출부를 사용하면 입사면 재료의 변경에 의한 입사면의 굴절률 변화도 달성할 수 있다. 한편, 광추출구조(121)는 내측 방향으로 오목한 오목부로 형성될 수도 있는데, 상기 오목부도 패터닝하여 형성할 수 있다. 그리고 광추출구조(121)가 형성된 면은 광출사면일 수 있으며, 광입사면일 수도 있고, 광입사면이면서 광출사면일 수도 있다.
그리고 광추출구조(121)는 도 2(b)와 같이 대향하는 두 면에 형성될 수 있는데, 외측 방향을 향하여 돌출된 돌출부 또는 내측 방향으로 오목한 오목부일 수 있다. 대향하는 두 면에 광추출구조(121)가 형성되면, 한 면으로 레이저광(10)이 입사되게 하고 다른 한 면으로 혼합광(20)이 출사되게 할 수 있으며, 두 면 모두로도 혼합광(20)을 출사할 수 있어 레이저 조명 장치의 전방뿐만 아니라 후방의 포물경(130)의 내면으로도 혼합광(20)이 출사되기 때문에 혼합광(20)이 포물경(130)에 의해 반사되어 퍼지지 않고 광 지향성이 뛰어난 평행광이 될 수 있다.
또한, 광추출구조(121)는 판상의 광변환부재(120)의 상부면과 하부면 중 어느 한 면의 일부 영역에만 형성될 수 있다. 광추출구조(121)는 도 2(c)와 같이 판상의 광변환부재(120)의 상부면 또는 하부면에서 일부 영역에만 제한하여 형성할 수 있는데, 이러한 경우 일부 영역에서 많은 비율의 혼합광(20)이 출사될 수 있으므로 혼합광(20)을 보다 점광원에 가깝게 출사시킬 수 있다. 그리고 판상의 광변환부재(120)는 면적을 가져 출사되는 혼합광(20) 중 일부만 포물경(130)의 초점을 지나게 되므로, 판상의 광변환부재(120)에서 출사되는 혼합광(20) 중 포물경(130)의 초점을 지나는 혼합광(20)의 비율을 높이기 위해 광추출구조(121)를 포물경(130)의 초점에 위치하는 판상의 광변환부재(120)의 일부 영역으로 제한하여 포물경(130)의 초점에서 많은 비율의 혼합광(20)이 출사되도록 할 수 있다. 여기서, 상기 일부 영역은 폭이 5 ㎜ 이하일 수 있는데, 이러한 경우 혼합광(20)을 점광원에 더욱 가깝게 출사시킬 수 있다. 만약 일부 영역의 폭이 5 ㎜보다 커지게 되면 점광원의 크기가 증가하게 되고 레이저 다이오드(110)의 장점이 상쇄되어 버린다. 또한, 일부 영역의 폭이 0 ㎜가 되면 광추출구조(121)가 없는 것이 되며, 이러한 경우 레이저광(10)이 약 10% 정도 판상의 광변환부재(120)의 표면에서 반사되게 되고, 입사된 레이저광(10)도 약 50% 이상이 판상의 광변환부재(120)의 내부에서 반사가 반복되기 때문에 출사되지 못하여 광 효율이 저하된다. 따라서, 상기 일부 영역은 폭이 0 ㎜보다 크고, 5 ㎜ 이하인 범위로 제한될 수 있다.
그리고 광추출구조(121)는 특정 파장의 빛을 반사시키는 광결정(Photonic Crystal) 구조일 수 있다. 광결정 구조는 특정 파장의 빛만 반사시키고, 특정 파장을 제외한 나머지 빛은 투과시키는 구조이며, 광결정 구조를 통해 일정 파장을 갖는 레이저광(10)을 투과시킬 수도 있고, 반사시킬 수도 있다. 판상의 광변환부재(120)에서 레이저광(10)이 입사하는 일부 영역에는 레이저광(10)이 투과되는 광결정 구조를 형성하고, 혼합광(20)이 출사하는 일부 영역에는 혼합광(20)이 투과되는 광결정 구조를 형성할 수 있다. 그리고 나머지 영역에는 레이저광(10)과 혼합광(20)이 반사되는 광결정 구조를 형성하면 레이저광(10)이 효과적으로 입사되고, 혼합광(20)이 효과적으로 출사되게 할 수 있다. 광결정 구조가 아닌 광추출구조(121)에서도 레이저광(10)이 입사하는 영역 및 혼합광(20)이 출사하는 영역과 나머지 영역의 굴절률이 다르게 광추출구조(121)를 형성하여 상기와 같은 효과를 달성할 수 있다. 한편, 광추출구조(121)는 특정 파장의 빛은 투과시키고, 그 외 파장의 빛은 반사시키도록 이방성 구조로 이루어질 수도 있다.
광추출구조(121)는 일정한 패턴으로 형성될 수 있다. 광추출구조(121)는 불규칙적으로 형성될 수도 있지만, 규칙적으로 일정한 패턴을 가지면 동일 영역에서 동일한 효과를 얻을 수 있다. 다시 말하면 레이저광(10)이 입사되는 곳에서는 그에 맞는 굴절률을 갖는 형상으로, 혼합광(20)이 출사되는 곳에서는 그에 맞는 굴절률을 갖는 형상으로, 나머지 부분은 반사가 일어나도록 영역별로 균일하게 광추출구조(121)를 형성할 수 있다. 또한, 광추출구조(121)가 일정한 패턴을 가지면 각 패턴끼리 서로 간섭되지 않을 수 있기 때문에 효과적인 레이저광(10)의 입사와 혼합광(20)의 출사가 이루어질 수 있다. 한편, 상기 패턴은 각 패턴 간에 0.01 내지 0.1 ㎛의 간격을 갖도록 형성될 수 있다. 패턴의 간격이 0.01 ㎛보다 가깝게 되면 각 패턴끼리 서로 간섭을 일으키고, 0.1 ㎛보다 멀어지면 레이저광(10)이 반사될 수 있는 면적이 넓어지게 되어 광 효율이 저하된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 조명 장치의 변형예를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 광추출구조(121)는 포물경(130)의 초점에 위치할 수 있다. 포물경(130)에서 포물경(130)의 초점을 지나는 빛은 포물경(130)의 내면에서 반사되어 포물경(130)의 축과 평행하게 나아갈 수 있는데, 판상의 광변환부재(120)가 포물경(130)의 초점에 위치하면 판상의 광변환부재(120)에서 출사되어 포물경(130)의 내면으로 입사된 혼합광(20)은 포물경(130)의 내면에서 반사되어 평행광으로 변환될 수 있다. 더욱이 혼합광(20)이 출사되는 광추출구조(121)가 포물경(130)의 초점에 위치하면 출사되는 혼합광(20)이 더욱 정확히 포물경(130)의 초점을 지날 수 있고 많은 비율의 혼합광(20)이 포물경(130)의 초점을 지나게 되므로 이상적인 평행광을 만들 수 있다. 이에 따라 포물경(130)의 초점이 판상의 광변환부재(120)의 다른 곳에 위치하는 것보다 혼합광(20)이 퍼지지 않고, 보다 더 점 광원의 형태를 유지할 수 있다. 한편, 광추출구조(121)가 포물경(130)의 내면을 향하면서 포물경(130)의 초점에 위치하게 하여 혼합광(20)을 포물경(130)의 내면 방향으로 출사시킬 수도 있는데, 이러한 경우 출사되는 혼합광(20)이 모두 포물경(130)의 초점을 지나 포물경(130)의 내면에서 반사되게 되므로 모든 혼합광(20)이 평행광을 이룰 수 있게 된다. 그리고 판상의 광변환부재(120)는 면적을 가지기 때문에 판상의 광변환부재(120)의 일부 영역에만 형성된 광추출구조(121)를 포물경(130)의 초점에 위치시키는 것이 바람직하다.
판상의 광변환부재(120)는 적어도 측면에 형성되는 반사층(122)을 포함할 수 있다. 상기 측면은 판상의 광변환부재(120)에서 상부면과 하부면을 제외한 면을 말하고, 판상의 광변환부재(120)를 넓게 펴놓은 것을 가정하였을 때 위치적으로 측부에 있는 것을 의미한다. 판상의 광변환부재(120)의 측면에 반사층(122)이 형성되어 있으면, 혼합광(20)이 여러 방향으로 분산됨이 없이 넓은 상부면 또는 하부면을 통해 일정 방향으로 출사될 수 있다. 그리고 판상의 광변환부재(120)의 측면뿐만 아니라 판상의 광변환부재(120)의 상부면 또는 하부면 중 레이저광(10)을 입사시킬 영역과 혼합광(20)을 출사시킬 영역을 제외한 표면(예를 들어, 광추출구조를 제외한 표면)에도 반사층(122)이 형성되어 있으면, 일정 영역을 통해 레이저광(10)을 판상의 광변환부재(120)의 내부로 입사시킬 수 있으며, 내부의 혼합광(20)을 반사층(122)에 반사시킴으로써 혼합광(20)을 출사시킬 영역(예를 들어, 광추출구조)으로 혼합광(20)을 유도하여 혼합광(20)을 출사시킬 영역에서 혼합광(20)이 모두 출사되도록 할 수 있고, 혼합광(20)의 출사 면적을 제한하여 점광원에 가까운 광원을 형성할 수 있다. 이에 혼합광(20)을 출사시킬 영역을 포물경(130)의 초점으로 제한하여 모든 혼합광(20)이 포물경(130)의 초점을 지나게 할 수 있고, 포물경(130)의 초점을 지난 혼합광(20) 모두가 포물경(130)에 반사되게 하여 모든 혼합광(20)을 평행광으로 변환시킬 수 있다. 즉, 판상의 광변환부재(120)는 그 측면의 전체면; 및 레이저광(10)이 입사하는 입사 영역과 포물경(130)의 초점에 위치하는 혼합광(20)의 출사 영역을 제외한 그 상부면과 하부면의 표면;에 형성되는 반사층(122)을 포함할 수 있으며, 혼합광(20)은 반사층(122)에서 판상의 광변환부재(120)의 내부로 반사되어 상기 출사 영역으로 출사될 수 있다. 반사층(122)은 금속으로 이루어져 거울면을 형성하는 금속 반사층일 수 있고, 서로 다른 굴절률을 갖는 산화물층들(예를 들어, SiO2와 TiO2)을 교번 적층하여 형성하는 분산 브래그 반사(Distributed Bragg Reflecting; DBR)층일 수 있다. 여기서, 분산 브래그 반사(DBR)층은 고굴절률층과 저굴절률층을 반복 적층하고, 이들 층들의 광학 두께를 조절하여 특정 파장의 광에 대한 반사율을 극대화한 것이다.
또한, 판상의 광변환부재(120)는 적어도 측면에 형성되며, 판상의 광변환부재(120)보다 높은 굴절률을 갖는 고굴절층(122)을 포함할 수도 있다. 고굴절층(122)은 판상의 광변환부재(120)의 재료와 다른 재료로 이루어진 층일 수 있고, 판상의 광변환부재(120)를 구성하는 소재에 일정량의 입자를 포함하여 전체적으로 굴절률을 증가시킨 층일 수도 있다. 고굴절층(122)을 형성하는 이유는 고굴절층(122)의 굴절률이 판상의 광변환부재(120)에서의 굴절률보다 클 경우 고굴절층(122)의 임계각이 좁아지면서 굴절되어 통과할 수 있는 광 각의 범위가 좁아지게 되고, 이에 내부 반사광량이 늘어나므로 반사층(122)과 유사한 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 따라서, 고굴절층(122)도 역시 혼합광(20)의 출사를 유도하고 혼합광(20)의 출사 면적을 제한하는 역할을 하며, 고굴절층(122)의 소재는 판상의 광변환부재(120)의 소재에 따라 달라질 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 조명 장치의 레이저광 입사방법을 나타내는 단면도로, 도 4(a)는 반사형 입사방법을 나타내고, 도 4(b)는 관통형 입사방법을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 레이저 다이오드(110)는 포물경(130)의 외측에 위치할 수 있고, 레이저 조명 장치는 레이저광(10)을 반사시켜 판상의 광변환부재(120)로 레이저광(10)을 입사시키는 반사부재(150)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 레이저광(10)은 판상의 광변환부재(120)의 상부면 또는 하부면으로 입사될 수 있고, 반사부재(150)는 거울 또는 금속판을 포함할 수 있다. 레이저 다이오드(110)는 포물경(130)의 외측 둘레를 따라 원형으로 복수 개가 배치될 수 있고, 반사부재(150)에 의해 판상의 광변환부재(120)에 입사되는 레이저광(10)의 입사 위치 및 입사각을 조절할 수 있다. 이러한 방법은 조명 장치의 출력을 높이기 위해 레이저 다이오드(110)의 개수를 늘리기 용이하고, 판상의 광변환부재(120)의 표면에서 레이저광(10)의 반사율을 저감시키기 위해 레이저광(10)의 입사 위치 및 입사각을 조절하기 용이한 장점이 있다. 한편, 혼합광(20)이 출사되는 상부면(또는 하부면)이 레이저 조명 장치의 전방을 향하게 할 수도 있고, 후방의 포물경(130)을 향하게 할 수도 있으며, 포물경(130)의 측면을 향하게 할 수도 있는데, 그 방향에 관계없이 혼합광(20)이 포물경(130)의 초점을 지나게 하여 레이저 조명 장치의 전방으로 평행광이 나아가게 할 수 있으면 족하다. 그리고 포물경(130)의 측면에 투광부를 형성하여 레이저광(10)이 포물경(130)의 외측에서 투광부를 통해 판상의 광변환부재(120)에 입사되게 할 수도 있다.
레이저 다이오드(110)는 포물경(130)의 후면을 관통하여 판상의 광변환부재(120)에 레이저광(10)을 입사시킬 수 있다. 여기서, 레이저 다이오드(110)가 포물경(130)의 후면을 관통하여 포물경(130)의 내부에서 레이저광(10)을 판상의 광변환부재(120)로 방출할 수도 있으며, 레이저 다이오드(110)는 포물경(130)의 후면에 위치하고 레이저광(10)만 포물경(130)의 후면을 관통하여 판상의 광변환부재(120)에 입사될 수도 있다. 레이저광(10)만 포물경(130)의 후면을 관통하여 판상의 광변환부재(120)에 입사시킬 때에는 전달부(160) 또는 투광부를 통해 판상의 광변환부재(120)에 입사시킬 수도 있다.
레이저 조명 장치는 포물경(130)의 후면을 관통하고, 레이저광(10)이 판상의 광변환부재(120)에 입사되게 하는 전달부(160)를 더 포함할 수 있다. 전달부(160)는 레이저광(10)이 입사되는 관(pipe)일 수도 있고, 레이저 다이오드(110)와 판상의 광변환부재(120)를 연결하는 연결수단일 수도 있는데, 레이저광(10)이 포물경(130)의 후면을 관통하여 판상의 광변환부재(120)에 입사되게 하면 족하다. 레이저 다이오드(110)와 판상의 광변환부재(120)를 연결하는 연결수단인 전달부(160)를 사용하는 경우, 레이저 다이오드(110)는 포물경(130)의 후측에 위치하고, 레이저광(10)은 전달부(160)를 통해 포물경(130)의 내측으로 전달되어 판상의 광변환부재(120)의 후면(즉, 후방을 향하는 면)에 입사될 수 있다. 이러한 경우 공기를 통하지 않고 판상의 광변환부재(120)의 후면으로 직접 레이저광(10)을 입사시킬 수 있기 때문에 외부 영향을 받지 않고 효과적으로 레이저광(10)을 판상의 광변환부재(120)에 입사시킬 수 있다. 또한, 레이저광(10)의 입사 방향과 혼합광(20)의 출사 방향이 동일하여 효과적으로 혼합광(20)을 출사시킬 수도 있다. 상기 전달부(160)는 포물경(130)의 후면을 관통하여 레이저 다이오드(110)와 판상의 광변환부재(120)를 연결함으로 레이저광(10)을 전달시키는데, 중공부를 가진 관 형태일 수 있고, 내부면에는 레이저광(10)이 투과되거나 흡수되지 않도록 반사면이 형성될 수 있으며, 내부에 진공이 형성될 수도 있다. 한편, 레이저 다이오드(110)는 후면 외에 측면에서도 포물경(130)을 관통하는 전달부(160)를 통해 판상의 광변환부재(120)에 직접 레이저광(10)을 입사시킬 수도 있다.
레이저광(10)은 광섬유(Optical Fiber)를 통하여 출사될 수 있다. 레이저 다이오드(110)에서 생성된 레이저광(10)은 광섬유(미도시)를 통하여 이동할 수 있는데, 이러한 경우 레이저광(10)을 원하는 거리만큼 이동시킬 수 있고, 레이저광(10)의 입사 위치 및 입사각을 조절하기 용이하며, 광섬유를 구부릴 수 있기 때문에 조명 장치의 모양을 형성하기 용이하다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 조명 장치를 보다 상세히 살펴보는데, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 조명 장치와 관련하여 앞서 설명된 부분과 중복되는 사항들은 생략하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 조명 장치는 레이저광을 방출하는 레이저 다이오드; 상기 레이저광이 제1 방향으로 입사되고, 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 상기 레이저광을 분배하는 광분배부재; 및 상기 광분배부재의 주위를 둘러 상기 광분배부재로부터 입사되는 상기 레이저광을 반사시키는 포물경을 포함하고, 상기 광분배부재는 상기 포물경의 초점에 위치할 수 있다.
상기 레이저 다이오드는 전기적인 신호에 의해 레이저광을 방출하는 반도체 소자로서, 발광다이오드에 비해 좁은 파장 대역의 빛(즉, 레이저광)을 방출하며, 방출되는 빛은 직진성을 갖는다. 또한, 레이저 다이오드는 빛을 증폭하여 레이저광을 방출하기 때문에 발광다이오드에 비해 출력이 세고, 종래의 레이저에 비해 소형이며, 소모전력이 작다는 장점이 있다. 또한, 고속으로 작동가능하고, 청색광 또는 자외선을 방출하는 레이저 다이오드는 대전류(high current)에서도 효율의 감소가 없다는 장점이 있다. 상기 레이저광으로는 가시광선, 자외선, 적외선 등을 방출할 수 있다.
상기 광분배부재(Light distributor)는 상기 레이저광이 제1 방향으로 입사되고, 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 상기 레이저광을 분배할 수 있다. 여기서, “분배”라는 말은 빛이 입사되어 여러 방향으로 나누어진다는 말로, 상기 레이저광이 상기 광분배부재의 내부로 입사된 후 출사되어 분배될 수도 있고, 상기 광분배부재의 표면에서 반사되어 분배될 수도 있다. 상기 광분배부재의 형상은 구형, 반구형, 다이아몬드형, 원기둥형 및 판상형 등으로 다양하게 구성될 수 있다. 그리고 상기 광분배부재의 재료는 상기 레이저광을 흡수하여 상기 레이저광의 에너지를 감소시키지 않고 상기 레이저광을 반사 또는 투과시키는 재료를 사용할 수 있는데, 수지(resin), 유리, 세라믹 및 이들을 포함하는 복합 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 포물경은 상기 광분배부재의 주위를 둘러 상기 광분배부재로부터 입사되는 상기 레이저광을 반사시켜 상기 레이저광이 퍼지지 않고 레이저 조명 장치의 전방으로 평행하게 나아가도록 한다. 상기의 평행하게 나아가는 빛을 평행광이라고 하는데, 이러한 평행광은 집약되어 멀리까지 조사될 수 있는 장점이 있다. 상기 레이저광은 공기 중에서 다른 물질로 입사되면, 퍼지지 않고 직진하는 집광성(集光性)을 잃고 임의의 방향으로 분산되게 되는데, 분산되는 상기 레이저광을 상기 포물경이 한 방향(즉, 레이저 조명 장치의 전방)으로 나아갈 수 있게 한다. 상기 포물경은 내면이 반사 코팅되어 있을 수 있는데, 반사 효율을 높이기 위해 알루미늄, 은 등과 같은 금속 박막 코팅이 될 수 있다. 또한, 고반사 코팅이 될 수 있는데, 둘 이상의 금속 물질이 혼합된 박막 코팅이 될 수 있으며, 본 발명의 분야에서 공지되어 있는 방법에 따라 다양하게 이루어질 수 있다.
그리고 상기 광분배부재는 상기 포물경의 초점에 위치할 수 있다. 포물경에서 포물경의 초점을 지난 빛은 포물경의 내면에서 반사되어 포물경의 축과 평행하게 나아가는데, 상기 광분배부재가 상기 포물경의 초점에 위치하면 상기 광분배부재에서 출사되어 상기 포물경의 내면으로 입사된 레이저광은 상기 포물경의 내면에서 반사되어 평행광으로 변환될 수 있다. 이에 따라 레이저광이 레이저 조명 장치의 전방으로 퍼지지 않고 평행가게 나아가도록 할 수 있어 점 광원의 형태를 유지할 수 있다.
상기 광분배부재는 적어도 일부 표면에 형성되는 광추출구조를 포함할 수 있다. 상기 광추출구조는 출사되는 빛의 경로가 굴절되게 하거나 광산란이 일어나게 하여 빛이 효과적으로 상기 광분배부재에서 출사되도록 한다. 빛은 입사각이 임계각보다 크면 전반사가 일어나는데, 임계각은 빛의 파장 및 입사면의 굴절률에 따라 결정된다. 상기 광추출구조는 입사면의 굴절률을 변화시키기 위해 상기 레이저광의 입사각을 변화시키는 역할을 한다. 상기 광추출구조의 형상은 반구형, 피라미드형, 콘형, 쐐기형, 삼각뿔형, 사각뿔형 또는 일방향으로 연장되는 형상 등으로 다양하게 구성될 수 있는데, 상기 광분배부재의 형상에 따라 형상이 달라질 수 있고, 상기 광추출구조의 형성 위치에 따라 그 형상이 다를 수 있다.
상기 광추출구조는 상기 포물경의 초점에 위치할 수 있다. 포물경에서 포물경의 초점을 지나는 빛은 포물경의 내면에서 반사되어 포물경의 축과 평행하게 나아갈 수 있는데, 상기 광추출구조가 상기 포물경의 초점에 위치하면 출사되는 상기 레이저광이 더욱 정확히 상기 포물경의 초점을 지날 수 있고 대다수의 상기 레이저광이 상기 포물경의 초점을 지나게 되므로 이상적인 평행광을 만들 수 있다. 이에 따라 상기 포물경의 초점이 상기 광분배부재의 다른 곳에 위치하는 것보다 상기 레이저광이 퍼지지 않고, 보다 더 점 광원의 형태를 유지할 수 있다.
상기 광분배부재는 판상으로 형성되고, 상기 광추출구조는 서로 대향하는 상부면과 하부면 중 적어도 한 면에 형성될 수 있다. 상기 광분배부재는 판상으로 형성될 수 있는데, 판상으로 형성하면 다른 형상보다 형성이 매우 용이하다. 상기 광분배부재가 판상으로 형성된 경우, 다른 면들보다 면적이 넓어 상기 레이저광이 출사되는 비율이 높은 상부면과 하부면 중 적어도 한 면에 상기 광추출구조를 형성할 수 있다. 이러한 경우 많은 비율의 상기 레이저광을 상기 광추출구조를 통해 효과적으로 출사시킬 수 있고, 상기 광추출구조를 상기 포물경의 초점에 위치시키면 이상적인 평행광을 만들 수도 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 레이저 조명 장치는 레이저 다이오드를 사용하여 종래의 발광 광원이 큰 발광다이오드를 사용하는 조명 장치보다 점광원에 가까운 평행광을 제공할 수 있고, 별도의 크고 무거운 광학시스템이 필요하지 않기 때문에 조명 장치의 크기와 무게를 줄일 수 있다. 그리고 판상의 광변환부재에 광추출구조를 형성하여 내부 반사로 인해 판상의 광변환부재에서 출사되기 어려웠던 혼합광을 효과적으로 출사시킬 수 있으며, 판상의 광변환부재의 표면에서 레이저광의 반사율을 저감시킴으로써 판상의 광변환부재에 입사되는 레이저광의 비율을 높여 레이저광의 색 변환 효율이 높아지게 할 수도 있다. 또한, 광추출구조를 광출사면의 일부 영역으로 제한하여 보다 점광원에 가까운 평행광을 제공할 수 있다. 한편, 판상의 광변환부재가 포물경의 초점에 위치하면 좋은 평행광을 나타낼 수 있고, 더욱이 판상의 광변환부재의 광추출구조가 포물경의 초점에 위치하면 가장 좋은 평행광을 나타낼 수 있다. 또한, 판상의 광변환부재가 형광체 분말과 세라믹 분말이 혼합되어 성형되거나 판상의 광변환부재 전체가 단결정의 형광체로 이루어지도록 하여 종래의 폴리머 바인더를 사용하는 판상의 광변환부재에서 발생되던 판상의 광변환부재의 열에 의한 변성과 특성 저하를 방지할 수 있다. 그리고 광추출구조를 제외한 판상의 광변환부재의 표면에 반사층을 형성하여 광추출구조로 혼합광이 효과적으로 출사되도록 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 레이저광 20 : 혼합광
110 : 레이저 다이오드 120 : 판상의 광변환부재
121 : 광추출구조 122 : 반사층(또는 고굴절층)
130 : 포물경 140 : 집광 렌즈
150 : 반사부재 160 : 전달부
F : 포물경의 초점

Claims (8)

  1. 레이저광을 방출하는 레이저 다이오드;
    상기 레이저광이 입사되고, 입사된 상기 레이저광의 일부에 의해 여기되어 방출되는 상기 레이저광과 상이한 파장의 2차광과, 나머지 레이저광의 혼합광을 출사하는 판상의 광변환부재; 및
    상기 판상의 광변환부재의 주위를 둘러 상기 판상의 광변환부재로부터 입사되는 상기 혼합광을 반사시키는 포물경;을 포함하고,
    상기 판상의 광변환부재는,
    그 측면 전체의 외부 표면; 및 그 후면에 제공되고 상기 레이저광이 입사하는 입사 영역과, 상기 후면과 대향하는 전면에 제공되고 상기 포물경의 초점에 위치하는 상기 혼합광의 출사 영역을 제외한 상기 전면과 후면의 외부 표면;에 형성되는 반사층을 포함하는 레이저 조명 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 판상의 광변환부재는 상기 2차광을 방출하는 형광체 분말과 세라믹 분말의 복합재료로 이루어진 레이저 조명 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 판상의 광변환부재는 상기 2차광을 방출하는 형광체로 이루어진 단결정 또는 소결체인 레이저 조명 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 판상의 광변환부재는 상기 출사 영역 중 적어도 일부에 형성되는 광추출구조를 포함하는 레이저 조명 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 광추출구조는 상기 포물경의 초점에 위치하는 레이저 조명 장치.
  6. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 형광체는 YAG계 형광체, TAG계 형광체, LuAG계 형광체, 실리케이트계 형광체, 오르소실리케이트계 형광체, 알루미네이트계 형광체, 산화물계 형광체, 질화물계 형광체, 산질화물계 형광체, 황화물계 형광체 중 적어도 하나를 포함하는 레이저 조명 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 다이오드는 상기 포물경의 외측에 위치하고,
    상기 레이저광을 반사시켜 상기 판상의 광변환부재로 상기 레이저광을 입사시키는 반사부재;를 더 포함하는 레이저 조명 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 다이오드는 상기 포물경의 후면을 관통하여 상기 판상의 광변환부재에 상기 레이저광을 입사시키는 레이저 조명 장치.
KR1020170057417A 2017-05-08 2017-05-08 레이저 조명 장치 KR101848842B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170057417A KR101848842B1 (ko) 2017-05-08 2017-05-08 레이저 조명 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170057417A KR101848842B1 (ko) 2017-05-08 2017-05-08 레이저 조명 장치

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150061632A Division KR20160129448A (ko) 2015-04-30 2015-04-30 레이저 조명 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170056488A KR20170056488A (ko) 2017-05-23
KR101848842B1 true KR101848842B1 (ko) 2018-04-13

Family

ID=59050499

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170057417A KR101848842B1 (ko) 2017-05-08 2017-05-08 레이저 조명 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101848842B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012054084A (ja) 2010-09-01 2012-03-15 Sharp Corp 照明装置
JP2015019013A (ja) 2013-07-12 2015-01-29 オリンパス株式会社 発光装置及び光変換ユニット
JP2015072895A (ja) 2013-09-03 2015-04-16 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 光源装置、当該光源装置を備える照明装置、および車両

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012054084A (ja) 2010-09-01 2012-03-15 Sharp Corp 照明装置
JP2015019013A (ja) 2013-07-12 2015-01-29 オリンパス株式会社 発光装置及び光変換ユニット
JP2015072895A (ja) 2013-09-03 2015-04-16 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 光源装置、当該光源装置を備える照明装置、および車両

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170056488A (ko) 2017-05-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11028979B2 (en) Lighting source using solid state emitter and phosphor materials
US7819549B2 (en) High efficiency light source using solid-state emitter and down-conversion material
JP5525537B2 (ja) 発光装置
KR102114607B1 (ko) 레이저 광원장치
TW200923244A (en) Semiconductor source of light with a source of primary rays and a luminescence conversion element
KR102000323B1 (ko) 변환 소자 및 발광체
US20180363860A1 (en) Light source device
US10324247B2 (en) Optical device for producing high brightness light
JP2013546142A (ja) 導光路およびフォトルミネッセンス材料を備える固体ランプ
EP3078898B1 (en) High brightness light emitting apparatus
JP2010529612A (ja) 照明システム、コリメータ及びスポットライト
EP2791574B1 (en) Optical arrangement with diffractive optics
EP2559077B1 (en) Lighting device
KR101848842B1 (ko) 레이저 조명 장치
WO2010052633A1 (en) Light guide with outcoupling elements
KR20160129448A (ko) 레이저 조명 장치
JP2018142414A (ja) 光源装置

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
A201 Request for examination
GRNT Written decision to grant