KR102071429B1 - 조명 장치 - Google Patents

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Abstract

발광부를 전원부와 발열부에서 분리한 조명 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 조명 장치는 발광부가 광원 및 전원부로부터 분리되어 이격되어 있는 조명장치로서, 상기 발광부는 상기 광원에서 방사된 여기광을 분산시키기 위한 광학계 및 상기 광학계로부터 분산된 빛의 파장을 변환해주는 형광체를 포함한다. 발광부를 전원부와 발열부에서 분리하기 때문에 광원 및 전원부는 안전과 냉각 효과가 우수한 곳에 격리하여 배치하는 것이 가능하므로 발광부의 냉각 효율 극대화를 도모할 수 있다. 또한, 램프 하우징의 소형화, 경량화가 가능해지며, 재질을 다변화할 수 있게 되어 내열 특성과 내압 특성이 크게 개선된다. 광원 및 전원부는 안전한 장소에 놓아두고 발광부를 자유롭게 움직이는 것이 가능하다.

Description

조명 장치 {Lighting apparatus}
본 발명은 반도체 발광 소자 기반의 조명 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광원에서 발생한 광을 광섬유 등의 광전송매체를 이용하여 전송하고 이를 원하는 곳에 효율적으로 공급하여 일정 지역을 조명할 수 있게 하는 조명 장치에 관한 것이다.
종래에 일정 지역만을 조명하는 방식으로 크세논 램프나 할로겐 램프 혹은 수은 아크 램프 등의 방식이 사용되고 있으나, 무겁고 광 발생 과정에서 다량의 열이 발생하며 전력 소모가 심하여 조명 효율이 매우 낮다. 이를 개선하기 위하여 램프 내부에 특정 방향을 지향하는 반사판이나 포물 반사경 등을 부착하는 램프도 있지만 이 역시 만족스러운 성능을 보여주지는 못한다. 또한 이런 종류의 램프에 광섬유를 부착하여 사용하는 일부 의료기용 장치도 있으나 이 장치들 역시 수십 와트에서 수백 와트에 이르는 대형 광원을 이용하고, 여기에서 방출되는 광을 끌어가는 수단으로 광섬유를 사용할 뿐이어서 상기 언급된 문제점을 해결할 수 없다.
발광 다이오드(LED : Light Emitting Diode)와 같은 반도체 발광 소자 성능이 발전하면서 일반 사무실이나 가정에서 사용하는 백열등이나 형광등을 LED로 대체하려는 시도 이외에도 LED를 이용한 조명 분야에 대한 관심이 매우 높다. 전자발광(EL : Electro-Luminescent) 방식이나 냉음극 형광램프(CCFL : Cold-Cathode Fluorescent Lamp) 방식은 수명이 3,000 ~ 5,000 시간대에 머무는 데 반하여, LED 방식은 50,000 시간 이상의 수명을 가진다. 또한 기존의 전자발광 방식이나 냉음극 형광램프 방식은 전원을 넣은 온(on) 상태에서, 발광하기까지 0.2초 이상의 시간 지연이 있는 반면, LED 방식은 전원을 넣는 동시에 발광하기 때문에 반응 속도가 매우 빠르다. 뿐만 아니라, LED는 기존의 형광등이나 백열등에서 발광 소재로서 주로 사용된 수은과 같은 환경 유해 물질을 사용하지 않는 장점이 있다.
도 1에 기존 LED 기반의 조명 장치 개념에 대해 도시하였다. 기존의 LED 조명 장치는 단색 광원(10)의 빛을 형광체(20) 등의 파장 변환 물질을 통해 백색광으로 만드는 방식이다. 기존의 조명 장치에서는 광원을 포함하는 형태로 조명 장치가 일체형 제조되기 때문에 빛뿐만 아니라 전기와 열도 조명 장치 내부에 공존하게 된다. 구동하기 위한 전력을 전달하기 위한 전력선 등을 포함하는 전원부(30)가 조명 장치 내부에 포함되는 형태이므로 감전의 위험이 있다. 또한 기존의 조명용 광원들은 입력되는 전기 에너지의 60~70% 이상이 열로서 소모되기 때문에, 구동시 매우 높은 열이 발생하게 되고, 조명 장치 내부에 열이 축적되면 신뢰성이 열화되는 문제가 있다. LED는 효율면에서 개선됨으로써 발열량을 어느 정도 개선했으나, 여전히 절대적인 발열량이 많아서 조명기구로 구현할 경우, 여러 가지 방열 문제를 야기하고 있다.
따라서 이러한 열 및 전기 문제를 제어하기 위해, 기존의 LED 조명 장치는 절연 장치와 방열 장치까지 내장하는 방식을 취한다. 이 때문에 램프 하우징(lamp housing, 40)이 복잡하고 커지게 된다. 그리고 열과 압력 등의 외부 요소에도 취약해진다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 열 및 전기 문제를 제어할 수 있도록, 발광부를 전원부와 발열부에서 분리한 조명 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 조명 장치는 발광부가 광원 및 전원부로부터 분리되어 이격되어 있는 조명장치로서, 상기 발광부는 상기 광원에서 방사된 여기광을 분산시키기 위한 광학계; 및 상기 광학계로부터 분산된 빛의 파장을 변환해주는 형광체를 포함한다.
상기 광원은 30nm 이하의 반측폭(full width of half maximum)을 가지는 단색 광원일 수 있다. 바람직하게는 적색, 녹색, 황색 등의 형광체를 여기시킬 수 있는 에너지를 가지는 320~500nm 정도의 여기광을 방사한다.
상기 단색 광원은 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 상기 광원에서 방사된 여기광을 전달하여 상기 광학계로 입사시키기 위한 광섬유를 더 포함할 수 있다.
상기 광학계는 렌즈(lens), 슬릿(slit), 비드(bead) 또는 그 조합으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 광학계는 직경 20 um 이하인 마이크로-렌즈의 멀티-렌즈 집합체일 수 있다. 다른 예로서, 상기 광학계는 직경 20 um 이하인 마이크로-비드 또는 직경 1 um 이하인 나노-비드를 이용한 광학계이며, 상기 광섬유에서 상기 여기광이 진행하는 방향으로 상기 비드의 밀도가 더 높게 충진되어 있는 것일 수 있다.
상기 광학계는 투명 쉘 타입의 벌브 내부에 배치되고, 상기 형광체는 상기 벌브 내측면 또는 내부에 위치하는 것일 수 있다.
상기 광섬유가 상기 광학계와 대향하는 단부는 상기 광섬유 축에 대해 수직인 방향 이외의 방향으로 비스듬히 커팅되어 있거나 곡면처리되어 있는 것일 수 있다. 또는 상기 광섬유가 상기 광학계와 대향하는 단부가 상기 광섬유 축 방향 이외의 방향을 향하도록 공기보다 굴절률이 높은 비선형 구조물에 삽입되어 있는 것일 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 광원은 레이저 광을 방사하는 레이저 다이오드 패키지가 복수로 구비되고, 각 레이저 다이오드 패키지마다 레이저 광을 전달하기 위한 광섬유가 각각 연결되며, 상기 레이저 다이오드 패키지에 일측이 연결된 각 광섬유의 타측 단부가 상기 광학계와 광학적 연결되어 이동된 레이저 광을 외부로 출력하도록 된 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 다른 조명 장치는 여기광을 방사하는 단색 광원; 상기 여기광이 입사되는 제1 측면 단부와 상기 여기광이 출사되는 제2 측면 단부를 가지는 광섬유; 및 상기 광섬유로부터 출사된 빛의 파장을 변환해주는 형광체를 포함하고, 상기 제2 측면 단부는 상기 광섬유 축에 대해 수직인 방향 이외의 방향으로 비스듬히 커팅되어 있거나 곡면처리되어 있는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 또 다른 조명 장치는 여기광을 방사하는 단색 광원; 상기 여기광이 입사되는 제1 측면 단부와 상기 여기광이 출사되는 제2 측면 단부를 가지는 광섬유; 및 상기 광섬유로부터 출사된 빛의 파장을 변환해주는 형광체를 포함하고, 상기 제2 측면 단부는 상기 광섬유 축 방향 이외의 방향을 향하도록 공기보다 굴절률이 높은 비선형 구조물에 삽입되어 있는 것이다.
본 발명에 따른 조명 장치는 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드 기반의 조명 장치이므로 종래 크세논 램프나 할로겐 램프 혹은 수은 아크 램프 등에 비하여 가볍고 전력 소모가 적으며 조명 효율이 높다.
특히 발광부를 전원부와 발열부에서 분리하기 때문에 광원 및 전원부는 안전과 냉각 효과가 우수한 곳에 격리하여 배치하는 것이 가능하므로 발광부의 냉각 효율 극대화를 도모할 수 있다. 또한, 램프 하우징의 소형화, 경량화가 가능해지며, 재질을 다변화할 수 있게 되어 내열 특성과 내압 특성이 크게 개선된다. 광원 및 전원부는 안전한 장소에 놓아두고 발광부를 자유롭게 움직이는 것이 가능하다. 레이저 다이오드와 같은 광원에 연결된 광섬유와 광학계 등이 발광부에 삽입되게 구성되므로 특정 부위에 레이저 광을 조사하기 위해 사용자가 발광부를 잡아들고 조광되는 지역을 바꾸어 가며 일정한 지역에만 조광(방사)되도록 하는 것이 매우 유용한 조명 장치이다.
뿐만 아니라, 본 발명에서는 좁은 면적에 과도하게 집중된 빛이 형광체의 발광 효율을 떨어뜨리지 않도록, 점광원 상태의 고밀도 빛을 면광원 상태로 만드는 빛의 분산수단도 제시한다. 본 발명에 따른 광학계를 이용하면 빛의 효과적인 산란을 기대할 수 있으므로 형광체의 열화를 방지할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 소형, 고효율, 저전력 조명 장치가 가능하며, 근거리뿐만 아니라 원거리에도 효율적으로 조광이 이루어지도록 할 수 있다.
도 1에 기존 발광 다이오드 조명 장치 개념에 대해 도시한 그림이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치 개념에 대해 도시한 그림이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 조명 장치 개념에 대해 도시한 그림이다.
도 4는 본 발명의 조명 장치 실시예에서 여러 개의 레이저 다이오드 패키지와 광섬유 어레이를 사용하는 경우의 도면이다.
도 5는 본 발명의 조명 장치 실시예에 포함될 수 있는 광학계의 다양한 디자인을 예로 들어 도시한 그림이다.
도 6은 본 발명의 조명 장치 실시예에 포함될 수 있는 렌즈 광학계의 단위 렌즈를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 조명 장치 실시예에 포함될 수 있는 렌즈 광학계의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 조명 장치 실시예에 포함될 수 있는 렌즈 광학계의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 조명 장치 실시예에 포함될 수 있는 슬릿 광학계의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 조명 장치 실시예에 포함될 수 있는 슬릿 광학계의 종류를 예로 들어 도시한 그림이다.
도 11은 본 발명의 조명 장치 실시예에 포함될 수 있는 비드 광학계의 마이크로-비드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 12는 본 발명의 조명 장치 실시예에 포함될 수 있는 비드 광학계의 단면도이다.
도 13은 본 발명의 조명 장치 실시예에 포함될 수 있는 비드 광학계의 다양한 모양을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 다양한 조합으로 구성한 광학계를 예로 들어 도시한 그림이다.
도 15는 본 발명의 조명 장치 실시예에서 광섬유와 광학계의 결합 관계를 설명하기 위해 발광부를 확대 도시한 단면도이다.
도 16은 본 발명의 조명 장치 실시예에서 빛이 출사되는 광섬유의 단부를 비스듬히 커팅하거나 곡면처리한 경우를 도시한다.
도 17은 본 발명의 조명 장치 실시예에서 빛이 출사되는 광섬유의 단부를 비선형 구조물에 삽입한 경우를 도시한다.
이하, 첨부 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명에서는 발광부를 전원부와 발열부에서 분리하는 조명 장치를 제안한다. 광원으로는 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드 등이 가능하다. 발생한 광은 광섬유 등의 광전송매체를 이용하여 전송하고 이를 원하는 곳에 효율적으로 공급하여 일정 지역을 조명할 수 있게 한다.
도 2와 도 3은 본 발명에서 제안하는 조명 장치 개념에 대해 도시한 그림들이다. 도 2와 도 3을 참조하면, 발광부(100)가 광원 및 전원부(200)로부터 분리되어 이격되어 있다. 전기와 열이 존재하는 전원부와 발열부는 광원 및 전원부(200)에 국한되고, 발광부(100)에는 영향을 미치지 않는다. 광원 및 전원부(200)에서 광원은 30nm 이하의 반측폭을 가지는 단색 광원인 것이 바람직하고, 적색, 녹색, 황색 등의 형광체를 여기시킬 수 있는 에너지를 가지도록 320~500nm 정도의 여기광을 방사할 수 있는 것이 바람직하다. 방열 구조가 필요한 광원 및 전원부(200)를 별도로 분리함으로써, 발광부(100)를 단순화, 소형화하는 것이 가능하며, 이를 통해 열과 압력 등의 외부 요소에 대한 내구성의 개선도 기대할 수 있다. 광원 및 전원부(200)는 안전과 냉각 효과가 우수한 곳에 격리하여 배치하는 것이 가능하므로 발광부(100)의 냉각 효율의 극대화를 도모할 수 있다.
광원은 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 특히 레이저 다이오드의 경우에는 광섬유와의 커플링이 우수하므로 바람직하다. 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드는 사파이어 기판이나 GaN 기판 상에 질화물계 반도체를 적층하거나 β-Ga2O3 기판 위에 β-Ga2O3로 이루어진 반도체를 적층하여 제조한 것일 수 있다. 예를 들어, AlN, GaN, InGaN 또는 AlGaN 등의 재질로 버퍼층이 형성되고 GaN, InGaN 기반의 활성층 등이 적층되어 이루어진 구조를 가질 수 있다.
지향성이 강한 레이저 다이오드를 광원으로 사용할 경우에는 도 2에 도시한 것처럼 광원에서 방사된 여기광이 매개 물질 없이도 발광부(100)로 전달이 가능하다. 광원에서 방사된 여기광은 도 3에 도시한 것처럼 광섬유(300)처럼 파장을 가이딩하는 매개 물질에 의해서 전달될 수도 있으며, 광섬유(300)는 코어 및 클래딩 부재를 갖고, 광원에 광학적으로 연결된다. 광원과 광섬유(300)의 광 결합에 따라 출력이 좌우되므로 결합 효율의 향상을 도모하는 적절한 구성이 광 결합에 이용될 수 있다. 광원으로부터 방사되는 여기광은 광섬유(300)의 하나의 측면 단부에 입사하게 되며, 그 결과 여기광의 일부가 그대로 광섬유(300)의 다른 측면 단부로 안내되어 출사되는 곳이 발광부(100)이다. 내구성을 높이기 위해 광섬유(300) 표면에 적절한 피복이 이루어진 형태로 사용될 수도 있다.
광섬유(300)는 광섬유를 2개 이상 포함하는 광섬유 어레이일 수 있다. 광원이 레이저 다이오드인 경우, 광원 및 전원부(200)는 도 4에 도시한 바와 같이 여러 개의 레이저 다이오드 패키지(210)를 포함하고, 각 어레이 형태의 광섬유(300)를 구성하는 각각의 광섬유(310)는 하나씩의 레이저 다이오드 패키지(210)에 대응되는 형식으로 광학적 연결된다. 레이저 다이오드 패키지(210)로부터 발산된 빛은 콜리메이터 렌즈(220) 등에 의해서 광섬유(310) 단면에 집광되어 코어에 도파된다. 콜리메이터 렌즈(220)는 각종 형태가 있지만 예를 들면 사파이어 구렌즈 등을 이용할 수 있다.
예를 들어 레이저 다이오드 패키지(210)는 각 광섬유(310)와 개별적으로 연결되어 수십 W급의 레이저 광을 광 특성을 유지하면서 발광부(100)까지 전달되게 하므로, 본 발명은 수십 개의 레이저 다이오드 패키지(210)로 이루어지는 광원을 통해 1kW 이상의 고출력 레이저 광을 발산하고 각 레이저 다이오드 패키지(210)에 연결된 광섬유(310)를 통해 발광부(100)까지 레이저 광을 이동시킬 수 있다. 예컨대, 25W의 광출력을 낼 수 있는 레이저 다이오드 패키지(210) 40개를 배치하여 1kW의 광원을 구성하거나, 또는 20W의 광출력을 낼 수 있는 레이저 다이오드 패키지(210) 50개를 일렬로 배치하여 1kW의 광원을 구성하고, 이를 광섬유(310)에 연결함으로써 발광부(100)까지 고출력의 레이저 광을 전달하도록 한다.
이와 같이 레이저 광을 방사하는 레이저 다이오드 패키지(210)가 복수로 구비된 광원을 구성하고, 각 레이저 다이오드 패키지(210)마다 레이저 광을 전달하기 위한 광섬유(310)가 각각 연결되도록 하는 구성은, 광원을 다분화할 수 있다는 장점이 있으며, 이는 광학적 구조의 설계와 광원의 에너지 밀도를 조절하는 데 매우 용이하다.
발광부(100)는 형광체를 포함하는 램프 하우징일 수 있다. 광섬유(300)를 포함하는 도 3의 구성에서는 빛이 광섬유(300)를 통해 전달된 후에 형광체를 여기시킬 수 있도록 형광체를 광섬유(300)의 외부에 배치하고, 광섬유(300)가 없는 도 2의 구성에서는 조명이 필요한 부분에 형광체를 배치하여 여기광의 파장을 변환한다. 이와 같이 형광체를 광섬유(300)의 외부에 배치하는 것은 형광체를 광섬유 내부의 클래드 부재에 포함시키는 종래의 구성과 차별화되며 광섬유와 형광체를 각기 제어하여 원하는 성능을 얻을 수 있도록 하기 때문에 유리하다.
형광체는 여기광의 파장을 변환하여 백색 조명을 할 수 있는 것으로 선택함이 바람직하다. 필요한 경우에는 여러 종류의 파장을 변환하는 단일소재 혹은 적, 록, 청에 발광 피크 파장을 가지는 형광체 3 종류를 동시에 첨가한 것으로 선정하여 우수한 연색성(color rendering property)을 갖는 백색광을 얻도록 할 수 있다.
발광부(100)에 포함된 형광체가 발열부인 광원 및 전원부(200)에서 멀어지게 되므로 발열치를 줄이고 효율을 높여 고휘도인 점광원을 얻을 수 있다. 이에 따라, 할로겐/크세논 램프를 대체하거나, 특수 조명용 광원 등에도 응용되는 백색 조명장치를 구현할 수 있도록 형광체 효율을 극대화할 수 있다. 또한, 광원 및 전원부(200)를 분리시키므로 램프 하우징의 소형화, 경량화가 가능해지며, 재질을 다변화할 수 있게 되어 전기적 안정성과 내열 특성, 내압 특성이 크게 개선될 수 있으며, 하우징 구조가 단순하여 방수처리가 용이해질 수 있다.
광원 및 전원부(200)는 안전한 장소에 놓아두고 발광부(100)를 자유롭게 움직이는 것이 가능하다. 따라서, 조광되는 지역을 바꾸어 가며 일정한 지역에만 조광(방사)되도록 하는 것이 매우 유용하다.
특히 도 3에 도시한 조명 장치는 광섬유(300)의 끝단에서 빛을 추출하는 엔드 라이팅(end lighting) 방식의 조명 장치를 구성하게 된다. 엔드 라이팅 방식의 조명 장치의 경우 광섬유(300)에서 추출된 빛은 한 방향으로 잘 정렬되어 있어서 밀도가 매우 높은 점광원 상태이다. 좁은 면적에 과도하게 집중된 빛은 형광체의 발광 효율을 떨어뜨리며, 이러한 고밀도의 빛이 형광체에 그대로 입사하게 되면 형광체 열화를 가속시킬 염려가 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 형광체 열화를 방지하기 위해 점광원 상태를 면광원 상태로 만드는 빛의 분산수단도 제시한다.
기존에 고체 레이저, 가스 레이저 등의 레이저로부터 출사된 레이저 빔을 조명용으로 사용하기 위한 시도가 행해지고 있으나, 레이저 빔은 지향성에서 우수함과 동시에 고강도를 갖고, 코히런스성이 큰 광 빔이지만, 고코히런스성에 기인한 스페클(speckle)이라는 문제점 때문에 조명용 광원에 사용하는 것이 곤란하였다. 또한 형광체를 이용하여 백색광을 구현할 경우, 고밀도 에너지의 빛이 형광체에 조사되게 되므로, 형광체의 열화나 효율 저하가 발생할 위험이 높으며, 이는 조명용 광원으로서는 부적합한 특성이라고 할 수 있다.
먼저 본 발명에서는 광섬유(300)의 끝부분에 여기광을 균일하게 분산시킬 수 있는 광학계(110)(예컨대, 렌즈)를 배치하여 빛의 밀도를 낮추고 분포를 고르게 하는 것을 제안함으로써 레이저 다이오드와 같은 고코히런스성의 광을 조명용 광원으로 사용하도록 한다. 광학계(110)는 출사면에서 방출된 빛(거의 점광원에 해당)이 일정한 지역에만 조광(방사)되도록 광각 또는 초점을 조절할 수 있는 것이면 어떠한 형태로든 그 구성이 가능하며, 이에 대한 구체적인 예로 광학계(110)의 디자인은 도 5에 도시한 것처럼, (a) 단면상 원형(입체상 구형), (b) 물방울형, (c) 돌출다각형 등일 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다. 광학계(110)의 소재는 빛의 흡수가 적은 실리카(silica, SiO2) 또는 Al2O3 계열이 적합하다. 이러한 광학계(110)의 외부에 형광체(190)를 배치하여, 광섬유(300)에서 나오는 여기광을 파장 변환하도록 하는 것이 바람직하다.
바람직한 광학계의 일 실시예는 굴절률이 상이한 렌즈의 표면에 입사/출사할 때 발생하는 굴절을 이용한 분산 광학계이다. 실시예에 있어서, 렌즈 광학계는 직경 1cm 이상의 매크로-렌즈(macro-lens)를 하나 혹은 일렬로 여러 개 배치한 것이거나, 직경 20 um 이하인 마이크로-렌즈(micro-lens, 120)를 단위 렌즈(unit lens)로 하는 멀티-렌즈(multi lens) 집합체일 수 있다. 단위 렌즈의 표면은 도 6에 도시한 바와 같이 (a) 돔(dome)형, (b) 원뿔형 혹은 다각뿔형, (c) 포탄형 등의 형태를 가질 수 있으며, 볼록렌즈 형태와 오목렌즈 형태가 모두 가능하다. 광학계로 이용되는 것은 이러한 단위 렌즈(120)의 집합체이며, 평면 투명판 위에 단위 렌즈를 멀티-렌즈(multi-lens) 집합체로 구성한 것이다. 이 경우, 초점 거리를 최소화하기 위해 렌즈의 높이(오목 렌즈의 경우에는 깊이)는 렌즈 직경의 10% 이상인 것이 바람직하며, 렌즈의 직경은 광섬유 코어 직경의 1/10 이하인 것이 바람직하며, 그 수준은 직경 20 um 이하가 되는 것이다.
멀티-렌즈 집합체(130)의 평면은 도 7에 도시한 바와 같이 조밀한 헥사고날 어레이(Hexagonal array) 또는 테트라고날 어레이(Tetragonal array) 또는 그 밖에 다른 의사 무작위(psuedo-randomness) 원리에 의한 배열일 수 있다. 멀티-렌즈 집합체(130)가 빛을 분산시키는 효과는 멀티-렌즈 집합체(130)의 단면도인 도 8에 도시한 것을 참고할 수 있다.
바람직한 광학계의 다른 실시예는 좁은 간격의 슬릿(slit)을 통과할 때, 슬릿의 끝 부분에서 회절이 발생하는 원리를 이용한 분산 광학계이다. 도 9는 (a) 슬릿(140)이 하나일 때와 (b) 슬릿(140)이 여러 개일 때 빛을 분산시키는 효과를 도시하기 위한 단면도이다. 광학계로 이용되는 것은 이러한 슬릿의 집합체(150)이며, 도 10에 도시한 바와 같이 (a) 선형(linear type)으로 형성될 수도 있으며 (b) 구멍(hole type) 형태로 형성될 수도 있다. 슬릿 간격은 여기광 파장의 20배 이하인 것이 바람직하다. 또한 간격이 좁아질수록 회절에 의한 산란 효과가 증가하지만, 파장의 크기보다 작아지게 되면 발진 모드에 부정적인 영향을 끼칠 수 있으므로 파장의 크기 이상인 것이 바람직하다.
바람직한 광학계의 또 다른 실시예는 굴절률이 공기보다 높은 물질로 이루어진 비드(bead) 표면에 입사/출사할 때 발생하는 굴절을 이용한 분산 광학계이다. 비드의 크기가 여기광 파장의 수준까지 작아지게 되면 미소 입자에 의한 레일리 산란(Rayleigh scattering) 효과도 기대할 수 있으므로, 비드의 크기는 20um 이하인 것이 바람직하다. 실시예에 있어서, 도 11에 도시한 것과 같은, 직경 20um 이하의 마이크로-비드(micro-bead, 160) 또는 직경 1um 이하의 나노-비드 (nano-bead)를 제시한다. 비드(160)는 내부가 충진된 스피어(sphere) 형태일 수도 있고 내부가 비어 있는 코어-쉘(core-shell) 구조일 수도 있다. 코어-쉘 구조인 경우, 쉘(160a)은 SiO2 등의 투명 물질로 이루어져 있어 굴절률이 1.4 내지 1.6 정도이며, 코어(160b)는 내부가 비어 있거나 저굴절률 물질로 충진되어 굴절률이 1.4보다 작은 구형 구조체이다. 쉘(160a)이 굴절률이 높고 외부와 내부의 굴절률이 낮은 구조이므로 외부 표면과 내부 표면에서 각각 fresnel 반사와 굴절이 발생하고, 고굴절률 매질(쉘(160a))에서 저굴절률 매질(코어(160b))로 진입하는 경계면인 내부 표면에서는 전반사 현상도 발생하므로 광경로 변경이 이루어진다.
광학계로 이용되는 것은 이러한 마이크로-비드 또는 나노-비드(160)의 집합체(170)이며, 그 단면도는 도 12에 도시한 바와 같다. 마이크로-비드 또는 나노-비드(160)를 조밀하게 적층시킨 구조물에 빛을 조사하면 위와 같은 다양한 메커니즘(mechanism)에 의해 광경로가 변경되며, 집합체에 의한 무작위 산란효과(random scattering)를 통하여 거시적인 관점에서 빛의 효과적인 산란을 기대할 수 있게 된다.
마이크로-비드 또는 나노-비드의 집합체(170)는 도 13에 도시한 것과 같이 다양한 모양을 가질 수 있다. 마이크로-비드 또는 나노-비드의 집합체(170)는 기본적으로 그 단면 모양이 (a) 직사각형, (b) 사다리꼴 집합체일 수 있다. 광섬유에서 빛이 입사하는 방향(광선진행축 방향)으로 비드(160)의 밀도가 더 높게 충진하여, 진행축 방향의 빛을 최대한 산란하도록 유도하는 모양이 적합하다. 이러한 변형예가 (c) 마름모형, (d) 타원형, (e) 물방울형 등이며, 특히 (e) 물방울형은 타원형과 마름모형의 조합으로 볼 수 있다.
이상과 같이, 렌즈 광학계(130), 슬릿 광학계(150), 비드 광학계(170)의 단품만으로도 본 발명의 조명 장치 실시예에 포함될 수 있는 광학계(110)를 구성할 수도 있고, 효율을 높이기 위해 3개의 요소 중 2개 이상을 복합적으로 사용하는 것도 가능하다.
예를 들어, 도 14의 (a)와 같이 렌즈 광학계(130)와 비드 광학계(170)의 조합을 이용하거나, (b)와 같이 슬릿 광학계(150)와 비드 광학계(170)의 조합을 이용할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 렌즈 광학계(130)와 슬릿 광학계(150)의 조합, 혹은 렌즈 광학계(130), 슬릿 광학계(150) 및 비드 광학계(170) 모두의 조합도 가능하다.
도 15는 본 발명의 조명 장치 실시예에서 광섬유와 광학계의 결합 관계를 설명하기 위해 도 5의 발광부(100)를 확대 도시한 단면도이다.
도 15를 참조하면, 광학계(110)는 투명 쉘 타입의 벌브(195) 내부에 배치하고, 형광체(190)는 벌브(195) 내측 표면 또는 내부에 위치시킴으로써 광학계(110) 외부에 형광체(190)가 배치되도록 하는 구조이다. 도 15에 도시한 구조에서 형광체(190)는 박막 형태로 벌브(195) 내측 표면에 도포되어 있다. 대신에 형광체가 분산되어 있는 투명구조물 형태를 만들어 벌브(195) 내부에 위치시킬 수도 있다.
발광부(100)는 벌브(195) 크기로 규정되며, 벌브(195)가 곧 램프 하우징이 되므로, 램프 하우징의 소형화, 경량화가 가능해진다. 벌브(195)는 투명한 유리 재질 또는 광-투과성 수지로 커버되는 부재일 수 있다. 추가로, 파장 변환 광을 확산시키는 효과를 얻기 위해, 벌브(195) 내부면에 불규칙부를 제공하는 것도 가능하다.
도 15에 예로 든 광학계(110)는 렌즈 광학계(130)와 비드 광학계(170)의 조합이다. (a)는 비드 광학계(170)가 렌즈 광학계(130)에 밀착하여 존재하는 경우를 도시한 것이고, (b)는 비드 광학계(170)가 벌브(195) 중심에 위치하여 렌즈 광학계(130)와는 이격된 경우를 도시한 것이다.
광섬유(300)는 광학계(110)와 밀착되도록 하거나 소정 간격(d) 이격되도록 할 수도 있다. 광섬유(300)를 지나온 여기광은 비교적 한 방향으로 잘 정렬된 상태이긴 하지만, 추출된 직후에는 자체적으로 소폭 확산되는 특성을 가지고 있으므로, 적절한 거리를 진행하는 동안 최대한 확산되도록 하는 것이 바람직하다. 그러나 회절 현상에 의해 확산된 빛은 중심부가 매우 강하여 균일도의 문제가 있으므로, 적절한 광학계(110)를 통해 확산을 제어해야 할 필요가 있다.
자연 확산 특성을 이용하기 위해 광학계(110)는 광섬유(300)의 끝단으로부터 소정 간격(d), 예를 들어 최소 1mm 이상 이격할 수 있다. 또, 광섬유(300)의 끝단으로부터 빛이 진행하는 방향과 평행한 벌브(195) 길이 대비 75% 이하의 거리에 위치시킨다.
이러한 조명 장치에서 실제 조립 및 사용에 있어서는 광원 및 전원부(200)를 안전과 냉각 효과가 우수한 곳에 격리하여 배치하는 것이 가능하므로 발광부(100)의 벌브(195) 교체시 안정성이 보장된다.
본 발명에서는 위와 같은 광학계(110) 이용과 별개로 혹은 더불어, 광섬유(300)의 단부에 적절한 변경을 가하여 빛을 분산시키는 방법도 제안한다.
우선 도 16은 빛이 출사되는 광섬유(300)의 단부(광학계(110)와 대향하고 있거나 혹은 광학계(110)가 없는 경우라면 형광체를 향하고 있는 부분)가 (a) 광섬유(300) 축에 대해 수직인 방향 이외의 방향으로 비스듬히 커팅되어 있거나 (b) 곡면처리되어 있는 경우를 도시한다. 이러한 경우에 광섬유(300) 코어의 노출 면적이 늘어나므로 점광원을 면광원화하는 데에 도움이 된다.
도 4를 참조하여 설명한 바와 같이 광섬유(300)가 2개 이상의 광섬유(310)를 포함하는 광섬유 어레이인 경우에, 각각의 광섬유(310)는 (c)에서와 같이 비스듬히 커팅된 단면이 하나의 평면 상에 놓일 수도 있고, (d)에서와 같이 비스듬히 커팅된 단면이 서로 평행하도록 놓일 수도 있다. 또, (e)에서와 같이 광섬유 어레이 중심 부분의 광섬유의 단부가 외주연에 비해 외측에 위치되면서 광섬유의 단면이 전체적으로 보아 둥근 형상을 가지거나, (f)에서와 같이 각각의 광섬유(310) 자체가 둥근 형상을 가질 수 있다. 도 16의 (c)와 (e)는 어레이 형태의 광섬유 단부를 한꺼번에 연마장치로 연마하는 등의 방법으로 처리가 되는 것이고, (d)와 (f)는 각각의 광섬유(310) 단부에 대한 처리가 먼저 이루어진 이후에 광섬유(310)를 집적하는 방법에 의한 경우일 수 있다.
다음으로 도 17은 빛이 출사되는 광섬유(300)의 단부(광학계(110)와 대향하고 있거나 혹은 광학계(110)가 없는 경우라면 형광체를 향하고 있는 부분)가 광섬유(300) 축 방향 이외의 방향을 향하도록 공기보다 굴절률이 높은 비선형 구조물, 예를 들어 나선형 유리관(320)에 삽입되어 있는 경우를 도시한다. 나선형 유리관(320)에 삽입된 부분에서는 광섬유(300)의 공간적인 변형에 따라 광의 분산이 일어나므로 점광원을 면광원화하는 데에 도움이 된다.
도 16과 도 17을 참조하여 설명한 바와 같은 광섬유(300)의 단부 처리는 도 15를 참조하여 설명한 바와 같은 광학계(110)와 조합되어 이용될 수도 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다. 본 발명의 실시예들은 예시적이고 비한정적으로 모든 관점에서 고려되었으며, 이는 그 안에 상세한 설명 보다는 첨부된 청구범위와, 그 청구범위의 균등 범위와 수단내의 모든 변형예에 의해 나타난 본 발명의 범주를 포함시키려는 것이다.
100: 발광부 110: 광학계
120: 단위 렌즈 130: 멀티-렌즈 집합체
140: 슬릿 160: 비드
170: 마이크로-비드 또는 나노-비드의 집합체
190: 형광체 195: 벌브
200: 광원 및 전원부 210: 레이저 다이오드 패키지
220: 콜리메이터 렌즈 300, 310: 광섬유
320: 유리관

Claims (13)

  1. 발광부가 광원 및 전원부로부터 분리되어 이격되어 있는 조명장치로서,
    상기 발광부는 상기 광원에서 방사된 여기광을 분산시키기 위한 광학계; 및
    상기 광학계로부터 분산된 빛의 파장을 변환해주는 형광체를 포함하고,
    상기 조명장치는 상기 광원에서 방사된 여기광을 전달하여 상기 광학계로 입사시키기 위한 광섬유를 더 포함하며,
    상기 광학계는 비드의 집합체를 포함하고,
    상기 비드는 코어-쉘 구조이며 상기 쉘의 굴절률이 상기 코어의 굴절률보다 높고,
    상기 광섬유에서 상기 여기광이 진행하는 방향으로 상기 비드의 밀도가 더 높게 충진되어 있으며,
    상기 광섬유의 끝단과 상기 광학계가 이격된 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광원은 320~500nm의 파장을 가지는 여기광을 방사하는 단색 광원인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 광학계는 렌즈(lens), 슬릿(slit) 또는 그 조합을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광학계는 직경 20 um 이하인 마이크로-렌즈의 멀티-렌즈 집합체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 비드는 직경 20 um 이하인 마이크로-비드 또는 직경 1 um 이하인 나노-비드인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광학계는 투명 쉘 타입의 벌브 내부에 배치되고, 상기 형광체는 상기 벌브 내측면 또는 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 광섬유가 상기 광학계와 대향하는 단부는 상기 광섬유 축에 대해 수직인 방향 이외의 방향으로 비스듬히 커팅되어 있거나 곡면처리되어 있는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 광섬유가 상기 광학계와 대향하는 단부는 상기 광섬유 축 방향 이외의 방향을 향하도록 공기보다 굴절률이 높은 비선형 구조물에 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 광원은 레이저 광을 방사하는 레이저 다이오드 패키지가 복수로 구비되고, 각 레이저 다이오드 패키지마다 레이저 광을 전달하기 위한 광섬유가 각각 연결되며, 상기 레이저 다이오드 패키지에 일측이 연결된 각 광섬유의 타측 단부가 상기 광학계와 광학적 연결되어 이동된 레이저 광을 외부로 출력하도록 된 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제7항에 있어서, 상기 벌브 내부면에 불규칙부가 형성된 것을 특징으로 하는 조명 장치.
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