KR20080012964A - 영사장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 AM의 크기를 갖는 조사 단면적(cross-sectional area to be illuminated)및 입사광을 위한 최대 수용각을 포함하는 광 모듈레이터(light modulator)와, 적어도 하나의 광원을 포함하는 영사장치에 관한 것으로서, 상기 광원을 이용하여 상기 영사장치의 구동중에 상기 감광영역의 단면적에 조사(illuminating)하기 위한 광선추(cone of light)가 발생되고, 상기 광원은 최대 반사각 β을 갖는 N개의 발광 다이오드 칩(luminescence diode chip)을 포함하고, 상기 발광 다이오드 칩 중 적어도 하나는 복사 출력 영역(radiation output area) AD를 포함한다.
이에 대한 관계식은 0.7*(AM*sin2(α))/(AD*sin2(β)*n2)≤N≤1.3*(AM*sin2(α))/(AD*sin2(β)*n2) 이며, 이 때 n은 1 또는 발광 다이오드 칩이 구비한 결합매질의 굴절률과 동일하다.
영사장치, 발광 다이오드 칩, 형광체, 광학 부재, 결합 매질, 집광기, 발광 변환 소자, 광원, 광섬유, 광선추, 원추각, 입사각, 반사각, 복사 출력

Description

영사장치{Projection device}
본 발명은 영사장치에 관한 것으로, 특히 광 모듈레이터(light modulator)를 구비하고, 발광 다이오드 칩(luminescence diode chip)을 포함한 광원을 적어도 하나는 구비하는 영사장치에 관한 것이다.
본 특허출원은 독일특허출원 10 2005 022 357.5와 10 2005 031 336.1의 우선권을 주장하며, 상기 출원의 개시내용 각각은 참고로 제공된다.
영사장치를 위해서는 영사되는 스크린의 밝기가 특히 중요하다. 가능한 한 밝기를 높이기 위해서는 상기 언급한 방식의 영사장치를 위한 광원은 이제까지 일반적으로 가능한 한 많은 수의 발광 다이오드칩을 포함한다.
본 발명의 과제는 종래의 영사장치보다 광도 발생 측면에서 더 높은 효율성을 갖는 영사장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명의 청구항 1항 및 2항에 따른 영사장치로 해결된다. 상기 장치의 바람직한 실시예는 종속 청구항에 기재된다.
발광다이오드 칩의 개수 N은 광 모듈레이터의 특성에 따라 결정된다. 고 휘도 발생 측면에서, 종래의 영사장치보다 상대적으로 적은 수의 발광 다이오드 칩을 포함한 영사장치가 이상적인 효율성을 가진다는 사실이 놀랍게도 확인되었다.
발광 다이오드 칩의 적합한 개수 N을 산출할 때, 특히 광 모듈레이터의 감광영역의 조사 단면적(cross-sectional area to be illuminated)의 크기 AM 및 입사광을 위한 상기 감광영역의 최대 수용각(a maximum acceptance angle) α가 고려된다. 상기 감광영역의 최대 수용각 α는 광 모듈레이터에 입사된 빛을 위해 구비된 최대 입사각이다.
이 외에도, 발광 다이오드 칩의 개수 N을 결정할 때, 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역(radiation output area) AD 및 상기 칩의 최대 반사각 β가 고려된다. 대안적으로 또한 가능한 것은, 발광 다이오드 칩 중 하나의 복사 출력 영역 AD와 최대 반사각 β를 적용하는 것으로서, 즉 적어도 하나의 발광다이오드 칩은 하나의 복사 출력 영역 AD를 포함한다. 발광 다이오드칩의 복사 출력 영역, 그것의 외부면은 발광다이오드칩으로부터 방출되는 전자기파를 출력한다. 최대 반사각 β은 발광 다이오드 칩의 주 반사 방향의 맞은편에서 산출되며, 상기 반사각 아래에서 발광 다이오드 칩의 집광된 전자기파가 출력된다.
상기 발명된 영사장치에서는 발광 다이오드 칩과 광 모듈레이터 사이의 광로(light way)에 적어도 하나의 광학 부재(optical element)가 배치된다.
발광 다이오드 칩의 개수 N은 하기와 같은 식으로 주어진다.
0.7*(AM*sin2(α))/(AD*sin2(ß)*n2)≤N≤1.3*(AM*sin2(α))/(AD*sin2(ß)*n2)
이 때 값 n은, 발광 다이오드 칩의 복사 출력(radiation output)이 부가적인 수단에 의해 얼마나 영향을 받느냐에 따라 달라진다. 다시 말해, 발광 다이오드 칩의 개수 N으로서 가능한 값은 (AM*sin2(α))와 (AD*sin2(ß)*n2)의 몫에 따라 결정되며, 상기 몫을 기준으로 최대 30% 정도에서 초과하거나 미달할 수 있다. 제1 실시예에 따라 n=1이다. 대안적으로 n은 결합 매질(coupling medium)이 되는 물질의 굴절률과 같으며, 상기 결합 매질과 함께 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역이 구비되는데, 이에 대해서는 이하에서 상세히 설명된다.
실시예에 따라, 발광 다이오드 칩과 광학 부재 사이의 광로에 하나의 갭(gap)이 존재하며, 상기 갭은 기체로 채워진다. 또한 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역 AD는 결합 매질로부터 분리되어 있다. 이러한 경우 n=1 이다.
본 발명에 따른 결합 매질로는 단순한 발광 다이오드 칩과 비교했을 때, 발광 다이오드 칩의 복사 출력에 현저한 영향을 미칠 수 있는 매질이어야 한다. 이는 특히 다음의 경우, 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역 AD가 예컨대 포팅 화합물(potting compound)같은 캡슐 물질로부터 분리된 경우이다. 캡슐 물질이란 그 자체에 일반적인 방식으로 발광 다이오드 칩을 봉인하거나 랩핑(wrapping)하여 외부의 영향으로부터 보호받도록 하는 데 적합한 물질을 의미한다.
또한 복사 출력 영역 AD가 상기방식으로 캡슐 물질로 구비되어 있을 때, 발광 다이오드 칩은 상기 결합 매질로부터 분리되는데, 상기 결합 매질은 캡슐 물질로 인하여, 발광 다이오드 칩의 복사 출력에 무시해도 좋을 정도로만 영향을 미칠 뿐이다. 이는 특히 다음의 경우, 복사 출력 영역 AD 상부의 상기 캡슐 물질의 두께가 발광 다이오드 칩의 각각 마주 놓인 칩 모서리간의 최대 간격값의 0.2배와 같거나 작을 때 그러하다. 발광 다이오드 칩이 사각형일 때 최대 방계 간격은 상기 칩의 모서리 길이와 같다. 발광 다이오드 칩이 직사각형일 때 상기 수식은 더 긴 칩의 모서리 길이에 대응한다. 공통적으로, 상기 발명한 장치의 최대 방계 범위는 각각 마주 놓인 칩 모서리의 최대 간격에 대응한다. 특히 실제적으로는 평면층으로 적층된 캡슐물질이 1보다 큰 굴절률을 가지면 상기의 전제조건에 따라 상기 발명한 장치의 결합 매질로서는 의미가 없다. 마찬가지로 공기는 기본적으로 결합 매질이 될 수 없다.
또 다른 실시예에 따르면 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역 AD는 결합 매질을 구비한다. 이러한 실시예에 따른 영사장치에서 n은 결합 물질(coupling material)의 굴절률과 같다.
이는 특히 다음의 경우, 결합 물질로 인하여 발광 다이오드 칩이 광학 부재에 광학적으로 결합되거나, 혹은 복사 출력 영역 AD가 결합물질을 구비하여 발광 다이오드 칩의 복사 출력에 현저한 영향을 미쳐, 출력성을 높여주도록 하는 경우이다.
본 발명에 따르면, 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역 AD가 결합 물질을 구비하고, 상기 결합 물질이 서로 마주 놓인 칩의 모서리간 최대 간격의 0.2배보다 큰 두께를 가질 때, 복사 출력에 현저히 영향을 준다는 사실이 도출된다. 상기 결합 물질은 또한 예컨대 캡슐 물질일 수도 있다.
발광 다이오드 칩은 바람직하게는, 전자기파를 방출하는 활성 영역을 가진 박막층을 포함하는데, 상기 박막층은 실제적으로 활성 기판으로부터 분리되어 있으며, 주 반사면으로부터 전향된 측면에 하나의 리플렉터(reflector)를 구비한다. 이러한 것은 특히 우선적으로 영사장치에 포함되는 소위 박막-발광 다이오드 칩의 중요한 특징들이다.
박막-발광 다이오드 칩은 특히나 다음의 특징들에 의해 설명된다:
- 에피택셜 층들(epitaxial-series of deposits)에서 광선을 발생시키며, 지지 부재(supporting element)를 향해 있는 첫번째 주 면적에 하나의 반사층이 적층되어 있거나 형성되어 있고, 상기 반사층은 적어도 에피택셜 층들에서 발생하는 전자기파의 일부를 그 자체에 재반영하며,
- 상기 에피택셜 층들은 두께가 20 ㎛ 범위 또는 그보다 작거나, 특히 10 ㎛의 범위 또는 그보다 작은 값을 포함하며,
- 상기 에피택셜 층들은 혼합구조의 평면을 가지는, 적어도 하나의 반도체층을 포함하는데, 상기 혼합구조는 이상적인 경우 에피택셜 층들에서 빛이 거의 에르고드적으로(ergodic) 배분되도록 한다. 즉 상기 에피택셜 층들은 가능한한 에르고득적인 확률적 분산처리(stochastic distribution)를 포함한다.
박막-발광 다이오드 칩의 기본원칙은 예컨대 I. Schnitzer et.al., Appl.Phys.Letter.63(16), 18. Oktober 1993, 2174-2176 에 기술되어 있으며, 이에 그 개시내용을 참고로 제공한다.
박막-발광 다이오드 칩은 근사적으로 말해서 람베르트 단위의 표면 이미터(surfaces emitter)이며, 따라서 영사장치를 위한 광원의 적용에 적합하다. 본 발명과 관련한 박막-발광 다이오드 칩에 있어서 기본적으로 최대 반사각 β은 90°로 수용된다. 박막-발광 다이오드 칩일 때 박막층의 측면의 상부에서 방출되는 광선의 관여는 종종 무시해도 좋을 만큼 작은데, 이는 종종 총 방출량의 1%보다 작다. 따라서 박막-발광 다이오드 칩일 때, 복사 출력 영역 AD에 인접한 상기 측면의 관여는 또한 무시될 수 있다.
상기 발명된 영사장치의 적합한 실시예에 따라, 발광 다이오드 칩은 x-행과 y-열로 구성된 매트릭스구조로 배치되며, 이 때 x 값으로 가능한 수는 (1M* sin(α))와 (1D*sin(ß)*n)으로부터의 몫에 따라, y 값으로 가능한 수는 (bM*sin(α))와 (bD*sin(β)*n)으로부터의 몫에 따라 결정되는데, 이 값들은 그에 대응하는 몫을 기준으로 대략 최대 30%를 초과하거나 미달한다. 여기서 1M과 bM은 광 모듈레이터의 감광영역의 단면적 AM의 길이와 넓이를 각각 표시하며, 1D 및 bD는 단일의 혹은 다수의 발광 다이오드 칩의 박막층의 주 반사면의 길이와 넓이에 각각 해당한다.
매트릭스의 행과 열을 위한 값이 상기와 같이 산출되므로, 발광 다이오드 칩의 배치가 감광영역의 형태에 적합하게 되며, 이를 통해 발광 다이오드 칩으로부터 생성된 빛은 더 효과적으로 사용될 수 있다.
수 N 그리고, x 혹은 y 를 위해 가능한 값은 특히 대응하는 상기 몫의 근사치 정수를 반올림하거나 버림한 것에 상응하는 값과 같다. 이를 통해 발광 다이오드 칩을 통해 생성된 빛은 가능한한 효과적으로 사용된다.
상기 발명한 장치의 값 N의 산출에 대안적으로, 발광 다이오드 칩을 위한 특정수 N을 정하고, 발광 다이오드 칩의 크기 및 상기 칩의 복사 출력 영역 AD의 크기 또는 길이 및 넓이를 상기 식에 따라 산출된 값에 맞추는 것은 언제나 가능하다. 예컨대 복사 출력 영역을 위해 다음의 수식이 대응된다.
0,7*(AM*sin2(α))/(N*sin2(β)*n2)≤AD≤1,3*(AM*sin2(α))/(N*sin2(β)*n2)
각각의 잔여 크기가 주어졌을 때, 수식에 포함된 크기값에 상응하여 모든 다른 값이 자체적으로 산출된다.
상기 발명장치의 또 다른 실시예에서 수 N 내지는 x 또는 y를 위해 가능한 값은 근사치 짝수값을 반올림하거나 버림한 것에 대응하는 몫과 같다. N이 짝수일 때는, 바람직하게는, 발광 다이오드 칩이 짝수의 수량으로 그룹지어 배치된다. 그러한 경우 발광 다이오드 칩의 각 그룹에 단일의 고유한 광학 부재가 뒤이어 배치되는 것이 바람직하다.
특히 더 적합한 실시예로는 발광 다이오드 칩의 주 반사면이 실제적으로 직사각형 형태를 포함하는 것이다. 이를 통해 발광 다이오드 칩 및/또는 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역 AD의 형태는 광 모듈레이터의 감광영역의 윤곽(contour) 및 형태에 더욱 적합하게 된다. 또한 이는 광원으로부터 방출되는 빛의 이용을 더 효과적으로 하는데 기여한다.
바람직하게는, 다수의 발광다이오드 칩에 공통적으로 단일의 광학 부재가 배치된다. 이는, 예컨대, 각각의 발광다이오드 칩에 단일의 고유한 광학 부재가 배치되는 경우와 비교했을 때 조립을 더 간단하게 할 수 있다는 장점이 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 발광 다이오드 칩을 적어도 2 그룹으로 나누고, 상기 그룹 각각에 단일의 광학 부재가 배치될 수 있다.
바람직하게는, 발광 다이오드 칩의 적어도 한 부분에 단일의 발광 변환 소자가 뒤이어 배치되는 것으로서, 상기 소자를 이용하여 발광 다이오드 칩으로부터 방출되는 전자기파가 적어도 부분적으로는 변화된 파장을 가진 전자기파로 변환된다. 예컨대, 청색으로 방출되는 발광 다이오드칩이 황색으로 방출되는 형광체(phosphor)와 조합되었을 때, 상기 발광 변환 소자로 인하여 특히 백색광이 생성된다.
대안적으로, 다양한 발광 다이오드 칩에, 바람직하게는, 서로 다른 발광 변환 물질이 뒤이어 배치되고, 상기 발광 변환 물질은 서로 다른 색의 빛을 우선적으로 방출하거나 서로 다른 파장영역의 빛을 방출한다.
더 바람직하게는, 상기 발광 변환 물질이 각각 단일의 형광체를 포함하는 것이다. 내부에 다수의 형광체가 섞여있는 발광 변환 물질을 단일로 적용하는 것과 비교했을 때, 전자기파의 변환시 더 높은 효율성을 달성할 수 있다. 이는 다수의 형광체의 적용시, 빛은 제1의 형광체로부터 방출되고, 제2의 형광체에 재흡수될 수 있기 때문이다. 다른 한편으로는 유색의 빛을 생성해내기 위해 형광체의 적용을 포함하는 것이 일반적으로 발광 다이오드 칩만을 포함한 것보다 더 넓은 방출 스펙트럼을 달성할 수 있다. 종합적으로 상기 부가물과 함께 빛은 개선된 색의 재현을 달성하게 된다.
상기 광학 부재는 독창적인 집광기(optical concentrator) 방식으로 형성되는데, 상기 집광기는 종래의 집광기 적용방식과 다르게, 빛의 복사를 위해 반대방향에 구비된다. 상기 방식의 광학적 부재를 적어도 하나는 적용함으로 인하여 상기 광원으로부터 방출되는 빛의 산란(divergence)이 효과적인 방식으로 감소한다.
이 때, 특히 바람직하게는, 상기 집광기의 빛 입구가 발광 다이오드 칩에 가능한한 인접하여 배치된다. 더 바람직하게는, 광학부재로부터 방출되는 빛이 존재하는 공간의 입체각이 상기 광학 부재로 인하여 발광 다이오드 칩에 가능한한 인접하여 축소되는데, 이 때 광선추(cone of light)의 단면적은 더 작다. 이는 특히 가능한한 고 집적된 광선이 가능한한 작은 면적에 영사되도록 하는 경우에, 즉 영사장치의 경우에 필수적이다.
기하 광학의 중요한 보존범위(conservation dimension)가 바로 에텐듀(etendue)인데, 즉 빛의 전도성(Lichtleitwert/ light conductance ) 을 뜻한다. 상기 보존범위는 광원의 평면적과 상기 광원이 반사되는 상기 입체각의 곱이다. 상기 에텐듀는 임의적으로 집광된 광선추의 범위를 나타낸다. 상기 에텐듀의 보존은 특히 산란성의 광원 예컨대 발광 다이오드 칩의 빛이 더 이상 집광되지 않는다는 결과를 가진다. 즉 더 축소된 범위를 가진 평면에서는 손실을 감수하지 않고는 더이상 빛의 방향이 바뀌지 않는다는 것을 의미한다. 따라서 가능한한 작은 단면적을 포함한 광빔(light beam)이 광학 부재로 진입하는 것이 바람직하다.
또 하나의 바람직한 실시예로는, 광학 부재를 이용하여 빛이 강하게 시준되는 것으로, 즉 빛이 광학 부재로부터 원추각(cone angle)을 포함한 광선추에서 방출되는 방식으로 빛의 산란이 감소된다. 상기 원추각은 광 모듈레이터의 감광영역의 최대 수용각 α와 같거나 그보다 작다.
바람직한 실시예에서, 상기 광선추의 원추각은 25°와 같거나 작으며, 20°와 같거나 작으면 더 적합하고, 15°와 같거나 작으면 훨씬 더 바람직하다.
상기 집광기는 바람직하게는 CPC, CEC 혹은 CHC 방식의 집광기를 말하며, 본문에서 의미하는 집광기는, 상기 집광기가 반사하는 측벽이 적어도 부분적으로 및/또는 적어도 광범위하게 일종의 복합 파라볼릭 집광기(Compound Parabolic Concentrator, CPC)의 형태를, 복합 타원형 집광기(Compound Elliptic Concentrator, CEC)의 형태를, 및/또는 복합 쌍곡선형 집광기(Compound Hyperbolic Concentrator, CHC)의 형태를 포함한다.
특히 바람직하게는, 반사특성을 원하는 바에 따라 적합하게 조절하기 위하여, 상기 광학 부재의 반사 평면이 부분적으로 또는 완전히 자유형 평면으로 형성된다. 상기 광학 부재의 기본형은 CPC, CEC 혹은 CHC에 흡사한 것이 바람직하다.
대안적으로 집광기는 광선 입구와 광선 출구를 결합하는 측벽을 포함하는데, 광선 입구와 광선 출구사이에 위치한 상기 측벽에서 진행하는 직접적 결합라인은 실제적으로는 직선으로 진행한다.
이 때 광학 부재는, 바람직하게는, 본체가 하나의 캐비티(cavity)를 설정하고, 상기 캐비티의 내벽이 적어도 광원으로부터 방출되는 빛 스펙트럼의 일부영역에 대해 반사작용을 한다.
대안적으로, 상기 광학 부재는 반전자(non-electron) 집광기의 방식으로 형성되고, 상기 광학 부재의 전체 몸체가 적합한 굴절률을 가진 반전자 물질을 포함하여, 상기 광학 부재를 둘러싼 빛이 전반사로 인하여 전체몸체의 측 경계면에 인접하여 주변 매질로 반사된다. 상기 전반사로 인하여 빛의 반사시 빛의 흡수가 계속적으로 예방된다.
상기 광학 부재는 렌즈 모양의 아치형 경계면을 포함한 광선 출구를 구비하는 것이 바람직하다. 이를 통해 빛의 산란이 지속적으로 감소한다.
상기의 집광기에 대안적으로, 상기 광학부재는 일정한 단면적 또는 빛의 출구쪽으로 확대된 단면적을 포함하는 광섬유(optical fiber)로서 빛의 혼합을 위해 형성된다. 광학 부재의 단면적은 짝수의 다각형 형태를 포함한다. 상기 단면적의 단면적은 바람직하게는 직선으로 형성되고, 평평한 부분면을 포함하고 있어, 상기 부분면을 통해 빛의 양호한 혼합이 보장될 수 있다. 상기 광학 부재가 그와 같은 방식으로 형성되는 것은 특히 다음의 경우, 즉 서로 다른 색을 지닌 빛이 상기 광학 부재를 둘러싸고, 그 빛이 백색광이 되도록 혼합되어야 하는 경우에 바람직하다.
대안적으로, 빛의 혼합을 위한 상기의 광섬유는 빛의 경로(path of rays) 내부에서 상기 영사장치의 광학 부재에 뒤이어 배치된다.
더 바람직하게는, 인접한 발광 다이오드 칩의 일부 또는 전체는 상호간의 간격을 가능한한 좁게 하여 배치된다. 상기 간격은 300 ㎛와 같거나 작으면 적합하며, 100 ㎛와 같거나 작은 것이 더 적합하고, 0 ㎛와 같거나 크면 특히 더 적합하다. 상기 방식의 처리는 상기 영사 장치에 있어서 가능한한 높은 휘도를 달성하기 위함이다.
상기 광학 부재는 광선 출구측에서 실제적으로 직사각형인 단면적을 포함하는 것이 바람직하다. 이를 통해 상기 광학 부재 내부의 광선추의 단면적은 적어도 부분적으로 광 모듈레이터의 감광영역의 단면적에 적합하도록 형성된다.
추가적으로 또는 대안적으로, 상기 광학 부재는 제1의 면(plane)을 따라 제1의 최대 반사각을, 제2의 면을 따라 제2의 최대 반사각을 포함하는데, 상기 제2의 반사각은 제1의 최대 반사각과는 구별된다. 다시 말해, 상기 광학 부재가 형성되는 방식이, 광선 입구를 투과하여 들어오는 빛이 제1의 영역을 따라 제1의 최대각도 아래에서, 그리고 제2의 영역을 따라 제2의 최대각도 아래에서, 광학부재로부터 방출되도록 하는 것이다. 제1과 제2의 영역은 특히나 광학 부재의 주 반사방향과 평행하게 진행한다. 바람직하게는 제1과 제2의 영역이 세로로 마주보도록 배치된다. 또한 이러한 처리는 광 모듈레이터에 광선추를 적합하게 맞추기 위함이다.
제1의 최대 반사각은 바람직하게는 대략 10°와 13°사이값을 가지며, 제2의 최대 반사각은 대략 13°와 18°사이값을 가진다.
상기 장치의 또 다른 실시예 및, 더 많은 장점 및 그 구성요소는 다음에 이어지는 도면 1부터 도면 40까지 설명되는 상세한 예시들로부터 도출된다. 첨부된 도면에서:
도 1은 상기장치의 실시예에 따른 개략적인 구조를 그린 단면도이며,
도 2는 도1에 제시된 상기장치의 광 모듈레이터를 상기 광 모듈레이터의 감광영역 위에서 내려다본 개략적인 조감도이며,
도 3은 발광 다이오드 칩의 개략적인 단면도이며,
도 4는 제1의 실시예에 따른, 광학 부재의 일부와 광원의 개략적인 단면도이며,
도 5는 제2의 실시예에 따른, 광학 부재의 일부와 광원의 개략적인 단면도이며,
도 6은 제3의 실시예에 따른, 광학 부재의 일부와 광원의 개략적인 단면도이며,
도 7은 제4의 실시예에 따른, 광학 부재의 일부와 광원의 개략적인 단면도이며,
도 8은 제5의 실시예에 따른, 광학 부재의 일부와 광원의 개략적인 단면도이며,
도 9는 제1의 실시예에 따른, 광원의 발광 다이오드 칩의 배치를 위에서 내려다본 조감도이며,
도 10은 제2의 실시예에 따른, 광원의 개략적인 단면도이며,
도 11은 제3의 실시예에 따른, 광원의 개략적인 단면도이며,
도 12는 제4의 실시예에 따른 광원과 제1의 실시예에 따른 광학 부재의 개략 적인 원근도이며,
도 13은 제2의 실시예에 따른, 광학부재의 개략적인 원근도이며,
도 14는 제5의 실시예에 따른 광원과 제3의 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 원근도이며,
도 15는 제6의 실시예에 따른 광원과 제4의 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 원근도이며,
도 16은 제7의 실시예에 따른 광원과 제5의 실시예에 따른 광학부재의 개략적인 원근도이며,
도 17은 제6의 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 원근도이며,
도 18은 제8의 실시예에 따른 광원의 개략적인 원근도이며,
도 19는 제9의 실시예에 따른 광원의 개략적인 원근도이며,
도 20은 제10의 실시예에 따른 광원의 개략적인 원근도이며,
도 21은 제11의 실시예에 따른 광원의 개략적인 원근도이며,
도 22A는 제12의 실시예에 따른 광원의 개략적인 원근도이며,
도 22B는 도 22A에 도시된 광원을 위에서 내려다본 조감도이며,
도 23은 제13의 실시예에 따른 광원과 제7의 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 원근도이며,
도 24는 제14의 실시예에 따른 광원의 개략적인 원근도이며,
도 25는 제15의 실시예에 따른 광원의 개략적인 원근도이며,
도 26은 제16의 실시예에 따른 광원의 개략적인 원근도이며,
도 27은 제17의 실시예에 따른 광원의 개략적인 원근도이며,
도 28은 제18의 실시예에 따른 광원과 제8의 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 원근도이며,
도 29는 제1의 실시예에 따른 광원을 위한 패키지의 개략적인 원근도이며,
도 30은 제2의 실시예에 따른 광원을 위한 패키지의 개략적인 원근도이며,
도 31은 제3의 실시예에 따른 광원을 위한 패키지의 개략적인 원근도이며,
도 32는 제4의 실시예에 따른 광원을 위한 패키지의 개략적인 원근도이며,
도 33A는 제9의 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 원근도이며,
도 33B는 제10의 실시예에 따른 광학부재의 개략적인 원근도이며,
도 33C는 제19의 실시예에 따른 광원과 제11의 실시예에 따른 광학부재의 개략적인 원근도이며,
도 34A는 제12의 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 원근도이며,
도 34B는 제13의 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 원근도이며,
도 34C는 제14의 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 원근도이며,
도 34D는 제15의 실시예에 따른 광학 부재의 개략적이 원근도이며,
도 35는 제20의 실시예에 따른 광원과 제16의 실시예에 따른 광학부재의 개략적인 원근도이며,
도 36은 제21의 실시예에 따른 광원과 제17의 실시예에 따른 광학부재의 개략적인 원근도이며,
도 37은 제18의 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 원근도이며,
도 38은 제19의 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 원근도이며,
도 39는 제20의 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 원근도이며,
도 40은 도 37과 도 39에 도시된 광학 부재의 뒤, 빛의 경로내부에서 광축까지의 간격에 의존하는 집광을 나타내는 수직선 그림이다.
본 발명의 실시예 및 도면에서 동일하거나 동일하게 작용하는 구성요소는 각각 동일한 참조번호로 표시한다. 도면에 도시된 부재들은 기준으로서 필수적인 것이 아니라, 부분적으로 과장되어 크게 도시되었다고 이해하는 것이 바람직하다.
도 1에 도시된 영사장치는 광원(2), 광학 부재(1) 및 광 모듈레이터(3)를 포함한다. 상기 영사장치(4)는 자체적으로 더 많은 다양한 부재들을 포함하나, 이러한 부재들은 상기장치의 실시예에서 명료한 표현을 위해 생략되었다.
상기 광원(2), 상기 광학 부재(1) 및 상기 광 모듈레이터(3)는 상기 영사장치(4)의 빛의 경로를 따라 배치되며, 이 때 상기 빛의 경로는 직선으로 진행할 필요는 없다. 예컨대 전환부재로 인하여 임의적으로 방향을 전환하거나, 및/또는 빔 스플리터(beam splitter)로 인하여 단일경로 또는 다수개의 경로로 분산될 수도 있다.
상기 광원(2)은 다수의 발광다이오드 칩(21)을 포함하는데, 이 때, 단일의 발광다이오드 칩(21)을 사용하는 것도 대안적으로 가능하다. 단, 상기 단일의 발광 다이오드 칩은 다수의 발광 다이오드 칩 수에 대응하는 동일한 크기의 복사 출력 영역을 포함한다. 상기 다수의 발광 다이오드 칩이 포함하는 최대 반사각 β은, 바 람직하게는, 빛은 상기 반사각 아래에서 복사 효율(radiation efficiency)의 0.5%에 대응하는 방향에서 방출되며, 상기 발광 다이오드칩(21)의 주 반사방향아래에서 상기 반사각으로부터 방출된다. 상기 발광 다이오드 칩은 예컨대 박막 발광 다이오드 칩일 경우 근사적으로 최대 반사각 β은 90°를 포함한다.
도 3은 박막-발광 다이오드 칩의 개략적 단면도이다. 상기 칩이 포함하는 박막층(211)의 두께는 예컨대, 20 ㎛과 같거나 작으며, 9 ㎛일때도 있다.
주 평면위에서 박막층(211)은 실제적으로 리플렉터(216)와 함께 완전 평면으로 구비된다. 상기 박막층(211)은 지지부재(supporting element)(215)위에 구비되는데, 리플렉터(216)는 상기 지지부재쪽으로, 예컨대 지지부재(215)에 인접하여 구비된다. 상기 지지부재(215)는 예컨대 하나의 지지기판(supporting substrat)이다. 대안적으로 또한 가능한 것은, 상기 지지부재(215)는 상기 발광 다이오드칩(21)의 구성요소가 아니라, 상기 리플렉터(216)가 안착된 측면을 구비한 박막층(211)이 직접적으로 칩 조립면, 예컨대 칩 패키지 혹은 그 밖의 칩 지지대의 상부에 적층되는 것이다.
상기 박막층은 반도체 층들을 포함하는데, 예컨대 n 타입 불순물이 도핑된 영역(212), 전자기 광선을 방출하는 활성 영역(213)과 p 타입 불순물이 도핑된 영역(214)을 포함한다.
박막-발광 다이오드 칩을 이용한 상기 장치에서, 90°보다 큰 반사각 아래에서 집광된 광선은 기본적으로 무시해도 좋을 정도로 적은양만 방출된다.
상기 광 모듈레이터(3)는 감광영역(31)을 포함하는데 이에 대해서 도 2를 참 조한다. 상기 광 모듈레이터는 다수의 마이크로 미러(micro mirror)를 포함한 마이크로 미러 칩(micro mirror chip)으로서, 상기 마이크로 미러는 적어도 하나의 축을 중심으로 각각 독립적으로 틸팅(tilting)작용을 할 수 있어서, 상기 거울의 틸팅 작용으로 인하여 영사된 스크린의 각 픽셀은 예컨대 밝거나 어둡게 전환될 수 있다. 상기 감광영역은 마이크로 미러를 통하여 결정된다. 즉 마이크로 미러의 외부 경계면은 마이크로 미러 칩의 외부에 배치된 마이크로 미러의 테두리를 따라 형성된다.
마이크로 미러 칩의 대안으로서, 광 모듈레이터(3)는 예컨대 마이크로 액정 크리스탈 디스플레이(Micro-LCD-Display)가 될 수도 있는데, 이 때 빛은 더 작아진 거울의 틸팅작용대신, 필터의 턴-온/턴-오프로 인하여 변조된다. 또 다른 가능성으로는 소위 광 모듈레이터를 위해 LCOS(Liquid Crystal on Silicon)를 적용하는 것이다.
상기 감광영역(31)은 예컨대 직사각형의 복사 단면적을 포함하나, 상기 단면적은 정사각형 혹은 또 다른 모양으로 형성될 수 있다. 상기 감광영역(31)의 직사각형 단면적은 예컨대 0.5 촐(Zoll) 혹은 0.8 촐의 대각선(32)을 포함하는데, 이 때 1촐은 25.4 mm이다. 복사 단면적의 넓이는 예컨대 길이에 대해 3:4 혹은 9:16의 비율을 갖는다.
상기 광 모듈레이터(3)의 감광영역(31)은 최대 수용각 α를 포함하며, 이에 대해서는 도 1을 참조한다. 마이크로 미러 칩일 때, 상기 최대 수용각을 중심으로 해서 예컨대 수평적으로 동일한 위치를 갖는 다수의 마이크로 미러가 최대한 틸팅 작용을 하게 된다. 상기 최대 수용각은 예컨대 +/- 12° 혹은 +/- 14.5°혹은 +/- 15°이다. 상기 최대 수용각으로 가능한 값은 예컨대 대략 10°와 20°사이이다.
상기 감광영역(31) 상부의 최대 수용각 α보다 더 넓은 각도아래 모이는 빛은 변조될 수 없거나 또는 언급한 방식으로는 변조될 수 없다. 따라서 중요한 것은, 상기 광원(2)에서 방출되는 광선추(22)의 산란이 상기 광학 부재로 인하여 최대한 많이 감소한다는 사실이며, 상기 광 모듈레이터(3)의 감광영역(31)상부의 최대수용각 α보다 작은 각도아래에는 대부분의 빛이 진입한다. 광선추(22)는 예컨대 20°와 같거나 작은 최대각 γ아래에서 광학부재(1)로부터 이격된다. 각 γ는 예컨대 12°이다.
상기 발광 다이오드 칩(21)의 개수 N은 다음의 수식으로 주어진다:
0.7*(AM*sin2(α))/(AD*sin2(β)*n2)≤N≤1.3*(AM*sin2(α))/(AD*sin2(β)*n2).
상기 광원(2)을 위해 특정한 크기의 발광 다이오드 칩(21)을 적용할 경우, 이러한 관계식에 따라 발광다이오드 칩의 개수 N의 값이 산출되는데, 상기 발광다이오드 칩의 개수는 발광 다이오드 칩으로부터 방출되는 광선을 가능한한 효과적으로 사용할 수 있게 하는 값이다. 또한 대안적으로, 발광 다이오드 칩(21)의 수 N을 고정값으로 하고, 상기의 관계식에 따라 발광다이오드 칩(21)에 있어서 가능한 측정치 및 발광 다이오드 칩(21)의 복사 출력 영역에 있어서 가능한 크기값을 산출하는 것이 가능하다.
상기의 관계식에서 n을 위해 어떤 값이 대입될 것인가는, 발광 다이오드 칩 으로부터의 복사 출력이 상응하는 수단으로 인하여 얼마나 영향받는지에 따라 다르다.
발광 다이오드 칩과 광학 부재 사이의 광로에 하나의 갭이 존재하고, 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역 AD가 결합 매질로부터 분리되어 있다면, n=1 이다. 이에 대한 한가지 예가 도 4에 도시되어 있는데, 발광 다이오드 칩(21), 특히 상기 칩의 복사 출력 영역이 실제적으로 캡슐물질 혹은 결합물질로부터 분리되어 있다.
캡슐물질 혹은 결합물질이란 반전자 물질로서, 발광 다이오드 칩(21)으로부터 방출되는 광선에 대해 투광성이 있으며, 발광 다이오드 칩(21)의 반도체 물질의 굴절률에 대응하는 굴절률을 가진다. 그래서 반도체 물질과 주변매질 사이의 경계면에 인접하여 프레넬(fresnel)의 손실과 전반사가 감소한다.
프레넬 손실은 경계면에 인접한 반사로 인한 손실이며, 상기 경계면에 인접하여 굴절률 균열(refractive index crack)이 존재한다. 가장 전형적인 예로는 공기와 반전자 물질사이의 굴절균열이며, 예컨대 전자기 광선이 광학부재로 진입하거나 광학부재로부터 방출될 때 발생한다.
상기 발광 다이오드 칩(21)과 광학부재(1) 사이에 하나의 갭(gab)(5), 예컨대 공기갭이 존재한다.
상기 갭(5)은 대안적으로 다른 기체로 채워질 수 있으며, 마찬가지로 상기 갭은 진공상태일 수도 있다.
도 5에 도시된 설계도에서 상기 광학부재(1)과 발광 다이오드칩(21)사이에 공기갭(5)이 존재한다. 도 4에 도시된 발광다이오드 칩(21)과 다르게 도 5에 도시된 발광 다이오드칩은 캡슐물질(24)을 구비하고 있으며, 특히 상기 캡슐물질(24)로 완전히 봉인되어, 습기 같은 외부의 영향으로부터 보호받는다. 그러나, 상기 캡슐물질(24)은, 상기 발광 다이오드 칩(21)의 주 반사면 위에 포함된 두께(241)가 발광 다이오드 칩의 최대 방계 범위의 0.2배와 같거나 작은 한, 상기 장치에서 결합 매질이 될 수 없다.
직사각형의 발광 다이오드 칩일 때, 양 쪽 칩 모서리 길이중 수평으로 더 긴 길이가 발광 다이오드 칩의 방계 범위에 대응한다. 일반적으로, 각각 마주보며 놓여 있는, 수평의 발광 다이오드 칩의 모서리간의 최대 간격은 상기 칩의 최대 방계 범위로서 선택될 수 있다.
예컨대 1 mm의 수평의 칩 모서리 길이(edge length)를 포함한 정사각형의 발광 다이오드 칩일 때, 상기 캡슐물질(24)이 발광 다이오드칩을, 특히 상기 칩의 복사 출력 영역을 실제적으로 평면으로 덮고 있는 한, 상기 캡슐물질(24)은 본 출원에서 결합매질로 볼 수 없다. 특히 상기 캡슐물질(24)이 가능한한 얇게 완성되는 경우 더욱 그러하며, 예컨대 그 두께(241)가 200 ㎛과 같거나 작은 경우에 그러하다. 이러한 조건일경우, 상기 캡슐물질(24)은 본 출원에서 결합매질이 될 수 없다.
이에 반해, 상기 두께가 200 ㎛보다 클 경우, 상기 캡슐물질(24)은 결합매질이 될 수 있으며, 그 결과, n 값은 상기 캡슐물질의 굴절률과 동일하게 결정된다.
도 6 부터 도 8까지는 결합매질의 다양한 실시예를 제시한다. 도 6에 도시된 실시예에서 결합매질은 예컨대 발광다이오드 칩을 상기 광학부재(1)의 반 전자 몸 체에 인접하여 광학적으로 결합시켜주는 결합물질로 구성되어 있다. 상기 결합물질은 예컨대 투광성의 겔(gel)로서, 상기 겔의 굴절률은 광학 부재(1)의 반전자 몸체의 굴절률 또는 발광 다이오드 칩(21)의 반도체물질의 굴절률에 맞추거나, 상기 두 물질의 굴절률 사이값을 가진다. 상기 겔에 대해 대안적으로 예컨대 에폭시 수지 혹은 래커(lacquer) 물질을 적용해도 된다.
상기 결합 매질(6)의 굴절률은, 바람직하게는, 상기 광학부재(1)의 반전자 몸체의 굴절률과 상기 발광다이오드칩(21)의 반도체 물질 사이에 존재하는 값으로서, 중요한 것은 1보다 훨씬 큰 값이라는 것이다. 예컨대 결합 매질을 위한 결합물질에 적용할 때, 상기 결합물질의 굴절률은 1.3보다 크며, 더 바람직하게는 1.4보다 큰 것이다. 이를 위해 예컨대 실리콘이 고려될 수 있다. 하지만 다른 재질 예컨대 액체도 결합매질로서 가능하다. 예컨대 물은 약 1.3보다 큰 굴절률을 가지므로, 기본적으로는 결합매질로서 적합하다.
도 7에 도시된 실시예에서 결합매질(6)을 구성하는 결합물질은 발광 다이오드 칩(21)위에 형성된다. 예컨대 직선형 소자들은 상기 발광 다이오드 칩(21)의 주 반사면위에 안착되는데, 예컨대 상기 소자들이 에폭시 수지 혹은 실리콘 포함 물질로 형성되었다면, 상기 소자를 이용하여 발광 다이오드 칩(21)으로부터의 복사 출력 및 반전자 광선이 광학 부재(1)안으로 결합되는 것이 증가한다.
도 6에 도시된 직선형 소자는, 도 6에 도시된 결합 물질과 유사하게, 발광 다이오드 칩으로부터 방출되는 광선추의 에텐듀에 영향을 미친다. 상기 직선형 소자는 상기 발광 다이오드 칩(21)의 에텐듀를 증가시켜주기 위해, 비-평면이거나 혹 은 비평면의 커버링(covering)을 한다. 상기 에텐듀의 증가된 값은 대략 직선형 소자의 굴절률의 제곱에 해당한다. 이와 관련하여 직서형 소자의 영향력은 도 6에 기술된 결합물질의 영향력에 견줄만하다. 차이가 있다면, 비평면의 커버링을 적용하면, 상기 커버링으로부터 광선이 방출할 때와 상기 광선이 광학 부재로 진입할 때, 예컨대 도 7에 도시된 것처럼 추가적인 프레넬 손실이 발생한다는 것이다.
도 8에 도시된 실시예에서 결합매질(6)은 얇은 층의 접착소재로 구성되는데, 상기 접착소재를 이용하여 발광 다이오드 칩(21)은 상기 광학부재(1)의 빛 입구에 직접 인접하여 배치되어, 광학적으로 상기 광학부재(1)에 결합되고, 이는 도 6에 설명된 실시예와 유사하다.
0.7*(AM*sin2(α))/(AD*sin2(β)*n2)≤N≤1.3*(AM*sin2(α))/(AD*sin2(β)*n2)
다음에 제시될 표에서는 수 N, x 와 y의 산출을 위한 예시가 제시된다. 상기 감광영역은 각각 12°의 최대 반사각(α)을 가진다. 박막-발광 다이오드 칩은 90°의 최대 방출각을 가지며, 1 ㎜의 칩 모서리 길이를 가진 정사각형 형태를 포함한다. 상기 발광 다이오드 칩은 결합매질로부터는 분리되어 있으며, 발광 다이오드 칩과 광학 부재사이에 하나의 갭이 존재한다. 그렇다면 n=1 이다.
상기 박막층은 두께가 10 ㎛이며, 상기 박막층의 측면은 한 평면당 0.04 ㎟으로 주어진다. 그러나, 상기 측면위에서는 발광 다이오드 칩의 총 광선량의 1%보다도 적게 방출되므로, 상기 측면은 특히 상기 실시예에서 무시해도 좋다. 그래서 상기 복사 출력 영역 AD는 이러한 실시예에서 1.0 ㎟이 된다. 대안적으로, 박막층의 측면을 고려했을 때, 상기 복사 출력 영역 AD는 이러한 실시예에서 1.4 ㎟가 된다. 하지만 측면을 무시하는 것이 바람직하다.
"Qu. N"은 (AM*sin2(α))/(AD*sin2(β)*n2)의 몫이며, "Qu. x"는 (1M*sin(α))/(1D*sin(β)*n)의 몫이며, "Qu. y"는 (bM*sin(α))/(bD*sin(β)*n)의 몫이다.
1M[㎜] bM[㎜] Qu. N Qu. x Qu. y N x y
1. 10.16 7.62 3.35 1.58 2.11 4 2 2
2. 11.10 6.23 2.98 1.29 2.3 3 1 3
3. 16.26 12.19 8.57 2.53 3.38 9 3 3
4. 16.26 12.19 8.57 2.53 3.38 6 2 3
5. 17.71 9.96 7.63 2.07 3.68 6 2 3
6. 17.71 9.96 7.63 2.07 3.68 8 2 4
예시 1과 예시 2에서는 0.5 촐(Zoll)의 광 모듈레이터를 다룬다. 즉 상기 감광영역의 단면적이 대각선으로 0.5 촐이다. 이 때 1 촐은 25.4 ㎜와 동일하다. 예시 1에서 감광영역의 단면적의 넓이와 길이는 3:4의 비율이며, 예시 2에서는 9:16의 비율을 갖는다. 획기적으로, 예시 1에서 발광 다이오드 칩의 수 N은 3.22 +/- 30% 의 수치가 가능한데, 길이와 넓이를 고려했을 때 상기 수 N은 4가 합리적인 수치이며, x와 y는 바람직하게 각각 2 로 선택된다. 즉 발광 다이오드 칩의 2*2 매트릭스 구조는 예시적으로 본 발명에서 효과적일 수 있다.
예시 2에서 N은 2.86 +/- 30% 범위의 값을 갖는데, 상기 값의 영역은 더 작을 수도 있다.
예컨대 여기서 발광 다이오드 칩의 1*3 매트릭스 구조가 적용될 수 있다.
예시 3부터 예시 6까지는 각각 0.8 촐의 광 모듈레이터를 다루는데, 이 때 상기 감광영역의 단면적의 넓이와 길이는 예시 3과 예시 4에서는 3:4의 비율을, 예시 5와 예시 6에서는 9:16의 비율을 갖는다.
특히 바람직하게 적합한 시스템을 달성하려면, 수 N을 정하고, 발광 다이오드 칩의 크기가 상부 관계식에 따라 산출되는 것이다. 예컨대 0.5 촐의 광 모듈레이터는 3:4 비율의 넓이와 길이를 포함하고, 12°의 최대 수용각을 포함하며, 1.06 ㎜의 칩 모서리 길이와 0.8 ㎜의 칩 모서리 넓이를 가진 칩 4개를 포함할 수 있다. 즉 상기 칩은 직사각형이다. 발광 다이오드 칩의 수 N을 6으로 하고, 최대 수용각이 15°로 가정하면, 상기 경우의 광 모듈레이터일때 칩 모서리 길이는 1.0 ㎜이며, 칩 모서리 넓이는 0.875 ㎜이다.
이러한 실시예들 각각에서 n=1 이다. 즉 발광 다이오드 칩은 결합 매질로부터 분리되어 있다는 말이다. 발광 다이오드 칩이 결합 매질을 구비하고, 굴절률 n=2 인 물질을 포함한다면, 위에 산출된 칩의 길이와 넓이는 반정도의 크기만을 갖는다. 이러한 경우는 확실히 더 적은 발광 다이오드 칩을 적용하는 데 있어 더 효과적이다.
이에 따라 그러한 경우를 상부의 표에 적용하면, 박막층의 측면은 무시될 수 없다. 즉 AD는 1.04 ㎟이 된다. "Qu. N"은 다만 약간의 차이만이 발생되며, 그 결과가, 이러한 실시예에서, 수 N을 위해 선택된 가능성에 영향을 주지는 않는다.
1M[㎜] bM[㎜] Qu. N Qu. x Qu. y N x y
1. 10.16 7.62 3.22 1.58 2.11 4 2 2
2. 11.10 6.23 2.86 1.29 2.3 3 1 3
3. 16.26 12.19 8.24 2.53 3.38 9 3 3
4. 16.26 12.19 8.24 2.53 3.38 6 2 3
5. 17.71 9.96 7.33 2.07 3.68 6 2 3
6. 17.71 9.96 7.33 2.07 3.68 8 2 4
도 10에 도시된 광원은 적어도 하나의 발광 다이오드 칩(21)을 포함하며, 상기 발광 다이오드 칩은 지지대(23)위에 적층된다. 광원의 지지대(23)는 칩 지지대(232)를 포함하며, 상기 칩 지지대(232)위에, 예컨대 납땜(soldering)을 이용하여, 발광 다이오드 칩(21)이 조립된다. 칩 지지대는 예컨대 전기적으로 절연된 물질로 구성되는데, 상기 물질은 바람직하게는 높은 열전도성을 가진다. 상기 물질은 예컨대 규소, 알루미늄 질소화합물, 규소 탄소 화합물, 붕소 질소 화합물, 표면이 산화한 규소, 다이아몬드, 플라스틱-탄소섬유 화합물, 유리-탄소섬유 화합물 및/또는 유리-다이아몬드 부분 화합물을 포함한다.
상기 칩 지지대(232)는 열전도성 기판(231)위에 안착한다. 상기 열전도성 기판은 예컨대 전도성 물질을 포함하거나 혹은 전도성 물질로 구성될 수 있다. 가능한 물질로는 예컨대, 구리, 알루미늄, 마그네슘 및/또는 CMC(구리-몰리브덴-구리-층위)가 될 수 있다. 상기 열전도성 기판(231)은 상기 발광 다이오드 칩(21)의 구동중에 상기 칩으로부터 생성되는 열을 위한 히트 싱크(heat sink)로서 기능한다. 상기 칩 지지대(232)는 열전도성이 양호한 물질로 구성되며, 바람직하게는 열전도성 기판(231)에 직접 인접하여 결합된다.
예컨대, 상기 칩 지지대(232)위에 금속배선(metallization)이 형성될 수 있는데, 상기 금속배선을 이용하여 예컨대 칩 접촉(contact)면 및/또는 도전로(conductive path)가 발광 다이오드 칩(21)의 접촉(contact)을 위해 형성된다. 발광 다이오드 칩의 전기적 연결면은 열전도성 전선(231)과 전도성으로 결합하여, 이는 추가적으로 전극으로서 기능한다.
대안적으로, 상기 열 전도성 기판은 전기적으로 절연된 층(239)을 구비하는데, 상기 절연층위에 다시금 전도성 물질의 얇은 층이 적층될 수 있다. 상기 전도성 물질은 예컨대 에칭(etching)을 이용하여 상기 도전로쪽으로 구성될 수 있으며, 이에 대해서는 도 19, 도 20및 도 21을 참조한다. 바람직하게는, 전기적으로 절연된 층과 얇은 전도성 층이, 발광 다이오드 칩(21)과 칩 지지대가 열전도성 기체위에 직접적으로 조립되어 있는 영역으로부터 분리되어 있다. 이를 통해 상기 발광 다이오드 칩의 열 방출 및 광선 방출은 현저히 증가한다. 상기 칩지지대가 절연층위에 안착되는 경우와 비교할 때, 방출되는 광선 집적도가 35%증가하는 것이 달성된다. 이와 같은 방식의 구조를 포함한 광원은 예컨대 도 19부터 도 21까지 각각 도시되어 있다.
도 11에 도시된 실시예에서는 상기 광원이 DCB(Direct Copper Bonding)-지지대를 포함한다. 상기 실시예는 전도성의 외피(234)를 구비한 지지중심(233)을 포함한다. 상기 외피(234)는 예컨대 구리를 포함하거나 구리로 구성되어 있다. 상기 지지중심(233)은 바람직하게는 전기적 절연 물질로 구성되며, 따라서 전도성 외피가 형성되고, 이로써 상기 광원(2) 및 상기 발광 다이오드 칩(21)을 위한 상기 도전로를 향하여 구성된다.
예컨대, 상기 지지중심(233)은 AIN, Al2O3, SiC, BN, 다이아몬드, 유리 섬유(glass fiber) 화합물, 플라스틱 섬유화합물, 탄소섬유 화합물, 유리-다이아몬드 화합물 중의 한가지 물질을 포함하거나 그러한 물질들중 하나로 구성된다. 특히 바 람직하게는 상기 지지중심(233)을 위한 물질로 알루미늄 질소 화합물 및/또는 산화알루미늄이 있다.
도 12에 도시된 설계도에서 상기 광원(2)은 광원모듈로서 형성되는데, 플러그(25)를 포함하고 있다. 상기 광원(2)은 대응하는 플러그를 이용하여 간단하게 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 광원의 지지대(23)는 예컨대 도 11에 도시된 대로 형성되어 있다. 상기 외피물질(234)은 도전로(26)쪽으로 형성된다. 상기 도전로를 이용하여 발광 다이오드 칩은 상기 플러그(25)와 전도성으로 결합한다.
상기 광원(2)의 전기 회로가 포함하는 구성요소(27)는 발광 다이오드 칩의 정전기 방전(Electro Static Discharge)을 보호하기 위해 제공된다(ESD-보호). 상기 구성요소(27)는 예컨대 배리스터(varistor), 콘덴서(condensers) 또는 다이오드일 수 있다. 이들은 예컨대 발광 다이오드 칩과 평행하게 혹은 비-평행하게(이는 다이오드 같은 구성요소의 예기치 못한 투과방향에 관련된다) 연결된다. 상기 광원(2)의 지지대(23)는 조립홀(montage hole)(28)을 포함하며, 상기 조립홀을 이용하여 상기 광원모듈이 기술적으로 간단하게 메카니즘적으로 조립될 수 있고, 예시적으로 은못(dowel)및 대응하는 고정부재가 적용될 수 있다.
상기 광원(2)의 발광 다이오드 칩 상부로 다수의 광학 부재(1)가 배치되는데, 상기 광학부재는 예컨대 일체형으로 형성된다. 상기 광학부재(1)는 CPC 방식으로 형성되고, 본체(11)는 각각의 광학부재(1)를 위하여 별도의 캐비티를 설정하고, 상기 캐비티의 내벽은 광원으로부터 방출되는 광선에 대해 반사작용을 한다.
상기 광원(2)의 각각의 발광 다이오드 칩은 예컨대 단일의 광학부재(1)에 배 치될 수 있다. 상기 광학부재의, 발광다이오드 칩을 향한 광선 입구는 광선 진입 개구부를 포함하는데, 상기 개구부의 측면은 발광 다이오드 칩의 모서리의 수평 길이에 대응하는 값의 1.5 보다 작거나 같을 수 있으며, 바람직하게는 1.25 보다 작거나 같다. 같은 방식의 작은 광선 입구를 상기 발광 다이오드 칩에 최대한 인접하여 배치한다면, 발광 다이오드 칩으로부터 방출되는 광선의 산란이 효과적으로 감소하며, 높은 휘도를 가진 광선추가 생성된다.
각각의 발광 다이오드 칩에 단일의 고유한 광학 부재(1)가 배치되는 대신, 상기 광학부재(1)가 다수의 발광 다이오드 칩(21)에 구비될 수 있으며, 이는 도 13에 도시되어 있다. 상기 광학부재는 또한 CPC 방식으로 형성되고, 본체(11)는 반사 내벽을 포함한 캐비티를 설정한다. 상기 광학부재(1)는 예컨대 6개의 발광 다이오드 칩(21)을 위해 구비될 수 있다.
가능한한 효율성을 높이기 위해서, 상기 발광 다이오드 칩(21)이 최대한 상호간에 인접하여 배치될 수 있다. 인접한 발광 다이오드 칩(21)은 예컨대 50 ㎛ 와 같거나 작은 간격으로 배치될 수 있다. 특히 더 바람직하게는 인접한 발광 다이오드 칩이 실제적으로 간격이 없는 것이다.
상기 광학 부재(1)의 광선 입구와 광선 출구는 예컨대 각각 직사각형 형태를 포함할 수 있다. 상기 광선 입구는 대안적으로 또한 실제적으로 정사각형의 단면적을 포함할 수도 있다. 다수의 발광 다이오드 칩을 위해 구비된 단일의 광학 부재를 가지고도, 각각의 발광 다이오드 칩에 다수의 광학 부재가 구비된 경우와 동일하게 빛의 산란을 감소시키려면, 상기 광학 부재는 다수의 광학 부재보다 현저하게 더 긴 길이를 가져야 한다.
상기 광학 부재(1)로부터 방출되는 광선추가 최대 원추각 θ를 포함한다면, 집광기 방식으로 형성된 광학 부재의 고정된 최소길이값이 언제나 필수적으로 요구되며, 상기 최소 길이는 광선 입구의 상응하는 범위 α와 연관된다. 이상적으로 적합한 파라볼릭 집광기라면 다음의 수식이 해당된다.
1= α/2(1+Sin θ)*cos(θ)/sin2(θ)
이 때, 1은 상기 광학부재(1)의 최소길이를 의미한다. 상기 최대 원추각이 15°라면 상기 광학부재(1)의 길이는 광선 입구의 길이보다 대략 9배 정도 길어야 한다. 최대 원추각이 9°라면, 상기 광학부재의 길이는 약 23이며, 원추각이 20°라면 5.5배의 길이가 필요해진다. 집광기의 실시예가 정확할수록 상기 최소길이(1)는 대안적으로 또한 최적합한 길이로서 구비될 수 있으며, 이 때 특히 약 10%까지 또는 약 20%까지 그 길이가 초과할 수도 있다.
상기 광학부재(1)의 빛 입구가 작을수록, 자체의 광축을 따른 광학부재의 길이는 더 작아진다. 이는 방출되는 광선추를 위한 특정한 최대 반사각에 도달하기 위함이다. 이에 반해, 상기 광학부재가 다수의 발광 다이오드 칩을 위해 구비될 경우, 즉 더 길어진 광선 입구를 가질 경우, 상기 광학부재의 조립은 다수의 칩에 비해 비교적 어렵지 않다. 특히 바람직하게는, 광원 마다 적어도 2개의 광학 부재가 구비되는 것으로서, 상기 광학 부재 각각에 다수의 발광 다이오드 칩이 배치될 수 있다.
상기 광학부재는 상기 광선 출구의 측면에서 실제적으로 직사각형의 단면적을 포함한다. 이를 통해 상기 광학부재 내부에서 광선추의 단면적은 같은 방식으로 형성되고, 적어도 부분적으로는 광 모듈레이터의 감광영역의 단면적에 맞춰진다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 광학 부재는 정사각형의 단면적을 가진 광선 입구를 포함한다. 상기 정사각형의 단면적은 발광 다이오드 칩(23)의 정사각형 배열을 위해 구비되며, 예컨대 도 24부터 도 27까지 2*2 구조의 발광 다이오드 칩으로 도시되어 있다. 상기 광선 입구의 단면적은 대안적으로 또한 직사각형일 수 있다.
추가적으로 혹은 대안적으로, 상기 광학 부재는 제1의 면(plane)을 따라 예컨대 11.5°의 최대 반사각을, 제2의 면을 따라 예컨대 15.5°의 최대 반사각을 갖는다. 여기서 상기 광선 입구 측면의 정사각형 단면적은 광선 출구로의 진행에 따라 직사각형의 단면적으로 바뀌게 되는데, 이 때 상기 직사각형 단면적은 약 10*7.5 mm의 범위를 갖는다. 특히 상기 광학부재에서 각각 마주 놓여 반사하는 면들의 제1의 쌍은 상기 면들의 제2의 쌍보다 더 급속한 진행을 포함한다. 예시적으로 도 16에 혹은 도 33B에 도시된 광학부재(1)가 그러한 방식으로 형성된 것이다.
CPC 방식의 집광기의 대안으로서, 상기 광학부재(1)는 예컨대 광선 입구로부터 광선 출구까지가 직선형으로 진행하는 측벽을 포함할 수 있다. 예컨대 그러한 방식의 광학 부재(1)가 도 15, 28, 33C 그리고 33D에 도시되어 있다.
이는 원뿔대 형식의 기본형을 포함한 반전자 집광기 혹은 상응하는 캐비티가 설정된 본체(11)를 포함하는 집광기에 대한 것이다. 이러한 방식의 집광기를 사용 할 때, 광선 출구는, 바람직하게는, 구면렌즈(spherical lens) 혹은 비구면렌즈(asphrical lens)를 구비하고, 상기 렌즈의 방식에 따라 외부를 향하여 아치형으로 형성된다.
구면 아치형과 비교했을 때 비구면 아치형의 장점은, 비구면 아치형이 예컨대 상기 광학 부재(1)의 광축으로부터의 거리를 감소시킨다는 것이다. 이를 통해 광선추의 빛의 산란이 상기 광학 부재(1)로 인하여 감소될 수 있으며, 상기 광선추는 정형의 광선파장이 아니라, 확실한 범위를 포함한 광선파장이라는 점이 고려된다.
상기 광학 부재는, CPC 방식의 광학부재와 비교했을 때, 광선추의 빛의 산란이 비슷하게 감소되면서, 동시에 상기 광학부재의 공간높이(headway)가 현저히 감소한다는 장점이 있다. 상기 광학 부재의 또 다른 장점은, 광학 부재의 직선형 측면이 예컨대, 사출성형 혹은 이송성형 같은 인젝션(injection) 방법을 이용하여 더 간단하게 제조될 수 있다는 점이다. 반면 CPC-방식의 집광기를 사용시 아치형 측면을 형성하는 것은 더 어려울 수 있다.
상기 광학부재(1)가 본체(11)를 포함한 캐비티 리플렉터(cavity reflector)로서 형성되는 경우에, 상기 광학 부재는 상기 본체(11) 상부에서 상기 광원(2)에 인접하여 고정되거나 비교적 상기 광원(2)을 향하여 배치된다.
상기 광학 부재가 캐비티 리플렉터로서 형성된 실시예는 도 12, 도 13, 도 33B, 및 도 34C에 도시되어 있다.
이에 반해, 상기 광학 부재(1)가 반전자 집광기 방식으로 형성된 경우에는, 상기 광학 부재(1)를 상기 광원(2)위에, 혹은 비교적 상기 광원쪽을 향하여 배치함에 있어서, 일반적으로 추가적인 고정장치가 필요하다. 반전자 집광기 방식으로 형성된 상기 광학부재의 예시는 도 14부터 도 17, 23, 28, 33A, 33C, 34A, 및 34D에 도시되어 있다.
도 23, 28 및 도 14부터 도 16까지 도시된 광학 부재는 고정부재(12)를 포함하는데, 상기 고정부재는 상기 광학 부재 및 광학부재의 광선 출구에 근접하여, 반 전자 몸체(13)로부터 연장되고, 측면은 상기 몸체(13)로부터 돌출하여 상기 본체(13)와 간격을 두고, 광선 입구의 방향쪽으로 진행한다.
상기 고정부재(12)는 예컨대 기둥모양의 부재를 포함하며, 상기 고정 부재 위에 광학 부재가 안착하고 이로써 비교적 광원(2)쪽을 향하여 배치될 수 있다. 이에 대해서는 도 15와 도 16에 예시되어 있다. 상기 고정부재(12)의 대안으로, 벽(wall) 모양의 버팀목을 포함할 수도 있는데, 상기 버팀목이 상기 광학 부재를 적어도 부분적으로 측면에서 둘러싸며, 이에 대해서는 도 14와 도 23에 예시되어 있다.
상기 고정부재(12)에 대한 또 다른 대안으로서, 상기 광학 부재(1)는 별도의 고정장치를 이용해서 조립되어 배치될 수 있다. 예컨대 상기 광학부재는 별도의 구획으로 삽입된다.
상기 발광 다이오드 칩은 예컨대 칩 패키지(235)내부에 조립되는데, 이는 도 29부터 도 32까지 예시되어 있다. 상기 칩 패키지(235)는 예컨대 지지대(23)와 상기 광원(2)위에 조립되거나 혹은 그 자체가 이미 상기 광원(2)을 형성한다. 상기 광원(2)은 전도성으로 접촉될 수 있고, 구동중에 전자기 광선을 방출한다. 상기 지지대(23)위에 단일의 또는 다수의 칩 패키지(235)가 조립되어 있는 광원(2)의 경우는 도 18내지 도 28에 도시되어 있다.
상기 칩 패키지(235)는 칩 지지대(232) 및 패키지 프레임(236)을 포함한다. 상기 칩 지지대(232)는 적어도 단일의, 바람직하게는, 다수의 칩 연결 영역(237) 및 도전로(238)를 형성하는 금속배선을 포함한다. 두 개의, 각각 마주놓인 측면위에, 상기 칩 지지대(232)는 패키지 프레임 물질로부터 분리되어 있으며, 따라서 상기 도전로(238)는 이 지점에 인접하여 통과가능하고, 전도성으로 접촉할 수 있다.
상기 칩 패키지(235)는 이음새 없이 형성될 수 있는데, 따라서 패키지 프레임(236)과 칩 지지대(232)는 일체형으로 형성된다. 이는 예컨대 칩 패키지를 위한 물질로 케라믹(ceramic)을 적용할 때 가능하며, 이 때 케라믹 물질이 연소되어 경화되기 전에, 상기 패키지 프레임(236)은 칩 지지대(232)위에 안착된다. 연소공정이 적합하면 상기 패키지 프레임(236)과 칩 지지대(232)는 하나로 결합된다. 이는 비 연소 상태에서 두 부분을 서로 잇닿아 압착해주는 것을 통해서도 지지될 수 있다.
대안적으로, 상기 칩 지지대(232)와 상기 패키지 프레임(236)은 각각 별도로 형성된다. 상기 패키지 프레임(236)은 이러한 경우 상기 칩 지지대(232)위에 접착된다.
상기 칩 지지대(232) 및/또는 상기 패키지 프레임(236)은 예컨대 알루미늄 질소 화합물, 산화 알루미늄, 유리 세라믹, 유리 및/또는 금속을 포함한다. 상기 패키지 틀은 플라스틱으로 구성되거나 혹은 플라스틱 소재를 포함한다. 상기 플라스틱 소재는 칩 지지대(232)와 비슷한 열 팽창계수를 가지고, 바람직하게는 양호한 반사작용을 하는 물질로 코팅되어 있다. 원칙적으로 상기 패키지 프레임은 바람직하게는 하얀색으로 채색되거나 혹은 하얀색 또는 그 밖의 반사작용하는 물질로 코팅된다.
상기 칩 접촉 영역(237)과 도전로(238)는 예컨대 도금 코팅 같은, 금속 코팅으로 형성된다. 이는 도 29와 도 32에 도시된 칩 패키지의 경우에 그러하다.
도 30에 도시된 칩 패키지(235)는 칩 접촉 영역(237)을 포함하는데, 상기 칩 접촉 영역(237)은 납땜(soldering)으로 형성된다. 예컨대 상기 칩 접촉 영역은 각각 다수의 작은 솔더링 범프(soldering bump)로 설정된다.
상기 도전로(238)는 예컨대 알루미늄을 포함하거나 혹은 알루미늄으로 구성된다. 이는 알루미늄이 칩 접촉 영역의 납땜을 위한 중지점(stopping point)으로서 기능한다는 장점이 있다.
도 31에 도시된 칩 패키지(235)는 도전로(238)를 포함하는데, 상기 도전로(238)는 서로 다른 물질로 형성된 섹션을 포함한다. 첫번째 섹션(2381)은 예컨대 납땜의 중지점으로 기능할 수 있는 알루미늄을 포함하고, 두번째 섹션(2382)은 또 다른 금속, 예컨대 금을 포함한다. 첫번째 섹션(2381)을 통하여 예컨대 합선의 위험이 감소될 수 있다. 그 외에도 상기 납땜의 중지점은 발광 다이오드 칩의 조립을 위해 구비된 땜납이 상기 도전로를 젖게 하여, 금 접촉에 손실을 끼치거나, 용해시키는 것을 예방한다.
상기 패키지 프레임은 칩 패키지(235)에 조립된 발광 다이오드 칩이 포팅 화합물(potting compound)을 구비하는 데 적합하다. 이 때, 예컨대, 칩 프레임의 내부영역은 적어도 부분적으로 포팅 화합물로 채워져 있다. 상기 포팅 화합물은, 한편으로는, 상기 발광 다이오드 칩(21)을 봉인하여, 외부의 영향으로부터 보호받도록 하는데 기여한다. 추가적으로 혹은 대안적으로, 상기 화합물은 그러나 단일의 혹은 다수의 형광체(phosphor)를 위한 매트릭스 물질로서 기능할 수도 있으며, 따라서 상기 포팅 화합물은 발광 변환 소자를 형성한다. 대안적으로 상기 발광 변환 소자는 상기 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역위에 얇은 층으로서 직접 적층된다.
바람직하게는, 광원의 다양한 발광 다이오드 칩이 서로 다른 발광 변환 소자를 구비한다. 즉 발광 변환 소자는 서로 다른 형광체 혹은 형광체 혼합물을 포함한다. 예컨대 4개의 발광 다이오드 칩(21)이 청색으로 방출되는 형광체 1개, 적색으로 방출되는 형광체 1개, 녹색으로 방출되는 형광체 2개를 구비한다면, 이는 녹색으로 방출되는 형광체일 때와 동일한 경우로 다루어질 수 있다.
청색으로 방출되는 형광체 대신에 청색으로 방출되는 발광 다이오드를 적용할 수 있으며, 상기 발광 다이오드는 발광 변환 소자를 구비하지 않는다.
발광 물질의 적용시, 전자기파를 방출하는 발광 다이오드 칩이 적용될 수 있는데, 상기 광선의 파장은 적어도 부분적으로는 가시적 스펙트럼의 외부에 존재한다. 예컨대 상기 발광 다이오드 칩은 AlInGaN으로 구성되고, 구동중에 자외선 영역으로부터 전자기파를 방출한다.
상기 발광 변환 소자를 위해서는 LED의 적용시 알려진 모든 컨버터(converter)가 적합하다. 컨버터로서 적합한 형광체와 형광체 혼합물의 예시는 다음과 같다:
- 예컨대 독일출원 DE 10036940 및 그것의 종래 기술에 개시되어 있는 염소규산염,
- 예컨대 국제공개번호 WO 2000/33390 및 그것의 종래 기술에 개시되어 있는 오르토 규산염(ortho silicates), 황화물, 티오산 금속, 바나륨산염(vanadate),
- 예컨대 미국특허출원번호 US 6616862 및 그것의 종래기술에 개시되어 있는, 알루민산염, 산화물, 할로 인산염(halo-phosphate),
- 예컨대 독일출원 DE 10147040 및 그것의 종래기술에 개시되어 있는 질산염, 질산화물, 실리콘 알루미늄 산화물(silicon aluminium oxynitride),
- 예컨대 미국특허공개번호 US 2004-0062699 및 그것의 종래기술에 개시되어 있는 야그(YAG): 세륨(Ce) 같은 희토류 또는 알칼리토류 요소의 석류석.
도 22A 부터 도 23까지 도시된 상기 광원(2)은 예컨대 위에 상술한 방식으로 주조된 발광 다이오드 칩(21)을 포함한다. 상기 도면에 도시된 칩 패키지(235)의 패키지 프레임은 상기 발광 다이오드 칩(21) 상부의 상기 광학 부재(1)를 조정하기 위한 조정 보조제로서 기능하도록 형성된 여백을 포함한다.
상기 칩 프레임의 형태는 정사각형 혹은 직사각형의 기본형을 포함하는데, 이 때 정사각형 혹은 직사각형의 모서리는 둥근, 예컨대 원형의 형태로 적층되며, 따라서 상기 광학부재(1)의 모서리가 기술적으로 간단하게 패키지 프레임으로 진입 될 수 있으며, 이 때 상기 여백은 둥글게 확장됨으로써 실행된다.
대안적으로 또한, 상기 광학 부재(1)는 도 38에 도시된 일정한 단면적, 혹은 도 37에 도시된 것처럼 빛 출구쪽으로 확대된 단면적을 포함한 광섬유(optical fiber)로서 형성될 수 있다. 상기 광섬유는 상기 광원(2)의 빛 혼합에 기여하고, 동질적으로 조사(illuminating)하는 광선추를 향하여 진행하는데, 특히 상기 광원이 서로 다른 색의 빛을 방출하는 발광 다이오드 칩(21) 및/또는 서로 다른 색의 빛을 방출하는 발광 변환 소자를 포함할 때 그러하다.
특히 바람직하게는, 상기 광섬유의 광선 출구가 예컨대 영사 렌즈를 이용하여 형성되었을 때, 상기 광선추는 이 지점에서 상기 광섬유로 인하여 다량으로 혼합된다. 그에 반해 상기 광선추로부터의 간격이 증가하면서 광선추의 분해가 증가하는 것이 관찰될 수 있다.
상기 광섬유는 예컨대 짝수의 다각형 형태를 가진 단면적을 포함하며, 특히 빛 입구로부터 빛 출구까지 이어져 직선으로 진행하는 부분면을 포함한다. 또한 상기 광섬유는 고정부재(12)를 구비할 수 있는데, 상기 고정부재는 빛 출구의 측면에서, 본체로부터 측방향으로 연장되고, 본체와 간격을 두고 급경사를 형성하며, 빛 입구 방향으로 진행한다. 상기 본체와 고정부재(12)는 바람직하게는 동일한 물질로 구성되며, 특히 바람직하게는 일체형으로 형성된다.
도 40에서는 상기 고정부재(12)가 상기 광섬유로부터의 광선 방출에 어떤 영향을 미치는지를 명백히 보여준다. 도 40은 상기 광섬유의 광축과의 간격에 의존하는 광도 분포를 나타내는데, 이 때 실선은 도 37에 도시된 것처럼 고정부재를 포함 하지 않은 광섬유 뒤에서, 빛 진행시 광선 집적도의 측정수치이고, 점선은 도 39에 도시된 것처럼 고정부재를 포함한 광섬유를 적용했을 시의 휘도 측정 수치를 반영한다. 커브곡선은 상기 고정부재(12)가 혼합을 위해 적용한 광섬유로부터의 복사 출력에 그다지 영향을 끼치지 않음을 보여준다.
고정부재를 포함한 혼합기는 또한 도 36에 도시되어 있다. 도 35에 도시된 실시예에서 상기 광섬유(1)는 주사위 모양을 포함한다. 이러한 광학 부재일 때, 상기 고정부재는 빛 입구에 인접하여, 광섬유의 본체로부터 연장되고 있으며, 위에 논의된 예시들과는 차이가 있다.
도 14부터 16, 18, 19, 28, 33C, 36에 도시된 상기 광원(2)은 광원의 전기적 연결을 위한 플러그(25)를 포함하고, 반면, 도 20과 21에 도시된 광원(2)은 다수의 전자 접촉 핀(29)을 포함하며, 상기 핀은 광원(2)이 단일 또는 다수의 대응하는 플러그와 전기적으로 연결되도록 하는데에 적합하다.
또 다른 실시예는 도 22A, 도 23 및 35에 도시되어 있다. 상기 도면들에 도시된 광원(2)은 전기 접촉면(291)상부에 전도성으로 연결된다. 이는 예컨대 납땜을 이용하여 가능하다.
상기 출원에서 기술된 다양한 특징들 및 부재들은 비록 특히 영사장치에서 시너지효과를 얻을 수 있긴 하지만 영사장치의 적용에만 제한되는 것은 아니다. 상기 다양한 특징들과 부재들은 각각 그 자체가 고유한 발명으로 기술될 수 있으며, 서로 다른 영역에서 적용될 때에도 적합할 수 있다. 따라서 상기 광원(2)은 예컨대 탐조등 출원 혹은 공공 조명을 위해 적용될 수 있다. 상기 광학부재들은 이미 그러 한 것들로서 하나의 고유한 발명이 될 수 있으며 다양한 목적을 위해 적용될 수 있다. 이는 발광 변환 소자의 배치와 적용 혹은 상기 광원을 위한 지지대의 구조, 칩 패키지, 상기 광원 내부의 발광 다이오드 칩의 배열 혹은 상기 광학 부재의 배치에 있어서도 동일하다.
특징들의 가능한 조합은 또한 전술한 실시예에 제한되지 않고, 다양하게 변경 또는 변형될 수 있다. 본 발명은 각각의 새로운 특징 및 특징들의 각각의 조합을 포함하며, 특히 특징들의 각각의 조합에 대해서는 청구항에 포함되어 있다. 비록 이러한 특징들 혹은 조합 그 자체가 청구항 혹은 실시예에 명백하게 제시되어 있지 않다 하더라도 말이다.

Claims (25)

  1. 조사 단면적(cross-sectional area to be illuminated) AM과 입사광의 최대 입사각 α를 포함하는 감광영역을 나타내는 광 모듈레이터(light modulator)와 적어도 하나의 광원을 포함하는 장치에 있어서, 상기 광원을 이용해 상기 장치의 구동시 상기 감광영역의 조사 단면적을 위해 광선추(cone of light)가 생성되고, 상기 광원은 복사 출력 영역 AD와 최대 반사각 ß를 가진 N개의 발광 다이오드 칩을 포함하고,
    - 상기 발광 다이오드 칩과 상기 광 모듈레이터 사이의 광로(light way)에 적어도 하나의 광학 부재(optical element)가 배치되고,
    - 상기 발광 다이오드 칩과 상기 광학 부재 사이의 광로에 기체로 채워진 하나의 갭(gap)이 존재하고,
    - 상기 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역 AD는 결합매질(coupling medium)로부터 분리되어 있으며,
    -0.7*(AM*sin2(α))/(AD*sin2(β)*n2)≤N≤1.3*(AM*sin2(α))/(AD*sin2(β)*n2)일 때, n=1 임을 특징으로 하는 영사장치.
  2. 조사 단면적 AM과 입사광을 위한 최대 수용각 α를 가진 감광영역을 포함하 는 광 모듈레이터와 적어도 하나의 광원을 구비하는 영사장치에 있어서, 상기 광원을 이용하여 상기 장치의 구동중에 감광영역의 단면적을 조사(illuminating)하기 위한 광선추가 발생되고, 상기 광원은 복사 출력 영역 AD와 최대반사각 β를 가진 N개의 발광 다이오드 칩을 포함하고,
    - 상기 발광 다이오드 칩과 상기 광 모듈레이터 사이의 광로에 적어도 하나의 광학 부재가 배치되고,
    - 상기 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역 AD는 결합 매질을 구비하며,
    - 0.7*(AM*sin2(α))/(AD*sin2(β)*n2)≤N≤1.3*(AM*sin2(α))/(AD*sin2(β)*n2)일 때, n은 상기 결합매질이 되는 물질의 굴절률과 동일함을 특징으로 하는 영사장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 발광 다이오드 칩은 전자기파를 방출하는 활성영역을 가진 박막층을 포함하고, 상기 활성영역은 실제적으로 활성기판으로부터 분리되어 있으며, 주 반사면으로부터 전향된 측면에 리플렉터(reflector)를 구비하는 것을 특징으로 하는 영사장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광 모듈레이터의 감광영역의 단면적 AM은 길이 1M과 넓이 bM을 포함하 고, 상기 박막층의 주반사면은 길이 1D와 넓이 bD를 포함하며, 상기 발광 다이오드 칩이 x행과 y열의 매트릭스 구조로 배치될 때,
    0.7*(1M*sin(α))/(1D*sin(β)*n)≤x≤1.3*(1M*sin(α))/(1D*sin(β)*n) 및
    0.7*(bM*sin(α))/(bD*sin(β)*n)≤y≤1.3*(bM*sin(α))/(bD*sin(β)*n) 을 충족하는 것을 특징으로 하는 영사장치.
  5. 제1항 내지 제4항에 있어서,
    N, x, 혹은 y를 위해 가능한 값은 (AM*sin2(α))/(AD*sin2(β)*n2), (1M*sin(α))/(1D*sin(β)*n), (bM*sin(α))/(bD*sin(β)*n)에서 근사치 정수를 반올림하거나 혹은 버림한 것에 상응하는 몫과 동일함을 특징으로 하는 영사장치.
  6. 제1항 내지 제5항에 있어서,
    수 N, x, 혹은 y를 위해 가능한 값은 근사치 정수를 반올림하거나 혹은 버림한 것에 상응하는 몫과 동일함을 특징으로 하는 영사장치.
  7. 제1항 내지 제6항에 있어서,
    상기 발광 다이오드 칩의 주반사면은 실제적으로 직사각형 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 영사장치.
  8. 제1항 내지 제7항에 있어서,
    다수의 발광 다이오드 칩에 공통적으로 단일의 광학 부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 영사장치.
  9. 제1항 내지 제8항에 있어서,
    상기 발광 다이오드 칩을 적어도 2 그룹으로 나누고, 상기 그룹 각각에 단일의 고유한 광학 부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 영사장치.
  10. 제1항 내지 제9항에 있어서,
    상기 발광 다이오드 칩의 적어도 일부분에 단일의 발광 변환 소자가 뒤이어 배치되는 것을 특징으로 하는 영사장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 광원의 다양한 발광 다이오드 칩에 서로 다른 발광 변환 물질이 뒤이어 배치되는 것을 특징으로 하는 영사장치.
  12. 제1항 내지 제10항에 있어서,
    상기 광학 부재는 독창적인 집광기의 방식으로 형성되고, 종래 집광기의 적용방식과 달리, 상기 집광기가 빛의 복사를 위해 반대방향에 구비되는 것을 특징으 로 하는 영사장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 광학 부재는 CPC, CEC 또는 CHC 방식의 집광기임을 특징으로 하는 영사장치.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 광학 부재의 반사면은 부분적으로 혹은 완전히 자유형 평면으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 영사장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 광학 부재가 광선 입구와 광선 출구를 결합하는 측벽을 구비하고, 광선 입구와 광선 출구 사이에 위치한 상기 측벽위에서 진행하는 직접적 결합라인은 실제적으로 직선으로 진행하는 것을 특징으로 하는 영사장치.
  16. 제12항 또는 제14항에 있어서,
    상기 광학 부재는 캐비티가 설정된 본체를 포함하며, 상기 캐비티의 내벽은 적어도 상기 광원으로부터 방출되는 빛의 스펙트럼 부분영역을 반사하는 것을 특징으로 하는 영사장치.
  17. 제12항 또는 제14항에 있어서,
    상기 광학 부재는 반전자 집광기 방식으로 형성되고, 상기 집광기의 본체는 적합한 굴절률을 가진 반전자 물질로 전체가 형성되므로, 상기 광학 부재를 둘러싼 빛이 전반사로 인하여 상기 본체의, 광선 입구와 광선 출구를 결합하는 측 경계면에 인접하여 주변매질로 반사되는 것을 특징으로 하는 영사장치.
  18. 제12항 또는 제17항에 있어서,
    상기 광학 부재는 렌즈모양의 아치형 경계면을 가진 광선 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 영사장치.
  19. 제1항 또는 제11항에 있어서,
    상기 광학 부재는 불변의 단면적 혹은 빛 출구쪽으로 확대된 단면적을 가진 광섬유로서 빛의 혼합을 위해 형성되거나, 상기 광학부재에 상기방식의 광섬유가 적어도 하나는 빛 경로 내부에서 뒤이어 배치되는 것을 특징으로 하는 영사장치.
  20. 제1항 또는 제11항에 있어서,
    상기 광학 부재는 빛 출구쪽으로 축소된 단면적을 가진 광섬유로서 빛의 혼합을 위해 형성되거나, 상기 광학 부재에 상기 방식의 광섬유가 적어도 하나는 빛의 경로 내부에서 뒤이어 배치되는 것을 특징으로 하는 영사장치.
  21. 제1항 내지 제20항에 있어서,
    인접한 발광 다이오드 칩의 일부 또는 전체는 서로 300 ㎛과 같거나 작으며 0 ㎛과 같거나 큰 간격을 포함하는 것을 특징으로 하는 영사장치.
  22. 제1항 내지 제21항에 있어서,
    인접한 발광 다이오드 칩의 일부 또는 전체는 서로 100 ㎛과 같거나 작으며 0 ㎛과 같거나 큰 간격을 포함하는 것을 특징으로 하는 영사장치.
  23. 제1항 내지 제22항에 있어서,
    상기 광학 부재는 광선 출구가 인접한 측면에 실제적으로 직사각형 단면적을 포함하는 것을 특징으로 하는 영사장치.
  24. 제1항 내지 제23항에 있어서,
    상기 광학 부재가 제1의 면(plane)을 따라 제1의 최대 반사각을, 제2의 면을 따라 제2의 최대반사각을 포함하며, 상기 제2의 최대반사각은 제1의 최대반사각과는 구별되는 것을 특징으로 하는 영사장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제1의 최대 반사각은 대략 10°와 13°사이값을 가지고, 상기 제2의 최대 반사각은 대략 13°와 18°사이값을 가지는 것을 특징으로 하는 영사장치.
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