KR20120008060A - 인광체를 갖는 조명 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 조명 장치 및 조명 응용예를 위해 구성되는 방법과 관련된다. 조명 장치(5)는 미리 정의된 입체각으로 인광체 광을 방출하도록 구성되는 적어도 하나의 발광 표면을 포함하는 인광체(1), 인광체(1)로 지향되는 광 복사를 방출하도록 구성되는 광원(2), 도파관(3) 및 반사기(4)를 포함하는데, 인광체(1)는 도파관(3)에 광학적으로 결합되고, 조명 장치(5)의 빛이 방출되는 출사 표면은 인광체(1)의 임의의 단일 발광 표면보다 크며, 반사기(4)는 조명 장치(5)의 출사 표면과 상이한 표면에 의해 조명 장치(5)로부터 방출되는 광 복사의 적어도 일부를 반사하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 발광 물질의 단일 표면으로부터 높은 광 추출 효율이 달성되고, 동시에 조명 장치의 높은 양자 효율이 달성된다.
Description
본 발명은 인광체를 포함하는 조명 장치의 분야 및 조명 응용예를 위해 구성되는 방법의 분야와 관련된다.
문헌 WO 2007/044472 A2는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 고전력 발광 다이오드 칩으로부터 형성될 수 있는 고효율 또는 고휘도 발광 다이오드 조립체를 기술하는데, 제1 표면은 기판에 장착되고 제2 표면은 30 W/m·K보다 큰 열 전도율을 갖는 광 투과성 방열체(heat sink)와 밀접하게 열 접촉한다. 그렇지 않은 경우 LED 칩은 LED 칩에 전력을 공급하기 위한 적어도 제1의 전기 접속부 및 제2의 전기 접속부와 전기 접촉한다. 광 투과성 방열체를 제공하는 것은 LED 다이로부터의 열 전도를 배가시키고, 그럼으로써 인광체의 지나친 가열을 방지하여 수명 및/또는 효율 및/또는 휘도 및/또는 이들 세가지의 평형을 증가시킨다.
원격 레이저 조명 개념에 있어서, 전형적으로 인광체는 표면들 중 하나로부터 펌핑(pump)되고, 인광체에 의해 생성된 빛은 반대쪽 표면으로부터 추출될 필요가 있다. 투명 인광체 내에서는 내부 전반사(total internal reflection), 약칭 TIR이 일어난다. 그러나, 인광체에 의한 광 방출은 모든 방향에서 일어나는 것으로 알려져 있다. 따라서, 인광체에 의해 방출되는 빛(인광체 광)이 발광 다이오드(약칭 LED) 또는 레이저와 같은 펌프 소스(pump source)의 방향으로 전파되는 것을 방지하기가 어렵다. LED의 경우 LED의 방향으로 전파되는 인광체 광은 부분적으로 흡수되어 시스템의 효율을 감소시킨다. 요컨대, 하나의 표면으로부터 발광 물질을 펌핑하고 다른 하나의 표면으로부터 높은 효율로 빛을 추출하기가 어렵다.
본 발명의 목적은 발광 물질의 단일 표면으로부터 높은 광 추출 효율을 높은 시스템 효율과 함께 획득할 가능성을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 독립 청구항들의 주제에 의해 획득된다. 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에서 정의된다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 이러한 목적은 조명 장치에 의해 달성되는데, 상기 조명 장치는 미리 정의된 입체각(solid angle)으로 인광체 광을 방출하도록 구성되는 적어도 하나의 발광 표면을 포함하는 인광체, 상기 인광체로 지향되는 광 복사(optical radiation)를 방출하도록 구성되는 광원, 도파관(waveguide) 및 반사기를 포함하며, 상기 인광체는 상기 도파관에 광학적으로 결합되고, 상기 조명 장치의 빛이 방출되는 출사 표면은 상기 인광체의 임의의 단일 발광 표면보다 크며, 상기 반사기는 상기 조명 장치의 출사 표면과 상이한 표면에 의해 상기 조명 장치로부터 방출되는 광 복사의 적어도 일부를 반사하도록 구성된다. 바람직하게는, 광 복사는 상기 도파관의 출사 표면으로부터 상기 조명 장치를 빠져나간다.
"인광체의 발광 표면"이라는 용어는 일반적으로 빛이 미리 정의된 입체각으로 방출될 수 있음을 의미하고, 빛이 실제로 특별한 디자인의 조명 장치에서 방출됨을 의미하는 것이 아니다. 실제로, "인광체의 발광 표면"은 도파관이 존재하지 않을 경우의 조명 목적을 위해 인광체 광을 방출하는 데 사용될 수도 있는 표면이다. "조명 장치의 출사 표면"이라는 용어는 조명 목적을 위해 조명 장치의 빛이 실제로 방출되는 표면을 의미하는데, 이것은 도파관만의 표면이거나 도파관 및 인광체의 표면들의 조합일 수 있다.
조명 장치의 빛이 방출되는 출사 표면이 인광체의 임의의 단일 발광 표면보다 크다는 특징은 조명 장치의 빛이 방출되는 출사 표면이 인광체의 임의의 또는 각각의 단일 발광 표면에 비해 각각 더 크다는 식으로 이해되어야 한다. 또한, 반사기가 조명 장치의 출사 표면과 상이한 표면에 의해 조명 장치로부터 방출되는 광 복사의 적어도 일부를 반사하도록 구성된다는 특징은 반사기가 조명 장치의 출사 표면으로부터 방출되는 광 복사의 적어도 일부를 또한 반사할 수 있음을 배제하지 않는다.
도파관이 인광체 위에 배열되는 구성에서 "조명 장치의 출사 표면"이라는 용어는 도파관의 표면 영역을 지칭함에 주목한다. 도파관이 인광체 근처에 또는 옆에 배열되는 다른 구성에서, "조명 장치의 출사 표면"이라는 용어는 빛이 조명 장치를 빠져나갈 수 있는 인광체 및 도파관의 표면들의 합을 지칭한다. "미리 정의된 입체각으로 인광체 광을 방출하도록 구성되는 적어도 하나의 발광 표면을 포함하는 인광체"라는 용어는 인광체가 적어도 하나의 출력 표면으로부터 발광성 광 복사를 방출함을 의미한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 인광체의 발광 표면은 편평한 표면을 포함한다. 미리 정의된 입체각은 바람직하게는 ≤2π이고, 보다 바람직하게는 ≤1.8π이다.
바람직하게는, 반사기는 측부 표면의 적어도 일부 및/또는 출사 표면의 적어도 일부 위에 배열된다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 도파관은 적어도 하나의 발광 표면으로부터의 인광체와의 광 접촉부를 포함한다. 인광체는 바람직하게는 저 산란 투명 물질, 보다 바람직하게는 세라믹 인광체 및/또는 유기 인광체로 도핑된 중합체를 포함한다. 발광 물질은 바람직하게는 인광체의 발광 표면과 상이한 표면에 의해 펌핑됨에 주목할 만하다.
바람직하게는, 도파관은 상부 표면 및/또는 측부 표면으로부터 인광체에 결합되는 평탄한 도파관을 포함한다. 도파관은 바람직하게는 반사기를 포함하고, 보다 바람직하게는 확산 반사기를 포함한다. 바람직하게는, 반사기는 상이한 각도로 빛을 재분배하도록 구성되는 확산 반사기를 포함한다. 바람직하게는, 인광체와 도파관 사이의 광 결합은 인광체의 출사 표면과 도파관의 입사 표면 사이의 미리 정의된 각도를 포함하고, 보다 바람직하게는 인광체와 도파관 사이의 광 결합은 인광체와 도파관의 굴절률들의 광 정합을 포함한다. 인광체와 도파관 사이의 광 결합은 바람직하게는 ≥1.4인 굴절률을 갖는 물질을 포함하고, 보다 바람직하게는 인광체 또는 도파관의 굴절률에 정합되는 물질을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 투명 도파관이 투명 인광체 위에 배열되고, 복수의 층 중 적어도 일부가 고 굴절률 물질에 광학적으로 결합된다. 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 투명 도파관이 측부 표면의 적어도 일부 옆에 배열되고, 측부 표면의 적어도 일부로부터 고 굴절률 물질에 광학적으로 결합된다. 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 확산 반사기를 포함하는 투명 도파관이 제공된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 인광체의 측부 표면은 도파관의 입사 표면에 대해 직각과 상이한 경사각을 포함한다. 바람직하게는, 조명 장치는 도파관의 물질과 상이한 투명 물질을 갖는 투명층을 더 포함하는데, 상기 투명층은 인광체와 도파관 사이에 배열된다. 바람직하게는, 도파관의 출사 표면 및/또는 조명 장치의 출사 표면은 평면형, 오목형, 볼록형 및/또는 지그재그형에 대응되는 형태를 포함한다. 지그재그형은 바람직하게는 프레넬(Fresnel) 렌즈에 대응된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 조명 장치는 도파관의 출사 표면 위에 배열되는 적어도 하나의 막을 더 포함하는데, 상기 막은 바람직하게는 도파관의 출사 표면으로부터 조사되는 광 복사를 편광시키도록 구성된다. 바람직하게는, 조명 장치는 광 복사를 선택적으로 투과 및/또는 반사하도록 구성되는 선택적 반사기를 더 포함하는데, 상기 선택적 반사기는 광원과 인광체 사이의 광 경로에 배열된다. 바람직하게는, 조명 장치는 인광체를 냉각시키도록 구성되는 방열체(heat sink)를 더 포함한다. 바람직하게는, 도파관의 물질은 유리, 알루미나(alumina), 실리콘 고무와 같은 투명 중합체 및/또는 사파이어를 포함한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 광원은 발광 다이오드 및/또는 레이저를 포함한다. 바람직하게는, 발광 다이오드는 무기 물질 및/또는 유기 물질을 포함한다. 바람직하게는, 레이저는 반도체 레이저 및/또는 고체 상태 레이저를 포함한다.
본 발명의 제2 태양에 다르면, 상술한 목적은 조명 응용예를 위해 구성되는 방법에 의해 해결되는데, 상기 방법은 a) 도파관에 광학적으로 결합되는 인광체로 지향되는 광 복사를 방출하는 단계 및 b) 광 복사를 상기 인광체를 통해 지향시키는 단계를 포함하며, 상기 인광체는 미리 정의된 입체각으로 인광체 광을 방출하도록 구성되는 적어도 하나의 발광 표면을 포함하고, 상기 인광체 및 상기 도파관을 포함하는 본 발명의 제1 태양에 따른 조명 장치의 빛이 방출되는 출사 표면은 상기 인광체의 임의의 단일 발광 표면보다 크다.
본 발명의 본질적인 개념은 펌프 광(pump light)이 인광체에 진입하는 면적에 비해 증가된 유효 탈출 표면적을 포함하는 기하학적 구성으로 투명 인광체를 투명 물질과 조합하여 사용하는 것이다. 이러한 방식으로, 표면 광이 인광체에 진입하는 경우에 큰 유효 면적을 갖는 단일 표면으로부터 높은 방출이 획득된다. 이러한 방식으로, 펌핑되는 표면에 대향하는 표면으로부터 4배 이상 더 많은 빛이 방출되는 것이 가능하다.
전적으로 처음에 반사되는 빛은 바람직하게는 투명 도파관을 둘러싸는 확산 반사기에 의해 빛이 모여 나오는 영역으로 투명 도파관을 통해 도파된다는 점에 주목할 만하다. 확산 반사기는 바람직하게는 발광 물질 주위에 배치된다. 입사 표면에서 레이저를 사용하는 경우, 바람직하게는 출사 표면을 향해 인광체 광을 다시 보내기 위해 이색성 거울이 사용된다. LED가 입사 표면에서 사용되는 경우, 이는 바람직하게는 출사 표면을 향해 빛을 반사한다. 본 발명의 제1 태양에 따른 조명 장치를 사용하여 더 적은 빛이 불량 반사 LED에 보내짐에 따라 추출 효율이 매우 커진다. 레이저 펌프 시스템의 경우 100%에 가까운 효율이 달성될 수 있음에 주목할 만하다.
바람직하게는, 발광 물질은 고도로 투명한 세라믹 인광체이다. 본 발명의 다른 바람직한 실시예들에 따르면, 발광 물질은 바람직하게는 3가 세륨 또는 2가 유로퓸으로 각각 도핑된 석류석 및 질화물로부터 선택된다. 석류석의 실시예는 A3B5O12 석류석을 포함하는데, 여기서 A는 이트륨 및/또는 루테튬을 포함하고 B는 알루미늄을 포함한다. 이러한 석류석은 바람직하게는 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr) 또는 세륨과 프라세오디뮴의 조합, 특히 Ce로 도핑된다. B는 바람직하게는 알루미늄(Al)을 포함한다. 본 발명의 다른 바람직한 실시예들에 따르면, B는 갈륨(Ga) 및/또는 스칸듐(Sc) 및/또는 인듐(In)을 포함하는데, 바람직하게는 약 20% 이하의 Al, 보다 바람직하게는 약 10% 이하의 Al을 포함한다. 즉, B 이온은 바람직하게는 Al을 90 또는 그 이상의 몰(mole) %만큼 포함하고, Ga, Sc 및 In 중 하나 이상을 10 또는 그 이하의 몰 %만큼 포함한다.
B는 바람직하게는 약 10% 이하의 갈륨을 포함한다. 바람직하게는 B와 O는 적어도 부분적으로 Si 및 N으로 대체된다. 원소 A는 바람직하게는 이트륨(Y), 가돌리늄(Gd), 테르븀(Tb) 및 루테튬(Lu)을 포함하는 군으로부터 선택된다. 또한, Gd 및/또는 Tb는 바람직하게는 A의 약 20% 이하의 양까지 존재한다. 바람직하게는, 석류석 발광 물질은 (Y1-xLux)3B5O12:Ce를 포함하는데, 여기서 x는 0 이상이고 1 이하이다. ":Ce" 항은 발광 물질 내의 금속 이온의 적어도 일부(즉 석류석에서 "A" 이온의 일부)가 바람직하게는 Ce로 대체됨을 나타낸다. 예컨대, (Y1-xLux)3Al5O12:Ce를 가정하면, Y 및/또는 Lu의 일부가 Ce로 대체된다. 이러한 표기는 본 기술 분야의 당업자에게 알려져 있다. Ce는 일반적으로 10% 이하로 A를 대체할 것이다. 일반적으로, Ce 농도는 (A에 대해) 0.1% 내지 4% 사이, 특히 0.1 % 내지 2% 사이의 범위 내에 있을 것이다. 1% Ce와 10% Y를 가정하면, 정확한 전체 식은 (Y0.1Lu0.89Ce0.01)3Al5O12이다. 석류석 내의 Ce는 본 기술 분야의 당업자에게 알려진 바처럼 바람직하게는 3가 상태이다.
적색 발광 물질은 바람직하게는 (Ba,Sr,Ca)S:Eu, (Ba,Sr,Ca)AlSiN3:Eu 및 (Ba,Sr,Ca)2Si5N8:Eu를 포함하는 군으로부터 선택되는 물질을 포함한다. 이러한 화합물들에서, 유로퓸(Eu)은 바람직하게는 2가이고, 표시된 2가 양이온들 중 하나 이상을 대체한다. 일반적으로, Eu는 양이온의 10% 보다 많은 양으로 존재하지 않을 것이며, 바람직하게는 이것이 대체하는 양이온(들)에 대해 약 0.5 내지 10% 사이의 범위, 보다 바람직하게는 약 0.5 내지 5% 사이의 범위 내에 있을 것이다. ":Eu" 항은 금속 이온들 중 일부가 Eu(예컨대 Eu2+)에 의해 대체됨을 나타낸다. 예컨대, CaAlSiN3:Eu에서 2%의 Eu를 가정하면, 정확한 식은 (Ca0.98Eu0.02)AlSiN3이다. 2가 유로퓸은 바람직하게는 상술한 2가 알칼리 토류(alkaline earth) 양이온과 같은 2가 양이온, 바람직하게는 Ca, Sr 또는 Ba를 대체한다.
(Ba,Sr,Ca)S:Eu 물질은 또한 MS:Eu로 표시될 수 있는데, 여기서 M은 바륨(Ba), 스트론튬(Sr) 및 칼슘(Ca)을 포함하는 군으로부터 선택되는 원소를 포함한다. 바람직하게는, M은 이러한 화합물 내에 칼슘 또는 스트론튬, 또는 칼슘 및 스트론튬, 보다 바람직하게는 칼슘을 포함한다. 여기서, Eu가 도입되고 바람직하게는 M의 적어도 일부(즉 Ba, Sr 및 Ca 중 적어도 하나)를 대체한다. 또한, (Ba,Sr,Ca)2Si5N8:Eu 물질은 또한 M2Si5N8:Eu로 표시될 수 있는데, 여기서 M은 바륨(Ba), 스트론튬(Sr) 및 칼슘(Ca)을 포함하는 군으로부터 선택되는 원소를 포함한다. 바람직하게는, M은 이러한 화합물 내에 Sr 및/또는 Ba를 포함한다. 다른 바람직한 실시예에 따르면, M은 Sr 및/또는 Ba(Eu의 존재는 무시함), 보다 바람직하게는 50% 내지 100%, 보다 바람직하게는 50 내지 90%의 Ba 및 50% 내지 0%, 가장 바람직하게는 50% 내지 10%의 Sr을 포함하며, 예컨대 Ba1 .5Sr0 .5Si5N8:Eu(즉 Ba 75%; Sr 25%)이다. 여기서, Eu가 도입되고, 바람직하게는 M의 적어도 일부, 즉 Ba, Sr 및 Ca 중 적어도 하나를 대체한다.
마찬가지로, (Ba,Sr,Ca)AlSiN3:Eu 물질은 MAlSiN3:Eu로 표시되는데, 여기서 M은 바륨(Ba), 스트론튬(Sr) 및 칼슘(Ca)을 포함하는 군으로부터 선택되는 원소를 포함한다. M은 바람직하게는 이러한 화합물 내에 칼슘 또는 스트론튬, 또는 칼슘 및 스트론튬, 보다 바람직하게는 칼슘을 포함한다. 여기서, Eu가 도입되고, 바람직하게는 M의 적어도 일부(즉 Ba, Sr 및 Ca 중 적어도 하나)를 대체한다. BaMgAl10O17:Eu2+(BAM)는 청색으로 발광하는 적합한 물질을 포함한다.
입방 결정 구조를 갖는 무기 인광체가 가장 바람직한데, 그 까닭은 이것이 다결정 상태에서도 높은 투명도를 갖기 때문이다. 바람직하게는, 또한 고도로 투명한 중합체, 예컨대 BODIPY(difluoro-boraindacene 족)와 같은 유기 발광 저분자로 도핑된 폴리 메타크릴산 메틸(poly methyl methacrylate), 플루오레세인(fluorescein) 염료, 플루오렌(fluerene) 유도체, 쿠마린(coumarin) 염료, 크산텐(xanthene) 염료, P-BF2(pyrromethene-BF2) 착물, 스틸벤(stillbene) 유도체, 로다민(rodamine) 염료, 페릴렌 카르복시미드(perylene carboximide) 염료 및 란탄(III) b-디케토네이트(diketonate) 착물과 같은 발광 유기 금속 착물이 사용된다. PPV(polyphenylenevinylene)의 유도체, 폴리페닐(polyphenyl) 및 폴리 플루오렌과 이들의 공중합체 및 혼합물과 같은 발광 중합체를 사용하는 것이 가능하다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 태양들은 아래에서 기술되는 실시예들로부터 자명해지고 그러한 실시예들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 조명 장치를 도시하는 도면.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 투명 인광체를 도시하는 도면.
도 3a 내지 3e는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 조명 장치를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 조명 장치를 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 바람직한 제5 실시예에 따른 조명 장치를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 바람직한 제6 실시예에 따른 투명층을 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 바람직한 제7 실시예에 따른 투명층을 도시하는 도면.
도 8은 본 발명의 바람직한 제8 실시예에 따른 프레넬 렌즈를 포함하는 투명층을 도시하는 도면.
도 9는 본 발명의 바람직한 제9 실시예에 따른 기능막을 포함하는 조명 장치를 도시하는 도면.
도 10은 본 발명의 바람직한 제10 실시예에 따른 선택적 반사기를 포함하는 조명 장치를 도시하는 도면.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 조명 장치를 도시하는 도면.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 투명 인광체를 도시하는 도면.
도 3a 내지 3e는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 조명 장치를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 조명 장치를 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 바람직한 제5 실시예에 따른 조명 장치를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 바람직한 제6 실시예에 따른 투명층을 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 바람직한 제7 실시예에 따른 투명층을 도시하는 도면.
도 8은 본 발명의 바람직한 제8 실시예에 따른 프레넬 렌즈를 포함하는 투명층을 도시하는 도면.
도 9는 본 발명의 바람직한 제9 실시예에 따른 기능막을 포함하는 조명 장치를 도시하는 도면.
도 10은 본 발명의 바람직한 제10 실시예에 따른 선택적 반사기를 포함하는 조명 장치를 도시하는 도면.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 조명 장치(5)의 기본 구성을 도시한다. 도파관(3)의 입사 표면 또는 출사 표면의 유효 면적은 인광체(1)의 펌프 광 입사 표면 또는 출사 표면에 비해 늘어난다. 도파관(3)은 투명 도파관 또는 투명 인광체에 각각 대응된다. 인광체(1)를 갖는 조명 장치(5)는 광 복사를 방출하도록, 달리 말해 발광성 광 복사 또는 발광성 광을 방출하도록 구성되는 출사 표면 및 인광체(1)를 둘러싸는 측부 표면을 포함한다. 인광체(1)로 지향되는 광 복사를 방출하도록 구성되는 광원(2)이 제공된다. 인광체(1)는 광원으로부터 방출되는 복사의 파장 중 적어도 일부를 방출되는 복사의 파장과 상이한 파장으로 변환할 수 있다. 광원은 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드와 같은 고체 상태 광원에 대응된다. 이러한 다이오드는 바람직하게는 스펙트럼의 자외부, 자색부 및/또는 청색부에서 발광한다.
인광체(1)는 미리 정의된 입체각으로 인광체 광을 방출하도록 구성되는 적어도 하나의 발광 표면을 포함한다. 광원(2)은 인광체(1)로 지향되는 광 복사를 방출하도록 구성된다. 또한, 반사기(4)가 제공된다. 도 1은 인광체(1)가 도파관(3)에 광학적으로 결합된다는 점 및 조명 장치(5)의 빛이 방출되는 출사 표면이 인광체(1)의 임의의 단일 발광 표면보다 크다는 점을 보여준다. 반사기(4)는 조명 장치(5)의 출사 표면과 상이한 표면에 의해 조명 장치(5)로부터 방출되는 광 복사의 적어도 일부를 반사하도록 구성된다는 점에 주목한다.
도파관(3)의 입사 표면은 인광체(1)의 출사 표면으로부터 도래하는 광 복사를 도파관(3)의 출사 표면에 조사하도록 구성된다. 도파관(3)의 출사 표면의 유효 면적은 인광체(1)의 출사 표면의 유효 면적보다 크다는 점 및 반사기(4)는 인광체(1)의 측부 표면의 적어도 일부 상에 배열되고 인광체(1)로부터 방출되는 광 복사를 반사하여 상이한 각도로 빛 또는 복사를 확산하여 재지향시킨다는 점에 주목한다. 그러나, 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따르면, 반사기(4)는 인광체(1)의 측부 표면 상에 배열되고 또한 도파관(3)의 측부 표면을 둘러싸는데, 여기서 다시 확산 반사기는 빛이 도파관(3)의 출사 표면으로부터 빠져나가도록 빛을 재지향시킨다. 이 실시예에서, 조명 장치(5)의 유효 출사 표면은 도파관(3)의 출사 표면과 같다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 투명 인광체를 도시하고, 투명 인광체(1)의 블록 내의 내부 전반사의 효과를 도시한다. 투명 인광체(1) 내의 한 지점에서 빛이 방출된다고 가정하면, 편평한 표면으로부터의 탈출 원뿔은 2·Θc로 주어진다. TIR에 대한 임계각은 아래와 같이 주어진다.
sin(Θc) = n2/n1
제2 굴절률 n2가 1에 대응되는 것으로, 즉 제2 매체가 공기인 것으로 가정하고 제1 매체가 1.83의 제1 굴절률 n1을 갖는 YAG 인광체를 포함한다고 가정하면, TIR의 임계각은 33.1°에 대응된다. 달리 말해, 인광체(1)의 출사 표면의 방향으로 방출되는 빛의 16.7% 만이 이러한 표면으로부터 빠져나갈 것이고 나머지는 반사될 것이다.
도 3a 내지 3e는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 조명 장치(5)를 도시한다. 인광체(1)의 굴절률과 유사한 굴절률을 갖는 물질이 사용되고, 따라서 빛이 인광체(1)로 다시 반사되는 것을 최소로 하면서 공기로 빠져나가도록 표면이 생성된다. 도 3a에 도시된 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따르면, 반사기(4)는 확산 반사기에 대응되고, 인광체(1)와 도파관(3) 사이의 광 결합은 인광체(1)와 도파관(3)의 굴절률들의 광 정합에 대응된다. 이러한 방식으로, 훨씬 더 많은 빛이 인광체(1)의 출사 표면으로부터 나오도록 강제되고 도파관(3)의 출사 표면으로부터 빠져나간다. 이 실시예에서, 층들(1 및 3)은 굴절률 정합 물질(도시되지 않음)에 광학적으로 결합된다.
인광체(1)가 무한대로 큰 표면적을 나타내고, 자체 흡수가 없으며, 빛이 한 지점으로부터 등방성으로 방출되고, 빛이 도파관(3)의 출사 표면으로부터 빠져나가 도파관(3)으로 들어오면서 입사 표면에서 TIR을 경험한다고 가정하면, 펌프 광이 인광체(1)를 여기시키기 위해 인광체로 들어가는 인광체(1)의 입사 표면으로부터의 광도(I2로 표현됨)에 대한 인광체(1)의 출사 표면으로부터의 광도(I1로 표현됨)의 비율은 아래와 같이 주어진다.
입체각 33.1도 = 2π * (1 - cos33.1)) = 1.01
이것은 입사 표면으로 모여 들어가는 것보다 약 11.47배 더 많은 빛이 인광체(1)의 출사 표면으로부터 모여 나옴을 의미한다. 실제로, 인광체(1)는 일부 고유한 산란 및 한정된 치수를 나타내며, 또한 측부 표면도 한 몫을 한다. 이 실시예에서 도파관(3)으로 모여 들어가는 빛은 확산 반사기(4)에 의해 조명 장치(5)로부터 모여 나와서 이것이 도파관(3)의 출사 표면으로부터 조명 장치(5)를 빠져나오게 한다.
도 3b는 조명 장치(5)의 단면도를 도시하는데, 여기서 인광체(1)의 적어도 하나의 측부 표면은 도파관(3)의 측부 표면에 광학적으로 결합된다. 이 실시예에서, 층들(1 및 3)은 굴절률 정합 물질(도시되지 않음)에 광학적으로 결합된다. 여기서 다시 조명 장치(5)의 전체 유효 출사 표면, 즉 인광체(1) 및 도파관(3)의 출사 표면은 측면들로부터의 도파관(3)의 광학적 결합에 의해 증가된다. 도 3c는 도 3b의 조명 장치(5)의 평면도를 도시한다. 여기서, 도파관(3)은 모든 4개의 측부 표면으로부터 인광체(1)에 결합된다. 그러나, 도 3d에 도시된 바처럼 하나의 측면으로부터 이것을 결합할 수도 있다. 도 3e에 도시된 바처럼, 측면들로부터 뿐만 아니라 상부로부터 도파관(3)이 인광체(1)에 결합되는 것도 가능하다. 이 실시예에서, 확산 반사기(4)는 빛이 조명 장치(5)의 유효 출사 표면으로부터 빠져나가도록 빛을 재지향시키는데 사용되는데, 여기서 조명 장치(5)의 유효 출사 표면은 인광체(1)의 출사 표면과 도파관(3)의 출사 표면의 합으로 주어진다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 조명 장치를 도시한다. 인광체(1)의 측부 표면들 위로 떨어지는 빛을 인광체(1)의 출사 표면을 향해 보내는 것이 바람직하므로, 측부 표면에 대한 다양한 경사 표면이 고려될 수 있다. 측부 표면은 도파관(3)의 입사 표면에 대해 직각과 상이한 경사각을 포함한다. 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 측부 표면은 도파관(3)의 입사 표면에 대한 직각인 경사각을 포함한다. 동일한 방식으로, 또한 인광체(1)의 종횡비(aspect ratio)를 조절할 수 있다. 전체 표면적에 대한 인광체(1)의 출사 표면의 면적의 비율은 인광체(1)의 입사 표면에 대한 표면으로부터의 광 출력 비율의 증가를 위해 조절된다. 동일한 방식으로, 인광체(1)의 종횡비가 또한 조절된다. 인광체(1)의 출사 표면의 면적과 전체 표면적 사이의 비율은 인광체(1)의 입사 표면에 대한 표면으로부터의 광 출력 비율의 증가를 위해 조절된다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제5 실시예에 따른 조명 장치를 도시한다. 인광체(1)의 종횡비는 인광체(1)의 형태를 변경함으로써 증가된다. 본 발명의 바람직한 제5 실시예에 따르면, 이것은 또한 발광성일 수 있는 투명 물질을 포함하는 다른 투명층(6)을 인광체(1) 위에 배치함으로써 이루어진다. 인광체(1)와 도파관(3) 사이에 중간 투명층(6)을 배치함으로써, 광 추출 효율이 훨씬 더 커진다.
도 6, 도 7 및 도 8은 본 발명의 상이한 바람직한 실시예들을 도시한다. 도파관(3)의 출사 표면의 크기, 두께 및 형태가 중요한 역할을 한다. 도 6에 도시된 바와 같은 본 발명의 바람직한 제6 실시예에 따르면, 반사기와 접촉하는 도파관(3)의 표면은 다른 실시예들과 같이 평면이 아니고 오목한 표면을 나타낸다. 이러한 표면은 볼록, 오목 곡선, 쐐기형 및/또는 각뿔대일 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같은 본 발명의 바람직한 제7 실시예에 따르면, 출사 표면은 볼록 표면을 나타낸다. 도 8에 도시된 바와 같은 본 발명의 바람직한 제8 실시예에 따르면, 출사 표면은 프레넬 렌즈에 대응되는 지그재그 형태를 나타낸다. 도 3에 도시된 것과 같은 평면 도파관이 사용되는 경우, 도파관의 테두리들은 표면에 수직한 대신에 90도와 상이한 각도를 포함한다. 또한, 광 추출을 증가시키기 위해 도파관의 출사 표면을 거칠게 하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 제1 실시예를 다시 살펴보면, 추가적인 효과를 얻기 위해 추가적인 막을 도파관(3)의 투명 물질 위에 배치하는 것이 가능하다. 본 발명의 바람직한 제9 실시예에 따르면, 도 9에 도시된 바와 같이, 기능막(7)을 사용하는 것이 도시된다. 본 발명의 바람직한 제9 실시예에 따르면, 기능막(7)으로 이루어지는 반사형 편광기를 사용하는 것은 편광을 일으키는데, 이는 더 많은 시준 광선을 야기하는 소위 밝기 향상 박편(brightness enhancement foil)을 사용함으로써 이루어진다.
지금까지 기술된 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 단일 표면으로부터의 추출 향상이 증가됨을 보였다. LED가 광원(2)으로 사용되는 경우, 이는 단지 인광체(1)의 입사 표면의 뒤에 배치될 수 있다. 그러나, 레이저의 경우, 선택적으로 펌프 파장을 투과하고/하거나 인광체(1)에 의해 방출되는 빛을 반사하는 선택적 반사기(8)를 상기 표면 뒤에 배치하는 것이 유리하다. 이는 본 발명의 바람직한 제10 실시예를 나타내는 도 10에 도시된다. 본 발명의 다른 바람직한 실시예들에 따르면, 조명 장치(5)는 인광체(1)를 냉각시키도록 구성되는 방열체(heat sink)를 포함한다. 도파관을 통한 방열이 필요하지 않은 경우, 도파관 물질로서 유리 및/또는 투명 중합체(예컨대 실리콘 고무)와 같은 낮은 열 전도율을 갖는 물질이 사용될 수 있다. 도파관을 통한 방열을 위해, 알루미나 및 사파이어와 같은 높은 열 전도율을 갖는 물질이 사용될 수 있다. 동일한 방식으로, 방열은 또한 확산 반사기를 통해 이루어질 수 있다. 이러한 목적을 위해, 높은 열 전도율을 갖는 확산층이 사용될 수 있다. 질화 붕소, 산화 알루미늄 및 산화 이트륨과 같은 높은 열 전도율을 갖는 산화물이 매우 적합하다. 이러한 물질들의 부분적인 소결은 또한 이들의 높은 반사율을 유지시키면서 이들의 열 전도성을 향상시킨다. 높은 열 전도율을 갖는 금속 반사기가 매우 적합함은 당연하다.
반사층(4)을 다시 살펴보면, 이는 바람직하게는 높은 전도율을 갖는 확산 반사층이고, 바람직하게는 광 추출 구조물이 도파관 위에서 사용되지 않는 경우에 적용된다. 그러한 경우, 도파관 내의 빛이 인도되지 않고 산란 반사기(4)에 의해 모여 나간다는 점이 중요하다. 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 이러한 층은 자신 위로 떨어지는 빛의 파장을 변환하기 위한 발광 물질을 포함한다.
본 발명의 바람직한 제1 실시예를 다시 살펴보면, 0.4%의 Ce 세라믹을 갖는 투명 Ce:YAG가 사용된다. 세라믹의 두께는 140 마이크론에 대응되고, 상이한 단면을 갖는 세라믹이 사용되었다. 또한, 조명 장치(5)를 구축하기 위해 이산화 티탄 또는 TiOx 반사 코팅이 산란 반사기(4)로서 사용되었다. 조명 장치(5)는 450 nm에서 발광하는 레이저를 사용하여 펌핑된다. 모든 경우에 있어서, 인광체(1)의 입사 표면에 비해 훨씬 더 많은 빛이 인광체(1)의 출사 표면으로부터 추출된다. 총 변환 효율은 약 90%로서 이는 또한 물질의 전체 양자 효율에 대응된다는 점에 주목한다. 마지막으로, 본 발명의 바람직한 제10 실시예를 참조하면, 도 10에 도시된 바처럼 광 추출 효율은 1 mm x 1 mm의 치수를 갖는 샘플로 측정되었다. 청색 레이저 복사(540 nm)를 투과시키고 세라믹으로부터의 황색광 방출을 반사한 다층 유전체 반사기(8)로 투명 Ce:YAG(0.4% Ce)의 입사 표면이 직접 코팅된 경우, 거의 100%의 빛이 도파관(3)의 출사 표면으로부터 추출될 수 있었고, 조명 장치의 양자 효율은 약 90%에서 머물렀다.
본 발명이 도면들 및 상기 설명에서 상세히 예시 및 기술되었지만, 이러한 예시 및 기술은 제한적이 아닌 예시적으로 간주되어야 하며, 본 발명은 개시된 실시예들로 한정되지 않는다.
개시된 실시예들에 대한 다른 변형은 청구된 발명을 실시함에 있어서 도면들, 개시 내용 및 첨부된 청구항들에 관한 연구로부터 본 기술 분야의 당업자에 의해 이해되고 실행될 수 있다. 청구범위에서, "포함한다"는 용어는 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않으며, "하나의"라는 부정관사는 복수를 배제하지 않는다. 소정의 조치들이 서로 상이한 종속항들에 기재되어 있다는 단순한 사실은 이러한 조치들의 조합이 유리하게 사용될 수 없음을 가리키지 않는다. 청구범위 내의 임의의 참조 부호는 범위를 한정하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
Claims (15)
- 인광체 광을 미리 정의된 입체각으로 방출하도록 구성되는 적어도 하나의 발광 표면을 포함하는 인광체(1), 상기 인광체(1)로 지향되는 광 복사를 방출하도록 구성되는 광원(2), 도파관(3) 및 반사기(4)를 갖는 조명 장치(5)로서,
상기 인광체(1)는 상기 도파관(3)에 광학적으로 결합되고,
상기 조명 장치(5)의 빛이 방출되는 출사 표면은 상기 인광체(1)의 임의의 단일 발광 표면보다 크며,
상기 반사기(4)는 상기 조명 장치(5)의 출사 표면과 상이한 표면에 의해 상기 조명 장치(5)로부터 방출되는 광 복사의 적어도 일부를 반사하도록 구성되는 조명 장치. - 제1항에 있어서,
상기 도파관(3)은 적어도 하나의 발광 표면으로부터의 상기 인광체(1)와의 광 접촉부를 포함하는 조명 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 인광체(1)는 저 산란 투명 물질, 바람직하게는 세라믹 인광체 및/또는 유기 인광체로 도핑된 중합체를 포함하는 조명 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 반사기(4)는 확산 반사기를 포함하는 조명 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 도파관(3)은 상부 표면 및/또는 측부 표면으로부터 상기 인광체(1)에 결합되는 평탄한 도파관을 포함하는 조명 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 도파관(3)은 반사기(4), 바람직하게는 확산 반사기를 포함하는 조명 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 인광체(1)와 상기 도파관(3) 사이의 광 결합은 ≥1.4인 굴절률을 갖는 물질, 바람직하게는 상기 인광체(1) 또는 상기 도파관(3)의 굴절률에 정합되는 물질을 포함하는 조명 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 인광체(1)의 측부 표면은 상기 도파관(3)의 입사 표면에 대해 직각과 상이한 경사각을 포함하는 조명 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 도파관(3)의 물질과 상이한 투명 물질을 갖는 투명층(6)을 더 포함하고,
상기 투명층(6)은 상기 인광체(1)와 상기 도파관(3) 사이에 배열되는 조명 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 도파관(3)의 출사 표면 및/또는 상기 조명 장치(5)의 출사 표면은 평면형, 오목형, 볼록형 및/또는 지그재그형에 대응되는 형태를 포함하는 조명 장치. - 제10항에 있어서,
상기 지그재그형은 프레넬(Fresnel) 렌즈에 대응되는 조명 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 도파관(3)의 출사 표면의 상부에 배열되는 적어도 하나의 막(7)을 더 포함하고,
상기 막(7)은 바람직하게는 상기 도파관(3)의 출사 표면으로부터 조사되는 광 복사를 편광시키도록 구성되는 조명 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
광 복사를 선택적으로 투과 및/또는 반사하도록 구성되는 선택적 반사기(8)를 더 포함하고,
상기 선택적 반사기(8)는 상기 광원(2)과 상기 인광체(1) 사이의 광 경로에 배열되는 조명 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 인광체(1)를 냉각시키도록 구성되는 방열체(heat sink)를 더 포함하는 조명 장치. - 조명 응용예를 위해 구성되는 방법으로서,
a) 도파관(3)에 광학적으로 결합되는 인광체(1)로 지향되는 광 복사를 방출하는 단계, 및
b) 광 복사를 상기 인광체(1)를 통해 지향시키는 단계
를 포함하고,
상기 인광체(1)는 인광체 광을 미리 정의된 입체각으로 방출하도록 구성되는 적어도 하나의 발광 표면을 포함하고, 상기 인광체(1) 및 상기 도파관(3)을 포함하고 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따르는 조명 장치의 빛이 방출되는 출사 표면은 상기 인광체(1)의 임의의 단일 발광 표면보다 큰 방법.
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