KR20140023315A - Ｌｅｄ 기반 조명 모듈의 투과층 상의 그리드 구조체 - Google Patents

Ｌｅｄ 기반 조명 모듈의 투과층 상의 그리드 구조체 Download PDF

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KR20140023315A
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제라르드 하버스
그레고리 더블류. 앵
피터 케이. 쳉
존 에스. 이리베리
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시카토, 인코포레이티드.
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Abstract

조명모듈(100)은 복수의 LED(102a, 102b, 102c, 102d)를 포함한다. LED들의 상방에는 출력창과 같은 투과층(134) 위에 그리드 구조체가 존재하여 복수의 색 변환 포켓을 형성한다. 포켓들의 일부는 제1 유형의 파장 변환 재료(191)로 코팅되는 반면 포켓들의 다른 부분들은 다른 유형의 파장 변환 재료(192)로 코팅된다.

Description

ＬＥＤ 기반 조명 모듈의 투과층 상의 그리드 구조체{GRID STRUCTURE ON A TRANSMISSIVE LAYER OF AN LED-BASED ILLUMINATION MODULE}
본 발명은 발광 다이오드(LEDs)를 포함하는 조명모듈에 관한 것이다.
일반 조명에서 발광 다이오드의 사용은 조명 장치에 의해 생성된 광 출력 레벨 또는 광속(flux)에서의 한계 때문에 여전히 제한적이다. 또한 LED를 사용하는 조명 장치는 일반적으로 색점 불안정성에 의해 규정되는 색 품질이 미흡하다. 색점 불안정성은 부분마다 그리고 시간에 따라 변화한다. 미흡한 색 품질은 또한 미흡한 연색성(color rendering)에 의해 규정되며, 그것은 전혀 또는 거의 파워를 갖지 않는 대역을 가진 LED 광원에 의해 생성된 스펙트럼에 기인한다. 또한, LED를 사용하는 조명 장치는 일반적으로 색에서 공간 및/또는 각도 변화를 가진다. 또한, LED를 사용하는 조명 장치는 무엇보다도 광원의 색점을 유지하기 위해 필요한 색 제어 전자장치 및/또는 센서의 필요성 때문에, 또는 생산된 LED 중에서 응용을 위한 색 및/또는 광속 요구사항을 충족시키는 일부만을 사용하기 때문에 고가이다.
따라서, 광원으로서 발광 다이오드를 사용하는 조명 장치에 대한 개선이 요구된다.
조명모듈은 복수의 LED를 포함한다. 상기 LED들의 상방에는 출력창과 같은 투과층 위에 그리드 구조체가 존재하여 복수의 색 변환 포켓(pocket)을 형성한다. 상기 포켓들의 일부는 제1 유형의 파장 변환 재료로 코팅되는 반면 상기 포켓들의 다른 부분들은 다른 유형의 파장 변환 재료로 코팅된다.
추가의 상세와 실시예 및 기술들은 아래의 상세한 설명에서 설명된다. 이 요약은 본 발명을 한정하지 않는다. 본 발명은 특허청구범위의 청구항들에 의해 정의된다.
도 1, 도 2 및 도 3은 조명장치, 반사체, 광 고정체(light fixture)를 포함하는, 세 개의 실시예 조명기구(luminaire)를 도시하고,
도 4는 도 1에서 도시된 것과 같은 LED 기반 조명 장치의 구성요소를 도시하는 분해도이고,
도 5a와 도 5b는 도 1에서 도시된 것과 같은 LED 기반 조명 장치의 단면 사시도를 도시하고,
도 6은 반사면 위에 얇은 형광체 층을 도포하는 방법을 설명하는 흐름도이고.
도 7은 투명 기판 위에 얇은 반투명의 색 변환 층을 도포하는 방법을 설명하는 흐름도이고,
도 8은 얇은 형광체 층으로 피복된 반사 및 투과 색 변환 요소들을 포함하는 LED 기반 조명모듈의 단면도를 도시하고,
도 9는 형광체 입자들의 평균 지름의 5배 미만의 두께를 갖는 색 변환 층을 갖는 투과성 색 변환 요소를 구비한 LED 조명모듈의 일부의 단면도를 도시하고,
도 10은 형광체 입자들의 단일 층을 구비한 색 변환 층을 갖는 투과성 색 변환 요소를 구비한 LED 조명모듈의 일부의 단면도를 도시하고,
도 11은 형광체 입자들의 평균 지름의 5배 미만의 두께를 갖는 색 변환 층을 갖는 반사성 색 변환 요소를 구비한 LED 조명모듈의 일부의 단면도를 도시하고,
도 12는 형광체 입자들의 단일 층을 구비한 색 변환 층을 갖는 반사성 색 변환 요소를 구비한 LED 조명모듈의 일부의 단면도를 도시하고,
도 13은 투과성 색 변환 조립체를 구비한 LED 조명모듈의 단면도를 도시하고,
도 14는 도 13에 도시된 투과성 색 변환 조립체의 평면도를 도시하고,
도 15는 2개의 투명 기판 사이에 얇은 반투명 색 변환 층을 에워싸고 외부로부터 색 변환 층을 밀봉하는 방법을 설명하는 흐름도이고,
도 16은 투과성 층 위에 배치되고 밀봉 요소로 봉입된 색 변환 층을 구비한 LED 기반 조명모듈의 단면도이고,
도 17은 투과성 기판 위의 얇은 반투명 색 변환 층을 밀봉 요소로 봉입하여 외부로부터 색 변환 층을 밀봉하는 방법을 설명하는 흐름도이고,
도 18은 투과성 층의 표면 내에 매립된 색 변환 층을 구비한 LED 기반 조명모듈의 단면도이고,
도 19는 PTFE 재료의 반사 층을 도시한다.
이제 본 발명의 배경예 및 실시예를 상세히 설명할 것이며, 이것들은 첨부 도면에 도시되어 있다.
도 1 내지 도 3은 세 개의 실시예 조명기구(luminaire)(150)를 도시한다. 도 1에 도시된 조명기구는 직사각형 폼 팩터(form factor)를 가진 조명모듈(100)을 포함한다. 도 2에 도시된 조명기구는 원형 폼 팩터를 가진 조명모듈(100)을 포함한다. 도 3에 도시된 조명기구는 레트로피트(retrofit) 램프 디바이스에 통합되는 조명모듈(100)을 포함한다. 이 실시예들은 설명의 목적을 위한 것이다. 일반적인 다각형 및 타원 형상의 조명모듈의 실시예가 또한 예상될 수 있다. 조명기구(150)는 조명모듈(100), 반사체(125), 및 광 고정체(light fixture)(120)를 포함한다. 도시된 것처럼, 광 고정체(120)는 히트 싱크 기능을 포함하며, 따라서 때로는 히트싱크(120)으로도 지칭된다. 그러나, 광 고정체(120)는 (도시되지 않는) 다른 구조적인 및 장식적인 요소들을 포함할 수 있다(도시되지 않음). 반사체(125)는 조명모듈(100)로부터 나온 광을 시준(collimation)하거나 편향시키기 위해 조명모듈(100)에 장착된다. 반사체(125)는 알루미늄 또는 구리를 포함하는 재료와 같은 열적 전도성 재료로부터 만들어질 수 있고, 열적으로 조명모듈(100)에 접속될 수 있다. 열은 전도에 의해 조명모듈(100)과 열적 전도성 반사체(125)를 통해 흐른다. 열은 또한 열 대류에 의해 반사체(125) 위로 흐른다. 반사체(125)는 복합 파라볼라형 집속체(parabolic concentrator)일 수 있으며, 상기 집속체는 고 반사성 재료로 구성되거나 코팅된다. 확산체(diffuser) 또는 반사체(125)와 같은 광학요소들이 조명모듈(100)에, 예를 들어, 나사(threads), 클램프, 비틀어잠금(twist-locking) 기구 또는 다른 적절한 설비에 의하여 제거 가능하게 결합될 수 있다. 도 3에 도시된 것과 같이, 반사체(125)는 예를 들면 파장 변환 재료, 확산 재료 또는 어떤 다른 원하는 재료로 선택적으로 코팅되는 창(127)과 측벽(126)들을 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 것처럼, 조명모듈(100)은 히트 싱크(120)에 장착된다. 히트 싱크(120)는 알루미늄 또는 구리를 포함하는 재료와 같은, 열적 전도성 재료로 만들어질 수 있고, 열적으로 조명모듈(100)에 접속될 수 있다. 열은 전도에 의해 조명모듈(100)과 열적 전도성 히트 싱크(120)를 통해 흐른다. 열은 또한 열 대류에 의해 히트 싱크(120) 위로 흐른다. 조명모듈(100)은 히트 싱크(120)에 조명모듈(100)을 고정시키기 위해 스크류 나사(screw threads)에 의해서 히트 싱크(120)에 부착될 수 있다. 조명모듈(100)의 제거와 교체를 용이하게 하기 위해, 조명모듈(100)은, 예를 들어, 클램프(clamp) 기구, 비틀어-잠금 기구, 또는 다른 적절한 설비에 의하여 히트 싱크(120)에 제거할 수 있게 접속될 수 있다. 조명모듈(100)은 히트 싱크(120)에, 예를 들어, 직접적으로 또는 써멀 그리스(thermal grease), 써멀 테이프(thermal tape), 써멀 패드(thermal pad) 또는 써멀 에폭시(thermal epoxy)를 사용하여, 열적으로 접속되는 적어도 하나의 열적 전도성 표면을 포함한다. LED의 적당한 냉각을 위해, 보드 위의 LED로 유입하는 전기 에너지의 일 와트(watt)당 적어도 50 평방 밀리미터 바람직하게는 100 평방 밀리미터의 열적 접촉 면적이 사용되어야 한다. 예를 들면, 20개 LED가 사용되는 경우에 있어서, 1000 내지 2000 평방 밀리미터 히트 싱크 접촉 면적이 사용되어야 한다. 더 큰 히트 싱크(120)를 사용하는 것은 LED(102)가 더 높은 전력에서 구동되도록 할 수 있고, 또한 다른 히트 싱크 디자인을 허용한다. 예를 들면, 어떤 디자인은 히트 싱크의 방향에 덜 의존하는 냉각 용량을 나타낼 수 있다. 또한, 팬 또는 강제 냉각을 위한 다른 솔루션이 열을 조명 장치에서 제거하는데 사용될 수 있다. 전기 접속이 조명모듈(100)에 만들어질 수 있도록 하부 히트 싱크는 구멍(aperture)을 포함할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 LED 기반의 조명모듈(100)의 구성요소들의 분해도를 예로서 도시한다. 여기에서 LED 기반 조명모듈은 LED가 아니고, LED 광원 또는 광고정체이거나 LED 광원 또는 광 고정체의 구성요소 부분이라는 것을 이해하여야 한다. 예를 들면, LED 기반 조명모듈은 도 3에 도시된 것과 같은 LED 기반 대체 램프(replacement lamp)일 수 있다. LED 기반 조명모듈(100)은 하나 이상의 LED 다이 또는 패키지 LED와, LED 다이 또는 패키지 LED가 부착된 마운팅 보드를 포함한다. 일 실시예에서, LED(102)는 Philips Lumileds Lighting사에 의해 제조된 Luxeon Rebel과 같은 패키지 LED이다. 예컨대, OSRAM (Oslon 패키지), Luminus Devices(미국), Cree(미국), Nichia(일본), 또는 Tridonic(오스트리아)에 의해 제조된 것과 같은, 다른 유형의 패키지 LED가 또한 사용될 수 있다. 여기에서 정의된 것처럼, 패키지 LED는 와이어 본드 연결부 또는 스터드 범프(stud bump)와 같은 전기 접속부를 포함하는 하나 이상의 LED 다이의 조립체이고, 가능하게는 광학 소자와 열적, 기계적, 및 전기적 인터페이스를 포함할 수도 있다. LED 칩은 일반적으로 약 1 mm x 1 mm x 0.5 mm의 크기를 가지지만, 이러한 크기는 변할 수 있다. 어떤 실시예에서, LED(102)는 다수의 칩을 포함할 수 있다. 다수의 칩은 비슷한 색이나 예를 들면, 적색, 녹색 및 청색의 다른 색의 빛을 방출할 수 있다. 마운팅 보드(104)는 마운팅 베이스(101)에 부착되고 마운팅 보드 고정 링(103)에 의해 제자리에 고정된다. 또한, LED(102)에 의해 채워진 마운팅 보드(104)와 마운팅 보드 고정 링(103)은 광원 서브-어셈블리(115)를 구성한다. 광원 서브-어셈블리(115)는 LED(102)를 사용하여 전기 에너지를 광으로 변환한다. 광원 서브-어셈블리(115)로부터 방출된 광은 색 혼합과 색 변환을 위해 광 변환 서브-어셈블리(116)에 조향된다. 광변환 서브-어셈블리(116)는 캐비티 바디(cavity body)(105)와 출력 포트를 포함하며, 그것은 출력창(108)으로서 도시되어 있지만 이에 한정되지 않는다. 광 변환 서브-어셈블리(116)는 선택적으로 하부 반사체 인서트(106)와 측벽 인서트(107) 중 적어도 하나를 포함한다. 출력창(108)은, 출력 포트로서 사용되면, 캐비티 바디(105)의 상부에 고정된다. 어떤 실시예에 있어서는, 출력창(108)은 접착제에 의해 캐비티 바디(105)에 고정될 수 있다. 출력창(108)으로부터 캐비티 바디(105)로의 열 발산을 촉진하기 위해, 열 전도성 접착제가 바람직하다. 접착제는 출력창(108)과 캐비티 바디(105)의 경계의 온도에 신뢰성 있게 견뎌야 한다. 또한, 접착제는 출력창(108)으로부터 방출된 광을 흡수하기보다는 입사 광을 가능한 많이 반사하거나 투과시키는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, Dow Corning(미국)에 의해 제조된 여러 개의 접착제(예컨대, Dow Corning 모델 번호 SE4420, SE4422, SE4486, 1-4173, SE9210) 중 하나의 내열성, 열전도성, 및 광학 특성의 조합은 적합한 성능을 제공한다. 그러나, 다른 열 전도성 접착제도 고려될 수 있다.
측벽 인서트(107)와 캐비티 바디(105)의 내부 측벽들 중 어느 하나는, 선택적으로 캐비티 바디(105) 안에 위치될 때, 반사성을 갖게 하여, 임의의 파장 변환된 광뿐만 아니라 LED(102)로부터의 광이, 광원 서브-어셈블리(115) 위에 장착될 때, 출력 포트 예를 들어, 출력창(108)을 통하여 전송될 때까지 캐비티(160) 내에서 반사되게 한다. 하부 반사체 인서트(106)는 선택적으로 마운팅 보드(104) 위에 위치될 수 있다. 각 LED(102)의 발광 부분이 하부 반사체 인서트(106)에 의해 차단되지 않도록 하부 반사체 인서트(106)는 구멍들을 포함한다. 측벽 인서트(107)는 선택적으로, 캐비티 바디(105)가 광원 서브-어셈블리(115) 위에 장착될 때 측벽 인서트(107)의 내부면들이 광을 LED(102)로부터 출력창으로 조향하도록, 캐비티 바디(105) 안에 위치될 수 있다. 도시된 것처럼, 캐비티 바디(105)의 내부 측벽들은 조명모듈(100)의 상측으로부터 보았을 때 직사각형 형상이지만, 다른 형상이 고려될 수 있다 (예를 들면, 클로버(clover) 형상 또는 다각형). 또한, 캐비티 바디(105)의 내부 측벽들은 도시된 것처럼 출력창(108)에 수직이기보다 마운팅 보드(104)로부터 출력창(108)을 향해 점점 가늘어지거나 밖으로 굽을 수 있다.
하부 반사체 인서트(106)와 측벽 인서트(107)는 캐비티(160) 내에서 아래로 반사되는 광이 대략 출력 포트, 예를 들면 출력창(108)을 향해 다시 반사되도록 높은 반사성을 가질 수 있다. 또한, 인서트(106, 107)는 추가의 열 확산체로서 작동하도록 높은 열 전도성을 가질 수 있다. 예를 들면, 인서트(106, 107)는 재료가 높은 반사성과 내구성을 갖도록 처리되는 알루미늄계 재료와 같은 높은 열 전도성 재료로 만들어질 수 있다. 예를 들면, 독일 회사인 Alanod에 의해 제조된 Miro®와 같은 재료가 사용될 수 있다. 고 반사성은 알루미늄을 연마처리하거나 하나 이상의 반사성 코팅제로 인서트(106, 107)의 내면을 피복함으로써 달성될 수 있다. 대안으로 인서트(106, 107)는 3M(미국)에 의해 판매되는 Vikuiti™ ESR, Toray(일본)에 의해 제조된 Lumirror™ E60L, 또는 Furukawa Electric Co. Ltd.(일본)에 의해 제조된 것과 같은 미정질의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(MCPET)로 만들어질 수 있다. 다른 실시예에서, 인서트(106, 107)는 PTFE 재료로부터 만들어질 수 있다. 어떤 실시예에서, 인서트(106, 107)는 W.L. Gore(미국)과 Berghof(독일)에 의해 판매되는 것과 같은 두께 1 mm 내지 2 mm의 PTFE 재료로 만들어질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 인서트(106, 107)는 ESR, E60L, 또는 MCPET와 같은 비금속 층 또는 금속 층과 같은 얇은 반사 층에 의해 지지된 PTFE 재료로 형성될 수 있다. 또한, 높은 확산 반사성 코팅제가 측벽 인서트(107), 하부 반사체 인서트(106), 출력창(108), 캐비티 바디(105), 및 마운팅 보드(104) 중 어느 것에라도 도포될 수 있다. 그와 같은 코팅제는 TiO2, ZnO, 및 BaSO4 입자, 또는 이 재료들의 조합을 포함할 수 있다.
도 5a와 도 5b는 도 1에 도시된 LED 기반 조명모듈(100)의 단면 사시도를 도시한다. 이 실시예에서, 마운팅 보드(104) 위에 배치된 측벽 인서트(107), 출력창(108), 및 하부 반사체 인서트(106)는 LED 기반 조명모듈(100)에서 광 혼합 캐비티(160)를 형성한다(도 5a 참조). LED(102)로부터의 광의 일부는 출력창(108)을 통해 나갈 때까지 광 혼합 캐비티(160) 내에서 반사된다. 출력창(108)을 통해 나가기 전에 캐비티(160) 내에서 광을 반사하는 것은 광을 혼합시키고 LED 기반 조명모듈(100)로부터 나오는 광의 더욱 균일한 분포를 제공하는 효과를 갖는다. 또한, 광이 출력창(108)을 나가기 전에 캐비티(160) 내에서 반사할 때, 일정량의 광이 캐비티(160)에 포함된 파장 변환 재료와 상호작용에 의해 색 변환된다.
도 1 내지 도 5b에 도시된 것과 같이, LED 기반 조명모듈(100)은 단일의 색 변환 캐비티(160)를 포함하지만, 다른 실시예가 여기서 도입된다. 일 측면에서, 출력창(108)은 광 추출, 색 변환, 및 출력 빔 프로파일의 성형을 촉진하기 위해 3차원 성형된 쉘(shell) 구조체일 수 있다. 또 다른 측면에서, 복수의 포켓을 형성하는 그리드 구조체가 LED 기반 조명모듈(100)의 창에 부착될 수도 있다. 다른 포켓을 다른 파장 변환 재료로 코팅함으로써, 조명모듈(100)로부터 방출된 광의 색점이 조정될 수 있고 출력 빔 균일성이 개선될 수 있다. 또 다른 측면에서, LED 기반 조명모듈(100)은 각각 상이한 LED 또는 LED들의 그룹을 에워싸는 다수의 색 변환 캐비티(160)를 포함할 수 있다. 상이한 색 변환 캐비티(160)들의 색 변환 특성을 변경함으로써, 조명모듈(100)로부터 방출된 광의 색점이 조정될 수 있고 출력 빔 균일성이 개선될 수 있다. 또한, 각각의 색 변환 캐비티로부터 방출된 광을 수집하고 조명모듈(100)을 나가기 전에 광을 추가로 혼합하기 위해 제2 혼합 캐비티가 배치될 수 있다. 또 다른 측면에서, 색 변환 캐비티는, 상기 색 변환 캐비티 내 일련의 반사에 의해 LED로부터 멀리 측면으로 광을 전송함으로써, LED(102)로부터 방출된 광을 넓은 영역에 걸쳐 산란시키고 색 변환시키도록 구성될 수 있다. 어떤 실시예들에서는, LED로부터 방출된 광은 상기 색 변환 캐비티 내에 포함된 파장 변환 재료에 의해 색 변환될 수 있다. 어떤 실시예들에서는, LED로부터 방출된 광은 상기 색 변환 캐비티의 출구에 위치된 파장 변환 재료에 의해 색 변환될 수 있다.
LED(102)는 직접 방출에 의해 또는 예를 들면, 형광체 층들이 LED 패키지의 일부로서 LED에 도포된 경우 형광체 변환에 의해, 다른 또는 똑같은 색을 방출할 수 있다. 조명모듈(100)은 적색, 녹색, 청색, 호박색(amber) 또는 시안(cyan)과 같은 유색 LED(102)의 임의의 조합을 사용하거나, LED(102)는 모두 똑같은 색의 광을 생성할 수도 있다. LED들의 일부 또는 모두가 백색 광을 생성할 수도 있다. 또한, LED(102)는 편광(polarized light) 또는 비편광을 방출할 수 있고 LED 기반 조명모듈(100)은 편광 또는 비편광 LED들의 임의의 조합을 사용할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 청색 또는 UV 광 어느 하나를 방출하는데 이는 이들 파장 범위에서 방출하는 LED들의 효율 때문이다. 조명모듈(100)로부터 방출된 광은 LED(102)가 색 변환 캐비티(160)에 포함된 파장 변환 재료와 조합하여 사용될 때 원하는 색을 가진다. 파장 변환 재료들의 광 변환 특성이 캐비티(160) 내의 광의 혼합과 조합된 결과로서 색 변환된 광을 방출한다. 파장 변환 재료들의 화학적 및/또는 물리적 특성(두께 및 농도와 같은)과 캐비티(160)의 내면 상의 코팅제의 기하구조적 특성을 조정함으로써, 출력창(108)에 의한 광 출력의 특정 색 특성들, 예를 들면 색점, 색온도, 및 연색지수(CRI)가 특정될 수 있다.
본 명세서의 목적을 달성하기 위해서, 파장 변환 재료는 색 변환 기능, 예를 들면 하나의 피크 파장의 일정량의 광을 흡수하고, 그에 대응하여, 또 다른 피크 파장에서 일정량의 광을 방출하는 임의의 단일의 화학적 화합물 또는 상이한 화학적 화합물들의 혼합물이다.
하부 반사체 인서트(106), 측벽 인서트(107), 및 캐비티 바디(105), 출력창(108), 및 캐비티 내부에 배치된 다른 구성요소들(도시되지 않음)와 같은 캐비티(160)의 부분들은 파장 변환 재료로 코팅되거나 포함할 수 있다. 도 5b는 파장 변환 재료로 코팅된 측벽 인서트(107)의 부분들을 도시한다. 또한, 캐비티(160)의 상이한 구성요소들이 같거나 다른 파장 변환 재료로 코팅될 수 있다.
예를 들면, 형광체는 다음과 같은 화학식으로 표시되는 세트로부터 선택될 수 있다: Y3Al5O12:Ce, (YAG:Ce 또는 YAG로도 알려진) (Y,Gd)3Al5O12:Ce, CaS:Eu, SrS:Eu, SrGa2S4:Eu, Ca3(Sc,Mg)2Si3O12:Ce, Ca3Sc2Si3O12:Ce, Ca3Sc2O4:Ce, Ba3Si6O12N2:Eu, (Sr,Ca)AlSiN3:Eu, CaAlSiN3:Eu, CaAlSi(ON)3:Eu, Ba2SiO4:Eu, Sr2SiO4:Eu, Ca2SiO4:Eu, CaSc2O4:Ce, CaSi2O2N2:Eu, SrSi2O2N2:Eu, BaSi2O2N2:Eu, Ca5(PO4)3Cl:Eu, Ba5 (PO4)3Cl:Eu, Cs2CaP2O7, Cs2SrP2O7, Lu3Al5O12:Ce, Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu, Sr8Mg(SiO4)4Cl2:Eu, La3Si6N11:Ce, Y3Ga5O12:Ce, Gd3Ga5O12:Ce, Tb3Al5O12:Ce, Tb3Ga5O12:Ce, 및 Lu3Ga5O12:Ce.
일 실시예에서, 조명 장치의 색점의 조정은 측벽 인서트(107) 및/또는 출력창(108)을 대체시킴으로써 이루어질 수 있으며, 이것들은 유사하게 하나 이상의 파장 변환 재료가 코팅되거나 주입될 수 있다. 일 실시예에서 유로퓸 활성화 알칼리 토금속 실리콘 나이트라이드(예컨대, (Sr,Ca)AlSiN3:Eu)와 같은 적색 방출 형광체가 캐비티(160)의 바닥에 있는 하부 반사체 인서트(106)와 측벽 인서트(107)의 일부를 피복하고, YAG 형광체가 출력창(108)의 일부를 피복한다. 또 다른 실시예에서는, 알칼리 토금속 옥시 실리콘 나이트라이드와 같은 적색 방출 형광체가 캐비티(160)의 바닥에 있는 하부 반사체 인서트(106)와 측벽 인서트(107)의 일부를 피복하고, 적색 방출 알칼리 토금속 옥시 실리콘 나이트라이드와 황색 방출 YAG 형광체의 혼합물이 출력창(108)의 일부를 피복한다.
어떤 실시예에서는, 형광체들은 적합한 용매에 바인더 및, 옵션으로, 계면활성제 및 가소제와 함께 혼합된다. 생성된 혼합물은 스프레이(spraying), 스크린 프린팅(screen printing), 블레이드 코팅(blade coating), 또는 다른 적당한 수단의 어느 것에 의해 피착된다. 캐비티를 형성하는 측벽들의 형상 및 높이를 선택함으로써, 및 캐비티 내 형광체로 피복될 부분을 선택함으로써, 그리고 광 혼합 캐비티(160)의 표면들 위의 형광체 층의 층 두께 및 농도를 최적화함으로써, 조명모듈로부터 방출된 광의 색점이 원하는 대로 조정될 수 있다.
일 실시예에서, 단일 유형의 파장 변환 재료가 예를 들어, 도 5b에 도시된 측벽 인서트(107)와 같은 측벽 위에 패턴 형성될 수 있다. 예를 들면, 적색 형광체가 측벽 인서트(107)의 다른 영역들 위에 패턴 형성될 수 있고, 황색 형광체가 출력창(108)을 피복할 수 있다. 형광체의 커버리지 및/또는 농도는 상이한 색 온도를 생성하기 위해 가변될 수 있다. 상이한 조명모듈(100)에서 LED(102)에 의해 생성된 청색 광이 변하면 상기 상이한 조명모듈(100)이 동일한 원하는 색온도를 생성하도록 상이한 조명모듈(100)들에서 적색 형광체의 피복 면적 및/또는 적색 및 황색 형광체의 농도가 변할 필요가 있다는 것을 이해하여야 한다. 조립된 조각들이 원하는 색 온도를 생성하도록, 측벽 인서트(107) 위의 적색 형광체, 출력창(108) 위의 황색 형광체, 및 LED(102)의 색채 성능이 조립 전에 측정되고 그 성능을 기반으로 선택될 수 있다.
다수의 응용에서, 3,100˚K 미만의 상관 색 온도(CCT)를 가진 백색 광 출력을 생성하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 다수의 응용에서, 2,700˚K의 CCT를 가진 백색 광이 요구된다. 스펙트럼의 청색 또는 UV 부분에서 방출하는 LED로부터 발생된 광을 3,100˚K 미만의 CCT를 가진 백색 광 출력으로 변환하기 위해 일정 양의 적색 방출이 일반적으로 필요하다. 필요한 CCT에 도달하기 위해 다음과 같은 적색 방출 형광체들과 황색 형광체를 혼합하기 위한 노력이 이루어지고 있다: CaS:Eu, SrS:Eu, SrGa2S4:Eu, Ba3Si6O12N2:Eu, (Sr,Ca)AlSiN3:Eu, CaAlSiN3:Eu, CaAlSi(ON)3:Eu, Ba2SiO4:Eu, Sr2SiO4:Eu, Ca2SiO4:Eu, CaSi2O2N2:Eu, SrSi2O2N2:Eu, BaSi2O2N2:Eu, Sr8Mg(SiO4)4Cl2:Eu, Li2NbF7:Mn4 +, Li3ScF6:Mn4 +, La2O2S:Eu3 +, MgO.MgF2.GeO2:Mn4+. 그러나, 출력 광의 색 일관성은 보통 혼합물 내의 적색 형광체 성분에 대한 출력 광의 CCT의 민감성으로 인해 불량하다. 혼합 형광체의 경우에, 특히 조명 응용에서, 불량한 색 분포가 더욱 현저하다. 적색 방출 형광체를 전혀 포함하지 않는 형광체 또는 형광체 혼합물을 가지고 출력창(108)을 코팅함으로써, 색 일관성의 문제는 피할 수 있다. 3,100˚K 미만의 CCT를 가진 백색 광 출력을 생성하기 위해, 적색 방출 형광체 또는 형광체 혼합물이 LED 기반 조명모듈(100)의 측벽들 및 하부 반사체의 어느 것에 피착된다. 3,100˚K 미만의 CCT를 가진 백색 광 출력을 생성하기 위해 적색 방출 형광체 또는 형광체 혼합물의 농도뿐만 아니라 특정 적색 방출 형광체 또는 형광체 혼합물(예컨대, 600 nm 내지 700 nm의 피크 파장 방출)이 선택된다. 이 방식에서, LED 기반 조명모듈(100)은 적색 방출 형광체 성분을 포함하지 않는 출력창을 가지고 3,100˚K 미만의 CCT를 가진 백색 광을 생성할 수 있다.
LED 기반 조명 모듈은 LED들로부터 방출된 광의 일부(예를 들면, LED(102)로부터 방출된 청색광)를 광자 손실을 최소화하면서 1개 이상의 광 혼합 캐비티(160)에서 더 긴 파장의 광으로 변환하는 것이 요구된다. 빽빽이 들어찬 박막 형광체 층은, 인접한 형광체(phosphor) 입자에 의한 재흡수와 관련된 손실, 내부 전반사(TIR: total internal reflection), 및 프레넬(Fresnel) 효과를 최소화하면서 입사광의 상당한 부분을 효율적으로 색 변환하기에 적합하다.
도 6은 LED(102)로부터 방출된 광과 캐비티(160)의 구성요소들의 상호작용에 중점을 두고 있는 색 변환 캐비티(160)의 단면도를 도시한다. 도시된 것과 같이, 색 변환 캐비티(160)는 반사성 색 변환 요소(130) 및 투과성 색 변환 요소(133)를 포함한다. 투과성 색 변환 요소(133)는 광 투과 층(134)에 고정된 색 변환 층(135)을 포함한다. 반사성 색 변환 요소(130)는 반사 층(131)에 고정된 색 변환 층(132)을 포함한다.
투과성 색 변환 요소(133)는 투과성 모드에서 고효율의 색 변환을 제공한다. 색 변환 층(135)은 성기고 얇은 형광체 층을 포함한다. 변환되지 않은 광의 투과는 UV 이하의 방사선으로 펌핑되는 조명 장치에서 바람직하지 않은데 이는 상기 파장들의 방사선에 노출된 사람들에 대한 건강 위험 때문이다. 그러나, UV 초과 방출 파장을 가진 LED에 의해 펌핑되는 LED 기반 조명모듈에 있어서, 변환되지 않은 광(예를 들면, LED(102)로부터 방출된 청색광)의 상당한 비율이 색 변환 없이 광 혼합 캐비티(160)를 통과하는 것이 바람직하다. 이것은 색 변환 과정에 내재하는 손실이 회피되기 때문에 높은 효율을 촉진한다. 성기게 들어찬 얇은 형광체 층들은 입사광의 일부를 색 변환하는데 적합하다. 예를 들면, 입사광의 적어도 10%가 변환 없이 색 변환 없이 상기 층을 통과하도록 하는 것이 바람직하다.
반사성 색 변환 요소(130)는 반사성 모드에서 고효율의 색 변환을 제공한다. 색 변환 층(132)은 높은 밀도에서 원하는 두께로 반사층(131) 위에 피착된다. 어떤 실시예에서는, 90% 초과의 충전밀도(packing density)를 가진 형광체 입자들의 평균 지름의 2배의 두께가 바람직하다. 이 실시예들에서, 평균 형광체 입자 지름은 6 마이크론 내지 8 마이크론 사이이다.
도 7은 LED(102)에 의해 방출된 광자들과 투과성 색 변환 요소(133)의 상호작용에 중점을 두는 LED 조명모듈(100)의 단면도를 도시한다. 투과층(134)은 광학상 투명한 층(예컨대, 유리, 사파이어, 폴리카보네이트, 플라스틱)으로 형성될 수 있다. 투과층(134)은 또한 반투명 재료(예를 들면, PTFE 박막 층, 또는 에칭된 광학상 투명한 매질)로 형성될 수도 있다. 투과성 색 변환 요소(133)는 광학계 성능을 향상시키기 위해 추가의 층들(도시되지 않음)을 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 투과성 색 변환 요소(133)는 다이크로믹 필터(dichromic filter)와 같은 광학 필름, 저굴절(low index) 코팅, 산란 입자들의 층과 같은 추가의 층들, 또는 형광체 입자들을 포함하는 추가의 색 변환 층들을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 반투명, 색 변환 층(135)은 고분자 바인더(142)에 매립된 형광체 입자(141)들을 포함한다. 형광체 입자(141)들은 광의 일부가 색 변환 없이 투과성 색 변환 요소(133)를 통해 투과하는 것을 허용하도록 배열된다.
일 실시예에서, 광 투과 층(134)에 피착된 반투명 색 변환 층(135)은 80%를 초과하는 충전밀도를 가진 상기 형광체 입자들의 평균 지름의 3배인 두께(T135)를 갖는다. 이 실시예에서, 형광체 입자의 평균 지름은 10 마이크론이다.
도 7에 도시된 것과 같이, LED(102)로부터 방출된 청색 광자(139)는 색 변환 없이 투과성 색 변환 요소(133)를 통과하여 청색 광자로서 복합광(125)에 기여한다. 그러나, LED(102)로부터 방출된 청색 광자(138)는 색 변환 층(135)에 매립된 형광체 입자들에 의해 흡수된다. 청색 광자(138)에 의해 제공된 자극에 대한 반응으로, 형광체 입자들은 등방성(isotropic) 방출 패턴으로 더 긴 파장의 광을 방출한다. 도시된 실시예에서, 형광체 입자들은 황색 광을 방출한다. 도 7에 도시된 것과 같이, 황색 방출의 일부는 투과성 색 변환 요소(133)를 통과하여 황색 광자로서 복합광(125)에 기여한다. 황색 방출의 다른 일부는 형광체 입자들에 의해 흡수되며 재방출되거나 소실된다. 황색 방출의 또 다른 일부는 광 혼합 캐비티(160) 내로 다시 산란되며 캐비티(160) 내에서 다시 투과성 색 변환 요소(133)를 향해 반사되거나 광 혼합 캐비티(160) 내에서 흡수되어 소실된다.
도 8은 LED(102)에 의해 방출된 광자들과 반사성 색 변환 요소(130)의 상호작용에 중점을 두는 색 변환 캐비티(160)의 단면도를 도시한다. 어떤 실시예에서는, 색 변환 층(132)은 형광체 입자(141)의 평균 지름의 5배 미만의 두께(T132)를 가진다. 형광체 입자(141)의 평균 지름은 1 마이크로미터와 10 마이크로미터 사이이다. 어떤 실시예에서는, 형광체 입자(141)들의 평균 지름이 5 마이크로미터 내지 10 마이크로미터 사이이다. 형광체 입자(141)들은 광의 입사 광자가 형광체 입자와 상호작용을 하여 변환된 광을 생성하는 확률을 증가시키기 위해 80% 초과의 충전밀도를 가지고 배열된다. 예를 들면, LED(102)로부터 방출된 청색 광자(137)는 반사성 색 변환 요소(130)에 입사되고 색 변환 층(132)의 형광체 입자들에 의해 흡수된다. 청색 광자(137)에 의해 제공된 자극에 대한 반응으로, 형광체 입자들은 등방성 방출 패턴으로 더 긴 파장의 광을 방출한다. 도시된 실시예에서, 형광체 입자들은 적색 광을 방출한다. 도 8에 도시된 것과 같이, 적색 방출의 일부는 광 혼합 캐비티(160)로 진입한다. 적색 방출의 다른 일부는 주위의 형광체 입자들에 의해 흡수되어 재방출되거나 소실된다. 적색 방출의 또 다른 일부는 반사층(131)에 의해 반사되며 색 변환 층(132)을 통해 광 혼합 캐비티(160)로 투과되거나 주위의 형광체 입자에 의해 흡수되어 재방출되거나 소실된다.
도 9 내지 도 13은 LED 기반 조명모듈(100)의 다양한 실시예들의 측 단면도를 도시한다. 도 9는 다수의 색 변환 캐비티(160)를 포함하는 LED 기반 조명모듈(100)의 일 측면을 도시하는 도면이다. 각각의 색 변환 캐비티(예를 들면, 160a - 160c)는, 각각의 색 변환 캐비티로부터의 광이 결합되기 전에, 각각의 LED(예를 들면, 102a - 102c)로부터 방출된 광을 각각 색 변환하도록 구성된다. 상기 색 변환 캐비티들 중 1개 이상의 화학적 조성, 색 변환 캐비티들 중 1개 이상의 파장 변환 코팅제의 기하구조적 특성, 색 변환 캐비티들의 어느 것으로 방출하는 임의의 LED에 공급되는 전류, 및 색 변환 캐비티들의 1개 이상의 형상 중의 어느 것을 변경함으로써, LED 기반 조명모듈(100)로부터 방출된 광의 색이 제어될 수 있고 출력 빔 균일성이 개선될 수 있다.
도 9에 도시된 것과 같이, LED(102a)는 색 변환 캐비티(160a) 안으로만 직접 광을 방출한다. 마찬가지로, LED(102b는 색 변환 캐비티(160b) 안으로만 직접 광을 방출하고, LED(102c)는 색 변환 캐비티(160c) 안으로만 직접 광을 방출한다. 각각의 LED는 반사 측벽에 의해 다른 것들로부터 분리된다. 예를 들면, 도시된 것과 같이, 반사 측벽(161)은 LED(102a)와 LED(102b)를 분리한다.
반사 측벽(161)은 고 반사성이므로 예를 들면, LED(102b)로부터 방출된 광이 대략 조명모듈(100)의 출력창(108)을 향하여 색 변환 캐비티(160b) 안에서 상방으로 조향된다. 또한, 반사 측벽(161)은 추가의 열 확산체로서 기능하도록 높은 열적 전도성을 가질 수도 있다. 예를 들면, 반사 측벽(161)은, 높은 반사성과 내구성을 갖도록 처리된 알루미늄계 재료와 같은, 높은 열적 전도성 재료로 만들어질 수도 있다. 예를 들면, 독일 회사인 Alanod에 의해 제조된 Miro®와 같은 재료가 사용될 수 있다. 고 반사성은 알루미늄을 연마처리하거나 하나 이상의 반사성 코팅제로 반사 측벽(161)의 내면을 피복함으로써 달성될 수 있다. 반사 측벽(161)은 대안으로 3M(미국)에 의해 판매되는 Vikuiti™ ESR, Toray(일본)에 의해 제조된 Lumirror™ E60L, 또는 Furukawa Electric Co. Ltd.(일본)에 의해 제조된 것과 같은 미정질의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(MCPET)로 만들어질 수도 있다. 다른 실시예에서, 반사 측벽(161)은 PTFE 재료로 만들어질 수도 있다. 어떤 실시예에서, 반사 측벽(161)은 W.L. Gore(미국)과 Berghof(독일)에 의해 판매되는 것과 같은 두께 1 mm 내지 2 mm의 PTFE 재료로부터 만들어질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 반사 측벽(161)은 ESR, E60L, 또는 MCPET와 같은 비금속 층 또는 금속 층과 같은 얇은 반사 층에 의해 지지된 PTFE 재료로 형성될 수 있다. 또한, 높은 확산 반사성 코팅제가 반사 측벽(161)에 도포될 수 있다. 그와 같은 코팅제는 TiO2, ZnO, 및 BaSO4 입자, 또는 이 재료들의 조합을 포함할 수 있다.
일 측면에서 LED 기반 조명모듈(100)은 제1 파장 변환 재료(162)로 코팅된 내부면 영역을 가진 제1 색 변환 캐비티(예컨대, 160a)와, 제2 파장 변환 재료(164)로 코팅된 내부면 영역을 가진 제2 색 변환 캐비티(예컨대, 160b)를 포함한다. 어떤 실시예에서는, LED 기반 조명모듈(100)은 제3 파장 변환 재료(165)로 코팅된 내부면 영역을 가진 제3 색 변환 캐비티(예컨대, 160c)를 포함한다. 어떤 다른 실시예에서는, 추가의 다른 파장 변환 재료를 포함하는 추가의 색 변환 캐비티들을 포함할 수도 있다. 어떤 실시예에서는, 다수의 색 변환 캐비티가 동일한 파장 변환 재료로 코팅된 내부면 영역을 포함한다.
도 9에 도시된 것과 같이, 일 실시예에서, LED 기반 조명모듈(100)은 또한 색 변환 캐비티(160) 위에 탑재된 투과층(134)을 포함한다. 어떤 실시예에서는, 투과층(134)은 파장 변환 재료(163)를 포함하는 색 변환층(135)으로 코팅된다. 일 실시예에서, 파장 변환 재료(162, 164, 165)는 적색 방출 형광체 재료를 포함할 수 있으며 파장 변환 재료(163)는 황색 방출 형광체 재료를 포함한다. 투과층(134) 색 변환 캐비티들 각각에 의해 출력된 광의 혼합을 촉진한다.
어떤 실시예들에서, 색 변환 캐비티(160)와 색 변환층(135)에 포함된 각각의 파장 변환 재료는, LED 기반 조명모듈(100)로부터 방출된 복합광(140)의 색점이 목표 색점에 정합되도록 선택된다.
어떤 실시예들에서, 색 변환 캐비티(160) 위에 제2 혼합 캐비티(170)가 탑재된다. 제2 혼합 캐비티(170)는, LED 기반 조명모듈(100)로부터 방출된 복합광(140)의 색이 균일하도록 색 변환 캐비티(160)에 의해 출력된 광의 혼합을 촉진하는, 폐쇄된 캐비티이다. 도 9에 도시된 것과 같이, 제2 혼합 캐비티(170)는 색 변환 캐비티(160)에 의해 출력된 광을 포획하기 위해 색 변환 캐비티(160)의 주변부를 따라 설치된 반사 측벽(171)을 포함한다. 제2 색 혼합 캐비티(170)는 반사 측벽(171) 위에 탑재된 출력창(108)을 포함한다. 색 변환 캐비티(160)로부터 방출된 광은 제2 색 변환 캐비티의 마주하는 내부면들로부터 반사되고 복합광(140)으로서 출력창(108) 밖으로 나간다.
도 10에 도시된 것과 같이, 일 실시예에서, LED 기반 조명모듈(100)은 색 변환 캐비티(160)와 제2 혼합 캐비티(170)를 포함한다. 도시된 것과 같이, 제2 혼합 캐비티(170)의 출력창(108)은 파장 변환 재료(163)를 포함하는 색 변환층(135)으로 코팅된다. 일 실시예에서, 파장 변환 재료(162, 164, 165)는 적색 방출 형광체 재료를 포함할 수 있고 파장 변환 재료(163)는 황색 방출 형광체 재료를 포함한다. 색 변환 캐비티(160) 위에 설치된 산란층(143)은 색 변환 캐비티들의 각각에 의해 출력된 광의 혼합을 촉진하기 위해 선택적으로 포함될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 산란층(143)은 색 변환 기능을 실행하지 않는다. 산란층(143)은 반투명 재료(예컨대, 얇은 PTFE 층), 또는 광학적으로 산란성을 향상시키기 위한 재료(예컨대, TiO2)로 코팅되거나 처리된(예컨대, 에칭) 광학적으로 투명한 매질(예컨대, 유리, 사파이어, 폴리카보네이트, 플라스틱)으로 형성될 수 있다.
도 9 및 도 10에 도시된 것과 같이, LED(102)는 평면 위에 탑재되고 반사 측벽(161)은 LED(102)가 탑재된 평면에 수직인 방향의 평평한 표면을 포함한다. 수직 방향의 평평한 표면은 후방 반사를 최소화하면서 효율적으로 광을 색 변환시키는 것이 밝혀졌다. 그러나, 다른 표면 형상들 및 방향도 고려될 수 있다. 예를 들면, 도 11은 LED(102)가 탑재되는 평면에 대해서 경사 각도를 이루는 평평한 표면들을 포함하는 반사 측벽(161)을 도시한다. 어떤 실시예들에서는, 이러한 구성이 색 변환 캐비티(160)로부터의 광 추출을 촉진한다.
도 12는 또 다른 실시예에서 반사 측벽(161)을 도시한다. 도시된 것과 같이, 반사 측벽(161)은 LED(10)가 탑재된 평면에 대해서 경사 각도를 가진 평평한 면을 포함하는 테이퍼 부분을 포함한다. 테이퍼 부분은 LED(102)가 탑재된 평면에 수직인 방향의 평평한 표면으로 이행한다. 다른 실시예들에서, 테이퍼 부분은 수직 방향의 평평한 표면으로 이행하는 굽은 표면을 포함한다. 어떤 예에서는, 이들 실시예들은 LED(102)로부터 방출된 광을 효율적으로 색 변환하면서 색 변환 캐비티(160)로부터의 광 추출을 촉진한다. 또한, 도 11에 도시된 것과 같이, 파장 변환 재료(예컨대, 파장 변환 재료(162, 164, 165))가 반사 측벽(161)의 수직 방향의 평평한 표면 위에 배치된다.
전술한 바와 같이, 다수의 색 변환 캐비티를 포함하는 LED 기반 조명모듈(100)로부터 방출된 광의 색은, 색 변환 캐비티(160)들에 포함되는 각각의 파장 변환 재료를 선택함으로써 및 색 변환층(135)에 포함되는 파장 변환 재료의 선택에 의해 목표 색점에 정합하도록, 조정될 수 있다. 다른 실시예들에서, LED 기반 조명모듈(100)로부터 방출된 광의 색은 상이한 피크 방출 파장을 가진 LED(102)를 선택함으로써 조정될 수도 있다. 예를 들면, LED(102a)는 480 nm의 피크 방출 파장을 갖도록 선택되는 반면, LED(102b)는 460 nm의 피크 방출 파장을 갖도록 선택될 수 있다.
도 13은 다수의 색 변환 캐비티를 포함하는 LED 기반 조명모듈(100)로부터 방출된 광의 색을 조정할 수 있는 또 다른 실시예를 도시한다. 상이한 LED(102)들에 공급되는 전류를 독립적으로 제어함으로써, 각각의 독립 제어된 색 변환 캐비티로부터 방출되는 플럭스(flux)가 결정될 수 있다. 이 방식에서, 상이한 색 변환 특성을 가진 색 변환 캐비티들의 출력 플럭스는, LED 기반 조명모듈(100)로부터 방출된 광의 색이 목표 색점에 정합하도록, 조정될 수 있다. 예를 들면, 전원공급장치(180)는 도체(183)를 통해 LED(102a)에 전류(184)를 공급한다. LED(102a)로부터 방출된 광은 색 변환 캐비티(160a) 안으로 들어가서, 색 변환되며, 색 변환된 광(167)으로서 방출된다. 마찬가지로, 전원공급장치(181)는 도체(185)를 통해 LED(102b)에 전류(186)를 공급한다. LED(102b)로부터 방출된 광은 색 변환 캐비티(160b) 안으로 들어가서, 색 변환되며, 색 변환된 광(168)으로서 방출된다. 전류(184, 186)를 조정함으로써, 색 변환된 광(167)의 플럭스와 색 변환된 광(168)의 플럭스는 색 변환된 광(167, 168)의 조합이 목표 색점에 정합하도록 조정된다. 마찬가지로, LED 기반 조명모듈(100)의 출력 광의 색점을 조정하기 위해 추가의 색 변환 캐비티들이 독립적으로 제어될 수도 있다. 도 13에 도시된 것과 같이, 전원공급장치(182)는 도체(187)를 통해 LED(102c)에 전류(188)를 공급한다. LED(102c)로부터 방출된 광은 색 변환 캐비티(160c) 안으로 들어가서, 색 변환되며, 색 변환된 광(169)으로서 방출된다. 이 방식에서, 전류(184, 186, 188)는 색 변환된 광(167, 168, 169)의 조합이 목표 색점에 정합하도록 조정될 수 있다.
도 14a 내지 도 14e는 LED 기반 조명모듈(100)의 다양한 실시예의 단면 평면도를 도시한다. 도 14a는 꽉 들어찬 배치로 배열된 육각 형상의 색 변환 캐비티들(160a - 160g)을 도시하며 각각의 색 변환 캐비티의 측벽들은 서로 공유된다. 예를 들면, 색 변환 캐비티(160g)의 각 측벽은 또 다른 색 변환 캐비티(160a - 160f)와 각각 공유된다. 도 14b는 직사각형 그리드 내에 배열된 직사각형 형상의 색 변환 캐비티(160a - 160i)를 도시한다. 이 구성에서 각각의 색 변환 캐비티의 측벽들은 서로 공유된다. 예를 들면, 색 변환 캐비티(160g)의 각 측벽은 색 변환 캐비티(160a - 160f, 160h - 160i)와 각각 공유된다. 도 14c는 육각형 그리드 내에 배열된 직사각형 형상의 색 변환 캐비티(160a - 160f)를 도시한다. 이 구성에서 각각의 색 변환 캐비티의 측벽은 다수의 색 변환 캐비티와 공유된다. 예를 들면, 색 변환 캐비티(160g)의 한 측벽은 색 변환 캐비티(160e, 160f)와 공유된다. 도 14d는 육각형 그리드 내에 배열된 원 형상의 색 변환 캐비티(160a - 160i)를 도시한다. 도 14e는 꽉 들어찬 육각형 그리드 내에 배열된 삼각 형상의 색 변환 캐비티(160a - 160f)를 도시한다. 이 구성에서 각각의 색 변환 캐비티의 측벽들은 서로 공유된다. 도 14a 내지 도 14e의 실시예들은 전형적인 것이지만, 다른 형상과 다른 레이아웃의 색 변환 캐비티들이 고려될 수도 있다. 예를 들면, 색 변환 캐비티들은 타원 형상, 별 모양, 일반적인 다각형 형상 등의 형상을 가질 수 있다. 또한, 꽉 들어찬 구성이 되는 그리드 패턴들이 선택될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 꽉 들어차지 않은 그리드 패턴들이 고려될 수도 있다.
도 15 내지 도 17은 투과층(134)에 탑재된 그리드 구조체(196)를 가진 LED 기반 조명모듈(100)의 다양한 실시예들의 측 단면도이다. 어떤 실시예들에서는, 투과층(134)은 LED 기반 조명모듈(100)의 출력창(108)이다. 투과층(134)에 탑재된 그리드 구조체(196)는 다수의 포켓(pocket)을 형성한다. 임의의 개수의 포켓이 적어도 부분적으로 일정량의 파장 변환 재료에 의해 코팅될 수 있다. 투과층 또는 투과층의 일부에 탑재된 그리드 구조체는 상이한 파장 변환 재료를 포함하는 물리적으로 분리된 포켓들을 가진 색 제어 수단을 제공한다. 상이한 파장 변환 재료를 가진 포켓의 개수를 변경함으로써, 출력 광의 색이 제어된다. 또한, 상이한 파장 변환 재료의 포켓들을 균일하게 분포시킴으로써, 출력 빔 균일성이 향상된다. 최종적으로, LED로부터 방출된 광의 상당한 부분이 파장 변환 재료에 의해 일단 흡수되고 출력 광으로서 재방출되도록, 평면 위에서 상이한 유형의 파장 변환 재료를 분리시킴으로써 효율성이 개선될 수 있다. 이 구조는 색 변환된 광이 제2 유형의 파장 변환 재료에 의해 흡수되는 확률을 최소화한다.
도 15에 도시된 실시예에서, 어떤 포켓은 적색 방출 형광체 재료(191)로 채워지고, 다른 포켓은 녹색 방출 형광체 재료(192)로 채워지지만, 또 다른 포켓은 황색 방출 형광체 재료(190)로 채워진다. 이 방식에서 각각의 LED로부터 방출된 일정량의 광은, LED 기반 조명모듈(100)에 의해 방출되는 복합광(140)의 일부가 되는 적색, 녹색, 및 황색의 광으로 색 변환된다. 어떤 실시예들에서는, 그리드 구조체(196)는 PTFE 재료로 형성된다. 그것의 효율적인, 확산 반사 특성으로 인해, PTFE는 효율적인 색 변환을 촉진하며 색 변환 없이 LED(102)로부터 투과층(134)을 통한 광의 투과를 허용한다.
도 15와 도 16에 도시된 것과 같은 어떤 실시예들에서는, 포켓들은 깊이(D) 및 너비(W)에 의해 식별된다. 포켓들의 깊이 및 너비 치수와 상기 파장 변환 재료의 조성을 조정함으로써, LED 기반 조명모듈(100)에 의해 방출된 광은 목표 색점에 정합될 수 있다. 도 17은 그리드 구조체의 깊이가 투과층(134)으로부터 LED(102)들이 탑재되는 평면까지 연장하는 실시예를 도시한다.
도 18은 일 실시예에서 LED 기반 조명모듈(100)의 단면 평면도를 도시한다. 도시된 것과 같이, 각각의 포켓은 적색 방출 형광체(191) 또는 황색 방출 형광체(190)의 어느 하나로 코팅된다. 이 실시예에서, 적색 방출 형광체(191)를 가진 포켓들은 황색 방출 형광체(190)를 가진 포켓들과 균일하게 분포된다. 다른 실시예들에서는, 목표 색점에 정합시키기 위해 더 많은 수의 포켓들이 둘 중 어느 한 형광체로 코팅될 수 있다. 어떤 다른 실시예들에서는, 추가의 형광체들이 일부 포켓들에 포함될 수도 있다.
어떤 다른 실시예들에서는, 목표 색점에 정합시키기 위해 각각 형광체들의 조합을 포함하는 다른 파장 변환 재료들이 상이한 포켓들을 코팅할 수도 있다. 예를 들면, 일부 포켓들은 3,000˚K의 상관 색 온도(CCT)를 가진 백색광을 방출하는 파장 변환 재료로 코팅되고, 다른 포켓들은 4,000˚K의 CCT를 가진 백색광을 방출하는 형광체로 코팅될 수 있다. 이 방식에서, 3,000˚K의 광과 4,000˚K의 광을 발생시키는 상대 개수를 변경시킴으로써, LED 기반 조명모듈(100)에 의해 출력되는 복합광(140)이 3,000˚K와 4,000˚K 사이의 CCT를 갖도록 조정될 수 있다. 도 18에 도시된 것과 같이, 각각의 포켓은 균일하게 정사각형 형상을 가진다. 그러나, 다른 실시예드에서는, 각각의 포켓은 임의의 형상일 수 있다(예를 들면, 일반적인 다각형 형상 및 일반적인 타원 형상). 출력 빔 균일성과 LED 기반 조명모듈(100)로부터 방출되는 광의 색 제어를 향상시키기 위해 포켓을 성형하는 것이 바람직할 수 있다.
도 19 (및 도 16)에 도시된 것처럼, 포켓들의 패턴은 그리드 사이의 거리(G)에 의해 식별되며, LED들의 패턴은 LED 사이의 거리(L)에 의해 식별된다. 어떤 실시예들에서는, 그리드 사이의 거리는 LED 사이의 거리보다 작을 수 있다(도 19 참조). 어떤 다른 실시예들에서는, 그리드 사이의 거리는 LED 사이의 거리와 같을 수 있다(도 16 참조). 어떤 다른 실시예들에서는, 그리드 사이의 거리는 LED 사이의 거리보다 클 수 있다(도시되지 않음). 또한, 도 19에 도시된 것처럼, 그리드 사이의 거리는, LED(102)로부터 방출된 충분한 광이 파장 변환 재료에 의해 색 변환되는 것을 보장하기 위해, 포켓 너비(W)보다 더 크다. 어떤 실시예들에서는, 그리드 사이의 거리는 포켓 너비(W)의 적어도 2배이다.
도 20은, LED(102)로부터 방출된 광을 넓은 영역에 대하여 확산시키고 색 변환시키도록 구성된 색 변환 캐비티(160)를 포함하는 LED 기반 조명모듈(100)의 또 다른 측면의 단면도를 도시한다. 이 방식에서, 색 변환이 달성되고 얇은 프로파일 구조체에서 출력 빔 균일성이 향상된다. 도 20에 도시된 것처럼, 색 변환 캐비티(160a)는 LED(102a)로부터 방출된 광을 LED(102a) 위에 배치된 투과층(134)으로 향하게 하는 1개 이상의 반사 측벽(161)을 포함한다. 반사 측벽(161)은 LED(102)가 배치되는 평면(204)에 대해서 경사진 각도를 이룬다. 도 20에 도시된 것과 같이, 반사 측벽(161)은 투과층(134)과 반사 측벽(161)의 부착점(207)까지 외측 상방으로 연장한다. 투과층(134)은 각각의 LED(102) 위에 배치된 볼록 반사체(205)를 포함한다. 도시된 것과 같이, 반사체(205)의 중심축은 각각의 LED(102)의 중심축(205)과 동일 선상에 있어서, 각각의 반사체(205)는 각각의 LED(102)에 대하여 중심이 일치한다. 도시된 것과 같이, 투과층(134)의 일부는 파장 변환 재료(206)에 의해 코팅된다. 이 방식에서, LED(102a)로부터 방출된 광은 색 변환 캐비티(160a)로부터의 방출 이전에 측면으로 확산하고 색 변환된다. 예를 들면, 광자(208)(예를 들면, 청색 광자)는 LED(102a)로부터 방출되고, 반사체(205)로부터 반사되고, 이어서 반사 측벽(161)으로부터 반사되고, 파장 변환 재료(206)를 활성화시킨다. 파장 변환 재료(206)는 광자(208)를 흡수하고 색 변환된 광(예컨대, 적색 광)을 방출하며 색 변환된 광은 투과층(134)을 통과하여 색 변환 캐비티(160a)의 밖으로 나간다.
도 20에 도시된 것과 같이, 색 변환 캐비티(160a)는 LED(102a)의 중심축(202)으로부터 부착점(207)까지 거리(DWG)만큼 측면으로 연장한다. 넓은 영역에 걸쳐 광의 확산을 촉진하기 위해, 투과층(134)과 평면(204) 사이의 거리(H)는 DWG의 절반 미만이다. 도 20에서 도시된 것과 같이, 색 변환 캐비티(160)는, 색 변환 캐비티 내에서 일련의 반사에 의해 광을 측면으로 및 LED(102a)로부터 멀리 전송시키고 그 다음 수평면 위에 배치된 파장 변환 재료와 상기 광의 상호작용에 의해 LED로부터 방출된 광을 색 변환함으로써, LED(102)로부터 방출된 광을 넓은 범위에 걸쳐 확산시키고 색 변환하도록 구성된다. 색의 측면 확산을 더욱 촉진하기 위해, 색 변환 이전에 광을 측면으로 반사하기 위한 반사체가 LED 위에 도입된다.
도 21은 또 다른 실시예에서 색 변환 캐비티(160)를 도시한다. 이 실시예에서 투과층(134)은 반투명 층이다. 예를 들면, 투과층(134)은 소결된 PTFE의 얇은 층으로 형성될 수 있다. 도시된 것과 같이, 투과층(134)은 도 20의 실시예에 도시된 것과 같은 반사체를 포함하지 않는다. 반사체 대신에, 상기 반투명 층이 각각의 LED(102)로부터 방출된 광의 일부의 투과를 허용하고 각각의 색 변환 캐비티 내에서 광의 측면 확산을 촉진하기 위해 또 다른 일부의 반사를 허용한다.
또 다른 실시예에서, 각각의 색 변환 캐비티(160)는 공기보다 상당히 더 높은 굴절률을 가진 투명 매질(210)을 포함한다(예를 들면, 실리콘). 어떤 실시예에서는, 투명 매질(210)이 색 변환 캐비티를 채운다. 어떤 실시예에서는 투명 매질(210)의 굴절률이 패키지형 LED(102)의 일부인 임의의 봉입 재료의 굴절률에 정합된다. 도시된 실시예에서, 투명 매질(210)은 각각의 색 변환 캐비티의 일부를 채우지만, LED(102)로부터 물리적으로 분리된다. 이것은 색 변환 캐비티로부터의 광의 추출을 촉진하기 위해 바람직할 수 있다. 도시된 것처럼, 파장 변환 층(206)이 투과층(134) 위에 배치된다. 어떤 실시예들에서는, 파장 변환 층(206)은 각각 상이한 파장 변환 재료를 가진 다수의 부분들을 포함한다. 투과층(134)이 파장 변환 층(206)과 각각의 LED(102) 사이에 있도록 파장 변환 층(206)이 투과층(134)의 상부에 배치되는 것으로 도시되어 있지만, 어떤 실시예들에서는, 파장 변환 층(206)은 투과층(134)과 각각의 LED(102)사이의 투과층(134) 위에 배치될 수도 있다. 추가로 또는 대안으로, 파장 변환 재료가 투명 매질(210) 내에 매립될 수도 있다.
또 다른 측면에서, LED 기반 조명모듈(100)은, 도 22에 도시된 것과 같이 LED(102)로부터 떨어져 그 상부에 배치된, 비평면-성형된 반투명 창(220)을 포함한다. 어떤 실시예들에서, 비평면-성형된 반투명 창(220)은 주조된(molded) 플라스틱 또는 유리 재료로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서는, 비평면-성형된 반투명 창(220)은 소결 PTFE 재료의 얇은 층으로 형성되거나 그것을 포함할 수 있다. LED로부터 물리적으로 분리된 성형된 창은 색 변환을 수행하는 동시에 광 혼합 및 색 균일성을 촉진한다. 상기 성형된 창은 반사체에 의해 뒤덮인다. 반사체는 추가의 광 혼합을 제공하여 균일성과 출력 빔 성형을 촉진한다. 상기 성형된 창은 색 제어 및 출력 빔 균일성을 제공하기 위해, 특히 좁은 출력 빔 설계를 위해 반사체와 함께 설계된다.
상기 비평면-성형된 반투명 창(220)은 LED(102)로부터 방출된 일정량의 광을 색 변환하는 파장 변환 재료를 포함한다. 예를 들면, 도 22에 도시된 것처럼, LED(102)로부터 방출된 청색 광(223)은 비평면-성형된 반투명 창(220) 위에 배치된 색 변환 층(135) 내에 포함된 파장 변환 재료에 의해 흡수된다. 그에 대응하여, 파장 변환 재료는 더 긴 파장의 광을 방출한다(예컨대, 황색 광). 도 22에 도시된 실시예에서, 파장 변환 재료를 포함한 색 변환 층(135)이 성형된 출력창(220) 위에 배치된다. 어떤 다른 실시예들에서는, 파장 변환 재료가 상기 비평면-성형된 반투명 창(220) 내에 매립된다.
도 22에 도시된 것처럼, LED 기반 조명모듈(100)은 상기 비평면-성형된 반투명 창(220)과 접촉하는 반사 측벽(161)을 포함한다. 이 방식에서, LED(102)로부터 방출된 광은 LED 기반 조명모듈(100) 밖으로 나가기 전에 상기 비평면-성형된 반투명 창(220)을 통과한다. 어떤 실시예들에서는, 반사 측벽(161)은 비평면-성형된 반투명 창(220) 위에 배치된 파장 변환 재료와 상이한 색 변환 특성을 가진 파장 변환 재료로 코팅된다. 예를 들면, 도 22에 도시된 것처럼, LED(102)로부터 방출된 청색 광은 반사 측벽(161) 위에 배치된 파장 변환 재료에 의해 흡수된다. 그에 대응하여, 파장 변환 재료는 더 긴 파장의 광을 방출한다(예를 들면, 적색 광).
도 22에 도시된 것처럼, 반사체(125)는 LED 기반 조명모듈(100)에 부착되어 조명기구(150)를 형성한다. 반사체(125)는 비평면-성형된 반투명 창(220)을 봉입하는 내부 체적(221)을 갖는다. 이 방식에서, LED(102)로부터 방출된 광은 반사체(125)의 반사 표면에 도달하기 전에 비평면-성형된 반투명 창(220)을 통과해야 한다. 비평면-성형된 반투명 창(220)으로 LED(102)를 에워싸므로써, LED(102)는 주변 오염으로부터 보호된다. 또한, 조명기구(150)에 의한 광의 색점은 LED 기반 조명모듈(100)의 기능에 의해 제어된다; 즉 반사체(125)에 독립적임. 또한, 비평면-성형된 반투명 창(220)을 에워싸므로써, 반사체(125)는 조명기구(150)에 의해 전달되는 출력 빔 프로파일을 제어하는 것이 가능하다. 어떤 실시예들에서는, 내부 체적(221)은 공기보다 더 큰 굴절률을 가진 투명한 재료에 의해 채워진다(예컨대, 실리콘). 이 방식으로, LED 기반 조명모듈(100)로부터의 광 추출이 향상된다.
어떤 실시예들에서는, 상기 비평면-성형된 반투명 창(220)은 반사부(222)를 포함한다. 반사부(222)의 적절한 위치설정에 의해, 비평면-성형된 반투명 창(220)에 의해 방출된 광의 출력 빔 균일성이 개선될 수 있다. 도 22에 도시된 것처럼, 비평면-성형된 반투명 창(220)은 비평면-성형된 반투명 창(220)의 반사부(222) 위에 배치된 반사층을 포함한다. 어떤 다른 실시예에서는, 비평면-성형된 반투명 창(220)은 확산 반사성 재료(예컨대, 소결 PTFE)의 층으로 형성되거나 그것을 포함할 수 있다. 이들 실시예에서, 충분한 광이 비평면-성형된 반투명 창(220)의 또 다른 부분으로 반사되거나 방향 전환되기 때문에 별도의 반사부(222)는 필요하지 않을 것이다. 이들 실시예에서, 비평면-성형된 반투명 창(220)의 일부는 파장 변환 재료를 포함하지 않는다.
비평면-성형된 반투명 창(220)은 출력 빔 균일성 및 LED(102)로부터의 효율적인 광 추출을 촉진하도록 성형될 수 있다. 도 23에 도시된 실시예에서, 비평면-성형된 반투명 창(220)은 돔(dome) 형상이다. 어떤 실시예에서는, 상기 돔 형상은 LED(102)로부터 방출된 광을 지정된 출력 빔 각도로 집속하도록 구성된 파라볼라 (parabolic) 형상일 수 있다.
어떤 실시예에에서는, LED 기반 조명모듈(100)은 복수의 색 변환 캐비티(160) 위에 배치된 비평면-성형된 반투명 창(220)을 포함한다. 도 24에 도시된 것처럼, 예를 들면, LED 기반 조명모듈(100)은 도 20과 관련하여 설명된 것과 같이 구성된 다수의 색 변환 캐비티(160a-160d)를 포함한다. 비평면-성형된 반투명 창(220)은, 각각의 색 변환 캐비티로부터 방출된 광이 반사체(125)와 상호작용하기 전에 비평면-성형된 반투명 창(220)을 통과하도록, 상기 색 변환 캐비티들 위에 배치된다.
어떤 실시예들에서는, 색 변환 캐비티(160)의 구성요소들은 PTFE 재료로 형성되거나 그것을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서는 상기 구성요소들은 연마된 금속층과 같은 반사층에 의해 후방 지지된 PTFE 층을 포함할 수 있다. PTFE 재료는 소결 PTFE 입자들로 형성될 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 색 변환 캐비티(160)의 마주하는 내부면들 중 어느 것의 부분들이 PTFE 재료로 형성될 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 상기 PTFE 재료는 파장 변환 재료로 코팅될 수 있다. 다른 실시예들에서는, 파장 변환 재료는 PTFE 재료와 혼합될 수도 있다.
다른 실시예들에서는, 색 변환 캐비티(160)의 구성요소들은 CerFlex Internaltional(네덜란드)에 의해 생산된 세라믹 재료와 같은 반사성 세라믹 재료로 형성되거나 그것을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 색 변환 캐비티(160)의 마주하는 내부면들 중 어느 것의 부분들은 세라믹 재료로 형성될 수도 있다. 어떤 실시예들에서는, 상기 세라믹 재료는 파장 변환 재료로 코팅될 수도 있다.
다른 실시예에서는, 색 변환 캐비티(160)의 구성요소들은 Alanod사(독일)에 의해 제조된 알루미늄 또는 Miro®와 같은 반사성 금속 재료로 형성되거나 그것을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 색 변환 캐비티(160)의 마주하는 내부면들 중 어느 것의 부분들은 반사성 금속 재료로 형성될 수도 있다. 어떤 실시예들에서는, 상기 반사성 금속 재료는 파장 변환 재료로 코팅될 수도 있다.
다른 실시예들에서, 색 변환 캐비티(160)의 구성요소들은 3M(미국)에 의해 판매되는 Vikuiti™ ESR, Toray(일본)에 의해 제조된 Lumirror™ E60L, 또는 Furukawa Electric Co. Ltd.(일본)에 의해 제조된 것과 같은 미정질의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(MCPET)와 같은 반사성 플라스틱 재료로 만들어지거나 그것을 포함할 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 색 변환 캐비티(160)의 마주하는 내부면들 중 어느 것의 부분들은 반사성 플라스틱 재료로 형성될 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 상기 반사성 플라스틱 재료는 파장 변환 재료로 코팅될 수 있다.
캐비티(160)는, LED(102)가 비고형체 재료 내로 광을 방출하도록, 공기 또는 불활성 기체와 같은 비고형체 재료로 충전될 수 있다. 예를 들면, 캐비티는 기밀하게 밀봉될 수 있고 캐비티를 충전하는데 아르곤 가스가 사용될 수 있다. 대안으로, 질소가 사용될 수도 있다. 다른 실시예에서, 캐비티(160)는 고형 봉입(encapsulate) 물질로 채워질 수 있다. 예로서, 캐비티를 충전하는데 실리콘이 사용될 수도 있다.
PTFE 재료는, 예컨대 Alanod에 의해 생산된 Miro® 같이, 색 변환 캐비티(160)의 구성요소들을 형성하거나 그것들에 포함되는 다른 재료들보다 반사성이 약하다. 일 실시예에서, 코팅되지 않은 Miro® 측벽 인서트(107)로 형성된 LED 기반 조명모듈(100)의 청색 광 출력이 Berghof(독일)에 의해 제조된 소결 PTFE 재료로 형성된 코팅되지 않은 PTFE 측벽 인서트(107)로 형성된 동일한 LED 기반 조명모듈과 비교되었다. LED 기반 조명모듈(100)로부터의 청색 광 출력은 PTFE 측벽 인서트의 사용에 의해 7% 감소되었다. 마찬가지로, LED 기반 조명모듈(100)로부터의 청색 광 출력은 W.L. Gore(미국)에 의해 제조된 소결 PTFE 재료로 형성된 코팅되지 않은 PTFE 측벽 인서트(107)의 사용에 의해 코팅되지 않은 Miro® 측벽 인서트(107)의 비해서 5% 감소되었다. LED 기반 조명모듈(100)로부터의 광 추출은 캐비티(160) 내부의 반사율에 직접 관련되며, 따라서 다른 이용 가능한 반사성 재료와 비교하여 PTFE 재료의 낮은 반사율은 캐비티(160)에서 PTFE 재료를 사용하는 것을 기피하게 할 것이다. 그럼에도 불구하고, 발명자는 PTFE 재료가 형광체로 코팅될 때, PTFE 재료가 뜻밖에 비슷한 형광체 코팅을 가진 Miro®와 같은 반사성이 더 높은 다른 재료와 비교하여 발광 출력을 증가시킨다는 것을 알았다. 또 다른 실시예에서, 형광체 코팅된 Miro® 측벽 인서트(107)로 형성된, 4,000˚K의 상관 색온도(CCT)를 목표로 삼는 조명모듈(100)의 백색 광 출력이 Berghof(독일)에 의해 제조된 소결 PTFE 재료로 형성된 형광체 코팅된 PTFE 측벽 인서트(107)로 형성된 똑같은 모듈과 비교되었다. 모듈(100)로부터의 백색 광 출력은 형광체 코팅된 Miro®와 비교하여 형광체 코팅된 PTFE 측벽 인서트의 사용에 의해 7% 증가되었다. 유사하게, 모듈(100)으로부터의 백색 광 출력은 W.L. Gore(미국)에 의해 제조된 소결 PTFE 재료로 형성된 PTFE 측벽 인서트(107)의 사용에 의해 형광체 코팅된 Miro® 측벽 인서트(107)와 비교하여 14% 증가되었다. 또 다른 실시예에서, 형광체 코팅된 Miro® 측벽 인서트(107)로 형성된, 3,000˚K의 상관 색온도(CCT)를 목표로 삼는 조명모듈(100)의 백색 광 출력이 Berghof(독일)에 의해 제조된 소결 PTFE 재료로 형성된 형광체 코팅된 PTFE 측벽 인서트(107)로 형성된 똑같은 조명모듈과 비교되었다. 조명모듈(100)로부터의 백색 광 출력은 형광체 코팅된 Miro®와 비교하여 형광체 코팅된 PTFE 측벽 인서트의 사용에 의해 10% 증가되었다. 유사하게, 조명모듈(100)로부터의 백색 광 출력은 W. L. Gore(미국)에 의해 제조된 소결 PTFE 재료로 형성된 PTFE 측벽 인서트(107)의 사용에 의해 형광체 코팅된 Miro® 측벽 인서트(107)와 비교하여 12% 증가되었다.
그러므로, 더 낮은 반사성에 불구하고, PTFE 재료로부터 광 혼합 캐비티(160)의 형광체 피복된 부분을 형성하는 것이 바람직하다는 것을 알게 되었다. 더욱이, 형광체 코팅된 PTFE 재료는, 예를 들면 광 혼합 캐비티(160) 내에서, LED로부터의 열에 노출될 때, 비슷한 형광체 코팅을 가진 Miro®와 같은 다른 반사성이 더 큰 재료에 비해 더 큰 내구성을 가진다는 것을 알게 되었다.
설명을 위해 구체적인 실시예들을 설명했지만, 본 명세서의 기재는 전술한 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며 일반적인 적용성을 갖는다. 예를 들면, 색 변환 캐비티(160)의 어떤 구성요소라도 형광체를 가지고 패턴 형성될 수 있다. 패턴 자체와 형광체 조성은 변할 수 있다. 일 실시예에서, 조명장치는 광 혼합 캐비티(160)의 상이한 영역들에 위치하는 상이한 타입의 형광체들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 적색 형광체가 측벽 인서트(107)와 하부 반사체 인서트(106)의 적어도 하나에 위치될 수 있고, 황색 및 녹색 형광체가 출력창(108)의 상부 또는 하부 표면에 위치되거나 출력창(108) 내에 매립될 수 있다. 일 실시예에서, 상이한 유형의 형광체, 예컨대 적색 및 녹색이 측벽(107) 위의 상이한 영역에 위치될 수 있다. 예를 들면, 측벽 인서트(107)의 제1 영역에 한 유형의 형광체가, 예를 들면, 스트라이프(stripes), 스폿(spots), 도트(dots), 또는 다른 패턴으로 패턴형성되는 반면, 측벽 인서트(107)의 상이한 제2 영역에는 또 다른 유형의 형광체가 위치될 수 있다. 원한다면, 추가의 형광체들이 캐비티(160) 내의 상이한 영역들에 사용되고 위치될 수 있다. 또한, 원한다면, 단일 유형의 파장 변환 재료만이 캐비티(160) 내에, 예를 들면 측벽들에, 사용되고 패턴 형성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 마운팅 보드 고정링(103)을 사용하지 않고 마운팅 보드(104)를 마운팅 베이스(101)에 직접 고정시키기 위해 캐비티 바디(105)가 사용된다. 다른 실시예에서 마운팅 베이스(101)와 히트 싱크(120)는 단일 부품일 수 있다. 또 다른 실시예에서, LED 기반 조명모듈(100)은 도 1, 도 2 및 도 3에서 조명기구(150)의 일부로서 도시되어 있다. 도 3에 도시된 것과 같이, LED 기반 조명모듈(100)은 대체 램프(replacement lamp) 또는 레트로피트 램프(retrofit lamp)의 일부일 수 있다. 그러나, 또 다른 실시예에서, LED 기반 조명모듈(100)은 대체 램프 또는 레트로피트 램프로서 형상화되거나 그와 같이 간주될 수 있다. 따라서, 다양한 수정, 각색, 및 전술한 실시예들의 다양한 특징들의 조합이 청구항들에 제시된 발명의 범위를 벗어나지 않고서 실행될 수 있다.

Claims (20)

  1. 조명장치에 있어서,
    복수의 LED;
    상기 복수의 LED 상방에 배치된 출력창;
    상기 복수의 LED와 상기 출력창 사이의 상기 출력창 위에 배치되고, 각각 내부면 영역을 갖는 복수의 포켓을 형성하는 그리드 구조체;
    상기 복수의 포켓의 제1 개수의 상기 내부면 영역의 적어도 일부에 코팅된 제1 파장 변환 재료; 및
    상기 복수의 포켓의 제2 개수의 상기 내부면 영역의 적어도 일부에 코팅된 제2 파장 변환 재료를 포함하고,
    상기 복수의 LED로부터 방출된 소정의 광은 상기 출력창을 통과하는, 조명장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 파장 변환 재료는 상기 복수의 포켓의 제1 개수를 채우고 상기 제2 파장 변환 재료는 상기 복수의 포켓의 제2 개수를 채우는, 조명장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 포켓은 균일한 크기를 갖고 제1 거리만큼 떨어져 있으며,
    상기 복수의 LED는 제2 거리 이상만큼 서로 떨어져 있고,
    상기 제1 거리는 상기 제2 거리보다 작은, 조명장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 포켓은 균일한 크기를 갖고 제1 거리만큼 떨어져 있으며,
    상기 복수의 LED는 제2 거리 이상만큼 서로 떨어져 있고,
    상기 제1 거리는 각각의 포켓이 상기 복수의 LED의 단일의 LED에 대응하도록 상기 제2 거리와 동일한, 조명장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력창은 소결 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)로 형성되는, 조명장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 그리드 구조체는 소결 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)로 형성되는, 조명장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 LED의 각각은 평면 위에 탑재되고,
    상기 그리드 구조체는 상기 출력창으로부터 상기 평면까지 연장하는, 조명장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력창 위에 제2 혼합 캐비티가 배치되는, 조명장치.
  9. 조명장치에 있어서,
    제1 평면 위에 배치된 복수의 LED;
    상기 LED를 에워싸고, 상기 제1 평면에 대해서 비스듬한 각도를 이루고, 상기 제1 평면으로부터 상기 제1 평면 상방 제1 거리에 위치하는 제2 평면까지 연장하는 반사 측벽; 및
    상기 제2 평면에 배치되고 상기 반사 측벽에 부착된 투과층을 포함하고,
    상기 LED는 상기 LED의 다이(die) 영역에 수직으로 연장하는 중심축을 갖고,
    상기 투과층은 상기 투과층 위에 배치된 그리드 구조체를 포함하고,
    상기 그리드 구조체는 각각 내부면 영역을 갖는 복수의 포켓을 형성하고,
    상기 복수의 포켓의 제1 개수의 상기 내부면 영역의 적어도 일부에는 제1 파장 변환 재료가 코팅되고,
    상기 복수의 포켓의 제2 개수의 상기 내부면 영역의 적어도 일부에는 제2 파장 변환 재료가 코팅되는, 조명장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 거리는 상기 투과층과 상기 반사 측벽의 부착점으로부터 상기 LED의 중심축까지 상기 제2 평면에서 측정된 거리의 절반 미만인, 조명장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 투과층에 부착되고 상기 투과층과 상기 LED 사이의 상기 LED 상방에 배치된 볼록한 구형 반사체를 포함하는, 조명장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 투과층의 상방에 배치된 창을 추가로 포함하고,
    상기 창의 일부는 제2 파장 변환 재료로 코팅되는, 조명장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 창은 상기 투과층으로부터 떨어져 있는, 조명장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 반사 측벽은 확산 반사성을 갖고, 상기 반사 측벽의 적어도 일부는 상기 제1 파장 변환 재료로 코팅되는, 조명장치.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 LED와 상기 반사 측벽 사이의 공간은 투명한 고형 매질로 채워지는, 조명장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 파장 변환 재료는 상기 투명한 고형 매질 내에 매립되는, 조명장치.
  17. LED 기반 조명장치에 있어서,
    제1 색 변환 캐비티 위에 탑재된 투과층을 포함하고
    상기 투과층은 상기 투과층 위에 배치된 그리드 구조체를 포함하고,
    상기 그리드 구조체는 각각 내부면 영역을 갖는 복수의 포켓을 형성하고,
    상기 복수의 포켓의 제1 개수의 상기 내부면 영역의 적어도 일부에는 제1 파장 변환 재료가 코팅되는, LED 기반 조명장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제1 색 변환 캐비티의 내부면 영역의 상기 일부를 포함하는 제1 표면 영역을 구비한 측벽; 및
    제1 LED를 추가로 포함하고,
    상기 제1 표면 영역은 제2 파장 변환 재료로 코팅되고,
    상기 제1 LED로부터 방출된 광은 상기 제1 색 변환 캐비티로 바로 들어가는, LED 기반 조명장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    제2 LED를 추가로 포함하고,
    상기 제2 LED로부터 방출된 광은 제2 색 변환 캐비티로 바로 들어가고 상기 제1 색 변환 캐비티로 바로 들어가지 않으며,
    상기 투과층은 상기 제2 색 변환 캐비티 위에 탑재되고,
    상기 제2 색 변환 캐비티 위에 배치된 상기 복수의 포켓의 제2 개수의 상기 내부면 영역의 적어도 일부 위에는 제2 파장 변환 재료가 코팅되는, LED 기반 조명장치.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 복수의 포켓의 제2 개수의 상기 내부면 영역의 적어도 일부 위에는 제2 파장 변환 재료가 코팅되는, LED 기반 조명장치.
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