KR20140116773A - 고체조명장치 - Google Patents

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KR20140116773A
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요시아키 마츠바
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도시바 라이텍쿠 가부시키가이샤
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Abstract

고체조명장치는 조사부(10), 도광체(30), 반사부(50) 및 제1 파장변환층(40)을 구비한다. 상기 조사부(10)는 레이저광(70)을 방출한다. 상기 도광부(30)는 상기 레이저광(70)이 도입되는 입사면, 상기 레이저광(70)의 광축과 교차하는 경사면, 및 출사면을 갖는다. 상기 경사면과 상기 출사면 사이의 두께는 상기 입사면으로부터 멀어짐에 따라서 작아진다. 상기 반사부(50)는 상기 경사면에 설치된다. 상기 제1 파장변환층(40)은 상기 경사면에 설치되고, 상기 레이저광(70)의 파장보다 긴 파장을 갖는 파장변환광(73)을 방출하며, 상기 레이저광(70)을 산란광으로서 방출한다. 상기 산란광과 상기 파장변환광(73)의 혼합광은 상기 출사면의 상방으로 방출된다.

Description

고체조명장치{SOLID STATE LIGHTING DEVICE}
본 발명은 고체조명장치에 관한 것이다.
고체발광소자를 사용한 백색 고체 조명(SSL: Solid State lighting) 장치의 광원으로서는 LED(Light Emitting Diode)가 주류이다.
이 경우, 방열과 급전을 위한 기판에 LED칩을 실장하고, 형광체를 갖는 백색발광부가 LED칩을 덮도록 설치하는 경우가 많다. 이에 대하여, 만약 백색 발광부가 광학계만으로 구성되면, 발열도 적고 소형 경량화되며 조명장치의 디자인의 자유도를 높일 수 있다.
그를 위해서는 예를 들어 청자색~청색의 파장범위의 반도체 레이저로부터의 레이저광을 도광체 등에 효율 좋게 결합시키고, 고체발광소자로부터 이간된 형광체 등의 파장변환층에 조사하여 백색 발광을 얻는 구조로 하면 좋다.
선형 광원은 긴 도광체를 따라서 레이저광을 도광한다. 그러나, 스폿 광원이나 일반 광원에 긴 도광체를 사용하면, 높은 광취출 효율 및 소형화를 실현하는 것이 용이하지는 않다.
광취출 효율이 높아지고 소형화가 용이한 고체조명장치를 제공한다.
실시형태의 고체조명장치는 조사부, 도광체, 반사부, 및 제1 파장변환층을 구비한다. 상기 조사부는 레이저광을 방출한다. 상기 도광부는 상기 레이저광이 도입되는 입사면, 상기 레이저광의 광축과 교차하는 경사면, 및 출사면을 갖는다. 상기 경사면과 상기 출사면 사이의 두께는 상기 입사면으로부터 멀어짐에 따라서 작아진다. 상기 반사부는 상기 경사면에 설치된다. 상기 제1 파장변환층은 상기 경사면에 설치되고, 상기 레이저광의 파장보다 긴 파장을 갖는 파장변환광을 방출하며, 상기 레이저광을 산란광으로서 방출한다. 상기 산란광과 상기 파장변환광의 혼합광은 상기 출사면의 상방으로 방출된다.
본 발명에 따르면 광취출 효율이 높아지고 소형화가 용이한 고체조명장치가 가능해진다.
도 1(a)는 제1 실시형태에 관한 고체조명장치의 모식사시도이다.
도 1(b)는 제1 실시형태에 관한 고체조명장치의 A-A선을 따른 모식단면도이다.
도 1(c)는 제1 실시형태에 관한 고체조명장치의 B-B선을 따른 모식단면도이다.
도 2(a)는 제2 실시형태에 관한 고체조명장치의 모식사시도이다.
도 2(b)는 제2 실시형태에 관한 고체조명장치의 A-A선을 따른 모식단면도이다.
도 2(c)는 제2 실시형태에 관한 고체조명장치의 B-B선을 따른 모식단면도이다.
도 3(a)는 제3 실시형태에 관한 고체조명장치의 모식사시도이다.
도 3(b)는 제3 실시형태에 관한 고체조명장치의 A-A선을 따른 모식단면도이다.
도 3(c)는 제3 실시형태에 관한 고체조명장치의 B-B선을 따른 모식단면도이다.
도 4는 제3 실시형태의 변형예의 모식단면도이다.
도 5(a)는 도광체의 제1 변형예이다.
도 5(b)는 도광체의 제2 변형예이다.
도 5(c)는 도광체의 제3 변형예이다.
도 6(a)는 제4 실시형태에 관한 고체조명장치의 모식사시도이다.
도 6(b)는 제4 실시형태에 관한 고체조명장치의 A-A선을 따른 모식단면도이다.
도 6(c)는 제4 실시형태에 관한 고체조명장치의 B-B선을 따른 모식단면도이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다.
도 1(a)는 제1 실시형태에 관한 고체조명장치의 모식사시도, 도 1(b)는 A-A선을 따른 모식단면도, 도 1(c)는 B-B선을 따른 모식단면도이다.
고체조명장치는 조사부(10), 도광체(30), 파장변환층(40) 및 반사부(50)를 갖는다.
조사부(10)는 레이저광(70)을 방출하는 반도체 레이저(12)와, 입사도광부(11)를 구비할 수 있다. 레이저광(70)의 파장은 자외광(380㎚)~청색광(490㎚) 등의 파장으로 할 수 있다. 도광부(11)는 예를 들어 광파이버 등으로 할 수 있다.
도광체(30)는 레이저광(70)이 도입되는 입사면(30a)과, 레이저광(70)의 광축(10a)과 교차하는 경사면(30b)과, 출사면(30c)을 갖는다. 경사면(30b)과 출사면(30c) 사이의(출사면(30c)의 수직방향의) 두께(T1)는 입사면(30a)으로부터 멀어짐에 따라서 작아지도록 한다.
또한, 도광체(30)는 측면(30e)을 추가로 구비할 수 있다. 도 1(a), 도 1(b), 도 1(c)의 도광체(30)의 형상은 5면체이지만, 형상은 다면체에 한정되지 않는다. 예를 들어, 측면(30e)이나 경사면(30b)은 곡면을 포함해도 좋다. 입사면(30a) 중 레이저광(70)의 도입 영역(30d)에 반사방지막을 형성하면 레이저광(70)의 입사효율을 높일 수 있다.
도광체(30)는 투광성을 갖고, 투명 세라믹스, 유리, 석영, 투명수지 등으로 할 수 있다. 예를 들어, YAG(Yttrium Aluminum Garnet)으로 이루어진 투명 세라믹스는 굴절률이 약 1.83, 열전도율이 약 11.7W/(m·K) 등이고, 자외광~가시광까지의 파장에서 높은 투명성을 갖는다. 즉, 도광체(30)는 적어도 가시광을 투과하는 재료로, 예를 들어 광투과율은 60% 이상이 바람직하다.
반사부(50)는 도광체(30)의 경사면(30b)이나 측면(30e)에 설치된다. 또한, 도광체(30)의 입사면(30a) 중, 레이저광(70)의 도입영역(30d)을 제외한 영역에도 설치하면, 레이저광(70)이 외부에 방출되는 것이 억제되고, 고체조명장치의 안전성을 높일 수 있다.
반사부(50)는 Ag, Al 등의 자외광~청색광에 대한 광반사율이 높은 금속, 또는 다른 유전율을 갖는 2개의 막을 포함하는 유전체 다층막 등으로 할 수 있다. 유전체 다층막의 구조를 브래그 반사기 등으로 하면 원하는 파장에서 90% 이상의 광반사율로 할 수 있다.
제 1 실시형태에서 파장변환층(40)은 도광체(30)의 출사면(30c)에 설치되는 것으로 한다. 파장변환층(40)은 황색 형광체(Y), 적색 형광체(R), 녹색 형광체(G) 등으로 할 수 있다.
레이저광의 확산각을 나타내는 반치전각(FWHM: Full Width at Half Maximum)은 예를 들어 수직 방향(θv)으로 대략 40도, 수평 방향(θh)으로 대략 15도 등이고, LED(Light Emitting Diode)의 확산각보다 작다. 이 때문에, 광파이버 등으로의 입사효율을 높일 수 있다.
광파이버 등의 입사도광부(11)의 대각선 절단면(11a)으로부터 방출된 레이저광(70)은 도광체(30)에 도입되어, 내부에서 확산되면서 경사면(30b)(도 1(b))이나 측면(30e)(도 1(c))에 도달하고, 반사부(50)에서 반사되어 더욱 확산되면서 파장변환층(40)에 입사된다.
파장변환층(40)에 입사된 레이저광(70)은 산란되면서 일부는 파장변환층(40)에 흡수되어 파장변환광(73)을 방출한다. 또한, 레이저광(70)의 다른 일부는 파장변환층(40) 내에서 산란광이 되어 방출된다. 산란광과 파장변환광(73)은 혼합광(74)과 조명광이 된다. 예를 들어, 청색 레이저광이 조사된 황색 형광체는 황색광을 방출하고, 황색 형광체에 의해 산란되어 발생한 청색 산란광과 혼합되어 백색광 등을 방출한다.
파장 변환층(40)은 예를 들어 (Ca,Sr)2Si5N8:Eu, (Ca,Sr)AlSiN3:Eu 등의 질화물계 형광체, Cax(Si,Al)12(O,N)16:Eu, (Si,Al)6(O,N)8:Eu, BaSi2O2N2:Eu, BaSi2O2N2:Eu 등의 산질화물계 형광체, Lu3Al5O12:Ce, (Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce, (Sr,Ba)2SiO4:Eu, Ca3Sc2Si3O12:Ce, Sr4Al14O25:Eu 등의 산화물계 형광체나, (Ca,Sr)S:Eu, CaGa2S4:Eu, ZnS:Cu, Al 등의 황화물계 형광체 등의 중에서, 단체 또는 적어도 1종류 이상 혼합시킨 형광체를 사용할 수 있다.
제1 실시형태에서는 레이저광(70)이 효율 좋게 도광체(30)의 입사면(30a)에 도입된다. 도입된 레이저광(70)은 경사면(30b)에 설치된 반사부(50)에서 반사되고, 파장변환층(40)에 효율 좋게 입사할 수 있다. 이 때문에, 도광체(30)의 크기를 소형으로 유지하면서 광취출 효율을 높일 수 있다.
도 2(a)는 제2 실시형태에 관한 고체조명장치의 모식사시도, 도 2(b)는 A-A선을 따른 모식단면도, 도 2(c)는 B-B선을 따른 모식단면도이다.
도광체(30)의 경사면(30b)에 입사하는 레이저광(70) 중, 입사각이 임계각 이상인 광은 경사면(30b)에서 전반사되어 파장변환층(40)에 도달한다. 즉, 경사면(30b) 자체가 반사부를 구성할 수 있다.
도 3(a)는 제 3 실시형태에 관한 고체조명장치의 모식사시도, 도 3(b)는 A-A선을 따른 모식단면도, 도 3(c)는 B-B선을 따른 모식단면도이다.
고체조명장치는 입사도광부(11)를 포함하는 조사부, 도광체(30), 파장변환층(40) 및 베이스부(80)를 갖는다.
베이스부(80)에는 그 상면(80f)으로부터 후퇴한 오목부(80a)가 설치된다. 오목부(80a)는 경사면(80b), 내벽(80c), 측면(80e)을 갖는다. 또한, 베이스부(80)에는 입사도광부(11)가 삽입되는 중공부(80h)가 설치된다. 중공부(80h)에 삽입된 입사도광부(11)의 선단부는, 도광체(30)의 입사면(30a)을 향하여 레이저광(70)을 방출한다.
또한, 도 3(b)에서는, 입사도광부(11)는 광파이버로 하고, 그 선단부는 대각선 절단면(11a)으로 하며, 레이저광(70)을 대각선 절단면(11a)에서 전반사시켜 방출한다. 광파이버를 사용하는 경우, 베이스부(80)의 중공부(80h)의 형상은 도 3(b)에 한정되지 않는다. 예를 들어, 베이스부(80)의 상면(80f)과 대략 평행으로 하고, 광파이버의 단면에서 반사시키지 않고 직접 방출시킬 수도 있다.
또한, 레이저광(70)의 출력이 높아지면, 파장변환층(40)에서의 발열량이 커진다. 베이스부(60)가 Al, Cu, Ti, Si, Ag, Au, Ni, Mo, W, Fe, Nb 등의 금속으로 이루어진 것으로 하면 방열이 개선되고 발광효율이나 신뢰성을 개선할 수 있다.
또한, 베이스부(80)의 경사면(80b)의 표면을 광반사율이 높은 금속층으로 하면 반사부로서 작용한다.
도 4는 제3 실시형태의 변형예의 모식단면도이다.
도광체(30)의 경사면(30b)과, 베이스부(80)의 경사면(80b) 사이에 반사부(50)를 설치할 수 있다. 이 경우, 도광체(30)의 경사면(30b)에 미소 요철면을 설치하면 반사광을 더욱 산란시켜 저(低)코히런트로 할 수 있다.
또한, 도광체(30)의 경사면(30b)과, 베이스부(80)의 경사면(80b)과의 사이에, 제2 파장변환층(41)을 추가로 설치할 수 있다. 제2 파장변환층(41)을 베이스부(80)의 경사면(80b)에 설치하면, 제2 파장변환층(40)에서 생성된 열의 방열을 용이하게 하여 제2 파장변환층(41)의 변환효율을 높일 수 있다.
또한, 도광체(30)의 경사면(30b)과, 베이스부(80)의 경사면(80b) 사이에, 광산란층(42)을 추가로 설치할 수 있다. 광산란층(42)은 입사한 레이저광(70)을 반사하여 산란광으로서 방출하는 광산란재를 함유한다. 광산란층(42)은 Al2O3, Ca2P2O7, BaSO4 등의 미립자(입자직경: 1 내지 20㎛ 등)를 포함한다. 세라믹판에 상기 미립자를 분산 배치한 것이어도 좋다. 광산란층(42)에 의해 레이저광(70)은 더욱 저코히런트광으로 할 수 있고 안전성을 더욱 높일 수 있다.
또한, 베이스부(80)의 경사면(80b)의 표면에 미소요철면을 설치해도 좋다. 이 경우 반사부(50), 제2 파장변환층(41), 또는 광산란층(42)을 통과한 레이저광(70)의 일부가, 경사면(80b)의 미소요철면에서 산란되고, 또한 저코히런트광으로 할 수 있으며 안전성을 높일 수 있다.
도 5(a)는 도광체의 제1 변형예, 도 5(b)는 도광체의 제2 변형예, 도 5(c)는 도광체의 제3 변형예의 모식단면도이다.
도 5(a)에 나타낸 바와 같이, 입사되는 레이저광(70)의 광축(10a)이 도광체(30)의 출사면(30c)과 대략 평행이고, 또한 도광체(30)의 경사면(30b)에 대하여 대략 45도로 교차하는 경우, 반사된 레이저광(70)의 광축(10a)은 출사면(30c)과 대략 직교한다.
도 5(b)에 나타낸 바와 같이, 입사하는 레이저광(70)의 광축(10a)이 도광체(30)의 출사면(30c)과 대략 평행이고, 또한 도광부(30)의 경사면(30b)에 대하여 45도보다 큰 각도로 교차하는 경우, 반사된 레이저광(70)의 광축(10a)은 출사면(30c)에 대하여 대각선으로 교차하고 반사광은 진행방향으로 확산된다.
도 5(c)는 입사되는 레이저광(70)의 광축(10a)을 하방을 향하여, 또한 반사광의 광축을 출사면(30c)과 직교시키는 구조를 나타낸다. 즉, 도광체(30)로 입사하는 레이저광(70)의 광축(10a)의 방향과, 경사면(30b)의 기울기는, 조명광에 요구되는 지향 특성에 따라서 적정하게 설정할 수 있다.
도 6(a)는 제4 실시형태에 관한 고체조명장치의 모식사시도, 도 6(b)는 A-A선을 따른 모식단면도, 도 6(c)는 B-B선을 따른 모식단면도이다.
반도체 레이저의 수평방향 확산각(θh)이 10도 정도로 작은 경우, 수평방향으로 레이저광(70)이 확산되어도, 측면(30e)에 도달하는 광량은 적다. 이 때문에, 입사면(30a)의 형상을 폭이 좁은 직사각형으로 하고 반도체(30)를 소형으로 할 수 있다.
제1 내지 제4 실시형태에 따르면, 광취출 효율이 높아지고, 소형화가 용이한 고체조명장치가 가능해진다. 이들 고체조명장치는 일반 조명, 스폿 조명, 신호기, 차량 탑재용 조명 등에 널리 사용될 수 있다.
또한, 제1 내지 제4 실시형태에서 반사부(50)는 동일한 구성의 예를 나타냈지만, 예를 들어 도광체(30)의 경사면(30b)과 측면(30e)에서 다른 구성으로 해도 좋다. 예를 들어, 레이저광(70)이 주로 조사되는 경사면(30b)에는 광반사율이 높은 Ag, Al 등의 반사층이나 전반사면을 제1 반사부로서 형성하고, 또한 측면(30e)에는 Al2O3, Ca2P2O7, BaSO4 등의 확산기능을 갖는 제2 반사부로 할 수도 있다. 이에 의해, 제1 반사부에 의해 레이저광(70)을 파장변환층(40)에 효율 좋게 유도함과 동시에, 제2 반사부에 의해, 일부의 레이저광(70)이나 파장변환층(40)에서 반사되는 광 등을 더욱 산란시켜 저코히런트로 할 수 있다.
본 발명의 몇 가지 실시형태를 설명했지만, 이들 실시형태는 예로서 제시한 것이고, 발명의 범위를 한정하려는 의도는 없다. 이들 신규의 실시형태는 그 밖의 다른 여러 가지 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서, 여러가지 생략, 치환, 변경을 실시할 수 있다. 이들 실시형태나 그 변형은 발명의 범위나 요지에 포함되고 또한 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함된다.
10: 조사부 30: 도광체
40: 제1 파장변환층 41: 제2 파장변환층
42: 산란층 50: 반사부
70: 레이저광 73: 파장변환광
80: 베이스부

Claims (8)

  1. 레이저광(70)을 방출하는 조사부(10),
    상기 레이저광이 도입되는 입사면, 상기 레이저광(70)의 광축과 교차되는 경사면, 및 출사면을 구비하고, 상기 경사면과 상기 출사면 사이의 두께가 상기 입사면으로부터 멀어짐에 따라서 작아지는 도광체(30),
    상기 경사면에 설치된 반사부(50), 및
    상기 경사면에 설치되고 상기 레이저광(70)의 파장보다 긴 파장을 갖는 파장변환광(73)을 방출하고, 상기 레이저광(70)을 산란광으로서 방출하는 제1 파장변환층(40)을 구비하며,
    상기 산란광과 상기 파장변환광(73)의 혼합광을 상기 출사면의 상방으로 방출하는 고체조명장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사부(50)는 유전체 다층막 또는 금속층인 고체조명장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 경사면과 상기 반사부(50) 사이에 설치되고, 입사된 상기 레이저광(70)을 반사하여 산란광으로서 방출하는 광 산란재를 포함하는 산란층(42)을 추가로 구비한 고체조명장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 경사면과 상기 반사부 사이에 설치되고, 상기 레이저광(70)의 파장보다 긴 파장을 갖는 파장변환광(73)을 상기 주사면을 향하여 방출하고, 상기 레이저광(70)을 반사하여 산란광으로서 상기 출사면을 향하여 방출하는 제2 파장변환층(41)을 추가로 구비한 고체조명장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사부(50)는 상기 레이저광(70)을 전반사시키는 상기 도광체(30)의 상기 경사면인 고체조명장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 입사면은 반사방지막이 설치된 광 도입 영역을 갖는 고체조명장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 도광체(30)는 투광성 세라믹스, 유리, 석영, 투광성 수지 중 어느 하나를 포함하는 고체조명장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상면을 갖고, 상기 상면으로부터 후퇴하여 상기 도광체(30)가 끼워지는 오목부와, 상기 레이저광(70)이 상기 입사면을 향하여 전반하는 중공부가 설치된 베이스부(80)를 추가로 구비한 고체조명장치.
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