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KR20160056087A - 발광 장치 - Google Patents

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KR20160056087A
KR20160056087A KR1020140156034A KR20140156034A KR20160056087A KR 20160056087 A KR20160056087 A KR 20160056087A KR 1020140156034 A KR1020140156034 A KR 1020140156034A KR 20140156034 A KR20140156034 A KR 20140156034A KR 20160056087 A KR20160056087 A KR 20160056087A
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KR
South Korea
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lens
light
light emitting
emitting device
disposed
Prior art date
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Ceased
Application number
KR1020140156034A
Other languages
English (en)
Inventor
손창균
김기철
박강열
Original Assignee
엘지이노텍 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘지이노텍 주식회사 filed Critical 엘지이노텍 주식회사
Priority to KR1020140156034A priority Critical patent/KR20160056087A/ko
Priority to EP15192896.7A priority patent/EP3021368B1/en
Priority to US14/935,543 priority patent/US10191185B2/en
Priority to CN201510767183.4A priority patent/CN105588011B/zh
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Abstract

실시 예의 발광 장치는 적어도 하나의 광원과, 적어도 하나의 광원으로부터 방출된 광의 파장을 변환하는 파장 변환부와, 파장 변환부의 광 출사면과 접합된 제1 렌즈 및 제1 렌즈와 이격되어 배치되고 제1 렌즈로부터 방출되는 광을 반사하는 라운드형 반사부를 포함한다.

Description

발광 장치{Light emitting apparatus}
실시 예는 발광 장치에 관한 것이다.
반도체 발광 다이오드(LED:Light Emitting Diode)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜서 신호를 주고 받거나, 광원으로 사용되는 반도체 소자의 일종이다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(group Ⅲ-Ⅴ nitride semiconductor)는 물리적 및 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD:Laser Diode) 등 발광 소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다.
이러한 발광 다이오드나 레이져 다이오드는 백열등과 형광등 등의 기존 조명기구에 사용되는 수은(Hg)과 같은 환경 유해물질이 포함되어 있지 않아 우수한 친환경성을 가지며, 긴 수명과 저전력 소비특성 등과 같은 장점이 있기 때문에 기존의 광원들을 대체하고 있다.
특히, 이러한 발광 소자는 폭 넓은 분야에 적용되고 있다. 이와 같이, 발광 소자를 포함하는 발광 장치는 우수한 광 추출 효율 및 방열 효과 등을 가질 것이 지속적으로 요구되고 있는 실정이다.
실시 예는 광 추출 효율과 방열 효과가 우수하여 신뢰성이 개선된 발광 장치를 제공한다.
실시 예의 발광 장치는, 적어도 하나의 광원; 상기 적어도 하나의 광원으로부터 방출된 광의 파장을 변환하는 파장 변환부; 상기 파장 변환부의 광 출사면과 접합된 제1 렌즈; 및 상기 제1 렌즈와 이격되어 배치되고, 상기 제1 렌즈로부터 방출되는 광을 반사하는 라운드형 반사부를 포함할 수 있다.
상기 제1 렌즈의 적어도 일부가 공기층을 사이에 두고 상기 반사부와 마주하도록 배치될 수 있다.
상기 발광 장치는, 상기 파장 변환부와 상기 제1 렌즈가 배치되며, 상기 반사부를 지지하는 베이스 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 베이스 기판은 제1 영역; 및 상기 제1 영역에 인접하며, 상기 파장 변환부가 배치된 제2 영역을 포함할 수 있다.
상기 발광 장치는 베이스 기판의 상기 제1 영역에 배치된 제1 반사층을 더 포함할 수 있다.
상기 베이스 기판의 상기 제2 영역은 상기 적어도 하나의 광원에서 방출된 광이 입사되는 제1 관통공을 포함하고, 상기 파장 변환부는 상기 제1 관통공에 배치될 수 있다.
또는, 상기 반사부는 상기 적어도 하나의 광원에서 방출된 광이 입사되는 제2 관통공을 포함할 수 있다. 상기 베이스 기판의 상기 제2 영역은 상기 파장 변환부가 배치된 홈부를 포함할 수 있다.
상기 발광 장치는, 상기 제1 렌즈를 사이에 두고 상기 반사부와 대향하여 배치된 제2 반사층을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 반사층은 상기 제1 렌즈의 상부면 중 일부에 배치될 수 있다. 상기 제2 반사층은 상기 제1 렌즈의 상부면에 필름 형태로 부착되거나 코팅된 형태로 도포되거나 시트 형태로 부착될 수 있다. 또는, 상기 제2 반사층은 상기 제1 렌즈로부터 이격되어 배치될 수 있다.
상기 발광 장치는 상기 반사부에서 반사된 광이 출사되는 부분에 배치된 빔 성형부를 더 포함할 수 있다. 상기 빔 성형부는 프레넬 렌즈, 자유형 렌즈 또는 코닉 렌즈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 발광 장치는, 상기 반사부에서 반사된 광이 출사되는 부분에 배치된 반사 방지막을 더 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 광원은 발광 다이오드 또는 레이져 다이오드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 광원, 상기 파장 변환부 및 상기 제1 렌즈는 광축 상에 배치될 수 있다.
상기 파장 변환부의 제1 굴절률에 대한 상기 제1 렌즈의 제2 굴절률의 비율은 0.6 이상일 수 있다.
상기 제1 렌즈는 반구 형상을 가질 수 있다.
상기 발광 장치는, 상기 제1 렌즈와 상기 파장 변환부 사이에 배치된 접착부를 더 포함할 수 있다. 상기 접착부는 소결 또는 소성된 폴리머, Al2O3 또는 SiO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 광원은 복수의 광원을 포함하고, 상기 발광 장치는 상기 복수의 광원이 실장되는 회로 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 발광 장치는, 회로 기판의 배면, 측면 또는 상기 베이스 기판의 배면 또는 측면 중 적어도 한 곳에 부착된 방열부를 더 포함할 수 있다.
상기 회로 기판에서 상기 복수의 광원이 실장되는 면은 평면 또는 곡면 또는 구면일 수 있다.
상기 적어도 하나의 광원은 복수의 광원을 포함하고, 상기 발광 장치는 상기 복수의 광원으로부터 방출된 광을 포커싱하여 상기 제1 또는 제2 관통공으로 출사하는 제2 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 발광 장치는, 상기 제2 렌즈와 상기 제1 또는 제2 관통공 사이에 배치되어, 상기 제2 렌즈로부터 출사된 광을 상기 제1 또는 제2 관통공으로 반사시키는 제1 미러를 더 포함할 수 있다.
상기 발광 장치는, 상기 복수의 광원과 상기 제2 렌즈 사이에 배치된 프리즘, 제2 미러 또는 색선(dichroic)별 코팅층을 더 포함할 수 있다.
광축과 직교하는 방향으로 상기 제1 렌즈의 저면의 제1 폭에 대한 상기 파장 변환부의 제1 폭의 비율은 0.001 내지 1일 수 있다.
상기 제1 렌즈는 Al2O3 단결정(single crystsal), Al2O3 또는 SiO2 glass 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 렌즈의 열전도계수는 1 W/mK 내지 50 W/Mk이고, 기준 온도는 20 K 내지 400K일 수 있다.
실시 예에 의한 발광 장치는 높은 광 추출 효율을 갖고, 원하는 대로 광의 분포 즉, 조도 분포를 조정할 수 있고, 광의 각도별 강도 및 조도면에서의 균일도를 향상시킬 수 있고, 우수한 방열 효과를 가질 수도 있다.
도 1은 일 실시 예에 의한 발광 장치의 사시도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 발광 장치를 I-I'선을 따라 절개한 결합 단면도를 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 발광 장치의 분해 단면도를 나타낸다.
도 4a는 제1 렌즈의 제2 굴절률과 파장 변환부의 제1 굴절률에 따른 광 추출 효율을 나타내는 그래프이고, 도 4b는 파장 변환부 위에 배치된 제1 렌즈가 배치된 모습을 나타낸다.
도 5a는 제1 렌즈의 형태에 따른 조도 분포를 예시적으로 나타내는 도면이고, 도 5b는 광축을 중심으로 렌즈의 위치에 따른 강도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 사시도를 나타낸다.
도 7은 도 6에 도시된 발광 장치를 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절단한 결합 단면도를 나타낸다.
도 8은 도 7에 도시된 발광 장치의 분해 단면도를 나타낸다.
도 9는 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 결합 단면도를 나타낸다.
도 10은 도 9에 도시된 발광 장치의 분해 단면도를 나타낸다.
도 11은 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 사시도를 나타낸다.
도 12는 도 11에 도시된 발광 장치를 Ⅲ-Ⅲ' 선을 따라 절개한 결합 단면도를 나타낸다.
도 13은 도 12에 도시된 발광 장치의 분해 단면도를 각각 나타낸다.
도 14는 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 결합 단면도를 나타낸다.
도 15는 도 14에 도시된 발광 장치의 분해 단면도를 나타낸다.
도 16은 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 단면도를 나타낸다.
도 17은 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 단면도를 나타낸다.
도 18은 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 단면도를 나타낸다.
도 19는 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 단면도를 나타낸다.
도 20은 실시 예에 의한 발광 장치를 자동차용 전조등에 적용될 경우 광의 조도 분포를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)”로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상부" 및 "하부" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.
도면에서 각층(또는, 각부)의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 실시 예에 의한 발광 장치(100A 내지 100I)를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 편의상, 데카르트 좌표계(x축, y축, z축)를 이용하여 발광 장치(100A 내지 100I)를 설명하지만, 다른 좌표계에 의해서도 이를 설명할 수 있음은 물론이다.
도 1은 일 실시 예에 의한 발광 장치(100A)의 사시도를 나타내고, 도 2는 도 1에 도시된 발광 장치(100A)를 I-I'선을 따라 절개한 결합 단면도를 나타내고, 도 3은 도 2에 도시된 발광 장치(100A)의 분해 단면도를 나타낸다.
일 실시 예에 의한 발광 장치(100A)는 적어도 하나의 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130A), 제1 렌즈(140A), 베이스 기판(150A), 제1 반사층(160) 및 접착부(170)를 포함할 수 있다.
광원(110)은 광을 방출하는 역할을 하며, 발광 다이오드(LED:Light Emitting Diode) 또는 레이져 다이오드(LD:Laser Diode) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 실시 예는 광원(110)의 종류에 국한되지 않는다.
일반적으로 발광 다이오드의 지향각은 레이져 다이오드의 지향각보다 넓다. 따라서, 제1 관통공(PT1)으로 광을 입사시키기 위해 지향각이 발광 다이오드보다 좁은 레이져 다이오드가 유리할 수 있다. 그러나, 지향각을 좁힐 수 있는 광학계(미도시)를 광원(110)인 발광 다이오드와 제1 관통공(PT1) 사이에 배치할 경우, 발광 다이오드로부터 방출된 광의 지향각이 좁아져 제1 관통공(PT1)으로 광을 용이하게 입사시킬 수 있다. 따라서, 발광 다이오드가 광원(110)으로서 사용될 수 있다.
도 1의 경우 하나의 광원(110)만이 도시되어 있지만, 실시 예는 광원(110)의 개수에 국한되지 않는다. 즉, 광원(110)은 복수 개일 수 있다. 이에 대한 례는 도 16 내지 도 19를 참조하여 후술된다.
또한, 광원(110)에서 방출되는 광은 400 ㎚ 내지 500 ㎚의 파장 대역에서 임의의 피크(peak) 파장을 가질 수 있으나, 실시 예는 방출되는 광의 파장 대역에 국한되지 않는다. 광원(110)은 10 ㎚ 이하의 스펙트럴 반치폭(SFWHM:Spectral Full Width at Half Maximum)을 갖는 광을 방출할 수 있다. 그러나, 실시 예는 SFWHM의 특정값에 국한되지 않는다. 그리고, 광원(110)에서 방출되어 파장 변환부(120)로 입사되는 광의 반치폭(FWHM) 즉, 빔의 크기는 1 ㎚ 이하일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
광원(110)은 파장 변환부(120)(또는, 제1 관통공(PT1))으로부터 제1 이격 거리(d1)만큼 이격될 수 있다. 만일, 제1 이격 거리(d1)가 작을 경우 광원(110)으로부터 발생되는 열에 의해 파장 변환부(120) 및/또는 베이스 기판(150A)이 영향을 받을 수 있다. 따라서, 제1 이격 거리(d1)는 10 ㎛ 이상일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
한편, 파장 변환부(120)는 광원(110)으로부터 방출된 광의 파장을 변환할 수 있다. 광원(110)에서 방출된 광이 제1 관통공(PT1)에 진입하여 파장 변환부(120)를 통과하는 동안 광의 파장이 변할 수 있다. 그러나, 파장 변환부(120)를 투과한 모든 광이 파장 변환된 광은 아닐 수 있다.
광원(110)에서 방출된 광의 파장이 파장 변환부(120)에서 변환됨으로써, 백색광이나 원하는 색 온도의 광이 발광 장치(100A)의 광 출사면(LO)을 통해 출사될 수 있다. 이를 위해, 파장 변환부(120)는 인광 물질(phosphor) 예를 들어 세라믹 인광 물질(ceramic phosphor), 루미포(lumphors) 또는 YAG 단결정(sigle-crystal) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 루미포란, 발광 물질(luminescent materials) 또는 발광 물질을 포함하는 구조를 의미할 수 있다.
또한, 파장 변환부(120)에 포함되는 다양한 물질의 농도, 입도 크기, 입도 크기 분포, 파장 변환부(120)의 두께, 파장 변환부(120)의 표면 거칠기, 기포 등을 조절함으로써, 원하는 색온도를 갖는 광이 발광 장치(100A)로부터 출사될 수 있다. 예를 들어, 파장 변환부(120)는 색 온도 기준으로 3000K 내지 9000K까지 광의 파장 대역을 변환할 수 있다. 즉, 파장 변환부(120)에서 파장이 변환된 광의 색 온도 범위는 3000K 내지 9000K일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
파장 변환부(120)는 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 파장 변환부(120)는 3가지의 형태 즉, PIG(Phosphor In Glass)형, 다결정 라인(poly crystal-line)형(또는 세라믹(ceramic)형) 또는 단결정 라인(single crystal-line)형일 수 있다.
또한, 광원(110)으로부터 방출되어 파장 변환부(120)를 향해 광이 지나가는 경로 상에 투광 매질이 더 배치될 수도 있다. 즉, 투광 매질은 광원(110)과 제1 관통공(PT1)(또는, 파장 변환부(120)) 사이에 배치될 수 있다. 투광 매질은 굴절률이 1인 공기와 같은 매질을 포함하거나, 1보다 크고 2 이하의 굴절률을 갖는 매질을 포함할 수 있다.
파장 변환부(120)는 베이스 기판(150A)에 배치될 수 있다. 베이스 기판(150A)은 제1 및 제2 영역(A1, A2)을 포함할 수 있다. 베이스 기판(150A)의 제1 영역(A1)은 제2 영역(A2) 이외의 영역으로서 정의될 수 있다. 베이스 기판(150A)의 제2 영역(A2)은 제1 영역(A1)과 인접하며 파장 변환부(120)가 배치되는 영역으로서 정의될 수 있다. 베이스 기판(150A)의 제2 영역(A2)은 광원(110)에서 방출된 광이 입사되는 제1 관통공(PT1)을 포함할 수 있다. 파장 변환부(120)는 베이스 기판(150A)의 제2 영역(A2)의 제1 관통공(PT1)에 배치될 수 있다.
한편, 제1 렌즈(140A)는 베이스 기판(150A)에 배치될 수 있으며, 공기층(AIR)을 사이에 두고 반사부(130A)와 마주하며 배치될 수 있다. 제1 렌즈(140A)는 파장 변환부(120)로부터 출사되는 광을 굴절시키거나 반사부(130A)에서 반사된 광을 입사하여 다시 굴절시킬 수도 있다. 예를 들어, 도 2에 예시된 바와 같이 광원(110), 파장 변환부(120) 및 제1 렌즈(140A)는 광축(LX) 상에 배치될 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
광원(110)에서 방출되는 광이 제1 관통공(PT1)을 통해 입사된 후 파장 변환부(120)를 투과한다. 이후, 파장 변환부(120)와 제1 렌즈(140A)의 굴절률이 서로 다를 경우, 제1 렌즈(140A)에서 광이 굴절될 수 있다.
파장 변환부(120)의 제1 굴절률(n1)과 제1 렌즈(140A)의 제2 굴절률(n2) 간의 굴절률 차(Δn)가 적으면 적을수록, 발광 장치(100A)의 광 추출 효율의 향상 폭은 커질 수 있다. 그러나, 제1 및 제2 굴절률(n1, n2) 간의 굴절률 차(Δn)가 크면, 발광 장치(100A)의 광 추출 효율의 향상 폭은 감소할 수 있다.
다음 표 1은 제1 굴절률(n1)과 제2 굴절률(n2) 간의 굴절률 차(Δn)와 광 추출 효율 간의 관계를 나타낸다.
n1 n2 Δn Ext (%) ΔExt (%)
1.4 1.0 0.4 30.01 0.00
1.1 0.3 38.14 8.13
1.2 0.2 48.49 18.48
1.3 0.1 62.88 32.87
1.4 0 100.00 69.99
1.6 1.0 0.6 21.94 0.00
1.1 0.5 27.38 5.44
1.2 0.4 33.86 11.92
1.3 0.3 41.70 19.77
1.4 0.2 51.59 29.65
1.5 0.1 65.20 43.26
1.6 0 100.00 78.06
1.8 1.0 0.8 16.85 0.00
1.1 0.7 20.85 3.99
1.2 0.6 25.46 8.61
1.3 0.5 30.83 13.98
1.4 0.4 37.15 20.29
1.5 0.3 44.72 27.87
1.6 0.2 54.19 37.34
1.7 0.1 67.13 50.28
1.8 0 100.00 83.15
2.0 1.0 1.0 13.40 0.00
1.1 0.9 16.48 3.09
1.2 0.8 20.00 6.60
1.3 0.7 24.01 10.61
1.4 0.6 28.59 15.19
1.5 0.5 33.86 20.46
1.6 0.4 40.00 26.60
1.7 0.3 47.32 33.92
1.8 0.2 56.41 43.01
2.0 0 100.00 86.60
여기서, Ext는 광 추출 효율을 나타내고, ΔExt는 광 추출 효율(Ext)의 변화량을 나타낸다.
표 1을 참조하면, 제1 및 제2 굴절률(n1,n2) 간의 굴절률 차(Δn)가 적을수록 광 추출 효율이 우수함을 알 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 굴절률(n1, n2) 간의 굴절률 차(Δn)는 0(즉, 제1 및 제2 굴절률(n1, n2)이 서로 동일 한 경우)일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 이를 위해, 파장 변환부(120)와 제1 렌즈(140A)는 일체형으로 구현될 수도 있다.
또한, 제1 렌즈(140A)의 제2 굴절률(n2)은 파장 변환부(120)의 제1 굴절률(n1)에 따라 달라질 수 있다. 만일, 파장 변환부(120)가 PIG형일 경우 제1 굴절률(n1)은 1.3 내지 1.7이고, 파장 변환부(120)가 다결정 라인형일 경우 제1 굴절률(n1)은 1.5 내지 2.0이고, 파장 변환부(120)가 단결정 라인형일 경우 제1 굴절률(n1)은 1.5 내지 2.0일 수 있다. 이와 같이, 제1 굴절률(n1)은 1.3 내지 2.0일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
도 4a는 제1 렌즈(140A)의 제2 굴절률(n2)과 파장 변환부(120)의 제1 굴절률(n1)에 따른 광 추출 효율을 나타내는 그래프이고, 도 4b는 파장 변환부(120) 위에 배치된 제1 렌즈(140A)가 배치된 모습을 나타낸다. 도 4a에서, 횡축은 렌즈(140A)의 제2 굴절률(n2)을 나타내고, 종축은 광 추출 효율을 나타낸다.
만일, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제1 렌즈(140A)를 반구형상으로 제작하고, 파장 변환부(120)의 제1 굴절률(n1)에 대한 제1 렌즈(140A)의 제2 굴절률(n2)의 비율을 살펴보면, 비율이 0.6 이상일 경우, 제1 렌즈(140A)가 발광 장치(100A)에 포함되지 않을 때보다, 광 추출 효율이 40% 이상 개선됨을 알 수 있다. 이는 제1 렌즈(140A)를 포함하지 않은 경우와 포함하는 경우로 나누어 전광선속에 의해 측정될 수 있다.
제1 렌즈(140A)는 Al2O3 단결정(single crystsal), Al2O3 또는 SiO2 glass 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이 제1 굴절률(n1)과의 굴절률 차(Δn)가 적은 제2 굴절률(n2)을 갖도록 제1 렌즈(140A)의 재질을 선택할 수 있다.
또한, 제1 렌즈(140A)의 열전도도가 높을 경우, 파장 변환부(120)에서 발생하는 열을 방열시키기 유리할 수 있다. 열전도도는 재질의 종류 및 기준 온도(즉, 주변 환경의 온도)에 따라 달라질 수 있다. 이를 고려하면, 제1 렌즈(140A)는 1 W/mK 내지 50 W/mK의 열전도 계수(Thermal Conductivity) 및/또는 20K 내지 400K의 기준 온도를 갖는 물질을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 렌즈(140A)의 재질의 종류에 따라 광 추출 효율과 방열 특성이 결정되므로, 이들을 고려하여 제1 렌즈(140A)의 재질이 결정될 수 있다.
또한, 제1 렌즈(140A)의 형태(또는, 형상)에 따라 광 출사면(LO)을 통해 출사되는 광의 조도 분포 및 광 추출 효율이 변할 수 있다. 따라서, 광 출사면(LO)을 통해 출사되는 광의 원하는 조도 분포에 따라 다양한 형상의 제1 렌즈(140A)를 사용할 수 있다. 예를 들어, 제1 렌즈(140A)는 구면형, 비구면형, 자유형 만곡(freeform curve)형, 쌍곡선형, 타원형, 또는 프레넬 렌즈(fresnel)형 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 5a는 제1 렌즈(140A)의 형태에 따른 조도 분포를 예시적으로 나타내는 도면이고, 도 5b는 광축(LX)을 중심으로 렌즈의 위치에 따른 강도를 최대값을 '1'로 하여 정규화하여 도 5a에 도시된 각 렌즈의 형태에 따라 나타낸 그래프이다.
도 5a를 참조하면, 제1 렌즈(140A)가 반구 형상(140A)인 경우와 그 밖의 다양한 형상(140B 내지 140E)을 가질 경우를 나타낸다. 특히, 도 5a에 도시된 렌즈(140D, 140E)는 광축(LX)축 형성된 리세스(RE)를 더 포함할 수 있다. 이때, 각 형상(140A, 140B, 140C, 140D, 140E)에 대한 다양한 조도 분포를 알 수 있다.
또한, 광축(LX)과 직교하는 방향(예를 들어, y축 방향)으로 제1 렌즈(140A)의 저면(140b)의 제1 폭(W1)에 대한 파장 변환부(120)의 제2 폭(W2)의 비율(RAT)이 0.001보다 작다면, 파장 변환부(120)에 의해 변환된 파장을 갖는 광이 조명용 기기로 사용될 수 없을 수도 있다. 또한, 비율(RAT)이 1보다 크다면, 대부분의 광이 넓게 퍼져서 발광 장치(100A)로부터 출사될 수도 있다. 따라서, 비율(RAT)은 적용례에 따라 0.001 내지 1일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
한편, 베이스 기판(150A)은 반사부(130A)를 지지할 수 있다. 반사부(130A)는 제1 렌즈(140A)와 이격되어 배치되며, 제1 렌즈(140A)로부터 방출된 광을 반사할 수 있다. 이때, 반사부(130A)는 파장 변환부(120)에서 변환된 파장을 갖는 광뿐만 아니라 파장 변환부(120)에서 파장이 변환되지 않은 광을 모두 반사할 수 있다. 이를 위해 반사부(130A)는 라운드(round)(또는, 포물선형)형 단면 형상을 가질 수 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 만일, 반사부(130A)가 라운드형(또는, 포물선형)일 경우, 가상의 광 출사면(LO)을 통해 출사되는 광의 콜리메이션(collimation)에 유리할 수 있다.
반사부(130A)는 원하는 조도 분포에 따라 비구면, 자유형 만곡(freeform curve)면, 프레넬 렌즈(fresnel), 또는 홀로그라피 광학 소자(HOE:Holography Optical Element) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 자유형 만곡면이란, 다양한 형태의 곡선면이 배치된 형상을 의미할 수 있다.
만일, 반사부(130A)로서 프레넬 렌즈가 사용될 경우, 프레넬 렌즈는 파장 변환부(120)에서 변환된 파장을 갖는 광뿐만 아니라 파장이 변화되지 않은 광을 모두 반사시키는 반사부(130A)의 역할을 수행할 수 있다.
또한, 반사부(130A)는 몸체(130-1) 및 반사막(130-2)을 포함할 수 있다. 반사막(130-2)은 몸체(130-1)에 필름 형태로 부착되거나, 코팅된 형태로 도포되거나, 시트(sheet) 형태로 부착될 수 있다. 예를 들어, 몸체(130-1)에 금속을 코팅하여 반사막(130-2)을 구현할 수도 있다.
또한, 베이스 기판(150A)의 제1 영역(A1)에 제1 반사층(160)이 더 배치될 수도 있다. 제1 반사층(160)은 베이스 기판(150A)의 제1 영역(A1)에 필름 형태로 부착되거나 코팅된 형태로 부착될 수 있으나, 실시 예는 제1 반사층(160)의 배치 형태에 국한되지 않는다.
만일, 제1 반사층(160)이 배치될 경우, 반사부(130A)에서 반사된 후 광 출사면(LO)을 통해 출사되지 못하고, 베이스 기판(150A)으로 향하는 광이 제1 반사층(160)에 반사된 후 제1 렌즈(140A)로 입사되거나 반사부(130A)로 향할 수 있어, 더욱 많이 광이 광 출사면(LO)을 통해 출사될 수 있다. 즉, 발광 장치(100A)의 광 추출 효율이 개선될 수 있다.
만일, 반사율이 60% 작을 경우 반사부(130A) 또는 제1 반사층(160)이 반사의 역할을 제대로 수행할 수 없을 수도 있다. 따라서, 반사부(130A) 또는 제1 반사층(160)의 반사율은 60% 내지 100%일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 경우에 따라서, 제1 반사층(160)은 생략될 수도 있다.
또한, 도 2 및 도 3을 다시 참조하면, 접착부(170)가 제1 렌즈(140A)의 저면(140b)과 파장 변환부(120) 사이에 배치될 수 있다. 이때, 접착부(170)는 소결(sintering) 또는 소성(firing)된 폴리머, Al2O3 또는 SiO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이와 같이, 제1 렌즈(140A)와 파장 변환부(120)는 접착부(170)에 의해 서로 접합될 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
예를 들어, 제1 렌즈(140A)와 파장 변환부(120)를 각각 별개로 제작한 경우, 다양한 방법으로 제1 렌즈(140A)와 파장 변환부(120)가 접합될 수 있다.
일 례로서, 파장 변환부(120)와 제1 렌즈(140A)를 접합할 부위에 Al2O3 또는 SiO2 Glass 등의 파우더(powder)를 균일하고 얇게 도포하거나 실리콘과 같은 폴리머(polymer)를 균일하게 얇게 도포한 후, 소결 또는 소성할 경우, 이들(120, 140A)은 서로 접합할 수 있다. 이때, 이들(120, 140A) 사이에 접착부(170)가 존재할 수 있다.
또한, 제1 렌즈(140A)와 파장 변환부(120) 중 하나를 먼저 제조한 후, 먼저 제조된 것을 나중에 제조할 것의 기판으로 이용할 수도 있다. 예를 들어, 제1 렌즈(140A)를 먼저 제조할 경우, 먼저 제조된 렌즈(140A)의 평평한 면을 기판으로 하여, 그 기판 위에 파장 변환부(120)를 제조할 수도 있다.
또는, 지그(jig)를 사용하여 파장 변환부(120)와 제1 렌즈(140A)를 동시에 제작할 수도 있다.
도 6은 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100B)의 사시도를 나타내고, 도 7은 도 6에 도시된 발광 장치(100B)를 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절단한 결합 단면도를 나타내고, 도 8은 도 7에 도시된 발광 장치(100B)의 분해 단면도를 나타낸다.
다른 실시 예에 의한 발광 장치(100B)는 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130B), 제1 렌즈(140A), 기판(150A), 제1 및 제2 반사층(160, 162A) 및 접착부(170)을 포함할 수 있다.
도 6 내지 도 8에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 제1 렌즈(140A), 기판(150A), 제1 반사층(160) 및 접착부(170)는 도 1 내지 도 3에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 제1 렌즈(140A), 기판(150A), 제1 반사층(160) 및 접착부(170)에 각각 해당하므로 동일한 참조부호를 사용하였으며, 이들에 대해서는 중복되는 설명을 생략한다.
도 8을 참조하면, 제1 렌즈(140A)의 적어도 일부(140-1)는 공기층(AIR)을 사이에 두고 반사부(130A)와 마주하도록 배치될 수 있다. 이때, 제1 렌즈(140A)의 타부(140-2)는 반사부(130A)와 마주하지 않은 부분으로서, 광이 반사부(130B)에서 반사되지 않고 이 부분(140-2)으로부터 광 출사면(LO)을 통해 출사될 수 있는 부분이다. 이 경우, 전술한 바와 같이, 광 출사면(LO)을 통해 출사되는 광의 콜리메이션에 악영향을 줄 수도 있다.
이를 해소하기 위해, 도 6 내지 도 8에 도시된 발광 장치(100B)는 도 1 내지 도 3에 도시된 발광 장치(100A)와 달리, 제2 반사층(162A)을 더 포함할 수 있다. 제2 반사층(162A)은 제1 렌즈(140A)를 사이에 두고 반사부(130B)와 대향하여 배치될 수 있다.
이때, 제2 반사층(162A)은 제1 렌즈(140A)의 상부면 중 반사부(130B)와 대향하는 일부(140-1)에는 배치되지 않고, 반사부(130B)와 대향하지 않은 타부(140-2)에만 배치될 수 있다. 따라서, 반사부(130B)로부터 반사되지 않고 제1 렌즈(140A)로부터 광 출사면(LO)을 통해 직접 출사될 광이 제2 반사층(162A)에서 반사되어, 반사부(130B)로 향할 수 있다. 따라서, 제2 반사층(162A)이 없는 경우와 비교할 때, 보다 많은 광이 반사부(130B)에서 반사되어 출사될 수 있어, 콜리메이션에 유리할 수 있다.
또한, 제2 반사층(162A)은 제1 렌즈(140A)의 상부면에 필름 형태로 부착되거나 코팅된 형태로 도포되거나 시트 형태로 부착될 수 있다. 이를 위해, 제1 렌즈(140A)가 반구형일 경우, 제2 반사층(162A)은 반구형 제1 렌즈(140A)의 반지름에 해당하는 일정한 곡률 반경을 가질 수 있다.
또한, 제2 반사층(162A)의 길이(L)는 제1 렌즈(140A)로부터 반사부(130B) 대신에 광 출사면(LO)으로 향하는 광의 최대 지향각에 따라 결정될 수 있다.
또한, 도 1 내지 도 3에 도시된 발광 장치(100A)의 반사부(130A)는 몸체(130-1)와 반사막(130-2)을 포함하는 반면, 도 6 내지 도 8에 도시된 반사부(130B)는 몸체(130-1)가 도 1 내지 도 3에 도시된 몸체(130-1)와 반사막(130-2)의 역할을 동시에 수행할 수 있다. 즉, 도 6 내지 도 8에 도시된 반사부(130B)는 반사성을 갖는 재질로 구현된 몸체(130-1)만을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 반사부(130B)의 구조가 다르고 제2 반사층(162A)을 더 포함하는 차이점을 제외하면, 도 6 내지 도 8에 도시된 발광 장치(100B)는 도 1 내지 도 3에 도시된 발광 장치(100A)와 동일하다.
도 9는 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100C)의 결합 단면도를 나타내고, 도 10은 도 9에 도시된 발광 장치(100C)의 분해 단면도를 나타낸다.
또 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100C)는 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130A), 제1 렌즈(140A), 기판(150A), 제1 및 제2 반사층(160, 162B) 및 접착부(170)을 포함할 수 있다.
도 9 및 도 10에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130A), 제1 렌즈(140A), 기판(150A), 제1 반사층(160) 및 접착부(170)는 도 1 내지 도 3에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130A), 제1 렌즈(140A), 기판(150A), 제1 반사층(160) 및 접착부(170)에 각각 해당하므로 동일한 참조부호를 사용하였으며, 이들에 대해서는 중복되는 설명을 생략한다.
도 2 및 도 3에 도시된 발광 장치(100A)와 달리, 도 9 및 도 10에 도시된 발광 장치(100C)는 제2 반사층(162B)을 더 포함할 수 있다. 이를 제외하면, 도 9 및 도 10에 도시된 발광 장치(100C)는 도 2 및 도 3에 도시된 발광 장치(100A)와 동일하다.
또한, 도 6 내지 도 8에 도시된 발광 장치(100B)와 달리, 도 9 및 도 10에 도시된 발광 장치(100C)에서 제2 반사층(162B)은 제1 렌즈(140A)로부터 이격되어 배치되고, 반사부(130A)는 몸체(130-1)와 반사막(130-2)을 포함할 수 있다. 이를 제외하면, 도 9 및 도 10에 도시된 발광 장치(100C)는 도 7 및 도 8에 도시된 발광 장치(100B)와 동일하다.
도 9 및 도 10에 도시된 제2 반사층(162B)은 제1 렌즈(140A)로부터 수평 방향(예를 들어, y축 방향)으로 일정 거리(g)만큼 이격되어 있다. 이때, 제2 반사층(162B)은 일정한 높이(h)를 가질 수 있다. 여기서, 높이(h)는 다음 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, W1/2은 제1 렌즈(140A)의 중심으로부터 수평 방향(예를 들어 y축 방향)으로의 제1 폭(W1)의 절반을 의미하고, θ는 제1 렌즈(140A)의 저면으로부터 수평 방향으로 연장되는 가상의 수평선(141)과 제1 렌즈(140A)로부터 광 출사면(LO)으로 직접 출사 가능한 최대 각도를 의미한다. 즉, 제1 렌즈(140A)의 상부면으로부터 θ보다 큰 각도로 출사되는 광은 반사부(130A)에서 반사될 수 있고, θ 이하의 각도로 출사되는 광은 반사부(130A)에서 반사되지 않고 광 출사면(LO)을 통해 출사될 수 있다.
따라서, 전술한 바와 같은 높이(h)를 갖는 제2 반사층(162B)이 베이스 기판(150A) 상에 배치됨으로 인해, 제1 렌즈(140A)로부터 광 출사면(LO)을 통해 직접 출사될 광이 제2 반사층(162B)에서 반사되어 반사부(130A)로 향함으로써 재활용되어, 콜리메이션에 유리할 수 있다.
결국, 도 7 및 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 반사층(162A, 162B)을 포함함으로써, 발광 장치(100B, 100C)는 콜리메이션을 요구하는 자동차 램프 등의 분야에서 용도에 맞는 광을 출사시킬 수 있다.
도 11은 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100D)의 사시도를 나타내고, 도 12는 도 11에 도시된 발광 장치(100D)를 Ⅲ-Ⅲ' 선을 따라 절개한 결합 단면도를 나타내고, 도 13은 도 12에 도시된 발광 장치(100D)의 분해 단면도를 각각 나타낸다.
또 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100D)는 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130A), 제1 렌즈(140A), 기판(150A), 제1 반사층(160), 접착부(170) 및 빔 성형부(180)를 포함할 수 있다.
도 11 내지 도 13에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130A), 제1 렌즈(140A), 기판(150A), 제1 반사층(160) 및 접착부(170)는 도 1 내지 도 3에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130A), 제1 렌즈(140A), 기판(150A), 제1 반사층(160) 및 접착부(170)에 각각 해당하므로 동일한 참조부호를 사용하였으며, 이들에 대해서는 중복되는 설명을 생략한다.
도 1 내지 도 3에 도시된 발광 장치(100A)와 달리, 도 11 내지 도 13에 도시된 발광 장치(100D)는 빔 성형부(180)를 더 포함할 수 있다.
빔 성형부(180)는 일종의 렌즈로서 반사부(130A)에서 반사된 광이 출사되는 광 출사면(LO)에 배치될 수 있다. 빔 성형부(180)는 프레넬 렌즈, 자유형 렌즈 또는 코닉(conic) 렌즈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또는, 비록 도시되지는 않았지만, 빔 성형부(180) 대신에, 빔 성형부(180)가 배치되는 광 출사면(LO)에 반사 방지(AR:AntiReflect)막이 더 배치될 수도 있다.
또한, 비록 도시되지는 않았지만, 도 11 내지 도 13에 도시된 빔 성형부(180)는 도 8 내지 도 10에 도시된 발광 장치(100B)에도 도 11 내지 도 13에 도시된 바와 같은 모습으로 배치될 수 있음은 물론이다.
렌즈(140A)를 통해 출사된 후 반사부(130A)에서 반사되어 외부로 출사될 수 광은 렌즈(140A)의 형상, 파장 변환부(120)의 제1 굴절률(n1) 및 렌즈(140A)의 제2 굴절률(n2), 반사부(130A)의 모양 및 크기에 따라 다양한 모습을 보일 수 있다. 일 례로서, 도 12에 도시된 바와 같이, 빔 성형부(180)는 반사부(130A)에서 반사된 광을 콜리메이션하는 대신에 하나의 빔 형태로 성형할 수 있다.
전술한 발광 장치(100D)에서와 같이 빔 성형부(180)를 포함하는 발광 장치(100D)는 조명 기기를 위해 사용될 수 있도록 한다.
도 14는 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100E)의 결합 단면도를 나타내고, 도 15는 도 14에 도시된 발광 장치(100E)의 분해 단면도를 나타낸다.
또 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100E)는 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130C), 제1 렌즈(140A), 베이스 기판(150B), 제1 반사층(160), 제3 반사층(164) 및 접착부(170)를 포함할 수 있다.
도 14 및 도 15에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 제1 렌즈(140A), 제1 반사층(160) 및 접착부(170)는 도 2 및 도 3에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 제1 렌즈(140A), 제1 반사층(160) 및 접착부(170)에 각각 해당하므로 이들에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하였으며, 중복되는 설명을 생략한다.
도 14 및 도 15에 도시된 발광 장치(100E)에서 달리 설명되지 않는 한, 도 2 및 도 3에 도시된 발광 장치(100A)의 전술한 특징은 도 14 및 도 15에 도시된 발광 장치(100E)에도 적용될 수 있음은 물론이다.
전술한 발광 소자(100A 내지 100D)의 광원(110)이 베이스 기판(150A)의 제1 관통공(PT1)을 향해 배치된 것과 달리, 도 14 및 도 15에 도시된 발광 장치(100E)의 광원(110)은 반사부(130C)(또는, 제2 관통공(PT2))을 향해 배치될 수 있다.
또한, 광원(110)은 반사부(130C)의 내부에 매립되어 배치될 수도 있다.
또한, 광원(110)은 반사부(130C)의 제2 관통공(PT2)와 제2 이격 거리(d2)만큼 이격되어 배치될 수 있다. 도 1 내지 도 3에 도시된 광원(110)이 제1 관통공(PT1)으로부터 제1 이격 거리(d1)만큼 이격되어 배치된 이유와 동일한 이유로, 광원(110)으로부터 발생된 열이 반사부(130C)에 영향을 미치지 않도록, 광원(110)은 제2 관통공(PT2)으로부터 제2 이격 거리(d2)만큼 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 이격 거리(d2)는 10 ㎛ 이상일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
한편, 도 1 내지 도 3에 도시된 발광 장치(100A)의 반사부(130A)와 마찬가지로 반사부(130C)는 몸체(130-3) 및 반사막(130-4)을 포함할 수 있다. 몸체(130-3)는 도 14에 도시된 바와 같이 광원(110)을 매립하는 공간(SP)을 가질 수 있다. 또는, 도 14에 도시된 바와 달리, 광원(110)이 반사부(130C)에 매립되지 않을 때, 광원(110)으로부터 방출된 광이 제2 관통공(PT2)으로 입사될 수 있도록, 반사부(130C)는 광 경로를 내부에 형성할 수도 있다.
또한, 도 1 내지 도 3에 도시된 반사부(130A)의 반사막(130-2)과 달리, 도 14 및 도 15에 도시된 반사부(130C)의 반사막(130-4)은 제2 관통공(PT2)을 포함할 수 있다. 제2 관통공(PT2)은 광원(110)에서 방출된 광이 입사되는 입구에 해당한다.
제1 관통공(PT1)과 마찬가지로, 제2 관통공(PT2)으로 광을 입사시키기 위해 지향각이 발광 다이오드보다 좁은 레이져 다이오드가 유리할 수 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 지향각을 좁힐 수 있는 광학계(미도시)를 광원(110)인 발광 다이오드와 제2 관통공(PT2) 사이에 배치할 경우, 발광 다이오드로부터 방출된 광의 지향각을 좁혀 제2 관통공(PT2)으로 광을 쉽게 입사시킬 수도 있다.
또한, 도 1 내지 도 3에 예시된 발광 장치(100A)의 베이스 기판(150A)은 제1 관통공(PT1)을 갖는 반면, 발광 장치(100E)의 베이스 기판(150B)은 제1 관통공(PT1) 대신에 홈부(152)를 포함할 수 있다.
홈부(152)는 베이스 기판(150B)의 제2 영역(A2)에 형성되고, 파장 변환부(120)는 홈부(152)에 배치될 수 있다.
또한, 제3 반사층(164)은 홈부(152)에서 파장 변환부(120)와 베이스 기판(150B) 사이에 배치될 수 있다. 제2 관통공(PT2)을 통해 제1 렌즈(140A)를 경유하여 파장 변환부(120)로 입사된 광은 파장 변환부(120)를 투과하여 베이스 기판(150B)에서 흡수되거나 베이스 기판(150B)의 저면을 통해 출사될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 제3 반사층(164)이 배치된다. 제3 반사층(164)은 파장 변환부(120)를 투과한 광을 반사시켜 제1 렌즈(140A)로 향하도록 한다. 따라서, 발광 장치(100E)의 광 추출 효율이 향상될 수 있다. 제3 반사층(164)은 파장 변환부(120) 또는 베이스 기판(150B)에 필름 형태로 부착되거나 코팅된 형태로 부착될 수 있다.
만일, 제3 반사층(164)의 반사율이 60%보다 작을 경우, 제3 반사층(164)은 반사의 역할을 제대로 수행할 수 없다. 따라서, 제3 반사층(164)의 반사율은 60% 내지 100%일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
경우에 따라서, 제3 반사층(164)은 생략될 수도 있다.
도 14 및 도 15에 도시된 발광 장치(100E)에 도 6 내지 도 10에 도시된 바와 같은 모습으로 제2 반사층(162A, 162B)이 더 배치될 수 있고, 도 11 내지 도 13에 도시된 바와 같은 모습으로 빔 성형부(180)가 더 배치될 수 있음은 물론이다.
광원(110)의 개수는 복수 개일 수 있다. 예를 들어, 전술한 발광 장치(100A 내지 100E)가 자동차용 램프를 위해 사용될 경우, 광원(110)의 개수는 복수 개일 수 있다. 이와 같이, 실시 예에 의한 발광 장치(100A 내지 100E)의 적용 분야에 따라 광원(110)의 개수는 다양해질 수 있다.
또한, 전술한 발광 장치(100A 내지 100E)는 하나의 광원(110), 하나의 파장 변환부(120) 및 하나의 제1 렌즈(140A)만을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 다른 실시 예에 의하면, 복수 개의 광원(110)과 복수 개의 파장 변환부(120) 및 복수 개의 제1 렌즈(140A)가 일대일로 대응하여 배치될 수도 있고, 복수 개의 광원(110)과 한 개의 파장 변환부(120) 및 한 개의 제1 렌즈(140A)가 배치될 수도 있다.
이하, 복수개의 광원(110)과 다양한 광학 소자를 포함하는 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100F 내지 100I)에 대해 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 설명의 편의상 광원(110)의 개수는 3개인 것으로 설명하지만, 광원(110)의 개수는 2개일 수도 있고 3개보다 많을 수도 있다.
도 16 내지 도 19는 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100F 내지 100I)의 단면도를 나타낸다.
도 16 및 도 17에 도시된 발광 장치(100F, 100G)는 도 2에 도시된 발광 장치(100A)를 포함하고, 도 18 및 도 19에 도시된 발광 장치(100H, 100I)는 도 14에 도시된 발광 장치(100E)를 포함하므로 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하였으며, 중복되는 설명을 생략한다.
설명의 편의상, 도 16 및 도 17에 도시된 발광 장치(100F, 100G)에 포함된 발광 장치(100A)에서 도 2 및 도 3에 도시된 제1 반사층(160), 접착부(170) 및 반사부(130A)의 몸체(130-1)의 도시는 생략되었다. 또한, 도 18 및 도 19에 도시된 발광 장치(100H, 100I)에 포함된 발광 장치(100E)에서 도 14 및 도 15에 도시된 제1 및 제3 반사층(160, 164), 접착부(170) 및 반사부(130C)의 몸체(130-3)의 도시는 생략되었다.
또한, 도 16 및 도 17에 도시된 발광 장치(100F, 100G)는 도 2에 도시된 발광 장치(100A) 대신에 도 7, 도 9 또는 도 12에 도시된 발광 장치(100B, 100C, 100D)를 포함할 수도 있다.
도 16 및 도 17에 도시된 발광 장치(100F, 100G)는 도 1 내지 도 3에 도시된 발광 장치(100A), 회로 기판(112A, 112B), 방열부(114), 제2-1 렌즈(116), 제2-2 렌즈(118) 및 제1 미러(196)를 포함할 수 있다. 또한, 도 18 및 도 19에 도시된 발광 장치(100H, 100I)는 도 14에 도시된 발광 장치(100E), 회로 기판(112A, 112B), 방열부(114), 제2-1 렌즈(116), 제2-2 렌즈(118) 및 제1 미러(196)를 포함할 수 있다.
도 16 내지 도 19에서, 발광 장치(100A, 100E)에 대한 설명은 전술한 바와 같으므로 생략한다. 다만, 도 16 내지 도 19에 도시된 각 발광 장치(100F, 100G, 100H, 100I)는 복수 개의 광원(110-1, 110-2, 110-3)을 포함하며, 이들 복수 개의 광원(110: 110-1, 110-2, 110-3)은 회로 기판(112A, 112B)에 실장될 수 있다.
또한, 방열부(114)가 회로 기판(112A, 112B)의 배면에 부착되어, 발광 장치(100F 내지 100I)에서 발생한 열을 외부로 배출할 수 있으나, 실시 예는 방열부(114)의 배치 위치에 국한되지 않는다. 다른 실시 예에 의하면, 방열부(114)는 회로 기판(112A, 112B)뿐만 아니라 베이스 기판(150A, 150B)의 배면에도 부착될 수 있다. 또 다른 실시 예에 의하면, 방열부(114)는 회로 기판(112A, 112B)의 배면 대신에 베이스 기판(150A, 150B-1)의 배면에만 부착될 수도 있다. 또는, 경우에 따라 방열부(114)는 생략될 수도 있고, 회로 기판(112A, 112B) 또는 베이스 기판(150A, 150B-1)의 배면뿐만 아니라 측면에도 배치될 수도 있고, 배면이 아닌 측면에만 배치될 수도 있다.
방열부(114)는 알루미늄으로 구현될 수 있지만, 좀 더 높은 방열 효율을 갖도록 TEC(Thermal Electric Cooler) 등으로 구현될 수도 있다. 그러나, 실시 예는 방열부(114)의 배치 위치나 재질에 국한되지 않는다.
또한, 적어도 하나의 제2 렌즈(116, 118)는 복수의 광원(110)으로부터 방출된 광을 포커싱하여 제1 또는 제2 관통공(PT1, PT2)으로 출사시킬 수 있다.
예를 들어, 적어도 하나의 제2 렌즈는 제2-1 렌즈(116)와 제2-2 렌즈(118)를 포함할 수 있다. 제2-2 렌즈(118)는 각 광원(110-1, 110-2, 110-3)과 제2-1 렌즈(116) 사이에 각각 배치된 3개의 제2-2 렌즈(118-1, 118-2, 118-3)를 포함할 수 있다. 즉, 제2-2 렌즈(118)는 광원(110)의 개수만큼 배치될 수 있다. 이러한 제2-2 렌즈(118; 118-1, 118-2, 118-3)는 해당하는 광원(110; 110-1, 110-2, 110-3)으로부터 방출된 광을 포커싱하거나 콜리메이팅(collimating)하는 역할을 한다. 따라서, 실시 예에 의한 발광 장치가 자동차의 헤드 램프나 손전등에 적용될 경우 광이 일직선으로 멀리 도달할 수 있게 된다. 응용례에 따라서, 제2-2 렌즈(118, 118-1, 118-2, 118-3)는 생략될 수도 있다. 즉, 발광 장치가 신호등에 적용될 경우, 발광 장치에서 방출된 광이 직진성을 갖지 않고 퍼지도록 하고자 할 경우, 제2-2 렌즈(118, 118-1, 118-2, 118-3)는 생략될 수도 있다.
제2-1 렌즈(116)는 제2-2 렌즈(118)와 제1 또는 제2 관통공(PT1, PT2) 사이에 배치된다. 만일, 제2-2 렌즈(118)가 생략될 경우, 제2-1 렌즈(116)는 복수의 광원(110, 110-1, 110-2, 110-3)과 제1 또는 제2 관통공(PT1, PT2) 사이에 배치될 수 있다. 제2-1 렌즈(116)는 fθ 렌즈일 수 있다. 일반 렌즈의 경우 광원의 위치가 변하면 광원에서 발생된 광이 렌즈를 통과한 후 초점이 맺히는 위치도 변하게 된다. 그러나, fθ 렌즈의 경우 광원의 위치가 변하여도 렌즈를 통과한 광의 초점이 맺히는 위치가 변하지 않는다. 따라서, 제2-1 렌즈(116)는 복수의 광원(110-1, 110-2, 110-3)으로부터 방출된 광을 하나로 모아서 제1 미러(196)를 통해 제1 또는 제2 관통공(PT1, PT2)로 보낼 수 있다.
제1 미러(196)는 제2-1 렌즈(116)와 제1 또는 제2 관통공(PT1, PT2) 사이에 배치되어, 제2-1 렌즈(116)에서 포커싱된 광을 반사하여 제1 또는 제2 관통공(PT1, PT2)으로 입사시키는 역할을 한다.
한편, 회로 기판(112A, 112B)에서 복수의 광원(110:, 110-1, 110-2, 110-3)이 실장되는 면은 도 16 또는 도 18에 예시된 바와 같이 곡면 또는 구면일 수도 있고, 도 17 또는 도 19에 예시된 바와 같이 평면일 수도 있다.
복수 개의 광원(110)으로부터 빛을 하나로 모으기 위해, 다양한 방법이 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 16 및 도 18에 도시된 바와 같이 복수의 광원(110, 110-1, 110-2, 110-3)이 실장되는 회로 기판(112A)의 실장면을 곡면이나 구면으로 구현할 경우 복수의 광원(110)으로부터의 광이 하나의 광으로 모아질 수 있다. 만일, 회로 기판(112A)의 실장면이 구면일 경우, 구면에 해당하는 구의 반지름은 콜리메이션 렌즈의 역할을 수행하는 제2-2 렌즈(118)의 초점 거리에 해당할 수 있다.
그러나, 회로 기판(112B)에서 복수의 광원(110, 110-1, 110-2, 110-3)이 실장되는 면이 도 17 또는 도 19에 도시된 같이 평면일 경우, 복수의 광을 하나로 모으기 위해, 발광 장치(100G, 100I)는 복수의 광원(110)과 적어도 하나의 제2 렌즈 사이 즉, 제2-2 렌즈(118)와 제2-1 렌즈(116) 사이에 배치된 프리즘(Prism)(192, 194)(또는, 제2 미러 또는 색선(dichroic)별 코팅층)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 색선별 코팅층은 특정 파장대의 광을 반사시키거나 투과시키는 역할을 할 수 있다.
또한, 복수의 광원(110)으로부터 광을 하나로 모아서 제1 또는 제2 관통공(PT1, PT2)에 입사시키기 위해서, 광 섬유(optical fiber)가 이용될 수도 있다.
한편, 전술한 실시 예에 의한 발광 장치는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 예를 들어, 발광 장치는 자동차의 각종 램프(예를 들어, 하향등, 상향등, 후미등, 차폭등, 방향지시등, DRL(Day Running Light), 안개등) 또는 손전등 또는 신호등 또는 각종 조명용 기기와 같이 넓은 분야에 적용될 수 있다.
결국, 전술한 실시 예에 의한 발광 장치(100A 내지 100I)는 광원(110)에서 여기된 광의 파장을 파장 변환부(120)에 의해 원하는 색상과 색온도를 갖도록 변환한 후, 광이 공기층(AIR)을 거치지 이전에 렌즈(140A)를 통해 반사부(130A 내지 130C)로 향하도록 한다.
일반적으로 광은 굴절률이 높은 물질로부터 낮은 물질로 진행할 때 물질 간의 굴절률 차에 의해 내부 전반사될 수 있다. 만일, 물질들 간의 굴절률 차가 클 경우 내부 전반사의 확률은 높아지게 되어 외부로 광이 추출되는 효율이 감소할 수 있다. 이를 감안할 때, 실시 예에 의한 발광 장치(100A 내지 100I)의 경우 파장 변환부(120)에서 반사되거나 투과된 광이 공기층으로 진입하기 이전에 렌즈(140A)를 통해 반사부(130A 내지 130C)로 진행하도록 한다. 따라서, 광 추출 효율이 높아지고 출사되는 광의 분포 즉, 조도 분포를 원하는 대로 조정할 수 있다.
또한, 렌즈(140A)가 파장 변환부(120)와 반사부(130A 내지 130C) 사이에 배치되기 때문에, 광원(110)에서 방출된 광의 각도별 강도(intensity) 및 조도면에서의 균일도를 향상시킬 수 있다.
또한, 렌즈(140A)를 열전도도가 높은 재질로 구현함으로써, 파장 변환부(120)에서 발생되는 열을 원할히 방출하기 때문에, 우수한 방열 효과를 가질 수도 있다.
전술한 실시 예에 의한 발광 장치(100A 내지 100I)의 크기, 모양, 구조 등은 적용되는 분야에 따라 다양한 모습을 가질 수 있다. 예를 들어, 전술한 발광 장치(100A 내지 100I)가 차량에 적용될 경우, 차량에 장착된 램프 중에서 어느 램프의 역할을 하는가에 따라, 발광 장치(100A 내지 100I)의 크기나 모양을 다양하게 변형하여 원하는 광량과 색좌표(Cx, Cy)와 색 온도(CCT)를 갖는 광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 전술한 발광 장치(100A 내지 100I)는 자동차의 후미등에 적용되어 붉은색의 광을 출사시킬 수 있고, 자동차의 방향 지시등에 적용되어 노란색의 광을 출사시킬 수 있고, 자동차의 하향등에 적용되어 백색이나 노란색의 광을 출사시킬 수 있다.
도 20은 실시 예에 의한 발광 장치(100A 내지 100I)를 자동차용 전조등에 적용될 경우 광의 조도 분포를 나타내는 도면이다.
도 20을 참조하면, 자동차(300)가 도로(302)를 달리는 상황에서, 실시 예에 의한 높은 광 추출 효율을 갖는 발광 장치(100A 내지 100I)는 광을 직진시켜 훨씬 멀리 예를 들어 자동차(300)로부터 600미터까지 도달시킬 수 있는 광 분포(310)를 가질 수 있다. 이 경우, 실시 예에 의한 발광 장치(100A 내지 100I)는 원거리 타겟 조명을 목표로 집광(spot beam)을 구현함으로서, ADAS(Advanced Driving Assistance System)에 연동하여 자동차의 상향등(high beam)의 보조적인 역할을 수행하기 위해 적용될 수 있다. 그러나, 실시 예는 이에 국한되지 않으며, 실시 예에 의한 발광 장치(100A 내지 100I)는 근거리의 광 분포(312, 314)를 갖는 광을 출사시키는 데 이용될 수도 있다. 예를 들어, 본 실시 예에 의한 발광 장치(100A 내지 100I)를 이용하여, 반사부(130A 내지 130C)의 형상이나 각종 렌즈의 종류에 따라, 광이 모아져서 직진 방향으로 멀리 출사될 수도 있고, 광이 퍼져서 근거리로 출사될 수도 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100A 내지 100I: 발광 장치 110, 110-1, 110-2, 110-3: 광원
112A, 112B: 회로 기판 114: 방열부
116: 제2-1 렌즈 118, 118-1, 118-2, 118-3: 제2-2 렌즈
120: 파장 변환부 130A, 130B, 130C: 반사부
130-1, 130-3: 몸체 130-2, 130-4: 반사막
140A, 140B, 140C, 140D, 140E: 렌즈
140-1: 제1 렌즈의 일부 140-2: 제1 렌즈의 타부
150A, 150B: 베이스 기판 152: 홈부
160: 제1 반사층 162A, 162B: 제2 반사층
164: 제3 반사층 170: 접착부
180: 빔 성형부
192, 194: 프리즘, 제2 미러 또는 색선별 코팅층
196: 제1 미러 AIR: 공기
A1: 베이스 기판의 제1 영역 A2: 베이스 기판의 제2 영역
d1, d2: 이격거리 h: 제2 반사층의 높이
L: 제2 반사층의 길이 LX: 광축
LO: 광 출사면 PT1: 제1 관통공
PT2: 제2 관통공 RE: 리세스
W1: 제1 렌즈의 폭 W2: 파장 변환부의 폭

Claims (30)

  1. 적어도 하나의 광원;
    상기 적어도 하나의 광원으로부터 방출된 광의 파장을 변환하는 파장 변환부;
    상기 파장 변환부의 광 출사면과 접합된 제1 렌즈; 및
    상기 제1 렌즈와 이격되어 배치되고, 상기 제1 렌즈로부터 방출되는 광을 반사하는 라운드형 반사부를 포함하는 발광 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제1 렌즈의 적어도 일부가 공기층을 사이에 두고 상기 반사부와 마주하도록 배치된 발광 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 파장 변환부와 상기 제1 렌즈가 배치되며, 상기 반사부를 지지하는 베이스 기판을 더 포함하는 발광 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 베이스 기판은
    제1 영역; 및
    상기 제1 영역에 인접하며, 상기 파장 변환부가 배치된 제2 영역을 포함하는 발광 장치.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 베이스 기판의 상기 제1 영역에 배치된 제1 반사층을 더 포함하는 발광 장치.
  6. 제4 항에 있어서, 상기 베이스 기판의 상기 제2 영역은 상기 적어도 하나의 광원에서 방출된 광이 입사되는 제1 관통공을 포함하고, 상기 파장 변환부는 상기 제1 관통공에 배치된 발광 장치.
  7. 제4 항에 있어서, 상기 반사부는 상기 적어도 하나의 광원에서 방출된 광이 입사되는 제2 관통공을 포함하는 발광 장치.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 베이스 기판의 상기 제2 영역은 상기 파장 변환부가 배치된 홈부를 포함하는 발광 장치.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 제1 렌즈를 사이에 두고 상기 반사부와 대향하여 배치된 제2 반사층을 더 포함하는 발광 장치.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 제2 반사층은 상기 제1 렌즈의 상부면 중 일부에 배치된 발광 장치.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 제2 반사층은 상기 제1 렌즈의 상부면에 필름 형태로 부착되거나 코팅된 형태로 도포되거나 시트 형태로 부착된 발광 장치.
  12. 제9 항에 있어서, 상기 제2 반사층은 상기 제1 렌즈로부터 이격되어 배치된 발광 장치.
  13. 제1 항에 있어서, 상기 반사부에서 반사된 광이 출사되는 부분에 배치된 빔 성형부를 더 포함하는 발광 장치.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 빔 성형부는 프레넬 렌즈, 자유형 렌즈 또는 코닉 렌즈 중 적어도 하나를 포함하는 발광 장치.
  15. 제1 항에 있어서, 상기 반사부에서 반사된 광이 출사되는 부분에 배치된 반사 방지막을 더 포함하는 발광 장치.
  16. 제1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 발광 다이오드 또는 레이져 다이오드 중 적어도 하나를 포함하는 발광 장치.
  17. 제1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원, 상기 파장 변환부 및 상기 제1 렌즈는 광축 상에 배치된 발광 장치.
  18. 제1 항에 있어서, 상기 파장 변환부의 제1 굴절률에 대한 상기 제1 렌즈의 제2 굴절률의 비율은 0.6 이상인 발광 장치.
  19. 제1 항에 있어서, 상기 제1 렌즈는 반구 형상을 갖는 발광 장치.
  20. 제1 항에 있어서, 상기 제1 렌즈와 상기 파장 변환부 사이에 배치된 접착부를 더 포함하는 발광 장치.
  21. 제20 항에 있어서, 상기 접착부는 소결 또는 소성된 폴리머, Al2O3 또는 SiO2 중 적어도 하나를 포함하는 발광 장치.
  22. 제1 항 또는 제3 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 복수의 광원을 포함하고,
    상기 발광 장치는 상기 복수의 광원이 실장되는 회로 기판을 더 포함하는 발광 장치.
  23. 제22 항에 있어서, 상기 회로 기판의 배면, 측면 또는 상기 베이스 기판의 배면 또는 측면 중 적어도 한 곳에 부착된 방열부를 더 포함하는 발광 장치.
  24. 제22 항에 있어서, 상기 회로 기판에서 상기 복수의 광원이 실장되는 면은 평면 또는 곡면 또는 구면인 발광 장치.
  25. 제6 항 또는 제7 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 복수의 광원을 포함하고,
    상기 발광 장치는
    상기 복수의 광원으로부터 방출된 광을 포커싱하여 상기 제1 또는 제2 관통공으로 출사하는 제2 렌즈를 더 포함하는 발광 장치.
  26. 제25 항에 있어서, 상기 제2 렌즈와 상기 제1 또는 제2 관통공 사이에 배치되어, 상기 제2 렌즈로부터 출사된 광을 상기 제1 또는 제2 관통공으로 반사시키는 제1 미러를 더 포함하는 발광 장치.
  27. 제25 항에 있어서, 상기 복수의 광원과 상기 제2 렌즈 사이에 배치된 프리즘, 제2 미러 또는 색선(dichroic)별 코팅층을 더 포함하는 발광 장치.
  28. 제1 항에 있어서, 광축과 직교하는 방향으로 상기 제1 렌즈의 저면의 제1 폭에 대한 상기 파장 변환부의 제1 폭의 비율은 0.001 내지 1인 발광 장치.
  29. 제1 항에 있어서, 상기 제1 렌즈는 Al2O3 단결정(single crystsal), Al2O3 또는 SiO2 glass 중 적어도 하나를 포함하는 발광 장치.
  30. 제1 항에 있어서, 상기 제1 렌즈의 열전도계수는 1 W/mK 내지 50 W/Mk이고, 기준 온도는 20 K 내지 400K인 발광 장치.
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