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KR101315083B1 - 고휘도 발광 다이오드 장치 - Google Patents

고휘도 발광 다이오드 장치 Download PDF

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KR101315083B1
KR101315083B1 KR1020087010024A KR20087010024A KR101315083B1 KR 101315083 B1 KR101315083 B1 KR 101315083B1 KR 1020087010024 A KR1020087010024 A KR 1020087010024A KR 20087010024 A KR20087010024 A KR 20087010024A KR 101315083 B1 KR101315083 B1 KR 101315083B1
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led
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window
exit
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마르코 반 아스
조셉 엘. 아. 엠. 소르마니
Original Assignee
코닌클리케 필립스 엔.브이.
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Publication date
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Abstract

본 발명은 발광 다이오드(LED) 장치(10)에 관한 것으로서, 이 장치는, 기판 상에 배치된 다수의 LED 칩(12)과, 각각이 입사창(24) 및 출사창(26)을 갖는 다수의 도광 소자(16, 36)를 포함하며, 이 소자들은 적어도 하나의 LED 칩으로부터의 광이 입사창으로부터 출사창으로 전달될 수 있도록 배치되고 상기 출사창들이 캐비티(22)의 여러 개의 내측면(20)을 형성하도록 또한 배치되고, 이 캐비피는 장치로부터 광 추출이 가능한 출사 애퍼처(30)를 더 구비한다. 이러한 구성에 의해 고 휘도 LED 장치가 가능해진다.
LED 장치, LED 칩, 도광 소자, 출사창, 입사창, 출사 애퍼처

Description

고휘도 발광 다이오드 장치{HIGH BRIGHTNESS LIGHT EMITTING DIODE DEVICE}
본 발명은 다수의 LED 칩을 포함하는 발광 다이오드(LED) 장치에 관한 것이다.
LEC 칩들은 조명 및 발광용으로 점점 더 많이 사용되고 있다. 예를 들어, 백색광, 청색광, 또는 UV를 생성하려면, 인광체로 코팅된 LED, 소위, 인광체 변환 LED를 사용한다. 인광체는 청색 방사의 적어도 일부를 예를 들어 노란색으로 변환한다. 미변환 청색 및 노란색은 함께 백색을 생성한다.
그러나, 개별적인 LED 칩들은 현재 프로젝션 디스플레이 및 차량 헤드 조명과 같은 많은 응용 분야에 대하여 충분한 휘도를 제공하지 않는다. 따라서, LED 칩들의 어레이를 포함하는 LED 장치들은 예를 들어 문헌 US 6,325,524에 개시된 바와 같이 사용된다. 다른 많은 알려져 있는 멀티 LED 칩 장치들 뿐만 아니라 문헌 US 6,325,524에 의하면, 여러 LED 칩들이 기판 상에서 서로 나란히 배치되어 있다. 이에 따라, LED 칩들로부터의 광은 LED 칩들을 커버하는 광학 시스템에 의해 집광된다. 그러나, 모든 LED 칩들을 커버하는 광학 시스템의 넓은 범위로 인해, 단위 표면적당 광량이 적어서, 저휘도가 발생하게 된다.
본 발명의 목적은 이러한 문제점을 극복하여 개선된 고휘도 LED 장치를 제공하는 것이다.
다음에 따르는 설명으로부터 명백할 이러한 목적 및 다른 목적들은 LED 장치에 의해 달성되며, 이 LED 장치는, 기판 상에 배치된 다수의 LED 칩과, 각각이 입사창 및 출사창을 구비하는 다수의 도광 소자를 포함하고, 다수의 도광 소자는, 적어도 하나의 LED 칩으로부터의 광이 입사창으로부터 출사창으로 전달될 수 있도록 배치되며, 출사창이 캐비티의 여러 개의 내측면들을 형성하도록 또한 배치되며, 이 캐비티는 LED 장치로부터의 광 추출을 가능하게 하는 출사 애퍼처를 더 구비한다.
본 발명은 다수의 LED 칩으로부터 공통 캐비티로의 도광에 의해 출사 애퍼처의 루미넌스가 하나의 LED의 루미넌스보다 높을 수 있다는 사상에 기초하고 있다. 이것은 출사 애퍼처의 크기가 LED 칩들 중 하나의 LED 칩의 크기를 훨씬 초과하지 않는 경우에 가능하다. 이에 따라, 고휘도 LED 장치를 얻을 수 있다.
바람직하게, 출사 애퍼처에 대향하는 캐비티의 밑면에서 광이 발광하도록 적어도 하나의 추가 LED 칩이 기판 상에 배치된다. 이것은 LED 장치의 휘도를 더 증가시킨다. 이러한 적어도 하나의 추가 LED 칩은, 캐비티가 기판과 알맞게 수평 상태에 있는 경우, 예를 들어 캐비티의 밑면에 배치될 수 있다. 다른 방안으로, 이러한 적어도 하나의 추가 LED 칩에는, 추가 LED 칩(들)으로부터의 광이 자신의 입사창으로부터 출사창으로 전달되도록 하는 추가 도광 소자가 제공될 수 있으며, 여기서 캐비티의 밑면은 본질적으로 출사창에 의해 형성된다. 이러한 추가 도광 소자는 예를 들어 캐비티가 기판과 수평 상태가 아닌 경우에 유용하다.
캐비티가 4개의 내측면을 갖고 각 내측면마다 하나의 LED 칩으로부터의 광을 전달하는 하나의 출사창이 제공된다고 가정해 본다. 또한, 제5 LED 칩이 캐비티의 밑면에 배치된다. 게다가, 밑면의 크기 및 출사 애퍼처의 크기는 바람직하게 밑면에 있는 LED 칩의 영역에 대응한다. 이러한 경우에, 손실이 보다 적은 시스템에 대하여, 휘도는, 발광 영역이 유지되는 경우 하나의 LED 칩보다 5배 더 클 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 각 도광 소자는 제1 측면, 제2 측면, 제3 측면을 갖는 삼각 프리즘이며, 여기서 제1 측면 및 제2 측면은 본질적으로 직각으로 배치된다. 즉, 프리즘의 베이스의 영역은 직각 삼각형이다. 게다가, 입사창은 직각으로 배치된 측면들 중 하나의 측면의 적어도 일부분 상에 형성되고, 출사창은 나머지 직각으로 배치된 측면의 적어도 일부분 상에 형성된다. 바람직하게, 입사창 및 출사창의 크기는 LED 칩의 크기에 대응한다. 입사창 및 출사창이 본질적으로 전체 직각으로 배치된 측면들을 각각 커버하는 경우에, LED 칩들은 기판 상에서 서로 가깝게 배치될 수 있으며, 이는 LED 장치를 컴팩트하게 할 수 있다. 입사창 및 출사창이 각각 직각으로 배치된 측면들의 일부분만을 커버하는 경우에, LED 칩들은 기판 상에서 서로 더 멀리 배치될 수 있고, 이는 제조를 용이하게 한다.
바람직하게, 입사창을 수용하는 측면 및 제3 측면은 약 45도로 배치된다. 그러나, 출사창을 수용하는 측면 및 제3 측면은 다른 방안으로 예각으로 배치될 수 있다. 이것은 프리즘 내부의 내부 전반사를 개선한다.
본 발명의 다른 일실시예에서, 도광 소자들은 프리즘의 직각으로 배치된 측면들 중 하나의 측면에서 삼각 프리즘을 연장하는 직육면체를 더 포함하고, 여기서 입사창은 나머지 하나의 직각으로 배치된 측면의 적어도 일부분 상에 형성되고, 출사창은 프리즘을 향한 직육면체의 한 면에 대향하는 대향면의 적어도 일부분 상에 형성된다. 이것은 LED 칩들이 기판 상에서 서로 더 멀리 배치될 수 있게 하여서, 제조가 용이해진다. 삼각 프리즘 및 직육면체는 일체로 형성될 수 있고, 즉, 함께 결합되어 있는 2개의 별도의 부분들과는 대조적으로, 동일한 물질로 일체로 생성되고 형성된다.
LED 장치는 LED 칩들로부터의 방사 또는 광의 적어도 일부의 파장을 변환하기 위한 인광체를 더 포함할 수 있다. 캐비티 내부에는 예를 들어 인광체 코팅이 제공될 수 있다. 즉, 캐비티의 밑면에 배치된 추가 LED 칩 및 도광 소자들의 출사창들에는 인광체 코팅이 제공될 수 있다. 인광체 코팅의 다른 방안으로, 전체 캐비티가 인광체 물질로 채워질 수 있다. 청색 또는 UV LED 칩들과 함께 인광체는 LED 장치가 예를 들어 백색광을 방출하게 할 수 있다.
바람직하게, 필터는 각 LED 칩과 도광 소자 사이에 또는 각 도광 소자와 인광체 사이에 개재되며, 이 필터는 LED 칩들로부터의 미변환 광을 투과시키고 변환 광을 반사하도록 구성된다. 필터들은 광 손실을 방지하는 이점을 제공하며 변환된 모든 광을 캐비티 측으로 순방향으로 향하게 한다. 이에 따라 광 추출이 효율적으로 되고 휘도가 증가하게 된다. 다른 필터는 인광체 상에 배치될 수 있으며, 이 필터는 미변환 광을 반사하도록 구성된다. 따라서, LED 칩들로부터의 임의의 미변환 광은 변환 또는 혼합을 위해 반사된다. 이에 따라 마찬가지로 광 추출이 효율적으로 되고 휘도가 증가하게 된다.
LED 장치의 캐비티는, LED 장치의 아웃 커플링 효율을 향상시키도록 실리콘 수지와 같은 투명한 수지로 더 채워질 수 있다.
LED 장치는, 출사 애퍼처로부터 방출되는 임의의 광을 수광하도록 배치된, 콜리메이터, 아웃 커플링 렌즈, 또는 복합 포물 집속체(CPC)와 같은 광학 소자를 더 포함할 수 있다. 콜리메이터는 방사각이 임의의 원하는 값으로 저감될 수 있는 이점을 제공하는 한편, 아웃 커플링 렌즈 및 CPC는 장치로부터의 광의 아웃 커플링을 향상시킬 수 있다. 바람직하게, 캐비티가 투명한 수지로 채워진 경우, 광학 소자는 투명한 수지와 광학적으로 접촉한다.
이제 본 발명의 이러한 양태 및 다른 양태들을, 본 발명의 현재 바람직한 실시예들을 간략히 나타내는 첨부 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 1A는 본 발명의 일실시예에 따른 LED 장치의 개략적인 단면도이다.
도 1B는 도 1A의 LED 장치의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1A 및 도 1B의 LED 장치의 변형예의 개략적인 사시도이다.
도 3A 및 도 3B는 도 1A 및 도 1B의 LED 장치의 다른 변형예들의 개략적인 단면도이다.
도 4는 도 1A 및 도 1B의 LED 장치의 또다른 변형예의 개략적인 측단면도이다.
도 5A는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 LED 장치의 개략적인 측단면도이 다.
도 5B는 도 5A의 LED 장치의 개략적인 사시도이다.
도 6A는 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 LED 장치의 개략적인 측단면도이다.
도 6B는 도 6A의 LED 장치의 개략적인 사시도이다.
도 7은 직각 형상의 캐비티를 갖는 LEC 장치의 개략적인 사시도이다.
도 1A 및 도 1B는 본 발명의 일실시예에 따른 LED 장치(10)를 도시한다. LED 장치(10)는 평평한 기판(14) 상에 십자 형태로 배치된 5개의 LED 칩(12)을 포함한다. LED 칩(12)들은 기판(14) 상에서 서로 인접하거나 거의 인접하게 배치된다.
각 LED 칩(12)에는, 중심에 배치된 LEC 칩(12a)을 제외하고, 도광 삼각 프리즘(16)이 제공된다. 각 프리즘(16)은 제1 측면(18a), 제2 측면(18b), 제3 측면(18c)을 갖는다. 제1 측면(18a) 및 제2 측면(18b)은 본질적으로 직각으로 배치된다. 제1 측면(18a)은 LED 칩(12)을 대면하는 한편 제2 측면(18b)은 캐비티(22)의 내측면(20)을 형성한다. 게다가, 입사창(24)은 제1 측면(18a) 상에 형성되고, 출사창(26)은 제2 측면(18b) 상에 형성된다. 입사창(24)과 출사창(26)을 제외한 프리즘(16)의 모든 면들은 입사창(24)으로부터 출사창(26)으로의 광 전달이 가능하도록 (도시하지 않은) 반사 코팅으로 커버되어 있다. 프리즘 상의 반사 코팅은 바람직하게 프리즘과 광학적으로 접촉하지 않아서 내부 전반사의 손실이 보다 적도록 유지한다.
따라서, 도 1A 및 도 1B에서, 4개의 출사창(22)의 각각은 캐비티(22)의 4개의 내측면(20)의 각각을 형성한다. 바람직하게, 입사창(24) 및 출사창(26)의 크기는 정사각형 LED 칩(12)의 크기에 대응하고, 이에 따라 큐빅형 캐비티(22)가 발생한다. 캐비티(22)는 중심 LED 칩(12a)이 배치되는 밑면(28), 및 밑면(28)에 대면되는 출사 애퍼처(30)를 더 구비한다.
LED 장치(10)가 동작하는 경우, 프리즘(16)이 제공되어 있는 LED 칩(12)들로부터의 광은 입사창(24)을 통해 각 프리즘(16)에 결합된다. 이후, 이 광은 프리즘(16)을 통해 출사창(26)으로 그리고 캐비티(22) 내로 유도된다. 동시에, 밑면에 있는 LED 칩(12a)으로부터의 광도 캐비티(22) 내로 방출된다. 광은 최종적으로 출사 애퍼처(30)를 통해 캐비티(22)로부터 출사될 수 있다. 따라서, 출사 애퍼처의 크기가 하나의 LED 칩의 크기에 대응하더라도, 이 출사 애퍼처는 5개의 LED 칩으로부터 발생하는 광을 방출하며, 이에 따라 고휘도 LED 장치를 얻게 된다.
바람직하게, LED 칩(12)들은 청색 광 또는 UV 방사를 방출하도록 구성된다. 이 경우, 밑면의 LED 칩(12a) 뿐만 아니라, 캐비티(22)의 내면들을 형성하는 출사창(26)에는, 인광체 코팅(32)이 제공될 수 있다. 예를 들어, 청색 LED 칩들의 경우, 인광체 코팅은 LED 칩(12)들로부터 방출되는 청색 광의 일부를 예를 들어 노란색 광으로 변환하며, 미변환 청색 광과 함께 이 노란색 광은 백색 광을 생성할 수 있다. 인광체 코팅(32)의 대안으로, 캐비티(22)가 도 2에 도시한 바와 같이 인광체 물질(34)로 완전히 채워질 수 있다. 이러한 경우, 보다 많은 청색 광이 인광체 에 의해 흡수되고, 이에 따라 보다 많은 노란색 광이 발생한다.
청색 광 또는 UV 방사를 투과시키고 변환 광을 반사하는 필터(도시하지 않음)는 선택 사항으로서 LED 칩(12a)과 인광체 또는 인광체 코팅 사이에 뿐만 아니라 각 LED 칩과 프리즘 사이에 또는 프리즘과 인광체 또는 인광체 코팅 사이에 배치될 수 있다. 이러한 방식으로, 변환 광은 캐비티 측으로 전달될 수 있다. 필터는 예를 들어 이색성 미러일 수 있다. 게다가, 청색 또는 UV 반사 필터(도시하지 않음)는, 임의의 미변환 광을 반사하여 이 광이 변환되거나 혼합될 기회를 제공하기 위해 출사 애퍼처에서 인광체 코팅 상에 또는 인광체 물질 상에 배치될 수 있다. 전술한 필터들은 LED 장치의 휘도 개선에 기여한다.
LED 장치의 아웃 커플링 효율을 향상시키기 위해, LED 장치의 캐비티(22)는 도 3A 및 도 3B에 도시한 바와 같이 실리콘 수지와 같은 투명한 수지(46)로 채워질 수 있다. 도 3A에서는, 투명한 수지가 (출사 애퍼처에서) 아웃 커플링 렌즈(48)와 광학적으로 접촉하고, 도 3B에서는, 투명한 수지가 CPC(50)와 광학적으로 접촉하여, 아웃 커플링을 더 향상시킨다.
도 1A 및 도 1B의 LED 장치의 다른 변형예가 도 4에 도시되어 있다. 도 4를 참조해 보면, 도 1A 및 도 1B에서의 약 45도와 비교할 때, 출사창(26)을 수용하는 제2 측면(18b)과 제3 측면(18c) 사이에 예각이 존재한다. 보다 날카로운 각은 프리즘(16) 내부의 내부 전반사량을 개선한다.
본 발명의 다른 일실시예에 따른 LED 장치(10)는 도 5A 및 도 5B에 도시되어 있다. 도 5A 및 도 5B를 참조해 보면, 각 삼각형 프리즘(16)은 직육면체(36)에 의 해 측면(18b)에서 연장되어, 하나의 도광 구조를 형성한다. 입사창(24)은 프리즘 부분의 측면(18a) 상에 형성되고, 출사창(26)은 프리즘 측으로 면(38b)에 대향하는 직육면체 부분의 면(38a) 상에 형성된다. 각 프리즘(16) 및 직육면체(36)는 바람직하게 일체로 형성된다. 이 실시예에서, LED 칩(12)들은 도 1 내지 도 4의 LED 장치에 비교하여 더 멀리 배치될 수 있고, 이것은 제조를 용이하게 한다.
또다른 실시예에 따른 LED 장치(10)가 도 6A 및 도 6B에 도시되어 있다. 도 6A 및 도 6B를 참조해 보면, LED 장치는 예를 들어 도 1에서와 같은 삼각 프리즘(16)을 포함하지만, 입사창(24)은 제1 측면(18a)의 일부분 상에만 형성되고, 출사창(26)은 제2 측면(18b)의 일부분 상에만 형성된다. 이에 따른 LED 장치에서는, LED 칩들이 서로 더 떨어져 배치될 수 있고, 캐비티가 기판의 표면 보다 위로 상승하게 된다. 이 실시예에서, 중심 LED 칩(12a)에는 바람직하게 입사창(42) 및 출사창(44)을 갖는 추가 도광 소자(40)가 제공되고, 여기서 출사창(44)은 캐비티의 밑면을 형성한다. 바람직하게, 프리즘(16) 및 추가 도광 소자(40)는 일체로 형성되고, 이것은 LED 장치의 제조를 용이하게 한다.
본 발명이 전술한 바람직한 실시예들로 한정되지 않는다는 것을 당업자라면 인식한다. 오히려, 청구범위 내에서 많은 수정 및 변경이 가능하다. 예를 들어, 5개의 LED 칩을 갖는 LED 장치를 전술하였지만, 본 발명이 이러한 양태로 제한되지 않으며 LED 장치에서 다른 개수의 LED 칩들을 이용할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 3개의 LED 칩 및 삼각 밑면의 캐비티와 출사 애퍼처를 갖는 LED 장치를 고려할 수 있다. 게다가, 여러 칩들 및 도광 소자들을 나란히 배치할 수 있으며, 그 일 예가 도 7에 도시되어 있다. 도 7을 참조해 보면, 여러 개의 LED 칩들이 밑면에 배치되고, 여러 개의 LED 칩(12)들 및 프리즘(16)들이 캐비티의 장측을 따라 배치되고, 하나의 LED 칩(12) 및 프리즘(16)이 캐비티의 단측을 따라 배치된 직사각형 캐비티가 존재한다. 다른 방안으로, 하나의 길게 연장된 프리즘(16)이 캐비티의 장측들 중 하나의 장측에 배치된 LEd 칩(12)들 중 다수를 지원할 수 있다.
게다가, 청색 또는 UV LED, 파장 필터, 인광체로 채워진 캐비티 등과 같이 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 다양한 양태들을 도 5 내지 도 7에 도시한 LED 장치들에서도 구현할 수 있다.

Claims (16)

  1. 발광 다이오드(LED) 장치(10)로서,
    기판(14) 상에 배치된 복수의 LED 칩들(12)과,
    입사창(24) 및 출사창(26)을 각각 갖는 복수의 도광 소자들(16, 36) - 상기 복수의 도광 소자들(16, 36)은 상기 복수의 LED 칩들(12) 상에 배치되고, 상기 입사창(24)은 각각의 LED 칩(12)과 대면함 -
    을 포함하고,
    상기 도광 소자들은, 적어도 하나의 LED 칩으로부터의 광이 상기 입사창으로부터 상기 출사창으로 전달될 수 있도록 배치되며, 또한 출사창들이 캐비티(22)의 여러 개의 내측면(20)들을 형성하도록 배치되고,
    상기 캐비티는 상기 LED 장치로부터의 광의 추출을 가능하게 하기 위한 출사 애퍼처(30)를 더 갖는 LED 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐비티는 상기 출사 애퍼처에 대향하는 밑면(28)을 갖고,
    적어도 하나의 추가 LED 칩(12a)이 상기 캐비티의 밑면에서 광을 방출하기 위해 상기 기판 상에 배치되어 있는 LED 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    각 도광 소자는 제1 측면(18a), 제2 측면(18b) 및 제3 측면(18c)을 갖는 삼각 프리즘(16)을 포함하고, 상기 제1 측면과 상기 제2 측면은 본질적으로 직각으로 배치되어 있는 LED 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 입사창은 상기 직각으로 배치된 측면들 중 하나의 측면의 적어도 일부분 상에 형성되어 있으며, 상기 출사창은 다른 하나의 측면의 적어도 일부분 상에 형성되어 있는 LED 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 출사창을 수용하는 측면과 상기 제3 측면은 약 45도의 각도로 배치되어 있는 LED 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 출사창을 수용하는 측면과 상기 제3 측면은 예각으로 배치되어 있는 LED 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    각 도광 소자는 상기 삼각 프리즘의 상기 직각으로 배치된 측면들 중 하나의 측면에서 상기 삼각 프리즘을 연장하는 직육면체(36)를 더 포함하며,
    상기 입사창은 다른 하나의 측면의 적어도 일부분 상에 형성되어 있고, 상기 출사창은 상기 프리즘을 향하는 면(38b)에 대향하는 상기 직육면체의 면(38a)의 적어도 일부분 상에 형성되어 있는 LED 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 삼각 프리즘 및 상기 직육면체가 일체로 형성되어 있는 LED 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 입사창 및 상기 출사창의 크기는 본질적으로 상기 LED 칩들의 크기에 대응하는 LED 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 캐비티의 내부에는 상기 LED 칩들로부터 방출되는 광의 적어도 일부의 파장을 변환하기 위한 인광체의 코팅(32)이 제공되어 있는 LED 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 캐비티는 상기 LED 칩들로부터 방출되는 광의 적어도 일부의 파장을 변환하기 위한 인광체의 물질(34)로 채워져 있는 LED 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    각 LED 칩과 도광 소자 사이에 또는 각 도광 소자와 인광체 사이에 미변환 광을 투과시키며 변환 광을 반사시키도록 구성된 필터가 개재되어 있는 LED 장치.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    인광체 상부에는 미변환 광을 반사하도록 구성된 필터가 배치되는 LED 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 캐비티는 투명 수지(clear resin; 46)로 채워져 있는 LED 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 출사 애퍼처로부터 방출되는 임의의 광을 수광하도록 배치된 광학 소자를 더 포함하는 LED 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 광학 소자는 콜리메이터, 아웃 커플링 렌즈(48), 또는 복합 포물선형 집광기(compound parabolic concentrator; 50)인 LED 장치.
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