KR101121521B1 - 형광판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 형광판을 제공한다. 이 형광판은 투명 기판, 투명 기판 상에 배치되고 투명 기판의 일면을 통하여 입사하는 입사광을 제공받아 형광을 제공하는 형광막, 및 투명 기판과 형광막 사이에 개재되고 형광을 일방향으로 선택적으로 반사시키는 형광 반사체을 포함한다.

Description

형광판{PHOSPHOR PLATE}

본 발명은 형광판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전방 방사 효율을 증가시킨 형광판에 관한 것이다.

형광체는 형광등에서부터 플라스마 텔레비전에 이르기까지 많은 전자기기에서 자외선을 가시광선으로 바꾸는데 사용된다. 최근 들어서는 고 휘도 백색 발광다이오드(light emitting diode; LED)에서 청색 LED 와 함께 사용하여 백색을 만드는데도 이용된다.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 전방 방사 효율을 증가시킨 형광판을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 형광판은 투명 기판, 상기 투명 기판 상에 배치되고 상기 투명 기판의 일면을 통하여 입사하는 입사광을 제공받아 형광을 제공하는 형광막, 및 상기 투명 기판과 상기 형광막 사이에 개재되고 상기 형광을 일방향으로 선택적으로 반사시키는 형광 반사체을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 형광판은 형광 반사체와 표면패턴을 이용하여 내부 전반사 현상에 의한 광량의 손실을 감소시킬 수 있다. 상기 형광판은 차례로 적층된 투명 기판, 금속 나노 그물, 형광막, 및 표면 패턴을 포함할 수 있다. 상기 금속 나노 그물은 짧은 파장의 빛을 통과시키고 형광막이 제공하는 긴 파장의 후방으로 방출하는 광을 반사시켜 전방으로 향하게 한다. 이에 따라, 전방으로 향하는 광의 세기는 증가될 수 있다. 또한, 상기 형광막과 상기 투명 기판 사이에 내부 전반사 효과에 의해 가두어진 빛은 상기 표면 패턴에 의하여 탈출될 수 있다. 이에 따라, 상기 형광판의 광 효율을 기존의 구조에 비해 훨씬 증가시킬 수 있다. 또한 상기 형광판은 기존의 형광체와 금속 반사컵을 사용하는 구조보다 부피가 매우 작게 만들 수 있다. 따라서, 상기 형광판은 조명 장치나 기타 광학 기기에서 응용될 수 있다.

도 1은 통상적인 형광판을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 형광판을 설명하는 단면도이다.
도 3은 도 2의 형광판의 형광 반사체를 설명하는 평면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 형광판을 설명하는 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 형광판을 설명하는 단면도이다.

도 1은 통상적인 형광판을 설명하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 상기 형광판(100)은 기판(102) 및 형광막(110)을 포함한다. 상기 기판(102) 상에 형광체(112)를 포함하는 형광막(110)이 배치된다. 상기 기판(102)의 하부면에서 460 nm의 입사광이 상기 형광판(100)에 입사한다. 상기 기판(102)이 투명한 플라스틱 판으로 이루어진 경우, 상기 기판(102)에 도포된 Ce:YAG 성분의 형광체(112)는 460 nm의 상기 입사광을 580 nm에서 피크를 가지는 형광으로 변환한다. 따라서, 460 nm의 청색광 과 580 nm의 형광은 백색광(white light)을 제공할 수 있다. 상기 여기광의 파장(λ1)은 상기 형광의 파장(λ2)보다 작다.

상기 형광체(112)는 입사하는 고 에너지의 빛을 흡수하여 더 낮은 에너지의 빛으로 변환할 수 있다. 상기 형광체(112)는 모든 방향으로 빛을 방출하는 특성을 가진다. 따라서 상기 기판(102)의 수직한 방향에서 측정하는 상기 형광의 양은 상기 형광체가 방출하는 전체 광량의 일부만을 차지한다. 상기 형광에 의한 발산각의 증가는 조명 입장에서 보면 확산(diffusion) 효과에 기인하여 눈부심 현상을 줄일 수 있다. 하지만, 상기 여기광의 진행 방향과 반대 방향으로 방출하는 상기 형광은 손실된다. 상기 형광의 손실을 감소시키기 위하여 상기 형광판(100)과 반사율이 높은 금속 반사 컵(reflection cup, 미도시)이 함께 사용될 수 있다. 그러나, 형광판과 반사컵을 사용하는 구조는 전체적으로 부피가 커지는 단점이 있다.

상기 형광막(110)의 굴절률은 공기에 비하여 크다. 따라서, 상기 형광체(112)로부터 방출되는 형광은 내부 전반사 현상(internal total reflection)에 의하여 상기 기판(102)을 따라 진행할 수 있다. 따라서, 상기 기판(102)을 따라 진행하는 상기 형광은 상기 형광막(110)에 수직하게 빠져나오지 못하여, 상기 형광량의 감소를 유발한다.

예를 들어, 상기 형광막(110)의 굴절률을 1.5이고, 공기의 굴절률을 1.0 이라 가정할 때, 상기 형광체(112)가 생성하는 상기 형광의 약 13 퍼센트 만이 상기 형광막(110)의 상부면을 통하여 탈출할 수 있다.

따라서, 사방으로 방출하는 형광체 특성과 형광막의 내부 전반사 효과에 의한 광 손실을 감소시킬 수 있고, 얇으면서도 광 변환 효율이 높은 형광판이 필요하다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 형광판을 설명하는 단면도이다.

도 3은 도 2의 형광판의 형광 반사체를 설명하는 평면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 형광판(200)은 투명 기판(202), 상기 투명 기판(202) 상에 배치되고 상기 투명 기판(202)의 일면을 통하여 입사하는 입사광(204)을 제공받아 형광(216)을 제공하는 형광막(210), 및 상기 투명 기판(202)과 상기 형광막(210) 사이에 개재되고 상기 형광(216)을 일방향으로 선택적으로 반사시키는 형광 반사체(220)을 포함한다.

상기 투명 기판(202)은 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판일 수 있다. 상기 투명 기판(202)은 판형에 한정되는 것은 아니다.

상기 형광막(210)은 상기 형광체(212)와 고정층(214)을 포함할 수 있다. 상기 고정층(214)은 에폭시, 실리콘 수지, 또는 PMMA(Polymethyl methacrylate)일 수 있다. 상기 형광체(212)는 상기 고정층(214)과 배합되어 형광막(210)을 제공할 수 있다. 상기 형광체(212)는 Ce:YAG 또는 실리케이트 형광체들일 수 있다.

상기 형광 반사체(220)는 도전성 그물(222) 및 버퍼막(224)을 포함할 수 있다. 상기 도전성 그물(222)의 구멍(226)의 크기가 50 nm 내지 1000 nm 일 수 있다. 상기 구멍(226)의 크기는 형광체에 따라 선택될 수 있다. 상기 도전성 그물(222)의 개구율(open ratio)은 90 퍼센트 이상일 수 있다. 상기 도전성 그물(222)은 알루미늄 또는 구리와 같은 금속, 금속 합금일 수 있다. 상기 도전성 그물(222)은 임프린팅(imprinting) 방법, 전자빔 리소그라피 방법, 및 포토 리소그라피 방법 등으로 패터닝될 수 있다.

상기 도전성 그물(222)은 버퍼막(224)에 의하여 고정될 수 있다. 상기 버퍼막(224)은 상기 도전성 그물(222)의 구멍을 채울 수 있다. 상기 버퍼막(224)의 굴절율(n1)은 상기 고정층(214)의 굴절율(n2)과 동일할 수 있다. 상기 버퍼막(224)은 투명한 유전체일 수 있다.

상기 도전성 그물(222)의 동작원리를 설명한다. 금속 표면에서는 표면에 평행한 전기장 성분이 영이 되어야 한다. 따라서, 이웃하는 금속 전선(metal wire)의 간격이 반 파장(half wavelength)보다 작으면, 전자기파의 경계 조건에 의해 금속 전선 사이에서 평행한 전기장 성분이 존재할 수 없다. 상기 도전성 그물(222)의 구멍(226)의 직경이 상기 반 파장(half wavelength)보다 작으면, 어떠한 편광 성분도 상기 도전성 그물(222)의 구멍(226)을 통과하지 못한다. 상기 도전성 그물(222)의 구멍(226)은 사각형, 원형, 삼각형, 육각형 등 다양한 모양을 가질 수 있다. 상기 구멍(226)의 모양에 따라 통과시키는 파장의 한계는 달라질 수 있다. 예를 들어, 정사각형 구멍의 한 변의 길이가 250 nm인 경우, 상기 도전성 그물(222)은 460 nm 파장은 통과시키지만 580 nm 파장은 반사시킨다.

구체적으로, 상기 투명 기판(202) 상에 배치된 상기 형광 반사체(220)는 460 nm의 입사광(206, λ1)은 통과시키지만, 상기 형광막(210)으로 생성되는 580 nm의 형광(λ2)은 반사시킨다. 따라서, 460 nm의 입사광(206, λ1)은 상기 형광 반사체(220)를 통과하여 상기 형광막(210)에 도달할 수 있다. 상기 형광막(210)에 도달한 상기 입사광(206, λ1)은 형광체에 흡수되어 사방으로 방출되는 580 nm의 형광(216, λ2)을 제공할 수 있다. 상기 580nm의 형광(216, λ2)은 상기 형광반사체(220)에 의하여 반사된다. 따라서, 상기 형광판(200)의 상부면으로 투과하는 상기 형광(216,λ2)의 세기는 증가한다. 상기 형광체(212)에 흡수되지 않는 입사광(206, λ1)은 원래 진행 방향으로 진행할 수 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 형광판을 설명하는 단면도들이다. 도 2에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 형광판(200a,200b)은 투명 기판(202), 상기 투명 기판(202) 상에 배치되고 상기 투명 기판(202)의 일면을 통하여 입사하는 입사광(206)을 제공받아 형광(216)을 제공하는 형광막(210), 및 상기 투명 기판(202)과 상기 형광막(210) 사이에 개재되고 상기 형광(216)을 일방향으로 반사시키는 형광 반사체(220)을 포함한다.

수직광 추출부(230,230a)는 상기 형광막(210) 상에 배치되어 상기 형광(216)을 상기 투명 기판(202)에 수직하게 추출할 수 있다. 상기 수직광 추출부(230,230a)는 내부 전반사를 감소시키기 위한 표면 패턴(232)을 포함할 수 있다. 상기 표면 패턴(232,232a)은 피라미드 모양, 마이크로 렌즈 모양 및 광 결정(photonic crystal) 모양을 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 표면 패턴(232)의 크기와 높이는 10 nm 내지 100μm 일 수 있다. 상기 수직광 추출부의 굴절률(n3)은 상기 고정층(214)의 굴절률(n2)과 동일할 수 있다.

상기 표면 패턴(232,232a)은 내부 전반사에 의해 상기 투명 기판(202)과 평행하게 진행하는 상기 형광(216)의 입사각(incident angle)을 감소시켜 내부 전반사 조건을 파괴하여, 상기 형광(216)이 상기 형광판(200a) 밖으로 투과하도록 한다. 상기 표면 패턴(232)은 피라미드 모양이나 마이크로 렌즈 모양일 수 있다. 상기 표면 패턴(232,232a)의 형태는 그 형태에 따라 광 추출 효율이나 수직 방출 효율의 변화를 제공할 수 있다. 마이크로미터 크기의 상기 표면 패턴(232,232a)이 사용되면, 광 추출 효율은 30 내지 40 퍼센트의 증가할 수 있다. 한편, 광 결정과 같은 나노미터 크기의 규칙적인 무늬의 상기 표면 패턴(232,232a)이 사용되면, 광 추출 효율은 2 배 이상 증가할 수 있다. 도전성 그물(222)은 전방 방사 효율을 증가시키고, 상기 표면 패턴(232)은 상기 도전성 그물(222)과 함께 광 효율의 증가를 제공할 수 있다.

상기 형광판(200a,200b)은 사방으로 방출하는 형광체 특성과 형광막의 내부 전반사 효과에 의한 광 손실을 감소시킬 수 있고, 얇으면서도 높은 광 변환 효율을 제공할 수 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 형광판을 설명하는 단면도이다.

도 6을 참조하면, 상기 형광판(200c)은 투명 기판(202), 상기 투명 기판(202) 상에 배치되고 상기 투명 기판(202)의 일면을 통하여 입사하는 입사광(206)을 제공받아 형광(216)을 제공하는 형광막(210), 및 상기 투명 기판(202)과 상기 형광막(210) 사이에 개재되고 상기 형광(216)을 일방향으로 반사시키는 형광 반사체(220a)을 포함한다.

상기 형광 반사체(220a)는 다층 박막을 포함할 수 있다. 상기 다층 박막은 굴절률이 서로 다른 유기물층이나 무기물층이 교번하여 적층될 수 있다. 이에 따라, 상기 다층 박막은 간섭효과(interference effect)에 의해 특정한 파장 이상에서 반사가 크게 일어나게 하는 구조이다. 상기 다층 박막은 상기 형광(216)의 파장(λ2)을 선택적으로 반사시킬 수 있다. 상기 다층 박막은 신뢰성 면에서 우수하다. 상기 다층 박막은 전방 방사 효율을 증가시키고 표면 패턴(232)과 함께 광 효율의 증가를 제공할 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

102...기판
110...형광막
112...형광체
202...투명 기판
210...형광막
220...형광 반사체
230...수직광 추출부

Claims (10)

1. 투명 기판;
   상기 투명 기판 상에 배치되고 상기 투명 기판의 일면을 통하여 입사하는 입사광을 제공받아 형광을 제공하는 형광막; 및
   상기 투명 기판과 상기 형광막 사이에 개재되고 상기 형광을 일방향으로 선택적으로 반사시키는 형광 반사체을 포함하고,
   상기 형광 반사체는 도전성 그물 및 상기 도전성 그물과 형광막 사이 간격을 채우는 버퍼막을 포함하는 것을 특징으로 하는 형광판.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 형광막은 형광체 및 상기 형광체를 고정시키는 고정층을 포함하고,
   상기 고정층의 굴절율은 상기 버퍼막의 굴절율과 같은 것을 특징으로 하는 형광판.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 도전성 그물의 구멍 크기가 50 nm 내지 100μm 인 것을 특징으로 하는 형광판.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 형광막 상에 배치되어 상기 형광을 상기 기판에 수직하게 추출하는 수직광 추출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형광판.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 수직광 추출부는 내부 전반사를 감소시키기 위한 표면 패턴을 포함하고. 상기 표면 패턴은 피라미드 모양, 마이크로 렌즈 모양 및 광 결정 모양을 중에서 적어도 하나를 포함하고,
   상기 표면 패턴의 크기와 높이는 10 nm 내지 50 μm 인 것을 특징으로 하는 형광판.
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 형광막 상에 배치되어 상기 형광을 상기 기판에 수직하게 추출하는 수직광 추출부를 더 포함하고,
   상기 수직광 추출부의 굴절율은 상기 고정층의 굴절율과 같은 것을 특징으로 하는 형광판.
7. 투명 기판;
   상기 투명 기판 상에 배치되고 상기 투명 기판의 일면을 통하여 입사하는 입사광을 제공받아 형광을 제공하는 형광막; 및
   상기 형광막 상에 배치되어 상기 형광을 상기 기판에 수직하게 추출하는 수직광 추출부를 포함하고,
   상기 수직광 추출부는 내부 전반사를 감소시키기 위한 표면 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 형광판.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 표면 패턴은 피라미드 모양, 마이크로 렌즈 모양 및 광 결정 모양을 중에서 적어도 하나를 포함하고,
   상기 표면 패턴의 크기와 높이는 10 nm 내지 100 μm 인 것을 특징으로 하는 형광판.
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 투명 기판과 상기 형광막 사이에 개재되고 상기 형광을 일방향으로 선택적으로 반사시키는 형광 반사체을 포함하는 것을 특징으로 하는 형광판.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 형광 반사체는 도전성 그물 또는 다층 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 형광판.

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