KR101216878B1 - 광 생성 장치, 발광 디바이스 및 백색 발광 디바이스 - Google Patents

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Abstract

회백색 발광 다이오드(LED)를 사용하는 백색 발광 디바이스. 백색 방출 디바이스는, 단지 순백색 LED를 사용하는 것이 아니라, 이러한 회백색 LED로부터 발산되는 광이 혼합되어, 실질적으로, 인간의 눈에는 순백으로 보이는 방사선을 생성하는 방식으로, 회백색을 나타내는 LED를 구성한다.

Description

광 생성 장치, 발광 디바이스 및 백색 발광 디바이스{A METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING UNTAINTED WHITE LIGHT USING OFF-WHITE LIGHT EMITTING DIODES}
도 1은 1931 CIE(Commission International d'Elchairge) 색도(chromaticity)도 표현,
도 2a는 청색 다이오드를 분류하고, 백색 LED를 청색 다이오드와 조립하여, LED를 그 혼합광이 "순수한" 백색광이도록 구성하는 프로세스를 설명한 순서도,
도 2b는 회백색(off-white) LED를 분류하고 LED를 그 혼합광이 "순수한" 백색광이도록 구성하는 프로세스를 설명한 순서도,
도 3(a)은 기판 상에서의 백색 LED의 1x3 어레이 상측도,
도 3(b)은 기판 상에서의 백색 LED의 1x3 어레이 측면도,
도 4(a)는 기판 상에서의 백색 LED의 2x2 어레이 상측도,
도 4(b)는 기판 상에서의 백색 LED의 2x2 어레이 측면도,
도 5(a)는 기판 상의 공동부(cavities)에 있는 백색 LED의 어레이 상측도,
도 5(b)는 기판 상의 공동부에 있는 백색 LED의 어레이 측면도,
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예인 화상 캡쳐용 디바이스에 대한 도면이 다. 이 경우, 화상 캡쳐용 디바이스는 카메라가 부착된 휴대폰으로서, 그 플래시는 도 3에서와 같은 1x3의 LED이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
300: 어레이 302: 기판
304: 본드 와이어 306: 혼합층
310, 320, 330: LED
본 발명은 회백색(off-white) 발광 다이오드(LED)를 이용하여 오염되지 않은 백색광을 생성하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 상보적 LED로부터 백색광의 각기 다른 색조(hues)를 혼합하여 더욱 "순수한" 백색광을 생성하는 방법과 관련된다.
백색 LED는 2개의 발광 물질을 연결한다. 첫 번째 물질은, 전류가 흐를 때, 방사선(즉, 최초 방사선)을 발광할 수 있는 반도체 물질로 만들어진 청색 발광 다이오드이다. 두 번째 물질은, 최초 방사선의 일부를 흡수하고 최초 방사선과는 다른 파장의 광(즉, "제 2 방사선")을 방출하는 황색 형광성(fluorescent) 또는 냉광성(luminescent) 파장 변환 물질이다. 생성된 광은 최초 방사선의 변화하지 않은 부분과 제 2 방사선이 혼합된 것이다. 백색 LED에서, 다이오드는 최초 방사선으로서 청색광을 방출하고, 파장 변환 물질은 제 2 방사선으로서 황색광을 방출한다.
백색 LED에서 생성되는 바람직한 방사선은 오염되지 않은 백색광이다. 백색광으로는, 예를 들어, 차가운 백색(cool-white)으로도 알려져 있는 청백색, 따뜻한 백색(warm-white)으로도 알려져 있는 황백색 등, 많은 종류가 있다. "순수한" 백색광, 즉, 오염되지 않은 백색광은, 화상 캡쳐용 디바이스를 위한 플래시와 같이, 일광(daylight)과 동등한 상황이 필요한 경우에 요망된다. "순수한" 백색광은 정량화되고 있다. 도 1은 1931 CIE(Commision International d'Elchairge) 색도도(Chromaticity diagram)이다. 점선(110)은 흑체 곡선(black body curve)을 나타낸다. 흑체로부터의 방사선의 색은 온도에만 의존한다. 조명 산업부문에서는, 백색을 그 연관 색 온도로 나타내는 것이 보편적이다. 포인트(100)는 "순수한" 오염되지 않은 백색광이고, 그 연관 색 온도는 6500켈빈(Kelvins)이다. 덧붙여 말하자면, 이것이 텔레비전 방송 규격 심의 위원회(National Television System Committee)에서의 기준 백색이다. 포인트(100)는 화상 캡쳐용 디바이스와 같은 백색 발광 디바이스에 대해 바람직한 색조이다.
대부분의 백색 LED는 세륨 활성 이트륨 알미늄 가닛(YAG: Ce)과 같은 일반적인 황색 형광체(phosphor)를 파장 변환 물질로서 사용한다. 이 형광체를 사용하여, 오염되지 않은 백색광을 얻기 위해서는, 일반적으로, 청색 최초 방사선이 465㎚에서 470㎚ 사이의 파장을 갖는다. 최초 방사선이 너무 녹청색(즉, 470㎚ 이상)인 경우에는, 생성된 백색광이 녹색을 띠게 될 것이다. 최초 방사선이 너무 자청색(즉, 465㎚ 이하)인 경우에는, 생성된 백색광이 자주색을 띠게 될 것이다. 이러한 오염된 색조의 백색 모두는 인간의 눈에 인식될 수 있고, "불순한" 백색으로 알려져 있다. 이러한 오염된 색조는 도 1에서의 흑체 곡선에서 멀리 떨어진 색 좌표를 갖는다. 이러한 불순한 백색광 중의 어느 하나가 화상 캡쳐용 디바이스를 위한 플래시에 사용된다면, 생성 화상도 또한 오염될 것이다.
적층 반도체 성장 프로세스로 제작한 청색 반도체 물질이 방출한 청색광의 색은, 제어 프로세스가 있음에도 불구하고, 그 범위가 460-480㎚이다. 결과적으로, 이 프로세스로 제작된 유용한 청색 반도체 물질의 약 25%만이 "순수한" 백색 LED용 다이오드에 사용될 수 있다. 나머지 75%는 너무 청색을 띠거나 자주색을 띠는 청색광을 방출하여 이 목적에는 사용될 수 없다. 이에 따라, "순수한" 백색 LED의 생산비용이 매우 높다.
따라서, 보다 경제적으로 실현할 수 있는 방식으로, LED로부터의 오염되지 않은 백색광을 생성하는 방법 또는 장치가 산업적으로 필요하다. 본 발명은 이 문제에 대한 유일한 신규 해결책을 제공한다.
회백색 발광 다이오드(LED)를 이용한 백색 발광 디바이스가 개시된다. 백색광 방출 디바이스는, 단지 순수한 백색 LED를 사용하는 것으로 제한되는 것이 아니라, 회백색을 나타내는 LED를 구성하되, 이러한 회백색 LED로부터 발산되는 광을 혼합하여, 실질적으로, 인간의 눈에는 순백으로 보이는 방사선을 생성하는 방식으로 구성한다.
본 발명은, 첨부한 도면의 각 도에서, 제한사항으로서가 아니라, 예로서 설명되고 있는 것으로, 동일한 참조 부호는 동일한 소자를 지칭한다.
본 발명은, 첨부한 도면의 각 도에서, 제한사항으로서가 아니라, 예로서 설명되고 있는 것으로, 동일한 참조 부호는 동일한 소자를 지칭한다.
LED에서의 최초 및 제 2 방사선을 혼합한 결과는 색도도(도 1) 상에 나타내어질 수 있다. 라인이 최초 방사선 및 제 2 방사선의 색을 나타내는 포인트들, 이 경우에는, 각각, 청색 및 황색을 나타내는 포인트들 사이에 그려진다. 생성된 광은 이 라인 상에 있는 색 좌표 포인트를 갖는다. 포인트 "B"는 청색이다. 포인트 "Y"는 황색이다. "순수한" 백색광의 색 좌표 포인트는 흑체 곡선 근처의 라인 B-Y 상에 있다. 포인트 "GB"는 녹청색광이다. 포인트 "GW", 즉, 녹백색광은 라인 GB-Y 상에 있다. 포인트 "PB"는 자청색광이다. 포인트 "PW", 즉, 자백색광은 라인 PB-Y 상에 있다.
본 발명의 일 실시예에서, LED는, 흑체 곡선의 한 측면 상에 색 좌표를 갖는 LED가 흑체 곡선의 다른 측면 상에 색 좌표를 갖는 다른 LED에 근접하게 구성되도록 선택된다. 생성된 색은 이러한 색 좌표를 연결하는 직선의 궤적 상에 있으며, 그에 따라, 흑체 곡선에 더욱 가깝다. 녹백색 및 자백색을 띠는 백색 LED는 적절하게 구성되어, 실질적으로, 눈에는 백색으로 보이는 방사선을 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 녹백색 LED는 480㎚의 색을 띠는 청색 다이오드를 사용하여 제작되고, 자백색 LED는 460㎚의 색을 띠는 청색 다이오드를 사용하여 제작된다. 대안적인 실시예에서, 녹백색 LED는 475㎚의 색을 띠는 청색 다이오드를 사용하여 제작되고, 자백색 LED는 465㎚의 색을 띠는 청색 다이오드를 사용하여 제작된다.
이 방식에서는, 사용될 수 있는 청색 다이오드의 범위가 5㎚보다 더 넓다. 결과적으로, 청색 다이오드의 활용 비율이 증가하고 생산비용이 감소한다.
도 1을 이용하면, 색도도 상에서 임의의 2개의 포인트를 결합한 경우의 색 좌표는 이러한 2개의 포인트를 연결한 라인 상에 있다. 따라서, 포인트(100)는 흑체 곡선 근처의 GW-PW 라인 상에 있으며, 실질적으로 "순수한" 백색광이다. 녹백색광과 자백색광의 비율은, 포인트(100)에서 백색광을 생성하거나, 흑체 곡선에서 또는 그 가까이에서 백색광을 생성하도록 적절히 선택된다.
도 2a는 방출하는 광의 파장에 따라 청색 다이오드를 분류하는 시스템을 설명한다. 백색 LED는 분류된 청색 다이오드를 사용하여 조립된다. 그 후, 상기 LED는 혼합광이 오염되지 않은 백색이도록 디바이스 상에 구성된다. 따라서, 백색 LED는 통상적인 프로세스로 생성된 100% 청색 반도체 물질을 사용하여 만들어질 수 있다. 청색 다이오드는, 각각의 청색광의 파장에 따라, 3개의 그룹, 즉, PB, B 및 GB로 분류된다. 그룹 PB는 460-465㎚ 범위의 광을 방출하는 자청색 다이오드로 구성된다. 그룹 B는 465-470㎚ 범위의 광을 방출하는 청색 다이오드로 구성된다. 그룹 GB는 470-480㎚ 범위의 광을 방출하는 녹청색 다이오드로 구성된다.
도 2b는 회백색 및 백색 LED를 분류하여 "순수한" 백색광을 생성하는 데 사용되는 대안 시스템을 나타낸다. 이 방식에서, 백색 LED는 통상적인 프로세스로 생성된 100% 청색 반도체 물질을 사용하여 만들어질 수 있다. 백색 LED는, 각 LED의 백색 생성광의 색 좌표에 따라, 3개의 그룹, 즉, PW, W 및 GW로 분류된다. 그룹 PW는 460-465㎚ 범위의 광을 방출하는 다이오드로 만든 자백색 LED로 구성된다. 그룹 W는 465-470㎚ 범위의 광을 방출하는 다이오드로 만든 백색 LED로 구성된다. 그룹 GW는 470-480㎚ 범위의 광을 방출하는 다이오드로 만든 녹백색 LED로 구성된다.
도 3은 각 그룹 중의 하나인 3개의 백색광의 가능한 구성을 나타낸다. 어레이(300)는 1x3 행렬이다. 바람직한 실시예에서, LED(310)는 그룹 GW의 것이고, LED(320)은 그룹 PW의 것이며, LED(330)는 그룹 W의 것이다(도 2 참조). 이러한 3개의 LED의 광의 혼합은, 색도도 상에 나타낸 바와 같이, 순수한 백색광이다. 실험은, LED(310, 320, 330)의 실제 구성은 문제가 되지 않는다는 것, 즉, 임의의 구성의 생성광이 순백색이라는 것을 보여주고 있다.
도 3에서, 다이오드는 전기 전도성 트레이스(도시하지 않음)를 갖는 기판(302)과 연결된다. 본드 와이어(304)는 LED 단자의 일 끝단에서부터 상기 기판 상의 전도성 트레이스까지 이어진다. 밀봉제 및 형광체의 혼합층(306)은 다이오드를 덮은다.
도 4는 2x2 행렬로 구성된 4개의 백색 LED 어레이(400)를 나타낸다. 바람직한 실시예에서, LED(410, 420)가 그룹 GW의 것인 반면, LED(430, 440)는 그룹 PW의 것이다(도 2 참조). 바람직한 실시예에서, 도 4에 도시한 바와 같이, 제 1 행에는 LED(410, 430)이 구성되고, 제 2 행에는 LED(420, 440)이 구성된다. 실험은, LED(410, 420, 430, 440)의 실제 구성은 문제가 되지 않는다는 것, 즉, 이러한 4개의 LED의 임의의 구성의 생성광이 순백색이라는 것을 보여주고 있다.
도 4에서, LED의 다이오드는 전기 전도성 트레이스(도시하지 않음)를 갖는 기판(402)과 연결된다. 본드 와이어(404)는 LED 단자의 일 끝단에서부터 상기 기판 상의 전도성 트레이스까지 이어진다. 밀봉제 및 형광체의 혼합층(406)은 다이오드를 덮는다.
도 5는 바람직한 다른 실시예를 나타내고 있는 것으로서, 다이오드가 기판의 공동부(cavities)에 위치한다. 공동부는 반사기로서 작용하여, 광을 모으고 희망 방향으로 배출한다. 상기 공동부는 또한 저장부(receptacle)로서 작용하여 밀봉제/형광체 혼합물로 먼저 채워질 수 있으며, 다이오드는 이 공동부와, 밀봉제만으로 이루어진 렌즈 사이에 놓이게 된다. 제 2의 광학 렌즈는, 유리하게는 다이오드 위에 위치하고, 광의 방사형 패턴을 제어 및 개선한다. 바람직한 실시예에서는, 프레스넬 렌즈(fresnel lens)가 사용된다.
밀봉제는 에폭시 물질인 것이 바람직하지만, 일반적으로, 열가소성 플라스틱(theremoplastics) 및 열경화성 플라스틱(thermosets)과 같은 폴리머가 적합하다. 또한, 실리콘 또는 유리도 사용될 수 있다. 밀봉제는, 바람직하게는, 사출 성형(injection molding) 또는 이송 성형(transfer molding)으로 생산된다. 또한, 캐스팅 프로세스도 이용될 수 있다. 대안으로, 밀봉제는 다이오드 위에 위치하는 캡 일 수 있다.
도 5에서, 다이오드는 전기 전도성 트레이스(도시하지 않음)를 갖는 기판(502)과 연결된다. 상기 기판은 반사기로서 작용하는 공동부(501)를 갖는다. 본드 와이어(504)는 LED 단자의 일 끝단에서부터 상기 기판 상의 전도성 트레이스까지 이어진다. 밀봉제/형광체 혼합층은 다이오드를 덮으며, 공동부를 적어도 부분적으로 채운다. 밀봉제만으로 이루어진 제 2 렌즈 형상층(506)이 각 다이오드를 적어도 부분적으로 덮는다. 대안으로, 밀봉제(506)는 밀봉제/형광체 혼합물을 포함한다. 제 2 렌즈(508)가 LED 어레이의 렌즈 측면에 조립된다.
LED의 구성은 1x3 또는 2x2 행렬로 제한되지 않는다. 그룹 PW로부터의 LED가 그룹 GW로부터의 LED와 상보적인 한, m x n 행렬의 임의의 어레이가 사용될 수 있으며, 그 반대도 마찬가지이다(도 2 참조). 최소는 1x2 행렬로 구성되는 2개의 LED이다. 그룹 W로부터의 LED는, 그 자체에서 순수한 백색광을 생성하기 때문에, 상보적 LED를 요구하지 않는다. 또한, 본 발명은 규치적인 행-및-열 어레이로 제한되지 않으나, 임의의 규칙적인 2 차원 또는 3차원 분류의 LED 어레이에서 동일하게 효율적이다.
상보적 백색 LED는 리드프레임(leadframe), 인쇄회로기판, 플렉시블 기판, 유리 또는 세라믹과 같은 기판 상에 구성될 수 있다. 대안으로, 스루홀 타입이나 칩LED 램프 및 표면 탑재형 PLCC와 같은 다수의 상보적 백색 LED 디바이스 소자는 인쇄회로기판과 같은 다른 기판 상에 구성되어, 순수한 백색광을 생성할 수 있다. 일반적으로, 이러한 소자는 자동 선택 및 위치 장비를 이용하여 기판 상에 놓인 후, 열에 노출시켜 적소에 납땜된다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예인 화상 캡쳐용 디바이스를 나타낸 것이다. 여기에 도시한 화상 캡쳐용 디바이스는 디지털 카메라를 장착하고 있는 휴대폰이다. 1x3 어레이(601)(도 3 참조)는, 흐리거나 어둡거나 야간의 조건에서 사진을 찍을 수 있을 정도의 플래시 광을 제공한다.
본 발명은 회백색 발광 다이오드(LED)를 이용하여 오염되지 않은 백색광을 생성하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 상보적 LED로부터 각기 다른 색조(hues)의 백색광을 혼합하여 더욱 "순수한" 백색광을 생성한다.

Claims (32)

  1. 자백색 발광 다이오드와,
    녹백색 발광 다이오드를 포함하며,
    상기 자백색 발광 다이오드는,
    460-465㎚ 사이의 파장을 갖는 제 1 청색 광의 제 1 청색 발광 다이오드와,
    상기 제 1 청색 광을 백색 광으로 변환하는 파장 변환 물질을 함유하는 제 1 층을 포함하고,
    상기 녹백색 발광 다이오드는,
    470-480㎚ 사이의 파장을 갖는 제 2 청색 광의 제 2 청색 발광 다이오드와,
    상기 제 2 청색 광을 백색 광으로 변환하는 파장 변환 물질을 함유하는 제 2 층을 포함하며,
    상기 자백색 발광 다이오드와 상기 녹백색 발광 다이오드로부터 발산하는 광의 혼합이 인간의 눈에 백색으로 보이는
    광 생성 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 자백색 발광 다이오드는 흑체 곡선(black body curve)의 한 측면에 있는 색 좌표를 갖고,
    상기 녹백색 발광 다이오드는 상기 흑체 곡선의 다른 측면에 있는 색 좌표를 갖는
    광 생성 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층 및 상기 제 2 층은 황색 형광체 파장 변환 물질을 함유하는
    광 생성 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    복수의 자백색 발광 다이오드, 및 복수의 자백색광을 보완하여 순수한 백색광을 생성하는 방식으로 배열된 동일한 수의 녹백색 발광 다이오드를 더 포함하는
    광 생성 장치.
  10. 삭제
  11. 흑체 곡선의 한 측면에 있는 색 좌표를 갖는 발광 다이오드는 상기 흑체 곡선의 다른 측면에 있는 색 좌표를 갖는 발광 다이오드 근처에 위치하고, 생성된 색은 상기 색 좌표들을 연결하는 직선의 궤적을 따라 존재하도록 배열된 발광 다이오드의 어레이를 포함하는
    발광 디바이스.
  12. 삭제
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드에 의해 생성된 광은 상보적 방사선(complementary radiations)인
    발광 디바이스.
  14. 제 11 항에 있어서,
    녹백색 및 자백색을 갖는 백색 발광 다이오드는 인간의 눈에 백색으로 보이는 방사선을 생성하도록 상기 어레이에서 배열되는
    발광 디바이스.
  15. 삭제
  16. 제 11 항에 있어서,
    녹백색 발광 다이오드는 480㎚의 색을 띠는 청색 발광 다이오드로 구성되고,
    자백색 발광 다이오드는 460㎚의 색을 띠는 청색 발광 다이오드를 포함하는
    발광 디바이스.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 녹백색 발광 다이오드는 470㎚가 넘는 색을 띠는 청색 발광 다이오드로 구성되고,
    상기 자백색 발광 다이오드는 465㎚보다 낮은 색을 띠는 청색 발광 다이오드를 포함하는
    발광 디바이스.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 흑체 곡선으로부터 멀리 떨어진 색 좌표를 갖는 백색 발광 다이오드 어레이를 포함하되, 합성광은 상기 흑체 곡선으로부터 보다 멀리 떨어져 있지 않은 색 좌표를 갖는
    발광 디바이스.
  23. 전기 전도성 트레이스를 갖는 기판과,
    적어도 하나의 녹청색 LED와 각각의 녹청색 LED를 위한 하나의 자청색 LED를 포함하는 어레이－상기 녹청색 LED와 상기 자청색 LED는 상기 기판에 부착됨－와,
    황색 형광체 파장 변환 물질을 함유하며 각각의 LED를 덮는 밀봉제와,
    각각의 LED에 전류를 제공하는 회로를 포함하는
    백색 발광 디바이스.
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 전기 전도성 트레이스를 갖는 기판과,
    470-480㎚ 범위의 파장을 갖는 제 1 청색 LED 및 460-465㎚ 범위의 파장을 갖는 제 2 청색 LED를 포함하는 어레이－상기 제 1 청색 LED 및 상기 제 2 청색 LED는 상기 기판에 부착됨－와,
    황색 형광체 파장 변환 물질을 함유하며 각각의 LED를 덮는 밀봉제-상기 제 1 청색 LED 및 상기 제 2 청색 LED로부터의 변환된 광의 혼합은 순수한 백색광을 생성함-와,
    각각의 LED에 전류를 제공하는 회로를 포함하는
    백색 발광 디바이스.
  29. 삭제
  30. 삭제
  31. 삭제
  32. 삭제
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