KR101402190B1 - 전계발광 장치 - Google Patents

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Abstract

양호하게는 200㎚와 490㎚ 사이의 파장을 갖는 1차 방사를 발광하기 위한 적어도 하나의 전계발광 광원(2), 및 1차 방사의 부분적 흡수 및 2차 방사의 방출을 위해 1차 방사선들의 경로에 배열된 적어도 하나의 광 전환 소자(3)를 포함하고, 광 전환 소자(3)가 1차 방사의 방사 방향(5)으로의 확장부를 가지며, 확장부가 광 전환 소자(3)에서의 1차 방사의 평균 산란 길이보다 더 작은 전계발광 장치.
전계, 발광, 방사, 아웃커플링, 커플링, 전환, 확장

Description

전계발광 장치{ELECTROLUMINESCENCE DEVICE}
본 발명은 전계발광 장치, 발광된 빛의 색상 변환을 위한 소자 및 이 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.
전계발광 광원(electroluminescence light source)(LED)을 갖고 그 발광된 빛(1차 방사(primary radiation))이 인 분말 층에 의해 적어도 부분적으로 흡수되고 더 긴 파장으로 다시 방사(2차 방사(secondary radiation))되는 pcLED(Phosphor-converted electroluminescence device)들이 공지되어 있다. pcLED라고 지칭되는 것은 일반적으로 백색광원들로 이용되며, 여기에서 LED들은 UV 또는 청색광을 발광하며(1차 방사), 그 중 일부가 통상적으로 인 분말 층인 LED 상에 배열된 층에 의해 흡수되며, 예를 들어, 황색 또는 녹색 및 적색광으로서 재발광된다(2차 방사). 이 과정은 색상 또는 광 변환이라고도 지칭된다. 그 후, 백색광은 첨가색 혼합에 의해 얻어진다. 오늘날 이용가능한 최상의 pcLED들은 50% 미만인 패키지 이득이라고 지칭되는 인광체 층을 갖고 발광된 광자(1차 방사 및 2차 방사)와 인광체 층을 갖지 않고 발광된 광자(1차 방사) 사이의 비율을 갖는다. 인 분말층들은 인광체 입자들이 매립된 매트릭스 재료로 조성되므로, 광원의 효율은 LED 발광의 UV 부분으로 인한 매트릭스 재료의 온도 유도적 또는 광화학 유도적 열 악화 및 그로 인한 분말층의 광 투명성의 감소의 결과로서 서비스 수명이 감소된다. 또한, pcLED의 발광의 균질성은 인 분말층의 균질성에 크게 의존한다. 예를 들어, CCT(correlated color temperature)라고 지칭되는 것이 관측 각도의 함수로 4500 K와 6500 K의 사이에서 변할 수 있다.
문헌 DE10349038A1은 백색광을 발광하기 위한 인광체-전환된 전계발광 장치를 개시하며, 여기에서 색상 변환은 광 방사 방향으로 보아 LED 위에 배열된 다결정질 세라믹 체에 의해 성취된다. 인 분말 층들과 대조적으로, 세라믹 체는 인광체 입자들을 매립하기 위한 온도 또는 빛 민감성 매트릭스 재료를 요구하지 않으며, 매트릭스 재료의 광학 특성들의 열악화로 인한 서비스 수명의 함수로서의 효율 감소가 회피된다. 예를 들어 가능한 한 관측 각도와 독립적인 색상 온도인 발광의 균질성은 다결정질 재료에서의 결정들에서의 1차 및 2차 방사의 산란에 의해 유발된다. 그러나, 인 분말 층들을 갖는 pcLED들에 비한 패키지 이득은 이러한 종류의 다결정질 재료들로 개선되지 않는다. 그래서 현저히 더 높은 패키지 이득이 더 바람직하다.
그러므로, 본 발명의 목적은 가능한 한 관측 각도와 독립적인 색상 온도에 관한 고도의 패키지 이득의 특징을 갖는 인광체-전환된 전계발광 장치를 제공하는 것이다.
이 목적은 양호하게는 200㎚와 490㎚ 사이의 파장들을 갖는 1차 방사를 발광하기 위한 적어도 하나의 전계발광 광원, 및 1차 방사의 부분적 흡수 및 2차 방사의 방출을 위해 1차 방사선들의 경로에 배열된 적어도 하나의 광 전환 소자를 포함하고, 광 전환 소자가 광 전환 소자에서의 1차 방사의 평균 산란 길이보다 작은 1차 방사의 방사 방향으로의 확장부를 갖는 전계발광 장치에 의해 성취된다. 광 전환 소자 내에서 산란된 광량이 적을수록, 각각의 재료에서의 광 경로가 더 짧아지며, 그러므로 빛이 후속적인 재방출 없이 광 전환 재료에 흡수될 개연성이 감소된다. 그래서, 얻어질 수 있는 패키지 이득이 예를 들어 산란 중심들을 갖는 분말 층 또는 통상적 다결정질 층들인 강하게 산란하는 광 전환 소자들의 경우보다 더 높다. 램버트 비어 법칙(Lambert Beer law)에 따라, 흡수 및 산란으로 인한 한 방향(Θ)으로의 방사 강도의 손실(Iloss(Θ))은 전송률 및 반사율의 함수 대신에 흡수길이(la) 및 산란 길이(ls)의 함수로서 기술될 수 있다. 방사 전파 방향을 따라 확장부(d)를 갖는 재료의 평균 산란 길이는, 그 재료가 산란 중심들에서의 평균 패킹 밀도 PD를 가질 때, 대략적으로 1/PD에 비례한다.
이와 관련하여, 광 전환 소자가 광 전환 소자에서의 이론적 재료 밀도의 93%와 99.5% 사이의 밀도를 갖는 재료로 조성되면 양호하다.
양호한 전계발광 장치에서, 2차 방사는 1차 방사의 파장보다 더 긴 파장들을 갖는 하나 이상의 스펙트럼 영역들을 포함한다. 백색광은 예를 들어, 청색 1차 방사와 황색 또는 녹색 및 적색 2차 방사를 적절한 비율로 혼합함으로써 생성될 수 있다.
이와 관련하여, 광 전환 소자에서의 1차 방사의 평균 흡수 길이가 1차 방사의 평균 산란 길이보다 작고, 양호하게는 1차 방사의 방사 방향으로의 광 전환 소자의 확장부보다 작으면 양호하다. 그래서, 1차 방사의 충분한 부분이 백색광을 발생시키기 위해 2차 방사로 전환되는 것이 보장된다.
광 전환 소자가 전계발광 광원과 대면하는 사실상 평평한 제1 표면, 및 광 전환 소자로부터의 광 아웃커플링을 개선하기 위한 구조를 갖는 제2 표면을 포함하면 특히 양호하다. 평평한 제1 표면은 광 전환 소자를 전계발광 광원 상에 직접 적용할 수 있게 한다. 구조화된 제2 표면은 광 전환 소자로부터의 1차 및 2차 방사의 개선된 광 아웃커플링을 위해 이용되며, 또한 구조화된 표면의 광 분산 효과에 의해 아웃커플링된 빛의 개선된 균질성이 얻어진다. 그에 따라, 관측 각도의 함수로서의 CCT(correlated color temperature)의 변화량이 명백히 감소된다.
양호한 실시예에서는, 광 전환 소자에서 적어도 전계발광 광원으로부터 떨어져서 대면하는 쪽은 굴절률이 nA > 1.3인 적어도 하나의 투명한 재료로 된 아웃커플링 소자에 의해 둘러싸인다. 광 전환 소자가 굴절률 nC를 갖고 |nC-nA| > 0.1이면 특히 더 양호하다. 한편, 빛이 광 전환 소자의 밖에서 커플링될 때 전반사로 인한 광 아웃커플링 손실들은 nA < nC인 경우에는 감소될 수 있고 nA >= nC인 경우에는 회피될 수 있다. 다른 한편, 제2 표면의 광 분산 효과는 광 전환 소자의 구조화된 제2 표면의 경우에서의 굴절률들의 최소차가 |nC-nA| > 0.1인 경우에도 유지된다.
특히 양호한 실시예에서는, 광 전환 소자가 75%와 90% 사이, 양호하게는 80%와 85% 사이의 1차 방사를 2차 방사로 전환한다. 총 방사(1차 방사 더하기 2차 방사)에 대한 1차 방사의 비율이 이러한 경우에, 관측 각도의 함수로서의 색상 온도의 최소 변화량이 얻어진다.
이와 관련하여, 광 전환 소자가 1차 방사의 방사 방향으로의 적어도 50 ㎛의 확장부를 가지면 양호하다.
여기에서, 광 전환 소자의 양호한 재료들은 아래와 같이 이루어진 재료 그룹들로부터의 적어도 하나의 재료를 포함한다.
- (MI 1 -x- yMII xMIII y)3(Al1 - zMIV z)5O12
여기에서, MI =(Y, Lu); MII =(Gd, La, Yb); MIII =(Tb, Pr, Ce, Er, Nd, Eu) 및 MIV =(Gd, Sc)이고, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 0.1, 및 0 ≤ z ≤ 1이며,
- (MI 1 -x- yMII xMIII y)2O3
여기에서, MI =(Y, Lu); MII =(Gd, La, Yb) 및 MIII =(Tb, Pr, Ce, Er, Nd, Eu, Bi, Sb)이고, 0 ≤ x ≤ l 및 0 ≤ y ≤ 0.1이며,
- (MI 1 -x_ yMII xMIII y)S1 - zSez
여기에서, MI =(Ca, Sr, Mg, Ba); MII =(Ce, Eu, Mn, Tb, Sm, Pr, Sb, Sn) 및 MIII =(K, Na, Li, Pb, Zn)이고, 0 ≤ x ≤ 0.01, 0 ≤ y ≤ 0.05, 및 0 ≤ z ≤ 1이며,
- (MI 1 -x- yMII xMIII y)O
여기에서, MI =(Ca, Sr, Mg, Ba); MII =(Ce, Eu, Mn, Tb, Sm, Pr) 및 MIII =(K, Na, Li, Pb, Zn)이고, 0 ≤ x ≤ 0.1, 및 0 ≤ y ≤ 0.1이며,
- (MI 2 - xMII xMIII 2)O7
여기에서, MI =(La, Y, Gd, Lu, Ba, Sr); MII =(Eu, Tb, Pr, Ce, Nd, Sm; Tm) 및 MIII =(Hf, Zr, Ti, Ta, Nb)이고, 0 ≤ x ≤ 1이며,
- (MI 1 - xMII xMIII 1 - yMIV y)O3
여기에서, MI =(Ba, Sr, Ca, La, Y, Gd, Lu); MII =(Eu, Tb, Pr, Ce, Nd, Sm, Tm); MIII =(Hf, Zr, Ti, Ta, Nb) 및 MIV =(Al, Ga, Sc, Si)이고, 0 ≤ x ≤ 0.1, 및 0 ≤ y ≤ 0.1임.
여기에서, 예를 들어, MI =(Ca, Sr, Mg, Ba)처럼 MI을 언급하는 방식은 괄호 안에 있는 개별적 원소뿐만 아니라, 원소들의 합성물들도 의미할 수 있다.
또한, 본 발명은 청구항 1에 청구된 바와 같은 전계발광 장치에서의 광 전환 소자를 제조하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은 아래의 단계들을 포함한다.
- 신터링 에이드(sintering aid)를 이용하여 광 전환 소자의 재료를 1700℃와 1750℃ 사이의 온도에서 2시간과 8시간 사이의 기간 동안 환원 조건하에서 또는 진공 속에서 신터링 - 양호하게는 재료의 세라믹 메인 페이즈에 대해 500ppm과 1000ppm 사이의 양의 마그네슘 산화물 또는 실리콘 산화물을 1700℃와 1750℃ 사이의 온도에서 10시간과 24시간 사이의 기간 동안 신터링 - 하는 단계,
- 광 전환 소자의 재료를 1700℃와 1750℃ 사이의 온도에서 9시간과 11시간 사이의 기간 동안 아르곤 대기 속에서 0.5 kbar와 2.0 kbar 사이의 압력에서 신터링하는 단계, 및
- 광 전환 소자의 재료를 1200℃와 1400℃ 사이의 온도에서 2시간과 20시간 사이의 기간 동안 산소 함유 대기, 양호하게는 공기 속에서 어닐링하는 단계.
고밀도 및 대응적으로 더 적은 수의 체적 당 산란 중심들의 수를 갖는 재료가 이 방법에 의해 제조되며, 광 전환 소자에서의 산란 길이의 증가로 귀결된다.
본 발명의 상기 및 기타의 양태는 명백하고 이하에 기술되는 실시예들을 참고하여 설명될 것이지만, 본 발명이 이러한 실시예로 제한되는 것으로 간주되지 않아야 한다.
도면에서,
도 1은 본 발명에 따른 전계발광 장치를 도시하고,
도 2는 본 발명에 따른 구조화된 광 전환 소자를 도시하며,
도 3은 본 발명에 따른 하나의 아웃커플링 소자를 갖는 전계발광 장치를 도시하고,
도 4는 상이한 pcLED들을 위한 방출 각도의 함수로서의 CCT들을 도시한다.
도 1은 1차 방사를 방출하기 위해 기판(4) 상에 적용된 전계발광 광원(2), 및 1차 방사의 부분적 흡수 및 2차 방사의 방출을 위해 1차 방사선들의 경로에(방사 방향(5)을 따라) 배열된 광 전환 소자(3)를 갖는 본 발명에 따른 전계발광 장치(1)를 도시하며, 광 전환 소자(3)는 광 전환 소자에서의 1차 방사의 평균 산란 길이보다 더 작은 1차 방사의 방사 방향(5)으로의 확장부를 갖는다.
램버트 비어 법칙(Lambert Beer law)에 따라, 전송률 및 반사율의 대신에, 흡수 및 산란으로 인한 한 방향(Θ)으로의 방사 강도의 손실(Iloss(Θ))은 흡수길이(la) 및 산란 길이(ls)의 함수로서 기술될 수 있다. 방사 전파 방향을 따라 확장부(d) 및 산란 중심들에서의 평균 패킹 밀도 PD를 갖는 비단결정질(non-monocrystalline) 재료의 평균 산란 길이는 대략적으로 d/PD에 비례한다. 산란 길이가 길수록, 1차 및 2차 방사의 평균 광 경로들은 더 작아지고, 그러므로 광 전환 소자에서의 후속적인 재방출 없이 흡수에 의한 광 손실도 작아진다. 체적 V를 갖는 광 전환 소자에서의 산란 중심 체적 Vs 및 산란 중심들의 수 N인 경우, 패킹 밀도(PD)는 PD = N*Vs/V이다. 예를 들어, 광 전파 방향으로의 산란 재료의 확장부의 3.33 배의 산란 길이는 10 퍼센트 패킹 밀도를 갖는 구형 산란 중심들을 산출한다. 이와 관련하여, 비례 상수는 특히 산란 중심의 유형 및 형태에 의존하며, 그래서 광 전환 소자(3)의 재료 조성에 의존한다.
유기적 또는 무기적 전계발광층들을 갖는 LED들이 전계발광 광원(2)으로 이 용될 수 있으며, 그 층들은 두개의 전극 사이에 배열되고 투명한 베이스 상에 규칙적으로 적용된다. 이와 관련하여, 베이스가 1차 및 2차 방사 모두에 대해 투명하면 양호하다. 통상적으로, 기판(4)에 대면하는 전극은 반사성이므로, 1차 방사는 도 1에 화살표 5로 도시된 기판으로부터 떨어져서 대면하는 쪽으로 발광된다. 이와 관련하여, 전계발광 광원(2)은 동일 및/또는 상이한 1차 방사를 갖는 다수의 LED들을 포함할 수 있다. 여기에서, 광 전환 소자(3)는 1차 방사를 흡수하기 위해 1차 방사선들의 경로에 배열된다. 그것은 전계발광 광원(2) 상에 직접 적용되거나 또는 투명한 재료들에 의해 전계발광 광원(2)에 광학적으로 커플링될 수 있다. 전계발광 광원(2)에 대해 광 전환 소자(3)를 광학적으로 커플링하는 경우에, 예를 들어, 광 전환 소자(3)와 전계발광 광원(2)의 사이에 예를 들어 백금 교차결합되는 교차결합성 2성분 실리콘 고무 또는 대안적으로 고온에서 광원 및 광 전환 소자에 부착되는 유리 재료와 같은 1.4와 3.0 사이의 굴절률을 갖는 탄성 또는 경성 재료로 된 접착층이 이용될 수 있다. 또한, 광 전환 소자가 전계발광 광원에 밀접되어 양자 사이의 거리가 평균적으로 1차 방사의 평균 파장의 3배 미만, 양호하게는 1차 방사의 평균 파장의 2배 미만, 특히 양호하게는 1차 방사의 평균 파장의 1배 미만이면 특히 양호하다. 그러나, 다른 실시예에서는 배열, 크기, 기하학적 배열 또는 재료가 서로 다른 다수의 광 전환 소자들이 하나 이상의 전계발광 광원들에 대해 광학적으로 접속될 수도 있다.
1차 방사의 평균 파장은 양호하게는 200㎚와 490㎚ 사이의 파장 범위에 있음으로써 1차 방사 및 2차 방사를 혼합하여 백색광을 생성하기 위해 필요한 모든 다 른 스펙트럼 영역들이 여기(excite)될 수 있게 한다. 그러므로, 청색 1차 방사의 경우에, 2차 방사는 양호하게는 황색 또는 녹색 및 적색 스펙트럼 영역의 빛을 포함하고, 그것은 색상 혼합에 의해 백색광이 생성될 수 있게 한다.
백색광을 발생시키기 위해 필요한 더 긴 파장의 2차 방사 부분이 얇은 광 전환 소자들에 의해서도 제공될 수 있게 하는 것을 보장하기 위해서는, 광 전환 소자에서의 1차 방사의 흡수를 최소화하는 것이 필요하다. 이를 위해, 광 전환 소자(3)에서의 1차 방사의 평균 흡수 길이가 1차 방사의 평균 산란 길이보다 작고, 양호하게는 1차 방사의 방사 방향(5)으로의 광 전환 소자(3)의 확장부보다 작은 것이 양호하다. 여기에서, 1차 방사의 흡수 후에 발광된 2차 방사는 등방성으로 발광된다. 광 전환 소자(3)의 표면에서의 재료에 기인한 1차 방사의 다중 반사, 및 그와 관련한 광 전환 소자(3)에서의 1차 방사의 전파 방향의 변화의 결과로서, 본 발명에 따른 전계발광 장치(1)는 관측 각도의 함수로서의 이른바 CCT의 비교적 작은 변화를 특징으로 하기도 한다.
도 1에 잘 도시된 바와 같이, 방사 방향(5)에 대한 광 전환 소자(3)의 측면들의 각도가 45˚이고 두께가 1.0㎜이며 0.3% Ce로 도핑된 YAG-세라믹으로 조성된 광 전환 소자(3)의 기하학적 배열을 갖는 본 발명에 따른 전계발광 장치의 실시예의 한 예에서는 70%의 패키지 이득이 얻어진다. 이것은 인 분말 층들로 된 종래의 광 전환 소자들에 대한 현저한 개선이다.
본 발명에 따른 전계발광 장치(1)의 양호한 실시예에서는, 광 전환 소자(3)가 전계발광 광원(2) 상에 직접 적용할 수 있는 사실상 평평한 제1 표면(3a), 및 광 전환 소자(3)로부터의 광 아웃커플링을 개선하기 위한 구조(6)를 갖는 제2 표면(3b)을 갖는다. 구조화된 제2 표면(3b)을 갖는 광 전환 소자(3)의 실시예의 특히 양호한 예가 도 2에 도시되어 있다. 여기에서, 구조(6)는 제1 표면(3a)에 사실상 평행하게 배열된 제1 영역(61)들, 및 방사 방향(5)으로 보아 테이퍼진 제2 영역(62)들을 포함한다. 테이퍼진 영역들에 의해, 방사 방향(5)에 대해 큰 각도로 광 전환 소자(3) 속에서 전파하는 빛 부분의 직사광 아웃커플링의 향상이 이루어진다. 사실상 평평한 제1 영역(61)들은 방사 방향(5)에 대해 작은 각도로 광 전환 소자 속에서 전파하는 빛의 직접 아웃커플링이 가능하게 한다. 특히 양호한 실시예에서, 광 전환 소자는 제1 표면(3a)에 사실상 평행하게 배열되고 방사 방향(5)으로 보아 제2 영역(62)들의 아래에 있는 제3 영역(63)들을 포함한다.
그러한 구조화된 제2 표면(3b)의 실시예의 한 예는 광 전환 소자의 350㎛의 두께에서 180㎛의 깊이(방사 방향(5)으로 보아 제1 영역(61)들과 제3 영역(63)들 사이의 거리), 인접하는 제1 영역(63)들 사이의 500㎛의 거리, 및 제1 표면(3a)에 대해 45˚의 각도로 배열된 제2 영역(62)들을 갖는 구조(6)를 포함한다. 그러한 구조들은 예를 들어 Disco Corporation사의 "다이싱 머신(dicing machine)"이라고 지칭되는 것으로 제조될 수 있다. 이를 위해, 우선 200㎛ 폭과 180㎛ 깊이의 홈들이 광 전환 소자의 사실상 평평한 표면 속에 절삭되고, 이어서 A1A 시리즈의 90˚ 다이싱 디스크(dicing disk)라고 지칭되는 것으로 확대된다. 다른 홈 거리, 다른 홈 기하학적 배열, 다른 다이싱 디스크 및/또는 다른 절삭 깊이에 의해, 광 아웃커플링 및 광 분산 효과에 관한 상이한 요구조건에 맞는 구조(6)들이 될 수 있다.
굴절률 nC를 갖는 광 전환 소자(3)로부터의 1차 및 2차 방사의 개선된 광 아웃커플링을 위해, 특히 양호한 실시예는 도 3에 보이듯이 광 전환 소자(3)에서 적어도 전계발광 광원(2)으로부터 떨어져서 대면하는 쪽을 둘러싸는 굴절률이 nA > 1.3인 적어도 하나의 투명한 재료로 된 아웃커플링 소자(7)를 포함한다. nC > nA인 경우에, 광 전환 소자(3)에서 전계발광 광원(2)으로부터 떨어져서 대면하는 쪽에서의 전반사로 인한 광 전환 소자(3)로부터 광 방사 방향(5)으로의 광 아웃커플링 손실들은 공기로의 천이부에 비해 더 작은 굴절률 차이로 인해 감소될 수 있다. nC < nA인 경우에는, 광 전환 소자에서의 아웃커플링 손실들이 광학적으로 더 희박한 매질(광 전환 소자(3))로부터 광학적으로 더 밀한 매질(아웃커플링 소자(7))로의 천이부로 인해 방지된다. 두가지 경우 모두에서, 광 방사 방향(5)으로 보아 아웃커플링 소자(7)의 외측 표면이 아웃커플링 소자와 공기의 경계면에서 되반사되는 빛 부분을 감소시키기 위해 공기 쪽에서 보아 오목면(도 3 참조)을 가지면 양호하다.
도 3에 도시된 예시적 실시예에서는, 전계발광 광원(2) 및 전계발광 광원(2) 상에 적용된 광 전환 소자(3) 모두 적어도 하나의 투명한 재료를 갖는 아웃커플링 소자(7)로 둘러싸여 있으며, 그 아웃커플링 소자는 광 방사 방향(5)으로 보아 외측의 오목면을 갖는다. 그러나, 본 발명은 다른 실시예들도 포함하며, 거기에서 광 전환 소자(3) 및/또는 전계발광 광원(2)은 아웃커플링 소자(7)에 의해 부분적으로만 둘러싸여 있다. 마찬가지로, 본 발명은 광 방사 방향(5)으로 보아 아웃커플링 소자(7)의 오목하지 않은 외측 표면을 갖는 실시예들을 포함한다. 또한, 아웃커플링 소자(7)는 몇 개의 투명한 재료들을 포함할 수 있다. 광 아웃커플링 외에, 아웃커플링 소자(7)는 총 방사의 각도 분포에 관한 광원의 방사 특성에 영향을 주기 위한 목적으로 이용될 수도 있다. 광 전환 소자(3)가 구조화된 제2 표면(3b)을 갖는 경우, 아웃커플링 소자(7)의 투명한 재료가 광 전환 소자(3)의 굴절률 nC와 동등하지 않은 굴절률 nA를 가지면 특히 양호하다. 그러한 배열의 특히 높은 패키지-이득 외에, nC가 nA보다 크건 적건 무관하게, 굴절률 차이가 |nC-nA| > 0,1일 때, 방출 각도에 의해 거의 변하지 않는 CCT의 발생이 가능하게 양호한 광 분산 효과가 유지된다. 특히 양호한 실시예의 경우에, 70% 이상의 패키지 이득이 이루어질 수 있고, 그것은 인 분말 층들을 광 전환 소자로서 갖는 종래의 pcLED들에 대해 현저한 개선을 나타낸다.
도 4는 각각의 최대에 대해 표준화된 CCT를 청색(490㎚ 미만의 파장을 가짐)으로 발광하는 전계발광 광원(2) 및 전계발광 광원에 적용된 광 전환 소자(3)를 포함하는 전계발광 장치의 방사 방향(5)에 대한 방출 각도(β)의 함수로서 캘빈(Kelvin)으로 도시하며, 광 전환 소자(3)는 오목면 형상을 갖는 아웃커플링 소자에 의해 둘러싸여 황색 스펙트럼 영역에서의 2차 방사를 생성하기 위한 YAG:Ce 분말 층으로 이루어진다. 백색광은 첨가색 혼합을 통해 생성된다. 종래의 인 분말 층(곡선 PPS)들과 본 발명에 따른 광 전환 소자(3)(곡선 A, B 및 C)들 사이의 비교에서는, 데이터는 색상 온도가 사실상 방출 각도에 의해 변화하는 것을 도시한다. 인 분말 층들로 이루어진 통상적 광 전환 소자들의 경우에, CCT는 6500K(0˚ 방출 각도)와 4500K(65˚ 방출 각도) 사이에서 변화하며, 그것은 거의 40%의 변화량에 대응하며 관측자를 위해 불안정한 가시 효과를 나타낸다. 인 분말 층들과 대조적으로, 긴 산란 길이를 갖는 광 전환 소자를 포함하는 본 발명에 따른 전계발광 장치는 도 4의 곡선 A에 보이듯이 상관 색상 온도의 더 작은 변화를 나타낸다. 여기에서 그 값은 6762K와 4760K 사이에 있는 값을 나타내며, 그것은 30%의 변화량에 대응한다.
구조화된 제2 표면(3b)(곡선 B)을 갖는 양호한 광 전환 소자(3)는 한층 더 분명하게 감소된 방출 각도(β)의 함수로서의 CCT의 변화량을 나타낸다. 여기에서, 색상 온도는 6765K와 5542K 사이에서 변화하며, 그것은 20% 미만의 변화량에 대응한다.
방출 각도에 의한 색상 온도의 변화량은 1차 방사와 2차 방사 사이의 양호한 비율에 의해 더 개선될 수 있다. 광 전환 소자(3)가 75%와 90% 사이, 양호하게는 80%와 85% 사이의 1차 방사를 2차 방사로 전환하면 특히 양호하다. 예를 들어, CCT는 도 4의 곡선 C에 보이듯이 총 방사에 대한 청색 1차 방사의 비율 16.7%에서 5406K와 4836K 사이에서 단지 방출 각도의 함수로서 변화한다. 결과적으로, 9% 미만의 이 변화량은 관측자를 위해 가장 균질한 색감을 나타낸다.
이와 관련하여, 적용 영역 및 요구되는 최종 방출색에 따라, 양호한 광 전환 소자들이 아래의 재료 그룹으로부터의 적어도 하나의 재료로 이루어진다.
- (MI 1-x-yMII xMIII y)3(Al1-zMIV z)5O12
여기에서, MI =(Y, Lu); MII =(Gd, La, Yb); MIII =(Tb, Pr, Ce, Er, Nd, Eu) 및 MIV =(Gd, Sc)이고, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 0.1, 및 0 ≤ z ≤ 1이며,
- (MI 1-x-yMII xMIII y)2O3
여기에서, MI =(Y, Lu); MII =(Gd, La, Yb) 및 MIII =(Tb, Pr, Ce, Er, Nd, Eu, Bi, Sb)이고, 0 ≤ x ≤ l 및 0 ≤ y ≤ 0.1이며,
- (MI 1-x_yMII xMIII y)S1-zSez
여기에서, MI =(Ca, Sr, Mg, Ba); MII =(Ce, Eu, Mn, Tb, Sm, Pr, Sb, Sn) 및 MIII =(K, Na, Li, Pb, Zn)이고, 0 ≤ x ≤ 0.01, 0 ≤ y ≤ 0.05, 및 0 ≤ z ≤ 1이며,
- (MI 1-x-yMII xMIII y)O
여기에서, MI =(Ca, Sr, Mg, Ba); MII =(Ce, Eu, Mn, Tb, Sm, Pr) 및 MIII =(K, Na, Li, Pb, Zn)이고, 0 ≤ x ≤ 0.1, 및 0 ≤ y ≤ 0.1이며,
- (MI 2-xMII xMIII 2)O7
여기에서, MI =(La, Y, Gd, Lu, Ba, Sr); MII =(Eu, Tb, Pr, Ce, Nd, Sm; Tm) 및 MIII =(Hf, Zr, Ti, Ta, Nb)이고, 0 ≤ x ≤ 1이며,
- (MI 1-xMII xMIII 1-yMIV y)O3
여기에서, MI =(Ba, Sr, Ca, La, Y, Gd, Lu); MII =(Eu, Tb, Pr, Ce, Nd, Sm, Tm); MIII =(Hf, Zr, Ti, Ta, Nb) 및 MIV =(Al, Ga, Sc, Si)이고, 0 ≤ x ≤ 0.1, 및 0 ≤ y ≤ 0.1임.
여기에서, 예를 들어, MI =(Ca, Sr, Mg, Ba)처럼 MI을 언급하는 방식은 MI을 위해 괄호 안에 있는 개별적 원소뿐만 아니라, 원소들의 합성물들도 의미할 수 있다.
산화물의 프리커저 분말(oxidic precursor powders)들을 혼합하기 위한 표준적인 기법들, 세라믹 녹색체(ceramic green body)들의 그라인딩(grinding), 그래뉼링(granulating) 및 프레싱(pressing)이 광 전환 소자를 제조하기 위해 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 산란 특성은 특수한 신터링 방법들에 의해 이루어지며, 그 중 두개의 방법이 아래에 예로서 기술된다.
1) 환원 조건 하에서 2 내지 8h 동안 1700 내지 1750℃에서 세라믹을 신터링하며, 그 것은 재료들이 공극 없이 이론적 밀도의 96%를 초과하는 밀도를 갖게 한다.
이어서, 잔류 공극들을 제거하기 위해, 재료가 10h 동안 아르곤 가스 압력(0.500 kbar 내지 2 kbar) 하에서 1750℃에서 신터링된다.
2) 10 내지 24h 동안 1750℃에서 신터링 보조 페이즈(sintering auxiliary phase)(MgO 또는 SiO2, 세라믹 메인 페이즈(ceramic main phase)에 대한 500-1000 wt-ppm)을 이용하여 세라믹을 진공 신터링.
단계 1) 또는 2) 후에, 공기 속 또는 산소 함유 대기 속에서 1200 내지 1400℃에서 2 내지 20h 동안의(샘플 두께에 따라) 어닐링 단계가 조명 특성을 개선하기 위해 필요하다. 필요하다면, 샘플들은 3㎜ 미만, 양호하게는 2㎜ 미만, 특히 양호하게는 1㎜ 미만의 두께를 갖는 층으로 미리 나뉘어질 수 있다.
주어진 재료 조성과 함께, 광 전환 소자(3)의 두께는 1차 방사와 2차 방사 사이의 요구된 비율에 맞춰져야 한다. 이와 관련하여, 광 전환 소자(3)의 두께가 방사 방향(5)으로 보아 적어도 50㎛이면 양호하다.
도면 및 기술에 의해 설명된 실시예들은 전계발광 장치의 방출 각도의 함수로서의 CCT의 변화를 감소시키고 패키지 이득을 개선하기 위한 예들을 나타낼 뿐이며, 특허청구의 범위를 이러한 예들로 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 당 기술분야의 숙련자들에게는 특허청구 범위의 보호범위에 포함되는 대안적 실시예들도 가능하다. 종속 청구항들에서의 청구항 인용은 다른 조합의 청구항들의 인용이 본 발명의 양호한 실시예들을 나타내지 않음을 암시하는 것이 아니다.

Claims (11)

  1. 200㎚와 490㎚ 사이의 파장을 갖는 1차 방사를 발광하기 위한 적어도 하나의 전계발광 광원(2), 및 상기 1차 방사의 부분적 흡수 및 2차 방사의 방출을 위해 1차 방사선들의 경로에 배열된 적어도 하나의 광 전환 소자(3)를 포함하고, 상기 광 전환 소자(3)는 상기 1차 방사의 방사 방향(5)으로 소정의 치수를 가지며, 상기 소정의 치수는 상기 광 전환 소자(3)에서의 상기 1차 방사의 평균 산란 길이보다 더 작은 전계발광 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 전환 소자는 상기 광 전환 소자의 이론적 재료 밀도의 93%와 99.5% 사이의 밀도를 갖는 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계발광 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 2차 방사는 상기 1차 방사의 파장보다 더 긴 파장을 갖는 하나 이상의 스펙트럼 영역들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계발광 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광 전환 소자(3)에서의 상기 1차 방사의 평균 흡수 길이는 상기 1차 방사의 평균 산란 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 전계발광 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광 전환 소자(3)는 상기 전계발광 광원(2)을 대면하는 사실상 평평한 제1 표면(3a), 및 상기 광 전환 소자(3)로부터의 광 아웃커플링을 개선하기 위한 구조(6)를 갖는 제2 표면(3b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계발광 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광 전환 소자(3)에서 적어도 상기 전계발광 광원(2)으로부터 떨어져서 대면하는 쪽이 굴절률이 nA > 1.3인 적어도 하나의 재료로 된 아웃커플링 소자(7)에 의해 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는 전계발광 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광 전환 소자(3)는 굴절률 nC를 갖고 |nC-nA| > 0.1인 것을 특징으로 하는 전계발광 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광 전환 소자(3)는 75%와 90% 사이의 상기 1차 방사를 2차 방사로 전환하는 것을 특징으로 하는 전계발광 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광 전환 소자(3)는 상기 1차 방사의 방사 방향(5)으로 적어도 50㎛의 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 전계발광 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광 전환 소자(3)의 재료는 아래의 재료들, 즉
    Figure 112011033096074-pct00005
    - 여기에서,
    Figure 112011033096074-pct00006
    및
    Figure 112011033096074-pct00007
    이고, 0≤x≤1; 0≤y≤0.1 및 0≤z≤1임 -,
    Figure 112011033096074-pct00008
    - 여기에서,
    Figure 112011033096074-pct00009
    및
    Figure 112011033096074-pct00010
    Figure 112011033096074-pct00011
    이고, 0≤x≤l 및 0≤y≤0.1임 -,
    Figure 112011033096074-pct00012
    - 여기에서,
    Figure 112011033096074-pct00013
    및
    Figure 112011033096074-pct00014
    이고, 0≤x≤0.01; 0≤y≤0.05 및 0≤z≤1임 -,
    Figure 112011033096074-pct00015
    - 여기에서,
    Figure 112011033096074-pct00016
    및
    Figure 112011033096074-pct00017
    이고, 0≤x≤0.1 및 0≤y≤0.1임 -,
    Figure 112011033096074-pct00018
    - 여기에서,
    Figure 112011033096074-pct00019
    및
    Figure 112011033096074-pct00020
    이고, 0≤x≤1임 -, 및
    Figure 112011033096074-pct00021
    - 여기에서,
    Figure 112011033096074-pct00022
    Figure 112011033096074-pct00023
    및
    Figure 112011033096074-pct00024
    이고, 0≤x≤0.1 및 0≤y≤0.1임 -
    로 이루어진 그룹으로부터의 적어도 하나의 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계발광 장치.
  11. 제1항에 기재된 전계발광 장치에서의 광 전환 소자(3)를 제조하는 방법으로서,
    환원 조건 하에서 2시간과 8시간 사이의 기간 동안 1700℃와 1750℃ 사이의 온도에서 상기 광 전환 소자의 재료를 신터링하거나, 또는 상기 재료의 세라믹 메인 페이즈에 대해 500ppm과 1000ppm 사이의 양의 마그네슘 산화물 또는 실리콘 산화물로 이루어진 신터링 에이드를 이용하여 진공 속에서 10시간과 24시간 사이의 기간 동안 1700℃와 1750℃ 사이의 온도에서 상기 광 전환 소자의 재료를 신터링하는 단계,
    0.5kbar와 2.0kbar 사이의 압력에서 아르곤 대기 하에 9시간과 11시간 사이의 기간 동안 1700℃와 1750℃ 사이의 온도에서 상기 광 전환 소자의 재료를 신터링하는 단계, 및
    산소 함유 대기 속에서 2시간과 20시간 사이의 기간 동안 1200℃와 1400℃ 사이의 온도에서 상기 광 전환 소자의 재료를 어닐링하는 단계
    를 포함하는 방법.
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