KR101557945B1 - 형광체 구조물 제조 방법 및 형광체 구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 소자 등의 광원으로부터 빛을 받아 형광을 발생시킬 수 있는 형광체 구조물 제조 방법 및 형광체 구조물에 관한 것으로서, 발광 소자의 발광축을 기준으로 각도에 따른 배광 특성을 수집하는 단계; 수집된 상기 각도에 따른 배광 특성에 따라 유효 광경로 길이를 고려하여 형광체 구조물의 부위별 두께를 산출하는 단계; 출광면에서 출광되는 빛의 전체적인 색상이 균일해지도록 상기 부위별 두께를 고려하여 형광체 구조물의 출광면 및 입광면의 형상을 결정하는 단계; 및 결정된 상기 출광면 및 입광면의 형상에 맞추어 상기 형광체 구조물을 성형하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

형광체 구조물 제조 방법 및 형광체 구조물{Phosphor structure manufacturing method and phosphor structure}

본 발명은 형광체 구조물 제조 방법 및 형광체 구조물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발광 소자 등의 광원으로부터 빛을 받아 형광을 발생시킬 수 있는 형광체 구조물 제조 방법 및 형광체 구조물에 관한 것이다.

기존의 화이트 LED의 구현 방법은 블루 엘이디(blue LED)에 옐로우(yellow) 형광체를 단독으로 설치하거나, 옐로우 형광체에 그린(green)이나 레드(red) 등의 형광체를 일정량 혼합하여 백색광을 구현하고, 이러한 방법은 대체적으로 형광체 입자를 실리콘(silicone)에 혼합하여 엘이디 리드 프레임(LED lead frame)의 반사컵 내에 디스펜싱(dispensing)하거나 칩면에 컨포멀 코팅(conformal coating)하여 사용하는 것이 대부분이고, 최근에 형광체를 필름(film) 형태나 펠릿(pellet) 형태로 만들어서 광원과 분리하여 설치하는 리모트 포스퍼(remote phosphor) 기술이 개발되었다.

그러나, 이러한 종래의 형광체 구조물들은 모두 동일한 두께를 갖는 것으로서, 광학적인 관점에서 살펴보면 발광 소자에서 발생되는 빛은 전방향에 걸쳐서 발산되기 때문에 일정한 두께의 형광체를 통과하는 경우, 발광 소자의 발광축에 가까운 형광체의 중심부를 통과하는 빛의 광학 경로의 길이는 상대적으로 짧고, 발광 소자의 발광축에서 먼 형광체의 테두리부를 통과하는 빛의 광학 경로의 길이는 상대적으로 길다.

그러므로, 두께가 일정한 종래의 형광체의 중심부를 통과하는 빛은 광학적 길이가 짧아서 형광체 입자와 만나 형광 반응될 수 있는 확률이 작고, 이로 인하여, 예를 들어 광원으로 블루 엘이디를 쓰고, 형광체로 옐로우 형광체를 쓰는 경우, 형광체의 중심부에서는 형광체 입자를 만나지 못하고 형광체를 그대로 통과한 블루 광의 양이 형광체 입자를 만나서 형광되는 옐로우 광의 양 보다 많아진다.

반대로, 형광체의 테두리부를 통과하는 빛은 광학적 길이가 길어서 형광체 입자와 만나 형광 반응될 수 있는 확률이 높고, 이로 인하여, 예를 들어 광원으로 블루 엘이디를 쓰고, 형광체로 옐로우 형광체를 쓰는 경우, 형광체의 테두리부에서는 형광체 입자를 만나서 형광되는 옐로우 광의 양이 형광체 입자를 만나지 못하고 형광체를 그대로 통과한 블루 광의 양 보다 많아진다.

그러므로, 종래에는 형광체를 통과한 빛의 테두리부분에 옐로우 링(yellow ring) 현상이 발생되거나 색 무라(mura) 현상이 발생되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 옐로우 링 현상이나 색 무라 현상을 방지하여 광 균일도를 향상시킬 수 있게 하는 형광체 구조물 제조 방법 및 형광체 구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 형광체 구조물 제조 방법은, 발광 소자의 발광축을 기준으로 각도에 따른 배광 특성을 수집하는 단계; 수집된 상기 각도에 따른 배광 특성에 따라 유효 광경로 길이를 고려하여 형광체 구조물의 부위별 두께를 산출하는 단계; 출광면에서 출광되는 빛의 전체적인 색상이 균일해지도록 상기 부위별 두께를 고려하여 형광체 구조물의 출광면 및 입광면의 형상을 결정하는 단계; 및 결정된 상기 출광면 및 입광면의 형상에 맞추어 상기 형광체 구조물을 성형하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 부위별 두께는, 발광 소자의 각도에 따른 빛의 세기에 비례하여 결정되는 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 부위별 두께는, 형광체 구조물 내부의 형광 입자의 밀도에 반비례하여 결정되는 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 발광 소자의 발광축을 기준으로 상기 발광축과 가까운 각도에서의 상기 형광체 구조물의 두께는 크고, 상기 발광축과 먼 각도에서의 상기 형광체 구조물의 두께는 작도록 상기 형광체 구조물의 중심부는 두껍고, 테두리부는 얇은 형태일 수 있다.

또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 형광체 구조물은 입광면이 위로 오목하고, 출광면이 위로 볼록한 전체적으로 상향 초승달 형상일 수 있다.

또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 형광체 구조물을 성형하는 단계는, 형광체 소재를 몰딩 성형 또는 디스펜싱 성형하는 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 발광 소자의 발광축을 기준으로 각도에 따른 배광 특성을 수집하는 단계에서, 상기 배광 특성은, 상기 발광 소자에서 발생되어 투광 부재를 통과한 빛의 배광 특성일 수 있다.

한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 형광체 구조물은, 제 1 항의 형광체 구조물 제조 방법에 의해 제조될 수 있다.

한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 형광체 구조물은, 발광 소자의 각도별 배광 특성에 따라 유효 광경로 길이를 고려한 제 1 두께를 갖는 중심부; 및 상기 중심부와 일체를 이루고, 상기 발광 소자의 각도별 배광 특성에 따라 유효 광경로 길이를 고려한 제 2 두께를 갖는 테두리부;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 중심부와 상기 테두리부의 상기 유효 광경로 길이가 일치되도록 상기 제 1 두께 보다 상기 제 2 두께가 작은 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 제 1 두께(T1)는 상기 발광축을 기준으로 0도일 때의 두께이고, 상기 제 2 두께(T2)는 상기 발광축을 기준으로 A도일 때의 두께이며, E1은 상기 발광축을 기준으로 0도일 때의 형광체의 광변환 효율이고, E2는 상기 발광축을 기준으로 A도일 때의 형광체의 광변환 효율이며, K는 상수일 경우, T1 =K × T2 × (E2/E1) × (1/cos A)일 수 있다.

또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 중심부로부터 상기 테두리부까지 두께가 연속적으로 작게 변화하는 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 몸체는, 적어도 중심부가 위로 돌출된 계단 형상, 위로 볼록한 상향 초승달 형상, 아래로 볼록한 하향 초승달 형상, 위로 볼록한 상향 반원 형상, 아래로 볼록한 하향 반원 형상, 볼록 렌즈 형상 및 이들의 조합 중 어느 하나 이상을 선택하여 이루어지는 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 사상에 따른 형광체 구조물은, 상기 발광 소자와 상기 몸체 사이에 충진되는 투광 부재;를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 형광체 구조물은, 제 1 형광체 입자 밀도를 갖는 중심부; 및 상기 중심부와 일체를 이루고, 제 2 형광체 입자 밀도를 갖는 테두리부;를 갖는 몸체;를 포함하고, 상기 제 1 형광체 입자 밀도 보다 상기 제 2 형광체 입자 밀도가 작은 것일 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 램버시안(lambertian) 프로파일을 적용한 유효 광경로 길이를 고려하여 형광체 구조물의 부위별 두께를 최적화함으로써 옐로우 링 현상이나 색 무라 현상을 방지하여 광 균일도를 향상시킬 수 있고, 고부가가치의 양질의 제품을 생산할 수 있는 효과를 갖는 것이다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 형광체 구조물 제조 방법에 따른 두께 설계 과정을 설명하는 개념도들이다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 형광체 구조물 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6 내지 도 13은 본 발명의 여러 실시예들에 따른 형광체 구조물을 나타내는 단면도들이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.

명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.

또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면, 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 소자가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 형광체 구조물 제조 방법에 따른 두께 설계 과정을 설명하는 개념도들이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 일정한 두께(T)를 갖는 플랫한 형광체 구조물(3)을 발광 소자(1)에서 발생된 빛이 통과하는 경우, 상기 발광 소자(1)의 발광축(S)에 가까운 상기 형광체 구조물(3)의 중심부를 통과하는 빛(L1)의 광학 경로의 길이(P1)는 상대적으로 짧고, 상기 발광 소자(1)의 발광축(S)에서 먼 상기 형광체 구조물(3)의 테두리부를 통과하는 빛(L2)의 광학 경로의 길이(P2)는 상대적으로 길다.

즉, 플랫한 상기 형광체 구조물(3)은 두께(T)가 일정하지만, 광학적인 관점에서 보면, 상기 형광체 구조물(3)의 중심부를 통과하는 빛(L1)은 광학적 길이가 짧아서, 도 1의 확대된 부분에 도시된 바와 같이, 형광체 입자(2)와 만나 형광 반응될 수 있는 확률이 작다.

이로 인하여, 예를 들어 상기 발광 소자(1)로 블루 엘이디를 쓰고, 형광체 입자의 종류를 옐로우 형광체 입자로 하는 경우, 상기 형광체 구조물(3)의 중심부에서는 상기 형광체 입자(2)를 만나지 못하고 상기 형광체 구조물(3)을 그대로 통과한 블루 광의 양이 상기 형광체 입자(2)를 만나서 형광되는 옐로우 광의 양 보다 많아진다.

반대로, 상기 형광체 구조물(3)의 테두리부를 통과하는 빛(L2)은 광학적 길이가 길어서 상기 형광체 입자(2)와 만나 형광 반응될 수 있는 확률이 높고, 이로 인하여, 예를 들어 상기 발광 소자(1)로 블루 엘이디를 쓰고, 상기 형광체 입자(2)로 옐로우 형광체 입자를 쓰는 경우, 상기 형광체 구조물(3)의 테두리부에서는 상기 형광체 입자(2)를 만나서 형광되는 옐로우 광의 양이 상기 형광체 입자(2)를 만나지 못하고 상기 형광체 구조물(3)을 그대로 통과한 블루 광의 양 보다 많아진다.

그러므로, 두께(T)가 일정한 상기 형광체 구조물(3)을 통과한 빛의 테두리부분에 옐로우 링(yellow ring) 현상이 발생되거나 색 무라(mura) 현상이 발생될 수 있다.

여기서, 상기 형광체 입자(2)는, 빛을 받아 형광을 발생시킬 수 있도록 황 성분을 포함하는 미세한 입자 형태의 알갱이일 수 있다. 여기서, 도 1에서는 그 단면이 원형이고, 전체적으로 구체인 상기 형광체 입자(2)를 예시하였으나, 이는 개념적으로 도시된 것으로, 예시된 단면이 원형인 구형태 이외에도, 그 단면이, 타원형, 삼각형, 사각형, 다각형, 복합형, 기타 기하학적 형태인 찌그러진 구형태, 다면체, 3차원 입체 형상 등 매우 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

또한, 상술된 형광체 구조물에 포함된 형광체는, 아래와 같은 조성식 및 컬러를 가진 형광체들을 더 포함할 수 있다.

산화물계: 황색 및 녹색 Y3Al5O12:Ce, Tb3Al5O12:Ce, Lu3Al5O12:Ce

실리케이트계: 황색 및 녹색 (Ba,Sr)2SiO4:Eu, 황색 및 등색 (Ba,Sr)3SiO5:Ce

질화물계: 녹색 β-SiAlON:Eu, 황색 L3Si6O11:Ce, 등색 α-SiAlON:Eu, 적색 CaAlSiN3:Eu, Sr2Si5N8:Eu, SrSiAl4N7:Eu

이러한, 상기 형광체의 조성은 기본적으로 화학양론(Stoichiometry)에 부합하여야 하며, 각 원소들은 주기율표상 각 족들 내 다른 원소로 치환이 가능하다. 예를 들어 Sr은 알카리토류(II)족의 Ba, Ca, Mg 등으로, Y은 란탄계열의 Tb, Lu, Sc, Gd 등으로 치환이 가능하다, 또한 활성제인 Eu 등은 원하는 에너지 준위에 따라 Ce, Tb, Pr, Er, Yb 등으로 치환이 가능하며, 활성제 단독 또는 특성 변형을 위해 부활성제등이 추가로 적용될 수 있다.

또한, 상기 형광체의 도포 방식은 크게 LED 칩 또는 발광 소자에 뿌리는 방식, 또는 막 형태로 덮는 방식, 필름 또는 세라믹 형광체 등의 시트 형태를 부착하는 방식 중 적어도 하나를 사용 할 수 있다.

뿌리는 방식으로는 디스펜싱, 스프레이 코팅 등이 일반적이며 디스펜싱은 공압방식과 스크류(Screw), 리니어 타입(Linear type) 등의 기계적 방식을 포함한다. 제팅(Jetting) 방식으로 미량 토출을 통한 도팅량 제어 및 이를 통한 색좌표 제어도 가능하다. 웨이퍼 레벨 또는 발광 소자 기판상에 스프레이 방식으로 상기 형광체를 일괄 도포하는 방식은 생산성 및 두께 제어가 용이할 수 있다.

발광 소자 또는 LED 칩 위에 막 형태로 직접 덮는 방식은 전기영동, 스크린 프린팅 또는 형광체의 몰딩 방식으로 적용될 수 있으며 LED 칩 측면의 도포 유무 필요에 따라 해당 방식의 차이점을 가질 수 있다.

발광 파장이 다른 2종 이상의 형광체 중 단파장에서 발광하는 광을 재 흡수하는 장파장 발광 형광체의 효율을 제어하기 위하여 발광 파장이 다른 2종 이상의 형광체층을 구분할 수 있으며, LED 칩과 형광체 포함하는 형광체 2종 이상의 파장 재흡수 및 간섭을 최소화하기 위하여 각 층 사이에 DBR(ODR)층을 포함 할 수 있다.

균일 도포막을 형성하기 위하여 형광체를 필름 또는 세라믹 형태로 제작 후 LED 칩 또는 발광 소자 위에 부착할 수 있다.

광 효율, 배광 특성에 차이점을 주기 위하여 리모트 형식으로 광변환 물질을 위치할 수 있으며, 이 때 광변환 물질은 내구성, 내열성에 따라 투광성 고분자, 유리등의 물질 등과 함께 위치한다.

이러한, 상기 형광체를 포함한 형광체 도포 기술은 발광 소자에서 광특성을 결정하는 가장 큰 역할을 하게 되므로, 형광체 도포층의 두께, 형광체 균일 분산 등의 제어 기술들이 다양하게 연구되고 있다. QD 또한 형광체와 동일한 방식으로 LED 칩 또는 발광 소자에 위치할 수 있으며, 유리 또는 투광성 고분자 물질 사이에 위치하여 광 변환을 할 수 있다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 일정한 두께(T)로 둥글게 절곡된 둥근 형광체 구조물(4)을 적용한다고 가정하면, 단순한 광학적 경로, 즉 상기 형광체 구조물(4)의 중심부를 통과하는 빛(L1)의 광학적 경로의 길이(P1)과, 상기 형광체 구조물(4)의 테두리부를 통과하는 빛(L2)의 광학적 경로의 길이(P2)를 일치시킬 수 있다.

그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 발광 소자(1)의 배광 곡선(C)을 살펴보면, 단순히 상기 형광체 구조물(4)의 광학적 경로의 길이가 중심부와 테두리부 간에 서로 같다 하더라도 상기 발광 소자(1)는 상기 발광 소자(1)의 발광축(S)을 기준으로 각도에 따른 배광 특성이 다르다.

즉, 도 2의 배광 곡선(C)에 나타난 바와 같이, 상기 발광 소자(1)의 발광축(S)을 기준으로 상기 발광축(S)과 가까운 각도에서는 빛의 강도(K1)가 크고, 먼 각도에서는 빛의 강도(K2)가 약하다.

따라서, 도 2의 형광체 구조물(4) 역시, 중심부에서는 상기 발광 소자(1)에서의 빛의 강도나 세기가 커서 상대적으로 상기 발광 소자(1)에서 발생된 빛이 형광되지 않고 그대로 통과할 확률이 높고, 테두리부에서는 상기 발광 소자(1)에서의 빛의 강도나 세기가 약하여 상대적으로 상기 발광 소자(1)에서 발생된 빛이 형광되지 않고 그대로 통과할 확률이 낮다.

그러므로, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예에 따른 형광체 구조물(100)은 중심부(10-1)에서의 광경로의 길이가 P1이라 할 때, 도 3의 배광 곡선(C)을 기준으로 빛의 강도나 세기를 반영하여 유효 광경로 길이를 고려한 테두리부(10-2)의 경로 길이(P0)를 산출할 수 있다.

더욱 구체적으로 예를 들면, 상기 제 1 두께(T1)는 상기 발광축을 기준으로 0도일 때의 두께이고, 상기 제 2 두께(T2)는 상기 발광축을 기준으로 A도일 때의 두께이며, E1은 상기 발광축을 기준으로 0도일 때의 형광체의 광변환 효율이고, E2는 상기 발광축을 기준으로 A도일 때의 형광체의 광변환 효율이며, K는 상수일 경우, T1 =K × T2 × (E2/E1) × (1/cos A)일 수 있다.

즉, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 상기 형광체 구조물(100)은, 중심부(10-1)를 테두리부(10-2) 보다 K((E2/E1) × (1/cos A))배 더 두껍게 형성할 수 있다.

또한, 상기 형광체 구조물(100)과 상기 발광 소자(1)는 이격 거리(N)를 두고 이격되게 설치될 수 있다. 이러한 이격 거리(N)에 따라 광학적 특성이 달라질 수 있고, 이외에도 상기 이격 거리(N)가 없이 상기 형광체 구조물(100)과 상기 발광 소자(1)가 접촉되는 것도 가능하다.

따라서, 이러한 본 발명의 일부 실시예들에 따른 상기 형광체 구조물(100)에 의하면, 각도에 따른 유효 광경로의 길이를 일치시켜서 출광면에서 출광되는 빛의 색상을 모두 균일하게 할 수 있다. 그러므로, 옐로우 링 현상이나 색 무라 현상을 방지하여 광 균일도를 향상시킬 수 있고, 고부가가치의 양질의 제품을 생산할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 형광체 구조물 제조 방법을 나타내는 순서도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 형광체 구조물 제조 방법은, 도 1 내지 도 4에서 상술된 원리를 이용하여 설명한 바와 같이, 발광 소자(1)의 발광축(S)을 기준으로 각도(A)에 따른 배광 특성을 수집하는 단계(S1)와, 이어서, 수집된 상기 각도에 따른 배광 특성에 따라 유효 광경로 길이를 고려하여 형광체 구조물(100)의 부위별 두께(T1)(T2)를 산출하는 단계(S2)와, 이어서, 출광면(10a)에서 출광되는 빛의 전체적인 색상이 균일해지도록 상기 부위별 두께(T1)(T2)를 고려하여 형광체 구조물(100)의 출광면(10a) 및 입광면(10b)의 형상을 결정하는 단계(S3) 및 결정된 상기 출광면(10a) 및 입광면(10b)의 형상에 맞추어 상기 형광체 구조물(100)을 성형하는 단계(S4)를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 부위별 두께(T1)(T2)는, 발광 소자(1)의 각도에 따른 빛의 세기에 비례하여 결정될 수 있고, 이러한 상기 발광 소자(1)의 각도에 따른 빛의 세기는 배광 곡선(C)을 참조하여 알 수 있다.

한편, 상기 발광 소자(1)에서 발생된 빛(L1)(L2)이 형광 입자(2)를 만나서 형광될 수 있는 확률, 즉 광변환 효율은 상기 형광 입자(2)들의 밀도와도 관계가 있다.

따라서, 상술된 상기 부위별 두께(T1)(T2)는, 형광체 구조물(100) 내부의 형광 입자(2)의 밀도에 반비례하여 결정될 수 있다.

그러므로, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 형광체 구조물(100)은, 상기 발광 소자(1)의 발광축(S)을 기준으로 상기 발광축(S)과 가까운 각도에서의 상기 형광체 구조물(100)의 두께(T1)는 크고, 상기 발광축(S)과 먼 각도에서의 상기 형광체 구조물(100)의 두께(T2)는 작도록 상기 형광체 구조물(100)의 중심부(10-1)는 두껍고, 테두리부(10-2)는 얇은 형태일 수 있다.

그 중에서도, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 발광 소자(1)의 배광 특성을 고려하고, 제조상의 편의성과 설치시 조립성 등을 고려하여 상기 형광체 구조물(100)은 입광면(10b)이 위로 오목하고, 출광면(10a)이 위로 볼록한 전체적으로 상향 초승달 형상일 수 있다. 하지만, 이러한 본 발명의 일부 실시예들에 따른 형광체 구조물(100)은 반드시 상향 초승달 형상에 국한되지 않는다.

한편, 상기 형광체 구조물(100)을 성형하는 단계(S4)는, 형광체 소재를 몰딩 성형 또는 디스펜싱 성형할 수 있다.

이외에도, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 두께를 달리하여 본 발명의 형광체 구조물(100)을 칩면에 컨포멀 코팅(conformal coating)하거나, 두께가 다른 필름(film) 형태나 플레이트(plate) 형태나 펠릿(pellet) 형태로 만들어서 광원과 분리하여 설치할 수 있고, 이외에도 모든 형태의 리모트 포스퍼(remote phosphor)에 적용될 수 있다.

한편, 도 5의 상기 발광 소자(1)의 발광축(S)을 기준으로 각도에 따른 배광 특성을 수집하는 단계(S1)에서, 상기 배광 특성은, 상기 발광 소자(1) 만의 배광 특성일 수 있고, 이외에도 상기 발광 소자(1)에서 발생되어 예를 들면, 도 12의 투광 부재(20)를 통과한 빛의 배광 특성일 수 있다.

이러한 상기 배광 특성들은 발광 소자(1)나 투광 부재(20)의 종류나 형상은 물론, 운전 조건이나 사용 환경이나 사용 시간 등에 따라 매우 다양한 형태일 수 있다. 따라서, 설계자는 이러한 요건들을 고려하여 본 발명의 기술적 사상에 의해 계산된 최적의 형상에 따라 상기 형광체 구조물(100)을 설계할 수 있다.

그러므로, 본 발명은 모든 각도에서의 광학적 특성을 일치시키는 램버시안(lambertian) 프로파일을 적용하여 유효 광경로 길이를 고려하여 형광체 구조물의 부위별 두께를 최적화함으로써 옐로우 링 현상이나 색 무라 현상을 방지하여 광 균일도를 향상시킬 수 있고, 고부가가치의 양질의 제품을 생산할 수 있다.

한편, 본 발명은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 형광체 구조물 제조 방법에 의해 제조된 형광체 구조물(100)을 포함할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 형광체 구조물(100)을 나타내는 단면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 형광체 구조물(100)은, 크게 중심부(10-1) 및 테두리부(10-2)를 갖는 몸체(10)를 포함할 수 있다.

더욱 구체적으로 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 몸체(10)의 중심부(10-1)는, 발광 소자(1)의 각도별 배광 특성에 따라 유효 광경로 길이를 고려한 제 1 두께(T1)를 갖는 부분일 수 있다.

여기서, 도 4의 상기 형광체 구조물(100)의 상기 제 1 두께(T1)는 설명의 편의상, 상기 발광 소자(1)의 발광축(S)에 대응하는 상기 형광체 구조물(100)의 정 가운데 부분의 두께일 수 있다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 몸체(10)의 상기 테두리부(10-2)는, 중심부(10-1) 및 상기 중심부(10-1)와 일체를 이루고, 상기 발광 소자(1)의 각도별 배광 특성에 따라 유효 광경로 길이를 고려한 제 2 두께(T2)를 갖는 부분일 수 있다.

또한, 예컨데, 상기 중심부(10-1)와 상기 테두리부(10-2)의 상기 유효 광경로 길이가 일치되도록 상기 제 1 두께(T1) 보다 상기 제 2 두께(T2)가 작은 것일 수 있다.

더욱 구체적으로는, 상기 제 1 두께(T1)는 상기 발광축을 기준으로 0도일 때의 두께이고, 상기 제 2 두께(T2)는 상기 발광축을 기준으로 A도일 때의 두께이며, E1은 상기 발광축을 기준으로 0도일 때의 형광체의 광변환 효율이고, E2는 상기 발광축을 기준으로 A도일 때의 형광체의 광변환 효율이며, K는 상수일 경우, T1 =K × T2 × (E2/E1) × (1/cos A)일 수 있다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 중심부(10-1)로부터 상기 테두리부(10-2)까지 두께가 연속적으로 작게 변화할 수 있다.

도 6 내지 도 13은 본 발명의 여러 실시예들에 따른 형광체 구조물(100)을 나타내는 단면도들이다.

먼저, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 몸체(11)는, 중심부(10-1)가 위로 돌출된 계단 형상일 수 있다. 따라서, 상기 몸체(11)의 중심부(11-1)의 두께(T1)은 두껍고, 테두리부(11-2)의 두께(T2)는 얇을 수 있다.

여기서, 상기 몸체(11)의 중심부(11-1)의 두께(T1)를 두껍게 하기 위하여, 디스펜싱의 양을 늘리거나, 디스펜싱 횟수를 늘리거나, 별도로 제작한 형광층을 접착하거나, 상기 테두리부(11-2)를 절삭하거나, 식각하거나, 전체적으로 몰딩하여 형성하는 등 매우 다양한 방법으로 제조할 수 있다. 또한, 도시하지 않았지만, 상술된 2단 계단 형상 이외에도, 상기 몸체(11)는, 중심부가 위로 다단으로 돌출된 다단 계단 형상일 수 있다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 몸체(12)는, 위로 볼록한 상향 초승달 형상일 수 있다. 여기서, 상기 몸체(12)의 중심부(12-1)의 두께(T1)은 두껍고, 테두리부(12-2)의 두께(T2)는 얇으며, 상기 중심부(12-1)로부터 상기 테두리부(12-2)까지 두께가 연속적으로 작게 변화할 수 있다. 따라서, 각도에 따른 빛의 세기를 고려하여 유효 광경로의 길이를 일치시킬 수 있다. 또한, 상기 몸체(12)의 출광면의 곡률 반경은 크고, 입광면의 곡률 반경이 작을 수 있다.

또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 몸체(13)는, 아래로 볼록한 하향 초승달 형상일 수 있다. 따라서, 상기 몸체(13)의 중심부(13-1)의 두께(T1)은 두껍고, 테두리부(13-2)의 두께(T2)는 얇으며, 상기 중심부(13-1)로부터 상기 테두리부(13-2)까지 두께가 연속적으로 작게 변화할 수 있다. 따라서, 각도에 따른 빛의 세기를 고려하여 유효 광경로의 길이를 일치시킬 수 있다.

더욱 구체적으로는, 상기 몸체(13)의 출광면의 곡률 반경은 크고, 입광면의 곡률 반경이 작을 수 있다. 따라서, 각도에 따른 빛의 세기를 고려하여 유효 광경로의 길이를 일치시킬 수 있다.

또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 몸체(14)는, 적어도 위로 볼록한 상향 반원 형상일 수 있다. 여기서, 반원 형상이란 반드시 원의 1/2인 것에 국한되지 않고, 그 보다 넓은 의미로 전체적으로 원을 잘랐을 때 반원과 유사한 모든 형상을 말한다.

따라서, 상기 몸체(14)의 중심부(14-1)의 두께(T1)은 두껍고, 테두리부(14-2)의 두께(T2)는 얇으며, 상기 중심부(14-1)로부터 상기 테두리부(14-2)까지 두께가 연속적으로 작게 변화할 수 있다. 따라서, 각도에 따른 빛의 세기를 고려하여 유효 광경로의 길이를 일치시킬 수 있다.

또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 몸체(15)는, 아래로 볼록한 하향 반원 형상일 수 있다. 따라서, 상기 몸체(15)의 중심부(15-1)의 두께(T1)은 두껍고, 테두리부(15-2)의 두께(T2)는 얇으며, 상기 중심부(15-1)로부터 상기 테두리부(15-2)까지 두께가 연속적으로 작게 변화할 수 있다. 따라서, 각도에 따른 빛의 세기를 고려하여 유효 광경로의 길이를 일치시킬 수 있다.

또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 몸체(16)는, 볼록 렌즈 형상일 수 있다. 따라서, 상기 몸체(16)의 중심부(16-1)의 두께(T1)은 두껍고, 테두리부(16-2)의 두께(T2)는 얇으며, 상기 중심부(16-1)로부터 상기 테두리부(16-2)까지 두께가 연속적으로 작게 변화할 수 있다. 따라서, 각도에 따른 빛의 세기를 고려하여 유효 광경로의 길이를 일치시킬 수 있다.

한편, 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 다른 형광체 구조물은 상기 발광 소자(1)와 상기 몸체(10) 사이에 충진되는 투광 부재(20)를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 투광 부재(20)는, 상기 발광 소자(1)에서 발생된 빛을 상기 형광체 구조물에 전달할 수 있도록 투광성 재질로 제조될 수 있는 것으로서, 유리, 에폭시 수지 조성물, 실리콘 수지 조성물, 실리콘 변성 에폭시 수지 등의 변성 에폭시 수지 조성물, 에폭시 변성 실리콘 수지 등의 변성 실리콘 수지 조성물, 폴리이미드 수지 조성물, 변성 폴리이미드 수지 조성물, 폴리프탈아미드(PPA), 폴리카보네이트 수지, 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 액정 폴리머(LCP), ABS 수지, 페놀 수지, 아크릴 수지, PBT 수지 등이 적용될 수 있다.

또한, 도시하지 않았지만, 이외에도, 상기 발광 소자(1)의 주변이나 상기 형광체 구조물의 주변에 각종 반사 부재나, 투광 봉지재나, 불투광 봉지재 등 매우 다양한 형태의 부품들이 설치될 수 있다.

한편, 도 13은 본 발명의 일부 다른 실시예들에 따른 형광체 구조물을 나타내는 도면으로서, 이러한 형광체 구조물의 몸체(10)는, 제 1 형광체 입자 밀도를 갖는 중심부(10-1) 및 상기 중심부(10-1)와 일체를 이루고, 제 2 형광체 입자 밀도를 갖는 테두리부(10-2)를 포함할 수 있고, 상기 제 1 형광체 입자 밀도 보다 상기 제 2 형광체 입자 밀도가 작은 것일 수 있다.

따라서, 이러한 본 발명의 일부 다른 실시예들에 따른 상기 형광체 구조물에 의하면, 밀도 및 각도에 따른 유효 광경로의 길이를 고려하여 일치시켜서 출광면에서 출광되는 빛의 색상을 모두 균일하게 할 수 있다. 그러므로, 옐로우 링 현상이나 색 무라 현상을 방지하여 광 균일도를 향상시킬 수 있고, 고부가가치의 양질의 제품을 생산할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

1: 발광 소자
2: 형광 입자
S: 발광축
A: 각도
T1, T2: 두께
10: 몸체
10a: 출광면
10b: 입광면
10-1: 중심부
10-2: 테두리부
20: 투광 부재
100: 형광체 구조물

Claims (15)

1. 발광 소자의 발광축을 기준으로 각도에 따른 배광 특성을 수집하는 단계;
   수집된 상기 각도에 따른 배광 특성에 따라 유효 광경로 길이를 고려하여 형광체 구조물의 상기 발광축을 기준으로 각도에 따른 부위별 두께를 산출하는 단계;
   출광면에서 출광되는 빛의 전체적인 색상이 균일해지도록 상기 발광축을 기준으로 각도에 따른 부위별 두께를 고려하여 형광체 구조물의 출광면 및 입광면의 형상을 결정하는 단계; 및
   결정된 상기 출광면 및 입광면의 형상에 맞추어 상기 형광체 구조물을 성형하는 단계;를 포함하고,
   상기 두께를 산출하는 단계는, 상기 발광축을 중심으로 중심부의 제 1 두께(T1) 및 테두리부의 제 2 두께(T2)를 산출하는 단계를 포함하고,
   상기 제 1 두께(T1)는 상기 발광축을 기준으로 0도일 때의 두께이고, 상기 제 2 두께(T2)는 상기 발광축을 기준으로 A도일 때의 두께이며, E1은 수집된 상기 배광 특성 중 상기 발광축을 기준으로 0도일 때의 빛의 세기를 반영한 형광체의 광변환 효율이고, E2는 수집된 상기 배광 특성 중 상기 발광축을 기준으로 A도일 때의 빛의 세기를 반영한 형광체의 광변환 효율이며, K는 상수일 경우,
   T1 =K × T2 × (E2/E1) × (1/cos A)인,
   형광체 구조물 제조 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 형광체 구조물은 입광면이 위로 오목하고, 출광면이 위로 볼록한 전체적으로 상향 초승달 형상인, 형광체 구조물 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 형광체 구조물을 성형하는 단계는, 형광체 소재를 몰딩 성형 또는 디스펜싱 성형하는 것인, 형광체 구조물 제조 방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 발광 소자의 발광축을 기준으로 각도에 따른 배광 특성을 수집하는 단계에서,
   상기 배광 특성은, 상기 발광 소자에서 발생되어 투광 부재를 통과한 빛의 배광 특성인, 형광체 구조물 제조 방법.
8. 삭제
9. 발광 소자의 발광축을 기준으로 각도별 배광 특성에 따라 유효 광경로 길이를 고려한 제 1 두께(T1)를 갖는 중심부; 및
   상기 중심부와 일체를 이루고, 상기 발광 소자의 상기 발광축을 기준으로 각도별 배광 특성에 따라 유효 광경로 길이를 고려한 제 2 두께(T2)를 갖는 테두리부;
   를 포함하는 몸체;를 포함하고,
   상기 제 1 두께(T1)는 상기 발광축을 기준으로 0도일 때의 두께이고, 상기 제 2 두께(T2)는 상기 발광축을 기준으로 A도일 때의 두께이며, E1은 수집된 상기 배광 특성 중 상기 발광축을 기준으로 0도일 때의 빛의 세기를 반영한 형광체의 광변환 효율이고, E2는 수집된 상기 배광 특성 중 상기 발광축을 기준으로 A도일 때의 빛의 세기를 반영한 형광체의 광변환 효율이며, K는 상수일 경우,
   T1 =K × T2 × (E2/E1) × (1/cos A)인,
   형광체 구조물.
10. 삭제
11. 삭제
12. 제 9 항에 있어서,
    상기 몸체는 상기 중심부로부터 상기 테두리부까지 두께가 연속적으로 작게 변화하는 것인, 형광체 구조물.
13. 제 9 항에 있어서,
    상기 몸체는, 적어도 중심부가 위로 돌출된 계단 형상, 위로 볼록한 상향 초승달 형상, 아래로 볼록한 하향 초승달 형상, 위로 볼록한 상향 반원 형상, 아래로 볼록한 하향 반원 형상, 볼록 렌즈 형상 및 이들의 조합 중 어느 하나 이상을 선택하여 이루어지는 것인, 형광체 구조물.
14. 제 9 항에 있어서,
    상기 발광 소자와 상기 몸체 사이에 충진되는 투광 부재;
    를 더 포함하는 형광체 구조물.
15. 삭제

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