KR101579279B1 - 변환 ｌｅｄ - Google Patents

Abstract

본 발명은 주 광원의 표면상에 직접 적용되는 발광단(luminophore)을 사용하는 420 nm 미만의 짧은-파 영역의 주 방사를 가진 변환 LED에 관한 것이고, 상기 발광단은 공지된 BAM:Eu를 기반으로 한다. 많은 특성들의 개선은 Ba를 대체하는 활성제로서 적어도 52%의 높은 Eu 함량에 의해 달성된다. 발광단 층의 층 두께는 최대 50㎛이다.

Description

변환 ＬＥＤ{CONVERSION LED}

본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른, 종종 LUCOLED라 지칭되는 변환 LED에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 LED로 형성된 광원 및 상기 변환 LED를 가진 조명 시스템에 관한 것이다.

US-B 7 077 978은 Eu 및 Mn으로 도핑된 BAM을 기반으로 하는 발광단(luminophore)을 기술한다. 이 발광단은 UV LED들에 사용하기 위해 의도된다. 유사한 발광단은 WO 2006/072919로부터 공지된다. Eu로만 도핑된 BAM-기반 발광단은 추가로 WO 2006/027786으로부터 공지된다. 상기 발광단에 대한 종래 도핑은 Ba에 관해 최대 50 mol%의 최대 Eu^{2 +} 함량을 가진다.

본 발명의 목적은 어떠한 너무 이른 노화(ageing)를 나타내지 않는 짧은-파장 범위의 주 광원(primary light source)을 가진 변환 LED를 제공하는 것이다. 여기(excitation)의 피크 파장은 이 경우 최대 420 nm인 것으로 의도된다.

이 목적은 청구항 제 1 항의 특징부들에 의해 달성된다.

특히 유리한 구성들은 종속항들에서 발견될 수 있다.

변환 LED는 UV 복사선을 방사하는 주 광원을 포함한다. 본 발명에 따라, 광원은 새로운 타입의 BAM 발광단이 있는 표면상 적어도 하나의 칩(chip)이고, 상기 BAM 발광단의 층 두께는 최대 50㎛, 바람직하게 최대 30㎛ 두께이다. 특히, 층 두께는 5 내지 20㎛이다. 새로운 발광단은 해로운 UV 복사선이 층을 떠나지 않도록 효과적으로 흡수한다.

이전에 공지된 BAM 발광단들은 통상적으로 화학 양론 BaMgAl10O17:Eu를 가진다. 여기서, Eu는 통상적으로 몰라(molar) 퍼센티지로서 계산되어 Ba에 관해 최대 50%의 최대 농도로 부가되는 2가의 활성제(divalent activator)이다. 때때로, Mn은 또한 방사선을 보다 긴 파장들로 이동시키기 위한 공동활성제(coactivator)로서 사용된다. 그러므로 방사는 청색 또는 청색-녹색 스펙트럼 범위에 놓인다.

특히, UV LED들을 기반으로 하는 효과적인 백색 LED들의 생산은 효과적인 열적으로 안정한 청색 발광단들을 요구한다. 이것은 특히 340-420 nm 범위, 특히 근-UV LED들에 대해 380-410 nm의 발광단들에 의한 우수한 흡수 작용, 및 높은 양자 효율성을 전제로 한다. 발광단들은 특히 높은-전력 LED들에서 발생하는 높은 여기 강도들에서 포화되지 않아야 한다. 게다가, 상기 발광단들은 높은-전력 LED들에서 발생하는 200℃까지의 고온들로 인한 루미네슨스(luminescence)의 열적 퀀칭(quench)을 가능한 최소로 나타내야 한다.

현재, SCAP:Eu(Sr, Ca 클로라파이트들(chlorapatite)) 및 BAM:Eu(BaMg 알루미네이트)는 이런 목적을 위해 청색 방사 발광단들로서 주로 사용된다. 종래 사용된 5 내지 15% Eu의 Eu 농도들에서, SCAP는 이미 380-410 nm 스펙트럼 범위에서 높은 흡수 작용을 나타낸다. 그러나, 양자 효율성 및 열적 퀀칭 작용은 이들 Eu 농도들에서 더 이상 최적이지 않고, BAM:Eu의 경우보다 열악하다. 게다가, SCAP에 의한 짧은-파장 협대역 방사는 높은 컬러 연색성(color rendering)을 갖는 효과적인 백색 LED들이 생산되어야 할 때 항상 유리하지 않다. BAM:Eu는 Eu 농도들 < 50% (통상적으로 오히려 <30%)로 사용되지만, SCAP와 비교하여 380-410 nm 범위에서 열악한 흡수 작용의 단점을 가진다.

BAM 주 격자(host lattice) BaMgAl10O17에서 Eu^{2 +}에 의한 Ba^{2 +} 이온의 주(predominant) 치환은 놀랍게도 매우 효과적인 발광단을 제공한다. 이 경우, Eu^{2 +} 이온들 사이의 과도한 에너지 이동이 방지되도록 Ba 함량이 조절되는 것은 중요하다. 매우 적당한 발광단들은 통상적으로 화학식 Ba_XEu_{1 - x}MgAl₁₀O₁₇에 따른 35 내지 45%의 Ba 농도들로 얻어지고, 여기서 x = 0.35 내지 0.45이다.

통상적인 예는 Eu0.6Ba0.4MgAl10O17이다. 여기서, 40%의 Ba^{2 +} 비율은 과도한 에너지 이동을 효과적으로 정지시키고 그러므로 열적 루미네슨스 혼합을 효과적으로 정지시킨다. 새로운 발광단은 예를 들어 "주문형 컬러" LED들 또는 백색 LED들에 적당하다. 높은 효율성 및 우수한 연색성을 가진 다른 컬러 온도들 및 애플리케이션들이 맞추어 제작될 수 있다.

본 발명에 따른 Eu 알루미네이트 발광단은 극히 낮은 열적 퀀칭을 가진다. 175℃에서, 효율성은 여전히 25℃에서의 효율성의 80% 이상이다. 화합물 Eu0.6Ba0.4MgAl10O17의 분말 태플릿(tablet) 흡수작용은 이미 400 nm에서의 여기에서 80% 이상이고, 그리고 380 nm에서의 여기에서 12 ㎛보다 작은 발광단 입자 크기들에서 실제로 90%보다 크다. 매우 적당한 입자 크기는 0.5 ㎛ 내지 10 ㎛이다. 용어 입자 크기는 여기서 d50 값, 보다 정확하게 예를 들어 CILAS인 레이저 산란에 의해 측정된 체적-기준 입자 크기 분포의 중간값(median)으로서 해석된다.

새로운 발광단의 양자 효율성(QE)은 통상적으로 400 nm에서의 여기에서 84% +/- 5%이다. 심지어 보다 짧은-파장 여기에서, 90% 이상의 QE 값들은 달성될 수 있다.

여기서, 종종 종래의 Mn과의 공동 도핑의 사용은 고의로 회피된다. 그 경우, Mn은 Mg의 격자 위치를 차지한다. 그러나, 상기 발광단은 분명히 Eu로만 도핑된 발광단보다 열악한 특성들을 나타낸다. Mn 이온은 포화에 보다 민감하다.

무거운 유러퓸(europium) 도핑은 또한 상이한 화학 양론 및 조합을 갖는 BAM 발광단들에 작용될 수 있다. 다른 실시예에서, BAM 발광단은 화학 양론 Ba_xEu_{1 -x}Mg_1+dAl_10+2fO_17+d+3f에 의해 기술된다.

여기서, 0.2 ≤ x ≤ 0.48; 바람직하게 0.35 ≤ x ≤ 0.45;

0 ≤ d ≤ 0.1;

-0.1 ≤ f ≤ 1.0이다.

이들은 화학 양론적으로 매우 간단히 기술될 수 있는 화합물들이고, BAM에 대한 이들 변종들(varieties)은 공지된다. 본래, 상기 주 격자들은 이전에 예를 들어 WO 2006/072919로부터 공지된다. 가장 일반적인 형태로, BAM 주 격자는 또한 예를 들어 타입 BaAl12O19의 화학 양론들을 포함하거나, 심지어 보다 일반적으로 두 개의 알루미네이트들의 혼합물이도록 BAM에 대해 다수의 화학 양론들에 의해 표현될 수 있게 공식으로 나타내지고, 여기서 제 1 알루미네이트는 화학 양론 0.82BaO*6Al₂O₃에 대응하는 Ba에서 낮고, 제 2 알루미네이트는 Mg를 함유하고 실제 BAM BaMgAl10O17을 나타낸다. 낮은-Ba 알루미네이트 및 실제 BAM BaMgAl10O17은 베타-Al2O3와 동일한 결정 구조를 가지기 때문에, 두 개의 화합물들은 베타-Al2O3 구조를 가진 고용체들을 형성한다. 그러므로 일반적인 알루미네이트 화학 양론은 {(1-a)*(0.82[Ba_xEu_1-xO]*6[Al₂O₃])}*a(Ba_xEu_1-xMgAl₁₀O₁₇)로서 기술될 수 있다. 여기서 a는 본래 0 ≤ a ≤ 1에 의해 제공된다. 바람직하게, a는 적어도 0.65, 특히 바람직하게 적어도 0.8이다. x의 값은 적어도 0.52 내지 0.8에 놓인다. 바람직하게, x = 0.55 내지 0.65이다.

보다 적은 스트레스를 제공하는 애플리케이션들에 대해, Mn은 또한 알루미네이트 화학 양론 {(1-a)*(0.82[Ba_xEu_{1 - x}O]*6[Al₂O₃])}*a(Ba_xEu_{1 - x}Mg_{1 - z}Mn_zAl₁₀O₁₇)에 따라 Mg에 대한 대체물로서 공동 도핑될 수 있다.

여기서, z는 특히 최대 0.15, 바람직하게 최대 0.04이어야 한다.

이런 표현에서, Ba는 추가로 Sr에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 치환되거나, 또한 Ca에 부분적으로 치환될 수 있다.

다른 실시예에서, 높은 유러퓸 농도는 Ba가 Sr 및/또는 Ca에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 대체되고, 실제 BAM으로부터 유도되는 발광단들에 적용될 수 있다. 이런 발광단은 화학 양론 M_xEu_{1 - x}Mg_{1 + d}Al_{10 +2 f}O_{17 +d+3f}에 의해 기술되고 여기서 M = (Ba, Sr, Ca)이고, M은 바람직하게 Ba_z(Sr, Ca)_1-z에 의해 표현되고, 여기서 Z ≥ 0.7이다.

이 경우, 0.2 ≤ x ≤ 0.48; 바람직하게 0.35 ≤ x ≤ 0.45;

0 ≤ d ≤ 0.1;

-0.1 ≤ f ≤ 1.0.

일반적인 형태에서, 이런 타입의 발광단들은 또한 EP 529 956과 유사한 방식으로 기술될 수 있다. 일반적인 화학식은 (M_{1 - r}Mg_r)O*k Al2O3이고, 여기서 r = 0.4 내지 0.6이다. 여기서, 금속 M은 유러퓸으로 도핑되고, 즉 M = EA_eEu_{1 -e}이고 EA = Ba, Sr, Ca이다. 또한, e = 0.52 내지 0.8, 특히 e = 0.55 내지 0.65이다. 게다가, k = 1.5 내지 4.5이다.

상기 발광단은 예를 들어 RGB 원리에 따라 특히 다른 발광단들과 혼합하기에 적당하다. 특히, 녹색 성분에 대해 Zn2SiO4:Mn 또는 BaAl12O19:Mn 및 적색 성분에 대해 (Y, Gd)BO3:Eu 또는 YOE, 즉 Y2O3:Eu를 가진 새로운 BAM의 혼합물을 사용하는 것은 적당하다.

상기 발광단들은 본래 공지된 BAM 발광단들로서 생산될 수 있다. 할로겐 화합물들, 바람직하게 플루오르화물들 및 염화물들은 이를 위한 용제(fluxing agent)들로서 적당한 것으로 증명되었다. 그러나, 리튬 및 붕소를 함유하는 화합물들은 또한 사용될 수 있다.

생산을 위해, Al2O3, BaCO3, SrCO3, MgO, Eu2O3, BaF2 반응제들은 몇 시간 동안 회전식(tumble) 혼합기 또는 유사한 것에서 혼합된다. 반응 온도는 1500 내지 1650℃이어야 한다. 따라서 2 내지 20%의 H2 함량을 가진 가스가 형성된다. 발광단은 추후 약 5 내지 30 분 동안 밀(mill)에서 그라운드(ground)된다. 그 다음 발광단은 또한 선택적으로 물 또는 묽은 산들로 세척될 수 있다.

게다가, 원소들 F, Cl, Li, Na, B, La, Ce, Nd, Sm, Pr, Gd, Yb, Lu는 또한 이런 일반적인 주 격자 내로 작은 범위로 도입될 수 있다. 이 경우, XRD에 의해 검출할 수 있는 격자 구조는 필수적으로 변화되지 않고 유지되어야 한다. 특히, 다음 변형들은 수행될 수 있다:

- B에 의해 작은 범위까지 Al의 대체;

- M1+M3에 의해 2M의 치환, 여기서 M1은 하나 또는 그 이상의 1가 금속들(Li 및/또는 Na)이고 M3는 그룹(La, Ce, Nd, Sm, Pr, Gd, Yb, Lu)로부터의 하나 또는 그 이상의 3가 희토류 금속들임;

- 주 격자 내에 M1+H의 통합, 여기서 M1은 상기된 바와 같은 1가 금속이고 H는 그룹(F, Cl)로부터의 하나 또는 그 이상의 할로겐들이고; 바람직하게, 총 비율은 최대 1%임;

- 간극 격자 위치들에 3가 희토류 금속들(M3 + ZZ)의 통합, 여기서 M3는 상기 정의된 바와 같고 ZZ는 그룹(F, Cl, O)로부터의 하나 또는 그 이상의 원소들이고; 또한 그들의 혼합물들이고; F 및 Cl의 비율은 바람직하게 최대 1%, 및 O에 대해서는 최대 5%임;

- 높은 농도들에서 루미네슨스가 아직 크게 감소되지 않는 범위까지 루미네슨스를 퀀칭하는 Si 같은 다양한 금속 이온들의 통합. 이런 범위는 1 wt.% 보다 훨씬 작은 약간의 비율들을 의미한다.

본 발명에 따른 발광단은 바람직하게 가시 스펙트럼 범위로의 변환을 달성하기 위하여 UV 범위에서 방사하는 LED들에 사용될 수 있다. 여기는 300 내지 420 nm, 바람직하게 340 내지 410 nm, 특히 바람직하게 380 내지 410 nm에서의 피크 파장에서 가장 잘 수행된다. 변환 LED의 원리에 따른 모든 LED들은 광원들로서 적당하다. 이런 방식으로, 한편으로, 컬러 방사 LED들은 생산될 수 있고, 특히 BAM인 상기된 알루미네이트 타입의 단일 발광단만을 사용하여 생산될 수 있다. 특히, 높은 연색성을 가진 LED들 또는 LED 모듈들을 기반으로 형성하는 큰 FWHM을 갖는 청색 방사 LED를 생산하는 것은 가능하다.

그러나 다른 LED들은 또한 생산될 수 있고, 그런 목적으로 적어도 하나의 추가 발광단은 일반적으로 추가로 사용될 것이고, 상기 발광단 중 어느 하나는 그 자체로 공지된 바와 같이, 노랑색("BY" 해결책에 대해)을 방사하거나, 적색 및 녹색 방사 발광단들("RGB" 해결책에 대해)도 있다. 특히 높은 연색성을 가진 백색 방사 LED들은 이에 따라 생산될 수 있다. Ra는 적어도 80, 특히 적어도 90이다.

BY 해결책에 대해, 특히 YAG:Ce 또는 시온(sion) 같은 가닛(garnet)은 부가적인 발광단으로서 적당하다. RGB 해결책에 대해, 특히 니트리도실리케이트(nitrosilicate)들 같은 녹색 발광단들 및 질화물들 같은 적색 발광단들은 부가적인 발광단들로서 적당하다.

특히, 새로운 발광단의 다양한 실시예들의 혼합들, 예를 들어 청색 및 청색-녹색 방사 변종들은 또한 사용될 수 있다.

본 발명은 예시적인 실시예의 도움으로 하기에 보다 상세히 설명될 것이다.

도 1은 Eu 함량의 함수로서 실온에서 BAM 발광단의 효율성을 도시한다.
도 2는 Eu 함량의 함수로서 175℃에서 동일한 BAM 발광단의 효율성을 도시한다.
도 3은 Eu 함량의 함수로서 400 nm 여기를 갖는 동일한 BAM 발광단의 방사 강도를 도시한다.
도 4는 400 nm 여기를 갖는 Eu 함량의 함수로서 동일한 BAM 발광단의 양자 효율성을 도시한다.
도 5는 Eu 함량의 함수로서 400 nm 여기를 갖는 동일한 BAM 발광단의 흡수 작용을 도시한다.
도 6은 파장의 함수로서 특정 BAM 발광단의 재-방사(re-emission)를 도시한다.
도 7은 파장의 함수로서 동일한 발광단의 방사를 도시한다.
도 8은 온도의 함수로서 동일한 발광단의 퀀칭 작용을 도시한다.
도 9는 Mn의 통합을 갖는 변형된 BAM 발광단의 방사 작용을 도시한다.
도 10은 다른 화학 양론들을 갖는 다양한 발광단들의 방사 작용을 도시한다.
도 11은 청색 광을 위한 광원의 기본 구조를 도시한다.
도 12는 백색 광을 위한 광원의 기본 구조를 도시한다.
도 13은 두 개의 LED들의 방사 스펙트럼의 비교를 도시한다.

도 1은 M = (Ba, Eu)의 항들에서 표현된, mol%의 Eu 함량의 함수로서 BAM 발광단(Ba_xEu_1-xMgAl₁₀O₁₇)의 상대적 효율성을 도시한다. 실온(25℃)에서 최적 Eu 농도가 값 x = 0.4에 대응하는 약 60% Eu인 것이 발견되었다.

175℃의 온도에 관련한 동일한 측정은 도 2에서 표현된다. 이것은 최적 Eu 농도가 지금 값 x = 0.46에 대응하는 약 54%인 결과를 제공한다.

도 3은 400 nm에서 여기를 갖는 Eu 농도의 함수로서 이런 발광단의 방사 강도를 도시한다. 놀랍게도, 상기 강도는 다시 값 x = 0.4에 대응하는 약 60%의 Eu 농도까지 최대 값에 도달하지 못한다.

도 4는 Eu 농도의 함수로서 양자 효율성을 도시한다. 놀랍게도, 비교적 긴-파장 여기에서, 예를 들어 400 nm에서, 양자 효율성은 처음에 증가하는 Eu 함량에 따라 증가한다. 최적은 50 내지 60%, 즉 x = 0.4 내지 0.5 범위의 Eu 값들에서 발견된다.

도 5는 분말 태플릿에 관련하여 이런 BAM 발광단의 흡수 작용을 도시한다. 새로운 발광단이 이전의 종래 BAM:Eu 발광단과 비교하여 보다 우수한 흡수작용을 가진다는 것이 발견되었다.

변환 LED의 우수한 특성들을 위해 필수적인 것은 QE 및 A의 곱이다.

도 6은 분말 태플릿에 존재하는 발광단 Eu0.6Ba0.4MgAl10O17의 재-방사를 도시한다. 이런 발광단이 이전 발광단들과 비교하여 상당히 개선된 반사율을 가지는 것이 발견되었다. 이것은 특히 흡수 작용을 위하여 적용한다.

도 7은 파장의 함수로서 이런 특정 발광단의 방사를 도시한다. 방사 작용이 높은 연색성을 갖는 LED들에 매우 적당한 것임이 발견되었다. 방사는 비교적 긴 파장에서 이루어지고 높은 청색-녹색 성분을 가진다. 여기서 다시, 여기는 400 nm에서 수행되었다.

도 8은 온도의 함수로서 이런 특정 발광단의 퀀칭 작용을 도시한다. 175℃에서의 효율성이 여전히 25℃에서의 효율성의 80% 이상이도록 매우 안정하다. 이것은 예를 들어 차량 헤드램프들에 대한 LED에서 열적으로 스트레스가 많은 환경들에 대해 특히 매력적인 새로운 발광단을 형성한다.

도 9는 화학 양론 Ba0.4Eu0.6Mg1-yMnyAl10O17을 가진 발광단의 방사 작용을 도시한다. Mg 격자 위치들에 Mn의 통합은 열적으로 보다 적은 스트레스를 갖는 환경들에 적당하고, 예를 들어 LCD 백라이팅에 이상적인 매우 효과적인 협대역 녹색 발광단의 생산을 가능하게 한다.

도 10은 낮은-Ba 알루미네이트 위상 및 실제 BAM 위상의 다양한 혼합들의 방사 비교를 도시한다. 혼합 파라미터는 상기된 바와 같이 a이다. 낮은 알루미네이트 농도에서, a = 0.8이고, 큰 변화들은 순수 BAM 위상과 비교하여 관찰되지 않는다, 즉 a = 0. 두 개의 곡선들은 거의 중첩된다. 높은 알루미네이트 농도 a에서, 방사의 매우 짧은-파장 시프트는 얻어진다. 도시된 예시적인 실시예에서, a = 0.88이다. 금속 M = (Ba_{1 -x}, Eu_x)에 관한 비율로서 이해될 Eu 농도(x)는 각각의 경우 60%이다. Mn은 공동도판트로서 사용되지 않는다(z = 0). 이런 혼합 효과는 LED에서 방사 파장, 또는 상기 방사 파장의 피크에서 최적 조절을 위해 사용될 수 있다.

도 11은 본 발명에 따른 발광단을 가진 LUCOLED라 지칭되는 변환 LED의 기본 구조를 도시한다. 청색-녹색 광에 대한 광원의 구조는 도 11에 명확하게 도시된다. 광원은 UV 범위, 예를 들어 405 nm의 피크 방사 파장을 가진 InGaN 타입의 칩(1)을 가진 반도체 컴포넌트이고, 상기 반도체 칩은 개구부(9)의 영역 내 불투명 베이스(base) 패키지(8)에 삽입된다. 칩(1)은 본딩 와이어(4)를 통하여 제 1 단자(3)에 접속되고, 직접적으로 제 2 전기 단자(2)에 접속된다. 새로운 BAM의 얇은 층(50)은 칩 상에 직접 적용된다. 전기 이동은 바람직하게 이를 위해 사용되어 5 내지 30 ㎛의 최적 작은 층 두께를 달성한다. 종래 기술에서 기술된 바와 같은 다른 기술들은 또한 이를 위해 구상될 수 있다. 중요한 것은 다른 물질들, 예를 들어 바인더들(binder)의 비율이 가능한 한 낮아야 한다는 것이다.

개구부(9)는 포팅(potting) 화합물(5)로 채워지고, 상기 포팅 화합물은 주 조성물들로서 실리콘 수지(80 내지 90 wt. %) 및 다른 발광단 안료(pigment)(6)(통상적으로 20 wt. % 미만)를 포함한다. 이들 안료들은 특히 YAG:Ce 같은 노랑색 방사 발광단이다. 개구부는 벽(7)을 가지며, 상기 벽은 각각 칩(1) 및 안료들(6)로부터의 일차 및 이차 복사선에 대한 반사기로서 동작한다. UV LED의 일차 복사선은 발광단에 의해 완전히 청색 복사선으로 변환된다. 사용된 얇게 적용된 청색 방사 발광단은 상기된 BAM:Eu(60%)이다.

유사하게, 백색 광에 대한 광원은 또한 예를 들어 UV 복사원에 의해 적색, 녹색 및 청색을 방사하기 위하여 여기되는 3개의 발광단들을 사용함으로써 상기 발광단으로 생산될 수 있다. 녹색 발광단은 예를 들어 Ba-시온이고, 적색 발광단은 예를 들어 Ca5Al4Si8N18:Eu 또는 니트리도실리케이트 (Ca, Sr)2Si5N8:Eu이고, 칩 상에 직접 적용되는 청색 발광단은 BAM:Eu 같은 알루미네이트 발광단이고 여기서 x = 0.4이다.

백색 광에 대한 다른 광원의 구조는 도 12에 명확하게 도시된다. 광원은 380 nm의 피크 방사 파장을 가진 InGaN 타입의 UV 방사 칩(11)을 가진 LED 타입의 반도체 컴포넌트(16)이다. 높은 비율의 유러퓸, 특히 BAM:Eu(60%)을 함유하는 BAM의 얇은 20 ㎛ 두께 층은 칩(11) 상에 적용된다(도시되지 않음). 반도체 컴포넌트(16)는 측벽(15) 및 윈도우(19)를 가진 불투명 베이스 패키지(18)를 가진다. 변환 LED(16)는 층(14) 내의 윈도우(19) 상에 적용된 추가 발광단들에 대한 광원이다. 칩(13)의 복사선을 부분적으로 변환하는 추가 발광단은 칩(13)의 일차 복사선을 부분적으로 변환하고 이를 560 nm에서 피크 방사를 갖는 노랑색 복사선으로 변환하는 예를 들어 YAG:Ce 같은 노랑색 발광단이다.

다른 예시적인 실시예에서, UV LED(약 380 nm)는 백색 RGB 루미네슨스 변환 LED에 대한 주 광원으로서 사용되고, 상기 경우 패키지 및 수지 또는 추가 발광단들의 노화 및 품질 저하 문제들은 매우 안정한 BAM 발광단이 칩의 표면 상에 직접 적용되기 때문에 발생하지 않는다. 그러므로 패키지 재료의 주의 깊은 선택, UV-저항 수지 컴포넌트들의 부가 같은 종래의 조치들을 더 이상 따를 필요가 없다. 이런 해결책의 큰 장점들은 추가로 방사 컬러 및 높은 컬러 안정성에 따른 낮은 시야각이다.

특히 InGaN을 기반으로 하는 변환 LED, 또는 특히 LED를 기반으로 하는 조명 모듈은 바람직하게 조명 시스템에 대한 광원으로서 적당하다.

본 발명의 핵심 포인트는 UV LED 칩이 강한 UV-흡수 발광단의 매우 컴팩트한 층으로 코팅되는 것이고, 상기 UV-흡수 발광단은 처음에 본 발명에 따라 BAM:Eu로 이용 가능하다. 층은 바람직하게 30 ㎛보다 작고, 본질적으로 칩의 UV 복사선 모두를 흡수하기 위하여 적어도 충분한 두께로 선택되어, 패키지 및 수지 등등에 대한 손상 위험성은 더 이상 없다. 컴팩트 층에 발광단의 체적 부분은 적어도 50%, 바람직하게 적어도 70%로서 선택된다. 특히, 전기 이동적으로 증착된 층은 이를 위해 적당하다. 그러므로 이런 컴팩트한 층은 노화에 대한 고장 발생을 거의 가지지 않는 재료만을 포함한다. BAM 발광단, 또는 BAL 발광단의 노화는 이런 맥락에서 무시할 수 있다. 따라서 층은 실질적으로 노화-방지된다.

통상적인 코팅 방법들, 예를 들어 스크린 프린팅은 발광단의 상기 높은 체적 부분들로 인해 더 이상 실행할 수 없다. 발광단으로 인해 높은 고체 함량을 가진 발광단 페이스트(paste)의 높은 점도는 종래의 프로세싱을 방해한다. 포팅 화합물 또는 패키지 재료의 너무 이른 노화는 이런 어레인지먼트(arrangement)에 의해 회피된다. 전체 발광 출력은 수명에 걸쳐 달성된다.

풀-변환(full-conversion) LED들은 일반적으로 상당한 광 손실들을 수반하는 매우 높은 발광단 농도들을 요구한다. 이들 손실들은 지금 처음에 강한 흡수작용 및 그러므로 낮은-산란의 발광단들에 의해 감소될 수 있다. 청색 방사와 관련하여 높은 Eu 활성제 함량으로 인해 특히 360 내지 400 nm 범위에서 크게 증가된 근-UV 흡수작용으로 인해 새로운 BAM:Eu 발광단만이 조명 목적을 위해 풀-변환 LED를 구성하는 것을 가능하게 한다. 큰 장점은 높은 변환 효율성 및 해로운 UV 복사선으로부터 패키지의 보호에 있다. 변환한 발광단 층 내의 낮은 비율의 포팅 화합물 및 상기 변환 층 외측의 낮은 UV 강도로 인해, 전체 LED는 UV-유도 재료 노화에 훨씬 덜 민감하다. 특히, 도 13은 본 발명에 따라 발광단 BAM:Eu(60%)로 코팅된 380 nm LED(일차 방사 피크)(상대적 에너지, 스펙트럼적으로 도시됨)를 나타낸다; 층 두께는 10 ㎛이다. 코팅되지 않은, 명확하게 캡슐화된 LED(1) 및 코팅된, 명확하게 캡슐화된 LED(2)의 두 개의 방사 스펙트럼은 도 13에 도시된다. 수치적으로, 에너지 변환 효율성은 코팅된 버젼에 대한 78%와 비교하여 코딩되지 않은 LED(정의에 의함)에 대해 100%까지 증가한다.

이런 방식으로 생산된 LED는 상당히 개선된 특성들을 가진 통상적인 청색 LED로서 고려될 수 있다. 방사는 통상적인 LED에서 거의 완전히 존재하지 않는 강한 청색-녹색 성분을 가진다. 특히, 새로운 LED의 연색성은 이것으로부터의 이익이다. 청색으로의 순수한 변환 외에, 모든 다른 변환 LED들은 물론 또한 상기 설명된 바와 같이, 특히 상기 새로운 청색 LED를 기반으로 하는 백색 LED로서 생산될 수 있다. 하나의 가능성은 YAG:Ce 또는 YAGaG:Ce를 이용한 코팅이다. 이들 발광단들은 대략 395 nm(YAG:Ce에 대해) 및 380 nm(YAGaG:Ce에 대해)에서 공표된 흡수 갭을 가진다. 유사한 고려 사항들은 Ce로 도핑된 다른 공지된 가닛(garnet) 발광단들에 대해 적용한다. 그러므로 LED 상 본 발명에 따른 BAM:Eu 층에 노랑색 가닛 층을 적용하는 것은 가능하게 되고, 상기 노랑색 가닛 층은 나머지 전송된 UV 복사선을 다시 BAM:Eu 층으로 반사시킨다. 그러므로 이런 BAM:Eu 또는 대안적으로 BAL:Eu 층은 보다 얇을 수 있다. 이런 발광단에는 따라서 UV 복사선을 흡수하기 위한 부가적인 기회가 제공된다. 노랑색 또는 적색 광을 생산하기 위한 다른 발광단들에는 종종 UV 복사선이 직접 펌핑(pump)될 수 있고, 여기서 또한 BAM:Eu 층은 패키지에 스트레스를 주지 않고 보다 얇아질 수 있다. BAM:Eu와 다른 발광단들의 혼합들은 마찬가지로 가능하다. 이 경우, 층이 여전히 필요한 컴팩트성(compactness)을 가지는 것을 보장하는 것이 필요하다.

특히 가치 있는 새로운 발광단의 특성은 지금 약 55 내지 65 nm인 상기 발광단의 넓은 FWHM이다. 청색 LED(InGaN)를 사용할 때, 이런 FWHM은 통상적으로 단지 10 내지 20 nm이고, 이것은 백색 LED가 BAM:Eu 층에 의해 UV 주 방사의 직접적인 변환을 가진 새로운 청색 LED를 기반으로 할 때보다 좋지 않은 백색 LED의 연색성을 형성한다. 이것 외에, 전류-운반 능력 및 열적 안정성 및 새로운 LED를 사용한 파장 시프트는 직접적으로 방사하는 청색 LED들의 경우보다 상당히 우수하다.

Claims (23)

1. 420 nm 미만의 짧은-파 복사선 범위에서 방사하는 주 광원, 및 보다 긴-파 복사선으로 상기 광원의 복사선의 적어도 부분적인 변환을 위해 주 격자로서 BAM 시스템으로 이루어진 상기 주 광원의 전면에 배치된 발광단(luminophore)을 가진 변환 LED로서,
   BAM 발광단은 상기 광원의 표면상에 직접적으로 최대 50 ㎛의 두께를 가진 얇은 층으로서 적용되고, 상기 BAM 발광단은 일반적인 화학 양론(M_1-rMg_r)O*k(Al₂O₃)를 가지며, 여기서
   r = 0.4 내지 0.6이며;
   M = EA_eEu_1-e이고;
   EA = Ba_z(Sr, Ca)_1-z이며, 여기서 Z ≥ 0.7이고;
   e = 0.52 내지 0.8이고;
   k = 1.5 내지 4.5인,
   변환 LED.
2. 420 nm 미만의 짧은-파 복사선 범위에서 방사하는 주 광원, 및 보다 긴-파 복사선으로 상기 광원의 복사선의 적어도 부분적인 변환을 위해 주 격자로서 BAM 시스템으로 이루어진 상기 주 광원의 전면에 배치된 발광단을 가진 변환 LED로서,
   BAM 발광단은 화학 양론 M_xEu_1-xMg_1+dAl_10+2fO_17+d+3f를 가지며, 여기서
   M = Ba_z(Sr, Ca)_1-z이고, 여기서 Z ≥ 0.7이며;
   0.2 ≤ x ≤ 0.48;
   0 ≤ d ≤ 0.1;
   -0.1 ≤ f ≤ 1.0인,
   변환 LED.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 화학 양론은 Ba_xEu_1-xMgAl₁₀O₁₇이고, 0.35 ≤ x ≤ 0.45인,
   변환 LED.
4. 삭제
5. 제 2 항에 있어서, 상기 화학 양론은 Ba_xEu_1-xMg_1+dAl_10+2fO_17+d+3f이고, 여기서,
   0.2 ≤ x ≤ 0.48;
   0 ≤ d ≤ 0.1;
   -0.1 ≤ f ≤ 1.0인,
   변환 LED.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 주 복사선의 변환을 위해, 상기 주 복사선의 피크 파장은 300 내지 420 nm의 범위 내에 놓이는,
   변환 LED.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 발광단은 화학 양론 {(1-a)*(0.82[Ba_xEu_1-xO]*6[Al₂O₃])}*a(Ba_xEu_1-xMgAl₁₀O₁₇)이고, 여기서 a는 본래 0 ≤ a ≤ 1에 의해 제공되고, x의 값은 0.52 내지 0.8인,
   변환 LED.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, Mn은 공동도핑을 위해 사용되는,
   변환 LED.
9. 제 2 항에 따른 변환 LED를 가진 조명 시스템으로서,
   광원은 300 내지 420 nm 범위의 피크 파장을 가진 주 복사선을 방사하고, 변환을 위해 사용된 발광단은 Eu로 도핑된 BAM 주 격자 타입의 알루미네이트이고, 상기 알루미네이트는 화학 양론 M_xEu_1-xMg_1-y+dMn_yAl_10+2fO_17+d+3f을 가지며, 여기서
   M = Ba_z(Sr, Ca)_1-z이고, 여기서 Z ≥ 0.7이며;
   0.2 ≤ x ≤ 0.48;
   0 ≤ y ≤ 0.3;
   0 ≤ d ≤ 0.1;
   -0.1 ≤ f ≤ 1.0인,
   조명 시스템.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 광원은 LED인,
    조명 시스템.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 광원은 LED를 가진 조명 모듈인,
    조명 시스템.
12. 제 1 항에 있어서, e = 0.55 내지 0.65인,
    변환 LED.
13. 제 2 항에 있어서, 0.35 ≤ x ≤ 0.45인,
    변환 LED.
14. 제 5 항에 있어서, 0.35 ≤ x ≤ 0.45인,
    변환 LED.
15. 제 6 항에 있어서, 상기 주 복사선의 피크 파장은 340 내지 410 nm 범위 내에 놓이는,
    변환 LED.
16. 제 7 항에 있어서, a는 0.2 이상인,
    변환 LED.
17. 제 16 항에 있어서, a는 0.8 이상인,
    변환 LED.
18. 제 7 항, 제 16 항 및 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, x = 0.55 내지 0.65인,
    변환 LED.
19. 제 9 항에 있어서, 상기 BAM 주 격자 타입의 알루미네이트는 또한 Mn으로 도핑되는,
    조명 시스템.
20. 제 19 항에 있어서, 0.35 ≤ x ≤ 0.45 및 0 ≤ y ≤ 0.2인,
    조명 시스템.
21. 제 10 항에 있어서, 상기 광원은 InGaN을 기반으로 하는 LED인,
    조명 시스템.
22. 제 11 항에 있어서, 상기 광원은 InGaN을 기반으로 하는 LED를 가진 조명 모듈인,
    조명 시스템.
23. 제 9 항에 있어서, 0.35 ≤ x ≤ 0.45인,
    조명 시스템.

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