KR101654514B1 - Ｌｅｄ 어셈블리 - Google Patents

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KR101654514B1
KR101654514B1 KR1020117015306A KR20117015306A KR101654514B1 KR 101654514 B1 KR101654514 B1 KR 101654514B1 KR 1020117015306 A KR1020117015306 A KR 1020117015306A KR 20117015306 A KR20117015306 A KR 20117015306A KR 101654514 B1 KR101654514 B1 KR 101654514B1
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한스-헬무트 벡텔
마티아스 하이드만
피터 제이. 슈미트
토마스 디드리히
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코닌클리케 필립스 엔.브이.
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Abstract

LED 다이(10), 인광체 층(12), 및 필터층(14)을 포함하는 발광 다이오드(LED) 어셈블리로서, 상기 필터층(14)은 LED 다이(10)로부터 방출된 약 400㎚ 내지 500㎚, 바람직하게는 약 420㎚ 내지 490㎚의 파장을 갖는 광선들이 상기 필터층(14) 상의 법선에 대한 그들의 방출 각도에 따라 적어도 부분적으로 반사되는 방식으로 전개되는 LED 어셈블리가 개시된다. 본 발명의 LED 어셈블리를 이용하면, LED 어셈블리의 효율 감소 없이, 황색 고리 문제를 해결하는 LED 어셈블리를 제공하는 것이 가능하다.

Description

ＬＥＤ 어셈블리{LED ASSEMBLY}
본 발명은 발광 다이오드(LED) 어셈블리의 분야에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 증강된 방출 인광체 변환형 LED(phosphor-converting LED, pcLED) 조명 어셈블리에 관한 것이다. 그러한 어셈블리는 주로 백색광을 제공하기 위해 이용된다.
백색 발광 LED는 일반적으로, LED의 청색 방출에 의해 여기되어 황색광을 방출하는 인광체 층과 결합된 청색 방출 LED를 포함하며, 황색 방출과 청색 방출의 결합은 백색광을 제공한다. 0°의 방출 각도를 갖는 LED 다이의 표면에 대하여 수직하거나 인광체 층의 표면에 대하여 수직한 법선 방향에 대하여, 청색 방출 LED에 의해 방출된 광선들의 인광체 층 내에서의 경로 길이는 인광체 층의 두께와 동일하다. 방출 각도를 증가시키기 위해서는, 청색 광선들에 대한 경로 길이가 증가한다. 따라서, 인광체 층에 의해 흡수되는 청색 광선들의 부분은 증가하는 방출 각도를 갖는 광선들에 대해서보다, 0°의 방출 각도를 갖는 광선들에 대해서 더 낮다. 인광체 층에 의해 방출되는 변환된 광은 항상 각도에 대한 램버시안 분포(Lambertian over angle distribution)를 가지므로, LED에 의해 방출된 백색광은 약 0°의 방출 각도를 갖는 법선 방출에 대하여 더 높은 상관된 컬러 온도를 갖는다. 일반적으로, 인광체 층은
Figure 112011050595640-pct00001
이다. 그러한 YAG:Ce 인광체 층의 경우에서, 방출된 광은 방출 각도가 증가함에 따라 노르스름하게 되어, 황색 고리(yellow ring)로서 감지된다. 황색 고리의 문제를 해결하기 위해, 인광체 층의 산란 능력을 증가시키고/거나 인광체 층의 상단에 산란층을 추가하는 것이 알려져 있다. 이러한 해결책 둘 다에 대해, 산란은 광 손실로 이어지는 광 반사를 수반하기 때문에, 황색 고리 문제의 감소는 LED 효율의 감소를 유발한다. 구체적으로, 하향 변환된(down-converted) 인광체 방출의 산란은 반사 손실을 수반하는 반사를 유발한다.
본 발명의 목적은 발광 다이오드(LED) 어셈블리의 효율 감소 없이, 상술한 황색 고리의 문제를 해결하는 LED 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 발광 다이오드(LED) 어셈블리는 LED 다이, 인광체 층, 및 필터층을 포함하며, 상기 필터층은 LED 다이로부터 방출된 약 400㎚ 내지 500㎚, 바람직하게는 약 420㎚ 내지 490㎚의 파장을 갖는 광선들이 필터층 상의 법선에 대한 그들의 방출 각도에 따라 적어도 부분적으로 반사되는 방식으로 전개된다(developed).
LED 다이는 바람직하게는 청색 방출 LED이다. 인광체 층은 바람직하게는
Figure 112011050595640-pct00002
이다. 필터층은 바람직하게는 유전체 필터층이다. 이 필터층은 LED 다이에 의해 방출된 광선들에 대하여, 필터층 상의 법선에 대한 큰 방출 각도, 바람직하게는 30° 내지 90°사이의 방출 각도에 대하여 가시 범위 내에서 그들의 파장에 독립적으로 완전한 투과를 실현한다. 필터층 상의 법선에 대한 작은 방출 각도, 바람직하게는 0° 내지 30°의 방출 각도에 대하여, 약 400㎚ 내지 500㎚의 파장을 갖는 광선들의 부분 반사가 제공된다. 약 400㎚ 내지 500㎚의 파장을 갖는 광선들은 LED 다이에 의해 방출되는 청색 광선들이다. LED 다이에 의해 방출된 청색 광선들이 필터층 상의 법선에 대한 그들의 방출 각도에 따라 부분 반사되면, LED에 의해 방출되는 광의 효율의 손실 없이, 각도에 대한 균일한 방출(uniform over angle emission)이 실현된다. 필터층 상의 법선은 필터층의 평탄한 표면에 수직한 축을 따른다.
균일한 백색광이 LED 다이에 의해 방출되기 위하여, LED 다이로부터의 직접 방출된 광과 인광체 층으로부터의 변환된 광의 방출 강도 비율은 모든 각도에서 일정해야 한다. 통상적으로, LED에 의해 방출된 광은 필터층 상의 법선에 대하여 작은 방출 각도, 바람직하게는 약 0° 내지 30°의 방출 각도의 영역에서 곤봉 형상의 형태(cudgel-shaped form)를 제공한다. 그러나, LED 다이에 의해 방출되는 황색 광은 통상적으로 약 0° 내지 90°의 전체 방출 각도에 걸쳐 공 형상의 형태를 제공한다. 따라서, 특히 큰 방출 각도들, 바람직하게는 30°내지 90°사이에서, 황색 광에 대한 청색 광의 비율이 감소되는 영역들이 존재한다. 이러한 각도들 하에서의 방출은 황색 고리의 문제를 유발한다. 약 0° 내지 30°의 작은 방출 각도들에 대한 소정량의 청색 광의 반사에 의해, 청색 광의 곤봉 형상의 형태를 공 형상의 형태로 변환하여, 청색 광과 황색 광이 0° 내지 90°의 전체 방출 각도에 대해 동일한 비율을 갖게 하는 것이 가능하다. 따라서, 황색 고리의 문제 없이, 전체 방출 각도에 걸쳐서 LED 어셈블리에 의해 균일한 백색 광이 방출되도록, 전체 방출 각도에 걸친 황색 광과 청색 광의 중첩이 얻어진다.
바람직하게는, 필터층은 필터층 상의 법선에 대하여 약 0° 내지 30°, 바람직하게는 약 0° 내지 20°의 방출 각도를 갖는 광선들을 반사시킨다. 반사된 광선들은 약 400㎚ 내지 500㎚의 파장, 바람직하게는 약 420㎚ 내지 490㎚의 파장을 갖는, LED 다이의 방출된 광의 청색 광선들이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, LED 다이에 의해 방출된 광선들의 약 10％ 내지 50％, 바람직하게는 약 15％ 내지 30％가 그들의 방출 각도에 따라 필터층에 의해 반사된다. 반사되는 광선들은 약 400㎚ 내지 500㎚, 바람직하게는 약 420㎚ 내지 490㎚의 파장을 갖는, LED 다이의 방출된 광의 청색 광선들이다. 따라서, 필터층 상의 법선에 대하여 약 0° 내지 40°, 바람직하게는 약 0° 내지 30°의 방출 각도를 갖는, LED에 의해 방출되는 청색 광선들의 약 10％ 내지 50％, 바람직하게는 15％ 내지 40％가 반사된다. 약 0° 내지 40°, 바람직하게는 약 0° 내지 30°의 방출 각도를 갖는 LED에 의해 방출된 청색 광선들의 나머지는 반사 없이 필터층을 통과한다.
필터층은 바람직하게는 저굴절률 재료들과 고굴절률 재료들이 교대하는 유전체 층 코팅을 포함한다. 교대하는 저굴절률 재료들과 고굴절률 재료들이 LED 다이에 의해 방출된 청색 광의 양호하게 지향된 반사가 달성될 수 있도록 선택될 수 있다.
유전체 코팅층의 재료들은 바람직하게는 400㎚와 800㎚ 사이의 파장에 대해 투명하고, 고굴절률 재료들의 굴절률은 1.6 내지 3의 범위 내이고, 저굴절률 재료들의 굴절률은 1.2 내지 1.8의 범위 내이다. 굴절률 재료들의 흡수 계수는 >480㎚의 파장에 대해서는 <0.00001이고, >400㎚의 파장에 대해서는 <0.003이다. Nb2O5(산화 니오븀)가 고굴절률 재료로서 이용되는 것이 바람직하고, SiO2(산화 실리콘)가 저굴절률 재료로서 이용되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 필터층은 고굴절률 재료들의 9개의 층과 저굴절률 재료들의 9개의 층을 포함한다. 층들은 CVD(chemical vapour deposition) 또는 스퍼터링과 같은 박막 적층 기법들에 의해 도포될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 필터층은 LED 다이와 인광체 층 사이에 배치된다. 따라서, 필터층은 LED 다이의 상단에 배치되고, 인광체 층은 필터층의 상단에 배치된다.
본 발명의 다른 실시예로 인해, 인광체 층은 LED 다이의 상단에 배치되고, 필터층은 인광체 층의 상단에 배치된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 인광체 층 및 제2 인광체 층을 구비하고, 필터층은 제1 인광체 층과 제2 인광체 층 사이에 배치되는 LED 어셈블리를 제공하는 것이 가능하다. 바람직하게는 제1 인광체 층이 LED 다이의 상단에 배치된다.
인광체 층은 투명한 매트릭스 재료 내에 삽입된 인광체 파우더 및/또는 루미라믹 판(Lumiramic plate)을 포함할 수 있다. 루미라믹 판은 Ce(Ⅲ) 도핑된 이트륨 가돌리늄 가넷(Y,GdAG:Ce)의 다결정 세라믹판이다. 그러한 루미라믹 판을 청색 발광 LED 다이와 결합하여 5000K의 상관된 컬러 온도의 범위 내에 있는 백색 광을 생성하는 것은 매우 이롭다. 루미라믹 세라믹 컬러 변환기 판의 산란 및 광 추출 수단은 신뢰가능하고 효율적인 백색 pcLED의 생성을 가능하게 한다. 최종의 LED 어셈블리 이전에 루미라믹 판들의 광학적 특성들을 측정하는 것은, LED의 원하는 백색 컬러 포인트에 정확하게 맞는 패키징을 고르고 배치하는 것을 허용한다.
바람직하게는, LED 어셈블리는 필터층에 대한 기판으로서 기능하는 투명한 유리판을 제공할 수 있다. 따라서, 필터층은 LED 다이 또는 인광체 층 위에 직접 도포될 필요가 없다. 필터층은 투명한 유리판에 직접 도포될 수 있고, 유리판 상에 필터층을 도포한 후에, 그것이 LED 어셈블리에 배치된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 필터층은 750㎚ 내지 950㎚, 바람직하게는 약 800㎚ 내지 900㎚의 총 두께를 갖는다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 인광체 층은 약 80㎛ 내지 150㎛, 바람직하게는 약 100㎛ 내지 130㎛의 두께를 갖는다.
또한, 고굴절률 재료들의 층들은 바람직하게는 5㎚ 내지 약 70㎚의 두께 내에서 변화하고, 저굴절률 재료들의 층들은 바람직하게는 약 20㎚ 내지 약 300㎚의 두께 내에서 변화한다.
이러한 것들과 그 외의 본 발명의 양태들은 이하에 설명되는 실시예들을 참조하면 명백하고 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 발광 다이오드 어셈블리의 제1 실시예의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 필터층의 투과율이 LED 다이에 의해 방출되는 광의 파장 및 방출 각도에 의존하는 것을 나타낸 그래프이다.
도 3은 백색 LED 어셈블리의 균일한 컬러 공간(CIE 1976)에서의 법선 방출의 컬러 좌표들에 대한 컬러 좌표들의 기하학적 거리를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 발광 다이오드 어셈블리의 제2 실시예의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 발광 다이오드 어셈블리의 제3 실시예의 개략도이다.
도 1은 LED 다이(10), 인광체 층(12) 및 필터층(14)을 구비하는, 본 발명에 따른 발광 다이오드(LED) 어셈블리의 제1 실시예를 도시한 것이다. LED 다이(10), 인광체 층(12) 및 필터층(14)은 바람직하게는 그것의 내벽에 반사 코팅이 도포되어 있을 수 있는 반원 형상의 하우징(16)에 의해 커버된다. 약 400㎚ 내지 500㎚의 파장을 갖는 청색 광을 방출하는 LED 다이(10)가 LED 어셈블리의 바닥(18)에 배치된다. LED 다이(10)의 상단에는, 인광체 층(12)이 배치된다. 인광체 층(12)은 약 570㎚ 내지 590㎚의 파장을 갖는 황색 광을 방출한다. 인광체 층(12)은 투명 매트릭스 재료(transparent matrix material) 내에 삽입되는 인광체 파우더 및/또는 루미라믹 판을 포함할 수 있다. 인광체 층(12)의 두께는 약 100㎛ 내지 120㎛이다. 인광체 층(12)의 상단에는 필터층(14)이 배치된다. 필터층(12)은 Nb2O5 및 SiO2와 같이, 저반사율 재료와 고반사율 재료를 번갈아 코팅하는 유전체 층을 포함한다.
도 2는 본 발명의 필터층(14)의 투과율이 LED 다이(10)에 의해 방출되는 광의 파장 및 방출 각도에 의존하는 것을 나타낸 그래프를 도시하고 있다. 이 그래프에 도시된 필터층(14)은 아래의 표 1에 나타낸 층 구성을 갖는다.
<표 1>
Figure 112011050595640-pct00003
그래프에 나타난 상이한 선들은 상이한 방출 각도 0°, 26°; 40° 및 77°이다. 볼 수 있는 바와 같이, 40° 및 77°와 같은 큰 방출 각도들에 대하여, 그것의 파장에 독립적으로, 광선들은 어떠한 반사 또는 흡수도 없이 필터층(14)을 통과할 수 있다. 이러한 방출 각도에서, 방출된 광선들, 특히 청색의 방출 광선들의 투과율은 약 100％이다. 0° 및 26°와 같은 작은 방출 각도들에 대하여, 400㎚ 내지 500㎚의 파장을 갖는 청색 광선들은 필터층을 완전히 통과할 수 없다. 이러한 방출 각도에서, 방출되는 광선들의 투과율은 약 80％이다. 청색 광선들의 약 20％가 필터층(14)에 의해 반사된다. 약 520㎚ 내지 650㎚의 파장을 갖는, 인광체 층(12)의 황색 광선들은 방출 각도에 독립적으로 필터층을 완전하게 통과할 수 있다. 따라서, 필터층(14)은 방출되는 청색 광선들의 일부만을 반사한다. LED 다이(10)에 의해 방출되는 청색 광선들이 필터층(14) 상의 법선에 대한 그들의 방출 각도에 의존하여 부분 반사되면, 필터층에서 반사되는 청색 광이 인광체 층에 의해 흡수되고 인광체 방출에 의해 변환되므로, LED 다이(10)에 의해 방출되는 광의 효율의 손실 없이 각도에 대한 균일한 방출이 실현된다.
또한, 필터층(14)은 아래의 표 2에 나타난 층 구조를 가질 수 있다.
<표 2>
Figure 112011050595640-pct00004
도 3은 본 발명의 필터층을 갖지 않는 백색 LED 어셈블리(실선) 및 그러한 필터층을 갖는 백색 LED 어셈블리(점선)의 균일한 컬러 공간(CIE 1976)에서의 법선 방출의 컬러 좌표들에 대한 컬러 좌표들의 기하학적 거리가 방출되는 광선들의 방출 각도에 의존하는 것을 나타낸 것이다. 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 필터층(14)을 이용하면, 광선들의 방출 각도에 독립적으로, LED 어셈블리의 방출된 광선들의 거의 일정한 컬러를 획득하는 것이 가능하다.
도 4는 본 발명에 따른 발광 다이오드 어셈블리의 제2 실시예의 개략도를 도시한 것이다. 본 실시예에서, 필터층(14)은 LED 다이(10)와 인광체 층(12) 사이에 배치된다.
도 5는 본 발명에 따른 발광 다이오드 어셈블리의 제3 실시예의 개략도를 도시한 것인데, LED 어셈블리는 제1 인광체 층(12) 및 제2 인광체 층(20)을 포함한다. 필터층(14)은 제1 인광체 층(12)과 제2 인광체 층(20) 사이에 배치되는데, 제1 인광체 층(12)은 LED 다이(10)의 상단에 위치된다.
도면들 및 상기의 설명에서 본 발명이 상세하게 도시되고 설명되었지만, 그러한 도시 및 설명은 제한적인 것이 아니라, 실례적 또는 예시적인 것으로 고려되어야 하고, 본 발명은 개시된 실시예들로 제한되지 않는다.
본 기술 분야에 지식을 가진 자들은, 도면들, 명세서 및 첨부된 청구항들을 숙지함으로써, 청구되는 발명을 실시하는 데에 있어서 개시된 실시예들에 대한 다른 변형들을 이해하고 실시할 수 있다. 청구항들에서, "포함한다"는 용어는 다른 요소들 또는 단계들을 배제하는 것이 아니며, 부정관사 "a" 또는 "an"은 복수를 배제하는 것이 아니다. 소정의 수단들이 상이한 종속항들에서 인용되었다는 사실만으로, 그러한 수단들의 조합이 유리하게 이용될 수 없다는 것을 의미하지 않는다. 청구항들에서의 어떠한 참조 번호도 범위를 제한하는 것으로서 해석되어서는 안 된다.

Claims (14)

  1. LED 어셈블리로서,
    LED 다이(10),
    인광체 층(12), 및
    필터층(14)
    을 포함하고,
    상기 필터층(14)은 400㎚ 내지 500㎚의 파장을 갖는 광선들이 상기 LED 다이(10)로부터 방출되는 방식으로 배치되고, 상기 필터 상의 법선에 대해 0°내지 40°사이에서 방출된 상기 광선들은 10% 내지 50%가 상기 필터에 의해 반사되고, 40°보다 큰 각도로 방출된 상기 광선들은 완전히 투과되고,
    상기 필터층(14)은 저굴절률 재료들과 고굴절률 재료들이 교대로 있는 유전체 층 코팅을 포함하고, 상기 필터층(14)은 750㎚ 내지 950㎚의 총 두께를 갖고, 상기 고굴절률 재료들의 층들은 5㎚ 내지 70㎚의 두께 내에서 변화하고, 상기 저굴절률 재료들의 층들은 20㎚ 내지 300㎚의 두께 내에서 변화하는 LED 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필터층(14)은 상기 필터층(14) 상의 법선에 대하여 0° 내지 30°의 방출 각도를 갖는 광선들을 반사시키는 LED 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 필터 상의 법선에 대해 0°내지 40°사이에서 방출된 상기 광선들의 15％ 내지 30％가 반사되는 LED 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유전체층 코팅의 상기 재료들은 400㎚와 800㎚ 사이의 파장에 대해 투명하고, 상기 고굴절률 재료들의 굴절률은 1.6 내지 3의 범위 내이고, 상기 저굴절률 재료들의 굴절률은 1.2 내지 1.8의 범위 내인 LED 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고굴절률 재료들의 9개의 층과 상기 저굴절률 재료들의 9개의 층이 제공되는 LED 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 필터층(14)은 상기 LED 다이(10)와 상기 인광체 층(12) 사이에 배치되는 LED 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인광체 층(12)은 상기 LED 다이(10)의 상단에 배치되고, 상기 필터층(14)은 상기 인광체 층(12)의 상단에 배치되는 LED 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 LED 어셈블리는 제1 인광체 층(12) 및 제2 인광체 층(20)을 포함하고, 상기 필터층(14)은 상기 제1 인광체 층(12)과 상기 제2 인광체 층(18) 사이에 배치되는 LED 어셈블리.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 인광체 층(12)은 투명한 매트릭스 재료 내에 삽입된 인광체 파우더 및/또는 루미라믹 판(Lumiramic plate)을 포함하는 LED 어셈블리.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 필터층(14)에 대한 기판으로서 투명한 유리판이 제공되는 LED 어셈블리.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 인광체 층(12)은 80㎛ 내지 150㎛의 두께를 갖는 LED 어셈블리.
  12. 삭제
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