KR101876757B1 - 단결정 인광체를 구비한 백색 발광 다이오드 및 제조 방법 - Google Patents

단결정 인광체를 구비한 백색 발광 다이오드 및 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따라, InGaN, GaN 또는 AlGaN 군으로부터 선택된 칩 위에 배치되는 단결정 인광체를 구비한 다이오드는 Lu3 +, Y3+ 및 Al3 + 원자가 B3+, Gd3 + 또는 Ga3 + 원자를 갖는 99.9%의 양까지 마스터 내에서 배치될 수 있을 때 단결정 인광체(21)가 단결정질 잉곳(51)로부터 생성되고 LuYAG 및/또는 YAP 및/또는 GGAG 마스터에 의해 생성되고, Ce3 +, Ti3 +, Cr3 +, Eu2 +, Sm2 +, B3+, C, Gd3 + 또는 Ga3 + 군으로부터 선택된 원자로 도핑되고, Czochralski, HEM, Badgasarov, Kyropoulos 또는 EFG 군으로부터 선택된 방법으로 용융물로부터 성장된다. 인광체(21)의 조성 및 제조 방법, 전체 다이오드의 구성 및 표면의 형상 및 처리가 조사되는 대상물을 향하여 다이오드 자체의 InGaN 칩(13)으로부터 방향으로 변환된 광의 추출을 보장하고 단결정 인광체(21) 및 봉합재(31) 또는 단결정 인광체(21) 및 주변 환경(44)의 인터페이스 상의 총 반사 효과를 제한한다.

Description

단결정 인광체를 구비한 백색 발광 다이오드 및 제조 방법{WHITE LIGHT EMITTING DIODE WITH SINGLE CRYSTAL PHOSPHOR AND THE MANNER OF PRODUCTION}
본 발명은 광을 변환시키기 위한 인광체 기술을 이용할 때 0.5 W 초과의 전력 및 40 lm 초과의 광속(luminous flux)을 갖는 효과적인 백색 발광 다이오드에 관한 것이다. 더욱이, 본 발명은 단결정 인광체, 이의 조성 및 형상, 이의 제조 기술 및 다이오드 구성 배열의 최적화를 포함한다.
표준 백색 발광 다이오드(또한 단지 "W-LED"로서)의 구조는 백색 광을 직접 발광하는 것을 허용하지 않고 색상 스펙트럼의 청색(최대 450 내지 470 nm) 및 황색(최대 550 nm) 또는 가능하게는 적색 성분으로 구성하는 것을 기초로 한다(특허 제 EP0936682호 및 제 US6600175호). 가장 통상적인 배열에서, 이는 양자 구멍(quantum hole)을 구비한 InGaN 칩을 구비한 구조여서, 칩의 양자 효율이 더 긴 파장을 향하여 감소할 때 455 내지 470 nm의 방사 피크(emission peak)를 갖는 청색 광을 발광하며 칩 내에 InN의 증가하는 부분을 구비한다. 황색 성분은 "인광체phosphor)"로 지칭되는 형광 재료의 도움으로 칩에 의해 방사된 청색 광의 부분적 하향 변환(downconversion)으로 얻어진다. 이의 두드러진 특성에 관하여, 인광체로서 대부분의 용도에서 사용된 것은 (Y1- aGda)3(Al1 - bGab)5O12:Ce3 +, 여기서 0<a<1, 0<b<1, - 세륨으로 또는 가능하게는 갈륨 또는 가돌리늄(또한 단지 YAG:Ce로서)으로 도핑된 이트륨-알루미늄 석류석이다. 이러한 재료에 흡수된 청색 광 광자는 낮은 에너지 및 55 nm에서의 방사 피크로 광자 내로의 스토크스 이동(Stokes shift)에 의한 100% 효율까지 변환된다(특허 제 EP 0936682호). 변환된 청색 광자의 양은 재료 내의 Ce3+ 원자 농도에 직접 비례한다.
이러한 인광체 모두는 최고 수십의 마이크로미터의 수백의 나노미터의 입자 크기를 갖는 분말 또는 다결정 세라믹의 층의 형태로 다이오드 위에 도포된다(제 US/8133461호, 제 WO2008/051486A1호). 인광체는 InGaN 칩 위에 직접 얇은 층으로 배치되거나 칩 위에 에폭시 또는 실리콘 옵틱스(optics)에 분산될 수 있다. 결과적인 광의 색상 균질성을 보존하도록 칩으로부터 청색의 광 각도에 따라 인광체의 균일한 분포가 최고로 중요하다.
광 변환 인광체를 배치할 때 인광체의 균일한 분포를 유지하는 것이 필수적이어서 광의 색상 온도는 광의 각도에 종속되지 않아야 한다. 그러나, 모든 설명된 케이스에서, 통상적으로 사용된 분말 인광체는 후방 산란, 온도 소멸 및 열 열화와 같은 다양한 단점들을 겪는다.
500 nm를 초과하는 크기의 인광체 입자 상의 광의 후방 산란의 현상은 원하는 방향으로의 광 세기에서의 상당한 감소를 유발한다. 광 파장보다 더 작은 크기를 가진 인광체 입자 상의 광의 레일리 산란(Rayleigh scattering)은 다양한 방향들로의 광자의 편향 및 또한 칩을 향하여 원하지 않는 방향으로의 후퇴를 초래한다. 이러한 산란 중심의 개수가 많은 경우, 후방 산란된 광의 세기는 무시가능하지 않고 총 세기의 수십 퍼센트에 있을 수 있다. 후속적으로, 후방 산란 광은 다이오드의 개별 부분들에 흡수되고 이의 추가 워밍-업에 기여한다. 이러한 현상은 입자 크기를 입자들을 개별 광자에 대해 가시적으로 만드는 파장보다 더 작은 크기로 감소시킴으로써 감소될 수 있으며 광은 입자를 더 용이하게 관통하여 관통할 수 있다. 그러나, 분말의 감소하는 크기가 개별 입자의 표면 상의 결함에 대한 영향의 증가에 의해 인광체의 변환 효율에서의 저하를 초래한다.
표준 다이오드의 중요한 문제는 작동 도중에 칩 및 인광체의 워밍-업이다. 상기 열은 InGaN 칩 자체에 의해 발생되며, 이의 효율은 대략 30%이고 이는 스토크스 이동 동안 더 긴 파장들을 향하는 광의 변환 동안 인광체에서 또한 비롯한다. 인광체는 최고 200°C의 온도에 국부적으로 노출될 수 있고 이는 인광체의 발광 효율(흡수된 청색과 방사된 황색 양자의 비율)에서의 감소를 초래하며, 이는 인광체의 온도 소멸(temperature extinction)라 칭한다. 상기 소멸은 대부분 가장 작은 크기의 입자들의 인광체를 가지고 보여준다. 입자들의 내부 부분은 단결정질이지만 입자들의 표면 상에 많은 개수의 결함들 및 격자 구조의 관련된 표면 결함들이 있어 둘다 재료의 자연적 특성으로부터 그리고 가공으로부터 초래한다. 이러한 결함들은 인광체의 변환 효율을 상당히 감소시키는 비-발광 재조합 중심으로서 기능한다. 인광체 소멸은 YAG 마스터에서 0.5wt%의 Ce3+를 초과하는 농도를 보여준다. Ce3+의 더 큰 농도는 동일한 시간에 분말 인광체의 용적을 감소시키기 위해 그리고 후방 산란 효과를 감소시키기 위해 사용된다.
동일하게는, 증가된 온도는 다이오드의 개별 부분의 열적 열화를 상당히 증가시킨다. 실리콘 중합체, 가장 통상적으로 사용된 봉합재 및 효과적인 W-LED의 렌즈 재료가 비교적 안정적이다. 이에 불구하고, 열적 영향은 봉합재 재료 분해 및 인광체 및 봉합재의 미세결정질 입자의 경계상의 광학적 활성 결함들의 생성을 유발한다. 이러한 결함은 총 방사된 파워 및 추가의 다이오드 워밍-업의 감소에 기여한다.
열의 발생과 연관된 상기 문제점을 해결하는 하나의 방식은 인광체 분말의 변환 재료가 더 큰 표면 상으로 분산되고 InGaN 칩과의 직접 접촉 외부에 위치될 때 "원격 인광체(remote phosphor)" (제 WO2010/143086A1호; 제 EP2202444호; 제 WO2012/092175A1호; 제 WO2009/134433A3호)라 칭하는 것이다. 예를 들면, 칩에 의해 방사된 청색 광선에 위치된 광학적 투과 플레이트 상으로 얇은 층에 증착되거나 청색 광의 적어도 일부 부분이 더 긴 파장들을 향하여 변환되도록 외부 램프 덮개의 내부 벽 상에 위치된다.
분말 및 다결정질 세라믹 재료의 주요 단점에 대한 해법은 투명한 단결정 인광체(single crystal phosphor)의 사용이다. 단결정 층은 또한 다결정질 인광체에 비해 광의 산란을 상당히 감소시키고 원하지 않는 후방 산란의 효과를 제거한다. CREE 회사의 특허(제 WO2009/126272호)는 InGaN 칩 상에서 직접 및 InGaN 칩 위에 후속적으로 전달되는 기판 상에 Y3Al5O12:Ce3+, Tb3-xRExO12:Ce3+ 또는 Sr2-x-yBaxCaySiO4의 단결정질 층(monocrystalline layer):에피택셜 방법에 의해 또는 용융물로부터 회전하는 결정체를 추출하는 방법에 의해 준비된 Eu 인광체의 사용을 설명한다. (제 WO2009/126272호) 특허의 경우, 단결정 인광체는 항상 칩과 강성으로 연결되어 칩으로부터 발생된 광의 향상된 아웃커플링(outcoupling)이 달성되며, 굴절률이 2.4를 초과한다. 굴절률 최소 1.7을 구비한 단결정질 인광체 내로 직접 광 변화(light transition)의 경우 1.4 내지 1.6의 굴절률을 가지는 통상적으로 사용된 봉합재가 가진 것보다 칩으로부터 더 많은 광을 얻는 것이 가능하다.
그러나, 액상 에피택시(Liquid Phase Epitaxy; LPE) 방법에 의해 준비된 에피택셜 층의 두께는 수십의 마이크로미터로 그리고 칩으로부터 충분한 광 흡수를 얻기 위하여 제한되고 층은 Ce3 +로 강하게 도핑되어야 한다. 세륨 원자 크기에 의해, 높은 도핑제 농도는 결과적인 층의 발광 효율을 감소시키는 증가된 결함 개수를 초래한다. (제 WO2009/126272호) 특허는 결과적인 백색 다이오드의 향상된 연색성(colour rendition)이 더 폭 넓은 색상 스펙트럼 방사에 의해 달성되도록 InGaN 칩 자체 위의 일부 영역들 내의 수 개의 다양한 도핑제로 인광체의 도핑 가능성을 또한 설명한다.
특허 (제 WO2009/126272호)는 인광체로서 0.5 내지 1 mm 두께 및 6 mm 직경의 원형 단결정질 플레이트의 이용을 특정화한다. 인광체 표면은 절단되거나 직조화되거나 평면화될 수 있다. 특허 (제 WO2009/126272호)에 따라, 공간적으로 더 균일한 연색성을 달성하도록, 이물질이 인광체 자체 또는 봉합재에 부가되어 산란 중심으로서 기능화하지만 사용 가능한 재료의 유형은 임의의 단일 예에서 특정화되지 않는다. 단결정 인광체는 항상 칩을 적어도 부분적으로 덮고 광의 일 부분은 이를 통하여 변환된다.
더욱이, 이 특허 (제 WO2009/126272호)는 InGaN을 기반으로 하는 반도체 구조물의 준비를 위한 자체-지지 기판으로서 YAG:Ce3+를 기반으로 하는 단결정의 사용을 언급하며, 이는 2.5의 굴절률로 반도체 칩 자체 내의 총 내부 반사에서의 감소를 초래하지만, 이는 양 재료들의 상이한 격자 상수에 의해 실제로 실현 가능하지 않다. 단결정 YAG에 대해 12.01
Figure 112017035118415-pct00001
및 GaN에 대해 5.185
Figure 112017035118415-pct00002
InN에 대해 최고 5.69
Figure 112017035118415-pct00003
인 재료들 모두의 격자 상수의 차이는 InGaN 칩 내의 내부 결함 및 전위의 대량 생성 및 작동 특성 및 안정성의 상당한 열화를 초래할 것이다.
상기 특허는 단결정 인광체를 기반으로 하는 높은-변환 구조물의 적용을 해결하기 위한 시도를 하며, 이는 이의 분말 변형보다 향상된 특성을 보여주며 인광체와 조립하는 칩의 배열을 다룬다.
설명된 특허 (제 US2008/0283864호)에서, Czochralski 또는 Bridgeman 방법에 의한 용융물로부터 제조된 Y3Al5O12, CaxSryMg1-x-yAlSiN3, Sr2-xBaxSiO4SiAlON, Y2O2S 또는 La2O2S의를 기반으로 하는 재료로부터 단결정 인광체는 실리콘 접착제 층으로 칩 상으로 고정되는 평면 표면을 구비한 광-변환 구조물의 형태로 사용된다. 이러한 특허에 따라, 10 nm 내지 200 ㎛의 두께를 구비한 단결정 인광체는 0.1 내지 20%의 범위로 도핑된 셀륨 또는 0.5 내지 20%의 유로퓸으로 달성한다.
이에 따라 칩이 인광체와 공간적으로 조립될 수 있도록 인광체 형상 및 크기를 조정하는 것이 제안되며 인광체 표면은 총 굴절 현상을 줄이기 위하여 직조화되고 거칠게 되거나 상이하게 성형될 수 있다. 단결정 인광체는 칩으로부터 광의 향상된 아웃커플링을 위한 하나 또는 둘 이상의 광학 요소로 또한 보완될 수 있다.
또한 이러한 특허에 따라, 연마된 단결정 인광체는 반도체 칩 제조를 위해 기판으로서 이용될 수 있다. 이는 또한 얇은 층 준비의 방법에 의해 반도체 칩 자체 상의 단결정 인광체 층의 준비 및 반도체 칩이 단결정 인광체의 연마 층 상에 고전적 방법으로 성장함으로써 준비되는 반대 절차를 포함한다. 그럼에도 불구하고, 설명된 케이스 둘다에서, 문제점은 재료 격자 상수의 상이한 값이어서, 성장 공정 동안 전위와 같은 내부 결함의 생성이 초래된다.
본 발명에 따라, InGaN, GaN 또는 AlGaN으로부터 선택된 칩 위에 위치된 단결정 인광체를 구비한 백색 발광 다이오드는 Czochralski, HEM, Badgasarov, Kyropoulos 또는 EFG 군으로부터 선택된 방법을 사용하여 용융물로부터 성장된 Ce3+, Ti3+, Cr3+, Eu2+, Sm2+, B3+, C, Gd3+ 또는 Ga3+ 군으로부터 선택된 원자로 도핑된 화학식 LuYAG /(Lu,Y)3Al5O12/ 또는 YAP /YAlO3/ 및/또는 GGAG /Gd3(Al,Ga)5O12/ 마스터를 기반으로 하는 단결정 잉곳951)으로부터 생성된다는 사실을 포함한다.
단결정 인광체는 Ce3+, Ti3+, Cr3+, Eu2+, Sm2+, B3+로 도핑된 (LuX,Y1-X)3Al5O12 또는 YAlO3를 기반으로 하는 마스터(master)를 포함하고, 여기서 X는 0.01 내지 0.99이며, 여기서 Lu3+, Y3+ 및 Al3+ 원자는 마스터에서 0.01 내지 99.9 wt%의 양의 B3+, Gd3+ 또는 Ga3+ 원자로 대체된다.
단결정 인광체 내의 Ce3+의 농도는 0.02 내지 0.5 wt % 의 범위이고 및/또는 Sm2+의 농도는 0.01 내지 3 wt %의 범위이고 및/또는 Eu2+의 범위는 0.001 내지 1 wt %의 범위이고 및/또는 Ti3+의 농도는 0.05 내지 5 wt %의 범위이고 및/또는 Cr3+의 농도는 0.01 내지 2 wt %의 범위이다.
단결정 인광체는 바람직하게는 410 nm 및 615 nm에서 방사 피크를 갖는 산소 간극 상의 유도된 색상 중심을 포함한다.
단결정 인광체에는 바람직하게는 희토류로 도핑된, (Lu,Y)3Al5O12, Y3Al5O12, YAlO3 또는 Al2O3 그룹으로부터의 알루미네이트를 기반으로 하는 최소 하나 이상의 보완 인광체의 층이 제공된다.
단결정 인광체는 바람직하게는 Ti3 + 0.1 내지 5 wt %의 농도를 갖는 YAlO3:Ti3 +로 구성되는 최소 하나 이상의 층을 구비하고 0.01 내지 0.5 wt %의 Ce3 +의 농도를 구비한 (Lu,Y)3Al5O12:Ce3 +로 이루어지는 최소 하나의 층으로 생성된다.
칩으로부터 회피된(averted) 인광체 표면은 다이오드 InGaN 칩 자체로부터 조명되는 대상을 향하는 방향으로 변환된 광의 추출을 보장하고, 따라서 단결정 인광체 및 봉합재 또는 단결정 인광체 및 외부 환경의 경계면 상에 총 반사 효과를 제한하도록 시도된다. 인광체 처리의 후속 방식 및 최종 백색 발광 다이오드 구조는 제한에 기여한다.
본 발명에 따른 단결정 다이오드 인광체 제조 방법은 더욱이 단결정질 잉곳이 다이아몬드-충전형 톱을 사용하여 0.2 내지 2 mm의 폭을 갖는 단결정질 슬랩으로 절단되고 후속적으로 이 슬랩은 다이아몬드 디스크 톱으로 또는 펄스 레이저, 연마재를 구비한 워터 제트 또는 이들의 조합으로 1 내지 5 mm의 외부 측면을 갖는 개별 단결정 인광체 플레이트들로 절단되고 금 또는 은 와이어와 접촉하는 전기 칩의 장소에 그루브 또는 컷-아웃이 제공된다.
단결정질 잉곳은 또한 1.5 내지 10 mm의 측면들을 갖는 단결정질 큐브들로 절단될 수 있다. 단결정질 큐브는 후속적으로 가공되어 0.5 내지 5 mm의 반경을 갖는 구형 캡들의 형상을 얻으며, 이는 이어서 반도체 칩 위에 적어도 부분적으로 위치된다.
칩으로부터 회피된 단결정 인광체의 구형 캡 또는 슬랩의 표면은 0.1 내지 5 마이크로미터의 입자 크기를 갖는 Al2O3, SiC, 다이아몬드로 샌드 블라스팅으로 지향된 스크래치로 거칠게 되거나 Ra = 0.8 내지 5 ㎛ 범위로 절단되거나 HF, H3PO4, H3PO4 +H2SO4 또는 HNO3 + HCl 산으로 화학적 및 기계적으로 처리되거나 NaOH, KOH, KHSO4 또는 붕사 용융물에서 에칭되거나 플루오르화물 또는 브롬화물로 플라즈마-에칭된다.
레이저, 연마제를 구비한 워터 제트 또는 기계적 마이크로-드릴링은 20 내지 40㎛의 직경을 가진 구멍들의 형상으로 단결정질 슬랩 산란 중심(scattering centre)에 형성되고, 이의 평균 거리는 50 내지 300 ㎛이고 이는 변환된 광에 대해 산란 중심으로서 기능한다.
칩으로부터 회피된 플레이트 또는 구형 캡의 형상의 단결정 인광체 표면이 연마되고 이어서 추출된 광의 방향으로 측면 상에 반사 방지 층이 제공된다.
분쇄된 단결정질 잉곳의 층은 바람직하게는 칩으로부터 회피된 플레이트 또는 구형 캡의 형상으로 단결정 인광체의 표면 상에 플라즈마 증착물이 구비되거나 실리콘 봉합재에 도포된다.
측면 단결정 인광체 플레이트 에지는 바람직하게는 45° 미만의 각도로 챔퍼 가공되고 측면으로 자연적으로 방사된 광에 대한 반사 표면으로서 기능한다.
칩에 더 가까운 구형 캡 또는 플레이트의 형태의 단결정 인광체의 내부 표면은 바람직하게는 Al2O3 또는 다이아몬드로 가공함으로써 연마되고 500 nm을 초과하는 파장에 대한 반사 층으로 처리되고 단결정 인광체 칩으로부터 회피된 표면은 거칠어지고 및/또는 플레이트의 형태에 있는 경우 산란 중심이 제공된다.
단결정 인광체가 전술된 구성을 가지며 전술된 절차들에 따라 제조되고 조정되고 플레이트 또는 구형 캡의 형상인 발광 다이오드가 투명한 실리콘으로 칩에 고정된다.
단결정 인광체는 바람직하게는 칩으로부터 물리적으로 분리되고 칩과 단결정 인광체 사이에 최소 1.5의 굴절률을 갖는 광 전도성 실리콘 층이 있으며 단결정 인광체는 인광체 자체로부터 제거된 발생 열의 철회를 최적화하기 위해 냉각기와 물리적으로 연결된다.
다이오드는 바람직하게는 최소 하나의 칩 및 최소의 하나의 단결정 인광체를 포함하고 칩 및 단결정 인광체는 동일하거나 상이하다.
다이오드는 또한 최소 2개의 칩 및 하나의 단결정 인광체를 포함할 수 있다.
다이오드는 최소 2개의 칩을 포함할 수 있고, 이때, 최소 하나의 칩은 본 발명에 따라 단결정 인광체로 조립되고 최소 하나의 칩이 600 내지 700 nm의 피크를 가진 광을 방사한다.
(Lu,Y)3Al5O12:Ce (LuYAG:Ce)를 기반으로 하는 단결정 인광체는 Y 및 Lu 원자 비율에 따라 460 nm이고 이러한 영역에서 방사하는 InGaN 칩에 더 적합한 YAG:Ce 재료에 비해 최고 445 nm로 이동된 주 흡수 피크를 갖는다(도 1(A-1) 참조). Lu 및 Y 원자 비율에 따라, 535 내지 555 nm의 영역에서 인광체의 방사 최대치를 변경하는 것이 가능하여, CRI 값이 최대화된다. 이와 같이 함으로써, 인광체의 변환 효율은 전혀 변경되지 않는다.
현 특허로 특허된 YAG:Ce 재료와 비교하여, 녹색 광을 방사하는 LuYAG:Ce를 기반으로 하는 인광체의 이용은 전체 가시 스펙트럼의 더 향상된 범위를 초래하고 적색 광을 위한 다른 인광체 또는 600 초과 영역에서 다른 적색 광원과 조합할 때 95를 초과하는 연색성 지수 값을 초래한다. 재료는 또한 높은 열 발광 안정성 및 최고 700 K 온도의 온도 소멸에 대한 저항을 보여준다.
Gd3(Al,Ga)5O12:Ce (GGAG:Ce)를 기반으로 하는 단결정 인광체는 약 440 nm 영역까지 이동된 주 흡수 최대치를 가지며, 이 덕분에 450 nm 미만의 방사 피크를 갖는 대응하는 InGaN 칩과 조합될 수 있고, 이에 대해 YAG:Ce 재료는 충분한 흡수를 갖지 않는다. 이 같은 InGaN 칩은 또한 460 nm 까지 방사하는 칩보다 관통 유동의 더 넓은 범위에서 더 안정적이고 더 높은 양자 효율을 보여준다. Gd3(Al,Ga)5O12:Ce를 기반으로 하는 단결정 인광체에 의해 방사된 광 스펙트럼은 YAG:Ce를 기반으로 하는 인광체와 동일하다. 적색 구역에서 방사하는 다이오드 또는 적색 보완 인광체와의 조합에서, 90 보다 향상된 연색성 지수(CRI)을 갖는 광을 얻는 것이 가능하다. YAG 재료와 비교될 때, GGAG 경도가 경도의 Moh 스케일에서 7.5이고 단일 결정 YAG의 경우 이는 8.5이므로 GGAG를 기반으로 하는 단일 결정은 또한 더 용이하게 가공 가능하게 되는 장점을 갖는다.
YAlO3(YAP) 마스터를 기반으로 하는 단결정 인광체는 페로브스카이트 상(perovskite phase)이 가넷 상(garnet phase)에 비해 덜 바람직하고 분말 형태의 순수 페로브스카이트 상의 준비가 사실상 불가능하기 때문에 분말 형태로 효율적으로 제조될 수 없는 완전히 새로운 인광체 종류를 얻는 것이 가능하게 된다. 그러나, 융용물로부터 재료를 준비할 때, 성장을 위한 상태는 결과적인 단일 결정이 페로브스카이트 상 만으로 구성되는 방식으로 설정될 수 있다. YAP 기반 인광체는 YAG에 비해 YAP의 이동된 격자 매개변수들이 심지어 수 백 nm에 대해 대부분의 도펀트의 흡수 및 방사를 이동시킬 때 형광 재료를 기재로 하는 YAG와 유사한 효율을 전달하며, 예를 들면, YAP:Ce는 555 nm 피크를 갖는 YAG:Ce에 비해 370 nm 피크를 갖는 광을 방사한다. YAP:Ti 재료는 410 내지 500 nm의 영역에서 흡수 및 580 nm 근처의 방사 피크를 갖는 오랜지 색상 스펙트럼으로 방사한다.
단결정 인광체 분말 버전들에 비해 인광체 용적과 표면 사이의 상당히 더 작은 비율은 인광체와 봉합재 인터페이스의 상당히 더 높은 저항에 또한 기여한다.
본 발명에 따른 단결정 인광체 제조의 방법은 단결정 인광체 및 실리콘 중합체/에폭시 옵틱스들 또는 내부 환경의 인터페이스 상에 대한 총 반사 영향을 제한함으로써 달성되는 인광체로부터 추출되는 광의 총 추출 세기를 증가시킨다.
총 반사 영향을 제한하고 바람직한 방향으로 추출 세기를 증가시키는 것은 수 개의 방식으로 수행될 수 있다. 옵션들 중 하나는 추출된 광 파장에 최소로 대응하는 크기의 표면 비균일도를 포함하도록 칩으로부터 회피된 단결정 인광체 표면의 처리이다. 황색 광 파장보다 상당히 더 작은 크기의 결함은 광파 특성의 영향에 의해 이러한 광에 대해 거의 비가시적으로 남아 있으며 단지 레일리 산란 만이 발생한다.
다른 옵션은 형성된 단결정질 재료 부재의 형태로 재료에 산란 중심을 유도하고 단결정 인광체 내부의 총 반사 양을 상당히 감소시키는 관통 빔들의 방향을 무작위로 변경시키는 것이다. 산란 중심(22)은 예를 들면 EFG 방법으로 단결정 성장 페이즈 동안, 또는 단결정 가공 동안 준비된 거품 또는 재료 내부의 다른 형성된 재료 구조로 생성될 수 있다. 단결정 인광체는 또한 하나 또는 수 개의 반도체 칩 위로 자체적인 옵틱스로서 기능할 수 있다. 예를 들면, 도 2(A-2)에서는 광을 균일하게 만들기 위하여 다른 실리콘, 에폭시 또는 미러 옵틱스(mirror optics; 31)에 대한 요구가 없다. 이는 구형 캡의 형상으로 칩(23.1)으로부터 회피된 인광체 측면을 가짐으로써 달성되어 변환된 광은 인광체 및 주변 환경 인터페이스 상에 가능한 수직 라인 근처에 충돌하고 총 반사 효과(43.2)에 의해 인광체 내에 포획된 광을 희생하여 총 추출 성능을 증가시킨다.
지금까지 특허된 절차와 비교하면, 단결정 인광체로서 사용된 재료는 표준 다이오드에 비해 최고 5% 더 높은 발광 효율(lm/W)을 갖는 다이오드를 얻는 것을 가능하게 하는 심지어 460 nm 미만의 방사 피크를 갖는 InGaN 칩의 유효한 사용을 가능하게 하는 재료이고 또한 450 nm 미만의 가시광 영역을 커버한다. 인광체는 또한 전체 장치의 구성을 단순화하는 유효한 백색 광 방사 다이오드의 옵틱스 자체로서 사용된다. 칩으로부터 회피된 최적화된 외부 인광체 표면을 갖는 단결정 인광체는 또한 지금까지 이용된 해법들 모두에 비해 상당히 더 높은 외부 발광 효율, 인광체에 의해 흡수된 광 및 인광체로부터의 추출된 광의 더 높은 비율을 전달한다. 인광체 재료 자체의 이 같은 집중적인 열적 열화 또는 인광체 및 실린콘 렌즈 인터페이스의 열화가 발생하지 않기 때문에 실시간 다이오드 내구성을 연장하는 칩 및 인광체 워밍 업을 유발하는 리버스 광 반사가 또한 상당히 감소한다.
도 1(A-1) 노말라이징된 YAG:Ce, LuAG:Ce 및 GGAG:Ce 재료 흡수 스펙트럼
도 2(A-2) 단결정 인광체를 구비한 발광 다이오드
도 3(B-1) 단결정 인광체 구형 캡 제조 절차
도 4(B-2) 접촉 개구를 구비한 구형 캡의 형상의 단결정 인광체를 구비한 발광 다이오드
도 5(B-3a) 단결정 인광체 플레이트 제조 절차
도 6(B-3b) 칩 접촉을 위한 개구를 구비한 단결정 인광체 플레이트
도 7(B-3c) 지지 포일 상의 단결정 인광체 플레이트 레이아웃
도 8(B-3d) 지지 포일 상의 단결정 인광체 플레이트 레이아웃
도 9(B-3e) 지지 포일 상의 단결정 인광체 플레이트 레이아웃
도 10(B-3f) 플레이트 형태의 단결정 인광체를 구비한 발광 다이오드
도 11(B-7a) 구멍 형태의 산란 중심을 구비한 단결정 인광체
도 12(B-7b) 구멍 형태의 유도된 산란 중심을 구비한 단결정 인광체를 구비한 발광 다이오드
도 13(B-8a) 분리되고 냉각된 단결정 인광체 및 반사 방지 층을 구비한 발광 다이오드
도 14(B-8b) 더 많은 칩 및 분리되고 냉각된 단결정 인광체 및 반사 방지 층을 구비한 발광 다이오드
도 15(B-9) 더 많은 칩 및 구형 캡의 형태의 분리된 단결정 인광체를 구비한 발광 다이오드
도 16(B-10) 구형 캡 형태의 분리된 단결정 인광체를 구비한 발광 다이오드
도 17(B-12a) 구형 캡 형태의 더 많은 인광체의 조합체를 구비한 발광 다이오드
도 18(B-12b) 플레이트 형태의 더 많은 인광체의 조합체를 구비한 발광 다이오드
도 19(B-13) 더 많은 칩 위에 플레이트 형태의 단결정 인광체를 구비한 발광 다이오드
도 20(B-14) 단결정 인광체를 구비하고 더 많은 층으로 이루어지는 발광 다이오드
예 1- 하프-볼(half-ball)의 제조 (도 3(B - 1 도표))
단결정 인광체(single crystal phosphor; 21)의 제조를 위한 단결정질 잉곳(monocrystalline ingot; 51)의 준비를 위한 용융물은 1 wt %의 산화 세륨 CeO2를 구비한 결과적인 단결정질 잉곳(51)(Lu0,6Y0,4)3Al5O12의 화학양론적 조성에 있다. 용융물 내의 CeO2 농도 및 성장하는 단결정질 잉곳(51)과 관련하여, 분배 계수는 10 대 1이다. Ce3 + 도펀트 농도는 이때 용융물 내의 현 Ce3 + 농도의 단지 10%이다. 이러한 현상은 단결정질 잉곳(51)의 단부를 향하여 증가하는 Ce3 + 농도에 의해 자체적으로 분명해지며 단결정질 잉곳에서 종래의 Czochralski 방법의 경우, 이의 초기에 비해 두 배가 될 수 있고 동일하게는 미시적 및 거시적 결함의 농도는 결정 단부를 향하여 증가한다. 결과적인 다이오드의 연색성을 유지하기 위하여, 단결정 인광체의 결과적인 형상 또는 크기는 조정되어야 할 것이다. 제 WO2012110009호에 따른 방법에 의해 준비된 단결정질 잉곳(51)의 경우, 잉곳은 18 kg의 초기 중을 갖는 용융물로부터 4.7 kg의 중량을 가지고 (111) 배향으로 준비되었던 반면, 이 경우 Ce3 + 농도 편차는 단결정질 잉곳(51)에서 무시 가능하였다.
단결정질 잉곳(51)은 후속적으로 다이아몬드 디스크 톱으로 3 mm 에지를 갖는 단결정질 큐브(monocrystalline cube; 53)로 절단되었다. 이어서 단결정질 큐브들은 점차적으로 정밀한 돌 가공을 위해 그라인딩 밀에서 1.7 mm의 직경을 갖는 구형 형상으로 절단되었다. 구형 캡(21.2)의 방사 표면(23.1)은 거칠기 Ra=1 ㎛을 얻기 위하여 제조 동안 가공되었다. 이는 모든 방향들로 균일한 광 추출을 달성한다. 1.7 mm 직경 볼은 가공을 위한 홀더 상으로 왁스로 집단으로 교결되었다. 후속적으로 볼은 재료의 1/2이 제거될 때까지 일 측으로부터 점차적으로 절단되었다. 구형 캡(21.2)의 비-활성 표면(23.2)은 다이어몬드 서스펜션(diamond suspension)으로 연마되었다. 연마된 구형 캡(21.2)을 구비한 홀더는 증기 장치(steaming apparatus) 내로 운반되었고 구형 캡(21.2)의 비-활성 표면(23.2)에는 후속적으로 4 마이크로미터의 총 두께를 구비한 SiO2-TiO2의 6개의 얇은 층으로 이루어지는 반사 광학 층(33)이 제공되었다. 개별 구형 캡(21.2)이 후속적으로 열 욕조 내에서 홀더로부터 교결 해제되었다. 제조 절차는 도 3(B-1)에서의 공정을 따랐다.
예 2- 하프-볼의 적용(도 4(B-2))
키로플러스(Kyropoulos) 방법으로 준비된 단결정질 잉곳(51)으로부터 제조된, Gd3(Al0,4,Ga0,6)5O12:Ce3+ 조성의 단결정 인광체(21)는 예 1에 따라 결정 가공 기술을 사용하여 1.4 mm의 직경을 갖는 구형 캡(21.2) 형상으로 기계식으로 가공되었다. 구형 캡(21.2) 형상의 단결정 인광체(21)의 방사 표면(23.1)은 Ra=0.7의 중간 거칠기 값으로 가공되었다. 단결정 인광체(21)는 칩(13)으로부터 단결정 인광체(21)를 향하여 광의 광학적 아웃커플링(optical outcoupling)을 증가시키고 칩(13)의 전체 표면을 덮기 위하여 최소 1.5의 굴절률을 구비한 투명한 실리콘 중합체(31)를 구비한 InGaN 칩(13)에 고정되었다(도 4(B-2)). 컷아웃(cut-out)이 InGaN 칩(13)의 캐소드(16) 및 아노드(17)와 접촉하는 위치에 구형 캡(21.2) 내에 레이저에 의해 생성되었다. 인광체(23.2)의 비-활성 표면은 연마되고 500 nm를 초과하는 파장을 위한 SiO2-TiO2를 기반으로 하는 반사 층(33)이 제공되었다. 단결정 인광체(21)로부터 추출된 인광체 광(43.1)은 자체적으로 칩(13)으로부터 방향으로 180°의 각도로 방향성이 균일하게 제한되었다. 백색 발광 다이오드(10)의 전체의 상술된 조립체가 알루미늄 냉각기(14) 상에 위치되었다. 구형 캡(21.1)의 형상으로 단결정 인광체(21)를 구비한 백색 발광 다이오드(10)는 광 각도에 무관한 결과적인 광의 우수한 색상 균일도를 보여준다. 결과적인 다이오드는 CRI 값 = 80.5 및 색 온도 CT = 6230 K를 구비한 백색의 느낌을 준다.
예 3 - 플레이트의 제조(도 5(B-3a))
단결정질 잉곳(51)은 제 WO2012110009호의 방법에 따라 그리고 (Lu0,5,Y0,5)3Al5O12 마스터 및 0.1 wt % Ce3+ 농도 도핑을 갖는 예 1에 따라 준비되었다. 사용된 기본 재료는 화학양론적 비율에서 그리고 최소 99.995%이 순도를 갖는 Al2O3 및 Lu2O3 및 Y2O3이었으며, 도핑은 1 wt %의 용적 및 순도 99.999%를 갖는 CeO2 산화 세륨이 삽입되었다. Y3Al5O12:Ce3+ 재료로부터 준비된 단결정질 잉곳(51)은 다이아몬드 디스크 톱으로 이의 결정 시작부 및 단부를 가졌다. 후속적으로, 110 nm의 균일한 직경을 얻도록 이의 주변 둘레가 라운드(round)형이 되었다. 라운드형 단결정질 잉곳(51)은 에폭시를 구비한 패드에 고정되었고 와이어 톱의 공간 내에 위치된다. 이 잉곳은 다이아몬드 입자 와이어 톱으로 0.15 mm의 두께를 구비한 슬랩으로 절단되었다. 개별 슬랩은 후속적으로 시멘트의 퇴적물, 냉각 액체 및 연마재를 제거하기 위해 HNO3 및 HCl 산성 혼합물에서 후속적으로 비등되었다.
단결정 슬랩(52)은 내부 결함의 존재를 검출하도록 십자 편광자(crossed polarizer)에서 및 UV 방전 램프 하에서 검사되고 체크되었다. 도펀트 내용물은 무작위로 선택된 슬랩에서 방사 스펙트럼을 측정함으로써 체크되었다. 도 11(B-7a)에 따라 B1=150 ㎛ 및 B2=200 ㎛의 크기를 가진 구멍(hole)은 펄스 레이저에 의해 단결정질 슬랩(52) 내로 드릴 가공되어, 인광체를 위치시킨 후, InGaN 칩(13) 자체는 골든 와이어(18)와 위로부터 접촉될 수 있다. 단결정질 슬랩은 후속적으로 프레임에서 신장되는 UV-민감성 접착제를 구비한 지지 포일(54) 상으로 배치되어서, 자동 기계의 "픽-앤-플레이스(pick-and-place)" 공급기에 위치 설정을 보장한다. 이어서 슬랩(52)은 Nd:YAG 레이저로 칩 크기(A1= 1.1 mm 및 A2 = 1.1 mm)에 의해 규정된 측면을 구비한 플레이트들로 절단되었다(도 6(B-3b)). 구멍 및 플레이트(21.1)의 크기는 변화될 수 있으며, 지지 포일(54) 상의 플레이트(21. 1)의 배열만이 이의 접촉 방식 및 칩(13)의 크기에 종속한다. 배열은 코너에서 접촉된 칩(13)의 경우 도 7(B-3c)에 따르거나 칩(13)의 상이한 장소에서 접촉된 칩(13)의 경우 도 8(B-3d) 또는 도 9(B-3e)에 따른다. 이러한 컷아웃의 임의의 조합 및 개수 뿐만 아니라 개별 플레이트(21.2)들의 배향은 기술적으로 동일하다. 개별 플레이트(21.2)들은 연마재의 열화가 유발되는 UV 광으로 조사될 때까지 지지 포일(54) 상으로 단단히 고정되어 유지된다. 플레이트(21.2)들을 구비한 프레임은 이어서 진공 또는 기계식 조종기를 구비한 홀더 내로 배치되었고 개별 슬랩(21.2)들은 후속적으로 "픽-앤-플레이스" 취급 자동 기계를 사용하여 InGaN 칩(13) 위의 정확히 형성된 위치 내로 놓여서 단결정질 플레이트(21.1) 내의 컷-아웃이 골든 와이어(golden wire; 18)와 칩이 접촉하는 위치에 있다. 상기 플레이트(21.1)는 접착 실리콘 중합체(31)를 이용하여 단결정질 지지 포일(11) 및 칩(13)에 고정되었다(도 10(B-3f)). InGaN 칩(13) 위의 플레이트(21.1) 및 지지 패드(11) 상의 금속 층(19)의 위치는 70℃를 초과하는 규정된 온도로 실리콘 중합체(31)를 경화시킴으로써 마무리되었다. 전술된 공정에 의해 제조된 백색 발광 다이오드(10)는 광속의 우수한 장기 안정성을 보여주었으며, 500 시간의 기간 동안 그리고 또한 분말 인광체를 구비한 유사한 백색 발광 다이오드의 값이었던 60 lm의 광속으로 테스트되었으며, 추출의 저하가 어떠한 경우에 있어서도 관측되지 않았다.
예 3.2 - EFG 방법에 의한 플레이트의 제조
0.5 x 40 x 500 mm의 크기를 가지고 EFG 방법으로 준비된 단결정질 슬랩(52)은 CeO2 도핑으로 화학 양론적 비율 (Lu0,2,Y0,8)3Al5O12로 Lu2O3, Y2O3 및 Al2O3 산화물의 용융물로부터 준비되었다. 몰리브덴 도가니 내의 용융물은 0.5 x 40 mm의 규정된 크기를 가진 성형 다이를 향하여 포화제의 보조로 상승되었다. 에지에서 그리고 다이 내부에 일정한 거리로 그루브가 있으며 그루브를 통하여 10 내지 50 □m의 크기를 가진 거품이 단결정 내에서 균일하게 삽입되었다. 후속적으로, 단결정질 슬랩은 Nd:YAG 레이저를 사용하여 1 x 1 x 0.5 mm의 크기를 가진 플레이트(21.2)의 형상으로 개별 단결정 인광체(21)로 절단되었다. 단결정 인광체(21) 내의 거품은 인광체 효율을 감소시키지 않고 단결정질 인광체(21)로부터 광의 추출을 증가시키는 효율적인 산란 중심으로서 동시에 기능하며, 그렇지 않으면 단결정의 인터페이스와 단결정의 주변에서 총 반사 현상으로 제한되었다.
예 4 - 단결정질 슬랩 샌드 블래스팅(monocrystalline slabs sandblasting)
예 3에 따라 준비된 단결정질 잉곳(51)은 다이아몬드 디스크 톱으로 0.35 mm의 두께를 가진 단결정질 슬랩(52)으로 절단되었다. 단결정질 슬랩(52)은 결론적으로 왁스를 사용하여 금속 패드에 접착되고 샌드 블래스팅 챔버 내에 놓였다. 0.2 내지 5 마이크로미터의 입자 크기를 가진 B4C를 기반으로 하는 연마재 재료는 노즐로부터 10°의 각도 아래로 그리고 5 바의 압력 아래로 팽창되었다. 충격 입자는 인광체 슬랩 표면 상의 배향된 스크래치를 생성하였고, 폭을 구비한 그루브는 입자 크기, 이들의 폭의 대략 1/2의 깊이 및 유닛으로부터 수백 마이크로미터의 길이에 의해 주어진다. 패드로부터 탈 교결된 후, 각각의 단결정질 슬랩(52)은 UV 광에 민감한 접착제를 사용하여 지지 포일(54)에 접착되었다.
지지 포일(54)에 접착된 단결정질 슬랩(52)은 후속적으로 다이아몬드 직선 톱을 사용하여 1.1 x 1.1 mm의 측면들을 갖는 플레이트(21.1)로 절단되었다. 단결정질 플레이트(21.1)를 구비한 캐리어는 자외선 광을 사용하여 지지 포일(54)을 통하여 조사되어 지지 포일(54) 상의 접착제의 열화를 유발하고, 지지 포일은 이에 따라 개별 인광체 플레이트(21.1)의 최종 취급을 가능하게 한다.
예 5 - 슬랩 에칭(slabs etching)
단결정 인광체(21)의 방사 표면(23.1)은 표면 층을 마이크로미터의 유닛의 깊이 내로 공격화도록 화학적으로 처리되었다. 유입 지점은 60 mm의 직경 및 0.3 mm의 두께를 가진 단결정질 슬랩(52)이었다. 단결정질 슬랩(52)은 110℃의 온도로 가열되고 후속적으로 왁스 내로 매립되어 테플론 지지 포일(54) 상의 얇은 층으로 펼쳐졌다. 칩(13)으로부터 회피된 인광체(23.1) 표면을 구비한 측면인, 슬랩의 다른 측면에는 스크린 공정 프린팅으로 제조된, 100 ㎛의 거리를 가지고 평행한 라인들의 형태로 실리콘 형판이 제공되었다. 이어서 테플론 지지 포일(54)은 농축된 불화수소 산 용액 내로 배치되었고 1시간의 기간 동안 60℃의 온도로 가열되었다. 산과 접촉한 장소에서, 최고 30 ㎛의 깊이를 가진 단결정질 슬랩(52) 표면 결함들에서 나타나서 재료로부터 광의 더 높은 아웃커플링을 가능하게 하였다.
예 6 - 브롬화수소 에칭
브롬화수소를 구비한 플라즈마 표면 에칭은 예 3에 따라 준비된 단결정질 슬랩(52)의 표면상으로 체(sieve) 내의 선택적 마스크를 통하여 적용되었고, 마스크 형상에 의해 형성된 10 μm까지의 깊이를 가진 결함으로 초래되었다. 습득된 표면 구조는 인광체의 형성된 부분 내에 광의 추출이 증가되었다.
예 7 - 구멍 드릴링(도 11(B - 7a) 및 도 12(B - 7b))
중간 거칠기 값 Ra = 0.45 ㎛의 표면을 갖고 0.2 x 1.5 x 1.5 mm의 크기를 가진 단결정 인광체(21)의 플레이트에는 레이저 빔 드릴링(도 11(B-7a))으로 준비된, 20 내지 25 ㎛의 직경을 가진 형성된 개구가 제공되었다. 이때, 이러한 개구들은 구멍의 형상의 산란 중심(22)으로서 작용한다. 단결정질 슬랩(52)은 레이저 헤드 아래의 선형 드라이브를 구비한 홀더 내로 삽입되었다. 펄스 Nd:YAG 레이저는 단결정질 슬랩(52)을 조사하는 반면 선형 엔진은 단결정질 슬랩(52)을 X 축선으로 600 mm/min의 속도로 이동되었다. 단결정질 슬랩(52)의 에지가 도달되었을 때, 슬랩은 항상 70 ㎛ 만큼 Y 축선으로 그리고 X 축선으로 반대 방향으로 이동되었다. 이러한 공정은 전체 단결정질 슬랩(52)에 20 내지 25 ㎛의 직경을 갖는 형성 구멍이 제공될 때까지 반복되었다. 구멍의 형태의 산란 중심(22)의 배열은 인광체를 통과하는 통과 동안 광의 산란 가능성을 최대화하는 방식으로 수행된다. 플레이트(21.1)는 InGaN 칩(13) 및 지지 패드(11) 위에 배치되었고 투명한 실리콘 중합체(31)로 고정되었다. InGaN 칩(13)으로부터 나오는 광(41)은 발광 중심(42)에서 흡수 동안 단결정 인광체(21)로 부분적으로 변환되고 칩(41)으로부터의 광은 발광 중심을 통하여 부분적으로 통과되었다. 단결정 인광체(21)에서 발광 중심(42)에 의해 발생된 광은 모든 측면에서 균일하게 방사되었다. 전반사 영향에 의해 단결정 인광체에 포착되거나 측면 내로 방사되는 손실된 광(43.2)은 산란 중심(22)에서 변환될 것이고, 더 높은 가능성을 가지고 인광체(43.1)로부터의 광은 인광체(23,1)의 방사 표면으로부터 원하는 방향으로 추출될 것이다(도 12(B-7b)).
예 8 - 반사 방지 층 + 챔퍼링을 구비한 플레이트(도 13(B - 8a) 및 도 14(B - 8b))
0.5 mm의 두께를 구비한 단결정질 슬랩(52)은 인광체(23.1)의 방사 표면 상의 기계적 가공(예 7) 또는 화학적 및 기계적 가공(예 6)으로 처리되어서 단결정 인광체(21)로부터 인광체(43.1)로부터 광 추출에서의 증가가 달성되었다. 후속적으로, 이러한 표면은 루스 다이아몬드(loose diamond)를 가진 연마제로 연마되어 (MIL-0-13830A 표준에 따라) 스크래치/딕(dig) 표면 품질이 최소 40/20의 값에 도달되었다. MgF2를 기반으로 하는 반사 방지 층(32)은 500 내지 700 mm의 파장에 대한 슬랩(52)의 연마 표면 상에 스티밍이 인가되었으며, 이는 가시 광의 황색 및 적색 성분의 추출에서의 증가가 초래되었다. 단결정질 슬랩(52) 비-활성 인광체 표면(23.2)의 다른 측은 중간 거칠기 값이 Ra = 0,2 μm이었고 500 nm를 초과하는 파장에 대한 반사 층(33)이 제공된 방식으로 마모 재료로 가공되었다. 단결정 인광체(21)의 플레이트(21.1)는 이의 에지가 45°의 각도의 면(facet)으로 챔퍼 가공되는 방식으로 후속적으로 제조되었다. 이는 45°의 챔퍼링을 구비한 다이아몬드 디스크 톱으로 단결정질 슬랩(52)을 절단함으로써 얻어졌다. 상기 용례에서 플레이트(21.1)가 ("원격 인광체(remote phosphor)"로서) 냉각기(14) 내로 배치되었고 하나의 개별 제어식 칩(도 13(B-8a)) 위로 또는 가능한, 둘 이상의 개별 제어식 칩(13)(도 14(B-8b)) 위로 열 전도성 페이스트(15)와 열적으로 냉각기와 연결된다. 상기 면들은 손실된 광(43.2)에 대한 산란 표면들로서 동일하게 기능하며 그렇지 않으면 측면들 내로 펼쳐진다. 칩(13), 냉각기(14) 및 플레이트(21.1) 사이의 공간은 1.5의 굴절률을 가진 투명한 실리콘 중합체(31)로 충진되었으며, 상기 공간을 통하여 칩(41)으로부터의 광이 통과되었다.
예 9 - 더 많은 칩들 위의 원격 하프-볼(도 15(B-9))
인광체(21)의 단결정질 재료는 예 1에 따라, 5 mm의 반경을 구비한 구형 캡(21.2) 내로 가공되었다. 단결정 인광체(21)는 후속적으로 청색 광을 방사하는 4개의 InGaNb 칩(13) 위에 알루미나 냉각기(14) 내로 끼워졌다. 발광 중심(42)에 있는 단결정 인광체(21)를 통하여 통과 동안, 칩(41)으로부터의 광은 스토크스 이동(Stokes shift)으로 변환된다. 방사하는 인광체 표면(23.1)은 품질 Ra < 0.1 ㎛로 연마되었다. 단결정 인광체(21)는 열-전도 페이스트(15)를 사용하여 알루미나 냉각기(14)에 연결되었다. 최소 1.5의 굴절률을 구비한 투명한 실리콘 중합체(31)는 구형 캡(21.2)과 개별 칩(13) 사이의 광 전도 층으로서 사용되었다. 이러한 배열에서, 인광체(43.1)로부터 변환된 광의 50% 초과가 칩(13)으로부터 멀어지는 방향으로 방사 표면(23)에 의해 원하는 방향으로 방사되었다.
예 10 - 구형 캡 및 반사 층(도 16(B-10))
예 1에 따라 준비된, 구형 캡(21.2)의 형상의 단결정 인광체(21)는 칩(13) 위에 배치되었고 칩(41)에 의해 발생된 광을 위한 광-전도 층으로서 기능된 실리콘 중합체(31)로 분리된다("원격 인광체"). 단결정 인광체(21)는 냉각기(14)와 물리적 접촉되는 이 같은 위치에 배치된다. 단결정 인광체(21)에 의해 발생된 열의 전달을 개선하도록, 인광체는 열 전도 페이스트(15)로 열 냉각기(14)와 연결되었다. 이러한 방식으로 대략 90℃의 온도로 단결정 인광체(21)의 실제 온도를 유지하는 것이 가능하다. 인광체(43.1)로부터 광의 추출을 증가시키도록, 인광체(23.2)의 비-활성 표면에는 500 내지 700 nm의 파장에 대해 최적화된, SiO2-TiO2 층을 기반으로 하는 반사 층(33)이 제공되었다.
예 11 - 원격 인광체 플레이트
Nd:YAG 레이저로 커팅함으로써 단결정질 슬랩(52)으로 제조된, 2 mm의 직경 및 250 마이크로미터의 두께를 구비한 원형 형상의 단결정 인광체(21)의 플레이트(21.2)는 InGaN 칩(13) 위에 알루미나 홀더(14)에 배치되었다. 홀더는 또한 광의 변환 동안 단결정 인광체(21)에 의해 발생된, 열의 철회를 위한 열 냉각기(14)로서 기능한다. 단결정 인광체(21)는 열-전도 페이스트(5)로 열 냉각기(14)와 연결되었다. 단결정 인광체(21)와 InGaN 칩(13) 사이의 공간은 최소 1.5의 굴절률을 구비한 광학적으로 투명한 실리콘 중합체(31)의 광-전도 층으로 충진되었다.
예 12 - 더 많은 인광체 및 더 많은 칩들의 조합(도 17(B-12a) 및 도 18(B-12b))
더 많은 InGaN 칩(13)을 구비한 다이오드의 경우, 수 개의 단결정 인광체(21)(545 mm에서 방사 피크를 갖는 (Lu0,3,Y0,7)3Al5O12:Ce3+) 및 보완 인광체(24)(580 nm에서 방사 피크를 갖는 YAlO3:Ti3+)이 사용되었다. 단결정 인광체(21) 및 보완 인광체(24)로부터의 구형 캡(21.2)는 450 mm에서 방사 피크를 가지고 반도체 InGaN 칩(13)(도 17(B-12a)) 상으로 직접 배치되었다. 이는 연색성에서의 상당한 개선을 가져오는 가시 스펙트럼의 청색, 노라색 및 적색 성분을 포함하는 광의 습득을 초래한다. 개별 단결정 인광체(21) 및 보완 인광체(24)는 투명한 실리콘 중합체(31)로 냉각기(14) 상의 칩(13) 위의 위치에 고정되었다. 이러한 경우, 인광체(43.1)로부터의 변환된 광의 50% 이상이 원하는 방향으로 조사되었다. 등가의 해결책은 또한 600 nm을 초과하는 적색 영역에서 방사 피크로 방사하는 칩 또는 자외선 영역에서 방사하는 AlGaN 칩(13)을 구비하거나 이 칩만을 구비한 수개의 AlGaN 칩들의 조합을 포함할 수 있다. 등가의 해결책은 단결정질 플레이트(23.1)를 구비한 구형 캡들의 대체를 또한 포함한다(도 18(B-12b)). 전술된 배열에서의 백색 발광 다이오드(10)는 광의 우수한 색상 균일성 및 85와 동일한 값의 연색성 지수(CRI)를 제공한다.
예 13 - 더 많은 칩들 위의 플레이트(도 19(B-13))
5 mm의 직경 및 250 ㎛의 두께를 갖는 단결정 인광체(21)의 단결정질 플레이트(21.2)는 플레이트가 모든 이러한 칩들을 덮도록 4개의 InGaN 칩(12) 위에 배치되었다. 칩(41)으로부터 청색 광은 단결정 인광체(21)을 통과하였고 5500 K의 온도를 갖는 결과적인 백색 광을 습득하도록 부분적으로 변환된다. 플레이트(21.2)는 광학적으로 투명한 실리콘 중합체(31)를 사용하여 InGaN 칩(13)에 그리고 알루미나 냉각기(14)에 고정되었다.
예 14 - 샌드위치(도 20(B-14))
(Lu0,7,Y0,3)3Al5O12:Ce3+를 기반으로 하는 단결정질 슬랩(52)은 Al203:Cr의 다른 기능 층을 위한 패드로서 사용되었다. 적색 보완 인광체(24)의 이러한 상부 층은 "LPE" 액체 에피택시의 방법으로 준비되었다. 이러한 층은 단결정 인광체(21)로부터 아웃커플링되는 광에 대한 유효 층으로서 기능화되고 또한 580 nm에서 방사 피크를 갖는 변환 인광체가 포함되었다. 황색 단결정 인광체(21) 및 적색 보완 단결정 인광체(21)는 총 변환 재료 효율의 증가를 초래하는 상호 바람직하지 않은 도펀트 혼합을 방지하도록 이러한 방식으로 동시에 분리되었다.
동일한 결과는 또한 Y3Al5O12를 기반으로 하는 단결정질 패드 상의 보완 인광체(24)의 제 2 층이 다결정질이었고 플라즈마 분사 기술로 준비되었을 때의 경우에 달성되었다. 칩(41)으로부터 광 및 인광체(43.1)로부터의 광은 유사한 굴절률을 가진 재료로 직접적인 반사 없이 전달되고 재료의 임의적인 입자 배향에 의해 인광체로부터 더 용이하게 아웃커플링되었다. 또한 광 균일화 옵틱스 및 보호 층으로서 기능하는 실리콘 중합체(31)는 InGaN 칩(13) 및 알루미나 냉각기(14) 위에 단결정 인광체(21)와 보완 인광체(24)의 조합체에 고정하기 위해 사용되었다.
예 15 - 샌드위치 - 실리콘 내 적색 인광체
120 mm의 직경 및 0.3 mm의 두께를 구비한 (Lu0,7,Y0,3)3Al5O12:Ce3+를 기반으로 하는 단결정질 슬랩(52)은 0.2 mm의 두께를 갖는 광학적으로 투명한 실리콘 중합체(31) 내의 파쇄된 단결정질 잉곳(51)으로부터 YAlO3:Ti3+의 층이 일 측부로부터 제공되었다. 상부 실리콘 층을 경화한 후, 슬랩은 개별 인광체로 절단되었다. InGaN 칩(13) 및 알루미나 냉각기(14) 위에 단결정 인광체(21) 및 보완 인광체(24)의 조합체를 고정하기 위하여, 광 균일화 옵틱스 및 보호 층으로서 또한 기능한 실리콘 중합체(31)가 사용되었다.
예 16 - 유도된 색상 중심을 갖는 UV 인광체
산소 간극의 장소들에 유도된 색상 중심을 갖는 (Lu0,1,Y0,9)3Al5O12 재료를 기반으로 하는 단결정 인광체(21)는 370 nm에서 집중적인 흡수를 갖는다. AlGaN 칩과 조합될 때, 단결정 인광체(21)는 410 및 615 nm에서 두 개의 주 피크를 갖는 가시적 스펙트럼의 전체 영역에서 광이 방사된다. 결과적인 광은 열적 온도 CT = 3280 K를 갖고 그리고 연색성 지수 CRI 값 = 90을 갖는 백색 색상의 느낌을 제공한다. 세륨으로 재료를 도핑하는 경우, 방사된 광은 색상 온도 CT = 3750 K 및 연색성 지수 CRI 값 = 94가 달성되었다. 370 nm의 방사 피크를 구비한 자외선 광으로 여기될 때, 단결정 인광체의 형태의 도핑되지 않은 재료 LuAG는 580 nm에서 방사 피크를 갖는 500 내지 700 nm의 영역에서 오랜지색 광이 방사되었다.
산업상 이용가능성
단결정 인광체를 구비한 효과적인 백색 광 방사 다이오드(W-LED)는 산업용 홀(hall), 스타디움, 가로등, 운반 차량들을 위한 헤드라이트에서, 유효한 개별 플래시광 또는 프로젝터와 같은 집중 조명을 요구하는 모든 용례로 이용될 수 있다.
10 백색 발광 다이오드
11 지지 패드
12 반사 미러
13 칩
14 냉각기
15 열 전도 페이스트
16 캐소드
17 아노드
18 와이어
19 금속 전도 층
20 분말 인광체
21 단결정 인광체
21.1 플레이트
21.2 구형 캡
22 산란 중심
23.1 발광 인광체 표면(칩으로부터 회피됨)
23.2 비-활성 인광체 표면(칩을 향함)
24 보충 칩
31 실리콘 중합체
32 반사 방지 층
33 반사 층
41 칩으로부터의 광
42 발광 중심
43.1 (바람직한 방향으로의) 인광체로부터의 광
43.2 손실 광
51 단결정질 잉곳
52 단결정질 슬랩
53 단결정질 큐브
54 지지 포일

Claims (19)

  1. InGaN, GaN 또는 AlGaN 군으로부터 선택된 칩 위에 배치된 단결정 인광체(21)를 구비한 백색 발광 다이오드로서,
    상기 단결정 인광체(21)가 Ce3+, Ti3+, Eu2+, C, Gd3+ 또는 Ga3+ 군으로부터 선택된 원자로 도핑된 LuYAG 또는 YAP의 마스터(master)를 기반으로 하며, 동시에, 단결정 인광체(21)가 410 nm 및 615 nm에서 방사 피크를 갖는 산소 간극 상에 유도된 색상 중심을 포함하는,
    백색 발광 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단결정 인광체(21)가 Ce3+, Ti3+, Eu2+로 도핑된 화학식 (LuX,Y1-X)3Al5O12 또는 YAlO3에 대응하는 마스터를 기반으로 하고, 상기 X는 0.01 내지 0.99이며, 상기 Lu3+, Y3+ 및 Al3+ 원자는 마스터에서 0.01 내지 99.9 wt%의 양으로 Gd3+ 또는 Ga3+ 원자로 대체되는,
    백색 발광 다이오드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 단결정 인광체(21)의 Ce3+ 농도는 0.02로부터 최고 0.5 wt %의 범위를 가지거나, Eu2+ 농도는 0.001로부터 최고 1 wt%의 범위를 가지거나, Ti3+ 농도는 0.05로부터 최고 5 wt%의 범위를 가지는,
    백색 발광 다이오드.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 단결정 인광체(21)에는 희토류로 도핑된, (Lu,Y)3Al5O12, Y3Al5O12, YAlO3 또는 Al2O3 군으로부터의 알루미네이트를 기반으로 하는 보완 인광체(24)의 최소 하나 이상의 층이 제공되는,
    백색 발광 다이오드.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 단결정 인광체(21)는 0.01 내지 0.5 wt%의 Ce3+ 농도를 갖는 (Lu,Y)3Al5O12:Ce3+로 구성된 보완 인광체(24)의 최소 하나의 층 및 0.1 내지 5 wt%의 Ti3+ 농도를 갖는 YAlO3:Ti3+로 이루어진 보완 인광체(24)의 최소 하나 이상의 층으로 생성되는,
    백색 발광 다이오드.
  7. 삭제
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