KR101917704B1 - 형광체 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 세라믹 형광체를 포함하는 형광체 모듈에 관한 것이다. 본 발명은 방열체, 상기 방열체의 일부 표면에 코팅되고, 금속 또는 합금으로 이루어지는 반사층, 상기 반사층 상측에 배치되고 레이저 다이오드로부터 발광된 빛을 흡수하여 흡수한 광의 파장과 다른 파장의 빛을 방출하고, 복수의 홀들을 구비하는 형광체층을 포함하고, 상기 형광체층은, SiO2 및 형광체를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 광원용 형광체 모듈을 제공한다. 본 발명에 따르면, 세라믹 형광체로 이루어진 형광체층에서의 산란 정도를 감소시킬 수 있다. 이를 통해, 본 발명은 레이저 광원에서 발생되는 yellow ring의 면적을 감소시킬 수 있다.

Description

형광체 모듈{PHOSPHOR MODULE}
본 발명은 세라믹 형광체를 포함하는 형광체 모듈에 관한 것이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 차량(1)에는 주행 중 주위의 조도가 낮을 경우에 운전자의 시계를 안정적으로 확보하거나 차량(1)의 주행 상태를 다른 차량에게 알리기 위한 램프 장치(100)가 구비되어 있다.
차량용 램프 장치는 차량의 전방에 설치되는 헤드램프와 차량의 후방에 설치되는 리어램프를 포함한다. 헤드램프는 전방을 조명하여 야간 운행 중에 전방을 비추는 램프이다. 리어 램프는 운전자가 브레이크를 조작할 때에 점등되는 브레이크 등과 차량의 진행방향을 알리는 방향지시 등을 포함한다.
도 2를 참조하면, 차량용 램프 장치(100)에서 에너지 효율이 좋은 레이저 광원(10)이 사용되는 추세이다. 특히, 레이저 다이오드에서 발광된 빛은 직진성이 우수하기 때문에, 조사 가능한 거리가 길고, 마주 오는 차량의 시야를 방해하지 않는다는 장점이 있다.
레이저 다이오드를 이용하여 백색 램프를 구현 위해 크게 두 가지 방법이 활용될 수 있다.
첫 번째, 세 종류의 레이저 다이오드에서 발광된 빛을 혼합하여 백색광을 구현할 수 있다. 이때, 상기 세 종류의 레이저 다이오드 각각은 빛의 3원색을 발광할 수 있어야 한다.
두 번째, 블루 레이저 다이오드에서 발광된 빛을 황색광으로 변환시킨 후, 불루 레이저 다이오드에서 발광된 빛과 혼합하여 백색광을 구현할 수 있다. 상술한 두 번째 방법은 한 종류의 레이저를 사용하여 백색광을 구현할 수 있다는 장점이 있다.
상술한 두 번째 방법은 레이저 다이오드에서 발광된 청색광을 광 변환 시키기 위한 형광체를 필요로 한다. 레이저 다이오드는 매우 높은 출력의 빛을 발광하는데, 레이저 다이오드에서 발광된 빛을 광 변환 시키는 경우, 형광체의 온도는 150℃ 이상으로 상승한다.
종래 LED 광원에 활용되어 왔던 레진 형광체, PIG(phosphor-in-glass, 이하, "글래스 형광체")의 경우, 레이저광의 광 변환 과정에서 열 소염(Thermal Quenching)이 일어난다는 문제가 있다.
한편, 형광체에서 광 변환된 황색광은 산란되어 넓게 퍼지는데, 이에 따라, 형광체에서 광 변환된 황색광 중 일부는 청색광과 혼합되지 못한 채로, 외부로 방출된다. 이로 인해, 레이저 광원의 발광 영역 주변으로 황색광이 발산되는 현상(이하, "yellow ring")이 발생되는 문제가 있다.
본 발명은 반사형 레이저 광원에서 발생되는 yellow ring을 최소화하는 형광체 모듈을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명은 세라믹 형광체를 레이저 광의 광 변환에 사용하였을 때, yellow ring의 면적을 최소화하는 형광체 모듈을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 형광체층에 복수의 홀들을 형성함으로써, 산란 정도를 감소시킨다.
구체적인 실시 예로, 본 발명은 방열체, 상기 방열체의 일부 표면에 코팅되고, 금속 또는 합금으로 이루어지는 반사층, 상기 반사층 상측에 배치되고 레이저 다이오드로부터 발광된 빛을 흡수하여 흡수한 광의 파장과 다른 파장의 빛을 방출하고, 복수의 홀들을 구비하는 형광체층을 포함하고, 상기 형광체층은, SiO2 및 형광체를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 광원용 형광체 모듈을 제공한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 홀들 각각의 직경은 7㎛ 이하일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 홀들 각각의 깊이는 형광체층 두께의 6 내지 50%일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 형광체층의 두께는 80 내지 200㎛일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 형광체층의 전체 면적 중 홀의 면적이 차지하는 비율은 20 내지 60%일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 형광체는 YAG:Ce, LuAG:Ce, Sr2SiO4:Eu 및 Nitride 계열 황색 형광체 중 적어도 하나일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 홀들 각각의 하부 직경은 상기 홀들 각각의 상부 직경보다 작을 수 있다.
본 발명에 따르면, 세라믹 형광체로 이루어진 형광체층에서의 산란 정도를 감소시킬 수 있다. 이를 통해, 본 발명은 레이저 광원에서 발생되는 yellow ring의 면적을 감소시킬 수 있다.
도 1은 차량을 나타내는 개념도이다.
도 2는 차량에 포함된 램프장치의 단면도이다.
도 3은 반사형 레이저 광원의 개념도이다.
도 4는 도 3에서 설명한 반사형 레이저 광원 내에서의 빛의 진행 경로를 나타내는 개념도이다.
도 5 및 6은 본 발명에 따른 형광체 모듈의 단면도이다.
도 7은 접착층을 포함하는 형광체 모듈의 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 형광체 모듈을 포함하는 레이저 광원의 개념도이다.
도 9는 형광체층에 조사되는 청색광의 조사량에 따른 형광체층에서 발광되는 빛의 광속을 나타내는 그래프이다.
도 10은 형광체층에서 조사되는 청색광의 조사량에 따른 형광체층의 색 변환 효율을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 변형 실시 예를 나타내는 개념도이다.
도 12는 본 발명에 따른 형광체 모듈의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 13은 본 발명에 따른 형광체 모듈의 제조방법을 나타내는 개념도이다.
도 14는 세라믹 형광체에 형성된 홀과 광원이 조사되는 면적을 나타내는 개념도이다.
도 15 및 16은 복수의 홀들이 형성된 형광체층의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 형광체 모듈에 대하여 설명하기에 앞서, 본 발명에 따른 형광체 모듈이 사용되는 레이저 광원에 대하여 설명한다.
도 3은 반사형 레이저 광원의 개념도이고, 도 4는 도 3에서 설명한 반사형 레이저 광원 내에서의 빛의 진행 경로를 나타내는 개념도이다.
레이저 광원(10)은 도 3의 구조를 통해 구현될 수 있다. 도 3을 참조하면, 레이저 광원(10)은 블루 레이저 다이오드(20), 집광렌즈(30), 반사부(40), 형광체 모듈(50), 보조 집광렌즈(60)를 포함하여 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로, 도 4를 참조하면, 블루 레이저 다이오드(20)에서 발광된 청색광(21)은 집광렌즈(30)를 통과하여 반사부(40)에서 반사된다. 반사부(40)에서 반사된 청색광(22)은 다시 집광렌즈(30)를 통과하여 형광체 모듈(50)로 입사한다.
형광체 모듈(50)로 입사한 청색광 중 일부는 황색광으로 변환된다. 한편, 형광체 모듈(50)은 반사층을 포함하기 때문에, 형광체 모듈(50)로 입사한 청색광 중 일부를 반사 시킨다. 이에 따라, 황색광과 형광체 모듈(50)에서 반사된 청색광이 합성되어 백색광이 된다. 백색광은 보조 집광렌즈(60)에 의하여 집광 된 후 외부로 방출(24)된다.
본 명세서에서는 도 3및 4에서 설명한 구조의 레이저 광원을 "반사형 레이저 광원"이라 한다. 상술한 바와 같이, 반사형 레이저 광원은 형광체 모듈(50)을 포함한다.
형광체 모듈(50)은 청색광을 황색광으로 변환시키기 위한 형광체층을 포함하는데, 출력이 높은 레이저 다이오드의 특성상, 종래 LED 광원 등에서 활용되어 왔던 레진 형광체, 글래스 형광체를 레이저 다이오드의 광변환에 활용하는 경우, 형광체에서 열 소염이 일어난다는 문제가 있었다.
한편, 레진 형광체, 글래스 형광체를 이용하여 레이저 광의 광 변환을 할 때 발생되는 문제를 해결하기 위해, 세라믹 형광체(Ceramic Phosphor)를 활용하기도 하였다. 하지만, 세라믹 형광체의 경우, 소결 온도가 1500℃ 이상으로 높기 때문에, 세라믹 형광체의 입자 크기 및 기공(Pore) 제어가 어렵다.
형광체층의 입자 크기 및 기공을 제어하지 못할 경우, 형광체층에서의 산란(Scattering)도가 높아질 수 있다. 형광체층에 포함된 경우 산란인자가 많아지는 경우, 레이저 광원의 발광 영역 주변으로 황색광이 발산되는 현상(이하, "yellow ring")이 발생되는 문제가 있다.
입자 크기 및 기공 제어가 비교적 용이한 글래스 형광체를 사용하는 경우, yellow ring을 감소시킬 수 있지만, 상술한 이유로, 글래스 형광체를 반사형 레이저 광원에 사용할 수 없다는 문제가 있다.
본 발명은 레이저 광의 광 변환 시 글래스 형광체에서 발생되는 열을 빠르게 외부 방출시킴으로써, 글래스 형광체가 광 변환 중 열화되지 않도록 한다. 이하에서는, 글래스 형광체를 포함하는 형광체 모듈에 대하여 설명한다.
도 5 및 6은 본 발명에 따른 형광체 모듈의 단면도이다.
본 발명에 따른 형광체 모듈(50)은 반사층(51), 형광체층(52), 투명 방열층(53), 방열체(54)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이하에서는 상술한 구성요소들에 대하여 구체적으로 설명한다.
반사층(51)은 형광체 모듈로 입사하는 빛을 반사 시키며, 형광체층(52)에서 광 변환된 후 반사층(51)을 향하여 진행하는 빛을 반사 시킨다. 이를 위해, 반사층(51)은 반사율이 높은 금속으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 반사층(51)은 알루미늄 및 은 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다.
한편, 반사층(51)은 높은 열전도율을 가지는 것이 바람직하다. 반사층(51)이 높은 열전도율을 가지는 경우, 형광체층(52)에서 발생되는 열을 빠르게 방출시킬 수 있게 된다.
한편, 반사층(51)은 후술할 방열체(54) 표면에 코팅된 형태일 수 있다. 예를 들어, 방열체(54) 위에 Evaporator를 이용하여 금속층을 코팅함으로써, 반사층(51)을 형성할 수 있다. 이때, 반사층(51)의 두께는 0.5 내지 1㎛일 수 있다. 이러한 경우, 반사층(51)과 방열체(54)사이에 반사층(51) 및 방열체(54)를 서로 접착시키는 접착물질을 배치할 필요가 없게 된다.
한편, 반사층(51) 상측에는 레이저 다이오드로부터 발광된 빛을 흠수하여 흡수한 빛과 다른 파장의 빛을 방출하는 형광체층(52)이 배치된다.
형광체층(52)은 레이저 다이오드로부터 발광된 청색광을 흡수하여 황색광을 방출한다. 이를 위해, 형광체층(52)은 황색 형광체를 포함하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, 형광체층(52)은 YAG:Ce, LuAG:Ce, Sr2SiO4:Eu 및 Nitride 계열 황색 형광체 중 적어도 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
한편, 형광체층(52)은 형광체와 베이스 물질의 혼합물로 이루어질 수 있다. 일반적으로 형광체는 일정한 형태로 소결 성형되어 사용되는데, 베이스 물질은 형광체 소결을 위한 소결성을 확보하기 위해 사용되는 물질이다. 베이스 물질의 종류에 따라, 형광체층의 종류가 달라질 수 있다. 예를 들어, 베이스 물질이 글래스 플릿인 경우, 형광체층은 상술한 글래스 형광체이고, 베이스 물질이 세라믹인 경우, 형광체층은 세라믹 형광체가 된다.
베이스 물질의 종류에 따라, 형광체층의 물리적, 광학적 특성이 달라질 수 있다. 여기서, 베이스 물질의 종류에 따라 달라질 수 있는 물리적 특성은 형광체층의 방열 성능이다. 세라믹 형광체와 비교할 때, 글래스 형광체의 방열성능은 낮다. 글래스 형광체를 출력이 높은 레이저광의 광 변환에 사용할 경우, 글래스 형광체가 광 변환 과정에서 발생되는 열 에너지를 빠르게 외부로 방출시키지 못하기 때문에, 글래스 형광체에 포함된 형광체가 열화 된다. 구체적으로, 레이저 광을 광 변환할 때, 형광체층(52)의 온도는 150℃이상으로 올라갈 수 있는데, 상기 온도에서 형광체는 열화될 수 있다.
한편, 베이스 물질의 종류에 따라 달라질 수 있는 물리적 특성은 형광체층에서의 산란 정도이다. 베이스 물질들로 이루어지는 입자들 간의 경계, 기공, 결합은 형광체에서 광 변환된 빛을 산란 시키는 산란인자가 될 수 있다. 형광체층 내에 산란인자가 많아지는 경우, 광 변환된 황색광이 형광체 모듈을 중심으로 넓게 퍼지기 때문에, 반사층(51)에서 반사된 청색광과 합성되지 못하고 외부로 방출된다. 이에 따라, 레이저 광원 주변에 yellow ring이 형성된다.
글래스 형광체의 경우, 세라믹 형광체보다 소결 온도가 낮기 때문에, 상술한 산란인자를 감소시키는 것이 용이하다. 본 발명은 방열 성능은 상대적으로 낮지만, 산란인자 제어가 용이한 글래스 형광체를 이용하여 yellow ring을 최소화 한다.
글래스 형광체층의 베이스 물질은 Tetraethyl orthosilicate, Tetramethyl orthosilicate, Tetrapropyl orthosillicate, Tetraisopropyl orthosilicate, PbO, ZnO 및 Bi2O3 중 적어도 하나로 이루어지는 글래스 플릿일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다.
한편, 형광체층(52)의 전체 질량을 기준으로, 형광체의 함량은 40 내지 95 wt. %일 수 있다. 형광체의 함량이 40wt. % 미만인 경우, 형광체 모듈로 입사하는 광량 중 황색광으로 변환되는 비율이 일정 수준에 미치지 못하게 되어, 백색광을 구현하기 어렵게 된다. 한편, 형광체의 함량이 95wt. %를 초과하는 경우, 베이스 물질의 함량이 지나치게 줄어 소결성을 확보하기 어렵게 된다.
한편, 형광체층(52)의 두께는 5 내지 50㎛ 일 수 있다. 형광체층(52)의 두께가 5㎛ 미만인 경우, 형광체 모듈로 입사하는 광량 중 황색광으로 변환되는 비율이 일정 수준에 미치지 못하게 되어, 백색광을 구현하기 어렵게 된다. 한편, 형광체층(52)의 두께가 50㎛를 초과하는 경우, 형광체층(52) 내부에서 발생되는 열의 방출 속도가 감소하여, 형광체가 열화될 수 있다.
한편, 형광체층(52)을 이루는 입자의 평균 입경은 1 내지 30㎛이고, 형광체층(52)에 포함된 기공들의 평균 크기는 1㎛ 이하이고, 형광체층(52)에 포함된 기공들의 기공률(porosity)은 5 Vol. %이하인 것이 바람직하다. 상술한 조건을 만족하는 형광체층(52)이 반사형 레이저 광원에 사용되는 경우, yellow ring의 면적이 최소화될 수 있다. Yellow ring의 면적 측정방법은 후술한다.
한편, 형광체층(52) 상에는 투명 방열층(53)이 배치된다. 투명 방열층(53)은 형광체층(52)에서 발생되는 열을 외부로 방출시키는 역할을 한다.
투명 방열층(53)은 광투과성 물질로 이루어져야 한다. 투명 방열층(53)은 형광체층(52) 상에 배치되기 때문에, 형광체 모듈(50)로 입사하는 레이저 광이 통과하는 경로이며, 형광체층(52)에서 광 변환된 빛이 외부로 방출될 때 통과하는 경로이다. 이 때문에, 투명 방열층(53)의 광투과율이 낮을 경우, 레이저 광원의 밝기가 줄어들 수 있다.
이와 동시에, 투명 방열층(53)은 형광체층(52)이 광 변환 과정에서 열화되지 않도록, 높은 열전도율을 가져야 한다.
투명 방열층(53)이 높은 광투과성 및 높은 열전도율을 가질 수 있도록, 투명 방열층(53)은 사파이어 단결정, 알루미나(Al2O3), 스피넬(MgAl2O4) 또는 알론(AlON) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
한편, 투명 방열층(53)의 두께는 10nm 내지 500㎛일 수 있다. 투명 방열층(53)의 두께가 10nm 미만인 경우, 투명 방열층(53)이 방열 기능을 수행하기 어렵고, 투명 방열층(53)의 두께가 500㎛를 초과하는 경우, 투명 방열층(53)에서의 광흡수율이 높아져, 레이저 광원의 밝기가 감소할 수 있다. 여기서, 투명 방열층(53)의 두께는 100㎛ 이상인 것이 바람직한데, 이는 투명 방열층(53)을 형광체층(32) 소결 성형을 위한 기판으로 활용하기 위함이다. 이에 대하여는 후술한다.
한편, 형광체 모듈(50)의 방열 성능을 향상시키기 위해, 반사층(51)의 하측에는 방열체(54)가 배치될 수 있다. 방열체(54)는 광투과성 물질로 이루어질 필요가 없다.
방열체(54)는 열전도율이 높은 금속 또는 합금으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 방열체(54)는 Al합금(ADC12, AC4C)으로 이루어질 수 있다.
한편, 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 형광체 모듈(50)은 접착층(55)을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 접착층(55)은 반사층(51) 및 형광체층(52) 사이에 배치되어 반사층(51)과 형광체층(52)을 결합시킨다.
접착층(55)은 반사율이 높은 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 접착층(55)은 가시 광선 영역에서 반사율이 90% 이상인, Al2O3, SiO2, ZrO2, ZnO 중 적어도 하나를 포함하는 백색 본딩재로 이루어지거나, 90wt. % 이상의 은을 포함하는 금속 본딩재로 이루어질 수 있다. 이때, 접착층(55)은 반사층의 역할을 할 수 있다.
이와 달리, 접착층(55)은 광투과율이 높은 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 접착층(55)은 poly-methyl methacrylate(PMMA), poly-urethane(PU), poly-carbonate (PC) 및 Siloxane계 본딩재 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 형광체 모듈(50)은 반사형 레이저 광원(10)에 활용될 수 있다. 본 발명에 따른 형광체 모듈(50)에 포함된 형광체층(52)의 양면은 반사층(51)과 투명 방열층(53)에 의하여 덮인다. 형광체층(52)에서 발생되는 열은 반사층(51)과 투명 방열층(53) 양쪽으로 방출된다. 이에 따라, 형광체층(52)에서 광 변환 시 온도가 150℃ 이하로 낮아질 수 있으며, 형광체가 열 소염 되는 것을 방지할 수 있다. 이를 통해, 본 발명은 산란인자 제어가 용이한 글래스 형광체를 이용하여 레이저 광원에서 발생되는 yellow ring을 최소화 할 수 있게 된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 형광체 모듈(50)의 열 소염 방지 효과 및 yellow ring 감소 효과에 대하여 설명한다.
먼저, 열 소염 방지 효과는 형광체층에 블루 레이저 다이오드에서 발광되는 청색광을 조사하였을 때, 형광체층에서 발광되는 빛의 광속(l㎛inous flux) 및 형광체층의 색 변환 효율(conversion efficiency)를 이용하여 설명한다.
구체적으로, 형광체층에 조사되는 청색광의 조사량을 증가시키는 경우, 형광체층에서 발광되는 빛의 광속은 증가하고, 색 변환 효율은 감소하는 경향성이 나타난다. 형광체층에서 열 소염이 일어나지 않을 경우, 형광체층에서 발광되는 빛의 광속 및 색 변환 효율 각각은 형광체층에 조사되는 청색광의 조사량과 선형관계를 가진다.
다만, 청색광의 조사량이 증가하는 경우, 형광체층의 온도가 증가하여 형광체층에서 열 소염이 일어날 가능성이 높아진다. 형광체층에서 열 소염이 일어나는 경우, 형광체층에서 발광되는 빛의 광속 및 색 변환 효율 각각이 형광체층에 조사되는 청색광의 조사량과 선형관계를 가지지 않게 된다.
도 9는 형광체층에 조사되는 청색광의 조사량에 따른 형광체층에서 발광되는 빛의 광속을 나타내는 그래프이도, 도 10은 형광체층에서 조사되는 청색광의 조사량에 따른 형광체층의 색 변환 효율을 나타내는 그래프이다.
세라믹 형광체로 이루어지는 형광체층, 본 발명에 따른 형광체 모듈(모듈 1 내지 3) 및 글래스 형광체로 이루어지는 형광체층 각각에 청색 레이저 광을 조사하고, 조사되는 청색광의 광량을 증가시켜, 형광체층에서 발광되는 빛의 광속을 측정하였다. 측정 결과는 도 9에 도시하였다.
도 9를 참조하면, 세라믹 형광체로 이루어지는 형광체층의 경우, 형광체층에서 발광되는 빛의 광속과 청색광의 조사량이, 청색광의 조사량에 상관없이 선형관계를 가지는 것을 확인할 수 있다.
한편, 글래스 형광체로 이루어지는 형광체층의 경우, 청색광의 조사량이 10W/㎟를 초과하면서부터, 형광체층에서 발광되는 빛의 광속과 청색광의 조사량이 선형관계를 가지지 않게 된다.
본 발명에 따른 형광체 모듈은 청색광의 조사량이 25W/㎟ 이하일 때, 형광체층에서 발광되는 빛의 광속과 청색광의 조사량이 선형관계를 가진다.
한편, 도 10을 참조하면, 세라믹 형광체로 이루어지는 형광체층의 경우, 형광체의 색 변환 효율과 청색광의 조사량이, 청색광의 조사량에 상관없이 선형관계를 가지는 것을 확인할 수 있다.
한편, 글래스 형광체로 이루어지는 형광체층의 경우, 청색광의 조사량이 10W/㎟를 초과하면서부터, 형광체의 색 변환 효율과 청색광의 조사량이 선형관계를 가지지 않게 된다.
본 발명에 따른 형광체 모듈은 청색광의 조사량이 25W/㎟ 이하일 때, 형광체의 색 변환 효율과 청색광의 조사량이 선형관계를 가진다.
즉, 글래스 형광체로만 이루어지는 형광체층과 비교할 때, 본 발명은 두 배 이상의 레이저 출력에서도 열 소염이 일어나지 않는 다는 것을 확인할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 형광체 모듈의 yellow ring 감소 효과에 대하여 설명한다. 본 명세서에서, yellow ring이란 형광체층의 전체 면적 중 청색광이 맺히는 영역 주변에서 발광되는 황색광을 의미한다. Yellow ring의 면적을 측정하기 위해 Display 분석 장비(Pro Metric)를 이용하였다.
본 명세서에서는 형광체 모듈에 청색광을 조사한 후, 형광체 모듈에서 발광된 빛을 3m 거리의 스크린에 비춘 후, 스크린에 비춰진 이미지에서 yellow color에 해당하는 부분의 면적을 Pro Metric로 측정하였다. 상기 이미지에서 측정된, yellow color에 해당하는 부분의 면적과 형광체층의 실제 면적을 이용하여 yellow ring의 면적을 산출하였다.
상술한 방식으로, 세라믹 형광체층으로 이루어진 형광체층에서의 yellow ring 면적과, 본 발명에 따른 형광체 모듈에 포함된 형광체층에서의 yellow ring 면적을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
세라믹 형광체 형광체 모듈1 형광체 모듈2 형광체 모듈3
형광체 밝기(cd/㎟) 2450 2956 2098 2651
Yellow ring
Area(%)		 39.0 6.5 6.6 10.5
표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 형광체 모듈은 세라믹 형광체보다 yellow ring의 면적이 작은 것을 확인할 수 있다.
이상에서는, 본 발명에 따른 형광체 모듈(50)의 열 소염 방지 효과 및 yellow ring 감소 효과에 대하여 설명하였다.
한편, 투명 방열층(53)의 방열 성능이 증가할수록, 형광체 모듈에 적용가능한 레이저 다이오드의 출력이 증가한다. 이하에서는, 투명 방열층(53)의 방열 성능을 증가시키는 변형 실시 예에 대하여 설명한다.
도 11은 본 발명에 따른 변형 실시 예를 나타내는 개념도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명은 투명 방열층(73)의 열이 반사층(71)으로 전달되도록, 투명 방열층(73) 및 반사층(71) 사이에는 열전도층(75)을 더 포함할 수 있다.
반사층(71)은 금속으로 이루어질 뿐 아니라, 반사층(71)과 인접한 방열체(74)로 인하여, 투명 방열층(73)보다 방열성능이 좋다. 형광체층(72)에서 투명 방열층(73)으로 전달된 열을 빠르게 반사층(71)으로 전달하는 경우, 형광체 모듈의 방열성능을 향상시킬 수 있다. 열전도층(75)은 형광체층(72)에서 투명 방열층(73)으로 전달된 열을 빠르게 반사층(71)으로 전달시킨다.
구체적으로, 도 11을 참조하면, 투명 방열층(73)과 반사층(71) 각각은 형광체층(72)과 오버랩되지 않는 영역을 더 포함할 수 있다. 열전도층(75)은 투명 방열층(73) 및 반사층(71) 각각에 형성된, 형광체층(72)과 오버랩되지 않는 영역과 오버랩된다.
여기서, 레이저 다이오드로부터 발광된 청색광(22)은 형광체층(72) 위치한 영역에만 입사되고, 열전도층(75)이 위치한 영역에는 입사되지 않는다. 열전도층(75)은 레이저 광이 통과하는 통로가 아니기 때문에 광투과성 물질로 이루어질 필요 없으며, 열전도율이 높은 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 열전도층(75)은 구리로 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 형광체층(72)에서 투명 방열층(73)으로 전달된 열을 반사층(71)으로 빠르게 전달함으로써, 형광체 모듈(70)의 방열 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 형광체 모듈(70)은 보다 높은 출력의 레이저 다이오드에 활용될 수 있게 된다.
이하에서는, 투명 방열층에 홀을 형성하는 변형 실시 예에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 형광체 모듈에 포함된 투명 방열층은 복수의 홀들을 구비할 수 있다.
형광체층(52)에서 발광된 빛은 투명 방열층(53)을 통과한 후 레이저 광원 외부로 방출된다. 투명 방열층(53)에 형성된 복수의 홀들은 형광체층(52)에서 산란되어 넓게 퍼져 나가는 빛을 집광시키는 역할을 할 수 있다.
여기서, 상기 복수의 홀의 각각의 깊이는 형광체층 두께의 6 내지 50%인 것이 바람직하다. 복수의 홀 각각의 깊이가 형광체층 두께의 6% 미만인 경우, 홀에 의한 산란 정도 감소 효과가 미비하고, 복수의 홀 각각의 깊이가 형광체층 두께의 50%를 초과하는 경우, 레이저 광을 형광체층(52)에 조사하였을 때, 형광체층(52)이 밝기가 감소할 수 있다.
한편, 투명 방열층(53)에 포함된 복수의 홀들 각각의 직경은 7㎛ 이하일 수 있다. 상기 홀들 각각의 직경이 7㎛를 초과하는 경우, yellow ring의 면적은 감소할 수 있으나, 레이저 광을 형광체층(52)에 조사하였을 때, 형광체층(52)이 밝기가 감소할 수 있다.
한편, 투명 방열층(53)에 복수의 홀들이 형성되는 경우, 투명 방열층(53)과 외부와의 접촉 면적이 증가하여, 투명 방열층(53)의 방열 성능이 향상될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 투명 방열층(53)에 복수의 홀들을 형성함으로써, yellow ring의 면적을 감소시키고, 투명 방열층(53)의 방열 성능을 향상시킬 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 형광체 모듈의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 12는 본 발명에 따른 형광체 모듈의 제조방법을 나타내는 순서도이고, 도 13은 본 발명에 따른 형광체 모듈의 제조방법을 나타내는 개념도이다.
먼저, 본 발명에 따른 제조방법에서는 투명 방열층 상에 글래스 플릿 및 형광체의 혼합물을 도포하는 단계(S10)가 진행된다. 구체적으로, 형광체 및 글래스 플릿을 포함한 무기 바인더를 에탄올과 혼합하여 12 내지 24시간동안 볼 밀링한 후, 투명 방열층 위에 도포한다. 이때, 투명 방열층은 형광체층을 소결하는 기판 역할을 한다.
여기서, 형광체 및 글래스 플릿의 종류는 도 5에서 설명하였으므로, 구체적인 설명은 생략한다.
이후, 상기 혼합물을 소성시키켜 형광체층을 형성하는 단계(S20)가 진행된다. 여기서, 소결 온도는 500 내지 800℃일 수 있다. 상기 온도에 노출되는 구성 요소는 형광체, 글래스 플릿 및 투명 방열층이다. 즉, 상기 소결과정에서 반사층은 고온에 노출되지 않는다.
도 12를 참조하면, 형광체층(52)은 투명 방열층(53)상에서 소결 성형된다. 따라서, 본 발명에 따른 형광체 모듈은 형광체층(52)과 투명 방열층(53)을 접촉시키는 별도의 접착물질을 필요로 하지 않는다.
이후, 반사층 상에 접착 물질을 도포하는 단계(S30)가 진행된다. 다만, 이에 한정되지 않고, 접착 물질은 반사층 상이 아닌 형광체층(52)의 일면에 도포될 수 있다. 상기 접착 물질은 도 7에서 설명한 접착층(55)을 이루는 물질이므로, 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 반사층은 방열체 위에 코팅되어 형성될 수 있다. 이러한 경우, 본 발명에 따른 형광체 모듈은 반사층과 방열체를 접착시키는 별도의 접착 물질을 필요로 하지 않는다.
마지막으로, 도 12를 참조하면, 반사층 위에 도포된 접착 물질에 S20에서 소결된 글래스 형광체를 부착시키는 단계(S40)가 진행된다. 이에 따라, 접착 물질(55)은 반사층(51) 및 형광체층(52) 사이에 위치하게 된다.
반사층 및 형광체층에 배치된 접착 물질은 그 종류에 따라 경화 과정을 필요로 하는 물질일 수 있다. 이러한 경우, 100 내지 160℃의 온도에서 상기 접착 물질을 경화시키는 단계가 진행될 수 있다. 이때, 반사층도 100 내지 160℃의 온도에 노출될 수 있지만, 상기 온도에서 반사층이 산화될 가능성은 크지 않다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 제조방법에서는 투명 방열층(53)을 형광체층 소결 성형을 위한 기판으로 활용하기 때문에, 금속으로 이루어지는 반사층이 고온에 노출되지 않도록 할 수 있다. 이를 통해, 본 발명은 형광체 모듈의 제조 과정에서 반사층이 산화되는 것을 방지할 수 있다.
이상에서는, 글래스 형광체를 포함하는 형광체 모듈에 대하여 설명하였다.
한편, 세라믹 형광체는 소결 성형과정에서 산란인자의 제어가 어렵다. 본 발명은 세라믹 형광체로 이루어지는 형광체층에 복수의 홀을 형성하여, 세라믹 형광체로 이루어지는 형광체층에서의 산란 정도를 감소시킬 수 있다. 이를 통해, 세라믹 형광체를 레이저 광원에 활용하는 경우에도, yellow ring의 면적을 감소시킬 수 있다.
이하에서는 복수의 홀을 포함하는 세라믹 형광체에 대하여 설명한다.
도 14는 세라믹 형광체에 형성된 홀과 광원이 조사되는 면적을 나타내는 개념도이고, 도 15및 16은 복수의 홀들이 형성된 형광체층의 단면도이다.
도 3에서 설명한 레이저 광원에 사용되는 형광체 모듈은 세라믹 형광체로 이루어지는 형광체층(이하, 세라믹 형광체층)을 포함하여 이루어질 수 있다. 세라믹 형광체층은 복수의 홀들을 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 세라믹 형광체층에 형성된 복수의 홀들 각각의 깊이는 형광체층 두께의 6 내지 50%인 것이 바람직하다. 복수의 홀 각각의 깊이가 형광체층 두께의 6% 미만인 경우, 홀에 의한 산란 정도 감소 효과가 미비하고, 복수의 홀 각각의 깊이가 형광체층 두께의 50%를 초과하는 경우, 레이저 광을 형광체층에 조사하였을 때, 형광체층이 밝기가 감소할 수 있다.
한편, 세라믹 형광체층의 전체 면적 중 홀의 면적이 차지하는 비율은 20 내지 60%일 수 있다. 상기 비율이 20% 미만인 경우, yellow ring 감소효과가 미비하고 60%를 초과하는 경우, 형광체층의 밝기가 감소할 수 있다.
한편, 세라믹 형광체층에 포함된 복수의 홀들 각각의 직경은 7㎛ 이하일 수 있다. 상기 홀들의 각각의 직경이 7㎛를 초과하는 경우, yellow ring의 면적은 감소할 수 있으나, 레이저 광을 형광체층에 조사하였을 때, 형광체층이 밝기가 감소할 수 있다.
상기 홀들은 레이저 가공 방식에 의하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 세라믹 형광체층에 UV 레이저를 피코초(pico-second) 스케일의 펄스폭으로 조사하여 홀을 형성할 수 있다. 이때, 피코초(pico-second)보다 짧은 펨토초(pico-second) 스케일의 레이저를 조사하는 경우, 홀의 직경을 감소시킬 수 있다.
한편, 세라믹 형광체층은 형광체, SiO2 및 산화물의 혼합물로 이루어질 수 있다. 여기서, 세라믹 형광체층은 상기 혼합물을 1400 내지 1600℃의 온도에서 2 내지 6시간 동안 소결함으로써 형성될 수 있다.
여기서, 형광체는 YAG:Ce, LuAG:Ce, Sr2SiO4:Eu 및 Nitride 계열 황색 형광체 중 적어도 하나일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다.
한편, SiO2는 소결 조제의 역할을 하며, SiO2의 함량은 최대 15mol%일 수 있다. 한편, 상기 산화물은 Al2O3, MgAl2O4, AlON 및 SiAlON 일 수 있으며, 산화물의 함량은 최대 60mol%일 수 있다.
한편 세라믹 형광체층의 두께는 80 내지 200㎛일 수 있다. 형광체층의 두께가 80㎛ 미만인 경우, 형광체 모듈로 입사하는 광량 중 황색광으로 변환되는 비율이 일정 수준에 미치지 못하게 되어, 백색광을 구현하기 어렵게 된다. 한편, 형광체층의 두께가 200㎛를 초과하는 경우, 형광체층이 불균일하게 형성되어, 산란인자가 증가하고, 이에 따라, yellow ring의 면적이 증가할 수 있다.
한편, 도 14를 참조하면, 세라믹 형광체층(80)에서 홀이 형성되는 영역은 세라믹 형광체층(80)에 레이저 다이오드에서 발광된 청색광이 조사되는 영역(20) 주위일 수 있다. 구체적으로, 세라믹 형광체층(80)에서 홀이 형성되는 영역과 홀이 형성되지 않는 영역의 경계는 청색광이 조사되는 영역(20) 주위에 형성될 수 있다.
한편, 상기 홀들은 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 15를 참조하면, 세라믹 형광체층(80)에 형성된 홀(81)들은 원통형일 수 있다. 즉, 홀이 하부 직경과 상부 직경은 동일 할 수 있다.
이와 달리, 도 16을 참조하면, 세라믹 형광체층(80)에 형성된 홀(82)들의 하부 직경은 홀(82)들의 상부 직경보다 작을 수 있다. 후술할 레이저 가공 공정에 따라 홀을 형성할 경우, 홀들의 형상은 도 16에서 설명한 형상을 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 세라믹 형광체층에 복수의 홀들을 형성함으로써, 레이저 광원에서 발생되는 yellow ring의 면적을 감소시킬 수 있다.
이하에서는, 세라믹 형광체층에 복수의 홀을 형성하였을 때, 형광체층의 광속 및 휘도변화, yellow ring의 면적변화에 대하여 설명한다.
세라믹 형광체층에 복수의 홀들을 형성하는 경우, yellow ring의 면적은 증가할 수 있으나, 형광체층의 광속 및 휘도가 감소할 수 있다. 구체적으로, 형광체층의 광속 및 휘도, yellow ring의 면적은 세라믹 형광체층에 형성된 홀들의 직경 및 깊이에 따라 달라질 수 있다.
세라믹 형광체의 홀 가공 전후의 광속, 휘도, yellow ring 면적을 측정한 결과는 하기 표 2와 같다.
직경
(㎛)		 깊이
(㎛)		 종횡비
(깊이/직경)		 광속변화 휘도변화 Yellow ring 면적 변화
20 20 1 29~31% 감소 32~35% 감소 6~10% 감소
20 50 2.5 29~79% 감소 45~72% 감소 2~18% 감소
7 6 0.86 최대 8% 증가 최대 10% 증가 5~10% 감소
상기 표 2를 참조하면, 홀들의 직경 및 깊이가 큰 경우, yellow ring의 면적은 증가하지만, 형광체층의 광속 및 휘도가 감소하는 문제가 있다. 따라서, 상기 홀들의 각각의 직경은 7㎛ 이하인 것이 바람직하고, 상기 홀들 각각의 깊이는 형광체층 두께의 6 내지 50%인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 세라믹 형광체로 이루어지는 형광체층에 복수의 홀들을 형성함으로써, 레이저 광원에서 발생되는 yellow ring의 면적을 감소시킬 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
또한, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (7)

  1. 방열체;
    상기 방열체의 일부 표면에 코팅되고, 금속 또는 합금으로 이루어지는 반사층; 및
    상기 반사층 상측에 배치되고 레이저 다이오드로부터 발광된 빛을 흡수하여 흡수한 광의 파장과 다른 파장의 빛을 방출하고, 복수의 홀들을 구비하는 형광체층을 포함하고,
    상기 형광체층은,
    SiO2 및 형광체를 포함하여 이루어지고,
    상기 홀들 각각의 직경은 7㎛ 이하이고,
    상기 홀들 각각의 깊이/직경 값은 1 미만이며,
    상기 홀들은 상기 형광체 층의 일부 영역에만 형성되고,
    상기 일부 영역은 상기 레이저 다이오드로부터 발광된 빛이 조사되는 영역을 제외한 나머지 영역인 것을 특징으로 하는 레이저 광원용 형광체 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 홀들 각각의 깊이는 형광체층 두께의 6 내지 50%인 것을 특징으로 하는 레이저 광원용 형광체 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 형광체층의 두께는 80 내지 200㎛것을 특징으로 하는 레이저 광원용 형광체 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 형광체층의 전체 면적 중 홀의 면적이 차지하는 비율은 20 내지 60%인 것을 특징으로 하는 레이저 광원용 형광체 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 형광체는 YAG:Ce, LuAG:Ce, Sr2SiO4:Eu 및 Nitride 계열 황색 형광체 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 광원용 형광체 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 홀들 각각의 하부 직경은 상기 홀들 각각의 상부 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 레이저 광원용 형광체 모듈.
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