KR101949893B1 - 사파이어 형광체 플레이트 및 이를 이용한 레이저 기반 백색광원 장치 - Google Patents

사파이어 형광체 플레이트 및 이를 이용한 레이저 기반 백색광원 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 사파이어 형광체 플레이트 및 이를 이용한 레이저 기반 백색광원 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 사파이어 형광체 플레이트 상의 형광체 비율을 조절함으로써 제조가능한 투과형 또는 반사형 레이저 백색광원 장치에 관한 것이다.

Description

사파이어 형광체 플레이트 및 이를 이용한 레이저 기반 백색광원 장치{SAPPHIRE PHOSPHOR PLATE AND WHITE LIGHT APPARATUS BASED ON LASER USING THEREOF}
본 발명은 사파이어 형광체 플레이트 및 이를 이용한 레이저 기반 백색광원 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 사파이어 형광체 플레이트 상의 형광체 비율을 조절함으로써 제조가능한 투과형 또는 반사형 레이저 백색광원 장치에 관한 것이다.
광학 및 조명 분야에서는, LED(Light Emitting Diode) 이후 레이저 다이오드(LD; Laser Diode) 및 형광체를 이용한 광원의 개발이 활발하게 이루어지고 있는데, 특히 백색광을 구현하기 위한 목적으로 LED 및 LD에 대해, 형광체(phosphor)를 이용하고 있다. 이러한 이유로, 다양한 선행기술문헌에서는 LED과 형광체를 포함하는 PIG(Phosphor in Glass)의 성분비에 따른 광학적 특성에 대해 연구가 이루어지고 있다.
한편, 레이저 다이오드(LD)는, 집광되는 고출력의 레이저로 인해(예컨대, 청색 레이저 다이오드의 경우 4W 이상 집광), LED보다 높은 광출력과 에너지 밀도를 가져야 한다. 그러나 LED에 적용될 수 있는 YAG를 백색광을 구현하기 위한 목적으로 LD에 동일하게 적용할 경우, YAG 형광체는 100℃ 내지 150℃ 범위 이상이 되는 경우 광출력이 급격히 감소하는 특성을 보이기 때문에, 기존 PIG는 상기의 온도 범위를 초과하게 되면 고출력의 레이저를 견디지 못하고 열화된다.
이러한 문제점을 개선하기 위한 목적으로, 본 발명에서는 형광체 플레이트에 대해 사파이어를 포함함으로써, 레이저 기반 백색광원용 형광체 플레이트의 열적 안정성을 개선시키기 위해 제안된다.
한국특허공개공보 제10-2016-0017948호
본 발명은 전술된 문제점을 해결하기 위하여, 사파이어-형광체 플레이트 및 이를 이용한 레이저 기반 백색광원 장치를 제공하기 위함을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 사파이어-형광체 플레이트는 유리 프리츠(frits), 형광체(phosphor) 및 사파이어(Al2O3)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 사파이어-형광체 플레이트; 및 상기 사파이어-형광체 플레이트를 고정하기 위한 마운트를 포함하는 사파이어 형광체 플레이트 구조체; 및 레이저 광원을 포함하는, 레이저 기반 백색광원 장치가 개시된다. 여기서, 상기 레이저 광원은 청색 레이저 광을 출사하고, 상기 형광체는 황색 형광체일 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 레이저 기반 백색광원 장치는, 상기 사파이어-형광체 플레이트에 대한 중량비를 조절함으로써, 상기 백색광원 장치의 특성을 투과형 또는 반사형으로써 선택적으로 제조가능하다.
본 발명에 따른 레이저 기반 백색광원 장치가 투과형으로 제조되는 경우, 상기 사파이어-형광체 플레이트는, 상기 형광체 및 상기 사파이어는 1:1의 중량비로 혼합되어 소결될 수 있고, 예컨대, 상기 사파이어는 5 내지 20 중량비의 범위, 바람직하게는 5 중량비일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 레이저 기반 백색광원 장치가 반사형으로 제조되는 경우, 상기 사파이어-형광체 플레이트는 20 내지 30 중량비일 수 있다.
본 발명에 의하면, 사파이어-형광체 플레이트는 기존의 형광체 플레이트에 비하여 열적 안정성을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 사파이어-형광체 플레이트에 대한 중량비를 조절함으로써 레이저 기반의 백색광원 장치 특성을 투과형 또는 반사형으로써 선택적으로 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 레이저 기반의 백색광원 장치는 자동차 전조등, 의료용 조명기기 등 다양한 산업분야에서 활용될 수 있다.
나아가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명에 따른 사파이어 형광체 플레이트 및 이를 이용한 레이저 기반 백색광원 장치의 효과는 비단 전술된 사항에 국한되지 아니하고 폭넓게 도출될 수 있음을 인지할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 사파이어-형광체 플레이트를 구조적으로 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 사파이어-형광체 플레이트를 포함하는 레이저 기반의 백색광원 장치를 특성별로 예시적으로 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 레이저 기반의 백색광원 장치 중 투과형 특성이 있는 경우에 관한 실험결과이다.
도 4는 본 발명에 따른 레이저 기반의 백색광원 장치 중 반사형 특성이 있는 경우에 관한 실험결과이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 사파이어-형광체 플레이트 및 이를 사용한 레이저 기반 백색 광원 장치에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변형이 가해질 수 있고 여러 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예를 도면에 예시하고 상세히 설명하고자 한다.
그러나 본원에 기재된 실시예와 도면의 구성은 본 발명에 대한 예시적인 것으로, 본원의 출원시점에 있어서, 본원의 사상 및 기술 범위에 포함되고 대체가능한 균등물, 변경 내지 변형이 가능한 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 대해 기술됨에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그에 대한 구체적인 설명은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 사파이어-형광체 플레이트(100)를 구조적으로 도시하는데, 사파이어-형광체 플레이트(100)는 사파이어-형광체 글라스(Sapphire-Phosphor in Glass; S-PIG)로도 지칭될 수 있다. 일반적으로, 형광체 글라스(PIG; 또는 형광체 플레이트)는 유리 프리츠(glass frits)와 형광체를 포함하며, 본 발명에 따른 사파이어-형광체 플레이트(100)는 유리 프리츠(10), 형광체(20)와 사파이어(30; Al2O3)를 포함한다.
이러한 사파이어-형광체 플레이트(100)는 종래의 형광체 플레이트 제조공정에서 형광체를 소결시키기에 앞서, 일정 중량비의 사파이어 파우더를 혼합한 후 소결시킴으로써 제조될 수 있다.
일반적으로 사파이어의 열전도율(W/m·K)은 26으로, 1.05의 열전도율을 갖는 유리, 10 내지 13의 열전도율을 갖는 YAG 형광체에 비해, 열전도율이 높다. 한편, 사파이어는 비교적 넓은 파장 범위(예컨대, 400 nm 내지 1,000 nm)에서도 85%로 매우 높은 투과율을 나타낸다. 이러한 이유로, 본 발명에 따른 사파이어-형광체 플레이트(100)는 열전도율이 상승하여 형광체의 온도는 낮출 수 있는 동시에, 사파이어의 높은 투과율로 인하여 광손실을 최소화할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 사파이어-형광체 플레이트(100)를 포함하는 레이저 기반 백색광원 장치(200)를 예시적으로 도시하는데, 도 2에서 (a)는 투과형 특성이 있는 레이저 기반 백색광원 장치(200a)이며, (b)는 반사형 특성이 있는 레이저 기반 백색광원 장치(200b)이다. 두 가지 유형의 레이저 기반 백색광원 장치(200a, 200b) 모두 레이저 광원(210)과 사파이어-형광체 플레이트 구조체(220)를 구비한다.
사파이어-형광체 플레이트 구조체(220)는 사파이어-형광체 플레이트(221) 및 이에 부착되어 사파이어-형광체 플레이트(221)를 고정시키기 위한 마운트(230)를 포함한다. 여기서, 사파이어-형광체 플레이트(221)는 도 1에서 설명된 바와 같이, 유리 프리츠, 형광체 및 사파이어를 포함한다. 사파이어-형광체 플레이트(221)에 대한 중량비를 조절함으로써, 레이저 기반 백색광원 장치(200)는 그 특성이 투과형(a) 또는 반사형(b)으로, 선택적인 제조가 가능하다.
투과형 특성이 있는 레이저 기반 백색광원 장치(200a)의 사파이어-형광체 플레이트와 관련된 실험예로 도 3을 참조하여 설명되며, 반사형 특성이 있는 레이저 기반 백색광원 장치(200b)의 사파이어-형광체 플레이트와 관련된 실험예로 도 4를 참조하여 설명된다.
먼저, 도 3을 참조하면, 비교예 a는 형광체 플레이트 5 중량비(wt%)를 포함하며 사파이어를 포함하지 않는 경우(즉, 종래 형광체)이고, 실시예 b, c, d는 5 중량비(wt%)의 형광체 플레이트에 대해 각각 5 중량비, 10 중량비, 20 중량비의 사파이어를 포함하는, 본 발명에 따른 사파이어-형광체 플레이트를 예시한다.
이들 비교예 및 실시예에 대한 CIEx, CIEy(Color coordinates), CCT(Correlated color temperature; 색온도, 단위: K), 광출력(intensity, 단위: lx), 섭씨온도(단위: ℃)의 구체적인 실험 결과는 표 1과 같다.
성분비 CIEx CIEy CCT(K) 광출력(lx) 섭씨온도(℃)
a. 비교예 PIG 5중량비 0.31 0.32 6563 369 120
b.
실험예1		 PIG 5중량비 + 사파이어 5 중량비 0.33 0.37 5290 349 85
c.
실험예2		 PIG 5중량비 + 사파이어 10 중량비 0.39 0.47 4267 339 76
d.
실험예3		 PIG 5중량비 + 사파이어 20 중량비 0.4 0.49 4171 270 68
표 1과 도 3과 관련하여, 종래 형광체에 따른 비교예 a와 비교하건대, 사파이어(예, 사파이어 파우더)를 5중량비 추가하는 경우(실험예 b), 광출력은 약 5%가 감소되고, 섭씨온도가 약 30% 저하되기 때문에, 투과형으로 최적화될 수 있음을 알 수 있다.
즉, 형광체와 사파이어를 각각 5 중량비씩 1:1의 비율로 혼합되어 소결시킴으로써 사파이어-형광체 플레이트를 제조할 경우, 기존의 형광체 플레이트에 비해 투과형 특성이 우수한 레이저 기반 백색광원 장치의 구조체로 활용가능하다고 할 것이다.
다음으로, 도 4를 참조하면, 반사형 특성을 갖는 레이저 기반 백색광원 장치(도 2의 200b)의 사파이어-형광체 플레이트에 대한 실험 결과를 나타낸다.
비교예 e는 형광체 25 중량비를 포함하는 형광체 플레이트(또는, 형광체 글라스; PIG)(즉, 사파이어를 포함하지 않는 종래 형광체)에 따른 것이고, 실험예 f는 형광체 25 중량비를 포함하는 사파이어-형광체 플레이트에 따른 것이고, 실험예 g, h는 형광체 25 중량비인 형광체 플레이트에 의한 제1층, 그리고 상기 제1층의 아래에 각각 사파이어 25 중량비, 사파이어 50 중량비를 포함하는 사파이어 플레이트(또는 사파이어 형광체; SIG)에 의한 제2층의 복층 형태로 제조된 구조체에 의한 경우이다. 이에 대한 CIEx, CIEy, CCT, 광출력, 섭씨온도의 구체적인 실험 결과는 표 2와 같다.
성분비 CIEx CIEy CCT(K) 광출력(lx) 섭씨온도(℃)
e. 비교예 PIG 25중량비 0.284 0.249 13451 1405 392
f.
실험예1		 S-PIG 25중량비 0.326 0.332 5785 3056 131
g.
실험예2		 PIG 25중량비 + SIG 25 중량비 0.307 0.291 7320 1870 353
h.
실험예3		 PIG 25중량비 + SIG 50 중량비 0.320 0.314 6202 2163 290
표 2와 도 4와 관련하여, 종래 형광체에 따른 비교예 e와 비교하건대, 25 중량비의 사파이어-형광체 플레이트(S-PIG)의 경우(실험예 f), 광출력은 약 117%가 상승하며, 섭씨온도가 약 66% 저하되기 때문에, 반사형으로 최적화될 수 있음을 알 수 있다.
즉, 본 발명에 따라 제조된 사파이어-형광체 플레이트를 구성하는 형광체의 함량이 20 내지 30 중량비(바람직하게는, 25 중량비)로 제조할 경우, 기존의 형광체 플레이트에 비해 반사형 특성이 우수한 레이저 기반 백색광원 장치의 구조체로 활용가능하다고 할 것이다.
다시, 도 2로 돌아와서, 본 발명에 따른 레이저 기반 백색광원 장치(200)에 대해, 레이저 백색광원의 원리와 관련하여 설명한다.
레이저 광원(210)은 (제한되지 아니하고) 예컨대, 청색 레이저 광을 출사할 수 있다. 한편, 사파이어-형광체 플레이트 구조체(220)의 사파이어-형광체 플레이트(221)가 포함하는 형광체가 황색 형광체라면, 레이저 광원(210)에서 출사된 레이저 광이 사파이어-형광체 플레이트(221)에 도달한 후 백색 광이 출사될 수 있다.
도 1 내지 도 4에 걸쳐 설명된 레이저 기반의 백색광원 장치는 사파이어-형광체 플레이트와 이를 고정하기 위한 마운트를 포함하는 구조체; 및 레이저 광원을 구비할 수 있는데, 여기서 사파이어-형광체 플레이트는 유리 프리츠, 형광체 및 사파이어를 포함한다.
이러한 레이저 기반 백색광원 장치에 있어, 형광체 플레이트와 사파이어의 중량비가 1:1이 되는 경우, 바람직하게는 이들의 중량비가 5중량비인 경우, 기존의 형광체 플레이트에 비해, 온도는 약 30%가 저하될 수 있고, 광출력이 약 5% 감소되기 때문에, 상기 중량비에 따른 사파이어-형광체 플레이트를 이용하여 투과형의 레이저 백색광원장치를 제조할 수 있다.
한편, 사파이어-형광체 플레이트의 중량비를 20 내지 30(바람직하게는 25 중량비)인 경우, 기존의 형광체 플레이트로 제조된 레이저 기반 백색광원 장치에 비해 온도는 약 66%가 저하되고, 광출력이 약 117% 상승되기 때문에, 상기 중량비에 따른 사파이어-형광체 플레이트를 이용하여 반사형의 레이저 백색광원장치를 제조할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형이 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 본원에 정의된 일반적 원리는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 보호범위는 후술될 청구범위에 의해 해석되어야 하며 이와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 유리 프리츠(frits)에 형광체(phosphor)를 혼합하는 단계; 및
    소정 중량비의 사파이어(Al2O3)를 상기 혼합한 유리 프리츠와 형광체 혼합물의 소결 이전에 추가로 혼합한 후 소결시키는 단계;를 포함하고,
    상기 소결된 사파이어와 형광체는, 소정의 형태를 유지한 상태로 상기 소결된 유리 프리츠에 매립되고,
    상기 형광체는 20 내지 30 중량비로 혼합되는,
    사파이어-형광체 플레이트의 제조 방법.
  2. 제1항의 방법을 통해 제조되며,
    상기 유리 프리츠(frits)와, 상기 소정의 형태를 유지한 상태로 상기 유리 프리츠에 매립된 다수의 사파이어(Al2O3) 및 형광체(phosphor)를 포함하는,
    사파이어-형광체 플레이트.
  3. 제2항의 사파이어-형광체 플레이트;
    레이저 광원; 및
    상기 사파이어-형광체 플레이트를 고정하기 위한 마운트를 포함하는 사파이어-형광체 플레이트 구조체;를 포함하는,
    레이저 기반 백색광원 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 레이저 광원은 청색 레이저 광을 출사하고, 상기 형광체는 황색 형광체인,
    레이저 기반 백색광원 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 사파이어-형광체 플레이트의 상기 형광체에 대한 중량비를 조절함으로써, 상기 백색광원 장치의 특성을 투과형 또는 반사형으로 선택가능한,
    레이저 기반 백색광원 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 사파이어-형광체 플레이트에서,
    상기 형광체를 5 내지 20 중량비 및 상기 사파이어를 5 내지 20 중량비로 포함하는 사파이어-형광체 플레이트는, 투과형 사파이어-형광체 플레이트인,
    레이저 기반 백색광원 장치.
  7. 삭제
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