KR102012294B1 - Led들을 위한 물 유리 내의 인광체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광원 광(light source light)을 제공하도록 구성되고 LED(light emitting diode)를 포함하는 광원, 및 미립자 발광 물질(particulate luminescent material)을 함유하는 알칼리 실리케이트 매트릭스(alkali silicate matrix)를 포함하고 광원 광의 적어도 일부를 발광 물질 광(luminescent material light)으로 변환하도록 구성된 광 변환 층을 포함하는 조명 유닛(lighting unit)을 제공한다.

Description

LED들을 위한 물 유리 내의 인광체{PHOSPHOR IN WATER GLASS FOR LEDs}
본 발명은 LED(light emitting diode) 기반의 광원 및 광 변환 층을 포함하는 조명 유닛에 관한 것이다.
변환 층들을 가진 LED 기반의 광원들은 종래 기술에 알려져 있다. 예를 들어, WO/2007/073496은 적어도 하나의 고체 상태 발광기(solid state light emitter), 및 표면이 발광기의 조명 표면(illumination surface)보다 적어도 두 배는 넓고 발광기로부터 간격을 둔 적어도 하나의 발광 요소(luminescent element)를 포함하는 조명 디바이스를 기술한다. 또한 적어도 하나의 고체 상태 발광기 및 그로부터 간격을 둔 적어도 하나의 발광 요소를 포함하고 발광 요소의 투영의 표면적은 발광기의 투영의 표면적보다 적어도 두 배 넓은 조명 디바이스가 그 명세서에 기술된다.
WO/2010/027672는 광원, 및 광원을 제조하는 방법을 기술한다. 광원은 다이, 광 변환 컴포넌트 및 산란 링(scattering ring)을 포함한다. 다이는 그것의 상부 표면 및 하나 이상의 측면 표면을 통해 제1 파장의 빛을 방출하고, 마운팅 기판에 본딩된다. 광 변환 컴포넌트는 제1 파장의 빛을 제2 파장의 빛으로 변환하며, 그것의 하부 표면은 다이의 상부 표면에 본딩된다. 광 변환 컴포넌트는 다이 주변에 공간이 존재하게 하는 측면 크기를 가지며, 기판 및 광 변환 컴포넌트가 그 공간의 경계를 이룬다. 다이의 측면 표면들로부터 방출된 빛의 일부가 광 변환 컴포넌트 내로 산란 되도록 산란 링이 공간 내에 위치한다.
EP2481571 (WO2011/035475)는 유리 매트릭스를 포함하는 발광 유리를 기술한다. 상기 유리 매트릭스는 유리 부분과, 상기 유리 부분에 매립된 유리 및 형광 파우더의 복합 부분(complex part)을 포함한다. 상기 유리 및 형광 파우더의 복합 부분은 유리 물질, 및 상기 유리 물질 내에 분산된 형광 파우더를 포함한다. 상기 형광 파우더는 세륨 도핑된 테르븀 알루미늄 가넷 계열이다. 발광 유리, 및 발광 유리를 포함하는 발광 디바이스를 생산하는 방법도 이 문서에 기술되어 있다.
EP2481574 (WO2011/035479)는 유리 매트릭스를 포함하는 발광 유리를 기술한다. 상기 유리 매트릭스는 유리 부분과, 상기 유리 부분에 매립된 유리 및 형광 파우더의 복합 부분을 포함한다. 상기 유리 및 형광 파우더의 복합 부분은 유리 물질과, 상기 유리 물질 내에 분산된 형광 파우더를 포함한다. 상기 형광 파우더는 장 잔광 특성을 갖는 형광 파우더(long after-glow fluorescent powder)이다. 발광 유리, 및 발광 유리를 포함하는 발광 디바이스를 생산하는 방법도 이 문서에 기술되어 있다.
WO2009/132840은 특히, 약 1mm의 두께 d의 벌크 물질로서 사용될 때, 350 내지 800nm의 파장 범위 및 제1 광원이 빛을 방출하는 범위 내에서 80%를 넘는 내부 투과율 τi를 갖고, 루미포르(lumiphor) 없이 소결된 매트릭스 유리(sintered matrix glass)의 투과율과 재발산율(remittance)의 합이 350 내지 800nm의 스펙트럼 범위 및 제1 광원이 빛을 방출하는 스펙트럼 범위에서 적어도 80%를 넘는 매트릭스 유리를 포함하는, 반도체 광원을 제1 광원으로서 포함하는 백색 또는 색 광원에 대한 변환 물질을 기술한다.
WO2011/111462는 유리 매트릭스에 분산되고 높은 발광 효율을 가질 수 있는 무기성 인광 파우더를 포함하는 파장 변환 부재(wavelength conversion memeber)를 기술한다. 파장 변환 부재는 유리 매트릭스, 유리 매트릭스 내에 분산된 무기성 인광 파우더, 및 무기성 인광 파우더와 유리 매트릭스의 반응 산물을 포함하며, 0.01 내지 5㎛의 두께를 갖는, 무기성 인광 파우더와 유리 매트릭스 사이의 계면에 배열된 중간 층을 포함한다.
US2009/085009는 자외선 발광 다이오드의 여기(excitation)에 의한 세 개의 주요 색상 중 임의의 하나의 빛을 방출하는 발광 다이오드를 위한 형광 물질을 기술한다. 대안적으로는, 발광 다이오드를 위한 형광 물질은 청색 발광 다이오드의 여기에 의한 스펙트럼의 적색 영역에서 빛을 방출한다. Na2SrSi2O6는 Eu3+로 도핑된다. 바람직하게는, Eu3+는 임자 결정(host crystal)에서 1 내지 80 몰%의 농도를 차지하도록 첨가되는 한편, Na2SrSi2O6 내의 Si4+의 자리들이 Al3+ 및/또는 Ga3+로 대체된다. 대안적으로, Ca3Si2O7이 Ce3+ 및 Tb3+로 도핑된다. 바람직하게는, Ce3+ 및 Tb3+는 임자 결정에서 각각 0.1 내지 80 몰% 및 0.1 내지 20 몰%의 농도를 차지하도록 첨가된다. 여전히 대안적으로, Ca3Si2O7은 Eu2+로 도핑된다. 바람직하게는, Eu2+는 임자 결정에서 0.5 내지 10 몰%의 농도를 차지하도록 첨가된다.
인광체-변환된 LED들은 조명(illumination), LCD 백 라이팅 및 자동차를 포함하는 많은 응용에서 사용된다. 청색 광을 백색 광으로 변환하기 위해서, 상이한 발광 물질계들(luminescent material systems)이 사용된다. 보통, 발광 물질 입자들은 유기계 또는 하이브리드 유기/무기계들로 LED 표면에 구속된다. 유기계의 전형적인 예는 에폭시이다. 유기/무기계의 전형적인 예는 실리콘이다.
에폭시들은 고강도 청색 광이 존재하면 열화되기(산화되기) 때문에 고전력(high power) LED 패키지들에 사용되지 못할 수 있다. 실리콘들은 청색 광에 훨씬 더 안정적이나, 강한 청색 광과 고온의 조합에 대해서는 이 또한 열화될 수 있다. 발광 물질-변환된 LED들에서 스토크스 시프트(Stokes shift)로 인해, 발광 물질 입자들의 표면에서 열이 생성된다. 열은 발광 물질 입자들을 둘러싸는 폴리머 매트릭스에 영향을 주어, 발광 물질과의 접촉 영역에서 폴리머의 산화를 야기한다. 폴리머는 단열 물질이고 따라서 GaN 아래의 히트 싱크(heat sink)를 향한 열 확산(heat diffusion)을 제한한다. 이것은 발광 물질 알갱이들(luminescent material grains)의 영역 내에 열을 유지한다. 따라서 발광 물질 알갱이들의 표면 온도는 극단적으로 높아지고 그 결과 폴리머가 타버리는 것을 야기한다. 발광 물질 알갱이들의 표면 위에서의 폴리머 열화는 의도하지 않은 컬러 시프트 및 광 출력 손실을 야기할 수 있다. 더욱이, 발광 물질 온도가 높을수록 변환 효율성이 낮아진다.
이러한 이유로, 본 발명의 측면은 상기 기술된 단점들 중 하나 이상을 적어도 부분적으로 바람직하게 더 제거하는 대안적인 매트릭스를 제공하는 것이다. 특히, 대안적인 매트릭스는 실리콘 매트릭스들보다 더 큰 열 전도성 및/또는 열 안정성을 갖는다. 더욱이, 대안적인 매트릭스는 가시 광에 투명하다. 더욱이, 바람직하게는 대안적인 매트릭스는 (매트릭스의 상부 위에 적용될 수 있는) 실리콘들의 굴절률과 실질적으로 동일한 굴절률을 갖는다. 더 나아가, 바람직하게는 매트릭스, 또는 더 정확하게는 발광 물질을 갖는 매트릭스를 포함하는 광 변환 층은 상대적으로 더 쉽게 기판에 적용될 수 있다.
놀랍게도, 물 유리는 위에 나타낸 특성들 중 하나 이상을 충족시킬 수 있고 따라서 매트릭스로 사용될 수 있다. 이러한 이유로, 본 발명은 발광 물질용 매트릭스로서 물 유리의 사용을 제공한다. 그러한 매트릭스는 LED 다이의 상부 위의 층에(층으로서) 적용되거나 LED 다이의 위 또는 LED 다이로부터 멀리 떨어진 기판 위에 적용될 수도 있다.
물 유리는 극 고온에 강하고 실리콘에 비해 약 열 배 정도의 열을 더 전도한다. 더욱이, 이것은 가시 광에 투명하다. 또한 굴절률은 적어도 다수의 실리콘의 굴절률과 비교할 만하다. 무기성 본질 때문에, 물 유리는 (실질적으로) LED 환경에서 열 열화를 겪지 않는다. 더욱이, 그것의 비교적 높은 열전도성은 발광 물질 온도를 낮게 유지한다. 물 유리 코팅은 또한 기계적 강도를 제공할 수 있고 따라서 적층된 유리 웨이퍼들(laminated glass wafers)을 대체할 수 있다.
따라서 제1 측면에서 본 발명은, 광원 및 광 변환 층을 포함하는 조명 유닛을 제공하고, 광원은 광원 광을 제공하도록 구성되고 LED(light emitting diode)를 포함하며, 광 변환 층은 미립자 발광 물질을 함유하는 알칼리 실리케이트 매트릭스("매트릭스"), 특히 (고체) 물 유리를 포함하고, 광 변환 층은 광원 광의 적어도 일부를 발광 물질 광으로 변환하도록 구성된다. "매트릭스"라는 용어는 발광 물질 입자들이 매트릭스에 의해 둘러싸인다는 사실, 즉 알칼리 실리케이트 매트릭스의 양이 적을지라도 매트릭스에 입자들이 매립된다는 사실을 나타낼 수도 있다. 또한 "매트릭스"라는 용어는 매트릭스가 실질적으로 연속적인 상(continuous phase)일 수 있다는 사실을 나타낼 수도 있다.
상기 나타낸 바와 같이, 그러한 조명 유닛은 광 변환 층이 안정적일 수 있고, 열 에너지가 잘 전도되어 나갈 수 있고, 따라서 광 변환이 더욱 효율적일 수 있다는 사실로부터 이득을 얻을 수 있다. 더욱이, 층의 적용은 상대적으로 간단할 수 있다.
광원이라는 용어는 이론상으로 종래 기술에 알려진 임의의 광원에 관한 것일 수 있다. 바람직하게는, 광원은 동작 동안 적어도 200-490nm의 범위로부터 선택된 파장에서 빛을 방출하는 광원, 특히 동작 동안 적어도 400-490nm의 범위로부터 선택된 파장에서 빛을 방출하는 광원이다. 이 빛은 발광 물질에 의해 부분적으로 변환될 수 있다(이하 참조). 특정 실시예에서, 광원은 (LED 또는 레이저 다이오드와 같은) 고체 상태 LED 광원을 포함한다. "광원"이라는 용어는 2-20개의 (고체 상태) LED 광원과 같이, 복수의 광원에 관한 것일 수도 있다. 따라서, 특정 실시예에서, 광원은 발광 다이오드를 포함한다. 더욱 특히, 광원은 (동작에서) 청색 광을 생성하도록 구성된다. 이러한 이유로, 청색 광의 적어도 일부는 광 변환 층에 의해, 예컨대 황색, 또는 황색 및 적색, 또는 녹색 및 적색 등으로 변환될 수 있다.
광 변환 층은 광원 광의 적어도 일부를 발광 물질 광으로 변환하도록 구성된다. 광 변환 층은, 광원 광이 광 변환 층의 한쪽 면에 침투하고, 발광 물질 광 및 선택적으로 광원 광이 광 변환 층들의 반대쪽 면으로부터 빠져나오는(또한 발광 물질 광이 광 변환 층의 한쪽 면으로부터 빠져나오는 것 및/또는 광원 광이 광 변환 층의 한쪽 면에서(한쪽 면으로부터) 반사/산란되는 것을 배제하지 않음) 투과성 구성(transmissive configuration)으로 구성될 수 있다. 광 변환 층은 또한, 광원 광이 광 변환 층의 한쪽 면에 침투하고 발광 물질 광이 오직 층들의 동일한 면으로부터만 빠져나올 수 있는(광원 광이 광 변환 층의 한쪽 면에서(한쪽 면으로부터) 반사/산란되는 것 또한 배제하지 않음) 반사성 구성으로 구성될 수 있다. 전자의 구성은 예를 들면 LED 다이 또는 출사 창(exit window) 위에 광 변환 층이 적용될 때 사용될 수 있다. 후자의 구성은 예를 들어 광 캐비티(light cavity)의 벽들 또는 다른 부분들에서, 예컨대 반사성 층 대신 또는 반사성 층의 상부 위에 적용될 수 있다. ((동일한) 조명 유닛 내에서) 양 구성 모두가 적용될 수 있음에 주목한다.
실시예에서 광 변환 층은, 제1 층이 적색 광을 생성하도록 구성된 발광 물질을 포함하고 제2 층이 녹색 및/또는 황색 광을 생성하도록 구성된 발광 물질을 포함하는 것과 같은 다중 층일 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 광 변환 층은 (보호) 코팅을 포함할 수 있고(이하 참조), 실시예에서 그 코팅은 (고체 물 유리와 같은) 알칼리 실리케이트를 포함할 수도 있으나, 발광 물질은 갖지 않고 선택적으로 상이한 조성을 갖는다.
상기 나타낸 바와 같이, 광 변환 층은 LED의 다이 위에 적용될 수 있지만, 예컨대 출사 창 위에도 적용될 수 있다. 이러한 이유로, 실시예에서 광 변환 층은 그러한 출사 창 위와 같이, 광원으로부터 멀리 떨어져 구성될 수 있다.
상기로부터 명백할 바와 같이, 조명 유닛은 상이한 방식들로 구성될 수 있다. 광 변환은 다이 위에 및/또는 동떨어져 있을 수 있고, 그리고/또는 (투과성) 돔에서 분산될 수 있고, 돔 위에 있을 수도 있으며; 광 변환 층은 (양 구성이 동일한 조명 유닛에 적용될 수 있긴 하지만) 투과성 방식 또는 반사성 방식으로 사용될 수 있고; 광 변환 층은 코팅될 수 있는 등이다. 이러한 이유로, 조명 유닛은 광 변환 층의 다운스트림에 구성된 투과성 광학 요소를 더 포함할 수 있고, 투과성 광학 요소는 (예컨대) 돔, 코팅 및 서포트로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.
에폭시 돔들과 같은 돔들은 종래 기술에 잘 알려져 있고, LED 다이로부터의 광 추출을 지원하는 데 사용될 수 있다. 실시예에서, 돔은 광 변환 층이고, 즉, 발광 물질이 돔에 확산되어 있다. 또 다른 실시예에서, 발광 물질은 본 명세서에 기술된 바와 같이 LED 다이 위에 광 변환 층으로서 제공되고, 돔은 광 변환 층을 갖는 다이 상에 배열된다. 광 변환 층 위의 코팅을 사용할 때, 예컨대 코팅은 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 코팅은 실리콘 코팅을 포함할 수 있으나 다른 (광학) 코팅들 또한 적용될 수 있다.
"업스트림" 및 "다운스트림"이라는 용어는 광 생성 수단(여기에서는 특히 제1 광원)으로부터 빛의 전파에 대한 아이템들 또는 피쳐들(features)의 배열에 관한 것이고, 광 생성 수단으로부터의 광 빔 내에 있는 제1 위치에 비하여, 광 생성 수단에 더 가까운 광 빔 내의 제2 위치는 "업스트림"이고, 광 생성 수단으로부터 더 멀리 떨어진 광 빔 내의 제3 위치는 "다운스트림"이다.
알칼리 실리케이트는 특히 SiO2*M2O("물 유리")를 포함할 수 있고, M은 리튬(Li), 나트륨(Na) 및 칼륨(K), 특히 적어도 나트륨으로 구성된 그룹으로부터 선택된 종들을 포함하며, 실시예에서 SiO2 및 M2O 간의 몰 비는 2:1-4:1의 범위에 속한다(이하 참조).
물 유리 알칼리 실리케이트들의 상이한 유형들은 특히 2:1-4:1 사이 (즉, 2-4몰의 SiO2 대 1몰의 M2O), 특히 2:1 과 3.75:1 사이 내에서 변할 수 있는 SiO2:M2O 비에 의해 특징지어진다. 이러한 이유로, 실시예에서 알칼리 산화물에 대한 실리콘 산화물의 몰 비로 정의되는, 알칼리 금속에 대한 실리콘의 분자량 비는 2-4의 범위, 특히 2:1과 3.75 사이, 더욱 특히 2.5-3.75, 더욱 더 특히 2.8-3.22 사이처럼 2.7과 3.5 사이에 있다. 3(+/- 0.2)의 비는 양호한 코팅 결과들을 제공하는 것으로 보인다(이하 더 참조).
특정 실시예에서, 알칼리 실리케이트 매트릭스는 M2SiO3를 포함하고, M은 리튬, 나트륨 및 칼륨으로 구성된 그룹으로부터 선택된 종들을 포함한다. 실시예에서, 예컨대 (Li,Na)2SiO3와 같은 두 개 이상의 알칼리 이온이 동일한 매트릭스에 존재한다. 예를 들어, 70몰%의 M은 나트륨이고 30몰%의 M은 리튬이다. M2SiO3에 부가하여, 알칼리 실리케이트 매트릭스는 또한 M2O 및 SiO2 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 특히, M은 적어도 나트륨(Na)을 포함한다. 특정한 실시예에서, 알칼리 실리케이트 매트릭스는 Na2SiO3를 포함한다. Na2SiO3는 종종 나트륨 물 유리로 표현된다. 탄산나트륨 및 실리콘 이산화물은 녹았을 때 반응하여 나트륨 실리케이트 및 이산화탄소를 형성한다: Na2CO3 + SiO2 → Na2SiO3 + CO2. 무수 나트륨 실리케이트(anhydrous sodium silicate)는 코너가 공유된 {SiO4} 사면체로 구성된 체인 폴리머 음이온(chain polymeric anion)을 포함한다. 이는 칼륨 및 리튬 변종들에도 적용될 수 있다. (M2SiO3) 물 유리의 칼륨 및 리튬 변종들은 각각 칼륨 물 유리 및 리튬 물 유리로 표현된다.
발광 물질에 부가하여, 알칼리 실리케이트 매트릭스는 또한 선택적으로 반사성 물질, (예를 들어 층 형성을 개선하기 위한) 글리세롤과 같은 유기성 물질, 강화 섬유들(특히 유리 섬유들) 등 중 하나 이상과 같은 다른 물질들을 포함할 수 있다. (유리 섬유들처럼) 강화 섬유들과 같은 다른 물질들을 부가할 때, (그러한 부가된 물질의) 굴절률은 바람직하게는 알칼리 실리케이트 매트릭스 또는 물 유리의 굴절률에 근접하다. 특히, 그러한 부가물의 굴절률은 알칼리 실리케이트 매트릭스의 굴절률의 +/- 0.10의 범위 내와 같이 +/- 0.20의 범위 내에, 특히 +/- 0.05의 범위 내에 있을 수 있다. 더욱이, 알칼리 실리케이트 매트릭스는 (결정(crystal)) 물을 포함할 수 있다. 일반적으로, 물의 중량 백분율은 광 변환 층의 총 중량에 대하여 약 15wt.% 아래이고, 특히 약 10wt.% 아래이고, 더욱 특히 약 5wt.% 아래이다.
광 변환 층은 미립자 발광 물질을 포함한다. 발광 물질의 입자들은 (적어도 부분적으로) 알칼리 실리케이트 매트릭스 내에 매립된다. 이러한 이유로, 후자의 경우 연속적인 상(phase)으로 간주될 수 있다. 상대적인 양들에 따라, 알칼리 실리케이트는 매럽고 광택있는 외양을 가진 통합된 실질적으로 완전히 평평한 층들(integral substantially flat layers)을 형성하거나, 거칠 수 있는 층을 형성할 수 있다. 특히, 광 변환 층은 광 변환 층의 총 중량에 대하여 적어도 2 wt.%의 알칼리 실리케이트 (또는 물 유리), 특히 적어도 10 wt.%, 더욱이 특히 적어도 20 wt.%의 알칼리 실리케이트를 포함한다. 실시예에서, 광 변환 층 내의 발광 물질에 대한 알칼리 실리케이트의 중량 비는 20:1-1:20의 범위와 같이 50:1-1:50의 범위, 특히 5:1-1:5의 범위와 같이 10:1-1:10의 범위, 예컨대 1:1-1:3의 범위 내에 있다. 발광 물질이라는 용어는 복수의 상이한 발광 물질을 지칭할 수도 있다는 점에 주목한다(이하 참조). 알칼리 실리케이트 및 발광 물질의 총(즉, 결합된) 양은 일반적으로 광 변환 층의 총 중량에 대하여 적어도 50wt.%, 특히, 적어도 60wt.%, 더욱 특히, 적어도 70wt.%이다. 특히, 알칼리 실리케이트 및 발광 물질의 총 양은 광 변환 층의 총 중량에 대하여, 적어도 80wt.%, 특히, 적어도 95wt.%와 같이 적어도 90wt.%일 수 있다.
발광 물질은 이론적으로 광원 광의 적어도 일부를 흡수하기에 적합하고 흡수된 광원 광의 적어도 일부를 (특히 가시) 발광으로 변환시킬 수 있는 임의의 발광 물질일 수 있다. 발광 물질은 특히, (광원 광이 청색 광 성분을 포함한다는 가정 하에) 광원 광의 청색 부분의 적어도 일부를 흡수하도록 구성된다.
실시예에서, 미립자 발광 물질은 가넷을 함유하는 3가 세륨, 질화물을 함유하는 2가 유로퓸, 산화질화물을 함유하는 3가 세륨, 및 산화질화물을 함유하는 2가 유로퓸으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 발광 물질을 포함한다. 특히, 이러한 발광 물질들은 청색에서 여기(excited)될 수 있다. 원하는 경우, 이러한 식으로, 청색 광원 광, 및 이러한 발광 물질들 중 하나 이상, 선택적으로는 하나 이상의 부가적인 발광 물질과의 조합에 기반하여 백색광이 생성될 수 있다. 이러한 이유로, 실시예에서는, 광원은 청색 광원 광을 생성하도록 구성되고, 광원 광 및 광 변환 층은 백색 조명 유닛 광을 제공하도록 구성된다. 따라서, 실시예에서 광원 광은 청색이고, 발광 물질 광은 황색, 황색 및 적색, 또는 녹색 및 적색 등과 같은 하나 이상의 보색을 포함한다.
(그러한) (무기성) 발광 물질들의 예들은, 예컨대 YAG:Ce의 몰 비가 2.1 또는 3.3인 세륨 도핑된 YAG(Yttrium Aluminum Garnet), 또는 (유사한 몰 비의) 세륨 도핑된 LuAG(Lutetium Aluminum Garnet)를 포함한다. 적합한 무기성 발광 물질의 구체적인 예들로는 Y3Al5O12:Ce3 +, Y2LuAl5O12:Ce3 +, YGdTbAl5O12:Ce3 +, Y2.5Lu0.5Al5O12:Ce3+, Lu3Al5O12:Ce3 +, (Sr,Ba,Ca)2SiO4:Eu2 +, (Sr,Ca,Ba)Si2O2N2:Eu2 +, (Ca,Sr,Ba)Ga2S4:Eu2+, (Ca,Sr,Ba)2Si5N8:Eu2 + 등이 있다. 다른 청색 광 여기가능한 발광 물질 또한 적용될 수 있다.
특정 실시예에서, 발광 물질은 발광 양자 점들(luminescent quantum dots)을 포함한다. 그러한 발광 물질은 (종래 기술에 알려진 바와 같이 입자 크기에 따라서) 방사 밴드(emission band)를 조정가능한 이점을 가질 수 있다. 더욱이, 그러한 시스템들은 포화된 발광 컬러들을 줄 수 있다. 가시 영역에서 방출하는 가장 잘 알려진 양자점들은 CdS(cadmium sulfide) 및 (또는) ZnS(zinc sulfide) 쉘과 같은 쉘을 갖는 CdSe(cadmium selenide)에 기반한다. InP(indium phosphide), 및/또는 CuInS2(copper indium sulfide) 및/또는 AgInS2(silver indium sulfide)와 같이 카드뮴 없는 양자 점들 또한 사용될 수 있다. 그러한 발광 물질들은 상기 또는 이하에 나타나는 투명한 물질들 중 하나 이상과 같은 투명한 물질에 매립되어 있을 수 있다.
위에 나타낸 바와 같이, 발광 물질이라는 용어는 복수의 상이한 발광 물질에 관한 것일 수도 있다. 이러한 이유로, 실시예에서는 발광 물질은 복수의 발광 물질을 포함한다. 발광 물질들은 동일한 여기 파장에서 그들의 방출 스펙트럼 분포들이 상이할 때 상이하다고 간주될 수 있다.
미립자 발광 물질은 예컨대 0.5-10㎛의 범위의 입자 크기를 갖는 발광 물질 입자를 포함하고, 특히 (미립자 발광 물질의 입자들 중의) 적어도 85wt.%와 같이 50wt.% 이상이 0.5-10㎛의 범위에 있는 크기를 가질 수 있다. 물론, 양자 점들은 더 작을 수 있다.
본 명세서에서 백색 광이라는 용어는 당해 기술 분야에서 통상의 기술자에게 알려져 있다. 특히 그것은 약 2000 내지 20000K, 특히 2700-20000K 사이의 CCT(correlated color temperature)를 갖는 빛, 일반적인 조명용으로 특히 약 2700K 및 6500K의 범위, 및 백라이트 용도로는 특히 약 7000K 및 20000K의 범위 내이며, 특히 BBL(black body locus)로부터 약 15 SDCM(standard deviation of color matching) 내에, 특히, BBL로부터 약 10 SDCM 내에, 더욱 특히 BBL로부터 약 5 SDCM 내에 있는 빛에 관한 것이다.
"보라색 광" 또는 "보라색 발광"이라는 용어는 특히 약 380-440nm의 범위에 있는 파장을 갖는 빛에 관한 것이다. "청색 광" 또는 "청색 발광"이라는 용어는 특히 약 440-490nm의 범위에 있는 파장을 갖는 빛에 관한 것이다(일부 보라색 및 청록색 색조를 포함). "녹색 광" 또는 "녹색 발광"이라는 용어는 특히 약 490-540nm의 범위에 있는 파장을 갖는 빛에 관한 것이다. "황색 광" 또는 "황색 발광"이라는 용어는 특히 약 540-570nm의 범위에 있는 파장을 갖는 빛에 관한 것이다. "주황색 광" 또는 "주황색 발광" 이라는 용어는 특히 약 570-600의 범위에 있는 파장을 갖는 빛에 관한 것이다. "적색 광" 또는 "적색 발광"이라는 용어는 특히 약 600-750nm의 범위에 있는 파장을 갖는 빛에 관한 것이다. "가시적인", "가시 광" 또는 "가시성 발광"이라는 용어는 약 380-750nm의 범위에 있는 파장을 갖는 빛을 지칭한다.
또 다른 부가적인 측면에서, 본 발명은 기판에 광 변환 층을 제공하기 위한 프로세스를 제공하고, 여기에서 광 변환 층은 입자들을 포함하는 발광 물질 (즉, 미립자 발광 물질)을 함유하는 알칼리 실리케이트 매트릭스를 포함하며, 프로세스는 미립자 발광 물질, 알칼리 실리케이트 매트릭스 전구체 액체(precursor liquid) 및 선택적으로 하나 이상의 다른 컴포넌트를 혼합하고, 선택적으로 하나 이상의 부가적인 프로세스 단계 후에 그에 따라 획득된 혼합물을 기판의 표면에 적용하며, 그렇게 형성된 층을 건조시켜 광 변환 층을 제공하는 것을 포함한다.
이것은 상대적으로 간단한 프로세스일 수 있고, 상기 기술된 광 변환 층으로 이어질 수 있는 광 변환 층들을 제공하기 위한 가장 최신식의 프로세스들보다는 일반적으로 더 쉽다. 기판은 예를 들어 LED(특히, LED 다이), (출사 창으로 의도된 것과 같은) 투과성 서포트 또는 (특히 복수의 LED 다이를 포함하는) 웨이퍼를 포함할 수 있다. 웨이퍼는 그 후에 레이저 다이싱과 같은 것에 의해 다이싱될 수 있다. 광 변환 층이 다이싱 동안 실질적으로 손상되지 않고 유지될 수 있으므로 이 또한 특정한 이점이다. 선택적으로, 서포트는 유리 섬유들에 기초한 것과 같은 강화 섬유들의 직물(cloth)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 단쇄 섬유들(short-chain fibers)은 코팅에 앞서 물 유리/인광체 서스펜션에 서스펜딩될 수 있다.
알칼리 실리케이트 매트릭스 전구체 액체는 예컨대 액상 물 유리 또는 액화된 고체 물 유리일 수 있다. 물 유리 파우더는 물과 같은 액체와 혼합될 수 있고 그에 따라 획득된 액체(또는 용액)는 미립자 발광 물질 및 선택적인 다른 성분들과 조합된다. 발광 물질은 액체에서 미립자 발광 물질의 서스펜션을 야기할 수 있다.
액체가 기판 위에의 적용 및 건조 후에 미립자 발광 물질을 (적어도 부분적으로) 둘러싸는 매트릭스로 이어지는 구조 물질(building material)을 제공하므로 "매트릭스 전구체"라는 용어가 사용된다. 이러한 식으로 고체 알칼리 실리케이트 매트릭스가 형성된다.
특히, 액체는 수성(water-based)이다. 존재할 수 있는 다른 성분들은 예컨대 에탄올, 아세톤 등과 같은 유기성 저온 비등 용매들일 수 있지만, 또한 특히 비율이 2 이상과 같이 1을 넘을 때 반사 입자들(reflector particles) 또는 유리 섬유들과 같은 강화 입자들일 수도 있다.
"선택적인 하나 이상의 부가적인 프로세스 단계들"은 예컨대 가열 프로세스, (어려운(severe)) 혼합 프로세스, 하나 이상의 부가적인 성분의 혼합 등을 포함할 수 있다.
위에 나타낸 바와 같이, 미립자 발광 물질은 실시예에서 복수의 상이한 발광 물질을 포함할 수 있다. 이것은 두 가지 (또는 그 이상의) 유형의 입자들을 암시하고 그리고/또는 각각이 두 가지 (또는 그 이상의) 유형의 발광 물질을 갖는 입자들을 암시할 수도 있다.
광 변환 층의 특성들은 형성될 당시 액체 또는 광 변환 층 상의 대기에 있는 산성 컴포넌트들의 존재에 의해 부가적으로 영향을 받을 수 있다. 이러한 이유로, 실시예에서, 프로세스는 (ⅰ)산성 컴포넌트를 혼합물에 부가하는 것, (ⅰ)산성 가스 또는 산성 스프레이를 그와 같이 형성된 광 변환 층 상으로 보내는 것 중 하나 이상을 포함한다. 이는 층의 강도를 개선하고 습도에 대한 저항성을 증가시킨다.
층은 (액상) 코팅들을 제공하기 위하여, 종래 알려진 방법들로 표면에 적용될 수 있다. 광 변환 층을 제공하기 위하여 이렇게 형성된 층을 건조할 때, 프로세스는 가열 단계를 포함할 수 있다. 특히, 건조는 이렇게 형성된 층을 조명 유닛에 최대 전력으로 인가되었을 때에 또한 도달할 수 있는 온도까지 가열하는 것을 포함한다. 실시예에서, (LED 다이 또는 투과성 서포트와 같은 기판에의 적용 후에) 층은 200-300℃의 범위의 온도로 가열된다.
실시예에서 (상기 참조), 미립자 발광 물질은 50wt.% 또는 그 이상이 0.5-10㎛ 범위의 크기를 갖는 발광 물질 입자들을 포함한다. 더욱이, 실시예에서 프로세스는 30-70㎛의 범위처럼, 10-100㎛의 범위와 같이 5-200㎛의 범위에 속하는 두께를 갖는 광 변환 층을 제공하는 것을 포함한다.
상기 설명된 바와 같이, 고체 물 유리는 조명 유닛 내의 광 변환 층으로서의 미립자 발광 물질을 위한 매트릭스로 사용될 수 있다.
"실질적으로 모든 방출" 또는 "실질적으로 포함한다"와 같은 것에서 "실질적으로"라는 용어는 본 명세서에서 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있다. "실질적으로"라는 용어는 "전적으로", "완전히", "모든" 등을 포함하는 실시예들 또한 포함할 수 있다. 이러한 이유로, 실시예들에서 실질적으로라는 형용사는 삭제될 수도 있다. 적용 가능한 경우, "실질적으로"라는 용어는 90% 또는 그 이상, 예를 들어 95% 또는 그 이상, 특히 99% 또는 그 이상, 심지어는 특히 100%를 포함하여 99.5% 또는 그 이상에 관한 것일 수도 있다. 또한 "포함하는"은 "포함하는"이라는 용어가 "구성된"을 뜻하는 실시예들도 포함한다.
더욱이, 설명 및 청구항들에서 제1, 제2, 제3 및 그 유사한 것과 같은 용어들은 유사한 요소들 간의 구분을 위해 사용되고, 반드시 순차적이거나 시간적 순서를 설명하는 것은 아니다. 그렇게 사용된 용어들은 적절한 상황들 하에서 상호 교체 가능하고, 본 명세서에 기술된 본 발명의 실시예들은 여기에 기술되거나 설명된 것과는 다른 순서들로 동작할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 명세서의 디바이스들은 다른 것들 중에서도 동작 동안 기술된다. 통상의 기술자에게 자명할 것과 같이, 본 발명은 동작의 방법들 또는 동작 중인 디바이스들로 제한되지 않는다.
상기 언급된 실시예들은 본 발명을 제한하기보다는 설명하는 것이고, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 첨부된 청구항들의 범위를 벗어나지 않고 많은 대안적인 실시예들을 설계할 것이라는 점이 주목되어야 한다. 청구항들에서, 괄호 안에 위치한 임의의 참조 부호들은 청구항을 제한하는 것으로 해석되지 않을 것이다. "포함한다"라는 동사의 사용 및 활용들(conjugations)은 청구항에 서술된 것들 외의 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다. 요소에 선행하는 관사 "a" 또는 "an"은 복수의 그러한 요소의 존재를 배제하지 않는다. 본 발명은 뚜렷이 구별되는 수 개의 요소들을 포함하는 하드웨어에 의해, 그리고 적합하게 프로그래밍된 컴퓨터에 의해 구현될 수 있다. 여러 가지 수단을 열거하는 디바이스 청구항에서, 이러한 수단 중 여럿은 하나의 동일한 하드웨어 아이템에 의해 구현될 수 있다. 단지 상호 다른 종속항들에 기재되었다는 사실은 이러한 방안들(measures)의 조합이 유리하게 사용될 수 없음을 나타내지 않는다.
본 발명은 또한 설명에 기술된, 및/또는 첨부된 도면들에 도시된 하나 이상의 특징적인 특성들을 포함하는 디바이스에 적용된다. 더욱이 본 발명은 설명에 기술된, 및/또는 첨부된 도면들에 도시된 특징적인 특성들 중 하나 이상을 포함하는 방법 또는 프로세스에 관련된다.
본 출원에서 논의된 다양한 측면들은 부가적인 이점들을 제공하기 위하여 조합될 수 있다. 뿐만 아니라, 이러한 특성들의 일부는 하나 이상의 분할 출원의 기초를 형성할 수 있다.
상응하는 참조 부호들이 상응하는 부분들을 나타내는, 첨부된 개략적인 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들이 오직 예시로서만 기술될 것이다.
도 1a 내지 1d는 조명 유닛의 일부 실시예들을 개략적으로 도시함.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 일부 추가적인 측면들을 개략적으로 도시함.
도면들은 반드시 일정한 비율이지는 않다.
도 1a는 참조 부호 100으로 표시된, 본 발명의 조명 유닛의 실시예를 개략적으로 도시한다. 조명 유닛은 본 개략도에서 LED(light emitting diode)인 광원(10)을 포함한다. 이 실시예에서, 여기에서는 표면(15)인 광원(10)의 상부 위에, 따라서 광원(10)의 다운스트림에서 광 변환 층(20)이 제공된다. 이러한 광 변환 층(20)은 알칼리 실리케이트(alkali silicate) 또는 물 유리 매트릭스(water glass matrix)(40)를, 매트릭스(40) 내의 발광 물질 입자들(luminescent material particles)(55)과 함께 포함한다(이하를 참조). 예로서, 조명 유닛(100)은 부가적으로, 예컨대 광 추출 특성들을 위하여 (투과성(transmissive)) 돔(61)을 포함한다. 이것은 투과성 광학 요소(60)의 실시예인데, 이는 본 실시예에서 광원(10)의 다운스트림, 그리고 또한 광 변환 층(20)의 다운스트림에 배열된다. 광원(10)은 광 변환 층(20)에 의해 적어도 일부가 발광 물질 광(51)으로 변환되는 광원 광(11)(이 도면에 나타내지 않았으나, 도 1c를 참조)을 제공한다. 조명 유닛으로부터 방출되는 빛은 참조 부호 101로 표시되고, 적어도 이러한 발광 물질 광(51)을 포함하나, 선택적으로는 광 변환 층(내의 발광 물질(50))의 흡수에 따라, 광원 광(11)도 포함한다.
도 1b는 돔이 없고 선택적인 코팅(62)이 있는 또 다른 실시예를 개략적으로 도시한다. 이 코팅(62)은 투과성 광학 요소(60)의 부가적인 예이다. 코팅(62)은 실시예에서 발광 물질이 없는 알칼리 실리케이트 층일 수 있으나, 또 다른 실시예에서 폴리머 층, 실리콘 층 또는 에폭시 층일 수 있다는 점에 주목한다. 대안적으로 또는 부가적으로, 층은 특히 물과 같은 환경적 영향들로부터 알칼리 실리케이트 층을 보호하는 기능을 갖는 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물 층과 같은 무기물 코팅으로 이루어질 수 있다.
도 1a 및 도 1b의 개략적으로 도시된 실시예 모두에서, 광 변환 층(20)은 광원(10), 또는 적어도 LED의 다이(광 출사 표면(15))와 같은 그것의 광 출사 표면과 물리적 접촉을 한다. 그러나 도 1c에서, 광 변환 층(20)은 광원(10)으로부터 멀리 배열되어 있다. 이 실시예에서, 광 변환 층(20)은 출사 창(exit window)과 같은, 투과성(즉, 광 투과성) 서포트(30)(또한 광학 요소(60)의 예로 간주됨)의 업스트림에 구성된다. 광 변환 층(20)이 적용되는 서포트(30)의 표면은 참조 부호 65로 표시된다. 선택적으로, 이 표면(65)은 질감을 가질 수 있다(textured). 특정 실시예에서, 이 표면은 강화 섬유들의 직물을 포함한다. 광 변환 층(20)은 또한 서포트(30)의 다운스트림에 배열될 수도 있고, 또는 서포트의 양쪽 면 모두에 광 변환 층(20)이 적용될 수도 있다는 점에 주목한다. 광 변환 층(20)과 광원 사이의 거리는 참조 부호 d로 표시되고, 예컨대 0.1mm-10cm까지의 범위에 속할 수 있다. 도 1c의 구성에서 이론상으로는 둘 이상의 광원(10)들 또한 적용될 수 있다는 점에 주목한다.
도 1d는 광원(10), 및 발광 물질(50)을 포함하는 발광 물질 입자들(55)을 갖는 매트릭스(40)를 포함하는 광 변환 층(20)을 좀 더 상세하게 개략적으로 도시한다. d1로 표시된 광 변환 층의 높이는 예컨대 5-200㎛의 범위에 속할 수 있고, 특히 40-60㎛와 같이, 30-70㎛의 범위에 속할 수도 있다. 예로서, 이 개략도는 광원 광(11)이 부분적으로 광 변환 층(20)을 통하여 투과되고, 발광 물질 광(51)을 제공하기 위해 발광 물질(50)에 의해 부분적으로 변환되는 것을 보여준다. 발광 물질 광(51) 및 남아있는 광원 광(11)이 함께 조명 유닛 광(101)을 제공한다.
도 2a는 광 변환 층이 적용될 수 있는 기판 표면(75)을 갖는 기판(70)을 매우 개략적으로 도시한다. 이 기판은 도 1a 및 도 1b에 개략적으로 도시된 바와 같이 LED의 다이일 수 있지만, 또한 도 1c의 투과성 광학 요소일 수도 있다. 그 다음, 도 2b를 보면, 알칼리 실리케이트 매트릭스 전구체 액체(alkali silicate matrix precursor liquid) 및 발광 물질 입자들을 포함하는 액체로 기판 표면(75)을 코팅함으로써 광 변환 층(20)이 적용된다. 실시예에서, 기판(70)은 웨이퍼(76)를 포함한다. 층의 적용 (및 건조) 후에, 코팅과 같은 광학 요소(60)가 선택적으로 적용될 수 있다.
도 2d는 광 변환 층(20)이 매끄럽지 않은 표면(25)을 포함하는 실시예를 개략적으로 도시한다. 예를 들어, 발광 물질의 중량 백분율이 높을 때, 그러한 거친 표면이 획득될 수 있다. 선택적으로, 부가적인 코팅이 적용될 수 있다(또한 상기 참조).
예들 및 부가적인 실시예들
백색-광 LED들 내의 발광 물질 입자들을 위한 캐리어로서의 실리콘의 대체물로서 물 유리가 연구되었다.
물 유리(나트륨 실리케이트(sodium silicate))는 다양한 부분들(varying portions)의 모래(SiO2) 및 소다 회(Na2CO3)를 융합함으로써 만들어지며, 여기에서 CO2가 나온다. 이러한 부분들의 비는 최종 산물의 특성들을 결정한다. 이 산물은 SiO2/Na2O의 비 및 물에서의 농도로서 특정된다. 나트륨은 또한 상이한 특성들을 획득하기 위하여 칼륨 또는 리튬으로 대체될 수 있다. 물 유리를 박막으로써 적용한 후, 물은 증발하고 고체 코팅이 남는다. 낮은 SiO2/Na2O 비율들은 물을 더 잘 보유하는 경향이 있어서 증발이 더 느리다. 코팅 적용들을 위해서는 높은 비율 용액들(약 2.8-3.22)이 특히 권장된다. 코팅들은 완전히 탈수될 때 가장 내구성 있다(물과 CO2의 흡수에 대하여 저항력이 있다). 완전한 탈수는 건조 프로세스 동안 열을 필요로 할 수 있다. 실리케이트 층들을, 발광 물질들이 견딜 수 있는 범위보다 한참 아래인 250℃의 온도에서 경화시키는 것이 권장된다(질화물계 발광 물질들은 350℃까지, YAG계 발광 물질들은 그보다 훨씬 더 높은 온도까지 견딜 수 있다).
내구성 있는 코팅들을 만들기 위한 또 다른 방법은 화학적 세팅을 이용하는 것이다. 실리케이트들은 다양한 산성 또는 용해성 있는 금속 화합물과 반응할 수 있다. 알칼리 실리케이트를 산성 물질들로 중화시키는 것은 실리카를 중합시키고(polymerize) 겔을 형성한다. 이러한 방식으로 사용될 수 있는 화학적 세팅제들(chemical setting agents)은 미네랄 및 유기산들, CO2 가스, 및 중탄산나트륨(sodium bicarbonate)과 같은 산성염들을 포함한다.
실리케이트 막들이 완전히 탈수되면, 그것들은 고온에서 훌륭한 저항성을 제공한다. 대부분의 실리케이트들은 850℃ 근처의 유동점을 갖는다. LED들에서는 그러한 온도에 절대 이를 수 없다.
물 유리는 가시 광에 투명하고, 400nm 아래에서는 투과가 급격히 떨어져서 325nm에서 약 40%의 값을 보인다. 청색 광을 백색 광으로 변환하는 LED들에서는 이 범위가 충분하다.
만약 높은 정도의 유연성이 요구되면 실리케이트 코팅들은 부러질 수 있다. 전형적으로는 중량으로 5%의 글리세린이 첨가될 수 있다. 글리세린은 청색 광에 대하여 매우 높은 투명성을 갖는다. 그러나, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 알코올 등과 같은 다른 물질들도 첨가될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 강화 직물이 적용되거나 강화 섬유들이 부가될 수 있다(상기 또한 참조).
코팅 절차
실리케이트 용액 및 발광 물질 입자들은 균일한 분산이 획득될 때까지 혼합된다. 그 후 LED들을 덮을 유리 판의 상부 위에 분산이 적용될 수 있다(원격 적용). 그것은 또한 LED들의 표면 위에(즉, 다이 위에) 직접적으로 적용될 수도 있고 따라서 유리 판이 필요하지 않게 할 수 있다. 코팅은 예컨대 스핀 코팅 또는 스프레이 코팅에 의해 이루어질 수 있다. 그러나, 발광 물질이 고가이기 때문에, 적은 손실을 갖는 코팅 방법이 선호된다. 스크린 프린팅 또는 딥 코팅(dip coating)은 적은 손실을 야기한다. 또한 원하는 변환 특성들을 획득하기 위하여, 퇴적 프로세스 동안 코팅의 품질이 모니터링되는 것이 선호된다.
코팅이 적용된 후, 기판들이 상온에서 건조되는 것이 허용된다. 대부분의 물이 증발한 후, 기판들은 코팅을 탈수시키기 위해서, SiO2 및 Na2O의 비율에 따라 100-300℃로 오븐에서 천천히 가열된다. 물 증발 단계 이전에, 화학적 세팅을 획득하기 위해 예컨대 CO2 또는 HCl 가스 또는 스프레이를 사용한 후-처리(after treatment)가 적용될 수도 있다.
실리케이트 및 발광 물질의 비율은 조정될 수 있다. 많은 양의 실리케이트는 실리케이트에 완전히 매립된 발광 물질 입자들로 이어질 수 있고 코팅은 매끄럽고 광택이 나는 외양을 가질 것이다. (돔이 사용되지 않은 경우에 대하여) 더 나은 광 추출(light-out coupling)을 획득하기 위해서, 실리케이트 함유랑을 줄여서 거친 표면을 획득하는 것이 바람직할 수 있다(도 2d 참조). 더 이상의 실리케이트 함유량의 감소는 다공성 구조로 이어질 것이다. 다공성 구조들은 물이 쉽게 증발되는 이점을 갖는다.
물 유리는 물 안의 10.6%의 Na2O와 26.5%의 SiO2의 용액으로서 머크사(Merck)에 의해 획득되었다. 물 유리 내의 발광 물질의 서스펜션을 만들기 위하여 YAG:Ce3 + 발광 물질 입자들이 1:1의 질량 비로 사용되었다. 3인치 웨이퍼 레벨 몰딩된 패키징 웨이퍼(3”Wafer Level Molded Packaging wafer) (SMC; Silicon Molded Compound)가 서스펜션 내로 수동식 딥코팅하는 것(manually dipcoating)에 의해 절반 코팅되었다. 다른 반쪽은 맑은 물 유리 용액 내로 딥코팅되었다. 두 개의 반쪽 사이에서 몇 개의 LED 다이가 비교를 위해 코팅되지 않고 남았다. 웨이퍼는 하루 동안 자연건조 되고(air dried), 그 후 오븐 안에서 50℃로 네 시간 동안 건조되었다. 조사에 의하여, 발광 물질로 채워진 코팅이 다공성(개방되고, 연결된 구멍들)이라는 것이 보여진다. 이러한 이유로 반쪽 웨이퍼의 반쪽은 다시 맑은 물 유리로 코팅되었다. 이 맑은 물 유리가 구멍들을 채워서, 발광 물질로 채워진 밀도 높은 코팅을 남겼다. 따라서, 웨이퍼는 세 가지 상이한 다이를 포함한다: 코팅되지 않은 다이, 물 유리에서 밀도 높은 발광 물질로 코팅된 다이, 및 물 유리 내의 다공성 발광 물질로 코팅된 다이. 웨이퍼는 다시 상온 및 50℃에서 건조되었다. 그 다음으로, 하루 동안 90℃에서 건조되었고 네 시간 동안의 120℃의 건조 단계로 이어졌다. 최종적으로, 웨이퍼는 150℃에서 네 시간 동안 건조되었다.
건조 후, 웨이퍼는 2W, 266nm UV 레이저(JPSA)로 20mm/s의 다이싱 속도로 다이싱 되었다. 물 유리 층뿐만 아니라 SMC 층 또한 단계에서 레이저 커팅되었다. 물 유리 물질이 커프(kerf) 옆에 재증착되는 것으로 관찰되었다. 그것은 면도날(razor blade)로 스크래핑(scraping)함으로써 다이를 손상시키지 않고 쉽게 제거될 수 있었다.
재증착된 물 유리의 제거 후 및 다이들의 분리 후에, 코팅의 두께가 측정될 수 있었다. 맑은 물 유리는 약 30㎛ 두께이고, 밀도 높은 발광 물질이 로딩된 물 유리는 약 60㎛였다.
물 유리의 표면은 매우 단단하여 스크래칭되기 어렵다. 이 사실은 다이의 핸들링 동안 그것이 기계적 지지/보호의 기능을 할 수 있음을 의미한다. 이것은 적층된 유리 웨이퍼들의 사용을 대체할 수 있다.
다이 분리 후에 샘플들은 리플로우 오븐(reflow oven)에서 기판 상에 납땜되었다.
굴절률
다이들의 광 출력을 측정하기 전에, 물 유리의 굴절률이 측정되었다. 폴리에틸렌 포일 위에 물 유리의 방울을 퍼지게 함으로써 맑은 물 유리 코팅이 준비되었다. 상온 건조 이후에, 포일은 제거되었고, 물 유리 시트는 50℃, 90℃ 및 120℃의 온도에서 오븐 내에서 더 건조되었다. 아베 굴절계(Abbe refractometer)의 사용으로, 상이한 파장들에 대하여 굴절률이 측정되었다. 물 유리의 굴절률이 소프트 돔 실리콘 물질의 굴절률과 근접하게 일치한다는 것이 드러났다. 이것은 물 유리와 돔 간의 계면이 다이 내로 빛을 거의 반사하지 않을 것이라는 점을 의미하므로 긍정적인 결과이다.
광 출력( Light output )
다이들을 기판에 납땜하고 실리콘 돔을 몰딩한 후, 광 출력이 측정되었다. 결과들은 맑은 물 유리가 참조 샘플들에 비하여 광 출력을 현저히 변화시키지 않는다는 것을 보여주었다. 돔과 물 유리의 유사한 굴절률 때문에, 이 결과는 타당하다고 보인다. 다공성 발광 물질을 갖는 다이들은 발광 물질이 없는 다이들의 빛의 약 56%를 생산한다.
이러한 실험에서, 약 4200K의 색 온도가 획득되었다. 물론, 발광 물질의 양과 유형, 및 광원의 파장(분포)에 따라, 다른 컬러 포인트들도 획득될 수 있다.
그러므로, 발광 물질로 채워진 물 유리는 발광 물질로 채워진 실리콘에 비해 낮은 비용, 높은 열 전도성, 빛과 온도로 유발된 열화(light- and temperature-induced degradation)에 대한 더 나은 저항력과 같은 여러 가지 이점들을 갖는다. 물 유리는 한 단계에서 실리콘 및 적층된 유리 웨이퍼들을 대체할 수 있다. 물 유리 코팅은 발광 물질 입자들을 함유할 수 있고, 단단함과 동시에 스크래치에 강하다. 물 유리의 굴절률은 실리콘 돔의 굴절률과 거의 똑같다. 맑은 물 유리를 갖는 다이들의 광 출력은 물 유리가 없는 다이들의 출력과 거의 똑같다. 다공성 YAG로 채워진 물 유리로 코팅된 다이들은 양호한 광 출력을 제공한다. 물 유리 코팅들은 원자외선(deep-UV) 레이저로 다이싱될 수 있다.

Claims (15)

  1. 조명 유닛(100)으로서,
    광원(10) 및 광 변환 층(20)을 포함하고, 상기 광원(10)은 광원 광(11)을 제공하도록 구성되고 LED(light emitting diode)를 포함하고, 상기 광 변환 층(20)은 미립자 발광 물질(particulate luminescent material)(50)을 함유하는 알칼리 실리케이트 매트릭스(40)를 포함하고, 상기 광 변환 층(20)은 상기 광원 광(11)의 적어도 일부를 발광 물질 광(51)으로 변환시키도록 구성되고, 상기 광 변환 층(20)은 상기 광원(10)으로부터 떨어져 있도록 구성되고, 상기 광 변환 층(20)은 광 투과성 서포트(30)의 업스트림에 구성되고, 상기 광 투과성 서포트(30)는 강화 섬유들의 직물을 포함하는, 조명 유닛(100).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 알칼리 실리케이트 매트릭스(40)는 SiO2*M2O를 포함하고, M은 리튬(Li), 나트륨(Na) 및 칼륨(K)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 종들(species)을 포함하고, SiO2 및 M2O 간의 몰 비는 2:1-4:1의 범위에 속하는, 조명 유닛(100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 알칼리 실리케이트 매트릭스(40)는 M2SiO3를 포함하고, M은 리튬(Li), 나트륨(Na) 및 칼륨(K)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 종들을 포함하는, 조명 유닛(100).
  4. 제2항에 있어서,
    상기 M은 적어도 나트륨(Na)을 포함하는, 조명 유닛(100).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광원(10)은 청색 광원 광(11)을 생성하도록 구성되고, 상기 광원(10) 및 상기 광 변환 층(20)은 백색 조명 유닛 광(101)을 제공하도록 구성된, 조명 유닛(100).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 미립자 발광 물질(50)은 가넷(garnet)을 함유하는 3가 세륨(cerium), 질화물(nitride)을 함유하는 2가 유로퓸(europium), 산화질화물(oxynitride)을 함유하는 3가 세륨, 및 산화질화물을 함유하는 2가 유로퓸으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 발광 물질(50)을 포함하는, 조명 유닛(100).
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광 변환 층(20)은 적어도 10wt.%의 알칼리 실리케이트를 포함하고, 상기 광 변환 층에서 상기 발광 물질에 대한 상기 알칼리 실리케이트의 중량 비는 20:1-1:20의 범위에 속하는, 조명 유닛(100).
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광 변환 층(20)은 유리 섬유들(glass fibers)을 더 포함하는, 조명 유닛(100).
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 기판(70)에 광 변환 층(20)을 제공하는 프로세스로서,
    상기 광 변환 층(20)은 입자들(50)을 포함하는 발광 물질을 함유하는 알칼리 실리케이트 매트릭스(40)를 포함하고, 상기 프로세스는 미립자 발광 물질(50), 알칼리 실리케이트 매트릭스 전구체 액체(precursor liquid), 및 선택적으로 하나 이상의 다른 성분들을 혼합하고, 선택적으로 하나 이상의 부가적인 프로세스 단계들 후에 그에 따라 획득된 혼합물을 상기 기판의 표면(75)에 적용하고, 그에 따라서 형성된 층을 건조하여, 상기 기판의 표면 상에 상기 광 변환 층(20)을 제공하는 것을 포함하고, 상기 기판은 광 투과성 서포트(30)를 포함하고, 상기 광 투과성 서포트(30)는 강화 섬유들의 직물을 포함하는, 프로세스.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    알칼리 산화물에 대한 실리콘 이산화물의 분자량 비는 2:1-4:1의 범위 내에 속하는, 프로세스.
  14. 제11항 또는 제13항에 있어서,
    상기 알칼리 실리케이트 매트릭스 전구체 액체는 액체 물 유리를 포함하는, 프로세스.
  15. 삭제
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