KR102044048B1 - 고체 상태 발광 디바이스 및 램프를 위한 광발광 파장 전환 부품 - Google Patents

고체 상태 발광 디바이스 및 램프를 위한 광발광 파장 전환 부품 Download PDF

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Abstract

발광 디바이스용 파장 전환 부품은 적어도 1종의 광발광 재료; 및 광 산란 재료를 포함한다. 광 산란 재료는 적어도 1종의 광발광 재료에 의해 생성된 광을 산란시키는 것보다 비교적 많이 방사 소스로부터의 여기 광을 산란시키도록 선택된 평균 입자 크기를 갖는다. 광 산란 재료의 사용은 광발광 재료의 사용을 감소시킬 수 있고 부품의 오프 상태 외관을 개선할 수 있다.

Description

고체 상태 발광 디바이스 및 램프를 위한 광발광 파장 전환 부품{PHOTOLUMINESCENCE WAVELENGTH CONVERSION COMPONENTS FOR SOLID-STATE LIGHT EMITTING DEVICES AND LAMPS}
본 발명은 원하는 광의 색상을 생성하기 위해 멀리 위치한 광발광 파장 전환 부품을 사용하는 고체 상태 발광 디바이스(solid-state light emitting device) 및 램프에 관한 것이다.
백색 발광 LED("백색 LED")는 공지되어 있고 비교적 최근의 혁신이다. 전자기 스펙트럼의 청색/자외선 부분에서 방출하는 LED가 개발된 후에야 LED에 기초한 백색 광원을 실제적으로 개발하게 되었다. 교시된 바대로, 예를 들면 US 제5,998,925호에서, 백색 LED는 LED에 의해 방출된 방사의 일부를 흡수하고 상이한 색상(파장)의 광을 재방출하는 하나 이상의 광발광 재료(예를 들면, 인광체 재료)를 포함한다. 통상적으로, LED 칩 또는 다이는 청색 광을 생성하고 인광체(들)는 일정 백분율의 청색 광을 흡수하고 황색 광 또는 녹색 광과 적색 광, 녹색 광과 황색 광, 녹색 광과 오렌지색 광 또는 황색 광과 적색 광의 조합을 재방출한다. 인광체 재료에 의해 흡수되지 않은 LED에 의해 생성된 청색 광의 일부와 인광체에 의해 방출된 광은 눈에 거의 백색으로 색상이 보이는 광을 제공한다. 대안적으로, LED 칩 또는 다이는 자외선(UV) 광을 생성할 수 있고, 인광체(들)는 UV 광을 흡수하여 인간 눈에 백색으로 보이는 광발광 광의 상이한 색상의 조합을 재방출한다.
이의 긴 조작 수명 예상치(50,000시간 초과) 및 높은 루미너스 유효성(와트당 70루멘 이상)으로 인해, 고 휘도 백색 LED는 점점 더 종래의 형광등, 소형 형광등 및 백열등을 대체하여 사용되고 있다.
통상적으로, 인광체 재료는 광 투과성 재료, 예컨대 실리콘 또는 에폭시 재료와 혼합되고, 혼합물은 LED 다이의 발광 표면에 도포된다. LED 다이에 멀리 위치한 인광체 파장 전환 부품인 광학 부품("원격 인광체" LED 디바이스) 위의 층으로서 인광체 재료를 제공하거나, 이 광학 부품 내에 인광체 재료를 혼입하는 것이 또한 공지되어 있다.
원격 인광체 디바이스와 관련된 하나의 문제는 이의 오프 상태에서의 디바이스의 비백색 색상이다. LED 디바이스의 온 상태 동안, LED 칩 또는 다이는 청색 광을 생성하고 인광체(들)는 일정 백분율의 청색 광을 흡수하고 황색 광 또는 녹색 광과 적색 광, 녹색 광과 황색 광, 녹색 광과 오렌지색 광 또는 황색 광과 적색 광의 조합을 재방출한다. 인광체 재료에 의해 흡수되지 않은 LED에 의해 생성된 청색 광의 일부와 인광체에 의해 방출된 광은 색상이 거의 백색으로 인간 눈에 보이는 광을 제공한다. 그러나, 이의 오프 상태의 원격 인광체 디바이스의 경우, 온 상태의 LED에 의해 생성된 청색 광의 부재는 디바이스가 황색, 황색-오렌지색 또는 오렌지색 색상 외관을 갖게 한다. 백색으로 보이는 광을 추구하는 이러한 디바이스의 잠재적 소비자 또는 구매자는 시장에서 이러한 디바이스의 황색, 황색-오렌지색 또는 오렌지색 색상 외관에 쾌 혼란스러울 수 있는데, 왜냐하면 저장 진열대에서의 디바이스는 오프 상태이기 때문이다. 이를 잠재적 구매자는 꺼리거나 원치 않을 수 있고 이에 따라 표적 소비자에 대한 판매가 감소한다.
원격 인광체 디바이스와 관련된 다른 문제는 방출각에 따른 방출된 광의 색상 변동일 수 있다. 특히, 이러한 디바이스는 다른 각도에서 볼 때 색상이 비균일성으로 인지된다. 이러한 실질적으로 명확한 색상 차이는 많은 상업용 용도, 특히 LED 조명 디바이스를 대개 사용하는 고급 조명의 경우 허용되지 않는다.
인광체 재료를 사용하는 것과 관련된 또 다른 문제는 이 재료가 비교적 고가이고 이에 따라 인광체 기반 LED 디바이스를 제조하는 비용의 상당 부분에 상응한다는 것이다. 비원격 인광체 디바이스의 경우, LED 광에서의 인광체 재료는 통상적으로 광 투과성 재료, 예컨대 실리콘 또는 에폭시 재료와 혼합되고, 혼합물은 LED 다이의 발광 표면에 직접 도포된다. 인광체 재료의 비교적 적은 층이 LED 다이 바로 위에 위치하여, 즉 그럼에도 불구하고 부분적으로 인광체 재료의 상당한 비용으로 인해 제조하는 데 여전히 비용이 많이 든다. 원격 인광체 디바이스는 통상적으로 비원격 인광체 디바이스와 비교할 때 더 많은 층의 인광체 재료를 사용한다. 이의 더 큰 크기로 인해, 이러한 원격 인광체 LED 디바이스를 제조하는 데 보통 훨씬 더 많은 양의 인광체가 필요하다. 그 결과, 이러한 원격 인광체 LED 디바이스에 필요한 인광체 재료의 증가량을 제공하기 위해 상응하게 비용이 또한 더 많다.
따라서, 이전의 접근법에서 필요한 많은 분량의 광발광 재료(예를 들면, 인광체 재료)를 필요로 하지 않고 디바이스의 원하는 색상 특성을 유지하는 LED 조명 장치를 실행하는 개선된 접근법에 대한 수요가 존재한다. 또한, 방출각에 의한 방출된 광의 인지되는 색상 변동을 해결하고, 오프 상태의 LED 조명 장치의 비백색 색상 외관을 또한 해결하는 LED 조명 장치를 실행하는 개선된 접근법에 대한 수요가 존재한다.
본 발명의 실시양태는 여기 방사(통상적으로 청색 광)를 생성하도록 조작 가능한 1개 이상의 고체 상태 광원, 통상적으로 LED 및 여기 방사의 적어도 일부를 상이한 파장의 광으로 전환하도록 조작 가능한 1종 이상의 여기형 광발광 재료(예를 들면, 인광체 재료)를 포함하는 원격 파장 전환 부품을 포함하는 발광 디바이스 및 램프에 관한 것이다. 청색 광 방사 소스를 사용할 때, 디바이스의 방출 생성물은 소스 및 파장 전환 부품에 의해 생성된 조합 광을 포함하고 통상적으로 색상이 백색으로 보이도록 구성된다. UV 소스를 사용할 때, 파장 전환 부품(들)은 청색 파장 전환 부품 및 황색 파장 전환 부품을 포함할 수 있고, 이 부품의 출력은 조합되어 방출 생성물을 형성된다. 파장 전환 부품은 여기형 광발광 재료(예컨대, 인광체)의 입자를 포함하는 파장 전환층 및 광 회절성 재료(예컨대 이산화티탄)의 입자를 포함하는 광 확산층을 갖는 중합체 또는 유리와 같은 광 투과성 기판을 포함한다. 본 발명의 몇몇 실시양태에 따라, 파장 전환층 및 광 확산층은 서로 직접 접촉하고 바람직하게는 스크린 인쇄 또는 슬롯 다이 코팅에 의해 침착된다. 본 명세서에 사용되는 바대로, "직접 접촉"은 개재 층 또는 공기 갭이 없다는 것을 의미한다.
이러한 접근법의 하나의 이점은 적절한 입자 크기 및 광 회절성 재료의 단위 면적당 농도를 선택하여 오프 상태의 LED 디바이스의 백색 색상 외관의 개선이 얻어진다는 것이다. 다른 이점은 방출 축으로부터 ±60° 범위에 걸친 방출각에 대해 LED 디바이스로부터 방출된 광의 색상 균일성의 개선이다. 더구나, 적절한 입자 크기 및 광 회절성 재료의 단위 면적당 농도를 갖는 광 확산층의 사용은 방출된 광의 선택된 색상을 생성하는 데 필요한 인광체 재료의 분량을 실질적으로 감소시킬 수 있는데, 왜냐하면 광자가 광을 파장 전환층으로 다시 지시하여 광발광 광을 생성하는 가능성을 광 확산층이 증가시키기 때문이다. 따라서, 파장 전환층과 직접 접촉하는 확산층의 포함은 소정의 색상 방출 생성물을 생성하는 데 필요한 인광체 재료의 분량을 예를 들면 40% 이하로 감소시킬 수 있다. 일 실시양태에서, 소스에 의해 생성된 여기 방사가 1종 이상의 인광체 재료에 의해 생성된 광보다 많이 산란되도록 광 회절성 재료의 입자 크기가 선택된다.
본 발명의 몇몇 실시양태에 따라, 발광 디바이스용 파장 전환 부품은 적어도 1종의 광발광 재료; 및 광 산란 재료를 포함하고, 광 산란 재료는 적어도 1종의 광발광 재료에 의해 생성된 광을 산란시키는 것보다 비교적 많이 방사 소스로부터의 여기 광을 산란시키도록 선택된 평균 입자 크기를 갖는다. 바람직하게는, 여기 광은 청색 광을 포함한다. 대안적으로, 여기 광은 자외선 광을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 광 산란 재료는 적어도 1종의 광발광 재료에 의해 생성된 광의 적어도 2배로 여기 광을 산란시킨다. 여기 광이 청색 광을 포함할 때, 광 산란 재료는 유리하게는 평균 입자 크기가 약 150㎚ 미만이다.
광 산란 재료는 유리하게는 이산화티탄, 황산바륨, 산화마그네슘, 이산화규소 또는 산화알루미늄을 포함한다.
몇몇 실시양태에서, 적어도 1종의 광발광 재료는 파장 전환층에 위치하고, 광 산란 재료는 확산층에 위치한다. 바람직하게는, 파장 전환층 및 광 확산층은 서로 직접 접촉하여 층 사이의 광학 손실을 최소화한다.
통상적으로, 파장 전환층은 적어도 1종의 인광체 재료와 광 투과성 결합제의 혼합물을 포함하고, 광 확산층은 광 산란 재료와 광 투과성 결합제의 혼합물을 포함한다. 광학 손실을 최소화하기 위해, 동일한 광 투과성 재료가 층 둘 다에 사용된다. 광 투과성 결합제는 경화성 액체 중합체, 예컨대 중합체 수지, 단량체 수지, 아크릴, 에폭시, 실리콘 또는 불화 중합체를 포함할 수 있다. 파장 전환층 및 광 확산층은 스크린 인쇄, 슬롯 다이 코팅, 스핀 코팅, 롤러 코팅, 드로우다운 코팅(drawdown coating) 및 닥터 블레이딩으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법을 이용하여 침착된다.
방출각에 따른 방출된 광 색상 변동을 감소시키기 위해, 결합제에 대한 광 회절성 재료의 중량 로딩(weight loading)은 7% 내지 35% 범위, 더 바람직하게는 10% 내지 20% 범위이다.
몇몇 실시양태에서, 파장 전환층 및 광 확산층은 실질적으로 평면이다. 다른 실시양태에서, 파장 전환층 및/또는 광 확산층은 3차원일 수 있고, 반구형 또는 긴 반구형을 포함한다. 추가의 다른 실시양태에서, 광 확산층은 중공 3차원 형상을 포함하고, 파장 전환층은 반구형 또는 긴 반구형 밑에 형성된 용적을 충전한다.
광발광 재료 사용을 줄이기 위해, 적어도 1종의 광발광 재료 및 광 산란 재료 둘 다 파장 전환층에 위치한다.
광 산란 재료는 유리하게는 평균 입자 크기가 1㎛ 내지 50㎛ 범위, 바람직하게는 10㎛ 내지 20㎛ 범위이다.
몇몇 실시양태에서, 적어도 1종의 광발광 재료는 광 투과성 기판에 침착된다. 다른 실시양태에서, 적어도 1종의 광발광 재료는 광 투과성 기판 내에 혼입되고 기판 용적에 걸쳐 균일하게 분포될 수 있다. 광 투과성 기판은 중합체, 예컨대 폴리카보네이트 또는 아크릴릭 또는 유리 재료를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시양태에 따라, 발광 디바이스는 여기 광을 생성하도록 조작 가능한 적어도 하나의 고체 상태 광 에미터(solid-state light emitter); 적어도 1종의 광발광 재료; 및 광 산란 재료를 포함하고, 광 산란 재료는 적어도 1종의 광발광 재료에 의해 생성된 광을 산란시키는 것보다 비교적 많이 방사 소스로부터의 여기 광을 산란시키도록 선택된 평균 입자 크기를 갖는다.
바람직한 실시양태에서, 광 산란 재료의 평균 입자 크기는 발광 디바이스의 오프 상태 백색 외관을 개선하도록 선택된다. 대안적으로 및/또는 게다가, 광 산란 재료의 평균 입자 크기는 방출 축으로부터 ±60° 범위에 걸친 방출각에 대해 발광 디바이스로부터 방출된 광에 대해 실질적으로 균일한 색상을 얻도록 선택될 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 결합제에 대한 광 산란 재료의 중량 로딩은 7% 내지 35% 범위, 바람직하게는 10% 내지 20% 범위이다.
여기 광이 청색 광을 포함할 때, 적어도 1종의 광발광 재료에 의해 생성된 광의 적어도 2배로 청색 광을 산란시키도록 광 산란 재료가 선택되는 것이 유리하다. 통상적으로, 이러한 디바이스에서 광 산란 재료는 평균 입자 크기가 약 150㎚ 미만이다.
본 발명의 몇몇 실시양태에 따라, 적어도 1개의 발광 고체 상태 방사 소스를 포함하는 발광 디바이스용 파장 전환 부품은 적어도 1종의 광발광 재료의 입자를 포함하는 파장 전환층 및 광 회절성 재료의 입자를 포함하는 광 확산층을 갖는 광 투과성 기판을 포함하고; 층은 서로 직접 접촉된다. 바람직하게는, 파장 전환층은 적어도 1종의 인광체 재료와 광 투과성 결합제의 혼합물을 포함하고, 광 확산층은 광 회절성 재료와 광 투과성 결합제의 혼합물을 포함한다. 층의 계면에서의 광학 손실을 최소화하기 위해, 층이 동일한 투과성 결합제를 포함하는 것이 바람직하다. 결합제는 경화성 액체 중합체, 예컨대 중합체 수지, 단량체 수지, 아크릴, 에폭시, 실리콘 또는 불화 중합체를 포함할 수 있다. 결합제는 바람직하게는 UV 또는 열 경화성이다.
방출각에 따른 방출된 광 색상 변동을 감소시키기 위해, 결합제에 대한 광 회절성 재료의 중량 로딩은 7% 내지 35% 범위, 더 바람직하게는 10% 내지 20% 범위이다. 파장 전환층 및 광 확산층은 바람직하게는 스크린 인쇄에 의해 침착되지만, 스핀 코팅 또는 닥터 블레이딩과 같은 다른 침착 기법을 이용하여 증착될 수 있다. 광 회절성 재료는 바람직하게는 이산화티탄(TiO2)을 포함하지만, 다른 재료, 예컨대 황산바륨(BaSO4), 산화마그네슘(MgO), 이산화규소(SiO2) 또는 산화알루미늄(Al2O3)을 포함할 수 있다.
일 배치에서, 광 회절성 재료는 평균 입자 크기가 1㎛ 내지 50㎛ 범위, 더 바람직하게는 10㎛ 내지 20㎛ 범위이다. 다른 배치에서, 광 회절성 재료는 입자가 적어도 1종의 광발광 재료에 의해 생성된 광을 산란시키는 것보다 비교적 많이 여기 방사를 산란시키도록 선택된 입자 크기를 갖는다. 예를 들면, 청색 광 방사 소스의 경우, 입자가 적어도 1종의 인광체 재료에 의해 생성된 광을 산란시키는 것보다 비교적 적어도 2배로 청색 광을 산란시키도록 광 회절성 입자 크기가 선택될 수 있다. 이러한 광 확산층은 파장 전환층으로부터 방출된 더 높은 비율의 청색 광이 산란되고 광 회절성 재료에 의해 파장 전환층으로 다시 지시되어, 광자가 인광체 재료 입자와 상호작용하는 가능성을 증가시키고 광발광 광을 생성시키도록 보장한다. 동시에, 인광체 생성 광은 더 낮은 산란 가능성으로 확산층을 통과할 수 있다. 확산층이 청색 광자가 인광체 재료 입자와 상호작용하는 가능성을 증가시키므로, 선택된 방출 색상을 생성하기 위해 인광체 재료를 더 적게 사용할 수 있다. 이러한 배치는 또한 파장 전환 부품/디바이스의 루미너스 유효성을 증가시킬 수 있다. 바람직하게는, 광 회절성 재료는 평균 입자 크기가 약 150㎚ 미만이고, 여기 방사는 청색 광을 포함한다. 여기 방사가 UV 광을 포함할 때, 광 회절성 재료는 평균 입자 크기가 약 100㎚ 미만일 수 있다.
광 투과성 기판은 가시광선 광(380㎚ 내지 740㎚)에 실질적으로 투과성인 임의의 재료를 포함할 수 있고, 통상적으로 중합체 재료, 예컨대 폴리카보네이트 또는 아크릴릭을 포함한다. 대안적으로, 기판은 유리를 포함할 수 있다.
인광체 재료에 의해 생성된 파장의 광과 비교하여 LED에 의해 생성된 파장에 상응하는 광을 우선적으로 산란시키는 광 회절성 입자로 이루어진 광 확산층을 갖는 파장 전환 부품의 개념은 본 발명에 본질적인 것으로 생각되다. 본 발명의 추가의 양태에 따라, 적어도 1개의 청색 발광 고체 상태 광원을 포함하는 발광 디바이스용 파장 전환 부품은 적어도 1종의 인광체 재료의 입자를 포함하는 파장 층 및 광 회절성 재료의 입자를 포함하는 광 확산층을 포함하고; 입자가 적어도 1종의 인광체 재료에 의해 생성된 광을 산란시키는 것보다 비교적 많이 여기 방사를 산란시키도록 광 회절성 입자 크기가 선택된다.
디바이스에 의해 생성된 광의 CRI(연색 지수)를 증가시키기 위해, 디바이스는 적색 광을 생성하도록 조작 가능한 적어도 하나의 고체 상태 광원을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 추가의 실시양태에 따라, 발광 디바이스용 파장 전환 부품은 광 산란 재료의 입자를 포함하고 내면이 내부 용적을 획정하는 형상을 갖는 광 확산층; 내부 용적 내에 적어도 1종의 광발광 재료의 입자를 포함하는 파장 전환층을 포함한다. 부품은 유리하게는 반구형 또는 긴 반구형을 포함한다.
몇몇 실시양태에서, 파장 전환층은 광 확산층의 형상의 내부 용적을 실질적으로 충전한다. 대안적으로, 파장 전환층은 광 확산층과 동일한 형상을 포함한다.
본 발명의 다른 실시양태에서처럼, 파장 전환층은 적어도 1종의 인광체 재료와 광 투과성 결합제의 혼합물을 포함하고, 광 확산층은 광 산란 재료와 동일한 광 투과성 결합제의 혼합물을 포함한다.
광발광 재료의 사용을 줄이기 위해, 파장 전환층은 제2 광 산란 재료를 추가로 포함할 수 있다. 광 산란 재료 및 제2 광 산란 재료는 상이한 재료 특성을 가질 수 있다. 대안적으로, 2종의 재료는 동일한 재료를 포함할 수 있다.
광 투과성 결합제는 경화성 액체 중합체, 예컨대 중합체 수지, 단량체 수지, 아크릴, 에폭시, 실리콘 또는 불화 중합체를 포함할 수 있다.
결합제에 대한 광 산란 재료의 중량 로딩은 7% 내지 35% 범위, 바람직하게는 10% 내지 20% 범위이다.
광 산란 재료(들)는 바람직하게는 평균 입자 크기가 1㎛ 내지 50㎛ 범위, 유리하게는 10㎛ 내지 20㎛ 범위이다.
진공 성형 또는 사출 성형 공정과 같은 성형 공정을 이용하여 광 확산층을 형성할 수 있다. 파장 전환층은 성형 공정을 이용하여 확산층에 형성되거나 인광체 재료와 함께 결합제 재료를 광 확산층의 내부 용적으로 침착시켜 형성될 수 있다.
광 산란 재료는 바람직하게는 이산화티탄, 황산바륨, 산화마그네슘, 이산화규소 또는 산화알루미늄을 포함한다. 바람직하게는, 광 산란 재료는 적어도 1종의 광발광 재료에 의해 생성된 광을 산란시키는 것보다 비교적 많이 여기 광을 산란시키도록 선택된 평균 입자 크기를 갖는다. 바람직한 실시양태에서, 광 산란 재료는 적어도 1종의 광발광 재료에 의해 생성된 광보다 적어도 2배로 여기 광을 산란시킨다. 여기 광이 청색 광을 포함할 때, 광 산란 재료는 바람직하게는 평균 입자 크기가 약 150㎚ 미만이다. 대안적으로, 여기 광이 자외선 광을 포함할 때, 광 산란 재료는 바람직하게는 평균 입자 크기가 약 100㎚ 미만이다.
본 발명의 다른 실시양태에 따라, 발광 디바이스는 여기 광을 생성하도록 조작 가능한 적어도 하나의 고체 상태 광 에미터; 광 산란 재료의 입자를 포함하고 내면이 내부 용적을 획정하는 형상을 갖는 광 확산층을 포함하고; 파장 전환층은 여기 광에 의해 여기 가능한 내부 용적 내의 적어도 1종의 광발광 재료의 입자를 포함한다.
유리하게는, 광 확산층 내의 광 산란 재료는 발광 디바이스의 오프 상태 백색 외관을 개선하는 평균 입자 크기에 상응한다.
본 발명의 양태, 목적 및 이점의 추가의 상세내용은 하기 상세한 설명, 도면 및 특허청구범위에 기재되어 있다. 상기 일반적인 설명 및 하기 상세한 설명 둘 다는 예시적이고 설명적이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명을 더 잘 이해하기 위해, 본 발명에 따른 LED 기반 발광 디바이스 및 인광체 파장 전환 부품은 도면을 참조하여 오직 예의 방식으로 기재되어 있고, 유사한 참조번호는 유사한 부분을 지칭하도록 사용된다:
도 1은 본 발명의 실시양태에 따라 고체 상태 발광 디바이스의 도식적 부분 절단도 및 단면도;
도 2는 본 발명의 실시양태에 따라 인광체 파장 전환 부품의 도식;
도 3은 본 발명의 다른 실시양태에 따라 인광체 파장 전환 부품의 도식;
도 4는 광 회절성 재료의 0중량%, 7중량%, 12중량%, 16중량%, 23중량% 및 35중량%의 로딩을 포함하는 인광체 파장 전환 부품에 대한 도 1의 디바이스에 대한 방출각에 의한 방출 색상 변화의 도면;
도 5는 도 1의 디바이스에 대한 θ=60°의 방출각에서 방출 색상 변화에 대한 (정규화) 루미너스 유효성의 도면;
도 6은 광 회절성 재료의 상이한 0중량%, 10중량%, 15중량% 및 20중량%의 로딩을 포함하는 파장 전환 부품에 대한 본 발명에 따른 온백색(약 3000K) 고체 상태 발광 디바이스에 대한 방출각에 의한 방출 색상 변화의 도면;
도 7은 광 회절성 재료의 상이한 0중량%, 10중량%, 15중량% 및 20중량%의 로딩을 포함하는 파장 전환 부품에 대한 온백색 발광 디바이스에 대한 θ=60°의 방출각에서 방출 색상 변화에 대한 (정규화) 루미너스 유효성의 도면;
도 8은 광 회절성 재료의 0중량%, 10중량%, 15중량% 및 20중량%의 로딩을 포함하는 파장 전환 부품에 대한 온백색 발광 디바이스에 대한 θ=0°, 15°, 30°, 45° 및 60°의 방출각에서의 방출 색상을 표시하는 1931 C.I.E.(국제 조명 위원회: Commission Internationale de l'Eclairage) 색도 도표;
도 9는 본 발명의 다른 실시양태에 따른 고 CRI 고체 상태 발광 디바이스의 도식적 부분 절단도 및 단면도;
도 10은 적색, 녹색 및 청색 광에 대한 광 회절성 입자 크기(nm)에 대한 상대 광 산란의 도면;
도 11은 공지된 발광 디바이스의 조작의 원칙을 예시하는 도면;
도 12는 산란 입자가 본 발명의 실시양태에 따라 인광체 입자와 혼합된 발광 디바이스의 조작의 원칙을 예시하는 도면;
도 13은 광 반사성 재료의 상이한 중량%의 로딩에 대한 본 발명에 따른 LED 기반 발광 디바이스에 대한 색도 CIE x에 대한 방출 강도의 도면;
도 14는 본 발명의 실시양태에 따른 파장 전환층 및 확산층 둘 다 내에산란 입자를 갖는 발광 디바이스를 예시하는 도면;
도 15 및 도 16은 각각 몇몇 실시양태에 따라 파장 전환 부품의 적용의 투시도 및 단면도를 예시한 도면;
도 17은 파장 전환층이 본 발명의 실시양태에 따라 반구형 확산층의 내면 위에 내층을 형성하는 반구형 쉘로서 형성된 확산층을 갖는 발광 디바이스를 예시한 도면;
도 18은 파장 전환층이 본 발명의 실시양태에 따라 반구형 확산층의 내면에 의해 형성된 내부 용적을 실질적으로 충전하는 반구형 쉘로서 형성된 확산층을 갖는 발광 디바이스를 예시한 도면;
도 19는 산란 입자를 갖는 파장 전환층이 본 발명의 실시양태에 따라 반구형 확산층의 내면에 의해 형성된 내부 용적을 실질적으로 충전하는 반구형 쉘로서 형성된 확산층을 갖는 발광 디바이스를 예시한 도면;
도 20a, 도 20b 및 도 20c는 몇몇 실시양태에 따른 파장 전환 부품의 적용의 예를 예시한 도면;
도 21a, 도 21b 및 도 21c는 몇몇 실시양태에 따른 파장 전환 부품의 적용의 다른 예를 예시한 도면;
도 22는 몇몇 실시양태에 따른 파장 전환 부품의 적용의 다른 예를 예시한 도면;
도 23a 및 도 23b는 몇몇 실시양태에 따른 파장 전환 부품의 적용의 다른 예를 예시한 도면;
도 24는 몇몇 실시양태에 따른 파장 전환 부품의 다른 예의 투시도를 예시한 도면.
본 발명의 몇몇 실시양태는 광발광 재료(예를 들면, 인광체 재료), 예컨대 청색 광 여기형 인광체 재료 또는 UV 여기형 인광체 재료의 입자를 포함하는 파장 전환 부품을 여기시키도록 사용되는 여기 광(통상적으로 청색 또는 UV)을 생성하도록 조작 가능한 1개 이상의 고체 상태 광 에미터, 통상적으로 LED를 포함하는 발광 디바이스에 관한 것이다. 추가로, 파장 전환 부품은 광 회절성 재료(본 명세서에서 "광 산란 재료"라고도 칭함)의 입자를 포함하는 광 확산층을 포함한다. 이 배치의 하나의 이점은 적절한 입자 크기 및 광 회절성 재료의 단위 면적당 농도를 선택하여 방출 축으로부터 ±60° 범위에 걸친 방출각에 따라 실질적으로 균일한 방출 생성물 색상을 갖는 디바이스를 제조할 수 있다는 것이다. 더구나, 광 확산층의 사용은 방출된 광의 선택된 색상을 생성하는 데 필요한 인광체 재료의 분량을 실질적으로 감소시킬 수 있다. 또한, 광 확산층은 오프 상태의 발광 디바이스의 백색 외관을 유의적으로 개선할 수 있다.
오직 예시의 목적으로, 구체적으로 인광체 재료로서 구현된 광발광 재료를 참조하여 하기 설명한다. 그러나, 본 발명은 임의의 유형의 광발광 재료, 예컨대 인광체 재료 또는 양자점에 적용 가능하다. 양자점은 특정한 파장 또는 파장 범위의 광을 방출하도록 방사 에너지에 의해 여기될 수 있는 모든 3곳의 공간 치수에 엑시톤이 구속된 물질(예를 들면, 반도체)의 일부이다. 또한, 구체적으로 청색 광원으로서 구현된 방사 소스를 참조하여 하기 설명한다. 그러나, 본 발명은 청색 광원 및 UV 광원을 포함하는 임의의 유형의 방사 소스에 적용 가능한다.
본 발명의 실시양태에 따른 고체 상태 발광 디바이스(10)가 디바이스의 도식적 부분 절단도 및 단면도를 도시한 도 1과 관련하여 기재되어 있다. 디바이스(10)는 CCT(상관 색 온도)가 대략 3000K이고 광속이 대략 1000루멘인 온백색 광을 생성하도록 구성된다.
디바이스(10)는 원형 디스크형 기부(14), 중공 원통형 벽부분(16) 및 탈착형 환형 상부(18)로 이루어진 원통형 중공체(12)를 포함한다. 열 소산을 돕기 위해, 기부(14)는 바람직하게는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 예를 들면 구리, 마그네슘 합금 또는 금속 로딩 플라스틱 재료와 같은 높은 열 전도율(바람직하게는 ≥ 200Wm-1K-1)을 갖는 임의의 재료로부터 제작된다. 저비용 제조를 위해, 벽(16) 및 상부(18)는 바람직하게는 열가소성 재료, 예컨대 HDPP(고밀도 폴리프로필렌), 나일론 또는 PMA(폴리메틸 아크릴레이트)로부터 제작된다. 대안적으로, 이들은 열 전도성 재료, 예컨대 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로부터 제작될 수 있다. 도 1에 도시된 것처럼, 기부(14)는 나사 또는 볼트(20) 또는 다른 고정장치 또는 접착제에 의해 벽부분(16)에 부착될 수 있다. 도 1에 추가로 도시된 것처럼, 상부(18)는 방사상 연장된 탭(22)이 상부(18) 내의 상응하는 환형 홈에 체결된 삽입형(bayonet-type) 탑재를 이용하여 벽부분(16)에 탈착 가능하게 탑재될 수 있다.
디바이스(10)는 원형 MCPCB(금속 코어 인쇄 회로 기판)(26)와 열 소통으로 탑재된 복수의(예시된 예에서는 4개의) 청색 발광 LED(24)(청색 LED)를 추가로 포함한다. 청색 LED(24)는 미국 캘리포니아주 프리몬트 소재의 인터매틱스 코포레이션(Intematix Corporation)로부터의 세라믹 디바이스 상의 4.8W 세투스(Cetus)(상표명) C1109 칩을 포함할 수 있고, 각각의 디바이스는 3줄×4행의 직사각형 어레이로 구성된 12개의 0.4W GaN계(질화갈륨계) 청색 LED 칩의 세라믹 패키징 어레이를 포함한다. 각각의 청색 LED(24)는 400㎚ 내지 480㎚(통상적으로 450㎚ 내지 470㎚)의 파장 범위에서 피크 파장(λ1)을 갖는 청색 광(28)을 생성하도록 조작된다. 공지된 바대로, MCPCB는 금속 코어 기부, 통상적으로 알루미늄, 열 전도성/전기 절연 유전 층 및 원하는 회로 구성으로 전기 부품을 전기 접속시키기 위한 구리 회로 층으로 이루어진 적층 구조를 포함한다. MCPCB(26)의 금속 코어 기부는, 예를 들면 산화베릴륨 또는 질화알루미늄을 포함하는 표준 열 싱크 화합물을 포함하는 접착제와 같은 열 전도성 화합물의 도움으로 기부(14)와 열 소통으로 탑재된다. 도 1에 도시된 것처럼, MCPCB는 나사 또는 볼트(30)를 사용하여 기부에 탑재될 수 있다.
광 방출을 최대화하기 위해, 디바이스(10)는 MCPCB(26)의 면 및 상부(18)의 내부 곡면을 각각 커버하는 광 반사성 표면(32, 34)을 추가로 포함할 수 있다. 통상적으로, 광 반사성 표면(32, 34)은 미국 일리노이주 나일스의 A.L.P. 라이팅 컴포넌츠 인크(A.L.P. lighting Components, Inc)사제의 화이트옵틱스(WhiteOptics)(상표명) "화이트 97"(고밀도 폴리에틸렌 섬유 기반 복합 필름)과 같은 고 광 반사성 시트 재료를 포함할 수 있다. 도 1에 표시된 바대로, 재료의 원형 디스크(32)는 하우징에 삽입되고 하우징 벽부분(16)의 내면을 커버하도록 구성된 원통형 슬리브(34)로서 구성된 광 반사성 재료의 스트립 및 MCPCB의 면을 커버하도록 사용될 수 있다.
디바이스(10)는 LED(24)에 의해 생성된 청색 광(28)(λ1)의 일부를 흡수하고 이를 광발광(36) 공정에 의해 상이한 파장(λ2)의 광(38)으로 변환시키도록 조작되는 인광체 파장 전환 부품(36)을 추가로 포함한다. 디바이스(10)의 방출 생성물(40)은 LED(24) 및 인광체 파장 전환 부품(36)에 의해 생성된 파장(λ1, λ2)의 조합 광을 포함한다. 파장 전환 부품은 LED(24)에 멀리 위치하고 LED로부터 통상적으로 적어도 1㎝인 간격(d)으로 공간상 분리된다. 이 특허 명세서에서, "멀리" 및 "먼"은 이격되거나 분리된 관계를 의미한다. 파장 전환 부품(36)은 하우징(12) 개구를 완전히 커버하여 램프에 의해 방출된 모든 광이 부품(36)을 통과하도록 구성된다. 도시된 바대로, 파장 전환 부품(36)은 상부(18)를 이용하여 벽부분(16)의 상부에 탈착 가능하게 탑재되어 부품 및 램프의 방출 색상이 방사상 변하게 할 수 있다.
도 2에 도시된 것처럼, 파장 전환 부품(36)은 광 투과성 기판(42), 광 회절성 입자를 포함하는 광 확산층(44) 및 1종 이상의 광발광(예를 들면, 인광체) 재료를 포함하는 파장 전환층(46)을 순서대로 포함한다. 도 2에서 볼 수 있는 것처럼, 파장 전환 부품(36)은 조작 시 파장 전환층(46)이 LED를 마주보도록 구성된다.
광 투과성 기판(42)은 380㎚ 내지 740㎚의 파장 범위에서 광에 실질적으로 투과성인 임의의 재료일 수 있고, 예컨대 폴리카보네이트 또는 아크릴 또는 유리, 예컨대 붕규산 유리와 같은 광 투과성 중합체를 포함할 수 있다. 도 1의 램프(10)의 경우, 기판(42)은 직경 φ=62㎜ 및 통상적으로 0.5㎜ 내지 3㎜인 두께(t1)의 평면 원형 디스크를 포함한다. 다른 실시양태에서, 기판은 예를 들면 반구형 또는 원통형인 형태의 볼록 또는 오목인 다른 기하구조를 포함할 수 있다.
확산층(44)은 광 회절성 재료, 바람직하게는 이산화티탄(TiO2)의 입자의 균일한 두께 층을 포함한다. 대안적인 배치에서, 광 회절성 재료는 황산바륨(BaSO4), 산화마그네슘(MgO), 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 또는 통상적으로 0.9 이상의 굴절율의 가능한 고 반사성 분말 재료를 포함할 수 있다. 광 회절성 재료 분말은 광 투과성 액체 결합제 재료와 공지된 비율로 완전히 혼합되어 현탁액을 형성하고 생성된 혼합물은 바람직하게는 스크린에 의해 기판(42)의 면에 침착되어 기판의 전체 면을 커버하는 두께(t2)(통상적으로 10㎛ 내지 75㎛ 범위)의 균일한 층을 형성한다. 광 확산층(44)에서 단위 면적당 광 회절 재료의 분량은 통상적으로 10㎍.㎝-2 내지 5㎎.㎝-2 범위이다.
스크린 인쇄가 광 회절성 확산층(44)을 침착하기 위한 바람직한 방법이지만, 예를 들면 슬롯 다이 코팅, 스핀 코팅, 롤러 코팅, 드로우다운 코팅 또는 닥터 블레이딩과 같은 다른 기법을 이용하여 이것을 침착시킬 수 있다. 결합제 재료는 경화성 액체 중합체, 예컨대 중합체 수지, 단량체 수지, 아크릴, 에폭시 (폴리에폭사이드), 실리콘 또는 불화 중합체를 포함할 수 있다. 결합제 재료가 경화 상태에서 인광체 재료(들) 및 LED(24)에 의해 생성된 광의 모든 파장에 실질적으로 투과성이고 바람직하게는 전도율이 가시광선 스펙트럼(380㎚ 내지 800㎚)에 비해 적어도 0.9인 것이 바람직하다. 결합제 재료는 열 경화성, 용매 기반 또는 이들의 조합일 수 있지만, 바람직하게는 U.V. 경화성이다. U.V. 또는 열 경화성 결합제는 용매 기반 재료와 달리 중합 동안 "가스배출"되지 않으므로 바람직할 수 있다. 일 배치에서, 광 회절성 재료의 평균 입자 크기는 5㎛ 내지 15㎛ 범위이지만, 나노미터 범위(nm)일 수 있고 유리하게는 100㎚ 내지 150㎚ 범위일 수 있는 것으로 기술된다. 액체 결합제에 대한 광 회절성 재료의 중량%의 로딩은 통상적으로 7% 내지 35% 범위이다.
파장 전환층(46)은 임의의 개재 층 또는 공기 갭 없이 광 확산층(44)과 직접 접촉으로 증착된다. 분말 형태인 인광체 재료는 액체 광 투과성 결합제 재료와 공지된 비율로 완전히 혼합되어 현탁액을 형성하고 생성된 인광체 조성물, "인광체 잉크"는 확산층(44)에 직접 침착된다. 파장 전환층은 바람직하게는 다른 침착 기법을 통해 스크린 인쇄에 의해 침착되고, 예컨대 슬롯 다이 코팅, 스핀 코팅 또는 닥터 블레이딩을 사용할 수 있다. 파장 전환층(46)과 확산층(44) 간의 광학 계면을 제거하고 층 간의 광 투과율을 최대화하기 위해, 동일한 액체 결합제 재료는 바람직하게는 층 둘 다; 즉, 중합체 수지, 단량체 수지, 아크릴, 에폭시, 실리콘 또는 불화 중합체를 제작하기 위해 사용된다.
인광체 파장 전환층(46)은 바람직하게는 다른 침착 기법을 통해 스크린 인쇄에 의해 침착되고, 예를 들면 슬롯 다이 코팅, 스핀 코팅, 롤러 코팅, 드로우다운 코팅 또는 닥터 블레이딩 등을 사용할 수 있다. 결합제 재료는 바람직하게는 용매 기반보다 U.V. 또는 열 경화성이다. 용매가 증발할 때, 조성물의 용적 및 점도가 변하고 이는 디바이스의 방출 생성물 색상에 영향을 미치는 인광체 재료의 농도가 더 높게 한다. U.V. 경화성 중합체에 의해, 침착이 완료된 후 층을 중합시키고 고화시키는 데 사용되는 U.V. 경화에 의해 침착 공정 동안 점도 및 고체 비율은 더 안정하다. 더구나, 인광체 잉크의 스크린 인쇄의 경우, 필요한 층 두께를 성취하기 위해 다회 통과 인쇄가 필요할 수 있으므로, U.V. 경화성 결합제의 사용이 바람직한데, 왜냐하면 다음 층의 인쇄 전에 각각의 층이 인쇄 직후 실질적으로 경화될 수 있기 때문이다.
파장 전환 부품에 의해 생성된 방출 생성물의 색상은 파장 전환층(46)에서 단위 면적당 인광체 재료의 분량 및 인광체 재료 조성물에 따라 달라진다. 단위 면적당 인광체 재료의 분량은 인광체 잉크에서 결합제에 대한 인광체 재료의 중량 로딩 및 파장 전환층(46)의 두께(t3)에 따라 달라지는 것으로 이해된다. 방출 생성물이 백색인 분야에서 또는 방출 생성물이 고 포화 색상(즉, 방출 생성물은 실질적으로 모든 광발광 생성 광을 포함함)을 갖는 분야에서, 파장 전환층(46)에서 단위 면적당 인광체 재료의 분량은 통상적으로 10㎎.㎝-2 내지 40㎎.㎝-2이다. 최소 수의 인쇄 통과로 파장 전환층(46)의 인쇄가 가능하도록, 인광체 잉크는 바람직하게는 결합제 재료에 대한 인광체 재료의 고체 로딩이 가능한 높고, 바람직하게는 결합제에 대한 인광체 재료의 중량 로딩이 40% 내지 75% 범위이다. 약 40% 미만인 중량 로딩의 경우, 단위 면적당 필요한 인광체 재료를 성취하는 데 5회 이상의 인쇄 통과가 필요한 것으로 밝혀졌다. 인광체 재료는 평균 입자 크기가 10㎛ 내지 20㎛, 통상적으로 15㎛ 차수인 입자를 포함한다.
일반적인 조명 분야에서, 방출 생성물(40)은 통상적으로 백색 광이고 인광체 재료는 녹색 광(510㎚ 내지 550㎚), 황색-녹색 광(550㎚ 내지 570㎚), 황색 광(570㎚ 내지 590㎚), 오렌지색 광(590㎚ 내지 630㎚) 또는 적색 광(630㎚ 내지 740㎚)을 방출하는 1종 이상의 청색 광 여기형 인광체 재료를 포함할 수 있다. 파장 전환층의 두께(t3), 인광체 재료 조성물 및 단위 면적당 인광체 재료의 밀도(중량 로딩)는 램프에 의해 방출된 광의 색상을 결정한다.
인광체 재료는, 예를 들면 일반적인 조성물 A3Si(O,D)5 또는 A2Si(O,D)4(여기서, Si는 규소이고, O는 산소이며, A는 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 또는 칼슘(Ca)을 포함하고, D는 염소(Cl), 불소(F), 질소(N) 또는 황(S)을 포함함)의 규산염계 인광체와 같은 무기 인광체 또는 유기 인광체를 포함할 수 있다. 규산염계 인광체의 예는 미국 특허 US 제7,575,697 B2호(발명의 명칭: "Silicate-based green phosphors"), US 제7,601,276 B2호(발명의 명칭: "Two phase silicate-based yellow phosphors"), US 제7,655,156 B2호(발명의 명칭: "Silicate-based orange phosphors") 및 US 제7,311,858 B2호(발명의 명칭: "Silicate-based yellow-green phosphors")에 개시되어 있다. 인광체는 또한 예컨대 계류중인 특허 출원 US 제2006/0158090 A1호(발명의 명칭: "Novel aluminate-based green phosphors") 및 특허 US 제7,390,437 B2호(발명의 명칭: "Aluminate-based blue phosphors")에 교시된 알루민산염계 재료, 계류중인 출원 US 제2008/0111472 A1호(발명의 명칭: "Aluminum-silicate orange-red phosphor")에 교시된 알루미늄-규산염 인광체 또는 예컨대 계류중인 미국 특허 출원 US 제2009/0283721 A1호(발명의 명칭: "Nitride-based red phosphors") 및 국제 특허 출원 WO 제2010/074963 A1호(발명의 명칭: "Nitride-based red-emitting in RGB (red-green-blue) lighting systems")에 교시된 질화물계 적색 인광체 재료를 포함할 수 있다. 인광체 재료는 기재된 실시예에 제한되지 않고 질화물 및/또는 황산염 인광체 재료, 산화질화물 및 산화황산염 인광체 또는 가넷 재료(YAG)를 포함하는 임의의 인광체 재료를 포함할 수 있는 것으로 이해된다.
본 발명에 따른 인광체 파장 전환 부품(36)의 추가의 예가 도 3에 도시되어 있다. 도 2의 파장 전환 부품과 마찬가지로, 부품은 광 투과성 기판(42), 광 확산층(44) 및 파장 전환층(46)을 포함한다. 본 발명에 따른 광 확산층(44) 및 파장 전환층(46)은 서로 직접 접촉으로 침착되어 있다. 조작 시 다시 광 확산층(44)이 LED(24)를 마주보도록 파장 전환 부품이 구성되도록 부품이 구성된다.
조작 시 LED(24)에 의해 생성된 청색 광(28)은 인광체 재료의 입자와 부딪칠 때까지 파장 전환층(46)을 거쳐 이동한다. 광자와 인광체 재료 입자와의 평균 1000 중 1의 적은 상호작용은 광발광 광(38)을 흡수하고 생성하는 것으로 생각된다. 광자와 인광체 입자와의 상호작용 중 약 99.9%인 대부분은 광자를 산란시킨다. 산란 공정의 등방성 성질로 인해, 평균 광자의 절반이 LED에 반대 방향으로 산란된다. 시험은 통상적으로 약 10%의 전체 입사 청색 광(28)이 파장 전환 부품(36)으로부터 LED에 반대 방향으로 산란되고 방출된다는 것을 나타낸다. 냉백색 발광 디바이스의 경우, 대략 10%의 전체 입사 청색 광이 파장 전환 부품으로부터 방출되고 관찰자(21)가 보는 방출 생성물(40)에 기여하도록 인광체 재료의 양이 선택된다. 입사광의 대략 80%인 대부분은 인광체 재료에 의해 흡수되고 광발광 광(38)으로서 재방출된다. 광발광 광 생성의 등방성 성질로 인해, 인광체 재료에 의해 생성된 광(38)의 대략 절반이 LED에 대한 방향으로 방출된다. 그 결과, 전체 입사광의 오직 약 40%가 파장(λ2)의 광(38)으로서 방출되고 방출 생성물(38)에 기여하고, 남은(약 40% 이하의) 전체 입사광이 LED에 반대 방향으로 파장(λ2)의 광(38)으로서 방출된다. 파장 전환 부품(36)으로부터 LED로 방출된 광은 광 회절성 표면(32, 34)에 의해 재지시되어 방출 생성물에 기여하고 디바이스의 전체 효율을 증가시킨다.
본 발명의 실시양태가 해결하는 종래 LED 조명 디바이스와 관련된 하나의 문제점은 오프 상태에서의 디바이스의 비백색 색상 외관이다. 기재된 바대로, 온 상태 동안, LED 칩 또는 다이는 청색 광을 생성하고 이후 청색 광의 약간의 일부는 인광체(들)에 의해 흡수되어 황색 광(또는 녹색 광과 적색 광의 조합, 녹색 광과 황색 광의 조합, 녹색 광과 오렌지색 광의 조합 또는 황색 광과 적색 광의 조합)을 재방출한다. 인광체에 의해 흡수되지 않은 LED에 의해 생성된 청색 광 일부와 인광체에 의해 방출된 광은 인간 눈에 거의 백색 색상으로 보이는 광을 제공한다.
그러나, 오프 상태에서, LED 칩 또는 다이는 임의의 청색 광을 생성하지 않는다. 대신에, 원격 인광체 조명 장치에 의해 생성된 광은 파장 전환 부품에서 인광체 재료를 여기시키고 따라서 광발광 광에서 황색, 황색-오렌지색 또는 오렌지색 색상을 생성하는 외부 광(예를 들면, 일광 또는 실내광)에 적어도 부분적으로 기초한다. LED 칩 또는 다이가 임의의 청색 광을 생성하지 않으므로, 이는 파장 전환 부품의 광발광 광으로부터의 황색/오렌지색 광과 조합되어 백색으로 보이는 광을 생성하는 임의의 잔류 청색 광이 없다는 것을 의미한다. 그 결과, 조명 디바이스는 색상이 황색, 황색-오렌지색 또는 오렌지색으로 보인다. 이는 백색으로 보이는 광을 원하는 잠재적 구매자 또는 소비자에게 바람직하지 않을 수 있다.
몇몇 실시양태에 따라, 광 확산층(44)은 관찰자(21)에 대한 오프 상태의 디바이스의 시각적 외관을 개선하여 이 문제를 해결하는 추가의 이점을 제공한다. 부분적으로, 이는 광 확산층(44)이 외부 여기 광의 통과를 실질적으로 감소시킬 수 있는 광 회절성 재료의 입자를 포함하기 때문이고, 그렇지 않으면 파장 전환 부품이 황색/오렌지색 색상을 갖는 파장의 광을 재방출하게 한다.
청색 광을 산란시키는 가능성을 증가시키는 크기 범위를 갖도록, 예를 들면 광 확산층(44)에서의 광 회절성 재료의 입자가 선택되고, 이는 더 적은 외부 청색 광이 광 확산층(44)을 통과하여 파장 전환층(46)을 여과시킨다는 것을 의미한다. 따라서, 파장 전환 부품이 황색/적색 광을 덜 방출하므로, 원격 인광체 조명 장치는 오프 상태에서 더욱 백색 외관을 갖는다.
인광체 재료에 의해 생성된 광을 산란시키는 것보다 비교적 적어도 2배 많이 청색 광을 산란시키도록 광 회절성 입자 크기를 선택할 수 있다. 이러한 광 확산층(44)은, 오프 상태 동안, 디바이스에 의해 수신된 더 많은 비율의 외부 청색 광이 산란되고 광 회절성 재료에 의해 파장 전환층(46)으로부터 멀리 지시되어, 외부 기원의 광자가 인광체 재료 입자와 상호작용하는 가능성을 줄이고 황색/오렌지색 광발광 광의 생성을 최소화하도록 보장한다. 그러나, 그럼에도 불구하고, 온 상태 동안, 여기 광에 의해 LED 광원으로부터 생성된 인광체 생성 광은 더 낮은 산란 가능성으로 확산층(44)을 통과할 수 있다. 바람직하게는, 오프 상태의 조명 디바이스의 백색 외관을 증대시키기 위해, 광 확산층(44) 내의 광 회절성 재료는 평균 입자 크기가 "나노-입자"이다. 다른 색상을 갖는 광을 방출하는 광원의 경우, 나노-입자는 다른 평균 크기에 상응할 수 있다. 예를 들면, UV 광원을 위한 광 확산층(44) 내의 광 회절성 재료는 평균 입자 크기가 약 100㎚ 미만일 수 있다.
따라서, 광 산란 재료의 평균 입자 크기를 적절히 선택하여, 광 확산층이 다른 색상, 즉 광발광 재료에 의해 방출된 녹색 및 적색보다 더 용이하게 여기 광(예를 들면, 청색 광)을 산란시키도록 구성할 수 있다. 도 10은 적색, 녹색 및 청색 광에 대한 TiO2 평균 입자 크기(nm)에 대한 상대 광 산란의 도면을 도시한다. 도 10으로부터 볼 수 있는 것처럼, 평균 입자 크기가 100㎚ 내지 150㎚인 TiO2 입자는 녹색 광(510㎚ 내지 550㎚) 또는 적색 광(630㎚ 내지 740㎚)을 산란시키는 것보다 청색 광(450㎚ 내지 480㎚)을 2배 많이 산란시킨다. 예를 들면, 평균 입자 크기가 100㎚인 TiO2 입자는 녹색 또는 적색 광을 산란시키는 것보다 청색 광을 거의 3배 많이(2.9=0.97/0.33) 산란시킨다. 평균 입자 크기가 200㎚인 TiO2 입자의 경우, 이는 녹색 또는 적색 광을 산란시키는 것보다 청색 광을 2배 많이(2.3=1.6/0.7) 산란시킨다. 본 발명의 몇몇 실시양태에 따라, 광 회절성 입자가 인광체 재료(들)에 의해 생성된 광보다 비교적 적어도 2배로 청색 광을 산란시키도록 광 회절성 입자 크기를 선택하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시양태가 해결할 수 있는 원격 인광체 디바이스와 관련된 다른 문제는 방출각에 의한 방출된 광 방출된 광의 색상 변동이다. 특히, 원격 인광체 디바이스는 대개 다른 각도로 볼 때 색상이 비균일성으로 인지된다.
본 발명의 실시양태는 이 문제를 보정하는데, 왜냐하면 파장 전환층(46)과 직접 접촉하는 광 확산층(44)의 첨가는 방출각(θ)에 의한 방출된 광의 색상의 균일성을 유의적으로 증가시킨다. 방출각(θ)을 방출 축(48)과 관련하여 측정한다(도 1). 도 4는 본 발명의 몇몇 실시예 실행에 따라 0%, 7%, 12%, 16%, 23% 및 35%의 결합제 재료에 대한 광 회절성 재료의 백분율(%) 중량 로딩으로 확산층(44)을 포함하는 파장 전환 부품(36)에 대해 도 1의 램프에 대한 방출각(θ)에 대한 측정된 CIE 색상 변화의 도면을 도시한다. 모든 방출 색상 측정을 파장 전환 부품에 대해 램프(10)로부터 10m 간격으로 측정하고, 광 확산층은 평균 입자 크기가 약 5㎛인 TiO2의 광 회절성 입자를 포함한다. 비교를 위해, Ti02의 0% 로딩(%)에 대한 데이터는 광 확산층을 포함하지 않는 파장 전환 부품에 상응한다.
측정된 색상 변화는 하기 식으로부터 유도된다:
Figure 112014038808871-pct00001
상기 식 중, CIE xθ°는 θ°의 방출각에서 측정된 CIE 색도 x 값이고, CIE x0°는 θ=0°의 방출각에 대한 측정된 CIE 색도 x 값이며, CIE yθ°는 θ°의 방출각에서 측정된 CIE 색도 y 값이고, CIE y0°는 θ=0°의 방출각에 대한 측정된 CIE 색도 y 값이다. CIE 변화가 θ=0°의 방출각에서의 광 색상으로 정규화되는 것으로 이해된다(즉, CIE 변화는 항상 θ=0°의 경우 0임).
광 확산층(즉, 0%의 Ti02 로딩)이 없는 파장 전환 부품에 대해 도 4에서 볼 수 있는 것처럼, 이러한 램프에 의해 생성된 광의 색상은 θ=60° 이하의 방출각에 대해 거의 0.07의 CIE 변화로 변할 수 있다. 불과 7%의 TiO2의 중량%의 로딩을 갖는 광 확산층(44)을 포함하는 본 발명에 따른 파장 전환 부품(36)에 대한 비교시, 60° 범위에 걸친 방출 색상 변화는 약 0.045로 하강한다. 이 도면에서 볼 수 있는 것처럼, TiO2의 중량%의 로딩 증가는 60° 각 범위에 걸쳐 방출 색상 변화를 감소시킨다. 예를 들면, 35% TiO2 중량%의 로딩의 경우, CIE 색상 변화는 0.001 미만이다. 방출각에 의한 방출 색상 변화가 TiO2 로딩 증가에 따라 감소하지만, 전체 방출 강도가 또한 감소한다.
도 5는 본 발명의 실시예 실행에 대한 0%, 7%, 12%, 16%, 23% 및 35%의 결합제 재료에 대한 TiO2의 백분율(%) 중량 로딩으로 확산층(44)을 포함하는 파장 전환 부품(36)에 대한 θ=60°의 방출각에서의 CIE 색상 변화에 대한 측정된 루미너스 유효성을 도시한다. 루미너스 유효성 값은 광 확산층(즉, 0%의 TiO2 로딩)을 포함하지 않는 램프에 대해 정규화된다. θ=60°에서의 CIE 색상 변화를 하기 식으로부터 결정한다:
Figure 112014038808871-pct00002
상기 식 중, CIE x60°는 θ=60°의 방출각에서 측정된 CIE 색도 x 값이고, CIE x0°는 θ=0°의 방출각에 대한 측정된 CIE 색도 x 값이며, CIE y60°는 θ=60°의 방출각에서 측정된 CIE 색도 y 값이고, CIE y0°는 θ=0°의 방출각에 대한 측정된 CIE 색도 y 값이다. 도 5로부터 볼 수 있는 것처럼, TiO2의 35중량%의 로딩을 포함하는 광 확산층을 갖는 파장 전환 부품에 대한 루미너스 유효성의 25% 감소가 있을 수 있다. 광 확산층에서 광 회절성 재료의 중량 로딩을 선택할 때 방출각에 의한 방출 색상 균일성 개선과 램프의 루미너스 유효성 감소 사이의 균형이 발생해야 하는 것으로 이해된다. 본 발명의 몇몇 실시양태에 따른 파장 전환 부품은 바람직하게는 10% 내지 20% 범위의 결합제 재료에 대한 광 회절성 재료의 중량%의 로딩으로 광 확산층을 갖는다.
도 6은 0%, 10%, 15% 및 20%의 결합제 재료에 대한 TiO2의 백분율(%) 중량 로딩으로 확산층(44)을 포함하는 전환 부품(36)에 대한 3000K 백색 발광 램프(10)의 실시예 실행에 대한 방출각(θ)에 대한 측정된 CIE 색상 변화의 도면을 나타내고, 도 7은 θ=60°의 방출각에서의 CIE 색상 변화에 대한 상응하는 측정된 루미너스 유효성을 도시한다.
도 8은 TiO2의 0%, 10%, 15% 및 20중량%의 로딩을 포함하는 파장 전환 부품에 대한 본 발명에 따른 실시예 3000K 백색 발광 LED 기반 램프에 대한 θ=0°, 15°, 30°, 45° 및 60°의 방출각에서 방출된 광의 CIE x, CIE y를 보여주는 1931 색도 도표이다. 비교를 위해, 도 8은 또한 각각 3500K 및 3000K의 백색 광에 대한 흑체 방사 곡선 및 ANSI C78.377A "화이트 고체 상태 조명 생성물의 색도 규격(Specification for chromaticity of white solid state lighting products)" S 및 R 사각형을 포함한다. 각각의 사각형은 대략 7개의 맥아담(MacAdam) 타원형에 해당하고, 각각의 하위사각형(S02, S03, S06, S07, R02, R03, R06, R07)은 대략 4개의 맥아담 타원형에 해당한다. 공지된 바대로, 맥아담 타원형은 타원형의 중앙에서의 색상으로부터 평균 인간 눈(21)에 구별 불가능한 모든 색상을 포함하는 색도 도표 상의 구역이다. 광 확산층 없는(0%의 TiO2) 램프에 대해 도 8로부터 볼 수 있는 것처럼, θ=0° 내지 60°의 범위에 걸친 방출각에 대한 방출 색상 변동은 대략 3개의 맥아담 타원형이다. TiO2의 10중량%의 로딩으로 광 확산층을 포함하는 램프의 경우, 방출각에 의한 방출 색상 변동은 2개 미만의 맥아담 타원형이고, 루미너스 유효성이 약 2%로 상응하게 감소한다(도 7). TiO2의 15중량%의 로딩으로 광 확산층을 포함하는 램프의 경우, 방출각에 의한 방출 색상 변동은 대략 1개의 맥아담 타원형이고, 루미너스 유효성이 약 5%로 상응하게 감소한다(도 7). 이러한 램프의 경우, 평균 사람(21)은 방출각에 의한 방출 색상 변동을 인지할 수 없다. TiO2의 20중량%의 로딩으로 광 확산층을 포함하는 램프의 경우, 방출각에 의한 방출 색상 변동은 1개 미만의 맥아담 타원형이고, 루미너스 유효성이 약 9%로 상응하게 감소한다(도 7). 본 발명에 따른 광 확산층(44)의 포함이 허용되는 루미너스 유효성을 유지시키면서 방출각에 의한 방출 색상 변동의 효과를 실질적으로 제거할 수 있는 것으로 이해된다.
본 발명의 실시양태는 또한 LED 조명 생성물을 제조하는 데 필요한 인광체 재료의 양을 감소시켜, 인광체 재료의 비교적 고비용 성질을 고려할 때 이러한 생성물의 제조 비용을 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 특히, 광 회절성 재료의 입자로 이루어진 광 확산층(44)의 첨가는 방출된 광의 선택된 색상을 생성하는 데 필요한 인광체 재료의 분량을 실질적으로 감소시킬 수 있다. 이는 필적하는 선행 기술 접근법과 비교할 때 파장 전환 부품을 제조하는 데 비교적 적은 인광체가 필요하다는 것을 의미한다. 그 결과, 특히 원격 인광체 조명 디바이스의 경우 이러한 파장 전환 부품을 사용하는 조명 장치를 제조하는 데 비용이 훨씬 적다.
조작 시, 확산층(44)은 광자가 파장 전환층(46)으로 다시 광을 반사시켜 광발광 광을 생성하는 가능성을 증가시킨다. 따라서, 파장 전환층과 확산층의 포함은 소정의 색상 방출 생성물을 생성하는 데 필요한 인광체 재료의 분량을 예를 들면 40% 이하로 감소시킬 수 있다.
이전에 보고된 바대로, 광 확산층(44)은 인광체 재료에 의해 생성된 광을 산란시키는 것보다 많이 LED(예를 들면, 청색 광)에 의해 생성된 여기 광을 선택적으로 산란시키도록 구성될 수 있다. 이러한 광 확산층(44)은 파장 전환층으로부터 방출된 더 높은 비율의 청색 광이 산란되고 광 회절성 재료에 의해 파장 전환층으로 다시 지시되어, 광자가 인광체 재료 입자와 상호작용하는 가능성을 증가시키고 광발광 광을 생성시키도록 보장한다. 동시에 인광체 생성 광은 더 낮은 산란 가능성으로 확산층을 통과할 수 있다. 확산층이 청색 광자가 인광체 재료 입자와 상호작용하는 가능성을 증가시키므로, 선택된 방출 색상을 생성하기 위해 인광체 재료를 적게 사용할 수 있다. 이러한 배치는 파장 전환 부품/디바이스의 루미너스 유효성을 또한 증가시킬 수 있다.
광 확산층(44)은 파장 전환 부품에서 추가의 산란(또는 반사성/회절성) 입자와 함께 사용되어 방출된 광의 선택된 색상을 생성하는 데 필요한 인광체 재료의 양을 추가로 감소시킬 수 있다. 미국 출원 제13/253,031호(본 명세서에 참조문헌으로 그 전문이 포함됨)에 개시된 바대로, 파장 전환 부품은 인광체 재료와 혼입된 광 산란 재료(본 명세서에서 "광 반사 재료"라고도 칭함)의 입자를 포함하여 인광체 재료에 의한 광발광 광 생성을 증대시킨다. 광 에미터(들)에 의해 생성된 광의 인광체 재료의 입자와의 충돌 수를 증가시키는 광 반사성 재료로부터 광 생성이 증대된다. 순 결과는 발광 디바이스에 대한 인광체 재료 사용 감소이다.
현재의 실시양태의 이 양태를 설명하기 위해, 인광체를 산란 입자와 혼합하지 않는 선행 기술의 접근법의 설명을 처음에 제공하는 것이 도움이 된다. 도 11은 산란 입자가 인광체와 혼합되지 않은 인광체 파장 전환을 이용하는 LED 기반 발광 디바이스의 도면을 도시한다. 도 11의 공지된 디바이스는 광 투과성 결합제(124)의 용적에 걸쳐 균일하게 분포된 인광체 재료 입자(120)를 포함하는 파장 전환 부품을 포함한다. 본 발명의 디바이스와 달리, 공지된 디바이스는 광 산란 재료의 입자를 포함하지 않는다. 조작 시, LED로부터의 청색 광(126)은 인광체 재료의 입자와 충돌할 때까지 광 투과성 결합제(124)에 의해 전달된다. 광자와 인광체 재료 입자와의 평균 10,000 중 1의 적은 상호작용은 광발광 광을 흡수하고 생성시키는 것으로 생각된다. 광자와 인광체 입자와의 상호작용 중 약 99.99%인 대부분은 광자를 산란시킨다. 산란 공정의 등방성 성질로 인해, 산란된 광자의 평균적으로 절반이 LED에 반대 방향에 있다. 시험은 통상적으로 약 10%의 전체 입사 청색 광이 파장 전환 부품으로부터 LED에 반대 방향으로 산란되고 방출된다는 것을 나타낸다. 냉백색 발광 디바이스의 경우, 대략 10%의 전체 입사 청색 광이 윈도우를 통해 방출되고 방출 생성물에 기여하도록 인광체 재료의 양이 선택된다. 입사광의 대략 80%인 대부분은 인광체 재료에 의해 흡수되고 광발광 광(128)으로서 재방출된다. 광발광 광 생성의 등방성 성질로 인해, 인광체 재료에 의해 생성된 광(128)의 대략 절반이 LED에 대한 방향으로 방출된다. 그 결과, 전체 입사광의 (↑) 40% 이하가 파장(λ2)의 광(128)으로서 방출되고 방출 생성물(130)에 기여하고, 전체 입사광의 (↑) 40% 이하가 LED에 반대 방향으로 파장(λ2)의 광(128)으로서 방출된다. 통상적으로, LED를 향해 방출된 광은 반사기(비도시)에 의해 재지시되어 디바이스의 전체 유효성을 증가시킨다.
도 12는 도 11과 유사하지만 광 반사성/산란 재료의 입자에 의한 (λ1 및 λ2의 파장의) 광의 반사 또는 산란을 추가로 포함하는 디바이스의 조작의 도면을 도시한다. 인광체 재료와 함께 광 반사성 재료의 입자를 포함함으로써, 이는 소정의 색상 방출 생성물을 생성하는 데 필요한 인광체 재료의 양을 예를 들면 몇몇 실시양태에서 33% 이하로 감소시킬 수 있다. 광 반사성 재료의 입자는 광자가 인광체 재료의 입자와 충돌하는 가능성을 증가시키고 따라서 소정의 색상의 방출 생성물에 대해 인광체 재료가 덜 필요하다.
도 13은 ◆- 0%, ■- 0.4%, ▲- 1.1% 및 ●- 2%의 광 반사성 재료의 중량%의 로딩에 대한 본 발명의 몇몇 실시양태에 따른 발광 디바이스에 대한 색도 CIE x에 대한 방출 강도의 도면이다. 데이터는 스크린 인쇄된 인광체 전환층에 대한 것이고, 결합제 재료는 나즈다르(Nazdar)(등록상표)의 UV 경화성 리토 클리어 오버프린트(litho clear overprint) PSLC-294를 포함하고 인광체 재료는 평균 입자 크기가 15㎛인 인터매틱스 코포레이션의 인광체 EY4453을 포함한다. 인광체 재료 대 클리어 잉크의 비율은 2:1 중량비이다. 광 반사성 재료는 노르코테 인터내셔널 인크(Norcote International Inc)의 슈퍼 화이트 잉크 GN-027SA를 포함한다. 광 반사성 재료의 로딩에 대한 숫자는 슈퍼 화이트 잉크 대 클리어 잉크의 중량%를 의미한다. 각각의 데이터 점과 관련된 더 작은 숫자는 인광체 층을 형성하는 데 사용되는 인쇄 통과 횟수 'n'을 의미한다.
분말 형태일 수 있는 광 산란 재료 및 인광체 재료는 광 투과성 결합제 재료, 예컨대 중합체 재료(예를 들면, 열 또는 UV 경화성 실리콘 또는 에폭시 재료) 또는 클리어 잉크, 예를 들면 나즈다르(등록상표)의 UV 경화성 리토 글리어 오버프린트 PSLC-294와 공지된 비율로 완전히 혼합된다. 혼합물을 1개 이상의 균일한 두께의 층으로서 기판의 면에 도포한다. 바람직한 실시양태에서, 혼합물을 스크린 인쇄에 의해 광 투과성 윈도우에 도포하고 층의 두께(t)는 인쇄 통과의 수에 의해 제어된다. 스퀴지(예를 들면, 닥터 블레이딩)와 같은 블레이드를 사용하는 표면 위의 혼합물의 스위핑, 스핀 코팅 또는 잉크젯 인쇄를 포함하는 다른 방법을 이용하여 인광체/반사성 재료 혼합물을 도포할 수 있다.
인쇄 통과 횟수가 인광체 층(118)의 두께 및 인광체의 분량에 직접 비례하는 것으로 생각된다. 타원형(132, 134, 136, 138)은 실질적으로 동일한 강도 및 CIE x 값을 갖는 방출 생성물에 대한 그룹 데이터 점에 이용된다. 예를 들면, 타원형(132)은 i) 광 반사성 재료 없는 3회 인쇄 통과 및 ii) 광 반사성 재료의 2중량%의 로딩의 2회 인쇄 통과를 포함하는 인광체 전환층(118)에 대해 유사한 강도 및 색상의 방출 생성물을 제조할 수 있다는 것을 나타낸다. 이 데이터는 광 반사성 재료의 2중량%의 로딩을 포함함으로써 약 33% 미만의 인광체 재료를 포함하는 인광체 전환층(118)을 사용하여 광의 동일한 색상 및 강도를 생성할 수 있다는 것을 나타낸다. 타원형(134)은 i) 광 반사성 재료 없는 4회 인쇄 통과 및 ii) 광 반사성 재료의 0.4중량%의 로딩의 3회 인쇄 통과를 포함하는 인광체 전환층에 대해 방출 생성물의 동일한 강도 및 색상을 생성할 수 있다는 것을 나타낸다. 이 데이터는 이 실시양태의 경우 광 반사성 재료의 0.4중량%의 로딩을 포함함으로써 약 25% 미만의 인광체를 포함하는 인광체 전환층을 사용하여 광의 동일한 색상 및 강도를 생성할 수 있다는 것을 나타낸다. 타원형(136)은 i) 광 반사성 재료 없는 4회 인쇄 통과 및 ii) 광 반사성 재료의 1.1중량%의 로딩의 3회 인쇄 통과를 포함하는 인광체 전환층에 대해 방출 생성물의 동일한 강도 및 색상을 생성할 수 있다는 것을 나타낸다. 이 데이터는 광 반사성 재료의 1.1중량%의 로딩을 포함함으로써 약 25% 미만의 인광체를 포함하는 인광체 전환층을 사용하여 광의 동일한 색상 및 강도를 생성할 수 있다는 것을 나타낸다. 타원형(138)은 i) 광 반사성 재료의 0.4중량%의 로딩의 4회 인쇄 통과 및 ii) 광 반사성 재료의 2중량%의 로딩의 3회 인쇄 통과를 포함하는 인광체 전환층에 대해 방출 생성물의 동일한 강도 및 색상을 생성할 수 있다는 것을 나타낸다. 이 데이터는 광 반사성 재료의 0.4중량%의 로딩을 포함함으로써 약 25% 미만의 인광체를 포함하는 인광체 전환층을 사용하여 광의 동일한 색상 및 강도를 생성할 수 있다는 것을 나타낸다. 점(140)(n=4, 1.1%의 로딩) 및 점(142)(n=4, 2%의 로딩)은 포화점이 존재하고 이 위에서 광 반사성 재료 로딩의 증가가 색상에 거의 영향이 없이 방출 강도를 감소시킨다는 것을 제시한다.
추가로 실시양태에서 광 투과성 윈도우 내에 광 반사성 재료 혼합물 및 인광체의 혼합물을 혼입시키는 것이 고안된다. 예를 들면, 인광체 및 광 반사성 재료 혼합물은 압출되거나 사출 성형된 중합체/인광체 혼합물 및 광 투과성 중합체와 혼합되어 파장 전환 부품(36)을 형성할 수 있고, 인광체 및 광 반사성 재료는 부품의 용적에 걸쳐 균일하게 분포된다.
광 산란 재료(122)는 반사율이 통상적으로 0.9 이상인 고 반사성의 분말화 재료를 포함한다. 광 반사성 재료의 입자 크기는 통상적으로 0.1㎛ 내지 10㎛ 범위이고, 바람직한 실시양태에서 0.1㎛ 내지 10㎛ 범위이다. 광 반사성 재료 대 인광체 재료의 중량%의 로딩은 0.1% 내지 10% 범위이고, 바람직한 실시양태에서 1% 내지 2% 범위이다. 광 반사성 재료의 예는 산화마그네슘(MgO), 이산화티탄(TiO2), 황산바륨(BaSO4) 및 이들의 조합을 포함한다. 광 반사성 재료는 또한, 예를 들면 통상적으로 TiO2인 고 광 반사성 재료의 입자를 이미 포함하는 노르코테 인터내셔널 인크의 슈퍼 화이트 잉크 GN-027SA와 같은 백색 잉크를 포함할 수 있다.
도 14는 광 투과성 결합제 재료(124)의 용적에 걸쳐 분포된 인광체 재료 입자(120) 및 광 산란 입자(122)의 혼합물을 포함하는 파장 전환층(46)을 갖는 파장 전환 부품(36)을 포함하는 본 발명의 실시양태에 따른 LED 기반 백색 발광 디바이스의 도식을 예시한다. 광 산란 입자(122)의 입자는 광자가 인광체 재료 입자(120)와 충돌하는 가능성을 증가시키고 따라서 소정의 색상의 방출 생성물에 대해 인광체 재료가 덜 필요하다.
파장 전환 부품(36)은 또한 결합제 재료(150) 내의 광 산란 입자(152)를 포함하는 확산층(44)을 포함한다. 광 확산층(44) 내의 광 산란 입자(152)는 인광체 재료(120)에 의해 생성된 광(128)을 산란시키는 것보다 많이 LED에 의해 생성된 청색 광(126)을 선택적으로 산란시킨다. 이러한 광 확산층(44)은 파장 전환층(46)으로부터 방출된 더 높은 비율의 청색 광(126)이 산란되고 광 산란 재료(152)에 의해 파장 전환층(46)으로 다시 지시되어, 광자가 인광체 재료 입자(120)와 상호작용하는 가능성을 증가시키고 광발광 광을 생성시키도록 보장한다. 동시에 인광체 생성 광은 더 낮은 산란 가능성으로 확산층(44)을 통과할 수 있다. 확산층(44)이 청색 광자가 인광체 재료 입자(120)와 상호작용하는 가능성을 증가시키므로, 관찰자(21)에게 보이는 선택된 방출 색상의 방출된 광(130)을 생성하기 위해 인광체 재료를 적게 사용할 수 있다.
따라서, 산란 입자(152)를 갖는 확산층(44) 및 광 산란 입자(122)를 또한 포함하는 파장 전환층(46)의 조합은 소정의 색상 방출 생성물을 생성하는 데 인광체 재료(120)가 훨씬 덜 필요한 파장 전환 부품을 생성시킨다. 산란 입자(122 및 152)의 세트 둘 다 조합되어 광자가 인광체 재료(120)의 입자와 충돌하는 가능성을 증가시키고 따라서 소정의 색상에 인광체 재료가 덜 필요하다.
산란 입자(122 및 152)의 2개의 세트는 상이한 재료 특성을 가질 수 있다. 예를 들면, 비교적 더 큰 평균 입자 크기를 갖도록 파장 전환층(46) 내의 산란 입자(122)가 선택될 수 있다. 반면, 산란 입자(152)가 광발광(인광체) 재료(들)에 의해 생성된 광을 산란시키는 것보다 비교적 많이 여기(통상적으로 청색) 광을 산란시키도록 선택된 비교적 더 작은 평균 입자 크기를 갖는 나노-입자이도록 확산층(44) 내의 산란 입자(152)가 선택될 수 있다. 따라서, 몇몇 실시양태는 평균 입자 크기가 약 150㎚ 미만이고 통상적으로 평균 입자 크기가 100㎚ 내지 150㎚ 범위인 광 산란 재료(152)를 사용한다. 대안적인 실시양태는 예를 들면 파장 전환층(46) 및 확산층(44) 둘 다에서 나노-입자를 사용하기 위해 동일하거나 실질적으로 동일한 입자 크기를 갖는 산란 입자(122 및 152)의 세트 둘 다를 실행할 수 있다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 개념은 임의의 적합한 형상을 포함하는 파장 전환 부품에 적용될 수 있다. 예를 들면, 몇몇 실시양태에 따라 파장 전환 부품을 사용하는 LED 광 전구의 적용의 투시도 및 단면도를 예시하는 도 15 및 도 16에 예시된 LED 광 전구(200)를 고려하자. LED 광 전구(200)는 종래의 백열성 또는 형광성 광 전구에 대한 에너지 효율 대체물로서 사용되도록 의도된다.
광 전구(200)는 표준 에디슨 나사 기부로서 실행되는 표준 광 전구 소켓 내에 맞도록 구성된 나사 기부(206)를 포함한다. 광 전구(200)는 예를 들면 다이 캐스트 알루미늄으로부터 제작된 열 전도체(204)를 추가로 포함할 수 있다. 열 전도체(204)는 열 싱크로서 작용하고 MCPCB(금속 코어 인쇄 회로 기판)에 탑재된 광 에미터(112)에 의해 생성된 열을 소산시킨다. 광 전구(200)로부터의 열 방사를 증가시키고 이에 의해 광 전구(200)의 냉각을 증가시키기 위해, 열 전도체(204)는 일련의 위도상 나선형 연장 열 방사 핀(207)을 포함할 수 있다.
광 전구(200)는 내부 용적 내의 광 에미터(112)를 둘러싸는 이의 내면에 의해 내부 용적이 획정되는 3차원 형상, 예를 들면 긴 반구형 쉘을 갖는 파장 전환 부품(36)을 추가로 포함한다. 3차원 파장 전환 부품(36)은 3차원 파장 전환층(701)과 열 접촉으로 3차원 광 투과성 열 전도성 기판(703)을 포함한다.
엔벨로프(208)는 LED(112) 및 파장 전환 부품(36)을 둘러싸는 LED 광 전구(200)의 상부 부분 주위로 연장된다. 엔벨로프(208)는 LED 광 전구(200)에 보호 및/또는 방산 특성을 제공하는 광 투과성 재료(예를 들면, 유리 또는 플라스틱)이다.
청색 LED 디바이스(112)는, 광 확산층(44) 및 파장 전환층(46) 둘 다를 포함하는, 파장 전환 부품(36) 밑의 조명 기부(204)의 상면에 위치한다. 파장 전환 부품(36)의 3차원 성질은 LED(112) 주위 및 위로 내부 용적을 둘러싸는 비교적 큰 형상을 생성시킨다. 조명 디바이스(200)에서 파장 전환 부품(36)에 3차원 형상을 이용하는 것은 조명 디바이스(200)에 의해 방출된 광에 대한 광 성형을 수행하는 능력과 같은 특정한 기능적 이점을 허용한다.
그러나, 파장 전환 부품(36)에 대한 이러한 유형의 3차원 형상은 또한 적절한 양의 인광체 재료로 채워질 필요가 있는 파장 전환 부품에 대해 비교적 큰 용적에 상응한다. 선행 기술의 접근법으로, 유의적으로 많은 양의 인광체 재료는 따라서 이러한 파장 전환 부품(36)을 제조하는 데 필요하다.
본 발명의 실시양태는 이러한 파장 전환 부품(36)을 제조하는 데 필요한 인광체의 양을 감소시키는 데 이용될 수 있다. 특히, 파장 전환 부품(36)은 파장 전환층(46)에 인접한 광 확산층(44)을 포함하고, 파장 전환층 중 하나 또는 둘 다는 광 산란 재료를 포함할 수 있다. 파장 전환 부품(36) 내의 산란 재료가 광을 산란하는 특성을 가지므로, 이는 파장 전환 부품(36)에 필요한 인광체 재료의 양을 감소시킨다.
또한, 광 확산층(44)은 또한 적어도 부분적으로 확산층(44) 내의 회절 재료의 입자의 특성에 기초하여 LED 조명 디바이스(200)의 오프 상태 색상 외관을 개선하도록 작용한다.
도 17은 파장 전환층(46)에 인접한 광 확산층(44)을 포함하는 반구형 파장 전환 부품(36)을 포함하는 본 발명의 실시양태를 예시하고, 광 확산층(44) 및 파장 전환층(46) 중 하나 또는 둘 다는 광 산란 입자를 포함한다. 다른 기재된 실시양태에서처럼, 광 확산층(44) 내의 광 산란 입자는 파장 전환층(46) 내의 인광체 재료에 의해 생성된 광(128)을 산란시키는 것보다 많이 LED(112)에 의해 생성된 청색 광(126)을 산란시켜, 파장 전환층(46)으로부터 방출된 더 높은 비율의 청색 광(126)이 산란되고 광 산란 재료(152)에 의해 파장 전환층(46)으로 다시 지시되어, 광자가 인광체 재료 입자와 상호작용하는 가능성을 증가시키고 광발광 광을 생성시키도록 보장한다. 동시에 인광체 생성 광은 더 낮은 산란 가능성으로 확산층(44)을 통과할 수 있다. 확산층(44)이 청색 광자가 인광체 재료 입자와 상호작용하는 가능성을 증가시키므로, 관찰자(21)에게 보이는 선택된 방출 색상의 방출된 광(130)을 생성하기 위해 인광체 재료를 적게 사용할 수 있다.
임의의 적합한 방식을 이용하여 도 15 내지 도 17의 3차원 파장 전환 부품을 제조할 수 있다. 예를 들면, 광 확산층(44) 및 파장 전환층(46)의 2개의 층을 제조하기 위해 성형 공정(예를 들면, 사출 성형)을 이용할 수 있다. 광 확산층(44)의 경우, 광 회절성 재료를 고체 광 투과성 중합체 재료와 혼합할 수 있고, 인광체 재료 및 광 투과성 중합체 재료는 인광체 재료와 중합체 재료를 액체 중에 용융시키고 혼합한 후, 이 액체를 금형에 주입한 후 냉각시켜 광 확산층(44)의 최종 형상을 형성하는 가열 공정을 겪는다. 파장 전환층(46)의 경우, 인광체 재료 및 광 투과성 중합체 재료를 가열하고 금형으로 연신되는(예를 들면, 광 확산층(44)) 유사한 성형 공정을 이용할 수 있다. 가열 공정은 인광체 재료를 중합체 재료와 용융시키고 혼합한 후 냉각시켜 파장 전환층(46)의 최종 형상을 형성한다. 성형 공정을 위한 구성 부품의 효과적인 사용을 보장하도록 핫 러너를 사용할 수 있다. 3차원 파장 전환 부품을 제조하기 위해 진공 성형을 또한 이용할 수 있다. 또한, 광 산란 입자를 파장 전환층(46)의 재료에 도입하여, 필요한 인광체 재료의 양을 감소시킬 수 있다.
도 18은 반구형 광 확산층(44)을 포함하는 3차원 파장 전환 부품(36)을 포함하는 본 발명의 대안적인 실시양태를 예시한다. 이 실시양태에서, 파장 전환층(46')은 도 17에 기재된 광 확산층(44)에 바로 인접한 박층으로 구현되기보다는 광 확산층(44)의 내면에 의해 획정된 용적의 실질적인 부분을 충전한다. 도 18의 접근법에 비해 도 17의 접근법의 하나의 가능한 이점은 LED(112)에 의해 생성된 청색 광(126)을 파장 전환층(46') 내의 인광체 재료에 의해 생성된 광(128)으로 전환시키기 위한 전환 효율 증가이다. 그러나, 가능한 단점은 LED(112)에 대한 이의 가까운 근접성으로 인해 파장 전환층(46') 내의 인광체 재료의 과도한 가열로부터 생길 수 있는 부정적인 성능이다.
도 19는 반구형 광 확산층(44)을 갖는 파장 전환 부품(36)을 포함하는 본 발명의 다른 실시양태를 예시한다. 이 실시양태에서, 파장 전환층(46'')은 광 확산층(44)에 의해 획정되지만, 산란 입자가 파장 전환층(46'') 내에 또한 분포된 용적의 실질적인 부분을 충전한다. 파장 전환층(46'') 내의 산란 입자는 광을 산란하는 특성을 갖고, 파장 전환 부품(36)에 필요한 인광체 재료의 양을 감소시킨다. 또한, 광 확산층(44) 내의 광 회절성 재료는 LED 조명 디바이스(200)의 오프 상태 색상 외관을 개선하면서, 또한 파장 전환층(46'')에 필요한 인광체 재료의 양을 감소시키도록 작용한다.
임의의 적합한 방식을 이용하여 도 18 및 도 19의 파장 전환 부품을 제조할 수 있다. 예를 들면, 광 확산층(44)을 제조하기 위해 성형 공정(예를 들면, 사출 성형 또는 진공 성형)을 이용할 수 있다. 광 확산층(44)의 경우, 광 회절성 재료는 (예를 들면, 중합체 펠렛 형태의) 고체 광 투과성 중합체 재료와 혼합되어, 가열되고 광 확산층(44)에 원하는 형상으로 금형에 주입될 수 있다. 가열 공정은 광 회절성 재료와 중합체 재료를 금형에 용융하고 혼합시킨 후 냉각시켜 광 확산층(44)의 최종 형상을 형성한다. 파장 전환층의 경우, 인광체 재료를 액체 결합제 재료와 혼합할 수 있고, 생성된 혼합물을 광 확산층(44)의 내면에 의해 형성된 내부 용적에 붓는다. 이후, 최종 형성이 아닌 파장 전환층을 경화시키기 위해 경화 공정을 이용한다. 산란 입자를 또한 인광체/결합제 혼합물에 위치시켜 필요한 인광체의 양을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시양태에 따른 고 CRI 고체 상태 발광 디바이스(10)가 디바이스의 도식적 부분 절단도 및 단면도를 도시한 도 9와 관련하여 기재되어 있다. 디바이스(10)는 CCT가 약 3000K이고, 광속이 약 1100루멘이며, CRI(연색 지수)가 90 초과인 온백색 광을 생성하도록 구성된다. 디바이스(10)는 실질적으로 도 1의 것과 동일하고 1개 이상의 적색 발광 LED(적색 LED)(50)를 추가로 포함한다. 도 9에 도시된 것처럼, 적색 LED(들)는 적색 LED 칩의 패키징된 어레이를 포함할 수 있다. 적색 LED 칩은 피크 파장(λ3)이 파장 범위 610㎚ 내지 670㎚인 적색 광(52)을 생성하도록 조작 가능한 AlGaAs(알루미늄 갈륨 비소), GaAsP(갈륨 비소 포스파이드), AlGaInP(알루미늄 갈륨 인듐 포스파이드) 또는 GaP(갈륨 포스파이드) LED를 포함할 수 있다. 디바이스(10)의 방출 생성물(38)은 LED(24, 50)에 의해 생성된 조합 청색(28)(λ1) 및 적색(52)(λ3) 광 및 인광체 파장 전환 부품(36)에 의해 생성된 광발광 광(38)을 포함한다. 도 9의 디바이스(10)의 조작은 도 1의 디바이스와 유사하고 추가로 기재되어 있지 않다. 도 9의 디바이스의 초기 시험은 광 확산층(44)이 적색, 청색 및 인광체 생성 광을 블렌딩하여 디바이스의 각도 방출 색상 균일성을 증가시킨다는 것을 나타낸다.
도 20a, 도 20b 및 도 20c는 본 발명의 몇몇 실시양태에 따라 파장 전환 부품의 적용의 예를 예시하다. 도 20a, 도 20b 및 도 20c는 몇몇 실시양태에 따라 원격 파장 전환을 이용하는 LED 하향등(1000)을 예시한다. 도 20a는 LED 하향등(1000)의 확대 투시도이고, 도 20b는 하향등(1000)의 말단도이고, 도 20c는 하향등(1000)의 단면도이다. 하향등(1000)은 방출 강도가 650-700루멘이고 공칭 빔 확산이 60°(와이드 플로드)인 광을 생성하도록 구성된다. 이는 종래의 백열성 6인치 하향등에 대한 에너지 효율 대체물로서 사용되도록 의도된다.
하향등(1000)은 예를 들면 다이 캐스트 알루미늄으로부터 제작된 일반적인 원통형 중공 열 전도체(1001)를 포함한다. 열 전도체(1001)는 열 싱크로서 작용하고 LED(1007)에 의해 생성된 열을 소산한다. 하향등(1000)으로부터의 열 방사를 증가시키고 이에 의해 발광 디바이스(1000)의 냉각을 증가시키기 위해, 열 전도체(1001)는 열 전도체(1001)의 기부를 향해 위치한 일련의 위도상 나선형 연장 열 방사 핀(1003)을 포함할 수 있다. 열의 방사를 추가로 증가시키기 위해, 열 전도체의 외면은 예를 들면 인쇄된 흑색과 같이 이의 방사율을 증가시키도록 처리되거나 애노드화될 수 있다. 열 전도체(1001)는 열 전도체의 전면으로부터 열 전도체의 길이의 대략 ⅔의 깊이를 연장하는 일반적인 각원추형(즉, 정점이 기부에 평행한 면에 의해 절단된 원뿔) 축 챔버(1005)를 추가로 포함한다. 하향등이 미국에서 보통 사용되는 표준 6인치 하향등 픽스쳐("캔")에 바로 리트로피팅하도록 열 전도체(1001)의 파형률이 구성된다.
4개의 고체 상태 광 에미터(1007)는 원형 MCPCB(1009) 위에 사각형 어레이로서 탑재된다. 공지된 바대로, MCPCB는 금속 코어 기부, 통상적으로 알루미늄, 열 전도성/전기 절연 유전 층 및 전기 부품을 원하는 회로 구성으로 전기 연결시키기 위한 구리 회로 층으로 이루어진 적층 구조를 포함한다. 예를 들면, 산화베릴륨 또는 질화알루미늄을 포함하는 표준 열 싱크 화합물과 같은 열 전도성 화합물의 도움으로, MCPCB(1009)의 금속 코어 기부는 챔버(1005)의 바닥을 통해 열 전도체와 열 연통으로 탑재된다. MCPCB(1009)는 1개 이상의 나사, 볼트 또는 다른 기계적 고정장치에 의해 열 전도체 바닥에 기계적으로 고정될 수 있다.
하향등(1000)은 광 에미터(1007)의 어레이를 둘러싸는 일반적인 원통형 중공 광 반사성 챔버 벽 마스크(1015)를 추가로 포함한다. 챔버 벽 마스크(1015)는 플라스틱 재료로 제조될 수 있고, 바람직하게는 백색 또는 다른 광 반사성 마감재를 갖는다. 파장 전환 부품(36)은 예를 들면 열 전도체에서 상응하는 어퍼쳐에 체결된 탄력적 변형형 바브를 갖는 환형 강철 클립을 사용하여 챔버 벽 마스크(1015)의 전면에 가로놓여 탑재될 수 있다. 파장 전환 부품(36)은 발광 디바이스(1007)에 원격이다.
파장 전환 부품(36)은 상기 기재된 바대로 파장 전환층(46)에 인접한 광 확산층(44)을 포함한다. 광 확산층(44)에 인접한 파장 전환층(46)을 위치시킴으로써, 광 확산층(44) 내의 광 산란 입자는 파장 전환층(46) 내의 인광체 재료에 의해 생성된 광을 산란시키는 것보다 많이 광 에미터(1007)에 의해 생성된 청색 광을 산란시킨다. 이는 파장 전환층(46)으로부터 방출된 더 높은 비율의 청색 광이 산란되고 광 산란 재료에 의해 파장 전환층(46)으로 다시 지시되어, 광자가 인광체 재료 입자와 상호작용하는 가능성을 증가시키고 광발광 광을 생성시키도록 보장한다. 동시에 인광체 생성 광은 더 낮은 산란 가능성으로 확산층(44)을 통과할 수 있다. 확산층(44)이 청색 광자가 인광체 재료 입자와 상호작용하는 가능성을 증가시키므로, 선택된 방출 색상의 방출된 광을 생성하기 위해 인광체 재료를 적게 사용할 수 있다. 또한, 이의 오프 상태 동안, 확산층(44)은 또한 광(1000)의 백색 색상을 개선하도록 작용한다.
하향등(1000)은 하향등의 선택된 방출각(빔 확산)(즉, 이 예에서 60°)을 획정하도록 구성된 광 반사성 후드(1025)를 추가로 포함한다. 후드(1025)는 3개의 인접한(컨조인트) 내부 광 반사성 각원추형 표면을 갖는 일반적인 원통형 쉘을 포함한다. 후드(1025)는 바람직하게는 금속화 층과 아크릴로나이트릴 뷰타다이엔 스타이렌(ABS)으로 제조된다. 마지막으로, 하향등(1025)은 ABS로부터 또한 제작될 수 있는 환형 트림(베젤)(1027)을 포함할 수 있다.
도 21a, 도 21b 및 도 21c는 몇몇 실시양태에 따른 파장 전환 부품의 적용의 다른 예를 예시한다. 도 21a, 도 21b 및 도 21c는 몇몇 실시양태에 따라 원격 파장 전환을 이용하는 LED 하향등(1100)을 예시한다. 도 21a는 LED 하향등(1100)의 확대 투시도이고, 도 21b는 하향등(1100)의 말단도이고, 도 21c는 하향등(1100)의 단면도이다. 하향등(1100)은 방출 강도가 650-700루멘이고 공칭 빔 확산이 60°(와이드 플로드)인 광을 생성하도록 구성된다. 이는 종래의 백열성 6인치 하향등에 대한 에너지 효율 대체물로서 사용되도록 의도된다.
도 21a, 도 21b 및 도 21c의 하향등(1100)은 도 20a, 도 20b 및 도 20c의 하향등(1000)과 실질적으로 동일하다. 기술 목적을 위해, 도 20a, 도 20b 및 도 20c의 실시양태에 비해 새로운 하향등(1100)의 특징만이 기재되어 있다.
도 20a, 도 20b 및 도 20c의 파장 전환 부품(36)은 (예를 들면, 실질적으로 평면인) 2차원 형상을 갖지만, 도 21a, 도 21b 및 도 21c의 파장 전환 부품(700)은 3차원 형상(예를 들면, 긴 반구형 쉘)을 갖는다. 3차원 파장 전환 부품(700)은 도 7에서 상기 기재된 파장 전환 부품(700)과 같은 3차원 파장 전환층(701)과 열 접촉하는 3차원 광 투과성 열 전도성 기판(703)을 포함한다. 챔버 벽 마스크(1015)의 전면을 둘러싸는 파장 전환 부품이 또한 탑재될 수 있다.
상기 기재된 바대로, 광 확산층(703)에 인접한 파장 전환층(701)을 위치시킴으로써, 광 확산층(703) 내의 광 산란 입자는 파장 전환층(701) 내의 인광체 재료에 의해 생성된 광을 산란시키는 것보다 많이 광 에미터(1007)에 의해 생성된 청색 광을 산란시킨다. 이는 파장 전환층(701)으로부터 더 높은 비율의 방출된 청색 광이 산란되고 광 산란 재료에 의해 파장 전환층(700)으로 다시 지시되어, 광자가 인광체 재료 입자와 상호작용하는 가능성을 증가시키고 광발광 광을 생성시키도록 보장한다. 따라서, 선택된 방출 색상의 방출된 광을 생성하는 데 인광체 재료가 덜 필요하다. 또한, 이의 오프 상태 동안, 확산층(703)은 또한 광(1100)의 백색 색상을 개선한다.
도 22는 몇몇 실시양태에 따라 원격 파장 전환을 이용하는 반사기 램프(1200)의 확대 투시도를 표시한 몇몇 실시양태에 따른 파장 전환 부품의 적용의 다른 예를 예시한다. 반사기 램프(1200)는 방출 강도가 650-700루멘이고 공칭 빔 확산이 60°(와이드 플로드)인 광을 생성하도록 구성된다. 이는 종래의 백열성 6인치 하향등에 대한 에너지 효율 대체물로서 사용되도록 의도된다.
반사기 램프(1200)는 일반적으로 예를 들면 다이 캐스트 알루미늄으로부터 제작된 직사각형 열 전도체(1201)를 포함한다. 열 전도체(1201)는 열 싱크로서 작용하고 발광 디바이스(10'')에 의해 생성된 열을 소산시킨다. 반사기 램프(1000)로부터의 열 방사를 증가시키고 이에 의해 발광 디바이스(10'')의 냉각을 증가시키기 위해, 열 전도체(1201)는 열 전도체(1201)의 측면에 위치한 일련의 열 방사 핀(1203)을 포함할 수 있다. 반사기 램프가 미국에서 보통 사용되는 표준 6인치 하향등 픽스쳐("캔")에 바로 리트로피팅하도록 열 전도체(1201)의 파형률이 구성된다.
파장 전환 부품(36)은 광 확산층에 인접한 파장 전환층을 갖도록 실행될 수 있어서, 광 확산층 내의 광 산란 입자는 파장 전환층 내의 인광체 재료에 의해 생성된 광을 산란시키는 것보다 많이 청색 광을 산란시킨다. 따라서, 선택된 방출 색상의 방출된 광을 생성하기 위해 인광체 재료가 덜 필요하다. 또한, 이의 오프 상태 동안, 확산층은 또한 광(1200)의 백색 색상을 개선한다.
반사기 램프(1200)는 하향등의 선택된 방출각(빔 확산)(즉, 이 예에서 60°)을 획정하도록 구성된 포물면 광 반사성 내면을 갖는 일반적인 각원추형 광 반사기(1205)를 추가로 포함한다. 반사기(1205)는 바람직하게는 금속화 층과 아크릴로나이트릴 뷰타다이엔 스타이렌(ABS)으로 제조된다.
도 23a 및 도 23b는 몇몇 실시양태에 따른 파장 전환 부품의 적용의 다른 예를 예시한다. 도 23a 및 도 23b는 몇몇 실시양태에 따라 원격 파장 전환을 이용하는 LED 선형 램프(1300)를 예시한다. 도 23a는 선형 램프(1300)의 3차원 투시도이고 도 23b는 선형 램프(1300)의 단면도이다. LED 선형 램프(1300)는 종래의 백열성 또는 형광성 관 램프에 대한 에너지 효율 대체물로서 사용되도록 의도된다.
선형 램프(1300)는 예를 들면 압출 알루미늄으로부터 제작된 신장된 열 전도체(1301)를 포함한다. 열 전도체(1301)의 파형률은 표준 선형 램프 하우징에 탑재되도록 구성될 수 있다. 열 전도체(1301)는 제1 매입형 채널(1304)을 추가로 포함하고, 선형 램프(1300)의 몇몇 전기 부품(예를 들면, 전기 와이어)을 포함하는 직사각형 관형 케이스(1307)가 위치할 수 있다. 케이스(1307)는 일 말단에서 열 전도체(1301)의 길이를 지나 연장되는 전기 연결기(1309)(예를 들면, 플러그) 및 다른 말단에 연결기를 수용하도록 구성된 매입형 특별 소켓(비도시)을 추가로 포함할 수 있다. 이는 여러 선형 램프(1300)가 직렬 연결되어 원하는 면적을 커버하게 한다. 각각의 선형 램프(1300)는 길이가 1피트 내지 6피트 범위일 수 있다.
열 전도체(1301)는 열 싱크로서 작용하고 광 에미터(1303)에 의해 생성된 열을 소산하다. 선형 램프(1300)로부터의 열 방사를 증가시키고 이에 의해 광 에미터(1303)의 냉각을 증가시키기 위해, 열 전도체(1301)는 열 전도체(1301)의 측면에 위치한 일련의 열 방사 핀(1302)을 포함할 수 있다. 선형 램프(1300)로부터의 열 방사를 추가로 증가시키기 위해, 열 전도체(1301)의 외면은 예를 들면 인쇄된 흑색과 같이 이의 방사율을 증가시키도록 처리되거나 애노드화될 수 있다.
에미터(1303)는 제1 매입형 채널(1304) 위에 위치하도록 구성된 스트립(직사각형) MCPCB(1305) 위에 탑재된다. MCPCB(1305)의 하면은 경사 벽(1302)을 포함하는 제2 매입형 채널(1306)과 열 접촉하여 위치한다.
일반적인 반구의 긴 파장 전환 부품(1311)은 광 에미터(1303)에 원격으로 위치할 수 있다. 파장 전환 부품(1311)은 파장 전환 부품(1311)이 경사 벽(1308) 아래로 미끄러져 파장 전환 부품(1311)이 경사 벽(1308)과 체결됨으로써 제2 매입형 채널(1306) 내에 고정될 수 있다.
파장 전환 부품(1311)은 긴 반구 광 확산층(1313) 및 긴 반구 파장 전환층(1315)을 포함할 수 있다. 상기 기재된 바대로, 선택된 방출 색상의 방출된 광을 생성하는 데 인광체 재료가 덜 필요하다. 또한, 이의 오프 상태 동안, 확산층은 또한 광(1300)의 백색 색상을 개선한다.
대안적인 실시양태에서, 선형 램프의 파장 전환 부품은 일반적인 평면 스트립의 형상으로 구성될 수 있다. 이러한 실시양태에서, 제2 매입형 채널이 제2 매입형 채널이 파장 전환 부품을 수용하도록 연장된 수직 벽을 대신에 가질 수 있는 것으로 이해된다.
도 24는 몇몇 실시양태에 따라 파장 전환 부품의 다른 적용의 투시도를 예시한다. 도 24는 원격 파장 전환을 이용하는 LED 랜턴(1500)을 예시한다. LED 광 랜턴(1500)은 종래 가스 및 형광성 랜턴(예를 들면, 캠핑 랜턴)에 대한 에너지 효율 대체물로서 사용되도록 의도된다.
랜턴(1500)은 예를 들면 플라스틱 재료 또는 압축 금속으로부터 제작된 일반적인 원통형 열 전도체(1501)를 포함한다. 열 전도체(1501)는 원형 MCPCB(1505) 위에 탑재된 광 에미터(1503)에 의해 생성된 열을 소산시키는 내부 열 싱크를 추가로 포함한다. MCPCB(1505)는 열 전도체(1501)와 열 접촉할 수 있다.
랜턴(1500)은 MCPCB(1505)로부터 연장되는 도 17, 도 18 또는 도 19에서 상기 기재된 것과 같은 3차원(예를 들면, 긴 반구형 쉘) 파장 전환 부품(700)을 포함한다. 파장 전환 부품(700)의 외면만이 도시되어 있지만, 3차원 파장 전환 부품(700)이 3차원 파장 전환층에 인접한 3차원 광 확산층을 포함할 수 있는 것이 중요하다. 상기 기재된 바대로, 이 구성은 선택된 방출 색상의 방출된 광을 생성하도록 더 적은 인광체 재료가 사용되게 한다. 또한, 이의 오프 상태 동안, 확산층은 또한 광의 백색 색상을 개선한다.
광 투과성 커버(예를 들면, 플라스틱)(1507)는 파장 전환 부품(900) 및 LED(1503)를 둘러싸는 랜턴의 상부 부분을 둘러 연장될 수 있다. 광 투과성 커버(1507)는 LED 랜턴(1500)에 보호 및/또는 방산 특성을 제공하는 광 투과성 재료(예를 들면, 유리 또는 플라스틱)를 포함한다. 랜턴(1500)은 광 에미터(1503) 및 파장 전환 부품(700)을 둘러싸는 유리 리셉터클의 상부에 위치한 뚜껑을 추가로 포함할 수 있다.
발광 디바이스의 상기 적용은 원격 파장 전환 구성을 기술하고 있고, 파장 전환 부품은 1개 이상의 광 에미터에 원격이다. 파장 전환 부품 및 이 발광 디바이스의 바디는 광 에미터가 위치한 내부 용적을 획정한다. 내부 용적을 또한 광 혼합 챔버라 칭할 수 있다. 예를 들면, 도 20a, 도 20b, 도 20c, 도 21a, 도 21b 및 도 21c의 하향등(1000, 1100)에서, 내부 용적(1029)은 파장 전환 부품(36', 700), 광 반사성 챔버 마스크(1015), 및 하향등(1001)의 바디에 의해 획정된다. 도 23a 및 도 23b의 선형 램프(1300)에서, 내부 용적(1325)은 파장 전환 부품(1311) 및 선형 램프(1301)의 바디에 의해 획정된다. 도 15 및 도 16의 광 전구(200)에서, 내부 용적(1415)은 파장 전환 부품(36) 및 광 전구(204)의 바디에 의해 획정된다. 이러한 내부 용적은 발광 디바이스의 열 특성을 개선하는 광 에미터로부터의 파장 전환 부품의 물리적 분리(공기 갭)를 제공한다. 광발광 광 생성의 등방성 성질로 인해, 인광체 재료에 의해 생성된 광의 대략 절반이 광 에미터를 향한 방향으로 방출되고 결국 광 혼합 챔버에 있을 수 있다. 광자와 인광체 재료 입자와의 평균 10,000 중 1의 적은 상호작용은 광발광 광을 흡수하고 생성시키는 것으로 생각된다. 광자와 인광체 입자와의 상호작용 중 약 99.99%인 대부분은 광자를 산란시킨다. 산란 공정의 등방성 성질로 인해, 산란된 광자의 평균적으로 절반이 광 에미터에 반대 방향에 있다. 그 결과, 인광체 재료에 의해 흡수되지 않은 광 에미터에 의해 생성된 광의 절반까지 또한 결국 다시 광 혼합 챔버에 있을 수 있다. 디바이스로부터의 광 방출을 최대화하고 발광 디바이스의 전체 효율을 개선하기 위해, 혼합 챔버의 내부 용적은 내부 용적 내의 광을 디바이스 밖으로 파장 전환 부품을 향해 재지시하는 광 반사성 표면을 포함한다. 광 혼합 챔버는 챔버 내의 광을 혼합하도록 조작될 수 있다. 광 혼합 챔버는 디바이스의 다른 부품, 예컨대 디바이스 바디 또는 하우징과 함께 파장 전환 부품에 의해 획정될 수 있다(예를 들면, 반구형 파장 전환 부품은 광 혼합 챔버를 획정하는 디바이스 바디의 기부에 위치한 광 에미터를 둘러싸거나, 평면 파장 전환 부품은 디바이스 바디의 기부에 위치한 광 에미터를 둘러싸는 챔버 성형 부품 위에 위치하고, 광 혼합 챔버를 획정하는 챔버 성형 부품에 의해 둘러싸인다). 예를 들면, 도 20a, 도 20b, 도 20c, 도 21a, 도 21b 및 도 21c의 하향등(1000, 1100)은 광 에미터(1007)가 탑재되고, 광 반사성 재료 및 광 반사성 챔버 벽 마스크(1015)를 포함하는 MCPCB(1009)를 포함하여 파장 전환 부품(36', 700)을 향해 내부 용적으로 다시 반사된 광의 재지시를 수월하게 한다. 도 23a 및 도 23b의 선형 램프(1300)는 광 에미터(1303)가 탑재되고, 광 반사성 재료를 포함하는 MCPCB(1305)를 포함하여 파장 전환 부품(1311)을 향해 내부 용적으로 다시 반사된 광의 재지시를 수월하게 한다. 도 12a 및 도 12b의 광 전구(200)는 또한 광 에미터(112)가 탑재되고, MCPCB(1405)를 포함하여 파장 전환 부품(36)을 향해 내부 용적으로 다시 반사된 광의 재지시를 수월하게 한다.
발광 디바이스의 상기 적용은 청구된 발명이 적용되는 몇몇 실시양태만을 기술하고 있다. 벽 램프, 펜던트 램프, 샹들리에, 매입형 광, 트랙 광, 강조 광, 무대 조명, 영화 조명, 거리 광, 투과등, 신호등, 보안 광, 교통 광, 헤드램프, 미등, 신호 등(이들로 제한되지는 않음)을 비롯한 다른 유형의 발광 디바이스 분야에 적용될 수 있다는 것에 유의하는 것이 중요하다.
따라서, 기재된 것은 광 확산층을 포함하는 신규한 파장 전환 부품이다. 입자가 파장 전환층에 의해 생성된 광을 산란시키는 것보다 비교적 많이 LED에 의해 생성된 청색 광을 산란시키는 크기를 갖도록 광 확산층 내의 광 회절성 입자가 선택되고, 예를 들면 입자는 평균 입자 크기가 약 150㎚ 미만이다. 광 확산층과 함께 파장 전환층의 이러한 접근법은 방출각에 따른 방출된 광의 색상의 변동 또는 비균일성의 문제를 해결하다. 또한, 광 확산층과 함께 파장 전환층을 실행함으로써 오프 상태의 조명 장치의 색상 외관을 개선할 수 있다. 더구나, 인광체 기반 LED 디바이스를 실행하는 데 필요한 유의적인 인광체 재료 양의 감소를 성취할 수 있다.
본 발명은 기재된 예시적인 실시양태로 제한되지 않고 본 발명의 범위 내에 변동이 이루어질 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들면, 본 발명의 디바이스가 1개 이상의 LED를 포함하는 것으로 기재되어 있지만, 디바이스는 다른 고체 상태 광원, 예컨대 레이저 다이오드 또는 레이저를 포함할 수 있다.

Claims (23)

  1. 발광 디바이스용 파장 전환 부품으로서,
    적어도 1종의 청색 광 여기형 광발광 재료를 포함하는 파장 전환층; 및 광 산란 재료의 입자들을 포함하는 광 확산층을 포함하되,
    상기 광 산란 재료는 적어도 1종의 청색 광 여기형 광발광 재료에 의해 생성된 광을 산란시키는 것보다 비교적 많이 청색 여기 광을 산란시키도록 선택된 평균 입자 크기를 가지며,
    상기 광 산란 재료의 입자들은 평균 입자 크기가 100㎚ 내지 150㎚이고,
    상기 부품은, 조작시 광 확산층이 외부 기원의 광자가 상기 적어도 1종의 청색 광 여기형 광발광 재료와 상호작용하는 가능성을 줄여 상기 부품의 오프 상태의 백색 외관을 증대시키도록 구성된 것인 파장 전환 부품.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광 산란 재료의 입자들은 적어도 1종의 청색 광 여기형 광발광 재료에 의해 생성된 광보다 적어도 2배 많이 청색 여기 광을 산란시키는 것인 파장 전환 부품.
  3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 산란 재료의 입자들은 이산화티탄, 황산바륨, 산화마그네슘, 이산화규소 및 산화알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 파장 전환 부품.
  4. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파장 전환층 및 상기 광 확산층은 서로 직접 접촉하는 것인 파장 전환 부품.
  5. 제1항에 있어서, 상기 파장 전환층은 적어도 1종의 청색 광 여기형 인광체 재료와 광 투과성 결합제의 혼합물을 포함하고, 상기 광 확산층은 광 산란 재료의 입자들과 광 투과성 결합제의 혼합물을 포함하는 것인 파장 전환 부품.
  6. 제5항에 있어서, 상기 광 투과성 결합제는 중합체 수지, 단량체 수지, 아크릴, 에폭시, 실리콘 및 불화 중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 경화성 액체 중합체를 포함하는 것인 파장 전환 부품.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 결합제에 대한 상기 광 산란 재료의 입자들의 중량 로딩(weight loading)은 7% 내지 35% 및 10% 내지 20%로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 파장 전환 부품.
  8. 제1항에 있어서, 상기 파장 전환층 및 상기 광 확산층은 스크린 인쇄, 슬롯 다이 코팅, 스핀 코팅, 롤러 코팅, 드로우다운 코팅(drawdown coating) 및 닥터 블레이딩으로 이루어진 군으로부터 선택된 방법을 이용하여 침착된 것인 파장 전환 부품.
  9. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파장 전환층 및 상기 광 확산층은 실질적으로 평면인 것인 파장 전환 부품.
  10. 제1항에 있어서, 상기 광 확산층은 반구형 또는 긴 반구형을 포함하는 것인 파장 전환 부품.
  11. 제10항에 있어서, 상기 파장 전환층은 상기 반구형 또는 긴 반구형을 밑에 형성된 용적을 충전하는 것인 파장 전환 부품.
  12. 제1항, 제2항, 제5항, 제6항, 제8항, 제10항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파장 전환층은 광 산란 재료의 입자들을 더 포함하는 것인 파장 전환 부품.
  13. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 1종의 청색 광 여기형 광발광 재료는 광 투과성 기판에 침착되고, 상기 광 투과성 기판은 폴리카보네이트, 아크릴 및 유리로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 파장 전환 부품.
  14. 제3항에 있어서, 상기 파장 전환층은 광 산란 재료의 입자들을 더 포함하는 것인 파장 전환 부품.
  15. 제4항에 있어서, 상기 파장 전환층은 광 산란 재료의 입자들을 더 포함하는 것인 파장 전환 부품.
  16. 제4항에 있어서, 상기 파장 전환층은 적어도 1종의 청색 광 여기형 인광체 재료와 광 투과성 결합제의 혼합물을 포함하고, 상기 광 확산층은 광 산란 재료의 입자들과 광 투과성 결합제의 혼합물을 포함하고,
    상기 파장 전환층은 광 산란 재료의 입자들을 더 포함하고, 결합제에 대한 상기 광 산란 재료의 입자들의 중량 로딩(weight loading)은 7% 내지 35% 및 10% 내지 20%로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 파장 전환 부품.
  17. 제9항에 있어서, 상기 파장 전환층은 광 산란 재료의 입자들을 더 포함하는 것인 파장 전환 부품.
  18. 발광 디바이스로서,
    청색 여기 광을 생성하도록 조작 가능한 적어도 하나의 고체 상태 광 에미터(solid-state light emitter); 및
    파장 전환 부품을 포함하고,
    상기 파장 전환 부품은 적어도 1종의 청색 광 여기형 광발광 재료를 포함하는 파장 전환층; 및
    광 산란 재료의 입자들을 포함하는 광 확산층을 포함하며,
    상기 광 산란 재료는 적어도 1종의 청색 광 여기형 광발광 재료에 의해 생성된 광을 산란시키는 것보다 비교적 많이 청색 여기 광을 산란시키도록 선택된 평균 입자 크기를 가지며,
    상기 광 산란 재료의 입자들은 평균 입자 크기가 100㎚ 내지 150㎚이고,
    상기 부품은, 조작시 광확산층이 외부 기원의 광자가 상기 적어도 1종의 청색 광 여기형 광발광 재료와 상호작용하는 가능성을 줄여 상기 부품의 오프 상태의 백색 외관을 증대시키도록 구성된 것인, 발광 디바이스.
  19. 제18항에 있어서, 상기 광 산란 재료 입자들의 평균 입자 크기는 방출 축으로부터 ±60° 범위에 걸친 방출각에 대해 상기 발광 디바이스로부터 방출된 광에 대해 실질적으로 균일한 색상을 얻도록 선택된 것인 발광 디바이스.
  20. 제18항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 결합제에 대한 상기 광 산란 재료의 입자들의 중량 로딩은 7% 내지 35% 및 10% 내지 20%로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 발광 디바이스.
  21. 제18항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 결합제에 대한 상기 광 산란 재료의 입자들의 중량 로딩은 7% 내지 35% 및 10% 내지 20%로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 광 산란 재료의 입자들은 적어도 1종의 청색 광 여기형 광발광 재료에 의해 생성된 광보다 적어도 2배 많이 청색 여기 광을 산란시키는 것인 발광 디바이스.
  22. 삭제
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