KR102147941B1 - 형광체 플레이트 및 이를 포함하는 조명 장치 - Google Patents

형광체 플레이트 및 이를 포함하는 조명 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 투명 기판; 및 상기 투명 기판 상의 적어도 1면에 형성되고, 소정의 간격으로 이격되어 있는 형광체 패턴들이 형성된 형광체 패턴층을 포함하는 원격 형광체 플레이트에 관한 것이다.

Description

형광체 플레이트 및 이를 포함하는 조명 장치 {PHOSPHOR PLATE AND LED LAMP APPARATUS INCLUDING THE SAME}
본 발명의 실시예는 조명 장치 및 이를 구성하는 형광체 플레이트에 관한 것이다.
상기 저전력/고효율 광원들은 상대적으로 얇은 스펙트럼 폭으로 발광되는 저파장 광원을 형광체를 이용하기 때문에, 실제 사용을 위해서는 백색광으로 변환하여야 하며, 이러한 변환 과정에서 고온/고집적 저파장 광에 의해 형광체가 열화 및 변질되는 신뢰성적 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 광원과 형광체를 서로 이격 배치할 수 있는 형광체(phosphor)에 대한 연구 필요성이 대두되고 있다.
상술한 형광체는 일반적으로 유리 기판과 같은 플레이트 내에 포함되는 구조(도 1 참조)로 이용되고 있다. 도 1의 형광체 플레이트(1)는 무기 형광체와 유리 분말을 포함하는 소결체로서, 형광체를 소결할 때 형광체가 고온에 노출된다. 고온(질화물 계열의 적색 형광체의 경우는 650℃이상) 에 형광체가 노출될 경우 형광체의 양자효율이 떨어지게 된다. 또한, 도 1과 같은 형광체 플레이트는 2종의 형광체가 혼재되어 있어, 황색 또는 녹색 형광체의 발광 파장대(500~600nm)와 적색 형광체의 흡광 파장대(420~550nm)가 겹치기 때문에 재여기(LE2)를 일으켜 광효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 투명 기판; 및 상기 투명 기판 상의 적어도 1면에 형성되고, 소정의 간격으로 이격되어 있는 형광체 패턴들이 형성된 형광체 패턴층을 포함하는 원격 형광체 플레이트를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하고자, 투명 기판; 및 상기 투명 기판 상의 적어도 1면에 형성되고, 소정의 간격으로 이격되어 있는 형광체 패턴들이 형성된 형광체 패턴층을 포함하는 원격 형광체 플레이트를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면으로, 유기바인더 100 중량부; 분말상(粉末狀)의 황색, 녹색 또는 적색 형광체 30 내지 170 중량부; 및 분말상의 무기 충진제 60 내지 200 중량부를 포함하는 원격 형광체 플레이트 제조용 형광체 페이스트를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면으로, 투명 기판 상에 형성되고, 형광체 패턴으로 이루어진 형광체 패턴층을 포함하는 적어도 2 이상의 형광체 플레이트; 및 상기 형광체 패턴층으로부터 소정의 간격으로 이격되어 구비되는 광원을 포함하는 조명 장치를 제공한다.
실시예에 따르면, 투명 기판; 및 상기 투명 기판 상의 적어도 1면에 형성되고, 소정의 간격으로 이격되어 있는 형광체 패턴들이 형성된 형광체 패턴층을 포함하는 원격 형광체 플레이트를 구현함으로써, 투과율 개선 및 형광체 간의 간섭 최소화로 인해 광효율 및 연색성(color rendering) 향상, 재여기 방지를 통한 형광체의 함량 감소를 통한 비용 절감의 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 종래의 형광체 플레이트를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 형광체 패턴들이 형성된 형광체 패턴층을 포함하는 원격 형광체 플레이트의 평면도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 형광체 패턴들이 형성된 형광체 패턴층을 포함하는 원격 형광체 플레이트의 단면도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 코팅층 및 형광체 패턴층을 포함하는 원격 형광체 플레이트의 평면도 및 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다. 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
도 2는 본 실시예에 따른 형광체 패턴들(122, 124)이 형성된 형광체 패턴층(도면부호 미표시)을 포함하는 원격 형광체 플레이트(100)의 평면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 원격 형광체 플레이트(100)는 투명 기판(110) 및 투명 기판(110) 상의 적어도 1면에 형성되고, 소정의 간격으로 이격되어 있는 형광체 패턴들(122, 124)을 포함하는 형광체 패턴층을 포함한다.
본 실시예에 따른 원격 형광체 플레이트(100)의 투명 기판(110)은 유리, 투명 플라스틱 등 투명한 재질의 기판을 사용할 수 있다. 상기 유리 기판은 투명도가 높고 광학유리로서 사용되는 유리를 사용할 수 있다. 예를 들어, 실리카를 주성분으로 하는 소다석회 유리, 칼슘석회 유리, 납유리, 바륨유리, 규산 유리를 비롯하여, 붕산염유리 또는 인산염유리 등을 들 수 있다. 또한 상기 투명 플라스틱 기판으로는 투명도가 높고, 광학 소자에 사용되는 투명 플라스틱 종류를 사용할 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, Polyethylene terephthalate), 폴리프로필렌(PP, Polypropylene), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, Polymethyl methacrylate), 또는 폴리에틸렌 나프탈렌(PEN, Polyethylene naphthalene) 등을 들 수 있다.
형광체 패턴들(122, 124)은, 적어도 두 종류 이상의 형광체로 이루어진다. 상기 형광체는 황색(yellow) 또는 녹색(green). 및 적색(red)의 무기 형광체를 선택하여 사용할 수 있다. 형광체 패턴들(122, 124)은, 상기 황색, 녹색 또는 적색의 형광체를 포함하는 형광체 페이스트를 투명 기판(110) 상의 일면에 인쇄한 후, 400℃ 내지 600℃의 온도로 열처리하여 형성된다. 이때, 황색(yellow) 또는 녹색(green)의 무기 형광체를 포함하는 형광체 패턴을 제1 형광체 패턴(122)이라고 하고, 적색(red)의 무기 형광체를 포함하는 형광체 패턴을 제2 형광체 패턴(124)이라고 한다.
형광체 패턴들이 형성되는 투명 기판(110)이 유리일 경우, 분말상의 황색, 녹색 또는 적색 형광체를 무기 충진제 및 유기 바인더(organic binder)dhk 혼합하여 페이스트를 준비한다. 상기 유기 바인더는 에틸셀룰로오스(ethyl cellulose), 부틸셀룰로오스(butyl cellulose) 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다. 반면, 형광체 패턴들이 형성되는 투명 기판(110) 이 투명 플라스틱일 경우, 상기 페이스트는 분말상의 황색, 녹색 또는 적색 형광체 및 상기 유기 바인더를 혼합하여 준비된다. 상기 형광체의 함량에 따라 색좌표 및 연색지수(Color Rendering Index, CRI)를 조절할 수 있다. 상기 페이스트의 조성에 관하여는 추후에 구체적으로 설명하기로 한다.
상기 페이스트는 투명 기판(110)에 10㎛ 내지 200㎛의 두께로 도포 또는 인쇄된다. 상기 도포 또는 인쇄 방법으로는, 도포와 동시에 패터닝이 되는 스크린 프린팅, 그라비아 코팅 등의 방법을 사용할 수 있다. 무기 형광체의 종류 및 상기 페이스트를 구성하는 유기 바인더, 유기 용매 등의 종류에 따라 두께가 달라질 수 있고, 구현하고자 하는 색좌표 및 연색지수(Color Rendering Index, CRI)에 따라서 두께를 조절할 수 있다. 또한, 상기 두께는 10㎛미만일 경우, 조사된 광을 여기할 수 있는 형광체의 양이 충분하지 않아서 원하는 색온도를 구현할 수 없다. 반면, 200㎛의 두께를 초과할 경우에는 형광체 플레이트의 전체 두께가 두꺼워져 조사된 광이 투과할 수 없게 된다.
도 2에는 장방형의 패턴으로 도시하였지만 이에 한정되지 않고, 원형, 정사각형, 삼각형, 육각형 등 요구되는 특성 및 사용처에 따라 다양하게 패턴을 구성할 수 있다. 형광체 패턴들(122, 124)은 크기는 구현하고자 하는 색좌표 및 연색지수(CRI)에 따라서 조절할 수 있다. 형광체 패턴들(122, 124)은 형태와는 상관없이 면적이 500㎛2 내지 106㎛2, 이격 거리는 50㎛ 내지 500㎛가 되도록 조절할 수 있다.
도 2에는 규칙적으로 배치된 형광체 패턴들(122, 124)만을 도시하였지만, 이와는 달리 형광체 패턴들(122, 124)을 랜덤으로도 배치할 수 있다. 형광체의 종류와 개수는 요구되는 색좌표 및 연색지수(CRI)에 따라서 조절할 수 있다. 광원 및 형광체 패턴의 색상에 따른 빛의 효과는 추후에 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 본 실시예에 따른 형광체 패턴(122, 124)들이 형성된 형광체 패턴층(120)을 포함하는 원격 형광체 플레이트(100)의 단면도이다.
도 3은 도 2의 A-A' 부분을 자른 단면도로, 본 실시예에 따른 형광체 플레이트(100) 후면에 배치된 광원(blue)으로부터 빛이 조사되어 형광체 패턴층(120)을 통과함에 따라 여기되는 광의 종류를 모식적으로 도시한 것이다.
본 실시예에 따른 형광체 플레이트(100) 후면에 배치된 광원(blue)으로부터 입사광(LI)이 형광체 플레이트(100)에 조사되면, 빛이 투과되는 영역에 따라 여기되는 빛(LE)의 색이 달라지게 된다. 녹색 또는 황색 형광체 패턴(122)을 통하여 여기되는 빛(LE1), 적색 형광체 패턴(124)을 통과하여 여기되는 빛(LE2), 및 투명 기판(110)을 그대로 통과하는 빛(LE3)의 광량을 조절하여 색온도, 색좌표 및 연색지수(CRI)를 조절할 수 있다. 예를 들어, 패턴의 간격을 줄이고, 적색 형광체 패턴(124)의 개수를 늘리면, 황색 또는 녹색의 파장을 갖는 빛과 적색의 파장을 갖는 빛이 상대적으로 많아져 3000K 가량의 온백색(warm white)를 구현할 수 있다. 반면, 패턴의 간격을 줄이고, 황색 또는 녹색 형광체 패턴(122)의 개수를 늘리면, 4500K 내지 6000K의 색온도를 갖는 냉백색(cold white)을 구현할 수 있다.
종래의 투과율이 낮은 소결 형광체 플레이트와는 달리, 투명 기판 상에 포팅된 형광체 패턴층에서 광변환이 일어나기 때문에, 투과율이 낮은 소결 유리에 빛이 체류하는 시간이 줄어들게 된다. 또한, 2종의 형광체를 분리하여 패턴 프린팅 함으로써, 황색 또는 녹색 형광체의 발광 파장대(500~600nm)의 빛이 적색 형광체에 의해 재여기 되지 않는다.
도 4는 본 실시예에 따른 코팅층(230) 및 형광체 패턴층(220)을 포함하는 원격 형광체 플레이트(200)의 평면도 및 단면도이다.
도 4의 원격 형광체 플레이트(200)는 위에서 서술한 원격 형광체 플레이트(도 2 및 도 3의 100)와는 형광체 패턴의 종류 및 형태는 동일하다. 투명 기판(210) 상에 황색 또는 녹색, 적색 형광체로 이루어진 형광체 패턴들(222, 224)을 포함하는 형광체 패턴층(220)은 위에서 서술한 것과 동일하므로, 중복을 피하기 위하여 설명을 생략하기로 한다.
투명 기판(210) 상에 형광체 패턴층(220)을 형성한 후, 투명한 수지로 표면을 코팅하여 코팅층(230)을 형성한다. 코팅층(230)을 형성하는 물질로는 실리콘 수지 등의 투명한 수지를 사용할 수 있다. 도시하지는 않았지만 코팅층(230)의 표면에 미세한 요철구조(textured surface)를 형성할 수 있다. 상기 미세한 요철구조는 광추출요율을 증대하는 역할을 한다.
이와는 달리, 도면에 도시하지는 않았지만, 형광체를 이용하여 그림 또는 문양 등을 형성할 수 있다.
본 실시예에 따른 원격 형광체 플레이트를 제조하기 위한 형광체 페이스트는 유기 바인더 100 중량부, 분말상의 황색, 녹색 또는 적색 형광체 및 분말상의 무기 충진제를 포함한다. 상기 유기 바인더는 에틸셀룰로오스(ethyl cellulose), 부틸셀룰로오스(butyl cellulose) 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있고, 알코올계, 케톤계, 에스테르계, 에테르계 또는 이들을 2종 이상 혼합한 휘발성 유기용매를 더 첨가할 수 있다.
상기 형광체는 무기계 형광체를 사용할 수 있고, 황색, 녹색, 적색 등 요구되는 색의 형광체를 선택하여 사용할 수 있다. 상기 분말상의 형광체는 분말의 입경이 0.1㎛ 내지 20㎛인 것을 사용할 수 있다. 더욱 바람직한 예로는 1㎛ 내지 15㎛인 것을 사용할 수 있다. 상기 형광체의 입경이 0.1㎛ 미만일 경우에는 상기 유기 바인더와의 혼합 시에 뭉침 현상이 발생할 수 있다. 반면, 상기 형광체의 입경이 20㎛를 초과할 경우에는 충분한 점도를 얻을 수 없어서 형광체 페이스트를 투명 기판에 인쇄할 때 요구되는 형태의 패턴을 얻기 힘들다. 또한 형광체 입자들간에 공간이 커지기 때문에, 형광체에서 여기되는 광보다 투과하는 광이 많아질 우려가 있다. 상기 형광체는 유기 바인더 100 중량부에 대하여 30 내지 170 중량부를 포함할 수 있다. 상기 형광체의 함량은 형광체의 종류에 따라 조절할 수 있다.
상기 무기 충진제는 분말상의 유리를 사용할 수 있다. 상기 유리의 종류로서는, 붕산염유리 또는 인산염유리 등 광학소재로서 적합한 투명한 유리를 사용할 수 있다. 상기 분말상의 유리는 분말의 입경이 1㎛ 내지 20㎛인 것을 사용할 수 있다. 상기 분말상의 유리의 입경이 너무 작으면, 상기 유기 바인더와의 혼합 시에 뭉침 현상이 발생할 우려가 있고, 반대로 입경이 너무 클 경우에는 형광체에서 여기되는 빛 보다 투과하는 빛이 많아지게 되어 특성이 좋은 백색광을 얻을 수 없다. 또한, 상기 분말상의 유리는 상대적으로 큰 입경을 갖는 분말과 상대적으로 작은 입경을 갖는 분말을 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 무기 충진제는 상기 유기 바인더 100 중량부에 대하여 60 내지 200 중량부를 혼합하여 사용할 수 있고, 요구되는 광 특성에 따라 상기 형광체와의 혼합비율을 조절하여 첨가할 수 있다.
상기 형광체 페이스트를 투명 기판에 인쇄한 후, 400℃ 내지 600℃의 온도로 열처리하여 원격 형광체 플레이트를 완성한다. 인쇄 방법에 관해서는 위에서 서술하였으므로, 중복을 피하기 위하여 생략하기로 한다. 상기 열처리는 상기 형광체 페이스트를 소결하기 위한 것으로, 열처리 방법에는 크게 제한을 두지 않고 열처리로 또는 오븐에서 상기 열처리를 수행할 수 있다.
본 실시예에 따른 조명장치는 각각 서로 독립적으로 1종의 형광체를 포함하는 형광체 패턴들로 이루어진 형광체 패턴층; 및 상기 형광체 패턴층으로부터 소정의 간격으로 이격되어 구비되는 광원을 포함한다. 상기 형광체 패턴층은 적어도 2종 이상의 형광체를 포함할 수 있다. 상기 형광체는 황색(yellow) 또는 녹색(green). 및 적색(red)의 형광체를 선택하여 사용할 수 있다. 또한 형광체의 종류에 따라 패턴의 형태, 패턴층의 두께, 패턴들간의 간격을 조절하여 구현하는 빛의 색좌표, 연색지수의 광특성을 조절할 수 있다.
상기 형광체 패턴층은 투명 기판의 일면 상에 형성되고, 상기 광원은 상기 형광체 패턴층이 형성되어 있는 상기 투명 기판의 이면측에 구비된다. 상기 광원은 상기 형광체 패턴층이 형성되어 있는 형광체 플레이트로부터 이격되어 형성될 수 있다. 상기 광원으로는 광을 출사하는 광소자로서, 일례로 고체발광소자가 적용될 수 있다. 상기 고체발광소자는 LED, OLED, LD(laser diode), Laser, VCSEL 중 선택되는 어느 하나가 적용될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200: 원격 형광체 플레이트
110, 210: 투명 기판
120, 220: 형광체 패턴층
122, 124, 222, 224: 형광페 패턴들
230: 코팅층

Claims (12)

  1. 투명 기판;
    상기 투명 기판 상에 배치되고, 복수개의 형광체 패턴을 포함하는 형광체 패턴층; 및
    상기 투명 기판 상에 배치되어 상기 복수개의 형광체 패턴을 덮는 코팅층을 포함하고,
    상기 복수개의 형광체 패턴은 각각 서로 독립적인 1 종의 형광체를 포함하고,
    상기 코팅층은 표면에 요철 구조를 포함하고,
    상기 형광체 패턴층은 적어도 두 종류 이상의 형광체를 포함하고,
    상기 형광체 패턴들은 서로 이격되고,
    상기 투명 기판 상의 일부 영역에는 상기 형광체 패턴들이 배치되고, 상기 투명 기판 상의 나머지 영역에는 상기 형광체 패턴들의 이격 공간이 배치되고,
    상기 형광체 패턴들간의 이격 거리는 상기 형광체 패턴들의 폭 보다 크지 않고,
    상기 형광체 패턴들의 크기는 면적이 500㎛2 내지 106㎛2이고,
    상기 형광체 패턴들간의 이격 거리는 50㎛ 내지 500㎛이고,
    상기 복수개의 형광체 패턴은 녹색 또는 황색 형광체를 포함하는 복수개의 제1 형광체 패턴과, 적색 형광체를 포함하는 복수개의 제2 형광체 패턴을 포함하고,
    상기 제1 형광체 패턴과 상기 제2 형광체 패턴은 서로 이격 배치되는 형광체 플레이트.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 형광체 패턴층은 상기 형광체를 포함하는 형광체 페이스트를 상기 투명 기판 상에 인쇄한 후, 400℃ 내지 600℃의 온도로 열처리하여 형성되는 형광체 플레이트.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 형광체 패턴은 적어도 하나의 상기 제1 형광체 패턴을 사이에 두고 배치되는 형광체 플레이트.
  4. 삭제
  5. 투명 기판;
    상기 투명 기판의 일면에 배치되고, 복수개의 형광체 패턴을 포함하는 형광체 패턴층;
    상기 투명 기판 상에 배치되어 상기 복수개의 형광체 패턴을 덮는 코팅층; 및
    상기 투명 기판의 타면에 빛을 출사하는 광원을 포함하고,
    상기 복수개의 형광체 패턴은 각각 서로 독립적인 1 종의 형광체를 포함하고,
    상기 코팅층은 표면에 요철 구조를 포함하고,
    상기 형광체 패턴층은 적어도 두 종류 이상의 형광체를 포함하고,
    상기 형광체 패턴들은 서로 이격되고,
    상기 투명 기판 상의 일부 영역에는 상기 형광체 패턴들이 배치되고, 상기 투명 기판 상의 나머지 영역에는 상기 형광체 패턴들의 이격 공간이 배치되고,
    상기 형광체 패턴들간의 이격 거리는 상기 형광체 패턴들의 폭 보다 크지 않고,
    상기 형광체 패턴들의 크기는 면적이 500㎛2 내지 106㎛2이고,
    상기 형광체 패턴들간의 이격 거리는 50㎛ 내지 500㎛이고,
    상기 복수개의 형광체 패턴은 녹색 또는 황색 형광체를 포함하는 복수개의 제1 형광체 패턴과, 적색 형광체를 포함하는 복수개의 제2 형광체 패턴을 포함하고,
    상기 제1 형광체 패턴과 상기 제2 형광체 패턴은 서로 이격 배치되는 조명장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 형광체 패턴은 적어도 하나의 상기 제1 형광체 패턴을 사이에 두고 배치되는 조명장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 광원에서 출사된 빛의 일부는 상기 제1 형광체 패턴을 통과하고, 일부는 상기 제2 형광체 패턴을 통과하고, 일부는 상기 투명 기판을 그대로 통과하는 조명장치.
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