KR102393853B1 - 광학적으로 강화된 고체-상태 광 컨버터 - Google Patents
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Abstract
광 컨버터는 표면 상에 여기 광 입사로부터 방출 광을 발생시키는 고체-상태 광 변환 물질; 상기 고체-상태 광 변환 물질의 표면 상의 필러 층; 및 상기 필러 층 상의 광학 코팅을 포함한다. 상기 광학 코팅은 반사 방지 코팅 및/또는 고반사 코팅과 같은 박막 필름일 수 있다. 금속 코팅이 추가로 제공될 수 있다. 광 컨버터는 형광체 휠 또는 자동차 헤드라이트와 같은 광학 장치에 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 형광체 휠(phosphor wheel)과 같은 광학 장치의 일부를 형성하는 고체-상태 광 변환 물질을 포함하는 광 컨버터에 관한 것이다. 또한, 광 컨버터의 제조 방법이 제공된다.
형광체와 같은 광 변환(또는 파장 변환) 물질들은 다양한 응용 분야, 특히 광학 장치에 사용된다. 그러한 응용 분야 중 하나는 단일 광원(통상적으로 좁은 범위의 파장 범위)의 여기 광으로부터 하나 또는 통상적으로 다수의 다른 파장의 방출 광을 발생시키는 광학 장치인 형광체 휠이 있다. 예시의 형광체 휠은 공통 발명자를 갖는 WO-2014/016574에 기술되어 있다.
예컨대, 공지의 형광체 휠 구조가 도 1에 나타나 있다. 광 컨버터(101)는 디스크 기판(102) 상에 제공된다. 여기 광이 광 컨버터(101)에 입사하면, 여기 광(103a; 소스 광)은 발출 광(103b)을 발생시킨다. 광 컨버터(101)는 제1범위의 스펙트럼 파장의 여기 광으로부터 상이한 제2범위의 스펙트럼 파장의 방출 광(또는 재방출)으로 광 스펙트럼을 변환시킨다. 통상적으로, 이러한 장치가 정적(비-회전) 구성에 사용될 수 있지만, 상기 디스크 기판(102)은 사용 중에 회전되며, 그러한 경우 그것은 형광체 휠로 알려지지 않을 수 있다. 상기 광 컨버터(101)는 통상 폴리머 바인더(polymer binder; 실리콘과 같은) 내에 형광체 입자를 포함하는 코팅으로서 형성된다.
보다 높은 파워 입사광에 대처할 수 있는 광학 장치, 특히 형광체 휠이, 예컨대 레이저 파워가 50W/mm2보다 큰 높은-파워 레이저 프로젝터에 사용하기 위해 개발되고 있다. 이러한 높은 파워 광에 대처하기 위해, 세라믹 컨버터와 같은 고체-상태 광 변환 물질이 고려되고 있다. 파장 변환 외에, 그러한 세라믹 컨버터는 향상된 광학 성능을 위해 박막 필름으로 코팅(통상 직접)될 수 있다. 이는 폴리머 바인더에서 형광체로 이루어진 이전의 광 컨버터들보다 큰 장점이 있다.
그러나, 그와 같은 세라믹 물질을 사용하는 데는 어려움이 있다. 첫번째로, 여기 광 및/또는 방출 광의 투과율을 향상시키도록 광학 코팅을 최적화하는 것이 바람직하다. 반사 방지 코팅은 일반적으로 여기 광을 다루지만, 고반사 코팅은 방출 광 출력을 향상시킬 수 있다. 세라믹 물질은 반사 표면을 생성하는데 사용될 수 있는 금속 코팅과 같은 다른 타입의 코팅뿐만 아니라 양쪽 모두를 처리할 수 있어야 한다. 또한, 세라믹 물질의 열 발산은 과열을 피하기 위해 고려되어야 한다. 세라믹 광 컨버터의 성능을 향상시키기 위해, 이러한 모든 문제에 세라믹 코팅을 채용하는 것은 중요한 관심사이다.
이러한 배경에 따라, 청구항 제1항에 따른 광 컨버터가 제공된다. 또한, 청구항 제14항과 일치하는 광 컨버터의 제조 방법이 제공된다. 다른 바람직한 특징들은 청구항 및 하기의 설명을 참조하여 개시된다.
필러 층(filler layer)은 세라믹 또는 광-세라믹 물질(세라믹 형광체)과 같은 고체-상태 광 변환 물질의 표면과 광학 코팅(필러 층의 일부일 수 있는) 사이에 제공된다. 제조 동안, 상기 필러 층은 코팅 전에 적층될 것이다. 고체-상태 광 변환 물질, 특히 세라믹 컨버터가 반드시 광학 표면을 가질 필요는 없다는 것이 인식되어 왔다. 오히려 이들은 다공성일 수 있고 연마가 도움이 되지 않는다. 이러한 다공성은 소정의 광학 코팅, 특히 (간섭) 박막 필름 코팅의 기능을 부분적으로 또는 완전히 억제할 수 있다. 상기 필러 층, 특히 그 두께는 미세한 치수로 광학적으로 평탄해지도록 구성될 수 있다. 통상, 그러한 필러 층은 특히 고체-상태 광 변환 물질에 비해 낮은 광학 굴절률을 갖는다. 덜 바람직하게, 대안으로 낮은 광학 굴절률을 갖는 광학 코팅이 필러 층에 적용될 수 있다.
그러한 광학 코팅은 하나 또는 그 이상의 반사 방지 코팅; 고반사 코팅; 금속 코팅을 포함할 수 있다. 상기 광학 코팅은 증착에 의해 적용될 수 있다. 변환된 광의 낮은 반사 손실 및/또는 높은 추출을 위해 단일 또는 다층 반사 방지(AR) 코팅이 적용될 수 있다. 이러한 코팅을 고체-상태 광 변환 물질에 직접 적용하는 것은 어려울 수 있다. 고체-상태 광 변환 물질과 AR 코팅 사이에 필러 층을 제공하면 그와 같은 문제를 완화시켜 변환된 광을 대량으로 추출할 수 있다.
추가로 또는 대안으로, 보다 좋은 효율을 얻기 위해서는 (입사광 방향으로) 그 변환된 광을 수집하고 이용하는 것이 바람직하다. 변환된 광을 반사시켜 이를 달성하기 위해 하나 또는 다수의 고반사(HR) 코팅(미러 코팅(mirror coating)이라고도 함)을 사용할 수 있다. 그러나, 그와 같은 변환된 광은 일반적으로 등방성이며 랜덤 편광되므로, 이는 그 방출된 광에 매우 근접할 수 있는 HR 박막 코팅의 디자인에 대한 문제점을 야기할 수 있음을 알 수 있다. 상기 고체-상태 광 변환 물질과 HR 코팅 사이에 필러 층을 제공하면 이들 문제가 더욱 완화될 수 있다. 상기 HR 코팅은 일반적으로 단지 약 100㎛ 이하일 수 있는 광 방출 중심과 반사 표면간 근접성 때문에 넓은 입사각을 가질 수 있다. 이는 근접장 코팅(near-field coating)이라고 부른다. 낮은 굴절률 층(바람직하게 필러 층)과 HR 코팅의 조합은 총 내부 반사(TIR)에 의한 큰 입사각(표면의 법선에 대해 적어도 30, 40 또는 45도)의 광을 반사시킬 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 큰 각도에서 방출 광의 수집을 허용하기 위해 금속성 미러 코팅(SilFlex (TM)와 같은 Ag-기반, AlFlex (TM)와 같은 Al-기반)이 사용될 수 있다. 그러한 HR 코팅은 바람직하게는 광대역이다. 상기 HR 및 AR 코팅은 고체-상태 광 변환 물질의 반대쪽 표면에 적용될 수 있다.
발명자들에 의해 확인된 다른 문제는 고체-상태 광 변환 물질의 열 발산 능력에 관한 것이다. 이것을 개선하면 컨버터의 열 퀀칭(thermal quenching)을 최소화할 수 있다. 금속 코팅이 적용될 수 있다(선택적으로 또 다른 코팅에). 이것은 고체-상태 광 변환 물질의 표면에 대해 큰 각에서 방출 광의 누출을 줄일 수 있다.
상기 광 컨버터는 디스크와 같은 기판 상에 제공될 수 있다. 그러한 광 컨버터 상의 금속 코팅은 그것을 기판에 본딩(bonding)시키는데 사용될 수 있다. 상기 광 컨버터는 예컨대 프로젝션 디스플레이에 사용하기 위해 컬러(colour) 휠, 형광체 휠 또는 자동차 헤드라이트와 같은 광학 장치의 일부를 형성할 수 있다.
본 발명은 다수의 방식으로 실시될 수 있으며, 바람직한 실시예는 이제 첨부 도면을 참조하여 예로서만 기술될 것이다:
도 1은 예시의 공지된 형광체 휠 구조를 나타내고;
도 2는 본 개시에 따른 제1실시예의 단면도를 개략적으로 나타내고;
도 3은 본 개시에 따른 제2실시예의 단면도를 나타내며;
도 4는 휠 기판에 본딩된 본 개시에 따른 광 컨버터를 나타낸다.
도 1은 예시의 공지된 형광체 휠 구조를 나타내고;
도 2는 본 개시에 따른 제1실시예의 단면도를 개략적으로 나타내고;
도 3은 본 개시에 따른 제2실시예의 단면도를 나타내며;
도 4는 휠 기판에 본딩된 본 개시에 따른 광 컨버터를 나타낸다.
먼저 도 2에 따르면, 도 2는 광 컨버터(200)의 제1실시예의 단면도를 개략적으로 나타낸다. 도 2에는 세라믹 광 변환 물질(201); 제1필러 층(230); 제1광학 코팅(220); 제2필러 층(240); 및 제2광학 코팅(250)이 나타나 있다.
상기 세라믹 광 변환 물질(201)은 통상 보이드(210; void)를 포함하는 다공성 물질이다. 상기 세라믹 광 변환 물질(201)은 입사광의 높은 온도 및 높은 파워를 효과적으로 처리할 수 있고, 열 퀀칭이 유리하게 사용될 수 있다. 상기 세라믹 광 변환 물질(201)의 두께는 그 효율에 영향을 줄 수 있다. 그러한 물질의 처리 능력으로 인해, 현재 200 ㎛와 250 ㎛ 사이의 두께가 바람직하지만, 이것은, 처리의 고려사항 및 성능 효율을 고려하여 그 특성을 최적화하기 위해 변경될 수 있다.
입사 여기 광(103a)에 직면하는 세라믹 광 변환 물질(201)의 측면 상에, 필러 층(230)이 그 표면 상에 증착되고, 그 다음에 상기 입사 여기 광(103a)을 위해 디자인된 제1반사 방지 코팅(220)이 증착된다. 변환된 광이 모든 가능한 방향에서 수집되게 하기 위해, 방출 광(103b)을 위한 제2고반사 코팅(250)이 추가로 적용된다. 큰 각 광 수집(표면의 법선에 대해 적어도 30도)이 크게 바람직하다. 다공성 영향을 최소화하기 위해, 제2필러 층(240)은 제2고반사 코팅(250)의 증착 전에 코팅된다. 이러한 제2필러 층(240)은 낮은 광학 굴절률을 갖는다. 이는 표면에 대해 큰 각, 특히 표면의 법선에 대해 ±30도의 광 반사를 허용할 수 있다. 이러한 디자인은 내고온성 및/또는 향상된 광학 성능을 제공할 수 있으며, 코팅되지 않은 세라믹 광 변환 물질(201)과 비교하여 적어도 10% 이상의 광 변환을 제공할 수 있다.
필러 층(230) 및/또는 제2필러 층(240)의 재료는 광 변환 물질에 사용된 물질, 특히 그 굴절률에 따라 달라질 수 있다. 낮은 흡수성 및 낮은 굴절률이 바람직한 특성이다. 특히, 필러 물질의 굴절률은 세라믹 광 변환 물질(201)의 굴절률보다 작고, 가능한 한 낮은(1.3, 1.25, 1.2, 1.1 또는 1.05 미만) 것이 바람직하지만, 여전히 신뢰성 있는 광학 필름이 가능하다. 낮은 굴절률은 TIR 각도를 향상시킬 수 있다. 한 물질의, 즉 광학 표면을 달성하기 위한 TRI 및 필러 코팅의 양 기능으로 통일된 그러한 낮은 굴절률 코팅 및 필러 층 코팅의 사용은 상당한 장점을 제공한다. 세라믹 광 변환 물질(201)에 있어서, 필러 층(230) 및 제2필러 층(240)은 SiO2 및/또는 Al2O3를 포함한다. 그러한 필러 층(또는 층들)의 두께는 필러 층 또는 층들을 광학적으로 평탄하게 만들기에 충분하도록, 통상적으로는 400 nm 내지 1000 nm가 된다.
상기 반사 방지 코팅(230) 및 고반사 코팅(250)은 PVD를 이용하여 증착된다. 이들 코팅의 두께는 그러한 디자인 성능, 사용된 박막 필름 물질 및 필러 층과 같은 인접한 물질의 특성에 기초한다.
고반사 코팅(250)은 광 방출 중심에 매우 가깝게(통상 0-100 ㎛) 작용한다. 더욱이, 그것은 바람직하게 광대역 스펙트럼을 갖는다. 이러한 문제점을 염두에두고, 고반사 코팅(250)은 근접장(또는 근접 소스) 광대역 고반사 코팅으로 지칭될 수 있다. 상기 고반사 코팅(250)이 그 반사 표면에 매우 가깝게 방출된 광을 반사함에 따라, 그것은 근접 소스가 사용되는 방식과는 매우 상이하게 동작한다. 따라서, 이러한 고반사 코팅(250)의 디자인 및 작동 원리는 여러 측면에서 상당히 상이하다. 첫번째로, 외부 반사보다는 내부 반사를 사용하도록 구성되어 있어 큰 각에서 성능을 향상시킬 수 있다. 두번째로, 넓은 반사각이 제공된다(그 방출기가 반사에 근접장이기 때문에). 세번째로, 상기 고반사 코팅(250)은 광대역 반사 스펙트럼을 갖는다(광 컨버터가 넓은 방출 스펙트럼을 갖는 형광체를 포함하기 때문에).
일반적으로, 광 컨버터는, 고체-상태 광 변환 물질의 표면 상에 여기 광 입사로부터 방출 광을 발생시키는 고체-상태 광 변환 물질; 상기 고체-상태 광 변환 물질의 표면 상의 필러 층; 및 상기 필러 층 상의 적어도 하나의 광학 코팅을 포함한다. 추가로 또는 대안으로, 광 컨버터 제조 방법은 표면 상에 여기 광 입사로부터 방출 광을 발생시키는 고체-상태 광 변환 물질의 표면 상에 필러 층을 증착시키는 단계; 및 상기 필러 층에 적어도 하나의 광학 코팅을 형성하는 단계를 포함한다. 이러한 방법은 상기 광 컨버터의 것들과 대응하는 소정의 옵션의 특징들을 가질 수 있다.
통상 적어도 2개(별개의 다른)의 표면을 가질지라도, 상기 고체-상태 광 변환 물질에 대한 구체적인 치수는 없다. 상기 필러 층 및/또는 광학 코팅은 상기 고체-상태 광 변환 물질의 하나 또는 다수의 표면일 수 있다. 광원으로부터의 여기 광은 광 컨버터 상에, 특히 광학 코팅 상에 입사될 것이다. 다음에, 고체-상태 광 변환 물질에 의해 발생된 여기 광이 상기 광 컨버터로부터 나올 수 있다.
다음에, 도 3에 따르면, 광 컨버터(300)의 제2실시예의 개략 단면도가 나타나 있다. 그러한 광 컨버터(300)는 도 2의 실시예와 유사하며, 여기서 동일한 형태들이 나타나 있으며, 동일한 참조부호가 채용된다. 간결성을 위해, 도 2와 공통인 형태들은 설명하지 않을 것이다.
이러한 실시예에 있어서, AlFlex (TM) 또는 SilFlex (TM)와 같은 금속 코팅(260)이 고반사 코팅(250)의 상부에 추가로 증착된다. 그러한 금속 코팅(260)은 미러로 작용하기 위해 반사성이 있을 수 있다. 통상 상기 금속 코팅(260)은 컨버터 표면에 대해 큰 각에서 방출 광의 누출을 감소시킨다. 이러한 경우, 상기 제2필러 층(240)은 낮은 광학 굴절률을 가질 필요가 없다. 상기 금속 코팅(260)은 열 관리를 향상시킬 수 있으며, 특히 후술하는 바와 같이 여기 광 스폿으로부터 부착된 히트 싱크까지의 열 발산을 증가시킬 수 있다. 일반적으로, 입사 여기 광에 대향하는 광 변환기의 반대 측면 상의 금속 미러 코팅(260)이 열 발산 기능 및/또는 반사 기능을 제공할 수 있다는 것을 알 수 있다(그 자체로, 상대적으로 높은 열 전도성을 갖는 금속-기반 코팅). 그러한 2개의 조합은 높은 장점이 있다.
이제 도 4에 따르면, 디스크 또는 휠 기판에 본딩된 광 컨버터가 나타나 있다. 이것은 형광체 휠 실시예를 고려하게 될 것이다. 광 컨버터(410); 및 디스크 또는 휠 기판(420)이 나타나 있다. 그러한 광 컨버터(40)의 모든 것을 상세히 나타내진 않지만, 그러한 광 컨버터(410)의 디자인은 도 3에 상세히 나타낸 광 컨버터(300)의 것과 매우 가깝다(또는 도면에 제안된 구조에 기초한 대안이 사용될 수 있다).
상기 광 컨버터(410)에 통합된 금속 미러 코팅(나타내지 않음)은 히트 싱크로서도 제공되는 휠 기판(420)에 본딩된다. 상기 여기 광(403)의 입사 스폿(spot)으로부터 열 발산은 증가하고, 이에 의해 상기 광 컨버터(410) 상의 광 스폿 영역(430)의 온도는 감소한다. 결과적으로 향상된 변환된 방출 광(402)이 제공된다.
비록 특정 실시예들이 기술되었을 지라도, 통상의 기술자는 그 변형 및 변경이 가능하다는 것을 알아야 할 것이다. 예컨대, 그러한 디자인들이 모든 고체-상태 광 컨버터에 적용될 수 있고, 반드시 세라믹 물질을 사용하는 것만은 아니며, 예컨대 유리-기반 또는 플라스틱-기반 물질이 사용될 수 있다. 그러한 유리-기반 또는 플라스틱-기반 물질은 형광체가 코팅된 기판으로서 작용할 수 있다. 더 많은 다공성 물질에 대한 이점이 더 두드러질 수 있다. 바람직하게, 고체-상태 광 컨버터는 작동 온도를 향상시키고 성능 저하를 없앨 수 있는 폴리머 바인더를 필요로 하지 않는다. 그들 타입, 수 및 순서의 형태로 상기에서 언급한 것과 다른 코팅 구성이 고체-상태 광 컨버터에 적용될 수 있다. 또한, 상기 고체-상태 광 컨버터의 한 측면 또는 표면만이 코팅될 수 있다. 대안으로, 본원에 나타낸 것들과 다른 다수의 다른 표면들이 코팅될 수 있다. 그러한 필러 물질은 낮은 굴절률을 갖지 않으며, 대신 TIR을 야기하기 위해 낮은 굴절률이 적용될 수 있다.
예컨대, 특히 표면이 프레쉬(fresh)한 경우, 세라믹 광 변환 물질(201) 표면 또는 표면들을 세정하지 않고, 상이한 제조 공정이 사용될 수 있다. 고반사 코팅(250)은 위에서 확인된 특정 차별 특성들 중 일부만을 가질 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 상기 필러 층 또는 층들에 대한 그 물질 및 제조 공정은 변경될 수 있다. 예컨대, 상기에서 확인된 고려사항에 따라 다른 물질들이 사용될 수도 있다. 추가로 또는 대안으로, 졸-겔/딥 코팅(Sol-gel/dip coating), CVD, 마그네토 스퍼터링 PVD(양호한 필름 밀도를 제공할 수 있음) 또는 다른 기술들이 필러 층 또는 층들을 증착하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, Ag, Al 또는 Au 코팅과 같은 추가의 광대역 반사기가 제공될 수 있다. 반사 방지 코팅(230) 및/또는 고반사 코팅 (250), 예를 들어 반사 방지 코팅(230)을 위한 딥 코팅을 증착하기 위해 다른 기술들이 사용될 수 있다.
도 4는 특히 도 3의 실시예에 기초한 디자인에 관한 것이지만, 통상의 기술자는 도 2의 디자인(또는 여기에 제안된 것에 기초한 소정의 다른 디자인) 또한 기판에 부착될 수 있음을 이해할 것이다. 도 4는 디스크 기판을 나타내지만, 다른 타입, 형상 및 크기의 기판이, 특히 상이한 응용 분야에 사용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 가능한 응용 분야는 다음을 포함할 수 있다: 컬러 휠; 형광체 휠(예컨대, 프로젝션 디스플레이에 사용); 및 자동차 헤드라이트.
Claims (15)
- 고체-상태 광 변환 물질의 표면 상에 여기 광 입사로부터 방출 광을 발생시키는 상기 고체-상태 광 변환 물질;
상기 고체-상태 광 변환 물질의 표면 상의 필러 층; 및
상기 필러 층 상의 적어도 하나의 광학 코팅을 포함하며,
상기 고체-상태 광 변환 물질은 세라믹 물질을 포함하고 다공성이며,
상기 필러 층은 상기 고체-상태 광 변환 물질의 광학 굴절률보다 낮은 광학 굴절률을 갖고,
상기 적어도 하나의 광학 코팅은 반사 방지 코팅을 포함하는, 광 컨버터. - 청구항 1에 있어서,
필러 층은 광학적으로 평탄해지도록 구성된, 광 컨버터. - 삭제
- 청구항 1 또는 2에 있어서,
고체-상태 광 변환 물질은 200 ㎛와 250 ㎛ 사이의 두께를 갖는, 광 컨버터. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
필러 층은 400 nm 내지 1000 nm의 두께를 갖는, 광 컨버터. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
적어도 하나의 광학 코팅은 박막 필름 코팅인, 광 컨버터. - 삭제
- 삭제
- 청구항 1 또는 2에 있어서,
고체-상태 광 변환 물질의 표면은 제1표면이며,
광 컨버터는:
상기 제1표면에 대향하는 상기 고체-상태 광 변환 물질의 제2표면 상의 제2필러 층; 및
상기 제2필러 층 상의 적어도 하나의 제2광학 코팅을 더 포함하는, 광 컨버터. - 청구항 9에 있어서,
제2필러 층 상에 적어도 하나의 제2광학 코팅은 제1코팅, 및 상기 제1코팅 상의 금속 코팅을 포함하며, 상기 금속 코팅은 고체-상태 광 변환 물질의 표면에 대해 큰 각에서 방출 광의 누출을 감소시키도록 배열되는, 광 컨버터. - 기판; 및
상기 기판 상에, 청구항 1에 따른 광 컨버터를 포함하는, 광학 장치. - 청구항 11에 있어서,
고체-상태 광 변환 물질의 표면은 제1표면이고;
광 컨버터는 상기 제1표면에 대향하는 상기 고체-상태 광 변환 물질의 제2표면 상의 제2필러 층 및 상기 제2필러 층 상의 적어도 하나의 제2광학 코팅을 더 포함하며;
상기 광 컨버터의 적어도 하나의 제2광학 코팅은 기판에 본딩되는 금속 코팅을 포함하는, 광학 장치. - 청구항 12에 있어서,
광학 장치는 컬러 휠, 형광체 휠, 프로젝션 디스플레이, 및 자동차 헤드라이트 중 하나인, 광학 장치. - 표면 상에 여기 광 입사로부터 방출 광을 발생시키는 고체-상태 광 변환 물질의 표면 상에 필러 층을 증착시키는 단계; 및
상기 필러 층에 적어도 하나의 광학 코팅을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 고체-상태 광 변환 물질은 세라믹 물질을 포함하고 다공성이며,
상기 적어도 하나의 광학 코팅은 반사 방지 코팅을 포함하고,
상기 필러 층은 상기 고체-상태 광 변환 물질의 광학 굴절률보다 낮은 광학 굴절률을 갖는, 광 컨버터 제조 방법. - 청구항 14에 있어서,
상기 필러 층은 광학적으로 평탄한 필러 층을 만들기에 충분한 두께로 증착되는, 광 컨버터 제조 방법.
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