KR102438286B1 - 형광체 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광 변환을 위한 특히 청색광을 백색광으로 변환하기 위한 형광체 장치(30)를 제공한다. 형광체 장치(30)는 장착 표면(11)을 갖는 기판(10)을 포함한다. 형광체 장치(30)는 형광체 혼합물(21)을 갖는 중합체(20)를 더 포함하며, 중합체(20)는 장착 표면(11) 위에 배열되고, 형광체 혼합물(21)은 금속 나노입자(5)를 포함하고, 금속 나노입자(5)의 함량은 중합체(20)의 1.5 내지 3.0 mmol/kg 사이이다. 본 발명은 또한 대응하는 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 광 변환을 위한 형광체 장치(phosphor arrangement) 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.
광을 변환하기 위해 임의의 형광체 장치에 적용 가능하지만, 본 발명은 소위 금속 나노입자와 함께 황색 형광체, 녹색 형광체 및 적색 형광체와 관련하여 주로 설명될 것이다.
청색 LED(Light Emitting Diode) 광의 백색 광으로의 변환은 통상적으로 형광체를 이용함으로써 달성된다.
방출 원소로서 희토류(란타나이드) 또는 전이 금속 이온을 일반적으로 포함하는 이들 무기 고체 상태 형광체는 실리케이트, 알루미네이트, 보레이트 및 포스페이트, 설파이드/옥시설파이드, 나이트라이드/옥시나이트라이드 및 플루오라이드/옥시플루오라이드와 같은 결정 호스트(host)에 일반적으로 침전된다. 방출되는 광의 파장은 이들 침전된 이온의 에너지 준위에 따라 달라진다. 또한, 이들 침전된 이온들과 마주치는 활성제로서 Ce, Dy, Er, Eu, Gd, Ho, Nd, Pr, Sm, Tb, Tm 및 Yb 등이 있다. 상기 언급된 호스트 및 활성제는 요즘 LED 산업에 적용되는 형광체 제조에 사용된다.
이러한 형광체는 예를 들어, US 8663500 B2, US 8674388 B2 및 US 8686626 B2에 기술되어 있다.
또한, 형광체와 함께 조정 가능한 양자점(quantum dot) 방출이 요즘 사용된다.
그러나 양자점에 카드뮴(Cd)과 기타 제한적인 중금속을 가진 양자점은 각각 독성이 있고 관리하기 어렵다는 것이 알려져 있다.
따라서, 청색 LED와 조합하여 사용되는 더 우수한 여기 및 방출 특성을 갖는 새로운 형광체 배열을 개발하는 것은 여전히 과제이다.
따라서, 특히 환경 친화적인 광 변환을 위한 개선된 형광체 장치가 필요하다. 따라서, 청색 LED와 조합하여 사용되는 더 우수 여기 및 방출 특성을 갖는 개선된 형광체 장치가 필요하다.
본 발명은 청구항 1의 특징을 갖는 형광체 장치 및 청구항 11의 특징을 갖는 형광체 장치를 제조하는 방법을 제공한다.
광 변환을 위한, 특히 청색광을 백색광으로 변환하기 위한 형광체 장치는 장착 표면을 갖는 기판을 포함한다. 형광체 장치는 형광체 혼합물을 갖는 중합체를 추가로 포함하며, 중합체는 장착 표면상에 배열된다. 마지막으로, 형광체 장치의 형광체 혼합물은 금속 나노입자를 포함하며, 금속 나노입자의 함량은 중합체의 1.5 내지 3.0 mmol/kg 사이이다.
형광체 장치를 제조하는 방법은 형광체 혼합물을 갖는 중합체를 기판의 장착 표면상에 배열하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 형광체 혼합물에 금속 나노입자를 첨가하는 단계를 더 포함하며, 상기 금속 나노입자의 함량은 중합체의 1.5 내지 3.0 mmol/kg 사이이다. 마지막으로, 본 방법은 중합체를 형광체 혼합물 및 금속 나노입자와 가교 결합에 의해 기판의 장착 표면을 피복하는 단계를 더 포함한다.
상기 기판은 투명하거나 반투명할 수 있다. 기판은 광을 산란시키기 위해 예를 들어 중합체에 대해 반대 측면이 실질적으로 평탄하거나 또는 거칠게 될 수 있다. 형광체 혼합물을 갖는 중합체가 예를 들어, 가수 분해 또는 현탁(suspension)에 의해 상기 장착 표면상에 장착되거나 배열될 수 있다. 본 명세서에 기재된 중합체는 코팅하기 전에 적절한 용매에 의해 희석될 수 있다. 대안으로는, 상기 중합체는 포일(foil)일 수 있다.
상기 중합체는 가교-결합된 중합체 매트릭스 일 수 있으며, 여기에서 기술된 금속 나노입자는 형광체 혼합물과 함께 중합체 매트릭스 내에서 균질하게 분포된다. 특히, 금속 나노입자는 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance: SPR)에서 광학 특성이 발생하도록 전도성이 있다. 따라서, 여기에 기술된 형광체 장치는 높은 방출 효율뿐만 아니라 더 우수한 광학 특성을 제공한다.
여기에서 설명된 형광체 장치는 예를 들어 백색 발광 다이오드(WLED), 조명 시스템, 디스플레이 시스템, 자동차 애플리케이션, 오토클레이브(autoclave) 될 수 있는 의료 기기, 휴대용 시스템, 이미징, 광섬유, 센서 설계, 수동 광원 및/또는 광 루미네선스(photo luminescent) 재료 코팅 등 제조를 포함하는 다양한 분야에서 사용될 수 있다.
본 발명은 특히 전도성 금(Au), 은(Ag) 및 구리(Cu) 나노입자의 광학 특성이 이들 금속의 표면 플라즈몬 공명(SPR)으로부터 발생한다는 발견을 이용한다. 자유 전자가 특정 파장의 빛으로 여기될 때 나노 스케일 금속 표면에서 집합적으로 진동하는 이 현상은 파장 의존적 흡수와 광 특히 청색 광의 산란을 일으킨다. 콜로이드 금속 나노입자의 크기, 형태 및 조성은 특히 SPR의 흡수 및 방출 특성을 결정한다. 금속 나노입자의 제어된 합성은 형광체 혼합물의 형광체의 광학 특성을 조정하는 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시 예는 도면을 참조하여 추가의 종속항 및 이하의 설명의 주제이다.
일 실시 예에서, 상기 형광체 혼합물은 황색 형광체, 녹색 형광체 및 적색 형광체를 포함한다. 여기에 기술 된 형광체의 일반식은 예를 들어, 녹색 형광체에 대해서는 ((YGd)3Al5O12:Ce, 적색 형광체에 대해서는 (Lu3Al5O12:Ce), 적색 형광체에 대해서는 (CaAlSiN3:Eu)일 수 있다.
상세하게는:
M1-x Al1 +y Si1 N3:Eu1 + z (적색 형광체),
여기서 M은 Ca, Ba 또는 이들의 혼합물을 가진 알칼리 토금속들로부터 선택되며, 0.0001≤x≤0.0022; 0.001≤y≤0.055 및 0.005≤z≤ 0.25.
M3+x Al5 +y O12+ z:Ce1 + x (녹색 형광체),
여기서 M은 Yb, Lu 또는 이들의 혼합물을 가진 란타나이드로부터 선택되며, 0.0005≤x≤0.0022; 0.0001≤y≤0.005 및 0.0015≤z≤0.25.
그리고 마지막으로
(MGD)3+x Al5 +y O12:Ce1 + X (황색 형광체)
여기서 M은 Sc, Y 또는 이들의 혼합물을 갖는 전이 금속으로부터 선택되며, 0.0001≤x≤0.0022 및 0.0001≤y≤0.0005이다.
이들 공식에 기초한 형광체 혼합물을 사용함으로써 3000 내지 4000K의 상관 색온도(CCT) 범위가 금속 나노입자와 함께 효율적으로 얻어질 수 있다. 동시에 500 나노미터와 700 나노미터 사이의 유효 대역폭을 갖는 따뜻한 백색광을 금속성 나노입자와 함께 효율적으로 얻을 수 있다.
일 실시 예에서, 황색 형광체, 녹색 형광체 및 적색 형광체는 중량비로 1:3:1 또는 중량비로 1:5:1의 비율로 혼합되도록 구성된다. 여기에서 설명한 비율로 황색 형광체, 녹색 형광체 및 적색 형광체를 혼합함으로써, 3000 내지 4000K의 상관 색온도(CCT)와 500 내지 700nm의 대역폭을 갖는 따뜻한 백색광이 효율적으로 얻어질 수 있다. 바람직하게는 적색 형광체 및 녹색 형광체의 중량 분율은 각각 2.8 내지 4.5% 및 14.0 내지 21.0%이다. 황색 형광체는 1.0 내지 4.0 중량%의 범위일 수 있다.
일 실시 예에서, 금속 나노입자는 은 나노입자, 금 나노입자, 은 코팅된 산화 아연 나노 육각형(nanohexagons) 또는 금 코팅된 산화아연 나노 육각형을 포함한다. 본 명세서에 기술된 금속 나노입자의 혼합물이 중합체 또는 형광체 혼합물에 첨가될 수 있음은 명백하다. 여기에 설명된 금속 나노입자는 은 나노입자(AgNPs) 또는 금 나노입자(AuNPs) 또는 은 코팅된 산화아연 나노 육각형(Ag@ZnO 나노 육각형) 또는 금 코팅된 산화아연 나노 육각형(Au@ZnO 나노 육각형)으로 약술될 수 있다. 이러한 금속 나노입자들은 특히 따뜻한 백색광의 원하는 범위에서 광 변환을 효과적으로 지지한다. 즉, 상기 표면 플라스몬 공명 현상은 형광체 혼합물과 함께 쉽게 실현할 수 있다. 또한, 여기서 설명된 금속 나노입자는 특히 비 독성 도펀트이며, 따라서 환경 친화적이다. 따라서, 예를 들어 카드뮴(Cd)을 갖는 양자점의 독성 효과를 피할 수 있다.
일 실시 예에서, 금속 나노입자의 직경은 바람직하게는 20 나노미터 내지 100 나노미터의 범위이다. 이 범위는 여기서 설명된 3000 - 4000 K 사이의 상관 색온도(CCT)와 500 nm - 700 nm 사이의 대역폭을 가진 따뜻한 백색광에 특히 적합하다.
일 실시 예에서, 상기 중합체는 2성분 중합체 또는 2성분 실리콘을 포함한다. 특히 상기 2성분 중합체 또는 2성분 실리콘을 사용함으로써, 2성분 중합체 또는 2성분 실리콘이 가교-결합 전에 장착 표면상에 쉽게 장착되거나 배열될 수 있기 때문에, 상기 장착 표면이 쉽게 피복될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 2성분 실리콘은 1.52 - 1.56 사이의 굴절률을 갖는 페닐 실리콘을 포함한다. 특히 페닐 실리콘은 노화와 관련하여 광학적 및 기계적 특성을 유지한다. 그러므로 형광체 장치의 효율은 기판의 장착 표면상에 장착되거나 배열된 그러한 높은 굴절률의 인캡슐런트(incapsulant)를 사용함으로써 증가될 수 있다. 이 물질은 특히 400 나노미터에서 700 나노미터 범위의 파장에서 안정적이다. 대안으로, 상기 2성분 실리콘은 메틸 실리콘 또는 페닐 및 메틸 실리콘의 혼합물을 포함할 수 있다. 본 명세서에 기술된 실리콘은 코팅하기 전에 적절한 용매에 의해 희석될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 기판은 폴리스티렌, 폴리(메틸 메타크릴레이트) 또는 폴리카보네이트를 포함한다. 이러한 투명 또는 반투명 기판은 특히 장기간의 사용시 황변에 대해 안정적이다. 대안으로, 경화형 실리콘이 인캡슐런트로서 사용될 수 있다. 경화형 실리콘이라는 용어는 각각 150-180 ℃ 사이의 열로 처리될 수 있는 2성분 및 가교 실리콘을 의미한다.
일 실시 예에서, 상기 중합체의 두께는 15 마이크로 미터 내지 20 마이크로 미터 사이이다. 용어 "두께"에서는, 형광체 혼합물 및 금속 나노입자를 갖는 중합체의 비스듬한 방향 특히 수직인 방향에서의 수직 범위가 이해되어야 한다. 이 두께 범위는 여기서 설명된 3000 - 4000 K 사이의 상관 색온도(CCT)와 500 nm - 700 nm 사이의 따뜻한 백색광을 얻기 위해 선택될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 금속 나노입자는 상기 형광체 혼합물 내에 균질하게 분포되며, 황색 형광체, 녹색 형광체 및 적색 형광체는 상기 형광체 혼합물 내에 균일하게 분포된다. 균질한 분포에 의해 상기 변환이 효율적으로 수행될 수 있다.
상기 형광체 장치의 특징들이 또한 상기 방법에 대해 개시되며 그 반대도 마찬가지이다.
본 발명 및 그 이점을 보다 완전하게 이해하기 위해, 첨부된 도면과 함께 다음의 설명이 참조될 수 있다. 본 발명은 도면의 개략적인 도면들에 특정된 예시적인 실시 예를 사용하여 보다 상세히 설명된다.
도 1은 본 출원에 따른 형광체 장치의 일 실시 예의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 2는 본 특허 출원에 따른 황색 형광체를 갖는 형광체 장치의 일 실시 예의 여기(excitation) 및 방출(emission) 스펙트럼의 그래픽 표현을 도시한다.
도 3은 본 특허 출원에 따른 적색 형광체를 갖는 형광체 장치의 일 실시 예의 여기 및 방출 스펙트럼의 그래픽 표현을 도시한다.
도 4는 본 특허 출원에 따른 녹색 형광체를 갖는 형광체 장치의 일 실시 예의 여기 및 방출 스펙트럼의 그래픽 표현을 도시한다.
도 5는 본 특허 출원에 따라 상이한 함량의 금속 나노입자에 따라 황색 형광체를 갖는 형광체 장치의 추가 실시 예들의 방출 스펙트럼의 그래픽 표현을 도시한다.
도 6은 본 특허 출원에 따라 상이한 여기 파장에서 검출된 황색 및 적색 형광체를 갖는 형광체 장치의 일 실시 예의 방출 스펙트럼의 그래픽 표현이다.
도 7은 본 특허 출원에 따라 상이한 여기 파장에서 검출된 황색 및 녹색 형광체를 갖는 형광체 장치의 일 실시 예의 방출 스펙트럼의 그래픽 표현을 도시한다.
도 8은 본 특허 출원에 따라 465 나노미터의 파장에서 여기 후에 측정된 금속 나노입자와 함께 황색, 녹색 및 적색 형광체를 갖는 형광체 장치의 일 실시 예의 여기 및 방출 스펙트럼의 그래픽 표현이다.
도 9는 본 특허 출원에 따른 방법의 실시 예의 흐름도를 도시한다.
도 1은 본 출원에 따른 형광체 장치의 일 실시 예의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 2는 본 특허 출원에 따른 황색 형광체를 갖는 형광체 장치의 일 실시 예의 여기(excitation) 및 방출(emission) 스펙트럼의 그래픽 표현을 도시한다.
도 3은 본 특허 출원에 따른 적색 형광체를 갖는 형광체 장치의 일 실시 예의 여기 및 방출 스펙트럼의 그래픽 표현을 도시한다.
도 4는 본 특허 출원에 따른 녹색 형광체를 갖는 형광체 장치의 일 실시 예의 여기 및 방출 스펙트럼의 그래픽 표현을 도시한다.
도 5는 본 특허 출원에 따라 상이한 함량의 금속 나노입자에 따라 황색 형광체를 갖는 형광체 장치의 추가 실시 예들의 방출 스펙트럼의 그래픽 표현을 도시한다.
도 6은 본 특허 출원에 따라 상이한 여기 파장에서 검출된 황색 및 적색 형광체를 갖는 형광체 장치의 일 실시 예의 방출 스펙트럼의 그래픽 표현이다.
도 7은 본 특허 출원에 따라 상이한 여기 파장에서 검출된 황색 및 녹색 형광체를 갖는 형광체 장치의 일 실시 예의 방출 스펙트럼의 그래픽 표현을 도시한다.
도 8은 본 특허 출원에 따라 465 나노미터의 파장에서 여기 후에 측정된 금속 나노입자와 함께 황색, 녹색 및 적색 형광체를 갖는 형광체 장치의 일 실시 예의 여기 및 방출 스펙트럼의 그래픽 표현이다.
도 9는 본 특허 출원에 따른 방법의 실시 예의 흐름도를 도시한다.
도 1은 광 변환을 위한, 특히 청색 광(B1)을 따뜻한 백색광(W1)으로 변환하기 위한 형광체 장치(30)의 일 실시 예의 개략적인 단면도를 도시한다. 형광체 장치(30)는 장착 표면(11)을 갖는 기판(10)을 포함한다. 또한, 형광체 장치(30)는 형광체 혼합물(21)을 갖는 중합체(20)를 포함한다. 중합체(20)는 장착 표면(11) 위에 장착, 배열 또는 위치된다. 형광체 혼합물(21)은 금속 나노입자(5)를 포함하며, 형광체 혼합물(21)은 황색 형광체(22), 녹색 형광체(23) 및 적색 형광체(24)를 포함하도록 구성될 수 있다. 금속 나노입자(5)의 함량은 중합체(20)의 1.5 내지 3.0 mmol/kg이다.
기판(10)은 투명하거나 반투명할 수 있다. 일 실시 예에서, 기판(10)은 폴리스티렌, 폴리(메틸 메타크릴레이트) 또는 폴리카보네이트를 포함한다. 이러한 투명 또는 반투명 기판은 특히 장기간의 사용시 황변에 대해 안정적이다. 기판(10)은 광을 산란시키기 위해 중합체(20)에 대해 반대 측면(12)이 예를 들어 실질적으로 평탄하거나 거칠게 될 수 있다. 형광체 혼합물(21) 및 금속 나노입자(5)를 갖는 중합체(20)는 예를 들어 가수분해 또는 현탁(suspension)에 의해 장착 표면(11) 상에 장착되거나 배열될 수 있다.
금속 나노입자(5)는 바람직하게는 형광체 혼합물(21) 내에 균질하게 분포되고, 황색 형광체(22), 녹색 형광체(23) 및 적색 형광체(24)는 바람직하게는 형광체 혼합물(21) 내에 균질하게 분포된다. 상기 균질한 분포에 의해 청색광(B1)의 따뜻한 백색광(W1)으로의 변환이 효율적으로 수행될 수 있다.
여기에서 설명된 형광체 혼합물(21)에 의해, 황색 형광체(22), 녹색 형광체(23) 및 적색 형광체(24)가 금속 나노입자(5)와 협력하여, 3000K - 4000K 사이의 상관 색 온도(CCT) 범위가 효율적으로 얻어질 수 있다. 동시에, 500 nm - 700 nm 사이의 유효 대역폭을 갖는 따뜻한 백색광(W1)이 얻어질 수 있다. 또한, 매우 높은 컬러 렌더링 인덱스(CRI > 95)가 달성될 수 있다.
금속 나노입자(5)는 은 나노입자, 금 나노입자, 은 코팅된 산화아연 나노 육각형 또는 금 코팅된 산화아연 나노 육각형을 포함한다. 환언하면, 형광체 혼합물(21)과 관련하여 금속 나노입자(5)의 표면 플라스몬 공명(surface plasmon resonance) 현상이 상기 언급된 전도성 금속에 의해 쉽게 실현될 수 있다. 또한, 여기서 설명된 금속 나노입자는 특히 독성이 없는 도펀트이므로 환경 친화적이다. 따라서, 예를 들어 카드뮴(Cd)을 가진 양자점의 독성 효과를 피할 수 있다.
황색 형광체(22), 녹색 형광체(23) 및 적색 형광체(24)는 중량비로 1:3:1 또는 중량비로 1:5:1의 비율로 혼합되도록 구성된다. 여기에서 설명한 비율로 황색 형광체(22), 녹색 형광체(23) 및 적색 형광체(24)를 혼합하면, 전술한 3000K ~ 4000K 사이의 상관 색온도(CCT)와 500 nm ~ 700 nm 사이의 대역폭을 가진 따뜻한 백색광이 효율적으로 얻어질 수 있다.
다음에 설명하는 여기 및 방출 스펙트럼은 폴리(메틸 메타크릴레이트) 또는 폴리카보네이트 기판을 사용하여 검출된다. 중합체(20)의 두께 또는 수직 연장은 15 마이크로미터 내지 20 마이크로미터이다. 중합체(20)의 재료로서 실리콘 또는 2 성분 실리콘이 선택될 수 있다.
도 2는 황색 형광체(22)를 가진 형광체 장치(30)의 일 실시 형태의 방출 스펙트럼(G2) 및 여기 스펙트럼(G1)의 그래픽 표현을 나타낸다. X 축은 파장(nm)을 나타내고 Y 축은 대응하는 개수(count)/105을 나타낸다.
방출 스펙트럼(G1)은 466 나노미터에서의 여기 후에 측정되었고, 여기 스펙트럼(G2)은 582 나노미터에서 측정되었다. 황색 형광체(22)는 150 나노미터 부근에서 유효 대역폭인 FWHM(full width at half maximum, 반치전폭)을 나타내었으며 이것은 파장 범위 510 - 660 나노미터 사이에 있다. 황색 형광체(22)는 152 나노미터의 스토크 시프트(Stoke's shift)를 나타냈다.
도 3은 적색 형광체(24)를 가진 형광체 장치(30)의 일 실시 형태의 방출 스펙트럼(G4) 및 여기 스펙트럼(G3)의 그래픽 표현을 나타낸다. X 축은 파장(nm)을 나타내고 Y 축은 대응하는 개수/106을 나타낸다.
방출 스펙트럼(G3)은 466 나노미터에서의 여기 후에 측정되었고, 여기 스펙트럼(G4)은 642 나노미터에서 측정되었다. 적색 형광체(24)는 100 나노미터 부근에서 FWHM을 나타내었으며 이것은 파장 범위 600 - 700 나노미터 사이에 있다. 적색 형광체(24)는 176 나노미터의 스토크 시프트(Stoke's shift)를 나타냈다.
도 4는 녹색 형광체(23)를 가진 형광체 장치(30)의 일 실시 형태의 방출 스펙트럼(G6) 및 여기 스펙트럼(G5)의 그래픽 표현을 나타낸다. X 축은 파장(nm)을 나타내고 Y 축은 대응하는 개수/106을 나타낸다.
방출 스펙트럼(G5)은 452 나노미터에서의 여기 후에 측정되었고, 여기 스펙트럼(G6)은 544 나노미터에서 측정되었다. 녹색 형광체(23)는 150 나노미터 부근에서 FWHM을 나타내었으며 이것은 파장 범위 470 - 620 나노미터 사이에 있다. 녹색 형광체(23)는 92 나노미터의 스토크 시프트(Stoke's shift)를 나타냈다.
도 5는 금속 나노입자(5)의 상이한 함량에 따라 황색 형광체(22)를 갖는 형광체 장치(30)의 추가 실시 형태들의 방출 스펙트럼(G5, G6, G7)의 그래픽 표현을 도시한다. X 축은 나노미터 단위의 파장을 나타내고 Y 축은 대응하는 개수/106을 나타낸다.
도 5는 금속 나노입자(5)의 상이한 함량에 따라 상이한 방출 스펙트럼(G5, G6, G7)을 나타낸다. 즉, 금속 나노입자(5) 함량 제로(방출 스펙트럼(G5) 참조), 중합체(20)의 1.5 mmol/kg의 금속 나노입자(5) 함량(방출 스펙트럼(G7) 참조) 및 중합체(20)의 3.0 mmol/kg의 금속 나노입자(5) 함량(방출 스펙트럼(G6) 참조). 여기서, 중합체(20) 내 금속 나노입자(5)의 존재는 금속 나노입자(5)가 없는 황색 형광체(22)에 비해 황색 형광체(22)의 방출 강도를 약 6.75배 향상시킨다. 도 5는 중합체(20)의 총 중량에 대한 금속 나노입자(5)의 최적 비율이 중합체(20)의 1.5 mmol/kg의 금속 나노입자(5)의 함량으로 주어지는 것이 바람직하다는 것을 보여준다.
도 6은 상이한 여기 파장들에서 검출된 황색 형광체(22) 및 적색 형광체(24)를 갖는 형광체 장치(30)의 일 실시 예의 방출 스펙트럼의 그래픽 표현을 도시한다. X 축은 나노미터 단위의 파장을 나타내고 Y 축은 대응하는 개수/106을 나타낸다.
방출 스펙트럼(G440, G450, G460, G465, G470)은 440, 450, 460, 465 및 470 nm에서 여기 될 때 금속 나노입자(5)와 함께 또는 오히려 금속 나노입자(5)가 도핑된 황색 형광체(22) 및 적색 형광체(24)를 포함하는 형광체 혼합물(21)을 기초로 측정되었다. 상용 GaN 기반 청색 LED의 유효 대역폭은 일반적으로 450-465 nm의 파장 범위 사이에 있다. 도 6에서 볼 수 있듯이, 실질적으로 520 나노미터와 650 나노미터 사이의 유효 대역폭을 갖는 따뜻한 백색광(W1)이 얻어질 수 있다.
도 7은 상이한 여기 파장들에서 검출된 황색 형광체(22) 및 녹색 형광체(23)를 갖는 형광체 장치(30)의 일 실시 예의 방출 스펙트럼의 그래픽 표현을 도시한다. X 축은 나노미터 단위의 파장을 나타내고 Y 축은 해당하는 개수/106을 나타낸다.
방출 스펙트럼(G440', G450', G460', G463', G465', G470')은 440, 450, 460, 463, 465 및 470 나노미터에서 여기 시 금속 나노입자(5)와 함께 또는 오히려 금속 나노입자(5)가 도핑된 황색 형광체(22) 및 녹색 형광체(23)를 포함하는 형광체 혼합물(21)을 기초로 측정되었다. 도 7A에서 알 수 있는 바와 같이, 방출 스펙트럼(G440', G450', G460', G463', G465', G470')은 상업적으로 이용 가능한 청색 LED의 범위를 커버한다.
도 8은 465 나노미터의 파장에서 여기 후 측정된, 금속 나노입자(5)와 함께 황색 형광체(22), 녹색 형광체(23) 및 적색 형광체(24)를 가진 형광체 장치(30)의 일 실시 예의 여기 스펙트럼(G8) 및 방출 스펙트럼(G9)의 그래픽 표현을 도시한다. X 축은 나노미터 단위의 파장을 나타내고 Y 축은 해당하는 개수/106을 나타낸다.
형광체 장치(30)는 각각 466 나노미터 및 618 나노미터의 여기 및 방출 최대 값을 나타낸다. 황색 형광체(22), 녹색 형광체(23) 및 적색 형광체(24)와 함께 금속 나노입자(5)가 도핑된 중합체는 파장 범위 면에서 500 나노미터 내지 700 나노미터 사이의 약 200 나노미터의 넓은 FWHM을 나타내었다. 따라서, 형광체 장치는 152 nm의 스토크 시프트를 나타냈다. 여기서 기술된 형광체 장치(30)에 의해 3000 - 4000 K 사이의 상관 색온도(CCT) 범위도 효율적으로 얻어질 수 있다.
도 9는 형광체 장치(30)를 제조하는 방법의 일 실시 예의 흐름도를 도시한다.
이 방법은 기판(10)의 장착 표면(11) 상에 형광체 혼합물(21)을 갖는 중합체(20)를 배열하는 제1 단계(S1)로 시작한다. 제2 단계(S2)는 형광체 혼합물(21) 내에 금속 나노입자(5)를 첨가하는 단계를 포함하며, 금속 나노입자(5)의 함량은 중합체(20)의 1.5 - 3.0 mmol/kg 범위이다. 이 방법은 형광체 혼합물(21) 및 금속 나노입자(5)를 중합체(20)와 가교-결합하여 기판(10)의 장착 표면(11)을 캡슐화하는 단계(S3)으로 끝난다.
본 명세서에서는 특정 실시 예가 도시되고 설명되었지만, 다양한 대체 및/또는 등가 구현이 존재함은 당업자에게 자명하다. 예시적인 실시 예 또는 예시적인 실시 예들은 단지 예일 뿐이며, 어떤 방식으로든 범위, 적용 가능성 또는 구성을 제한하는 것을 의도하지 않는다는 것을 이해해야 한다. 오히려, 전술한 요약 및 상세한 설명은 적어도 하나의 예시적인 실시 예를 구현하기 위한 편리한 로드맵을 당업자에게 제공할 것이지만, 첨부된 청구항 및 그들의 법적 균등물에 제시된 범위를 벗어나지 않고 예시적인 실시 예에 기술된 요소들의 기능 및 배열에서 다양한 변경이 가해질 수 있음을 이해해야 한다. 일반적으로, 본 출원은 본 명세서에서 논의된 특정 실시 예들의 임의의 개조 또는 변형을 포괄하도록 의도된다.
본 발명은 광 변환 특히 청색광을 백색광으로 변환하기 위한 형광체 장치(30)를 제공한다. 형광체 장치(30)는 장착 표면(11)을 갖는 기판(10)을 포함한다. 형광체 장치(30)는 형광체 혼합물(21)을 갖는 중합체(20)를 더 포함하며, 중합체(20)는 장착 표면(11) 상에 배열되고, 형광체 혼합물(21)은 금속 나노입자(5)를 포함하고, 금속 나노입자(5)의 함량은 중합체(20)의 1.5 내지 3.0 mmol/kg 범위이다. 본 발명은 또한 상응하는 방법을 제공한다.
5 : 금속성 나노입자
10 : 기판
11 : 장착 표면
12 : 반대 측면
20 : 중합체
21 : 형광체 혼합물
22 : 황색 형광체
23 : 녹색 형광체
24 : 적색 형광체
30 : 형광체 장치
G1-G9 : 그래프
G440, G450, G460, G465, G470 : 상이한 여기 시의 그래프
G440', G450', G460', G463', G465', G470' : 상이한 여기 시의 그래프
B1 : 청색 광
W1 : 따뜻한 백색 광
S1-S3 : 방법 단계들
10 : 기판
11 : 장착 표면
12 : 반대 측면
20 : 중합체
21 : 형광체 혼합물
22 : 황색 형광체
23 : 녹색 형광체
24 : 적색 형광체
30 : 형광체 장치
G1-G9 : 그래프
G440, G450, G460, G465, G470 : 상이한 여기 시의 그래프
G440', G450', G460', G463', G465', G470' : 상이한 여기 시의 그래프
B1 : 청색 광
W1 : 따뜻한 백색 광
S1-S3 : 방법 단계들
Claims (13)
- 광 변환을 위한 형광체 장치(30)로서,
장착 표면(11)을 갖는 기판(10); 및
형광체 혼합물(21)을 갖는 중합체(20);를 포함하며,
상기 중합체(20)는 상기 장착 표면(11) 상에 배열되고,
상기 형광체 혼합물(21)은 금속 나노입자(5)를 포함하며,
상기 금속 나노입자(5)의 함량은 상기 중합체(20)의 총 중량에 대해 1.5 - 3.0 mmol/kg의 비율로 주어지고,
상기 형광체 혼합물(21)은 황색 형광체(22), 녹색 형광체(23) 및 적색 형광체(24)를 포함하고,
형광체의 일반식은 상기 황색 형광체(22)에 대해서는 (YGd)3Al5O12:Ce, 상기 녹색 형광체(23)에 대해서는 Lu3Al5O12:Ce 및 상기 적색 형광체(24)에 대해서는 CaAlSiN3:Eu 인, 형광체 장치(30). - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
황색 형광체(22), 녹색 형광체(23) 및 적색 형광체(24)는 1:3:1의 중량비로 혼합되는, 형광체 장치(30). - 제 1 항에 있어서,
황색 형광체(22), 녹색 형광체(23) 및 적색 형광체(24)는 중량비로 1:5:1의 중량비로 혼합되는, 형광체 장치(30). - 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 나노입자(5)는 은 나노입자, 금 나노입자, 은 코팅된 산화아연 나노 육각형 또는 금 코팅된 산화아연 나노 육각형을 포함하는, 형광체 장치(30). - 제 5 항에 있어서,
상기 금속 나노입자(5)의 직경은 20 나노미터 내지 100 나노미터의 범위인, 형광체 장치(30). - 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중합체(20)는 2성분 중합체 또는 2성분 실리콘을 포함하는, 형광체 장치(30). - 제 7 항에 있어서,
상기 2성분 실리콘은 1.52 내지 1.56 사이의 굴절률을 갖는 페닐 실리콘을 포함하는, 형광체 장치(30). - 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판(10)은 폴리스티렌, 폴리(메틸 메타크릴레이트) 또는 폴리카보네이트를 포함하는, 형광체 장치(30). - 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중합체(20)의 두께는 15 내지 20 마이크로미터 범위인, 형광체 장치(30). - 형광체 장치(30)를 제조하는 방법으로서,
형광체 혼합물(21)을 갖는 중합체(20)를 기판(10)의 장착 표면(11) 상에 배열하는 단계(S1);
상기 형광체 혼합물(21)에 금속 나노입자(5)를 첨가하는 단계; 및
상기 중합체(20)를 상기 형광체 혼합물(21) 및 상기 금속 나노입자(5)와 가교 결합시킴으로써 상기 기판(10)의 장착 표면(11)을 피복하는 단계(S3);를 포함하며,
황색 형광체(22), 녹색 형광체(23) 및 적색 형광체(24)가 상기 형광체 혼합물(21) 내에 균질하게 분포되고,
형광체의 일반식은 상기 황색 형광체(22)에 대해서는 (YGd)3Al5O12:Ce, 상기 녹색 형광체(23)에 대해서는 Lu3Al5O12:Ce 및 상기 적색 형광체(24)에 대해서는 CaAlSiN3:Eu 이고,
상기 금속 나노입자(5)의 함량은 상기 중합체(20)의 총 중량에 대해 1.5 내지 3.0 mmol/kg의 비율로 주어지는, 형광체 장치(30)의 제조 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 금속 나노입자(5)가 상기 형광체 혼합물(21) 내에 균질하게 분포되는, 형광체 장치(30)의 제조 방법. - 삭제
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