KR102488528B1 - 무기질 바인더를 갖는 인광체 휠 - Google Patents

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Abstract

광 변환 소자가 개시된다. 상기 광 변환 소자는 기판 및 파장 변환 부재를 포함한다. 상기 파장 변환 부재는 규산 나트륨과 같은 무기질 바인더를 포함한다. 또한 인광체 휠, 및 인광체 휠과 같은 광 엔진이 개시된다. 약 60W 및 약 300W의 전력을 갖는 레이저 및 광 변환 소자를 포함하는 고-전력 레이저 시스템이 개시된다. 무기질 바인더의 사용은 타당한 비용으로 높은 열적 안정성을 가능하게 한다.

Description

무기질 바인더를 갖는 인광체 휠
본 기재는 투영 디스플레이 시스템 및 이러한 시스템에 사용되는, 인광체 휠과 같은 광학 광 변환 소자에 관한 것이다. 본 기재는 또한 고체 상태 소자 및 이에 의해 제공되는 조명에 관한 것이다. 상기 소자는 무기질 바인더를 사용하는 파장 변환 부재를 포함한다. 이들은 다른 파장의 광 또는 광의 다른 색상을 생산하는 광학 소자에서 사용된다.
인광체 휠은 디지털 광 처리(DLP) 기술을 사용한 투영-기반 또는 기타 사진 발생 시스템과 같은 다양한 광학 소자에 사용된다. 상기 인광체 휠은 모터에 연결되는 경우 회전자로서 작용하는 원통형 바디인 허브 부위를 포함한다. 광학적-활성 방사상 부위, 통상적으로 금속판 또는 기판은 허브 부위에 통합되거나 또는 부착된다. 광학적-활성 방사상 부위 상의 파장 변환 물질(인광체 들)은 입사 여기 광과 다른 파장의 방출 광을 발생시킨다. 블루 레이저 광원은 많은 레이저 투영기에서 통상적으로 사용된다.
고체-상태 조명은 열 방사 (예를 들어 백열 광) 또는 형광과 반대로 고체 상태 전기발광에 의해 방출된 광을 통상적으로 나타낸다. 고체-상태 광은 통상적으로 블루 광을 생산한다. 그러나, 다른 색상이 사용되거나 바람직할 수 있다.
인광체 과 같은 파장 변환 물질은 통상적으로 두 가지 방식 중 하나로 제공된다. 첫째, 인광체 -인-실리콘 제품에서, 상기 인광체 분말은 실리콘 바인더 또는 접착제 내로 혼합된 후, 원하는 패턴으로 디스펜스되거나 또는 인쇄된다. 실리콘 바인더는 그 고 투명성, 고 결합 강도, 낮은 굴절률 및 적합한 점도에 기인하여 인기가 있다. 예를 들어, 인기 있는 바인더 선택은 Dow Corning®에서 제작된 Dow Corning® OE-6336, 실리콘 접착제이며, 이는 1,425 centipoise (cP)의 혼합 점도, 450 nm 및 1mm 두께에서의 99.6%의 투명도, 1.4의 굴절률, 및 150℃에서 60분의 열 경화 시간을 갖는다.
그러나, 실리콘 바인더/접착제는 불량한 열적 안정성을 갖는다. 200℃ 초과의 온도에서, 실리콘 접착제는 분해될 것이며, 통상적으로 황변하기 시작하고 점진적으로 탄다. 이는 바람직하지 않게 인광체 휠의 짧은 서비스 수명을 초래하며, 열 소염(thermal quenching)에 기인하여 광 변환 효율이 가파르게 하락하는 것이 발견되었다(>10% @ 200℃). 또한 195℃ 초과의 온도에서의 인광체 휠에서, 상기 인광체 -인-실리콘 층은 약 1,000 시간 후 균열되는 것이 발견되었다. 약 185℃의 감소된 온도에서, 인광체 성능은 어떠한 균열 없이 20,000 시간 후 단지 10% 감소가 나타나는 것이 발견되었다. 고 휘도 적용(예를 들어, 300W까지의 레이저 전력)에서, 상기 인광체 휠의 온도는 일반적으로 200℃ 초과일 것으로 예상되며, 따라서 실리콘 접착제의 사용이 바람직하지 않도록 한다. 즉, 상기 인광체 -인-실리콘 생산물은 고-전력 레이저 투영기에서 긴 작업 수명을 달성할 수 없다. 이러한 생산물의 수명 시험에서, 안전한 작업 온도는 150℃ 아래로 조절되어야 한다는 점이 확립되었다. 따라서, 인광체 휠과 같은 광학 광 변환 소자를 위한 반사층으로서 또는 상부 상의 유기질 바인더(예를 들어, 실리콘)의 사용은 이러한 유기질 바인더의 온도 상한에 기인하여 바람직하지 않다.
둘째, 인광체 -인-세라믹 생산물에서, 인광체 은 세라믹 바인더와 혼합되며, 고체 인광체 -인-세라믹 생산물을 제조하기 위하여 소결된다. 인광체 -인-세라믹 생산물은 300℃까지의 우수한 작업 온도를 갖는다. 그러나, 소결 온도는 1000℃ 초과도 좋고, 결과로서 이러한 생산물은 또한 매우 값비싸다.
따라서, 효율 또는 작업 수명에서의 상당한 감소 없이 또는 기타 모든 상당한 파라미터 또는 성능 변화 없이 고-전력, 고-온 소스(예를 들어, 고-전력 레이저 투영 시스템)에서의 사용에 적합한 광 변환 소자를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 기재는 고-전력, 고-온 소스에 사용하기에 적합한 광학 광 변환 소자에 관한 것이다. 간략하게는, 무기질 바인더가 파장 변환 부재를 제조하기 위하여 인광체 과 함께 사용된다. 특정 구현예에서, 상기 무기질 바인더는 규산 나트륨이며, 이는 고-전력 광 시스템의 높은 작업 온도(예를 들어, 200℃ 초과)를 견딜 수 있다.
특정 구현예에서, 상기 파장 변환 부재는 무기질 바인더 및 인광체 (통상적으로 분말의 형태로)을 포함한다. 상기 기판은 고리형 디스크일 수 있다. 상기 고리형 디스크는 금속성 물질과 같은 반사 물질로 이루어질 수 있거나, 또는 비-금속성 물질 또는 반사 코팅을 갖는 복합 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 반사 물질/반사 코팅은 금속성 물질, 유전 물질 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
상기 무기질 바인더는 규산 나트륨일 수 있다. 상기 규산 나트륨에서 SiO2:Na2O의 비는 약 2:1 내지 약 3.75:1일 수 있다. 상기 파장 변환 부재에서 인광체 대 무기질 바인더의 중량비는 약 1:1 내지 약 5:1일 수 있다.
상기 무기질 바인더는 실질적으로 광학적으로 투명일 수 있다(예를 들어, 상기 무기질 바인더는 90% 및 98% 까지를 포함하여, 적어도 80%의 광 투과율을 가질 수 있음). 상기 무기질 바인더는 200℃ 초과의 온도를 견딜 수 있다. 상기 무기질 바인더는 노화 전에 적어도 100 psi(또는 더 높은)의 초기 결합 강도를 가질 수 있다. 상기 결합 강도는 고온 노화 시 점진적으로 저하될 것이다. 노화 후, 상기 결합 강도는 20 psi 초과이어야 한다. 상기 무기질 바인더는 약 100℃ 내지 약 500의 경화 온도를 가질 수 있다. 상기 무기질 바인더는 약 0 centipoise (cP) 내지 약 2000 cP의 점도를 가질 수 있다. 상기 파장 변환 부재는 약 0.05 millimeters (mm) 내지 약 0.3 mm의 두께를 가질 수 있다.
상기 광 변환 소자는 인광체 휠, 광 엔진, 자동차 헤드라이트 또는 기타 조명 기구에서 사용될 수 있다. 상기 인광체 휠은 상기 기판의 평면에 수직인 축의 둘레로 회전가능할 수 있다. 이 경우, 상기 어셈블리는 상기 축 둘레로 기판을 회전시키는 모터를 더욱 포함할 수 있다. 상기 광 엔진은 또한 상기 파장 변환 부재에 여기 파장의 광을 적용하도록 배열된 광원(예를 들어, 레이저-기반 조명 소스)를 포함할 수 있다.
본원의 다양한 구현예에는 또한 인광체 휠의 제조방법이 개시되며, 상기 방법은 무기질 바인더 및 인광체 을 포함하는 파장 변환 부재를 기판에 적용하는 단계를 포함한다.
상기 무기질 바인더는 특정 구현예에서 디스펜싱, 분무, 솔질, 또는 실크 인쇄에 의해 기판에 적용될 수 있다. 상기 무기질 바인더는 열적 경화 또는 혼성 경화 (열 및 UV 경화)에 의해 경화될 수 있다. 상기 무기질 바인더는 약 100℃ 내지 약 500℃의 온도에서 경화될 수 있고, 200℃ 초과의 온도를 견딜 수 있다.
또한, 본원의 다양한 구현예에서 다음을 포함하는 레이저 투영 디스플레이 시스템이 개시된다: 약 60W 내지 약 300W의 전력을 갖는 레이저; 및 광학 기판, 및 여기 파장의 광을 흡수하고 방출 파장의 광을 발생시키도록 구성되며, 무기질 바인더 및 인광체 을 포함하는 파장 변환 부재. 상기 무기질 바인더는 200℃ 초과의 온도를 견딜 수 있다.
본 기재의 상기 및 기타 비-한정적 특징이 이하에서 좀 더 구체적으로 기술된다.
다음은 도면에 대한 간략한 설명이며, 이는 한정 없이 본원에 기술된 예시적인 구현예를 기술할 목적으로 제시된다.
도 1a는 통상의 반사 인광체 휠의 평면도이다. 도 1b는 광학 경로를 나타내는 측면도이다.
도 2a는 통상의 투과 인광체 휠의 평면도이다. 도 2b는 광학 경로를 나타내는 측면도이다.
본원에 개시된 구성성분, 공정 및 장치는 첨부된 도면을 참고로 좀 더 잘 이해될 것이다. 이들 도면은 편의를 위하여 그리고 본 기재의 증명의 용이를 위하여 단지 개략적으로 나타낸 것으로서, 본 예시적인 구현예의 범위를 한정하기 위하여 정의되거나 및/또는 이들의 구성성분 또는 소자의 상대적 크기 또는 디멘전을 나타내기 위한 것이 아니다.
구체적인 용어가 명확성을 위하여 다음의 설명에서 사용되는 경우에도, 이러한 용어들은 단지 도면에서 설명을 위하여 선택된 구현예의 특정 구조를 나타내기 위한 것으로서, 본 기재의 범위를 한정하거나 또는 제한하고자 의도되지 않는다. 상기 도면 및 다음의 설명에서, 유사 참조 부호는 유사 기능의 구성성분을 지칭함이 이해되어야 한다.
단수 형태 "하나", "일" 및 "상기"는 맥락적으로 다르게 명시되지 않는 한, 복수의 참조를 포함한다.
본 명세서 및 청구항에서 사용된 바와 같이, 용어 "포함하는", "포괄하는", "갖는", "갖는다", "할 수 있다", "함유한다", 및 이들의 변형은 지시된 구성 요소/단계의 존재를 요구하며 다른 구성 요소/단계의 존재를 허용하는 개방형-단부의 전이 어구, 용어 또는 단어로 의도된다. 그러나, 이러한 설명은 그로부터 귀결될 수 있는 어떠한 불가피한 불순물과 함께, 단지 지칭된 구성 요소/단계의 존재를 허용하며, 다른 구성 요소/단계들을 배제하는, 열거된 구성 요소/단계들로 "구성되는" 및 "필수적으로 구성되는"과 같은 조성물 또는 공정을 기술함으로써 구상되어야 한다.
본원의 명세서 및 청구항에서 수치는 값을 결정하기 위하여 본원에서 기술된 타입의 종래의 측정 기술의 실험적 오류 미만으로 표시 값과 다른 수치 및 동일한 수의 유효 숫자로 감소되는 경우 동일한 수치를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본원에 개시된 모든 범위는 개시된 끝점 및 독립적인 조합을 포함한다(예를 들어, "2 grams 내지 10 grams"의 범위는 끝점, 2 grams 및 10 grams, 및 모든 중간 값들을 포함함).
용어 "약" 및 "대략"은 값의 기본 기능을 변화시키지 않고 변할 수 있는 모든 수치를 포함하는 것으로 사용될 수 있다. 범위로 사용되는 경우, "약" 및 "대략"은 또한 두 개의 끝점의 절대 값에 의해 한정된 범위를 기술하며, 예를 들어 "약 2 내지 약 4"는 또한 범위 "2로부터 4까지"의 범위를 기술한다. 일반적으로, 용어 "약" 및 "대략"은 지시된 수의 플러스 또는 마이너스 10%를 나타낼 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "여기 광" 및 "여기 파장"은 연이어 변환되는 입력 광을 나타내며, 예를 들어, 레이저-기반 조명 소스 또는 기타 광원에 의해 생산된 광을 나타낸다. 용어 "방출 광" 및 "방출 파장"은 변환된 광, 예를 들어 여기 광에 노출되는 인광체 에 의해 생산된 결과적인 광을 나타낸다.
참고를 위하여, 레드 색상은 통상적으로 약 780 nanometers 내지 약 622 nanometers의 파장을 갖는 광을 나타낸다. 그린 색상은 통상적으로 약 577 nanometers 내지 약 492 nanometers의 파장을 갖는 광을 나타낸다. 블루 색상은 통상적으로 약 492 nanometers 내지 약 455 nanometers의 파장을 갖는 광을 나타낸다. 옐로우 색상은 통상적으로 약 597 nanometers 내지 약 577 nanometers의 파장을 갖는 광을 나타낸다. 그러나, 이는 맥락에 의존할 수 있다. 예를 들어, 이들 색상은 각각 이들 부분을 구별하고 다양한 부분을 표시하기 위하여 때로 사용된다.
본 기재는 인광체 휠과 같은 광 변환 소자에 관한 것으로, 이는 실리콘 바인더보다 나은 열적 성질을 제공하나, 세라믹 바인더보다 비용에서 훨씬 저렴한 무기질 바인더를 사용한다.
인광체 휠은 다른 색상의 광을 연속적으로 발생시키는데 사용된다. 인광체 과 같은 광 변환(또는 파장 변환) 물질은 인광체 휠 상에서 사용된다. 상기 인광체 휠은 일반적으로 여기 광을 그린, 옐로우 또는 레드 색상으로 변환시키기 위하여 다른 타입의 인광체 을 함유하는 일부 팬 세그먼트를 갖는다. 통상적으로, 블루 광 레이저 (약 440 nm 내지 약 460 nm의 파장을 갖는)는 인광체 휠 상에 인광체 세그먼트를 여기시키는데 사용된다. 상기 인광체 휠은 또한 비변환을 통해서 블루 소스 광을 통과시키기 위한 하나 이상의 갭을 가질 수 있다. 인광체 휠은 다음의 두 가지 기본 구조를 갖는다: 반사 및 투과.
반사 인광체 휠에서, 블루 광 레이저의 여기 광은 인광체 을 유도하기 전에 기판을 통해서 통과하지 않는다. 도 1a 및 도 1b는 반사 인광체 휠의 전형적인 구조를 나타낸다. 인광체 분말은 기판(112) 상에 증착된 인광체 혼합물을 제조하기 위하여 바인더와 혼합된다. 일부 구현예에서, 상기 기판은 선택적이다.
존재하는 경우, 인광체 휠의 기판은 전형적으로 높은 열전도성을 갖는 금속, 예를 들어, 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 구리 또는 구리 합금, 또는 높은 열 전도성을 갖는 또 다른 금속이다. 상기 기판은 또한, 예를 들어, 유리, 사파이어 또는 다이아몬드로 이루어질 수 있다. 상기 기판은 원하는 경우, 경면(mirrored) 또는 반사 코팅을 포함할 수 있거나, 또는 반사 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 반사 물질/반사 코팅은 금속성 물질, 유전체 물질 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 금속성 물질의 예는 기존에 확인된 금속 및 금속 합금을 포함한다. 유전체 물질의 예는 불화 마그네슘, 이산화 규소, 오산화 탄탈럼, 황화 아연, 및 이산화 티탄을 포함한다.
구체화된 또는 바람직한 온도에서의 경화 후, 상기 인광체 혼합물은 기판에 타이트하게 결합된 파장 변환 부재(111)의 형태로 있다. 도 1a에 나타낸 바와 같이, 세 가지의 파장 변환 부재가 존재한다: 그린 세그먼트(111a), 레드 세그먼트(111b), 및 옐로우 세그먼트(111c). 이들 세 가지의 세그먼트는 원형(평면도에서) 기판(112) 의 주변부 상에 위치된다. 여기서 블루 여기 광에 대한 세그먼트는 도시되지 않았으며, 이는 기판을 통해서 통과하며 반사되지 않는다. 도 1b에 나타낸 바와 같이, 상기 기판(112)은 다음으로 모터(113)에 장착되어 인광체 휠(110)을 얻는다. 인광체 휠에서, 상기 기판은 사용 시 회전된다. 상기 기판은 고정(즉, 고착된(fixed), 비-회전) 구조에서 사용될 수 있는 것으로 고려된다. 예를 들어, 상기 파장 변환 부재는 히트 싱크로서 작용하는 기판에 직접 결합될 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 기판(112)이 축 A-A에 대해서 회전되므로, 여기 블루 광(114)은 레드 및 그린 인광체 (111)을 유도하고, 방출 광(114b)은 기판(112)에 의해 반사된 다음, 연속적인 광학 시스템에 의해 수집된다. 상기 방식으로, 상기 여기 광은 인광체 을 유도하고 방출된 광을 얻기 위하여 기판을 통해서 통과하지 않는다.
제2타입의 인광체 휠은 투과 인광체 휠이다. 투과 인광체 휠에서, 상기 여기 광은 인광체 을 유도하기 전에 기판을 통해서 통과한다. 도 2a 및 도 2b는 전형적인 투과 인광체 휠 구조를 나타낸다. 또 다시, 세 개의 파장 변환 부재(211)가 여기에 예시된다: 그린 세그먼트(211a), 레드 세그먼트(211b), 및 옐로우 세그먼트(211c). 그러나, 반사 기판 대신에, 투과 인광체 휠에서, 상기 전체 기판(212)은 블루 이색성 필름으로 코팅된 투명 기판이다. 일반적으로, 유리, 다이아몬드 또는 사파이어는 기판 물질로서 사용된다. 블루 광은 기판을 통해서 통과할 수 있는 한편, 인광체 에 의해 방출된 레드, 그린, 및 옐로우(RGY) 광은 반사된다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 여기 블루 광(214a)은 먼저 기판을 통과하고(즉, 인광체 휠의 백사이드로부터 투과됨), 다음 인광체 (211)을 유도한다. 상기 방출 광(214b)은 계속적인 광학 시스템에 의해 수집된다.
변환 광 출력, 색상 및 수명과 같은 일부 성능 특성은 작업 온도의 직접적인 함수이다. 좀 더 높은 작업 온도에서, 상기 전환 광 출력은 감소될 수 있으며, 색상은 시프트될 수 있으며, 인광체 휠의 수명은 감소될 수 있다. 일반적인 작업 조건 하에서, 대략 50%-60%의 입력 전력이 열로서 출력되는 한편, 입력 전력의 나머지는 광으로 변환된다. 높은 입력 전력에서, 변환 시 열 발생은 200℃ 초과의 높은 온도를 야기할 것이다.
파장 변환 부재를 제조하기 위한 인광체 을 위한 바람직한 바인더는 수 개의 성질의 조합을 이상적으로 가져야 한다. 상기 바인더는 가시 파장에서 높은 투명도; 낮은 굴절률; 높은 결합 강도; 높은 열적 안정성(즉, 높은 Tg 또는 최대 작업 온도); 상대적으로 낮은 경화/소결 온도; 우수한 상용성/인광체 과의 혼화성; 및/또는 바람직한 점도를 가져야 한다. 이는 165℃ 내지 300℃의 온도에서 인광체 휠의 열적 내구성을 향상시킬 것이다.
본 기재에서, 인광체 휠의 인광체 세그먼트와 같은 파장 변환 부재는 인광체 및 무기질 바인더를 포함한다. 용어 "무기질"은 바인더가 어떠한 탄소도 함유하지 않음을 의미한다.
상기 파장 변환 부재는 또한 하나 이상의 필러, 하나 이상의 무기질 물질 및 하나 이상의 분산제를 포함할 수 있다.
상기 무기질 물질에 필러의 첨가는 무기질 바인더의 결합 강도를 향상시킨다. 특히, 필러의 첨가는 파장 변환 부재를 제조하는데 사용되는 조성물의 수축률을 감소시킬 수 있으며, 이는 응고 시 버블 또는 균열의 형성을 방지하거나 줄임으로써 상기 조성물의 결합 강도를 향상시키고 사용 시 응력의 양 및/또는 효과를 감소시킨다. 상기 필러는 가능한 한 무기질 물질의 열팽창계수와 가까운(예를 들어, 실질적으로 동일한(substantially equivalent)) 열팽창계수를 갖도록 선택될 수 있다. 유사하게, 성층(stratification)을 방지하기 위하여, 상기 필러는 가능한 한 가까운(예를 들어, 무기질 물질의 밀도와 실질적으로 균등하게) 밀도를 갖도록 선택될 수 있다. 상기 필러는 입상, 플레이키(flaky) 또는 섬유 형상과 같은 원하는 형상을 가질 수 있다. 모든 적합한 필러가 사용될 수 있다. 예를 들어, 구체적으로 필러는 실리카, 규산염, 알루미늄산염, 또는 인산염, 또는 다이아몬드 분말일 수 있는 것으로 고려된다. 상기 필러는 알루미늄, 구리, 은, 또는 금 분말과 같은 금속 분말일 수 있다. 상기 필러는 알루미늄 질화물 또는 보라존(borazon)과 같은 질화물일 수 있다. 상기 필러는 알루미늄 산화물 또는 붕소 산화물과 같은 산화물일 수 있다. 상기 필러는 금속 산화물, 금속 질화물 또는 금속 황화물일 수 있다.
분산제의 첨가는 바인더를 통해 필러를 분산시키는데 유익하며, 따라서 원하지 않는 응집(aggregation) 또는 퇴적(sedimentation)을 방지한다. 모든 적합한 분산제가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 분산제는 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴레이트, 젤라틴, 폴리비닐 알코올, 셀룰로오스, 스티렌-코-말레산 무수물, 또는 리그노술폰산염과 같은 유기 분산제일 수 있는 것으로 특히 고려된다. 특히, 대안적으로 상기 분산제는 헥사메타인산염, 규산염, 폴리인산염, 또는 흄 실리카(fumed silica)와 같은, 무기질 분산제일 수 있는 것으로 고려된다.
바람직하게는, 상기 무기질 바인더는 약 0.5 내지 약 25 ppm/℃의 열팽창계수 (CTE)를 갖는다. 특정 구현예에서, 상기 무기질 바인더는 규산 나트륨이다. 규산 나트륨은 식 (Na2SiO3)n의 화합물의 보통 명칭이며, 하기 화학식 2에 나타낸 바와 같은, 폴리머로 대안적으로 고려될 수 있다.
(화학식 1)
Figure 112020038767445-pct00001
규산 나트륨은 무수물 형태 및 수화된 형태 Na2SiO3·nH2O 모두를 가질 수 있으며, 여기서 n = 5, 6, 8, 또는 9이다. 규산 나트륨은 이산화 규소 (SiO2) 내지 산화 나트륨 (Na2O)의 중량비에 의해 특성화될 수 있다. SiO2:Na2O의 중량비는 2:1 내지 3.75:1로 변할 수 있다. 특정 구현예에서, SiO2:Na2O의 중량비는 약 2.5:1 내지 약 3.75:1, 또는 약 2:1 내지 약 3:1이다. 규산 나트륨은 통상적으로 수용액으로서 제공된다.
다른 구현예에서, 상기 무기질 바인더는 규산 나트륨 이외의 기타 무기질 물질로 이루어질 수 있다. 이들 무기질 물질은 규산염, 알루미늄산염, 인산염, 붕산염, 또는 무기질 졸-겔일 수 있다. 무기질 졸-겔의 예는 이산화 규소 (SiO2) 또는 알루미늄 산화물 (Al2O3)로 이루어진 졸-겔을 포함한다.
상기 인광체 및 무기질 바인더는 전형적으로 함께 혼합되어 페이스트를 형성한 후 원하는 영역에서 기판에 적용된다. 인광체 대 무기질 바인더의 중량비는 약 1:1 내지 약 5:1이며, 즉, 약 1:1 내지 약 3:1 및 약 1:1 내지 약 2:1을 포함하는, 무기질 바인더보다 인광체 이 좀 더 많을 수 있다.
상기 페이스트의 적용이 다음으로, 예를 들어, 페이스트의 디스펜싱, 분무, 솔질, 또는 실크 인쇄에 의해 수행될 수 있다. 상기 페이스트가 디스펜싱 또는 실크 인쇄에 의해 적용되는 적용에서, 상기 페이스트는 약 0 내지 약 2,000 cP, 또는 약 100 cP 내지 약 2,000 cP), 약 0 내지 약 2,500 cP, 또는 약 100 cP 내지 약 2,500 cP를 포함하는 약 0 내지 약 5,000 centipoise (cP)의 적합한 점도를 가져야 한다. 상기 점도는 ASTM D1084에 따른 Brookfield DVE SLVTJ0 점도계를 사용하여 측정된다. 상기 무기질 바인더는 그 자체로(즉, 인광체 없이) 또한 약 0 내지 약 2,000 cP, 또는 약 100 cP 내지 약 800 cP를 포함하는 약 0 내지 약 5,000 centipoise (cP)의 적합한 점도를 가질 수 있다.
상기 페이스트는 다음으로 경화되어 파장 변환 부재를 얻는다. 상기 경화는 약 100℃ 내지 약 500℃의 온도에서 열 경화에 의해 수행될 수 있으며, 이는 통상적인 실리콘 접착제보다 낮다.
결과적인 파장 변환 부재는 통상적으로 약 0.05 mm 내지 약 0.3 mm의 두께를 가질 수 있다. 상기 두께는 도 1a에서 축 A-A의 방향으로 측정된다.
바람직하게는, 상기 무기질 바인더는 실질적으로 광학적으로 투명하다(상기 무기질 바인더는 90% 및 최대 98%를 포함하는, 적어도 80%의 광 투과율을 갖는다). 이는 약 0.1 내지 약 0.2 millimeters의 두께에서 예를 들어, Perkin-Elmer로부터 입수 가능한 Lambda 950 분광광도계를 사용하여 측정된다. 반면, 많은 무기질 바인더는 불투명하다. 이는 무기질 바인더가 투과 또는 반사 인광체 휠에서 사용되는 것을 가능하게 한다.
특정 구현예에서, 상기 무기질 바인더는 기판에 코팅 적용되거나 또는 반사층에 적용될 수 있다. 상기 반사층은 이전에 기술되었으며, 금속성 물질, 유전체 물질 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
유전체 미러가 공지되어 있다. 상기 반사층이 금속성 물질인 경우, 이는 기판을 제조하는데 사용되는 금속과 다른 금속으로 일반적으로 이루어진다.
추가적인 구현예에서, 평활층(smoothing layer)이 파장 변환 부재 상에 적용될 수 있다. 상기 평활층은 최종 소자에 손상을 미칠 수 있는 폴리싱과 같은 기계적 공정의 사용 없이, 최종 소자의 표면 거칠기를 감소시키는 기능을 한다. 이는 산란을 감소시키고, 파장 변환의 효율을 증가시키며, 원하는 방향으로 결과적인 광을 향하게하는 능력을 향상시킨다. 상기 평활층은 폴리머일 수 있으며, 또는 텅스텐, 니켈 또는 코발트와 같은 금속; 또는 붕소 탄화물 또는 실리콘 탄화물과 같은 탄화물과 같은 물질로 이루어질 수 있다.
추가적인 상부 코팅은 소자에 또한 적용될 수 있다. 이러한 코팅은 다양한 적용을 위하여 바람직한 바와 같이, 투명성, 반사-방지, 또는 분광학적으로 선택적 코팅일 수 있다.
이러한 층/코팅의 모든 조합이 존재할 수 있는 것으로 고려된다. 예를 들어, 본 기재에 따른 인광체 휠은 기판, 상기 기판에 적용된 반사 코팅, 상기 반사 코팅 상에 적용된 파장 변환 부재, 상기 무기질 바인더의 상부 상에 적용된 평활층, 및 상기 평활층 상에 적용된 상부 코팅을 갖도록 디자인될 수 있다.
상기 무기질 바인더, 특히 규산 나트륨은 통상의 실리콘 접착제보다 큰 결합 강도를 나타낼 수 있다. 특정 구현예에서, 본 기재의 무기질 바인더는 적어도 100 psi, 또는 적어도 200 psi, 또는 from 약 100 psi 내지 약 600 psi의 초기 결합 강도를 가질 수 있다. 상기 성질은 0.1 mm의 두께 및 169 square mm의 결합 영역에서, 상기 접착제가 적용되는 최대 온도, 예를 들어, 300℃에서 두 개의 플레이트 사이에 위치된 무기질 바인더를 갖는 두 개의 알루미늄 시험 플레이트를 사용하여 측정된다.
무기질 물질이 일반적으로 장-기간 안정성이 있으므로 따라서 이러한 소자들의 성능은 시간에 따라 크게 필수적으로 저하되는 것은 아님을 발견하였다. 또한, 유기질 물질은 높은 작업 온도에서 일부 탈기체를 나타낼 수 있다. 이는 광학 소자에서 부근 구성성분의 오염으로 귀결될 수 있다. 추가적으로, 무기질 바인더는 고 전력 조건에서 전형적인 실리콘 물질보다 좀 더 내구성을 가질 수 있다. 이들은 높은 레이저 조사 및 온도 하에 신뢰할만한 작업을 나타낸다. 이들은 또한 다양한 크기, 형상 및 두께로 유연하게(flexibly) 제조될 수 있다. 본 기재의 무기질 바인더는 또한 높은 작업 온도, 즉, 200℃ 초과의 작업 온도를 견딜 수 있다. 이들은 고체-상태 레이저 투영기가 100 watts 초과를 포함하는, 약 60 watts 내지 약 300 watts의 레이저 전력으로 설비될 수 있는 고-전력 레이저 투영 디스플레이 시스템에 사용될 수 있다. 이러한 소자의 작업 온도는 높은 발광 휘도를 가능하게 하는 200℃ 초과에 이를 수 있다.
상기 무기질 바인더는 인광체 휠 및 레이저 투영 디스플레이 시스템에서 사용될 수 있는 것으로 고려된다. 이들은 또한 고체-상태 조명 소스와 함께, 예를 들어, 자동차 헤드라이트와 함께 사용될 수 있다.
다음의 실시예는 본 기재의 공정을 예시하기 위하여 제공된다. 상기 실시예는 단지 예시를 위한 것으로서 본원에 설명된 물질, 조건 또는 공정 파라미터에 대한 개시를 제한하는 것으로 필수적으로 의도되지 않는다.
실시예
실시예 1
규산 나트륨이 인광체 휠에서 인광체 을 갖는 무기질 바인더로서 사용되었다. 상기 무기질 바인더는 2.5:1의 SiO2:Na2O의 중량비를 가졌다. 상기 무기질 바인더는 단독으로(즉, 순수하게) 600 cP의 점도를 가졌다. 상기 페이스트의 점도는 상기 무기질 바인더와 인광체 을 조합함으로써 형성되었다. 상기 페이스트는 500 psi의 초기 강도를 가졌다. 다음으로, 상기 페이스트는 200℃에서 4시간 동안 경화되었다. 다음으로, 상기 인광체 휠이 시험되었다. 상기 인광체 세그먼트는 300℃까지 열적으로 안정하였고, 98%의 광 투과율을 가졌다.
무기질 바인더로서 규산 나트륨을 사용한 상기 인광체 휠의 방출 광 효율은 유기 실리콘 바인더를 사용한 인광체 휠과 대조되었다(즉, 비교예). 상기 신규 인광체 휠은 대조예보다 단지 3% 낮은 효율을 가졌다.
실시예 2
규산염이 인광체 휠에서 인광체 을 갖는 무기질 바인더로서 사용되었다. 상기 무기질 바인더는 단독으로(즉, 순수하게) 200 cP의 점도를 가졌다. 상기 인광체 과 조합함으로써 형성된 페이스트의 점도는 1500 cP였다. 상기 페이스트는 200 psi의 초기 결합 강도를 가졌다. 다음으로, 상기 페이스트는 85℃에서 0.3 시간 다음으로 185℃에서 0.75 시간 동안 경화되었다. 다음으로, 상기 인광체 휠이 시험되었다. 상기 인광체 세그먼트는 400℃까지 열적으로 안정하였고, 98%의 광 투과율을 가졌다. 상기 신규 인광체 휠의 방출 광 효율은 비교예보다 단지 4% 낮았다.
실시예 3
하나의 예시적인 구현예에서, 상기 무기질 바인더에서 사용된 무기질 물질은 제1 및 제2의 구성성분으로부터 형성되었다. 사용된 무기질 물질의 용존 고용물 총량(TDS) 특성은 다음의 표에 제공된다:
Figure 112020038767445-pct00002
상기 무기질 물질은 제1의 구성성분 및 제2의 구성성분을 혼합하고, 약 25 내지 약 30 ℃의 온도에서 약 2 내지 약 3 시간의 기간 동안 교반하여 제조되었다. 상기 제1의 구성성분 대 제2의 구성성분의 비는 약 1:1 내지 약 7:3이었다.
다음, 상기 무기질 바인더는 필러 및 분산제를 상기 무기질 물질에 첨가하여 제조되었다. 상기 무기질 바인더는 단계별 공정으로 경화되었다. 상기 제1의 경화 단계는 약 60 내지 약 90 ℃의 온도에서 약 0.2 내지 약 1 시간의 기간 동안 수행되었다. 상기 제2의 경화 단계는 약 150 내지 약 200 ℃의 온도에서 약 0.4 내지 약 2 시간의 기간 동안 연속적으로 수행되었다. 상기 경화된 무기질 바인더는 무기질 바인더의 높은 온도 저항에 기인하여 최대 적용 온도에서 우수한 결합 강도를 나타내는 것으로 보여졌다.
본 기재는 예시적인 구현예를 참고로 기술되었다. 변형 및 변경이 전술한 상세한 설명을 이해하고 읽으면서 다른 부분에서 일어날 것이다. 본 기재는 첨부된 청구항 또는 균등물의 범위 내의 이러한 모든 변형 및 변경을 포함하는 것으로 고려되는 것으로 의도된다.

Claims (19)

  1. 인광체 휠로서,
    여기 파장의 광을 흡수하고 방출 파장의 광을 발생시키도록 구성된 파장 변환 부재를 포함하며, 상기 파장 변환 부재는 무기질 바인더 및 인광체를 포함하며, 여기서 상기 무기질 바인더는 무기질 물질, 필러 및 분산제를 포함하며, 여기서 상기 필러는 무기질 물질의 열팽창계수와 실질적으로 동일한(substantially equivalent) 열팽창계수를 가지며, 여기서 상기 무기질 물질의 열팽창계수는 약 0.5 내지 약 25ppm/℃이고, 여기서 상기 필러는 무기질 물질의 밀도와 실질적으로 동일한 밀도를 갖는 인광체 휠.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 무기질 물질은 규산염, 알루미늄산염, 인산염, 붕산염, 또는 무기질 졸-겔로 이루어진 군으로부터 선택되며;
    상기 필러는 실리카, 규산염, 알루미늄산염, 인산염, 다이아몬드 분말, 금속 분말, 질화물, 산화물, 및 금속 황화물로 이루어진 군으로부터 선택되며;
    상기 분산제는 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴레이트, 젤라틴, 폴리비닐 알코올, 셀룰로오스, 스티렌-코-말레산 무수물, 및 리그노술폰산염으로 이루어진 군으로부터 선택된 유기 분산제이거나; 또는 상기 분산제는 헥사메타인산염, 규산염, 폴리인산염, 또는 흄 실리카(fumed silica)로 이루어진 군으로부터 선택된 무기질 분산제인, 인광체 휠.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 무기질 바인더는 약 2:1 내지 약 3.75:1의 SiO2:Na2O의 중량비를 갖는 규산 나트륨을 포함하는, 인광체 휠.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 무기질 물질은 제1 및 제2 구성성분으로부터 형성되며; 여기서:
    상기 제1 구성성분은 1 내지 50 mPa·sec의 점도, 0.8 내지 1.3 g/㎤의 밀도 및 10% 초과의 고체 함량을 가지며; 그리고
    상기 제2 구성성분은 0 내지 50 mPa·sec의 점도, 0.6 내지 1.0 g/㎤의 밀도 및 10% 초과의 고체 함량을 갖는 인광체 휠.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 인광체 대 무기질 바인더의 중량비는 약 1:1 내지 약 5:1인 인광체 휠.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 무기질 바인더는 실질적으로 광학적으로 투명한 인광체 휠.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 무기질 바인더는 적어도 80%의 광 투과율을 갖는 인광체 휠.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 무기질 바인더는 200℃ 초과의 온도를 견딜 수 있거나 또는 상기 무기질 바인더는 약 100℃ 내지 약 500℃의 경화 온도를 갖는 인광체 휠.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 무기질 바인더는 적어도 100 psi의 결합 강도를 갖는 인광체 휠.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 인광체 휠은 파장 변환 부재가 장착된 기판을 더욱 포함하며, 여기서 상기 기판은 디스크 형상이며, 그리고 상기 인광체 휠은 상기 기판에 수직인 축 둘레로 기판을 회전시키도록 배열된 모터를 더욱 포함하는, 인광체 휠.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 무기질 바인더는 약 0 cP 내지 약 2,000 cP의 점도를 갖는 인광체 휠.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 파장 변환 부재는 약 0.05 mm 내지 약 3 mm의 두께를 갖는 인광체 휠.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 파장 변환 부재 상에 배치된 평활층을 더욱 포함하는 인광체 휠.
  14. 광 엔진으로서,
    청구항 1의 인광체 휠; 및
    상기 인광체 휠의 파장 전환 부재를 상기 여기 파장의 광에 노출시키도록 배열된 광원을 포함하는 광 엔진.
  15. 인광체 휠의 제조방법으로서,
    무기질 바인더 및 인광체를 포함하는 파장 변환 부재를 기판에 적용하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 무기질 바인더는 무기질 물질, 필러 및 분산제를 포함하며, 상기 필러는 무기질 물질의 열팽창계수와 실질적으로 동일한 열팽창계수를 가지며, 여기서 상기 무기질 물질의 열팽창계수는 약 0.5 내지 약 25ppm/℃이고, 여기서 상기 필러는 무기질 물질의 밀도와 실질적으로 동일한 밀도를 갖는, 인광체 휠의 제조방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 파장 변환 부재는 디스펜싱, 분무, 솔질, 또는 실크 인쇄에 의해 기판에 적용되는 인광체 휠의 제조방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 무기질 바인더를 약 100℃ 내지 약 500℃의 온도에서 경화시키는 단계를 더욱 포함하는 인광체 휠의 제조방법.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 기판에 수직인 축 둘레로 기판을 회전시키도록 모터를 배열하는 단계를 더욱 포함하는, 인광체 휠의 제조방법.
  19. 청구항 15에 있어서,
    상기 무기질 물질은 규산염, 알루미늄산염, 인산염, 붕산염, 또는 무기질 졸-겔로 이루어진 군으로부터 선택되며;
    상기 필러는 실리카, 규산염, 알루미늄산염, 인산염, 다이아몬드 분말, 금속 분말, 질화물, 산화물, 및 금속 황화물로 이루어진 군으로부터 선택되며;
    상기 분산제는 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴레이트, 젤라틴, 폴리비닐 알코올, 셀룰로오스, 스티렌-코-말레산 무수물, 및 리그노술폰산염로 이루어진 군으로부터 선택된 유기 분산제이거나; 또는 상기 분산제는 헥사메타인산염, 규산염, 폴리인산염, 또는 흄 실리카(fumed silica)로 이루어진 군으로부터 선택된 무기질 분산제인, 인광체 휠의 제조방법.
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