KR102495967B1 - 파장 변환 발광 디바이스 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예들에 따른 방법에서, 발광 다이오드에 의해 생성되어 호스트 재료 및 도펀트를 포함하는 형광체를 포함하는 형광체 층에 의해 변환되는 미리 결정된 양의 광에 대해, 그리고 증가하는 여기 밀도에서의 형광체의 효율의 미리 결정된 최대 감소(즉, 최대 허용된 감쇠)에 대해, 형광체 층의 최대 도펀트 농도가 선택된다.
Description
본 발명은 발광 다이오드들과 같은 파장 변환 발광 디바이스들에 관한 것이다.
발광 다이오드들(LED들), 공진 캐비티 발광 다이오드들(RCLED들), 수직 캐비티 레이저 다이오드들(VCSEL들), 및 에지 방출 레이저들을 포함하는 반도체 발광 디바이스들은 현재 가용한 가장 효율적인 광원들 중 하나이다. 가시 스펙트럼에 걸쳐 동작할 수 있는 고 휘도 발광 디바이스들의 제조에서 현재 관심 있는 재료 계들은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체들, 특히 Ⅲ-질화물 재료들이라고도 하는, 갈륨, 알루미늄, 인듐, 및 질소의 2원, 3원, 및 4원 합금들을 포함한다. 전형적으로, Ⅲ-질화물 발광 디바이스들은 금속 유기 화학 증착(MOCVD), 분자 빔 에피택시(MBE), 또는 다른 에피택셜 기술들에 의해 사파이어, 실리콘 탄화물, Ⅲ-질화물, 또는 다른 적합한 기판 상에 상이한 조성들 및 도펀트 농도들의 반도체 층들의 스택을 에피택셜 성장함으로써 제조된다. 스택은 보통 예를 들어, 기판 위에 형성된 Si로 도핑된 하나 이상의 n형 층, n형 층 또는 층들 위에 형성된 활성 영역 내의 하나 이상의 발광 층, 및 예를 들어, 활성 영역 위에 형성된 Mg로 도핑된 하나 이상의 p형 층을 포함한다. 전기 접점들이 n형 및 p형 영역들 상에 형성된다.
백색 광 고상 광원을 생성하기 위해서, LED 또는 레이저로부터의 청색 광은 YAG:Ce 형광체와 같은, 황색-녹색 형광체, 또는 적색과 녹색 형광체들의 조합을 조명하여, 형광체에 의해 생성된 광과 그를 통해 누설되는 청색 광의 조합이 백색 광을 생성한다. 일부 형광체들은 고 전력 청색 광원에 의해 발생된 매우 밝은 청색 광(예를 들어, 100W/㎠ 위) 하에서 퀀치(quench) 또는 포화된다. 퀀치 또는 포화는 바람직하지 않은 색 전이들을 야기하고 광 출력을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 목적은 높은 여기 밀도에서도 효율적인 파장 변환 재료를 갖는 파장 변환 발광 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 특히 2개 이상의 형광체들이 예를 들어, 사용된 모든 형광체들에 대해 일정한 변환 효율들을 요구할 수 있는, 웜 백색 광(warm white light)을 발생하기 위해 사용되는 경우에, 형광체 변환 광원들에서 휘도를 증가시켜서 색 전이들을 피하거나 최소화하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 방법에서, 광원에 의해 생성되어 호스트 재료 및 도펀트를 포함하는 형광체 층에 의해 변환되는 미리 결정된 양의 광에 대해, 그리고 증가하는 여기 밀도에서의 형광체의 효율의 미리 결정된 최대 감소에 대해, 형광체 층의 최대 도펀트 농도가 선택된다.
본 발명의 실시예들에 따른 구조체는 제1 피크 파장을 갖는 광을 방출하는 발광 다이오드 및 발광 다이오드에 의해 방출된 광의 경로에 배치된 형광체를 포함한다. 형광체는 발광 다이오드에 의해 방출된 광을 흡수하고 제2 피크 파장을 갖는 광을 방출한다. 형광체는 호스트 재료 및 도펀트를 포함한다. 도펀트의 농도 및 도펀트의 배열은 발광 다이오드로부터의 미리 결정된 광 방출에서, 형광체의 효율의 미리 결정된 최대 감소가 넘지 않도록 선택된다.
본 발명의 실시예들에 따른 구조체는 제1 피크 파장을 갖는 광을 방출하는 발광 다이오드 및 발광 다이오드에 의해 방출된 광의 경로에 배치되는 형광체를 포함한다. 형광체는 발광 다이오드에 의해 방출된 광을 흡수하고 제2 피크 파장을 갖는 광을 방출한다. 발광 다이오드와 형광체 사이에 재료가 배치된다. 이 재료는 형광체의 효율의 미리 결정된 최대 감소가 넘지 않도록, 발광 다이오드로부터 형광체에 도달하는 광의 양을 감소시키도록 선택된다.
도 1은 동일한 호스트, (Ba0 . 1Sr0 . 9)2Si5N8, 및 상이한 농도들의 도펀트 Eu2 +를 갖는 2개의 형광체에 대해, 방사조도(irradiance)의 함수로서의 양자 효율의 플롯이다.
도 2는 광원 및 파장 변환 구조체를 포함하는 디바이스의 단면도이다.
도 3은 하나는 주어진 여기 밀도에서 감쇠(droop)(즉, 증가하는 여기 밀도에서 형광체의 효율의 감소)을 나타내고, 또 하나는 예를 들어, 0.2W/㎟와 같이, 주어진 여기 밀도에서 감쇠를 나타내지 않는, 2개의 재료에 대한 여기 밀도의 함수로서의 방출된 전력/입사 전력의 플롯이다.
도 4는 형광체 입자의 표면의 부분을 도시한다.
도 5는 단계적으로 그레이드된 파장 변환 구조체(step graded wavelength converting structure)의 단면도이다.
도 6은 도 8의 구조체의 한 예에 대한 위치의 함수로서의 활성화제 농도의 플롯이다.
도 7은 연속적으로 그레이드된 파장 변환 구조체의 단면도이다.
도 8 및 9는 도 7의 구조체의 2개의 예에 대한 위치의 함수로서의 활성화제 농도의 플롯들이다.
도 10은 다수의 형광체를 포함하는 파장 변환 구조체의 단면도이다.
도 11은 형광체 입자에 대한 위치의 함수로서의 농도의 플롯이다.
도 2는 광원 및 파장 변환 구조체를 포함하는 디바이스의 단면도이다.
도 3은 하나는 주어진 여기 밀도에서 감쇠(droop)(즉, 증가하는 여기 밀도에서 형광체의 효율의 감소)을 나타내고, 또 하나는 예를 들어, 0.2W/㎟와 같이, 주어진 여기 밀도에서 감쇠를 나타내지 않는, 2개의 재료에 대한 여기 밀도의 함수로서의 방출된 전력/입사 전력의 플롯이다.
도 4는 형광체 입자의 표면의 부분을 도시한다.
도 5는 단계적으로 그레이드된 파장 변환 구조체(step graded wavelength converting structure)의 단면도이다.
도 6은 도 8의 구조체의 한 예에 대한 위치의 함수로서의 활성화제 농도의 플롯이다.
도 7은 연속적으로 그레이드된 파장 변환 구조체의 단면도이다.
도 8 및 9는 도 7의 구조체의 2개의 예에 대한 위치의 함수로서의 활성화제 농도의 플롯들이다.
도 10은 다수의 형광체를 포함하는 파장 변환 구조체의 단면도이다.
도 11은 형광체 입자에 대한 위치의 함수로서의 농도의 플롯이다.
형광체는 본질적으로 활성화제들 또는 도펀트들(여기서 "활성화제들"과 "도펀트들"은 서로 교환가능하게 사용됨)로 도핑된 결정질 호스트 재료(보통 격자라고 함)이다. 통상적인 활성화제 종들의 예들은 Eu2 +, Eu3 +, 및 Ce3 +를 포함한다. 형광체가 특정한 파장 범위(여기 스펙트럼)의 광에 노출될 때, 활성화제들은 여기 광을 흡수하고 더 긴 파장(방출 스펙트럼)의 광을 방출한다.
위에 설명된 바와 같이, 일부 형광체들은 예를 들어, LED로부터의 청색 광에 노출될 때 포화된다. 특히, 여기 밀도(즉, 형광체에 입사하는 면적당 광의 양)가 증가함에 따라, 형광체의 효율은 감소한다. 여기 밀도의 증가에 따른 효율의 감소를 여기서 "감쇠(droop)"라고 할 수 있다.
많은 프로세스들은 감쇠를 야기하거나 악화시킬 수 있다. 본 발명의 실시예들을 어느 특정한 이론으로 제한하지 않고, 감쇠에 영향을 줄 수 있는 2개의 프로세스는 기저 상태 고갈 및 여기 상태 상호작용이다(본 발명의 실시예들은 기저 상태 고갈을 다루지 않을 수 있다.) 여기 상태 상호작용은 여기 상태 흡수(ESA) 및 양자-역학적 상호작용(QMI)을 포함할 수 있다. ESA는 호스트의 전자 띠 구조체, 및/또는 호스트 띠 구조체에 대한 도펀트 레벨들의 활성 위치에 의존할 수 있다. QMI는 호스트의 결정 구조체; 특히 방출 여기된 도펀트와 흡수 여기된 도펀트 사이의 거리에 의존할 수 있다. 예를 들어, 여기된 활성화제에 의해 방출된 광자는 또 하나의 이미 여기된 활성화제에 의해 흡수될 수 있고, 광자를 방출하기보다는 전자를 호스트 재료 전도대 내로 여기시켜서, 형광체의 효율을 감소시킨다. 이 효과는 온도가 높을수록 더 심할 수 있다.
활성화제 농도가 증가함에 따라, 임의의 여기 밀도에서의 효율의 감소는 도 1에 도시된 바와 같이, 보다 더 심하게 나타날 수 있다. 도 1은 청색-방출 레이저로부터의 방사조도(W/㎟)의 함수로서의 측정된 양자 효율의 플롯이다. 도 1에 도시된 2개의 형광체는 동일한 호스트 재료, (Ba0 . 1Sr0 . 9)2Si5N8, 및 동일한 활성화제, Eu2 +를 갖는다. 2개의 상이한 활성화제 농도들이 도시되는데, 0.5%(곡선 10)와 2.4%(곡선 14)이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 더 높은 활성화제 농도들에서, 최고 여기 밀도들에서의 형광체의 효율은 최고 여기 밀도들에서의 최저 활성화제 농도를 갖는 형광체의 효율보다 낮다.
본 발명의 실시예들에서, 형광체들이 감쇠를 감소 또는 제거하도록 디바이스에 합성 또는 도포되는데, 관찰된 효율은 증가하는 여기 밀도에서 저하한다. 아래에 설명되는 실시예들에서의 형광체들의 호스트 재료는 예를 들어, CaS, (Ca,Sr)Ga2S4, Ba2 - xMxSi5 - yAlyN8 - yOy(여기서 M은 Sr 또는 Ca를 나타내고, 0 ≤ x ≤ l, 및 0.0005 < y < 0.05 (BSSNE)), Ca1 - xSrxAlSiN3(여기서 0 ≤ x ≤ l, 바람직하게는 0 < x < 0.95 (SCASN)), eCas, YAG, 또는 기타 적합한 호스트 재료일 수 있다. 여기서 설명되는 실시예들에서의 형광체들 내의 활성화제는 예를 들어, 희토류 재료, 유로퓸(Europium), Eu2 +, 세륨, Ce3 +, 또는 기타 적합한 재료일 수 있다. 아래의 예들에서, 활성화제는 유로퓸이다. 그러나, 세륨 도핑된 형광체들은 또한 유로퓸 도핑된 형광체들보다 훨씬 더 높은 입사 전력 밀도들에서 보통, 감쇠를 겪을 수 있다. 예를 들어, Ce3 + 형광체는 Eu2 + 형광체가 1W/㎟에서 나타내는 감쇠와 유사한 감쇠를 약 50W/㎟에서 나타낼 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 디바이스를 도시한다. 파장 변환 구조체(20)는 발광 다이오드(LED)와 같은 발광 디바이스(18)로부터 방출된 광의 경로에 배치된다. 파장 변환 구조체(20)는 호스트 및 도펀트를 포함하는 형광체일 수 있다. 파장 변환 구조체(20)는 발광 디바이스(18)와 직접 접촉할 수 있거나 그것은 발광 디바이스(18)와 이격될 수 있다. 파장 변환 구조체(20)는 하나 이상의 형광체를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 렌즈들(도 2에 도시하지 않음)과 같은 하나 이상의 광학 소자가 도 2의 디바이스 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 광학 소자는 발광 디바이스(18)로부터 추출된 광을 성형, 필터링, 및/또는 적어도 부분적으로 시준하기 위해, 발광 디바이스(18)와 파장 변환 구조체(20) 사이에 배치될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 광학 소자는 파장 변환 구조체(20)로부터 추출된 광을 성형, 필터링, 및/또는 적어도 부분적으로 시준하기 위해, 파장 변환 구조체(20) 위에 배치될 수 있다. 광학 소자들의 예들은 필터들, 돔 렌즈들, 프레넬 렌즈들, 복합 파라볼릭 집광기들, 및 기타 적합한 구조체를 포함한다.
일부 실시예들에서, 발광 디바이스(18)에 의해 생성되어 파장 변환 구조체(20)에 의해 변환되는 미리 결정된 양의 광에 대해, 그리고 증가하는 여기 밀도에서의 파장 변환 구조체의 효율의 미리 결정된 최대 감소(즉, 최대 허용된 감쇠)에 대해, 파장 변환 구조체(20)에서 최대 평균 도펀트 농도가 선택된다. 효율의 미리 결정된 최대 감소는 결과적인 전체 방출의 색 전이를 야기할 수 있다. 일부 응용들, 특히 예를 들어, 웜 백색 광을 발생하는 디바이스들과 같은 다수의 형광체를 사용하는 응용들은 사용된 모든 형광체들에 대해 일정한 또는 거의 일정한 변환 효율들을 요구할 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 응용에서 허용될 수 있는 색 전이는 효율의 미리 결정된 최대 감소를 결정할 수 있다.
파장 변환 구조체(20)는 아래의 예들 중 어느 것에서 설명된 형광체들과 같은, 실질적으로 균일한 평균 도펀트 농도의 층이 진 구조체, 또는 그레이드된 합성 구조체의 형광체 층일 수 있다.
실제로, 도 2의 파장 변환 구조체(20)의 두께는 제한된다. 예를 들어, 아래에 설명되는 바와 같이, 감쇠는 도펀트 농도를 낮춤으로써 감소될 수 있지만, 도펀트 농도가 감소됨에 따라, 미리 결정된 양의 변환된 광이 제로에 접근하는 도펀트 농도가 무한 두께를 요구하는 한계까지, 더 큰 두께를 요구한다. 따라서, 일부 실시예들에서, 미리 결정된 파장 변환 구조체 두께(20)에 대해, 그리고 증가하는 여기 밀도에서의 파장 변환 구조체의 효율의 미리 결정된 최대 감소(즉, 최대 허용된 감쇠)에 대해, 파장 변환 구조체(20)에서 최대 평균 도펀트 농도가 선택된다.
발광 디바이스(18)는 파장 변환 구조체(20) 내에서 하나 이상의 파장 변환 재료를 여기할 수 있는 광을 방출하는 임의의 적합한 디바이스일 수 있다. 일부 실시예들에서, 발광 디바이스(18)는 청색 또는 UV 광을 방출하는 Ⅲ-질화물 LED이다. Ⅲ-질화물 LED는 예를 들어, 광의 대부분이 전기 접점들이 형성되는 표면에 대향하는 LED의 표면을 통해 추출되는, 플립 칩; 전기 접점들이 디바이스의 대향 측면들 상에 형성되는, 수직 디바이스; 또는 2개의 전기 접점들이 광의 대부분이 추출되는 디바이스의 표면 상에 형성되는, 수평 디바이스일 수 있다. Ⅲ-질화물 디바이스 층들이 성장되는 성장 기판은 디바이스의 일부일 수 있거나, 얇아질 수 있거나, 완전히 제거될 수 있다. 임의의 적합한 발광 디바이스가 사용될 수 있다.
아래의 예들에서 반도체 발광 디바이스들은 청색 또는 UV 광을 방출하는 Ⅲ-질화물 LED들이지만, 디바이스의 방출이 파장 변환 구조체(20)의 여기 스펙트럼과 중첩하는 한, 레이저 다이오드들과 같은 LED들 이외의 반도체 발광 디바이스들 및 다른 Ⅲ-Ⅴ 재료들, Ⅲ-인화물, Ⅲ-비소화물, Ⅱ-Ⅵ 재료들, ZnO, 또는 Si계 재료들과 같은 다른 재료계들로 이루어진 반도체 발광 디바이스들이 사용될 수 있다.
적합한 파장 변환 구조체들(20)은 아래의 실시예들에서 설명된 형광체들 및/또는 구조체들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 파장 변환 구조체(20)는 LED 상에 배치될 수 있거나, LED와 이격될 수 있다. 일부 실시예들에서, 파장 변환 구조체 내의 도펀트의 농도, 및/또는 도펀트의 배열은 발광 구조체(18)로부터의 미리 결정된 광 방출에서, 파장 변환 구조체의 효율의 미리 결정된 최대 감소가 넘지 않도록(즉, 최대 감쇠 레벨이 초과되지 않도록) 선택된다.
파장 변환 구조체는 예를 들어, 통상적인 형광체들, 유기 형광체들, 퀀텀 닷들(quantum dots), 유기 반도체들, Ⅱ-Ⅵ 또는 Ⅲ-Ⅴ 반도체들, Ⅱ-Ⅵ 또는 Ⅲ-Ⅴ 반도체 퀀텀 닷들 또는 나노결정들, 다이들, 중합체들, 또는 발광하는 다른 재료들일 수 있는 하나 이상의 파장 변환 재료를 포함한다. 파장 변환 재료는 LED에 의해 방출된 광을 흡수하고 하나 이상의 상이한 파장의 광을 방출한다. LED에 의해 방출된 비변환된 광은 보통 구조체로부터 추출된 광의 최종 스펙트럼의 일부이지만, 그럴 필요는 없다. 구조체로부터 추출된 광의 최종 스펙트럼은 백색, 다색, 또는 단색일 수 있다.
통상적인 조합들의 예들은 황색-방출 파장 변환 재료와 조합된 청색-방출 LED, 녹색- 및 적색-방출 파장 변환 재료들과 조합된 청색-방출 LED, 청색- 및 황색-방출 파장 변환 재료들과 조합된 UV-방출 LED, 및 청색-, 녹색-, 및 적색-방출 파장 변환 재료들과 조합된 UV-방출 LED를 포함한다. 다른 색들의 광을 방출하는 파장 변환 재료들이 구조체로부터 추출된 광의 스펙트럼을 조정하도록 첨가될 수 있다. 파장 변환 구조체는 광 산란 또는 광 확산 요소들, 예를 들어 TiO2를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 파장 변환 구조체(20)는 LED와 별도로 제조되고, 예를 들어 실리콘 또는 에폭시와 같은 웨이퍼 본딩 또는 적합한 접착제를 통해 LED에 부착된 구조체이다. 이러한 사전 제작된 파장 변환 요소의 한 예는 예를 들어, 분말 형광체 또는 형광체의 전구체 재료들을 다음에 개개의 파장 변환 요소들로 다이스될 수 있는 세라믹 슬랩으로 소결함으로써 형성된 세라믹 형광체이다. 세라믹 형광체는 또한 예를 들어, 테이프 캐스팅에 의해 형성될 수 있고, 여기서 세라믹은 다이싱 또는 컷팅을 필요로 하지 않고서, 정확한 형태로 제조된다. 적합한 비세라믹 사전 형성된 파장 변환 요소들의 예들은 롤되거나, 캐스트되거나, 혹은 시트 내로 형성된 후, 개개의 파장 변환 요소들로 싱귤레이트된 실리콘 또는 유리와 같은 투명 재료 내에 분산된 분말 형광체들, 및 실리콘과 혼합되고 투명한 기판 상에 배치된 형광체를 포함한다.
반사 재료(도 2에 도시하지 않음)가 광을 상부 표면을 통해 디바이스에서 빠져나가게 하기 위해, LED들 및 파장 변환 요소의 측면들 상에 배치될 수 있다.
일부 형광체들에서, 감쇠는 활성화제 농도를 감소시킴으로써 감소 또는 제거될 수 있다. 일부 실시예들에서, 파장 변환 구조체(20)는 특정 활성화제 농도들에서 감쇠를 겪는 호스트 재료 및 활성화제를 포함하는 형광체를 포함한다. 형광체는 증가하는 여기 세기에서 효율의 감소를 나타내지 않은 활성화제 농도로 도핑된다. 이러한 형광체의 효율 곡선은 도 3에 도시된다(도 3에 도시된 형광체는 도 1에 도시된 형광체와 동일할 수 있다). 도 3은 동일한 호스트 및 상이한 도펀트 농도들을 갖는 2개의 형광체에 대한, 입사 전력(여기 밀도)의 함수로서, 주어진 형광체 두께에 대한 방출된 전력/입사 전력의 플롯이다. 곡선 22는 곡선 24의 형광체보다 높은 활성화제 농도를 갖는 형광체를 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 더 높은 활성화제 농도를 갖는 형광체는 25로 표시된 입사 전력에서 감쇠를 나타내는 반면(곡선 22), 더 낮은 활성화제 농도를 갖는 형광체는 25로 표시된 입사 전력에서 감쇠를 나타내지 않는다(곡선 24). 일부 실시예들에서, 형광체는 특정 활성화제 농도들에서 선택된 여기 밀도에서 감쇠를 겪는 호스트 재료를 포함한다(즉, 입사 전력 25에서의 곡선 22). 활성화제 농도는 형광체가 주어진 여기 밀도에서 감쇠를 겪지 않도록 감소될 수 있다(즉, 입사 전력 25에서의 곡선 24). 선택된 여기 밀도 이외의 여기 밀도들에서, 형광체는 감쇠를 나타낼 수 있다(즉, 입사 전력 27에서의 곡선 24).
곡선들 22 및 24로 나타낸 형광체들 내의 활성화제는 예를 들어, 일부 실시예들에서 희토류 재료, 유로퓸, 또는 Eu2+일 수 있다.
더 낮은 활성화제 농도를 갖는 형광체는 동일한 양의 형광체에 대해, 더 적은 활성화제들을 갖기 때문에, 곡선 24로 나타낸 형광체는 곡선 22로 나타낸 형광체보다 주어진 입사 전력 밀도에서 광을 덜 방출할 수 있다. 따라서, 주어진 휘도에 도달하기 위해, 파장 변환 구조체(20)가 곡선 24로 나타낸 형광체를 포함하는 디바이스에서 보다 많은 형광체가 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 곡선 24로 나타낸 형광체가 파장 변환 구조체(20) 내에 포함된다.(곡선 22로 나타낸 형광체는 디바이스 내에 포함되지 않고, 오히려 그것은 곡선 24로 나타낸 형광체들의 성능이 비교되는 기준으로서 위에 설명된다.) 곡선 24로 나타낸 형광체는 일부 실시예들에서, 파장 변환 구조체(20) 내에 포함된 호스트 재료를 갖는 형광체만일 수 있다. 곡선 24로 나타낸 형광체는 실질적으로 균일한 도펀트 농도의 단일 층 내에 배치될 수 있다. 곡선 24로 나타낸 형광체 내의 활성화제 농도는 파장 변환 구조체(20) 전체에 걸쳐 실질적으로 균일한데, 즉, 활성화제 농도는 파장 변환 구조체(20)에서 수평 및 수직 평면에서 그레이드되지 않는다.
일부 실시예들에서, 파장 변환 구조체(20)는 감쇠를 감소 또는 제거할 수 있는, 각각의 형광체 입자 내의 활성화제들 사이의 거리를 증가시키도록 제조된 분말 형광체를 포함한다.
형광체 부분(30)은 도 4에 도시된 바와 같이, 활성화제들(32) 사이의 간격(34)에 의해 특징지어진다. 일부 실시예들에서, 간격(34)은 동일한 호스트 재료 및 동일한 활성화제 농도를 갖는 주어진 상용화된 형광체와 비교하여, 증가될 수 있다. 일부 실시예들에서, 활성화제(32)는 희토류 재료, 유로퓸, 또는 Eu2 +이다. 평균 간격(34)은 일부 실시예들에서 적어도 15Å, 일부 실시예들에서 적어도 18Å, 일부 실시예들에서 적어도 20Å, 일부 실시예들에서 적어도 25Å, 및 일부 실시예들에서 50Å 이하일 수 있다.
일부 실시예들에서, 파장 변환 구조체(20)는 그레이드된 농도의 활성화제들을 갖는 형광체를 포함한다. 활성화제 농도는 파장 변환 구조체(20)의 주 표면에 수직인 방향으로 그레이드될 수 있다. 활성화제 농도는 여기 광원에 가장 가까운 영역에서 가장 낮을 수 있고, 여기 광원으로부터 가장 먼 영역에서 가장 높을 수 있다.
세라믹 형광체와 같은 균일하게 도핑된 형광체에서, 여기 전력은 형광체 내로 깊이 들어갈수록 기하급수적으로 감소한다. 실제로, 광이 형광체에 의해 흡수됨에 따라, 여기 밀도는 감소된다. 여기 밀도가 형광체 내로 깊이 들어갈수록 감소함에 따라, 형광체에 의해 나타난 감쇠도 또한 감소할 수 있다.
그레이드된 형광체를 갖는 파장 변환 구조체(20)에서, 감쇠는 균일하게 도핑될 때 동일한 형광체와 비교하여, 감소 또는 제거될 수 있다. 여기에 사용된 바와 같이, 활성화제 농도를 "그레이드"한다는 것은 단일한 것 이외의 농도의 임의의 변화, 농도의 단계적 변화를 의미할 수 있다. 그레이드된 활성화제 농도 프로필은 예를 들어, 선형, 단계-그레이드, 또는 전력 낮은 프로필을 포함하는 임의의 형상을 취할 수 있고, 일정한 활성화제 농도의 영역들을 다수 포함하거나 없을 수 있다.
도 5는 슬랩형 그레이드된 파장 변환 구조체(20)의 한 예를 도시한다. 파장 변환 구조체(20)는 상이한 활성화제 농도의 다수의 층(52, 54, 56, 및 58)을 포함한다. 층들(52, 54, 56, 및 58) 각각 내에, 활성화제 농도는 일정하고 균일할 수 있지만, 이것이 요구되지는 않는다. 도 5의 파장 변환 구조체(20)는 세라믹, 또는 기타 적합한 구조체일 수 있다. 4개의 층이 도 5에 도시되지만, 더 많거나 적은 수의 층들이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 2 내지 10개의 층이 포함된다.
도 5의 파장 변환 구조체(20)의 총 두께는 일부 실시예들에서 적어도 100㎛ 두께, 일부 실시예들에서 400㎛ 두께 이하, 일부 실시예들에서 적어도 200㎛ 두께, 및 일부 실시예들에서 300㎛ 두께 이하일 수 있다. 각각의 층은 동일한 두께일 수 있지만, 이것이 요구되지는 않는다. 각각의 층은 일부 실시예들에서 적어도 10㎛ 및 일부 실시예들에서 100㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다.
파장 변환 구조체(20)의 표면(50)은 광원(18)으로 향한다. 따라서, 층(52)은 최저 활성화제 농도를 가질 수 있다. 파장 변환 구조체(20)의 표면(60)은 광원으로부터 가장 멀다. 따라서, 층(58)은 최고 활성화제 농도를 가질 수 있다. 도 6은 파장 변환 구조체(20)의 한 예에 대해 표면(50)으로부터 표면(60)까지의 위치의 함수로서의 활성화제 농도를 도시한다. 일정하고 상이한 활성화제 농도의 4개의 층이 도시된다. 농도는 표면(50)으로부터 표면(60)으로 다수의 단계들로 증가한다.
도 7은 슬랩형 파장 변환 구조체(20)의 또 하나의 예를 도시한다. 도 7의 파장 변환 구조체는 도 5에 도시된 바와 같이, 단계적으로 그레이드되기보다는, 연속적으로 그레이드된다. 도 7에서, 도 5와 같이, 표면(50)은 광원에 가장 가깝고 표면(60)은 광원으로부터 가장 멀다. 도 8 및 9는 위치의 함수로서의 활성화제 농도의 플롯들에서, 도 7의 구조체에 대한 2개의 가능한 그레이딩 프로필을 도시한다. 각각의 그레이딩 프로필에서, 활성화제 농도는 표면(50)에서의 최저 농도로부터 표면(60)에서의 최고 농도로 증가한다. 도 8은 선형 그레이딩 프로필을 도시한다. 도 9는 2차 그레이딩 프로필을 도시한다. 기하급수적, 다항식과 같은 다른 프로필들, 또는 기타 적합한 프로필이 파장 변환 구조체(20)를 그레이드하기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 분말 형광체 내의 개개의 입자들은 입자들에 걸쳐 변화하는 도펀트 농도를 갖는다. 개개의 입자는 제1 평균 도펀트 농도를 갖는 제1 영역 및 제2 평균 도펀트 농도를 갖는 제2 영역을 가질 수 있고, 여기서 제1 및 제2 평균 도펀트 농도들은 상이하다. 제1 및 제2 영역들은 감쇠를 감소 또는 제거하도록 배열될 수 있다.
형광체의 고 농도 도핑된 부분이 고 농도 도핑된 부분 내의 여기 밀도를 감소시키는, 형광체의 저 농도 도핑된 부분에 의해 "가려지는", 도 5 및 7의 그레이드된 형광체들에서 설명된 동일한 효과가 각각의 입자의 중심 부분이 각각의 입자의 외부 부분보다 더 고 농도 도핑되도록, 입자에 걸쳐 변화하는 도펀트 농도를 갖는 형광체 입자들을 형성함으로써 분말 형광체에서 달성될 수 있다.
도 11은 이러한 형광체 입자의 한 예에 대한 직경의 함수로서의 도펀트 농도의 플롯이다. 플롯에서, 70 및 72는 입자의 외부 에지들을 나타내고, 74는 중심을 나타낸다. 도펀트 농도는 중심에서보다 입자의 에지들에서 더 낮고, 중심에서 그것이 가장 높을 수 있다. 각각의 입자의 저 농도 도핑된 외부 부분은 발광 다이오드로부터 광을 "보는" 입자의 제1 부분이다. 각각의 입자의 저 농도 도핑된 외부 부분은 그러므로 고 농도 도핑된 중심에서의 여기 밀도를 감소시키어, 감쇠를 감소시킬 수 있고, 형광체의 효율을 증가시킬 수 있다. 형광체 입자 내의 농도 구배는 도 11에 도시된 특정한 프로필로 제한되지 않는다. 외부 부분보다 더 고 농도 도핑된 중심의 형광체 입자들은 도핑된 코어를 제공 또는 합성하고, 도핑된 코어 주위에 비도핑된 쉘을 성장시키고, 도펀트를 열 공정으로 외부 영역으로 부분적으로 확산시킴으로써 형성될 수 있다.
도 5 및 7에 도시된 파장 변환 구조체들에서, 및 도 11에 도시된 입자들에서, 활성화제는 예를 들어, 희토류 재료, 세륨, Ce3+, 유로퓸, 또는 Eu2 +일 수 있다.
도 10은 그 형광체의 여기 밀도를 감소시키기 위해, 감쇠를 나타내는 형광체를 가리는 구조체를 갖는 파장 변환 구조체(20)를 도시한다.
표면(62)은 광원에 가장 가깝고 표면(64)은 광원으로부터 가장 멀다. 가리는 구조체(66)는 광원에 가장 가깝게 배치된다. 증가하는 여기 밀도에서의 효율의 저하를 나타내는 형광체(68)는 광원으로부터 가장 멀리 배치된다. 가리는 구조체(66)는 광원으로부터의 광을 흡수하여, 형광체(68)에 입사하는 여기 밀도를 효과적으로 감소시킨다. 재료, 두께, 및 흡수 계수와 같은, 가리는 구조체(66)의 특성들은 형광체(68)에 입사하는 여기 밀도를 형광체의 효율의 미리 결정된 최대 감소가 넘지 않는 점까지 감소시키도록 선택될 수 있다. 적합한 가리는 구조체들(66)의 예들은 비-파장 변환 재료들, 파장 변환 재료들, 형광체들, 광을 산란시키도록 설계된 층들, 필터들, 반사기들, 및 기타 적합한 구조체를 포함한다.
일부 실시예들에서, 구조체(66)는 증가하는 여기 밀도에서 효율의 저하를 나타내지 않거나, 형광체(68)보다 적은 감쇠를 나타내는 제2 형광체이다. 일부 실시예들에서, 구조체(66)는 가넷 형광체, YAG:Ce 형광체, 또는 기타 적합한 형광체이다.
본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 본 개시 내용이 주어지는 경우, 수정들이 여기에 설명된 발명 개념의 취지에서 벗어나지 않고서 본 발명에 대해 이루어질 수 있다는 것을 알 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 도시되고 설명된 특정한 실시예들로 제한되는 것이 아니라는 것이 의도된다.
Claims (18)
- 방법으로서,
발광 다이오드에 의하여 방출되는 파장을 더 긴 파장으로 변환하기 위하여 상기 발광 다이오드 위에 놓인(overlying) 형광체 층(phosphor layer)을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 형광체 층을 적층하는 단계는:
제1 도펀트 농도로 제1 도펀트를 갖는 상기 형광체 층의 제1 영역을 적층하는 단계 - 상기 제1 영역은 제1 파장의 광을 방출함 -; 및
상기 제1 영역에 인접하는 상기 형광체 층의 제2 영역을 적층하는 단계 - 상기 제2 영역은 제2 도펀트 농도로 상기 제1 도펀트를 갖고, 상기 제2 도펀트 농도는 상기 제1 도펀트 농도보다 적고, 상기 제2 영역도 상기 제1 파장의 광을 방출함 -
를 포함하고,
상기 발광 다이오드에 의해 방출되는 광은 상기 제1 영역 이전에 상기 제2 영역에 도달하는, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 제1 도펀트 농도는 상기 제1 영역 전체에 걸쳐 균일하고, 상기 제2 도펀트 농도는 상기 제2 영역 전체에 걸쳐 균일한 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 형광체 층 내의 도펀트 농도는 그레이드되는(graded) 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 내의 도펀트는 Eu2+인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 내의 도펀트는 Ce3+인 방법.
- 구조체로서,
제1 피크 파장을 갖는 광을 방출하는 발광 다이오드; 및
상기 발광 다이오드에 의해 방출된 광의 경로에 배치되고, 상기 발광 다이오드에 의해 방출된 광을 흡수하고 제2 피크 파장을 갖는 광을 방출하는 형광체 층
을 포함하고;
상기 형광체 층은 호스트 재료 및 도펀트를 포함하고, 상기 형광체 층은:
제1 도펀트 농도로 제1 도펀트를 갖는 제1 영역 - 상기 제1 영역은 상기 제2 피크 파장을 갖는 광을 방출함 -; 및
제2 도펀트 농도로 상기 제1 도펀트를 갖는 제2 영역 - 상기 제2 도펀트 농도는 상기 제1 도펀트 농도보다 적고, 상기 제2 영역도 상기 제2 피크 파장의 광을 방출함 -
을 포함하고,
상기 발광 다이오드에 의해 방출되는 광이 상기 제1 영역 이전에 상기 제2 영역에 도달하도록 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역이 배열되는, 구조체. - 제6항에 있어서, 상기 제1 영역은 균일하게 도핑되고, 상기 제2 영역은 균일하게 도핑되는 구조체.
- 제6항에 있어서,
상기 제2 영역은 상기 발광 다이오드에 근접하는 층이고;
상기 제1 영역은 상기 제2 영역에 대향하는 층이고;
도펀트 농도는 상기 제2 영역과 상기 제1 영역 사이에서 그레이드되는 구조체. - 제6항에 있어서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 내의 도펀트는 Eu2+인 구조체.
- 제6항에 있어서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 내의 도펀트는 Ce3+인 구조체.
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