KR102530385B1 - 청색 색소를 갖는 청색 방출 인광체 변환 led - Google Patents

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Abstract

본 발명은 청색 LED 패키지 광(101)을 발생하도록 구성되는 LED 패키지(100)를 제공하고, 여기서 LED 패키지는 청색 광원 광(11)을 발생하도록 구성되는 고상 광원(10), 광원 광(11)의 일부를 녹색 광을 포함하는 발광 재료 광(21)으로 변환하도록 구성되는 발광 재료(20), 및 발광 재료 광(21)의 일부를 흡수하도록 구성되는 청색 색소(30)를 포함한다.

Description

청색 색소를 갖는 청색 방출 인광체 변환 LED
본 발명은 LED 패키지뿐만 아니라 이러한 LED 패키지를 포함하는 조명 디바이스에 관한 것이다. 본 발명은 또한 특정 조명 응용들에서 이러한 LED 패키지 및/또는 조명 디바이스의 사용에 관한 것이다.
신호등 조명의 사용이 본 기술 분야에 공지되어 있다. WO2009042252는 예를 들어, 하우징, 제1 파장 범위(청색 광)의 여기 방사를 방출하도록 동작가능한 적어도 하나의 LED 여기 소스, 여기 방사의 적어도 일부를 제2 파장 범위의 방사로 변환하는 적어도 하나의 인광체 재료 및 하우징 개구(housing opening) 상에 제공된 실질적으로 투명한 커버를 포함하는 LED 신호 램프를 설명한다. 한 배열에서 여기 소스(LED 칩)는 인광체 재료를 포함한다. 대안적으로, 인광체는 예를 들어 여기 소스와 투명 커버 사이에 배치된 투명 기판 상에서와 같이 여기 소스와 떨어져 제공될 수 있다. WO2009042252의 다른 배열들에서, 인광체는 투명 커버 상에 제공된다. 또 다른 배열들에서, 인광체는 커버의 표면 상의 또는 커버/광학 소자 재료 내에 통합된 층으로서 다른 특별 광학 소자들의 투명 커버 상에 제공된다.
WO2007125493은 제1 색의 광을 방출하는 적어도 하나의 발광 다이오드 및 상기 발광 다이오드에 의해 방출된 광의 적어도 일부를 수신하기 위해 상기 적어도 하나의 발광 다이오드 상에 배열된 발광 재료를 포함하는 발광 디바이스를 설명한다. 발광 디바이스는 상기 발광 다이오드에 의해 방출되고 상기 발광 재료를 통해 투과된 광을 수신하고 상기 제1 색의 광을 흡수하도록 배열된 필터를 더 포함한다. 필터는 실리콘과 산소 원자들의 매트릭스 내에 분포된 색소 화합물을 포함하고, 이 매트릭스에서 상기 실리콘 원자들의 적어도 일부는 탄화수소 군들에 직접 본드된다.
EP2736086은 반도체 디바이스를 설명하고, 조명 장치로 사용가능한 발광 디바이스 패키지가 개시된다. 발광 디바이스 패키지는 패키지 본체, 패키지 본체 상에 배치되고, 제1 파장 대역을 갖는 광을 방출하는 발광 디바이스, 발광 디바이스 위에 그 사이에 거리를 두고 배치된 투명 기판, 투명 기판 상에 배치되고, 제1 파장 대역을 갖는 광의 적어도 일부를 흡수하여 제2 파장 대역을 갖는 광으로 변환하는 파장 변환 층, 및 파장 변환 층 상에 배치되고, 파장 변환 층의 색을 조정하는 색 조정 층을 포함한다.
US5277841은 ZnS:Ag,Al을 20 wt.% 미만의 양의 Y3(Al,Ga)5O12:Tb, Y2SiO5:Tb 및 LaOCl:Tb로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 녹색 방출 인광체와 혼합함으로써 획득된 것으로서, 발광 및 발광-포화 특성을 상당히 향상시킨 혼합된 청색 방출 인광체를 설명한다.
US2011291132는 발광 디바이스(LED)를 설명한다. LED는 그 위에 청색 발광기를 갖는 캐리어 기판을 포함한다. 형광 재료를 포함하는 층이 청색 발광기 상에 있다. 인캡슐런트(encapsulant)가 청색 발광기 주위에 배치된다. 색소들이 인캡슐런트의 외부 표면과 청색 발광기 사이에 서스펜드된다.
US2009167151은 조명 디바이스, 백라이팅 디바이스, 및 LED와 같은 방사 소스 및 인광체들을 포함하는 파장 변환 부재들을 포함하는 디스플레이 디바이스를 설명한다. 한 실시예에서, 디바이스 내의 자기-흡수는 2개의 파장 변환 부재 사이에 선택적 반사기를 배치함으로써 억제되거나 감소되고, 더 긴 피크 파장을 갖는 광을 방출하는 파장 변환 부재는 더 짧은 피크 파장을 갖는 광을 방출하는 또 하나의 파장 변환 부재의 조사로부터 실질적으로 분리된다. 다른 실시예들에서, 파장 변환 부재들은 스트립 구성; 또는 인접한 6각형들 구성으로 배열된다.
특히 특정한 조명 응용들에 대해, 청색 발광 광원들의 루미너스 플럭스(luminous flux)를 증가시키고자 하는 요구가 있다. 청색 광 신호등 응용들을 위한 청색 방출 LED들의 플럭스는 이미 InGaN 청색 LED 상에 녹색 방출 인광체들의 얇은 층을 부가함으로써 증가될 수 있는 것으로 여겨진다. 그러나, 루미너스 플럭스를 더욱 개선시키고자 하는 요구가 있다. "루미너스 플럭스" 또는 "루미너스 출력"이라는 용어들은 본 기술 분야에 공지된 것과 같이, 광의 인지된 (즉, 사람에 의해 인지된) 출력의 측정치를 표현한다. 용어 "인광체" 대신에 또한 용어 "발광 재료"가 적용될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 양태는 바람직하게는 위에 설명된 단점들 중 하나 이상을 적어도 부분적으로 더 없애 주고, 여전히 청색 광을 제공하면서, 훨씬 더 높은 루미너스 플럭스를 특히 가질 수 있는, 대안적인 광원 및/또는 이러한 광원을 포함하는 조명 디바이스를 제공하는 것이다.
놀랍게도 청색 광원, 녹색 발광 재료 및 청색 색소의 특정한 조합은 매우 양호한 결과들을 제공하는 것으로 여겨진다. 본 발명은 무엇보다도 포화된 청색 방출을 유지하고 포화된 청색 색상들에 대해 원하는 색도 영역 내에 머무르면서 플럭스를 증가시키기 위해 인광체 층에의 청색 색소들의 첨가를 설명한다. 청색 피크 파장과 녹색 인광체의 주어진 조합에 대해 20퍼센트보다 많은 플럭스 이득이 달성되었다. 본 발명은 무엇보다도 청색 비상용 및/또는 장식용 조명 응용들에서 pcLED들(인광체 변환 LED들)을 위해 사용될 수 있다.
제1 양태에서, 본 발명은 청색 LED 패키지 광을 발생하도록 구성되는 LED 패키지를 제공하고, 여기서 LED 패키지는 청색 광원 광을 발생하도록 구성되는 (고상) 광원, 광원 광의 일부를 녹색 광을 포함하는 발광 재료 광으로 변환하도록 구성되는 발광 재료, 및 발광 재료 광의 일부를 흡수하도록 구성되는 청색 색소를 포함한다.
놀랍게도 이러한 LED 패키지로 비교적 높은 루미너스 플럭스가 청색 광에 대해 달성될 수 있는 것으로 여겨진다. 광의 색은 예를 들어, CIE S 004/E-2001 및/또는 DIN 6163-4:2011-07에 의해 정의된 것과 같은, 요구된 청색 색상을 설명하는 CIE 다이어그램의 가장 효율적인 부분에서 CIE 좌표들로 조정될 수 있다. 그러므로, 한 실시예에서 특히 이러한 LED 패키지, 또는 이러한 LED 패키지를 포함하는 조명 디바이스는 청색 비상용 조명을 제공하기 위해 또는 장식용 조명을 제공하기 위해 특히 사용될 수 있다.
특히, 광원은 동작 중에 400-490㎚의 범위로부터 선택된 파장에서 적어도 광(광원 광)을 방출하는 고상 광원, 특히 동작 중에 420-490㎚의 범위, 훨씬 더 특히 440-490㎚의 범위로부터 선택된 파장에서 적어도 광을 방출하는 광원이다. 훨씬 더 특히, (고상) 광원은 450-465㎚의 범위의 피크 파장(즉, 방출의 최대)을 갖는 청색 광원 광을 발생하도록 구성된다. 그러므로, 특정한 실시예에서, 광원은 청색 광을 발생하도록 구성된다. 특정한 실시예에서, 광원은 (LED 또는 레이저 다이오드와 같은) 고상 광원을 포함한다. 용어 "광원"은 또한 2-20개의 (고상) LED 광원과 같이, 복수의 광원에 관련할 수 있다. 그러므로, 용어 LED도 또한 복수의 LED에 관련할 수 있다. 어떤 구성이 선택되든지 간에, LED 패키지로부터 바로 하류(downstream)에 LED 패키지로부터 나오는 광은 특히 청색 광이다. 이 청색 광은 예를 들어, UV, 녹색, 황색, 오렌지색, 및 적색 중 하나 이상의 약간의 기여들을 포함할 수 있지만, 이 LED 패키지 광의 스펙트럼 분포는 그것이 청색 광이 되도록 된다. 그러므로, LED 패키지 광의 주 파장은 특히 450-470㎚의 범위에 있다. 실시예들에서, 용어 "LED 패키지" 대신에 또한 용어 "레이저 패키지"가 특히 고상 광원이 레이저를 포함하는 실시예들에서 적용될 수 있다. 그러므로, 일반적으로 용어 "광원 패키지"가 사용될 수 있다.
용어들 "상류(upstream)" 및 "하류(downstream)"는 광 발생 수단(여기서 특히 (고상) 광원)으로부터의 광의 전파에 대한 아이템들 또는 특징들의 배열에 관련한 것이고, 광 발생 수단으로부터의 광의 빔 내의 제1 위치에 대해, 광 발생 수단에 더 가까운 광의 빔 내의 제2 위치는 "상류"이고, 광 발생 수단으로부터 멀리 떨어진 광의 빔 내의 제3 위치는 "하류"이다.
용어들 "보라색 광" 또는 "보라색 방출"은 특히 약 380-440㎚의 범위의 파장을 갖는 광에 관련한다. 용어들 "청색 광" 또는 "청색 방출"은 특히 (일부 보라색 및 시안 색조들을 포함하는) 약 440-495㎚의 범위의 파장을 갖는 광에 관련한다. 용어들 "녹색 광" 또는 "녹색 방출"은 특히 약 495-570㎚의 범위의 파장을 갖는 광에 관련한다. 용어들 "황색 광" 또는 "황색 방출"은 특히 약 570-590㎚의 범위의 파장을 갖는 광에 관련한다. 용어들 "오렌지색 광" 또는 "오렌지색 방출"은 특히 약 590-620㎚의 범위의 파장을 갖는 광에 관련한다. 용어들 "적색 광" 또는 "적색 방출"은 특히 약 620-780㎚의 범위의 파장을 갖는 광에 관련한다. 용어들 "분홍색 광" 또는 "분홍색 방출"은 청색 및 적색 성분을 갖는 광을 참조한다. 용어들 "가시", "가시 광", 또는 "가시 방출"은 약 380-780㎚의 범위의 파장을 갖는 광을 참조한다.
훨씬 더 특히, 청색 LED 패키지 광의 CIE 좌표들은 x-CIE 좌표에 대해 약 0.091-0.175의 범위에 있고, y-CIE 좌표에 대해 약 0.025-0.183의 범위에 있다. 훨씬 더 보다 특히, 청색 LED 패키지 광의 CIE 좌표들은 약 (0.091, 0.133), (0.149, 0.025), (0.175, 0.098) 및 (0.174, 0.183)에 의해 정의된 CIE 다이어그램의 부분 내에 있다. 이것은 실질적으로 위에 표시된 CIE S 004/E-2001 및/또는 DIN 6163-4:2011-07에 따른다. 광원의 주 파장(또는 피크 파장), (2가 유로퓸 및/또는 3가 세륨과 같은 활성 종들의 농도를 포함하는) 발광 재료의 유형, 청색 색소의 유형뿐만 아니라, 발광 재료 및 청색 색소의 상대적 양들 및 상대적 구성을 선택함으로써, 원하는 색점이 선택될 수 있다. 훨씬 더 보다 특히, 청색 LED 패키지 광의 x-CIE 좌표는 최대 약 0.175에 있고/있거나 청색 LED 패키지 광의 y-CIE 좌표는 최소 약 0.140에 있고; 특히 둘 다의 조건이 적용된다. 이러한 CIE 좌표 값들로 광은 여전히 청색이고 실질적으로 최대 루미너스 플럭스를 갖는다. CIE 좌표들에 대해, 그것은 여기서 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 공지된 것과 같이, 1931년에 국제 조명 위원회(International Commission on Illumination: CIE)에 의해 만들어진 "CIE 1931 XYZ 색 공간"이라고도 표시되는 "CIE 1931 RGB 색 공간"이라고 한다.
특히, 발광 재료는 넓은 대역 방출(즉, 3가 란타나이드들의 4f 천이들과 같은 라인 방출이 아닌 것)을 제공하도록 구성된다. 그러므로, 특히 발광 재료는 2가 유로퓸 및/또는 3가 세륨에 기초하지만, 유기 발광 재료들이 또한 적용될 수 있다(아래 또한 더 참조).
특정한 실시예에서, 발광 재료는 490-580㎚의 범위로부터 선택된 피크 파장을 갖고/갖거나 50-150㎚의 범위로부터 선택된 반치전폭(FWHM)을 갖는 발광 재료 광을 제공하도록 구성된다. 특히, 발광 재료는 490-530㎚의 범위로부터 선택된 피크 파장을 갖는 발광 재료 광을 제공하도록 구성된다. 그러므로, 발광 재료는 단지 녹색 광을 제공할 수 있지만, 추가로 또한 예를 들어, 황색, 오렌지색 및 적색 광 중 하나 이상을 선택적으로 제공할 수 있다. 효율에 비추어서, 특히 490-530㎚의 범위로부터 선택된 피크 파장을 갖고 50-150㎚의 범위의 상기 FWHM을 갖는 방출을 제공하는 발광 재료가 선택된다. 녹색 광 이외의 광은 청색 색소에 의해 부분적으로 흡수되거나 심지어 실질적으로 흡수될 수 있다(아래 또한 참조).
그러므로, 녹색 발광 재료는 특히 광원, 특히 고상 광원이 단색 궤적 상에 있거나 그에 비교적 가까운 색점을 갖는 광을 제공하고, 발광 재료가 결과적인 색점이 (실질적으로 단색 광원 광에 대해) 녹색으로 시프트하는 것을 유도하므로, 단색 궤적 상에 있지 않는 색점을 갖는 광을 제공하기 위해 사용된다. 청색 색소는 녹색(및 있는 경우에, 선택적으로 또한 황색, 오렌지색 및 적색)의 적어도 일부를 제거하면서, 결과적인 색을 보다 원하는 청색으로 뒤돌리게 하기 위해 사용된다.
위에 표시된 바와 같이, 특히 발광 재료는 2가 유로퓸 및/또는 3가 세륨에 기초하지만, (BASF사로부터의 루모겐 황색 또는 루모겐 녹색 등과 같은) 유기 발광 재료들이 또한 적용될 수 있다(아래 또한 더 참조). 용어 "발광 재료"는 또한 복수의 상이한 발광 재료를 참조할 수 있다. 발광 재료들 각각은 녹색 광을 포함하는 발광 재료, 훨씬 더 특히 490-580㎚의 범위로부터 선택된 피크 파장을 갖고/갖거나 50-150㎚의 범위로부터 선택된 반치전폭(FWHM)을 갖는 발광 재료 광을 제공하도록 구성된다. 특히, 발광 재료들 각각은 (하나 보다 많은 유형의 발광 재료가 가용할 때) 490-530㎚의 범위로부터 선택된 피크 파장을 갖는 발광 재료 광을 제공하도록 구성된다. 그러므로, 실시예들에서 발광 재료 광의 주 파장은 특히 이들 앞서 언급된 범위들 중 하나에 있을 수 있다. 그러므로, 발광 재료는 특히 필수적으로 녹색 광인 발광 재료 광을 제공하도록 구성된다.
특정한 실시예에서, 발광 재료는 세륨 도핑된 가넷을 포함한다. 특히 이러한 발광 재료는 스펙트럼 영역의 청색 부분에 충분히 가까운 녹색 광을 제공할 수 있는 반면, 다른 한편으로 색소에 의해 여과되어 제거된 색을 갖는 방출 광의 양이 비교적 낮음으로써, 효율적인 LED 패키지를 제공한다. 특히 원하는 세륨 도핑된 가넷들은 이 원형 발광 재료가 비교적 낮은 함량의 녹색(및 긴 파장 청색)을 갖는 비교적 황색인 방출을 제공하므로, 순수한 Y3Al5O12:Ce 가넷의 것보다 작은 파장에서 피크 파장을 갖는 가넷들이다. 그러므로, 추가 특정한 실시예에서, 발광 재료는 (Lu(1-x),Cex)3(Al(1-y),Gay)5O12로서, 0.005 ≤ x ≤ 0.08 및 0 ≤ y ≤ 0.7, 훨씬 더 특히 0.01 ≤ x ≤ 0.04 및 0.1 ≤ y ≤ 0.4인 것을 포함한다. 그럼에도 불구하고, Y 및/또는 Gd 및/또는 Tb의 약간의 양들이 또한 (Lu 원소들의 부분 대신에) 가용할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 또한 Sc의 약간의 양들이 (Al 및/또는 Ga 대신에) 가용할 수 있다. 또한, 선택적으로, 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, B-O 조합들의 일부는 Si-N 조합들로 대체될 수 있다(여기서 B는 Al 및 Ga 중 하나 이상을 나타낸다).
3가 세륨 기반 발광 재료들이 발광 재료로서 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 예를 들어, 2가 유로퓸 기반 발광 재료들이 녹색 발광 재료로서 적용될 수 있다. 특정한 실시예에서, 발광 재료는 (a) Si(6-x)AlxOyN(6-y):Eu, 0 < x ≤ 4.2, 0 < y ≤ 4.2 (베타 시알론), (b) 유로퓸으로 도핑된 알칼리 토금속 오쏘실리케이트(alkaline earth metal orthosilicate doped with europium), (c) BaMgAl10O17:Eu,Mn, (d) BaMg2Al16O27:Eu,Mn, 및 (e) Sr4Al14O25:Eu 중 하나 이상을 포함한다. 추가로 WO 2002/054502에서 정의된 것과 같은 발광 재료들도 적용될 수 있다.
청색 색소는 특히 발광 재료로부터 녹색 발광 광의 일부를 흡수하도록 구성된다. 그러므로, 청색 색소는 특히 황색, 오렌지색 또는 적색보다 청색에 실질적으로 더 많은 투과성을 갖도록 구성된다. 녹색의 투과성은 예를 들어, 청색의 투과성과 황색, 오렌지색 또는 적색의 투과성 사이에 있을 수 있다. 그러므로, 가시광 내에서, 청색 색소는 특히 570-640㎚의 범위 내의 최대 흡수(들)를 갖는다. 특히, 청색 색소는 530-680㎚의 범위의 평균 흡수보다 실질적으로 작은 495-530㎚의 범위의 평균 흡수를 갖는다. 훨씬 더 특히, 청색 색소는 530-630㎚의 범위의 평균 흡수보다 실질적으로 작은 495-530㎚의 범위의 평균 흡수를 갖는다. 본 맥락에서 용어 "실질적으로"는 예들 들어, 적어도 5의 인자, 적어도 10의 인자와 같은, 적어도 2의 인자의 차이를 포함할 수 있다. 용어 "평균 흡수"는 특히 (표시된 파장에 걸친) 파장 평균 흡수로서 정의된다.
청색 색소는 유기 색소 또는 무기 색소일 수 있다. 용어 "색소"는 또한 복수의 상이한 색소를 참조할 수 있다. 한 실시예에서, 청색 색소는 42,000-45,000의 범위로부터 선택된 색 지수 국제 번호(CI 번호)를 갖는 유기 염료를 포함한다. 적합한 색소들의 예들은 CI=42563을 갖는 빅토리아 블루 4R(기본 블루 8), CI=44045를 갖는 빅토리아 블루 B(기본 블루 26); CI=44040을 갖는 빅토리아 블루 R (기본 블루 11), 및 CI=42135를 갖는 자일렌 시아놀 FF(애시드 블루 147) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 특히, 이들 색소는 흡수 및 안정성에 있어서 올바른 특성들을 갖는 것으로 나타난다. 대안적으로 또는 부가적으로, 한 실시예에서 청색 색소는 프탈로시아닌을 포함한다.
위에 표시된 바와 같이, 색소는 또한 무기 재료를 부가적으로 또는 대안적으로 포함할 수 있다. 그러므로, 또 다른 추가의 특정한 실시예에서, 청색 색소는 (a) MAl2O4 - M은 Co, Ni, Mg, Cu 및 Zn 중 하나 이상을 포함하고, M은 적어도 Co를 포함함 -, 및 (b) NaxAl6Si6O24Sy (6 ≤ x ≤ 8 및 2 ≤ y ≤ 4) 중 하나 이상을 포함한다. MAl2O4 실시예에서, M은 특히 필수적으로 Co(코발트)를 포함할 수 있다. 후자의 색소는 실시예들에서 또한 "시코팔(Sicopal) 블루"로서 표시된다.
광원, 발광 재료, 및 색소는 상이한 방식들로 배열될 수 있지만, 결과적인 패키지 광이 청색 광원 광을 포함할 뿐만 아니라, 발광 재료 광의 일부가 색소에 의해 흡수된다는 조건 하에 특히 있다. 그러므로 결과적인 패키지 광은 특히 청색 광원 광 및 발광 재료 광의 일부를 포함한다.
색소는 특히 파장-선택 흡수의 결과로서 반사되거나 투과된 광의 색을 변화시키는 재료이다. 이 (물리적) 과정은 재료가 광을 방출하는 형광, 인광, 다른 형태들의 발광과 상이하다.
발광 재료는 예를 들어 LED 다이 상에와 같이, 광원 상에 층을 포함하는 발광 재료로서 구성될 수 있다. 그러나, 발광 재료는 또한 광원으로부터 일정 거리에("떨어져서") 층을 포함하는 발광 재료로서 구성될 수 있다. 또한, 색소는 층을 포함하는 이러한 발광 재료 상에 또는 층을 포함하는 발광 재료로부터 일정 거리에(떨어져서), 층을 포함하는 발광 재료로부터 하류에 있는 층을 포함하는 색소로서 구성될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 색소 및 발광 재료는 광원으로부터 바로 하류 (및/) 또는 광원으로부터 떨어져서 구성된, 동일한 층으로 구성될 수 있다. 그러므로, 특정한 실시예에서 여기에 정의된 것과 같은 LED 패키지는 상기 발광 재료("층을 포함하는 발광 재료")를 포함하는 제1 층, 및 상기 청색 색소를 포함하는 제2 층을 포함하고, 고상 광원에 대해 제2 층은 제1 층의 하류에 구성된다. 다른 추가 실시예에서, 여기에 정의된 것과 같은 LED 패키지는 상기 발광 재료 및 상기 청색 색소("층을 포함하는 발광 재료")를 포함하는 제1 층을 포함한다.
다른 추가 양태에서, 본 발명은 또한 LED 패키지를 포함하는 조명 디바이스를 제공한다. 이러한 조명 디바이스는 또한 (녹색 광, 황색 광, 오렌지색 광, 및 적색 광 중 하나 이상을 발생하도록 구성되는 하나 이상과 같은) 하나 이상의 다른 광원을 포함할 수 있다. 그러나, 대안적으로 또는 부가적으로, 이러한 조명 디바이스는 또한 예를 들어, LED 패키지 광을 시준하는 광학계를 포함할 수 있다. 물론, 이러한 조명 디바이스는 또한 LED 패키지(광)를 제어하도록 구성되는 제어 유닛을 포함할 수 있다. 그러므로, 실시예에서 본 발명은 여기에 정의된 것과 같은 LED 패키지, 및 제어 유닛, 및 특히 또한 (a) 광학계, 및 (b) 추가 광원 중 하나 이상을 포함하는 조명 디바이스를 제공하고, 제어 유닛은 LED 패키지 및 선택적인 추가 광원을 제어하도록 구성된다. 그러므로, 한 실시예에서 조명 디바이스는 실질적으로 단지 청색 광을 제공할 수 있는 반면, 다른 실시예에서 조명 디바이스는 예를 들어, 특히 백색 광 등을 제공하도록 구성될 수 있다. 위에 표시된 바와 같이, 조명 디바이스는 무엇보다도 청색 비상용 조명을 제공하기 위해 또는 장식용 조명을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 용어 "추가 광원"은 또한 복수의 (상이한) 광원을 참조할 수 있다.
LED 패키지 또는 조명 디바이스는 예를 들어, 사무실 조명 시스템들, 가정용 응용 시스템들, 점포 조명 시스템들, 홈 조명 시스템들, 액센트 조명 시스템들, 스폿 조명 시스템들, 극장 조명 시스템들, 섬유 광학계 응용 시스템들, 프로젝션 시스템들, 자체 발광 디스플레이 시스템들, 픽셀화된 디스플레이 시스템들, 세그먼트된 디스플레이 시스템들, 경고등 시스템들, 의료용 조명 응용 시스템들, 신호등 시스템들, 장식용 조명 시스템들, 휴대용 시스템들, 자동차 응용들, 온실 조명 시스템들(green house lighting systems), 원예 조명(horticulture lighting) 등의 일부일 수 있거나 이들에 적용될 수 있다.
여기서 용어 백색 광은 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있다. 그것은 특히 약 2000 내지 20000K, 특히 2700-200000K, 일반적인 조명을 위해 특히 약 2700K 내지 6500K의 범위, 및 백라이팅 목적을 위해 특히 약 7000K 내지 20000K의 범위의 상관된 색 온도(CCT)를 갖고, 특히 BBL(블랙 바디 궤적)로부터 약 15 SDCM(배색 표준 편차) 내의, 특히 BBL로부터 약 10 SDCM 내의, 훨씬 더 특히 BBL로부터 약 5 SDCM 내의 광에 관련한다.
본 발명의 실시예들이 이제 단지 예로서만, 대응하는 참조 부호들이 대응하는 부분들을 표시하는 첨부된 개략적 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1a-1d는 LED 패키지들의 일부 실시예들을 개략적으로 도시하고;
도 2는 조명 디바이스의 실시예들을 개략적으로 도시하고;
도 3a는 450 내지 465㎚(실선들)의 주 파장 및 CIE 1931에 따라 보인 광 순응을 위한 루미너스 효율 함수(파선 곡선)를 갖는 청색 InGaN LED들의 표준화된 방출 스펙트럼을 도시하고;
도 3b는 도 1의 청색 LED들의 색점들 및 광 신호들의 CIE S 004/E-2001 및 DIN 6163-4:2011-07 색상들에 따르는 포화된 청색 색상들에 대한 청색 색상 영역을 도시한 CIE 1931 색도 차트를 도시한다. 외부 곡선은 단색 색상들에 대한 스펙트럼 궤적을 도시하고;
도 3c는 청색 LED들 상의 Ga,LuAG:Ce 인광체로 만들어진 pcLED들의 색점들을 도시한다. 정사각형들: 청색 색소 없음, 455.5㎚ 주 파장을 갖는 청색 LED. 삼각형들: 시코팔 색소가 있는 것(더 가파른 선, 이 비최적화된 예에서 선은 표시된 청색 영역의 최고 y-값에서 거의 끝난다). 원형: 본 발명의 예와 동일한 x 색상 좌표들에 대해 청색 색소가 없음. 청색 색소의 도포에 의한 이 청색 LED에 대한 결과적인 플럭스 이득은 동일한 x-색상 좌표에서 비교하여 20 퍼센트이고(아래 표 1 참조); 및
도 3d는 청색 LED들 상의 Ga,LuAG:Ce 인광체로 만들어진 pcLED들을 도시한다. 도 3c와 비교하여, 주 파장은 458㎚이다. 삼각형들: 시코팔 색소가 있는 것. 원형: 본 발명의 예와 동일한 x 색상 좌표들에 대해 청색 색소가 없음. 청색 색소의 도포에 의한 이 청색 LED에 대한 결과적인 플럭스 이득은 이제 26 퍼센트이고(아래 표 2 참조); 및
도 3e는 본 발명의 예들에서 사용된 발광 재료의 방출 및 색소의 투과를 도시한다.
개략적 도면들은 반드시 축척에 맞게(on scale) 도시되어 있지는 않다.
도 1a는 청색 LED 패키지 광(101)을 발생하도록 구성되는 LED 패키지(100)의 실시예를 개략적으로 도시한다. LED 패키지는 청색 광원 광(11)을 발생하도록 구성되는 광원(10), 광원 광(11)의 일부를 녹색 광을 포함하는 발광 재료 광(21)으로 변환하도록 구성되는 발광 재료(20), 및 발광 재료 광(21)의 일부를 흡수하도록 구성되는 청색 색소(30)를 포함한다. 본 개략적 실시예에서, 발광 재료(20) 및 색소(30)는 제1 층(120)으로서 표시된 바와 같이, 단일 층 내에 구성된다. 고상 광원이 본 실시예에서 적용되므로, LED 다이(12)를 포함한다. 발광 재료 층 또는 층을 포함하는 발광 재료, 또는 제1 층(120)은 본 개략적 실시예에서 LED 다이와 물리적으로 접촉하여 있다.
도 1b-1d는 상기 발광 재료(20)를 포함하는 제1 층(120)과 사이에 비제로 거리 d1을 갖거나(도 1b 및 1c 참조), 또한 광원, 특히 LED 다이(12)와 물리적으로 접촉하는(도 1c) 일부 변형들을 개략적으로 도시한다. 또한, 색소(30)도 또한 도 1b에 개략적으로 도시한 바와 같이, 발광 재료로부터 비제로 거리 d2에 있을 수 있다. 도 1c에서, (층(120)을 포함하는) 발광 재료는 광원으로부터 바로 하류에 구성되고 색소(30)는 층(120)을 포함하는 발광 재료로부터 바로 하류에 구성된다. 도 1d는 발광 재료(20)와 색소(30)가 광원(10)의 발광 표면, 여기서 LED 다이(12)로부터 비제로 거리 d1에 구성되는 것을 제외하고, 도 1a에 개략적으로 도시된 것과 실질적으로 동일한 실시예이다.
도 2는 LED 패키지(100) 및 제어 유닛(151)을 포함하는 조명 디바이스(2)의 실시예를 매우 개략적으로 도시한다. 조명 디바이스(2)는 (a) 광학계(152)와 (b) 추가 광원(200) 중 하나 이상을 선택적으로 더 포함할 수 있다. 제어 유닛(151)은 특히 LED 패키지(100) 및 선택적인 추가 광원(200)을 제어하도록 구성될 수 있다. 예로서, 추가 광원(200)은 또한 LED 광원을 포함한다. 또한, 예로서 이 추가 광원(200)으로부터 하류에 광학계가 또한 배열되었다. 물론, 개별적인 광학계 대신에, 또는 개별적인 광학계에 추가하여, LED 패키지(100) 및 추가 광원(200)의 하류에, 광학계가 또한 배열될 수 있다.
도 3a는 사람 눈의 감도의 광도 함수와 조합하여 청색 LED들(InGaN)(도 3b 또한 참조)의 방출 스펙트럼들(파선 곡선)을 도시한다. 청색 InGaN LED들이 전기 전력을 광학 출력으로 변환하기 위해 매우 효율적이지만, 방출된 청색 광의 인지된 밝기는 사람 시각계의 제한된 눈 감도로 인해 낮다.
도 3b는 CIE 색도 차트 및 포화된 청색 색상들에 대한 색상 영역으로 도 3a의 청색 LED들의 색점들을 도시한다. y 색상 좌표가 증가함에 따라 동일한 광학 출력을 갖는 (LED) 방출 스펙트럼의 루멘 플럭스가 급속히 증가한다. 이것은 또한 청색 InGaN 방출을 더 높은 파장으로 시프트함으로써 실현될 수 있지만, 이것은 LED 광학 특성들 및 효율의 저하를 초래할 것이다.
청색 광의 일부를 변환하기 위해 청색 LED 상에 녹색 방출 인광체 재료를 첨가하면 루미너스 플럭스는 증가하지만, 플럭스 증가는 효율적인 녹색 방출 LED 인광체들의 스펙트럼 특성들로 인해, 도 3b의 청색 색상 영역이 급속히 남겨지기 때문에 제한된다.
그러므로, 본 발명은 예를 들어, 광 신호들의 CIE S 004/E-2001 색상들과 특히 호환가능하고 특히 포화된 청색 광의 색상 영역들 내의 색점을 갖는 높은 루미너스 플럭스를 갖는 청색 발광 LED를 제공한다. 본 발명의 또 하나의 목적은 색점을 LED의 모든 온도들 및 구동 조건들을 위해 청색 색상 영역 내에 유지하는 것이다.
본 발명의 또 하나의 의도는 주어진 x-색상 좌표에서 청색 색상 영역 내에 최고 가능한 y-색상 좌표를 갖는 LED들을 제조하는 것이다. 이것은 청색 InGaN LED를 청색 LED 광의 일부를 녹색 방출로 변환하는 녹색 방출 인광체 및 청색 색소와 조합함으로써 달성된다. 녹색 인광체는 490㎚ < Lpk < 580㎚인 피크 방출 파장 Lpk를 갖는 임의의 인광체 재료일 수 있고; 특히 피크 파장은 490-530㎚의 범위에 있다.
특히, 사용된 색소들은 임의의 청색 LED 패키지에서의 응용을 가능하게 하는, 높은 온도들 및 광의 높은 조사 레벨들에 대한 그들의 안정성으로 인해 선택되었다. 원칙적으로, 특히 그것이 실질적으로 응용 및 신뢰성 요건들과 호환가능하기만 하다면, 임의의 청색 색소가 사용될 수 있다. 위에 언급된 색소들은 예를 들어, 미세 입자 분말들로서 가용하고 실리콘들 또는 다른 매트릭스 재료들 내로 혼합될 수 있다. 색소 분말을 인광체 슬러리에 간단히 첨가하고 그것을 인광체 층과 함께 도포하는 것이 가능하다. 대안적으로 인광체 없는 색소 슬러리가 인광체 층의 상부 위에 도포될 수 있다. 색점 및 플럭스에 대한 결과적인 광학 효과들은 비교할 만하다. 또한 원하는 방출 특성들을 갖는 임의의 인광체 재료와의 조합이 무기 인광체에 대한 퀀텀 닷들 내지 유기 인광체 성분들(예를 들어, 루모겐들)에 대한 세라믹 인광체 플레이트들까지의 범위에서 가능하다. 그러므로, 한 실시예에서 패키지는 층을 포함하는 발광 재료를 포함하고, 층은 특히 발광 재료에 대한, 그리고 또한 선택적으로 청색 색소에 대한 호스트로서 실리콘을 포함한다.
예 1
인광체 슬러리가 15.4 wt-%의 (Lu(1-x),Cex)3(Al(1-y),Gay)5O12 (x=0.02 및 y = 0.4)를 1 wt-%의 실리카와 실리콘 내로 혼합함으로써 만들어졌다(모든 중량 분율은 매트릭스 재료의 실리콘 질량에 대해 계산된다). 이 슬러리는 중간전력 3535L 패키지들을 슬러리로 455.5㎚ 주 파장의 청색 방출 LED들로 디스펜스하여 도 3c에 도시된(청색 색소 없는 것: 원들) 색점들에 도달하기 위해 사용되었다. 동일한 슬러리에 BASF사로부터의 0.28 wt-% 시코팔 블루가 첨가되었고 LED들이 청색 색소 없는 그것들과 유사하게 만들어졌다(청색 색소 있는 것: 삼각형들). 결과적인 색점들이 또한 도 3c에 도시된다. 적분구(integrating sphere)로 측정된 것과 같은 100㎃ LED 전류에 대한 평균 플럭스 값들이 표 1에 나타내진다:
Figure 112017104102550-pct00001
청색 색소를 갖는 LED들의 플럭스 이득은 색소가 없고 동일한 x-색상 좌표에서의 동일한 녹색 인광체의 LED들과 비교하여 20퍼센트이다(표 1 참조).
예 2
이제 458㎚의 더 긴 주 파장을 갖는 다음의 청색 빈의 청색 파장이 색소가 없는 동일한 인광체 슬러리로 사용되었다. 0.24 wt-% 시코팔 블루를 갖는 또 하나의 동일한 인광체 슬러리가 만들어졌고, 458㎚의 청색 주 파장을 갖는 LED들이 디스펜스되었다. 평균 색점들이 도 3d에 도시된다. x=0.166의 x 색상 좌표에 대해 청색 색상 영역 내의 플럭스가 이제 표 2에 나타낸 바와 같이 인광체 서스펜션 내의 청색 색소의 도포에서 26%만큼 증가된다. 동일한 x-색상 좌표의 LED들이 비교되었다.
Figure 112017104102550-pct00002
도 3e는 참조 E20으로 표시된, 사용된 발광 재료(30)의 방출 스펙트럼 및 참조 A30으로 표시된, 사용된 색소(30)의 투과 또는 (역) 흡수를 도시한다. 이 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 색소는 발광의 긴 파장 방출의 부분을 흡수한다. 예로서, 530-680㎚의 파장 범위의 평균 흡수는 약 0.6-0.7(본 예에서) 정도일 수 있다.
"실질적으로 모든 광" 또는 "실질적으로 구성되는"에서와 같은 여기서 사용된 용어 "실질적으로"는 본 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다. 용어 "실질적으로"는 또한 "전체적으로", "완전히", "모두" 등을 갖는 실시예들을 포함할 수 있다. 그러므로, 실시예들에서 형용사 실질적으로는 또한 제거될 수 있다. 적용가능한 경우에, 용어 "실질적으로"는 또한 95% 이상과 같은 90% 이상, 특히 99% 이상, 훨씬 더 특히 100%를 포함하는 99.5% 이상과 관련할 수 있다. 용어 "포함한다"는 용어 "포함한다"가 "~로 구성된다"를 의미하는 실시예들을 또한 포함한다. 용어 "및/또는"은 특히 "및/또는" 전과 후에 언급된 아이템들 중 하나 이상과 관련한다. 예를 들어, 문구 "아이템 1 및/또는 아이템 2" 및 유사한 문구들은 아이템 1 및 아이템 2 중 하나 이상과 관련할 수 있다. 용어 "포함하는"은 실시예에서 "~로 구성되는"을 참조할 수 있지만 다른 실시예에서 또한 "적어도 정의된 종들 및 선택적으로 하나 이상의 다른 종을 포함하는"을 참조할 수 있다.
또한, 설명에서 및 청구범위에서 용어들 제1, 제2, 제3 등은 유사한 요소들 간을 구별하기 위해 사용된 것이고 반드시 순차적 또는 연대기 순서를 설명하는 것은 아니다. 이렇게 사용된 용어들은 적절한 환경들 하에서 서로 교환하여 사용되고 여기에 설명된 발명의 실시예들은 여기에 설명되고 도시된 것과 다른 순차들로 동작할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
본원의 디바이스들은 무엇보다도 동작 동안 설명된다. 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 분명한 바와 같이, 본 발명은 동작의 방법들 또는 동작 중인 디바이스들로 제한되지 않는다.
위에 언급된 실시예들은 본 발명을 제한하기보다는 예시하는 것이고, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 첨부된 청구범위의 범위에서 벗어나지 않고서 많은 대안적 실시예들을 설계할 수 있을 것이라는 점에 주목하여야 한다. 청구범위에서, 괄호들 사이에 배치된 참조 부호들은 청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 동사 "포함한다" 및 그것의 활용들의 사용은 청구범위에 기술된 것 이외의 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다. 요소들에 대한 단수 표현은 복수의 이러한 요소들의 존재를 배제하지 않는다. 본 발명은 여러 개의 분리된 요소를 포함하는 하드웨어에 의해, 그리고 적절히 프로그램된 컴퓨터에 의해 구현될 수 있다. 여러 개의 수단을 나열한 디바이스 청구항에서, 이들 수단 중 몇 개는 하드웨어의 하나 및 동일한 아이템에 의해 실시될 수 있다. 소정의 수단들이 상호 상이한 종속 청구항에 나열된다는 사실만으로 이들 수단들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다.
본 발명은 설명에서 설명되고/되거나 첨부 도면에 도시된 특성화된 특징들 중 하나 이상을 포함하는 디바이스에 더 적용된다. 본 발명은 또한 설명에서 설명되고/되거나 첨부 도면에 도시된 특성화된 특징들 중 하나 이상을 포함하는 방법 또는 공정에 관련한다.
본 특허에서 논의된 다양한 양태들은 추가적인 장점들을 제공하기 위해 조합될 수 있다. 또한, 특징들 중 일부는 하나 이상의 분할 출원을 위한 기초를 형성할 수 있다.

Claims (15)

  1. 청색 LED 패키지 광(101)을 발생하도록 구성되는 LED 패키지(100)로서,
    상기 LED 패키지는 청색 광원 광(11)을 발생하도록 구성되는 고상 광원(10), 상기 광원 광(11)의 일부를 녹색 광을 포함하는 발광 재료 광(21)으로 변환하도록 구성되는 발광 재료(20), 및 상기 발광 재료 광(21)의 일부를 흡수하도록 구성되며, 상기 발광 재료 광(21)의 긴 파장 방출 부분의 일부를 흡수하고 상기 발광 재료 광(21)의 짧은 파장 방출 부분의 일부를 제거하는 청색 색소(30)를 포함하며, 상기 발광 재료(20)는,
    (a) (Lu(1-x),Cex)3(Al(1-y),Gay)5O12, 0.005 ≤ x ≤ 0.08 및 0 ≤ y ≤ 0.7,
    (b) Si(6-x)AlxOyN(6-y):Eu, 0 < x ≤ 4.2, 0 < y ≤ 4.2 (베타 시알론),
    (c) 유로퓸으로 도핑된 알칼리 토금속 오쏘실리케이트(alkaline earth metal orthosilicate doped with europium),
    (d) BaMgAl10O17:Eu,Mn,
    (e) BaMg2Al16O27:Eu,Mn, 및
    (f) Sr4Al14O25:Eu 중 하나 이상을 포함하는, LED 패키지(100).
  2. 제1항에 있어서, 상기 청색 LED 패키지 광(101)의 CIE 좌표들은 x-CIE 좌표에 대해 0.091-0.175의 범위에 있고, y-CIE 좌표에 대해 0.025-0.183의 범위에 있는 LED 패키지(100).
  3. 제1항에 있어서, 상기 청색 LED 패키지 광(101)의 CIE 좌표들은 (0.091, 0.133), (0.149, 0.025), (0.175, 0.098) 및 (0.174, 0.183)에 의해 정의된 CIE 다이어그램의 부분 내에 있고, 상기 청색 LED 패키지 광(101)의 x-CIE 좌표는 최대 0.175에 있고 상기 청색 LED 패키지 광(101)의 y-CIE 좌표는 최소 0.140에 있는 LED 패키지(100).
  4. 제1항에 있어서, 상기 고상 광원(10)은 450-465㎚의 범위의 피크 파장을 갖는 청색 광원 광(11)을 발생하도록 구성되는 LED 패키지(100).
  5. 제1항에 있어서, 상기 발광 재료(20)는 490-530㎚의 범위로부터 선택된 피크 파장을 갖고 50-150㎚의 범위로부터 선택된 반치전폭(full width half maxiumum)(FWHM)을 갖는 발광 재료 광(21)을 제공하도록 구성되는 LED 패키지(100).
  6. 제1항에 있어서, 상기 발광 재료(20)는 세륨 도핑된 가넷(cerium doped garnet)을 포함하는 LED 패키지(100).
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 청색 색소(30)는 42,000-45,000의 범위로부터 선택된 색 지수 국제 번호(color index international number)를 갖는 유기 염료를 포함하는 LED 패키지(100).
  10. 제1항에 있어서, 상기 청색 색소(30)는 프탈로시아닌(phthalocyanine)을 포함하는 LED 패키지(100).
  11. 제1항에 있어서, 상기 청색 색소(30)는 (a) MAl2O4 - M은 Co, Ni, Mg, Cu 및 Zn 중 하나 이상을 포함하고, M은 적어도 Co를 포함함 - , 및 (b) NaxAl6Si6O24Sy (6 ≤ x ≤ 8 및 2 ≤ y ≤ 4) 중 하나 이상을 포함하는 LED 패키지(100).
  12. 제1항에 있어서, 상기 발광 재료(20)를 포함하는 제1 층(120), 및 상기 청색 색소(30)를 포함하는 제2 층(130)을 포함하고, 상기 고상 광원(10)에 대해 상기 제2 층(130)은 상기 제1 층(120)의 하류(downstream)에 구성되는 LED 패키지(100).
  13. 제1항에 있어서, 상기 발광 재료(20) 및 상기 청색 색소(30)를 포함하는 제1 층(120)을 포함하는 LED 패키지(100).
  14. 제1항 내지 제6항, 및 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 LED 패키지(100), 및 제어 유닛(151), 및 (a) 광학계(152)와 (b) 추가 광원(200) 중 하나 이상을 포함하고, 상기 제어 유닛(151)은 상기 LED 패키지(100) 및 상기 추가 광원(200)을 제어하도록 구성되는 조명 디바이스(2).
  15. 청색 비상용 조명을 제공하기 위해 또는 장식용 조명을 제공하기 위해, 제1항 내지 제6항, 및 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 LED 패키지(100)를 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
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