KR20040017926A

KR20040017926A - 광-혼합 층 및 광-혼합 방법

Info

Publication number: KR20040017926A
Application number: KR1020020049863A
Authority: KR
Inventors: 웬-치 호
Original assignee: 웬-치 호
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2004-03-02

Abstract

본 발명은 광-혼합 층 및 광-혼합 방법을 기재하고 있다. 제조 단계에서. 본 발명은 광-혼합 층내의 구성 입자들을 입자-인터레이싱 순서로 배열하고, 광원으로부터 방출된 빛을 흡수한 후에, 광-혼합 층이 다른 파장을 여기시키도록 한다. 고 균일성, 고 휘도 및 안정된 컬러 온도를 갖는 광원을 발생시키기 위해, 광-혼합 층에서 2가지 빛이 혼합되어, 완전한 광 확산, 광 변환 및 광 혼합이 얻어진다.

Description

광-혼합 층 및 광-혼합 방법{LIGHT-MIXING LAYER AND METHOD}

본 발명은 광-혼합(light-mixing) 장치에 관한 것으로, 특히 광-혼합 층 및 광-혼합 방법에 관한 것이다.

최근, LED(Light-Emitting Diode: 발광 다이오드) 소자가 일상 생활에서 대중적으로 사용되고 있다. LDE 소자는 작은 단면, 적은 전력 소모, 적은 열 손실 및 긴 수명과 같은 장점으로 인해, 점차적으로 조명 장치로서 역할하도록 종래의 램프를 대체하고 있다. 특히 하이라이트(highlight) LED 및 백색광(white light) LED 소자의 성공적인 발전으로, 점점 더 큰 화면의 LED 디스플레이 및 실내 조명이 냉광(luminescing)을 위해 LED 소자를 사용하며, 따라서, LED 소자는 장래에 점점 더 광범위하게 사용될 것이다.

미국특허 제5,998,925호, 명칭 "LIGHT EMITTING DEVICE HAVING A NITRIDE COPOUND SEMICONDUCTOR AND A PHOSPHOR CONTAINING A GARNET FLUORESCENT MATERIAL"에 주지된 LED 소자가 기재되어 있다. 종래의 LED 소자는 LED 칩, 형광체(phosphor) 및 에폭시(epoxy)를 포함하고, 이것은 LED 소자와는 상이한 파장을 갖는 형광(fluorescent light)을 발생시키기 위한 형광층내에 포함된 YAG 형광체를 여기(excite)시키기 위해, LED 칩으로부터 방출된 빛을 사용하고, 이로써, 형광체에 의해 발광된 형광, 및 형광체의 여기에 기인하지 않고 출력된, LED 칩으로부터 방출된 빛이 혼합되어 백색광을 출력한다. 그러나, 전술된 광 혼합(lightmixing)은 형광층의 표면에서만 발생하며, 이에 따라, 광 혼합의 효과가 충분하지 못하고, 광 소모량이 매우 커진다.

상기의 형광층은 YAG 형광체와 에폭시를 혼합함으로써 형성되고, LED 칩의 표면상에 덮인다. 그리고, 고온에서 베이킹(baking)한 후에, 형광층이 형성된다. 그러나, 형광층을 베이킹한 후, 다른 물질과의 비중 차로 인해 YAG 형광체가 침전되고, 그 결과 형광층의 밀도를 상승시키고, 또한 형광층의 균일성(uniformity)을 감소시킨다. 상기의 현상은 LED 칩의 정상적인 발광을 저해하게 되고, YAG 형광체가 LED 칩으로부터 방출된 빛을 완전히 흡수하지 못하게 하여, 이로써 발광 효율성이 저하된다. LED 칩으로부터 방출된 빛, 및 LED 칩으로부터 방출된 빛의 일부를 흡수함으로써 여기되는, YAG 형광체로부터 방출된 빛은, 형광층의 비균일한 밀도로 인해 완전한 혼합에 도달할 수 없고, 따라서, LED 소자는 균일한 빛을 갖지 못하게 된다.

도1은 칩 컵(12)상에 위치된 LED 칩(11), 전극(13), LED 칩(11), 전극(13) 및 칩 컵(12)을 각각 접속시키는 본딩 와이어(14), 및 투명 캡슐재(encapsulant)(16)을 포함하는 종래의 LED 소자를 도시하고 있다. 도2는 도1의 LED 칩(11) 및 형광층(15)을 확대한 도면을 나타낸다.

도3은 종래 LED 소자의 형광층(15)을 확대한 도면을 나타내고 있다. 고온 공정을 통해 YAG 형광체(31)의 입자들 간의 틈을 메우는 에폭시(32)와 YAG 형광체(31)를 혼합함으로써 형광층(15)이 형성된다. 도4는 종래 LED 소자의 광-혼합 원리를 도시하고 잇다. LED 칩(11)으로부터 방출되어 YAG 형광체(31)의 입자들간의 틈을 메우는 에폭시(32)를 통과한 빛은 파장 B를 갖고, 파장 B의 일부를 흡수한 YAG 형광체(31)에 의해 여기된 빛은 파장 Y를 갖는다. 파장 B 및 Y인 빛은 파장 W인 또다른 빛을 형성하는데, 이것은 LED 칩의 표면에서 상이한 방출 각도로 나간다. 그러나, YAG 형광체(31) 및 에폭시(32)가 상이한 비중을 가지기 때문에, 베이킹 후에 YAG 형광체(31)가 침전되고, 형광체(31)의 밀도가 균일한 상태로 유지되지 않을 것이다. 게다가, 상기의 광 혼합은 LED 소자의 발광 표면(또는 형광층(15)의 표면)에서만 발생한다. 혼합이 발생하기 전에 여전히 많은 빛이 사라지게 되고, 이것은 발광 효율성의 큰 손실을 초래한다.

도5는 종래 LED 소자의 파장과 발광 세기의 관계를 도시한 도면이다. 이것은, 종래의 광 혼합 방법에 의해 필요한 파장이 얻어질 수 있지만, 발광 효율이 충분하지 못하고, 휘도(brightness)도 충분하지 않다는 것을 보여준다.

본 발명의 목적은 광-혼합 층 및 방법을 제공하고, 고 균일성, 고 휘도 및 안정된 컬러 온도를 갖는 특정 컬러 빛을 발생시키기 위한 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 광-혼합 층내의 구성 입자들을 입자-인터레이싱 순서(particle-interlaced order)로 배열하고, 광원으로부터 방출된 빛을 흡수한 후, 광-혼합 층이 다른 파장을 여기하도록 한다. 고 균일성, 고 휘도 및 안정된 컬러 온도를 갖는 다른 광원을 발생시키기 위해, 광-혼합 층에서 2가지 빛이 혼합되어, 완전한 광 확산, 광 변환 및 광 혼합이 얻어진다.

도1은 종래 LED 소자의 단면도를 도시한 도면.

도2는 종래 LED 소자의 형광층을 도시한 도면.

도3은 종래 LED 소자의 발광 및 광-혼합 공정을 도시한 도면.

도4는 종래 LED 칩 및 형광층의 광-혼합 적용예를 도시한 도면.

도5는 종래 LED 소자의 광-혼합 스펙트럼을 도시한 도면.

도6은 본 발명에 따른 광-혼합 층을 도시한 도면.

도7은 본 발명에 따른 LED 칩 및 형광층의 광-혼합 적용예를 도시한 도면.

도8은 본 발명의 광-혼합 방법을 도시한 도면.

도9는 본 발명의 광-혼합 공정을 도시한 도면.

도10은 본 발명의 광 스펙트럼도를 도시한 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

61: 광-혼합 층62: LED 칩

63: 칩 컵64: 광-산란 입자

65: 형광 입자66: 확산 입자

도6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 광-혼합 층(61)이 칩 컵(63) 상에 위치되고, 이것은 에폭시와 혼합 및 코팅되어, LED 칩(62)으로부터 방출된 빛을 완전히 흡수하기 위해, LED 칩(62)(광원의 일례)을 에워싼다. 광-혼합 층(61)은 광-산란 입자(64), 형광 입자(65) 및 확산 입자(66)로 구성된다. 광-산란 입자(64)는 석영, 유리 또는 다른 투명한 폴리머 물질로 이루어질 수 있고, 형광 입자(65)는 형광체 입자들로 이루어질 수 있고, 확산 입자(66)는 BaTiO₃, Ti₂O₃및 SiO_x로 이루어질 수 있다. 베이킹 또는 자외선 조사 후, 광-산란 입자(64), 형광 입자(65) 및 확산 입자(66)는 관성력(inertial force), 익스프레셔(expressure), 축합(condensation) 등의 방법에 의해 입자-인터레이싱 순서(particle-interlaced order)로 배열된다.

도7에서, LED 칩(62)으로부터 방출된 빛의 일부는 광-산란 입자(64)에 의해 자신의 진행 방향을 바꾸고, 형광 입자(65)는 LED 칩(62)의 빛을 방출하는 확산 입자(66) 및 광-산란 입자(64)로부터 방출된 빛을 다른 파장의 빛으로 변환시킨다. 확산 입자(66)는 상기의 상이한 파장의 빛들을 혼합하는데 사용된다. 광-산란 입자(64), 형광 입자(65) 및 확산 입자(66)가 입자-인터레이싱 순서로 배열되기 때문에, 광-혼합 층의 형광 입자(65)는 포화 흡수 상태에 도달할 수 있고, 또다른 파장을 방출한다. 광-산란 입자(64), 형광 입자(65) 및 확산 입자(66) 사이의 연속적인 광 혼합을 통해, 균일하고 밝은 일정-컬러-온도의 빛을 획득할 수 있다(화살표로 나타냄).

도8은 본 발명에 따른 광-혼합의 순서도를 도시하고 있다. 단계(81)에서, 전원을 인가함으로써 LED 칩(62)이 빛을 방출한다. 단계(82)에서, LED 칩(62)이 광-혼합 층(61)으로 빛을 방출한 후에, 광-혼합 층(61)내의 광-산란 입자(64)가 이동하고, 빛의 진행 방향을 변화시킨다. 단계(83)에서, 형광 입자(65)는 광-산란 입자(64) 및 확산 입자(66)로부터 방출된 빛의 일부를 흡수하고, 또다른 파장의 광을 여기시킨다. 단계(84)에서, 확산 입자(66)는 형광 입자(65) 및 광-산란 입자(64)로부터 방출된 빛을 혼합한다. 단계(85)에서, 연속적인 광 산란의 특성에 의해, 광-혼합 층(61)의 모든 입자(광-산란 입자(64), 형광 입자(65) 및 확산 입자(66)를 포함함)에서 광 변환 및 광 혼합이 수행되고, 균일하고 밝은 일정-컬러-온도의 빛이 획득될 수 있다.

도9는 본 발명에 따른 광-혼합 공정을 도시한 도면이다. 먼저, LED 칩(62)은 광-혼합 층으로 빛을 방출한다. 다음으로, 제1 광-혼합 공정이 시작하는데, 이것은, LED 칩(62)으로부터의 빛의 일부를 투명한 광-산란 입자(64) - 상기 광-산란 입자(64)는 형광 입자(65) 및 확산 입자(66)로 빛을 산란시킴 - 로 방출하고, LED 칩(62)으로부터의 빛의 일부를 확산 입자(66) - 상기 확산 입자(66)는 형광 입자(65) 및 광-산란 입자(64)로 빛을 산란시킴 - 로 방출하고, LED 칩(62)으로부터의 빛의 일부를 형광 입자(65) - 상기 형광 입자(65)는 또다른 파장의 빛을 여기시켜 광-산란 입자(64) 및 확산 입자(66)로 전환시킴 -로 방출하는 것을 의미한다. 동일한 규칙으로, 후속의 광-혼합 공정이 계속된다. 광-혼합 층의 입자-인터레이싱순서를 통해 2개의 상이한 파장의 빛이 완전히 혼합되고, 연속적인 광 산란 특성에 의해, 광-혼합 층의 모든 입자에서 광 변환 및 광 혼합이 수행되고, 균일하고 밝은 일정-컬러-온도의 빛이 획득될 수 있다.

도10은 본 발명의 광 스펙트럼도를 도시하고 있다. 이 도면에서, 본 발명의 발광 효율이 종래 LED 소자의 발광 효율보다 한층 양호하고, 본 발명의 발광 세기는 종래 LED 소자 보다 훨씬 더 높다는 것을 보여준다.

본 발명에 따른 LED 소자의 광-혼합 층은 분산(dispersion), 인쇄(printing), SPIN, 클래딩(cladding) 또는 증착(evaporation) 등의 공정에 의해 형성될 수 있고, LED 칩은 침착(deposition), 관성력, 익스프레셔, 축합, 코팅, 스퍼터링, 클래딩 또는 증착 등의 공정에 의해 밀봉된다. 또한, 광-혼합 층은 LED 칩으로부터의 거리를 유지하고, LED로부터 방출된 빛을 반사율만큼 흡수할 수 있으며, 본 발명은 광-혼합 층과 LED 칩 사이의 어떠한 접속 관계로도 제한되지 않는다. 또한, 광-혼합 층내의 광-산란 입자(64), 형광 입자(65) 및 확산 입자(66)의 비율은 요구된 출력 파장에 따라 동적으로 조정될 수 있다. 그러나. 일반적으로 말해서, 광-산란 입자(64)은 중량으로 10% 내지 70%를, 형광 입자(65)는 10% 내지 65%를, 확산 입자(66)는 15% 내지 60%를 차지하도록 유지하는 것이 바람직하다. 본 발명의 원리는 EL 슬라이스의 제조 또는 다른 분야에도 적합하다. 본 발명은 LED와 같은 특정한 애플리케이션에 제한되지 않는다.

본 발명의 전술된 실시예는 단지 예시적인 것으로 의도되었다. 첨부된 청구항의 범위에서 벗어나지 않는 한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해많은 대안의 실시예들이 안출될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 광-혼합 층 및 광-혼합 방법은 적어도 다음의 장점을 얻을 수 있다.

1. 광-혼합 층에 광-산란 입자(석영, 유이 또는 다른 투명한 폴리머 물질 등)를 부가함으로써, 형광 입자의 밀도를 감소시킬 수 있다. 광-산란 입자의 투명한 특성은 빛이 광-혼합 층으로부터 완전히 방출될 수 있도록 하기 때문에, 광 소모량이 감소될 수 있다. 본 발명의 광-혼합 효과는 형광 입자의 밀도에 대해 독립적이기고, 이에 따라. 광-혼합 효과가 탁월하다.

2. 광-산란 입자의 산란에 의해, 광원으로부터 방출된 빛이 광-혼합 층의 모든 층내의 형광 입자를 완전히 여기시키고, 다른 파장의 빛으로 변환시킬 수 있다.

3. 본 발명의 광-혼합 층에 확산 입자(BaTiO₃, Ti₂O₃및 SiO_x등)를 부가함으로써, 광원으로부터 방출된 빛 및 형광 입자에 의해 여기된 빛이 완전히 혼합되어, 광 소모량이 감소될 수 있다. 여러번의 순환적인 혼합에 의해, 고 균일성, 고 휘도 및 안정된 컬러 온도를 갖는 다른 광원이 획득될 수 있다.

Claims

광원을 흡수하기 위한 광-혼합 층에 있어서,

상기 광원으로부터 방출된 빛을 산란시키기 위한 광-산란 입자;

상기 광원으로부터 기원된 빛의 일부를 다른 파장의 빛으로 변환시키기 위한 형광 입자; 및

상기 광-산란 입자와 상기 형광 입자로부터 방출된 빛을 혼합시키기 위한 확산 입자

를 포함하고,

여기서, 상기 광-산란 입자, 상기 형광 입자 및 상기 확산 입자는 입자-인터레이싱 순서(particle-interlaced order)로 배열되는

광-혼합 층.
제1항에 있어서,

상기 광-산란 입자, 확산 입자 및 형광 입자의 배열은 인쇄(printing), 분산(dispersion), SPIN, 증착(evaporation), 관성력(inertial force), 익스프레셔(expressure), 축합(condensation), 클래딩(cladding) 또는 스퍼터링(sputtering) 공정으로 이루어지는

광-혼합 층.
제1항에 있어서,

상기 광-산란 입자는 석영, 유리 또는 투명한 폴리머 물질로 이루어지는

광-혼합 층.
제1항에 있어서,

상기 확산 입자는 BaTiO₃, Ti₂O₃및 SiO_x로 구성된 그룹으로부터 선택되는

광-혼합 층.
제1항에 있어서,

상기 형광 입자는 무기(inorganic) 형광 물질로 이루어지는

광-혼합 층.
제1항에 있어서,

관성력, 익스프레셔 또는 축합 공정에 의해 상기 광원을 커버하는

광-혼합 층.
제1항에 있어서,

코딩 또는 인쇄 공정에 의해 상기 광원을 커버하는

광-혼합 층.
제1항에 있어서,

스퍼터링, 클래딩 또는 증착 공정에 의해 상기 광원을 커버하는

광-혼합 층.
칩, 칩 컵, 전극 및 투명한 캡슐재(encapsulant)을 포함하는 LED 소자에 있어서,

상기 LED 칩으로부터 방출된 빛을 흡수하기 위한 광-혼합 층

을 포함하고,

상기 광-혼합 층은,

상기 LED 칩으로부터 방출된 빛을 산란시키기 위한 광-산란 입자;

상기 LED 칩으로부터 기원된 빛의 일부를 다른 파장의 빛으로 변환시키기 위한 형광 입자; 및

상기 광-산란 입자와 상기 형광 입자로부터 방출된 빛을 혼합시키기 위한 확산 입자를 포함하고,

여기서, 상기 광-산란 입자, 상기 형광 입자 및 상기 확산 입자는 입자-인터레이싱 순서로 배열되는

LED 소자.
제9항에 있어서,

상기 광-혼합 층은 상기 LED 칩으로부터의 거리를 유지하고, 상기 광-혼합 층은 반사에 의해 상기 LED 칩으로부터 방출된 빛을 흡수하는

LED 소자.
광-혼합 방법에 있어서,

광-산란 입자. 형광 입자 및 확산 입자를 포함하고, 광원으로부터 방출된 빛을 흡수하는데 사용되는 광-혼합 층을 제공하는 단계 - ;

상기 광원으로부터 방출된 빛을 산란시키기 위해 상기 광-산란 입자를 이용하는 단계;

상기 광원으로부터 기원된 빛의 일부를 다른 파장의 빛으로 변환하기 위해 상기 형광 입자를 이용하는 단계; 및

상기 광-산란 입자와 상기 형광 입자로부터 방출된 빛을 혼합하기 위해 상기확산 입자를 이용하는 단계

를 포함하는 광-혼합 방법.