KR20050019741A - 포화 인광체 고체 에미터 - Google Patents

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KR20050019741A
KR20050019741A KR10-2004-7020268A KR20047020268A KR20050019741A KR 20050019741 A KR20050019741 A KR 20050019741A KR 20047020268 A KR20047020268 A KR 20047020268A KR 20050019741 A KR20050019741 A KR 20050019741A
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이베트손제임스
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크리, 인코포레이티드
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Abstract

패키지의 묶음들 사이에서 제한된 파장 변화를 나타내고 동작시에 일관된 파장 및 방출 특성을 나타내는 고효율, 고양품율 에미터 패키지를 제공한다. 본 발명에 따른 에미터 패키지의 일 실시예는 반도체 에미터와 변환 물질을 포함한다. 변환 물질은 반도체 에미터로부터 방출된 광의 거의 전부를 흡수하고 하나 이상의 다른 파장의 광 스펙트럼으로 광을 재방출하도록 배열된다. 변환 물질은 또한 광이 상기 에미터 패키지로부터 방출될 때 재방출된 광을 차단할 정도로 변환 물질이 과다하게 되지 않도록 배열되며, 상기 에미터 패키지는 상기 변환 물질로부터 하나 이상의 파장 스펙트럼으로 광을 방출한다. 반도체 에미터는 바람직하게 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드이다.

Description

포화 인광체 고체 에미터{SATURATED PHOSPHOR SOLID STATE EMITTER}
이 출원은 2002년 6월 13일에 켈러(Keller) 등이 출원한 미국 가특허 출원 제60/388,327호를 우선권 주장한다.
본 발명은 고체 에미터(solid state emitter)에 관한 것으로, 특히 방출된 광의 파장이 변환 물질에 의해 변환되는 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED)는 전기 에너지를 광으로 변환시키는 고체 소자이고, 일반적으로 2개의 반대로 도핑된 반도체 층 사이에 샌드위치된 능동(active) 반도체 물질층을 포함하고 있다. 도핑된 반도체 층 양단에 바이어스가 인가될 때, 정공(hole)과 전자(electron)들이 능동층에 주입되고, 그 능동층에서 정공과 전자가 재결합하여 광을 발생한다. 광은 능동층으로부터 및 LED의 모든 표면으로부터 전(全)방향성으로 방출된다. LED(예를 들면, 3족 질화물을 기반으로 한 LED)의 최근 발전에 의해 필라멘트 기반 광원의 효율을 능가하는 고효율 광원이 개발되었고, 이는 입력 전력에 대하여 동일하거나 더 큰 휘도의 광을 발생한다.
고체 반도체 레이저 다이오드는 LED와 거의 동일한 방식으로 전기 에너지를 광으로 변환한다. 고체 반도체 레이저 다이오드는 구조적으로 LED와 유사하지만, 2개의 반대측 표면상에 미러들을 포함하고 있으며, 그 중 하나는 부분적으로 투과성을 갖는다. 단면 발광 레이저(edge emitting laser)의 경우, 미러들은 측면상에 설치되고, 그 미러들은 유도 방출이 발생할 수 있도록 광학적 피드백을 제공한다. 상기 유도 방출은 고도의 시준된(collimated)/가간섭성(coherent) 광원을 제공한다. 수직 공동(cavity) 레이저는 많은 부분에서 단면 발광 레이저와 동일하게 작용하지만, 미러들이 상부(top)와 하부(bottom)에 설치된다. 수직 공동 레이저는 그 상부 표면으로부터 유사하게 시준된 출력을 제공한다. 일부 유형의 고체 레이저들은 전류를 광으로 변환시킴에 있어서 LED보다 더 효율적일 수 있다.
녹색 발광 LED는 3족 질화물 기반 물질계를 포함하는 다른 물질계로 제조될 수 있다. 그러나, 종래의 녹색 발광 LED는 전형적으로 양품율(yield)이 낮고 묶음들간에(from batch to batch) 균일한 발광 특성을 갖도록 제조하기가 어려운 것으로 생각되고 있다. LED는 또한 단일 묶음(batch) 내에서 웨이퍼 전체에 걸쳐 큰 파장 변화를 나타낼 수 있고, 구동 전류 및 온도와 같은 동작 조건에 따라 강한 파장 및 발광 변화를 나타낼 수 있다.
LED의 광을 다른 파장으로 다운컨버트(downconvert)하여 LED가 발생한 광을 변화시키기 위해 인광체, 중합체 및 다이가 LED를 둘러싸는데 이용되어 왔다. 예를 들면, 단일 청색 발광 LED는 황색 인광체, 중합체 또는 다이로 둘러싸이는데, 전형적인 인광체는 세륨을 도핑한 이트륨 알루미늄 가넷(garnet)(Ce:YAG)이다. [Nichia Corp.의 백색 LED, 부품 번호 NSPW300BS, NSPW312BS 등 참조; "Multiple Encapsulation of Phosphor-LED Devices"의 명칭으로 로워리(Lowery)에게 허여된 미국 특허 제5,959,316호 참조]. 둘러싸는 인광체 물질은 일부 LED 광의 파장을 "다운컨버트"하여 그 광을 다른 파장으로서 재방출함으로써 전체 "LED 패키지"가 2개 파장의 광을 방출하게 한다. 황색 인광체로 둘러싸인 청색 발광 LED의 경우, 청색광의 일부는 변환되지 않고 인광체를 통과하고, 나머지 광은 황색으로 다운컨버트된다. 인광체를 통과한 청색광은 LED 패키지가 방출한 광의 전체 색에 있어서 중요한 임무를 수행하는데, 이 LED 패키지는 청색광과 황색광을 둘 다 방출하고 상기 청색광과 황색광은 결합되어 백색광을 형성한다.
이러한 유형의 LED 패키지에 있어서, 광원(LED)이 단색광을 방출하는 방법으로 다운컨버팅 물질을 적용하는 것은 어려울 수 있다. 변환 물질의 층 두께에서 약간의 변동이 있더라도 방출 광의 색을 변화시킬 수 있기 때문에 반복성 및 대량 생산에 있어서도 또한 문제점이 발생한다. 혼(Hohn) 등에게 허여된 미국 특허 제6,066,861호에는 LED를 둘러싸고, LED로부터의 광이 더욱 균질하게 나타나도록 안정된 분산으로 변환 물질을 내포하는 캐스팅 조성물이 개시되어 있다. 일 실시예에 있어서, 변환 물질(발광 물질)은 일반식이 A3B5X12:M이고 미립자 크기가 20 ㎛ 이하이며 평균 입경이 d50<5 ㎛ 인 인광체 그룹이다. 청색 LED를 둘러싸는 황색 변환 물질을 가진 LED 패키지와 유사하게, 캐스팅 조성물은 대부분의 LED 광이 통과하고 나머지의 LED 광이 다운컨버트되도록 구성된다.
황색 다운컨버팅 물질에 의해 둘러싸인 전형적인 청색 LED의 또하나의 단점은 결과적인 백색광이 허용불능의 색 온도 및 빈약한 연색성(color rendering)을 가짐으로써 LED가 표준적인 실내 조명에 적합하지 않을 수 있다는 것이다. 사울즈(Soules) 등에게 허여된 미국 특허 제6,252,254호에는 청색 LED(또는 레이저 다이오드)를 녹색 및 적색 다운컨버팅 인광체로 감싼 것에 대하여 설명되어 있다. 황색 다운컨버팅 물질로 둘러싸인 청색 LED와 유사하게, 녹색/적색 인광체는 청색 LED 광의 일부를 흡수하고 적색 및 녹색광을 재방출하여 LED와 인광체 모두가 백색광으로서 결합되는 광을 방출한다. 사울즈 등은 결과적인 백색광의 색 온도 및 연색성이 개선되었다고 설명하고 있다.
황색 다운컨버팅 물질로 둘러싸인 전형적인 청색 LED의 또다른 단점은 물질이 퇴화하여 색조(color tone) 편향을 야기하고 형광 물질을 어둡게 한다는 것이다. 시무즈(Shimuzu) 등에게 허여된 미국 특허 제5,998,925호에는 발광 성분(예를 들면, LED 또는 레이저 다이오드), 및 이 발광 성분에 의해 방출된 광의 일부를 흡수하고 흡수된 광의 파장과 다른 파장의 광을 방출할 수 있는 인광체를 제공함으로써 상기 단점을 극복하는 LED에 대하여 개시되어 있다. 발광 성분은 질화물 기반 반도체 및 특수 가넷 형광 물질을 내포하는 인광체를 포함한다. 시무즈 등은 인광체가 광에 대하여 훌륭한 내성을 가짐으로써 계속적인 기간동안 사용되었을 때에도 형광 특성의 퇴화가 거의 없다고 설명하고 있다.
광 추출은 전형적으로 굴절율(n)이 약 3.5인 도핑층 및 능동층을 가진 종래의 LED에서의 또하나의 인식된 문제점이다. 이 때, LED는 굴절율(n)이 약 1.5인 에폭시로 포위된다. 스넬의 법칙을 적용하면 에폭시와의 계면의 법선에 대하여 약 0.443 라디안의 각도 세타 내에서 능동 영역으로부터 방출된 광만이 LED의 상부로부터 방출될 수 있다는 것을 보여준다. 더 큰 각도에서는 광이 내부 전반사에 의해 LED에 트랩되고, 광의 일부(어떤 경우에는 약 9.6%)만이 발광에 기여한다. 브리엔스(Vriens) 등에게 허여된 미국 특허 제5,813,753호에는 광의 변환 및 추출이 개선된 UV/청색 LED 인광체 소자에 대하여 개시되어 있다. 이 소자는 반사경과 인광체를 적절히 배치함으로써 LED의 단면에서 방출된 광의 대부분을 이용한다. 이 소자는 또한 소자에서 하나 이상의 유전체 필터를 사용함으로써 UV/청색 LED 인광체 소자가 방출한 가시광의 색 및 방출각에 영향을 준다. 일 실시예에 있어서, 발광 소자는 반사경과 함께 컵모양의 헤더에 배치되고, 상기 컵모양 헤더에는 인광체가 균질하게 혼합되어 있는 투명 물질로 채워진다. 상기 소자는 광의 전부가 인광체에 의해 흡수되지는 않는 것으로 생각되고, 인광체 입자에 의해 흡수되지 않는 UV/청색 광이 공기중에 배출되는 것을 방지하는, 소자 위에 배치된 유리판을 포함한다. 다른 실시예에서는 UV/청색광을 인광체로 되반사하고 인광체에 의해 방출된 가시광을 투과시키기 위해 유리판 부근에 장파 통과 필터(LPW)가 부가된다.
상기 설명한 모든 LED 패키지는 공통적인 특성을 갖는다. 각 패키지는 LED(또는 레이저 다이오드)로부터의 광의 일부가 흡수되지 않고 변환 물질을 통과하는 것으로 예상되고, 대부분의 경우 통과된 광은 패키지에 의해 방출된 전체 색에 있어서 중요한 임무를 행하는 것으로 생각된다.
도 1은 본 발명에 따른 포화 변환 물질 LED 패키지의 일 실시예의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 포화 변환 물질 LED의 출력 강도 대 피크 방출 파장을 나타내는 그래프도이다.
도 3은 본 발명에 따른 포화 변환 물질 LED의 파장 스펙트럼을 나타내는 그래프도이다.
도 4는 본 발명에 따른 포화 변환 물질 LED의 출력 손실 대 동작 시간을 나타내는 그래프도이다.
도 5는 본 발명에 따른 포화 변환 물질 LED 패키지의 다른 실시예의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 포화 변환 물질 반도체 레이저 패키지의 일 실시예의 단면도이다.
도 7은 상이한 농도의 변환 물질층들을 가진 본 발명에 따른 포화 변환 물질 에미터 패키지의 일 실시예의 단면도이다.
도 8은 균일한 농도의 변환 물질을 가진 본 발명에 따른 포화 변환 물질 에미터 패키지의 일 실시예의 단면도이다.
본 발명은 제조가 용이하고 높은 양품율을 제공하는 고체 에미터 패키지를 제공하고, 이와 동시에 패키지의 묶음들 사이에서 제한된 파장 변화를 나타내고 시간 경과에 따른 동작에서 일관된 파장 및 방출 특성을 나타내는 에미터 패키지를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 따른 포화 변환 물질 에미터 패키지의 일 실시예는 반도체 에미터와 변환 물질을 포함한다. 변환 물질은 반도체 에미터로부터 방출된 광의 거의 전부를 흡수하고 하나 이상의 다른 파장의 광 스펙트럼으로 광을 재방출하도록 배열된다. 변환 물질은 또한 광이 에미터 패키지로부터 방출될 때 재방출된 광을 차단할 정도로 변환 물질이 과다하게 되지 않도록 배열된다. 에미터 패키지는 변환 물질로부터 하나 이상의 파장 스펙트럼으로 광을 방출한다.
본 발명에 따른 포화 변환 물질 에미터 패키지의 다른 실시예는 바이어스에 응답하여 광을 각각 방출하는 하나 이상의 반도체 에미터를 포함한다. 금속 컵은 컵의 베이스에 배열된 반도체 에미터를 구비한다. 복수의 전도 경로(conductive path)는 에미터에 바이어스를 인가하여 에미터가 광을 방출시키도록 하기 위해 반도체 에미터에 결합된다. 변환 물질은 에미터로부터의 광이 변환 물질을 통과하도록 배열되고, 변환 물질은 에미터로부터의 광을 실질적으로 모두 흡수하여 하나 이상의 다른 광 파장으로 광을 재방출한다. 변환 물질은 또한 그 변환 물질이 에미터 패키지로부터 방사되는 재방출 광을 실질적으로 차단하지 않도록 배열된다. 에미터 패키지는 변환 물질로부터 하나 이상의 파장 스펙트럼으로 광을 방출한다.
본 발명에 따른 에미터 패키지의 일 실시예에서, 반도체 에미터는 청색의 UV 방출 LED를 포함하고, LED 광은 녹색 인광체를 통과한다. 인광체는 패키지가 스펙트럼의 녹색 부분에서 방출하도록 광에 의해 포화된다. 이 구성은 종래의 질화물 기반 녹색 LED에 비하여 많은 장점을 제공한다. 녹색 LED와는 달리, 녹색 인광체의 방출 스펙트럼은 특정 물질에 의해 본질적으로 고정되고, 따라서 파장 변화가 더 적다. 일반적으로, 인광체는 분광적으로 더 넓은 방출 스펙트럼을 또한 가질 수 있는데, 이것은 일부 응용에서 바람직할 수 있다.
본 발명에 따라 포화 변환 물질을 통과한 LED로부터의 광은 인광체의 불균일한 변환 효율 및 스토크 시프트(Stokes shift)에 의해 손실될 수 있다. 그러나, 이 손실은 본 발명에 따른 LED 패키지의 양호한 실시예가 손실을 보상하고 LED 패키지가 종래의 LED에 비하여 더 높은 방출 효율을 갖게 하는 UV 및 청색 발광 3족 질화물 기반 LED와 같은 고효율, 고 양품율 LED를 포함하고 있기 때문에 용인될 수 있다.
이 기술은 고체 발광을 위한 다양한 융통성있는 제품의 제조 및 개발에 매우 적합하다. 본 발명에 따른 LED 패키지의 가능한 응용은, 제한적인 것은 아니지만, 교통 신호등, 디스플레이, 특수 조명, 신호기 등을 포함한다. 본 발명은 또한 고효율, 고 연색성의 고체 발광을 필요로 하는 거의 모든 응용에 적합한 백색 발광 LED 패키지를 제조하기 위해 청색 및 적색 에미터와 함께 사용될 수 있다. 이것은 실내 및 실외의 상업용 및 주거용 건축물 조명, 자동차 미등, 디스플레이, 섬광 전등 및 일반 조명등을 포함한다. 이것은 누적 에너지 절약 및 환경 영향의 감소를 가져올 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 특징과 장점들은 첨부 도면과 함께 설명하는 이하의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백하게 될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 포화 변환 물질 LED 패키지(10)의 일 실시예를 도시한다. 이 패키지는 일반적으로 2개의 반대로 도핑된 층들 사이에 샌드위치된 능동층을 포함하는 LED(12)(한 개 이상의 LED를 사용할 수 있다)를 포함한다. 상기 층들은 표준 두께를 가지며, 능동층은 상기 반대로 도핑된 층들에 바이어스가 인가된 때 전방향적으로 광을 방출한다. LED(12)의 층들은 많은 상이한 반도체 물질계로해 제조될 수 있고 LED(12)는 많은 상이한 색의 광을 방출할 수 있다. LED(12)는 바람직하게 청색광을 방출하고, 청색광의 고효율 방사를 제공하는 3족 질화물 기반 물질계로부터의 반도체 물질로 형성될 수 있다. 3족 질화물은 질소와 주기율표의 3족 원소들 사이에 형성된 반도체 화합물을 지칭하며, 일반적으로 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 및 인듐(In)이다. 3족 질화물은 또한 AlGaN 및 AlInGaN과 같은 3원(ternary) 및 제3차(tertiary) 화합물을 지칭한다.
LED(12)는 또한 기판을 포함하고, 이 기판에 LED의 능동층 및 반대로 도핑된 층들이 적층하여 형성된다. 기판은 사파이어(Al2O3), 규소(Si) 또는 탄화 규소(SiC)와 같은 많은 다른 물질들로 형성될 수 있고, 바람직한 기판은 SiC의 4H 폴리타입(polytype)이다. 3C, 6H 및 15R 폴리타입과 같은 다른 SiC 폴리타입도 또한 사용할 수 있다. 버퍼층은 적당한 결정 구조 변이를 제공하기 위해 기판과 다른 LED 층들 사이에 또한 포함될 수 있다. 탄화 규소는 사파이어보다 3족 질화물에 일치하는 훨씬 더 밀접한 결정 격자를 갖고 있어서 3족 질화물막을 더욱 고품질화한다. 탄화 규소는 또한 매우 높은 열 전도성을 갖고 있어서 탄화 규소상의 3족 질화물 소자의 총 출력이 (일부 소자들이 사파이어상에 형성된 경우처럼) 기판의 열 소산에 의해 제한되지 않는다. 탄화 규소 기판의 이용가능성은 또한 소자 격리 능력 및 감소된 기생 용량을 제공하여 소자를 상업적으로 이용할 수 있게 한다. SiC 기판은 미국 노스 캐롤라이나 듀램에 소재하는 Cree Research, Inc.로부터 입수할 수 있고, 그 제조 방법은 과학 문헌에서 설명되어 있고, 뿐만 아니라 미국 특허 제Re.34,861호; 제4,946,547호; 및 제5,200,022호에도 개시되어 있다.
LED의 능동층 및 반대로 도핑된 층들은 금속 유기 화학 증착(MOCVD)과 같은 공지의 반도체 제조 방법을 이용하여 기판상에 형성된다. 유사하게, 3족 질화물의 에피택셜 기술이 과학 문헌에 보고되어 있고, 또한 미국 특허 제5,210,051호; 제5,393,993호; 제5,523,589호; 및 제5,292,501호에 개시되어 있다.
LED(12)는 또한 각각의 반대로 도핑된 층에 각각 오믹 접촉되어 있는 제1 및 제2 접촉부를 포함할 수 있다. 접촉부에 인가된 바이어스는 상기 반대로 도핑된 층들에 전도되어 전자 및 정공들이 LED의 능동층에 주입되게 하고, 상기 능동층에서 전자와 정공들이 재결합하여 능동층이 광을 방출하게 한다.
LED(12)는 또한 기계적 안정성을 위해 서브마운트(14) 위에 설치될 수 있다. 서브마운트(14)는 LED(12)에 인가되는 전류량 또는 전력량을 조절하기 위해 또는 LED(12)에 인가된 전기 신호를 변환하기 위해 전기 회로를 내장할 수 있다. 서브마운트(14)는 또한 LED 패키지(10)가 정전기 충격에 대하여 내성을 갖도록 하는 부품들 및 회로를 내장할 수 있다. 서브마운트(14)는 전형적으로 LED(12)가 광을 방출하도록 LED 접촉부들에 바이어스를 인가하기 위한 제1 및 제2 전도 경로(20, 22)를 구비한 "금속 컵"(18)의 수평 베이스(16)에 설치된다. 대안적으로, 바이어스는 전체적으로 또는 부분적으로 서브마운트(16) 및 그 전자 회로를 통하여 LED(또는 그 접촉부)에 인가될 수 있다. 컵(18)은 패키지(10)로부터 방출되는 전체 광에 기여하도록 LED(12)로부터 방출된 광을 반사시키는 반사성 표면(20)을 가질 수 있다.
LED(12), 서브마운트(14) 및 전도 경로(20, 22)는 규소, 수지 또는 에폭시와 같은 방사선 투과 능력이 큰 투명 물질로 제조된 보호층(24) 내에 내장되는데, 상기 보호층(24)의 바람직한 물질은 에폭시이다. 패키지(10)를 제조하는 동안에, 에폭시는 컵(18)에 주입되어 컵(18)의 하부를 채움으로써 LED(12), 서브마운트(14) 및 전도 경로(20, 22)가 에폭시에 의해 포위되고, 그 다음에 에폭시가 경화된다.
LED(12)는 또한 투명 물질층(24)의 상부에 변환 물질층(26)을 포함하는데, 이 변환 물질층(26)은 또한 투명 물질층(24)과 유사하게 방사선 투과 능력이 큰 투명 물질로 제조되고, 그 전체에 분포된 변환 물질(28)을 또한 갖는다. 변환 물질(28)은 인광체, 형광성 다이 및 포토루미네슨트 반도체와 같은 하나 이상의 형광성 또는 인광성 물질일 수 있다. 아래의 목록은 변환 물질(28)로서 이용할 수 있는 인광체를 표시한 것이며, 여기(excitation) 후 재방출되는 색에 따라 그룹지어 표시하였다.
적색
Y2O2S:Eu3+,Bi3+
YVO4:Eu3+,Bi3+
SrS:Eu2+
SrY2S4:Eu2+
CaLa2S4:Ce3+
(Ca,Sr)S:Eu2+
Y2O3:Eu3+,Bi3+
Lu2O3:Eu3+
(Sr2-xLax)(Ce1-xEux)O4
Sr2Ce1-xEuxO4
Sr2-xEuxCeO4
Sr2CeO4
SrTiO3:Pr3+,Ga3+
오렌지색
SrSiO3:Eu,Bi
황색/녹색
YBO3:Ce3+,Tb3+
BaMgAl10O17:Eu2+,Mn2+
(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga)2S4:Eu2+
ZnS:Cu+,Al3+
LaPO4:Ce,Tb
Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu2+,Mn2+
(Gd,Y,Lu,Se,La,Sm)3(Al,Ga,In)5O12:Ce3+
((Gd,Y)1-xSmx)3(Al1-yGay)5O12 :Ce3+
(Y1-p-q-rGdpCeqSmr)3(Al1-yGay )5O12
Y3(Al1-sGas)5O12:Ce3+
(Y,Ga,La)3Al5O12:Ce3+
Gd3In5O12:Ce3+
(Gd,Y)3Al5O12:Ce3+,Pr3+
Ba2(Mg,Zn)Si2O7:Eu2+
(Y,Ca,Sr)3(Al,Ga,Si)5(O,S)12
Gd0.46Sr0.31Al1.23OxF1.38:Eu2+0.06
(Ba1-x-ySrxCay)SiO4:Eu
Ba2SiO4:Eu2+
청색
ZnS:Ag,Al
황색/적색 합성
Y3Al5O12:Ce3+,Pr3+
백색
SrS:Eu2+,Ce3+,K+
위의 목록으로부터, 아래의 인광체는 청색 및/또는 UV 방출 스펙트럼에서 여기함으로써 바람직한 피크 방출을 제공하고 효율적인 광 변환을 가지며 허용가능한 스토크 시프트를 갖기 때문에 LED 패키지(10)의 변환 물질(28)로서 사용하기에 가장 적합하다.
적색
Lu2O3:Eu3+
(Sr2-xLax)(Ce1-xEux)O4
Sr2Ce1-xEuxO4
Sr2-xEuxCeO4
SrTiO3:Pr3+,Ga3+
황색/녹색
(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga)2S4:Eu2+
Ba2(Mg,Zn)Si2O7:Eu2+
Gd0.46Sr0.31Al1.23OxF1.38:Eu2+ 0.06
(Ba1-x-ySrxCay)SiO4:Eu
Ba2SiO4:Eu2+
제조 중에, 변환 물질층(26)은 컵(18)의 대부분 또는 전부를 채우기 위해 보호층(24)의 상부에 주입되고 경화된다. 물질(28) 내의 미립자들은 UV LED(12)에 의해 방출된 광을 흡수하고 흡수된 광을 흡수된 파장과 다른 하나 이상의 파장 스펙트럼으로 재방출한다. 변환 물질(28)은 하나 이상 유형의 물질을 포함할 수 있고, 그 각각은 변환 물질층(26)이 하나 이상의 광파장을 재방출하도록 상이한 파장으로 광을 재방출한다. 변환 물질(28)은 또한 변환 물질층(26) 전체에 있어서 상이한 농도로 있을 수 있다.
변환 물질에 의해 흡수되고 재방출되는 LED 광의 양은 일반적으로 LED 광이 통과하는 변환 물질의 양에 비례한다. 그러나, 만일 LED 광이 너무 많은 변환 물질(28)을 통과하면, 변환 물질의 재방출된 광의 일부가 과도한 변환 물질(28)에 의해 LED 패키지(10)로부터 방출되는 것이 차단될 수 있다. 이것은 패키지(10)의 전체 발광 효율을 감소시킨다. LED 광이 통과하는 변환 물질의 양은 변환 물질(28)의 농도를 변화시키거나 변환 물질층(26)의 두께를 변화시키거나 또는 상기 양자에 의해 변화될 수 있다.
LED 패키지(10)에서, LED(12)로부터의 광은 실질적으로 모든 LED 광이 흡수되고 다른 광파장으로 재방출되도록 충분한 양의 변환 물질(28)을 통과한다. 이와 동시에, 재방출된 광은 재방출된 광이 패키지(10)로부터의 방출로부터 차단되지 않도록 과도한 변환 물질(28)을 통과하지 않는다. 차단없이 완전한 변환을 제공하기 위해 충분한 양의 변환 물질을 제공함으로써, 변환 물질(28)은 "포화" 상태로 된다. 변환 물질 포화를 위한 변환 물질의 양은 LED(12)(또는 레이저)의 크기 및 광속(luminous flux)에 의존한다. 크기 및 광속이 크면 클수록, 필요로 하는 변환 물질(28)의 양이 더 많아진다.
변환 물질 포화에 있어서, 패키지(10)로부터 방출된 광은 주로 변환 물질(28)에 의해 생성된 광자(photon)로 구성된다. 그러나, 일부 실시예에서, 결과적인 패키지 방사선의 색도를 약간 변화시키기 위해 LED 광의 소량 부분이 흡수되지 않고 변환 물질(28)을 투과하도록 하는 것이 바람직할 수 있다. LED(10)에 있어서, 대부분의 패키지(10) 실시예는 변환 물질(28)이 없을 때 1차 방사선의 방출 출력(emission power)의 10% 미만을 방출한다. 즉 변환 물질(28)은 LED(12)로부터의 광의 90% 이상을 흡수한다.
전술한 바와 같이, LED(12)는 청색광을 방출하고, 적당한 변환 물질은 SrGa2S4:Eu2+ (Sr:티오갈레이트) 또는 Gd0.46Sr0.31Al 1.23OxF1.38:Eu2+ 0.06와 같은 녹색 인광체이다. Sr:티오갈레이트(Thiogallate)는 400 내지 450nm 범위의 피크 여기(excitation) 파장을 가지며, Sr:티오갈레이트에 의해 흡수되고 그 다음에 녹색광으로서 재방출되는 청색광(또는 UV 광)의 백분율은 74% +/-5%로 추정되며, 이것은 상기 인광체를 청색(또는 UV) 범위에서의 여기를 위해 더 효율적인 것 중의 하나가 되게 한다. 청색 범위에서의 여기에 효율적인 인광체와 함께 고효율 청색 에미터를 사용하면 녹색광을 효율적으로 방출하는 포화 변환 물질 LED 패키지를 얻을 수 있다.
도 2 내지 도 4는 포화 상태 또는 포화 부근 상태에 있는 녹색 변환 물질을 내포한 청색 LED를 가진 본 발명에 따른 LED 패키지(10)에 대하여 본 출원인이 완성한 성능 연구의 결과를 도시한 것이다. 도 2는 각 패키지 내의 LED에 350mA를 인가하였을 때 본 발명에 따른 4개의 다른 LED 패키지의 방출 성능(루멘)을 그들의 피크 방출 파장(nm)에서 나타낸 그래프(40)도이다. 변환 물질로서 녹색 Sr:티오갈레이트 인광체를 사용하면, LED 패키지는 약 530nm의 피크 파장에서 최대 58 루멘을 방출하였는데, 이것은 전형적인 녹색 발광 LED의 성능에 비하여 현저히 개선된 것이다.
도 3은 LED 패키지의 녹색 Sr:티오갈레이트 인광체로부터 재방출된 광의 강도(a.u.) 대 파장(nm)으로서 방출 스펙트럼을 나타내는 그래프(50)도이다. 각 패키지는 530-550nm에서 중심이 맞춰진 피크 -70nm 반최대치에서의 전폭(full width at half maximum: FWHM)을 가진 유사한 스펙트럼을 나타내었고, 이것은 일반적인 명소(photopic) 사람 눈 반응 곡선의 피크에 근접한다. 이것은 고효율을 가진 녹색광의 방출을 야기한다. 본 출원인은 또한 테스트 중인 각 LED 패키지의 동작을 유지하였고, 각 시험은 약 168 시간동안 변화없이 상기 방출 스펙트럼을 유지하였으며, 이것은 LED 패키지가 시간에 대하여 안정된다는 것을 보여준다.
도 4는 테스트 중에 있는 4개의 LED 패키지(10) 중 3개의 패키지에 대하여 동작 시간에 따른 광 출력 손실을 나타내는 그래프(60)도이다. 그래프(60)는 각각의 패키지에 대하여 광 출력 손실이 시간에 따라 최소로 되는 것을 나타낸다. 그래프는 또한 LED 패키지(10)가 시간에 따라 안정되고 이 성능은 표준형의 녹색 발광 LED의 성능과 일치하는 것을 보여준다.
도 5는 도 1의 패키지(10)와 많은 유사한 특징들을 가진, 본 발명에 따른 LED 패키지(70)의 다른 실시예를 도시한다. LED 패키지(70)는 LED(72)가 서브마운트(74)에 설치되고, 서브마운트(74)는 금속 컵(78)의 수평 베이스(76)에 설치된다. 제1 및 제2 도체(80, 82)는 LED(72)에 바이어스를 인가하기 위해 제공되지만, 바이어스는 전술한 바와 같이 다른 방법으로 인가될 수 있다. 보호층(84)은 LED(72), 서브마운트(74) 및 전도 경로(80, 82) 위에 형성되고, 변환 물질층(86)은 보호층(84)의 상부 위에 형성되며 변환 물질(88)을 포함한다.
LED(72)는 UV 광을 방출하고 많은 다른 물질계로 구성될 수 있으며, 바람직한 물질계는 3족 질화물 물질계이다. 변환 물질(88)은 위에 목록으로 표시한 물질 중의 임의의 물질일 수 있지만, 바람직하게는 Sr:티오갈레이트와 같은 녹색 인광체이다. 변환 물질층(86)의 두께 및 Sr:티오갈레이트의 농도는 변환 물질(88)이 포화되는 정도, 즉 과도한 변환 물질(88)이 재방출 녹색광의 방출을 차단함이 없이 모든 UV 광을 흡수하는 정도이다. Sr:티오갈레이트는 UV 광을 흡수하고 녹색광을 재방출하는데 효과적이고, 이 인광체를 고효율 UV LED(72)와 함께 사용하면 녹색광을 효과적으로 방출하는 포화 변환 물질 LED 패키지(70)가 얻어진다.
도 6은 전술한 패키지(10, 70)와 유사한 특징들을 갖지만, 광원으로서 LED를 갖는 대신에, 패키지(90)가 고체 반도체 레이저 다이오드(92)를 갖는 본 발명에 따른 레이저 다이오드 패키지(90)의 실시예를 도시한 것이다. 미러(94, 96)는 레이저 다이오드(92)의 2개의 반대측 표면상에 설치되는데, 미러(94)는 부분적으로 투과성을 갖는다. 미러(94, 96)는 유도 방출이 발생할 수 있도록 광학적 피드백을 제공하는데, 이것은 고도의 시준된/가간섭성 광원을 제공한다. 레이저 다이오드(92)는 서브마운트(98)에 설치될 수 있고, 서브마운트(98)는 레이저 다이오드(92)에 바이어스를 인가하기 위한 전도 경로(104, 106)를 가진 금속 컵(102)의 수평 베이스(100)에 설치된다. 레이저 다이오드(92), 서브마운트(98) 및 전도 경로(104, 106)는 보호층(108)으로 감싸진다. 변환 물질층(110)은 보호층(108) 위에 형성되고 변환 물질(112)을 포함하며, 상기 변환 물질(112)은 위에서 설명한 변환 물질 중의 임의의 물질일 수 있다.
다이오드(92)에 대해서는 다른 색의 광을 방출하는 다른 레이저 다이오드를 사용할 수 있고, 변환 물질(112)은 레이저 다이오드(92)로부터의 광이 변환 물질을 통과하고 LED 패키지(90)가 포화 상태의 변환 물질(112)에서 동작하도록 배열된다. 다이오드(92)로부터의 모든(또는 대부분의) 광은 변환 물질(112)에 의해 흡수되어 다른 광파장으로서 재방출되고, 과도한 변환 물질(112)에 의해 차단되는 재방출 광의 양은 최소화된다.
패키지(90)로부터 방출되는 광의 균일성을 개선하기 위해, 특히 레이저 다이오드(92)로부터 시준된/가간섭성 광이 방출되는 경우에, 광이 층들(108, 110)을 통과할 때 광을 산란시키는 것이 바람직할 수 있다. 광을 산란시키는 하나의 방법은 광을 랜덤하게 굴절시키는 산란 미립자(114)들을 사용하는 것이다. 광을 효과적으로 산란시키기 위해, 미립자(114)의 직경은 산란되는 광의 파장의 약 1/2이어야 한다. 패키지(90)에서, 산란 미립자(114)들은 변환 물질층(110) 내에 도시되어 있지만, 산란 미립자들은 또한 보호층(108) 내에 포함될 수도 있고 변환 물질층(110) 위에 다른 하나의 층으로 형성될 수도 있다. 다이오드(92)로부터의 광은 미립자(114)들을 통과하고, 변환 물질을 통과할 때 광을 혼합하고 분산시키도록 굴절된다.
산란 미립자(114)들은 층(100) 전체에 걸쳐 고르게 분포되어 있는 것으로 도시되어 있지만, 산란 미립자들은 층(114)을 통과하는 LED 광의 패턴을 일치시킴으로써 광을 가장 효과적으로 산란시키기 위해 층(114) 전체에 걸쳐 다른 농도로 또한 분포될 수 있다. 바람직한 산란 미립자들은 레이저 다이오드 광을 실질적으로 흡수하지 않고, 미립자가 내포되는 물질(예를 들면, 에폭시)과 실질적으로 다른 굴절율을 가질 것이다. 산란 미립자(114)는 가능한한 높은 굴절율을 가져야 한다. 적당한 산란 미립자는 높은 굴절율(n=2.6 ~ 2.9)을 가져서 광을 산란시키는데 효과적인 산화 티타늄(TiO2)으로 구성될 수 있다. 산란 "미립자"의 중요한 필요 조건이 산란 미립자가 그 주변 물질과 다른 굴절율을 갖고 특수한 사이즈 범위를 갖는 것이기 때문에, 작은 공극 또는 기공과 같은 다른 요소들이 또한 "산란 미립자"로서 사용될 수 있다.
도 7은 LED 또는 레이저 다이오드인 반도체 에미터(122)를 가진 에미터 패키지의 다른 실시예를 도시한 것이다. 전술한 패키지(10, 70, 90)와 마찬가지로, 패키지(120)는 서브마운트(124), 반사성 컵(126), 제1 및 제2 도체(128, 130), 보호층(132) 및 변환 물질층(134)을 구비한다. 그러나, 이 패키지(120)에 있어서 보호층(132)은 변환 물질층(134)에서의 변환 미립자(138)의 농도와 다른 농도의 변환 미립자(136)들을 내포한다. 미립자(136)들은 또한 층들(132, 134)이 각각 다른 색의 광을 재방출하도록 미립자(138)와 다른 유형의 미립자일 수 있다. 양 실시예에서, 패키지(120)는 변환 물질 포화 상태에서 동작하도록 구성된다.
도 8은 도 4의 패키지(120)와 동일하지만, 도 4에 도시한 보호층(132) 및 변환 물질층(134)을 갖는 대신에, 패키지(150)의 컵(152)이 패키지 에미터(158), 서브마운트(160) 및 전도 경로(162, 164)를 보호하도록 작용하고 그 전체에 걸쳐 분포된 변환 물질(166)을 내포한 단일 변환층(156)으로 채워진, 본 발명에 따른 에미터 패키지(150)의 다른 실시예를 도시한 것이다. 변환 물질은 균일하게 분포될 수도 있고 다른 농도로 분포될 수도 있다. 전술한 것처럼, 패키지(150)는 에미터(158)로부터 방출된 모든(또는 대부분의) 광이 흡수되고 변환 물질(166)이 재방출광을 크게 차단하는 것 없이 재방출되도록 변환 물질 포화 상태에서 동작한다.
지금까지 본 발명을 특정의 양호한 구성을 참조하여 상세히 설명하였지만, 다른 구성도 또한 가능하다. 전술한 각각의 LED 패키지 실시예는 다른 특징을 가진 다른 성분들을 가질 수 있다. 전술한 각각의 LED 패키지는 다른 물질계로 구성된 에미터를 구비할 수 있고, 각 에미터는 산란 미립자들을 포함할 수 있다. 위에서 목록으로 표시한 것 이외의 다른 변환 물질을 사용할 수도 있다. 그러므로, 본 발명의 정신 및 범위는 전술한 본 발명의 양호한 실시예로 제한되어서는 아니된다.

Claims (29)

  1. 에미터 패키지로서,
    반도체 에미터와;
    상기 반도체 에미터로부터 방출된 광의 실질적으로 전부를 흡수하여 하나 이상의 상이한 파장의 광 스펙트럼으로 광을 재방출하도록 배열된 변환 물질을 포함하고,
    상기 변환 물질은 또한 재방출 광이 에미터 패키지로부터 방출될 때 그 재방출 광을 차단할 정도로 변환 물질이 과도하게 되지 않도록 배열되며, 상기 에미터 패키지는 상기 변환 물질로부터 상기 하나 이상의 파장 스펙트럼으로 광을 1차적으로 방출하는 것인 에미터 패키지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반도체 에미터는 3족 질화물 기반 물질계로부터의 반도체 물질로 제조되는 것인 에미터 패키지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반도체 에미터는 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드인 것인 에미터 패키지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 변환 물질은 인광체, 형광성 다이 및 포토루미네슨트 반도체로 이루어진 그룹으로부터 선택한 하나 이상의 물질인 것인 에미터 패키지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 변환 물질은 400 내지 450nm의 범위에서 피크 여기 파장을 갖는 것인 에미터 패키지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반도체 에미터는 청색광을 방출하고, 상기 변환 물질은 SrGa2S4:Eu2+ 또는 Gd0.46Sr0.31Al1.23 OxF1.38:Eu2+ 0.06 이며, 상기 에미터 패키지는 상기 변환 물질로부터 녹색광을 방출하는 것인 에미터 패키지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반도체 에미터는 자외선(UV) 광을 방출하고, 상기 변환 물질은 Sr:티오갈레이트(SrGa2S4:Eu) 또는 (Gd0.46Sr0.31)Al 1.23OxF1.38:Eu2+ 0.06이며, 상기 에미터 패키지는 상기 변환 물질로부터 녹색광을 방출하는 것인 에미터 패키지.
  8. 제1항에 있어서, 상기 변환 물질은 상기 반도체 에미터로부터 방출된 광의 적어도 90%를 흡수하는 것인 에미터 패키지.
  9. 제1항에 있어서, 상기 변환 물질은 Lu2O3:Eu3+, (Sr2-xLax )(Ce1-xEux)O4, Sr2Ce1-xEuxO4, Sr2-xEuxCeO4, SrTiO3:Pr 3+,Ga3+, (Sr,Ca,Ba)(Al,Ga)2S4:Eu2+, Ba2(Mg,Zn)Si2O7:Eu2+, Gd0.46Sr0.31Al 1.23OxF1.38:Eu2+ 0.06, (Ba1-x-ySrx Cay)SiO4:Eu 및 Ba2SiO4:Eu2+로 이루어진 그룹으로부터 선택한 물질을 포함하는 것인 에미터 패키지.
  10. 포화 변환 물질 에미터 패키지로서,
    바이어스에 응답하여 각각 광을 방출하는 하나 이상의 반도체 에미터와;
    베이스에 상기 반도체 에미터가 배열되는 금속 컵과;
    상기 반도체 에미터에 바이어스를 인가하기 위해 상기 반도체 에미터에 결합된 복수의 전도 경로와;
    상기 에미터로부터의 광이 상기 변환 물질을 통과하도록 배열된 변환 물질을 포함하고,
    상기 변환 물질은 상기 에미터로부터 방출된 광의 실질적으로 전부를 흡수하여 하나 이상의 상이한 광파장으로 광을 재방출하고, 상기 변환 물질은 또한 상기 재방출 광이 에미터 패키지로부터 방출될 때 그 재방출 광을 실질적으로 차단하지 않도록 배열되며, 상기 에미터 패키지는 상기 변환 물질로부터 상기 하나 이상의 파장 스펙트럼으로 광을 방출하는 것인 에미터 패키지.
  11. 제10항에 있어서, 상기 에미터는 3족 질화물 기반 물질계로부터의 반도체 물질로 제조된 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드인 것인 에미터 패키지.
  12. 제10항에 있어서, 상기 변환 물질은 인광체, 형광성 다이 및 포토루미네슨트 반도체로 이루어진 그룹으로부터 선택한 하나 이상의 물질인 것인 에미터 패키지.
  13. 제10항에 있어서, 상기 변환 물질은 400 내지 450nm의 범위에서 피크 여기 파장을 갖는 것인 에미터 패키지.
  14. 제10항에 있어서, 상기 반도체 에미터는 청색광을 방출하고, 상기 변환 물질은 Sr:티오갈레이트(SrGa2S4:Eu) 또는 (Gd0.46Sr0.31)Al1.23 OxF1.38:Eu2+ 0.06이며, 상기 에미터 패키지는 상기 변환 물질로부터 녹색광을 방출하는 것인 에미터 패키지.
  15. 제10항에 있어서, 상기 반도체 에미터는 자외선(UV) 광을 방출하고, 상기 변환 물질은 Sr:티오갈레이트(SrGa2S4:Eu) 또는 (Gd0.46Sr0.31)Al 1.23OxF1.38:Eu2+ 0.06이며, 상기 에미터 패키지는 상기 변환 물질로부터 녹색광을 방출하는 것인 에미터 패키지.
  16. 제10항에 있어서, 서브마운트를 더 포함하고,
    상기 LED는 상기 서브마운트에 설치되며, 상기 서브마운트는 상기 LED와 상기 금속 컵의 베이스 사이에 배열되는 것인 에미터 패키지.
  17. 제10항에 있어서, 상기 금속 컵 내에 배치되어 상기 LED와 전도 경로를 감싸는 보호 물질층을 더 포함하고,
    상기 보호 물질층은 방사선 투과 능력이 큰 투명성인 것인 에미터 패키지.
  18. 제17항에 있어서, 상기 보호층상에 변환 물질층을 더 포함하고,
    상기 변환 물질은 상기 변환 물질층 전체에 분포되어 있는 것인 에미터 패키지.
  19. 제18항에 있어서, 상기 보호층은 상기 변환 물질층의 변환 물질과는 다른 농도로 변환 물질을 내포하는 것인 에미터 패키지.
  20. 제10항에 있어서, 상기 컵을 채워서 상기 에미터와 전도 경로를 감싸는 변환층을 더 포함하고,
    상기 변환층은 변환 물질이 그 전체에 분산되어 있는 보호성의 방사선 투과 능력이 큰 투명 물질로 구성되는 것인 에미터 패키지.
  21. 제10항에 있어서, 상기 변환 물질은 상기 반도체 에미터로부터 방출된 광의 적어도 90%를 흡수하는 것인 에미터 패키지.
  22. 제10항에 있어서, 상기 반도체 에미터로부터 광을 분산시키기 위해 산란 미립자들을 더 포함하는 에미터 패키지.
  23. 포화 변환 물질 에미터 패키지로서,
    반도체 에미터와;
    상기 반도체 에미터로부터 방출된 광의 전부를 흡수하여 하나 이상의 상이한 파장의 광 스펙트럼으로 광을 재방출하도록 배열된 변환 물질을 포함하는 에미터 패키지.
  24. 제23항에 있어서, 상기 변환 물질은 재방출광이 에미터 패키지로부터 방출될 때 그 재방출광을 차단할 정도로 변환 물질이 과도하게 되지 않도록 배열되는 것인 에미터 패키지.
  25. 제23항에 있어서, 상기 반도체 에미터는 3족 질화물 기반 물질계로부터의 반도체 물질로 제조된 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드인 것인 에미터 패키지.
  26. 제23항에 있어서, 상기 변환 물질은 인광체, 형광성 다이 및 포토루미네슨트 반도체로 이루어진 그룹으로부터 선택한 하나 이상의 물질인 것인 에미터 패키지.
  27. 제23항에 있어서, 상기 변환 물질은 400 내지 450nm의 범위에서 피크 여기 파장을 갖는 것인 에미터 패키지.
  28. 제23항에 있어서, 상기 변환 물질은 Sr:티오갈레이트(SrGa2S4:Eu) 또는 (Gd0.46Sr0.31)Al1.23OxF1.38:Eu2+ 0.06이며, 상기 에미터 패키지는 상기 변환 물질로부터 녹색광을 방출하는 것인 에미터 패키지.
  29. 제23항에 있어서, 상기 변환 물질은 Lu2O3:Eu3+, (Sr2-xLax )(Ce1-xEux)O4, Sr2Ce1-xEuxO4, Sr2-xEuxCeO4, SrTiO3:Pr 3+,Ga3+, (Sr,Ca,Ba)(Al,Ga)2S4:Eu2+, Ba2(Mg,Zn)Si2O7:Eu2+, Gd0.46Sr0.31Al 1.23OxF1.38:Eu2+ 0.06, (Ba1-x-ySrx Cay)SiO4:Eu 및 Ba2SiO4:Eu2+로 이루어진 그룹으로부터 선택한 물질을 포함하는 것인 에미터 패키지.
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KR100746952B1 (ko) * 2005-12-21 2007-08-07 서울옵토디바이스주식회사 지연형광체를 구비하는 교류용 발광소자
KR100911774B1 (ko) * 2007-06-22 2009-08-11 서울옵토디바이스주식회사 지연형광체를 구비하는 교류용 발광소자

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