KR20050103281A - 반사 편광자를 포함하는 인광계 광원 - Google Patents

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Abstract

LED 패키지는 여기광을 방사하는 LED와 광학적으로 투명한 몸체를 포함한다. 인광물질의 층은 여기광을 수용하도록 위치하고 상기 광학적으로 투명한 몸체 위에 또는 안에 배치된다. 상기 인광물질은 여기광이 조명될 때 가시광을 방사한다. 반사 편광자 층은 상기 광학적으로 투명한 몸체 위에 또는 안에 배치되고 상기 방사된 가시광을 수용하도록 위치한다.

Description

반사 편광자를 포함하는 인광계 광원 {PHOSPHOR BASED LIGHT SOURCES HAVING A REFLECTIVE POLARIZER}
본 발명은 광원에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 발광다이오드(LED)로부터 방사된 빛이 인광물질에 충돌하고 여기된 후 가시광으로 방사되는 광원에 관한 것이다.
구성에 LED를 활용하는 백색광원은 두 개의 기본 구성을 가질 수 있다. 그 중 하나(여기서, 직접 방사 LED이라고 함)에서는 백색광이 서로 다른 색의 LED의 직접 방사에 의해 생성된다. 예로서, 적색 LED, 녹색 LED, 청색 LED, 그리고 청색 LED 및 황색 LED의 조합이 있다. 나머지 하나의 기본 구성[여기서, LED-여기 인광계 광원(PLEDs)라고 함]에서는, 단일 LED가 협대역 파장의 빔을 생성하며, 이 빔은 인광물질에 충돌 및 여기하여 가시광을 생성한다. 인광체는 별개의 인광물질들을 포함할 수 있으며, 이 인광체에 의해 방사된 빛은 가시파장대역에 분포된 복수의 좁은 방사선을 포함하여 방사된 빛이 육안에 실질적으로 백색으로 보일 수 있게 한다.
PLED의 예로서 청색을 적색 및 녹색 파장으로 전환하는 인광체를 조명하는 청색 LED가 있다. 청색 여기광의 일부는 인광체에 의해 흡수되지 않으며, 잔류 청색 여기광은 인광체에 의해 방사된 적색광 및 녹색광과 결합된다. PLED의 다른 예로서 자외선광을 적색광, 녹색광 및 청색광으로 전환하는 인광체를 조명하는 자외선 LED가 있다.
직접 방사 백색 LED에 대한 백색광 PLED의 장점으로는 장치의 노후화 및 온도에 대해 보다 양호한 색상 안정성 및 보다 양호한 배치 대 배치(batch-to-batch) 또는 장치 대 장치(device-to-device) 색상 균일성/반복재현성을 들 수 있다. 그러나, PLED는 인광체에 의한 광흡수 및 재방사 공정에서의 비효율성에 부분적으로 기인하여 직접 방사 LED에 비해 효율이 떨어진다.
백색광 PLED는 반사 열 싱크(reflective heat sink) 내의 자외선 방사 반도체 다이(칩)를 포함할 수 있다. 이 반사 열 싱크는 또한 자외선광을 부분적으로 시준하는 역할을 수행할 수 있다. 이 자외선광은 인광체함유층의 저부를 조명하며, 이 저부는 적어도 자외선광의 일부를 흡수하며 가시 구역의 다중 파장으로 빛을 방사하여 일반 관찰자에게 실질적으로 백색으로 보이는 소스를 제공한다. 도1은 이러한 PLED(10)의 한 구성을 도시한다. 이 PLED는 전기전도성 열 싱크(14)의 우물(well)에 장착된 반도체 LED(12)을 포함하며, 상기 싱크(14)는 LED(12)로부터 방사된 빛의 일부를 인광체-반사기 조립체(16)을 향해 반사한다. 이 조립체(16)은 광학적으로 투명한 도기재료(potting material, 18)에 놓일 수 있으며, 상기 도기재료(18)는 렌즈 특징부(20)를 제공하도록 형상이 만들어져 PLED(10)에 의해 방사된 빛을 가공할 수 있게 한다. 인광체 조립체(16)는 도2에 자세히 도시되어 있다. 인광체는 구속제와 혼합된 하나 이상의 인광물질의 결합물로부터 층(22)으로 형성된다. 자외선 여기광은 반사하지만 방사된 가시광은 투과시키는 장거리(Long Pass, LP) 반사기(24)가 인광층(22)의 상면에 적용될 수 있다. 가시광은 반사하지만 자외선은 투과시키는 단거리(Short Pass, SP) 반사기(26)가 층(22)의 바닥에 적용될 수 있다.
주어진 인광체 집중도에 최적인 인광층의 두께는 자외선광을 효율적으로 흡수하는 것(광학적으로 두꺼운 인광층을 선호함)과 가시광을 효율적으로 방사하는 것(광학적으로 얇은 인광층을 선호함) 사이에서 절충된다. 나아가, 자외선광의 강도는 인광층(22)의 바닥에서 최대이며 유용한 빛은 인광층(22)의 상부로부터 추출되므로, 인광층(22)의 두께를 최적의 두께 위로 증가시키는 것은 PLED의 전체 출력 및 효율을 급작스럽게 감소시키는 결과를 초래한다.
LP 반사기(24) 및 SP 반사기(22)의 존재는 PLED(10)의 효율을 상승시킬 수 있다. LP 반사기(24)는 인광층(22)에 의해 흡수되지 않은 자외선광을 인광층(22) 상으로 다시 반사한다(다른 경우 상기 자외선광은 낭비된다). 이것은 인광층을 통하는 자외선광의 유효 경로길이를 증가시키며, 주어진 인광층 두께에 대해 인광체에 의해 흡수되는 자외선광의 양을 증가시킨다. 따라서, 최적의 인광층 두께는 LP 반사기(24)가 없는 구성에 비해 감소될 수 있으며, 광생성효율을 향상시킨다.
PLED의 다른 심각한 손실은 인광층에서 방위가 제어되지 않은 광의 생성에 기인하며, 인광층(22)에서 생성된 가시광 중 절반이 다시 LED로 향하게 되는 결과를 초래한다. 이 빛의 일부는 열 싱크의 경사진 벽에 반사되어 포집되며, 더 많은 빛은 흩어지거나 흡수되며, 또는 퀄러티가 감소한다. 이러한 손실은 LED(12)와 인광층(22) 사이에 도시된 SP 반사기(26)을 배치함으로써 줄일 수 있다.
PLED 구성의 효율은 보다 향상되는 것이 유리하다. 또한, PLED의 생산비용은 간소화 또는 감소시키는 것이 유리하다.
본 명세서 전체에서, 첨부된 도면에 도면부호가 부가되며, 유사한 도면부호는 유사한 구성요소를 지정한다.
도1은 LED-여기 인광계 광원(PLED)의 개략적인 단면도이다.
도2는 도1의 광원에 사용되는 인광체-반사기 조립체의 단면도이다.
도3은 시트 형태의 인광체-반사기 조립체를 포함하며 개별 편으로 구획된 롤을 도시한다.
도4는 운반필름 상의 인광체-반사기 조립체의 개별 편들을 도시하는 개략적인 단면도이다.
도5 내지 도7은 다른 PLED 구성의 개략적인 단면도이다.
도8은 또 다른 PLED 구성의 일부를 도시한다.
도9는 또 다른 PLED 구성의 개략적인 단면도이다.
도10은 도9의 실시례에서 실시하는 바와 같은 전방면 조명을 활용하는 다른 PLED의 구성의 개략적인 측면도이다.
도11은 비이미지 집중기(non-imaging concentrator)의 배열을 이용하는 PLED 구성의 개략적인 측면도이다.
도12는 도11의 일부의 확대도이다.
도13 내지 도16는 PLED 구성의 기타 실시례들의 개략적인 단면도이다.
도17은 실시예1 및 2의 광도(light intensity) 스펙트럼 그래프이다.
도18은 실시예3 내지 5의 광도 스펙트럼 그래프이다.
도19는 실시예6 내지 8의 광도 스펙트럼 그래프이다.
도20은 실시예9 및 10의 광도 스펙트럼 그래프이다.
본 출원은 필터링 부품, 즉, LP 및 SP 반사기를 위한 폴리머 다층 광학 필름을 활용하는 PLED를 개시한다. 다층 광학 필름은 적어도 일부는 복굴절 될 수 있으며 필름의 두께를 걸쳐 광학 반복 유닛(optical repeat unit) 안으로 배열된 개별 광학층들을 포함한다. 인접한 광학층들은, 반사도를 유지시키며 보통 입사각에서부터 높은 입사각에서 p-편광성분광이 새어나오는 것을 방지하는 굴절률 관계를 가진다. SP 반사기는 두께 구배를 가지는 광학 반복 유닛을 포함하며, 상기 두께 경사는 인광체에 의해 방사된 가시광을 반사하도록 배치된 반사 대역을 생성하며 자외선 여기광을 투과시킨다. LP 반사기는 다른 두께 구배를 가지는 광학 반복 유닛을 포함하며, 상기 다른 두께 구배는 자외선 여기광을 반사하도록 배치된 반사 대역을 생성하며 인광체에 의해 방사된 가시광을 투과시킨다. PLED의 부품으로서, 폴리머 다층 광학 필름(들)은 평탄한 구성을 가지거나 적어도 하나는 엠보싱을 가지거나, 다르게는 구, 포물면, 타원체 또는 기타 형상 등으로 굴곡될 수 있다.
PLED의 제조방법이 개시되며, 상기 방법은 적어도 하나의 폴리머 다층 광학 필름과 인광층을 가지는 시트재료를 형성하는 방법을 포함한다. 어떤 경우, 인광체는 두 개의 폴리머 다층 광학 필름(하나의 SP 반사기 및 하나의 LP 반사기) 사이에 끼일 수 있다. 다른 경우, 인광층는 오직 하나의 폴리머 다층 광학 필름에만 적용될 수 있다. 폴리머 다층 광학 필름(들)과 인광층은 인광체-반사기 조립체를 형성한다. 이 인광체-반사기 조립체의 개개의 편들은 시트재료로부터 잘려나온 후 바로 투명한 도기재료에 잠기거나 사출성형되어, 별도로 제조된 LED 부품과 이후 결합되는 제1 광학 부품을 형성한다. 시트재료는 운반필름을 포함하여 인광체-반사기 조립체 편들을 필요할 때까지 간편한 롤형으로 고정 및 보관할 수 있다. PLED는 LED를 포함하는 하부를 인광체-반사기 조립체를 포함하는 상부와 접합하여 만들 수 있다. 또한, 어떤 경우, 시트재료는 엠보싱을 가질 수 있다.
본원 명세서는 만곡된 LP 반사기가 인광층 또는 적어도 그것의 중앙휘부로부터 이격되어 인광층에 의해 흡수되지 않은 모든 자외선 여기광이 제한 범위의 입사각에 걸쳐 LP 반사기에 충돌하며 더욱 효율적으로 인광층 상으로 다시 반사되도록 하는 PLED 실시례를 개시한다.
본 출원은 적어도 하나의 다층 광학 필름에 근접한 에어갭(air gap) 및 인광층을 활용하여 전체 내부 반사를 촉진하는 PLED 실시례를 개시한다.
본 출원은 비이미지 집중기 요소(non-imaging concentrator elements)의 조합을 활용하여 LP 및/또는 SP 반사기의 성능을 향상시키는 PLED 실시례를 개시한다.
본 출원은 또한 LED, LP 반사기, 인광층이 LED로부터의 여기광이 직접 인광층의 전방 주요면 상으로 반사되도록 배열된 PLED 실시례를 개시한다.
개시된 실시례들의 이러한 또한 다른 태양은 아래의 상세한 설명으로부터 더욱 명확해진다. 그러나, 어떠한 경우에도 상기 발명의 상세한 설명은 특허청구된 대상을 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 그러한 대상은 오로지 첨부된 특허청구범위의 기재사항 또한 출원경과를 통해 보정된 특허청구범위의 기재사항에 의해서만 결정된다.
도1 및 도2에 도시된 LP 반사기(24) 및 SP 반사기(26)를 이용하는 것은 시스템의 효율을 향상시킬 수 있지만, 어떤 반사기의 사각(oblique angle)인 입사각에서 조잡한 분광선택도(spectral slectivity) 및 불충분한 효율을 가지는 것에 기인하여 효율 향상은 제한적이다. 스캐터링 공정에 기초한 LP 거울 또는 필터는 입사각에 대해 상대적으로 일정한 성능을 발휘할 수 있지만, 여전히 조잡한 분광선택도를 갖는다. 무기성 유전재료 스택(stack)으로 구성된 LP 및 SP 거울은 좁은 대역의 입사각에 걸쳐 양호한 분광선택도를 가질 수 있지만, 보통 입사각에서부터 높은 입사각에서 p-편광성분광의 입사각 및 저반사도(고투광성)를 증가시키는 분광 청색-편이(spectral blue-shifts)를 겪게 된다. 인광입자들은 자외선 여기광을 분산시키며 넓은 대역의 각도에 걸쳐 자신의 빛을 방사하므로, 종래의 LP 및 SP 거울은 인광체-반사기 조립체 내에서 빛을 관리하는 데에 그다지 효율이 높지 않다.
PLED의 성능은 폴리머 다층 광학 필름(즉, 적어도 제1 및 제2 폴리머재료의 수십, 수백, 또는 수천의 교번층을 가지며, 그 두께와 굴절률은 예를 들어 자외선 파장 또는 가시 파장에 제한되는 반사 대역과 같은 희망하는 스펙트럼 부분에서 희망하는 반사도를 발휘할 수 있도록 선택된 필름)을 사용함으로써 향상될 수 있다. 예로, 미국특허 제5,882,774호(존자 등)를 들 수 있다. 이러한 필름에 의해 생성된 반사 대역은, 무기성 등방재료의 스택에 관련된 청색-편이와 같이, 입사각에 대한 청색-편이를 겪게 됨에도 불구하고, 폴리머 다층 광학 필름은 가공되어 인접한 층 쌍들이 필름에 수직한 z-축에 대해 매칭 또는 준매칭(matching or near-matching)되거나 인위적으로 어긋난 굴절률을 가지게 하여, 인접한 쌍들의 각 경계면에서의 p-편광성분광 반사도가 입사각에 따라 천천히 감소하거나, 입사각에 실질적으로 독립적이거나, 정상치와 동 떨어진 입사각에 대해 증가하게 할 수 있다. 따라서, 이러한 폴리머 다층 광학 필름은 매우 사각인 입사각에서조차도 p-편광성분광의 높은 반사도 수준을 유지할 수 있으며, 종래의 무기성 등방스택 반사기에 비해 반사필름에 의해 투과된 p-편광성분광의 양을 줄인다. 이러한 특성을 얻기 위해서, 폴리머재료 및 가공조건은, 인접한 광학층의 각 쌍을 위해 z-축(필름의 두께방향과 평행함)을 따른 굴절률의 차이가 x-축이나 y-축(평면 내)을 따른 굴절률 차이의 분율(fraction)보다 작도록, 선택되며, 상기 분율은 0.5, 0.25, 또는 0.1이다. 다르게는, z-축을 따른 굴절률 차이가 평면 내 굴절률 차이의 반대부호를 가질 수도 있다.
폴리머 다층 광학 필름의 사용은 상술된 굴절률 관계와 상관없이 이러한 필름의 가요성 및 성형성(formability)에 의해 다양하고 새로운 PLED 실시예 및 구성방법을 가능하게 한다. 예를 들면, 폴리머 다층 광학 필름은 엠보싱, 열성형 등 기타 방법으로 영구적으로 변형되어 3차원 형상, 예를 들어, 포물면의 일부, 구 또는 타원체의 형상을 가질 수 있다. 이에 대한 예로서, 미국공개공보 제2002/0154406호 (메일 등)가 있다. 또한, 추가 폴리머 다층 필름 실시예에 관한 미국특허 제5,540,978호 (쉬렌크)도 있다. 강성 및 취성(rigid and brittle)인 기판 상에 층층으로 증착되는 종래의 무기성 등방 스택과는 달리, 폴리머 다층 광학 필름은 큰 체적의 롤형으로 제작될 수 있으며, 다른 필름에 적층되고 코팅될 수 있고, 작은 편들로 다이 컷(die cut)되거나 다른 방법으로 구획되어 아래에서 더 설명될 PLED와 같은 광학 시스템에 용이하게 합체될 수 있다. 폴리머 다층 광학 필름을 구획하는 적합한 방법은 출원계속중인 미국출원 제10/268118호(2002년 10월 10일에 출원됨)에 개시되어 있다.
다양한 폴리머 재료가 PLED를 위한 다층 광학 필름에 사용되기에 적합하다. 그러나, 특히 PLED가 자외선 LED 여기 소스와 결합된 백색광 인광체 방사기를 포함하고 있는 경우, 다층 광학 필름이 자외선에 노출되었을 때 내열화성을 가지는 재료로 구성되며 교번되는 폴리머 층을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 점에서, 특히 바람직한 폴리머 쌍은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)/중합-폴리메틸메타크릴레이트(co-PMMA)이다. 폴리머 반사기의 자외선 안정성은 비-자외선 흡수 광 안정기(non-UV absorbing light stabilizer), 예를 들어, 억제 아민 광 안정기(hindered amine light stabilizer, HALS)의 결합에 의해 향상될 수 있다. 어떤 경우, 폴리머 다층 광학 필름은 투명한 금속 또는 산화금속층을 포함할 수도 있다. 예로서, PCT공보 제WO97/01778호 (오더커크 등)이 있다. 특히, 강건한 폴리머재료의 결합조차도 비정상적으로 열화시키는 고강도 자외선광을 사용하는 출원에서는, 무기성 재료를 사용하여 다층 스택을 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 무기성 재료 층들은 등방성이거나 PCT공보 제WO 01/75490(웨버)에 기재된 형식 복굴절(form birefringence)을 나타내도록 만들어져, 상술한 바와 같이 상승된 p-편광 반사도를 가져오는 바람직한 복굴절률 관계를 가질 수 있다. 그러나, 대부분의 경우, 다층 광학 필름은 실질적으로 완전히 폴리머이며 무기성 재료가 가해지지 않는 것이 가장 간편하며 비용면에서 효과적이다.
도3은 시트재료(30)의 롤을 도시하며, 상기 재료는 적어도 하나의 폴리머 다층 광학 필름 및 코팅가공에 의해 이에 적용되는 실질적으로 균일한 인광층을 포함한다. 이 시트재료는 또한 도2에서와 같이 인광층이 제1 및 제2 폴리머 다층 광학 필름 사이에 끼는 방식으로 적용된 제2 폴리머 다층 광학 필름을 포함할 수 있다. 희망하는 기계적, 화학적, 및/또는 광학적 특성을 제공하는 추가적인 층 및 코팅이 포함될 수 있다. 이에 대한 예로서, 미국특허 제6368699호 (길버트 등)이 있다. 시트 재료(30)는 운반필름을 포함하는 것이 바람직하다. 시트재료는 칼과 같은 기계적인 수단, 정밀 다이컷팅에 의해, 또는 상술된 출원계속중인 '118 출원에 기재된 레이저 방사선을 주사함으로써 키스-컷(kiss-cut)된다. 이 키스-컷 라인은 시트재료의 별개의 편(32)들로 정의되지만, 손상되지 않은 운반필름은 제외된다. 편(32)들은 도2에 도시된 바와 같은 단면 구성을 가지며 임의적으로 소형일 수 있다. 이들은 도4에 도시된 바와 같이 아래에 놓인 운반필름(34)에 의해 간편하게 운반된다. PLED의 생산 동안(LED 소스의 구성과 독립적으로), 편(32)은 운반필름으로부터 벗겨지며 개별 주형에 놓일 수 있으며, 이 주형에 도기재료가 추가되어(혹은 미리 추가되어) 도1에 도시된 바와 같이(다만, 반사기 부품은 폴리머 다층 광학 필름을 사용함) PLED를 형성한다.
도5 내지 도7은 오목형상의 다층 광학 필름 LP 반사기를 활용하는 PLED의 다른 구성을 도시한다. LP 반사기를 인광체로부터 이격시키고 인광체 및 LED(12)를 향해 안으로 굴곡시키는 것은 LP 반사기 상에 충돌하는 여기광의 입사각 대역을 줄이는 데 도움이 되며, 이로 인해 상술된 청색-편이 효과에 의해 발생되는 LP 반사기로부터의 자외선광의 누설을 줄인다. 다층 광학 필름은 엠보싱 또는 기타 가공에 의해 투명매체(18)에 담기기 전에 적합한 형상의 오목면으로 영구적으로 변형되는 것이 바람직하다. 다층 광학 필름은 LP 또는 SP이던 간에 각각의 반사 대역 내에서 분광 반사기이다. 다층 광학 필름으로부터의 발산 반사는 일반적으로 무시할 만하다.
도5에서, PLED(40)는 폴리머 다층 광학 필름으로 구성된 선택적인 SP 반사기(44) 상에 배치된 비교적 소면적의 인광층(42)을 포함한다. LP 반사기(46)는 엠보싱처리되어 오목형상을 획득하며 인광체-반사기 조립체의 다른 부품(42, 44) 다음에 위치하게 된다. LED(12) 및 열 싱크(14)는 LED에 의해 방사된 자외선 여기광이 인광층(42)의 중앙부를 향하도록 배열된다. 자외선광은 인광층(42)의 중앙 또는 그 근처에서 최대영향을 가진다. 인광층(42)에 대한 최초 횡단에서 흡수되지 않은 자외선광은 LP 반사기(46)에 의해 인광층에 다시 향하도록 반사되기 전에 LP 반사기(46) 및 인광층(42) 사이의 구역(48)을 통과한다. 이 구역(48)은 투명한 도기재료(18), 다르게는 다른 폴리머 재료, 공기(또는 다른 기체), 또는 유리로 구성될 수 있다. LP 반사기(46)는 인광체에 다시 반사되는 자외선 여기광의 양을 최대화시킬 수 있는 형상을 가지도록 하는 것이 바람직하다.
도6은 인광층(52), SP 반사기(54) 및 LP 반사기(56)의 크기를 제외하고, PLED(40)와 유사한 PLED(50)을 도시한다. LED(12)에서 인광체까지의 주어진 거리 및 동일한 열 싱크(14)의 기하하적 형상에서, LP 반사기(56)가 클 수록 인광체의 중앙에서 더 높은 집중도를 가져온다. 인광층의 중앙 방사 면적이 작을 수록, 인광층은 더 작은 범위의 입사각의 인광체로 방사된 빛이 LP 반사기의 표면 상에 주어지게 하며, 전체 PLED 효율을 향상시킨다. 앞에서와 같이, 구역(58)은 도기재료(18) 또는 다른 폴리머 재료, 또는 공기(또는 기타 가스), 또는 유리로 구성될 수 있다.
도7에 도시된 PLED(60)는 LP 반사기(66)가 지금은 광원의 외면을 형성하는 점을 제외하고 PLED(50)와 유사하다. 구역(68)은 도기재료(18) 또는 기타 투명한 매체로 채워질 수 있다.
도5 내지 도7의 인광층은 연속적이거나 패턴화되어 인광체를 그것이 가장 효과적인 곳으로 제한한다. 나아가, 도1 및 도5 내지 도7의 실시예 및 인광체-반사기 조립체가 위에 배치되며 LED로부터 이격되는 실시예에서, PLED는 두 개의 반부로 제조될 수 있다. 그 중 하나는 열 싱크를 가지는 LED를 내장한 반부이고, 나머지 하나는 인광층 및 다층 반사기(들)을 내장하는 반부이다. 이 두 개의 반부는 별도로 제작된 후 접합되거나 다른 방법으로 서로에게 고정될 수 있다. 이 제작기술은 제조공정을 간소화하며 전체 산출량을 증가시키는 데 도움이 된다.
도8은 나머지 실시예에 유익하게 적용될 수 있는 개념을 설명한다. 즉, LED와 인광층 사이에 에어갭(air gap)을 제공하는 것 및/또는 인광체-반사기 조립체의 하나 이상의 요소에 근접하게 에어갭을 제공하는 것이다. 설명의 편의상 도면에는 단지 PLED의 요소 일부만 도시되어 있다. 에어갭(70)이 다층 광학 필름 SP 반사기(74)에 인접한, LED(12) 및 인광층(72) 사이에 도시되어 있다. 에어갭은 상대적으로 작은 각도가 관련되므로 인광층에 미치는 LED로부터의 자외선광에 최소한의 유해효과를 가진다. 그러나, 이 에어갭은 큰 입사각으로 이동하는 빛, 예를 들어, SP 반사기, 인광체 및 LP 반사기 안을 이동하는 빛의 전체 내부 반사(TIR)를 가능하게 한다. 도8의 실시예에서, SP 반사기의 효율은 반사기(74)의 하부표면에서 TIR을 허용함으로써 향상될 수 있다. 다르게는, SP 반사기(74)는 제거되고 에어갭이 인광층(72) 아래에 직접 형성될 수 있다. 에어갭은 또한 인광층(72)의 상부 측 또는 LP 반사기에 인접한 상부면 또는 하부면에서 형성될 수 있다. 에어갭을 제공하는 하나의 방안은 공지된 미세구조 필름(microstrured film)을 이용하는 것이다. 이러한 필름은 미세구조 표면에 대향하는 실질적으로 평탄한 표면을 가진다. 이 미세구조 표면은 단일 세트의 선형 v-형상 홈 또는 프리즘, 미소한 피라미드의 배열, 하나 이상의 좁은 리지(ridge) 등을 형성하는 v-형상 홈의 다중 교차 세트에 특징이 있을 수 있다. 이러한 필름의 미세구조는 평탄한 다른 필름에 대항하여 배치되는 때에, 에어갭이 미세구조 표면의 가장 상부들 사이에 형성된다.
인광체들이 일 파장(여기 파장)의 빛을 다른 파장(방사된 파장)으로 전환함에 따라, 열이 생성된다. 인광체 근처의 에어갭은 인광체에서 주위 재료에 열이 투과되는 것을 상당히 감소시킬 수 있다. 감소된 열전달은 열을 측면으로 제거할 수 있는 인광층 근처에 유리나 투명한 세라믹 층을 제공하는 것과 같은 다른 방법으로 보상될 수 있다.
PLED의 효율을 향상시키는 또 다른 방안은 모든 자외선광이 인광층의 하면 상으로 배향되기 보다는 LED로부터의 자외선광의 적어도 일부가 LP 반사기에 의해 인광층의 상면(보이는 면) 상으로 직접 반사되도록 LED, 인광층 및 LP 반사기를 구성하는 것이다. 도9는 이러한 PLED(80)을 도시한다. 열 싱크(14)는 상술된 실시예로부터 변경되어 LED(12) 및 인광층(82)가 실질적으로 동일 평면상에 장착될 수 있게 한다. SP 반사기는 인광층 아래에 도시되어 있으나, 많은 경우, 필요하지 않다. 이것은 오목 타원체나 유사한 형상으로 엠보싱처리된 LP 반사기(86)가 자외선 여기광을 직접 LED로부터 인광층(82)의 상면 상으로 배향하며, 이 상면은 PLED(80)의 전면을 대면하기 때문이다. LED 및 인광층은 타원체의 초점에 배치되는 것이 바람직하다. 인광층에 의해 방사된 가시광은 LP 반사기(86)에 의해 투과되고 PLED 본체의 둥근 전단부에 의해 수집되어 희망하는 패턴광(바람직하게는 백색광) 또는 가시광을 형성한다.
여기광을 인광층의 전면(front surface)에 직접적으로 배향하는 것은 많은 장점이 있다. 인광체에서 가장 밝은 부분(여기광이 가장 강한 곳)은 인광체의 두께를 통해 흐리하게 되기보다는 장치의 전면에 노출된다. 인광층은 실질적으로 더 두껍게 제작되어 상술한 두께/휘도의 절충(tradeoff)에 대한 걱정없이 실질적으로 자외선 여기광의 전체를 흡수할 수 있게 된다. 인광체는 광대역 금속거울[은 또는 강화 알루미늄(enhanced aluminum)을 포함] 상에 장착될 수 있다.
도10은 LED광이 인광층의 전면 상에 충돌하나 일부 LED광은 또한 배면 상에 충돌하는 다른 PLED 실시예를 개략적으로 도시한다. 이 실시예에서, LED(12)에 의해 방사된 일부의 빛은 인광체(92)의 배면 상에 충돌하나, 일부 LED 광은 또한 오목형상의 LP 반사기(96)에 반사되어 인광체를 횡단하지 않고 인광체의 전면을 타격한다. 인광층(92)에 의해 방사된 가시광은 이후 LP 반사기(96)을 통과해 뷰어 또는 조명대상물로 향한다. LED, 인광층 및 LP 반사기는 모두 이전 실시예에서 보인 바와 같이 투명한 도기매체에 담기거나 부착될 수 있다.
도11은 비이미지 집중기의 결합이 다층 광학 필름의 작동을 강화하도록 배열된 다른 PLED 실시예를 개략적으로 도시한다. 구체적으로, 집중기 요소(100a, 100b, 100c)가 LED(12), SP 반사기(104), 인광층(102) 및 LP 반사기(106) 사이에 도시된 바와 같이 구비된다. 집중기 요소는 다층 반사기 상에 충돌하는 빛의 각분산을 줄이는 효과를 가져, 도5 내지 도7과 관련해 살펴봤던 반사 대역의 청색 편이를 줄인다. 집중기 요소는 평탄한 측벽을 가진 단순한 원뿔섹션형일 수 있으며, 혹은 측벽은 빛의 이동방향에 따라 시준 또는 집중 동작을 강화하는 것으로 알려진 보다 복잡한 만곡형일 수 있다. 어쨋든, 집중기 요소의 측벽은 반사성이 있으며 양단부(하나는 소형, 하나는 대형)는 반사성이 없다. 도11에서, LED(12)는 집중기(100a)의 소형 단부에 배치된다. 집중기 요소(100a)는 LED에 의해 방사된 넓은 각범위의 빛을 채집하며, 상기 각범위는 이러한 빛이 SP 반사기(104)가 장착된 집중기 요소(100a)의 대형 단부에 이동한 시간에 의해 감소한다. SP 반사기는 자외선 여기광을 집중기 요소(100b)에 투과시키며, 상기 집중기 요소(100b)는 이러한 빛을 인광층(102) 상으로 집중시킨다(빛의 각분산을 증가시키는 한편). 인광층(102)에 의해 아래방향으로 방사된 넓은 각범위의 가시광은 집중기 요소(100b)에 의해 SP 반사기(104)에서 보다 좁은 각범위로 전환되며, 상기 SP 반사기(104)에서는 빛이 인광층(102)를 향해 다시 위로 반사된다. 한편, 인광체(102)를 통해 새어나오는 자외선광 및 인광층(102)에 의해 상향으로 방사된 가시광은 처음에 넓은 각분산을 가지나, 집중기 요소(100c)에 의해 보다 작은 각분산으로 전환되어 LP 반사기(106)이 인광체에 의해 방사된 가시광을 더 잘 투과시키며 자외선광은 인광층을 향해 다시 반사시키게 한다.
가능한한 많은 LED 여기광을 포집하기 위해서, 도12에 도시한 바와 같이, 집중기 요소(100a)의 소형 단부는 공동(cavity)을 가져 LED의 측면에 의해 방사된 적어도 일부의 빛을 포집할 수 있게 할 수 있다.
여기에 개시된 실시예들은 다양한 인광물질과 함께 실시될 수 있다. 인광물질은 일반적으로 무기성 화합물이며, 여기 파장으로 300-400 나노미터 범위 및 방사 파장으로 가시 파장 범위를 가진다. 좁은 방사 파장 범위를 가지는 인광물질의 경우, 인광물질의 혼합체는 뷰어에 의해 지각되는 바와 같이 희망하는 색상 평형이 얻어지도록 제제될 수 있으며, 예로서 적색-, 녹색-, 청색-방사 인광체의 혼합체가 있다. 보다 넓은 방사 대역을 가지는 인광물질은 보다 높은 연색성 지수(color redition index)를 가지는 인광체 혼합체에 유용하다. 바람직하게는, 인광체는 빠른 방사성 붕괴 속도를 가져야 한다. 인광체 혼합물은 에폭시, 접합제, 실리콘, 플르오르화 탄소, 또는 폴리머 주형과 같은 구속제에 흩어져 있는 1-25 미크론 크기의 인광체 입자를 포함할 수 있으며, 이것은 이후 LED 또는 필름과 같은 기판에 적용될 수 있다. 약 300 내지 470 나노미터 범위의 빛을 보다 긴 파장으로 전환시키는 인광체는 본 발명분야에 공지되어 있다. 예로서, 포스포 테크놀로지 LED티디, 에섹스, 잉글랜드가 제공하는 인광체 라인(the line of phosphors)이 있다. 여기서 사용되는 용어 "인광체(phosphor)"는 유기성 형광물질(형광 염료 및 안료을 포함함)을 포함하는 개념이다. 300-470 나노미터 방사선에서 높은 안정성을 가지는 재료가 바람직하며, 특히 무기성 인광체가 그러하다.
특정 용어들의 정의(Glossary of Certain Terms)
LED(LED) : 빛이 가시광, 자외선광 또는 적외선광이든, 또한, 간섭성 또는 비간섭성(coherent or incoherent)이든 상관없이 빛을 방사하는 다이오드. 여기서 이 용어는 "LEDs"로 거래되는 비간섭성(일반적으로 저렴함) 에폭시-피복 반도체 장치를 종래 제품 또는 초발광 변형품이든 상관없이 포함한다. 또한, 이 용어는 반도체 레이저 다이오드를 포함한다.
가시광(Visible Light) : 육안으로 인지할 수 있는 빛이며, 일반적으로 약 400 내지 700 나노미터 범위의 파장인 빛.
광학 반복 유닛(Optical Repeat Unit, "ORU") : 다층 광학 필름의 두께를 가로지르며 반복되는 적어도 두 개의 개별 층 스택을 말하며, 대응하는 반복 층들은 동일한 두께를 가질 필요가 없다.
광학 두께(Optical Thickness) : 주어진 물체의 물리적 두께에 구절률을 곱한 값. 일반적으로, 이것은 파장 및 편광의 함수이다.
반사 대역(Reflection Band) : 상대적으로 낮은 반사율의 구역에 의해 어느 측면 상에 경계지워지는 상대적으로 높은 반사율의 분광 구역.
자외선(Ultraviolet, UV) : 파장이 약 300 내지 약 400 나노미터 범위인 빛.
백색광(White Light) : 인간의 눈에 있는 적색, 녹색 및 청색 센서를 자극하여 일반 관찰자가 "백색"으로 간주하는 외관을 가져오는 빛. 이러한 빛은 적색으로 편향(보통 따뜻한 백색광으로 불림)되거나 청색으로 편향(보통 시원한 백색광으로 불림)될 수 있다. 이러한 빛은 최대 100의 연색성 지수를 가질 수 있다.
심층 분석(Further Discussion)
여기에 기재된 간섭 반사기(interference reflector)는 유기성 재료, 무기성 재료 또는 유기성 및 무기성 재료의 결합물로 형성된 반사기를 포함한다. 여기서 사용되는 용어 "간섭 반사기" 및 "간섭 필터"는 혼용가능하다. 간섭 반사기는 빛의 보강 또는 상쇄 간섭을 생성하여 반사기의 반사 특성에 영향을 주는 얇은 층들 또는 기타 구조물을 복수개 가지는 모든 반사기를 포함한다. 간섭 반사기는 다층 간섭 반사기일 수 있다. 간섭 반사기는 가요성 간섭 반사기일 수 있다. 가요성 간섭 반사기는 폴리머 재료, 비폴리머 재료, 또는 폴리머 및 비폴리머 재료로 형성될 수 있다. 폴리머 및 비폴리머 재료를 포함하는 필름의 실시예가 미국특허 제6010751호 및 제6172810호 및 유럽공보 EP 733,919 A2에 개시되어 있다.
여기에 기재된 간섭 반사기는 가요성, 소성 또는 변형가능한 재료로 형성될 수 있으며 그 자체도 가요성, 소성 또는 변형가능할 수 있다. 이 간섭 반사기는 굴곡가능하거나 만곡되어 종래의 LED에 사용가능한 반지름(즉, 0.5 내지 5 밀리미터)를 가질 수 있다. 이 가요성 간섭 반사기는 굴곡 또는 만곡될 수 있으며 굴곡 전의 광학 특성을 여전히 보유한다.
공지된 자가-조립 단속성 구조체(self-assembled periodic structure), 예를 들어, 콜레스테릭 반사 편광기(cholesteric reflecting polarizer) 및 소정의 블록 공중합체(block copolymer)는 본 명세서에서 다층 간섭 반사기로 간주된다. 콜레스테릭 거울은 왼손 및 오른손용 카이럴 피치 요소(chiral pitch element)의 결합체를 이용하도록 제작될 수 있다.
일 실시예에서, 청색광의 모든 파장을 부분적으로 투과하는 LP 반사기 또는 필터는 LED로부터의 일부 청색광이 인광층에 대한 최초 통과 이후 다시 인광층 상으로 배향되도록 얇은 황색 인광층과 결합되어 사용될 수 있다.
자외선광의 반사를 제공하는 것과 더불어, 다층 광학 필름의 기능은 자외선광의 투과를 방지하여 연이은 LED 패키지의 내부 또는 외부의 요소들이 열화되는 것을 방지하는 것(인간의 눈 손상 방지도 포함함)이다. 어떤 실시예에서는, 자외선 흡수기를 LED로부터 가장 이격된 자외선 반사기 측 상에 합체되는 것이 유리할 수 있다. 이 자외선 흡수기는 다층 광학 필름 내부, 상, 또는 근처에 배치될 수 있다.
간섭 필터 또는 반사기에 대한 다양한 방법들이 본 발명분야에 공지되어 있지만, 순수한 폴리머 구성(an all polymeric construction)은 제조 및 비용 면에서 장점을 가진다. 높은 광학 투과도 및 큰 지수차를 가지는 고온의 폴리머들을 간섭 필터 또는 반사기에 활용하면, 얇으면서 높은 가요성을 지닌 환경적으로 안정적인 필터가 제조되어 SP 및 LP 필터 또는 반사기의 광학적 요구조건을 만족시킬 수 있다. 특히, 미국 제6531230호(웨버 등)에 교시된 복합사출(coextruded)된 다층 간섭 필터 또는 반사기는 넓은 면적뿐만 아니라 정밀한 파장 선택을 가능하게 하며, 비용면에서 효과적인 생산방법을 제공한다. 높은 지수차를 가진 폴리머 쌍을 이용하는 것은 매우 얇고 반사성이 매우 높은 거울(독립적인 거울, 즉, 기판을 가지진 않지만 여전히 용이하게 가공되는 거울)을 만들 수 있게 한다. 이러한 간섭 구조체는 열성형되거나 1 밀리미터 정도로 작은 곡률반지름으로 굴곡될 때 균열이 가거나 깨지거나 다르게 열화되지 않는다.
순수한 폴리머 간섭 반사기 또는 필터는 다양한 3차원 형상, 예를 들어, 반구돔(아래에 기재되어 있음)으로 열성형될 수 있다. 그러나, 돔의 전체 표면에 걸쳐 정확한 양으로 얇게 하는 공정을 제어하여 희망하는 각성능(angular performance)을 생성하려면 상당한 주의가 요구된다. 단순한 2차원 곡률을 가지는 필터는 3차원의 복잡한 형상의 필터 보다 용이하게 만들 수 있다. 특히, 얇고 가요성인 어떠한 필터도 실린더의 일부와 같은 2차원 형상으로 만곡될 수 있으며, 이 경우, 순수 폴리머 필터는 불필요하다. 두께가 200 미크론 미만인 유리 기판 상의 무기성 다층 뿐만 아니라, 얇은 폴리머 기판 상의 다층 무기성 필터도 이러한 방식으로 형상이 만들어질 수 있다. 후자는 유리의 전이점으로 가열되어 낮은 응력을 가지는 영구 형상을 얻을 수 있다.
LP 및 SP 필터를 위한 최적의 대역끝(bandedge)는 필터들이 설계되어 작동되는 시스템 내의 LED 및 인광체의 방사 스펙트럼(emission spectrum)에 좌우된다. 일 실시예에서, SP 필터를 위해서, 실질적으로 LED 방사의 전부가 인광체를 여기시키기 위하여 필터를 통과하고, 실질적으로 모든 인광체 방사는 필터에 의하여 반사되어 LED 또는 그것이 흡수될 수 있는 LED의 기부 구조체에 진입하지 않게 한다. 이러한 이유로, 대역끝을 형성하는 SP는 LED의 평균 방사 파장과 인광체의 평균 방사 파장 사이의 구역에 놓인다. 일 실시예에서, 필터는 LED와 인광체 사이에 배치된다. 그러나, 필터가 평면적이면, 일반적인 LED로부터의 방사는 다양한 각도로 필터를 타격하며, 어떤 입사각에서는 필터에 의해 반사되어 인광체에 도달하지 못한다. 필터가 만곡되어 거의 일정한 입사각을 유지하지 않는 한, 전체 시스템 효율을 최적화시키는 인광체 및 LED 방사 곡선의 중간 지점보다 큰 파장에 설계 대역끝을 배치시키기를 희망할 수 있다. 특히, 포함된 입체각(solid angle)이 매우 작으므로, 아주 작은 인광체 방사가 거의 영도의 입사각으로 필터로 배향된다.
다른 실시예에서, LP 반사성 필터는 LED 여기광을 인광체에 다시 순환시키기 위해 LED로부터 인광층에 대향되게 배치되어, 시스템 효율을 향상시킨다. 이 실시예에서, LED 방사가 가시 분광 내에 있고 많은 양이 인광체의 색 출력을 밸런스하기 위해 필요하다면, LP 반사기 또는 필터는 생략될 수 있다. 그러나, 청색광과 같은 단파광을 부분적으로 투과시키는 LP 필터는 분광 각 편이(spectral angle shift)를 통해 청색-LED/황색-인광체 시스템의 각성능을 최적화하는 데 사용될 수 있으며, 상기 분광 각 편이는 보통 입사 보다 큰 각도에서 보다 많은 청색광을 통과시킨다.
다른 실시예에서, LP 필터는 필터 상에서 LED로부터 방사된 빛의 입사각을 거의 일정하게 유지하기 위해서 굴곡된다. 이 실시예에서, 인광체 및 LED는 모두 LP 필터의 일 면을 대면한다. 큰 입사각에서, LP 필터는 단파광을 반사하지 않는다. 이러한 이유로, LP 필터의 장파장 대역끝은 가능한 한 긴 파장에 위치하는 한편 가능한 한 적은 인광체 방사를 차단할 수 있다. 또한, 대역끝의 배치는 전체 시스템 효율을 향상시키기 위해 변경될 수 있다.
여기서 용어 "인접한(adjacent)"은 서로 가까운 두 개의 입자의 상대적인 위치결정을 가리키는 것으로 정의된다. 인접한 아이템들은 접촉할 수도 있고, 그 사이에 하나 이상의 재료를 두고 서로 이격될 수도 있다.
LED 여기광은 LED 소스에서 방사된 어떤 빛이라도 상관없다. LED 여기광은 자외선광 또는 청색광이어도 된다. 청색광은 또한 바이올렛 및 인디고(violet and indigo) 광을 포함할 수 있다. LED는 레이저 다이오드 및 수직 공동 표면 방사 레이저 다이오드(vertical cavity surface emitting laser diode)를 포함하는 활성 또는 초복사 방사(stimulated or super radiant emission)를 이용하는 장치뿐만 아니라 자연 방사 장치(spontaneous emission device)를 포함한다.
여기에 기재된 인광체의 층들은 연속 또는 불연속한 층이어도 된다. 인광물질의 층들은 균일 또는 비균일 패턴이어도 된다. 인광물질의 층은 평면도의 면적이 10000 제곱마이크로미터 또는 500 내지 10000 제곱마이크로미터인 복수의 도트(dot)과 같이 작은 단면적을 가지는 복수의 구역일 수 있다. 한 실시예에서, 복수의 도트은 각각 인광체로 형성될 수 있으며, 상기 인광체는 도트 방사 적색(dot emitting red), 도트 방사 청색 및 도트 방사 녹색과 같은 하나 이상의 서로 다른 파장에서 가시광을 방사한다. 복수의 파장에서의 도트 방사 가시광은 희망하는 어떠한 균일 또는 불균일한 방식으로도 배열 및 구성될 수 있다. 예를 들어, 인광물질 층은 표면 또는 면적을 따라 불균일한 밀도 구배를 가지는 복수의 도트들일 수 있다. 이 "도트들(dots)"은 어떠한 규칙적 또는 불규칙적 형상을 가질 수 있으며, 평면도에서 둥글게 보일 필요는 없다. 인광물질은 다증층 광학 필름의 복합사출된 표피층 내에 있을 수 있다.
구조화된 인광층은 여러 방법으로 구성되어 아래에 기재한 바와 같이 좋은 성능을 제공할 수 있다. 다중 인광층 타입이 보다 폭넓고 꽉찬 분광 출력을 제공하도록 사용될 때, 보다 단파장인 인광체로부터의 빛은 다른 인광체에 의해 재흡수될 수 있다. 각 인광체 타입의 고립된 도트, 선 또는 고립된 구역을 포함하는 패턴은 재홉수 양을 감소시킨다. 이것은 흡수되지 않은 펌프광(unabsorbed pump light)이 인광체 패턴에 다시 반사되는 공동 타입의 구성에서 특히 효과적이다.
다층 인광체 구조체는 또한 흡수를 줄일 수 있다. 예를 들어, 최장파 방사기(longest wavelength emitter)를 여기 소스에 가장 가깝게 두고 각 인광체 층을 시퀀스로 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 방사기에 가장 가깝게 방사된 빛은 평균적으로 전체 인광층 내에서 출력면에 가깝게 방사된 빛보다 더 심하게 다중 스캐터링(multiple scattering)을 겪게된다. 방사된 빛 중 가장 단파인 것이 가장 흩어지기 쉬우므로, 가장 단파인 인광체를 출력면에 가장 가깝게 위치시키는 것이 바람직하다. 또한, 각 층이 다른 두께를 가져 다층 구조체를 통과하면서 여기광의 강도가 점차 약해지는 것을 보상하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, SP 필터를 서로 다른 인광층들 사이에 배치하여 스캐터링으로부터 거꾸로 방사된 인광체 빛을 줄이며 시퀀스에서 보다 빠른 인광층에 의해 재흡수되게 하는 것이 바람직하다.
인광체 코팅을 가진 필름 구조체를 형성하는 것은 또한 다이오드의 개별 유닛으로 다이싱(dicing)하는 데 적합한 소형 구조체의 배열을 제조할 수 있게 한다. 예를 들어, 소형 돔 또는 반구의 배열이 인쇄될 수 있으며, 그 각각은 PLED에 종종 나타나는 "할로 효과(halo effect)"를 줄이는 데 유용하다(아래에서 설명함).
논-스캐터링(non-scattering) 인광체 층들은 다층 광학 필름과 공동으로 향상된 광 출력을 제공할 수 있다. 논-스캐터링 인광체 층들은 실질적으로 지수-매치되는 바인더, 또는 대략적으로 지수-매치되는 바인더(예를 들어, 높은 지수 비활성 나노입자를 갖는 바인더), 종래 인광체 화합물의 나노 크기 입자(예를 들어, 입자 크기가 작고 무시할만한 산란 광인 경우), 또는 양자 도트 인광체(quantum dot) 사용을 통한 나노 크기 입자를 포함한다. 양자 도트 인광체는 황화 카드뮴과 같은 반도체에 기반한 광 방사이고, 입자는 충분히 작아서 전기적 구조가 입자 크기에 의하여 영향 받거나 조절된다. 그래서, 흡수 및 반사 분광은 입자 크기를 통하여 조절된다. 양자 도트는 미국 특허 제6,501,091호에 개시되어 있다.
여기에 개시된 실시예들은 인광체/반사체 조립체를 포함하는 제1 광학 부품이 이 후에 LED 베이스에 부착되고, 열 싱크는 인광체 층 및 간섭 필터가 부착될 수 있는 투명한 열 싱크를 임의로 포함한다. 투명 열 싱크는 인광체 층/간섭 필터 및 LED 베이스 사이에 배치된 사파이어 층이 될 수 있다. 대부분의 유리는 폴리머보다 높은 열 전도성을 갖고 이 기능에서도 유용할 수 있다. 많은 다른 결정성 재료의 열 전도성은 대부분의 유리보다 높고 여기에서도 사용 가능하다. 사파이어 층은 금속 열 싱크 주위의 에지에서 접촉할 수 있다.
일 실시예에서, 간섭 필터(예를 들어, 인광체 층이 있는 폴리머 간섭 필터)를 코팅하기 전에 필터의 표면은 코팅의 부착을 증진하도록 처리 될 수 있다. 최적의 처리는 필터의 표면층 및 인광체 코팅에서의 물질 양쪽 모두에 달려있고, 구체적으로 바인더는 인광체 입자를 표면상에 끌어당기는 데 사용된다. 표면 처리는 표준 코로나 방전 처리, 또는 최초층 이후에 따르는 코로나 방전이 될 수 있다. 최초층은 일반적으로 1미크론 두께 미만이다. 유용한 최초 물질은 PVDC, 술폰화 폴리에스테르 및 바이텔(Vitel)과 같은 다른 비결정 폴리에스테르, 바이넬(Dupont, Bynel) 및 애드머(Mitsui Chemical, Admer)와 같은 말리티드(maleated) 코폴리머, 및 엘백스(Dupont, Elvax)와 같은 EVA이다. 인광층용 바인더는 예를 들면 열가소성 및/또는 열경화성이 될 수 있고, 플루오르 폴리머 또는 실리콘에 기반한 물질이 될 수 있다.
교호적인 최초층들은 예를 들면 진공 코팅된 층들을 포함하는데, 바람직하게는 최초층을 증착하는 동안에 이온 또는 플라즈마 소자가 폴리머 표면을 충격하는 이온-빔 또는 가스 플라즈마 소스와 같은 효과적인 소스로부터 나온 것이다. 그러한 최초층들은 일반적으로 티타니아(titania) 또는 실리카(silica) 층과 같은 무기질층이다.
비록 단파장광을 가시광으로 하강 전환시키는 인광체의 사용에 많은 관심이 있지만, 적외선을 가시광으로 상승 전환시키는 것도 역시 가능하다. 인광체 상승 전환은 당해 기술분야에 잘 알려져 있고 일반적으로 하나의 가시 광자를 발생하기 위하여 2개 또는 그 이상의 적외선 광자를 사용한다. 그러한 인광체를 펌프하는데 필요한 적외선 LED는 역시 설명되었고 매우 효과적이다. 하강 전환 인광체 시스템에 비하여 이 경우에 각 기능이 전환되어도, 이 공정을 사용하는 가시광원은 LP 및 SP 필터의 추가로 더욱 효과적이 될 수 있다. 가시광을 투과하는 동안에 SP 필터는 적외광을 인광체로 유도하는데 사용될 수 있고, 예정된 시스템 또는 사용자를 향하여 밖으로 방사된 가시광을 유도하도록 인광체와 LED 사이에 LP 필터를 배치할 수 있다.
SP 또는 LP 필터의 수명은 바람직하게는 동일한 시스템 내에서 LED의 수명보다 크거나 같아야 한다. 폴리머 간섭 필터의 열화는 층의 두께를 변화시키고 따라서 필터가 반사하는 파장을 변화시키는 재료의 크리프를 발생시킬 수 있는 과열로 인한 것일 수 있다. 최악의 경우에, 과열은 폴리머 재료를 녹여서, 재료의 급속한 흐름과 필터의 비정형을 유발할 뿐만 아니라 파장의 변화로 귀착된다.
폴리머 재료의 열화는 폴리머 재료에 따라 청색, 자주색 또는 자외선과 같은 단파장(화학선, actinic) 방사에 의하여 유발될 수도 있다. 열화의 등급은 화학선 광 플럭스 및 폴리머의 온도 양쪽 모두에 좌우된다. 온도와 플럭스 모두는 일반적으로 LED로부터의 거리가 증가하면서 감소한다. 그래서 폴리머 필터를 설계가 허용하는 한 LED로부터 멀리 배치하는 것은 높은 밝기 LED, 특히 자외선 LED의 경우에 유리하다. 상기 설명한 바와 같이 투명 열 싱크 상에 폴리머 필터의 배치는 필터의 수명을 개선할 수 있다. 반구형 필터에서는, 화학선 방사의 플럭스는 LED로부터의 거리의 제곱에 따라 감소한다. 예를 들어, 반지름이 1 cm이고 곡률의 중심에 단방향 1와트 LED가 배치된 반구형 MOF 반사체는 평균 강도가 1/(2π) 와트/cm2 (반구의 표면적 = 2π cm2). 반지름이 0.5 cm에서는, 반구의 평균 강도는 상기 값의 4배 또는 2/π 와트/cm2가 될 것이다. LED 시스템, 인광체, 및 다층 광학 필름은 광플럭스 및 온도 조절을 고려하여 설계할 수 있다.
반사 편광자는 다층 반사체 및/또는 인접한 인광체 물질에 인접하여 배치될 수 있다. 반사 편광자는 다른 편광들을 반사하는 동안에 바람직한 편광의 광이 방사되도록 허용한다. 당해 기술분야에 알려진 인광층 및 다른 필름 요소들은 반사 편광자에 의하여 반사된 편광을 비편광화 할 수 있고, 인광층에서 반사에 의하여 또는 다층 반사체와 결합된 인광층에 의하여 광은 재생되고 고체 상태 광 장치(LED)의 편광 밝기를 증가시킬 수 있다. 적절한 반사 편광자는, 예를 들면 콜레스테릭 반사 편광자, 1/4 파장 지체된 콜레스테릭 반사 편광자, 3M Company에서 입수가능한 DBEF 반사 편광자 또는 역시 3M Company에서 입수가능한 DRPF 반사편광자를 포함한다. 반사 편광자는 바람직하게는 인광체에 의하여 방사되는 파장과 각도의 실질적 범위를 넘어서 광을 편광하고, LED가 청색광을 방사하는 경우에는 LED 방사 파장 범위도 반사할 수 있다.
반사 편광자는 PLED 소스의 외부표면으로 적층화될 수 있거나 PLED 조립체 내의 필수적 부품이다. 만약 반사 편광자가 PLED 광원의 표면상에 있지 않다면, 편광자와 상기 광원의 출구면 사이의 물질은 반사 편광자를 통과하는 광을 비편광화해서는 안된다. 반사 편광자는 요오드 기반, 다이 기반, 또는 금속 나노 입자 타입 편광자와 같은 흡수 편광자 또는 콜레스테릭, 다층 이중굴절 폴리머, 확산 반사 또는 투과 편광자용의 광학적 이방성 물질 혼합물, 금속 격자, 브르스터 각(MzcNeille type) 또는 이방성으로 증착된 무기질 다층 필름 타입 편광자 어떤 것으로도 만들 수 있다. 반사 편광자는 원하는 편광 요소에 대하여 거부된 편광 요소의 다소 또는 대부분을 전환할 목적을 위하여 이 구조를 선호한다. 거부된 편광 요소를 재활용하는 것은 단지 반사된 편광을 관사 편광자에 의하여 투과된 모드로 변환하는 장치가 존재하면 가능하다. 예를 들면 이중굴절 물질 또는 광 스캐터링 물질 또는 양쪽 모두의 존재와 같은, 어떠한 비편광 장치에 의하여도 변환은 수행된다. 비편광은 반사 편광자와 동일평면에 있지 않은 다중면으로부터 편광의 반사에 의하여도 수행될 수 있다.
LED가 넓은 각광 출력을 갖는다면, 또는 반사 편광자가 장치내의 굴곡면 또는 굴곡 내부 접촉면에 맞는다면, 반사 편광자는 바람직하게는 미국특허 제6,486,997호(브루존 등)에 도시된 반사 편광자의 넓은 각 데카르트 타입이다. 이 타입의 반사 편광자는 반사 편광자 표면에서 다양한 각으로 빠져나가는 광선을 위하여 더 많은 균등한 편광 축방향을 제공한다.
적절한 다층 반사체 필름은 두 개의 인접한 층들의 두께 방향으로 굴절률이 실질적으로 매치되고 굉장히 크거나 존재하지 않는 브르스터 각(p-편광의 반사율이 0이 되는 각)을 갖는 이중굴절 다층 광학 필름이다. 이것은 다층 거울 및 p-편광용 반사율이 투사각에 따라 천천히 감소, 투사각에 독립, 또는 직각으로부터 투사각에 멀어지면 증가하는 편광자의 구조를 허용한다. 결과적으로, 광대역에서 높은 반사율(거울에서 어떤 투과 방향 및 편광자의 경우 선택된 방향에서의 편광 평면 양쪽 모두에 대하여)을 갖는 다층 필름을 달성할 수 있다. 이러한 폴리머 다층 반사체는 제1 및 제2 열가소성 폴리머의 교번하는 층들을 포함한다. 교번하는 층들은 층들에 평행하게 뻗어있는 상호 직교하는 x 및 y축과 x 및 y축과 직교하는 z축으로 공간 좌표 시스템을 정의하고, 층들의 적어도 일부는 이중굴절이다. 제1, 및 제2, 및 제3 상호 수직측을 따르는 편광에 대한 제1 및 제2 층 사이의 굴절률의 차의 절대값은 각각 Δx, Δy, 및 Δz이다. 제3 축은 Δx가 0.05보다 큰, 그리고 Δz가 0.05보다 작은 필름의 평면과 직교한다. 이러한 필름은 예를 들면 미국 특허 제5,882,774호에 설명되어 있다.
비평면은 편평하지 않은 표면으로 정의된다. 비평면 표면은 예를 들어 편평한 물품을 편향시켜서 굴곡된 물품을 형성함으로서 형성된다. 본 발명에서 유용한 반사체는 평면 또는 비평면이 될 수 있다. 비평면 다층 반사체는 비 평면 형상의 물체로 직접 던져지거나 비평면 형상의 물품 또는 평면 다층 반사체에서 비평면 다층 반사체로 열성형될 수 있다. 비평면 다층 반사체는 오목한 형상이 될 수 있다. 일 실시예에서, 비평면 다층 반사체는 반구형 오목한 형상이 될 수 있다. LED는 비평면 다층 반사체의 굴곡부의 중심 또는 그 근처에 위치할 수 있다. 일 실시예에서, 비평면 다층 반사체는 LED를 향한 반구형 오목한 형상 개구이다. LED의 광 방사 영역의 바깥 범위는 비평면 다층 반사체의 굴곡부의 최소 반지름의 1/3 또는 1/6보다 작을 수 있다.
도13은 PLED 구조(210)의 다른 실시예의 개략적인 단면도이다. 인광층(222)은 LED(212)가 방사하는 인광체 여기광을 수용하도록 배치된다. 인광층(222)은 PLED 구조(210)의 렌즈 형상을 형성할 수 있는 광학적으로 투명한 물질(220) 내에 배치되어 도시된다. LED(212)는 상기 설명되었고 여기광 파장에서 여기광을 방사할 수 있다. LED(212) 광학적으로 투명한 물질(220)의 근처에 또는 접촉하여 위치하여 도시되고, 그러나 LED(212)는 단일 PLED 구조(210)를 형성하는 광학적으로 투명한 물질(220) 내에 배치될 수 있다.
반사 편광자(250)는 광학적으로 투명한 물질(220)과 접촉 및/또는 내에 배치될 수 있다. 도13은 광학적으로 투명한 물질(220)에 배치된 반사 편광자(250)를 도시한다. 반사 편광자(250)는 비평면 또는 반구형 형상을 갖는 것으로 도시되지만, 반사 편광자(250)는 평면 형상을 가질 수 있다. 선택적으로, SP 및/또는 LP 반사체는 인광층(222)의 근방에 위치할 수 있다. 반사 편광자(250)는 그 밖의 편광을 반사하는 동안에 바람직한 방사되는 편광을 허용한다. 인광층(222)와 선택적 SP 및 LP 반사체는 반사 편광자(250)로 반사된 편광을 비편광할 수 있고, 인광층(222)으로부터의 반사 또는 선택적 SP 및 LP 반사체와 공동으로 인광층에 의하여 광은 재활용되고 고체 상태 광 장치(LED)의 편광 밝기를 증가한다. 적절한 반사 편광자는 상기 기재되어 있다. 상기 배열은 광학적으로 투명한 물질(220) 내에 배치될 수 있다.
도14는 PLED 구조(310)의 다른 실시예의 개략적인 단면도이다. 인광층(322)은 LED(312)가 방사하는 인광체 여기광을 수용하도록 배치된다. 인광층(322)은 광학적으로 투명한 물질(320) 내에 배치되어 도시된다. 인광층(322)는 LED(312)를 둘러싸서 도시된다. LED(312)는 상기 설명되었고 여기광 파장에서 여기광을 방사할 수 있다. LED(312) 광학적으로 투명한 물질(320)의 근처에 또는 접촉하여 위치하여 도시되고, 그러나 LED(312)는 단일 PLED 구조(310)를 형성하는 광학적으로 투명한 물질(320) 내에 배치될 수 있다.
반사 편광자(350)는 광학적으로 투명한 물질(320)과 접촉 및/또는 내에 배치될 수 있다. 도14는 광학적으로 투명한 물질(320)에 배치된 반사 편광자(350)를 도시한다. 반사 편광자(350)는 비평면 또는 반구형 형상을 갖는 것으로 도시되지만, 반사 편광자(350)는 평면 형상을 가질 수 있다. 선택적으로, SP 및/또는 LP 반사체는 인광층(322)의 근방에 위치할 수 있다. 반사 편광자(350)는 LED(312) 및 인광층(322)로부터 떨어져서 근처에 도시되어 있지만, 반사 편광자(350)는 인광층(322)과 접촉할 수 있다.
도15는 PLED 구조(410)의 다른 실시예의 개략적인 단면도이다. 인광층(422)은 LED(412)가 방사하는 인광체 여기광을 수용하도록 배치된다. LED(412)는 상기 설명되었고 여기광 파장에서 여기광을 방사할 수 있다. LED는 광학적으로 투명한 물질(320) 근처에 도시되어 있다. 인광층(422)는 광학적으로 투명한 물질(420) 내에 배치된 것으로 도시되어 있다.
반사 편광자(450)는 광학적으로 투명한 물질(420)과 접촉 및/또는 내에 배치될 수 있다. 도14는 광학적으로 투명한 물질(420)에 배치된 반사 편광자(450)와 반사 편광자(450) 및 인광층(422) 사이에 배치된 LP 반사체(425)를 갖는 인접한 인광층(422)을 도시한다. 반사 편광자(450)는 평면 형상을 갖는 것으로 도시되었지만, 반사 편광자(450)는 비평면 형상을 가질 수 있다. SP 반사체(426)는 인광층(422) 및 LED(412) 사이에 위치하는 것으로 도시되어 있다.
도16는 PLED 구조(510)의 다른 실시예를 도시한다. 인광층(522)은 LED(512)가 방사하는 인광체 여기광을 수용하도록 배치된다. 인광층(522)은 광학적으로 투명한 물질(520) 내에 배치되어 도시된다. 인광층(522)는 LED(512)를 둘러싸서 도시된다. LED(512)는 상기 설명되었고 여기광 파장에서 여기광을 방사할 수 있다. LED(512) 광학적으로 투명한 물질(520)의 근처에 또는 접촉하여 위치하여 도시되고, 그러나 LED(512)는 단일 PLED 구조(510)를 형성하는 광학적으로 투명한 물질(520) 내에 배치될 수 있다.
반사 편광자(550)는 광학적으로 투명한 물질(520)과 접촉 및/또는 내에 배치될 수 있다. 도14는 광학적으로 투명한 물질(520)에 배치된 반사 편광자(550)를 도시한다. 반사 편광자(550)는 비평면 또는 반구형 형상을 갖는 것으로 도시되지만, 반사 편광자(550)는 평면 형상을 가질 수 있다. LP 반사체(525)는 인광층(522)의 근방 그러나 LED(512) 및 인광층(522)으로부터 떨어져서 위치하는 것으로 도시되어 있지만, LP 반사체(525)는 인광층(522)과 접촉할 수 있다.
실 시 예
여기에서 인광체 발광의 측정은 통합 구(옵트로닉 레이보레이토리 인크의 OL IS-670-LED로 지정됨) 및 높은 정확도의 LED 홀더(옵트로닉 레이보레이토리 인크의 OL 700-80-20로 지정됨)에 적당한 분광방사미터[미국 플로리다 올랜도에 있는 옵트로닉 레이보레이토리 인크(Optronic Laboratories, Inc.)의 OL 770-LED로 지정됨]를 사용한다. 분광방사미터는 입력 포트에서 통합된 구로 들어가는 총 복사 에너지(단위는 나노미터당 와트)를 기록하도록 조정된다. 1인치 지름의 디스크는 맞춤 펀치를 사용한 인광체 코팅 샘플로 만든다. 이 디스크는 높은 정확도의 LED 홀더상에 장착되도록 만들어진 맞춤 필름 어댑터에 적합하다. 맞춤 어댑터는 필름 샘플을 포장된 LED의 베이스 상부에 대략 1인치를 붙잡는다. 맞춤은 LED를 홀더에 장착하고, 인광체 코팅된 필름을 어댑터에 배치하고, 어댑터를 광-방사 다이오드 장착대에 붙이고 나서 다이오드 장착대 조립체를 통합 구의 입구 틈으로 삽입함으로서 수행된다. 만약 가능하다면, 조정된 중성 밀도 필터가 분광방사미터의 탐지기에 도달하는 광레벨을 조절하는데 사용된다.
다르게 나타나지 않는다면, 다층 광학 필름은 양쪽 편광 상태를 동등하게 수직 투사각(예를 들어, 각 개별적인 광학 층들은 평면축과 직교하여 명목상 동등한 굴절률을 가짐)으로 반사하는 다음의 실시예에서 사용된다.
인광층의 두께가 주어진 후술하는 모든 실시예들에서, 상기 두께는 인광층 및 기판 필름 모두의 두께에서 기판 필름의 두께를 빼서 결정한다. 두께는 다이얼 게이지 스탠드[프레드 브이 플라워 코포레이션., 인크(Fred V. Flower Co., Inc.)의 카탈로그 넘버 52-580-020]에 장착된 편평한 접촉점(플라워의 카탈로그 넘버 52-525-035)을 갖는 다이얼 지시기(플라워의 카탈로그 넘버 52-520-140)를 사용하여 측정한다. 기판 필름의 두께는 기판 필름상 임의 위치에서 3번 측정의 평균이다. 인광층 및 기판 필름의 두께는 인광층의 임의 위치에서 6번 측정의 평균이다.
실시예1
세륨이 첨가된 이트륨 알루미늄 가닛(YAG:Ce) 인광체 코팅은 다음의 공정에 따르는 단일층 밝은 폴리머(에틸렌 테레프탈레이트)(PET) 필름이었다.
12.00그램의 플르오르폴리머 수지(미국 아리조나주 Durel Company of Chandler의 "Phosphor Ink Part A:Resin Solution", part number:1INR001, rev:AA,batch number:KY4-035)는 40밀리리터 유리병에 담겨있다. 15.02그램의 YAG:Ce 인광체(영국 스티벤니지 Phosphor Technology, Ltd의 QMK58/F-U1 Lot#13235)는 저울 접시에서 측정된다. 상기 인광체는 우선 1/2 인광체를 수지에 첨가함으로서 수지로 혼합되고 스테인레스 스틸 주석을 사용하여 혼합한 다음에 나머지 1/2을 첨가하여 손으로 혼합한다. 인광체 수지는 혼합물이 부드러운 조직을 같고 균등한 외관을 가질 때까지 손으로 혼합한다. 만들어진 인광체 반죽을 담은 병은 뚜껑을 덮어서 병롤러에서 약 30분동안 놓아둔다.
가로 6인치 세로 10인치(250마이크로미터) 두께 1.5밀(40마이크로미터)인 3M Company(St. Paul, MN)의 단일층 밝은 PET 필름 시트는 깨끗하고 편평한 표면위에 놓여있다. PET 필름의 양 표면은 메탄올로 적신 린트프리 면으로 닦는다. 인광체 반죽을 담은 병은 병롤러에서 꺼내지고 약 5그램의 반죽은 PET 필름상의 작은 교반기에 놓는다. 인광체 반죽은 손으로 뜯어서 5밀(130마이크로미터) 갭의 간극 도포기(미국 메리랜드주의 BYK-Gardner USA of Columbia의 PAR-5357)를 사용하여 코팅한다. 젖은 필름은 약 섭씨 130도에서 30분동안 중량 대류 오븐(미국 펜실바니아주 웨스트 체스터의 VWR International, Inc.의 Model 1350G)에서 건조된다. 건조후에 인광체/수지 코팅 두께는 1.6밀(40마이크로미터) 이었다.
YAG:Ce로 코팅된 필름의 1인치(25밀리미터) 지름의 디스크가 준비되었고 분광방사미터에 상기한 바와 같이 장착되었다. 디스크는 인광체가 코팅된 쪽이 통합구를 향하도록 방향을 맞춘다. 최대 파장이 약 463나노미터인 청색 LED(미국 오하이오주의 Hosfelt Electronics, Inc.의 Part #25-365)는 인광체를 여기하는데 사용된다. 청색 LED용 표준 5밀리미터 패키지는 청색광용 편평한 출구면을 제공하기 위하여 패키지의 상부에 있는 돔형 렌즈를 기계로 만들어서 수정된다. 대략 0.18인치(4.6밀리미터)의 패키지를 패키지의 상부에서 꺼낸다. LED는 20밀리암페어 3.46볼트의 상전류 파워서플라이에 의하여 동력을 공급받는다. 분광방사미터를 사용하여 기록된 인광층의 방사 분광은 "실시예1"이라는 곡선으로 도16에 도시된다. 분광방사미터에 제공되는 소프트웨어를 사용하여, 통합구로 방사되는 전체 광플럭스를 계산하면 0.068루멘이다.
실시예2
교번하는 PET와 co-PMMA 층을 갖고 약 600나노미터에서 약 1070나노미터(미국 특허 제6,531,230호에 따라 만들어짐)의 수직-투사 반사 대역(최대값의 절반에서 측정됨)을 갖는 다층 광학 필름(MOF)의 조각은 실시예1의 PET 필름으로 코팅된 인광체와 실시예1의 청색 LED(20밀리암페어에서 작동됨) 사이의 필름 어댑터에 놓는다. 스펙트럼은 기록되었고 "실시예2"라는 곡선으로 도16에 도시된다. 분광방사미터에 제공되는 소프트웨어를 사용하여, 통합구로 방사되는 전체 광플럭스를 계산하면 0.118루멘이다. 이것은 광도가 73% 증가한 것을 나타낸다.
실시예3
황화 아연(ZnS) 인광체의 코팅은 다음 공정에 의하여 폴리머(에틸렌 테레프탈레이트) 필름에서 만들어진다.
20.04그램의 플르오르폴리머 수지(미국 아리조나주 Durel Company of Chandler의 "Phosphor Ink Part A:Resin Solution", part number:1INR001, rev:AA,batch number:KY4-035)는 2 온스 유리병에 담겨있다. 20.06그램의 ZnS 인광체(영국 스티벤니지 Phosphor Technology, Ltd의 GL29A/N-C1 Lot#11382)는 저울 접시에서 측정된다. 상기 인광체는 우선 1/2 인광체를 수지에 첨가함으로서 수지로 혼합되고 스테인레스 스틸 주석을 사용하여 혼합한 다음에 나머지 1/2을 첨가하여 손으로 혼합한다. 인광체 수지는 혼합물이 부드러운 조직을 같고 균등한 외관을 가질 때까지 손으로 혼합한다. 만들어진 인광체 반죽을 담은 병은 뚜껑을 덮어서 병롤러에서 약 24시간동안 놓아둔다.
가로 6인치 세로 10인치(250마이크로미터) 두께 1.5밀(45마이크로미터)인 3M Company(St. Paul, MN)의 단일층 밝은 PET 필름 시트는 깨끗하고 편평한 표면위에 놓여있다. PET 필름의 양 표면은 메탄올로 적신 린트프리 면으로 닦는다. 인광체 반죽을 담은 병은 병롤러에서 꺼내지고 약 3그램의 반죽은 PET 필름상의 작은 교반기에 놓는다. 인광체 반죽은 손으로 뜯어서 2밀(50마이크로미터) 갭의 간극 도포기(미국 메리랜드주의 BYK-Gardner USA of Columbia의 PAR-5357)를 사용하여 코팅한다. 젖은 필름은 약 섭씨 130도에서 30분동안 중량 대류 오븐(미국 펜실바니아주 웨스트 체스터의 VWR International, Inc.의 Model 1350G)에서 건조된다. 건조후에 인광체/수지 코팅 두께는 0.7밀(40마이크로미터) 이었다.
ZnS로 코팅된 필름의 1인치(25밀리미터) 지름의 디스크가 준비되었고 분광방사미터에 상기한 바와 같이 장착되었다. 디스크는 인광체가 코팅된 쪽이 통합구를 향하도록 방향을 맞춘다. 최대 파장이 약 395나노미터인 UV LED(미국 오하이오주의 Hosfelt Electronics, Inc.의 Part #25-495)는 인광체를 여기하는데 사용된다. UV LED용 표준 5밀리미터 패키지는 UV광용 편평한 출구면을 제공하기 위하여 패키지의 상부에 있는 돔형 렌즈를 기계로 만들어서 수정된다. 대략 0.18인치(4.6밀리미터)의 패키지를 패키지의 상부에서 꺼낸다. LED는 20밀리암페어 3.46볼트의 상전류 파워서플라이에 의하여 동력을 공급받는다. 분광방사미터를 사용하여 기록된 인광층의 방사 분광은 "실시예3"이라는 곡선으로 도17에 도시된다. 분광방사미터에 제공되는 소프트웨어를 사용하여, 통합구로 방사되는 전체 광플럭스를 계산하면 0.052루멘이다.
실시예4
교번하는 PET와 co-PMMA 층을 갖고 약 320나노미터에서 약 490나노미터(미국 특허 제6,531,230호에 따라 만들어짐)의 수직-투사 반사 대역(최대값의 절반에서 측정됨)을 갖는 다층 광학 필름(MOF)의 조각은 실시예3의 PET 필름으로 코팅된 인광층의 상부의 필름 어댑터에 놓고, 실시예3의 UV LED(20밀리암페어에서 작동됨)는 여기원으로 사용된다. 스펙트럼은 기록되었고 "실시예4"라는 곡선으로 도17에 도시된다. 분광방사미터에 제공되는 소프트웨어를 사용하여, 통합구로 방사되는 전체 광플럭스를 계산하면 0.062루멘이다. 이것은 실시예3과 비교했을 때 광도가 약 19% 증가한 것을 나타낸다.
실시예5
광대역 가시 반사체는 다층 광학 필름(MOF) 두 개를 적층하여 만든다. 교번하는 PET와 co-PMMA 층을 갖고 약 490나노미터에서 약 610나노미터(미국 미네소타주의 3M Company of St. Paul에서 제조됨)의 수직-투사 반사 대역(최대값의 절반에서 측정됨)을 갖는 MOF층은 광학적으로 밝은 점착제를 사용하여 교번하는 PET와 co-PMMA 층을 갖고 약 590나노미터에서 약 710나노미터(미국 미네소타주의 3M Company of St. Paul에서 제조됨)의 수직-투사 반사 대역(최대값의 절반에서 측정됨)을 갖는 MOF층으로 적층된다. 적층은 실시예3의 PET 필름으로 코팅된 인광체와 실시예3의 UV LED(20밀리암페어에서 작동됨) 사이에 놓는다. 교번하는 PET와 co-PMMA 층을 갖고 약 320나노미터에서 약 490나노미터(미국 특허 제6,531,230호에 따라 만들어짐)의 수직-투사 반사 대역(최대값의 절반에서 측정됨)을 갖는 다층 광학 필름(MOF)의 조각은 LED쪽 상의 가시 거울과 다른쪽 상의 UV/청색 거울 사이에 끼워진 인광층을 갖는 캐비티를 생성하도록 인광층의 상부 상의 필름 어댑터에 놓는다. 스펙트럼은 기록되었고 "실시예5"라는 곡선으로 도17에 도시된다. 분광방사미터에 제공되는 소프트웨어를 사용하여, 통합구로 방사되는 전체 광플럭스를 계산하면 0.106루멘이다. 이것은 실시예3과 비교했을 때 광도가 약 104% 증가한 것을 나타낸다.
실시예6
황화 아연(ZnS) 인광체의 코팅은 다음 공정에 의하여 폴리머(에틸렌 테레프탈레이트) 필름에서 만들어진다.
실시예3에 도시된 인광체 반죽은 가로 6인치 세로 10인치 두께 1.5밀(45마이크로미터)인 단일층 밝은 PET 필름 시트 상에 코팅된다. PET는 깨끗하고 편평한 표면위에 놓여있다. PET 필름의 양 표면은 메탄올로 적신 린트프리 면으로 닦는다. 약 3그램의 반죽은 PET 필름 상에 놓는다. 인광체 반죽은 손으로 뜯어서 4밀(100마이크로미터) 갭의 간극 도포기(미국 메리랜드주의 BYK-Gardner USA of Columbia의 PAR-5357)를 사용하여 코팅한다. 젖은 필름은 약 섭씨 130도에서 30분 동안 중량 대류 오븐(미국 펜실바니아주 웨스트 체스터의 VWR International, Inc.의 Model 1350G)에서 건조된다. 건조후에 인광체/수지 코팅 두께는 1.3밀(33마이크로미터) 이었다.
ZnS로 코팅된 필름의 1인치(25밀리미터) 지름의 디스크가 준비되었고 분광방사미터에 상기한 바와 같이 장착되었다. 디스크는 인광체가 코팅된 쪽이 통합구를 향하도록 방향을 맞춘다. 최대 파장이 약 395나노미터인 UV LED(미국 오하이오주의 Hosfelt Electronics, Inc.의 Part #25-495)는 인광체를 여기하는데 사용된다. UV LED용 표준 5밀리미터 패키지는 UV광용 편평한 출구면을 제공하기 위하여 패키지의 상부에 있는 돔형 렌즈를 기계로 만들어서 수정된다. 대략 0.18인치(5밀리미터)의 패키지를 패키지의 상부에서 꺼낸다. LED는 20밀리암페어 3.7볼트의 상전류 파워서플라이에 의하여 동력을 공급받는다. 분광방사미터를 사용하여 기록된 인광층의 방사 분광은 "실시예6"이라는 곡선으로 도18에 도시된다. 분광방사미터에 제공되는 소프트웨어를 사용하여, 통합구로 방사되는 전체 광플럭스를 계산하면 0.066루멘이다.
실시예7
교번하는 PET와 co-PMMA 층을 갖고 약 490나노미터에서 약 610나노미터(미국 미네소타주 3M Company of St. Paul에서 제조됨)의 수직-투사 반사 대역(최대값의 절반에서 측정됨)을 갖는 다층 광학 필름(MOF)의 조각은 실시예6의 PET 필름으로 코팅된 인광체와 실시예6의 UV LED(20밀리암페어에서 작동됨) 사이의 필름 어댑터에 놓는다. 스펙트럼은 기록되었고 "실시예7"라는 곡선으로 도18에 도시된다. 분광방사미터에 제공되는 소프트웨어를 사용하여, 통합구로 방사되는 전체 광플럭스를 계산하면 0.095루멘이다. 이것은 실시예6과 비교했을 때 광도가 약 44% 증가한 것을 나타낸다.
실시예8
황화 아연(ZnS) 인광체의 코팅은 다음 공정에 의하여 다층 광학 필름(MOF) 상에 만들어진다.
실시예3에 도시된 인광체 반죽은 교번하는 PET와 co-PMMA 층을 갖고 약 490나노미터에서 약 610나노미터(미국 미네소타주 3M Company of St. Paul에서 제조됨)의 수직-투사 반사 대역(최대값의 절반에서 측정됨)을 갖는 MOF 시트 상에 코팅된다. MOF는 깨끗하고 편평한 표면위에 놓여있다. MOF 필름의 양 표면은 메탄올로 적신 린트프리 면으로 닦는다. 약 3그램의 반죽은 MOF 필름 상에 놓는다. 인광체 반죽은 손으로 뜯어서 4밀(100마이크로미터) 갭의 간극 도포기(미국 메리랜드주의 BYK-Gardner USA of Columbia의 PAR-5353)를 사용하여 코팅한다. 젖은 필름은 약 섭씨 130도에서 30분 동안 중량 대류 오븐(미국 펜실바니아주 웨스트 체스터의 VWR International, Inc.의 Model 1350G)에서 건조된다. 건조후에 인광체/수지 코팅 두께는 1.3밀(33마이크로미터) 이었다.
ZnS로 코팅된 필름의 1인치(25밀리미터) 지름의 디스크가 준비되었고 분광방사미터에 상기한 바와 같이 장착되었다. 디스크는 인광체가 코팅된 쪽이 통합구를 향하도록 방향을 맞춘다. 최대 파장이 약 395나노미터인 UV LED(미국 오하이오주의 Hosfelt Electronics, Inc.의 Part #25-495)는 인광체를 여기하는데 사용된다. UV LED용 표준 5밀리미터 패키지는 UV광용 편평한 출구면을 제공하기 위하여 패키지의 상부에 있는 돔형 렌즈를 기계로 만들어서 수정된다. 대략 0.180인치(5밀리미터)의 패키지를 패키지의 상부에서 꺼낸다. LED는 20밀리암페어 3.7볼트의 상전류 파워서플라이에 의하여 동력을 공급받는다. 분광방사미터를 사용하여 기록된 인광층의 방사 분광은 "실시예8"이라는 곡선으로 도18에 도시된다. 분광방사미터에 제공되는 소프트웨어를 사용하여, 통합구로 방사되는 전체 광플럭스를 계산하면 0.107루멘이다. 이것은 실시예6과 비교했을 때 광도가 약 62% 증가한 것을 나타낸다.
실시예9
황화 아연(ZnS) 인광체의 코팅은 다음 공정에 의하여 실시예5에 기재된 적층된 다층 광학 필름(MOF) 상에 스크린 프린트된다.
150그램의 플르오르폴리머 수지(미국 아리조나주 Durel Company of Chandler의 "Phosphor Ink Part A:Resin Solution", part number:1INR001, rev:AA,batch number:KY4-035)는 16 온스 유리병에 담겨있다. 150그램의 ZnS 인광체(영국 스티벤니지 Phosphor Technology, Ltd의 GL29A/N-C1 Lot#11382)는 저울 접시에서 측정된다. 상기 인광체는 에어 모터로 움직이는 유리 날개를 사용하여 수지로 천천히 혼합된다. 인광체 수지는 혼합물이 부드러운 조직을 같고 균등한 외관을 가질 때까지 손으로 혼합한다. 만들어진 인광체 반죽을 담은 병은 뚜껑을 덮어서 병롤러에서 약 10분동안 놓아둔다.
프린팅은 스크린 프린터(스웨덴 스톡홀름의 Svecia Silkscreen Maskiner AB의 Type SSM) 상에 장착된 1인치당 280나사선(1mm당 11나사선) PET screen 상에 1인치당 28라인(1mm당 1.1 라인)의 해상도를 갖는 망판 패턴을 사용하여 이루어진다. 망판 패턴은 10%, 50% 및 90%의 적용범위를 갖는 3개의 영역으로 이루어져 있다. 패턴은 실시예5에 기재된 2개의 적층된 MOF 필름의 시트를 한번 통과하여 프린트된다.
프린트된 층은 강제적인 에어 오븐에서 약 섭씨138도로 15분 동안 건조된다. 건조된 후에, 인광체/수지 코팅 두께는 0.8밀(20마이크로미터)이다.
50%의 적용범위를 갖는 패턴의 일부로부터 스크린 프린트된 ZnS의 1인치(25밀리미터) 지름의 디스크가 준비되었고 분광방사미터에 상기한 바와 같이 장착되었다. 디스크는 인광체가 코팅된 쪽이 통합구를 향하도록 방향을 맞춘다. 최대 파장이 약 395나노미터인 UV LED(미국 오하이오주의 Hosfelt Electronics, Inc.의 Part #25-495)는 인광체를 여기하는데 사용된다. UV LED용 표준 5밀리미터 패키지는 UV광용 편평한 출구면을 제공하기 위하여 패키지의 상부에 있는 돔형 렌즈를 기계로 만들어서 수정된다. 대략 0.180인치(4.6밀리미터)의 패키지를 패키지의 상부에서 꺼낸다. LED는 20밀리암페어 3.7볼트의 상전류 파워서플라이에 의하여 동력을 공급받는다. 분광방사미터를 사용하여 기록된 인광층의 방사 분광은 "실시예9"이라는 곡선으로 도19에 도시된다. 분광방사미터에 제공되는 소프트웨어를 사용하여, 통합구로 방사되는 전체 광플럭스를 계산하면 0.052루멘이다.
실시예10
교번하는 PET와 co-PMMA 층을 갖고 약 320나노미터에서 약 490나노미터(미국 미네소타주 3M company of St. Paul에서 제조됨)의 수직-투사 반사 대역(최대값의 절반에서 측정됨)을 갖는 다층 광학 필름(MOF)의 조각은 실시예9의 PET 필름으로 코팅된 인광층의 상부의 필름 어댑터에 놓고, 실시예9의 UV LED(20밀리암페어에서 작동됨)는 여기원으로 사용된다. 스펙트럼은 기록되었고 "실시예10"라는 곡선으로 도19에 도시된다. 분광방사미터에 제공되는 소프트웨어를 사용하여, 통합구로 방사되는 전체 광플럭스를 계산하면 0.078루멘이다. 이것은 실시예9와 비교했을 때 광도가 약 50% 증가한 것을 나타낸다.
실시예11
황화 아연(ZnS) 인광체로 코팅된 다층 광학 필름(MOF)의 열성형된 돔은 다음 공정에 의하여 만들어진다.
교번하는 PET와 co-PMMA 층을 갖고 약 590나노미터에서 약 710나노미터(미국 미네소타주 3M Company of St. Paul에서 제조됨)의 수직-투사 반사 대역(최대값의 절반에서 측정됨)을 갖는 MOF 층은 가요성 혼합물을 형성하도록 폴리머(비닐 클로라이드)의 시트에 결합된다. 이 혼합물은 MOF-PVC라고 인용된다.
MOF-PVC는 MOF 쪽이 위쪽을 향하여 깨끗하고 편평한 표면위에 놓여있다. MOF-PVC의 상부 표면은 메탄올로 적신 린트프리 면으로 닦는다. 실시예9에 기재되어 있는 ZnS 인광체 반죽 약 3그램은 MOF-PVC 상에 놓는다. 인광체 반죽은 손으로 뜯어서 4밀(100마이크로미터) 갭의 다중 간극 도포기(미국 메리랜드주의 BYK-Gardner USA of Columbia의 PAR-5353)를 사용하여 코팅한다. 젖은 필름은 약 섭씨 130도에서 30분 동안 중량 대류 오븐(미국 펜실바니아주 웨스트 체스터의 VWR International, Inc.의 Model 1350G)에서 건조된다.
MOF-PVC 화합물로 코팅된 인광체는 열성형 기계에 채워진다. 층은 섭씨270도에서 23초동안 가열된다. 원형 구멍(지름이 약 1/2인치(13mm))을 갖는 판을 사용하여 MOF-PVC로 코팅된 인광체는 반구의 볼록한 쪽에 인광체를 갖는 약 1/2인치(13mm)의 반구로 형성된다. 반구를 지시하는 반구의 가시적인 검사는 반구의 바깥쪽 영역 근처에서 더 두껍고 갖고 반구의 안쪽 영역에서 더 얇다. 인광층은 부드럽고 연속적이며, 크래킹이나 얇은 조각으로 갈라질 신호는 나타나지 않는다.
실시예12
황화 아연(ZnS) 인광체로 코팅된 다층 광학 필름(MOF)의 열성형된 돔은 다음 공정에 의하여 만들어진다.
실시예11에 기재된 MOF-PVC 시트는 MOF 쪽이 위쪽을 향하여 깨끗하고 편평한 표면위에 놓여있다. MOF-PVC의 상부 표면은 메탄올로 적신 린트프리 면으로 닦는다. 실시예9에 기재되어 있는 ZnS 인광체 반죽 약 3그램은 MOF-PVC 상에 놓는다. 인광체 반죽은 손으로 뜯어서 2밀(50마이크로미터) 갭의 다중 간극 도포기(미국 메리랜드주의 BYK-Gardner USA of Columbia의 PAR-5353)를 사용하여 코팅한다. 젖은 필름은 약 섭씨 130도에서 30분 동안 중량 대류 오븐(미국 펜실바니아주 웨스트 체스터의 VWR International, Inc.의 Model 1350G)에서 건조된다.
MOF-PVC 화합물로 코팅된 인광체는 열성형 기계에 채워진다. 층은 섭씨270도에서 21초동안 가열된다. 원형 구멍(지름이 약 1/2인치(13mm))을 갖는 판을 사용하여 MOF-PVC로 코팅된 인광체는 반구의 볼록한 쪽에 인광체를 갖는 약 1/2인치(13mm)의 반구로 형성된다. 반구를 지시하는 반구의 가시적인 검사는 반구의 바깥쪽 영역 근처에서 더 두껍고 갖고 반구의 안쪽 영역에서 더 얇다. 인광층은 부드럽고 연속적이며, 크래킹이나 얇은 조각으로 갈라질 신호는 나타나지 않는다.
실시예13
세륨이 첨가된 이트륨 알루미늄 가닛(YAG:Ce) 인광체가 코팅된 다층 광학 필름(MOF)의 열성형된 돔은 다음 공정으로 만들어진다.
20.01그램의 플르오르폴리머 수지(미국 아리조나주 Durel Company of Chandler의 "Phosphor Ink Part A:Resin Solution", part number:1INR001, rev:AA,batch number:KY4-035)는 2 온스 유리병에 담겨있다. 19.98그램의 YAG:Ce 인광체(영국 스티벤니지 Phosphor Technology, Ltd의 QMK58/F-U1 Lot#13235)는 저울 접시에서 측정된다. 상기 인광체는 우선 1/2 인광체를 수지에 첨가함으로서 수지로 혼합되고 스테인레스 스틸 주석을 사용하여 혼합한 다음에 나머지 1/2을 첨가하여 손으로 혼합한다. 인광체 수지는 혼합물이 부드러운 조직을 같고 균등한 외관을 가질 때까지 손으로 혼합한다. 만들어진 인광체 반죽을 담은 병은 뚜껑을 덮어서 병롤러에서 약 30분동안 놓아둔다.
실시예11에 기재된 MOF-PVC 시트는 MOF 쪽이 위쪽을 향하여 깨끗하고 편평한 표면위에 놓여있다. MOF-PVC의 상부 표면은 메탄올로 적신 린트프리 면으로 닦는다. YAG:Ce 인광체 반죽 약 3그램은 MOF-PVC 상에 놓는다. 인광체 반죽은 손으로 뜯어서 4밀(100마이크로미터) 갭의 다중 간극 도포기(미국 메리랜드주의 BYK-Gardner USA of Columbia의 PAR-5353)를 사용하여 코팅한다. 젖은 필름은 약 섭씨 130도에서 30분 동안 중량 대류 오븐(미국 펜실바니아주 웨스트 체스터의 VWR International, Inc.의 Model 1350G)에서 건조된다.
MOF-PVC 화합물로 코팅된 인광체는 열성형 기계에 채워진다. 층은 섭씨270도에서 21초동안 가열된다. 원형 구멍(지름이 약 1/2인치(13mm))을 갖는 판을 사용하여 MOF-PVC로 코팅된 인광체는 반구의 볼록한 쪽에 인광체를 갖는 약 1/2인치(13mm)의 반구로 형성된다. 반구를 지시하는 반구의 가시적인 검사는 반구의 바깥쪽 영역 근처에서 더 두껍고 갖고 반구의 안쪽 영역에서 더 얇다. 인광층은 부드럽고 연속적이며, 크래킹이나 얇은 조각으로 갈라질 신호는 나타나지 않는다.
실시예14
세륨이 첨가된 이트륨 알루미늄 가닛(YAG:Ce) 인광체가 코팅된 다층 광학 필름(MOF)의 열성형된 돔은 다음 공정으로 만들어진다.
실시예11에 기재된 MOF-PVC 시트는 MOF 쪽이 위쪽을 향하여 깨끗하고 편평한 표면위에 놓여있다. MOF-PVC의 상부 표면은 메탄올로 적신 린트프리 면으로 닦는다. 실시예13에 기재되어 있는 YAG:Ce 인광체 반죽 약 3그램은 MOF-PVC 상에 놓는다. 인광체 반죽은 손으로 뜯어서 2밀(50마이크로미터) 갭의 다중 간극 도포기(미국 메리랜드주의 BYK-Gardner USA of Columbia의 PAR-5353)를 사용하여 코팅한다. 젖은 필름은 약 섭씨 130도에서 30분 동안 중량 대류 오븐(미국 펜실바니아주 웨스트 체스터의 VWR International, Inc.의 Model 1350G)에서 건조된다.
MOF-PVC 화합물로 코팅된 인광체는 열성형 기계에 채워진다. 층은 섭씨270도에서 21초동안 가열된다. 원형 구멍(지름이 약 1/2인치(13mm))을 갖는 판을 사용하여 MOF-PVC로 코팅된 인광체는 반구의 볼록한 쪽에 인광체를 갖는 약 1/2인치(13mm)의 반구로 형성된다. 반구를 지시하는 반구의 가시적인 검사는 반구의 바깥쪽 영역 근처에서 더 두껍고 갖고 반구의 안쪽 영역에서 더 얇다. 인광층은 부드럽고 연속적이며, 크래킹이나 얇은 조각으로 갈라질 신호는 나타나지 않는다.
실시예15
실시예11에 기재된 MOF-PVC 시트는 상기 기재한 열성형 장치에서 약 섭씨270도에서 16초동안 가열된다. 형성된 MOF-PVC의 중심부의 스펙트럼은 400나노미터에서 최대 반사가 발생하고 360나노미터와 460나노미터에 대역 에지를 갖는 것으로 도시된다. 이 형성된 MOF-PVF는 500나노미터 보다 큰 파장에서 75%보다 큰 전송을 갖는다. 이 측정된 MOF-PVC의 스펙트럼 이동은 형상화 작동 동안에 발생하는 광학 스택을 얇게 하는 것 때문이다.
본 발명의 다양한 변경 및 개조는 당업자에게 본 발명의 범위 사상을 벗어나지 않고도 명백하며, 본 발명은 여기에 기재한 실시예적인 실시예에 제한되지 않는 것을 알아야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 여기광을 방사하는 LED와,
    광학적으로 투명한 몸체와,
    상기 여기광이 조명될 때 가시광을 방사하며, 상기 여기광을 수용하도록 위치하고 상기 광학적으로 투명한 몸체 위에 또는 안에 배치된 인광물질 층과,
    상기 방사되는 가시광을 수용하도록 위치하는 상기 광학적으로 투명한 몸체 위에 또는 안에 배치된 반사 편광자 층을 포함하는 LED 패키지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 LED는 상기 광학적으로 투명한 몸체 내에 배치된 LED 패키지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 LED는 상기 광학적으로 투명한 몸체에 인접하여 배치된 LED 패키지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반사 편광자 층은 상기 광학적으로 투명한 몸체 위에 배치된 LED 패키지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 반사 편광자 층은 상기 광학적으로 투명한 몸체 안에 배치된 LED 패키지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 LED와 상기 인광물질 층 사이에 배치된 SP 반사체를 추가로 포함하는 LED 패키지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 인광물질 층과 상기 반사 편광자 사이에 배치된 LP 반사체를 추가로 포함하는 LED 패키지.
  8. 제1항에 있어서, 상기 LED와 상기 인광물질 층 사이에 배치된 SP 반사체와 상기 인광물질 층과 상기 반사 편광자 사이에 배치된 LP 반사체를 추가로 포함하는 LED 패키지.
  9. 제6항에 있어서, 상기 SP 반사체는 폴리머물질을 포함하는 LED 패키지.
  10. 제7항에 있어서, 상기 LP 반사체는 폴리머물질을 포함하는 LED 패키지.
  11. 제6항에 있어서, 상기 SP 반사체는 비평면 SP 반사체를 포함하는 LED 패키지.
  12. 제7항에 있어서, 상기 LP 반사체는 비평면 LP 반사체를 포함하는 LED 패키지.
  13. 제1항에 있어서, 상기 반사 편광자는 콜레스테릭물질을 포함하는 LED 패키지.
  14. 제1항에 있어서, 상기 반사 편광자는 다층 폴리머물질을 포함하는 LED 패키지.
  15. 제1항에 있어서, 상기 반사 편광자는 다층 이중굴절 폴리머물질을 포함하는 LED 패키지.
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