KR20070023555A - 가시 광선을 방사할 수 있는 광원 및 가시 광선을 생성하는방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 광원은 반도체 방사 소스를 사용하여 백색광을 생성할 수 있다. 반도체 방사 소스는 자색 근처의 선 또는 자외선과 같은 짧은 파장의 광을 방사하는 UV LED(ultraviolet light-emitting diode)일 수 있다. 얇은 형광체 막은 UV LED의 표면 상에 침착 또는 코팅되거나 또는 UV LED 상에 직접 위치될 수 있다. 광원은 또한 얇은 형광체 층에 방사적으로 연결된 UV 반사기를 포함하며, 이것은 얇은 형광체로부터 방사된 가시의 백색광은 통과시키며 이보다 짧은 파장의 광은 얇은 형광체 층으로 다시 반사시킨다.

Description

가시 광선을 방사할 수 있는 광원 및 가시 광선을 생성하는 방법{LIGHT SOURCE WITH UV LED AND UV REFLECTOR}

도 1은 LED를 포함하는 종래의 광원의 예시적인 구현을 도시한 개략적인 단면도,

도 2는 UV LED와 UV 반사기를 포함하는 광원의 예시적인 구현을 도시한 개략적인 단면도,

도 3은 UV LED와 UV 반사기를 도시한 도 2의 광원을 보다 자세하게 도시한 개략적인 단면도,

도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 UV 반사기의 예시적인 구현에 있어서 반사율 대 광파장의 도표값을 나노미터 단위로 도시한 도면.

일반적으로, LED는 반도체 재료를 전자적으로 여기시킴으로써 나타나는 전계 발광의 형태를 사용하여 가시광선을 생성하는 반도체 디바이스의 축소물이다. 초기에, 이러한 디바이스의 사용은 주로 전자 응용기기의 디스플레이 기능에 제한되 었으며 방사되는 색은 적색 및 녹색이었다. 기술이 발달함에 따라, LED는 보다 향상되었으며 넓은 광의 스펙트럼에 대해 사용할 수 있게 되었다.

1990년대 초반, 적색으로 시작하는 가시광선 스펙트럼의 반대쪽 끝의 광을 방출하는 청색 LED가 처음으로 제조되면서, 사실상 모든 색의 광을 생성하는 것이 가능하게 되었다. LED 디바이스를 사용하여 주요 색상인 적색, 녹색 및 청색(예로서, RGB 색 모델)을 생성할 수 있을 뿐 아니라, 현재는 실질적으로 백색광을 포함하여, 어떠한 색의 광도 생성할 수 있다. 백색광을 생성할 수 있게 됨에 따라, LED를 백열등 및 형광등을 대체하여 조명으로서 사용할 수 있게 되었다. 또한 백색광 조명은 예로서 수술, 내시경 검사 및 컬러-사진 검사를 위한 의학 기구와 같은, 어떠한 임의의 응용기기에서도 매우 유용하다. LED를 조명으로서 사용하는 것의 장점은 그들이 통상의 조명보다 훨씬 효율적이며, 견고하고 매우 간결하며, 백열등 또는 형광등의 전구 또는 램프에 비해 훨씬 오래간다는 점이다.

백색광은 적색, 녹색 및 청색을 혼합하는 방법, UV LED를 사용하여 백색 형광체를 자극하는 방법, 또는 에폭시 돔 내에 내장된 황색-방사 형광체를 여기시키는 청색-방사 다이오드를 사용하여 청색과 황색의 조합물로 백색광 LED를 제조하는 방법과 같은 서로 다른 방법들로 제조될 수 있다. 또한, 백색 형광체 LED를 다수의 호박 LED와 조합함으로써, 서로 다른 범위의 백색광이 생성될 수도 있다.

개별 패키지 내, 또는 다수의 다이오드를 묶는 램프 조립체 내에 적색, 청색 및 녹색 다이오드 칩들을 조합하는 것은 단일 점 소스로부터 전체 스펙트럼의 광을 요구할 응용 기기에 있어서 바람직한 방법이다. 그러나, 세 개의 발광 요소들에 의해 방사되는 광의 톤과 조도가 다양하며 이러한 요소들에 의해 방사된 광을 혼합하는 데에 있어서 내재된 다른 문제들로 인해 이러한 방법은 원하는 톤의 백색광을 발생하는 데에는 유용하지 않다.

대다수의 백색광 다이오드들은 짧은 파장의 광(청색, 자색 광선 또는 자외선)을 방사하는 반도체 칩과 파장 변환기를 사용하며, 이 파장 변환기는 다이오드로부터 광을 흡수하여 보다 긴 파장으로의 2차 방사를 일으킨다. 따라서, 이러한 다이오드들은 결합되었을 때 백색처럼 보이는 두 개 이상의 파장에서의 광을 방사한다. 결합된 방사선의 품질 및 스펙트럼의 성질은 가능한 서로 다른 설계의 변화에 따라 다양하다. 가장 일반적인 파장 변환기 재료는, 일반적으로 다른 방사 소스로부터 에너지를 흡수했을 때 발광하는 임의의 재료를 일컫는 형광체이다. 전형적으로 사용되는 형광체는 광학적 능동 도펀트를 포함하는 무기의 주요 재료로 구성된다. YAG(yttrium aluminum garnet)가 일반적인 주요 재료이며, 다이오드 응용기기에 대해, 일반적으로 희토류 원소 또는 희토류 혼합물 중 하나로 도핑된다. 세륨은 백색광을 방사하는 다이오드의 설계에 있어서 YAG 형광체의 일반적인 도펀트 원소이다.

오늘날 생산되는 대다수의 "백색" LED는 일반적으로 세륨이 도핑된 YAG("YAG:Ce") 결정이 분말화되어 점착성의 접착제에 섞여 제조된 노란빛을 띤 형광체 코팅으로 둘러싸인 450㎚ 내지 470㎚의 청색 GaN LED를 사용한다. LED 칩은 청색 광을 방사하며, 이중 일부는 YAG:Ce에 의해 황색으로 변환된다. YAG:Ce의 단일 결정 형태는 실질적으로 형광체보다는 신틸레이터(scintillator)에 해당된다. 황색 광은 인간의 눈의 적색 및 녹색을 감지하는 감각기관을 자극하기 때문에, 청색 및 황색 광의 혼합물은 백색광을 나타내게 된다.

상업적으로 가장 먼저 사용가능한 백색광 방사 디바이스(Nichia Corporation에 의해 제조 및 도포됨)는 황색 형광체에 둘러싸인 GaInN 반도체 디바이스에 기반한다. 이러한 디바이스의 예가 Shimizu 외 다수의 미국특허 제 5,998,925 호의 발명의 명칭 "LIGHT EMITTING DEVICE HAVING A NITRIDE COMPOUND SEMICONDUCTOR AND A PHOSPHOR CONTAINING A GARNET FLUORESCENT MATERIAL"에 의해 개시된다.

도 1은 이러한 전형적인 발광 디바이스 구조체의 단면도이다. LED 디바이스(100)는 마운트 리드(102) 및 이너 리드(104)를 포함한다. 또한 마운트 리드(102)는 청색-방사 다이오드(108)가 부착된 반사기 컵(106)을 포함한다. 반사기 컵(106)은 분말 형광체가 부유되는 에폭시 레진(114)으로 채워진다. 발광 구성 요소(108)의 n 전극 및 p 전극은 각각 본딩 도선(110, 112)에 의해 마운트 리드(102)와 이너 리드에 접속된다.

형광체는, 분말 형태로 생성되며 다이(die)를 밀봉하는 데에 사용되는 에폭시 레진(114) 내에 부유되는 셀륨이 도핑된 YAG일 수 있다. 형광체-에폭시 혼합물은 마운트 리드(102) 상의 다이를 지지하는 반사기 컵(106)을 채우며, 칩으로부터의 청색 방사선의 일부는 형광체에 의해 흡수되고, 이보다 긴 형광 파장에서 재방출된다. 청색 조명으로 여기된 황색 광 조합은 한 종류의 변환기만을 필요로 한다는 점에서 이상적이다. 추가적인 혼합을 통해 보완적인 청색 및 황색의 파장을 결합하여 원하는 백색광을 생성한다. 결과적으로 방출되는 LED의 스펙트럼은 형광체 방출과 흡수되지 않고 형광체 코팅을 통과하는 청색 광 방출의 조합을 나타낸다.

백색광 다이오드는 다른 메커니즘, 즉 자색 근처의 선 또는 자외선 방사에 의해 광학적으로 여기된 넓은 스펙트럼(broad-spectrum)의 형광체를 사용하는 방법에 의해 방사를 발생시킬 수 있다. 이러한 디바이스에서, 자외선 방사 다이오드는 에너지를 형광체로 전달하기 위해 사용되며, 모든 가시 광선 방출이 형광체에 의해 발생된다. 백색광을 생성하는 이 방법의 장점은 UV LED가 이 디바이스에 의해 생성된 가시 광선의 색에 크게 기여하지 않기 때문에, 청색-발광 LED에 비해 보다 나은 색 성능을 제공한다는 점이다.

넓은 범위의 파장을 갖는 광을 방사하고, 백색광을 생성하는 형광체는 이것이 형광 튜브 및 음극선관의 제조에 사용되는 재료와 동일한 재료이기 때문에 쉽게 이용가능하다. 형광 튜브는 UV 방출을 기체 방전 프로세서로부터 획득함에도 불구하고, 백색광 출력을 생성하는 형광체 방출 단계는 UV-펌핑된(UV-pumped) 백색 다이오드와 동일하다. 형광체는 잘 알려진 색 특성을 가지며 이러한 유형의 디바이스들은 그들이 결정적인 색 표현을 요구하는 응용기기에 맞게 설계될 수 있다는 장점을 갖는다. 그러나, UV-펌핑된 다이오드의 큰 단점은, 형광체 여기에 청색 광을 사용하는 백색 다이오드에 비하여 조명 효율성이 낮다는 점이다. 이것은 UV 선을 보다 긴 가시의 파장으로 변환하는 데에 있어 에너지 손실이 상대적으로 높기 때문에 나타난다.

또한, UV LED 사용의 다른 단점은 패키징 재료, 즉 발광 다이오드를 밀봉하는 데에 사용되는 다이오드 주변의 에폭시의 빠른 열화이며, 이것은 에폭시 재료의 화합적-접착을 열분해하며 구조적인 파손을 발생시킬 수 있는 높은 광자 에너지 때문에 발생한다. 이것은 형광체/에폭시 재료가 UV LED로부터의 UV 방사선에 노출되기 때문에 시간이 흐르면서 휘도(L_V)의 열화, 즉 보다 적은 광 출력을 나타낸다. 또한, UV 방사선의 사용은, 보호되어야 하는 인간의 눈에 해를 끼칠 수 있는 위험성을 증가시킨다.

그러므로, UV LED 내의 UV 에폭시 또는 재료 열화의 영향을 감소시켜, 그에 따라 광원의 휘도 효율성 및 수명을 증가시켜야 한다. 또한, 인간의 눈의 안전을 위해 LED로부터의 UV 방사선의 누출을 방지해야 한다.

본 명세서에는 UV LED 디바이스 및 UV 반사기를 사용하여 백색광을 생성하는 광원이 개시된다. 광원은 그것의 방사 소스로서 자색 근처의 선 또는 자외선과 같은 짧은 파장의 광을 방사하는 UV LED를 포함하며, UV LED의 표면 상에 침착 또는 코팅된 얇은 형광체 막을 포함한다. 광원은 또한 얇은 형광체 층 상에 위치된 UV 반사기 재료를 포함할 수 있다.

동작의 예로서, UV LED는 얇은 형광체 층과 충돌하는 짧은 파장의 광을 방사한다. 짧은 파장의 광의 일부는 형광체 층에 의해 백색광으로 변환되며, 짧은 파장의 다른 일부는 형광체 층을 통과한다. 형광체 층을 통과한 일부 광은, 가시 광선은 통과시키며 UV 광은 형광체 층으로 다시 반사시키는 UV 반사기와 충돌한다. 형광체 층은 반사된 UV 광을 백색광으로 변환시키고, 이는 형광체 층을 통해 재방사된다.

다른 시스템에서, 첨부된 도면 및 상세한 설명를 검토함으로써 종래 기술에 대한 본 발명의 방법 및 특성들이 명백해질 것이다. 추가적인 시스템, 방법, 특성 및 장점들이 본 발명의 범위 내에 있는 본 명세서 내에 포함되며 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조로 하여 보다 잘 이해될 수 있을 것이다. 도면의 구성 요소들은 반드시 일정한 비율로 도시된 것은 아니며, 본 발명의 원리를 도시하기 위해 강조될 수 있다. 서로 다른 도면들의 전반에 걸쳐 동일한 참조 번호가 동일한 부분에 대해 지정된다.

후술될 바람직한 실시예의 설명에서, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 도시하는, 본 명세서에 첨부된 도면이 참조된다. 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 다른 실시예들이 사용될 수 있으며 구조적 변화가 가능하다.

일반적으로, 본 발명은 UV(ultraviolet) LED(light-emitting device)일 수 있는 방사 소스를 포함하는 광원에 관한 것이며, 이때 UV LED는 예로서 약 400㎚ 또는 그 이하 파장의 광인 가시의 또는 비가시의 광 스펙트럼 상의 자색 부근의 선 또는 자외선일 수 있는 단파장 광을 방사한다. 일반적으로, 자외선이라는 용어는 인간의 눈으로는 볼 수 없는 파장을 갖는 광을 일컫는다.

또한 광원은 UV LED의 표면에 도포된 얇은 형광체 층 또는 코팅을 포함할 수 있다. 얇은 형광체 층 상에는 UV LED에 의해 방사된 UV 광을 반사하며 보다 큰 파장의 광은 통과시키는 UV 반사기가 위치될 수 있다. 반사된 UV 광은 얇은 형광체 층에 다시 충돌할 수 있으며, 그에 따라 반사된 UV 광은 UV 반사기를 통과할 수 있는 가시 광선으로 변환되며, 형광체 층 내의 형광 재료에 따라 소량의 백색광을 생성한다.

도 2는 가시 광선을 생성할 수 있는 광원의 예시적인 구현을 도시한 개략적인 단면도이다. 광원(200)에는 마운트 리드(mount lead)(202) 및 내부 리드(inner lead)(204)가 제공된다. 또한 마운트 리드(202)는, UV 방사 다이오드(208)가 부착된 반사기 컵(206)을 포함한다. UV 방사 다이오드(208)의 n전극 및 p전극(도시되지 않음)은 개별적인 본딩 도선(도시되지 않음)에 의해 마운트 리드(202) 및 내부 리드(204)에 각각 접속된다.

얇은 형광체 층(222)은 UV 방사 다이오드(208)의 표면에 직접 도포될 수 있다. 얇은 형광체 층(222)은 UV LED(208)로부터 UV 광이 조사되었을 때 백색광을 방사할 수 있는 단일 형광체 또는 형광체 조합을 포함할 수 있다. 다른 구현에서, 형광체는 UV LED(208)의 표면 상에 도포된 밀봉재 재료 내에 부유될 수 있다. 예로서, 형광체를 LED 상에 침착시키는 것과 같이 재료를 반도체 디바이스 상에 침착시키는 방법은, 본 명세서에서 전체가 참조로서 인용되는, 2005년 3월 8일 허여된 미국특허 제 6,864,110호의 발명의 명칭 "ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE SELECTIVE DEPOSITION OF MATERIALS ON A SEMICONDUCTING DEVICE"에 개시된다.

얇은 형광체 층(222) 상에는 UV 반사기(224)가 위치된다. 도 2에서, UV 반사기(224)는 얇은 형광체 층(222)에 실질적으로 동일한 크기로 직접 부착되도록 도시된다. 그러나, UV 반사기는 얇은 형광체 층(222) 위에 얇은 형광체 층(222)으로부터 분리되어 위치될 수 있으며, 또한 UV 반사기(224)는, 예로서 얇은 형광체 층(222)보다 넓어 덮을 수 있도록, 얇은 형광체 층(222)과는 다른 크기를 가질 수도 있다.

도 3은 UV LED와 UV 반사기를 도시한 도 2의 광원을 보다 자세하게 도시한 개략적인 단면도이다. 도 3에서, UV-방사 다이오드(308)는 반사기 컵(306)에 의해 지지되며, 예로서 380㎚ 내지 410㎚의 파장을 갖는 UV 광(330)을 방사한다. UV 광(330)은 얇은 형광체 층(322)을 여기시키며, UV 광(330)의 일부는 얇은 형광체 층(322)에 의해 흡수되고 보다 긴 파장의 광(332)으로 변환된다. 보다 긴 파장의 광(332)은 UV 반사기(324)를 통과하여 가시 광선(334)이 된다.

UV 광(330)의 일부분은 얇은 형광체 층(322)에 의해 변환되지 않으며, 그 결과 보다 짧은 파장의 광(336)이 얇은 형광체 층(322)으로부터 방사된다. 보다 짧은 파장의 광(336)은 UV 반사기(324)에 의해 반사되어, 반사된 광(338)이 된다. 반사된 광(338)은 차례로 얇은 형광체 층(322)을 여기시켜, 그 결과 추가적인 보다 긴 파장의 광(340)이 생성된다. 보다 긴 파장의 광(340)은 얇은 형광체 층(322)을 통과하여, 그 결과 추가적인 가시 광선(342)을 생성한다.

도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 UV 반사기의 예시적인 구현에 있어서 반사율 대 광파장의 도표값을 나노미터 단위로 도시한 도면이다. 도 4는 약 350㎚ 이하의 파장을 갖는 광 전부를 실질적으로 반사시키되, 약 450㎚ 이상의 파장을 갖는 광을 통과시키는 이상적인 UV 반사기를 도시한다.

전술된 설명은 UV LED의 사용에 대한 것이지만, 본 발명의 대상은 방사 소스와 같은 디바이스에 제한되지 않는다. 앞서 기술된 구성 요소에 의해 제공되는 기능으로부터 이익을 얻을 수 있는 임의의 반도체 방사 소스가 반도체 레이저 다이오드를 포함하는 광원에서 구현될 수 있다.

또한, 다양한 실행에 대한 전술된 설명은 도시 및 설명을 위해 존재하는 것임을 이해할 것이다. 이는 절대적인 것이 아니며 청구된 발명을 개시된 형태로 제한하는 것은 아니다. 전술된 설명의 범위 내에서의 변경 및 변화가 가능하며 이는 본 발명을 실시함으로써 획득될 수 있다. 특허청구범위 및 그것의 균등물이 본 발명의 범위를 정의한다.

본 발명에 따르면, UV LED 내의 UV 에폭시 또는 재료 열화의 영향을 감소시켜, 그에 따라 광원의 휘도 효율성 및 수명을 증가시키고 또한 인간의 눈의 안전을 위해 LED로부터의 UV 방사선의 누출을 방지하는 광원이 제공된다.

Claims (20)

1. 가시 광선을 방사할 수 있는 광원에 있어서,

   반도체 방사 소스와,

   상기 반도체 방사 소스의 표면 상에 위치되며 상기 반도체 방사 소스로부터의 방사선에 의해 여기될 때 흡수된 광을 방사하는 형광체 층과,

   상기 얇은 형광체 층에 의해 흡수되지 않은 반도체 방사 소스로부터의 방사선의 일부를 다시 상기 얇은 형광체 층을 향해 반사시키도록 구성된 UV(ultraviolet) 반사기를 포함하는

   광원.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 반도체 방사 소스는 UV 광을 방사할 수 있는 UV 발광 다이오드(LED)인

   광원.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 형광체 층은 상기 UV LED의 표면 상에 형광체가 직접 도포된 얇은 층인

   광원.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 얇은 형광체 층은 상기 UV LED에 의해 조사된 UV 광에 의해 여기되었을 때 가시 광선을 조사하는 하나 이상의 형광체를 포함하는 얇은 형광체 층인

   광원.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 형광체 층은 UV 광에 의해 여기되었을 때 백색광을 방사하는 하나의 황색 형광체를 포함하는

   광원.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 형광체 층은 가닛 기반(garnet-based), 실리콘 기반, 옥시니트레이트 기반(oxynitrate-based), 질화물 기반, 황화물 기반, 오르토실리케이트 기반(orthosilicate-based), 알루민산염 기반 및 셀렌화물 기반의 형광체 시스템을 포함하는 그룹으로부터 선택된 형광체 시스템을 포함하는

   광원.
7. 제 3 항에 있어서,

   상기 UV 반사기는 소정의 값보다 작은 파장을 가지며 상기 얇은 형광체 층으로부터 수신된 광을 상기 얇은 형광체 층으로 다시 반사시키며, 보다 큰 파장의 광은 상기 UV 반사기를 통과시키도록 구성된

   광원.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 소정의 값은 약 380㎚ 내지 약 410㎚의 범위 내의 값인

   광원.
9. 제 2 항에 있어서,

   상기 형광체 층은 하나 이상의 형광체 상에 부유되는 투명한 밀봉재를 포함하되,

   상기 투명한 밀봉재는 상기 반도체 방사 소스의 표면 상을 코팅하는

   광원.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 투명한 밀봉재는 투명한 에폭시 또는 실리콘 시스템인

    광원.
11. 반도체 방사 소스와 UV 반사기를 사용하여 가시 광선을 생성하는 방법에 있어서,

    상기 반도체 방사 소스로부터 광을 방사하는 단계와,

    상기 방사된 광으로 형광체 층을 여기시킴으로써 상기 방사된 광을 상기 방사된 광의 파장과는 다른 파장을 갖는 광으로 변환시키는 단계와,

    상기 변환된 광을 UV 필터를 통해 필터링하는 단계를 포함하는

    방법.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 변환된 광을 필터링하는 단계는

    소정 길이보다 짧은 파장의 광을 형광체 층으로 다시 반사시키는 단계와,

    상기 소정 길이보다 긴 파장의 광은 상기 UV 필터를 통과시키는 단계를 더 포함하는

    방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 반사된 광으로 상기 형광체 층을 여기시킴으로써, 상기 UV 필터로부터 반사된 상기 방사된 광을 상기 반사된 광의 파장과는 다른 파장을 갖는 2차 변환된 광으로 변환하는 단계와,

    상기 2차 변환된 광을 상기 UV 필터를 통해 재필터링하는 단계를 더 포함하는

    방법.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 반도체 방사 소스는 UV LED인

    방법.
15. 제 12 항에 있어서,

    상기 형광체 층은 상기 UV LED에 의해 조사된 UV 광에 의해 여기되었을 때 가시 광선을 조사하는 하나 이상의 형광체를 포함하는 얇은 형광체 층인

    방법.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 형광체 층은 UV 광에 의해 여기되었을 때 백색광을 방사하는 하나의 황색 형광체를 포함하는

    방법.
17. 제 15 항에 있어서,

    상기 형광체 층은 가닛 기반(garnet-based), 실리콘 기반, 옥시니트레이트 기반(oxynitrate-based), 질화물 기반, 황화물 기반, 오르토실리케이트 기반(orthosilicate-based), 알루민산염 기반 및 셀렌화물 기반의 형광체 시스템을 포함하는 그룹으로부터 선택된 형광체 시스템을 포함하는

    방법.
18. 제 12 항에 있어서,

    상기 소정의 값은 약 380㎚ 내지 약 410㎚의 범위 내의 값인

    방법.
19. 제 11 항에 있어서,

    상기 형광체 층은 하나 이상의 형광체 상에 부유되는 투명한 밀봉재를 포함하되,

    상기 투명한 밀봉재는 상기 반도체 방사 소스의 표면 상을 코팅하는

    방법.
20. 제 19 항에 있어서,

    상기 투명한 밀봉재는 투명한 에폭시 또는 실리콘 시스템인

    방법.

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