KR20080026529A - 단파장 ｌｅｄ들 및 다운-컨버젼 물질들로 백색광을생성하기 위한 패키지 설계 - Google Patents

단파장 ｌｅｄ들 및 다운-컨버젼 물질들로 백색광을생성하기 위한 패키지 설계 Download PDF

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Abstract

광대역 광원으로서, 단파장 광을 생성하는 고체상 발광 소자(102); 단파장 광의 일부에 의해 각각 조사되는 양자점 물질(104) 및 인광 물질(106)을 포함한다. 단파장 광은 약 500nm보다 짧은 제1 피크 파장을 갖는 스펙트럼을 갖는다. 양자점 물질(104)은 단파장 광의 일부를 흡수하여, 그것을 약 600nm보다 긴 제2 피크 파장을 갖는 스펙트럼을 갖는 장파장 광으로서 재방출한다. 인광 물질(106)은 단파장 광의 일부를 흡수하여, 그것을 제1 피크 파장과 제2 피크 파장 사이의 피크 파장을 갖는 스펙트럼을 갖는 중간 파장 광으로서 재방출한다. 광원은 각각의 광(단파장, 중간 파장 및 장파장)의 일부가 동시에 흑체 궤적 근처의 색도값 및 80보다 큰 연색 평가수를 갖는 광으로서 동시에 재방출되도록 구성된다.

Description

단파장 ＬＥＤ들 및 다운-컨버젼 물질들로 백색광을 생성하기 위한 패키지 설계{PACKAGE DESIGN FOR PRODUCING WHITE LIGHT WITH SHORT-WAVELENGTH LEDS AND DOWN-CONVERSION MATERIALS}
본 출원은 2005년 6월 23일자로 출원된 미국 임시 특허 출원 제 60/693,170호 및 2005년 7월 12일자로 출원된 미국 임시 특허 출원 제 60/698,591호에 대하여 우선권의 이익을 청구하며, 그 모든 내용은 본 명세서에 참조로서 통합된다.
본 발명은 고체상(solid-state) 백색광 발광 소자에 관한 것이다. 특히, 이러한 소자들 및 방법들은 인광 물질 및 양자점 다운 컨버젼 물질(quantum dot down conversion material)들 모두를 갖는 단파장 광원을 사용한다.
발광 다이오드들(LED들) 및 공진 공동(resonant cavity) LED(RCLED)들을 갖는 고체상 램프들을 포함하는 고체상 발광 소자들은 매우 유용한데, 이는 그것들이 잠재적으로 종래의 백열등 및 형광등에 낮은 제작 비용과 긴 시간의 내구성의 장점을 제공하기 때문이다. 그것들의 긴 동작(버닝) 시간 및 낮은 전력 소모로 인하여, 고체상 발광 소자들은 심지어 그들의 초기 비용이 종래의 램프들의 초기 비용보다 큰 경우라 할지라도 종종 기능적인 비용 이득을 제공한다. 더 큰 스케일의 반도체 제작 기술들이 사용될 수 있으므로, 다수의 고체상 램프들은 극도로 낮은 비용으로 생산될 수 있다.
가정의 지시등 및 소비자 장치, 시청각 장비, 전자 통신 장치들 및 자동차 설비 마킹(marking)과 같은 애플리케이션에 더하여, LED들은 실내외 정보 디스플레이의 다수의 애플리케이션들에서 발견된다.
청색 또는 자외선(UV) 광을 방출하는 효율적인 LED의 개발로, LED의 주요(primary) 방출의 일부의 더 긴 파장으로의 인광체 변환을 통해 백색광을 발생시키는 LED들을 생성하는 것이 실행가능해진다. LED의 주요 방출을 더 긴 파장으로 변환하는 것은 보통 주요 방출의 다운-컨버젼으로 참조된다. 주요 방출의 변환되지 않은 부분은 관찰자에게 백색으로 나타날 수 있는 광을 생성하기 위하여 더 긴 파장의 광과 결합한다. 그러나, 다운 컨버젼 단파장 광에 대해 무기 인광체만을 사용하여, 효율적으로 생성될 수 있는 스펙트럼들의 타입이 제한된다.
본 발명의 예시적인 일실시예는 단파장 고체상 발광 소자, 양자점 물질 및 인광 물질을 사용하여 가시광(visible light)을 생성하는 방법이며, 상기 가시광은 흑체 궤적(blackbody locus)에 근접한 색도값 및 약 80보다 큰 연색 평가수(color rendering index)를 갖는다. 제1 피크 파장을 갖는 제1 스펙트럼을 갖는 단파장 광은 단파장 고체상 발광 소자를 사용하여 발생된다. 제1 피크 파장은 약 500nm보다 짧다. 양자점 물질은, 단파장 광의 제1 부분이 흡수되어 제2 피크 파장을 갖는 제2 스펙트럼을 갖는 장파장 광으로서 양자점 물질에 의해 재방출되도록, 단파장 광의 적어도 일부로 조사된다. 제2 피크 파장은 약 600nm보다 길다. 인광 물질은, 단파장 광의 제2 부분이 흡수되어 제3 피크 파장을 갖는 제3 스펙트럼을 갖는 중간 파장 광으로서 인광 물질에 의해 재방출되도록, 단파장 광의 적어도 일부로 조사된다. 제3 피크 파장은 제1 피크 파장과 제2 피크 파장 사이이다. 단파장 광의 제3 부분, 중간 파장 광의 적어도 일부 및 장파장 광의 적어도 일부는 가시광으로서 방출된다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예는, 단파장 고체상 발광 소자; 단파장 광의 제1 부분에 의해 조사되도록 단파장 고체상 발광 소자에 광학적으로 결합되는 양자점 물질; 및 단파장 광의 제2 부분에 의해 조사되도록 단파장 고체상 발광 소자에 광학적으로 결합되는 인광 물질을 포함하는 광대역 광원이다. 단파장 고체상 발광 소자는 약 500nm 미만의 제1 피크 파장을 갖는 제1 스펙트럼을 갖는 단파장 광을 발생시킨다. 양자점 물질은 제1 스펙트럼을 갖는 입사 광(incident light)의 일부를 흡수하여, 약 600nm보다 긴 제2 피크 파장을 갖는 제2 스펙트럼을 갖는 장파장 광으로서 그것을 재방출하도록 구성된다. 인광 물질은 제1 스펙트럼을 갖는 입사 광의 일부를 흡수하여, 제1 피크 파장과 제2 피크 파장 사이에 있는 피크 파장을 갖는 제3 스펙트럼을 갖는 중간 파장 광으로서 그것을 재방출하도록 구성된다. 단파장 고체상 발광 소자, 양자점 물질 및 인광 물질은 단파장 광의 일부, 장파장 광의 일부, 중간 파장 광의 일부가 흑체 궤적에 근접한 색도값 및 80보다 큰 연색 평가수를 갖는 가시광으로서 광대역 광원로부터 실질적으로 동시에 방출되도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 예시적 실시예는 흑체 궤적에 근접한 색도값 및 약 80보다 큰 연색 평가수를 갖는 가시광을 생성하기 위한 광대역 광원이다. 광대역 광원은, 제1 피크 파장을 갖는 제1 스펙트럼을 갖는 단파장 광을 발생시키는 수단; 제2 피크 파장을 갖는 제2 스펙트럼을 갖는 장파장 광으로서 상기 단파장 광의 제1 부분을 흡수하여 재방출하는 수단; 및 제3 피크 파장을 갖는 제3 스펙트럼을 갖는 중간 파장 광으로서 단파장 광의 제2 부분을 흡수하여 재방출하는 수단을 포함한다. 제1 피크 파장은 약 500nm보다 짧고, 제2 피크 파장은 약 600nm보다 길며, 제3 피크 파장은 제1 피크 파장과 제2 피크 파장 사이이다. 단파장 광의 제3 부분, 중간 파장 광의 적어도 일부 및 장파장 광의 적어도 일부는 가시광으로서 방출된다.
본 발명은 첨부 도면과 관련하여 읽어질 때 다음의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 일반적인 관행에 따라, 도면들의 다양한 피쳐들은 일정한 비율로 도시되지 않음을 강조한다. 대조적으로, 다양한 피쳐들의 치수들은 명확성을 위해 임의로 확대되거나 축소된다. 다음의 도면들이 도면에 포함된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 일실시예에 따른 예시적인 광대역 광원을 도시하는 측면 단면도이다.
도 2는 청색 발광 다이오드, 황색/녹색 인광 물질 및 적색 양자점(QD) 물질의 예시적인 스펙트럼들을 도시하는 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 예시적인 일실시예에 따른 예시적인 광대역 광원의 스펙트럼을 도시하는 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 예시적인 일실시예에 따른 예시적인 광대역 광원의 색 특 성을 도시하는 CIE-1931 도표이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 일실시예에 따른 다른 예시적인 광대역 광원을 도시하는 측면 단면도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 일실시예에 따른 또 다른 예시적인 광대역 광원을 도시하는 측면 단면도이다.
도 6은 약 80보다 큰 연색 평가수 및 흑체 궤적에 가까운 색도값을 갖는 가시광을 생성하는 예시적인 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 예시적 일실시예에 따른 단파장 고체상 발광 소자, QD 물질 및 인광 물질을 사용하여 가시광을 생성하는 예시적인 방법들을 도시하는 개략적인 블럭도이다.
도 7c는 본 발명의 예시적인 일실시예에 다른 단파장 고체상 발광 소자 및 조합된 QD/인광 물질을 사용하여 가시광을 생성하는 예시적인 방법을 도시하는 개략적인 블럭도이다.
고체상 발광에 대한 연구는 에너지 효율적인 광원뿐만 아니라, 태양광 스펙트럼을 모방하는 백색광을 방출할 수 있는 광원을 목표로 한다. 그러나, 단파장 광을 다운-컨버팅하기 위하여 무기 인광체만을 효율적으로 사용하여 이러한 타입의 스펙트럼을 달성하는 것은 어렵다. 예를 들어, 갈륨 질화물(GaN) 기반 청색 LED를 갖는 세륨 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷(YAG:Ce) 인광체를 사용하는 백색 LED가 제작되어왔다. 이러한 종래의 광원에서, GaN LED에 의해 방출된 청색 방출의 일부는 인광체에 의해 녹색-황색 영역으로 다운-컨버팅된다. 결과적인 조합된 광은 인간의 시각 시스템에 의해 백색으로 인지된다. 그러나, 이러한 방법은 생성된 광이 매우 높은 관련 색온도(CCT: correlated color temperature)를 갖는 스펙트럼을 가지며, 특히 적색 영역에서 열등한 연색 평가 특성을 가질 수 있다는 단점을 갖는다. 종래의 광원과 경합할 수 있는 백색 LED에 대하여, 스펙트럼 전력 분포(SPD: spectrum power distribution)는 개선되도록 요구된다.
양자점(QD)들은 한 스펙트럼 범위에서 에너지를 흡수하여 다른 스펙트럼 범위에서 에너지를 방출하는 특성을 갖는 나노미터 크기의 반도체들이다. 고체상 발광 애플리케이션에 관심을 갖도록 하는 QD들의 고유의 특징들 중 하나는 QD의 흡수 및 방출 스펙트럼이 QD 입자의 평균 물리적 크기와 관련된다는 것이다. 따라서, 물질에서 QD의 직경을 제어함으로써, 이론적으로, 협대역(narrow bandwidth) 소스로부터 주문에 따라 지어진 연속 방출 스펙트럼을 생성할 수 있는 물질이 달성될 수 있다.
카드뮴 셀레나이드-기반(CdSe) QD들은 전체 가시 스펙트럼 범위(380nm 내지 780nm)에 걸쳐 방출능을 방출하도록 동조(tune)될 수 있다. 따라서, CdSe-기반 QD들이 백색 LED 애플리케이션들에 사용하기 위한 잠재적 다운-컨버젼 물질인 것으로 여겨진다. QD들의 방출 스펙트럼의 피크 파장이 그들의 평균 직경에 비례하기 때문에, 자외선 또는 청색 LED에 의해 여기될(excited) 때, 거의 연속적인 스펙트럼 백색광을 생성하기 위하여 상이한 직경의 QD들을 결합하는 것이 가능할 수 있다.
본 발명자는 적색 CdSe 양자점들(QD들)(620nm)이 청색 GaN LED 주변에 레이 어링되는(layered) 고체상 발광 소자들을 테스트해왔다. 이러한 테스트들은 자줏빛 청색인 출력 색상 및 낮은 조명 효율을 갖는 광원을 생성했다. 이러한 결과값들은 녹색-황색 스펙트럼 영역에서 이러한 소자들에 의한 출력 에너지의 결핍에 의해 야기된다.
일반적인 조명 애플리케이션들에 있어서, 거의 항상 흑체 궤적에 근접한 색도를 갖는 광원을 갖도록 요구된다. 이러한 실험적 고체상 발광 소자들의 색도는 특정 양의 녹색 QD들을 패키지에 부가함으로써 개선될 수 있다. 그러나, 녹색 QD들이 낮은 양자 수율(quantum yield) 및 높은 자가-흡수율을 갖는다는 사실이 발견되었다. 따라서, 녹색 QD들을 이러한 실험적 광원에 부가하는 것은 출력 광의 색도값을 흑체 궤적에 근접하게 이동시킬 수 있으나, 관련 양자 수율 및 자가-흡수율은 패키지 효율을 현저히 감소시킬 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 발광 다이오드들(LED들) 및 다운-컨버젼 물질들을 사용하여 태양광을 모방할 수 있는 백색광을 생성하기 위한 소자들 및 방법들을 포함한다. 이러한 예시적인 실시예들은 다운-컨버젼 물질들로서 고효율 적색 QD들 및 황색-녹색 인광체를 사용한다. 따라서, 패키지 조명 효율은 원하는 색도값을 유지하는 동안 증가될 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 일실시예에 따른 예시적인 광대역 광원(100)을 도시한다. 예시적인 광대역 광원(100)은, 단파장 광을 생성하기 위한 단파장 고체상 발광 소자(102); QD 물질(104); 및 인광 물질(106)을 포함하며, 이러한 것들은 모두 광학 마운트(optical mount, 108)상에 장착된다. 광학 마운트(108)는 기계적 지지부를 제공하며, 또한 단파장 고체상 발광 소자(102) 및 다운-컨버젼 물질에 의해 발생된 열을 방산시키는 것을 돕는 열 싱크(heat sink)로서 동작할 수 있다. 광학 마운트(108)는 또한 예시적인 광대역 광원(100)의 상부 표면의 가시광 방출을 증가시키도록 반사 코팅을 가질 수 있다. 도 1에 도시된 QD 물질(104) 및 인광 물질(106)의 위치가 바람직할 수 있으나, 이러한 두 개 물질층들의 다른 구성이 본 발명의 예시적 실시예들에 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 예시적 실시예에서 QD 물질(104) 및 인광 물질(106)의 위치는 교환될 수 있다.
예시적인 광대역 광원(100)은 다운-컨버젼 물질들로서 적색 QD들 및 황색-녹색 인광 물질을 고체상 청색 또는 UV 광원과 결합하는 패키징 컨셉을 창조함으로써 상기 개시된 실험적 고체상 광원의 스펙트럼에서 녹색-황색 광의 결핍을 다룬다. 도 1에 도시된 바와 같이, 단파장 고체상 발광 소자(102)는 QD 물질(104)내에 내장될 수 있으며, 인광 물질(106)은 QD 물질층의 상부상에 레이어링될 수 있다.
도 7a 내지 7c는 예시적인 광대역 광원들의 동작을 개략적으로 도시한다. 설명의 간략화를 위하여, 모든 광자들(화살표들)이 앞을 향해 전파하는 것으로 도시된다. 그러나, 본 기술 분야의 당업자는 다운-컨버팅된 광자들이 모든 방향으로 방출되며, 단파장 고체상 발광 소자(102)의 광자들이 도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이 시준(collimate)될 수 없다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 도 7a 내지 도 7c에서, 단파장 광자들은 B로 표시되는 화살표로 나타나고, 중간 파장 광자들은 G로 표시되는 화살표로 나타나며, 장파장 광자들은 R로 표시되는 화살표로 나타난다. 이러한 3개 도면들 모두에서, 광자(700)는 단파장 고체상 발광 소자(102)에 의해 생성된 단파장 광자들을 나타낸다.
도 7a의 예시적인 실시예에서, 광자들(700)은 인광 물질(106)에 입사하며, 그들 중 일부는 인광 물질(106)에 의해 흡수되어, 중간 파장 광자들로서 재방출된다. 광자들(702)은 인광 물질(106)을 통해 전도되는 비흡수된 단파장 광자들(B) 및 방출된 중간 파장 광자들(G)을 포함한다. 광자들(702)은 QD 물질(104)상에 입사한다. 남아있는 단파장 광자들 중 일부 및 중간 파장 광자들 중 일부는 QD 물질(104)에 의해 흡수되어, 장파장 광자들로서 재방출된다. 남아있는 단파장 광자들 및 남아있는 중간 파장 광자들(G)은 인광 물질(106)을 통해 전도되며, 광대역 광(704)을 생성하도록 방출된 장파장 광자들(R)과 결합한다.
도 7b의 예시적인 실시예에서, 광자들(700)은 QD 물질(104)상에 입사하며, 그들 중 일부는 QD 물질(104)에 의해 흡수되어, 장파장 광자들로서 재방출된다. 남아있는 단파장 광자들은 QD 물질(104)을 통해 전도된다. 광자들(706)은 QD 물질(104)을 통해 전도되는 비흡수된 단파장 광자들(B) 및 방출된 장파장 광자들(R)을 포함한다. 광자들(706)은 인광 물질(106)상에 입사한다. 남아있는 단파장 광자들 중 일부는 인광 물질(106)에 의해 흡수되어, 중간 파장 광자들로서 재방출된다. 남아있는 단파장 광자들(B) 및 장파장 광자들(R)은 인광 물질(106)을 통해 전도되며, 광대역 광(704)을 생성하도록 방출된 중간 파장 광자들(G)과 결합한다.
도 7c의 예시적인 실시예에서, 광자들(700)은 조합된 QD/인광 물질(402)상에 입사하며, 광자들 중 일부는 조합된 QD/인광 물질(402)에 의해 흡수되고, 중간 파장 광자들 및 장파장 광자들로서 재방출된다. 남아있는 단파장 광자들(B)은 조합 된 QD/인광 물질(402)을 통해 전도되고, 광대역 광(704)을 생성하도록 방출된 중간 파장 광자들(G) 및 장파장 광자들(R)과 결합한다.
따라서, 3개의 모든 도시된 실시예들에서, 단파장 고체상 발광 소자(102)로부터의 단파장 광의 일부는 QD 물질(104)에서의 QD들과 인광 물질(106)에서의(또는 조합된 QD/인광 물질(402)에서의) 인광체에 의해 흡수되며, 이는 단파장 광을 흡수하여 그것을 각각 적색 및 녹색-황색 광으로서 재방출한다. 따라서, 예시적인 광대역 광원(100)은 거의 연속적인 가시광 스펙트럼을 생성할 수 있다. 결과적으로, 예시적 광대역 광원(100)의 색도값 및 조명 효율은 개선될 수 있다.
이러한 광대역 광원 디자인의 다른 장점으로는, 출력 광의 연색 평가수(CRI)를 증가시키고; 출력 광의 관련 색온도(CCT)를 낮추며; 소자의 효율을 증가시키는 것을 들 수 있다.
도 2는 3개의 스펙트럼을 포함하는 스펙트럼 그래프(200)를 도시한다. 스펙트럼(202)은 예시적인 단파장 고체상 발광 소자(102)에 의해 발생된 단파장 광의 스펙트럼을 나타낸다. 스펙트럼(204)은 예시적인 인광 물질(106)에 의해 방출된 중간 파장 광의 스펙트럼을 나타낸다. 스펙트럼(206)은 예시적인 QD 물질(104)에 의해 방출된 장파장 광의 스펙트럼을 나타낸다. 단파장 고체상 발광 소자(102), QD 물질(104) 및 인광 물질(106)을 적절히 구성함으로써, 이러한 스펙트럼들 각각으로부터의 상대적인 광량은 색도, CRI 및 CCT와 같은 원하는 광학 특성을 갖는 가시광을 생성하도록 제어될 수 있다. 도 3a의 스펙트럼 그래프(300)는 이러한 방색으로 생성될 수 있는 예시적인 조합된 스펙트럼(302)을 도시한다.
예시적인 광대역 광원(100)에 의해 방출된 가시광에 대한 스펙트럼(202), 스펙트럼(204) 및 스펙트럼(206)의 상대적 분포를 변경함으로써, 방출된 광의 색도값이 변경될 수 있다. 방출된 광의 색도값은 또한 도 2에 도시된 것들과 상이한 스펙트럼들을 갖는 단파장 고체상 발광 소자, QD 물질 및/또는 인광 물질을 선택함으로써 변경될 수 있다. 전술된 바와 같이, 흑체 궤적에 근접한 색도는 사람에게 가장 자연스러운 것으로 알려졌으며, 따라서, 발광 디자인에 선호된다. 도 3b는 도 3a에 도시된 예시적인 조합된 스펙트럼(302)의 스펙트럼 궤적(306), 흑체 궤적(308) 및 색도값(310)이 점을 이어 그려지는 CIE-1931 도표(304)를 도시한다. 도 3b에서 보여지는 바와 같이, 도 3a에 도시된 예시적인 조합된 스펙트럼(302)의 색도값(310)은 흑체 궤적(308)에 매우 밀접하다. 단파장 고체상 발광 소자(102), QD 물질(104) 및 인광 물질(106)의 적절한 선택 및 구성은 광대역 광원(100)으로부터 방출된 가시광의 색도값이 CIE-1931 도표상에서 흑체 궤적의 약 .01의 x 색도값 및 약 .01의 y 색도값으로 제한되는 영역 내에서 바람직하게 설정되도록 할 수 있다.
CRI는 색표면상에서 광의 시각적 효과를 도시하기 위하여 형광 금속 할로겐화물 및 다른 비백열(nonincandescent) 발광 장비의 제작자들에 의해 사용되는 1 내지 100 범위로(on a scale of 0 to 100) 취해진 값의 도면이다. 자연적 일광 및 흑체 소스와 유사한 임의의 광원(색온도 참조)이 100의 CRI로 할당된다. 일광에서, CRI는 유리 또는 다른 투명 물질들의 스펙트럼 전도성 품질을 한정한다. 이러한 경우에, 95 이상의 값들이 진정한 색 평가를 허용하기 위하여 수용가능하도록 고려된다. 일반적인 냉백형 형광 램프(cool white fluorescent lamp)는 대략 62의 CRI를 갖는다. 희토류 인광체들을 갖는 형광 램프는 80 이상의 CRI를 달성한다. 청색 LED 및 YAG 인광체에 기초한 일반적인 백색 LED의 CRI는 70 내지 78 사이이다. 단파장 고체상 발광 소자(102), QD 물질(104) 및 인광 물질(106)의 적절한 선택 및 구성은 광대역 광원(100)으로부터 방출된 가시광의 CRI가 바람직하게는 약 85보다 크거나 또는 약 90보다 훨씬 크도록 설정될 수 있다.
단파장 고체상 발광 소자(102)는 바람직하게는 약 500nm보다 짧은, 예를 들어, 약 200nm 내지 약 500nm 사이의 피크 파장을 갖는 단파장 광을 생성한다.
고체상 발광 소자는 발광 다이오드(LED), 공진 공동 LED 또는 다이오드 레이저일 수 있다. 이러한 소자들이 형성될 수 있는 물질들의 예로는, InGaN; GaN; SiC; SiC상의 GaN 및 다른 반도체 물질들을 들 수 있다.
QD 물질(104)은 그것이 단파장 광의 일부에 의해 조사될 수 있도록 단파장 고체상 발광 소자(102)에 광학적으로 결합된다. 도 1에서, QD 물질(104)은 단파장 고체상 발광 소자(102)를 둘러싸도록 도시된다. 그러나, 본 기술 분야의 당업자는 QD 물질(104)에 단파장 광 충분히 조사되는 한, 이것이 필수적이지 않음을 알 수 있을 것이다. QD 물질(104)과 단파장 고체상 발광 소자(102) 사이에 공간을 제공하는 것은 QD 물질(104)에 의해 방출된 단파장 광의 단파장 고체상 발광 소자(102)로의 광학적 결합을 감소시키는데 바람직할 수 있다. 그러한 장파장 광의 "백 커플링(back coupling)"은 단파장 고체상 발광 소자(102)의 원치 않는 가열을 초래할 수 있다.
QD 물질(104)은 입사 단파장 광의 일부를 흡수하여, 약 600nm보다 긴, 예를 들어, 약 600nm 내지 약 700nm인 피크 파장을 갖는 장파장 광으로서 흡수된 광을 재방출하도록 구성된다. 몇몇 애플리케이션들에서 장파장 광의 보다 넓은 스펙트럼이 요구될 수 있으나, QD 물질(104)에 의해 방출된 장파장 광의 스펙트럼의 반치전폭(FWHW: full width half maximum)은 약 50nm 미만일 수 있다. 적외선 광의 컴포넌트가 가시광에 부가된다면 장파장 광의 보다 넓은 스펙트럼은 특히 바람직할 수 있다. 가시광에 대한 적외선 광의 작은 기여가 몇몇 사람들에게 정신적 및 물리적으로 이로운 효과를 가진다는 것이 밝혀졌음에 유념하라.
QD 물질(104)은 매트릭스 물질 내에서 분산되는 다수의 QD들을 포함한다. 이러한 매트릭스 물질은 실질적으로 광대역 광원(100)에 의해 발생되는 가시광에 전도성인(transmissive) 것이 바람직하다. 매트릭스 물질은, 예를 들어, UV 경화 클리어 수지(UV curable clear resin); 열 경화 졸-겔 수지(thermal curable sol-gel resin); UV 경화 졸-겔 수지; 폴리 탄산 에스테르; 폴리스티렌; 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA); 폴리에틸렌; 다양한 에폭시들; 실리콘들; 실리카; 또는 티타니아를 포함할 수 있다.
QD들은 일반적으로 약 1.9nm 내지 약 10.0nm 범위의 직경을 가지나, 이러한 범위에 한정되지 않으며, 특히 CdSe, ZnS, PbSe, CdTe, PbTe, ZnSe, Si 또는 Ge와 같은 임의의 표준 QD 물질로 형성될 수 있다.
인광 물질(106)은 입사 단파장 광의 일부를 흡수하여, 단파장 광의 피크 파장과 장파장 광의 피크 파장 사이의, 종종 바람직하게는 약 500nm 내지 약 600nm인 피크 파장을 갖는 중간 파장 광으로서 상기 흡수된 광을 재방출하도록 구성된다. 인광 물질(106)에 의해 방출된 중간 파장 광의 스펙트럼의 반치전폭은 약 150nm 미만일 수 있으며, 사용되는 특정 인광체에 좌우된다.
인광 물질(106)은 매트릭스 물질 내부에서 분산되는 다수의 인광체 입자들을 포함할 수 있다. QD 물질(104)의 매트릭스 물질이기 때문에, 이러한 매트릭스 물질은 실질적으로 광대역 광원(100)에 의해 발생되는 가시광에 전도성인 것이 바람직하며, 예를 들어, UV 경화 클리어 수지; 열 경화 졸-겔 수지; UV 경화 졸-겔 수지; 폴리 탄산 에스테르; 폴리스티렌; 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA); 폴리에틸렌; 다양한 에폭시들; 실리콘들; 실리카; 또는 티타니아를 포함할 수 있다. 대안적으로, 인광 물질(106)은 가능한 한 도 1에 도시된 바와 같이 평면 기판으로 형성되는 벌크 인광 물질일 수 있다.
인광체 입자들 또는 벌크 인광 물질은 ZnS:Cu-Al; ZnSiO4:Mn2 +; Sr3SiO5:Eu2+; BaMgAl10O17:Eu2 +Mn2 +; SrAlO4:Eu,Dy; (YGdCe)3Al5O12:Eu; Sr4Al14O25:Eu; (Ce,Tb)MgAl11O19; 또는 (La, Ce, Tb)PO4, YAG:Ce, 또는 다른 인광체들과 같은 적어도 하나의 표준 황색 또는 녹색 인광체를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 예시적인 광대역 광원(100)은 인광 물질(106)이 조사되는 단파장 광이 인광 물질상에 입사하기 전에 QD 물질(104)을 통해 먼저 전도되도록 구성된다. QD 물질(104) 및 인광 물질(106)의 위치가 반대로(reverse) 되는 것이 고 려될 수 있으나, 도 1에 도시된 구성이 장점을 제공할 수 있다. 상기 개시된 바와 같이, 단파장 고체상 발광 소자(102)로의 광의 '백 커플링'은 원치 않는 가열을 초래할 수 있다. QD 물질(104)이 입사 중간 파장 광의 일부뿐만 아니라 단파장 광의 일부를 흡수하여 재방출하도록 구성된다면, 바람직하게는, 도 1에 도시된 구성은 단파장 고체상 발광 소자(102)로 백 커플링되는 중간 파장 광의 양을 감소시킬 수 있다.
도 4 및 도 5는 각각 대안적인 예시적 광대역 광원(400 및 500)을 도시한다. 이러한 각각의 대안적인 예시적 광대역 광원들은 조합된 QD/인광 물질을 포함한다. 이러한 조합된 QD/인광 물질은 예시적 광대역 광원의 가시광에 실질적으로 전도성인 매트릭스 물질내에서 분산되는 복수의 인광체 입자들 및 복수의 QD들을 포함한다. QD들 및 인광체 입자들은 매트릭스 물질의 특정 영역들에서 개별적으로 분산될 수 있으며, 또는 매트릭스 물질 내에서 혼합되어 분산될 수 있다.
도 4는 조합된 QD/인광 물질(402)이 단파장 고체상 발광 소자(102)를 둘러싸도록 형성되는 예시적인 광대역 광원(400)을 도시한다. 도 5는 조합된 QD/인광 물질(502)이 광학 부재(504)의 표면상에 형성되는 예시적인 광대역 광원(500)을 도시한다. 광학 부재(504)는 바람직하게는 조합된 QD/인광 물질(502)로부터 단파장 고체상 발광 소자(102)로의 중간 파장 광과 단파장 광의 백 커플링을 감소시키는데 도움을 줄 수 있는 광 가이드(light guide)일 수 있다.
도 1의 예시적인 일실시예에 따른 예시적 광대역 광원은 단파장 고체상 발광 소자(102)로서 GaN-기반 베어(bare) 청색 LED 소자를 사용하여 형성된다. 이러한 청색 LED는 630nm의 피크 방출 파장을 갖는 적색 QD들의 층(QD 물질(104))에 담궈지고(immersed), YAG 황색/녹색 인광체층(인광 물질(106))은 LED 및 QD 물질의 앞에 배치된다. 이러한 예시적인 소자의 측정값들은 패키지 조명 효율이 21 lm/W라는 것을 보여주며, 이는 단지 다운 컨버젼 물질(23 lm/W)로서 인광체를 사용하는 상업적으로 이용가능한 해당하는 백색 LED 소자의 측정값에 가깝다. 그러나, 도 3a 및 도 3b에 도시된 예시적인 데이터를 생성하는 예시적인 광대역 광원은 흑체 궤적에 가까운 색도값을 갖는 90의 CRI를 갖는다. 따라서, 본 발명자는 조명 효율의 최소한의 감소로 최상의 색 품질을 달성하는 본 발명의 예시적인 일실시예에 따른 예시적인 광대역 광원을 증명할 수 있다.
도 6은 단파장 고체상 발광 소자, QD 물질 및 인광 물질을 사용하여 가시광을 생성하는 예시적인 방법을 도시한다. 이러한 예시적 방법에 의해 생성된 가시광은 흑체 궤적과 밀접한 색도값과 약 80보다 큰 CRI를 갖는다. 이러한 방법은 바람직하게는 도 1, 도 4 및 도 5를 참조로 하여 상기 개시된 예시적인 광대역 광원들 중 임의의 것을 사용할 수 있다.
단파장 광은 단파장 고체상 발광 소자를 사용하여 생성된다(단계 600). 단파장 광은 바람직하게는 약 500nm보다 짧은 피크 파장을 갖는 제1 스펙트럼을 갖는다.
QD 물질은 단파장 광의 일부가 흡수되어 장파장 광으로서 QD 물질에 의해 재방출되도록 단파장 광의 적어도 일부로 조사된다(단계 602). 장파장 광은 바람직하게는 약 600nm보다 긴 피크 파장을 갖는 제2 스펙트럼을 갖는다.
인광 물질은 또한 단파장 광의 일부가 흡수되어 중간 파장 광으로서 인광 물질에 의해 재방출되도록 단파장 광의 적어도 일부로 조사된다(단계(604). 중간 파장 광은 단파장 광의 피크 파장과 장파장 광의 피크 파장 사이의 피크 파장을 갖는 제3 스펙트럼을 갖는다.
단파장 광의 나머지 부분, 중간 파장 광의 적어도 일부 및 장파장 광의 적어도 일부는 예시적인 광대역 광원으로서 가시광으로부터 방출된다(단계 606).
대안적으로, QD 물질은 단파장 광에 더하여 중간 파장 광의 적어도 일부로 조사될 수 있다. 중간 파장 광의 일부는 흡수될 수 있으며, 부가적인 장파장 광으로서 QD 물질에 의해 재방출된다(단계 608).
본 발명은 특정 실시예들을 참조로 하여 본 명세서에 도시되고 설명되었으나, 그것은 개시된 상세한 설명으로 제한되도록 의도된 것이 아니다. 그보다, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 청구항의 동등물의 범위 내에서 세부적으로 다양한 보정들이 이루어질 수 있다. 특히, 본 기술 분야의 당업자들은 다양한 특정하게 도시된 실시예들이 부가적인 예시적 광대역 광원을 형성하도록 혼합될 수 있으며, 방법들 또한 본 발명에 의해 구체화될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (36)

  1. 단파장 고체상 발광 소자, 양자점 물질 및 인광 물질을 사용하여 생성되며, 흑체 궤적에 가까운 색도값 및 약 80보다 큰 연색 평가수(color rendering index)를 갖는 가시광을 생성하는 방법으로서,
    a) 상기 단파장 고체상 발광 소자를 사용하여 약 500nm보다 짧은 제1 피크 파장을 갖는 제1 스펙트럼을 갖는 단파장 광을 생성하는 단계;
    b) 상기 단파장 광의 제1 부분이 흡수되어, 약 600nm보다 긴 제2 피크 파장을 갖는 제2 스펙트럼을 갖는 장파장 광으로서 상기 양자점 물질에 의해 재방출되도록 상기 단파장 광의 적어도 일부로 상기 양자점 물질을 조사(irradiating)하는 단계;
    c) 상기 단파장 광의 제2 부분이 흡수되어, 상기 제1 피크 파장과 상기 제2 피크 파장 사이에 있는 제3 피크 파장을 갖는 제3 스펙트럼을 갖는 중간 파장으로서 상기 인광 물질에 의해 재방출되도록 상기 단파장 광의 적어도 일부로 상기 인광 물질을 조사하는 단계; 및
    d) 상기 단파장 광의 제3 부분, 상기 중간 파장 광의 적어도 일부 및 상기 장파장 광의 적어도 일부를 상기 가시광으로서 방출하는 단계
    를 포함하는 가시광을 생성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계(d)에서 방출된 상기 가시광의 색도값이 CIE-1931 도표상에서 흑체 궤적의 약 .01의 x 색도값 및 약 .01의 y 색도값으로 제한된 영역 내에 있는 것을 특징으로 하는 가시광 생성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계(d)에서 방출된 상기 가시광의 연색 평가수는 약 85보다 큰 것을 특징으로 하는 가시광 생성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계(d)에서 방출된 상기 가시광의 연색 평가수는 약 90보다 큰 것을 특징으로 하는 가시광 생성 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계(d)에서 방출된 상기 가시광은 약 1000K 내지 약 16000K의 관련 색온도를 갖는 것을 특징으로 하는 가시광 생성 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계(d)에서 방출된 상기 가시광은 약 3300K 내지 약 3600K의 관련 색 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 가시광 생성 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단파장 고체상 발광 소자에 의해 상기 단계(a)에서 생성된 상기 단파장 광의 상기 제1 피크 파장은 약 200nm 내지 약 500nm인 것을 특징으로 하는 가시광 생성 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 양자점 물질에 의해 상기 단계(b)에서 방출된 상기 장파장 광의 상기 제2 피크 파장은 약 600nm 내지 약 700nm인 것을 특징으로 하는 가시광 생성 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 양자점 물질에 의해 상기 단계(b)에서 생성된 상기 장파장 광의 상기 제2 스펙트럼의 반치전폭은 약 50nm 미만인 것을 특징으로 하는 가시광 생성 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 단계(b)는,
    상기 중간 파장 광의 제4 부분이 흡수되어, 부가적인 장파장 광으로서 상기 양자점 물질에 의해 재방출되도록 상기 중간 파장 광의 적어도 일부로 상기 양자점 물질을 조사(irradiate)하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가시광 생성 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 인광 물질에 의해 상기 단계(c)에서 방출된 상기 중간 파장 광의 상기 제3 피크 파장은 약 500nm 내지 약 600nm인 것을 특징으로 하는 가시광 생성 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 인광 물질에 의해 상기 단계(c)에서 생성된 상기 중간 파장 광의 상기 제3 스펙트럼의 반치전폭은 약 150nm 미만인 것을 특징으로 하는 가시광 생성 방법.
  13. 광대역 광원으로서,
    약 500nm보다 짧은 제1 피크 파장을 갖는 제1 스펙트럼을 갖는 단파장 광을 생성하는 단파장 고체상 발광 소자;
    상기 단파장 광의 제1 부분에 의해 조사되도록 상기 단파장 고체상 발광 소자에 광학적으로 결합된 양자점 물질 - 상기 양자점 물질은 상기 제1 스펙트럼을 갖는 입사 광의 제1 부분을 흡수하여, 약 600nm보다 긴 제2 피크 파장을 갖는 제2 스펙트럼을 갖는 장파장 광으로서 상기 흡수된 광을 재방출하도록 구성됨 - ; 및
    상기 단파장 광의 제2 부분에 의해 조사되도록 상기 단파장 고체상 발광 소자에 광학적으로 결합된 인광 물질 - 상기 인광 물질은 상기 제1 스펙트럼을 갖는 입사 광의 제2 부분을 흡수하여, 상기 제1 피크 파장과 상기 제2 피크 파장 사이인 제3 파장을 갖는 제3 스펙트럼을 갖는 중간 파장 광으로서 상기 흡수된 광을 재방 출하도록 구성됨 -
    을 포함하며,
    상기 단파장 고체상 발광 소자, 상기 양자점 물질 및 상기 인광 물질은, 제1 양의 상기 단파장 광, 제2 양의 상기 장파장 광 및 제3 양의 상기 중간 파장 광이 흑체 궤적에 근접한 색도값 및 80보다 큰 연색 평가수를 갖는 가시광으로서 상기 광대역 광원으로부터 실질적으로 동시에 방출되도록 구성되는, 광대역 광원.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 단파장 고체상 발광 소자는 단파장 발광 다이오드(LED), 단파장 공진 공동 LED 또는 단파장 다이오드 레이저 중 하나인 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 단파장 고체상 발광 소자에 의해 생성된 상기 단파장 광의 상기 제1 피크 파장은 약 200nm 내지 약 500nm인 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 단파장 고체상 발광 소자에 의해 생성된 상기 단파장 광의 상기 제1 스펙트럼의 반치전폭은 약 50nm 미만인 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 양자점 물질은 실질적으로 상기 가시광에 전도성인 매트릭스 물질내에서 분산되는 복수의 양자점들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 양자점들은, CdSe 양자점들, ZnS 양자점들, CdTe 양자점들, PbTe 양자점들, ZnSe 양자점들, Si 양자점들, Ge 양자점들 또는 PbSe 양자점들 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 매트릭스 물질은 UV 경화 클리어 수지, 열 경화 졸-겔 수지, UV 경화 졸-겔 수지, 폴리 탄산 에스테르, 폴리스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌, 에폭시들, 실리콘들, 실리카 또는 티타니아 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 양자점 물질에 의해 방출되는 상기 장파장 광의 상기 제2 피크 파장은 약 600nm 내지 약 700nm인 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  21. 제13항에 있어서,
    상기 양자점 물질에 의해 생성된 상기 장파장 광의 상기 제2 스펙트럼의 반치전폭은 약 50nm 미만인 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  22. 제13항에 있어서,
    상기 양자점 물질은 상기 중간 파장 광의 일부에 의해 조사되도록 상기 인광 물질에 광학적으로 결합되고, 상기 제3 스펙트럼을 갖는 입사광의 제3 부분을 흡수하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 양자점 물질은, 상기 인광 물질이 조사되는 상기 단파장 광의 상기 제2 부분이 상기 인광 물질상에 입사되기 전에 상기 양자점 물질을 통해 전도되도록 상기 광대역 광원내에 배치되는 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  24. 제13항에 있어서,
    상기 인광 물질은 실질적으로 상기 가시광에 전도성인 매트릭스 물질내에 분산된 복수의 인광체 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 복수의 인광체 입자들은,
    ZnS:Cu-Al; ZnSiO4:Mn2 +; Sr3SiO5:Eu2 +; BaMgAl10O17:Eu2 +Mn2 +; SrAlO4:Eu,Dy; (YGdCe)3Al5O12:Eu; YAG:Ce; Sr4Al14O25:Eu; (Ce,Tb)MgAl11O19; YAG:Ce; 또는 (La, Ce, Tb)PO4, 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 매트릭스 물질은 UV 경화 클리어 수지, 열 경화 졸-겔 수지, UV 경화 졸-겔 수지, 폴리 탄산 에스테르, 폴리스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌, 에폭시들, 실리콘들, 실리카 또는 티타니아 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  27. 제13항에 있어서,
    상기 인광 물질은,
    벌크 ZnS:Cu-Al; 벌크 ZnSiO4:Mn2 +; 벌크 Sr3SiO5:Eu2 +; 벌크 BaMgAl10O17:Eu2+Mn2+; 벌크 SrAlO4:Eu,Dy; 벌크 (YGdCe)3Al5O12:Eu; 벌크 Sr4Al14O25:Eu; 벌크 (Ce,Tb)MgAl11O19; 또는 벌크 (La, Ce, Tb)PO4, 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  28. 제13항에 있어서,
    상기 인광 물질에 의해 방출된 상기 중간 파장 광의 상기 제3 피크 파장은 약 500nm 내지 약 600nm인 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  29. 제13항에 있어서,
    상기 인광 물질에 의해 생성된 상기 중간 파장 광의 상기 제3 스펙트럼의 반치전폭은 약 150nm 미만인 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  30. 제13항에 있어서,
    상기 양자점 물질은 복수의 양자점들을 포함하고,
    상기 인광 물질은 복수의 인광체 입자들을 포함하며,
    상기 복수의 양자점들 및 상기 복수의 인광체 입자들은 상기 가시광에 실질적으로 전도성인 매트릭스 물질 내에 혼합되어 분산되는 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  31. 제13항에 있어서,
    상기 단파장 고체상 발광 소자, 상기 양자점 물질 및 상기 인광 물질은, 상기 광대역 광원으로부터 방출된 상기 가시광의 색도가 CIE-1931 도표상에서 상기 흑체 궤적의 약 .01의 x 색도값 및 약 .01의 y 색도값으로 제한되는 영역내에 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  32. 제13항에 있어서,
    상기 단파장 고체상 발광 소자, 상기 양자점 물질 및 상기 인광 물질은 상기 광대역 광원으로부터 방출된 상기 가시광의 연색 평가수가 약 85보다 크도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  33. 제2항에 있어서,
    상기 단파장 고체상 발광 소자, 상기 양자점 물질 및 상기 인광 물질은, 상기 광대역 광원으로부터 방출된 상기 가시광의 연색 평가수가 약 90보다 크도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  34. 제13항에 있어서,
    상기 단파장 고체상 발광 소자, 상기 양자점 물질 및 상기 인광 물질은, 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 상기 가시광의 연색 평가수가 약 1000K 내지 약 3600K의 관련 색온도를 갖는 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  35. 제13항에 있어서,
    상기 단파장 고체상 발광 소자, 상기 양자점 물질 및 상기 인광 물질은, 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 상기 가시광의 연색 평가수가 약 3300K 내지 약 3600K 사이의 관련 색온도를 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
  36. 흑체 궤적에 근접한 색도값 및 약 80보다 큰 연색 평가수를 갖는 가시광을 생성하기 위한 광대역 광원으로서,
    약 500nm보다 짧은 제1 피크 파장을 갖는 제1 스펙트럼을 갖는 단파장 광을 생성하는 수단;
    상기 단파장 광의 제1 부분을 흡수하여, 약 600nm보다 긴 제2 피크 파장을 갖는 제2 스펙트럼을 갖는 장파장 광으로서 재방출하는 단계; 및
    상기 단파장 광의 제2 부분을 흡수하여, 상기 제1 피크 파장과 상기 제2 피크 파장 사이의 제3 피크 파장을 갖는 제3 스펙트럼을 갖는 중간 파장 광으로서 재방출하는 단계
    를 포함하며,
    상기 단파장 광의 제3 부분, 상기 중간 파장 광의 적어도 일부, 상기 장파장 광의 적어도 일부는 상기 가시광으로서 방출되는, 광대역 광원.
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