KR20080091235A - 비활성 발광물질을 갖는 발광장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복사방출소자, 예컨대 발광다이오드(LED)와, 상기 복사방출소자에 의해 내보내진 복사의 일부를 흡수하고 상기 흡수된 복사의 파장과는 다른 파장을 갖는 광을 내보낼 수 있는 발광물질(3)을 갖는 발광장치(1)에 관한 것이다. 상기 장치는 상기 복사방출소자에 의해 내보내진 복사의 일부 및/또는 상기 발광물질(3)에 의해 내보내진 광의 일부를 산란시킬 수 있는 확산입자(4)를 더 구비한다. 상기 확산입자(4)는 비활성 발광물질이며, 이를 통해 제조가 간단해진다.
발광다이오드(LED), 복사방출소자, 발광물질, 확산입자

Description

비활성 발광물질을 갖는 발광장치{Light Emitting Device with A Non-activated Luminescent Material}
본 발명은 반도체를 포함한 복사방출소자를 갖는 발광장치에 관한 것이다. 상기 발광장치는 상기 복사방출소자에 의해 보내진 복사의 일부를 흡수하고 상기 흡수된 복사의 파장과는 다른 파장을 가진 광을 내보낼 수 있는 발광재료를 갖는다. 또한, 본 발명은 발광장치에서 비활성 발광물질의 사용에 관한 것이다.
이러한 장치들은 해당기술분야의 상태에 의해 알려져 있으며, 복사방출소자 다이오드는 대표적으로 발광다이오드(간략히 LED)의 형태이다. 대개, LED에 의해 내보내진 복사는 가시광선 및/또는 자외선(UV) 영역내에 있다. 이러한 복사의 스펙트럼 구성요소는 특히 사용된 반도체 재료에 따른다. 예를 들어, 청색광을 방출하는 LED가 있다.
더욱이, LED에 의해 내보내진 복사를 부분적으로 흡수하고 또 다른 파장영역으로, 대개 더 긴 파장으로 복사를 내보내며 공간 위로 분포되어 있는 입자 형태의 발광재료를 LED 방출방향으로(아래에서 LED "위로"와 같이 간단한 용어로 기술됨) 배열하는 것이 알려져 있다. 예컨대, LED에 의해 내보내진 UV 복사는 발광재료 입자들에 의해 ("가시")광으로 변환될 수 있다. 발광물질로서 통상적으로 이러한 용 도의 형광물질 입자들이 사용된다. 해당 구성들이 예컨대 참조문헌 US 6,809,347, US 2005/0077532 A1 및 JP 10097201A에 공지되어 있다.
엄밀히 말해 "형광(fluorescence)"은 10ns 내지 100ns 범위에서 발생하며 S1 상태에서 S0 상태로의 방출과정을 뜻한다. 대조적으로 "인광(phosphorescence)"은 ㎲내지 ㎳범위에 나타나며 T1 상태에서 S0 상태로의 방출과정을 뜻한다. 아래에서(간략히 하기 위해) 이하 "형광을 내는"이라는 용어로, 형광 및 인광과정이 이해된다.
예컨대, 청색을 발하는 LED를 구비하고, 상기 LED에 의해 내보내진 청색광을 부분적으로 흡수하여 황색광을 내보내는, 말하자면 청색광을 황색이나 "황색을 띤"광으로 변환시키는 발광재료를 갖는 장비가 알려져 있다. 이 문맥에서, 청색광을 녹색이나 "녹색을 띤" 광 또는 적색이나 "적색을 띤" 광으로 바꾸는 발광재료가 또한 알려져 있다. 해당 발광재료의 조합도 또한 알려져 있다.
이와 같은 발광장치를 보는 경우, 관찰자의 눈이 일반적으로 형광입자들에 의한 파장 변환없이 장치를 떠난 LED로부터 방출된 광, 즉, 청색광과 예컨대 또한 형광입자에 의해 내보내진 황색광과 마주친다. 이런 식으로 다소 뚜렷한 백색광이 나타난다.
이에 의해, 광의 색상은 일반적으로 장치가 보이는 방향에 의존하는 현상이 나타난다. 특히, (주요) 방출표면의 표면 법선들과 장치에서 관찰자 눈의 방향, 즉, (간략히 하기에서 "LED의 표면 법선들"을 뜻하는) LED의 기판면과 장치에서 관찰자의 눈 방향 간에 각(Θ) 의존성이 명백해진다. 이에 대한 이유는 발광재료에서 파장변환없이 LED로 직접 외부에 있는 광이 소정 입체각으로, 더 엄밀하게는 LED의 표면 법선들 주위 영역으로 우선적으로 방출되는 반면에, 발광물질 입자들에 의해 내보내진 광은 모든 방향으로, 이에 따라 준 "등방성으로" 더 균일하게 방출된다는 점에 있다. 대개, 이러한 실질적인 무지향성(direction-independent) 복사성분은 2가지 원인이 있다: 모든 각각의 발광물질 입자들이 방출방향에 무관하게 광을 내보내거나, 상기 각각의 발광물질 입자들이 방출특징에 있어 방향의존성을 보이는 경우, 랜덤 배향 및 발광물질 입자들의 분포에 의해 이러한 복사의 전반적인 등방성 중첩(isotropic superimposition)이 발생한다. 따라서 장치는 이러한 파장범위의 램버트 법칙(Lambert's law)에 따라 거의 확산 스포트라이트(diffuse spotlight)과 같이 방출한다. 따라서, 이는 관찰방향, 특히, 각(Θ)에 따라 장치에서 나온 광의 색상을 일으킨다.
이에 더해, LED는 자체적으로 즉 단지 기하학적 조건으로 인해 이미 비균일한 방출특성을 일으키는 일반적으로 실질적인 입방체 형태이다.
이러한 효과를 상쇄하기 위해, LED에 의해 내보내지는 복사를 다소 널리 퍼지게 산란시키고 이에 따라 LED에 의해 내보내지는 복사 예컨대 내보내진 청색광 강도의 각 의존성을 약화시키는 LED 위에 확산입자들을 배열하는 것이 또한 추가로 알려져 있다. 이를 통해 관찰방향 또는 각(Θ)에 강하게 의존하지 않는 색상이 발생한다.
주물소재(하기에서 "형성재료"라고도 함) 층은 통상적으로 형광입자들 및 확산입자들의 위치 고정을 위해 이용되며, 상기 재료에서 입자들은 해당 공간상으로 분포되어 있다. 예컨대 주물소재로서 수지, 더 엄밀하게는 예컨대 에폭시 수지, 실리콘 또는 폴리우레탄 수지 또는 예컨대 실리콘 형태의 고무재료가 이용된다. 주물소재의 층은 종종 LED에 직접 놓이게 배치된다.
도 5에서, 해당기술분야의 상태에 따라 해당 장치(100)를 관통하는 개략적인 횡단면도가 도시되어 있다. LED(101)는 형성재료(102)에 의해 예컨대 미세하게 분산된 발광물질 입자들과 확산입자들(미도시)이 안에 있는 에폭시 수지로 둘러싸여 있다. 형성재료(102)는 마운팅의 컵형 함몰부(103)에 배치되어 있다. LED(2)는 SMD 구성요소로서 제공되거나 "칩 온 보드(chip-on-board)"에서 또한 제조될 수 있다. 도면을 참조로 아래방향으로 지향된 복사가 반사에 의해 위로 편향되고 발광물질 입자들에 의해 내보내진 복사(황색광)가 부분적으로 상기 형성재료에 의해 외부로 굴절되고 또한 부분적으로 전반사되는 화살표들이 개략적으로 표시되어 있다.
도 2에서, 확산입자가 없는 경우 해당 장치에 의해 내보내진 2개의 언급된 복사요소들 예컨대, "LED로부터의 청색광"과 "발광물질 입자로부터의 황색광"의 다른 방향의존성이 개략적으로 도시되어 있다. 표시된 숫자값은 LED의 표면법선과 소정 방출방향 간에 각(0°에서 360°)을 나타낸다. 강도는 반경방향으로 표시되어 있다(극좌표).
2개의 실선 곡선들로 2개의 다른 LED의 방출특성이 예시적으로 주어져 있다. LED에 의해 복사된 청색광은 표면 법선방향 주위 공간각으로 우선적으로 방출된다. 따라서, 복사는 방향 의존성을 나타낸다. 표면 법선과 방출방향 간에 각이 증가하는 도 2의 도면에 따르면, 강도가 작아져 LED의 기판표면의 면에 놓인 방향에서 최 소에 도달한다(90°에서 270°). 발광물질 입자들이 방출한 황색광의 강도(점선곡선)는 실질적으로 전혀 방향의존성을 나타내지 않는다. 따라서, 이 복사는 실질적으로 균일하거나 등방성이다.
청색광도 또한 발광물질 입자에서 소정 범위로 산란되나 일반적으로 이 효과는 청색광의 방향의존성을 제거하는데 충분하지 않다.
도 3에서, 복수의 확산입자들이 있는 공간내 산란행동이 개략적으로 도시되어 있다. 확산입자(110)는 형성물질(112)에 매입 분포되어 있다. 확산입자와는 별도로, 형성물질(112)은 발광물질 입자들(미도시)을 포함한다.
도 4에서, 각각의 확산입자에서 산란된 복사의 발생이 개략적으로 도시되어 있다. 기하광학의 접근 배경으로, 산란행동은 입자에 입사한 빔의 굴절과정에 의해 설명될 수 있다. 이에 의해 빔들은 한편으로는 확산입자들의 다른 굴절률과 다른 한편으로는 주위로 인해 입자표면을 통과시 굴절된다(확산입자: n2, 주위: n1).(이와 연계하여, 기하광학은 단지 확산입자가 실질적으로 입사복사의 파장보다 더 큰 경우 산란을 설명하는데 적합하다는 것이 고려되어야 한다. 대략 파장과 같은 크기이거나 더 작거은 확산입자들의 경우, 기하광학적 기술이 맞지 않는 것이 예상된다).
해당하는 발광장치가 US 6,653,765 B1에 알려져 있다. 이 참조문헌에서 확산입자는 바람직하게는 1.2 보다 큰 또는 특히 바람직하게는 1.46 보다 큰 굴절률을 가져야 하는 것으로 지시되어 있다. 더욱이, 확산입자들은 가능한 한 빛을 작게 흡 수해야 한다. 또한, 확산입자의 산란행동은 크기와 모양에 따른다. 확산입자는 바람직하게는 산란된 복사의 파장과 동일한 차수내에 있는 크기를 가져야 한다. 모양에 대해, 입자들은 불규칙 표면들이 바람직하다. 확산입자들에 대한 물질로서 유리, 석영, 티타늄(Ti) 산화물, 알루미늄(Al), 및 예컨대, 가돌리늄(gadolinium, Gd) 및 이트륨(yttrium, Y)과 같은 희토류가 언급된다. 티타늄 산화물(TiO2)과 알루미늄 산화물(Al2O3)가 바람직하다.
또한, 발광물질 입자들을 각각의 층에 제공하는 것이 이 참조문헌에 알려져 있다. 이 층은 실질적으로 평평하며 두께가 균일하다. 이를 통해 LED로부터 시작한 빔은 각(Θ)이 증가함에 따라 발광물질 입자에 입사하는 확률이 증가된다. 따라서, 발광물질 재료층에 의한 이 흡수는 방향에 의존하며 따라서 결과적으로 또한 장치 관찰시의 색상이다.
US 6,841,933 B2로부터 발광물질이 실리콘 비즈(silicon beads)에 가두어져 있고 상기 실리콘 비즈는 LED 위에 에폭시 수지로 이루어진 형성재료에 분산배열되어 있다. 형성물질은 확산광의 강화를 위해 "확산제"를 포함할 수 있고, 이를 위한 재료로, 티타늄 산화물, 티타늄 질화물, 탄탈륨 질화물, 알루미늄 산화물, 실리콘 산화물 또는 바륨 티타네이트(barium titanate)가 언급되어 있다. 발광물질로서 많은 유기물 및 또한 무기물이 사용을 찾을 수 있다.
US 6,069,440으로부터, 수지의 형성물질은 바륨 티타네이트, 티타늄 산화물, 알루미늄 산화물 또는 실리콘 산화물일 수 있는 분산제(dispersion agent)를 포함 하는 것이 알려져 있다. 발광물질은 Y, Lu, Sc, La, Gd 및 Sm 그룹에서 적어도 하나의 요소와 Al, Ga, In 그룹에서 적어도 하나의 요소를 포함하고 Cer과 함께 활성화된다; 예를 들면, Y3Al5O12:Ce 또는 Gd3In3:Ce가 포함될 수 있다.
US 6,936,862 B1으로부터, 주조 덩어리에서 이들 입자의 가능한 한 균일한 분산을 용이하게 하기 위해 서로 속박되어 있는 발광물질 입자와 확산입자로 구성된 입자로 발광물질 입자와 확산입자를 구성하는 것이 알려져 있다. 확산입자는 (Y,Ce,TB,Gd,Sc)3+t+u(Al,Ga,Tl B)5+u+2v(O,S,Se)12+2t+3u+3v(Ce,Tb) 그룹 금속의 산화물, 황성분 또는 셀레늄 성분을 포함하며, 여기서 0<t<5, 0<u<15, 0<v<9이다.
언급된 해당기술의 상태로, 확산입자에 대해 특히 품질등급과 순도에 대한 높은 필요조건들이 이용되는 문제가 있다. 흡수특징에 대해 적합한, 즉, LED에 의해 내보내진 해당 복사의 흡수가 가능한 한 적거나 "없는" 것이 명백한 해당하는 분산입자들의 제조는 특히 어렵다.
본 발명은 제조시 더 간단한 해당 장치를 필요로 하는 목적에 기초한다.
이 목적은 본 발명에 따른 독립 청구항의 특징부에 의해 달성된다. 종송 청구항들은 특히 이점적인 방식으로 본 발명의 핵심 개념을 더 발전시킨다.
본 발명에 따르면, 반도체를 포함한 복사방출소자를 갖는 발광장치가 제공된다. 상기 복사방출소자는 예컨대 청색광 또는 소정 파장범위의 광 및/또는 자외선 복사를 방출하는 LED일 수 있다. 더욱이, 상기 장치는 상기 복사방출소자에 의해 내보내진 복사의 일부를 흡수하고 상기 흡수된 복사의 파장과는 다른 파장을 갖는 광을 내보낼 수 있는 발광물질을 갖는다. 상기 발광물질은 예를 들면 황색광을 내보내는 예컨대 발광물질 입자일 수 있다. 상기 발광물질은 예컨대 수지로 만들어진 예를 들면 주물소재(캡슐화 소재)에 매입되는 예컨대 형광입자의 형태로 있을 수 있다. 또한, 상기 장치는 상기 복사방출소자에 의해 내보내진 복사의 일부를 산란시킬 수 있는 확산입자를 구비한다. 상기 확산입자는 이로써 비활성 발광물질이다.
상기로부터 산란이 복사방출소자로부터 직접 나온, 예컨대 LED로부터 발생한 복사성분에 특히 중요한 것이 명백해지는데, 이는 정확하게 이 성분은 대체로 방향의존성이 줄어들기 때문이다.
비활성 발광물질은 특히 청색파장 범위의 광을 전혀 또는 단지 무시할 정도로 적게 흡수한다. 또한, 비활성 물질은 해당하는 활성화된 발광물질과 똑같거나 심지어 해당하는 활성화된 발광물질보다 더 큰 고도의 안정성을 갖는다. 더욱이, 상기 비활성 발광물질은 특히 임의의 소정입자 크기 분포로 만들어질 수 있다. 또한, 상기 비활성 발광물질은 비교적 큰 굴절률을 가지므로, 한편으로는 상기 발광물질과 다른 한편으로는 상기 주물소재의 굴절률 간에 비교적 큰 차가 전반적으로 구현될 수 있다. 이를 통해 해당장치의 이러한 특징적인 생산이 해당기술분야의 상태에 비해 실질적으로 더 용이하게 이루어진다.
본 발명으로 산란된 복사성분의 최적 조절이 소정 크기 분포의 비활성 발광물질의 확산입자들을 간단하게 추가할 수 있다.
확산입자는 예컨대 수지 또는 고무재료, 예컨대, 실리콘의 주물 덩어리의 층에 추가 분포될 수 있고, 이에 의해 상기 주물 덩어리는 상기 확산입자와는 다른 굴절률을 갖는다(산란효과를 위해 다른 굴절률을 가져야만 한다). 주물 덩어리는 예컨대 커버층으로서 LED를 직접 덮을 수 있다. 발광물질은 상기 주물 덩어리에 분포된 입자의 형태로 있을 수 있다.
이점적으로 확산입자는 발광물질이 구성되는 물질과 동일한 화학 종류(chermical class)로 구성된다.
바람직하기로 확산입자는 적어도 부분적으로 비활성 알루미네이트, 예컨대, 이트륨 알루미늄 가닛(yttrium aluminium garnet), 비활성 알카리토 오르소실리케이트(earth alkali orthosilicates)(Ba2-x-ySrxCaySiO4), 비활성 티오갈레이트(thiogallate)(Ba,Sr,Ca)(Ga,Al)2S4, 비활성 알카리토 설파이드(earth alkali sulphides)(Ba,Sr,Ca)S, 비활성 질화물(Ba,Sr,Ca)2Si5N8, 비활성 옥시도니트리도 실리케이트(oxido-nitrido silicates)(Ba,Sr,Ca)2Si5-a(Al,Ga,In)aN8-aOa, 또는 다른 비활성 기본 격자(붕산염, 인산염 등)로 구성된다. 특히 발광물질 입자의 기본 격자 타입은 확산입자의 기본 격자 타입과 같은 것이 제공될 수 있다.
이점적으로 확산입자는 적어도 부분적으로 광결정이다.
이점적으로 장치내 확산입자의 분포는 기울기를 가지며, 이에 의해 LED로부터 거리가 멀어짐에 따라 상기 확산입자의 분포밀도가 감소된다. 이점적으로 상기 발광물질 입자의 분포는 기울기를 가지며, 이에 의해 LED로부터 거리가 멀어짐에 따라 상기 발광물질 입자의 분포밀도가 증가된다. 이런 식으로 LED에 의해 내보내진 복사, 예컨대, 내보내진 청색광이 발광물질 입자에 의해 또 다른 파장의 복사로 부분적으로 변경되기 전에 우선적으로 먼저 산란되는 것이 달성될 수 있다. 이를 통해, LED에 의해 내보내진 복사의 방향의존성이 특히 효과적으로 감소될 수 있다.
이에 따라 LED에 더 가까이 있는 층에는 확산입자들만이 제공되고 LED로부터 또한 제거된 층에는 발광물질 입자들만이 제공되는 2개의 각각의 층들이 또한 제공될 수 있다.
이점적으로, 확산입자는 직경이 약 1 내지 약 40㎛이다. 이에 의해 확산입자의 개수는 (평균) 확산입자 크기에 따라 이점적으로 선택될 수 있다. (평균) 확산입자의 크기가 더 작을수록, 확산입자의 개수가 더 많이 선택될 수 있다. 이는 주어진 공간내에 산란사건 회수를 더 많이 발생하게 하고 이에 따라 강화된 산란효과를 초래한다.
특히 약 2 에서 약 30㎛의 확산입자들의 크기 분포가 이점적이다. 분포는 예컨대 약 5 내지 6㎛에서 최대일 수 있다. 이는 도 6에 개략적으로 도시되어 있다.
이점적으로 확산입자는 만곡된 표면을 갖는다. 상기 입자는 예컨대 대략 구형일 수 있다. 만곡된 표면들은 많은 작은 평평면들로 구성될 수 있다. 대조적으로 예컨대 판형 또는 입방형 입자 등의 경우에서와 같이 평평한 평행면들을 갖는 형태들은 적합하지 못하다.
이점적으로 확산입자들의 개수는 발광물질 입자의 개수와 같거나 작다. 예컨대, 바륨 스트론튬 오르소실리케이트(barium strontium orthosilicate)의 확산입자 및 발광입자의 경우, 발광물질입자 대 확산입자의 약 2 대 1 비가 제공될 수 있다.
이점적으로 주물소재(또는 메트릭스 소재)로서 실리콘, 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 에폭시 수지 또는 폴리우레탄이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 반도체를 포함하는 복사방출소자를 갖는 발광장치가 제공된다. 더욱이, 상기 장치는 상기 복사방출소자에 의해 내보내진 복사의 일부를 흡수하고 상기 흡수된 복사의 파장과는 다른 파장을 갖는 광을 내보낼 수 있는 발광물질을 갖는다. 게다가, 상기 장치는 상기 복사방출소자에 의해 내보내진 상기 복사의 일부를 산란할 수 있는 확산입자를 갖는다. 상기 확산입자는 발광물질로서 같은 기본물질로 구성되며, 이로써 상기 확산입자의 물질은 비활성이 된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 반도체를 포함하는 복사방출소자를 갖는 발광장치가 제공된다. 더욱이, 상기 장치는 상기 복사방출소자에 의해 내보내진 복사의 일부를 흡수하고 상기 흡수된 복사의 파장과는 다른 파장을 갖는 광을 내보낼 수 있는 발광물질을 갖는다. 이로써 상기 장치로부터 나온 광이 소정(입체각) 범위로 방출되는 방출방향들이 제공된다. 발광물질은 상기 발광물질을 통과하는 흡수경로길이가 실질적으로 상기 방출방향에 무관하도록 배열된다.
이에 의해, 복사방출소자 또는 상기 소자의 중심이 방출방향에 대해 기준점으로 보여질 수 있다. 제공된 방출방향은 예컨대 LED의 표면법선 주위로 대칭적으로 확장된 반구면으로 간단히 이끌어진다. 그러나, 제공된 방출방향들에 대해 더 작은 공간 각범위가 또한 가능하다.
예컨대, 발광물질은 예컨대 층내에 균일하게 배열된 발광물질 입자들의 형태로 있을 수 있고, 이에 의해 층의 기하학적 형태가 이를 통해 기하학적 경로길이가 실질적으로 모든 방출방향에서 동일하게 보여지도록 선택된다. 이는 예컨대, LED 위에 배열된 발광물질 입자들의 층에 의해 구현될 수 있고, 상기 층은 평평한 아래측과 대략 볼록하게 형성된 상단측을 갖는다.
이점적으로 상기 발광물질은 장치내 2개의(가상적으로) 동심 구형면들 사이의 공간에 배열되어 있다. 이를 통해 발광물질에 의한 흡수가 모든 방출방향으로 균일하게 영향받는 특별히 간단한 방식으로 가능해진다. 이와 함께 특별히 균일한 색상 또는 보다 일반적으로 고안된 "시각적 인상(visual impression)", 즉 예컨대, 장치에 의해 방출된 광의 "백색 인상(white impression)"이 전체적으로 달성될 수 있다. 경로의 구형면들 사이의 공간은 발광물질로 완전히 채워질 필요는 없다. 발광물질이 배열되어 있는 결정 공간은 오히려 소정 방출방향을 포함하는 구형면들 사이의 영역에 자체적으로 한정된다. 이 공간은 예컨대 방출방향으로 LED로부터 뻗어나온 절반공간에 의해 형성될 수 있다. 따라서, 이 경우 발광물질은 2개의 동심 반구면내에 배열될 수 있다.
이점적으로, 구형면의 중심이 복사방출소자내에, 예컨대, LED내에 그리고 또한, 예컨대, 복사방출소자의 (기하학적) 중심에 배열되어 있는 것이 형성될 수 있다. 이로써 발광물질은 이점적으로 복사방출소자로부터 방출방향으로 확장된 반구내에 2개의 동심 구형면들 간에 배열될 수 있다. 이는 예컨대 LED의 주요 방출면의 표면 법선 방향으로 뻗어 있는 반구일 수 있다. 이에 의해 발광물질은 상기 발광물질로 채워진 공간내에 균일하게 분산배열되어 있는 발광물질 입자의 형태로 있다.
발광물질은 예컨대 복사방출 방향에 대해 주물 덩어리에 의한 위치에 고정된 발광물질 입자의 형태로 제공될 수 있다. 게다가, 상기 장치는 상기 복사방출소자에 의해 내보내진 복사의 일부를 산란시킬 수 있는 확산입자들을 가질 수 있다. 상기 확산입자는 상기 복사방출소자와 내부 구형면 사이 공간에 제공될 수 있다. 이점적으로 가능하다면 확산입자와 또한 발광물질 입자들이 각각 균일하게 분포되어 있다.
더 이점적으로 장치내 2개의 구형면들 사이 공간 밖에는 어떠한 발광물질들도 제공되지 않는다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 특히 상기 장치의 복사방출소자에 의해 내보내진 복사의 산란을 위해 발광장치내 비활성 발광물질의 이용이 제공된다. 상기 발광물질은 이점적으로 방출방향 영역내에 배열된 분산된 입자들의 형태로 제공된다.
다른 특징, 이점 및 특성들은 예시적인 실시예의 상세한 설명을 참조로 그리고 첨부도면을 참조로 설명된다:
도 1은 본 발명에 따른 발광장치를 관통하는 개략 횡단면도이다.
도 2는 한편으로는 LED가 내보낸 복사에 대해 다른 한편으로는 형광입자들이 내보낸 복사에 대한 대표적인 분포 패턴이다.
도 3은 공간내 확산입자에서 복사의 산란의 기본도이다.
도 4는 각각의 확산입자에서 광굴절에 의한 산란의 기본도이다.
도 5는 해당기술의 상태에 따른 발광장치를 관통하는 개략 횡단면도이다.
도 6은 확산입자의 크기 분포함수를 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 1은 발광장치(1)를 도시한 것이다. 장치는 복사방출소자로서 반도체, 즉, 발광다이오드(LED)(2)를 포함한다. LED(2)는 예컨대, 도면을 참조로 위쪽으로 청색광을 복사한다. LED의 활성을 위해 필요한 전기 성분들에 대해 어떠한 것도 언급되어 있지 않는데, 이는 상기 성분들이 본 발명에 직접 연관성이 없기 때문이다. 이에 대해 해당기술분야의 상태에 대한 주목이 지향된다.
더욱이 장치(1)는 형광입자(3)의 형태로 발광물질을 갖는다. 발광물질입자라고도 하는 형광입자(3)는 LED(2)에 의해 내보내진 복사의 일부를 흡수하고 흡수된 복사의 파장과는 다른 파장으로 광을 내보낼 수 있다. 발광물질입자(3)에 의해 내보내진 복사는 예컨대 황색광일 수 있다. LED(2)에 의해 내보내지고 형광입자(3)에 의해 흡수된 복사의 경우, 적어도 부분적으로 또한 자외선 복사가 포함될 수 있다.
더욱이 본 장치(1)는 LED(2)에 의해 내보내진 복사의 일부를 산란시킬 수 있는 확산입자(4)를 갖는다. 확산입자(4)는 비활성 발광물질로 구성된다.
이 예시적인 실시예에 따르면 형광입자(3)와 확산입자(4) 모두가 예컨대 수지일 수 있는 "주물소재"인 형성물질(5)에 분포되어 있다. 바람직한 주물소재는 실리콘, PMMA, 에폭시 수지 또는 폴리우레탄이다. 형성물질(5)은 LED(2)가 함몰부의 기부상 중간에 위치된 컵모양의 함몰부(6)에 채워진다. 확산입자(4)는 이 예시적인 실시예에 따르면 형광입자(3)와 같은 기본물질로 구성되나, 확산입자(4)의 물질은 비활성이다. 이를 통해 확산입자(4)는 특히 광을 전혀 흡수하지 않고 특히 효과적으로 산란하는 특성을 갖는다.
이 예시적인 실시예에 따르면, 확산입자(4)는 비활성 바륨 스트론튬 오소실리케이트(BaSrSiO4) 또는 비활성 YAG로 구성된다. 발광물질입자(3)는 확산물질입자(4)의 물질이 예컨대 유로퓸 이온(europium ions)의 포함에 의해 활성되는 동일하지만 차이를 갖는 물질로 구성된다.
이러한 물질의 사용으로 확산입자(4)는 특히 임의의 소정 크기 분포로 만들어질 수 있다. 따라서 도 1을 참조로 위쪽으로 장치(1)를 떠난 광의 산란성분을 증가시키기 위해, 형성물질(5)내 확산입자(4)의 분포밀도는 예컨대 간단히 이에 따라 (그리고 주위의 다른 식으로) 증가될 수 있다.
확산입자(4)는 실질적으로 구형이다. 이들의 직경은 약 2 내지 30㎛의 범위내에 있다. 이에 의해 확산입자의 크기 분포는 최대이며 보다 더 정확하게는 약 5에서 6㎛가 된다. 이러한 크기 분포가 도 6에 개략적으로 도시되어 있다.
형성물질(5)에서 확산입자(4)의 분포는 (공간적으로 고려해) 균일하게 형성될 수 있다. 그러나, LED(2) 바로 부근에서 확산입자(4)는 형성물질(5)의 더 높은 영역에서, 즉, LED의 표면에서 또한 제거되는 영역에서 보다 더 밀하게 형성되는 것이 이점적으로 증명될 수 있다. 따라서, 확산입자(4)가 예컨대 LED(2) 바로 부근에 제공되는 반면 형광입자(3)는 형성재료(5)의 다른 영역에, 이에 따라 예컨대, (도 1을 참조로) 형성재료(5)의 상부 절반에 제공는 것이 증명될 수 있다. 이 경 우, LED(2)에 의해 내보내진 광은 형광입자(3)가 있는 영역과 만나기 전에 먼저 현저하게 모든 방향으로 확산입자(4)에 의해 다소 널리 퍼지게 분포된다. LED(2)의 (청색) 복사의 전방 피크는 이를 통해 특히 효과적으로 감소될 수 있고, 전반적인 더 균일한 장치(1) 각분포 방출이 달성될 수 있다.
도 7에서, 제 2 실시예에 따른 장치(120)가 도시되어 있다. 이 경우 확산입자(4)와 발광물질 입자(3)(상세히 도시되어 있지 않음) 사이에 공간 분리가 형성되어 있다. LED(2)는 주물 덩어리로부터 형성된 제 1 층(8)에 의해 덮여 있고, 상기 확산입자(4)는 공간적으로 균일하게 분산배열되어 있다. 확산입자(4)는 이 예시적인 실시예에 따라 예컨대 실리카 겔(실리실산 겔)로 구성될 수 있다. 따라서, 제 1 층(8)은 산란층을 나타낸다.
제 1 층(8)은 LED(2)에 직접 놓여있다. (도면을 참조로) 위쪽으로 바라보는 표면(10)은 돔형이다. 이 속박면(10)은 구표면의 일부분, 보다 더 정확하게는 대략 반구면 형태를 갖는다.
발광물질 입자(3)가 주조 덩어리에 균일하게 배열되어 있는 제 2 층(9)이 제 1 층(8)에 바로 인접해 있다. 제 2 층(9)은 상기 제 1 층(8)의 굴절률과 같은 굴절률을 갖는 폴리머로 구성될 수 있다.
제 2 층(9)의 발광물질 입자(3)는 말하자면 LED(2)에 의해 내보내지고 제 2 층(9)에 입사하는 복사의 파장을 적어도 부분적으로 바꾼다. 예컨대, 황색광은 LED(2)에 의해, 발광물질 입자(3)에서 형광에 의해 복사된 청색광에 기인한다. (파장) 변형층(9)에 대해 거론할 수 있다.
제 2 층(9)의 위쪽 외부로 지향된 표면(11)은 차례로 돔형이다. 따라서, 이 표면(11)은 차례로 구면형이며 이에 의해 2개층(8 및 9)간에 속박면(10)과 동심을 이룬다.
LED(2)는 평면(7)에 형성된 컵형태의 함몰부(60에 배치되어 있다. 이 예시적인 실시예에 따르면, 함몰부(6)는 대략 LED(2)의 수직 범위(높이)의 대략 절반깊이이므로, LED(2)의 기하학적 중간지점은 대략적으로 주변표면(7)에 의해 주어진 평면내에 놓여있다.
제 1 층(8)의 표면(10)은 둘러싼 평면(7)상의 함몰부(6) 가장자리에 대략 인접해 있다. 따라서, 함몰부(6)의 직경은 제 1 층(8)의 직경과 대략 동일하다.
따라서, 2개 표면(10 및 11)은 동심적으로 배열되어 있고 이들 2개 구의 부분 표면(10 및 11)의 가운데 지점이 LED(2)의 중심에 놓여 있다.
LED(2)에 의해 내보내진 복사는 확산입자(4)에서 제 1 층(8)에 부분적으로 산란된다. 이를 통해 이러한 복사요소의 강도의 방향의존성이 현저히 약화되고 이 복사의 전파방향에 대해 실질적으로 "더 균일"하거나 "더 등방적"인 복사가 발생한다.
함몰부(6)는 LED(2)에 의해 내보내진 복사에 대해 완전히 또는 부분적으로 반사한다. 이 경우 일반적으로 함몰부(6)의 가장자리 영역 또는 바닥에서 반사가 또한 있게 된다.
전반적으로, 층(8)에서 나와 경계면(10)에 입사하는 복사는 어떠한 선호방향을 가지지 않거나 적어도 확산입자가 없는 경우 보다 방향의존성이 실질적으로 줄 어드는 것이 이를 통해 발생된다. 제 2 층(9)은 균일한 복사층 두께를 갖고 발광물질 입자(3)는 이 층(9)에서 균일하게 분포되기 때문에, 변환층(9)에서 발생하는 흡수는 또한 (표면(7)을 둘러싼 평면 부근에서 있을 수 있는 가장자리 효과를 제외하고) 제 1 층(8)에서 나온 복사가 제 2 층(9)에 들어가는 위치에 무관하다. 따라서, 흡수경로길이는 실질적으로 복사의 진입지점에 무관하다. 따라서, 이런 식으로 발광물질층의 제공을 통해 장치(120)에 의해 외부로 내보내진 광에 대한 방향의존성이 형성되는 것이 방지된다.
전반적으로, 이러한 배열로 장치(120)의 표면을 나타낼 수 있는 실질적으로 외부 구면(11)의 모든 위치에서 장치(120)로부터 나오기 시작한 복사가 현저히 수직하게 외부로 지향되는 것이 달성된다. 이는 도 7에 화살표로 도시되어 있다. 이런 식으로, 장치(120)의 복사특징의 "균일성(homogeneity)"이 증가될 수 있다. 예컨대, 스크린상의 원방영역(far-field region)은 또한 이를 통해 특히 균일하게 구성될 수 있다.
제조를 위해, 확산입자는 비활성 물질과 활성물질의 발광물질 입자를 소정 비율로, 예컨대, 1:2로 혼합하여 주물소재에 추가될 수 있다. 그런 후, 이 혼합물은 주조되거나 그렇지 않으면 예컨대 LED에 직접 도포될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이점은 다음과 같이 요약될 수 있다:
·장치는 제조시 비교적 간단하고 경제적이다.
·상기 장치로, 더 균일하고 예컨대 모든 가능한 시각방향에 걸쳐 상대적으로 균일한 더 많은 백색광 색상이 발생될 수 있다.
·확산입자는 산란광의 구성성분의 미세조절이 달성될 수 있도록 임의의 소정 크기분포로 제조될 수 있다.
참조부호 리스트
1. 발광장치
2. LED
3. 형광입자
4. 확산입자
5. 형성물질
6. 컵형 함몰부
7. 평평면
8. 제 1 층
9. 제 2 층
10. 제 1 층의 상부 지향면
11. 제 2 층의 상부 지향면
100. 해당기술분야의 상태에 따른 장치
101. (해당기술분야 상태의) LED
102. (해당기술분야 상태의) 형성물질
103. 마운팅
110. 확산입자
112. 형성물질
120. 제 2 실시예에 따른 장치
본 발명의 상세한 설명에 포함됨.

Claims (20)

  1. 반도체(2)를 포함한 복사방출소자와,
    상기 복사방출소자에 의해 내보내진 복사의 일부를 흡수하고 상기 흡수된 복사의 파장과는 다른 파장을 갖는 광을 내보낼 수 있는 발광물질(3)과,
    상기 복사방출소자에 의해 내보내진 복사의 일부를 산란시킬 수 있는 확산입자(4)를 구비하며,
    상기 확산입자(4)는 비활성 발광물질인 것을 특징으로 하는 발광장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산입자(4)가 구성되는 물질은 상기 발광물질(3)이 포함되는 물질과 동일한 화학 종류인 것을 특징으로 하는 발광장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 확산입자(4)는 적어도 부분적으로 비활성 YAG가 포함되는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산입자(4)는 적어도 부분적으로 비활성 BaSrSiO4이 포함되는 것을 특 징으로 하는 발광장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산입자(4)는 적어도 부분으로 광결정(photonic crystals)인 것을 특징으로 하는 발광장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치(1)내에 확산입자(4)의 분포는 기울기를 가지고 있어, 이에 의해 상기 LED(2)로부터 거리가 멀어짐에 따라 상기 확산입자(4)의 분포밀도가 감소하는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광물질(3)은 입자 형태로 있으며 상기 장치(1) 영역내에 상기 발광물질 입자의 분포는 기울기를 가지고 있어, 이에 의해 상기 LED(2)로부터 거리가 멀어짐에 따라 발광물질입자(3)의 분포밀도가 증가하는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산입자(4)는 직경이 약 1 내지 약 40㎛ 사이인 것을 특징으로 하는 발광장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산입자(4)는 실질적으로 구형인 것을 특징으로 하는 발광장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광물질(3)은 입자의 형태로 있고 상기 확산입자(4)의 개수는 상기 발광물질(3)의 입자 개수보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 발광장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산입자(4) 및/또는 상기 발광물질은 주물소재에 매입되어 있는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 주물소재는 실리콘, PMMA, 에폭시 수지 또는 폴리우레탄인 것을 특징으로 하는 발광장치.
  13. 반도체(2)를 포함하는 복사방출소자와,
    상기 복사방출소자에 의해 내보내진 복사의 일부를 흡수하고 상기 흡수된 복사의 파장과는 다른 파장을 갖는 광을 내보낼 수 있는 발광물질(3)과,
    상기 복사방출소자에 의해 내보내진 복사의 일부 및/또는 상기 발광물질(3) 에 의해 내보내진 광의 일부를 산란시킬 수 있는 확산입자(4)를 구비하며,
    상기 확산입자(4)는 상기 발광물질(3)과 같은 기본 물질이며, 상기 확산입자(4)의 물질은 비활성인 것을 특징으로 하는 발광장치.
  14. 반도체(2)를 포함하는 복사방출소자와,
    상기 복사방출소자에 의해 내보내진 복사의 일부를 흡수하고 상기 흡수된 복사의 파장과는 다른 파장을 갖는 광을 내보낼 수 있는 발광물질(3)을 구비하는 발광장치(1)로서,
    상기 장치의 광이 방출되는 방출방향에 대해 소정범위가 제공되며,
    상기 발광물질(3)을 통과하는 흡수경로길이가 실질적으로 방출방향에 무관하도록 상기 발광물질(3)이 배열되는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 발광물질(3)은 2개의 동심 구형면(10,11)내에, 특히 반구면내에 배열되는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 구형면(10,11)의 중심이 상기 복사방출소자에 있는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 2개의 구형면(10,11) 사이의 공간 외부에 어떠한 발광물질(3)도 상기 장치내에 배열되어 있지 않는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  18. 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복사방출소자와 상기 내부 구형면(1) 사이에 뻗어 있는 공간내에 확산입자들(14)이 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  19. 발광장치(1)내에 비활성 발광물질의 사용.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 발광장치(1)는 복사방출소자로서 반도체(2)를 갖는 것을 특징으로 하는 비활성 발광물질의 사용.
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