KR20110003377A

KR20110003377A - 반도체 광원을 포함하는, 특히 백색 또는 유색 광원용 전환 물질, 이의 제조 방법 및 상기 전환 물질을 포함하는 광원

Info

Publication number: KR20110003377A
Application number: KR1020107026495A
Authority: KR
Inventors: 라이너 리이발트; 클라우디아 슈톨츠; 페터 브릭스; 지몬 모니카 리터; 페터 나스; 디이터 괴데케; 자빈 피흘러-빌헬름; 사브리나 비머
Original assignee: 쇼오트 아게
Priority date: 2008-04-29
Filing date: 2009-04-29
Publication date: 2011-01-11
Also published as: TWI455350B; WO2009132840A2; EP2274248B1; JP2011518752A; US20120057337A1; TW201003997A; DE102008021438A1; US20180194673A1; WO2009132840A3; US9950949B2; CN102076624A; EP2274248A2; US10988408B2

Abstract

본 발명은 1차 광원으로서 반도체 광원을 포함하는, 특히 백색 또는 유색 광원을 위한 전환 물질에 관한 것이며, 벌크 물질로서 약 1 ㎜의 두께 d에 대하여, 350 내지 800 ㎚의 파장 영역 및 1차 광원이 광을 방출하는 영역에서 순수 투과율 τ_i가 80%를 초과하는 매트리스 유리를 포함하고, 발광단이 없는 소결 매트릭스 유리의 투과율과 반사율의 합이 350 ㎚ 내지 800 ㎚의 스펙트럼 영역과 1차 광원이 광을 방출하는 스펙트럼 영역에서 80% 이상이다.

Description

반도체 광원을 포함하는, 특히 백색 또는 유색 광원용 전환 물질, 이의 제조 방법 및 상기 전환 물질을 포함하는 광원{CONVERSION MATERIAL, ESPECIALLY FOR A WHITE OR COLORED LIGHT SOURCE COMPRISING A SEMICONDUCTOR LIGHT SOURCE, METHOD FOR PRODUCING THE SAME AND LIGHT SOURCE COMPRISING SAID CONVERSION MATERIAL}

본 발명은, 특히 반도체 광원을 포함하는 백색 또는 유색 광원용 전환 물질, 뿐만 아니라 상기 전환 물질을 포함하는 광원에 관한 것이다.

본 발명은, 특히 1차 광원의 방사선의 적어도 부분적인 전환을 위한 전환 물질을 제공하는 것을 의도하는데, 상기 1차 방사선은 청색 광을, 예를 들면 이하 2차 방사선이라고도 언급되는 다른 파장의 광으로 포함시킬 수 있고, 황색 광을, 예를 들면 상기 1차 방사선과 중첩하여 포함할 수 있으며, 경우에 따라서, 광대역 2차 방사선은 유색 또는 백색 광을 생성할 수 있다.

전환 물질의 적절한 선택과, 전체 시스템의 조절을 통하여, 이 방식으로 이 광원의 광 색상 또는 색 좌표를 조정할 수 있다.

발광단(luminophore)은 1차 광원을 다른 파장의 광으로 전환시키는 데 사용되며, 통상적으로 "인광체"라고도 한다. 이러한 발광단은 일반적으로 매트릭스에 매립되며, 이를 통하여 1차 광이 방사된다. 전환 정도는 전환 물질의 두께 및 발광단과의 도핑 또는 복수의 도핑의 종류와 농도에 의해 조절될 수 있다.

방출된 광의 색 좌표는 이 경우에서 전환 정도를 통하여 특정한 제한 내에서 조절될 수 있어서, 백색 광이 생성되는 경우, 생성된 전체 방사선의 웜 및 콜드 화이트 포인트(warm and cold white point)가 가능해진다.

예를 들면, 1차 광원에서 방출되는 청색 광과, 1차 광원의 청색 광의 전환에 의해 생성되는 황색 광의 중첩에 의한 백색 광의 생성은 예전부터 알려져 있다.

현재 확립된 기술적 해결책은, 일반적으로 에폭시 수지 또는 실리콘으로 구성된 중합체 매트릭스 내에 존재하고 결합된 인광체를 기반으로 한다.

이러한 구체예의 경우에서의 결점은, 특히 습기 및 방사선, 특히 단파장(UV)과 같은 환경 조건과, 예를 들면 120℃보다 높은 고온에 대한 중합체의 민감도이다. 이들이 개별적으로 또는 함께 일어난다면, 광학 중합체 특성의 열화 또는 에이징이 초래되는데, 이미 부분적으로 어느 경우에서나 최적이 아니다. 그 후 뒤따르는 팽윤, 헤이즈, 열화(황변, 갈변) 또는 심지어 분해 때문에, 이러한 사용되는 광학 시스템의 성능과 내용 연수가 크게 손상된다.

LED와 레이저 다이오드(LD)를 기반으로 하는 반도체 광원의 성능 커패시티, 특히 광 출력이 증가함에 따라, 열 안정성이 더욱 중요하게 되는데, 그 이유는 높은 허용 전력 밀도와 높은 전류를 가진 반도체 시스템에 의하여, 그 중에서도 이러한 광원의 성능 증가가 달성되어, 전체 시스템이 더 높은 방사 전력뿐만 아니라, 더 높은 열 하중에 노출되기 때문이다.

현 시점에서 이미 통상적인 온도 레벨은 대략, 그리고 현저하게는 150℃ 이상, 일부 경우에서는 심지어 180℃ 이상이며, 200℃보다 높은 온도에 대해 분명한 경향을 보인다. 따라서, 수만 시간 이상의 장기간 사용에서, 중합체는 그 자체로 현 시점에서 이미 그 적용 한계를 나타내며, 그러한 광원의 내용 연수에 대한 제한적인 매개변수로서 분류될 것이다.

EP 0 936 682 B9(Nichia, "Light emitting device and display device")에는, GaN 기반 청색 광 발광 다이오드(LED)가 1차 광원으로서, (Y_1-rGd_r)₃Al₅O₁₂:Ce(r은 0 내지 1임)를 주성분으로 하는, 전환을 위한 황색 형광 발광단과 함께 기재되어 있다. 에폭시 수지, 우레아 수지, 실리콘 수지 또는 유리와 같은 투명 물질은 발광단을 매립하기 위한 매트릭스로서 사용된다.

그러나, 이 경우에서 중합체의 전술한 단점 전부가 나타난다. 이 문헌에서는, 예를 들면 특정 조성의 Zn 포스페이트의 경우에서 일어나는, 예컨대 발광단과의 반응성과 같은 특정 유형의 유리의 고유 단점, 예를 들면 또한 이 환경에서의 산화환원 반응과 고유 색변(intrinsic coloration)에 대한 고찰이 이루어지지 않았으며, 이는 전체 광원의 전환 및 성능 특성에 부정적인 영향을 미친다.

US 2006/0113906 A1(Nichia, "Light emitting device and method of manufacturing thereof")에는 발광 칩을 전환하고 보호하기 위한 유리 플레이트를 갖춘 다이오드가 기재되어 있으며, 상기 유리는 필수적으로 B₂O₃(20 내지 30 중량%) 및 ZnO(50 내지 60 중량%)로 구성되고, 임의로 SiO₂(0 내지 10 중량%) 및/또는 TiO₂(0 내지 10 중량%) 및/또는 유리 온도 Tg가 200℃ 내지 700℃, 바람직하게는 430℃ 내지 600℃이고, 가능하게는 광 전환을 위한 형광 물질을 함유하는 기타 성분으로 구성된다. 유리 플레이트는 반도체 칩의 커버로서 기재되어 있으며, 유리 플레이트는 칩으로부터 간격을 두고 배열된다. 또한, 상기 유리가 발광단을 함유할 수 있다고 기재되어 있지만, 이 유리가 어떻게 이 발광단으로 제조될 수 있는 지에 대해서는 고찰이 이루어지지 않았으며, 심지어 경험상, 예를 들면, Ce:YAG와 또한 다른 발광단이, 커버로서 상기 문헌에 기재된 유리 플레이트를 얻기 위하여 요구되는 유리 용융물에서는 가공될 수 없는 것으로 나타났다. 통상의 열 처리 동안, 일반적으로, 유리와 발광단이 이에 관하여 서로 명확하게 정합하지 않는 한, 두 성분 간의 상호 화학 반응에 대한 성향이 존재한다. 더욱이, 각각의 경우에서 유리와 이의 발광단의 특정 설계에서, 고유 색변뿐만 아니라 해합이 뒤따를 수 있다.

EP 1 471 777 A2에는 Ce로 활성화되고, 가넷 구조를 가진 발광단이 기재되어 있는데, 여기서 테르븀 및 Y, Lu, Sc, La, Gd 또는 Sm이 호스트 격자의 주성분이다. 사용되는 실링 화합물은 전술한 모든 단점을 가진 중합체를 포함한다.

DE 10 137 641 A1은 유리질체로부터 형성되는, 발광단 매립을 위한 돔형 매트릭스를 기술한다. 1차 광을 방출하는 칩과 매립된 발광단이 있는 돔 사이의 오목부에는 임의로 굴절률이 높은 투명 매체가 충전된다. 이 돔은 유리로 이루어질 수 있으며, 발광단, 형광 유리 또는 형광 유리 세라믹을 함유할 수 있다. 발광단이 기본적으로 유리에 매립될 수 있는 방법이 기술되지만, 부적절한 유리의 경우, 매립 공정 동안 손상되어 적어도 부분적으로 또는 심지어 완전히 그 전환 특성을 손실하고, 이 경우에서 고유 색변으로 향하는 현저한 성향이 있기 때문에 유리의 전이 특성이 이 공격에 의해 악영향을 받게 되어 LED의 효율이 크게 감소된다는 사실에 대한 고찰은 이루어지지 않았다.

DE 102005023134에는 유리 매트릭스에 매립되는 발광단의 용도가 기재되어 있다. 두 가지 유리 부류, 붕소 크라운 유리(예를 들면, 16 내지 25% K₂O를 함유함)와 란탄 크라운 유리(예를 들면, 5 내지 25% ThO₂를 함유함)가 유리 매트릭스로서 기재되어 있다. 이 특허 문헌에서도, 유리 컨버터 시스템의 생산성은 고려되지 않았으며, 1차 광원 및 컨버터를 포함하는 전체 시스템에 대해서 예상되는 부정적인 영향도 여전히 존재한다. 더욱이, 붕소 크라운 유리 때문에, 칩과 컨버터 간의 부정적인 영향이, 고 알칼리 함량과, 특히 고온에서 반도체로의 알칼리 이동으로 인하여 예상되며, 내용 연수를 크게 열화시킨다. 상기 문헌에서 언급된 란탄 크라운 유리는 ThO₂ 함량에 의한 부정적인 방식으로 특징되며, 또한 사용되는 원료 때문에 비싸다. 제조, 사용 및 재활용 동안 그 환경 적합성은 추가의 심각한 문제를 제기한다.

US 6,642,618 B2에는, 전환 물질로서 형광 물질로 도핑된, 졸-겔 유리로 이루어진 층의 사용이 기재되어 있다. (Sr, Br, Ca)Ga₂S₄:Eu² ⁺ 유형의 황화물이 형광 물질로서 사용된다. 졸-겔 경로에 의해 생성된 유리는 PbO, Ga₂O₃, Bi₂O₃, CdO, ZnO, BaO 및 Al₂O₃ 군 중의 하나 이상의 성분을 함유한다. 졸-겔 경로는, 결국 그 자체의 컨버터의 가변성에 관한 단점을 갖는데, 그 이유는 두께가 10 ㎛ 미만인 단지 매우 얇은 층이 컴팩트 형태로 제조될 수 있기 때문이다.

졸-겔 경로에 의한 컴팩트 고체의 제조는 이론적으로는 가능하지만, 24 시간보다 긴 건조 시간 때문에 복잡하며, 많은 중요한 응용에 대해 고가이고, 비실용적인 것으로 분류된다.

더욱이, 공지된 유리도 RoHS에 따라서 금지된 성분을 함유한다.

약어 RoHS(영문: Restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment)는, 요약하면, 칼륨 최대 0.01 중량%, 납, 수은, 6가 크롬, PBB 및 PBDE 각각 최대 0.1 중량%를 허용하는, 전기 및 전자 장비 및 성분의 제조 및 가공에서의 특정 물질을 제한하는 EC 법령 2002/95/EC, 뿐만 아니라 국가 제정법 내 각각의 시행령에 관한 것이다.

졸-겔 층의 이 두께는, 결국에는 발광단으로 도핑되는 능력을 제한하게 되며, 그 결과, 청색 편향 색 임프레션을 가진 모든 것 중에서, 단지 크게 제한된 수의 합당한 색 좌표가 조절될 수 있고, 따라서 시스템의 효율은 상한을 갖는다. 감소된 눈의 민감도(eye sensitivity) 때문에, 청색 분획은 전체 공도에 단지 약간 기여한다. 종류에 따라서, 화학적으로 매우 공격적인 물질(현저한 농도의 광산)도 함유하는 통상의 졸-겔 전구체의 조성은, 적어도 그 제조 동안 칩이 손상될 가능성을 수반한다.

EP 1 605 526 A에는 매립된 전환 물질을 함유하는 유리 플레이트의 용도와 이러한 플레이트의 분할 및 돔으로의 이의 제조 방법이 기재되어 있다. 매트릭스 유리는 GeO₂, TeO₂, PbO, CaO 및 B₂O₃ 군 중에서 선택되는 하나 이상의 성분을 함유한다. 그러나, 단점은, 전술한 문제점들을 비롯하여, RoHS 금지를 받는 Pb 함량 뿐만 아니라 고가의 GeO₂ 및 독성 TeO₂ 원료의 사용을 포함한다.

일본 공보 번호: 2007-123410의 특허 요약에는 인광체가 매립된 고굴절률 유리로 피복된 발광 다이오드가 기재되어 있다. 도핑된 유리는 분쇄된 유리 조각과 각각의 인광체를 공동(동시) 용융함으로써 얻는다. 사용되는 유리는 필수적으로 TeO₂(40 내지 53 mol%), B₂O₃(5 내지 30 mol%) 및 ZnO(3 내지 20 mol%), 뿐만 아니라 임의로 Ga₂O₃, Bi₂O₃, GeO₂, Y₂O₃, La₂O₃, Gd₂O₃(0 내지 7 mol%) 및 Ta₂O₅를 함유한다. 한편으로는 Bi₂O₃ 및 TeO₂ 함량으로 인한 이 유리의 고유 색변의 위험과, 다른 한편으로는 상기에서 이미 언급한 단점, 뿐만 아니라 부분적으로 고 비율로 존재하는 고가의, 그리고 부분적으로 독성의 원료(TeO₂, Ga₂O₃, Bi₂O₃, GeO₂)의 사용은 이의 상업적 용도에 매우 불리하다. 더욱이, 특정한 경우에서 이의 상업적 적용 가능성은 높은 해합/결정화 성향 때문에 문제가 있다.

일본 공보 번호: 2007-016171의 특허 요약에는, 연화점이 700℃ 이상이고, 질화물계 형광 물질이 안에 분포된, 옥시질화물 유리로 이루어진 파장 전환 물질이 기재되어 있으며, 발광단은 용융물에 미리 첨가되거나, 또는 발광단으로부터 유리 자체를 실행 가능하게 생성할 수 있다.

반응성 및 고유 색과 같은 단점도 여기에 존재한다. 높은 상호 반응성이, 특히 600℃ 이상의 온도의 고온 방법에서 예상된다. 또한, 옥시질화물 유리의 제조는, 예를 들어 규산염 유리의 제조와 비교하여 복잡하고, 고가이다.

WO 2007/145047 A1에는, 주성분 SnO, B₂O₃ 및 P₂O₅를 함유하고, 질화물계 형광 물질이 그 안에 분포된 저융점 유리로 이루어진 파장 전환 물질이 개시되어 있다. 여기에 기재된 유리 또는 유리 부류는 P₂O₅ 함량 때문에 색변되는 경향이 있고, 따라서 적어도 특정 조성에서 유효한 파장 컨버터의 제조에 대해 부적절하다.

EP 1 880 983에는, 유리 분말을 혼합하고, 베이킹하여 얻고, 발광단과 혼합한 복합 물질이 기재되어 있다. 이 방식으로 생성된 컨버터는 10% 이상의 에너지 전환 효율을 달성한다. 기재된 유리는, 대부분 이미 언급한 것들과 같이, 예를 들면 ZnO, B₂O₃ 및 알칼리의 고 비율을 함유하며, 단점들을 수반한다. 기재된 조성 범위 및 기재된 제조 방법에 대해서, 특히 잠재적인 고유 색변이 초래된다. 따라서, 전체 시스템의 효율은 감소되고, 10%의 청구된 한계보다 단지 약간 더 높을 수 있다.

요약하면, 종래 기술은 발광단과 매트릭스 물질을 포함하는 파장 컨버터를 가진 LED 또는 레이저 다이오드 광원을 기반으로 하는 광원이 기재되어 있으나, 상기 매트릭스 물질은, 특히 고유 결점과 단점을 가진다. 중합체의 경우, 이러한 단점은, 특히 열 하중에 대한 불안정성 및 환경 영향, 뿐만 아니라 비교적 낮은 굴절률이다.

언급된 무기 매트릭스 물질의 경우, 이러한 단점은 다음을 포함한다:

· 특히, 고온(유리질 매트릭스) 또는 높은 온도(세라믹 매트릭스 또는 용융 유리)에서의 컨버터 제조 공정 동안, 인광체의 형광 특성에 악영향을 미치거나, 또는 그러한 성질을 없애는(심지어, 예를 들면 Ce:YAG와 같이 열 안정성이 공정 온도보다 높은 인광체의 경우에서도), 매립하고자 하는 발광단과의 그 화학 반응성

· 컨버터 제조 동안, 발광단의 손상

· 매트릭스의 개별 성분의 독성과 이들을 생성하는 능력에 대한 결과

· 특수한 제조 방법이 필요하여, 단지 작은 부피만을 제조할 수 있고, 따라서 비용이 올라가게 되는, 특별하고, 따라서 고가인 합성

· 매트릭스 유리의 고가의 조성

· 어닐링, 용융 또는 분말로부터의 재용융 후 기재된 매트릭스 물질, 유리 및 유리 부류의 고유 색의 적어도 잠재적인 위험.

별도로, 또는 함께 취하여, 이들은 광 출력이 낮은 비효율적인 컨버터를 초래하거나, 또는 심지어 기능이 없는 예를 초래하는데, 이에 대하여 본 발명자들은 전술한 유리 및 유리 부류 중 몇 가지에 대해 자체적으로 실험함으로써 설명할 수 있다.

본 발명은 상이한 파장 또는 이의 스펙트럼 곡선에 관하여 상이한 특성의 스펙트럼의 광을 색 첨가 혼합함으로써 백색 또는 유색 광의 제조를 위한 하나 이상의 매립된 발광단을 갖춘 매트릭스 유리를 가진 무기 파장 전환 물질을 제공하고자 한다.

이 문제는, 바람직하게는 방법 청구항 22의 특징을 가진 방법에 따라서 제조되는, 청구항 1의 특징을 가진 전환 물질로 해결된다. 유리한 구체예는 각각의 종속항의 주제이다.

이 전환 물질은 유리를 포함하는데, 이하에서 매트릭스 또는 매트릭스 유리라고도 한다. 매트릭스 유리를 위한 출발 물질은 벌크/부피 물질의 형태로, 또는 그로부터 얻은 가루 분말(loose powder)로 존재한다.

벌크 물질 또는 부피 물질은, 제조 후, 즉 용융 후, 그리고 프릿 형성 전 및/또는 유리의 분말로의 분쇄 전 매트릭스 유리를 말한다. 따라서, 벌크 물질은 "컴팩트" 또는 융합 유리체이다. 이것은 고형 물질 또는 균일한 밀도의 물체이다. 벌크 물질은, 예를 들면 유리 플레이트 또는 유리 블록으로서 존재할 수 있다.

특히, 본 발명의 골격에는 매트릭스 유리를 포함하는 전환 물질이 존재하며,

상기 매트릭스 유리는, 두께 d가 약 1 ㎜인 벌크 물질로서, 순수 투과율 τ_i가 350 내지 800 ㎚의 파장 및 1차 광원이 광을 방출하는 영역에서 80%를 초과하고,

소결 컴팩트로서 매트릭스 유리는 입도 분포가 입도 d10 >= 0.7 ㎛, d50 >= 3 ㎛ 및 d90 <= 150 ㎛인 분말로부터 구성된다. 이의 즉시 사용(ready-to-use) 상태에서, 전환 물질은 추가로 하나 이상의 발광단을 포함한다. 그 다음, 상기 하나 이상의 발광단은 매트릭스 유리 내에 매립되거나 도입된다.

컨버터는, 특히 1차 광원으로서 반도체 광원을 포함하는 백색 또는 유색 광원에 적절하다.

소결 컴팩트는 또한 소결 유리체라고도 한다. 이는, 분말로 분쇄되고, 소결에 의해 "결합된(bonded)" 매트릭스 유리에 의해 형성된다. 매트릭스 유리는 분쇄된다. 분말은 몰드에 배치된다. 소결 컴팩트는 분말의 소결에 의해 형성된다.

본 발명에 따른 입도 분포, d10 >= 0.7 ㎛, d50 >= 3 ㎛ 및 d90 <= 150 ㎛는 분말에 대해 결정된다.

바람직하게는, 소결 컴팩트는 소결되고/되거나, 입도 분포는 매립된 발광단이 없는 소결 컴팩트에 대하여, 350 ㎚ 내지 800 ㎚의 스펙트럼 영역 및 1차 광원이 광을 방출하는 영역 내에서 투과율과 반사율의 합이 적어도 80% 초과, 바람직하게는 85% 초과, 가장 바람직하게는 90% 초과이도록 하는 방식으로 선택된다.

특히, 소결 컴팩트는 소결되고/되거나, 입도 분포는 350 내지 800 ㎚의 스펙트럼 영역에서, T_half:T_forward의 비율이 1 < T_half:T_forward <= 70에 있도록 하는 방식으로 선택된다. 상기 비율은 투과 및/또는 산란 거동에서의 생성된 소결 컴팩트의 특징화를 가능하게 한다. 매개변수 T_half 및 T_forward의 보다 상세한 설명과 정의에 대해서는 도 1에 관한 하기 논의를 참조할 수 있다.

본 발명의 범주 내에서, 1차 광원으로서 반도체 광원을 포함하는 백색 또는 유색 광원을 위한 전환 물질이 있으며,

순수 유리체로서, 350 ㎚ 내지 800 ㎚의 파장 영역 및 1차 광원이 광을 방출하는 영역에서 약 1 ㎜의 두께 d에 대하여 순수 투과율 τ_i가 80%를 초과하고,

또한, 입도 분포 d10 >= 0.7 ㎛, d50 >= 3 ㎛ 및 d90 <= 150 ㎛인 분말로부터 얻은 분쇄된 유리의 투과율과 반사율의 합이 350 ㎚ 내지 800 ㎚의 스펙트럼 영역 및 1차 광원이 광을 방출하는 스펙트럼 영역에서 적어도 80%를 초과하는 매트릭스 유리, 이로부터 얻으며, 몰드에 배치되는 그린 컴팩트 및, 그 후 소결에 의해 제조되는, 발광단을 함유하지 않는 소결 유리체를 포함하며,

또한, 이 소결 컴팩트의 비율 T_half:T_forward은 350 내지 800 ㎚의 스펙트럼 영역에서 1 < T_half:T_forward <= 70이다.

상기 그린 컴팩트는 소결 공정으로 공급되는 분말로 이루어진 물체이다.

본 발명자들은, 소결 후 매립된 발광단을 위한 매트릭스를 형성하는, 매트릭스 유리 자체 및, 특히 그로부터 형성된 유리 분말의 특성이 컨버터의 광학 특성에 결정적인 영향을 미친다는 것을 인식하였다.

본 발명자들은, 한편으로는 매트릭스 유리의 입도의 입도 분포가 소결된 매트릭스 유리(미도핑) 및 컨버터 요소(인광체로 도핑됨)의 광학 특성에 실질적으로 영향을 미친다는 것을 인식하였다. 다른 한편으로는, 본 발명자들은, 또한 더 큰 직경으로 가는 경향이 있는 입자의 선택된 크기가 소결된 매트릭스 유리(미도핑) 및 컨버터 요소(인광체로 도핑됨)의 광학 특성에 유리하게 영향을 미친다는 것을 인식하였다. 이는, 작은 입도, 예를 들면 평균 직경 d50이 약 2.5 ㎛ 미만인 분말을 공급하려 하는 종래 기술과는 차이를 보인다.

이 경우에서 우세한 의견은, 너무 굵은 입자가 소결 컴팩트에서 다공성을 증가시켜서 심각하고 조절 불가능한 산란 중심 효과를 생성하고, 따라서 그 결과가 제어된 방식으로 조절될 수 없는 컨버터 요소의 광학적 방식일 것으로 예상된다는 가정으로부터 진행된다. 이 방식으로 생성된 물체 또는 컨버터 요소의 효율은 만족할 수 없는 수준으로 떨어질 것이다.

이와는 대조적으로, 본 발명자들은 본 발명에 따른 입도 분포에 의해서, 투과, 반사, 흡수 및/또는 산란으로 구성된 광학적으로 관련 있는 방식이 표적화된 방식으로 조절 또는 변경될 수 있다는 것을 발견하였다. 또한, 본 발명자들은 큰 입자 또는 굵은 입자가, 그 결과로서 거의 투명한 소결 컴팩트를 초래하고, 더욱이 보다 쉽게 소결될 수 있다는 것을 발견하였다.

바람직한 구체예의 제1 군에서, 열 팽창 계수가 3 내지 11 x 10^-6 K^-1이고, 굴절률 nd가 1.6 초과 또는 1.6과 같은 값인 유리가 본 발명에서 투명 매트릭스로서 사용된다.

매트릭스 유리는 사용되는 인광체(예를 들면, Ce:YAG)가 용융/어닐링/소결 동안 전혀 또는 현저한 정도로 공격 받지 않거나, 또는 용해되지 않아서 그 기능의 최소한의 제한 또는 총 손실을 가져옴을 더 특징으로 한다.

용융/어닐링/소결 후 얻은 물체는 이하 소결 컴팩트 또는 컨버터 또는 전환 물질이라고 한다.

매트릭스 유리의 조성은 독성 및/또는 환경적으로 문제되는 성분이 없다.

전환 물질의 사용 상태에서, 전환 물질은 평균 직경 d50이 1 ㎛ 내지 50 ㎛, 특히 바람직하게는 1 ㎛ 내지 20 ㎛, 가장 바람직하게는 1 ㎛ 내지 15 ㎛인 입도를 가진 하나 이상의 발광단을 포함한다.

본 발명의 대안 또는 추가 구체예에서, 평균 직경 d50이 300 ㎚ 미만, 특히 바람직하게는 100 ㎚ 미만, 가장 바람직하게는 40 ㎚ 미만인 입도를 가진 하나 이상의 발광단을 포함한다.

1차 방사선은 발광단의 첨가를 통하여 흡수된다. 생성되는 2차 방사선, 뿐만 아니라 1차 방사선은 또한 산란된다. 1차 방사선의 적당한 흡수와 따라서 전환을 보장하기 위하여, 1차 방사선의 산란은 너무 커서는 안된다. 이것은 비교적 큰 발광단 입자(1 ㎛ 내지 50 ㎛, 특히 바람직하게는 1 ㎛ 내지 20 ㎛, 가장 바람직하게는 1 ㎛ 내지 15 ㎛의 d50) 또는 나노 규모 입자(300 ㎚ 미만, 특히 바람직하게는 100 ㎚ 미만, 가장 바람직하게는 40 ㎚ 미만의 d50)에 의해 달성된다. 발광단 입자가 너무 크다면, 이는 소결 공정에서 가공하기 어려워진다. 또한, 실시 가능한 입도는 전환 요소의 두께(통상적으로, < 250 ㎛)에 따르는 상한을 가진다.

또한, 전환 물질의 제조 방법은 본 발명의 범주 내에 있다. 제조는, 유리 원료의 용융, 용융물을, 예를 들면 물(또는 냉각 롤러 사이)로 부음으로써 프릿(또는 얇은 조각) 형성, 프릿을 유리 분말로 분쇄, 매트릭스 유리 분말을 형광 물질(인광체)로 처리, 그리고 열처리, 예컨대 소결하여 새로운 유리체/유리 매트릭스 복합 물질, 컨버터 형성에 의해 이루어지는 것이 바람직하다. 매트릭스 유리를 분말로 분쇄하는 것은 분말의 입도 분포가 입도 d10 >= 0.7 ㎛, d50 >= 3 ㎛ 및 d90 <= 150 ㎛가 되도록 하는 방식으로 행한다.

상기 방법은 본 발명에 따른 전환 물질의 제조에 특히 적절하다.

한 가지 구체예에서, 소결은 특정한 분위기에서 행한다. 특정한 분위기는 질소, 포밍 가스(forming gas) 및/또는 아르곤에 의해, 또는 감압, 예컨대 10^-6 mbar로 낮춘 진공으로서 공급되는 것이 바람직하다. 이 유형의 공정 설계는 외부 영향, 예컨대 산화 또는 환원에 대하여 발광단을 보호한다. 또한, 특정 유리 내 매립은 이에 의해 가능해진다. 더욱이, 이 방식으로 매트릭스 및/또는 발광단 내 특정한 산화환원 상태도 조절할 수 있다. 감압 하에 소결함으로써 가능한 공극의 수 및/또는 크기를 최소화 또는 조절할 수 있다. 대안 또는 추가로, 이는 또한 압력 소결(단축 또는 등방)에 의해 달성할 수 있는데, 특정 분위기의 조절은 가공하고자 하는 물질 조합에 대한 유리한 매개변수에 따라서 관찰될 것이다. 이는 100 내지 3000 bar, 바람직하게는 500 내지 2500 bar, 가장 바람직하게는 500 내지 1500 bar 범위의 압력에서 일어난다. 이 열처리는, 따라서 유리의 연화 온도(EW)보다 높은 대략 150 K까지의 온도 범위에서, 또는 사용되는 유리의 점도가 h = 10¹⁴ dPas 내지 h = 10⁶ dPas, 바람직하게는 h = 10^13.5 dPas 내지 h = 10⁷ dPas, 특히 바람직하게는 h = 10¹⁰ dPas 내지 h = 10⁷ dPas 범위에 있도록 하는 방식으로 행한다. 이 경우에서 어닐링은 0 내지 300 분, 바람직하게는 15 내지 300 분, 특히 바람직하게는 100 내지 180 분 범위의 지속 시간으로 수행될 수 있다.

발광단, 예를 들면, Ce:YAG는 평균 직경 d50이 1 ㎛ 내지 50 ㎛, 특히 바람직하게는 1 ㎛ 내지 20 ㎛, 가장 바람직하게는 1 ㎛ 내지 15 ㎛인 입도로 사용된다. 대안 또는 추가로, 발광단은 평균 입도 직경 d50이 300 ㎚ 미만, 특히 바람직하게는 100 ㎚ 미만, 가장 바람직하게는 40 ㎚ 미만인 입도로 사용된다.

상기 방법의 다른 구체예에서, 발광단은 전처리, 바람직하게는 열 전처리를 받는다. 온도는 발광단의 유형에 따라서 선택된다. 바람직하게는 전처리는 특정한 분위기에서 행한다. 이는, 특히, 질소, 포밍 가스 및/또는 아르곤에 의해, 또는 감압, 예컨대 10^-6 mbar로 낮춘 진공으로서 공급된다.

본 발명의 다른 구체예에서, 예를 들면 유리에 의한 인광체의 화학적 공격 또는 소결 동안의 그 반대 경우를 위한 보호층, 또는 예를 들면 LED 시스템 내 수분에 대한 차단층으로서 제공되는 것는 발광단 표면 또는 외부면 상에 형성된다. 이는 매트릭스 유리와 혼합하기 전에 행한다. 이 보호층은 환경 영향 및/또는 열 영향으로부터 발광단을 "가린다(shield)". 발광단은 캡슐화된다. 그 결과, 발광단의 열화는 방지되거나 적어도 감소될 수 있다. 임의로, 보호층은 무기물일 수 있다. 이는, 예를 들면 습식 화학법, 졸-겔법, PVD 및/또는 CVD에 의해 형성되거나 침착된다.

대안 또는 추가로서, 최종 가공 및 후가공 전환 요소에는 또한, 예를 들면 전술한 방법 중 하나에 따라서 보호층이 제공된다. 수분 차단층은, 예를 들면 보호층에 대한 한 가지 가능한 구체예를 나타낸다.

방법의 개선에서, 소결 컴팩트의 온도 보조 및, 임의로 압력 보조(단축 또는 등방) 처리는 소결 후에 행한다. 그 결과, 이미 전술한 전환 물질 또는 미도핑 소결 매트릭스 유리의 광학 방식은 더 최적으로 조절되며, 고형 복합체가 달성되고/달성되거나 가능한 장력이 제거된다.

한 가지 구체예에서, 언급된 추가 어닐링은 제2 소결이다. 추가 어닐링은 250 내지 2500 bar, 바람직하게는 500 내지 1500 bar 범위의 압력에서 수행하는 것이 바람직하다. 더욱이, 추가 어닐링은 사용된 유리의 점도가 h = 10¹⁴ dPas 내지 h = 10⁶ dPas, 바람직하게는 h = 10^13.5 dPas 내지 h = 10⁷ dPas, 특히 바람직하게는 h = 10¹⁰ dPas 내지 h = 10⁷ dPas 범위에 있도록 하는 온도에서 수행한다. 추가 어닐링은 이 경우에서 30 내지 300 분, 바람직하게는 60 내지 300 분, 특히 바람직하게는 100 내지 180 분 범위의 지속 시간으로 수행될 수 있다.

유리 매트릭스는 심지어 순수, 컴팩트, 융합 유리체 또는 유리 플레이트(또한, 상기에서 벌크 물질로 언급됨)로서도, 상기 공정으로부터 고유 색을 갖지 않으며, 따라서 1차 광과 2차 광이 이상적인 방식으로 변하지 않는 것을 더 특징으로 하는데, 이는 이들이 흡수에 의한 감쇠 또는 스펙트럼 변화 없이 유색 혼합물에 대해 공급된다는 것을 의미한다.

따라서, 일반적으로, 이는 파장 w₁ 또는 스펙트럼 파장 영역 w₁의 광의 파장 w₂ 또는 스펙트럼 파장 영역 w₂의 광으로의 전환 또는 n 개의 발광단이 사용된 경우, 파장 w_n 또는 스펙트럼 파장 영역 w_n의 광으로의 전환을 고려하여, 기본 스펙트럼 분포 z₁ * w₁ + z₂ * w₂ + … + z_n * w_n을 가진 광의 합을 얻으며, 여기서 인자 z는 유색 혼합물에 수반된 관련 파장 또는 파장 영역의 비율 및 색 강도이다.

1차 광원, 예를 들면 발광단의 여기 스펙트럼에 해당하는 광을 적어도 부분적으로 방출하는 스펙트럼을 가진 LED(발광 다이오드) 또는 LD(레이저 다이오드)에 기초하여, 이는 다른 파장의 광을 방출시킨다. 사용되는 광원은, 필요한 것은 아니지만, 적어도 부분적으로 다른 파장으로 전환되지 않은 그 자체의 광과의 혼합에 기여할 수 있다.

따라서,

· 열 및 화학적으로 안정하고, 환경 영향에 안정하며,

· 어떠한 환경적으로 문제가 될 수 있는 성분 또는 건강에 문제가 될 수 있는 어떠한 성분도 함유하지 않고,

· 복잡한 방법 없이 대량으로 제조할 수 있어서 저렴하며,

· 매립하고자 하는 발광단으로(및 그 역으로도) 화학적으로 비활성으로 거동하고,

· 발광단 없이 전환 물질(1)에 대한 매트릭스로서 형성시 실질적으로 어떠한 고유 색도 갖지 않으며,

(2) 특히, 본 발명에 따른 입도 분포에 대하여 그 흡수 대역의 스펙트럼 영역에서 발광단으로 저 반사율(후방 산란)을 갖는 무기 매트릭스 물질/매트릭스 유리를 제공하는 것이 유리하다. 구체적으로:

o 벌크 물질/유리로서 매트릭스 유리는, 실질적으로 350 ㎚ 내지 800 ㎚의 파장 영역에서 흡수 대역 없이, 두께가 d = 1 ㎜인 매트릭스 유리를 통한 방사선에 대하여 고 순수 투과율 τ_i > 80%를 가지며,

o 바람직하게는 350 내지 800 ㎚의 스펙트럼 영역(1차 광원 또는 1차 광원들의 스펙트럼 영역을 포함함)에서, 단독으로 소결된(즉, 도핑되지 않은) 매트릭스 유리의 투과율과 반사율의 합이 적어도 > 80%, 바람직하게는 > 85%, 가장 바람직하게는 > 90%이고,

o 및/또는 이러한 스펙트럼 영역에 대해 확립된 반사율과 투과율의 차에 대한 최대 및 최소 기여는 40% 이하, 바람직하게는 25% 이하, 가장 바람직하게는 15% 이하로 차이가 나며,

o 및/또는 1차 광원의 스펙트럼 영역에서, 소결 상태의 발광단으로 도핑된 매트릭스 유리의 반사율은 < 30%, 바람직하게는 < 25%, 가장 바람직하게는 < 15%이고,

o 및/또는 1차 광원이 광을 방출하는 스펙트럼 영역을 제외한, 350 내지 800 ㎚의 스펙트럼 영역에서, 소결 상태의 발광단으로 도핑된 매트릭스 유리의 투과율과 반사율의 합은 적어도 > 80%, 바람직하게는 > 85%, 가장 바람직하게는 > 90%이며,

o 및/또는 이러한 스펙트럼 영역에 대해 확립된 반사율과 투과율의 차에 대한 최대 및 최소 기여는 40% 이하, 바람직하게는 25% 이하, 가장 바람직하게는 15% 이하로 차이가 나고,

· 및/또는 바람직한 구체예의 제1 군에 대해서, 굴절률은 1.6 이상이다.

따라서, 추가의 광 색의 발생에 대한 발생력을 제한하지 않으면서, 청색을 황색 광으로 전환시킬 수 있어서, 합쳐서 백색 광 또는 백색 광의 생리학적 색 임프레션을 얻을 수 있다. 백색 광은 하기에서 가시광의 완전 스펙트럼을 의미할 뿐만 아니라, 특히 적어도 사람에게서 백색 광의 임프레션을 생성하는 임의의 종류의 광을 의미한다.

특히, 본 발명은 바람직하게는 하기를 포함한다:

- 합쳐서 백색 광의 색 임프레션을 얻기 위하여 발광단에 의한 1차 광원의 청색 광의 황색 광으로의 전환. 특정한 경우는 청색 LED 및 Ce:YAG 유형의 발광단(대략 560 ㎚의 파장 영역에서 방출함)을 기반으로 하고, 백색으로서 감지되는 광원의 제조이다.

- 합쳐서 백색 광(RGB 또는 RGGB의 혼합광)을 얻기 위하여 각각의 경우에서 하나 이상의 적절한 발광단에 의하여 청색 광을 황색 및/또는 적색 및/또는 녹색 광으로 전환

합쳐서 특정한 색을 얻기 위하여 각각의 경우에서 하나 이상의 적절한 발광단에 의하여 청색 광을 황색 및/또는 적색 및/또는 녹색 광으로 전환

바람직한 발광단은, 호스트 물질로서, 산화물, 질화물, 옥시질화물, 황화물, 옥시황화물, 할로겐화물, 할로산화물, 할로황화물, 텔루르화(telluride)물 및 셀렌화물을 포함하는 군 중의 하나 이상의 물질을 함유하며, 호스트 물질은 희토류(Ce, Eu, Tb, Gd, ……), 전이 금속(Cr, Mn) 및 중금속(Tl, Pb, Bi)를 포함하는 군 중의 하나 이상의 물질로 도핑된다.

기재된 경우에서 UV 광의 전환에서, 청색 스펙트럼 영역에서 발광하는 한 가지 추가의 발광단이 각각의 경우에서 요구된다.

제1 군의 유리 및 유리 부류

본 발명에 따른 바람직한 매트릭스 유리의 제1 군은 다음 성질을 가진다:

a.) 굴절률이 1.6 이상으로서, 매트릭스 유리는 굴절률이 1.6 이상, 바람직하게는 1.65 내지 2.0 이상, 바람직하게는 1.65 내지 2.0, 바람직하게는 1.8 내지 1.95이며, 따라서 발광단(구체적으로, Ce:YAG n ~ 1.8)에 매칭된다.

b.) 반도체 요소의 물질의 굴절률 차가 "최소화"된 경우, 이 굴절률은 반도체 요소의 배열에 따라서, 예를 들면 1.8(사파이어), 2.5(GaN 또는 InGaN) 내지 3.5(AlInGaP)이다. 특히, 컨버터와 반도체 요소의 직접 접촉에서, 광을 효율적으로 컨버터에 커플링하기 위한 것이 가능하다면 이 매칭은 중요하다.

c.) 매트릭스 유리는 실질적으로 고유 색을 갖지 않으며, 다음을 포함한다:

o 벌크 물질/유리로서 매트릭스 유리는, 350 ㎚ 내지 800 ㎚의 파장 영역에서 흡수 대역 없이, 두께가 d = 1 ㎜에서 고 순수 투과율 τ_i > 80%를 가지며,

o 350 ㎚ 내지 800 ㎚의 스펙트럼 영역(각각의 1차 광원의 스펙트럼 영역을 포함함)에서, 특히 본 발명에 따른 입도 분포 d10 >= 0.7 ㎛, d50 >= 3 ㎛ 및 d90 <= 150 ㎛에 대하여 단독으로 소결된(즉, 도핑되지 않은) 베이스 유리/유리 매트릭스의 투과율과 반사율의 합이 적어도 > 80%, 바람직하게는 > 85%, 가장 바람직하게는 > 90%이며, 1차 광원이 발광하는 스펙트럼의 영역은 1차 광원의 스펙트럼 영역으로서 언급되고,

o 또한, 이러한 스펙트럼 영역에 대해 확립된 반사율과 투과율의 차에 대한 최대 및 최소 기여는 40% 이하, 바람직하게는 25% 이하, 가장 바람직하게는 15% 이하로 차이가 나며,

o 1차 광원의 스펙트럼 영역에서, 소결 상태의 발광단으로 도핑된 매트릭스 유리의 반사율은 < 30%, 바람직하게는 < 25%, 가장 바람직하게는 < 15%이고,

o 1차 광원이 광을 방출하는 스펙트럼 영역을 제외한, 350 내지 800 ㎚의 스펙트럼 영역에서, 소결 상태의 발광단으로 도핑된 매트릭스 유리의 투과율과 반사율의 합은 적어도 > 80%, 바람직하게는 > 85%, 가장 바람직하게는 > 90%이며,

o 또한, 이러한 스펙트럼 영역에 대해 확립된 반사율과 투과율의 차에 대한 최대 및 최소 기여는 40% 이하, 바람직하게는 25% 이하, 가장 바람직하게는 15% 이하로 차이가 난다.

또한, 넓은 범위에서 조절할 수 있는 컨버터 두께(대략 30 ㎛ 내지 수 1000 ㎛)가 본 발명에 따른 매트릭스 유리에 유리하다: 이는 매우 효율적인 전환 물질의 제공을 위한 설계의 자유도를 더 크게 하는데, 그 이유는 발광단의 밀도와 절대량이 독립적으로 변할 수 있고, 따라서 매트릭스 유리 및 1차 광원으로 제공되는 광원의 색 좌표와 효율이 최적으로 조절될 수 있기 때문이다.

또한, 매립하고자 하는 인광체에 대한 화학적 비활성 및 그 역(매트릭스 유리에 대한 매립하고자 하는 인광체 또는 발광단의 화학적 비활성화를 의미함)이 매우 유리하다.

더욱이, 유리 매트릭스와 발광단이 서로에 대하여 비활성일 뿐만 아니라, 고온에서 반응하지 않거나, 또는 반응하는 경우, 발광단 특성이 부정적으로 영향 받지 않는 경우가 매우 유리하다. 이는 컨버터를 제조하는 경우와 생성된 광원의 작동 중에 해당하는 사실이다.

또한, 확립된 산업 공정으로 공정을 수행할 수 있는 능력이 유리한데, 이는 타당한 비용으로 간단하면서 근접 최종 형태 제조 또는 최종 형태의 제조를 할 수 있을 뿐만 아니라, 컨버터의 특수한 구현(예를 들면, 발광단 도핑의 구배, 추가의 광학 요소)을 가능하게 한다.

하기 유리 및 유리 부류는 놀라운 방식으로 본 발명에 따른 요건을 매우 잘 충족시킨다:

아연 분획을 가진 란탄 붕규산염 유리, 이트륨 분획을 가진 알루미늄 붕규산염 및 알칼리토 규산염

샘플 유리는 다음과 같다:

· N-LaSF40 (SCHOTT AG), N-LASF46(SCHOTT AG)

· P-LaSF47 (SCHOTT AG), K-VC89(Sumita),

· N-KzFS5(SCHOTT AG), S-NBH5(Ohara),

· N-KzFS8(SCHOTT AG),

· n_d가 1.6 이상인 Y₂O₃ 함유 유리(SCHOTT AG): N-LAK9, N-LAK33A, N-LAK34, N-LAF2, NLAF7, N-LAF21, N-LAF34, N-LASF44, P-LASF47 및 KLAFK60(Sumita)

더욱이, 그 중에서도 전환 물질을 위한 유리 매트릭스를 제공하는 것이 본 발명으로 유리하게 가능한데, 특히, 또한 생태학적으로 고려하여 Tl₂O, TeO₂ 및 As₂O₃를 사용하지 않으면서, 바람직하게는 또한 Bi₂O₃ 성분 없이, 요망되고 유리한 광학 특성(n_d/ν_d)은 동시에 낮은 가공 온도에서 가능하게 된다.

이러한 유리는 매트릭스 유리로서 헤이즈, 결정화 및 고유 색변을 가져서는 안되며, 더욱이 고유 색 없이 소결 가능해야 하고, 후에 함유되는 발광단에 대하여 가능한 한 화학적으로 반응성이 낮아야 한다.

본 발명에 따른 매트릭스 유리의 제1 군에 대하여, 이들은 굴절률 n_d가 n_d >= 1.6이고, 바람직하게는 가공 온도가 더 낮다. 이들은 또한, 용융이 쉽고, 가공하기 쉬울 뿐만 아니라 적절한 결정화(devitrifying) 안정성을 가져서 연속적으로 진행되는 어셈블리에서 유리를 제조할 수 있게 한다.

특히, 굴절률 n_d가 n_d ≥ 1.6이고, 하기 성분을 포함하는(산화물 기준 중량%) 비소 무함유 및 바람직하게는 Bi₂O₃ 무함유 유리가 제공된다.

하기 표는 제1 군의 실시예 2 내지 4를 포함한다.

하기 표는 제1 군의 실시예 5를 포함한다:

하기 표는 제1 군의 실시예 6를 포함한다:

바람직하게는

본 발명에 따른 유리는 바람직하게는, 또한 착색이 없고/없거나 광학적으로 활성일 뿐만 아니라, 레이저 활성인 성분이다.

특히, 본 발명에 따른 유리는 바람직하게는 산화에 민감한 성분, 예컨대 Ag₂O 또는 Bi₂O₃가 없고/없거나 독성 성분 또는 건강에 해로운 성분, 예컨대 Tl, Te, Be 및 As의 산화물이 없다.

본 발명의 다른 구체예에 따르면, 본 상세한 설명과 청구 범위에 언급된 유리는 또한, 바람직하게는 청구범위에 언급되지 않은 다른 성분을 함유하지 않는데; 즉, 그러한 추가 구체예에 따르면, 유리는 실질적으로 언급된 성분들을 포함한다. 표현 "실질적으로 포함하다"는, 이 경우에서, 다른 성분이 고작 불순물로서 존재할 뿐, 개별 성분으로서 유리 조성물에 의도적으로 첨가되지 않은 것을 의미한다.

본 발명에 따른 유리는 통상의 청정제(refining agent)를 소량으로 함유할 수 있다. 바람직하게는, 첨가된 청정제의 합은 최대 2.0 중량%, 보다 바람직하게는 최대 1.0 중량%이다. 청정제로서, 본 발명에 따른 유리는 다음 성분 중 하나 이상을 함유할 수 있다(중량%, 나머지 유리 조성에 첨가됨):

또한, 플루오르 및 플루오르 함유 화합물은 용융 및 융합 조작 동안, 그리고 소결 공정 동안 기화하는 경항이 있으며, 그 결과, 유리 조성 또는 소결 후 유리 매트릭스의 정확한 조절을 더 어렵게 한다. 그러므로, 본 발명에 따른 유리는 또한, 플루오르를 함유하지 않는 것이 바람직하다.

상기 표는 바람직한 조성 범위에서 예시적인 구체예를 포함한다. 실시예에 기재된 유리는, 유리의 물성과 연관된 상이한 공정 매개변수를 사용하여 생성되었다.

매트릭스 유리 제조의 예시적인 구체예

제조예 6:

산화물에 대한 원료를 칭량하고, 하나 이상의 청정제, 예를 들면 As₂O₃를 가한 후, 잘 혼합한다. 유리 정량을 불연속 용융 어셈블리에서 대략 1330℃로 융합한 후, 정제(refine, 1380℃)하고, 균질화한다. 약 1380℃의 주입 온도에서, 유리를 주입하고, 예를 들면 리본으로서 소정의 치수로 가공한다. 대용량 연속 어셈블리에서, 경험에 따라서 대략 100 K 이하만큼 온도를 낮출 수 있다.

유리를 두 개의 롤러로 주입함으로써 리본을 얻는다. 이는, 소결을 위한 전구체로서 조각보다는 분말로 분쇄하는 것이 더 나을 수 있다.

이와 같이 얻은 유리의 특성은 실시예 6으로서 하기 표에 제공한다.

전환 물질의 제조 방법의 바람직한 예시적인 구체예

본 발명에 따른 제1 군과 제2 군 하에 기재된 실시예는 각각의 경우에서 실질적으로 동일한 제조 방법으로 행한다.

분포가 d10 >= 0.7 ㎛, d50 >= 3 ㎛ 및 d90 <= 150 ㎛인 입도로 분쇄된 출발 유리의 분말은 중량% 기준으로 발광단, 예를 들면 평균 직경 d50이 1 ㎛ 내지 50 ㎛, 특히 바람직하게는 1 ㎛ 내지 15 ㎛인 입도를 가진 Ce:YAG로 가중하고, 혼합 어셈블리, 예를 들면 원통형 텀블링 믹서(모델 T2C / Willi A. Bachofen company / Basel) 또는 스피드믹스(모델 DAC 150 FVZ / Hauschildt Engineering)로 1 내지 120 분, 바람직하게는 1 내지 5 분(스피드믹스) 또는 15 내지 120 분(원통형), 가장 바람직하게는 1 내지 3 분(스피드믹스) 또는 60 내지 120 분(원통형) 동안 혼합한다.

여기서, d50 또는 다른 중간값은, 입자의 50%가 이 소정의 값보다 더 미세하고, 50%가 더 굵은 입도를 제공하는 값이다.

또한, 나노규모의 인광체, 즉 수 나노미터, 특히 100 내지 200 ㎚ 미만 범위의 외부 치수를 가진 발광단이 존재하며, 이 또한 사용할 수 있다.

이어서, 분말 혼합물 또는 다른 순수 유리 분말은, 직경이 대략 10 ㎜, 바람직하게는 5 ㎜, 가장 바람직하게는 5 ㎜ 미만이지만, 1 ㎜ 이상이고, 높이가 대략 3 ㎜ 또는 1 ㎜ 또는 0.5 내지 0.1 ㎜인 분체가 제조될 수 있도록 하는 방식으로 나눈다.

상기 벌크는, 예를 들면 상기 벌크의 범위를 한정하는 관 또는 고리 형상의 요소 내에서 열 안정한 기재 상에 침착시키고, 수작업으로 컴팩트화하고/하거나, 단축으로(예를 들면, Paul Weber company의 프레스; 모델 PW40) 및/또는 냉간 등방적으로(Paul Weber company의 프레스; 모델 KIP500E) 프레싱 공정에 공급하는데, 종래의 가공 보조제를 첨가함으로써 최적으로 설계할 수 있다. 단축 프레싱에 대한 압력 범위는 100 내지 5000 bar, 바람직하게는 500 내지 2500 bar이다. 이는 이후에 외부 경계 한정을 제거할 수 있는 방식으로 행한다.

그 후, 샘플의 어닐링은 그 연화 온도에 관하여 매트릭스 유리에 적절한 온도 및 시간 방식(가열 속도 및 지속 시간)에서 행한다. 유리의 점도 곡선의 기울기에 따라서, 그리고 일반적인 제한 없이 어닐링의 표적 온도 T는 EW(연화 온도)와 Va(가공 온도) 범위, 통상적으로 EW + 150 K의 방식에 있거나, 사용된 유리의 점도가 h = 10¹⁴ dPas 내지 h = 10⁶ dPas, 바람직하게는 h = 10^13.5 dPas 내지 h = 10⁷ dPas, 특히 바람직하게는 10¹⁰ dPas 내지 h = 10⁷ dPas 범위에 있도록 하는 온도이다.

가열은 오븐에서, 그리고 벌크에 대하여, 또는 몇 가지 벌크가 존재할 수 있는 경우로서 평형화된 온도를 가정할 수 있도록 행한다.

특히, 이 경우에서 선택하고자 하는 시간 방식은, 통상적으로 어닐링 어셈블리의 유형, 크기 및 설계(또한 제어)에 따른다. 현 오븐(Nabertherm model N70/H; Naber C16 control and Eurotherm model 2604)에서, 표적 온도 및 지속 시간으로 1 K/분 내지 30 K/분, 바람직하게는 1 K/분 내지 20 K/분, 가장 바람직하게는 1 K/분 내지 10 K/분의 가열 속도 후, 0 내지 60 분, 바람직하게는 0 내지 30 분, 가장 바람직하게는 10 내지 30 분의 오븐 특성 곡선을 가진 냉각이 유용한 것으로 입증되었다.

어닐링 또는 복수의 어닐링 후, 이와 같이 생성된, 유리 매트릭스 및 하나 이상의 발광단을 포함하는 복합체는 후 가공되는데, 입도 < 1 ㎛(단일면)의 분쇄제 및/또는 연마제가 사용되며, 그 결과, 양면 또는 한면이 미가공 상태이거나, 또는 연마된 표면이 제공된다.

반사율 및 투과율에 대한 광학 데이터의 측정은 통상의 분광계(예를 들면, Perkin Elmer Lambda 9 또는 900)로 행하는데, 적분구의 정면(투과율) 또는 후면(반사율)에 샘플이 있으며, 250 내지 2500 ㎚의 파장 방식, 그러나, 적어도 300 내지 800 ㎚의 방식으로 행하여 전술한 매개변수를 측정한다. 또한, 매개변수 T_half 및 T_forward의 측정은 적분구에 의해 행한다. 더 상세한 설명에 대해서는, 도 1에 관한 논의를 참조할 수 있다.

유리 매트릭스에 매립된 발광단의 내부 전환 양자 수율은 매립되지 않은 발광단의 내부 전환 양자 수율에 관하여 20% 이하, 바람직하게는 10% 이하, 가장 바람직하게는 5% 이하만큼 감소하였다. 내부 전환 양자 수율은 각각의 경우에서 발광단 내 여기된 광학 전이의 감쇠 시간에 의해 측정하였다.

제2 군의 유리 및 유리 부류

예시적인 구체예의 제2 바람직한 군의 하기 기재되는 유리 및 유리 부류는 본 발명에 따른 요건을 충족시키지만, 굴절률은 1.6 미만이다.

이러한 유리의 굴절률은 바람직하게는 1.43 내지 1.6, 가장 바람직하게는 1.45 내지 1.49이다. 그 결과, 이러한 유리는 광원/주변 중합체의 유니트(에폭시드 또는 실리콘, 예컨대 n_d가 1.3 내지 1.6인 중합체)의 굴절률에 비교적 잘 매칭된다.

더욱이, 궁극적으로 전체 광원 시스템을 둘러싸는 매질인 공기의 굴절률과의 차이는 현저하게 감소된다.

이 매칭은, 컨버터를 통과하는, 컨버터로부터 효율적으로 여기되는 광(예를 들면, 청색 LED의 광), 뿐만 아니라 컨버터에서 발생되는 광을 아웃 커플링(out-couple)하기 위하여, 컨버터 물질의 반도체 요소 및 또한 주변 (성분) 요소에 대한 간접 접촉에 중요하다. 여기서, 간접 접촉은 직접적인 기계적 접촉이 없다는 것을 의미하는 것으로 이해되는데; 이는 특히, 각각의 물질을 둘러싸는 전파 광의 소멸 전계가 거의 또는 실질적으로 전혀 측정 가능하게 중첩되지 않는다는 것을 의미한다.

이 군의 바람직한 유리는, 예를 들면 인산아연, 붕규산염, 알루미늄 붕규산염 및 알칼리토 규산염을 포함한다.

샘플 유리는 다음과 같다:

· BF33 / BF40(SCHOTT AG), Pyrex(Corning)

· 8250(SCHOTT AG)

· AF32(SCHOTT AG), AF37(SCHOTT AG), AF45(SCHOTT AG), 1737(Corning), Eagle 2000(Corning), Eagle XG(Corning)

· N-SK 57(SCHOTT AG)

· D263(SCHOTT AG)

· 광학 유리 K-PBK40(Sumita), K-CSK120(Sumita), P-SK5(Hikari), K-PSK50(Sumita), D-K9L(GDGM), DZK2(GDGM), D-ZK3(GDGM)

그 중에서도 전환 물질을 위한 유리 매트릭스가 본 발명으로 유리하게 제공되는데, 특히, 생태학적으로 고려하여 Tl₂O, TeO₂ 및 As₂O₃를 사용하지 않으면서, 바람직하게는 또한 Bi₂O₃ 성분 없이, 요망되고 유리한 광학 특성(n_d/ν_d)은 동시에 낮은 가공 온도에서 가능하게 된다.

이러한 유리는 매트릭스 유리로서 헤이즈, 결정화 및 고유 색변이 없으며, 더욱이, 고유 색변 없이 소결 가능하다. 이 경우에서, 이러한 유리는 사용되는 발광단에 대하여 단지 약간 화학적으로 반응성일 뿐이다.

더욱이, 이러한 유리는 용융 및 가공이 용이하며, 적당한 해합 및 결정화 안정성을 갖는데, 이는 연속적으로 작동하는 어셈블리에서 유리를 제조할 수 있게 한다.

특히, 굴절률 유리 n_d가 n_d < 1.6이고, 하기 성분을 포함하는(산화물 기준 중량%) 비소 무함유 및 바람직하게는 Bi₂O₃ 무함유 유리가 제공된다.

하기 표는 제2 군의 실시예 1을 포함한다:

바람직하게는

하기 표는 제2 군의 실시예 2를 포함한다:

바람직하게는

하기 표는 제2 군의 실시예 3을 포함한다:

바람직하게는

하기 표는 제2 군의 실시예 5를 포함한다:

하기 표는 제2 군의 실시예 6을 포함한다:

특히, 본 발명에 따른 유리는 바람직하게는 또한, 산화에 민감한 성분, 예컨대 Ag₂O 또는 Bi₂O₃가 없고/없거나 독성 성분 또는 건강에 해로운 성분, 예컨대 Tl, Te, Be 및 As의 산화물이 없다. 임의의 경우에서, 유리는 비소를 함유하지 않는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 구체예에 따르면, 상기 유리는 또한, 바람직하게는 청구범위에 언급되지 않은 다른 성분을 함유하지 않는데; 즉, 그러한 추가 구체예에 따르면, 유리는 실질적으로 언급된 성분들을 포함한다.

표현 "실질적으로 포함하다"는, 이 경우에서, 다른 성분이 고작 불순물로서 존재할 뿐, 개별 성분으로서 유리 조성물에 의도적으로 첨가되지 않은 것을 의미한다.

본 발명에 따른 유리는 통상의 청정제를 소량으로 함유할 수 있다. 바람직하게는, 첨가된 청정제의 합은 최대 2.0 중량%, 보다 바람직하게는 최대 1.0 중량%이다. 청정제로서, 본 발명에 따른 유리는 다음 성분 중 하나 이상을 함유할 수 있다(중량%, 나머지 유리 조성에 첨가됨):

실시예에 기재된 유리는, 유리의 물성과 연관된 상이한 공정 매개변수를 사용하여 생성되었다.

제조예 2:

산화물에 대한 원료를 칭량하고, 하나 이상의 청정제, 예를 들면 Sb₂O₃를 가한 후, 잘 혼합한다. 유리 정량을 불연속 용융 어셈블리에서 대략 1320℃로 융합한 후, 정제(1370℃)하고, 균질화한다. 약 1320℃의 주입 온도에서, 유리를 주입하고, 예를 들면 리본으로서 소정의 치수로 가공한다. 대용량 연속 어셈블리에서, 경험에 따라서 대략 100 K 이하만큼 온도를 낮출 수 있다.

이와 같이 얻은 유리의 특성은 실시예 8로서 하기 표 5에 제공한다.

전환 물질의 제조 방법의 또 다른 예시적인 구체예

제2 군의 유리에 관하여 후술되는 실시예는 각각의 경우에서 실질적으로 동일한 제조 방법으로 행해진다(제1 군의 유리에 대해 참조). 추가의 또는 부족한 설명에 대해서는, 상기 설명을 참조할 수 있다.

이어서, 분말 혼합물 또는 다른 순수 유리 분말은, 직경이 대략 12 ㎜ / 8 ㎜ / < 5 ㎜이고, 높이가 대략 3 ㎜ / 2 ㎜ / 1 ㎜인 분체가 제조될 수 있도록 하는 방식으로 나눈다.

상기 벌크는, 예를 들면 상기 벌크의 범위를 한정하는 관 또는 고리 형상의 요소 내에서 열 안정한 기재 상에 침착시키고, 수작업으로 컴팩트화하고/하거나, 단축으로 및/또는 냉간 등방적으로 프레싱 공정에 공급하는데, 종래의 가공 보조제를 첨가함으로써 최적으로 설계할 수 있다. 이는 이후에 외부 경계 한정을 제거할 수 있는 방식으로 행한다.

그 후, 샘플의 어닐링은 그 연화 온도에 관하여 매트릭스 유리에 적절한 온도 및 시간 방식(가열 속도 및 지속 시간)에서 행한다. 유리의 점도 곡선의 기울기에 따라서, 그리고 일반 제한 없이, 어닐링의 표적 온도 T는 매트릭스 유리의 연화 온도 EW 내지 가공 온도 Va의 범위, 통상적으로 EW + 150 K의 범위이다.

특히, 이 경우엣 선택하고자 하는 시간 방식은, 통상적으로 어닐링 어셈블리의 유형, 크기 및 설계(또한 제어)에 따른다. 현 오븐(Nabertherm model N70/H; Naber C16 control and Eurotherm model 2604)에서, 표적 온도 및 지속 시간으로 1 K/분 내지 30 K/분, 바람직하게는 1 K/분 내지 20 K/분, 가장 바람직하게는 1 K/분 내지 10 K/분의 가열 속도 후, 0 내지 60 분, 바람직하게는 0 내지 30 분, 가장 바람직하게는 10 내지 30 분의 오븐 특성 곡선을 가진 냉각이 유용한 것으로 입증되었다.

어닐링 또는 복수의 어닐링 후, 이와 같이 생성된, 유리 매트릭스 및 하나 이상의 발광단을 포함하는 복합체는 후 가공되는데, 입도 < 400 ㎛(양면)의 분쇄제 및/또는 연마제, 뿐만 아니라 입도 < 1 ㎛(단일면)까지의 다이아몬드 연마제가 사용되며, 그 결과, 양면 또는 한면이 미가공 상태이거나, 또는 연마된 표면이 제공된다.

반사율 및 투과율에 대한 광학 데이터의 측정은 통상의 분광계로 행하는데, 적분구의 정면 또는 입력부(투과율) 또는 후면 또는 출력부(반사율)에 샘플이 있으며, 250 내지 2500 ㎚의 파장 방식, 그러나, 적어도 300 내지 800 ㎚의 방식으로 행하여 전술한 값을 측정한다.

본 발명을 도 1 내지 도 5를 바탕으로 하기에 설명하고자 한다.

우선, 도 1은 적분구(3)에 의한, 분말로 분쇄되고 소결된 매트릭스 유리의 샘플(2)에 대한 매개변수 T_half(상부) 및 T_forward(하부)의 측정을 예시한다.

적분구(3)는 직경이 60 ㎜이고, 약 12 내지 15 ㎜의 직경의 구형 개구를 가진다. 직사각형 격막(단면: 6 x 12 ㎟)은 추가의 구성요소로서 구(3) 앞에 위치된다. 측정 빔으로서 빔 축에 관하여 실질적으로 오로지 평행한 광만을 방출하는 광원(1)은 적분구(3)로부터 대략 50 cm 간격을 두고 위치한다. 측정 빔은 4 x 10 ㎟의 단면을 가진다. 조사하고자 하는 샘플(2)은 적분구(3)와 광원(1) 사이에 다양한 거리를 두고 배열된다. 샘플(2)은 약 12 ㎜를 초과하거나, 또는 12 ㎜보다 큰 외경을 갖거나 또는 약 12 ㎜ 초과 x 12 ㎜ 초과(직사각형 샘플(2)의 경우)이다. 샘플의 두께는 약 1 ㎜(± 0.05 ㎜)이다. 적분구(3)로 인식된 광을 검출하기 위한 광검출기를 갖춘 분광계(4)는 적분구(3) 바로 뒤에 빔 방향으로 배열된다.

T_half의 측정 동안, 샘플(2)은 적분구(3)로부터 약 3 ㎜ 이하의 거리에 위치되어 평행한 광원(1)으로부터 방출된 광의 직접적으로 투과되는 부분과 샘플(2)에서 산란되는 부분을 인식한다.

대조적으로, T_forward의 측정 동안, 샘플(2)은 적분구(3)로부터 간격을 두고 위치한다. 거리는 약 43 cm이다. 그 결과, 실질적으로 단지 직접 투과되는 부분 또는 정방향으로 투과되는 부분이 인식된다.

이 유형의 측정은 여기소 조사되는 미도핑 샘플(2) 및/또는 경우에 따라 도핑 샘플(2)을 이의 투과율 및/또는 산란 거동에 관하여 분류할 수 있다. 샘플(2)의 분류 또는 샘플(2)의 특징화는 비율 T_half:T_forward로 나타낼 수 있다.

광 빔이 전적으로 빔 방향으로 진행하도록, 이상적으로 광학적으로 투명한 비산란 샘플(2)의 경우, 비율 T_half:T_forward에 대해 1 또는 거의 1의 값이 얻어진다. 대조적으로, 산란 거동이 큰 샘플은 T_half:T_forwad의 값이 매우 커진다.

투과율 측정 동안, 샘플(2)은, 특히 적분구(3)의 앞과, 특히 입력부에 이와 같이 위치된다. 이와는 대조적으로, 투과율 측정 동안, 샘플(2)은, 특히 적분구(3)의 앞과, 특히 입력부에 이와 같이 위치된다. 분광계(4)의 검출기는 적분구(3)의 주변 상의 임의의 지점에 위치한다.

전술한 유리 실시예 2(표 2 및 3 참조) 및 전술한 유리 실시예 11(표 2 및 3 참조)에 대해 측정된 몇 가지 결과는 도 2 내지 5에 예시되어 있다. 도 2에는 본 발명에 따른 입도 분포가 도시되어 있는 한편, 도 3 내지 5는 T_half:T_forward에 대한 연관된 결과를 보여준다.

이러한 광학 특성 크기는, 예를 들면 시중에서 입수 가능한 분광계(예를 들면, Perkin Elmer Lambda 9 또는 900)에 의해 측정할 수 있다.

이를 위하여, 도 2에는 입자 직경의 함수로서 입도 분포의 누적치가 예시되어 있다(예를 들면, Cilas Model 1064 입도 측정 기구로 측정함). 전술한 유리 실시예 2 및 11에 대한 세 가지 상이한 입도 분포(KGV1, KGV2 및 KGV3)[KGV = 입도 분포]가 구체적으로 예시되어 있다. d10, d50 및 d90에서의 입도에 대한, 도 2에 속하는 "수치" 결과는 표 7에 요약한다. 첫 번째 컬럼에는 표 8에 사용된 기호가 표시되어 있다.

상기 예시는 실시예 11 KGV3(라인 V)에 기초하여 설명하는 것이다: 입자 또는 알갱이의 10%는 직경이 약 23.6 ㎛ 미만이고, 입자의 50%는 직경이 약 55.8 ㎛ 미만이며, 입자의 90%는 직경이 94.9 ㎛ 미만이다. 11 KGV3에 대한 입자는 가장 큰 직경인 것으로 보일 수 있다.

유리 실시예 2 KGV1(II), 2 KGV2(I), 11 KGV1(IV), 11 KGV3(V)에 사용된 공정 매개변수는 표 8에 요약한다. 이 경우에서, 유리 실시예 2 KGV1에 대해서 두 가지 상이한 방법이 주어지는데: (II)는 이중 어닐링, 즉 소결과 이어서 열 처리, 뿐만 아니라 예를 들면, 제2 소결을 행한 것이고, (III)은 단일 어닐링 또는 소결을 행한 것이다. 매개변수(t@T/’)는 T에서의 지속 시간을 분 단위로 나타낸다.

도 3은 전술한 실시예 I 내지 III에 대한 광 파장의 함수로서 투과율 T_half 및 T_forwad를 나타낸다. 도 4는 전술한 실시예 IV 내지 V에 대한 광 파장의 함수로서 투과율 T_half 및 T_forwad를 나타낸다. 곡선 T_half와 T_forward의 분리도, 즉 세로 좌표의 차가 비교적 작다면, 샘플(2)은 작은 산포를 가진다. 대조적으로, 곡선이 서로 비교적 큰 분리도를 가진다면, 샘플(2)은 큰 산포를 가진다. 샘플(2)의 특징화는 비율 T_half:T_forward에 의해 행한다.

이를 위하여, 최종적으로 도 5에 T_forward에 대한 T_half의 비율을 예시한다. 나타낸 모든 실시예 I 내지 V에 대하여, 달성되는 비율은 본 발명에 따라서 유리한 범위 내에 있다. 실시예 V에 대하여, 입자가 가장 큰 직경을 가진 경우, 거의 1에 가까운 T_half:T_forward 값이 얻어진다. 소결된 유리체는 작은 산포를 가진다. 샘플 내 산포가 바람직하지 않은 지, 아니면 바람직한 지는, 본 시스템에 대한 요건을 기반으로 하여, 컨버터 시스템, 즉 매립된 발광단을 함유하는 시스템에 기초하거나, 또는 전체 전환-LED 시스템에 기초하여 결정된다. 예를 들면, 굴절률이 서로 밀접하게 있는 시스템에서, 더 큰 산포가 요구될 수 있다. 특히, 또한 투과율과 반사율의 합에 대한 기준을 충족시키는 것이 중요하다.

전술한 매트릭스 유리는 광원, 특히 백색 또는 유색 광원을 생성하는 데 사용될 수 있으며, 상기 매트릭스 유리는, 바람직하게는 청구범위 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 정의된 전환 물질의 특징을 포함하고, 바람직하게는 청구범위 제22항 내지 제28항 중 어느 한 항의 특징을 가진 방법에 의해 제조되는 전환 물질에 해당하는 발광단 또는 복수의 발광단을 함유한다.

바람직한 구체예에서, 광원은 1차 광원, 특히 225 ㎚ 내지 520 ㎚, 바람직하게는 350 ㎚ 내지 480 ㎚ 영역의 파장, 가장 바람직하게는 400 ㎚ 내지 480 ㎚ 영역의 파장을 가진 광을 방출하는 반도체 광원을 포함한다.

대안의 구체예에서, 1차 광원은 400 ㎚ 내지 480 ㎚, 바람직하게는 420 ㎚ 내지 480 ㎚ 영역의 파장을 가진 광을 방출하는 LED를 포함한다.

다른 구체예에서, 1차 광원은 235 ㎚ 내지 400 ㎚, 바람직하게는 350 ㎚ 내지 400 ㎚ 영역의 파장을 가진 광을 방출하는 UV LED를 포함한다.

또 다른 구체예에서, 1차 광원은 400 ㎚ 내지 480 ㎚ 영역의 파장을 가진 광을 방출하는 반도체 레이저 다이오드의 1차 광원을 포함한다.

광원은 하나 이상, 특히 또한 수 가지 상이한 1차 광원을 가질 수 있다.

이러한 광원, 뿐만 아니라 이들의 공간 배열 및 특성의 추가 설명은 내부 문서 번호 08SGL0020DEP 또는 P 3156의 특허 출원 "Optik-Konverter-System fur (W)LEDs"(영문: Optical Converter System for (W)LEDs) 및 이 출원인과 동일한 날에 출원된, 동일 출원인의 내부 문서 번호 08SGL0060DEP 또는 P 3063의 특허 출원 "Gehause fur LEDs mit hoher Leistung"(영문: Housing for LEDs with High Power)에서 찾아볼 수 있으며, 전체 범주 내에서 이들 특허 출원의 일부를 참고로 포함한다.

몇 가지 1차 광원과 몇 가지 발광단을 사용하면, 특히 발광단 또는 복수의 발광단을 선택하고, 또한 발광단의 농도 및/또는 컨버터 물질의 두께를 조정함으로써 (X, Y) 색 공간의 하기 색 좌표에서 광을 방출할 수 있는 광원을 생성할 수 있다:

A=(0.16, 0.02)

B=(0.05, 0.30)

C=(0.02, 0.76)

D=(0.21, 0.76)

E=(0.72, 0.28).

이 방식으로, 횡단 ABCDE 내 색 공간은 한정되거나, 둘러싸지는데, 모든 색 좌표의 광이 실질적으로 광원에 의해 방출될 수 있다.

전술한 횡단, 뿐만 아니라 후술되는 횡단 내 색 좌표의 조절은 동시에, 그리고 각각의 발광단의 비율 및 농도, 뿐만 아니라, 수 개의 광원의 경우, 각각의 광원의 방출 강도를 확립함으로써 최종적으로 정의된 방식으로 행해질 수 있다.

더욱이, 수 개의 1차 광원의 경우, 특정한 범주 내에서, 하나 이상의 1차 광원의 방출 강도를 변경함으로써 색 좌표를 변경하는 것이 추가로 가능하다.

광원의 다른 구체예에서, 특히 1차 광원을 선택하고, 발광단 또는 복수의 발광단을 선택하며, 또한 발광단의 농도 및/또는 컨버터 물질의 두께를 조정함으로써 (X, Y) 색 공간의 하기 색 좌표에서 광을 방출할 수 있다:

F=(0.28, 0.24)

G=(0.37, 0.35)

H=(0.37, 0.40)

I=(0.24, 0.28).

광원의 또 다른 구체예에서, 특히 1차 광원을 선택하고, 발광단 또는 복수의 발광단을 선택하며, 또한 발광단의 농도 및/또는 컨버터 물질의 두께를 조정함으로써 (X, Y) 색 공간의 하기 색 좌표에서 광을 방출할 수 있다:

J=(0.37, 0.35)

K=(0.37, 0.42)

L=(0.50, 0.45)

M=(0.50, 0.38).

N=(0.21, 0.76)

O=(0.66, 0.34)

P=(0.60, 0.34)

Q=(0.15, 0.76).

이 방식으로, 특히 포화색 녹색-황색-오렌지색(호박색) NOPQ를 생성할 수 있으며, 더욱이, 1차 광원 또는 복수의 광원을 선택함으로써 535 ㎚ 내지 610 ㎚의 스펙트럼 영역에서 모든 포화색을 생성할 수 있는데, 그렇지 않으면 순수한 LED로 단지 낮은 효율을 가질 뿐이다.

하기 특허 청구의 범위의 이해를 위하여, 본 발명의 제1 구체예에 대하여, 용어 "1차 광원이 광을 방출하는 스펙트럼 영역에서"는 단일 1차 광원의 스펙트럼 영역만을 포함하는 것으로 한다. 이 단일 1차 광원은, 이 경우에서, 상기 상세한 설명 또는 하기 청구의 범위에 언급된 1차 광원 중 하나이다.

본 발명에 따른 다른 구체예에서, 용어 "1차 광원이 광을 방출하는 스펙트럼 영역에서"는 하나 이상의 1차 광원의 스펙트럼 영역을 포함한다. 이 경우, 다양한 방출 스펙트럼을 가진 둘 또는 둘 이상의 1차 광원은, 특히 더 큰 색 공간도 포괄시키기 위하여 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 둘 이상의 1차 광원은 또한, 각각 상기 상세한 설명 또는 하기 청구의 범위에만 언급된 1차 광원만을 포함한다.

당업자에게 기재된 구체예가 예로서 이해될 것이라는 것은 자명하다. 본 발명은 이들로 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 사상에서 벗어나지 않으면서 다양한 방식으로 변경될 수 있다. 개별 구체예의 양태 및 상세한 설명의 일반적인 부분에 언급된 양태는 각각 상호 간에 조합될 수 있다.

Claims

1차 광원으로서 반도체 광원을 포함하는, 특히 백색 또는 유색 광원용 전환 물질로서,
벌크 물질로서, 약 1 ㎜의 두께 d에 대하여, 순수 투과율 τ_i가 350 내지 800 ㎚의 파장 영역 및 1차 광원이 광을 방출하는 영역에서 80%를 초과하고,
입도 분포가 d10 >= 0.7 ㎛, d50 >= 3 ㎛ 및 d90 <= 150 ㎛인 매트릭스 유리의 분말로부터 소결 컴팩트로서 형성되는
매트릭스 유리를 포함하는 전환 물질.

제1항에 있어서, 발광단(luminophore)이 없는 소결 컴팩트에 대하여, 350 ㎚ 내지 800 ㎚의 스펙트럼 영역 및 1차 광원이 광을 방출하는 스펙트럼 영역 내에서 투과율과 반사율의 합은 적어도 80% 초과, 바람직하게는 85% 초과, 가장 바람직하게는 90% 초과인 것인 전환 물질.

제1항 또는 제2항에 있어서, 소결 컴팩트에 대한 입도 분포는 350 내지 800 ㎚의 스펙트럼 영역에서, T_half:T_forward의 비율이 1 < T_half:T_forward <= 70에 있도록 하는 방식으로 선택되는 것인 전환 물질.

제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 350 내지 800 ㎚의 스펙트럼 영역 및 1차 광원이 광을 방출하는 영역에서, 이 스펙트럼 영역에 걸쳐 확립된 반사율과 투과율의 차에 대한 최대 및 최소 기여도는 40% 이하, 바람직하게는 25% 이하, 가장 바람직하게는 15% 이하만큼 차이가 나는 것인 전환 물질.

제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 소결 상태에서 발광단으로 도핑된 매트릭스 유리의 반사율은, 1차 광원이 광을 방출하는 스펙트럼 영역에서, 30% 미만, 바람직하게는 25% 미만, 가장 바람직하게는 15% 미만이고,
소결 상태에서 발광단으로 도핑된 매트릭스 유리의 투과율과 반사율의 합은, 1차 광원이 광을 방출하는 스펙트럼 영역을 제외한, 350 내지 800 ㎚의 스펙트럼 영역에서, 적어도 80% 초과, 바람직하게는 85% 초과, 가장 바람직하게는 90% 초과인 것인 전환 물질.

제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 평균 직경 d50이 1 ㎛ 내지 50 ㎛, 특히 바람직하게는 1 ㎛ 내지 20 ㎛, 가장 바람직하게는 1 ㎛ 내지 15 ㎛인 입도를 가진 하나 이상의 발광단을 포함하는 것인 전환 물질.

제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 평균 직경 d50이 300 ㎚ 미만, 특히 바람직하게는 100 ㎚ 미만, 가장 바람직하게는 40 ㎚ 미만인 입도를 가진 하나 이상의 발광단을 포함하는 것인 전환 물질.

제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 1차 광원이 광을 방출하는 영역을 제외한, 350 내지 800 ㎚의 스펙트럼 영역에서, 이 스펙트럼 영역에 걸쳐 확립된 반사율과 투과율의 차에 대한 최대 및 최소 기여도는 40% 이하, 바람직하게는 25% 이하, 가장 바람직하게는 15% 이하만큼 차이가 나는 것인 전환 물질.

제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 유리 매트릭스에 매립된 발광단의 내부 전환 양자 수율은 매립되지 않은 발광단의 내부 전환 양자 수율에 관하여 20% 이하, 바람직하게는 10% 이하, 가장 바람직하게는 5% 이하만큼 감소된 것인 전환 물질.

제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 벌크 물질로서의 상기 매트릭스 유리는 굴절률이 1.6 초과 또는 1.6, 바람직하게는 1.65 내지 2.0의 값, 가장 바람직하게는 1.8 내지 1.95의 값인 것인 전환 물질.

제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 아연 분획을 가진 란탄 붕규산염 유리, 이트륨 분획을 가진 알루미늄 붕규산염 및 알칼리토 규산염을 포함하는 것인 전환 물질.

제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 경우에서 하기 조성(중량%)을 포함하는 매트릭스 유리를 갖는 것인 전환 물질:

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제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 경우에서 하기 조성(중량%)을 포함하는 매트릭스 유리를 가지며:

바람직하게는, 각각의 경우에서 하기 조성(중량%)을 포함하는 매트릭스 유리를 갖는 것인 전환 물질:

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제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 벌크 물질로서의 상기 매트릭스 유리는 굴절률이 1.6 미만, 바람직하게는 1.43 내지 1.6, 가장 바람직하게는 1.45 내지 1.59의 값인 것인 전환 물질.

제1항 내지 제9항 또는 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 아연 인산염, 붕규산염, 알루미늄 붕규산염 및/또는 알칼리토 규산염을 포함하는 매트릭스 유리를 갖는 것인 전환 물질.

제1항 내지 제9항, 제15항 또는 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 경우에서 하기 조성(중량%)을 포함하는 매트릭스 유리를 가지며:

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제1항 내지 제9항, 제15항 또는 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 경우에서 하기 조성(중량%)을 포함하는 매트릭스 유리를 갖는 것인 전환 물질:

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제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, Tl₂O, TeO₂ 및 As₂O₃를 사용하지 않고, 바람직하게는 또한 성분 Bi₂O₃ 및/또는 PbO 없이 매트릭스 유리를 생성할 수 있는 것을 더 특징으로 하며, 상기 생성 가능성에 대한 최소 요건은, 생성 후 전환 물질이 제4항에 정의된 특징을 갖는 것인 전환 물질.

제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 호스트 물질로서 산화물, 질화물, 옥시질화물, 황화물, 옥시황화물, 할로겐화물, 할로산화물, 할로황화물, 텔루르화물(telluride) 및 셀렌화물로 구성된 군 중의 하나 이상의 물질을 포함하는 발광단을 포함하며,
상기 호스트 물질은 희토류(Ce, Eu, Tb, Gd, ……), 전이 금속(Cr, Mn) 및 중금속(Tl, Bi)을 포함하는 군 중의 하나 이상의 물질로 도핑되는 것인 전환 물질.

전환 물질, 특히 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 정의된 특징을 가진 전환 물질의 제조 방법으로서,
매트릭스 유리, 특히 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 기재된 특성을 가진 매트릭스 유리를 제공하는 단계,
매트릭스 유리를 입도 분포가 입도 d10 >= 0.7 ㎛, d50 >= 3 ㎛ 및 d90 <= 150 ㎛인 분말로 분쇄하는 단계,
상기 분쇄된 매트릭스 유리를 분말 형태로 존재하는 발광단과 혼합하는 단계,
분말 형태로 존재하는 발광단과 혼합된 상기 분쇄된 매트릭스 유리를 가압하는 단계, 및
상기 매트릭스 유리와 상기 발광단을 함유하는 가압된 혼합물을 소결하는 단계
를 포함하는 방법.

제24항에 있어서, 특히 질소, 포밍 가스(forming gas) 및/또는 아르곤에 의해, 또는 감압으로서 공급되는 특정 분위기에서 소결하는 것을 더 특징으로 하는 방법.

제24항 또는 제25항에 있어서, 바람직하게는 특히 질소, 포밍 가스 및/또는 아르곤에 의해, 또는 감압으로서 공급되는 특정 분위기에서 발광단을 열 전처리하는 것을 더 특징으로 하는 방법.

제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 매트릭스 유리 및 발광단을 함유하는 가압된 혼합물을 가압 소결하는 것을 더 특징으로 하는 방법.

제24항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가압 소결은 100 내지 3000 bar, 바람직하게는 500 내지 2500 bar, 특히 바람직하게는 500 내지 1500 bar 범위의 압력에서 수행되는 것을 더 특징으로 하는 방법.

제24항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 발광단의 표면 상에 보호층을 형성하는 것을 더 특징으로 하는 방법.

제24항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 최종 가공되고 바람직하게는 후가공된 전환 요소 상에 보호층을 형성하는 것을 더 특징으로 하는 방법.

제29항 또는 제30항에 있어서, 상기 보호층은 습식 화학법, 졸-겔법, PVD 및/또는 CVD에 의해 형성되는 것을 더 특징으로 하는 방법.

제24항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 발광단, 예를 들면, Ce:YAG는 평균 입도 직경 d50이 1 ㎛ 내지 50 ㎛, 특히 바람직하게는 1 ㎛ 내지 20 ㎛, 가장 바람직하게는 1 ㎛ 내지 15 ㎛인 입도로 사용되는 것인 방법.

제24항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광단은 평균 입도 직경 d50이 300 ㎚ 미만, 특히 바람직하게는 100 ㎚ 미만, 가장 바람직하게는 40 ㎚ 미만인 입도로 사용되는 것인 방법.

제24항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소결은 연화 온도에 관하여 출발 유리에 매칭되는 온도 및/또는 시간 방식(가열 속도 및 지속 시간)에서 상기 매트릭스 유리와 상기 발광단을 함유하는 혼합물을 가압한 후 행하는 것인 방법.

제24항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소결은 상기 매트릭스 유리 및 상기 발광단을 함유하는 상기 가압된 혼합물을, 매트릭스 유리의 연화 온도 EW 내지 가공 온도 V_a 범위의 표적 온도, 바람직하게는 연화 온도 내지 상기 연화 온도보다 약 150 K 이상의 온도의 온도 범위 내 표적 온도로 가열하는 것을 포함하는 방법.

제24항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소결은 사용된 유리의 점도가 h = 10¹⁴ dPas 내지 h = 10⁶ dPas, 바람직하게는 h = 10^13.5 dPas 내지 h = 10⁷ dPas, 특히 바람직하게는 h = 10¹⁰ dPas 내지 h = 10⁷ dPas 범위에 있도록 하는 온도에서 수행하는 것인 방법.

제24항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 동안, 가열 속도 1 K/분 내지 30 K/분, 바람직하게는 1 K/분 내지 20 K/분, 가장 바람직하게는 1 K/분 내지 10 K/분이 사용되는 것인 방법.

제24항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매트릭스 유리 및 상기 발광단을 함유하는 상기 가열되고 가압된 혼합물은, 냉각시키기 전에, 대략 상기 표적 온도에서 0 내지 60 분, 바람직하게는 0 내지 30 분, 가장 바람직하게는 10 내지 30 분의 시간 동안 유지시킨 후, 실온으로 냉각시키는 것인 방법.

제24항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 추가 어닐링, 즉 상기 매트릭스 유리 및 상기 발광단을 함유하는, 상기 소결되고 가압된 혼합물의 온도 보조 및 임의로 압력 보조 처리를 더 특징으로 하는 방법.

제39항에 있어서, 상기 추가 어닐링은 제2 소결인 것을 더 특징으로 하는 방법.

제39항 또는 제40항에 있어서, 상기 추가 어닐링은 250 내지 2500 bar, 바람직하게는 500 내지 1500 bar 범위의 압력에서 수행되는 것을 더 특징으로 하는 방법.

제39항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추가 어닐링은 사용된 유리의 점도가 h = 10¹⁴ dPas 내지 h = 10⁶ dPas, 바람직하게는 h = 10^13.5 dPas 내지 h = 10⁷ dPas, 특히 바람직하게는 h = 10¹⁰ dPas 내지 h = 10⁷ dPas 범위에 있도록 하는 온도에서 수행되는 것인 방법.

제39항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추가 어닐링은 30 내지 600 분, 바람직하게는 60 내지 300 분, 특히 바람직하게는 100 내지 180 분의 지속 시간으로 수행되는 것을 더 특징으로 하는 방법.

바람직하게는 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항의 전환 물질의 특징을 포함하고, 제24항 내지 제43항 중 어느 한 항의 특징을 가진 방법에 의해 제조되거나 제조될 수 있는 전환 물질.

광원, 특히 백색 또는 유색 광원으로서,
바람직하게는 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 정의된 전환 물질의 특징을 포함하고, 바람직하게는 제24항 내지 제43항 중 어느 한 항의 특징을 가진 방법에 의해 제조되거나 제조될 수 있는 전환 물질, 및
225 ㎚ 내지 520 ㎚, 바람직하게는 350 ㎚ 내지 480 ㎚ 영역의 파장, 가장 바람직하게는 400 ㎚ 내지 480 ㎚ 영역의 파장을 가진 광을 방출하는 1차 광원, 특히 1차 광원으로서의 반도체 광원
을 포함하는 광원.

제45항에 있어서, 상기 1차 광원은 400 ㎚ 내지 480 ㎚, 바람직하게는 420 ㎚ 내지 480 ㎚ 영역의 파장을 가진 광을 방출하는 LED를 포함하는 것인 광원.

제45항에 있어서, 상기 1차 광원은 235 ㎚ 내지 400 ㎚, 바람직하게는 365 ㎚ 내지 400 ㎚ 영역의 파장을 가진 광을 방출하는 UV LED를 포함하는 것인 광원.

제45항에 있어서, 상기 1차 광원은 400 ㎚ 내지 480 ㎚ 영역의 파장을 가진 광을 방출하는 반도체 레이저 다이오드를 포함하는 것인 광원.

제45항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서, 특히 1차 광원을 선택하고, 발광단 또는 복수의 발광단을 선택하고, 또한 발광단의 농도 및/또는 컨버터 물질의 두께를 조정함으로써 (X, Y) 색 공간의 하기 색 좌표에서 광을 방출할 수 있으며:
A=(0.16, 0.02)
B=(0.05, 0.30)
C=(0.02, 0.76)
D=(0.21, 0.76)
E=(0.72, 0.28)
이 방식으로, 색 공간은 다각형 횡단 ABCDE 내에서 한정되고, 모든 색 좌표의 광이 실질적으로 광원에 의해 방출될 수 있는 것인 광원.

제45항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서, 특히 1차 광원을 선택하고, 발광단 또는 복수의 발광단을 선택하고, 또한 발광단의 농도 및/또는 컨버터 물질의 두께를 조정함으로써 (X, Y) 색 공간의 하기 색 좌표에서 광을 방출할 수 있으며:
F=(0.28, 0.24)
G=(0.37, 0.35)
H=(0.37, 0.40)
I=(0.24, 0.28)
이 방식으로, 색 공간은 다각형 횡단 FGHI 내에서 한정되고, 모든 색 좌표의 광이 실질적으로 광원에 의해 방출될 수 있는 것인 광원.

제45항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서, 특히 1차 광원을 선택하고, 발광단 또는 복수의 발광단을 선택하고, 또한 발광단의 농도 및/또는 컨버터 물질의 두께를 조정함으로써 (X, Y) 색 공간의 하기 색 좌표에서 광을 방출할 수 있으며:
J=(0.37, 0.35)
K=(0.37, 0.42)
L=(0.50, 0.45)
M=(0.50, 0.38)
이 방식으로, 색 공간은 다각형 횡단 JKLM 내에서 한정되고, 모든 색 좌표의 광이 실질적으로 광원에 의해 방출될 수 있는 것인 광원.

제45항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서, 특히 1차 광원을 선택하고, 발광단 또는 복수의 발광단을 선택하고, 또한 발광단의 농도 및/또는 컨버터 물질의 두께를 조정함으로써 (X, Y) 색 공간의 하기 색 좌표에서 광을 방출할 수 있으며:
N=(0.21, 0.76)
O=(0.66, 0.34)
P=(0.60, 0.34)
Q=(0.15, 0.76)
이 방식으로, 색 공간은 다각형 횡단 NOPQ 내에서 한정되고, 모든 색 좌표의 광이 실질적으로 광원에 의해 방출될 수 있는 것인 광원.