KR20110008289A - 파장 변환기를 갖는 광 검출기 - Google Patents

파장 변환기를 갖는 광 검출기 Download PDF

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크리스토프 마티니
베런트 아커만
마크 살스버리
한스-헬무트 베히텔
마티아스 하이드만
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 광 감지 소자(101), 및 광 감지 소자(101)의 앞에 배치되는 파장 변환기(103)를 포함하고, 파장 변환기는 제1 파장의 광을 제2 파장의 광으로 변환하고, 제2 파장의 광을 광 감지 소자로 지향시키도록 구성된다. 이점은, 전체 가시 스펙트럼에 걸쳐서 안정된 판독이 제공될 수 있다는 것이다.

Description

파장 변환기를 갖는 광 검출기{PHOTO-DETECTOR WITH WAVELENGTH CONVERTER}
본 발명은 광 검출기에 관한 것이다.
광 감지 소자로서 예를 들어 광 다이오드 또는 광 저항기(photo-resistor)를 포함하는 알려진 광 검출기는 통상적으로 각각의 파장-종속적 광-응답(photo-response)에 의해 결정되는 파장-특유 특성(wavelength-specific characteristics)을 갖는다. 구체적으로, 광 검출기는 발광 장치에 의해 방출되는 광을 감지하기 위한 발광 다이오드 장치(arrangements)의 플럭스 피드백 경로(flux feedback path)에 구현될 수 있다.
플럭스 피드백 제어는 장래에 광범위한 컬러-제어형(color controlled) 멀티-LED(multi-light emitting diode) 제품에서 구현될 것으로 예상된다. 방출되는 광을 제어하기 위하여, 예를 들어 넓은 주파수 및/또는 온도 범위에 걸쳐 안정된 특성을 갖는 광 검출기가 요구된다. 플럭스 피드백 신호는 LED의 온도 및 노화로 인한(temperature and aging induced) 플럭스 감소를 모니터링하기 위해 이용될 수 있다. 따라서, 온도 및 노화에 대하여 안정적인 광-응답을 갖는 광 검출기를 가질 필요가 있다. 그러나, 스펙트럼 측정에 의하면, 대부분의 실리콘 광 검출기가 청색 및 적외선 영역(regime)에서는 매우 온도 종속적인 반면에, 녹색 및 적색 영역에서는 허용가능한 온도 안정성이 얻어지는 광-응답을 갖는 것으로 각각 나타난다.
도 7은 기준 온도(여기에서는 25℃)에서의 광 다이오드의 스펙트럼 응답에 의해 정규화된, 실리콘 광 다이오드의 온도 종속적인 스펙트럼 광 응답을 도시한 것이다. 도 7에서, 참조 부호(701)는 25℃에서의 온도 종속성을 나타내고, 참조 부호(703)는 40℃에서의 온도 종속성을 나타내고, 참조 부호(705)는 60℃에서의 온도 종속성을 나타내고, 참조 부호(707)는 80℃에서의 온도 종속성을 나타내고, 참조 부호(709)는 100℃에서의 온도 종속성을 나타내고, 참조 부호(711)는 120℃에서의 온도 종속성을 나타낸다.
도 7에 도시된 바와 같이, 온도로 인한 감도 변화는, 펌프 LED로서 감청색(royal blue) LED, 또는 감청색 LED에 의존하는 인광체-변환형 백색 LED를 이용하는 멀티-LED 시스템에서 주로 이용되는 감청색 LED-발광체의 전형적인 방출 파장에 대략적으로 대응하는 450㎚에서 최대 감소를 갖는다. WO 2007/007238 A1은 LED에서 광을 변환하는 그러한 개념을 개시하고 있다.
플럭스 피드백을 통해 컬러가 제어되는 멀티-프라이머리(multi-primary) 시스템에서, 실온에서의 보정(calibration) 단계는 컬러 스트링들의 출력된 플럭스를 보정 동안 동시에 측정되는 광-응답 신호에 관계시킨다. 센서의 광 응답이 온도에 종속하는 경우, 그러한 보정 관계는 동작중인 램프에서 예상되는 80℃와 같은 관심의 대상인 온도에서 더 이상 효력이 없을 것이다. 도 7의 예에서, 적색/녹색광의 감도에 대한 청색광의 감도의 비는 온도에 따라 달라진다. 따라서, 플럭스 피드백 시스템은 높은 온도에서는 녹색 및 적색 신호에 비교하여 지나치게 낮은 청색 신호를 제공받을 것이며, 이에 의해 온도에 따른 시스템의 컬러 포인트 드리프트가 유발될 것이다. 이러한 오류들을 정정하기 위해서는, 센서의 온도를 측정하고 그 센서 특유의 온도 종속적인 감도 특성에 관한 정보를 이용할 필요가 있다.
도 6은 도 7에서 고려되는 광 검출기, 즉 실리콘 광 다이오드에 대한 온도의 함수로서 절대 스펙트럼 감도를 도시한 것이다. 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 센서의 감도는 일반적으로 녹색 및 적색 영역에서보다 청색 영역에서 더 낮다. 이는, 도 5에 도시된 것과 같이 센서가 트랜스임피던스 증폭기 및 유한한 해상도(finite resolution)를 갖는 AD 변환기에 접속되는 실제의 시스템들에서 중요하다.
도 5는 광 다이오드(501), 피드백 저항기(503), 연산 증폭기(505) 및 AD 변환기(507)를 갖는 전형적인 센서-트랜스임피던스-AD-변환기 신호 체인을 도시한 것이다.
AD 변환기(507)는 특정한 전압 입력 범위에 대하여 주어진 비트 해상도로 선형 신호를 출력하고, 신호의 최상의 가능한 해상도를 얻기 위하여 결과적인 최대 신호가 그 특정한 범위 내에 맞도록 피드백 저항기가 선택된다. 청색 영역에서 훨씬 더 낮은 센서의 감도로 인해, 최대 신호는 적색 컬러 스트링이 온(on) 상태이고 피드백 저항기가 적합한 입력 신호를 AD 변환기에 출력하도록 선택된 때 신호에 대해 달성될 것이다. 청색 스트링이 온 상태인 경우에 대해서는 신호가 훨씬 더 낮을 것이므로, 청색 신호에 대한 해상도는 불량할 것이고, 이에 의해 플럭스 피드백 시스템에서 컬러 제어 부정확성이 유발될 수 있다. AD 변환기로의 입력 신호를 모든 컬러 스트링에 대해 양호한 값으로 채택하기 위해 상이한 컬러 채널들을 감지하면서 스위칭가능한 피드백 저항기를 도입할 수 있지만, 이것은 상당한 시스템 복잡성과 비용을 추가시킨다. 또 다른 문제는, 특정한 광다이오드의 행동을 예측하기가 어렵다는 것이다. 위에서 언급된 스위칭은 동작 온도에서 광다이오드가 어떻게 행동할 것인지에 관한 정밀한 지식을 요구한다. 이러한 행동이 알려져 있다면, 광다이오드는 쉽게 보정될 수 있다.
따라서, 가시 스펙트럼 영역에서 보다 균일한 감도를 갖는 센서는 모든 컬러 스트링의 보다 더 신뢰가능하고 간단한 플럭스 감지에 기여할 것이다.
본 발명의 목적은 알려진 광 검출기의 효율을 향상시키는 것이다.
이러한 목적은 독립항들의 특징에 의해 달성된다. 유리한 실시예들이 종속항들에서 설명된다.
본 발명은 제1 파장의 광을, 광 검출기, 예를 들어 광 다이오드 또는 광 저항기가 개선된 광 응답 특성을 갖는 제2 파장의 광으로 변환하기 위해 파장 변환기를 광 검출기의 앞에 배치할 때, 광 검출기의 효율이 증가될 수 있다는 발견에 기초한다.
본 발명은 광 검출기로서, 광 감지 소자, 및 광 감지 소자의 앞에 배치되는 파장 변환기를 포함하고, 파장 변환기는 제1 파장의 광을 제2 파장의 광으로 변환하고, 제2 파장의 광을 광 감지 소자로 지향시키도록 구성되는 광 검출기에 관한 것이다. 예를 들어, 제1 파장은 제2 파장보다 짧을 수 있다. 또한, 제1 파장은 제1 주파수 대역 내에 배치될 수 있고, 제2 파장은 제2 주파수 대역 내에 배치될 수 있으며, 제1 및 제2 주파수 대역은 서로에 대해 시프트된다.
실시예에 따르면, 제2 파장은, 광 감지 소자의 광-응답(photo-response)이 제1 파장에서의 광 감지 소자의 광-응답과 다른 특성, 특히 개선된 온도 안정성 및/또는 증가된 광-응답값을 갖는 파장에 의해 결정된다.
실시예에 따르면, 광 감지 소자는 광 센서, 특히 광 저항기 또는 광 다이오드이거나, 광 감지층, 특히 실리콘층 또는 황화 카드뮴(cadmium sulphide)층 또는 게르마늄층 또는 인듐 갈륨 아세나이드(indium gallium arsenide)층 또는 황화납(lead sulfide)층이다.
실시예에 따르면, 파장 변환기는 파장 변환 재료, 특히 인광체 재료 또는 무기 인광체(inorganic phosphor) 재료 또는 양자 점(quantum dots), 또는 펌핑되는 파장이 정밀하게 결정될 수 있다는 이점에 관련된 나노결정(nanocrystals)을 포함한다.
실시예에 따르면, 제1 파장은 청색광에 관련되고, 제2 파장은 적색광 또는 녹색광 또는 호박색(amber)광에 관련된다.
본 발명은 또한 광 센서를 위한 부착가능형 파장 변환기(attachable wavelength converter)에 관한 것이다. 부착가능형 파장 변환기는 광 센서에 부착하기 위한 부착가능형 소자를 포함하고, 상기 부착가능형 소자는 제1 파장의 광을 제2 파장의 광으로 변환하기 위한 파장 변환기를 포함한다.
실시예에 따르면, 파장 변환기는 파장 변환 재료, 특히 무기 인광체 재료를 포함한다.
실시예에 따르면, 제1 파장은 청색광에 관련되고, 제2 파장은 적색광 또는 녹색광 또는 호박색광에 관련된다.
본 발명은 광 감지 소자, 특히 광 다이오드 또는 광 저항기, 및 부착가능형 파장 변환기를 포함하는 광 검출기에 더 관련된다.
본 발명은 광을 방출하기 위한 적어도 하나의 발광 다이오드, 및 발광 다이오드 장치의 플럭스 피드백 경로(flux feed back path)에 배치된 광 검출기를 포함하는 발광 다이오드 장치, 특히 LED 램프에 더 관련된다.
본 발명은 또한 멀티컬러 발광 장치로서, 광 검출기를 포함하고, 광 감지 소자가 파장 변환기로부터 제2 파장으로 충돌하는 제1 광 성분, 및 파장 변환기를 통과하지 않고서 광 감지 소자에 제2 파장으로 직접 충돌하는 제2 광 성분을 감지하는 멀티컬러 발광 장치에 관한 것이다. 다른 양태에 따르면, 멀티컬러 발광 장치는 복수의 광 검출기를 포함할 수 있고, 각각의 광 검출기는 상이한 파장에 관련된 파장 변환기를 갖는다.
본 발명의 다른 실시예들은 이하의 도면들에 관하여 설명될 것이다.
도 1은 광 검출기를 도시한 것이다.
도 2는 광 검출기의 앞에 부착된 파장 변환기를 갖는 센서 보드를 도시한 것이다.
도 3은 청색광을 호박색광으로 변환하는 인광체 루미라믹 재료에 입사하는 청색광이 경험하는 파장 시프트를 도시한 것이다.
도 4a는 광 검출기의 앞에 부착된 파장 변환기를 갖는 시스템의 절대 스펙트럼 응답의 온도 종속 곡선을 도시한 것이다.
도 4b는 광 검출기의 앞에 부착된 파장 변환기를 갖는 시스템의 온도 종속 상대 스펙트럼 응답을, 기준 온도 25℃에서의 그것의 응답에 대하여 도시한 것이다.
도 5는 광 검출 시스템의 블록도를 도시한 것이다.
도 6은 실리콘 광 다이오드의 스펙트럼 감도를 도시한 것이다.
도 7은 실리콘 광 다이오드의 상대 스펙트럼 광 응답의 온도 종속성을 도시한 것이다.
도 1은 광 감지 소자(103)의 앞에 배치된 파장 변환기(101)를 갖는 광 검출기를 도시한 것이다. 파장 변환기(101)는 인광체 재료 또는 임의의 다른 파장 변환 재료를 포함할 수 있다. 광 감지 소자(103)는 광 다이오드 또는 광 저항기의 광 감지층일 수 있다. 실시예에 따르면, 광 감지 소자(103)는 광 다이오드 또는 광 저항기일 수 있다.
파장 변환기(101)는 예를 들어 청색광이 광 감지 소자(103)의 감지 영역에 도달하기 전에, 또는 청색광이 광 감지 소자(103)에 도달하기 전에, 청색광을 더 높은 파장으로 변환한다. 예를 들어, 파장 변환기는 광 변환을 위해 온도 안정적인 광 변환 인광체 재료를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 광은 광 감지 소자(103)의 광 응답이 더 안정적이고 청색 영역에서의 광 응답보다 더 높은 값을 갖는 파장 영역으로 변환된다.
실시예에 따르면, 예를 들어 청색 영역으로부터 예를 들어 적색 및/또는 호박색 영역의 더 높은 파장으로 광을 변환하기 위해 상이한 인광체 재료들이 이용될 수 있다.
바람직하게는, 파장 변환기(101)가 센서들을 덮기 위해 이용되고, 이는 방출된 광을 변경되지 않은 채로 유지하는 것을 가능하게 하며, 광 검출기에서, 수신된 광은 광 검출기가 다른 특성을 갖는 다른 파장으로 변형된다. 예를 들어, 광 변환 재료는 청색광을 흡수하고, 변환된 광을 적어도 부분적으로 더 긴 파장에서 광 검출기의 활성 영역, 즉 광 센서로 재방출할 수 있다. 따라서, 광 검출기의 파장 종속성이 평평해진다.
또한, 파장 변환기(101)는 예를 들어 100℃ 미만에서 매우 온도 안정적인 인광체 재료를 포함할 수 있다. 이는 센서의 온도 안정성이 향상되게 한다.
실시예에 따르면, 파장 변환기(101)는 예를 들어 통상적인 광 검출기 앞에 부착될 수 있는 별도의 소자로서 형성될 수 있다. 예를 들어, 그러한 파장 변환기는 결정질 재료의 밀도에 비교하여 95퍼센트 더 큰 밀도를 갖는 세라믹 인광체 판, 예를 들어 파장 변환기가 광 다이오드의 상단에 배치된 루미라믹 판을 형성하도록 배치될 수 있음을 도시한 도 2에 나타난 바와 같이, 예를 들어 청색광을 호박색 영역으로 변환하는 루미라믹(Lumiramic) 판 등을 포함할 수 있다.
도 3은 예를 들어 청색 광원의 상단에 배치된 예를 들어 150㎛ 두께의 호박색 루미라믹 판인 인광체 층을 포함하는 파장 변환기로부터의 방출 스펙트럼을 도시한 것이다. 도 3의 화살표들에 의해 나타난 바와 같이, 청색광은 호박색으로 변환된다.
도 4a 및 도 4b는 인광체-광-다이오드 시스템에 대해 측정된 결과적인 스펙트럼 광 감도를 도시한 것이다. 도 4a는 광 다이오드 상에 배열된 호박색 루미라믹 파장 변환기를 포함하는 시스템의 온도 종속 스펙트럼 광 감도를 도시한 것인데, 여기에서 온도는 켈빈(Kelvin)으로 주어진다. 도 4b는 광 다이오드, 및 광 다이오드의 상단에 배치된 파장 변환기로서 동작하는 호박색 루미라믹 판을 포함하는 결과적인 광 검출기 장치의 상이한 온도들에서의 변화들을 도시한 것이다. 곡선(401)은 25℃에서의 변화를 나타내고, 곡선(403)은 40℃에서의 변화를 나타내고, 곡선(405)은 60℃에서의 변화를 나타내고, 곡선(407)은 80℃에서의 변화를 나타내고, 곡선(409)은 100℃에서의 변화를 나타내고, 곡선(411)은 120℃에서의 변화를 나타낸다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 결과들을 도 6 및 도 7에 도시된 곡선들과 비교할 때, 광 다이오드의 성능의 상당한 개선이 보여진다. 구체적으로, 450㎚에서의 청색 영역에서의 감도가 개선되어 청색 대 적색의 감도 비가, 인광체 파장 변환기를 이용하지 않을 때의 PS(450㎚)/PS(630㎚)=0.17에 비교하여, PS(450㎚)/PS(630㎚)=0.53으로 된다.
또한, 온도 종속적인 감도 감소는 가시 스펙트럼 범위에 걸쳐서 거의 균일하며, 25℃로부터 80℃로 가열될 때, 최대 3％ 감소된다. 예를 들어 인광체 재료를 포함하는 어떠한 파장 변환 소자도 갖지 않는 경우, 동일한 광 검출기 및 동일한 온도 변화에 대하여, 스펙트럼 감도는 450㎚에서 8％ 감소한다.
측정에 의하면, 본 발명의 광 다이오드 장치는 넓은 온도 범위에 걸쳐서 안정적인 것으로 나타나는데, 이는 광 검출기를 예를 들어 루미라믹 등의 청색광 변환 인광체 재료로 덮는 것에 의해 달성된다. 따라서, 청색 입사광은 실리콘 센서의 감도가 더 높고 덜 온도 종속적인, 더 긴 파장으로 변환된다. 이로 인해, 모든 온도들 또는 파장들에 대하여 평평한 스펙트럼 광 응답이 얻어진다.
청색 영역에서의 광 검출기의 개선된 효율은 그 영역에서 LED에 의해 방출되는 광량의 측정의 정확도를 증가시킨다. 따라서, 적은 양의 광이라도 측정에 의해 효율적으로 캡처될 수 있다. 따라서, 본 발명의 접근방식은 상이한 파장들에 관련된, 예를 들어 적색, 녹색 또는 청색(RGB)과 같은 상이한 스펙트럼들에 관련된 상이한 LED들의 어레이를 포함하는 멀티컬러 LED의 컬러들을 제어하기 위해서도 이용될 수 있다. 그러한 목적을 위하여, 특정한 광(예를 들어, 적색)에 관련된 광 검출기는 다른 광(예를 들어, 녹색 또는 청색)을 그 특정한 광으로 변환하는 파장 변환기와 함께 사용될 수 있다. 또한, 대응하여 채택된 파장 변환기들을 갖는 복수의 광 검출기가 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 광 검출기(photo-detector)로서,
    광 감지 소자(101); 및
    상기 광 감지 소자(101)의 앞에 배치되는, 특히 상기 광 감지 소자(101)에 직접 적용되는 파장 변환기(103)
    를 포함하고,
    상기 파장 변환기(103)는 제1 파장의 광을 제2 파장의 광으로 변환하고, 상기 제2 파장의 광을 상기 광 감지 소자(101)로 지향시키도록 구성되는 광 검출기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 파장은, 상기 광 감지 소자(101)의 광-응답(photo-response)이 상기 제1 파장에서의 상기 광 감지 소자(101)의 광-응답과 다른 특성, 특히 개선된 온도 안정성 또는 증가된 광-응답값을 갖는 파장에 의해 결정되는 광 검출기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광 감지 소자(101)는 광 센서, 특히 광 저항기 또는 광 다이오드이거나, 광 감지층, 특히 실리콘층 또는 황화 카드뮴(cadmium sulphide)층 또는 게르마늄층 또는 인듐 갈륨 아세나이드(indium gallium arsenide)층 또는 황화납(lead sulfide)층인 광 검출기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장 변환기(103)는 파장 변환 재료, 특히 무기 인광체(inorganic phosphor) 재료 또는 양자 점(quantum dots) 또는 나노결정(nanocrystals)을 포함하는 광 검출기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 파장은 청색광에 관련되고, 상기 제2 파장은 적색광 또는 녹색광 또는 호박색(amber)광에 관련되는 광 검출기.
  6. 광 센서에 부착하기 위한 부착가능형 파장 변환기(attachable wavelength converter)로서,
    상기 광 센서에 부착하기 위한 부착가능형 소자를 포함하고,
    상기 부착가능형 소자는 파장 변환기를 포함하고,
    상기 파장 변환기는 특히 제1 파장의 광을 제2 파장의 광으로 변환하기 위해 무기 인광체(inorganic phosphor) 또는 양자 점 또는 나노결정을 포함하는 부착가능형 파장 변환기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 파장은 청색광에 관련되고, 상기 제2 파장은 적색광 또는 녹색광 또는 호박색광에 관련되는 부착가능형 파장 변환기.
  8. 광 검출기로서,
    광 감지 소자, 특히 광 다이오드 또는 광 저항기; 및
    제6항 또는 제7항에 따른 부착가능형 파장 변환기
    를 포함하는 광 검출기.
  9. 발광 다이오드 장치(light emitting diode arrangement)로서,
    광을 방출하기 위한 적어도 하나의 발광 다이오드; 및
    상기 발광 다이오드 장치의 플럭스 피드백 경로(flux feed back path)에 배치된, 제1항 내지 제5항 또는 제8항 중 어느 한 항에 따른 광 검출기
    를 포함하는 발광 다이오드 장치.
  10. 멀티컬러 발광 장치로서,
    제1항 내지 제5항 또는 제8항 중 어느 한 항에 따른 광 검출기를 포함하고, 광 감지 소자가 파장 변환기로부터 제2 파장으로 충돌하는 제1 광 성분, 및 상기 파장 변환기를 통과하지 않고서 상기 광 감지 소자에 제2 파장으로 직접 충돌하는 제2 광 성분을 감지하거나,
    제1항 내지 제5항 또는 제8항 중 어느 한 항에 따른 복수의 광 검출기를 포함하고, 각각의 광 검출기가 상이한 파장에 관련된 파장 변환기를 갖는 멀티컬러 발광 장치.
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