KR20110031994A - 발광 장치를 위한 광학 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20110031994A
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요하네스 에프. 엠. 씰레센
헨리쿠스 에이. 엠. 반 할
헨드리크 제이. 비. 야흐트
올리버 제이. 스타이겔만
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 파장 변환층(4) 및 산란층(5)을 포함하는 소결된 세라믹 바디(3)를 포함하는, 발광 장치를 위한 광학 소자, 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 제1 층(4) 및 제1 층 상에 배치된 제2 층(5)의 소결된 세라믹 바디(3)를 포함하는 광학 소자로서, 제1 층은 파장 변환 재료를 포함하고, 제2 층의 공극률은 제1 층의 공극률보다 높고, 제2 층 내의 구멍들은 광 빔의 산란을 제공하도록 배치되는 광학 소자에 관한 것이다. 광학 소자를 제조하는 방법은 제1 재료의 제1 층 및 제2 재료의 제2 층을 포함하는 그린 바디를 제공하는 단계; 및 상기 층들을 공동 소결하여 소결된 세라믹 바디로 하는 단계를 포함하고, 제1 층 및 제2 층의 조성은, 소결 후에, 제2 층의 공극률이 제1 층의 공극률보다 높게 되고, 상기 제2 층 내의 구멍들은 광 빔의 산란을 제공하도록 배치되도록 적응된다.

Description

발광 장치를 위한 광학 소자 및 그 제조 방법{AN OPTICAL ELEMENT FOR A LIGHT EMITTING DEVICE AND A METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 파장 변환층 및 산란층을 포함하는 소결된 세라믹 바디(sintered ceramic body)를 포함하는, 발광 장치를 위한 광학 소자, 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
발광 장치들은 일반적으로 광학 소자와 함께 배치되는 적어도 하나의 발광 다이오드(LED)를 포함한다. 광학 소자는 일반적으로, 인광체를 포함하는 파장 변환층 및/또는 방출된 광을 재지향시키는 층을 포함한다. 이에 의해, LED로부터 방출된 1차(primary) 광은 다양한 방식으로 영향을 받을 수 있다.
상부 방출형(top-emitting) LED는 LED에 의해 발생되는 광이 광학 소자의 상단 표면에서 조명되는, 광학 소자를 갖는 발광 다이오드를 칭하는 것이다. 상부 방출형 LED 내의 광학 소자들에 대해서는, 높은 투명도 및 최적의 파장 변환과 같은 특성들이 요구된다. 이것은 바람직하게는 파장 변환층을 포함하는 광학 소자를 이용함으로써 달성되는데, 그 파장 변환층에서 제1 파장을 갖는 광 빔은 인광체에 의해 제2 파장으로 변환된 후 그 층을 통해 투과된다.
측부 방출형(side-emitting) LED는 LED에 의해 발생되는 광이 광학 소자의 측면들에서 조명되는, 광학 소자를 갖는 발광 다이오드를 칭하는 것이다. 측부 방출형 LED 내의 광학 소자들에 대해서는, 일반적으로 광학 소자의 하부에서는 높은 투명도 및 최적의 파장 변환과 같은 특성들이 요구되는 한편, 일반적으로 광학 소자의 외측 상부에서는 높은 반사율이 요구된다. 이것은 바람직하게는 제1 파장 변환층을 포함하는 광학 소자를 이용함으로써 달성되는데, 그 파장 변환층에서 광은 인광체에 의해 변환된 후 제2 층에 의해 반사된다.
US 2007/0284600 A1은 파장 변환층 및 반사체를 포함하는 측부 방출형 LED를 기술하고 있다. 파장 변환층은 유기물 또는 무기물일 수 있는 투명 또는 반투명 바인더(binder) 내의 인광체 입자들 또는 소결된 인광체 입자들일 수 있다. 반사체는, 광이 많은 각도들에서, 그리고 궁극적으로는 임계각보다 적게 반사되게 하는 정반사성(specular) 또는 확산성 반사체일 수 있다. 정반사성 반사체는 유기 또는 무기층, 예를 들어 알루미늄 또는 다른 반사성 금속으로 형성될 수 있음이 기술되어 있다. 또한, 확산성 반사체는 조면화된(roughened) 표면 상에 퇴적된 금속, 또는 적절한 백색 페인트와 같은 확산성 재료로 형성될 수 있음이 기술되어 있다.
광학 소자들이 파장 변환층 및 산란층 둘다를 포함할 때 반드시 고려되어야 하는 몇가지 쟁점들이 존재한다. 예를 들어, 양호한 물리적 및 광학적 접촉과 열 안정성을 획득하고, 화학적 열화(degradation)를 방지할 것이 요구된다.
박리(delamination)와 같은 광학 소자의 기계적 고장을 방지하기 위해, 파장 변환층과 산란층 간의 양호한 물리적 접촉은 결정적으로 중요하다. 현재, 광학 소자 내의 층들의 충분한 접착을 달성하기 위해, 추가의 접착층이 빈번하게 이용된다. 광학 소자는 이용 동안 온도 변동에 노출되고, 이것은 파장 변환층과 산란층에서 상이한 열팽창 특성을 갖는 재료들을 이용하는 것에 의해 유발되는 열-유도성 응력(heat-induced stresses)으로 귀결될 수 있다.
파장 변환층과 산란층 간의 매우 미세한 갭조차도 측면들에서 원하지 않는 각도에서의 광 누설을 유발할 수 있기 때문에, 두개의 층 간의 양호한 광학적 접촉은 중요하다. 이것은 고른 광 강도 분포로부터의 원하지 않는 편향(deviations)으로 귀결될 수 있다.
또한, 파장 변환층과 산란층 간의 화학적 상호작용은 파손된 발광(destroyed luminescence) 또는 방출 색의 변화와 같이, 광학 소자의 열화된 기능으로 귀결될 수 있다.
그러므로, 본 기술분야에서는, 이러한 단점들이 극복된, 발광 장치를 위한 파장 변환층 및 산란층을 포함하는 광학 소자, 및 그것의 제조 방법을 제공할 필요가 있다.
본 발명의 한 목적은 상기에 언급된 종래 기술의 문제점들을 적어도 부분적으로 극복하고 본 기술분야의 요구들을 충족시키고, 그에 따라 발광 장치를 위한 세라믹 광학 소자 및 그것의 제조 방법을 제공하는 것이다.
다른 목적은 파장 변환층 및 산란층을 포함하는, 측부 발광형 LED를 포함하는 발광 장치들의 제조에서 사용하기에 적합한 세라믹 광학 소자를 제공하는 것이다. 특히, 어떠한 접착제도 사용하지 않고서, 파장 변환층과 산란층 간의 높은 광학적 접촉을 가능하게 하는 긴밀한 접촉이 요구된다.
또한, 본 발명의 목적은 소결된 세라믹 바디를 포함하는 것으로서, 파장 변환층과 산란층 간에 높은 물리적 접촉이 제공되는, 즉 접착제를 사용하지 않는 광학적 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다. 또한, 광학 소자의 두개의 층이 동일한 제조 단계에서 생성되는 제조 방법을 제공하는 것이 목적이다. 또한, 광학 소자들을 생산하는 용이하고 비용효율적인 방법, 높은 제조 성능, 높은 내구성을 갖는 강건한 재료 구조가 요구된다.
본 발명의 또 다른 목적은 신규한 광학 소자를 포함하는 적어도 하나의 본질적으로 측부 발광형인 소자를 갖는 발광 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명에 따른 광학 소자를 포함하는 발광 장치를 제공하는 방법을 제공하는 것이다. 여기에 개시된 것과 그 외의 목적들은 본 발명에 따른 방법들 및 물건들에 의해 달성된다.
제1 양태에서, 본 발명은 제1 층 및 제1 층 상에 배치된 제2 층의 소결된 세라믹 바디를 포함하는 광학 소자(optical element)로서, 제1 층은 파장 변환 재료를 포함하고, 제2 층의 공극률(porosity)은 제1 층의 공극률보다 높고, 제2 층 내의 구멍들(pores)은 광원에 의해 발생되는 광 빔의 산란을 제공하도록 배치되는 광학 소자를 제공한다. 본 발명의 따른 광학 소자를 이용함으로써, 파장 변환층 및 산란층 둘다에서 세라믹 재료를 이용하여, 본질적으로 측부 발광형인 광학 소자가 제공된다. 본 발명에 따른 광학 소자는 몇몇 이점들을 갖는다. 예를 들어, 광학 소자 내에서 단 하나의 세라믹 바디를 이용하는 것은 강건한 재료 구조로 귀결된다. 또한, 두개의 층 모두에서 세라믹 재료들만을 이용함으로써, 열적 불안정성이 본질적으로 감소되거나 회피될 수 있다. 또한, 단 하나의 소결된 세라믹 바디만이 이용되기 때문에, 두개의 층 간에 긴밀한 접촉을 달성하는 것이 가능하고, 이는 효율적인 광학적 커플링(optical coupling)으로 귀결된다. 다른 이점은, 본 발명이 어떠한 접착제도 이용하지 않고서, 두개의 컴포넌트 간에 완벽한 물리적 접촉을 허용한다는 것이다.
본 발명의 실시예들에서, 광학 소자의 제2 층의 반사율은 >90％일 수 있다. 이러한 높은 반사율은 높은 측부 방출 능력으로 귀결된다.
본 발명의 실시예들에서, 광학 소자의 상기 제2 층 내의 구멍들의 평균 직경은 약 0.1㎛ 내지 약 1㎛의 범위 내에 있을 수 있다. 가시광의 효율적인 산란을 제공하기 위해서는, 공극률이 이러한 간격 내에 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예들에서, 광학 소자의 제1 층의 공극률은 바람직하게는 약 10％ 미만일 수 있다. 이러한 낮은 공극률은 제1 층 내에서 적은 산란 중심들(scattering centers)만이 이용가능하다는 것으로 귀결되고, 이는 제1 층을 통한 광의 효율적인 투과로 귀결된다.
본 발명의 실시예들에서, 광학 소자의 제1 층의 열팽창 계수 및 제2 층의 열팽창 계수는 상호 매칭될 수 있다, 즉 층들에서의 열팽창 계수는 서로로부터 10％보다 많이 벗어나지 않는다. 유사한 열팽창 계수들을 갖는 재료들을 이용함으로써, 열적 변동에의 노출에 의해 유발되는 기계적 고장이 회피될 수 있다. 그에 의해, 광학 소자의 수명 연장이 용이해질 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 광학 소자의 제1 층의 굴절률 및 제2 층의 굴절률은 상호 매칭될 수 있다, 즉 층들 내의 굴절률들은 서로로부터 10％보다 많이 벗어나지 않는다. 층들 내에서 세라믹 재료들의 유사한 굴절률들을 이용함으로써, 광선들은 본질적으로 영향을 받지 않고, 따라서 원하지 않는 효과들이 회피될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 광학 소자는 제1 층 및 제2 층을 포함할 수 있고, 제1 층은 제1 재료를 포함하고, 제2 층은 제2 재료를 포함하며, 제1 재료 및 제2 재료는 동일한 주요 구성요소(constituent)들을 포함할 수 있다. 여기에서, 주요 구성요소들은 그린 바디들(green bodies) 내에 포함되는 기본 재료 구성요소들을 칭한다. 여기에서 사용될 때, 기본 재료는 5％보다 높은 농도로 존재하는 재료를 칭한다. 동일한 주요 구성요소를 이용함으로써, 화학적 상호작용들 및 열적 불안정성들이 감소 또는 배제될 수 있다. 또한, 유사한 굴절률이 층들 내에 제공된다.
본 발명의 실시예들에서, 제1 층의 용융제(fluxing agent) 농도는 제2 층의 용융제 농도보다 높을 수 있다. 여기에서, 용융제는 예를 들어 구멍들을 채움으로써 소결 프로세서를 증강시키는, 조성 내의 성분을 칭한다. 용융제는 주요 구성요소들보다 낮은 범위에 있는 용융 온도를 가질 수 있다. 용융제의 선택은 광학 소자 내에서 사용될 세라믹 재료의 주요 구성요소들, 및 그 주요 구성요소들의 양에 의존한다.
본 발명의 실시예들에서, 광학 소자의 제1 층 및 제2 층은 YAG 구조를 포함하는 세라믹 재료를 포함할 수 있다. YAG 소자는 이러한 종류의 광학 소자에 이용하기에 적합한 재료이며, 광학 소자 내에서 YAG 구조화된 재료(YAG structured material)를 이용함으로써 양호한 광학적 결과들을 달성하는 것이 가능함이 밝혀졌다. 여기에서, YAG 구조화된 재료는 이트륨 알루미늄 가넷 구조를 칭하는데, 거기에서 구조 내의 격자 위치들은 치환될 수 있고/거나 격자간(intersitial) 위치들이 채워질 수 있다.
광학 소자가 YAG 구조화된 재료를 포함하는 본 발명의 실시예들에서, 제1 층은 약 200ppm 내지 약 2000ppm의 범위 내의 농도의 SiO2를 용융제로서 포함할 수 있고, 제2 층은 약 0ppm 내지 약 500ppm의 범위 내의 농도의 SiO2를 포함할 수 있다. 발명자들은 거의 조밀한(almost dense) 제1 층이 제공되었고, 제2 층에서 효율적인 산란이 획득되었음을 발견하였다.
제2 양태에서, 본 발명은 적어도 하나의 LED, 및 본 발명에 따른 광학 소자를 포함하는 발광 장치로서, 광학 소자의 제1 층은 LED에 의해 방출되는 광의 적어도 일부를 수신하기 위해 LED를 향하여 배치되는 발광 장치를 제공한다. 본 발명의 발광 장치는 두개의 층 모두에서 세라믹 재료들이 이용되기 때문에, 양호한 측부 방출 효과 및 양호한 열적 안정성을 갖는다.
제3 양태에서, 본 발명은 광학 소자를 제조하는 방법으로서, 제1 재료의 제1 층 및 제2 재료의 제2 층을 포함하는 그린 바디를 제공하는 단계; 및 층들을 공동 소결(co-sintering)하여 단일의 소결된 세라믹 바디로 하는 단계를 포함하고, 제1 층 및 제2 층의 조성은, 소결 후에, 제2 층의 공극률이 제1 층의 공극률보다 높게 되고, 제2 층 내의 구멍들은 광원에 의해 생성되는 광 빔의 산란을 제공하도록 배치되도록 적응되는 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 방법은 층들에 대해 공동-소결 프로세스를 이용하는 것을 허용한다. 이 방법은 몇몇 측면들에서 유리하다. 본 발명의 방법에 따르면, 두개의 층이 동일한 제조 단계에서 제조된다. 또한, 본 발명의 방법은 광학 소자들을 제조하는 용이하고 비용효율적인 방법, 높은 제조 성능을 용이하게 한다. 또한, 층들의 공동 소결은 접착제를 필요로 하지 않고서, 파장 변환층과 산란층 간의 긴밀한 접촉으로 귀결된다. 이러한 방법을 이용하여 매우 양호한 접착이 획득될 수 있기 때문에, 높은 내구성을 갖는 강건한 광학 소자가 제공된다. 다른 이점들도 제공되는데, 예를 들어, 공동 소결된 층들은 강건한 재료 구조를 제공하므로, 이 방법은 통상적으로 더 잘 부러지는 제2 층의 개선된 연마 능력을 허용한다.
본 발명의 방법의 실시예들에서, 제1 층은, 소결 동안 제2 층보다 높은 치밀도(densification)를 갖는 재료 조성(material composition)을 포함할 수 있다. 층들의 세라믹 조성을 변경함으로써, 치밀도의 레벨이 제어될 수 있다. 따라서, 제1 층에서 조밀한 구조가 얻어질 수 있는 한편, 제2 층에서 다공성 층이 획득될 수 있다.
본 발명의 방법들의 실시예들에서, 공극률은 제2 층에서보다 제1 층에서 더 많은 양의 용융제를 이용함으로써 제어될 수 있다. 용융제의 농도를 변화시킴으로써, 광학 소자 내에서의 공극률, 및 따라서 반사율이 제어될 수 있다. 용융제의 높은 농도는 높은 밀도로의 소결의 낮은 온도로 귀결된다. 그러므로, 바람직하게는, 높은 농도의 용융제가 제1 층, 즉 파장 변환층에서 이용되는 한편, 제2 층의 용융제 농도는 산란을 제공하기 위해 제1 층에서보다 낮게 유지된다. 이는 치밀화 프로세스가 제2 층 내에서 덜 효율적이게 하고, 이는 다공성 구조로 귀결된다.
본 발명의 방법의 실시예들에서, 제1 층은 제1 재료를 포함하고, 제2 층은 제2 재료를 포함하며, 제1 및 제2 재료는 동일한 주요 구성요소들을 포함한다. 따라서, 화학적 상호작용들 및 열적 불안정성들이 감소 또는 배제될 수 있다. 또한, 층들 내에 유사한 굴절률이 제공된다.
제4 양태에서, 본 발명은 적어도 하나의 LED를 포함하는 발광 장치를 제조하는 방법으로서, 물건 청구항들 중 어느 한 항에 따른, 또는 방법 청구항들 중 어느 한 항에 의해 얻어질 수 있는 광학 소자를 제공하는 단계; 및 발광 다이오드에 의해 방출되는 광의 적어도 일부를 수신하도록, 그리고 제1 층이 적어도 하나의 LED를 향하게 되도록 광학 소자를 배치하는 단계를 포함하는 제조 방법을 제공한다. 발광 장치를 제조하는 데에 있어서 본 발명에 따른 광학 소자를 이용함으로써, 높은 내구성을 갖는 발광 장치가 제공된다.
이하에서는, 예시로써 본 발명의 현재의 바람직한 실시예를 도시하는 첨부의 개략적인 도면을 참조하여 본 발명이 더 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 LED 상에 실장되는 본 발명에 따른 광학 소자의 일례를 도시한 것이다.
본 발명은 일반적으로 단일의 소결된 세라믹 바디에 의해 형성된 파장 변환층 및 산란층을 포함하는, 발광 장치를 위한 광학 소자, 및 그것의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 관한 개략적인 도면이 도 1에 도시되어 있으며, 발광 다이오드(LED)(2), 및 제1 층(4) 및 제1 층(4) 상에 배치된 제2 층(5)의 소결된 세라믹 바디를 포함하는 광학 소자(3)를 포함하고, 제1 층(4)이 파장 변환 재료를 포함하며, 상기 제2 층(5)의 공극률이 상기 제1 층(4)의 공극률보다 높은 발광 장치(1)를 도시하고 있다. 발광 장치(1)는 응용에 따라 다르게 구성된다. 발광 장치(1)는 가시광, UV 방사 또는 IR 광과 같은 광 빔을 생성하고 있는 적어도 하나의 LED(2)를 포함한다. LED(2)는 종래에 잘 알려진 방법들에 따라 획득될 수 있다. LED(2)는 원하는 경우 임의의 다른 광원으로 교체될 수 있다. 광학 소자(3)는 소결된 세라믹 바디를 포함하며, 직접적으로 또는 간접적으로 LED(2)를 향해 배치될 수 있다. 광학 소자(3)는 광학 소자(3)의 하부에 위치된 제1 층(4), 및 제2 층(5)을 포함한다.
제1 층(4)은 본질적으로 조밀한 세라믹 층이며, 인광체와 같은 파장 변환 재료를 포함한다. 세라믹 재료는 세라믹으로 여겨질 수 있는 임의의 재료들을 포함할 수 있다. 세라믹 파장 변환층으로 될 수 있는 인광체들의 예는 발광 세라믹 층으로 형성될 수 있는 인광체들의 예는 황색-녹색 범위의 광을 방출하는
Figure pct00001
및
Figure pct00002
와 같은 일반식
Figure pct00003
(여기에서, 0<x<1, 0<y<1, 0<z≤0.1, 0<a≤0.2 및 0<b≤0.1)을 갖는 알루미늄 가넷 인광체; 및 적색 범위의 광을 방출하는
Figure pct00004
와 같은
Figure pct00005
(여기에서, 0≤a<5, 0<x≤1, 0≤y≤1 및 0<z≤1)를 포함한다. 적합한
Figure pct00006
세라믹 슬랩(slab)은 노스캐롤라이나주 샬롯의 Baikowski International Corporation으로부터 구입할 수 있다. 예를 들어
Figure pct00007
를 포함하는
Figure pct00008
; 예를 들어
Figure pct00009
를 포함하는
Figure pct00010
;
Figure pct00011
; 및 예를 들어,
Figure pct00012
및
Figure pct00013
를 포함하는
Figure pct00014
(0<x≤1)를 포함하는, 다른 녹색, 황색 및 적색 방출 인광체들도 적합할 수 있다. 제1 층의 공극률은 약 10％ 미만인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 약 5％ 미만이다.
제2 층(5)은 본질적으로 다공성 세라믹 층이고, 광 빔의 산란을 제공하도록 배치된 구멍들을 포함한다. 제2 층은 가시광, UV 방사 또는 IR 방사와 같은 임의의 특정한 파장 간격을 반사시키도록 설계될 수 있다. 그러므로, 여기에서의 구멍이라는 용어는 소결 후에 세라믹 재료 내에 존재하는 약 0.2㎛ 내지 약 20㎛ 크기를 갖는 공동들(cavities)을 칭한다.
구멍은 광학 소자의 제2 층을 통해 고르게 분포되는 것이 바람직하다. 구멍들의 크기 분포는 시작 재료 및 소결 조건들에 따라 달라진다. 예를 들어, 소결 동안의 결과적인 공극률은 그린 바디에 이용되는 분말의 입자 크기에 의존한다. 또한, 원하지 않는 큰 구멍들을 방지하기 위해서는, 그린 바디에 가압(pressing)하는 동안의 조건들이 중요하다는 것이 잘 알려져 있다. 본 기술분야에 지식을 가진 자는, 그린 바디에서의 그러한 편향들에 대한 위험을 감소시키기 위해 가압 조건들을 어떻게 최적화할지를 알고 있다. 광 빔의 효율적인 산란을 제공하기 위해, 소결 후의 제2 층 내의 구멍들의 크기는 산란될 광 빔의 대응하는 파장의 범위 내에 있어야 한다. 따라서, 가시광의 산란을 위해, 제2 층 내의 평균 구멍 직경은 바람직하게는 0.1-1㎛이다.
두개의 층 모두에서 동일한 주요 구성요소들이 사용될 수 있긴 하지만, 제1 층 내의 상이한 기본 재료들의 농도들은 제2 층과 다를 수 있다는 점에 유의해야 한다. 제1 층의 기능적 특성들은 제1 층의 재료 조성에의 첨가제들, 예를 들어 도펀트들에 의해 제공될 수 있다. 제2 층의 기능은 공극률을 변화시킴으로써, 예를 들어 용융제의 농도를 변화시켜 두개의 층의 소결률이 서로 달라지게 함으로써 제어된다.
유리하게는, 제1 층 및 제2 층에서 동일한 주요 세라믹 구성요소들을 이용함으로써, 층들의 열팽창 계수가 상호 매칭된다. 또한, 제1 층의 굴절률 및 제2 층의 굴절률은 상호 매칭된다.
이제, 본 발명의 실시예의 개략도를 도시하고 있는 도 1로 되돌아가면, LED(2)에 의해 생성된 광 빔(6)이 도시되어 있다. 생성된 광 빔(6)은 광학 소자의 제1 층을 통과하여 지나가고, 상이한 파장 변환 재료들의 존재에 따라 변환된다. 그 다음, 광 빔(6)은 제2 층(5)에서 반사되고, 최종적으로 광 빔은 본질적으로 광학 소자(3)의 제1 층(4)의 측면들(7) 중 하나에서 방출된다.
본 발명은 또한 광학 소자를 제조하는 방법으로서, 제1 재료의 제1 층 및 제2 재료의 제2 층을 포함하는 그린 바디를 제공하는 단계; 및 층들을 공동 소결하여 소결된 세라믹 바디로 하는 단계를 포함하고, 제1 층 및 제2 층의 조성은, 소결 후에, 제2 층의 공극률이 제1 층의 공극률보다 높게 되도록 적응되는 제조 방법을 포함한다. 그린 바디들은 분말에 가압함으로써, 핫 프레싱(hot pressing)에 의해, 또는 임의의 다른 전통적으로 알려진 방법에 의해 획득될 수 있다. 여기에서 이용될 때, "그린 바디"라는 용어는 소결되지 않은 가압된 또는 컴팩트화된 바디를 칭한다. 공동 소결은 단일의 소결된 바디로 귀결된다. 소결된 계면은 층들의 소결 프로세스 동안 형성된 기본 농도 경사(elemental concentration gradient)를 포함할 수 있다. 공동 소결은 제어된 기체 분위기에서의 가압 및/또는 노출을 포함하는 것과 같이, 고온에서 잘 알려진 기법들에 의해 수행된다.
두개의 층(4, 5)의 공극률은 제1 층에서 제2 층보다 많은 양의 용융제를 이용함으로써 제어될 수 있다. 일반적으로, 더 많은 용융제가 이용될수록, 소결 동안 치밀화 프로세스가 더 빠르게 발생하고, 이는 구멍들의 감소된 크기 및 감소된 공극률로 귀결된다. 그러므로, 거의 조밀한 구조의 제1 층을 얻는 것이 가능한 한편, 제2 광은 광 빔의 산란을 위해 사용될 수 있는 상당량의 구멍들을 포함할 수 있다.
공극률은 소결 동안 제2 층(5)보다 높은 소결률을 갖는 제1 층(4)에서의 재료 조성을 이용함으로써 적응될 수 있다. 이것은 두개의 층에서의 특정 세라믹 주요 구성요소 또는 군소(minor) 세라믹 구성요소의 농도를 변화시킴으로써 행해질 수 있다. 그러므로, 방법은 제1 층 및 제2 층의 재료가 동일한 주요 또는 군소 세라믹 구성요소를 포함하지만, 두개의 층에서의 구성요소들의 농도는 다른 것을 포함할 수 있다.
선택적으로, 공극률은 분말의 입자 크기와 같이, 소결 후에 얻어지는 공극률에 관련된 임의의 조건들을 변화시킴으로써, 및/또는 두개의 층의 상이한 가압 조건들을 이용함으로써 제어될 수 있다.
본 발명의 광학 소자는 적어도 하나의 LED를 포함하는 발광 장치의 제조에서 이용될 수 있는데, 여기에서 광학 소자는 발광 장치에 의해 방출되는 광의 적어도 일부를 수신하도록, 그리고 제1 층이 적어도 하나의 LED를 향하도록 배치될 수 있다. 따라서, 본질적으로 측부 방출형인 LED를 포함하는 발광 장치가 제공될 수 있다.
본 발명이 그것의 구체적인 실시예들에 관련하여 기술되었지만, 본 기술분야에 지식을 가진 자들에 의해, 청구되는 범위를 벗어나지 않고서, 다양한 수정들, 변경들 및 적응들이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.
예를 들어, 본 발명에 따른 광학 소자는 추가의 층들, 예를 들어 수개의 파장 변환층을 포함할 수 있다. 광학 소자 내의 층들은 연속적 또는 비연속적일 수 있다. 또한, 광학 소자의 목적들이 달성될 수 있는 한, 층들의 두께는 변경될 수 있다. 예를 들어, 광학 소자의 제2 층의 두께는 10-300㎚, 예를 들어 80-150㎚ 또는 120㎚일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 광학 소자 내의 층들은 일정한 두께를 갖지 않는다. 또한, 다른 추가의 층들도 광학 소자 내에 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 두개의 층들 중 적어도 하나의 층은, 그 층들의 원하는 재료 특성 또는 기능적 특성을 제공하기 위해 하나 또는 수개의 첨가제를 포함할 수 있다. 두개의 층 모두에서 동일 또는 상이한 첨가제들이 이용될 수 있고, 농도들은 광학 소자의 응용에 따라 달라질 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고서 수정될 수 있다. 예를 들어, 그린 바디들은 별도의 가열에 의한 것과 같이 선처리된 후 함께 실장되고 최종적으로 소결될 수 있다.
본 발명은 제한이 아니라 본 발명의 일부 바람직한 특징들의 사례로서만 해석되어야 하는 이하의 예에 의해 더 설명된다.
예 1
제1 층, 파장 변환층 및 산란 특성을 갖는 제2 층을 포함하는, 본 발명에 따른 광학 소자를 준비하는데, 광학 소자는 Y3Al5O12에 기초하는 것이다.
그린 바디에 대하여 이하의 산화물 구성요소들이 이용되었다.
Y2O3, 특유 면적(specific area) 15㎡/g, Rodia로부터 입수가능함;
Al2O3, 특유 면적 8 ㎡/g, Reynolds/Malakoff로부터 입수가능함;
CeO2, 특유 면적 4 ㎡/g, Rodia로부터 입수가능함; 및
Gd2O3 (레드-쉬프트된 파장 변환층의 경우에서), 특유 면적 17 ㎡/g.
또한, Y3Al5O12계 세라믹 재료를 소결하기 위한 적합한 용융제인 SiO2가 200-2000 ppm의 농도로 제1 층에 첨가되었고, 0-500 ppm의 농도로 제2 층에 첨가되었다. 제1 층은 0.01-2％ Ce로 도핑되었다.
두개의 분말층(도 1의 층(4) 및 층(5))을 한꺼번에 단축 가압(uniaxial pressing)한 후, 최대의 치밀도를 위해 CIP(cold-isostatic-pressing)하는 것에 의해, 그린 바디가 준비되었다. 그 다음, 소결은 대기 중에서 1650℃에서, 125℃/hr의 가열 온도 램프, 최고 온도에서의 4시간 노출, 및 125℃/ hr의 하향의 온도 램프를 이용하여 수행되었다.
이에 의해, 두개의 층이 반응적으로 소결되어, 두개의 층을 포함하는 Y3Al5O12 타입의 하나의 세라믹 바디로 되었다. 이것은 위에서의 소결 매개변수들과, 제1 분말층 및 제2 분말층에서 위에서 언급된 SiO2 농도를 사용하는 것으로 인해, 제1 층이 거의 조밀하게 되는 한편, 제2 층이 다공성으로 되고, 제2 층에서의 구멍들이 가시광을 위한 효율적인 산란을 제공하기 때문이다.

Claims (15)

  1. 제1 층(4) 및 상기 제1 층(4) 상에 배치된 제2 층(5)의 소결된 세라믹 바디(sintered ceramic body)를 포함하는 광학 소자(optical element)(3)로서,
    상기 제1 층(4)은 파장 변환 재료를 포함하고, 상기 제2 층(5)의 공극률(porosity)은 상기 제1 층(4)의 공극률보다 높고, 상기 제2 층(5) 내의 구멍들(pores)은 광 빔의 산란을 제공하도록 배치되는 광학 소자(3).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 층(5)의 반사율은 90％보다 큰 광학 소자(3).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 층(5) 내의 구멍들의 평균 직경은 0.1㎛ 내지 1㎛의 범위 내에 있는 광학 소자(3).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 층(4)의 공극률은 약 10％ 미만인 광학 소자(3).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 층(4)의 열팽창 계수 및 상기 제2 층(5)의 열팽창 계수는 서로 매칭되는 광학 소자(3).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 층(4)의 굴절률 및 상기 제2 층(5)의 굴절률은 서로 매칭되는 광학 소자(3).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 층(4)은 제1 재료를 포함하고, 상기 제2 층(5)은 제2 재료를 포함하며, 상기 제1 재료 및 상기 제2 재료는 동일한 주요 구성요소(constituent)들을 포함하는 광학 소자(3).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 층(4)의 용융제(fluxing agent) 농도는 상기 제2 층(5)의 용융제 농도보다 높은 광학 소자(3).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 층(4) 및 상기 제2 층(5)은 YAG 구조를 포함하는 세라믹 재료를 포함하는 광학 소자(3).
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 층(4)은 200ppm-2000ppm의 범위 내의 농도의 SiO2를 포함하고, 상기 제2 층(5)은 0ppm-500ppm의 범위 내의 농도의 SiO2를 포함하는 광학 소자(3).
  11. 적어도 하나의 발광 다이오드(2), 및 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 광학 소자(3)를 포함하는 발광 장치(1)로서,
    상기 광학 소자의 상기 제1 층(4)은 상기 발광 다이오드(2)에 의해 방출되는 광의 적어도 일부를 수신하기 위해 상기 발광 다이오드(2)를 향하여 배치되는 발광 장치.
  12. 광학 소자(3)를 제조하는 방법으로서,
    제1 재료의 제1 층 및 제2 재료의 제2 층을 포함하는 그린 바디(green body)를 제공하는 단계; 및
    상기 층들을 공동 소결(co-sintering)하여 소결된 세라믹 바디로 하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 층 및 상기 제2 층의 조성은, 소결 후에, 상기 제2 층(5)의 공극률이 상기 제1 층(4)의 공극률보다 높게 되고, 상기 제2 층(5) 내의 구멍들은 광 빔의 산란을 제공하도록 배치되도록 구성되는 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 층(4)은, 소결 동안 상기 제2 층(5)보다 높은 소결률(sintering rate)을 갖는 재료 조성(material composition)을 포함하는 제조 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 공극률은 상기 제2 층(5)에서보다 상기 제1 층(4)에서 더 많은 양의 용융제를 이용함으로써 제어되는 제조 방법.
  15. 적어도 하나의 발광 다이오드(2)를 포함하는 발광 장치(1)를 제조하는 방법으로서,
    제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 광학 소자(3), 또는 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법에 따라 얻어질 수 있는 광학 소자(3)를 제공하는 단계; 및
    상기 발광 다이오드(2)에 의해 방출되는 광의 적어도 일부를 수신하도록, 그리고 상기 제1 층(4)이 상기 적어도 하나의 발광 다이오드를 향하도록 상기 광학 소자(3)를 배치하는 단계
    를 포함하는 제조 방법.
KR1020117003990A 2008-07-22 2009-07-15 발광 장치를 위한 광학 소자 및 그 제조 방법 KR20110031994A (ko)

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