KR20110057239A - 고분자 파장 변환 소자 - Google Patents

Abstract

가교결합된 폴리실록산을 포함하는 매트릭스(106) 내에 분산된 발광 입자(105)를 포함하는, 통상적으로 LED(101)를 위한, 파장 변환 소자(104)가 제공된다. 가교결합된 폴리실록산은 통상적으로 300℃ 이상까지도 온도에 안정하며, 발광 다이오드의 일반적인 동작 조건 하에서도 안정하다. 나아가, 가교결합된 폴리실록산은 빛의 노출에 대해서도 안정하며, 높은 강도의 빛 노출의 결과로도 변색/저하되지 않는다. 고분자 파장 변환기는 상이한 형태로 쉽게 성형될 수 있다. 이는 LED-변환기 시스템으로부터 빛을 더 잘 아웃커플링하도록 할 수 있다.

Description

고분자 파장 변환 소자{POLYMERIC WAVELENGTH CONVERTING ELEMENTS}

본 발명은 파장 변환 소자(wavelength converting elements)와 그 제조 방법 및 그러한 파장 변환 소자를 이용한 발광 장치(light emitting devices)에 관한 것이다.

LED(Light emitting diodes; 발광 다이오드)는 조명 장치들의 많은 어플리케이션에 있어서, 형광관(fluorescent tubes) 및 전구와 같은 전통적인 조명 장치의 대안으로 대두되고 있다. 높은 광출력을 가지는 고전력 LED의 개발은 통상적인 조명 목적을 위한 LED의 사용 영역을 확장시켰다.

그 기능의 구성 및 매커니즘에 따라, LED는 보다 좁은 파장 대역 내에서 빛을 방출하고, 예를 들어 종래의 LED는 자외선(UV), 청색, 녹색, 적색 또는 적외선(IR) 대역에서 빛을 방출한다.

종래의 조명 어플리케이션에서, "백색"광이 종종 필요하였고, LED의 단색광을 백색광으로 변환하기 위한 몇몇의 접근 방법들이 개발되었다. 하나의 접근 방법으로, 적색, 녹색, 청색 발광 다이오드로부터의 빛이 백색광으로 혼합된다. 또 다른 접근 방법으로, 발광 다이오드, 통상적으로 청색 발광 다이오드는 방출된 빛을 다른 색으로 부분적으로 변환하는 파장 변환 물질(wavelength converting material)과 함께 제공된다. 예를 들면, 청색광의 원하는 부분을 황색으로 변환하는 황색 발광 파장 변환 물질과 함께 청색 발광 LED를 제공함으로써, 변환되지 않은 청색광과 변환된 황색광의 혼합물은 하얀 빛으로 나타난다.

LED의 파장을 변환시키는 후자의 접근 방법은 원하는 색의 출력광을 달성하는데 있어서 매력적인 방법임이 입증되었다.

파장 변환 물질에는 이러한 유형의 어플리케이션을 사용하기 위한 몇몇 요건들이 존재한다.

고전력 LED는 높은 강도의 빛을 방출하는 동안 많은 양의 열 에너지를 발산하고, 따라서 그러한 LED에 가까이, 혹은 그러한 LED 상에서 구성된 파장 변환 물질은 열적 안정성(thermally stable)을 필요로 하며, 긴 수명(long life-time) 및 장치의 수명 동안 내내 일관된 색을 가능하게 하기 위하여 광안정성(light stable)을 필요로 한다.

나아가, 파장 변환의 정도는 파장 변환 물질에서의 활성 물질의 농도 및 물질의 두께에 의존한다. 그러므로, 두께와 농도는 정확히 제어될 수 있어야 한다.

세륨과 같은 활성제로 도핑된(doped) YAG(yttrium aluminum garnet; 이트륨 알루미늄 가넷)의 다결정 세라믹 몸체로부터 형성된 세라믹 파장 변환 소자는 US 2004/0145308 A1에 기술된다.

그러나, 그러한 파장 변환 소자의 제조에 사용 가능한 세라믹 물질의 수가 무척 적어, 파장 변환의 미세 조정 가능성을 한정시킨다. 나아가, 세라믹 물질의 소결(sintering)은 초고온에서 수행되어, 유기종(organic species)과 같은 많은 발광 물질(luminescent materials)에 유해하다.

또한, 세라믹 파장 변환 소자의 정확한 생산 후 성형(post production shaping)도 어렵다.

그러므로 온도안정성 및 광안정성 파장 변환 소자의 제조를 위한 새로운 물질의 필요성이 존재한다.

본 발명의 목표는 종래 기술의 문제점을 적어도 부분적으로 극복하고, 파장 변환 소자를 위한 대체 물질을 제공하는 것이다.

본 발명자는 가교결합된 폴리실록산(crosslinked polysiloxanes)이 발광 입자(luminescent particles)를 수용하는 파장 변환 소자에 있어 적합한 매트릭스 물질이란 것을 뜻밖에 찾아냈다.

발광 입자는 폴리실록산 내에 분산될(dispersed) 수 있으며, 폴리실록산은 이후에 고형체를 형성하기 위해 가교결합된다. 가교결합된 폴리실록산에서, 발광 입자의 응집 또는 분상(phase-separation)을 피하면서, 발광 입자가 본질적으로 균질하게(homogenously) 분포되도록 유지하는 것이 가능하다(항상 같은 형태로 사용된다면, 모두 허용된다). 특히, 이는 발광 입자 표면 개질(surface modification) 또는 계면활성제의 사용 없이도 얻어질 수 있다. 그러므로, 첫 번째 태양으로, 본 발명은 가교결합된 폴리실록산을 포함하는 매트릭스 내에 분산된 발광 입자를 포함하는 파장 변환 소자에 관한 것이다.

본 발명의 파장 변환 소자는, 제조된 후 별개의 단계로서 사용을 위해 구성될 수 있는, 자체 지지 소자(self-supporting element)로 형성될 수 있다. 이와 달리, 파장 변환 소자는 "인시튜(in-situ)"로, 예를 들면 발광 다이오드의 표면에 직접적으로 형성될 수 있다. 나아가, 파장 변환 고분자 소자의 튼튼하고 견고한 상태로 인하여, 두께는 공정 단계(예를 들면, 스핀-코팅 파라미터를 제어하는 단계) 중에 원하는 값으로 쉽게 조정될 수 있다.

게다가, 사용된 고분자 물질(polymers)은 고분자 변환 소자 전체에서 개별 발광 입자의 균질한 분포를 가지는 고분자 변환기를 허용하도록 하고, 입자 표면 개질 또는 계면활성제의 필요 없이도 입자의 양호한 분산을 가능하도록 하는 초기 점도값(initial viscosity values)을 가진다.

가교결합된 폴리실록산은 통상적으로 300℃ 이상까지도 온도에 안정하여, 발광 다이오드의 일반적인 동작 조건 하에서도 안정하다.

또한, 가교결합된 폴리실록산은 빛의 노출에 대해서도 안정하여, 높은 강도의 빛 노출의 결과로도 변색/저하되지 않는다.

고분자 파장 변환기는 상이한 형태로 쉽게 성형될 수 있다. 이는 LED-변환기 시스템으로부터 빛을 더 잘 아웃커플링하도록 할 수 있다.

나아가, 본 발명의 파장 변환 소자는, 예를 들면 파장 변환 소자 및 발광 다이오드 간의 상이한 열팽창 계수로 인한 열응력(thermal stresses)에 저항하는 기능이 양호함을 나타내는 내재적 탄성을 가진다. 또한, 본 파장 변환 소자의 탄성은, 소자의 모양이 구부러지는 것과 같이 필요에 따라 조작될 수 있어, 그것이 구성될 원하는 기판과 모양이 일치할 수 있으므로 유리하다.

실시예에서, 파장 변환 소자는 제1 발광 물질을 포함하는 제1 서브층(sublayer) 및 제2 발광 물질을 포함하는 제2 서브층을 적어도 포함할 수 있다.

몇몇 어플리케이션에 대하여, 제1 파장 변환을 위하여 제1 파장 변환 소자를 이용하고, 그 후에 상이한 제2 파장 변환을 위하여 제2 파장 변환 소자를 이용하는 것이 유리하다. 상이한 발광 물질을 동일한 매트릭스의 상이한 서브층에 구성함으로써, 원하지 않는 임의의 광학적 효과 및 분리된 소자 간 인터페이스에서의 적층(delamination)을 피할 수 있다. 또한, 발광 물질을 가진 또는 가지지 않는, 서브층이 이러한 구조에 더 추가될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 전술한 매트릭스는 가교결합된 PDMS{poly(dimethyl siloxane); 폴리디메틸실록산}를 포함한다.

가교결합된 PDMS는 열적 안정성 및 광안정성의 면에서, 그리고 발광 입자의 응집 또는 분상을 피하면서 매트릭스 내에서 균일하게 분포된 고농도의 발광 물질을 수용하는 기능적인 면에서 우수한 특성을 보여준다. 나아가, PDMS는 상대적으로 저렴한 물질이어서, 파장 변환 소자의 낮은 총 제조 비용의 가능성을 유발한다.

본 발명의 실시예에서, 전술한 발광 입자는 세라믹 입자이다.

세라믹 입자는 고분자 매트릭스에서 균등하게 분포하기 어렵다고 알려져 있다. 그러나, 제안된 가교결합된 폴리실록산 매트릭스는 고분자 매트릭스 내에서 균질하고 분리되어 분포된 다량의 세라믹 입자를 수용하는 기능을 가진다고 증명되었다.

본 발명의 실시예에서, 전술한 입자의 표면은 세라믹 물질의 표면이다.

가교결합된 폴리실록산 매트릭스는 추가적인 표면 활성제 또는 입자 표면 개질 없이 균질하고 분리되어 분포된 발광 입자를, 특히 세라믹 발광 입자를 수용할 수 있다. 이는 발광 입자의 공정 전 표면 개질의 필요를 없앤다.

두 번째 태양에서, 본 발명은 발광 다이오드 및 전술한 발광 다이오드로부터 방출된 빛을 수신하도록 구성된 본 발명의 파장 변환 소자를 포함하는 발광 장치에 관한 것이다.

본 발명의 실시예에서, 파장 변환 소자는 선택적으로 접착 물질을 이용하여, 발광 다이오드의 발광 표면 상에 구성된다.

이와 다른 실시예에서, 파장 변환 소자와 발광 다이오드는 서로 간격을 두고 떨어져 구성된다.

세 번째 태양에서, 본 발명은 파장 변환 소자의 제조 방법에 관한 것이며, 전술한 방법은 가교결합 가능한 폴리실록산 내에 분산된 발광 입자를 적어도 포함하는 분산을 제공하는 단계 및 고체 파장 변환 소자를 얻기 위하여 전술한 분산을 가교결합하는 단계를 포함한다.

그 방법은 파장 변환 소자의 별도의 제조를 허용하며, 이후의 단계에서 파장 변환 소자는 발광 다이오드 상에 구성될 수 있다. 가교결합 전에 고분자 폴리실록산에 발광 입자를 추가하는 것은 파장 변환 소자에서 발광 입자의 농도와 분산이 잘 제어되도록 한다.

또한, 그 방법은 접착 물질의 필요 없이도 LED와 파장 변환 소자 간에 양호한 광학적 접착을 얻을 수 있도록, LED의 발광 표면과 같은 기판 상에 직접적으로 분산을 가교결합하는 것을 허용한다.

실시예에서, 폴리실록산은 디비닐 작용성 PDMS{di-vinyl functional poly(dimethyl siloxane)}를 포함한다.

나아가, 분산은, 한정적인 것은 아니지만, 테트라키스디메틸실록시실란{tetrakis(dimethylsiloxy)silane}과 같은 가교결합제를 더 포함할 수 있다.

실시예에서, 전술한 분산의 가교결합을 수행하기 전에, 분산은 기판 상에 층으로 퇴적된다(deposited).

본 발명의 실시예에서, 분산은 전술한 분산의 가교결합 전에, 원하는 모양으로 주형된다(mould).

본 발명의 실시예에서, 그 방법은, 가교결합 가능한 폴리실록산 내에 발광 입자의 제1 분산과 가교결합 가능한 폴리실록산 내에 발광 입자의 제2 분산을 제공하는 단계, 전술한 제1 분산의 제1 층을 퇴적시키는 단계, 전술한 제1 분산을 가교결합하는 단계, 전술한 제1 층 상에 전술한 제2 분산의 제2 층을 퇴적시키는 단계, 전술한 제2 분산을 가교결합하는 단계를 포함한다.

네 번째 태양에서, 본 발명은 발광 다이오드를 제공하는 단계 및 전술한 발광 다이오드에 의해 방출된 빛을 적어도 부분적으로 수신하도록 본 발명에 따른, 또는 본 발명의 방법에 따라 제조된 파장 변환 소자를 구성하는 단계를 포함하는 발광 장치의 제조 방법에 관한 것이다.

나아가, 본 발명은 특허청구범위에 나열된 특징의 모든 가능한 조합에 관한 것임에 유의한다.

본 발명의 이러한 태양들, 또는 또 다른 태양들은 본 발명의 일반적으로 바람직한 실시예를 도시하는 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 발광 장치를 도시하는 도면.
도 2는 본 발명의 파장 변환 소자의 다중층 실시예를 도시하는 도면.
도 3은 별개의 파장 변환 소자의 스택을 도시하는 도면.
도 4a 및 4b는 본 발명의 파장 변환 소자의 SEM 이미지를 도시하는 도면.
도 5a 및 5b는 본 발명의 파장 변환 소자의 SEM 이미지를 도시하는 도면.

본 발명의 발광 장치(100)의 하나의 실시예는 도 1에 개략적으로 도시되며, 위쪽으로 향한 주 발광 표면(102)을 가지는 LED(101)를 포함한다. 본 발명의 파장 변환 소자(104)는, 선택적으로 광학적 투과성 접착 물질(103)을 이용하여, 발광 표면(102) 상에 구성된다.

이와 다른 실시예에서, 파장 변환 소자(104)는 LED(101)로부터 특정의 거리를 두고 원격적으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 파장 변환 소자는 램프의 출력창을 형성하는 것과 같이, 하나 이상의 LED로부터 거리를 두고 위치할 수 있다. 그러한 실시예 또한 본 특허청구범위의 범주에 포함된다고 인식될 것이다.

LED(101)는 그 발광 표면(102)을 통해, 선택적 접착 물질(103)을 거쳐, 파장 변환 소자(104)로 빛을 방출한다. 변환되지 않은, LED 빛의 제1 부분은 파장 변환 물질 내의 발광 물질에 의해 흡수되고, 변환되지 않은 빛의 파장과 상이한 파장 분포를 가지는, 변환된 빛으로서 재방출된다. 비록 청색-편이(blue-shifted)를 유발하는 발광 물질 또한 존재하지만, 통상적으로, 변환된 빛은 변환되지 않은 빛에 대하여 적색-편이(red-shifted)된다.

변환되지 않은 빛의 제2 부분은 변환되지 않고 파장 변환 소자를 통과하며, 따라서 변환된 빛과 변환되지 않은 빛의 혼합물이 파장 변환 소자에서 나온다. 예를 들면, 만일 발광 물질의 농도가 매우 높거나, 파장 변환 소자의 두께가 매우 두꺼우면, 파장 변환 소자를 통과하는 변환되지 않은 빛의 부분은 0이거나 적어도 0에 가까워질 수 있다는 것에 유의할 것이다.

실시예에서, 발광 다이오드(101)는 청색광 범위 내 혹은 근처의 빛을 방출하며, 파장 변환 소자는 그러한 파란빛을 황색광으로 변환할 수 있다. 청색광과 황색광의 혼합물이 백색광으로 나타난다.

본 명세서에서 사용된 "발광 다이오드"라는 용어는, 한정적인 것은 아니지만, 무기 발광 다이오드(inorganic based LEDs), 고분자 발광 다이오드(polymeric based LEDs; PLEDs), 유기 발광 다이오드(organic based LEDs; OLEDs)와 같은, 당업자에게 알려진 임의의 종류의 발광 다이오드를 의미한다.

파장 변환 소자(104)는 가교결합된 폴리실록산 매트릭스 물질(106) 내에, 예를 들면 분산된 것과 같이, 분포된 발광 입자(105)를 포함한다. 이는 잘 제어된 발광 입자의 농도를 가지는 고체 파장 변환 소자로 나타난다.

매트릭스 물질 내의 발광 입자의 농도는 파장 변환 소자의 특정의 두께에 대하여 원하는 정도의 빛 변환을 달성하도록 선택된다. 매트릭스 내의 발광 입자의 균일한 분포를 유지하면서, 발광 물질의 농도는 30%(v/v) 정도까지 달성 가능하다. 통상적으로 발광 물질의 농도는 3%에서 30%(v/v)의 범위이며, 구체적으로는 5%에서 20%의 범위이다.

본 명세서에서 사용된 "발광 입자"라는 용어는 본 어플리케이션에서 사용하기 적합한, 형광 및/또는 인광의 특성을 가지는 임의의 발광 물질의 입자를 의미한다. 발광 입자는 단일 물질일 수도 있고, 그러한 입자의 둘 이상의 혼합물일 수도 있다. 발광 입자의 한정되지 않은 예시는 무기 및 유기 발광 입자를 모두 포함한다.

통상적인 예시는, Lu₃Al₅O₁₂:Ce^{3 +} (LuAG:Ce) 와 Y₃Al₅O₁₂:Ce^{3 +} (YAG:Ce) 와 같은 다음의 일반식:

에서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0<z≤0.1, 0≤u≤0.2, 0<a≤0.2 및 0<b≤0.1 인 일반식을 가지는, 한정적인 것은 아니지만, 란탄족 활성 루텐튬, 이트륨 및/또는 가돌리늄 알루미늄 가넷과 같은 세라믹 발광 입자 및, CaAlSiN₃:Eu와 같은 다음의 일반식:

에서, Ca, Sr, Mg, Ba, Zn, Yb, Mn을 포함하는 그룹 중에서 선택되는 M^II; Si, Ge, C, Zr, Hf을 포함하는 그룹 중에서 선택되는 M^IV; 및, Al, B, Sc, Ga, Lu을 포함하는 그룹 중에서 선택되는 M^III인 일반식을 가지는 세라믹 인광체와 같은 당업자에게 알려진 다른 발광 물질을 포함한다.

파장 변환 소자 내의 발광 입자는, 변환되지 않은 빛의 원하는 부분을 발광 입자가 변환할 수 있게 하기 위하여, 발광 다이오드의 방출 파장과 일치하도록 선택된다.

당업자에 의해 인식될 바와 같이, 본 발명의 파장 변환 소자 내의 발광 입자는 본질적으로 동일한 화학적 성분을 가지는 복수의 입자들일 수 있고, 또는 상이한 화학적 성분을 가지는 둘 이상의 유형의 발광 입자들의 혼합물에 해당할 수도 있다. 둘 이상의 유형의 발광 입자들의 혼합물은 지각색(perceived color)이라고 불리는 원하는 빛의 출력을 얻기 위하여, 여기 파장 범위(excitation wavelength range) 및 방출 파장 대역 모두를 조정하는데 사용될 수 있다.

본 발명의 하나의 유리한 특성은, 제안된 폴리실록산 매트릭스가 발광 입자의 임의의 표면 개질 또는 계면활성제의 필요 없이도, 분리되어 분산되거나 균질하게 분포된 발광 입자를 수용할 수 있다는 점이다. 그러므로, 세라믹 발광 입자의 면에서, 그것들은 예를 들면 개질되지 않은 세라믹 표면을 가질 수 있다.

매트릭스(106)는 발광 물질(105)이 분포된 가교결합된 폴리실록산을 포함한다.

폴리실록산은 기능적 측쇄(sidechains)를 가지는 중합된 실록산이다. 비록 다른 폴리실록산들 또한 본 발명의 범주에 포함되지만, 대표적인 예시는 PDMS(폴리디메틸실록산) 및 PDPS(폴리디페닐실록산)를 포함한다.

폴리실록산이 가교결합 가능하기 위해서는, 통상적으로 폴리실록산 상에 반응성 작용기(reactive functionality)가 요구된다. 예를 들면, 폴리실록산은 비닐 종단(vinyl terminated)되거나 하이드록실 종단(hydroxyl terminated)되었을 수 있다.

가교결합된 폴리실록산은 입자의 응집 또는 퇴적 없이 전술된 알루미늄 가넷과 같은 많은 양의 세라믹 입자를 보유하는 기능을 가진다고 보여진다. 그러므로, 이 매트릭스 물질은 파장 변환 소자에서의 사용에 있어 우수한 선택이라고 보여진다.

통상적으로, 가교결합된 폴리실록산은 가교결합된 폴리디메틸실록산(4<n<500, 통상적으로는 4<n<270 인, 가교결합된 nPDMS)이다. PDMS는 온도와 빛 노출에 대하여 높은 저항을 보이기 때문에, 본 발명에서의 사용에 있어 특히 적합한 매트릭스 물질이라고 보여진다. 또한, nPDMS 중합체는 호환성을 향상시키기 위하여 입자 표면 개질의 필요 또는 표면 활성제의 사용 없이도 발광 입자의 개별적이고 균질한 분산이 쉽도록 만드는 초기 점도 레벨을 보인다.

본 발명의 파장 변환 소자의 제조 방법이 일반적인 용어로 기술될 것이다.

폴리실록산, 가교결합제, 발광 물질 및 촉매 용액을 포함하는 반응 혼합물은, 예를 들면 닥터 블레이드 코팅(doctor blade coating), 스핀 코팅 등의 통상적인 코팅 방법에 의해 원하는 두께로 기판 상에 살포된다(spread out). 적합한 기판은 유리, 사파이어, 실리콘 뿐만 아니라 폴리카보네이트, 가교결합된 PE 또는 PMMA와 같은 열가소성 기판을 한정하지 않고 포함한다.

가교결합은 발광 입자가 분리되고 균질하게 분포된 가교결합된 폴리실록산 매트릭스의 응고층(solidified layer)을 형성하기 위하여, 살포된 반응 혼합물 내에서 수행된다.

통상적으로, 폴리실록산 및 발광 입자는 가교결합제와 촉매 용액이 반응 혼합물에 추가되기 이전에 사전 혼합된다. 살포된 반응 혼합물 내에서 가교결합을 수행하는 수단은 개시제(initiator)/촉매제의 유형 및 농도, 가교제의 유형 및 농도, 그리고 온도에 의존하지만{예를 들면, 상이한 값에서의 단계별 경화(step-curing)}, 가교결합은 통상적으로 오랜 시간 동안 열을 가함으로써 수행된다.

필요하다면, 본 발명의 자체 지지 파장 변환 소자를 형성하기 위하여 기판은 제거될 수 있으며, 응고층은 원하는 크기의 복수의 파장 변환 소자로 쉽게 분할될 수 있다.

매트릭스 물질 내에서 발광 물질이 균질하게 분포된다는 사실로 인하여, 파장 변환 소자의 두께는 공정 파라미터를 제어함으로써 원하는 값으로 조정될 수 있다(예를 들면, 용매의 추가 또는 스핀 코팅 조건).

반응 혼합물 내의 폴리실록산은 본질적으로 화학식 1의 이중 작용성 비닐 종단 폴리디메틸실록산{di-functional vinyl terminated poly(dimethylsiloxane)}과 같은 선형 폴리디메틸실록산에 해당될 수 있다.

폴리실록산은, 한정적인 것은 아니지만 통상적으로 500g/mol에서 40,000g/mol의 평균 분자량을 가지며, 통상적으로는 500g/mol에서 20,000g/mol이다(n은 입자의 크기, 발광 입자의 농도, 혼합 방법 등에 따라, 약 4에서 약 500 사이에서, 통상적으로는 약 4에서 약 270 사이에서 달라진다).

가교결합제는, 한정적인 것은 아니지만, 화학식 2의 테트라키스디메틸실록시실란과 같은 사중 작용성 가교제(tetra-functional crosslinker)일 수 있다. 다른 다중 작용성 가교제(예를 들면, 삼중, 오중 또는 육중 작용성) 또한 가교결합된 PDMS 매트릭스를 얻고, 상이한 가교결합 네트워크를 형성하기 위하여 사용될 수 있다.

테트라키스디메틸실록시실란은 비닐 종단된 폴리실록산에 적합한 가교제이다. 하이드록시 종단된 폴리실록산에 적합한 가교결합제는 테트라에톡시실란(tetraethoxysilane; TEOS)과 같은 다중 작용성 실록산을 포함한다.

가교결합제는, 한정적인 것은 아니지만, 반응 혼합물 내에서 원하는 만큼의 가교결합을 일으키기 위해 1에서 3.7의 가교제 대 PDMS 비율(H/V) 내에서 유효량이 추가된다. 가교결합을 수행하기 위해 사용되는 온도값(상온에서 120℃ 사이) 및 주기(1에서 3단계)는 H/V 비율 및 사용된 촉매의 양에 따라 조정되어야 한다.

이러한 시스템에서 사용되기에 적합한 촉매는 시스-디클로로비스디에틸설피드 제2 백금{cis-dichlorobis(diethylsulphide)platinum(II)}과 같은 백금 촉매를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 관련 문헌에서 언급된 다른 백금 촉매{예를 들면, 카르스테트 또는 스페이어 촉매(Karstedt's or Speiers catalyst)}도 수소규소화 반응(hydrosilylation reaction)을 수행하는데 사용될 수 있고, 일반적인 고분자 시스템의 가교결합에 동등하게 효율적이다.

제2 백금 촉매는 반응 혼합물의 원하는 만큼의 가교결합을 수행하기 위하여 톨루엔과 같은 용매에 통상적으로 5ppm에서 20ppm의 제2 백금이 통상적으로 추가된다.

모든 실험 조건은 가능한 한 높은 정도로 가교결합한 고분자 매트릭스를 얻기 위하여 알맞게 조정되었다. 이는 고분자 물질을 더 견고하게 하고, 반응되지 않은 잔유물(이차적인 반응을 유발하여 황변 또는 분상과 같은 원치 않은 결과를 가지게 하는)이 없도록 한다.

디비닐 종단된(di-vinyl-terminated) 폴리실록산과 함께 테트라키스디메틸실록시실란 또는 다른 디메틸실록시 기반 가교결합제를 가교제로서 사용하는 위에서 제공된 접근 방법은, 가교결합이 수소규소화 반응을 일으켜 가교결합된 PDMS와 본질적으로 수소인 부산물을 발생시키므로, 이용하기에 유리하다. 그러므로, 이러한 반응은 최종 생성물로 아주 적은 양의 잔여물을 발생시켜 매우 깨끗하다.

나아가, 폴리실록산 최초 생성물은 그 자체로 액체이고, 그러므로 용매에 용해될 필요가 없다. 이는 또한 깨끗한 최종 생성물을 발생시키고, 본질적으로 어떤 용매도 가교결합된 최종 생성물로부터 증발될 필요가 없다.

하나의 기본적인 실시예에서, 파장 변환 소자는 본질적으로 발광 입자의 균일한 분포를 가지는 단일층의 매트릭스 물질을 포함한다.

그러나, 이와 다른 실시예도 본 발명의 범주에 포함된다. 예를 들면, 제1 서브층과 제2 서브층 간에 발광 입자 성분이 상이한 적어도 두 개의 중첩된 서브층(201, 202)을 포함하는, 본 발명의 도 2에 도시된 파장 변환 소자(200)를 얻는 것이 가능하다. 예를 들면, 제1 서브층(201)은 제1 발광 입자 성분(211)을 포함할 수 있고, 제2 서브층(202)은 제2 발광 입자 성분(212)을 포함할 수 있다.

본 명세서에서, 제1 발광 입자 성분과 제2 발광 입자 성분은 화학적 성분 면에서, 혼합물 내의 둘 이상의 발광 입자 종류 간의 혼합 비율 면에서, 또는 매트릭스 내의 농도 면에서 상이할 수 있다.

그러한 파장 변환 소자(200)는 위에서 기술된 바와 같이 각각 폴리실록산, 가교결합제, 발광 입자 및 촉매를 포함하지만, 두 반응 혼합물 간의 발광 물질의 농도 및/또는 성분(만일 발광 물질이 둘 이상의 종류의 발광 입자 혼합물을 포함한다면)이 다른 두 별개의 반응 혼합물을 준비함으로써 제조될 수 있다.

위와 같이, 제1 반응 혼합물은 기판 상에 살포되지만, 최후 가교결합 이전에, 선택적으로는 살포된 제1 반응 혼합물의 중간 가교결합 이후에, 제2 반응 혼합물은 제1 반응 혼합물 위에 살포되어, 이후 모든 층에서 최후 가교결합이 수행된다.

두 층은 우수한 광학적 접착을 형성하기 위한 층간 가교결합(inter-layer crosslinking)에 의하여 서로 강하게 결합하고, 그러한 두 서브층 간의 인터페이스는 파장 변환 소자의 광학적 특성에 주목할만한 정도의 영향을 미치지는 않는다.

당업자에 의해 인식될 바와 같이, 그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 매트릭스 물질 및/또는 발광 물질의 내용 면에서 동일하거나 상이한 특성을 가지는 둘 이상의 파장 변환 소자들(301 및 302), 그리고 두 소자들(또는 그 이상의 소자들) 간의 접착 물질을 선택적으로 구성하는 중첩 소자(도시되지 않음)를 분리하여 제조하는 것도 또한 가능하다.

당업자는 본 발명이 위에 기술된 바람직한 실시예에 결코 한정되지 않는다는 것을 인식한다. 그와는 반대로, 첨부된 특허청구범위의 범주 내에서 많은 수정 및 변경이 가능하다. 예를 들면, 둘 이상의 발광 다이오드로부터 빛을 수신하도록 본 발명의 파장 변환 소자를 구성하는 것이 가능하다.

또한, 산란 입자(scattering particles), 흡수 염료(absorbing dyes) 등과 같은, 파장 변환 소자 내의 후속 구성 요소들을 도입하는 것도 가능하다. 위에서 논의되고 도면에서 도시된 평면 판과는 다른 모양을 사용하는 것 또한 가능하다. 본 발명의 파장 변환 소자는 본 발명의 범주를 벗어나지 않고도, 돔, 피라미드 등과 같은 상이한 모양으로 성형될 수 있다. 이는 LED-변환기 시스템으로부터 빛을 더 잘 아웃커플링하도록 할 수 있다. 이러한 모양들은 분산이 주형되고 주형 내의 분산이 가교결합하는 단계, 또는 작은 소자로 절단하거나 원하는 층 또는 모양을 달성하기 위하여 몇몇의 가교결합 단계를 거친 이후의 단계와 같은 공정 중에 직접 형성될 수 있다.

<실험>

<파장 변환 소자의 제조>

모든 실험에서 선형 이중 작용성 비닐 종단 폴리디메틸실록산(PDMS)(ABCR GmbH & Co, M_w = 17,200g/mol)은 사중 작용성 실록산인 테트라키스디메틸실록산(ABCR GmbH & Co)과 가교결합되었다. 가교제의 Si-H 그룹 및 PDMS의 비닐 그룹 간의 수소규소화 반응은 사전에 톨루엔 용액에 용해된 시스-디클로로비스디에틸설피드 제2 백금 촉매(Strem Chemicals, Inc,)(통상적으로 PDMS 중합체에 대하여 20ppm의 제2 백금)에 의해 촉진되고, 진공 오븐에서 실행되었다. 가교결합 조건은 가교제 및 촉매의 유형 및 양에 따라 조정되지만, 통상적으로 3.7의 H/V 비율, 60℃인 일 단계 온도 프로그램에서 톨루엔 용액에 20ppm의 제2 백금인 촉매(5.3x10^-3mol/L)가 사용되었다.

<실험 1>

<파장 변환 소자 단일층의 제조>

비닐 종단된 예비 중합체 PDMS 내에서 3.5㎛의 평균 입자 크기를 가지는 YAG:Ce 입자의 두 분산은 각각 10%와 20% v/v의 발광 입자로 준비되었다. 분산들은 균질한 분산을 얻기 위하여 약 5분 동안 손으로 휘저어지고, 2시간 동안 롤러뱅크(roller bank)로 혼합되었다.

혼합 기간 이후, 가교제가 3.7 정도의 Si-H 대 비닐 그룹 H/V 비율(가능한 한 높은 가교결합을 목표로 한다)에 따라 혼합물 각각에 추가되고, 분산은 약 5분 동안 휘저어졌다. 사전에 톨루엔에 용해된 제2 백금 촉매는 혼합물 각각에 추가되고(톨루엔 용액 1mL 내에 예비 중합체 PDMS에 대한 20ppm의 제2 백금), 또 다시 5분 동안 손으로 휘저어졌다.

모든 혼합 단계 이후, 각각의 분산은 고분자 변환기의 목표된 두께에 따라 상이한 스핀 조건을 가지는 스핀-코터 장치(spin-coater equipment)를 사용해 폴리카보네이트 기판(PC) 상에 최후로 살포되었다.

마지막으로, 가교결합을 마무리짓기 위하여 코팅은 약 18시간 동안 60℃의 진공상태 오븐 내에 놓여졌다.

냉각 후, 가교결합된 PDMS 기반 고분자 변환기는 PC 기판으로부터 손으로 쉽게 제거되었다.

SEM(scanning electron microscope; 주사 전자 현미경) 및 공초점 현미경 특성화(confocal microscopy characterization)를 이용한 고분자 변환기의 검사는 고분자 변환기 전체에서의 발광 입자의 본질적으로 균일한 분포를 드러낸다. 도 4a는 10% v/v의 YAG:Ce 발광 입자를 포함하는 고분자 변환기의 SEM 이미지를 나타내는 반면, 도 4b는 20% v/v의 YAG:Ce 발광 입자를 포함하는 고분자 변환기의 SEM 이미지를 나타낸다.

<실험 2>

<파장 변환 소자 다중층의 제조>

비닐 종단된 예비 중합체 PDMS 내에서 발광 입자의 두 분산은 각각, 3.5㎛의 평균 입자 크기를 가지는 10% v/v YAG:Ce 입자와, 5% v/v CaAlSiN₃:Eu 입자로 준비되었다.

분산들은 균질한 분산을 얻기 위하여 약 5분 동안 손으로 휘저어지고, 2시간 동안 롤러뱅크로 혼합되었다.

혼합 기간 이후, 가교제가 3.7의 H/V 비율에 따라 YAG:Ce를 함유하는 혼합물에 추가되고, 분산은 약 5분 동안 휘저어졌다. 사전에 톨루엔에 용해된 제2 백금 촉매는 혼합물에 추가되었다(톨루엔 용액 1mL 내에 예비 중합체 PDMS에 대한 20ppm의 제2 백금).

위에 기술된 동일한 절차에 따라, PDMS의 제2 층은 60℃의 진공 오븐 내에서 30분 이상 동안, YAG:Ce 입자를 함유하는 제1 층 위에 살포되고 사전 가교결합되었다. 마지막으로, CaAlSiN₃:Eu 입자를 함유하는 혼합물인 제3 층은 제2 PDMS층 위에 살포되고 가교결합되었다. 최종 3-층 변환기는 가교결합을 마무리짓기 위하여 24시간 동안 60℃의 진공 오븐 내에 놓여졌다.

냉각 후, 가교결합된 다중층 PDMS 기반 고분자 변환기는 PC 기판으로부터 손으로 쉽게 제거되었다.

SEM 및 공초점 현미경 특성화를 이용한 다중층 변환기의 검사는 다중층 판들의 각각의 서브층 내의 판 전체에서 발광 입자가 본질적으로 균일하게 분포한다는 것을 드러내고, 상이한 인광체를 가지는 층간 인터페이스에서 분리 효과(segregation effect)는 보이지 않는다.

도 5a는 다음 구성을 가지는 예시적인 다중층 고분자 변환기의 SEM 이미지를 나타내며: 10% v/v YAG:Ce - 입자가 없는 PDMS - 5% v/v CaAlSiN₃:Eu; 반면, 도 5b는 다음 구성을 포함하는 예시적인 다중층 고분자 변환기의 SEM 이미지를 나타낸다: 입자가 없는 PDMS - 10% v/v YAG:Ce - 5% v/v CaAlSiN₃:Eu.

<안정성 시험>

<실험 3>

<안정성 및 열화(degradation) 시험>

열화 시험은 도 4a 및 도 4b에서 제공된 10% 및 20% v/v YAG:Ce 발광 입자를 가지는 단일층 고분자 변환기에서 {터보 디그레이더(turbo degrador)라고 불리는 설정 - 가열판과 광원의 조합을 사용하여 열화를 가속시킴으로써} 실행되었다. 실험은 보통의 대기와 습도, 180-300℃의 온도 범위 및 가시광선 조사(irradiation) 하에서(변환기 소자 내의 3mm 이하의 영역을 향하여 150W로), 오랜 동작 기간 동안 이루어졌다.

가교결합된 PDMS 고분자 변환기의 성능은 시험된 극한의 조건 하에서도 매우 안정한 것으로 입증되었다. 예를 들면, 도 4a와 도 4b에서 제공된 변환기에 대하여, 21일 동안 보통의 대기 및 습도, 150W의 가시광선, 300℃의 온도의 조건에서 가시적인 열화는 관찰되지 않았다.

열화 시험에 제출된 표본의 FTIR 분광법 특성화에서도 열화에 따라 예상되는 고분자 매트릭스 내의 화학적 변화는 보이지 않는다. 그러나, 고분자 네트워크 내의 가교결합의 유형에 관하여 몇몇 변화가 식별되는데, 이는 온도에 의해 촉진된 추가적인 가교결합으로 인한 것일 수 있다.

대기 및 질소의 흐름 하에서 입자를 가지거나 가지지 않는 가교결합된 PDMS 물질의 900℃까지의 TGA(thermogravimetric; 열중량) 분석은 열화 과정이 300℃까지는 시작되지 않는다는 것을 또한 보여준다. 게다가 PDMS 기반 물질의 열화로 인한 주된 최종 생성물이 CO₂, H₂O 및 주로 자연에서 가장 풍부한 산화 물질 중 하나인 SiO₂ 잔유물이라는 점을 주목해야 한다. 그러므로, 높은 온도(>300℃)에서 생성 가능한 열화 생성물은 환경적으로 안전하다.

Claims (15)

1. 가교결합된 폴리실록산(crosslinked polysiloxane)을 포함하는 매트릭스(106) 내에 분산된 발광 입자(105)를 포함하는, 파장 변환 소자(104, 200).
2. 제1항에 있어서, 제1 발광 입자 성분(211)을 포함하는 제1 서브층(sublayer; 201) 및 제2 발광 입자 성분(212)을 포함하는 제2 서브층(202)을 적어도 포함하는, 파장 변환 소자(104, 200).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 매트릭스는 가교결합된 폴리디메틸실록산{poly(dimethyl siloxane)}을 포함하는, 파장 변환 소자(104, 200).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광 입자는 세라믹 입자인, 파장 변환 소자(104, 200).
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자의 표면은 세라믹 물질의 표면인, 파장 변환 소자(104, 200).
6. 발광 다이오드(101) 및 상기 발광 다이오드로부터 방출된 빛을 수신하기 위해 배열된 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 파장 변환 소자(104)를 포함하는, 발광 장치(light emitting device; 100).
7. 제6항에 있어서, 상기 파장 변환 소자(104)는 상기 발광 다이오드의 발광 표면(102) 상에 배열되는, 발광 장치.
8. 제6항에 있어서, 상기 파장 변환 소자(104) 및 상기 발광 다이오드(101)는 서로 간격을 두고 떨어져 배열되는, 발광 장치.
9. 파장 변환 소자의 제조 방법으로서,
   가교결합 가능한 폴리실록산 내에 분산된 발광 입자를 적어도 포함하는 분산(dispersion)을 제공하는 단계; 및
   고체 파장 변환 소자를 얻기 위하여 상기 분산을 가교결합하는 단계
   를 포함하는, 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 폴리실록산은 디비닐 작용성 폴리디메틸실록산{di-vinyl functional poly(dimethyl siloxane)}을 포함하는, 방법.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 분산은 가교결합제(crosslinking agent)를 더 포함하는, 방법.
12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가교결합제는 테트라키스디메틸실록시실란{tetrakis(dimethylsiloxy)silane}인, 방법.
13. 제9항에 있어서, 상기 분산을 가교결합하는 단계를 수행하기 전에, 상기 폴리실록산을 층으로서 퇴적시키는(depositing) 단계를 더 포함하는, 방법.
14. 제9항에 있어서, 상기 분산의 가교결합하는 단계 전에, 상기 분산을 원하는 모양으로 주형하는(molding) 단계를 더 포함하는, 방법.
15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    가교결합 가능한 폴리실록산 내에 발광 입자의 제1 분산 및 가교결합 가능한 폴리실록산 내에 발광 입자의 제2 분산을 제공하는 단계;
    상기 제1 분산의 제1 층을 퇴적시키는 단계;
    상기 제1 분산을 가교결합하는 단계;
    상기 제1 층 상에 상기 제2 분산의 제2 층을 퇴적시키는 단계; 및
    상기 제2 분산을 가교결합하는 단계
    를 포함하는, 방법.

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