KR20120099742A - 반사형 나노섬유 조명 장치 - Google Patents

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KR20120099742A
KR20120099742A KR1020127016805A KR20127016805A KR20120099742A KR 20120099742 A KR20120099742 A KR 20120099742A KR 1020127016805 A KR1020127016805 A KR 1020127016805A KR 20127016805 A KR20127016805 A KR 20127016805A KR 20120099742 A KR20120099742 A KR 20120099742A
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제임스 린 데이비스
하워드 제이. 월스
카르만 밀스
비제이 굽타
마이클 캐스퍼 램빅
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리써치 트라이앵글 인스티튜트
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Abstract

섬유-기반의 반사 조명 장치 및 조명 장치가 제공된다. 섬유기판 반사 조명 장치는 일차 광을 생성하도록 구성된 공급원, 적어도 일차 광으로 조사될 때 광을 확산 반사하는 반사형 섬유의 매트, 그리고 반사된 광을 발산하도록 구성된 광 출구를 포함한다. 조명 장치는 하우징, 일차 광을 생성하고 그리고 그러한 일차 광을 상기 하우징 내로 지향시키도록 구성된 공급원, 일차 광을 반사하기 위한 위치에서 상기 하우징 내부에 배치된 섬유의 반사 매트, 그리고 상기 하우징으로부터 반사된 광을 발산하도록 구성된 하우징 내의 광 출구를 포함한다.

Description

반사형 나노섬유 조명 장치{REFLECTIVE NANOFIBER LIGHTING DEVICES}
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은 2009년 12월 3일자로 출원된 미국 출원 번호 61/266,323와 관련되고 그로부터 우선권을 주장하며, 그 출원의 전체 내용은 본원에서 참조되어 포함된다. 본원은 2004년 4월 8일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Electrospinning of Polymer Nanofibers Using a Rotating Spray Head"이고, 대리인 서류 번호가 241015US-2025-2025-20인 미국 출원 번호 10/819,916에 관련된 것이고, 그 출원의 전체 내용은 본원에서 참조되어 포함된다. 본원은 또한 2004년 4월 8일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Electrospray/electrospinning Apparatus and Method"이고 대리인 서류 번호가 241013US-2025-2025-20인 미국 출원 번호 10/819,942에 관련된 것이고, 그 출원의 전체 내용은 본원에서 참조되어 포함된다. 본원은 2004년 4월 8일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Electrospinning in a Controlled Gaseous Environment"이고 대리인 서류 번호가 245016US-2025-2025-20인 미국 출원 번호 10/819,945에 관련되고, 그 출원의 전체 내용은 본원에서 참조되어 포함된다. 본원은 2005년 5월 17일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Nanofiber Mats and Production Methods Thereof"이고 대리인 서류 번호가 256964US-2025-2025-20인 미국 출원 번호 11/130,269와 관련된 것이고, 그 출원의 전체 내용은 본원에서 참조되어 포함된다. 본원은 2006년 11월 13일자로 출원되고 발명의 명칭이 "LUMINESCENT DEVICE"이고 대리인 서류 번호가 289033US20-2025-2025-20인 미국 출원 번호 11/559,260와 관련된 것이고, 그 출원의 전체 내용은 본원에서 참조되어 포함된다. 본원은 2007년 6월 12일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Long-Pass Optical Filter Made from Nanofibers"이고 대리인 서류 번호가 310469US-2025-2025-20인 미국 출원 번호 60/929,077와 관련되고, 그 출원의 전체 내용은 본원에서 참조되어 포함된다. 본원은 2008년 6월 12일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Long-Pass Optical Filter Made from Nanofibers"이고 대리인 서류 번호가 310469WO-2025-2025-20인 PCT/US2008/066620와 관련된 것이고, 그 출원의 전체 내용은 본원에서 참조되어 포함된다. 본원은 2008년 5월 13일자로 출원되고 발명의 명칭이 "POROUS and NON-POROUS NANOSTRUCTURES and APPLICATION THEREOF"이고 대리인 서류 번호가 326008WO인 PCT/US2009/043784와 관련된 것이다. 본원은 2009년 4월 15일자로 출원되고 발명의 명칭이 "STIMULATED LIGHTING DEVICE"이고 대리인 서류 번호가 340555US20-2025-2025-20인 미국 출원 번호 61/169,468에 관한 것이고, 그 출원의 전체 내용은 본원에서 참조되어 포함된다.
본원 발명은 냉광(luminescent) 입자 여기 및 방출로부터 백색 광을 생성하기 위한 장치, 기구 및 방법에 관한 것이다.
상업용 그리고 거주용 조명을 위한 일반적인 조사(illumination) 공급원의 선택은 연색 지수(color rendering index; CRI)에 의해서 측정될 때 색채를 충실하게 생성할 수 있는 능력과 에너지 효율 사이의 균형에 의해서 일반적으로 지배된다. 현존 형광 조명은 에너지 소모 관점에서 볼 때 경제적인 것으로 알려져 있다. 그러나, 많은 사용자들은 현존하는 형광 조명에 의해서 생성된 빛이 열악한 스펙트럼 품질을 가지고 그리고 시력 저하(eye strain) 및 기타 건강에 부정적인 영향을 초래한다는 것에 대해서 만족하지 못하고 있다. 고온광(incandescent light)이 또한 널리 이용되고 있고 그리고 우수한 스펙트럼 품질 및 색채를 정확하게 표현하는 능력을 가지는 것으로 인식되고 있다. 이러한 높은 스펙트럼 품질은 고온 필라멘트로부터 유도되고, 이는 흑체 복사체로서 기능하고 그리고 태양과 유사한 많은 파장에 걸쳐 빛을 방출한다. 그러나, 고온 조명은 매우 낮은 에너지 효율이라는 단점을 가진다. 그에 따라, 적은 에너지를 사용하고 그리고 태양 광의 조성과 유사한 광 조성을 가지는 광원을 생성하는 것에 대한 요구가 오랫동안 있어 왔다.
솔리드-스테이트 조명(SSL)은 형광 빛의 에너지 효율 및 고온광의 우수한 스펙트럼 품질을 보장하는 대안적인 보편적 조사 및 조명 기술이다. 통상적으로, 상업적으로 이용가능한 SSL 램프는 일반적으로 2 ㎛ 초과의 큰 입자로 이루어진 형광체(phosphor)에 의해서 둘러싸인 발광 다이오드(LED)로 구성된다. LED로부터 발명된 광은 형광체가 하나 또는 둘 이상의 색채의 가시 광선을 형광 및 방출할 수 있게 하기에 충분한 에너지를 가진다. 가장 일반적인 상업적 SSL 제품의 예는, 550 nm를 중심으로 하는 광대역의 광을 방출하는, 세륨-도핑된 이트륨 알루미늄 가닛(garnet)(YAG:Ce)와 같은, 황색 형광체로 둘러싸인 청색 LED(통상적으로 460 nm)로 이루어진다. 정상상태에서 형광체로부터의 황색 광 방출과 LED로부터의 청색 광의 조합은 일반적으로 백색 외관(appearance)을 가지는 광원을 생성한다. 그 대신에, 자외선(< 400 nm)을 방출하는 LED를 이용하여 적색, 녹색 및 청색 형광체의 혼합체를 여기시킬 수 있을 것이다. 도 1은 솔리드-스테이트 조명 장치로부터 얻어진 광의 스펙트럼을 개략적으로 도시한다. 이러한 접근 방식이 백색 광을 생성하지만, 이는 제한된 수의 파장으로 인한 열등한 스펙트럼 품질 및 낮은 효율이라는 단점을 가진다.
또한, 현재의 솔리드-스테이트 조명 제품에서 사용되는 램프로부터의 빛의 세기가 플래시라이트(flashlight)와 같은 용도에 충분하지만, 실내 조명과 같은 일반적인 조사(照射) 용도를 위해서 사용하기에는 그러한 빛의 세기가 너무 낮고 그리고 방출 콘(cone)이 너무 좁은 것으로 간주된다. 그에 따라, 일반적인 조사에서 사용하기 위한 충분히 넓은 면적에 걸쳐 고강도의 백색 광 방출을 제공할 수 있는 솔리드-스테이트 광원이 요구되고 있다.
SSL 장치의 성능을 개선하기 위한 하나의 접근 방식으로서, 양자 도트(quantum dot)과 같은 나노입자를 백색 광 생성을 위한 보조 변환기로서 이용하기 위한 것이 있다. 2003년 7월 24일에 간행된 "Quantum Dots Lend New Approach to Solid-State Lighting" Sandia National Laboratory. 이러한 접근 방식은 발광 다이오드(LED)를 캡슐화하기 위해서 사용된 폴리머 내로 양자 도트를 병합하고 그리고 필수적으로 LED 다이 주위로 양자 도트의 3-차원적인 돔(dome)을 생성한다. 이러한 방법이 백색 광을 생성하는데 있어서 성공적이지만, 3-차원적인 돔 구조물은 LED 주위의 비-최적 위치에서 많은 양의 양자 도트를 위치시키고 그리고 잠재적인 양자 도트 응집 문제를 생성한다.
이전에는, Schlecht 등의, Chem. Mater. 2005, 1 7, 809-814에 개시된 바와 같이, 폴리머/양자 도트 화합물 나노섬유가 폴리머/양자 도트 복합체(composite) 용액의 전기방사(electrospinning)로부터 얻어졌다. 그러나, 양자 구속(confinement) 효과를 생성하기 위해서, Schlecht 등에 의해서 생성된 나노섬유는 지름이 10-20 nm 정도였다. 여기에서 개시된 나노입자 및 나노섬유의 크기 범위는 백색 스펙트럼에 걸쳐서 일차적인 광을 이차적인 광으로 변환하는데 있어서 유리하지 않다.
또한, Lu. 등의 Nanotechnology, 2005, 16, 2233에는 전기방사에 의해서 폴리머 섬유 매트릭스 내에 매립된 Ag2S 나노입자를 제조하는 것이 보고되어 있다. 다시 한번, 여기에서 개시된 나노입자 및 나노섬유의 크기 범위는 백색 스펙트럼에 걸쳐서 일차적인 광을 이차적인 광으로 변환하는데 있어서 유리하지 않다.
앞서 인용되고 "LUMINESCENT DEVICE"라는 명칭을 가지는 2006년 11월 13일자로 출원된 미국 출원 번호 11/559,260에 기재된 바와 같이, 고효율의 광-생성 시트가 광냉광(photoluminescent; 光冷光) 입자 및 폴리머 나노섬유의 조합을 기초로 개발되었다. 이들 냉광 시트는 백색광 솔리드-스테이트 조명 장치에서 사용될 수 있고, 여기에서 시트는 청색 발광 다이오드(LED) 광원에 의해서 조사되고 그리고 시트는 입사된 청색 광을, 예를 들어, 황색 광으로 변환할 것이다. 황색 광과 청색 광의 적절한 혼합은 백색 광의 외관을 생성할 것이다.
이러한 광-생성 시트의 하나의 특별한 장점은 광냉광 입자가 비교적 높은 굴절률을 가지는 벌크 물질 내에 수용되는 대신에 나노 섬유 상에서 대기 중에 현수(suspended)된다는 것이다. 이러한 구성은 빛이 내부 전반사에 의해서 포획되는 것을 방지하며, 그러한 내부 전반사는 입자들이 벌크 물질로 캡슐화될 때 발생될 것이다.
다른 작업(이하에서 나열되고 그리고 그 전체가 참조로서 본원에 포함된다)은 광학적 구성에 있어서의 나노섬유를 연구한 것이고, 여기에서 나노섬유의 특유의 나노-규모(scale) 광학적 성질이 관찰되었다.
1 . P. Vukusic, B. Hallam, 및 J. Noyes, Science 315, 348 (2007);
2. J.L. Davis, A. L. Andrady, D.S. Ensor, L. Han, H.J. Walls, 미국 특허 출원 U.S. 20080113214 (2006년 11월 제출); H.J. Walls, J.L. Davis, 및 D.S. Ensor, PCT 특허 출원 WO2009/032378 (2007년 6월 제출); 및 J.L. Davis, H.J. Walls, L. Han, T.A. Walker, LA. Tufts, A. Andrady, D.S. Ensor, in Seventh International Conference on Solid State Lighting, edited by I.T. Ferguson, N. Narendan, T. Taguchi, 및 I.E. Ashdown, (SP1E Proceedings 6669) pp. 666916-1-666916-9;
3. J. Yip. S.-P. Ng, 및 K.-H. Wong, Textile Research Journal 79, 771 (2009);
4. 미국 특허 5,892,621, "Light reflectant surface for luminaires"
5. 미국 특허 6,015,610 "Very thin highly light reflectant surface and method for making and using the same."
본원 발명의 일 실시예에서, 섬유-기반의 반사 조명 장치가 제공되며, 그러한 조명 장치는 일차 광을 생성하도록 구성된 공급원, 적어도 일차 광으로 조사될 때 광을 확산 반사하는 반사형 섬유의 매트(mat), 그리고 반사된 광을 발산하도록 구성된 광 출구를 포함한다.
본원 발명의 다른 실시예에서, 조명 장치가 제공되고, 그러한 조명 장치는 하우징, 일차 광을 생성하고 그리고 그러한 일차 광을 상기 하우징 내로 지향시키도록 구성된 공급원, 일차 광을 반사하기 위한 위치에서 상기 하우징 내부에 배치된 섬유의 반사 매트, 그리고 상기 하우징으로부터 반사된 광을 발산하도록 구성된 하우징 내의 광 출구를 포함한다.
본원 발명의 다른 실시예에서, 입사 광의 적어도 70%를 확산 반사하도록 구성되고 그리고 소정 위치에서 조명 장치 내로 삽입하기 위한 섬유의 반사 매트를 포함하는 조명 장치 삽입체가 제공된다.
본원 발명의 전술한 개략적인 설명 및 이하의 구체적인 설명 모두는 예시적인 것이고, 본원 발명을 제한하는 것이 아님을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 통상적인 솔리드-스테이트 조명 장치로부터 획득된 광의 스펙트럼을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a는 반사형 나노섬유 및 광냉광 나노섬유를 이용하여 제작된 다운라이트(downlight; 천정에 고정시킨 스포트라이트) 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2ba은 다양한 두께의 나일론 나노섬유 기판의 예들과 본원 발명의 여러 가지 나노섬유에 대한 가시적 스펙트럼에 걸쳐 관찰된 확산 반사를 도시한 그래프이다.
도 2bb는 여러 전기방사 지속시간의 폴리(메틸 메트아크릴레이트) 나노섬유 기판의 예들과 본원 발명의 여러 가지 나노섬유에 대한 가시적 스펙트럼에 걸쳐 관찰된 확산 반사를 도시한 그래프이다.
도 2c는 LED가 조명 기구(luminaire)의 외부로 이동된 것으로서, 반사형 나노섬유 및 광냉광 나노섬유를 이용하여 제조된 다운라이트 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2d는 본원 발명의 나노섬유 반사부가 있는 상태 및 없는 상태에서 도 2a의 다운라이트 반사부의 스펙트럼 복사 플럭스를 도시한 도면이다.
도 2ea는 큰 측방향 반사 표면을 가지는 반사형 섬유의 매트를 도시한 현미경 사진이다.
도 2eb는 여러 전기방사 조건하에서 제조된 다공성 PMMA 나노섬유를 도시한 반사형 섬유의 매트의 현미경 사진이다.
도 2ec은 플래터(flatter)-형상의 나노섬유를 도시한 반사형 섬유의 매트의 다른 현미경 사진이다.
도 2f는 매끄러운 나노섬유로부터 관찰된 통상적인 %T 데이터를 도시한 그래프이다.
도 3a는 본원 발명의 일 실시예에 따른, 섬유의 소정 부피 내부의 냉광 화합물의 배치를 도시한 개략도이다.
도 3b는 본원 발명의 일 실시예에 따른, 섬유의 표면 상의 또는 그 부근의 냉광 화합물의 배치를 도시한 개략도이다.
도 3c는 본원 발명의 일 실시예에 따른 섬유 기판을 개략적으로 도시한 도면으로서, 여기에서 섬유 기판이 전체적으로 광학적 산란 센터(center)로서 기능하는 것을 도시한 도면이다.
도 3d는 본원 발명의 일 실시예에 따른 섬유 기판을 개략적으로 도시한 도면으로서, 여기에서 섬유들이 개별적인 산란 센터로서 기능하는 것을 도시한 도면이다.
도 4는 나노입자 광 발광체를 포함하는 본원 발명의 나노섬유 및/또는 섬유의 침착(deposition)에 적합한 전기방사 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본원 발명의 실시예에 따른 반사형 나노섬유 기판 장치를 형성하기 위한 방법을 도시한 흐름도이다.
도 6a는 폴리머 매트릭스 내의 양자 도트 분산을 농도로 도시한 도면으로서, 응집체(agglomeration)가 낮은 농도로만 존재하는 것을 도시한 개략도이다.
도 6b는 폴리머 매트릭스 내의 양자 도트 분산을 농도로 도시한 도면으로서, 여기에서 응집체가 인자(factor)가 되는 것을 도시한 도면이다.
도 7은 전기방사 프로세스 동안에 냉광 입자들이 전기방사된 섬유에 부착되는, 본원 발명의 실시예에 따른 냉광 장치 형성 방법을 도시한 흐름도이다.
도 8은 전기방사 프로세스 이후에 냉광 입자들이 전기방사된 섬유에 부착되는, 본원 발명의 실시예에 따른 냉광 장치 형성 방법을 도시한 흐름도이다.
도 9는 도 8에 도시된 방법을 이용하여 준비된 폴리머/QD 복합체 나노섬유의 투과전자현미경 이미지이다.
도 10은 발광 다이오드(LED)가 냉광 물질을 포함하는 섬유에 대한 캡슐화제(encapsulant)를 통해서 광을 커플링시키는 구성의, 본원 발명의 일 실시예에 따라 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 발광 다이오드(LED)가 냉광 물질을 포함하는 섬유를 내부에 포함하는 캡슐화제를 통해서 광을 커플링시키는 구성의, 본원 발명의 일 실시예에 따라 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12는 본원 발명의 일 실시예에 다른 조명 기구 구조를 도시한 단면도이다.
도 13은 본원 발명의 일 실시예에 따른 유사한 조명 기구 구조를 도시한 사시도이다.
도 14는 다른 사시도 방향으로부터 도시한, 본원 발명의 일 실시예에 따른 다른 발광 구조물을 도시한 도면이다.
도 15는 도 14의 반사부를 컴퓨터로 작성한 3-차원적인 도면이다.
도 16은 본원 발명의 일 실시예에 따른 다른 발광 구조물을 도시한 도면이다.
도 17은 광냉광 나노도트(nanodots)들이 나노섬유의 외부에 부착된, 본원 발명의 일 실시예에 제공된 양자 효율의 개선을 도시한 도면이다.
도 18은 본원 발명의 일 실시예에 따른 조명 기구에 의해서 생성된 적분구(integrating sphere) 발광을 도시한 사진이다.
도 19는 본원 발명의 RPRB 구조물 내로 삽입되고 테스트된, 유리 슬라이드 상들에 YAG:Ce 스크린-프린팅된 광학적 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 20은 본원 발명의 RPRB 구조물 내로 삽입되고 테스트된, 유리 슬라이드 상에 YAG:Ce 스크린-프린팅된 광학적 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 21은 본원 발명의 RPRB 구조물 내로 삽입되고 테스트된, 그린(green) 발광 양자 도트의 헥산 용액으로부터의 광학적 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 22는 본원 발명의 RPRB 구조물 내로 삽입되고 테스트된, 그린 형광체로 PMMA 나노섬유를 코팅함으로써 생성된 광냉광 나노섬유로부터의 광학적 스펙트럼을 도시한 도면이다.
첨부 도면과 관련하여 생각할 때, 본원 발명의 보다 완전한 평가 및 본원 발명의 많은 부수적인 장점들이 이하의 구체적인 설명을 참조함으로써 보다 더 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
펌프 파장(예를 들어, 440 - 470 nm 범위의 청색 방출; 380 - 440 nm 범위의 보라색 방출; 또는 330 - 380 nm 범위의 자외선 방출)을 펌프 광 보다 긴 파장으로 방출하는 하나 또는 둘 이상의 광냉광 물질과 조합함으로써, 일반적인 조사를 위한 조명 장치가 제조될 수 있다. 광냉광 물질은 형광체, 나노 형광체, 및 양자 도트를 포함하는 입자 크기들 및 복수의 화학물질로 이루어질 수 있을 것이다. 냉광 물질은 종종 취성을 가지고 그리고 실제 장치로 통합하기 위해서 결합제 또는 지지 매트릭스를 필요로 한다.
본원 발명의 일 실시예에서, 조명 장치는 결과적인 광냉광 층으로 기계적인 강도를 제공하고 그리고 희망하는 광학적 특성을 부여하는 폴리머계 물질과 조합된 냉광 입자들을 포함한다. 예를 들어, 일부 조명 용도에서, 광 투과 특성 및 광 반사 특성의 조합을 포함하는 광냉광 층을 가지는 것이 바람직하며, 그러한 특성들의 조합은 복합체를 위한 물질들의 신중한 선택을 통해서 달성될 수 있을 것이다. 그 대신에, 본원 발명의 일부 실시예에서, 높은 정도의 광 반사를 제공하는 광냉광 층을 가지는 것이 바람직하다. 그 대신에, 본 발명의 일부 실시예에서, 높은 정도의 광 반사를 제공하는 광냉광 층으로부터 분리된 섬유 매트 층을 가지는 것이 바람직할 수 있다.
광냉광 층의 투과 특성 및 반사 특성을 제어하기 위한 하나의 방법은 광냉광 층의 굴절률(index of refraction)을 제어함으로서 이루어진다. 예를 들어, 주변 매체와 인덱스 매칭된(index matched) 광냉광 층이 큰 광 투과를 나타낼 것인 한편, 인덱스 매칭되지 않은 물질은 광 투과 및 광 반사의 혼합을 나타낼 것이다. 그러한 매체 내에서의 광 반사 정도는 프레넬 방정식을 통해서 주변 매체에 대한 광냉광 층의 굴절률 차이에 의해서 결정된다.
광냉광 층의 투과 특성 및 반사 특성을 제어하기 위한 다른 하나의 방법은 광의 파장 단위(on the order of) 치수를 가지는 피쳐(features)를 도입하는 것이다. 크기가 통상적으로 100 nm 내지 800 nm인 그러한 피쳐는 광선의 산란을 촉진할 것이고, 이는 반사 계수를 증가시킨다. 피쳐들은 그들의 주변과 상이한 굴절률을 가질 것이고, 이는 프레넬 방정식에 의해서 지배되는 투과 특성 및 반사 특성을 부여할 것이다. 광냉광 층으로 통합될 수 있는 물질의 예를 들면, 폴리머계 나노섬유, PolyArt®과 같은 천연 및 합성 페이퍼, 그리고 에칭된 유리 및 플라스틱과 같은 물질이 포함된다.
광냉광 층 내에서 발생하는 광 산란은 또한 넓은 영역에 걸쳐서 광을 산란시키는 능력 및 세기(intensity)를 퍼지게하는(spread) 물질의 능력을 높이기 위해서 이용될 수 있다. 극단적인 경우에, 물체(object)의 세기가 관찰 각도에 관계없이 동일하게 보이는 람베르시안(lambertian) 산란체를 생성하기 위해서 이용될 수 있다.
소정 범위의 광냉광 물질을 폴리머계 물질 또는 세라믹계 물질에 부가함으로써 광냉광 층이 일 실시예에서 생성될 수 있으며, 그러한 광냉광 물질의 부가는 광의 투과 특성 및 반사 특성을 제어할 수 있는 능력을 부여한다. 그러한 광냉광 물질은 형광체, 나노형광체, 및 양자 도트를 포함한다.
형광체는 다른 파장의 복사선에 노출될 때 복사선을 방출하는 물질의 일반적인 분류(general class)이다. 본원 발명의 일 실시예에서, 그러한 형광체는 일반적으로 청색, 보라색, 또는 자외선 광(즉, 펌프)에 노출되고 그리고 입사 광원으로부터 광자를 흡수할 것이고 그에 따라 여기된 전자 상태를 생성할 것이다. 이러한 여기된 상태는 형광 프로세스 또는 보다 구체적으로 광냉광의 프로세스를 통해서 펌프 파장 보다 일반적으로 더 긴 파장의 광자를 방출할 수 있다. 형광체는 일반적으로 적합한 호스트(host) 물질(예를 들어, 알루미늄 가닛, 금속 산화물, 금속 질화물, 및 금속 설파이드)로부터 제조되고, 그러한 호스트 물질에는 활성제(예를 들어, 구리, 은, 유로퓸, 세륨 및 다른 희토류)가 첨가된다. 통상적으로, 형광체 입자 크기는 종종 1 ㎛ 또는 그 초과이다. 최근에, 입가 크기가 100 nm 미만인 것을 특징으로 하는 형광체가 개발되었다. 이러한 나노형광체들은 종종 그보다 큰 입자 크기와 유사한 특성을 가지나, 그들의 보다 작은 크기로 인해서 보다 절한 정로도 빛을 산란시킨다.
50 nm 미만의 크기를 가지는 입자들은 종종 양자 도트으로 분류될 수 있다. 양자 도트는, 상온에서 전자의 크기와 같거나(드브로이파) 그보다 작은 자릿수(an order of magnitude)의 치수를 가지는 나노입자들이다. 양자 도트의 크기가 전자의 드프로이파와 대략적으로 동일하거나 또는 그 보다 작은 경우에, 퍼텐셜 우물(potential well)이 생성되고, 그러한 포텐셜 우물은 전자를 인위적으로(artificially) 한정한다. 이러한 포텐셜 우물의 크기는, 기본적인 양자 역학의 "박스내의 입자(particle-in-a-box)" 솔루션(solution)에 기재된 바와 같이, 전자가 이용가능한 양자화된 에너지 레벨을 결정한다. 그러한 에너지 레벨이 양자 도트의 형광 파장을 결정하기 때문에, 양자 도트의 크기를 단순히 변화시키는 것은, 제 1 근사값(approximation)까지, 양자 도트가 가시광선을 복사하는 색채를 변화시킨다. 그에 따라, 양자 도트의 양자 한정(confinement) 효과는 각각의 양자 도트으로부터 방출되는 빛에 직접 영향을 미치고, 그리고 다른 크기의 양자 도트들을 조합함으로써 넓은 색채 스펙트럼이 달성될 수 있을 것이다.
통상적인 양자 도트는 보다 높은 밴드 갭(band gap)을 가지는 무기 물질로 이루어진 쉘(shell)에 의해서 둘러싸일 수 있는 나노결정질 코어를 포함한다. 이러한 구조는 여러 가지 용매와의 양립성(compatibility)을 보장하는 외부 유기 층으로 캡핑(capped)된다. 이러한 내용에서, 전체 조립체(즉, 나노결정질 코어, 보다 높은 밴드 갭 물질의 쉘, 그리고 유기 캡핑 층)를 양자 도트으로 통칭한다. 그러한 양자 도트의 대표적인 예에는 아연 설파이드 쉘에 의해서 둘러싸이고 그리고 트리옥틸포스핀 옥사이드와 같은 유기 리간드 또는 헥사데실라민과 같은 장-쇄(long-chain) 아민으로 캡핑되는 카드뮴 셀레나이드 나노결정질 코어가 포함된다. 그러한 코어 쉘 구조는 뉴욕에 소재하는 Evident Technologies of Troy가 판매하고 있다.
양자 도트의 나노결정질 코어가 실리콘, 게르마늄, 인듐 갈륨 포스파이드, 인듐 포스파이드, 카드뮴 설파이드, 카드뮴 셀레나이드, 납 설파이드, 구리 옥사이드, 구리 셀레나이드, 갈륨 포스파이드, 수은 설파이드, 수은 셀레나이드, 지르코늄 옥사이드, 아연 옥사이드, 아연 설파이드, 아연 셀레나이드, 아연 실리케이트, 티타늄 설파이드, 티타늄 옥사이드, 및 주석 옥사이드, 등 중 하나 이상을 포함하는 다양한 물질로부터 제조될 수 있을 것이나, 이렇게 나열된 것으로 제한되는 것은 아니다. CdSe, InGaP, InP, GaP, 및 ZnSe 중 하나 이상으로 이루어진 코어를 가지는 양자 도트가 본원 발명에 대해서 특히 유용하다. 양자 도트의 광학적 특성은 이러한 나노결정질 코어에 의해서 생성된다.
양자 도트는 툴루엔과 같은 저 유전 상수(low-K) 유기 용매 내의 콜로이드형 분산체로서 상업적으로 이용가능하다. 그러나, 양자 도트는 상호 인력을 받게 되고 그리고 응집될 수 있으며, 이는 그들의 양자 거동을 방해하고 그리고 그들의 기능적 특징을 변화시킨다. 예를 들어, 응집체는 양자 도트의 광 방출 효과를 감소시키는 것으로 알려져 있고 그리고 응집의 결과로서 형성된 보다 큰 도트(dots)로의 에너지 전달로 인한 방출 주파수의 적색-천이(red-shifts)를 유발하는 것으로 알려져 있다. J. Rodriguez-Viejo, K. F. Jensen, H. Mattoussi, J. Michel, B. O. Dabbousi 및 M. G. Bawendi, Applied Physics Letters, vol. 70 (1997), no. 16, page 21을 참조할 수 있을 것이며, 이들의 전체 내용은 본원에 참조로서 포함된다. 약한 색채 변화에 대한 인간의 눈의 민감도로 인해서, 입자 응집은 조사 공급원으로부터의 빛의 품질에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 극단적인 경우에, 응집은 양자 도트로부터의 광냉광의 소광(quenching)을 초래할 수 있다.
나노섬유들은 10-2000 nm 범위의 하나의 치수(지름)을 가지는 고체 구조물이고, 그리고 다른 치수(길이)는 미터 범위로 상당히 길 수 있다. 본원 발명에 적합한 나노섬유는, 폴리머, 세라믹, 유리, 및 솔 겔(sol gels)을 포함하는 다양한 물질로 제조될 수 있고, 그리고 물질들의 블렌드(blend; 혼합)가 또한 용이하게 제조될 수 있을 것이다. 나노섬유의 하나의 특징은 그들의 작은 지름 및 결과적인 큰 표면적이다. 가시 광선(~ 500 nm) 단위 또는 심지어 그보다 작은 나노섬유 지름은 매우 큰 표면적을 용이하게 생성할 수 있다.
나노섬유 향상된 반사:
앞에서 인용한, 2009년 4월 15일에 출원되고 명칭이 "STIMULATED LIGHTING DEVICE"인 미국 출원 번호 61/169,468에 기재된 바와 같이, 나노섬유가 여러 가지 조명 용도에서 사용될 수 있을 것이며, 여기에서 나노섬유가 냉광 입자와 조합되며 그에 따라 나노섬유 및 냉광 입자로 제조된 냉광 시트 상으로 경사지게 입사되는 일차 광이 이차 광을 발산할 것이다. 전체 내용이 본원에서 참조되어 포함되는 PCT 특허 출원 2009/032378에서, 나노섬유는 특정 컷-오프 파장 미만에서 반사적이 되는 것으로 그리고 해당 파장 초과에서 투과적이 되는 것으로 제시되어 있다.
실험을 통해서, 본원의 발명자들은 두꺼운 나노섬유 기판이 가시적 스펙트럼 내에서 우수한 넓은 스펙트럼 반사를 나타낼 수 있다는 것을 확인하였다. 반사 값은 섬유 지름, 섬유 표면 형태, 기판 두께 및 밀도를 포함하는 몇 가지 파라미터에 의존한다. 예를 들어, 보다 얇고 덜 조밀한 섬유 기판은 통상적으로 보다 두껍고 보다 더 조밀한 물질 보다 낮은 반사도를 가진다.
유사한 참조 부호가 몇몇 도면을 통해서 동일한 부분 또는 대응하는 부분을 나타내는 도면들을 참조하면, 본원 발명의 여러 실시예들에서, 도 2a는 반사형 섬유 매트(102) 및 광냉광 섬유 매트(104)를 이용하여 제조된 다운라이트 장치(100)를 개략적으로 도시한다. 도 2a에서, 광원(106)(예를 들어, LED)으로부터 방출되는 광은 광냉광 섬유 매트(104)를 향해서 지향된다. 일 실시예에서, 광냉광 섬유 매트(104)의 광냉광 물질은 두꺼운 나노섬유 표면 상에 도핑된 실리케이트 형광체의 층을 스프레이 코팅함으로써 제조될 수 있다. 광냉광 물질은 적색-오렌지색 방출 양자 도트(600 내지 620 nm 방출 파장)의 층으로 후속하여 부분적으로 코팅될 수 있다. 광냉광 섬유에 충돌하는 빛은 반사 특성으로 인해서 섬유 베이스(108)를 대부분 통과하지 못한다. 그 대신에, 여기 공급원으로부터 빛 그리고 형광체에 의해서 변환된 빛 모두의 이러한 빛은 광냉광 섬유 매트(104) 및 섬유 베이스(108)로부터 멀리 대부분 반사된다. 이어서, 이렇게 반사된 빛은 반사형 섬유 매트(102)와 만나고, 이는 조명 장치(100)의 벽들을 라이닝한다(line). 반사형 섬유 매트(102) 내의 이들 반사형 나노섬유는 이러한 구조에 의해서 생성된 청색, 녹색, 및 적색 광을 혼합하는 역할을 하고, 그에 따라 백색 광 만이 조명 장치의 출구로부터 방출된다.
따라서, 본원 발명의 일 실시예에서, 반사형 나노섬유는 확산 반사부이다. 확산 반사는, 주어진 입사 각도 및 조사 세기의 광선이 물질로부터 넓은 범위의 각도에 걸쳐 반사되어 조사 세기가 이들 각도에 걸쳐 펼쳐지게 하는, 프로세스이다. 이상적인 경우에, 확산 반사는 모든 방향으로 균등한 조사(照射)로 빛을 방사하는 물질을 생성할 것이다.
폴리머 나노섬유 반사 기판 베이스는 냉광 물질로 도핑된 또는 도핑되지 않은 형태로 이용될 수 있을 것이다. 나노섬유 반사 기판 베이스는 물질의 투과도 및 반사도를 변화시킴으로써 여러 가지 광학적 성질을 나타낼 수 있을 것이며, 그러한 투과도 및 반사도는 제조 프로세스 동안에 맞춰서 조정될 수 있고 그리고 제어될 수 있을 것이다. 간결함을 위해서, 가시적 스펙트럼에 걸쳐 높은 확산 반사도를 나타내는 능력을 가지는 나노섬유 물질을 나노섬유 반사부(NFR)라 명명한다.
도 2ba은 다양한 두께의 나일론 나노섬유 기판의 예들과 본원 발명의 여러 가지 나노섬유에 대한 가시적 스펙트럼에 걸쳐 관찰된 확산 반사도를 도시한 그래프이다. 나일론 기판은 평균 섬유 지름이 100 nm 내지 300 nm인 매끄러운(smooth) 나노섬유를 포함한다. 각각의 기판은 프리-스탠딩(free-standing)(즉, 어떠한 배면부(backing)도 없는) 샘플로서 테스트되었고 그리고 4인치 x 4인치 보다 크다.
도 2bb는 여러 전기방사 지속시간의 폴리(메틸 메트아크릴레이트) 나노섬유 기판의 예들과 본원 발명의 여러 가지 나노섬유에 대한 가시적 스펙트럼에 걸쳐 관찰된 확산 반사를 도시한 그래프이다. 폴리(메틸 메트아크릴레이트) 기판은 평균 섬유 지름이 100 nm 내지 600 nm인 매끄러운 나노섬유로 구성되었다. 각 기판은 프리-스탠딩(즉, 어떠한 배면부도 없는) 샘플로서 테스트되었고 그리고 3인치 x 3인치 보다 크다.
PLNs를 생성하기 위해서 나노섬유를 도핑하는 것은 기판의 하나의 표면에 냉광 물질을 집중시키는 코팅 프로세스를 이용하여 통상적으로 실시된다(이하에서 보다 구체적으로 설명하는 바와 같다). 형광체 또는 양자 도트(QD)는 사실상 모든 희망 색채의 발광을 달성하기 위한 충분한 로딩(loading)으로 나노섬유 상에 로딩될 수 있다. 형광체는 통상적으로 용매-기반(예를 들어, 스프레이 코팅) 또는 에어로졸-기반(예를 들어, 건식 코팅) 방법을 이용하여 코팅되는 반면, QDs는 잉크-젯 프린팅 방법을 이용하여 통상적으로 도포된다.
임의 형광체 화학물질과 양립될 수 있지만, 도핑된-실리케이트 및 셀레나이드 형광체는, 예를 들어 아연 설파이드 쉘을 가지는 카드뮴 셀레나이드 코어를 이용할 때, 실험 실시예(working examples)가 될 수 있는 것으로 확인되었다. 이들 양자 도트(QD)의 광안정성(photostability)은 크기에 의존하고, 입자가 클수록(즉, 오렌지색/적색) 보다 더 높은 광안정성을 나타낸다. 일 실시예에서, 도핑된-실리케이트 형광체는 녹색광을 중심으로 하는 넓은 방출(~ 540 nm)을 제공하고, 그리고 오렌지 QDs는 615 nm 주위의 좁은 방출을 제공하도록 부가된다. 일 실시예에서의 조합은, 청색 LED로 여기되었을 때, 높은 연색 지수를 가지는 백색 광(CCT: 2,700 내지 5,000 K)을 생성한다.
통상적인 장치의 작동에서, LED에 의해서 방출되는 청색 광이 PLN으로 지향되고, 그리고 청색 광의 일부가 녹색 광 및 적색 광 방출로 변환되고, 이렇게 변환된 광들은 PLN로부터 멀리 확산 반사된다. 입사된 청색 복사선의 변환되지 않은 부분은 또한 PLN의 나노섬유 베이스에 의해서 확산 반사된다. 확산 반사된 빛은 높은 확산 반사(R ~ 95%)를 나타내도록 디자인된 제 2 나노섬유 물질(즉, NFR 층)에 의해서 한정되고 그리고 지향된다. 본원 발명의 여러 실시예에서, 확산 반사 값은 70% 내지 80%의 범위를 가진다. 본원 발명의 여러 실시예에서, 확산 반사 값은 80% 내지 90%의 범위를 가진다. 본원 발명의 여러 실시예에서, 확산 반사 값은 90% 내지 95%의 범위를 가진다. 본원 발명의 여러 실시예에서, 확산 반사 값은 95% 보다 크다. NFR 물질의 높은 반사도는 광 흡수를 최소화하고 그리고 또한 상기 장치에 의해서 생성된 적색, 녹색, 및 청색을 혼합하는 역할을 한다. 생성된 광이 양호한 균일성으로 잘 혼합되어 장치로부터 방출된다.
도 2a에서, LED는 광 방출 경로 내에 있을 수 있고 그리고 방출된 빛의 일부를 흡수할 수 있다. 도 2c에서, 이러한 단점이 해소된다. 도 2c는 반사형 나노섬유 및 광냉광 나노섬유를 이용하여 제조된 다운라이트 장치를 개략적으로 도시하며, 여기에서 LED는 조명 기구 외부로 이동되어 광선으로부터 LED를 제거하고 그리고 LED를 위한 보다 양호한 히트 싱크를 제공한다. LED는 장치의 후방에 안착된 PCB 상에 장착된다. LED로부터의 빛이 개구를 통해서 장치로 도입되고 그리고 PLN으로 지향된다. NFL 물질은 이전의 예에서와 같이 장치의 벽을 라이닝한다.
LM-79에 기재된 바와 같이 자체-흡수에 대한 교정 후에, 200 mA에서 작동되는 Cree XRE LED (Part No. CREROY-L1-00001-00801)를 이용하여 획득된 통상적인 스펙트럼이 도 2d에 도시되어 있다. 도 2d는 본원 발명의 NFR이 있는 그리고 없는 상태에서 도 2a의 다운라이트 반사부의 스펙트럼 복사 플럭스를 도시한다. 값들은 보조 램프를 이용하여 자체-흡수에 대해서 교정되었다.
장치는 800 mA까지의 구동 전류에서 테스트되었다. CCT, CRI, 또는 색도 좌표(chromaticity coordinate)의 큰 변화는 관찰되지 않았다. 200 mA의 작동 전류에서 장치의 측정된 특성은 다음과 같다:
CCT: 3852 K Duv: 0.003
CRI: 92 조명 효과(Luminous Efficacy): 53 Lumens/Watt
NIST CQS: 91
Duv 는 주어진 색도 좌표의 세트가 프랑크 위치(Planckian locus)로부터 얼마나 먼가에 대한 측정치이다(즉, 주어진 CCT에 대한 흑체 복사체 지점). 낮은 Duv 값들이 바람직하다. CQS 는 색채 품질 스케일(scale)을 나타낸다.
나노 섬유 라이너의 도입은 이러한 장치로부터의 광학적 파워 출력을 49.8% 만큼 증대시켰다. 이러한 증대는 반사형 나노섬유 물질의 존재로 인한 다운라이트 구성에서의 빛의 감소된 흡수 때문인 것으로 믿어진다. 이러한 실시예에서 사용된 나노섬유가 높은 반사도(통상적으로 90% 초과)를 나타내기 때문에, 그러한 물질을 라이너로서 이용하는 것은 조명 기구 물질에 의한 흡수를 상당히 감소시킨다.
특정한 현상학적인 설명으로 제한하고자 하는 것은 아니지만, 이러한 물질의 높은 반사도는 나노섬유의 광학적 특성의 나노스케일의 조작으로부터 발생하는 빛의 Mie 산란 때문인 것으로 믿어진다. 나노섬유(n ~ 1.5)와 공기 사이의 굴절률 대비(contrast)는 빛의 Mie 산란에 대한 사이트(sites)를 생성한다. 반사된 빛(즉, 후방 산란; backscattering)의 세기는 각도(angular) 산란 분포 및 산란 사이트의 수에 비례할 것이다. 매끄러운 나노섬유에서, 산란 사이트는 나노섬유 자체(단독)에 의해서 그리고 인접한 나노섬유들 사이의 영역에 의해서 제공된다. 후방 산란(즉, 반사)의 가능성은 상기 간격이 빛의 파장 단위(on the order of)일 때 가시 복사선에 대해서 최적화되기 때문에, 기판 밀도의 증가(즉, 공동(void) 부피의 감소)는 당해 지점의 반사 세기를 향상시킬 것이다. 다공성 나노섬유들 상에서의, 표면 기공의 도입은 산란 사이트의 수를 증가시키고 그리고 두께를 함수로 하여 후방 산란 효율을 증가시킨다. 또한, 100 - 250 nm 지름의 표면 기공은 가시 복사선의 후방 산란에 대한 높은 가능성을 가진다고 할 수 있을 것이다. 그에 따라, 적절하게 디자인된 본원 발명의 다공성 나노섬유들은 또한 가시 복사선의 효율적인 반사부가 된다고 할 수 있을 것이다.
본원 발명의 일 실시예에서, 굴절률에 대해서 불연속성을 부여하는 부가적인 매커니즘은 나노물질을 나노섬유 내로 도입하는 것에 의해서 제공된다. 통상적으로, 이들 나노물질은 50 nm 내지 400 nm 의 지름을 가질 것이고, 그리고 가시적인 스펙트럼에서의 낮은 흡수도를 나타내는 것으로 알려져 있는 물질로 이루어질 수 있다. 그러한 물질의 예에는 BaS04, 테프론, Ti02, 및 Al203 가 포함된다. 그러한 첨가제는 나노섬유를 제조하기 위해서 사용된 폴리머의 굴절률과 상이한 굴절률을 가지도록 선택될 것이다.
본원 발명의 일 실시예에서, 나노섬유의 반사 특성은 변경될 수 있다. 통상적으로, 나노섬유 기판은 람베르시안 거동에 접근하는 확산 반사를 나타낼 것이다. 그러나, 종종 보다 큰 피쳐를 생성하는 방식으로 의도적으로 전기방사electrospinning)함으로써 또는 Al 프레이크(flake)와 같은 스펙트럼 반사 물질을 부가함으로써 특정 양의 광택(gloss)이 기판으로 도입될 수 있을 것이다.
도 2ea는 반사형 섬유의 매트의 예를 도시한다. 본질적으로, 전기방사 작업은 편평한, 리본-형상의 섬유를 생산하는 방식으로 실시되었다. 이들 섬유들 중 많은 섬유들의 폭은 50 ㎛을 초과한다. 결과적으로, "광택"을 가지고 일부 스펙트럼 반사를 나타내는 물질이 초래되며, 이는 광택이 없고 그리고 확산 반사만을 나타내는 일반 나노섬유 구조와 대비된다.
편평한 또는 리본형의 섬유를 제조하는 것이, PCT/US08/66620 "LONG PASS OPTICAL FILTER MADE FROM NANOFIBERS"; 및 WO 2009-140381 "POROUS ADN NON-POROUS NANOSTRUCTURES AND APPLICATIONS THEREOF"를 포함하여, 참조로서 포함되는 앞서 기재한 출원들에서 설명되어 있다. 간략히 설명하면, 상기 출원들에 기재된 바와 같이 그리고 본원의 도 4에서 도시된 전기방사 시스템의 이용(이하에서 설명됨)에서 참조되는 바와 같이, 폴리머 용액 2 - 10 퍼센트(중량 퍼센트)가 휘발성을 가지지 않으나 다공성 달성을 위해서 폴리머에 비해서 높은 유전 상수를 가지는 첨가제와 혼합되고, 일 실시예에서 첨가 화합물의 유전 상수는 50-189 범위이다. 일 실시예에서, N-메틸포름아미드가 적합한 높은 유전 상수를 가지는 액체 유기 화합물로서 사용되고 그리고 1 - 20 중량%를 가지는 용매 혼합물에 첨가된다. 톨루엔은 N-메틸포름아미드와 함께 사용될 수 있는 하나의 용매이다. 일 실시예에서, 톨루엔은 큰 중량%의 혼합물로서, 예를 들어 80-99 중량% 범위의 혼합물로서 전기방사 혼합물에서 사용된다. 이들 톨루엔/메틸 포름아미드/PMMA로부터 생산된 다공성 폴리(메틸 메트아크릴레이트) PMMA 폴리머 나노섬유가 도 2eb 및 2ec의 예로서 도시되어 있다. 전기방사를 위한 조건은, 톨루엔의 함입, 디메틸포름아미드에 대한 메틸 포름아미드의 치환, 및 폴리스티렌에 대한 PMMA의 치환을 제외하고 앞서 설명된 예를 거의 따른다.
이러한 접근 방식을 이용하여 얻어진 평균 기공 크기는 스피닝(방사) 용액 내의 첨가제의 중량 분율에 의존하는 것으로 보여졌다. 이러한 효과는 2% 내지 20%(중량%) 범위의 N- 메틸포름아미드에 대해서 제시되었다. 20%를 초과하는 레벨에서는, 기공이 너무 커서 나노섬유의 원통형 형상을 유지할 수 없다는 것을 발견하였다. 이러한 조건하에서, 도 2ea에 도시된 바와 같이, 다공성 섬유가 리본 형태로 붕괴되고 접혀지는 경향이 있다.
도 2eb는 +20KV, l.O ml/Hr, 콜렉터(collector) 접지의 전기방사 조건 하에서 제조된 다공성 PMMA 나노섬유를 도시한 주사전자현미경(SEM)의 이미지이다. 샘플들의 경우에 용매 혼합물 내의 유기 혼합물의 농도는 다음과 같다: (a) 98% 톨루엔, 2% N-메틸포름아미드; (b) 95% 톨루엔, 5% N-메틸포름아미드; (c) 90% 톨루엔, 10% N-메틸포름아미드; (d) 80% 톨루엔, 20% N-메틸포름아미드. 도 2ec는 +20KV, l.O ml/Hr, 콜렉터 접지의 전기방사 조건 하에서 제조된 다공성 PMMA 나노섬유의 추가적인 저배율 주사전자현미경(SEM)의 이미지이다. 샘플들의 경우에 용매 혼합물 내의 유기 혼합물의 농도는 다음과 같다: (a) 98% 톨루엔, 2% N-메틸포름아미드; (b) 95% 톨루엔, 5% N-메틸포름아미드; (c) 90% 톨루엔, 10% N-메틸포름아미드; (d) 80% 톨루엔, 20% N-메틸포름아미드.
Ν-메틸포름아미드와 같은 높은 유전 상수의 화합물을 첨가하는 것은, 결과적인 나노섬유를 다공성으로으로 만들고, 그리고 최종적으로 리본 형상으로 만든다는 것이 명백하고, 이는 단일 용매 시스템으로 제조된 매끄러운 나노섬유에 대한 둥글고 원통형인 형상과 대비된다. 2% - 5%와 같은 낮은 농도의 Ν-메틸포름아미드로 제조된 나노섬유의 경우에, 나노섬유 표면 상의 완전한 구형 또는 원통형 형상 대신에, 기공 구조는 특히 결과적인 나노섬유의 길이방향을 따라, 약간 더 길게 되는 경향이 있다. N-메틸포름아미드의 농도가 10%-20%로 높아지는 경우에, 둥근 기공은 결과적인 나노섬유의 길이방향을 따라 보다 더 길게 되는 경향이 있다. N-메틸포름아미드의 농도가 20%에 도달할 때, 기공들이 서로 병합되기 시작하고 그리고 나노섬유 표면 상에 매우 거친 표면 피쳐를 형성한다. 이러한 피쳐들은 특정 실험 조건에서 둥근 기공인 것을 특징으로 하고 그리고 한계치의 존재가 5% 내지 10% 중량비 N-메틸포름아미드에서 명백하게 관찰되며, 이때 기공 크기가 상당히 증대되고 그리고 형상은 보다 더 길어지기 시작한다.
나노섬유 상의 기공들의 형상은 약간 긴 형상으로부터 타원형 형상까지 범위를 가지고 그리고 1.1 : 1 내지 10: 1 범위의 종횡비를 가지는 것으로 관찰되었다. 기공들은 나노섬유의 표면 내로 부분적으로 매립되고 그리고 일부 경우에 5 - 100 nm의 대략적인(estimated) 깊이를 가지며, 이때 그보다 더 얕은 기공 깊이는 용이하게 탐지되지 않을 것이다. 그에 따라, 기공들은 나노섬유의 내부 표면을 노출시켜, 기공이 없는 비슷한 지름의 나노섬유에 대비하여, 보다 더 증대된 표면적을 제공한다. 인접한 기공들은 그 기공들 사이의 나노섬유 벽 물질에 의해서 서로 완전히 분리될 수 있고, 또는 인접 기공들이 부분적으로 중첩되어 나노섬유 내에서 보다 큰 공동을 형성할 수 있을 것이다.
본원 발명에 적합한 다른 고 유전 상수 화합물의 예에는 N-메틸포름아미드, N-메틸아세트아미드, N-메틸프로판아미드, N-에틸아세트아미드, N-프로필프로판아미드, 포름아미드, N-부틸아세트아미드, N- 에틸포름아미드가 포함되나, 이러한 것으로 한정되는 것은 아니다. 그들의 양립가능한 용매에는 톨루엔, 디메틸포름아미드, 클로로폼, 디클로로메탄, 디메틸아세트아미드, 및 아세톤이 포함되나, 이러한 것으로 한정되는 것은 아니다. 폴리머에는 폴리(메틸 메트아크릴레이트), 폴리(부틸 메트아크릴레이트), 폴리(벤질 메트아크릴레이트), 폴리(카프로락톤), 폴리(비닐 알콜), 폴리(아크릴로니트릴), 폴리(카보네이트), 및 이들의 혼합물이 포함되나, 이러한 것으로 한정되는 것은 아니다.
이하의 표는 일반적인 물질의 반사도를 나열한 것이다. 본원 발명의 일 실시예에서, 이러한 광학적 타입의 물질은 스펙트럼 반사 물질로서 기재된 것이다. 그러한 물질의 예에는, 입자 형태 또는 프레이크 형태의 Al, Au, Ag, TiO2, ZnO, BaSO4, 및 Zn 이 포함될 수 있다.
일반적인 물질의 반사도
폴리싱된 Al 0.60 - 0.70
에칭된 Al 0.70 - 0.85
백색 플래스터(White Plaster) 0.90 - 0.92
백색 페인트 0.75 - 0.90
포셀린 에나멜(Porcelain Enamel) 0.65 - 0.90
백색 유리 0.75 - 0.80
본원 발명의 일 실시예에서, 높은 반사도를 제공하도록 디자인된 나노섬유 물질의 첨가는 조명 장치의 에너지 효율을 높이기 위해서 이용될 수 있다. 나노섬유는 다운라이트 및 조명 반사판(troffer)에서 라이너로서 사용될 수 있다.
그에 따라, 본원 발명의 반사형 나노섬유 매트 또는 기판은 일반적으로 이하의 실시예들을 제공한다.
1. 다운라이트, 조명 반사판, 또는 다른 조명 장치와 같은 조명 기구의 벽을 라이닝하는 나노섬유 물질.
2. 가시적인 빛의 파장과 유사한 치수를 가지는 매끄럽고 무작위로 배향된 나노섬유 또는 텍스쳐링된(textured) 표면 형태를 부여하는 것으로서 빛의 파장과 유사한 지름을 가지는 표면 기공들을 구비하는 편평한 리본 형상의 섬유를 포함하는 나노섬유 섬유 매트 또는 기판.
3. 확산(즉, 람베르시안) 반사부로서 기능하는 또는 기판에 대해서 광택 특성을 부여하는 첨가제 또는 피쳐를 포함하는 나노섬유 물질. 그러한 기판은 확산 반사 사이트와 스펙트럼 반사 사이트의 상대적인 조성에 의해서 제어되는 2의 비율의 스팩트럼 반사 및 확산 반사 모두를 나타낼 수 있을 것이다. 이러한 구조는 도 4(이하에서 설명된다)에 도시된 바와 같은 전기방사 챔버 내에서 제조될 수 있다. 이하의 전기방사 파라미터의 선택에 의해서 통상적인 나노섬유 구조물(확산 반사를 나타낸다)보다 우수한 광택 또는 부분적인 스펙트럼 반사를 나타내는, 원하는(preference) 나노섬유 구조물이 제공될 수 있을 것이나, 이하의 파라미터들로 한정되는 것은 아니다:
1. 폴리머 용액 농도;
2. 폴리머 용액 유량;
3. 전기방사 전압 구배;
4. 방사 노즐(spinneret)로부터 수집기까지의 거리;
5. 방사 노즐 크기; 및
6. 방사 챔버 분위기;
이러한 것의 파라미터들은 확산 반사 사이트 대 스펙트럼 반사 사이트의 결과적인 상대적 조성을 결정한다.
도 4에서 이용하기 위한 파라미터의 하나의 예시적인 세트는 다음을 포함한다:
1) 전기방사 용액 - 81% 톨루엔, 9% N-메틸포름아미드, 10% 폴리머(이것의 10%, 85% 는 PMMA 였고 그리고 15% 는 PBMA 였다);
2) 니들 게이지(Needle Gauge) - 25G
3) 용액 유량 - 0.5 mL/hr
4) C02 유량 - 8.0 L/min
5) 상대 습도(RH) - 78%
6) 갭(Gap) 거리 - 7.5"
7) 전압 - 26 kV
8) 총 방사 시간 - 44 분
9) 기판 - 직사각형 스틸 플레이트 상의 세정된 유리 슬라이드.
4. 부가적인 산란 사이트를 제공하고 반사도를 높이는 높은 유전 상수 물질(예를 들어, ZnO, BaS04, Ti02, Al203, 등)과 같은 첨가제를 포함하는 나노섬유 섬유 매트 또는 기판. 이들 첨가제는 전기방사 용액 내로 분산될 수 있고 그리고 나노섬유 및 고유전 상수 물질의 복합체가 전기방사 작업에 의해서 직접적으로 제공된다. 본원 발명의 일 실시예에서, 전술한 바와 같이, 무작위의, 텍스쳐링된(즉, 다공성) 나노섬유가 광학적 섬유 및 파장 선택형 반사부로서 이용하는데 있어서 가장 효과적이다. 대조적으로, 매끄럽고 둥근 나노섬유의 얇은 층들은 빛의 산란에 있어서 열등하고 그리고 사용에 있어서도 효과적이지 않은 것으로 판명되었다. 매끄러운 나노섬유의 얇은 층들로부터 관찰되는 통상적인 %T 데이터가 도 2f에 도시되어 있다. 보다 구체적으로, 도 2f는 다른 지름의 매끄럽고 둥근 PMMA 나노섬유 구조물들의 얇은 층의 퍼센트 투과(%T)를 나타낸다. 도 2ba 및 도 2bb에 대해서 비교되는 바와 같이, 이들의 투과 특성 및 보다 두껍고 매끄러운 나일론 및 PMMA 나노섬유 구조물의 투과 특성의 차이에 주목할 수 있을 것이다.
보다 구체적으로, 본원에서 참조로 포함되는 미국 특허 출원 2008/0113214에 기재된 방법을 이용하여 높은 유전 상수 물질로 나노섬유 기판이 코팅될 수 있다. 본원 발명의 일 실시예에서, 전술한 바와 같이, 예를 들어 ZnO, BaS04, Ti02, Al203, 등과 같은 높은 유전 상수 물질이 전기방사 후에 섬유 매트로 도포될 수 있다. 이러한 실시예가 이하에서 설명하는 도 8에 도시되어 있다.
5. 솔리드-스테이트 조명 장치에서 사용되는 펌프 LED의 청색 조사 하에서 나노섬유의 계속적인 세정을 제공하에서 TiO2 와 같은 광활성(photoactive) 필러(filler)가 나노섬유로 첨가될 수 있다. TiO2 는 공지된 광촉매이고 그리고 충분한 에너지의 파장에 의해서 여기될 때 유기 화합물을 산화시킬 것이다. 솔리드-스테이트 조명에서 제공되는 여기 파장(즉, 350 내지 470 nm)이 광-산화 반응을 개시하기에 충분하도록, 공지된 기술을 이용하여 TiO2 의 배드갭(badgap)을 조정할 수 있다. TiO2 및 유사한 광촉매 첨가제가 전기방사 용액 및 나노섬유의 복합체 내로 분산될 수 있고, 그리고 광촉매 물질이 전기방사 작업에 의해서 직접적으로 제공된다. 그 대신에, 나노섬유 기판은 본원에서 참조로 포함된 미국 특허 출원 2008/0113214에 기재된 방법을 이용하여 광촉매 물질로 코팅될 수 있다.
광냉광 섬유:
도 3a 및 도 3b는 예를 들어 나노섬유의 벌크 내에 또는 표면 상에 배치된 냉광 입자(4)(즉, 이하에 기재된 화합물들 중 하나)를 포함하는 광 자극가능(stimulatable) 섬유(LF)(2)를 개략적으로 도시한다. 보다 구체적으로, 도 3a는, 도 3a에서 나노섬유로서 도시된 섬유(2)의 부피 내부의 냉광 입자(4)(예를 들어, 양자 도트 반도체 물질, 형광체, 또는 나노-형광체)와 같은 광 자극가능 입자)의 배치를 개략적으로 도시한다. 도 3b는, 도 3b에서 또한 나노섬유로서 도시된 섬유(2)의 표면 상에 또는 그 부근에 냉광 입자(4)를 배치하는 것을 개략적으로 도시한다. 도 3c는는 섬유 기판(6)을 개략적으로 도시한 도면으로서, 본원 발명의 일 실시예에 따라, 여기에서 섬유 기판(6)은 전체적으로 광학적 산란 센터로서 기능한다. 이러한 구성에서, 본원 발명의 일 실시예에 따라, 자극가능 입자(명백하게 도시되지는 않았다)가 섬유 기판 두께(h)를 통해서 나노섬유(2)와 연관되어 배치된다. 나노섬유(2)는 여기(또는 일차) 광을 위한 산란 사이트를 누적적으로 제공하고, 그에 따라 본원 발명의 일 실시예에서, 펌프 공급원 광과 자극가능 입자(4) 사이의 상호작용 가능성을 향상시킨다.
도 3d는 섬유 기판(6)을 도시한 도면으로서, 본원 발명의 일 실시예에 따라, 여기에서 섬유(2)가 개별적인 산란 센터들로서 도시되어 있다. 나노섬유(2)는 일차(또는 여기) 광에 대한 산란 사이트를 개별적으로 제공하고, 그에 따라, 본원 발명의 일 실시예에서, 일차 광과 자극가능 입자(4) 사이의 상호작용 가능성을 향상시킨다.
그에 따라, 이하에서 보다 구체적으로 설명되는 본원 발명의 여러 실시예들에서, 섬유 기판으로부터의 자극가능 방출을 위해서 예를 들어 도 3c 및 도 3d에 섬유 기판을 포함하는 장치가 제공된다. 섬유 기판(6)은 평균 섬유 지름이 100 내지 2000 nm 범위인 나노섬유, 및 상기 나노섬유와 연관되어 배치된 복수의 광 자극가능 입자들을 포함한다. 자극가능 입자(4)는 파장(λ)의 일차 광을 수용할 때 이차 광 방출을 생성할 수 있다. 일차 광에 대한 섬유 기판 내의 산란 사이트를 제공하기 위해서, 평균 섬유 지름은 파장(λ)과 유사한(comparable) 크기를 가진다.
보다 구체적으로 후술하는 바와 같이, 평균 섬유 지름은 100 내지 5000 nm, 또는 보다 적합하게 100 nm 내지 2000 nm, 또는 보다 더 적합하게 100 nm 내지 1000 nm 범위이다. 파장(λ)은 100 내지 2000 나노미터, 또는 보다 적합하게 100 내지 500 나노미터 범위이다. 섬유 기판(6)의 두께는 0.1 및 2,000 미크론 범위, 또는 보다 적합하게 1 내지 500 미크론 범위이다.
본원 발명의 여러 실시예들에서, 자극가능 입자(4)는, 예를 들어 위에서 나열한 양자 도트 물질 이외에 또는 그에 더하여, 나노-형광체를 포함한 형광체를 포함한다. 예를 들어 이하에서 나열한 바와 같은 또는 다른 형광체들이 본원 발명에 적합하다. 적합한 형광체의 예에는 이하의 것이 포함되나, 이러한 것으로 한정되는 것은 아니다:
1. Y203:Tb, Y2O3:Eu3 +, Lu203:Eu3 +, CaTiO3:Pr3 +, CaO:Er3 +, (GdZn)0:Eu3 +; Sr4Al14025:Eu3+, GdMgB3O10:Ce3 +:Tb3 +, CeMgAl11O19:Ce3 +:Tb3 +, Y203:Eu3 + 와 같은 희토류 도핑된 금속 산화물;
2. CaS:Eu2 +, SrGa2S4:Eu 및 CawSrxGay(S,Se)z:Eu와 같은 금속 설파이드
3. YAG:Ce3 + 와 같은 희토류 도핑된 이트륨 알루미늄 가닛(YAG);
4. Ca3(Sc,Mg)2Si3O12:Ce 및 (Ba,Sr)2Si04:Eu를 포함하는 금속 실리케이트;
5. Zr02:Sm3 +, Zr02:Er3 + 와 같은 지르코늄 옥사이드;
6. 희토류 도핑된 바나데이트(YV04:Eu) 및 포스페이트(La,Ce,Tb)P04;
7. 호스트 매트릭스(예를 들어, Gd203, Gd02S, PbO, ZnO, ZnS, ZnSe, 실리케이트) 및 도펀트(Eu, Tb, Tm, Cu, Al 및 Mn)으로 이루어진 도핑된 물질; 그리고
8. 아연 설파이드 및 아연 셀레나이드의 금속 도핑된 형태(예를 들어, ZnS:Mn2+, ZnS:Cu+, Zn0 .25Cd0 .75S:AgCl).
본원 발명와 함께 사용하기 위한 형광체의 다른 예를 W.M. Yen, S. Shionoya, 및 H. Yamamoto, Phosphor Handbook, Second Edition 에서 찾아 볼 수 있을 것이며, 그 내용 전체는 본원에서 참조로서 포함된다. 본원 발명의 특별한 하나의 용도는 희토류 도핑된 YAG, 도핑된 ZnS 및 도핑된 SrGa2S4 를 포함하는 도핑된 금속 설파이드, 도핑된 실리케이트, 및 도핑된 ZnSe를 포함하는 나노형광체이다.
또한, 보다 구체적으로 후술하는 바와 같이, 자극가능 입자(4)는, 일차 광으로부터 각각의 이차 광 방출을 생성하고 그에 따라 연색 지수가 70 보다 큰, 또는 80 보다 결과적인 백색 광을 형성하는 복수의 색채-구분형(distinctive) 광 방출체(즉, 상이한 크기의 양자 도트의 분포 또는 형광체의 분포)를 포함할 수 있다.
본원 발명의 일 실시예에서, 예를 들어 나노섬유의 섬유 기판과 같은 큰 표면적의 매체 상에 자극가능 입자(4)를 분산시킴으로써, 나노섬유(2) 및 자극가능 입자(4)(예를 들어, 양자 도트 또는 형광체)를 포함하는 섬유 기판(6)의 방출 효율이, 냉광 입자의 평면형 팩킹(packing)이 필름 내에 분산된 것으로 달성되는 전술한 것 보다 더 증대된다. 결과적으로, 본원 발명의 일 실시예에서, 그러한 나노섬유 기판 구조는, 양자 도트가 필름 내에 분산되는 경우 보다 더 높은 효율로, LED에 의해서 방출되는 광자를 캡쳐할 수 있고 그리고 평면형으로 팩킹된 냉광 입자들에서 가능한 것 보다 더 높은 세기로 가시적인 파장으로 재복사할 수 있다.
임의의 특정 이론에 구속되지 않지만, 섬유(2)로부터 산란되는 빛은 섬유 지름, 광 파장, 빛에 대한 섬유의 배향 및 섬유의 굴절률에 의존한다. 섬유의 폴리머들은 1.3 내지 1.6 범위의 실제 굴절률을 가진다. 약하게 습수하는 물질로 이루어진 긴 섬유에 대한 광 산란 효율 곡선의 예가 Van de Hulst의 "Light Scattering by Small particles, Dover, 1957"에서 이미 구체적으로 기술되어 있다. 그러한 이전의 연구 성과물에서, 300 nm의 입사광의 경우에, 최대 광 산란은 3.14의 크기 파라미터(π 곱하기 섬유 지름/파장) 및 Q1 = 4.2의 산란 효율(Q)을 가진다. 600 nm의 입사광의 경우에, 크기 파라미터는 1.6이고 그리고 Q1 = 2이다. 그에 따라, 보다 짧은 파장 광(본원 발명에서 빈번하게 이용될 것으로 예상된다)은 보다 긴 파장의 광 보다 섬유의 기판 내에 포획(trapped)될 가능성이 2배가 될 것이다. 이러한 현상에 대한 다른 설명은, 평균적으로, 적절하게 디자인된 나노섬유 물질을 통한 400 nm의 광의 광학적 경로 길이(OPL)가 600 nm 광의 OPL 보다 더 길다는 것이다. 본 발명에 적용될 때 이러한 현상의 함축적 의미는, 광 방출의 향상이 섬유 기판 내의 섬유들의 광 산란 특성으로부터 얻어질 수 있다는 것이다(즉, 각 섬유가 산란 센터로서 작용하고, 그리고 섬유들로 이루어진 기판이 여기 광을 섬유 기판 매체로 보다 더 효과적으로 한정하기 위한 매체로서 작용하여, 여기 광이 섬유 기판 내의 체류 동안에 광 방출기와 상호작용할 수 있는 보다 더 높은 가능성을 제공한다).
예를 들어, 본 발명에서, 통상적인 여기 파장은 450 nm의 청색 광이다. 백색 광을 생성하기 위해서, 구조물은 450 nm 내지 700 nm의 넓은 범위의 주파수에 걸쳐서 복사선을 방출할 필요가 있을 것이다. 기판(6) 내의 나노섬유(4)의 평균 지름이 여기 공급원의 길이와 대략적으로 같은(즉, 450 nm) 나노섬유 구조물을 제조함으로써, 여기 주파수는 광 산란에 의해서 나노섬유 구조물 내에 효과적으로 포획될 수 있다(즉, 여기 공급원의 OPL이 길다). 이는 여기 공급원이 형광을 개시할 가능성 그리고 백색 광을 생성할 가능성을 보다 높인다. 대조적으로, 냉광 화합물의 형광에 의해서 생성된 보다 긴 파장의 방출은 섬유 기판 내에서 나노섬유에 의해서 보다 덜 효과적으로 산란될 것이고, 그리고 최소 산란 상태로 섬유 기판 구조물로부터 빠져나가기가 보다 더 쉬울 것이다. 이들 조건하에서, 파장 및 섬유 지름을 함수로 하는 광 산란/광학적(photonic) 특성들이 개선된다.
본원 발명의 일 실시예에서, 섬유 기판(6)은 많은 수의 나노섬유 층을 포함한다(도 2c에 도시된 바와 같음). 이들 층의 나노섬유(2)는 입사 여기 광에 대한 산란 센터로서 개별적으로 기능한다. 통상적으로, 나노섬유는 여기 공급원의 파장(즉, 100 - 1000 nm)와 대략적으로 같은 평균 지름을 가진다. 또한, 통상적으로, 섬유의 층의 수는 0.1 내지 2,000 미크론 범위의 섬유 기판(6) 두께를 형성할 수 있으나, 예를 들어 0.01 미크론과 같이 그보다 얇은 값 그리고 예를 들어 3,000 미크론과 같이 그보다 더 두꺼운 값이 적합할 수도 있다. 보다 얇은 층은 입사 여기 광을 "캡쳐"하기가 쉽지 않을 것이고, 그리고 보다 두꺼운 층은 양자 도트로부터 입사 광을 실질적으로 산란시킬 것이다.
제조 공정
본원 발명에서 반사형의 그리고 광 자극가능한 구조물을 형성하는 것은 많은 수의 방법을 통해서 이루어질 수 있다. 통상적으로, 형성 방법은 제어된 지름의 나노섬유(2)를 형성하는 것 그리고, 자극가능 구조물만을 위해서, 나노섬유(2)에 대한 자극가능 입자(4)(예를 들어, 양자 도트 또는 형광체)를 인가(apply)하는 것을 포함한다. 반사 물질은 나노섬유의 전기방사에 의해서 그리고 자극가능 입자와 같은 다른 물질의 첨가가 없는 나노섬유들의 이용에 의해서 제조된다. 자극가능 구조물이 몇 가지 방법으로 형성될 수 있다. 하나의 방법에서, 섬유들이 결과적인 섬유 기판으로 합체(coalesce)됨에 따라, 자극가능 입자(4)가 전기방사된 섬유로 인가될 수 있다. 하나의 방법에서, 자극가능 입자(4)가 전기스프레이 매체로 합체될 수 있다. 하나의 방법에서, 어떠한 자극가능 입자도 없이 기판을 형성한 후에 결과적인 섬유 기판으로 자극가능 입자(4)를 적용할 수 있다. 유사하게, 높은 유전 상수 및/또는 광촉매 물질을 포함하는 나노섬유 기판이 몇 가지 방법으로 제조될 수 있다. 하나의 방법에서, 섬유들이 결과적인 섬유 기판으로 합체됨에 따라, 높은 유전 상수 및/또는 광촉매 입자(4)가 전기방사된 섬유로 인가될 수 있다. 하나의 방법에서, 높은 유전 상수 및 광촉매 입자(4)가 전기스프레이 매체 내에 포함될 수 있다. 하나의 방법에서, 입자 없이 기판을 형성한 후에, 높은 유전 상수 및/또는 광촉매 입자(4)를 결과적인 섬유 기판으로 인가할 수 있다.
도 4는, 전술한 양자 도트 및 나노-형광체, 높은 유전 상수 물질로 제조된 입자, 또는 TiO2 와 같으 광촉매 물질로부터 제조된 입자들과 같은 나노입자 광 방출체를 포함하는 입자(4)를 가지는 섬유 및/또는 나노섬유의 침작을 포함하여, 본원 발명의 섬유 및/또는 나노섬유의 침착(deposition)에 적합한 전기방사 장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 본원 발명의 일 실시예에서, 본원 발명의 섬유 및/또는 나노섬유 내로 통합된 입자(4)는 섬유의 지름 보다 작다. 본원 발명의 일 실시예에서, 본원 발명의 섬유 및/또는 나노섬유로 통합된 입자들은 섬유의 지름 보다 더 크다.
도 4에서, 전기방사 장치(21)는 전기방사 요소(24)를 둘러싸는 챔버(22)를 포함한다. 이에 따라, 전기방사 요소(24)는 섬유(26)를 구성하는 물질을 전기방사하여 섬유(26)를 형성하도록 구성된다. 전기방사 장치(21)는 전기방사 요소(24)로부터 배치되고 그리고 섬유 및/또는 나노섬유를 수집하도록 구성된 수집기(28)를 포함한다. 섬유 및 나노섬유를 형성하기 위한 여러 가지 방법이 앞서서 나열되고 참조로서 포함되는 미국 출원 번호 10/819,942, 10/819,945, 및 10/819,916 에 개시되어 있다.
전기방사 요소(24)는 예를 들어 전술한 폴리머 용액과 같은 전기스프레이 매체를 포함하는 저장용기 공급부(30)와 소통한다. 본원 발명의 전기스프레이 매체는 나노섬유 물질의 압출을 포함한 섬유 압출을 위해서 당업계에 공지된 폴리머 용액 및/또는 용융체를 포함한다. 사실상 본원 발명에 적합한 폴리머 및 용매에는, 예를 들어, 디메틸포름아미드 또는 톨루엔 내의 폴리스티렌, 디메틸포름아미드/메틸렌 클로라이드 혼합물 내의 폴리카프로락톤, 증류수 내의 폴리(에틸렌옥사이드), 증류수 내의 폴리(아크릴산), 아세톤 내의 폴리(메틸 메트아크릴레이트) PMMA, 디메틸 포름아미드(DMF) 내의 PMMA, N-메틸 포름아미드(NMF) 내의 PMMA, 아세톤 내의 셀룰로즈 아세테이트, 디메틸포름아미드 내의 폴리아크릴로니트릴, 디클로로메탄 또는 디메틸포름아미드 내의 폴리락타이드, 포름산 내의 나일론, 아세트산 내의 나일론, 및 증류 내의 폴리(비닐 알콜) 그리고 이들의 조합이 포함된다. 일반적으로, 본원 발명에 적합한 용매는 폴리머를 용해시킬 수 있는 유기 용매 및 무기 용매 모두를 포함한다. 폴리머들이 냉광 화합물(보다 구체적으로 후술하는 바와 같다)에 대한 색채 필터로서 작용하는 첨가제, 반사도를 높이기 위한 높은 유전 상수 첨가제, 또는 자가-세정 수단을 제공하기 위한 광촉매 첨가제와 함께 방사될 수 있지만, 형성된 후의 폴리머 물질은 바람직하게 반사 기판을 제공하기 위한 유기 물질이 될 것이다.
전기방사 요소(24)를 유지하기 위해서 고전압 공급원(34)이 고전압으로 제공된다. 수집기(28)가 바람직하게 전기방사 요소(24)의 선단부로부터 1 내지 100 cm 이격되어 배치된다. 수집기(28)는 플레이트 또는 스크린이 될 수 있다. 통상적으로, 2,000 내지 400,000 V/m의 전기장 세기가 고전압 공급원(34)에 의해서 형성된다. 통상적으로, 수집기(28)가 접지되고, 그리고 전기방사 요소(24)로부터 전기방사됨으로써 생성된 섬유(26)가 전기장(32)에 의해서 수집기(28)를 향해서 지향된다. 전기장(32)은 전기방사 요소(24)의 선단부로부터 섬유를 이루게 되는 물질을 유체의 제트 또는 필라멘트(42)로서 잡아 당긴다. 전기방사 요소(24)를 빠져나오는 액적(droplet) 형상이 일정하도록, 각각의 전기방사 요소(24)에 대한 물질의 공급은 바람직하게 섬유를 이루게 되는 물질을 추출하는 전기장 세기와 균형을 이룬다. (대안적으로 전기방사 프로세스 후에 또는 그 도중에 섬유로 도입되는 또는) 폴리머 용액 내에 냉광 화합물, 높은 유전 상수 물질, 또는 광촉매 물질이 존재한다. 본원 발명의 일 실시예에서 침착된 섬유의 지름은 50 nm 내지 몇 미크론 범위가 될 수 있을 것이다.
본원에서 참조로 포함되는 것으로 앞서 설명한 관련 출원 미국 출원 번호 11/130,269에서와 같이, 본원 발명은 상이한 크기의 섬유들로 이루어진 혼합 섬유들의 섬유 기판을 생성하기 위해서 다른 전기방사 요소들을 이용할 수 있을 것이다. 섬유 기판은 예를 들어 평균 섬유 지름이 섬유 기판의 다른 측면 보다 더 큰 기판의 일 측면을 가질 수 있다.
본원 발명의 나노섬유에서 사용되는 섬유의 예는 다음과 같으나, 이러한 것으로 한정되는 것은 아니다: 아크릴로니트릴 부타디엔 코폴리머, 셀룰로즈, 셀룰로즈 아세테이트, 치토산, 콜라겐, DNA, 피브리노겐, 피브리넥틴, 나일론, 폴리(아크릴산), 폴리(클로로 스티렌), 폴리(디메틸 실록산), 폴리(에테르 이미드), 폴리(에테르 술폰), 폴리(에틸 아크릴레이트), 폴리(에틸 비닐 아세테이트), 폴리(에틸-코-비닐 아세테이트), 폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리(에틸렌 텔레프탈레이트), 폴리(젖산-코-글리콜산), 폴리(메타크릴산) 염, 폴리(메틸 메트아크릴레이트), 폴리(부틸 메트아크릴레이트), 폴리(베닐 메트아크릴레이트), 폴리(라우릴 메트아크릴레이트), 폴리아크릴레이트, 폴리(메틸 스티렌), 폴리(스티렌 술폰산) 염, 폴리(스티렌 술포닐 플루오라이드), 폴리(스티렌-코-아크릴로니트릴), 폴리(스티렌-코-부타디엔), 폴리(스티렌-코-디비닐 벤젠), 폴리(비닐 아세테이트), 폴리(비닐 알콜), 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐이덴 플루오라이드), 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아미드, 폴리아닐린, 폴리벤지미다졸, 폴리카프로락톤, 폴리카보네이트, 폴리(디메틸실록산-코-폴리에틸렌옥사이드), 폴리(에테르에테르케톤), 폴리에틸렌, 폴리에틸렌이민, 폴리이미드, 폴리이소프렌, 폴리락타이드, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리술폰, 폴리우레탄, 폴리(비닐피롤리돈), 프로틴, SEBS 코폴리머, 실크, 및 스티렌/이소프렌 코폴리머.
부가적으로, 둘 또는 셋 이상의 폴리머가 공통 용매에서 용해될 수 있다면 폴리머 혼합물을 포함하는 나노섬유가 제조될 수 있다. 몇 가지 예를 들면: 폴리(비닐이덴 플루오라이드)-브렌드-폴리(메틸 메트아크릴레이트), 폴리스티렌-브렌드-폴리(비닐메틸에테르), 폴리(메틸 메트아크릴레이트)-브렌드-폴리(에틸렌옥사이드), 폴리(메틸 메트아크릴레이트)-브렌드-폴리(부틸 메트아크릴레이트), 폴리(히드록시프로필 메트아크릴레이트)-브렌드 폴리(비닐피롤리돈), 폴리(히드록시부틸레이트) -브렌드-폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리(메틸 메트아크릴레이트)-브렌드-폴리(라우릴 메트아크릴레이트), 프로틴 브렌드-폴리에틸렌옥사이드, 폴리락타이드-브렌드-폴리비닐피롤리돈, 폴리스티렌-브렌드-폴리에스테르, 폴리에스테르-브렌드-폴리(히드록시에틸 메트아크릴레이트), 폴리(에틸렌 옥사이드)-브렌드 폴리(메틸 메트아크릴레이트), 폴리(히드록시스티렌)-브렌드-폴리(에틸렌 옥사이드)가 있다.
반사형 나노섬유 기판 형성
일반적으로, 도 5는 본원 발명의 실시예에 따른 반사형 나노섬유 기판(또는 섬유 매트)를 형성하기 위한 제 1의 전술한 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 500에서, 폴리머 용액(예를 들어, 포름산/아세트산 혼합물 내의 나일론, 디메틸 포름아미드 내의 PMMA, 톨루엔/N-메틸 포름아미드 내의 PMMA)가 전술한 조건들을 이용하여 전기방사된다. 510에서, 전기방사 용액으로부터, 100 내지 5000 nm의 지름을 가지는 나노섬유들이 형성된다. 520에서, 나노섬유가 수집되어, 매트가 원하는 반사도를 제공하기에 충분한 두께를 가지게 된 후에, 섬유 기판을 형성한다.
나노섬유의 물리적 성질을 변경하기 위해서, 입자들이 나노섬유의 형성 중에 또는 수집된 나노섬유에 부가될 수 있다. 높은 유전 상수 물질 또는 광촉매로 제조된, 입자들은 광 자극이 가능할 수 있다. 500에서, 입자들을 포함하는 폴리머 용액이 전술한 조건들을 이용하여 전기방사된다. 510에서, 전기방사 용액으로부터, 지름이 100 내지 5000 nm이고 자극가능 입자를 포함하는 나노섬유들이 형성된다. 520에서, 나노섬유들이 수집되어 섬유 기판을 형성한다.
500에서 프로세스는 바람직하게 제어된 조건하에서 나노섬유를 전기방사하기 위한 전술한 일반적인 기술을 반영한다. 500에서, 적절한 분산을 보장하기 위해서 저장용기(30) 내에서 폴리머를 혼합하기에 앞서서 용매 내에서 입자 화합물을 초음파로 분해하는(sonicate) 작업을 한다. 적절한 분산은 결과적인 섬유 기판을 통한 입자들의 균일한 분산을 초래한다. 일반적으로, 초음파 분해 시간이 12시간 보다 길면, 용액 내에서 균일한 화합물 현탁체를 충분히 획득할 수 있다. 용액 내에서 폴리머 대 입자 화합물의 비율은 통상적으로 1:50 내지 100:1이 될 것이다.
또한, 본원 발명의 일 실시예에 따라서, 폴리머 용액 내의 자극가능 입자의 너무 높은 국소적인 농도는 이들 화합물의 유해한 응집을 초래할 수 있다. 도 6a는 폴리머 매트릭스(10) 내의 자극가능 입자(4)(즉, 양자 도트, 냉광 또는 광 자극가능 화합물) 분산을, 통상적으로 인자(factor)가 되지 않는, 낮은 농도의 응집 상태에서 도시한 도면이다. 도 6b는, 응집이 인자가 되는 농도로, 폴리머 매트릭스(10) 내의 양자 도트(4) 분산을 도시한 도면이다. 응집은 낮은 농도에서도 문제가 될 수 있는데, 이는 적은 입자가 종종 정전기적 인력을 받기 때문이다. 그러나, 본원 발명은 예측가능한 입자 응집을 감소시키기 위해서 높은 표면적의 나노섬유를 이용하는데, 이는 많은 양의 입자를 수용할 수 있는 높은 표면적 나노섬유의 능력에 기인한다.
본원 발명의 일 실시예에서, 응집은 바람직하지 않은데, 이는 그러한 응집이 결과적인 섬유 내에서의 냉광 화합물의 분산 불균일성을 초래하기 때문이다. 응집은 결과적인 광 방출의 색채 균일성을 변화시킬 수 있다. 또한, 응집은 또한, 자체-흡수로 이한 방출 세기이 감소 및 방출 주파수의 적색-천이를 유발함으로써, 냉광 화합물의 광학적 특성을 저하시킨다.
입자들의 크기 분포는 예를 들어 다음과 같은 많은 수의 파라미터를 관리함으로써 제어될 수 있다: 용매 시스템의 유기 상(phase)의 변경, 나노입자들이 형성되는 온도의 변경, 나노 입자의 형성을 위해서 사용되는 반응제 농도의 변경, 캡핑(capping) 분자 화학(molecule chemistry)의 변경, 나노입자들을 형성하게 되는 물질의 응결(coagulation)을 제어하기 위한 계면활성제 첨가, 입자 핵생성 동안의 전기장 또는 자기장 인가, 나노입자의 형성 중의 음파 에너지 인가, 등.
캡핑 분자 화학은 예를 들어 나노입자를 화학적으로 안정화시키기 위해서 나노입자(즉, 양자 도트) 주위로 쉘을 형성하는 것을 포함한다. 계면활성제(예를 들어, 유기 리간드)가 포함되고 그리고 쉘의 외부 주위에 부착되어 해리(solution)를 촉진하고 그리고 응집을 방지할 수 있다. 그러한 계면활성제는 입자들이 생성될 때 또는 건조 상태로 사용될 때 입자들의 응집을 방지하는데 도움이 된다. 그 대신에, 전기영동적(electrophoretic) 분리와 같은 분리 방법을 입자 핵생성 후에 사용하여 원하는 입자 분포를 달성할 수 있을 것이다.
500에서, 전기방사 용액은 예를 들어 유기 냉광 물질(염료; dye), 세라믹, 유기-금속(metallic), 탄소 및/또는 금속과 같은 첨가제를 포함할 수 있다. Al2O3 와 유사한 세라믹과 같은 높은 유전 상수 물질을 부가함으로써, 예를 들어 나노섬유의 굴절률이 증대될 수 있다. 원하는 물리적, 화학적, 또는 기계적 특성을 부여하기 위해서 첨가제가 폴리머 내로 통합될 수 있다. 일반적으로, 첨가제는 전기방사에 앞서서 폴리머와 혼합되고 그리고 일반적으로 폴리머와 강한 화학적 결합을 형성하지 않는다. 본원 발명에 적합한 폴리머 내에서 발견되는 일반적인 첨가제의 예를 들면, 피그먼트(pigments)(예를 들어, Al2O3, BaS04), 전도성 또는 반사성 물질(예를 들어, 금속 프레이크), 자가-세정을 위한 광촉매 물질(예를 들어, Ti02), UV 안정화제, 및 유기 보강제(glass reinforcements)가 있다.
510에서, 전기방사 분위기 내의 조건들이 제어된다. "Electrospinning in a Controlled Gaseous Environment"라는 명칭의 미국 출원 번호 10/819,945에는 전기스프레잉 분위기를 제어하기 위해서 본원 발명에 적용될 수 있는 기술이 설명되어 있다. 추가적으로, 본원에 참조되어 포함되는 것으로 앞서 설명한 "Filter Incorporating Nanofibers" 라는 명칭의 미국 출원 번호 10/819,916에는 전기방사 프로세스에 관한 구체적인 사항들이 기재되어 있다. 그러한 특허에 기재된 실용예를 본원 발명에서 이용하여 작은 지름의 나노섬유를 생산할 수 있을 것이며, 그러한 작은 지름의 나노섬유의 큰 표면적 대 부피의 비는 결과적인 섬유 기판으로부터 방출되는 빛의 밝기를 향상시킬 수 있고 그리고 그것의 평균 섬유 지름 크기는 입사 광원 파장에 매칭되도록 적절하게 크기 결정된다.
520에서, 정렬된 섬유를 획득하기 위한 "Electrospinning of Fibers using a Rotatable Spray Head"라는 명칭의 미국 출원 번호 10/819,916에 기재된 기술 또는 "Filter Incorporating Nanofibers"라는 명칭의 미국 출원 번호 10/819,916에 기재된 기술을 이용하여 섬유 매트 밀도 및 균일성을 개선할 수 있을 것이다.
전기방사 동안에 광 방출체를 나노섬유로 통합
본원 발명의 일 실시예에서, 전술한 바와 같이, 섬유가 결과적인 섬유 기판(6) 내로 합체될 때 자극가능 입자(4)가 전기방사된 섬유(2)로 인가될 수 있다. 도 7은, 자극가능 입자(4)가 전기방사 프로세스 동안에 전기방사된 섬유에 부착되는, 본원 발명의 실시예에 따른 냉광 장치 형성 방법을 도시한 흐름도이다. 700에서, 폴리머 용액이 전기방사되어 100 내지 5000 nm의 지름을 가지는 나노섬유들을 형성한다. 710에서, 전기방사 동안에 나노섬유가 자극가능 입자(4)로 코팅된다. 720에서, 나노섬유가 수집되어 섬유 기판(6)을 형성한다.
이러한 실시예에서, 자극가능 입자(4)는 도 2b에 도시된 바와 같이 나노섬유의 표면 상에 또는 그 부근에 위치되기 시작한다. 700에서 프로세스는 제어된 조건하의 일 실시예에서 나노섬유를 전기스프레잉하기 위한 전술한 일반적인 기술을 반영하는 500에서의 프로세스와 유사하다. 710에서, 전기방사된 섬유가 건조되기 전에 자극가능 입자(4)가 전기방사된 섬유들의 표면 상에 부착된다. 710에서, 폴리머 용액을 전기방사하는 전기스프레잉 선단부으로부터 격리된(removed) 위치로 지향된 전기스프레이 비임에 의해서 자극가능 입자(4)가 도입될 수 있다. 도 4는 전기방사 분위기(46) 내로 자극가능 입자(4)를 도입하기 위한 전기스프레이 유닛(48)을 도시한다.
자극가능 입자(4)의 낮은 응집은 나노섬유 형성 단계와 광 자극가능 입자 부착 단계를 분리함으로써 달성될 수 있다. 이는, 예를 들어 자극가능 입자(4)(예를 들어, 전기스프레이 용액으로부터)를 방출 나노섬유가 건조되는 영역 내로 도입함으로써 본원 발명의 일 실시예에서 달성될 수 있다. 전기스프레이 도입 기술에서, 자극가능 입자를 포함하는 용매(예를 들어, 톨루엔과 같다)의 액적을 정전기적으로 분열시킴으로써, 자극가능 입자 현탁체의 미크론이하(submicron)의 액적이 생성된다. 전기스프레잉된 액적은 크게 대전되고(일반적으로 양으로 대전되고) 그리고 폴리머 나노섬유(6)의 표면으로의 통과 중에 유사한 전하의 척력으로 인해서 응집되지 않으며, 상기 폴리머 나노섬유의 표면은, 일 실시예에서, 반대되는 전기적 전하를 가질 수 있다.
나노섬유가 니들로부터의 사출 중에 건조되기 때문에, 본원 발명의 일 실시예에서, 전기스프레이의 위치는 나노섬유(2) 내로의 자극가능 입자(4)의 침투를 제어한다. 예를 들어, 만약 전기스프레이 비임이 전기스프레잉 선단부로 근접하게 이동된다면, 나노섬유는 보다 더 많은 용매를 포함할 것이기 때문에 보다 더 연성이 되기 쉽고 그리고 자극가능 입자(4)가 섬유 내로 보다 더 깊게 매립될 것이다. 그 대신에, 만약 전기스프레이 비임이 전기스프레잉 선단부로 부터 멀리 이동된다면, 나노섬유는 보다 더 건조하게 될 것이고 그리고 자극가능 입자가 표면으로 보다 제한될 것이다. 자극가능 입자를 분산시키기 위해서 이용되는 용매와 같은 다른 파라미터들이 또한 전기스프레이된 자극가능 입자의 침투 깊이에 영향을 미칠 수 있을 것이다.
710에서, 전기방사된 섬유의 건조 속도에 영향을 미치기 위해서(지연시키기 위해서) 전기스프레잉 분위기를 제어하기 위한 "Electrospinning in a Controlled Gaseous Environment"라는 명칭의 미국 출원 번호 10/819,945에 개시된 프로세스가 적용될 수 있다. 710에서, 섬유에 대한 입자의 전달 및 통합과 관련한 "Nanofiber Mats and Production Methods Thereof"라는 명칭의 미국 출원 번호 11/130,269에 기재된 프로세스가 본원 발명에 적용될 수 있다.
720에서의 프로세스는 520에서 전술한 프로세스와 유사하다.
전기방사 후의 나노섬유로의 입자 통합
본원 발명의 일 실시예에서, 전술한 바와 같이, 광 자극가능 입자(예를 들어, 예시적인 양자 도트 또는 형광체)와 같은 입자가 전기방사 후에 섬유 기판으로 인가될 수 있다. 입자 코팅의 다른 예에는 높은 유전 상수 물질 및 TiO2 와 같은 광촉매 물질이 포함된다. 이러한 실시예는 도 8에 도시되어 있다. 본원 발명의 이러한 실시예에 따라서, 예를 들어 전술한 기술과 같은 전기방사 방법에 의해서, 섬유 기판이 800에서 형성된다. 810에서, 입자(4)를 포함하는 용액이 제공된다(도 6a에서의 폴리머 용액과 같다). 820에서, 나노섬유 기판(6)이 용액으로 코팅된다. 섬유 기판이 용해되지 않도록 그러나 섬유 기판(6) 내에 존재하는 폴리머를 약간 팽창(swell)시킬 수 있도록 용액이 선택된다.
코팅 프로세스 동안에, 폴리머 나노섬유가 용매로 인해서 팽창될 수 있을 것이다. 네트워크에서의 섬유의 이러한 팽창은 또한 섬유들 사이의 공간을 팽창시킬 것이고, 그에 따라 네트워크 공간을 개방하여 입자들이 그 사이에서 이동할 수 있게 허용할 수 있다. 그에 따라, 입자들이 브라운 운동으로 인해서 섬유 표면으로 이동할 수 있을 것이다. 섬유 기판(6)은 1분 내지 72 시간의 기간 동안 용액 내에서 코팅될 수 있고 그리고 임의의 느슨하게 부착된 표면 입자들을 제거하는 것을 보장하기 위해서 0 내지 60 초 동안 용매로 린싱될 수 있을 것이다. 이어서, 섬유 기판(6)이 지지부 상으로 위치될 수 있고 그리고 사용에 앞서서 상온에서 완전히 건조될 수 있을 것이다. 나노섬유에 대한 입자의 접착력을 높이기 위해서, 코팅 용액이 폴리머와 같은 첨가제 또는 점착부여제(tackifier)를 포함할 수 있을 것이다.
도 9는 도 8에 도시된 방법을 이용하여 준비된 폴리머/양자 도트 복합체 나노섬유의 주사전자현미경 이미지이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 장식된(decorated) 섬유의 주사전자현미경 이미지에서, 섬유의 외측 및 내측 모두에서 개별적인 양자 도트(4)를 관찰할 수 있다. 양자 도트의 크기는 도트의 응집이 거의 없다는 것을 나타낸다.
도 8에 도시된 본원 발명의 방법에 따라서 제조된 폴리머 나노섬유 상의 입자의 표면 밀도는, 섬유의 침지 시간, 입자 용액 농도, 반복된 코팅 단계의 수, 용매 조성 및 온도와 같은 변수들을 변화시킴으로써, 제어될 수 있다. 브라운 운동을 증대시키고 나노섬유 매트릭스(프로세스에서 사용된 비-용매와 혼합된 소량의(trace) 용매)를 연질화시키는 보다 높은 온도와 같은 인자가 표면 커버리지(coverage)뿐만 아니라 섬유 상의 입자의 매립 정도 모두를 제어할 수 있을 것이다. 프로세스의 역학(mechanics) 및 현미경을 기초로, 입자 코팅이 나노섬유의 둘레에서 국소화(localize)될 수 있을 것이다.
본원 발명에서 설명된 섬유 또는 섬유 기판과 같은 매트릭스 내로 입자를 통합하지만, 본원 발명의 이러한 양태는 전기방사 및 섬유로 한정되지 않는다. 전술한 전기방사, 그리고 스프레이 코팅, 드롭 코팅, 스핀 코팅, 전사 프린팅, 열적 프린팅, 잉크-젯 프린팅, 에어로졸 핸들링, 정전기적 방법, 충진된 폴리머의 압출, 자가-조립형 단일 층 등을 포함한 다른 종래의 기술을 포함하는 여러 가지 프로세스를 본원 발명에 따라서 이용하여 냉광 또는 광 자극 화합물의 미리 결정된 분포를 가지는 매트릭스를 형성할 수 있을 것이다. 그러한 예에서, 매트릭스는 반드시 전기방사된 섬유일 필요가 없고 그리고 호스트(host)를 제공하며, 그러한 호스트에서 발광 입자들의 분산체를 포함하는 용매에 대한 노출이 매트릭스에 대한 입자(예를 들어, 양자 도트, 형광체, 비형광체, 또는 전기 루미네선스의(electroluminescent) 입자)의 인가를 초래할 것이다. 매트릭스 물질은 바람직하게 유기-기반일 수 있으나 무기 베이스를 포함하는 솔-겔 물질을 포함할 수 있을 것이다.
상대적인 광 방출기 분포
본원 발명의 일 실시예에서, 본원 발명의 광 자극가능 장치를 제조하기 위해서 사용되는 냉광 화합물은 예를 들어 양자 도트, 형광체, 또는 나노-형광체를 형성하는 입자이다. 양자 도트(즉, 자극가능 입자(4))는 전자파를 방출하고, 그러한 전자파의 파장은 제 1 근사값으로 나노입자의 지름에 의존한다. 예를 들어, 2.8 nm 공칭 지름의 CdSe 나노입자는 대략 530 nm의 녹색 광을 방출하는 반면, 5.0 nm 공칭 지름의 CdSe 나노입자는 약 625 nm의 적색 광을 방출한다. 특정 입자들(각각 특징적인 파장 방출을 가진다)의 혼합을 본원 발명에서 이용하여, 형광 빛을 위한 형광체들의 혼합에서 사용된 혼합 기술과 유사하게, "백색 광"을 생성할 수 있을 것이다.
본원 발명의 일 실시예에서, 자극가능 입자에 대해서 개시된 공칭 크기는 광대역(braod-band)(단속적인 방출 또는 라인 방출에 대비하여)을 초래하는 표면 구조 또는 크기 분포의 변동을 가질 수 있다. 예를 들어, 무기 쉘 층을 포함하지 않는 좁은 크기 분포의 양자 도트가 표면 결함 및 트랩의 여기로 인한 광대역 방출을 나타낼 것이다. 그러한 물질의 예가 Bowers 등의, "Journal of the American Chemical Society vol. 127 (2005) pages 15378-15379"에 기재되어 있으며, 그 전체 내용이 본원에서 참조로서 포함된다. 유사하게, 코어 쉘 양자 도트의 넓은 크기 분포는 그들의 합성에 사용되는 반응의 파라미터들을 제어함으로써 생성될 수 있을 것이다. 넓은 대역의 방출은 흑체 복사선 공급원을 모방(emulate)한다. 광대역 방출을 나타내는 본원 발명의 냉광 장치는 보다 높은 연색 지수를 가진다.
본원 발명의 일 실시예에서, 나노입자가 나노입자의 지름에 의존하는 파장을 가지는 광을 방출하기 때문에, 백색 광은 기판에 걸쳐서 분산된 다른 지름의 입자들을 가지는 섬유 기판으로부터 생성될 수 있을 것이다. 예를 들어, 복수의 입자들이 CRI 접근(approaching)(100)을 가지는 흑채 복사선의 스펙트럼과 유사한 희망 스펙트럼을 생성하는데 필요한 모든 파장을 생성할 때까지, 제 1 지름을 가지는 입자들이 제 1 파장의 전자기파를 생성할 수 있고, 제 2 지름을 가지는 입자들이 제 2 파장을 가지는 전자기파를 생성할 수 있을 것이며, 그리고 이러한 것이 계속될 수 있을 것이다. 그러한 백색 광을 생성하기 위해서 사용되는 입자들은 동일한 화학물질(예를 들어, CdSe/ZnS 양자 도트)로부터 또는 다른 화학물질(예를 들어, CdSe/ZnS 양자 도트를 가지는 도핑된-실리케이트 또는 도핑된-셀레나이드 형광체)로부터 얻어질 수 있을 것이다. 일부 경우에, 이차 방출의 원하지 않는 흡수를 피하기 위해서, 다른 입자들을 물리적으로 분리시키는 것이 필요할 수도 있다. 이러한 것은, 선택된 파장에 대한 강한 빛 산란 특성을 가지는 전술한 나노섬유와 같은 기판을 이용함으로써 본원 발명의 일 실시예에서, 성취될 수 있다.
이하는 여러 가지 여기 공급원과 관련하여 결정되는 그러한 혼합물의 예들을 기재한 것이다.
예 1. 여기 공급원: 450 - 460 nm의 청색 LED
냉광 화합물: 입자 지름이 2.6 - 3.2 nm인 단일의 다양성(single variety)의 CdSe/ZnS 코어 쉘 양자 도트(황색 방출을 위해서 구성되고 그리고 Evident Technologies로부터 상업적으로 이용가능하다).
이러한 예에서 그러한 황색 방출 양자 도트는 원하는 빛의 출력에 따라서 0.1 중량% 내지 30 중량%로, 보다 적합한 범위로는 1 중량% 내지 10 중량%로 섬유 내로 그리고 섬유 상으로 통합된다.
450 - 460 nm로 방출하는 청색 LED로 패키징할 때, 이러한 예에서의 광냉광 섬유로부터의 황색 방출 및 LED로부터의 청색 광이 혼합되어 백색 광을 생성한다.
예 2. 여기 공급원: 450 - 460 nm의 청색 LED
냉광 화합물: 제 1 크기의 입자 지름이 2.4 nm(녹색 방출)이고 그리고 제 2 크기의 입자 지름이 5.2 nm(적색 방출)인, 2개의 다른 크기의 CdSe/ZnS 코어 쉘 양자 도트(Evident Technologies로부터 구입).
이들 두 가지 크기의 냉광 양자 도트가 0.1 중량% 내지 30 중량%(양자 도트 전체 중량/섬유 중량)로, 보다 적합한 범위로는 1 중량% 내지 10 중량%로 섬유 내로 그리고 섬유 상으로 통합된다. 섬유 내로 그리고 섬유 상으로 통합된 녹색 입자 대 적색 입자의 비율은 희망하는 빛의 출력에 따라서 1:1 내지 20:1 이 된다. 이차 방출의 원치 않는 흡수를 방지하기 위해서, 2 가지 크기의 냉광 양자 도트를 물리적으로 분리하는 것이 바람직할 것이다. 그러한 물리적 분리는, 섬유 기판의 분리된 측면들 상에 양자 도트를 위치시킴으로써 또는 섬유 기판의 동일한 측면 상의 다른 구역들 또는 픽셀들(pixels) 내에 양자 도트를 배치함으로써 본원 발명의 일 실시예에서 달성될 수 있다.
450 - 460 nm로 방출하는 청색 LED로 패키징할 때, 이러한 예에서의 광냉광 섬유로부터의 녹색 및 황색 방출 그리고 LED로부터의 청색 광이 혼합되어 백색 광을 생성한다.
예 3. 여기 공급원: 408 nm의 보라색 LED
냉광 화합물: 제 1 크기의 입자 지름이 1.9 nm(청색 방출)이고, 제 2 크기의 입자 지름이 2.4 nm(녹색 방출)이며, 그리고 제 3 크기의 입자 지름이 5.2 nm(적색 방출)인, 3개의 다른 크기의 CdSe/ZnS 코어 쉘 양자 도트(Evident Technologies로부터 구입).
이들 세 가지 크기의 냉광 양자 도트가 0.1 중량% 내지 100 중량%(양자 도트 전체 중량/섬유 중량)로, 보다 적합한 범위로는 1 중량% 내지 50 중량%로 섬유 내로 그리고 섬유 상으로 통합된다. 섬유 내로 그리고 섬유 상으로 통합되는 청색 입자 대 녹색 입자의 비율은 희망하는 빛의 출력에 따라서 1:2:3("웜 화이트(warm white)"의 경우) 내지 2.5:1.5:1("콜드 화이트"의 경우)의 상대적인 세기의 광방출을 생성하도록 선택된다. 이차 방출의 원치 않는 흡수를 방지하기 위해서, 3 가지 크기의 냉광 양자 도트를 물리적으로 분리하는 것이 바람직할 것이다. 그러한 물리적 분리는, 섬유 기판의 분리된 측면들 상에 양자 도트들을 위치시킴으로써 또는 섬유 기판의 동일한 측면 상의 다른 구역들 또는 픽셀들 내에 양자 도트를 배치함으로써 본원 발명의 일 실시예에서 달성될 수 있다.
408 nm로 방출하는 보라색 LED로 패키징할 때, 이러한 예에서 백색 광은 광냉광 나노섬유에 의한 청색, 적색, 및 녹색 색채들을 혼합함으로써 생성된다. 극히 적은 LED로부터의 가시적인 복사선이 백색 광 생성에 직접 기여하거나 또는 기여하지 않게 된다.
예 4. 여기 공급원: 350 - 370 nm의 UV LED
냉광 화합물: 제 1 크기의 입자 지름이 1.9 nm(청색 방출)이고, 제 2 크기의 입자 지름이 2.4 nm(녹색 방출)이며, 그리고 제 3 크기의 입자 지름이 5.2 nm(적색 방출)인, 3개의 다른 크기의 CdSe/ZnS 코어 쉘 양자 도트(Evident Technologies,45 Ferry Street Troy, New York 12180로부터 구입).
이들 세 가지 크기의 냉광 양자 도트가 0.1 중량% 내지 100 중량%(양자 도트 전체 중량/섬유 중량)로, 보다 적합한 범위로는 1 중량% 내지 50 중량%로 섬유 내로 그리고 섬유 상으로 통합된다. 섬유 내로 그리고 섬유 상으로 통합되는 청색 입자 대 녹색 입자의 비율은 1:2:3("웜 화이트" 색채의 경우) 내지 2.5:1.5:1("콜드 화이트"의 경우)의 상대적인 세기의 광방출을 생성하도록 선택된다. 이차 방출의 원치 않는 흡수를 방지하기 위해서, 3 가지 크기의 냉광 양자 도트를 물리적으로 분리하는 것이 바람직할 것이다. 그러한 물리적 분리는, 섬유 기판의 분리된 측면들 상에 다른 크기의 양자 도트들을 위치시킴으로써 또는 섬유 기판의 동일한 측면 상의 다른 구역들 또는 픽셀들 내에 양자 도트를 배치함으로써 본원 발명의 일 실시예에서 달성될 수 있다.
350 - 370 nm의 UV 방출 LED로 패키징할 때, 백색 광은 광냉광 나노섬유에 의한 청색, 적색, 및 녹색 색채들의 방출의 혼합에 의해서 생성된다.
예 5. 여기 공급원: 450 - 470 nm의 청색 LED
냉광 화합물: PhosphorTech [Lithia Springs, Ga]가 판매하는 술포셀레나이드 조성물과 같은 녹색 형광체가 드롭(drop) 코팅, 잉크-젯 프린팅, 스프레이 코팅, 딥(dip) 코팅, 또는 유사한 방법의 코팅 프로세스를 이용하여 코팅되지 않은 나노섬유로 인가된다. 잉크-젯 프린팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅, 또는 드롭 코팅과 같은 프로세스를 이용하여, 이러한 복합체에 적색 방출 양자 도트를 부가하였다. 이러한 구축물이 450 내지 470 nm의 청색 방출 LED와 패키징될 때, 이러한 예에서 녹색 형광체의 방출, 적색 양자 도트의 방출, 및 청색 LED의 방출의 혼합에 의해서 백색 광이 생성된다.
예 6. 여기 공급원: 450 - 470 nm의 청색 LED
냉광 화합물: Intematix [Freemon, Ca]가 판매하는 도핑된 실리케이트 조성물과 같은 녹색 형광체가 드롭 코팅, 잉크-젯 프린팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅, 또는 유사한 방법의 코팅 프로세스를 이용하여 코팅되지 않은 나노섬유로 인가된다. 이러한 구축물이 450 내지 470 nm의 청색 방출 LED 및 610 nm의 적색-오렌지색 방출 LED와 패키징될 때, 이러한 예에서 녹색 형광체의 방출, 적색-오렌지색 LED의 방출, 및 청색 LED의 방출의 혼합에 의해서 백색 광이 생성된다.
예 7. 여기 공급원: 450 - 470 nm의 청색 LED
냉광 화합물: Intematix [Freemon, Ca]가 판매하는 도핑된 실리케이트 조성물과 같은 녹색 형광체가 드롭 코팅, 잉크-젯 프린팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅, 또는 유사한 방법의 코팅 프로세스를 이용하여 코팅되지 않은 나노섬유로 인가된다. 잉크-젯 프린팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅, 드롭 코팅 또는 유사한 방법과 같은 프로세스를 이용하여, 이러한 복합체에 적색 방출 양자 도트를 부가하였다. 이러한 구축물이 450 내지 470 nm의 청색 방출 LED와 패키징될 때, 이러한 예에서 녹색 형광체의 방출, 적색 양자 도트의 방출, 및 청색 LED의 방출의 혼합에 의해서 백색 광이 생성된다.
예 8. 여기 공급원: 450 - 750 nm의 쿨 화이트 LED
냉광 화합물: 약 5.2 nm 지름의 적색-오렌지색 방출 양자 도트(Evident Technologies,45 Ferry Street Troy, New York 12180로부터 구매)가 드롭 코팅, 잉크-젯 프린팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅, 또는 유사한 방법의 코팅 프로세스를 이용하여 코팅되지 않은 나노섬유로 인가될 수 있다. 이러한 구축물이 450 내지 750 nm로 복사하는 쿨 화이트 방출 LED(CCT > 4,500 K)와 패키징될 때, 연색 지수가 개선된 웜 화이트 광(CCT < 3,300 K)가 이러한 예에서 쿨 화이트 LED의 방출 및 적색 양자 도트의 방출을 혼합함으로써 생성된다.
냉광 장치
본원 발명의 일 실시예에서, 냉광 물질을 포함하는 전기방사된 섬유 기판과 같은 폴리머계 기판이 예를 들어 에폭시 매트릭스와 같은 캡슐화제 내에 포함된다. 도 10은, 본원 발명의 일 실시예에 따른 구성으로서, 발광 다이오드(LED)가 캡슐화제를 통해서 냉광 또는 광 자극가능 입자를 포함하는 섬유로 광을 커플링시키는 구성을 개략적으로 도시한다. 보다 구체적으로, 도 11은 양자 도트(도시하지 않음)와 같은 자극가능 입자의 특정 분포를 가지는 나노섬유 입자(2, 4)를 통해서 UV 또는 청색 광을 방출하는 LED(50)를 도시한다. LED(50)에 의해서 방출되는 UV 또는 청색 광은 나노섬유 물질(2, 4)을 위한 입사 광을 구성한다. 자극가능 입자(4)(예를 들어, 형광체 또는 양자 도트)는 입사 광을 흡수하고, 그리고 그들의 특성에 따라서, 백색 광을 방출한다. 섬유 기판 물질(2, 4)은 LED(50) 및 섬유 기판 물질(2, 4) 모두를 완전히 또는 부분적으로 캡슐화할 수 있다. 섬유 기판 물질(2, 4)이 약 1.5 nm로부터 10 nm 까지 변화하는 크기의 양자 도트 또는 하나 또는 둘 이상의 형광체를 포함하여 가시적인 스펙트럼의 희망하는 부분에 걸친 광 방출을 생성할 수 있다. 여러 가지 자극가능 입자들의 농도가 제어되어, 본원 발명의 일 실시예에서, 태양 방출과 유사한 고품질의 백색 광을 제공한다.
다른 예에서, 다른 비-백색 광 용도를 위해서, 청색 방출체 보다 더 높은 농도의 적색 방출체를 선택할 수 있을 것이다. 그에 따라, 본원 발명에 의해서, 냉광 구조물의 각각의 영역들 내에 적절한 냉광 입자를 각각 배치함으로써, 단색성의 그리고 색채-변별성(color-distinctive)의 냉각 구조물 모두가 제조될 수 있다. 각각의 방출 색채(즉, 백색, 적색, 청색, 녹색, 또는 색채 조합)의 나노섬유 기판을 포함하는 미리 제조된 폴리머 기판을 컷팅하여 각각의 영역 내에 배치할 수 있고, 그에 따라 예를 들어 섬유 광학 케이블을 통해서 커플링된 공통 광원이 각각의 영역으로부터 다른 광을 생성할 수 있을 것이다.
본원 발명의 다른 실시예에 따라서, 에폭시로 캡슐화되기에 앞서서 기판이 LED(50)의 표면 상에 직접 배치될 수 있을 것이다. 이러한 배치는 에폭시에서의 일부 파장(예를 들어, 청색 또는 UV)의 흡수로 인한 에너지 손실을 감소시킬 것이다. 최대 흡수 효과를 위해서, 양자 도트와 같은 자극가능 입자(4)들이 LED에 근접하여 집중될 수 있을 것이다. 또한, 나노섬유 기판을 LED에 본딩하는 것의 일부로서, 섬유들 내의 간극을 실리콘과 같은 낮은 굴절률 폴리머로 충진하여, UV 광을 포획하는데 필요한 산란 효과를 최대화할 수 있을 것이다.
도 10은 본원 발명의 일 실시예에 따른 구성을 도시한 것으로서, 발광 다이오드(LED)(50)가 자극가능 입자(4)를 포함하는 섬유(2)를 내부에 포함하는 캡슐화제(52)를 통해서 광을 커플링시키는 구성을 개략적으로 도시한다. 이러한 실시예에서, 도 10에 도시된 바와 같이, 자극가능 입자(4)를 포함하는 나노섬유 기판이 분할되고(예를 들어, 잘게 절단되고(chopped)) 그리고 에폭시 캡슐화제(52)로, 예를 들어 LEDs에서 통상적으로 사용되는 캡슐화제로 충진재로서 부가된다. 대안적인 접근 방식은 에폭시의 전단(shear)에 의해서 섬유를 분산시키는 것이다. 투명한 에폭시의 가시광선 투명도에 장애가 되지 않도록(not interfere with) 작게 만들어질 수 있기 때문에, 에폭시의 광학적 특성이 영향을 받지 않아야 한다(unaffected).
전통적인 기술에 대비할 때, 본원 발명의 여러 가지 실시예의 일부 장점들은 다음을 포함한다: 1) 넓은 스펙트럼을 방출하는 냉광 물질의 제공은 입자 분포를 본원 발명의 광 자극가능 장치 내로 병합함으로써 생성될 수 있고; 2) 그러한 구조를 생성하는 것은 형광체에 대해서 현재 이용되는 캐스팅 또는 전기영동 방법 보다 적은 용매를 필요로 하며; 3) 입자 및 나노섬유의 기하학적 형태(즉, 길이, 지름, 등)의 선택을 통해서 냉광 물질의 방출, 전달, 및 산란 특성이 독립적으로 제어될 수 있게 허용하며; 4) 섬유의 기하학적 형태의 제어 및 큰 표면적으로 인해서 광냉광 변환기의 보다 효율적인 작업이 가능하게 하며; 그리고 5) 다른 접근방식 보다 최종 장치에서 나노입자들을 취급 및 프로세싱하는데 있어서 보다 더 편리한 프로세스를 제공한다.
조명 장치
본원 발명의 조명 장치는 반사부(예를 들어, 전술한 바와 같은 반사형 섬유들로 이루어진 매트) 및 일차 복사선의 공급원을 포함한다. 이러한 조명 장치는 조명 기구(즉, 조명 설비)로서 자체적으로 사용될 수 있고 또는 일부 경우에 조명 기구를 포함하는 램프로서 사용될 수 있다. 일차 복사선을 제공하기 위한 매커니즘 및 반사형 나노섬유 시트를 지지하기 위한 매커니즘을 포함하는 반사부 구성은 조명 장치로부터 발산하는 빛을 효과적으로 지향시킨다. 이러한 장치에서 사용된 반사형 나노섬유 물질은 전술한 바와 같이 높은(> 0.80) 반사도를 제공하기 위해서 두꺼운 나노섬유 기판으로부터의 빛 산란의 장점을 취하는 구조를 제공하도록 구성된다. 나노섬유 기판은 폴리아미드, 폴리아크릴레이트, 폴리(메틸 메트아크릴레이트), 및 폴리(부틸 메트아크릴레이트)를 포함하는 여러 가지 폴리머로부터 제조될 수 있으나, 이러한 것으로 한정되는 것은 아니다. 1) 인접 섬유들 사이의 공극 부피에 의해서 생성된 큰 조대 기공(macropore) 구조, 2) 나노섬유의 표면 상에 기공을 도입함으로써 생성된 조대 기공 구조, 및/또는 3) 나노섬유로 높은 유전 상수 물질을 부가하는 것, 에 의해서 생성된 유전 상수의 불연속부(discontinuities)를 포함하는 물질을 제공함으로써 적절한 반사 레벨이 생성될 수 있다.
부가적인 실시예에서 반사형 나노섬유에 충돌하는 일차 복사선의 공급원은 냉광 입자 및 나노섬유를 조합함으로써 제조된 광냉광 나노섬유에 의해서 제공된다. 이러한 실시예에서, 여기 조사를 위한 매커니즘, 및 냉광 시트(전술한 냉광 입자/섬유 복합체로부터 형성됨)를 지지하기 위한 매커니즘이 존재한다. 이러한 조명 장치는 그 자체가 조명 기구(즉, 조명 설비)로서 자체적으로 사용될 수 있고 또는 일부 경우에 조명 기구를 포함하는 램프로서 사용될 수 있다. 여기 조사(照射)를 위한 매커니즘 및 냉광 시트를 지지하기 위한 매커니즘을 포함하는 반사부 구성은 효율적인 광 변환 및 전술한 냉광 입자/폴리머 복합체로부터의 방출을 제공한다. 본원 발명의 반사부 구성체는 전술한 나노입자/나노섬유 복합체로부터의 광 산란의 장점을 취하는 구조에서 광-변환 물질을 수용하도록 구성된다. 냉광 시트로부터 생산된 광이 반사형 나노섬유를 타격하고 그리고 조명 장치의 출력부를 향해서 지향된다. 반사형 나노섬유의 높은 반사도는 반사형 나노섬유가 존재하지 않는 경우에 발생되는 것 보다 더 높은 광학적 파워가 장치로부터 발산되는 결과를 초래한다.
전술한 바와 같이, 냉광 입자/폴리머 섬유 복합체는 유기 나노섬유에 의해서 지지되는 냉광 나노입자를 포함한다. 본원 발명의 양태에 따라서, 냉광 입자들이 나노섬유에 의해서 공기 중에서 효과적으로 현수될 수 있다. 통상적인 백색 광 LEDs(발광 다이오드)에서의 대부분의 광-변환 형광체가 상당한 굴절률의 고체 물질 내에서 유지되고, 그리고 내부 전반사를 극복하기 위한 그리고 고체 물질로부터 빛을 효과적으로 추출하기 위한 여러 가지 전략들이 이들 물질에서 이용되었다. 전술한 나노입자/나노섬유 복합체(이하에서는 "냉광 시트"라고 한다)를 포함하여, 냉광 입자/폴리머 복합체에서는 내부 전반사가 문제가 되지 않는다.
본원 발명의 일 실시예에서, 광 변환은 단-파장 광을 수용하기 위한 것 그리고 단파장 광을 보다 장파장으로 변환시키기 위한 것이다. 단파장 광(예를 들어, 청색 광)을 생성하는 LED와 적절한 광-변환 매커니즘(예를 들어, 황색 광을 생성하는 매커니즘)의 조합은 일반적인 조사를 위한 백색 광을 생성하는 효과적인 방식을 제공한다. 본원 발명의 일 실시예에서, 여기(예를 들어, 청색으로부터 보라색까지의 범위의 광)를 제공하는 입사(여기) 파장의 범위가 이용된다. 본원 발명의 일 실시예에서, 입자의 광-변환 매커니즘은 여기 광에 응답하여 단일 색채를 방출한다. 본원 발명의 일 실시예에서, 입자들로 이루어진 광-변환 매커니즘은 넓은 범위의 색채(예를 들어, 청색으로부터 적색까지)를 나타내는 광대역 파장을 방출한다.
본원 발명의 일 실시예에서, 광-변환 물질은 상대적으로 두껍고 또는 반사적이고, 그에 따라 여기 광의 상당량이 냉광 시트를 통과하지 못할 것이고, 그 대신에 높은 정도로 반사될 것이다. 일반적으로, 70% 투과도 미만의 값은 광-변환 물질을 광학적으로 두꺼운(optically thick) 물질로 만들 것이다. 그러한 광학적으로 두꺼운 물질은 50 ㎛을 초과하는 두께를 가지는 나노섬유 기판에 의해서 생산된다. 이러한 조건하에서, 조명 기구의 발산을 위해서 냉광 시트의 양 측면이 여기 광에 의해서 조사되도록 그리고 방출된 광이 냉광 시트의 양 측면으로부터 수집되도록, 본원 발명의 이러한 실시예의 조명 기구가 정렬된다.
본원 발명의 일 실시예에서, 여기 광원으로부터의 조사가 조명 기구로부터 직접 빠져나가지 않는다. 따라서, 이러한 실시예에서의 조명 기구를 빠져나가는 임의의 빛은 1) 파장의 변화 없이(예를 들어, 청색 광) 냉광 시트의 매트릭스로부터 산란된 여기 광의 성분, 및 2) 활성 냉광 입자에 의해서 생성된 방출된 빛(예를 들어, 황색 광과 같이 여기 광 보다 더 긴 파장을 가지는 광), 모두를 포함한다.
도 12에 도시된 바와 같이, 광원(110)(여기 광 생성)은 조명 기구의 하단에 도시된 조명 기구의 출구로부터 멀리 지향된 광을 생성한다.
도 12는 본원 발명의 일 실시예에 따른 조명 기구 구조물(100)의 단면을 도시한다. 수직 중심선은 냉광 시트(102)를 나타낸다. 광원(110)(예를 들어, 발광 다이오드(LEDs) 또는 기타 광원)은 냉광 시트(102)로 지향되는 여기 광(112)을 생성한다. 다른 실시예에서, 하나 또는 둘 이상의 독립된(또는 통합된) 여기 광원(110)이 냉광 시트(102)의 각각의 측면에 대해서 제공될 수 있을 것이다. 냉광 시트(102) 내의 냉광 입자가 일차 광(즉, 여기 광(112))과 상호작용할 때, "상대적인 광 방출기 분포"라는 항목에서 전술한 바와 같이, 넓은 파장 범위의 이차 광을 방출한다. 전술한 바와 같이 제조된 반사형 나노섬유를 포함하는 반사부(120)는 냉광 시트(102)를 향해서 광을 역으로 반사시킨다. 반사부(120)는 또한 조명 기구(100)의 외부로 일부 광을 반사시킨다. 그에 따라, 여기 광(112)(예를 들어, 청색 광)은 복수의 각도로 냉광 시트(들)(102)와 충돌하고 그리고 양 측면 상에서 냉광 시트(들)(102)에 충돌한다. 여기 광(112)의 일부가 냉광 시트(102)로부터 산란되고 그리고 반사부(120)로부터의 반사에 의해서 또는 직접적으로 조명 기구의 바닥에서 조명 기구(100)를 빠져나간다. 냉광 시트에서 생성된 방출된 광(114)(예를 들어, 황색 광)이 또한 조명 기구의 바닥에서 조명 기구(100)를 빠져나갈 수 있고 그리고 산란된 여기 광(112)과 혼합될 수 있다.
도 12는 급격한 경사 각도에서 냉광 시트(102)로 입사하는 여기 광(112)을 도시하며, 일 실시예에서, 이는 여기 광과 냉광 시트(102)와의 상호작용을 최대화한다. 입사 각도는, 냉광 시트(102)의 특성에 따라서 달라지는 최대 효율을 위해서 조명 기구(100)의 구성에서 조정될 수 있는 디자인적인 변수가 된다. 일반적으로, 경사 각도는 냉광 시트에 대한 수직에 대해서 15°내지 85°의 각도로 변화된다. 본원 발명의 일 실시예에서, 냉광 시트(102)가 반사부(120)로부터 분리된 위치에서 도시되어 있으며, 이는 방출된 광이 시트 주위에서 반사될 수 있게 한다. 일반적으로, 냉광 시트의 위치는 최대 효율을 위한 위치로 설정된다. 이러한 내용에서의 효율은, 조명 기구에 의해서 생성된 빛의 양(모든 방향에 걸쳐 적분된, 예를 들어, 적분구) 대 조명 기구의 작동에 사용된 파워의 비율을 나타낸다.
따라서, 본원 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시예에서, 조명 기구(100)는 여기 광(예를 들어, 청색 LEDs), 냉광 시트(예를 들어, 청색 광을 황색 광으로 변환시키는 것), 그리고 산란된 광을 지향시키는 나노섬유 반사부를 포함한다. 광은 여기 공급원으로부터 냉광 시트를 향해서 경사지게 지향될 수 있다. 여기 공급원과 냉광 시트 사이의 각도는 최대의 효율을 가지는 값으로 설정된다. 이러한 내용에서의 효율은, 조명 기구에 의해서 생성된 빛의 양(모든 방향에 걸쳐 적분된, 예를 들어, 적분구) 대 조명 기구의 작동에 사용된 파워의 비율을 나타낸다. 도 12에 도시된 냉광 시트(102)는 여기 공급원(110)으로부터 그리고 반사부(120)로부터 거리를 두고 위치된다. 반사부(120)는 산란된 그리고 방출된 광을 유용한 방향으로 반사시키도록 정렬된다. 도 12가 직각으로 유지되는 2개의 반사형 나노섬유 표면을 가지는 반사부(120)를 도시하고 있지만, 다른 실시예에서, 반사부(120)는 또한 평면형 표면이 아니라 곡면형 표면을 가질 수 있고, 작은 면(facet)들 또는 표면 피쳐를 포함할 수 있고, 그리고 직각과 다른 각도에 의해서 연관될 수 있을 것이다.
도 12에 도시된 대안적인 실시예에서, 여기 광원 및 냉광 시트가 원하는 스펙트럼 특성의 일차 광원으로 대체된다. 일차 광원에 의해서 방출되는 빛은 나노섬유 반사부를 타격하고 그리고 나노섬유 반사부의 높은 반사 성질에 의해서 조명 장치의 출구로 지향된다.
본원 발명에 따른 다른 조명 기구(150)의 하나의 예가 도 13에 도시되어 있다. 이러한 조명 기구에서, 청색 광(냉광 시트(102)로부터 산란됨) 및 황색광(냉광 시트로부터 방출됨)이 혼합되어 백색-외관 광을 형성한다. 장식을 위한 목적을 위해서, 냉광 입자들의 혼합을 변경하여 특정 색채의 조사를 제공할 수 있다. 냉광 시트(102)의 형상 및 크기 그리고 연관된 나노섬유 반사부의 형상 및 크기를 변경하여 장식물 또는 건축물 목적을 위한 새로운 디자인 요소를 제공할 수 있다. 여러 가지 종류의 냉광 시트(102)가 서로 용이하게 치환되도록 정렬될 수 있고, 그에 따라 색채 또는 형상이 조명 기구(100 또는 150)의 사용자에 의해서 편리하게 그리고 저렴하게 변경될 수 있을 것이다.
도 13에 도시된 실시예에 대한 대안적인 실시예에서, 여기 광원 및 냉광 시트가 원하는 스펙트럼 특성의 일차 광원으로 대체된다. 일차 광원에 의해서 방출되는 빛은 나노섬유 반사부를 타격하고 그리고 나노섬유 반사부의 높은 반사 성질에 의해서 조명 장치의 출구로 지향된다.
보다 구체적으로, 도 13은 본원 발명의 일 실시예에 따른 조명 기구(150)를 개략적으로 도시하고 있다. 도 13은 조명 기구의 하부로부터 평면형 나노섬유 반사부(120)를 향해서 위로 볼 때의 모습을 도시한 것이다. 조명 기구(150)의 중간의 수직 평면은 냉광 시트(들)(102)을 도시하며, 그러한 냉광 시트(102)는 광원(110)으로부터의 여기 광의 일부를 이차적인 방출 광으로 변환시킨다. 조명 기구(150)의 하부 부분 상의 교차(cross)-부재(114)가 여기 광을 생성하기 위한 광원(110)을 유지한다. 반사부(120)(즉, 나노섬유 반사부 기판)는 조명 기구(150)의 바닥 외측으로 빛을 지향시킨다.
도 14는 본원 발명의 일 실시예에 따른 다른 발광 구조물(300)을 다른 관찰 각도에서 도시한 사시도를 도시한다. 도 14의 a는 구조물(300)의 평면을 도시하고, 그러한 구조물(300)의 윤곽선은 전체 원의 단편(segments)를 포함한다. 예를 들어, LED와 같은 광원(310)은, 이러한 실시예에서 구조물(300)의 중심에 위치되는, 광-변환 물질(302)에 대한 여기 조사를 제공한다. 여기 광은 광-변환 물질(302)을 통해서 전달되고 그리고 나노섬유 반사부 구조물(306)에 의해서 반사된다. 나노섬유 반사부는 단독으로 이용되거나(예를 들어, 나노섬유 물질로 형성된 시트) 또는 백킹(backing) 층(예를 들어, 금속, 유리, PolyArt와 같은 페이퍼, 등)으로 라미네이팅되어(laminated) 기계적 지지를 제공할 수 있다. 산란되지 않은 여기 광은 실선 화살표로 표시되었다. 도 14의 b는 구조물(300)의 측면도로서, 원의 단편을 포함하는 윤곽선을 보여준다. 도 14의 c는 구조물(300)의 평면도로서, 광-변환 물질(302)로부터의 광의 방출 및 산란을 보여준다. 냉광 시트 상으로의 여기 광의 입사는 도시되어 있지 않다. 파장의 변화 없이 냉광 시트의 매트릭스로부터 산란된 여기 광이 실선 화살표에 의해서 표시되어 있다. 여기 광의 파장 보다 더 긴 하나 또는 둘 이상의 파장을 가지는, 이차적으로 방출된 광이 점선 화살표에 의해서 표시되어 있다. 도 14의 b가 산란되지 않은 여기 광을 도시하는 한편, 도 14의 d는 산란된 여기 광(실선 화살표에 의해서 표시됨) 및 이차적으로 방출된 광(점선 화살표)을 도시한다. 냉광 물질의 조성에 따라서, 이차적으로 방출된 광이 하나의 파장 또는 몇 개의 파장을 가질 수 있다. 구조물(300)의 이러한 부분에서, 광-변환 물질(302)의 오측면으로부터 방출된 빛 만이 도시되어 있는데, 이는 광-변환 물질(302) 하부의 광의 반사에 대한 부가적인 경로를 보다 명확하게 도시하기 위해서 이다.
이러한 실시예에서, 구조물(300)의 평면도의 윤곽선은 완전한 원이 되고, 그리고 광원(310)은 그 중심에 위치되어 있지 않다. 이러한 구성에서, 일부 광이 여전시 광-변환 물질(302) 및 반대쪽의 반사부 표면(306)을 향해서 후방으로 산란된다. 수직 평면(도 14의 b)에서, 광원(310)이 구조물(300)의 측면의 일부를 형성하는 원의 중심 내에 위치되고, 이는 광 변환 물질을 향한 후방 반사를 최적화하기 위한 것이다.
반사부(300)의 모델이 도 15에 도시되어 있다. 상부 전방 림(rim) 내의 홀은 여기 광을 생성하는 LED를 유지하도록 구성된다. 상단 표면 상의 슬롯은 광-변환 물질(302)을 유지하도록 구성된다.
원격 형광체 반사부 블록:
본원 발명의 원격 형광체 반사부 블록(RPRB) 실시예는 전술한 광 변환 물질을 포함하는 다른 매커니즘을 제공한다. 도 16은 본원 발명의 일 실시예에 따른 RPRB를 도시한 도면이다.
RPRB 실시예에서, 광-변환 물질(502)은 상대적으로 두껍거나 또는 그렇지 않으면 실질적으로 확산 반사적이다. 그러한 반사적인 변환 물질은 광-변환 물질(502)을 통해서 상당량의 광이 전달되지 않게 한다. 그에 따라, 이러한 물질은 다른 격실들 내에서 다른 색체의 광들을 분리하기 위한 매커니즘을 제공한다. 광의 색채의 분리는, 혼합된 광 변환기들을 사용하고자 하는 경우에, 이점을 가진다. 예를 들어, 광 방출 구조물(500)이 녹색 변환기 층(550) 및 적색 변환기 층(560) 모두를 포함할 수 있고, 이들 양자는 청색 여기 광과 상호작용할 수 있다. 단일 변환기 층(예를 들어, 단일 황색 층과 같음) 보다 유수한 연색성 품질 또는 보다 넓은 색채 범위(gamut)를 제공하기 위해서, 혼합된 변환기(550, 560)(예를 들어, 녹색 및 적색)가 정렬될 수 있다. 이와 관련하여, 혼합된 변환기들이 유리할 수 있다. 그러나, 혼합된 변환기들의 경우에, 청색 광이 녹색 변환기에 의해서 차단(intercept)될 수 있고, 그러한 녹색 변환기는 녹색 광을 방출하고, 그리고 방출된 녹색 광은 다시 적색 변환기에 의해서 차단될 수 있고, 그러한 적색 변환기는 적색 광을 방출할 수 있을 것이다. 이와 같은 다중 변환은 광 생산의 효율을 감소시킨다. 이러한 내용에서의 효율은 조명 기구에 의해서 생성된 빛의 양(모든 방향에 걸쳐 통합된, 예를 들어, 적분구) 대 조명 기구의 작동에 사용된 파워의 비율을 나타낸다. 구조물(500)에 대한 동일한 파워 입력의 경우에, 광 색채의 다중 변환은 단일 변환의 경우 보다 적은 전체 광을 생산한다는 것을 주지하여야 한다 . 이러한 비효율성을 해결하기 위해서, 본원 발명의 이러한 실시예는 반사형 장애물(570)을 이용하여 다른 색채 변환 층들의 영역들을 다른 구역들로 분리시킨다.
이전에서와 같이, 백색 광의 균형을 위해서, 여기 광원으로부터의 조사는 RPRB 조명 기구 구조물을 직접적으로 빠져나오지 않아야 한다. 조명 기구 구조물을 빠져나오는 광은, 여기 광 보다 파장이 긴(예를 들어, 적색 광 및 녹색 광) 농동 냉광 입자에 의해서 생성된 방출 광과 조합된, 광-변환 물질의 매트릭스로부터 파장 변화없이 산란된 여기 광(예를 들어, 청색 광)을 포함하여야 한다.
RPRB 실시예에서, 반사형 나노섬유로부터 제조된 오목한 반사부는 변환 및 반사 층의 어레이를 반사부의 축선에 대해서 평행한 적소에서 유지한다. 변환 층(예를 들어, 550 및 560)은 반사부의 부피를 2개의 부피로 분할하는 위치에 배치된다. 변환 층(550 및 560)으로 각각의 여기 광(이러한 예에서, 청색 광)을 공급하기 위해서, 구조물(500)은 2개의 광원(예를 들어, 2개의 LEDs 또는 다른 광원)을 포함한다. 도 16의 중앙 층은 예를 들어 반사형 나노섬유(또는 다른 적절한 광 반사부)로 제조된 평면형 반사부이다. 도 16의 색채 변환 층(550)은 예를 들어 녹색 광을 생성하는 광냉광 나노섬유의 층일 수 있는 한편, 색채 변환 층(560)은 적색 광을 생성하는 광냉광 나노섬유의 층일 수 있다.
보다 구체적으로, 도 16에 도시된 구성에서, 녹색 및 적색 광냉광 나노섬유 시트(PLNs)(550 및 560)가 알루미늄 호일 또는 알루미늄 박막과 같은 반사 층(570)에 의해서 분리되고 배면 대 배면으로(back to back) 배치된다. 각각의 PLN은, 410, 450, 460 또는 470 nm와 같은 파장을 방출하는 것과 같은 자체적인 단파장 LED(580, 590)에 의해서 펌핑된다. 각각의 LED로부터의 광 출력은 LED 구동 전압을 변경함으로써 조정될 수 있다. 펌프 광 그리고 적색 광 및 녹색 광은 반사부(500)를 빠져나갈 때까지 혼합되지 않도록 구성된다.
방출 공급원으로부터의 청색 광(즉, 일차 광)과 적색 내지 녹색 PLNs(즉, 이차 광)로부터의 방출과 조합함으로써, 백색 광이 생성된다. 그러한 백색 광은 그 대로 사용될 수 있고, 또는 Brightview Technologies로부터 입수 가능한 것과 같은 고투과도 확산기 폴리머계 필름 또는 적분구와 같은 장치를 이용함으로써 독립된 R, G, 또는 B 광의 모든 흔적(vestiges)을 제거하기 위해서 광학적으로 혼합될 수 있다. 그 대신에, 반사형 나노섬유 물질의 확산 반사 특성은 독립된 R, G, B 광을 광학적으로 혼합하는 역할을 한다. 이는 독립된 R, G, B 광을 광학적으로 혼합하여 구조물로부터 발산되는 백색 광을 생성하는 나노섬유 반사부 물질의 주요 장점이 된다.
전술한 여러 실시예들에서, 광원은, 하나의 일차 파장을 방출하거나 또는 다른 일차 파장들을 방출할 수 있는 것으로서 PLNs(또는 색채 변환 층)을 여기 시키기 위한 LEDs일 수 있다. 예를 들어, 하나의 LED는 460 nm 에서 방출할 수 있고 그리고 제 2 LED가 410 nm에서 방출할 수 있다.
PLNs의 나노섬유 기반의 하나의 장점은, 그것이 특정 상황하에서 확산 램버트(Lambertian) 반사부를 나타낸다는 것이다. 그에 따라, 확산 반사형 나노섬유로의 광 입사는 스펙트럼적으로 반사되지 않을 것이고, 그 대신에 면법선(surface normal)에 대해서 cosine θ에 의존(dependence)하여 모든 각도로 산란될 것이다.
독립된 녹색 및 적색 PLNs을 가지는 것에 대한 대안으로서, 청색 광에 의해서 펌핑된 각각이 청색 LED에 의해서 여기된 녹색 PLN을 가지고 그리고 제 2 격실에서 도핑되지 않은 나노섬유 기판과 충돌하는 적색 LED를 가진다. 이러한 디자인은 백색 광을 생성하기 위해서 적절한 비례로 청색, 녹색 및 적색 광을 방출하도록 여전히 구성될 수 있고, 그리고 반사 층은 필요로 하지 않는다. 이러한 접근방식은 소위 저 성능(low performing) LEDs의 "녹색 갭(gap)"에 대한 해결책을 제시한다. 대안적으로, 녹색 또는 적색 형광체를 양자 도트 대신에 이용할 수 있을 것이다. 대안적으로, 백색 광을 생성하기 위해서 녹색 PLN에서 청색 LED 및 적색 LED가 목표가 될 수 있을 것이다. 생성되는 광에 대한 보다 큰 제어를 부여하기 위해서, 복수의 청색 LED 또는 적색 LED가 반사부 블록에 부가될 수 있을 것이다.
앞서서 나열한 실시예들에 부가하여, 본원 발명의 몇 가지 부가적인 실시예들이 있다. 이들 실시예는 이하를 포함한다:
1. RPRB 구조물의 적어도 일부에서 General Electric 또는 Dow Corning과 같은 공급자로부터 입수가능한 에폭시 또는 실리콘-기반 캡슐화제와 같은 광학적으로 투명한 갭슐화 재료의 병합. 그러한 캡슐화제는 냉광 입자를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 이러한 실시예에서, PLN의 나노섬유 성분의 확산 반사 성질을 유지하도록 이들 캡슐화제의 굴절률이 선택된다.
2. 또한, 반사부 블록이 금속, 금속화된(metallized) 플라스틱, 및 금속화된 유리를 포함하는 반사 물질로 제조될 수 있으나, 이러한 반사 물질로 한정되는 것은 아니다. 반사형 나노섬유 기판이 접착제를 통해서 이들 구조물에 부착되어 전술한 바와 같이 높은 반사도를 제공할 수 있다.
3. RPRB는 램프 또는 조명 기구와 같은 다른 조명 장치를 생성하기 위해서 보다 큰 구조물에 병합될 수 있다. 예를 들어, RPRB는 유리 "에디슨" 전구를 기반으로 형성될 수 있으며, 여기에서 유리 벽의 일부가 금속화되어 반사부 블록의 기능의 일부를 제공할 수 있을 것이다. 이러한 실시예에서, "에디슨" 전구 상의 프로스티드(frosted) 코팅은 백색 광을 생성하기 위해서 적색, 녹색 및 청색 색채들을 혼합하기 위한 수단으로 이용될 수 있을 것이다. RPRB "에디슨" 전구를 위한 전기 구동장치들은, 콤팩트한 형광등을 위한 밸러스트(ballast)가 전구의 베이스에 수용되는 것과 상당히 유사한 방식으로, 에디슨 소켓 내에 수용될 수 있을 것이다.
4. 앞서 설명된 바와 같이 냉광 나노입자들을 PLNs에 병합하는 것에 더하여, 다른 냉광 물질 및 형광체가 PLNs로 병합될 수 있을 것이다. 하나의 예로서, 앞서 설명한 바와 같이, PhosphorTech 가 판매하는 술포셀레나이드 조성물 또는 Intematix 가 판매하는 도핑된 실리케이트와 같은 녹색 형광체의 병합이 포함될 수 있을 것이다.
5. 광냉광 나노섬유로부터의 이차 방출의 손실을 방지하기 위해서, 로우-패스(low-pass) 광학적 필터와 같은 부가적인 광학적 요소들이 광원의 입력 포트에 부가될 수 있을 것이다.
최근에, RPRB 실시예는 이하의 연색 지수(CRI) 및 연관된 색채 온도(correlated color temperatures; CCT)를 제공하였다. 비교하면, 상업용 백색 LEDs에 대한 측정된 값들은 램프의 색채에 따라서 CCT 값들의 범위를 가진다. "쿨 화이트" 램프는 5,000 K 내지 10,000 K의 CCTS 를 가지며, "뉴트럴(neutral) 화이트" 램프는 3,700 K 내지 5,000 K 사이의 CCTs 를 가지며, "웜 화이트" 램프는 2,600 K 내지 3,700 K의 CCTs를 가진다. 이들 램프의 통상적인 CRI는 약 83이다. 보다 더 높은 CCTs는 광원의 엷은 청색을 띄는(bluish) 외관에 상응하는 반면, 보다 더 낮은 CCTs는 보다 더 적색을 띄는 외관에 상응한다. CRI 는 색채를 정확하게 재현할 수 있는 능력을 나타내고, 일반적인 조사에서는 80 초과의 값이 허용된다.
실험 실시예( working examples )
도 17은 본원 발명의 일 실시예에서 제공된 양자 효율의 개선을 도시하며, 여기에서는, '냉광 장치' 섹션에서 전술한 바와 같이, 광냉광 양자 도트가 나노섬유의 외측에 부착된다. 이어서, 결과적인 광냉광 나노섬유 구조물을 1 내지 48 시간의 기간 동안 화학작용이 있는(actinic) 복사선으로 처리하였다. 화학작용이 있는 복사선은 통상적으로 0.5 μW/cm2 내지 10 mW/cm2 의 광학적 파워 레벨에서 350 내지 490 nm의 파장 범위로 제공된다. 이러한 처리 효과는, 예상치 못하게, 양자 도트를 포함하는 광냉광 나노섬유의 양자 효율의 증대를 제공한다는 것을 발견하였다. 도 17은 구체적으로 효율의 배가(doubling)를 도시한다. 또한, 테스팅은, 양자 도트 및 형광체를 포함하는 다양한 광 자극가능 입자를 포함하는 광냉광 나노섬유의 경우에, 70% 초과의 양자 효과가 달성된다는 것을 보여준다.
도 18은 백색 광을 방출하는 RPRB 구조물의 광학적 사진을 도시한다. 이러한 예에서, 460 nm를 방출하는 청색 LED를 사용하여 녹색 형광체 및 PMMA 나노섬유를 포함하는 냉광 층 스택(stack)을 여기시켰다. 원하는 백색 광 색채를 달성하기 위해서, RPRB 구조물을 통해서 LED로부터의 적색-오렌지색 방출을 부가하였다. 이러한 예에서, 적분구(전술한 바와 같음)를 이용하여, RPRB 구조물로부터 발산되는 일차 광 및 이차 광을 혼합하여 결과적인 백색 광을 생성하였다.
도 19는 RPRB 구조물 내로 삽입되고 테스트된, 유리 슬라이드 상에 스크린-프린팅된 YAG:Ce로부터의 광학적 스펙트럼을 도시한다. 여기에서의 성능은 많은 상업적 "쿨 화이트" LEDs와 유사하다. 다른 트레이스들(traces)은 보다 낮은(lower) 파장으로의 변환을 여기시키기 위해서 여기에서 사용된 청색 광 LEDs로부터 인가된 다른 파워 레벨을 나타내고, 결과적으로 청색 광을 다른 일차 색채들과 혼합하여 백색 광을 생성하였다. YAG:Ce 스크린-프린트에 대한 연색 지수(CRI)는 약 80 이었다.
도 20은, 여기에서 "공식(formula) 1"로서 식별되는, 녹색 방출 양자 도트(Evident Technology로부터 획득)의 헥산 솔루션으로부터의 광학적 스펙트럼을 도시한다. "쿨 화이트" 광의 경우에 여기에서의 성능이 도 19에 도시된 것과 구분되는데, 주로, 방출 피크가 더 좁다. 다른 트레이스들은 보다 낮은 파장으로의 변환을 여기시키기 위해서 여기에서 사용된 청색 광 LEDs로부터 인가된 다른 파워 레벨을 나타내고, 결과적으로 청색 광을 다른 일차 색채들과 혼합하여 백색 광을 생성하였다. 이러한 솔루션을 이용하여 PMMA 나노섬유를 코팅하였고, 그리고 도 20의 스펙트럼에 필적하는 스펙트럼이 얻어졌다. 적색-오렌지 광이 RPRB 상의 제 2 광원 개구를 통해서 도입되었을 때, 결과적인 광냉광 나노섬유 구조물이 40 내지 90의 CRIs 및 3,000 K 내지 8,000 K의 CCTs를 나타냈다.
도 21-도 22는 녹색 형광체로 PMMA 나노섬유를 코팅함으로써 생성된 광냉광 나노섬유로부터의 광학적 스펙트럼을 도시한다. 도 21-도 22에서의 결과를 생성하는 냉광 물질은 모두 녹색 복사선을 방출하는 술포셀레나이드 형광체를 포함하는 냉광 물질들의 동일한 조합이었다. RPRB 구조물을 통해서 도입된 적색-오렌지색 조명의 레벨은 상이하였으며, 도 21의 셋팅은 "쿨 화이트" 광을 생성하도록 선택된 반면 도 22의 셋팅은 "뉴트럴 화이트" 광을 생성하도록 선택되었다. 도 21 및 도 22에서의 다른 트레이스들은 보다 긴 파장으로의 변환을 여기시키기 위해서 여기에서 사용된 청색 광 LEDs로부터 인가된 다른 파워 레벨을 나타내고, 결과적으로 청색 광을 다른 일차 색채들과 혼합하여 백색 광을 생성하였다. RPRB 구조물로 생성된 "쿨 화이트" 광을 나타내는 도 21에서, 6652 K 내지 9044 K의 CCTs가 생성되었고 그리고 CRI의 레벨은 76 내지 91이었다. RPRB 구조물로 생성된 "뉴트럴 화이트" 광을 나타내는 도 22에서, 4200 K 내지 4672 K의 CCTs가 생성되었고 그리고 CRI의 레벨은 65 내지 78이었다. 본원 발명을 이용하여, "뉴트럴 화이트" 및 "웜 화이트" 조명에서 보다 높은 CRI 값을 생성할 수 있는, 추가적인 포뮬레이션(formulations)이 구현 가능할 것이다. 예를 들어, RPRB 에서 LED 셋팅 및 물질을 조정하는 것으로서, 청색:녹색:적색 방출의 상대적인 세기를 약 1:1:2.2로 조정함으로써 이러한 포뮬레이션으로부터 높은 CRI 뉴트럴 화이트가 생성될 수 있을 것이다. 이러한 조명 장치는 각각 약 4,500 K 및 88인 CCT 및 CRI를 가질 것이다. 청색:녹색:적색 비율의 추가적인 조정을 이용하여 높은 "웜 화이트" 포뮬레이션을 달성할 수 있을 것이다. 예를 들어, 앞서서 이용된 물질의 상대적인 세기 비율을 약 1:2:6(청색:녹색:적색)으로 조정하는 것은 3,250 K의 CCT 및 84의 CRI 를 가지는 웜 화이트 광원을 생성할 것이다.
전술한 교시에 비춰볼 때, 본원 발명의 수 많은 변형 및 변경이 가능할 것이다. 그에 따라, 첨부된 특허청구범위의 범주 내에서 본원 발명이 본원에서 구체적으로 설명된 것과 다르게 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
2 : 섬유 4 : 냉광 입자
6 : 섬유 기판 100 : 다운라이트 장치
102 : 반사형 섬유 매트 104 : 광냉광 섬유 매트
106 : 광원 108 : 섬유 베이스

Claims (61)

  1. 섬유-기반의 반사 조명 장치이며,
    일차 광을 생성하도록 구성된 공급원과,
    적어도 일차 광으로 조사될 때 광을 확산 반사하는 반사형 섬유의 매트와,
    반사된 광을 발산하도록 구성된 광 출구를 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 일차 광을 수신할 때 이차 광을 방출하도록 구성된 광 자극가능 입자를 포함하는 냉광 시트를 더 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 광 출구로부터 발산된 광은 70 보다 큰 연색 지수를 갖는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 냉광 시트는 일차 광에 대해 40% 미만의 투과도를 갖는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 반사형 섬유의 매트는,
    상기 냉광 시트의 후방에 또는 전방에 배치된 평면형 반사부 표면 또는 곡면형 반사부 표면 중 하나 이상을 더 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 반사부 표면은 구형 또는 원통형 반사부 표면을 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  7. 제4항에 있어서, 광의 공급원은 상기 냉광 시트를 조사하도록 배치된 2개 이상의 광원을 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  8. 제2항에 있어서, 상기 냉광 시트는 일차 광에 대해 40% 초과의 투과도를 가지며, 광의 공급원은 상기 냉광 시트의 일 측면만을 직접 조사하기 위한 위치에 배치된 광원을 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 반사형 섬유는 1.6 보다 큰 굴절률을 갖는 유전체 물질을 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 유전체 물질은 BaS04, ZnO, Ti02 및 Al203 중 하나 이상을 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 반사형 섬유의 매트는 0.8 보다 큰 반사도를 갖는 반사형 물질을 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 반사형 물질은 Al, Au, Ag, TiO2, ZnO, BaSO4 및 Zn 중 하나 이상을 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 반사형 물질은 광 반사를 위한 측방향 연장 표면을 포함하는 편평형 나노섬유를 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 측방향 연장 표면은 1 미크론 이상의 측방향 연장부를 갖는 표면을 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 측방향 연장 표면은 10 미크론 이상의 측방향 연장부를 갖는 표면을 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  16. 제12항에 있어서, 상기 측방향 연장 표면은 20 미크론 이상의 측방향 연장부를 갖는 표면을 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  17. 제12항에 있어서, 상기 측방향 연장 표면은 50 미크론 이상의 측방향 연장부를 갖는 표면을 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  18. 제1항에 있어서, 반사형 섬유의 매트를 고정시키는 광학적으로 투명한 캡슐화제를 더 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 캡슐화제는 캡슐화되는 물질과 적어도 0.10 만큼 상이한 굴절률을 갖는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  20. 제1항에 있어서, 상기 광 출구는 일차 광과 이차 광을 혼합하도록 구성된 광 확산 물질을 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 광 확산 물질은 일차 광과 이차 광을 혼합하도록 구성된 프로스티드 광학적 성분을 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  22. 제1항에 있어서, 상기 반사형 섬유의 매트는 평면형 반사부 표면 또는 곡면형 반사부 표면 중 하나 이상을 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  23. 제1항에 있어서, 상기 일차 광을 생성하도록 구성된 공급원은 발광 다이오드를 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  24. 제2항에 있어서, 상기 냉광 시트는 확산 반사부를 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  25. 제1항에 있어서, 상기 반사형 섬유의 매트는 50 내지 5,000 nm 범위의 평균 섬유 지름을 갖는 섬유를 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 섬유는 100 nm 내지 3,000 nm 범위의 평균 섬유 지름을 갖는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  27. 제25항에 있어서, 상기 섬유는 0.01 미크론 내지 2,000 미크론 범위의 두께를 갖는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  28. 제1항에 있어서, 상기 반사형 섬유의 매트는 1 내지 500 미크론 범위의 두께를 갖는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  29. 제1항에 있어서, 적어도 상기 반사형 섬유의 매트의 표면 또는 상기 반사형 섬유의 매트로부터 분리된 나노섬유의 표면에 배치되고 그리고 냉광 입자를 포함하는 자극가능 입자를 더 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  30. 제29항에 있어서, 상기 냉광 입자는 양자 도트 및 형광체 중 하나 이상을 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  31. 제30항에 있어서, 상기 양자 도트는, 실리콘, 게르마늄, 인듐 포스파이드, 인듐 갈륨 포스파이드, 인듐 포스파이드, 카드뮴 설파이드, 카드뮴 셀레나이드, 납 설파이드, 구리 옥사이드, 구리 셀레나이드, 갈륨 포스파이드, 수은 설파이드, 수은 셀레나이드, 지르코늄 옥사이드, 아연 옥사이드, 아연 설파이드, 아연 셀레나이드, 아연 실리케이트, 티타늄 설파이드, 티타늄 옥사이드 및 주석 옥사이드 중 하나 이상을 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  32. 제30항에 있어서, 상기 형광체는, Y203:Tb, Y2O3:Eu3 +, Lu203:Eu3 +, CaTiO3:Pr3 +, CaO:Er3+, (GdZn)0:Eu3 +, Sr4Al14025:Eu3 +, GdMgB3O10:Ce3 +:Tb3 +, CeMgAl11O19:Ce3 +:Tb3 +, Y203:Eu3+, YAG:Ce3 +를 포함하는 희토류 도핑된 금속 산화물; YAG:Ce3 +를 포함하는 이트륨 알루미늄 가닛(YAG); Zr02:Sm3 + 및 Zr02:Er3 +를 포함하는 희토류 도핑된 지르코늄 옥사이드; (YV04:Eu) 및 (La,Ce,Tb)P04를 포함하는 희토류 도핑된 바나데이트 및 포스페이트; Gd203, Gd02S, PbO, ZnO, ZnS 및 ZnSe 중 하나를 포함하고 그리고 도펀트인 Eu, Tb, Tm 및 Mn 중 하나를 포함하는 호스트 매트릭스를 갖는 도핑된 물질; ZnS:Mn2+, ZnS:Cu+ 및 Zn0 .25Cd0 .75S:AgCl을 포함하는 아연 설파이드 및 아연 셀레나이드의 금속 도핑된 형태; CaS:Eu2 +, SrGa2S4:Eu 및 CawSrxGay(S,Se)z:Eu를 포함하는 금속 설파이드; 도핑된 실리케이트; 및, Ca3(Sc,Mg)2Si3O12:Ce 및 (Ba,Sr)2Si04:Eu를 포함하는 금속 실리케이트 중 하나 이상을 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  33. 제30항에 있어서, 상기 형광체는, 희토류 도핑된 YAG, 희토류 도핑된 ZnS, 희토류 도핑된 SrGa2S4, 희토류 도핑된 ZnSe, 희토류 도핑된 실리케이트 및 술포셀레나이드 중 하나 이상을 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  34. 제30항에 있어서, 상기 형광체는 나노-형광체를 포함하는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  35. 제1항에 있어서, 상기 반사형 섬유의 매트는 420 nm 내지 720 nm의 모든 가시광선의 적어도 70%를 반사시키는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  36. 제1항에 있어서, 상기 반사형 섬유의 매트는 420 nm 내지 720 nm의 모든 가시광선의 적어도 80%를 반사시키는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  37. 제1항에 있어서, 상기 반사형 섬유의 매트는 420 nm 내지 720 nm의 모든 가시광선의 적어도 90%를 반사시키는, 섬유-기반의 반사 조명 장치.
  38. 하우징과,
    일차 광을 생성하고 그리고 일차 광을 상기 하우징 내로 지향시키도록 구성된 공급원과,
    상기 일차 광을 반사하기 위한 위치에서 하우징 내부에 배치된 섬유의 반사 매트와,
    상기 하우징으로부터 반사된 광을 발산하도록 구성된 하우징 내의 광 출구를 포함하는, 조명 장치.
  39. 제38항에 있어서, 상기 일차 광을 수신할 때 이차 광을 방출하도록 하우징 내의 위치에 배치된 냉광 시트를 더 포함하는, 조명 장치.
  40. 제39항에 있어서, 상기 광 출구로부터 발산된 광은 70 보다 큰 연색 지수를 갖는, 조명 장치.
  41. 제39항에 있어서, 상기 광 출구로부터 발산된 광은 80 보다 큰 연색 지수를 갖는, 조명 장치.
  42. 제39항에 있어서, 상기 냉광 시트는 일차 광에 대해 40% 미만의 투과도를 갖는, 조명 장치.
  43. 제38항에 있어서, 상기 반사형 섬유는 1.6 보다 큰 굴절률을 갖는 유전체 물질을 포함하는, 조명 장치.
  44. 제42항에 있어서, 상기 유전체 물질은 BaS04, ZnO, Ti02 및 Al203 중 하나 이상을 포함하는, 조명 장치.
  45. 제38항에 있어서, 상기 반사형 섬유의 매트는 0.80 보다 큰 반사도를 갖는 반사형 물질을 포함하는, 조명 장치.
  46. 제45항에 있어서, 상기 반사형 물질은 Al, Au, Ag, TiO2, ZnO, BaSO4 및 Zn 중 하나 이상을 포함하는, 조명 장치.
  47. 제46항에 있어서, 상기 반사형 물질은 광 반사를 위한 측방향 연장 표면을 포함하는 편평형 나노섬유를 포함하는, 조명 장치.
  48. 제47항에 있어서, 상기 측방향 연장 표면은 1 미크론의 측방향 연장부를 갖는 표면을 포함하는, 조명 장치.
  49. 제47항에 있어서, 상기 측방향 연장 표면은 10 미크론의 측방향 연장부를 갖는 표면을 포함하는, 조명 장치.
  50. 제47항에 있어서, 상기 측방향 연장 표면은 20 미크론의 측방향 연장부를 갖는 표면을 포함하는, 조명 장치.
  51. 제47항에 있어서, 상기 측방향 연장 표면은 50 미크론의 측방향 연장부를 갖는 표면을 포함하는, 조명 장치.
  52. 조명 장치 삽입체이며,
    입사 광의 적어도 70%를 확산 반사하도록 구성되고 그리고 소정 위치에서 조명 장치 내로 삽입하기 위한 섬유의 반사 매트를 포함하는, 조명 장치 삽입체.
  53. 제52항에 있어서, 상기 섬유는 1.6 보다 큰 굴절률을 갖는 유전체 물질을 포함하는, 조명 장치 삽입체.
  54. 제53항에 있어서, 상기 유전체 물질은 BaS04, ZnO, Ti02 및 Al203 중 하나 이상을 포함하는, 조명 장치 삽입체.
  55. 제52항에 있어서, 상기 반사형 섬유의 매트는 0.80 보다 큰 반사도를 갖는 반사형 물질을 포함하는, 조명 장치 삽입체.
  56. 제55항에 있어서, 상기 반사형 물질은 Al, Au, Ag, TiO2, ZnO, BaSO4 및 Zn 중 하나 이상을 포함하는, 조명 장치 삽입체.
  57. 제55항에 있어서, 상기 반사형 물질은 광 반사를 위한 측방향 연장 표면을 포함하는 편평형 나노섬유를 포함하는, 조명 장치 삽입체.
  58. 제57항에 있어서, 상기 측방향 연장 표면은 1 미크론의 측방향 연장부를 갖는 표면을 포함하는, 조명 장치 삽입체.
  59. 제57항에 있어서, 상기 측방향 연장 표면은 10 미크론의 측방향 연장부를 갖는 표면을 포함하는, 조명 장치 삽입체.
  60. 제57항에 있어서, 상기 측방향 연장 표면은 20 미크론의 측방향 연장부를 갖는 표면을 포함하는, 조명 장치 삽입체.
  61. 제57항에 있어서, 상기 측방향 연장 표면은 50 미크론의 측방향 연장부를 갖는 표면을 포함하는, 조명 장치 삽입체.
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