KR20140015392A - 형광체 성분을 갖는 발광 복합물 - Google Patents

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Abstract

높은 가돌리늄 농도를 갖는 형광체 조성물이 개시되어 있다. 일부 구현예는 발광층을 포함하는 열적으로 안정한 세라믹 본체를 포함하고, 여기서 상기 발광층은 식 (A1-x- zGdxDz)3B5O12로 표시되는 화합물을 포함하고, 여기서: D는 Nd, Er, Eu, Mn, Cr, Yb, Sm, Tb, Ce, Pr, Dy, Ho, Lu 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 제1 도펀트이고; A는 Y, Lu, Ca, La, Tb, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되고; B는 Al, Mg, Si, Ga, In, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되고; x는 약 0.20 내지 약 0.80의 범위에 있고; z는 약 0.001 내지 약 0.10의 범위에 있다. 식 I의 조성물을 포함할 수 있는 열적으로 안정한 세라믹 본체가 또한 개시되어 있다. 세라믹 본체를 제조하는 방법 및 상기 세라믹 본체를 포함하는 조명 디바이스가 또한 개시되어 있다.

Description

형광체 성분을 갖는 발광 복합물 {LIGHT EMITTING COMPOSITE WITH PHOSPHOR COMPONENTS}
본원은 미국 출원 번호 61/446,346 (2011년 2월 24일 출원)에 대한 우선권의 이점을 주장하며, 그 전체가 참고로 본원에 포함되어 있다.
본원은 형광체 성분을 갖는 방출성 세라믹 재료에 관한 것이다.
설명
고형 상태 발광 디바이스 예컨대 발광 다이오드 (LED), 유기 발광 다이오드 (OLED) 또는 때때로 일명 유기 전계발광 디바이스 (OEL), 및 무기 전계발광 디바이스 (IEL)는 다양한 적용 예컨대 평면 패널 디스플레이, 다양한 기기용 인디케이터, 간판, 및 장식용 불빛, 등에 널리 이용되었다. 이들 발광 디바이스의 방출성 효율은 계속 개선되기 때문에, 훨씬 높은 휘도 세기, 예컨대 자동차 헤드라이트 및 일반적인 조명을 필요로 하는 적용은, 곧 실현가능할 수 있다. 이들 적용을 위해, 백색-LED는 유망한 후보 중의 하나이고 많은 주목을 끌었다.
현재, 대부분의 발광 다이오드는 수지에 캡슐형태로 넣어진 이트륨 알루미늄 석류석 (YAG)-기반 분말을 포함한다. 이들 분말 중 도펀트 농도의 증가는 개선된 색상 온도를 갖는 백색광을 얻을 수 있다. 예를 들면, YAG 중 Ce 도펀트의 증가는 색상 온도를 개선하는 적색 이동을 제공한다 황색광의 재흡수를 증가시킬 수 있다. 이러한 전략 분말과 함께 성공적일 수 있지만, 많은 발광 다이오드는 도펀트 농도를 증가시킬 때 적색 이동을 생성하지 않는 투명한 세라믹 플레이트 또는 적층 막을 포함한다. 세라믹 플레이트 또는 적층 막이 황색광을 재흡수하지 못하는 것은 높은 투명도 및 낮은 산란을 나타내기 때문이다.
그 전체가 참고로 본원에 포함되어 있는 미국 특허 번호 7,390,684는 형광체 분말을 사용하고, 여기서 Gd는 20 미만의 원자 %로 Y를 대신할 수 있다. 이러한 치환으로 색상은 더 큰 녹색 성분을 가질 수 있지만, 조성물은 증가된 Gd 함량과 함께 발광의 유의미한 감소를 나타낸다.
요약
높은 가돌리늄 (Gd) 농도를 갖는 방출성 세라믹 재료가 본 명세서에 개시된다.
본 명세서에 개시된 일부 구현예는 발광층을 포함하는 열적으로 안정한 세라믹 본체를 포함하고, 여기서 상기 발광층은 식 (A1-x- zGdxDz)3B5O12로 표시되는 화합물을 포함하고, 여기서: D는 Nd, Er, Eu, Mn, Cr, Yb, Sm, Tb, Ce, Pr, Dy, Ho, Lu 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 제1 도펀트이고; A는 Y, Lu, Ca, La, Tb, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되고; B는 Al, Mg, Si, Ga, In, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되고; x는 약 0.20 내지 약 0.80의 범위에 있고; z는 약 0.001 내지 약 0.10의 범위에 있다.
일부 구현예에서, D는 Ce를 포함한다.
일부 구현예에서, D는 Ce이다.
일부 구현예에서, A는 Y이다.
일부 구현예에서, B는 Al이다.
일부 구현예에서, 세라믹 본체는 적어도 8 W/mK의 열전도도를 나타낸다.
일부 구현예에서, 발광층 중 제1 도펀트는 발광층의 두께를 따라 제1 도펀트 농도 구배를 갖는다.
일부 구현예에서, 여기서 제1 도펀트 농도 구배는 발광층의 두께를 따라 중심에서 또는 그 근처에서 최대 제1 도펀트 농도를 포함한다.
일부 구현예에서, 제1 도펀트 농도 구배는 발광층의 두께를 따라 표면에서 또는 그 근처에서 최대 제1 도펀트 농도를 포함한다.
일부 구현예에서, 발광층은 발광층의 두께를 따라 Gd 농도 구배를 포함한다.
일부 구현예에서, 제1 도펀트 농도 구배는 Gd 농도 구배에 대해서 더 넓다.
일부 구현예에서, Gd 농도 구배는 발광층의 두께를 따라 최대 제1 도펀트 농도의 또는 이 농도에 가까운 최대 Gd 농도를 포함한다.
일부 구현예에서, 세라믹 본체는 약 455 nm의 파장을 갖는 방사선에 노출될 때 적어도 약 0.70의 내부 양자 효율 (IQE)을 나타낸다.
일부 구현예에서, 세라믹 본체는 적어도 약 535 nm의 피크 방출의 파장을 나타낸다.
본 명세서에 개시된 일부 구현예는 어셈블리를 소결하여 본 명세서에 개시된 세라믹 본체를 얻는 것을 포함한다.
본 명세서에 개시된 일부 구현예는 어셈블리를 소결하는 것을 포함하는, 열적으로 안정한 세라믹 본체를 형성하는 방법을 포함하고, 여기서 상기 어셈블리는 약 10 μm 내지 약 200 μm 범위의 두께를 갖는 공-도핑된 층을 포함하고, 여기서 상기 공-도핑된 층은 하기를 포함한다: 이트륨 알루미늄 석류석 (YAG), YAG 전구체, 또는 이들의 조합; Nd, Er, Eu, Mn, Cr, Yb, Sm, Tb, Ce, Pr, Dy, Ho, Lu 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 제1 도펀트; 및 YAG에 대해 약 20 % 내지 약 80 %의 Gd, YAG 전구체, 또는 이들의 조합의 양.
일부 구현예에서, 어셈블리는 도핑된 층의 한쪽에 배치된 제1 층을 추가로 포함하고, 여기서 상기 제1 층은 YAG, YAG 전구체, 또는 이들의 조합을 포함하고, 여기서 상기 제1 층은 제1 도펀트가 실질적으로 없고, 여기서 상기 제1 층은 약 40 μm 내지 약 800 μm 범위의 두께를 갖는다.
일부 구현예에서, 제1 층은 추가로 Gd를 포함한다.
일부 구현예에서, 제1 층은 약 20 % 내지 약 80 %의 Gd를 포함한다.
일부 구현예에서, 공-도핑된 층은 제1 층과 제2 층 사이에 배치되고, 상기 제2 층은 YAG, YAG 전구체, 또는 이들의 조합을 포함하고, 여기서 상기 제2 층은 제1 도펀트가 실질적으로 없고, 여기서 제1 및 제2 층 각각은 독립적으로 약 40 μm 내지 약 400 μm 범위의 두께를 갖는다.
일부 구현예에서, 제2 층은 추가로 Gd를 포함한다.
일부 구현예에서, 제2 층은 약 20 % 내지 약 80 %의 Gd를 포함한다.
일부 구현예에서, 공-도핑된 층은 약 20 % 내지 약 80 %의 Gd를 포함한다.
일부 구현예에서, 공-도핑된 층은 약 0.1 % 내지 약 10 %의 제1 도펀트를 포함한다.
일부 구현예에서, 제1 도펀트는 Ce이다.
일부 구현예에서, 상기 어셈블리의 소결은 약 1000 ℃ 내지 약 1900 ℃ 범위의 온도에서 적어도 약 2 시간 동안 어셈블리를 가열하는 것을 포함한다.
일부 구현예에서, 상기 온도는 약 1300 ℃ 내지 약 1800 ℃의 범위에 있다.
일부 구현예에서, 어셈블리는 상기 온도에서 적어도 약 5 시간 동안 가열된다.
일부 구현예에서, 어셈블리는 상기 온도에서 약 60 시간 이하 동안 가열된다.
일부 구현예에서, 공-도핑된 층 중 제1 도펀트의 적어도 약 30%는 상기 과정 동안에 공-도핑된 층 밖으로 확산된다.
일부 구현예에서, 여기서 공-도핑된 층 중 Gd의 약 70% 이하는 상기 과정 동안에 공-도핑된 층 밖으로 확산된다.
일부 구현예에서, 세라믹 본체는 약 455 nm의 파장을 갖는 방사선에 노출될 때 적어도 약 0.70의 내부 양자 효율 (IQE)을 나타낸다.
일부 구현예에서, 세라믹 본체는 적어도 약 535 nm의 피크 방출의 파장을 나타낸다.
본 명세서에 개시된 일부 구현예는 본 명세서에 개시된 임의의 방법으로 만들어진 세라믹 본체를 포함한다.
본 명세서에 개시된 일부 구현예는 청색 방사선을 방출하드록 설정된 광원; 및 본 명세서에 개시된 임의의 세라믹 본체를 포함하는 조명 장치를 포함하고, 여기서 상기 세라믹 본체는 청색 방사선의 적어도 부분를 수용하도록 설정된다. 일부 구현예에서, 청색 방사선은 약 360 nm 내지 약 500 nm의 피크 방출의 파장을 갖는다.
본 명세서에 개시된 일부 구현예는 본 명세서에 개시된 임의의 세라믹 본체를 청색 방사선에 노출시키는 것을 포함하는, 광을 생성하는 방법을 포함한다. 일부 구현예에서, 청색 방사선은 약 360 nm 내지 약 500 nm의 피크 방출의 파장을 갖는다.
도 1a-c는 본원의 범위 내의 세라믹 본체의 비제한 예를 실증한다.
도 2는 발광층의 두께를 따라 도펀트 농도 프로파일의 선행기술 예를 보여주는 그래프이다.
도 3는 본원의 범위 내에 있는 도펀트 농도 구배를 갖는 세라믹 본체의 일 구현예를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본원의 범위 내에 있는 제1 도펀트 농도 구배를 갖는 세라믹 본체의 일 구현예를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본원의 범위 내에 있는 도펀트 농도 구배를 갖는 세라믹 본체의 일 구현예를 보여주는 그래프이다.
도 6는 본원의 범위 내에 있는 도펀트 농도 구배를 갖는 세라믹 본체의 일 구현예를 보여주는 그래프이다.
도 7는 본원의 범위 내에 있는 제1 도펀트 농도 구배를 갖는 세라믹 본체의 일 구현예를 보여주는 그래프이다.
도 8는 본원의 범위 내에 있는 도펀트 농도 구배를 갖는 세라믹 본체의 일 구현예를 보여주는 그래프이다.
도 9a 및 b는 소결되어 세라믹 본체를 형성할 수 있는 어셈블리의 일례를 보여준다.
도 10a 및 b는 소결되어 세라믹 본체를 형성할 수 있는 어셈블리의 일례를 보여준다.
도 11a 및 b는 소결되어 세라믹 본체를 형성할 수 있는 어셈블리의 일례를 보여준다.
도 12a 및 b는 소결되어 세라믹 본체를 형성할 수 있는 어셈블리의 일례를 보여준다.
도 13은 적층물을 포함하는 세라믹 본체를 형성하는 일 구현예에 대한 제조 흐름 선도를 보여준다.
도 14는 본 명세서에 개시된 세라믹 본체를 포함할 수 있는 조명 장치의 예이다.
도 15a 및 b는 내부 양자 효율 (IQE)가 어떻게 측정될 수 있는 지에 대한 예이다.
도 16a은 Cree Corp에 의해 이용된 상이한 색상 온도에서 냉백색광의 백색 빈(bin) 분류에 대한 상업적 표준을 보여준다.
도 16b는 Cree Corp에 의해 이용된 상이한 색상 온도에서 자연 및 따뜻한 백색광의 백색 빈(bin) 분류에 대한 상업적 표준을 보여준다.
도 17은 식 I의 조성물을 갖는 세라믹 본체에 대한 기대된 백색 빈(bin) 분류를 보여준다.
도 18은 세라믹 본체 내의 수지 또는 (Y0 .985Ce0 .015)3Al5O12에서 분산된 (Y0.985Ce0.015)3Al5O12 분말의 측정된 온도를 보여준다. "YAG-시트"는 에폭시에 분산된 YAG 분말에 대한 온도 프로파일을 나타낸다. "YAG-CP"는 YAG 세라믹 본체에 대한 온도 프로파일을 나타낸다.
도 19a는 다양한 방출성 분말 물질에 대한 상이한 온도에서의 상대 방출 세기를 보여준다.
도 19b는 다양한 세라믹 방출성 물질에 대한 상이한 온도에서의 상대 방출 세기를 보여준다.
도 20은 2개의 Y3Al5O12 층 사이에 끼어든 (Y0 .635Ce0 .015Gd0 .35)3Al5O12를 갖는 공-도핑된 층을 갖는 어셈블리로부터 실시예 1에서 제조된 세라믹 본체에 대한 SEM-EDX 데이터를 보여준다.
도 21 a 내지 c는 소결되어 세라믹 본체를 제조한 어셈블리의 예들을 보여준다.
도 22는 다양한 가돌리늄 농도를 갖는 세라믹 본체에 대한 피크 방출의 파장 및 내부 양자 효율 (IQE)을 보여준다.
도 23 a 내지d는 소결되어 세라믹 본체를 제조한 어셈블리의 예들을 보여준다.
상세한 설명
높은 가돌리늄 (Gd) 농도를 갖는 방출성 세라믹 재료를 본 명세서에서 개시한다. 출원인은, 이들 방출성 세라믹 재료가 표준 방출성 물질에 대해 (예를 들면, Gd 없는 Ce-도핑된 세라믹 재료에 대해) 높은 양자 효율을 보유하면서도 개선된 색도를 나타낼 수 있다는 것을 놀랍게도 발견했다. 방출성 세라믹 재료는, 일부 구현예에서, 발광층의 두께를 따라 도펀트 농도 구배를 포함할 수 있다. 방출성 세라믹 재료를 제조하는 방법, 방출성 세라믹 재료를 포함하는 조명 장치, 및 방출성 세라믹 재료를 사용하여 광을 생성하는 방법이 또한 본 명세서에 개시되어 있다.
방출성 세라믹
형광체 조성물은, 일부 구현예에서, 식 I: (A1-x- zGdxDz)3B5O12에 의해 표시될 수 있다, 여기서 D는 Nd, Er, Eu, Mn, Cr, Yb, Sm, Tb, Ce, Pr, Dy, Ho, Lu 및 이들의 조합으로부터 선택된 제1 도펀트이고; A는 Y, Lu, Ca, La, Tb, 및 이들의 조합으로부터 선택되고; B는 Al, Mg, Si, Ga, In, 및 이들의 조합으로부터 선택되고; x는 약 0.20 내지 약 0.80의 범위에 있고; z는 약 0.001 내지 약 0.10의 범위에 있다.
일부 구현예에서, A는 Y, Lu, Ca, La, Tb, 및 이들의 조합으로부터 선택된다. 일부 구현예에서, A는 Y이다. 일부 구현예에서, A는 Lu, Ca, La 및 Tb로부터 선택된다. A는 또한 Y, Lu, Ca, La, 및 Tb로부터 선택된 적어도 2개의 원소 (예를 들면, 2, 3, 4, 또는 5개의 원소)의 조합일 수 있다. 예로서, A는 제1 원소 및 제2 원소의 조합일 수 있고, 각각은 Y, Lu, Ca, La, 및 Tb로부터 선택된다. 제1 원소 대 제2 원소의 몰비는 예를 들면 하기일 수 있다: 적어도 약 10 대 90; 적어도 약 20 대 80; 적어도 약 40 대 60; 적어도 약 1 대 1; 적어도 약 60 대 40; 적어도 약 80 대 20; 적어도 약 90 대 10; 또는 적어도 약 95 대 5. 제1 원소 대 제2 원소의 몰비는 또한 예를 들면 하기일 수 있다: 약 99 대 1 이하; 약 90 대 10 이하; 약 80 대 20 이하; 약 60 대 40 이하; 또는 약 1 대 1 이하. 일부 구현예에서, A는 제1 원소가 Y인 조합이다. 일부 구현예에서, A는 제2 원소가 Lu인 조합이다. 일부 구현예에서, A는 제2 원소가 Ca인 조합이다. 예를 들면, A는 약 1 대 1의 몰비를 갖는 Y 및 Lu의 조합일 수 있다.
일부 구현예에서, B는 Al, Mg, Si, Ga, In, 및 이들의 조합으로부터 선택된다. 일부 구현예에서, B는 Al이다. 일부 구현예에서, B는 Mg, Si, Ga, 및 In으로부터 선택된다. B는 또한 Al, Mg, Si, Ga, 및 In로부터 선택된 적어도 2개의 원소 (예를 들면, 2, 3, 4, 또는 5개의 원소)의 조합일 수 있다. 예로서, B는 제1 원소 및 제2 원소의 조합일 수 있고, 각각은 Al, Mg, Si, Ga, 및 In로부터 선택된다. 제1 원소 대 제2 원소의 몰비는 예를 들면 하기일 수 있다: 적어도 약 10 대 90; 적어도 약 20 대 80; 적어도 약 40 대 60; 적어도 약 1 대 1; 적어도 약 60 대 40; 적어도 약 80 대 20; 적어도 약 90 대 10; 또는 적어도 약 95 대 5. 제1 원소 대 제2 원소의 몰비는 또한 예를 들면 하기일 수 있다: 약 99 대 1 이하; 약 90 대 10 이하; 약 80 대 20 이하; 약 60 대 40 이하; 또는 약 1 대 1 이하. 일부 구현예에서, B는 제1 원소가 Al인 조합이다. 일부 구현예에서, B는 제2 원소가 Mg인 조합이다. 일부 구현예에서, B는 제2 원소가 Si인 조합이다. 예를 들면, B는 약 1 대 1의 몰비를 갖는 Al 및 Mg의 조합일 수 있다.
일부 구현예에서, D는 Nd, Er, Eu, Mn, Cr, Yb, Sm, Tb, Ce, Pr, Dy, Ho, Lu 및 이들의 조합으로부터 선택된 제1 도펀트이다. 일부 구현예에서, 제1 도펀트는 Ce이다. 일부 구현예에서, 제1 도펀트는 Nd, Er, Eu, Mn, Cr, Yb, Sm, Tb, Pr, Dy, Ho, 및 Lu로부터 선택된다. 제1 도펀트는 또한 Nd, Er, Eu, Mn, Cr, Yb, Sm, Tb, Ce, Pr, Dy, Ho, 및 Lu로부터 선택된 적어도 2개의 원소 (예를 들면, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 또는 그 초과 원소)의 조합일 수 있다. 예로서, 제1 도펀트는 제1 원소 및 제2 원소의 조합일 수 있고, 각각은 Nd, Er, Eu, Mn, Cr, Yb, Sm, Tb, Ce, Pr, Dy, Ho, 및 Lu로부터 선택된다. 제1 원소 대 제2 원소의 몰비는 예를 들면 하기일 수 있다: 적어도 약 10 대 90; 적어도 약 20 대 80; 적어도 약 40 대 60; 적어도 약 1 대 1; 적어도 약 60 대 40; 적어도 약 80 대 20; 적어도 약 90 대 10; 또는 적어도 약 95 대 5. 제1 원소 대 제2 원소의 몰비는 또한 예를 들면 하기일 수 있다: 약 99 대 1 이하; 약 90 대 10 이하; 약 80 대 20 이하; 약 60 대 40 이하; 또는 약 1 대 1 이하. 일부 구현예에서, 제1 도펀트는 제1 원소가 Ce인 조합이다. 일부 구현예에서, 제1 도펀트는 제2 원소가 Eu인 조합이다. 일부 구현예에서, 제1 도펀트는 제2 원소가 Mn인 조합이다. 예를 들면, 제1 도펀트는 약 1 대 1의 몰비를 갖는 Ce 및 Eu의 조합일 수 있다.
변수 x는, 일부 구현예에서, 약 0.20 내지 약 0.80의 범위일 수 있다. 변수 x는, 예를 들면, 적어도 약 0.20; 적어도 약 0.25; 적어도 약 0.30; 또는 적어도 약 0.35일 수 있다. 변수 x는, 예를 들면, 약 0.80 이하; 약 0.70 이하; 약 0.60 이하; 약 0.50 이하; 약 0.45 이하; 또는 약 0.40 이하일 수 있다. x에 대한 값의 비제한 예는 약 0.30 및 약 0.35를 포함한다.
가변 z는, 일부 구현예에서, 약 0.001 내지 약 0.10의 범위일 수 있다. 가변 z는, 예를 들면, 적어도 약 0.001; 적어도 약 0.005; 적어도 약 0.01; 또는 적어도 약 0.012일 수 있다. 가변 z는, 예를 들면, 약 0.10 이하; 약 0.7 이하; 약 0.5 이하; 약 0.4 이하; 약 0.3 이하; 또는 약 0.2 이하일 수 있다. z에 대한 값의 비제한 예는 약 0.015 및 약 0.01를 포함한다.
본원의 조성물은, 일부 구현예에서, 발광될 때 열적으로 안정하다. 본원에서 사용된 바와 같이, "열적으로 안정한"이란 가돌리늄 없이 비교가능한 세라믹 재료에 대해 그의 방출 세기의 적어도 60%를 유지하는 물질을 의미한다. 예를 들면, (Y0 .635Gd0 .35Ce0 .015)3Al5O12는 (Y0 .985Ce0 .015)3Al5O12의 방출 세기의 적어도 90%를 유지한다면 열적으로 안정할 수 있다. 열적으로 안정한 세라믹은, 예를 들면, 가돌리늄 없이 비교가능한 세라믹 재료에 대해 방출 세기의 적어도 70%; 적어도 80%; 적어도 85%; 적어도 90%; 적어도 95%; 또는 적어도 97%를 유지한다.
출원인은, 높은 가돌리늄 농도 (예를 들면, x는 약 0.20 내지 약 0.80의 범위일 수 있다)를 포함하는 식 I의 조성물이, 가돌리늄 없는 비교가능한 세라믹 재료에 대해 우수한 색도를 나타낼 수 있다는 것을 놀랍게도 발견했다. 이들 조성물은 상기에서 논의된 바와 같이 또한 열적으로 안정할 수 있다. 임의의 특정 이론에 구속되지 않으면서, Gd-도핑된 물질은 표준 조명 장치에서 발견된 작동 온도에서 열 겐칭에 대해 더 민감한 것으로 믿는다. 예를 들면, LED는 수지의 열등한 열전도도로 인해 고온 (예를 들면, 약 300 ℃)에서 작동하는 수지 내에 갭슐 형태로 넣어진 방출성 형광체 분말을 종종 포함한다. 출원인은, 도펀트 농도 구배 또는 가돌리늄 농도 구배의 포함이 이들 더 높은 가돌리늄 수준의 사용을 가능하게 할 수 있다는 것을 놀랍게도 발견했다. 출원인은, 도펀트 농도 구배 또는 가돌리늄 농도 구배가 IQE (효율) 및 더 바람직한 열 특성, 예를 들면, 더 큰 열 안정성을 희생하지 않으면서 이들의 더 높은 가돌리늄 수준의 사용을 허용할 수 있다는 것을 놀랍게도 또한 발견했다. 도펀트 농도 구배 및 가돌리늄 농도는, 예를 들면, 복수의 상이한 층을 갖는 어셈블리를 소결하여 제조될 수 있다. 출원인은, 어떤 어셈블리 배치가 우수한 IQE 및 열 특성을 갖는 세라믹 본체를 얻을 수 있다는 것을 놀랍게도 발견했다. 따라서, 본원의 조성물은 발광 동안에 낮은 작동 온도를 유지하도록 설정될 때 열적으로 안정할 수 있다.
일부 구현예에서, 세라믹 본체는 식 I의 조성물을 포함하고 발광할 때 세라믹 본체가 약 200 ℃ 미만으로 온도를 유지하는데 충분한 열전도도를 나타낸다. 예를 들면, 세라믹 본체는 200 ℃ 미만에서 정상 상태 온도 (예를 들면, 약 1 이상)를 얻는데 충분한 기간 동안 청색 방사선에 노출될 수 있다. 청색 방사선은 피크 방출의 약 455 nm의 파장을 가질 수 있고 전원에 연결된 AlInGaN-기반 단일 결정 반도체로부터 방출될 수 있다. 정상 상태 온도는 약 200 ℃ 미만일 수 있다. 세라믹 본체는, 예를 들면, 하기의 온도를 유지하는데 충분한 열전도도를 가질 수 있다: 약 200 ℃ 이하; 약 150 ℃ 이하; 약 125 ℃ 이하; 약 100 ℃ 이하; 또는 약 75 ℃ 이하. 일부 구현예에서, 온도는, 적어도 약 350 mA의 순방향 전류를 사용하여 AlInGaN-기반 단일 결정 반도체로부터 세라믹 본체를 방사선에 노출할 때 결정될 수 있다. 온도는, 예를 들면, 하기의 순방향 전류를 사용하여 AlInGaN-기반 단일 결정 반도체로부터 세라믹 본체를 방사선에 노출할 때 또한 결정될 수 있다: 적어도 약 350 mA; 적어도 약 400 mA; 적어도 약 500 mA; 적어도 약 600 mA; 적어도 약 800 mA; 또는 적어도 약 1000 mA.
일부 구현예에서, 조성물은 적어도 약 8 W/mK의 열전도도를 나타내는 세라믹 본체 내에 설정된다. 세라믹 본체의 열전도도는, 예를 들면, 적어도 약 8 W/mK; 적어도 약 10 W/mK; 적어도 약 12 W/mK; 또는 적어도 약 14 W/mK일 수 있다.
세라믹 본체는, 일부 구현예에서, 형광체 성분의 고형 응집물일 수 있다. 이하에서 추가로 논의된 바와 같이, 고형 응집물은, 예를 들면, 세라믹 플레이트를 형성하기 위해 소결 금형 또는 적층된 시트를 소결하여 제조될 수 있다. 고형 응집물은 열 켄칭을 감소시키는데 충분한 낮은 작동 온도를 유지하기 위해 높은 열전도도를 나타낼 수 있다.
일부 구현예에서, 세라믹 본체는 적어도 약 10용적 %의 식 I의 조성물을 포함한다. 세라믹 본체 중 식 I의 조성물의 양은, 예를 들면, 적어도 약 10% 용적; 적어도 약 20용적 %; 적어도 약 30용적 %; 적어도 약 50용적 %; 또는 적어도 약 80용적 %일 수 있다.
일부 구현예에서, 세라믹 본체는 소량 (있다면)의 결합 매질을 포함한다. 소량의 결합 매질은 높은 열전도도의 세라믹 본체 (예를 들면, 적어도 약 8 W/mK)를 얻는데 충분할 수 있다. 예를 들면, 전형적인 LED-기반 조명 장치는 에폭시 결합 매질 내에 캡슐 형태로 넣어진 형광체 분말을 포함한다. 낮은 열전도도의 에폭시는 열 켄칭을 증가시키는 작동 온도를 더 높일 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, "결합 매질"은 세라믹 본체 중 형광체 성분 사이의 부착을 제공하도록 설정된 비-형광체 성분을 포함한다. 수지는 결합 매질, 예컨대 에폭시, 아크릴, 등으로서 전형적으로 사용되고; 그러나, 결합 매질은 임의로 비-수지 성분을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 결합 매질은 유기 물질이다. 일부 구현예에서, 결합 매질은 수지이다. 세라믹 본체 중 결합 매질의 양은 예를 들면 하기일 수 있다: 약 20용적 % 이하; 약 15용적 % 이하; 약 10용적 % 이하; 약 5용적 % 이하; 약 3용적 % 이하; 또는 약 1용적 % 이하. 일부 구현예에서, 세라믹 본체는 실질적으로 결합 매질이 없다. 일부 구현예에서, 세라믹 본체는 미량 이하의 결합 매질을 포함한다.
세라믹 본체는 식 I의 조성물을 갖는 발광층을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 발광층은 약 10 μm 및 약 1 mm 범위의 두께를 가질 수 있다. 발광층은 두께, 예를 들면 하기의 두께를 가질 수 있다: 적어도 약 10 μm; 적어도 약 50 μm; 적어도 약 100 μm; 적어도 약 200 μm; 또는 적어도 약 250 μm. 발광층은 두께, 예를 들면 하기의 두께를 가질 수 있다: 약 1 mm 이하; 약 800 μm 이하; 약 600 μm 이하; 약 400 μm 이하; 또는 약 300 μm 이하.
세라믹 본체는, 일부 구현예에서, 수지에 분산된 형광체보다 더 큰 밀도를 가질 수 있다. 전형적인 수지는 약 1.1 g/cm3의 밀도를 가지는데, 이는 형광체과 혼합될 때 밀도를 감소시킨다. 세라믹 본체는, 예를 들면, 하기의 일도를 가질 수 있다: 적어도 약 3 g/cm3 적어도 약 3.5 g/cm3 적어도 약 4 g/cm3 또는 적어도 약 4.3 g/cm3. 예를 들면, 세라믹 본체는 약 4.5 g/cm3의 밀도를 가질 수 있다.
본원의 세라믹 본체는 임의로 도펀트 농도 구배를 포함할 수 있다. 세라믹 본체는, 예를 들면, 어셈블리를 소결하여 제조될 수 있다. 따라서, "세라믹 본체"는 일반적으로 조명 목적을 위해 사용될 수 있는 최종 방출성 물질을 포함하고, 한편 "어셈블리"는 세라믹 본체를 형성하도록 소결될 수 있는 복합물이다. 이하에서 추가로 논의되는 바와 같이, 어셈블리의 소결은 최종 세라믹 본체 내에 도펀트 농도 구배를 형성하는 도펀트 확산을 일으키는 하나의 방법이다.
세라믹 본체는 "발광층의 두께"를 따라 도펀트 농도 구배를 포함할 수 있다. 도 1a-c는 세라믹 본체의 다양한 비제한 예에 대해 z-축을 따라 발광층의 두께를 보여준다. 도 1a는 세라믹 본체의 하나의 비제한 예를 실증한다. 세라믹 본체 (100)는 도펀트 및 일반적으로 균일한 분포의 호스트 물질을 포함하는 발광층 (105)만을 포함할 수 있다. 예를 들면, 발광층은 이트륨 알루미늄 석류석 (YAG) 호스트 물질 내에 Gd 및 Ce 도펀트를 갖는 식 I의 조성물일 수 있다. 세라믹 본체 (100)은 X-축, Y-축, 및 z-축 각각을 따라 길이, 폭, 및 두께를 포함한다. 일부 구현예에서, 발광층의 두께는 세라믹 본체의 최소 치수이다. 예를 들면, 세라믹 본체는 약 1 mm인 길이 및 폭, 및 약 100 μm의 두께를 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 두께는 최소 치수가 아니다. 물론, 수많은 다른 기하학적 구조는 본원의 범위 내에 있고, 이는 도 1a에서 묘사된 일반적으로 직육면체 기하학적 구조로 제한되지 않는다. 예를 들면, 세라믹 본체는 또한 원통형, 정육면체, 등일 수 있다. 뿐만 아니라, 세라믹 본체는 대칭인 요건을 없고, 분명히 한정된 모서리 또는 특정 수면의 면들을 포함한다.
도 1b는 세라믹 본체의 또 하나의 구현예를 실증한다. 세라믹 본체 (110)는 호스트 물질의 일반적으로 균일한 분산물을 가지며 원통형 또는 원반모양 기하학적 형태를 갖는 발광층 (115) 만을 포함할 수 있다. 발광층 (115)은 z-축을 따라 두께를 포함한다.
도 1c는 발광층 및 부가적 층을 포함하는 세라믹 본체의 일부 구현예를 실증한다. 세라믹 본체 (120)은 2개의 비-발광층 (140 및 150) (예를 들면, 2개의 층 각은 이트륨 알루미늄 석류석, 이트륨 알루미늄 석류석 전구체, 예를 들면, 산화알루미늄, 또는 이들의 조합으로 이루어진다) 사이에 끼어든 발광층 (130)을 포함한다. 계면 (160)는 발광층 (130) 및 비-발광층 (140) 사이에 있다. 마찬가지로, 계면 (170)는 발광층 (130) 및 비-발광층 (150) 사이에 있다. 이 구현예에서, 발광층의 두께는 비-발광층 (130 및 140)의 부분을 포함하지 않는다. 발광층의 두께 (130)는 z-축을 따라 계면 (160) 및 계면 (170) 사이에 있다. 따라서 z-축에 따른발광층의 두께 (130)는 세라믹 본체 (120)의 두께 미만이다.
도 2는 발광층을 두께를 따라 도펀트 농도 프로파일의 선행기술 예를 보여주는 그래프이다. 가로축은 발광층의 두께에 따른 (예를 들면, 도 1a에서 실증된 발광층 (105)의 z-축에 따른) 위치이다. 가로축에 따른 위치 '0'은 발광층의 제1 표면 (예를 들면, 세라믹 본체 (100)의 하부면)에 있다. 가로축에 따른 위치 '½L'는 두께에 따른 중간점에 (예를 들면, 세라믹 본체 (100)의 두께에 따른 중심 근처에) 있다. 가로축 상의 위치 'L'은 두께에 따른 제1 표면과 반대인 발광층의 제2 표면에 있다 (예를 들면, 세라믹 본체 (100)의 상부면). 따라서, 제1 표면 및 제2 표면은 두께의 반대편에 있다 (예를 들면, 세라믹 본체 (100)의하부면 및 상부면은 z-축을 따라 반대편에 있다).
그 동안에, 도 2 중 세로축은 두께를 따라 주어진 위치에서 도펀트 농도이다. 이 선행기술 도펀트 농도 프로파일은 몇 개의 현저한 특징을 갖는다. 먼저, 그 예는 일반적으로 두께에 따른 실질적으로 일정한 도펀트 농도 프로파일을 포함한다 (즉, 기울기는 전체의 두께를 따라 약 0이다). 따라서, 이 예는 도펀트 농도 구배를 포함하지 않는다. 두 번째로, 도펀트 농도 프로파일은 실질적으로 모든 두께에 따라 발견된 최대 도펀트 농도 (Cmax)를 갖는다. 세 번째로, 최소 도펀트 농도 (Cmin)는 최대 도펀트 농도와 대략 동일하다. 네 번째로, 도펀트 농도는 실질적으로 모든 두께를 따라 최대 도펀트 농도의 반 초과이다. 환언하면, 실질적으로 일정한 도펀트 농도 프로파일은 반-최대 도펀트 농도 (Cmax/2)를 포함하지 않는다.
도 3는 본원의 범위 내에 있는 세라믹 본체에 대한 도펀트 농도 구배의 하나의 구현예를 보여주는 그래프이다. 세라믹 본체는 적어도 2개의 도펀트를 포함할 수 있는 식 I의 조성물을 포함할 수 있다: (i) Gd 및 (ii) Nd, Er, Eu, Mn, Cr, Yb, Sm, Tb, Ce, Pr, Dy, Ho, Lu, 또는 이들의 조합으로부터 선택된 제1 도펀트. 제1 도펀트 농도 구배 (300) (예를 들면, Ce 도펀트 농도 구배)는 발광층의 제1 표면에 또는 그 근처에 위치한 최대 제1 도펀트 농도를 가지며, 한편 최소 도펀트 농도는 발광층의 두께를 따라 제1 표면과 반대인 제2 표면에 또는 그 근처에 위치한다. 또한, 반-최대 제1 도펀트 농도는 발광층의 중심에 또는 그 근처에 위치한다.
Gd 도펀트 농도 구배 (310)는 발광층의 제1 표면에 또는 그 근처에 있는 최대 Gd 농도를 또한 포함한다. 도 3은 측정의 단위 없는 도펀트 농도 구배를 묘사하고; 따라서, 최대 제1 도펀트 농도는 최대 Gd 농도와 동일할 필요는 없다. 일부 구현예에서, 최대 Gd 농도는 최대 제1 도펀트 농도보다 더 크다. Gd 농도 구배 (310)에 의해 나타낸 바와 같이, 발광층의 두께의 약 반은 실질적으로 Gd가 없다. 또한, 반-최대 Gd 농도는 발광층의 두께를 따라 최대 Gd 농도 및 중심 사이에 (예를 들면, 약 1/3 L에) 위치한다. 반-최대 제1 도펀트 농도는 최대 제1 도펀트 농도로부터 떨어져서 제1 거리에 위치할 수 있다. 그리고 반-최대 Gd 농도는 최대 Gd 농도로부터 떨어져서 제2 거리에서 위치할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 거리는 제2 거리보다 작다.
도 2에서 묘사된 실질적으로 일정한 도펀트 농도 프로파일과는 반대로, 도 3에서 묘사된 도펀트 농도 구배는 비-제로인 값을 포함하는 가변 기울기를 갖는다. 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "기울기"는 두께에 따른 위치의 변화에 대한 농도의 변화율을 의미한다 (예를 들면, 도 2의 가로축). 도펀트 농도가 연속 함수 f(x)에 의해 합리적으로 나타낼 수 있다면, 이때 기울기는 이 도함수로부터 결정될 수 있다. 예로서, 도 3 중 제1 도펀트 농도 구배 (300)에 대한 약 ½L에서 (또는 약 반-최대 제1 도펀트 농도에서) 기울기의 절대 값은 이트륨 알루미늄 석류석 영역의 두께로 나눈 약 최대 도펀트 농도 (Cmax/L) 초과이다. 일부 구현예에서, 반-최대 제1 도펀트 농도에서의 기울기는 반-최대 Gd 농도에서 기울기보다 낮다.
도 4는 본원의 범위 내에 또한 있는 세라믹 본체에 대한 도펀트 농도 구배의 또 하나의 구현예를 보여주는 그래프이다. 이 구현예에서, 세라믹 본체는 제1 도펀트 농도 구배 (400)를 갖지만, 일반적으로 일정한 Gd 도펀트 농도 프로파일 (410)을 포함한다. 따라서, Gd 농도 프로파일은 도 2에서 묘사된 도펀트 농도 프로파일과 일반적으로 동일한 특성을 가질 수 있다.
도 5는 본원의 범위 내에 또한 있는 세라믹 본체에 대한 도펀트 농도 구배의 또 하나의 구현예를 보여주는 그래프이다. 이 구현예에서, 제1 도펀트 농도 구배 (500)는 Gd 농도 구배 (510)보다 더 좁다. 반-최대 제1 도펀트 농도는 최대 제1 도펀트 농도로부터 떨어져서 제1 거리에 위치할 수 있다. 그리고 반-최대 Gd 농도는 최대 Gd 농도로부터 떨어져 제2 거리에 위치할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 거리는 제2 거리보다 더 크다.
도 6은 본원의 범위 내에 또한 있는 세라믹 본체에 대해 도펀트 농도 구배의 일구 구현예를 보여준다. 제1 도펀트 농도 구배 (600)는 발광층의 중심에 또는 그 근처에서 최대 제1 도펀트 농도를 갖고, 한편 최소 제1 도펀트 농도는 두께를 따라 반대편에 있는 제1 및 제2 표면에 또는 그 근처에 위치한다. 또한, 2개의 반-최대 제1 도펀트 농도는 L의 약 4분의 1 (즉, ¼L) 및 L의 4분의 3에 위치한다. 이 구현예에서, 반-최대 제1 도펀트 농도 모두는 약 동일한 규모를 갖는 기울기를 갖는다. 제1 도펀트 농도 구배는 실질적으로 모든 두께를 따라 도펀트 농도에 대해 비-제로인 값 (또는미량 초과)를 또한 나타낸다.
Gd 농도 구배 (610)는 또한 발광층에 또는 그 근처에 최대 Gd 농도를 갖는다. 일부 구현예에서, 최대 Gd 농도는 최대 제1 도펀트 농도에 또는 그 근처에 위치한다. Gd 농도 구배 (610)은 실질적으로 Gd가 없는 발광층의 제1 및 제2 표면 근처의 위치를 포함한다. 또한, 2개의 반-최대 Gd 농도는 L의 약 3분의 1 (즉, L/3) 및 L의 3분의 2에 위치한다. 이 구현예에서, 반-최대 Gd 농도 모두는 약 동일한 규모를 갖는 기울기를 갖는다. 일부 구현예에서, 2개의 반-최대 Gd 농도 사이의 거리는 2개의 반-최대 제1 도펀트 농도 사이의 거리 미만이다.
도 7은 본원의 범위 내에 또한 있는 세라믹 본체에 대해 도펀트 농도 구배의 일구 구현예를 보여준다. 제1 도펀트 농도 구배 (700)는 도 6에서 묘사된 제1 도펀트 농도 구배 (600)와 일반적으로 동일한 특성을 갖는다. Gd 농도 프로파일 (710)는 Gd 농도 프로파일 (410)과 일반적으로 동일한 특성을 갖는다.
도 8은 본원의 범위 내에 또한 있는 세라믹 본체에 대해 도펀트 농도 구배의 일구 구현예를 보여준다. 제1 도펀트 농도 구배 (800)는 도 6에서 묘사된 제1 도펀트 농도 구배 (600)와 일반적으로 동일한 특성을 갖는다. 그 동안에, Gd 도펀트 농도 (810)는 제1 도펀트 농도 구배 (800)보다 더 넓다. 일부 구현예에서, 2개의 반-최대 Gd 농도 사이의 거리는 2개의 반-최대 제1 도펀트 농도 사이의 거리보다 더 크다.
도 3-8에서 묘사된 제1 도펀트 농도 구배 및 Gd 농도 구배의 일부는 일반적으로 발광층의 중심 부근에서 대칭이다. 환언하면, 각 농도 구배가 연속 함수 f(x)으로 합리적으로 나타내면, 이때 f(½L-z)는 0 ≤ z ≤ ½L에 대해 f(½L+z)와 대략 동일하다. 농도 구배는 단일 피크를 또한 특징으로 할 수 있다. 예를 들면, 제1 도펀트 농도 구배 (600)는 약 ½L (즉, ¾L - ¼L)의 반-최대 (즉, 두께를 따라 2개의 반-최대 도펀트 농도 사이의 거리)에서 전체 폭을 갖는다. 일부 구현예에서, Gd 농도 제1 도펀트 농도 구배에서 피크의 반-최대에서 전체 폭보다 더 큰 반-최대에서 전체 폭을 갖는 피크를 포함한다. 일부 구현예에서, Gd 농도 구배는 전체 폭 제1 도펀트 농도 구배에서 피크의 반-최대에서 전체 폭 미만인 반-최대에서 전체 폭을 갖는 피크를 포함한다. 일부 구현예에서, Gd 농도 구배는 제1 도펀트 농도 구배에서 피크의 반-최대에서 전체 폭과 대략 동일한 반-최대 폭을 갖는 피크를 포함한다.
농도 구배를 특성화하기 위해 사용될 수 있는 또 하나의 특징은 평균 도펀트 농도이다. 평균 도펀트 농도는 전체의 두께를 따라 일련의 고르게 분포된 농도를 합하고 이 합을, 합계에 사용된 총 수의 농도로 나누어서 결정될 수 있다. 대안적으로, 도펀트 농도 구배가 연속 함수 f(x)으로 합리적으로 나타낼 수 있다면, 평균 도펀트 농도
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와 같을 수 있다. 하나의 예로서, 도 4에서 묘사된 Gd 농도 프로파일 (410)에 대한 평균 도펀트 농도는 최대 도펀트 농도이다. 반대로, 도 6에서 묘사된 제1 도펀트 농도 구배 (600) 및 Gd 농도 구배 (610)는 그의 각각 최대 농도 미만인 평균 농도를 실증한다.
당해분야의 숙련가에 의해 인식되는 바와 같이, 도 2-8는 도펀트 농도 구배 및 프로파일의 간소화한 실례를 나타낸다. 다양한 인자는 이들 그래프를 실험 결과와 비교할 때 고려되어야 한다. 예를 들면, 측정된 도펀트 농도를 왜곡하는 노이즈를 고려할 필요가 있다. 이것은 다양한 당해분야에서 공지된 방법 (예를 들면, 푸리에 변환, 평균 측정, 등)을 사용하여 뒤틀림을 감소하기 위헤 데이터를 조작할 필요가 있을 수 있다. 마찬가지로, 부가적 뒤틀림은 물질에서 표면-효과 또는 작은 결함에 의해 일어날 수 있다. 숙련가는 이들 뒤틀림을 인식할 수 있고 이들 차이가 본원에 개시된 실증된 도펀트 농도 구배 및 프로파일로부터 특징을 구별하지 않는다는 것을 평가한다.
비과시간 2차 이온 질량 분광계는, 예를 들면, 관심 각 지점의 도펀트 농도, 두께 또는 거리/위치, 및 관심 각 지점에서의 그에 따른 기울기를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 농도 구배의 특징을 결정하기 위해 이들 방법을 사용하는 예에 대해, 미국 출원 번호 61/418,725 및 13/306,797를 참고하고, 이들은 그 전체가 참고로 본원에 포함되어 있다.
상기에 개시된 바와 같이, 본원에 개시된 세라믹 본체의 하나의 이점은 예상치 못하게 높은 내부 양자 효율성을 나타낸다. 일부 구현예에서, 세라믹 본체는 약 455 nm의 파장을 갖는 방사선에 노출될 때 적어도 약 0.70의 내부 양자 효율 (IQE)을 나타낸다. 일부 구현예에서, 세라믹 본체는 약 455 nm의 파장을 갖는 방사선에 노출될 때 적어도 약 0.80의 내부 양자 효율 (IQE)을 나타낸다. 일부 구현예에서, 세라믹 본체는 약 455 nm의 파장을 갖는 방사선에 노출될 때 적어도 약 0.85의 내부 양자 효율 (IQE)을 나타낸다. 일부 구현예에서, 세라믹 본체는 약 455 nm의 파장을 갖는 방사선에 노출될 때 적어도 약 0.90의 내부 양자 효율 (IQE)을 나타낸다. 일부 구현예에서, 세라믹 본체는 약 455 nm의 파장을 갖는 방사선에 노출될 때 내부 적어도 약 0.95의 양자 효율 (IQE)을 나타낸다.
세라믹 본체는 높은 투과율을 또한 가질 수 있다. 예를 들면, 세라믹 본체는 적어도 70%의 투과율을 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 세라믹 본체는 적어도 80%의 투과율을 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 세라믹 본체는 적어도 90%의 투과율을 가질 수 있다. 투과율은, 예를 들면, 약 800 nm에서 결정될 수 있다.
본원의 조성물은, 일부 구현예에서, 가돌리늄 없는 비교가능한 조성물에 대해 적색-편이 피크 방출의 파장을 나타낼 수 있다. 일부 구현예에서, 세라믹 본체는 적어도 약 535 nm의 피크 방출의 파장을 나타낸다. 일부 구현예에서, 세라믹 본체는 적어도 약 540 nm의 피크 방출의 파장을 나타낸다. 일부 구현예에서, 세라믹 본체는 적어도 약 545 nm의 피크 방출의 파장을 나타낸다. 일부 구현예에서, 세라믹 본체는 적어도 약 550 nm의 피크 방출의 파장을 나타낸다. 일부 구현예에서, 세라믹 본체는 적어도 약 555 nm의 피크 방출의 파장을 나타낸다. 피크 방출의 파장은 예를 들면 세라믹 본체를 약 455 nm의 파장을 갖는 방사선에 노출시켜서 결정될 수 있다.
방출성 세라믹의 제조 방법
본 명세서에 개시된 일부 구현예는 식 I의 조성물을 포함하는 방출성 세라믹을 제조하는 방법을 포함한다. 상기 방법은, 예를 들면, 세라믹 본체를 형성하기 위해 어셈블리를 소결하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 개시된 임의의 세라믹 본체를 제조하기 위해 사용될 수 있다.
다양한 방법은 세라믹 본체를 형성하기 위해 어셈블리를 소결하는 당해기술에 공지되어 있다. 예를 들면, 2개 이상 캐스트 테이프는 하기에 있는 개시내용에 따라 적층 및 소결될 수 있다: 미국 특허 번호 7,514,721, 미국 공보 번호 2009/0108507, 미국 출원 번호 61/418,725, 및 미국 출원 번호 13/306,797(이들 각각은 그 전체가 참고로 본원에 포함되어 있다). 또 하나의 예로서, 세라믹 본체는 하기에 개시된 바와 같이 형광체 혼합물을 성형 및 소결하여 제조될 수 있다: 미국 공보 번호 2009/0212697 및 미국 출원 번호 61/315,763(이 둘 모두는 그 전체가 참고로 본원에 포함되어 있다).
도 9a는 공-도핑된 층 (910) 만을 포함하는 어셈블리 (900)의 측면도이다. 공-도핑된 층 (910)은, 예를 들면, 식 I의 조성물을 포함하는 세라믹 본체를 얻기 위해 적절한 조건 하에서 소결될 수 있는 1 이상의 적층된 시트 또는 금형일 수 있다. 도 9b는 어셈블리 (900)의 투시도를 보여준다. 일부 구현예에서, 어셈블리는 일반적으로 균일한 분포의 형광체 성분 (또는 그의 전구체)를 포함하고, 이로써, 소결시, 발광층 중 도펀트의 분포는 일반적으로 균일하다 (예를 들면, 도 2에서 묘사된 균일한 분포).
도 10a는 층 (1020)의 한쪽에 배치된 공-도핑된 층 (1010)를 갖는 어셈블리 (1000)의 측면도이다. 도 10b는 어셈블리 (100)의 투시도를 보여준다. 어셈블리 (100)는, 예를 들면, 도 3에서 묘사된 것과 유사한 도펀트 농도 구배를 얻기 위해 적절한 조건 하에서 설정된 및 소결될 수 있다. 공-도핑된 층 (1010)은 식 I의 조성물을 포함하는 세라믹 본체를 얻기 위해 적절한 조건 하에서 소결될 수 있다.
층 (1020)은 공-도핑된 층 (1010)와 동일한 호스트 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 공-도핑된 층 (1010)에 존재하는 도펀트는 소결 동안에 층 (1020)으로 확산될 수 있다. 이것은 1 이상의 농도 구배를 갖는 세라믹 본체를 형성할 수 있다. 예를 들면, 공-도핑된 층 (1010)는 (Y0 .64Gd0 .35Ce0 .01)3Al5O12을 포함할 수 있고 층 (1020)는 (Y0 .65Gd0 .35)3Al5O12를 포함할 수 있다. 소결 동안에, Ce는 공-도핑된 층 (1010)으로부터 층 (1020)로 확산되어, 예를 들면, 도 4에서 묘사된 도펀트 농도 프로파일을 생성할 수 있다. 일부 구현예에서, 층 (1020)는 실질적으로 제1 도펀트가 없다 (즉, 식 I의 조성물 중 D). 일부 구현예에서, 층 (1020)은 미량 이하의 제1 도펀트를 포함한다. 일부 구현예에서, 층 (1020)는 실질적으로 Gd가 없다. 일부 구현예에서, 층 (1020)은 미량 이하의 Gd를 포함한다. 일부 구현예에서, 층 (1020)은 Gd를 포함하지만 미량 이하의 제1 도펀트를 포함한다. 일부 구현예에서, 층 (1020)은 Gd를 포함하지만 실질적으로 제1 도펀트가 없다. 일부 구현예에서, 층 (1020)은 공-도핑된 층 (1020)와 대략 동일한 농도의 Gd를 포함한다. 일부 구현예에서, 층 (1020)는 실질적으로 제1 및 제2 도펀트가 없다 (예를 들면, 식 I의 조성물 중 D 및 Gd 각각). 일부 구현예에서, 층 (1020)은 미량 이하의 제1 및 제2 도펀트를 포함한다. 일부 구현예에서, 층 (1020)는 실질적으로 Gd 및 Ce가 없다.
도 11a 및 11b는 본원에 개시된 방법에 따라 소결될 수 있는 어셈블리의 또 하나의 구현예를 실증한다. 도 11a는 제1 층 (1120) 및 제2 층 (1130)의 사이에 끼어든 공-도핑된 층 (1110)를 갖는 어셈블리 (1100)의 측면도이다. 도 11b는 어셈블리 (1100)의 투시도를 보여준다. 제1 층 (1120) 및 제2 층 (1130)은 도 10에서 묘사된 층 (1020)와 일반적으로 동일한 조성물을 가질 수 있다. 예를 들면, 제1 층 (1120) 및 제2 층 (1130)은 각각은 (Y0 .65Gd0 .35)Al5O12를 포함할 수 있고, 한편 공-도핑된 층 (1110)은 (Y0 .64Gd0 .35Ce0 .01)3Al5O12를 포함할 수 있다. 또 하나의 예로서, 제1 층 (1120) 및 제2 층 (1130)은 각각은 실질적으로 제1 및 제2 도펀트가 없을 수 있고 (예를 들면, 식 I의 조성물 중 D 및 Gd 각각), 한편 공-도핑된 층 (1110)은 식 I에서 제시된 물질, 예를 들면, (Y0 .64Gd0 .35Ce0 .01)3Al5O12을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 층 (1120) 및 제2 층 (1130)는 대략 동일한 조성물을 갖는다. 일부 구현예에서, 제1 층 (1120) 및 제2 층 (1130)은 미량 이하의 제1 및 제2 도펀트를 포함한다. 일부 구현예에서, 제1 층 (1120) 및 제2 층 (1130)은 실질적으로 Gd 및 Ce가 없다. 일부 구현예에서, 제1 층 (1120) 및 제2 층 (1130)은 미량 이하의 Gd 및 Ce를 포함하고, 한편 공-도핑된 층 (1110)은 식 I에서 제시된 물질, 예를 들면, (Y0 .64Gd0 .35Ce0 .01)3Al5O12을 포함할 수 있다. 소결 동안에, 제1 도펀트 (예를 들면, Ce)및/또는 제2 도펀트 (예를 들면, Gd)는 공-도핑된 층 (1110)으로부터 제1 층 (1120) 및 제2 층 (1130)으로 확산하여, 예를 들면, 어셈블리의 배치에 따라 도 7 또는 도 8에서 묘사된 도펀트 농도 프로파일을 생성할 수 있다.
또 하나의 예에서, 제1 층 (1110) 및 제2 층 (1120) 각각은 실질적으로 제1 도펀트가 없을 수 있고 (즉, 식 I의 조성물 중 D), 한편 공-도핑된 층 (1110)은 식 I에서 제시된 물질, 예를 들면, (Y0.64Gd0.35Ce0.01)3Al5O12을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 층 (1120) 및 제2 층 (1130)은 미량 이하의 제1 도펀트를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 층 (1120) 및 제2 층 (1130)은 실질적으로 Ce가 없을 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 층 (1120) 및 제2 층 (1130)은 미량 이하의 Ce를 포함할 수 있고, 한편 공-도핑된 층 (1110)은 식 I에서 제시된 물질, 예를 들면, (Y0.64Gd0.35Ce0.01)3Al5O12을 포함할 수 있다.
또 하나의 예에서, 제1 층 (1110) 및 제2 층 (1120) 각각은 실질적으로 Gd가 없을 수 있고, 한편 공-도핑된 층 (1110)은 식 I에서 제시된 물질, 예를 들면, (Y0 .64Gd0 .35Ce0 .01)3Al5O12을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 층 (1020)은 미량 이하의 Gd를 포함한다. 일부 구현예에서, 층 (1020)는 실질적으로 Gd가 없다. 일부 구현예에서, 층 (1020)은 미량 이하의 Gd를 포함하고, 한편 공-도핑된 층 (1110)은 식 I에서 제시된 물질, 예를 들면, (Y0 .64Gd0 .35Ce0 .01)3Al5O12을 포함할 수 있다.
도 12a 및 12b는 본원에 개시된 방법에 따라 소결될 수 있는 어셈블리의 또 하나의 구현예를 실증한다. 도 12a는 제1 층 (1220) 및 제2 층 (1230) 사이에 배치된 공-도핑된 층 (1210)을 갖는 어셈블리 (1200)의 측면도이다. 제1 층 (1220)는 공-도핑된 층 (1210) 및 제3 층 (1240) 사이에 배치된다. 제2 층 (1230)는 공-도핑된 층 (1210) 및 제4 층 (1250) 사이에 배치된다. 도 12b는 어셈블리 (1100)의 투시도를 보여준다.
제1 층 (1220) 및 제2 층 (1230)은 층 (1020) 에 대해 기재된 것과 일반적으로 동일한 조성물을 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 층 (1220) 및 제2 층 (1230)는 동일한 조성물을 갖는다. 일부 구현예에서, 제3 층 (1240) 및 제4 층 (1250)는 공-도핑된 층 (1210) 와 동일한 호스트 물질을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 제3 층 (1240) 및 제4 층 (1250)은 미량 이하의 제1 도펀트 및 Gd를 포함한다. 일부 구현예에서, 제3 층 (1240) 및 제4 층 (1250)은 미량 이하의 제1 도펀트를 포함한다. 일부 구현예에서, 제3 층 (1240) 및 제4 층 (1250)은 미량 이하의 Gd를 포함한다. 일부 구현예에서, 제3 층 (1240) 및 제4 층 (1250)은 실질적으로 제1 도펀트 및 Gd가 없다. 일부 구현예에서, 제3 층 (1240) 및 제4 층 (1250)는 동일한 조성물을 갖는다. 하나의 예로서, 제1 층 (1220) 및 제2 층 (1230) 각각은 (Y0 .65Gd0 .35)3Al5O12를 포함할 수 있고, 공-도핑된 층 (1210)은 (Y0 .64Gd0 .35Ce0 .01)3Al5O12를 포함할 수 있고, 제3 층 (1240) 및 제4 층 (1250) 각각은 Y3Al5O12를 포함할 수 있다. 소결 동안에, Ce 및 Gd은 층들 사이에 확산되어, 예를 들면, 도 8에서 묘사된 도펀트 농도 프로파일을 생성할 수 있다.
일부 구현예에서, 제3 층 (1240) 및 제4 층 (1250)은 층 (1020) 에 대해 기재된 것과 일반적으로 동일한 조성물을 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 제3 층 (1240) 및 제4 층 (1250)는 동일한 조성물을 갖는다. 일부 구현예에서, 제1 층 (1220) 및 제3 층 (1230)는 공-도핑된 층 (1210) 와 동일한 호스트 물질을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 층 (1220) 및 제2 층 (1230)은 미량 이하의 제1 도펀트 및 Gd를 포함한다. 일부 구현예에서, 제1 층 (1220) 및 제2 층 (1230)은 미량 이하의 제1 도펀트를 포함한다. 일부 구현예에서, 제1 층 (1220) 및 제2 층 (1230)은 미량 이하의 Gd를 포함한다. 일부 구현예에서, 제1 층 (1220) 및 제2 층 (1230)은 실질적으로 제1 도펀트 및 Gd가 없다. 일부 구현예에서, 제1 층 (1220) 및 제2 층 (1230)은 실질적으로 제1 도펀트가 없다. 일부 구현예에서, 제1 층 (1220) 및 제2 층 (1230)은 실질적으로 Gd가 없다. 일부 구현예에서, 제1 층 (1220) 및 제2 층 (1230)는 동일한 조성물을 갖는다. 하나의 예로서, 제3 층 (1240) 및 제4 층 (1250) 각각은 (Y0.65Gd0.35)3Al5O12를 포함할 수 있고, 공-도핑된 층 (1210)은 (Y0 .64Gd0 .35Ce0 .01)3Al5O12를 포함할 수 있고, 제1 층 (1220) 및 제2 층 (1230) 각각은 Y3Al5O12를 포함할 수 있다. 소결 동안에, Ce 및 Gd은 층들 사이에 확산되어 도펀트 농도 프로파일을 생성할 수 있다.
어셈블리의 공-도핑된 층 호스트 물질, 호스트 물질 전구체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 호스트 물질는 석류석이다. 일부 구현예에서, 호스트 물질는 이트륨 알루미늄 석류석이다. "호스트 물질 전구체"는 가공 동안에 호스트 물질을 형성할 임의의 성분일 수 있다. 예로서, 이트륨 알루미늄 석류석 전구체는 소결 동안에 이트륨 알루미늄 석류석을 형성하는, 3:5의 화학양론적 비의 Y2O3 및 Al2O3의 혼합물일 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, "동등량의 호스트 물질 전구체"는, 호스트 물질 전구체가 가공 동안에 산출하는 호스트 물질의 양이다. 일부 구현예에서, 공-도핑된 층은 적어도 50 중량% 이트륨 알루미늄 석류석 및/또는 그의 동등량의 전구체를 포함한다. 일부 구현예에서, 공-도핑된 층은 적어도 80% 이트륨 알루미늄 석류석 및/또는 그의 동등량의 전구체를 포함한다. 일부 구현예에서, 공-도핑된 층은 적어도 90% 이트륨 알루미늄 석류석 및/또는 그의 동등량의 전구체를 포함한다. 일부 구현예에서, 공-도핑된 층은 이트륨 알루미늄 석류석 및 원하는 도펀트로 본질적으로 이루어진다.
공-도핑된 층은 또한, 하기로부터 선택된 제1 도펀트를 포함한다: Nd, Er, Eu, Mn, Cr, Yb, Sm, Tb, Ce, Pr, Dy, Ho, Lu 및 이들의 조합. 일부 구현예에서, 제1 도펀트는 Ce이다. 공-도핑된 층 중 도펀트의 양은, 소결이 완료된 후 세라믹 본체 상에 발광을 부여하는데 효과적인 양일 수 있다. 일부 구현예에서, 공-도핑된 층은 약 0.1 % 내지 약 10 %의 제1 도펀트를 포함한다. 공-도핑된 층은 예를 들면 하기를 포함할 수 있다: 제1 도펀트의 적어도 약 0.2 %; 적어도 약 0.4 %; 적어도 약 0.5 %; 적어도 약 0.6 %; 적어도 약 1 %; 적어도 약 1.5 %; 또는 적어도 약 2 %. 공-도핑된 층은 예를 들면 제1 도펀트의 약 10 % 이하; 약 5 % 이하; 약 4 % 이하; 약 3.5 % 이하; 또는 약 3 % 이하를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 공-도핑된 층은 일반적으로 균일한 분포의 제1 도펀트를 함유할 수 있다.
공-도핑된 층은 또한 Gd를 포함한다. 공-도핑된 층 중 Gd의 양은, 예를 들면, 약 4 % 및 약 80 %의 범위일 수 있다. Gd의 양은, 예를 들면 적어도 약 5 %; 적어도 약 10 %; 적어도 약 15 %; 적어도 약 20 %; 적어도 약 25 %; 적어도 약 30 %; 또는 적어도 약 35 %; 적어도 약 40 %; 적어도 약 45 %; 또는 적어도 약 50 %일 수 있다. Gd의 양은, 예를 들면, 약 80 % 이하; 약 70 % 이하; 약 60 % 이하; 약 50 % 이하; 약 45 % 이하; 또는 약 40 % 이하일 수 있다. Gd에 대한 농도의 비제한 예는 약 10 % 내지 약 35 %를 포함한다.
어셈블리 중 1 이상의 층 (예를 들면, 1, 2, 3, 또는 4 개의 층) (예를 들면, 도 12a 및 12b에서 묘사된 층 (1220, 1230, 1240, 및 1250))은 또한 호스트 물질, 호스트 물질 전구체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 1 이상의 층은 적어도 50중량 % 호스트 물질 및/또는 그의 동등량의 전구체를 포함한다. 일부 구현예에서, 1 이상의 층은 적어도 80% 호스트 물질 및/또는 그의 동등량의 전구체를 포함한다. 일부 구현예에서, 층은 적어도 90% 호스트 물질 및/또는 그의 동등량의 전구체를 포함한다. 일부 구현예에서, 공-도핑된 층 중 호스트 물질은 1 이상의 층 중 호스트 물질과 동일하다. 일부 구현예에서, 1 이상의 층은 호스트 물질, 호스트 물질 전구체, 또는 이들의 조합으로 본질적으로 이루어진다. 1 이상의 층 중 호스트 물질은, 예를 들면, 이트륨 알루미늄 석류석일 수 있다. 일부 구현예에서, 1 이상의 층은 이트륨 알루미늄 석류석으로 본질적으로 이루어진다.
1 이상의 층은, 일부 구현예에서, 공-도핑된 층 중 제1 도펀트가 실질적으로 없을 수 있다. 예를 들면, Ce를 갖는 공-도핑된 층은 미량 이하의 Ce를 포함하는 2개의 층 사이에 배치될 수 있다. 일부 구현예에서, 공-도핑된 층에 인접한 층은 Gd를 포함한다. 공-도핑된 층에 인접한 층은 공-도핑된 층에서와 동일한 Gd의 원자 백분율을 포함할 수 있다. 예를 들면, 층 각각은 (Y0 .65Gd0 .35)3Al5O12을 포함할 수 있고 공-도핑된 층은 (Y0 .64Gd0 .35Ce0 .01)3Al5O12을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 적어도 하나 층은 공-도핑된 층 중 Gd 및 제1 도펀트가 실질적으로 없다. 예를 들면, 공-도핑된 층은 (Y0.64Gd0.35Ce0.01)3Al5O12을 포함할 수 있고, 2개의 내부 공-도핑된 층에 인접한 층은 (Y0 .65Gd0 .35)3Al5O12을 포함할 수 있고, 2개의 외층은 Y3Al5O12을 포함할 수 있다. 또 하나의 예로서, 공-도핑된 층은 (Y0.64Gd0.35Ce0.01)3Al5O12을 포함할 수 있고, 2개의 내부 공-도핑된 층에 인접한 층은 Y3Al5O12을 포함할 수 있고 2개의 외층은 (Y0 .65Gd0 .35)3Al5O12을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 적어도 하나 층 (예를 들면, 1, 2, 3, 4, 또는 그 초과 층)은 세라믹 본체 상에 발광을 부여하는데 비효과적인 제 1 도펀트의 양을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 적어도 하나 층은 미만 약 0.05 % 제1 도펀트를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 적어도 하나 층은 미만 약 0.01 % 제1 도펀트를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 적어도 하나 층은 미만 약 0.001 % 제1 도펀트를 포함할 수 있다.
상대 공-도핑된 층 및 1 이상의 층의 두께는 내부 양자 효율성에 영향을 미칠 수 있다. 두께가 양자 효율성을 어떻게 조절하는 지에 대한 추가 고찰에 대해 미국 출원 번호 61/418,725 및 13/306,797을 참고하고, 이들 각각은 참고로 본원에 포함되어 있다. 따라서, 일부 구현예에서, 공-도핑된 층은 공-도핑된 층 내의 적어도 제1 도펀트 농도의 감소를 가능하도록 설정된 두께를 갖는다. 일부 구현예에서, 공-도핑된 층은 공-도핑된 층으로부터 그리고 1 이상의 층으로 적어도 제1 도펀트의 확산을 가능하도록 설정된 두께를 갖는다. 일부 구현예에서, 공-도핑된 층은 약 10 μm 내지 약 500 μm 범위의 두께를 갖는다. 일부 구현예에서, 공-도핑된 층은 약 40 μm 내지 약 400 μm 범위의 두께를 갖는다. 공-도핑된 층은, 예를 들면, 하기인 두께를 가질 수 있다: 적어도 약 20 μm; 적어도 약 30 μm; 적어도 약 40 μm; 또는 적어도 약 50 μm. 공-도핑된 층은, 또한, 예를 들면, 하기인 두께를 가질 수 있다: 약 200 μm 이하; 약 150 μm 이하; 약 120 μm 이하; 약 100 μm 이하; 약 80 μm 이하; 또는 약 70 μm 이하.
어셈블리 중 1 이상의 층 (예를 들면, 1, 2, 3, 또는 4 개의 층) (예를 들면, 도 12a 및 12b에서 묘사된 층 (1220, 1230, 1240, 및 1250))는 각각은 약 30 μm 내지 약 800 μm 범위의 두께를 독립적으로 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 1 이상의 층은 각각은 독립적으로 약 40 μm 내지 약 400 μm 범위의 두께를 가질 수 있다. 1 이상의 층 각각은, 예를 들면, 하기인 두께를 독립적으로 가질 수 있다: 적어도 약 40 μm; 적어도 약 60 μm; 적어도 약 80 μm; 적어도 약 90 μm; 적어도 약 100 μm; 적어도 약 120 μm; 적어도 약 150 μm; 적어도 약 200 μm; 또는 적어도 약 400 μm. 1 이상의 층은 각각은, 예를 들면, 하기인 두께를 독립적으로 가질 수 있다: 약 800 μm 이하; 약 600 μm 이하; 약 500 μm 이하; 약 400 μm 이하; 약 300 μm 이하; 약 250 μm 이하; 약 200 μm 이하; 약 150 μm 이하; 또는 약 120 μm 이하. 일부 구현예에서, 적어도 하나 층 (예를 들면, 1, 2, 3, 또는 4 개의 층)는 공-도핑된 층의 두께 이하의 두께를 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 적어도 하나 층 (예를 들면, 1, 2, 3, 또는 4 개의 층)는 공-도핑된 층의 두께 이상의 두께를 갖는다.
공-도핑된 층의 두께는, 예를 들면, 적어도 하나의 층 (예를 들면, 도 12a에서 묘사된 1220, 1230, 1240 및/또는 1250)의 두께 미만일 수 있다. 공-도핑된 층의 두께에 대한 적어도 하나의 층의 두께의 비는, 일부 구현예에서, 약 20:1 내지 약 1.5:1의 범위일 수 있다. 공-도핑된 층의 두께에 대한 적어도 하나의 층의 두께의 비는, 예를 들면, 약 15:1 이하; 약 12:1 이하; 약 10:1 이하; 약 8:1 이하; 또는 약 5:1 이하일 수 있다. 공-도핑된 층의 두께에 대한 적어도 하나의 층의 두께의 비는 또한, 예를 들면, 적어도 약 2:1; 적어도 약 3:1; 적어도 약 4:1; 또는 적어도 약 5:1일 수 있다.
어셈블리의 총 두께가 특별히 제한되는 것은 아니다. 일부 구현예에서, 어셈블리는 약 10 μm 및 1 mm 범위의 두께를 가질 수 있다. 어셈블리는 예를 들면 하기의 두께를 가질 수 있다: 적어도 약 10 μm; 적어도 약 50 μm; 적어도 약 100 μm; 적어도 약 200 μm; 또는 적어도 약 250 μm. 어셈블리는, 예를 들면, 하기의 두께를 가질 수 있다: 약 1 mm 이하; 약 800 μm 이하; 약 600 μm 이하; 약 400 μm 이하; 또는 약 300 μm 이하.
도 13은 적층물을 포함하는 세라믹 본체를 형성하는 일 구현예에 대한 제조 흐름 선도를 보여준다. 먼저, 원료 (예를 들면, YAG를 형성하기 위한 니트레이트 또는 옥사이드 기반 원료, 예컨대 Y2O3 및 Al2O3)의 입자 크기는 용매의 증발 동안에 모세관력으로부터 캐스트 테이프에서 크래킹을 감소시키기 위해 임의로 조정될 수 있다. 예를 들면, 입자 크기는 원하는 입자 크기를 얻기 위해 전-어널링 원료 입자에 의해 조정될 수 있다. 원료 입자는 원하는 입자 크기를 얻기 위해 약 800 ℃ 내지 약 1800 ℃ (또는 더 바람직하게는 1000 ℃ 내지 약 1500 ℃)의 온도 범위에서 전-어널링될 수 있다. 전-어널링은 진공, 공기, O2, H2, H2/N2, 또는 비활성 가스 (예를 들면, He, Are, Kr, Ex., Run, 또는 이들의 조합)에서 일어날 수 있다. 구현예에서, 각각의 원료 (예를 들면, YAG를 형성하기 위한 Y2O3 및 Al2O3)는 대략 동일한 입자 크기가 되도록 조정된다. 또 하나의 구현예에서, 입자는 약 0.5 m2/g 내지 약 20 m2/g (바람직하게는 약 1.0 m2/g 내지 약 10 m2/g, 또는 더 바람직하게는 약 3.0 m2/g 내지 약 6.0 m2/g)의 범위로 BET 표면적를 갖는다.
그 다음 슬러리는 차후에 테이프로 캐스팅하기 위해 제조될 수 있다. 원료의 미리 만들어진 형광체 (예를 들면, 본원에 기재된 유동 기반 열화학 합성 경로에 의해 제조된 형광체) 및/또는 화학양론 양은 혼합물을 형성하기 위해 다양한 성분과 상호혼합될 수 있다. 혼합물에 대한 성분의 예는, 비제한적으로, 도펀트, 분산제, 가소제, 바인더, 소결 조제 및 용매를 포함한다.
일부 구현예에서, 작은 양의 플럭스 재료 (예를 들면, 소결 조제)는 필요하다면 어셈블리의 소결 특성을 개선하기 위해 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 소결 조제는 비제한적으로 포함할 수 있다: 테트라에틸 오르토실리케이트 (TEOS), 콜로이드 실리카, 리튬 옥사이드, 산화티타늄, 지르코늄 옥사이드, 마그네슘 옥사이드, 바륨 옥사이드, 칼슘 옥사이드, 스트론튬 옥사이드, 산화붕소, 또는 칼슘 플루오라이드. 부가적 소결 조제는, 비제한적으로, 알칼리 금속 할라이드 예컨대 NaCl 또는 KCl, 및 유기 화합물 예컨대 우레아를 포함한다. 일부 구현예에서, 어셈블리는 약 0.01% 내지 약 5%, 약 0.05% 내지 약 5%, 약 0.1% 내지 약 4%, 또는 약 0.3% 내지 약 1중량%의 플럭스 재료(들) 또는 소결 조제(들)을 포함한다. 소결 조제는 원료와 상호혼합될 수 있다. 예를 들면, 일부 구현예에서, 테트라에틸 오르토실리케이트 (TEOS)은 원하는 양의 소결 조제를 제공하기 위해 원료에 부가될 수 있다. 일 구현예에서, 약 0.05% 내지 약 5중량%의 TEOS는 어셈블리에서 제공된다. 일부 구현예에서, TEOS의 양은 약 0.3% 내지 약 1중량 %일 수 있다.
다양한 가소제는, 일부 구현예에서, 유리전이온도를 감소시키고/거나 세라믹의 유연성을 개선하기 위해 또한 포함될 수 있다. 가소제의 비제한 예는 하기를 포함한다: 디카복실/트리카복실 에스테르-기반 가소제, 예컨대 비스(2-에틸헥실) 프탈레이트, 디이소노닐 프탈레이트, 비스(n-부틸)프탈레이트, 부틸 벤질 프탈레이트, 디이소데실 프탈레이트, 디-n-옥틸 프탈레이트, 디이소옥틸 프탈레이트, 디에틸 프탈레이트, 디이소부틸 프탈레이트, 및 디-n-헥실 프탈레이트; 아디페이트-기반 가소제, 예컨대 비스(2-에틸헥실)아디페이트, 디메틸 아디페이트, 모노메틸 아디페이트, 및 디옥틸 아디페이트; 세바케이트-기반 가소제, 예컨대 디부틸 세바케이트, 및 말레에이트; 디부틸 말레에이트; 디이소부틸 말레에이트; 폴리알킬렌 글리콜 예컨대 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 및 그의 코폴리머; 벤조에이트; 에폭시화된 식물성 오일; 설폰아마이드, 예컨대 N-에틸 톨루엔 설폰아마이드, N-(2-하이드록시프로필)벤젠 설폰아마이드, 및 N-(n-부틸)벤젠 설폰아마이드; 오르가노포스페이트, 예컨대 트리크레실 포스페이트, 트리부틸 포스페이트; 글리콜/폴리에테르, 예컨대 트리에틸렌 글리콜 디헥사노에이트, 테트라에틸렌 글리콜 디헵타노에이트; 알킬 시트레이트, 예컨대 트리에틸 시트레이트, 아세틸 트리에틸 시트레이트, 트리부틸 시트레이트, 아세틸 트리부틸 시트레이트, 트리옥틸 시트레이트, 아세틸 트리옥틸 시트레이트, 트리헥이실 시트레이트, 아세틸 트리헥이실 시트레이트, 부티릴 트리헥이실 시트레이트, 및 트리메틸 시트레이트; 알킬 설폰 페닐 에스테르; 및 그의 혼합물.
일부 구현예에서, 공정은 바인더 수지 및 용매를 원료 분말에 가끔 부가하여 쉽게 만들어질 수 있다. 바인더는 복합물을 형성하기 위해 가열될 조성물의 입자의 부착을 개선하는 임의의 물질이다. 바인더의 일부 비제한 예는 하기를 포함한다: 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐 부티랄, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐 아세테이트, 및 폴리비닐 부티레이트, 등. 전부는 아닌 일부 상황에서, 바인더가, 소결 상 동안에 전구체 혼합물로부터 완전히 제거 또는 없앴 수 있는 충분히 휘발성인 것이 유용할 수 있다. 사용될 수 있는 용매는 비제한적으로 하기를 포함한다: 물, 저급 알칸올 예컨대 비제한적으로 변성된 에탄올, 메탄올, 이소프로필 알코올 및 그의 혼합물, 바람직하게는 변성된 에탄올, 자일렌, 사이클로헥사논, 아세톤, 톨루엔 및 메틸 에틸 케톤, 및 그의 혼합물. 바람직한 구현예에서, 용매는 자일렌 및 에탄올의 혼합물이다.
일부 구현예에서, 분산제는 Flowen, 물고기 오일, 장쇄 폴리머, 스테아린산, 산화된 멘헤이든 물고기 오일, 디카복실산 예컨대 석신산, 오르비탄 모노올레에이트, 에탄디오산, 프로판디오산, 펜탄디오산, 헥산디오산, 헵탄디오산, 옥탄디오산, 노난디오산, 데칸디오산, o-프탈산, p-프탈산 및 그의 혼합물일 수 있다.
그 다음 혼합물에 대해, 예를 들면, 약 0.5 시간 내지 약 100 시간 (바람직하게는 약 6 시간 내지 약 48 시간, 또는 더 바람직하게는 약 12 시간 내지 약 24 시간) 범위의 기간 동안에 혼합물을 볼 밀링하여 슬러리를 형성하기 위해 분쇄가 수행될 수 있다. 볼 밀링은 혼합물 내에 상호혼합된 성분 이외의 물질을 포함하는 밀링 볼을 이용할 수 있다 (예를 들면, 밀링 볼은 YAG를 형성하는 혼합물에 위해 ZrO2 일 수 있다). 구현예에서, 볼 밀링은 여과 또는 단리의 다른 공지된 방법들에 의해 기간 후에 밀링 볼을 단리하는 것을 포함한다. 일부 구현예에서, 슬러리는 약 10 cP 내지 약 5000 cP (바람직하게는 약 100 cP 내지 약 3000 cP, 또는 더 바람직하게는 약 400 cP 내지 1000 cP) 범위의 점도를 갖는다.
제3, 슬러리는 테이프를 형성하기 위해 방출 기질 (예를 들면, 실리콘 코팅된 폴리에틸렌 테트라프탈레이트 기질) 상에서 캐스트될 수 있다. 예를 들면, 슬러리는 닥터 블레이드를 사용하여 이동 운반체 상에 캐스트되고 건조되어 테이프를 형성할 수 있다. 캐스트 테이프의 두께는 닥터 블레이드와 이동 운반체 사이의 갭을 변화시켜서 조정될 수 있다. 일부 구현예에서, 닥터 블레이드와 이동 운반체 사이의 갭은 약 0.125 mm 내지 약 1.25 mm (바람직하게는 약 0.25 mm 내지 약 1.00 mm, 또는 더 바람직하게는 약 0.375 mm 내지 약 0.75 mm)의 범위이다. 그 동안에, 이동 운반체의 속도는 약 10 cm/min 내지 약 150 cm/min (바람직하게는 약 30 cm/min 내지 약 100 cm/min, 또는 더 바람직하게는 약 40 cm/min 내지 약 60 cm/min) 범위의 속도를 가질 수 있다. 이동 운반체 속도 및 닥터 블레이드와 이동 운반체 사이의 갭을 조정하여, 테이프는 두께 약 20 μm 내지 약 300 μm를 가질 수 있다. 테이프는 캐스팅 후 원하는 형상으로 임의로 절단될 수 있다.
2개 이상 테이프는 어셈블리를 형성하기 위해 적층될 수 있다. 적층 단계는 2개 이상 테이프 (예를 들면, 2 내지 100개의 테이프가 적층된다)를 적층하고 적층된 테이프에 대해 가열 및 단일축 압력(예를 들면, 테이프 표면에 수직인 압력)을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들면, 적층된 테이프는 테이프에 함유된 바인더의 유리전이온도 (Tg) 초과로 가열되고 금속 다이를 사용하여 단일축으로 압축될 수 있다. 일부 구현예에서, 단일축 압력은 약 1 내지 약 500 MPa (바람직하게는 약 30 MPa 내지 약 60 MPa)의 범위이다. 일부 구현예에서, 가열 및 압력은 약 1 min 내지 약 60 min (바람직하게는 약 15 min 내지 약 45 min, 또는 더 바람직하게는 약 30 min)의 범위로 기간 동안 적용된다. 적층 단계는 예를 들면, 형성된 다이를 사용하여 다양한 형상 (예를 들면, 구멍 또는 기둥모양) 또는 패턴을 어셈블리로 형성하는 것을 임의로 포함할 수 있다.
어셈블리의 일부 구현예는 식 I의 조성물, 또는 그의 전구체을 포함하는 적어도 하나 이상의 테이프를 포함한다. 1 이상의 테이프는 함께 적층되어 어셈블리를 형성할 수 있다. 어셈블리는, 일부 구현예에서, 다른 층 (예를 들면, 도 9에서 표시된 어셈블리 (910))을 제외할 수 있다. 일부 구현예에서, 어셈블리는 또한 공-도핑된 층과 상이한 1 이상의 층을 포함할 수 있다. 1 이상의 층 각각은 1 이상의 테이프를 포함할 수 있다. 예를 들면, 어셈블리는 호스트 물질, 또는 그의 전구체를 포함하는 한 측면 상에서 층을 갖는 공-도핑된 층을 포함할 수 있다. 또 하나의 예로서, 어셈블리는 Gd로 도핑된 호스트 물질, 또는 전구체를 포함하는 한 측면 상에서 층을 갖는 공-도핑된 층을 포함할 수 있다. 물론, 테이프는 다양한 배치, 예컨대 도 9-12에서 묘사된 것들의 어떤 것으로 적층될 수 있다. 공-도핑된 층 및 1 이상의 층의 두께는 어셈블리에서 테이프의 수를 변화시켜서 변형될 수 있다. 예를 들면, 더 두꺼운 공-도핑된 층을 얻기 위해, 테이프의 부가적 층은 식 I의 조성물을 갖는 어셈블리에 부가될 수 있다.
본원에 개시된 방법은 세라믹 본체를 얻기 위해 어셈블리를 소결하는 것을 포함할 수 있다. 본원의 교시에 의해 안내되는 숙련가에 의해 인식되는 바와 같이, 어셈블리의 배치는 세라믹 본체 내에 농도 프로파일을 조절할 수 있다. 또한, 소결 조건, 예컨대 온도 및 시간은 농도 프로파일에 영향을 미칠 수 있다.
어셈블리 및 소결 조건은, 제1 도펀트의 부분은 공정 동안에 공-도핑된 층 밖으로 확산될 정도로 임의의 설정될 수 있다. 예를 들면, 제1 도펀트는 어셈블리에서 인접한 층으로 확산될 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 도펀트의 적어도 30%는 공정 동안에 공-도핑된 층 밖으로 확산된다. 일부 구현예에서, 제1 도펀트의 적어도 40%는 공정 동안에 공-도핑된 층 밖으로 확산된다. 일부 구현예에서, 제1 도펀트의 적어도 50%는 공정 동안에 공-도핑된 층 밖으로 확산된다. 일부 구현예에서, 제1 도펀트의 적어도 60%는 공정 동안에 공-도핑된 층 밖으로 확산된다. 일부 구현예에서, 제1 도펀트의 적어도 70%는 공정 동안에 공-도핑된 층 밖으로 확산된다.
어셈블리 및 소결 조건은, Gd의 부분이 공정 동안에 공-도핑된 층 밖으로 확산될 정도로 또한 임의의 설정될 수 있다. 예를 들면, Gd는 어셈블리에서 인접한 층으로 확산될 수 있다. 일부 구현예에서, Gd의 적어도 5%는 공정 동안에 공-도핑된 층 밖으로 확산된다. 일부 구현예에서, Gd의 적어도 10%는 공정 동안에 공-도핑된 층 밖으로 확산된다. 일부 구현예에서, Gd의 70% 이하는 공정 동안에 공-도핑된 층 밖으로 확산된다. 일부 구현예에서, Gd의 50% 이하는 공정 동안에 공-도핑된 층 밖으로 확산된다. 일부 구현예에서, Gd의 30% 이하는 공정 동안에 공-도핑된 층 밖으로 확산된다. 일부 구현예에서, Gd의 20% 이하는 공정 동안에 공-도핑된 층 밖으로 확산된다.
소결 조건은 (예를 들면, 소결 전) 어셈블리 중 공-도핑된 층의 초기 최대 제1 도펀트 농도에 대해 세라믹 본체에서 최대 제1 도펀트 농도를 조절하기 위해 또한 조정될 수 있다. 예를 들면, 0.5 % Ce 도핑된 층을 갖는 어셈블리는 약 0.25 % Ce의 최대 도펀트 농도와 함께 제1 도펀트 농도 구배를 갖는 발광층을 생산하기 위해 소결될 수 있다. 따라서, 이 경우에, 최대 제1 도펀트 농도는 공-도핑된 층에서 초기 최대 제1 도펀트 농도의 약 50%이다. 일부 구현예에서, 발광층의 제1 도펀트 농도 구배는 어셈블리의 도핑된 층 중 초기 제1 도펀트 농도의 약 65% 이하인 최대 제1 도펀트 농도를 포함한다. 발광층의 제1 도펀트 농도 구배는, 예를 들면, 하기인 최대 제1 도펀트 농도를 또한 포함할 수 있다: 어셈블리의 도핑된 층 중 초기 제1 도펀트 농도의 약 60% 이하; 어셈블리의 도핑된 층 중 초기 제1 도펀트 농도의 약 55% 이하; 어셈블리의 도핑된 층 중 초기 제1 도펀트 농도의 약 50% 이하; 어셈블리의 도핑된 층 중 초기 제1 도펀트 농도의 약 40% 이하; 또는 어셈블리의 도핑된 층 중 초기 제1 도펀트 농도의 약 25% 이하.
소결 전에, 임의의 탈지 공정이 완료될 수 있다. 탈지 공정은 어셈블리 내에 유기 성분의 적어도 일부를 분해하는 것을 포함한다 (예를 들면, 어셈블리 내에 바인더 및 가소제를 휘발화한다). 예로서, 어셈블리는 약 300 ℃ 내지 약 1200 ℃ (바람직하게는 약 500 ℃ 내지 약 1000 ℃, 또는 더 바람직하게는 약 800 ℃) 범위의 온도에서 약 0.1 ℃/min 내지 약 10 ℃/min (바람직하게는 약 0.3 ℃/min 내지 약 5 ℃/min, 또는 더 바람직하게는 약 0.5 ℃/min 내지 약 1.5 ℃/min)의 속도로 공기에서 가열될 수 있다. 가열 단계는 어셈블리의 두께를 기반으로 선택될 수 있는 약 30 min 내지 약 300 min 범위의 기간 동안 온도를 유지하는 것을 또한 포함할 수 있다.
어셈블리는 진공, 공기, O2, H2, H2/N2, 또는 비활성 가스 (예를 들면, He, Are, Kr, Ex., Run, 또는 이들의 조합)에서 약 1200 ℃ 내지 약 1900 ℃ (바람직하게는 약 1300 ℃ 내지 약 1800 ℃, 또는 더 바람직하게는 약 1350 ℃ 내지 약 1700 ℃) 범위의 온도에서 약 1 시간 내지 약 60 시간 (바람직하게는 약 2 시간 내지 약 10 시간) 범위의 기간 동안에 소결될 수 있다. 일부 구현예에서, 탈지 및 소결 공정은 단일 단계로 완료된다.
어셈블리는 어셈블리의 뒤틀림 (예를 들면, 워핑(warping), 캠버링(campering), 벤딩, 등)을 감소시키기 위해 가열 단계 동안에 커플 플레이트 사이에 끼일 수 있다. 커버 플레이트는 가열 단계 동안에 적용된 온도 초과의 용융점을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 또한, 커버 플레이트는 커버링 플레이트를 통해 휘발된 성분을 수송을 허용하도록 충분한 다공성일 수 있다. 예로서, 커버링 플레이트는 약 40%의 기공도를 갖는 지르코늄 디옥사이드일 수 있다.
방출성 세라믹을 사용하는 조명 장치 및 방법
일부 구현예는 광원을 갖는 조명 장치 및 광원에 의해 방출된 방사선의 적어도 일부를 수용하도록 설정된 세라믹 본체를 제공한다. 세라믹 본체는 식 I의 조성물, 예컨대 상기 개시된 임의의 것들을 포함할 수 있다.
광원은, 일부 구현예에서, 청색 방사선을 방출하도록 설정될 수 있다. 청색 방사선은, 예를 들면, 약 360 nm 내지 약 500 nm의 피크 방출의 파장을 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 광원은 약 450 nm 내지 약 500 nm의 피크 방출의 파장을 갖는 방사선을 방출한다. 일부 구현예는 반도체 LED인 광원을 포함한다. 예로서, 광원은 전원에 커플링된 AlInGaN 기반 단일 결정 반도체 물질일 수 있다.
도 14는 본 명세서에 개시된 세라믹 본체를 포함할 수 있는 조명 장치의 예이다. 서브마운트 (1410)는 광원 (1415), 예컨대 그 위에 실장된 종래의 베이스 LED를 갖는다. 광원 (1415)는 광원 (1415)로부터 방출된 광의 적어로 일부를 수용하는 발광층 (1430)에 인접한다. 임의의 봉합재 수지 (1425)는 광원 (1415) 및 발광층 (1430) 위에 놓여진다. 발광층 (1430)은 본원에 개시된 임의의 세라믹 본체를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 조명 장치는 p-형 영역 및 n-형 영역 사이의의 세마릭 본체를 포함한다. 세라믹 본체는 일부 구현예에서, 2개의 비-발광층 사이에 배치된 발광층을 가질 수 있다. 비-발광층은, 예를 들면, 알루미나일 수 있다.
본원에 개시된 임의의 세라믹 본체를 청색 방사선에 노출시키는 것을 포함하는 광을 생산하는 방법이 또한 본원에 개시된다. 청색 방사선은, 예를 들면, 약 360 nm 내지 약 500 nm의 피크 방출의 파장을 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 청색 방사선은 약 450 nm 내지 약 500 nm의 피크 방출의 파장을 갖는다.
실시예
부가적 구현예는, 어떤 식으로든 청구항의 범위를 한정하는 것으로 의도되지 않는 하기 실시예에서 추가 상세히 개시된다.
실시예 1
(a) ( Y 0 .635 Ce 0 .015 Gd 0 .35 ) 3 Al 5 O 12 층: 1.826 g의 이트륨 (III) 니트레이트 헥스 히드레이트 (99.9% 순수, Sigma-Aldrich), 4.756 g의 알루미늄 니트레이트 노나히드레이트 (98.6% 순수, Sigma-Aldrich), 1.185 g의 가돌리늄 니트레이트 헥스 히드레이트 (99.9% 순수, Sigma-Aldrich), 및 0.049 g의 세륨 (III) 니트레이트 헥사히드레이트 (99.99% 순수, Sigma-Aldrich)를 탈이온수에서 용해시키고, 그 다음 30 분 동안 초음파처리하여 완전히 투명한 용액을 제조했다.
2.0M 농도의 이 전구체 용액을, 액체 펌프를 사용하여 원자화 프로브를 통해 특허 공보 WO2008112710 A1에서 보여진 것과 유사한 플라즈마 반응 챔버에 옮겼다. 영국에서 공개되고 미국을 지정국으로 하는 특허 공보 WO2008112710에서 교시된 원리, 기술 및 범위는 그 전체가 참고로 본원에 포함되어 있다.
합성 공정을, 3.3 MHz에서 작동하는 Lepel RF 전력 공급장치를 사용하여 RF 유도 플라즈마 토치 (TEKNA 플라즈마 시스템, Inc PL-35)로 수행했다. 합성 실험에 대해, 챔버 압력은 약 25 kPa - 75 kPa에서 유지되었고, RF 발전기 플레이트 파워는 범위 10 - 30 kW였다. 플레이트 파워 및 챔버 압력 모두는 사용자 제어 파라미터이다. 아르곤을 소용돌이 차단 가스 (20-100 slm) 및 중심 플라즈마 가스 (10-40 slm) 모두로서 플라즈마 토치에 도입했다. 차단 가스 흐름을 수소 (1-10 slm)의 부가로 보충했다. 반응물 주입을, 2-유체 원자화의 원리로 작동하는 방사상 원자화 프로브 (TEKNA 플라즈마 시스템, Inc SDR-772)를 사용하여 수행했다. 프로브는 반응물 주입 동안에 플라즈마 플룸의 중심에 위치했다. 반응물을, 합성 동안에 1-50 ml/분의 속도로 원위치 원자화에 의해 플라즈마 플룸에 공급했다. 액체 반응물의 원자화를 1-30 slm의 유속으로 전달된 분무화 가스로서 아르곤으로 수행했다. 반응물은, RF 열 플라즈마의 핫 구역을 통과할 때, 증발, 분해 및 핵형성의 조합을 경험했다. 유핵의 입자를 유동 흐름으로부터 적당한 다공성 세라믹 또는 유리 필터 상에 수집했다.
플라즈마 합성으로 (Y0 .635Ce0 .015Gd0 .35)3Al5O12 분말을 산출했고, 이 분말은 이트륨에 대해 1.5 % 세륨 및 35 % 가돌리늄을 함유했다. 5 g의 분말을 고순도 알루미나 연소 보트에 부가하고 1250 ℃에서 2시간 동안 3% H2 및 97% N2의 유동 가스 혼합물 하에서 튜브 노 (MTI GSL 1600)에서 어널링했다. 어널링된 YAG:Ce,Gd 분말은 약 4.9 m2/g의 BET를 나타내었고 사용되어 어셈블리에서 공-도핑된 층을 형성했다.
(b) Y 3 Al 5 O 12 층: 고형 상태 반응을 사용하여 어셈블리 (예를 들면, 소결 동안에)를 가열하면서 Y3Al5O12를 형성했다. 하기 성분은 어떤 이들 층에 포함되었다: (i) 4.6 m2/g의 BET 표면적을 갖는 Y2O3 분말 (2.853 g, 99.99%, lot N-YT4CP, Nippon Yttrium Company Ltd.); 및 (ii) 5.6 m2/g의 BET 표면적을 갖는 Al2O3 분말 (2.147 g, 99.99%, 등급 AKP-30, Sumitomo Chemicals Company Ltd.). 성분 (i) 및 (ii)를 3:5의 몰비로 사용했다. Ce 또는 Gd를 포함하지 않았다.
(c) ( Y 0 .65 Gd 0 .35 ) 3 Al 5 O 12 층: 고형 상태 반응을 사용하여 어셈블리 (예를 들면, 소결 동안에)를 가열하면서 (Y0 .65Gd0 .35)3Al5O12를 형성했다. 하기 성분은 어떤 이들 층에 포함되었다: (i) 4.6 m2/g의 BET 표면적을 갖는 Y2O3 분말 (1.654 g, 99.99%, lot N-YT4CP, Nippon Yttrium Company Ltd.); (ii) 5.6 m2/g의 BET 표면적을 갖는 Al2O3 분말 (1.915 g, 99.99%, 등급 AKP-30, Sumitomo Chemicals Company Ltd.); 및 (iii) 3.0 m2/g의 BET 표면적을 갖는 1.430 g 플라즈마 합성된 Gd2O3. 성분 (i), (ii), 및 (iii)를 1.95:1.05:5와 동동한 Y:Gd:Al의 몰비로 사용했다. Ce를 반응에 포함하지 않았다.
(d) 어셈블리 형성: 50 ml 고순도 Al2O3 볼 밀 자르에 3mm 직경의 20g Y2O3 안정된 ZrO2 볼을 충전했다. 그 다음 상기 제조된 5 g의 분말 혼합물 중 하나, 0.10 g 분산제 (Flowlen G-700. Kyoeisha), 0.35 g의 폴리(비닐 부티랄-코-비닐 알코올-코-비닐 아세테이트) (Aldrich), 0.175 g 벤질 n-부틸 프탈레이트 (98%, Alfa Aesar) 및 0.175 g 폴리에틸렌 글리콜 (Mn=400, Aldrich), 소결 조제로서 0.025 g 테트라에틸 오르토실리케이트 (Fluka), 1.583 g 자일렌 (Fisher Scientific, 실험실 등급) 및 1.583 g 에탄올 (Fisher Scientific, 시약 알코올)을 자르에서 부가했다. 슬러리를 24시간 동안 혼합물을 볼 밀링하여 생산했다.
볼 밀링을 완료한 후, 슬러리를, 주입기를 사용하여 0.05 mm의 기공 크기를 갖는 금속 스크린 필터를 통과시켰다. 수득한 슬러리를, 30 cm/min의 캐스팅 속도로 조정가능한 필름 어플리케이터 (Paul N. Gardner Company, Inc.)로 방출 기질, 예를 들면, 실리콘 코팅된 Mylar 담체 기질 (Tape Casting Warehouse) 상에 캐스팅했다. 필름 어플리케이터 상의 날 간격을 설정하여 원하는 두께를 얻었다. 각 캐스트 테이프를 주위 분위기에서 밤새 동안 건조하여 녹색 시트를 생산했다.
플라즈마 (Y0 .635Ce0 .015Gd0 .35)3Al5O12 (1.5 % Ce, 35 % Gd), SSR YAG (0 % Ce), 또는 SSR YAG:Gd (0 %Ce, 35 % Gd) 분말을 포함하는 건조된 캐스트 테이프를 금속 펀처를 사용하여 13mm 직경의 원형 형상으로 절단했다. 하나의 적층물에서, 한 조각의 플라즈마 (Y0 .635Ce0 .015Gd0 .35)3Al5O12 (1.5 % Ce, 35 % Gd) 컷 캐스트 테이프 (60 μm 두께)를 2개 조각의 SSR YAG 컷 캐스트 테이프 (각 조각에 대해 110 μm 두께) 사이에 위치시켰다. 층상 복합물을 거울-광이 나는 표면을 갖는 원형 다이 사이에 위치시키고 80 ℃로 핫 플레이트 상에서 가열하고, 그 다음 5 톤의 단일축 압력에서 약 5 분 동안 유압 프레스기를 사용하여 압출했다. 최종 어셈블리는 2개의 비-도핑된 층 사이에 위치한 공-도핑된 층 샌드를 가졌다.
한 조각의 플라즈마 (Y0 .985Ce0 .015)3Al5O12 (1.5 % Ce, 0 % Gd) 컷 캐스트 테이프 (60 μm 두께)를 포함하는 제2 어셈블리를 제조했고 2개 조각의 SSR YAG 컷 캐스트 테이프 (각 조각에 대해 110 μm)를 함께 층상으로 만들고 유사하게 상기에서 기재된 바와 같이 가공하여 적층된 복합물을 얻었다.
(e) 어셈블리의 소결: 어셈블리를 ZrO2 커버 플레이트 (두께 1mm, 등급 42510-X, ESL Electroscience Inc.) 사이에 위치시키고 5 mm 두께를 갖는 Al2O3 플레이트를 상에 올려 놓았다. 그 다음 어셈블리를 튜브 노에서 공기 중에서 0.5 ℃/min의 속도로 800 ℃로 가열하고 2시간 동안 유지하여 유기 성분을 어셈블리로부터 제거했다.
탈지 후, 어셈블리를 1500 ℃에서 10-1 Torr의 진공에서 5시간 동안 1 ℃/min의 가열 속도에서 어널링하여 비제한적으로 비결정성 이트륨 산화물, YAP, YAM 또는 Y2O3 및 Al2O3을 포함하는 층 중 비-석류석 상의 YAG으로부터 이트륨 알루미늄 석류석 (YAG) 상으로 완전히 전환하고 YAG 입도를 증가시켰다.
제1 어널링 다음에, 어셈블리를, 10-3 Torr의 진공에서 1700 ℃에서 5시간 동안 5 ℃/min의 가열속도 및 10 ℃/min의 실온으로의 냉각 속도에서 추가 소결하여 투명/반투명한 YAG 세라믹 시트를 생산했다. 적층된 녹색 시트가 그래파이트 가열기로 노에서 어널링될 때, 어셈블리를 1 μm 내지 5 μm의 희생 YAG 분말에 내장되어 샘플이 강한 환원 분위기로 인해 성분 금속으로 부분적으로 환원되는 것을 방지했다. 갈색을 띤 소결된 세라믹 본체를 노에서 진공 분위기에서 1400 ℃에서 2시간 동안 10 ℃/min 및 20 ℃/min 각각의 가열 및 냉각 속도에서 재산화했다. 세라믹 본체는 800 nm에서 70% 초과의 투과율을 나타내었다.
(f) 광학 성능 측정: 각 세라믹 시트를, 다이서 (MTI, EC400)를 사용하여 2mm X 2mm로 절단했다. 광학 측정을, 필요한 광학 구성요소 예컨대 광학 섬유 (Otsuka Electronics), 12 인치 직경 적분구 (Gamma Scientific, GS0IS12-TLS), 총 플러스 측정에 대해 설정된 보정 광원 (Gamma Scientific, GS-IS12-OP1), 및 여기 광원 (Cree blue-LED 칩, 지배적인 파장 455nm, C455EZ1000-S2001)와 함께 Otsuka Electronics MCPD 7000 다중 채널 광검출기 시스템을 사용하여 수행했다.
상기 방법에 따라 제조된 세라믹 본체 둘 모두를 455nm의 피크 파장 및 약 1.45의 굴절률을 갖는 아크릴 렌즈를 갖는 발광 다이오드 (LED) 상에 위치시켰다. 세라믹 본체를 갖는 LED를 적분구 내에 셋업했다. 세라믹 본체를 100 mA의 구동 전류를 갖는 LED로 조사했다. 세라믹 본체를 갖는 청색 LED의 광학 방사선을 기록했다. 다음으로, 세라믹 LED로부터 제거하고 아크릴 렌즈를 갖는 청색 LED 만에 대한 방사선을 측정했다. IQE를 청색 단독 LED 및 청색 LED/세라믹 본체 조합으로부터 방사선 차이의 적분에 의해 계산했다. IQE를, 도 15에서 보여진 바와 같이 청색 단독 LED 및 청색 LED/세라믹 본체 조합으로부터 방사선 차이의 적분에 의해 계산했다.
(g) 결과: 2개의 세라믹 본체에 대한 광학 측정은 표 1에서 보여진다. 35 % Gd를 1.5 % Ce YAG 세라믹 본체에 부가하여 피크 방출의 파장에 대해 7 nm의 적색 이동 (538nm 내지 545nm)이 생긴다. 뿐만 아니라, 35 % Gd 세라믹 본체는 가돌리늄 없는 세라믹 본체에 대해 비교가능한 양자 효율성을 보여주었다.
표 1
Figure pct00002

도 16a 및 b는 Cree Corp에 의해 이용된 상이한 색상 온도에서 백색 빈(bin) 분류에 대한 상업적 표준을 보여준다. 도 17은, 35 % Gd의 부가가 백색 LED 디바이스에 대한 색도를 개선시킨다는 것을 보여준다. CIE 챠트 상에서, 어떤 피크 파장을 갖는 세라믹에 대해, YAG 세라믹의 두께를 변화시킬 때, 관련된 출력 색상은 청색을 띤 또는 황색을 띤 것일 수 있다. 순수한 청색 파장 (예를 들면 455nm) 및 순수한 황색 파장 (예를 들면 538nm) 사이의 라인을 플롯팅하면, YAG-LED의 색도는, YAG 세라믹의 두께를 조정할 때 라인을 따라 이동할 수 있다. 1.5 % Ce 세라믹의 경우에 대해, 538nm의 피크 파장을 가졌다. 도 16은, 538nm 방출에 대해, 황색 및 청색 사이의 라인이 기본적으로 백색 빈(bin) 영역에서 유래한다는 것을 나타낸다. 다른 한편으로, 35 % Gd를 부가할 때, 방출성 피크 파장은 545nm로 이동되었고 청색 및 황색 사이의 상응하는 라인은 백색 빈(bin) WE, WF 및 WG를 교차시켰다. 이는, 35 % Gd의 부가가 시장 표적에 의해 착색적으로 허용가능한 YAG 세라믹을 만들었다는 것을 나타낸다.
실시예 2
종래에, LED-YAG 조합은 플라스틱 봉합재 수지, 예컨대 에폭시 및 실리콘에서 분산된 황색 발광 YAG 형광체 분말의 배치를 기반으로 제조되었다. 그러나, YAG 형광체 분말의 일자 크기는 약 1-10 μm이기 때문에, YAG 분말 분산된 봉합재 수지 매질은 광 산란 특성을 보여준다. 이로써, 백색광 방출의 손실로서 역 산란 및 소멸될 YAG에서 청색 LED 및 황색 발광으로부터 상당한 부분의 입사광으로 된다.
또한, YAG 분말은 YAG와 비교하여 훨씬 더 낮은 열전도로를 갖는 폴리머 수지를 통해 연결되고, YAG 분말은 훨씬 높은 온도를 나타낸다. 이것은 높은 분말 LED의 경우에 특히 사실이고, 여기서 높은 구동 전류 예컨대 1A가 인가된다. 도 18로부터 보여줄 수 있는 바와 같이, 수지 시트에 분산된 (Y0.985Ce0.015)3Al5O12 분말을 LED (도 18 중 YAG-시트) 상에 위치시킬 때, 800mA에서의 측정 온도는 이미 300 ℃였다. 그 동안에, (Y0 .985Ce0 .015)3Al5O12의 경우에 대해, 세라믹 본체는 임의의 폴리머를 포함하지 않고; 따라서, 세라믹 본체 (도 18 중 YAG-CP)는 동일한 구동 전류에서 약 80 ℃의 농도를 갖는다.
(Y0 .635Ce0 .015Ge0 .35)3Al5O12 분말은 또한 제조되고 수지 시트에 캡슐 형태로 넣어진다. 이 분말을 동일한 LED상에 위치 시키고 도 18에서 보여진 동일한 구동 전류에서 생산된 광에 노출시킨다. 이 Gd-도핑된 YAG 분말은 수지 시트에서 분산된 (Y0.985Ce0.015)3Al5O12 분말과 유사한 온도 프로파일을 나타낼 것으로 기대된다.
실시예 3
몇 개의 디바이스는 실시예 1 및 2에서 기재된 바와 같이 구성되었다 (1.5 % Ce YAG 분말 ((Y0.985Ce0.015)3Al5O12) 및 1.5 % Ce, 35 % Gd YAG 분말 ((Y0 .635Ce0 .015Gd0 .35)3Al5O12), 1.5 % Ce YAG 세라믹 ((Y0 .985Ce0 .015)3Al5O12) 및 1.5 % Ce, 35 % Gd YAG 세라믹 ((Y0 .635Ce0 .015Gd0 .35)3Al5O12). 각 디바이스의 상대 세기 및 디바이스의 온도를 측정했다. 도 19a는 1.5% Ce 및 1.5%Ce, 35%Gd 분말을 갖는 디바이스의 상대 세기의 감소, 예를 들면 약 150 ℃에서 약 30% (5.8 / 8.2)의 하락을 보여준다. 도 19b는 150 ℃에서 약 5% (8.2/8.6)의 도 19a에서 기재된 바와 같이 동일한 도펀트 농도를 포함하는 세라믹 발광층에 대한 개선된 상대 세기를 보여준다. 또한, 동일한 구동 전류에서, 분말 구현예의 온도 (약 150 ℃)는 세라믹 구현예의 온도 (약 55 ℃) 보도 훨씬 높기 때문에 (참고 도 18), 분발 구현예와 비교된 세라믹 구현예의 상대 효율은 약 167%이다.
요약하면, 더 낮은 디바이스 온도 및 더 약한 열 켄칭으로 인해, 35 % Gd를 포함하는 세라믹 본체는 동일한 구동 전류에서35 % Gd 분말과 비교하여 약 150% 상대 세기 (8.2/5.8 = 141.4%)를 갖는 것으로 기대된다.
실시예 4
실시예 1에서 제조한 세라믹 본체를 SEM-EDX 특성화에 대해 사용했다. 세라믹 본체 샘플은 2개의 Y3Al5O12 층 사이에 끼어 든 (Y0 .635Ce0 .015Gd0 .35)3Al5O12.를 갖는 공-도핑된 층을 갖는 어셈블리로부터였다. 제조된 세라믹 샘플의 단면을 광을 내서 노출된 그의 내부 부분을 얻었고, 열 에칭 및 오염물질 제거에 대해 2 시간 동안 약 1400 ℃에서 공기 중 박스 노에서 가열했다. 처리된 단면을 SEM 하에서 관찰했다. SEM에서 EDX 부착과 함께, 단면 상의 어떤 거리를 가로지르는 원소 선형 스캔이 수행되어 도 20에서 보여진 바와 같이 라인을 따라 원소 프로파일을 얻었다. Ce 도펀트는 공-도핑된 층으로부터 인접한 층으로 광범위하게 확산되었다. Gd 도펀트는 공-도핑된 층 내로 더 제한되었고 더 좁은 분포를 나타내었다.
실시예 5
2개의 부가적 세라믹 본체를 일반적으로 실시예 1과 동일한 절차를 사용하여 제조했고, 단, 상기 어셈블리는 도 21 a 및 b에서 보여진 바와 같이 설정되었다. 각 어셈블리는 공-도핑된 층의 각 측면 상에 (Y0 .65Gd0 .35)3Al5O12를 갖는 층을 포함한다. 이들 가돌리늄-도핑된 층들은 소결 동안에 제한된 Gd 확산을 보상할 수 있는 세라믹 본체에서 더 넓은 Gd 분포를 생성하는 것으로 기대된다.
실시예 6
4개의 세라믹 본체를 일반적으로 실시예 1과 동일한 절차를 사용하여 제조했고, 단, 상기 어셈블리은 도 21c에서 보여진 바와 같이 설정되었고, 여기서 x는 공-도핑된 층 및 공-도핑된 층의 각 측면 상의 2개의 층 내에 도핑된 가돌리늄의 양이었다. X에 대한 시험된 값은 0 %, 15 %, 25 %, 및 35 %였다. 공-도핑된 수성 층은 고형 상태 반응으로부터 제조되고 그 두께는 약 78 μm였다. 다른 층들을 그 두께가 각각 약 200 μm였다. IQE 및 피크 방출의 파장은 실시예 1의 절차에 따라 측정되었다.
결과는 표 2 및 도 22에서 보여진다. 도 22에서 보여질 수 있는 바와 같이, 피크 방출의 파장은 Gd 농도를 변경하여 534nm 내지 555nm의 범위 내에서 조정될 수 있다. 그 동안에, IQE는 최대 35 % Gd를 부가할 때 95% 이상에서 유지되었다.
표 2
Figure pct00003

실시예 7
구조체의 4개 그룹을 도 23a 내지 23d에서 보여진 바와 같이 제조했다. 세라믹 본체를 일반적으로 실시예 1과 동일한 절차를 사용하여 제조했고 단, 상기 어셈블리는 도 23a 내지 23d에서 보여진 바와 같이 설정되었고, 여기서 z는 세륨의 양이고, x는 가돌리늄의 양이고, 둘 모두는 공-도핑된 층 내에 도핑되고 공-도핑된 층의 각 측면 상의 층 내에 임의로 도핑된다. T는 각 층의 두께이다. Z에 대한 시험된 값은 0.2 % 내지 2 % (0.2 %, 1.0 %, 1.5 %, 및 2.0 %)였고, X는 5 % 내지 50 % (5 %, 10 %, 15 %, 25 %, 35 % 및 50 %)였고, 및 T는 40 μm 내지 400 μm (40 μm, 200 μm 및 400 μm)였다. 세라믹 본체에 대한 광학 특성을, 일반적으로 실시예 1과 동일한 절차를 사용하여 시험했다. 결과는 이하의 표 3에서 보여진다. 구조체의 모두 4개의 그룹은 색점을 원하는 표적 색상 분류 (일반적으로 CCy 감소 값 및 CCx 증가 값을 갖는 적색 이동)로 이동시켰고 모두는 양자 효율 (IQE) 및 열 특성을 유지했다.
표 3
Figure pct00004

Claims (25)

  1. 발광층을 포함하는 열적으로 안정한 세라믹 본체로서, 상기 발광층은 식 (A1-x-zGdxDz)3B5O12로 표시되는 화합물을 포함하는 세라믹 본체:
    D는 Nd, Er, Eu, Mn, Cr, Yb, Sm, Tb, Ce, Pr, Dy, Ho, Lu 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 제1 도펀트이고;
    A는 Y, Lu, Ca, La, Tb, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되고;
    B는 Al, Mg, Si, Ga, In, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되고;
    x는 약 0.20 내지 약 0.80의 범위에 있고;
    z는 약 0.001 내지 약 0.10의 범위에 있다.
  2. 청구항 1에 있어서, D는 Ce를 포함하는 세라믹 본체.
  3. 청구항 2에 있어서, D는 Ce인 세라믹 본체.
  4. 청구항 1에 있어서, A는 Y인 세라믹 본체.
  5. 청구항 1에 있어서, B는 Al인 세라믹 본체.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 세라믹 본체는 적어도 8 W/mK의 열전도도를 나타내는 세라믹 본체.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 발광층 중 제1 도펀트는 발광층의 두께를 따라 제1 도펀트 농도 구배를 갖는 세라믹 본체.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 제1 도펀트 농도 구배는 발광층의 두께를 따라 중심에서 또는 그 근처에서 최대 제1 도펀트 농도를 포함하는 세라믹 본체.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 제1 도펀트 농도 구배는 발광층의 두께를 따라 표면에서 또는 그 근처에서 최대 제1 도펀트 농도를 포함하는 세라믹 본체.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 발광층은 발광층의 두께를 따라 Gd 농도 구배를 포함하는 세마믹 본체.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 제1 도펀트 농도 구배는 Gd 농도 구배에 대해서 더 넓은 세라믹 본체.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 Gd 농도 구배는 발광층의 두께를 따라 최대 제1 도펀트 농도의 또는 이 농도에 가까운 최대 Gd 농도를 포함하는 세라믹 본체.
  13. 어셈블리를 소결시키는 것을 포함하는, 열적으로 안정한 세라믹 본체를 형성하는 방법으로서, 여기서 상기 어셈블리는 약 10 μm 내지 약 400 μm 범위의 두께을 갖는 공-도핑된 층을 포함하고, 여기서 상기 공-도핑된 층은 하기를 포함하는 방법:
    이트륨 알루미늄 석류석 (YAG), YAG 전구체, 또는 이들의 조합;
    Nd, Er, Eu, Mn, Cr, Yb, Sm, Tb, Ce, Pr, Dy, Ho, Lu 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 제1 도펀트; 및
    YAG의 양, YAG 전구체의 동등한 양, 또는 이들의 조합에 대한 약 20 % 내지 약 80 %의 Gd.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 어셈블리는 추가로 도핑된 층의 한쪽에 배치된 제1 층을 포함하고, 여기서 상기 제1 층은 YAG, YAG 전구체, 또는 이들의 조합을 포함하고, 여기서 상기 제1 층은 제1 도펀트가 실질적으로 없고, 여기서 상기 제1 층은 약 40 μm 내지 약 800 μm 범위의 두께를 갖는 방법.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 공-도핑된 층은 제1 층과 제2 층 사이에 배치되고, 상기 제2 층은 YAG, YAG 전구체, 또는 이들의 조합을 포함하고, 여기서 상기 제2 층은 제1 도펀트가 실질적으로 없고, 여기서 제1 및 제2 층 각각은 독립적으로 약 40 μm 내지 약 400 μm 범위의 두께를 갖는 방법.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 제2 층은 추가로 Gd를 포함하는 방법.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 제2 층은 약 20 % 내지 약 80 %의 Gd를 포함하는 방법.
  18. 청구항 13에 있어서, 상기 공-도핑된 층은 약 20 % 내지 약 80 %의 Gd를 포함하는 방법.
  19. 청구항 13에 있어서, 상기 공-도핑된 층은 약 0.1 % 내지 약 10 %의 제1 도펀트를 포함하는 방법.
  20. 청구항 13에 있어서, 상기 제1 도펀트는 Ce인 방법.
  21. 청구항 13, 여기서 상기 어셈블리의 소결은 어셈블리 약 1000 ℃ 내지 약 1900 ℃ 범위의 온도에서 적어도 약 2 시간 동안 어셈블리를 가열하는 것을 포함하는 방법.
  22. 청구항 14에 있어서, 공-도핑된 층 중 제1 도펀트의 적어도 약 30%는 상기 과정 동안에 공-도핑된 층 밖으로 확산되는 방법.
  23. 청구항 13에 의해 만들어진 세라믹 본체.
  24. 하기를 포함하는 조명 장치:
    청색 방사선을 방출하도록 설정된 광원; 및
    청색 방사선의 적어도 부분을 수용하도록 설정된, 청구항 1의 세라믹 본체.
  25. 청구항 1의 세라믹 본체를 청색 방사선에 노출하는 것을 포함하는, 광의 생성 방법.
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