KR20140063508A - 유기 인광체를 갖는 폴리머 매트릭스 및 그것의 제조 - Google Patents

유기 인광체를 갖는 폴리머 매트릭스 및 그것의 제조 Download PDF

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KR20140063508A
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리파트 아타 무스타파 히크메트
잔 코르넬리스 크리에게
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코닌클리케 필립스 엔.브이.
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Abstract

파장 변환 소자(202, 301, 302, 303, 310, 312)를 제조하는 방법이 개시되는데, 이 방법은 제1 파장 변환 재료(201)가 분산되어 있거나 분자적으로 용해되어 있는 폴리머 캐리어 재료(200)를 제공하는 단계(100) - 제1 파장 변환 재료(201)는 제1 파장의 광을 제2 파장의 광으로 변환하도록 되어 있음 -; 폴리머 캐리어 재료(200)의 적어도 일부가 결정화되도록, 폴리머 캐리어 재료를 그것의 유리 전이 온도이거나 그보다 높은 제1 온도에서 변형시키는 단계(101); 및 폴리머 캐리어 재료(200)를 그것의 용융 온도보다 낮은 제2 온도에서 어닐링하는 단계(102)를 포함한다. 본 발명에 따른 폴리머 재료(200)의 처리는 그러한 처리된 폴리머 재료 내에 포함된 파장 변환 재료(201)의 안정성 및 수명을 개선한다. 본 발명에 따라 처리된 폴리머 재료(200)는 부피로 10% 이상인 결정도를 갖는 폴리머 분자들을 포함할 수 있다.

Description

유기 인광체를 갖는 폴리머 매트릭스 및 그것의 제조{POLYMERIC MATRIX WITH ORGANIC PHOSPHOR AND MANUFACTORY THEREOF}
본 발명은 인광체가 분산되어 있는 폴리머 캐리어 재료를 포함하는 파장 변환 소자, 그러한 광 변환 소자를 포함하는 발광 디바이스, 및 그러한 광 변환 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED) 기반의 조명 디바이스들은 광범위하게 다양한 조명 응용에서 점점 더 많이 이용되고 있다. LED는 백열등 및 형광등과 같은 전통적인 광원에 비해, 긴 수명, 높은 루멘 효능(lumen efficacy), 낮은 동작 전압 및 루멘 출력의 신속한 변조를 포함하는 이점을 제공한다.
효율적인 고출력 LED는 청색 발광 재료에 기반을 두는 경우가 많다. 원하는 컬러(예를 들어, 백색)의 출력을 갖는 LED 기반의 조명 디바이스를 만들기 위해, 흔하게는 인광체라고 알려진 적절한 파장 변환 재료가 이용될 수 있는데, 그것은 LED에 의해 방출된 광의 일부를 더 긴 파장의 광으로 변환하여, 원하는 스펙트럼 특성을 갖는 광의 조합을 만들어낸다. 파장 변환 재료는 LED 다이 상에 직접 도포될 수도 있고, 아니면 인광체로부터 소정 거리에 배치될 수도 있다(소위 원격 구성).
많은 무기 재료들이 LED에 의해 방출된 청색 광을 더 긴 파장의 광으로 변환하기 위한 인광체 재료로서 이용되어 왔다. 그러나, 무기 인광체는 비교적 고가라는 약점으로 어려움을 겪는다. 또한, 무기 인광체는 광 산란 입자이기 때문에, 입사 광의 일부를 항상 반사시키고, 이는 디바이스 내에서의 효율 손실을 야기한다. 또한, 무기 LED 인광체는 특히 적색 방출 LED 인광체에 대하여 제한된 양자 효율 및 비교적 넓은 방출 스펙트럼을 가지며, 이는 추가의 효율 손실을 야기한다.
현재, 예를 들어 백색 광 출력을 달성하기 위해 청색 광을 황색/주황색 광으로 변환하는 것이 바람직한 경우에, 유기 인광체 재료가 LED 내의 무기 인광체를 대체할 것으로 생각되고 있다. 유기 인광체들은 그들의 발광 스펙트럼이 위치 및 대역폭에 관하여 쉽게 조절될 수 있고, 양자 효율이 일반적으로 무기 인광체에서보다 더 높다는 이점을 갖는다. 또한, 유기 인광체 재료는 종종 고도의 투명도를 가지며, 이는 광 흡수성 및/또는 반사성이 더 큰 인광체 재료를 이용하는 시스템에 비하여 조명 시스템의 효율이 개선되므로 유리한 것이다. 또한, 유기 인광체는 무기 인광체에 비해 비용이 훨씬 덜 든다. 그러나, 유기 인광체는 LED의 전계발광 활동 동안 발생되는 열에 민감하기 때문에, 유기 인광체는 주로 원격 구성 디바이스에서 이용된다.
원격 인광체 LED 기반의 조명 시스템에서의 유기 인광체 재료의 적용을 방해하는 주된 단점은 그것의 불량한 광화학적 안정성이다.
US2007/0273274(Horiuchi 등)는 발광 디바이스를 포함하고, 인광체의 열화가 감소되도록 저농도의 산소를 갖는 기밀 공동 내에 배치된 유기 인광체를 포함하는 반투명 적층 시트를 개시하고 있다. 그러나, 저농도의 산소를 유지하는 것은 어렵고 비용이 많이 든다.
그러므로, 본 기술분야에서는 유기 인광체 재료를 이용하는 개선된 발광 디바이스가 여전히 필요하다.
본 발명의 목적은 이러한 문제점을 극복하고, 수명이 증가된 인광체를 포함하는 파장 변환 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 이러한 것과 그 외의 목적은 파장 변환 소자를 제조하는 방법에 의해 달성되는데, 이 방법은 제1 파장 변환 재료가 분산되어 있거나 분자적으로 용해되어 있는 폴리머 캐리어 재료를 제공하는 단계 - 제1 파장 변환 재료는 제1 파장의 광을 제2 파장의 광으로 변환하도록 되어 있음 -; 폴리머 캐리어 재료의 적어도 일부가 결정화되도록, 폴리머 캐리어 재료를 그것의 유리 전이 온도이거나 그보다 높은 제1 온도에서 변형시키는 단계; 및 폴리머 캐리어 재료를 그것의 용융 온도보다 낮은 제2 온도에서 어닐링하는 단계를 포함한다.
폴리머 캐리어 재료는 유리하게는 제1 파장 및 제2 파장의 광에 대해 투명할 수 있다.
유기 인광체의 안정성은 그것을 폴리머 재료 내에 통합시키는 것에 의해 개선될 수 있고, 이것은 최근에 비공개 출원(EP 10181066.1)에 더 기술되었으며, 그 출원은 참조에 의해 여기에 포함된다.
본 발명자들은 놀랍게도, 폴리머 캐리어 재료 내에 포함된 파장 변환 재료가 상술한 방법에 의한 폴리머 재료의 처리 후에는 우수한 안정성을 나타내며, 그에 의해 수명이 개선된다는 것을 밝혀냈다.
특히, 본 발명자들은 폴리머 재료의 유리 전이 온도이거나 그보다 높은 온도에서의 폴리머의 변형에 의해 발생하는 소위 응력 유도 결정화(stress-induced crystallization)를 이용하여 유기 인광체를 포함하는 폴리머를 결정화하고, 그에 후속하여 어닐링에 의한 추가의 결정화 및/또는 안정화를 행함으로써, 유기 인광체 분자를 내부에 포함하고 있는 고도로 정돈된(highly ordered) 폴리머 매트릭스가 달성되며, 인광체 분자들은 특히 폴리머의 유리 온도 부근 또는 그보다 높은 온도에서 놀라울 정도로 개선된 안정성 및 증가된 수명을 보였고, 폴리머 재료 내에 포함된 유기 인광체 분자의 열화율은 본 발명의 방법에 의해 처리되지 않은 동일 폴리머에 비교하여 몇 배 감소되었다.
본 출원의 맥락에서 "결정질(crystalline)" 또는 "구조적 정돈(structural order)"이라는 용어는, 분자들의 임의의 종류의 적어도 부분적인 정렬, 배치 및/또는 배향(예를 들어, 규칙적인 주기적 패턴으로)으로서 이해되어야 하며, 여기에서 분자들은 어느 정도까지는 제한된 자유도를 갖는다. 이 용어들은 고체 결정만을 포함하는 것으로 제한된다고 해석되어서는 안 되며, 액체 유형의 결정도 포함한다. 또한, "결정질" 또는 "구조적 정돈"의 정도는 재료의 밀도에 관련되므로, 그러한 정도의 정량화는 특히 밀도 측정을 통해 얻어질 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 통해 달성될 수 있는 것과 같은 폴리머 재료의 고도의 결정질 또는 구조적 정돈이 주어지면, 결과적인 반-결정질 폴리머는 그것의 낮은 광 산란성으로 인해 높은 광 투명도를 가질 수 있다.
예를 들어, 유리 전이 온도이거나 그보다 높은 온도에서의 신장(stretching), 블로우 몰딩(blow molding) 또는 진공 형성에 의해 실현될 수 있는 폴리머 재료의 변형은 소위 응력 유도 결정화를 야기하며, 즉 폴리머 재료의 폴리머 분자들이 적어도 부분적으로 정렬되어, 물리적 가교 결합을 형성하는 결정립들(crystallites)을 제공하고, 그에 의해 폴리머를 안정화한다.
후속하여 폴리머 재료의 온도를 증가시켜, 온도를 용융 온도보다 낮게 유지함으로써, 폴리머 재료의 어닐링이 달성되고, 그에 의해 폴리머 재료를 추가로 결정화 및 안정화한다. 어닐링 단계가 수행되는 온도는 유리하게는 최적의 결정 성장 및/또는 재배열 조건이 달성될 수 있도록 적응될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 제1 온도는 폴리머 캐리어 재료의 유리 전이 온도이거나 그보다 80℃까지 더 높은 온도일 수 있고, 바람직하게는 제1 온도는 폴리머 캐리어 재료의 유리 전이 온도이거나 그보다 50℃까지 더 높은 온도일 수 있고, 더 바람직하게는 제1 온도는 폴리머 캐리어 재료의 유리 전이 온도이거나 그보다 30℃까지 더 높은 온도일 수 있다. 제1 온도가 유리 전이 온도는 넘으면서 더 낮을수록, 결정립의 형성이 보장될 수 있고, 폴리머 캐리어의 결정질 영역들로부터의 유기 인광체 분자들의 확산(이는 더 높은 온도에서 발생하여 유기 인광체 분자들의 응집 및 그에 따른 발광 소멸을 제공할 수 있음)이 회피될 수 있으므로 유리할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 온도는 제2 온도보다 낮다.
본 발명의 일 실시예에서, 폴리머 캐리어 재료는 어닐링 단계 동안 변형된다. 따라서, 변형으로 인한 파장 변환 소자의 바람직한 형상이 유지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 폴리머 재료의 변형은 1축으로(uni-axially) 수행되며, 그에 의해 예를 들어 파이버 형태의 파장 변환 소자가 만들어진다. 대안적으로, 변환은 2축으로(bi-axially) 수행되며, 그에 의해 예를 들어 필름, 튜브 또는 테이프 형태의 파장 변환 소자가 획득된다. 따라서, 파장 변환 소자는 실질적으로 2차원의 연장부를 갖는, 예를 들어 수 미터까지의 길이 및/또는 폭과 0.001-1mm 범위의 두께(또는 직경)를 갖는 형태일 수 있다.
대안적으로, 폴리머 재료의 변형은 예를 들어 블로우 몰딩 또는 진공 형성과 같은 방법에 의해 달성되며, 그에 의해 예를 들어 주어진 원하는 응용에 적합하게 적응될 수 있는 전구 형상과 같은 3차원 형상의 형태인 파장 변환 소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 폴리머 캐리어 재료 내의 제1 파장 변환 재료의 함량은 중량으로 1% 이하이며, 예를 들면 중량으로 0.1% 이하로, 예컨대 중량으로 0.01% 이하이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 파장 변환 재료는 페릴렌 유도체(perylene derivative) 및/또는 양자 도트(quantum dot)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 파장 변환 재료는 유기 인광체를 포함한다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 상술한 것과 그 외의 목적은 소정의 결정도(a degree of crystalline)를 갖는 폴리머 분자들을 포함하는 반-결정질(semi-crystalline) 폴리머 재료를 포함하는 파장 변환 소자를 통해 달성되는데, 여기에서 폴리머 재료는 내부에 분산된 적어도 하나의 파장 변환 재료를 포함하고, 결정도는 부피로 10% 이상이고, 예를 들면 부피로 20% 이상으로, 예컨대 부피로 30% 이상이다.
본 발명의 일 실시예에서, 파장 변환 소자는 제2 폴리머 매트릭스 내에 포함되고, 파장 변환 소자는 제2 폴리머 매트릭스 내에 분산된 입자의 형태이다. 입자들은 바람직하게는 0.01-1mm 범위의 직경을 갖는 파이버의 형태이다. 또한, 제2 폴리머 매트릭스는 실질적으로 투명할 수 있고, 비교적 낮은 유리 전이 및/또는 용융 온도를 가질 수 있고(예를 들어, 폴리(메틸 메타크릴레이트) 또는 폴리카보네이트 또는 폴리스틸렌과 같은 폴리머), 그에 의해, 파장 변환 소자 내에 포함된 폴리머 캐리어 재료의 용융 온도 아래에서 파장 변환 소자의 입자를 포함하는 제2 폴리머 매트릭스를 가공하는 것을 허용한다.
본 발명의 이러한 제2 양태의 효과 및 특징은 대부분 본 발명의 제1 양태와 관련하여 위에서 설명된 것과 유사하다.
또한, 본 발명에 따른 파장 변환 소자는 제1 파장의 광을 방출하도록 되어 있는 적어도 하나의 광원을 더 포함하는 발광 디바이스 내에 유리하게 포함될 수 있고, 파장 변환 소자는 제1 파장의 광을 수신하도록 되어 있고, 제1 파장의 광의 적어도 일부를 제2 파장의 광으로 변환하도록 구성된다.
본 발명의 제1 실시예에서, 적어도 하나의 광원은 유리하게는 예를 들어 LED 또는 레이저와 같은 솔리드 스테이트 광원으로, 바람직하게는 광 스펙트럼의 청자색(blue violet) 또는 자외선 부분에서 광을 방출한다.
본 발명은 청구항들에 기재된 특징들의 모든 가능한 조합에 관련된다는 점에 유의해야 한다.
이하에서는, 이러한 것과 그 외의 본 발명의 다른 양태들이 본 발명의 예시적인 실시예(들)을 보여주는 첨부 도면들을 참조하여 더 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 파장 변환 소자의 제조를 위한 방법의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 2a-c는 광학 소자의 확대 단면도인데, 각각의 도면은 도 1의 방법에 따른 제조 공정의 스테이지에 대응한다.
도 3a-e는 본 발명에 따른 발광 디바이스의 실시예들의 측단면도를 보여준다.
도 4는 인광체 재료를 포함하는 PET 매트릭스의 층으로부터의 방출의 도표를 시간의 함수로서 보여준다.
도 5는 PET 매트릭스 내에 포함된 인광체 재료의 역 붕괴율의 도표를 온도의 함수로서 보여준다.
이하의 설명에서, 본 발명은 적어도 하나의 파장 변환 재료가 통합되어 있는 파장 변환 소자의 제조를 위한 방법을 참조하여 설명된다. 이하에서, 본 발명은 본 발명자에게 현재 알려져 있는 최상의 모드를 포함하는 바람직한 실시예들에 관련하여 설명되지만, 여기에 첨부된 청구항들에 제시된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 바람직한 단계(100-102)를 개략적으로 도시하고, 도 2a-c는 각각의 이러한 단계(100-102) 이후의 결과적인 파장 변환 소자(202)를 보여준다. 이하에서는, 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 도 1 및 도 2a-c를 참조하여 상세하게 설명될 것이다.
제1 단계(100)는 제1 파장 변환 재료(201)가 분산되어 있거나 분자적으로 용해되어 있는 폴리머 캐리어 재료(200)를 제공하는 단계를 수반한다. 이것은 광 변환 재료를 포함하는 모노머 혼합물을 폴리머화하는 것, 그리고 그에 따라 광 변환 재료를 포함하는 폴리머를 획득하는 것에 의해 달성될 수 있고, 대안적으로는 파장 변환 재료가 폴리머의 용융 온도보다 높은 온도에서 폴리머 내에 분산되거나 용해될 수 있다. 다음으로, 그 혼합물은 먼저 폴리머 재료의 유리 온도 미만으로 급랭될 수 있고, 그 다음 변형 단계(101)가 수행되는 바람직한 온도까지 가열될 수 있으며, 대안적으로는 그 혼합물이 변형 단계(101)의 온도까지 곧바로 냉각/급랭된다. 도 2a에서, 폴리머 캐리어 재료(200)는 실질적으로 비정질인 상태로 구현되지만, 폴리머 캐리어 재료는 물론 보다 더 반-결정질인 상태로도 구현될 수 있음에 주목해야 하는데, 왜냐하면 이것은 재료의 혼합물을 제공하기 위해, 이용되는 방법(예를 들어, 압출(extrusion) 방법) 및 이용되는 급랭 온도는 물론, 폴리머 재료의 조성에 따라서도 달라질 수 있기 때문이다. 또한, 도 2a-c는 물론 몇몇 폴리머 분자만이 도시되어 있는 파장 변환 소자의 확대도이지만, 본 기술분야의 숙련된 자는 의심의 여지 없이, 폴리머 캐리어 재료가 전형적으로는 많은 수의 분자를 포함할 것이며, 이들 모두 상이한 구조적 형태 및 결정 형성을 가질 수 있음을 알 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 폴리머 캐리어 재료(200)는 폴리머 백본(polymer backbone)에 통합된 방향족 모이어티(aromatic moiety)를 포함할 수 있는 폴리에스테르를 포함한다. 전형적으로, 폴리머 캐리어 재료는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: polyethylene terephthalate) 및/또는 그것의 코폴리머, 및/또는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN: polyethylene naphthalate) 및/또는 그것의 코폴리머를 포함할 수 있다(폴리머 재료의 더 많은 선택 사항에 관해서는 유럽 특허 출원 EP 10181066.1을 참조하기 바란다).
또한 숙련된 자라면 이해하듯이, 본 발명의 방법은 임의의 특정한 유기 인광체 화합물의 이용에 관련되지 않으며, 따라서 파장 변환 재료는 파장 변환 소자의 주어진 응용을 위한 바람직한 특성을 갖는 임의의 유기 인광체 화합물을 포함할 수 있다. 그러나, 페릴렌 비스(perylene bis) 및 모노 아미드, 예를 들면 상용화되어 있는 염색제 'F170', 'F240', 'F083', 'F300' 또는 'F305' 중 어느 하나와 같은 페릴렌 유도 화합물이 유리하게 이용될 수 있는데, 왜냐하면 이들 인광체 화합물은 높은 안정성을 보이기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 파장 변환 재료는 예를 들어 카드뮴 셀레나이드 및/또는 인듐 포스파이드를 포함하는 소위 양자 도트와 같은 나노 인광체(nano phosphor)를 포함할 수 있다.
파장 변환 재료의 농도는 폴리머 캐리어 재료 및 파장 변환 재료의 총 중량에 기초하여, 중량으로 1% 이하, 바람직하게는 0.1% 이하, 더 바람직하게는 0.01% 이하, 더욱더 바람직하게는 중량으로 10ppm 이하일 수 있다.
제2 단계(101)에서, 제1 파장 변환 재료(201)가 분산되어 있는 폴리머 캐리어 재료(200)는 그것의 유리 전이 온도이거나 그보다 높은 제1 온도, 예를 들어 그것의 유리 전이 온도 또는 그보다 80℃까지 더 높은 온도에서 변형된다. 전형적으로, 폴리머 캐리어 재료의 제1 온도는 그것의 유리 전이 온도이거나 그보다 50℃까지 더 높을 수 있고, 또는 예를 들어 그것의 유리 전이 온도이거나 그보다 30℃까지 더 높을 수 있다. 이러한 처리, 즉 소위 응력 유도 결정화는 도 2b에 도시된 미세 결정립들(micro crystallites)을 포함하는 영역(203)을 야기하고, 여기에서 폴리머 캐리어 재료의 폴리머 분자들(200)은 적어도 부분적으로는 거시적으로(macroscopically) 정돈되어 있다. 이 스테이지에서, 재료의 치밀화가 발생한다. 도 2b에 나타나 있는 바와 같이, 폴리머 캐리어 재료의 변형은 예를 들어 1축으로, 또는 대안적으로는 2축으로(도시되지 않음) 수행될 수 있다. 폴리머 캐리어 재료의 변형은 블로우 몰딩 또는 진공 형성과 같은 방법들을 또한 수반할 수 있다.
변형의 수단이 주어지면, 파장 변환 소자는 0.001-1mm 범위의 두께(또는 직경)와 수 미터까지의 길이 및/또는 폭을 갖는 필름, 파이버, 튜브 또는 테이프의 형태로 획득될 수 있다. 대안적으로, 예를 들어 블로우 몰딩 또는 진공 몰딩에 의해, 예를 들어 전구 형상과 같은 더 3차원적인 형태가 가능하다.
제3 단계(102)는 제1 파장 변환 재료(201)가 분산되어 있는 폴리머 캐리어 재료(200)를 그것의 용융 온도보다 낮은 제2 온도에서 어닐링하는 단계를 수반한다. 이 제2 온도는 전형적으로는 제2 단계(101)가 수행되는 제1 온도보다 높다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 이 제3 단계(102)에서, 결정도 및 거시적 정돈이 더 증가되어, 재료를 더 안정화한다. 폴리머 재료(200)의 이러한 변환은 그것의 밀도의 증가에서 알 수 있다. 본 발명의 실시예들에서, 폴리머 캐리어 재료(200)의 변형은 어느 정도까지는 제3 단계(102) 동안에도 수행될 수 있다.
파장 변환 소자(202)는 선택적으로, 제1 파장의 광을 제3 파장의 광으로 변환하도록 적응된 제2 파장 변환 재료를 포함할 수 있다. 제2 파장 변환 재료는 예를 들어 세륨 도핑된 YAG(yttrium aluminium garnet) 또는 LuAG(lutetium aluminium garnet)와 같은 무기 인광체 재료, 또는 제2 유기 인광체 복합체일 수 있다. 따라서, 하나보다 많은 파장 변환 재료를 이용하여, 출력 광의 스펙트럼 조성이 더 편리하게 원하는 대로 적응될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 파장 변환 소자는 예를 들어 AlOx와 같은 산란 입자를 포함할 수 있다. 제2 파장 변환 재료 및/또는 산란 입자는 도 2의 동일 공정을 거쳐 동일한 층의 폴리머 캐리어 재료에 분산될 수 있고, 다르게는 추가의 공정 단계에서, 예를 들어 코팅 또는 적층에 의해 제1 파장 변환 재료를 포함하는 층에 도포되는 별개의 층의 동일 또는 다른 폴리머 캐리어 재료 내에 분산될 수 있다.
도 3a-e는 복수의 LED(300), 및 소위 원격 구성으로 LED들(300)로부터 떨어져서 배치되어 LED들(300)로부터 방출된 제1 파장의 광을 수신하고 제1 파장의 광의 적어도 일부를 제2 파장의 광으로 변환하도록 적응된 적어도 하나의 파장 변환 소자(301, 302, 303, 310, 312)를 포함하는, 본 발명에 따른 발광 디바이스(304, 305, 306, 307, 314)의 예시적인 실시예의 측단면도를 보여준다. 폴리머 캐리어 재료는 전형적으로는 광 투과성이어서, LED에 의해 방출되고/방출되거나 파장 변환 소자(301, 302, 303, 310, 312) 내에 포함된 파장 변환 재료에 의해 변환된 광이 폴리머 캐리어 재료를 통해 투과될 수 있게 된다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 발광 디바이스(304)는 각각 단일 LED(300)로부터의 광을 수신하도록 배열된 복수의 파장 변환 소자(301)를 포함할 수 있고, 다르게는 도 3b-d에 도시된 바와 같이, 발광 디바이스(305, 306, 307)가 모든 LED(300)로부터의 광을 수신하도록 되어 있는 단일의 파장 변환 소자(302, 303, 310)를 포함한다. 또한, 도 3c-d에 도시된 바와 같이, 파장 변환 소자(303, 310)는 돔 또는 전구의 형상을 가질 수 있다. 파장 변환 소자는 또한 구부러져서 유리 튜브 내에 맞춰지거나 거기에 감싸질 수 있는 필름의 형태일 수 있고, 그러한 튜브는 레트로핏 형광등으로서 기능하기 위해 발광 다이오드들을 구비할 수 있다. 도 3d는 전통적인 캡(308)을 구비하는 베이스 부분(308)을 포함하는 레트로핏 램프(307)로서 제공된, 본 발명에 따른 발광 디바이스의 실시예를 보여준다. 도 3d의 광 변환 소자(310)는 광 출구 부재(309)의 대응하는 형태에 맞도록 전구 형상의 형태이다.
도 3e는 복수의 파장 변환 소자(312)가 제2 폴리머 매트릭스(313) 내에 분산되어 있는, 본 발명에 따른 발광 디바이스(314)의 실시예를 보여준다. 파장 변환 소자들(312)은 0.01-1mm 범위의 두께를 갖는 입자들(312)의 형태일 수 있다. 제2 폴리머 매트릭스(313) 내에 파장 변환 소자(312)를 통합함으로써, 원하는 디자인을 갖는 파장 변환 소자를 포함하는 컴포넌트들이 예를 들어 인젝션 몰딩 기법에 의해 쉽게 만들어질 수 있다. 도 3e에서, 제2 폴리머 매트릭스(313)는 LED들(300)을 포함하는 반사 챔버(311)의 위에 배치된다.
본 기술분야의 숙련된 자는 본 발명이 결코 위에 설명된 예시적인 실시예들로 한정되지 않음을 인식하고 있다. 예를 들어, 도 3a-e는 본 발명의 파장 변환 소자가 이용될 수 있는 발광 디바이스의 예시적인 실시예들에 지나지 않으며, 파장 변환 소자는 한 파장으로부터 다른 파장으로의 광의 변환이 요구되는 거의 모든 유형의 발광 디바이스에서 적응 및 이용될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 파장 변환 소자는 임의의 발광 디바이스 상에 코팅으로서 도포될 수 있다. 또한, 파장 변환 부재가 임의의 적절한 형상을 갖는 발광 디바이스로부터 독립된 필름 또는 시트와 같은 자기 지지 층(self-supporting layer)일 수 있음이 고려된다.
본 발명에 따른 방법의 이점들은 실험으로 입증되었다.
예시
한 실험에서, 압출과 후속하여 실온으로 급랭에 의해 준비된 PET 매트릭스 내의 (상용화된 유기 인광체인) 0.015% Red F305 염색제가 이용되었다. 도 4는 4.2 W/㎠의 광속 밀도에서 450nm의 청색 광으로 조명된 인광체 재료를 포함하는 준비된 PET 매트릭스 층으로부터의 방출을 시간의 함수로서 보여준다. 층 내에서의 초기 흡수는 10%이고, 따라서 세기는 염색제 농도에 직접 관련된다. 볼 수 있는 바와 같이, 세기는 붕괴율 k를 갖는 시간의 지수 함수이다.
인광체 재료를 포함하는 준비된 폴리머 재료는 다음으로 4.2 W/㎠의 광속 밀도에서 450nm의 청색 광으로 조명되었고, 다양한 온도에서 붕괴율이 측정되었다. 도 5에서, 수명의 척도인 역 붕괴율이 온도의 함수로서 도표로 작성되어 있다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 인광체의 붕괴율은 60℃ 바로 위에서 급속하게 증가하여, 인광체의 수명의 급속한 감소를 야기한다.
분명히, 폴리카보네이트 및 PET와 같은 폴리머 내에서, 염색제의 열화율은 그것의 유리 전이 온도 위에서 급속하게 증가하며, 따라서 발광 염색제의 응용 온도 범위를 제한한다.
다음으로, 인광체 재료를 포함하는 준비된 폴리머 재료는, 본 발명의 방법의 일 실시예에 따라 먼저 재료를 (PET의 유리 전이 온도보다 높은) 90℃로 가열하고(그 온도에서 재료가 신장되었음), 후속하여 재료를 150℃에서 어닐링함으로써 처리되었다. 재료의 그러한 처리 후에, 붕괴 상수는 공기 중에서 80℃의 온도에서 4.6*10-7로부터 6.2*10-8로 감소되었으며, 이것은 인광체의 수명이 약 7배 증가하는 것에 대응한다.

Claims (15)

  1. 파장 변환 소자(202, 301, 302, 303, 310, 312)를 제조하는 방법으로서,
    제1 파장 변환 재료(201)가 분산되어 있거나 분자적으로 용해되어 있는(molecularly dissolved) 폴리머 캐리어 재료(200)를 제공하는 단계(100) - 상기 제1 파장 변환 재료는 제1 파장의 광을 제2 파장의 광으로 변환하도록 되어 있음 -;
    상기 폴리머 캐리어 재료(200)의 적어도 일부가 결정화되도록, 상기 폴리머 캐리어 재료(200)를 그것의 유리 전이 온도이거나 그보다 높은 제1 온도에서 변형시키는 단계(101); 및
    상기 폴리머 캐리어 재료(200)를 그것의 용융 온도보다 낮은 제2 온도에서 어닐링하는 단계(102)
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 온도는 상기 폴리머 캐리어 재료(200)의 유리 전이 온도이거나 또는 그보다 80℃까지 더 높은 온도인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 온도는 상기 제2 온도보다 낮은 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머 캐리어 재료(200)는 상기 어닐링하는 단계 동안 변형되는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머 캐리어 재료(200)를 변형시키는 단계(101)는 2축으로(biaxially) 또는 1축으로(uniaxially) 수행되는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변형시키는 단계 이후의 상기 파장 변환 소자(202, 301, 302, 303, 310, 312)는 필름, 파이버, 튜브 또는 테이프의 형태인 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머 캐리어 재료(200)를 변형시키는 단계(101)는 그것의 진공 형성(vacuum forming) 또는 블로우 몰딩(blow molding)에 의해 달성되는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머 캐리어 재료(200)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: polyethylene terephthalate), 및/또는 그것의 코폴리머, 및/또는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN: polyethylene naphthalate), 및/또는 그것의 코폴리머를 포함하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 파장 변환 재료(201)는 페릴렌 유도체(perylene derivative) 및/또는 양자 도트(quantum dot)를 포함하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 파장 변환 소자(202, 301, 302, 303, 310, 312).
  11. 소정의 결정도(a degree of crystalline)를 갖는 폴리머 분자들을 포함하는 반-결정질(semi-crystalline) 폴리머 재료(200)를 포함하는 파장 변환 소자(202, 301, 302, 303, 310, 312)로서,
    상기 폴리머 재료는 내부에 분산된 적어도 하나의 파장 변환 재료(201)를 포함하고, 상기 결정도는 10부피% 이상인 파장 변환 소자.
  12. 제11항에 있어서, 상기 결정도는 20부피% 이상인 파장 변환 소자(202, 301, 302, 303, 310, 312).
  13. 제11항에 있어서, 상기 결정도는 30부피% 이상인 파장 변환 소자(202, 301, 302, 303, 310, 312).
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파장 변환 소자는 제2 폴리머 매트릭스(313)에 포함되고, 상기 파장 변환 소자(312)는 상기 제2 폴리머 매트릭스(313)에 분산되는 입자들(312)의 형태일 수 있는 파장 변환 소자(202, 301, 302, 303, 310, 312).
  15. 발광 디바이스(304, 305, 306, 307, 314)로서,
    제1 파장의 광을 방출하도록 되어 있는 광원(300), 및
    제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 파장 변환 소자(301, 302, 303, 310, 312)
    를 포함하고,
    상기 파장 변환 소자는 상기 제1 파장의 광을 수광하도록 되어 있으며, 상기 제1 파장의 광의 적어도 일부를 제2 파장의 광으로 변환하도록 되어 있는 발광 디바이스.
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