KR20140128979A - 합성 원격 발광 컨버터가 있는 led 백색 광원 - Google Patents

합성 원격 발광 컨버터가 있는 led 백색 광원 Download PDF

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KR20140128979A
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비탈리 니콜라예비치 데이네고
나움 핀카소비치 소친
블라디미르 니콜라예비치 울라스유크
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자크리토에 악치오네르노에 오브쉐스트보 "나우크노-프로이즈보드스트벤나야 콤메르체스카야 휘르마 "엘탄 리미티드"
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Abstract

본 발명은 원격 발광 형광체가 있는 반도체 발광다이오드 기반의 백색 광원과 관련되어 있다. 발명 요점: 램프에는 복사광 방출 구경이 있는 열 방산 베이스가 있고, LED는 이 구경 둘레에 고정되어 1차 복사광을 방출하며, 상기 LED에서 떨어진 곳에 발광 물질이 있는 오목한 막의 형태로 1차 복사광 컨버터가 있고 구경의 한쪽 측면에 연속적으로 배열된 오목 반사면이 있는 광반사경이 있어서 복사광 컨버터와 광반사경의 오목한 방향은 LED와 방출 구경으로 향해져 있다. 또한, 램프에는 구경의 다른 쪽에 배치된 2차 복사광 컨버터가 있는데 그 형상은 평평하거나 볼록하게 되어 있다. 1차 복사광이 컨버터의 표면에 입사되면서 생성되는 2차 복사광은 열 방산 베이스의 구경을 통과하여 방출되고 2차 복사광 컨버터의 발광 물질을 여기하여 3차 복사광을 방출시킨다. 따라서, 2차 및 3차 복사광의 결합으로 생성된 백색 광선이 2차 컨버터를 통과하여 방출된다.

Description

합성 원격 발광 컨버터가 있는 LED 백색 광원{LIGHT-EMITTING DIODE WHITE-LIGHT SOURCE WITH A COMBINED REMOTE PHOTOLUMINESCENT CONVERTER}
본 발명은 전기 및 전자 장비에 관련된 것으로 보다 자세히 설명하자면 반도체 발광다이오드(LED) 기반의 광원에 관한 것이고, 그 중에 특히 변환 발광 형광체가 있는 LED기반의 백색 광원에 관련된 것이다.
기술 분야에 알려진 모든 백색 광원 중에 가장 높은 조명 효율성을 구현한 제품, 특히 나이트라이드(InGaN)와 같이 최근 효율적인 LED 개발의 발전 덕분에, 반도체를 이용한 조명 기술은 백색 조명 시장을 점차 장악하고 있다. LED 솔루션은 연속적인 가로등 발광체와 같은 조명 기기에 널리 사용되고 있다. 발광체가 비교적 크고 열이 집중되는 환경에 LED 조명을 분산 설치하면 조명에서 발생하는 열을 효율적으로 축소시킬 수 있다. 소형 폼팩터 및 고광속을 가진 표준 형광등과 할로겐 램프의 대체용으로 LED제품을 개발하는 것은 심각한 에너지 절약 문제를 해결하는 관점에서 가장 중요한 과학기술적 과제이다. 하지만, 이 솔루션은 전자 제어장치(드라이버)를 설치하는 공간이 한정되어 있고 램프의 LED에서 방출된 열을 제거하는 표면은 비교적 좁기 때문에 상당한 어려움을 겪고 있다. 백색 LED에는 주로 YAG:Ce 형광체로 코팅된 청색 LED가 들어있다. 고출력(1W 이상) 청색 LED는 약 30-45%의 효율성을 가지며, 활용된 각 와트에서 개별 발열에 할당된 출력은 약 550-700 mW 정도이다. 게다가, 백색 LED에서 형광체가 청색광을 황색광으로 변환할 때 입사광 에너지의 약 20%가 형광체 발열에 소모되는 것으로 알려져 있다. 기술 규격에 따르면 청색 LED의 복사 출력 손실은 25 - 125℃에서 약 7%인 반면에 백색 LED의 출력 손실은 동일한 온도 범위에서 약 20%로 나타나고 있다. 따라서, 고출력 백색 LED는 발열과 광속 측면에서 상당한 제한이 있다.
본 발명의 목적은 기존에 알려진 기술 솔루션 문제를 극복한 분야 내에서 소형 폼팩터를 가진 LED 램프를 제공하여 표준 램프를 대체하는 것이다.
표준 백색 램프를 대체하기 위해 설계된 LED 램프의 구조는 LED 칩을 기반으로 하고 있다. 백색광은 청색, 녹색, 적색 또는 청색 및 황색 등의 다양한 광색과 LED 칩에서 방출된 혼합 복사광을 통해 방출된다.
하지만, 발광 형광체 컨버터가 있는 LED 백색 광원은 LED 칩의 청색광 또는 자외선 복사를 흡수하는 반면에 황색광 또는 주황색(적색)광을 복사하기 때문에 최근 몇년 동안 가장 널리 사용되는 광원이 되고 있다. 도 1은 이런 유형의 백색 광원 작동 원리를 설명하는 도면을 나타낸다.
이 장치는 LED 칩과 변환 발광 형광체 매질로 구성되어 있는데, LED 칩은 비교적 파장이 짧은 복사광을 주로 방출하고 변환 발광 형광체 매질은 앞서 언급한 비교적 짧은 파장의 복사광을 받게 되는데 이런 단파 복사광을 받은 매질은 여기되어 그 반응으로 비교적 파장이 긴 2차 복사광을 방출하게 된다. 특정 실시예에서 칩을 고분자 매트릭스로 된 유기 및/또는 무기 형광체(발광 형광체)에 놓으면 칩에서 방출되는 파란 단색광 또는 자외선 복사는 백색광으로 변환된다.
도 2는 미국 특허 US 6,351,069에 설명된 것처럼 흔히 알려진 발광 형광체 변환이 있는 LED 백색 광원을 나타낸다.
백색 광원(110)에는 여기되었을 때 1차 청색광을 방출하는 나이트라이드 LED 칩(112)이 포함되어 있다. 이 칩(112)은 리플렉터컵(114)의 도체 프레임 위에 놓여져 있고 전기적으로 도선(116 및 118)과 연결되어 있다. 도선(116 및 118)은 칩(112)에 전력을 공급한다. 이 칩(112)은 투명한 합성수지 막(120)으로 덮여 있는데 이 막에는 복사광 파장을 변환하는 변환 물질(122)이 포함되어 있다. 막(120)을 형성하는 데 사용되는 변환 물질 종류는 이 물질(122)을 통해 생성되는 2차 복사광의 분광분포를 어떻게 원하는지에 따라 선택할 수 있다. 칩(112)과 형광막(120)은 렌즈(124)로 둘러싸여 있다. 이 렌즈(124)는 주로 투명한 에폭시 또는 실리콘으로 만들어진다. 백색 광원을 사용할 때 칩(112)에 전압을 가하면 칩의 상단 표면에서 1차 복사광이 방출된다. 방출된 1차 복사광은 막(120)의 변환 물질(122)에 의해 부분적으로 흡수된다. 따라서 변환 물질(122)은 1차 광선을 흡수한 반응으로 2차 복사광을 방출하는데 이 변환된 광선은 더 긴 파장을 갖게 된다. 방출된 1차 복사광의 잔여 흡수 부분은 2차 복사광과 함께 변환 막을 통과하여 전송된다. 렌즈(124)는 흡수되지 않은 1차 복사광과 2차 복사광을 화살표(126)로 표시된 일반적인 방향으로 집중시켜 외부로 방출한다. 따라서, 외부로 나가는 광선은 칩(112)에서 방출되는 1차 복사광과 변환 막(120)에서 방출되는 2차 복사광으로 구성되는 복합 광선이 된다. 1차 자외선을 방출하는 칩이 2차 가시광선을 방출하는 하나 이상의 변환 물질과 결합되어 있는 경우 1차 광선의 극히 일부 또는 심지어 1차 광선 전체를 장치에 남겨지도록 변환 물질을 구성할 수 있다.
기술적으로 알려진 앞서 언급한 장치는 발광 형광체 막이 LED 표면 위에 형성되기 때문에 여러 단점이 있다. 발광 형광체 막을 통과하여 진행하는 복사광의 각도에 따라 광선 경로 길이에 상당한 변화가 생기므로 발광 형광체가 LED 표면에 기계적으로, 광학적으로, 열적으로 직접 접촉하는 경우 색상의 균일성을 구현하기가 어렵다. 게다가, 가열된 LED의 높은 온도는 발광 형광체의 색 좌표를 바람직하지 않게 변경시키거나 저하시킬 수 있다.
앞서 설명한 단점을 극복하기 위해 LED에서 떨어진 파장 컨버터가 있는 백색 광원을 제안한다. 이 작동 원리는 도 3에 설명되어 있다.
예를 들어, 미국 특허 US 6,600,175(B1)의 원리 및 설명에 따라 제작된 발광체의 구조는 도 4에 표시되어 있다.
이 백색 광원은 투명 매질(211)로 형성된 덮개(207)와 내부 공간으로 구성되어 있다. 이 매질(211)은 투명한 폴리머 또는 유리 같이 빛을 투과하는 물질 중에 적절한 것을 사용하여 형상화시킬 수 있다. 매질(211)의 내부 공간에는 베이스(214) 위에 발광다이오드(LED) 칩(213)이 배치되어 있다. 1차 전기 접점(216) 및 2차 전기 접점(217)은 각각 LED 칩(213)의 복사 측면(218)과 후면(219)에 연결되어 있고, LED의 복사 측면(218)은 도선(212)을 통해 1차 전기 접점(216)과 근접 연결되어 있다. 광전달 매질(211)은 형광 및/또는 발광 성분, 또는 두 혼합 물질과 결합되어 있기 때문에 이 발광 형광체 매질은 LED(213)의 복사 측면(218)에서 방출된 복사광을 백색광으로 변환한다.
발광 형광체는 매질(211)의 덮개(207)에 분산되어 있거나 덮개(207) 표면의 내벽에 필름 코팅(209) 형태로 덮여져 있다. 아니면, 외부 코팅이 만족스럽게 보존될 수 있는 환경(예: 마모 또는 열화에 노출되지 않는 경우)에서만 유일하게 덮개를 사용하는 경우, 발광 형광체가 조립체의 외벽에 코팅될 수 있다(도면에 표시되지 않음). 예를 들어, 발광 형광체를 폴리머 또는 유리 용융액에 분산시키고 이 용융액에서 덮개의 균일한 성분비를 유지하는 방식으로 덮개를 형상화시키면 덮개 전체 표면에서 광선을 방출시킬 수 있다.
원격 실린더형 컨버터가 있는, 길게 늘여진 백색 LED발광체는 미국 특허 US 7,618,157 B1에 설명된 것처럼 기술적으로 널리 알려져 있다. 이 장치의 구조는 도 5에 개략적으로 표시되어 있다. 발광체(310)에는 직선형 방열판(312)이 있고, 이 방열판의 길이 방향을 따라 방열판(312) 위에 다수의 LED(314)가 장착되어 있고, 일렬로 배치된 LED(314) 위로 발광 돔(316)이 방열판(312)에 장착되어 있다. 여기서 LED(314)를 마주보고 배치된, 돔(316)의 일부인 반원부(318)에는 LED에서 방출된 광선으로 여기되는 발광 형광체(320)가 들어 있다. 방열판(312)은 알루미늄 같은 열전도성 물질로 만들어진다. 돔(316)은 유리나 플라스틱 같은 투명한 물질로 제작된다. 발광 형광체(320)는 돔 내면에 코팅으로 입히거나 코팅 물질 안에 주입하여 표면에 처리될 수 있다. 발광 형광체가 없는 평평한 부분(326)은 LED양쪽 옆으로 방열판에 부착되어 있고 내부에 반사면(328)이 있다. 예를 들어, 알루미늄 반사코팅이 LED(314)에서 방출되는 광선을 돔 부분(318)으로 반사시킨다.
변환 막에는 발광 형광체 물질, 양자점 물질 또는 이 두 가지 복합 물질이 포함될 수 있으며, 또한 형광체 물질 및/또는 양자점 물질이 분산되어 있는 투명 주재료가 포함될 수 있다.
분말형태의 발광 형광체 물질이 포함되어 있는 이 막은 자체에 입사되는 광선을 전달하고 흡수하고 반사하고 소진시킬 수 있다. 이 막이 광선을 소진시킬 때, 산란된 광선의 일부를 전달하고 흡수하고 반사할 수도 있다.
이런 사실을 바탕으로 앞서 언급한 기존 발명품의 일반적인 단점은 LED 복사광의 영향으로 발광 형광체 미립자에서 여기된 복사광 및 반사된 LED 복사광이 불가피하게 방광 형광체 막과 장치의 내부 성분에 부분적으로 흡수되기 때문에 백색 광선의 효율성이 저하된다는 것이다.
Yamada[1] 및 Narendran[2]은 파장이 약 470 nm 인 청색 복사광을 통해 여기된 발광 형광체 YAG:Ce의 변환 막에서 앞뒤로 전파하는 복사광의 부분 비율을 파악하였다. 이 청색광은 황색 파장 범위의 복사광으로 변환된다. Narendran은 이런 경우에 변환 막을 통해 방출되고 반사된 광선의 60% 이상이 여기 소스로 다시 퍼져나가고 이 광선의 상당한 부분이 LED 조립체[2] 내에서 손실된다는 것을 입증하였다. [3]에서 8 mg/cm2의 발광 형광체 밀도에서 광굴절률이 1.6인 에폭시 수지 내에 혼합된, 광굴절률 1.8의 YAG:Ce 발광 형광체의 경우에도 청색광과 황색광을 포함하는 복사광의 후방 및 전방 복사의 백색광 평형 비는 각각 53% 및 47%이고 반면에 황색광의 경우 후방 및 전방 복사의 백색광 평형 비는 각각 55% 및 45%인 것으로 입증되었다.
따라서, LED 복사광이 조사된 발광 형광체 표면에서 방출되는 복사광의 방향을 LED 광원의 출구 구경으로 즉시 조정하면 상당히 증대된 광속과 LED 변환 백색 광원의 최대 가용 효율성을 모든 조건에서 원격 컨버터와 동등하게 구현할 수 있다.
유사한 기술적 솔루션이 특허 US 7,293,908 B2에서 제시되었다. 이 특허에서 측광 복사 커플링이 있는 조명 시스템의 출원된 실시예가 변환 막을 포함하고 있는데 이 막은 LED에서 떨어져 있으며 광반사경 위에 배치되어 있다. 이 실시예는 해당 특허에 따라 완성된 것이다.
이 장치는 본 발명을 근거로 한 장치와 가장 유사하기 때문에 원형 제품으로 선택된 것이다.
본 특허에 따라 완성된 측광 복사 커플링이 있는 백색 광원의 작동 원리가 도 6에 설명되어 있다. 이 도면은 측광 복사 커플링이 있는 조명 시스템의 출원된 실시예 중 하나의 단면을 나타내고 있다.
측광 복사 커플링이 있는 조명 시스템은 LED(402), 1차 반사경(404), 2차 반사경(406), 출구 구경(412), 변환 막(602), 부가적인 투명 보호 막(408) 그리고 1차 반사경(404)과 2차 반사경(406)을 지탱하고 분리하는 지지대로 구성되어 있다. 이 지지대에는 평평한 투명 구성품(502), 측면 지지대(504) 및 베이스(506)가 포함되어 있다. 측면 지지대(504)는 기호에 따라 투명하거나 반사 기능을 가진다. 1차 반사경(404)은 베이스(506)에 부착되어 있다. 2차 반사경(406)은 평평한 투명 구성품(502)에 부착되어 있다. 변환 막(602)은 2차 반사경(406) 표면 위에 배치되어 있고 LED(402)의 활성 영역에서 방출된 1차 복사광의 일부를 1차 복사광의 파장과 다른 파장을 가진 복사광으로 변환한다.
도면 용도에 따라 측광 복사 커플링이 있는 조명 시스템의 작동 원리를 설명하는 광선(414, 415, 416)을 살펴보기로 한다. 1차 색광(414)은 LED(402)에서 방출되며 LED(402) 출력 표면으로 방향이 지정된다. 1차 색광(414)은 LED(402) 출력 표면을 통과하여 나아가고 투명 보호 막(408)을 향해 진행한다. 1차 색광(414)은 투명 보호 막(408)을 통과하여 변환 막(602)을 향해 진행한다. 이 막은 1차 색광(414)을 1차 색상과는 다른 2차 색광(415)으로 변환한다. 2차 색광은 파장 변환 지점에서 임의의 방향으로 방출될 수 있다. 2차 색광(415)은 투명 보호 막(408)을 통과하여 진행한 다음, 출구 구경(412)을 통과하여 1차 반사경(404)으로 나아간다. 2차 색광(416)은 1차 반사경을 통해 반사되고 평평한 투명 구성품(502)으로 향한다. 2차 색광(416)은 평평한 투명 구성품(502)을 통과하여 측광 복사 커플링이 있는 조명 시스템 밖으로 방출된다.
이 시스템의 약점은 큰 구경으로 인한 손실과 지지대 및 반사경 경계에서 발생되는 광선의 손실이다.
잘 알려진 탐조등 유형의 백색 광원에서 이런 약점들을 극복하기 위한 시도가 이루어졌고 미국 특허 US 7,810,956 B2에 설명되어 있다. 이와 같은 장치의 구조와 작동 원리를 나타내는 도 7이 미국 특허 US 7,810,956 B2에서 출원된 발명의 실시예에 따라 도식화된 탐조등 램프의 단면도를 표시하고 있다. 광원(730)은 고정장치(734) 및 부가적인 방열판(736) 위에 놓여져 있다. 방열판(736)은 도 7에 표시된 것처럼 핀이 돌출되어 있을 수 있다. 광원(730)에서 방출된 광선과 광원(730)을 둘러싸고 있는 거울(732)에서 반사된 광선이 광학 플레이트(738)에 조사된다. 파장 변환 막(742)은 광원(730)에서 분리되어 배치되기 때문에 광원(730)에서 방출된 광선을 받을 수 있다. 부가적인 방열판(744)은 변환 막(742)을 냉각시킬 수 있다. 수집 광학품(740)은 광선을 같은 방향으로 시준한다. 청색광 또는 자외선과 같은 단파 광선을 생성하는 LED를 광원(730)으로 사용할 수 있다. 광원(730)은 부가적인 고정장치(734) 위에 배치되어 부가적인 방열판(736)에 부착될 수 있다. 광학 플레이트(738)는 수집 광학품(740)에 광선을 향하게 하도록 형상화시킬 수 있다. 예를 들어, 전체 내부 반사광이 수집 광학품(740)에 집중하도록 측면(748)을 기울어지게 하거나 휘어지게 할 수 있다.
이 시스템의 약점은 큰 구경으로 인한 손실과 광원, 거울, 변환 막으로 구성된 광학 플레이트의 경계에서 발생되는 광선의 손실이며, 이로 인해 효율성이 저하된다. 게다가, 빛을 시준하는 광학 시스템에서 방출되는 광선이 비교적 가늘기 때문에 소형 폼팩터를 가진 표준 램프의 대체용으로 이 발광체를 사용하는 경우가 거의 드물다. 할로겐 램프를 사용하는 경우라도 표준 램프는 방출 광선의 충분한 각 구경을 가지고 있다.
도 8은 또 다른 알려진 백색 광원을 표시하는데, 여기서는 US 7972030 B2 특허에 설명된 것처럼 LED를 통해 나온 광선이 원격 발광 컨버터의 표면에 방사되면서 복사광이 방출된다. 이 장치는 여기에서 제시된 것 중 가장 근접한 대응품이기 때문에 원형 제품으로 선택된 것이다. 위에 언급한 특허에 따라 제작된 백색 광원의 작동원리는 출원된 광원의 단면도를 보여주는 도 8 을 통해 표시되고 있다. 광원(818)에는 투명한 물질로 만들어진 램프갓(804)이 있고 이 램프갓(804) 내부에 하나 이상의 LED(805)가 설치되어 있다. 앞서 언급한 램프갓(804) 내부 표면에 형광체 막(816)이 형성되어 있다. LED(805)는 케이블 연결도체 고정장치(820)를 통과하는 케이블(819)을 통해 전원이 공급된다. 광원에는 LED(805)에서 방출되는 복사광 λ1의 방향을 두 반사경 배치 실시예(821a, 821b) 중 하나를 통해 램프갓(804)으로 향하게 하는 포물선형 반사경이 있을 수 있다. 1차 실시예의 경우, 반사경(821a)이 LED(805) 아래에 설치되어 있어 LED(805)에서 방출된 복사광을 램프갓(804)으로 반사시키므로 LED(805) 복사광이 사용자의 눈으로 직접 방출되는 것을 방지할 수 있다. 이 설계의 장점은 광원(818)을 통해 생성된 색광(822)을 균일하게 보장한다는 것이다. 2차 실시예의 경우, 점선으로 표시된 반사경(821b)이 LED(805) 위에 설치되어 있어 광원(818)의 개방된 측면에서 반사경 위로 조사된 입사 광선을 반사한다. LED(805)를 통해 방출된 청색 복사광이 형광체(816)를 통해 방출된 황색 복사광과 결합하여 광원을 통해 생성된 백색 광선(822)을 형성한다.
앞서 언급한 광원의 단점은 반사경에서 광 손실이 비교적 높게 나타나고 LED에서 발생하는 열을 효율적으로 제거하지 못하기 때문에 광원 성능을 저하시킨다는 것이다.
기존의 모든 LED 백색 광원에 공통적인 심각한 단점은 LED 광원의 450-470 nm 청색 복사광이 강하기 때문에 인체에 위험한 영향을 준다는 것이다. 즉, 비교적 높은 강도와 (450-470 nm) 범위의 파장을 가진 청색 LED 복사광이 예를 들어 LED를 통해 여기된 형광체에서 생성되는 황색 복사광과 혼합되어 LED 광원의 백색 복사광 스펙트럼을 형성하기 때문에 이런 작동 원리에 따라 인체 안구에 청색 복사광이 직접 조사될 수 있다. 이 내용이 도 9에 도표화되어 있다. 가장 널리 사용되는 YAG:Ce 형광체로 코팅된 일반적인 청색 나이트라이드 LED의 복사광 스펙트럼과 사실상 인체에 무해하다고 입증하는 참고 자료로 형광등의 스펙트럼을 비교하여 도면에 표시하고 있다.
LED 광원의 급속한 전파로 인해 광원의 사용과 관련된 의학적 및 생물학적 측면, "새로운" 광선이 심리적 및 육체적 조건에 미치는 영향, LED 복사광에 예상되는 만성적인 영향에 대한 관심이 높아졌다. 450-470 nm 범위의 강력한 파장 폭의 발현을 통해 가장 널리 사용되는, 형광체 코팅된 백색의 복사광 스펙트럼이 다른 종류의 램프 복사광과 상당히 다르다는 사실로 인해 긴급한 문제성이 야기되었다.
최근 국제 LED 복사광 연구에 따르면 직접적인 LED복사가 인체의 생체 시계와 호르몬 체계에 영향을 주는 것으로 밝혀졌다. 이 영향은 LED스펙트럼의 강력한 청색 계열로 기인된 것이다. LED의 발열과 형광체 막의 노후화는 LED 백색 스펙트럼에서 청색이 차지하는 비율을 증대시킨다. 청색 스펙트럼 성분은 눈 색소(멜라놉신)를 통한 인체 주기 리듬과 호르몬 체계에 영향을 준다.
현재 인체의 눈은 다음과 같이 두 가지 복사광 인지 체계를 가지고 있는 것으로 알려져 있다.
- 잘 알려진 3종류의 원추세포(다색 주간 시각)와 막대세포(회색 약광 시각)로 구성된 광 감각기관이 있다.
- 신경절 세포가 포함된 멜라놉신 기반 체계는 최근에 발견되었고[4] 비광학적이거나 생물학적 체계이다. 신경절 세포는 혈액의 멜라토닌 분비물을 제어하여 활동적인 상태와 휴식적인 상태를 결정한다. 부적절한 조명과 이로 인한 혈액 성분의 생화학적 불균형은 수면과 심리 상태에 나쁜 영향을 줄 수 있고 장기간 노출 시 심하게는 유방암을 유발시킬 수 있다.
따라서 인체가 오랜 시간 동안 인공 조명에 노출되는 경우 광선 스펙트럼과 구성요소를 제어하는 것이 매우 중요하다. 즉, LED를 기반으로 광원을 제조하는 경우 현재 대중화된 개념은 인체 안구와 일반 건강의 안전을 보장하지 않는다는 것을 나타낸다. 예를 들어, 이스라엘의 Haifa 대학, 미국의 National Geophysical Data Center(국립 지구물리 데이터 센터), 이탈리아의 Light Pollution Research Institute(조명 공해 연구 기관)에서 구성된 국제 연구조사팀은 생물학적 시계를 제어하고 항암 및 면역 자극 효과를 가진 멜라토닌의 생성을 LED 조명 램프가 감소시키기 때문에 이 램프가 인체에 가장 위험한 것이라고 밝혔다[5]. 황색 나트륨 램프도 이런 영향을 주지만 다섯 배 정도 약하기 때문에 이런 면에서 인체 건강에 영향을 주지 않는다.
멜라토닌은 인체 생물학적 시계를 제어하고 면역 체계에 긍정적인 영향을 주기 때문에 종양 발병을 예방한다. 청색광이 멜라토닌 생성을 억제한다는 것은 오래 전부터 알려져 있었지만(예: 도 10은 2004년에 얻어진 광선 스펙트럼 성분의 작용에 따른 멜라토닌 생성을 표시한다[6]), 앞서 언급된 연구조사가 여러 종류의 전기 램프가 인체에 미치는 영향에 대해 정량적인 파라미터를 처음으로 나타냈다. 참고로 이 연구가들은 고압 황색 나트륨 램프의 멜라토닌 생성 수준을 허용 가능한 것으로 인정했다. 이런 램프와 비교할 때 LED 램프는 멜라토닌 생성을 다섯 배 이상 억제한다(단위 출력당).
도시, 사무실, 아파트 조명에서 LED 광원의 사용이 증대되면 사람들의 인공 조명 노출이 증가되기 때문에 이로 인해 아파트 및 공공 건물의 자연, 인공, 복합 조명에 대한 위생학적 요구조건(Hygienic Requirements to Natural, Artificial and Combined Illumination of Apartment and Public Buildings(SanPiN 2.2.1/2.1.1.1278-3))이 수정되었다. 새 규정(SanPiN 2.2.1/2.1.1.2585-10)은 두 가지 유형의 허용된 광원(예: 형광등 및 방전 램프)에 대해 공급 제한을 두지 않는다. 대신에 새 규정은 색 온도 허용 범위를 2400 ~ 6800 K로 제한한다. 이 규정은 LED 광원에 보호 경계를 포함하는 요구조건을 도입하였다(하지만, 자세한 수치는 제시되지 않았음). 유치원, 일반학교, 직업학교뿐만 아니라 대부분의 의료 기관에서 LED 광원을 사용하는 것은 금지되어 있다. 90 이상의 연색성을 가진 광원을 사용하는 경우 새 규정은 조명 수준을 1도 줄이는 것을 허용한다.
따라서 LED 조명의 인체 유해 효과를 줄이는 과제가 점점 더 중요해지고 있다.
이 발명의 주요 목적은 원격 컨버터 LED 백색 광원의 유해 효과를 줄이거나 제거하고, 소형 폼팩터 광원으로 최대 효율성을 제공하고 높은 색 균일성과 연색성을 구현하는 것이다.
우리는 하나 이상의 LED로 구성되고 근자외선 또는 자색 1차 복사 광원, 앞서 언급된 LED가 설치되는 방열 베이스, 반사면이 LED로 향하도록 지정된 반사경, 1차 복사광을 2차 청색/연청색 또는 청색/녹색 복사광으로 변환시키고 앞서 언급한 LED와 반사경 사이에 배치되는 1차 변환 막, 2차 복사광을 3차 황색, 황색/주황색 또는 적색 복사광으로 변환시키고 앞서 언급한 1차 변환 막에서 어느 정도 떨어진 곳에 배치되는 2차 변환 막으로 구성되는 광원을 제공한다. 앞서 언급한 방열 베이스의 구경을 제거하여 복사광을 제공하고, 앞서 언급한 LED와 1차 변환 막을 앞서 언급한 구경 근처의 방열 베이스에 배치하고, 또한 LED에 의해 조사되는 1차 변환 막 표면과 앞서 언급한 반사경 표면은 오목 형태로 되어 있어 오목한 표면이 앞서 언급한 1차 복사광원과 구경으로 향하고 2차 변환 막은 평면 또는 볼록 형태로 되어 있고 앞서 언급한 구경이나 구경의 다른 쪽에 배치되고, LED 방출 스펙트럼은 앞서 언급한 1차 변환 막 물질의 여기 스펙트럼 범위 내에 있으며, 가능하면 1차 변환 막 물질 여기 스펙트럼 최대값의 양쪽 측면에 1차 변환 막 물질 여기 스펙트럼의 반진폭에 동등한 스펙트럼 범위 내에 있으며, 1차 변환 막의 발광 물질의 최대 방출 스펙트럼은 2차 변환 막의 발광 물질의 여기 스펙트럼 범위 내에 있으며, 가능하면 2차 변환 막 물질 여기 스펙트럼 최대값의 양쪽 측면에서 2차 변환 막 물질 여기 스펙트럼의 반진폭에 동동한 스펙트럼 범위 내에 있도록 하여 앞서 설명된 발명 목적을 구현한다. 이런 광원의 상호 위치지정을 통해 백색광 생성에 관여하는 여기 및 방출 스펙트럼의 성분을 구성하여 효율성이 높은 광원을 제공한다. 1차 변환 막 여기 스펙트럼 최대값은 450-470 nm 범위 내에 있기 때문에 2차 변환 막 방출 스펙트럼의 450-470 nm 범위에서 유해한 청색 성분을 억제하고 이런 이유로 2차 변환 막 방출 스펙트럼의 470+ nm 범위에서 청색/연청색 성분의 발현으로 인한 백색광 연색성의 손상 없이 광원에서 백색광을 생성한다. 본 내용은 가장 널리 사용되는 백색 LED의 예에서 개략적으로 표현되었고 이 LED에는 방출 파장 범위가 450-470 nm 인 LED 칩이 황색 형광체 YAG:Ce로 코팅되어 있다(도 9).
본 발명의 공개 내용은 도 11에 설명되어 있고 앞서 제안된 발광체의 단면이 도면에 개략적으로 표시되어 있다.
본 광원에는 자외선 또는 자색 스펙트럼 영역에서 광선을 방출하는 하나 이상의 LED(1)로 구성된 1차 복사광원, 앞서 언급한 LED(1)가 설치되고 구경(3)과 표면(4)이 있는 방열 베이스(2), LED를 향한 오목 반사면(6)을 가지고 있는 반사경(5), 1차 복사광(8)을 2차 청색/연청색 또는 청색/녹색 복사광(9)으로 변환하는 1차 변환 막(7)이 있으며, 이 막에는 LED로 향한 오목면과 앞서 언급한 반사면(6)으로 향하는 2차 볼록면(11)이 있다. 여기서 앞서 언급한 1차 변환 막(7)은 LED(1)와 앞서 언급한 반사면(6) 사이에 배치되고, 앞서 언급한 구경(3)에 배치된 2차 변환 막(12)은 2차 복사광(9)을 3차 황색, 황색/주황색 또는 황색/적색 복사광(13)으로 변환한다.
이 발광체는 다음 방식으로 기능한다. LED(1)의 1차 복사광(8)은 변환 막(7)에 도달한 다음, 표면(10)에서 부분적으로 반사되고, 일부가 방열 베이스(2)의 구경(3)을 통과하여 방출되고, 발광 형광체 입자 표면에서 부분적으로 반사되고, 변환 막(7)에서 소진되며, 변환 막(7) 물질을 통해 부분적으로 흡수된 광선은 2차 복사광(9)으로 변환된다. 이와 동시에, 광반사면(6)에 도달했던 1차 복사광(8)의 일부는 변환 막(7)에 다시 반사되고 변환 막(7)의 물질을 통해 부분적으로 흡수되며 변환 막(7)의 발광 형광체를 통해 2차 복사광(9)으로 변환된다. 2차 복사광(9)은 변환 막에서 광원의 구경(3)으로 방출되며 일부는 2차 변환 막(12)의 물질을 통해 흡수되어 3차 복사광(13)으로 변환된다. 3차 복사광은 2차 복사광(9)과 혼합되어 변환 막 물질, 주로 형광체 입자의 성분조성 및 크기, 변환 막의 두께에 따라 생성되는 백색 스펙트럼 분포를 형성한다. 구경(3)으로 진행하는 LED(1)의 1차 복사광 일부는 2차 변환 막(12)에서 흡수된다.
이 장치가 LED 복사광의 단계적 변환에 기반을 두고 두 개 이상의 형광체를 구성하고 있기 때문에 형광체 성분조성 선택은 매우 중요하다.
발광 형광체는 일반적으로 흔하지 않은 지상 성분(란탄 계열)의 이온 또는 크롬, 티타늄, 바나듐, 코발트, 네오디뮴 등의 성분 이온으로 도핑된 광학 무기 물질이다. 란탄 계열 성분에는 란타늄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀 그리고 루테튬이 있다. 광학 무기 물질에는 다음이 포함된다(이에 국한되지 않음). 사파이어(Al2O3), 갈륨 비소(GaAs), 베릴륨 알루미늄 산화물(BeAl2O4), 불화 마그네슘(MgF2), 인화 인듐(InP), 갈륨 인(GaP), 이트륨 알루늄 가넷(YAG 또는 Y3Al5O12), 테르븀 함유된 가넷, 이트륨-알루미늄-란탄계 산화 화합물, 이트륨 화합물, 란탄계-알루미늄-갈륨 산화물, 이트륨 산화물(Y2O3), 칼슘 또는 스트론튬 또는 바륨 할로포스페이트(Ca,Sr,Ba)5(PO4)3(Cl,F), 성분 CeMgAl11O19, 란타늄 인산염(LaPO4), 란탄계 펜타보레이트 물질((란탄계) (Mg,Zn)B5O10), 성분 BaMgAl10O17, 성분 SrGa2S4, 화합물 (Sr,Мg,Ca,Ba)(Ga,Al,In)2S4, 성분 SrS, 성분 ZnS, 질화 규산염.
250 nm 또는 이와 근접한 파장을 가진 자외선 복사광을 통해 여기될 수 있는 일반적인 발광 형광체가 다양하게 있다. 일반적인 적색 방출 발광 형광체는 Y2O3:Eu+3 이다. 일반적인 황색 방출 발광 형광체는 YAG:Ce+3 이다. 일반적인 녹색 방출 발광 형광체에는 CeMgAl11O19:Tb<3+>, (란탄계) PO4:Ce+3,Tb+3 및 GdMgB5O10:Ce+3,Tb+3 이 포함된다. 일반적인 청색 방출 발광 형광체는 BaMgAl10O17:Eu+2 및 (Sr,Ba,Ca)5(PO4)3Cl:Eu+2 이다. 400-450 nm 또는 이에 근접한 파장 범위를 가진 비교적 긴 파로 LED를 여기하는 경우, 일반적인 광학 무기 물질에는 이트륨 알루미늄 가넷(YAG 또는 Y3Al5O12), 테르븀 함유된 가넷, 이트륨 산화물(Y2O3), YVO4, SrGa2S4, (Sr,Мg,Ca,Ba)(Ga,Al,In)2S4, SrS 및 질화 규산염이 포함된다. 400-450 nm 의 파장 범위에서 LED를 여기하는 경우 일반적인 발광 형광체에는 YAG:Ce+3, YAG:Ho+3, YAG:Pr+3, SrGa2S4:Eu+2, SrGa2S4:Ce+3, SrS:Eu+2 그리고 Eu+ 2으로 도핑된 질화 규산염이 포함된다.
또한, 청색광 방출 형광체는 (Sr1 -х-a BaJ3MgSi2O8:Eua (a=0.002-0.2, x-0.0-1.0); (Sr1 -x- aSr)2P2O7:Eua (a=0.002-0.2, x=0.0-1.0); (Sr1 -x- aBax)Al14O25:Eua (a=0.002-0.2, x=0.0-1.0); La1 - aSi3N5:Cea (a=0.002-0.5); (Y1 -a)2SiO5:Cea (a=0.002-0.5); (Ba1 -х- aSrx)MgAl10O17:Eua (a=0.01-0.5, x-0.0-0.5)로 구성된 그룹에서 선택할 수 있다.
본 발명은 일반적인 화학식 (Mg,Ca,Sr)2(PO4)Cl:Eu+2를 가진 새로운 청색광 방출 형광체를 사용한다. 여기서 Eu+2 농도 범위는 0.5%에서 10%이며 성분 비는 다음과 같다. (Mg: 0.05-0.2; Ca: 0.6-0.8; Sr: 0.01-0.2). 이들 성분 비를 변경하면 방출 스펙트럼의 최대 위치와 반진폭을 넓은 범위에 걸쳐 변화시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 다음과 같이 특별하게 합성된, 새롭고 효율적인 청색광 방출 형광체를 사용할 수 있다.
- 방출 스펙트럼 최대값이 450 nm 이고 반진폭이 72 nm 인 LiCaPO4:Eu,
- 방출 스펙트럼 최대값이 460 nm 이고 반진폭이 75 nm 인 NaCaPO4:Eu,
- 방출 스펙트럼 최대값이 468 nm 이고 반진폭이 80 nm 인 KCaPO4:Eu.
400-470 nm 또는 이에 근접한 범위의 파장이 긴 LED여기에 사용되는 일반적인 광학 무기 물질에는 알루모-이트륨 가넷(YAG 또는 Y3Al5O12), 테르븀 함유된 가넷, 이트륨 산화물(Y2O3), YVO4, SrGa2S4, (Sr,Мg,Ca,Ba)(Ga,Al,In)2S4, SrS 및 니트리도실리케이트가 포함된다. 400-450 nm 범위의 LED여기에 사용되는 일반적인 형광체에는 YAG:Ce3 +, YAG:Ho3 +, YAG:Pr3 +, SrGa2S4:Eu2 +, SrGa2S4:Ce3 +, SrS:Eu2 + 및 Eu2 + 도핑된 니트리도실리케이트가 포함된다. (Lu1 -x-y-a- bYxGdy)3 (Al1 - zGaz)5O12:Cea 3 +Prb3 +, 0<х<1, 0<y<l, 0<z<=0.1, 0<a<=0.2 및 0<b<=0.l 인 경우에 예를 들어 Lu3Al5O12:Ce3 + 및 Y3Al5O12:Ce3 +를 포함한다. (Sr1 -a- bCabBac)SixNyOz:Eua 2 + (a=0.002-0.2, b=0.0-0.25, c=0.0-0.25, x=1.5-2.5, y=l.5-2.5, z=l.5-2.5) 경우에 예를 들어 SrSi2N2O2:Eu2 +를 포함한다. (Sr1 -u-v- xMguCavBax)(Ga2 -y- zAlyInzS4):Eu2 +인 경우에 예를 들어 SrGa2S4:Eu2 + 및 Sr1 - xBaxSiO4:Eu2 +를 포함한다.
적색광 방출 형광체는 다음과 같이 잘 알려진 그룹에서 선택할 수 있다. 이 그룹에는 (Sr1 -a-b- cBabCac)2Si5N8:Eua (a=0.002-0.2, b=0.0-1.0, c=0.0-1.0), (Ca1 -xaSrx) S:Eua, (a=0.0005-0.01, x=0.0-1.0), Ca1 -аSiN2:Eua (a=0.002-0.2), (Ba1 -x-aCax) Si7N10:Eua (a=0.002-0.2, x=0.0-0.25), (Ca1 - xSrx)S:Eu2 + 0<x<=l 인 경우 예를 들어 CaS:Eu2 + 및 SrS:Eu2 +이고, (Sr1 -x- yBaxCay)2- zSi5 - aAlaN8 - aOa:Euz 2 + 0<=a<5. 0<x<=l.0<=y<=l 및 0<z<=1인 경우 예를 들어 Sr2Si5N8:Eu2 +가 포함된다.
본 발명은 특별하게 합성된 새로운 적색광 방출 형광체를 사용하는데 이것의 일반 화학식은 (Ba,Ca,Zn,Eu)2S4 이며 성분 비는 다음과 같다: (Ba: 0.9-1.4; Ca: 0.9-0.4; Zn: 0.05-0.15; Eu 0.02-0.05). 이들 성분 비를 변경하면 방출 스펙트럼의 최대 위치와 반진폭을 넓은 범위에 걸쳐 변화시킬 수 있다.
약 30 nm 미만의 무기질 반도체 미립자인 양자점 물질을 발광 형광체로 사용할 있다. 일반적인 양자점 물질에는 CdS, CdSe, ZnSe, InAs, GaAs 및 GaN의 입자가 포함된다(이에 국한되지 않음). 양자점 물질은 한 파장의 빛을 흡수한 다음 다른 여러 파장의 빛으로 방출할 수 있다. 방출되는 빛의 파장은 입자 크기, 입자 표면 특성, 무기질 반도체 재료에 따라 달라진다.
변환 막에는 발광 형광체 물질 또는 양자점 물질 그리고 발광 형광체 물질과 양자점 물질의 혼합체 모두가 포함될 수 있다. 이런 물질들을 둘 이상 혼합하여 사용하면 방출되는 백색광(고연색성)의 스펙트럼 범위가 넓어지기 때문에 더욱 바람직하다. 고연색성 지수를 가진 온화한 백색광을 얻는 일반적인 접근 방법은 황색 및 적색 변환 발광 형광체의 혼합 복사광과 InGaN LED의 복사광을 혼합하는 것이다. 변환 막에는 LED에서 방출되는 빛을 흡수하여 더 긴 파장의 빛을 방출하는 다양한 발광 형광체가 포함될 수 있다. 예를 들어, 청색 LED의 경우 변환 막에는 황색광을 방출하는 단일 발광 형광체가 포함되거나, 적색 및 녹색 광선을 방출하는 여러 발광 형광체가 포함될 수 있다. 자외선 LED의 경우, 변환 막에는 청색 및 황색 광선을 방출하는 발광 형광체가 포함되거나, 청색, 녹색, 적색 광선을 방출하는 발광 형광체가 포함될 수 있다. 발광체에서 방출되는 혼합광의 색 좌표와 연색성 계수를 제어하기 위해 부가적인 색광을 방출하는 발광 형광체를 추가할 수 있다.
적색광 같은 파장이 긴 발광 형광체와 녹색/황색 광선 같은 파장이 짧은 발광 형광체의 방출 스펙트럼이 중첩되어 발생한 단계적 상호작용은 단파(녹색/황색) 광자의 에너지 재흡수를 유발하여 장파(적색) 광선이 방출되기 때문에 일반적으로 LED의 효율성을 저하시키고 백색 연색성 지수를 줄이는 것으로 알려져 있다(예시 참조[7]). 도 12는 효율성과 백색 연색성 지수 측면에서 광자 재흡수의 효과를 나타낸다. 이런 특정 예에서 녹색/황색 광자 에너지는 적색 광자로 변환되고, 녹색/황색 발광 형광체와 녹색/황색 발광 형광체를 여기하는 청색 LED의 방출 밴드 사이에서 간격의 기저 폭은 증가된다. 이것은 연색성 지수에 유해한 영향을 끼친다. 따라서 단파와 장파 발광 형광체의 상호 작용을 최소화시켜야 한다는 것이 일반적인 견해이다.
하지만, 1차 변환 막 방출 스펙트럼의 최대치가 450-470 nm 범위에서 2차 변환 막 여기 스펙트럼 최대치와 일치하게 되면, 유해한 청색 성분은 2차 변환 막 방출 스펙트럼의 450-470 nm 범위에서 최대한 억제되기 때문에 백색 연색성 지수를 저해하지 않으면서 광원에서 백색광이 생성된다. 도 13은 YAG:Ce3 + 발광 형광체의 여기 및 방출 스펙트럼을 나타낸다. 이것은 "백색" LED에서 가장 널리 사용되는 것이고 새롭고 특별하게 합성된 KCaPO4:Eu2 + 발광 형광체의 방출 스펙트럼은 468nm(방출 스펙트럼 반진폭: 80 nm)에서 방출 스펙트럼 최대치를 갖는다. 이 최대치는 YAG:Ce3 +의 장파 여기 밴드 최대치와 거의 일치한다.
LED UV 복사광이 발광 형광체를 통해 청색 복사광으로 변환되고 이어서 황색 복사광으로 변환되는 단계적 상호작용을 기반으로 하는 광원의 효율성은 청색 LED 복사광을 통해 황색 발광 형광체를 직접 여기하는 방식보다 약간만 떨어진다. 450nm에서 청색 복사광 스펙트럼 최대치를 가지고 반진폭이 70 nm 인, UV 여기된 Ca2(PO4)Cl:Eu+2 발광 형광체에 대해 실험을 실시하였다. 이 형광체는 450-0.05nm~475+0.05nm에서 여기 밴드를 가진 Y2 .4Gd0 .54Ce0 .06Al5O12 가넷 발광 형광체를 여기한다.
비교 데이터가 표 1에 요약되어 있다. 이런 발광 형광체의 여기 및 다양한 파장 λ LED을 가진 LED 복사광의 결합을 통해 생성된 복사광 강도 L이 표시되어 있다. 여기서 LMgO는 MgO 코팅된 백색 표면에 빛이 조사되어 생성된 LED 복사광의 보정 강도를 나타낸다.
ALED, nm 365 384 452
LMgo, r.u. 13 17 72.3
Lblue, r.u. 67 17 646.7
Lyellow, r.u. 49 14 1087.7
LLED + blue / yellow, r.u. 290 61 962
변환 계수 4.33 3.59 1.49
대체로 변환 막은 LED 및 발광 형광체 복사광을 위해 광학적으로 투명한 재료 내에 형광체가 넓게 분산되어 있는 형태로 제작된다.
투명한 주재료에는 폴리머와 무기질 재료가 포함될 수 있다. 폴리머 재료에는 다음이 포함된다(이에 국한되지 않음): 아크릴레이트, 폴리카보네이트, 플루오르아크릴레이트, 퍼플루오르아크릴레이트, 플루오르포스피네이트 폴리머, 플루오르실리콘, 플루오르폴리이미드, 폴리테트라플루오르에틸렌, 졸-겔, 에폭시 수지, 열가소성 수지, 열수축 플라스틱 및 실리콘. 플루오르 함유된 폴리머는 400nm 보다 짧은 자외선 파장 범위와 700 nm 보다 긴 적외선 파장 범위에서 광선 흡수율이 낮기 때문에 이 범위에서 특히 유용하다. 일반적인 무기질 재료에는 이산화규소, 광학 유리, 칼코겐화물 유리 등이 포함된다(이에 국한되지 않음).
예를 들어 분쇄, 반죽, 증착 또는 발광 형광체 서스펜션에서 액체로 전기 삼투를 통해 변환 막의 발광 형광체는 광 반사경 표면에 코팅으로 균일하게 밀착되어 사용될 수 있다. 특히 반사경에 원통형이나 반구형처럼 곡선형 표면이 있는 경우, 발광 형광체로 코팅한 반사경과 관련하여 발생되는 난관은 반사경에 균일하고 재현 가능한 코팅을 입히는 것이다. 분쇄, 반죽, 증착 방법을 적용하는 경우 기질에 발광 형광체 입자를 투입하기 위해 액체 서스펜션을 사용한다. 코팅의 균일성은 서스펜션의 점도, 서스펜션 내의 입자 농도 그리고 주위 온도와 습도 같은 환경 요소에 따라 급격하게 달라진다. 건조 전 서스펜션의 유동으로 인한 코팅 결함 그리고 코팅 두께의 일상적 변화는 일반적인 문제로 분류된다.
경우에 따라, 폴리카보네이트, PET, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 아크릴 등과 같이 압출 성형된 투명 플라스틱 코팅 재료에 발광 형광체를 추가하는 것이 바람직할 수도 있다. 이 경우 변환 막을 시트 형태로 사전 제작한 다음, 가열하여 원하는 형태로 성형시킬 수 있다. 성형 전에 진공 증착을 통해 알루미늄이나 은 등으로 만들어진 광반사 코팅을 시트의 한쪽 표면에 입힐 수 있다.
예를 들어 변환 막과 방열기의 반사면 사이에 실리콘 접착제를 배치하면 변환 막과 균일하게 사전 성형된 방열기의 반사면을 이 접착제에 부착시킬 수 있다. 이 경우 접착 막은 변환 막보다 더 얇을 수 있지만 변환 막에서 발생하는 열을 제거하기 위해서는 비교적 작은 열적 저항을 유지해야 한다.
발광체의 특정 실시예에서 사전 성형된 시트를 사용하였는데, 진공 열 증착법을 통해 표면에 알루미늄 박막(0.5 μm)을 입힌 원통형 구리 또는 황동 반사경에 이 시트를 부착하였다. 발광 형광체 서스펜션, 표면 활성제(계면 활성제) 및 폴리머를 준비하기 위해 유기 용매를 사용하였다. 서스펜션은 압출이나 주조를 통해 시트로 성형하거나, 유리 같은 평평한 기질에 부은 다음 건조시켜 성형할 수 있다. 이 결과로 만들어진 시트를 임시로 사용되는 기질에서 분리한 다음, 솔벤트 또는 시아노아크릴레이트 접착제를 사용하여 반사경에 부착시킬 수 있다. 시트가 코팅된 반사경을 480℃로 가열하면 폴리머 매트릭스가 소실되고 발광 형광체 코팅이 남겨진다.
구체적인 사례의 경우, 도 14에 표시된 것처럼 압출을 통해 실험적 발광형광체 입자가 포함된 서스펜션으로부터 두께가 다양한 시트를 성형하였다. 이 시트는 이트륨-가돌리늄-세륨 알루미늄 가넷(Y,Gd,Ce)3Al5O12 이 담긴 메틸렌 클로라이드의 폴리카보네이트 용액을 기반으로 한다. 발광체 구경에서 방출되는 혼합 백색광의 색좌표 값을 적합하게 구현하려면 변환 막이 충분히 두꺼워야 한다. 효과적인 두께는 사용되는 발광 형광체의 광학 산란 처리에 따라 정해지고, 두께 범위는 예를 들어 5 ~500 μm 이며 대부분의 경우 100 ~ 250 μm의 두께가 사용된다.
이소프로판올을 반사경에 묻히고 원하는 형상의 돋음골을 사용하여 시트에 압력을 가하는 방식으로 시트를 원통형 반사경에 고정시켰다. 이 용제는 시트를 연화시키기 때문에 이를 통해 시트 아래에 있는 공기 방울을 밖으로 밀어내어 시트를 반사경에 완전히 접착시킬 수 있다. 코팅된 반사경은 480℃에서 어닐링 처리되면서 폴리머가 연소되고 결과적으로 발광 형광체가 입혀진 원통형 반사경이 만들어진다. 단순한 형상의 반사경은 투명한 실리콘 결합제와 발광 형광체를 섞은 혼합체로 코팅할 수 있다. 그 다음 이 혼합체를 어닐링 처리한다. 이 경우 실리콘 결합제는 어닐링을 통해 제거된다. 반드시 주의해야 할 사항은 청색광을 주황색-적색광으로 변환하는 발광 형광체가 공기 중에서 480℃까지 가열되면 그 기능이 저하되어 완전히 소멸될 수 있다는 것이다. 이 경우 염료제거 온도가 더 낮은 다른 폴리머를 사용해야 한다. 일부 실시예에서 염료제거 온도 범위는 260℃ ~ 540℃이다.
변환 막의 표면에는 투명한 보호 막이 추가로 코팅될 수 있다. 황화수소 발광 형광체와 같은 일부 형광체 유형은 습기 침투로 인해 손상될 수 있기 때문에 이 보호 막을 통해 변환 막에 습기 및/또는 산소가 침투하는 것을 예방한다. 변환 막에 습기 및/또는 산소 침투를 막을 수 있는 어떤 종류의 투명한 물질로도 보호 막을 만들 수 있다. 예를 들어 이산화규소, 질화규소, 알루미늄 산화물과 같은 무기질 폴리머 및 유기질 폴리머 또는 폴리머와 무기질이 결합된 막으로 만들 수 있다. 보호 막으로 바람직한 물질은 이산화규소와 질화규소이다.
또한, 보호 막은 발광 형광체 입자와 대기 사이의 경계를 광학적으로 깨끗하게 유지하고 LED 1차 복사광과 발광 형광체 2차 복사광이 이 경계선에서 반사되는 것을 줄여주며, 발광 형광체 복사광이 자체 복사로 입자에 흡수되어 손실되는 것을 줄여주기 때문에 발광체의 효율성을 증대시킨다.
발광 형광체 입자의 마무리 표면 처리를 통해 보호 막을 입힐 수 있다. 이 표면 처리는 다른 것들 사이에서 나노 크기의 50-100 nm 규산 아연 필름을 입자 표면에 형성시키기 때문에 발광 형광체 입자의 경계를 깨끗하게 유지할 수 있다.
변환기(7)의 표면(10) 및 반사경(5)의 표면(6)은 선대칭 형체(구형, 타원형, 포물선형 등) 또는 면대칭 형체(예: 원통형)로 형상화시킬 수 있고 이 형체들은 평면으로 잘린다. 예를 들어 방열 베이스(2)의 구경(3) 면에 평행하게 잘린다. 이런 경우 LED(1)는 앞서 언급한 방열 베이스(2)의 표면과 앞서 언급한 컨버터(7) 표면(10)의 일반적인 교차선 근처 또는 이 선을 따라 배치된다.
2차 컨버터는 평면 또는 볼록한 형태를 가질 수 있고 캡 부분에 분산된 발광 물질을 포함하고 있는 투명한 플라스틱, 유리, 세라믹 캡 형상이거나, 구경을 단단하게 막아주고 습기 및/또는 산소로부터 변환 막을 보호하는 캡의 내부 표면에 막의 형태로 증착될 수 있다. 여기서 광원의 내부 공간은 불활성 기체로 채우거나 진공 상태로 만들 수 있다.
LED 복사광은 컨버터 표면(10)에 여러 각도로 입사되고 컨버터(7) 내부 공간에서 반사된 복사광은 재분산된 후 구경을 통해 빠져나가기 때문에 복사광 지향성도를 기반으로 하는 컨버터 표면(10) 형상 및 LED배치를 최적화하면 색균일성과 발광체에서 방출되는 복사광의 각 분포를 개선할 수 있습니다.
규격에서 알려진 것처럼 UV LED SL-V-U40AC 의 SemiLED또는 CREE에서 제조한 EZBright1000 패밀리 칩의 경우, LED 칩의 복사광 지향성도는 램버시안(Lambertian) 분포를 가지거나(a light cone with an angle of obliquity of 90°to the surface of the LED chip), 각도가 α < 90°인 범위에서 작은 원추형으로 제한될 수 있다. 예를 들어 LED 칩의 표면에 형성된 양자 크기의 격자 구조를 사용하여 복사광을 결합한 경우가 이에 해당한다.
이런 경우, LED 복사광 지향성도의 축이 β ≥ 90° - α/2 각도 범위에서 반사경 대칭축과 교차하는 방식으로 LED를 방열 베이스에 배치시킬 수 있다.
하지만, 비교적 작은 LED 1차 복사광의 일부가 발광체 구경 바깥으로 직접 빠져 나간다. 따라서 사용자의 안구가 LED광선에 직접 노출되는 가능성을 방지하기 위해
열 전도 베이스(2)에는 1차 변환 막(7)의 표면(10)을 우회시켜 1차 복사광이 발광체 밖으로 직접 방출되는 것을 막아주는 돌출부가 구성될 수 있다. LED 1차 복사광을 보다 완전하게 활용하기 위해 앞서 언급한 열 전도 베이스(2)의 돌출부(13)에 추가 반사경을 마련한다. 평평한 거울 부분(14)은 여기에 비춰지는 1차 복사광을 1차 변환 막(7)의 표면(10)으로 향하도록 방향을 지정한다.
추가 반사경이 있는 발광체의 실시예가 도 15에 개략적으로 표시되어 있다. 보다 자세히 설명하자면 2차 변환 막(12)이 평평한 것(도 15-1)과 볼록한 것(도 15-2)으로 구성된 두 가지 변형체가 있다.
본 실시예의 발광체에는 도 11에 표시되고 도 11처럼 동일한 방식으로 번호가 매겨진 구성품 외에 반사 코팅(15)이 있는 돌출부(14)가 포함되어 있다.
추가적인 반사경이 있는 발광체의 또 다른 구체적인 실시예가 도 16에 자세하게 표시되어 있는데 이 도면은 고정된 LED(1)가 있는 발광체의 베이스(2) 영역을 자른 단면을 확대해서 보여주고 있다. 여기서 도 15(확대하지 않은 도면)에 해당되는 구성품은 동일한 방식으로 번호가 매겨져 있다.
추가 반사경은 LED 칩(1)과 1차 변환 막(7) 사이에 배치된 기울어진 표면(17)이고(예를 들어 선대칭 형상의 컨버터인 경우에 잘려진 원추면이 베이스를 위로 받친다), 이 반사경의 반사를 통해 LED 칩(1) 복사광의 일부가 1차 변환 막(7)의 반대쪽에 비춰지도록 광선의 방향을 완전하게 재지정하기 때문에 발광체에서 방출되는 복사광을 균질화시킬 수 있다.
LED와 변환 막에서 방출되는 광선의 반사를 증대시키려면, 다른 무엇보다도 방열기에서 반사경 표면을 연마하거나 광택을 지워 복사광을 균질화시키고 높은 광반사율이 있는 코팅으로 반사경을 덮을 수 있다. 또한, 방열기에서 떨어진 별도의 거울로 광반사경의 표면을 만들 수 있지만, 열 전도 막을 통해 방열기와 열적 접촉을 유지해야 한다. 반사율 높은 코팅을 제작하기 위한 적절한 코팅 및 재료에는 은, 알루미늄, 색선별 코팅, 알루미늄의 반사 계수를 개선하는 색선별 코팅이 결합된 알루미늄 그리고 티타늄 산화물 및 알루미늄 산화물 등과 같이 졸-겔 방식으로 형성된 재료가 포함된다.
본 발광체 실시예에서 LED 칩(1)은 베이스(2) 위에 배치되어 있어서 LED 칩(1)의 표준면이 반사경(6)의 대칭축에 평행하게(또는 작은 각을 만듬) 된다. 이 반사경에는 0.15-0.2 μm 두께의 알루미늄 또는 은으로 된 반사 필름이 있는데 이 필름은 진공 열 증착법을 통해 반구형 글라스 캡(19)의 내부 표면에 입혀지거나 탄성 열저항 화합물(18)로 알루미늄 반구형 캡(21)에 접착되어 LED 칩(1)의 2차 공통 전극의 역할을 하게 된다. 이 전극은 전도체(16)와 금속 코팅(17)된 폴리이미드리본(16)을 통해 필름과 평행하게 연결되어 있다. 광반사율을 개선하기 위해 폴리이미드 리본 위의 금속 코팅(17)은 얇은 알루미늄 막으로 덮여져 있는데 이 코팅은 전기 접촉점 기능뿐만 아니라 추가적인 반사경 역할도 담당한다. 본 LED 레이아웃에 따르면, 1차 복사광은 관찰자의 눈으로 직접 진입하지 않는다.
1차 전극은 베이스(2)이며 여기에 LED 칩(1)이 납땜으로 연결되고 방열기(24)는 베이스(2)와 전기적 및 열적으로 접촉하게 된다. 전원은 중앙의 원통형 출력장치(도 15에 표시되지 않음)를 통해 캡(21)에 공급되는데 이 출력장치는 반사경(6)의 대칭축과 정렬된 상태로 캡(21)의 상단에 용접되어(납땜되어) 방열기(24) 내부 표면(23)의 전기적으로 절연된 구멍을 통해 공급 드라이버에 연결된다. 이 드라이버는 방열기 본체(표시되지 않음)의 상단부에 만들어진 해당 공간에 배치된다.
반구형 캡(21)은 열 저항성 열 전도 화합물(22)과 결합되어 방열기(24) 본체의 내부 표면(23)에 부착된다.
반구형 캡(19)은 열 전도 세라믹으로도 만들 수 있다. 또한, 반구형 캡(21)은 스테인레스강, 구리, 황동, 코바아(Kovar) 또는 이와 유사한 재료로 만들 수 있다.
캡(21)을 비교적 좋은 열 전도성 및 비교적 낮은 열 팽창 계수를 가진 코바아(Kovar) 또는 다른 유사한 합금으로 만들면 1차 변환 막(7)에 사용되는 발광 형광체의 열 팽창 계수와 가장 근접해지기 때문에 발광체의 설계를 단순화시키고 비용을 절감할 수 있으며 캡(19) 없이도 발광체를 제작될 수 있다. 이를 위해 알루미늄 또는 은 반사 필름을 진공 열 증착(또는 그 밖에 다른 방법)으로 코바아(Kovar) 캡(21)의 내부 표면에 직접 또는 중간 박막 유전체 코팅을 통해 입히고 이전에 설명했던 방법 중의 하나를 사용하여 발광 형광체를 전착시킨다.
발광 형광체 충전물이 있는 플라스틱으로 만들어진 1차 변환 막(7)의 열 팽창 계수와 가장 근접한 비교적 높은 열 팽창 계수를 가진 알루미늄, 스테인레스강, 구리, 황동 또는 이와 유사한 물질로 캡(21)을 만드는 경우, 발광체는 캡(19) 없이도 제작될 수 있다. 이를 위해 캡(21)의 내부 표면은 연마되고 아니면 알루미늄 또는 은 반사 필름을 진공 열 증착으로 직접 또는 중간 박막 유전체 코팅을 통해 입힌 후, 미리 성형한 플라스틱 1차 변환 막(7)을 결합시킨다.
LED 조립체 제조에 적용되는 잘 알려진 기술을 사용하여 LED 칩(1) 및 도선 접점(16)을 광학 화합물(25)로 밀봉할 수 있다.
방열기(24)는 구리 또는 알루미늄 같은 합당한 재료로 만들 수 있다. 방열기는 예를 들어 도 17에 표시된 것처럼 열 전달을 증대시키기 위해 표면 핀을 형성시킬 수 있다. 여기서 광원은 표준 베이스(26)와 통합형 출력 장치(27)가 있는 램프의 형상으로 표시된다.
도 14에 표시된 것과 유사한 시트를 폴라카보네이트 복합 재료에 기반을 둔 반원통형 발광 컨버터 견본으로 형상화시켰다. 복합 재료 성분에는 (1) 1차 변환 막의 기능을 담당하고 3M 이 제조한 Vikuiti™ ESR 반사경에 결합되는 청색 발광체 KCaPO4:Eu2+, 그리고 (2) 2차 변환 막의 기능을 담당하는 황색 발광체 YAG:Ce3 +가 있다. 본 발명에 따라 예를 들어 SemiLEDs 가 제조한 SL-V-U40AC 모델 같이 375 nm 파장을 가진 LED 칩을 통해 주변에 배치된 1차 컨버터가 여기되는 과정에서 이런 컨버터들을 조합하면 1차 컨버터의 복사광을 통해 여기된 2차 컨버터가 효율적으로 백색광을 방출시킨다. 광선의 출력은 변환 시트의 두께에 따라 약 80-100 lm/W 가 된다.
[참고 문헌]
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2. Narendran, N., Gu. Y., Freyssinier, J., Zhu, Y., "Extracting Phosphor-scattered Photons to Improve White LED Efficiency(백색 LED효율성을 개선하는 형광체 산란된 광자 추출)," Phys. Stat. Sol. (a) 202(6), R60-R62 (2005).
3. Zhu Y., N. Narendran 및 Y. Gu. "Investigation of the optical properties of YAG:Ce phosphor(YAG:Ce 형광체의 광학적 특성 조사)". 반도체 조명에 대한 제6차국제 컨퍼런스. Proceedings of SPIE. 6337, 63370S (2006).
4. G.C. Brainard, J.P. Hanifin, J.M. Greeson et al. J.of Neuroscience 21(16), 6405 (2001)
5. Fabio Falchi, Pierantonio Cinzano, Christopher D. Elvidge, David M. Keith, Abraham Haim, "Limiting the impact of light pollution on human health, environment and stellar visibility(인체, 환경, 별 가시성에 대한 조명 공해 영향 제한)". Journal of Environmental Management, v.92, N10, pp.2714-2722 (2011).
6. Hollan J. 2004. 신진대사에 영향을 주는 조명: 디지털 카메라로 측정. Poster at "Cancer and Rhythm", Oct.14-16, Graz, Austria, 2004.
(http://amper.ped.muni.cz/noc/english/canc_rhythm/g_camer.pdf)
7. 특허 US 7250715 B2.

Claims (17)

  1. 광원 구성에는 하나 이상의 LED로 구성된 1차 복사 광원이 있고, 앞서 언급한 LED가 설치되는 면이 있는 방열 베이스가 있고, 상기 LED에서 컨버터 표면으로 조사되는 1차 복사광을 2차 복사광으로 변환하는 변환 물질 막으로 형성된 1차 복사광 컨버터가 있고, 상기 LED 및 1차 복사광 컨버터에서 방출되는 입사 광선을 반사시키는 반사경이 있고, 상기 1차 복사 광원에서 거리를 두고 설치된 상기 반사경과 1차 복사광 컨버터가 있고 반사경 표면 근처에 상기 1차 복사 광원과 반사경 사이에 1차 복사광 컨버터가 설치되어 있으며,
    상기 광원에는 상기 1차 복사광 컨버터와 반사경에서 2차 복사광 컨버터 표면으로 조사되는 입사 광선을 2차 복사광으로 변환하는 2차 컨버터가 있고, 또한 상기 열 제거 베이스에 복사광 출력 구경이 있고 이 구경 근처에 상기 LED와 1차 복사광 컨버터가 상기 반사경과 함께 상기 열 제거 베이스에 설치되어 있고,
    상기 LED와 반사경을 통해 복사광을 받는 1차 복사광 컨버터 표면은 오목한 형태로 되어 있고 오목한 방향은 상기 1차 복사 광원과 출력 구경을 향하고 있으며, 상기 2차 컨버터는 평평하거나 볼록한 형태로 되어 있고 상기 출력 구경 또는 출력 구경의 다른 쪽에 설치되어 있고, 여기서 LED 방출 스펙트럼은 1차 복사광 컨버터의 발광 물질의 여기 스펙트럼 영역 내에 있고 1차 복사광 컨버터 발광 물질의 방출 스펙트럼의 최대치는 2차 컨버터의 발광 물질의 여기 스펙트럼 영역 내에 있는 광원.
  2. 청구항 1에 있어서,
    LED 방출 스펙트럼은 1차 복사광 컨버터 물질 여기 스펙트럼 최대치의 양쪽 측면에서 1차 복사광 컨버터 물질 여기 스펙트럼의 반진폭에 동일한 스펙트럼 범위 내에 있고, 1차 변환 막의 발광 물질의 방출 스펙트럼 최대치는 2차 컨버터 물질 여기 스펙트럼 최대치의 양쪽 측면에서 2차 컨버터 물질 여기 스펙트럼의 반진폭에 동일한 스펙트럼 범위 내에 있는 광원.
  3. 청구항 1에 있어서,
    2차 컨버터는 발광 물질로 만들어지고 이 물질의 여기 스펙트럼 최대치는 450-470 nm 범위 내에 있으며, 1차 복사광 컨버터는 여기 스펙트럼이 자색광 또는 자외선 영역 내에 있는 물질로 만들어지고 이 물질의 방출 스펙트럼 최대치는 450-470 nm 범위 내에 있는 광원.
  4. 청구항 1에 있어서,
    1차 복사광 컨버터의 발광 물질은 BaMgAl10O17:Eu2 +; MgSrSiO4:Eu2 +; (Sr,Ba,Ca)5(PO4)3Cl:Eu2+; (Sr1 -х- aBa)J3MgSi2O8:Eua (a=0.002-0.2,x=0.0-1.0); (Sr1 -x-aSr)2P2O7:Eua (a=0.002-0.2, x=0.0-1.0); (Sr1 -x- aBax) Al14O25:Eua (a=0.002-0.2, x=0.0-1.0); La1 - aSi3N5:Cea (a=0.002-0.5); (Y1 -a)2SiO5:Cea (a=0.002-0.5); (Ba1 -х-aSrx)MgAl10O17:Eua (a=0.01-0.5, x-0.0-0.5) 또는 이들의 혼합 물질로 구성된 그룹에서 선택되는 광원.
  5. 청구항 2에 있어서,
    1차 복사광 컨버터 발광 물질의 일반 화학식은 (Mg,Ca,Sr)2(PO4)Cl:Eu+2 이고 성분 비는 (Mg: 0.05-0.2; Ca: 0.6-0.8; Sr: 0.01-0.2)이며, Eu+2 농도 범위는 0.5% ~ 10%인 광원.
  6. 청구항 2에 있어서,
    2차 컨버터의 발광 물질은 Y2O3:Eu3 +; CeMgAl11O19:Tb3 +; (란탄계)PO4:Ce3 +,Tb3 +; GdMgB5O10:Ce3+,Tb3; YAG:Ce3 +; YAG:Ho3 +; YAG:Pr3 +; (Ba1 .65Sr0 .2Mg0 .1Eu0 .05)SiO4; (Ba0.2Sr1.54Mg0.2Eu0.06) SiO4; (Ba,Ca,Zn,Eu)2S4 (Ba 0.9-1.4; Ca 0.9-0.4; Zn 0.05-0.15; Eu 0.02-0.05); SrGa2S4; (Sr,Мg,Ca,Ba)(Ga,Al,In)2S4; SrS; SrGa2S4:Eu2 +; SrGa2S4:Ce3+; SrS:Eu2 +; (Sr1 -a-b- cBabCac)2Si5N8:Eua (a=0.002-0.2, b=0.0-1.0, c=0.0-1.0); (Ca1 -x- aSrx)S:Eua, (a=0.0005-0.01, x=0.0-1.0); Ca1 -a SiN2:Eua (a=0.002-0.2); (Ba1-x-aCax) Si7N10:Eua (a=0.002-0.2, x=0.0-0.25); (Ba: 0.9-1.4; Ca: 0.9-0.4; Zn: 0.05-0.15; Eu: 0.02-0.05) 또는 이들의 혼합 물질로 구성된 그룹에서 선택되는 광원.
  7. 청구항 3에 있어서,
    1차 복사광 컨버터의 발광 물질은 LiCaPO4:Eu; NaCaPO4:Eu; KCaPO4:Eu; (Ba0.9Ca0.9Zn0.15Eu0.05)2S4 이고, 2차 컨버터의 발광 물질은 YAG:Ce3 +; (Ba0.2Sr1.54Mg0.2Eu0.06) SiO4; (Ba,Ca,Zn,Eu)2S4 (Ba 0.9-1.4; Ca 0.9-0.4; Zn 0.05-0.15; Eu 0.02-0.05). e.g. (Ba0 .9Ca0 .9Zn0 .15Eu0 .05)2S4 또는 이들의 혼합 물질로 구성된 그룹에서 선택되는 광원.
  8. 청구항 1에 있어서,
    컨버터와 반사경의 표면은 선대칭 모양으로 형상화되고 열 제거 베이스의 구경 면에 평행한 면으로 잘리고, 예를 들어 타원형 회전체와 같은 것이며, 특히 구형 또는 포물선형의 주축은 열 제거 베이스의 구경 면에 수직으로 형성되는 광원.
  9. 청구항 1에 있어서,
    컨버터와 반사경의 표면은 면대칭 모양으로 형상화되고 열 제거 베이스의 구경 면에 평행한 면으로 잘리고, 예를 들어 잘려진 실린더형의 대칭 축은 열 제거 베이스의 구경 면에 수직으로 형성되는 광원.
  10. 청구항 1에 있어서,
    열 전도 베이스에는 돌출부가 있어, 상기 구경으로 1차 복사광이 직접 방출되는 것을 막아주고 2차 컨버터로 복사광 방향을 우회시키는 광원.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사경 표면은 열 제거 방사기의 내부 표면이며 이 방사기의 외부는 여러 핀 형태로 되어 있는 광원.
  12. 청구항 2에 있어서,
    상기 컨버터와 반사경의 표면은 여러 평면 또는 부분으로 구성되어 있는 광원.
  13. 청구항 3에 있어서,
    1차 복사 광원의 열 제거 베이스는 광반사경과 통합되어 있는 광원.
  14. 청구항 1에 있어서,
    컨버터의 볼록한 면은 오목한 면의 반대쪽에 있고 볼록한 면은 1차 복사광의 입사를 받으며, 반사경의 오목한 면은 광학적으로 투명한 매질과 분리되어 있는 광원.
  15. 청구항 3에 있어서,
    상기 열 전도 베이스의 돌출부에는 평평한 거울 부분이 있어 이 부분에 입사되는 1차 복사광의 방향을 반대쪽에 있는 1차 컨버터의 표면으로 반사시킨 광원.
  16. 청구항 3에 있어서,
    각 발광다이오드의 복사광 지향성도 축이 반사경의 대칭축과 동일한 각도 또는 상기 각 발광다이오드의 지향성도 반진폭과 90°사이에서 발생한 차이보다 작은 각도에서 교차하도록 발광다이오드가 열 제거 베이스 위에 고정된 광원.
  17. 청구항 3에 있어서,
    각 발광다이오드의 복사광 지향성도 축이 반사경의 대칭축과 평행을 이루거나 작은 각을 이루도록 발광다이오드가 열 제거 베이스 위에 고정되고,
    컨버터의 표면과 발광다이오드 사이에 있는 열 전도 베이스에는 경사진 반사 거울 부분이 있어 이 부분에 입사되는 1차 복사광이 1차 컨버터의 반대쪽에 있는 면을 향하도록 방향을 지정한 광원.
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