KR20150083877A - 형광체를 펌핑하는 iii-족 질화물계 레이저 다이오드를 채용한 백색 광원 - Google Patents
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Abstract
하나 또는 그 이상의 형광체들을 펌핑하는 III-족 질화물계 레이저 다이오드를 채용한 백색 광원이 제공된다. 상기 III-족 질화물 레이저 다이오드는 상기 형광체들에 의해 제2 파장 범위의 광으로 하강-변환되는 제1 파장 범위의 광을 발산하며, 고도로 지향성을 갖는 백색 광을 생성하기 위하여 상기 제1 파장 범위의 상기 광은 상기 제2 파장 범위의 상기 광과 결합한다. 상기 제1 파장 범위의 상기 광은 자외선, 자색, 청색 및/또는 녹색 광을 포함하는 한편, 상기 제2 파장 범위의 상기 광은 녹색, 황색 및/또는 적색 광을 포함한다.
Description
본 발명은 일반적으로 형광체를 펌핑하는 III-족 질화물계 레이저 다이오드를 채용한 백색 광원에 관한 것이다.
본 출원은 다음의 공동 계류 중이고 공동으로 양도된, "WHITE LIGHT SOURCE EMPLOYING A III-N BASED LASER DIODE PUMPING A PHOSPHOR" 라는 발명의 명칭으로 2012년 11월 7일에 Kathryn M. Kelchner, James S. Speck, Nathan A. Pfaff 및 Steven P. DenBaars에 의해 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.471-US-P1 (2013-319-1)인 미국 임시 특허 출원 번호 제61/723,681호의 우선권을 35 U.S.C. Section 119(e)에 따라 주장하며, 이들은 그 전체로서 본 명세서에 참조로서 원용된다.
본 출원은 다음의 공동 계류 중이고 공동으로 양도된, "TUNABLE WHITE LIGHT BASED ON POLARIZATION SENSITIVE LIGHT-EMITTING DIODES"라는 발명의 명칭으로 2008년 8월 5일에 Natalie N. Fellows, Hisashi Masui, Steven P. DenBaars 및 Shuji Nakamura에 의해 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.277-US-P1 (2008-653-1)인 미국 임시 특허 출원 번호 제61/086,428호, 및 "WHITE LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES WITH POLARIZED LIGHT EMISSION"라는 발명의 명칭으로 2008년 10월 16일에 Natalie N. Fellows, Hisashi Masui, Steven P. DenBaars 및 Shuji Nakamura에 의해 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.277-US-P2 (2008-653-1)인 미국 임시 특허 출원 번호 제61/106,035호의 우선권을 35 U.S.C. Section 119(e)에 따라 주장하는, "TUNABLE WHITE LIGHT BASED ON POLARIZATION SENSITIVE LIGHT-EMITTING DIODES"라는 발명의 명칭으로 2009년 8월 5일에 Natalie Fellows DeMille, Hisashi Masui, Steven P. DenBaars 및 Shuji Nakamura에 의해 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.277-US-U1 (2008-653-3)인 미국 특허 출원 번호 제12/536,253호;
다음의 공동 계류 중이고, 공동으로 양도된 "HIGH-POWER, LASER-DRIVEN, WHITE LIGHT SOURCE USING ONE OR MORE PHOSPHORS"라는 발명의 명칭으로 2012년 8월 30일에 Ram Seshadri, Steven P. DenBaars, Kristin A. Denault 및 Michael Cantore에 의해 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.467-US-P1 (2013-091-1)인 미국 임시 특허 출원 번호 제61/695,120호의 우선권을 35 U.S.C. Section 119(e)에 따라 주장하는, "HIGH-POWER, LASER-DRIVEN, WHITE LIGHT SOURCE USING ONE OR MORE PHOSPHORS"라는 발명의 명칭으로 2013년 8월 30일에 Ram Seshadri, Steven P. DenBaars, Kristin A. Denault 및 Michael Cantore에 의해 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.467-WO-U1 (2013-091-2)인 P.C.T. 국제 특허 출원 번호 제US2013/05753호; 및
"OUTDOOR STREET LIGHT FIXTURE EMPLOYING III-N BASED LASER DIODE PLUS PHOSPHORS AS A LIGHT SOURCE"라는 발명의 명칭으로 2012년 11월 7일에 Kathryn M. Kelchner 및 Steven P. DenBaars에 의해 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.472-US-P1 (2013-321-1)인 미국 임시 특허 출원 번호 제61/723,683호와 관련되며, 이들은 그 전체로서 본 명세서에 참조로서 원용된다.
(주석: 본 출원은 괄호들, 예를 들어 [x] 내의 하나 또는 그 이상의 참조문헌 번호들에 의해 본 명세서 전체에서 표시되는 다수의 다른 공개문헌들을 참조한다. 이러한 참조문헌 번호들에 따라 나열된 이러한 다른 공개문헌들의 리스트는 아래의 "참조문헌들"로 명명된 섹션 내에서 찾을 수 있다. 이러한 공개문헌들 각각은 그 전체로서 본 명세서에 참조로서 원용된다.)
종래의 고상(solid-state) 백색 광 소자들은 발광 다이오드(light emitting diode, LED) 스펙트럼의 일부를 가시 영역(visible region)의 다른 파장들로 변환하고, 이들의 조합이 백색 광처럼 보이도록 하기 위하여 일반적으로 하나 또는 그 이상의 형광체들과 결합된 LED를 사용한다. 이러한 소자들은 이미 전통적인 백열(incandescent) 및 형광(fluorescent) 광원들에 대비하여, 긴 수명들, 수은이 불필요한 친환경적인 설계들 및 막대한 에너지 절약들을 포함하는 많은 이점들을 제공한다.
그럼에도, LED들의 전체적인 효율은 낮게 유지된다. 예를 들어, LED들은 증가되는 구동 전류에 따라 효율 손실 및 색 불안정성을 겪는다. 더구나, LED를 구동할 때 온도가 필수적으로 증가할 것이고, 소자의 온도가 증가함에 따라 형광체 입자들의 효율 손실을 유발한다.
LED들과는 대조적으로, 레이저 다이오드들(laser diodes, LDs)은 이러한 효율 손실을 보이지 않으며, 많은 경우 전류가 증가함에 따라 증가된 효율을 나타내고, 색 안정성을 유지한다. 따라서, LD들에 의존하는 향상된 고상 백색 조명 소자들을 위한 기술적 요구가 존재한다. 본 발명은 이러한 요구를 만족시킨다.
본 발명은 전술한 일부 또는 모든 단점들을 해결하는 것을 목적으로 한다.
전술한 종래 기술에서의 한계들을 극복하고, 본 명세서를 읽고 이해함에 있어 명백해질 다른 한계들을 극복하기 위하여, 본 발명은 하나 또는 그 이상의 형광체들을 펌핑하는 하나 또는 그 이상의 III-족 질화물계 레이저 다이오드들을 채용한 백색 광원을 개시한다. 상기 III-족 질화물계 레이저 다이오드는 상기 형광체에 의해 제2 파장 범위의 광으로 하강-변환(down-converted)되는 제1 파장 범위의 광을 발산하며(emit), 고도로 지향성을 갖는(highly directional) 백색 광을 생성하기 위하여 상기 제1 파장 범위의 상기 광은 상기 제2 파장 범위의 상기 광과 결합된다(combined). 상기 제1 파장 범위의 상기 광은 자외선, 자색, 청색 및/또는 녹색 광을 포함하는 한편, 상기 제2 파장 범위의 상기 광은 녹색, 황색 및/또는 적색 광을 포함한다.
유사한 참조부호들은 상응하는 부분들을 대표하는 아래 도면들을 참조한다:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 제2 파장을 발산하는 형광체 성분에 광학적으로 커플링된, 제1 파장을 발산하는 단일 III-족 질화물계 레이저 다이오드의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 제2 파장을 발산하는 형광체 성분에 광학적으로 커플링된, 제1 파장을 발산하는 단일 III-족 질화물 레이저 다이오드의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 제2 파장을 발산하는 형광체 성분에 광학 섬유(optical fiber)를 통해 광학적으로 커플링된, 제1 파장을 발산하는 단일 III-족 질화물 레이저 다이오드의 개략도이다.
도 4는 파우더 YAG, 결정질 YAG 및 결정질 YAG + 적색(plus red)을 사용한 III-족 질화물 레이저 다이오드 및 형광체 결합의 스펙트럼 출력 그래프이다.
도 5는 형광체들과 결합된 III-족 질화물 레이저 다이오드의 발광 효율(luminous efficacy) 값들뿐 아니라 상기 레이저 다이오드의 월 플러그 효율의 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다른 파장들에서 발산하는 다중의 형광체 성분들에 빔 분할기(beam splitter)에 의해 광학적으로 커플링된, 제1 파장에서 발산하는 단일 III-족 질화물 레이저 다이오드의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다른 파장들에서 발산하는 다중의 형광체 성분들 중 하나에 각각의 III-족 질화물 레이저 다이오드가 광학적으로 커플링된, 다른 파장들에서 발산하는 다중의 III-족 질화물 레이저 다이오드들의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다른 파장에서 발산하는 단일 형광체 성분에 결합기(combiner)에 의해 광학적으로 커플링된, 동일한 또는 다른 파장들에서 발산하는 다중의 III-족 질화물 레이저 다이오드들의 개략도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 제2 파장을 발산하는 형광체 성분에 광학적으로 커플링된, 제1 파장을 발산하는 단일 III-족 질화물계 레이저 다이오드의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 제2 파장을 발산하는 형광체 성분에 광학적으로 커플링된, 제1 파장을 발산하는 단일 III-족 질화물 레이저 다이오드의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 제2 파장을 발산하는 형광체 성분에 광학 섬유(optical fiber)를 통해 광학적으로 커플링된, 제1 파장을 발산하는 단일 III-족 질화물 레이저 다이오드의 개략도이다.
도 4는 파우더 YAG, 결정질 YAG 및 결정질 YAG + 적색(plus red)을 사용한 III-족 질화물 레이저 다이오드 및 형광체 결합의 스펙트럼 출력 그래프이다.
도 5는 형광체들과 결합된 III-족 질화물 레이저 다이오드의 발광 효율(luminous efficacy) 값들뿐 아니라 상기 레이저 다이오드의 월 플러그 효율의 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다른 파장들에서 발산하는 다중의 형광체 성분들에 빔 분할기(beam splitter)에 의해 광학적으로 커플링된, 제1 파장에서 발산하는 단일 III-족 질화물 레이저 다이오드의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다른 파장들에서 발산하는 다중의 형광체 성분들 중 하나에 각각의 III-족 질화물 레이저 다이오드가 광학적으로 커플링된, 다른 파장들에서 발산하는 다중의 III-족 질화물 레이저 다이오드들의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다른 파장에서 발산하는 단일 형광체 성분에 결합기(combiner)에 의해 광학적으로 커플링된, 동일한 또는 다른 파장들에서 발산하는 다중의 III-족 질화물 레이저 다이오드들의 개략도이다.
하기의 바람직한 실시예의 상세한 설명에서, 본 발명이 실행될 수 있는 특정한 실시예가 설명된다. 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한 다른 실시예들도 사용될 수 있으며, 구조적 변경들이 채용될 수 있음이 이해되어야 한다.
개요
본 발명은 실내 조명으로부터 다양한 특수 조명까지 범위를 갖는 어플리케이션들 및 디스플레이 어플리케이션들을 위한 신규한 백색 광원을 수반한다. 본 발명의 주요 특징들 및 신규성은 하나 또는 그 이상의 전기적 주입된(electrically-injected) III-족 질화물계 LD들 및 하나 또는 그 이상의 원격 위치에서의(remote) 형광체 성분들의 결합이다. 상기 III-족 질화물 LD들로부터의 광이 상기 형광체들로 지향될(directed) 때, 상기 형광체들은 상기 III-족 질화물 LD들보다 더 긴 파장에서 발산하며, 고도로 지향성을 갖는 백색 광을 생성하기 위하여 상기 파장들은 결합된다.
구체적으로, 형광체-변환된 백색 광 시스템의 LED 성분은 III-족 질화물 LD로 교체되며, III-족 질화물 LD로부터 출력된 광은, LED로부터 출력된 광에 비하여 정합적(coherent)이며, 대역폭(bandwidth) 및 빔 크기(beam size)가 좁고, 고도로 지향성을 갖는다. 상기 형광체 성분은 파우더, 고분자 물질 내에 내장된(embedded) 입자들, 다결정 플레이트, 또는 단결정 형광체 플레이트를 포함할 수 있고, 이는 상기 III-족 질화물 LD로부터 출력된 광의 편광(polarization)을 유지하는 추가된 이점을 갖는다. 최종 "백색" 광 출력의 스펙트럼은, 상기 형광체를 펌핑하는데 사용되는 III-족 질화물 LD 및 형광체 발산만으로 구성되는 광 출력과는 반대로, 자외선, 자색, 청색, 청녹색(blue-green), 및/또는 녹색 발산들을 포함할 수 있는 상기 III-족 질화물 LD 광 발산과 상기 형광체 발산의 조합이다. 예를 들어, 총 광 출력에 대하여 상기 III-족 질화물 LD 출력이 상기 형광체 성분 출력과 함께 스펙트럼적으로 기여하도록 상기 III-족 질화물 LD 광은 상기 형광체 성분에 의해 완전히 흡수되지 않을 수 있다.
상기 LD 광이 필수적으로 점원(point source)이기 때문에, 존재하는 광학 기술들을 사용하여 쉽게 수집되고 가이드될 수 있음에 주의한다. 이러한 방식에서, 상기 LD 광을 조절하는 것은 더욱 광범위한 광 추출 기술들을 요구하는 LED에 기초한 기술들과 비교할 때 더욱 간단하다. 상기 레이저 광 빔을 상기 형광체 플레이트 상에 유도하는 것을 돕기 위하여 또는 상기 광 출력의 효율을 증가시키거나 그 외관을 향상시키기 위하여 상기 광 빔에 필요한 개선을 가하기 위하여, 고반사도 거울들, 저손실 렌즈들, 저손실 광학 섬유들, 빔 성형기들(beam shapers) 또는 분광기들(collimators)과 같은 외부의 광학 성분들이 상기 광원과 결합되어 사용될 수 있다. 유사한 성분들이 상기 형광체 너머로(beyond) 상기 출력 빔을 지향하거나(direct), 또는 개조하기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명은 다양한 조명 어플리케이션들을 위한 광원으로, 특히 전조등들(headlights), 조명등들(spotlights), 투광 조명등들(floodlights), 가로등들(streetlights), 경기장 조명(stadium lighting) 및 극장 조명(theatre lighting)과 같은 지향성 백색 광을 요구하는 어플리케이션들을 위한 광원으로 사용될 수 있다. 상기 시스템은 다중의 LD 어레이들, 다중의 형광체 어레이들 또는 단독 또는 결합된 인공 조명(luminaries) 내에서 원격 위치에서의 형광체들과 같은 특정한 어플리케이션 요구들을 위하여 재단될 수 있다.
기술적 설명
직접-발산(direct-emission) III-족 질화물 레이저 다이오드(LD) 및 원격 위치에서의 형광체 성분을 사용하는 백색 광 어플리케이션들은, 전통적인 전구에 기초한, 및 LED에 기초한 광원들과 비교할 때, 이들의 더 높은 효율, 속도 및 더 긴 수명들에 더하여 상기 III-족 질화물 LD로부터의 내재적 지향성(directionality), 작은 빔 크기 및 스펙트럼적으로 순수한 광 출력에 기인하여 여러 이점들을 제공한다.
전기적 주입된 III-족 질화물 LD의 출력된 광 빔은, 녹색, 황색 및/또는 적색 발산 형광체를 향해 지향될 때 결합되어 고도로 지향성을 갖는 백색 광을 생성한다. 본 발명의 실용성은 광범위하며, 일반 조명(실내 조명으로 알려진), 실외 조명을 포함하는 여러 조명 시장들에서의 대체 광원뿐만 아니라, 조명등들, 손전등들, 헤드램프들, 극장 조명, 경기장 조명 등과 같은 지향성을 갖는 광(directional light)을 요구할 수 있는 특수 조명 어플리케이션들로서 사용될 수 있다. 이러한 기술은 현재의 최신 고상 조명(LED들)의 이점들을, LD에서 달성 가능한 고효율, 본질적인 지향성 및 광 전파성(light propagation)의 용이함과 결합시킨다. 이러한 기술은 또한 LED들이 쉽게 달성할 수 없는 특수 조명 어플리케이션들의 요구 조건들을 만족할 수 있다. 고상 LED들 및 LD들은 이들의 고효율, 긴 수명들, 작은 사이즈 및 기계적 강건함에 의해 광원들로서 매력적이다. 최근 수년간, III-족 질화물 LED계 백색 광원들이 이들의 우월한 수명 및 효율, 디밍 능력 및 콤팩트 형광등에 비교하여 향상된 광 품질에 기인하여 백열 전구들을 교체하기 시작하였다. LED들의 효율을 향상시키는 것은 활발한 연구 분야이며, 이는 종종 총 입력 전력에 대한 소자 외부로의 총 광 출력에 해당하는 월 플러그 효율(wall plug efficiency, WPE)의 관점에서 보고된다.
고상 발광체(solid-state emitter)로부터 보고된 가장 높은 WPE는 적외선 스펙트럼에서 발산하는 76%의 피크 WPE를 갖는 GaAs계 LD였다[2]. 자색, 청색 및 녹색 파장들에서 III-족 질화물 LD들의 WPE 값들은 급격하게 향상되고 있다. 상용 가능한 청색 LD들은 이미 35%만큼 높고, 향상된 도파로(wave-guiding)의 사용 및 대안의 결정면들의 사용을 통해 급격히 향상되고 있다.
발광 효율은 종종 와트당 루멘(lm/W)의 단위로 보고되며, 이는 주어진 입력 전력에서 육안으로 보이는 소자의 출력 파워에 대한 척도이다. 청색 InGaN-계 LED 및 형광체들을 사용한 현재의 최신의 백색 광은 거의 250 lm/W의 발광 효율 및 거의 70%의 WPE를 달성하였다[1].
상관 색온도(correlated color temperature, CCT)는 이중 또는 삼중색 광원이 흑체 발광체의 스펙트럼을 얼마나 잘 모사하는지(mimic) 나타낼 수 있고, 색도(chromaticity)의 관점에서, 이는 CIE(Commission Internationale de L'Eclairage) 색도 좌표 다이어그램의 플랑크 궤적(Planckian locus) 또는 흑체 궤적을 따라 놓일 것이다. 상용 LED계 제품들의 일반적인 CCT 값들은 따뜻한 백색의 3000 K에서 차가운 백색의 7000 K까지의 범위이다. 연색 지수(color rendering index (CRI))는 광원이 다른 색상들을 얼마나 잘 발산하는지의 정량적 척도이고, 광원들을 위한 일반적인 값들은 크게 달라지나 대부분의 실내 조명은 50 이상의 값을 가지며, 완전한 흑체 발광체는 100의 값을 갖는다.
LED에 대비한 LD의 이점들
다른 이점들 중에서, LD계 백색 광원은 현재 최신의 LED계 백색 광에 비하여, 특히 지향성 또는 편광을 요구할 수 있는 어플리케이션들에 비하여, 더욱 에너지 효율적이고, 제조하기 더욱 용이하고 저렴함이 입증될 수 있다.
이상적인 가시광 발광체에서, 활성 영역으로부터 발산된 포톤들(photons) 모두가 유용한 광(가시광)으로서 자유 공간(free space) 내부로 발산될 것이다. 그러나, LED의 이러한 활성 영역으로부터의 광 발산은 대략 등방성(isotropic)이며, 이는 광이 모든 방향들로 동일하게 발산되는 것을 의미한다. GaN의 경우, 활성 영역으로부터의 광 발산은 우르자이트(wurtzite) 결정 구조에 의해 완전히 등방성인 것은 아니다. InGaN-GaN의 경우, c-축에 평행한 쌍극자 전이(dipole transition)가 관찰되지 않으며, 발산 패턴은 실제로 c-축을 따른 발산을 선호한다[2].
LED의 활성 영역에서 생성된 광은 기판 또는 금속 콘택들에 의한 흡수뿐만 아니라 기판 물질의 높은 굴절률(refractive index)에 기인한 내부 전반사(total internal reflection, TIR)와 같은 몇 개의 손실 기구들(loss mechanisms)이 가해진다. 실제로, 활성 영역에서 생성된 광 중 추산된 90 내지 95%는 TIR에 의해 트랩될 수 있고, 이는 추출 효율 및 WPE를 현저히 감소시킬 수 있다[3]. LED의 추출 효율을 향상시키는 것은 외부 캡슐화(encapsulation), 표면 러프닝(roughening), 칩 성형(chip shaping), 또는 광결정들(photonic crystals)과 같은 다양한 기술들을 사용하여 달성될 수 있다. LED들은 또한 기판 또는 금속 콘택들의 흡수를 최소화하기 위하여 각각 플립칩(flip chip) 구성 또는 투명한 전도성 콘택들을 채용할 수 있으나, 이러한 기술들은 제조하기 어려우며, 총 WPE에 대하여 부정적인 영향 등을 가질 수 있다. 백색 광을 위하여, 효율적인 자색 또는 청색 LED들은 광 추출 촉진뿐 아니라 광 출력과 형광체들의 혼합을 촉진하기 위하여 주의 깊게 설계된 캡슐화를 또한 필요로 한다.
LED들과는 달리, LD로부터의 광추출은 매우 간단하다. 레이저 광 출력은 레이저 패싯(facet)으로부터의 고도로 집속된(focused) 빔으로 한정되며, 이는 치수가 1 마이크로미터보다 작은 거의 완벽한 점원이다. 에지 발산 파브리-페로형(Fabry-Perot) LD들은 알려진 간단한 공정 기술들을 사용하여 제조될 수 있다. LD 광원의 광 출력이 정합적이기 때문에, 스펙트럼 폭이 LED계 광원들보다 훨씬 좁으며, 이는 수십 나노미터와 비교하여 1 나노미터보다 작다. LD 광원의 좁은 선폭 및 높은 색 순도(color purity)는 디스플레이 어플리케이션들을 위하여 유리하며, 이는 복수 파장의 LD계 디스플레이들이 전구 또는 LED계 디스플레이들에 비교하여 더 넓은 색상 범위를 가능하게 하는 더 넓은 색 영역(color gamut)을 산출함을 보여왔기 때문이다[4].
LD 출력 빔의 크기 및 형상은 예를 들어 리지 도파관(ridge waveguide)의 치수들을 조정함에 의해 조절될 수 있다. 산화물계 분포 브래그 반사기(distributed Bragg reflectors, DBR) 거울들과 같은 고반사도(High reflectivity, HR) 패싯 코팅들이 광학적 손실들 또는 레이저 임계치를 감소시키기 위하여 LD 패싯들에 채용될 수 있다. 이온 빔 퇴적법에 의해 쉽게 적용되는 이러한 HR 코팅들은 단일 패싯으로부터의 높은 출력 파워를 촉진하기 위하여 반사 방지(anti-reflective, AR) 코팅들과 결합되어 사용될 수 있다.
LED들에 대비한 LD들의 다른 이점은 개별화된(singlulated) LD 다이(약 0.01 mm2)가 소면적 LED의 면적(0.1 mm2)의 10분의 1을 차지하고, 대면적 LED의 면적(1.0 mm2)의 100분의 1을 차지한다는 점이다. 이는 LED들과 비교할 때 단일 기판 상에서 단위 면적당 10 내지 100배 더 많은 소자들을 제공한다. 더욱이, LD들의 제조는 잘 알려진, 간단한 제조 기술들을 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, LD들은 LED 제조에서 종종 사용되는 ITO와 같은 투명 전도성 산화물들보다 우수한 전기적 성능을 갖는 금속 콘택들을 채용할 수 있다.
게다가, 다중의 LD들의 어레이들이 서로 매우 가깝게 제조될 수 있다. LD의 에지에서 광이 발산되기 때문에, LED들을 발산시키는 데 일반적으로 사용되는 ITO와 같은 투명 전도성 산화물들에 비하여 우수한 전기적 성능을 갖는, 두껍고 높은 전도성의 금속 콘택들의 사용으로부터 이점을 가지며, 이는 더 낮은 콘택 저항, 감소된 구동 전압 및 용이한 제조 기술들을 가능하게 해야 한다. 패싯들이 어떻게 형성되는지에 따라 LD들은 기판 제거를 필요로 하지 않으며, 이는 열 관리에 도움이 될 수 있다.
LD들은 또한 A/cm2 오더에서 구동되는 LED 소자들과 비교할 때 kA/cm2 오더에서, 훨씬 높은 전류 밀도들에서 구동된다. 이러한 높은 전류 밀도의 점원은 매우 집중된 광 출력을 유발하며, 이는 현저한 광학적 또는 산란 손실 없이 형광체 플레이트를 향해 빛을 지향하기 위하여 외부의 광학 성분들과 결합되기 용이하다. 외부의 성분은 가시 스펙트럼에서의 LD들을 위하여 이미 존재하며, 조명 어플리케이션들의 요구조건에 따라 용이하게 실행될 수 있다. LD들로부터의 광 출력은 본질적으로 편광되며 효율 손실의 상당한 원천일 수 있는 외부 편광기의 도움을 방지할 수 있기 때문에, 이러한 특성을 유지하는 것은 편광된 광을 요구하는 어플리케이션들을 위하여 이점일 수 있다.
자발 발광(spontaneous emission)과 연관된 상대적으로 긴 복사 수명들에 의하여, LED 변조율들(modulation rates)은 Mb/s 범위에 있으며, 유도 발광(stimulated emission)과 연관된 더 짧은 복사 수명들로부터 이점을 갖는 레이저 광원들은 Gb/s 범위에 있는 변조율들을 달성할 수 있다[5]. 급격히 고상 소자들을 변조할 수 있는 능력은 고속으로 정보를 무선으로 감지하고 전송하는 것을 가능하게 하며, 과밀집된 라디오 주파수(radio frequency) 외부에서의 통신 목적으로 이들의 사용을 가능하게 한다.
비극성 또는
반극성
III-족 질화물 LD들
GaN과 같은 III-족 질화물 물질들의 비극성 및 반극성 결정 배향들은 GaN 우르자이트 결정 구조의 본질적인 비대칭성의 이점을 이용하여, 광범위하게 사용되는 기저(basal) c-면 GaN에 대한 대안으로 사용될 수 있다. 이러한 대안의 결정 면들 상에 성장한 III-족 질화물 LD들은 감소된 편광-관련된 전계 효과들로부터 이점을 가지며, 이는 증가된 복사 효율, 향상된 캐리어 이동도, 낮은 투명 전류 밀도, 증가된 이득(gain), 더욱 안정적인 파장의 발산, 및 단순화된 도파로 설계들을 유발한다[6, 7]. 레이저 모드의 편광은 특정한 결정학적 방향을 따라 정렬되며, 이는 본질적인 이방성의 이점을 이용하기 위한 소자 설계를 위하여 중요한 요인이다[8, 9]. 비극성 및 반극성 GaN LD들의 넓은 광 대역폭들(optical bandwidths)은 감소된 스페클(speckle)을 유발할 수 있고, 이는 조명 및 투사(projection) 어플리케이션들을 위하여 유리하다. c-면이 아닌 LD들 상의 청색 레이저들을 위하여, 단일 모드 연속파(continuous-wave, CW) 구동에서 750 mW까지의 출력 파워들에서 20% 이상의 WPE가 최근 얻어졌고[10], 이는 소자 성능의 관점에서 표준의 c-면 결정 배향에 필적하는 것이다.
형광체 성분들의 사용
형광체들을 구비하지 않은 4색 LD계 광원의 초기 시연들은 최신의 고품질 광결정 LED들(photonic crystal LEDs, PC-LED들) 및 백열광 전구들에 비하여 사실상 구별 불가능한 연색성을 가졌다. 그러나, 이러한 시연은 청색, 녹색 및 황색 LD들을 위한 주파수 배가된(frequency-doubled) 레이저들을 사용하였고, 이는 직접 발산형 LD들보다 본질적으로 덜 효율적이며 더 큰 형상 계수들(form factors)을 갖는다[11]. 가시 스펙트럼에서의 조명 및 디스플레이 어플리케이션들을 위한 III-족 질화물 LED들 및 LD들의 주목할 만한 성공 및 급격한 발달들에도 불구하고, InGaN-계 발광체들은 녹색 이상의, 그리고 황색 및 적색 스펙트럼들을 향한 더 긴 발광 파장들에 대하여 여전히 감소된 효율들을 보이며, 이러한 현상은 그린 갭(green gap)으로 불려진다. 이러한 이유로, 더 넓고 더 긴 파장의 광을 발산하기 위하여 LED계 광원들은 외부의 형광체 성분들을 사용한다. 형광체 성분들은 LED 또는 LD 광원들로부터 더 높은 에너지의(더 짧은 파장의) 광을 흡수하고, 이후 더 낮은 에너지에서(더 긴 파장에서) 광을 발산하며, 이러한 과정은 형광체 하강-변환(down-conversion)이라고 불린다. 백색 광을 생성하기 위하여, 예를 들어 녹색, 황색 또는 적색에서 발산하는 형광체들이 자색 또는 청색에서 발산하는 III-족 질화물 소자들과 결합한다.
가시 스펙트럼의 녹색 및 황색 부분들에서 InGaN 및 AlInGaP의 효율 한계들에 의하여, 현재의 고효율 LED계 백색 조명 어플리케이션들은 넓은 스펙트럼의 백색을 위하여 형광체 하강-변환을 채용한다. 이러한 시스템들에서, InGaN LED는 자색 또는 청색 광을 발산하고 형광체를 펌핑하며, 이는 녹색, 황색 및/또는 적색 광을 형광하며(fluoresces) 발산한다. 백색을 생성하기 위하여 상기 파장들이 결합한다.
LED 어플리케이션들을 위한 형광체 성분들은 다양한 물질들에 걸쳐 있으며, 다양한 파장들에서 발산하고, 파우더들, 폴리머 바인더들 내의 파우더들, 다결정 고체들 및 단결정 고체들과 같은 다양한 형상 계수들 내에 존재한다. 세륨(III)-도핑된 YAG (YAG:Ce3+, 또는 Y3Al5O12:Ce3+), 다른 석류석들(garnets), 비석류석들, 황화물들(sulfides) 및 (산)질화물들((oxy)nitrides)을 포함하여 형광체-변환된 LED들을 위하여 현재 사용되는 다른 형태들의 형광체들은 또한 LD 광원들에도 사용될 수 있다. YAG는 청색 광을 흡수하고, 황색에서 중심을 갖는 넓은 스펙트럼을 발산하기 때문에, 종종 LED계 어플리케이션들에서 사용된다.
단결정 형광체 플레이트들의 사용은 다른 형광체-함유 성분들에 대비하여 특히 향상된 광전 수율(Mihokova et al.에 따르면 30 내지 40%)의 관점에서 몇몇 이점들을 갖는다[12]. 게다가, 단결정 형광체 플레이트로부터 출력된 상기 광은, 상면 발산 비극성/반극성 GaN계 LED들에서 시연된 것과 같이 입사 광원의 편광을 유지한다. 기저면 배향한 GaN계 상의 에지 발광 레이저 도파로들 또는 c-방향에 평행하게 배향한 도파로들을 구비하는 비극성/반극성 GaN은 또한 선형으로 편광된 광을 발산할 것이다[13].
레이저 광을 형광체 성분을 향해 커플링시키는 것은 매우 간단할 수 있으며: 광 빔을 공기를 통해 전파시키고, 요구되는 입사각에서 플레이트를 가로막게 할 수 있다. 추가적인 광학 성분들은 또한 레이저 빔을 도파하고 성형하는 데 사용될 수 있다. 반사들을 감소시키고 커플링, 광 추출 및 색 혼합을 촉진하기 위하여 형광체의 배치, 각도, 두께 및 텍스쳐가 고려되어야 하며, 이들의 반사 방지 코팅들 또는 플레이트 표면의 러프닝이 도움될 수 있다. 우수한 색 온도 및 연색성을 요구하는 어플리케이션들은 단일 또는 다중의 LD들 및 단일 또는 다중의 형광체들을 채용할 수 있다. 최초 시연들의 일부 결과들을 포함하여, 신규한 레이저계 백색 광원의 일부 가능한 구성들이 아래에 설명된다.
가능한 구성들
단일 LD 및 단일 형광체
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 파장(104)을 발산하는 형광체 성분(102)과 광학적 커플링된, 제1 파장(102)에서 발산하는 단일 III-족 질화물 LD(100)의 개략도이다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 파장(206)을 발산하는 형광체 성분(204)과 광학적 커플링된, 제1 파장(202)에서 발산하는 단일 III-족 질화물 LD(200)의 개략도이다. 도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제2 파장(308)을 발산하는 형광체 성분(306)에 광학 섬유(304)를 통해 광학적 커플링된, 제1 파장(302)에서 발산하는 단일 III-족 질화물 LD(300)의 개략도이다.
도 1, 도 2 및 도 3의 각각의 실시예는 빔에 수직하게 배향된 형광체 성분을 향해 직접 비추는 전기적으로 주입된 III-족 질화물계 레이저 다이오드를 포함하는 단순한 구성을 포함한다. 상기 형광체는 파우더, 폴리머 재료 내에 내장된 형광체들, 다결정질 플레이트 또는 단결정 형광체 플레이트와 같이 존재할 수 있다. 상기 III-족 질화물 LD 및 형광체 구성은 일반 조명을 위한 효율적인 백색 광을 얻기 위하여 몇몇 방식들로 구현될 수 있고, 상기 III-족 질화물 LD 광원의 본질적인 지향성 및 편광성의 이점을 이용하기 위하여 특수 조명 어플리케이션들을 위하여 용이하게 채용될 수 있다. 출력 파워, 연색 지수(CRI), 상관 색 온도(CCT)뿐만 아니라 지향성 및 스폿(spot) 크기 등과 같은 특정한 어플리케이션 요구사항들에 따라 이격 거리 및 상대각, 또는 중간 광학 성분의 사용이 필수적일 수 있다.
이러한 단일 III-족 질화물 LD 및 형광체 성분의 조합의 일부 예시들은,
- 단결정 YAG-계 형광체를 펌핑하는, 청색(440-470 nm) 광 발산 III-족 질화물 LD,
- YAG-계 황색 광 발산 형광체를 펌핑하는, 청색(440-470 nm) 광 발산 III-족 질화물 LD, 및
- 적색 광 발산 형광체를 펌핑하는, 청녹색(440-500 nm) 광 발산 III-족 질화물 LD를 포함할 수 있다.
상기 레이저 다이오드 빔 출력을 집광하는 대물 렌즈(objective lens) 및 상기 형광체 플레이트 상으로의 상기 광의 더욱 평탄한 분포를 위하여 상기 레이저 빔의 가우시안(Gaussian) 프로파일을 집광된 편평한 상부(flat-top) 프로파일로 재구성하기 위한 빔 성형기와 같은 다수의 추가적인 광학 성분들이 상기 레이저 다이오드 광 빔을 상기 형광체 상으로 지향하고 정렬하는 것을 도울 수 있다. 추가적인 광학 성분들은 상기 레이저 광을 원격 위치에서의 광원으로부터 상기 형광체 플레이트 상으로 유도하기 위한 거울들 또는 광학 섬유들을 포함할 수 있다.
본 발명자들은 약 35%의 내재적 WPE를 가지며 442 nm에서 발산하는 단일 III-족 질화물 LD와, 파우더 YAG:Ce, 단결정 YAG:Ce 및 단결정 YAG:Ce+적색을 포함하는 다양한 단결정 형광체 플레이트들을 사용하여, LD계 백색 광원의 최초 시연 측정들 일부를 수행하였다. 이러한 시연 측정들은 상기 LD가 펄스 조건의 1% 듀티 사이클(duty cycle) 하에서 구동되는 동안, 적분구(integrating sphre) 내에서 수행되었다. 상기 형광체 성분의 위치 및 각도는 플랑크 궤적을 따른 색도 값들을 달성하도록 조정되었다.
상기 LD + 세 개의 형광체 성분들 각각을 위한 발광 스펙트럼들이 도 4에 도시된다. 도 4는 파우더 YAG, 결정 YAG 및 결정 YAG + 적색을 사용한 LD+형광체 시연의 스펙트럼 출력 그래프이다.
발광 효율 및 WPE는 도 5에 도시된다. 도 5는 LD + 형광체들의 발광 효율 값들뿐만 아니라 LD 광원의 WPE의 그래프이다.
상관 색 온도(CCT)는 세 개의 샘플들 모두에서 4250 내지 6550 K의 범위였고, 색 연지수(CRI)는 세 개의 구성들 모두에서 57 내지 64의 범위였다. 도 5에 도시된 LD + 형광체를 위한 발광 효율 값들은 66 내지 83 lm/W 범위였다. 최적화된 형광체들, 향상된 레이저 커플링 및 빔 성형을 구비할 때, 훨씬 더 높은 발광 효율 값들이 쉽게 얻어질 수 있을 것으로 믿어지고, 이는 본 발명의 단순한 구성에서조차도 시장성을 보여준다.
다중의 형광체들을 구비한 단일 LD
향상된 색 온도 및 CRI를 위하여, 다중의 형광체 성분들을 채용하는 것이 유용할 수 있다. 예를 들어, 청색 LD는 황색 및 적색 형광체들 모두를 펌핑할 수 있고, 또는 자색 LD는 녹색, 황색 및 적색 형광체들을 펌핑할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다른 파장들(608)에서 발산하는 다중의 형광체 성분들(606)에 빔 분할기(604)를 통해 광학적으로 커플링된 제1 파장(602)에서 발산하는 단일 III-족 질화물 LD(600)의 개략도이다. 구체적으로, 이러한 실시예에서, 다중의 원격 위치에서의 형광체 플레이트들(606)을 여기시키기 위하여 빔-분할기 프리즘(604)이 단일 III-족 질화물 LD(600)로부터의 빔(602)을 분리하는 데 사용된다.
이러한 구성의 예시들은,
- 청색, 녹색 및 적색 광 발산 형광체들을 펌핑하는 자색(390-420 nm) 광 발산 III-족 질화물 LD,
- YAG 황색 및 적색 광 발산 형광체들을 펌핑하는 청색(420-470 nm) 광 발산 III-족 질화물 LD, 및
- YAG 녹색, 황색 및 적색 광 발산 형광체들을 펌핑하는 청색(420-470 nm) 광 발산 III-족 질화물 LD를 포함할 수 있다.
다중의 형광체들을
구비하는 다중의 LD들
동일하거나 또는 다른 레이저 파장들의 다중의 LD 광원들은 광 출력 효율을 향상시키고, 형광체의 가열에 기인하는 열 손실들을 방지하기 위하여 사용될 수 있고, 및/또는 스토크스 전이 손실들(Stokes shift losses)의 감소 또는 제거에 사용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다른 파장들(706)에서 발산하는 다중의 형광체 성분들(704) 중 하나에 광학적으로 커플링된 III-족 질화물 LD 각각을 구비하며, 다른 파장들(702)에서 발산하는 다중의 III-족 질화물 LD들(700)의 개략도이다. 구체적으로, 이러한 실시예에서 III-족 질화물 LD(700) 각각으로부터의 개별적인 출력(702)은 III-족 질화물 LD들(700) 및 형광체들(704)의 파장들 및 요구되는 색 출력에 따라 다른 형광체 성분(704)을 향해 지향된다.
예시들은,
- YAG 청색 및 녹색 광 발산 형광체들을 펌핑하는 다중의 자색(390-420 nm) 광 발산 III-족 질화물 LD, 및 적색 광 발산 형광체들을 펌핑하는 청색(420-470 nm) 광 발산 III-족 질화물 LD를 포함할 수 있다.
단일 형광체들을 구비하는 다중의 LD들
최대 연색성 및 연색지수 값들뿐만 아니라 넓은 범위 및 유지 가능성(tenability)을 위하여, 동일하거나 또는 다른 파장의 다중의 LD들이 단일 형광체를 사용한 시스템 내에 병합될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다른 파장(808)에서 발산하는 단일 형광체 성분(806)에 결합기(combiner)(804)를 통해 광학적으로 커플링된 동일하거나 다른 파장들(802)에서 발산하는 다중의 III-족 질화물 LD들(800)의 개략도이다.
예시들은,
- 적색 광 발산 형광체를 펌핑하는 하나 또는 그 이상의 청색(420-470 nm) 광 발산 III-족 질화물 LD들 및 하나 또는 그 이상의 녹색(500-530 nm) 광 발산 III-족 질화물 LD들을 포함할 수 있다.
다른 고려사항들
레이저 광은, 광학 섬유들 내로 커플링하기 위하여 빔 성형기들 및 집광기들을 사용하여 쉽게 집중되고 가이드될 수 있으며, 이는 일부 손실을 도입할(introduce) 수 있다. 거울들과 같은 다른 외부 광학 성분들은 레이저 광 빔을 상기 형광체 플레이트 상으로 지향하는 것을 돕거나, 또는 상기 광 출력의 효율을 증가시키거나 또는 외관을 향상시키기 위하여 상기 광 빔에 필요한 개조들을 가할 수 있도록 결합되어 사용될 수 있다. 유사한 성분들이 상기 형광체 너머로 출력 빔을 지향하거나, 더욱 확산되거나 또는 더욱 집중된 광과 같이 개조하도록 사용될 수 있다. 조정 가능한 어퍼쳐들(apertures)은 출력 빔 사이즈 및 방향을 조정하는 데 사용될 수 있다. 단결정 형광체 상으로의 직접적이고 일정한 발광과는 반대로, 미소 전자 기계 시스템들(microelectromechanical systems, MEMS) 소자와 같은 전자-기계적 성분들의 사용과 함께, 레이저 빔은 펄스일 수 있고, 형광체 플레이트를 가로질러 빠르게 스캔되거나 또는 래스터될(rastered) 수 있다.
LD들의 높은 전류 밀도 및 작은 사이즈 때문에, 소자의 이른 노화 또는 수명 감소를 방지하기 위하여 소자들은 적당한 히트 싱크들을 구비할 필요가 있다. 높은 열 전도도를 갖는 기계적 성분들이 개별 성분들, 특히 레이저 다이오드 자체뿐만 아니라 형광체 성분의 과열(over-heating)을 방지하기 위하여 사용될 수 있다. 또한 외부적 장애들에 기인한 레이저 빔 및 광학 성분들의 오정렬을 방지하기 위하여 시스템의 충실한 기계적 통합성(mechanical integrity)이 존재해야 한다.
가시 레이저 광이 고출력이고 집중되고,로 이는 망막의 시력 손상을 유발할 수 있기 때문에 레이저 안전성이 관심사일 수 있다. 형광체로부터 출력된 백색 광은 시력 보호의 위험을 제기하지 않도록 충분히 확산되어야 하나, 실수에 의한 노출을 방지하기 위하여 상기 시스템에 추가적인 안전 예방책들이 추가되어야 한다. 예를 들어, 상기 시스템이 손상된다면 잔류(stray) 레이저 광의 탈출을 방지하기 위하여 레이저로부터 전력이 제거될 수 있다.
참조문헌들
하기의 참조문헌들이 본 명세서에 참조로서 원용된다.
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21. 다음의 공동-계류 중이고 공동으로 양도된 "HIGH-POWER, LASER-DRIVEN, WHITE LIGHT SOURCE USING ONE OR MORE PHOSPHORS"라는 발명의 명칭으로 Ram Seshadri, Steven P. DenBaars, Kristin A. Denault, 및 Michael Cantore에 의해 2012년 8월 30일 출원된 미국 임시 특허 출원 번호 제61/695,120호(대리인 문서 번호 30794.467-US-P1 (2013-091-1))의 우선권을 35 U.S.C. §119(e)에 따라 주장하며, "HIGH-POWER, LASER-DRIVEN, WHITE LIGHT SOURCE USING ONE OR MORE PHOSPHORS"라는 발명의 명칭으로 Ram Seshadri, Steven P. DenBaars, Kristin A. Denault, 및 Michael Cantore에 의해 2013년 8월 30일 출원된 P.C.T. 국제 특허 출원 번호 제US2013/05753호(대리인 문서 번호 30794.467-WO-Ul (2013-091-2)).
명명법
용어 "III-N" 또는 "III-족 질화물" 또는 "III-질화물" 또는 "질화물"은 여기서 BwAlxGayInzN (0 ≤ w ≤ l, 0 ≤ x ≤ l, 0 ≤ y ≤ l, 0 ≤ z ≤ l, 및 w + x + y + z = 1)의 화학식을 갖는 (B, Al, Ga, In)N 반도체들과 관련된 임의의 조성 또는 물질을 가리키는데 상호 교환적으로 사용된다. 여기 사용된 이러한 용어들은 B, Al, Ga 및 In의 단일 원소들뿐만 아니라 이러한 III-족 금속 원소들의 2원(binary), 3원 및 4원 조성들의 개별적인 질화물들을 포함하도록 넓은 범위로 이해될 것이 의도된다. 따라서, 이러한 용어들은 AlN, GaN 및 InN, AlGaN, AlInN, InGaN 및 AlGaInN의 화합물들을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 두 가지 또는 그 이상의 (B, Al, Ga, In)N 성분 원소들이 존재할 때, 화학양론비적 조성(stoichiometric proportions) 뿐만 아니라 "비-화학양론비적(off-stoichiometric)" 조성(조성 내에 존재하는 각각의 (B, Al, Ga, In)N 조성 원소들이 상대적인 몰분율(mole fraction)로 존재하는)도 포함하여 모든 가능한 조성들이 본 발명의 넓은 범위 내에서 채용될 수 있다. 따라서, 일차적으로 GaN 재료들을 참조한 본 발명의 논의를 이러한 (Al, Ga, In)N 재료들의 다른 다양한 원소들의 형성에 적용 가능함이 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 범위 내의 조성들 및 물질들은 소량의 도펀트들(dopants) 및/또는 다른 불순물(impurity) 및/또는 다른 함유 물질들(inclusional materials)을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 III-족 질화물들의 특정한 결정 배향들, 방향들, 종단들(terminations) 및 분극들(polarities)의 선택을 커버한다. 밀러 지수들(Miller indices)을 사용하여 결정 배향들, 방향들, 종단들 및 분극들을 식별할 때, 중괄호들 ({})의 사용은 괄호들(())에 의해 대표되는 대칭-등가 면들(symmetry-equivalent planes)의 세트를 나타낸다. 괄호들([])의 사용은 방향을 나타내는 한편, 괄호들(<>)의 사용은 대칭-등가 방향들의 세트를 나타낸다.
많은 III-족 질화물 소자들은 일명 결정의 c-면({0001})인 극성 배향을 따라 성장하나, 이들이 강력한 압전 및 자발 분극들의 존재에 기인하여 요구되지 않는 양자-구속 스타크 효과(quantum-confined Stark effect, QCSE)를 유발한다. III-족 질화물 소자들에서 분극 효과들을 감소시키는 한 가지 접근법은 결정의 비극성 또는 반극성 배향들을 따라 소자들을 성장시키는 것이다.
용어 "비극성"은 집합적으로 a-면들로 알려진 {11-20} 면들 및 집합적으로 m-면들로 알려진 {10-10} 면들을 포함한다. 이러한 면들은 면당 동일한 개수의 III-족 및 질소 원자들을 함유하고 전하-중립적이다. 후속의 비극성 면들은 서로 등가이며, 따라서 벌크 결정이 성장 방향을 따라 분극되지 않을 것이다.
용어 "반극성"은 c-면, a-면 또는 m-면으로 분류될 수 없는 임의의 면을 가리키는 데 사용될 수 있다. 결정학적 용어들에서, 반극성 면은 적어도 두 개의 0이 아닌 h, i 또는 k 밀러 지수들을 갖고 0이 아닌 l 밀러 지수를 갖는 임의의 면일 것이다. 후속의 반극성 면들은 서로 등가이며, 따라서 결정이 성장 방향을 따라 감소된 분극을 가질 것이다.
결론
이는 본 발명의 바람직한 실시예의 설명에 대한 결론이다. 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들의 상술한 설명은 이해와 설명을 위한 목적으로서 개시되어 있다. 개시된 정확한 형상으로 본 발명을 배제하거나 한정하려는 목적이 아님을 유의한다. 많은 변형들과 변화들이 상술한 가르침 내에서 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 상세한 설명에 의하여 한정되는 것이 아니고, 하기에 첨부된 청구항들에 의하여 한정된다.
Claims (27)
- 적어도 하나의 형광체 성분과 광학적으로 커플링된 적어도 하나의 전기적 주입된(electrically-injected) III-족 질화물계 레이저 다이오드를 포함하며,
상기 레이저 다이오드로부터 발산된 광이 상기 형광체 성분을 광학적으로 펌핑하도록 상기 형광체 성분 상으로 지향되며(directed),
상기 형광체 성분으로부터 발산된 광이 상기 레이저 다이오드로부터 발산된 상기 광보다 더 긴 파장을 가지며,
백색 광을 생성하기 위하여 상기 형광체 성분으로부터 발산된 상기 광이 상기 레이저 다이오드로부터 발산된 상기 광과 결합되는(combined) 것을 특징으로 하는 발광 장치. - 제1항에 있어서,
상기 레이저 다이오드로부터 발산된 상기 광은 자외선(ultraviolet, UV), 자색(violet), 청색, 청녹색(blue-green) 또는 녹색 광을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치. - 제1항에 있어서,
상기 형광체 성분으로부터 발산된 상기 광은 녹색, 황색 또는 적색 광을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치. - 제1항에 있어서,
상기 레이저 다이오드로부터 발산된 상기 광은 집합되고(collected) 원격 위치에서의 상기 형광체 성분으로 가이드되는 것을 특징으로 하는 발광 장치. - 제1항에 있어서,
상기 형광체 성분은 폴리머 물질에 내장된(embedded) 형광체, 다결정 플레이트(plate) 또는 단결정 형광체 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치. - 제1항에 있어서,
상기 형광체 성분은 상기 레이저 다이오드로부터 발산된 상기 광에 수직하게 배향하는 것을 특징으로 하는 발광 장치. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 레이저 다이오드는 단일 레이저 다이오드를 포함하고, 상기 적어도 하나의 형광체 성분은 단일 형광체 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치. - 제7항에 있어서,
상기 단일 레이저 다이오드는 약 440 내지 470 nm의 파장 범위에서 청색 광을 발산하며, 상기 단일 형광체 성분은 단결정 YAG-계 형광체인 것을 특징으로 하는 발광 장치. - 제7항에 있어서,
상기 단일 레이저 다이오드는 약 440 내지 470 nm의 파장 범위에서 청색 광을 발산하며, 상기 단일 형광체 성분은 황색 광을 발산하는 YAG-계 형광체인 것을 특징으로 하는 발광 장치. - 제7항에 있어서,
상기 단일 레이저 다이오드는 약 440 내지 500 nm의 파장 범위에서 청녹색 광을 발산하며, 상기 단일 형광체 성분은 적색 광을 발산하는 형광체인 것을 특징으로 하는 발광 장치. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 레이저 다이오드는 단일 레이저 다이오드를 포함하고, 상기 적어도 하나의 형광체 성분은 다른 파장들에서 광을 발산하는 다중의 형광체 성분들을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치. - 제11항에 있어서,
상기 단일 레이저 다이오드는 약 390 내지 420 nm의 파장 범위에서 자색 광을 발산하며, 상기 다중의 형광체 성분들은 청색, 녹색 및 적색 광을 발산하는 형광체들인 것을 특징으로 하는 발광 장치. - 제11항에 있어서,
상기 단일 레이저 다이오드는 약 420 내지 470 nm의 파장 범위에서 청색 광을 발산하며, 상기 다중의 형광체 성분들은 황색 및 적색 광을 발산하는 YAG-계 형광체들인 것을 특징으로 하는 발광 장치. - 제11항에 있어서,
상기 단일 레이저 다이오드는 약 420 내지 470 nm의 파장 범위에서 청색 광을 발산하며, 상기 다중의 형광체 성분들은 녹색, 황색 및 적색 광을 발산하는 YAG-계 형광체들인 것을 특징으로 하는 발광 장치. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 레이저 다이오드는 다른 파장들에서 광을 발산하는 다중의 레이저 다이오드들을 포함하고, 상기 적어도 하나의 형광체 성분은 다른 파장들에서 광을 발산하는 다중의 형광체 성분들을 포함하며,
상기 다중의 레이저 다이오드들 각각으로부터 발산되는 상기 광은, 상기 다중의 레이저 다이오드들로부터 발산되는 상기 광의 상기 파장들 및 요구되는 색 출력(color output)에 따라 상기 다중의 형광체 성분들 중 다른 하나를 향해 지향되는 것을 특징으로 하는 발광 장치. - 제15항에 있어서,
상기 다중의 레이저 다이오드들은, 청색 및 녹색 광을 발산하는 YAG-계 형광체들인 상기 다중의 형광체 성분들을 펌핑하며 약 390 내지 420 nm의 파장 범위에서 자색 광을 발산하고, 상기 다중의 레이저 다이오드들은 적색 광을 발산하는 형광체들인 상기 다중의 형광체 성분들을 펌핑하며 약 420 내지 470 nm의 파장 범위에서 청색 광을 발산하는 것을 특징으로 하는 발광 장치. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 레이저 다이오드는 동일하거나 다른 파장들에서 광을 발산하는 다중의 레이저 다이오드들을 포함하고, 상기 적어도 하나의 형광체 성분은 다른 파장에서 광을 발산하는 단일 형광체 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치. - 제17항에 있어서,
상기 다중의 레이저 다이오드들은 약 420 내지 470 nm의 파장 범위에서 청색 광을 발산하고 약 500 내지 530 nm의 파장 범위에서 녹색 광을 발산하며, 상기 단일 형광체 성분은 적색 광을 발산하는 형광체인 것을 특징으로 하는 발광 장치. - 제1항에 있어서,
상기 백색 광은 발광 다이오드(light emitting diode)에 의해 생성된 백색 광과 비교할 때 고도로 지향성을 갖는(highly directional) 것을 특징으로 하는 발광 장치. - 적어도 하나의 전기적 주입된 III-족 질화물계 레이저 다이오드를 적어도 하나의 형광체 성분에 광학적으로 커플링시키는 단계를 포함하며,
상기 형광체 성분을 광학적으로 펌핑하도록 상기 레이저 다이오드로부터 발산된 광이 상기 형광체 성분 상으로 지향되며,
상기 형광체 성분으로부터 발산된 광이 상기 레이저 다이오드로부터 발산된 상기 광보다 더 긴 파장을 가지며,
백색 광을 생성하기 위하여 상기 형광체 성분으로부터 발산된 상기 광이 상기 레이저 다이오드로부터 발산된 상기 광과 결합하는 것을 특징으로 하는 발광 장치의 제조 방법. - 하나 또는 그 이상의 형광체들에 의해 제2 파장 범위의 광으로 변환되는(converted) 제1 파장 범위의 광을 발산하는 III-족 질화물 레이저 다이오드를 포함하는 백색 광원.
- 제21항에 있어서,
상기 형광체들은, 상기 레이저 다이오드에 의해 발산된 상기 제1 파장 범위의 상기 광의 일부 또는 전부를 상기 형광체들에 의해 발산된, 더욱 긴 파장들인 상기 제2 파장 범위의 광으로 하강-변환시키는(down-convert) 것을 특징으로 하는 백색 광원. - 제21항에 있어서,
고도로 지향성을 갖는 백색 광을 생성하기 위하여 상기 제1 파장 범위의 상기 광은 상기 제2 파장 범위의 상기 광과 결합하는 것을 특징으로 하는 백색 광원. - 제21항에 있어서,
상기 제1 파장 범위의 상기 광은 자외선, 자색, 청색 또는 녹색 광을 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 광원. - 제21항에 있어서,
상기 제2 파장 범위의 상기 광은 녹색, 황색 또는 적색 광을 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 광원. - 제21항에 있어서,
상기 형광체들은 상기 III-족 질화물 레이저 다이오드로부터 발산되는 상기 광의 편광(polarization)을 유지하는 단결정 형광체 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 광원. - 제21항에 있어서,
상기 제1 파장 범위의 상기 광이 상기 제2 파장 범위의 상기 광과 결합하여 상기 백색 광을 생성하도록 상기 제1 파장 범위의 상기 광은 상기 형광체들에 의해 완전히 흡수되지 않는 것을 특징으로 하는 백색 광원.
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