KR20160085315A - 양자점 형광체를 함유하는 led 캡 - Google Patents

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Abstract

LED 소자는 하나 이상의 양자점(QD) 형광체를 함유하는 캡(cap)을 가진다. 캡은 표준 LED 패키지에 통합되도록 규격화되고, 구성될 수 있다. 상기 QD 형광체는 LED 패키지의 웰(well) 내에 있어 LED에 의해 방출된 광의 최대량을 흡수하나, QD 형광체의 저하를 초래할 있는 과도한 열을 피하기 위해 LED 칩으로부터 이격되어 배치된다. 상기 패키지는 제조되고 저장되어 LED 소자에 조립될 수 있다.

Description

양자점 형광체를 함유하는 LED 캡{LED Cap Containing Quantum Dot Phosphors}
이 출원은 2013년 11월 13일에 출원된 미국 출원 61/903,503에 기초한 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 발광 소자에 관한 것이다. 더 상세하게는, 스펙트럼 출력의 조정을 위해 형광체를 포함하는 발광 다이오드(LEDs)에 관한 것이다.
종종 양자점(QDs: quantum dot) 또는 나노결정(nanocrystals)으로 불리는 2-50nm 단위 정도의 크기를 갖는 입자로 구성된 화합물 반도체의 특성을 활용하는데 상당한 관심이 있어왔다. 이러한 물질들은 상업적으로도 많은 관심을 받고 있는데, 이는 광학 소자 및 전자 소자 같은 많은 상업적 적용 그리고 생물학적 표시, 태양광, 촉매, 생물학적 이미징, LEDs, 일반적인 공간 조명 및 전계발광 표시소자에 이르는 새롭게 떠오르는 많은 적용에 활용될 수 있는 크기-조절 가능한 전기적 특성 때문이다.
가장 많이 연구된 반도체 물질은 II-VI족 칼코게나이드계 물질, 즉, ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, CdTe이며, CdSe는 스펙트럼의 가시광선 영역에서의 크기에 따른 조절이 가능하기 때문에 가장 눈에 띈다. 이러한 물질들을 대규모로 제조하기 위한 재현성 있는 방법(reproducible method)은 "상향식(bottom up)" 기술로부터 발전되어 왔는데, 입자들이 원자 하나씩 하나씩(atom-by-atom), 즉 분자들로부터 클러스터(cluster)들로, 입자들로, "습식 화학(wet chemical)" 공정을 이용하여 제조된다. 그러나, 카드뮴 및 기존의 QDs에서 사용된 카드뮴 및 다른 한정된 중금속들은 극히 독성의 원소이고, 이는 상업적 적용에 큰 우려를 제기한다. 카드뮴 함유 QDs의 고유의 독성은 동물이나 인간을 포함하는 임의의 응용에서의 사용을 막는다. 예로서, 최근 연구는 카드뮴 칼코게나이드 반도체 물질로 이루어진 QDs는 보호되지 않는 한 생물학적 환경에서 세포독성이 될 수 있다. 구체적으로, 다양한 경로를 통한 산화 또는 화학적 침식은 주변 환경으로 방출될 수 있는 QD의 표면 상의 카드뮴 이온의 형성을 초래할 수 있다.
이러한 독성은 생물학적 응용의 진행뿐만 아니라, 광전자 및 통신을 포함하는 다른 응용에도 영향을 미친다. 이는 중금속 기반 물질이 IT 및 통신 기기, 조명 기기, 전기 및 전자 도구, 장난감, 레저 및 스포츠 장비와 같은 가전제품을 포함하는 많은 상업적 상품에 널리 퍼지기 때문이다. 상업적 상품에 특정 중금속을 제한 또는 금지하는 입법은 이미 세계의 많은 지역에서 시행되었다. 예로서, "전자 제품에 유해 물질 사용 제한(Restrictions on the use of Hazardous Substances in electronic equipment)"(또는 RoHS)로 알려진 유럽 연합(EU) 지침 2002/95/EC은 허가된 수준을 초과하는 납, 카드뮴, 수은, 6가크롬, 폴리브롬화 비닐(PBB) 및 폴리브롬화 디페닐 에테르(PBDE) 난연제를 함유하는 새로운 전기 전자 제품의 판매를 금지했다. 이 법은 제조업체가 일반 전자 제품 제작을 위해 대체 물질을 발견하고 새로운 공학 프로세스를 개발하도록 했다. 또한, 2007년 6월 1일, 유럽 공동체 규정은 화학 물질 및 이들의 안전한 사용과 관련하여 시행되었다. 이 규정을 화학 물질의 등록, 평가, 허가 및 제한을 다루고, REACH로서 알려져 있다. REACH 규정은 업계가 화학 물질로부터의 위험을 관리하고 물질에 대해 안전한 정보를 제공하도록 더 큰 책임을 가했다. 유사한 규정이 중국, 한국, 일본 및 미국을 포함하는 다른 나라에서 제정될 것으로 예상된다. 따라서, II-VI QD 재료에 대한 대안을 개발하는 것은 상당한 경제적 혜택이 있다.
상당한 관심을 끌었던 다른 반도체 나노 입자는 GaN, GaP, GaAs, InP 및 InAs과 같은 III-V 및 IV-VI 물질을 포함하는 나노 입자를 포함한다. 이들의 증가된 전자쌍 공유성(covalent nature)으로 인해, III-V 및 IV-VI의 극히 결정질의 반도체 나노 입자는 제조하기 더 어렵고, 주로 훨씬 더 긴 어닐링 시간이 요구된다. 그러나, II-IV 물질에 사용된 방법과 유사한 방법으로 제조되는 III-IV 및 IV-VI 물질에 대한 보고가 있다. 예로서, 미국 특허 번호 6,379,635, 7,803,423, 7,588,828, 7,867,556 및 7,867,557에 코어 및 코어-쉘(core-shell) 나노 입자 합성 방법이 개시된다. 이러한 특허 문헌들의 각 내용은 그 전체로 본 명세서에 참조로서 포함된다.
개개의 반도체 나노 입자의 크기와 관련된 두 개의 기본적인 요소는 그 독특한 물성에 영향을 준다. 첫째는 부피 대비 표면적의 비율이 큰 것이다. 입자가 작아질수록 내부 원자 대비 표면 원자 개수의 개수 비가 증가한다. 이에 따라 표면 특성이 상기 물질의 전체적인 물성에 매우 중요한 영향을 미친다. 두 번째 요소는 양자구속 효과로 인해 밴드 갭이 입자의 크기가 감소함에 따라 더 커지게 되어 크기에 따라 물질의 전기적 특성에 변화가 있는 반도체 나노 입자를 포함하는 많은 물질을 갖는 것이다. 이러한 효과는 대응하는 벌크 반도체 물질들에서 관찰되는 연속적인 밴드가 아닌, 원자들과 분자들에서 관찰되는 것과 유사한 불연속적인 에너지 준위들을 제공하는 "상자 내 전자(electron in a box)" 구속 효과(confinement)의 결과로 나타난다. 따라서, 반도체 나노 입자에서, 전자기 방사선(제1 여기 에너지보다 큰 에너지를 갖는 광자)의 흡수에 의해 발생되는 "전자와 정공"은 이에 대응하는 거정질(macrocrystalline) 물질에서보다 서로 더 가까운 위치에 있고, 나아가, 쿨롱 상호 작용 또한 무시할 수 없게 된다. 이에 따라 좁은 밴드 폭 방출(emission)이 일어나며, 상기 방출은 상기 입자의 크기와 상기 나노 입자 물질들의 조성에 의존한다. 따라서, 양자점은 대응 거정질 물질에 따른 역학적 에너지보다 더 큰 역학적 에너지를 가지며, 이에 따라 제1 여기 전이(밴드 갭)의 에너지는 입자의 직경이 감소함에 따라 증가한다.
코어 반도체 나노 입자는 외각 유기 보호층을 갖는 단일 반도체 물질로 이루어지고, 결함에서 일어나는 전자-정공 재결합과 나노 입자 표면의 댕글링 본드(dangling bonds)에 따른 비-방사(non-radiative) 전자-정공 재결합으로 인해 상대적으로 낮은 양자 효율을 갖는 경향이 있다.
결함과 상기 양자점의 무기 표면 상의 댕글링 본드를 제거하기 위한 방법은 "코어-쉘(core-shell)" 입자를 형성하도록 코어 입자의 표면 상에 넓은 밴드 갭과 코어 물질에 대한 작은 격자 불일치(small lattice mismatch)를 갖는 제2 무기 물질을 에픽택셜하게(epitaxially) 성장시키는 것이다. 코어-쉘 입자들은 코어 내에 구속된 임의의 전하 캐리어를 비-방사 재결합 중심들로 작용할 수 있는 표면 상태로부터 분리한다. 일 예로서, CdSe 코어의 표면 상에 성장된 ZnS 쉘을 들 수 있다. 다른 접근법은 양자점-양자 우물(well) 구조를 형성하여 "전자-정공" 쌍이 특정 물질의 단일층(monolayer)으로 이루어진 단일 쉘 층에 구속되는 코어-멀티 쉘 구조를 제조하는 것이다. 여기서, 상기 코어는 넓은 밴드 갭을 갖는 물질로 더 좁은 밴드 갭을 갖는 물질의 얇은 쉘(shell)이 잇따르고, CdS/HgS/CdS와 같은 더 넓은 밴드 갭 층으로 캡핑될 수 있다. 상기 CdS/HgS/CdS는 코어 나노결정의 표면 상에 Cd를 Hg로 대체하여 HgS 단일층 몇 개를 증착하고, 이어서 CdS 단일층이 과도성장함으로써 형성될 수 있다. 최종 구조는 광-여기된 캐리어들을 HgS층에 확실히 구속됨을 보여준다. 양자점을 추가적으로 안정화시키고 전자-정공 쌍을 구속시키는 데 도움이 되도록 하는 많은 통상적인 접근법 중 하나는, 코어 상에 조성물별로 조성이 변하는(ompositionally graded) 합금층을 성장시키는 것이며, 이는 결함을 야기할 수 있는 응력을 완화하는 데 도움을 준다. 또한, CdSe 코어에 대해서는 ZnS 쉘을 코어 상에 곧바로 성장시키기 보다는, 구조적인 안정성 및 양자 수율을 높이기 위해, 조성이 변하는(graded) Cd1 - xZnxSe1 - ySy 합금층이 사용될 수 있다. 이것은 양자점의 광 발광 방출(photoluminescence emission)을 현저하게 향상시키는 것으로 알려진 바 있다.
원자 불순물로 양자점을 도핑하는 것은 나노 입자의 광 발광 및 흡수 특성을 조절하는 효과적인 방법이다. 아연 셀레나이드 및 아연 설파이드와 같은 넓은 밴드 갭을 갖는 물질을 망간과 구리로 도핑(ZnSe:Mn 또는 ZnS:Cu)하기 위한 공정이 개발되어 왔다. 반도체 나노결정에서 다른 발광 활성자들로 도핑하는 것에 의하면 벌크 물질의 밴드 갭보다 더 낮은 에너지에서 광 발광과 전계 발광(electroluminescence)을 조절할 수 있는 반면, 양자 크기 효과에 의하면 활성자 관련 방출 에너지의 현저한 변화 없이 양자점의 크기에 따라 여기 에너지를 조절할 수 있다.
양자점 나노 입자들의 물리적/화학적 불안정성과, 용제, 잉크, 폴리머, 유리, 금속, 전기적 물질, 전지적 소자, 생체 분자 및 세포들에의 결합과 같은, 많은 물질들 및/또는 양자점들을 최대한 이용하는데 요구되는 방법들과의 부적합성으로 인해 양자점 나노 입자들의 광범위한 개발이 제한되어 왔다. 그 결과, 일련의 양자점들 표면 변경 과정들은 양자점들이 더 안정하고, 요구되는 적용 물질들 및/또는 방법적 요구사항들과의 더 양립 가능토록 해왔다.
양자점들에 있어서 특히 주목받는 가능 분야는 차세대 발광 다이오드 (light-emitting diodes)의 개발에 있다. LED는 현대 생활에 있어서 점점 더 중요해지고 있고, 예를 들면, 자동차 조명, 교통 신호, 일반 조명, LCD(liquid crystal display) 백라이트, 및 디스플레이 스크린 등이 양자점들의 주요한 응용 분야들 중 하나가 될 잠재력을 갖는 것으로 예상된다.
최근, LED 소자들은, AlGaAs(적색), AlGaInP(오렌지색-황색-녹색), 및 AlGaInN(녹색-청색)과 같은, 무기(inorganic) 고상(soild-state) 화합물 반도체들로부터 만들어지지만, 사용 가능한 고상(solid-state) 화합물 반도체들의 혼합물을 이용하는 경우 백색광을 방출하는 고상 LED들을 제조할 수는 없다. 또한, 서로 다른 주파수를 갖는 고상 LED들을 혼합하여 "순수"한 색을 만들기가 어렵다. 따라서, 흰색을 포함하여, 원하는 색을 얻기 위해서 색을 혼합하는 주요 방법은 고상 LED의 상부에 배치된 형광 물질들의 조합하는 것이며, 상기 LED로부터의 광("1차 광(primary light)")은 상기 형광 물질에 흡수된 후, 다른 주파수로 재방출("2차 광(secondary light)")되는바, 즉, 상기 형광 물질들은 상기 1 차 광을 상기 2차 광으로 다운 변환(down convert)한다. 또한, 형광체 다운-변환(down-conversion)을 이용한 백색 LED를 사용함으로써 고상 적색-녹색-청색 LED들을 조합하는 것보다 낮은 비용으로 더 간단하게 장치를 제조할 수 있다.
다운 변환 장치들(applications)에 사용되고 있는 최근의 형광 물질(phosphorescent materials)은 UV 또는 주로 청색 광을 흡수하여 이를 더 긴 파장으로 변환하는데, 대부분의 형광체(phosphor)는 일반적으로 3가의 희토류로 도핑된 산화물(trivalent reare-earth doped oxide)이나 할로겐화 포스페이트(halophospate)를 이용한다. 백색 발광은 청색, 녹색, 및 적색 영역에서 방출하는 형광체와 청색 영역이나 UV를 방출하는 고상 소자를 블렌딩함으로써, 예를 들어, 청색 광을 방출하는 LED에 SrGa2S4:Eu2 +와 같은 녹색 형광체와 SrSiEu2 +와 같은 적색 형광체를 더하거나, UV를 방출하는 LED에 Sr2P2O7:Eu2 +;Mu2 +와 같은 황색 형광체와 청-녹색 형광체를 더함으로써 얻어질 수 있다. 백색 LED 또한 청색 LED를 황색 형광체와 조합함으로써 얻어질 수 있으나, 이러한 방법을 이용하는 경우에는 상기 LED와 상기 형광체들을 조절하기가 어렵기 때문에 컬러 조절과 컬러 렌더링(rendering)이 어렵다. 또한, 일반적인 LED 형광체 기술은 낮은 색 표현성을 갖는 다운-변환을 이용한다. (즉, 컬러 렌더링 지수(colour rendering index; CRI) < 75)
기본적인 양자점 기반 발광 소자는, 고상 LED의 상부에 위치하며 통상 실리콘이나 아크릴레이트와 같은, 광학적으로 투명한(또는 충분히 투명한) LED 밀봉(encapsulation) 매질 내에 콜로이드형으로 제조된 양자점을 임베드함으로써 제조된다. 양자점을 사용하게 되면 많은 일반적인 형광체들을 사용하는 것보다 몇몇의 현저한 장점들을 잠재적으로 가지는 데, 예를 들어, 양자점들이 단일 분산되었을 때(mono-dispersed) 방출 파장을 조절할 수 있는 능력, 강한 흡수 특성 및 낮은 산란성(scattering)을 갖는다는 것을 들 수 있다.
차세대 발광 소자로서 양자점을 상업적으로 적용하기 위해서, 상기 양자점은 가능한 한 충분하게 단일 분산된 채로 유지되면서, 양자 효율의 큰 손실 없이 LED 봉지 물질 내에 결합되어야 한다. 개발된 방법들은 문제가 있는데, 적어도 사용되는 LED 봉지재(encapsulants)의 특성 때문은 아니다. 현재 사용되는 LED 봉지재 내에 형성되었을 때에는 양자점들이 응집될 수 있으며, 이에 따라 양자점들의 광학적인 성능이 감소한다. 또한, 양자점들이 상기 LED 봉지재에 결합된 후에도, 산소가 여전히 상기 봉지재를 통해 상기 양자점들의 표면으로 이동할 수 있는데, 이에 따라 광 산화 반응이 일어날 수 있어, 그 결과, 양자 수율(quantum yield; QY)이 떨어진다.
이에 매우 광범위한 응용분야를 아울러 양자점을 적용하기 위해 상당한 가능성의 관점에서, 양자점-기반 발광 소자를 포함(이에 한정되는 것은 아님)하여, 다양한 그룹들에 의해, 양자점들을 더 밝고, 더 수명이 길고/길거나 제조 조건의 다양한 유형에 덜 민감하도록 양자점의 안정성을 증가시키는 방법들을 개발하려고 노력하는 연구가 행해져 왔다. 예를 들면, 최근 공지된 방법을 기초로 한 실험실 조건하에서 상당히 효율적인 양자점 기반 발광소자를 만들 수 있지만, 경제적일 수 있는 스케일 및 고객 요구를 만족시키기 만큼 충분히 고품질을 제공할 만한 발광 소자와 같은 양자점 기반 소자를 제조하기 위해 양자점 기반 물질 및 방법을 개발해야 하는 중요한 도전이 남아 있다.
본 발명에 따른 LED 소자는 하나 이상의 QD 형광체를 함유하는 캡(cap)을 가진다. 캡은 표준 LED 패키지에 통합되도록 규격화되고 구성될 수 있다. 상기 QD 형광체는 LED로부터 방출된 광의 최대량을 흡수하도록, LED 패키지의 웰(well) 내에 있으나, 문제를 일으킬 수 있는 과도한 열을 피하기 위해 LED 칩으로부터 이격되어 배치된다. 상기 패키지는 제조되고 저장되어 LED 소자에 조립될 수 있다.
도 1은 종래 기술의 QD 함유 LED 소자를 도시한다.
도 2는 미리 조립된 QD 함유 캡이 장착된 LED 소자를 도시한다.
도 3a 및 3b는 다른 실시예에 따라 미리 조립된 QD 함유 캡이 장착된 LED 소자를 도시한다.
도 4는 베이스에 박혀 있는 Merck Isophor 형광체를 갖는 빈 캡(파란선) 및 아크릴레이트 수지에 부유된 적색 QDs를 갖는 동일한 캡(빨간선)의 스펙트럼 전력 분포이다.
도 5는 크기를 보여주는 미리 조립된 QD 함유 캡의 개략도이다.
도 6은 LED 패키지로부터 방출하는 광선의 다양한 실시예의 효과를 보여주는 개략도이다.
도 1은 전류 인가시 청색 1차 광(102)을 방출하도록 배치된 고상(solid-state) LED(101)를 포함하는 LED 소자(100)를 도시한다. 고상 LED는 상업적으로 이용 가능한 LED 캡슐재(103) 속에 잠겨있고, 상기 LED 캡슐재 내에 복수의 양자점을 함유하는 실리카 비드(104 및 105)가 박혀있다. 일부 비드(104)는 LED(101)로부터의 청색 1차 광에 의해 여기된 적색 2차 광(106)을 방출하는 양자점을 함유하고, 나머지 비드(105)는 LED(101)로부터의 청색 1차 광에 의해 여기된 녹색 2차 광(107)을 방출하는 양자점을 함유한다. 도 1에 도시된 LED 소자는 2010년 9월 23일에 출원된 본 출원인 소유의 미국 특허 출원번호 12/888,982(공개번호 2011/0068322)에 더 상세하게 설명되고, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다.
LED 기반 발광 용액(lighting solutions)에서 광 변환 물질로서의 양자점을 사용하는 도전은 이들의 공기 민감도, 열 불안정성 및 고온에서 광 변환 효율의 감소로부터 비롯되었다. 공기 민감도를 감소시키는 방법은 비드(104 및 105)와 같이, QDs를 비드에 포함시키는 것이다. 그러나, 도 1에 도시된 실시예는 QDs가 일반적으로 LED 소자의 가장 뜨거운 가동 부분인 LED 접합에 가장 근접하기 때문에 여전히 열과 관련된 문제를 갖는다.
도 2는 도 1에 도시된 실시예의 개선을 도시한다. 도 2의 LED 소자(200)는 웰(well)(203) 내에 배치된 LED 칩(202)을 갖는 표준 LED 패키지(201)을 포함한다. 웰(203)은 종래 기술에서 알려진 바와 같이, LED 캡슐재(encapsulant)로 채워질 수 있다. 또한, LED 소자(200)는 캡 웰(cap well)(205)(용어 캡 웰은 뚜껑(205)의 웰과 LED 패키지(201)의 웰(203)을 구별하기 위해 사용된다)을 갖는 뚜껑(lid)(204)를 포함한다. QDs(206)은 캡 웰(205) 내에 배치된다. 웰(205)에는 커버(207)가 장착될 수 있다.
뚜껑(204)는 본질적으로 폴리머, 세라믹, 유리등과 같은 임의의 투명한 물질로 이루어질 수 있고, 몰딩(molding), 캐스팅(casting) 등을 사용하여 형성될 수 있다. 선택적으로, 뚜껑(204)는 종래 기술에서 잘 알려진 렌즈, 렌즈 어레이, 산광 소자 및/또는 다른 광학 소자를 제공하기 위한 형태일 수 있다. 마찬가지로, 커버(207)도 유리, 폴리머, 세라믹 등으로 이루어질 수 있고, 종래 기술에서 잘 알려진 적합한 UV 경화 에폭시 수지, 예로서, Optocast 3553 또는 다른 수지를 이용한 접착에 의해 뚜껑(204)로 밀봉될 수 있다. 바람직하게는, 상기 커버(207)과 뚜껑(204) 사이의 밀봉은 산소 침투 차단벽을 형성할 수 있고, 이에 따라 산소로부터 QDs(206)를 보호할 수 있다.
QDs(206)은 일반적으로 반도체 물질로서 주기율표에서 임의의 하나 이상의 2족 내지 16족의 이온을 포함할 수 있고, 2원, 3원, 4원 물질을 포함할 수 있다. 즉, 2개, 3개 및 4개의 각각 다른 이온을 포함하는 물질일 수 있다. 예로서, 나노 입자는 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, InP, InAs, InSb, AIP, AIS, AIAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, PbS, PbSe, Si, Ge 및 이들의 조합 등의 반도체 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 다양한 실시예에 따르면, 나노 입자는 약 100nm 이하, 약 50nm 이하, 약 20nm 이하, 약 15nm 이하의 크기를 가질 수 있고, 또는 약 2 내지 10nm 크기 범위에 있을 수 있다.
단일 반도체 물질, 예로서, CdS, CdSe, ZnS, ZnSe, InP, GaN 등의 단일 반도체 물질을 포함하는 나노 입자는 나노 입자의 표면에서 결함 및 불포화 결합(dangling bonds)을 일으키는 비-방사 전자-정공의 재결합으로 인해 상대적으로 낮은 양자 효율을 가질 수 있다. 적어도 부분적으로 이러한 문제를 처리하기 위해, 나노 입자 코어가 적어도 부분적으로 상기 코어와 상이한 하나 이상의 물질 층(본 명세서에서 "쉘(shell)"로 언급된), 예로서, "코어(core)"와 다른 반도체 물질로 코팅될 수 있다. 상기 쉘 또는 각 쉘에 포함된 물질은 주기율표에서 임의의 하나 이상의 2족 내지 16족의 이온을 포함할 수 있다. 나노 입자가 2개 이상의 쉘을 갖는 경우, 각 쉘은 다른 물질로 형성될 수 있다. 예시적인 코어/쉘 물질로서, 상기 코어는 전술한 구체화된 물질 중 하나로부터 형성되고, 상기 쉘은 코어 물질보다 더 큰 밴드캡 에너지 및 코어 물질과 유사한 격자 크기의 반도체 물질을 포함한다. 예시적인 쉘 물질은 ZnS, ZnO, MgS, MgSe, MgTe 및 GaN을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예시적인 멀티-쉘 나노 입자는 InP/ZnS/ZnO이다. 코어 안에, 그리고 표면 상태로부터 떨어진(away from surface states) 전하 캐리어의 구속(confinement)은 더 큰 안정성 및 더 높은 양자 수율을 제공한다.
전술한 방법은 임의의 특정 나노 입자 물질로 한정되지 않으나, 카드뮴을 함유하지 않는 물질을 포함하는 나노 입자가 특히 바람직하다. 카드뮴이 없는 나노 입자의 예는 반도체 물질, 예로서, ZnS, ZnSe, ZnTe, InP, InAs, InSb, AlP, AlS, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, PbS, PbSe, Si, Ge, 그리고 이들의 합금 및 도핑된 파생물을 포함하는 나노 입자 및 특히, 이러한 물질 중 하나의 코어 및 이러한 물질 중 또 다른 하나의 하나 이상의 쉘을 포함하는 나노 입자를 포함한다. 특히 적합한 QDs는 중금속이 없는 양자점 CFQD®이다(Nanoco Technologies, Manchester, U.K.).
QDs(206)는 아크릴레이트(acrylate) 또는 에폭시 폴리머 또는 이들의 조합과 같은 매트릭스 물질 내에 부유될 수 있다. 베어(Bare) QDs는 매트릭스 내에 부유되거나, 또는 대안으로, 미국 공개번호 2011/0068322 및 2010/0123155에 설명된 바와 같이, QDs는 먼저 비드에 포함될 수 있고, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다.
LED 소자(200)의 이점은 QDs(206)을 함유하는 뚜껑(204)가 LED 소자에 포함되기 전에 충분한 보관 수명(shelf life)을 가질 수 있다는 것이다. 따라서 뚜껑(204)의 형성 후에 즉시 LED 소자가 제조되는 것은 중요하지 않다. 이는 LED 패키지의 웰에 직접 배치된 QDs를 갖는 소자와 대조적이다. 이러한 소자에서 QDs는 일반적으로 커버되지 않고, 전체 패키지가 조립될 때까지 대기로부터 격리되기 때문이다. 따라서, LED 소자(200)는 제조 워크플로우(workflow)에 더 큰 유연성을 제공한다. 또한, 작업 과정에서, LED 소자(200)의 QDs(206)는 LED 칩(202)으로부터 멀리 떨어지고, 이에 따라 도 1의 소자와 같이, QDs가 LED 칩에 근접하는 경우에 따른 가열로 인한 문제에 민감하지 않다.
도 3a는 다른 실시예에 따라 LED 칩(302) 및 웰(303)이 구비된 LED 패키지(301)를 갖는 LED 소자(300)를 도시한다. 소자(300)에는 웰(303)에 맞도록 설계된 캡 웰부(305)를 갖는 캡(304)이 제공된다. 또한 캡(304)은 뚜껑부(306)와 QDs(308)가 함유되는 캐비티(cavity)(307)를 갖는다. 도 2에 도시된 실시예를 참조로 전술한 모든 물질은 도 3에 도시된 실시예에 적합하다.
도 3b는 캡(304)의 확대도를 도시한다. 일 실시예에 따르면, 추가의 무기 형광체가 캡(304)의 베이스 벽(base wall)(309)에 포함될 수 있다. 예시적인 형광체는 Ce:YAG, Ce:LuAG 및 다른 넓은 발광 황록색 형광체를 포함한다. 적색 CFQD®인 중금속이 없는 양자점을 갖는 넓은 발광 황록색 형광체와 청색 LED의 조합은 매우 고품질의 광원을 생산할 수 있다. 따라서, 일 실시예는 QD 형광체와 기존의 벌크 형광체를 조합한 단일의 광학 소자이다.
도 2에 도시된 실시예와 같이, 캡(304)은 몰딩(molding), 캐스팅(casting) 등에 의해 형성될 수 있다. 형광체를 포함하는 캡의 경우, 다단계의 캐스팅 공정이 필요할 수 있다. 또한, 백색 반사 물질로 채워진 수지를 이용하는 다단계의 캐스팅 공정은 캡의 벽 및 상부에 사용되고, 무색 투명한 수지는 LED로부터의 광이 캡으로 들어가도록 베이스에 사용될 수 있다.
도 2보다 도 3에 도시된 실시예의 잠재된 이점은 도 3의 실시예에서 QD 형광체가 LED 칩에 가깝게 위치하고, 이에 따라 광을 더 흡수할 수 있다는 것이다. 따라서, 더 적은 QD 형광체가 사용될 수 있다. QD 형광체는 여전히 캡의 베이스 벽에 의해 열로 인한 열화로부터 보호된다.
표 1은 도 3b에 도시된 바와 같이, 베이스에 Merck Isophor 형광체가 주입된 빈 캡 및 상기 빈 캡과 동일하나 아크릴레이트 수지 내에 부유된 적색 CFQD®인 중금속 없는 양자점(Nanoco Technologies Ltd., Manchester, U.K.)을 함유하는 캡에 대해 측정된 광학 성능 데이터를 비교한다:
형광체만 형광체 + QD
방사속(Watts) 0.016 0.016
광속(lumens) 4.6 4.2
색도 x 좌표 0.249 0.383
색도 y 좌표 0.324 0.332
효율 76 70
CRI 65 82
도 4는 베이스에 박혀 있는 Merck Isophor 형광체를 갖는 빈 캡(파란선(또는 실선)) 및 아크릴레이트 수지에 부유된 적색 QDs를 갖는 동일한 캡(빨간선(또는 파선))의 스펙트럼 전력 분포이다.
캡은 후술할 바와 같이 표준 3528 및 5050 LED 패키지에 맞게 제조되었다.
도 3에 도시된 바와 같이, 캡은 한 쌍의 수/암(male/female) 실리콘 몰드를 이용하는 캐스팅 방법을 사용하여 제조하였다. 암 몰드로, 6㎕의 Optocast 3553 에폭시 수지를 제공하였다. 그리고 나서 로케이터 지점(locator point)이 정렬되도록 수 몰드를 주의하여 배치하였다. 이 단계에서 과잉 수지는 캡 몰드 저장소로부터 토출되고, 몰드 쌍 사이의 공간으로 새어 들어간다. 이후 몰드를 UV 광으로 조사하여 에폭시 수지를 경화하였다. 경화를 위한 조건은 다음과 같다: 360nm, 170mW/cm2, 72초. 경화 후, 캡을 몰드로부터 분리시켰고, 메스를 사용하여 과잉 플래싱(flashing)을 제거한 후, 상온에서 24시간동안 보관하였다. 캡은 투명했고, QD 형광체와 함께 사용될 수 있었다.
형광체를 포함하는 베이스를 갖는 캡을 두 단계의 공정으로 제조하였다. 첫째, 적절한 양의 형광체를 경화되지 않은 Optocast 3553 에폭시 수지에 섞어서 베이스를 제조하였다. 3㎕를 캡의 베이스와 동일한 폭 치수이나, 50㎛ 더 얇은 몰드로 투입하였다. 에폭시는 UV 광을 조사함으로써 경화하였다. 경화 조건은 다음과 같다: 360nm, 170mW/cm2, 72초. 완성된 캡을 제조하기 위해, 다음과 같이 형광체 베이스를 최종 캡에 결합시켰다: 15㎕의 경화되지 않은 Optocast 3553 에폭시 수지를 암 5050 실리콘 몰드 내에 증착하였다. 이후 형광체 베이스를 도입하였고, 임의의 공기가 포획되지 않도록 주의하면서 몰드의 바닥으로 조심스럽게 밀어넣었다. 그리고 나서, 로케이터 지점(locator point)이 정렬되도록 수 5050 실리콘 몰드를 주의하여 배치하였다. 과잉 수지가 몰드로부터 토출되고, 경화되어 플래싱(flashing)을 형성한다. 사용된 경화 조건은 전술한 바와 같다. 대부분의 치수는 LED 패키지에 의해 결정되었다. 이러한 5050 캡의 실시예에서 사용된 캡의 벽 두께는 도 5에 나타난 바와 같이 350㎛이었다.
형광체를 포함하는 베이스를 갖는 5050 패키지 캡을 전술한 바와 같이 제조 하였다. 비활성 분위기의 글로브 박스를 7㎕의 CFQD 함유 아크릴레이트 수지로 채웠고, 경화시켰다(60nm, 170mW/cm2, 180초). 150㎛ 두께의 붕규산 유리로 제조된 뚜껑를 5㎕의 Optocast 3553 에폭시 수지를 아크릴레이트 수지 상에 증착한 후, 뚜껑를 아래로 밀어 제자리에 단단히 적용하였다. 에폭시는 UV 광으로 경화하였다(360nm, 170mW/cm2, 72초). 이러한 캡은 도 4 및 상기 표 1의 데이터를 생성하는데 사용되었다.
본 발명의 중요한 측면은 본 발명에 따른 캡의 디자인이 색 변환 물질을 LED 패키지 내에 위치하도록 하고, 향상된 광 출력 및 빔 성형을 위해 패키지 반사기로 활용할 수 있도록 하는 것이다.
도 6a는 종래 기술에 따른 패키지(602) 내의 청색 발광 LED(600)를 도시한다. LED로부터 방출된 일부 광선은 LED(600)가 안에 위치한 패키지 웰(602)의 벽(604)에 반사된다. 램버시안 반사(Lambertian reflection)를 원하는 경우, 백색 벽 물질이 사용될 수 있다. 거울 반사를 필요로 하는 응용의 경우, 벽은 은으로 도금될 수 있다. LED 패키지(602)에 의한 빔 성형으로 인해, 다양한 각도에서 작은 청색광의 강도가 있다.
도 6b는 기존의 LED 패키지(도 6a의 602)에 도 2에 도시된 실시예에 따른 QD 함유 캡이 장착된 것을 도시한다. 캡 웰(608)은 청색 발광 LED(600)에 의한 여기(excitation)에 의해 형광을 내는 녹색 및 적색 발광 양자점을 함유한다. LED 패키지에 의한 빔 성형으로 인해 다양한 각도에서 작은 청색광의 강도가 있다. 광선(610)으로 표시된 바와 같이, 횡 방향으로 방출된 캡 웰(608)내의 양자점으로부터의 광발광이 다양한 각도에서 바로 관찰될 수 있다. 그러나, 광선(610)에서 청색 광(LED(600)으로부터)의 부재는 다른 색상이 관찰되는 것을 야기하고, 이에 따라 각도에 따른 색상 균일성이 손상된다.
도 6c는 도 3a 및 3b에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 캡이 도 6b에 도시되고, 전술한 각도에 따른 색상 균일성 문제를 극복하는 방법 보여준다. 오목한 캡 웰(616) 내의 양자점으로부터의 광발광은 소자를 빠져 나가기 전에 LED 패키지의 벽에 반사될 수 있다. 이에 따라 다양한 각도에서 더 적은 QD 전용 광발광(광선 614)이 관찰되고, 이에 따라 각도에 따른 색상 균일성이 향상된다(광선(612)는 적색, 녹색, 그리고, 청색 광).
비록 본 발명의 특정 실시예가 도시되고 설명되었더라도, 이는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 통상의 기술자는 다음의 청구범위에 의해 문자 그대로 그리고 동등하게 보호되는 것으로서 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 다양한 변경 및 수정이 구현될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (50)

  1. LED를 포함하는 중심 웰, 상부면 및 적어도 하나의 측면을 갖는 LED 패키지의 캡에 있어서,
    상기 캡은,
    상기 LED 패키지의 상기 상부면에 부착되도록 규격화되고 구성된 상면 및 바닥면을 갖는 상부;
    상기 상부의 상기 바닥면에 정의된 웰; 및
    상기 웰에 제공된 복수의 양자점을 포함하는 LED 패키지의 캡.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 상부에 부착되는 측부를 더 포함하고,
    상기 측부는 상기 LED 패키지의 상기 적어도 하나의 측면에 부착되도록 규격화되고 구성된 LED 패키지의 캡.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 측부는 상기 상부에 접한 LED 패키지의 캡.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 상부는 투명한 LED 패키지의 캡.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 상부는 반투명한 LED 패키지의 캡.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 캡이 상기 LED 패키지에 부착되는 경우 상기 웰은 상기 LED로부터 이격된 LED 패키지의 캡.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 양자점은
    제1 파장을 갖는 2차 광을 방출하는 제1 타입의 양자점 및 제2 파장을 갖는 2차 광을 방출하는 제2 타입의 양자점을 포함하는 LED 패키지의 캡.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 타입의 양자점은 청색 광에 의해 여기되는 경우 녹색 광을 방출하고,
    상기 제2 타입의 양자점은 청색 광에 의해 여기되는 경우 적색 광을 방출하는 LED 패키지의 캡.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 캡의 상기 상부는 렌즈를 제공하기 위한 형태인 LED 패키지의 캡.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 캡의 상기 상부는 렌즈 어레이를 제공하기 위한 형태인 LED 패키지의 캡.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 캡의 상기 상부는 산광부를 제공하기 위한 형태인 LED 패키지의 캡.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 양자점은 적어도 하나의 쉘에 의해 둘러싸인 중심 코어를 포함하는 LED 패키지의 캡.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 쉘 물질은 상기 코어 물질과 상이한 LED 패키지의 캡.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 양자점은 인듐을 포함하는 코어, 및 ZnO를 포함하는 제2 쉘에 의해 둘러싸인 ZnS를 포함하는 제1 쉘에 의해 둘러싸인 형광체를 포함하는 LED 패키지의 캡.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 양자점은 카드뮴이 없는 양자점인 LED 패키지의 캡.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 양자점은 매트릭스 내에 부유된 LED 패키지의 캡.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 매트릭스는 아크릴레이트 폴리머를 포함하는 LED 패키지의 캡.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 매트릭스는 에폭시 폴리머를 포함하는 LED 패키지의 캡.
  19. 제1 항에 있어서,
    상기 양자점은 비드에 포함된 LED 패키지의 캡.
  20. 중심 웰, 상부면 및 적어도 하나의 측면을 갖는 패키지;
    상기 중심 웰 내의 LED;
    상기 패키지의 상부면에 부착되는 상면 및 바닥면을 갖는 상부를 포함하는 캡;
    상기 상부의 상기 바닥면에 정의된 웰;
    상기 웰에 제공된 복수의 양자점을 포함하는 발광 소자.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 캡의 상기 바닥면은 실질적으로 산소 불침투성인 접착제로 상기 패키지의 상기 상부면에 부착되는 발광 소자.
  22. LED를 포함하는 중심 웰 및 상부면을 갖는 LED 패키지의 캡에 있어서,
    상기 캡은,
    상기 LED 패키지의 상부면에 부착되도록 규격화되고 구성된 주변부;
    상기 주변부로부터 함몰되어 캡 웰을 형성하는 중심부;
    상기 캡 웰에 제공된 복수의 양자점을 포함하는 LED 패키지의 캡.
  23. 제22 항에 있어서,
    상기 주변부에 부착되고 상기 캡 웰을 커버하는 뚜껑를 더 포함하는 LED 패키지의 캡.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 뚜껑는 투명한 LED 패키지의 캡.
  25. 제23 항에 있어서,
    상기 뚜껑는 반투명한 LED 패키지의 캡.
  26. 제22 항에 있어서,
    상기 캡이 LED 패키지에 부착되는 경우 상기 캡 웰은 상기 LED로부터 이격된 LED 패키지의 캡.
  27. 제22 항에 있어서,
    상기 복수의 양자점은
    제1 파장을 갖는 2차 광을 방출하는 제1 타입의 양자점 및 제2 파장을 갖는 2차 광을 방출하는 제2 타입의 양자점을 포함하는 LED 패키지의 캡.
  28. 제27 항에 있어서,
    상기 제1 타입의 양자점은 청색 광에 의해 여기되는 경우 녹색 광을 방출하고,
    상기 제2 타입의 양자점은 청색 광에 의해 여기되는 경우 적색 광을 방출하는 LED 패키지의 캡.
  29. 제22 항에 있어서,
    상기 뚜껑은 렌즈를 제공하기 위한 형태인 LED 패키지의 캡.
  30. 제22 항에 있어서,
    상기 뚜껑는 렌즈 어레이를 제공하기 위한 형태인 LED 패키지의 캡.
  31. 제22 항에 있어서,
    상기 뚜껑는 산광부를 포함하는 LED 패키지의 캡.
  32. 제22 항에 있어서,
    상기 양자점은 적어도 하나의 쉘에 의해 둘러싸인 중심 코어를 포함하는 LED 패키지의 캡.
  33. 제32 항에 있어서,
    상기 쉘 물질은 상기 코어 물질과 상이한 LED 패키지의 캡.
  34. 제22 항에 있어서,
    상기 양자점은 인듐을 포함하는 코어, 및 ZnO를 포함하는 제2 쉘에 의해 둘러싸인 ZnS를 포함하는 제1 쉘에 의해 둘러싸인 형광체를 포함하는 LED 패키지의 캡.
  35. 제22 항에 있어서,
    상기 양자점은 카드뮴이 없는 양자점인 LED 패키지의 캡.
  36. 제22 항에 있어서,
    상기 양자점은 매트릭스 내에 부유된 LED 패키지의 캡.
  37. 제36 항에 있어서,
    상기 매트릭스는 아크릴레이트 폴리머를 포함하는 LED 패키지의 캡.
  38. 제36 항에 있어서,
    상기 매트릭스는 에폭시 폴리머를 포함하는 LED 패키지의 캡.
  39. 제22 항에 있어서,
    상기 양자점은 비드에 포함된 LED 패키지의 캡.
  40. 중심 웰 및 상부면을 갖는 패키지;
    상기 중심 웰 내의 LED;
    상기 패키지의 상기 상부면에 부착되는 주변부를 갖는 캡;
    상기 주변부로부터 함몰되어 캡 웰을 형성하는 중심부;
    상기 캡 웰에 제공된 복수의 양자점을 포함하는 발광 소자.
  41. 제40 항에 있어서,
    상기 캡의 상기 주변부는 실질적으로 산소 불침투성인 접착제로 상기 패키지의 상기 상부면에 부착되는 발광 소자
  42. 제40 항에 있어서,
    상기 캡의 상기 함몰된 중심부는 적어도 부분적으로 상기 패키지의 상기 중심 웰 내에 있는 발광 소자.
  43. 제40 항에 있어서,
    상기 캡의 상기 함몰된 중심부는 실질적으로 상기 패키지의 중심 웰 내에 있는 발광 소자.
  44. 제22 항에 있어서,
    상기 캡 웰은 형광체가 포함된 베이스 벽을 포함하는 LED 패키지의 캡.
  45. 제44 항에 있어서,
    상기 형광체는 무기 형광체인 LED 패키지의 캡.
  46. 제44 항에 있어서,
    상기 형광체는 넓은 발광, 황록색의 형광체인 LED 패키지의 캡.
  47. 제44 항에 있어서,
    상기 형광체는 Ce:YAG를 포함하는 LED 패키지의 캡.
  48. 제44 항에 있어서,
    상기 형광체는 Ce:LuAG를 포함하는 LED 패키지의 캡.
  49. 중심 웰 및 상부면을 갖는 패키지;
    상기 중심 웰 내의 LED;
    상기 패키지의 상기 상부면에 부착되는 주변부를 갖는 캡;
    상기 주변부로부터 함몰되어 캡 웰을 형성하는 중심부;
    상기 캡 웰의 형광체를 포함하는 베이스 벽;
    상기 캡 웰에 제공된 복수의 양자점을 포함하는 발광 소자.
  50. 제49 항에 있어서,
    상기 LED는 청색 LED이고,
    상기 형광체는 넓은 발광, 황록색의 형광체이며,
    상기 양자점은 적색 형광을 내는 양자점인 발광 소자.

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