KR20180056762A - 솔더 부착을 갖는 인광체 요소를 사용하는 높은 광출력 광 변환 장치 - Google Patents

솔더 부착을 갖는 인광체 요소를 사용하는 높은 광출력 광 변환 장치 Download PDF

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잔 애슬렛
로버트 쿠지에르
앤드류 피. 호우드
데릭 브라운
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마테리온 코포레이션
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Abstract

광 발생장치는, 광 변환 장치 및 광 변환 요소에 광 빔을 적용하도록 배열된 광원을 포함한다. 상기 광 변환 장치는, 세라믹, 유리, 또는 기타 호스트에 내장된 하나 이상의 인광체를 포함하는 광세라믹 또는 기타 고체 인광체 요소, 금속 히트 싱크, 및 상기 광세라믹 인광체 요소를 상기 금속 히트 싱크에 부착시키는 솔더 접착을 포함한다. 상기 광세라믹 인광체 요소는, 상기 광세라믹 인광체 요소를 인광체 ??칭 점으로 가열하는데 효과적인 빔 에너지의 광 빔을 적용하는 광원에 반응하여 균열을 겪지 않는다.

Description

솔더 부착을 갖는 인광체 요소를 사용하는 높은 광출력 광 변환 장치
본 출원은 2015년 12월 9일자에 출원된, 명칭이 "HIGH OPTICAL POWER LIGHT CONVERSION DEVICE USING A PHOSPHOR ELEMENT WITH GLASS HOST"인 미국 가 특허출원 제62/265,117호의 우선권을 주장한다. 2015년 12월 9일자로 출원된 미국 가 특허출원 제62/265,117호의 전체적인 내용은 참조로서 여기에 혼입된다.
본 출원은, 2015년 9월 25일자로 출원되고, 명칭이 "HIGH OPTICAL POWER LIGHT CONVERSION DEVICE USING AN OPTOCERAMIC PHOSPHOR ELEMENT WITH SOLDER ATTACHMENT"인 미국 가 특허출원 제62/232,702호의 우선권을 주장한다. 2015년 9월 25일자로 출원된 미국 가 특허출원 제62/232,702호의 전체적인 내용은 참조로서 여기에 혼입된다.
하기 내용은, 옵 아트 (optical arts), 인광체 아트 (phosphor arts), 파장 변환 아트, 및 연관된 아트, 및 이를 사용하는 광전자, 포토닉 (photonic), 및 이와 유사한 적용들, 예컨대, 투사용 디스플레이 (예를 들어, 디지털 광원 처리 (Digital Light Processing), DLP), 자동차 조명, 등등과 같은 (그러나 이에 제한하지 않는) 것에 관한 것이다.
인광체 장치는, 광 파장을 변환하는 것으로 알려져 있는데, 보통 더 짧은 파장으로부터 하나 이상의 더 긴 파장으로 다운-변환한다 (down-converting). 흔한 접근법에서, 인광체 물질은, 에폭시, 실리콘, 등등과 같은 투명 또는 반투명 바인더 물질에 분산된다. 인광체는, 레이저 또는 기타 펌프 광원 (pump light source)에 의해 에너지가 공급되거나 또는 "펌핑"되어 인광 (phosphorescence)을 방출한다. 인광체 장치는 정적 (static)일 수 있거나, 또는 인광체가 회전 휠 (rotating wheel)의 외부 테두리 (outer rim) 근처에 배치되는 인광체 휠로 구성될 수도 있다. 인광체 휠 디자인은, 다른 인광체 아크 세그먼트 (arc segments)에서 다른 인광체를 사용하여 다른 색상 (또는 더 일반적으로 다른 스펙트럼)의 시간 순서 (time sequence)를 유리하게 제공할 수 있다. 제로 방출의 기간은 또한, 인광체 아크 세그먼트들 사이에 아크 갭 (arced gaps)을 남겨서 제공될 수도 있다. 이러한 휠은, 예를 들어, 디지털 광원 처리 (DLP) 프로젝터 또는 기타 DLP 디스플레이 장치에 대해 순차적인 적색, 녹색 및 청색 광을 제공하는데, 사용될 수 있다.
인광체에 통상적으로 사용되는 바인더 물질이 고출력 펌프 레이저에 의한 가열로 인해 열적 손상을 받기 쉽다는 점에서 높은 광출력 적용들 (optical power applications)에 대해 문제가 발생한다. 예를 들어, 청색 또는 자외선 레이저가 백색광 (또는 백색광을 형성하기 위해 청색 펌프 레이저 광과 혼합되는 황색 광)으로 변환되는 통상적인 다운-변환 작업에서, 레이저 파워 (laser power)는, 대략 25 watts 이상일 수 있어, 상당한 열을 초래한다.
이 문제에 대한 해법은, 바인더 물질을 세라믹 물질로 대체, 즉, 광세라믹 인광체 (optoceramic phosphor)를 사용하는 것이다. 통상적인 세라믹 물질은 상승된 온도에서, 및 선택적으로 상승된 압력하에서, 분말계 물질, 바인더, 및 안정제의 혼합물을 소결시켜 제조된다. 화학 기상 증착 (CVD) 또는 화학 반응과 같은 기타 제조 공정은, 세라믹 제조 공정으로 혼입될 수 있다. 광세라믹 인광체의 경우, 기본 물질은, 원하는 인광체 성분(들)을 포함하도록 선택되며, 및 혼합물 및 소결은, (펌프 광 및 인광 모두 포함하는) 작동 스펙트럼에 걸쳐 광학적으로 전달되는 호스트 물질 (host material)을 생성하도록 설계된다. 세라믹 물질은, 에폭시 또는 실리콘과 같은 종래의 인광체 바인더 물질보다 더 고밀도이고, 및 광세라믹 인광체는, 통상적으로 적어도 수백 ℃이고, 및 소결 공정에 의존하여 1000℃ 이상만큼 높을 수 있는, 적어도 소결 온도까지 내열성이 있다. 결과적으로, 광세라믹 인광체는, 고출력 레이저에 의해 펌핑되는 경우 열적으로 안정할 것으로 예상된다.
몇몇 상업적으로 이용 가능한 광세라믹 인광체는, 세라믹 호스트, 예컨대, 다결정 알루미나 (Al2O3, PCA), 란타나-도핑된 산화이트륨 (Y2O3-La2O3), 이트륨 알루미늄 가넷 (Y3Al5O12), 마그네슘 알루미네이트 스피넬 (MgAl2O4), 디스프로시아 (dysprosia) (Dy2O3), 알루미늄 산질화물 (Al23O27N5), 질화알루미늄 (AlN), 등등에 내장된, 이트륨 알루미늄 가넷 (YAG), 세륨-도핑된 YAG (YAG:Ce), 루테늄 YAG (LuYAG), 실리케이트-계 인광체, 실리콘-알루미늄-산질화물 (SiAlON) 인광체들, 등등을 포함한다. 예를 들어, Raukas et al., "Ceramic Phosphors for Light Conversion in LEDs", ECS Journal of Solid State Science and Technology, vol. 2 no. 2, pages R3168-76 (2013), 참조.
약간의 개선은 여기에 개시된다.
몇몇 개시된 구체 예에 따르면, 광 변환 장치는: 세라믹 호스트에 내장된 하나 이상의 인광체를 포함하는 광세라믹 인광체 요소 (phosphor element); 금속 히트 싱크 (heat sink); 및 광세라믹 인광체 요소를 금속 히트 싱크에 부착하는 솔더 접착을 포함한다.
몇몇 개시된 구체 예에 따르면, 광 변환 장치는, 고체 호스트 요소에 내장된 하나 이상의 인광체를 포함하는 인광체 요소, 금속 히트 싱크, 및 인광체 요소를 금속 히트 싱크에 부착시키는 솔더 접착을 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 인광체 요소는, 고체 유리 호스트 요소에 내장된 하나 이상의 인광체를 포함한다.
몇몇 개시된 관점들에 따르면, 광 발생장치 (light generator)는, 2개의 직전 단락들 중 하나에 서술된 바와 같은 광 변환 장치, 및 광 변환 요소에 광 빔 (light beam)을 적용하도록 구성된 광원을 포함한다. 광세라믹 인광체 요소는, 광세라믹 인광체 요소를 인광체 ??칭 점 (quenching point)으로 가열하는데 효과적인 빔 에너지의 광 빔을 적용하는 광원에 반응하여 균열 (cracking)을 겪지 않는다.
몇몇 개시된 구체 예에 따르면, 광 변환 장치를 제조하는 방법은: 세라믹 호스트에 내장된 하나 이상의 인광체를 포함하는 광세라믹 인광체 요소의 뒷면 상에 솔더링 가능한 금속 스택을 침착시키는 단계; 및 상기 솔더링 가능한 금속 스택을 금속 히트 싱크에 솔더링시켜 상기 금속 히트 싱크에 광세라믹 인광체 요소를 부착시키는 단계를 포함한다.
몇몇 개시된 구체 예에 따르면, 광 변환 장치를 제조하는 방법은 개시된다. 상기 방법은, 고체 호스트 요소에 내장된 하나 이상의 인광체를 포함하는 인광체 요소의 뒷면에 솔더링 가능한 금속 스택을 침착시키는 단계, 및 상기 솔더링 가능한 금속 스택을 히트 싱크에 솔더링시켜 인광체 요소에 금속 히트 싱크를 부착시키는 단계를 포함한다.
도 1은, 6개의 인광체 아크 세그먼트를 포함하는 인광체 휠을 예시한다. 도 1의 섹션 S-S는, 인광체 요소들 중 하나의 일부의 단면 및 금속 휠에 대한 이의 솔더 부착을 나타낸다.
도 2는, 도 1의 섹션 S-S의 분해도 (좌측) 및 주된 제조 작동 (manufacturing operations)을 도식으로 나타내는 흐름도 (우측)를 나타낸다.
도 3은, 히트 싱크 (예를 들어, 도 1의 금속 휠)가 적어도 솔더 부착 및 선택적으로 인광체 요소의 하부를 수용하도록 형상화되고 및 크기를 갖는 오목홈 (recess)을 갖는 변형 구체 예를 나타낸다.
여기에 사용된 바와 같고, 및 기술분야에 관례적인 것과 같은, "광학 스펙트럼", "광학", "파장", "주파수", "광", "광 빔", 등등과 같은 용어는, 가시 스펙트럼에 제한되는 것이 아니라, 오히려 주어진 필터에 대해, 적외선 및/또는 자외선 스펙트럼 영역 내로 확장되거나 또는 내에 전적으로 존재할 수 있다.
광세라믹 인광체가 고출력 레이저에 의해 펌핑되는 경우 열적으로 안정할 것으로 기대되는 것과 반해, 본 발명자들은, 실제로 고-출력 펌프 레이저의 출력이 랩프 업 (ramp-up)됨에 따라 광세라믹 인광체가 파괴적인 파손 (destructive failure)을 겪는다는 것을 발견했다. 구체적으로, 접착제 또는 써멀 페이스트 (thermal paste)를 사용하여 히트 싱크 상에 장착된 정적 광세라믹 인광체 요소는, 고출력 펌프 레이저 램프 업 동안 파괴적인 균열을 겪는다.
여기에 개시된 바와 같이, 본 발명자들은, 이 치명적인 균열 파손 모드가 히트 싱크 (예를 들어, Al 또는 Cu)에 광세라믹 인광체의 솔더 연결을 사용하여 극복할 수 있다는 것을 발견하였다. 솔더 부착으로, 펌프 레이저 파워는, 광세라믹 인광체 요소의 균열 없이 인광체 퀀칭을 생성하는데 충분히 높은 파워를 펌핑하도록 램프 업될 수 있다. 임의의 특정한 작동의 이론에 제한되지 않고, 치명적인 파손 모드는, 부착의 열 저항의 관점에서 또는 부착의 열 유도 저항 (reactance) (즉, 열 전달 램프 업 전 지연)의 관점에서, 광세라믹 인광체 밖으로 불충분한 열 전달에 기인하고, 및 솔더 부착은, 치명적인 균열 파손 모드를 극복하는데 충분한 부착을 통해 열 전달을 개선하는 것으로 믿어진다. 이러한 관점에서, 필요한 열 전달 특성을 제공하는, 솔더 접착 이외에, 다른 부착 결합을 사용하는 것이 고려된다. 예를 들어, (균일한 분산을 제공하기 위해) 묽은 유기물에서 은 (Ag) 나노입자의 분말 또는 페이스트를 소결시켜 형성된 접착으로 솔더 접착을 대체하는 것이 고려된다. 소결은, 몇몇 구체 예에서, 비록 최적의 공정 온도가 Ag 나노 입자 크기, 밀도, 및 평균 표면적과 같은 요인에 의존할지라도, 은 용융 온도보다 낮은 온도, 예를 들어, ~250℃에서 적절하게 수행된다. 소결이 일어나는 동안, 약간의 압력은 선택적으로 적용될 수 있고, 및/또는 소결은, 선택적으로 조절된 분위기에서 수행될 수 있다. 소결 후, 은은, 소결 온도보다 훨씬 더 높은 온도에서 조작 가능할 것이다. 임의의 작동의 특정 이론에 제한되지 않고, 이 접근법에서 접합 공정은, 원자 확산 메커니즘에 기인하는 것으로 믿어진다.
좀 더 일반적으로, 여기에 개시된 바와 같이, 솔더 연결은, 고체 인광체 요소를 히트 싱크 (예를 들어, Al 또는 Cu)에 부착하는데 사용된다. 솔더 부착은, 치명적인 균열 또는 기타 열 파손 모드를 극복하는데 충분한 부착을 통해 열전달을 개선하는 것으로 기대된다. 이러한 관점에서, 필요한 열 전달 특성을 제공하는, 솔더 접착 이외에, 다른 부착 접착 (attachment bonds)을 사용하는 것이 고려된다.
여기에 개시된 솔더 접착 접근법은, 단-결정 또는 다결정 인광체 요소, 유리 인광체 요소, 등등과 같은, 다양한 타입의 고-온 인광체에 대하여 이점을 제공할 것을 예상되고, 여기서 인광체는 결정, 유리, 또는 다른 고체 호스트 물질로 혼입된다. 여기에 개시된 솔더 접착 접근법은, 단-결정 또는 다결정 인광체 요소와 같은, 다른 타입들의 고-온 인광체 요소에 대하여 유사한 이점을 제공하는 것으로 예상되고, 여기서 인광체는 결정 성장 공정 동안 높은 열 안정성을 갖는 결정으로 혼입된다.
도 1은, 구리, 구리 합금, 알루미늄 합금, 등등으로 만들어진 금속 디스크 또는 "휠" (12)을 포함하는 인광체 휠 (10)을 도식적으로 나타낸다. 하나 이상의 광세라믹 인광체 요소, 예를 들어, 아크 세그먼트 (14)는, 휠 (12)의 외주 (outer perimeter)에 부착, 즉, 휠 (12)의 외부 테두리에 또는 그 근처에 부착된다. 금속 디스크 또는 휠 (12)은, 따라서, 운반 구성요소 (carrying component) 및 광세라믹 인광체 아크 세그먼트 (14)에 대한 히트 싱크 모두로 역할을 한다. 예시적인 광세라믹 인광체 아크 세그먼트 (14)는, 전체 휠 둘레의 인광체 커버리지 (coverage)를 가능하게 하면서 광세라믹 인광체 물질의 양을 최소화하는 기하학적으로 유리한 설계이다. 예시적인 인광체 휠 (10)은, 동일한 크기의 6개의 광세라믹 인광체 아크 세그먼트 (14)를 포함하지만; 그러나, 더 많거나 더 적은 인광체 아크 세그먼트는 (오직 완전한 360° 원을 형성하는 단일 광세라믹 인광체 아크 세그먼트를 포함하여) 사용될 수 있다. 예시적인 6개의 광세라믹 인광체 아크 세그먼트 (14)가, 보통 예시되고 및 표지되지만, 다른 광세라믹 인광체 아크 세그먼트가 (예를 들어, 다른 색상의 인광을 발광하기 위해) 다른 인광체를 포함할 수 있고, 및/또는 이웃하는 광세라믹 인광체 아크 세그먼트들 사이의 갭이 있을 수 있는 것으로 인정될 것이다. 작동에서, 금속 휠 (12)은, 중심축 (16)에 대해 회전되는데, 예를 들어, 중심축 (16)에 대해 모터 (도시되지 않음)의 모터 샤프트를 연결시키고 및 예시된 시계 방향 (CW)으로 인광체 휠 (10)이 회전되도록 모터를 작동시켜 회전된다 (반시계방향 회전은 또한 완성된다). 회전과 동시에, 펌프 광은 국지 영역에 적용된다 - 이것은 예시적인 펌프 레이저 빔 스팟 (L)을 적용하는 레이저 (18)에 의해, 도 1에서 도식적으로 나타낸다. 금속 휠 (12)이 회전함에 따라, 이것은, 광세라믹 인광체 아크 세그먼트 (14)를 운반하여 레이저 빔 (L)과 차례 차례로 접촉하면서 인광을 방출한다. 다양한 광세라믹 인광체 아크 세그먼트 (14)의 인광체의 적절한 선택에 의해, 다양한 색상 시간 순서가, DLP 디스플레이 적용에 적절할 수 있는 것으로, 적색-녹색-청색-적색-녹색-청색과 같이, 발생될 수 있는 것으로 쉽게 인식될 것이다.
도 1을 계속 참조하고 및 도 2를 더욱 참조하면, 섹션 S-S는, 하나의 광세라믹 인광체 아크 세그먼트 (14)의 부분 및 금속 휠 (12)에 대한 이의 솔더 부착의 단면을 도식적으로 예시한다. 도 2는, 섹션 S-S의 분해도 (좌측) 및 주된 제조 작동을 도식적으로 나타내는 흐름도 (우측)를 나타낸다. 도 1의 도식적 섹션 S-S 및 도 2에 나타낸 이의 분해도에서, 층 두께는 일정한 비율로 도시되지 않은 점에 유의해야 한다. 광세라믹 인광체 아크 세그먼트 (14)는, 비-제한 예시의 예로서, 다결정 알루미나 (Al2O3, PCA), 란타나-도핑된 산화이트륨 (Y2O3-La2O3), 이트륨 알루미늄 가넷 (Y3Al5O12), 마그네슘 알루미네이트 스피넬 (MgAl2O4), 디스프로시아 (Dy2O3), 알루미늄 산질화물 (Al23O27N5), 질화알루미늄 (AlN), 등등과 같은, 가시 스펙트럼에서 광학적으로 전달하는, 세라믹 물질에 내장된, 이트륨 알루미늄 가넷 (YAG), 세륨-도핑된 YAG (YAG:Ce), 루테늄 YAG (LuYAG), 실리케이트-계 인광체, 실리콘-알루미늄-산질화물 (SiAlON) 인광체, 등등과 같은 인광체를 포함할 수 있는, 광세라믹 인광체 요소 (20)를 포함한다. Raukas et al., "Ceramic Phosphors for Light Conversion in LEDs", ECS Journal of Solid State Science and Technology, vol. 2 no. 2, pages R3168-76 (2013), 참조. 다른 구체 예에서, 인광체 요소 아크 세그먼트 (14)는, 비-제한 예시의 예로서, 결정체, 유리, 또는 가시 스펙트럼에서 광학적으로 전달하는 기타 고체 호스트 물질에 내장된, 이트륨 알루미늄 가넷 (YAG), 세륨-도핑된 YAG (YAG:Ce), 루테튬 YAG (LuYAG), 실리케이트-계 인광체, 실리콘-알루미늄-산질화물 (SiAlON) 인광체, 등등과 같이 인광체를 포함할 수 있는, 인광체 요소 (20)을 포함한다. 예를 들어, 호스트 물질은, B270, BK7, P-SF68, P-SK57Q1, P-SK58A, P-BK7, 등등과 같은, 유리일 수 있다.
인광체 또는 인광체 도펀트 (dopant)는, 원하는 발광, 예를 들어, 녹색, 황색, 적색, 또는 백색 인광체 블랜드와 같은 광 조합을 방출하도록 적절하게 선택될 수 있다. 광세라믹 인광체 요소 (20)는, (비-제한 예시의 예로서) 상승된 온도에서 분말화된 기본 물질, 바인더, 및 안정제의 혼합물을 소결시키는 것과 같은 임의의 적절한 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 다른 구체 예에서, 예를 들어, 유리 호스트 물질을 사용하여, 인광체 요소 (20)는 (비-제한 예시의 예로서) 용융, 몰딩, 소결 등등과 같은 적절한 공정을 사용하여 제조될 수 있다.
예시적인 실시 예에서, 광세라믹 인광체 요소는 예시를 위해 추정된다. 선택적으로, 하나 이상의 광학 코팅은, 광세라믹 인광체 요소 (20)의 하나 이상의 표면에 적용될 수 있다. 예시적인 목적을 위해, 광세라믹 인광체 아크 세그먼트 (14)는, 전-면 반사-방지 (AR) 코팅 (22) 및 뒷-면 유전체 또는 금속 또는 하이브리드 유전체/금속 미러 코팅 (24)을 포함한다. (여기에 사용된 바와 같은, 용어 "전-면"은, 펌프 레이저 (18)로부터 빔 또는 다른 펌프 광 빔이 부딪치는, 광세라믹 인광체 요소 (20)의 면을 나타내는 반면; 여기에 사용된 바와 같은, 용어 "뒷-면"은, 히트 싱크 (12)에 부착된 광세라믹 인광체 요소 (20)의 면을 나타낸다 (여기서, 다시, 예시적인 실시 예에서, 인광체 휠 (10)의 금속 휠 (12)은 광세라믹 인광체 요소 (20)에 대한 히트 싱크로 역할을 한다)). AR 코팅 (22)은, 인광체의 방출을 방해하지 않으면서, 광세라믹 인광체 요소 (20)상에 부딪치는 펌프 레이저 광의 반사를 최소화하도록 설계된다. 유전체 미러 코팅 (24)은 인광을 반사하도록 설계되고, 및 선택적으로 펌프 레이저 광을 반사하도록 또한 설계된다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 이들 코팅은, 비록 이들 코팅 (22, 24)을 구성하는 물질의 침착을 위해 적절한 임의의 다른 침착 기술이 침착 (S1)을 수행하는데 사용될 수 있을지라도, 스퍼터링 침착(들) (S1)에 의해 적용될 수 있다. 또한, 광학 코팅 (22, 24) 중 하나 또는 둘 모두는 생략될 수 있고, 및/또는 파장-선택성 필터 코팅, 광-산란 코팅, 침착된 프레넬 렌즈 (Fresnel lens), 등등과 같은, 다른 광학 코팅은 제공될 수 있는 것으로 인식될 것이다.
도 1 및 2를 계속 참조하면, 광세라믹 인광체 요소 (20) 및 유전체 또는 금속 미러 코팅 (24) (존재한다면)은, 통상적으로 솔더 접착에 적절한 물질이 아니다. 솔더링에 의해 금속 휠 (12)에 광세라믹 인광체 아크 세그먼트 (14)의 부착을 용이하게 하기 위해, 광세라믹 인광체 아크 세그먼트 (14)는, 광세라믹 인광체 요소 (20)의 뒷면 (또는, 좀 더 구체적으로, 예시적인 실시 예에서, 유전체 미러 코팅 (24)의 뒷면) 상에 침착된, 솔더링 가능한 금속 스택 (30)을 포함한다. 솔더링 가능한 금속 스택 (30)은, 오직 단일 금속 층을 포함할 수 있고; 예시적 구체 예에서, 솔더링 가능한 금속 스택 (30)은: (비-제한 예시적인 예로서) 크롬 또는 티타늄 또는 티타늄-텅스텐 (TiW) 합금의 요소 (20)에 인접한 접착층 (32); (비-제한 예시적인 예로서) 니켈의 확산 배리어 층 (34); 및 (비-제한 예시적인 예로서) 금의 솔더링 가능한 금속 층 (36)을 포함한다. 이것은, 단지 예시적인 실시 예이고, 및 금속 요소에 대한 비-금속 요소의 솔더링을 용이하게 하는 당 업계에 공지된 다수의 솔더링 가능한 솔더 스택은 사용될 수 있다. 또 다른 비-제한 예시적인 실시 예의 예로서: 솔더링 가능한 금속 층 (36)은, 금 이외에 은, 백금, 또는 또 다른 솔더링-호환성 금속 또는 금속 서브-스택일 수 있고; 니켈 확산 배리어 층은, 마그네트론 스퍼터링에 의해 침착을 용이하게 하도록 이의 마그네틱 특성을 감소시키기 위해 몇 퍼센트 (예를 들어, 5%) 바나듐을 포함할 수 있으며; 확산 배리어 층 (34)은, 전체적으로 생략될 수 있고, 및/또는 접착층 (32)는 전체적으로 생략될 수 있다. 비록 솔더링 가능한 금속 스택 (30)을 구성하는 물질을 침착하기 위해 적절한 임의의 다른 침착 기술이, 침착(들) (S1)을 수행하는데 사용될 수 있을지라도, 도 2에 나타낸 바와 같이, 솔더링 가능한 금속 스택 (30)은, 예를 들어, 스퍼터링, 도금 (plating), 진공 금속 증발 (예를 들어, 전자빔 증발, 열 증발), 등등에 의해 금속 침착 작동 (S2)에서 광세라믹 인광체 요소 (20)의 뒷면 상에 (또는 좀 더 구체적으로, 예시적인 실시 예에서, 유전체 미러 코팅 (24)의 뒷면 상에) 침착될 수 있다.
도 1 및 2를 계속 참조하면, 광세라믹 인광체 요소 (20), 선택적인 광학 코팅 (22, 24), 및 솔더링 가능한 금속 스택 (30)을 포함하는 광세라믹 인광체 아크 세그먼트 (14)는, 솔더 접착 (40)을 형성하는 솔더 작동 (S3)에 의해 금속 기판 (12) (도 1의 예시적인 실시 예에서 금속 휠 (12))에 부착된다. 도 2에 도식적으로 예시된 하나의 적절한 접근법에서, 솔더 작동 (S3)은, 광세라믹 인광체 아크 세그먼트 (14)와 금속 히트 싱크 (12) 사이에 개입된 솔더 플럭스 (402)로 코팅된 솔더 프리폼 (401)과 함께 금속 히트 싱크 (12) 상으로 광세라믹 인광체 아크 세그먼트 (14)를 배치시키는 단계를 수반한다. 또 다른 고려되는 구체 예에서, 솔더 플럭스는, 솔더 프리폼 상에 코팅되기보다는 솔더 프리폼으로 혼합된다. 비-제한 실시 예의 예로서, 납/인듐/은 솔더 합금, 금/주석 솔더 합금, 금-실리콘 (AuSi) 합금, 등등과 같은, 광범위한 솔더 합금은, 솔더 프리폼 (401)을 위해 사용될 수 있다. 이 어셈블리는, 그 다음, 솔더 (401, 402)를 유발하기에 효과적인 솔더링 온도로 가열되어, 솔더링 가능한 금속 스택 (30)과 금속 히트 싱크 (12) 사이에 솔더 접착 (40)을 형성한다. 다른 접근법은, 사전-혼합된 솔더 물질 및 플럭스를 함께 솔더링될 표면들의 일면 또는 양면 상에 배치하기 위해 솔더 건 (solder gun)을 사용하고, 및 그 다음 함께 이들을 압축하는 것과 같은, 솔더 작동 (S3)을 수행하는데 고려된다. 상업적인 제조의 경우, 솔더 접착 공정 (S3)은, 높은 처리량을 갖는 자동화된 공정이어야 한다.
도 3을 참조하면, 다양한 구체 예에서, 솔더 부착이 이루어지는 히트 싱크 기판 (12)은, 솔더 작용 (S3)을 용이하게 하기 위해, 솔더 플럭스 (402)로 코팅된 솔더 프리폼 (401)을 수신하기에 충분한 깊이 및 형상화된 오목홈 (44)를 포함한다. 그 결과로 생긴 장치는, 그 다음 오목홈 (44)에 배치된 솔더 접착 (40)을 가질 것이다. 선택적으로, 오목홈 (44)은, 광세라믹 인광체 아크 세그먼트 (14)의 하부를 수신하기에 충분히 깊을 수 있어서, 그 결과로 생긴 장치는, 오목홈 (44)에 배치된 광세라믹 인광체 요소 (20)의 하부 및 솔더 접착 (40)을 갖는다.
예시적인 구체 예는, 도 1의 인광체 휠 (10)과 관계가 있다. 그러나, 금속 히트 싱크 (12)에 대한 광세라믹 인광체 요소 (20)의 솔더 부착을 위한 개시된 접근법은, 정적 인광체 요소를 히트 싱크에 부착하는데 동등하게 적용 가능한 것으로 인식될 것이다. 예를 들어, 하나의 적용에서, 광세라믹 인광체 요소 (20)는, 황색 또는 황색을 띤 인광을 발생하는 하나 이상의 인광체를 함유하고, 및 펌프 레이저 빔은 청색 레이저 빔이다. 광세라믹 인광체 요소 (20)에서 인광체 농도 및 청색 펌프 빔 파워의 적절한 조정에 의해, 청색 펌프 광 및 황색 또는 황색을 띤 인광의 혼합물은 백색광에 비슷하게 발생된다. 광세라믹 인광체 요소는, 임의의 원하는 광학 시스템에 사용될 수 있다. 하나의 비-제한적인 실시 예로서, 여기에 개시된 바와 같은 히트 싱크에 솔더링된 정적 광세라믹 인광체 요소는, 광 터널 (light tunnel)과 관련하여 사용될 수 있으며, 여기서 광 터널에서 높은 광출력은, 여기에 개시된 바와 같은 광세라믹 인광체 요소로부터 솔더 접착을 통해 히트 싱크로 효율적인 열 전달에 의해 공급된다.
실험적인 시험에서, 구리 히트 싱크에 솔더링된 광세라믹 인광체 요소는, 비교를 위해 써멀 페이스트에 의해 구리 히트 싱크에 부착된 광세라믹 인광체 요소와 함께, 시험된다. 몇몇 시험된 광세라믹 인광체 요소는, 전면 AR 코팅 (22) 및 뒷면 유전체 미러 코팅 (24)을 포함하고, 후자는 뒷면 공기 계면 (air interface)용으로 설계된다. 시험에서, 솔더링에 의해 히트 싱크에 고정된 광세라믹 인광체 요소의 균열은, 인광체 ??칭 점까지 및 이상으로 광세라믹 인광체 요소를 가열하는데 효과적인 빔 에너지에 대해 관찰되지 않는다. 대조적으로, 써멀 페이스트에 의해 히트 싱크에 고정된 광세라믹 인광체 요소는, 펌프 레이저 파워가 증가함에 따라 치명적인 균열을 나타내고, 및 이 균열은 인광체 ??칭 점이 도달되기 전에 쉽게 발생되어, 장치의 열 범위를 제한한다. AR 코팅 (22)에 대한 손상은 또한 써멀 페이스트를 사용하여 장착된 광세라믹 인광체 요소에서 관찰되어, 개시된 솔더 접착을 사용하여 장착된 광세라믹 인광체 요소와 비교하여 감소된 레이저 유도 손상 (LITD) 임계값을 초래한다. 또한, 놀랍게도, 뒷면 계면이 설계-기준 공기 (design-basis air) (굴절률 n=1)가 아니라, 솔더 접착 (40)에 있다는 사실에도 불구하고, 뒷면 공기 계면용으로 설계된 뒷면 유전체 미러 코팅 (24)이, 실질적인 광 출력 개선을 제공하는 것으로 관찰되었다. 어떤 특정 작동 이론에 제한됨이 없이, 이는, 뒷면 미러/솔더 계면에 도달하는 광의 일부분이 적도록, 상당한 반사를 제공하는 스택의 다중 층에 기인하는 것으로 믿어진다.
이들 결과는, 개시된 솔더 부착 접근법이, 균열을 겪는 광세라믹 인광체 요소 (20) 없이 인광체 ??칭 점까지 임의의 값의 펌프 빔 에너지로 작동할 수 있는, 세라믹 호스트에 내장된 하나 이상의 인광체를 포함하는 광세라믹 인광체 요소 (20), 금속 히트 싱크 (12), 및 금속 히트 싱크 (12)에 광세라믹 인광체 요소 (20)를 부착하는 솔더 접착 (40)을 포함하는 수동형 (passive) 광 변환 장치의 구조를 가능하게 한다는 것을 입증한다. 대조적으로, 종래의 써멀 페이스트 부착은, 인광체 ??칭 점 아래에서 쉽게 치명적인 균열을 결과하고, 이에 의해 장치 성능을 제한한다. 개시된 솔더 접착은, 많은 구체 예에서, 전기 또는 전자 부품을 포함하지 않는 수동형 광학 요소에 대해 개선된 장치 성능을 제공하는 것으로 잘 알려져 있다.
다양한 위에서-개시되고 다른 특색들 및 기능들, 또는 이들의 대체물은, 많은 기타의 다른 시스템들 또는 적용들로 바람직하게 조합될 수 있는 것으로 인정될 것이다. 기술분야의 당업자에 의해 하기 청구범위에 포괄되는 것으로 또한 의도되는 다양한 현재 예측하지 못하거나 또는 예기치 않은 대안, 변경, 변화 또는 개선이 나중에 이루어질 수 있는 것으로 더욱 이해될 것이다.

Claims (39)

  1. 세라믹 호스트에 내장된 하나 이상의 인광체를 포함하는 광세라믹 인광체 요소;
    금속 히트 싱크; 및
    상기 광세라믹 인광체 요소를 상기 금속 히트 싱크에 부착시키는 솔더 접착을 포함하는, 광 변환 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 변환 장치는, 정적 광 변환 장치 또는 인광체 휠인, 광 변환 장치.
  3. 청구항 1-2 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광세라믹 인광체 요소와 상기 솔더 접착 사이에 광세라믹 인광체 요소의 뒷면 상에 배치된 미러 코팅을 더욱 포함하는, 광 변환 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 미러는 뒷면 공기 인터페이스로 작동하도록 설계된 유전체 미러인, 광 변환 장치.
  5. 청구항 3-4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미러 코팅과 상기 솔더 접착 사이에 상기 미러 코팅 상에 배치된 하나 이상의 금속층을 포함하는 솔더링 가능한 금속 스택을 더욱 포함하며;
    여기서, 상기 솔더 접착은 상기 솔더링 가능한 금속 스택에 부착되는, 광 변환 장치.
  6. 청구항 1-2 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광세라믹 인광체 요소와 솔더 접착 사이에 광세라믹 인광체 요소의 뒷면에 배치된 하나 이상의 금속층을 포함하는 솔더링 가능한 금속 스택을 더욱 포함하며;
    여기서, 상기 솔더 접착은 상기 솔더링 가능한 금속 스택에 부착되는, 광 변환 장치.
  7. 청구항 5-6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 솔더링 가능한 금속 스택은:
    솔더 접착이 금층에 부착되는 크롬/니켈/금층 스택;
    솔더 접착이 금층에 부착되는 티타늄/니켈/금층 스택;
    솔더 접착이 은층에 부착되는 크롬/니켈/은층 스택; 및
    솔더 접착이 은층에 부착되는 티타늄/니켈/은층 스택, 중 하나를 포함하는, 광 변환 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 솔더링 가능한 금속 스택의 니켈층은, 바나듐을 포함하는, 광 변환 장치.
  9. 청구항 1-8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 히트 싱크는, 상기 솔더 접착이 배치되는 오목홈을 포함하는, 광 변환 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 광세라믹 인광체 요소의 하부는 또한 상기 히트 싱크의 오목홈 내에 배치되는, 광 변환 장치.
  11. 청구항 1-10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광세라믹 인광체 요소는, 상기 광세라믹 인광체 요소를 인광체 ??칭 점으로 가열하는데 효과적인 빔 에너지를 갖는 적용된 광 빔에 반응하여 균열을 겪지 않는, 광 변환 장치.
  12. 청구항 1-11 중 어느 한 항에 서술된 광 변환 장치; 및
    광 변환 요소에 광 빔을 적용하도록 배열된 광원을 포함하며;
    여기서, 상기 광세라믹 인광체 요소는, 상기 광세라믹 인광체 요소를 인광체 ??칭 점으로 가열하는데 효과적인 빔 에너지의 광 빔을 적용하는 광원에 반응하여 균열을 겪지 않는, 광 발생장치.
  13. 고체 호스트 요소에 내장된 하나 이상의 인광체를 포함하는 인광체 요소;
    금속 히트 싱크; 및
    상기 인광체 요소를 상기 금속 히트 싱크에 부착시키는 솔더 접착을 포함하는, 광 변환 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 광 변환 장치는, 정적 광 변환 장치 또는 인광체 휠인, 광 변환 장치.
  15. 청구항 13-14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인광체 요소와 솔더 접착 사이에 인광체 요소의 뒷면에 배치된 미러 코팅을 더욱 포함하는, 광 변환 장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 미러는 뒷면 공기 인터페이스로 작동하도록 설계된 유전체 미러인, 광 변환 장치.
  17. 청구항 15-16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미러 코팅과 상기 솔더 접착 사이에 상기 미러 코팅 상에 배치된 하나 이상의 금속층을 포함하는 솔더링 가능한 금속 스택을 더욱 포함하며;
    여기서, 상기 솔더 접착은 상기 솔더링 가능한 금속 스택에 부착되는, 광 변환 장치.
  18. 청구항 13-14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인광체 요소와 상기 솔더 접착 사이에 상기 인광체 요소의 뒷면에 배치된 하나 이상의 금속층을 포함하는 솔더링 가능한 금속 스택을 더욱 포함하며;
    여기서, 상기 솔더 접착은 상기 솔더링 가능한 금속 스택에 부착되는, 광 변환 장치.
  19. 청구항 17-18 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 솔더링 가능한 금속 스택은:
    솔더 접착이 금층에 부착되는 크롬/니켈/금층 스택;
    솔더 접착이 금층에 부착되는 티타늄/니켈/금층 스택;
    솔더 접착이 은층에 부착되는 크롬/니켈/은층 스택; 및
    솔더 접착이 은층에 부착되는 티타늄/니켈/은층 스택, 중 하나를 포함하는, 광 변환 장치.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 솔더링 가능한 금속 스택의 상기 니켈층은 바나듐을 포함하는, 광 변환 장치.
  21. 청구항 13-20 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 히트 싱크는, 상기 솔더 접착이 배치되는 오목홈을 포함하는, 광 변환 장치.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 인광체 요소의 하부는 또한 상기 히트 싱크의 상기 오목홈 내에 배치되는, 광 변환 장치.
  23. 청구항 13-22 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인광체 요소는, 고체 유리 호스트 요소에 내장된 하나 이상의 인광체를 포함하는, 광 변환 장치.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 고체 유리 호스트 요소는, B270, BK7, P-SF68, P-SK57Q1, P-SK58A, 또는 P-BK7을 포함하는, 광 변환 장치.
  25. 청구항 13-24 중 어느 한 항에 서술된 광 변환 장치; 및
    광 변환 요소에 광 빔을 적용하도록 배열된 광원을 포함하며;
    여기서, 상기 광세라믹 인광체 요소는, 상기 광세라믹 인광체 요소를 인광체 ??칭 점으로 가열하는데 효과적인 빔 에너지의 광 빔을 적용하는 광원에 반응하여 균열을 겪지 않는, 광 발생장치.
  26. 세라믹 호스트에 내장된 하나 이상의 인광체를 포함하는 광세라믹 인광체 요소의 뒷면 상에 솔더링 가능한 금속 스택을 침착시키는 단계; 및
    상기 솔더링 가능한 금속 스택을 금속 히트 싱크에 솔더링시켜 상기 금속 히트 싱크에 광세라믹 인광체 요소를 부착시키는 단계를 포함하는, 광 변환 장치의 제조방법.
  27. 청구항 26에 있어서,
    상기 광세라믹 인광체 요소의 뒷면 상에 상기 솔더링 가능한 금속 스택을 침착시키는 단계 이전에, 상기 광세라믹 인광체 요소의 뒷면 상에 유전체 미러 코팅을 침착시키는 단계를 더욱 포함하여, 상기 솔더링 가능한 금속 스택이 유전체 미러 코팅 상에 침착되는, 광 변환 장치의 제조방법.
  28. 청구항 26-27 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광세라믹 인광체 요소의 뒷면 상에 솔더링 가능한 금속 스택을 침착시키는 단계는:
    상기 광세라믹 인광체 요소의 뒷면 또는 상기 광세라믹 인광체 요소의 뒷면에 배치된 유전체 미러 코팅 상에 크롬 또는 티타늄층을 침착시키는 단계;
    상기 크롬 또는 티타늄층 상에 니켈층을 침착시키는 단계; 및
    상기 니켈층 상에 은, 백금, 또는 금층을 침착시키는 단계를 포함하는, 광 변환 장치의 제조방법.
  29. 청구항 28에 있어서,
    상기 니켈층은 바나듐을 포함하는, 광 변환 장치의 제조방법.
  30. 청구항 26-27 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광세라믹 인광체 요소의 뒷면 상에 솔더링 가능한 금속 스택을 침착시키는 단계는:
    상기 니켈층 상에 솔더링 가능한 은, 백금, 또는 금층을 침착시키는 단계를 포함하고;
    여기서, 상기 솔더링은 솔더링 가능한 은, 백금, 또는 금층을 히트 싱크에 솔더링시키는 단계를 포함하는, 광 변환 장치의 제조방법.
  31. 청구항 26-28 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부착시키는 단계는:
    상기 광세라믹 인광체 요소와 금속 히트 싱크 사이에 개입된 솔더 프리폼과 함께 금속 히트 싱크 상으로 광세라믹 인광체 요소를 배치하여 어셈블리를 생성하는, 배치 단계; 및
    상기 솔더 프리폼이 솔더링 가능한 금속 스택과 금속 히트 싱크 사이에서 솔더 접착을 형성하는데 효과적인 솔더링 온도로 상기 어셈블리를 가열하는 단계를 포함하는, 광 변환 장치의 제조방법.
  32. 청구항 31에 있어서,
    상기 솔더 프리폼은, 솔더 프리폼 상으로 코팅되거나 또는 상기 솔더 프리폼 내로 혼합되는 솔더 플럭스를 포함하는, 광 변환 장치의 제조방법.
  33. 청구항 31-32 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 솔더 프리폼은, 납/인듐/은 솔더 합금 또는 금/주석 솔더 합금을 포함하는, 광 변환 장치의 제조방법.
  34. 고체 호스트 요소에 내장된 하나 이상의 인광체를 포함하는 인광체 요소의 뒷면에 솔더링 가능한 금속 스택을 침착시키는 단계; 및
    상기 솔더링 가능한 금속 스택을 금속 히트 싱크에 솔더링시켜 상기 인광체 요소를 금속 히트 싱크에 부착시키는 단계를 포함하는, 광 변환 장치의 제조방법.
  35. 청구항 34에 있어서,
    상기 인광체 요소의 뒷면 상에 솔더링 가능한 금속 스택을 침착시키는 단계 이전에, 상기 인광체 요소의 뒷면 상에 유전체 미러 코팅을 침착시키는 단계를 더욱 포함하여, 상기 솔더링 가능한 금속 스택이 유전체 미러 코팅 상에 침착되는, 광 변환 장치의 제조방법.
  36. 청구항 34-35 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인광체 요소의 뒷면 상에 솔더링 가능한 금속 스택을 침착시키는 단계는:
    상기 인광체 요소의 뒷면 상으로 또는 인광체 요소의 뒷면 상에 배치된 유전체 미러 코팅 상으로 크롬 또는 티타늄층을 침착시키는 단계;
    상기 크롬 또는 티타늄층 상에 니켈층을 침착시키는 단계; 및
    상기 니켈층 상에 은, 백금, 또는 금층을 침착시키는 단계를 포함하는, 광 변환 장치의 제조방법.
  37. 청구항 33-34 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인광체 요소의 뒷면 상에 솔더링 가능한 금속 스택을 침착시키는 단계는:
    상기 니켈층 상에 솔더링 가능한 은, 백금, 또는 금층을 침착시키는 단계를 포함하고;
    여기서, 상기 솔더링은 솔더링 가능한 은, 백금, 또는 금층을 히트 싱크에 솔더링시키는 단계를 포함하는, 광 변환 장치의 제조방법.
  38. 청구항 33-34 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부착시키는 단계는:
    상기 인광체 요소와 금속 히트 싱크 사이에 개입된 솔더 프리폼과 함께 금속 히트 싱크 상으로 인광체 요소를 배치하여 어셈블리를 생성하는, 배치 단계; 및
    상기 솔더 프리폼이 솔더링 가능한 금속 스택과 금속 히트 싱크 사이에서 솔더 접착을 형성하는데 효과적인 솔더링 온도로 상기 어셈블리를 가열하는 단계를 포함하는, 광 변환 장치의 제조방법.
  39. 청구항 38에 있어서,
    상기 솔더 프리폼은, 솔더 프리폼 상으로 코팅되거나 또는 상기 솔더 프리폼 내로 혼합되는, 솔더 플럭스를 포함하는, 광 변환 장치의 제조방법.
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