KR20180093938A - 향상된 파장 변환 장치 - Google Patents

Abstract

파장 변환 장치는 기판; 상기 기판 상의 반사성 수지 층; 및 입사 광을 수신하고 상기 입사 광의 파장 변환에 의해 출력 광을 제공하도록 구성된 상기 반사성 수지 층 상의 파장 변환 층을 포함하며, 상기 출력 광은 상기 반사성 수지 층에 의해 반사된다. 또한, 반사성 수지 층을 기판에 도포하고 상기 반사성 수지 층 상에 파장 변환 층을 제공함으로써 파장 변환 장치를 제조하기 위한 방법이 제공된다.

Description

향상된 파장 변환 장치

본 발명은 형광체 또는 컬러 휠(color wheel)과 같은 파장 변환 장치에 관한 것이다. 또한, 파장 변환 장치를 제조하기 위한 방법이 제공된다.

프로젝션 시스템들은 광 소스로부터 상이한 컬러의 광을 생성하기 위해 컬러 휠을 이용할 수 있다. 통상, 그러한 광 소스는 백색 광을 제공한다. 그러한 컬러 휠은 상이한 컬러의 표면 세그먼트를 갖는 원형 기판을 포함할 수 있다. 상기 컬러 휠에 광이 입사됨에 따라 상기 컬러 휠이 회전할 경우, 그 출력은 다양한 컬러의 광을 제공한다.

형광체 휠은 원형 기판 표면의 일부 또는 모든 세그먼트가 형광체로 코팅되는 유사한 장치이다. 그러한 형광체는 종종 기판 표면에 도포하기 위해 글루(glue) 또는 다른 투명 재료와 혼합된다. 고체 상태 형광체가 추가로 또는 대안으로 사용될 수 있다. 하나 이상의 방출 컬러 출력을 제공하기 위해 상이한 형광체가 상이한 세그먼트에 사용될 수 있다.

컬러 휠 또는 형광체 휠들은 출력 광이 기판을 통과하는 투과형이거나, 또는 기판이 출력 광을 반사하는 반사형일 수 있다. 반사형 컬러 또는 형광체 휠의 경우, 기판의 반사율이 최대화되는 것이 바람직하다. 그러한 기판용 재료의 선택은, 그것들의 상이한 반사율로 인해, 반사율에 영향을 미칠 수 있다. 예컨대, 알루미늄(Al) 코팅 기판은 통상 94%의 평균 반사율(약 420 nm 내지 약 680 nm 범위의 파장에서)을 갖는다. 반대로, 은(Ag) 코팅 기판은 보통 98%의 평균 반사율(약 420 nm 내지 약 680 nm 범위의 파장에서)을 갖는다. 따라서, Ag 코팅 기판에 비해 Al 코팅 기판의 사용에 따른 추가적인 4% 반사율 손실이 있다. 이는 또한 특정 타입의 형광체에 대한 청색-황색 변환과 같은 광 변환에 대한 수집 효율의 결과적인 저하를 가져온다.

견고성 및 내구성은 반사형 컬러 또는 형광체 휠의 또 다른 관심사이다. 다시, 기판용 재료의 선택은 이들 성능 특성에 영향을 줄 수 있다. 고온(150℃ 이상)에서 작동하는 수백 시간 후, 레이저 입사 영역에서의 연소는 통상 Ag 코팅 기판에서 관찰된다. 고온에서 코팅 층에서 은 이온의 이동은 이러한 영향의 원인일 수 있다. 이로 인해 광학 성능이 약 9% 손실될 수 있다. 다른 타입의 기판에서도 유사한 문제가 있을 수 있다. 그러나, 그와 같은 영향은 Al 코팅 기판에서는 같은 정도로 나타나지 않는다.

그러한 기판 상에 층을 부가함으로써 그 기판의 반사율을 향상시키기 위한 시도가 고려되고 있다. 예컨대, CN 103912848는 금속, 유기 폴리머 또는 세라믹을 포함할 수 있는 컬러 휠의 기판 상에 확산 반사 재료를 제공하는 것을 제안하고 있다. 이러한 재료에 의해 컬러 휠의 광 효율이 향상될 수 있다. 그러나, 일부의 그와 같은 재료의 비용이 높아질 수 있다. 또한, 이러한 접근 방식은 내구성 또는 견고성을 고려하지 않는다.

높은 반사율 및 긴 내구성 모두를 달성하고, 특히 장치의 수명 기간 동안 높은 반사율을 달성하는 것은 컬러 또는 형광체 휠의 디자인 및 광 파장 변환 장치 분야에서 보다 일반적인 도전 과제이다. 낮은 제조 비용으로 이를 달성하는 것이 더 유리할 것이다.

이러한 배경에 따라, 파장 변환 장치(통상 광 파장을 위한)가 제공되며, 상기 파장 변환 장치는 기판; 상기 기판 상의 반사성 수지 층(실리콘과 같은); 및 출력 광이 반사성 수지 층에 의해 반사되도록, 입사 광을 수신하고 상기 입사 광의 파장 변환에 의해 출력 광을 제공하도록 구성된 상기 반사성 수지 층 상의 파장 변환 층을 포함한다. 상기 파장 변환 장치는 통상 컬러 휠 또는 형광체 휠이다. 다른 바람직한 형태는 이하의 청구범위 및 상세한 설명을 참조하여 개시된다.

이점으로, 그러한 기판 상에 실리콘 층(예컨대, 옥타메틸트리실록산(octamethyltrisiloxane)과 같은 실록산을 포함하는)과 같은 반사성 수지 층의 부가(보다 바람직하게 기판 상에 직접)는 반사율 및 내구성 모두를 향상시킨다. 그러한 실리콘계 층은 환경 및 수명 테스트에서 어떠한 관찰된 광학 성능 저하 없이 높은 반사율(방출 광 파워에서 9%의 증가가 관찰됨)을 제공하는 효율적인 비용의 표면 처리 재료이다. 다른 타입의 반사성 수지에서도 유사한 이점이 있을 수 있다. 그러한 재료 및 제조 공정 모두는 다른 접근 방식에 비해 저렴하며 제조 공정이 유연하다. 또한, 표면 코팅 층은 장치의 작동 온도를 증가시키지 않는다. 최대 200℃의 온도에서 장시간 작동할 경우, 높은 온도 저항이 나타난다. 상기 기판의 재료는 더 이상 적합하지 않으며, 금속, 비금속 및/또는 복합 재료로 형성된 기판에도 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 반사율이 실리콘 층의 두께에 좌우되며, 이에 따라 반사율을 원하는 레벨로 설정할 수 있게 한다는 것을 알아냈다.

상기 반사성 수지 층은 접착 층으로서 작용할 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 반사성 수지 층은 기판에 대한 파장 변환 층의 접착을 야기하거나 또는 도울 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 파장 변환 층을 반사성 수지 층 및 기판에 부착시키기 위해 접착 층(글루 및/또는 테이프)이 제공될 수 있다. 이것은 유리에 분산된 형광체 입자, 크리스탈에 분산된 형광체 입자 또는 세라믹 재료에 분산된 형광체 입자와 같은 고체 상태 파장 변환 층에 특히 유용할 수 있다.

파장 변환 층의 또 다른 형태는 (일반적으로 투명한) 실리콘에 분산된 형광체 입자(예컨대, 분말과 같은)를 포함한다. 이러한 경우, 상기 반사성 수지 층은 그 조성 및/또는 구조를 통해 상기 파장 변환 층과 구별된다(구별 가능하다). 예컨대, 상기 반사성 수지 층은 광학적으로 상당한 양의 형광체(또는 소정의 가능한 형광체)를 포함하지 않는다.

파장 변환 장치를 제조하기 위한 대응하는 방법이 제공될 수 있다.

본 발명은 형광체 또는 컬러 휠과 같은 파장 변환 장치 및 이를 제조하기 위한 방법을 제공할 수 있다.

본 발명은 다양한 방식으로 실시될 수 있으며, 그 중 다수는 단지 예로서 기술되며, 이하의 첨부 도면을 참조하여 기술될 것이다:
도 1은 동작 모드를 개략적으로 나타내는 기존의 형광체 휠을 도시하고;
도 2는 동작 모드를 나타내는 본 개시에 따른 형광체 휠의 제1실시예를 분해된 개략적인 형태로 도시하며;
도 3은 동작 모드를 더 나타내는 본 개시에 따른 형광체 휠의 제2실시예를 분해된 개략적인 형태로 도시하고;
도 4는 다른 동작 모드를 나타내는 본 개시에 따른 형광체 휠의 제3실시예를 분해된 개략적인 형태로 도시하며;
도 5는 반사성 수지 층의 상이한 두께를 갖는 형광체 휠의 효율이 그것들의 수명에 따라 어떻게 변하는지를 그래프로 나타낸다.

도 1에는, 예컨대 광학 프로젝터에 사용될 수 있는 기존의 형광체 휠이 나타나 있다. 그러한 형광체 휠(100)은 플레이트(102), 및 파장 변환 재료(101)를 포함한다. 통상 그러한 플레이트(102)는 반사성 재료로 코팅된 금속을 포함한다. 상기 플레이트(102)는 기판이라 할 수 있으며, 이 경우 디스크 또는 링이다. 모터(도시되지 않음)에 부착되어 화살표 110으로 나타낸 바와 같이 통상 그것을 고속으로 회전하게 한다. 이것이 형광체 휠(100)로서 도시되어 있지만, 이러한 부류의 장치는 좀더 일반적으로 파장 변환 장치 또는 광 변환기로 지칭될 수 있다. 예컨대, 그와 같은 장치는 정적(비-회전) 구성에 사용될 수 있다.

파장 변환 재료(101)는 플레이트(102) 상에 배치된다. 그러한 파장 변환 재료(101)는 일반적인 링 형상로 이루어질 수 있다. 상기 파장 변환 재료(101)는 형광체 또는 글루 혼합물로 이루어지거나 또는 형광체 세라믹이 될 수 있다. 이러한 경우, 상기 파장 변환 재료(101)는 형광체 및 실리콘 혼합물이다. 일반적으로 청색 광을 녹색 광 또는 황색 광으로 변환시키기 위한 형광체가 사용된다. 형광체 분말은 분배 또는 스크린 인쇄 또는 다른 코팅 방법에 의해 액체 삼원색 실리콘에 분산된다. 그 다음에, 이러한 층은 미러 코팅된 기판(102) 상의 컬러 세그먼트에 동심원 패턴으로 열 경화되고 고형화된다.

물론 형광체와 유사한 방식으로 그러한 수신된 광의 파장을 변환시킬 수 있는 소정의 구조 또는 재료가 대신 사용될 수 있다. 본 경우에는 단일의 컬러 형광체(101)가 나타나 있지만, 각각이 특정 컬러의 광을 생성하는 데 사용되는 다수의 컬러 세그먼트(여기서는 도시되지 않음)가 대안으로 사용될 수 있다.

형광체와 같은 파장 변환 재료는 제1파장의 여기 광을 수신 및 흡수하고 제2의 다른 파장(간단히 '제2파장')의 광을 방출한다. 그것들은 파장을 직접 제공하는 광 소스에 대한 광 파워 출력이 제한되는 특정 파장의 광을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 입사 광 또는 여기 광(103a)이 전파되어 그러한 여기 광의 파장과 다른 파장의 방출 광(103b)을 생성하는 파장 변환 재료(형광체 101; 광 스폿 형태)를 조명한다.

이러한 구성에서 형광체 휠의 플레이트(102)는 변환된 광을 반사함으로써, 여기 광(103a)이 수용되는 플레이트(102)의 동일한 측면에서 변환된 광(103b)이 방출된다. 그 다음에, 그러한 변환된 광(103b)은 렌즈 시스템(도시되지 않음)에 의해 수집된다.

이제 도 2를 참조하여, 본 개시에 따른 그리고 분해도 형태의 형광체 휠(200)의 제1실시예를 기술한다. 그러한 형광체 휠(200)은 기판(202; 디스크 형태), 및 형광체(201)를 포함한다. 추가로, 높은 반사율의 백색 반사 코팅 층(203; 이하 '실리콘 층', '실리콘 코팅 층', 또는 '실리콘 코팅'이라고도 칭함)이 제공된다. 이러한 실시예에서, 이것은 다우 코닝사에 의해 Cl-2001이라는 이름으로 판매되고 있는 실리콘 재료이다. 이러한 재료에 대한 추가 정보는 해당 기술 데이터 시트 및 안전 데이터 시트에서 찾을 수 있으며, 그 내용은 참조를 위해 본원에 포함된다. 이러한 재료의 주성분은 옥타메틸트리실록산(반사성 수지)이며, 또한 이산화 티타늄(농도 약 20 내지 30%, 굴절률 2.1), 이산화 실리콘(약 1 내지 5%, Rl 1.47) 및 수산화 알루미늄(약 1 내지 5%, R1 1.8)을 포함할 수도 있다. 이들 추가 성분은 광 확산 반사를 위한 추가 활성 성분일 수 있다. 이러한 재료는, 약한 열 촉진(용제 플래시-오프(flash-off) 후)이 인-라인 처리 속도를 높일 수는 있지만, 실온에서 단단하면서 탄력 있는 비점착성 표면으로 경화됨과 더불어 낮은 인화성을 갖는다. 또한 상기 재료는 좁은 틈 및 공간에서 유동 및 충전을 향상시키는 낮은 점성을 갖는다. 일반적으로, 적절한 재료는 -45℃ 내지 200℃(-49℃ 내지 392°CF)의 온도 범위에서 오랜 시간 기간(적어도 1500 시간) 동작해야 한다. 그러나, 스펙트럼의 저온 및 고온에서, 특정 애플리케이션에 있어 재료의 작용 및 기능이 더 복잡해지고 추가적인 고려사항이 필요할 수 있다. 기능에 영향을 미칠 수 있는 요인은 구성 요소의 구성 및 응력 감도, 냉각 속도와 유지 시간 및 이전 온도 이력이다. 고온에서, 그러한 경화된 실리콘 엘라스토머의 내구성은 시간과 온도에 좌우된다.

실리콘 재료는 디스크 기판(202) 상에 코팅된다. 통상 그러한 디스크 기판은 예컨대 알루미늄과 같은 단단한 재료를 포함한다. 그러한 기판 표면의 매끄러움, 거칠기 또는 비평탄성은 관련이 없다. 그러나, 실리콘 층(203)이 제공되는 기판 표면은 오염, 얼룩, 오일, 유기 잔류물 또는 생물학적 잔류물 없이 세정되는 것이 매우 바람직하다. 표면 에너지가 낮은 표면의 경우, 프라이밍(priming)에 의해, 또는 화학적 또는 플라즈마 에칭 및 오존 세정과 같은 특별한 표면 처리에 의해 접착성을 향상시킬 수 있다.

상기 실리콘 재료는 코팅 전에 유기 용제와 혼합되며, 이 경우 상기 실리콘 재료는 메틸 실록산을 포함하는 데, 이는 다우 코닝사에 의해 OS-20이라는 이름으로 판매되고 있다. 이러한 재료에 대한 추가 정보는 해당 기술 데이터 시트 및 안전 데이터 시트에서 찾을 수 있으며, 그 내용은 참조를 위해 본원에 포함된다. 이것은 휘발성 용제이며, 그러한 용액 점성을 조절하기 위해 희석액으로 사용된다. 상기 혼합된 실리콘 재료는 공정 요구 사항에 따라 균일하게 준비되며, 혼합하기 위해 혼합기에 넣기 전에 실리콘 오일 희석제를 첨가하여 점성을 조절한다. 60초 동안 600 RPM의 저속 및 120초 동안 1200 RPM의 고속의 혼합기에 대한 2-단계 혼합 프로그램이 권장된다.

상기 실리콘 층은 분사 코팅에 의해 기판(202) 상에 형성된다. 실온 경화 또는 실온 가황(RTV; room temperature vulcanization)이 통상 사용되지만, 경화 속도는 약한 열에 의해 가속될 수 있다(그리고 무점착 상태에 도달하는 데 필요한 시간이 단축될 수 있다). 열 경화는 대안으로 사용될 수 있다. 대기 수분은 그러한 경화를 도울 수 있다. 공기 순환 오븐에서 상승 온도에 노출되기 전에 용제가 증발할 수 있는 적절한 시간을 허용해야 한다. 3 mil(75 micron) 코팅을 위한 일반적인 경화 일정은 실온에서 10분, 이후 60℃에서 10분이다. 코팅이 물집이 생기거나 거품이 있는 경우, 오븐 경화 전에 실온에서 추가 시간 동안 용제가 떨어져 나가게 한다. 실리콘 재료의 포트(pot) 수명은 선택한 적용 방법에 따라 다르다. 그러한 포트 수명을 늘리려면, 가능한 한 건조 공기 또는 건조 질소 블랭킷을 사용하여 습기에 대한 노출을 최소화한다. 실리콘 재료의 접착은 통상 경화 이후 늦어지며 구축하는 데 최대 48시간이 소요될 수 있다. 따라서, 경화는 실리콘 코팅 층(203)을 형성한다. 경화 후, 용제(OS-20과 같은)는 그 층에 존재하지 않는다. 이러한 구조는 일반적으로 380 nm 내지 800 nm의 파장 사이에서 높은 광 반사율을 갖는다. 예컨대, 디스크 표면의 반사율은 경화 후 98%를 달성할 수 있다. 98% 반사율을 달성하기 위한 실리콘 층의 통상적인 두께는 약 0.05 mm 내지 약 0.15 mm이다. 이하 기술한 바와 같이, 이것은 60 W 레이저 입력 시스템에서 10% 출력 파워 증가를 가져오고, 200℃에서 1500시간 동작한 후에 반사율 감소가 나타나지 않는다.

형광체 분말은 분배 또는 스크린 인쇄 또는 다른 코팅 방법에 의해 액체 투명 실리콘으로 분산된다. 다음에, 그것들은 실리콘 코팅(203)과 함께 디스크 기판(202) 상에 컬러 세그먼트 또는 컬러 링(201)을 형성하기 위해 열 경화되어 고형화된다. 상기 실리콘 층(203)은 또한 기판(202)과 컬러 링(201) 사이의 접착을 향상시킬 수 있다. 마지막으로, 컬러 휠은 모터에 장착되어 고속으로 회전할 수 있다. 도 1에 나타낸 장치와 관련된 옵션의 실시(상기 기술한)가 본 실시예에도 적용 가능하다. 예컨대, 그러한 장치는 정적(비-회전) 구성으로도 사용될 수 있다.

금속 코팅(도 1의 실시와 일치) 또는 실리콘 코팅(도 2의 실시와 일치)을 사용하여, 상기 코팅된 디스크의 성능을 실험적으로 테스트 하였다. 금속 코팅 디스크 중 하나는 Al-코팅되었고 다른 하나는 Ag-코팅되었다. 그러한 실리콘 코팅 디스크의 경우, 하나는 0.1 mm 실리콘 층을 갖고 다른 하나는 0.15 mm 실리콘 층을 갖는다. 이하의 표는 이들 4가지 실시의 성능을 요약한 것이다. 비교 목적을 위해, Al-코팅 디스크(실리콘 코팅 없는)의 효율은 기준 척도로 100%로 설정되었다. 이 때 다른 디스크의 효율성은 이러한 값을 기반으로 했다.

실리콘 코팅 디스크의 성능은 적어도 Ag 코팅 디스크의 성능보다 우수하다는 것을 알 수 있다. 더욱이, 그러한 실리콘 코팅의 두께는 반사율에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 원하는 반사율을 달성하기 위한 최적의 두께가 있을 수 있다. 이러한 실시를 위한 최적의 두께는 약 0.1 mm인 것으로 나타났다. 통상, 반사율을 최대로 하기 위한 두께가 설정될 것이다. 이는 백색 반사 코팅을 사용하여 원하는 파장 범위 또는 대역에서 출력된 광의 최대 변환을 야기할 수 있다. 실험적으로, 더 두꺼운 코팅 층은 더 높은 반사율을 제공하지만, 더 두꺼운 코팅은 또한 예컨대 반사 코팅의 박리 또는 균열로 인한 장기간의 파손을 야기할 수도 있다는 것이 판명되었다. 따라서, 최적의 코팅 두께는 최적의 반사율 및/또는 반사율과 내구성 사이의 약간의 절충에 의해 결정될 수 있다. 실제로, 최적의 두께는 적용에 따라 달라질 수 있으며, 실험 또는 시행 착오로 결정될 수 있다. 이러한 경향에 따른 일부 결과가 아래에 기술되어 있다.

이는 일반적으로 파장 변환 장치에 고려되며, 상기 파장 변환 장치는: 기판; 상기 기판 상의 반사성 수지 층; 및 입사 광을 수신하고 상기 입사 광의 파장 변환에 의해 출력 광을 제공하도록 구성된 상기 반사성 수지 층 상의 파장 변환 층을 포함한다. 이런 식으로, 상기 출력 광은 상기 반사성 수지 층에 의해 반사된다. 통상 상기 반사성 수지 층은 파장 변환 층이 적용된 기판의 표면을 덮는다. 그 결과, 상기 반사성 수지 층은 기판이 아니라 상기 장치의 반사율을 제어한다. 상기 기판은 바람직하게 단단하며(즉, 강성이고), 금속 재료; 비금속 재료; 및 복합 재료 중 하나를 포함할 수 있지만, 상기 기판의 재료는 반드시 중요하지는 않다. 일반적으로 상기 반사성 수지 층은 상기 기판 상에 직접적으로 존재하지만, 어떤 경우에는 옵션으로 상기 기판과 반사성 수지 층 사이에 부분적으로 또는 전체적으로 다른 층이 삽입될 수 있다. 상기 기판은 일반적으로 디스크 형태를 갖는다. 상기 반사성 수지 층이 제공되는 기판의 표면은 반사성 코팅을 가질 수 있다. 그러한 표면은 알루미늄을 포함할 수 있으며 그리고/또 상기 코팅은 알루미늄을 포함할 수 있다.

통상 상기 반사성 수지 층은 백색이며, 바람직한 실시예에서 약 380 nm 내지 약 800 nm 파장 범위에 걸쳐 그리고 보다 바람직하게 약 420 nm 내지 약 680 nm 파장 범위에 걸쳐 반사하도록 구성된다. 상기 반사성 수지 층의 반사율은 통상 적어도 90% 이상, 보다 바람직하게는 적어도 94%, 95%, 96%, 97%, 98% 또는 99% 이상이다. 상기 반사성 수지 층은 혼합된 무기-유기 폴리머 또는 엘라스토머를 포함할 수 있다(그리고 그와 같은 폴리머 또는 엘라스토머로 이루어진 층이 될 수 있다). 바람직한 실시예에서, 상기 반사성 수지 층은 실리콘을 포함하며, 보다 바람직하게 상기 반사성 수지 층은 실리콘 층이다. 상기 반사성 수지 층은 옥타메틸트리실록산과 같은 실록산을 포함할 수 있다. 상기 반사성 수지 층은 적어도 하나의 다른 광 반사성 재료와 같은 다른 성분 물질을 포함할 수 있지만, 반사성 수지 재료는 상기 층의 광학적으로 우세한 그리고/또 다수 성분(예컨대, 농도 또는 w/w)이어야 한다. 그러한 반사성 수지는 상기 반사성 수지 층의 적어도 50%(또는 그보다 큰)(농도 또는 w/w)를 형성한다. 제공될 수 있는 다른 광 반사성 재료는 이산화 티타늄; 이산화 실리콘; 및 수산화 알루미늄 중 하나 이상을 구비하거나 또는 포함할 수 있다. 상기 반사성 수지 층의 두께는 보통 적어도 약 0.05 mm 이상, 통상 약 0.15 mm 이하, 보다 바람직하게 적어도 약 0.1 mm 및/또는 약 0.1 mm(예컨대, 0.08 mm 또는 0.09 mm 내지 0.11 mm 또는 0.12 mm)이다.

상기 반사성 수지 층은 보통 그 조성 및/또는 구조를 통해 상기 파장 변환 층과 구별된다(그리고 구별 가능하다). 특히, 상기 반사성 수지 층은 통상 상기 파장 변환 층보다 반사성이 더 크다(그리고 보통 반사성이 상당히 더 크다). 상기 파장 변환 층은 통상 반사성이 없다. 추가로 또는 대안으로, 상기 반사성 수지 층은 통상 상기 파장 변환 층보다 적은 파장 변환 재료(형광체와 같은)를 포함하며, 그리고 상기 반사성 수지 층은 통상 파장 변환 재료를 포함하지 않는다.

상기 파장 변환 층은, 다른 실시예들에서 컬러 필터를 포함할 수 있으나, 일반적으로 형광체를 포함한다. 상기 파장 변환 층은 기판의 전체 반사 표면을 덮을 필요는 없다. 상기 파장 변환 층은 다수의 파장 변환부를 포함할 수 있으며, 각각의 파장 변환부는 상이한 파장의 출력 광을 제공하도록 구성된다. 예컨대, 그것들은 디스크형 기판 상에 세그먼트로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 파장 변환 층은 실리콘과 같은 글루에 분산된 형광체 입자(분말과 같은)를 포함한다. 통상적으로, 상기 파장 변환 층의 실리콘은 보통 광학적으로 투명하며, 일반적으로 반사성이 없다. 즉, 상기 파장 변환 층의 반사율은 보통 상기 반사성 수지 층보다 상당히 낮으며, 통상 상기 파장 변환 층의 반사율은 50％，40％，30％, 20％，10％ 또는 5％보다 낮다.

상기 파장 변환 장치는 컬러 휠 또는 형광체 휠로 형성될 수 있다. 이것의 디스크형(통상 환형 및 보다 바람직하게 원형의 링형) 기판은 모터에 의해 회전식으로 구동되도록 채용(예컨대, 하나 이상의 구멍과 같은 모터를 위한 적절한 장착 지점에 의해)될 수 있다. 상기 파장 변환 장치의 회전을 구동하도록 구성된 모터가 추가로 제공될 수 있다(기판에 적절히 결합 될 때).

다른 형태에 있어서, 파장 변환 장치를 제조하기 위한 방법이 고려되며, 상기 방법은 반사성 수지 층을 기판에 도포하는 단계; 및 상기 파장 변환 층이 입사광을 수신하고 상기 입사 광의 파장 변환에 의한 출력 광을 제공하도록, 상기 반사성 수지 층 상에 파장 변환 층을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 출력 광은 상기 반사성 수지 층에 의해 반사된다. 본원에 개시된 바와 같이 파장 변환 장치의 소정 형태를 형성하기 위한 옵션의 단계들이 이러한 방법과 연계되어 제공될 수도 있다.

또한, 실리콘 층을 기판에 도포하는 단계는 분배, 분사, 브러싱(brushing), 유동, 패턴 코팅, 및 실크 인쇄 중 하나 이상을 포함하는 실시예가 고려될 수 있다. 상기 반사성 수지 층을 도포하는 단계는 실리콘 오일, 크실렌(xylene), 메틸 실록산 또는 다른 재료와 같은 유기 용제와 실리콘의 혼합물을 도포하는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 예컨대 실온 가황(RTV), 열 조절, 및 하이브리드 경화 중 하나 이상에 의해 반사성 수지 층을 경화시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 반사성 수지 층을 상기 기판 표면에 도포하기 전에 상기 기판의 표면을 세정하는 다른 단계가 더 고려될 수 있다.

상기 실리콘 층을 기판에 효과적으로 도포하는 단계는 상기 실리콘 층의 두께를 설정하는 단계를 포함한다. 특히, 이것은 원하는(최대) 레벨로 상기 기판 및/또는 실리콘 층의 반사율을 설정하기 위해 수행될 수 있다. 이에 따라 그러한 두께를 설정하기 위해 알려진 최적화 및 실험 기술(시행 착오, 보간, 외삽과 같은)들이 적용될 수 있다. 상기 반사성 수지 층의 최적 두께는 일부 실시예들에서 약 0.1 mm 또는 0.05 mm와 0.15 mm 사이일 수 있다.

또한, 도 2는 형광체 휠(200)의 동작 모드를 나타낸다. 입사 또는 여기 광(204a; 청색)은 형광체(201)를 조명한다. 그러한 형광체(201)는 광을 방출하고, 그 광은 상기 여기 광(204a)과 다른 파장의 출력 광(204b; 황색)을 제공하기 위해 기판(202) 및 실리콘 층(203)에 의해 반사된다. 상기 형광체 휠(200)은 화살표 110으로 나타낸 방향으로 모터(나타내지 않음)에 의해 회전한다. 일반적으로, 본원에 개시된 바와 같은 파장 변환 장치를 동작시키는 방법은 또한 다른 형태로 제공될 수 있다.

그러한 파장 변환 재료는 형광체가 포함된 실리콘 형태일 필요는 없다. 다음에 도 3을 참조하면, 본 개시에 따른 그리고 분해된 개략 형태의 형광체 휠(300)의 제2실시예가 도시되어 있다. 도 2의 실시예와 유사하게, 높은 반사율 실리콘 층(303)이 기판(302) 상에 제공된다. 도 3의 구성은 대부분 도 2의 구성과 유사하다. 예컨대, 기판(302)의 조성 및 구조와 실리콘 층(303)을 형성하는 조성, 구조 및 방법은 상기 기술한 바와 같다.

그러나, 도 3에서, 컬러 링의 컬러 세그먼트(301)는 유리에 분산된 형광체, 크리스탈에 분산된 형광체 또는 세라믹 재료에 분산된 형광체와 같은 고체 상태 재료를 이용하여 형성된다. 상기 컬러 세그먼트(301)는 글루 접착에 의해 실리콘(303)으로 코팅된 디스크 기판(302)에 접착된다. 그러한 글루는 접착 층(305)을 형성한다.

상기 기술된 일반화된 파장 변환 장치에 따르면, 상기 파장 변환 층이 고체 상태 형광체를 포함하는 실시예들이 고려될 수 있다. 예컨대, 상기 파장 변환 층은 유리에 분산된 형광체 입자, 크리스탈에 분산된 형광체 입자, 및 세라믹 재료에 분산된 형광체 입자 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

추가로 또는 대안으로, 상기 파장 변환 장치는 이 파장 변환 층을 상기 반사성 수지 층(및 바람직하게 기판에도)에 부착하도록 배열된 접착 층을 더 포함할 수 있다. 다음에, 접착 층은 상기 파장 변환 층과 반사성 수지 층 사이에 배열된다. 예컨대, 상기 접착 층은 글루 또는 테이프를 포함할 수 있다.

도 3 실시예의 동작 모드는 상기 기술한 바와 같이 도 2의 동작 모드와 유사하다. 예컨대, 회전 또는 정적(비-회전) 구성에 사용될 수 있다. 모터(나타내지 않음)에 의한 상기 형광체 휠(300)의 회전은 화살표 110으로 나타냈다. 입사 또는 여기 광(304a; 청색)은 형광체(301)를 조명한다. 그러한 형광체(301)는 방출 광을 생성하고, 이 방출 광은 상기 여기 광(204a)의 것과 다른 파장의 출력 광(304b; 황색)을 제공하기 위해 기판(302) 및 실리콘 층(303)에 의해 반사된다.

다음에, 도 4에 따르면, 본 개시에 따른 그리고 분해된 개략 형태의 형광체 휠(400)의 제3실시예가 도시된다. 도 2의 실시예와 유사하게, 높은 반사율 실리콘 층(403)이 기판(402) 상에 제공된다. 도 4의 기본적인 구성은 많은 점에서 도 2의 구성과 유사하다. 예컨대, 상기 기판(402)의 조성 및 구조와 상기 실리콘 층(403)의 조성 및 구조는 상기 기술한 바와 같다.

도 3의 실시예와 유사하게, 컬러 링의 컬러 세그먼트(401)는 유리에 분산된 형광체, 크리스탈에 분산된 형광체 또는 세라믹 재료에 분산된 형광체와 같은 고체 상태 재료를 포함한다. 그러한 컬러 세그먼트 또는 컬러 링(401; 즉 '형광체')은 실리콘 재료 층(403) 상에 직접 배치된다. 다음에, 그러한 적층 구조를 열 경화 또는 RTV 경화시켜 380 nm 내지 800 nm 파장의 높은 광 반사율을 갖는 코팅 층을 형성한다. 여기서, 그러한 실리콘 재료(403)는 또한 접착 재료로서의 역할을 하고 효과적으로 접착 층을 형성한다.

상기 기술한 일반화된 파장 변환 장치를 참조하면, 반사성 수지 층은 파장 변환 층을 기판에 접착하도록 구성될 수 있다. 따라서, 상기 반사성 수지 층은 상기 제안한 바와 같이 접착 층의 적어도 일부(또는 전부)를 형성할 수 있다.

본 발명의 상기 기술한 실시예들에 따른 형광체 휠의 내구성이 더 테스트되었다. 도 5를 참조하면, 반사성 수지 층의 상이한 두께들을 갖는 형광체 휠들의 효율이 그들 수명에 걸쳐 어떻게 변하는지를 그래프로 나타냈다. (광 변환) 효율은, 상기 기술한 바와 같이, 척도로서 100%로 설정된 Al-코팅 디스크(실리콘 코팅 없음)를 기준으로 측정되었다. 수명은 시간 단위로 총 1700 시간까지 측정되었다. 그 모든 장치는 200℃에서 작동되었다. 그러한 실험에서, 형광체 휠은 (도 2의 실시예에 따라) 반사성 수지 코팅의 상이한 평균 분사 두께로 제조되었다. 이후 이것들은 실제 변환 광 출력을 테스트하기 위해 라이트 엔진 시스템에 설치되었다.

4개의 플롯이 도 5에 나타나 있다. 이것들은, 비교를 위해, 0.07 mm 두께(510)의 반사성 실리콘 층을 갖는 형광체 휠; 0.1 mm 두께(520)의 반사성 실리콘 층을 갖는 형광체 휠; 0.15 mm 두께(530)의 반사성 실리콘 층을 갖는 형광체 휠; 및 Al 코팅(540)을 갖는(그러나 반사성 실리콘 층은 갖지 않는) 형광체 휠에 대한 효율을 나타낸다. 반사성 실리콘 층을 갖는 3가지 타입의 형광체 휠 모두의 효율이, 1000시간의 수명에 걸쳐, Al 코팅 기판 실시예보다 상당히 높게 유지된다는 것을 알 수 있다. 그럼에도 불구하고, 그러한 반사성 실리콘 층이 0.07 mm의 두께(510)를 가질 때의 효율은 실리콘 층의 다른 2개의 두께에 비해 높지 않다. 이러한 테스트에서, 반사성 실리콘 층이 0.1 mm의 두께(520)를 가질 때의 효율은 일반적으로 반사성 실리콘 층이 0.15 mm의 두께(530)를 가질 때의 효율과 유사하다. 그러나, 이러한 테스트에서 반사성 실리콘 층이 0.15 mm의 두께를 갖는 경우 그 반사성 실리콘 층이 점차적으로 박리되거나 균열될 수 있음이 확인되었다. 더욱이, 상기 나타낸 테스트에서 0.1 mm의 두께를 갖는 반사성 실리콘 층에 대한 효율이 일반적으로 약간 더 높을 수 있다는 것에 주목해야 한다. 이러한 두 가지 이슈를 모두 고려하여, 분사 파라미터는 실리콘 층의 두께가 0.1 mm가 되도록 최적으로 설정되는 것으로 간주된다.

본 발명의 실시예들이 위에서 기술되었지만, 당업자는 다양한 변형 또는 대체를 고려할 수 있다. 예컨대, 형광체 휠(또는 컬러 휠)이 상기 실시예에 개시되어 있다. 그러나, 그러한 파장 변환 장치는 고체 상태 조명(예를 들어, 자동차 산업에서)을 사용하는 헤드라이트 또는 예컨대 정전기 발광 재료를 사용하는 피코 라이트 엔진(pico light engine)을 포함하는 다른 형태의 조명을 위한 다른 회전 또는 정적 형태로 구현될 수 있다.

모든 실시예들에서, 상기 기판은 금속 또는 금속 재료만을 포함할 필요는 없다. 예컨대, 비금속 재료 및/또는 복합 재료가 추가로 또는 대안으로 제공될 수 있다. 상기 기판은 반사성 코팅(높은 반사율을 가질 수 있는)으로 코팅될 수도 있고 코팅되지 않을 수도 있다. 상기 기판의 형상은 원형일 필요는 없고, 디스크(환형) 및 다른 형상이 제공될 수도 있다.

상기 실리콘 층은 상이한 조성을 가질 수 있으며, 그 기판에 적용하기 위한 다른 방법들이 고려될 수 있다. 예컨대, 다른 타입의 백색 또는 반사성 수지 재료가 사용될 수 있다. 추가로 또는 분사 코팅의 대안으로서, 그러한 반사성 수지는 브러싱, 유동 또는 패턴 코팅에 의해 코팅으로서 도포될 수 있다. 분배 또는 스크린 인쇄가 가능하지만, 필요한 열이 코팅의 경화를 야기할 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 필터와 같은 다른 타입의 파장 변환 재료가 제공될 수 있다. 그러한 실리콘 코팅된 기판에 파장 변환 재료를 부착하기 위한 대안의 접착 층, 예컨대 테이프가 사용될 수 있다.

200, 300, 400 : 형광체 휠,
202, 302, 402 : 기판,
305 : 접착 층.

Claims (23)

1. 기판;
   상기 기판 상의 반사성 수지 층; 및
   입사 광을 수신하고 상기 입사 광의 파장 변환에 의해 출력 광을 제공하도록 구성된 상기 반사성 수지 층 상의 파장 변환 층을 포함하며,
   상기 출력 광은 상기 반사성 수지 층에 의해 반사되는, 파장 변환 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   반사성 수지 층은 혼합된 무기-유기 폴리머를 포함하는, 파장 변환 장치.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   반사성 수지 층은 약 420 nm 내지 약 680 nm 범위의 파장에 걸쳐 반사하는, 파장 변환 장치.
4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
   반사성 수지 층은 실리콘 또는 실록산을 포함하는, 파장 변환 장치.
5. 청구항 4에 있어서,
   반사성 수지 층은 적어도 하나의 다른 광 반사성 재료를 더 포함하는, 파장 변환 장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   적어도 하나의 다른 광 반사성 재료는 이산화 티타늄, 이산화 실리콘 및 수산화 알루미늄 중 하나 이상을 포함하는, 파장 변환 장치.
7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
   반사성 수지 층은 적어도 약 0.05 mm 및/또는 0.15 mm 이하인 두께를 갖는, 파장 변환 장치.
8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
   반사성 수지 층은 파장 변환 층을 기판에 접착하도록 구성되는, 파장 변환 장치.
9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
   파장 변환 층을 반사성 수지 층에 부착하도록 배열된 접착 층을 더 포함하는, 파장 변환 장치.
10. 청구항 9에 있어서,
    접착 층은 글루 또는 테이프를 포함하는, 파장 변환 장치.
11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    파장 변환 층은 형광체를 포함하는, 파장 변환 장치.
12. 청구항 11에 있어서,
    파장 변환 층은 실리콘에 분산된 형광체 입자를 포함하는, 파장 변환 장치.
13. 청구항 11 또는 12에 있어서,
    파장 변환 층은 고체 상태 형광체를 포함하는, 파장 변환 장치.
14. 청구항 13에 있어서,
    파장 변환 층은 유리에 분산된 형광체 입자, 크리스탈에 분산된 형광체 입지, 및 세라믹 재료에 분산된 형광체 입자 중 하나 이상을 포함하는, 파장 변환 장치.
15. 청구항 1 내지 14 중 어느 한 항의 파장 변환 장치를 포함하는 형광체 휠로서,
    기판은 디스크 형태를 갖는, 형광체 휠.
16. 청구항 15에 있어서,
    기판은 모터에 의해 회전식으로 구동되도록 채용되는, 형광체 휠.
17. 소정의 선행 청구항의 파장 변환 장치로서,
    기판은 금속 재료, 비금속 재료, 및 복합 재료 중 하나를 포함하는, 파장 변환 장치.
18. 파장 변환 장치를 제조하기 위한 방법으로서, 상기 방법은:
    반사성 수지 층을 기판에 도포하는 단계; 및
    상기 파장 변환 층이 입사광을 수신하고 상기 반사성 수지 층에 의해 반사되는 입사 광의 파장 변환에 의한 출력 광을 제공하도록, 상기 반사성 수지 층 상에 파장 변환 층을 제공하는 단계를 포함하는, 파장 변환 장치 제조 방법.
19. 청구항 18에 있어서,
    반사성 수지 층을 기판에 도포하는 단계는 분배, 분사, 브러싱, 유동, 패턴 코팅 및 실크 인쇄 중 하나 이상을 포함하는, 파장 변환 장치 제조 방법.
20. 청구항 18 또는 19에 있어서,
    반사성 수지 층을 도포하는 단계는 유기 용제와 실리콘의 혼합물을 도포하는 단계를 포함하는, 파장 변환 장치 제조 방법.
21. 청구항 18 내지 20 중 어느 한 항에 있어서,
    반사성 수지 층을 경화시키는 단계를 더 포함하는, 파장 변환 장치 제조 방법.
22. 청구항 21에 있어서,
    반사성 수지 층을 경화시키는 단계는 실온 가황(RTV), 열 조절, 및 하이브리드 경화 중 하나 이상에 의해 수행되는, 파장 변환 장치 제조 방법.
23. 청구항 17 내지 22 중 어느 한 항에 있어서,
    반사성 수지 층을 기판에 도포하는 단계는 원하는 레벨로 상기 반사성 수지 층의 반사율을 설정하기 위해 상기 반사성 수지 층의 두께를 설정하는 단계를 포함하는, 파장 변환 장치 제조 방법.

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