KR20180121986A - 가변 함량의 불소 및 산소를 가진 네오디뮴 기반 물질을 이용하는 led 장치 - Google Patents
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Abstract
조명 장치(110A, 110B, 110C, 110D)와 같은 장치는 백색광과 같은 가시광을 발생하도록 구성된 적어도 하나의 LED(또는 OLED) 모듈(115)과, 본질적으로 원소 네오디뮴(Nd)과 불소(F)로 이루어지고 선택적으로 하나 이상의 다른 원소를 함유하는 화합물을 포함한 광학 컴포넌트와 같은 적어도 하나의 컴포넌트를 포함한다. 조명 장치(110A, 110B, 110C, 110D)는 발생된 가시광을 화합물을 이용하여 필터링함으로써 바람직한 광 스펙트럼을 제공하도록 구성된다. 상기 적어도 하나의 컴포넌트는 NdFxOy 화합물을 포함할 수 있고, 여기에서 x 및 y의 값은 F와 O의 함유 비율을 결정하고, NdFxOy 화합물을 이용하여 상기 발생된 가시광을 필터링함으로써 실현되는 적어도 바람직한 출력 광 스펙트럼을 포함한 장치의 바람직한 출력 광 파라미터를 제공하도록 NdFxOy 화합물의 제조 중에 조정될 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
이 미국 정식 특허 출원은 2014년 10월 7일자 출원된 미국 가특허 출원 제62/061129호의 35 USC 119(e)에 따른 출원 일자의 이익을 주장하는, 2015년 10월 6일자 출원된 계류중인 미국 정식 특허 출원 제14/876366호(문서 번호 276824-1)의 일부 계속 출원이고 35 USC 120에 따른 출원 일자의 이익을 주장하며, 상기 미국 출원들은 인용에 의해 그 전부가 본원에 통합된다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 조명 응용 및 관련 기술에 관한 것으로, 특히, 그러나 비배타적으로, 발광 다이오드(LED) 조명 장치의 바람직한 색 필터링 효과 및 다른 파라미터에 영향을 주기 위해 변수 x 및 y를 가진 NdFxOy와 같이 네오디뮴 및 불소를 포함한 화합물을 이용하는 것에 관한 것이다.
유기 발광 다이오드(organic light emitting diode, OLED)를 또한 포함하는 발광 다이오드(LED)는 전기 에너지를 가시광(약 400-750nm의 파장)을 포함한 전자기 복사선으로 변환하는 고체 반도체 소자이다. LED는 전형적으로 p-n 접합을 생성하기 위해 불순물로 도핑된 반도체 물질의 칩(다이)을 포함한다. LED 칩은 애노드 및 캐소드에 전기적으로 접속되고, 애노드와 캐소드는 종종 LED 패키지 내에 설치된다. 백열 램프 또는 형광 램프와 같은 다른 램프와 비교할 때, LED 방출 가시광은 더 좁은 빔으로 더 큰 지향성을 갖는다.
OLED는 전형적으로 전극들(적어도 하나의 전극은 투명함) 사이에 위치된 적어도 하나의 발광형 전계발광 층(유기 반도체 막)을 포함한다. 전계발광 층은 전극들 간에 흐르는 전류에 응답하여 광을 방출한다.
LED/OLED 광원(램프)은 종래의 백열 램프 및 형광 램프에 비하여, 비제한적으로, 더 긴 기대 수명, 더 높은 에너지 효율, 및 워밍업 시간이 필요 없는 완전한 밝기를 포함한 다양한 장점들을 제공한다.
LED/OLED 조명이 효율, 수명, 융통성 및 다른 유리한 양태를 보임에도 불구하고, 일반 조명 및 디스플레이 응용 모두에서 사용하기 위해 특히 백색 LED/OLED 소자에서 LED 조명의 색 특성을 계속하여 개선할 필요가 있다.
도 1은 구역 조명 응용에 적합한 종래의 LED 기반 조명 장치(10)의 투시도이다. 조명 장치("조명 유닛" 또는 "램프"라고도 부름)(10)는 투명 또는 반투명 커버 또는 엔클로저(12), 나삿니가 있는 베이스 커넥터(14), 및 상기 엔클로저(12)와 상기 커넥터(14) 사이의 하우징 또는 베이스(16)를 포함한다.
복수의 LED 소자를 포함한 LED 어레이일 수 있는 LED 기반 광원(도시 생략)은 엔클로저(12)의 하단에서 베이스(16)에 인접하게 위치된다. LED 소자가 좁은 파장 대역의 가시광, 예들 들면 녹색, 청색, 적색 등의 가시광을 방출하기 때문에, 백색광을 포함한 각종 색의 광을 생성하기 위해 가끔 다른 LED 소자들의 조합이 LED 램프에서 사용된다. 대안적으로, 실질적으로 백색으로 나타나는 광은 청색 LED로부터의 광과 상기 청색 LED의 청색 광 중 적어도 일부를 다른 색으로 변환하는 인광체(예를 들면, 이트륨 알루미늄 가넷:세륨(YAG:Ce))로부터의 광의 조합에 의해 발생될 수 있고; 상기 변환된 광과 상기 청색 광의 조합은 백색 또는 실질적으로 백색을 나타내는 광을 발생할 수 있다. LED 소자는 베이스(16) 내의 캐리어에 설치될 수 있고, LED 소자로부터 가시광 추출의 효율을 증대시키기 위해 굴절률 정합재(index-matching material)를 포함한 보호 커버에 의해 캐리어에서 캡슐화될 수 있다.
거의 무지향성 방식으로 가시광을 방출하는 조명 장치(10)의 능력을 증진시키기 위해, 도 1에 도시된 엔클로저(12)는 실질적으로 구형 또는 타원형 형상으로 될 수 있다. 거의 무지향성 조명 능력을 더욱 증진시키기 위해, 엔클로저(12)는 엔클로저(12)가 광학적 디퓨저로서 기능하게 하는 물질을 포함할 수 있다. 디퓨저를 생성하기 위해 사용되는 물질은 폴리아미드(예를 들면, 나일론), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP) 등을 포함할 수 있다. 이러한 중합체 물질은 광의 굴절을 증진시켜서 백색 반사 외관을 달성하기 위해 SiO2를 또한 포함할 수 있다. 엔클로저(12)의 내부면에는 인광체 조성을 포함한 코팅(도시 생략)이 제공될 수 있다.
상이한 LED 소자 및/또는 인광체의 조합이 백색광 효과를 생성하도록 LED 램프의 능력을 증진시키기 위해 사용될 수 있지만, LED 소자에 의해 발생되는 백색광의 색 특성을 개선하기 위해 대안적으로 또는 추가적으로 다른 접근법이 바람직할 수 있다.
발명의 일부 실시형태에 따르면, 장치가 제공되고, 이 장치는 가시광을 발생하도록 구성된 적어도 하나의 발광 다이오드(LED) 모듈과; 대응 농도의 네오디뮴(Nd), 불소(F) 및 산소(O)를 가진 NdFxOy의 화합물을 포함한 적어도 하나의 컴포넌트를 포함하고, 여기에서 x 및 y의 값은 F와 O의 비율을 결정하고 NdFxOy 화합물을 이용하여 상기 발생된 가시광을 필터링함으로써 실현되는 적어도 바람직한 출력 광 스펙트럼을 포함한 장치의 바람직한 출력 광 파라미터를 제공하도록 NdFxOy 화합물의 제조 중에 조정된다. 또한, NdFxOy 화합물은 단결정 상 화합물일 수 있다.
발명의 일부 실시형태에 따르면, NdFxOy 화합물은 불소(F2)의 유동 가스 또는 불산(HF)에 의한 불소 첨가 처리를 이용하여 산화 네오디뮴(Nd2O3)으로부터 습식 화학 처리에 의해 제조될 수 있다. 또한, NdFxOy에서 파라미터 x 와 y는 불산(HF) 농도, 처리 온도, 반응 시간 및 불소 가스(F2) 농도를 포함한 변화하는 하나 이상의 파라미터를 이용하여 불소 첨가 처리 중에 조절될 수 있다.
발명의 일부 실시형태에 따르면, NdFxOy 화합물은 블렌딩된 화합물, 및 그 다음에 불활성 가스의 보호 분위기 하에서 상기 블렌딩된 화합물로부터 NdFxOy 화합물의 고온 합성을 형성하기 위해 산화 네오디뮴(Nd2O3)과 불화 네오디뮴(NdF3)의 미리 규정된 중량비로 Nd2O3를 NdF3와 블렌딩하는 단계를 포함한 고체 반응법을 이용한 건식 처리에 의해 제조될 수 있고, 여기에서 상기 Nd2O3와 NdF3의 미리 규정된 중량비는 제조된 NdFxOy 화합물에서 F와 O의 비율에 대응한다. 또한, 상기 불활성 가스는 질소(N2) 가스 또는 아르곤(Ar) 가스를 포함할 수 있다. 더 나아가, 상기 고온 합성의 온도는 800℃ 이상일 수 있다.
발명의 일부 실시형태에 따르면, 상기 바람직한 출력 광 파라미터를 제공하는 것은 색 상관 온도(color correlated temperature, CCT), 색 포화 지수(color saturation index, CSI), 연색 지수(color rendering index, CRI), 연색 값(R9), 및 발생된 가시광의 리빌니스(revealness) 중의 하나 이상의 증대를 또한 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 특징 및 양태들은 첨부 도면을 참조하면서 이하의 상세한 설명을 읽음으로써 더 잘 이해할 수 있을 것이고, 첨부 도면에 있어서 동일한 문자는 도면 전체에 걸쳐서 동일 부분을 표시한다.
도 1은 종래의 LED 기반 조명 장치의 투시도이다.
도 2는 실리콘에 분산된 불화 네오디뮴의 가시 스펙트럼(반사 기법에 의해 측정한 것)의 흡수 대 표준 네오디뮴 글라스의 흡수를 비교한 그래프이다.
도 3은 실리콘에 블렌딩되고 상업용 LED 패키지(NICHIA 757)에 직접 증착된 NdF3의 방사 스펙트럼과 기본 NITCHIA 757 LED의 방사 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 4는 실리콘에 블렌딩되고 COB 어레이(TG66)에 직접 증착된 NdF3의 방사 스펙트럼과 기본 TG66 COB 어레이의 방사 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 5는 실리콘에 블렌딩되고 상업용 LED 패키지(4000K CCT를 가진 NICHIA 757)에 직접 증착된 Nd-F-O의 방사 스펙트럼과 기본 NITCHIA 757 LED의 방사 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 6은 고체 반응 처리/방법(건식 처리)에 의해 바람직한 F/O 비를 가진 NdFxOy 화합물을 준비하는 예시적인 흐름도이다.
도 7은 Nd2O3로부터 고체 습식 화학 처리/방법(건식 처리)에 의해 바람직한 F/O 비를 가진 NdFxOy 화합물을 준비하는 예시적인 흐름도이다.
도 8은 다른 F/O 비를 가진 NdFxOy 화합물 및 다른 단결정 상 구조를 가진 NdF3에 대한 X선 회절(XRD) 결과를 보인 그래프이다.
도 9는 80%의 Nd2O3 및 20%의 NdF3로 제조된 NdF0 . 33O1 .33의 가시 스펙트럼(반사 기법에 의해 측정한 것)의 흡수를 비교한 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 다른 비율의 F 및 O를 가진 NdFxOy, 및 NdF3의 가시 스펙트럼(반사 기법에 의해 측정한 것)의 흡수를 비교한 예시적인 그래프이다.
도 11a-11d는 발명의 각종 실시형태에 따라 유리한 가시 흡수/발생 특성에 영향을 주기 위해 인광체와 함께 ND-F 화합물(또는 더 일반적으로, 여기에서 설명하는 NdFxOy 화합물과 같은 Nd-X-F 화합물)을 통합한 LED 기반 조명 장치의 비제한적인 예를 보인 도이다.
도 12는 발명의 일 실시형태에 따른 LED 기반 조명 장치의 단면도이다.
도 13은 발명의 다른 실시형태에 따른 LED 기반 조명 장치의 단면도이다.
도 14는 발명의 추가 실시형태에 따른 LED 기반 조명 장치의 투시도이다.
도 15는 발명의 추가 실시형태에 따른 LED 기반 조명 장치의 투시도이다.
도 1은 종래의 LED 기반 조명 장치의 투시도이다.
도 2는 실리콘에 분산된 불화 네오디뮴의 가시 스펙트럼(반사 기법에 의해 측정한 것)의 흡수 대 표준 네오디뮴 글라스의 흡수를 비교한 그래프이다.
도 3은 실리콘에 블렌딩되고 상업용 LED 패키지(NICHIA 757)에 직접 증착된 NdF3의 방사 스펙트럼과 기본 NITCHIA 757 LED의 방사 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 4는 실리콘에 블렌딩되고 COB 어레이(TG66)에 직접 증착된 NdF3의 방사 스펙트럼과 기본 TG66 COB 어레이의 방사 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 5는 실리콘에 블렌딩되고 상업용 LED 패키지(4000K CCT를 가진 NICHIA 757)에 직접 증착된 Nd-F-O의 방사 스펙트럼과 기본 NITCHIA 757 LED의 방사 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 6은 고체 반응 처리/방법(건식 처리)에 의해 바람직한 F/O 비를 가진 NdFxOy 화합물을 준비하는 예시적인 흐름도이다.
도 7은 Nd2O3로부터 고체 습식 화학 처리/방법(건식 처리)에 의해 바람직한 F/O 비를 가진 NdFxOy 화합물을 준비하는 예시적인 흐름도이다.
도 8은 다른 F/O 비를 가진 NdFxOy 화합물 및 다른 단결정 상 구조를 가진 NdF3에 대한 X선 회절(XRD) 결과를 보인 그래프이다.
도 9는 80%의 Nd2O3 및 20%의 NdF3로 제조된 NdF0 . 33O1 .33의 가시 스펙트럼(반사 기법에 의해 측정한 것)의 흡수를 비교한 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 다른 비율의 F 및 O를 가진 NdFxOy, 및 NdF3의 가시 스펙트럼(반사 기법에 의해 측정한 것)의 흡수를 비교한 예시적인 그래프이다.
도 11a-11d는 발명의 각종 실시형태에 따라 유리한 가시 흡수/발생 특성에 영향을 주기 위해 인광체와 함께 ND-F 화합물(또는 더 일반적으로, 여기에서 설명하는 NdFxOy 화합물과 같은 Nd-X-F 화합물)을 통합한 LED 기반 조명 장치의 비제한적인 예를 보인 도이다.
도 12는 발명의 일 실시형태에 따른 LED 기반 조명 장치의 단면도이다.
도 13은 발명의 다른 실시형태에 따른 LED 기반 조명 장치의 단면도이다.
도 14는 발명의 추가 실시형태에 따른 LED 기반 조명 장치의 투시도이다.
도 15는 발명의 추가 실시형태에 따른 LED 기반 조명 장치의 투시도이다.
조명 장치와 같은 새로운 장치가 여기에서 제공되고, 이 장치는 백색광과 같은 가시광을 발생하도록 구성된 적어도 하나의 LED(또는 OLED) 모듈과, 네오디뮴(Nd) 및 불소(F) 원소를 포함하고 선택적으로 하나 이상의 다른 원소를 포함한 화합물을 포함한 광학 컴포넌트와 같은 적어도 하나의 컴포넌트를 포함한다. 조명 장치는 여기에서 설명하는 바와 같이 발생된 가시광을 화합물을 이용하여 필터링함으로써 바람직한 광 스펙트럼을 제공하도록 구성될 수 있다. 전형적으로, 화합물은 Nd3+ 이온과 F- 이온을 포함한다. 본 발명의 목적상, "Nd-F 화합물"은 네오디뮴 및 불화물과 선택적으로 다른 원소들을 포함한 화합물을 포함하는 것으로 넓게 해석하여야 한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 적어도 하나의 컴포넌트는 대응 농도의 네오디뮴(Nd), 불소(F) 및 산소(O)를 가진 NdFxOy의 화합물을 포함할 수 있고, 여기에서 x 및 y의 값은 함유 비율(F/O)을 결정하고 NdFxOy 화합물을 이용하여 상기 발생된 가시광을 필터링함으로써 실현되는 적어도 바람직한 출력 광 스펙트럼을 포함한 조명 장치의 바람직한 출력 광 파라미터를 제공하도록 NdFxOy 화합물의 제조(도 6 및 도 7 참조) 중에 조정될 수 있다.
더욱이, NdFxOy 화합물은 바람직한 출력 광 스펙트럼(도 9, 도 10a 및 도 10b에서 설명함)을 제공하기 위해 약 560nm - 600nm 사이의 파장 범위에서 바람직한 흡수 피크를 포함할 수 있고, 상기 바람직한 흡수 피크에서 약 1.6 - 1.8의 바람직한 굴절률(refractive index, RI)을 가질 수 있다. 또한, 각종 조명 응용을 위한 바람직한 흡수 스펙트럼 및 RI에 기초하여, x의 최적화치는 0.3 - 0.5이고 y의 최적화치는 1.25 - 1.33일 수 있다.
다른 실시형태에 따르면, 컴포넌트는 NdF3와 같은 Nd-F 화합물 및/또는 여기에서 설명하는 다른 화합물이 예를 들면 인광체와 함께 캡슐화 층에서 블렌딩(분산)되어 유리한 가시 흡수 프로필을 달성할 수 있도록 LED(OLED) 칩의 표면에 복합/캡슐화 층을 포함할 수 있다. 복합/캡슐화 층은 저온 글라스, 중합체, 중합체 전구체, 실리콘 또는 실리콘 에폭시 수지 또는 전구체 등을 이용하여 형성될 수 있다.
다른 실시형태에 따르면, 광학 컴포넌트는 투명, 반투명, 반사형 또는 반투과형(부분적 반사 및 투과형) 기판일 수 있고, 기판 표면상의 코팅은 LED 모듈에 의해 발생된 가시광에 색 필터링 효과를 적용할 수 있으며, 상기 가시광은 예를 들면 약 560nm - 약 600nm의 파장에 대하여 황색광 파장 범위에서 가시광을 필터링하도록 광학 컴포넌트를 통과한다.
또한, 광학 컴포넌트의 투명 또는 반투명 기판은 적어도 하나의 LED를 둘러싸는 벌브, 렌즈 및 엔벨로프와 같은 디퓨저일 수 있다. 더욱이, 기판은 반사형 기판일 수 있고, LED 칩은 기판의 외측에 배열될 수 있다. Nd-F 및/또는 Nd-X-F 화합물 코팅은 기판의 표면에 배치될 수 있고, 코팅의 두께는 색 필터링 효과를 달성하기에 충분해야 한다. 상기 두께는 전형적으로 50nm - 1000미크론의 범위 내일 수 있고, 바람직한 두께는 100nm - 500미크론 사이이다.
결과적인 디바이스는 CSI(색 포화 지수), CRI(연색 지수), R9(연색 값) 리빌니스(조명 선호 지수(lighting preference index, LPI)) 등을 향상시키기 위해 약 530nm - 600nm 사이의 가시 범위에서 고유 흡수성을 가진 Nd-F 화합물/물질에 의한 필터링을 이용하여 광 파라미터의 개선을 나타낼 수 있다. R9는 CRI를 계산하는데 사용되지 않는 6개의 포화 테스트 색 중의 하나로서 규정된다. "리빌니스"(revealness)는 LPI의 버전에 기초한 방출 광의 파라미터이고, 이에 대해서는 2014년 9월 9일자 출원된 국제 출원 PCT/US2014/054868(2015년 3월 12일에 WO2015/035425로 공개됨)에 설명되어 있으며, 상기 국제 출원은 인용에 의해 관련 부분이 본원에 통합된다.
일 실시형태에서, LED 패키지 및 칩 온 보드(chip-on-board, COB) 어레이에서 더 낮은 산란 손실을 달성하기 위해 캡술화 물질들의 굴절률(RI)을 정합시키도록 비교적 낮은 RI의 Nd-F 물질(예를 들면, RI가 약 1.6인 NdF3)을 활용하는 것이 유리하다. 더욱이, Nd-X-F 물질에 음전기 "X" 원자를 포함함으로써 흡수 스펙트럼을 조정할 수 있게 하는 것이 또한 유리하고, 여기에서 상기 X는 약 580nm에서 흡수를 넓혀서 R9 색 칩의 연색성을 향상시키는 예컨대 O, N, S, Cl 등일 수 있다. 전술한 임의의 물질은 색 조정 목적으로 캡슐화 물질에 블렌딩될 수 있다. 적당한 Nd-F 또는 Nd-X-F 물질을 선택(뒤에서 더 자세히 설명함)한 때, RI 부정합에 기인하는 산란 손실은 최소화될 수 있다. Nd-F 화합물의 사용은, Nd-F 화합물이 일반적으로 약 380 - 450nm의 파장 범위에서 활성화되지 않기 때문에 짧은 UV 파장을 포함하는 LED 조명 응용에서 사용하는 것이 또한 유리할 수 있다.
다른 실시형태에 따르면, Nd-F 화합물은 불화 네오디뮴(NdF3), 또는 산불화 네오디뮴(예를 들면, NdOxFy, 여기에서 Nd4O3F6와 같이 2x+y=3임), 또는 부수적인 물 및/또는 산소를 포함한 불화 네오디뮴, 또는 네오디뮴 수산화물 플루오라이드(예를 들면, Nd(OH)aFb, 여기에서 a+b=3임), 또는 뒤에서 설명하는 네오디뮴 및 플루오라이드를 포함한 많은 다른 화합물을 포함할 수 있다. 일부 응용에서, Nd-F 화합물은 저손실 블렌드를 제공하기 위해 선택된 중합체 물질과 정합하는 굴절률과 같은 비교적 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 이러한 하나의 Nd-F 물질은 약 1.6의 굴절률을 갖고 산란 손실을 최소화하기 위해 소정의 중합체 매트릭스 물질과 지수 정합을 위한 적당히 낮은 굴절률을 제공하는 불화 네오디뮴(NdF3)이라고 생각된다.
다른 실시형태에 따르면, 다른 Nd-F 화합물/물질이 여기에서 설명하는 장점을 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, Nd-F를 함유하는 다른 화합물은, 비제한적인 예로서, Nd-X-F 화합물을 포함할 수 있다. X가 O, N, S, Cl일 수 있다는 앞의 설명에 추가하여, X는 또한 불소와 함께 화합물을 형성할 수 있는 적어도 하나의 금속 원소(Nd는 제외)일 수 있다. 그 예로는 Na, K, Al, Mg, Li, Ca, Sr, Ba 또는 Y 또는 이들의 조합과 같은 금속 원소가 있다. 예를 들면, Nd-X-F 화합물은 NaNdF4를 포함할 수 있다. Nd-X-F 화합물의 다른 예는 X가 Mg 및 Ca이거나 Mg, Ca 및 O인 화합물뿐만 아니라 네오디뮴으로 도핑된 페로브스카이트 구조를 포함한, Nd-F를 함유하는 다른 화합물을 포함할 수 있다. 소정의 Nd-X-F 화합물은 약 580nm의 파장에서 흡수를 유리하게 더 넓힐 수 있다. 산불화 네오디뮴 화합물이 다른 양의 O와 F를 포함할 수 있기 때문에(산불화 네오디뮴 화합물이 전형적으로 다른 양의 산화 네오디뮴(네오디미아)(Nd2O3) 및 불화 네오디뮴(NdF3)으로부터 도출되기 때문에), 산불화 네오디뮴 화합물은 Nd-O 화합물의 굴절률(예를 들면, 네오디미아의 경우 1.8)과 Nd-F 화합물의 굴절률(예를 들면, NdF3의 경우 1.60) 사이의 선택된 굴절률을 가질 수 있다. 네오디뮴으로 도핑된 페로브스카이트 구조 물질의 비제한적인 예로는 네오디뮴 화합물(예를 들면, NdF3)보다 굴절률이 더 낮은 적어도 하나의 성분을 함유하는 것, 예를 들면 Na, K, Al, Mg, Li, Ca, Sr, Ba 및 Y의 불화금속이 있다. 이러한 "호스트" 화합물은 가시광 스펙트럼에서 NdF3보다 더 낮은 굴절률을 가질 수 있고, 그 비제한적인 예로는 589nm의 파장에서 NaF(n=1.32), KF(n=1.36), AlF3(n=1.36), MgF2(n=1.38), LiF(n=1.39), CaF2(n=1.44), SrF2(n=1.44), BaF2(n=1.48) 및 YF3(n=1.50)가 있다. 고굴절률 Nd-F 화합물, 예를 들면 NdF3로의 도핑의 결과, 결과적인 도핑된 페로브스카이트 구조 화합물은 호스트의 굴절률(예를 들면, MgF2의 경우 1.38)과 NdF3의 굴절률(1.60) 사이의 굴절률을 가질 수 있다. NdF3 도핑 불화금속 화합물의 굴절률은 Nd와 금속 이온의 비율에 의존할 것이다.
NdF3의 굴절률은 약 1.60이다. 그러므로 NdF3는 가끔 실리콘(약 1.51의 굴절률을 가짐)과의 비교적 양호한 RI 정합을 제공하는 것으로 생각할 수 있다. 더 좋은 정합은 Nd를 포함하거나 포함하지 않을 수 있는 다른 물질과 NdF3를 혼합함으로써 얻어질 수 있다. 예를 들면, NaNdF4는 약 1.46의 RI를 갖는다. 따라서 NdF3를 NaF 또는 NaNdF4와 같은 다른 물질과 적당히 블렌딩함으로써, 블렌드의 굴절률이 실리콘의 굴절률과 더 잘 정합되게 할 수 있다.
도 2는 곡선 22로 표시된 실리콘에 분산된 불화 네오디뮴의 가시 스펙트럼(반사 기법에 의해 측정한 것)의 흡수 대 곡선 20으로 표시된 표준 네오디뮴 글라스(예를 들면, Nd 글라스의 조성으로서 Na2O-Nd2O3-CaO-MgO-Al2O3-K2O-B2O3-SiO2를 이용함)의 흡수를 파장의 함수로서 비교한 그래프이다. 각각의 물질은 특히 황색(예를 들면, 약 570nm - 약 590nm) 영역에서 많은 동일한 흡수 특징들을 공유한다는 점이 중요하다. 사용시에, LED 칩/다이를 봉지재(encapsulant)(예를 들면, 실리콘, 에폭시, 아크릴 등)로 캡슐화할 수 있고; 상기 봉지재는 여기에서 구체적으로 설명하는 바와 같이 LED 칩 또는 LED 칩들의 어레이(예를 들면, 칩 온 보드 어레이, COB 어레이)에 직접 증착된 실리콘의 NdF3와 같은 Nd-F 또는 Nd-F-O 기반 물질을 포함할 수 있다.
도 3은 실리콘에 블렌딩되고 상업용 LED 패키지(NICHIA 757)에 직접 증착된, 즉 곡선 32로 표시된 바와 같이 이 LED 패키지를 캡슐화하는 NdF3의 방사 스펙트럼을 비교한 그래프이다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 스펙트럼은 곡선 30으로 표시된 기본 NITCHIA 757 LED의 방사 스펙트럼과 비교할 때 약 570nm - 약 590nm 사이의 구역 내의 영역 또는 영역들에서 큰 하강을 보인다는 점에서 완전히 다른 것이다.
도 4는 실리콘에 블렌딩되고 COB 어레이(TG66)에 직접 증착된 NdF3의 방사 스펙트럼(곡선 42로 표시됨)과 기본 TG66 COB 어레이의 방사 스펙트럼(곡선 40으로 표시됨)을 파장의 함수로서 비교한 그래프이다. 곡선 42로 표시된 스펙트럼은 도 3의 곡선 32와 유사하다.
상기 예는 CSI, CRI, R9, 백색도(즉 백색 보디 장소(white body locus)에 대한 근접) 등과 같은 조명 메트릭 중 적어도 하나를 향상시키기 위해 LED 패키지 또는 어레이에 캡슐화 물질의 일부로서 적용되는, 색 필터링 흡수 물질로서 Nd-F 물질(예를 들면, NdF3)의 활용을 나타낸다. 아래의 표 1은 도 3 및 도 4에 도시된 예들의 결과적인 성능을 Nd 글라스를 포함한 종래의 LED와 비교하여 나타낸 것이다.
| L/W | CCX | CCY | CCT | CRI | R9 | GAI | 리빌니스 | |
| NICHIA 757 위의 NdF3 | 236 | 0.4498 | 0.3954 | 2722 | 92 | 50 | 49 | 110 |
| TG 66 위의 NdF3 | 249 | 0.4503 | 0.3934 | 2698 | 90 | 39 | 48 | 110 |
| Nd 글라스를 포함한 백색 LED | 249 | 0.4486 | 0.3961 | 2700 | 88 | 62 | 50 | 111 |
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, NICHIA 757 LED 소자는 일반적으로 236의 루멘스/와트 값을 갖는다. 실리콘의 봉지재로서 NdF3를 사용할 때, CRI(연색/포화 지수)는 92이고, R9(적색 칩의 색 렌더링 값)는 50의 값을 가지며, 색역 영역 지수(gamut area index, GAI)는 49이고, 방출 광의 LPI(여기에서 규정된 바와 같은)에 기초한 리빌니스(revealness)는 110이다. LED 칩의 TG 66 어레이(COB 어레이)가 NdF3를 포함한 실리콘에 캡슐화된 때, CRI는 90이고, R9 값은 39이며, GAI는 48이고 "리빌니스"는 역시 110이다. 이 값들을 표 1의 가장 아래 줄에 나타낸 바와 같이 백색 LED와 결합된 Nd 글라스의 색 필터링 효과와 바람직하게 비교한다. 색도 좌표(CCX, CCY) 및 CCT(색 상관 온도)의 값들을 3가지 경우 모두에 대하여 참고로 나타내었다.
Nd-F 물질은 도 3 및 도 4의 예에서처럼 단순히 불화 네오디뮴(NdF3)으로 될 필요가 없다. Nd-F 물질은 전술한 바와 같이 다른 원소 또는 원소들의 집합을 표시하고 F와 화학적으로 결합하는 X를 가진 Nd-X-F 화합물들 중의 임의의 하나일 수 있다. 이 방식으로, 그러한 Nd-X-F 물질은 CSI, CRI, R9, 백색도(즉 백색 보디 장소에 대한 근접) 등과 같은 조명 메트릭스 중 적어도 하나를 향상시킬 수 있다.
예를 들면, 도 5는 실리콘에 블렌딩되고 상업용 LED 패키지(4000K CCT를 가진 NICHIA 757)에 직접 증착되어 이 LED 패키지를 캡슐화하는 Nd-F-O의 방사 스펙트럼(곡선 52로 표시됨)을 파장의 함수로서 비교한 그래프이다. 도 3 및 도 4와 유사하게, 스펙트럼(52)은 곡선 50으로 표시된 기본 NITCHIA 757 LED의 방사 스펙트럼과 비교할 때 약 570nm - 약 590nm 사이의 구역 내의 영역 또는 영역들에서 큰 하강을 갖는다.
아래의 표 2는 실리콘 봉지재(4000K CCT를 가진 NICHIA 757)뿐만 아니라 네오디미아(Nd2O3) 및 불화 네오디뮴(NdF3)을 가진 다른 유형의 실리콘 봉지재를 가진 종래의 LED와 비교한, 상업용 LED 패키지(4000K CCT를 가진 NICHIA 757)에 직접 증착된 실리콘의 Nd-F-O에 대하여 도 5에 도시된 예의 결과적인 성능을 보여준다. 표 2는 상기 물질에 대한 CSI(색 포화 지수) 파라미터를 추가한 표 1과 유사한 파라미터들을 리스트한다.
| 봉지재/도펀트의 굴절률 | 루멘스 출력 | CCX | CCY | CCT | CRI | R9 | CSI | 리빌니스(LPI) | |
| 원래 LED(NICHIA 757) | 1.40(실리콘 봉지재 자체의 RI) | 1427 | 0.457 | 0.4073 | 2715 | 81 | 15 | -14 | 91 |
| NdFO 도핑 실리콘을 가진 LED | 1.72(실리콘 봉지재의 NdFO의 경우) | 1316 | 0.454 | 0.4096 | 2776 | 88 | 44 | -3 | 98 |
| Nd2O3 도핑 실리콘을 가진 LED | 1.8(실리콘 봉지재의 Nd2O3의 경우) | 1162 | 0.4551 | 0.4153 | 2804 | 86 | 57 | -4 | 94 |
| NdF3 도핑 실리콘을 가진 LED | 1.6(실리콘 봉지재의 NdF3의 경우) | 1420 | 0.4454 | 0.4053 | 2872 | 84 | 23 | -11 | 94 |
Nd2O3는 그 RI가 더 높기 때문에 NdFO 또는 NdF3보다 산란 손실이 더 높다는 점에 주목한다. 그러나 NdFO는 CSI와 LPI 사이의 균형에서 더 좋은 성능을 갖는다. Nd2O3와 비교할 때, NdF3와 같은 Nd-F 화합물은, 단독으로 또는 NdFO 물질과 혼합되어서, 더 낮은 RI를 가져서 산란 손실을 최소화할 것이다. 또한, Nd2O3와 비교할 때, NdF3와 같은 Nd-F 화합물은, 단독으로 또는 NdFO 물질과 혼합되어서, 감소된 루멘 페널티를 가진 더 높은 CSI를 달성하도록 LED 광의 스펙트럼에 대하여 바람직한 황색 흡수 피크를 활성화할 수 있다. 색도 좌표(CCX, CCY) 및 CCT와 CRI의 값들을 4가지 경우 모두에 대하여 참고로 나타내었다.
소정 실시형태에서, 산란 손실을 최소화하기 위해 봉지재 물질과의 굴절률 정합을 갖도록 Nd-F 물질 또는 Nd-F-O 물질 또는 Nd-X-F 물질을 선택할 수 있다. 또한, 하나의 Nd-F 물질(예를 들면, 불화 네오디뮴)을 다른 Nd-X-F 물질(예를 들면, 산불화 네오디뮴)과 블렌딩할 수 있다. Nd-X-F 화합물의 원소 "X"는 "R9 곡선"과의 스펙트럼의 더 좋은 정합을 위해 약 580nm의 영역에서 흡수를 조정하도록 선택될 수 있다.
일부 실시형태에서, Nd-F 물질(여기에서 설명하는 모든 Nd-X-F 물질을 넓게 포함함)은 인광체와 같은 하나 이상의 발광 물질과 함께 캡슐화 물질과 블렌딩될 수 있다. 예를 들면, Nd-F 색 필터링 물질은 황록색 인광체 및/또는 적색 인광체와 블렌딩될 수 있다. 예를 들면, Nd-F 물질은 Ce 도핑 YAG 인광체 및/또는 Eu2 + 도핑 CaAlSiN 적색 인광체와 같은 종래의 적색 질화물 인광체와 블렌딩될 수 있다. 다른 예로서, Nd-F-O 물질은 YAG:Ce 인광체 및 청색 발광 NICHIA 757 LED를 캡슐화하는 실리콘의 적색 질화물 인광체와 블렌딩될 수 있다. YAG:Ce 인광체 및 적색 질화물 인광체로부터의 발광은 미(Mie) 산란 이론에 기인하여 Nd-F-O의 추가에 의해 향상될 수 있다.
다른 실시형태에 따르면, Nd-F-O 화합물은 가변 함량/조성의 불소 및 산소를 포함할 수 있고, 그래서 이 화합물은 바람직한 색 필터링 효과를 제공하고 LED 조명 장치의 다른 출력 광 파라미터를 개선하기 위해 F/O 비를 변경하는 것과 등가인 변수 x와 y를 가진 NdFxOy 화합물로서 일반적으로 제시될 수 있다. 변수 x, y 및 그들의 비율(x/y)을 가진 NdFxOy의 예시적인 제조 방법을 이하에서 설명한다.
예를 들면, NdFxOy 화합물은 도 6에 도시된 예시적인 고체 반응 처리/방법(60)(건식 공정)에 의해 준비될 수 있다. 이 방법에 따르면, NdFxOy는 단계 62에서 미리 규정된 중량비로 Nd2O3와 NdF3 분말 물질을 블렌딩하고, 그 다음에 단계 64에서 바람직한 고체 NdFxOy 물질을 형성하기 위해 질소(N2) 가스, 아르곤(Ar) 가스 등과 같은 불활성 가스의 보호 분위기에서 상기 블렌딩된 물질을 고온(800℃ 이상)으로 태움/소결시킴으로써 준비될 수 있다. 이 방법에 따르면, Nd2O3와 NdF3 분말 물질의 미리 규정된 중량비는 형성된 NdFxOy 물질의 비율(F/O)(또는 x/y)을 결정할 수 있다. 예를 들면, Nd2O3와 NdF3의 중량비가 80% - 20%인 경우에, 결과적인 Nd-F-O 물질은 조성 NdF0 . 33O1 .33을 가질 수 있다. 추가의 단계 66과 68은 다른 입자 크기를 제공/조정하기 위한 밀링 단계(단계 66), 및 미리 선택된 입자 크기를 가진 입자들을 선택하기 위해 예를 들면 진동 시프터를 이용하여 메쉬 스크린을 통해 시프팅하는 단계(단계 68)를 포함한 추가의 처리를 위해 사용될 수 있다.
대안적으로, F와 O(또는 등가적으로 x와 y)의 바람직한 농도/비율을 가진 NdFxOy 물질은 도 7에 도시된 것처럼 Nd2O3 시작 물질로부터 예시적인 습식 화학 처리/방법을 이용하여 준비될 수 있다. 단계 72에서, Nd2O3 물질(예를 들면, 분말 형태임)이 염산(HCl)과 같은 하이드로할릭산(hydrohallic acid)에서 용해될 수 있다. 그 다음에, 단계 74에서, 용해된 Nd2O3가 NH4HCO3와 같은 소금과 함께 추가로 침전되어 침전된(고체) 소금을 형성할 수 있다. 바람직한 NdFxOy 물질을 형성하는 것은 상기 침전된 소금을 불소(F2)의 유동 가스 또는 불산(HF)과 반응시킴으로써 불소 첨가 처리를 이용하여 단계 76에서 수행될 수 있다. 형성된 NdFxOy 물질의 F와 O의 바람직한 함량 및/또는 F/O 비(x, y 및 x/y비와 등가임)는 F2의 유량을 조정하거나 HF 산 농도를 변화시키고 온도, 반응 시간 등을 조정함으로써 제공될 수 있다. 처리(70)는 형성된 NdFxOy 물질의 세척 및 건조(단계 78)에 의해 정상적으로 종료된다.
도 7의 처리는 단계 74를 건너뛰고 단계 76을 하이드로할릭산에 용해된 Nd2O3를 HF 산으로 침전시킴으로써 수행하는 것으로 수정될 수 있음에 주목한다. 도 6 또는 도 7에 도시된 단계들의 정확한 시퀀스 또는 순서는 요구되지 않고, 그래서 원칙적으로 각종의 단계들이 도시된 순서와 다르게 수행될 수 있음에 주목한다. 또한, 일부 단계를 건너뛰고, 다른 단계를 추가 또는 치환할 수 있으며, 또는 선택된 단계 또는 단계들의 그룹이 여기에서 설명하는 실시형태에 따라 별도의 응용으로 수행될 수 있다.
도 6 및 도 7에 도시된 방법을 이용하여 제조된 NdFxOy 화합물은 단결정 상을 가질 수 있지만, 결정 구조/시스템은 다른 F/O 비를 가진 NdFxOy 물질에 대하여 X선 회절(XRD) 결과를 나타내는 도 8에 도시된 바와 같이 다른 F/O 비를 가진 NdFxOy 화합물마다 다를 수 있다. 곡선 80은 육방체 결정 상 구조를 가진 NdF3(산소는 없음)에 대응한다. 곡선 82는 정방체 결정 상 구조를 가지며 85/15의 F/O 비를 가진 NdFxOy에 대응한다. 곡선 84는 육방체 결정 상 구조를 가지며 55/45의 F/O 비를 가진 NdFxOy에 대응한다. 곡선 86은 능면체 결정 상 구조를 가지며 65/35의 F/O 비를 가진 NdFxOy에 대응한다.
도 9는 곡선 90으로 표시한 산불화 네오디뮴 NdF0 . 33O1 .33(80%의 산화 네오디뮴(Nd2O3) 및 20%의 불화 네오디뮴(NdF3)으로 구성됨)의 가시 스펙트럼(반사 기법에 의해 측정한 것)의 흡수 대 곡선 94로 표시한 산화 네오디뮴(Nd2O3)의 가시 스펙트럼의 흡수 및 곡선 92로 표시한 불화 네오디뮴(NdF3)의 가시 스펙트럼의 흡수를 파장의 함수로서 비교한 그래프이다(모든 샘플은 분말 샘플임). 각각의 물질은 특히 황색 영역(예를 들면, 약 560nm - 약 610nm) 주위에서 많은 동일한 흡수 특징들을 공유한다는 점이 중요하다. 곡선 90(NdF0 . 33O1 .33의 경우)은 약 589nm의 흡수 피크를 갖고, 곡선 92(NdF3의 경우)의 흡수 피크는 청록 영역 쪽으로 적색 시프트되고, 이것은 CCT에서의 강하 및 NdF3 화합물을 포함한 필터에 의해 필터링된 LED 발생 광의 더 하얀 외관을 야기할 수 있다. 또한, 곡선 94(Nd2O3의 경우)의 흡수 피크는 약 610nm 쪽으로 시프트되고 이것은 Nd2O3 화합물을 포함한 필터에 의해 필터링된 LED 발생 광의 더 하얀 외관 및 R9 향상을 야기할 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 다른 비율의 F 및 O를 가진 NdFxOy, 및 불화 네오디뮴(NdF3)의 가시 스펙트럼(반사 기법에 의해 측정한 것)의 흡수를 비교한 예시적인 그래프이다.
도 10a는 다른 F/O 비를 가진 NdFxOy, 및 NdF3의 흡수 스펙트럼 측정(반사 기법을 이용한 것)의 결과를 보인 것이다. 곡선 100은 579nm에서 흡수 피크를 가진 NdF3의 경우이다. 곡선 102는 85/15의 F/O 비 및 583nm에서 흡수 피크를 가진 NdFxOy의 경우이다. 곡선 104는 65/35의 F/O 비 및 587nm에서 흡수 피크를 가진 NdFxOy의 경우이다. 곡선 106은 55/45의 F/O 비 및 601nm에서 흡수 피크를 가진 NdFxOy의 경우이다. 이 결과들은 NdF3의 흡수 피크로부터 산소 함량의 증가에 따라 NdFxOy의 흡수 피크의 점진적 적색 시프트(108)를 나타낸다.
도 10b는 다른 F/O 비를 가진 NdFxOy로 도핑된 플라스틱 물질 및 NdF3의 흡수 스펙트럼 측정(반사 기법을 이용한 것)의 결과를 보인 것이다. 곡선 101은 579nm에서 흡수 피크를 가진 NdF3의 경우이다. 곡선 103은 65/35의 F/O 비 및 589nm에서 흡수 피크를 가진 NdFxOy의 경우이다. 곡선 105는 55/45의 F/O 비 및 600nm에서 흡수 피크를 가진 NdFxOy의 경우이다. 이 결과들은 NdF3의 흡수 피크로부터 산소 함량의 증가에 따라 NdFxOy의 흡수 피크의 (도 10a와) 유사한 점진적 적색 시프트(107)를 나타낸다.
아래의 표 3은 NdFxOy(65/35의 F/O 비를 가짐)로 도핑된 것, NdF3로 도핑된 것, 및 기본 LED(NICHIA NF2L757Dv1 미들 파워 LED)를 이용하고 도핑이 없는 것의 플라스틱 물질(TEIJIN 2250 폴리카보네이트 플라스틱 물질)을 이용하여 출력 광을 필터링한 LED 성능의 요약을 보인 것이다. 그 결과는 3018℃(기본 LED)로부터 3079℃로 CCT의 증가, 82(기본 LED)로부터 94로 CRI의 증가, 및 16으로부터 89로 R9(적색 칩의 연색 값)의 증가를 포함한, 출력 광을 NdFxOy 도핑 플라스틱 물질로 필터링한 LED 성능의 현저한 향상/개선을 나타낸다. 출력 광을 NdF3 도핑 플라스틱 물질로 필터링한 LED 성능도 또한 약간의 개선을 나타내지만(예를 들면, CRI가 89.8로 증가되고 R9이 34로 증가됨), NdFxOy 도핑 플라스틱 물질의 경우보다 덜 현저하다. 또한, NdF3 도핑 플라스틱 물질의 CCT는 기본 LED의 경우에 3018℃로부터 2845℃로 강하한다.
| CRI | R9 | CCX | CCY | CCT | |
| 기본 LED | 82 | 16 | 0.4317 | 0.3955 | 3018 |
| 2wt% NdFxOy로 도핑한 플라스틱 | 94 | 89 | 0.4221 | 0.3823 | 3079 |
| 4.5wt% NdF3로 도핑한 플라스틱 | 89.8 | 34 | 0.4387 | 0.3912 | 2845 |
도 11a-11d는 발명의 각종 실시형태에 따른, 유리한 가시 흡수/발생 특성을 달성하기 위해 인광체와 함께 Nd-F 화합물(또는 여기에서 설명하는 NdFxOy를 포함한 Nd-X-F 화합물)을 통합한 LED 기반 조명 장치(110a, 110b, 110c, 110d)의 상이한 비제한적인 예를 보인 것이다. 도 11a-11d에서 LED 기반 조명 장치(110a, 110b, 110c, 110d)는 인쇄 회로 기판(PCB)(116)에 탑재된 LED 칩(115)을 둘러싸는 광학적으로 투명 또는 반투명 기판일 수 있는 돔(112)을 포함한다. 리드는 LED 칩(115)에 전류를 제공하여 LED 칩(115)이 복사선을 방출하게 한다. LED 칩은 임의의 반도체 광원, 특히 그 방출 복사선이 인광체로 향할 때 백색광을 생성할 수 있는 청색 또는 자외선 광원일 수 있다. 특히 반도체 광원은 약 200nm보다 크고 약 550nm보다 작은 방출 파장을 가진 IniGajAlkN(여기에서 0≤i; 0≤j; 0≤k 및 i+j+k=1임)으로서 일반화되는 질화물 화합물 반도체에 기반한 청색/자외선 발광 LED일 수 있다. 더 구체적으로, 칩은 약 400nm - 약 500nm의 피크 방출 파장을 가진 근자외선 또는 청색 발광 LED일 수 있다. 더 구체적으로, 칩은 약 440 - 460nm 범위의 피크 방출 파장을 가진 청색 발광 LED일 수 있다. 이러한 LED 반도체는 업계에 공지되어 있다.
도 11a에 도시된 일 실시형태에 따르면, 중합체 복합 층(봉지재 화합물)(114a)은 여기에서 설명하는 각종 실시형태에 따라 유리한 가시 흡수/발생 특성에 영향을 주기 위해 인광체와 블렌딩된 Nd-F, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy 화합물을 포함할 수 있다. 이 화합물 층(114a)은 LED 칩(115)의 표면에 직접 배치되고 칩에 복사식으로 결합될 수 있다. "복사식으로 결합"은 LED 칩으로부터의 복사선이 인광체를 투과하고 인광체가 다른 파장의 복사선을 방출한다는 것을 의미한다. 특정 실시형태에서, LED 칩(115)은 청색 LED일 수 있고, 중합체 복합 층은 세륨 도핑형 이트륨 알루미늄 가넷(Ce:YAG)과 같은 Nd-F와 황록 인광체의 블렌드를 포함할 수 있다. LED 칩에 의해 방출된 청색광은 중합체 복합 층의 인광체에 의해 방출된 황록색 광과 혼합되고, 순 방출(net emmission)은 Nd-F에 의해 필터링되는 백색광으로서 나타난다. 따라서 LED 칩(115)은 봉지재 물질 층(114a)에 의해 둘러싸일 수 있다. 봉지재 물질은 저온 글라스, 열가소성 또는 열경화성 중합체 또는 수지, 또는 실리콘 또는 에폭시 수지일 수 있다. LED 칩(115)과 봉지재 물질 층(114a)은 쉘(shell)(돔(112)에 의해 제한됨) 내에 캡슐화될 수 있다. 대안적으로, LED 장치(110a)는 외부 쉘/돔(112) 없이 봉지재 층(114a)만을 포함할 수 있다. 또한, 산란 입자들이 봉지재 물질에 매립될 수 있다. 산란 입자들은 예를 들면 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티타니아(TiO2)일 수 있다. 산란 입자들은 LED 칩으로부터 방출된 지향성 광을 효과적으로 산란시키고, 바람직하게, 무시할 정도의 흡수량을 가질 수 있다.
LED 칩의 표면에 Nd-F, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy를 포함한 중합체 복합 층을 형성하기 위해, 입자들이 중합체 또는 중합체 전구체, 특히 실리콘 또는 실리콘 에폭시 수지, 또는 그 전구체에 분산될 수 있다. 그러한 물질은 LED 패키징을 위해 잘 알려져 있다. 분산 혼합물이 임의의 적당한 공정에 의해 칩에 코팅되고, 더 큰 밀도 또는 입자 크기, 또는 더 큰 밀도 및 더 큰 입자 크기를 가진 입자들은 LED 칩에 가까운 영역에 바람직하게 정착하여 등급 구성을 가진 층을 형성한다. 정착은 중합체 또는 전구체의 코팅 또는 경화 중에 발생할 수 있고, 업계에 공지된 원심분리 처리에 의해 촉진될 수 있다. 예컨대 입자 밀도 및 크기와 처리 파라미터를 포함한 인광체 및 Nd-F(예를 들면, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy)의 분산 파라미터들은 인광체 컴포넌트에 의해 발생된 광의 Nd-F, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy 화합물에 의한 적당한 필터링을 제공하기 위해 Nd-F(예를 들면, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy) 화합물보다 LED 칩(115)에 더 가까운 인광체 물질을 제공하도록 선택될 수 있음에 또한 주목한다.
도 11b에 도시된 대안적인 예시적인 실시형태에서, 인광체 층(114b)은 종래 방식으로 제조된 봉지재 층일 수 있고, Nd-F(예를 들면, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy) 화합물을 가진 별도의 봉지재 층(118b)이 예를 들면 중합체 또는 중합체 전구체의 적당한 종래의 증착/입자 분산 기법을 이용하여 인광체 층(114b)의 상부에 증착될 수 있다.
도 11c에 도시된 다른 예시적인 실시형태에서, Nd-F, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy 복합 층(118c)이 돔(쉘)(112)의 외부 표면에 코팅될 수 있다. 코팅 층(118b)의 성능은 도 11b에서 Nd-F(예를 들면, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy) 화합물을 가진 봉지재 층(118b)의 성능과 유사하다. 대안적으로, 도 11c에서의 코팅(118c)은 돔(112)의 내부 표면에 증착될 수 있다. 돔/기판의 코팅과 관련한 더 많은 구현 세부는 도 12-15를 참조하면서 설명할 것이다. 돔(112) 자체는 투명 또는 반투명일 수 있다는 점에 주목한다.
추가의 예시적인 실시형태에서, 도 11d에 도시된 바와 같이, 돔(쉘)(112)은 돔(112)의 외부 표면에 Nd-F, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy 복합층/코팅(118d)을 증착하고 돔(112)의 내부 표면에 인광체 코팅 층(114d)을 증착하기 위해 사용될 수 있다. 이 접근법의 다른 변형예들이 있을 수 있다는 점에 또한 주목한다. 예를 들면, 2개의 코팅(114d, 118d)을 돔(112)의 일 표면(외부 표면 또는 내부 표면)에 증착하고, 인광체 코팅(114d)을 LED 칩(115)에 대하여 코팅(118d)보다 더 가깝게 할 수 있다. 또한, (돔(112)의 일 표면상에 증착될 때) 코팅(114d, 118d)은 도 11a의 봉지재 화합물 층(114a)과 유사하게 하나의 층으로 결합될 수 있다. 돔(112) 자체는 도 11d에 도시된 예의 다른 변형예를 구현하기 위해 투명, 반투명 또는 반투과형일 수 있다는 점에 주목한다.
이하, 바람직한 색 필터 효과를 야기하는 Nd-F, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy 화합물을 포함한 코팅을 이용하는 LED 기반 조명 장치의 몇 가지 비제한적인 예를 설명한다.
도 12는 발명의 일 실시형태에 따른 구역 조명 응용에 적합한 LED 기반 조명 장치를 보인 것이다. LED 기반 조명 장치("조명 유닛" 또는 "램프"라고도 부름)는 거의 무지향성 조명 능력을 제공하도록 구성된 LED 램프(120)이다. 도 12에 도시된 것처럼, LED 램프(120)는 벌브(122), 커넥터(124), 상기 벌브(122)와 커넥터(124) 사이의 베이스(126), 및 상기 벌브(122)의 외부 표면 위의 코팅(128)을 포함한다. 코팅(128)은 여기에서 설명하는 Nd-F, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy 화합물을 포함한다. 다른 실시형태에서, 벌브(122)는 다른 투명 또는 반투명 기판으로 교체될 수 있다. 대안적으로, 코팅(128)은 투명 또는 반투명일 수 있는 벌브(122)의 내부 표면에 코팅될 수 있다.
도 13은 발명의 다른 실시형태에 따른 LED 기반 조명 장치(130)를 보인 것이다. 도 13에 도시된 바와 같이, LED 기반 조명 장치는 천장 램프(130)(LED 칩은 도시 생략됨)이다. 천장 램프(130)는 반구형 기판(132), 및 Nd-F, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy 화합물을 포함한 코팅(138)을 포함하고; 코팅(138)은 반구형 기판(132)의 내부 표면상에 있다. 대안적으로, 코팅(138)은 투명 또는 반투명일 수 있는 반구형 기판(132)의 외부 표면에 코팅될 수 있다.
도 14는 발명의 다른 실시형태에 따른 LED 기반 조명 장치를 보인 것이다. 도 14에 도시된 바와 같이, LED 기반 조명 장치는 렌즈(140)이고, 렌즈(140)는 평평한 기판(142)을 포함한다. 이 실시형태에서, 평평한 기판(142)은 그 외부 표면 위의 Nd-F, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy 화합물 코팅(도시 생략)을 포함한다.
도 15는 발명의 다른 실시형태에 따른 LED 기반 조명 장치(150)를 보인 것이다. LED 기반 조명 장치(150)는 벌브(돔)(152), 적어도 하나의 LED 칩(155) 및 반사 기판(156)을 포함한다. 반사 기판(156)은 LED 칩(155)에 의해 발생된 가시광을 반사하도록 구성된다. 여기에서 설명하는 실시형태에서, 반사 기판(156)은 바람직한 필터링을 제공하기 위한, 그 외부 표면 위의 Nd-F, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy 화합물 코팅(도시 생략)을 포함한다. 도 15에서, 돔(152)은 확산 물질로 구성될 수 있고, 그래서 LED로부터의 광의 소정량이 통과하고 소정량은 공동 내로 역반사될 것이다(이 양은 돔 물질이 얼마나 높게 확산하는지에 의존한다). 반사광은 돔(152)의 확산력에 따라서 경면식으로 또는 확산식으로 반사할 것이다. 돔(152)으로부터의 이러한 확산 및/또는 경면 반사는 여기에서 설명하는 실시형태 중의 하나에 따라 코팅된 반사 기판(156)에 입사할 것이다. 대안적으로, 돔(152)은 동일한 기능을 제공하도록 반(semi)-반사 광대역 물질로 구성될 수 있다.
Nd3 + 이온 및 F- 이온을 함유한 화합물을 포함한 여기에서 설명하는 코팅 물질들은 작은 광학 산란(확산) 효과를 가질 수 있고; 또는 대안적으로 통과하는 광에 대하여 고려할만한 광학 산란을 야기할 수 있다. 산란 각을 증가시키기 위해, 코팅은 유기 또는 무기 물질의 별개의 입자들을 포함할 수 있다. 대안적으로, 유기 또는 무기 물질은 Nd-F, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy 화합물의 별개의 입자들(예를 들면, 부분적으로 또는 전체적으로 Nd-F, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy 화합물로 형성됨)로만 구성될 수 있고, 및/또는 Nd-F, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy 화합물의 별개의 입자(예를 들면, 부분적으로 또는 전체적으로 Nd-F, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy 화합물로 형성됨)와 적어도 하나의 다른 상이한 물질로 형성된 입자들의 혼합물로 구성될 수 있다.
일 실시형태에서, 유기 또는 무기 물질의 적당한 입자 크기는 약 1nm 내지 약 10미크론일 수 있다. 도 12에 도시된 LED 램프(120)에 있어서, LED 램프(120)가 무지향성 조명을 달성하도록 산란 각을 최대화하기 위해, 입자 크기는 300nm보다 훨씬 더 작게 되도록 선택하여 레일리 산란(Rayleigh scattering)을 최대화할 수 있다.
비록 제한하는 의도는 없지만, Nd-F, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy 화합물 코팅은 예를 들면 스프레이 코팅, 롤러 코팅, 메니스커스 또는 딥 코팅, 스탬핑, 스크리닝, 분산, 롤링, 브러싱, 본딩, 정전 코팅, 또는 균일한 두께의 코팅을 제공할 수 있는 임의의 다른 방법에 의해 적용될 수 있다. 이하, 기판에 Nd-F 및/또는 Nd-X-F 화합물 코팅을 제공하는 법에 대한 비제한적인 예를 설명한다.
일 실시형태에서, 도 12에 도시한 바와 같이, 코팅(128)은 본딩법에 의해 벌브(122)에 코팅될 수 있다. LED 램프(120)는 벌브(122)와 코팅(128) 사이에 본딩 층(도시 생략)을 포함할 수 있고, 본딩 층은 유기 접착제 또는 무기 접착제를 포함할 수 있다. 유기 접착제는 에폭시 수지, 유기 실리콘 접착제, 아크릴 수지 등을 포함할 수 있다. 무기 접착제는 실리케이트 무기 접착제, 황산염 접착제, 인산염 접착제, 산화물 접착제, 붕산염 접착제 등을 포함할 수 있다.
다른 실시형태에서, 도 12에 도시한 바와 같이, 코팅(128)은 스프레이 코팅법에 의해 벌브(122)의 외부 표면에 코팅될 수 있다. 먼저, 예를 들면 Nd-F, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy 화합물, 이산화 실리콘, DISPEX A40과 같은 분산제, 물 및 선택적으로 TiO2 또는 Al2O3를 함유한 액체 혼합물이 형성된다. 그 다음에, 형성된 액체 혼합물을 벌브(122) 위에 스프레이한다. 마지막으로, 벌브(122)를 경화하여 코팅된 LED 램프(120)를 획득한다.
일 실시형태에서, 도 12에 도시한 바와 같이, 코팅(128)은 정전 코팅법에 의해 벌브(122)의 외부 표면에 코팅될 수 있다. 먼저, 예를 들면 Nd-F, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy 화합물, SiO2 및 Al2O3로 구성된 전기적으로 대전된 분말이 생성된다. 그 다음에, 분말이 반대로 대전된 벌브(122) 위에 코팅된다.
발명의 다른 실시형태에서, 상기 스프레이 코팅법과 상기 정전 코팅법은 둘 다 유기 용매 또는 유기 화합물이 없는 물질을 사용할 수 있고, 이로써 LED 조명 장치의 서비스 수명을 연장하고 전형적으로 술폰화 반응에 의해 야기되는 퇴색을 피할 수 있다.
추가의 실시형태에서, 코팅 내의 NdF3 또는 다른 Nd3 + 이온 소스(예를 들면, Nd-F, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy 화합물을 이용함)의 중량 퍼센트는 1% - 약 20%일 수 있다. 특정 실시형태에서, 코팅 내의 NdF3 또는 다른 Nd3 + 이온 소스의 중량 퍼센트는 약 1% - 약 10%의 범위 내일 수 있다. 다른 실시형태에서, 광의 굴절을 증진시켜 백색 반사 외관을 달성하기 위해, 코팅은 Nd-F, Nd-X-F 및/또는 NdFxOy 화합물에 대하여 더 높은 굴절률을 가진 첨가제를 또한 포함할 수 있다. 첨가제는 TiO2, SiO2 및 Al2O3와 같은 금속 산화물 및 비금속 산화물로부터 선택될 수 있다.
다른 방식으로 규정하지 않는 한, 여기에서 사용하는 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 여기에서 사용하는 용어 "제1", "제2" 등은 임의의 순서, 양 또는 중요도를 나타내는 것이 아니고, 요소들을 구별하기 위해 사용된다. 또한 "일"(a, an)은 양의 제한을 나타내는 것이 아니고, 인용된 아이템이 적어도 하나 존재한다는 것을 나타낸다. 여기에서 "구비하는", "포함하는" 또는 "가진" 및 그 변체를 사용하는 것은 그 앞에 열거한 아이템 및 그 균등물뿐만 아니라 추가의 아이템을 포괄하는 것을 의미한다. 용어 "접속된" 및 "결합된"은 물리적 또는 기계적 접속 또는 결합으로 제한되지 않고, 직접이든 간접이든 전기적 및 광학적 접속 또는 결합을 포함할 수 있다.
더 나아가, 당업자라면 다른 실시형태의 각종 특징들에 대한 상호교환성을 이해할 것이다. 여기에서 설명한 각종 특징뿐만 아니라 각 특징의 다른 공지된 균등물은 당업자에 의해 혼합 또는 정합되어 본 발명의 원리에 따른 추가의 시스템 및 기법을 구성할 수 있다.
청구되는 장치의 다른 실시형태를 설명함에 있어서, 명확성을 위해 특수 용어가 사용된다. 그러나 본 발명은 그렇게 선택된 특수 용어로 제한되지 않는다. 따라서 각각의 특수 요소는 유사한 기능을 달성하기 위해 유사한 방식으로 동작하는 모든 기술적 균등물을 포함하는 것으로 이해하여야 한다.
전술한 설명은 단순히 예시하는 것이고, 첨부된 특허 청구범위에 의해 규정되는 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 다른 실시형태들도 이하의 특허 청구범위의 범위 안에 포함된다.
여기에서 설명하고 청구하는 각종의 비제한적인 실시형태들은 별도로 사용되거나, 또는 특수 응용을 위해 결합 또는 선택적으로 결합될 수 있다는 점에 주목한다.
또한, 전술한 비제한적인 실시형태의 각종 특징들 중의 일부는 다른 설명된 특징들의 대응하는 사용 없이 유리하게 사용될 수 있다. 그러므로 전술한 설명은 본 발명의 원리, 교시 및 예시적인 실시형태를 단순히 예시한 것이며 발명을 제한하지 않는 것으로 생각하여야 한다.
Claims (22)
- 장치에 있어서,
가시광을 발생하도록 구성된 적어도 하나의 발광 다이오드(light emitting diode, LED) 모듈; 및
대응 농도의 네오디뮴(Nd), 불소(F), 및 산소(O)를 가진 NdFxOy의 화합물을 포함한 적어도 하나의 컴포넌트 ― 여기서 x 및 y의 값은 F와 O의 비율을 결정하고, 상기 NdFxOy 화합물을 이용하여 상기 발생된 가시광을 필터링함으로써 실현되는 적어도 바람직한 출력 광 스펙트럼을 포함하는 상기 장치의 바람직한 출력 광 파라미터를 제공하도록 상기 NdFxOy 화합물의 제조 동안에 조정됨 ―
를 포함하는, 장치. - 제1항에 있어서,
상기 바람직한 출력 광 파라미터를 제공하는 것은, 색 상관 온도(color correlated temperature, CCT), 색 포화 지수(color saturation index, CSI), 연색 지수(color rendering index, CRI), 연색 값(R9), 및 상기 발생된 가시광의 리빌니스(revealness) 중의 하나 이상의 증대를 더 포함하는 것인, 장치. - 제1항에 있어서,
상기 NdFxOy 화합물은 상기 바람직한 출력 광 스펙트럼을 제공하도록 약 560nm 내지 600nm의 파장 범위의 바람직한 흡수 피크를 포함하는 것인, 장치. - 제3항에 있어서,
상기 바람직한 흡수 피크에서의 바람직한 굴절률은 약 1.6 내지 약 1.8인 것인, 장치. - 제1항에 있어서,
상기 x의 값은 0.3 내지 0.5인 것인, 장치. - 제1항에 있어서,
상기 y의 값은 1.25 - 1.33인 것인, 장치. - 제1항에 있어서,
상기 NdFxOy 화합물은 단결정 상 화합물인 것인, 장치. - 제1항에 있어서,
상기 NdFxOy 화합물은 불소(F2)의 유동 가스 또는 불산(HF)에 의한 불소 첨가(fluoridation) 처리를 이용하여 산화 네오디뮴(Nd2O3)으로부터 습식 화학 처리에 의해 제조되는 것인, 장치. - 제9항에 있어서,
상기 NdFxOy에서 x 와 y는 불산(HF) 농도, 처리 온도, 반응 시간, 및 불소 가스(F2) 농도를 포함한 변화하는 하나 이상의 파라미터를 이용하여 불소 첨가 처리 동안에 조절되는 것인, 장치. - 제1항에 있어서,
상기 NdFxOy 화합물은 블렌딩된(blended) 화합물의 형성, 및 그 다음에 불활성 가스의 보호 분위기 하에서 상기 블렌딩된 화합물로부터 상기 NdFxOy 화합물의 고온 합성을 위해, 산화 네오디뮴(Nd2O3)과 불화 네오디뮴(NdF3)의 미리 규정된 중량비로 Nd2O3를 NdF3와 블렌딩하는 단계를 포함한 고체 반응법을 이용한 건식 처리에 의해 제조되고, 상기 Nd2O3와 NdF3의 미리 규정된 중량비는 제조된 NdFxOy 화합물에서의 F와 O의 비율에 대응하는 것인, 장치. - 제10항에 있어서,
상기 불활성 가스는 질소(N2) 가스 또는 아르곤(Ar) 가스를 포함하는 것인, 장치. - 제10항에 있어서,
상기 Nd2O3와 NdF3의 미리 규정된 중량비는 약 80% 내지 약 20%이고, 상기 제조된 NdFxOy 화합물은 x가 약 0.33이고 y가 약 1.33인 조성 NdF0.33O1.33을 갖는 것인, 장치. - 제10항에 있어서,
상기 고온 합성의 온도는 800℃보다 높은 것인, 장치. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 LED 모듈은 유기 LED를 포함하는 것인, 장치. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 컴포넌트는 상기 적어도 하나의 LED 모듈의 상부에 증착된 캡슐화 층인 것인, 장치. - 제15항에 있어서,
상기 캡슐화 층은 저온 글라스, 중합체, 중합체 전구체, 폴리카보네이트, 플라스틱 물질, 열가소성 또는 열경화성 중합체 또는 수지, 실리콘, 또는 실리콘 에폭시 수지인 것인, 장치. - 제15항에 있어서,
상기 적어도 하나의 컴포넌트는 인광체를 더 포함하는 것인, 장치. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 컴포넌트는 인광체를 포함한 추가의 캡슐화 층 상에 증착된 캡슐화 층이고, 추가의 다른 캡슐화 층은 상기 적어도 하나의 LED 모듈의 상부 상에 증착되는 것인, 장치. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 컴포넌트는 상기 기판의 표면 상에 코팅을 가진 투명, 반투명, 또는 반사성 기판을 포함한 광학 컴포넌트이고, 상기 코팅은 상기 NdFxOy 화합물을 포함하는 것인, 장치. - 제19항에 있어서,
상기 코팅 내 화합물의 중량 퍼센트는 약 1% 내지 약 20%인 것인, 장치. - 제19항에 있어서,
상기 코팅의 두께는 약 50nm 내지 약 1000미크론의 범위인 것인, 장치. - 제19항에 있어서,
상기 기판은 적어도 하나의 LED 모듈을 둘러싸는 벌브, 렌즈, 및 돔으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 디퓨저인 것인, 장치.
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