KR20210034656A - 전환 엘리먼트를 제조하는 프로세스, 전환 엘리먼트, 및 전환 엘리먼트를 포함하는 발광 디바이스 - Google Patents

전환 엘리먼트를 제조하는 프로세스, 전환 엘리먼트, 및 전환 엘리먼트를 포함하는 발광 디바이스 Download PDF

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KR20210034656A
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다르샨 쿤달리야
제프리 제이. 세르
제임스 아발론
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Abstract

본 발명은,
A) 루테튬, 알루미늄 및 희토류 엘리먼트를 포함하는 하나 이상의 전구체 재료들을 제공하는 단계,
B) 슬러리(slurry)가 획득되도록 하나 이상의 전구체 재료들을 바인더(binder) 및 용매와 혼합하는 단계,
C) 단계 B)의 슬러리로부터 그린 바디(green body)를 형성하는 단계,
F) 전환 엘리먼트를 획득하기 위해 그린 바디를 소결하는 단계를 포함하고, 소결하는 단계는 1720 ℃ 초과의 온도에서 수행되는, 전환 엘리먼트를 제조하는 프로세스에 관한 것이다.
또한, 전환 엘리먼트 및 상기 전환 엘리먼트를 포함하는 발광 디바이스가 제공된다.

Description

전환 엘리먼트를 제조하는 프로세스, 전환 엘리먼트, 및 전환 엘리먼트를 포함하는 발광 디바이스
본 발명은, 전환 엘리먼트를 제조하는 프로세스와 관련된다. 또한, 본 발명은 전환 엘리먼트 및 상기 전환 엘리먼트를 포함하는 발광 디바이스와 관련된다.
전환 엘리먼트들은 LED들(light emitting diodes) 또는 LASER들(light amplification by stimulated emission of radiation devices)과 같은 발광 디바이스들에서 흔히 이용된다. 발광 디바이스들의 광학 성능은 디바이스 내의 열 소산에 의존한다. 효율적인 열 소산을 달성하기 위해, 높은 열 전도도들을 갖는 전환 엘리먼트들에 대한 요구가 있다. 또한, 비용 효율적인 방식으로 합리적인 기술적 노력으로 수행될 수 있는 이러한 전환 엘리먼트들을 제조하는 프로세스들에 대한 요구가 있다.
전환 엘리먼트를 제조하는 프로세스를 특정하는 것이 본 발명의 목적이다. 전환 엘리먼트 및 개선된 성능을 갖는 상기 전환 엘리먼트를 포함하는 발광 디바이스를 특정하는 것이 본 발명의 추가적인 목적이다.
이러한 목적은 독립 청구항들의 요지에 의해 달성된다. 종속 청구항들은 추가적인 구성들 및 개발들과 관련된다.
본 발명은,
A) 루테튬, 알루미늄 및 희토류 엘리먼트를 포함하는 하나 이상의 전구체 재료들을 제공하는 단계,
B) 슬러리(slurry)가 획득되도록 하나 이상의 전구체 재료들을 바인더(binder) 및 용매와 혼합하는 단계,
C) 단계 B)의 슬러리로부터 그린 바디(green body)를 형성하는 단계,
F) 전환 엘리먼트를 획득하기 위해 그린 바디를 소결하는 단계를 포함하고, 소결하는 단계는 1720 ℃ 초과의 온도에서 수행되는, 전환 엘리먼트를 제조하는 프로세스에 관한 것이다.
전환 엘리먼트라는 용어는, 제1 파장을 갖는 전자기 방사(1차 방사)를 제2 파장을 갖는 전자기 방사(2차 방사)로 변환할 수 있는 엘리먼트로 이해될 것이고, 제2 파장은 제1 파장보다 길다. 예를 들어, 1차 방사는 UV 광 또는 청색 광일 수 있고, 2차 방사는 녹색 또는 적색 광과 같은 더 긴 파장을 갖는 가시 광일 수 있다. 예를 들어, 전환 엘리먼트는 세라믹 플레이틀릿(platelet)과 같은 세라믹 전환 엘리먼트이다.
본 발명의 프로세스는 제1 위상 및 제2 위상을 포함하는 전환 엘리먼트의 형성을 도출한다. 제1 위상은 루테튬, 알루미늄, 산소 및 희토류 엘리먼트를 포함하는 한편, 제2 위상은 Al2O3 단결정들을 포함한다. 예를 들어, Al2O3 육각형 단결정들이 형성되고, 이는 마이크로플레이틀릿(microplatelet)들로서 형성될 수 있다.
예를 들어, 제1 위상은 바람직하게는 세륨과 같은 희토류 엘리먼트로 도핑된 LuAG(LuAG = Lu3Al5O12)를 포함한다. 그 경우 전환 엘리먼트는 제1 위상을 포함하고, 제1 위상은 Lu3Al5O12:Ce를 포함한다.
통상적인 제조 프로세스들과 반대로, 결과적 전환 엘리먼트는 오직 단일 위상(예를 들어, Lu3Al5O12:Ce의 단일 위상)을 포함하고, Al2O3 결정들을 포함하는 제2 위상은 본 발명의 제조 프로세스 동안 도입된다.
즉, 본 발명의 발명자들은, 1720 ℃ 초과의 소결 온도들이 Al2O3 단결정들의 형성을 도출함을 관찰하였다. 이러한 결정들은 단계 F)에서 수행되는 고온 소결 동안 전환 엘리먼트 내에서 유기적으로 성장하고 자체-내장된다.
이와 반대로, 표준 제조 프로세스들, 특히 Lu3Al5O12:Ce를 포함하는 전환 엘리먼트들의 형성에 이르는 특정 프로세스들은 더 낮은 소결 온도들에서 수행되고, 따라서 Al2O3을 포함하는 어떠한 제2 위상도 형성되지 않는다.
본 발명의 발명자들은, Al2O3 단결정들이, 이들의 높은 열 전도도로 인해, 획득된 전환 엘리먼트에서 열 소산을 용이하게 함을 관찰하였다. 이는 발광 디바이스에서 사용될 때 개선된 광학 성능을 도출한다. 전환 엘리먼트는 또한 더 높은 입사의 고에너지 광자 플럭스(flux)(예를 들어, UV 또는 청색 광자 플럭스)를 핸들링할 수 있다. 이는 특히, 높은 전력의 LED 애플리케이션들에서 이용될 때 또는 LASER 애플리케이션들의 경우에 유리하다.
Al2O3 단결정들은 단지, 프로세스 단계 F)에서 고온 소결 동안 1720 ℃ 초과의 온도의 사용으로 인해 달성된다. 즉, Al2O3 결정들의 제2 위상을 획득하기 위해 어떠한 추가적인 다결정 또는 단결정 Al2O3 분말도 추가될 필요가 없고, Al2O3 단결정들의 내장은 단지 온도 제어로 인해 발생한다.
전환 엘리먼트의 Al2O3 결정 함량을 추가로 증가시키기 위해 본 발명의 프로세스 과정에서 추가적인 단결정 또는 다결정 Al2O3을 추가하는 것이 가능하지만, Al2O3 단결정들을 포함하는 전환 엘리먼트의 제2 위상을 형성하기 위해 과도한 Al2O3 의 추가는 요구되지 않는다.
Al2O3 결정들을 포함하는 전환 엘리먼트들을 형성하는 다른 방법은, 1720 ℃ 이하의 온도들에서 수행되는 제조 프로세스 동안 다결정 또는 단결정 Al2O3을 의도적으로 도입시키는 것이다. 그 경우, 도입된 Al2O3을 형성하기 위해 매트릭스 위상이 형성될 수 있다. 따라서, Lu3Al5O12:Ce 위상 및 Al2O3의 매트릭스 위상을 포함하는 전환 엘리먼트가 획득될 수 있다. 그러나, 각각의 프로세스 동안 형성된 Al2O3의 매트릭스 위상은 매우 다결정이다. 다결정 Al2O3은 입자 경계들을 포함하고, 이는 열 전도도를 감소시키고 따라서 열 소산을 방해한다. 또한, 이러한 프로세스에서, 추가된 Al2O3 분말의 입자들의 크기는 형성되는 임의의 알루미나 마이크로결정들의 궁극적 크기에 대한 제한 팩터일 수 있다. 각각의 프로세스들의 결과를 개선하기 위해, 시작 재료로서 사용되는 Al2O3 분말의 광범위한 엔지니어링 및 처리가 요구된다.
각각의 프로세스들과는 반대로, 단결정 Al2O3이 1720 ℃ 초과의 온도들의 소결 동안 유기적으로 성장되는 본 발명의 프로세스는 Al2O3을 추가하는 추가 프로세스 단계들을 요구하지 않는다. 또한, 본 발명의 프로세스는, 전술된 프로세스들에서 Al2O3의 사전 처리를 위해 요구되는 광범위한 엔지니어링 및 처리를 요구하지 않는다. 따라서, 본 발명의 프로세스는 비용 효율적이고 특히 추가적인 엔지니어링 단계들을 요구하지 않는다.
또한, 결과적 전환 엘리먼트는 유기적으로 성장되고 자체-내장된 단결정 Al2O3을 포함하고, 단결정 Al2O3은 다결정 Al2O3에 비해 더 양호한 열 전도도들을 갖는다.
본 발명의 프로세스의 추가적 실시예들이 다음에 논의된다.
전환 엘리먼트를 제조하는 적어도 하나의 실시예에 따르면, 단계 F)는 1720 ℃ 초과, 바람직하게는 1730 ℃ 초과, 예를 들어, 1740 ℃ 초과의 소결 온도에서 수행된다. 앞서 논의된 바와 같이, 소결이 1720 ℃ 이하의 온도들에서 수행되면, 어떠한 검출가능한 양의 Al2O3 단결정들도 형성되지 않는다. Al2O3 단결정들의 형성은 1720 ℃ 초과의 온도들에서 관찰될 수 있다. 온도가 높을수록 단결정들의 크기는 더 크고 결과적 전환 엘리먼트의 열 전도도는 더 양호하다.
전환 엘리먼트를 제조하는 적어도 하나의 실시예에 따르면, 단계 F)는 1800 ℃ 미만, 바람직하게는 1790 ℃ 미만, 더 바람직하게는 1780 ℃ 미만, 예를 들어, 1770 ℃ 미만 또는 심지어 1760 ℃ 미만의 소결 온도에서 수행된다. 소결 온도가 매우 높으면, 단결정들은 매우 커진다. 일부 포인트에서 다수의 단결정들이 함께 성장한다. 이는 전환 엘리먼트에서 제어되지 않는 클러스터 형성 및 형성된 Al2O3 결정들의 불량한 분포를 초래할 수 있다. 이 경우, 다결정 Al2O3이 형성될 수 있고 열 소산의 효과는 감소할 수 있다.
전환 엘리먼트를 제조하는 본 발명의 프로세스의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 단계 F)는 1720 ℃ 초과 및 1780 ℃ 미만, 예를 들어, 1730 ℃ 초과 및 1770℃ 미만, 이를테면, 예를 들어, 1740℃ 내지 1760 ℃, 예를 들어, 1750 ℃의 소결 온도에서 수행된다.
당업자는 일부 경우들에서의 온도 범위들이 노(furnace) 세팅들에 의해 영향받을 수 있음을 이해한다. 따라서 온도들은 다른 노 세팅들에 대해 약간 상이할 수 있지만, 결과는 동일하게 유지된다.
소결이 이러한 범위 내에서 수행되면, 열 전도도를 개선하기에 충분한 크기를 갖고, 이와 동시에 전환 엘리먼트에서 잘 정의되고 잘 내장되는 Al2O3 단결정들이 형성된다. 따라서, 원하지 않는 제어되지 않는 다수의 클러스터 형성이 완화 또는 회피될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 단계 F)는 감소하는 대기에서 수행된다. 예를 들어, 소결은 H2의 존재 시에 수행된다. 소결은 가스 대기(즉, N2 및 H2를 포함하는 대기)를 형성할 때 습식 H2 대기에서, 또는 Ar 및 H2를 포함하는 대기에서 수행될 수 있다. 단계 F) 동안 희토류 엘리먼트를 포함하는 전구체 재료들의 감소가 발생할 수 있다. 예를 들어, Ce4+는 Ce3+로 감소되고 따라서 활성화된다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 단계 F)는 플럭스 또는 소결 보조제의 존재 시에 수행된다. 예를 들어, 플럭스는 바륨 알루미네이트이다. 당업자는 소결 보조제들이 소결 온도에 영향을 미칠 수 있음을 안다. 상이한 소결 보조제들은 상이한 소결 온도들을 도출하는 한편 여전히 동일한 결과를 도출할 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 단계 A)는 루테튬을 포함하는 제1 전구체 재료를 제공하는 단계, 알루미늄을 포함하는 제2 전구체 재료를 제공하는 단계, 및 희토류 엘리먼트, 이를테면 세륨을 포함하는 제3 전구체 재료를 제공하는 단계를 포함한다. 제1, 제2 및 제3 전구체 재료들은 바람직하게는 산화물들 및/또는 질산염들로부터 선택된다.
대안적으로, 단계 A)는 오직 하나의 전구체 재료를 제공하는 단계를 포함하고, 하나의 전구체 재료는 루테튬, 알루미늄 및 희토류 엘리먼트, 이를테면 세륨을 포함한다. 예를 들어, 오직 하나의 전구체 재료는 Lu3Al5O12:Ce일 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 단계 A)는 루테튬을 포함하는 제1 전구체 재료, 알루미늄을 포함하는 제2 전구체 재료, 및 희토류 엘리먼트를 포함하는 제3 전구체 재료를 제공하는 단계를 포함하고, 제1 전구체 재료는 Lu2O3이고, 제2 전구체 재료는 Al2O3이고, 제3 전구체 재료는 CeO2이다.
이러한 재료들은, Lu3Al5O12:Ce을 포함하는 제1 위상 및 Al2O3 단결정들을 포함하는 제2 위상을 포함하는 전환 엘리먼트를 형성하기 위해 적합하고 쉽게 이용가능한 시작 재료들이다.
프로세스의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 단계 A)의 하나 이상의 전구체 재료들은 분말들이다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 단계 A)의 하나 이상의 전구체 재료들은 Lu3Al5O12:Ce의 화학량적(stoichiometric) 비에서 제공된다.
세륨의 함량은 0 내지 4 at.%, 특히 0.01 내지 4 at.%, 바람직하게는 0.1 내지 2 at.%일 수 있다. 예를 들어, 세륨의 함량은 0.3 내지 0.7 at.%, 이를테면 0.5 at.%이거나 또는 세륨의 함량은 1.5 내지 1.9 at.%, 이를테면 1.75 at.%이다. 세륨의 함량은 요구되는 대로, 전환 엘리먼트의 두께로 적응될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 단계 A)의 하나 이상의 전구체 재료들은 Lu3Al5O12:Ce의 화학량적 비에서 제공되고, 또한 소결 보조제들이 추가된다.
본 발명의 프로세스의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 단계 B)에서의 혼합은 볼 밀링(ball milling)을 통해 수행된다. 볼 밀링은 바인더 및 용매와 함께 하나 이상의 전구체 재료들의 혼합 및 균질화를 도출한다. 볼 밀링은 제어된 롤링 속도로 수행될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면 볼 밀링은 2 시간 내지 4일 범위의 시간 기간 동안 수행된다.
시간 기간이 더 길수록 결과적 슬러리를 더 미세하여, 즉, 결과적 슬러리는 오직 매우 미세한 입자 크기의 재료들만을 포함한다.
본 발명의 프로세스의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 단계 B)의 용매는 수용액, 이를테면 물, 또는 비-수용액, 이를테면 헥산, 아세톤 또는 메탄올이다. 수용액들, 이를테면 물이 특히 적합한데, 이는, 이들이 환경적으로 유리하고, LuAG에 부정적인 영향을 미치지 않고, 다양한 타입들의 바인더들과 조합되어 사용될 수 있기 때문이다.
본 발명의 프로세스의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 프로세스 단계 B)의 바인더는 PVDF(polyvinylidene fluoride) 또는 PVA(polyvinylalcohol)에 기반하거나 이를 포함하는 바인더이다. 이러한 바인더들은 그린 바디들의 형성을 용이하게 하기에 적합하다.
전환 엘리먼트를 제조하는 프로세스의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 단계 C)의 그린 바디는 그린 테이프(tape)이고, 그린 테이프는 테이프 캐스팅(casting)을 통해 단계 B)의 슬러리로부터 단계 C)에서 형성된다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 그린 바디는 그린 테이프로부터 형성되고, 그린 테이프는 테이프 캐스팅을 통해 단계 B)의 슬러리로부터 단계 C)에서 형성된다. 또한, 그린 바디는 그린 테이프 또는 그린 테이프의 부분들을 포함하고, 이는 테이프 캐스팅을 통해 단계 B)의 슬러리로부터 단계 C)에서 형성되는 것이 가능하다. 예를 들어, 그린 바디는 그린 테이프들로 형성된 라미네이트 또는 그린 테이프의 부분들로 형성된 라미네이트일 수 있다. 그 경우, 그린 바디는 그린 테이프 라미네이트, 이를테면, 테이프 캐스팅을 통해 단계 B)의 슬러리로부터 단계 C)에서 형성된 적어도 하나의 그린 테이프 또는 적어도 하나의 그린 테이프의 부분들을 포함하는 그린 테이프 라미네이트로 지칭될 수 있다.
테이프 캐스팅은 슬러리로부터 얇은 세라믹 테이프들의 제조에서 사용되는 캐스팅 프로세스로서 이해될 것이다. 슬러리는 얇은 층으로 평탄한 표면 상으로 캐스팅된다. 이러한 방식으로, 그린 테이프가 형성된다.
전환 엘리먼트를 제조하는 프로세스의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 슬러리는 폴리머 필름의 표면 상으로 캐스팅된다.
프로세스의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 폴리머 필름은 PET(polyethylene-terephthalate)로 구성되거나 이를 포함한다. 폴리머 필름들, 이를테면 PET에 기초한 폴리머 필름들은 매우 가요성이다. 이들은 결과적 그린 테이프로부터 쉽게 제거될 수 있는데, 즉, 디라미네이션(delamination)이 쉽게 수행될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 결과적 그린 테이프는 소결 시에 Lu3Al5O12:Ce에 반응하도록 적응된 그린 테이프이다.
전환 엘리먼트를 제조하는 프로세스의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 형성된 그린 테이프의 두께는 20 μm 내지 60 μm, 예를 들어, 30 μm 내지 50 μm, 이를테면 40 μm이다.
프로세스의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 단계 C1)은 단계 C) 이후에 발생한다. 단계 C1)은 그린 바디의 건조를 포함한다. 예를 들어, 그린 바디는 그린 테이프이고, 이는 건조된다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 단계 C2)는 단계 C) 이후, 예를 들어, 단계 C1) 이후에 발생한다. 단계 C2)는 디라미네이션 단계이고, 그린 테이프는 폴리머 필름으로부터 분리된다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 단계 C3)는 단계 C) 이후, 예를 들어, 단계 C2) 이후에 발생한다. 단계 C3)은 그린 바디를 부분들로 분할하는 단계를 포함한다. 그린 바디를 부분들로 분할하는 단계는 커팅 또는 펀칭을 통해 수행될 수 있다. 예를 들어, 그린 바디는 그린 테이프이고, 이는 커팅 또는 펀칭을 통해 정의된 크기의 부분들로 분할된다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 그린 테이프의 부분들은 약 2 내지 4 평방 인치(즉, 약 12.9 내지 25.8 평방 센티미터)의 표면적을 갖는다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 상기 부분들은 20 μm 내지 60 μm, 예를 들어, 30 μm 내지 50 μm, 이를테면 40 μm의 두께를 갖는다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 단계 C4)는 단계 C3) 이후에 발생한다. 단계 C4)는 예를 들어, 단계 C3)에서 획득된 그린 테이프들의 몇몇 부분들을 서로의 최상부 상에서 라미네이팅하는 단계를 포함한다. 이러한 방식으로, 그린 테이프 라미네이트가 형성된다.
단계 C4)에서, 그린 테이프의 2 내지 12개의 부분들, 바람직하게는 그린 테이프의 4 내지 8개의 부분들, 예를 들어, 그린 테이프의 6개의 부분들이 서로의 최상부 상에 배열된다.
이러한 상황에서, 그린 테이프 라미네이트를 형성하기 위해 압력이 이용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 경우, 그린 바디라는 용어는 테이프 캐스팅 동안 형성된 그린 테이프로서 이해될 수 있다.
또한, 그린 바디라는 용어는 또한 서로의 최상부 상에 배열된 몇몇 그린 테이프들 또는 그린 테이프의 부분들로 구성되거나 이를 포함하는 그린 테이프 라미네이트로서 이해될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 이렇게 획득된 그린 바디(바람직하게는 그린 테이프 라미네이트임)는 50 내지 500 μm(라미네이션 이후), 바람직하게는 230 내지 260 μm, 예를 들어, 약 240 μm(= 6 x 40 μm)의 두께를 갖는다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 단계 C5)는 단계 C4) 이후에 수행된다. 단계 C5)는 그린 바디를, 예를 들어, 커팅 또는 펀칭을 통해 플레이틀릿의 형상이 되게 하는 단계를 포함한다. 적어도 하나의 실시예에 따르면, 플레이틀릿들은 약 2 평방 밀리미터의 표면적을 갖는다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 본 발명의 프로세스는 단계 F) 이전에 수행되는, 그린 바디의 표면을 구조화하는 단계 D)를 포함한다.
예를 들어, 그린 바디는 그린 테이프 라미네이트이고 상기 그린 테이프 라미네이트의 표면이 구조화되거나 또는 그린 바디는 그린 테이프이고 상기 그린 테이프의 표면이 구조화된다.
소결 이전에 표면을 구조화하는 것은 전환 엘리먼트의 표면에서 비교적 균등하게 분포되는 Al2O3 결정들의 형성을 도출한다. 즉, 표면 구조화는 전환 엘리먼트의 표면에서 Al2O3 단결정들의 분포를 상당히 개선한다. 이는 표면 구조화로 인해 표면적의 증가에 적어도 부분적으로 기여할 수 있다.
전환 엘리먼트의 구조화된 표면에 형성되는 Al2O3 단결정들은 적어도 부분적으로 상기 표면 구조로부터 돌출된다. 발명자들은, Al2O3 단결정들이 상이한 굴절률을 갖는 추가적인 비흡수 투명 산란기들로서 기능하는 것을 이해하였다. 따라서, 개선된 광 산란 속성들을 갖는 전환 엘리먼트가 획득되어, 표면 구조화의 결과로서 효율적인 광자 재활용 및 광 추출을 가능하게 한다. Al2O3 단결정들과 조합된 표면 구조화는, 전환 엘리먼트의 바디에서 청색 광자들의 더 많은 흡수를 가능하게 하여, 각각의 전환 엘리먼트들을 포함하는 발광 디바이스들의 더 높은 루멘(lumen) 출력을 도출한다.
본 발명의 프로세스의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 그린 바디의 표면을 구조화하는 것은 LASER 구조화, 예를 들어, LASER 에칭을 통해 수행된다. 이러한 방식으로, 기술적 노력이 거의 없이 잘 정의된 표면 구조가 획득될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 표면 구조화는 정의된 깊이의 표면 구조의 형성을 포함하고, 깊이는, 5 내지 50 μm, 예를 들어, 10 내지 40 μm, 이를테면 10 내지 30 μm 또는 10 내지 20 μm일 수 있다. 예를 들어, 표면 구조는 10 내지 40 μm 또는 10 내지 30 μm 또는 10 내지 20 μm의 깊이를 갖는 오목부들을 포함한다. 오목부들은 홈들과 같은 선형 오목부들일 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 표면 구조화는 표면 패턴, 예를 들어, 규칙적 표면 패턴의 형성을 포함한다.
프로세스의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 표면 구조화는 정의된 깊이를 갖는 홈들의 형성을 포함한다. 홈은 선형 형상을 갖는 오목부로서 이해될 것이다.
홈들은 특히, 잘 정의된 표면 구조를 획득하고, 결과적 전환 엘리먼트의 표면에서 Al2O3 단결정들의 분포를 용이하게 하기에 적합하다. 예를 들어, 표면 구조화는 다수의 홈들의 형성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다수의 평행한 등거리 홈들이 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 표면 구조화는 체크된 표면 패턴의 형성을 포함할 수 있다. 체크된 표면 패턴은 다수의 평행한 홈들에 의해 형성된다. 예를 들어, 체크된 표면 패턴은 다수의 평행한 홈들에 의해 형성되고, 평행한 홈들의 제1 그룹은 예를 들어, 90° 각도로 평행한 홈들의 제2 그룹과 교차한다.
체크된 표면 패턴은 전환 엘리먼트의 표면에서 Al2O3 단결정들의 탁월한 분포를 획득하기에 적합하다.
본 발명의 프로세스의 추가적인 개발에 따르면, 홈들의 평균 깊이는 5 μm 내지 50 μm, 바람직하게는 10 μm 내지 40 μm이다.
깊이들이 너무 작으면, Al2O3 단결정들의 분포 효과는 덜 균등하게 된다. 이 경우, 개선된 산란의 효과는 덜 탁월하다. 깊이가 너무 크면, 결과적 전환 엘리먼트의 안정성은 감소할 것이다. 즉, 결과적 전환 엘리먼트는 더 쉽게 손상될 수 있다.
본 발명의 발명자들은, 1720 ℃ 초과 및 1780 ℃ 미만의 단계 F)의 소결 온도와 조합하여 10 내지 40 μm의 깊이가 바람직한 것을 관찰하였다. 또한, 탁월한 분포를 갖는 Al2O3 단결정들을 달성하고 높은 효율을 갖는 전환 엘리먼트들을 달성하기 위해 10 내지 30 μm의 깊이가 특히 주어진 온도 범위에 대해 바람직하다. 또한, 탁월한 분포, 효율 및 안정성 둘 모두를 달성하기 위해 10 내지 20 μm의 깊이가 더 바람직하다. 깊이가 너무 크면, 전환 엘리먼트의 안정성은 감소할 수 있다.
추가적 실시예에 따르면, 표면 구조화는 1770 ℃ 내지 1790 ℃, 이를테면, 1775 ℃ 내지 1785 ℃, 예를 들어, 1780 ℃의 단계 F)의 소결 온도와 조합하여, 5 내지 20 μm, 예를 들어, 5 내지 15 μm, 이를테면 10 μm의 깊이를 갖는 오목부 및/또는 홈들의 형성을 포함한다. 이러한 특정 조합은 예측되지 않은 높은 광학 성능을 도출한다(도 6 참조). 즉, 매우 높은 전환 양자 효율이 달성된다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 표면 구조는 홈들을 갖고, 홈들은 25 μm 내지 50 μm, 예를 들어, 25 μm 내지 40 μm, 이를테면 30 μm의 평균 피치 크기를 갖는다. 이러한 경우 용어 피치는 전환 엘리먼트의 표면에 대한 2개의 인접 홈들의 최저 포인트들 사이의 거리인, 2개의 홈들의 거리를 지칭한다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 표면 구조화는 표면 구조의 형성을 포함할 수 있고, 표면 구조는 높이, 즉, 깊이, 및 피치 크기로 특성화된다. 예를 들어, 용어 깊이는 오목부 또는 홈의 깊이로서 이해될 것이다. 용어 피치 크기는, 예를 들어, 2개의 오목부들 또는 홈들 사이의 거리를 지칭한다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 표면 구조화는 표면 구조를 형성하는 것을 포함하고, 이는, 2 내지 0.1의 범위, 바람직하게는 0.7 내지 0.3의 범위, 이를테면 0.5의 깊이 대 피치 크기 비를 갖는다. 이는, 예를 들어, 깊이가 15 μm이고 피치 크기가 30 μm인 경우이다.
전환 엘리먼트를 제조하는 프로세스의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 프로세스는 그린 바디를 하소(calcinating)하는 단계 E)를 더 포함한다. 예를 들어, 그린 테이프의 하소 및/또는 그린 테이프 라미네이트가 수행된다. 단계 E)는 단계 C) 이후 및 단계 F) 이전에 수행된다.
프로세스의 추가적인 개발에 따르면, 단계 E)의 하소는 700 ℃ 내지 1200 ℃, 이를테면 1000 ℃ 내지 1200 ℃의 온도에서 수행된다. 하소는 적어도 10분 및 최대 12시간 동안, 예를 들어, 적어도 15분 및 최대 2시간 동안 수행될 수 있다. 예를 들어, 하소는 30분 동안 1150 ℃에서 수행될 수 있다.
추가적인 실시예에 따르면, 단계 E)는 대기를 포함하는 산소에서, 바람직하게는 공기중에서 수행된다.
단계 E) 동안 바인더 및 용매의 나머지들은 그린 바디로부터 제거된다.
전환 엘리먼트를 제조하는 프로세스의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 프로세스는 소결된 바디를 어닐링하는 단계 G)를 더 포함한다. 예를 들어, 소결된 펀치 플레이틀릿들의 어닐링이 수행된다. 단계 G)는 단계 F) 이후에 수행된다.
단계 G)는 소결 단계 F) 동안 형성되었을 수 있는 결함들을 감소시키도록 허용한다. 특히 단계 G)는 전환 엘리먼트 내의 Ce3+의 함량을 증가시키도록 허용한다. 이러한 방식으로, 전환 엘리먼트의 속성들은 추가로 개선될 수 있다. 즉, 개선된 밝기 및/또는 더 균일한 밝기가 달성될 수 있다.
프로세스의 추가적인 개발에 따르면, 단계 G)의 어닐링은 700 ℃ 내지 1200 ℃, 이를테면 1000 ℃ 내지 1200 ℃의 온도에서 수행된다. 어닐링은 적어도 10분 및 최대 12시간 동안, 예를 들어, 적어도 15분 및 최대 2시간 동안 수행될 수 있다. 예를 들어, 어닐링은 60분 동안 1050 ℃에서 수행될 수 있다.
추가적인 실시예에 따르면, 단계 G)는 제어된 가스 대기, 바람직하게는 산소와 함께 질소 또는 아르곤을 갖는 형성 가스에서 수행된다.
전환 엘리먼트를 제조하는 프로세스의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 단계 A) 동안 또는 그 이후, 하나 이상의 전구체 재료들을 제외하고 알루미늄을 포함하는 어떠한 추가 재료도 추가되지 않는다. 특히, 어떠한 추가적인 단일 또는 다결정 Al2O3이 추가된다. 구체적으로, LuAG의 형성에 요구되는 화학량적 양을 넘어서는 어떠한 Al2O3도 추가되지 않는다.
앞서 설명된 바와 같이, 본 발명의 프로세스 동안 단결정 Al2O3의 형성은, LuAG의 형성에 요구되는 화학량적 양을 초과하는 Al2O3의 추가를 요구하지 않는다.
다른 실시예에 따르면, 다결정 또는 단결정 Al2O3은 프로세스 단계 A) 및/또는 프로세스 단계 B) 동안 추가되고, 이는 LuAG 형성에 요구되는 Al2O3의 화학량적 양을 초과한다. 이러한 방식으로, 전환 엘리먼트가 달성될 수 있고, 이는 다결정 및 단결정 Al2O3 둘 모두를 포함하고, 단결정 Al2O3의 적어도 일부는 1720 ℃ 초과의 온도에서의 소결로 인해 형성된다. 추가적 Al2O3의 추가에 의해, 열 전도도 및 열 소산은 추가로 개선되고 조정될 수 있다. 또한, 추가적인 Al2O3은 전환 엘리먼트 내에 내장될 수 있고, 육각형 마이크로플레이틀릿들을 형성할 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 사파이어의 마이크로결정 분말은 프로세스 단계 A) 및/또는 프로세스 단계 B) 동안 추가된다. 사파이어는 전환 엘리먼트 내에 내장될 수 있고, 육각형 마이크로플레이틀릿들을 형성할 수 있다.
본 발명은 추가로, 제1 위상 및 제2 위상을 포함하고, 제1 위상은 루테튬, 알루미늄, 산소 및 희토류 엘리먼트를 포함하고, 제2 위상은 Al2O3 단결정들을 포함하는 전환 엘리먼트에 관한 것이다.
본 발명의 전환 엘리먼트는 본 명세서에 설명된 바와 같은 전환 엘리먼트를 제조하는 프로세스에 의해 생성될 수 있다. 따라서, 전환 엘리먼트를 제조하는 프로세스와 관련하여 설명된 특징들은 전환 엘리먼트에 또한 사용될 수 있고, 그 반대도 마찬가지이다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 제2 위상은 전환 엘리먼트 내에 내장된다. 이는 특히 전환 엘리먼트 전반에 걸쳐 분포된다. 이는, 예를 들어, 제1 위상 내에 내장되고, 이는 전환 엘리먼트의 메인 위상이다.
본 발명의 발명자들은, Al2O3 단결정들로 이루어지거나 이를 포함하는 제2 위상을 갖는 전환 엘리먼트들이 전환 엘리먼트의 개선된 열 전도도를 도출함을 관찰하였다. 이에 기초하여 전환 엘리먼트 및 전환 엘리먼트를 포함하는 발광 디바이스 내의 개선된 열 소산이 달성될 수 있고, 이는 개선된 광학 성능을 도출한다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 전환 엘리먼트는 세라믹 전환 엘리먼트이다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 전환 엘리먼트는 플레이틀릿이다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 전환 엘리먼트는 세라믹 루미네슨트(luminescent) 전환 엘리먼트이다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 제1 위상은 루미네슨트 재료로서 Lu3Al5O12:Ce를 포함한다. 제1 위상이 Lu3Al5O12:Ce를 포함하지만, Al과 같은 일부 엘리먼트들에 대해 감소된 함량을 갖는 것이 추가로 가능하다.
전환 엘리먼트의 적어도 하나의 실시예에 따르면, Al2O3 단결정들은 유기적으로 성장된, 자체-내장된 단결정들이다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, Al2O3 단결정들은 전환 엘리먼트 전반에 걸쳐 균등하게 분포된다. 예를 들어, 이들은 제1 위상에 균등하게 분포된다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, Al2O3 단결정들 중 적어도 일부는 전환 엘리먼트의 표면으로부터 돌출된다. 각각의 결정들은 광 산란 및 개선된 광 추출을 위해 사용될 수 있다.
전환 엘리먼트의 적어도 하나의 실시예에 따르면, Al2O3 결정들은 육각형 단결정들이다. 예를 들어, Al2O3 결정들은 육각형 마이크로플레이틀릿들의 형상을 갖는다.
전환 엘리먼트의 적어도 하나의 실시예에 따르면, Al2O3 단결정들은 0.5 μm 내지 15 μm, 이를테면 1 μm 내지 10 μm, 바람직하게는, 2 μm 내지 8 μm, 더 바람직하게는 3 μm 내지 5 μm의 평균 결정 크기를 갖는다.
육각형 표면적을 갖는 육각형 마이크로플레이틀릿들인 결정들의 경우, 여기서 그리고 하기에서 결정 크기라는 용어는, 육각형 마이크로플레이틀릿들의 육각형 표면적과 동일한 표면적을 갖는 원의 직경으로서 이해될 수 있다.
본 발명의 발명자들은, 0.5 내지 15 μm, 예를 들어, 1 내지 10 μm, 특히 3 내지 5 μm의 범위인 Al2O3 단결정들을 포함하는 전환 엘리먼트들이 전환 엘리먼트 내에서 탁월한 열 전도도 및 결정들의 탁월한 분포를 나타냄을 관찰하였다. 결정 크기가 매우 작아지는 경우, 개선된 열 소산의 효과는 감소된다. 결정 크기가 너무 커지는 경우, 결정들의 클러스터들이 형성된다. 그 경우, 입자 경계들이 형성되고, 이는 열 전도도를 방해한다. 또한, 결정들의 전체 분포가 곤란할 수 있고, 제어되지 않은 클러스터 형성이 발생한다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 전환 엘리먼트는 표면 구조를 갖는 적어도 하나의 표면을 갖고, Al2O3 단결정들은 적어도 부분적으로 상기 표면 구조로부터 돌출된다.
본 발명의 발명자들은, Al2O3 단결정들이 상이한 굴절률을 갖는 비흡수 투명 산란기들로서 사용될 수 있음을 관찰하였다. 이러한 방식으로, 본 발명의 전환 엘리먼트를 활용하는 발광 디바이스의 성능이 개선될 수 있다.
표면 구조화는 증가된 표면적을 도출하고, 더 많은 단결정들이 이러한 증가된 표면적으로부터 돌출되고, 따라서, 개선된 광 산란 및 추출을 도출한다.
전환 엘리먼트의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 표면 구조는 정의된 크기를 갖는 홈들을 포함한다.
예를 들어, 표면 구조화는 다수의 평행한 등거리 홈들과 같은 다수의 홈들을 포함한다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 표면 구조는 체크된 표면 패턴을 포함한다. 체크된 표면 패턴은 다수의 홈들에 의해 형성된다.
본 발명의 프로세스의 추가적인 개발에 따르면, 홈들의 평균 깊이는 5 μm 내지 50 μm, 바람직하게는 10 μm 내지 40 μm, 예를 들어, 10 μm 또는 20 μm 또는 30 μm 내지 50 μm이다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 홈들은 25 내지 50 μm, 예를 들어, 25 내지 40 μm, 이를테면 30 μm의 평균 피치 크기를 갖는다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 표면 구조는 깊이 및 피치 크기를 갖고, 깊이 대 피치 크기의 비는 2 내지 0.1의 범위, 바람직하게는 0.7 내지 0.3, 이를테면 0.5의 범위이다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 전환 엘리먼트는 추가적인 다결정 Al2O3을 포함한다. 이러한 방식으로, 열 전도도는 추가로 조정될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 전환 엘리먼트는 본 발명의 프로세스로 제조된다.
본 발명은 추가로 본 발명에 따른 전환 엘리먼트를 포함하는 발광 디바이스에 관한 것이고, 발광 디바이스는 발광 디바이스의 동작 동안 1차 광을 방출하도록 적응된, 반도체 칩과 같은 1차 광원을 더 포함하고, 전환 엘리먼트는 1차 광원의 빔 경로에 배열되고, 전환 엘리먼트는 적어도 부분적으로 1차 방사를 2차 방사로 전환한다.
발광 디바이스는 본 발명의 전환 엘리먼트를 포함한다. 따라서, 본 발명의 전환 엘리먼트 또는 전환 엘리먼트를 제조하는 프로세스와 관련하여 설명된 특징들은 발광 디바이스에 또한 사용될 수 있고, 그 반대도 마찬가지이다.
본 발명의 발명자들은, 본 발명의 전환 엘리먼트에 의해 도입되는 개선된 열 전도도 및 열 소산으로 인해 각각의 발광 디바이스들이 개선된 광학 성능을 갖는 것을 관찰하였다.
본 발명의 발광 디바이스의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 디바이스는 LED들(light emitting diodes) 및 LASER들(light amplification by stimulated emission of radiation devices)로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
적어도 하나의 추가적 실시예에 따르면, LED는 고전력 LED이다.
LED들, 고전력 LED들 및 LASER들과 같은 발광 디바이스들은 종종 비효과적인 열 소산으로 인해 곤란하다. 표준 전환 엘리먼트들은 종종 낮은 열 전도도들로 곤란하고, 따라서 발광 디바이스들 내의 증가된 온도들을 도출하며, 이는 디바이스의 전반적 광학 성능의 감소를 도출할 수 있다.
그와 반대로, 본 발명은 효과적 열 소산으로 인해 개선된 광학 성능을 도출한다.
본원에 설명된 프로세스, 전환 엘리먼트 및 발광 디바이스는 예시적인 실시예들 및 연관된 도면들을 참조하여 아래에서 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시예들 및 참조 예들에 따른 전환 엘리먼트들의 표면 형태학을 예시하는 스캐닝 전자 현미경 이미지들을 도시한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 전환 엘리먼트의 다양한 배율에서 스캐닝 전자 현미경 이미지들을 도시한다.
도 3 및 도 4a 내지 도 4d는 전환 엘리먼트의 2차 위상의 조성을 결정하기 위한 EDX(energy dispersive X-ray) 분석의 결과를 예시하기 위한 엘리먼트 맵핑의 이미지들이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전환 엘리먼트의 조성의 EDX-데이터를 요약하는 표이다.
도 6은 소결 온도 및 표면 구조에 따라 전환 엘리먼트들에 대한 실험 데이터를 요약하는 광학 성능, 즉, [lm/W(lumen per Watt)] 단위의 CQE(conversion quantum efficiency) 대 컬러 좌표들의 플롯이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전환 엘리먼트를 포함하는 발광 디바이스를 예시한다.
도면들에서, 동일한 또는 유사한 엘리먼트들 또는 동일한 방식으로 동작하는 엘리먼트들에는 동일한 참조 부호들이 제공된다. 각각의 경우, 도면들은 개략도들이고 따라서 반드시 축척에 맞지는 않는다. 오히려, 상당히 작은 엘리먼트들, 및 특히 층 두께들은 명확화를 목적으로 과도하게 크게 예시될 수 있다.
도 1은 소결 이후 전환 엘리먼트들의 SEM(scanning electron microscopy) 이미지들을 도시한다. 전환 엘리먼트들은 플레이틀릿들의 형상을 갖는다. 도 1의 제1 행의 이미지들은 1720 ℃의 온도에서 소결된 참조 전환 엘리먼트들을 도시한다. 도 1의 제2 행의 이미지들은 1750 ℃의 온도에서 소결된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전환 엘리먼트들을 도시한다. 또한, 도 1의 제3 행의 이미지들은 1780 ℃에서 소결된 본 발명의 다른 실시예에 따른 전환 엘리먼트들을 도시한다. 처음 3개의 열들, 즉, 열 A, B 및 C의 이미지들은 표면 구조를 갖는 표면을 갖는 전환 엘리먼트들을 도시한다. 표면 구조는 정의된 깊이의 홈들을 포함한다. 그와 반대로, 열 D는 표면이 구조화되지 않은 전환 엘리먼트들을 도시한다. 표면 구조화는 LASER 에칭을 통해 수행되었다. 전환 엘리먼트들은 하기에 설명된 바와 같이 제조되었다:
모든 전환 엘리먼트들은 동일한 전구체 재료들, 즉, Lu2O3, Al2O3 및 CeO2로부터 제조되었고, 이들은 (0.5 at.%의 Ce-함량을 갖는) Lu3Al5O12:Ce를 제공하도록 화학량적 양으로 제공되었다. 전구체 재료들의 분말들은 적절한 비율로 PVA-계 바인더 및 물과 혼합되었고, 슬러리를 달성하도록 볼 밀링을 통해 며칠 동안 추가로 혼합 및 균질화되었다. 결과적 슬러리는 PET-필름 상에서 테이프 캐스팅되었다. 약 40 μm 두께의 그린 테이프가 획득되었고 건조되었다. 다음 단계에서, 그린 테이프는 PET-필름으로부터 디라미네이트되었고 미리 결정된 크기의 부분들(예를 들어, 약 2 내지 4 평방 인치의 크기 및 40 μm의 두께를 가짐)로 커팅되었다. 그 후, 이 부분들은 다중층 라미네이션을 겪는데, 즉, 이들은 서로의 최상부 상에 배열된다. 이러한 방식으로, 그린 테이프 라미네이트가 형성된다. 본 사례에서, 6개의 층들이 서로의 최상부 상에 배열되어, 약 240 μm의 두께의 그린 테이프 라미네이트가 획득되었다. 그 다음, 그린 테이프는 2 평방 밀리미터의 크기를 갖는 플레이틀릿들로 펀치되었고, 바인더들을 제거하기 위해 30분 동안 1150 ℃에서 하소되었다(calcined). 그 다음, 하소된 플레이틀릿들은 습식 H2 대기에서 2시간 동안 1720 ℃, 1750 ℃ 및 1780 ℃로 소결되었다. 소결 이후, 60분 동안 1050 ℃의 형성 가스 대기에서 어닐링 단계가 수행된다. 하소, 소결 및 어닐링 동안 플레이틀릿들의 두께는 약 240 μm에서 약 150 μm로 감소된다. 열들 A, B 및 C의 이미지들에 도시된 전환 엘리먼트들의 경우, 소결 전에 LASER 에칭을 통해 표면 구조화가 이용되었다. 10 μm, 20 μm, 30 μm 및 40 μm의 평균 깊이를 갖는 홈들을 포함하는 표면 구조들을 갖는 전환 엘리먼트들이 준비되었다. 열 A의 이미지들에서 다양한 전환 엘리먼트들에 대한 특성 표면 구조를 볼 수 있고, 이는 상당히 낮은 배율에서 전환 엘리먼트들을 나타낸다(표면 구조의 A 측면도는 열 B의 제1 이미지에 도시된다). 더 높은 배율의 이미지들은 열 C에 도시된다. 1720 ℃에서 소결이 수행된 참조 예의 이미지들은, Al2O3 단결정들의 제2 위상의 어떠한 시각적 형성도 관찰되지 않을 수 있음을 명백하게 나타낸다. 그와 반대로, 상당한 양의 Al2O3 단결정들이 1750 ℃에서 형성된다. 1780 ℃에서 훨씬 더 큰 Al2O3 단결정들이 형성된다. 1780 ℃만큼 높은 온도들에서, 단결정들은 클러스터들을 형성하는 경향이 있다. 이는 또한, 열 B의 마지막 도면에 의해 확인된다. 이 이미지에서, 몇몇 클러스터들이 관찰될 수 있다. 그와 반대로, 1750 ℃의 온도에서 어떠한 클러스터 형성도 관찰되지 않지만, 획득된 Al2O3 단결정들은 전환 엘리먼트 내에 그리고 전환 엘리먼트의 표면에 잘 분포된다(행 B의 중간의 이미지). 구조화된 표면을 갖는 전환 엘리먼트들(열들 A, B, C)과 어떠한 구조화된 표면도 갖지 않는 전환 엘리먼트들(열 D)과의 비교는, Al2O3 단결정들의 분포가 소결 전에 표면 구조화의 경우에 상당히 개선됨을 추가로 예시한다. 열 D는, 어떠한 표면 구조화도 없는 경우에도, 약 1750 ℃의 온도들에서 결정들의 최상의 분포가 획득되는 것을 추가로 나타낸다.
도 2a 내지 도 2d는 전환 엘리먼트의 스캐닝 전자 현미경 이미지들을 도시하고, 이는 평행 등거리 홈들을 갖는 표면 구조를 갖는다. 홈들은 체커된(checkered) 표면 구조가 획득되도록 서로 교차한다. 전환 엘리먼트는 1750 ℃의 온도에서 소결되었다. 도 2a 내지 도 2d의 모든 SEM 이미지들은 10 kV의 가속 전압에서 이루어진 BSD(backscatter electron detector)에 기록되었다. 도 2a는 2500배 확대로 기록되었고, 도 2b는 3900배 확대로 기록되었고, 도 2c는 4000배 배율로 기록되었고, 도 2d는 7800배 확대로 기록되었다. 더 낮은 배율을 갖는 SEM 이미지들로부터 볼 수 있는 바와 같이, Al2O3 단결정들의 탁월한 분포는 표면 구조화로 인해 획득된다. Al2O3 결정들은 어두운 결정들로서 쉽게 식별될 수 있다. 더 높은 배율을 갖는 SEM 이미지들은 Al2O3 단결정들이 육각형 마이크로플레이틀릿들의 형상을 갖는 것을 명확하게 나타낸다.
도 3 및 도 4a 내지 도 4d는 전환 엘리먼트의 2차 위상의 조성을 결정하기 위한 EDX(energy dispersive X-ray) 분석의 결과를 예시하기 위한 엘리먼트 맵핑의 이미지들이다. 즉, 도 4a와 동등한 도 3은 도 2d와 동일한 영역의 전환 엘리먼트를 예시한다. 도 3에서 특히 엘리먼트들 알루미늄(Al) 및 루테튬(Lu)이 예시된다. 도 4b 내지 도 4d의 엘리먼트들 산소(O), 알루미늄(Al) 및 루테튬(Lu)에 대한 전환 엘리먼트의 동일한 영역에 대해 개별적인 엘리먼트 맵핑이 예시된다. EDX-분석은, 본 발명의 프로세스로 제조된 전환 엘리먼트가 LuAG:Ce에 기초한 제1 위상 및 Al2O3 단결정들을 갖는 제2 위상을 포함하는 것을 예시한다. 즉, 어두운 제2 위상, 즉, 육각형 마이크로플레이틀릿들의 형상을 갖는 단결정들이 Al 및 O를 포함하지만 Lu를 포함하지 않고, 따라서 Al2O3 단결정들의 형성을 확인하는 것을 명백히 볼 수 있다. 그와 반대로, 제1 위상이 또한 Lu를 포함한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 본 발명의 프로세스로 제조된 전환 엘리먼트들 상에 획득된 일부 EDX-데이터를 요약한다.
도 6은 lm/W(lumen per Watt) 대 컬러 좌표들에서 측정된 전환 양자 효율인 광학 성능의 플롯이다. 1720 ℃, 1750 ℃ 및 1780 ℃의 소결 온도들에서 제조된 전환 엘리먼트들에 대한 측정들이 수행되었다. 측정들은, 표면 구조화 없이, 10 μm, 20 μm, 30 μm 및 40 μm의 깊이를 갖는 홈들을 포함하는 표면 구조를 갖는 전환 엘리먼트들에서 전환 엘리먼트들에 대해 수행되었다. 도 6의 플롯에 도시된 모든 데이터 포인트는 최소 5개의 측정들 및 최대 20개의 측정들에 기초한다. 플롯으로부터 명확히 볼 수 있는 바와 같이, 1720 ℃ 초과의 온도에서 소결된 전환 엘리먼트들에 대해, lm/W 단위의 양자 효율에서 상당한 개선이 관찰될 수 있다. 전환 양자 효율에 대한 최상의 결과는 10 μm의 홈 깊이와 조합된 1780 ℃의 소결 온도에서 획득되었다. 그러나, 일반적으로 효율 및 컬러 좌표들에 대한 최상의 전체 성능은 1750 ℃의 소결 온도들에 대해 획득되었다. 표면 구조를 갖는 전환 엘리먼트들은 표면 구조가 없는 전환 엘리먼트들에 비해 개선된 성능을 나타내었다. 10 내지 20 μm의 홈 깊이들은 결과적 전환 엘리먼트의 양호한 광학 성능 및 높은 안정성 둘 모두를 획득하도록 허용한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 발광 디바이스의 예시적인 실시예의 개략도이다. 예시된 발광 디바이스(1)는 기판(5), 반도체 칩(2), 본 발명에 따른 전환 엘리먼트(3), 전기 접촉부들(4),(6) 및 본딩 와이어들(7)을 갖는 LED이다. 반도체 칩(2)은 동작 동안 UV-광 및/또는 청색 광을 방출하도록 적응된다(1차 방사). 전환 엘리먼트는 반도체 칩의 빔 경로에 배열되고, 적어도 부분적으로, 반도체 칩으로부터 방출되는 1차 방사를 더 긴 파장을 갖는 2차 방사로 전환한다. 전환 엘리먼트는 적어도 하나의 구조화된 표면을 가질 수 있다.
본 특허 출원은 미국 특허 출원 16/101,270호의 우선권을 주장하며, 상기 출원의 개시 내용은 인용에 의해 본원에 통합된다.
예시적인 실시예들을 참조하여 이루어진 설명은 본 발명을 이러한 실시예들로 제한하지 않는다. 오히려, 본 발명은, 임의의 신규한 특징 및 특히 청구항들 내의 특징들의 임의의 조합을 포함하는 특징들의 임의의 조합이 청구항들 또는 예시적인 실시예들에 자체로 명시적으로 표시되지 않더라도, 이러한 특징 또는 이러한 조합을 포함한다.
참조부호들
1 발광 디바이스
2 반도체 칩
3 전환 엘리먼트
4,6 전기 접촉부들
5 기판
7 본딩 와이어

Claims (18)

  1. 전환 엘리먼트(3)를 제조하는 프로세스로서,
    A) 루테튬, 알루미늄 및 희토류 엘리먼트를 포함하는 하나 이상의 전구체 재료들을 제공하는 단계,
    B) 슬러리(slurry)가 획득되도록 상기 하나 이상의 전구체 재료들을 바인더(binder) 및 용매와 혼합하는 단계,
    C) 단계 B)의 상기 슬러리로부터 그린 바디(green body)를 형성하는 단계,
    F) 상기 전환 엘리먼트(3)를 획득하기 위해 상기 그린 바디를 소결하는 단계를 포함하고, 상기 소결하는 단계는 1720 ℃ 초과의 온도에서 수행되는, 프로세스.
  2. 제1 항에 있어서,
    소결하는 단계는 1720 ℃ 초과 및 1780 ℃ 미만의 온도에서 수행되는, 프로세스.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    단계 A)는 루테튬을 포함하는 제1 전구체 재료, 알루미늄을 포함하는 제2 전구체 재료, 및 희토류 엘리먼트를 포함하는 제3 전구체 재료를 제공하는 단계를 포함하는, 프로세스.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 전구체 재료는 Lu2O3이고, 상기 제2 전구체 재료는 Al2O3이고, 상기 제3 전구체 재료는 CeO2인, 프로세스.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 B)에서, 혼합하는 단계는 볼 밀링(ball milling)을 통해 수행되는, 프로세스.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 C)의 상기 그린 바디는 그린 테이프(tape)를 포함하고, 상기 그린 테이프는 테이프 캐스팅(casting)을 통해 단계 B)의 상기 슬러리로부터 단계 C)에서 형성되는, 프로세스.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 F) 이전에 상기 그린 바디의 표면을 구조화하는 단계를 더 포함하는, 프로세스.
  8. 제7 항에 있어서,
    구조화하는 단계는 정의된 깊이를 갖는 홈들의 형성을 포함하고, 상기 깊이는 10 μm 내지 40 μm인, 프로세스.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 A) 이후, 알루미늄을 포함하는 어떠한 추가 재료도 추가되지 않는, 프로세스.
  10. 제1 위상 및 제2 위상을 포함하는 전환 엘리먼트(3)로서,
    상기 제1 위상은 루테튬, 알루미늄, 산소 및 희토류 엘리먼트를 포함하고, 상기 제2 위상은 Al2O3 단결정들을 포함하는, 전환 엘리먼트(3).
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 위상은 Lu3Al5O12:Ce를 포함하는, 전환 엘리먼트(3).
  12. 제10 항 또는 제11 항에 있어서,
    상기 Al2O3 단결정들은 육각형 단결정들인, 전환 엘리먼트(3).
  13. 제10 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Al2O3 단결정들은 1 μm 내지 10 μm의 평균 결정 크기를 갖는, 전환 엘리먼트(3).
  14. 제10 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전환 엘리먼트(3)는 표면 구조를 갖고, 상기 Al2O3 단결정들은 적어도 부분적으로 상기 표면 구조로부터 돌출되는, 전환 엘리먼트(3).
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 표면 구조는 10 μm 내지 40 μm의 깊이를 갖는, 전환 엘리먼트(3).
  16. 제10 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 프로세스로 제조되는, 전환 엘리먼트(3).
  17. 제10 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 따른 전환 엘리먼트(3)를 포함하는 발광 디바이스(1)로서,
    상기 발광 디바이스(1)는 상기 발광 디바이스의 동작 동안 1차 광을 방출하도록 구성된 1차 광원을 더 포함하고,
    상기 전환 엘리먼트(3)는 상기 1차 광원의 빔 경로에 배열되고, 상기 전환 엘리먼트(3)는 적어도 부분적으로 1차 방사를 2차 방사로 전환하는, 발광 디바이스(1).
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 디바이스는 LED들(light emitting diodes) 및 LASER들(light amplification by stimulated emission of radiation devices)로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 발광 디바이스(1).
KR1020217005437A 2018-08-10 2019-08-01 전환 엘리먼트를 제조하는 프로세스, 전환 엘리먼트, 및 전환 엘리먼트를 포함하는 발광 디바이스 KR102591526B1 (ko)

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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11254865B2 (en) * 2018-08-10 2022-02-22 Osram Opto Semiconductors Gmbh Process of manufacturing a conversion element, conversion element and light emitting device comprising the conversion element
US10862008B2 (en) 2018-11-20 2020-12-08 Osram Opto Semiconductors Gmbh Ceramic conversion element, light-emitting device and method for producing a ceramic conversion element
US20200161506A1 (en) * 2018-11-21 2020-05-21 Osram Opto Semiconductors Gmbh Method for Producing a Ceramic Converter Element, Ceramic Converter Element, and Optoelectronic Component

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120018673A1 (en) * 2010-07-22 2012-01-26 Osram Opto Semiconductors Gmbh Garnet Material, Method for its Manufacturing and Radiation-Emitting Component Comprising the Garnet Material
US20150085497A1 (en) * 2013-09-26 2015-03-26 Osram Sylvania Inc. Wavelength converter and light-emitting device having same
US20150144978A1 (en) * 2013-11-22 2015-05-28 Nitto Denko Corporation Light Extraction Element

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000185407A (ja) * 1998-12-24 2000-07-04 Ricoh Co Ltd 流路−ノズル板の製造方法及び該流路−ノズル板を用いたインクジェットヘッド
FR2893610B1 (fr) 2005-11-23 2008-07-18 Saint Gobain Procede de structuration de surface d'un produit verrier, produit verrier a surface structuree et utilisations
WO2008096301A1 (en) 2007-02-07 2008-08-14 Philips Intellectual Property & Standards Gmbh Illumination system comprising composite monolithic ceramic luminescence converter
DE102007010719A1 (de) * 2007-03-06 2008-09-11 Merck Patent Gmbh Leuchtstoffe bestehend aus dotierten Granaten für pcLEDs
FR2918981B1 (fr) * 2007-07-20 2009-09-04 Saint Gobain Procede de texturation de surface d'un substrat a fonction verriere, produit verrier a surface texturee.
EP2856521B1 (en) * 2012-05-24 2020-12-09 Versitech Limited White nanoled without requiring color conversion
CN102690113A (zh) * 2012-06-06 2012-09-26 上海大学 镥铝石榴石透明闪烁陶瓷的低温真空烧结制备方法
DE102013100888A1 (de) * 2013-01-29 2014-07-31 Schott Ag Licht-Konzentrator oder -Verteiler
US11254865B2 (en) 2018-08-10 2022-02-22 Osram Opto Semiconductors Gmbh Process of manufacturing a conversion element, conversion element and light emitting device comprising the conversion element

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120018673A1 (en) * 2010-07-22 2012-01-26 Osram Opto Semiconductors Gmbh Garnet Material, Method for its Manufacturing and Radiation-Emitting Component Comprising the Garnet Material
KR20140003382A (ko) * 2010-07-22 2014-01-09 오스람 옵토 세미컨덕터스 게엠베하 가넷 물질, 그 제조방법 및 가넷 물질을 포함한 방사선 방출 컴포넌트
US20150085497A1 (en) * 2013-09-26 2015-03-26 Osram Sylvania Inc. Wavelength converter and light-emitting device having same
US20150144978A1 (en) * 2013-11-22 2015-05-28 Nitto Denko Corporation Light Extraction Element

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