KR20230015968A - 형광체횔, 조명계 및 프로젝터 - Google Patents

형광체횔, 조명계 및 프로젝터 Download PDF

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홍근영
강보경
백승미
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Abstract

형광체휠은 리세스를 포함하는 기판과, 리세스에 배치된 형광체층과, 기판을 둘러싸는 제1 반사층을 포함한다.
이에 따라, 열 방출 효율이 향상되고, 형광체층의 변색이나 크랙과 같은 불량이 방지될 수 있다.

Description

형광체휠, 조명계 및 프로젝터
실시예는 형광체휠, 조명계 및 프로젝터에 관한 것이다.
영상을 스크린 등에 투영하는 프로젝터는 회의실이나 교실, 홈씨어터, 극장 등과 같이 다양한 상황에 사용되고 있다.
이러한 프로젝터의 조명계의 광원으로 반도체 발광 소자가 사용되고 있다.
광원에서 생성된 제1 광이 형광체휠에 구비된 형광체층에 조사되어, 광의 파장과 상이한 파장의 제2 광이 생성되며, 제1 광과 제2 광이 영상을 구현하는데 사용된다.
고출력의 광원이 형광체층에 조사되는 경우, 고출력의 광원에 의해 형광체층에 열이 발생된다. 이러한 열에 의해 형광체층이 변색되거나 크랙이 발생되는 등과 같은 불량이 발생된다.
아울러, 형광체층에서 발생된 열에 의해 형광체층에서 생성된 광의 밝기 성능이 저하되는 문제가 있다.
실시예는 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
실시예의 다른 목적은 열을 용이하게 방출할 수 있는 형광체휠, 조명계 및 프로젝터를 제공한다.
실시예의 또 다른 목적은 형광체층의 변색이나 크랙과 같은 불량을 방지할 수 있는 형광체횔, 조명계 및 프로젝터를 제공한다.
실시예의 또 다른 목적은 밝기 성능의 저하를 방지할 수 있는 형광체휠, 조명계 및 프로젝터를 제공한다.
실시예의 또 다른 목적은 고 신뢰성과 장수명을 확보할 수 있는 형광체휠, 조명계 및 프로젝터를 제공한다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 실시예의 일 측면에 따르면, 형광체휠은, 리세스를 포함하는 기판; 상기 리세스에 배치된 형광체층; 및 상기 기판을 둘러싸는 제1 반사층을 포함한다.
실시예의 다른 측면에 따르면, 조명계는, 제1 파장 대역의 레이저 광을 생성하는 광원; 및 회전이 가능하고, 상기 제1 파장 대역의 레이저 광을 받아 적어도 하나 이상의 파장 대역의 광을 출사하는 형광체휠을 포함하고, 상기 형광체휠은, 리세스를 포함하는 기판; 상기 리세스에 배치된 형광체층; 및 상기 기판을 둘러싸는 제1 반사층을 포함한다.
실시예의 또 다른 측면에 따르면, 프로젝터는 상기 조명계를 포함한다.
실시예에 따른 형광체횔, 조명계 및 프로젝터의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 제1 반사층이 기판을 감싸줌으로써, 형광체 물질을 경화하여 형광체층을 형성할 때 발생되는 고온의 열에 의해 기판의 표면이 산화되어 밝기 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 기판을 열 전도도가 우수한 재질로 형성하여, 형광체층에서 발생된 열이 기판을 통해 외부로 용이하게 방출할 수 있다는 장점이 있다.
실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 리세스 내에 배치된 제2 반사층에 의해 형광체층에서 여기된 광의 반사율이 높아져 광 효율이 향상될 수 있다는 장점이 있다.
실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 기판 아래에 열 방사층이 배치되어, 기판으로 전달된 열이 보다 효율적으로 외부로 방출될 수 있다는 장점이 있다.
실시예의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 실시예의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 바람직한 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 실시예에 따른 형광체휠을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A'라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 실시예에 따른 형광체휠을 도시한 평면도이다.
도 4는 실시예에 따른 형광체휠을 도시한 배면도이다.
도 5는 형광체층에서 생성된 열의 진행 경로를 도시한다.
도 6은 형광체휠에 모터가 설치된 모습을 도시한다.
도 7a는 실시예에 따른 형광체휠에 구비된 형광체층의 제1 예시도이다.
도 7b는 실시예에 따른 형광체휠에 구비된 형광체층의 제2 예시도이다.
도 7c는 실시예에 따른 형광체휠에 구비된 형광체층의 제3 예시도이다.
도 8 내지 도 12는 실시예에 따른 형광체휠을 제조하는 공정을 도시한다.
도 13은 비교예와 실시예(형광체층이 리세스에 형성된 경우)에 따른 밝기 및 온도 변화를 도시한다.
도 14는 비교예와 실시예(열 방사층이 구비된 경우)에 따른 밝기 및 온도 변화를 도시한다.
도 15는 실시예에 따른 조명계를 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “B 및(와) C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다. 그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우 뿐만아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속＇되는 경우도 포함할 수 있다. 또한, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우 뿐만아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
[형광체휠]
도 1은 실시예에 따른 형광체휠을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A'라인을 따라 절단한 단면도이다. 도 3은 실시예에 따른 형광체휠을 도시한 평면도이고, 도 4는 실시예에 따른 형광체휠을 도시한 배면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 실시예에 따른 형광체휠(100)은 기판(110), 형광체층(120) 및 반사층(130), 이하 제1 반사층이라 함)을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 형광체휠(100)은 회전 중에 조사된 광을 여기시켜 상기 광의 파장과 상이한 파장을 갖는 적어도 하나 이상의 광을 출사시킬 수 있다. 광에 조사된 광은 나중에 설명될 광원(도 15의 210)에서 생성된 광으로서, 제1 광으로 명명될 수 있다. 예컨대, 형광체휠(100)에 단일 형광체층이 포함되는 경우, 제1 광과 상이한 제2 광이 출사될 수 있다. 예컨대, 형광체휠(100)에 제1 내지 제3 형광체층이 포함되는 경우, 제1 광과 상이한 제2 내지 제4 광이 출사될 수 있다. 이에 대해서는 나중에 상세히 설명한다.
실시예에 따른 형광체휠(100)은 형광체층(120)이 구비되어 회전이 가능한 부재일 수 있다. 형광체휠(100)이 회전 중인 상태에서 형광체층(120)에 광이 조사되면, 광에 의해 형광체층(120)이 여기되어, 광의 파장과 상이한 파장의 광이 생성될 수 있다. 예컨대, 형광체층(120)은 단일 형광체층 또는 2개 이상의 형광체층을 포함할 수 있다.
예컨대, 기판(110)은 형광체휠(100)을 지지하는 지지 부재로서, 지지 강도가 우수한 재질로 형성될 수 있다. 예컨대, 기판(110)은 형광체층(120)의 열을 외부로 전달하는 열 전달 부재로서, 열 전도율이 우수한 재질로 형성될 수 있다. 예컨대, 기판(110)은 금속 재질을 포함할 수 있다. 예컨대, 기판(110)은 구리(Cu)를 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
기판(110)이 구리로 이루어진 경우, 기판(110)의 지지 강도가 우수하고 열 전달 특성이 향상될 수 있다. 따라서, 기판(110)에 의해 형광체층(120)에서 발생된 열이 신속히 기판(110)의 하측으로 전달될 수 있다.
기판(110)은 금속층, 구리층으로 불릴 수도 있다.
형광체휠(100)이 회전 가능하도록 기판(110)에 체결 홀(113)이 형성될 수 있다. 도 6에 도시한 바와 같이, 체결 홀(113)에 모터(103)의 회전축(105)이 삽입 및 체결될 수 있다. 모터(103)의 구동에 의한 회전축(105)의 회전에 의해 기판(110)이 회전되어, 형광체휠(100)이 회전 가능하다.
예컨대, 기판(110)은 하면 및 상면이 서로 평행한 플레이트일 수 있다. 예컨대, 기판(110)은 위에서 보았을 때 원 형상을 가질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 기판(110)이 원 형상을 가짐으로써, 기판(110)이 모터(103)에 의해 고속 회전하더라도 기판(110)의 외측에 전달되는 원심력이 균일하여 기판(110)의 흔들림이나 진동이 최소화될 수 있다.
예컨대, 기판(110)의 두께는 대략 700마이크로미터 내지 대략 1,500마이크로미터일 수 있다. 기판(110)의 두께가 700마이크로미터 미만인 경우 열 전달 효율이 감소되고, 기판(110)의 두께가 1500마이크로미터 초과인 경우 무게가 증가되어 형광체휠(100)의 회전이 용이하지 않다. 예컨대, 기판(110)의 두께는 대략 700마이크로미터 내지 대략 1,000마이크로미터일 수 있다.
기판(110)의 상면에서 기판(110)의 둘레를 따라 리세스(111)가 형성될 수 있다. 리세스(111)는 폐루프 형상을 가질 수 있다. 즉, 리세스(111)는 제1 지점에서 기판(110)의 둘레를 따라 연장 형성되어 제1 지점에서 종료될 수 있다. 따라서, 리세스(111)에 형광체층(120)이 형성되는 경우, 형광체층(120) 또한 폐루프 형상을 가질 수 있다. 형광체층(120)이 폐루프 형상을 가짐으로써, 기판(110)의 회전시 폐루프 형상의 형광체층(120)에 의해 광이 끊김없이 연속적으로 조사됨으로써, 형광체층(120)에 의해 여기되어 생성된 또 다른 광 또한 끊김없이 연속적으로 출사될 수 있다.
예컨대, 리세스(111)의 형상은 위에서 보았을 때 원 형상을 가질 수 있다. 리세스(111)의 형상이 원 형상을 가지므로, 이 리세스(111)에 형성된 형광체층(120) 또한 위에서 보았을 때 원 형상을 가질 수 있다. 이러한 경우, 형광체층(120)의 모든 영역이 기판(110)의 중심에서 동일한 반경을 가지므로, 광이 이동할 필요없이 고정된 지점에서 형광체층(120)으로 조사될 수 있다.
예컨대, 리세스(111)의 깊이는 기판(110)의 두께의 대략 1/2 내지 대략 3/4일 수 있다. 예컨대, 기판(110)의 두께가 1,000마이크로미터인 경우, 리세스(111)의 깊이는 500마이크로미터 내지 750마이크로미터일 수 있다. 리세스(111)의 깊이가 기판(110)의 두께의 1/2 미만인 경우 리세스(111)에 배치된 형광체층(120)과 기판(110)의 하면 사이가 멀어 열 방출 효율이 감소될 수 있다. 리세스(111)의 깊이가 기판(110)의 두께의 3/4 초과인 경우 리세스(111)의 바닥면과 기판(110)의 하면 사이의 기판(110)의 두께가 얇아 기판(110)의 지지력이 감소되어 기판(110)이 휘어질 수 있다.
형광체층(120)은 기판(110)의 리세스(111)에 배치될 수 있다. 형광체층(120)이 기판(110)의 리세스(111)에 배치됨으로써, 형광체층(120)이 기판(110)에 안정적으로 부착될 수 있다.
예컨대, 형광체층(120)은 YAG, LuAG, α, β - SiAlON 등으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 형광체층(120)은 430nm 내지 470nm 파장의 광에서 여기되어 가시광을 방출하는 형광체 조성으로 이루어질 수 있다.
형광체층(120)은 형광체 물질이 포함된 페이스트, 필름, 유리, 소결체 등의 부재를 가질 수 있다. 예컨대, 형광체층(120)은 형광체와 실리콘 레진을 포함할 수 있다. 레진으로는 메틸계나 페닐께 레진이 사용될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 예컨대, 형광체층(120)은 형광체와 분말 입자를 포함할 수 있다. 예컨대, 형광체층(120)은 형광체와 글라스(glass) 분말 입자를 포함할 수 있다. 예컨대, 형광체층(120)은 세라믹 형광체를 포함할 수 있다.
예컨대, 형광체층(120)의 상면은 기판(110)의 상면과 동일 선 상에 위치될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
형광체층(120)의 두께는 리세스(111)의 깊이보다 작을 수 있다. 예컨대, 형광체층(120)의 두께는 대략 1마이크로미터 내지 대략 500마이크로미터일 수 있다. 형광체층(120)의 두께가 1마이크로미터 미만으로 리세스(111)의 깊이 또한 1마이크로미터 미만인 경우, 리세스(111)의 바닥면과 기판(110)의 하면 사이의 간격이 커, 형광체층(120)에서 발생된 열이 기판(110)의 하면으로 잘 전달되지 않아 열 전달 효율이 감소될 수 있다. 형광체층(120)의 두께가 500마이크로미터 초과인 경우, 광이 형광체층(120)의 하측까지 도달하지 못해 여기 성능이 저하되어 형광체층(120)에서 생성된 광의 휘도가 감소될 수 있다.
예컨대, 형광체층(120)의 두께는 대략 100마이크로미터 내지 대략 300마이크로미터일 수 있다. 예컨대, 형광체층(120)의 두께는 대략 100마이크로미터 내지 대략 200마이크로미터일 수 있다.
나중에 설명하겠지만, 리세스(111)에 제1 반사층(130)이 배치되지 않는 경우, 형광체층(120)의 두께는 리세스(111)의 깊이와 동일할 수 있다. 이러한 경우, 형광체층(120)의 하면은 리세스(111)의 바닥면에 접하고, 형광체층(120)의 측면은 리세스(111)의 내측면에 접할 수 있다.
형광체층(120)은 하나 또는 2개 이상의 형광체층을 포함할 수 있다.
도 7a에 도시한 바와 같이, 형광체층(120)은 단일 형광체층(121)을 포함할 수 있다. 예컨대, 광원(도 15의 210)에서 조사된 광이 청색광인 경우, 단일 형광체층(121)은 황색 형광체를 포함할 수 있다.
도 7b에 도시한 바와 같이, 형광체층(120)은 적어도 하나 이상의 제1 형광체층(122a, 122b) 및 적어도 하나 이상의 제2 형광체층(123a, 123b)을 포함할 수 있다.
예컨대, 제1 형광체층(122a, 122b)이 기판(110)의 리세스(111)의 전체 영역 중에 절반 영역에 배치되고, 제2 형광체층(123a, 123b)이 나머지 절반 영역에 배치될 수 있다. 즉, 제1 형광체층(122a, 122b)이 기판(110)의 둘레를 따라 0도 내지 180도에 해당하는 리세스(111)의 제1 영역에 배치되고, 제2 형광체층(123a, 123b)이 기판(110)의 둘레를 따라 180도 내지 360도에 해당하는 리세스(111)의 제2 영역에 배치될 수 있다. 이러한 경우, 제1 형광체층(122a, 122b)의 사이즈(면적)와 제2 형광체층(123a, 123b)의 사이즈(면적)는 동일할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
예컨대, 제1 형광체층(122a, 122b)과 제2 형광체층(123a, 123b)은 기판(110)의 둘레를 따라 번갈아 배치될 수 있다. 예컨대, 기판(110)의 둘레를 따라 제1-1 형광체층(122a), 제2-1 형광체층(123a), 제1-2 형광체층(122b) 및 제2-2 형광체층(123b)의 순서로 배치될 수 있다.
도 7c에 도시한 바와 같이, 형광체층(120)은 적어도 하나 이상의 제1 형광체층(124a, 124b), 적어도 하나 이상의 제2 형광체층(125a, 125b) 및 적어도 하나 이상의 제3 형광체층(126a, 126b)을 포함할 수 있다.
예컨대, 제1 내지 제3 형광체층(124a 내지 126b)이 각각 1개씩 구비되는 경우, 제1 형광체층(124a, 124b)이 기판(110)의 둘레를 따라 0도 내지 120도에 해당하는 리세스(111)의 제1 영역에 배치되고, 제2 형광체층(125a, 125b)이 기판(110)의 둘레를 따라 120 내지 240도에 해당하는 리세스(111)의 제2 영역에 배치되며, 제3 형광체층(126a, 126b)이 기판(110)의 둘레를 따라 240도 내지 360도에 해당하는 리세스(111)의 제3 영역에 배치될 수 있다.
예컨대, 제1 내지 제3 형광체층(124a 내지 126b)은 기판(110)의 둘레를 따라 번갈아 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 내지 제3 형광체층(124a 내지 126b)이 각각 2개씩 구비되는 경우, 각 형광체층은 기판(110)의 둘레를 따라 60도의 범위에 해당하는 리세스(111)의 영역에 배치될 수 있다.
도면에서는 설명의 편의를 위해 제1 형광체층(124a, 124b), 제2 형광체층(125a, 125b) 및 제3 형광체층(126a, 126b)의 순서로 배치되고 있지만, 그 순서는 변경 가능하다.
도면에서 제1 형광체층(124a, 124b), 제2 형광체층(125a, 125b) 및 제3 형광체층(126a, 126b) 각각의 배치 면적은 동일하지만, 이에 한정하지 않고 서로 상이한 면적으로 배치될 수도 있다.
제1 반사층(130)은 기판(110)을 둘러쌀 수 있다.
예컨대, 제1 반사층(130)은 기판(110)의 상면에 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 반사층(130)은 기판(110)의 하면에 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 반사층(130)은 기판(110)의 측면에 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 반사층(130)은 기판(110)의 외주면 둘레를 따라 배치될 수 있다. 이상과 같이, 제1 반사층(130)이 기판(110)을 감싸줌으로써, 나중에 형광체 물질을 경화하여 형광체층(120)을 형성할 때 발생되는 고온의 열에 의해 기판(110)의 표면이 산화되어 밝기 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 제1 반사층(130)은 리세스(111)에 배치될 수도 있고, 배치되지 않을 수도 있다.
제1 반사층(130)이 리세스(111)에 배치되는 경우, 제1 반사층(130)은 리세스(111)의 바닥면과 측면에 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 반사층(130)은 리세스(111)의 바닥면 및 측면에 접할 수 있다. 이러한 경우, 형광체층(120)은 리세스(111)에서 제1 반사층(130) 상에 배치될 수 있다. 예컨대, 형광체은 리세스(111)에서 제1 반사층(130)에 접할 수 있다. 즉, 형광체층(120)의 하면은 리세스(111)의 바닥면 상의 제1 반사층(130)에 접할 수 있다. 예컨대, 형광체층(120)의 측면은 리세스(111)의 내측면 상의 제1 반사층(130)에 접할 수 있다.
제1 반사층(130)은 반사율이 우수한 금속을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 반사층(130)은 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 및 이들의 합금 중 하나를 포함할 수 있다.
제1 반사층(130)의 두께는 대략 100마이크로미터 내지 대략 800마이크로미터일 수 있다. 제1 반사층(130)의 두께가 100마이크로미터 미만인 경우, 제1 반사층(130)이 균일하게 기판(110) 상에 형성되기 어렵다. 제1 반사층(130)의 두께가 800마이크로미터 초과인 경우, 형광체휠(100)의 두께가 두꺼워질 수 있다.
예컨대, 기판(110)의 열 전도도는 제1 반사층(130)의 열 전도도보다 클 수 있다. 따라서, 형광체층(120)에서 발생된 열이 제1 반사층(130)보다는 기판(110)을 통해 보다 더 용이하게 열 전달될 수 있다.
실시예에 따른 형광체휠(100)은 반사층(140, 이하 제2 반사층이라 함)을 더 포함할 수 있다.
제2 반사층(140)은 예컨대, 리세스(111) 내에 배치될 수 있다. 제2 반사층(140)은 라세스에 배치된 형광체층(120)에서 여기된 광의 반사율을 높여 광 효율을 향상시킬 수 있다.
예컨대, 제1 반사층(130)이 리세스(111)에 배치되지 않은 경우, 제2 반사층(140)은 리세스(111)의 바닥면에 접할 수 있다. 제1 반사층(130)이 리세스(111)에 배치되지 않더라도 제2 반사층(140)이 리세스(111)에 배치되어, 형광체층(120)에서 여기된 광이 제2 반사층(140)에 의해 반사되어 광 효율이 향상될 수 있다.
예컨대, 제1 반사층(130)이 리세스(111)에 배치된 경우, 제2 반사층(140)은 리세스(111)의 바닥면에 접하는 제1 반사층(130)에 접할 수 있다. 제1 반사층(130)이 리세스(111)에 배치된 경우, 제2 반사층(140)의 두께는 매우 얇게 형성될 수 있다. 즉, 제2 반사층(140)의 두께는 리세스(111)에 제1 반사층(130)이 배치되지 않을 때보다 더 얇게 형성될 수 있다.
다른 예로서, 제1 반사층(130) 대신에 산란제로서 나노입자나 비드(bead)들이 형광체층(120)에 분산될 수도 있다. 이러한 경우, 형광체층(120)에서 여기된 광이 산란제에 의해 산란되어 광 효율이 향상될 수 있다. 형광체층(120)에 산란제가 분산되는 경우, 제1 반사층(130)이 리세스(111)에 배치될 수도 있고, 배치되지 않을 수도 있다.
제2 반사층(140) 또는 산란제는 무기 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 무기 물질로는 예컨대, TiO2 등이 사용될 수 있다.
예컨대, 제2 반사층(140)은 TiO2 로 이루어진 나노입자나 비드들이 분산된 페이스트, 필름, 유리, 소결체 등의 부재를 가질 수 있다.
제2 반사층(140)의 두께는 대략 1마이크로미터 내지 대략 200마이크로미터일 수 있다. 제2 반사층(140)의 두께가 1마이크로미터 미만인 경우 균일한 막 형성이 어려워 반사율이 감소될 수 있다. 제2 반사층(140)의 두께가 200마이크로미터 초과인 경우, 리세스(111) 내의 형광체층(120)의 부피가 작아져 형광체층(120)에 의해 여기된 광 효율이 감소될 수 있다.
예컨대, 제2 반사층(140)의 두께는 대략 1마이크로미터 내지 대략 200마이크로미터일 수 있다. 예컨대, 제2 반사층(140)의 두께는 대략 1마이크로미터 내지 대략 150마이크로미터일 수 있다.
이상에서, 제1 반사층(130)은 제2 반사층으로, 제2 반사층(140)은 제1 반사층으로 불릴 수 있다.
실시예에 따른 형광체휠(100)은 열 방사층(150)을 더 포함할 수 있다. 열 방사층(150)은 기판(110)으로 전달된 열을 외부로 방출시키는 역할을 할 수 있다. 열 방사층(150)은 열 방열층, 방출층 등으로 불릴 수 있다.
열 방사층(150)은 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 예컨대, 형광체층(120)이 기판(110)의 상면에 형성된 리세스(111)에 배치된 경우, 열 방사층(150)은 기판(110)의 하면 상에 배치될 수 있다. 이러한 경우, 도 5에 도시한 바와 같이, 광원(도 15의 210)의 조사에 의해 형광체층(120)에서 발생된 열이 신속히 기판(110)을 통해 기판(110)의 하면으로 전달되고, 이와 같이 전달된 열이 신속히 열 방사층(150)을 통해 외부로 방출될 수 있다.
열 방사층(150)은 열 방사 특성이 우수한 재질로 형성될 수 있다. 예컨대, 열 방사층(150)은 무기 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 열 방사층(150)은 SiO2를 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
열 방사층(150)의 두께는 제1 반사층(130)의 두께보다 작을 수 있다. 예컨대, 열 방사층(150)의 두께는 대략 5마이크로미터 내지 대략 20마이크로미터일 수 있다. 열 방사층(150)의 두께가 5마이크로미터 미만인 경우, 열 방사층(150)이 균일하게 형성되기 어렵다. 열 방사층(150)의 두께가 200마이크로미터 초과인 경우 열 방사층(150)의 두께가 두꺼워 기판(110)을 통해 전달된 열이 잘 방출되지 않아 방열 특성이 저하될 수 있다.
도시되지 않았지만, 기판(110)의 하면에는 제1 반사층(130)이 배치되지 않을 수 있다. 이러한 경우, 열 방사층(150)이 기판(110)의 하면에 접할 수 있다. 이에 따라, 형광체층(120)에서 발생되어 기판(110)으로 전달된 열이 제1 반사층(130)을 경유하지 않고 곧바로 열 방사층(150)을 통해 외부로 방출될 수 있어, 열 방출 효율이 향상될 수 있다.
한편, 실시예에 따르면, 형광체휠(100)은 제1 내지 제4층을 포함하되, 제1 층은 기판(110)이고, 제2 층은 제1 반사층(130)이고, 제3 층은 제2 반사층(140)이며, 제4 층은 열 방사층(150)을 포함할 수 있다.
도 13에 도시한 바와 같이, 비교예는 사파이어로 형성된 기판의 상면에 형광체층이 형성되는데, 실시예는 도 2에 도시한 바와 같이, 금속으로 형성된 기판(110)과 그 기판(110)의 상면에 형성된 리세스(111)에 형광체층(120)이 형성되었다.
형광체층(120)의 온도가 측정되었고, 프로젝터의 밝기가 측정되었다.
비교예서는 온도가 146.8±2.7℃인데 반해, 실시예에서는 온도가 138.9±4.4℃로서, 실시예에서 온도가 비교예에서의 온도보다 대략 7.9℃ 감소됨을 알 수 있다. 이는 기판(110)으로서 열 전도율이 우수한 구리(Cu)와 같은 금속이 사용됨에 기인한다.
아울러, 비교예에서는 밝기가 3984±10lm인데 반해, 실시예에서는 밝기가 4634±3lm로서, 실시예의 밝기가 비교예에서의 밝기보다 대략 650lm 상승됨을 알 수 있다. 이는 열 전도율이 우수한 구리(Cu)와 같은 금속을 포함하는 기판(110)에 의해 형광체층(120)의 열이 신속히 열 방사층(150)으로 전달되어, 형광체층(120)의 온도가 감소되어 광 효율이 향상됨에 기인한다.
도 14에 도시한 바와 같이, 비교예는 열 방사층이 구비되지 않은데 반해, 실시예는 열 방사층이 구비되었다.
형광체의 온도가 측정되었고, 프로젝터의 밝기가 측정되었다.
비교예서는 온도가 156.0±4.0℃인데 반해, 실시예에서는 온도가 149.5±1.5℃로서, 실시예에서 온도가 비교예에서의 온도보다 대략 6.5℃ 감소됨을 알 수 있다. 이는 열 방사층의 우수한 방출 특성으로 인해 형광체에서 여기되어 기판(110)을 통해 전달된 열이 열 방사층을 통해 외부로 신속히 방출됨에 기인한다.
아울러, 비교예에서는 밝기가 3841±47lm인데 반해, 실시예에서는 밝기가 3930±30lm로서, 실시예의 밝기가 비교예에서의 밝기보다 대략 89lm 상승됨을 알 수 있다. 이는 열 방사층에서 열이 신속히 방출되어, 형광체층(120)의 온도가 감소되어 광 효율이 향상됨에 기인한다.
[형광체휠 제조 공정]
도 8 내지 도 12는 실시예에 따른 형광체휠을 제조하는 공정을 도시한다.
도 8에 도시한 바와 같이, 기판(110)에 체결 홀(113)과 리세스(111)가 형성될 수 있다.
예컨대, 체결 홀(113)과 리세스(111)는 화학 식각 공정을 이용하여 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 체결 홀(113)이 형성된 후, 리세스(111)가 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
예컨대, 체결 홀(113)은 기판(110)의 상면과 하면을 관통하는 쓰루홀(throughhole)일 수 있다. 도시되지 않았지만, 체결 홀(113)은 기판(110)의 하면에서 내측으로 형성된 그루브(groove)나 리세스(111)일 수 있다.
예컨대, 리세스(111)는 기판(110)의 상면에서 기판(110)의 둘레를 따라 형성될 수 있다. 리세스(111)는 나중에 형광체층(120)이 형성될 영역으로서, 형광체층(120)이 가급적 기판(110)의 하면에 근접하도록 소정 깊이를 가질 수 있다. 예컨대, 리세스(111)의 깊이는 기판(110)의 두께의 반 이상일 수 있다. 예컨대, 리세스(111)의 깊이는 기판(110)의 두께의 대략 1/2 내지 3/4일 수 있다.
예컨대, 기판(110)은 구리(Cu)와 같은 금속을 포함할 수 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 체결 홀(113)과 리세스(111)를 포함한 기판(110)의 둘레를 따라 제1 반사층(130)이 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 반사층(130)은 도금 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
제1 반사층(130)은 반사율이 우수한 금속을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 반사층(130)은 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 및 이들의 합금 중 하나를 포함할 수 있다.
제1 반사층(130)은 기판(110)의 전체 영역에 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 반사층(130)은 기판(110)의 상면, 하면 및 측면에 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 반사층(130)은 리세스(111)의 바닥면과 내측면에 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 반사층(130)은 체결 홀(113)의 내측면에 형성될 수 있다.
다른 예로서, 제1 반사층(130)은 리세스(111)의 바닥면 및 내측면 그리고 체결 홀(113)의 내측면에 배치되지 않을 수도 있다.
도 10에 도시한 바와 같이, 기판(110)의 리세스(111)에 제2 반사층(140)이 형성될 수 있다.
예컨대, TiO2와 같은 나노 입자나 비드들이 함유된 페이스트 등이 리세스(111)에 형성되고 경화되어 제2 반사층(140)이 형성될 수 있다.
제2 반사층(140)은 인쇄 공정이나 디스펜싱 공정을 이용하여 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
도 11에 도시한 바와 같이, 형광체층(120)이 기판(110)의 리세스(111)에 형성될 수 있다. 형광체층(120)은 인쇄 공정을 이용하여 리세스(111)에 형성될 수 있다. 예컨대, 인쇄 공정은 스크린 인쇄 공정을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 형광체층(120)은 디스펜싱 공정을 이용하여 리세스(111)에 형성될 수 있다.
예컨대, 형광체 물질을 포함한 기재가 기판(110)의 리세스(111)에 형성되고, 열처리 공정을 통해 기판(110)의 리세스(111)에 형광체층(120)이 형성될 수 있다. 예컨대, 열처리 공정은 대략 150℃ 내지 대략 200℃의 온도로 대략 1시간 내지 3시간 수행될 수 있다.
실시예에서는 구리로 이루어진 기판(110)의 둘레에 제1 반사층(130)이 배치됨으로써, 고온에 의한 열처리 공정이 수행되더라도 기판(110)의 표면이 산화되지 않을 수 있다.
형광체층(120)이 2개 이상의 형광체층(도 7b의 122a, 122b, 123a, 123b, 도 7c의 124a 내지 126b)이 포함될 수 있다. 이러한 경우, 각 형광체층(도 7b의 122a, 122b, 123a, 123b, 도 7c의 124a 내지 126b)이 개별적으로 인쇄 공정과 열처리 공정을 통해 형성될 수 있다. 예컨대, 도 7b에 도시한 바와 같이, 제1 형광체 물질이 인쇄 공정을 이용하여 리세스(111)의 제1 영역에 형성된 후 열처리되어, 제1 형광체층(도 7b의 122a, 122b)이 형성될 수 있다. 이후, 제2 형광체 물질이 인쇄 공정을 이용하여 리세스(111)의 제2 영역에 형성된 후 열처리되어, 제2 형광체층(도 7b의 123a, 123b)이 형성될 수 있다.
도 12에 도시한 바와 같이, 열 방사층(150)이 기판(110)의 일측 상에 형성될 수 있다. 예컨대, 열 방사층(150)이 기판(110)의 하측 상에 형성될 수 있다.
예컨대, 열 방사층(150)은 인쇄 공정과 열처리 공정에 의해 형성될 수 있다. 구체적으로, 방열 페이스트가 기판(110)의 하측에 인쇄 공정에 의해 형성될 수 있다. 인쇄 공정 대신에 스프레이 코팅 공정이 수행될 수도 있다. 이어서, 기판(110)의 하측에 형성된 방열 페이스트에 대해 열처리 공정이 수행됨으로써, 열 방사층(150)이 형성될 수 있다. 예컨대, 열처리 공정은 대략 150℃ 내지 대략 200℃의 온도로 대략 1시간 내지 3시간 수행될 수 있다.
일 예로, 기판(110)의 하측에 제1 반사층(130)이 형성된 경우, 열 방사층(150)이 제1 반사층(130)의 하면 상에 형성될 수 있다.
다른 예로, 기판(110)의 하측에 제1 반사층(130)이 형성되지 않은 경우, 열 방사층(150)이 기판(110)의 하면 상에 형성될 수 있다.
이상에서는 제2 반사층(140) 및 형광체층(120)이 형성된 후, 열 방사층(150)이 형성되는 것으로 설명하고 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 즉, 열 방사층(150)이 먼저 형성되고 제2 반사층(140) 및 형광체층(120)이 형성될 수도 있다.
이상에서 설명된 형광체휠은 조명계에 적용될 수 있다.
[조명계]
도 15는 실시예에 따른 조명계를 도시한다.
실시예에 따른 형광체휠(100)은 도 15에서 프로젝터용 조명계에 적용되는 것으로 도시되고 있지만, 다양한 분야에 적용 가능하다.
도 15를 참조하면, 실시예에 따른 조명계(200)는 광원(210), 제1 및 제2 미러(221, 222), 형광체휠(100) 및 컬러휠(220)을 포함할 수 있다. 실시예에 따른 조명계(200)는 복수의 렌즈(231 내지 236)을 더 포함할 수 있다. 이러한 렌즈(231 내지 236)에 의해 광이 수렴될 수 있다. 실시예에 따른 조명계(200)는 이보다 더 많은 구성 요소를 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
광원(210)은 반도체 발광 소자를 포함할 수 있다. 예컨대, 반도체 발광 소자로서 발광다이오드 소자(LED)나 레이저 소자가 사용될 수 있다. 예컨대, 광원(210)은 청색광(241, 이하, 제1 광이라 함)을 발광할 수 있다.
제1 광(241)은 컬러휠(220)에 조사될 수 있다. 컬러휠(220)은 회전이 가능하다. 제1 광(241)의 일부는 컬러휠(220)을 그대로 통과하고, 다른 일부는 반사될 수 있다. 컬러휠(220)에 의해 반사된 제1 광(241)은 제1 미러(221)에 의해 반사된 후 제2 미러(222)를 경유하여 형광체휠(100)로 조사될 수 있다. 형광체휠(100)에 포함된 적어도 하나 이상의 형광체층(120)에 의해 제1 광(241)과 상이한 적어도 하나 이상의 광이 출사될 수 있다.
도 15에 도시한 바와 같이, 형광체휠(100)에 황색 형광체를 포함하는 제1 형광체층과 초록색 형광체를 포함하는 제2 형광체층이 포함될 수 있다. 이러한 경우, 형광체휠(100)에 의해 황색광(242, 이하, 제2 광이라 함)과 초록색광(243, 이하, 제3 광이라 함)이 출사될 수 있다.
형광체휠(100)에서 출사된 제2 광(242) 및 제3 광(243)은 제2 미러(222)에 의해 반사되어 컬러휠(220)로 조사될 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 컬러휠(220)에 주황색 파장 변환층이 포함될 수 있다.
예컨대, 컬러휠(220)에 황색 컬러, 초록색 컬러 및 주황색 컬러가 포함되는 경우, 제2 광(242) 및 제3 광(243) 각각은 컬러휠(230)의 황색 컬러 및 주황색 컬러를 통해 그대로 제2 광(242) 및 제3 광(243)이 출사되고, 제2 광(242) 및 제3 광(243)은 주황색 컬러에 의해 주황색광인 제4 광으로 출사될 수 있다.
따라서, 광원(210)이 컬러휠(220)을 통과한 제1 광(241)과 형광체휠(100)과 컬러휠(220)에 의해 생성된 제2 내지 제4 광이 혼합되어 백색광이 형성될 수 있다.
제2 내지 제4 광은 하나의 예시에 불과하며, 실시예는 형광체휠(100)이나 컬러휠(220)에 의해 2개나 4개 이상의 광이 생성될 수도 있다.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 실시예의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 실시예의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 실시예의 범위에 포함된다.
실시예는 백색광을 이용하는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 예컨대, 실시예는 프로젝터에 적용될 수 있다.

Claims (22)

  1. 리세스를 포함하는 기판;
    상기 리세스에 배치된 형광체층; 및
    상기 기판을 둘러싸는 제1 반사층을 포함하는
    형광체휠.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 원 형상을 가지고,
    상기 리세스는 상기 기판의 둘레를 따라 배치되는
    형광체휠.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 리세스는 폐루프 형상을 갖는
    형광체휠.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리세스의 깊이는 상기 기판의 두께의 1/2 내지 3/4인
    형광체휠.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 제1 금속을 포함하고,
    상기 제1 반사층은 제2 금속을 포함하는
    형광체휠.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 금속은 상기 제2 금속보다 열 전도도가 높은
    형광체휠.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 금속은 Cu를 포함하고,
    상기 제2 금속은 Ni, Al 및 이들의 합금 중 하나를 포함하는
    형광체휠.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사층은 상기 리세스에 배치되는
    형광체휠.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 반사층은 상기 리세스의 바닥면 및 내측면에 배치되는
    형광체휠.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 형광체층은 상기 리세스에서 상기 제1 반사층 상에 배치되는
    형광체휠.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 리세스에 배치된 제2 반사층을 포함하는
    형광체휠.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 반사층은 상기 제1 반사층과 상기 형광체층 사이에 배치되는
    형광체휠.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제2 반사층은 상기 제1 반사층의 상기 제1 금속과 상이한 제3 금속을 포함하는
    형광체휠.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 기판 상에 배치된 열 방사층을 포함하는
    형광체휠.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 열 방사층은 무기 물질을 포함하는
    형광체휠.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 형광체층은 제1 파장 대역의 레이저 광을 받아 적어도 하나 이상의 파장 대역의 광을 출사하는 적어도 하나 이상의 형광체층을 포함하는
    형광체휠.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 형광체층은,
    YAG, LuAG, α, β - SiAlON 중 하나로 이루어지는
    형광체휠.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 형광체층은,
    430nm 내지 470nm 파장에서 여기되어 가시광을 방출하는 형광체 조성으로 이루어지는
    형광체휠.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 형광체층은,
    형광체 및 실리콘 레진, 형광체 및 분말 입자, 형광체 및 글라스(glass) 분말 입자 그리고 세라믹 형광체 중 하나를 포함하는
    형광체휠.
  20. 제1 파장 대역의 레이저 광을 생성하는 광원; 및
    회전이 가능하고, 상기 제1 파장 대역의 레이저 광을 받아 적어도 하나 이상의 파장 대역의 광을 출사하는 형광체휠을 포함하고,
    상기 형광체휠은,
    리세스를 포함하는 기판;
    상기 리세스에 배치된 형광체층; 및
    상기 기판을 둘러싸는 제1 반사층을 포함하는
    조명계.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 광원은 청색 레이저 발광소자를 포함하는
    조명계.
  22. 제20항에 의한 조명계를 포함하는
    프로젝터.
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