KR20230084323A - 광적으로 강화된 광 컨버터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광 컨버터와, 광 컨버터의 제조 방법에 관한 것으로, 결합재(301b)에 광 변환 입자(301a)를 포함하는 광 변환층(301)은 광 변환층(301)에 입사하는 여기 광으로부터 방출 광을 생성하도록 제공된다. 평탄화층(304)은 광 변환층(301) 상에 있고, 적어도 하나의 광 코팅(305)은 광 변환층(301)의 표면에 비해 상대적으로 평활한 평탄화층(304)의 표면 상에 혹은 이의 일부에 있다.
Description
본 발명은 형광체 휠(phosphor wheel)과 같은 광학 장치의 일부를 형성할 수 있는 고체-상태 광 변환 물질을 포함하는 광 컨버터에 관한 것이다. 또한, 광 컨버터의 제작 방법이 제공된다.
형광체와 같은 광 변환(또는 파장 변환) 물질들은 다양한 응용분야, 특히 광학 장치에 사용된다. 기존의 예시적인 광 컨버터(100)의 개략적인 단면도가 도 1에 도시되어 있다. 이는 광 변환층(101)과; 고반사 코팅(102);으로 이루어진다. 광 변환층(101)은 통상적으로 경화된 실리콘 글루(101b;silicon glue)와 같은 폴리머 바인더(polymer binder) 내에 형광체 입자(가루)를 포함한다. 이는 형광체 실리콘(phosphor-in-silicone;PIS) 타입으로 알려져 있다. 형광체 입자(101a)는 디스펜싱(dispensing), 스크린 프린팅, 또는 다른 코팅 방법으로 투명 액상 실리콘(101b)에 분산되고, 그런 다음에 열경화되고 고화된다. 광 변환층(101)은 고반사 코팅(102)이 제공되는 반대면에 거친 표면(101c)을 구비한다.
여기 광(103a;excitation light)은 광 변환층(101)에 입사되고 형광체 입자(101a)는 이를 방출 광으로 변환한다. 고반사 코팅(102)은 가능한 모든 방향에서 이 방출 광을 포획하고 이를 반사하여, 방출 광(103b)은 모두 여기 광(103a)과 반대방향으로 나아간다. 그러므로 광 컨버터(100)는 반사형 타입이다. 광 컨버터는 또한 고반사 코팅(102) 없이 광 변환층(101)을 제공하는 것으로 알려져 있으며, 이러한 광 컨버터는 투과형 타입이다.
이러한 광 컨버터의 일 응용분야는 단일 광원(통상적으로 좁은 범위의 파장)의 여기 광으로부터 하나 또는 통상적으로 복수의 다른 파장의 방출 광을 발생하는 광학 장치인 형광체 휠이다. 예시적인 형광체 휠은 공통 발명자를 갖는 제WO 2014/016574호에 기술되어 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조로 하면, 개략적인 형태로 공지된 형광체 휠 구조의 제1 및 제2 실례가 각기 도시되어 있다. 2개의 실례들은 유사한 특징을 가지며, 동일한 특징은 동일한 참조를 사용하여 도시하고 있다. 광 컨버터(201)는 디스크 기판(202) 상에 제공된다. 광 컨버터(201)는 도 1에 따른 PIS 타입이다. 광 컨버터(201)는 (도 2a에 도시된 바와 같이 동심 패턴으로) 단일 컬러(colour) 형광체 링 또는 특정 컬러의 빛을 생성하기 위해 사용되는 다중 컬러 세그먼트들(201(R)(빨간색), 201(Y)(노란색), 및 201(G)(초록색);도 2b에 도시됨)로 형성된다. 광 컨버터(201)는 제1 범위의 스펙트럼 파장의 여기 광에서 다른 제2 범위의 스펙트럼 파장의 방출(또는 재방출) 광으로 광 스펙트럼을 변환한다. 여기 광이 광 컨버터(201) 상에 입사할 때, 여기 광(203a;소스 광(source light), 예컨대 청색광)은 방출 광(203b;예컨대, 특히 201(Y)의 경우에 황색광)을 발생시킨다. 방출 광(203b)은 디스크 기판(202)으로 반사되고, 방출 광(203b)은 렌즈 시스템(미도시)에 의해 수집된다. 통상적으로, 이러한 장치가 정적(비-회전) 구성에 사용될 수 있더라도, 디스크 기판(202)은 사용 중에 회전되는데, 이러한 경우에 형광체 휠로 알려지지 않을 수 있다.
특히 형광체 휠에 사용되는 광 컨버터의 효율성, 출력, 및 온도 관리의 측면에서 성능 향상은 중요한 과제이다. 이러한 과제를 해결하는 일 방안은 세라믹 컨버터 또는 형광체 유리(phosphor glass)와 같은 고체-상태 광 변환 물질을 가진 PIS-타입 광 변환층으로 대체하는 것이다. 하지만, PIS-타입 물질들은 고체-상태 광 변환 물질보다 나은 장점을 갖는다. 예컨대, 이들은 더 유연한 색상 선택, 더 간단한 구조 및 더 낮은 가격을 허용할 수 있다. 사용되는 광 변환층의 타입을 변경하지 않고 성능 향상을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
이러한 배경에 대해, 청구항 1에 따른 광 컨버터와 청구항 12와 일치하는 광학 장치가 제공된다. 또한, 청구항 14와 일치하는 광 컨버터의 제작 방법이 제공된다. 다른 바람직한 특징은 청구범위와 아래의 설명을 참조하여 개시된다.
광 컨버터는 광 변환층 상에 적어도 하나의 광 코팅으로 이루어지는 것으로 알려져 있는데, 광 변환층은 결합 물질(예컨대, 실리콘과 같은 폴리머)에 광 변환 입자(예컨대, 형광체 가루)를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 평탄화층은 광 변환층의 표면 상에 바람직하게 구비된다. 광 코팅은 평탄화층의 표면 상에 또는 일부에 유익하게 구비된다. (적어도 하나의 광 코팅에 인접한) 평탄화층의 표면은 (평탄화층에 인접한) 광 변환층의 표면과 비교하여 광학적으로 평활(smooth) 및/또는 상대적으로 평활하다.
바인더에서 형광체 입자로 형성된 광 변환층은 거친 표면을 가질 수 있으며, 이러한 광 코팅으로 이 표면에 코팅을 어렵게 할 수 있다. 평탄화층은 더 평활 표면, 예컨대 광학적으로 평활 표면을 갖추고 있으며, 그 위에 광 코팅(또는 코팅들)이 더욱 쉽게 도포될 수 있다. 예컨대, 거칠기 평균(Ra)은 0.02㎛ 이하일 수 있다. 평탄화층은 실리콘 물질, 유기 물질 또는 복합 물질로 이루어질 수 있다.
평탄화층은 디스펜싱, 스프레이, 브러싱(brushing), 스퍼터링(sputtering), 스핀 코팅(spin coating), 또는 실크 또는 스크린 프린팅으로 증착될 수 있다. 바람직하기로, 평탄화층이 특히 열경화에 의해 경화된다. 열경화는 낮은 온도, 예컨대 150℃ 이하 및/또는 장시간, 예컨대 적어도 1 또는 2시간 동안 수행될 수 있다. 이는 평탄화층에 광 변환층 아래에 영향을 미치지 않는 평활층의 형성을 허용할 수 있다.
광 코팅은 반사방지(AR) 코팅, 고반사(HR) 코팅, 다이크로익 필터(DF;dichroic filter) 코팅 및/또는 금속 코팅과 같이 박막 필름 코팅일 수 있다. 광 코팅은 (효율성의 측면에서) 광 컨버터의 성능을 5% 만큼 향상시킬 수 있는데 반해, 작동 온도를 예컨대 약 9℃ 만큼 현저하게 감소시킬 수 있다.
본 발명은 다수의 방식으로 실행될 수 있으며, 바람직한 실시예들은 첨부도면을 참조로 하며 단지 예시적인 방식으로서만 기술될 것이다.
도 1은 기존의 예시적인 광 컨버터의 단면도를 개략적으로 도해하고 있다.
도 2a는 도 1에 따른 광 컨버터를 포함한 제1 실례의 공지된 형광체 휠 구조를 도시하고 있다.
도 2b는 도 1에 따른 광 컨버터를 포함한 제2 실례의 공지된 형광체 휠 구조를 도시하고 있다.
도 3은 본 개시에 따른 제1 광 컨버터 실시예의 단면도를 개략적으로 도해하고 있다.
도 4는 제1 형광체 휠 실시예의 분해도를 개략적으로 도해하고 있다.
도 5는 제2 형광체 휠 실시예의 분해도를 개략적으로 도해하고 있다.
도 6은 도 4 및 도 5의 형광체 휠 실시예를 시험하기 위한 구성을 개략적으로 도해하고 있다.
도 1은 기존의 예시적인 광 컨버터의 단면도를 개략적으로 도해하고 있다.
도 2a는 도 1에 따른 광 컨버터를 포함한 제1 실례의 공지된 형광체 휠 구조를 도시하고 있다.
도 2b는 도 1에 따른 광 컨버터를 포함한 제2 실례의 공지된 형광체 휠 구조를 도시하고 있다.
도 3은 본 개시에 따른 제1 광 컨버터 실시예의 단면도를 개략적으로 도해하고 있다.
도 4는 제1 형광체 휠 실시예의 분해도를 개략적으로 도해하고 있다.
도 5는 제2 형광체 휠 실시예의 분해도를 개략적으로 도해하고 있다.
도 6은 도 4 및 도 5의 형광체 휠 실시예를 시험하기 위한 구성을 개략적으로 도해하고 있다.
우선 도 3을 참조로 하면, 도 3은 광 컨버터(300)의 실시예의 단면도를 개략적으로 도해하고 있다. 도 3에서는 광 변환층(301)과; 고반사 코팅층(302); 평탄화층(304); 및 광 코팅(305)을 도시하고 있다.
광 변환층(301)은 고반사 코팅층(302) 상에 형성된다. 도 1에 도시된 공지의 실시예에 따라, 광 변환층(301)은 경화된 실리콘 글루(301b)와 같은 폴리머 바인더에 형광체 입자(가루;301a)를 포함한다. 다시 말하자면, 이러한 광 변환층(301)은 형광체 실리콘(PIS) 타입이다. 광 변환층(301)은 고반사 코팅층(302)이 제공되는 반대면에 입자상의 거친 표면(301c)을 구비한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 여기 광(303a)은 광 변환층(301)에 입사되고 다른 파장의 광으로 변환한 다음에 고반사층(302)에 의해 반사되어 방출 광(303b)을 제공한다.
평탄화층(304)은 광 변환층(301)의 거친 표면(301c)에 증착된다. 평탄화층(304)은 실리콘 접착제(silicone adhesive)이다. 평탄화층(304)의 도포 및/또는 두께는 (광학적으로 평활한) 광 표면이 미세한 크기로 달성되도록 제어된다. 예컨대, 평탄화층(304)의 거칠기 평균(Ra)은 0.02㎛ 이하일 수 있다. 평탄화층(304)의 두께는 예컨대 400㎚ 내지 1000㎚ 또는 100㎛, 150㎛ 또는 200㎛ 만큼 (그리고 선택적으로 포함한) 두께로 이 층을 광학적으로 평활하게 충분히 만들 수 있다(400㎚, 1㎛, 100㎛ 또는 150㎛는 선택적으로 최소 두께일 수 있다). 이 평탄화층이 더 나은 취급을 위해 단단하고 건조한 표면을 제공하기 위해 경화된다. 1 또는 2시간 동안 150℃ 이하의 온도에서 열경화가 사용된다. 이러한 온도 제한은 광 변황층(301) 아래에 손상을 피하기 위한 것이다.
광 코팅(305)은 반사방지(AR) 코팅과 같은 박막 필름 코팅이다. 이는 평탄화층(304)이 경화된 이후에 적용된다. PVD가 이 코팅을 적용하는 데에 사용된다. AR 코팅(305)은 여기 광(303a)에 노출되는 광 변환층(301)의 일면 상에 도포된다. 이는 광 변환층(301)과의 계면에서 여기 광(303a)의 반사 손실을 감소시키기 위한 것이다. 이 코팅의 두께는 설계 성능, 사용될 박막 필름 물질, 및 평탄화층(304)과 같은 인접한 물질의 특성에 기초한다.
평탄화층(304)과 광 코팅(305)은 추가적으로 2차 이익을 제공할 수 있다. 평탄화층(304)은 통상적으로 광 변환층(301)에 비해 통상적으로 낮은 굴절률을 갖는다. 이는 광 변환층(301)으로 수집 및/또는 광 변환층(301)에서 출사하는 방출 광(303b)의 각도(표면의 법선에 대해 적어도 30도)를 증가시킨다. 따라서, 변환된 광의 총 추출이 향상된다.
실제로, 상기 효과의 조합은 5%의 성능 향상을 제공하고 PIS 광 변환층(201)의 온도를 9℃까지 감소시키는 것으로 증명되었다. 이는 PIS-타입 광 컨버터를 더욱 효과적으로 사용하도록 허용할 수 있으며 다른 타입의 광 컨버터와 관련된 문제점들을 배제할 수 있다.
고반사 코팅층(302)은 선택적일 수 있으며, 이러한 층이 없는 실시예가 아래에 기술된다. 또한, 광 변환층(301)의 구조는 입자-바인더(particle-in-binder) 구조의 임의의 타입으로 변경될 수 있다. 이러한 구조는 광 코팅이 도포되면 문제를 일으킬 수 있는 거친 외부 표면으로 형성되는 경향이 있다.
평탄화층(304)은 실리콘으로 형성될 필요는 없다. 이 층에 바람직한 특성은 낮은 흡수성; 광대역(380㎚ 내지 800㎚)에서 높은 투과율(적어도 50%, 60%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90% 또는 95%); 광학적으로 평활한 표면을 용이하게 형성; 낮은 비용; 용이한 제조; 중 하나를 포함할 수 있다. 다른 물질, 특히 SiO2 및/또는 Al2O3를 포함한 다른 물질들이 사용될 수 있다. 몇몇의 경우에, 평탄화층(304)의 굴절률은 광 변환층(201)보다 작을 수 있으며, 선택가능하기로 가능한 한 (1.3, 1.25, 1.2, 1.1 또는 1.05 미만으로) 낮을 수 있지만, 신뢰성있는 광학 필름을 형성할 수 있게 여전히 허용할 수 있다. 굴절률은 사용되는 광 코팅에 종속되어 설정될 수 있으며 고굴절률은 AR 코팅이 사용될 때 바람직할 수 있다.
바람직하기로, 평탄화층(304)의 굴절률은 광 변환층(301)의 굴절률에 근접하거나 일치하도록 설정될 수 있다. 예컨대, YAG계 형광체는 1.7 이상의 고굴절률을 갖는다. 실리콘 수지에 분포된 형광체는 통상적으로 광 변환층(301)을 형성하기 위해 약 1.4 내지 1.5의 굴절률을 갖는다. 굴절률의 차이로 인해, 상당한 비율의 광이 이 층들 사이의 계면에서 산란될 수 있다.
평탄화층(304)이 특정 굴절률을 갖는 것이 바람직하지만, 다른 시도는 광 코팅을 바람직한 굴절률을 갖는 평탄화층(304) 상에 형성시키는 것이다. TIR의 두 기능에 통합되고 코팅의 도포에 적합한 낮은 굴절률을 갖는 평탄화층(304)을 구비하는 것이 중요한 장점을 제공한다. 평탄화층(304)은 (스프레이와 같은) 임의의 실리콘 접착 공정으로 형성될 수 있지만 대안으로는 디스펜싱, 브러싱, 스퍼터링, 스핀 코팅, 또는 실크 또는 스크린 프린팅을 포함할 수 있다. 졸-겔/딥 코팅(Sol-gel/dip coating), CVD, 마그네토 스퍼터링 PVD(양호한 필름 밀도를 제공할 수 있음) 또는 다른 기술들이 평탄화층을 증착하기 위해 대안적으로 사용될 수 있다. 열경화를 대신하여, 실온 가황법(room temperature vulcanisation,RTV)이 사용될 수 있다.
광 코팅의 부가적 또는 대안적 타입이 다음과 같이 평탄화층(304) 상에 제공될 수 있는바, 고반사(HR) 코팅(통상적으로 사용되지 않음); 다이크로익 필터(DF) 코팅(여기 및 방출 광을 필터링함); 및/또는 금속성 코팅(다시 통상적으로 사용되지 않는 AlFlex (TM) 또는 SilFlex (TM)와 같은)일 수 있다. 딥 코팅은 광 코팅을 도포하기 위해 PVD에 부가적으로 또는 대안적으로 사용될 수 있다. 다른 공지된 기술들이 사용될 수 있다.
일반적으로, 광 변환층에 입사하는 여기 광으로부터 방출 광을 생성하기 위해 결합재(binding material)에 광 변환 입자를 포함하는 광 변환층과; 광 변환층의 표면에 평탄화층;을 포함한 광 컨버터가 제공될 수 있다. 평탄화층의 표면은 광 변환층의 표면보다 광학적으로 평활 및/또는 더욱 평활하다. 적어도 하나의 광 코팅은 유익하게 평탄화층의 평활한 표면 상에 또는 일부에 있다. 다시 말하자면, 평탄화층의 표면은 특정값보다 낮은 거칠기 및/또는 (평탄화층과 인접한) 광 변환층의 표면 거칠기보다 낮은 거칠기를 갖는다. 그런 다음에, 광 코팅은 평탄화층과 함께 형성되거나 평탄화층에 도포될 수 있다.
부가적으로 또는 대안적으로, 광 컨버터의 제조 방법은 결합재에 광 변환 입자를 포함하고 광 변환층에 입사하는 여기 광으로부터 방출 광을 생성하는 광 변환층의 표면에 평탄화층을 증착하는 단계와; 평탄화층의 표면에 적어도 하나의 광 코팅을 도포하거나 적어도 하나의 광 코팅을 형성하는 단계;를 포함하여 고려될 수 있다. 평탄화층의 표면은 유익하게 광 변환층의 표면과 비교하여 비교적 평활하다. 이 방법은 광 컨버터와 관련하여 여기에 기술된 임의의 특징들을 제공하기 위한 단계를 포함할 수 있다.
다른 시도로, 광 변환층의 표면은 평탄화층을 참조로 하여 여기에 기술된 바와 같이 거칠기를 구비할 수 있다. 이는 예컨대 적절하게 디스펜싱 및/또는 경화 하고 (실리콘) 물질의 최종 고화 전에 몰딩(moulding)으로 (PIS) 광 변환층 표면을 평활하게 달성될 수 있다. 이러한 시도에서, 평탄화층은 필요로 하지 않을 것이다. 광 코팅, 예컨대 약 1㎛ 두께의 이산화규소 코팅(silicon dioxide coating)은 광 변환층 상에 직접 증착될 수 있다. 하지만, 이러한 시도는 제조를 실행하기 어렵고, 추가적인 평탄화층이 제공되는 경우만큼 성능이 좋아지지 않는 것으로 밝혀졌다.
광 변환 입자는 통상적으로 형광체 입자이다. 결합재는 바람직하기로 폴리머이다. 예컨대, 이는 실리콘 물질을 포함할 수 있다. 평탄화층은 결합재와 동일한 물질을 포함할 수 있다(또는 이로부터 형성될 수 있다).
평탄화층의 표면은 통상적으로 광학적으로 평활하도록 구성되어 있다. 이는 큰 입사각(표면에서 적어도 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 또는 45도) 및/또는 광대역의 파장(380㎚ 내지 800㎚ 또는 적어도 여기 광 및/또는 방출 광의 파장)에 걸쳐 있을 수 있다. 예컨대, 이는 0.03㎛, 0.025㎛, 0.02㎛, 0.015㎛, 0.01㎛ 또는 0.005㎛ 보다 크지 않는(또는 이하)의 거칠기 평균(Ra)을 가질 수 있다. 평탄화층의 표면은 광 변환층의 표면의 Ra의 0.5, 0.4, 0.3, 0.25, 0.2, 0.1 또는 0.05 이하의 Ra를 가질 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 평탄화층의 표면은 여기 광 또는 방출 광의 파장의 0.3, 0.25, 0.2, 0.1, 0.05 또는 0.01 이하의 Ra를 가질 수 있다.
평탄화층은 광 변환층의 굴절률보다 낮거나, 유사하거나, 또는 큰 광 굴절률을 가질 수 있다. 통상적으로, 평탄화층의 굴절률과 광 변환층의 굴절률 사이에 차이는 광 변환층의 굴절률의 50%, 40%, 30%, 25%, 20%, 15%, 10% 또는 5% 미만(또는 이하) 이어야 한다. 부가적으로 또는 대안적으로, 평탄화층의 광 굴절률은 몇몇 실시예들에서 1.7, 1.6, 1.5, 1.4, 1.3, 1.25, 1.2, 1.1 또는 1.05 미만(또는 이하) 이고 다른 실시예들에서 1.7, 1.6, 1.5, 1.4, 1.3, 1.25, 1.2, 1.1 또는 1.05 초과(또는 이상)일 수 있다. 평탄화층은 실리콘 물질, 유기 물질 또는 복합 물질을 포함할 수 있다. 이는 SiO2 및/또는 Al2O3를 포함할 수 있다. 평탄화층은 디스펜싱, 스프레이, 브러싱, 스퍼터링, 실크 프린팅 또는 스크린 프린팅 중 하나 이상으로 증착될 수 있다. 평탄화층은 예컨대 열경화 또는 실온 가황법(RTV)으로 추가 경화될 수 있다. 열경화는 150℃ 이하(또는 이상)에서 이루어질 수 있다. 열경화의 지속기간은 적어도 1 또는 2시간 또는 그 이상일 수 있다.
적어도 하나의 광 코팅은 바람직하기로 박막 필름 코팅을 포함한다. 적어도 하나의 광 코팅은 반사방지(AR) 코팅; 고반사(HR) 코팅; 다이크로익 필터(DF) 코팅; 및 금속 코팅 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
평탄화층은 광 변환층의 제1 표면 상에 있다. 광 컨버터는 (통상적으로 광 변환층의 제1 표면과 대향하는) 광 변환층의 제2 표면 상에 광 기능성 층을 추가로 포함할 수 있다. 예컨대, 광 기능성 층은 고반사 물질 또는 반사성 수지층을 포함할 수있다.
광 컨버터는 바람직하게 광학 장치의 일부로 구현된다. 특히, 광학 장치는 기판을 포함할 수 있다. 그런 다음에, 광 컨버터는 기판 상에 구비(장착 또는 부착)될 수 있다. 기판은 금속 물질, 비금속 물질 또는 복합 물질을 포함할 수 있다(또는 형성될 수 있다). 특히, 광학 장치는 컬러 휠; 형광체 휠; 프로젝션 디스플레이(projection display); 및 자동차 헤드라이트(headlight) 중 하나일 수 있다.
다음으로 도 4를 참조하면, 제1 형광체 휠(400)을 개략적으로 분해한 실시예가 도해되어 있다. 이는 기판(402)과; 광 변환층(401); 평탄화층(404); 및 광 코팅(405);을 포함한다. 기판(402)은 고반사 필름으로 코팅된 금속 디스크이다. 광 변환층(401)은 (전술된 바와 같이) PIS 타입이며, 통상적으로 디스펜싱, 스크린 프린팅 또는 다른 코팅 방법으로 기판(402)에 도포된다. 그런 다음에, 층은 열적으로 경화되고 고화되어 컬러 세그먼트 또는 컬러 링(ring)을 형성한다. 평탄화층(404)은 실리콘으로 형성되어 AR 및/또는 DF 코팅인 광 코팅이 도포되는 광학적으로 평활한 표면을 제공한다. 구성된 컬러/형광체 휠 모듈은 고속으로 회전하는 모터에 장착된다. 광 변환층(401), 평탄화층(404) 및 광 코팅(405)의 형성은 도 3에 기술된 바에 따른다.
비록 특정 실시예가 기술되었더라도, 당업자는 변형 및 수정이 가능한 것으로 이해할 것이다. 예컨대, 도 3의 광 컨버터를 참조로 하여 기술된 대안은 도 4의 실시예와 동일하게 적용될 수 있다. 기판(402)에 대한 다른 형상 및/또는 물질이 고려될 수 있다. 더우기, 기판은 고반사 필름을 구비할 필요가 없다. 이는 금속성 반사 기판일 수 있다. 대안적으로, 평탄층(404)의 일면과 반대되는 광 변환층(401)의 일면에 반사층을 제공하지 않아도 된다. 기판은 (전체적으로 또는 부분적으로) 광학적으로 투명할 수 있다. 그런 다음에, 컬러/형광체 휠은 투과형 타입일 수 있다. 기판(402)은 모터에 장착 및/또는 회전될 필요는 없다. 대신에, 정적(비-회전) 구성으로 사용될 수 있다.
다른 대안적 구체예는 하나의 층으로 평탄화층과 광 코팅을 조합할 수 있다. 평탄화층이 2개의 주변 매체(즉 통상적으로 실리콘 내에 형광체 아래에 변환층(conversation layer)과 위에 공기) 사이의 대략 절반의 굴절률을 갖도록 선택되면, 이 층을 위한 두께의 신중한 선택에 의해, 층은 평활층과 단일층 AR 코팅을 형성할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 만약 평탄화층이 충분히 얇게 제작되면, 이는 예컨대 AR 코팅 설계의 일부를 만드는 박막 필름 스택의 일부일 수 있다. 그런 다음에, 지수와 두께는 AR 코팅 설계에 의해 필요에 따라 제어될 수 있다.
이제 도 5를 참조하면, 제2 형광체 휠을 개략적으로 분해한 실시예가 도해되어 있다. 형광체 휠(500)은 기판(502)과; 광 변환층(501); 평탄화층(504); 광 코팅(505); 및 고반사 실리콘층(506);을 포함한다. 고반사 실리콘층(506)은 계류중인 국제특허출원 제PCT/CN2015/097366호에 기술된 바와 같이 반사성 수지층일 수 있으며, 이의 내용은 본원에 참조로 병합된다. 도 5의 실시예는 계류중인 특허출원에 기재된 바와 같이 반사성 수지층과 조합하여 본 개시의 광 컨버터의 구체예로 간주될 수 있다.
고반사 실리콘층(506)은 다우 코닝 코퍼레이션사(Dow Corning Corporation)에서 CI-2001이라는 명칭으로 판매되는 실리콘 물질이다. 이 물질에 대한 추가 정보는 해당 기술 데이터 시트와 안전 데이터 시트에서 확인할 수 있으며, 이들의 내용은 참조로 병합된다. 이 물질의 주성분은 옥타메틸트라이실록세인(octamethyltrisiloxane;반사성 수지)이며, 또한 티타늄디옥사이드(titanium dioxide;20 내지 30% 정도의 농도, 굴절률 2.1)과; 이산화규소(약 1 내지 5%, 굴절률 1.47); 및 수산화알루미늄(aluminum hydroxide;약 1 내지 5%, 굴절률 1.8)을 포함한다. 이러한 추가 성분들은 광 확산 반사를 위한 추가 활성화 성분일 수 있다. 온열 가속(용매 플래시-오프(flash-off) 후에)이 인라인 공정에서 속도를 높일 수 있어도, 이 물질은 단단하고, 탄성적이며 비점착성 표면으로 실온에서 경화되고 낮은 가연성을 갖는다. 이 물질은 또한 낮은 점도를 갖춰 유동성을 향상시키고 협소한 틈새와 공간을 채울 수 있다. 통상적으로, 적합한 물질은 -45 내지 200℃(-49 내지 392℉)의 온도 범위에서 장시간(적어도 1500 시간) 동안 작동해야 한다. 하지만, 스펙트럼의 저온 및 고온에서 물질의 거동과 특정 용도의 성능은 더욱 복잡해지고 부가적인 고려사항을 요구할 수 있다. 성능에 영향을 미칠 수 있는 요소들은 구성 요소의 구성과 응력 감도, 냉각 속도 및 유지 시간, 및 이전 온도 이력이다. 고온에서, 경화된 실리콘 엘라스토머의 내구성은 시간과 온도에 종속된다.
실리콘 물질은 코팅 전에 유기 용매와 혼합되는데, 이 경우에 메틸 실록산(methyl siloxane)을 포함하고 OS-20이라는 이름으로 다우 코닝 코포레이션사에서 판매되고 있다. 이 물질에 대한 추가 정보는 해당 기술 데이터 시트와 안전 데이터 시트에서 확인할 수 있으며, 이들의 내용은 참조로 병합된다. 이는 휘발성 용매이고 용액 점도를 조절하기 위해 희석액으로 사용된다. 혼합 실리콘 물질은 공정 사항에 따라 균일되게 준비되고, 혼합을 위해 혼합기에 넣기 전에 실리콘 오일 희석제(thinner)가 점도를 조절하기 위해 추가된다. 60초 동안 600 RPM의 저속과 120초 동안 1200 RPM의 고속으로 혼합기계를 위한 2-단계 혼합 프로그램이 권장된다.
실리콘층은 디스펜싱, 스프레이 코팅 또는 스크린 프린팅으로 기판(502) 상에 형성된다. 실온 경화법 또는 실온 가황법(RTV)이 일반적으로 사용되지만, 경화 속도는 온열(mild heat)로 가속될 수 있다 (그리고 부-점착(tack-free state) 상태에 도달하는 데에 필요한 시간이 단축될 수 있다). 열경화가 대안적으로 사용될 수 있다. 대기 수분은 경화에 도움을 줄 수 있다. 공기 순환 오븐에서 상승된 온도에 노출되기 전에 용매가 증발하기 위한 충분한 시간이 허용되어야 한다. 3 밀(mil)(75 미크론) 코팅을 위한 통상적인 경화 일정은 실온에서 10분 후에 60℃에서 10분이다. 코팅이 부풀어 오르거나 거품을 함유하고 있으면, 실온에서 추가 시간이 오븐 경화 전에 용매를 떼어내기 위해 허용된다. 실리콘 물질의 가사 시간(pot life)은 선택된 적용 방법에 종속된다. 가사 시간을 확장하기 위해, 가능한한 건조 공기 또는 건조 질소 블랭킷(blanketing)을 사용하여 습도에 노출을 최소화한다. 실리콘 물질의 접착은 통상적으로 경화보다 뒤떨어지고 구축하기 위해 48 시간이 소요될 수 있다. 따라서, 경화가 실리콘 코팅층(203)을 형성한다. 경화 후에, (OS-20과 같은) 용매가 층에 존재하지 않는다. 이러한 구조는 일반적으로 380㎚ 내지 800㎚의 파장 사이에서 높은 광 반사율을 갖는다. 예컨대, 디스크 표면의 반사율은 경화 후에 98%를 달성할 수 있다. 디스크 표면의 반사율은 경화 후에 98%의 반사율을 달성할 수 있다. 98%의 반사율을 달성하기 위해 실리콘층의 전형적인 두께는 약 0.05mm 내지 0.15mm 이다.
보다 일반적으로, 반사성 수지층은 혼합된 무기-유기 폴리머 또는 엘라스토머를 포함할 수 있다 (그리고 폴리머 또는 엘라스토머로 구성된 층일 수 있다). 바람직한 실시예에서, 반사성 수지층은 실리콘을 포함하고 더욱 바람직하기로 반사성 수지층은 실리콘층이다. 반사성 수지층은 옥타메틸트라이실록세인과 같은 실리산(siloxane)을 포함할 수 있다. 반사성 수지층은 적어도 하나의 광학적 반사 물질과 같은 다른 구성 성분을 포함할 수 있지만, 반사성 수지 물질은 층의 광학적으로 지배적 및/또는 다수 (예컨대, 농도 또는 w/w 에 의한) 성분이어야 한다. 반사성 수지는 (농도 또는 w/w으로) 반사성 수지층의 적어도 50% (또는 50% 이상)으로 형성할 수 있다. 존재할 수 있는 다른 광학적 반사성 물질은 이산화티타늄(titanium dioxide); 이산화규소; 및 알루미늄하이드록사이드(aluminum hydroxide);를 포함하거나 이들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 반사성 수지층의 두께는 일반적으로 적어도 약 0.05mm (또는 0.05mm 이상)이며, 통상적으로 최소한 약 0.15mm(또는 0.15mm 이하)이고, 더욱 바람직하기로 적어도 약 0.1mm 및/또는 대략 0.1mm(예컨대, 0.08mm 또는 0.09mm 내지 0.11mm 또는 0.12mm)이다.
도 5의 실시예로 돌아가서, 광 변환층(501)은 도 3을 참조로 하여 앞서 기술된 방식으로 PIS층으로 형성된다. 고화될 때, 이는 실리콘 반사층(502) 상에 광 변환층(501)과 같이 컬러 세그먼트 또는 컬러를 형성한다. 실리콘 평탄화층(504)은 다시 도 3을 참조로 하여 상세히 기술되었듯이 광 변환층(501) 상에 코팅되고 고화된다. 이는 통상적으로 AR 및/또는 DF 코팅을 포함하는 박막 필름 광 코팅(505)이 도포되는 광 평활 표면을 형성한다. 컬러/형광체 휠 모듈은 모터에 장착되어 고속으로 회전한다.
일반적으로, 기판은 광 기능성 층으로 코팅될 수 있다. 그런 다음에, 광 변환층은 광 기능성 층 상에 광 변환층을 제공함으로써 기판에 구비될 수 있다. 광 기능성 층은 앞서 기술된 바와 같이 반사성 수지층일 수 있다.
도 5의 실시예의 변경 또는 변형이 또한 가능하다. 예컨대, 도 3의 광 컨버터 및/또는 도 4의 컬러/형광체 휠을 참조로 하여 앞서 기술된 임의의 대안이 도 5의 실시예에 동일하게 적용될 수 있다. 고반사성 실리콘층(506)은 선택적으로 광 기능성 층으로 대체될 수 있다. 이 층은 고반사성 및/또는 실리콘 이외의 물질로 만들어질 수 있다. 광 기능성 층(실리콘 층이거나 다른 것이든)은 다른 코팅법, 예컨대 광 변환 및/또는 평탄화층의 도포에 관련하여 논의된 임의의 코팅법으로 기판(502)에 도포될 수 있다.
이제 도 6을 참조하면, 도 4 및 도 5의 형광체 휠 실시예를 시험하기 위한 구성이 개략적으로 도해되어 있다. 이 구성은 제1 레이저 다이오드 뱅크(laser diode bank,601a); 제2 레이저 다이오드 뱅크(601b); 필터(610); 렌즈 시스템(620,621,622,623); 다이크로익 미러(dichroic mirror,630); 모니터 파워 미터(monitor power meter,640); 출력 미터(output power meter,650); 및 형광체 휠(660);를 포함한다.
제1 레이저 다이오드 뱅크(601a)와 제2 레이저 다이오드 뱅크(601b)는 60W의 총 전력으로 광을 제공한다. 2개의 레이저 다이오드 뱅크(601a,601b)로부터의 광은 필터(610)를 통해 제1 렌즈 시스템(620)에 입력 광(615)을 제공하도록 지향된다. 제1 렌즈 시스템(20)으로부터의 출력 광(681)은 다이크로익 미터(630)에 입사한다. 출력 광(681)은 제2 렌즈 시스템(21)을 통해 모니터 파워 미터(640)로 제공되는 측정 광(682)과; 제3 렌즈 시스템(622)을 통해 형광체 휠(660)에 여기 광으로 제공되는 시험 광(683)으로 분할된다. 형광체 휠(660)에서 방출 광(684)은 다이크로익 미터(630)으로 되돌려지는데, 제4 렌즈 시스템(623)을 통해 출력 미터(650)로 입력 광(685)을 제공하도록 반사된다. 모니터 파워 미터(640)와 출력 미터(650)로부터의 측정을 비교함으로써, 예시적인 목적으로 다른 형광체 휠과 비교될 수 있는 형광체 휠의 효율 성능이 확인될 수 있다. 이러한 구성을 사용하여, 도 2a에 따른 구체예와 도 4에 따른 구체예 사이에서 5% 성능 향상이 관찰되었다.
Claims (19)
- 광 변환층에 입사하는 여기 광으로부터 방출 광을 생성하기 위해, 결합재 내에 광 변환 입자를 포함하는 광 변환층으로서, 여기서, 상기 광 변환층은 거친 표면을 가지며, 상기 결합재는 폴리머 재료를 포함하는, 광 변환층;
상기 광 변환층의 표면 상의 평탄화층으로서, 상기 평탄화층은 폴리머 재료, 유기 물질, 또는 복합 물질을 포함하고, 여기서 상기 평탄화층은 상기 광 변환층의 굴절률 미만인 굴절률을 가지고, 상기 평탄화층의 굴절률과 상기 광 변환층의 굴절률 사이의 차이는 상기 광 변환층으로 수집 및/또는 상기 광 변환층에서 출사하는 방출 광의 각도를 상기 평탄화층의 표면의 법선에 대해 적어도 30°로 증가시키는, 평탄화층; 및
상기 광 변환층의 표면에 비해 상대적으로 평활한 상기 평탄화층의 표면 상에 또는 상기 편탕화층의 표면의 일부분으로서의 적어도 하나의 광 코팅;을 포함하는, 광 컨버터. - 청구항 1에 있어서,
상기 평탄화층의 표면은 0.02㎛ 이하의 거칠기 평균(Ra)을 갖는 광학적으로 평활한 표면인, 광 컨버터. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 평탄화층의 표면은 상기 광 변환층의 표면의 거칠기 평균(Ra)의 0.25 이하의 Ra를 갖고, 및/또는
상기 평탄화층의 표면은 여기 광 또는 방출 광의 파장의 0.1 이하의 거칠기 평균(Ra)을 갖는, 광 컨버터. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 평탄화층의 굴절률과 상기 광 변환층의 굴절률 사이의 차이는 상기 광 변환층의 굴절률의 30% 미만인, 광 컨버터. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 평탄화층의 굴절률과 상기 광 변환층의 굴절률 사이의 차이는 상기 광 변환층의 굴절률의 20% 미만인, 광 컨버터. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 평탄화층은 1.7 이하인 저 굴절률을 가지는, 광 컨버터. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 결합재의 폴리머 재료는 실리콘 물질을 포함하고, 및/또는
상기 평탄화층의 폴리머 재료는 실리콘 물질을 포함하는, 광 컨버터. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 광 변환 입자는 형광체 입자인, 광 컨버터. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 평탄화층은 400 nm 내지 1000 nm의 두께를 가지는, 광 컨버터. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 코팅은 박막 필름 코팅을 포함하는, 광 컨버터. - 청구항 10에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 코팅은 상기 광 변환층의 표면에 비해 상대적으로 평활한 평탄화층의 표면에 제공되고, 상기 적어도 하나의 광 코팅은 반사방지(AR) 코팅; 고반사(HR) 코팅; 다이크로익 필터(DF) 코팅; 및 금속 코팅 중 하나 이상을 포함하는, 광 컨버터. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 평탄화층은 상기 광 변환층의 제1 표면 상에 있고,
상기 광 컨버터는 상기 광 변환층의 제2 표면 상에 광 기능성 층(optically functional layer)을 추가로 포함하며,
여기서, 상기 광 변환층의 제2 표면은 광 변환층의 제1 표면으로부터 광 변환층의 대향하는 측면 상에 있는, 광 컨버터. - 청구항 12에 있어서,
상기 광 기능성 층은 반사성 수지 물질을 포함하는, 광 컨버터. - 기판; 및
청구항 1 또는 2에 따른 광 컨버터;를 포함하고,
여기서, 상기 광 컨버터는 상기 기판 상에 배치되는, 광학 장치. - 결합재 내에 광 변환 입자를 포함하고 광 변환층에 입사하는 여기 광으로부터 방출 광을 생성하는 광 변환층의 표면에 평탄화층을 증착하는 단계; 및
상기 평탄화층의 표면에 적어도 하나의 광 코팅을 도포하거나 또는 상기 평탄화층의 표면에 적어도 하나의 광 코팅을 형성하는 단계;를 포함하고,
여기서, 상기 평탄화층은 폴리머 재료, 유기 물질 또는 복합 물질을 포함하고, 상기 평탄화층은 상기 광 변환층의 굴절률 미만인 굴절률을 가지고, 상기 평탄화층의 굴절률과 상기 광 변환층의 굴절률 사이의 차이는 상기 광 변환층으로 수집 및/또는 상기 광 변환층에서 출사하는 방출 광의 각도를 상기 평탄화층의 표면의 법선에 대해 적어도 30°로 증가시키고;
상기 결합재는 폴리머 재료를 포함하며, 그리고
상기 광 변환층은 거친 표면을 가지고, 상기 평탄화층의 표면은 상기 광 변환층의 표면에 비해 상대적으로 평활한, 광 컨버터의 제조 방법. - 청구항 15에 있어서,
상기 평탄화층의 증착 단계는 150℃ 이하의 온도에서 상기 평탄화층을 열경화하는 단계를 추가로 포함하는, 광 컨버터의 제조 방법. - 청구항 15 또는 16에 있어서,
상기 평탄화층의 증착 단계는 디스펜싱, 스프레이, 브러싱, 스퍼터링, 스핀 코팅, 또는 실크 또는 스크린 프린팅을 포함하는, 광 컨버터의 제조 방법. - 청구항 16에 있어서,
상기 열경화된 평탄화층은 1.7 이하인 저 굴절률을 가지고,
상기 평탄화층은 400 nm 내지 1000 nm의 두께를 가지는, 광 컨버터의 제조 방법. - 청구항 15 또는 16에 있어서,
상기 평탄화층의 증착 단계 이전에,
기판 상에 상기 광 변환층을 제공하는 단계; 및
상기 기판을 광 기능성 층으로 코팅하는 단계;를 추가로 포함하고,
여기서, 상기 기판 상에 상기 광 변환층을 제공하는 단계는 상기 광 기능성 층 상에 광 변환층을 제공하는 단계를 포함하는, 광 컨버터의 제조 방법.
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