KR101647527B1 - 인광체-변환 발광 장치들에 대한 인광체-코팅 광 추출 구조들 - Google Patents

인광체-변환 발광 장치들에 대한 인광체-코팅 광 추출 구조들 Download PDF

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Abstract

등각 박막 인광층은 반구상 렌즈, 프레넬 렌즈, 또는 마이크로렌즈 어레이의 표면 상에 배치되어, 인광체-코팅 광 추출 구조를 형성한다. 또한, 박막 인광층을 포함하는 인광체-변환 광자 결정 발광 장치가 개시된다. 박막 인광층을 포함하는 웨이퍼-레벨 패키징 프로세스가 또한 본원에 개시된다.

Description

인광체-변환 발광 장치들에 대한 인광체-코팅 광 추출 구조들{PHOSPHOR-COATED LIGHT EXTRACTION STRUCTURES FOR PHOSPHOR-CONVERTED LIGHT EMITTING DEVICES}
본 출원은 전체적으로 본원에 참조로서 통합된, 2008년 11월 13일자로 제출된 미국 예비 특허 출원 제 61/114,215 호의 우선권을 청구한다.
본 발명은 일반적으로 발광 장치들에 관한 것이며, 특히, 광 추출 구조들 또는 반도체 발광 장치들에 인접한 박막 인광층을 형성하는 박막 인광체 침착 프로세스에 관한 것이다.
발광 다이오드들을 통한 고체-상태 조명(SSL-LES; Solid-State Lighting through Light Emitting Diodes)은 조명을 위해 백색 광을 생성하기 위해 고체-상태, 무기 반도체 발광 다이오드들의 사용을 수반한다. 계산을 위해 진공관들을 대체한 무기 반도체 트랜지스터들과 같이, SSL-LED는 전통적인 백열 또는 형광 조명에서 사용되는 진공 또는 가스관들을 대체하는 잠재력을 갖는 혁신 기술이다. 종래의 광원들에 대한 SSL-LED들의 이점들은, (1) 더 높은 효율 및 연관된 에너지 절약, (2) 더 양호한 컬러 렌더링, (3) 소형 인수(small form factor), (4) 투박함(ruggedness), (5) 더 긴 동작 수명 및 낮은 유지 비용, (6) 친환경, 및 (7) 낮은 제조 비용을 포함한다.
종래의 LED들은 통상적으로 좁은 방출 스펙트럼을 갖는 단색광(monochromatic light)을 생성하고, 따라서, 조명을 위해 백색 광을 제공하기 위한 넓은 방출 스펙트럼이 통상적으로 부족하다. LED로부터 백색 광을 생성하기 위해, LED 내의 발광 재결합으로부터 기인한 협대역 방출은 광대역 백색 광 스펙트럼으로 변환된다. 그러한 광대역 백색 스펙트럼은 3 개의 일반적인 접근법들에 의해 생성될 수 있다. 제 1 접근법은, 다운-변환된 파장들에서 가시광을 방출하는 다중 컬러 인광체들을 여기시키기 위해 자외선("UV") LED를 사용하는 것에 의한 파장-변환 접근법이다. 제 2 접근법은 상이한 컬러의 광을 각각 생성하는 다수의 LED들을 조합하는 것에 의한 컬러-혼합 접근법이다. 제 3 접근법은 상술된 2 개의 접근법들 간의 하이브리드이다. 현재 상업적으로 이용 가능한 백색 광의 생성은 주로 이러한 하이브리드 접근법에 기초한다. 특히, 청색 InGaN-기반 LED로부터 방출된 주요 광은 연황색 YAG:Ce3 +-기반 무기 인광체로부터 방출된 다운-변환된 보조 광과 혼합된다. 부분적으로 전달된 청색 및 재방출된 황색 광의 조합은 시원한(녹-청색) 백색 광의 모습을 제공한다. 따라서, 파장 변환 접근법 또는 하이브리드 접근법 중 어느 하나를 사용하는 백색 LED들에서 인광체-코팅 기술이 수반된다.
인광체-코팅을 위한 현재 접근법들이 다음에 기술된다. 도 1a에 도시된 바와 같은 제 1 접근법은 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 에폭시 수지 또는 실리콘 수지와 같은 액정 폴리머 시스템에 혼합된 인광체 알갱이들 또는 입자들(1)의 사용을 수반하는 슬러리 방법(slurry method)이다. 혼합된 인광체 슬러리는 LED 칩(2) 상에 분배되거나 LED 칩(2)을 둘러싸고, 그후 액체 폴리머 시스템이 건조 또는 경화된다. 인광체 슬러리를 따라 LED 칩(2)은, 도 1a에 도시된 바와 같이, 반사기 컵(3) 내에 배치될 수 있다. 슬러리 방법이 편리한 인광체 분배 방법이지만, 이러한 슬러리 방법에 의해 제조된 LED들의 결과적인 컬러 균일성은 통상적으로 불충분하고, 유색 링들(colored rings)이 상이한 시청 각도들로부터 관찰될 수 있다. 이러한 결함들은, (1) 방출되는 광이 패키지를 탈출하기 전에, LED 칩을 둘러싸는 인광체-포함 재료의 두께의 변동들이 광 경로들의 다양한 길이들을 발생시킬 수 있고, (2) 인광체-포함 재료 내의 비균일한 인광체 분포(중력 및 부력 효과들로 인한)가 액체 폴리머 경화 프로세스 동안에 더 큰 인광체 입자들을 하향으로 이동시키는 경향이 있다는 것의 결과이다. 또한, LED 칩을 둘러싸거나 LED 칩 상에 제공된 인광체 파우더들의 양에서의 변동들로 인해, 백색 컬러 좌표들은 장치마다 변동하는 경향이 있다. 결국, 이러한 컬러 변동들은 복잡한 백색 LED 컬러 분류 프로세스, 소위 컬러 비닝(color binning)을 야기하고, 이는 각각의 장치의 컬러 좌표에 따라 각각의 장치를 분류함으로써 백색 컬러 변동들을 관리하려고 시도한다.
방출된 광의 균일성을 측정하기 위해, 상관 컬러 온도("CCT"; correlated color temperature)에서의 변동이 사용된다. 발광 장치의 컬러 온도는 그의 색상과 이론적인, 가열된 흑체 복사체(heated blackbody radiator)를 비교함으로써 결정될 수 있다. 가열된 흑체 복사체가 발광 장치의 색상과 매칭하는 켈빈 온도에 관하여 표현된 온도는 장치의 컬러 온도이다. 백열 광원은 흑체 복사체인 것에 가까울 수 있지만, 많은 다른 발광 장치들은 흑체 곡선의 형태로 복사를 방출하지 않고, 따라서 CCT가 부여된다. 발광 장치의 CCT는 장치의 지각된 컬러와 가장 가깝게 매칭된 흑체 복사체의 컬러 온도이다. 켈빈 등급이 더 높을수록, "더 시원"하거나 더 청색의 광이 된다. 켈빈 등급이 더 낮을수록, "더 따뜻"하거나 더 황색의 광이 된다. 상이한 발광 각도들에서 CCT를 측정하고, 상이한 발광 장치들 주에서 이러한 변동을 비교함으로써, 생성된 광의 균일성이 양자화된다. 슬러리 방법에 의해 황색 인광체가 제공된 청색 LED 칩은, LED의 중심 발광 축으로부터 ±70 °에서의 발광 각도들에서 1,400 K 범위에 걸쳐 약 5,800 K에서 약 7,200 K로 변동하는 통상적인 CCT를 가질 수 있다. 유색 링들의 존재로 인해, CCT는 통상적으로 주변에서보다 중심축에서 또는 중심축 근처에서 더 높고, 방출된 광은 더 황색인 경향이 있다.
제 2 인광체-코팅 방법은, 도 1b에 도시된 바와 같이, 인광체-변환 백색 LED들의 제조를 위한 전기 영동 침착("EPD"; electrophoretic deposition) 방법이다. EPD의 경우에, 인광체는 액상 현탄액(liquid suspension)을 형성하기 위해 액체 용매에 적절한 양의 전해질을 첨가함으로써 전기적으로 충전되고, 전기장에 의해 바이어싱된다. 그후, 표면 충전된 인광체 입자들은 반대 극성의 전극으로 이동되고, 전극 상에서 코팅된다. 인광체 입자들의 EPD는, 더 균일한 백색광 및 감소된 유색 링들의 인스턴스들을 생성할 수 있는 상대적으로 균일한 두께의 인광층(4)을 생성한다. 더 큰 컬러 균일성을 성취하지만, EPD 방법은 일반적으로 전기적으로 비도전성 표면 바로 위에 인광체들을 침착하는 능력이 부족하다. 상업적인 생산에서, 인광층은 통상적으로 소위 근접 인광체 구성에 따라 LED 칩(5) 바로 위에 코팅된다. 이러한 구성은, 근접 인광층이 총 백색 광 방출의 약 60 %를 다시 LED 칩(5)으로 다시 지시할 수 있고, 높은 손실이 발생할 수 있기 때문에, 광 산란에 관하여 비효율적인 경향이 있다. EPD 방법의 또 다른 단점은, 특정 인광체들이 용매에 의해 저하되기 쉽다는 것이고, 이로써 EPD의 방법의 일반적인 적용 가능성이 제한된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 더욱 최근에, 또 다른 접근법은 인광체 입자들의 표면들이 연화 및 용융되기 시작할 때까지 인광체 입자들을 고압에서 가열함으로써 발광성 세라믹 판(6)을 형성하는 것을 수반한다. 부분적으로 용융된 입자들은 입자들의 견고한 응집체를 포함하는 세라믹 판(6)을 형성하기 위해 함께 달라붙을 수 있다. 발광성 세라믹 판(6)은 LED 칩(7)에 의해 방출된 광의 경로에 배치되고, LED 칩(7)은 전극들(8)의 세트 상에 배치된다. 강인함, 온도에 대한 감소된 민감성, 및 칩마다 감소된 컬러 변동들에 관하여 이점들을 제공하지만, 근접 인광체 구성으로 인해, 결과적인 패키지 효율이 불만족스러울 수 있다.
산란 효율(또한 때때로 패키지 효율로서 지칭됨)은 상업적으로 이용 가능한 백색 LED들에 대해 통상적으로 40 % 내지 60 %이고, 효율 손실은 LED 칩, 리드 프레임, 또는 서브-마운트와 같은 내부 패키지 구성요소들에 의한 광 흡수로 인한 것이다. 도 3은 청색 LED 칩(32)에 의해 전력이 공급되는 황색 인광체(31)를 갖는 인광체-변환 백색 LED의 예를 도시하고, 여기서 주요 청색 광(34)은 백색 컬러를 생성하기 위해 황색 컬러의 보조 광(35)과 컬러 혼합이 실시된다. 광 손실의 메인 소스는 LED 칩(32)에 의한 광의 흡수로부터 기인한다. LED 칩(32)이 통상적으로 고굴절률 재료들로 구성되기 때문에, 광자들(photons)이 LED 칩(32)에 부딪치고 진입하면, 광자들은 전반사(“TIR”; Total Internal Reflection)로 인해 LED 칩(32) 내에 갇히는 경향이 있다. 광 손실의 또 다른 잠재적인 소스는 LED 패키지 내의 미러 반사기(33)의 결함들로부터 기인한다.
도 3에 도시된 몇몇의 시나리오들은 광을 고흡수성 LED 칩(32)으로 지시할 수 있다. 첫째, LED 칩(32)에 의해 방출된 주요 광(36)은 인광체 파우더들(31) 또는 미러 반사기(33)에 의해 칩(32)에 다시 반사될 수 있다. 둘째, 인광체 파우더들(31)에 의해 방출된 다운-변환된 보조 광(37)은 LED 칩(32)으로 후방 산란할 수 있다. 셋째, 주요 광 및 보조 광(38) 양자는 에어-LED 패키지 인터페이스에서 TIR로 인해 칩(32)으로 다시 반사될 수 있다. 패키지로부터 탈출하는 광의 확률을 개선하기 위해, 반구상 렌즈(hemispheric lens)(39)는 에어-패키지 인터페이스에서의 TIR의 인스턴스들을 감소시키는데 사용될 수 있다. LED 칩(32)에 부딪히는 후방 산란된 광의 인스턴스들을 감소시키기 위해, 인광체 파우더들(31)은 바람직하게 칩 표면 바로 위에 배치되어서는 안 되고, 오히려 LED 칩(32)으로부터 일정한 거리에 배치되어야 한다. 또한, 더 얇은 인광층은 인광체 파우더들(31)에 의한 보조 광의 후방 산란의 인스턴스들을 감소시킬 것이다.
이러한 배경기술에 대해, 본원에 상술된 박막 인광체 침착 프로세스 및 관련된 장치들 및 시스템들을 개발할 필요성이 발생한다.
본 발명의 특정 실시예들은 박막 인광층을 포함하는 고효율 백색 발광 장치를 생성하는 것에 관한 것이다. LED와 같은 발광 반도체 장치가 통상적으로 고굴절률 재료로 구성되기 때문에, LED 패키지 내에 광의 TIR를 감소시키기 위해 광 추출 구조가 통합되는 것이 바람직하다. 광 추출 구조는, 예를 들면, 반구상 렌즈, 마이크로렌즈, 또는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)를 사용하는 것을 수반할 수 있다. 광 추출 구조는 통상적으로 광학적으로 투명하거나 반투명 재료로 구성되고, 이는 통상적으로 전기적으로 비도전성이다. EPD와 달리, 본원에 개시된 박막 인광층의 침착 방법은 전기적으로 비도전성 표면 및 전기적으로 도전성 표면 바로 위에 등각 박막 인광층들을 형성하는데 사용될 수 있다. 등각 박막 인광층은 또한 볼록 또는 오목 표면과 같은 평평하지 않은 표면 및 평평한 표면 상에 침착될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들은, 광 추출 렌즈 구조 상에 등각 박막 인광층을 배치함으로써 고효율 인광체-변환 발광 장치를 생성하는 것에 관한 것이다. 구체적으로, 하나의 실시예는, 에폭시, 실리콘, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리카보네이트, 유리 또는 석영 재료로 구성된 반구상 렌즈와 같은 전기적으로 비도전성 광 추출 렌즈 구조 상에 박막 인광층을 직접적으로 침착시킴으로써 인광체-코팅 렌즈를 생성하는 것을 수반한다. 박막 인광층으로 코팅된 렌즈 구조는 고효율 원격 인광체 구성을 생성하기 위해 LED에 접속될 수 있다. 광 추출 효율을 증가시키기 위한 이러한 인광체 구성에서 에어 갭이 포함될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들은, 마이크로렌즈 어레이 상에 박막 인광층을 침착시킴으로써 인광체 마이크로렌즈를 생성하는 것에 관한 것이다. 인광체-코팅 마이크로렌즈 어레이는 고효율 인광체-변환 발광 장치를 형성하기 위해 발광 장치 상에 적층될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들은, 프레넬 렌즈 상에 박막 인광층을 침착시킴으로써 인광체-코팅 프레넬 렌즈를 생성하는 것에 관한 것이다. 인광체-코팅 프레넬 렌즈는 고효율 인광체-변환 발광 장치를 형성하기 위해 발광 장치 상에 적층될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들은, 발광 장치의 광학 경로 상에 실질적으로 평면의 박막 인광층을 배치하는 것에 관한 것이다. 액정 디스플레이("LCD")에 대한 백라이팅과 같은 특정 LED 애플리케이션들에서, 발광 장치로부터 방출된 작은 에텐듀 광 빔(etendue light beam)이 수반된다. 이러한 관점에 따라, 본 발명의 일부 실시예들은, 발광 장치의 실질적으로 평면의 표면 상에 배치된 실질적으로 평면의 박막 인광층을 생성하는 것에 관한 것이다. 하나의 특정 실시예는 발광 장치의 표면 바로 위에 박막 인광층을 배치하는 것을 수반한다. 또 다른 실시예는 발광 장치 상에 박막 인광층을 배치하는 것을 수반하고, 광학적으로 투명하거나 반투명한 평면의 스페이서 층이 그 사이에 배치된다.
본 발명의 일부 실시예들에 따라, 광자 결정 어레이 구조는 작은 에텐듀 광 빔을 생성하는 발광 장치에 대한 광 추출 메카니즘과 같이 효과적이다. 특히, 특정 실시예들은, 2 차원 광자 결정 어레이 구조와 같은 광자 결정 어레이 구조의 표면 상에 실질적으로 평면의 박막 인광층을 배치함으로써 고효율 인광체-변환 광자 결정 발광 장치를 생성하는 것을 수반한다.
본 발명의 하나의 특정 실시예는 인광체-코팅된 광 추출 구조에 관한 것이며, 인광체-코팅된 광 추출 구조는, (1) 코팅 표면을 포함하는 광 추출 구조, 및 (2) 적어도 하나의 인광체 파우더 층 및 적어도 하나의 인광체 파우더 층에서 바인더로서 기능하는 적어도 하나의 폴리머 층을 포함하는 박막 인광층을 포함하고, 박막 인광층은 광 추출 구조의 코팅 표면에 인접하여 등각으로 배치된다.
본 발명의 또 다른 특정 실시예는 인광체-변환 발광 장치에 관한 것이며, 인광체-변환 발광 장치는, (1) 발광 장치, 및 (2) 발광 장치의 광학 경로에 배치된 박막 인광층을 포함하고, 박막 인광층의 두께는 1 nm 내지 100 ㎛의 범위이고, 박막 인광층은: (a) 제 1 인광체 입자들을 포함하는 제 1 인광체 파우더 층, 및 (b) 제 1 인광체 파우더 층에 인접한 제 1 폴리머 층을 포함하고, 제 1 폴리머 층은 제 1 인광체 입자들에 대한 바인더로서 기능한다.
본 발명의 또 다른 특정 실시예는 인광체-변환 발광 장치들을 형성하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, (1) 반사기 컵들의 어레이일 수 있는 서브마운트 반사기들의 어레이를 포함하는 패키징 기판을 제공하는 단계, (2) 발광 장치들을 패키징 기판의 각각의 서브마운트 반사기들에 접속하는 단계, (3) 인광체-코팅 마이크로렌즈 어레이를 제공하는 단계, (4) 인광체 코팅된 마이크로렌즈를 패키징 기판에 접속하는 단계, 및 (5) 개별적인 인광체-변환 발광 장치들을 형성하기 위해 패키징 기판을 다이싱(dicing)하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특정 실시예는 인광체-변환 발광 장치를 형성하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, (1) 반구상 렌즈에 인접한 박막 인광층을 형성하는 단계로서, 박막 인광층은 바인더 재료로서 파릴렌-기반 폴리머를 포함하는, 상기 박막 인광층 형성 단계, 및 (2) 인광체-코팅된 반구상 렌즈를 발광 장치에 접속하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특정 실시예는 인광체-변환 발광 장치를 형성하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, (1) 마이크로렌즈 어레이에 인접한 박막 인광층을 형성하는 단계로서, 박막 인광층은 바인더 재료로서 파릴렌-기반 폴리머를 포함하는, 상기 박막 인광층 형성 단계, 및 (2) 인광체-코팅된 마이크로렌즈 어레이를 발광 장치에 접속하는 단계를 포함한다.
본 발명의 부가적인 특정 실시예는 인광체-변환 발광 장치를 형성하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, (1) 파릴렌-기반 폴리머를 포함하는 박막 인광층을 형성하는 단계, 및 (2) 박막 인광층을 광자 결정 발광 장치에 접속하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 특징들 및 실시예들이 또한 고려된다. 상기 요약 및 다음의 상세한 설명은 본 발명을 임의의 특정 실시예로 제한하도록 의도되지 않고, 단지 본 발명의 일부 실시예들을 기술하도록 의도된다.
본 발명의 일부 실시예들의 성질 및 목적들을 더 양호하게 이해시키기 위해, 첨부한 도면들에 관하여 취해진 다음의 상세한 설명에 대해 참조가 이루어진다.
본 발명은 박막 인광층을 포함하는 고효율 인광체-변환 발광 장치를 제공한다.
도 1a는 슬러리 방법을 사용하여 형성된 종래의 백색 LED의 근접 컵 내 인광체 구성을 도시한 도면.
도 1b는 EPD를 사용하여 형성된 종래의 백색 LED의 근접 인광체 구성을 도시한 도면.
도 2는 발광 세라믹 판으로의 적층에 의해 형성된 종래의 백색 LED의 근접 인광체 구성을 도시한 도면.
도 3은 인광체 입자들에 의한 광 산란, 재료 인터페이스에서의 TIR, 및 발광 장치의 표면에서의 광 흡수를 포함하여, 광 손실들의 통상적인 소스들을 도시한 도면.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른, 등각 박막 인광체 침착 프로세스를 사용하여 형성된 단일의 컬러 박막 인광막 스택을 도시한 도면.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른, 등각 박막 인광체 침착 프로세스를 사용하여 형성된 다중 컬러 박막 인광체 합성막 스택을 도시한 도면.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른, 속이 빈 반구상 광 추출 렌즈의 내부의 오목 표면 상에 침착된 박막 등각 인광막 스택을 도시한 도면.
도 5b는 본 발명의 실시예에 따른, 고체 반구상 광 추출 렌즈의 하부 표면 상에 침착된 박막 등각 인광막 스택을 도시한 도면.
도 5c는 본 발명의 실시예에 따른, 반구상 광 추출 렌즈의 외부 볼록 표면 상에 침착된 박막 등각 인광막 스택을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 다수의 속이 빈 반구상 렌즈들의 내부 오목 표면들 상에 등각으로 침착된 박막 인광층들에 의한 일괄 코팅 프로세스를 도시한 도면.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른, 등각 박막 인광체 침착 프로세스를 사용하여 생성된 반구상 렌즈의 내부 오목 표면 상의 박막 인광층을 갖는 인광체-변환 LED를 도시한 도면.
도 7b는 본 발명의 실시예에 따른, 반구상 렌즈 구조의 하부 표면 상에 배치된 박막 인광층으로 생성된 인광체-변환 LED를 도시한 도면.
도 7c는 본 발명의 실시예에 따른, 등각 박막 인광체 침착 프로세스를 사용하여 생성된 외부 볼록 반구상 렌즈 구조 상에 배치된 박막 인광층을 갖는 인광체-변환 LED를 도시한 도면.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른, 발광 장치를 둘러싸는 확산기 렌즈를 갖는 도 7a의 인광체-변환 LED를 도시한 도면.
도 8b는 본 발명의 실시예에 따른, 발광 장치를 둘러싸는 확산기 렌즈를 갖는 도 7b의 인광체-변환 LED를 도시한 도면.
도 8c는 본 발명의 실시예에 따른, 발광 장치를 둘러싸는 확산기 렌즈를 갖는 도 7c의 인광체-변환 LED를 도시한 도면.
도 9a는 본 발명의 실시예에 따른, 박막 인광층으로 코팅된 마이크로렌즈 어레이를 도시한 도면.
도 9b는 본 발명의 실시예에 따른, 반도체 기판 상에 적층된 인광체-코팅 마이크로렌즈 어레이를 도시한 도면.
도 9c는 본 발명의 실시예에 따른, 개별적인 인광체-변환 장치들로 다이싱되는 인광체-코팅 마이크로렌즈로 적층된 반도체 기판을 도시한 도면.
도 10a는 본 발명의 실시예에 따른, 발광 장치의 표면 상에 배치된 박막 인광층을 도시한 도면.
도 10b는 본 발명의 실시예에 따른, 그 사이에 평면의 스페이서 층을 갖는 발광 장치 상에 배치된 박막 인광층을 도시한 도면.
도 10c는 본 발명의 실시예에 따른, LED 패키지 상에 배치된 박막 인광층을 도시한 도면.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른, 인광체-변환 광자 결정 발광 장치를 도시한 도면.
도 12a 내지 도 13b는 본 발명의 실시예에 따른, 발광 장치들에 대한 웨이퍼-레벨, 일괄 패키징 프로세스를 도시한 도면.
다음의 규정들은 본 발명의 일부 실시예들에 관하여 기재된 특징들 중 일부에 적용된다. 이러한 규정들은 또한 본원에서 확장될 수 있다.
본원에 사용되는 단수 용어들, "한", "하나", 및 "상기"는 문맥이 명확히 지시하지 않는다면 복수의 지시 대상들을 포함한다. 따라서, 예를 들면, 하나의 층에 대한 참조는 문맥이 명확히 지시하지 않는다면 다수의 층들을 포함할 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어, "세트"는 하나 이상의 구성요소들의 집합을 지칭한다. 따라서, 예를 들면, 층들의 세트는 단일의 층 또는 다수의 층들을 포함할 수 있다. 세트의 구성요소들은 또한 세트의 멤버들로서 지칭될 수 있다. 세트의 구성요소들은 동일하거나 상이할 수 있다. 일부 예들에서, 세트의 구성요소들은 하나의 이상의 공통 특징들을 공유할 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어, "인접"은 근처 또는 붙어있는 것을 지칭한다. 인접한 구성요소들은 서로 이격될 수 있거나, 서로 실제 또는 직접적으로 접촉할 수 있다. 일부 예들에서, 인접한 구성요소들은 서로 접속될 수 있거나, 서로 일체로 형성될 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어들, "접속하다", "접속되다" 및 "접속"은 동작적 결합 또는 링킹을 지칭한다. 접속된 구성요소들은 서로 직접적으로 결합될 수 있거나, 가령 또 다른 구성요소들의 세트를 통해 서로에 간접적으로 결합될 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어들, "실질적으로" 및 "실질적인"은 상당한 정도 또는 범위를 지칭한다. 이벤트 또는 상황과 연관하여 사용될 때, 상기 용어들은 이벤트 또는 상황이 정확히 발생하는 인스턴스들 및 이벤트 또는 상황이 본원에서 기재된 제조 동작들의 통상적인 허용 가능 레벨들을 고려하여 거의 근사치로 발생하는 인스턴스들을 지칭할 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어들, "전기적으로 도전성" 및 "전기적인 도전성"은 전류를 전달하는 기능을 지칭하고, 반면에, 용어들, "전기적으로 비도전성" 및 "전기적인 비도전성"은 전류를 전달하는 기능이 없는 것을 지칭한다. 전기적으로 도전성인 재료들은 통상적으로 전류의 흐름에 대해 거의 또는 전혀 저항을 나타내지 않는 재료들에 대응하고, 반면에, 전기적으로 비도전성 재료들은 통상적으로 전류가 흐르는 성향이 거의 또는 전혀 없는 재료들에 대응한다. 전기 도전성(전기 비도전성)의 하나의 측정은 미터 당 지멘스(Siemens)("S·m-1")에 관한 것이다. 통상적으로, 전기적으로 도전성 재료는 적어도 약 105 S·m-1 또는 적어도 약 106 S·m- 1와 같이 약 104 S·m-1보다 더 큰 도전성을 갖는 재료이고, 반면에, 전기적으로 비도전성 재료는 약 103 S·m-1 이하 또는 102 S·m-1 이하와 같은 적어도 약 104 S·m-1보다 작은 도전성을 갖는 재료이다. 재료의 전기적 도전성(또는 전기적 비도전성)은 때때로 온도에 따라 변동할 수 있다. 지정되지 않는다면, 재료의 전기적 도전성(또는 전기적 비도전성)은 실온에서 규정된다.
광 발광(photoluminescence)에 관하여 본원에서 사용된 바와 같이, 용어, "양자 효율(quantum efficiency)"은 출력 광자들의 수 대 입력 광자들의 수의 비율을 지칭한다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어, "크기"는 특징적인 치수를 지칭한다. 구형인 입자의 경우에, 입자의 크기는 입자의 지름을 지칭할 수 있다. 비구형인 입자의 경우에, 입자의 크기는 입자의 다양한 직교 치수들의 평균을 지칭할 수 있다. 타원형인 입자의 크기는 입자의 큰 축 및 작은 축의 평균을 지칭할 수 있다. 특정 크기를 갖는 것으로 입자들의 세트를 지칭할 때, 입자들이 상기 크기 주변의 크기들의 분포를 가질 수 있다고 고려된다. 따라서, 본원에서 사용되는 입자들의 세트의 크기는 평균 크기, 중간 크기, 또는 최고 크기와 같이 크기들의 분포의 대표적인 크기를 지칭할 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어, "알칸(alkane)"은 포화된 탄화 수소 분자를 지칭한다. 특정 애플리케이션들에서, 알칸은 1 내지 100 개의 탄소 원자들을 포함할 수 있다. 용어, "하위 알칸(lower alkane)"은, 예를 들면, 1 내지 10 개의 탄소 원자들과 같이 1 내지 20 개의 탄소 원자들을 포함하는 알칸을 지칭하고, 반면에, 용어, "상위 알칸(upper alkane)"은 가령, 예를 들면, 21 내지 100 개의 탄소 원자들과 같이 20 개 이상의 탄소 원자들을 포함하는 알칸을 지칭한다. 용어, "분기된 알칸(branched alkane)"은 하나 이상의 가지들을 포함하는 알칸을 지칭하고, 반면에, 용어 "분기되지 않은 알칸"은 직선 사슬 모양의 알칸을 지칭한다. 용어 "시클로알칸(cycloalkane)"은 하나 이상의 링 구조들을 포함하는 알칸을 지칭한다. 용어 "헤테로알칸(heteroalkane)"은, 예를 들면, N, Si, S, O 및 P와 같은 하나 이상의 헤테로 원자들에 의해 대체된 하나 이상의 탄소 원자들을 갖는 알칸을 지칭한다. 용어 "치환된 알칸(substituted alkane)"은, 예를 들면, 할로 그룹들, 하이드록시 그룹들, 알콕시 그룹들, 카르복시 그룹들, 티오 그룹들, 알킬티오 그룹들, 시아노 그룹들, 니트로 그룹들, 아미노 그룹들, 알킬아미노 그룹들, 디알킬아미노 그룹들, 실릴 그룹들, 및 실록시 그룹들과 같은 하나 이상의 치환 그룹들에 의해 대체된 하나 이상의 수소 원자들을 갖는 알칸을 지칭하고, 반면에, 용어, "비치환 알칸"은 그러한 치환 그룹들이 없는 알칸을 지칭한다. 상기 용어들의 조합들은 특징들의 조합을 갖는 알칸을 지칭하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 용어, "분기된 하위 알칸"은 1 내지 20 개의 탄소 원자들 및 하나 이상의 가지들을 포함하는 알칸을 지칭하는데 사용될 수 있다. 알칸들의 예들은 메탄, 에탄, 프로판, 사이클로프로판, 부탄, 2-메틸프로판, 사이클로부탄, 및 그의 충전, 헤테로 또는 치환된 형태들을 포함한다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어, "알킬 그룹"은 알칸의 1 가(monovalent)의 형태를 지칭한다. 예를 들면, 알킬 그룹은 또 다른 분자의 그룹에 대한 접합을 허용하도록 제거된 그의 수소 원자들 중 하나를 갖는 알칸으로서 간주될 수 있다. 용어, "하위 알킬 그룹"은 하위 알칸의 1 가 형태를 지칭하고, 반면에, 용어, "상위 알킬 그룹"은 상위 알칸의 1 가 형태를 지칭한다. 용어 "분기된 알킬 그룹"은 분기된 알칸의 1 가 형태를 지칭하고, 반면에, 용어, "비분기된 알킬 그룹"은 비분기된 알칸의 1 가 형태를 지칭한다. 용어, "사이클로알킬 그룹"은 사이클로알칸의 1가 형태를 지칭하고, 용어, "헤테로알킬 그룹"은 헤테로알칸의 1가 형태를 지칭한다. 용어, "치환된 알킬 그룹"은 치환된 알칸의 1 가 형태를 지칭하고, 반면에, 용어, "비치환된 알킬 그룹"은 비치환된 알칸의 1가 형태를 지칭한다. 알킬 르부들의 예들은 메틸, 에틸, n-프로필, 이소프로필, 사이클로프로필, 부틸, 이소부틸, t-부틸, 및 그의 충전된, 헤테로 또는 치환된 형태들을 포함한다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어, "아렌(arene)"은 방향족 탄화수소 분자를 지칭한다. 특정 애플리케이션들에서, 아렌은 5 내지 100 개의 탄소 원자들을 포함할 수 있다. 용어, "하위 아렌"은, 예를 들면, 5 내지 14 개의 탄소 원자들과 같이 5 내지 20 개의 탄소 원자들을 포함하는 아렌을 지칭하고, 반면에, 용어, "상위 아렌"은, 예를 들면, 21 내지 100 개의 탄소 원자들과 같이 20 개 이상의 탄소 원자들을 포함하는 아렌을 지칭한다. 용어 "단환 아렌(monocyclic arene)"은 단일의 방향족 링 구조를 포함하는 아렌을 지칭하고, 반면에, 용어, "다환 아렌(polycyclic arene)"은, 예를 들면, 탄소-탄소 단일 결합을 통해 결합되거나 함께 융합된 2 개 이상의 방향족 링 구조들과 같이 하나 이상의 방향족 링 구조를 포함하는 아렌을 지칭한다. 용어, "헤테로아렌"은, 예를 들면, N, Si, S, O, 및 P와 같은 하나 이상의 헤테로원자들에 의해 대체된 하나 이상의 탄소 원자들을 갖는 아렌을 지칭한다. 용어, "치환된 아렌"은, 예를 들면, 알킬 그룹, 알켄닐 그룹들, 알키닐 그룹들, 이미닐 그룹들, 할로 그룹들, 하이드록시 그룹들, 알콕시 그룹들, 카르복시 그룹들, 티오 그룹들, 알킬티오 그룹들, 시아노 그룹들, 니트로 그룹들, 아미노 그룹들, 알킬아미노 그룹들, 디알킬아미노 그룹들, 실릴 그룹들, 및 실록시 그룹들과 같은 하나 이상의 치환 그룹들에 의해 대체된 하나 이상의 수소 원자들을 갖는 아렌을 지칭하고, 반면에, 용어, "비치환된 아렌"은 그러한 치환 그룹들이 없는 아렌을 지칭한다. 상기 용어들의 조합들은 특징들의 조합을 갖는 아렌을 지칭하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 용어, "단환 하위 알켄"은 5 내지 20 개의 탄소 원자들 및 단일의 방향족 링 구조를 포함하는 아렌을 지칭하는데 사용될 수 있다. 아렌들의 예들은 벤젠, 바이페닐, 나프탈렌, 피리딘, 피리다진, 피리미딘, 피라진, 퀴놀린, 이소퀴놀린, 및 그의 충전, 헤테로 또는 치환된 형태들을 포함한다.
본원에 사용되는 용어, "아릴 그룹"은 아렌의 1 가 형태를 지칭한다. 예를 들면, 아릴 그룹은 또 다른 그룹의 분자에 대한 결합을 허용하도록 제거된 수소 원자들 중 하나를 갖는 아렌으로서 간주될 수 있다. 용어, "상위 아릴 그룹"은 하위 아렌의 1 가 형태를 지칭하고, 반면에, 용어, "상위 아릴 그룹"은 상위 아렌의 1 가 형태를 지칭한다. 용어, "단환 아릴 그룹"은 단환 아렌의 1 가 형태를 지칭하고, 반면에, 용어, "다환 아릴 그룹"은 다환 아렌의 1 가 형태를 지칭한다. 용어, "헤테로아릴 그룹"은 헤테로아렌의 1 가 형태를 지칭한다. 용어, "치환된 아릴 그룹"은 치환된 아렌의 1 가 형태를 지칭하고, 반면에, 용어, "비치환된 아렌 그룹"은 비치환된 아렌의 1 가 형태를 지칭한다. 아릴 그룹들의 예들은 페닐, 바이페닐릴, 나프틸, 피리디닐, 피리다지닐, 피리미디닐, 피라지닐, 퀴놀릴, 이소퀴놀릴, 및 그의 충전, 헤테로 또는 치환된 형태들을 포함한다.
본원에 사용되는 용어, "아릴렌 그룹"은 아렌의 2 가 형태를 지칭한다. 예를 들면, 아릴렌 그룹은 하나 이상의 부가적인 분자 그룹들에 대한 결합을 허용하도록 제거된 수소 원자들 중 2 개의 수소 원자를 갖는 아렌으로서 간주될 수 있다. 용어, "하위 아릴렌 그룹"은 하위 아렌의 2 가 형태를 지칭하고, 반면에, 용어 "상위 아릴렌 그룹"은 상위 아렌의 2 가 형태를 지칭한다. 용어, "단환 아릴렌 그룹"은 단환 아렌의 2 가 형태를 지칭하고, 반면에 용어, "다환 아릴렌 그룹"은 다환 아렌의 2 가 형태를 지칭한다. 용어, "헤테로아릴렌 그룹"은 헤테로아렌의 2 가 형태를 지칭한다. 용어, "치환된 아릴렌 그룹"은 치환된 아렌의 2가 형태를 지칭하고, 반면에, 용어 "비치환된 아릴렌 그룹"은 비치환된 아렌의 2 가 형태를 지칭한다. 아릴렌 그룹들의 예들은 페닐렌, 바이페니릴렌, 나프틸렌, 피리디니렌, 피리다지닐렌, 피리다지닐렌, 피리미디닐렌, 피라지니렌, 퀴놀리렌, 이소퀴놀릴렌, 및 그의 충전, 헤테로 또는 치환된 형태들을 포함한다.
등각 박막 인광체 침착 프로세스
본 발명의 특정 실시예들은 LED와 같은 발광 장치의 광학 경로에 등각으로 배치될 수 있는 상당히 일정한 두께의 박막 인광층의 형성에 관한 것이며, 이로써 거의 또는 전혀 유색 링들을 갖는 않는 실질적으로 일정한 백색 광을 생성한다. 이러한 박막 인광층은, (1) 기판 표면 상에 실질적으로 균일하게 배치된 인광체 파우더 층을 형성하는 단계, 및 (2) 느슨하게 포장된 인광체 입자들 사이의 갭들을 채우기 위해 폴리머 바인더 층을 형성하여, 실질적으로 연속적인, 박막 인광층을 형성하는 단계를 수반하는 개선된 침착 방법에 의해 예비될 수 있다. 정밀하게 제어된 양의 인광체 파우더들이 광학 경로에 배치될 수 있어, 이로써 광 산란 손실들을 감소시키기 때문에, 박막 인광층의 인광체-변환 효율은 상당히 개선될 수 있다. 또한, 박막 인광층의 컬러 균질성(homogeneity)은 실질적으로 균일한 인광체 입자들의 침착으로 인해 상당히 개선될 수 있다. 균일한 박막 인광층을 형성하는 하나의 방법은 인광체 입자들의 침착 동안에 인광체 입자들 사이에 정전하들을 도입하는 것이다. 인광체 입자들 사이의 정전하들은 그들의 분포를 자체 균형을 유지하고 조절하여, 인광체 입자들의 실질적으로 균일한 분포를 촉진한다. 균일한 박막 인광층을 형성하는 또 다른 방법은 침착 챔버 내의 샤워헤드 메카니즘과 같은 인광체 디스펜싱 메카니즘을 통해, 또는 기판을 잡고 있는 턴 테이블과 같은 회전 기판 홀딩 메카니즘을 통한 것이다. 개선된 효율 및 컬러 균질성 이외에, 폴리머 바인더 층이 적어도 약 300 ℃ 이상까지 열적으로 안정적일 수 있기 때문에, 박막 인광층의 온도 안정성이 상당히 개선될 수 있다.
이롭게, 인광체 파우더 전달 메카니즘을 통한 침착된 정밀하게 제어된 양의 인광체 입자들로의 코팅 프로세스에 의해 엄격한 컬러 좌표에서 백색 컬러 일관성이 유지될 수 있다. 백색 컬러 렌더링은 적색 인광층의 침착, 녹색 인광층의 침착, 및 청색 인광층의 침착과 같은 다중 컬러 인광체들의 층 단위의 순차적인 침착에 의해 정밀하게 동조될 수 있다. 다중-컬러 인광체들의 비율은 결과적인 합성 다중-컬러 인광막 스택에서 정확하게 제어될 수 있다. 따라서, 인광체 박막 프로세스에 의해 제조된 백색 LED의 컬러 좌표 및 CCT는 정확하게 제어될 수 있다. 결국, 이는 비닝 프로세스(binning process)를 상당히 간략화(또는 회피)할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따라, 일관된 백색 컬러 좌표는 다중-컬러 인광체 막 스택의 정량을 동조시킴으로써 약간 변형된 청색 LED 칩들로부터 성취될 수 있다. 이러한 컬러 보상 방법은 상이한 인광체 내용물의 조성들 또는 양들을 사용하여 청색 LED 칩들의 컬러 변형을 보상할 수 있다. 그러한 방식에서, 백색 LED 산출량은 백색 LED들을 사용하는 디스플레이 백라이팅과 같은 컬러 민감 애플리케이션들에서 상당히 증가될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 박막 인광체-코팅 방법은 일괄 인광체-코팅 프로세스이다. 다수의 발광 장치들은 하나의 코팅 동작에서 박막 인광체로 침착될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 다수의 LED 렌즈들은 하나의 코팅 동작에서 박막 인광체로 침착될 수 있다. 반도체 칩 제조와 마찬가지로, 발광 장치 당 제조 비용은 상당히 감소될 수 있고, 제조 처리량은 일광 프로세스에 의해 상당히 증가될 수 있다. 박막 인광층을 형성하는 침착 프로세스는 진공 챔버에서 일어나는 것이 바람직하다. 그러나, 침착 프로세스가 또한 질소와 같은 비활성 가스가 채워진 침착 챔버 또는 대기 환경에서 발생될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
EPD와 달리, 박막 인광층의 침착은 전기적으로 비도전성 표면 바로 위에 등각 박막 인광층들을 형성하는데 사용될 수 있다. 등각 박막 인광체는 또한 LED 렌즈의 볼록 또는 오목 표면과 같은 평평하지 않은 표면 상에 침착될 수 있다.
개선된 프로세스에 따라, 다양한 인광체들이 사용될 수 있다. 통상적으로, 인광체는 발광 재료, 즉, 에너지 여기에 응답하여 광을 방출하는 재료로 구성된다. 여기된 원자들 또는 분자들의 전자 상태들로부터 완화(relaxation)에 기초하여 발광이 발생할 수 있고, 일반적으로, 예를 들면, 화학 발광(chemiluminescence), 전자 발광(electroluminescence), 광 발광(photoluminescence), 열 발광(thermoluminescence), 마찰 발광(triboluminescence) 및 그의 조합들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 형광 및 인광을 포함할 수 있는 광 발광의 경우에, 여기된 전자 상태는 광의 흡수와 같이 광 여기에 기초하여 생성될 수 있다. 개선된 프로세스에 따라 유용한 인광체들은 석류석들(garnets)(예를 들면, (Y1 - aGda)3(Al1 -bGab)5O12:Ce3+, a,b ≤ 0.2 또는 YAG:Ce3 +), 실리케이트들, 오소실리케이트들(orthosilicates), 황화물들, 및 질화물들을 포함하여, Ce3 + 및 Eu2+와 같은 활성제 이온들에 의해 도핑된 다양한 무기 호스트 재료들을 포함한다. 석류석들 및 오소실리케이트들은 황색 방출 인광체들로서 사용될 수 있고, 질화물들은 적색 방출 인광체들로서 사용될 수 있다. 그러나, 유기 염료들을 포함하여, 다양한 다른 형태들의 파장-변환 재료들이 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 바람직하게, 인광체들 및 다른 형태들의 파장-변환 재료들은 적어도 약 40 퍼센트, 적어도 약 50 퍼센트, 적어도 약 60 퍼센트, 적어도 약 70 퍼센트, 또는 적어도 약 80 퍼센트와 같이 약 30 퍼센트 이상인 양자 효율을 갖는 광 발광성을 나타낼 수 있고, 약 90 퍼센트 이상까지일 수 있다.
통상적으로, 개선된 프로세스에 따라 사용된 인광체는 파우더 형태, 즉, 입자들의 세트로서 제공된다. 컬러 비균일성을 개선하기 위해, 입자들은 약 10 nm 내지 약 30 ㎛, 약 100 nm 내지 약 30 ㎛, 약 500 nm 내지 약 30 ㎛, 또는 1 ㎛ 내지 약 30 ㎛와 같이 약 1 nm 내지 약 100 ㎛의 범위의 크기들을 갖는다.
인광체 침착 프로세스에 따라, 인광체 파우더가 전기적으로 충전되면, 인광체 파우더는 관성 효과들, 브라운 운동(Brownian movement), 열 영동(thermophoresis), 또는 전기장들에 의해 기판 표면 상으로 수송 및 침착될 수 있다. 실질적으로 균일하게 분포된 인광체 파우더 층을 기판 표면 상에 형성하는 하나의 접근법은, 깨끗하고 건조한 에어와 같은 캐리어 가스들의 세트 또는 질소와 같은 불활성 가스에 의해 인광체 용기로부터 인광체 파우더를 동반, 반송, 결집시키거나 수송하고, 그후 진공, 불활성 가스 또는 대기 챔버에서 샤워헤드 메카니즘을 통해 인광체 파우더를 살포하는 것이다. 일부 실시예들에서, 인광체 파우더가 인광체 수송 프로세스 동안에 동일한 포지티브 또는 네가티브 정전하로 이온화되는 것이 바람직하다. 충전된 인광체 파우더가 기판 표면 상에 살포 및 침착될 때, 구성 인광체 입자들은 인광체 파우더 층을 형성하도록 실질적으로 균일하게 분포되어 인광체 입자들 사이에서 정전기력들이 자체 균형이 잡힌다. 구체적으로, 인광체 파우더의 정전기 살포는 다음을 수반한다.
1) 인광체는 인광체 파우더 용기 또는 다른 인광체 파우더 소스로부터 불활성 캐리어 가스에 의해 수송된다. 인광체 파우더 흐름 부피는 노즐 장치 또는 다른 흐름 제어 메카니즘에 의해 정확하게 제어될 수 있다.
2) 인광체 파우더는 동일한 정전하로 이온화된다. 인광체 파우더를 이온화하는 동작은 기판 표면 상에 인광체 파우더를 실질적으로 균일하게 침착시킨다. 그러나, 이러한 파우더 이온화 동작이 선택적이고 특정 실시예들에서 생략될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
3) 기판 표면이 전기적으로 비도전성 폴리머 재료로 구성되면, 기판 표면은 기판 표면 상의 반대 정전하로 이온화된다. 기판 표면이 전기적으로 도전성 재료로 구성되면, 기판 표면은 가령 기판 표면을 접지 전위에 전기적으로 접속함으로써 접지된다. 기판 표면을 이온화 또는 접지하는 동작은, 인광체 파우더를 기판 표면 상에 실질적으로 균일하게 침착시키기 위해 요구된다. 그러나, 이러한 기판 표면 이온화 또는 접지 동작이 선택적이고 특정 실시예들에서 생략될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
4) 캐리어 가스는 샤워헤드 메카니즘을 통해 침착 챔버에 충전된 인광체 파우더를 동반하여, 이로써 인광체 파우더를 균등하게 분포시킨다. 샤워헤드 메카니즘은 인광체 파우더를 기판 표면 상에 실질적으로 균일하게 침착시키기 위해 요구된다. 대안으로, 또는 이와 연관하여, 기판 표면은 인광체 파우더가 기판 표면 상에 실질적으로 균일하게 침착될 수 있도록 외전 메카니즘을 사용하여 침착 챔버에서 회전된다. 그러나, 이들 메카니즘들이 선택적이고 특정 실시예들에서 생략될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
5) 인광체 파우더는 기판 표면 상에 등각으로 및 실질적으로 균일하게 침착된다. 하나의 실시예에서, 기판 표면은 LED 칩의 표면 또는 다수의 LED 칩들의 표면들이다. 또 다른 실시예에서, 기판 표면은 LED 렌즈의 표면 또는 다수의 LED 렌즈의 표면들이다. 또 다른 실시예에서, 기판 표면은 유리 또는 석영 기판의 표면이다. 또 다른 실시예에서, 기판 표면은 폴리(에틸렌테레프탈레이트(ethylene Terephthalate))로 구성된 것과 같은 가요성 투명막의 표면이다.
6) 인광체 파우더는 이온화(탈이온화) 가스로 방전된다. 이온화 가스는 인광체 파워 상의 잔여 정전하들을 중화시킨다. 이러한 방전 동작이 선택적이고 특정 실시예들에서 생략될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
인광체 침착 프로세스에 따라, 인광체 파우더는 다음의 방법들 중 하나 또는 조합에 의해 정전하들로 이온화된다.
· 전력이 전정전하들을 생성하는데 사용되는 코로나 충전
· 정전하들이 파우더와 일부 도관 표면 간의 마찰에 의해 생성되는 마찰 전기 충전
· 파우더가 전기장으로부터의 유도에 의해 충전되는 유도 충전
전기적으로 도전성 기판에서, 기판 표면은 정전기적으로 충전된 인광체 파우더의 침착을 위해 전기장 전위를 유지하도록 접지될 수 있다. 정전하들은 또한 마찰에 의해 인광체 파우더 또는 전기적으로 비도전성 기판 표면 상에서 생성될 수 있다. 특히, 2 개의 상이한 재료들이 접촉될 때, 전하들의 불균형을 상쇄하기 위해 하나에서 다른 하나로 전하의 수송이 존재할 수 있다. 전하 수송의 크기 및 방향은 양자의 재료들의 화학 및 전자적 구조를 포함하여 다수의 요인들에 의존할 수 있다.
반대 정전하는 마찰 충전 방법에 의해 전기적으로 비도전성 기판 표면 상에 생성될 수 있다. 예를 들면, 네가티브 전하들은 다음 중 하나 또는 조합에 의해 비도전성 기판 표면 상에 생성될 수 있다.
· 마찰 충전은 비도전성 에폭시 또는 실리콘 수지 표면을 통해 분사된 테플론 파우더(Teflon powder)를 사용하여 수행된다. 테플론 파우더는 네가티브로 충전된 표면을 렌더링하기 위해 에폭시 또는 실리콘 수지 표면으로부터 멀리 전자들을 반송할 수 있다.
· 에폭시 표면은 나일론 브러쉬 또는 옷감으로 문지르게 된다.
인광체 침착 프로세스는 다음과 같은 다수의 이점들을 제공한다.
· 이것은 인광체-변환 백색 LED들에서 근접 인광체 구성 및 원격 인광체 구성 양자에 적용될 수 있다.
· 이는 층간 인광체 침착 프로세서로서 구현될 수 있고, 다중-컬러 인광체 박막 스택을 형성하는데 용이하게 사용될 수 있다.
· 침착 프로세스는 임의의 용매들이 없는 건조 및 세정 프로세스일 수 있다.
· 제어된 양의 인광체들이 침착 동안에 사용될 수 있어, 백색 LED들의 컬러 변동들 및 비닝 이슈들을 상당히 감소시킨다.
· 이는 인광체 입자들 사이에 정전하들을 도입함으로써 인광체들의 실질적으로 균일한 코팅을 성취할 수 있다.
· 이는 침착 동안에 높은 인광체 활용 산출량을 성취할 수 있다.
인광체 침착 프로세서에 따라, 침착된 인광층은 초기에는 느슨하게 포장된 파우더 층이다. 다음에, 인광체 입자들 사이의 갭들을 채우고 실질적으로 연속적인 박막층을 형성하기 위해 폴리머 박막이 침착된다. 실질적으로 균일하게 분포된 인광층 구조를 보존하기 위해, 인광체 인자들에 대해 바인더 재료로서 이러한 폴리머 층을 형성하도록 화학 기상 침착("CVD") 프로세스를 사용하는 것이 바람직하다. 폴리머 층을 형성하기 위해 CVD 대신에 또는 CVD와 연관하여 또 다른 적절한 침착 프로세스가 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 다른 침착 프로세스들의 예들은 열 증착, 전자-빔 증착, 또는 물리적 기상 침착과 같은 다른 기상 침착 프로세스들, 및 스프레이 코팅, 딥 코팅(dip coating), 웹 코팅(web coating), 습식 코팅, 및 스핀 코팅(spin coating)을 포함한다.
적절한 폴리머들의 예들은, 본 발명의 실시예에 따른 박막 인광층에서 바인딩 매트릭스를 형성하는데 사용될 수 있는 등각 코팅 폴리머들의 패밀리를 포함한다. 특히, 폴리머들의 패밀리는 파릴렌-기반 폴리머들의 패밀리에 대응한다. 일반적으로, 파릴렌-기반 폴리머들은 폴리(p-xylylene) 및 그의 유도체들과 같은 다양한 폴리크실릴렌-기반 폴리머들(polyxylylene-based polymers)에 대응하고, 예를 들면, 화학식 -CZZ'-Ar-CZ"Z'''-의 일반적인 반복 유닛을 갖는 폴리머들을 포함하고, 여기서, Ar은 아릴렌 그룹(예를 들면, 페닐렌과 같이, 비치환, 부분적으로 치환되거나, 완전히 치환된 아릴렌 그룹)이고, Z, Z', Z", 및 Z'''는 동일하거나 상이할 수 있다. 특정 실시예들에서, Ar은 C6H4 - xXx이고, 여기서 X는 Cl 또는 F와 같은 할로겐이고, x = 0, 1, 2, 3, 또는 4이고, Z, Z', Z", 및 Z'''는 H, F, 알킬 그룹들 및 아릴 그룹들(예를 들면, C6H5 - xFx, x = 0, 1, 2, 3, 4 또는 5)로부터 독립적으로 선택된다. 하나의 특정 실시예에서, 파릴렌 N은 화학식 -CH2-C6H4Cl-CH2-의 반복 유닛을 포함하고, 박막 인광층을 형성하기 위한 바인더 재료로서 사용된다. 또 다른 실시예에서, 화학식 -CH2-C6H3Cl-CH2-의 반복 유닛을 포함하는 파릴렌 C는 박막 인광층을 형성하기 위한 바인더 재료로서 사용된다. 파릴렌 C는 파릴렌 N과 동일한 모노머(monomer)로부터 생성될 수 있지만, 방향족 수소들 중 하나에 대해 염소 원자의 치환에 의해 변경된다. 또 다른 실시예에서, 화학식 -CH2-C6H2Cl2-CH2-의 반복 유닛을 포함하는 파릴렌 D는 박막 인광층을 형성하기 위한 바인더 재료로서 사용된다. 파릴렌 D는 파릴렌 N와 동일한 모노머로부터 생성될 수 있지만, 2 개의 방향족 수소에 대해 2 개의 염소 원자들의 대체에 의해 변경된다. 또 다른 실시예에서, 파릴렌 F로서 지칭되는 부분적으로 플루오르화된 파릴렌-기반 폴리머가 사용될 수 있다. 파릴렌 F는 화학식 -CF2-C6H4-CF2-의 반복 유닛을 포함하고, BrCF2-C6H4-CF2Br과 같은 다양한 전구체들(precursors)로부터 형성될 수 있다. 이러한 파릴렌-기반 폴리머들이 예의 방법으로 제공되고, 다양한 다른 등각 코팅 폴리머들이 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 다른 적절한 폴리머들의 예들은 폴리이미드들, 플루오르화 탄소-기반 폴리머들(예를 들면, 폴리(테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene))), 폴리(p-페닐렌 비닐렌), 폴리(피롤), 폴리(티오펜), 폴리(2, 4-헥사딘(hexadiyn)-1, 6-디올(diol)), 플루오르화 탄소/유기 규소 코폴리머(organosilicon copolymers), 폴리(에틸렌 클리콜) 및 그의 유도체들을 포함한다. 아크릴의 열 증착은 또한 실질적으로 연속적인 인광층을 형성하는데 사용될 수 있다.
다양한 파릴렌-기반 폴리머 막들 및 다른 형태들의 폴리머 막들은 수송 중합(transport polymerization)의 CVD 기술을 통해 형성될 수 있다. 수송 중합은, 통상적으로 기판 표면으로부터 원격의 위치에서 전구체 분자로부터 기상 반응성 매개(vapor phase reactive intermediate)를 생성하고, 그후 기상 반응성 매개를 기판 표면으로 수송하는 것을 수반한다. 기판 표면은 중합을 위해 반응성 매개들의 용융 온도 아래로 유지될 수 있다. 예를 들면, 파릴렌 F는 반응성 매개 *CF2-C6H4-CF2 *를 형성하기 위해 브롬 원자들의 제거에 의해 전구체 BrCF2-C6H4-CF2Br로부터 형성될 수 있고, 여기서 *는 자유 라디칼을 나타낸다. 이러한 반응성 매개는 침착 챔버로부터 원격의 위치에서 형성될 수 있고, 침착 챔버로 수송될 수 있고, 기판 상에서 응결되고, 여기서 중합이 발생한다.
더욱 일반적으로, 파릴렌-기반 폴리머 막들은 화학식 (CZZ'Y)m-Ar-(CZ"Z'''Y')n을 갖는 것과 같이 다양한 전구체들로부터 형성될 수 있고, 여기서 Ar은 아릴렌 그룹(예를 들면, 페닐렌과 같이, 비치환, 부분적으로 치환되거나, 완전히 치환된 아릴렌 그룹)이고, Z, Z', Z", 및 Z'''는 동일하거나 상이할 수 있고, Y 및 Y'는 동일하거나 상이할 수 있고, 자유 라디칼들을 생성하도록 제거 가능하고, m 및 n은 각각 제로 또는 양의 정수와 동일하고, m 및 n의 합은 치환을 위해 이용 가능한 Ar에 대해 sp2-혼성화된 탄소들의 총수 이하이다. 특정 실시예들에서, Ar은 C6H4-xXx이고, 여기서 X는 Cl 또는 F와 같은 할로겐이고, x = 0, 1, 2, 3, 또는 4이고, Z, Z', Z", 및 Z'''는 H, F, 알킬 그룹들 및 아릴 그룹들(예를 들면, C6H5 - xFx, x = 0, 1, 2, 3, 4 또는 5)로부터 독립적으로 선택된다. 다른 적절한 전구체들은 화학식 {(CZZ')-Ar-(CZ"Z''')}2을 갖는 이합체들을 포함하고, 여기서 Ar은 아릴렌 그룹(예를 들면, 페닐렌과 같이, 비치환, 부분적으로 치환되거나, 완전히 치환된 아릴렌 그룹)이고, Z, Z', Z", 및 Z'''는 동일하거나 상이할 수 있다. 특정 실시예들에서, Ar은 C6H4 - xXx이고, 여기서 X는 Cl 또는 F와 같은 할로겐이고, x = 0, 1, 2, 3, 또는 4이고, Z, Z', Z", 및 Z'''는 H, F, 알킬 그룹들 및 아릴 그룹들(예를 들면, C6H5 - xFx, x = 0, 1, 2, 3, 4 또는 5)로부터 독립적으로 선택된다.
CVD 방법에 의해 예비된 파릴렌-기반 폴리머 막, 또는 또 다른 형태의 폴리머 막의 하나의 특징은, 이것이 우수한 틈 침투 능력을 갖는 등각 코팅이고, 이로써 인광체 파우더 층 내의 갭들 및 빈 공간들을 실질적으로 채운다는 것이다. 일부 예들에서, 파릴렌 F는 갭을 채우는데 있어서 최상의 결과를 성취할 수 있고, 파릴렌 N은 파릴렌-기반 폴리머들의 패밀리 중에서 갭을 채우는데 있어서 2 번째 최상의 결과를 성취할 수 있다. 파릴렌-기반 폴리머의 또 다른 특징은, 이것이 가시광 스펙트럼에서 우수한 광학적 투명도를 갖는다는 것이고, 광 발광 인광체 파우더 중에서 이를 적절한 필러 재료로 렌더링한다. 파릴렌-기반 폴리머의 또 다른 특징은, 그의 굴절률이 화학적 조성에 기초하여 조절될 수 있다는 것이다. 하나의 실시예에서, 파릴렌-기반 폴리머 막들의 다중층은 합성 박막 인광체 스택으로서 형성될 수 있다. 이러한 다중층 구조는 인광체 파우더 중에서 바인더 재료로서 약 1.66의 굴절률을 갖는 파릴렌 N 막을 침착시키고, 그후 약 1.4의 굴절률을 갖는 파릴렌 F 막을 침착시킴으로써 형성될 수 있고, 이로써 주위 환경(예를 들면, 에어)에 대한 파릴렌 F 막의 굴절률 매칭으로 인해 광 추출을 개선한다. 일반적으로, 다중층 구조는, 기판 표면에 인접한 제 1 인광층을 형성하기 위해 제 1 인광체 파우더 중에서 바인더 재료로서 제 1 굴절률을 갖는 제 1 폴리머 막을 침착하고, 제 1 인광층에 인접한 제 2 인광층을 형성하기 위해 제 2 인광체 파우더 층 중에서 바인더 재료로서 제 2 굴절률을 갖는 제 2 폴리머 막을 침착시키는 것 등에 의해 형성될 수 있고, 여기서 제 1 굴절률은 제 2 굴절률 이상이다.
CVD 방법을 사용하여, 파릴렌-기반 폴리머, 또는 또 다른 형태의 폴리머는 약 1 nm 내지 약 100 ㎛, 약 10 nm 내지 약 100 ㎛, 약 100 nm 내지 100 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 75 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 30 ㎛, 또는 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛과 같이 약 100 ㎛까지의 수십 옹스트롬(angstroms) 범위의 두께를 갖는 실질적으로 연속적인 막으로서 형성될 수 있다. 일부 예들에서, 막의 두께는 약 10 퍼센트 미만 또는 약 5 퍼센트 미만과 같이, 평균 두께에 관하여 약 20 퍼센트 미만의 표준 편차를 나타낼 수 있다. 초기에 침착된 인광체 파우더 층의 두께는 약 10 nm 내지 약 60 ㎛, 약 100 nm 내지 40 ㎛, 또는 약 100 nm 내지 약 20 ㎛와 같이 약 1 nm 내지 약 60 ㎛의 범위일 수 있다. 일부 예들에서, 인광체 파우더 막의 두께는 약 10 퍼센트 미만 또는 약 5 퍼센트 미만과 같이, 평균 두께에 관하여 약 20 퍼센트 미만의 표준 편차를 나타낼 수 있다. 결과적인 막 내에서 인광체 파우더의 분포는 막의 범위에 걸쳐 실질적으로 균일할 수 있어, 무게 밀도(예를 들면, 단위 부피 당 인광체 입체들의 질량 또는 무게) 또는 수 밀도(예를 들면, 단위 부피 당 인광체 입자들의 수)는 약 10 퍼센트 미만 또는 약 5 퍼센트 미만과 같이, 평균 밀도에 관하여 약 20 퍼센트 미만의 표준 편차를 나타낼 수 있다.
CVD 방법에 의해 예비된 박막 인광층의 실시예가 도 4a에 도시된다. 도 4a에서, YAG:Ce3 +-기반 황색 인광체와 같이, 단일의 컬러 인광체 파우더 층(41)은 기판 표면(42) 상에 초기에 침착된다. 기판 표면(42)은, 가요성 플라스틱 기판의 경우와 같이 전기적으로 비도전성일 수 있는 광 추출 구조의 표면일 수 있다. 파릴렌-기반 폴리머 층(43)이 침착되고, 또 다른 파릴렌-기반 폴리머 층(44)이 다음에 침착된다. 파릴렌-기반 폴리머 층(43)은 인광체 파우더 층(41)을 적어도 부분적으로 침투하거나 둘러싸는 바인더 또는 매트릭스로서 기능하여, 인광체 파우더 층(41)의 인광체 입자들이 파릴렌-기반 폴리머 층(43) 내에 분배된다. 파릴렌-기반 폴리머 층들(43 및 44)이 동일한 재료 또는 상이한 재료들로부터 형성될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 일부 예들에서, 파릴렌-기반 폴리머 층(43)의 굴절률은 파릴렌-기반 폴리머 층(44)의 굴절률보다 크다. 결과적인 인광체-코팅 구조(46)는 인광체-변환 발광 장치를 형성하기 위해 적층되거나, 그렇지 않다면, 발광 반도체 장치에 인하게 배치된다.
인광체 파우더들의 층간 침착에 따라, CVD 방법은 실질적으로 균일하게 분포된 다중 컬러 인광체 스택을 형성하는데 사용될 수 있다. 도 4b에 예시된 실시예에서, 다중-컬러 인광체 박막 스택(45)은 청색 인광체 파우더, 청색 인광체 파우더에 대해 바인더 재료로서 파릴렌-기반 폴리머, 적색 인광체 파우더, 및 적색 인광체 파우더에 대해 바인더 재료로서 파릴렌-기반 폴리머의 순차적인 침착에 의해 형성된다. 결과적인 인광체-코팅 구조(47)는, 인광체들에 의해 각각의 컬러들의 3 개의 다운-변환된 보조 광들을 방출할 수 있는 인광체-변환된 백색 발광 장치를 형성하기 위해 발광 반도체 장치에 인접하게 적층되거나, 그렇지 않다면 배치될 수 있다. 따라서, 인광체-변환된 백색 발광 장치의 컬러 렌더링 인덱스("CRI")는, 예를 들면, 더 따뜻한 백색광 및 개선된 컬러 균일성을 갖는 실내 일반적인 조명 애플리케이션들에서 사용될 때 용이하게 동조될 수 있다. 다수의 컬러 박막 인광체 스택(45)을 통합한 인광체-변환 백색 발광 장치의 또 다른 애플리케이션은 LCD들의 백라이팅에 대한 것이고, 더 큰 디스플레이 컬러 색영역(gamut)은 적색, 녹색, 및 청색 인광체들에 의해 각각 방출되는 적색, 녹색 및 청색 광 컬러들에 대응하는 3 개의 피크 파장들로 성취될 수 있다.
광 추출 구조들
캡슐제 층과 에어 간의 경계에서의 내부 반사는 LED 패키지 내의 광 손실의 공통 소스이다. 캡슐제 층 내의 손실을 감소시키기 위해, 에어/캡슐제 인터페이스는 볼록인 것이 바람직하고, 광원의 유효 직경에 의존하는 임의의 거리만큼 광원으로부터 분리된다. 일부 예들에서, 캡슐제 층은 그러한 표면으로 형성되고, 발광 장치를 떠난 광의 대부분 또는 전부가 캡슐제 층으로부터 탈출할 수 있도록 보장하기 위해, 표면은 LED와 같은 발광 장치, 및 반사기로부터 임의의 거리에 배치된다. 이러한 관점에 따라, 반구상 렌즈, 마이크로렌즈, 또는 프레넬 렌즈가 광 추출 구조 또는 렌즈로서 포함될 수 있다.
광 추출 렌즈 내에 흩어진 인광체 파우더들을 포함하는 것은 때때로 LED 패키지 내의 광 산란 손실들을 산출한다. 광 산란 효율을 증가시키기 위해, 본 발명의 특정 실시예들은 광 추출 렌즈의 코팅 표면 상에 침착된 박막층으로서 인광층을 형성하는 것에 관한 것이다.
광 추출 렌즈는 통상적으로 광학적으로 투명하거나 반투명한 재료로 구성되고, 이는 통상적으로 전기적으로 비도전성이다. EPD와 달리, 본원에 개시된 박막 인광층의 침착 방법은 전기적으로 비도전성 표면뿐만 아니라 전기적으로 도전성 표면 바로 위에 등각 박막 인광층들을 형성하는데 사용될 수 있다. 등각 박막 인광층은 또한 평평한 표면뿐만 아니라, 볼록 또는 오목한 표면과 같은 평평하지 않은 표면 상에 침착될 수 있다.
발광 장치들에 대한 인광체 -코팅 렌즈
반구상으로 형성된 렌즈는 인광체-변환 백색 LED들에 대한 광 추출 렌즈 구조로서 사용될 수 있다. 하나의 실시예에 따라, 반구상 렌즈는 박막 인광층으로 코팅되고, 인광체-코팅 렌즈로서 지칭되는 구조가 생긴다. 도 5a에 도시된 인광체-코팅 렌즈(53)에서, 박막 인광층(52a)은 속이 빈 반구상 렌즈(51a)의 내부 평평하지 않거나 비평면인 표면 상에 등각으로 침착된다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 내부의 평평하지 않은 표면은 일반적으로 만곡된 프로파일을 갖는 내부의 오목 표면이고, 이러한 내부의 오목한 표면은 사용 중에 발광 장치를 대면하는 공동을 규정한다. 렌즈(51a)는 에폭시, 실리콘, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리카보네이트, 유리 또는 석영과 같은 광학적으로 투명한 재료로 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 박막 인광층(52b)은 도 5b의 인광체-코팅 렌즈(54)에 대해 도시된 바와 같이, 속이 비지 않은 반구상 렌즈(51b)의 하부, 실질적으로 평평하거나 편평한 표면 상에 등각으로 침착된다. 이러한 하부, 평평한 표면은 사용 중에 발광 장치를 대면한다. 또 다른 실시예에서, 박막 인광층(52c)은, 도 5c의 인광체-코팅 렌즈(55)에 대해 도시된 바와 같이, 반구상 렌즈(51c)의 외부의 평평하지 않은 표면 상에 등각으로 침착된다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 외부의 평평하지 않은 표면은 일반적으로 만곡된 프로파일을 갖는 외부의 볼록 표면이고, 이러한 외부의 볼록 표면은 사용 중에 발광 장치로부터 외면한다. 예시된 실시예에서, 반구상 렌즈(51c)가 속이 빈 반구상 렌즈일 수 있다는 것이 또한 고려되지만, 반구상 렌즈(51c)는 속이 비지 않은 반구상 렌즈이다. 도 5a 내지 도 5c에 도시된 인광층들(52a, 52b 및 52c)이 단일 컬러 인광층들 또는 다중-컬러 인광층들일 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 도 5a 내지 도 5c에 도시된 특정 형상들 및 구성들이 예의 방법으로 제공되고, 다양한 다른 실시예들이 고려된다는 것이 이해될 것이다. 예를 들면, 다른 실시예들에서, 인광체-코팅 렌즈들(53 및 54)은 그들 각각의 외부의 볼록 표면들 상에 등각으로 침착된 박막 인광층을 또한 포함할 수 있고, 인광체-코팅 렌즈(55)는 그의 하부, 평평한 표면 상에 등각으로 침착된 박막 인광층을 또한 포함할 수 있다.
인광체-코팅 LED 렌즈의 또 다른 실시예는 본원에 개시된 인광체 침착 방법에 따라 LED 렌즈의 표면 상에 실질적으로 균일한 인광체 파우더 층을 임베딩 또는 포함하는 것을 수반한다. 예를 들면, 인광체-임베딩된 LED 렌즈는 다음과 같이 형성될 수 있다.
·액체 실리콘 겔의 주입 몰딩을 사용하여 LED 렌즈를 형성
·여전히 겔 형태인 렌즈의 코팅 표면 상에 실질적으로 균일한 인광체 파우더 층을 형성
·규정된 시간 기간 동안 인광체 입자들이 액체 실리콘 겔 표면에 침착
·인광체 임베딩된 LED 렌즈를 굳히기 위해 액정 실리콘 겔을 경화
도 6은, 본 발명의 실시예에 따라 박막 인광층들(61)이 다수의 속이 빈 반구상 렌즈들(62)의 내부 오목 표면들 상에 등각으로 침착되는 일괄 코팅 프로세스를 도시한다. 이롭게, 본원에 기재된 박막 인광체 침착 프로세스는 일괄 프로세스로서 구현될 수 있고, 박막 인광층들은 LED 렌즈들의 표면과 같이 원하는 기판들의 표면들 상에 실질적으로 동시에 침착될 수 있고, 이로써 제조 처리량을 개선하고 코팅 기판 당 비용을 낮춘다.
도 7a 내지 도 7c는, 인광체-코팅 렌즈(예를 들면, 도 5a 내지 도 5c에 도시된 인광체-코팅 렌즈들(53, 54 및 55))을 적절한 리드 프레임, 실질적으로 평평한 서브마운트 반사기, 또는 컵 반사기(72)에 접속함으로써 생성될 수 있는 인광체-변환 LED들의 다양한 실시예들을 도시한다. 접속은 실리콘 접착제와 같은 적절한 캡슐제 또는 접착제를 사용하여 성취될 수 있다. 인광층이 도 7a에 도시된 바와 같이 발광 장치(74)로부터 일정한 거리에 배치되기 때문에, 인광층으로부터 조사된 보조 광은 주로 서브마운트 반사기 또는 컵 반사기(72)에 부딪칠 것이고, 따라서, 고흡수 발광 장치(72)에 직접적으로 부딪칠 확률이 감소한다. 또한, 인광층이 박막층으로서 제조되기 때문에, 결과적인 산란 효율은, 적어도 약 90 %, 적어도 약 92 %, 또는 적어도 약 95 %, 및 약 99 % 이상까지 상당히 개선될 수 있다. 또한, 도 7a 내지 도 7c에 도시된 인광체-변환 LED들은 더 균일한 백색 광을 방출할 수 있다. 특히, CCT 변동은 140 °(중앙 광 방출 각도로부터 ±70°)의 광 방출 각도의 범위에 걸쳐, 약 800 K 이하, 약 500 K 이하, 또는 약 300 K 이하, 및 약 200 K 이하와 같이 약 1000 K 이하일 수 있다.
도 7a 내지 도 7c에 도시된 인광체-변환 LED들에서, 박막 인광층과 발광 장치(74) 사이에 공동 또는 에어 갭(71, 73, 또는 75)을 형성하는 것이 바람직하다. 인광층으로부터 조사된 보조 광이 에어 갭(71, 73, 또는 75)으로 후방 산란할 때, 후방 산란된 보조 광은, 인광체-코팅 렌즈들(53, 54 및 55)에 비해 에어 갭의 더 낮은 굴절률(약 1)로 인해 에어 갭 인터페이스에서 TIR 때문에 더 높은 광 반사 확률을 갖는다. 결과적으로, 에어 갭(71, 73, 또는 75)은 인광체-변환 LED들로부터 벗어나기 위해 보조 광을 외부로 방향을 바꾸는 경향이 있고, 따라서 패키지 효율이 증가한다. 에어 대신에 또는 에어와 연관하여 또 다른 적절한 저굴절률 재료가 포함될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
광 추출 렌즈 상에 코팅된 박막 인광층을 갖는 인광체-변환 LED들을 생성하기 위해 다수의 변동들이 제조 프로세스에서 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들면, 광 추출 렌즈는 초기에 LED 또는 다른 발광 장치에 접속될 수 있고, 다음에, 도 7c에 도시된 바와 같은 인광체-변환 LED들을 생성하기 위해 박막 인광층이 광 추출 렌즈의 외부 표면 상에 침착될 수 있다.
도 7a 내지 도 7c을 여전히 참조하여, 광 공동(예를 들면, 에어 갭(71, 73, 또는 75)에 대응함)은 이롭게도 그의 경계가 서브마운트 반사기 또는 컵 반사기(72)의 반사층 및 컵 반사기(72) 상에 배치된 박막 인광층에 의해 규정되도록 형성된다. 광학적 공동의 크기 및 형상은, 발광 장치(74)로부터 방출되는 주요 광 및 박막 인광층으로부터 조사되는 보조 광이 잘 혼합되도록 설계될 수 있다. 이롭게도, 도 7a 내지 도 7c에 도시된 인광체-변환 LED들의 조사 광 패턴은 광학적 공동의 크기 및 형상에 의해 제어될 수 있다.
인광체-변환 LED들의 효율을 더 개선하기 위해, 도 8a 내지 도 8c에 도시된 렌즈(81, 83 또는 85)와 같은 더 작은 광학적으로 투명하거나 반투명한 반구상 렌즈는 발광 장치(74)를 둘러싸도록 배치된다. 더 작은 반구상 렌즈(81, 83 또는 85)는, 약 5 % 에서 약 40 % 까지 더 많은 주요 광과 같이 발광 장치(74)에서 더 많은 주요 광을 추출하기 위한 산광기 렌즈로서 기능을 할 수 있다. 임의대로 또는 비임의대로 (패터닝된) 거칠게 된 표면과 같은, 마이크로미터-스케일 특징들은 발광 장치(74)로부터 방출되는 주요 광의 조사 패턴을 제어하기 위해 더 작은 렌즈들(81, 83 또는 85)의 볼록 표면들을 상에 형성될 수 있다. 더 작은 렌즈들(81, 83 또는 85)이 또한 발광 장치(74) 위에 배치된 실질적으로 평면인 마이크로렌즈 어레이들로서 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
발광 장치들에 대한 인광체 -코팅 마이크로렌즈
마이크로렌즈 어레이는 또한 발광 장치 상에 배치된 광 추출 구조로서 사용될 수 있다. 하나의 실시예에 따라, 마이크로렌즈 어레이는 박막 인광층으로 코팅되어, 본원에서 인광체-코팅 마이크로렌즈로서 지칭되는 구조가 생성된다. 도 9a에서, 박막 인광층(92)은 등각 박막 인광체 침착 방법을 사용하여 마이크로렌즈 어레이(91)의 표면 상에 등각으로 침착된다. 도 9b에서, 결과적인 인광체-코팅 마이크로렌즈 어레이(94)는 LED 반도체 웨이퍼(93) 상에 적층된다. 그후, 도 9c에서, 인광체-코팅 마이크로렌즈 어레이(94)와 적층된 LED 반도체 웨이퍼(93)는 개별적인 인광체-변환 LED들(95a, 95b 및 95c)로 다이싱되거나 싱귤레이팅된다.
광 추출 마이크로렌즈 어레이 상에 코팅된 박막 인광층을 갖는 인광체-변환 LED들을 생성하기 위해 다수의 변동들이 제조 프로세스에서 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들면, 마이크로렌즈 어레이는 초기에 LED 상에 제조되거나 LED에 적층되고, 다음에, 박막 인광층은 인광체-변환 LED를 생성하기 위해 마이크로렌즈 어레이의 표면 상에 침착될 수 있다. 또한, 마찬가지로, 인광체-변환된 LED를 형성하도록 LED에 접속될 수 있는 인광체-코팅 프레넬 렌즈를 생성하기 위해 박막 인광층이 프레넬 렌즈 상에 코팅될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
인광체 -변환 발광 장치들
본 발명의 일부 실시예들은 LED와 같은 발광 장치의 광학 경로 상에 실질적으로 평면의 박막 인광층을 배치하는 것에 관한 것이다. 광 추출 렌즈가 패키징된 LED에 대해 광 추출 효율을 증가시키는 것이 바람직할 수 있지만, 이것은 때때로 패키징된 LED로부터 방출되는 광의 확산을 증가시킬 수 있다. LCD들에 대한 LED 백라이팅과 같이, 광원으로서 LED들을 포함하는 일부 애플리케이션들에서, LED로부터 방출되는 작은 에텐듀 광 빔이 수반된다. 이러한 관점에 따라, 본 발명의 일부 실시예들은 LED 구조의 실질적으로 평면인 표면 상에 배치된 실질적으로 평면의 박막 인광층을 생성하는 것에 관한 것이다.
하나의 특정 실시예는 발광 장치의 표면 바로 위에 박막 인광층을 배치하는 것을 수반한다. 도 10a에서, 본원에 기재된 바와 같이 형성된 박막 인광층(102a)은 발광 장치(110a)의 표면의 발광 측면 상에 배치된다.
또 다른 실시예는 발광 장치 상에 박막 인광층을 배치하는 것을 수반하고, 광학적으로 투명하거나 반투명한 평면의 스페이서 층이 그 사이에 있다. 도 10b에 도시된 바와 같이, 본원에 기재된 바와 같이 형성된 박막 인광층(102b)은 광학적으로 투명하거나 반투명한 스페이서 층(103) 상에 배치되고, 결국, 이는 발광 장치(101b)의 표면의 발광 측면 상에 배치된다.
도 10c에 도시된 바와 같은 또 다른 실시예에서, 본원에 기재된 바와 같이 형성된 박막 인광층(102c)은 패키징된 LED의 실질적으로 평면인 표면 상에 배치되고, 발광 장치(101c)는 적절한 리드 프레임 또는 컵 반사기에 배치되고, 에폭시 또는 실리콘 수지와 같이 광학적으로 투명하거나 반투명한 캡슐제(104)로 커버된다. 발광 장치(101c)로부터 방출된 주요 광 및 박막 인광층으로부터 조사된 보조 광을 혼합하기 위해 에어-충전 갭 또는 공동이 캡슐제(104) 대신에 또는 캡슐제(104)와 연관하여 포함될 수 있다는 것이 또한 고려된다. 에어 갭의 낮은 굴절률(약 1)로 인해, 후방 산란된 보조 광은 패키징된 LED로부터 외부로 반사할 확률이 더 높고, 따라서 패키징 효율을 더 증가시킨다. 또 다른 적절한 낮은 굴절률 재료가 에어 대신에, 또는 에어와 연관하여 포함될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
인광체 -변환 광자 결정 발광 장치들
발광 장치가 통상적으로 고굴절률 재료로 구성되기 때문에, 발광 장치 내의 광의 TIR을 감소시키도록 통합되는 것이 바람직하다. LED 효율을 개선하는 하나의 방법은 고굴절률 발광 장치로부터의 광 추출을 돕는 것이다. 통상적인 InGaN LED들에서, 에너지의 큰 부분은 조사 모드들보다는 도파관 모드들에서 LED들 내부로 방출될 수 있다. LED들 내부에서 생성된 광은 TIR을 겪을 수 있고, 광이 LED들로부터 탈출하기 전에 높은 확률의 광 흡수가 존재할 수 있다. 광자 결정 어레이 구조는 작은 에텐듀 및 높게 시준된 광 빔을 생성하기 위한 LED들에 대한 광 추출 메카니즘으로서 효과적일 수 있다. 또한, 굴절률의 주기적인 변동들의 광자 결정 어레이 구조는 발광 장치의 도파관 모드들을 회절시킴으로써 광 추출을 개선할 수 있다. 평면의 2 차원 주기적인 광자 격자 구조로 인해, 광자들은 작은 에텐듀 광을 생성하기 위해 발광 장치에 대해 실질적으로 수직인 방향을 따라 탈출할 수 있다. 따라서, 볼록 또는 반구상 렌즈 구조는 광자 결정 발광 장치에서 생략될 수 있다.
도 11에서, 기판(111), p 형 반도체 층(112), 활성층(113), n 형 반도체 층(114), 광학적으로 투명하거나 반투명한 전극층(115), 및 박막 인광층을 포함하는 인광체-변환 광자 결정 발광 장치의 실시예의 단면도가 도시된다. 박막 인광층(116)이 단일 컬러 인광층 또는 다중 컬러 인광체 막 스택으로서 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 광자 결정 구조는 반도체 층(114) 내에 형성되거나, 그렇지 않다면 반도체 층(114)에 인접하여 형성되고, 에어 홀들, 갭들, 또는 공동들(117)의 세트는 반도체 층(114)으로부터 에칭된다. 에어 홀들(117)은 저굴절률 유전체로 충전될 수 있다. 예를 들면, 등각 코팅 재료는, 가령 소위 갭 충전 프로세스를 사용하여 파릴렌-기반 유전체들로 에어 홀들(117)을 충전하도록 활용될 수 있고, 파릴렌-기반 유전체들은 기상 증착에 의해 예비될 수 있고, 일반적으로 탁월한 등각 코팅 속성들을 나타낸다. 인광체-변환 광자 결정 발광 장치 제조 프로세스에서, 후속으로 침착된 층들(115 및 116)이 가령 파릴렌-기반 폴리머들의 세트로 충전된 반도체 층(114)과 같은 단단한 표면 상에 형성되는 것이 이로울 수 있다. 이와 관련하여, 인광체-변환 광자 결정 발광 장치의 또 다른 실시예는 에어 홀 구조(117) 대신에 파릴렌-F 또는 파릴렌-N과 같은 저굴절률 유전체를 사용한다.
도 11에 도시된 광자 결정 발광 장치에 의한 하나의 잠재적인 이슈는, 반도체 층(114) 내의 홀 구조가 전류 과밀(current crowding)을 생성할 수 있다는 것이다. 반도체 층(114)에서 전류 확산을 촉진하기 위해, 인듐 주석 산화물(“ITO”) 전극과 같은 투명한 전극(115)은 광자 결정 구조 상에 형성된다. 그후, 실질적으로 평면의 박막 인광층(116)은 인광체-변환 광자 결정 발광 장치를 형성하기 위해 투명한 전극(115) 상에 배치된다. 박막 인광층(116)이 미리 제조된 박막 인광층의 적층 또는 박막 인광층의 인 시츄 침착(in-situ deposition) 중 어느 하나에 의해 광자 결정 구조 상에 배치될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
발광 장치들에 대한 웨이퍼-레벨 패키징
본 발명의 또 다른 실시예는 본원에 기재된 박막 인광층을 포함하는 발광 장치들에 대한 웨이퍼-레벨, 일괄 패키징 프로세스에 관한 것이다. 종래의 패키징 프로세스들과 달리, 웨이퍼-레벨, 일괄 프로세스는 더 얇고, 더 적게 렌즈 재료를 소비하고, 성능이 더욱 일관되고, 신뢰도가 개선된 패키징된 발광 장치들을 산출할 수 있다. 훨씬 더 이롭게도, 더 얇고 더 균일한 인광층들은 웨이퍼-레벨 프로세스의 일부로서 배치될 수 있고, 패키징된 발광 장치들은 개선된 효율들 및 더 큰 신뢰도를 가질 수 있고, 열이 더 적게 생성되도록 동작할 수 있다.
도 12a에 도시된 바와 같이, 통상적인 200-mm 알루미늄, 구리, 또는 실리콘 웨이퍼 기판(120)은 기판 당 10,000 개의 LED 패키징 서브마운트 반사기들 또는 반사기 컵들을 수용할 수 있다. 따라서, 웨이퍼-레벨 패키징 프로세스의 총 비용은 일괄로 제조되는 다수의 장치들에 의해 공유될 수 있다. 이와 같이, 패키징 비용은 총 패키징 비용들에 관하여 장치 당 더 적다.
발광 장치들에 대한 웨이퍼-레벨 패키징 프로세스의 하나의 실시예는 다음의 동작들을 포함한다.
(1) 패키징 기판(120)은, 도 12a에 도시된 바와 같이, 컵들 또는 침하들의 어레이로 구성되고, 알루미늄, 구리, 또는 실리콘 웨이퍼 기판을 사용하여 형성된다. 반사기 층은 반사기 컵들의 어레이를 산출하기 위해 패키징 기판(120) 상에 침착된다. 후방 산란된 광이 외부로 반사될 수 있도록 컵 하부 또는 컵 벽에 대해 양호한 반사성을 갖는 것이 바람직하다.
(2) 발광 장치들은 패키징 기판(120)의 각각의 반사기 컵들에 접속된다. 발광 장치들의 전극들은, 예를 들면, 패키징 기판(120)에 와이어 본딩될 수 있다.
(3) 인광체-코팅 마이크로렌즈 어레이들(122)은 도 12 b에 도시된 바와 같이 형성된다.
(4) 인광체-코팅 마이크로렌즈 어레이들(122)은, 도 13a에 도시된 바와 같이, 패키징 기판(120)의 각각의 반사기 컵들에 접속된다. 다수의 반사기 컵들을 수용하도록 크기 설정된 단일의 인광체-코팅 마이크로렌즈 어레이가 패키징 기판(120)에 접속될 수 있다는 것이 또한 고려된다.
(5) 인광체-코팅 마이크로렌즈 어레이들(122)이 접속된 패키징 기판(120)은, 도 13b에 도시된 패키징된 LED(130)와 같이 개별적인 패키징된 발광 장치들을 산출하기 위해 다이싱 또는 싱귤레이팅된다.
도 12a 내지 도 13b에 도시된 웨이퍼-레벨 패키징 프로세스가 예의 방법으로 제공되고, 다양한 다른 실시예들이 고려된다는 것이 이해될 것이다.
본 발명이 본 발명의 특정 실시예들을 참조하여 기술되었지만, 첨부된 청구항들에 의해 규정된 바와 같은 본 발명의 실제 사상 및 범위를 벗어나지 않고, 다양한 변경들이 이루어질 수 있고, 동등물들이 대체될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해되어야 한다. 또한, 본 발명의 목적, 사상 및 범위에 대해 특정 상황, 재료, 물질의 조성, 방법, 또는 프로세스를 적응시키기 위해 많은 수정들이 이루어질 수 있다. 모든 그러한 수정들은 본원에 첨부된 청구항들의 범위 내에 있도록 의도된다. 특히, 본원에 개시된 방법들이 특정 순서로 수행되는 특정 동작들을 참조하여 기술되었지만, 본 발명의 사상들로부터 벗어나지 않고 동등한 방법을 형성하도록 이러한 동작들이 조합, 세분화, 또는 재정렬될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 본원에 명확히 지시되지 않는다면, 동작들의 순서 및 그룹화는 본 발명의 제한들이 아니다.
1: 인광체 알갱이 2: LED 칩
3: 반사기 컵 4: 인광층
5: LED 칩 6: 세라믹 인광체 판
7: LED 칩 8: 전극
31: 황색 인광체 32: LED 칩
33: 미러 반사기 34: 주요 청색 광
35a, 35b: 보조 광 36: 주요 광
37: 다운-변환된 보조광 38: 주요 광 및 보조 광
39: 반구상 렌즈 41: 인광체 파우더 층
42: 기판 표면 43, 44: 파릴렌-기반 폴리머 층
45: 다중 컬러 인광체 박막 스택 46, 47: 인광체-코팅 구조
51a: 속이 빈 반구상 렌즈 51b: 속이 비지 않은 반구상 렌즈
51c: 반구상 렌즈 52a, 52b, 52c: 박막 인광층
53, 54, 55: 인광체-코팅 렌즈 61: 박막 인광층
62: 속이 빈 반구상 렌즈 71, 73, 75: 에어 갭
72: 컵 반사기 74: 발광 장치
81, 83, 85: 더 작은 반구상 렌즈 91: 마이크로렌즈 어레이
92: 박막 인광층 93: LED 반도체 웨이퍼
94: 인광체-코팅 마이크로렌즈 어레이
95a, 95b, 95c: 개별적인 인광체-변환 LED
101a, 101b, 101c: 발광 장치 102a, 102b, 102c: 박막 인광층
103: 스페이서 층 104: 캡슐제
111: 기판 112: p 형 반도체 층
113: 활성층 114: n 형 반도체 층
115: 전극층 116: 박막 인광층
117: 에어 홀 120: 패키징 기판
122: 인광체-코팅 마이크로렌즈 어레이
130: 패키징된 LED

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  15. 패키징 기판을 제공하는 단계;
    발광 장치들을 상기 패키징 기판에 접속하는 단계;
    인광체-코팅 마이크로렌즈 어레이를 제공하는 단계;
    상기 인광체-코팅 마이크로렌즈 어레이를 상기 패키징 기판에 접속하는 단계; 및
    상기 패키징 기판을 다이싱(dicing)하여 개별적인 인광체-변환 발광 장치들을 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 인광체-코팅 마이크로렌즈 어레이 제공 단계는
    마이크로렌즈 어레이에 인접한 인광체 파우더 층을 침착하는(depositing) 단계이며, 상기 인광체 파우더 층이 상기 마이크로렌즈 어레이의 코팅 표면에 인접하여 분포된 인광체 입자들을 포함하는 것인 단계; 및
    상기 인광체 파우더 층 침착 단계에 이어서, 상기 인광체 파우더 층에 인접한 폴리머 층을 침착하는 단계이며, 상기 폴리머 층이 상기 인광체 입자들에 대한 바인더로서 기능을 하는 것인 단계
    를 포함하는, 인광체-변환 발광 장치 형성 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 폴리머 층은 유기 규소 폴리머를 포함하는, 인광체-변환 발광 장치 형성 방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 폴리머 층은 제1 폴리머 층이고,
    상기 인광체-코팅 마이크로렌즈 어레이 제공 단계는
    상기 제1 폴리머 층에 인접한 제2 폴리머 층을 침착하는 단계를 더 포함하는, 인광체-변환 발광 장치 형성 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 제1 폴리머 층 및 상기 제2 폴리머 층 중 적어도 하나의 층은 화학식: -CZZ'-Ar-CZ"Z'''-의 반복 유닛을 포함하는 폴리머를 포함하고, 여기서, Ar은 (1) 비치환된 페닐렌 그룹, (2) 화학식: C6H4-xClx의 염소-치환된 페닐렌 그룹(x는 1 내지 4의 범위의 정수), 및 (3) 화학식: C6H4-x'Fx'의 플루오르-치환된 페닐렌 그룹(x'는 1 내지 4의 범위의 정수)으로부터 선택되고, Z, Z', Z", 및 Z'''는 H, F, 알킬 그룹들 및 아릴 그룹들로부터 독립적으로 선택되는, 인광체-변환 발광 장치 형성 방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 제1 폴리머 층 및 상기 제2 폴리머 층 중 적어도 하나의 층은 유기 규소 폴리머를 포함하는, 인광체-변환 발광 장치 형성 방법.
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