KR102000323B1 - 변환 소자 및 발광체 - Google Patents
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Abstract
산란 층(12), 반사 층(14) 및 산란 층(12)과 반사 층(14) 사이에 배치된 변환 층(16)을 포함하는 변환 소자(10)가 명시된다. 산란 층(12)은, 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 측으로부터 산란 층상에 충돌하는 1차 방사(18)의 제1 부분(20)을 변환 층(16)으로 투과시키고, 산란 층상에 충돌하는 1차 방사(18)의 제2 부분(22)을 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 산란 층(12)의 측을 향해 산란시키도록 설계된다. 변환 층(16)은, 1차 방사(18)의 제1 부분의 적어도 일부를 1차 방사(18)와 상이한 더 높은 파장을 갖는 2차 방사(19)로 변환시키도록 설계된 적어도 하나의 변환 수단(25)을 포함한다. 반사 층(14)은 적어도 2차 방사(19)에 대해 반사 효과를 갖는다.
Description
변환 소자 및 발광체가 명시된다.
본 특허출원은 개시 내용이 본 출원에 참조로 포함된 독일 특허출원 제102012101663.1호의 우선권을 주장한다.
다수의 응용에서 특정 파장을 갖거나 특정 스펙트럼 범위인 광이 요구된다. 하지만, 다수의 광원, 특히, 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드와 같은 반도체-기반 광원은 상기에서 벗어난 스펙트럼 범위에서만 또는 별개의 파장에서만 광을 방출한다. 따라서, 광원에 의해 방출된 광의 적어도 일부를 상이한 파장을 갖는 광으로 변환시키는 것이 종종 바람직하다. 상기 변환은, 예를 들어 유기 또는 무기 발광 물질에 의해 발생한다. 상기 발광 물질의 경우에, 변환은 통상적으로 소위 다운 변환(down-conversion) 원리를 기초로 한다. 즉, 예를 들어 청색 스펙트럼 범위의 광이 흡수되고 그에 비해 더 낮은 주파수를 갖는 적색-이동 광이 방출된다. 달리 말해, 고-에너지 광 방사는 발광 물질에 의해 더 낮은 에너지의 광 방사 및 비-방사(non-radiative) 에너지, 특히 열로 변환된다. 최종적으로, 예를 들어 백색 광이 생성되도록, 고 에너지 광 방사의 비-변환 부분을 저 에너지의 변환된 광 방사와 혼합할 수 있다.
발광 물질이 뜨거워지고 그 결과 변환 효율이 감소하는 것이 불리하다. 두 번째로, 상기 광원의 생성 동안, 변환 층의 두께 변동 또는 임베딩(embedding) 매트릭스에서의 변환기(converter) 농도 차이가 저-주파수 광과 고-주파수 광 간의 비율 변동을 발생시키는 사실로부터 초래되는, 불충분하게 정밀한 색 위치(color locus) 제어의 결과로서 문제점이 야기된다.
일부 경우에, 방사-생성 반도체 칩과 변환 소자 간의 적절한 거리를 설정함으로써 열적 문제점들을 해결할 수 있으며, 상기에서 변환 재료는 양호한 열전도율을 갖는 매트릭스(예를 들어, 세라믹)에 임베딩된다.
도 1은 전체적으로 10으로 표기된, 종래 기술의 상기 변환 소자를 도시한다. 레이저 다이오드로서 구성된 반도체 칩(44)은 예를 들어 400 nm 이상 485 nm 이하인 파장을 갖는(청색 또는 자색 광) 1차 방사(18)를 방출하며, 이는 입사 방향(17)을 따라 지나가며 변환 소자(10) 상에 충돌한다. 거울(14)을 갖는 히트 싱크(32)에 변환 층(16)을 도포한다. 1차 방사(18)의 일부가 변환 소자(10)의 전면 측 상에 다시 나오도록 변환기 농도 및 변환 층(16)의 두께가 설정된다. 그 결과, 1차 방사, 및 1차 방사(18)와 상이한 더 높은 파장을 갖는 변환된 2차 방사, 예를 들어 적색 광의 혼합물이 생성된다. 하지만, 도 1에 도시된 배치에서, 이중 광 통과가 변환기의 두께 및 농도 변화의 영향을 증가시키므로 색 위치 제어의 문제점이 증폭된다.
달성할 하나의 목적은 상술한 단점들을 극복하는 변환 소자를 명시하는 것이다. 달성할 추가의 목적은 상기 변환 소자를 포함하는 발광체를 명시하는 것이다.
상기 목적은 독립항에 따른 대상물에 의해 달성된다.
상기 대상물의 유리한 실시형태 및 개발은 종속항에서 특징지어지며 후속하는 설명 및 도면으로부터 더욱 명백하다.
변환 소자의 적어도 한 실시형태에 따라, 변환 소자는 산란 층, 반사 층, 및 산란 층과 반사 층 사이에 배치된 변환 층을 포함한다.
이 경우, 변환 층은 산란 층과 반사 층 사이에 직접 배치될 수 있거나, 또는 간접적으로만 배치될 수 있으며, 즉, 예를 들어, 한편으로는 변환 층과 산란 층 사이 또는 다른 한 편으로는 변환 층과 반사 층 사이에 추가 층들이 제공될 수도 있다. 이후에 용어 "층 상에 배치된"에 대해 동일하게 상응하여 적용된다.
변환 소자의 적어도 한 실시형태에 따라, 산란 층은 변환 층으로부터 이격되어 대향하는 측으로부터 산란 층상에 충돌하는 1차 방사의 제1 부분을 변환 층으로 투과시키고, 산란 층 상에 충돌하는 1차 방사의 제2 부분을 변환 층으로부터 이격되어 대향하는 산란 층의 측을 향해 산란시키도록 설계된다. 본 출원에서 "산란"은 제1 입체각(solid angle) 범위에서, 변환 층으로부터 이격되어 대향하는 측에서 유래하고 변환 층 상에 충돌하는 1차 방사가 변환 층으로부터 멀리 대향하는 산란 층의 측을 향해 제2 입체각 범위로 굴절되는 것을 의미하며, 상기에서 제2 입체각 범위는 제1 입체각 범위보다 더 크고 따라서 1차 방사가 확장된다. 특히, 1차 방사는 특정 입사 방향을 따라 변환 층상에 충돌할 수 있고, 한정된 충분히 큰 입체각 범위로 굴절될 수 있다. 이 경우에 1차 방사의 굴절을 야기하는 메커니즘이 상당히 변화할 수 있다. 특히, 굴절은 램버시안 에미터(Lambertian emitters)로서 작용하는 변환 층에서의 소형 구조물에 의해 초래될 수 있거나, 또는 이와 달리, 변환 층에서 위치-의존 방식으로 상이한 반사 또는 광-굴절 방향을 생성하는, 변환 층에 배치되고 상이한 방향을 갖는 복수의 반사 또는 광-굴절 부분 영역들에 의해 초래될 수 있다.
이 경우, "1차 방사"는 하나의 파장을 갖거나, 변환되는 제1 파장 범위의 전자기 방사, 및 복수의 파장을 갖거나 복수의 파장 범위의 전자기 방사 모두를 의미할 수 있다.
예로서, 1차 방사는 단일 파장을 갖는 전자기 방사일 수 있다. 이어서, 산란 층은, 상기 파장을 갖고 변환 층으로부터 이격되어 대향하는 측으로부터 산란 층 상에 충돌하는 1차 방사의 제1 부분을 변환 층으로 투과시키고, 동일한 파장을 가지며 산란 층 상에 충돌하는 1차 방사의 제2 부분을 변환 층으로부터 이격되어 대향하는 산란 층의 측을 향해 산란시키도록 설계된다.
한편, 1차 방사는, 예를 들어, 제1 파장 및 그와 상이한 제2 파장을 갖는 전자기 방사를 포함할 수 있다. 이 경우, 산란 층은, 두 파장 모두 또는 제1 파장만을 갖는 전자기 방사를 포함하며 변환 층으로부터 이격되어 대향하는 측으로부터 산란 층상에 충돌하는 1차 방사의 제1 부분을 변환 층으로 투과시키고, 두 파장 모두 또는 제2 파장만을 갖는 전자기 방사를 포함하며 산란 층 상에 충돌하는 1차 방사의 제2 부분을 변환 층으로부터 이격되어 대향하는 산란 층의 측을 향해 산란시키도록 설계될 수 있다. 상기 실시형태는, 2개 파장의 전자기 방사의 서로에 대한 강도 비를 변화시킴으로써, 산란된 1차 방사 및 2차 방사의 혼합에 의해 생성된 광(예를 들어, 백색 광)의 색 위치를 제어할 수 있는 장점을 갖는다.
변환 소자의 적어도 하나의 실시형태에 따라, 변환 층은 적어도 하나의 변환 수단을 포함한다. 변환 수단은 1차 방사의 제1 부분의 적어도 일부를 제1 방사와 상이한 더 높은 파장을 갖는 2차 방사로 변환시키도록 설계된다.
변환 층은 또한, 적어도 하나의 변환 수단이 임베딩된 매트릭스 재료, 예를 들어 실리콘 또는 세라믹을 포함할 수도 있다. 이 경우, 매트릭스 재료는 바인더로서 작용할 수 있다. 매트릭스 재료는 바람직하게는 관련 스펙트럼 범위의 전자기 방사에 대해 투과성일 수 있다. 이 경우, "관련 스펙트럼 범위"는 하나의 파장을 갖거나 변환되는 제1 파장 범위의 전자기 방사(즉, 1차 방사) 및 하나의 파장을 갖거나 변환으로부터 초래된 파장 범위의 전자기 방사(즉, 2차 방사) 모두를 의미한다.
변환 수단은 다운 변환에 기초한 한 무기 발광 물질일 수 있다. 바람직하게는, 변환 수단은 세륨- 또는 유로퓸-도핑 발광 물질로 형성된다.
변환 효율은 온도에 의존할 수 있으며; 특히 효율은 온도가 증가함에 따라 감소할 수 있다. 변환 수단은 예를 들어 분말의 형태를 갖는다. 매트릭스 재료와 동일한 방식으로, 관련 스펙트럼 범위에서 변환 수단은 광 손상(photodamage)에 대해 내성이 있다.
변환 소자의 적어도 한 실시형태에 따라, 변환 층은 세라믹 재료를 포함하거나, 변환 수단으로서 작용하는 세라믹 변환 물질을 포함하는 세라믹 재료로 구성된 층으로 형성된다.
세라믹 변환 물질은, 예를 들어 적어도 하나 이상의 후속하는 변환용 재료를 포함할 수 있거나, 하나 이상의 후속하는 재료로 형성될 수 있다: 희토류 금속으로 도핑된 석류석, 희토류 금속으로 도핑된 알칼리 토금속 황화물, 희토류 금속으로 도핑된 티오갈레이트, 희토류 금속으로 도핑된 알루미네이트, 희토류 금속으로 도핑된 실리케이트, 예를 들어 오르소실리케이트, 희토류 금속으로 도핑된 클로로실리케이트, 희토류 금속으로 도핑된 알칼리 토금속 실리콘 질화물, 희토류 금속으로 도핑된 산질화물, 및 희토류 금속으로 도핑된 산질화 알루미늄, 희토류 금속으로 도핑된 실리콘 질화물, 사이알론(sialons).
바람직한 실시형태에서, 세라믹 변환 물질로서 특히 석류석, 예를 들어 YAG(yttrium aluminium oxide), LuAG(lutetium aluminum oxide), 및 TAG(terbium aluminum oxide)를 사용할 수 있다.
더욱 바람직한 실시형태에서, 세라믹 변환 재료용 재료는 예를 들어 후속하는 활성화제 중 하나로 도핑된다: 세륨, 유로퓸, 네오디뮴, 테르븀, 에르븀, 프라세오디뮴, 사마륨, 망간. 세륨-도핑 이트륨 알루미늄 석류석, 세륨-도핑 루테튬 알루미늄 석류석, 유로퓸-도핑 오르소실리케이트 및 유로퓸-도핑 질화물은 순수하게, 가능한 도핑된 세라믹 변환 물질에 대한 예로서 언급되어야 한다.
변환 소자의 적어도 한 실시형태에 따라, 반사 층은 적어도 2차 방사에 대해 반사 효과를 갖는다. 그 결과, 2차 방사는 변환 층으로부터 이격되어 대향하는 산란 층의 측을 향해 입체각 범위로 향한다.
각 경우에서 1차 방사의 산란 부분 및 2차 방사 모두가, 변환 층으로부터 이격되어 대향하는 산란 층의 측을 향해 충분히 큰 입체각 범위에 걸치는 것이 바람직하다. 더욱 바람직한 것은 1차 방사의 산란 부분의 입체각 범위가 2차 방사의 입체각 범위와 상당히 중첩되는 것이며, 이상적으로는 거기에 상응한다.
변환 소자의 적어도 한 실시형태에 따라, 변환 층상에 충돌하는 1차 방사 전체 또는 그의 적어도 95% 초과를 2차 방사로 변환시키도록 설계되는 변환 층이 제공된다. 이는 적절한 농도의 변환 수단 또는 변환 층의 충분한 층 두께에 의해 달성될 수 있다.
변환 소자의 적어도 한 실시형태에 따라, 복수의 산란 요소가 임베딩된 매트릭스 재료를 포함하는 산란 층이 제공된다. 1차 방사가 특정 입사 방향을 따라 복수의 산란 요소 상에 충돌할 경우, 변환 층으로부터 이격되어 대향하는 산란 층의 측을 향해 한정된 충분히 큰 입체각 범위로 방출되는 산란 광선이 생성된다.
변환 소자의 적어도 한 실시형태에 따라, 예를 들어 은과 같은 금속으로 반사-코팅되는 산란 요소가 제공된다.
변환 소자의 적어도 한 실시형태에 따라, 산란 요소의 평균 크기가 1차 방사의 파장보다 더 크도록 제공된다. 그 결과, 1차 방사의 입사 방향과 주로 반대 방향인 방사 로브(radiation lobes)가 수득된다.
변환 소자의 적어도 한 실시형태에 따라, 변환 층으로부터 이격되어 대향하는 산란 층의 측 상에 배치되는 반사 방지층이 제공된다. 그 결과, 방향성 반사 1차 방사가 억제된다.
변환 소자의 적어도 한 실시형태에 따라, 변환 층으로부터 이격되어 대향하는 반사 층의 측 상에 배치되는 히트 싱크가 제공된다.
변환 소자의 적어도 한 실시형태에 따라, 변환 층으로부터 이격되어 대향하는 측부가 열 전도성 캐리어 상에 배치되는 반사 층, 또는 열 전도성 캐리어의 반사성 코팅에 의해 형성되는 반사 층이 제공된다.
변환 소자의 적어도 한 실시형태에 따라, 구형으로 구현되는 산란 요소가 제공된다.
변환 소자의 적어도 한 실시형태에 따라, 산란 층의 매트릭스 재료의 굴절율과 상이한 굴절율을 갖는 산란 요소가 제공된다. 이와 관련하여, 예로서, 산란 요소와 매트릭스 재료 간의 광 굴절율 차이는 0.1 이상, 바람직하게는 0.2 이상, 특히 0.4 이상일 수 있다.
변환 소자의 적어도 한 실시형태에 따라, 상호 상이한 굴절율을 갖는 제1 및 제2 부분 층을 포함하는 산란 층이 제공되며, 상기에서 제1 및 제2 부분 층 간의 계면이 조면화되거나 제1 및 제2 부분 층은 상호 보완적인 구조물을 갖는다.
변환 소자의 적어도 한 실시형태에 따라, 빗살형(comb-like)으로 구현되는 적어도 하나의 구조물이 제공된다. 변환 소자의 적어도 한 실시형태에 따라, 1차 방사에 대한 부분 반사 효과 및 2차 방사에 대한 투과 효과를 갖는 파장-선택 거울 층을 포함하는 산란 층이 제공된다. 예로서, 파장-선택 거울 층에 의해 1차 방사 강도의 10%와 50% 사이가 반사될 수 있다.
1차 방사가, 제1 파장 및 이와 상이한 제2 파장을 갖는 전자기 방사를 포함하는 경우에, 파장-선택 거울 층이, 제1 파장을 갖는 전자기 방사만을 포함하는 1차 방사의 제1 부분에 대해 투과 효과를 갖고, 제2 파장을 갖는 전자기 방사만을 포함하는 1차 방사의 제2 부분에 대해 반사 효과를 갖도록, 파장-선택 거울 층을 설계할 수 있다.
변환 소자의 적어도 한 실시형태에 따라, 제2 부분 층과 변환 층 사이에 배치되는 파장-선택 거울 층이 제공된다.
변환 소자의 적어도 한 실시형태에 따라, 파장-선택 거울 층은, 파장-선택 거울 층의 주 연장 면에 대해 경사지고 그와 복수의 상이한 각도를 형성하는 복수의 부분 영역들을 갖는다. 상기 각도에 있어서, 부분 영역들은 주 영역 전체에 걸쳐 통계학적으로 분포될 수 있지만, 이들은 또한 주 연장 면상의 위치에 의존하는 잘 정의된 각도 분포를 가질 수도 있다. 통상적으로, 부분 영역들의 평균 크기는 1차 방사가 위에 충돌하는 파장-선택 거울 층의 영역의 직경보다 훨씬 더 작다.
상기 방식으로 구조화된 영역 상에 특정 입사 방향을 따라 1차 방사가 충돌할 경우, 변환 층으로부터 이격되어 대향하는 산란 층의 측을 향해 한정된 충분히 큰 입체각 범위로 방출되는 반사 광선이 생성된다. 결과적으로, 파장-선택 거울 층은 상술한 정의에 따라 산란 층으로서 작용한다.
상기 경우에 입사 방향이 파장-선택 거울 층의 주 연장 면과 각도(α)를 형성할 경우, 부분 영역들의 복수의 상이한 각도들은 각도(α/2) 근처에 대칭적으로 분포되는 것이 바람직하다. 이 방식으로, 산란된 1차 방사는 파장-선택 거울 층의 주 연장 면에 대한 법선 근처에서 대칭적인 강도 분포를 갖는다.
또한, 발광체가 명시된다.
적어도 한 실시형태에 따라, 발광체는 상술한 하나 이상의 실시형태를 따른 적어도 하나의 변환 소자, 및 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드(light-emitting diode or luminescence diode)로서 구성될 수 있는 적어도 하나의 반도체 칩을 포함하며, 상기에서 반도체 칩에 의해 방출된 방사는 적어도 일부가 변환 소자에 도달하며, 반도체 칩에 의해 방출된 방사는, 예를 들어 다운 변환에 의해, 더 낮은 주파수를 갖는 방사로 적어도 일부가 변환될 수 있다. 상기 발광체는 높은 광 출력으로 구동될 수 있다.
발광체의 적어도 한 실시형태에 따라, 반도체 칩은, 변환 소자 상에 충돌하며, 400 nm 이상 485 nm 이하의 파장을 갖는 1차 방사를 방출하도록 설계된다.
발광체의 적어도 한 실시형태에 따라, 반도체 칩 및 변환 소자는 서로 공간적으로 분리된다. 반도체 칩 및 변환 소자는 예를 들어 공통 히트 싱크 상에 배치될 수 있지만, 서로에 대해 공간적 거리를 가질 수 있다. 이는 특히, 반도체 칩이 레이저 다이오드로서 구성되고 레이저 다이오드에 의해 방출된 광이 특정 영역 상에서 예를 들어 자유 발진(free-running) 방식으로 변환 소자에 유도될 경우 가능하다. 특히, 레이저 광은 매우 잘 시준될 수 있으므로, 반도체 칩 및 변환 소자는 발광 다이오드의 경우에 가능할 수 있는 것보다 상당히 더 서로 이격될 수 있다. 예로서, 반도체 칩 및 변환 소자는 서로 적어도 5 mm 이격되며, 바람직하게는 적어도 10 mm 이격된다. 반도체 칩 및 변환 소자의 공간적 분리에 의해, 두 성분들의 서로에 대한 열적 디커플링(thermal decoupling)이 또한 초래될 수도 있다.
발광체의 적어도 한 실시형태에 따라, 광전자 반도체 칩은 고출력 다이오드이다. 즉, 반도체 칩의 전력 소비는 적어도 1 W이다. 이와 달리 또는 추가로, 변환 소자에 결합되는, 변환될 방사의 광 출력은 100 mW 초과이며, 특히 300 mW 초과이다. 고출력 다이오드를 이용함으로써, 열이 변환 소자로부터 효율적으로 소멸되므로 변환 소자에 의해 조밀한 구성을 실현할 수 있다.
발광체의 적어도 한 실시형태에 따라, 반도체 칩 및 변환 소자는 히트 싱크로서 구성된 기판상에 배치된다.
또한, 상술한 변환 소자를 제조하는 방법이 명시된다.
적어도 한 실시형태에 따라, 방법은 하기 단계들을 포함한다: 산란 층을 제공하는 단계 및 산란 층을 변환 층 및 반사 층에 연결하는 단계.
방법의 적어도 한 실시형태에 따라, 하기 방법 단계들을 포함하는, 산란 층의 제공 단계가 제공된다: 파장-선택 거울 층을 갖는 제1 투명 캐리어 요소를 제공하는 단계, 복수의 산란 요소를 갖는 액체 매트릭스 재료를 제1 투명 캐리어 요소에 도포하는 단계, 반사 방지층을 갖는 제2 투명 캐리어 요소를 제공하는 단계, 제2 투명 캐리어 요소를 액체 매트릭스 재료에 도포하는 단계, 및 경화하는 단계.
선택적으로, 기포를 방지하기 위해, 1차 방사에 노출된 영역 바깥의 캐리어 요소중 하나에 홀이 제공될 수 있다. 이와 달리, 기포가 또한 표적 방식으로 매트릭스 재료에 도입될 수 있으며, 상기에서 기포는 산란 요소로서 작용한다.
방법의 적어도 한 실시형태에 따라, 하기 방법 단계들을 포함하는 산란 층의 제공 단계가 제공된다: 반사 방지층을 갖는 제1 투명 캐리어 요소를 제공하는 단계, 특히 SiO2, Si3N3, ITO, TaO5, Al2O3, 산화 지르코늄 또는 ZnO를 포함하며 조면을 갖거나 이후에 조면화 또는 구조화되는 제1 유전체를 도포하는 단계, 제2 유전체를 도포하는 단계, 특히 연마, 그라인딩 또는 화학기계적 연마에 의해 제2 유전체를 평탄화하는 단계, 및 파장-선택 거울 층을 도포하는 단계.
제1 유전체의 구조화는 포토마스크 또는 임프린트 기술에 의해 수행될 수 있으며, 상기에서 회절 격자는 피해야 하는 것이 바람직하다.
이와 달리, 설명된 복수의 층 순서는 또한 서로의 상부 상에 배치될 수 있다. 층들을 에피택셜 성장시키고 3D 성장에서 2D 성장으로 층들 간의 성장 모드를 변경시키는 것도 또한 가능하다. 설명된 방법 단계들은 독립된 방식으로 또는 반대 순서로 수행될 수 있다.
변환 소자의 표면에서, 예를 들어 침상형 포인트와 같은 조면 구조가 추가로 배치될 수 있으며, 이는 다중 반사의 결과로서 1차 방사의 커플링-인(coupling-in)을 증가시키고 2차 방사의 커플링-아웃(coupling-out)을 개선한다.
본 출원에 설명된 변환 소자 또는 발광체가 사용될 수 있는 응용의 일부 분야는, 예를 들어, 특히 또한 자동차 분야의, 디스플레이 또는 디스플레이 장치의 조명을 포함한다. 또한, 본 출원에 설명된 변환 소자 및 발광체는 또한 영사 목적의 조명 장치, 스포트라이트, 자동차 헤드라이트 또는 발광 소자 또는 전반 조명에 사용할 수 있다.
본 출원에 설명된 변환 소자 및 발광체는 도면을 참조하여 예시적 실시형태를 기초로 하기에 더 상세히 설명된다. 이 경우, 개별 도면에서 동일한 참조 부호는 동일한 요소들을 나타낸다. 하지만, 크기에 대한 관계는 본 출원에 예시되지 않고; 오히려 개별 요소들은 더 나은 이해가 가능하도록 하기 위해 과장된 크기로 예시될 수 있다.
도면에서:
도 1은 종래 기술의 변환 소자를 도시하고,
도 2는 변환 소자의 제1 예시적 실시형태를 개략적으로 도시하고,
도 3 내지 6은 각종 예시적 실시형태에 따른 변환 소자의 산란 층의 개략적인 상세도를 도시한다.
도 1은 종래 기술의 변환 소자를 도시하고,
도 2는 변환 소자의 제1 예시적 실시형태를 개략적으로 도시하고,
도 3 내지 6은 각종 예시적 실시형태에 따른 변환 소자의 산란 층의 개략적인 상세도를 도시한다.
도 2는 변환 소자(10)의 제1 예시적 실시형태를 개략적으로 예시한다. 변환 소자(10)는 산란 층(12), 반사 층(14), 및 산란 층(12)과 반사 층(14) 간에 배치된 변환 층(16)을 포함한다. 반사 층(14)은 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 측이 열 전도성 캐리어(32) 상에 배치된다. 또한, 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 산란 층(12)의 측 상에 반사 방지층(30)이 배치된다.
레이저 다이오드로서 구성된 반도체 칩(44)은, 예를 들어, 400 nm 이상 485 nm 이하의 파장을 갖고, 입사 방향(17)을 따라 지나가며 변환 소자(10) 상에 충돌하는 1차 방사(18)를 방출한다. 산란 층(12)은, 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 측으로부터 산란 층상에 충돌하는 1차 방사(18)의 제1 부분(20)을 변환 층(16)으로 투과시키고, 산란 층상에 충돌하는 1차 방사(18)의 제2 부분(22)을 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 산란 층(12)의 측을 향해 산란시키고, 이 경우에 상기 부분을 한정된 충분히 큰 입체각 범위로 굴절시키도록 설계된다.
변환 층(16)은, 적어도 하나의 변환 수단(25)이 임베딩된, 예를 들어 실리콘 또는 세라믹인 투명 매트릭스 재료(24)를 포함한다. 예를 들어 세륨- 또는 유로퓸-포함 발광 물질인 변환 수단(25)은 UV 또는 청색 스펙트럼 범위의 광을 흡수한다. 형광에 의해, 예를 들어 황색 또는 적색 스펙트럼 범위의 더 높은 파장에서 변환 수단(25)의 재-방출이 일어나며, 이는 도 2에서 파선 화살표로 나타낸 2차 방사(19)를 초래한다. 1차 방사(18)의 산란된 부분(22) 및 2차 방사(19)는 색 윤곽(color fringes)이 없는 혼합 유색 광이 생성되도록, 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 산란 층(12)의 측을 향해 대략 동일한 규모의 입체각 범위에 걸쳐있는 것이 바람직하다.
반사 층(14)은 적어도 2차 방사(19)에 대해 반사 효과를 가지며, 열 전도성 캐리어(32)를 향해 방출된 2차 방사(19)를 반사하여 변환 소자(10)로부터 상기 방사를 커플링 아웃시키기 위해 제공된다.
도 3은 변환 소자(10)의 제1 예시적 실시형태의 산란 층(12)의 상세도를 개략적으로 예시한다. 이 경우 산란 층(12)은 예를 들어 실리콘인 투명 매트릭스 재료(26)를 포함하며, 상기에는 구형으로 구현된 복수의 산란 요소(28)가 임베딩되고, 입사 방향(17)에 대해 주로 평행하고 반대 방향인 방사 로브를 수득하기 위해, 산란 요소의 평균 크기는 1차 방사(18)의 파장보다 더 크다.
산란 요소(28)는, 예를 들어 은으로 반사-코팅될 수 있다. 반사-코팅된 산란 요소(28)의 비-평탄 표면에 의해, 1차 방사의 특정 부분(22)은, 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 산란 층(12)의 측을 향해 한정된 충분히 큰 입체각 범위로 반사되어, 개요 부분에서 서술된 정의의 의미 이내에서 산란된다.
한편, 산란 요소(28)는 예를 들어, 산란 층(12)의 매트릭스 재료(26)의 굴절율과 상이한 굴절율을 가질 수 있다. 이와 관련하여, 예로서, 산란 요소(28)와 매트릭스 재료(26) 간의 광 굴절율 차이는 0.1 이상일 수 있으며, 바람직하게는 0.2 이상, 특히 0.4 이상일 수 있다. 산란 요소(28)가 매트릭스 재료(26)보다 더 낮거나 더 높은 굴절율을 갖는지 여부에 따라, 1차 방사(18)의 반사는 산란 요소(28)의 외측 또는 내측 상에서 발생한다. 산란 요소(28)의 비-평탄 외측 또는 내측에 의해, 1차 방사의 특정 부분(22)은, 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 산란 층(12)의 측을 향해 한정된 충분히 큰 입체각 범위로 반사되어, 개요 부분에서 서술된 정의의 의미 이내에서 산란된다.
제2 예시적 실시형태에서(미도시), 파장-선택성인 유전체 거울 층은 변환 층(16)과 산란 층(12) 사이에 배치되며 1차 방사에 대해 부분 반사 효과 및 2차 방사에 대해 투과 효과를 갖는다. 예로서, 1차 방사(18)의 강도의 10%와 50% 사이는 파장-선택 거울 층에 의해 반사될 수 있다. 이 경우, 파장-선택 거울 층은 1차 방사의 산란된 부분(22)을 적어도 부분적으로 정의한다.
도 4는 변환 소자(10)의 제3 예시적 실시형태의 산란 층(12)의 상세도를 개략적으로 예시한다. 이 경우, 산란 층(12)은 상호 상이한 굴절율을 갖는 제1 및 제2 부분 층(34,36)을 포함하며, 상기에서 제1 및 제2 부분 층(34,36) 간의 계면은 조면화된다. 이는 부분 층(34,36)의 주 연장 면에 대해 경사지고 그와 복수의 상이한 각도를 형성하는 복수의 부분 영역들을 야기한다. 파장-선택성인 유전체 거울 층(42)은 변환 층(16)과 제2 부분 층(36) 사이에 배치되며 1차 방사(18)에 대해 부분 반사 효과 및 2차 방사(19)에 대해 투과 효과를 갖는다. 예로서, 또다시, 1차 방사(18)의 강도의 10%와 50% 사이는 파장-선택 거울 층(42)에 의해 반사될 수 있다. 1차 방사(18)가 제1 및 제2 부분 층(34,36) 사이의 계면 상에 충돌할 경우, 1차 방사(18)는 상이한 각도로 굴절되고 상기 각도로 파장-선택 거울 층(42) 상에 충돌한다. 상기 파장-선택 거울 층은 부분 빔의 특정 부분을 제1 및 제2 부분 층(34,36) 간의 계면으로 다시 반사시키고, 거기서 이들은 상이한 각도로 다시 굴절된다. 최종적으로, 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 산란 층의 측을 향해 한정된 충분히 큰 입체각 범위로 부분 빔이 방출된다. 결과적으로, 제1 및 제2 부분 층(34,36)과 파장-선택 거울 층(42)의 조합은 개요 부분에서 서술된 정의에 따른 산란 층으로서 작용한다.
도 5는 변환 소자(10)의 제4 예시적 실시형태의 산란 층(12)의 상세도를 개략적으로 예시하며, 이는 제1 및 제2 부분 층(34,36)이, 예를 들어 빗살형으로 구현될 수 있는 상호 보완적인 규칙적인 구조물(38,40)을 갖는다는 점에서 제3 예시적 실시형태와 상이하다.
도 6은 변환 소자(10)의 제5 예시적 실시형태의 산란 층(12)의 상세도를 개략적으로 예시하며, 이는 제2 부분 층(36) 자체가 파장-선택 거울 층(42)의 형태로 구현된다는 점에서 제3 예시적 실시형태와 상이하다.
조면화의 결과로서, 파장-선택 거울 층(42)은, 파장-선택 거울 층(42)의 주 연장 면에 대해 경사지고 그와 복수의 상이한 각도를 형성하는 복수의 부분 영역들을 갖는다. 개요 부분에서 설명된 바와 같이, 이로써 파장-선택 거울 층(42)은 개요 부분에서 서술된 정의에 따른 산란 층으로서 작용한다.
본 발명은 예시적 실시형태들을 기초로 한 설명에 의해 상기 예시적 실시형태들로 제한되지 않는다. 오히려, 본 발명은 임의의 신규한 특징 및 특징들의 임의의 조합도 또한 망라하며, 이는 특히, 특허 청구항 또는 예시적 실시형태에 상기 특징 또는 상기 조합 자체가 명백하게 명시되지 않은 경우에도, 특허 청구항의 특징들의 임의의 조합을 포함한다.
Claims (21)
- - 산란 층(12),
- 반사 층(14), 및
- 상기 산란 층(12)과 상기 반사 층(14) 사이에 배치된 변환 층(16)
을 포함하며,
- 상기 산란 층(12)은, 상기 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 측으로부터 상기 산란 층상에 충돌하는 1차 방사(18)의 제1 부분(20)을 상기 변환 층(16)으로 투과시키고, 상기 산란 층상에 충돌하는 상기 1차 방사(18)의 제2 부분(22)을 상기 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 상기 산란 층(12)의 측을 향해 산란시키도록 설계되고,
- 상기 변환 층(16)은 상기 1차 방사(18)의 제1 부분의 적어도 일부를 상기 1차 방사(18)와 상이한 더 높은 파장을 갖는 2차 방사(19)로 변환시키도록 설계된 적어도 하나의 변환 수단(25)을 포함하고,
- 상기 반사 층(14)은 적어도 상기 2차 방사(19)에 대해 반사 효과를 가지고,
- 상기 산란 층(12)은 상기 1차 방사(18)에 대한 부분 반사 효과 및 상기 2차 방사(19)에 대한 투과 효과를 갖는 파장-선택 거울 층(42)을 포함하는 변환 소자(10). - 제1항에 있어서, 상기 산란 층(12)은 복수의 산란 요소(28)가 임베딩된 매트릭스 재료(26)를 포함하는 변환 소자(10).
- 제2항에 있어서, 상기 산란 요소(28)는 반사-코팅된 변환 소자(10).
- 제2항에 있어서, 상기 산란 요소(28)의 평균 크기는 상기 1차 방사(18)의 파장보다 더 큰 변환 소자(10).
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 상기 산란 층(12)의 측 상에 반사 방지층(30)이 배치된 변환 소자(10).
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산란 요소(28)는 구형으로 구현된 변환 소자(10).
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산란 요소(28)는 상기 산란 층(12)의 매트릭스 재료(26)의 굴절률과 상이한 굴절률을 갖는 변환 소자(10).
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산란 층(12)은 상호 상이한 굴절률을 갖는 제1 및 제2 부분 층(34,36)을 포함하고, 상기 제1 및 제2 부분 층 간의 계면은 조면화되거나 상기 제1 및 제2 부분 층(34,36)은 상호 보완적인 구조물(38,40)을 갖는 변환 소자(10).
- 삭제
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파장-선택 거울 층(42)은 상기 제2 부분 층과 상기 변환 층(16) 사이에 배치된 변환 소자(10).
- - 산란 층(12),
- 반사 층(14), 및
- 상기 산란 층(12)과 상기 반사 층(14) 사이에 배치된 변환 층(16)
을 포함하며,
- 상기 산란 층(12)은, 상기 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 측으로부터 상기 산란 층상에 충돌하는 1차 방사(18)의 제1 부분(20)을 상기 변환 층(16)으로 투과시키고, 상기 산란 층상에 충돌하는 상기 1차 방사(18)의 제2 부분(22)을 상기 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 상기 산란 층(12)의 측을 향해 산란시키도록 설계되고,
- 상기 변환 층(16)은 상기 1차 방사(18)의 제1 부분의 적어도 일부를 상기 1차 방사(18)와 상이한 더 높은 파장을 갖는 2차 방사(19)로 변환시키도록 설계된 적어도 하나의 변환 수단(25)을 포함하고,
- 상기 반사 층(14)은 적어도 상기 2차 방사(19)에 대해 반사 효과를 가지고,
- 상기 산란 층(12)은 상기 1차 방사(18)에 대한 부분 반사 효과 및 상기 2차 방사(19)에 대한 투과 효과를 갖는 파장-선택 거울 층(42)을 포함하고,
- 상기 파장-선택 거울 층(42)은, 상기 파장-선택 거울 층(42)의 주 연장 면에 대해 경사지고 그와 복수의 상이한 각도를 형성하는 복수의 부분 영역들을 갖는 변환 소자(10). - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 변환 소자(10), 및 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드로서 구성된 적어도 하나의 반도체 칩(44)을 포함하는 발광체(100)로서, 상기 반도체 칩(44)에 의해 방출된 전자기 방사는 적어도 일부가 상기 변환 소자(10)에 의해 더 낮은 주파수를 갖는 방사로 변환될 수 있는 발광체(100).
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 변환 소자(10)를 제조하는 변환 소자 제조 방법으로서,
- 산란 층(12)을 제공하는 단계, 및
- 상기 산란 층(12)을 변환 층(16) 및 반사 층(14)에 연결하는 단계
를 포함하는 변환 소자 제조 방법. - 제13항에 있어서, 상기 산란 층(12)을 제공하는 단계는,
- 파장-선택 거울 층을 갖는 제1 투명 캐리어 요소를 제공하는 단계,
- 복수의 산란 요소(28)를 갖는 액체 매트릭스 재료(26)를 상기 제1 투명 캐리어 요소에 도포하는 단계,
- 반사 방지층(30)을 갖는 제2 투명 캐리어 요소를 제공하는 단계,
- 상기 제2 투명 캐리어 요소를 상기 액체 매트릭스 재료(26)에 도포하는 단계, 및
- 경화하는 단계
를 포함하는 변환 소자 제조 방법. - 제13항에 있어서, 상기 산란 층(12)을 제공하는 단계는,
- 반사 방지층(30)을 갖는 제1 투명 캐리어 요소를 제공하는 단계,
- SiO2, Si3N3, ITO, TaO5, Al2O3, 산화 지르코늄 또는 ZnO를 포함하는 제1 유전체 - 상기 제1 유전체는 조면을 갖거나 이후에 조면화 또는 구조화됨 - 를 도포하는 단계,
- 제2 유전체를 도포하는 단계,
- 상기 제2 유전체를, 연마, 그라인딩 또는 화학 기계적 연마에 의해 평탄화하는 단계, 및
- 파장-선택 거울 층을 도포하는 단계
를 포함하는 변환 소자 제조 방법. - - 산란 층(12),
- 반사 층(14), 및
- 상기 산란 층(12)과 상기 반사 층(14) 사이에 배치된 변환 층(16)
을 포함하며,
- 상기 산란 층(12)은, 상기 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 측으로부터 상기 산란 층상에 충돌하는 1차 방사(18)의 제1 부분(20)을 상기 변환 층(16)으로 투과시키고, 상기 산란 층상에 충돌하는 상기 1차 방사(18)의 제2 부분(22)을 상기 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 상기 산란 층(12)의 측을 향해 산란시키도록 설계되고,
- 상기 변환 층(16)은 상기 1차 방사(18)의 제1 부분의 적어도 일부를 상기 1차 방사(18)와 상이한 더 높은 파장을 갖는 2차 방사(19)로 변환시키도록 설계된 적어도 하나의 변환 수단(25)을 포함하고,
- 상기 반사 층(14)은 적어도 상기 2차 방사(19)에 대해 반사 효과를 가지고,
- 상기 산란 층(12)은 상기 1차 방사(18)에 대한 부분 반사 효과 및 상기 2차 방사(19)에 대한 투과 효과를 갖는 파장-선택 거울 층(42)을 포함하고,
- 상기 산란 층은 제1 및 제2 부분 층을 포함하고, 상기 제2 부분 층 자체는 파장-선택 거울 층으로 구현되고, 파장-선택 거울 층의 주 연장 면에 대해 경사지고 그와 복수의 상이한 각도를 형성하는 복수의 부분 영역들을 가지고,
- 상기 파장-선택 거울 층은 상기 산란 층의 제1 부분 층과 변환 층 사이에 배치되는 변환 소자(10). - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 산란 층은 상호 상이한 굴절률을 갖는 제1 및 제2 부분 층을 포함하고,
- 상기 제1 및 제2 부분 층 간의 공통 계면은 조면화되어 상기 제1 및 제2 부분 층이 상호 보완적인 구조물을 가지게 하고,
- 상기 파장-선택 거울 층은 상기 산란 층의 제2 부분 층과 변환 층 사이에 배치되는 변환 소자(10). - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파장-선택 거울 층은 상기 1차 방사의 강도의 10%와 50% 사이를 반사하도록 조정되는 변환 소자(10).
- - 산란 층(12),
- 반사 층(14), 및
- 상기 산란 층(12)과 상기 반사 층(14) 사이에 배치된 변환 층(16)
을 포함하며,
- 상기 산란 층(12)은, 상기 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 측으로부터 상기 산란 층상에 충돌하는 1차 방사(18)의 제1 부분(20)을 상기 변환 층(16)으로 투과시키고, 상기 산란 층상에 충돌하는 상기 1차 방사(18)의 제2 부분(22)을 상기 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 상기 산란 층(12)의 측을 향해 산란시키도록 설계되고,
- 상기 변환 층(16)은 상기 1차 방사(18)의 제1 부분의 적어도 일부를 상기 1차 방사(18)와 상이한 더 높은 파장을 갖는 2차 방사(19)로 변환시키도록 설계된 적어도 하나의 변환 수단(25)을 포함하고,
- 상기 반사 층(14)은 적어도 상기 2차 방사(19)에 대해 반사 효과를 가지고,
- 상기 산란 층(12)은 복수의 산란 요소(28)가 임베딩된 매트릭스 재료(26)를 포함하고, 산란은 기포 또는 금속으로 반사-코팅된 것인 변환 소자(10). - - 산란 층(12),
- 반사 층(14), 및
- 상기 산란 층(12)과 상기 반사 층(14) 사이에 배치된 변환 층(16)
을 포함하며,
- 상기 산란 층(12)은, 상기 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 측으로부터 상기 산란 층상에 충돌하는 1차 방사(18)의 제1 부분(20)을 상기 변환 층(16)으로 투과시키고, 상기 산란 층상에 충돌하는 상기 1차 방사(18)의 제2 부분(22)을 상기 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 상기 산란 층(12)의 측을 향해 산란시키도록 설계되고,
- 상기 변환 층(16)은 상기 1차 방사(18)의 제1 부분의 적어도 일부를 상기 1차 방사(18)와 상이한 더 높은 파장을 갖는 2차 방사(19)로 변환시키도록 설계된 적어도 하나의 변환 수단(25)을 포함하고,
- 상기 반사 층(14)은 적어도 상기 2차 방사(19)에 대해 반사 효과를 가지고,
- 상기 변환 수단(25)의 농도 또는 상기 변환 층(16)의 층 두께에 관하여, 상기 변환 층(16)은 변환 층상에 충돌하는 1차 방사 전체의 적어도 95%를 2차 방사로 변환시키도록 구성되고,
- 상기 변환 층(16)은 상기 산란 층(12)과 상기 반사 층(14) 사이에 직접 배치되고,
- 상기 반사 층(14)은 상기 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 측부가 열 전도성 캐리어(32) 상에 배치되거나 열 전도성 캐리어(32)의 반사성 코팅에 의해 형성되고,
- 반사 방지층(30)은 상기 변환 층(16)으로부터 이격되어 대향하는 상기 산란 층(12)의 측부 상에 배치되는 변환 소자(10). - 제1항 또는 제19항에 따른 변환 소자(10), 및 1차 방사(18)를 방출하도록 구성된 적어도 하나의 반도체 칩(44)을 포함하는 발광체(100)로서, 반도체 칩(44) 및 변환 소자(10)는 서로 공간적으로 분리되는 발광체(100).
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