KR102179941B1 - 감온성의 낮은 굴절률 입자 층을 갖는 백색 겉보기 반도체 발광 디바이스들 - Google Patents

감온성의 낮은 굴절률 입자 층을 갖는 백색 겉보기 반도체 발광 디바이스들 Download PDF

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루미레즈 엘엘씨
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Abstract

LED 조명 제품들용 시스템들. 백색 광 발생의 효율을 감소시키지 않고서 백색 겉보기 LED 제품을 제공하는 데 수반되는 문제들에 대한 해결책들이 제시된다. LED 장치에 특별히 만들어진 오프-상태 백색 겉보기 층을 포함하는 디바이스들이 설계되고 제조된다. 특별히 만들어진 오프-상태 백색 겉보기 층의 조성물이 온-상태 동안 고 효율을 위해 조정된다.

Description

감온성의 낮은 굴절률 입자 층을 갖는 백색 겉보기 반도체 발광 디바이스들
관련 출원들과의 상호 참조
본원은 2016년 9월 1일자 출원된 미국 가특허 출원 번호 62/382,426호, 2016년 12월 13일자 출원된 유럽 특허 출원 번호 16203756.8, 및 2017년 8월 28일자 출원된 미국 특허 출원 번호 15/688,611호를 우선권 주장한다. 미국 가특허 출원 번호 62/382,426호, 유럽 특허 출원 번호 16203756.8, 및 미국 특허 출원 번호 15/688,611호는 본원에 참조로 포함된다.
본 개시내용은 LED 조명 제품들, 및 보다 특정적으로 감온성의 낮은 굴절률 입자 층을 사용하는 백색 겉보기 LED들을 위한 기술들에 관한 것이다.
최근의 많은 조명 필요들은 발광 다이오드들(LED들)을 사용하여 이행되고 있다. 실제로, LED들은 광범위한 응용들 전체에 걸쳐 어디에나 있는 것으로 되고 있다. 일반적으로, 청색 방출 LED들은 (예를 들어, 청색에 가까운) 더 높은 에너지 광자들을 (예를 들어, 적색에 가까운) 더 낮은 에너지 광자들로 하향 변환하는 역할을 하는 황색 또는 오렌지색 또는 적색 인광체들로 코팅되고 사용된다. 일부 응용들에서, 황색 및/또는 오렌지색 및/또는 적색 인광체들은 육안에 가시적이라서, 미적 외관들이 떨어질 수 있다. 소정의 응용들(예를 들어, 카메라들 내의 플래시 유닛들, 이동 전화 플래시 유닛들, 자동차 헤드램프들 등)에서 인광체들의 원하지 않는 색들이 가시적이지 않도록 인광체들은 입사광을 충분히 확산시키는 또 하나의 층으로 의도적으로 커버된다. 일부 경우들에서, 추가적인 확산 층이 인광체들을 완전히 커버할 때에도, 적색/오렌지색/적색 색상은 "피크" 스루("peek" through)한다. 피크-스루를 감소시키는 하나의 방식은 확산 층을 더 두껍게 하거나 더 밀하게 하는 것이다. 어느 포인트에서 확산 층의 두께 또는 밀도는 황색 또는 오렌지색 인광체들의 가시적인 피크 스루가 없는 입사 광의 충분한 산란을 발생한다.
불행히도, 확산 층을 더 두껍게 하고/하거나 더 밀하게 하면 LED 디바이스의 동작 효율이 또한 감소된다. 보다 구체적으로, 피크-스루를 감소 또는 제거하기에 충분히 확산하는 더 두껍고 더 밀한 확산 구조들(예를 들어, 산란 층 두께, 산란 입자 밀도 등)의 레거시 사용들은 또한 동작 시에 LED로부터의 광을 확산, 산란 또는 흡수하는 원하지 않은 효과를 또한 가지므로, 광 발생의 효율이 감소한다.
개선들이 필요하다.
여기에 개시된 소정의 실시예들에 따르면 백색 겉보기 반도체 발광 디바이스들, 방법들 및 장치가 개시된다. 디바이스들은 LED 장치 내로 특별히 만들어진 오프-상태 백색 겉보기 층을 포함시킨다. 오프-상태 백색 겉보기 층은 온-상태 동안 고 효율을 위해 조정된다. 본 개시내용은 감온성의 낮은 굴절률 입자 층을 사용하여 백색 겉보기 LED들을 형성하고 사용하기 위해 사용되는 기술들의 상세한 설명을 제공한다. 기술들은 레거시 방식들이 갖는 기술적 문제들을 다루기 위해 관련 기술들을 진보시킨다.
한 양태에서, 반도체 발광 디바이스를 포함하는 구조체는 반도체 발광 디바이스에 의해 방출되는 광의 경로 내에 배치된 파장 변환 층을 포함한다. 구조체는 반도체 발광 디바이스에 의해 방출되는 광의 경로 내에 배치된 광 산란 층을 또한 포함하고 광 산란 층은 제1 온도에서 제1 굴절률을 갖는 바인딩 재료 및 제1 온도에서 제2 굴절률을 갖는 일정 농도의 산란제들을 포함한다. 한 양태에서, 제1 온도에서의 산란제들의 굴절률은 동일한 온도에서의 바인딩 재료의 굴절률보다 낮다.
기술적 실시예들의 양태들, 목적들, 및 장점들의 추가 상세들이 여기에 그리고 다음의 설명들, 도면들, 및 청구범위에서 설명된다.
아래에 설명되는 도면은 단지 예시 목적들을 위한 것이다. 도면은 본 개시내용의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 도면에 도시한 유사한 참조 문자들은 다양한 실시예들에서 동일한 부분들을 지정한다.
도 1은 실시예에 따른, 감온성의 낮은 굴절률 입자 층을 사용하는 백색 겉보기 LED들의 설계들에 따른 발광 디바이스 구조체를 도시한다.
도 2는 입자 농도가 증가함에 따라 발광 효율의 감소들을 도시한 입자 농도 대 효율 플롯이다.
도 3a는 실시예에 따른, 굴절률 미스매치의 함수로서 증가된 산란을 도시한 백색 겉보기 조정 차트이다.
도 3b는 실시예에 따른, 입자 농도의 함수로서 반사율을 도시한 백색 겉보기 조정 차트이다.
도 4는 실시예에 따른, 백색 겉보기의 함수로서 효율이 감소하는 것을 도시한 효율 트레이드오프 조정 차트이다.
도 5는 실시예에 따른, 동작 온도 범위에 걸쳐 투명도를 나타내는 재료들의 선택을 도시한 재료 선택 차트이다.
도 6a는 실시예에 따른, 감온성의 낮은 굴절률 입자 층을 사용하여 백색 겉보기 LED들을 설계하는 낮은 굴절률 입자 선택 기술을 도시한 플로우차트이다.
도 6b는 실시예에 따른, 감온성의 낮은 굴절률 입자 층을 사용하여 백색 겉보기 LED들을 설계하는 상 변화 재료 선택 기술을 도시한 플로우차트이다.
도 7은 실시예에 따른, 감온성의 낮은 굴절률 입자 층을 사용하여 백색 겉보기 LED로부터 투명 LED로의 전력-사이클 전이를 갖는 카메라 포토 플래시 응용에서의 LED의 사용을 도시한 전이 차트이다.
도 8a는 일부 실시예들에 따른, 감온성의 낮은 굴절률 입자 층을 갖는 백색 겉보기 LED들을 사용할 때의 LED 장치 구성 기술을 도시한 플로우차트이다.
도 8b는 일부 실시예들에 따른, 감온성의 낮은 굴절률 입자 층을 갖는 백색 겉보기 LED들을 사용할 때의 반도체 발광 디바이스 구성 기술을 도시한 플로우차트이다.
도 9a는 실시예에 따른, 실리콘 혼합물 내의 훈증된 실리카 입자들에 의해 형성된 백색 겉보기 층을 갖는 반도체 발광 디바이스의 성능 측정들을 도시한다.
도 9b는 실시예에 따른, 실리콘 혼합물 내의 상 변화 비드들에 의해 형성된 백색 겉보기 층을 갖는 반도체 발광 디바이스의 성능 측정들을 도시한다.
도 9c는 실시예에 따른, 실리콘 혼합물 내의 다공성 실리카 비드들에 의해 형성된 백색 겉보기 층을 갖는 반도체 발광 디바이스의 성능 측정들을 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 일부 실시예들에 따른, 감온성의 낮은 굴절률 입자 층을 사용하는 백색 겉보기 LED들의 설계들에 따른 발광 디바이스 구조체들을 도시한다.
도 11a, 도 11b 및 도 11c는 본 개시내용의 실시예들의 다양한 구성들에서 사용하기에 및/또는 여기에 설명된 환경들에서 사용하기에 적합한 루미너리들을 도시한다.
본 개시내용의 일부 실시예들은 백색 광 발생의 효율을 감소시키기 않고서 백색 겉보기 LED 제품을 제공하는 문제를 다룬다. 일부 실시예들은 온-상태 동안 고 효율을 위해 조정된 LED 장치에 특별하게 만들어진 오프-상태 백색 겉보기 층을 추가하는 방식들에 관한 것이다. 본원의 첨부 도면 및 논의들은 감온성의 낮은 굴절률 입자 층들을 사용하여 백색 겉보기 LED들을 제조하고 사용하는 예시적인 구조체들, 디바이스들, 시스템들, 및 방법들을 제시한다.
개요
실온에서 백색 겉보기를 갖는 발광 디바이스를 형성하는 여기에 개시된 기술들은 레거시 기술들을 사용할 때 관찰되는 효율의 심각한 손실을 아직 겪지 않는다. 재료들의 소정의 조합들은 확산 또는 산란 층을 형성하기 위해 사용된다. 재료들은 그들의 굴절률에 기초하여 선택된다. 보다 구체적으로, 재료들은 그들의 굴절률이 온도들의 범위에 걸쳐 어떻게 변화하는지에 기초하여 선택된다.
백색 발광 LED 디바이스는 LED의 활성 영역으로부터 방출되는 광의 경로 내에 파장 변환 층을 배치함으로써 형성된다(도 1 참조). 피크-스루를 제거하도록 파장 변환 층을 커버하는 추가적인 층이 형성된다. 재료들의 소정의 조합들이 선택된 재료들의 산란 효과들로 인해 그것이 백색 또는 백색에 가까운 것으로 오프-상태에서 보이도록 추가적인 층에서 사용될 수 있다. 이러한 층은 피크-스루를 제거하고 관찰자에게 (예를 들어, 실온에서 육안으로) 백색으로 보이도록 비교적 두껍거나 비교적 밀할 필요가 있을 수 있다. 이 추가적인 층에 더 큰 두께를 추가하면 감소된 피크-스루의 원하는 효과가 달성되지만, 이 층에 더 큰 두께를 추가하는 것은 또한 원하지 않는 효과인, LED의 광 출력 및 전체적인 효율을 감소시킨다. 일부 경우들에서 추가적인 층은 비교적 얇을 수 있고 비교적 더 높은 농도의 산란 입자들로 캐리어들을 로드함으로써 피크-스루를 여전히 피할 수 있다. 비교적 얇은 층이 사용될 때, LED 응용 설계는 입자 농도가 증가함에 따라 광 출력 효율에의 일차적인 효과를 고려하여야 한다(도 2 참조). 이 일차적인 효과에 대해 LED를 설계하는 것은 백색 겉보기가 요구된다는 것을 고려할 때 보다 복잡해진다. LED 장치의 주관적인 백색 겉보기와 그것의 LED 효율은 음으로 상관된다는(anti-correlated) 것을 고려할 때 설계 트레이드오프가 생기므로, 동작 온도들에서 높은 효율을 갖는 백색 겉보기 반도체 발광 디바이스들을 설계하는 데 있어서 관련되는 여러 트레이드오프들 중 하나를 제시한다.
산란 조정 대 투명도
광이 상이한 굴절률들을 갖는 2개 이상의 재료를 통해 이동할 때, 광은 산란된다. 2개 이상의 재료가 매칭되거나 실질적으로 매칭된 굴절률을 갖는다면, 광은 덜 산란하여 2개의 재료를 통해 통과한다. 굴절률의 차이들이 클수록 더 많은 산란이 일어난다(예를 들어, 더 백색의 겉보기를 발생한다). 굴절률의 차이들이 적을수록 더 적은 산란이 일어난다(예를 들어, 더 좋은 투명도). 보다 구체적으로, 2개의 재료의 굴절률 간의 차이가 클수록, 산란 효과는 커진다. 그러므로, 많은 경우들에서, 비교적 높은 굴절률 입자와 비교적 낮은 실리콘 캐리어의 원시적인 선택이 단지 이루어지는데 왜냐하면 산란 효과들은 낮은 굴절률 입자가 선택되어 동일한 실리콘 캐리어 내로 로드된 경우보다 더 높기(예를 들어, 보다 뚜렷한 백색 겉보기에 기여하기) 때문이다(도 3a 참조). 더구나, 물체가 "백색"이라는 사람의 머리와 눈 결정은 물체의 반사율과 적어도 부분적으로 관련되기 때문에, 반사율은 낮은 굴절률 입자가 선택된 경우보다 높으므로 단지 높은 굴절률 입자의 앞서 언급된 원시적인 선택이 자주 이루어진다(도 3b 참조). 받아들여질 수 있거나 원하는 산란 효과(예를 들어, 오프-상태 백색 겉보기)와 효율 목표 간의 앞서 언급된 트레이드오프가 조정될 수 있다(도 4 참조).
놀랍게도, 일부 실시예들은 비교적 더 낮은 굴절률 입자들을 사용하여 형성되지만, 더 낮은 굴절률 입자들의 사용은 더 높은 굴절률 입자들을 사용하여 달성되었을 것과 동일한 정도의 산란을 달성하기 위해 캐리어 내의 비교적 더 높은 농도의 입자들을 요구할 것이다.
온도 변화에 따른 굴절률 변화의 현상
일부 재료들은 온도의 비교적 좁은 범위(예를 들어, 0℃ 내지 250℃)에 걸쳐 그들의 굴절률의 큰 변화를 나타낸다. 반대로, 일부 재료들은 동일한 온도 범위에 걸쳐 그들의 굴절률의 단지 작은 변화를 나타낸다. LED 응용들의 경우에, 관심이 되는 온도 범위는 약 20℃(실온 근처) 내지 약 250℃(LED 동작 온도)이다. 그 온도 범위에 걸쳐 단지 약간 변화하는 제1 재료 및 동일한 온도 범위에 걸쳐 많이 변화하는 제2 재료를 고려해보자. 2개의 재료가 조합된다면, 각각의 굴절률의 차이는 온도 범위에 걸쳐 많이 변화할 것이다. 비교적 낮은 온도(실온)에서 굴절률이 크게 상이하고, 비교적 높은 온도(예를 들어, 동작 온도)에서 굴절률이 아주 조금 상이하도록 하는 2개의 재료의 선택을 추가로 고려해보자. 이러한 구성에서 조합된 재료들은 실온에서 (산란으로 인해) 백색으로 보이고 동작 온도들에서 투명하게 보인다.
관찰들
많은 재료들의 굴절률은 온도들의 범위에 걸쳐 변화한다. 일부 재료들은 온도 범위에 걸쳐 그들의 굴절률의 비교적 큰 변화를 나타내는 반면(예를 들어, 더 높은 온도들에 따라 매트릭스가 팽창하는 재료들), 일부 재료들은 온도 범위에 걸쳐 그들의 굴절률의 비교적 작은 변화를 나타낸다. 특별히 관심이 되는 것은 많은 실리콘들이 온도가 증가함에 따라 그들의 굴절률의 큰 감소를 나타낸다는 관찰이다. 추가 관찰은 관심이 되는 온도 범위에 걸쳐 그들의 굴절률의 상당한 변화를 나타내지 않는 많은 낮은 굴절률 입자들이 있다는 것이다. 도 5는 (예를 들어, 실리콘과 낮은 굴절률 입자들 사이에 작거나 제로의 굴절률 차이가 있는) LED 동작 온도들의 전체 간격에 걸쳐 투명한 범위를 도시함으로써 앞서 언급된 관찰들을 조합한다. 도 5의 추가 조사는 실온들에서, 실리콘과 낮은 굴절률 입자들 사이에 굴절률의 비교적 큰 차이가 있으므로, 실온들에서의 오프-상태에서와 같이, 입사 광이 입자 로드된 실리콘으로부터 반사할 때 산란을 일으킨다는 관찰에 이르게 한다.
많은 실리콘들과 많은 낮은 굴절률 입자들이 있다. 도 6a는 입자들과 실리콘 캐리어들의 많은 선택들 및 조합들을 고려한 선택 기술을 제시한다. 재료들의 쌍들(예를 들어, 실리콘과 산란 입자)이 선험적인 공지된 동작 온도 및 오프-상태에서 백색 겉보기 색에 대한 각각의 요건을 갖는 특정한 LED 응용에의 적용가능성에 대해 고려될 수 있다(도 6a 참조).
앞서 언급된 논의에서, 굴절률 매칭의 효과는 동작 온도들에서 투명성을 달성하는 것에 대해 지배적이다. 동작 온도에서 입자들의 굴절률 매칭을 달성하도록 하는 재료들의 효과적인 선택은 단지 동작 온도들에서의 투명성과 더 낮은 온도들에서의 반사성을 달성하는 하나의 기술이다. 동작 온도에서의 투명성과 더 낮은 온도들에서의 반사성을 달성하는 또 하나의 기술은 재료가 고체에서 액체로 그리고 그 반대로의 상 변화를 겪음에 따라 그들의 굴절률의 변화들을 나타내는 상 변화 재료들을 사용하는 것이다. 상 변화 재료들의 선택이 수행될 수 있다(도 6b 참조). 보다 구체적으로, 재료들의 쌍들(예를 들어, 실리콘과 상 변화 재료)이 선험적인 공지된 동작 온도 및 오프-상태에서 백색 겉보기 색에 대한 각각의 요건을 갖는 특정한 LED 응용에의 적용가능성에 대해 고려될 수 있다. 재료들의 쌍들은 주어진 설계 요건들의 세트 및 수명 동안에 그들 설계 요건들을 달성하는 임계도 및 의도된 LED 응용들의 동작 조건들에 기초하여 선택된다.
다양한 실시예들이 도면을 참조하여 여기에 설명된다. 도면은 반드시 축척에 맞게 그려지지 않았고 유사한 구조체들 또는 기능들의 요소들은 때때로 도면 전체에 걸쳐 유사한 참조 문자들로 표시된다는 점에 주목하여야 한다. 도면은 단지 개시된 실시예들의 설명을 용이하게 하고자 하는 것이고 - 그들은 모든 가능한 실시예들의 완전한 처리의 대표는 아님 - 그들은 청구범위의 범위에 어떤 제한을 두려는 것은 아니라는 점에 또한 주목하여야 한다. 또한, 예시된 실시예는 임의의 특정한 실시예에서의 모든 양태들 또는 사용의 장점들을 반드시 묘사할 필요는 없다. 특정한 실시예와 함께 설명된 양태 또는 장점은 반드시 그 실시예로 제한되지 않고 그렇게 예시되지 않더라도 기타 실시예들에서 실시될 수 있다. 본 명세서 전체에 걸쳐 "일부 실시예들" 또는 "다른 실시예들"이라고 참조하는 것은 적어도 하나의 실시예 내에 포함되는 것으로 실시예들과 관련하여 설명된 특정한 특징, 구조체, 재료 또는 특성을 참조한다. 그러므로, 본 명세서 전체에 걸친 여러 군데들에서의 문구들 "일부 실시예들에서" 또는 "다른 실시예들에서"의 출현은 반드시 동일한 실시예 또는 실시예들을 참조하는 것은 아니다.
정의들
본 설명에서 사용된 용어들의 일부가 쉬운 참조를 위해 아래에 정의된다. 제시된 용어들 및 그들의 각각의 정의들은 그들 정의들로 엄격하게 제한되지 않고 - 용어는 본 개시내용 내에서 용어의 사용에 의해 추가로 정의될 수 있다. 용어 "예시적인"은 예, 또는 예시의 역할을 한다는 것을 의미하기 위해 여기에 사용된다. "예시적인"이라고 여기에 설명된 임의의 양태 또는 설계는 다른 양태들 또는 설계들보다 양호하거나 유리한 것으로 반드시 해석되지 않는다. 오히려, 단어 예시적인의 사용은 개념들을 구체적인 방식으로 제시하고자 하는 것이다. 본원 및 첨부된 청구범위에서 사용된 것과 같이, 용어 "또는"은 배타적인 "또는"이라기 보다는 포괄적인 "또는"을 의미하는 것이다. 즉, 달리 특정되지 않거나 문맥으로부터 분명하지 않다면, "X는 A 또는 B를 이용한다는 것"은 자연적 포괄적인 순열들 중 어느 하나를 의미하는 것이다. 즉, X가 A를 이용하거나, X가 B를 이용하거나, 또는 X가 A와 B 둘 다를 이용하면, "X가 A 또는 B를 이용한다"라는 것이 전술한 예들 중 어느 것 하에서 만족된다. 여기에 사용된 것과 같이, A 또는 B 중 적어도 하나는 A의 적어도 하나, 또는 B의 적어도 하나, 또는 A와 B 둘 다의 적어도 하나를 의미한다. 바꾸어 말하면, 이 문구는 택일적이다. 본원 및 첨부된 청구범위에서 사용된 것과 같은 단수 표현은 일반적으로 달리 특정되지 않거나 문맥으로 단수 형태라는 것이 분명하지 않다면 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
이제 소정의 실시예들이 상세히 참조된다. 개시된 실시예들은 청구범위를 제한하려는 것이 아니다.
예시적인 실시예들의 설명들
도 1은 감온성의 낮은 굴절률 입자 층을 사용하는 백색 겉보기 LED들의 설계들에 따른 발광 디바이스 구조체(100)를 도시한다. 선택으로서, 발광 디바이스 구조체(100) 또는 그것의 임의의 양태의 하나 이상의 변화가 임의의 환경에서 및/또는 여기에 설명된 실시예들의 임의의 맥락에서 구현될 수 있다.
발광 디바이스 구조체는 그 사이에 활성 영역(105)을 형성하기 위해 n형 반도체 재료(104)의 층 위에 p형 반도체 재료(106)의 층을 배치함으로써 형성되는 반도체 발광 디바이스(120)를 포함한다. 활성 영역은 도핑 재료들(예를 들어, 에피택셜-성장한 활성 영역 층)을 포함할 수 있다. 전기 전위가 p형 반도체 재료와 n형 반도체 재료 사이에 인가될 때 광이 발생된다. 많은 상황들에서, 발생된 광은 실질적으로 단색(예를 들어, 적색, 청색, 자색)이다. 일부 LED 응용들(예를 들어, 조명 제품들)에서 더 넓은 스펙트럼의 발광들(예를 들어, 백색 광)이 요망된다. 이와 같이, 일부 LED 설계들은 반도체 발광 디바이스에 의해 방출되는 광의 경로 내에 파장 변환 층(118)을 배치한다. LED의 활성 영역으로부터 방출된 단색 광은 다양한 공지된 하향 변환 기술들 중 임의의 하나 이상을 사용하여(예를 들어, 인광체들, 퀀텀 닷들 등의 사용) 하향 변환된다. 이러한 하향 변환 기술들의 사용(예를 들어, 인광체들의 사용)의 한가지 효과는 파장 변환 층(118)의 색이 육안으로 검출될 수 있다는 것이다. 일부 응용들에서, 피크-스루 색의 가시성은 상당히 바람직하지 않다. 이와 같이, 발광 디바이스 구조체(100)에 대응하는 설계와 같은 설계들은 피크-스루를 감소 또는 제거하도록 백색 색상 층(102)을 포함한다.
그 일부가 여기에 논의되는 다양한 기술들이 백색 색상 층을 구성하고 형성하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 백색 색상 층은 반도체 발광 디바이스(120)에 의해 방출되는 광의 경로 내에 결국 배치되는 광 산란 층을 형성하기 위해 실리콘과 같은 바인더 내에 광 산란 및/또는 반사 입자들을 사용하여 구성될 수 있다. 아래에 논의되는 것과 같이, 광 산란 층은 바인딩 재료 전체에 걸쳐 분산된 산란제들을 포함할 수 있다. 입사 광(116)이 광 산란 층에 충돌할 때, 입사 광의 일부는 백색 겉보기 광(114)으로서 다시 반사된다. 일부 경우들에서, 광 산란 층을 통해 통과한 입사 광은 파장 층의 재료들에 충돌할 때 하향 변환되고, 다음에 그 하향 변환된 광의 일부는 관찰자에게 다시 반사되어, 결국 착색된 피크-스루 광(115)을 발생한다.
열과 광 둘 다가 반도체 발광 디바이스에 의해 발생된다
반도체 발광 디바이스(120)를 포함하는 앞서 언급된 구조체들은 기판(108) 상에 성장할 수 있고, 결국, 기판은 LED의 동작 중에 발생되는 열의 적어도 일부를 분산시키는 역할을 하는 열 전도체(110)에 부착될 수 있다. 열 전도체는 LED로부터 나오는 광에 불투명할 수 있으므로, 동작 중에 상당한 양의 광과 열이 반도체 발광 디바이스(120)의 상부로부터 나오게 된다. LED의 동작에 의해 발생된 광자들은 파장 변환 층을 통해 통과한다. 광자들의 일부는 하향 변환되든지 간에, 광을 발생하기 위해 투명 실리콘 돔(112)을 지나 빠져 나간다. 그러나 LED의 동작에 의해 발생된 광자들의 일부는 활성 영역 주위의 구조체들을 통해 통과하지 않고, 대신에 주변 구조체들의 조성물의 혼합물의 매트릭스 내에 캡처되어, 광보다는 열을 발생한다. 열이 구조체들에서 발생될 때, 열 전도체(110)의 존재에도 불구하고, 온도는 상승한다. 이와 같이, 백색 색상 층뿐만 아니라 파장 변환 층의 온도는 LED의 동작 중에 상승한다. 온도는 LED가 오프-상태일 때 주변 온도(예를 들어, 실온)로 복귀한다.
앞서 언급된 것과 같이, 피크 스루를 감소시키는 하나의 방식은 확산 층을 더 두껍게 하거나 더 밀하게 하는 것이다. 어느 포인트에서 확산 층의 두께 또는 밀도는 인광체들의 바디의 색상의 가시적인 피크 스루가 없도록 입사 광의 충분한 산란을 발생한다. 확산 층(예를 들어, 도시한 백색 색상 층(102))의 두께 또는 밀도가 증가함에 따라, 광 발생 효율은 감소한다. 이와 같이, 온-상태에서의 반도체 발광 디바이스의 광 발생 효율과 오프-상태에서 백색 겉보기를 발생하기 위해 사용되는 확산 층의 두께 또는 밀도 간에 트레이드오프가 있다.
도 2는 입자 농도가 증가함에 따라 발광 효율의 감소들을 도시한 입자 농도 대 효율 플롯(200)이다. 곡선의 형상은 입자 농도가 증가함에 따라, LED 효율은 감소하는 것을 나타내는 것으로 도시된다. 단지 2개의 상관된 변수, 즉 입자 농도와 결과적인 LED 효율을 고려하면, 반도체 발광 디바이스의 광 발생 효율과 오프-상태에서 백색 겉보기를 발생하기 위해 사용되는 확산 층의 두께 또는 밀도 간에 트레이드오프가 있다. 다행히도, 확산 층의 입자 밀도들 또는 두께들을 변화시키는 것이 LED 디바이스의 백색-겉보기를 용이하게 하는 많은 기술들 중 단지 하나이다. LED 디바이스의 백색 겉보기를 조정하기 위해 사용될 수 있는 다른 기술들은 2개의 구성 재료의 굴절률을 미스매칭시키는 것을 통해 입사 광의 산란을 증가시키고, 증가된 입자 로딩을 통해 반사율을 증가시키는 것을 포함하는데, 그 효과들의 일부가 다음의 도 3a 및 도 3b에 각각 제시된다.
도 3a는 굴절률 미스매치의 함수로서 증가된 산란을 도시한 백색 겉보기 조정 차트(3A00)이다. 한 선택으로서, 백색 겉보기 조정 차트(3A00) 또는 그것의 임의의 양태의 하나 이상의 변화가 임의의 환경에서 및/또는 여기에 설명된 실시예들의 임의의 맥락에서 구현될 수 있다.
도 3a에 도시한 실시예는 단지 상이한 굴절률들을 갖는 2개의 구성 재료를 혼합할 때 산란 효과들에의 영향을 예시하기 위한 한 예이다. 곡선 302에 의해 도시된 경우에 주어진 것과 같이, (예를 들어, 입자들의 형태로) 높은 굴절률 재료가 실리콘 캐리어 내로 로드된다. 곡선 304에 의해 도시된 경우에 주어진 것과 같이, (예를 들어, 입자들의 형태로) 낮은 굴절률 재료가 실리콘 캐리어 내로 로드된다. 다른 변수들이 동일하게 유지된다면, 실리콘 내로 로드된 더 높은 굴절률 입자는 동일한 실리콘 내로 로드된 더 낮은 굴절률 입자에 비해 더 높은 산란 효과를 발생할 것이다. 백색 겉보기를 달성하기 위해 산란을 증가시키는 것 외에, 반사율이 백색 겉보기의 달성을 용이하게 하도록 조정될 수 있다. 아래에 추가로 논의되는 것과 같이, 이 현상의 원시적인 관찰은 백색 색상 층을 형성할 때 실리콘 내로 로드된 더 높은 굴절률 입자들의 설계자 선택에 이르게 한다.
도 3b는 입자 농도의 함수로서 반사율을 도시한 백색 겉보기 조정 차트(3B00)이다. 도시한 것과 같이, 특정한 원하는 반사율을 위해, (예를 들어, 보다 효율적인 광 발생에 잠재적으로 이르게 하는) 더 낮은 입자 농도가 더 낮은 굴절률 입자의 선택에 비해 더 높은 굴절률 입자를 사용하여 선택될 수 있다. 보다 구체적으로, 특정한 원하는 반사율 309를 위해, 더 낮은 입자 농도가 동일한 반사율을 달성하기 위해 더 낮은 굴절률 입자의 사용에 관한 곡선 308을 따르는 교점 312에서의 선택에 비해 더 높은 굴절률 입자를 사용하는 교점 310에서의 곡선 306을 따라 선택될 수 있다.
아래에 추가로 논의되는 것과 같이, 이 현상의 원시적인 관찰은 백색 색상 층을 형성할 때 실리콘 내로 로드된 더 높은 굴절률 입자들의 설계자 선택에 이르게 한다.
도 4는 백색 겉보기의 함수로서 효율이 감소하는 것을 도시한 효율 트레이드오프 조정 차트(400)이다. LED 디바이스의 백색 겉보기를 달성하기 위해 전술한 기술들 중 임의의 것 또는 모두를 사용하여, 설계자는 백색 겉보기와 효율 간에 이루어지는 트레이드오프들의 이해를 용이하게 하도록 트레이드오프 조정 차트(400)를 구성할 수 있다. 도시한 예에서, 높은 굴절률 입자들은 뚜렷한 백색 겉보기를 발생하기에 충분한 농도로 실리콘 내로 로드된다(백색 겉보기 임계 404 참조). 농도는 다음에 그 조정이 의도된 LED 응용에 의존할 수 있는, 효율의 받아들일 수 있는 손실로 조정될 때까지 낮아진다. 조정 영역 406은 재료들의 선택, 선택된 재료들의 상대적 부분들 및/또는 농도들, 온도 범위들 등과 같은 몇가지 상관된 변수들에 따라 변화할 수 있다.
엄밀하게 한 예로서, (예를 들어, 포토 플래시 응용들을 위한) 일부 오프-상태 백색 겉보기 LED들은 실리콘 매트릭스 내의 TiO2 입자들에 기초한다. 입자 크기 분포와 조합하여 굴절률 차이는 앞서 언급된 백색 겉보기(백색 겉보기 임계 404 참조)를 적어도 달성하도록, 효율적인 산란에 이르게 한다. 측정된 것과 같이, 이러한 구성에서의 광 출력의 페널티는 약 10%(예를 들어, 효율의 10% 손실)이지만, 오프-상태인 동안에 인광체 색상은 완전히 가려지지 않는다.
(예를 들어, 산란을 개선시키기 위해) 굴절률의 더 큰 차이들을 달성하기 위한 높은 굴절률 입자들의 선택들, 및/또는 (예를 들어, 효율을 개선시키기 위해) 입자들의 단지 낮은 농도들에만 의존하도록 하는 높은 굴절률들의 선택들과 같은 높은 굴절률 입자들의 많은 앞서 언급된 원시적인 선택들 중 임의의 것 또는 모두는 (1) 온도 범위에 걸친 굴절률의 차이들의 변화들, 및 (2) 온도 범위에 걸친 입자들의 로딩 밀도(예를 들어, 농도)의 변화들을 관찰 및/또는 고려하지 못한다.
온도 범위에 걸친 재료 거동의 변화들
높은 굴절률 입자들(예를 들어, TiO2 입자들)의 사용 대신에, (예를 들어, 그들이 임베드되는 실리콘의 것보다 낮은) 더 낮은 굴절률 입자들이 사용되고, 이와 같이, 산란을 조정하기 위해 온도에 따른 실리콘의 굴절률의 변화를 이용할 수 있다. 실리콘 내의 더 낮은 굴절률 입자들의 사용 및 그로부터의 조정은 오프-상태에서의 보다 뚜렷한 백색 색상 인상과 온-상태에서의 광 손실의 감소 간의 트레이드오프에 이르게 하지만, 동작 온도들에서, 더 낮은 굴절률 입자들과 실리콘은 실질적으로 굴절률 매칭되어, 거의 투명한 것에 이르게 하므로, 거의 효율의 손실에 이르게 하지 않는다. 본원에서의 더 낮은 굴절률 재료들의 반직관적인 선택 외에, 실리콘 내에 임베드된 상 변화 재료들(예를 들어, 비드들)을 사용하는 것이 또한 가능하다. 이러한 비드들을 사용하여, 주변 온도들과 동작 온도들 사이의 온도들에서 발생하는 고체-액체 상 전이를 이용할 수 있다. 고체-액체 상 전이를 통해 통과할 때, 비드들은 그들의 굴절률의 변화들을 겪으므로, (예를 들어, 상 변화 재료의 용융점 아래의 온도들에서) 비교적 높은 산란을 나타나는 것으로부터 (예를 들어, 상 변화 재료의 용융점 위의 온도들에서) 거의 투명 상태로 변화한다.
온도 범위에 걸친 실리콘들의 굴절률의 변화들에 관한 그리고 온도 범위에 걸친 상 변화 비드들의 굴절률의 변화들에 관한 상기 관찰들이 재료 선택 차트 상에 플롯될 수 있다.
도 5는 동작 온도 범위에 걸쳐 투명도를 나타내는 재료들의 선택을 도시한 재료 선택 차트(500)이다. 한 선택으로서, 재료 선택 차트(500) 또는 그것의 임의의 양태의 하나 이상의 변화가 임의의 환경에서 및/또는 여기에 설명된 실시예들의 임의의 맥락에서 구현될 수 있다.
도 5에 도시한 실시예는 단지 한 예이다. 도시한 것과 같이, 실리콘들의 굴절률은 온도에 따라 심하게 변화한다(예를 들어, 실리콘 반응 502 참조). 온도 범위에 걸친 실리콘의 굴절률의 비교적 큰 변화는 동일한 온도 범위에 걸친 그것의 높은 팽창 계수와 밀접하게 관련된다. LED가 동작 모드(예를 들어, 온-상태)에 있을 때, 인광체의 상부 상에 배치된 백색 색상 층(102)의 온도는 증가할 것이다. 위에 언급된 것과 같이, 실리콘 매트릭스의 굴절률은 온도에 따라 심하게 감소하지만(그 효과는 실리콘 반응 502로서 도시됨), 임베드된 입자들의 굴절률은 온도의 함수로서 거의 변화하지 않을 것이다(그 효과는 낮은 굴절률 입자 반응 504로서 도시됨). 그러므로, 실리콘 반응 502를 갖는 실리콘이 선택되고 낮은 굴절률 입자 반응 504를 나타내는 입자들로 로드될 때, 굴절률은 동작 온도 범위 510에 걸쳐 매칭될 것이고, 적어도 동작 온도들이 투명한 범위 508에 또는 그 가까이에 있는 시간 동안, 증가된 광 출력에 이르게 한다.
반대로, 그리고 도시한 것과 같이, 실리콘과 높은 굴절률 입자의 조합은 온도들이 낮은 실온들로부터 높은 동작 온도들까지 증가함에 따라 그것의 굴절률의 크고 증가하는 차이를 갖는다. 굴절률의 점점 더 높아지는 차이들을 향한 추세는 실리콘 내의 높은 굴절률 입자의 조합으로부터 점점 더 높아지는 산란에 이르게 하고, 결국 더 낮은 LED 효율에 이르게 된다. 이 추세는 높은 굴절률 입자 반응 506과 실리콘 반응 502 사이의 폭이 넓어지는 갭으로 도시된다.
재료 선택 차트(500)는 반도체 발광 디바이스들의 설계에 사용될 수 있다. 구체적으로, 착색된(예를 들어, 적색, 황색, 또는 오렌지색) 파장 변환 층이 반도체 발광 디바이스에 의해 방출되는 광의 경로 내에 배치되는 경우에, 백색 색상 층(102)과 같은 광 산란 층은 재료 선택 차트(500)에 따라 설계될 수 있는데, 즉, 백색 색상 층은 반도체 발광 디바이스에 의해 방출되는 광의 경로 내에 배치될 수 있다. 주변 환경으로부터의 입사 광은 광 산란 층으로부터 반사되어, 원하는 뚜렷한 백색 오프-상태 겉보기를 발생한다.
실리콘 반응 502로서 라벨된 곡선을 참조하면, 광 산란 층은 바인딩 재료(예를 들어, 실리콘)가 실온들에서 비교적 낮은 굴절률 및 동작 온도들에서 훨씬 더 낮은 굴절률을 갖게 선택되도록 설계된다. 또한, 낮은 굴절률 입자 반응 곡선으로 표시된 도시한 산란제들은 동일한 실온들에서 낮은 굴절률 및 동작 온도들에서 훨씬 더 낮은 굴절률을 갖는다. 선택된 구성 성분들을 갖는 이러한 구조체는 약 0℃ 내지 약 45℃의 주변 온도 범위에서 백색으로 보인다. 더구나, 선택된 구성 성분들을 갖는 이러한 구조체는 약 100℃ 내지 약 250℃의 온도 범위에서 동작할 때 실질적으로 투명하다. 소정의 설계들에서, 상 변화 재료들은 상 변화 재료들 및 바인딩 재료들 내의 각각의 농도가 실온들에서 비교적 낮은 굴절률 및 동작 온도들에서 훨씬 더 낮은 굴절률을 갖게 선택되도록 바인딩 재료(예를 들어, 실리콘) 내에 조정된 농도로 배치된다.
실리콘 내의 상 변화 재료들을 위한 선택 및 조정 기술들뿐만 아니라 실리콘 내의 낮은 굴절률 입자들을 위한 선택 및 조정 기술들이 아래에 제시된다.
도 6a는 감온성의 낮은 굴절률 입자 층을 사용하여 백색 겉보기 LED들을 설계하는 낮은 굴절률 입자 선택 기술(6A00)을 도시한 플로우차트이다. 한 선택으로서, 낮은 굴절률 입자 선택 기술(6A00) 또는 그것의 임의의 양태의 하나 이상의 변화가 임의의 환경에서 및/또는 여기에 설명된 실시예들의 임의의 맥락에서 구현될 수 있다.
도 6a에 도시한 실시예는 단지 낮은 굴절률 입자 조정 루프 622를 예시하기 위한 한 예이다. 흐름은 그 요건들이 동작 온도들뿐만 아니라 주변 온도 범위들을 포함하는, 일부 요건들(예를 들어, LED 응용 요건들)을 수신할 때 시작된다. 동작 온도들은 LED의 활성 영역에서 또는 그 가까이에서 취해진 온도 측정들로부터 도출될 수 있다. 주어진 온도들로부터, 주변 온도와 동작 온도 간의 온도 변화가 계산된다(단계 608). 그것의 굴절률의 변화의 높은 구배를 갖는 실리콘이, 가능하게는 데이터시트들 및/또는 실리콘 데이터베이스(618) 또는 이들의 임의의 조합(예를 들어, https://refractiveindex.info/ 또는 Shin-Etsu Chemical 또는 Dow Corning과 같은 판매자 데이터)을 사용하여 선택된다(단계 610). 다음에, 도시한 것과 같이, 낮은 굴절률 입자가, 또한 가능하게는 데이터시트들 및/또는 실리콘 데이터베이스(620) 또는 이들의 임의의 조합을 사용하여 선택된다(단계 612). 테스트들로부터의, 또는 제공된 명세 데이터로부터의 실험적 데이터를 사용하여, 굴절률이 동작 온도들에서 충분히 매칭하는지 여부가 결정된다(결정 614). 그렇다면, 결정 614의 "예" 브랜치가 취해지고 원하는 정도의 백색 색상을 부여하도록 산란이 실온들에서 충분한지 여부에 대한 결정이 이루어진다(결정 616). 그렇다면, 결정 616의 "예" 브랜치가 취해지고 도시 선택 기술(6A00)이 종료한다.
결정 614의 "아니오" 브랜치 또는 결정 616의 "아니오" 브랜치가 취해지면, 조정은 상이한 입자들을 재선택함으로써(결정 606의 "예" 브랜치 참조) 및/또는 상이한 실리콘을 선택함으로써(결정 604의 "예" 브랜치 참조), 또는 이 둘 다를 함으로써 접근될 수 있다. 일부 경우들에서, 결정 604의 "아니오" 브랜치가 취해질 수 있고, 다음에 설계자로 하여금 주어진 요건들을 완화하고(단계 602) 낮은 굴절률 입자 조정 루프에 다시 들어가게 할 수 있다.
많은 적합한 낮은 굴절률 입자들이 많은 가용한 데이터베이스들에서 발견될 수 있다. 엄밀하게 예들로서, 마그네슘 플루오르화물(n=1.37) 및 다공성 실리카 입자들과 같은 적합한 낮은 굴절률 무기 재료들이 사용될 수 있다. 이러한 무기 재료들은 높은 광 노출에서 시간에 따라 또는 솔더 리플로우 단계들과 같은, 제조 공정들 동안 광학적으로 흡수하게 되는 것에 심하게 민감하지 않을 수 있으므로, 양호한 모범들을 만든다.
많은 적합한 실리콘들이 많은 가용한 데이터베이스들에서 발견될 수 있다. 실리콘들의 굴절률은 3.5-4*10-4 K-1의 구배에 따라 변화하지만, SiO2와 같은 많은 무기 재료들의 굴절률은 단지 0.12*10-4 K-1의 구배에 따라 변화한다.
수치 예 1
인광체 온도들은 실온으로부터 120℃ 이상으로 증가할 수 있으므로 실리콘의 굴절률은 동작 동안 0.04로 감소하는 것으로 예상될 수 있다. 그러므로 입자들의 굴절률이 실리콘 매트릭스의 것보다 낮은 0.04인 것으로 선택되면, 100℃ 증가는 굴절률들의 매칭에 이르게 할 것이므로 층의 투명도에 이르게 한다. 높은 굴절률 필러들에 비해 오프-상태에서의 감소된 산란은 (예를 들어, 더 가파른 구배를 나타내는 입자들을 사용하여) 오프-상태에서 그들의 굴절률의 비교적 더 큰 차이를 나타내는 재료들의 조합들을 선택함으로써, 및/또는 캐리어 내로 로드된 입자들의 더 높은 체적 부분을 선택함으로써 보상될 수 있다.
도 6b는 감온성의 낮은 굴절률 입자 층을 사용하여 백색 겉보기 LED들을 설계하는 상 변화 재료 선택 기술(6B00)을 도시한 플로우차트이다. 한 선택으로서, 상 변화 재료 선택 기술(6B00) 또는 그것의 임의의 양태의 하나 이상의 변화가 임의의 환경에서 및/또는 여기에 설명된 실시예들의 임의의 맥락에서 구현될 수 있다.
도 6b에 도시한 실시예는 단지 상 변화 비드 조정 루프 630를 예시하기 위한 한 예이다. 흐름은 그 요건들이 동작 온도들뿐만 아니라 주변 온도 범위들을 포함하는, 일부 요건들(예를 들어, LED 응용 요건들)을 수신할 때 시작된다. 동작 온도들은 LED의 활성 영역에서 또는 그 가까이에서 취해진 온도 측정들로부터 도출될 수 있다. 주어진 온도들로부터, 주변 온도와 동작 온도 간의 온도 변화가 계산된다(단계 608). 상 변화 비드는, 가능하게는 데이터시트들 및/또는 비드 데이터베이스(629) 또는 이들의 임의의 조합을 사용하여 선택된다(단계 626). 선택은 목표 농도를 포함할 수 있다. 다음에, 그 굴절률의 변화의 높은 구배를 갖는 실리콘이, 가능하게는 데이터시트들 및/또는 실리콘 데이터베이스(618) 또는 이들의 임의의 조합을 사용하여 선택된다(단계 610). 테스트들로부터의, 또는 제공된 명세 데이터로부터의 실험적 데이터를 사용하여, 굴절률이 동작 온도들에서 충분히 매칭하는지 여부가 결정된다(결정 614). 그렇다면, 결정 614의 "예" 브랜치가 취해지고 원하는 정도의 백색 겉보기를 부여하도록 산란이 실온들에서 충분한지 여부에 대한 결정이 이루어진다(결정 616).
결정 614의 "아니오" 브랜치 또는 결정 616의 "아니오" 브랜치가 취해지면, 조정은 상이한 실리콘을 재선택함으로써(결정 604), 및/또는 상이한 비드를 선택함으로써(결정 624), 또는 이 둘 다를 함으로써 접근될 수 있다. 일부 경우들에서, 결정 624의 "아니오" 브랜치가 취해질 수 있고, 다음에 설계자로 하여금 주어진 요건들을 완화하고(단계 602) 낮은 굴절률 입자 조정 루프에 다시 들어가게 할 수 있다.
수치 예 2
상 변화 재료들은 보통 비드를 형성하기 위해 폴리머 쉘에 의해 인캡슐레이트된 왁스를 포함한다. 물질의 그것의 고체 상태에서, 왁스는 결정 구조를 나타내므로 산란을 나타낸다. 그러나, 반면에 그것의 액체 상태에서, 왁스는 투명하다. 파라핀 왁스들은 액체 상태에서 1.47-1.48의 굴절률을 갖는다. 비드들이 임베드되는 실리콘 매트릭스와 굴절률 매칭을 달성하기 위해, (단계 626에서) 실리콘은 이 범위에서 선택되어야 한다. 캡슐 쉘은 폴리머로 구성될 수 있고, 보통 멜라민 복합물들이 사용되는데, 그 복합물은 양호한 고온 안정성 특성들을 갖는다. 실리콘들과 같은 다른 폴리머들 또는 실리카와 같은 무기 재료들이 적용가능할 수 있다.
한 예로 원리를 예시하기 위해, 43℃의 용융점을 갖는 "MCPM43D"(Microtek Laboratories, Inc.)로서 공지된 상 변화 재료가 높은 굴절률 실리콘 내에 임베드되었고 유리 슬라이들 상에 드롭-캐스트되었다. 경화 후에, 산란의 변화가 (예를 들어, 가열 스테이지 상에 샘플을 장착함으로써) 넓은 온도 범위에 걸쳐 관찰되었다. 샘플은 레이저 광(약 450㎚)에 노출되었고 투과된 광이 1㎝의 개구 직경을 갖는 샘플 뒤 3㎝에 배치된 적분구를 사용하여 검출되었다. 측정된 것과 같이, 투과된 광은 온도가 상 변화 재료의 용융 온도를 초과한 후에 상당히 증가한다. 측정된 것과 같이, 투과된 광은 적어도 높은 굴절률 실리콘의 매트릭스가 팽창함에 따라 실리콘 굴절률의 감소로 인해 추가의 온도 증가에 따라 계속 증가한다.
낮은 굴절률 입자 조정 루프 622 또는 상 변화 비드 조정 루프 630 또는 이 둘 다가 넓은 범위(예를 들어, 100℃ 내지 >250℃)에 걸친 가능하게는 공칭 동작 온도들을 포함하는, 광범위하게 다양한 LED 응용들을 위해 재료 선택 기술들로서 사용될 수 있다.
도 7은 감온성의 낮은 굴절률 입자 층을 사용하여 백색 겉보기 LED로부터 투명 LED로의 전력-사이클 전이를 갖는 카메라 포토 플래시 응용에서의 LED의 사용을 도시한 전이 차트(700)이다.
도시한 것과 같이, 카메라(702)는 실온 오프-상태 704백색 모드에서 백색 겉보기 LED 장치를 결국 호스트하는 플래시 유닛을 호스트한다. 동작 시에(예를 들어, 플래시 사이클 동안에), 카메라는 전력을 플래시 유닛에 전달하고 다음에 플래시 유닛을 온-상태 705투명 모드로 전력-사이클한다.
한 선택으로서, 카메라 포토 플래시 응용 또는 그것의 임의의 양태의 하나 이상의 변화가 임의의 환경에서 및/또는 여기에 설명된 실시예들의 임의의 맥락에서 구현될 수 있다. 오프-상태 백색 특징은 포토 플래시 유닛을 위해 사용된 미적 특징이다. 온-상태 투명성을 나타내는 이러한 오프-상태 백색 층이 형성되고 도 1에 도시된 것과 같은 착색된 인광체들 가까이에 배치될 수 있다. 백색 색상 층(102)은 LED가 오프로 전환될 때 인광체 색상들을 가린다. 이러한 설계는 백색 색상 층의 부재 시에, 인광체 퇴적들의 원하지 않은 색상이 육안으로 보일 수 있는, 자동차 헤드라이트들, 다른 자동차 조명, 및 많은 다양한 필라멘트 램프들 또는 임의의 조명 제품과 같은, 다른 LED 응용들에서 사용하기 위한 추가의 잠재적인 적용가능성을 갖는다. 카메라 포토 플래시 응용 및/또는 다른 LED 응용들을 위한 LED는 그 중 일부가 다음의 도면에 도시되고 설명되는 임의의 공지된 장치 구성 기술들을 사용하여 구성될 수 있다.
도 8a는 감온성의 낮은 굴절률 입자 층을 갖는 백색 겉보기 LED들을 사용할 때의 LED 장치 구성 기술(8A00)을 도시한 플로우차트이다. 한 선택으로서, LED 장치 구성 기술(8A00) 또는 그것의 임의의 양태의 하나 이상의 변화가 임의의 환경에서 및/또는 여기에 설명된 실시예들의 임의의 맥락에서 구현될 수 있다.
도시한 것과 같이, 반도체 발광 디바이스가 제공된다(단계 802). 파장 변환 재료들(인광체들, 염료들, 퀀텀 닷들 등)이 반도체 발광 디바이스의 활성 영역에 근접하여 배치된다(단계 804). 반도체 발광 디바이스를 위한 특정한 사용 또는 응용에 기초하여, 및/또는 반도체 발광 디바이스의 의도된 사용에 기초하여, 하나 이상의 낮은 굴절률 입자들 또는 비드들이, 가능하게는 도 6a 및 도 6b의 전술한 흐름들에 따라 선택된다(단계 805). 선택된 하나 이상의 낮은 굴절률 입자 또는 비드는 다음에 파장 변환 재료들 위에 퇴적되는 슬러리를 형성하기 위해(단계 808) 캐리어 재료와 혼합된다(단계 806). 슬러리의 경화 또는 다른 경화 후에, 단계 808의 퇴적들은 발광 디바이스 구조체(100)의 백색 색상 층(102)과 같은 산란 층을 형성한다. 일부 실시예들에서, 발광 디바이스 구조체(100)의 투명 실리콘 돔(112)과 같은 렌즈가 활성 영역으로부터 나오는 광자들의 광학 경로 내에 배치된다(단계 810).
도 8b는 감온성의 낮은 굴절률 입자 층을 갖는 백색 겉보기 LED들을 사용할 때의 반도체 발광 디바이스 구성 기술(8B00)을 도시한 플로우차트이다. 한 선택으로서, 반도체 발광 디바이스 구성 기술(8B00) 또는 그것의 임의의 양태의 하나 이상의 변화가 임의의 환경에서 및/또는 여기에 설명된 실시예들의 임의의 맥락에서 구현될 수 있다.
도시한 흐름은 반도체 발광 디바이스를 제공하기 위해 단계 820에서 시작된다. 많은 경우들에서, 백색 광, 또는 적어도 다색 광이 LED 응용을 위해 요망된다. 이와 같이, 단계 830은 반도체 발광 디바이스에 의해 방출되는 광의 경로 내에 파장 변환 재료를 배치하는 역할을 한다. 많은 경우들에서, 오프-상태 백색 겉보기가 LED 응용을 위해 요망된다. 이와 같이, 그룹 840을 포함하는 단계들의 수행은 파장 변환 재료들의 앞서 언급된 퇴적들 위에 배치될 수 있는 산란 층을 제공하는 역할을 한다. 보다 구체적으로, 캐리어의 선택(단계 850)과 산란제들의 선택(단계 860)은 그룹 840에서 선택된 재료들로 형성된 산란 층이 퇴적된 파장 변환 재료들을 (예를 들어, 적어도 부분적으로) 커버할 수 있도록(단계 870) 병렬로 또는 동시에 수행될 수 있다.
도 9a는 실리콘 혼합물 내의 훈증된 실리카(예를 들어, Cab-O-Sil®M5, Cabot Corporation) 입자들에 의해 형성된 백색 겉보기 층을 갖는 반도체 발광 디바이스의 성능 측정들(9A00)을 도시한다. 한 선택으로서, 성능 측정들(9A00) 또는 그것의 임의의 양태의 하나 이상의 변화가 임의의 환경에서 및/또는 여기에 설명된 실시예들의 임의의 맥락에서 구현될 수 있다.
성능 측정들을 수집하기 위해 사용되는 실험적 셋업 동안, 예시적인 백색 색상 층들이 실리카 입자들을 포함하는, 여러 재료들을 사용하여 준비되었다. 이러한 실리카 입자들은 미크론 크기의 입자들의 높은 내부 다공성을 갖는 구형 실리카로서 상용화되어 있다. 재료는 높은 굴절률 실리콘(예를 들어, OE-7662, Dow Corning) 내에 임베드되었다. 층들은 유리 슬라이드들 상에 퇴적되었고 150℃에서 2시간 동안 경화되었다. 온도 범위에 걸친 산란의 변화가 샘플이 가열 스테이지 상에 장착된 셋업 상에서 테스트되었다. 샘플은 레이저 광(450㎚)에 노출되었고 투과된 광이 1㎝의 개구 직경을 갖는 샘플 뒤 3㎝에 배치된 적분구를 사용하여 검출되었다. 온도의 함수로서 기록된 데이터는 도 9a에 주어진다. Cab-O-Sil®에 대해, 실온과 250℃ 사이에서 약 2.5의 인자의 투과율의 증가가 발견된다. 또한, 모든 증분 온도 증가 또는 온도 감소가 (도시한 것과 같은) 투과된 세기의 직접 상관된 변화에 의해 매칭되므로, 여기에 개시된 기술들의 동작의 원리를 입증한다.
전술한 도 9a에서 입증된 동작의 원리가 또한 상 변화 비드들을 사용할 때 입증될 수 있다.
도 9b는 실리콘 혼합물 내의 상 변화 비드들에 의해 형성된 백색 겉보기 층을 갖는 반도체 발광 디바이스의 성능 측정들(9B00)을 도시한다. 한 선택으로서, 성능 측정들(9B00) 또는 그것의 임의의 양태의 하나 이상의 변화가 임의의 환경에서 및/또는 여기에 설명된 실시예들의 임의의 맥락에서 구현될 수 있다.
도 9b의 곡선은 상이한 온도들에서 측정된 투과된 청색 광의 변화를 도시한다. 도시한 것과 같이, 적분된 세기로서 측정된 광 투과는 적어도 약 50℃ 내지 약 110℃의 범위를 통해, 증가하는 온도들의 함수로서 증가한다. 보다 특정적으로, 실온과 약 50℃ 사이에서, 적분된 세기의 확연한 증가가 발생하고, 그 증가는 상 변화에 기인할 수 있다. (예를 들어, 약 110℃보다 높은) 훨씬 더 높은 온도들에서, 광 투과는 주로 증가하는 온도 하에서의 매트릭스 팽창의 함수로서 실리콘 캐리어의 굴절률의 감소로 인해 더욱 더 증가한다. 공정들은 가역성이고, 샘플 장치는 내고온성이다. 구체적으로, 250℃까지 가열한 후에도, 샘플은 실온으로 다시 냉각한 후 이전에 측정된 산란 레벨로 복귀한다.
앞서 언급된 실리카 입자들과 앞서 언급된 상 변화 비드들은 단지 예들이다. 소정의 다른 재료들이 온도 변화들에 대한 더 큰 반응들로 수행하고, 소정의 다른 재료들이 하나의 LED 응용 또는 또 하나의 응용에서 비교적 더 또는 비교적 덜 효과적이다.
도 9c는 실리콘 혼합물 내의 Trisoperl®, Sigma-Aldrich 입자들에 의해 형성된 백색 겉보기 층을 갖는 반도체 발광 디바이스의 성능 측정들(9C00)을 도시한다. 한 선택으로서, 성능 측정들(9C00) 또는 그것의 임의의 양태의 하나 이상의 변화가 임의의 환경에서 및/또는 여기에 설명된 실시예들의 임의의 맥락에서 구현될 수 있다.
이 샘플의 백색 겉보기 층의 오프-상태는 뚜렷하게 백색이다. 적분된 세기로 측정된 것과 같이, 투과는 실온으로부터 250℃까지 가열할 때 30배 증가한다. 다른 LED 응용들, 특히 동작 온도들이 250℃보다 낮은 LED 응용들에서, 지금까지 개시된 기술들은 (예를 들어, 다른 동작 온도들에서 투과를 최적화하기 위해) 실리콘의 굴절률의 낮은 값으로의 조정을 용이하게 한다.
엄밀하게 추가적인 예들로서, 실리콘들과 산란 입자들의 조합들이 데이터시트들로부터 또는 데이터베이스들로부터 또는 선택 표들로부터 선택될 수 있는데, 그 선택 표의 예가 다음의 표 1에 제시된다.
Figure 112019032528879-pct00001
본 개시내용의 추가적인 실시예들
추가적인 실제 적용 예들
도 10a는 감온성의 낮은 굴절률 입자 층을 사용하는 백색 겉보기 LED들의 설계들에 따른 발광 디바이스 구조체(1000)를 도시한다. 본 실시예에서, 백색 색상 층은 단지 파장 변환 층의 상부 부분을 커버한다. 파장 변환 층의 측면들은 반사 구조체들(예를 들어, 제1 반사 구조체(10021) 및 제2 반사 구조체(10022))에 접한다. 본 실시예는 단지 파장 변환 재료들로부터의 피크-스루 색들을 감쇠 또는 제거하도록 파장 변환 재료들에 근접하여 배치된 백색 색상 층을 포함하는 하나의 추가적인 실시예이다. 엄밀하게 한 그러한 예로서, 파장 변환 재료들은 활성 영역의 측면들에 퇴적될 수 있다. 백색 색상 층은 임의의 형태로 형성될 수 있고/있거나, 어떤 캐비티를 채울 수 있고/있거나, 기타 LED 구조체와 통합될 수 있고, 가능하게는 경화된 백색 층을 파장 변환 타일에 접착 또는 그렇지 않으면 물리적으로 부착함으로써 하는 통합을 포함한다.
도 10b는 발광 디바이스 구조체(1000)의 변화를 도시한다. 본 실시예는 작은 농도의 흑색 광 흡수 입자들(1004)을 포함하는데, 그 입자들은 온-상태 동안 감온성의 낮은 굴절률 입자 층을 가열하는 역할을 한다. 인광체 층에서 열로 변환된 광자들에 의해 발생된 열은 열을 감온성의 낮은 굴절률 입자 층과 같은 산란 층으로 전도시키는 역할을 한다. 감온성의 낮은 굴절률 입자의 가열 속도는 도시한 것과 같이, 감온성의 낮은 굴절률 입자 층 내에 광 흡수 입자들(1004)을 포함시킴으로써 개선될 수 있다. 소정의 응용들은 비교적 짧은 시간 기간들에 걸쳐 온-상태에서 (예를 들어, 더 높은 온도들에서) 동작하므로, 감온성의 낮은 굴절률 입자 층은 그것의 투명한 상태로 비교적 빠르게 변환할 필요가 있다. 특정한 예로서, 포토 플래시 응용들은 단지 약 200㎳의 광 펄스 기간을 갖는데, 그 광 펄스 시간 동안, 백색 색상 층(102)은 감온성의 낮은 굴절률 입자 층을 그것의 투명한 온-상태로 전이시키는 온도들까지 가열한다.
본 개시내용의 실시예들을 이용하는 추가적인 시스템들
추가적인 예들
도 11a는 다운라이트 설비의 측면도를 제시한다. 도시한 것과 같이, 다운라이트 설비(1102)는 발광 디바이스 어레이(1106)를 지지하는 강성 또는 반강성 하우징(1104)을 포함한다. 발광 디바이스들의 어레이는 임의의 배열로, 예를 들어 그리고 도시한 것과 같이, 인쇄 배선 보드 모듈(1108)의 경계 내에 배치된 선형 어레이 내로 구성될 수 있다. 일부 다운라이트들은 발광 디바이스 어레이 내의 다운라이트 방출기들(1110)의 더 많거나(더 적은) 수의 예들로 구성될 수 있다.
도 11b는 튜브 발광 다이오드(TLED) 설비의 측면도를 제시한다. 도시한 것과 같이, TLED(1122)는 TLED 튜브 경계(1124)에 의해 형성된 TLED 캐비티 내에 맞도록 구성된 TLED 방출기들(1120)의 예들의 선형 어레이를 포함한다. 강성 또는 반강성 하우징(1126)은 발광 디바이스 어레이(1106)를 지지하는 강성 또는 가요성 기판(1128)을 지지한다. 강성 또는 가요성 기판(1128)은 강성 또는 가요성 기판의 한 측면 또는 양 측면 상에 배치된 인쇄 배선 구조체들(예를 들어, 트레이스들, 스루-홀들, 접속기들 등) 또는 다른 전기적 도전성 구조체들을 포함할 수 있다.
도 11c는 트로퍼 설비의 정면도를 제시한다. 도시한 것과 같이, 트로퍼 설비(1142)는 발광 디바이스들의 어레이를 지지하는 강성 또는 반강성형 하우징(1146)을 포함한다. 발광 디바이스들의 어레이는 임의의 배열로, 예를 들어 그리고 도시한 것과 같이, 형상화된 하우징의 경계 내에 배치된 인쇄 배선 보드 모듈(1108) 상으로의 배열로 구성될 수 있다. 일부 트로퍼들은 인쇄 배선 보드 모듈 상에 차지된 발광 디바이스들의 더 많거나(더 적은) 수의 예들로 구성될 수 있다.
설명된 것은 LED 장치에 특별히 만들어진 오프-상태 백색 겉보기 층을 추가함으로써 미적으로 보기 좋은 LED 응용들을 구현하는 방식들이다. 백색 겉보기 층은 온-상태 동안 고 효율을 위해 조정된다.
본 발명을 상세히 설명하였지만, 본 기술 분야의 기술자들은 본 개시내용이 주어지는 경우, 여기에 설명된 발명 개념의 취지에서 벗어나지 않고서 본 발명에 대해 수정들이 이루어질 수 있다는 것을 알 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 도시되고 설명된 특정한 실시예들로 제한되는 것이 의도되지 않는다.

Claims (15)

  1. 구조체로서,
    반도체 발광 디바이스;
    상기 반도체 발광 디바이스에 의해 방출되는 광의 경로 내에 배치된 파장 변환 층; 및
    상기 반도체 발광 디바이스에 의해 방출되는 광의 상기 경로 내에 배치된 광 산란 층을 포함하고,
    상기 광 산란 층은 제1 온도에서 제1 굴절률을 갖는 바인딩 재료 및 상기 제1 온도에서 제2 굴절률을 갖는 일정 농도의 산란제들을 포함하고, 상기 제2 굴절률은 상기 제1 굴절률보다 낮고,
    상기 바인딩 재료는 제2 온도에서 제3 굴절률을 갖고, 상기 제3 굴절률은 상기 제1 굴절률보다 낮으며,
    상기 산란제들의 적어도 일부는 상기 제2 온도에서 제4 굴절률을 갖고, 상기 제4 굴절률은 상기 제2 굴절률보다 낮은 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 온도는 0℃ 내지 45℃의 제1 범위 내에 있는 구조체.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 온도는 100℃ 내지 250℃의 제2 범위 내에 있는 구조체.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 광 산란 층은 상기 제2 온도에서의 제6 굴절률보다 높은 상기 제1 온도에서의 제5 굴절률을 나타내는 일정 농도의 상 변화 재료들로 구성되는 구조체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반도체 발광 디바이스에 의해 방출되는 광의 상기 경로 내에 배치된 제1 반사 구조체를 추가로 포함하는 구조체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 반도체 발광 디바이스에 의해 방출되는 광의 상기 경로 내에 배치된 제2 반사 구조체를 추가로 포함하는 구조체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 광 산란 층 내에 임베드된 일정 농도의 광 흡수 입자들을 추가로 포함하는 구조체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 광 흡수 입자들은 흑색 입자들인 구조체.
  11. 방법으로서,
    반도체 발광 디바이스를 제공하는 단계;
    상기 반도체 발광 디바이스에 의해 방출되는 광의 경로 내에 파장 변환 층을 배치하는 단계; 및
    상기 반도체 발광 디바이스에 의해 방출되는 광의 상기 경로 내에 광 산란 층을 배치하는 단계를 포함하고,
    상기 광 산란 층은 제1 온도에서 제1 굴절률을 갖는 바인딩 재료 및 상기 제1 온도에서 제2 굴절률을 갖는 일정 농도의 산란제들을 적어도 포함하고, 상기 제2 굴절률은 상기 제1 굴절률보다 낮고,
    상기 바인딩 재료는 제2 온도에서 제3 굴절률을 갖고, 상기 제3 굴절률은 상기 제1 굴절률보다 낮으며,
    상기 산란제들의 적어도 일부는 상기 제2 온도에서 제4 굴절률을 갖고, 상기 제4 굴절률은 상기 제2 굴절률보다 낮은 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 온도는 0℃ 내지 45℃의 제1 범위 내에 있는 방법.
  13. 삭제
  14. 제11항에 있어서, 상기 제2 온도는 100℃ 내지 250℃의 제2 범위 내에 있는 방법.
  15. 삭제
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