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KR102673482B1 - 백색 필라멘트 외관을 가진 led 필라멘트 램프 - Google Patents

백색 필라멘트 외관을 가진 led 필라멘트 램프 Download PDF

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Publication number
KR102673482B1
KR102673482B1 KR1020180129163A KR20180129163A KR102673482B1 KR 102673482 B1 KR102673482 B1 KR 102673482B1 KR 1020180129163 A KR1020180129163 A KR 1020180129163A KR 20180129163 A KR20180129163 A KR 20180129163A KR 102673482 B1 KR102673482 B1 KR 102673482B1
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KR
South Korea
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overcoated
led filament
phosphor
led
filament
Prior art date
Application number
KR1020180129163A
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Inventor
애쉬파쿨 이슬람 차우더리
토미슬라브 요시프 스티맥
케빈 제프리 벤너
제임스 윌리엄 피리스
Original Assignee
커런트 라이팅 솔루션즈, 엘엘씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 커런트 라이팅 솔루션즈, 엘엘씨 filed Critical 커런트 라이팅 솔루션즈, 엘엘씨
Publication of KR20190047633A publication Critical patent/KR20190047633A/ko
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Abstract

오버코팅된 LED 필라멘트는 유색(colored) 외관을 나타내는 인광체 재료의 하부 층으로 코팅된 하나 이상의 LED 다이를 포함하는 LED 필라멘트, 및 상기 LED 필라멘트로 하여금 백색을 나타내게 하는 산란 제가 로딩된 수지 재료를 포함하는 오버코팅된 층을 포함한다.

Description

백색 필라멘트 외관을 가진 LED 필라멘트 램프{LED FILAMENT LAMPS WITH WHITE FILAMENT APPEARANCE}
본 발명은 백색 필라멘트 외관(appearance)을 가진 LED 필라멘트 램프에 관한 것이다.
본 발명은 조명 기구, 등기구, 장식용 또는 범용 램프, 튜브, 또는 다른 발광 디바이스 또는 다른 조명 시스템과 같은 조명 장치가, 하나 이상의 발광 다이오드(LED) 필라멘트를 포함하는 것이 통상적인데, 이러한 LED 필라멘트는 백열 필라멘트의 외관(appearance)을 제공하기 위해 엔벨로프에 지지되거나 그 엔벨로프에 유지된 투명 기판 상에 배열된 일련의 선형 LED 다이로 구성된다. 일반적으로 필라멘트는 실질적으로 선형 유리 또는 사파이어 기판 상에 운반되고 실리콘과 인광체의 혼합물(blend)로 덮히거나 캡슐화된 InGaN 청색 방사 LED 다이로 구성된다. 종종, 캡슐 혼합물은 비점등(un-lit) 상태에서 황색 또는 다른 컬러를 가질 수도 있다. 황색 커버링을 갖는 예시적인 LED 필라멘트가 도 1a에 도시되어 있다. 도 1b 및 도 1c는 상이한 유형의 조명 장치에 통합된 유색(colored) 외관을 갖는 LED 필라멘트를 도시한다.
필라멘트의 외관은, 특히 장식용 램프 및 범용 램프에 사용될 때, 비점등 상태에서 황색에 대한 거부감으로 인해 불리할 수도 있다.
개시된 실시예는 비점등 또는 비전력공급 상태에서 백색을 나타내는 LED 필라멘트를 제공하는 것에 관한 것이다. 유색 외관을 나타내는 인광체 재료의 하부 층으로 코팅된 하나 이상의 LED 다이를 포함하는 LED 필라멘트, 및 LED 필라멘트로 하여금 백색을 나타내게 하는 산란 제가 로딩된 수지 재료를 포함하는 오버코팅된 층을 포함하는 오버코딩된 LED 필라멘트가 개시된다.
개시된 실시예에 따르면, 오버코팅된 LED 필라멘트는, 유색 외관(colored appearance)을 나타내는 인광체 재료의 하부 층으로 코팅된 하나 이상의 LED 다이를 포함하는 LED 필라멘트와, 상기 LED 필라멘트로 하여금 백색을 나타나게 하는 산란 제(scattering agent)가 로딩된 수지 재료를 포함하는 오버코팅된 층을 포함하는 오버코팅된 LED 필라멘트가 개시된다. 예를 들어, 오버코팅된 층은 비점등 상태에 있을 때 LED 필라멘트로 하여금 백색을 나타나게 할 수도 있다. "하부 층"은 일반적으로 유색 외관을 나타내는 인광체 재료의 층이 오버코팅된 층의 아래에 있는 것을 의미한다. 즉, 하부 층은 오버코팅된 층과 LED 다이(들) 사이에 있다. LED 다이와 하부 층 사이, 및/또는 하부 층과 오버코팅된 층 사이에 개재된 층이 있을 수도 있거나 없을 수도 있다. 일반적으로, 본 개시 내용에서, "유색(colored)" 또는 "백색(white)" 외관에 대한 언급은, 여기 파장에 의해 에너지가 공급되지 않을 때 재료의 컬러와 관련된다. 예를 들어, 하부 층이 비여기 가시광 하에서 보여질 때 백색 분말인 인광체 분말만을 포함하는 경우, 이들은 발광으로 여기될 때 컬러를 방출할 수도 있지만 "유색"으로 간주되지 않을 것이다.
상기 인광체 재료의 하부 층은 황색, 오렌지색 또는 적색 외관을 나타낼 수도 있다.
상기 인광체 재료의 하부 층은 플루오르화물 호스트를 갖는 도핑된 인광체를 포함할 수도 있다.
상기 인광체 재료의 하부 층은 PFS 인광체(K2SiF6:Mn4+)를 포함하는 인광체 재료를 포함할 수도 있다.
상기 인광체 재료의 하부 층은 가넷(garnet) 인광체와 같은 황색 방출 인광체 또는 황녹색 방출 인광체를 포함할 수도 있다.
상기 인광체 재료의 하부 층은 Eu2+ 적색 질화물 인광체와 같은 적색 방출 인광체를 포함할 수도 있다.
상기 인광체 재료의 하부 층은 흡수제를 포함할 수도 있다.
상기 인광체 재료의 하부 층은 상기 수지 재료를 포함할 수도 있다.
산란 제가 로딩된 상기 수지 재료는, 광의 가시 범위에 걸쳐 균일한 외관을 나타낼 수 있다.
상기 수지 재료는 상기 하부 층의 굴절률과 실질적으로 일치(match)하는 굴절률을 나타낼 수 있다.
상기 수지 재료는 상기 하부 층의 열 팽창 계수와 실질적으로 일치하는 열 팽창 계수를 나타낼 수 있다.
상기 수지 재료 및 상기 산란 제는 상이한 굴절률을 나타낼 수 있다.
상기 산란 제는 중합체를 포함할 수도 있다.
상기 산란 제는 플루오로 중합체 또는 환형(cyclic) 올레핀 공중합체 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.
상기 산란 제는 하나 이상의 비흡수 금속 산화물, 금속 질화물 또는 금속 할로겐화물을 포함할 수도 있다.
상기 산란 제는 하나 이상의 비흡수 반도체 산화물, 반도체 질화물 또는 반도체 할로겐화물을 포함할 수도 있다.
상기 산란 제는 알루미나, 티타니아, 실리카, 지르코니아, 석영, 또는 유리 분말 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.
오버코팅된 층은 0.1 중량% 내지 10 중량%의 양의 알루미나 산란 제를 포함할 수도 있다.
오버코팅된 층은 0.01 중량% 내지 1 중량%의 양의 티타니아 산란 제를 포함할 수도 있다.
상기 산란 제는 3.0 중량% 내지 7.0 중량%의 알루미나 및 0.1 중량% 내지 0.5 중량%의 티타니아의 조합을 포함할 수도 있다.
상기 오버코팅된 층은 플루오르화물 호스트를 갖는 도핑된 인광체를 포함할 수도 있다.
상기 오버코팅된 층은 PFS 인광체(K2SiF6:Mn4+)를 포함할 수도 있다.
상기 오버코팅된 층은 가넷 인광체와 같은 황색 방출 인광체 또는 황녹색 방출 인광체를 포함할 수도 있다.
상기 오버코팅된 층은 Eu2 + 적색 질화물 인광체를 포함할 수도 있다.
상기 오버코팅된 층은 흡수제를 포함할 수도 있다.
상기 오버코팅된 층은 네오디뮴 화합물을 포함할 수도 있다.
개시된 실시예는 또한, 본 명세서에 개시된 바와 같이 오버코팅된 LED 필라멘트를 포함하는 조명 장치에 관한 것이다.
실시예들의 전술한 양태들 및 다른 특징들은 첨부 도면들과 관련하여 취해진 다음의 설명부에서 설명된다.
도 1a 내지 도 1c는 다양한 구현예에서 유색(colored) 커버링을 갖는 LED 필라멘트를 도시한다.
도 2는 개시된 실시예에 따른 백색 외관(appearance)을 갖는 예시적인 LED 필라멘트를 도시한다.
도 3은 상이한 두께의 알루미나로 로딩된 오버코팅 층에 대한 상대적인 스펙트럼 투과율을 도시한다.
도 4a-4d는 개시된 실시예에 따른 오버코팅된 LED 필라멘트를 제조하기 위한 예시적인 프로세스를 도시한다.
도 5는 오버코팅을 갖지 않은 LED 필라멘트 및 본 명세서에 개시된 바와 같은 알루미나 로딩된 오버코팅을 갖는 LED 필라멘트의 예시적인 컬러 포인트를 도시한다.
도 6은 특성이 도 5에 도시된 LED 필라멘트의 스펙트럼 전력 분포를 도시한다.
도 7a-7f는 개시된 실시예에 의해 달성된 인광체 여기 및 방사 프로세스를 도시한다.
도 8a는 예시적인 알루미나 오버코팅된 LED 필라멘트의 전체 직경의 함수로서 CIE 1931 컬러 공간에서의 컬러 포인트의 시프트 크기를 도시한다.
도 8b는 예시적인 알루미나 오버코팅된 필라멘트의 전체 직경의 변화의 함수로서 컬러 온도 시프트의 크기를 도시한다.
도 8c는 알루미나 오버코팅 직경 또는 두께 변화에 따른 전체 필라멘트 직경 또는 두께의 함수로서 광속의 변화를 도시한다.
도 8d는 알루미나 오버코팅 두께의 변화로 인한 오버코팅된 필라멘트 직경 변화에 대한 복사 전력의 변화를 도시한다.
도 9는 오버코팅을 갖지 않은 LED 필라멘트 및 상이한 두께의 오버코팅을 갖는 LED 필라멘트의 예시적인 컬러 포인트를 도시한다.
도 10은 특성이 도 9에 도시된 동일한 필라멘트 선택의 스펙트럼 전력 분포를 도시한다.
도 11a는 예시적인 티타니아 오버코팅된 LED 필라멘트의 전체 직경의 함수로서 CIE 1931 컬러 공간에서의 컬러 포인트의 시프트 크기를 도시한다.
도 11b는 예시적인 티타니아 오버코팅된 필라멘트의 전체 직경의 변화의 함수로서 컬러 온도 시프트의 크기를 도시한다.
도 11c는 티타니아 오버코팅 직경 또는 두께가 변화함에 따른 전체 필라멘트 직경 또는 두께의 함수로서 광속의 변화를 도시한다.
도 11d는 티타니아 오버코팅 두께의 변화로 인한 오버코팅된 필라멘트 직경 변화에 대한 복사 전력의 변화를 도시한다.
도 12는 종래의 LED 필라멘트와 티타니아 알루미나 혼합물로 오버코팅된 LED 필라멘트 사이의 스펙트럼 전력 분포에 있어서의 차이를 도시한다.
도 13a는 티타니아 알루미나 혼합물로 오버코팅된 필라멘트의 전체 직경의 함수로서 CIE 1931 컬러 공간에서의 컬러 포인트의 시프트 크기를 도시한다.
도 13b는 티타니아 알루미나 혼합물로 오버코팅된 필라멘트의 전체 직경의 변화의 함수로서 컬러 온도 시프트의 크기를 도시한다.
도 13c는 티타니아 알루미나 혼합물로 오버코팅된 필라멘트의 전체 필라멘트 직경의 함수로서 광속의 변화를 도시한다.
도 13d는 티타니아 알루미나 오버코팅된 필라멘트 직경 변화에 대한 복사 전력의 변화를 도시한다.
도 14는 본 명세서에 개시된 오버코팅된 LED 필라멘트를 포함하는 조명 장치를 도시한다.
개시된 실시예가 도면에 도시되고 후술되는 실시예를 참조하여 설명될지라도, 이들은 많은 다른 형태로 구현될 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 임의의 적절한 크기, 형상 또는 유형의 요소 또는 재료가 사용될 수 있다.
본 개시 내용의 하나 이상의 실시예는 하나 이상의 LED 필라멘트를 포함하는 LED 장치에 관한 것으로, 하나 이상의 LED 필라멘트 중 적어도 하나는 유색 외관 대신에 백색 외관을 갖는다. 이는 예를 들어, 허용 가능한 성능 레벨을 유지하면서 유색 외관에서 백색 외관으로 LED 필라멘트의 외관을 변화시키는 오버코팅을 제공함으로써 달성될 수도 있다. 개시된 실시예는 유색 외관 및 백색 외관 필라멘트의 스펙트럼 전력 분포 사이의 차이를 최소화하고, 루멘(화이트 플럭스) 손실을 최소화하며, 예를 들어 대략 5% 미만으로 복사 전력 손실을 최소화하는 것에 관한 것이다. 개시된 실시예의 목적을 위해, 백색 외관의 예는 일반적으로 광의 가시 범위에 걸쳐 균일한 백색 외관을 포함한다.
하나 이상의 실시예는, 유색 외관을 나타내는 인광체 재료의 하부 층으로 코팅된 LED 다이를 포함하는 LED 필라멘트, 및 LED 필라멘트로 하여금 백색을 나타나게 하는 산란 제가 로딩된 수지 재료를 포함하는 오버코팅된 층에 관한 것이다. 상기 하부 층은 Mn4 + 도핑된 칼륨 플루오로실리케이트(potassium fluorosilicate; PFS) 기반 적색 인광체, 플루오르화물 호스트를 갖는 다른 Mn4 + 도핑된 인광체, 다른 Eu2 + 도핑된 적색 질화물 인광체와 같은 하나 이상의 인광체, 세륨-도핑된 이트륨 알루미늄 가넷(garnet)(Ce:YAG) 또는 다른 가넷 조성물과 같은 황색-녹색 인광체를 포함한다. 하부 층은 또한 흡수제, 예를 들어 네오디뮴 산화물-플루오르화물(NdFxOy)를 포함할 수도 있다.
개시된 실시예에 따라 오버코팅된 예시적인 LED 필라멘트가 도 2에 도시되어 있다.
오버코팅의 수지 재료는, 중합체, 예를 들어 실리콘, 에폭시, 또는 아크릴레이트를 포함할 수도 있다. 수지 재료의 특성은, 하층의 재료 특성과 일치하여 수지 재료와 하층의 계면에서의 응력 및 광학 간섭 손실을 최소화할 수도 있다. 하나 이상의 실시예에서, 오버코팅의 수지 재료는 적어도 하부 층의 굴절률에 가깝거나 실질적으로 부합되는 굴절률을 가질 수도 있다. 일부 실시예에서, 수지 재료는 대략 1.4-1.6의 굴절률을 가질 수도 있다. 일부 실시예에서, 수지 재료의 열팽창 계수는 하부 층의 열팽창 계수에 가깝거나 실질적으로 부합될 수도 있다. 수지 재료의 예시적인 열팽창 계수는 310 μm/m-℃일 수도 있다. 하나 이상의 실시예에서, 수지 재료는 하나 이상의 동일한 기계적, 열적, 광학적, 전기적, 또는 임의의 다른 적절한 특성을 하부 층의 특성과 동일하게 가질 수도 있다. 일부 실시예에서, 수지 재료는 하부 층에 사용되는 수지 재료와 동일할 수도 있다. 수지 코팅의 예는 2 부분 폴리디메틸실록산 엘라스토머일 수도 있다.
수지 재료는 오버코팅된 LED 필라멘트에 백색 외관을 제공하지만 광을 최소한으로 흡수하는 산란 제가 로딩될 수 있다. 산란 제는 무기물일 수도 있고, 일반적으로 산란 제와 수지 재료 사이의 굴절률 불일치가 클수록, 산란 효과가 크고 외관이 더 백색화될 수 있도록, 수지 재료와는 다른 굴절률을 갖는다. 산란 제는 예를 들어 알루미나, 티타니아, 실리카, 지르코니아, 석영, 플루오로 중합체, 환형 올레핀 공중합체, 또는 임의의 다른 적절한 중합체, 하나 이상의 비흡수 금속/반도체 산화물/질화물/할로겐화물 또는 유리 분말 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 일부 실시예에서, 수지 재료는 또한, Mn4 + 도핑된 칼륨 플루오로실리케이트(PFS) 기반 적색 인광체, 플루오르화물 호스트를 갖는 다른 Mn4 + 도핑된 인광체, 다른 Eu2 + 도핑된 적색 질화물 인광체와 같은 하나 이상의 인광체, 세륨-도핑된 이트륨 알루미늄 가넷(Ce:YAG) 또는 다른 가넷 조성물과 같은 황색-녹색 인광체로 로딩될 수도 있다.
일부 실시예에서, 수지 재료는 또한 하나 이상의 흡수제 예를 들어, NdFxOy와 같은 네오디뮴 화합물로 로딩될 수도 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 수지 재료를 로딩하는데 사용되는 재료는, 대략 10 미크론 미만의 예시적인 입자 크기를 가질 수도 있다.
도 3은 0.4mm, 0.8mm, 및 2.5mm의 두께에서, 10 중량%의 알루미나로 로딩된 실리콘 오버코팅 층에 대한 상대적인 스펙트럼 투과율을 도시한다. 도시된 투과율은 가장 얇은 층(0.4mm)의 투과율에 관련된다. 층 두께가 증가함에 따라, 투과율이 약간 덜 균일해지며, 이에 따라 장파장과 비교하여 청색 파장의 산란 및 흡수가 증가하므로, 약간 덜 백색화된다. 2.5mm와 같은 상대적으로 큰 두께에서도, 투과된 광의 시각적 외관은 사람의 관찰자에게 백색으로 보인다.
일부 실시예에서, 오버코팅은 예를 들어 탄성 중합체 베이스 및 경화 제와 같은 수지 재료의 중량을 칭량하고, 산란 제를 첨가함으로써 준비될 수도 있다. 적어도 하나의 예시적인 실시예에서, 수지 재료는 10 중량% 경화 제가 첨가된 엘라스토머 기제(elastomer base)의 약 15g을 칭량하여 제조될 수도 있다. 또한, 약 10 중량%의 산란 제를 첨가하여 오버코팅을 형성할 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 수지 재료는 약 15g의 엘라스토머 기제, 10 중량% 경화제, 및 1.0 중량%의 다른 산란 제를 첨가하여 형성되는 오버 코팅을 칭량하여 제조될 수도 있다. 오버코팅의 상이한 성분의 양은 예시적이고, 임의의 적절한 양이 활용될 수도 있음을 이해하여야 한다. 오버 코팅은 공기 주머니를 제거하고 거품이 형성되는 것을 방지하기 위해, 예를 들어 진공 챔버 또는 원심 혼합기에 의해 또는 다른 방법들로 탈기될 수도 있다.
오버코팅은 다양한 프로세스, 예를 들어, 분무, 몰딩, 침지, 자동 또는 수동 유체 디스펜서에 의한 도포, 또는 임의의 다른 적절한 도포 프로세스에 의해 종래의 LED 필라멘트에 적용될 수 있다. 오버코팅을 도포하기 위한 예시적인 몰딩 프로세스가 도 4a 내지 도 4d에 도시되어 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 종래의 LED 필라멘트(405)는 노출된 금속 리드를 하위(lower) 몰드(410)에서 절단된 채널에 일치(registering)시킴으로써 위치될 수도 있다. O-링(415)은 하위 몰드(410)의 O-링 글랜드(gland)(420) 내에 배치될 수도 있다. 도 4b를 참조하면, O-링(425)은 상위 몰드(435)의 2개의 O-링 글랜드(430) 내에 배치될 수도 있다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 상위 몰드(435)는 하위 몰드(410) 위에 배치되고, 스틸 도웰(dowel) 핀에 의해 위치될 수도 있으며, 2개의 몰드 절반부(410, 435)는 함께 견고하게 고정된다. 피팅 및 튜빙는 오버코팅 재료를 주입하기 위하여 부착될 수 있다.
오버코팅 재료가 주입될 제1 포트는, 클램프 폐쇄될 수 있고, 진공 펌프에 의해 또는 제2 포트를 통한 다른 메카니즘에 의해, 몰드 절반부(410, 435) 상에서 부분 진공이 풀링(pull)될 수도 있다. 오버코팅 재료는 클램프가 해제될 때 제1 포트로 도입될 수도 있고, 오버코팅은 대기압에 의해 몰드 절반부(410, 435) 내로 가압되어 유입될 수도 있다. 상위 몰드 절반부(410) 및 하위 몰드 절반부(435)는, 경화 시간 동안에 경화 온도에서 예를 들어 약 45분 동안에 약 100℃에서 가열될 수도 있다. 그 후, 몰드 절반부(410, 435)는 냉각될 수도 있다. 적어도 하나의 예에서, 몰드 절반부(410, 435)는 약 10분 동안 방열판 상에 배치될 수도 있다. 몰드 절반부(410, 435)는 도 4d에 도시된 바와 같이 개방(open)될 수도 있고, 오버코팅된 LED 필라멘트(440)는 필요에 따라 제거되고 트리밍될 수도 있다.
도 5는 전술한 바와 같이 오버코팅이 없는 LED 필라멘트, 및 산란 제가 알루미나(Al2O3, 굴절률 1.77)인 상이한 두께의 오버코팅을 갖는 LED 필라멘트의 예시적인 컬러 포인트를 도시한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 알루미나 산란 제에 의해 야기되는 컬러 시프트(shift)가 존재하며, 상이한 두께의 오버코팅에 기인한 상이한 컬러 시프트가 존재한다. 컬러 포인트(505)는 컬러 커버링을 갖는 종래의 LED 필라멘트의 모집단(population)의 근사 평균 컬러 포인트를 나타낸다. 컬러 포인트(510)는 컬러 커버링을 갖는 LED 필라멘트에 대한 근사 컬러 포인트, 및 3.6 mm의 완성된 직경의 오버코팅된 LED 필라멘트를 야기하는 2.43 wt% 알루미나의 오버코팅 양을 나타낸다. 컬러 포인트(515)는 컬러 커버링을 갖는 LED 필라멘트에 대한 근사 컬러 포인트, 및 4.4 mm의 완성된 직경의 오버코팅된 LED 필라멘트를 야기하는 2.43 wt% 알루미나의 오버코팅 양을 나타낸다. 컬러 포인트(520)는 컬러 커버링을 갖는 LED 필라멘트에 대한 근사 컬러 포인트, 및 3.6mm의 완성된 직경을 야기하는 10.2 wt% 알루미나의 오버코팅 양을 나타낸다. 1 스텝, 2 스텝, 3 스텝 및 4 스텝 지정은, MacAdam의 다양한 색도에 대한 타원을 나타낸다. 오버코팅의 도포는 일반적으로 컬러 포인트를 흑체 궤적 위로 그리고 낮은 상관 컬러 온도(correlated color temperature; CCT)로 시프트시키며, 두꺼운 코팅 및 더 높은 wt% 로딩은 보다 극적인 시프트를 야기한다.
도 6은 그 특성이 도 5에 도시된 것과 동일한 필라멘트 선택의 스펙트럼 전력 분포를 도시한다. 오버코팅된 필라멘트는 일반적으로 감소된 청색 블리드-스루(bleed) 및 증가된 인광체 방사를 나타낸다.
도 6에 도시된 450nm의 피크 파장을 갖는 방사는 청색 블리드-스루이다. 이는 인광체 또는 다른 비의도적 흡수체에 의해 흡수되지 않는, LED 다이로부터의 직접 방사이다. 산란제의 증가된 양(즉, 증가된 로딩(loading) 또는 두께)으로, 청색 블리드 스루가 감소된다. 이는 추가된 백색 오버코팅이 청색 방사를 포함하여 모든 입사광을 산란시키기 때문이다. 코팅되지 않은 필라멘트에서 필라멘트의 전체 방사에 기여할 수 있는 청색 방사량 중 일부는, 그 대신에 흡수된 인광체 하부 층에 산란된다. 인광체 하부층에 의해 흡수되는 청색 방사는 주로 500nm 내지 700nm 영역(region)에서 볼 수 있는 인광체 방사로서 재방사된다.
인광체 여기 및 방사 프로세스는 무손실 프로세스가 아니며, 인광체의 스토크(stoke) 시프트 손실 및 양자 효율로 인해 손실이 발생하여, 코팅된 필라멘트의 복사 전력이 감소한다. 코팅된 필라멘트 스펙트럼의 복사의 발광 효율(luminous efficacy)이 코팅되지 않은 필라멘트의 발광 효율보다 크기 때문에, 백색 플럭스가 증가할 수도 있다.
광속은 광도 함수에 기초하여 가중되며, 이러한 광도 함수는 명소시(photopic vision)에 기초한 스펙트럼 복사를 가중시킨다. 광도 함수는 다이 방사의 영역(청색 영역)에서 보다 인광체 방사의 영역(녹색 영역)에서 더 크다.
도 7a-7f는 이러한 현상을 더 설명한다. 도 7a는 종래의 LED 필라멘트(700)의 구조를 도시한다. 금속 리드(702)는 일반적으로 일련의 LED 다이(706)가 장착된 기판(704)에 부착된다. 금속 리드(702) 및 LED 다이(706)는 와이어 본드(708)에 의해 전기적으로 결합되고, 어셈블리는 일반적으로 인광체 입자(712)를 포함하는 하부 층(710)을 사용하여 캡슐화된다. 도 7b에 도시된 바와 같이, LED 필라멘트는 산란 제(718)가 로딩된 수지 재료(716)를 포함하는 층(714)으로 오버코팅될 수도 있다.
도 7c 및 도 7d는 비점등 상태에서의 LED 필라멘트(700, 728)의 외관상의 차이를 나타낸다. 도 7c를 참조하면, 광원(720)은 하부 층(710)에 충돌하는 백색 광(722)을 제공한다. 인광체 입자(712)는 입사 광의 청색 부분을 흡수하고 비흡수 부분(724)을 반사하여, 황색 외관을 나타낸다. 도 7d를 참조하면, 광원(720)은 또한 백색 광(722)을 제공하지만, 대부분의 백색 광은 산란 제(718)가 로딩된 수지 재료(716)의 오버코팅된 층(714)에 의해 산란된다. 상기 광(722)의 일부만이 오버코팅된 층(714)을 통과하여, 하부 층(710)에서 반사된다. 오버코팅된 층(714)으로부터 반사 된 광(726)은 백색으로 보여지고, 하부 층(710)에서 반사된 광(724)은 황색으로 보여지지만, 광(722)의 일부만이 하부 층(710)에서 반사되기 때문에, 전체 외관은 종래의 LED 필라멘트(700) 보다 더 하얗게 된다.
도 7e 및 도 7f는 전력이 인가될 때의 종래의 LED 필라멘트(700) 및 오버코팅된 LED 필라멘트(728)의 동작을 도시한다. 도 7e에 도시된 바와 같이, 종래의 LED 필라멘트(700)에서, 일부 청색 블리드 스루가 발생하는데, 즉, LED 다이로부터의 청색 광(730)의 일부는 인광체 입자(712)에 의해 흡수되지 않고 하부 층(710)을 통과한다. 청색광의 대부분은 인광체 입자(712)에 의해 흡수되고 더 긴 파장을 갖는 광(732)으로서 재방사되어, 일반적으로 백색 광을 방사한다. 도 7f에 도시된 바와 같이, LED 다이로부터의 청색 광(734) 중 일부는, 흡수되거나 산란되지 않고 하부 층(710) 및 오버코팅된 층(714)을 통과한다. 청색광의 일부는 하부 층(710)을 통과하고, 그 후 광(736)은 어떤 컬러 변화없이 오버코팅된 층(714)에 의해 산란된다. 일부 청색광은 하부 층(710)을 통과하여 하부 층(710)으로 다시 산란되며, 여기서 일부 청색광은 재흡수되고 재방사된다(738). 이는 청색 블리드 스루를 낮추고 및 인광체 방사를 더 크게 한다. 740에 의해 표시된 바와 같이, 오버코팅 층(714)은 하부 층(710)으로부터의 인광체 방사를 산란시킬 수도 있지만, 산란은 광의 컬러를 변화시키지 않는다.
이제 도 8a-8d를 참조하면, 도 8a는 10 중량%의 알루미나 분말의 하중을 갖는 실리콘을 포함하는 오버코팅으로 코팅된 필라멘트의 전체 직경의 함수로서 CIE 1931 컬러 공간에서의 컬러 포인트의 시프트 크기를 도시한다. 컬러 시프트의 크기는 오버 코팅의 직경 또는 두께가 증가함에 따라 증가한다.
도 8b는 동일한 로딩된 오버코팅 직경이 변화할 때 코팅된 필라멘트의 전체 직경의 변화의 함수로서 컬러 온도 시프트의 크기를 도시한다. 청색 블리드 스루가 적고 인광체 방사가 더 커지기 때문에, 상관된 컬러 온도는 오버코팅 두께가 증가함에 따라 낮아진다(더 따뜻해지고, 덜 푸르다).
도 8c는 오버코팅 직경 또는 두께가 변화함에 따른 전체 필라멘트 직경 또는 두께의 함수로서 광속의 변화를 도시한다. 오버코팅 직경이 증가함에 따라. 손실이 더 커진다. 오버코팅 두께가 증가하면 더 많은 광자가 필라멘트의 중심으로 다시 향하게 되어 더 큰 확산이 발생하고, 여기서 상기 광자는 LED 다이나 다른 흡수 구조에 흡수될 수 있다. 확산이 커지면, 더 많은 광자가 또한 산란 제에 의해 굴절되고(또는 더 많은 횟수로 굴절됨), 이는 일부 고유한 흡수성을 갖는다.
도 8d는 오버코팅 두께의 변화로 인한 오버코팅된 필라멘트 직경 변화에 대한 복사 전력의 변화를 도시한다. 오버코팅 두께 또는 직경이 증가하면 7c에 대하여 위에서 설명한 바와 같이 더 큰 손실로 확산이 커진다. 발광 손실은 이전에 논의된 LER(luminaire efficacy rating) 변화 때문에 방사 손실보다 작다.
도 9는 오버코팅을 갖지 않는 LED 필라멘트 및 산란 제가 티타니아(TiO2, 굴절률 2.61) 인 상이한 두께의 오버코팅을 갖는 LED 필라멘트의 예시적인 컬러 포인트를 도시한다. 알루미나에 비해 티타니아의 굴절률이 비교적 높기 때문에, LED 필라멘트의 컬러 코팅을 모호하게 하기 위하여 더 적은 티타니아 물질이 필요하다.
산란 제가 티타니아인 다음의 예는, 약 1.0 중량%의 로딩을 이용한다. 도 9는 티타니아 산란 제 기반의 오버코팅의 상이한 두께가 상이한 컬러 시프트를 야기한다는 것을 예시한다. 컬러 커버링을 갖는 종래의 LED 필라멘트의 모집단(population)의 근사 평균 컬러 포인트는 컬러 포인트(905)로 도시된다.
유색 외관 커버링을 가지고 있으나 1.0 wt% 티타니아의 양(즉, 산란 제와 수지 재료의 무게)을 가진 오버층을 포함하는 LED 필라멘트의 대략적인 색상 포인트는, 2.4mm의 완성된 직경의 오버코팅된 LED 필라멘트를 야기하며, 이는 컬러 포인트(910)에 도시된다. 컬러 포인트(915)는 컬러 커버링 및 3.2mm의 완성된 직경의 오버코팅된 LED 필라멘트를 야기하는 1.0 wt% 티타니아의 오버코팅의 양을 갖는 LED 필라멘트에 대한 근사 컬러 포인트를 나타낸다. 컬러 커버링 및 3.6mm의 완성된 직경을 야기하는 1.0 wt% 티타니아의 오버코팅의 양을 갖는 LED 필라멘트의 근사 컬러 포인트가, 컬러 포인트(920)에 도시된다. 오버코팅의 적용은 일반적으로 흑체 궤적 위의 컬러 포인트와 낮은 상관 컬러 온도(CCT)로 시프트시키며, 두꺼운 코팅 및 더 높은 wt% 로딩은 보다 극적인 시프트를 야기한다.
도 10은 특성이 도 9에 도시된 것과 동일한 필라멘트 선택의 스펙트럼 전력 분포를 도시한다. 청색 블리드 스루는 특히 더 높은 직경에서 크게 감소한다.
이제 도 11a-11d를 참조하면, 도 11a는 1.0 중량%의 티타니아 분말의 로딩을 갖는 실리콘을 포함하는 오버코팅으로 코팅된 필라멘트의 전체 직경의 함수로서 CIE 1931 컬러 공간에서의 컬러 포인트의 시프트 크기를 도시한다. 컬러 시프트의 크기는 오버코팅의 직경 또는 두께가 증가함에 따라 증가한다.
도 11b는 동일한 로딩된 오버코팅 직경이 변화함에 따른 코팅된 필라멘트의 전체 직경의 변화의 함수로서 컬러 온도 시프트의 크기를 도시한다. 알루미나와 마찬가지로, 청색 블리드 스루가 적고 인광체 방사가 더 크기 때문에, 상관된 컬러 온도가 오버코팅 두께가 증가함에 따라 낮아진다(더 따뜻하고, 덜 푸름).
도 11c는 티타니아 기반 오버코팅 직경 또는 두께가 변화함에 따른 전체 필라멘트 직경 또는 두께의 함수로서 광속의 변화를 도시한다. 오버코팅 직경이 증가함에 따라 손실이 약간 증가한다. 오버코팅 두께가 증가하면 더 많은 광자가 필라멘트의 중심으로 다시 향하게 되어 더 큰 확산이 발생하고, 여기서 상기 광자는 LED 다이 또는 다른 흡수 구조에 의해 흡수될 수도 있다.
도 11d는 오버코팅 두께의 변화로 인한 티타니아 오버코팅된 필라멘트 직경의 변화에 대한 복사 전력의 변화를 도시한다. 오버코팅 두께 또는 직경이 증가하면 복사 전력이 증가한다.
티타니아는 중량%로 알루미나의 1 단위 크기(예를 들어, 1 wt%의 티타니아가 대략 10 wt%의 알루미나와 동일함)와 거의 동일한 미백(whitening) 효과를 갖는다는 것을 알 수 있다.
도 12는 PFS 인광체(K2SiF6:Mn4+)와 같은 Mn4 + 활성화된 복합(complex) 플루오르화물 인광체를 포함하는 종래의 LED 필라멘트와 0.5% TiO2 + 5% Al2O3가 로딩된 2.4mm 직경의 실리콘 층으로 오버코팅된 LED 필라멘트 사이의 스펙트럼 전력 분포에서의 차이를 도시한다. 코팅되지 않은 필라멘트와 코팅된 필라멘트 사이에서 스펙트럼 전력의 최소 변화가 관찰된다. 대응하는 표 1은 이 경우에서 근사 측정된 감소 광 전력을 나타낸다. 일반적으로 약 4% 미만의 손실이 예상될 수도 있다.
Figure 112018106202914-pat00001
도 13a-13d를 참조하면, 도 13a는 0.5% TiO2 + 5% Al2O3이 로딩된 2.4mm 직경의 실리콘 층으로 오버코팅된 Mn4 + 활성화된 복합 플루오르화물 인광체를 포함하는 필라멘트의 전체 직경의 함수로서 CIE 1931 컬러 공간에서의 컬러 포인트의 시프트 크기를 나타낸다. 컬러 시프트의 크기는 오버코팅의 직경 또는 두께가 증가함에 따라 증가한다.
도 13b는 동일한 로딩된 오버코팅 직경이 변화함에 따른 도 13a의 오버코팅된 필라멘트의 전체 직경의 변화의 함수로서 컬러 온도 시프트의 크기를 도시한다. 청색 블리드 스루가 적고 인광체 방사가 더 크기 때문에, 상관된 컬러 온도는 오버코팅 두께가 증가함에 따라 낮아진다.
도 13c는 0.5% TiO2 + 5% Al2O3 기반 오버코팅 직경 또는 두께가 변화함에 따른 전체 필라멘트 직경 또는 두께의 함수로서 광속의 변화를 도시한다. 오버코팅 직경이 증가함에 따라 손실이 약간 증가한다. 오버코팅 두께가 증가하면 더 많은 광자가 필라멘트의 중심으로 다시 향하게되어 더 큰 확산이 발생하고, 여기서 상기 광자는 LED 다이 또는 다른 흡수 구조에 의해 흡수될 수도 있다.
도 13d는 오버코팅 두께의 변화로 인한 0.5% TiO2 + 5% Al2O3 오버코팅된 필라멘트 직경 변화에 대한 복사 전력의 변화를 도시한다.
Al2O3 및 TiO2 재료는 대략 유사한 레벨의 인지된 백색도를 달성하는 임의의 적절한 비율로 조합될 수도 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 5% Al2O3 + 0.5% TiO2, 7% Al2O3 + 0.3% TiO2, 및 9% Al2O3 + 0.1% TiO2는 개시된 실시예에 따른 실행 가능한 조합일 수도 있다.
도 14는 본 명세서에 개시된 오버코팅된 LED 필라멘트(1405)를 포함하는 조명 장치(1400)를 도시한다.
본 명세서에 설명된 실시예는 개별적으로 또는 이들의 임의의 조합으로 사용될 수 있음을 주목해야 한다. 전술한 설명은 단지 실시예를 설명하기 위한 것임을 이해하여야 한다. 다양한 대안들 및 수정들이 실시예들로부터 벗어나지 않고 당업자에 의해 고안될 수 있다. 따라서, 본 실시예는 첨부된 청구 범위의 범위 내에 속하는 모든 대안, 수정, 및 변경을 포괄하도록 의도된다.
다양한 수정 및 개조가 첨부된 도면과 함께 읽혀질 때, 전술한 설명을 고려하여 관련된 기술들의 당업자에게 명백해질 것이다. 그러나, 개시된 실시예의 교시에 대한 모든 이러한 그리고 유사한 수정은 여전히 개시된 실시예의 범위 내에 있다.
본 명세서에서 설명된 다른 실시예들의 다양한 특징들이 다른 것의 특징과 교환 가능하다. 기술된 다양한 특징들뿐만 아니라 임의의 알려진 등가물들이 혼합되고 매칭되어 본 개시의 원리에 따라 부가적인 실시예 및 기술을 구성할 수 있다.
또한, 예시적인 실시예들의 몇몇 특징들이 다른 특징들의 대응하는 사용없이 유리하게 사용될 수 있다. 이와 같이, 전술한 설명은 단지 개시된 실시예의 원리를 설명하기 위한 것으로 간주되어야 하며, 본 발명의 제한물로 간주되어서는 안된다.

Claims (30)

  1. 오버코팅된 LED 필라멘트에 있어서,
    기판의 길이를 따라 연속적으로 장착된 복수의 LED 다이를 포함하는 LED 필라멘트 - 상기 LED 다이 및 상기 기판은 유색 외관(colored appearance)을 나타내는 인광체 재료의 하부 층 코팅으로 캡슐화됨 - 와,
    상기 하부 층 코팅을 완전히 코팅하고, 상기 LED 필라멘트로 하여금 백색을 나타내게 하는 산란 제(scattering agent)가 로딩된 수지 재료를 포함하는 오버코팅된 층
    을 포함하고, 상기 LED 필라멘트는 비점등 상태인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 인광체 재료의 상기 하부 층 코팅의 상기 유색 외관은 황색, 오렌지색 또는 적색 외관인 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  3. 제1항에 있어서, 상기 인광체 재료의 상기 하부 층 코팅은 플루오르화물 호스트를 갖는 도핑된 인광체를 포함하는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  4. 제1항에 있어서, 상기 인광체 재료의 상기 하부 층 코팅은 화학식 K2SiF6:Mn4+를 갖는 PFS 인광체를 포함하는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  5. 제1항에 있어서, 상기 인광체 재료의 상기 하부 층 코팅은 황색 방출 인광체, 황녹색 방출 인광체, 또는 가넷(garnet) 인광체를 포함하는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  6. 제1항에 있어서, 상기 인광체 재료의 상기 하부 층 코팅은 적색 방출 Eu2+ 적색 질화물 인광체를 포함하는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  7. 제1항에 있어서, 상기 인광체 재료의 상기 하부 층 코팅은 흡수제를 포함하는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  8. 제1항에 있어서, 상기 하부 층 코팅은 상기 수지 재료를 포함하는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  9. 제1항에 있어서, 산란 제가 로딩된 상기 수지 재료는 광의 가시 범위에 걸쳐 균일한 반사도를 나타내는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  10. 제1항에 있어서, 상기 수지 재료는 상기 하부 층 코팅의 굴절률과 실질적으로 일치(match)하는 굴절률을 나타내는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  11. 제1항에 있어서, 상기 수지 재료는 상기 하부 층 코팅의 열 팽창 계수와 실질적으로 일치하는 열 팽창 계수를 나타내는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  12. 제1항에 있어서, 상기 산란 제는 무기물이고, 상기 수지 재료 및 상기 산란 제는 상이한 굴절률을 나타내는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  13. 제12항에 있어서, 상기 산란 제의 굴절률과 상기 수지 재료의 굴절률 간의 차이는 적어도 0.17인 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  14. 제13항에 있어서, 상기 산란 제의 굴절률과 상기 수지 재료의 굴절률 간의 차이는 0.17 내지 1.21의 범위에 있는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  15. 제13항에 있어서, 상기 산란 제는 플루오로 중합체 또는 환형(cyclic) 올레핀 공중합체 중 하나 이상을 포함하는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  16. 제1항에 있어서, 상기 산란 제는 하나 이상의 비흡수 금속 산화물, 금속 질화물 또는 금속 할로겐화물을 포함하는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  17. 제1항에 있어서, 상기 산란 제는 하나 이상의 비흡수 반도체 산화물, 반도체 질화물 또는 반도체 할로겐화물을 포함하는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  18. 제1항에 있어서, 상기 산란 제는 알루미나, 티타니아, 실리카, 지르코니아, 석영, 또는 유리 분말 중 하나 이상을 포함하는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  19. 제1항에 있어서, 상기 산란 제는 0.1 중량% 내지 10 중량%의 알루미나를 포함하는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  20. 제1항에 있어서, 상기 산란 제는 0.01 중량% 내지 1 중량%의 티타니아를 포함하는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  21. 제1항에 있어서, 상기 산란 제는 3.0 중량% 내지 7.0 중량%의 알루미나 및 0.1 중량% 내지 0.5 중량%의 티타니아의 조합을 포함하는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  22. 제1항에 있어서, 상기 오버코팅된 층은 흡수제를 포함하는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  23. 제1항에 있어서, 상기 오버코팅된 층은 네오디뮴 화합물을 포함하는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  24. 제1항의 상기 오버코팅된 LED 필라멘트를 포함하는 조명 장치.
  25. 제1항에 있어서, 상기 기판은 엔벨로프에 유지되는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  26. 제1항에 있어서, 상기 오버코팅된 층은 하나 이상의 인광체를 더 포함하는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  27. 제26항에 있어서, 상기 하나 이상의 인광체는, 플루오르화물 호스트를 갖는 도핑된 인광체, 화학식 K2SiF6:Mn4+를 갖는 PFS 인광체, 가넷 인광체, 또는 Eu2+ 적색 질화물 인광체 중 하나 이상을 포함하는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  28. 제1항에 있어서, 상기 오버코팅된 층은 0.4 mm 내지 4.4 mm 범위의 두께를 갖는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  29. 제1항에 있어서, 상기 LED 필라멘트는 하나보다 많은 LED 다이를 포함하는 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
  30. 제1항에 있어서, 상기 기판은 유리 또는 사파이어인 것인 오버코팅된 LED 필라멘트.
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