본 연구에서는 고출력 자동차 헤드램프용 LD 에 적용 가능한 garnet 구조의 YAG : Ce 형광체 세라믹 플레이트를 제작하고 광학 특성을 분석하였다. 액상법을 이용하여 단분산된 구형 나노 YAG : Ce 입자를 합성하고 이를 $Al_2O_3$와 혼합하여 형광체 세라믹 플레이트를 제작하였다. 형광체 세라믹 플레이트의 두께를 $75{\mu}m$, $100{\mu}m$로 조절하여 두께에 따른 광 변환 효율, 열 소광(Thermal quenching), 휘도 및 색온도의 광학 특성을 비교하였다. 실험 결과, 광 변환 효율의 감소 폭은 모두 25 % 감소하였고, 열 소광, 최대 광 변환 효율 값, 최대 휘도 값은 $100{\mu}m$ 일 때 더 높게 나타났다.
본 연구에서는 고출력 자동차 헤드램프용 LD 에 적용 가능한 garnet 구조의 YAG : Ce 형광체 세라믹 플레이트를 제작하고 광학 특성을 분석하였다. 액상법을 이용하여 단분산된 구형 나노 YAG : Ce 입자를 합성하고 이를 $Al_2O_3$와 혼합하여 형광체 세라믹 플레이트를 제작하였다. 형광체 세라믹 플레이트의 두께를 $75{\mu}m$, $100{\mu}m$로 조절하여 두께에 따른 광 변환 효율, 열 소광(Thermal quenching), 휘도 및 색온도의 광학 특성을 비교하였다. 실험 결과, 광 변환 효율의 감소 폭은 모두 25 % 감소하였고, 열 소광, 최대 광 변환 효율 값, 최대 휘도 값은 $100{\mu}m$ 일 때 더 높게 나타났다.
In the present paper, garnet structured $Y_3Al_5O_{12}:Ce^{3+}$ (YAG : Ce) ceramic phosphor plate (CPP) for high power laser diode (LD) was prepared and optical properties were analyzed. We synthesized monodispersed spherical nano-sized YAG : Ce particles by liquid phase method, fabricate...
In the present paper, garnet structured $Y_3Al_5O_{12}:Ce^{3+}$ (YAG : Ce) ceramic phosphor plate (CPP) for high power laser diode (LD) was prepared and optical properties were analyzed. We synthesized monodispersed spherical nano-sized YAG : Ce particles by liquid phase method, fabricated phosphor ceramic plate with the addition of $Al_2O_3$. $75{\mu}m$ and $100{\mu}m$ thick YAG : Ce CPPs were compared in terms of the factors of conversion efficacy, thermal quenching, luminance and correlated color temperature (CCT). In conclusion, conversion efficacy decreased by 25 % in both samples and $100{\mu}m$ thick sample provides better optical properties of thermal quenching, maximum light conversion efficacy and maximum luminance value.
In the present paper, garnet structured $Y_3Al_5O_{12}:Ce^{3+}$ (YAG : Ce) ceramic phosphor plate (CPP) for high power laser diode (LD) was prepared and optical properties were analyzed. We synthesized monodispersed spherical nano-sized YAG : Ce particles by liquid phase method, fabricated phosphor ceramic plate with the addition of $Al_2O_3$. $75{\mu}m$ and $100{\mu}m$ thick YAG : Ce CPPs were compared in terms of the factors of conversion efficacy, thermal quenching, luminance and correlated color temperature (CCT). In conclusion, conversion efficacy decreased by 25 % in both samples and $100{\mu}m$ thick sample provides better optical properties of thermal quenching, maximum light conversion efficacy and maximum luminance value.
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제안 방법
두께에 따른 형광체 세라믹 플레이트의 광학 특성을 비교하기 위해 75 μm, 100 μm 두께로 폴리싱하여 광 변환 효율, 휘도, 색좌표 를 측정하여 광학 특성을 비교 분석하였다.
또한, 형광체 세라믹 플레이트의 두께 변수가 광학 특성에 미치는 영향을 확인하기 위해 75 μm, 100 μm 두께의 세라믹 플레이트를 제작하여 광학 특성을 비교하였다.
본 연구에서는 단분산된 구형의 나노 YAG : Ce을 합성하고, 이를 이용하여 고출력 LD에 적용 가능한 형광체 세라믹 플레이트를 제작하였다. 두께에 따른 형광체 세라믹 플레이트의 광학 특성을 비교하기 위해 75 μm, 100 μm 두께로 폴리싱하여 광 변환 효율, 휘도, 색좌표 를 측정하여 광학 특성을 비교 분석하였다.
본 연구에서는, 단분산된 구형의 나노 YAG : Ce 형광체를 합성하고, 이를 이용하여 형광체 세라믹 플레이트를 제작하였다. 또한, 형광체 세라믹 플레이트의 두께 변수가 광학 특성에 미치는 영향을 확인하기 위해 75 μm, 100 μm 두께의 세라믹 플레이트를 제작하여 광학 특성을 비교하였다.
제작한 형광체 세라믹 플레이트는 75 μm, 100 μm 두께로 mirror-polishing하였다.
성능/효과
두께 75 μm 샘플이 100 μm 두께 샘플보다 색온도가 40 K 높게 측정되었으나, 상관 색온도 차이가 미미하여 형광체 세라믹 플레이트의 두께가 상관 색온도에는 크게 영향을 주지 않았음을 확인할 수 있었다.
8 cd/mm2 높게 나타났다. 두께가 두꺼울 때 더 높은 복사속에서 더 높은 휘도를 나타나는 것을 확인하였다.
33-0040과 일치하는 pure YAG phase임을 확인하였으며, 불순물 상은 검출되지 않았다. 따라서, 란탄 족 이온인 Ce +3가 이온은 희토류 이온인 Y +3가 이온 자리에 치환되었으며, YAG 구조에 변화를 일으키지 않고 doping 된 것을 알 수 있다.
광 변환 효율의 총 감소폭은 두께가 75 μm, 100 μm 일 때 각각 41 %, 39 %로 나타나 두께에 영향을 크게 받지 않는 것으로 사료된다. 본 연구를 통해 두께가 형광체 세라믹 플레이트의 두께가 색온도에 크게 영향을 주지 않지만, 두께가 두꺼울수록 열에 의한 영향을 적게 받아 thermal quenching 특성이 개선되며, 이에 따라 휘도와 광 변환 효율 또한 높게 나타남을 확인하였다.
초기 광변환 효율과 비교하여 thermal quenching이 일어날 때 광변환 효율은 두께 75 μm 샘플은 41 % 감소, 두께 100 μm 샘플은 39 % 감소한 것으로 보아 감소폭에는 큰 차이가 없었다.
2(b)는 합성한 YAG : Ce 형광체의 XRD 분석 결과이다. 합성한 파우더는 JCPDS card No. 33-0040과 일치하는 pure YAG phase임을 확인하였으며, 불순물 상은 검출되지 않았다. 따라서, 란탄 족 이온인 Ce +3가 이온은 희토류 이온인 Y +3가 이온 자리에 치환되었으며, YAG 구조에 변화를 일으키지 않고 doping 된 것을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LED란?
LED는 p-n 접합에 순바이어스를 가했을 때 정공과 전 자가 재결합하여 빛을 방출하는 다이오드이다. LED는 저소비전력, 고효율, 긴 수명의 장점을 기반으로 일반조명 뿐 아니라 LCD-TV 백라이트, 차량용 헤드램프 등에 적용되고 있다.
YAG : Ce 형광체가 높은 발광 효율을 나타내는 이유는?
현재 백색 LED를 구현하기 위해 가장 보편적으로 사용되는 방법은 청색 InGaN LED chip과 Y3Al5O12 : Ce3+(YAG : Ce) 황색 형광체를 함께 이용하여 청색광과 파장변환된 황색광이 백색광을 구현하는 방법 이다[1-3]. YAG : Ce 형광체는 란탄족 원소인 Ce +3가 이온의 5d-4f 전자전이 때문에 4f-4f 전자전이를 하는 희토류 이온보다 넓은 범위에 걸쳐 550 nm 중심의 파장스펙트럼이 500~700 nm 영역에서 나타나며, Ce3+ 이온 은 5d-4f 전자 전이가 비교적 잘 되기 때문에 높은 발광 효율을 나타낸다[4]. YAG : Ce은 에폭시 수지와 혼합하여 InGaN LED chip 위에 도포되거나, 형광체 플레이트 형태로 제작하여 InGaN LED chip로부터 이격된 원격 형광체로 이용한다.
형광체 플레이트로 phosphor in glass를 사용할때의 장단점은?
형광체 플레이트로는 phosphor in glass(PiG), 단결정 형광체 플레이트, 다결정 형광체 세라믹 플레이트가 있다 [6, 7]. 기존의 형광체-에폭시 수지를 도포하는 방식과 비교하였을 때, PiG가 비교적 열적 안정성과 광 효율이 더 높게 나타나지만 고출력 LD에 적용하기는 어렵다. 따라서, 저비용, 단순 공정으로도 열적 안정성이 뛰어나 고 기계적 특성이 우수한 고출력 LD용 다결정 형광체 세라믹 플레이트에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
참고문헌 (10)
J.Y. Kim, G.S. Lee, M.A. Park, M.J. Shin, S.N. Yi, M. Yang, H.S. Ahn, Y.M. Yu, S.W. Kim, H.S. Kang, H.S. Jeon and N. Sawaki, "The growth of GaN on the metallic compound graphite substrate by HVPE", J. Korean Cryst. Growth Cryst. Tech. 23 (2013) 213.
S. Nakamura, T. Mukai and M. Senoh, "Candela-class high-brightness InGaN/AlGaN double-heterostructure blue-light-emitting", Appl. Phys. Lett. 64 (1994) 1687.
Y. Narukawa, "White-light LEDs", Opt. Photon. News 15 (2004) 24.
R. Zhang, H. Lin, Y. Yu, D. Chen, J. Xu and Y. Wang, "A new-generation color converter for high-power white LED: transparent $Ce^{3+}$ : YAG phosphor-in-glass", Laser Photonics Rev. 8 (2014) 158.
S. Fujita, S. Yoshihara, A. Sakamoto, S. Yamamoto and S. Tanabe, "YAG glass-ceramic phosphor for white LED (I): background and development", Proc. of SPIE 5941 (2005) 594111-1.
S. Fujita, Y. Umayahara and S. Tanabe, "Influence of light scattering on luminous efficacy in Ce : YAG glassceramic phosphor", J. Ceram. Soc. Jpn. 118 (2010) 128.
C.D. Marshall, J.A. Speth, S.A. Payne and W.F. Krupke, "Ultraviolet laser emission properties of $Ce^{3+}$ -doped $LiSrAlF_6$ and $LiCaAlF_6$ ", J. Opt. Soc. Am. B 11 (1994) 2054.
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