KR20090040450A

KR20090040450A - 발광 디바이스 및 이를 포함하는 시스템

Info

Publication number: KR20090040450A
Application number: KR1020097003907A
Authority: KR
Inventors: 피터 슈미드트; 헨리쿠스 알버투스 마리아 반 할; 잭 보어엔캠프; 요르그 메이어
Original assignee: 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2007-07-10
Publication date: 2009-04-24
Also published as: CN101495424A; RU2009106671A; TW200811078A; EP2049450A1; JP2009544791A; WO2008012712A1

Abstract

본 발명은 YAG 물질 내의 Y 및/또는 Al-사이트들을 대신할 수 있는 적어도 하나의 멀티 사이트 엘리먼트를 포함하는 YAG 기반 세라믹 가닛 물질에 관한 것이다.

YAG 기반 물질, 세라믹 가닛, 발광 디바이스, LED, 2차 상

Description

ＹＡＧ 기반 세라믹 가닛 물질, 발광 디바이스, 방법 및 시스템{YAG-BASED CERAMIC GARNET MATERIAL COMPRISING AT LEAST ONE MULTI-SITE ELEMENT}

본 발명은 세라믹 가닛 물질들(ceramic garnet materials)에 관한 것으로, 특히 발광 디바이스들, 특히 LED들에서 이용되는 이들 물질들에 관한 것이다.

오늘날의 발광 디바이스들, 특히 LED들은, YAG의 우수한 물질 속성으로 인해 Ce(III) 도핑된 YAG 기반 물질들을 상당히 많이 포함하고 있다. 이와 관련하여, 이는 예를 들면, 본원에 참조로 포함되는 US 2003/0078156 A1에 언급되어 있다.

그러나, 특히, 세라믹 및/또는 결정체 형태의 Ce(III) 도핑된 YAG 기반 물질들을 이용하는 발광 디바이스들의 경우, 특히, YAG 내에서의 2차 상(secondary phases), 특히 YAG(페로브스카이트)-상이 존재하지 않도록 그 물질 조성을 정확하게 유지하여야 하기 때문에, 이들 YAG-세라믹의 제조는 종종 어려움에 직면하고 있는 것으로 관찰되었다.

알루미나-산화이트륨(alumina-yttria) 시스템에서의 상 관계는, 예를 들어 J.S.Abell, I.R.Harris, B.Cockayne 및 B.Lent의 J.Mate.Sci, 9(1974) 527에 공지되어 있다. 고체 상태에서, Y₃Al₅O₁₂(YAG)는, 이상적인 화학양론으로부터 벗어날 경 우, 다결정 가닛 YAG 물질들 내에 형성되는 이웃 상들(neighboring phases)로서, 알루미나, Al₂O₃, 혹은 YAP, YAlO₃ 와 함께 비고용 화합물(line compound)로서 결정화된다.

M.M.Kuklja 및 R.Pandey, J.Am.Ceram.Soc.82(1999)2881로부터, 진성 안티-사이트 디스오더(intrinsic anti-site disorder)는, 이상적인 화학양론으로부터 벗어난 것, 즉 Y₃Al₅O₁₂(YAG) 가닛 화합물 내의 Y₂O₃ 혹은 Al₂O₃의 과도량을 조절하는 우세한 메카니즘인 것으로 알려져 있다. 8면체 알루미늄 사이트들(octahedral aluminum sites)에서 이트륨을 포함하는 것이 12면체 이트륨 사이트들(dodecahedral yttrium sites)에서 알루미늄을 포함하는 것보다 강력하게 보다 유리하기 때문에, 이러한 안티-사이트 디스오더는, 특히 산화이트륨 과도를 나타내는 조성의 경우 비고용 화합물 화학양론체를 둘러싸는 단일 상 존재 영역(single phase existence area)의 확장을 초래할 수 있다.

그러나, 특히 Ce(III) 도핑된 YAG-세라믹의 공업 생산면에서, 제조 공정 동안의 계량 오차(weighing errors) 혹은 변동으로 인해 올바른 조성을 정확하게 유지하는 것은 종종 불가능하다.

본 발명의 목적은, 특히 다양한 응용에서 더 큰 제조 허용오차를 허용하는, 개선된 속성을 갖는 YAG 기반 세라믹 가닛 물질을 제공하는 것이다.

이 목적은, 본 발명의 청구항 1에 따른 YAG 기반 세라믹 가닛 물질 및/또는 본 출원의 청구항 9에 따른 방법에 의해 달성된다. 이에 따라, YAG 기반 세라믹 가닛 물질 내부의 8면체 및/또는 12면체 배위 양이온 격자 사이트들을 차지할 수 있는 적어도 하나의 멀티 사이트 엘리먼트(multi-site element)를 포함하는 YAG 기반 세라믹 가닛 물질이 제공된다.

놀랍게도, 이러한 YAG 기반 세라믹 가닛 물질을 이용함으로써, 본 발명에서의 대부분의 응용에서 YAG 기반 세라믹의 특성에 영향을 미치지 않고 제조 허용오차가 크게 향상될 수 있음을 알아내었다. 일부 응용에서는, 심지어는 YAG 기반 세라믹 가닛 물질의 특성들이 개선될 수도 있다. 소정의 이론으로 결정된 것은 아니지만, 본 발명자들은 적어도 하나의 멀티 사이트 엘리먼트가, 다른 이온들, 특히 YAG 물질 내의 Y 및/또는 Al 이온들에 대한 개체 틀(placeholder)로서 기능하는 능력은, YAG 물질의 처리 윈도우를 확장시키는 것을 돕는다는 것을 믿고 있다.

"YAG 기반"이라는 용어는 특히, M^I가 Mg, Ca, Y, Na, Sr, Gd, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Dy, Tb, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 혹은 그 혼합물들의 그룹으로부터 선택되고, M^II가 Al, Ga, Mg, Zn, Y, Ge, Sc, Zr, Ti, Hf, Lu 혹은 그 혼합물들의 그룹으로부터 선택되고, M^III가 Al, Si, B, Ge, Ga, V, As, Zn 혹은 그 혼합물들의 그룹으로부터 선택되고, X가 O, S, N, F, Cl, Br, I, OH 및 그 혼합물들의 그룹으로부터 선택되고 M^IIX₆ 8면체 및 M^IIIX₄ 4면체(각 8면체는 꼭지점을 공유하는 4면체를 통해 다른 6개에 결합됨)로 구성된 물질 M^I ₃M^II ₂(M^IIIX₄)₃을 주 성분으로서 포함하는 물질을 의미 및/또는 포함한다. 각 4면체는 그 꼭지점들을 네 개의 8면체와 공유하여서, 그 프레임워크의 조성이 (M^IIX₃)₂(M^IIIX₂)₃이 된다. 더 큰 이온들 M^I는, 그 프레임워크의 틈(interstices) 내의 8 배위(12면체)의 포지션들을 차지하여서, 최종 조성 M^I ₃M^II ₂M^III ₃X₁₂ 혹은 M^I ₃M^II ₂(M^IIIX₄)₃을 제공하게 된다.

"주 성분"이라는 용어는 특히, YAG 기반 세라믹 가닛 물질의 95% 이상, 바람직하게는 97% 이상, 가장 바람직하게는 99% 이상(적어도 하나의 멀티 사이트 엘리먼트 및 가능한 첨가된 도펀트 물질이 없음)이 이 물질로 구성됨을 의미한다.

본 발명에서의 일부 가닛 물질들에서는, M^II 및 M^III 포지션들이 동일한 엘리먼트의 원자들에 의해 적어도 부분적으로 점유됨에 유의하여야 한다.

YAG 기반 세라믹 물질은, Lu, Pr, Sm, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, La, Ce 혹은 그 혼합물들의 그룹에서 선택되는 물질로 도핑될 수 있음에 유의하여야 한다.

본 발명의 관점에서 "YAG 기반 세라믹 가닛 물질"이라는 용어는 또한, 특히 세라믹 처리 동안 첨가될 수 있는 첨가제들과, 전술한 바와 같은 물질의 혼합물을 의미 및/또는 포함한다. 이들 첨가제들은, 최종 물질 내에 완전히 혹은 부분적으로 포함될 수 있으며, 이는 그 후 또한 몇몇 화학적으로 서로 다른 종들의 합성물이 될 수 있으며 특히 본 기술 분야에 공지되어 있는 이러한 종들을 용매제로서 포함할 수 있다. 적절한 용매제들에는 알칼리토류(alkaline earth)-, 혹은 알칼리성 금속 산화물 및 할로겐화물, 붕산염, SiO₂ 등이 포함된다.

본 발명의 관점에서 "세라믹 물질"이라는 용어는 특히, 제어된 양의 구멍들을 갖거나 혹은 구멍이 없는 결정질 혹은 다결정질 압축 물질 혹은 합성 물질을 의미 및/또는 포함한다.

본 발명의 관점에서 "다결정질 물질"이라는 용어는 특히, 80%를 초과하는 단결정 도메인들(각 도메인은 직경이 0.5㎛보다 큼)로 구성된, 주 성분의 90%보다 큰 체적 밀도를 갖는 물질을 의미 및/또는 포함하며 이는 서로 다른 결정학적 방위들(crystallographic orientations)을 가질 수도 있다. 이 단결정 도메인들은, 비결정질 혹은 유리 물질(glassy material)에 의해, 혹은 추가적인 결정질 성분에 의해 연결되어 있을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 멀티 사이트 엘리먼트의 6중 배위(six fold coordination)에 대한 이온 반경은 70pm 이상 104pm 이하이고/이거나 적어도 하나의 멀티 사이트 엘리먼트의 8중 배위에 대한 이온 반경은 85pm 이상 116pm 이하이다. 이는 본 발명 내의 많은 응용들에서 가장 효과적인 것으로 나타났다.

몇몇 서로 다른 멀티 사이트 엘리먼트들이 존재하는 경우, 모든 멀티 사이트 엘리먼트들이 전술한 바와 같은 이온 반경을 갖는 것이 특히 바람직하며, 이는 본 발명 내의 다른 모든 실시예들에 대해서도 필요한 변경을 가하도록 적용됨에 유의하여야 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 멀티 사이트 엘리먼트의 6중 배위에 대한 이온 반경은 75pm 이상 104pm 이하이며, 보다 바람직하게는 88pm 이상 102pm 이하이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 멀티 사이트 엘리먼트의 8중 배위에 대한 이온 반경은 90pm 이상 114pm 이하이며, 보다 바람직하게는 92pm 이상 112pm 이하이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 멀티 사이트 엘리먼트의 농도는, YAG 기반 가닛 구조에 대하여 0.5mol% 이상 5mol% 이하이다. 이는, 본 발명 내에서의 다양한 응용에서 YAG 물질의 특성을 퇴화시키지 않고 가장 넓은 처리 윈도우를 얻기 위한 가장 적절한 범위인 것으로 나타났다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 멀티 사이트 엘리먼트의 농도는, 화학식 단위(formula unit)의 양이온들의 합에 대해, 0.1 atom% 이상 0.7 atom% 이하이며, 바람직하게는 0.2 atom% 이상 0.4 atom% 이하이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 세라믹 가닛 물질 내에서 (Y, Lu, Gd, Pr, Sm, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, La, Ce, Ca)의 합과 (Al, B, Si, Mg, Ge, Zr, Hf, Ga, Sc)의 합의 비율은 0.590 이상 0.610 이하이다. 이렇게 함으로써, 다양한 응용에서, 가장 적절한 YAG-세라믹 물질들이 얻어질 수 있다. 바람직하게는, 세라믹 가닛 물질 내에서 (Y, Lu, Gd, Pr, Sm, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, La, Ce, Ca)의 합과 (Al, B, Si, Mg, Ge, Zr, Hf)의 합의 비율은 0.593 이상 0.607 이하이며, 보다 바람직하게는, 0.595 이상 0.605 이하이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, YAG 기반 세라믹 가닛 물질 내의 가능한 2차 상(들)에 대한 메인 상(main phase)의 비는 10:1 이상이며, 바람직하게는 20:1 이상이며, 가장 바람직하게는 40:1 이상이다.

본 발명의 관점에서, "2차 상"이라는 용어는 특히, 서로 다른 화학적 조성 및/또는 결정 구조를 나타내는 최종 혼합물의 부 성분(minor constituent)을 의미 및/또는 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 멀티 사이트 엘리먼트는 Sc, Ga, Yb, Lu, Mg 및 그 혼합물들을 포함하는 그룹에서 선택된다. 이들 물질들 자체는 실제로 많은 응용에서 이용되는 것으로 판명되었다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 10W/cm²의 광 전력 밀도 및 2.75eV의 평균 광자 에너지를 이용하여 200℃에서 1000시간 동안 세라믹 물질을 노출시킨 후의 Ce(III) 도핑된 YAG 기반 세라믹 가닛 물질의 광열 안정성(photothermal stability)은 80% 이상 100% 이하이다.

본 발명의 관점에서 "광열 안정성"이라는 용어는 특히, 열과 높은 강도의 여기를 동시 적용시킨 상태 하에서의 발광 강도의 유지를 의미 및/또는 포함하는데, 즉 100%의 광열 안정성은, 그 물질이, 조사(irradiation) 및 가열의 동시 적용에 의한 영향을 사실상 받지 않음을 가리킨다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 10W/cm²의 광 전력 밀도 및 2.75eV의 평균 광자 에너지를 이용하여 200℃에서 1000시간 동안 세라믹 물질을 노출시킨 후의 Ce(III) 도핑된 YAG 기반 세라믹 가닛 물질의 광열 안정성은 82.5% 이상 95% 이하이며, 바람직하게는 85% 이상 97% 이하이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, YAG 기반 세라믹 가닛 물질의 열 전도성은 0.07Wcm^-1K^-1 이상 0.15Wcm^-1K^-1 이하이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, Ce(III) 도핑된 YAG_[ _PS1 _] 기반 세라믹 가닛 물질의 양자 수득률(quantum yield)은 90% 이상 99% 이하이다.

본 발명의 관점에서 "양자 수득율"이라는 용어는 특히, 흡수되는 광자 수에 대한 방출되는 광자 수의 비를 의미 및/또는 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, YAG 기반 세라믹 가닛 물질의 양자 수득률은 93% 이상 99% 이하이며, 바람직하게는 95% 이상 98% 이하이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, YAG 기반 세라믹 가닛 물질은, 550nm 이상 1000nm 이하의 범위의 파장의 광의 경우 10% 이상 85% 이하의 공기중의 수직 입사의 투과도를 나타낸다.

바람직하게는, 수직 입사에 대한 투과도는 공기중에서, 550nm 이상 1000nm 이하의 범위의 파장의 광의 경우 20% 이상 80% 이하이며, 보다 바람직하게는 550nm 이상 1000nm 이하의 범위의 파장의 광의 경우 30% 이상 75% 이하이며, 가장 바람직하게는 40% 초과 70% 미만이다.

본 발명의 관점에서 "투과도"라는 용어는 특히, 그 물질에 의해 흡수될 수 없는 파장의 입사 광의 10% 이상, 바람직하게는 20% 이상, 보다 바람직하게는 30% 이상, 가장 바람직하게는 40% 이상 85% 이하가 공기 중에서의 수직 입사에 대해 (임의의 각도로) 샘플을 투과하는 것을 의미한다. 이 파장은 550nm 이상 1000nm 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, YAG 기반 세라믹 가닛 물질은 화학양론적 가닛 구조의 이론적 밀도의 95% 이상 101% 이하의 밀도를 갖는다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, YAG 기반 세라믹 가닛 물질은 이론적 밀도의 97% 이상 100% 이하의 밀도를 갖는다.

본 발명의 전술한 바람직한 실시예에 따른 100% 미만의 밀도는, 세라믹 매트릭스 내에 여전히 구멍들이 존재하는 스테이지에 대해 세라믹을 소결함으로써 얻어지는 것이 바람직하다. 세라믹 매트릭스에서 0.2% 이상 2% 이하의 범위의 전체 구멍 볼륨을 갖게 되는, 98.0% 이상 99.8% 이하의 범위의 밀도가 가장 바람직하다. 바람직한 평균 구멍 직경은 400nm 이상 1500nm 이하이다.

본 발명은 또한, 소결 단계를 포함하는, 본 발명에 따른 YAG 기반 세라믹 가닛 물질을 생성하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 의미에서 "소결 단계"라는 용어는 특히, 소결된 물질의 주 성분의 액체 상태에 도달하지 않고, 단축(uniaxial) 혹은 등방압 압착(isostatic pressure)의 적용에 의해 결합될 수 있는, 열의 영향 하에서의 전구체 분말(precursor powder)의 밀도를 높이는 단계를 의미한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 소결 단계는, 바람직하게는 환원 혹은 비활성 분위기에서 무가압(pressureless)으로 행해진다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 방법은, 소결 전에 그 이론상 밀도의 50% 이상 70% 이하, 바람직하게는 55% 이상 65% 이하로 세라믹 가닛 전구체 물질을 프레싱(pressing)하는 단계를 더 포함한다. 실제로, 이것이, 본 발명에서 전술한 바와 같이 대부분의 YAG 기반 세라믹 가닛 물질들에 대한 소결 단계들을 개선시켜주는 것으로 나타났다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따라 YAG 기반 세라믹 가닛 물질을 생성하는 방법은 이하의 단계들을 따른다:

(a) YAG 기반 세라믹 가닛 물질에 대한 전구체 물질의 혼합 단계,

(b) 휘발성 물질(예를 들면 탄산염이 이용되는 경우 CO₂)을 제거하기 위해 바람직하게는 1300℃ 이상 1700℃ 이하의 온도에서 전구체 물질들을 선택적으로 파이어링(firing)하는 단계,

(c) 선택적 그라인딩 및 세척 단계,

(d) 제1 프레싱 단계, 바람직하게는, 원하는 형상(예를 들면, 막대 형상 혹은 작은 알 형상)의 몰드를 갖는 적절한 분말 압축 툴을 이용하는 단축 프레싱 단계 및/또는 바람직하게는 3000 bar 이상 5000 bar 이하에서의 저온 등방압 프레싱 단계,

(e) 10^-7 mbar 이상 10⁴ mbar 이하의 압력에서의 비활성의 환원 혹은 약간의 산화 분위기에서의 1500℃ 이상 2200℃ 이하의 소결 단계,

(f) 바람직하게는 30 bar 이상 2500 bar 이하에서 바람직하게는 1500℃ 이상 2000℃ 이하의 온도에서의 선택적인 고온 프레싱 단계, 바람직하게는 고온 등방압 프레싱 단계 및/또는 바람직하게는 100 bar 이상 2500 bar 이하에서 바람직하게는 1500℃ 이상 2000℃ 이하의 온도에서의 고온 단축 프레싱 단계, 및

(g) 비활성 분위기 혹은 산소 함유 분위기에서 1000℃ 초과 1700℃ 미만에서의 선택적인 포스트 어닐링(post annealing) 단계.

본 방법에 따르면, 가장 원하는 물질 조성을 위해, 이 제조 방법은 본 발명에서 사용되는 가장 양호한 YAG 기반 세라믹 가닛 물질들을 생성하였다.

본 발명은 또한, 본 발명의 YAG 기반 세라믹 가닛 물질을 포함하는 발광 디바이스, 특히 LED에 관한 것이다.

본 발명에 따른 YAG 기반 세라믹 가닛 물질, 본 발명에 따른 YAG 기반 세라믹 가닛 물질을 포함하는 발광 디바이스 및/또는 본 방법에 의해 생성된 YAG 기반 세라믹 가닛 물질은, 이하의 것 중 하나 이상을 포함하는 광범위한 다양한 시스템들 및/또는 응용장치들에서 이용될 수 있다:

- 사무실 조명 시스템들,

- 가정용 응용 시스템들,

- 점포 조명 시스템들,

- 집 조명 시스템들,

- 액센트 조명 시스템들,

- 스폿(spot) 조명 시스템들,

- 극장 조명 시스템들,

- 광섬유 응용 시스템들

- 투사 시스템들,

- 자가 조명(self-lit) 디스플레이 시스템들,

- 화소처리된 디스플레이 시스템들,

- 구획된 디스플레이 시스템들,

- 경고 표시 시스템들,

- 의학 조명 응용 시스템들,

- 지시자 표시 시스템들

- 장식용 조명 시스템들,

- 휴대용 시스템들,

- 자동차 응용장치들,

- 온실 조명 시스템들,

- 윈도우 재료 및 윈도우 응용장치들,

- 특히 가닛 호스트 격자를 갖는 다결정 레이저 물질에 대한 레이저 응용 시스템들,

- 특히 HID 램프들을 위한 발광 디바이스 하우징들, 및

- 높은 굴절율을 갖는 광학적 렌즈들 또는 엘리먼트들.

전술한 구성요소들 뿐만 아니라, 개시된 실시예들에서의 본 발명에 따라 이용될 구성요소들 및 특허청구되는 구성요소들은, 그들의 사이즈, 형상, 물질 선택사항 및 기술적 개념에 대한 어떠한 특수한 예외도 가지지 않으며, 이에 따라 관련 분야에 공지되어 있는 그 선택 기준이 제한없이 적용될 수 있다.

본 발명의 목적에 대한 추가적인 상세사항들, 특성들, 특징들 및 이점들은 종속 청구항들에 개시되어 있으며, 각 특성들 및 예들의 특성들 및 이어지는 설명(예시적인 형태임)은, 본 발명에 따른 YAG 기반 세라믹 가닛 물질의 몇몇 실시예들 및 예들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 예 I에 따른 YAG 기반 세라믹 가닛 물질의 미세 구조를 나타낸 도면.

도 2는 본 발명의 예 II에 따른 YAG 기반 세라믹 가닛 물질의 미세 구조를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 예 III에 따른 YAG 기반 세라믹 가닛 물질의 미세 구조를 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 예 IV에 따른 YAG 기반 세라믹 가닛 물질의 미세 구조를 나타낸 도면.

도 5는 비교 예 I에 따른 YAG 세라믹 가닛 물질의 미세 구조를 나타낸 도면.

도 6은 비교 예 II에 따른 YAG 세라믹 가닛 물질의 미세 구조를 나타낸 도면.

도 7은 비교 예 III에 따른 YAG 세라믹 가닛 물질의 미세 구조를 나타낸 도면.

도 8은 비교 예 IV에 따른 YAG 세라믹 가닛 물질의 미세 구조를 나타낸 도면.

예 I 내지 IV

본 발명은, 독창적인 YAG 기반 세라믹 가닛 물질들의 4개의 예인 예 I 내지 IV(이는 단시 예시적인 형태임)로부터 더욱 잘 이해될 것이다.

이 가닛 물질들은 이하의 방식으로 제조되었다:

우선, Y₂O₃(99.99%, 로디아(Rhodia)), Gd₂O₃(99.99%, 로디아), Sc₂O₃(99.9%), Al₂O₃(99.99%, 베이코우스키(Baikowski)) 및 CeO₂(＞99%, 로디아)의 적절한 분말 양이 계량되었으며, 가수분해된 테트라에톡시실란(hydrolyzed tetraethoxysilane)으로서 첨가된 1000 ppm 실리카를 갖는 이소프로판올 내의 고밀도 알루미나 밀링 매질을 이용한 밀링이 수행되었다. 그 후, 좀 더 굵은 입자들을 제거하기 위해 세라믹 현탁액이 체질되었으며(sieved), 폴리비닐부티랄 기반 바인더 시스템(polyvinylbutyral based binder system)의 첨가 후에 건조되었다. 그 후 분말 혼합물은 그레뉼레이팅되었으며(granulated), 저온 등방압 프레싱(cold isostatic pressing)에 의해 세라믹 그린 바디들(ceramic green bodies)이 형성되었다. 대기(air atmosphere) 중에서 그 바인더를 제거한 후, 세라믹 그린 바디들이 H₂/N₂(5%/95%) 분위기에서 1600-1750℃ 범위의 온도에서 소결된다. 가공 후에, 세라믹 부분들이 대기 중에서 1200℃-1400℃에서 포스트 어닐링되었다.

표 1은 이러한 네 개의 독창적인 예 I 내지 IV의 물질 조성을 나타낸다.

예 I 내지 IV의 조성

독창적 예	금속 비	소결 후의 상대적 밀도(rel.density)
I	(Y0.9Gd0.1)2.994 Ce0.006 Al4.96 Sc0.02	100.00%
II	(Y0.9Gd0.1)2.994 Ce0.006 Al4.98 Sc0.02	99.89%
III	(Y0.9Gd0.1)2.994 Ce0.006 Al5.00 Sc0.02	99.96%
IV	(Y0.9Gd0.1)2.994 Ce0.006 Al5.02 Sc0.02	100.00%

멀티 사이트 양이온 Sc의 양은 화학양론적 가닛 조성의 화학식 단위(formula unit)의 양이온들의 합에 대해 0.25%로서 선택되었다.

"상대 밀도(rel. density)"란 용어는, 두 개의 가장 밀도가 높은 세라믹들(이들은 동일한 밀도를 가짐)이 100%의 상대 밀도를 가지도록 임의대로 설정되었음을 의미한다. 모든 세라믹들은 본질적으로 동일한 밀도를 가짐을 알 수 있다.

비교 예 I 내지 IV

상기 독창적인 예들과 함께, 또한 네 개의 비교 예들이, 적어도 하나의 멀티 사이트 원소가 없는 것(즉, Sc가 없음)만을 제외하고는, 전술한 바와 동일하게 제조되었다.

표 2는 상기 네 개의 독창적인 예들 I 내지 IV의 물질 조성을 나타낸다.

세라믹 YAG:Ce 샘플들의 조성

비교 예	금속 비	소결 후의 상대 밀도
I	(Y0.9Gd0.1)2.994 Ce0.006 Al4.96	100.00%
II	(Y0.9Gd0.1)2.994 Ce0.006 Al4.98	98.92%
III	(Y0.9Gd0.1)2.994 Ce0.006 Al5.00	99.94%
IV	(Y0.9Gd0.1)2.994 Ce0.006 Al5.02	99.55%

"상대 밀도"라는 용어는 여기서도 또한, 가장 밀도가 높은 세라믹이 100%의 상대 밀도를 가지도록 임의대로 설정되었음을 의미한다. 밀도의 편차는 표 1에서보다 약간 더 커서, 광학적 속성들, 예를 들면 산란에 있어서 큰 산란이 관찰될 수 있음을 알 수 있다.

도 1 내지 도 8은 독창적 예 I 내지 IV(각각 도 1 내지 도 4) 및 비교 예 I 내지 IV(각각 도 5 내지 도 8)의 미세 구조(SEM 현미경 사진)를 나타낸다.

모든 독창적인 예들은 2차 상이 관찰되지 않는 균일한 구조를 나타내며, 반면에 모든 비교 예들에서는 2차 상들이 존재함을 알 수 있다.

간략하게 얘기하면, 가장 좋은 비교 예는, 초기 물질 혼합에서 Al 성분이 약간 낮았기는 하지만 예 II임에 주목해야 한다. 알루미나를 이용한 밀링에 의해, 미세한 연마가 발생되어서, Al 성분이 약간 증가하게 된다.

예 III 및 IV는, 세라믹의 산란 센터로서 기능하는 양쪽 알루미나 2차 상 그레인들(스캐닝 전자 현미경 상에서는 흑색 그레인들로 보임)을 나타낸다.

그러나, 비교 예 II는, 남아 있는 내부 구멍(porosity)으로 인해 가장 낮은 밀도가 낮은 세라믹임이 분명하다. 다양한 응용에서, 소결 조제(sintering aid)로서 기능하는 공융 2차 상이 없을 가능성이 높기 때문에, 적어도 하나의 멀티 사이트 원소 없이는, 정확한 조성을 갖는 물질들이 종종 소결되기에 가장 강한 어려운 물질들임이 관찰되어 왔다. 적어도 하나의 멀티 사이트 엘리먼트가 추가되는 경우, 이는 극복될 수 있으며; 모든 독창적인 예들은 우수한 소결 속성을 나타냈다.

전술한 상세한 실시예들에서의 엘리먼트들 및 특성들의 특정 조합들은 단지 예시적인 것이며; 이들 개시물을, 여기서 참조로 본원에 포함되는 특허들/출원들 내의 다른 개시물들과 상호교환하고 이것으로 대체하는 것도 또한 명확히 심사숙고될 수 있다. 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있는 바와 같이, 본원에 개시된 것에 대한 변형, 수정, 및 그 밖의 다른 구현을, 특허청구된 본 발명의 정신 및 범주로부터 벗어나지 않고 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진자가 행할 수 있다. 따라서, 전술한 설명은 단지 예시용이며 제한을 의도한 것은 아니다. 본 발명의 범주는 이하의 특허청구범위 및 그 등가물에서 정의된다. 또한, 상세한 설명 및 특허청구범위에서 이용되는 참조 부호는, 특허청구되는 본 발명의 범주를 제한하는 것은 아니다.

Claims

YAG 기반 세라믹 가닛 물질(YAG-based ceramic garnet material)로서, 상기 YAG 기반 세라믹 가닛 물질 내부의 8면체(octahedral) 및/또는 12면체(dodecahedral) 사이트들을 차지할 수 있는 적어도 하나의 멀티 사이트 엘리먼트(multi-site element)를 포함하는 YAG 기반 세라믹 가닛 물질.
제1항에 있어서,

Ce(III) 도핑된 YAG 기반 세라믹 가닛 물질 내에 포함되는 6중 배위 양이온 격자 사이트(six fold coordinated cation lattice site) 상의 상기 적어도 하나의 멀티 사이트 엘리먼트의 이온 반경은 70pm 이상 104pm 이하인, YAG 기반 세라믹 가닛 물질.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 적어도 하나의 멀티 사이트 엘리먼트의 농도는, 가닛 구조의 양이온들의 합의 0.1 atom% 이상 0.7 atom% 이하인, YAG 기반 세라믹 가닛 물질.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 세라믹 가닛 물질 내에서의 (Y, Lu, Gd, Pr, Sm, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, La, Ce, Ca)의 합과 (Sc, Ga, Al, B, Mg, Si, Ge, Zr, Hf)의 합의 비 율(quotient)은 0.590 이상 0.610 이하인, YAG 기반 세라믹 가닛 물질.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 YAG 기반 세라믹 가닛 물질 내에서의 가능성있는 2차 상(secondary phase)(들)에 대한 메인 상(main phase)의 비는 10:1 이상인, YAG 기반 세라믹 가닛 물질.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 멀티 사이트 엘리먼트는, Sc, Ga, Yb, Lu, Mg 및 그 혼합물들을 포함하는 그룹에서 선택되는, YAG 기반 세라믹 가닛 물질.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

10W/cm²의 광 전력 밀도 및 2.75eV의 평균 광자 에너지를 이용하여 200℃에서 1000시간 동안 상기 세라믹 물질을 노출시킨 후의 상기 YAG 기반 세라믹 가닛 물질의 광열 안정성(photothermal stability)은 80% 이상 100% 이하인, YAG 기반 세라믹 가닛 물질.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 YAG 기반 세라믹 가닛 물질을 포함하는 특히 LED인 발광 디바이스.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 발광 디바이스를 위한 YAG 기반 세라믹 가닛 물질을 생성하는 방법으로서, 소결 단계를 포함하는 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 YAG 기반 세라믹 가닛 물질, 제8항에 따른 발광 디바이스 및/또는 제9항의 방법에 따라 생성된 YAG 기반 세라믹 가닛 물질을 포함하는 시스템으로서, 상기 시스템은,

사무실 조명 시스템들,

가정용 응용 시스템들,

점포 조명 시스템들,

집 조명 시스템들,

액센트 조명 시스템들,

스폿(spot) 조명 시스템들,

극장 조명 시스템들,

광섬유 응용 시스템들

투사 시스템들,

자가 조명(self-lit) 디스플레이 시스템들,

화소처리된 디스플레이 시스템들,

구획된 디스플레이 시스템들,

경고 표시 시스템들,

의학 조명 응용 시스템들,

지시자 표시 시스템들

장식용 조명 시스템들,

휴대용 시스템들,

자동차 응용장치들,

온실 조명 시스템들,

윈도우 재료 및 윈도우 응용장치들,

특히 가닛 호스트 격자를 갖는 다결정 레이저 물질에 대한 레이저 응용 시스템들,

특히 HID 램프들을 위한 발광 디바이스 하우징들, 및

높은 굴절율을 갖는 광학적 렌즈들 또는 엘리먼트들

중 하나 이상의 응용에서 이용되는 시스템.