JP4425977B1 - 窒化物赤色蛍光体及びこれを利用する白色発光ダイオード - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、窒化物赤色蛍光体及びこれを利用する白色LEDに関する。蛍光体量の構成を容易に制御することができ、均一性及び再現性を向上させることのできる新規の窒化物赤色蛍光体、及びその製造方法、高い演色性と高い発光効率を有する白色LED、及びこれを利用する白色LEDパッケージを提供する。
【解決手段】本発明は、下記[式1]で表される窒化物赤色蛍光体を提供する。
[式1]
Ba2−xReAlSi5−y
(式中、モル比は0.0001≦x≦1.0及び0.001≦y≦5.0の値を有し、Reは希土類元素、または、遷移金属元素から選択される少なくとも1つ以上の元素である。)
本発明の白色LEDは、高い演色性と発光効率を有するので、高い演色性を要求する照明応用に使用することができ、関連技術、即ち、LED作製技術及び蛍光体の作製技術などの関連産業の活性化に多大に寄与することができる。
【選択図】図10

Description

本発明は、窒化物赤色蛍光体及びこれを利用する白色発光ダイオードに関する。より詳細には、蛍光体量の構成を容易に制御することができ、均一性及び再現性を向上させることのできる新規の窒化物赤色蛍光体、その製造方法、前記窒化物赤色蛍光体を光源として利用することによって、高い演色性と高い発光効率を有する新しい白色発光ダイオード、及びこれを利用する白色発光ダイオードパッケージに関する。
発光ダイオード(以下、発光ダイオードをLEDと略記する)を照明に応用するための努力は、1990年代の末から始まった。2006年、照明用の蛍光体の世界市場は、略20億ドルの規模に達し、LED照明市場は毎年20%以上の成長が予想され、2012年の世界市場の規模は、100億ドル以上の成長が予測されている。LEDは、既存の照明器具に比べて高い信頼性を有し、寿命が長いのでメンテナンス費用が少なく、かつ消耗電力が少ないのでエネルギー節減にも大きく寄与する。また、デザインの流動性と発熱性が低いので照明としての多様な使用条件を具有している。
最初のGaN系LEDである緑色、青色LEDの技術成果によって光の三原色である赤色、緑色、青色をすべてLEDから得ることができた。その後、持続的な技術開発によって青色LEDにYAG系蛍光体を利用する白色LEDを生産し、紫外線LEDに赤色、緑色、青色蛍光体を利用する技術開発が進行中である。
現在、白色LEDは、携帯電話のディスプレイバックライト光源、カメラが装着された携帯電話のフラッシュ光源、LCDモニターのバックライト光源などに使用されている。さらに、エネルギー価格の急騰によって従来の白熱灯及び蛍光灯などを代替するための新しい照明灯器具に対する技術開発も進行されている。
白色LEDは、効率の面において白熱灯の数倍、蛍光灯と略同様の水準であり、寿命は蛍光灯の10倍、白熱灯の20倍以上であって、現在の技術水準によってもLED照明器具は、既存の照明器具に比べて80%以上のエネルギー節減の効果があるので、確実な次世代照明器具として注目を集めている。現在のところ未だ高価であるため、一般的普及化には多少の時間を必要としているが、現在のような高エネルギー価時代における本発明技術の適用は、莫大なエネルギーの節約を期することができるため、早晩新しい照明市場への普及が拡大されることが確実と予想される。
現在、半導体光源を利用して照明灯を製造する方法としては、青色LEDにYAG系のオレンジ色蛍光体を利用する白色LEDがある。
また、近紫外線、または、紫色LEDに赤色、緑色、青色蛍光体、または、黄赤色蛍光体を組合せて演色指数(CRI)を改善した白色LEDがある。
その他、赤色、緑色のLEDを組合せて利用する白色LEDなどがある。
しかし、青色LEDにYAG系蛍光体を利用する白色LEDは、低い演色性を有し、ストークス遷移(Stokes shift)による光効率の限界性及び温度効果に弱い面があるのでこれに対する改善が要求されている。
青色LEDにYAG系蛍光体を利用する白色LEDは、青色と黄色の2つの波長を利用するので低い演色性を有する。
図1は、従来技術による白色LEDの波長スペクトルの分布図である。
即ち、図1は、青色LED及びYAG系蛍光体として作製された白色LEDの波長スペクトルを示している。
図1を参照するとき、青と緑との間の波長領域において発光強度(Intensity)が急に低下する領域が存在するので、演色指数(Ra:Color Rendering Index)が低いことを確認することができる。
図2は、従来技術による白色LEDのCIEチャートである。
図2において、B−LEDは、青色LEDを示し、Y−phosphorは一部の青色がYAG系蛍光体によって波長が変換された黄色を示す。白色光はB−LEDとY−phosphorの連結線に沿って動き、Wで表記した。
図2を参照するとき、青色及び黄色の2つの波長からなっているので赤色の成分が足りないため、演色性が60〜75程度で低く、一般室内照明に使用するためには適合ではない。
上述のように、白色LEDの作製方法として広く知られているYAG蛍光体を利用して白色光を得る方法は、蛍光体の低い効率と赤色成分の少ないことで演色性が低く、作製する時にエポキシと蛍光体の混合比率の均一性及び再現性など、作製技術において多くの困難性を伴う。
赤色、緑色、青色のLED3つを利用する白色LEDは、光損失がないので最も高い発光効率を発揮するが、正確な白色を具現するためには、駆動ドライバーの正確な制御が必要である。また、製品が大型であり3つのLEDの温度特性が互に異なるので、製品の光学的特性及び信頼性に影響を及ぼすことがある。
前記のような従来技術の問題点を解決するための本発明の目的は、YAG蛍光体の使用なしにLEDから放出される光を利用して窒化物蛍光体を励起させた後に放出する赤色光を利用することによって、蛍光体量の構成を容易に制御することができ、均一性及び再現性を向上させることのできる新規の窒化物赤色蛍光体を提供することにある。
本発明のまたの目的は、一般ガス雰囲気NPS(Normal Pressure Sintering)で製造し、粉砕を必要としないので大量生産に適する前記窒化物赤色蛍光体の製造方法を提供することにある。
本発明のまた他の目的は、前記窒化物赤色蛍光体を光源に利用することによって、高い演色性と発光効率、及び優秀な熱的安定性と化学的耐性を有する新しい白色LEDを提供することにある。
本発明のまた他の目的は、前記窒化物赤色蛍光体を光源に利用する新しい白色LEDを発光部として包含することによって、高い演色性と発光効率を有する新しい白色LEDパッケージを提供することにある。
前記の目的を達成するために、本発明は下記[式1]で表される窒化物赤色蛍光体を提供する。
[式1]
Ba2−xReAlSi5−y
(式中、モル比は0.0001≦x≦1.0及び0.001≦y≦0.5の値を有し、ReはCe、Pr、Eu、Tb、Yb、Er及びMnからなる群から選択され少なくとも1つ以上の元素である。)
前記窒化物赤色蛍光体は、希土類元素によって活性化されることができる。
前記窒化物赤色蛍光体の励起波長は、300〜500nmであり、放出波長は500〜800nmであることが好ましい。
前記目的を達成するための本発明は、乾燥させた前駆物質の混合物を500〜900℃の温度及び常圧のガス雰囲気条件下で1次熱処理した後、1400〜1800℃温度及び常圧のガス雰囲気条件下で2次焼結する段階を包含する前記窒化物赤色蛍光体の製造方法を提供する。
前記窒化物赤色蛍光体の製造方法において、前記ガスは、窒素ガス、アルゴンガス、水素と窒素の混合ガス、または、一酸化炭素と二酸化炭素の混合ガスであることが好ましい。
前記目的を達成するための本発明は、前記窒化物赤色蛍光体を300〜500nm波長のLEDの光源によって励起させて500〜800nm帯域の放出波を発生させ、これを利用して白色光を形成する白色LEDを提供する。
前記白色LEDにおいて、前記LED光源の主波長は、390〜480nmであることが好ましい。
前記白色LEDにおいて、前記窒化物赤色蛍光体は、後に放出する赤色光のピーク波長が600〜680nmであることが好ましい。
前記白色LEDにおいて、前記窒化物赤色蛍光体のReはEuを使用し、モル比が0.0001≦x≦1.0であることが好ましい。
前記白色LEDにおいて、前記窒化物赤色蛍光体は、透明エポキシ、または、シリコン樹脂に混合されてディスペンシング法によって前記LEDの光源を構成するチップ上に塗布されることができる。
前記白色LEDにおいて、前記窒化物赤色蛍光体は、透明エポキシ、または、シリコン樹脂に混合されてトランスファー成形によって前記LEDの光源を構成するチップ上に塗布されることができる。
前記白色LEDにおいて、前記窒化物赤色蛍光体は、透明エポキシ、または、シリコン樹脂に混合されてスパッタリング、または、蒸着によって前記発光ダイオードの光源を構成するチップ上に塗布されることができる。
前記目的を達成するための本発明は、前記窒化物赤色蛍光体を300〜500nm波長のLEDの光源によって励起させて500〜800nm帯域の放出波を発生させ、これを利用して白色光を形成する白色LEDパッケージを提供する。
前記白色LEDパッケージにおいて、前記パッケージは砲弾型であることができる。
前記白色LEDパッケージにおいて、前記パッケージは表面実装型であることができる。
前記白色LEDパッケージにおいて、前記表面実装型の白色LEDパッケージはエポキシレンズを有することが好ましい。
本発明の白色LEDは、高い演色性と発光効率を有するので、高い演色性を要求する照明の応用に使用することができ、関連技術、即ち、LED作製技術及び蛍光体の作製技術などの関連産業の活性化に多大に寄与することができる。
本発明による下記[式1]で表される窒化物赤色蛍光体は、発光を活性化させるために遷移金属、または、希土類イオンが添加された酸化物、硫化物、窒化物などによって構成される。
[式1]
Ba2−xReAlSi5−y
(式中、モル比は0.0001≦x≦1.0及び0.001≦y≦0.5の値を有し、Reは希土類元素、または、遷移金属元素から選択される少なくとも1つ以上の元素である。)
本発明による前記窒化物赤色蛍光体は、α−SiAIONセラミックが添加されてさらに向上された熱的安定性と化学的耐性を有する新しい蛍光体として使用することができる。
本発明による前記窒化物赤色蛍光体は、母体であるシリコン・アルミニウム・ナイトライド系化合物を使用することによって、300〜500nm、好適には500〜800nmの波長領域で吸収スペクトルを示し、500〜800、好ましくは520〜700nm、より好ましくは600〜650nmの広帯域波長で優秀な発光効率を示すので、白色LEDに使用する場合、蛍光体量の構成を容易に制御することができ、均一性及び再現性を向上させることができる。
また、前記母体化合物にCe、Pr、Eu、Tb、Yb、Er及びMnからなる群から選択された1種以上の金属を添加することによって、蛍光体の発光特性及び物理的な特性などに変化を与えることができる。
前記[式1]でReの添加量xは、0.0001≦x≦1.0であることが好ましいが、前記x値が、0.0001未満の場合には、活性剤の量が少ないので、発光が発生されなくなり、輝度の減少により、蛍光体の波長変換効率が低下する問題点があり、前記x値が1.0を超過する場合には、かえって過量に添加された活性剤によって蛍光体の内部で光の消滅現象が起り効率が低下する問題点があるため好ましくない。
本発明による前記[式1]の蛍光体組成物の製造方法は、特に制限されないが、固相法、液相法、及び気相法がすべて可能であるが、固相法によって製造する場合には、窒化ケイ素(Si)、窒化マグネシウム(Mg)、窒化バリウム(Ba)、水酸化バリウム(Ba(OH))、窒化アルミニウム(AlN)、水酸化アルミニウム(Al(OH))、窒化ユーロピウム(EuN)などのような希土類金属の窒化物、水酸化ユーロピウム(Eu(OH))などのような希土類金属の水酸化物、または、酸化ユーロピウム(Eu)のような希土類金属の酸化物を高純度窒素またはアルゴンなどのような気体で満たされたグローブボックスの中で粉砕、混合した後乾燥させて、前記乾燥された物質を500〜900℃の温度及び大気圧程度の常圧のガス雰囲気下で1次熱処理した後、100〜1800℃で最小限5%以上の水素が包含されたガス雰囲気下で2次焼結することによって製造することができる。
前記ガスは、窒素ガス、アルゴンガス、水素と窒素の混合ガス、または、一酸化炭素と二酸化炭素の混合ガスであることが好ましい。
前記焼結を1次と2次に分けて実施する理由は、500〜900℃の領域における混合原料に包含されている水分、有機物、または、一部塩の錯化合物のような不純物を除去させながら、結晶成長を促進させようとするためであるが、1次焼結温度が500℃以下の場合には、結晶が効果的に形成されなく、900℃以上の場合には、混合成分の内で不要な未反応物質を形成することができるので、かえって2次焼結生成反応を妨害することになって波長変換効率を低下させる問題点がある。
また、2次焼結温度が、1400℃以下の場合には、蛍光物質の合成反応が正常的にならないので、波長特性において希望する発光強度を得られない問題があり、1800℃以上の場合には、蛍光物質が高温によって溶解されガラス相に形成されることによって発光強度が減少し、または、高温で揮発されて希望する物質の粉末を容易に得ることができないので好ましくない。
現在、常用化されているCaAlSiN:Eu+2蛍光体は、1800〜2200℃の高い温度と、1〜20Mpaの高い圧力下で製造されるので、装置が複雑であり、適当なサイズの粒子形態に粉砕しなければならない問題がある。
しかし、本発明技術による窒化物赤色蛍光体の製造方法は、従来の製造方法のようなGPS(Gas Pressure Sintering)法ではない、普通の製造工程における常圧のガス雰囲気NPS(Normal Pressure Sintering)で製造し、粉砕の必要がないので、装置が簡単で容易に操作することができるので大量生産に適するメリットがある。
本発明による白色LEDは、前記窒化物赤色蛍光体Ba2−xReAlSi5−yを300〜500nm波長のLED光源によって励起させて500〜800nm帯域の放出波を発生させ、これを利用して白色光を形成することを特徴とする。
前記白色LEDの光源の主波長は、390〜480nmであることが好ましく、前記窒化物赤色蛍光体は後で放出する赤色光のピーク波長が600〜650nmであることが好ましい。
以下、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。
図7は、本発明による窒化物赤色蛍光体を利用する砲弾型白色LEDパッケージを図示した模式図である。
図7を参照するとき、白色LEDパッケージ100は、(Al)InGaN活性層からなり、基板はサファイア基板、または、炭化ケイ素(SiC)基板を利用することができる。
リードフレーム150に青色LED110をダイボンディングした後、電極を外部に連結するために、金ワイヤボンディング140を行う。金ワイヤボンディング140は、サファイア基板を使用する場合、素子の上部分にp型とn型の電極があるので、それぞれに金ワイヤボンディング140を行うが、SiC導電性基板を使用する場合、1回の金ワイヤボンディング140を行うことができる。金ワイヤボンディング140の後、白色発光のために、エポキシと蛍光体を混合した領域120をディスペンサーまたは適当な塗布法を利用して塗布する。
次は、塗布後の結果物を一定温度で硬化させて流動しないようにする。この後、希望する模様のモールドを利用してエポキシレンズ130を構成し、リードフレーム150のトリム及び切断行程を経て砲弾型白色LEDランプ100を作製する。ここで、白色LED(白色発光ダイオード)は、青色LED110、及び、エポキシと蛍光体を混合した領域120により構成される。
ここで、本発明をより具体化するために、エポキシとBa2−xReAlSi5−y蛍光体の比率を変化させて砲弾型ランプを作製して演色性、色温度及びスペクトルを測定する。例えば、エポキシと蛍光体の混合は、透明エポキシ100μlを基準にして蛍光体を0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5gを添加してディスペンシング法によって塗布し、透明エポキシランプを作製する。
さらに、他の形態のパッケージタイプに作製することができるが、特に、表面実装型(SMD、SMT)に作製することができ、これらは図及び図に簡単な図面で示している。
図8は、本発明による青色LEDを利用する表面実装型白色LEDパッケージを示す模式図である。
図8を参照するとき、青色LED210をPCB基板260の金属線270の上にダイボンディングを行い、LEDのp電極とn電極を金属線270に金ワイヤでボンディング240を行って外部と電気的に通電するようにする。その後、適当量のエポキシ220にBa2−xReAlSi5−y蛍光体220a、220bを混合して、青色LED210の上に被せる。次いで、蛍光体が混合されたエポキシは、ディスペンサータイプで成形することができ、また他の方法は、固形化してトランスファー成形型に作製された表面実装型白色LEDパッケージ200を完成する。ここで白色LEDは、青色LED210及び蛍光体が混合されたエポキシにより構成される。
図9は、本発明によるエポキシレンズ型の表面実装型白色LEDパッケージを示す模式図である。
図9を参照するとき、表面実装型白色LEDパッケージ300は、PCB基板、または、セラミック基板360にアノード(Anode)とカソード(Cathode)になる部分に金属線370が付着されており、基板360は、絶縁体390などで分離されている。エポキシを囲む領域380の内部は、アルミニウム、または、銀でコーティングされた反射膜からなり、ダイオードから放出された光を上部に反射させる役割及び適当量のエポキシを囲む役割を行う。紫色LED310をフリップ・チップ形態に金バッファーまたはAu−Snなどのボンディング物質340でダイボンディングを行い、緑色及び赤色蛍光体を適当な混合比で混ぜたエポキシ、または、シリコン樹脂320をディスフェンシングする。ここで、シリコン樹脂320は、高出力のLEDパッケージに使用することができる。シリコン樹脂320は、熱的なストレスがチップに直接伝達されて信頼性に悪影響を与えるか、熱の収縮、または膨張による金ワイヤの短絡を防止することができる。また、エポキシより高い屈折率を有するシリコン樹脂320を使用することによって、ダイオードから放出される光の界面における反射を減らして輝度を向上させることができる。
このように、蛍光体が混合されたエポキシまたはシリコン樹脂320を塗布した後、その上部にエポキシレンズ330を形成する。このとき、エポキシレンズ330は、希望する指向角によって模様を変化させることができる。ここで、表面実装型白色LEDは、紫色LED310と緑色及び赤色蛍光体を適当な混合比で混ぜたエポキシ、または、シリコン樹脂320とにより構成される。
以下、本発明を実施例及び実験例を通じてより具体的に説明する。ただ、これらは本発明をより詳細に説明するためのことであって、本発明の権利範囲がこれらによって限定されない。
実施例1〜5(Ba2−xReAlSi5−y蛍光体の製造)
シリコン、アルミニウム、バリウム及びユーロピウムの前駆物質であって、Si、AlN、Ba、Ba(OH)、Eu(NO)及びE を化学量論比で混合し、イソプロパノール溶媒を少量投入した後、窒素ガスで満たされたグローブボックスの中で粉砕、混合した後、前記スラリーが80℃に維持される真空乾燥機で乾燥した。
前記で固まった粉末を篩にかけて分解させた後、アルミナ反応容器に仕込み800℃の温度及び常圧の窒素雰囲気下で5時間の間、1次熱処理した後、1500℃で5%の水素が包含された常圧の窒素雰囲気下で2次焼結を行い、最終的に蒸留水を使用して洗滌した。
このとき、活性物質であるEuの添加量x及びアルミニウムの添加量yを下記表1のように、変化させながら本発明による窒化物赤色蛍光体を製造した。
実施例6〜10(Ba2−xRePrSi5−y蛍光体の製造)
シリコン、アルミニウム、バリウム及びプラセオジミウム(Pr)の前駆物質であって、Si、AlN、Ba、Ba(OH)、Pr(NO)及びPrを化学量論比で混合し、イソプロパノール溶媒を少量投入した後、窒素ガスで満たされたグローブボックスの中で粉砕、混合した後、前記スラリーが80℃の温度に維持される真空乾燥機で乾燥した。
前記で固まった粉末を篩にかけて分解させた後、アルミナ反応容器に仕込み800℃の温度及び常圧の窒素雰囲気下で5時間の間1次熱処理した後、1500℃で5%の水素が包含された常圧の窒素雰囲気下で2次焼結を行い、最終的に蒸留水を使用して洗滌した。
このとき、活性物質であるPrの添加量x及びアルミニウムの添加量yを下記表2のように、変化させながら本発明による窒化物赤色蛍光体を製造した。
実験例1(窒化物赤色蛍光体の励起放出の特性)
本発明による窒化物赤色蛍光体の励起放出の特性を図3に示した。図3は、本発明による窒化物赤色蛍光体の青色励起放出の特性を示すグラフである。
図3を参照するとき、窒化物赤色蛍光体Ba2−xReAlSi5−yにおいてxの値を0.0001〜0.4の範囲でその組成を変化させながら、yの値を0.001〜5の範囲まで変化させて、100〜1800℃で焼成させたBa2−xReAlSi5−y蛍光体の励起(excitation)及び放出(emission)スペクトルを測定した結果を示したものである。ここで、スペクトル測定は、PL測定装備(Perkin Elmer LS55)を利用し、結果を示したグラフは、最適の励起波長を確認するために630nm赤色の発光波長(λmor)でモニタリングして得たものを図示したグラフである。このとき、x値の組合せによる組成のスペクトルは、類似する結果を示すので、グラフ上では単一の線で表示した。
ここで、最も大きい強度(intensity)を示す最大励起波長は、392nmであり、このときのx値は0.12であり、y値は0.5である。
その他に組合せた大部分の組成によって実験した結果、392nm付近で最大値を有する励起波長を示し、500nmまでの広い領域の励起波長を有していることを示している。
実験例2(窒化物赤色蛍光体の発光特性)
本発明による窒化物赤色蛍光体の発光特性を測定した結果を図4に示した。図4は、本発明による窒化物赤色蛍光体の青色光励起(λex:460nm)による赤色領域の発光(λem:630nm)特性を示すグラフである。
図4を参照するとき、窒化物赤色蛍光体Ba2−xReAlSi5−yで図3の結果を引用してx値が0.215の場合、最も大きい強度を有することを示し、630nmの場合に最大値を有している。
本発明による窒化物赤色蛍光体Ba2−xReAlSi5−yの放出スペクトルは、x値が0.01から0.3に増加することによって最大値が長波長の方で示される。また、500〜800nmで1つの光帯域が最大量になることができ、放出ピークはBa2−xReAlSi5−yにEuの含有量が増加することによって帯域が狭くなり、長波長の方で示されることを確認することができる。
実験例3(窒化物赤色蛍光体のX線回折のパターン測定)
本発明による窒化物赤色蛍光体のX線回折パターンを調査した結果を図5に示した。図5は、本発明による窒化物赤色蛍光体のX線回折パターンを示すグラフである。
図5を参照するとき、酸化物赤色蛍光体Ba2−xReAlSi5−yのX線回折パターンの測定によって構造分析の結果を示したものである。29.86゜を最大ピークとする構造を示し、このような構造は、既存の発表されたCaAlSiN、MSi(M=Ca、Sr、Ba)窒化物、または、MSi(M=Ca、Sr、Ba)酸窒化物とは全く異なる新しい結晶構造を有している。
実験例4(窒化物赤色蛍光体の粒子形態の調査)
本発明による窒化物赤色蛍光体の粒子形態を調査した結果を図6に示した。図6は、本発明による窒化物赤色蛍光体の電子顕微鏡の写真図である。
図6を参照するとき、窒化物赤色蛍光体Ba2−xReAlSi5−yのSEM測定によって粒子の形態が現われている。長さが3〜4μm程度になる微細粒子などが主になっており、2μm以下の粒子などが形成されていることを確認することができる。このような蛍光体粒子のサイズは、エポキシなどとの混合が容易であるので、白色LED素子への適用に適するものである。
一般的にLED励起用蛍光体の平均粒径は、10μm以下が適当であると知られている。したがって、本発明では、300〜500nmの波長を有するLEDと光によって励起された後、上述のように赤色光を放出するBa2−xReAlSi5−y蛍光体を適当な比率で混合して白色LED、または、白色LEDランプを作製することができる。本発明による白色LED、または、白色LEDランプは、エポキシ、または、シリコン樹脂などの混合領域と、さらに、エポキシレンズ及び電極を外部に連結するリードフレーム、または、電極配線を包含する。
実験例5(窒化物赤色蛍光体の光学特性)
本発明による窒化物赤色蛍光体の輝度を測定した結果を図10に示した。図10は、本発明による青色光励起用窒化物赤色蛍光体と、常用YAG製品及びLCDバックライト用ユーロピウムタングステン系の赤色蛍光体製品(Eu:Eu)との輝度を比較した結果を示すグラフである。
図10を参照するとき、本発明による青色光源の励起光によって610nm以上の領域で既存の常用YAG製品及びLCDバックライト用ユーロピウムタングステン系の赤色蛍光体製品(Eu:Eu)とを比較する時、より優秀な性能を有していることを確認することができる。
実験例6(白色LEDの効率性の測定)
本発明による白色LEDの効率を測定した結果を図11に示した。図11は、本発明による青色光(460nm)励起用赤色蛍光体のパッケージの実験によって白色LEDの効率を測定した結果を示すグラフである。
図11を参照するとき、R_p2.5%、R_p5%、R_p10%に対して460nmを適用する時、ランプから発生する全ての光を積分球によって採集して算出した積分値で評価し、その結果を下記表3のようにスペクトル/強度値で整理した。
前記のように調査した結果、本発明による白色LEDパッケージを構成する窒化物赤色蛍光体Ba2−xReAlSi5−yは、従来のものとは比較できない新規の物質であり、 R_p5%の場合、最大53.9%の光子効率を有していることを確認することができた。
光子効率に対しては、後述のように、本発明によるセラミック赤色蛍光体の結晶構造によっても説明することができる。
窒化物セラミック蛍光体の幾何学的結晶構造は、大部分が斜方晶系(orthorhombic)であり、酸化物蛍光体の場合には、一般的に六方晶系(hexagonal)構造を有している。普通窒化物または酸窒化物系(oxynitrides)蛍光体は、[Al−N]と[Si−N]の環構造がコーナー、面または隅を基本とする(Si、Al)(O、N)網状構造を有することになるが、これらのホスト格子(host lattice)物質の重畳によって発生された基本骨格構造の中心部分にイオン半径が大きい原子が位置し、電荷不均衡によってCe、Tb、Eu、Yのような希土類金属が位置されることによって活性化が成り立つことになる。
したがって、本発明による窒化物赤色蛍光体は、化学量論性化合物(stoichiometric compound)であって、Ba2−xReAlSi5−y内のCa、Sr、Mg、ZnとRe(Ce、Pr、Eu、Tb、Yb、Er)の種類によって光学的特性が異ることになり、Ba2−xReAlSi5−y内のBaの位置に化学量論的にM元素とRe元素らが、1〜2以上が侵入型(interstitial)または置換型(substitutional)で固溶体になることによって、広い波長領域で構造的に安定し、光子(photon)吸収量が最大になる最適構造を得ることができる。
上述のように、本発明は、Ba2−xReAlSi5−y蛍光体を460nmの波長で励起させることによって、青色及び紫外光基盤のLEDを使用する白色ダイオードの効率を向上させ、高い演色性を得ることができるようにし、これによって多様な色を具現することができるようにする。
上記のように、本発明の実施例及び実験例らを説明したが、本発明は前記実施例に限定されなく、互に異なる多様な形態に変形されることができ、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者は、本発明の技術的思想や必須的な特徴の変更なしに、異なる具体的な形態で実施することもできる。したがって、以上の実施例は全ての面で例示的であり、限定的ではないことを理解すべきである。
従来技術による白色LEDの波長スペクトルの分布図である。 従来技術による白色LEDのCIEチャートである。 本発明による窒化物赤色蛍光体の紫外光励起放出特性を示すグラフである。 本発明による窒化物赤色蛍光体の青色光(460nm)励起による630nm赤色領域の発光特性を示すグラフである。 本発明による窒化物赤色蛍光体のX線回折パターンを示すグラフである。 本発明による窒化物赤色蛍光体の電子顕微鏡の写真である。 本発明による窒化物赤色蛍光体を利用する砲弾型白色LEDパッケージを図示した模式図である。 本発明による青色LEDを利用する表面実装型白色LEDパッケージを示す模式図である。 本発明によるエポキシレンズ型の表面実装型白色LEDパッケージを示した模式図である。 本発明による青色光励起用窒化物赤色蛍光体と常用YAG製品及びLCDバックライト用ユーロピウムタングステン系赤色蛍光体製品(Eu:Eu)との輝度を比較した結果を示すグラフである。 本発明による青色光励起用赤色蛍光体のパッケージ実験によって白色LEDの効率を測定した結果を示すグラフである。
符号の説明
100…白色LEDパッケージ
110、210…青色LED
120、380…領域
130、330…エポキシレンズ
200、300…表面実装型白色LEDパッケージ
220…エポキシ
220a、220b…蛍光体
310…紫色LED
320…シリコン樹脂

Claims (16)

  1. 下記式1で表される窒化物赤色蛍光体:
    [式1]
    Ba2−xReAlSi5−y
    (式中、モル比は0.0001≦x≦1.0及び0.001≦y≦0.5の値を有し、ReはCe、Pr、Eu、Tb、Yb、Er及びMnからなる群から選択され少なくとも1つ以上の元素である。)
  2. 土類元素によって活性化されることを特徴とする請求項1に記載の窒化物赤色蛍光体。
  3. 起波長は300〜500nmであり、放出波長は500〜800nmであることを特徴とする請求項1又は2に記載の窒化物赤色蛍光体。
  4. 乾燥させた前駆物質の混合物を500〜900℃の温度及び常圧のガス雰囲気条件下で1次熱処理した後、1400〜1800℃温度のガス雰囲気条件下で2次焼結する段階を包含してなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の窒化物赤色蛍光体の製造方法。
  5. 前記ガスが、窒素ガス、アルゴンガス、水素と窒素の混合ガス、または、一酸化炭素と二酸化炭素の混合ガスであることを特徴とする請求項に記載の窒化物赤色蛍光体の製造方法。
  6. 請求項1乃至3のいずれかに記載の窒化物赤色蛍光体を300〜500nm波長の発光ダイオードの光源によって励起させて500〜800nm帯域の放出波を発生させ、これを利用して白色光を形成することを特徴とする白色発光ダイオード。
  7. 前記発光ダイオード光源の主波長は、390〜480nmであることを特徴とする請求項に記載の白色発光ダイオード。
  8. 前記窒化物赤色蛍光体は、後で放出する赤色光のピーク波長が600〜680nmであることを特徴とする請求項6又は7に記載の白色発光ダイオード。
  9. 前記窒化物赤色蛍光体のReはEuを使用し、モル比が0.0001≦x≦1.0であることを特徴とする請求項6乃至8のいずれかに記載の白色発光ダイオード。
  10. 前記窒化物赤色蛍光体は、透明エポキシ、または、シリコン樹脂に混合されてディスペンシング法によって前記発光ダイオード光源を構成するチップ上に塗布されることを特徴とする請求項6乃至9のいずれかに記載の白色発光ダイオード。
  11. 前記窒化物赤色蛍光体は、透明エポキシ、または、シリコン樹脂に混合されてトランスファー成形によって前記発光ダイオードの光源を構成するチップ上に塗布されることを特徴とする請求項6乃至9のいずれかに記載の白色発光ダイオード。
  12. 前記窒化物赤色蛍光体は、透明エポキシ、または、シリコン樹脂に混合されてスパッタリング、または、蒸着によって前記発光ダイオードの光源を構成するチップ上に塗布されることを特徴とする請求項6乃至9のいずれかに記載の白色発光ダイオード。
  13. 請求項1乃至3のいずれかに記載の窒化物赤色蛍光体を300〜500nm波長の発光ダイオードの光源によって励起させて500〜800nm帯域の放出波を発生させ、これを利用して白色光を形成することを特徴とする白色発光ダイオードパッケージ。
  14. 前記パッケージが砲弾型であることを特徴とする請求項13に記載の白色発光ダイオードパッケージ。
  15. 前記パッケージが表面実装型であることを特徴とする請求項13に記載の白色発光ダイオードパッケージ。
  16. 前記表面実装型の白色発光ダイオードパッケージがエポキシレンズを有することを特徴とする請求項15に記載の白色発光ダイオードパッケージ。
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