KR100634304B1 - 형광체 및 이를 이용한 발광 다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 형광체 조성에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 발광소자(LED)의 광을 흡수하여 백색광 구현에 적합한 광을 방출하는 여기발광특성을 갖는 (A_1-x-yEu_X(M^Ⅰ _0.5M^Ⅲ _0.5)_y)B₂S₄ 형광체에 관한 것이다.

상기 형광체의 일반식에서 M^Ⅰ는 Li,Na,K 그룹으로부터 적어도 하나의 원소가 선택되고, M^Ⅲ는 Sc,Y,La,Gd,Lu의 그룹으로부터 적어도 하나의 원소가 선택된다. 상기 일반식에서 M^Ⅰ,M^Ⅲ는 전자가의 균형을 만족하기 위해 동일한 양으로 동시에 치환되며, M^Ⅰ,M^Ⅲ 의 범위인 y는 0<y≤0.995 이고, 활성중심원소인 Eu의 농도는 0.005≤x≤0.9 의 범위를 만족하며 x + y ≤1 이다.

또한 본 발명은 백색 발광 다이오드에 관한 것이며, 보다 우수한 광효율을 가지는 백색 발광 다이오드를 제조함에 그 목적이 있다.

발광 다이오드, 형광체, 광도, 광량, 백색 발광, 광효율

Description

형광체 및 이를 이용한 발광 다이오드{Fluorescent material and light emitting diode using the same}

도 1 은 (Sr,Ba)₂SiO₄:Eu, (Y,Gd)₃Al₅O₁₂:Ce 또는 CaGa₂S₄:Eu 의 여기 스펙트럼.

도 2 는 460㎚ 파장에 의해 여기된 (Sr,Ba)₂SiO₄:Eu, (Y,Gd)₃Al₅ O₁₂:Ce 또는 CaGa₂S₄:Eu 형광체의 발광 스펙트럼.

도 3 은 종래의 CaGa₂S₄:Eu 티오갈레이트와 본 발명에 의해 합성된 (Ca_0.36Y_0.3Li_0.3)Ga₂S₄:Eu_0.04 또는 (Ca_0.36Sc_0.3Li_0.3)Ga₂S₄:Eu_0.04 의 여기 스펙트럼.

도 4 는 종래의 CaGa₂S₄:Eu 티오갈레이트와 본 발명에 의해 합성된 (Ca_0.36Y_0.3Li_0.3)Ga₂S₄:Eu_0.04 의 발광 스펙트럼.

도 5 는 청색광 LED와 (Ca_0.36Y_0.3Li_0.3)Ga₂S₄:Eu _0.04 에 의해 제조된 백색 발광 다이오드의 발광 스펙트럼.

본 발명은 형광체와 이를 이용한 발광 다이오드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 발광소자(light emitting diode; 이하 'LED'라 약칭함) 칩의 광을 흡수하여 백색광 구현에 적합한 광을 방출하는 여기발광특성을 갖는 형광체로 이루어진 발광 다이오드에 관한 것이다.

일반적으로 백색 발광 다이오드는 화합물 반도체의 PN 접합 다이오드로 전압을 인가하여 빛을 발광하는 발광소자로서, 단일 칩 또는 멀티 칩을 사용하여 백색광을 구현할 수 있다.

멀티칩을 사용하여 백색광을 구현하는 경우는 적, 녹, 청색의 발광원으로 각각의 발광 다이오드를 사용함으로서 색의 연색성은 매우 뛰어나지만, 적, 녹, 청색의 휘도차에 따른 색혼합이 용이하지 않고, 각각의 칩마다 동작전압이 불균일하며, 주변 온도에 따라 각각 칩의 출력이 변하여 색 좌표가 달라지게 되는 문제점이 발생한다.

한편, 단일 칩의 경우, 화합물 반도체의 LED 칩과 형광체를 결합하여 백색광을 구현한다. 이를 위해 청색으로 발광하는 LED 칩 위에 그 광의 일부를 여기원으로서 황록색 또는 황색 발광하는 형광체를 부착시켜 LED 칩의 청색 발광과 형광체의 황록색 또는 황색 발광에 의해 백색을 얻는 것이다. 현재 실용화되고 있는 형광체는 일본국 특허 번호 제2927279호에 표시되어 있는 이트륨 알루미늄 가넷계 형광체 또는 칼라 TV용에 사용되고 있는 녹색 및 적색 형광체를 혼합한 것이다.

즉, 백색 발광 다이오드는 430 내지 480㎚ 파장범위 내의 GaN 반도체 성분으로 이루어진 청색광 LED 칩과 청색광을 여기원으로 하여 황색광을 발생시킬 수 있 는 형광체의 조합으로 이루어진다. 이런 구조의 백색 발광 다이오드는 가격이 싸고, 원리적 및 구조적으로 매우 간단하기 때문에 일반적으로 널리 이용되고 있다.

상기 백색 발광 다이오드에 이용되는 형광체로는 대표적으로 청색광에 의한 여기 능력이 우수한 이트륨 알루미늄 가넷계(YAG:Ce), Sr₂SiO₄:Eu로 대표되는 화학구조식을 가진 오소실리케이트(orthosolicate)와 CaGa₂S₄:Eu로 대표되는 티오갈레이트(thiogallate)가 주로 사용되고 있다.

하지만 상기 이트륨 알루미늄 가넷계 및 오소실리케이트의 두 그룹의 형광체의 합성에는 높은 온도의 열처리 조건과 매우 정교한 순도 조절 그리고 엄격한 화학정량이 요구되어 진다. 또한 발광 다이오드를 일반 조명용으로 사용하기 위해서는 보다 높은 광효율과 발광강도를 가지는 형광체의 출현이 필요하다. 현재 전 세계적으로 상기 문제점을 보완하고 보다 경제적인 합성방법을 개발하기 위한 연구와 더불어 이트륨 알루미늄 가넷계와 오소실리케이트를 대체할 수 있는 형광체 개발이 활발하게 진행되고 있다.

상기의 문제점을 보완하기 위해 사용되는 티오갈레이트(thiogallate) 형광체는 일반식 AB₂S₄:Eu로 표현되며 A는 Ca,Sr,Ba 그룹으로부터, B는 Al,Ga,In 그룹으로부터 적어도 하나의 원소가 선택된다. 특히 SrGa₂S₄:Eu와 CaGa₂S ₄:Eu 형광체는 각각 비교적 강한 녹색광과 황색광을 방출한다.

티오갈레이트 형광체는 이트륨 알루미늄 가넷계나 오소실리케이트 그룹의 형광체와 마찬가지로 기지내의 원소와 활성중심원소의 종류 및 농도 조절에 의해 다 양한 발광색을 나타내는 장점을 가지고 있다.

티오갈레이트 형광체에 관한 종래 기술로 미국특허공보 제3639254호에는 유러퓸(europium, Eu), 납(lead, Pb), 세륨(cerium, Ce)이 활성중심원소인 티오갈레이트 형광체와 이의 제조방법이 개시되어 있다. 여기에서는 활성중심원소의 종류와 농도에 따라 넓은 범위의 발광색을 제공하는 여러 조성의 실시예를 보이고 있다. 또한 미국특허공보 제5834053호에는 결정질의 미세구조(crystalline micro-structure)를 갖는 청색 발광 티오갈레이트 형광체와 화학기상증착(chemical vapor deposition;CVD)에 의한 형광체의 제조방법이 개시되어 있다. 특히, 종래 고온의 어닐링(annealing) 단계를 제거함으로서 유리-세라믹의 특수 기판이 아닌 일반 유리 기판을 사용할 수 있는 저온 공정을 제공하여 박막의 적층 구조를 갖는 전계발광 디바이스(electroluminescent devices)를 제조할 수 있는 방법이 설명되어 있다.

이처럼 상기 상술한 미국특허공보 제3639254호 및 제5834053호는 이미 티오갈레이트를 개시하고 있으며, 이것의 발광 스펙트럼은 청색 또는 녹색 스펙트럼 영역에 존재한다. 이들 형광체는 AGa₂S₄에 따르며, 여기에서 A는 알칼리 토금속, 특히 Ca, Ba, Sr 또는 Zn으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함한다. 활성중심원소는 유러퓸(Eu), 납(Pb) 또는 세륨(Ce)이다.

그러나 고효율 광을 요구하는 응용분야(예를 들어, 조명 공학)에 대하여, 상기 형광체의 발광 효율은 매우 낮다.

또다른 종래기술로서 미국특허공보 제6695982호에서는 상기의 낮은 발광 효율의 문제점을 해결하기 위해 티오갈레이트를 사용한 고효율의 형광체와 그의 제조방법이 개시되어 있다. 이 발명에서는 티오갈레이트 형광체의 일반식 AB₂S₄에 기초하여 수행한 3가 이온(B)에 대한 2가 이온(A)의 비가 비율 A:B=1:2와 상이하도록 선택하여 높은 발광 효율을 갖고 상이한 발광 파장 및 색 위치를 달성하도록 하였다.

그러나 상기 특허에서는 전하 균형만을 고려하여 A자리에 Zn, Mg와 같이 Ca보다 이온 크기가 현저하게 작은 이온을, 또 B자리에 Y과 같이 Ga보다 월등히 큰 사이즈의 치환을 언급하고 있다. 이와 같은 이온 크기의 불일치는 결정이 뒤틀리고 왜곡되는 원인이 되며 이에 따라 발광특성은 급격하게 감소하게 된다.

따라서 본 발명에서는 상기의 문제점을 해결하기 위하여 정교하게 의도된 이온 치환방법에 의해 오소실리케이트 그룹, 이트륨 알루미늄 가넷계 또는 기존의 티오갈레이트 그룹의 형광체와 비교하여 보다 형광특성이 우수한 (A_1-x-yEu_X(M ^Ⅰ _0.5M^Ⅲ _0.5)_y)B₂S₄의 새로운 조성을 갖는 티오갈레이트 그룹의 형광체를 합성하여 광효율과 발광강도가 우수한 발광다이오드의 제조를 목적으로 한다.

본 발명에 따른 하기 <화학식 1>로 표시되는 형광체를 제공한다.

<화학식 1>

(A_{1-x- y}Eu_X(M^Ⅰ _0.5M^Ⅲ _0.5 )_y)B₂S₄

[상기 식에서,

상기 A는 Ba, Sr, Ca 으로 이루어진 그룹으로부터 적어도 하나의 원소를 선택하고;

상기 B는 Al, Ga, In 으로 이루어진 그룹으로부터 적어도 하나의 원소를 선택하고;

상기 M^Ⅰ은 Li, Na, K 으로 이루어진 그룹으로부터 적어도 하나의 원소를 선택하고;

상기 M^Ⅲ는 Sc, Y, Lu, Gd, La 으로 이루어진 그룹으로부터 적어도 하나의 원소를 선택하고;
상기 x는 0.005≤x≤0.9 이며, 상기 y는 0<y≤0.995 이고,

상기 x와 y는 x+y ≤ 1 이다.]

여기서, 상기 M^Ⅰ와 M^Ⅲ는 동일한 양으로 동시에 치환된다.

삭제

상기 <화학식 1>은 <화학식 2> (Ca_{1-x- y}Eu_X(M^Ⅰ _0.5M^Ⅲ _0.5)_y)Ga₂S₄ 로 표현된다.

또한, 상기 <화학식 2>은 하기 <화학식 3> 내지 <화학식 6>중 어느 하나로 표현된다.

<화학식 3>

(Ca_{1-x- y}Eu_X(Y_0.5Li_0.5)_y)Ga₂ S₄

<화학식 4>

(Ca_{1-x- y}Eu_X(Sc_0.5Li_0.5)_y)Ga ₂S₄

<화학식 5>

(Ca_{1-x- y}Eu_X(Sc_0.5Na_0.5)_y)Ga ₂S₄

<화학식 6>

(Ca_{1-x- y}Eu_X(Y_0.5Na_0.5)_y)Ga₂ S₄

상기 <화학식 3> 은 <화학식 7> (Ca_0.36Y_0.3Li_0.3)Ga ₂S₄:Eu_0.04 이고 상기 <화학식 4> 는 <화학식 8> (Ca_0.36Sc_0.3Li_0.3)Ga₂S₄ :Eu_0.04 로 표현되는 형광체를 제공한다.

또한 본 발명은 LED 칩의 광을 흡수하여 백색광 구현에 적합한 광을 방출하는 여기발광특성을 갖는 형광체를 포함하는 발광 다이오드에 있어서, 상기 상술한 형광체를 포함하는 발광 다이오드를 제공한다. 상기 LED 칩은 420 내지 480㎚의 피크 파장을 갖는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

형광체는 임자결정(Host Lattice)과 적절한 위치에 불순물이 혼입된 활성이온으로 구성되는데, 활성이온들의 역할은 발광과정에 관여하는 에너지 준위를 결정함으로써 발광색을 결정하며, 그 발광색은 결정구조 내에서 활성이온이 갖는 기저상태와 여기 상태의 에너지 차(Energy Gap)에 의해 결정된다. 즉, 활성이온을 갖는 형광체가 갖는 발광 중심색은 궁극적으로 활성이온들의 전자상태 즉, 에너지 준위에 의해 결정된다. 예를 들어, Tb³⁺ 이온의 경우 임자 결정 내에서 5d →7f 천이가 가장 용이하여 녹황색 발광형상을 나타낸다.

이러한 에너지 차를 이용한 형광체는 그 종류가 매우 다양하고, 이를 이용하여 다양한 발광 색을 갖는 발광 다이오드를 제조할 수 있으며, 특히, 백색 발광 다이오드를 제조할 수 있다.

이트륨 알루미늄 가넷계 형광체는 400 내지 500nm의 발광소자를 여기원으로 하여 특성이 우수한 백색 발광 다이오드의 제조가 가능하다. 또한, Sr₂SiO₄:Eu로 대표되는 오소실리케이트 그룹의 형광체는 자외선 파장부터 청색 가시광까지 여기원으로 사용할 수 있으며, Sr 원소자리에 Ba 원소를 치환하여 녹색 형광체의 합성이 가능하고, Sr 원소자리에 Ca 원소를 치환함으로서 황색 형광체를 합성할 수 있는 큰 장점을 가지고 있다.

또한, AB₂S₄의 일반식을 가지는 기존의 티오갈레이트(thiogallate)의 경우 우수한 형광특성과 더불어 오소실리케이트와 마찬가지로 A 원소 자리에 Ba, Sr, Ca을, B 원소자리에 Al, Ga, In의 적절한 조성비율에 따라 청색부터 적색에 이르는 형광체의 합성이 가능한 장점을 가지고 있다. 특히 기지의 종류와 농도 뿐 아니라 Eu와 같은 활성 중심원소의 종류와 농도에 의해 결정된다.

Eu²⁺ 발광은 4f⁶5d¹ 여기상태에서 4f⁷ 바닥상태로의 전이를 통해 나타나는데, 발광색을 결정하는 4f⁶5d¹ 여기상태의 위치는 기지내에서 Eu 이온의 주위 환경과 결정 필드(crystal field)에 의해 좌우된다. LED 시장에서 상대적으로 중요성이 높은 황색발광은 CaGa₂S₄:Eu 조성에서 나타난다. 또한 380-500nm의 자외선에서 청색 가시광 영역의 발광소자를 여기원으로 사용하여 특성이 우수한 백색 발광 다이오드의 구현이 가능하다.

도 1 및 도 2 에서 A는 (Sr,Ba)₂SiO₄:Eu로 표현되는 오소실리케이트 그룹의 형광체이며, B는 (Y,Gd)₃Al₅O₁₂:Ce로 표현되는 이트륨 알루미늄 가넷계의 형광체이며, C는 CaGa₂S₄:Eu로 표현되는 티오갈레이트 그룹의 형광체이다.

도 1 에서는 (Sr,Ba)₂SiO₄:Eu, (Y,Gd)₃Al₅O₁₂:Ce 또는 CaGa₂S₄:Eu 의 여기 스펙트럼을 나타낸다. 즉, 오소실리케이트 그룹, 이트륨 알루미늄 가넷계와 티오갈레이 트 그룹의 형광체의 여기 스펙트럼을 비교한 것이며, (Sr,Ba)₂SiO₄:Eu 와 (Y,Gd)₃Al₅O₁₂:Ce 와 유사하게 CaGa₂S₄:Eu 도 청색 여기부분(420 내지 470㎚)에서 우수한 여기특성을 가지고 있음을 알 수 있다..

도 2 에서는 460㎚ 파장에 의해 여기된 (Sr,Ba)₂SiO₄:Eu, (Y,Gd)₃Al ₅O₁₂:Ce 또는 CaGa₂S₄:Eu 형광체의 발광 스펙트럼을 보여준다. 460㎚의 청색광 파장에 의해 여기된 에너지가 황색 발광으로 전환되었음을 확인할 수 있으며, 오소실리케이트 그룹, 이트륨 알루미늄 가넷계와 티오갈레이트 그룹의 형광체는 모두 높은 발광특성을 나타낸다. 특히, 티오갈레이트 그룹의 형광체는 상기 다른 두 그룹의 형광체에 비교하여 더욱 높은 발광 강도를 나타냄을 볼 수 있다.

상기 기존의 티오갈레이트 일반식에서 언급된 A 자리에 Sr,Ba 원소를, 또는 B 자리에 Al,In 원소의 치환에 의해 발광색과 발광강도가 크게 변화하는 것과 달리, 본 발명에서 사용된 새로운 이온의 치환 및 치환방법은 기존의 발광색을 그대로 유지한 채 우수한 발광강도를 나타낸다.

본 발명의 기술적인 관점은 2가 전자가가 요구되는 A자리에 먼저 이온크기가 비슷하지만 3가의 전자가를 가진 이온을 치환하고, 이를 보상하기 위해 A자리에 마찬가지로 크기가 비슷한 1가의 이온을 3가의 양과 동일하게 치환하여 2가의 전자가가 필요한 A자리에 전체 전하균형을 유지하면서 우수한 발광특성을 갖는 형광체를 합성하는 방법이다.

즉, 본 발명의 이온 치환은 전기음성도와 전하균형 그리고 이온 크기의 고려 에 의해서 이루어졌다. 기존 티오갈레이트 형광체의 특허 중에는 전하균형만을 고려하여 A자리에 Zn, Mg와 같이 Ca보다 이온 크기가 현저하게 작은 이온을, 또 B 자리에 Y과 같이 Ga보다 월등히 큰 사이즈의 치환을 언급하고 있다. 하지만 이와 같은 이온 크기의 불일치는 결정이 뒤틀리고 왜곡되는 원인이 되며 이에 따라 발광특성은 급격하게 감소하게 된다. 왜냐하면 Zn, Mg과 같은 이온은 A 자리의 8배위수를 형성하기에 너무 작고, Y와 같은 과잉크기의 이온은 B 자리의 4배위수를 형성하기 어렵기 때문이다.

따라서 본 발명의 형광체는 하기 <화학식 1>과 같은 구조를 갖는다.

(A_{1-x- y}Eu_X(M^Ⅰ _0.5M^Ⅲ _0.5 )_y)B₂S₄

상기 식에서, A는 Ba, Sr, Ca 으로 이루어진 그룹으로부터 적어도 하나의 원소가 선택되고, 상기 B는 Al, Ga, In 으로 이루어진 그룹으로부터 적어도 하나의 원소가 선택된다. 또한 상기 식에서, M^Ⅰ은 Li,Na,K 그룹으로부터, M^Ⅲ는 Sc,Y,Lu,Gd,La 그룹으로부터 적어도 하나의 원소가 선택되며, M^Ⅰ와 M^Ⅲ가 동일한 양으로 동시에 치환된다. 즉, 기존의 티오갈레이트 형광체의 일반식 AB₂S₄에서, 2가 전자가가 요구되는 A자리에 먼저 이온크기가 비슷하지만 3가의 전자가를 가진 M^Ⅲ을 치환하고, 이를 보상하기 위해 A자리에 마찬가지로 크기가 비슷한 1가의 M^Ⅰ을 3가의 양과 동일하게 치환하여 2가의 전자가가 필요한 A자리에 전체 전하균형을 유지하면서 우수한 발광특성을 갖는 형광체를 합성한다.

결과적으로 이러한 이중치환은 동일한 크기의 이온의 치환을 고려하였기 때문에 결정격자의 왜곡을 야기시키지 않으면서도 기존의 티오갈레이트와 동일한 전하균형을 유지하게 된다. 따라서 전체 전하균형을 유지하면서 우수한 광효율과 발광강도를 갖는 형광체를 합성할 수 있다.

또한 상기 <화학식 1> 에서 상기 x는 0.005≤x≤0.9 이며, 상기 y는 0≤y≤0.995 의 범위를 갖는다. 더욱 바람직하게는 0.01≤x≤0.1 이며, 상기 y는 0.2≤y≤0.8 의 범위를 갖는 것이 효과적이다.

상기 형광체의 <화학식 1>은 하기 <화학식 2>로 표현될 수 있다. 즉, 상기 <화학식 1> 에서 A의 자리에 Ca 원소를, B의 자리에 Ga 원소를 선택하였다.

(Ca_{1-x- y}Eu_X(M^Ⅰ _0.5M^Ⅲ _0.5 )_y)Ga₂S₄

상기 <화학식 2> 에서, M^Ⅰ은 Li,Na,K 그룹으로부터, M^Ⅲ는 Sc,Y,Lu,Gd,La 그룹으로부터 적어도 하나의 원소를 선택할 수 있으며, 하기 <화학식 3> 내지 <화학 식 6> 으로 표현된다.

(Ca_{1-x- y}Eu_X(Y_0.5Li_0.5)_y)Ga₂ S₄

(Ca_{1-x- y}Eu_X(Sc_0.5Li_0.5)_y)Ga ₂S₄

(Ca_{1-x- y}Eu_X(Sc_0.5Na_0.5)_y)Ga ₂S₄

(Ca_{1-x- y}Eu_X(Y_0.5Na_0.5)_y)Ga₂ S₄

본 발명에서는 상기 <화학식 3> 및 <화학식 4> 에서 M^Ⅰ, M^Ⅲ 의 범위인 y는 0.6이고, 활성중심원소인 Eu의 농도는 0.04인 하기 <화학식 7> 및 <화학식 8>로 표현되는 형광체를 제공한다.

(Ca_0.36Y_0.3Li_0.3)Ga₂S₄:Eu_0.04

(Ca_0.36Sc_0.3Li_0.3)Ga₂S₄:Eu_0.04

상기 형광체 합성에는 Eu 산화물, 황화물, Sc 산화물, Ni, Y 산화물, 희토류 산화물, Ga 산화물, 황화물 또는 리튬 탄산염 등이 이용되었다. 원하는 조성과 일치되게 원료를 혼합한 후 H₂S가 포함된 가스분위기 하에 800 내지 1000℃ 온도로 열처리 하였다. 일차 열처리를 마친 형광체는 경우에 따라 특성향상을 위해 분쇄와 재혼합을 마치고 이차 열처리를 하였다.

이하, 도 3 및 도 4 에서 기존의 티오갈레이트 그룹의 형광체(A')와 본 발명에 의해 합성된 새로운 조성의 티오갈레이트 그룹의 형광체(B',C')의 여기 스펙트럼 및 발광 스펙트럼을 비교하였다. A'은 CaGa₂S₄:Eu로 표현되는 기존의 티오갈레이트 그룹의 형광체이며, B'은 본 발명에 의해 합성된 (Ca_0.36Y_0.3Li_0.3)Ga ₂S₄:Eu_0.04 이며, C'은 본 발명에 의해 합성된 (Ca_0.36Sc_0.3Li_0.3)Ga₂S ₄:Eu_0.04 이다.

도 3 에는 기존의 CaGa₂S₄:Eu 티오갈레이트와 본 발명에 의해 합성된 (Ca_0.36Y_0.3Li_0.3)Ga₂S₄:Eu_0.04 또는 (Ca_0.36Sc_0.3Li_0.3)Ga₂S₄:Eu_0.04의 여기 스펙트럼을 나타 내었다. 본 발명에 의해 합성된 형광체는 UV대역에서부터 청색광에 이르기까지 종래의 티오갈레이트보다 상당히 우수한 여기특성을 보유하고 있어, 청색광을 이용한 백색 발광 다이오드 뿐 아니라 UV광을 이용한 백색 발광 다이오드 제조에서도 우수한 광원으로 이용될 수 있다.

도 4 에서는 기존의 CaGa₂S₄:Eu 티오갈레이트와 본 발명에 의해 합성된 (Ca_0.36Y_0.3Li_0.3)Ga₂S₄:Eu_0.04의 발광 스펙트럼을 비교하여 나타내었다. 종래의 티오갈레이트인 CaGa₂S₄:Eu 와 비교하여 (Ca_0.36Y_0.3Li_0.3 )Ga₂S₄:Eu_0.04 은 460㎚에서의 여기에 의해 높은 발광 특성을 나타냄을 알 수 있다.

이하, 상술한 형광체를 포함하는 발광 다이오드에 대하여 설명한다.

발광 다이오드는 전기적 신호를 입력받는 전극이 형성된 인쇄 회로 기판상에 LED 칩을 실장하고 LED 칩상에 형광체를 코팅한 다음, LED 칩을 봉지하는 몰딩부를 형성하여 제조한다. 청색 발광하는 LED 칩상에 그 광의 일부를 여기원으로서 황록색 또는 황색 발광하는 <화학식 1> (A_{1-x- y}Eu_X(M^Ⅰ _0.5M^Ⅲ _0.5)_y)B₂S₄로 표현되는 형광체를 코팅하여 LED 칩의 청색 발광과 형광체의 황록색 또는 황색 발광에 의해 백색을 얻을 수 있다. 즉, 백색 발광 다이오드는 420 내지 480㎚의 피크파장 범위를 갖는 청색광 LED 칩과 청색광을 여기원으로 하여 황색광을 발생시킬 수 있는 형광체의 조합으로 이루어진다.

도 5 에서는 본 발명에 의한 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 나타내었다. 즉, 청색 LED와 (Ca_0.36Y_0.3Li_0.3)Ga₂S₄:Eu _0.04 에 의해 제조된 백색 발광 다이오드의 발광 스펙트럼으로서, 우수한 발광 강도를 나타냄을 볼 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 형광체가 포함된 발광 다이오드는 광도가 향상되고, 광도의 향상을 통해 발광 다이오드 백라이트가 내장된 LCD 디스플레이(Display) 밝기를 향상시켜 보다 밝은 화면을 보장할 수 있으며 에너지 절감도 가능하다. 뿐만 아니라, 보다 높은 광효율과 발광강도를 가지는 형광체의 향상된 특성으로 휴대폰, LCD, TV의 백라이트 뿐만 아니라 전광판, 응급지시판, 장식용, 도로용, 점포용, 주거용, 공장용 등에 사용되는 일반조명에 응용될 수 있다. 또한, 일반조명에 사용함에 있어 광도가 향상된 발광 다이오드 광원은 형광등을 대처할 수 있는 가능성을 포진하게 된다. 본 발명은 가까운 미래에 형광등을 대체하여 주거용, 점포용 공장용등의 일반 조명에 사용될 발광 다이오드의 광 특성 및 광량 개선에 기여할 것으로 생각되며 보다 높은 광유량을 요구하는 응용에도 고려될 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 이온의 치환방법에 의한 새로운 조성을 사용하여 백색 발광 다이오드를 제작할 수 있고, 발광 다이오드의 광효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의해 합성된 형광체는 UV 대역에서부터 청색광에 이르기까지 종래의 티오갈레이트보다 상당히 우수한 여기특성을 보유하고 있어, 청색광을 이용한 백색 발광 다이오드 뿐 아니라 UV광을 이용한 백색 발광 다이오드 제조에서도 우수한 광원으로 이용될 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 발광 다이오드를 사용하면 종래의 발광 다이오드에 비하여 광도를 증가시킬 수 있으므로, 발광 다이오드를 보다 많은 분야에 적용시킬 수 있다는 장점이 있다.

Claims (8)

1. 하기 <화학식 1>로 표시되는 형광체.

   <화학식 1>

   (A_1-x-yEu_X(M^Ⅰ _0.5M^Ⅲ _0.5)_y)B₂S₄

   [상기 식에서,

   상기 A는 Ba, Sr, Ca 으로 이루어진 그룹으로부터 적어도 하나의 원소를 선택하고;

   상기 B는 Al, Ga, In 으로 이루어진 그룹으로부터 적어도 하나의 원소를 선택하고;

   상기 M^Ⅰ은 Li, Na, K 으로 이루어진 그룹으로부터 적어도 하나의 원소를 선택하고;

   상기 M^Ⅲ는 Sc, Y, Lu, Gd, La 으로 이루어진 그룹으로부터 적어도 하나의 원소를 선택하고;

   상기 x는 0.005≤x≤0.9 이며, 상기 y는 0<y≤0.995 이고,

   상기 x와 y는 x+y ≤ 1 이다.]
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 M^Ⅰ와 M^Ⅲ는 동일한 양으로 동시에 치환되는 형광체.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 <화학식 1>은 <화학식 2> (Ca_{1-x- y}Eu_X(M^Ⅰ _0.5M^Ⅲ _0.5)_y)Ga₂S₄ 인 형광체.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 <화학식 2>이 하기 <화학식 3> 내지 <화학식 6>중 어느 하나로 표시되는 형광체.

   <화학식 3>

   (Ca_{1-x- y}Eu_X(Y_0.5Li_0.5)_y)Ga₂ S₄

   <화학식 4>

   (Ca_{1-x- y}Eu_X(Sc_0.5Li_0.5)_y)Ga ₂S₄

   <화학식 5>

   (Ca_{1-x- y}Eu_X(Sc_0.5Na_0.5)_y)Ga ₂S₄

   <화학식 6>

   (Ca_{1-x- y}Eu_X(Y_0.5Na_0.5)_y)Ga₂ S₄
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 <화학식 3> 은 <화학식 7> (Ca_0.36Y_0.3Li_0.3)Ga ₂S₄:Eu_0.04 이고 상기 <화학식 4> 는 <화학식 8> (Ca_0.36Sc_0.3Li_0.3)Ga₂S₄ :Eu_0.04 인 형광체.
7. LED 칩과 형광체를 포함하는 발광 다이오드에 있어서,

   제 1 항 내지 제 6 항의 어느 하나의 형광체를 포함하는 발광 다이오드.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 LED 칩은 420 내지 480㎚의 피크 파장을 갖는 발광 다이오드.

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