KR100642783B1 - 형광체, 형광체 합성방법 및 형광체가 도포되는 발광다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 스트론튬카보네이트(SrCO₃)와 산화유로피움(Eu₂O₃)과 Methylsilsesquioxan(CH₃SiO_1.5)을 혼합하여 오소실리케이트 그룹의 형광혼합물을 제조하는 제 1단계, 제 1단계에서 제조된 형광혼합물을 산화조건에서 900~1500℃의 온도로 1~10시간동안 이루어지는 1차 열처리를 함으로써 형광체를 제조하는 제 2단계, 제 2단계에서 1차 열처리된 형광체를 환원조건에서 1100~1500℃의 온도로 1~10시간동안 이루어지는 2차 열처리하는 제 3단계, 제 3단계에서 2차 열처리된 형광체를 분쇄시키는 제 4단계, 제 4단계에서 분쇄된 형광체 중 엉켜있는 입자를 풀어주는 제 5단계로 구성되어, 형광체 입자를 둥글게 제조할 수 있고 형광체 입자 크기의 편차를 감소시킬 수 있으며 형광체 입자의 크기를 조절할 수 있는 형광체 합성방법을 제공한다.

형광체, 열처리, 발광다이오드, 산란, 광도

Description

형광체, 형광체 합성방법 및 형광체가 도포되는 발광다이오드 {Fluorescent material, methode for synthesizing fluorescent material and Light Emitting Diode coated with fluorescent material}

도 1은 종래의 발광다이오드 내부 구성을 도시한다.

도 2는 본 발명에 의한 형광체 합성방법의 순서도이다.

도 3은 본 발명에 의한 형광체 합성방법에 의하여 합성된 형광체를 전자현미경으로 촬영한 형상을 도시한다.

도 4는 본 발명에 의한 발광다이오드의 구성을 도시한다.

도 5는 종래의 발광다이오드와 본 발명에 의한 발광다이오드의 파장 및 광도를 도시한다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : LED칩 200 : 에노드

300 : 캐소드 310 : 홀컵

420 : 형광체 440 : 에폭시 몰드층

500 : 외장재 600 : 에노드 리드

700 : 캐소드 리드

본 발명은 형광체 합성방법 및 이를 이용한 발광다이오드에 관한 것으로, 특히 구형의 입자가 균일하게 구성되어 투과되는 빛의 산란을 최소화시키는 형광체를 이용함으로써 발광되는 광의 광도가 증가되도록 구성되는 발광다이오드에 관한 것이다.

기존의 백색 발광다이오드의 제작에 있어서, 패키지를 컵 형태의 반사판이 구현된 용기 내에 형광체 안료를 채워 제작하는 방법, 또는 반도체 패키지 몰드 공법인 트랜스퍼 몰드 공법을 사용하여 제작하는 방법이 이용되고 있다.

그러면, 여기서 종래 백색 발광다이오드의 구조에 대해 간략하게 살펴보자.

도 1은 패키지를 컵 형태의 반사판이 구현된 용기 내에 형광체 안료를 채워 제작한 리드타입 백색 발광다이오드의 개략적인 구성도 및 일부 확대단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래의 백색발광다이오드는, LED칩(10)에 애노드(anode; 20)와 캐소드(cathode;30)가 연결되며, LED칩(10)의 표면위에 일정한 두께로 형광체(42)가 도포된 후 에폭시 몰드층(44)이 형성되고, 이 에폭시 몰드층(44)을 포함하여 그 주위를 무색 또는 착색된 투광성 수지로 몰딩 하여 봉입하는 외장재(50)로 이루어진 구조의 패키지(package) 형태로 상품화되고 있다. 이 때, LED칩(10)의 p형 전극과 애노드(20)는 세금선(細金線, 60)으로 접속되고, 그 n형 전극은 메탈포스트(캐소드 리드, 70)에 의해 접속되게 된다. 한편, 캐소드(30)를 형성하는 리드프레임의 선단에 홀컵(Hall Cup, 80)을 마련하고, 이 홀컵(80)에 LED칩(10)을 수납하여 결합시키는데, 상기 홀컵(80)은 LED칩(10)의 측면으로부터 방출되는 빛을 전방(위쪽)으로 반사시키는 역할을 수행하게 된다.

LED칩(10)은 430~470㎚의 푸른빛을 발생하도록 구성되며, 형광체(42)는 LED칩(10)의 푸른빛을 여기원으로 하여 노란빛을 발생하도록 구성되어있어, 형광체(42)를 여기 시키고 남은 푸른빛과 형광체(42)의 노란빛의 조합으로 백색광이 발생하게 된다. 이러한 구조의 백색광 발광다이오드는 가격이 싸고, 원리적 및 구조적으로 매우 간단하기 때문에 세계적으로 널리 이용되고 있다.

이때, 노란빛을 발생시키는 형광체(42)는 가넷구조의 YAG:Ce 그룹과 SrSiO₄:Eu로 대표되는 화학구조식을 가진 오소실리케이트 그룹이 사용되고 있는데, 오소실리케이트 그룹의 형광체는 자외선 파장부터 청색 가시광까지 여기원으로 사용할 수 있어 LED제품에 널리 사용되고 있다. 또한, 오소실리케이트 그룹의 형광체는 스트론튬(Sr) 원소자리에 바륨(Ba) 원소를 치환하여 녹색 형광체의 합성이 가능하며, 스트론튬(Sr) 원소자리에 칼슘(Ca)을 치환함으로써 오렌지색 형광체를 합성할 수 있게 된다.

통상적으로 사용되는 오소실리케이트 그룹 형광체는 환원분위기의 높은 온도에서 합성되어지며, 출발 물질로는 스트론튬카보네이트(SrCO₃)와, 이산화규소(SiO₂ ) 와, 산화유로피움(Eu₂O₃) 등이 사용된다. 열처리과정을 지나면, 형광체는 입자의 크기가 작은 것부터 큰 것까지 다양한 사이즈의 입도를 가지게 되는데, 이러한 입도 분포가 불균일한 형광체를 LED와 함께 사용할 경우 특히 1㎛ 이하의 크기를 갖는 미세 입자의 형광체는 산란을 강하게 일으켜 에너지 손실을 증대시키고, 빛의 경로가 길어짐에 따라 에너지 흡수와 방출에 있어 손실이 발생하여 광도가 떨어지게 된다.

빛의 산란은 형광체(42)의 표면적 크기에 따라 증감되는데, 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 백색광 발광다이오드의 형광체(42)는 입도분포가 매우 크고 불균일하여 표면적이 커지도록 구성되므로, 빛의 산란현상이 더욱 심화되어 백색광의 광도가 감소된다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 입도 분포가 균일하고 입자의 형상이 구형인 형광체 및 이를 제조하는 방법을 제공하고, 이러한 형광체를 이용하여 빛의 산란을 감소시키고 광도를 증가시킬 수 있도록 제조되는 백색 발광다이오드를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 형광체는, SrCO₃와 Eu₂O₃과 CH₃SiO_1.5를 혼합하여 형광혼합물을 제조하는 제 1단계와, 상기 제 1단계에서 제조된 형광혼합물을 산화조건에서 1차 열처리하여 형광체를 제조하는 제 2단계와, 상기 제 2단계에서 제조된 형광체를 환원조건에서 2차 열처리하는 제 3단계를 포함하는 형광체 합성방법에 따라 제조된 발광다이오드용 형광체로서, 상기 형광체 입자의 평균 입경이 3~15㎛이고 입자의 형상이 구형인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 형광체 제조방법은, SrCO₃와 Eu₂O₃과 CH₃SiO_1.5를 혼합하여 형광혼합물을 제조하는 제 1단계(S10), 상기 제 1단계(S10)에서 제조된 형광혼합물을 산화조건에서 1차 열처리하여 형광체를 제조하는 제 2단계(S20), 상기 제 2단계(S20)에서 제조된 형광체를 환원조건에서 2차 열처리하는 제 3단계(S30),상기 제 3단계(S30)에서 2차 열처리된 형광체를 분쇄하는 제 4단계, 제 4단계에서 분쇄된 형광체를 풀어주는 제 5단계를 포함하여 구성된다.

CH₃SiO_1.5는 입자의 입경이 2~12㎛이고 각각의 입자가 평균 입경으로부터 ±20% 이내의 편차를 갖도록 형성된다.

제 2단계의 1차 열처리는 900~1500℃의 온도에서 1~10시간동안 이루어지며, 제 3단계의 2차 열처리는 1100~1500℃의 온도에서 1~10시간동안 이루어진다.

또한, 본 발명에 의한 다이오드는, LED칩과, 입자의 평균 입경이 3~15㎛이고 입자의 형상이 구형인 오소실리케이트 그룹의 물질로 제조되며 LED칩의 상측 면에 도포되는 형광체를 포함하여 구성된다.

형광체는 각각의 입자가 평균 입경으로부터 ±20% 이내의 편차를 갖도록 형성되며, 오소실리케이트 그룹은 Sr₂SiO₄:Eu를 포함하며, LED칩은 430~470㎚ 파장대 의 푸른빛을 발생하도록 구성된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 형광체 제조방법 및 형광체가 도포되는 발광다이오드의 실시예를 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 의한 형광체 제조방법의 순서도이다.

본 발명에 의한 형광체 합성방법은 형광체의 크기와 모양을 정교하게 조절하기 위하여 토포택식(Topotaxic) 반응을 이용한 합성방법으로서, 도 2에 도시된 바와 같이 오소실리케이트 그룹의 형광혼합물을 제조하는 제 1단계(S10), 제 1단계(S10)에서 제조된 형광혼합물을 산화조건에서 1차 열처리하여 형광체를 제조하는 제 2단계(S20), 제 2단계(S20)에서 제조된 형광체를 환원조건에서 2차 열처리를 하는 제 3단계(S30), 제 3단계(S30)에서 2차 열처리된 형광체를 분쇄시키는 제 4단계(S40), 제 4단계(S40)에서 분쇄된 형광체 중 엉켜있는 입자를 풀어주는 제 5단계(S50)를 포함한다.

우선, 제 1단계(S20)에서는 제조되는 형광체의 원료물질 SrCO₃와 Eu₂O₃ 와 CH₃SiO_1.5를 화학정량에 맞게 이를 혼합한다.

이때, CH₃SiO_1.5는 종래의 오소실리케이트 형광체 성분 내에 Si 도입성분으로 활용되는 원료로서, 완전한 구형모양의 원료로서 매우 균일한 입도분포와 크기를 가지고 있어 균일하고 정교한 구형의 입자로 구성되는 형광체를 얻을 수 있다는 장점이 있으며, 입자의 입경이 2~12㎛ 범위 내에서 다양한 크기로 용이하게 선택될 수 있으므로 사용자가 원하는 대로 형광체의 입자 크기를 용이하게 변경시킬 수 있 다는 장점이 있다.

본 실시예에서는 입경이 4.5㎛인 CH₃SiO_1.5를 SrCO₃ 및 Eu₂ O₃와 혼합하여 형광체를 제조하는 경우를 설명한다.

제 2단계의 1차 열처리는 CH₃SiO_1.5가 SiO₂로 변화되면서 Sr₂ SiO₄:Eu³⁺ 구조의 오소실리케이트 결정을 만들기 위한 공정으로서, 일반적인 산화분위기에서 900~1500℃의 온도로 약 1~10시간동안 이루어지며, 1차 열처리된 형광체의 입자 입경은 CH₃SiO_1.5의 입자 입경보다 약간 큰 5㎛가 된다. 이때, 1차 열처리는 각 조건을 변경시켜 수 회 실험해 본 결과 1000~1300℃에서 3~8시간동안 이루어짐이 바람직함을 알 수 있다.

제 3단계의 2차 열처리는 오소실리케이트 격자내의 발광의 중심인 Eu³⁺를 Eu²⁺로 환원함과 동시에 결정성을 높이기 위한 공정으로서, 질소, 수소 등의 환원분위기에서 1100~1500℃의 온도에서 1~10시간동안 이루어진다. 이때, 2차 열처리는 각 조건을 변경하여 수행할 수 있으며, 1300~1500℃ 온도에서 4~7시간 정도 처리하는 것이 바람직하다.

또한, 제 4 단계(S40) 및 제 5 단계(S50)는 일반적인 파우더 공정으로서, 제 4단계(S40)에서는 열처리 이후에 뭉쳐있는 형광체 덩어리를 분쇄시키고, 제 5단계(S50)에서는 체거름 공정을 이용하여 엉켜있는 형광체 입자를 풀어줌으로써 입자의 흐름성을 향상시킨다.

이때, 제 4 단계(S40)의 분쇄과정은 형광체의 형상이 변형되도록 과도한 힘을 가해 분쇄시키는 개념이 아니라 덩어리로 뭉쳐있는 형광체 파우더를 잘게 풀어주기 위한 공정이다.

도 3은 본 발명에 의한 형광체 합성방법에 의하여 합성된 형광체를 전자현미경으로 촬영한 형상을 도시한다.

도 3에 도시된 형광체는, 입자의 입경이 4.5㎛인 CH₃SiO_1.5 원료를 사용하여 토포택식(Topotaxic) 고상반응을 통해 합성된 것으로서, 거의 대부분의 입자의 입경이 약 5㎛이며 입자의 형상이 거의 완전한 구형이다.

본 발명에 의한 형광체는, 입자의 평균 입경이 약 5㎛이며 입자 크기의 분포가 매우 균일하다. 즉, 각 입자의 입경 편차에 있어서 본 발명의 형광체 입자는 평균입경으로부터 약 ±20％ 이내에 분포를 가지므로 0.5~20㎛의 편차를 갖는 종래의 형광체보다 편차의 크기가 대폭 감소된다.

도 4는 본 발명에 의한 발광다이오드의 구성을 도시한다.

도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 발광다이오드는, 애노드(200) 및 캐소드(300)와, 캐소드(300)의 선단에 마련된 홀컵(310)에 수납되도록 결합되는 LED칩(100)과, LED칩(100)의 상측 면에 일정한 두께로 도포되는 형광체(420)와, LED(100)칩을 에노드(200)와 캐소드(300)에 각각 연결시키는 에노드 리드(600) 및 캐소드 리드(700)를 포함하여 구성된다.

LED칩(100)은 청색광을 발광하도록 구성되고, 형광체(420)는 평균 입자의 입 경이 3~15㎛가 되도록 형성됨과 동시에 각 입자가 평균 입경으로부터 ±20% 이내의 편차를 갖도록 형성되며 청색광을 여기원으로 하여 황색광을 발생하는 오소실리케이트 그룹의 형광체이다.

형광체(420)는 LED칩(100)의 푸른빛을 여기원으로 하여 노란빛을 발광하도록 구성되어있어, 본 발명에 의한 발광다이오드는 형광체(420)를 여기 시키고 남은 푸른빛과 형광체(420)의 노란빛을 조합하여 백색광을 발광하도록 구성되어있다.

이와 같은 백색 발광다이오드의 구조는 종래의 백색 발광다이오드와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 적용되는 형광체(420)는, 도 1에 도시된 형광체(42)보다 산란의 주요인인 1㎛이하의 미세입자가 제거되고 입자 크기의 편차가 대폭 감소되며 거의 완전한 구형 형상이다. 따라서 본 발명에 의한 발광다이오드는 종래의 발광다이오드에 비하여 빛의 산란현상이 대폭 감소되고 광도가 향상된다.

또한, 2㎛의 CH₃SiO_1.5를 이용하여 형광체를 합성하는 경우 형광체는 입자의 입경이 3㎛가 되도록 형성되고, 입자의 입경이 12㎛인 CH₃SiO_1.5를 이용하여 형광체를 합성하는 경우 형광체 입자의 입경은 15㎛가 된다.

도 5는 종래의 발광다이오드와 본 발명에 의한 발광다이오드의 파장 및 광도를 도시한다.

도 5에 도시된 그래프의 X축과 Y축은 발광다이오드에 의하여 발광되는 백색광의 파장과 광도를 각각 나타내며, 42’은 종래의 발광다이오드에 20㎃의 전류를 인가하였을 때 LED로부터 발광되는 빛의 파장 변화에 따른 백색광의 광도 변화를 도시하고, 420’은 본 발명에 의한 발광다이오드에 20㎃의 전류를 인가하였을 때 LED로부터 발광되는 빛의 파장 변화에 따른 백색광의 광도 변화를 도시한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 발광다이오드와 본 발명에 의한 발광다이오드는 모두 LED에서 발광되는 빛의 파장이 430~470㎚일 때 최대 발광 피크를 가지나, 입경의 편차가 적고 정교한 구형 입자를 갖는 형광체를 사용한 본 발명에 의한 발광다이오드는 종래의 발광다이오드에 비하여 발광 피크지점의 광도가 약 10% 향상됨이 나타났다.

또한, 입자의 입경이 각각 2㎛와 15㎛인 형광체가 적용되는 발광다이오드를 사용하면, 종래의 발광다이오드에 비하여 각각 5%와 15% 가량의 광도향상을 얻을 수 있게 된다.

따라서, 본 발명에 의한 발광다이오드를 사용하면, 종래의 발광다이오드에 비하여 광도가 대폭 향상되므로, 휴대폰, LCD TV, LCD 모니터의 백라이트뿐만 아니라 전광판, 응급지시판, 장식용, 도로용, 점포용, 주거용, 공장용 등에 사용되는 일반조명에도 적용될 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

본 발명에 의한 형광체 제조방법을 사용하면, 형광체 입자를 둥글게 제조할 수 있고 형광체 입자 크기의 편차를 감소시킬 수 있으며, 형광체 입자의 크기를 조절할 수 있다는 장점이 있다.

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

Claims (11)

1. 삭제
2. SrCO₃와 Eu₂O₃과 CH₃SiO_1.5를 혼합하여 형광혼합물을 제조하는 제 1단계(S10),

   상기 제 1단계(S10)에서 제조된 형광혼합물을 산화조건에서 1차 열처리하여 형광체를 제조하는 제 2단계(S20),

   상기 제 2단계(S20)에서 제조된 형광체를 환원조건에서 2차 열처리하는 제 3단계(S30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광체 합성방법.
3. 삭제
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 CH₃SiO_1.5는,

   입자의 입경이 2~12㎛이고 각각의 입자가 평균 입경으로부터 ±20% 이내의 편차를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 형광체 합성방법.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 3단계(S30)에서 2차 열처리된 형광체를 분쇄하는 제 4단계(S40),

   상기 제 4단계(S40)에서 분쇄된 형광체 중 엉켜있는 입자를 풀어주는 제 5단계(S50)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 형광체 합성방법.
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 2단계(S20)의 1차 열처리는,

   900~1500℃의 온도에서 1~10시간동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 형광체 합성방법.
7. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 3단계(S30)의 2차 열처리는,

   1100~1500℃의 온도에서 1~10시간동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 형광체 합성방법.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제

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