KR100646633B1 - 발광소자 - Google Patents

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KR100646633B1
KR100646633B1 KR1020050122807A KR20050122807A KR100646633B1 KR 100646633 B1 KR100646633 B1 KR 100646633B1 KR 1020050122807 A KR1020050122807 A KR 1020050122807A KR 20050122807 A KR20050122807 A KR 20050122807A KR 100646633 B1 KR100646633 B1 KR 100646633B1
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김도형
양승만
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서울반도체 주식회사
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Abstract

본 발명은 발광소자에 대한 것이다. 청색 발광 다이오드와; 적색 발광 다이오드 및 녹색 발광 다이오드 중 적어도 어느 하나의 발광 다이오드와; 상기 발광 다이오드들 중 적어도 상기 청색 발광 다이오드에서 방출된 광의 적어도 일부를 파장변환시키는 형광체를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 종래 백색 발광소자와 대비하여, 연색평가수 및 색재현성을 개선하고, 색온도를 낮춤과 아울러, 광추출 효율 감소를 방지할 수 있는 백색 발광소자를 제공할 수 있다. 또한, 청녹색광으로부터 적색광까지의 다양한 색상의 광을 방출할 수 있는 발광소자를 제공할 수 있다.
발광, 다이오드, 형광체, 발광소자, 연색평가수, 색온도, 색재현성

Description

발광소자{LIGHT EMITTING DEVICE}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자의 개략 평면도.
도 2 및 도 3은 도 1의 절취선 A-A'를 따라 취해진 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 단면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략 평면도.
도 5는 도 4의 절취선 B-B'를 따라 취해진 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 6은 본 발명의 실시예들에 사용되는 형광체를 설명하기 위한 CIE 색좌표 그래프이다.
<도면의 주요부분의 기호에 대한 설명>
11: 리드단자 11a ~ 11d: 제 1 내지 제 4 리드단자
13: 본체 15: 히트싱크
17: 청색 발광 다이오드 18: 접착제
19: 적색 발광 다이오드 20: 녹색 발광 다이오드
21: 봉지재 23: 형광체
본 발명은 발광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 청색 발광 다이오드와 적색 및 녹색 발광 다이오드를 채택하여 백색광의 연색평가수 및 색재현성을 개선하고, 색온도를 낮춘 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로, 백색 발광소자는 청색광을 방출하는 갈륨나이트라이드(GaN) 계열 특히, 알루미늄-인디움-갈륨나이트라이드(AlxInyGazN) 계열의 발광 다이오드 및 발광 다이오드에서 방출된 청색광의 일부를 흡수하여 황색광을 방출하는 황색 형광체를 포함한다. 이러한 백색 발광소자는 광원으로서 단일파장의 광원을 사용하므로, 청색, 녹색 및 적색 발광 다이오드들을 광원으로 사용하는 백색 발광소자에 비해 구조가 매우 단순하고 가격이 싸며, 구동이 편리하다.
한편, 기존의 형광등을 대체하여 백색 발광소자를 일반조명용으로 사용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 백색 발광소자가 일반조명용으로 사용되기 위해서는, 충분한 발광강도뿐만 아니라 약 6,000K의 색온도에서 형광등 수준의 연색평가수(Color Rendering Index; CRI)를 나타낼 것이 요구된다. CRI는 광원에 의해 조명되는 물체색의 지각이 기준광원(예컨대, 태양광)으로 조명했을 때의 지각과 일치하는 정도를 나타내는 수치로, 외부로 방출되는 광의 파장 분포와 관련된다. 일반조명용으로 사용되는 백색 발광소자의 CRI가 낮을 경우, 물체 색의 색상왜곡을 초래할 수 있다.
상기 GaN 계열을 청색 발광 다이오드와 황색 형광체를 이용한 백색 발광소자는 일반적으로 적색광 부족에 기인한 청색 편이 현상을 보인다. 따라서, 상기 발광 소자는 색온도가 높으며, CRI 및 색재현성이 낮다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 발광소자가, 미국특허 6,252,254호에 "형광체 조성물을 구비하는 발광소자"(Light emitting device with phosphor composition)라는 명칭으로 소울스 등(Soules et al.)에 의해 개시된 바 있다. 상기 미국특허 6,252,254호는 황색 형광체 또는 녹색 형광체와 함께 적색 형광체를 사용하여 색온도를 낮추고, CRI를 높인 발광소자를 개시한다.
그러나, 적색 형광체는 일반적으로 황색 형광체에 비해 광 변환효율이 상당히 작다. 따라서, 적색 형광체를 함께 사용하면, 발광 다이오드의 광추출 효율이 감소되어 일반조명 및 백라이트 유닛에 사용하기 힘든 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 종래 백색 발광소자와 대비하여, 연색평가수를 개선하고, 색온도를 낮춤과 아울러, 광추출 효율 감소를 방지할 수 있는 백색 발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 청녹색 광으로부터 적색광까지의 다양한 색상의 광을 방출할 수 있는 발광소자를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위해 본 발명은 청색 발광 다이오드와; 적색 발광 다이오드 및 녹색 발광 다이오드 중 적어도 어느 하나의 발광 다이오드와; 상 기 발광 다이오드들 중 적어도 상기 청색 발광 다이오드에서 방출된 광의 적어도 일부를 파장변환시키는 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자를 제공한다.
이때, 상기 형광체는 발광 다이오드의 둘레에 구비될 수 있다.
또한, 상기 형광체는 녹색 형광체 및 황색 형광체 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 녹색 형광체는 CIE 색좌표에서 x값이 0.0 ~ 0.4 범위 내이고 y값이 0.5 ~ 0.85 범위 내인 녹색광을 방출하고, 상기 황색 형광체는 CIE 색좌표에서 x값이 0.4 ~ 0.6 범위 내이고 y값이 0.4 ~ 0.6 범위 내인 황색광을 방출하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 적색 발광 다이오드는 파장이 500nm 내지 580nm인 광을 발광하고, 상기 녹색 발광 다이오드는 파장이 580nm 내지 760nm인 광을 발광하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 발광 다이오드를 봉지하는 봉지재를 더 포함하고, 상기 형광체는 상기 봉지재 내에 분포할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자를 설명하기 위한 평면도이고, 도 2는 도 1의 절취선 A-A'를 따라 취해진 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제 1 내지 및 제 4 리드단자(11a, 11b, 11c, 11d) 를 포함하는 리드 단자(11)를 패키지 본체(13)가 지지한다. 상기 패키지 본체(13)는 상기 리드단자(11)의 일부를 노출시키는 리세스를 갖는다. 상기 패키지 본체(13)는 상기 리드단자(11)를 삽입몰딩하여 형성될 수 있다.
상기 리세스에 대응하여 히트싱크(15)가 상기 패키지 본체(13)에 결합될 수 있다. 상기 히트싱크(15)는 상기 패키지 본체(13)를 형성한 후에 결합되거나, 상기 히트싱크(15)를 상기 리드단자(11)와 함께 삽입몰딩하여 상기 패키지 본체(13)를 형성하므로써 상기 패키지 본체(13)에 결합될 수 있다. 상기 히트싱크(15)는 열방출을 촉진하기 위해 넓은 바닥면을 가지며, 중앙에 돌출부를 가질 수 있다. 상기 돌출부의 상부면이 상기 패키지 본체(13)의 리세스 내로 노출된다. 또한, 상기 히트싱크(15) 상부면은, 도시한 바와 같이, 상기 리세스 내에 위치할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 패키지 본체(13)의 상부면보다 높게 위치할 수도 있다.
상기 패키지 본체(13)의 리세스 내에 청색 발광 다이오드(17)와 적색 발광 다이오드(19)가 인접하여 실장된다. 상기 청색 및 적색 발광 다이오드(17, 19)는 상기 패키지 본체(13)의 리세스 바닥에 실장될 수 있으며, 히트싱크(15)가 패키지 본체(13)에 결합된 경우, 상기 히트싱크(15)의 상부면에 실장된다.
상기 청색 발광 다이오드(17)는 예컨대, 알루미늄-인디움-갈륨나이트라이드(AlxInyGazN) 계열의 발광 다이오드일 수 있다. Al, In 및 Ga의 조성비를 조절하여 청색 피크 파장을 갖는 청색 발광 다이오드를 제공할 수 있다. 상기 청색 피크 파 장은 약 440 ~ 480nm의 파장 범위 내에 위치한다. 한편, 상기 적색 발광 다이오드(19)는 (AlxGayAs) 계열의 발광 다이오드일 수 있으며, 580 ~ 760nm의 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는다. 하지만, 상기 적색 발광 다이오드(19)는 610 ~ 670㎚의 파장 범위 내의 피크 파장을 갖는 것이 바람직하다.
상기 청색 및 적색 발광 다이오드(17, 19)는 각각 제 1 및 제 2 전극을 포함하는 두개의 전극을 가지며, 상기 각 발광 다이오드의 제 1 및 제 2 전극은 발광 다이오드의 동일면측에 위치하거나 서로 반대면에 위치할 수 있다.
상기 청색 및 적색 발광 다이오드(17, 19)는 접착제(18)에 의해 상기 히트싱크(15)에 접착되며, 상기 청색 및 적색 발광 다이오드(17, 19)가 반대면들에 각각 전극을 갖는 경우, 은 페이스트(Ag paste)와 같은 도전성 접착제(18)를 사용하여 상기 청색 및 적색 발광 다이오드(17, 19) 각각의 제 1 전극을 상기 히트싱크에 전기적으로 연결할 수 있다. 그리고, 상기 제 2 전극을 본딩와이어를 통해 제 3 및 제 4 리드단자(11c, 11d)에 전기적으로 연결한다. 한편, 상기 제 1 및 제 2 리드단자(11a, 11b)를 본딩와이어를 통해 상기 히트싱크(15)에 전기적으로 연결한다. 이에 따라, 상기 청색 발광 다이오드(17)는 제 1 및 제 2 리드단자(11a, 11b)와 제 4 리드단자(11d)에 전기적으로 연결되며, 적색 발광 다이오드(19)는 제 1 및 제 2 리드단자(11a 및 11b)와 제 3 리드단자(11c)에 전기적으로 연결된다. 그 결과, 상기 리드단자(11)를 통해 상기 청색 및 적색 발광 다이오드(17, 19)에 서로 다른 전력을 공급하여 개별적으로 구동시키는 것이 가능하다.
한편, 상기 청색 및 적색 발광 다이오드(17, 19)가 각각 동일면측에 제 1 및 제 2 전극을 갖는 경우, 상기 제 1 및 제 2 전극은 각각 본딩와이어를 통해 리드단자(11)에 연결될 수 있다. 예컨대, 청색 발광 다이오드(17)는 두개의 본딩와이어들을 통해 제 2 리드단자(11b)와 제 4 리드단자(11d)에 전기적으로 연결되고, 적색 발광 다이오드(19)는 두개의 본딩와이어들을 통해 제 1 리드단자(11a)와 제 3 리드단자(11c)에 연결될 수 있다. 그 결과, 상기 청색 및 적색 발광 다이오드(17, 19)를 별개로 구동시키는 것이 가능하다.
상기 리드단자(11)와 상기 청색 및 적색 발광 다이오드(17, 19)를 본딩와이어를 통해 전기적으로 연결하는 방식은 다양하게 선택될 수 있다. 다만, 이러한 연결은 상기 청색 및 적색 발광 다이오드(17, 19)를 서로 분리하여 구동할 수 있도록 선택되는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시예에서는 4개의 리드단자들을 도시하고 있으나, 3개의 리드단자들을 사용하여 상기 청색 및 적색 발광 다이오드(17, 19)는 별개로 구동하는 것도 가능하다. 즉, 상기 제 1 리드단자(11a)와 상기 제 2 리드단자(11b)를 하나의 공통 리드단자로 변경하고, 상기 공통 리드단자와 나머지 제 3 및 제 4 리드단자(11c, 11d) 사이에서 청색 및 적색 발광 다이오드(17, 19)를 각각 연결할 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 종래의 다른 패키지 즉, 램프형 발광소자, 탑뷰형 발광소자 및 칩형 발광소자에도 같은 형태로 적용될 수 있다.
한편, 봉지재(21)가 상기 패키지 본체(13)의 리세스를 채워 상기 청색 발광 다이오드(17) 및 적색 발광 다이오드(19)를 봉지한다. 상기 봉지재(21)는 상기 본 딩와이어들 및 상기 리세스 내에 노출된 리드단자들을 함께 봉지할 수 있다. 상기 봉지재(21)는 에폭시 또는 실리콘 수지를 몰딩하여 형성될 수 있다.
이때, 도 3에 도시된 것처럼 상기 청색 발광 다이오드(17) 상에 또는 그 상부에 형광체(23)가 위치한다. 형광체(23)는 상기 청색 발광 다이오드(17) 상에 또는 상기 봉지재(21) 상에 층으로 형성되어 위치할 수 있다. 이와 달리, 상기 형광체(23)는 도 2에 도시된 것처럼 상기 봉지재(21) 내에 함유되어 분포할 수 있다. 상기 형광체(23)는 상기 청색 발광 다이오드(17)에서 방출된 청색광의 일부를 파장변환시켜 녹색광을 방출하는 녹색 형광체 및/또는 황색광을 방출하는 황색 형광체를 포함한다.
하지만 본 발명은 이에 한정되지 않고, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 청색을 발광하는 청색 발광 다이오드(17)와 적색을 발광하는 적색 발광 다이오드(19) 외에 녹색을 발광하는 녹색 발광 다이오드(20)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 봉지재(21) 내에 형광체(23)가 함유되어 분포할 수 있다.
이때, 상기 녹색을 발광하는 녹색 발광 다이오드(20)는 500 ~ 580nm의 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는다. 하지만, 상기 녹색 발광 다이오드(20)는 515 ~ 565㎚의 파장 범위 내의 피크 파장을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 녹색 발광 다이오드(20) 역시 청색 및 적색 발광 다이오드(17, 19)와 같이 제 1 및 제 2 전극을 포함하는 두개의 전극들을 가지며, 상기 제 1 및 제 2 전극은 발광 다이오드의 동일면측에 위치하거나 서로 반대면에 위치할 수 있다.
상기 녹색 발광 다이오드(20)는 청색 및 적색 발광 다이오드(17, 19)와 동일하게 접착제(18)에 의해 상기 히트싱크(15)에 접착되며, 상기 녹색 발광 다이오드(20)가 반대면들에 각각 전극을 갖는 경우, 은 페이스트(Ag paste)와 같은 도전성 접착제(18)를 사용하여 제 1 전극을 상기 히트싱크에 전기적으로 연결할 수 있다. 그리고, 상기 제 2 전극을 본딩와이어를 통해 제 1 리드단자(11a)에 전기적으로 연결한다. 한편, 상기 히트싱크(15)는 본딩와이어를 통해 제 2 리드단자(11b)에 전기적으로 연결된다.
이때, 상기 청색 발광 다이오드(17)는 제 2 리드단자(11b)와 제 4 리드단자(11d)에 전기적으로 연결되며, 적색 발광 다이오드(19)는 제 2 리드단자(11b)와 제 3 리드단자(11c)에 전기적으로 연결된다.
또한, 녹색 발광 다이오드(20)는 제 1 리드단자(11a)와 제 2 리드단자(11b)에 전기적으로 연결된다. 그 결과, 상기 리드단자(11)를 통해 상기 청색 발광 다이오드(17)와 적색 및 녹색 발광 다이오드(19, 20)에 서로 다른 전력을 공급하여 개별적으로 구동시키는 것이 가능하다.
한편, 상기 형광체(23)는 녹색에서 황색까지의 영역에서 피크 파장을 가질 수 있는 형광체를 포함한다.
이때, 상기 녹색 형광체는 예컨대, 도 3의 CIE 색좌표에서 x값이 0.0 ~ 0.4 범위 내이고, y값이 0.5 ~ 0.85 범위 내의 녹색광을 방출하는 형광체일 수 있으며, 상기 황색 형광체는 CIE 색좌표에서 x값이 0,4 ~ 0.6 범위 내이고, y값이 0.4 ~ 0.6 범위 내의 황색광으로 방출하는 형광체일 수 있다. 상기 녹색 형광체는 예컨 대, Sr4Al4O25:Eu2+일 수 있으며, 상기 황색 형광체는 YAG계 형광체 또는 오소실리케이트 형광체 등일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 발광소자는, 청색광을 방출하는 청색 발광 다이오드(17)와 함께 적색 발광 다이오드(19)를 동시에 구동시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 청색 발광 다이오드(17)의 청색광 및 상기 형광체의 녹색광 및/또는 황색광 및 상기 적색 발광 다이오드(19)의 적색광이 혼합되어 백색광이 구현된다. 상기 발광소자는 광 변환효율이 낮은 적색 형광체를 채택하는 대신 적색 발광 다이오드를 채택하여 광 추출 효율이 개선된다.
또한, 청색광을 방출하는 청색 발광 다이오드와 청색광을 녹색광 및/또는 황색광으로 변환시키는 형광체를 채택하여 발광소자의 구조를 비교적 단순화할 수 있으며, 적색 발광 다이오드와 함께 구동하여 연색평가수 및 색재현성이 높고 색온도가 낮은 백색광을 구현할 수 있다.
또한, 실제로 사람의 눈에서 느끼는 시감도 특성상 다른 파장에 비해 녹색 특히, 555nm 파장을 가장 밝게 인식한다. 따라서, 상기 청색 및 적색 발광 다이오드 외 녹색 발광 다이오드를 더 구비할 경우 청색 발광 다이오드 및 황색 형광체로 구성된 종래 기술에 대비하여 광도가 5 ~ 10% 향상된다. 이때, 상기와 같은 구조에 의해 연색성 및 색재현성 역시 향상된다.
더욱이, 적색, 녹색, 청색 발광 다이오드를 가지는 종래 백색 발광 다이오드에 비해 본 발명은 광출력이 약 2배 향상되며, 혼색성 역시 향상된다. 또한, 본 발 명에 따른 청색 및 적색 발광 다이오드를 포함하는 발광소자는 종래 3개의 발광 다이오드를 사용할 때보다 발광 다이오드를 적게 사용하므로 발열 및 전력소비 역시 감소한다.
상기와 같이 본 발명에 따른 발광소자는 일반 조명 및 백라이트 유닛에 적합한 발광소자를 제공할 수 있다.
한편, 상기 발광소자는, 녹색 형광체를 채택한 경우, 상기 적색 발광 다이오드(19)를 오프(off)하고 상기 청색 발광 다이오드(17)를 구동함으로써, 녹색 형광체의 녹색광과 청색 발광 다이오드(17)의 청색광이 혼합된 청녹색광을 방출할 수 있다. 또한, 상기 발광소자는 상기 청색 발광 다이오드(17)를 오프(off)하고, 상기 적색 발광 다이오드(19)를 구동함으로써 적색광을 방출할 수 있다. 상기 청색 발광 다이오드(17)와 상기 적색 발광 다이오드(19)에 입력되는 전력을 변화시킴으로써, 상기 발광소자는 백색광뿐만 아니라, 청녹색광에서 적색광까지의 다양한 색상의 광을 방출할 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 종래 백색 발광소자와 대비하여, 연색평가수 및 색재현성을 개선하고, 색온도를 낮춤과 아울러, 광추출 효율 감소를 방지할 수 있는 백색 발광소자를 제공할 수 있다. 또한, 청녹색광으로부터 적색광까지의 다양 한 색상의 광을 방출할 수 있는 발광소자를 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. 청색 발광 다이오드와;
    적색 발광 다이오드 및 녹색 발광 다이오드 중 적어도 어느 하나의 발광 다이오드와;
    상기 발광 다이오드들 중 적어도 상기 청색 발광 다이오드에서 방출된 광의 적어도 일부를 파장변환시키는 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 형광체는 발광 다이오드의 둘레에 구비된 것을 특징으로 하는 발광소자.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 형광체는 녹색 형광체 및 황색 형광체 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 녹색 형광체는 CIE 색좌표에서 x값이 0.0 ~ 0.4 범위 내이고 y값이 0.5 ~ 0.85 범위 내인 녹색광을 방출하고, 상기 황색 형광체는 CIE 색좌표에서 x값이 0.4 ~ 0.6 범위 내이고 y값이 0.4 ~ 0.6 범위 내인 황색광을 방출하는 것을 특징으 로 하는 발광소자.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 적색 발광 다이오드는 파장이 500nm 내지 580nm인 광을 발광하고, 상기 녹색 발광 다이오드는 파장이 580nm 내지 760nm인 광을 발광하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 발광 다이오드를 봉지하는 봉지재를 더 포함하고, 상기 형광체는 상기 봉지재 내에 분포하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
KR1020050122807A 2005-09-27 2005-12-13 발광소자 KR100646633B1 (ko)

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Cited By (1)

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KR101205526B1 (ko) * 2006-12-29 2012-11-27 서울옵토디바이스주식회사 발광다이오드 패키지

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