KR100659900B1 - Device for emitting white light and fabricating method thereof - Google Patents

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송정훈
문영부
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엘지전자 주식회사
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Abstract

A white light emitting device and a method for manufacturing the same are provided to improve optical absorption efficiency and optical conversion efficiency by using a phosphor and a metal nano particle having SPR(Surface Plasmon Resonance) wavelength as a polymer resin. A white light emitting device comprises a light emitting diode(110) mounted on a support part, a bonding wire for connecting the support part to the light emitting diode, and a polymer resin(130) surrounded to the light emitting diode. Metal nano particles(133) dispersed with phosphors(131) are used as the polymer resin. The metal nano particle has a surface plasmon resonance wavelength.

Description

백색 발광 소자 및 그 제조방법{ Device for emitting white light and fabricating method thereof }White light emitting device and its manufacturing method {Device for emitting white light and fabricating method

도 1은 종래의 질화물계 발광 다이오드의 단면도.1 is a cross-sectional view of a conventional nitride based light emitting diode.

도 2는 본 발명에 따라 형광체 및 금속 나노 입자가 분산된 고분자 수지가 발광 다이오드에 도포된 상태를 개략적으로 도시한 개념도.2 is a conceptual diagram schematically illustrating a state in which a polymer resin in which phosphors and metal nanoparticles are dispersed is applied to a light emitting diode according to the present invention;

도 3은 본 발명의 백색 발광 소자의 실시예를 나타낸 단면도.3 is a cross-sectional view showing an embodiment of a white light emitting device of the present invention.

도 4는 본 발명의 백색 발광 소자에 있어서, 발광 다이오드에서 방출한 광이 형광체 및 금속 나노 입자가 분산되어 있는 고분자 수지를 통과하는 상태를 개략적으로 나타낸 도면.4 is a view schematically showing a state in which light emitted from a light emitting diode passes through a polymer resin in which phosphors and metal nanoparticles are dispersed in the white light emitting device of the present invention.

도 5는 은(Ag) 나노 입자의 모양에 따른 표면 플라즈몬 공명 파장을 비교하여 나타낸 그래프.Figure 5 is a graph showing the comparison of the surface plasmon resonance wavelength according to the shape of the silver (Ag) nanoparticles.

도 6은 은(Ag) 나노 입자의 크기와 모양에 따른 표면 플라즈몬 공명 파장을 비교하여 나타낸 그래프.Figure 6 is a graph showing a comparison of the surface plasmon resonance wavelength according to the size and shape of silver (Ag) nanoparticles.

도 7은 본 발명의 백색 발광 소자의 제조방법의 실시예를 나타낸 공정 순서도.7 is a process flowchart showing an embodiment of a method of manufacturing a white light emitting device of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

110 : 발광 다이오드 120 : 리드 프레임110: light emitting diode 120: lead frame

121 : 반사판 130 : 고분자 수지121: reflector 130: polymer resin

131 : 형광체 133 : 금속 나노 입자131: phosphor 133: metal nanoparticles

140 : 본딩 와이어 150 : 몰딩부140: bonding wire 150: molding part

본 발명은 백색 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 발광 다이오드에서 방출하는 빛의 파장과 같은 파장의 표면 플라즈몬 공명 파장을 가지는 금속 나노 입자를 형광체와 함께 고분자 수지에 분산시킨 후, 발광 다이오드를 감싸며 상기 고분자 수지를 도포하여 고휘도의 백색광을 방출하는 백색 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a white light emitting device and a method of manufacturing the same, wherein metal nanoparticles having a surface plasmon resonance wavelength having the same wavelength as that of light emitted from a light emitting diode are dispersed in a polymer resin together with a phosphor, and then wrapped around the light emitting diode. The present invention relates to a white light-emitting device and a method for manufacturing the same, wherein the polymer resin is coated to emit high brightness white light.

일반적으로 발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜서 신호를 주고 받거나, 광원으로 사용되는 반도체 소자의 일종이다.In general, a light emitting diode (LED) is a kind of semiconductor device that transmits and receives a signal by converting electricity into infrared rays or light using characteristics of a compound semiconductor.

발광 다이오드는 저전압으로 고효율의 광을 발생시키므로 에너지 절감 효과가 뛰어나며, 최근 들어 발광 다이오드의 한계였던 휘도 문제가 크게 개선되면서 백라이트 유닛(Backlight Unit), 전광판, 표시기, 가전제품, 각종 자동화 기기 등 산업 전반에 걸쳐 사용되고 있다.The light emitting diode generates energy with high efficiency at low voltage, so it is very energy-saving.In recent years, the luminance problem, which was the limitation of the light emitting diode, has been greatly improved, and the entire industry including a backlight unit, an electronic board, an indicator, a home appliance, and various automation devices It is used throughout.

특히, 질화 갈륨(GaN)계 발광 다이오드는 발광 스펙트럼이 자외선으로부터 적외선에 이르기까지 광범위하게 형성되며, 비소(As), 수은(Hg) 등의 환경 유해 물 질을 포함하고 있지 않기 때문에 환경 친화적인 면에서도 높은 호응을 얻고 있다.In particular, gallium nitride (GaN) -based light emitting diodes have a broad emission spectrum from ultraviolet to infrared and are environmentally friendly because they do not contain environmentally harmful substances such as arsenic (As) and mercury (Hg). Even high response.

도 1은 종래의 질화물계 발광 다이오드의 단면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(10) 상부에 버퍼층(11), n형 질화물 반도체층(12), 활성층(13), p형 질화물 반도체층(14)이 순차적으로 적층되어 있고,1 is a cross-sectional view of a conventional nitride based light emitting diode. As shown therein, the buffer layer 11, the n-type nitride semiconductor layer 12, the active layer 13, and the p-type nitride semiconductor layer 14 are sequentially stacked on the sapphire substrate 10.

상기 p형 질화물 반도체층(14)에서 상기 n형 질화물 반도체층(12)의 일부분까지 메사(Mesa) 식각 되어 상기 n형 질화물 반도체층(12)의 일부가 노출되어 있고, Mesa etching is performed from the p-type nitride semiconductor layer 14 to a portion of the n-type nitride semiconductor layer 12 to expose a portion of the n-type nitride semiconductor layer 12,

상기 노출된 n형 질화물 반도체층(12) 상부에는 n-전극(15)이 형성되어 있으며, 상기 p형 질화물 반도체층(14) 상부에는 투명 전극(16)이 형성되어 있고, 상기 투명 전극 상부에는 p-전극(17)이 형성되어 있는 구조를 가지고 있다.An n-electrode 15 is formed on the exposed n-type nitride semiconductor layer 12, and a transparent electrode 16 is formed on the p-type nitride semiconductor layer 14, and on the transparent electrode. It has a structure in which the p-electrode 17 is formed.

여기서, 상기 발광 다이오드는 다음과 같은 방식으로 구동된다. 즉, 상기 p-전극(17) 및 n-전극(15)에 전압을 인가하면 상기 p형 질화물 반도체층(14) 및 n형 질화물 반도체층(12)으로부터 정공 및 전자가 활성층(13)으로 흘러 들어가 상기 활성층(13)에서 전자-정공의 재결합이 일어나면서 발광을 하게 된다.Here, the light emitting diode is driven in the following manner. That is, when voltage is applied to the p-electrode 17 and the n-electrode 15, holes and electrons flow from the p-type nitride semiconductor layer 14 and the n-type nitride semiconductor layer 12 to the active layer 13. Into the active layer 13, the electron-hole recombination occurs to emit light.

상기 활성층(13)으로부터 발광된 광은 활성층(13)의 위와 아래로 진행하게 되고, 위로 진행된 광은 상기 p형 질화물 반도체층(14) 상부에 얇게 형성된 투명 전극(16)을 통하여 밖으로 방출된다.Light emitted from the active layer 13 proceeds up and down the active layer 13, and the light propagated upward is emitted through the transparent electrode 16 thinly formed on the p-type nitride semiconductor layer 14.

그리고, 활성층(13)의 아래로 진행된 광은 기판(10)의 하부로 빠져나가 발광 다이오드의 패키징시 사용되는 솔더(Solder)에 흡수되거나, 기판(10)에서 반사되어 다시 위로 진행하여 활성층(13)에 다시 흡수되기도 하고 투명 전극(16)을 통하여 밖으로 빠져 나오기도 한다.In addition, the light propagated down the active layer 13 escapes to the lower part of the substrate 10 and is absorbed by a solder used in packaging the light emitting diode, or is reflected from the substrate 10 and then proceeds upward again to the active layer 13. May be absorbed again through the transparent electrode 16 or may be pulled out through the transparent electrode 16.

이러한 발광 다이오드는 실리콘이나 세라믹으로 제조한 서브 마운트 기판에 접합되어 패키지 형태로 사용하거나, 다른 패키지에 실장되어 사용하게 된다.Such a light emitting diode is bonded to a sub-mount substrate made of silicon or ceramic and used as a package, or mounted in another package.

한편, 최근에 발광 다이오드를 이용하여 백색 발광 광원을 구성하는 다양한 시도가 이루어지고 있다. On the other hand, various attempts have recently been made to configure a white light emitting source using a light emitting diode.

발광 다이오드를 이용하여 백색광을 얻기 위해서는, 발광 다이오드가 단색성 피크 파장을 가지기 때문에 R, G, B의 3개 발광 다이오드를 근접하여 설치하고 발광 시켜 확산 혼색하여야 한다. In order to obtain white light by using the light emitting diode, since the light emitting diode has a monochromatic peak wavelength, three light emitting diodes of R, G, and B should be installed in close proximity and emit light.

그러나, 이러한 구성을 통해 백색광을 구현하고자 하는 경우에는 발광 다이오드의 색조나 휘도등이 불규칙하여 원하는 백색을 얻기 어려운 점이 있다. However, when white light is to be realized through such a configuration, there is a difficulty in obtaining desired white color due to irregular hue or luminance of the light emitting diode.

그리고, 발광 다이오드 각각이 다른 재료를 이용하여 형성되어 있기 때문에 각 발광 다이오드의 구동전압이 다르고 각기 다른 전압을 인가할 필요가 있으므로 구동회로가 복잡해진다는 단점이 있다. Further, since each of the light emitting diodes is formed using a different material, the driving voltages of the light emitting diodes are different and it is necessary to apply different voltages.

이와 아울러, 각 발광 다이오드가 반도체 발광소자이기 때문에 각 온도특성이나 경시변화가 다르고, 색조가 사용환경에 따라서 변화하거나, 각 발광 다이오드에 따라서 발생되는 빛을 균일하게 혼색시키기가 어렵고 얼룩이 발생하는 경우가 많은 등의 단점이 있다. In addition, since each light emitting diode is a semiconductor light emitting element, each temperature characteristic and change with time vary, and color tone changes according to the use environment, or it is difficult to uniformly mix light generated by each light emitting diode, and spots are generated. There are many disadvantages.

즉, 이러한 삼색 혼합을 통한 백색광 구현은 만족스러운 결과를 얻기에는 부족한 점이 많은 것이 사실이다. In other words, it is true that the white light implementation through such tricolor mixing is not sufficient to obtain satisfactory results.

상기 단점을 해소하기 위하여, 특정 파장을 발광하는 발광 다이오드를 이용하고 이러한 발광 다이오드의 소자 부분을 커버하는 수지 몰드 재료 중에 발광 소자로부터 빛을 흡수하고 흡수한 빛과 다른 파장의 빛을 발광하는 형광체를 함유시키는 방법이 널리 알려져 있다. In order to solve the above disadvantages, a phosphor that uses a light emitting diode that emits a specific wavelength and that absorbs light from the light emitting element and emits light having a wavelength different from that absorbed in the resin mold material covering the device portion of the light emitting diode. The method of containing is widely known.

이러한 방법으로는 예를 들어, 발광 소자로서 청색계의 발광이 가능한 발광 소자를 이용하고, 그 발광 소자에서 발광하는 빛을 흡수하여 황색계의 빛을 발광하는 형광체를 함유한 수지에 몰드하여 혼색에 의한 백색계의 빛이 발광 가능한 다이오드를 제작하는 방법이 있다. As such a method, for example, a light emitting device capable of emitting blue light is used as a light emitting device, and is molded into a resin containing a phosphor that absorbs the light emitted from the light emitting device and emits yellow light. There is a method of manufacturing a diode which can emit light of white light.

또한, 자외선 대역의 발광 다이오드를 이용하고, R, G, B 포스퍼(Phosphor)를 각각 섞어서 가시광선 전파장 영역에서 발광을 유도하여 백색 발광이 가능한 시스템을 이용하는 방법이 있다. In addition, there is a method using a system capable of emitting white light by using a light emitting diode in the ultraviolet band and mixing R, G, and B phosphors to induce light emission in the visible light field.

그러나, 이와 같이 특정 파장을 방출하는 발광 다이오드에 형광체를 이용하여 백색광을 발생시키는 경우, 형광체의 광 변환 효율이 낮아 고휘도의 백색광을 얻기 힘들다는 문제점이 있다.However, when white light is generated using a phosphor in a light emitting diode emitting a specific wavelength as described above, there is a problem in that it is difficult to obtain high luminance white light due to low light conversion efficiency of the phosphor.

즉, 기존 형광체의 경우, 청색 혹은 자색 영역에서의 광 흡수 효율이 매우 낮아 결과적으로 매우 낮은 광 변환 효율을 가지며 그로 인해 고휘도의 백색광을 얻기가 힘들다는 문제점이 있다.That is, in the case of the existing phosphor, the light absorption efficiency in the blue or purple region is very low, resulting in a very low light conversion efficiency, and thus there is a problem that it is difficult to obtain a high brightness white light.

따라서, 형광체를 이용하여 고휘도의 백색 발광 소자를 구현하기 위해서는 청색과 자색 영역에서의 형광체의 광 변환 효율을 증가시키는 방안이 필요하다.Therefore, in order to implement a high luminance white light emitting device using the phosphor, a method of increasing the light conversion efficiency of the phosphor in the blue and violet regions is required.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 발광 다이오드에서 방출하는 빛의 파장과 같은 파장의 표면 플라즈몬 공명 파장을 가지는 금속 나노 입자를 형광체와 함께 고분자 수지에 분산시킨 후, 발광 다이오드를 감싸며 상기 고분자 수지를 도포하여 형광체의 광 변환 효율을 향상시킨 백색 발광 소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and after dispersing the metal nanoparticles having a surface plasmon resonance wavelength of the same wavelength as the light emitted from the light emitting diode in the polymer resin with a phosphor, It is to provide a white light emitting device and a method of manufacturing the same by applying the polymer resin to improve the light conversion efficiency of the phosphor.

본 발명의 백색 발광 소자의 실시예는, 지지부 상부에 실장되어 있는 발광 다이오드와, 상기 지지부와 상기 발광 다이오드를 전기적으로 연결하기 위한 본딩 와이어와, 상기 발광 다이오드를 감싸며, 형광체 및 금속 나노 입자가 분산되어 있는 고분자 수지를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.An embodiment of the white light emitting device of the present invention includes a light emitting diode mounted on an upper portion of a support, a bonding wire for electrically connecting the support to the light emitting diode, a wrap around the light emitting diode, and phosphors and metal nanoparticles are dispersed. It is characterized by including the polymer resin which is made.

본 발명의 백색 발광 소자의 제조방법의 실시예는, 지지부에 발광 다이오드를 실장하는 단계와, 상기 지지부와 발광 다이오드를 전기적으로 연결하기 위해 와이어 본딩 공정을 수행하는 단계와, 형광체 및 금속 나노 입자를 고분자 수지에 분산시키는 단계와, 상기 고분자 수지를 상기 발광 다이오드를 감싸며 도포한 후, 경화시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.An embodiment of the method of manufacturing a white light emitting device of the present invention includes the steps of mounting a light emitting diode on a support, performing a wire bonding process to electrically connect the support and the light emitting diode, and phosphor and metal nanoparticles. Dispersing in a polymer resin, and coating the polymer resin surrounding the light emitting diode, and then curing the polymer resin.

이하, 도 2 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 백색 발광 소자 및 그 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명에 따라 형광체 및 금속 나노 입자가 분산된 고분자 수지가 발광 다이오드에 도포된 상태를 개략적으로 도시한 개념도이다.Hereinafter, a white light emitting device and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 7. 2 is a conceptual diagram schematically illustrating a state in which a polymer resin in which phosphors and metal nanoparticles are dispersed is coated on a light emitting diode according to the present invention.

이에 도시된 바와 같이, 리드 프레임(120)의 컵 형상의 반사판(121)에 발광 다이오드(110)가 본딩되어 있고, 상기 발광 다이오드(110)를 감싸며 형광체(131) 및 금속 나노 입자(133)가 분산되어 있는 고분자 수지(130)가 도포되어 있다.As shown in FIG. 2, the light emitting diode 110 is bonded to the cup-shaped reflector 121 of the lead frame 120, and the phosphor 131 and the metal nanoparticles 133 surround the light emitting diode 110. The dispersed polymer resin 130 is coated.

여기서, 형광체(131)는 발광 다이오드(110)에서 방출되는 광을 흡수하여 다른 파장의 빛을 발생시키며, 금속 나노 입자(133)는 발광 다이오드(110)에서 방출되는 광을 매우 효과적으로 흡수하여 인접해 있는 형광체(131)가 빛을 보다 잘 흡수할 수 있도록 도와주는 역할을 수행한다.Here, the phosphor 131 absorbs the light emitted from the light emitting diode 110 to generate light having a different wavelength, and the metal nanoparticles 133 absorb the light emitted from the light emitting diode 110 very effectively and are adjacent to each other. The phosphor 131 serves to help absorb light better.

즉, 상기 발광 다이오드(110)에서 방출되는 광은 고분자 수지(130)에 분산되어 있는 형광체(131) 및 금속 나노 입자(133)를 통과하면서 백색광으로 변환되어 외부로 방출된다.That is, the light emitted from the light emitting diode 110 is converted into white light while passing through the phosphor 131 and the metal nanoparticle 133 dispersed in the polymer resin 130 and is emitted to the outside.

예를 들어, 상기 발광 다이오드(110)가 청색광을 방출한다고 하였을때, 녹색계의 형광체와 금속 나노 입자를 내포하는 고분자 수지(130)를 발광 다이오드(110)를 감싸며 도포하면, 발광 다이오드(110)에서 외부로 방출되는 광은 백색광이 된다.For example, when the light emitting diode 110 emits blue light, when the polymer resin 130 containing the green phosphor and the metal nanoparticles is wrapped around the light emitting diode 110, the light emitting diode 110 is applied. The light emitted from the outside becomes white light.

그리고, 상기 발광 다이오드(110)가 자외선 광을 방출한다고 하였을때, 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue)계의 형광체와 금속 나노 입자를 내포하는 고분자 수지(130)를 도포하면, 외부로 백색광을 방출할 수 있게 된다.When the light emitting diode 110 emits ultraviolet light, the polymer resin 130 containing red, green, and blue phosphors and metal nanoparticles is coated. White light can be emitted to the outside.

도 3은 본 발명의 백색 발광 소자의 실시예를 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing an embodiment of a white light emitting device of the present invention.

이에 도시된 바와 같이, 상호 이격된 한 쌍의 외부 인출 단자(120a, 120b)로 이루어지며, 하나의 외부 인출 단자(120b)의 일단에 컵 형상의 반사판(121)이 형성되어 있는 리드 프레임(120)과;As shown therein, the lead frame 120 is formed of a pair of spaced apart external lead terminals 120a and 120b, and a cup-shaped reflective plate 121 is formed at one end of one external lead terminal 120b. )and;

상기 리드 프레임(120)의 반사판(121)에 본딩되어 있는 발광 다이오드(110)와;A light emitting diode (110) bonded to the reflector (121) of the lead frame (120);

상기 발광 다이오드(110)와 리드 프레임(120)의 외부 인출 단자(120a, 120b)를 전기적으로 연결하는 본딩 와이어(Bonding Wire)(140)와;A bonding wire 140 electrically connecting the light emitting diode 110 and the external lead terminals 120a and 120b of the lead frame 120 to each other;

상기 발광 다이오드(110)를 감싸며 상기 반사판(121)에 도포되어 있고, 형광체 및 금속 나노 입자가 분산된 고분자 수지(130)와;A polymer resin 130 covering the light emitting diode 110 and coated on the reflecting plate 121, in which phosphors and metal nanoparticles are dispersed;

상기 고분자 수지(130), 본딩 와이어(140), 리드 프레임(120)의 일부를 감싸 몰딩된 몰딩부(150)로 구성된다.The polymer resin 130, the bonding wire 140, and a part of the lead frame 120 are formed by molding the molding part 150.

여기서, 상기 발광 다이오드(110)는 청색 또는 자외선 영역의 빛을 발생시키는 발광 다이오드를 사용한다.Here, the light emitting diode 110 uses a light emitting diode that generates light in the blue or ultraviolet region.

그리고, 고분자 수지(130)에 있어서, 형광체는 상기 발광 다이오드(110)가 청색 영역의 빛을 발생하는 경우 녹색계의 형광체를 사용하며, 상기 발광 다이오드(110)가 자외선 영역의 빛을 발생하는 경우 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue)계의 형광체가 혼합된 형광체를 사용한다.In the polymer resin 130, the phosphor uses a green phosphor when the light emitting diode 110 generates light in a blue region, and the light emitting diode 110 generates light in an ultraviolet region. Red, green, and blue phosphors are mixed with phosphors.

또한, 고분자 수지(130)에 있어서, 금속 나노 입자는 상기 발광 다이오드(110)가 발생시키는 빛의 파장 즉, 청색 또는 자외선 영역의 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance : SPR) 파장을 갖는 입자를 사용한다.In the polymer resin 130, the metal nanoparticles use particles having a wavelength of light generated by the light emitting diode 110, that is, a surface plasmon resonance (SPR) wavelength in a blue or ultraviolet region. .

상기 몰딩부(150)는 소자를 외부 환경으로부터 보호하기 위하여 광 투과성이 뛰어난 고분자 수지를 이용하여 오목 렌즈(Convex Lens) 또는 볼록 렌즈(Concave Lens)형태로 형성한다.The molding part 150 is formed in the form of a convex lens or a concave lens using a polymer resin having excellent light transmittance in order to protect the device from an external environment.

이때, 몰딩부(150)의 몰딩 재료는 고온에서도 장시간 노란색화되는 현상이 없는 투명한 수지, 즉 에폭시와 실리콘 등과 같은 수지를 이용할 수 있다. In this case, the molding material of the molding part 150 may use a transparent resin that does not yellow for a long time even at high temperature, that is, a resin such as epoxy and silicone.

이와 같이 구성된 본 발명의 백색 발광 소자에 있어서, 상기 리드 프레임(120)의 외부 인출 단자(120a, 120b)를 통하여 발광 다이오드(110)에 전원을 인가하면, 발광 다이오드(110)의 p형 질화물 반도체층 및 n형 질화물 반도체층으로부터 정공 및 전자가 활성층으로 흘러 들어가 활성층에서 전자-정공의 재결합이 일어나면서 발광을 하게 된다.In the white light emitting device of the present invention configured as described above, when power is applied to the light emitting diode 110 through the external lead terminals 120a and 120b of the lead frame 120, the p-type nitride semiconductor of the light emitting diode 110 is provided. Holes and electrons flow from the layer and the n-type nitride semiconductor layer into the active layer to emit light while electron-hole recombination occurs in the active layer.

그리고, 상기 발광 다이오드(110)에서 방출된 광(청색 또는 자외선 영역의 광)은 형광체 및 금속 나노 입자가 분산되어 있는 고분자 수지(130)를 지나면서 백색광으로 변환되어 외부로 방출된다.In addition, the light emitted from the light emitting diode 110 (light in the blue or ultraviolet region) is converted into white light while passing through the polymer resin 130 in which the phosphor and the metal nanoparticles are dispersed, and are emitted to the outside.

이때, 상기 발광 다이오드(110)에서 방출되는 광과 같은 영역의 표면 플라즈몬 공명 파장을 가지는 금속 나노 입자로 인하여 형광체의 광 흡수 효율 및 광 변환 효율이 향상되고, 그로 인해 고휘도의 백색광을 방출할 수 있게 된다.In this case, due to the metal nanoparticles having the surface plasmon resonance wavelength in the same region as the light emitted from the light emitting diode 110, the light absorption efficiency and the light conversion efficiency of the phosphor are improved, thereby to emit high-brightness white light do.

즉, 본 발명에서는 고분자 수지(130)에 청색 또는 자외선 영역의 표면 플라즈몬 공명 파장을 가지는 금속 나노 입자를 형광체와 혼합시킴으로써, 발광 다이오드(110)에서 방출된 청색 또는 자외선 영역의 여기광을 금속 나노 입자가 강하게 흡수하고, 산란시켜 형광체의 광 흡수 효율 및 광 변환 효율을 향상시킨다.That is, in the present invention, by mixing the metal nanoparticle having a surface plasmon resonance wavelength of the blue or ultraviolet region with the phosphor in the polymer resin 130, the excitation light of the blue or ultraviolet region emitted from the light emitting diode 110 is metal nanoparticles Is strongly absorbed and scattered to improve the light absorption efficiency and the light conversion efficiency of the phosphor.

여기서, 표면 플라즈몬(Surface Plasmon)이란 굴절률이 다른 두 매질의 경계면에 외부로부터 전자기파가 금속 표면에 입사될 때, 금속 표면에 여기된 하전 입자들이 진동하는 현상으로서, 플라즈몬의 집단적 진동 현상으로 인해 표면 플라즈몬파(Surface Plasmon Wave)가 형성된다.Here, the surface plasmon (Surface Plasmon) is a phenomenon that the charged particles excited on the metal surface vibrates when the electromagnetic wave is incident on the metal surface from the outside on the interface between the two media with different refractive index, the surface plasmon due to the collective vibration phenomenon of the plasmon Surface Plasmon Wave is formed.

즉, 외부에서 서로 다른 유전 함수를 갖는 두 매질의 경계면에 전기장을 인가하면, 두 매질의 경계면에서 전기장의 수직 성분의 불연속성 때문에 표면 전하가 유도되고, 이 표면 전하의 진동이 표면 플라즈몬파로 나타난다.In other words, when an electric field is applied to an interface between two media having different dielectric functions from the outside, surface charges are induced due to the discontinuity of the vertical component of the electric field at the interface of the two media, and the surface charge oscillates as surface plasmon waves.

상기 표면 플라즈몬파는 금속 표면으로부터 내부 또는 외부로 전파하지 않고 금속과 이에 인접한 유전 물질의 경계면을 따라 진행하는 표면 전자기파이다.The surface plasmon waves are surface electromagnetic waves that propagate along the interface between the metal and the adjacent dielectric material without propagating inward or outward from the metal surface.

표면 플라즈몬파는 금속과 유전 물질의 경계면을 따라 진행하는데, 이는 표면 플라즈몬파의 전파 상수의 크기가 유전체 내부에서 진행하는 광자의 전파 상수보다 크기 때문에 유전체 내부로 전파될 수 없어 금속과 유전 물질의 경계면에만 존재하는 것이다.The surface plasmon waves propagate along the interface between the metal and the dielectric material, because the propagation constant of the surface plasmon wave is larger than the photon propagation constant inside the dielectric, so it cannot propagate inside the dielectric and only at the interface between the metal and the dielectric material. It exists.

따라서, 표면 플라즈몬을 여기시키기 위해서는 유전 물질을 지나는 전자기파의 전파 상수를 크게 만들어야 한다. Thus, in order to excite surface plasmons, the propagation constant of electromagnetic waves passing through dielectric materials must be made large.

전파 상수를 크게 만드는 방법으로는 보통 높은 굴절률의 프리즘을 이용하는 감쇠 전반사 방법이 사용되는데, 프리즘에서 금속 박막으로 입사하는 광자는 전반사각보다 큰 각을 가지고 입사해야 표면 플라즈몬을 여기시킬 수 있다.Attenuation total reflection method using a high refractive index prism is commonly used to make the propagation constant large. Photons incident on the metal thin film in the prism must have an angle larger than the total reflection angle to excite the surface plasmon.

여기서, 표면 플라즈몬이 여기(Excitation)되는 현상을 표면 플라즈몬 공명이라고 하며, 표면 플라즈몬 공명 현상은 인가된 전자기파의 파장과 전파 상수가 금속 박막 표면에서 일어나는 표면 플라즈몬과 일치하는 조건에서 일어난다.Here, the phenomenon of surface plasmon excitation is called surface plasmon resonance, and the surface plasmon resonance occurs in a condition in which the wavelength and propagation constant of the applied electromagnetic wave coincide with the surface plasmon occurring on the surface of the metal thin film.

즉, 프리즘 또는 유리와 같이 굴절률이 높은 매질을 통해 광이 전반사될 경우에 생성되는 소산파(Evanescent Wave)를 이용하여 전파 상수를 증가시키고, 특정한 광의 입사 각도에서 표면 플라즈몬파의 전파 상수와 일치되는 경우에 입사되는 광의 에너지가 전달되어 지도록하여 공명 현상을 일으킨다.That is, the propagation constant is increased by using the evanescent wave generated when the light is totally reflected through a medium having a high refractive index such as prism or glass, and the propagation constant of the surface plasmon wave is coincided with the incident angle of the specific light. In this case, the energy of incident light is transmitted, causing resonance.

표면 플라즈몬 공명 현상이 일어나면 다음과 같은 현상이 발생한다.If surface plasmon resonance occurs, the following occurs:

먼저, 금속 박막으로 입사하는 광자는 금속 박막과 유전체의 경계면에서 전부 흡수되는데, 이에 따라 금속 박막과 유전체 경계면에서 강한 전자기장이 생기게 된다.First, photons incident on the metal thin film are all absorbed at the interface between the metal thin film and the dielectric, thereby generating a strong electromagnetic field at the metal thin film and the dielectric interface.

이때 생기는 전자기장도 금속 박막의 표면에만 국소화(Localized)되며, 상기 전자기장의 세기는 표면 플라즈몬이 여기되지 않았을 때보다 10 ~ 100 배 정도 큰 값을 가진다.The generated electromagnetic field is also localized only on the surface of the metal thin film, and the intensity of the electromagnetic field is about 10 to 100 times larger than when the surface plasmon is not excited.

그리고, 금속 박막은 가시광선에 대하여 매우 효율적인 산란원(Scattering Center)으로 작용하여 입사하는 광을 효과적으로 산란시키게 된다.In addition, the metal thin film acts as a highly efficient scattering center for visible light to effectively scatter incident light.

표면 플라즈몬 공명 현상에 따른 상기의 현상들로 인해 형광체의 흡수 효율 및 광 변환 효율을 증가시킬 수 있는데, 도 4를 참조하여 이에 대해 자세히 살펴보기로 한다.The above phenomena due to surface plasmon resonance may increase the absorption efficiency and the light conversion efficiency of the phosphor, which will be described in detail with reference to FIG. 4.

도 4는 본 발명의 백색 발광 소자에 있어서, 발광 다이오드에서 방출한 광이 형광체 및 금속 나노 입자가 분산되어 있는 고분자 수지를 통과하는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.4 is a diagram schematically illustrating a state in which light emitted from a light emitting diode passes through a polymer resin in which phosphors and metal nanoparticles are dispersed in the white light emitting device of the present invention.

발광 다이오드(110)로부터 방출된 청색 영역의 광이 청색 영역의 표면 플라즈몬 공명 파장을 가지는 금속 나노 입자(133)에 입사되면, 상기 금속 나노 입자(133)는 표면 플라즈몬 공명 현상에 의해 입사하는 광을 매우 효과적으로 흡수하게 된다.When light in the blue region emitted from the light emitting diode 110 is incident on the metal nanoparticle 133 having the surface plasmon resonance wavelength in the blue region, the metal nanoparticle 133 receives light incident by the surface plasmon resonance phenomenon. Very effective absorption.

이때, 상기 금속 나노 입자(133)의 표면에는 매우 강한 국소화된 전자기장(180)(Localized Electromagnetic Field)이 유도되는데, 금속 나노 입자(133)의 표면에 유도된 전자기장(180)의 세기는 입사하는 광의 전자기장의 세기보다 강하며, 금속 나노 입자(133)의 구조에 따라 106배 이상의 강한 전자기장이 유도되는 결과가 보고된 바 있다.In this case, a very strong localized electromagnetic field 180 is induced on the surface of the metal nanoparticle 133, and the intensity of the electromagnetic field 180 induced on the surface of the metal nanoparticle 133 is determined by the incident light. The strength of the electromagnetic field is stronger than that of the metal nanoparticles 133 has been reported to induce a strong electromagnetic field of 10 6 times or more.

이렇게 표면 플라즈몬이 여기된 금속 나노 입자(133)에 형광체(131)가 인접하여 있으면, 금속 나노 입자(133)의 표면에 유도된 강한 전자기장(180)을 형광체(131)가 흡수하게 되며 그로 인해 광 흡수 효율이 향상되게 된다.When the phosphor 131 is adjacent to the metal nanoparticle 133 excited with the surface plasmon, the phosphor 131 absorbs a strong electromagnetic field 180 induced on the surface of the metal nanoparticle 133, thereby causing light. The absorption efficiency will be improved.

그리고, 상기 금속 나노 입자(133)는 입사하는 광에 대해 매우 효율적인 산란원으로 작용하기 때문에 입사된 광을 사방으로 산란시킴으로써, 광의 유효 경로를 길게 하며 그로 인해 형광체(131)의 광 흡수 효율을 향상시킨다.In addition, since the metal nanoparticle 133 acts as a highly efficient scattering source for incident light, the metal nanoparticle 133 scatters the incident light in all directions, thereby lengthening the effective path of the light, thereby improving the light absorption efficiency of the phosphor 131. Let's do it.

이와 같이, 본 발명에 의하면 광원인 발광 다이오드(110)에서 방출하는 광의 파장과 같은 파장의 표면 플라즈몬 공명 파장을 가지는 금속 나노 입자(133)를 형광체(131)와 함께 고분자 수지(130)에 분산시켜 도포함으로써, 형광체(131)의 광 흡수 효율을 향상시킬 수 있다. As described above, according to the present invention, the metal nanoparticle 133 having the surface plasmon resonance wavelength having the same wavelength as the light emitted from the light emitting diode 110 as the light source is dispersed in the polymer resin 130 together with the phosphor 131. By coating, the light absorption efficiency of the phosphor 131 can be improved.

그리고, 형광체(131)의 광 흡수 효율이 향상되면, 발광 다이오드(110)에서 방출하는 광을 다른 파장으로 변환하여 외부로 방출하는 광 변환 효율도 향상되게 된다.When the light absorption efficiency of the phosphor 131 is improved, the light conversion efficiency of converting the light emitted from the light emitting diode 110 into another wavelength and emitting the light to the outside is also improved.

여기서, 상기 금속 나노 입자(133)는 금(Au), 은(Ag), 동(Cu), 알루미늄(Al)과 같이 외부자극에 의해 하전 입자들의 방출이 쉽고 음의 유전 상수를 갖는 금속이 주로 사용된다.Here, the metal nanoparticle 133 is a metal having a negative dielectric constant and easy discharge of charged particles by external stimulation such as gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al). Used.

상기 금속 나노 입자(133)는 발광 다이오드(110)에서 방출되는 광의 파장보다 작은 크기를 갖아야 하며, 특히 40 ~ 120㎚의 크기를 갖는 것이 바람직하다.The metal nanoparticles 133 should have a size smaller than the wavelength of light emitted from the light emitting diode 110, and particularly preferably have a size of 40 to 120 nm.

그리고, 상기 금속 나노 입자(133)는 발광 다이오드(110)에서 방출되는 광의 파장과 같은 파장 대역의 표면 플라즈몬 공명 파장을 가져야 하는데, 이는 금속 나노 입자(133)의 구조적인 형태(모양 및 크기)에 의해 크게 좌우된다.In addition, the metal nanoparticle 133 should have a surface plasmon resonance wavelength of the same wavelength band as the wavelength of light emitted from the light emitting diode 110, which is a structural shape (shape and size) of the metal nanoparticle 133. It depends greatly on.

즉, 금속 나노 입자(133)는 구조적인 형태에 따라 자외선 영역에서부터 적외 선 영역까지의 표면 플라즈몬 공명 파장을 가지게 되는데, 금속 나노 입자(133)의 모양이 구형에 가까울수록, 그리고 크기가 작을수록 표면 플라즈몬 공명 파장이 짧아지게 된다.That is, the metal nanoparticle 133 has a surface plasmon resonance wavelength from the ultraviolet region to the infrared region according to its structural shape. The closer the shape of the metal nanoparticle 133 is to the spherical shape, and the smaller the size, the surface is. The plasmon resonance wavelength is shortened.

도 5는 은(Ag) 나노 입자의 모양에 따른 표면 플라즈몬 공명 파장을 비교하여 나타낸 그래프이다. 이에 도시된 바와 같이, 은(Ag) 나노 입자의 모양이 구형일 경우의 표면 플라즈몬 공명 파장이 가장 짧게 나타나며, 대략 410 ~ 470㎚의 파장 대역을 가지는 것을 볼 수 있다.Figure 5 is a graph showing the comparison of the surface plasmon resonance wavelength according to the shape of the silver (Ag) nanoparticles. As shown, the surface plasmon resonance wavelength is the shortest when the silver (Ag) nanoparticles have a spherical shape, and it can be seen that the wavelength band of approximately 410 ~ 470nm.

도 6은 은(Ag) 나노 입자의 크기와 모양에 따른 표면 플라즈몬 공명 파장을 나타낸 그래프이다. 이에 도시된 바와 같이, 은(Ag) 나노 입자의 모양이 구형에 가까울수록, 그리고 크기가 작을수록 표면 플라즈몬 공명 파장이 짧아지는 것을 볼 수 있다.6 is a graph showing the surface plasmon resonance wavelength according to the size and shape of silver (Ag) nanoparticles. As shown in the figure, the closer the shape of the silver (Ag) nanoparticles and the smaller the size, the shorter the surface plasmon resonance wavelength can be seen.

그리고, 상기 그래프에 의하면 40 ~ 120㎚의 크기를 가지며 구형인 은(Ag) 나노 입자의 경우, 청색 또는 자색 영역의 파장대(410 ~ 470㎚)에서 표면 플라즈몬 공명 파장을 가지게 된다.In addition, according to the graph, in the case of the spherical silver (Ag) nanoparticles having a size of 40 to 120 nm, they have a surface plasmon resonance wavelength in the wavelength band (410 to 470 nm) of the blue or violet region.

도 7은 본 발명의 백색 발광 소자의 제조방법의 실시예를 나타낸 공정 순서도이다. 이에 도시된 바와 같이, 먼저 외부와의 전기적 접속을 위한 복수개의 단자를 갖는 리드 프레임에 발광 다이오드 칩을 실장한다(단계 S 10).7 is a process flowchart showing an embodiment of a method of manufacturing a white light emitting device of the present invention. As shown in the drawing, first, a light emitting diode chip is mounted on a lead frame having a plurality of terminals for electrical connection with the outside (step S 10).

여기서, 상기 발광 다이오드 칩은 청색 또는 자색 영역의 파장을 가지는 빛을 방출한다.Here, the light emitting diode chip emits light having a wavelength of a blue or violet region.

다음으로, 상기 리드 프레임의 금속 단자와 발광 다이오드 칩을 본딩 와이어(Bonding Wire)를 통하여 전기적으로 접속한다(단계 S 20).Next, the metal terminal of the lead frame and the light emitting diode chip are electrically connected through a bonding wire (step S 20).

그 후, 형광체 및 금속 나노 입자를 고분자 수지 조성물과 혼합한다(단계 S 30).Thereafter, the phosphor and the metal nanoparticles are mixed with the polymer resin composition (step S30).

여기서, 금속 나노 입자는 금(Au), 은(Ag), 동(Cu), 알루미늄(Al) 중에서 선택된 어느 하나의 금속을 사용한다.Here, the metal nanoparticles use any one metal selected from gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), and aluminum (Al).

상기 금속 나노 입자는 발광 다이오드 칩에서 방출하는 청색 또는 자색 영역의 파장과 같은 파장의 표면 플라즈몬 공명 파장을 가져야 하는데, 이는 금속의 종류 및 금속 나노 입자의 구조적인 형태에 따라 결정할 수 있다.The metal nanoparticles should have a surface plasmon resonance wavelength of a wavelength such as a wavelength of a blue or violet region emitted from a light emitting diode chip, which can be determined according to the type of metal and the structural form of the metal nanoparticles.

예를 들면, 금속 나노 입자로서 은(Ag) 나노 입자를 사용할때, 모양이 구형이며, 40 ~ 120㎚의 크기를 가지는 입자를 사용하면 청색 또는 자색 영역의 파장 즉, 410 ~ 470㎚의 표면 플라즈몬 공명 파장을 가지게 된다.For example, when silver (Ag) nanoparticles are used as the metal nanoparticles, the shape is spherical, and when the particles having a size of 40 to 120 nm are used, the surface plasmon of the blue or violet region, that is, the surface plasmon of 410 to 470 nm is used. It has a resonance wavelength.

이어서, 상기 형광체 및 금속 나노 입자가 분산된 고분자 수지를 발광 다이오드를 감싸며 도포한 후, 경화시킨다(단계 S 40).Subsequently, the polymer resin in which the phosphor and the metal nanoparticles are dispersed is coated around the light emitting diode and then cured (step S 40).

다음으로, 발광 다이오드 칩을 외부 환경으로부터 보호하기 위해 광 투명성 재료를 사용하여 발광 다이오드 칩 및 리드 프레임의 일부를 감싸는 몰딩 공정을 수행한다(단계 S 50).Next, in order to protect the LED chip from the external environment, a molding process is performed to wrap a portion of the LED chip and the lead frame using a light transparent material (step S 50).

한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.On the other hand, while the present invention has been shown and described with respect to specific preferred embodiments, various modifications and variations of the present invention without departing from the spirit or field of the invention provided by the claims below It can be easily understood by those skilled in the art.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 발광 다이오드에서 방출하는 빛의 파장과 같은 파장의 표면 플라즈몬 공명 파장을 가지는 금속 나노 입자를 형광체와 함께 고분자 수지에 분산시킨 후, 발광 다이오드를 감싸며 상기 고분자 수지를 도포함으로써, 발광 다이오드에서 광이 방출되어 입사될 때 표면 플라즈몬 공명 현상을 통하여 금속 나노 입자에 강한 전기장을 형성하고 이를 형광체가 흡수하여 광 흡수 효율 및 광 변환 효율을 향상시킬 수 있으며 그로 인해 고휘도의 백색광을 구현할 수 있다.As described above, according to the present invention, after dispersing a metal nanoparticle having a surface plasmon resonance wavelength of the same wavelength as the light emitted from a light emitting diode in a polymer resin together with a phosphor, the polymer resin is wrapped around the light emitting diode. By coating, when the light is emitted from the light emitting diode and incident, it forms a strong electric field on the metal nanoparticles through surface plasmon resonance and absorbs it, thereby improving the light absorption efficiency and the light conversion efficiency, thereby resulting in high brightness white light. Can be implemented.

Claims (8)

지지부 상부에 실장되어 있는 발광 다이오드;A light emitting diode mounted on an upper portion of the support; 상기 지지부와 상기 발광 다이오드를 전기적으로 연결하기 위한 본딩 와이어; 및A bonding wire for electrically connecting the support and the light emitting diode; And 상기 발광 다이오드를 감싸며, 형광체 및 금속 나노 입자가 분산되어 있는 고분자 수지를 포함하여 이루어지는 백색 발광 소자.A white light emitting device surrounding the light emitting diode and comprising a polymer resin in which phosphors and metal nanoparticles are dispersed. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 발광 다이오드는 청색 또는 자색 영역의 파장을 가지는 빛을 방출하는 것을 특징으로 하는 백색 발광 소자.The light emitting diode is a white light emitting device, characterized in that for emitting light having a wavelength of the blue or violet region. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금속 나노 입자는 상기 발광 다이오드가 방출하는 빛의 파장과 같은 파장의 표면 플라즈몬 공명 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 백색 발광 소자.And the metal nanoparticles have a surface plasmon resonance wavelength having the same wavelength as that of the light emitted by the light emitting diode. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금속 나노 입자는 금(Au), 은(Ag), 동(Cu), 알루미늄(Al) 중에서 선택된 어느 하나의 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백색 발광 소자.The metal nanoparticle is a white light emitting device, characterized in that made of any one metal selected from gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al). 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금속 나노 입자는 은(Ag)으로 이루어지며, 모양이 구형이고 40 ~ 120㎚의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 백색 발광 소자.The metal nanoparticles are made of silver (Ag), the shape is spherical and a white light emitting device, characterized in that having a size of 40 ~ 120nm. 지지부에 발광 다이오드를 실장하는 단계;Mounting a light emitting diode on a support; 상기 지지부와 발광 다이오드를 전기적으로 연결하기 위해 와이어 본딩 공정을 수행하는 단계;Performing a wire bonding process to electrically connect the support and the light emitting diode; 형광체 및 금속 나노 입자를 고분자 수지에 분산시키는 단계; 및Dispersing the phosphor and the metal nanoparticles in the polymer resin; And 상기 고분자 수지를 상기 발광 다이오드를 감싸며 도포한 후, 경화시키는 단계를 포함하는 백색 발광 소자의 제조방법.The method of manufacturing a white light emitting device comprising the step of coating the polymer resin surrounding the light emitting diode and then curing. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 금속 나노 입자는 상기 발광 다이오드가 방출하는 빛의 파장과 같은 파장의 표면 플라즈몬 공명 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 백색 발광 소자의 제 조방법.The metal nanoparticle has a surface plasmon resonance wavelength of the same wavelength as the light emitted by the light emitting diode manufacturing method of a white light emitting device. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 금속 나노 입자는 금(Au), 은(Ag), 동(Cu), 알루미늄(Al) 중에서 선택된 어느 하나의 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백색 발광 소자의 제조방법.The metal nanoparticle is a method of manufacturing a white light emitting device, characterized in that made of any one metal selected from gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al).
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