KR100683364B1

KR100683364B1 - 완전한 형광 물질 변환에 의해 백색광을 생성하는 발광다이오드 소자

Info

Publication number: KR100683364B1
Application number: KR1020017006594A
Authority: KR
Inventors: 뮬러-마치레지나비; 뮬러거드오; 크래포드엠조지
Original assignee: 필립스 루미리즈 라이팅 캄파니 엘엘씨
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 2000-09-26
Publication date: 2007-02-15
Also published as: JP2001185764A; WO2001024284A1; AU7617800A; EP1142033A1; US20020003233A1; KR20010089509A; US6501102B2

Abstract

본 발명은 백색광을 생성하기 위해 LED 소자의 발광 구조물에 의해 방출된 거의 모든 1차 광에 대하여 형광 물질 변환을 수행하는 LED 소자를 제공한다. 이 LED 소자는 발광 구조물에 의해 방출된 거의 모든 1차 광을 수광해서 흡수하기 위해 배치된 적어도 하나의 형광 물질 변환 요소를 구비한다. 이 형광 물질 변환 요소는 결합하여 백색광을 생성하는 제2 파장 및 제3 파장의 2차 광을 방출한다. 이 제2 파장은 제1 파장 보다 더 크며, 이 제3 파장은 제2 파장 보다 더 크다. 상기 형광 물질 변환 요소는 상기 1차 광 및/또는 상기 제2 파장의 2차 광에 의한 여기(勵起)에 반응하여 상기 제3 파장의 2차 광을 발생시킨다. 상기 제2 파장의 2차 광에 의한 여기는 거시적인 흡수 및/또는 양자 역학적인 전이에 의해 실현되며, 상기 형광 물질 변환 요소는, (a) 제1 도펀트로 도핑된 제1 주재료 및 제2 도펀트로 도핑된 제2 주재료와, (b) 제1 도펀트와 제2 도펀트로 도핑된 주재료 중 어느 하나를 포함한다. 상기 제1 도펀트는 상기 제2 파장의 2차 광을 방출하며, 상기 제2 도펀트는 상기 제3 파장의 2차 광을 방출한다. 추가의 주재료는 형광 물질 변환 요소 중에 포함될 수 있으며, 또는 추가의 형광 물질 변환 요소는 LED 소자 중에 포함될 수 있으며, 이 LED 소자는 추가 파장의 2차 광을 생성하여 이 2차 광의 제2 파장 및 제3 파장과 결합해서 백색광을 생성한다.

Description

완전한 형광 물질 변환에 의해 백색광을 생성하는 발광 다이오드 소자{A LIGHT EMITTING DIODE DEVICE THAT PRODUCES WHITE LIGHT BY PERFORMING COMPLETE PHOSPHOR CONVERSION}

본 발명은 발광 다이오드(LED) 소자, 보다 구체적으로는 LED 소자의 발광 구조물에 의해 방출된 모든 1차 방사광에 대하여 형광 물질 변환(phosphor conversion)을 실시하여 백색광을 생성하는 LED 소자에 관한 것이다.

청색광 또는 자외(UV)광을 방출하는 효율적인 LED 소자의 개발로 인하여, LED 소자의 발광 구조물에서 방출된 1차 방사광의 일부를 더 긴 파장으로 변환시키는 형광 물질 변환을 통해 백색광을 생성하는 LED 소자를 제조하는 것이 실현 가능하게 되었다. 1차 방사광을 더 긴 파장으로 변환하는 것은 1차 방사광의 다운 변환(down-conversion)으로 통상 불리워진다. 이 1차 방사광 중 변환되지 않은 부분은 더 긴 파장의 광과 결합해서 백색광을 생성한다. 형광 물질 변환을 통해 백색광을 생성하는 LED 소자는 신호 전달 및 조명 목적에 유용하다. 백색광을 직접 방출하는 발광 구조물을 가진 LED 소자는 현재 존재하지 않는다.

현재, LED 소자의 1차 방사광의 일부에 대한 종래 기술의 형광 물질 변환은 반사체 컵(reflector cup)을 충전시키는 데에 이용되는 에폭시 속에 형광 물질을 주입하는 것에 의해 얻어지며, 이 반사체 컵은 LED 소자를 LED 램프에 내장시킨다. 이 형광 물질은 에폭시를 경화시키기 전에 에폭시 속으로 혼합되는 분말로서 구성된다. 그때, 형광 물질 분말을 함유하는 경화되지 않은 에폭시 슬러리(slurry)가 LED 소자 상으로 증착되고, 그 후에 경화된다.

일반적으로 경화된 에폭시 내부의 형광 물질 입자는 불규칙하게 배향되고, 에폭시 전체에 걸쳐 산재된다. LED 소자에 의해 방출된 1차 광의 일부는 형광 물질 입자에 충돌하지 않고 에폭시를 통과하는 반면에, LED 소자에 의해 방출된 1차 광의 일부는 형광 물질 입자에 충돌하며, 이에 의해 형광 물질 입자는 황색광을 방출한다. 이 형광 물질에 의해 방출된 황색광과 1차 청색광이 결합하면, 백색광이 생성된다.

이러한 방식으로 형광 물질 변환 에폭시를 사용하는 것에 대한 하나의 단점은 LED 소자에 의해 방출된 백색광의 균일성을 얻기가 비록 불가능하지는 않지만 어렵다는 것이다. 이러한 비균일성은 에폭시 슬러리 속으로 혼합된 형광 물질 입자의 크기가 균일하지 않은 데에 원인이 있다. 현재, 균일한 형광 물질 입자 사이즈를 가진 형광 물질 분말은 일반적으로 입수될 수 없다. 형광 물질 분말이 에폭시 슬러리 속으로 혼합되는 경우, 비교적 큰 형광 물질 입자가 비교적 작은 형광 물질 입자 보다 더 빨리 가라앉는다. 이 형광 물질 입자의 공간 분포에 대한 이러한 불균일성은 일단 경화되고 난 후의 에폭시 속에 존재한다.

따라서, 에폭시 속에서 형광 물질 입자의 균일한 분포를 얻기란 불가능하지는 않을지라도 매우 어려운데, 그 이유는 형광 물질 입자의 크기가 균일하지 않기 때문이다. 이와 같이 형광 물질 입자의 크기 및 에폭시 내에 형광 물질 입자의 배치에 대한 제어 불능은 결국 백색광을 생성하기 위해 형광 물질에 의해 방출된 황색광과 결합하는 1차 광의 분율에 대한 제어 곤란에 이른다.

이러한 분율은 정밀하게 제어될 수 없기 때문에, LED 램프에 의해 생성된 백색광의 품질은 특정 제조업자에 의해 제조된 일정한 모델에 대해서 조차도 램프 마다 변할 수 있다. 이러한 형태의 LED 소자의 다른 단점은 이 LED 소자의 발광 구조물이 대략 450 나노미터(㎚)에서 500 나노미터(㎚)의 범위의 청색광을 방출하는 경우에 가장 효율적이라는 점에 있다. LED 소자는 향후에 개발될 수 있어서 더욱 짧은 파장에서, 예컨대 대략 400 ∼ 450 ㎚ 범위에서 효율적으로 동작할 것이라는 것을 믿을 만한 이유도 있다. 이러한 더 짧은 파장의 1차 광을 생성할 수 있어서 이 1차 광에 대한 형광 물질 변환을 실시하여 백색광을 생성할 수 있는 LED 소자를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 그러나, 450 ㎚ 이하 파장의 1차 청색광을 형광 물질 변환된 방사광과 혼합시키면, 1차 방사광의 파장이 거의 보이지 않는다는 사실로 인하여 백색광이 생성되지 않을 것이다

따라서, 모든 1차 광에 대한 형광 물질 변환을 통해 고품질의 백색광을 생성할 수 있고, LED 소자에 의해 생성된 백색광의 품질 및 균일성이 예측 가능하고 제어 가능한 그런 방식으로 재생성될 수 있는 LED 소자에 대한 필요성이 존재한다.

본 발명은 백색광을 생성하기 위해 LED 소자의 발광 구조물에 의해 방출된 거의 모든 1차 광에 대하여 형광 물질 변환을 실시할 수 있는 LED 소자를 제공하는 것이다. 이 LED 소자는 발광 구조물에 의해 방출된 거의 모든 1차 광을 수광해서 흡수하도록 배치된 적어도 하나의 형광 물질 변환 요소를 구비한다. 이 형광 물질 변환 요소는 결합하여 백색광을 생성하는 제2 파장 및 제3 파장의 2차 광을 방출한다. 이 제2 파장은 제1 파장 보다 더 크며, 이 제3 파장은 제2 파장 보다 더 크다. 또한, 추가 파장의 2차 광이 형광 물질 변환 요소에 의해 방출될 수 있다. 이러한 추가 파장은 또한 제2 및 제3 파장의 광과 결합하여 백색광을 생성하게 된다.

상기 형광 물질 변환 요소는 상기 1차 광 및/또는 상기 제2 파장의 2차 광에 의한 여기(勵起)에 반응하여 상기 제3 파장의 2차 광을 발생시킨다. 상기 제2 파장의 2차 광에 의한 여기는 거시적인 흡수 및/또는 양자 역학적인 전이에 의해 실현된다. 상기 형광 물질 변환 요소는, (a) 제1 도펀트로 도핑된 제1 주재료 및 이 제1 도펀트와 동일하거나 동일하지 않을 수 있는 제2 도펀트로 도핑된 제2 주재료, 또는 (b) 제1 도펀트와 제2 도펀트로 도핑된 주재료를 포함한다. 상기 제1 도펀트는 상기 제2 파장의 2차 광을 방출하며, 상기 제2 도펀트는 상기 제3 파장의 2차 광을 방출한다. 게다가, 추가 파장의 2차 광을 방출하는 추가의 주재료 및/또는 추가의 도펀트가 형광 물질 변환 요소 속으로 혼입될 수 있다. 이러한 추가 파장의 2차 광은 상기 제2 또는 제3 파장의 2차 광에 의한 여기에 반응하여, 또는 상기 하나 이상의 추가 파장의 2차 광에 의한 여기에 반응하여 형광 물질 변환 요소에 의해 방출된다. 그때, 이러한 파장의 2차 광은 결합해서 백색광을 생성한다.

다른 실시예에 따르면, 상기 형광 물질 변환 요소에 의해 발생된 광은 하나 이상의 추가 파장의 광을 포함하며, 이 추가 파장의 광은 (a) 상기 1차 광 및/또는 (b) 상기 하나 이상의 추가 파장 보다 더 짧은 어떤 파장의 2차 광에 의한 여기(勵起)에 반응하여 발생된다. 상기 형광 물질 변환 요소는 (a) 상기 제1 파장의 1차 광, (b) 상기 제2 파장의 2차 광, 및/또는 (c) 상기 제3 파장의 2차 광에 의한 여기에 반응하여 상기 추가 파장의 2차 광을 발생시킨다. 상기 2차 광에 의한 여기는 (a) 거시적인 흡수 및/또는 (b) 양자 역학적인 전이 중 어느 하나에 의해 일어난다. 상기 제2 파장, 제3 파장 및 추가 파장의 2차 광은 결합해서 백색광을 생성한다.

본 발명은 LED 소자에서 이용되는 형광 물질 변환 요소의 형태에 관하여, 또는 형광 물질 변환 요소의 조성에 관하여 제한되지 않는다. 주재료는 원자적으로 분산된 도펀트를 혼입할 수 있는 형광 물질 화합물이어야 한다. 이 도펀트는 주재료 속으로 혼입되는 데에 적합하게 하는 특정의 화학적 관계를 주재료에 대하여 가져야만 한다. 형광 물질 변환 요소로 구성되는 주재료는 예컨대 캡슐화제(예, 에폭시) 속의 형광 물질 변환 분말, 형광 물질 변환 유기 염료, 형광 물질 변환 기판, 형광 물질 변환 박막 등이 될 수 있다. 또한, 이들 주재료 및/또는 형광 물질 변환 요소의 다양한 조합물도 생길 수 있다. 어떤 경우에, 에폭시 캡슐화제는 형광 물질 분말과 혼합된다. 형광 물질 변환 요소는 형광 물질 변환 박막인 제2 주 재료로 구성될 수 있다. 모든 경우에, 모든 1차 광은 실질적으로 어떠한 1차 광도 사용되지 않은 상태로, 또는 변환되지 않은 상태로 남게 되지 않도록 하나 이상의 형광 물질 변환 요소에 의해 변환된다.

본 발명 및 그 변형예의 다른 특징 및 장점은 아래의 기재, 도면 및 청구범위로부터 명백하게 될 것이다.

도 1은 본 발명의 용도에 적합한 발광 다이오드 소자의 사시도.

도 2는 2개의 형광 물질 박막이 백색광을 생성하는 데에 필요한 형광 물질 변환을 실시하기 위해 이용되는, 본 발명의 발광 다이오드 소자에 대한 예시적인 제1 실시예의 측면도.

도 3은 3개의 형광 물질 박막이 백색광을 생성하는 데에 필요한 형광 물질 변환을 실시하기 위해 이용되는, 본 발명의 발광 다이오드 소자에 대한 예시적인 제2 실시예의 측면도.

도 4는 도 2에 도시된 발광 다이오드 소자에 대한 하나의 가능한 변형예에 상응하며, 본 발명의 발광 다이오드 소자에 대한 예시적인 제3 실시예의 측면도.

도 5는 도 3에 도시된 발광 다이오드 소자에 대한 하나의 가능한 변형예에 상응하며, 본 발명의 발광 다이오드 소자에 대한 예시적인 제4 실시예의 측면도.

도 6은 형광 물질 변환 기판이 백색광을 생성하는 데에 필요한 형광 물질 변환을 실시하기 위해 하나의 형광 물질 박막과 결합하여 이용되는, 본 발명의 발광 다이오드 소자에 대한 예시적인 제5 실시예의 측면도.

도 7은 형광 물질 변환 기판이 백색광을 생성하는 데에 필요한 형광 물질 변환을 실시하기 위해 2개의 형광 물질 박막과 결합하여 이용되는, 본 발명의 발광 다이오드 소자에 대한 예시적인 제6 실시예의 측면도.

도 1은 본 발명의 용도에 적합한 발광 다이오드(LED)의 사시도이다. 그러나, 본 발명의 LED는 어떤 특정의 LED에 한정되지 않는다는 것을 주의해야 한다. 당업자라면, 다양하게 설계된 LED도 본 발명의 용도에 적합하다는 것을 이해할 것이다.

전형적인 구성 요소인 LED(1)를 설명하기 위해, 이 LED(1)는 그 표면에 어떠한 형광 물질 변환 요소도 배치되지 않은 상태로 도시되어 있다. 본 발명의 형광 물질 변환 요소는 보다 상세하게 후술되는 바와 같이 형광 물질 변환 염료, 캡슐화제 속의 형광 물질 변환 분말, 형광 물질 변환 박막, 형광 물질 변환 기판을 포함하지만, 이것들에 국한되지는 않는다. 당업자라면, 여기에 제공된 개시 사항을 고려하여, 본 발명의 목적을 달성하기 위해 이러한 형태의 형광 물질 변환 요소 중 어느 하나를 어떻게 이용할 수 있는 지를 이해할 것이다. 형광 물질 변환 요소는 당업계에 모두 공지되어 있는 거시적인 흡수 또는 양자 역학적인 전이에 의해 형광 물질 변환을 수행한다. 양자 역학적인 전이는 대략 6 나노미터(㎚) 이상 떨어져 있지 않은 도펀트(dopant) 사이에서 일어난다. 따라서, 양자 역학적인 전이에 의한 형광 물질 변환은 단지 어떤 상황 하에서 일어날 뿐이다.

LED(1)는 예컨대 발광 구조물(2)을 가질 수 있으며, 이 구조물은 2개의 n-GaN층(3, 4), SQW 또는 MQW GaInN층(5), p-AlGaN층(6) 및 p-GaN층(7)을 가진다. 또한, 발광 구조물(2)은 n-전극 결합 패드(8), n-전극(3), p-전극 결합 패드(11), 그리고 p-전극(12)을 가진다. n-전극(3)은 GaN으로 구성되고, p-전극(12)은 Ni/Au로 구성된 광투과성 도전 재료이다. 전극 결합 패드(8, 11)는 전압 공급원(도시 생략)에 접속된 경우에 LED(1)가 광을 방출하도록 하기 위한 바이어싱 전류를 공급한다.

발광 구조물(2)은 기판(13)에 배치된다. 사용되는 기판 재료는 LED 소자에 합체된 형광 물질 변환 요소의 형태에 따라, 그리고 LED 소자의 층이 서로에 대해 배열되는 방식에 따라 정해진다. 적합한 기판 재료가 선택되는 방식은 상세하게 후술될 것이다. 전술한 바와 같이, 발광 다이오드 소자(1)는 어떤 특정 형태의 발광 다이오드 소자에 한정되지 않으며, 다만 본 발명에 따라 이용되는 발광 다이오드 소자가 청색광 또는 자외(UV)광이 되는 1차 광을 방출하고 460 ㎚와 동일하거나 그 미만, 바람직하게는 440 ㎚와 동일하거나 그 미만인 파장을 가진다는 점은 제외된다. 당업자라면, 여러가지 발광 다이오드가 공지되어 있고, 이러한 파장의 광을 방출할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

청색 또는 UV의 1차 방사광을 발생시키는 발광 구조물(2)은 LED 소자(1)의 기판에 에피택셜(epitaxial)적으로 성장될 수 있다. 어떤 경우에는 기판 재료가 투과성일 수 있는 반면에, 다른 경우에는 그 재료가 상세하게 후술하는 바와 같이 불투과성일 수도 있다. 당업자라면, 복수의 기판 재료가 이러한 목적에 적합할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

도 2는 본 발명의 LED 소자에 대한 예시적인 제1 실시예의 측면도이다. 이 LED 소자(20)는 반투과성이거나 투과성인 기판(13), 이 기판의 표면 상에 배치되는 발광 구조물(2)을 구비한다. 이 실시예에 따르면, LED 소자(20)는 2개의 형광 물질 박막(22, 23)을 구비한다. 이 박막 중 하나(22)는 기판의 표면 상에 배치된다. 이 박막(22)의 최상면 상에는 나머지 하나의 박막(23)이 배치된다. 바람직하게는, 발광 구조물(2)의 표면 상에는 반사 전극(21)이 배치된다. 이들 박막(22, 23)은 다수의 공지된 방법에 의해 증착될 수 있다. 형광 물질 박막은 주로 박막 전장 냉광 표시 장치 산업에서 이용되어 왔다. 따라서, 형광 물질 박막을 얻을 수 있는 방식은 공지된 것이다. 일부의 공지된 기술, 예컨대 전자 빔 증발법, 열 증발법, 초단파-스퍼터링(rf-sputtering), 화학 기상 증착법 및 원자층 동축 배향 결정 성장법(atomic layer epitaxy)과 같은 기술이 형광 물질 박막을 증착하는 데에 이용될 수 있다.

박막을 증착하는 데에 이용되는 방법은 그 박막의 원하는 특성에 따라 결정될 수 있다. 예컨대, 박막이 LED에 의해 방출되는 모든 1차 방사광을 흡수하고자 한다면, 하나의 특정 증착 기술이 이용될 수 있는 반면에, 박막이 소정 퍼센트의 1차 방사광이 그 박막을 통과할 수 있도록 하고자 한다면, 상이한 기술이 이용될 수 있다. 당업자라면, 원하는 특성을 가진 박막을 얻기 위해 어떤 형태의 기술이 이용될 수 있는 지를 이해할 것이다.

바람직하게는, 도 1에 도시된 박막(22, 23)을 증착하는 방법은 초단파-스퍼터링이다. 이 방법에 따르면, 형광 물질 분말은 균질한 유효 범위를 보장하도록 LED 웨이퍼 직경을 약간 초과하는 직경의 타깃 속으로 가압된다. 당업자라면 이해할 수 있듯이, 그 스퍼터링 가스 특성은 변할 수 있지만, 바람직하게는 그 스퍼터링 가스는 아르곤이며, 약 1% ∼ 3%의 산소를 함유하며, 압력과 RF 입력 전력은 최적의 두께 및 균질성을 제공하기 위해 조정된다. 타깃과 기판 사이의 거리는 5 ∼ 10 ㎝인 것이 바람직하다. 바람직하게는, 형광 물질 분말은 세륨으로 도핑된 이트륨-알루미늄 가닛(Garnet)(Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺) 화합물이며, 또한 YAG:Ce로서 표기된다. 그러나, 당업자라면, 이러한 목적을 위해 어떤 특정 형태의 형광 물질을 사용하더라도 본 발명은 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 당업자라면, 이러한 목적을 위해 적합한 복수의 상이한 형태의 형광 물질이 존재한다는 것을 이해할 것이다.

형광 물질 박막의 균질성은 편심 원체, 또는 더욱 복잡한 탄도체와 같은 특정의 탄도체 상에서 LED 웨이퍼를 회전시킴으로써 추가로 개선될 수 있다. 웨이퍼를 회전시켜 재료의 균질성을 개선하는 기술은 공지 기술이다. 원하는 균질성을 가진 형광 물질 박막이 생성되어 증착될 수 있는 방식이 공지되어 있기 때문에, 간결성을 위해 이를 달성하는 방식에 관한 어떤 추가의 기재도 여기에서는 이루지지 않을 것이다.

동작 중에, 발광 구조물(2)은 청색 또는 자외(UV)의 1차 방사광을 발생시킨다. 이 1차 방사광은 기판(13)을 통해 전파되어 박막(22)에 충돌한다. 이 박막(22)은 이에 충돌하는 일부 또는 모든 1차 광을 그 파장 보다 더 긴 파장의 청색광으로 변환시킨다. 더 긴 파장의 청색광을 생성하는 박막(22)의 여기(勵起)는 거시적인 흡수에 의해 수행된다. 이 변환된 청색광은 박막(22)에 의해 방출된다. 이 박막(22)에 의해 방출된 청색광의 일부는 형광 물질 박막(23)을 여기시키지 않고 박막(23)을 통과한다. 박막(22)에 의해 방출된 청색광의 일부는 박막(23)에 함유된 도펀트를 여기시켜서 황색광으로 변환된다. 박막(22)에 의해 변환되지 못한 1차 광도 역시 박막(23)에 의해 황색광으로 변환된다. 이 박막(23)에 의해 방출된 황색광은 박막(22)에 의해 방출된 청색광과 결합해서 백색광을 생성한다.

1차 광은 하나 이상의 파장을 가진 광으로 구성될 수 있다는 것에 주의해야 한다. 유사하게, 1차 광에 의한 여기에 반응하여 방출된 광은 하나 이상의 파장의 광으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 박막(22)에 의해 방출된 청색광은 스펙트럼 띠를 구성하는 복수의 파장에 상응할 수 있다. 유사하게, 박막(23)에 의해 방출된 황색광은 상이한 스펙트럼 띠를 구성하는 복수의 파장에 상응할 수 있다. 그때, 이들 스펙트럼 띠 모두의 파장은 결합해서 백색광을 생성할 수 있다. 따라서, 비록 개개의 파장이 본 발명의 개념을 설명할 목적으로 여기에 기재될지라도, 여기에 기재된 여기(勵起)는 결국 방출되는 복수의 파장 또는 스펙트럼 띠로 될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 그때, 이 스펙트럼 띠의 파장은 결합해서 백색광을 생성한다. 따라서, "스펙트럼 띠"라는 용어는 적어도 하나의 파장 및 생길지도 모르는 다수의 파장으로 이루어진 띠를 표시하도록 되어 있으며, "파장"이라는 용어는 스 펙트럼 띠의 최대 세기의 파장을 표시하도록 되어 있다.

양호한 색깔을 제공하기 위해, 즉 고품질의 백색광을 생성하기 위해, 최종적으로 결합해서 백색광을 생성하는 청색광은 약 480 ㎚ 보다 더 짧은 파장의 청색광을 포함해야 한다. 1차 광이 이것 보다 더 긴 파장의 광으로 변환되기 때문에, 발광 구조물(2)은 약 440 ㎚ 보다 더 짧은 파장으로 1차 광을 방출해야 한다. 그러나, 당업자라면, 본 발명이 440 ㎚ 이하의 파장으로 1차 광을 방출하는 것에 한정되지 않지만, 이렇게 하는 것이 최고 품질의 백색광을 생성하는 것을 포함하여 본 발명의 목적 전부를 달성하기 위해 바람직하다는 것을 이해할 것이다. 물론, 고품질의 색깔을 제공한다는 것이 본 발명의 유일한 목적은 아니다. 예컨대 설계의 유연성, 비용, 효율 등과 같은 다른 인자들이 본 발명의 LED 소자를 설계해서 제조하는 데에 고려되어야 한다. 어떤 경우에는, 당업자에게 이해될 수 있듯이, 본 발명의 기타의 목적 중 하나 이상의 실현을 극대화하기 위해 더 낮은 품질의 색깔의 제공을 선택하는 것도 바람직할 수 있다.

박막에 대한 도펀트의 양 및 공간 분포가 더욱 정밀하게 제어될 수 있다. 박막에 대한 이러한 특성을 정밀하게 제어함으로써, 변환되지 않은 상태로 박막을 통과하는 1차 방사광의 분율은 예측 가능해서 제어될 수 있다. 따라서, 발광 다이오드 소자(20)에 의해 생성된 백색광의 특성은 보장될 수 있다. 따라서, 제조의 불정확성은 제거될 수 있고, 고품질과 일관성(consistency)을 가진 LED 소자가 얻어질 수 있다.

도 3은 본 발명의 발광 다이오드 소자(30)에 대한 제2 실시예의 측면도이다. 이 LED 소자(30)는 도 2에 도시된 LED 소자(20)와 매우 유사하며, 다만 이 LED 소자(30)는 도 2에 도시된 박막(22)이 기능을 수행하는 방식과 다소 상이한 방식으로 기능을 수행하는 3개의 형광 물질 박막(25, 26, 27)을 가지는 점은 제외된다. 이 박막(25, 26, 27)을 증착하기 위해 전술한 박막(22, 23)을 증착하기 위한 기술이 또한 이용되는 것도 바람직하다. 따라서, 간결성을 위해, 이를 달성할 수 있는 방식에 대한 상세한 설명은 여기에서는 제공되지 않을 것이다.

LED 소자(30)의 박막(25, 26, 27)은 각각 청색광, 녹색광 및 적색광을 발생시킨다. 발광 구조물(2)이 구동되면, 1차 광은 기판(13)을 통해 전파되어 박막(25)에 충돌하며, 이 박막은 1차 광의 일부 또는 전부를 흡수해서, 이를 1차 광의 파장 보다 더 긴 파장의 청색광으로 변환시킨다. 그때, 변환된 청색광은 그 일부를 녹색광으로 변환시키는 박막(26)에 충돌한다.

박막(25)에 의해 방출된 변환되지 않은 청색광의 일부는 변환되지 않은 상태로 박막(26)을 통과한다. 또한, 이 박막(26)은 잔류하는 1차 광의 일부 또는 전부를 녹색광으로 변환시킬 수 있다. 박막(27)은 청색광을 적색광으로 변환시키거나, 녹색광을 적색광으로 변환시키기 위해 만들어질 수 있다. 따라서, 박막(25)에 의해 방출된 소정 분율의 청색광 또는 박막(26)에 의해 방출된 소정 분율의 녹색광은 박막(27)에 의해 적색광으로 변환된다. 또한, 잔류하는 1차 광은 박막(27)에 의해 적색광으로 변환된다. 변환되지 않은 청색광 및 녹색광의 일부는 박막(27)을 통과해서 적색광과 결합해서 백색광을 생성한다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예의 측면도이며, 이 도면은 도 2에 도시된 실시 예에 대한 변형예에 상당한다. 도 2에 도시된 반사 전극(21)은 도 4에 도시된 LED 소자(40)에 합체되지 않는다. 기판(15)은 예컨대 탄화규소(SiC) 또는 사파이어로서 알려진 산화알루미늄(Al₂O₃)의 형태로 될 수 있다. 박막(22)은 발광 구조물의 표면 상에 배치된다. 이 박막(22) 상에는 박막(23)이 배치된다. LED 소자(40)는 백색광을 생성하기 위해 LED 소자(20)이 동작하는 방식과 거의 동일한 방식으로 동작한다. 발광 구조물(2)에 의해 방출된 1차 광은 박막(22)에 충돌한다. 이 박막(22)은 그 표면에 충돌하는 1차 광의 일부 또는 전부를 이 1차 광의 파장 보다 더 긴 파장의 청색광으로 변환시킨다.

변환된 청색광은 박막(22)에 의해 방출된다. 이 박막(22)에 의해 방출된 청색광의 일부는 형광 물질을 여기시키지 않은 상태로 박막(23)을 통과하며, 따라서 변환되지 않는 상태로 잔류한다. 박막(22)에 의해 방출된 청색광의 일부는 박막(23)의 형광 물질을 여기시켜서 황색광으로 변환된다. 또한, 잔류하는 1차 광도 박막(23)에 의해 황색광으로 변환된다. 이 황색광은 박막(23)으로부터 방출되어 박막(22)에 의해 방출된 변환되지 않는 청색광의 일부와 결합해서 백색광을 생성한다.

도 5는 본 발명의 예시적인 제4 실시예의 측면도이며, 이 도면은 도 3에 도시된 실시예에 대한 변형예에 상당한다. 도 3에 도시된 반사 전극(21)은 도 5에 도시된 LED 소자(50)에 합체되지 않는다. 또한, 기판(15)은 도 4에 도시된 기판과 일치할 수 있다. 박막(25)은 발광 구조물(2)의 표면 상에 배치된다. 이 박막(25) 상에는 박막(26)이 배치된다. 이 박막(26) 상에는 박막(27)이 배치된다. LED 소자(50)는 도 3에 도시된 LED 소자(30)가 동작하는 방식과 거의 동일한 방식으로 동작한다.

발광 구조물(2)에 의해 방출된 1차 광은 박막(25)에 충돌하며, 이 박막은 1차 광의 일부 또는 전부를 흡수해서 1차 광의 파장 보다 더 긴 파장의 청색광으로 변환시킨다. 그때, 변환된 청색광은 박막(26)에 충돌하며, 이 박막은 변환된 청색광의 일부를 녹색광으로 변환시킨다. 박막(25)에 의해 방출된 변환되지 않은 청색광의 일부는 변환되지 않은 상태로 박막(26)을 통과한다. 또한, 박막(26)은 어떤 잔류하는 1차 광의 일부 또는 전부를 녹색광으로 변환시킨다. 그 후에, 박막(25)에 의해 방출된 청색광 또는 박막(26)에 의해 방출된 녹색광은 박막(27)에 의해 적색광으로 변환된다. 소정 분율의 변환되지 않은 청색광 및 녹색광은 박막(27)을 통과하여 적색광과 결합해서 백색광을 생성한다. 어떠한 1차 광도 백색광을 생성하는 최종 결합 상태에서는 존재하지 않으며, 다시 말해서 1차 광의 어떤 것도 사용되지 않은 상태로 또는 변환되지 않은 상태로 잔류하지 않는다.

도 6은 본 발명의 발광 다이오드 소자(60)에 대한 예시적인 제5 실시예의 측면도이다. 발광 구조물(2)은 기판(61) 상에 배치되며, 이 기판은 상세하게 후술하는 바와 같이, 비록 다른 재료가 기판(61)용으로 이용될 수 있을지라도, 단결정 형광 물질 기판이 바람직하다. 도 2 및 도 3에 도시된 반사 전극(21)과 동일할 수 있는 반사 전극(21)이 발광 구조물(2)의 표면 상에 배치된다. 이 기판(61)의 표면 상에는 단일의 형광 물질 박막(62)이 배치된다.

발광 구조물(2)은 바람직하게는 단결정 형광 물질 기판(61) 상에 에피텍셜적으로 성장된다. 이 기판(61)은 세륨으로 도핑된 단결정 이트륨-알루미늄 가닛(Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺) 화합물이다. 사파이어와 같은 기판이 통상적으로 LED 소자에 이용되며, 그 이유는 그 기판이 바람직한 열, 기계적 및 결정 구조 특성을 가지고 있기 때문이다. 비록 산화알루미늄이 적합한 기판에 요구되는 열, 기계적 및 결정 구조 특성을 가지고 있지만, 이러한 화합물의 격자 구조는 너무 조밀해서 이 화합물이 충분한 농도의 Ce³⁺와 같은 희토류 이온으로 도핑되어 형광 물질 변환을 수행할 수 없게 한다.

본 발명에 따르면, 연구 및 실험을 통해서 흔히 "YAG"로 불리워지는 단결정 이트륨-알루미늄 가닛(Y₃Al₅O₁₂)이 LED 소자의 기판으로서 사용하기에 적합한 열, 기계적 및 결정 구조 특성을 가지고 있다는 것이 확정되었다. YAG가 세륨으로 도핑되어 황색광 방출 형광 물질을 생성할 수 있다는 것이 공지되어 있기 때문에, 본 발명에 따르면, 세륨으로 도핑된 단결정 YAG 화합물(Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺)은 LED 소자 기판의 필요한 모든 기능을 제공하고, 형광 물질 변환 방사광을 발생시키는 이중 목적에 기여할 수 있다는 것이 결정되었다.

기판(61)은 LED 소자의 발광 구조물(2)에 의해 발생된 1차 광을 수광하는 것에 반응하여 황색광을 발광시키며, 이 1차 광은 약 450 ㎚ 미만인 파장을 가진 청색광 또는 자외광이다. 발광 구조물(2)에 의해 발생되어 기판(61)으로 전파되는 1 차 광의 일부 또는 전부가 흡수되어 황색광으로 변환된다. 변환되지 않은 1차 광은 박막(62)에 충동하며, 이 박막은 1차 광을 460 ㎚ 보다 큰 파장의 청색광으로 변환시킨다. 이 청색광과 기판(61)에 의해 방출된 황색광이 결합되고 나서 백색광을 생성한다.

기판(61)의 특성은 도핑 과정을 정밀하게 제어함으로써 정밀하게 제어될 수 있다. 따라서, 광이 기판(61)을 통과해서 박막(62)를 통과할 때 변환된 소정 분율의 광 및 변환되지 않은 상태로 잔류하는 소정 분율의 광이 예측 가능해서 제어될 수 있다. 이에 의해, LED 소자(60)에 의해 생성된 백색광의 품질이 예측 및 제어될 수 있으며, 다음에 제조의 불확실성을 제거시키며, 생성된 백색광의 품질에 대한 변동을 최소화하거나 제거하는 것을 보장한다.

기판(61)의 두께 및 도핑은 박막(62)을 여기시키는 데에 필요한 1차 광의 양을 황색광으로 변환되지 않는 상태로 기판(61)을 정밀하게 통과할 수 있게 하는 그런 방식으로 적합하게 이루어진다. 당업자라면, 기판(61)이 원하는 변환을 달성하기 위해 적합하게 이루어질 수 있는 방식을 이해할 것이다. 이 실시예에 따르면, LED 소자(60)의 발광 구조물에 의해 방출된 광은 약 400 ㎚와 동일하거나 이 보다 더 커야만 하며, 그 이유는 기판(61)은 이 범위 이하의 파장의 1차 광에 의해 여기되지 않기 때문이다. 물론, 이 범위를 초과하는 파장에서 여기될 수 있는 재료로 제조된 기판도 역시 본 발명의 용도에 적합하다.

도 7은 본 발명의 LED 소자에 대한 예시적인 제7 실시예의 측면도이다. 이 LED 소자(70)는 기판(72), 이 기판(72)의 표면에 배치된 발광 구조물(2), 이 발광 구조물(2)의 표면에 배치된 반사 전극(21), 그리고 상호 중첩되어 기판(72)의 표면에 배치된 2개의 형광 물질 박막(73, 74)을 구비한다. 이 박막(73, 74)은 도 2-6를 참조하여 전술한 방식으로 제조 및 증착될 수 있다.

전술한 바와 같이, 1차 광은 460 ㎚와 대략 동일하거나 그 보다 더 작은 파장을 가진 청색광 또는 자외광이다. 기판(72) 속으로 전파되는 1차 광의 일부 또는 전부가 흡수되어, 이 1차 광의 파장 보다 더 긴 파장을 가진 청색광으로 변환된다. 이 변환된 청색광은 기판(72)에 의해 방출되어 박막(73)에 충돌하며, 이 박막은 기판(72)에 의해 방출된 청색광의 일부를 녹색광으로 변환시킨다. 또한, 이 박막(73)은 잔류하는 1차 광의 일부 또는 전부를 녹색광으로 변환시킬 수 있다.

기판(72)에 의해 방출된 청색광의 일부는 박막(73)에 의해 녹색광으로 변환되지 않은 상태로 박막(73)을 통해 전파된다. 이 녹색광과 변환되지 않는 청색광은 박막(74)에 충돌한다. 이 박막(74)은 변환되지 않는 청색광에 의해 또는 녹색광에 의해 여기되도록 설계될 수 있다. 어느 경우에도, 녹색광 및 청색광의 일부는 변환되지 않은 상태로 박막(74)을 통해 전파된다. 잔류하는 1차 광은 박막(74)에 의해 적색광으로 변환된다. 기판(72)에 의해 방출된 청색광 또는 박막(73)에 의해 방출된 녹색광의 일부는 박막(74)에 의해 적색광으로 변환되며, 이 적색광은 청색광 및 녹색광과 결합해서 백색광을 생성한다.

전술한 모든 실시예는 예측 및 제어 가능하게, 심지어 비교적 짧은 파장의 1차 방사광을 가진 고품질의 백색광을 생성할 수 있는 LED 소자를 제공한다는 것을 유의해야만 한다. 비록 여기에는 1차 방사광의 파장이 약 460 ㎚ 이하이며, 바람직하게는 440 ㎚ 이하라고 기재되어 있어 있을지라도, 본 발명의 LED 소자는 어떤 특정의 파장에 한정되지는 않는다. 또한, 당업자라면, 본 발명이 여기에서 명료하게 기재된 실시예에 한정되지 않는다는 것도 이해할 것이다. 예컨대, 다양한 형광 물질 변환 기판을 전술하고 있지만, 이들 기판은 역시 후막(厚膜)으로서 관찰될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 LED 소자는 탄화규소 또는 사파이어 기판과 같은 통상의 기판을 포함할 수도 있으며, 이 기판은 LED 기판의 전형적인 기능성과, 전술한 도 6 및 도 7에 도시된 기판의 형광 물질 변환 특성을 가진 하나 이상의 형광 물질 변환 후막을 가진다.

또한, 그러한 후막은 일부 또는 모든 경우에서 형광 물질 박막을 대신하여 사용될 수도 있다. 물론, 박막을 대신하여 후막을 사용하는 것은 LED 소자의 전체 치수를 증가시킬 수 있다. 또한, LED 소자에서 형광 물질 변환 요소의 순서는 당업자가 이해할 수 있듯이 도 2-7에 도시된 순서와 달라질 수도 있다. 따라서, 형광 물질 변환 요소가 도면에 나타나 있는 순서는 예시적 및/또는 바람직한 순서로서 관찰되어야 한다. 당업자라면, 본 발명의 범주 내에서 전술한 실시예에 대하여 기타의 변화 및 변형이 이루어질 수도 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims

백색광을 발생시키는 발광 소자로서,

구동 시에, 460 ㎚ 미만인 제1 파장의 1차 광을 방출하는 발광 구조물과,

상기 발광 구조물에 의해 방출되는 실질적으로 모든 1차 광을 수광해서 흡수하도록 배치된 형광 물질 변환 요소를 구비하며, 상기 형광 물질 변환 요소는 백색광을 발생시키기 위해 결합되는 제2 파장 및 제3 파장을 가진 2차 광을 방출하며, 상기 제2 파장은 상기 제1 파장 보다 더 크며, 상기 제3 파장은 상기 제2 파장 보다 더 크며, 상기 형광 물질 변환 요소는 (a) 상기 1차 광과 (b) 상기 제2 파장의 상기 2차 광 중 적어도 하나에 의한 여기(勵起)에 반응하여 상기 제3 파장의 2차 광을 발생시키며, 상기 제2 파장의 상기 2차 광에 의한 여기는 (a) 거시적인 흡수와 (b) 양자 역학적인 전이 중 적어도 하나에 의해 이루어지며,

상기 형광 물질 변환 요소는,

(a) 제1 도펀트로 도핑된 제1 주재료 및 제2 도펀트로 도핑된 제2 주재료와,

(b) 상기 제2 파장의 상기 2차 광을 방출하는 상기 제1 도펀트와 상기 제3 파장의 상기 2차 광을 방출하는 상기 제2 도펀트로 도핑된 주재료

중 하나를 포함하는

발광 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 형광 물질 변환 요소는 상기 제1 도펀트로 도핑된 상기 제1 주재료와 상기 제2 도펀트로 도핑된 상기 제2 주재료를 포함하고, 상기 제1 주재료는,

상기 제1 도펀트로 도핑된 기판, 상기 제1 도펀트로 도핑된 박막, 상기 제1 도펀트로 도핑되고 에폭시에 혼합된 형광 물질 분말, 상기 제1 도펀트로 도핑된 염료 중 하나를 포함하는 발광 소자.
제 2 항에 있어서,

상기 제2 주재료는 상기 제1 도펀트로 도핑된 기판, 상기 제1 도펀트로 도핑된 박막, 상기 제1 도펀트로 도핑되고 에폭시에 혼합된 형광 물질 분말, 상기 제1 도펀트로 도핑된 염료 중 하나를 포함하는 발광 소자.
제 3 항에 있어서,

상기 제1 및 제2 주재료는 각각 제1 및 제2 형광 물질 박막이며, 상기 제2 파장의 광은 청색광이며, 상기 제3 파장의 광은 황색광이며, 상기 제2 및 제3 파장의 광은 결합하여 백색광을 형성하는 발광 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 형광 물질 변환 요소는 제1 도펀트 및 제2 도펀트로 도핑된 주재료이 며, 상기 제1 도펀트는 상기 제2 파장의 2차 광을 방출하며, 상기 제2 도펀트는 상기 제3 파장의 2차 광을 방출하며, 상기 주재료는 기판인 발광 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 형광 물질 변환 요소는 상기 제1 도펀트 및 상기 제2 도펀트로 도핑된 주재료이며, 상기 제1 도펀트는 상기 제2 파장의 상기 2차 광을 방출하며, 상기 제2 도펀트는 상기 제3 파장의 상기 2차 광을 방출하며, 상기 주재료는 상기 제1 및 제2 도펀트로 도핑된 형광 물질 박막인 발광 소자.
제 3 항에 있어서,

상기 주재료는 화학적으로 Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺로서 정의되고 세륨(Cerium)으로 도핑된 이트륨-알루미늄-가닛(Yttrium-Aluminum-Garnet) 화합물, 화학적으로 Y₃Al₅O₁₂:Ho³⁺로서 정의되고 홀뮴(Holmium)으로 도핑된 이트륨-알루미늄 가닛 화합물, 그리고 화학적으로 Y₃Al₅O₁₂:Pr³⁺로서 정의되고 프라세오디뮴(Praseodymium)으로 도핑된 이트륨-알루미늄-가닛 화합물 중 하나를 포함하는 발광 소자.
제 7 항에 있어서,

상기 주재료 중 상기 이트륨의 부분은 하나 이상의 희토류 이온(rare earth ions)으로 대체되는 발광 소자.
제 7 항에 있어서,

제1 및 제2 표면을 가진 광투과성 기판을 더 구비하며, 상기 발광 구조물은 상기 기판의 제1 표면 상에 배치되며, 상기 기판의 상기 제1 표면은 상기 발광 구조물의 제2 표면과 접촉하며, 상기 제1 및 제2 주재료는 각각 제1 및 제2 형광 물질 박막이며, 상기 제1 형광 물질 박막은 상기 기판의 제2 표면 상에 배치되며, 상기 제2 형광 물질 박막은 상기 제1 형광 물질 박막 상에 배치되며, 상기 제1 박막에 의해 방출된 상기 제2 파장의 광은 청색광이며, 상기 제2 박막에 의해 방출된 상기 제3 파장의 광은 황색광이며, 상기 제2 및 제3 파장의 광은 결합해서 백색광을 형성하는 발광 소자.
제 7 항에 있어서,

광투과성 기판과 제2 형광 물질 변환 요소를 더 구비하되, 상기 광투과성 기판은 제1 및 제2 표면을 구비하며, 상기 발광 구조물은 상기 기판의 상기 제1 표면 상에 배치되며, 상기 기판의 상기 제1 표면은 상기 발광 구조물의 제2 표면과 접촉하며, 상기 제1 및 제2 주재료는 각각 제1 및 제2 형광 물질 박막이며, 상기 제1 형광 물질 박막은 상기 기판의 제2 표면 상에 배치되며, 상기 제2 형광 물질 박막은 상기 제1 형광 물질 박막 상에 배치되며,

상기 제2 형광 물질 변환 요소는 제3 형광 물질 박막이며, 상기 제3 형광 물질 박막은 상기 제2 형광 물질 박막 상에 배치되며, 상기 제3 형광 물질 박막은 상기 제1, 제2 및 제3 파장 중 하나의 광을 수광해서 상기 제1, 제2 및 제3 파장 중 하나의 수광된 광의 일부를 제4 파장 광으로 변환하며, 상기 제2 파장의 광은 청색광이며, 상기 제3 파장의 광은 녹색광이며, 상기 제4 파장의 광은 적색광이며, 상기 제2, 제3 및 제4 파장의 광은 결합해서 백색광을 형성하는 발광 소자.
제 9 항에 있어서,

상기 발광 구조물의 제1 표면 상에 배치된 반사 전극을 더 구비하며, 상기 발광 구조물에 의해 방출되어 상기 반사 전극에 충돌하는 1차 방사광은 상기 반사 전극에 의해 반사되어 상기 발광 구조물로 향하며, 그에 따라 상기 반사된 방사광은 기판으로 향하게 되는 발광 소자.
제 10 항에 있어서,

상기 발광 구조물의 제1 표면 상에 배치된 반사 전극을 더 구비하며, 상기 발광 구조물에 의해 방출되어 상기 반사 전극에 충돌하는 1차 방사광은 상기 반사 전극에 의해 반사되어 상기 발광 구조물로 향하며, 그에 따라 상기 반사된 방사광은 기판으로 향하게 되는 발광 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 파장은 제1 스펙트럼 띠의 최대 파장에 상응하며, 상기 제2 파장은 제2 스펙트럼 띠의 최대 파장에 상응하며, 상기 제3 파장은 제3 스펙트럼 띠의 최대 파장에 상응하는 발광 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 형광 물질 변환 요소에 의해 발생된 광은 적어도 하나 이상의 추가 파장의 광을 포함하며, 상기 적어도 하나 이상의 추가 파장의 광은 (a) 상기 1차 광 및 (b) 상기 적어도 하나 이상의 추가 파장 보다 더 짧은 임의의 파장의 2차 광 중 적어도 하나에 의한 여기(勵起)에 반응하여 발생되며, 상기 형광 물질 변환 요소는 (a) 상기 1차 광, (b) 상기 제2 파장의 상기 2차 광, 그리고 (c) 상기 제3 파장의 상기 2차 광 중 적어도 하나에 의한 여기에 반응하여 상기 적어도 하나 이상의 추가 파장의 상기 2차 광을 발생시키며, 상기 2차 광에 의한 여기는 (a) 거시적인 흡수 및 (b) 양자 역학적인 전이 중 어느 하나에 의해 이루어지며, 상기 제2 파장, 제3 파장 및 적어도 하나 이상의 추가 파장의 상기 2차 광은 결합해서 백색광을 생성하는

발광 소자.