KR100735314B1 - 스트론튬 및 칼슘 티오갈레이트 형광체 및 이를 이용한발광 장치 - Google Patents

Abstract

높은 양자 효율을 갖고 넓은 파장 영역에서 다양한 스펙트럼의 빛을 방출할 수 있는 고품질 형광체 및 이를 이용한 발광 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 형광체는, (Ca_1-xSr_x)_m(Y_1-y-zGa_yA_z)₂S_n:D의 화학식을 갖고, 상기 화학식에서 n은 4이상의 정수이고, m=n-3이고, x, y 및 z는 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, 0≤y+z≤1, 0≤x+y+z≤2 이고, A는 B(붕소)와 Sc(스칸듐) 중 적어도 하나의 원소이고, D는 Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Cl, Br, Li 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함한다.

형광체, 발광 다이오드, LED, 백색 발광

Description

스트론튬 및 칼슘 티오갈레이트 형광체 및 이를 이용한 발광 장치{STRONTIUM AND CALCIUM THIOGALLATE PHOSPHOR AND LIGHT EMITTING DEVICE USING THE SAME}

도 1은 본 발명의 형광체 조성에 따른 발광 피크 파장을 나타내는 3차원 그래프이다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 장치를 나타내는 측단면도이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 발광 장치를 나타내는 측단면도이다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 발광 장치를 나타내는 측단면도이다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 발광 장치를 나타내는 측다면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100, 200, 300, 400: 발광 장치 101: 패키지 본체

103: 단자 전극 104: LED

105: 본딩 와이어 111 ~ 114: 형광체

본 발명은 형광체 및 이를 이용한 발광 장치에 관한 것으로, 특히 넓은 파장 영역에서 다색(multicolor)의 광을 높은 효율로 방출할 수 있는 형광체 및 이를 이용한 발광 장치에 관한 것이다.

백색 발광다이오드(LED) 장치는 종래의 소형 램프 또는 형광 램프 대신에 액정 표시 장치의 백라이트(backlight)로서 사용되고 있다. S. Nakamura 외의 "The Blue Laser", pp. 216-221 (Springer 1997)의 Chapter 10.4에서 논의된 바와 같이, 백색 LED 장치는 청색 LED의 출사면 상에 세라믹 형광체층을 형성함으로써 제조될 수 있다.

종래의 대표적인 백색 LED 장치는, 청색 LED로서 InGaN 단일 양자 우물을 갖는 LED를 사용하고, 형광체로서 '세륨이 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷(YAG:Ce)', 즉 Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺를 사용한다. 청색 LED로부터 방출된 청색광은 상기 형광체를 여기시킴으로써 황색광을 방출시킨다. 청색 LED로부터 방출된 일부 청색광은 형광체를 투과하여 상기 형광체에 의해 방출된 황색광과 혼합된다. 이러한 청색광과 황색광의 혼색은, 관찰자(보는 사람)에게는 백색광으로 인식하게 된다. 청색 LED는 약 420 내지 480nm의 파장을 갖는 빛(청색광)을 방출한다. 이러한 청색광이 황색 형광체와 결합되면, 약 6000-8000K의 색온도와 약 77의 연색 지수(color rendering index(CRI))를 갖는 백색광이 생기게 된다.

또한, 청색 LED는, 청색광을 적색광으로 변환시키는 형광체 및 청색광을 녹색광으로 변환시키는 형광체와 결합함으로써, 백색광을 발생시킬 수 있다. 적절한 형광체는 약 420 내지 480nm의 범위에서 높은 여기 효율과 넓은 색도 영역(chromaticity zone)을 가져야 한다. 따라서, 전계 발광원과 결합하여 광방출 또는 색도 영역을 변화시키는 적절한 적색, 오렌지색, 황색 형광체를 찾고자 하는 노력이 진행되어 왔다.

현재 상업적으로 이용가능한 백색 LED 장치의 대부분은, 청색 LED 방출광의 일부를 형광체를 통해 황색광, 또는 적색 및 녹색광으로 변환시킴으로써 동작한다. 많은 연구자들이 형광체 분야에서 연구를 수행하여 다양한 연구성과들을 얻었는 바, 이러한 성과들은 예를 들어 아래의 특허문헌에 나타나 있다. 하기된 특허문헌들은 참조로 본 명세서에 포함된다.

미국특허 제5,602,445호는 호스트(host) 재료로서 알카라인계 할로겐화물(halide)과 도펀트로서 희토류 원소를 포함하는 형광체를 개시하고 있다. 이 형광체는 404nm 및 367nm에서 피크 파장(peak wavelength)를 갖는 청색-청자색 형광체에 해당한다. 또한, 미국특허 제 6,783,700호는 적색광을 방출하는, 유로퓸 및 할로겐 원소로 도핑된 스트론튬-칼슘 황화물 형광체를 개시하고 있다.

그 밖에도, 미국공개특허 제20050023963호는 MA₂(S_xSe_y)₄:B 및/또는 M₂A₄(S_xSe_y)₇B (M은 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn 중 적어도 하나이고, A는 Al, Ga, In, Y, La 및 Gd 중 적어도 하나이고, B는 Eu, Ce, Cu, Ag, Al, Tb, Sb, Bi, K, Na, Cl, F, Br, I, Mg, Pr 및 Mn 중 적어도 하나를 포함함) 의 화학식을 갖는 티오-셀레나이드(thio-Selenide) 형광체를 개시하고 있다. 또한, 미국특허 제6,544,438호는 1-7% 초과량의 갈륨을 포함함으로써, 알칼리 금속으로 활성화된 갈륨 황화물계 형광체를 형성하는 방법을 제공해주고 있다.

미국특허 제6,417,019호는, 1차광을 방출하는 LED와 상기 1차광을 흡수하여 2차광을 방출하는 (Sr_1-u-v-x Mg_u Ca_v Ba_x)(Ga_2-y-z Al_y In_z S₄):Eu²⁺ 형광체를 포함한 발광 장치 및 그 제조방법을 개시하고 있다. 이 형광체는 LED의 수지 포장부(encalsulant) 내에 입자 형태로 분산될 수도 있고 필름 형태로 LED 표면에 도포될 수도 있다.

또한, 미국특허 제6,919,682호는 형광체 및 그 증착방법을 개시하고 있는 바, 이 형광체는 M'_aBa_1-aM''₂M'''₄:RE의 일반식을 가진다. 여기서 M'는 Mg, Ca 중 적 어도 하나이고, M''는 Al, Ga, In 중 적어도 하나이고, M'''는 S, Se, Te 중 적어도 하나이고, RE는 희토류 원소, 특히 Eu 또는 Ce이다. 또한 a는 0＜a＜1의 범위에 있다.

상기 특허문헌들과 다른 여러 문헌들에서, 새로운 조성의 형광체 또는 이미 알려진 재료의 개선된 특성이 제안되어 왔다. 그럼에도 불구하고, 자외선(UV), 청색 또는 녹색광을 변환하기 위해 현재 사용되는 형광체는 요구되는 발광 효율 및 광출력의 안정성을 충족시키지 못하고 있으며 이에 따라 형광체를 이용한 LED 장치의 효율 및 신뢰성도 더 개선할 필요가 있다. 또한, 고품질의 백색광을 얻거나 다양한 색의 출력광을 용이하게 얻기 위하여, 조성의 변화로 다양한 스펙트럼의 방출광을 얻을 수 있는 형광체에 대한 요구가 높아지고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 높은 양자 효율을 갖고 넓은 파장 영역에서 다양한 스펙트럼의 빛을 방출시킬 수 있는 고품질 형광체를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 다른 목적은 양자효율과 스펙트럼의 가변성이 우수한 형광체를 사용하여 고품질 고효율의 출력광을 얻을 수 있는, 백색 LED 장치 등 발광 장치를 제공하는 데에 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 형광체는, (Ca_1-xSr_x)_m(Y_1-y-zGa_yA_z)₂S_n:D의 화학식을 갖고, 상기 화학식에서 n은 4이상의 정수이고, m=n-3이고, x, y 및 z는 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, 0≤y+z≤1, 0≤x+y+z≤2 이고, A는 B(붕소)와 Sc(스칸듐) 중 적어도 하나의 원소이고, D는 Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Cl, Br, Li 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함한다. 상기 형광체는, LED 등의 광원 소자와 함께 사용되어, 백색광 또는 기타 유색광(colored light)을 낼 수 있다.

바람직하게는, 상기 화학식에서 D는 Eu²⁺를 포함한다. 또한, 바람직하게는, 상기 화학식에서 D는 Eu²⁺와 Sm²⁺을 포함한다. 또한 바람직하게는, 상기 화학식에서 D는 Eu²⁺와 Gd²⁺를 포함한다.

본 발명의 실시형태에 따르면, n=4, m=1이고, 0＜x≤1이고, 0≤y+z≤(0.64-0.28x)이다. 이 경우, 상기 형광체는 적색(red) 광을 발하는 형광체일 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, n=4, m=1이고, 0＜x≤1이고, (0.64-0.28 x)≤y+z≤(0.82-0.28x)이다. 이 경우, 상기 형광체는 오렌지색(orange) 광을 발하는 형광체일 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, n=4, m=1이고, 0＜x≤1이고, (0.82-0.28x)≤y+z≤(1-0.28x)이다. 이 경우, 상기 형광체는 황색(yellow) 광을 발하는 형광체일 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, n=4, m=1이고, 0＜x≤1이고, (1-0.28x)≤y+z≤1이다. 이 경우, 상기 형광체는 녹색(green) 광을 발하는 형광체일 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, D는 2이상의 원소를 포함하는 원소 혼합물일 수 있다. 이 경우 상기 원소 혼합물 내의 각 원소의 함량은, 상기 형광체 조성의 전체 몰중량(molar weight)을 기초로 0.00001% 내지 12%의 몰 퍼센트 내에서 서로 독립적인 값을 가질 수 있다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 발광 장치는,

400 내지 480nm의 파장을 갖는 1차광을 내는 광원과;

상기 광원 표면의 적어도 일부 상에 배치되고, 상기 1차광을 흡수하여 다른 파장의 2차광을 내는 형광체를 포함하되,

상기 형광체는, (Ca_1-xSr_x)_m(Y_1-y-zGa_yA_z)₂S_n:D의 화학식을 갖고, 상기 화학식에서 n은 4이상의 정수이고, m=n-3이고, x, y 및 z는 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, 0≤y+z≤1, 0≤x+y+z≤2 이고, A는 B(붕소)와 Sc(스칸듐) 중 적어도 하나의 원소이고, D는 Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Cl, Br, Li 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함한다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 광원은 LED이고, 상기 형광체는 상기 LED 주위에 배치된 수지 포장부 내에 분산되어있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 형광체는 상기 화학식을 갖는 적어도 2종 이상의 형광체의 조합(또는 혼합물)을 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 발광 장치는 백색광을 출력광으로 하는 백색 발광 장치일 수 있다. 이 경우, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 광원은 청색 LED이고, 상기 형광체는 황색 형광체를 포함할 수 있다. 다른 실시형태에 따르면, 상기 광원은 청색 LED이고, 상기 형광체는 적색 형광체와 녹색 형광체의 조합을 포함할 수 있다. 또 다른 실시형태에 따르면, 상기 광원은 청색 LED이고, 상기 형광체는 오렌지색 형광체와 녹색 형광체의 조합을 포함할 수 있다. 또 다른 실시형태에 따르면, 상기 광원은 청색 LED이고, 상기 형광체는 적색 형광체, 오렌지색 형광체, 녹색 형광체 및 황색 형광체의 조합을 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 발명은, LED 또는 레이저 다이오드 등의 광원에 의해 방출되는 청색, 자색 또는 자외선광(1차광)을 높은 효율로 흡수하여 1차광보다 파장이 긴 2차광을 낼 수 있는 칼슘-스트론튬 티오갈레이트계 형광체를 제공한다. 이 형광체는 적색, 오렌지색, 황색 및 녹색에 이르는 넓은 칼라 스펙트럼을 낼 수 있다.

본 발명의 형광체는, 아래의 일반식(화학식)을 갖는다.

(Ca_1-xSr_x)_m(Y_1-y-zGa_yA_z)₂S_n:D

여기서, n은 4이상의 정수이고, m=n-3이다. x, y 및 z는 각각, 0≤y+z≤1, 0≤x+y+z≤2를 조건으로, 0 내지 1의 임의의 수일 수 있다. 상기 화학식 1에서, A는 B(붕소)와 Sc(스칸듐) 중 적어도 하나의 원소이다. 또한 D는 활성제 원 소(activating element)로서, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Cl, Br, Li 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함한다. 활성제 원소 D는, Eu²⁺를 포함하는 것이 바람직하다. 바람직한 일 실시형태로서, D는 Eu²⁺와 Sm²⁺을 포함할 수 있다. 또한, 바람직한 일 실시형태로서,D는 Eu²⁺와 Gd²⁺를 포함할 수 있다.

상기 화학식 1로 표현되는 칼슘-스트론튬 티오갈레이트 형광체는 LED 등의 발광원이 방출하는 빛(1차광)을 변환하여 다양한 파장으로 빛(2차광)을 낼 수 있다. 특히, 이 형광체는 청색, 자색 또는 자외선 광(1차광)을 높은 효율로 흡수하여 적색, 오렌지색, 황색 및 녹색에 이르는 다양한 칼라의 2차광을 낼 수 있다.

예를 들어, n=4이고, m=1에 대해, x, y, z가 0＜x≤1이고, 0≤y+z≤(0.64-0.28x)을 만족함으로써, 상기 형광체는 적색(red) 광을 발할 수 있다. 또한, 오렌지(orange)색 광을 발하기 위해서, 상기 조성식에서 n, m, x, y 및 z는 n=4, m=1이고, 0＜x≤1이고, (0.64-0.28 x)≤y+z≤(0.82-0.28x)일 수 있다.

또한, 상기 형광체는 황색(yellow) 형광체 또는 녹색(green) 형광체로 작용할 수도 있다. 예를 들어, 상기 형광체가 n=4, m=1, 0＜x≤1, (0.82-0.28x)≤y+z≤(1-0.28x)을 만족함으로써, 황색광을 발할 수 있다. 또한, n=4, m=1, 0＜x≤1, (1-0.28x)≤y+z≤1을 만족함으로써, 녹색 형광체를 얻을 수 있다.

위에서 설명한 형광체 조성과 발광 파장(칼라)의 상관관계가 도 1에 도시되어 있다. 도 1은, n=4, m=1, D=Eu인 경우에 있어서의 형광체(즉, (Ca_1-xSr_x)(Y_1-y-zGa_yA_z)₂S₄:Eu)의 조성에 따른 발광 피크 파장을 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 조성 파라미터 y+z(가로축)와 x(세로축)의 값에 따라, 형광체 (Ca_1-xSr_x)(Y_1-y-zGa_yA_z)₂S₄:Eu는 적색 영역(a), 오렌지색 영역(b), 황색 영역(c) 및 녹색 영역(d)에 이르는 다양한 칼라의 발광 피크 파장을 구현할 수 있다.

본 발명의 형광체 또는 형광체들의 조합은 LED, LD 등의 광원과 결합하여 고효율 고품질 백색광을 내는 데에 이용될 수 있다(도 2 내지 5 참조). 특히, 본 발명의 형광체는, 400 내지 480nm의 피크 파장을 갖는 LED 또는 LD광에 의해 높은 효율로 여기될 수 있다. 따라서, 본 발명의 형광체는 400 내지 480nm의 파장을 갖는 청색 또는 자색 LED와 결합함으로써, 높은 효율로 고품질의 백색광을 만드는 데에 유용하게 사용될 수 있다. 이러한 백색광을 만드는 데에는, 단일 형광체 시스템(즉, 1종의 형광체만을 사용), 혹은 다중 형광체 시스템(즉, 2종 이상의 형광체를 사용)을 사용할 수 있다.

상기 화학식 1에서, 활성제 원소 D는 단일 원소를 포함할 수도 있지만, 2이 상의 원소를 포함하는 원소 혼합물일 수 있다. 이 경우 상기 원소 혼합물 내의 각 원소의 함량(몰 퍼센트)은, 상기 형광체 조성의 전체 몰중량(molar weight)을 기초로 0.00001% 내지 12%내에서 서로 독립적인 값을 가질 수 있다.

(Ca_1-xSr_x)_m(Y_1-y-zGa_yA_z)₂S_n:D 형광체에서는, Sr:Ca 비와 (Y+A):Ga 비는 임의로(arbitrarily) 변할 수 있다. 특히, 스트론튬(Sr) 대 칼슘(Ca) 및 이트륨(Y) 대 갈륨(Ga) 비를 변화시킴으로써, 상기 형광체의 발광 스펙트럼은 그 피크 파장(peak wavelength)을 530nm(녹색) 내지 680nm(적색) 사이에서 변화시킬 수 있다.

또한, 상기한 (Ca_1-xSr_x)_m(Y_1-y-zGa_yA_z)₂S_n:D 형광체는, 비교적 높은 양자 수율(quantum yield)을 나타내는 데, 예를 들어 적색 형광체로 사용되는 경우, 종래에 비하여 10-15% 정도 양자 수율이 증가할 것으로 기대된다.

결과적으로, 상기한 (Ca_1-xSr_x)_m(Y_1-y-zGa_yA_z)₂S_n:D 형광체는, Sr:Ca와 Y:Ga의 조절에 의해, 녹색광, 황색광, 오렌지색광 또는 적색광과 같은 다양한 파장의 빛을 비교적 높은 효율로 방출할 수 있다(도 1 참조). 이러한 특성은 청색 LED와의 결합을 통한 고품질 백색광 출력의 가능성을 제시하여 준다(도 2 내지 도 5 참조).

본 발명에 따른 형광체는 고상 반응(solid-state reaction)을 포함한 다양한 제조방법을 이용하여 합성 또는 제조될 수 있다. 상기 형광체를 제조하기 위한 공정의 일례를 설명하면 아래와 같다.

상기 형광체 제조의 출발물질로, 바람직하게는, 분말형태의 금속 황화물(MS)과 Ga₂S₃ 시스템을 이용할 수 있다. 여기서, M은 칼슘(Ca) 및 스트론튬(Sr) 중 적어도 하나를 포함한다. 칼슘 및 스트론튬 카보네이트 등의 용해가능한 염 용액을 형성하고, 황산(sulfuric acid)을 사용하여 상기 염 용액으로부터 해당 황산염을 침전시키고, 침전물 위의 액체를 디캔팅(decanting)하고, 여분의 산을 제거하도록 황산염을 린징(rinsing)하고, 그 침전물을 건조함으로써, 칼슘 및 스트론튬 황화물(MS)을 얻을 수 있다.

원하는 몰 비율로 원료(MS 및 Ga₂S₃를 포함)를 혼합한 후, 상기 화학식 1에 존재하는 다른 원소(예컨대, 활성제 원소(D) 및 이트륨(Y))를 포함하는 화합물을 상기 원료 혼합물에 슬리리화시킨다 - 이 슬러리화 과정에서 슬러리 비이클(slurry vehicle)로서 증류수나 탈이온수 및/또는 이소프로필 알콜, 메탄올, 에탄올 등의 용매를 사용할 수 있음-. 이에 따라, 호스트 격자(host lattice) 내의 (Ca, Sr) 및 Ga 부분은 Eu₂O₃ 및 Y₂O₃로 치환될 수 있다. 이러한 슬러리 혼합대신에 상기한 원료의 건조 혼합(dry mixing)을 이용할 수도 있다. 혼합되거나 첨가되는 활성제 원소는 Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Cl, Br, Li 로 이루 어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함한다. 이러한 활성제 원소를 제공하기 위해 그 원소의 염이나 화합물, 또는 그 원소를 제공하는 황화물, 산화물, 또는 탄화물, 또는 다른 원료를 사용할 수 있다.

바람직하게는, 상기 형광체 원료 간의 반응을 강화시키기 위해, 하나 이상의 플럭스(flux) 물질을 첨가할 수 있다. 이러한 플럭스 물질로서 붕소 화합물을 사용할 수 있는데, 특히 460℃의 녹는점을 갖는 붕소 산화물(B₂O₃)을 상기 플럭스로서 유용하게 사용할 수 있다. 이러한 붕소 산화물 플럭스를 사용함으로써, 낮은 온도에서 활성제를 호스트 격자 내에 더 잘 배치시킬 수 있고 이에 따라 발광 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 호스트 격자 내에 Y와 Ga을 부분적으로 치환시킴으로써, 붕소(B) 또는 스칸듐(Sc)는 발광 중심(luminescence center) 환경을 변화시키고, 필드 스플리팅(field splitting)를 일으키며, 발광 스펙트럼을 소정 범위에서 쉬프트(shift)시킬 수 있다.

몰르타르(mortar), 막자(pestle), 볼 밀(ball mill), 분쇄기(grider) 등의 수단을 사용하여 원료 물질들을 기계으로 완전히 혼합한 후에는, 이 혼합물을 정제된 H₂S 증기에서 약 1000℃의 온도에서 4시간 정도 소성하여, (Ca_1-xSr_x)_m(Y_1-y-zGa_yA_z)₂S_n:D 형광체 화합물을 얻는다. 이어서, 이 화합물을 냉각시킨다. 냉각시 가스 분위기를 H₂S에서 500℃의 아르곤(Ar)으로 대체하여, 샘플 상에서의 황 응 결(sulfur condensaton)을 방지할 수 있다. 예상된 특성(피크 파장, FWHM 등)을 갖는 원하는 파장(특히, 녹색에서 적색에 이르는 파장 범위 내에서)의 형광체가, 상기한 고상 반응을 통해 용이하게 마련될 수 있다. 이 형광체에서 우수한 상 순도(phase putiry)를 얻기위해서는 원료의 순도 및 제조 공정에 대한 정밀한 제어가 요구된다.

본 발명의 형광체를 얻기 위한 제조 공정은 상기한 공정(고상 반응을 이용한 공정)에 한정되는 것은 아니며, 동일한 형광체를 얻기 위해 다른 출발물질과 합성기술을 사용할 수도 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 형광체는 LED 등의 광원과 결합하여 고품질, 고효율의 발광 장치(특히, 백색 발광 장치)를 구현하는 데에 용이하게 적용될 수 있다. 이러한 예가 도 2 내지 도 5에 도시되어 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 백색 발광 장치를 나타낸 단면도이다. 도 2를 참조하면, 백색 발광 장치(100)는 반사컵을 갖는 패키지 본체(101)와; 반사컵 바닥부에 실장된 청색 LED(104)를 포함하여, 하나의 LED 패키지를 이룬다. 패키지 본체(101)에 설치된 단자 전극(103)은 본딩 와이어(105)를 통해 청색 LED(10)와 전기적으로 접속하게 된다. 청색 LED(104) 표면 상에는 LED(104)를 애워싸는 에폭시 수지 등으로 된 수지 포장부(encapsulant) (110)가 형성되어 있다. 이 수지 포 장부(110)에는 상술한 (Ca_1-xSr_x)_m(Y_1-y-zGa_yA_z)₂S_n:D 형광체(114)가 입자 형태로 분산되어 있다. 특히, 이 형광체(114)는 황색 형광체이다(예컨대, D=Eu, m=4, n=1, 0＜x≤1, (0.82-0.28x)≤y+z≤(1-0.28x)을 만족함).

청색 LED(104)에서 방출된 420 내지 480nm 파장의 청색광은 상기 황색 형광체(114)를 여기하여, 황색 형광체(114)는 황색광을 발하게 된다. 청색 LED(104)로부터 방출된 청색광은 상기 황색광과 결합하여 고품질의 백색광을 출력하게 된다.

도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 백색 발광 장치(200)를 나타내는 단면도이다. 도 3에서는, 수지 포장부(110) 내에 분산되어 있는 파장 변환용 형광체로서, 2종의 형광체를 사용한다. 즉, 수지 포장부(110) 내에는 적색 형광체(111)와 녹색 형광체(112)가 분산되어 있다. 특히, 적색 형광체(111) 및 녹색 형광체는 상기한 화학식 1을 갖는 스트론튬-칼슘 티오갈레이트 형광체에 해당한다. 예를 들어, (Ca_1-xSr_x)(Y_1-y-zGa_yA_z)₂S₄:Eu 형광체 (0＜x≤1, 0≤y+z≤(0.64-0.28x))를 적색 형광체(111)로 사용하고, (Ca_1-xSr_x)(Y_1-y-zGa_yA_z)₂S₄:Eu 형광체 (0＜x≤1, (1-0.28x)≤y+z≤1)를 녹색 형광체(112)로 사용할 수 있다. 청색 LED(104)에 의해 여기된 적색 형광체(111) 및 녹색 형광체(112)는 각각 적색광과 녹색광을 발한다. 이 적색광 및 녹색광이 청색 LED(104)로부터 온 청색광과 결합함으로써, 고품질의 백색광을 출력하게 된다.

본 발명에 따르면, 오렌지색-녹색의 다중 형광체 시스템을 사용하여 백색광을 구현할 수도 있다. 이러한 예가 도 4에 도시되어 있다. 도 4의 백색 발광 장치(300)를 참조하면, 수지 포장부(110) 내에 분산되어 있는 파장 변환용 형광체는 상기한 화학식 1을 갖는 오렌지색 형광체(113)와 녹색 형광체(112)이다. 예컨대, (Ca_1-xSr_x)(Y_1-y-zGa_yA_z)₂S₄:Eu 형광체 (0＜x≤1, (0.64-0.28 x)≤y+z≤(0.82-0.28x))를 오렌지색 형광체(113)로 사용하고, (Ca_1-xSr_x)(Y_1-y-zGa_yA_z)₂S₄:Eu 형광체 (0＜x≤1, (1-0.28x)≤y+z≤1)를 녹색 형광체(112)로 사용할 수 있다. 이 형광체들(113, 112)로부터 방출된 오렌지색광 및 녹색광은 LED(104)로부터 방출된 청색광과 결합함으로써, 고품질의 백색광을 출력하게 된다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 백색 발광 장치(400)를 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 수지 포장부(110) 내에는 4종의 형광체가 분산되어 있다. 즉, 파장 변환용 형광체로서, 상기한 화학식 1을 갖는 적색 형광체(111), 녹색 형광체(112), 오렌지색 형광체(113) 및 황색 형광체(114)가 수지 포장부(110) 내에 분산되어 있다.

청색 LED(104)에 의해 여기된 각 형광체(111~114)는 각 해당 파장의 빛(적색광, 녹색광, 오렌지색광, 황색광)을 발하고, 이 4색 광은 청색 LED(104)의 청색광과 결합하여 백색광을 출력하게 된다. 이러한 백색 발광 장치(400)에 의해, 양자 수율, 휘도 및 연색지수가 개선된 고품질 백색광을 얻을 수 있다. 즉, 전체 휘도가 약 15% 정도 증가하고 연색지수(CRI)가 약 10-15% 정도 개선될 것으로 예상된다.

상술한 실시형태들에서는, 백색광을 구현하기 위해 상기한 화학식 1의 형광체만을 사용하고 있으나, 일부 종류의 형광체만이 상기한 화학식 1의 화학식을 가질 수도 있다. 또한, 상술한 실시형태에서는, 형광체가 수지 포장부(110) 내에 입자형태로 분산되어 있으나, 필름 형태로 LED(104)의 적어도 일면 상에 도포 또는 증착될 수도 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 형광체는 높은 양자 효율을 갖고, 넓은 파장 영역에서 다양한 스펙트럼의 빛을 방출시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 백색 발광 장치에 의해, 고효율 고품질의 출력광을 얻을 수 있고, 특히 양자 수율, 휘도 및 연색지수가 개선된 고품질 백색광을 얻을 수 있다.

Claims (18)

1. (Ca_1-xSr_x)_m(Y_1-y-zGa_yA_z)₂S_n:D의 화학식을 갖고,

   상기 화학식에서 n=4, m=1이고, x, y 및 z는 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0＜z≤1, 0＜y+z≤1, 0＜x+y+z≤2 이고, A는 B(붕소)와 Sc(스칸듐) 중 적어도 하나의 원소이고, D는 Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Cl, Br, Li 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광체.
2. 제1항에 있어서,

   D는 Eu²⁺를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광체.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   0＜x≤1, 0＜y+z≤(0.64-0.28x)이고, 상기 형광체는 적색광을 발하는 것을 특징으로 하는 형광체.
6. 제1항에 있어서,

   0＜x≤1, (0.64-0.28x)≤y+z≤(0.82-0.28x)이고, 상기 형광체는 오렌지색 광을 발하는 것을 특징으로 하는 형광체.
7. 제1항에 있어서,

   0＜x≤1, (0.82-0.28x)≤y+z≤(1-0.28x)이고, 상기 형광체는 황색광을 발하는 것을 특징으로 하는 형광체.
8. 제1항에 있어서,

   0＜x≤1, (1-0.28x)≤y+z≤1이고, 상기 형광체는 녹색광을 발하는 것을 특징으로 하는 형광체.
9. 삭제
10. 삭제
11. 400 내지 480nm의 파장을 갖는 1차광을 내는 광원; 및

    상기 광원 표면의 적어도 일부 상에 배치되고, 상기 1차광을 흡수하여 다른 파장의 2차광을 내는 형광체를 포함하되,

    상기 형광체는, (Ca_1-xSr_x)_m(Y_1-y-zGa_yA_z)₂S_n:D의 화학식을 갖고, 상기 화학식에서 n=4, m=1이고, x, y 및 z는 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0＜z≤1, 0＜y+z≤1, 0＜x+y+z≤2 이고, A는 B(붕소)와 Sc(스칸듐) 중 적어도 하나의 원소이고, D는 Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Cl, Br, Li 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
12. 제11항에 있어서,

    상기 광원은 LED이고, 상기 형광체는 상기 LED 주위에 배치된 수지 포장부 내에 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
13. 제11항에 있어서,

    상기 형광체는 상기 화학식을 갖는 적어도 2종 이상의 형광체의 조합을 포함 하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
14. 제11항에 있어서,

    상기 발광 장치는 백색광을 출력하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
15. 제14항에 있어서,

    상기 광원은 청색 LED이고, 상기 형광체는 황색 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
16. 제14항에 있어서,

    상기 광원은 청색 LED이고, 상기 형광체는 적색 형광체와 녹색 형광체의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
17. 제14항에 있어서,

    상기 광원은 청색 LED이고, 상기 형광체는 오렌지색 형광체와 녹색 형광체의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
18. 제14항에 있어서,

    상기 광원은 청색 LED이고, 상기 형광체는 적색 형광체, 오렌지색 형광체, 녹색 형광체 및 황색 형광체의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.

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