KR100746749B1 - 광 여기 시트 - Google Patents

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KR100746749B1
KR100746749B1 KR1020060023832A KR20060023832A KR100746749B1 KR 100746749 B1 KR100746749 B1 KR 100746749B1 KR 1020060023832 A KR1020060023832 A KR 1020060023832A KR 20060023832 A KR20060023832 A KR 20060023832A KR 100746749 B1 KR100746749 B1 KR 100746749B1
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silicone resin
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안영주
고영욱
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Abstract

광 여기 시트가 개시된다. 열경화성 수지인 매트릭스 수지층과, 매트릭스 수지층에 포함되며 청색 LED로부터 조사된 광의 파장을 변환하는 형광체와, 매트릭스 수지층 내부에 포함되어 액상의 열경화성 수지를 경화시키는 경화제와, 매트릭스 수지층에 포함되되 형광체를 매트릭스 수지층 내부에 고르게 분산하는 첨가제를 포함하는 광 여기 시트는 청색 파장을 백색으로 구현할 수 있게 된다.
광 여기 시트, 실리콘 수지, 도광판, 반사 시트, 보호 시트

Description

광 여기 시트{ Photoluminescent diffusion sheet}
도 1은 종래기술에 따른 광 여기 시트의 사진.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 광 여기 시트의 단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 3 종류의 광 여기 시트의 광 여기 스펙트럼 그래프.
도 4는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 광 여기 시트에 있어서 확산제 농도와 휘도의 연관 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 바람직한 제4 실시예에 따른 광 여기 시트 제조 방법의 순서도.
도 6은 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 광 여기 시트 제조 방법의 개념도.
도 7은 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 광 여기 시트의 사진.
도 8은 종래기술에 따른 광 여기 시트의 신뢰성 테스트 사진.
도 9는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 광 여기 시트의 신뢰성 테스트 사진.
도 10은 본 발명의 바람직한 제5 실시예에 따른 광 여기 시트의 단면도.
도 11은 본 발명의 바람직한 제5 실시예에 따라 소형 볼을 부착한 광 여기 시트의 사진.
도 12는 본 발명의 바람직한 제6 실시예에 따른 광 여기 시트의 단면도.
도 13은 본 발명의 바람직한 제7 실시예에 따른 광 여기 시트의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1a: 황색 형광체 1b: 적색 형광체
1c: 녹색 형광체 1: 형광체
2: 매트릭스 수지층 3: 확산제
4: 보호 필름 5: 소형 볼
10: 광 여기 시트 20: 보호 시트
30: 도광판 50: 인쇄회로기판
60: 청색 LED
본 발명은 광 여기 시트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 LED의 청색광을 백색광으로 구현 가능한 광 여기 시트에 관한 것이다.
야간 또는 실내에서 빛을 제공하거나 물체를 조명하기 위해 다양한 종류의 조명등이 이용되고 있다. 이와 같은 조명등은 전원을 공급받아 전기 에너지를 광에 너지로 변화시켜 빛을 제공하는 것으로서, 대체로 백열전구 또는 형광등을 사용하는 것이 일반적이다. 그러나 백열 전구나 형광등은 소비전력이 크고 발열 특성이 있으며, 수명이 약 6개월 정도로 짧아서 자주 교체하여야 하는 단점을 가지고 있다.
뿐만 아니라 형광등은 발암 물질인 수은을 사용하고 있어 규제의 대상이 될 수 있고, 직접조명으로 광원의 깜빡거림으로 시력저하의 요인으로 작용하고 있으며, 넓은 설치공간이 필요하며 설치 방법과 색조절이 어려운 점등의 단점을 많이 가지고 있다.
이러한 기존의 조명장치를 교체하기 위하여 LED(Light Emitting Diod)를 이용한 조명장치가 연구되고 있다. LED는 10만 시간의 수명을 가지므로 반 영구적이라 할 수 있으며, 자외선 보다 장파장의 빛을 이용하므로 인체에도 무해하다.
LED는 조사되는 빛의 파장에 따라 청색 LED, 백색 LED, 자외선 LED 등으로 나누어질 수 있다. 그러나 자외선 LED와 백색 LED는 제조 공정면에서 청색 LED보다 복잡할 뿐만 아니라 제조 비용도 훨씬 비싸기 때문에 그 사용이 제한되었다. 따라서 저가의 청색 LED를 백색으로 구현하기 위하여 광 여기 시트에 대한 개발이 진행중에 있다. 이러한 조명장치는 휴대폰 등의 백 라이트 유닛으로도 사용가능하다.
그러나 종래 광 여기 시트는 매트릭스 수지로서 열가소성 수지에 무기형광체를 2축 압출기에 의해 혼련시키기 때문에 수지시트 내에 형광체의 균일한 혼합이 어려워서 휘도 및 색좌표의 불균일이 심한 문제점이 있었다.
또한 종래 색변환 시트는 매트릭스 수지와 형광체가 혼련된 칼러드 펠렛(colored pellet)을 압출성형하여 제조되기 때문에 동일한 압출성형조건에서는 동일한 형태의 색변환 시트만이 생산되어 응용성이 떨어지는 단점이 있었다.
뿐만 아니라, 매트릭스 수지로서 열가소성 수지인 폴리카보네이트나 폴리메틸메타크릴레이트 수지 등은 취성이 강하여 도 1의 사진과 같이 쉽게 깨지거나, 내열성이 낮아(120˚C 이하) 고온에서 쉽게 소성변형되는 성질이 있어 그 적용에 한계가 있었다.
본 발명의 목적은 저가의 청색 LED를 이용하여 백색을 구현할 수 있으면서, 내열성, 취성에 대한 내구성 및 내습성에 강한 광 여기 시트를 제공하는 것이다.
또한, 광 여기 시트의 표면을 변형시켜 광을 확산하는 기능 및 다른 시트와 적층시 접촉에 의해 발생되는 얼룩현상을 방지하는 광 여기 시트를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 열경화성 수지인 매트릭스 수지층과, 매트릭스 수지층에 포함되며 청색 LED로부터 조사된 광의 파장을 변환하는 형광체와, 매트릭스 수지층 내부에 포함되어 액상의 열경화성 수지를 경화시키는 경화제와, 매트릭스 수 지층에 포함되되 형광체를 매트릭스 수지층 내부에 고르게 분산하는 첨가제를 포함하는 광 여기 시트가 제공된다.
상기 광 여기 시트는 사용 목적에 맞게 휘도 강화형 광 여기 시트, 휘도 및 색도 동시 강화형 광 여기 시트, 색도 강화형 광 여기 시트로 제조될 수 있다. 이들은 다음과 같은 조성비로서 제조될 수 있다.
확산제를 포함하지 않을 경우에는, 실리콘 수지 100 중량부에 대하여, 경화제 0.05~5 중량부, 첨가제 0.1~15 중량부, 황색 형광체는 1~90 중량부를 포함하여 이루어진 휘도 강화형 광 여기 시트 를 제조할 수 있고,
실리콘 수지 100 중량부에 대하여, 경화제 0.05~5 중량부, 첨가제 0.1~15 중량부, 녹색 형광체 1~30 중량부, 황색 형광체 0.1~60 중량부, 적색 형광체 1~30 중량부를 포함하여 이루어진 휘도 및 색도 동시 강화형 광 여기 시트를 제조할 수 있다.
또한, 실리콘 수지 100 중량부에 대하여, 경화제 0.05~5 중량부, 첨가제 0.1~15 중량부, 녹색 형광체 1~65 중량부, 적색 형광체 1~65 중량부를 포함하여 이루어진 색도 강화형 광 여기 시트를 형성할 수 있다.
한편, 광 여기 시트에는 확산제를 첨가할 수 있는데, 확산제는 광원의 굴절을 촉진시켜 형광체의 여기율을 높여주는 역할 및 균일화 역할을 한다. 이러한 광 여기 시트는 다음과 같은 조성비로서 다양한 목적에 사용된다.
실리콘 수지 100 중량부에 대하여, 경화제 0.05~5 중량부, 첨가제 0.1~15 중량부, 확산제 5~15 중량부, 황색 형광체 1~90 중량부를 포함하여 이루어진 휘도 강 화형 광 여기 시트를 제조할 수 있고,
실리콘 수지 100 중량부에 대하여, 경화제 0.05~5 중량부, 첨가제 0.1~15 중량부, 확산제 5~15 중량부, 녹색 형광체 1~30 중량부, 황색 형광체 0.1~60 중량부, 적색 형광체 1~30 중량부를 포함하여 이루어진 휘도 및 색도 동시 강화형 광 여기 시트를 제조할 수 있다.
또한, 실리콘 수지 100 중량부에 대하여, 경화제 0.05~5 중량부, 첨가제 0.1~15 중량부, 확산제 5~15 중량부, 녹색 형광체 1~50 중량부, 적색 형광체 1~50 중량부를 포함하여 이루어진 색도 강화형 광 여기 시트를 제조할 수 있다.
한편, 이상의 광 여기 시트 표면에는 보호 필름이 부착될 수 있다. 보호 필름은 투명층으로 매트릭스 수지층을 보호하는 역할을 하여, 내열성 및 내습성을 강화시킨다.
보호 필름의 표면은 불규칙한 단차를 가질 수도 있다. 이는 확산의 기능 및 얼룩현상 방지 기능을 한다. 또한, 보호 필름의 표면에는 얼룩현상 방지용 소형 볼을 부착하여, 광 여기 시트와 접촉하는 다른 시트와의 얼룩현상(Wetting)을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 광 여기 시트의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 광 여기 시트의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 황색 형광체(1a), 적색 형광체(1b), 녹색 형광체(1c), 형광체(1), 매트릭스 수지층(2), 확산제(3), 보호 필름(4), 광 여기 시트(10)가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 광 여기 시트(10)는 400nm~500nm 파장의 청색 LED의 광을 백색 광으로 전환하는 기능을 가진다. 기본적으로 박막의 매트릭스 수지층(2) 내부에 형광체가 고르게 분산된 형태이다.
도 2에는 도시되지 않았으나 매트릭스 수지층(2) 내부에는 경화제와 첨가제가 포함될 수 있다. 경화제는 액상의 열경화성 수지를 경화하는 용도로 사용되며, 첨가제는 형광체를 액상의 열경화성 수지 내부에 고르게 분산하기 위하여 사용된다. 확산제(3)는 광원의 굴절을 촉진시켜 형광체의 여기율을 높여주는 역할 및 균일화 역할을 한다. 보호 필름(4)은 매트릭스 수지층(2)를 보호하는 역할을 한다.
본 발명에 사용되는 재료에 대하여 설명하면 다음과 같다.
- 매트릭스 수지층(2)
본 발명에서 매트릭스 수지층(2)을 이루는 것은 열경화성 수지이며, 특히 실리콘 수지를 사용하였다. 열가소성 수지는 다루기는 쉬우나 취성이 강하고 방습능력이 낮으므로 표면의 균일성이 필요한 광 여기 필름(10)에는 사용이 어려운바 본 발명은 공정이 까다로운 열경화성 수지를 사용하였다.
실리콘 수지는 연성이 좋고 필름에 인쇄시 접착력이 우수하다. 본 발명에서 사용가능한 실리콘 수지의 바람직한 특성은 광투과도가 85% 이상이고, 점도가 3000cp이상이며 120℃이하에서 건조(경화)되는 것이다. 또한 형광체(1) 등과의 혼합이 양호하여야 하며 휘발성은 낮을 수록 좋고, 보호 필름(4)과의 접착성이 좋아야 한다. 이러한 실리콘 수지는 시중에서 쉽게 구할 수 있는데, 예를 들면 다우코닝사의 실리콘수지시스템 LS4326(실리콘수지)-LS4326A(경화제)-LS4326C(경화촉진제)-톨루엔 또는 자일렌(70%, 점도조절제 또는 용매), 또는 동일 회사의 실리콘수지시스템 CF5010(실리콘수지)-SO400(경화제)-실리콘오일(점도조절제 또는 용매) 등이다.
이러한 실리콘 수지는 자체적으로 소포제가 첨가되어 있기 때문에 스크린인쇄 방식에서 문제가 되는 기포문제를 해결할 수 있다. 따라서, 이하에서 말하는 실리콘 수지는 순수 실리콘 수지라기보다는 소포제 등의 실리콘 수지의 성질을 개선하는 물질이 미량 첨가된 것이라 볼 수 있다. 이는 시중에서 순수 실리콘 수지를 구하기는 힘들 뿐만 아니라, 당업자 측면에서 말하는 실리콘 수지는 실리콘 수지 제조업체 측에서 시판하는 형태이기 때문이다.
-형광체(1) 및 확산제(3)
본 발명의 상기 실리콘 수지에 혼입되어 광 여기 및/또는 확산기능을 수행하는 물질은 다음과 같다.
형광체(1)은 무기 형광체를 이용한다. 대표적인 광 여기 무기 형광체는 가넷계(Gd) 물질인 Y3Al5O12 (YAG)에 세륨(cerium)을 도핑(doping)한 형광체로 구성되어진다. 예를 들면, 광 여기 무기 형광체는 (Y1-x-yGdxCey)3Al5O12 (YAG:Gd,Ce), (Y1-xCex)3Al5O12 (YAG:Ce), (Y1-xCex)3(Al1-yGay)5O12(YAG:Ga,Ce), (Y1-x-yGdxCey)3(Al5-zGaz)5O12(YAG:Gd,Ga,Ce), (Gd1-xCex)SC2Al3O12 (GSAG)등이 될 수 있다.
일반적으로 YAG계 형광체는 (Y1-x-yGdxCey)3(Al1-zGaz)O12 (단, x+y≤1; 0≤x≤1; 0≤y≤1; 0≤z≤1) 로 표시된다. 형광체(1)에서 발광하는 주 파장은 상기에서 기술한 물질에 따라 다르다. 가넷계(garnet composition)에 의존하는 Ce3+ 발광은 광 효율의 감소없이 녹색 (~ 540 nm; YAG:Ga,Ce)에서 적색 (~ 600 nm; YAG:Gd,Ce)까지 다양하게 발광 시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 대주전자의 (Y, Gd, Ce)3(Al, Ga)5O12와 Phosphor Technology사의 Y3Al5O12 :Ce 을 사용하였다. 또한, 심적색을 발광시키기 위한 대표적인 무기 형광체는 SrB4O7:Sm2 + 이다. SM2 +는 주로 적색의 파장을 나타내는데 기여한다. 특히 상기와 같은 심적색 무기 형광체는 600 nm 이하의 가시광 영역 전체를 흡수하여 심적색 즉, 650 nm 이상의 파장을 갖고 발광을 한다. 휘도 향상을 위해 Phosphor Technology사의 SrS:Eu계열의 620nm 파장대의 형광체를 사용한다. 또한, 녹색을 발광시키기 위한 대표적인 무기 형광체는 SrGa2S4:Eu2+ 이다. 상기와 같은 녹색 무기 형광체는 500 nm 이하의 광을 흡수하여 535 nm의 주 파장을 방출한다. 또한 청색을 발광시키기 위한 대표적인 무기 형광체는 BaMg2Al16O27:Eu2+ 이다. 상기와 같은 청색 무기 형광체는 430 nm 이하의 광을 흡수하여 450 nm의 주 파장을 방출한다.
황색 형광체는 YAG계열 뿐만 아니라 TAG계(Tb3Al5O12)와 Silicate계(Sr2SiO4:Eu)중 하나를 사용하는 것도 가능하다. 또한, 적색 형광체도 CaS:Eu와 SrS:Eu와 SrB4O7:Sm 중 하나를 사용할 수도 있으며, 녹색형광체를 SrGa2S4:Eu로 사용 할 수도 있다.
광을 균일하게 해주는 산란 또는 확산 기능을 가지는 확산제(3)는 크게 투명 확산제와 백색 확산제로 나뉜다. 투명 확산제로는 아크릴수지, 스틸렌수지, 실리콘 수지 등의 유기 투명 확산제와 합성실리카, 글래스비드, 다이아몬드 등의 무기 투명 확산제가 있다. 백색 확산제로는 산화실리콘(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 황산바륨(BASO4), 탄산칼슘(CaSO4), 탄산마그네슘(MgCO3), 수산화알루미늄(Al(OH)3), 클레이 등을 포함한 무기 산화물 등이 대표적이다.
확산제(3)의 크기 및 농도는 광원으로부터 입사한 광의 산란 정도를 결정하는 요인이다. 확산제(3)가 너무 작으면 광 확산 효율이 떨어지고, 지나치게 많아지면 광투과율을 저하시킨다. 본 발명의 경우 SiO2의 크기는 5~7μm이 가장 좋은 특성 을 보였다. 또한 확산제(3)의 농도는 13%일 때가 광 확산 및 투과율이 좋은 특성을 보였다.
형광체(1)의 크기 또한 확산제(3)와 같이 제한이 된다. 형광체(1)의 크기는 5~7μm 정도가 적당하며, 너무 작아지면 광 여기 효율이 줄어들고, 너무 커지면 광투과도 및 박막의 균일도를 떨어지게 한다.
그러나 확산제(4)는 반드시 필요로 하는 물질은 아니다, 광을 확산시키는 방법은 광 여기 필름(10)의 표면을 변형함으로써 충분히 가능하기 때문이다.
- 보호 필름(4)
본 발명의 보호 필름(4)으로 사용가능한 수지로는 광 투과도가 우수한 것으로서 무색 투명한 합성 수지를 사용하는데, 특별히 한정되는 것은 아니나 예를 들면, 폴리에틸렌 테레프탈레이트( Polyethylene terephthalate : PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene naphthalate), 아크릴 수지, 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리스틸렌(Polystyrene) 등이 있다. 이중에 폴리에틸렌 테레프탈레이트( Polyethylene terephthalate : PET)필름은 투명성이 우수하고, 강도 및 휨성이 뛰어나다. 또한 내열성, 내화학성이 필요한 경우에는 보호 필름(4)을 폴리카보네이트(Polycarbonate)로 하는 것이 바람직하다. 보호 필름(4)의 두께는 5 ~ 50μm 이내의 필름을 사용하는 것이 바람직하다. 10μm 이하의 필름은 취급이 난해하고, 50μm 이상의 필름은 광 투과도가 떨어지기 때문이다.
한편, 스크린 인쇄에 사용되는 폴리망 제판은 기계적 강도가 약하기 때문에 양산 효율성을 위해 스테인리스 제판을 사용함이 바람직하다. 제판의 메쉬크기는 인쇄되는 두께 및 격자의 크기이 따라 적절히 조절하여 사용가능하다. 본 발명의 실시예에서는 메쉬크기가 50 ~ 120되는 제판을 사용하였다.
- 기타 물질
경화제는 액상의 실리콘을 경화시키는 역할을 한다. 다양한 경화제를 사용할 수 있으나, 일반적으로 다우코닝사의 제품 CF5010, CD7657, DC9800, LS4326, DC2013을 사용한다.
또한, 첨가제는 액상의 실리콘 내부에 형광체(1)를 고르게 분산하는 분산제, 표면결함 방지제, 유동성 조성 첨가제중 선택된 하나 이상의 혼합물질을 사용한다. 이 물질을 사용하지 않을 경우, 형광체(1)는 뭉쳐지게 되며, 광 여기 시트(10)의 효율은 떨어지게 된다. 첨가제는 독일 BYK사의 제품(BYK-333, BYK-306, BYK-310, BYK-w940, BYK-110, BYK-2001, BYK-410)을 주로 사용한다. 이상의 경화제와 첨가제는 용도에 부합하도록 다양한 제품 및 물질을 사용할 수 있을 것이다.
기타 액상의 실리콘 수지와 형광체(1) 및/또는 확산제(4)의 혼합이 원활하게 이루어져 막을 균일하게 제조하거나 기포의 발생 등을 방지하기 위하여 침전방지제, 바인더, 기포방지제 등이 혼입될 수 있다.
이하에서는 상술한 실리콘 수지와 경화제, 첨가제, 형광체(1)를 이용하여 광 여기 필름(10)을 제조함에 있어서 필요한 성분의 조성비를 실리콘 수지 100 중량부 를 기준으로 하여 확산제(4)를 첨가한 경우와 확산제(4)를 첨가하지 않은 경우로 나누어 설명한다.
표 1은 확산제를 첨가한 경우, 표 2는 확산제를 사용하지 않은 경우의 광 여기 시트의 조성비이다.
표 1 확산제를 첨가한 광 여기 시트의 조성비
실리콘 (중량부) 경화제 첨가제 확산제 녹색 형광체 황색 형광체 적색 형광체
휘도 강화형 광 여기 시트 100 0.05~5 0.1~15 5~15 0 1~90 0
휘도 및 색도 강화형 광 여기 시트 100 0.05~5 0.1~15 5~15 1~30 0.1~60 1~30
색도 강화형 광 여기 시트 100 0.05~5 0.1~15 5~15 1~50 0 1~50
표 2 확산제를 첨가하지 않은 광 여기 시트의 조성비
실리콘 (중량부) 경화제 첨가제 녹색 형광체 황색 형광체 적색 형광체
휘도 강화형 광 여기 시트 100 0.05~5 0.1~15 0 1~90 0
휘도 및 색도 강화형 광 여기 시트 100 0.05~5 0.1~15 1~30 0.~60 1~30
색도 강화형 광 여기 시트 100 0.05~5 0.1~15 1~65 0 1~65
표 1,2와 같이 크게 3종류의 광 여기 시트를 제조할 수 있다, 각각의 광 여기 시트는 그 특성에 따라 휘도 강화형 광 여기 시트, 휘도 및 색도 강화형 광 여기 시트, 색도 강화형 광 여기 시트로 지칭될 수 있다.
휘도 강화형 광 여기 시트는 형광체 중에서 황색 형광체만 사용한다. 따라서 청색광이 광 여기 시트에 조사되면 황색 형광체를 거친 광은 황색광의 파장부위인 550nm에서 완만한 피크(Peak)가 나타나며, 황색 형광체를 거치지 않은 청색광은 본연의 450nm에서 강한 피크가 나타난다. 이러한 형태의 파장은 휘도가 강하게 된다. 반면, 백색광은 적색, 녹색, 청색 파장이 적절히 조합되어야 하므로 휘도 강화형 광 여기 시트에서 구현된 광은 색도가 떨어질 수 있다.
그러나, 청색 LED 에서 조사되는 광의 휘도는 일반적으로 고휘도가 아니므로 광 여기 시트를 거친 빛의 휘도를 최대한 보장하기 위해서는 휘도 강화형 광 여기 시트를 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 휘도 강화형 광 여기 시트는 확산제를 첨가시 표 1과 같이 실리콘 수지 100 중량부에 대하여, 경화제 0.05~5 중량부, 첨가제 0.1~15 중량부, 확산제 5~15 중량부, 황색 형광체 1~90 중량부를 포함하여 제조될 수 있다. 확산제를 첨가하지 않는 경우에는 표 2와 같이 실리콘 수지 100 중량부에 대하여, 경화제 0.05~5 중량부, 첨가제 0.1~15 중량부, 황색 형광체 1~90 중량부를 포함하여 제조될 수 있다.
한편, 색도 강화형 광 여기 시트는 백색을 구현하기 위한 광 여기 시트이다. 특히, 색도 강화형 광 여기 시트는 조명 장치에 사용되는데, 일상적으로 생활하는 실내공간은 눈의 피로를 줄이기 위해서 이러한 형태의 시트를 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 색도 강화형 광 여기 시트는 형광체 중에서 녹색 형광체와 적색 형광체를 사용한다. 백색은 청색, 녹색, 적색의 파장이 적절히 잘 조합될 때 구현된다. 따라서 청색광이 광 여기 시트에 조사되면 적색 형광체를 거친 광은 적색광의 파장 부위에서 녹색 형광체를 거친 파장은 녹색 파장 부위에서 피크가 나타나고 어떠한 형광체도 거치지 않은 형광체는 청색 파장에서 피크가 나타나서 이들이 혼합될 경우 백색광이 구현된다.
이러한 색도 강화형 광 여기 시트는 확산제 첨가시 표 1과 같이, 실리콘 수지 100 중량부에 대하여, 경화제 0.05~5 중량부, 첨가제 0.1~15 중량부, 확산제 5~15 중량부, 녹색 형광체 1~50 중량부, 적색 형광체 1~50 중량부를 포함하여 제조될 수 있다.
확산제가 첨가되지 않을 경우에는, 실리콘 수지 100 중량부에 대하여, 경화제 0.05~5 중량부, 첨가제 0.1~15 중량부, 녹색 형광체 1~65 중량부, 적색 형광체 1~65 중량부를 포함하여 제조될 수 있다.
상기의 휘도 강화형 광 여기 시트와 색도 강화형 광 여기 시트의 장점과 단점이 혼합된 것이 휘도 및 색도 동시 강화형 광 여기 시트이다. 즉 휘도 및 색도 동시 강화형 광 여기 시트는 휘도와 색도를 동시에 상승시키는 장점이 있다.
휘도 및 색도 강화형 광 여기 시트를 확산제를 첨가하여 제조할 경우에는, 실리콘 수지 100 중량부에 대하여, 경화제 0.05~5 중량부, 첨가제 0.1~15 중량부, 확산제 5~15 중량부, 녹색 형광체 1~30 중량부, 황색 형광체 0.1~60 중량부, 적색 형광체 1~30 중량부를 포함하여 제조될 수 있다.
확산제를 첨가하지 않은 경우에는, 실리콘 수지 100 중량부에 대하여, 경화제 0.05~5 중량부, 첨가제 0.1~15 중량부, 녹색 형광체 1~30 중량부, 황색 형광체 0.1~60 중량부, 적색 형광체 1~30 중량부를 포함하여 제조될 수 있다.
상기의 3 종류의 광 여기 시트의 광 여기 스펙트럼을 분석하면 도 3과 같은 형태가 된다. 도 3에 도시된 바와 같이 휘도 강화형 광 여기 시트의 경우 넓은 범위에서 파장이 형성되며, 색도 강화형 시트의 경우 청색 및 적색, 녹색의 파장 범위에서 강한 피크를 형성한 것을 볼 수 있다.
한편, 상기 3종류의 광 여기 시트를 형성함에 있어서, 상기와 같이 조성비 범위가 제한되는 이유를 설명하면 다음과 같다.
- 경화제의 영향
경화제의 함량이 0.05% 이하일 때 인쇄 후 실리콘 수지의 경화가 거의 일어나지 않을 수 있으며, 경화가 일어난다고 하더라도 경화시간이 수 시간~수일까지 증가하여 양산성이 없어진다. 또한, 경화제의 함량이 5% 이상일 때 경화가 너무 급격히 일어나서 광 여기 시트 제작을 위한 인쇄공정 도중 경화가 일어나는 문제가 있다.
조기 경화가 일어날 경우 인쇄와 동시에 경화가 일어나므로 광 여기 시트의 두께가 두꺼워지며, 그에 따른 색좌표가 변화하는 공정변동이 심각하고, 제조공정의 재현성에 심각한 문제가 발생하게 된다.
- 첨가제의 영향
첨가제로는 분산제, 표면결함 방지제, 유동성 조성 첨가제 등을 하나 혹은 하나 이상 혼합하여 사용하며, 첨가제의 양이 0.1중량% 미만일 경우 광 여기 시트 제조 후 형광체간 분리 및 응집 등의 현상이 심각하여 균일한 면광원을 만들 수 없고 첨가제의 양이 15중량% 이상일 경우 아래의 표 3과 같은 역효과가 있다.
표 3 첨가제의 종류 및 효과
첨가제 분류 품명 효과 과량시 역효과
분산제 BYK110,180,12001 응집, 광택저하, 색상변화, 색분리, 침전등의 방지 인쇄표면의 흐름현상 발생(필름 표면 불균일 발생)
표면결함 방지제 BYK310,333 색분리, 표면유동성, 내분화구 현상, 펴면의 슬립 소포성 등의 방지 BYK333의 경우 적정량보다 과량 첨가시 경화지연, 접착력 약화, 표면 유동성 저하
유동성 조성 첨가제 BYK940,410 표면의 흐름 침전 방지 인쇄표면의 흐름현상 발생
표 3과 같이 분산제는 과량시 인쇄표면의 흐름 현상이 발생하여 필름(광 여기 시트) 표면의 불균일이 발생한다. 표면결함 방지제의 경우 BYK333를 적정량 보다 과량 첨가시 경화지연, 접착력 약화, 표면 유동성이 저하되고, 유동성 조성 첨가제의 경우 과량시 인쇄표면의 흐름 현상이 발생하게 된다.
- 확산제의 영향
시트 내부에 확산제가 들어갈 경우 확산제의 조성에 따른 광원의 휘도 관계 는 표 4와 도 4의 그래프와 같다.(표 4와 도 4의 그래프는 휘도 강화형 광 여기 시트와 색도 강화형 광 여기 시트를 대상으로 실험한 것임)
실리콘 수지 100 중량부에 대하여 확산제가 5중량부 이하일 때 휘도 상승 효과가 거의 없으며, 15중량부 이상일 때 휘도가 감소하는 경향을 보이므로 5~15 중량부 범위가 적절한 양이 된다.
표4
확산제 농도 (실리콘 수지 100 중량부 기준) 휘도 강화형 광 여기 시트 (cd/m2 ) 색도 강화형 광 여기 시트(cd/m2 )
0 2830 1909
7 2831 1868
9 2898 1908
11 3021 1978
13 3001 2012
15 2871 1900
- 형광체의 영향
형광체는 제공업체별 그 발광특성 및 색좌표 특성이 다르므로 정형화된 조성을 정하기 매우 어려우며, 넓은 범위의 조성 분포범위를 가진다.
휘도 강화형 광 여기 시트의 경우 실리콘 수지 100 중량부에 대하여 1 중량부 이하에서는 형광체의 여기가 거의 없으므로 청색 LED의 광원이 대부분을 차지하여 전체적으로 청색으로 된다. 90 중량부 이상에서는 색좌표가 백색을 넘어 황색계열로 나타나게 되며, 통상 형광체의 시트제조시 형광체의 함량이 많아질 수록 휘도가 증가하나 90 중량부 이상에서는 휘도증가가 거의 없다.
휘도 및 색도 동시 강화형 광 여기 시트의 경우 실리콘 수지 100 중량부에 대하여 녹색 형광체 1 중량부, 황색 형광체 0.1 중량부, 적색 형광체 1 중량부 이하의 조성에서는 형광체의 여기가 거의 없어 전체적으로 청색빛을 띄며, 녹색 형광체 30 중량부, 황색 형광체 60 중량부, 적색 형광체 30 중량부 이상일 때 휘도 상승이 거의 없다.
색도 강화형 광 여기 시트의 경우 실리콘 수지 100 중량부에 대하여 녹색 형광체 1 중량부, 적색 형광체 1 중량부 이하의 조성에서 형광체의 여기가 거의 없어 전체적으로 청색빛을 띄며, 녹색 형광체 50 중량부, 적색 형광체 50 중량부 이상일 때 휘도상승이 거의 없다. 확산제를 사용하지 않을 경우 녹색 형광체 65 중량부, 적색 형광체 65 중량부까지 사용가능하다.
상기 조성비의 범위를 고려하여 광 여기 필름의 제조 방법을 설명하면 다음과 같다. 도 5는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 광 여기 시트 제조 방법의 순서도이며, 도 6은 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 광 여기 시트의 제조 방법의 개념도이다. 도 6을 참조하면, 보호 필름(4), 광 여기 시트(10), 실리콘 액제(20)가 도시되어 있다.
- 제조방법
젤 형태의 실리콘 수지에 경화제, 형광체 및/또는 확산제를 혼합 교반하고 실리콘 오일 등으로 점도를 조절한 후, 실리콘 액제를 제조한다 이후, 보호 필름 상에 스크린 프린팅 방식, 슬릿코팅 방식, 롤코팅 방식 등으로 인쇄를 하고 건조 경화하여 광 여기 확산시트(10)를 제조한다. 광 여기 시트(10)는 보호 필름(4)을 제거하여 사용할 수도 있으나, 일반적으로 보호막으로서 보호 필름(4)을 부착하는 것이 바람직하다.
구체적인 제조 방법을 살펴보면,
실리콘 수지와 실리콘 수지 100 중량부를 기준으로 경화제 0.5중량부, 경화촉진제 2중량부를 순서대로 첨가하여 액상 실리콘 수지를 제조하였다. 상기에서 제조된 액상 실리콘 수지 100 중량부 기준으로 형광체 13 중량부, 액상 실리콘 수지 100 중량부 기준으로 확산제로서 SiO2 ( 직경 5 ~ 7μm) 13 중량부를 상기 액상 실리콘 수지에 혼합하여 공.자전 교반기를 이용하여 교반하여 실리콘 액제(20)를 제조하였다. 그런 다음 1층의 두께가 10~25μm이고, 2층의 두께가 20 ~ 100μm인 2층구조를 갖는 보호 필름(4, 재질이 폴리 에틸렌임)을 인쇄면으로 하여 스크린 인쇄 방식을 이용하여 상기 혼합된 실리콘 액제를 코팅하였다, 적외선 건조기를 통해 120℃에서 경화한 후 보호 필름(4)과 분리함으로써 본 발명의 확산시트를 제조하였다.
그러나 보호 필름(4)을 분리하지 않고 하나의 보호 필름(4)을 더 적층할 수도 있다. 이것은 광 여기 시트(10)의 내열성 및 내습성을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명의 광 여기 시트는 연성이 우수하여 휘기만 할 뿐 깨지는 현상은 보 이지 않는다. 도 7은 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 광 여기 시트의 사진으로서(보호 필름(4)이 없는 형태), 표면에 크랙이 발생하지 않는 광 여기 시트의 형태를 도시한다.
종래에는 열가소성 수지를 보호 필름 없이 압출 및 인발 방식으로 필름을 생산하였다. 이러한 기존의 열가소성 수지를 고온(80~85˚C)및 고습(80~85%) 분위기에서 신뢰성 테스트한 결과 도 8의 사진과 같은 결과를 나타낸다. 사진과 같이 표면 형광체가 분리되어 소실되었으며, 형광체 자체의 열화가 동반되어 휘도 저하가 심각하였다.
그러나, 본 실시예는 열경화성 수지의 일종인 실리콘 수지를 사용한 결과 도 9의 사진과 같이 표면 형광체의 손실 및 열화가 없으며 그에 따른 휘도 저하가 거의 없었다.
또한, 보호 필름(4)이 적층된 경우에는 고온 및 고습의 환경에서도 열화 및 휘도 저하가 없었다.
한편, 광 여기 시트와 다른 종류의 시트를 적층할 경우 시트와 시트 사이가 밀착되어 얼룩이 지는 현상이 발생된다. 따라서, 각각의 시트를 미세하게 이격시키킬 필요가 있다. 이하에서는 이를 개선한 실시예를 설명한다.
도 10는 본 발명의 바람직한 제5 실시예에 따른 광 여기 시트의 단면도이며 도 11은 본 발명의 바람직한 제5 실시예에 따라 소형 볼을 부착한 광 여기 시트의 사진이다. 도 10을 참조하면, 형광체(1), 매트릭스 수지층(2) 확산제(3), 보호 필름(4), 소형 볼(5), 접착층(6), 광 여기 시트(10)가 도시되어 있다.
본 발명의 제5 실시예는 광 여기 시트(10)의 표면에 소형 볼(5)을 부착하는 것을 특징으로 한다. 소형 볼(5)이 광 여기 시트(10)의 표면에 고르게 분산되어 부착될 경우, 다른 종류의 시트가 상하면에 위치하더라도 표면의 밀착에 의한 얼룩현상은 일어나지 않는다.
이러한 소형 볼(5)도 수지로 이루어지는 것이 바람직하며, 휘도를 떨어뜨리지 않도록 투명한 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 소형 볼(5)은 직접 광 여기 시트(10) 표면에 부착될 수 있으나, 접착층(6)을 상면에 도포하는 것이 소형 볼(5)이 이탈되지 않고 안정되게 부착되도록 한다.
도 11은 본 발명의 제5 실시예의 위에서 바라본 사진으로 소형 볼은 광 여기 시트 표면에 분산되어 부착되어 있다.
도 12는 본 발명의 바람직한 제6 실시예에 따른 광 여기 시트의 단면도이다.
도 12를 참조하면, 형광체(1), 매트릭스 수지층(2) 확산제(3), 보호 필름(4), 접착층(6), 광 여기 시트(10)가 도시되어 있다.
제6 실시예의 경우 보호 필름(4)에 조도(roughness)를 형성하였다. 이는 광을 효과적으로 분산하기 위한 것이다. 즉, 매트릭스 수지층(2)를 입사하는 광은 두 번 보호 필름(4)을 거치게 되고, 보호 필름(4)의 조도에 의해 광의 경로는 다양하게 분산된다. 따라서, 이러한 광 여기 시트(10)에는 분산재(3)를 사용하지 않을 수 있다. 또한 보호 필름(4)의 거친 표면은 다른 종류의 시트가 상면에 위치할 경우 표면의 밀착에 의한 얼륙 현상을 방지하는 기능도 동시에 가지게 된다.
도 13은 본 발명의 바람직한 제7 실시예에 따른 광 여기 시트의 단면도이다.
형광체(1), 매트릭스 수지층(2) 확산제(3), 보호 필름(4), 소형 볼(5), 광 여기 시트(10)가 도시되어 있다. 본 실시예는 도 12의 제3 실시예와 같이 조도가 있는 표면의 보호 필름(4) 상면에 소형 볼(5)을 부착한 것으로서, 얼룩방지의 기능을 강화한 것이다.
본 발명의 기술 사상이 상술한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상술한 실시예는 그 설명을 위한 것이지 그 제한을 위한 것이 아니며, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
이상의 구성으로 본 발명은, 청색 LED의 광을 백색으로 신뢰성 있게 구현할 수 있는 광 여기 시트를 제공할 수 있게 된다.

Claims (11)

  1. 열경화성 수지인 매트릭스 수지층과;
    상기 매트릭스 수지층에 포함되며, 청색 LED로부터 조사된 광의 파장을 변환하는 형광체와;
    상기 매트릭스 수지층 내부에 포함되며, 액상의 열경화성 수지를 경화시키는 경화제와;
    상기 매트릭스 수지층 내부에 포함되되, 상기 형광체를 상기 매트릭스 수지층 내부에 고르게 분산하는 첨가제를 포함하는 광 여기 시트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열경화성 수지는 실리콘 수지이며, 상기 형광체는 황색 형광체이되,
    상기 실리콘 수지 100 중량부에 대하여, 상기 경화제 0.05~5 중량부, 상기 첨가제 0.1~15 중량부, 상기 황색 형광체 1~90 중량부를 포함하여 이루어진 광 여기 시트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열경화성 수지는 실리콘 수지이며, 상기 형광체는 녹색 형광체, 황색 형광체, 적색 형광체로 이루어지되,
    상기 실리콘 수지 100중량부에 대하여, 상기 경화제 0.05~5 중량부, 상기 첨가제 0.1~15 중량부, 상기 녹색 형광체 1~30 중량부, 상기 황색 형광체 0.1~60 중량부, 상기 적색 형광체 1~30 중량부를 포함하여 이루어진 광 여기 시트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열경화성 수지는 실리콘 수지를 이며, 상기 형광체는 녹색 형광체, 적색 형광체로 이루어지되,
    상기 실리콘 수지 100 중량부에 대하여, 상기 경화제 0.05~5 중량부, 상기 첨가제 0.1~15 중량부, 상기 녹색 형광체 1~65 중량부, 적색 형광체 1~65 중량부를 포함하여 이루어진 광 여기 시트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열경화성 수지는 실리콘 수지이며, 상기 실리콘 수지에는 광을 굴절 시키는 확산제가 첨가되며, 상기 형광체는 황색 형광체로 이루어지되,
    상기 실리콘 수지 100 중량부에 대하여, 상기 경화제 0.05~5 중량부, 상기 첨가제 0.1~15 중량부, 상기 확산제 5~15 중량부, 상기 황색 형광체 1~90 중량부를 포함하여 이루어진 광 여기 시트.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열경화성 수지는 실리콘 수지이며, 상기 실리콘 수지에는 광을 굴절시키는 확산제가 첨가되며, 상기 형광체는 녹색 형광체, 황색 형광체, 적색 형광체로 이루어지되,
    상기 실리콘 수지 100 중량부에 대하여, 상기 경화제 0.05~5 중량부, 상기 첨가제 0.1~15 중량부, 상기 확산제 5~15 중량부, 상기 녹색 형광체 1~30 중량부, 상기 황색 형광체 0.1~60 중량부, 상기 적색 형광체 1~30 중량부를 포함하여 이루어진 광 여기 시트.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열경화성 수지는 실리콘 수지이며, 상기 실리콘 수지에는 광을 굴절시키는 확산제가 첨가되며, 상기 형광체는 녹색 형광체, 적색 형광체로 이루어지되,
    상기 실리콘 수지 100중량부에 대하여, 상기 경화제 0.05~5중량부, 상기 첨가제 0.1~15중량부, 상기 확산제 5~15중량부, 상기 녹색 형광체 1~50 중량부, 상기 적색 형광체 1~50 중량부를 포함하여 이루어진 광 여기 시트.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매트릭스 수지층 표면에는 보호 필름이 부착된 광 여기 시트.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 보호 필름의 표면에는 얼룩방지용 소형 볼이 부착된 광 여기 시트.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 보호 필름의 표면에 조도(roughness)가 형성된 광 여기 시트.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 청색 LED는 400nm~500nm의 파장을 방출하는 광 여기 시트.
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