KR100771806B1 - 백색 발광 장치 - Google Patents

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KR100771806B1
KR100771806B1 KR1020050125951A KR20050125951A KR100771806B1 KR 100771806 B1 KR100771806 B1 KR 100771806B1 KR 1020050125951 A KR1020050125951 A KR 1020050125951A KR 20050125951 A KR20050125951 A KR 20050125951A KR 100771806 B1 KR100771806 B1 KR 100771806B1
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미하일 나자로프
윤철수
세르게이 비루진스키
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Abstract

휘도와 연색지수가 개선된 백색 발광 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 백색 발광 장치는, 자외선 LED와; 상기 자외선 LED를 봉지하는 몰딩 수지와; 상기 자외선 LED에서 방출된 자외선에 의해 여기되어 각각 청색, 녹색 및 적색광을 발하는 청색, 녹색 및 적색 형광체와; 상기 자외선 LED에서 방출된 자외선을 상기 형광체로 반사시키는 반사 매체를 포함한다.
발광 다이오드, LED, 백색 발광, 형광체

Description

백색 발광 장치{WHITE LIGHT EMITTING DEVICE}
도 1은 종래의 백색 발광 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 백색 발광 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 백색 발광 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 백색 발광 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 백색 발광 장치의 동작 원리를 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태의 백색 발광 장치에 사용되는 형광체들간의 에너지 전이를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에서 사용되는 적색 형광체의 여기 스펙트럼과 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시형태에서 사용되는 청색 형광체의 여기 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 8b는 본 발명의 일 실시형태에서 사용되는 청색 형광체의 발광 스펙트럼 을 나타내는 그래프이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시형태에서 사용되는 녹색 형광체의 여기 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 9b는 본 발명의 일 실시형태에서 사용되는 녹색 형광체의 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 여러 실시형태에 따른 광산란층을 개략적으로 나타낸 단면도들이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 백색 발광 장치 101: 케이싱
102: 자외선 LED (UV LED) 103: 형광체
104: 반사용 분말 매체 105: 반사컵
106: 반사면 107: 몰딩 수지
108: 자외선 반사막 (UV 반사막) 110: 광산란층
본 발명은 백색 발광 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자외선 발광 다이오드(자외선 LED 또는 UV LED 라고도 함)와 형광 물질들을 구비하는 백색 발광 장치에 관한 것이다.
백색 LED 장치는, 종래의 소형 램프 또는 형광 램프 대신에 액정 표시 장치의 백라이트(backlight)로 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, InGaN 양자 우물을 갖는 청색 LED와 Y3Al5O12:Ce3+(YAG:Ce) 황색 형광체를 구비한다. 청색 LED로부터 방출된 청색광은 상기 형광체를 여기시킴으로써 황색광을 방출시킨다. 청색 LED로부터의 청색광과 황색 형광체로부터의 황색광은 혼합됨으로써, 관찰자에게 백색광으로 인식된다.
또한, 백색광을 발생시키기 위해, 청색 LED는 적색 형광체 및 녹색 형광체와 결합될 수 있다. 적절한 형광체는 약 420 내지 480nm의 범위에서 높은 여기 효율과 넓은 색도 영역(chromatic zone)을 가져야 한다.
또한, 백색광은 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED를 결합함으로써 얻을 수 있다. 그러나, 다른 LED는 다른 전기적 광학적 특성(예컨대, 광속(lumen) 대 수명 프로파일, 출력광의 파워 대 입력 전류 곡선, 및 저항 대 온도 곡선 등)을 갖기 때문 에, 이러한 LED들의 조합은 백색 발광 장치의 제조 비용을 증가시키고 장치의 소형화에 불리하며 일관적인 색도 및 균일성을 갖는 빛을 내지 못한다.
백색 LED 장치를 구현하기 위한 다른 방안으로서, 청, 적 및 녹색 형광체가 자외선 LED(UV LED)와 결합될 수 있다. 이 형광체들은 UV LED로부터 방출되는 자외선을 백색광으로 변환하기위해 사용된다. 이에 사용되는 각각의 형광체는 전자기 스펙트럼의 소정 영역에서 에너지를 흡수하여 다른 영역의 방사 에너지를 방출한다. 통상, 방출되는 광자의 에너지는 흡수되는 광자의 에너지보다 낮다. 백색광을 얻기 위해서, UV LED와 결합되는 형광체들은 가시 영역 밖에 있는 방사 에너지(자외선)의 흡수에 응답하여 스펙트럼의 가시 영역에 있는 방사 에너지(가시광)를 방출한다.
그러나, 실제로 백색광을 얻기 위해, 자외선에 의해 여기되어 각각 적, 녹, 청색 영역의 빛을 발하는 적절한 3개의 형광체를 찾기가 매우 어렵다. 일반적으로, 적색 형광체의 양자 수율(quantum yield)은 녹색 및 청색 형광체에 비하여 매우 낮다. 따라서, 우수한 연색 지수를 갖는 고품질의 백색광을 얻지 못하고 있는 실정이다.
도 1은 UV LED를 사용한 종래의 백색 발광 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 백색 발광 장치(50)는, 반사컵(reflect cup: 55)이 형성된 케이싱(51)과 케이싱(51) 내에 실장된 UV LED(52)를 포함한다. 반사컵(55)의 측면은 반사면(56)을 형성한다. 반사컵(55) 내에는 UV LED(52)를 봉지하는 몰딩 수지(57)가 형성되어 있고, 이 몰딩 수지(57)에는 형광체(53)가 분산되어 있다. 형광체(53)는 청색 형광체, 녹색 형광체 및 적색 형광체로 이루어질 수 있으며, 이들은 UV LED(52)에서 나온 자외선에 의해 여기되어 각각 청색광, 녹색광 및 적색광을 발한다. 형광체(53)에서 방출되는 청, 녹 및 적색광은 서로 혼색되어 백색광을 출력하게 된다.
그러나, 이러한 종래의 백색 발광 장치(50)에 따르면, 형광체(53)(특히, 적색 형광체)의 양자 수율이 충분하지 않고 발광 장치(50) 내에서의 광손실이 상당하다. 따라서, 발광 장치(50)의 전체 휘도가 낮고 충분한 발광효율과 우수한 연색지수를 얻기가 어렵다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 UV LED를 구비한 백색 발광 장치로서 발광효율과 연색지수가 개선된 고품질 고휘도의 백색 발광 장치를 제공하는 것이다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 백색 발광 장치는, UV LED와; 상기 UV LED를 봉지하는 몰딩 수지와; 상기 UV LED에서 방출된 자외선에 의해 여기되어 각각 청색, 녹색 및 적색광을 발하는 청색, 녹색 및 적색 형광체와; 상기 UV LED에서 방출된 자외선을 상기 형광체로 반사시키는 반사 매체를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 반사 매체는, 상기 몰딩 수지 상에 형성되어 자외선은 반사시키되 가시광선은 투과시키는 자외선 반사막(UV 반사막)을 포함한다. 바람직하게는, 상기 UV 반사막은 다층 유전체막(multilayer dielectric film)으로 이루어진다. 상기 다층 유전체막은 서로 다른 굴절율을 갖는 2이상의 유전체막을 포함한다. 상기 다층 유전체막은 TiO2, ZrO2, MgF2 및 LiF2로 이루어진 그룹으로부터 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 다층 유전체막은 제1 굴절율의 제1 유전체막과 제1 굴절율보다 작은 제2 굴절율의 제2유전체막이 서로 교대로 적층되어 형성된 다층막이다. 바람직하게는, 상기 제1 굴절율은 1.82 내지 2.5이고, 상기 제2 굴절율은 1.35 내지 1.45이다. 상기 백색 발광 장치는 상기 몰딩 수지와 상기 자외선 반사막 사이에 배치된 유리 기판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 반사 매체는, 상기 몰딩 수지 내에 분산되어 상기 UV LED에서 방출된 자외선을 반사시키는 반사용 분말 매체를 포함할 수 있다. 상기 반사용 분말 매체는 MgO, BaSO4, Al2O3, ZrO2 및 TiO2로 구성된 그룹으로부터 적어도 하나 선택된 재료로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 상기 반사용 분말 매체의 입자 크기는 상기 자외선의 피크 방출 파장(peak emission wavelength)보다 더 크다.
본 발명의 일 실시형태에서는, 상기 형광체와 상기 반사용 분말 매체는 상기 몰딩 수지 내에 균일하게 혼합될 수 있다. 다른 실시형태에 따르면, 상기 형광체와 상기 반사용 분말 매체는 상기 UV LED 상에서 서로 분리되어 불연속적인 층 구조를 형성할 수 있다. 이 경우, 바람직하게는 상기 형광체는 상기 UV LED 위에 배치되고 상기 반사용 분말 매체는 상기 형광체 위에 배치된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 반사 매체는, 상기 UV 반사막과 상기 반사용 분말 매체를 함께 포함할 수도 있다. 이 경우, 반사 매체에 의한 자외선 반사 효과는 더욱 증대된다.
바람직한 실시형태에 따르면, 상기 백색 발광 장치는 반사컵을 갖는 케이싱을 더 포함하고, 상기 UV LED는 상기 반사컵 내에 실장되어 있다. 상기 반사컵은 그 내측면에, 예컨대 프레스된 BaSO4로 형성된 반사면을 가질 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 백색 발광 장치는 상기 UV LED 상에 형성된 광산란층을 더 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 광산란층의 상면부의 평균 입자 크기는 상기 자외선의 파장과 같거나 그보다 더 크다. 바람직하게는, 상기 광산란층의 굴절율은, 상기 자외선 LED를 구성하는 물질 중 상기 광산란층과 인접한 부분을 구성하는 물질의 굴절율과 같거나 그보다 더 클 수 있다. 상기 광산란층은 Al2O3, SiO2 및 SiNx 로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
상기 광산란층은 그 바닥부에 서브코팅부(subcoating)-상기 서브코팅부의 평균 입자 크기는 상기 광산란층 상면부의 평균 입자 크기보다 더 작고 상기 자외선 파장이하임-를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 서브코팅부의 굴절율은, 상기 자외선 LED를 구성하는 물질 중 상기 서브코팅부와 인접한 부분을 구성하는 물질의 굴절율과 같거나 그보다 더 클 수 있다. 상기 서브코팅부는 형광체 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 청색 형광체는 420 내지 480nm의 피크 방출 파장(peak emission wavelength)을 갖고, 상기 녹색 형광체는 490 내지 550nm의 피크 방출 파장을 갖고, 상기 적색 형광체는 580 내지 620nm의 피크 방출 파장을 갖는다. 또한, 상기 청색 형광체는 상기 자외선에 의해 여기되어 청색광을 방출하고, 상기 녹색 형광체는 상기 자외선과 상기 청색광에 의해 여기되어 녹색광을 방출하고, 상기 적색 형광체는 상기 자외선과 상기 청색광과 상기 녹색광에 의해 여기되어 적색광을 방출한다. 바람직하게는, 상기 UV LED는 350 내지 410nm의 피크 방출 파장을 갖는다.
바람직하게는, 상기 청색 형광체는 (Sr,Ca)5(PO4)3Cl:Eu2+, La2.99Ce0.01(SiS4)2I 및 Ce3(SiS4)2X (X는 Cl, Br 또는 I)로 이루어진 그룹으로부터 적어도 하나 선택된 형광체를 포함한다. 바람직하게는, 상기 녹색 형광체는 SrGa2S4:Eu2+ 및 (Ba,Sr)2SiO4:Eu2+로 이루어진 그룹으로부터 적어도 하나 선택된 형광체를 포함한다. 바람직하게는, 상기 적색 형광체는 Ca(Eu0.5La0.5)Si3O13을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 청색, 녹색 및 적색 형광체는, 각각 분리되어 있으며, 상기 자외선 LED 상에 불연속적인 층 구조를 형성한다. 바람직하게는, 상기 적색 형광체는 상기 자외선 LED 상에 있고, 상기 녹색 형광체는 상기 적색 형광체 상에 있고, 상기 청색 형광체는 상기 녹색 형광체 상에 있다. 바람직하게는, 상기 청색, 녹색 및 적색 형광체는 상기 몰딩 수지 내에 분산되어 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이 하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 2는 본 발명의 백색 발광 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 2를 참조하면, 백색 발광 장치(100)는 케이싱(101)과 UV LED(102)를 포함한다. 케이싱(101)에는 오목한 반사컵(105)이 형성되어 있고, UV LED(102)는 이 반사컵(105)의 바닥에 실장되어 있다. 반사컵(105)은 그 내측면에, 반사면(106)을 가진다. 반사면(106)은, 예컨대 프레스된 BaSO4(pressed BaSO4)로 형성될 수 있다. 반사면(106)은, 반사면(106)에 입사된 빛을 상방향으로 반사시킴으로써, 출력광의 휘도를 높이는 역할을 한다. 또한, 반사컵(105) 내에는 UV LED(102)를 봉지하는 투광성 몰딩 수지(107)가 채워져 있다.
몰딩 수지(107)에는 파장 변환용 형광체(103)가 분산되어 있다. 형광체(103)는 청색 형광체, 녹색 형광체 및 적색 형광체로 이루어지며, 이들은 UV LED(102)로부터 나온 자외선에 의해 여기되어 각각 청색광, 녹색광 및 적색광을 발한다. 청색광, 녹색광 및 적색광은 서로 혼색되어 백색광을 출력하게 된다.
도 2를 참조하면, 백색 발광 장치(100)는 몰딩 수지(107) 상에 형성된 UV 반 사막(108)을 구비한다. 이 UV 반사막(108)은 일종의 반사 매체로서, 자외선을 반사시키는 반면 가시광선을 투과시키는 일종의 대역 통과 필터(band pass filter) 특성을 갖는다. 이러한 UV 반사막(108)을 사용하면, 백색 발광 장치(100)의 휘도와 발광 효율이 향상되는데, 이는 UV 반사막(108)에 의해 반사된 자외선이 형광체(103)를 또다시 여기시키기 때문이다. 즉, 형광체(103)는, UV LED(102)로부터 직접 입사된 자외선에 의해 여기될 뿐만 아니라, UV 반사막(108)에 의해 반사된 자외선에 의해서도 여기된다. 몰딩 수지(107)와 UV 반사막(108) 사이에는 유리 기판(미도시)이 배치될 수도 있다.
UV 반사막(108)은 다층 유전체막(multilayer dielectric film)으로 이루어질 수 있다. 이 경우, UV 반사막(108)은 서로 다른 굴절율(n)을 갖는 2이상의 유전체막으로 이루어질 수 있다. 특히 UV 반사막(108)은 고굴절율 유전체막(바람직하게는, n=1.82~2.5)과 저굴절율 유전체막(바람직하게는, n=1.35~1.45)이 서로 교대로 적층되어 형성된 다층막일 수 있다. UV 반사막(108)을 이루는 다층 유전체막은, TiO2 (n=2.38), ZrO2 (n=1.99), MgF2 (n=1.38) 및 LiF2 (n=1.39)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예컨대, UV 반사막(108)은 TiO2막(n=2.38)과 MgF2막(n=1.38)을 서로 교대로 적층함으로써 만들어질 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 백색 발광 장치를 개략적으로 나타 낸 단면도이다. 도 3을 참조하면, 백색 발광 장치(200)는 반사 매체로서, 전술한 UV 반사막(108)과 함께, 반사용 분말 매체(104)를 더 포함한다. 이 반사용 분말 매체(104)는 UV LED(102)로부터 나온 자외선의 일부를 반사시킨다. 반사용 분말 매체(104)에 의해 반사된 자외선은 (청색 형광체, 녹색 형광체 및 적색 형광체의 조합인) 형광체(103)를 추가적으로 여기시킨다. 추가적인 여기에 의해 청색광, 녹색광 및 적색광이 추가적으로 발생하고, 형광체(103)의 전체적인 양자 효율을 증대시키게 된다. 이에 따라, 백색 발광 장치(100)의 전체적인 휘도는 더 증가하게 되고, 출력되는 백색광의 연색 지수는 더욱 개선된다.
바람직하게는, 반사용 분말 매체(104)는 MgO, BaSO4, Al2O3, ZrO2 및 TiO2로 구성된 그룹으로부터 적어도 하나 선택된 재료로 이루어진다. 예를 들어, 상기 반사용 분말 매체는 사파이어(Al2O3) 재료를 사용하여 만들어질 수 있다. 그 밖에도 반사율이 높은 금속 또는 무기재료로 반사용 분말 매체(104)를 만들 수 있다. 자외선을 충분히 반사시킬 수 있도록, 반사용 분말 매체(104)의 입자 크기는 상기 자외선의 피크 방출 파장보다 더 큰 것이 바람직하다. 반사면(106)은 반사용 분말 매체(104)와 동일한 분말 물질로 만들어질 수 있다.
형광체(103)와 반사용 분말 매체(104)는 몰딩 수지(107) 내에 균일하게 혼합될 수 있다. 이와 달리, 형광체(103)와 반사용 분말 매체(104)는 UV LED(102) 상에 서 서로 분리되어 불연속적인 층 구조를 형성할 수도 있다. 이 경우, 형광체(103)는 상기 UV LED(102) 위에 배치되고 반사용 분말 매체(104)는 형광체(103) 위에 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 순서로 형광체 층과 반사용 분말 매체 층을 배치함으로써, 반사용 분말 매체에 의해 반사된 자외선은 후방에 위치하는 형광체를 보다 더 용이하게 여기시킬 수 있게 된다.
도 4는 또 다른 실시형태에 따른 백색 발광 장치의 단면도이다. 도 4를 참조하면, 백색 발광 장치(300)는, 반사 매체인 UV 반사막(108) 및 반사용 분말 매체(104)와 함께, 광산란층(110)을 포함한다. 이 광산란층(110)은 UV LED(102)로부터의 광선 경로의 대칭(symmetry of ray paths)과, 전반사(total internal reflection) 매카니즘을 수정하는 역할을 한다. 이러한 광산란층(110)에 의해, UV LED(102)로부터의 광추출 효율이 향상된다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 광산란층을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 10을 참조하면, 광산란층(110)은 UV LED(102)의 광출사면 상에 형성되어, UV LED(102)와의 계면에서 자외선을 터널링시킨다. 이에 따라, UV LED(102)에서 나온 자외선의 대칭이 변화되고 UV LED(102)와의 계면에서의 전반사 매카니즘이 달라지게 된다. 또한 광산란층(110)의 상면부는, 광산란층(110)을 통과하는 자외선을 산란시킨다. 이러한 자외선의 터널링 현상과 산란 특성은, 자외선을 몰딩 수지쪽으로 쉽게 추출될 수 있도록 돕는다.
UV LED(102)의 활성 영역(26)에서 발생된 자외선(27)의 일부(30)는 광산란층(110)과 LED(102) 간의 계면에서 터널링되고, 상기 자외선(27)의 다른 일부(29)는 그 계면에서 반사된다. 이러한 터널링 현상은, 자외선(27)이 임계각보다 더 큰 입사각으로 입사될 경우에도 발생한다. 즉, UV LED(102)의 표면과 광산란층(110)의 입자(111) 표면 간의 거리가 자외선(27)의 파장에 상당하거나 그보다 더 작을 경우에는, UV LED(102)로부터 광산란층(110)으로의 자외선의 터널링 현상이 발생하게 된다. 상기 터널링된 자외선은 광산란층(110)을 통과하여 광산란층(110)의 상면부에서 산란됨으로써, 외부로(몰딩 수지 쪽으로) 용이하게 빠져나오게 된다.
광산란층(110)이 갖는 산란 특성은, 광산란층(110)을 구성하는 입자의 크기, 특히 광산란층(110)의 상면부에서의 입자 크기에 영향을 받는다. 상기 광산란층(110)의 표면에서 자외선을 효과적으로 산란시키기 위해서는, 상기 광산란층(110)의 상면부의 평균 입자 크기는 자외선의 파장과 같거나 그보다 더 크다.
바람직하게는, 광산란층(110)의 굴절율은, UV LED(102)를 구성하는 물질 중 상기 광산란층(110)과 인접한 부분을 구성하는 물질의 굴절율과 같거나 그보다 더 크다. 이와 같이, UV LED(102)의 굴절율 이상의 굴절율을 갖는 광산란층(110)을 사용함으로써, 광산란층(110)과 UV LED(102) 간의 계면에서의 전반사 현상을 더욱 감소시킬 수 있게 된다.
바람직하게는, 광산란층(110) 내의 입자 단층(particle monolayers)의 수는 1 내지 5이다. 광산란층(110)의 입자 단층의 수가 너무 많으면 광산란층(110)에서의 빛의 흡수량이 커지기 때문에, 상기 입자 단층의 수는 5를 넘지않는 것이 바람직하다.
광산란층(110)은 예를 들어, Al2O3, SiO2 및 SiNx 로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다. 이와 달리, 상기 광산란층은 절연성 폴리머로 이루어질 수도 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 광산란층(110)은 균일한 입자 크기를 갖는 단일 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 광산란층(110)은 약 1㎛의 평균 입자 크기를 갖는 사파이어(Al2O3) 입자로 이루어질 수 있다. 그러나, 광산란층은 다른 입자 크기를 갖는 단일 물질로 이루어지거나, 다른 입자 크기를 갖는 다른 물질들로 이루어질 수도 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 광산란층을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 11을 참조하면, 광산란층(110)은 그 바닥부에 형성된 서브코팅부(121)를 포함한다. 이 서브코팅부(121)의 평균 입자 크기는 광산란층(110)의 상면부(111')의 평균 입자 크기보다 작으며, 또한 UV LED(102)로부터 나온 자외선의 파장이하이다. 서브코팅부(121)는 광산란층(110)의 일부를 구성하며, 광산란층(110)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
이러한 서브코팅부(121)는, UV LED(102)와 광산란층(110) 계면에서의 빛의 터널링 현상을 크게 촉진시킨다. 구체적으로 설명하면, 서브코팅부(121)의 입자 크기가 자외선의 파장이하이기 때문에, UV LED(102)의 표면과 서브코팅부(121)의 입자 표면 간의 거리가 청색광 파장에 상당하거나 그보다 더 작게 된다. 따라서, UV LED(102)의 표면상에 입사된 빛은 대부분 터널링하게 된다. 즉, 청색광(27)의 대부분(30)은, 서브코팅부(121)와 LED(102) 간의 계면에서 터널링되고, 극히 일부(29)만이 반사된다.
바람직하게는, 서브코팅부(121)의 굴절율은 UV LED(102)를 구성하는 물질 중 상기 서브코팅부(121)와 인접한 부분을 구성하는 물질의 굴절율과 같거나 그보다 더 크다. 예컨대, 자외선이 LED(102)의 사파이어 기판쪽으로 출사되는 경우, 서브코팅부(121)의 굴절율은 사파이어 기판의 굴절율에 상당하거나 그보다 더 클 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 광산란층을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 12를 참조하면, 광산란층(110)의 바닥부에 배치된 서브코팅부(131)는 광산란층(110)의 상면부와는 다른 물질로 이루어져 있다. 예컨대, 광산란층(110)의 상면부는 사파이어 입자들로 이루어지고, 서브코팅부(131)는 형광체 물질로 이루어질 수 있다. 서브코팅부(131)를 형성하는 형광체 물질은 몰딩 수지(107) 내에 분산된 형광체(103)와 동일한 물질일 수도 있다.
전술한 실시형태들에서는, 반사 매체로서 UV 반사막만을 구비하거나 UV 반사막과 반사용 분말 매체를 함께 구비하고 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 반사 매체로서 반사용 분말 매체만을 구비할 수도 있다.
바람직하게는, UV LED(102)에서 나오는 자외선은 350 내지 410nm의 범위에서 피크 방출 파장(peak enission wavelength)을 가진다. 바람직하게는, 청색 형광체는 420 내지 480nm의 피크 방출 파장을 가지며, 녹색 형광체는 490 내지 550nm의 피크 방출 파장을 가지며, 적색 형광체는 580 내지 620m의 피크 방출 파장을 가진다. 바람직하게는, 상기 형광체들은 UV LED(102)의 방출 파장에서 높은 광자 효율을 갖는다. 또한, 각 형광체들은 다른 형광체에 의해 방출된 가시광선에 대해 상당한 투광성을 가진다.
바람직하게는, 녹색 형광체는 UV LED(102)와 청색 형광체에 의해 2중 여기되고, 적색 형광체는 UV LED(102)와 청색 형광체와 녹색 형광체에 의해 3중 여기된다. 이에 따라, 적색 형광체 및 녹색 형광체의 양자 수율은 더욱 커지게 된다. 결국, 백색 발광 장치의 전체 휘도(또는 발광 효율) 및 연색지수가 향상된다.
구체적으로 설명하면, 녹색 형광체는 UV LED(102)로부터 방출된 자외선에 의해 여기될 뿐만 아니라, 청색 형광체의 방출광(청색광)에 의해서도 여기된다. 이에 따라, 녹색 형광체의 양자 수율은 높아지게 된다. 특히 종래에 쓸데없이 버려지는 청색 방출광(예컨데, 출사면의 후방으로 빠져나가는 청색 방출광)을 녹색 형광체를 여기시키는 데에 사용한다면, 전체적인 발광 효율은 더욱 더 커지게 된다. 바람직하게는, 자외선 및 청색광에 의해 충분히 효율적으로 여기될 수 있도록, 상기 녹색 형광체는 350 내지 480nm의 범위에서 피크 여기 파장(peak excitation wavelength)을 갖는다.
또한, 적색 형광체는 UV LED(102)에서 방출된 자외선에 의해 여기될 뿐만 아니라, 청색 형광체의 방출광(청색광) 및 녹색 형광체의 방출광(녹색광)에 의해서도 여기된다. 이에 따라, 적색 형광체의 양자 수율은 높아지게 된다. 특히 종래 문제가 되었던 적색 형광체의 낮은 양자 수율(이로 인한 백색광의 연색지수 악화)이 극복 또는 경감될 수 있다. 더욱이 종래에 쓸데없이 버려지는 청색광 및 녹색광(예컨대, 출사면의 후방으로 빠져 나가는 청색 방출광 및 녹색 방출광)을 적색 형광체를 여기시키는 데에 사용한다면, 전체적인 발광 효율은 더욱 더 커지게 된다. 바람직하게는, 상기 청색광 및 녹색광에 의해 충분히 효율적으로 여기될 수 있도록, 상기 적색 형광체는 420 내지 480nm의 범위 및 490 내지 550nm의 범위에서 각각 피크 여기 파장를 갖는다. 더 바람직하게는, 350 내지 410nm의 범위, 420 내지 480nm의 범위 및 490 내지 550nm의 범위에서 각각 피크 여기 파장을 갖는다.
전술한 바와 같이 녹색 형광체와 적색 형광체의 다중 여기(multiexcitation)를 이용함으로써, 이들 형광체의 양자 수율이 증대될 수 있다. 이에 따라, 전체적 인 발광 효율, 휘도 및 연색지수가 종래에 비하여 개선된 고품질의 백색광을 출력하게 된다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 백색 발광 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 모식도이다. 도 5을 참조하면, UV LED(102)는 자외선(2)을 방출하여 이를 청색 형광체, 녹색 형광체 및 적색 형광체에 입사시킨다. 청색 형광체는 자외선(2)을 흡수하여(상기 자외선(2)에 의해 여기되어), 420 내지 480nm의 피크 방출 파장을 갖는 청색광(4, 5, 6)을 방출한다.
녹색 형광체는 자외선(2)과 청색 형광체의 방출광(청색광(5))을 흡수한 후, 490 내지 550nm의 피크 방출 파장을 갖는 녹색광(7, 8, 9)을 방출한다. 녹색광(7)은 청색 형광체의 방출광(청색광(5))의 흡수로 인해 녹색 형광체에 의해 방출된 녹색광이다. 녹색광(9)은 UV LED(102)의 방출광(자외선(2))의 흡수로 인해 녹색 형광체에 의해 방출된 녹색광이다.
적색 형광체는 자외선(2), 청색 형광체의 방출광(청색광(6)) 및 녹색 형광체의 방출광(녹색광(8))을 흡수한 후, 580 내지 620nm의 피크 방출 파장을 갖는 적색광(10, 11, 12)을 방출한다. 특히 적색 형광체가 420 내지 480nm의 범위 및 490 내지 550nm의 범위에서 각각 피크 여기 파장을 가질 경우, 상기 청색광(6) 및 녹색광(8)을 효과적으로 흡수할 수 있다. 적색광(10)은 청색 형광체의 방출광(6)의 흡수 로 인해 적색 형광체에 의해 방출된 적색광이다. 적색광(11)은 녹색 형광체의 방출광(8)의 흡수로 인해 적색 형광체에 의해 방출된 적색광이다. 적색광(12)는 UV LED(102)의 방출광(자외선(2))의 흡수로 인해 적색 형광체에 의해 방출된 적색광이다. 이와 같이, 형광체들의 다중 여기로 인해 빛을 보다 효율적으로 이용할 수 있으며, 연색 지수를 더욱 개선할 수 있게 된다.
도 5를 참조하면, 반사 매체(R)에 의해 반사된 자외선에 의해 형광체들이 추가적으로 여기된다. 전술한 UV 반사막(108) 및/또는 반사용 분말 매체(104)이 반사 매체(R)에 해당된다. 반사 매체(R)는 자외선(2)을 반사시키고, 그 반사된 자외선에 의해 청색, 녹색 및 적색 형광체가 추가적으로 여기될 수 있다. 이에 따라, 청색, 녹색 및 적색 형광체는 추가적으로 청색광(14), 녹색광(17) 및 적색광(20)을 각각 발생시킨다. 반사 매체(R)에 의한 추가적 여기로 인해 형광체들의 광자 효율은 더욱 높아지게 된다.
상술한 UV LED(102), 형광체 및 반사 매체 간의 상호 작용에 의해, 관찰자는 청색광(4, 14), 녹색광(7, 9, 17) 및 적색광(10, 11, 12, 20)의 조합을 백색광(40)으로 감지하게 된다. 이 백색광(40)은 보다 우수한 휘도와 연색지수를 나타냄은 이미 설명한 바와 같이 명백하다.
바람직하게는, 청색 형광체는, (Sr, Ca)5(PO4)3Cl:Eu2+, La2.99Ce0.01(SiS4)2I 및 Ce3(SiS4)2X (X는 Cl, Br 또는 I)로 이루어진 그룹으로부터 적어도 하나 선택될 수 있다. 이들 형광체는 약 450 내지 480nm의 범위에서 피크 방출 파장을 갖는 것으로 알려져 있다.
바람직하게는, 녹색 형광체는 SrGa2S4:Eu2+ 및 (Ba,Sr)2SiO4:Eu2+로 이루어진 그룹으로부터 적어도 하나 선택될 수 있다. 이들 형광체는 약 490 내지 530nm의 범위에서 피크 방출 파장을 갖는 것으로 알려져 있다. 특히, SrGa2S4:Eu2+ 형광체가 바람직하다. SrGa2S4:Eu2+ 형광체는 350 내지 500nm의 파장을 갖는 입사광에 대해 적어도 90%의 양자 효율을 갖고 있기 때문에, 녹색 형광체의 2중 여기(double excitation)가 매우 용이하다.
바람직하게는, 적색 형광체로는 Ca(Eu0.5La0.5)Si3O13을 사용할 수 있다. 이 형광체는 자외선 영역(350 내지 410nm), 청색 영역(420 내지 480nm) 및 녹색 영역(490 내지 550nm)에서 각각 피크 여기 파장을 갖는다. 따라서, 3중 여기 형광체(triple excited phosphor)에 대한 유력한 후보 물질이 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태의 백색 발광 장치에 사용되는 형광체들간의 에너지 전이를 개략적으로 나타낸 모식도이다. 도 6를 참조하면, 청색 형광체는 400nm 정도의 자외선을 흡수하여(즉, 자외선에 의해 여기되어) 465nm 정도의 청색광을 방출한다. 녹색 형광체는 400nm 정도의 자외선뿐만 아니라 청색 형광체의 방출광 일부를 흡수하여 530nm 정도의 녹색광을 방출한다. 적색 형광체는 자외선, 청색 형광체의 방출광 및 녹색 형광체의 방출광을 흡수하여 613nm 정도의 적색광을 방출한다. 이와 같이 본 실시형태의 백색 발광 장치는 다중 흡수 또는 다중 여기를 기초로 동작하여 백색광을 출력할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에서 사용되는 적색 형광체의 여기 스펙트럼과 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 특히, 도 7은 Ca(Eu0.5La0.5)Si3O13의 여기 스펙트럼(excitation spectrum)과 발광 스펙트럼(emission spectrum)을 나타낸다. 도 7에서 여기 스펙트럼은 613nm의 발광 파장에서 측정한 여기 스펙트럼이며, 발광 스펙트럼은 395nm의 여기광 파장을 사용하여 얻은 발광 스펙트럼이다. 도 7에 도시된 바와 같이, Ca(Eu0.5La0.5)Si3O13은 약 395nm에서 뿐만 아니라, 약 460nm 및 약530nm에서도 피크 여기 파장을 갖는다. 피크 방출 파장은 약 613nm 정도이다. 따라서, Ca(Eu0.5La0.5)Si3O13은 전술한 바와 같은 '3중 여기가 가능한 적색 형광체'에 해당한다.
도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명의 일 실시형태에서 사용되는 청색 형광체의 여기 스펙트럼 및 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 특히, 도 8a는 La2.99Ce0.01(SiS4)2I 및 Ce3(SiS4)2X (X는 Cl, Br 또는 I)의 여기 스펙트럼을 나타내며, 도 8b는 그 발광 스펙트럼을 나타낸다. 도 8a 및 도 8b에서 알 수 있는 바와 같이, La2.99Ce0.01(SiS4)2I 및 Ce3(SiS4)2X (X는 Cl, Br 또는 I)는 350 내지 410nm의 자외선에 의해 효율적으로 여기되어 420 내지 480nm의 청색광을 방출할 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명의 일 실시형태에서 사용되는 녹색 형광체의 여기 스펙트럼 및 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 특히, 도 9a 및 9b는 각각 SrGa2S4:Eu2+의 여기 스펙트럼 및 방출 스펙트럼을 나타낸다. 도 9a에 도시된 바와 같이 SrGa2S4:Eu2+은 350 내지 410nm의 범위에서 뿐만 아니라 420 내지 480nm의 범위에서도 충분한 여기가 발생하여 상당한 강도의 녹색광을 방출시킬 수 있다. 따라서, SrGa2S4:Eu2+은 전술한 바와 같은 '2중 여기가 가능한 녹색 형광체'에 해당한다.
상술한 형광체의 다중 여기를 이용하는 경우, 청색, 녹색 및 적색 형광체는 서로 분리된 층 구조를 형성하는 것이 바람직하다. 이는, 형광체들의 혼합물을 이 용하는 것보다 각각 분리된 층구조의 형광체를 이용하는 것이, 출사면 후방으로 방출되는 버려지는 방출광을 효율적으로 이용하기에 더 적합하기 때문이다. 이 경우, 바람직하게는, 청색 형광체보다 녹색 형광체를 더 후방으로(즉, UV LED(102)에 더 가깝게) 배치하고, 녹색 형광체보다 적색 형광체를 더 후방으로 배치한다. 이렇게 배치함으로써, 청색 형광체로부터 후방으로 방출된 빛(5, 6)은 녹색 형광체 및 적색 형광체에 의해 용이하게 흡수되고, 녹색 형광체로부터 후방으로 방출된 빛(8)은 적색 형광체에 의해 용이하게 흡수될 수 있다 (도 5 참조).
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 발명에 따르면, UV LED, 적색 형광체, 녹색 형광체, 청색 형광체 및 반사 매체를 사용함으로써, 향상된 휘도와 발광 효율 및 연색 지수를 갖는 고품질 백색 발광을 얻게 된다. 또한, 부가적으로 광산란층을 구비함으로써 광 추출 효율을 높일 수 있고, 다중 여기의 녹색 및 청색 형광체를 사용함으로써 발광 효율을 더욱 높일 수 있게 된다.

Claims (31)

  1. 자외선 LED;
    상기 자외선 LED를 봉지하는 몰딩 수지;
    상기 자외선 LED에서 방출된 자외선에 의해 여기되어 각각 청색, 녹색 및 적색광을 발하는 청색, 녹색 및 적색 형광체; 및
    상기 자외선 LED에서 방출된 자외선을 상기 형광체로 반사시키는 반사 매체;를 포함하며,
    상기 반사매체는 상기 몰딩 수지 상에 형성되어 자외선을 반사시키고 가시광선을 투과시키는 자외선 반사막을 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자외선 반사막은 다층 유전체막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 다층 유전체막은 서로 다른 굴절율을 갖는 2이상의 유전체막을 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 다층 유전체막은 TiO2, ZrO2, MgF2 및 LiF2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 다층 유전체막은 제1 굴절율의 제1 유전체막과 제1 굴절율보다 작은 제2 굴절율의 제2유전체막이 서로 교대로 적층되어 형성된 다층막인 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 굴절율은 1.82 내지 2.5이고, 상기 제2 굴절율은 1.35 내지 1.45인 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 백색 발광 장치는 상기 몰딩 수지와 상기 자외선 반사막 사이에 배치된 유리 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  9. 자외선 LED;
    상기 자외선 LED를 봉지하는 몰딩 수지;
    상기 자외선 LED에서 방출된 자외선에 의해 여기되어 각각 청색, 녹색 및 적색광을 발하는 청색, 녹색 및 적색 형광체; 및
    상기 자외선 LED에서 방출된 자외선을 상기 형광체로 반사시키는 반사 매체;를 포함하며,
    상기 반사 매체는 상기 몰딩 수지 내에 분산되어 상기 자외선 LED에서 방출된 자외선을 반사시키는 반사용 분말 매체를 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반사용 분말 매체는 MgO, BaSO4, Al2O3, ZrO2 및 TiO2로 구성된 그룹으로부터 적어도 하나 선택된 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 반사용 분말 매체의 입자 크기는 상기 자외선의 피크 방출 파장보다 더 큰 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 형광체와 상기 반사용 분말 매체는 상기 몰딩 수지 내에 균일하게 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 형광체와 상기 반사용 분말 매체는 상기 자외선 LED 상에서 서로 분리되어 불연속적인 층 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 형광체는 상기 자외선 LED 위에 배치되고 상기 반사용 분말 매체는 상기 형광체 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 반사 매체는 상기 몰딩 수지 내에 분산되어 상기 자외선 LED에서 방출된 자외선을 반사시키는 반사용 분말 매체를 더 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제1항에 있어서,
    상기 자외선 LED 상에 형성된 광산란층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 광산란층의 상면부의 평균 입자 크기는 상기 자외선의 파장과 같거나 그보다 더 큰 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 광산란층의 굴절율은, 상기 자외선 LED를 구성하는 물질 중 상기 광산란층과 인접한 부분을 구성하는 물질의 굴절율과 같거나 그보다 더 큰 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 광산란층은 Al2O3, SiO2 및 SiNx 로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 광산란층은 바닥부에 형성된 서브코팅부를 포함하고,
    상기 서브코팅부의 평균 입자 크기는 상기 광산란층의 상면부의 평균 입자 크기보다 작고,
    상기 서브코팅부의 평균 입자 크기는 상기 청색광의 파장과 같거나 그보다 작은 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 서브코팅부의 굴절율은, 상기 자외선 LED를 구성하는 물질 중 상기 서브코팅부와 인접한 부분을 구성하는 물질의 굴절율과 같거나 그보다 더 큰 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 서브코팅부는 형광체 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 자외선 LED는 350 내지 410nm의 피크 방출 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 청색 형광체는 420 내지 480nm의 피크 방출 파장을 갖고, 상기 녹색 형 광체는 490 내지 550nm의 피크 방출 파장을 갖고, 상기 적색 형광체는 580 내지 620nm의 피크 방출 파장을 갖으며,
    상기 청색 형광체는 상기 자외선에 의해 여기되어 청색광을 방출하고, 상기 녹색 형광체는 상기 자외선과 상기 청색광에 의해 여기되어 녹색광을 방출하고, 상기 적색 형광체는 상기 자외선과 상기 청색광과 상기 녹색광에 의해 여기되어 적색광을 방출하는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 청색 형광체는 (Sr,Ca)5(PO4)3Cl:Eu2+, La2.99Ce0.01(SiS4)2I 및 Ce3(SiS4)2X (X는 Cl, Br 또는 I)로 이루어진 그룹으로부터 적어도 하나 선택된 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  28. 제1항에 있어서,
    상기 녹색 형광체는 SrGa2S4:Eu2+ 및 (Ba,Sr)2SiO4:Eu2+로 이루어진 그룹으로부터 적어도 하나 선택된 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  29. 제1항에 있어서,
    상기 적색 형광체는 Ca(Eu0.5La0.5)Si3O13을 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  30. 제1항에 있어서,
    상기 청색, 녹색 및 적색 형광체는, 각각 분리되어 있으며, 상기 자외선 LED 상에 불연속적인 층 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 적색 형광체는 상기 자외선 LED 상에 있고, 상기 녹색 형광체는 상기 적색 형광체 상에 있고, 상기 청색 형광체는 상기 녹색 형광체 상에 있는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
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