KR100803160B1 - 에폭시 코팅된 황화물 형광체 및 그 제조방법과 그것을채택하는 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에폭시 코팅하고자 하는 황화물 형광체에 에폭시의 주제와 경화제를 혼합하고 아세톤을 부어 믹싱하는 단계와, 거름종이를 통해 상기 믹싱된 혼합물에서 액체를 제거하고 남은 물질을 건조시키는 단계와, 상기 건조된 물질을 해당 에폭시의 경화조건에 따라 오븐속에서 경화시켜 에폭시 코팅된 황화물 형광체를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에폭시 코팅된 황화물 형광체의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 황화물 형광체를 사용하는 각종 발광소자를 제작할 때 수분에 취약한 황화물 형광체의 특성을 흡습율이 낮은 에폭시로 코팅함으로써 황화물 형광체가 수분에 의해 분해되는 흡습 특성을 효과적으로 개선할 수 있다.

형광체, 코팅, 에폭시, 적색 형광체, 발광 다이오드, LED,

Description

에폭시 코팅된 황화물 형광체 및 그 제조방법과 그것을 채택하는 발광소자{SULFIDE PHOSPHOR WITH COATED EPOXY AND METHOD THEREFOR AND LIGHT EMITTING DEVICE THEREOF }

도 1은 종래의 황화물 형광체가 수분에 의해 분해되는 것을 보여주는 도면.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 에폭시 코팅된 황화물 형광체를 설명하기 위한 도면.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 백색 발광 소자의 개략적인 구성 단면도.

본 발명은 형광체 및 그것을 채택하는 발광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 에폭시 코팅된 황화물 형광체 및 그 제조방법과 그것을 채택하는 발광소자에 관한 것이다.

일반적으로, 파장변환용 형광체물질은 다양한 광원의 특정 파장광을 원하는 파장광으로 변환시키는 물질로 사용되고 있다. 특히, 다양한 광원 중 발광다이오드 는 저전력 구동 및 우수한 광효율로 인해 LCD(Liquid Crystal Device) 백라이트와 자동차 조명 및 가정용 조명장치로서 유익하게 적용될 수 있으므로, 최근에 형광체 물질은 LED(Light Emitting Diode)를 제조하기 위한 핵심기술로 각광받고 있다.

발광 소자중에 청색광 LED와 황색형광체의 조합, 청색광 LED와 녹색 및 적색형광체의 혼합물의 조합과, 자외선 LED와 적색, 녹색 및 청색 형광체 혼합물의 조합으로 백색광을 발생시키는 백색 발광 소자가 널리 연구되고 있다.

상기한 형태 중에서, 자외선 LED에 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 형광체 혼합물이 조합된 백색 발광소자가 가장 자연광에 가까운 우수한 백색특성을 갖는 것으로 알려져 있다.

하지만, RGB 형광체 혼합물의 적색형광체로서 산화물계 적색형광체를 사용하는 경우에는, 상대적으로 다른 녹색 또는 청색 형광체에 비하여 낮은 휘도와 좁은 색분포를 가지므로, 그로부터 제조된 백색 발광소자의 휘도 및 연색지수(color rendering index)에 악영향을 주는 단점이 있다.

이러한 단점을 갖는 산화물계 형광체의 대안으로서, 황화물계 적색 형광체를 사용하는 방안이 모색되고 있다. 황화물계 형광체는 산화물계 형광체에 비해 높은 휘도와 넓은 색분포를 가지므로, 우수한 광학적 특성을 기대할 수 있다.

그러나, 도 1에 도시된 바와 같이 황화물 형광체(1)는 수분(H₂0)(2)를 만나면 반응하여 황화수소(H₂S)(3)형태로 분해되는 성질이 강하여 수분에 취약한 특성을 보여주고 있다.

이에 따라, 황화물계 형광체가 발광 소자내에서 형광체의 효율을 증폭시킬 수 있는 봉지제내에 분산되어 있는 경우에도 고온 고습에 분해됨으로써 제품의 수명을 단축시키게 되는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 발광 소자에 사용되는 황화물계 형광체가 수분에 취약한 것을 개선하여 수분에 강한 황화물 형광체를 제조하고 이를 채용한 발광 소자를 제공하는데 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 황화물 형광체와, 상기 황화물 형광체에 수분이 침투되는 것을 막기 위해 각 황화물 형광체 입자를 둘러싸서 코팅하고 있는 에폭시를 포함하는 것을 특징으로 하는 에폭시 코팅된 황화물 형광체를 제공한다.

바람직하게 상기 에폭시 코팅된 황화물 형광체는 코팅하고자 하는 황화물 형광체에 에폭시의 주제와 경화제를 혼합하고 아세톤을 부어 믹싱한 후, 거름종이를 통해 걸러내어 액체를 제거하고 남은 물질을 건조시킨 다음, 상기 건조된 물질을 해당 에폭시의 경화조건에 따라 오븐속에서 경화시켜서 생성될 수 있다.

바람직하게 상기 에폭시는 상기 형광체에 수분이 침투되는 것을 막을 수 있는 흡습율의 낮음 정도에 따라 우선적으로 선택된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 발광 소자에 있어서, 자외선 또는 청색광을 방출하는 발광 다이오드와, 상기 발광 다이오드 상부에 위치하여 상기 발광 다이오드에서 방출된 광의 일부를 그보다 상대적으로 장파장인 광으로 변환하는 황화물 형광체를 포함하며, 상기 황화물 형광체는 황화물 형광체에 수분이 침투되는 것을 막기 위해 에폭시에 의해 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 발광소자를 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 에폭시 코팅하고자 하는 황화물 형광체에 에폭시의 주제와 경화제를 혼합하고 아세톤을 부어 믹싱하는 단계와, 거름종이를 통해 상기 믹싱된 혼합물에서 액체를 제거하고 남은 물질을 건조시키는 단계와, 상기 건조된 물질을 해당 에폭시의 경화조건에 따라 오븐속에서 경화시켜 에폭시 코팅된 황화물 형광체를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에폭시 코팅된 황화물 형광체의 제조 방법을 제공한다.

바람직하게 상기 에폭시는 상기 형광체에 수분이 침투되는 것을 막을 수 있는 흡습율의 낮음 정도에 따라 우선적으로 선택될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 에폭시 코팅된 황화물 형광체(10)를 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 황화물 형광체(11)는 에폭시(12)에 의해 코팅되어 있다. 이때, 에폭시(12)는 흡습율이 낮은 에폭시를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 에폭시(12)는 높은 투광성을 지닌 에폭시를 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 황화물 형광체(11)는 LED칩(미도시됨)으로부터 방출된 청색광 또는 자외선에 의해 여기되어 적색광을 방출하게 된다.

이에 따라, LED칩으로부터 방출된 청색광 또는 자외선이 황화물 형광체(11)를 코팅하고 있는 에폭시(12)에 의해 차단되면 안된다.

황화물 형광체(11)가 흡습율이 낮은 에폭시(12)에 의해 코팅되면 에폭시 코팅된 황화물 형광체(10)는 수분(H₂0)을 만나더라도 에폭시(12)에 의해 차단됨에 따라 수분(H₂0)의 수소(H)와 황(S)이 반응하여 황화수소(H₂S)형태로 분해되는 것을 막을 수 있게 된다.

황화물 형광체(11)가 황화수소(H₂S)형태로 분해되는 것을 방지할 수 있음에 따라 황화물 형광체(11)의 수명이 길어져서 황화물 형광체에 의한 광효율이 향상되게 된다.

따라서, 에폭시 코팅된 황화물 형광체(10)를 발광소자에 사용할 경우,흡습율이 낮은 에폭시(12)로 코팅된 황화물형광체(10)에 형광체 효율을 증폭시킬수 있는 봉지제를 적용함으로써 휘도는 고휘도를 유지하면서 흡습율을 낮춰 고온고습에서도 제품의 수명을 증가시킬 수 있다.

이와 같은 에폭시 코팅된 황화물 형광체의 생성과정을 다음과 같은 공정을 통해 생성될 수 있다.

우선 황화물 형광체 분말을 준비한다. 예를 들어, 일반식이 A_{x- a}Eu_aGeS_z 로 표시되는 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체가 준비될 수 있다.

여기에서, A는 Ca, Sr 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이다. z=x+2 이고, x는 2에서 5 범위 내 비율로 설정되고, a/x는 0.0005에서 0.02 범위 내 비율로 설정된다.

이러한 황화물 형광체는 형광체 원료물질과 활성제를 원하는 조성에 따른 각각의 소정비가 되도록 평량하고 보다 효과적인 혼합을 위해 알코올 용매하에서, 볼밀링(ball milling) 또는 마노유발 같은 혼합기를 이용하여 균일한 조성이 되도록 충분히 혼합한다.

그 후, 이 혼합물을 오븐에 넣고, 100내지 150℃ 에서 1 ~ 2시간 동안 건조한다. 건조한 혼합물을 고순도 알루미나 보트에 넣고 전기로를 사용하여 800 ~ 1300℃ 사이의 온도에서 H₂S 대기중에 열처리하여 형광체 분말을 합성한 후 충분히 분쇄한다.

이와 같이 코팅하고자 하는 황화물 형광체가 준비되면 코팅하고자 하는 형광체에 에폭시의 주제와 경화제를 적정비율로 혼합한 후 아세톤을 부어 잘 믹싱한다.

거름종이에 거르면 액체는 빠져나가고 거름종이에 남은 물질을 약 70℃ 온도에 30분 정도 건조시켜서 1차 공정을 완료한다.

그 후, 에폭시의 경화조건에 맞게 오븐속에 넣고 경화를 시키면 원하는 코팅된 황화물 형광체가 생성된다.

이때, 사용하는 각 에폭시별로 주제와 경화제의 배합비가 다르고, 경화조건이 다를 수 있다. 또한, 황화물 형광체(11)에 대한 에폭시(12)의 코팅 두께는 아세 톤과 에폭시의 비율로 제어가 가능하다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 백색 발광 소자의 개략적인 구성 단면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 백색 발광 소자는 리플렉터 구조타입의 표면실장형인 발광 소자로서, 사출, 프레싱 또는 가공에 의해 요홈부가 형성된 프레임 본체(21)에 히트 싱크(22)가 설치되고, 히트 싱크(22)위에 청색 광을 방출하는 발광 다이오드(23)가 설치된다.

발광 다이오드(23)의 상부에는 발광 다이오드(23)로부터 방출된 광의 일부와 혼색되어 백색광을 방출시키도록 발광 다이오드(23)로부터 방출된 광에 의해 여기되어 녹색 광을 방출하는 티오갈레이트 녹색 형광체(25)와, 적색 광을 방출하는 알칼리 토금속 황화물 적색 형광체(10)를 포함하는 투명 수지 몰드(24)가 프레임 본체(21)내에 형성된다. 이때, 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체(10)는 에폭시(12)에 의해 코팅된 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체이다.

발광 다이오드(23)는 외부전원에 연결되기 위해 두 개의 전극들을 구비한다. 전극들은 발광 다이오드(23)의 동일 측면(side) 또는 서로 반대 측면 상에 위치할 수 있다. 전극들은 접착제를 통해 리드단자에 전기적으로 연결되거나, 세금선을 통해 리드단자에 연결될 수 있다.

여기에서는, 프레임의 양측에 애노드 리드(28) 및 캐소드 리드(27)를 세금선(28a, 27a)으로 접속시키도록 하였다.

발광 다이오드(23)는 GaN, InGaN, AlGaN 또는 AlGaInN 계열의 발광 다이오드 로서, 청색 광을 방출한다. 여기에서는 발광 다이오드(23)는 420 내지 480 nm 범위의 청색 광을 방출하는 발광 다이오드를 사용하였다. 발광 다이오드(23)는 청색 광뿐만 아니라 자외선을 방출하는 발광 다이오드를 사용할 수 도 있다.

여기에서는, 사출, 프레싱 또는 가공에 의해 형성된 프레임 본체(21)에 히트 싱크(22)를 개재하여 요홈부를 형성하고, 히트 싱크(22)에 발광 다이오드(23)를 설치하고, 프레임의 양측에 설치된 단자인 애노드리드 및 캐소드리드를 세금선으로 접속시키도록 구성된 리플렉터 구조타입의 표면 실장형으로 구현되었지만, 여러 가지 변형이 가능하다.

일변형예로서 리드 프레임(미도시됨)의 선단에 반사컵 또는 반사판 모양의 댐모양으로 요홈부를 형성하고 그 요홈부에 발광 다이오드(23)를 설치하고, 프레임 요부에 설치된 단자인 애노드 리드와 캐소드 리드를 세금선으로 연결시켜 형성된 리드타입의 백색 발광 소자로 구현할 수 있다.

리드타입의 경우에는 발광 다이오드(23)의 상부면을 포함하여 요홈부 내부로 티오갈레이트계 녹색 형광체(25) 및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체(10)를 포함하는 투광성 수지 몰드(24)를 요홈부 상면과 동일면을 갖게 충진시키고, 투광성 수지 몰드 및 애노드와 캐소드의 일부를 포함하여 투광성 외장재로 봉지하여 구현할 수 있다.

다른 변형예로서 사출, 프레싱 또는 가공에 의해 형성된 프레임 요부에 요홈부를 형성하고 그 요홈부에 발광 다이오드를 설치하고, 프레임 요부에 설치된 단자인 애노드리드 및 캐소드리드를 세금선으로 접속시키도록 형성된 PCB(printed circuit board)타입의 표면 실장형의 백색 발광 소자로 구현할 수 있다.

표면 실장형의 경우에는 발광 다이오드(23)의 상부면을 포함하여 프레임 본체(1)의 내부로 티오갈레이트계 녹색 형광체(25) 및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체(10)를 포함하는 투광성 수지 몰드(24)를 프레임 본체(21)의 상면과 동일면을 갖게 충진시켜서 이루어지도록 구현할 수 있다.

이때, 발광 다이오드(23)는 사파이어(Al₂O₃)를 기판으로 하는 GaN, InGaN, AlGaInN 계열의 발광 다이오드이거나, SiC 재질을 기판으로 하는 GaN, InGaN, AlGaInN 계열의 발광 다이오드가 사용될 수 있다.

또는 임의의 기판을 사용하여 제작된 GaN, InGaN, AlGaInN 계열의 발광 다이오드가 사용될 수 있다.

한편, 티오갈레이트 녹색 형광체(25) 및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체(10)는 발광 다이오드(23) 상부에 위치하여, 발광 다이오드(23)에서 방출된 광의 일부를 그 보다 상대적으로 장파장인 광으로 변환시킨다.

이때, 티오갈레이트 녹색 형광체(25) 및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체(6)는 투명 수지 몰드(24) 내에 분산되어 위치된다.

투명 수지 몰드(24)는 발광 다이오드(23)를 덮어, 수분 또는 외력과 같은 외부환경으로부터 발광 다이오드(23)를 보호한다. 투명 수지 몰드(24)는 에폭시 또는 실리콘(silicone)일 수 있으며, 도시한 바와 같이 프레임 본체(21)내에 위치할 수 있다.

한편, 발광 다이오드가(23) 청색광을 방출할 경우, 발광 다이오드(23)에서 방출된 청색광과, 티오갈레이트 녹색 형광체(25)로 방출되는 녹색광과, 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체(26)로부터 방출되는 적색광이 혼색되어 백색광이 되어 외부로 방출된다.

예를 들어, 본 발명의 일 실시예에서는 에폭시 코팅된 황화물 형광체를 설명하기 위하여 황화물 적색 형광체, 구체적으로 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체를 사용하여 에폭시 코팅하는 것에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 수분에 의해 분해될 수 있는 각종 황화물 형광체에 적절하게 변형되어 실시될 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에서는 백색 발광소자에 대하여 설명하였지만, 백색 발광 소자외에도 핑크색을 발광하는 발광 소자 등 다양한 발광소자에도 적용이 가능하다.

본 발명에 의하면, 황화물 형광체를 사용하는 각종 발광소자를 제작할 때 수분에 취약한 황화물 형광체의 특성을 흡습율이 낮은 에폭시로 코팅함으로써 황화물 형광체가 수분에 의해 분해되는 흡습 특성을 효과적으로 개선할 수 있다.

이에 따라, 에폭시 코팅된 황화물 형광체를 사용하여 각종 백광 발광소자를 제작하면 황화물 형광체가 수분에 의해 분해되는 것이 효과적으로 방지되어 광효율이 개선되고 백색 발광 소자의 수명을 연장시킬 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

아울러, 황화물 형광체에 대한 수분 흡수를 막기 위하여 에폭시 코팅을 수행함으로써 황화물 형광체의 입자에 대한 코팅성이 뛰어나고, 코팅하는 공정에 있어서도 간편하게 수행할 수 있어 제조공정상의 편이성을 제공한다.

또한, 황화물 형광체에 에폭시 코팅을 수행함으로써, 에폭시 코팅된 황화물 형광체를 투명 수지 몰드내에 분산시키는 경우에는 투명 수지 몰드의 재질과 유사함에 따라 투명 수지 몰드내에 고르게 분산시킬 수 있다.

이에 따라, 에폭시 코팅된 황화물 형광체가 발광 소자에 채용되는 경우 형광체가 백색 발광 소자내에서 고르게 분산되어 분포됨으로써 백색 발광 소자가 전체적으로 균일한 광특성을 가지게 할 수 있다.

Claims (6)

1. 황화물 형광체와,

   상기 황화물 형광체에 수분이 침투되는 것을 막기 위해 각 황화물 형광체 입자를 둘러싸서 코팅하고 있는 에폭시를 포함하는 에폭시 코팅된 황화물 형광체로,

   상기 에폭시 코팅된 황화물 형광체는

   코팅하고자 하는 황화물 형광체에 에폭시의 주제와 경화제를 혼합하고 아세톤을 부어 믹싱한 후, 거름종이를 통해 걸러내어 액체를 제거하고 남은 물질을 건조시킨 다음, 상기 건조된 물질을 해당 에폭시의 경화조건에 따라 오븐속에서 경화시켜 생성된 것을 특징으로 하는 에폭시 코딩된 황화물 형광체.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서, 상기 에폭시는 상기 형광체에 수분이 침투되는 것을 막을 수 있는 흡습율의 낮음 정도에 따라 우선적으로 선택되는 것을 특징으로 하는 에폭시 코팅된 황화물 형광체.
4. 발광소자에 있어서,

   자외선 또는 청색광을 방출하는 발광 다이오드와,

   상기 발광 다이오드 상부에 위치하여 상기 발광 다이오드에서 방출된 광의 일부를 그 보다 상대적으로 장파장인 광으로 변환하는 황화물 형광체를 포함하며,

   상기 황화물 형광체는 황화물 형광체에 수분이 침투되는 것을 막기 위해 에폭시에 의해 코딩되되,

   상기 에폭시 코팅된 황화물 형광체는

   코팅하고자 하는 황화물 형광체에 에폭시의 주제와 경화제를 혼합하고 아세톤을 부어 믹싱한 후, 거름종이를 통해 걸러내어 액체를 제거하고 남은 물질을 건조시킨 다음, 상기 건조된 물질을 해당 에폭시의 경화조건에 따라 오븐속에서 경화시켜 생성된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
5. 에폭시 코팅하고자 하는 황화물 형광체에 에폭시의 주제와 경화제를 혼합하고 아세톤을 부어 믹싱하는 단계와,

   거름종이를 통해 상기 믹싱된 혼합물에서 액체를 제거하고 남은 물질을 건조시키는 단계와,

   상기 건조된 물질을 해당 에폭시의 경화조건에 따라 오븐속에서 경화시켜 에폭시 코팅된 황화물 형광체를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에폭시 코팅된 황화물 형광체의 제조 방법.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 에폭시는 상기 형광체에 수분이 침투되는 것을 막을 수 있는 흡습율의 낮음 정도에 따라 우선적으로 선택되는 것을 특징으로 하는 에폭시 코팅된 황화물 형광체의 제조 방법.

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