KR100885694B1 - 광변환 구조체 및 그것을 이용한 발광장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 빛의 투과성이 좋고, 열화가 적으며, 원하는 색조로 제어할 수 있고, 고휘도의 빛을 방출할 수 있는 광변환 구조체와 그것을 사용한 발광장치를 제공한다. 본 발명의 광변환 구조체는, 제1 광의 일부를 흡수하고 제2 광을 발산하는 동시에 상기 제1 광의 일부를 투과하는 세라믹 복합체로 이루어지는 층과, 상기 세라믹 복합체의 표면에 형성되며, 상기 제1 광의 일부 또는 상기 제2 광의 일부를 흡수하고 제3 광을 발산하는 동시에 상기 제1 광의 일부 또는 상기 제2 광의 일부를 투과하는 색조 제어용 형광체층을 가지는 광변환 구조체로서, 상기 세라믹 복합체가 적어도 2개 이상의 금속 산화물상이 연속적이면서 3차원적으로 서로 얽혀서 형성되어 있는 응고체로 이루어지고, 상기 응고체 안의 금속 산화물상 중 적어도 하나는 형광을 발산하는 금속원소 산화물을 함유하고 있다.
광변환 구조체, 발광장치, 색조 제어

Description

광변환 구조체 및 그것을 이용한 발광장치{PHOTO-CONVERSION STRUCTURE AND LIGHT-EMITTING DEVICE USING SAME}
본 발명은 2004년 12월 17일에 일본에서 출원된 일본특허출원 2004-365589호를 기초로 하여 우선권을 주장하는 출원으로, 그 기초출원의 내용을 본 명세서에서 참조하여 포함시킨다.
본 발명은 조사광의 일부를 그와는 다른 파장의 빛으로 변환하는 동시에, 변환하지 않은 조사광과 혼합하여 조사광과는 색상이 다른 빛으로 변환하는 광변환 구조체와, 그것을 이용한 고휘도의 발광장치에 관한 것이다.
근래, 청색, 자외 발광 다이오드가 실용화된 것에 이어, 상기 다이오드를 발광원으로 하는 백색 발광 다이오드의 개발연구가 활발히 이루어지고 있다. 백색 발광 다이오드는 경량이고, 수은을 사용하지 않으며, 수명이 길기 때문에, 앞으로 수요가 급속히 확대될 것으로 예측되고 있다. 통상 백색광 발광 다이오드는, 세륨으로 활성화된 YAG(Y3Al5O12:Ce) 분말과 에폭시 수지의 혼합물 페이스트를 청색 발광소자에 도포한 것이 채용되고 있다(일본공개특허 2000-208815호 공보).
하지만, 세륨으로 활성화된 Y3Al5O12(YAG:Ce) 분말과 에폭시 수지의 혼합물로 는 고휘도의 발광장치를 얻을 수 없다. 이는, 형광체 분말의 표면결함에 의해 빛이 흡수되기 때문이고, 특히, 에폭시 안에 형광체를 분산시킨 층 안에서는, 빛이 형광체 분말표면에 부딪힐 때마다 산란되고, 복잡한 반사, 투과를 반복하여 상기 효과가 증대되기 때문이다. 또한, 형광체의 굴절률이 수지에 비해 크기 때문에, 빛이 형광체를 투과할 때마다 형광체 내부에서 전반사가 일어나고, 결과적으로 빛의 흡수가 커진다. 이 때문에, 형광체를 수지에 분산시킨 구성의 백색 발광 다이오드에서는 고휘도의 발광 다이오드를 얻을 수 없다.
또한, YAG:Ce의 형광색이 CIE 색도좌표에서 x=0.41, y=0.56 부근에 있어 460㎚의 청색 여기광(勵起光)과 혼색하였을 경우, 청색 발광 다이오드의 색좌표와 YAG:Ce의 색좌표를 연결하는 선상에서 색조를 제어하기 때문에, 백색이 아니라 녹청색이 섞인 백색이 된다. 때문에, 적색이 부족한 흰색밖에 실현할 수 없다는 문제가 발생한다. 상기 색조의 문제를 해결하기 위하여, YAG:Ce 형광체 분말에 적색을 발산하는 다른 형광체 분말을 섞고, 이를 수지에 혼합하여 도포함으로써 색조를 조정하고 있다. 이와 같이, 발광 다이오드의 색조제어에 있어서, 하나의 형광체로는 실현할 수 없는 색조 조정을, 제2 형광체 분말을 섞고 수지에 혼련하여 발광소자에 도포함으로써 실현하는 방법이 널리 채용되고 있다.
상기와 같이, 종래의 발광 다이오드에서는, 색조를 변화시킨 백색 발광 다이오드로 충분한 고휘도를 가지는 것을 얻을 수 없다. 또한, 광원에 가까운 부분에 수지 등의 유기물을 사용하기 때문에 열화되기 쉽다는 문제도 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 발광소 자의 빛을 변환하여 목적으로 하는 빛을 얻는 발광 다이오드 등에 사용되는 광변환 구조체에 관한 것이고, 빛의 투과성이 좋아 고휘도이며, 열화가 적고, 원하는 색조로 제어할 수 있는 광변환 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 상기 광변환 구조체들을 사용한 발광 다이오드 등의 발광장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 빛의 투과성이 좋고 열화가 적다는 등의 우수한 특성을 가지는, 2개 이상의 금속 산화물상(相)이 연속적이면서 3차원적으로 서로 얽혀서 형성되어 있는 응고체로 이루어지는 광변환재료에 착안하여, 이 특성들을 가지면서 색조를 조정할 수 있는 방법에 대하여 세밀하게 검토한 결과, 본 발명의 광변환 구조체를 발명하기에 이르렀다.
즉 본 발명은, 제1 광의 일부를 흡수하고 제2 광을 발산하는 동시에 상기 제1 광의 일부를 투과하는 세라믹 복합체로 이루어지는 층과, 상기 세라믹 복합체의 표면에 형성되며, 상기 제1 광의 일부 또는 상기 제2 광의 일부를 흡수하고 제3 광을 발산하는 동시에 상기 제1 광의 일부 또는 제2 광의 일부를 투과하는 색조 제어용 형광체층을 가지는 광변환 구조체로서, 상기 세라믹 복합체가 적어도 2개 이상의 금속 산화물상이 연속적이면서 3차원적으로 서로 얽혀서 형성되어 있는 응고체로 이루어지고, 상기 응고체 안의 금속 산화물상 중 적어도 하나는 형광을 발산하는 금속원소 산화물을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 광변환 구조체에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 응고체가 α-Al2O3상과 세륨으로 활성화된 Y3Al5O12(YAG)상의 2개의 금속 산화물상으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광변환 구조체에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 응고체가 α-Al2O3상과 테르븀으로 활성화된 Y3Al5O12(YAG)상의 2개의 금속 산화물상으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 광변환 구조체에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 제1 광이 200㎚~500㎚에서 피크를 가지는 빛이고, 상기 제2 광이 파장 510㎚~650㎚에서 피크를 가지는 빛이며, 상기 제3 광이 550㎚~700㎚에서 피크를 가지는 빛인 것을 특징으로 하는 광변환 구조체에 관한 것이다.
본 발명의 일 태양으로서, 상기 색조 제어용 형광체층이 CaAlSiN3:Eu, BaMgAl10O17:Eu, 및 Ca2Si5N8:Eu로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 형광체를 실리콘 수지에 분산시킨 층인 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 일 태양으로서, 상기 색조 제어용 형광체층이 Y3Al5O12(YAG)상과 Cr을 첨가한 α-Al2O3상이 연속적이면서 3차원적으로 서로 얽혀서 형성되어 있는 응고체로 이루어지는 층인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 제1 광을 발산하는 발광소자와, 상기 발광소자의 제1 광을 받도록 상기 광변환 구조체를 설치한 발광장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 광변환 구조체 및 발광장치의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 2는 실시예 1의 세라믹 복합체로부터 얻어진 빛의 스펙트럼도이다.
도 3은 실시예 1에서 얻어진 발광 다이오드의 빛 스펙트럼도이다.
도 4는 실시예 2에서 얻어진 발광 다이오드의 빛 스펙트럼도이다.
도 5는 실시예 3의 세라믹 복합체로부터 얻어진 빛의 스펙트럼도이다.
도 6은 실시예 3에서 얻어진 발광 다이오드의 빛 스펙트럼도이다.
본 발명을 도면을 이용하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 광변환 구조체 및 그것을 이용한 발광장치의 일 실시예를 나타내는 도면이다. 본 발명의 발광장치는 도 1에 나타내는 바와 같이, 여기원이 되는 빛을 발산하는 발광소자와, 그 빛을 받도록 설치한 본 발명의 광변환 구조체로 구성된다. 발광소자로서는 발광 다이오드 소자나, 레이저 발진소자, 수은등 등을 들 수 있다. 여기서는, 발광소자로서 발광 다이오드 소자를 사용한 경우, 특히 본 발명의 발광장치를 발광 다이오드라고 부른다.
도 1의 발광장치에서는, 금속제 지지대(1) 위에 발광소자(2)가 고정되어 있다. 소자 위의 전극은 지지대의 전극(3)과 도전성 와이어(4)로 연결되어 있다. 지지대의 위쪽에는 본 발명에 사용하는 세라믹 복합체(5)가 놓여 있다. 세라믹 복합체의 표면에는 색조 제어용 형광체층(6)이 형성되어 있다. 발광소자(2)로부터 나온 제1 광(예를 들어, 청색광)은 세라믹 복합체(5)에 의해 일부가 제2 광(예를 들어, 황색)으로 변환되고, 일부는 그대로 투과하여 혼합되어 나온다. 또한, 세라믹 복합체(5)로부터 나온 제1 광 및 제2 광은 색조 제어용 형광체층(6)으로 들어간다. 여기서는, 색조 제어용 형광체층이 백색에 포함되는 빛(예를 들어, 황색 또는 청색광)의 일부를 흡수하여 새로운 색인 제3 광(예를 들어, 적색광)을 부가한다. 이와 같이 하여, 전체적으로 이들이 혼합된 빛(예를 들어, 난색계(暖色系)인 백색)이 본 발명의 광변환 구조체로부터 나오게 되어 발광색을 제어할 수 있다.
본 발명의 광변환 구조체는, 제1 광의 일부를 흡수하고 제2 광을 발산하는 동시에 상기 제1 광의 일부를 투과하는 세라믹 복합체로 이루어지는 층과, 상기 세라믹 복합체의 표면에 형성되며, 상기 제1 광의 일부 또는 상기 제2 광의 일부를 흡수하고 제3 광을 발산하는 동시에 상기 제1 광의 일부 또는 상기 제2 광의 일부를 투과하는 색조 제어용 형광체층을 포함하여 이루어진다.
상기 세라믹 복합체는 적어도 2개 이상의 금속 산화물상이 연속적이면서 3차원적으로 서로 얽혀서 형성되어 있는 응고체로 이루어지고, 상기 응고체 안의 금속 산화물상 중 적어도 하나는 형광을 발산하는 금속원소 산화물을 함유하고 있다.
상기 세라믹 복합체로서, 적어도 2개 이상의 금속 산화물상이 연속적이면서 3차원적으로 서로 얽혀서 형성되어 있는 응고체를 사용함으로써, 변환된 빛, 변환되지 않은 빛의 투과율이 높아 고휘도의 빛을 얻을 수 있는 동시에, 빛의 혼색성이 좋고 열화가 적은 발광 다이오드 및 발광장치를 얻을 수 있다.
색조 제어용 형광체층은, 상기 제1 광의 일부 또는 상기 제2 광의 일부를 흡 수하고 제3 광을 발산하는 형광체를 함유하고, 상기 제1 광의 일부 또는 제2 광의 일부를 투과하는 상을 가지는 층이다. 상기 제1 광의 일부 또는 상기 제2 광의 일부를 흡수하고 제3 광을 발산하는 동시에 상기 제1 광의 일부 또는 상기 제2 광의 일부를 투과하는 색조 제어용 형광체층을 상기 세라믹 복합체의 표면에 설치함으로써, 색조를 쉽게 제어할 수 있게 된다.
발광 다이오드 소자로서는 시판되는 발광 다이오드 소자를 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 광원은 발광 다이오드로 한하지 않고, 자외 램프나 레이저와 같은 광원으로도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 광원의 파장은 자외~청색의 것을 채용할 수 있는데, 특히, 200㎚~500㎚의 파장을 이용하면 세라믹 복합체의 발광 강도가 높아지기 때문에 바람직하다.
도전성 와이어로서는, 와이어 본더(wire bonder)의 작업상의 관점에서 10㎛ 내지 45㎛ 이하인 것이 바람직하고, 재질은 금, 동, 알루미늄, 백금 등이나 이들의 합금을 들 수 있다. 지지대의 광변환용 세라믹 복합체의 측면에 접착하는 전극으로서는, 철, 동, 금, 철이 섞인 동, 주석이 섞인 동이나 은 도금한 알루미늄, 철, 동 등의 전극을 들 수 있다.
본 발명의 광변환 구조체를 구성하는 세라믹 복합체는, 적어도 2개 이상의 금속 산화물상이 연속적이면서 3차원적으로 서로 얽혀서 형성되어 있는 응고체로 이루어지고, 상기 응고체 안의 금속 산화물상 중 적어도 하나는 형광을 발산하는 금속원소 산화물을 함유하고 있다. 응고체를 구성하는 금속 산화물상으로서는, 단일금속 산화물 및 복합금속 산화물로부터 선택되는 것이 바람직하다.
단일금속 산화물이란 한 종류의 금속 산화물이고, 복합금속 산화물이란 두 종류 이상의 금속 산화물이다. 각각의 산화물은 3차원적으로 서로 얽힌 구조를 하고 있다. 이와 같은 단일금속 산화물로서는, 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 지르코늄(ZrO2), 산화 마그네슘(MgO), 산화 실리콘(SiO2), 산화 티탄(TiO2), 산화 바륨(BaO), 산화 베릴륨(BeO), 산화 칼슘(CaO), 산화 크롬(Cr2O3) 등 이외에, 희토류원소 산화물(La2O3, Y2O3, CeO2, Pr6O11, Nd2O3, Sm2O3, Gd2O3, Eu2O3, Tb4O7, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Tm2O3, Yb2O3, Lu2O3)을 들 수 있다.
또한, 복합금속 산화물로서는, LaAlO3, CeAlO3, PrAlO3, NdAlO3, SmAlO3, EuAlO3, GdAlO3, DyAlO3, ErAlO3, Yb4Al2O9, Y3Al5O12, Er3Al5O12, Tb3Al5O12, 11Al2O3·La2O3, 11Al2O3·Nd2O3, 3Dy2O3·5Al2O3, 2Dy2O3·Al2O3, 11Al2O3·Pr2O3, EuAl11O18, 2Gd2O3·Al2O3, 11Al2O3·Sm2O3, Yb3Al5O12, CeAl11O18, Er4Al2O9 등을 들 수 있다.
백색 발광 다이오드를 구성하는 경우, 세라믹 복합체는, Al2O3 결정과, 희토류원소로 활성화된 복합금속 산화물인 가닛(garnet)형 결정 단결정의 조합이 바람직하다. 상기 광변환소자는, 가시광을 발산하는 질화물 반도체층을 구성하는 대표적인 InGaN 발광의 일부를 흡수하여 효율적으로 백색 발광 다이오드를 얻을 수 있다. 가닛형 결정은 A3X5O12의 구조식으로 나타내어지고, 구조식 중 A에는 Y, Tb, Sm, Gd, La, Er의 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소, 마찬가지로 구조식 중 X에는 Al, Ga로부터 선택되는 1종 이상의 원소가 포함되는 경우가 특히 바람직하다. 상기 특히 바람직한 조합으로 이루어지는 광변환재료는, 자외에서부터 청색의 광을 투과하면서 그 일부를 흡수하고, 황색 형광을 발산하는 Ce로 활성화된 Y3Al5O12(YAG)와의 조합이 바람직하다. 이는, Ce로 활성화된 Y3Al5O12(YAG)가 200~500㎚에서 피크를 가지는 여기광에 의해, 510~650㎚의 강한 황색광을 발산하기 때문이다. 또한, Tb로 활성화된 Y3Al5O12와의 조합에 있어서도, 상기 여기파장범위에서 강한 녹색을 발광하기 때문에 적합하다.
본 발명의 광변환 구조체를 구성하는 세라믹 복합체는, 원료금속 산화물을 융해한 후 응고하여 만들어진다. 예를 들어, 소정 온도로 보유한 도가니에 넣은 용융물을 냉각온도를 제어하면서 냉각응결시키는 간단한 방법으로 응고체를 얻을 수 있는데, 가장 바람직한 것은 일방향 응고법에 의한 것이다. 본 발명의 세라믹 복합재료는 여러 가지 결정상의 조합을 생각할 수 있는데, 실시예에서는 백색 발광 다이오드를 구성할 수 있다는 점에서 가장 중요한 조성계인 Al2O3/YAG:Ce계를 들어 설명한다. 그 공정의 개략은 다음과 같다.
α-Al2O3와 Y2O3, CeO2를 원하는 성분비 비율로 혼합하여 혼합분말을 조정한다. 가장 적합한 조성비는 α-Al2O3와 Y2O3뿐인 경우에는 몰비로 82:18이다. CeO2를 첨가하는 경우에는 최종적으로 생성하는 YAG에 대한 Ce의 치환량으로부터 역산하여 Al2O3, Y2O3, CeO2의 성분비를 구한다. 혼합방법에 대해서는 특별히 제한되지 않고, 건식 혼합법 및 습식 혼합법을 모두 채용할 수 있다. 이어서, 상기 혼합분말을 공지의 용융로, 예를 들어 아크(arc) 용융로를 사용하여 공급원료가 용해되는 온도로 가열하여 용융시킨다. 예를 들어, Al2O3와 Y2O3의 경우, 1,900~2,000℃로 가열하여 용해한다.
얻어진 용융물은 그대로 도가니에 넣고 일방향 응고를 하거나, 혹은 일단 응고시킨 후에 분쇄하고, 분쇄물을 도가니에 넣고 다시 가열·용융시킨 후, 융액이 들어간 도가니를 용융로의 가열영역으로부터 꺼내어 일방향 응고를 한다. 융액의 일방향 응고는 통상의 압력하에서도 가능한데, 결정상의 결함이 적은 재료를 얻기 위해서는, 4,000Pa 이하의 압력하에서 하는 것이 바람직하고, 0.13Pa(10-3Torr) 이하가 더욱 바람직하다.
도가니의 가열영역으로부터 꺼내는 속도 즉, 융액의 응고속도는, 융액조성 및 용융조건에 따라 적절한 값으로 설정하게 되는데, 통상 50㎜/시간 이하, 바람직하게는 1~20㎜/시간이다.
일방향으로 응고시키는 장치로서는, 수직방향으로 설치된 원통형상의 용기 안에 도가니가 상하방향으로 이동가능하게 수납되어 있고, 원통형상 용기의 중앙부 바깥쪽에 가열용 유도 코일이 형성되어 있으며, 용기 안의 공간을 감압하기 위한 진공 펌프가 설치되어 있는, 그 자체가 공지되어 있는 장치를 사용할 수 있다.
본 발명의 광변환용 세라믹 복합체 중 적어도 하나의 상을 구성하는 형광체는, 금속 산화물 혹은 복합 산화물에 활성화 원소를 첨가하여 얻을 수 있다. 본 발 명의 광변환용 세라믹 복합체에 사용하는 세라믹 복합재료는 적어도 하나의 구성상(相)을 형광체상으로 하는데, 기본적으로 본 출원인(발명 양수인)이 앞서 일본공개특허 평7-149597호 공보, 일본공개특허 평7-187893호 공보, 일본공개특허 평8-81257호 공보, 일본공개특허 평8-253389호 공보, 일본공개특허 평8-253390호 공보 및 일본공개특허 평9-67194호 공보와 이들에 대응하는 미국 출원(미국 특허 제5,569,547호, 미국 특허 제5,484,752호, 미국 특허 제5,902,763호) 등에 개시한 세라믹 복합재료와 같은 것일 수 있고, 이 출원(특허)들에 개시한 제조방법으로 제조할 수 있는 것이다. 이 출원들 혹은 특허들의 개시 내용을 본 명세서에서 참조하여 포함시킨다.
얻어진 응고체로부터 필요한 형상의 블록, 판, 원판 등의 형상물을 잘라내어, 어떤 파장의 빛을 목적으로 하는 다른 색상의 빛으로 변환하는 세라믹 복합재료 기판으로 이용한다.
또한, 백색 발광 다이오드를 얻는 경우, 상기 제1 광이 자외 200㎚~500㎚에서 피크를 가지는 빛이고, 상기 제2 광이 파장 510㎚~650㎚에서 피크를 가지는 빛이며, 상기 제3 광이 550㎚~700㎚에서 피크를 가지는 빛인 것이 바람직하다. α-Al2O3상과, 세륨 또는 테르븀으로 활성화된 Y3Al5O12(YAG)상의 2개의 금속 산화물상으로 구성되어 있는 응고체로 이루어지는 세라믹 복합체와 조합할 수 있음으로써, 고휘도이고, 열화가 적으며, 난색계인 백색을 얻을 수 있다.
색조 제어용 형광체층의 일 실시예로서, 형광체 분말을 광투과성 수지에 분 산한 것을 들 수 있다. 광변환재료가 고체이기 때문에 평활한 면 위에 제2 형광체막을 형성할 수 있으므로, 막 형성시에는 여러 가지 방법을 채용할 수 있다. 예를 들어, 실리콘 수지에 형광체 분말을 분산시켜서 도포할 수 있다. 도포방법으로서는 딥법(dip method), 스크린 인쇄법, 스프레이법 등도 채용된다. 또한, 실리콘 수지를 사용하지 않고 증착법이나 CVD법(chemical vapor deposition method), 스퍼터링법(sputtering method)과 같은 제막기술을 이용할 수도 있다. 막의 형상으로서는 균일한 두께로 제어하는 것 이외에, 목적에 따라 격자형상이나 줄무늬형상, 점형상 등의 여러 가지 형상의 막으로 함으로써 방출하는 빛을 제어할 수 있다.
색조 조정용 형광체로서는 기존의 여러 가지 형광체를 이용할 수 있다. 예를 들어 적색을 부가하는 경우, 무기계의 형광체로서 공지의 형광체, 예를 들어 Journal of Physics and Chemistry of Solids 61(2000) 2001-2006페이지에 개시되어 있는 Eu로 활성화된 Ba2Si5N8, 또는 일본공개특허 2003-27746호 공보에 공개되어 있는 Eu로 활성화된 Ca2Si5N8, (Ca, Sr)2Si5N8, 제65회 일본 응용물리학회 학술강연회 강연예고집 1283페이지에 개시되어 있는 Eu로 활성화된 CaAlSiN3 등의 형광체 등을 채용할 수 있다. 이 형광체들은, 300~500㎚의 여기에 대하여 550~700㎚의 적색의 강한 발광이 얻어지기 때문에, 세라믹 복합재료와 합쳐서 사용하면, 제1 광으로서 방출된 빛을 이용하여 적색을 띠는 백색을 얻을 수 있다. 또한, 유기계의 색소를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 플루오레세인을 사용한다. 이 경우, 세라믹 복합재료로부터 방출된 빛의 일부를 이용하여 백색에 적색을 부가할 수 있어, 난색계인 백색을 얻을 수 있다. 청색 형광체로서는 Eu를 포함하는 BaMgAl10O17(BAM:Eu) 등을 이용할 수 있다.
상기 색조 제어용 형광체층으로서는 CaAlSiN3:Eu, BaMgAl10O17:Eu, 및 Ca2Si5N8:Eu로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 형광체를 실리콘 수지에 분산시킨 층인 것이 바람직하다. 이 형광체들을 실리콘 수지에 분산시킨 층은, 적색광을 적당하게 발광하는 동시에 흡수하지 않은 빛을 효율적으로 투과하기 때문에, 바람직한 색으로 제어할 수 있는 동시에 고휘도의 발광 다이오드를 제공할 수 있다.
색조 제어용 형광체층의 다른 형태로서, 2개 이상의 금속 산화물상이 연속적이면서 3차원적으로 서로 얽혀서 형성되어 있는 응고체로 이루어지고, 상기 응고체 안의 금속 산화물상 중 적어도 하나는 형광을 발산하는 금속원소 산화물을 들 수 있다. 구체적으로는, Y3Al5O12(YAG)상과 Cr을 첨가한 α-Al2O3상이 연속적이면서 3차원적으로 서로 얽혀서 형성되어 있는 응고체로 이루어지는 층인 것이 바람직하다. Y3Al5O12(YAG)상과 Cr을 첨가한 α-Al2O3상이 연속적이면서 3차원적으로 서로 얽혀서 형성되어 있는 응고체를 사용함으로써, 바람직한 색으로 제어할 수 있는 동시에, 열화가 적고, 내열성이 높으며, 광혼색성이 좋고, 고휘도의 발광 다이오드를 제공할 수 있다.
또한, 색조 제어용 형광체층은 색조의 변화에 사용하기 때문에, 그 두께는 본 발명을 구성하는 세라믹 복합체 정도의 두께를 필요로 하지 않으며, 세라믹 복합체의 특징인 고휘도이고, 열화가 적으며, 광혼색성이 좋은 것 등의 우수한 특성을 보유하는 것이 가능하다.
또한, Y3Al5O12(YAG)상과 Cr을 첨가한 α-Al2O3상이 연속적이면서 3차원적으로 서로 얽혀서 형성되어 있는 응고체로 이루어지는 층은, 상기 세라믹 복합체와 같은 방법으로 제조할 수 있다. 상기 세라믹 복합체로 이루어지는 층의 표면에 이 응고체들로 이루어지는 색조 제어용 형광체층을 형성하는 방법은, 단순히 겹쳐서 고정하는 방법, 투광성이 있는 접착제로 접착하는 방법 등 특별히 한정되지 않는다. 또한, 상기 세라믹 복합체로 이루어지는 층의 표면에 색조 제어용 형광체층을 형성한다는 것은, 상기 세라믹 복합체로 이루어지는 층의 표면에 계속해서 다른 층을 성장시키는 것 등으로 한정되지 않고, 상기 2개의 층이 밀접하게 겹쳐져 있는 상태이면 된다.
아래에, 구체적인 예를 들어 본 발명을 더욱 자세하게 설명한다.
(실시예 1)
α-Al2O3 분말(순도 99.99%) 0.8136몰과 Y2O3 분말(순도 99.999%) 0.1756몰, CeO2 분말(순도 99.99%) 0.0109몰을 원료로 사용하였다. 이 분말들을 에탄올 안에서 볼밀(ball mill)에 의해 16시간 습식 혼합한 후, 증발기를 사용하여 에탄올을 탈매하고 원료분말을 얻었다. 원료분말은 진공로 안에서 예비용해하여 일방향 응고의 원료로 하였다.
이어서, 상기 원료를 그대로 몰리브덴 도가니에 넣어 일방향 응고장치에 놓고, 1.33x10-3Pa(10-5Torr)의 압력하에서 원료를 융해하였다. 이어서, 동일한 분위기에서 도가니를 5㎜/시간의 속도로 하강시키고 응고체를 얻었다. 얻어진 응고체는 황색을 띠고 있었다. 전자현미경에 의한 관찰 결과, 상기 응고체에는 콜로니(colony)나 입계상(grain boundary phase)이 없고, 또한 기포나 빈 공간이 존재하지 않는 균일한 조직을 가지고 있는 것을 알 수 있었다. 잉곳(ingot) 안에서는 CeAl11O18이 관측되었는데, 그 존재량은 매우 적었다.
본 광변환용 세라믹 복합재료의 응고체로부터 직경 1.5㎜, 두께 0.1㎜의 작은 원반형 조각을 잘라내었다. 이어서, 전극이 붙은 세라믹 패키지에 460㎚의 발광소자를 은 페이스트에 의해 접착하고, 와이어 본더를 사용하여 도전성 와이어로 지지대의 전극과 발광소자의 표면에 형성된 전극을 접합하며, 이미 제작한 세라믹 복합체와 패키지를 접합하여, 색조 제어용 형광체층이 없는 발광 다이오드를 제작하였다. 도 2에 색조 제어용 형광체층이 없는 세라믹 복합체로부터 얻어진 발광 스펙트럼을 나타내었다. 이 때의 색좌표는 x=0.31, y=0.34가 되고, 약간 청색을 띤 백색이 되었다. 또한 측정에는 미국 오션 옵틱스(Ocean Optics)사의 적분구 FOIS-1, 분광기로는 미국 오션 옵틱스사의 USB2000을 사용하였다. 적분구와 분광기는 광섬유로 결합하였다. 상기 측정계는 NIST에 준거한 텅스텐 할로겐 표준광원을 사용하여 교정하였다.
이어서, 적색 형광체로서 CaAlSiN3:Eu2 +를 준비하였다. 제작방법은, Ca3N2, 결정질 Si3N4, AlN, EuN을 질소분위기에서 칭량하고, 질소분위기 안에서 혼합하였다. 얻어진 혼합분말을 BN제의 도가니에 넣고, 질소분위기 안에서 1700℃, 5시간 보유하여 제작하였다. 얻어진 분말을 X선 회절에 의해 동정(同定)하였더니 CaAlSiN3이고, 자외선 및 청색광을 조사하면, Eu2 +에 의한 적색의 형광이 관찰되었다. 상기 적색계의 형광체를 실리콘 수지에 분산시켜서 잉크를 만들었다. 상기 잉크를, 스핀 코터(spin coater)에 의해 상기 발광 다이오드의 광변환용 세라믹 복합재료의 표면에 균일하게 도포하였다. 이와 같이 하여 제작한 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 도 3에 나타내었다. 650㎚ 부근의 적색 스펙트럼이 증가되어 있는 것을 알 수 있다. 이 때의 색좌표는 x=0.40, y=0.39였다. 이 좌표는 청색 발광 다이오드와 YAG:Ce의 색좌표 궤적으로부터 벗어나서 적색쪽에 위치하고 있어, 유효하게 색조를 제어한 것을 알 수 있다. 상기 백색은 적색이 강조되며, 색조는 난색계인 백색 발광 다이오드였다.
(실시예 2)
실시예 1의 광변환용 세라믹 복합재료의 응고체로부터 직경 5㎜, 두께 0.2㎜의 원반형상 펠릿(pellet)을 만들었다. 상기 펠릿은, 자외광(365㎚)을 조사하였더니 강한 황색을 발광하였다. 이어서, 자외광(365㎚)을 흡수하고 청색광을 방출하는 Eu를 포함하는 BaMgAl10O17(BAM:Eu)을 사용하여 실시예 1과 같은 페이스트를 제작하 고, 광변환재료 위에 스핀 코터에 의해 균일한 막을 형성하였다. 상기 광변환 구조체의 세라믹 복합체면으로부터 자외광(365㎚)를 조사하고, BAM:Eu의 도포면으로부터 방출되는 빛의 스펙트럼을 측정하였다. 그 결과를 도 4에 나타낸다. 광변환용 세라믹 복합재료를 통과한 자외광의 일부가 BAM:Eu에 의해 청색으로 변하고, 광변환용 세라믹 복합재료로부터 발생하는 황색 발광에 의해 백색을 얻을 수 있었다. 이 때의 색좌표는 x=0.29, y=0.33이었다. 자외광을 사용하여 BAM 형광체와 광변환재료를 조합함으로써, 광변환용 세라믹 복합재료의 색조를 제어할 수 있어 바람직한 백색광을 얻을 수 있었다.
(실시예 3)
실시예 1과 같은 방법인데, 첨가물을 Ce에서 Tb로 바꾸어 광변환용 세라믹 복합재료를 제작하고, 실시예 2와 같은 형상의 펠릿을 제작하였다. 상기 광변환 구조체의 자외광(365㎚)에 의한 여기했을 때의 발광 스펙트럼을 도 5에 나타낸다. 자외광을 받아 녹색을 발광하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이어서, 상기 펠릿의 한 쪽 표면에 실시예 1에서 만든 적색 형광체막을 실시예 1과 같은 방법으로 제작하였다. 상기 광변환 구조체의 세라믹 복합체면으로부터 자외광(365㎚)을 조사하고, 적색 형광체의 도포면으로부터 방출되는 빛의 스펙트럼을 측정하였다. 그 발광 스펙트럼을 도 6에 나타낸다. 이 때의 색좌표는 x=0.42, y=0.39이고, 난색계인 백색광을 얻을 수 있었다. 이와 같이, 자외광을 이용하여 광변환재료와 적색 형광체를 조합함으로써, 광변환용 세라믹 복합재료의 색조를 제어하여 난색계인 백색광을 얻을 수 있었다.
본 발명에 의해, 빛의 투과성이 좋아 고휘도이고, 열화가 적으며, 색조를 제어할 수 있는 발광장치를 제공할 수 있다. 특히, α-Al2O3상과 세륨으로 활성화된 Y3Al5O12(YAG)상의 2개의 금속 산화물상으로 이루어지는 응고체와, 적색을 발광하는 색조 제어용 형광체층으로 이루어지는 광변환 구조체를 사용함으로써, 고휘도이고, 열화가 적으며, 난색계인 백색을 얻을 수 있다. 또한, α-Al2O3상과 세륨으로 활성화된 Y3Al5O12(YAG)상의 2개의 금속 산화물상으로 이루어지는 응고체와, 청색을 발광하는 색조 제어용 형광체층으로 이루어지는 광변환 구조체를 사용함으로써, 고휘도이고, 열화가 적은 백색을 얻을 수 있다. 또한, α-Al2O3상과 테르븀으로 활성화된 Y3Al5O12(YAG)상의 2개의 금속 산화물상으로 이루어지는 응고체와, 적색을 발광하는 색조 제어용 형광체층으로 이루어지는 광변환 구조체를 사용함으로써, 고휘도이고, 열화가 적으며, 난색계인 백색을 얻을 수 있다. 본 발명이 산업상 유용하다는 것은 명확하다.

Claims (8)

  1. 제1 광의 일부를 흡수하고 제2 광을 발산하는 동시에 상기 제1 광의 일부를 투과하는 세라믹 복합체로 이루어지는 층과, 상기 세라믹 복합체의 표면에 형성되며, 상기 제1 광의 일부 또는 상기 제2 광의 일부를 흡수하고 제3 광을 발산하는 동시에 상기 제1 광의 일부 또는 제2 광의 일부를 투과하는 색조 제어용 형광체층을 가지는 광변환 구조체로서, 상기 세라믹 복합체가 적어도 2개 이상의 금속 산화물상이 연속적이면서 3차원적으로 서로 얽혀서 형성되어 있는 응고체로 이루어지고, 상기 응고체 안의 금속 산화물상 중 적어도 하나는 형광을 발산하는 금속원소 산화물을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 광변환 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 응고체가 α-Al2O3상과 세륨으로 활성화된 Y3Al5O12(YAG)상의 2개의 금속 산화물상으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광변환 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 응고체가 α-Al2O3상과 테르븀으로 활성화된 Y3Al5O12(YAG)상의 2개의 금속 산화물상으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광변환 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광이 200㎚~500㎚에서 피크를 가지는 빛이고, 상기 제2 광이 파장 510㎚~650㎚에서 피크를 가지는 빛이며, 상기 제3 광이 550㎚~700㎚에서 피크를 가지는 빛인 것을 특징으로 하는 광변환 구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 색조 제어용 형광체층이 CaAlSiN3:Eu, BaMgAl10O17:Eu, 및 Ca2Si5N8:Eu로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 형광체를 실리콘 수지에 분산시킨 층인 것을 특징으로 하는 광변환 구조체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 색조 제어용 형광체층이 Y3Al5O12(YAG)상과 Cr을 첨가한 α-Al2O3상이 연속적이면서 3차원적으로 서로 얽혀서 형성되어 있는 응고체로 이루어지는 층인 것을 특징으로 하는 광변환 구조체.
  7. 상기 제1 광을 발산하는 발광소자와, 상기 발광소자의 제1 광을 받도록 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 기재된 광변환 구조체를 설치한 발광장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 발광소자가 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 발광장치.
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