KR100902988B1

KR100902988B1 - 백색광 발광 다이오드의 제조 방법

Info

Publication number: KR100902988B1
Application number: KR1020020050503A
Authority: KR
Inventors: 왕치엔-유안; 리우루-시; 치리앙-솅; 수훙-유안
Original assignee: 라이트온 테크놀러지 코포레이션
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2009-06-15
Also published as: KR20040019177A

Abstract

본 발명은 휘도를 향상시키고, 형광체들의 혼색 스펙트럼과 실제 태양광의 스펙트럼 사이의 유사 정도를 대폭 향상시킨다. 여러 종의 자외선에 의해 여기할 수 있는 형광체를 이용하여, 그들 중 일부의 형광체에 의해 적, 녹, 청 등의 3종류의 백색광의 스펙트럼의 기본 구성을 형성하고, 다른 부분의 형광체에 의해 수정용 색광을 제공한다.

Description

백색광 발광 다이오드의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING WHITE LIGHT EMITTING DIODE}

도 1은 종래의 Y₂O₃ : Eu, SrAl₂O₄ : Eu, BaMgAl₁₀O ₁₇ : Eu 등의 3종류의 형광분말들에 의해 각각 적, 녹, 청색의 형광을 발광시키는 경우의 백색광 스펙트럼을 나타낸 설명도,

도 2는 본 발명의 Y₂O₃ : Eu, SrAl₂O₄ : Eu, BaMgAl₁₀O₁₇ : Eu 등의 3종류의 형광분말들에 의해 각각 적, 녹, 청색의 형광을 발광시키는 동시에, Y₃Al₅O₁₂ : Ce, Gd 형광체가 발광하는 황색 형광을 합침으로써 발광하는 백색광의 스펙트럼을 나타낸 설명도,

도 3은 도 1과 도 2의 방사 스펙트럼에 기초하여 각각 계산하여 얻은 혼합 형광분말의 색도 좌표 A와 B를 나타낸 설명도,

도 4는 본 발명에 따라 동시에 Y₂O₃ : Eu, SrAl₂O₄ : Eu, BaMgAl ₁₀O₁₇ : Eu, Y₃Al₅O₁₂ : Ce, Gd 형광체를 혼합하여 발광되는 백색광을 시발점으로 하고, 또한 자외선 여기 광원을 제거하는 경우의 광색이 시간의 경과에 따라 변화하는 상황을 나타낸 변화도이다.

본 발명은 백색광 발광 다이오드의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 여러 종의 형광 특성의 분말을 배합함으로써 백색광 발광 다이오드를 제조 취득하는 방법에 관한 발명이다.

백색광은 복수의 파장색의 혼합 합성광이며, 사람의 눈에 백색광으로 식별되는 광원에는 적어도 2종류 이상의 파장의 혼합 광선을 포함하고 있다. 예를 들면, 사람의 눈이 동시에 적, 청, 녹의 광선에 자극되는 경우에, 또는 동시에 청색과 황색의 광선에 자극되는 경우에 모두 백색광으로 느껴지므로, 그러한 원리에 기초하여 백색광을 발광하는 LED 광원을 제조할 수 있다. 종래의 백색광 LED의 제조 방법에는 5종류가 있으며, 첫 번째 방법은 AlInGaP와 GaP 및 GaN을 재질로 하는 3개의 LED를 사용하고, 각각의 LED를 통과하는 전류를 제어함으로써 적, 녹, 청색의 광선을 발광시킨다. 이들 3개의 결정 과립자가 동일한 램프에 배치되므로, 렌즈를 통해 그들 발광하는 광선을 혼합하여 백색광을 발광시킬 수 있다. 두 번째 방법은 GaN과 AlInGaP를 재질로 하는 2개의 LED를 사용하고, 이들 LED를 통과하는 전류를 제어함으로써 청색과 황록색의 광선을 발광시킴으로써 백색광을 생성하는 것이다. 현재 이들 2종류의 방법은 발광 효율이 20lm/W에 달할 수 있다. 세 번째 방법은 1996년에 일본 니치아 화학회사(Nichia Chemical)가 개발한 질화 인듐갈륨 청색광 발광 다이오드에 황색광을 발광하는 이트륨 알루미늄 가네트(YAG)형 형광분말을 배합함으로써 백색광 광원을 제조하는 방법이다. 이 방법의 발광 효율은 현재의 경 우에는(15lm/W 이상에 달할 수 있다) 상기 종류의 방법보다 약간 낮으나, 이 백색광 광원은 단색의 LED만을 필요로 하기 때문에, 제조 비용을 대폭 저감할 수 있고, 또 배합하여 사용되는 형광분말의 조제 기술도 이미 완벽하므로, 현재는 이미 상품이 출시되어 있다. 백색광을 생성할 수 있는 네 번째 방법은 스미토모 전공(Sumitomo Electric Industries, Ltd)이 1999년 1월에 개발한 ZnSe 재료를 사용하는 백색광 LED이며, 그 기술은 먼저 ZnSe 싱글 칩 기판에 CdZnSe 박막을 형성하고, 통전 후에 박막이 청색광을 발광하는 동시에, 일부 청색광을 기판에 조사하여 황색광을 발광하고, 마지막으로 그들 청색광과 황색광을 상보시켜 백색광을 발광하는 것이다. 이 방법의 경우에도 1개의 LED 결정 과립자밖에 채용하지 않으므로, 그 조작 전압이 단지 2.7V로, InGaN의 LED의 3.5V보다 낮아지고, 또한 형광 물질이 없어도 백색광을 취득할 수 있다. 백색광을 생성하기 위한 다섯 번째 방법은 현재 개발중인 자외선 백색광 LED이며, 즉 본 발명의 분야의 방법이며, 그 원리는 자외선 LED에 의해 3종류의 형광분말을 여기하여 형광을 발생시키고, 혼색에 의해 백색광을 생성하는 것이며, 그 분야의 종래의 방법은 하기와 같다.

1. 조성이 Y₂O₃ : Eu형인 형광분말, 예를 들면 (Y_1.9Eu_0.1)O ₃를 합성하고, 해당 합성 방법으로서 고체 반응법이나 화학 합성법, 예를 들면 구연산염 겔법이나 공(共) 침전법이나 마이크로 콜로이드법 등을 채용할 수 있다.

2. 조성이 SrAl₂O₄ : Eu형 형광분말, 예를 들면 (Sr_0.96Eu_0.04)Al ₂O₄를 합성 취득하고, 그 합성 방법으로서 고체 반응법이나 화학 합성법, 예를 들면 구연산염 겔 법이나 공 침전법이나 마이크로 콜로이드법 등을 채용할 수 있다.

3. 조성이 BaMgAl₁₀O₁₇ : Eu형 형광분말, 예를 들면 (Ba_0.9Eu_0.1)MgAl ₁₀O₁₇을 합성 취득하고, 그 합성 방법으로서 고체 반응법이나 화학 합성법, 예를 들면 구연산염 겔법이나 공 침전법이나 마이크로 콜로이드법 등을 채용할 수 있다.

4. 상기 3종류의 형광분말들을 소정의 비례로 조제하고, 또한 파장이 396nm인 자외선을 여기원으로 하여 그 방사 스펙트럼을 검출하면 도 1에 나타낸 바와 같다. 그 방사 스펙트럼의 데이터를 1931년에 국제조명 위원회(Commission Internationale de 1' Eclairage, CIE)가 제정하는 색도 좌표도(Chromaticity diagram)의 공식에 의해 해당 형광체가 대표하는 색도 좌표로 환산하고, 또한 A점으로 도 3에 표기한다.

상기 설명에서 알 수 있듯이, 현재는 자외선 발광 다이오드에 의해 백색광 LED를 제조하는 방법은 주로 자외선에 의해 적, 녹, 청의 3원색의 형광체를 여기하고, 또한 형광체를 적당한 비례로 조제하여, 그것으로부터 그 색광을 혼색함으로써 백색광을 취득하는 것이다.

그러나, 이러한 각각의 원색 형광체의 스펙트럼 구성을 조합함으로써 생성되는 백색광의 경우에는, 개별 형광분말이 소정의 스펙트럼 구성을 갖는 것에 의한 영향을 받으므로, 그 조성되는 백색광의 스펙트럼 파장의 분포와 연속성이 실제의 태양광에 못 미치기 때문에, 백색광에 색채가 불균일해지는 것이나 포화도가 낮은 것 등의 결점을 갖는다. 사람의 눈은 이들 현상을 생략할 수 있어, 백색광밖에 보 이지 않으나, 정밀도가 높은 광학 검출기의 검출에 의해 예를 들면 비디오나 카메라 등으로 검출하는 경우, 그 연색성이 실제로는 여전히 낮다고 여겨지고, 즉 물체의 색채를 환원하는 경우에 오차를 발생시키는 경우가 있으므로, 이러한 종류의 방식에 의해 생성되는 백색광 광원이 단순히 일반 조명용 용도에만 적합하게 된다.

그 때문에, 본 발명의 발명자는 연구 개발을 진행하는 동시에, 학술의 운용을 더한 결과, 발광 다이오드에 여러 종의 형광 특성을 갖는 분말체를 합침으로써 백색광 발광 다이오드를 제조하는 방법을 드디어 제공하기에 이르러, 백색광 발광 다이오드에 높은 휘도와 높은 연색성을 갖게 하는 것을 실현했다.

본 발명의 주요한 목적은 새로운 백색광 발광 다이오드를 제조하는 방법을 제안하는 것에 있고, 해당 방법의 특징은 여러 종의 자외선에 의해 여기할 수 있는 형광체를 이용하여, 이들 중 일부의 형광체에 의해 적, 녹, 청 등의 3종류의 백색광의 스펙트럼의 기본 구성을 형성하고, 다른 부분의 형광체에 의해 수정용 색광을 제공하는 동시에, 그 휘도를 향상시켜, 형광체들의 혼색 스펙트럼과 실제 태양광의 스펙트럼 사이의 유사 정도를 대폭 향상시킨다. 그 때문에, 본 발명은 여러 종의 형광분말의 보강 및 수정 기술에 의해 취득하는 백색광 발광 다이오드에 고도의 휘도와 고도의 연색성을 갖도록 할 수 있는 뛰어난 점을 갖는다.

본 발명의 다른 목적은 변색 발광 가능한 발광 다이오드의 제조 방법을 제공하는 것에 있다. 현재는 광색을 변경할 수 있는 발광 다이오드를 취득하기 위한 방법으로서 여러 개의 단색 발광 다이오드들을 조합하는 동시에, 전기 회로에 의해 그 발광 순서를 제어하고, 또는 각각 다른 안색의 광선 여과편 또는 모자 커버 등 에 의해 광색을 변환하고 있다. 그러나, 이러한 방법의 경우에는, 제조 비용이 높아 편리성이 없고, 그 때문에 새로운 실행 가능한 방법을 개발할 필요가 있다. 예를 들면 상기와 같은 여러 종의 형광분말들의 보강 및 수정의 기술을 채용하여, 그 중의 전부 또는 일부의 분말체에 동시에 형광 또는 인광 특성을 갖게 하여, 자외선에 의한 여기의 정지 후에, 상기 분말체가 시간의 경과에 따라 그 광색을 변경하는 효과를 취득하여, 즉 본 발명의 방법에 의한 경우, 변색 가능한 발광 다이오드를 제조할 수 있다. 또, 상기 분말체들의 조성 비례를 변경시킴으로써 다른 변색 순서를 갖는 발광 다이오드를 제공할 수 있다. 종래 기술과 비교하는 경우, 본 발명의 방법은 상당히 간단하며, 비용이 낮고 산업상 이용가치가 크다.

이하에, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 특징과 기술 내용을 상세히 설명하는데, 이들 설명은 단순히 본 발명의 바람직한 실시형태의 일부에 지나지 않고, 본 발명의 범위를 협의적으로 정의하는 것이 아니라는 것은 말할 필요도 없는 일이다.

본 발명은 발광 다이오드에 응용되는, 여러 종의 형광 특성을 갖는 분말체들을 이용하여 백색광 발광 다이오드를 제조하는 방법에 관한 발명이다. 해당 방법은 자외선의 발광이 가능한 발광 다이오드나 전자 빔이나 플라즈마 등을 여기 광원으로 하고, 2종류의 형광분말들을 여기하여 각각 파장이 585nm - 640nm인 적색광과 500nm - 570nm인 녹색광과 430nm - 490nm인 청색광을 발광시킨다. 동시에, 이들 3개의 파장의 형광 특성, 예를 들면 발광 강도나 색채 포화도 등을 감안하여, 다른 1종 이상의 형광분말의 형광 특성에 의해 보강이나 수정을 실행하고, 이들 4개 이상의 파장을 구비하는 형광을 혼색한 후 백색광을 생성하게 된다. 종래의 단순히 적, 녹, 청의 3원색의 형광체를 사용하는 방법보다, 본 발명의 형광 보강과 수정 기술에 의해 얻어지는 백색광은 높은 휘도와 높은 연색성을 갖는 뛰어난 점을 갖는다.

본 발명의 백색광 발광 다이오드가 필요로 하는 합성용 및 조제용 형광분말의 실시형태의 하나로서(본 발명의 방법의 하나로, 스펙트럼 구성을 수정한 후에 얻어지는 백색광의 스펙트럼을 나타내는 방법) 하기와 같은 방법을 들 수 있다.

1. 조성이 Y₂O₃ : Eu형인 형광분말, 예를 들면 (Y_1.9Eu_0.1)O ₃를 합성하고, 해당 합성 방법으로서 고체 반응법이나 화학 합성법, 예를 들면 구연산염 겔법이나 공 침전법이나 마이크로 콜로이드법 등을 채용할 수 있다.

2. 조성이 SrAl₂O₄ : Eu형 형광분말, 예를 들면 (Sr_0.96Eu_0.04)Al ₂O₄를 합성 취득하고, 그 합성 방법으로서 고체 반응법이나 화학 합성법, 예를 들면 구연산염 겔법이나 공 침전법이나 마이크로 콜로이드법 등을 채용할 수 있다.

4. 조성이 Y₃Al₅O₁₂ : Ce, Gd형 형광분말, 예를 들면 (Y_2.3Ce _0.05Gd_0.65)Al₅O₁₂을 합성 취득하고, 그 합성 방법으로서 고체 반응법이나 화학 합성법, 예를 들면 구연 산염 겔법이나 공 침전법이나 마이크로 콜로이드법 등을 채용할 수 있다.

5. 상기 4종류의 형광분말들을 소정의 비례로 조제하고, 또한 파장이 396nm인 자외선을 여기원으로 하여 그 방사 스펙트럼을 검출하면 도 2에 나타낸 바와 같다. 그 방사 스펙트럼의 데이터를 그 혼합 형광체를 대표하는 색도 좌표로 환산하고, 또한 B점으로 도 3에 표기한다.

또, 본 발명도 1종의 변색 가능한 발광 다이오드의 제조 방법에 관한 것으로, 인광 특성을 갖는 발광체를 상기 여러 종의 형광체 중 1종 또는 복수 종으로 하고, 그 광색이 시간의 경과에 따라 각각 다른 안색의 변화를 나타낼 수 있다. 이들의 발광체로서 SrAl₂O₄ : Eu, M이나 CaAl₂O₄ : Eu, M이나 Sr₄Al₁₄O₂₅ : Eu, M이나 Y₂O₂S : Eu, M이나 ZnS : Cu, M 등을 채용할 수 있고, 그 중 M으로서 전이금속이나 희토류 원소 등을 채용할 수 있다.

인광 특성을 갖는 분말체에 의해 제조되는 변색 가능한 발광 다이오드의 제조 실시예의 하나에 관해, 그 제조 단계는 다음과 같다.

2. 조성이 SrAl₂O₄ : Eu, Dy형 형광분말, 예를 들면 (Sr_0.94Eu_0.04Dy_0.02)Al₂O₄를 합성 취득하고, 그 합성 방법으로서 고체 반응법이나 화학 합성법, 예를 들면 구연산염 겔법이나 공 침전법이나 마이크로 콜로이드법 등을 채용할 수 있다.

4. 조성이 Y₃Al₅O₁₂ : Ce, Gd형 형광분말, 예를 들면 (Y_2.3Ce _0.05Gd_0.65)Al₅O₁₂을 합성 취득하고, 그 합성 방법으로서 고체 반응법이나 화학 합성법, 예를 들면 구연산염 겔법이나 공 침전법이나 마이크로 콜로이드법 등을 채용할 수 있다.

5. 상기 4종류의 형광분말들을 소정의 비례에 의해 조제하고, 또한 파장이 396nm인 자외선을 여기원으로 하여 그 방사 스펙트럼을 검출한다. 또, 상기 자외선 여기 광원을 제거하고, 소정 시간 간격으로 여러 회 그 발광 스펙트럼을 검출하여, 이들 방사 스펙트럼의 데이터를 각각의 시간점의 색도 좌표로 환산하고, 또한 A점부터 점점 B점으로 이동하며, 이들을 도 4에 표기한다.

하기에 나타낸 바와 같이, 계산에 의해 얻어지는 종래의 방법과 본 발명의 실시형태의 백색광 스펙트럼을 비교하는 경우, 본 발명의 연색성과 색채 온도가 종래보다 훨씬 바람직해 진 것을 알 수 있다.

	종래의 방법	본 발명의 방법
CIE 색도 좌표	(0.3130, 0.3254)	(0.3120, 0.3285)
연색성	85	94
색채 온도	6524K	6550K

1. 도 3에서 알 수 있듯이, 본 발명의 방법(실시형태 참조)과 종래의 방법이 모두 색도 좌표가 표준 백색광 구역에 위치하는 효과를 취득할 수 있고, 예를 들면 종래의 방법의 (0.3130, 0.3245)와 실시형태의 (0.3120, 0.3285)와 같다. 그 때문에, 본 발명의 백색광 다이오드는 종래의 방법과 마찬가지로 백색광 발광 다이오드를 제공할 수 있다.

2. 표에 나타낸 바와 같이, 종래 방법의 경우에는 3종류의 형광분에 의해 적, 녹, 청의 3원색으로 조성되는 백색광을 취득하고, 그 연색성이 단지 85이며, 또한 색채 온도가 6524K(절대온도)이다. 본 발명의 실시형태의 경우는 Y₃Al₅O₁₂ : Ce, Gd형 황색 형광분말에 의해 스펙트럼 구성을 수정하여, 연색성을 94로, 색채 온도를 6550K가 되도록 향상시킬 수 있다. 그 주요한 원인은 스펙트럼 구성의 수정 후의 백색광 스펙트럼과 실제 태양광의 스펙트럼의 분포가 가까워지기 때문이며, 그에 의해 높은 연색성을 취득하고, 그 때문에 본 발명의 백색광 발광 다이오드의 경우에는 연색성이 종래의 방법보다 상당히 뛰어나다.

3. 본 발명의 백색광 발광 다이오드의 경우에는, 그 발광 스펙트럼이 수정되면, 예를 들면 실시형태에서의 Y₃Al₅O₁₂ : Ce, Gd형 형광분말의 황색광 또는 BaMgAl₁₀O₁₇ : Eu, Mn형 형광분말의 청녹색광(형광분말에서 Eu/Mn의 비례와 발광하는 청색/녹색 파장의 상대적 강도와 관계가 있으며, 그 때문에 그들도 자신의 색채를 수정하는 것과 조정 제어하는 것의 기능을 갖는다) 등이 모두 녹색광의 파장에 가까워져, 즉 사람의 눈에 대해 민감성을 갖는 구역이 되어, 그들은 전체의 백색광의 강도의 향상에 작용을 갖고, 그 때문에 본 발명의 백색광 발광 다이오드의 발광 효율이 종래의 방법보다 뛰어나다.

4. 본 발명의 백색광 발광 다이오드의 경우에는, 도 4에 나타낸 바와 같이 혼합 형광 분말체에서의 (Sr_0.94Eu_0.04Dy_0.02)Al₂O₄가 녹색의 인광 특성을 가지므로, 여기 광원을 제거하면, 분말체의 광색이 백색보다 점점 녹색으로 변화하는 동시에, 소정 시간을 유지할 수 있다. 마찬가지로 2종류 이상의 인광 특성을 갖는 분말체를 사용하면, 그 생성하는 광색의 변환이 다채롭고 다양해진다. 그 때문에 본 발명의 방법에 따라 소정의 비례가 되도록 여러 종의 분말체를 혼합하는 경우, 또한 소정의 파장(이 예에서는 396nm이다)의 자외선 발광 다이오드를 여기 광원으로서 합쳐 사용하는 경우, 또한 적당히 패키징하면, 소정의 전류를 흐르게 하는 경우, 혼합되는 분말체들이 자외선의 조사를 받은 후 여기를 정지하면, 수시로 광색을 변환할 수 있는 발광 다이오드를 입수할 수 있다.

본 발명의 상기에 기술하는 실시형태는 단순히 본 발명의 구체적인 실시예에 지나지 않고, 본 발명의 요지는 이들만에 협의적으로 제한되지 않으며, 모두 동시에 3종류의 주파장이 585nm - 640nm인 적색광과 500nm - 570nm인 녹색광과 430nm - 490nm인 청색광 등의 3원색을 발광할 수 있는 형광체에 다른 1종 이상의 형광분말을 합쳐 백색광 스펙트럼의 보강 및 수정하는 기능을 발휘할 수 있는 수단에 의해 높은 휘도와 높은 연색성을 취득할 수 있는 뛰어난 백색광 발광 다이오드를 취득하는 것을 목적으로 하여 실시되는 변화나 수정 등이 모두 본 발명의 특허 주장 범위 내에 들어가야 한다. 본 발명도 변색 가능한 발광 다이오드의 제조 방법에 관한 것이며, 인광 특성을 갖는 발광체를 상기 여러 종의 형광체 중 1개 또는 그 이상의 성분으로 함으로써 그 광색에 시간의 경과에 따라 다른 색채의 변화를 발생시킬 수 있다.

Claims

백색광원 제조 방법에 있어서,

발광원(radiation source) 역할을 하는 자외선 광을 제공하는 단계;

상기 자외선 광을 흡수하고, 개별적으로 적색, 청색 및 녹색광을 방출하기 위한 3종의 제1 형광체를 채용하는 단계; 및

상기 백색 광원의 휘도와 연색성(演色性, color rendering property)을 향상시키기 위해, 상기 3종의 제1 형광체에 의해 방출된 빛의 특성을 수정하는 적어도 하나의 제2 형광체를 채용하는 단계를 포함하는, 백색광원 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 제2 형광체는 자외선 광 또는 가시광에 의해 광학적으로 여기 가능한(optically excitable) 형광체인, 백색광원 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 제2 형광체는 여기된 후 녹색을 띤 광을 생성하고, 상기 녹색을 띤 광은 Y₃Al₅O₁₂ : Ce, Gd형 분말의 황녹색광 및 BaMgAl₁₀O₁₇ : Eu, Mn형 분말의 청록색광으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 백색광원 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 3종의 제1 형광체 각각 및 상기 제2 형광체는 고체 반응법 및 화학 합성법 중 하나에 의해 제조될 수 있고, 상기 화학 합성법은 구연산염 졸겔법, 공(共)-침전법 또는 마이크로 이멀젼(micro emulsion)법 중 하나인, 백색광원 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 자외선 광은 발광 다이오드(LED), 전자 빔, 및 플라즈마로 이루어진 그룹 중 어느 하나로부터 방출되는, 백색광원 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 형광체 및 제2 형광체 중 적어도 하나는 시간에 따라 변하는 갖가지 색을 제공하기 위한 형광 특성을 갖는, 백색광원 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 형광 특성을 갖는 상기 제1 및 제2 형광체는 자외선 또는 가시광선에 의해 여기되는, 백색광원 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 형광 특성을 갖는 제1 형광체 및 제2 형광체는 SrAl₂O₄ : Eu, M과, CaAl₂O₄ : Eu, M과, Sr₄Al₁₄O₂₅ : Eu, M과, Y₂O₂S : Eu, M, 및 ZnS : Cu, M으로 이루어진 그룹으로부터 선택되고, M은 전이금속 또는 희토류 원소인, 백색광원 제조 방법.