KR100950418B1 - Ln3Al5O12:Ce based fluorescent material and manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 청색 LED와 함께 사용되어 백색 LED를 구현하기 위한 황색 형광체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미늄가넷계이며, Ce을 첨가한 황색 형광체에 관한 것이다. 이 물질들은 단일 결정들이며, 뚜렷한 형상을 가진 다면체이다. 본 발명의 가넷계 형광체는 종래의 가넷계와는 결정구조가 상이하여 적색영역에서 발광특성이 우수하며, 발광효율이 우수하다. 본 발명에서는 이러한 다면체 결정구조를 가지는 가넷계 형광체의 제조방법도 아울러 제시한다. The present invention relates to a yellow phosphor for use in conjunction with a blue LED to implement a white LED, and more particularly, to an aluminum garnet-based and to a yellow phosphor added with Ce. These materials are single crystals and polyhedrons with distinct shapes. The garnet phosphor of the present invention has a different crystal structure from the conventional garnet system, and thus has excellent light emission characteristics in the red region and excellent light emission efficiency. The present invention also proposes a method for producing a garnet-based phosphor having such a polyhedral crystal structure.

본 발명에서는 하기의 <화학식 1>로 표시되는 화합물로서 다면체의 단일 결정구조를 가지며, 단일결정의 입자의 최소 크기가 적어도 200nm 이상인 것을 특징으로 하는 백색 LED용 가넷계 결정 형광체 및 그의 제조방법이 제공된다. In the present invention, a compound represented by the following <Formula 1> has a single crystal structure of a polyhedron, the minimum size of the particles of a single crystal is at least 200nm or more, characterized in that the garnet-based crystal phosphor for white LED and its manufacturing method are provided do.

<화학식 1><Formula 1>

Ln3Al5O12:CeLn 3 Al 5 O 12 : Ce

(여기서, Ln 은 Sm,Tb 로 구성되는 희토류 원소 그룹에서 선택되는 어느 하나임)Where Ln is any one selected from the group of rare earth elements consisting of Sm, Tb

청색 LED, 백색 LED, 고상 라이팅(solid state lighting), 가넷계 형광체, 다면체 결정 형광체, 전구체, 알루미늄알콕사이드, 무기염, 유기염, 형광흡수피크, 형광여기피크, 형광파장, 적색이동, 희토류 원소, 나노결정, 이트륨, 알루미늄, 세륨, 전구체의 혼합, 용매열(solvothermal) 반응, 결정성장, 색지수, 색온도  Blue LED, white LED, solid state lighting, garnet phosphor, polyhedral crystal phosphor, precursor, aluminum alkoxide, inorganic salt, organic salt, fluorescence absorption peak, fluorescence excitation peak, fluorescence wavelength, red shift, rare earth element, Nanocrystals, Yttrium, Aluminum, Cerium, Precursor Mixture, Solvothermal Reaction, Crystal Growth, Color Index, Color Temperature

Description

백색 엘이디용 가넷계 결정 형광체 및 이의 제조방법{Ln3Al5O12:Ce based fluorescent material and manufacturing method of the same}Garnet-based crystal phosphor for white LEDs and a method of manufacturing the same {Ln3Al5O12: Ce based fluorescent material and manufacturing method of the same}

본 발명은 발광다이오드(LED, Light Emitting Diode)의 형광체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래보다 색지수, 색온도 및 발광 특성이 획기적으로 개선된 백색 LED 용 다면체 결정구조의 황색 형광체 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a phosphor of a light emitting diode (LED), and more particularly, to a yellow phosphor having a polyhedral crystal structure for a white LED, in which the color index, color temperature, and luminescence properties are remarkably improved than before. It is about.

발광 다이오드(LED)란 갈륨,비소 등의 화합물에 전류를 흘려 빛을 발산하는 반도체소자의 일종으로서 각종 전자기기의 깜박이는 작은 불빛, 대형 전광판, TV 리모컨 등에 사용된다. 이러한 LED는 전력소비가 백열전구의 약 20%에 불과한데다 수명이 10만시간(형광등의 100배)에 달해 한 번 설치하면 교체나 유지보수가 거의 필요 없다는 장점이 있다. 현재 주목받고 있는 고휘도 LED는 청색 LED와 백색 LED가 있는데, 청색 LED는 휴대폰 키패드 및 LCD 액정표시장치의 백라이드(backlight) 광원으로 사용되고 있다. 또한, 백색 LED는 실내 조명기구로 사용이 가능한 것으로 일본의 니치아, 미국의 HP, 독일의 오스람이 생산하고 있다. 백색 LED는 기존의 광원에 비하여 극소형으로 소비전력이 적고 수명이 반영구적이며 예열시간이 없어 빠른 응답속도를 가질 뿐만 아니라 자외선과 같은 유해 방사선의 방출이 적고, 수은 및 방전용 가스를 사용하지 않아 환경 친화적인 조명 광원으로 기대되고 있다. A light emitting diode (LED) is a kind of semiconductor device that emits light by flowing a current through a compound such as gallium, arsenic, and the like, and is used in small flickering lights, large electronic displays, and TV remote controls of various electronic devices. These LEDs consume only about 20% of incandescent bulbs and have a lifetime of 100,000 hours (100 times that of fluorescent lamps), which means that once installed, they require little replacement or maintenance. At present, the high-brightness LED that is attracting attention is a blue LED and a white LED, which is used as a backlight source of a mobile phone keypad and LCD liquid crystal display. In addition, white LEDs can be used as indoor lighting fixtures, produced by Nichia in Japan, HP in the US, and OSRAM in Germany. Compared with conventional light sources, white LEDs have a smaller power consumption, a semi-permanent lifetime, and no preheating time, resulting in a faster response speed, less emission of harmful radiation such as ultraviolet rays, and no mercury or discharge gas. It is expected to be a friendly lighting source.

흰빛을 내는 백색 LED를 구현하는 방법으로는 청색 또는 자색 LED 칩에 형광물질을 결합하여 백색을 얻는 단일 칩 방법과 서로 보색관계에 있는 2개의 LED를 결합하거나 몇 개의 LED 칩을 조합하여 백색을 얻는 멀티칩 방법이 있다. 후자의 방벙으로 백색광을 구현하는 경우 발광소자(LED)의 색조나 휘도 등의 분산으로 인하여 원하는 백색을 발생시키기 어렵다는 문제가 있으며, 또한 발광소자가 각각 상이한 재료로 형성되는 경우 각 발광소자의 구동전력 등이 달라 각각의 소자에 소정의 전압을 인가할 필요가 있어 구동회로가 복잡하게 된다는 문제가 있다. 그리고 발광소자가 반도체 발광소자이므로 각각의 온도특성 및 시간 경과에 따른 변화가 달라 색조가 사용환경에 따라 변화하거나 각 발광소자에 의해서 발생하는 광을 균일하게 혼색시킬 수 없어 색 얼룩이 생기는 등 문제가 있다. To implement white LED that emits white light, a single-chip method of combining white or blue LED lamp with fluorescent material and white LED by combining two LEDs complementary to each other or combining several LED chips to obtain white There is a multichip method. When the white light is implemented by the latter method, there is a problem that it is difficult to generate desired white color due to dispersion of color tone or brightness of the light emitting device (LED), and when the light emitting devices are formed of different materials, the driving power of each light emitting device Since there is a need to apply a predetermined voltage to each element due to the difference, the driving circuit is complicated. In addition, since the light emitting device is a semiconductor light emitting device, there are problems such as color tone change due to different temperature characteristics and changes over time, and color tone may vary depending on the usage environment, or the light generated by each light emitting device may not be uniformly mixed. .

전술한 멀티 칩 방식의 백색광 구현방법의 문제점을 해결하기 위하여 일본의 니치아사에 의하여 일본 특허청에 출원된 특개평 5-152609호, 특개평 7-99345호, 특개평 7-176794호 등에서는 발광소자로서 청색계 발광이 가능한 발광소자를 이용하고 이러한 발광소자에 그 발광을 흡수하여 황색계 광을 발광시키는 수지를 몰딩함으로써 백색계 광을 발광시킬수 있는 백색 LED 구현 기술을 개시하고 있다. In order to solve the problems of the above-described multi-chip type white light implementation method, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-152609, Japanese Patent Laid-Open No. 7-99345, Japanese Patent Laid-Open No. 7-176794, etc. filed by Nichia in Japan As a white LED, a light emitting device capable of emitting blue light is disclosed, and a white LED realization technology capable of emitting white light by molding a resin that absorbs light emission and emits yellow light is emitted to the light emitting device.

이와 같은 종래의 백색 LED에서는 청색 LED에 결합하는 황색 형광체로서 가넷계 형광체나 실리카이트계 형광체를 사용하는데, 가넷계 형광체인 황색발광 YAG:Ce 형광체는 적색파장 영역의 형광이 부족하여 차가운 백색(cold white)광을 방출한다. 따라서 종래의 가넷계 형광체에 의한 백색광의 LED는 색지수가 낮고 색 온도가 높다는 단점이 있다. 따라서, 현재까지 개발된 가넷계 형광체보다 발광효율이 더 우수하고 적색파장 영역의 발광특성이 우수한 형광체의 개발이 요구되고 있다. 현재 백색광의 구현에 주로 사용되는 가넷계와 실리카이트계 형광체는 이러한 요구조건을 충족시키는데 한계가 있으며, 새로운 결정구조를 가지는 형광모체와 활성이온을 함유한 신규의 형광체의 개발이 절실히 요청되고 있는 실정이다.In the conventional white LED, a garnet-based or silicate-based phosphor is used as a yellow phosphor that binds to a blue LED. The yellow-emitting YAG: Ce phosphor, which is a garnet-based phosphor, lacks fluorescence in a red wavelength region and is cold white (cold). white) Emits light. Therefore, the LED of the white light by the conventional garnet-based phosphor has a disadvantage that the color index is low and the color temperature is high. Therefore, there is a demand for the development of phosphors that have better luminous efficiency and excellent luminous characteristics in the red wavelength region than the garnet-based phosphors developed to date. Garnet-based and silicate-based phosphors, which are mainly used for the realization of white light, are limited in meeting these requirements, and there is an urgent need for the development of new phosphors containing a new crystal structure and a phosphor containing active ions. to be.

본 발명의 목적은 종래의 Y3Al5O12:Ce와는 그 결정구조가 달라 결정구조가 안정적이면서도 형광효율이 높으며, 적색 파장영역에서 발광특성이 특히 우수하여 색지수가 높고 색온도가 낮은 백색 LED를 구현하기 위한 가넷계( Sm3Al5O12:Ce, Gd3Al5O12:Ce, Tb3Al5O12:Ce, Y3Al5O12:Ce)결정 형광체를 제공하는 것이다. An object of the present invention is different from the conventional Y 3 Al 5 O 12 : Ce, the crystal structure is stable and crystal structure is stable and high fluorescence efficiency, especially in the red wavelength region of the excellent light emission characteristics white LED with high color index and low color temperature To provide a garnet-based (Sm 3 Al 5 O 12 : Ce, Gd 3 Al 5 O 12 : Ce, Tb 3 Al 5 O 12 : Ce, Y 3 Al 5 O 12 : Ce) crystal phosphor.

본 발명의 다른 목적은 종래 가넷계 황색 형광체의 제조방법에 비하여 제조온도가 낮아 열손실이 적으며, 별도의 분쇄과정이 필요 없어 공정이 간단한 가넷계 결정 황색 형광체의 제조방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method for producing a garnet-based yellow crystalline phosphor is simple compared to the manufacturing method of the garnet-based yellow phosphor, the heat loss is low, the process is simple because no separate grinding process.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 하기의 <화학식 1>로 표시되는 화합물로서 다면체의 단일 결정구조를 가지며, 단일결정의 입자의 최소 크기가 적어도 200nm 이상인 것을 특징으로 하는 백색 LED용 가넷계 결정 형광체를 제공한다.
<화학식 1>
Ln3Al5O12:Ce
(여기서, Ln 은 Sm 및 Tb 로 구성되는 희토류 원소 그룹에서 선택되는 어느 하나임)
In order to achieve the above object, in the present invention, a compound represented by the following <Formula 1> has a single crystal structure of a polyhedron, the minimum size of the particles of a single crystal is at least 200nm or more garnet system for white LED It provides a crystalline phosphor.
<Formula 1>
Ln 3 Al 5 O 12 : Ce
Where Ln is any one selected from the group of rare earth elements consisting of Sm and Tb

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여기서, 상기 형광체의 형광흡수파장은 420~500 nm 영역에 있고, 형광흡수의 피크파장이 430~495 nm 범위인 것이 바람직하다. Here, the fluorescence absorption wavelength of the phosphor is in the 420 ~ 500 nm region, the peak wavelength of the fluorescence absorption is preferably in the range of 430 ~ 495 nm.

또한, 상기 형광체는 470 nm의 광으로 여기 하였을 때 형광의 발광영역이 470~700 nm의 파장영역에 이르며, 형광의 발광영역의 피크가 500~650 nm 범위 내인 것이 바람직하다. In addition, when the phosphor is excited with light of 470 nm, the emission region of fluorescence reaches a wavelength region of 470-700 nm, and the peak of the emission region of fluorescence is preferably in the range of 500-650 nm.

본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 상기 특징을 가지는 백색 LED용 결정 형광체와 청색 LED를 사용하여 형성되는 백색 발광 LED가 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a white light emitting LED formed by using a crystal phosphor for a white LED having the above characteristics and a blue LED.

본 발명의 또 다른 일 측면에 의하면, 하기의 <화학식 1>로 표시되는 화합물로서 다면체의 단일 결정구조를 가지며, 단일결정의 입자의 최소 크기가 적어도 200nm 이상인 것을 특징으로 하는 백색 LED용 가넷계 결정 형광체의 제조방법에 관한 것으로서,
<화학식 1>
Ln3Al5O12:Ce
(여기서, Ln은 Sm 및 Tb 로 구성되는 희토류 원소 그룹에서 선택되는 어느 하나임)
(a) Ln의 전구체, Al의 전구체 및 Ce의 전구체를 알코올 용매에 균일하게 녹이는 전구체의 혼합단계; 및
(b) 상기 혼합 용액을 280~350 ℃의 온도범위에서 24시간 이상 서서히 열처리하여 입자의 최소 크기가 200nm 이상인 다면체 단일 결정으로 성장시키는 단계
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 백색 LED용 가넷계 결정 형광체의 제조방법이 제시된다.
According to another aspect of the present invention, a compound represented by the following <Formula 1> has a single crystal structure of a polyhedron, the minimum size of the particles of the single crystal is at least 200nm or more garnet-based crystals for white LED Regarding the manufacturing method of the phosphor,
<Formula 1>
Ln 3 Al 5 O 12 : Ce
Where Ln is any one selected from the group of rare earth elements consisting of Sm and Tb
(a) mixing a precursor for uniformly dissolving a precursor of Ln, a precursor of Al, and a precursor of Ce in an alcohol solvent; And
(b) gradually heat-treating the mixed solution in a temperature range of 280 ~ 350 ℃ for more than 24 hours to grow into a polyhedral single crystal having a minimum size of particles of 200nm or more
A method for producing a garnet-based crystalline phosphor for white LED is provided, comprising a.

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여기서, 상기 Ln의 전구체는 희토류 무기염 또는 희토류 유기염 중에서 선택되고, 상기 Al의 전구체는 알루미늄알콕사이드 중에서 선택되며, 상기 Ce의 전구체는 세륨 무기염 또는 세륨 유기염 중에서 선택된다. Herein, the precursor of Ln is selected from rare earth inorganic salts or rare earth organic salts, the precursor of Al is selected from aluminum alkoxides, and the precursor of Ce is selected from cerium inorganic salts or cerium organic salts.

본 발명의 가넷계 다면체 결정 형광체는 청색과 녹색 영역에서 높은 흡수피크를 나타내며, 황색과 적색 파장영역에서 종래의 가넷계 형광체보다 형광특성이 특히 우수하므로 청색 발광 LED와 결합하여 색지수가 우수하고 색온도가 낮은 백색 발광 LED를 제작하는 것이 가능하다는 장점이 있다. The garnet polyhedral crystal phosphor of the present invention exhibits a high absorption peak in the blue and green region, and is particularly excellent in fluorescence characteristics than the conventional garnet-based phosphor in the yellow and red wavelength ranges. There is an advantage that it is possible to fabricate a low white light emitting LED.

본 발명의 가넷계 결정 형광체의 제조방법에 의하면 종래 가넷계 형광체의 제조공정에 비하여 상대적으로 저온영역에서 제조가 가능하므로 에너지 효율이 우수하며, 다면체의 결정상으로 생성되므로 종래의 형광체와는 달리 별도의 분쇄과정이 필요 없게 되어 공정 수가 단축된다는 이점이 있다. According to the method of manufacturing a garnet-based crystalline phosphor of the present invention, it is possible to manufacture in a relatively low temperature region compared to the process of manufacturing a garnet-based phosphor, which is superior in energy efficiency, and is produced as a polyhedral crystal phase. There is an advantage that the number of processes is shortened because the grinding process is unnecessary.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 백색 LED용 가넷계 결정 형광체 및 그 제조방법에 관하여 상술한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a garnet-based crystal phosphor for a white LED of the present invention and a manufacturing method thereof will be described in detail.

본 발명에 따른 황색 형광체는 하기의 <화학식 1>로 표시되는 가넷계 결정 형광체이다. The yellow phosphor according to the present invention is a garnet-based crystal phosphor represented by the following <Formula 1>.

<화학식 1><Formula 1>

Ln3Al5O12:CeLn 3 Al 5 O 12 : Ce

상기식에서 Ln는 Gd, Sm, Tb, Y 등 희토류 원소이다.In the above formula, Ln is a rare earth element such as Gd, Sm, Tb, or Y.

백색 발광 LED는 청색 발광 LED와 황색 형광을 방출하는 형광체로 구성된다. 청색 발광 LED는 발광효율이 높으며 10만 시간 이상 사용할 수 있는 등 기술적인 문제가 거의 해결되었다. 이러한 백색 LED용 형광체에 대하여 근자에는 (i)현재까지 개발된 형광체보다 효율이 높고, (ii) 현재까지 개발된 가넷계 형광체보다 적색 파장 영역의 형광특성이 우수하여 따듯한 백색(warm white)의 백색 LED를 제작할 수 있는 형광체의 개발이 요구되고 있다. The white light emitting LED is composed of a blue light emitting LED and a phosphor emitting yellow fluorescence. The blue light-emitting LED has a high luminous efficiency and can be used for more than 100,000 hours. Thus, technical problems are almost solved. For the white LED phosphor, in recent years, (i) the efficiency is higher than that of the phosphors developed so far, and (ii) the warm white color is superior to the fluorescence characteristics of the red wavelength region than the garnet-based phosphors so far developed. There is a demand for development of phosphors capable of producing LEDs.

기존의 야그계 형광체에서는 형광효율을 높이기 위하여 광활성 이온인 Ce3 +의 보조제로서 다른 희토류 이온을 소량 첨가한다. 보조제로 첨가한 이온은 Ce3 +의 광흡수효율을 증가시키거나 형광효율을 증가시키며 주로 Tb3 +, Ga3 +, Eu2 + 등이 이에 해당한다.In a conventional YAG-based fluorescent material will be small amount of other rare earth ions as auxiliary agent in optically active ion of Ce 3 + to increase the fluorescence efficiency. Ions added as auxiliaries increase the light absorption efficiency or increase the fluorescence efficiency of Ce 3 + , mainly Tb 3 + , Ga 3 + , Eu 2 + .

적색파장영역의 형광특성을 우수하게 하기 위해서는 (i)적색파장영역에서 형광을 방출하는 이온(형광보조제)을 첨가하거나, (ii)Y 보다 큰 이온을 Y 자리에 치환하여 Ce3 +의 결정장을 변화시키는 방법이 있다. In order to make excellent fluorescence properties of the red wavelength region (i) adding the ion (fluorescence adjuvants) which emits fluorescence in the red wavelength region, or, (ii) by replacing the large ion than the Y to Y position Chapter determination of Ce 3 + There is a way to change.

형광보조제로 첨가되는 이온은 적색파장영역에서 형광을 방출하는 원소들이며, Pr3 +, Cr3 +, Dy3 +, Eu3 +등이 이에 해당한다. 그러나 형광보조제를 첨가한다고 하여도 적색 파장영역에서 형광특성이 뚜렷이 향상되었다는 결과는 현재까지 보고되지 않고 있다.Ions to be added to the adjuvant is a fluorescent deulyimyeo element that emits fluorescent light in a red wavelength region, Pr + 3, Cr + 3, Dy + 3, Eu 3 +, etc. corresponds to this. However, even if the addition of the fluorescent adjuvant has not been reported to the result that the fluorescence characteristics in the red wavelength region is significantly improved.

야그에 첨가한 Ce3+ 이온의 에너지는 Ce3+ 주위의 원자나 이온의 배치에 의하여 좌우된다. 이를 결정장이라 하며, 이웃한 원자의 거리, 대칭성에 따라 이온의 에너지 크기와 분리가 좌우된다. 야그에서 Ce3+ 주위에는 산소원자 8개가 이웃하고 있으며, 다음으로 Y 원자 12개가 자리한다. Ce3+ 이온의 에너지 준위는 Ce3+ 주위에 배치한 산소원자나 Y 등 양이온의 전하, 크기, 대칭성에 의해 직접적으로 영향을 받으며, 에너지 준위의 변화로 형광스펙트럼의 파장을 바꿀수 있다. 야그계 황색 형광체에서는 Y3+보다 큰 이온인 Tb3+, Gd3+, Sm3+, La3+ , ...등의 이온을 Y3+이온과 치환하여 형광스펙트럼을 변화시키고 있으며, 이들 이온의 치환량이 증가하면 Ce3+의 형광파장도 적색영역으로 이동한다. Tb3+이온을 소량 치환하면 형광효율이 증가하고 형광파장의 적색이동이 나타난다. Tb3+, Sm3+, Gd3+등의 치환량이 전체 몰수 대비 5%이상을 초과하면 형광파장이 적색이동 하지만 형광효율은 급격히 감소한다. 적색파장영역의 형광특성이 우수한 기존의 야그계 형광체는 양이온의 치환에 따른 형광파장의 적색이동을 이용한 것이며, 순수한 야그계 형광체에 비해서 형광 효율은 낮은 것이 사실이다. Y3+, Tb3+, Sm3+, Gd3+, La3+ 등이 배위수 8의 환경에 있을 때 이온의 크기를 표 1에 나타내었다. 표 1은 CRC Handbook of Chemistry and Physics(84판)에서 발췌하였다.The energy of Ce 3+ ions added to the yag depends on the arrangement of atoms or ions around Ce 3+ . This is called the crystal field, and the energy size and separation of ions depend on the distance and symmetry of neighboring atoms. In Yag, eight oxygen atoms are adjacent to Ce 3+ , followed by twelve Y atoms. The energy level of Ce 3+ ions is directly affected by the charge, size, and symmetry of oxygen atoms and cations such as Y, which are arranged around Ce 3+ , and the wavelength of the fluorescence spectrum can be changed by changing the energy level. In the YAG-based yellow phosphor, fluorescence spectra are changed by replacing ions larger than Y 3+ with ions such as Tb 3+ , Gd 3+ , Sm 3+ , La 3+ , ... with Y 3+ ions. As the amount of substitution of ions increases, the fluorescence wavelength of Ce 3+ shifts to the red region. Substitution of a small amount of Tb 3+ ions increases the fluorescence efficiency and causes a red shift in the fluorescence wavelength. When the substitution amount of Tb 3+ , Sm 3+ and Gd 3+ exceeds 5% of the total moles, the fluorescence wavelength shifts red but the fluorescence efficiency decreases drastically. Conventional yag-based phosphors having excellent fluorescence characteristics in the red wavelength region utilize red shift of the fluorescence wavelength due to the substitution of cations, and the fluorescence efficiency is lower than that of pure yag-based phosphors. Table 1 shows the size of ions when Y 3+ , Tb 3+ , Sm 3+ , Gd 3+ , La 3+ and the like are in an environment of coordination number 8. Table 1 is taken from the CRC Handbook of Chemistry and Physics (84th edition).

표 1. 배위수가 8일때 희토류 이온의 크기 Table 1.Size of rare earth ions at coordination number 8

이온ion Y3+ Y 3+ Tb3+ Tb 3+ Gd3+ Gd 3+ Sm3+ Sm 3+ La3+ La 3+ 반경(Å)Radius 1.0151.015 1.041.04 1.061.06 1.091.09 1.181.18

현재까지 개발된 백색 LED나 이를 응용한 고상 라이팅(solid state lighting)의 문제점 중 하나는 색온도가 높고, 색지수가 낮은 차가운 백색(cold white)이다. 이를 보완한 따듯한 백색(warm white)의 백색 LED는 현재 색지수를 높이기 위하여 효율이 낮은 황색 형광체를 사용하고 있으며, 이는 색지수와 형광효율이 동시에 우수한 형광모체를 개발하지 못한 결과에 기인하는 것이다. One of the problems with white LEDs developed to date or solid state lighting using them is cold white with high color temperature and low color index. The warm white white LED that compensates for this is currently using a low-efficiency yellow phosphor to increase the color index, which is due to the failure to develop a fluorescent matrix with excellent color index and fluorescence efficiency.

종래의 Y3Al5O12를 합성하는 온도는 1500℃ 이상으로 알려져 있으며, Sm3Al5O12와 Gd3Al5O12를 합성하는 온도는 Y3Al5O12를 합성하는 온도보다 높을 것으로 추정되어 왔으며 안정한 합성법이 알려져 있지 않고 있었다. 본 발명에서는 용매열(solvothermal) 방법으로 280℃ 내지 350℃의 낮은 온도에서 Sm3Al5O12와 Gd3Al5O12의 결정을 직접 성장하는 방법을 개발하였다. Ce을 첨가한 Sm3Al5O12와 Gd3Al5O12는 황색 형광체로 적색파장영역에서 발광특성이 Y3Al5O12:Ce에 비하여 매우 우수하였다. 이를 응용하면 색지수가 높으면서도 형광효율도 우수한 백색 LED를 제작하는 것이 가능하다. The temperature for synthesizing Y 3 Al 5 O 12 is known to be 1500 ° C. or higher, and the temperature for synthesizing Sm 3 Al 5 O 12 and Gd 3 Al 5 O 12 may be higher than the temperature for synthesizing Y 3 Al 5 O 12 . It has been estimated that no stable synthesis is known. In the present invention, a method of directly growing crystals of Sm 3 Al 5 O 12 and Gd 3 Al 5 O 12 at a low temperature of 280 ° C. to 350 ° C. was developed by a solvent thermal method. Sm 3 Al 5 O 12 and Gd 3 Al 5 O 12 added with Ce were yellow phosphors, and their luminescent properties were excellent in Y 3 Al 5 O 12 : Ce in the red wavelength region. By applying this, it is possible to manufacture a white LED having a high color index and excellent fluorescence efficiency.

알루미늄가넷계(Ln3Al5O12)의 물질은 희토류 산화물(Ln2O3)과 알루미나(Al2O3)가 3:5의 몰비율로 구성되어 있으며 현재 매우 높은 온도에서 합성되고 있다. 희토류 원소가 16종(Sc, Y 포함)이므로 화학적으로는 16종의 Ln3Al5O12가 존재할 수 있으 나 La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm 등 큰 이온의 가넷은 그 존재가 알려져 있지 않으며, 이온의 반지름이 클수록 가넷구조를 형성하기 어려운 것으로 알려져 있다.The material of the aluminum garnet (Ln 3 Al 5 O 12 ) is composed of a rare earth oxide (Ln 2 O 3 ) and alumina (Al 2 O 3 ) in a molar ratio of 3: 5 and are currently synthesized at very high temperatures. Since there are 16 rare earth elements (including Sc and Y), 16 kinds of Ln 3 Al 5 O 12 may exist chemically, but the presence of large garnets such as La, Ce, Pr, Nd, Pm, and Sm is known. It is known that the larger the radius of ions, the more difficult it is to form a garnet structure.

백색 LED용 황색 형광체의 대표 물질인 Y3Al5O12:Ce에서는 형광파장을 적색이동시키기 위하여 이온반경이 큰 Gd, Sm, Tb 등의 물질을 Y 자리에 치환하고 있다. 그러나 Gd, Sm, Tb 등을 치환하면 형광파장은 적색이동하지만 형광효율이 감소하여 형광체로 사용하기 어렵다. Y3Al5O12에 Gd, Sm, Tb 등을 다량으로 치환하면, 결정구조의 무질서도(disorder)가 증가하여 활성이온인 Ce3 +의 형광효율이 감소하는 것으로 추정되고 있다. 따라서, 만약 이온반경이 큰 단일 원소로 구성된 가넷을 합성할 수 있으면 형광파장을 적색이동시킬 수 있으며, 단일 원소로 구성된 가넷은 구조적으로 안정하며 Ce3 +의 형광효율 감소도 나타나지 않을 것이다. 본 발명에서는 이와같은 물리적인 분석에 따라 안정한 Y3Al5O12, Tb3Al5O12, Gd3Al5O12, Sm3Al5O12 등의 결정을 합성하였으며, 각각의 가넷에 Ce을 첨가하여 황색 형광체를 구현하였다. 그 중에서 Sm3Al5O12은 아직까지 보고되지 않은 신규한 물질이며, Ce을 첨가한 Gd3Al5O12 황색 형광체도 알려지지 않은 물질이다. 각 물질의 형광스펙트럼은 예상과 같이 적색 이동하였으며 형광효율의 감소도 나타나지 않았다.In Y 3 Al 5 O 12 : Ce, which is a representative material of a yellow phosphor for white LEDs, substances such as Gd, Sm, and Tb having large ionic radii are replaced at Y sites in order to shift the fluorescence wavelength red. However, if Gd, Sm, Tb, etc. are substituted, the fluorescence wavelength shifts red, but the fluorescence efficiency decreases, making it difficult to use as a phosphor. Y 3 Al 5 O 12 when substituted for Gd, Sm, Tb, etc. in a large amount in, it is estimated that the disorder of the crystal structure Figure (disorder) increases to reduce the activity of ion fluorescence efficiency of Ce + 3. Thus, if a radius of the ion can be synthesized garnet consists of a large single element may be red-shift the emission wavelength, will also be missing garnet is structurally stable and fluorescence efficiency reduction of Ce + 3 consisting of a single element. In the present invention, stable crystals of Y 3 Al 5 O 12 , Tb 3 Al 5 O 12 , Gd 3 Al 5 O 12 , Sm 3 Al 5 O 12, and the like were synthesized according to the physical analysis. Was added to implement a yellow phosphor. Among them, Sm 3 Al 5 O 12 is a novel substance that has not been reported yet, and a Gd 3 Al 5 O 12 yellow phosphor added with Ce is also unknown. The fluorescence spectrum of each material shifted red as expected and there was no decrease in fluorescence efficiency.

본 발명의 가넷계 결정 형광체는 (i)현재까지 개발되지 않은 새로운 형태의 형광체이다. (ii)기존의 YAG:Ce 형광체는 주로 구형이나 본 발명의 가넷계 결정 형광체는 다면체의 결정상태이다. (iii)본 발명의 가넷계 결정 형광체 중에서 Gd3Al5O12:Ce와 Sm3Al5O12:Ce는 적색 파장 영역에서 발광특성도 매우 우수하여 색지수가 높은 백색 LED를 개발하는데 매우 적합하다.The garnet crystal phosphor of the present invention is (i) a new type of phosphor that has not been developed to date. (ii) The existing YAG: Ce phosphor is mainly spherical, but the garnet crystal phosphor of the present invention is in the polyhedral crystal state. (iii) Gd 3 Al 5 O 12 : Ce and Sm 3 Al 5 O 12 : Ce among the garnet-based crystalline phosphors of the present invention have excellent luminescence properties in the red wavelength region and are well suited for developing a white LED having a high color index. Do.

본 발명에서는 후술할 형광체의 제조방법에 의하여 이러한 가넷계 결정 형광체를 합성하는 것이 가능하도록 하였으며, 결국 Ce3 +을 첨가한 가넷계 다면체 결정 형광체를 제공할 수 있게 되었다. 본 발명의 형광체는 기존의 YAG:Ce 형광체와 비교하여 형광효율이 우수하며, 적색파장영역의 형광특성이 더 우수하다. 이러한 본 발명의 가넷계 결정 형광체의 우수성은 도면을 참조하여 후술한다. In the present invention, was to be able to synthesize these garnet phosphors determined by the method of manufacturing the phosphor will be described later, eventually able to provide a polyhedral crystal garnet phosphor was added to Ce + 3. Phosphor of the present invention is excellent in fluorescence efficiency compared to the conventional YAG: Ce phosphor, and excellent in the fluorescence characteristics of the red wavelength region. The superiority of the garnet-based crystal phosphor of the present invention will be described later with reference to the drawings.

본 발명의 알루미늄가넷계 황색 형광체를 제조하는 공정은 (1)전구체의 혼합과 (2)결정성장의 2 가지 과정으로 이루어져 있으며 그 자세한 공정은 다음과 같다.The process for producing the aluminum garnet-based yellow phosphor of the present invention consists of two processes: (1) precursor mixing and (2) crystal growth. The detailed process is as follows.

(1)전구체의 혼합 과정(1) mixing process of precursors

본 발명의 알루미늄가넷계 형광체를 제조하기 위해서는 알코올에 희토류원소의 전구체, Al 알콕사이드, Ce 전구체를 균일하게 녹이고 혼합한다. 희토류원소의 전구체와 Al의 전구체의 몰 비는 화학적 정량 비인 3:5=1:1.67 이어야 하며 치환하는 원소의 종류나 양에 따라 전구체의 몰 비를 3:4.95에서 3:5.05까지 가감할 수 있다. 용매에 대한 전구체의 농도는 0.05 몰 농도보다 작을 때 합성한 반응물이 충분히 결정화되며, 전구체의 농도가 0.05 몰 농도보다 클 때는 결정화되지 않은 반응물이 남는다.In order to manufacture the aluminum garnet-based phosphor of the present invention, a precursor of rare earth element, Al alkoxide and Ce precursor are uniformly dissolved and mixed with alcohol. The molar ratio of the precursor of the rare earth element and the precursor of Al should be 3: 5 = 1: 1.67, which is a chemical quantitative ratio, and the molar ratio of the precursor can be added or subtracted from 3: 4.95 to 3: 5.05 according to the type or amount of the element to be substituted. . When the concentration of the precursor to the solvent is less than 0.05 molar concentration, the synthesized reactant is sufficiently crystallized, and when the concentration of the precursor is greater than 0.05 molar concentration, the uncrystallized reactant remains.

알루미늄가넷계 황색 형광체의 제조에 사용된 전구체는 희토류 원소의 초산 염, 질산염, 아세틸아세토네이트염, 2에틸헥사노에트염 등의 희토류 유·무기염을 사용할 수 있다. 알루미늄을 포함한 전구체로는 알루미늄메톡사이드, 알루미늄에톡사이드, 알루미늄프로폭사이드, 알루미늄부톡사이드 등 알코올에 용해하거나 섞이는 알루미늄알콕사이드가 이에 포함된다. 반응에 사용되는 용매는 메탄올, 에탄올, 1- 프로판올, 2-프로판올, 부탄올, 2-메톡시에탄올 등 알코올류와 앞에서 언급한 전구체를 용해할 수 있는 유기용매이다.As the precursor used for the production of the aluminum garnet-based yellow phosphor, rare earth organic / inorganic salts such as acetate salts, nitrate salts, acetylacetonate salts and 2 ethyl hexanoate salts of rare earth elements can be used. Precursors including aluminum include aluminum alkoxides that are dissolved or mixed in alcohols such as aluminum methoxide, aluminum ethoxide, aluminum propoxide and aluminum butoxide. The solvent used for the reaction is an organic solvent capable of dissolving alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, butanol, 2-methoxyethanol and the aforementioned precursors.

(2) 결정성장과정(2) Crystal Growth Process

희토류원소의 전구체와 알루미늄의 전구체를 균일하게 섞은 용액을 고압반응기에 넣어서 가열하여 결정화한다. 이 반응과정에서 전구체가 열분해하며 , 높은 온도의 열에너지와 높은 압력의 기계적 에너지에 의해 서서히 결정으로 성장한다. 유기용액을 용매로 하여 고온과 고압에서 결정을 성장하는 방법을 용매열(solvothermal) 결정성장이라 하며, 본 발명에서는 용매열(solvothermal) 방법으로 가넷 결정 형광체를 획득하였다. A solution of a homogeneous mixture of a rare earth element and an aluminum precursor is placed in a high pressure reactor and heated to crystallize. During this reaction, the precursors pyrolyze and grow slowly into crystals by high temperature thermal energy and high pressure mechanical energy. A method of growing crystals at high temperature and high pressure using an organic solution as a solvent is called solvent thermal crystal growth. In the present invention, garnet crystal phosphors were obtained by a solvent thermal method.

결정을 성장시키는 온도는 280℃부터 350℃의 범위인 것이 좋으며, 24시간 이상의 시간 동안 가열한다. 결정성장의 온도와 압력은 용매의 종류와 용질의 양에 따라 가변할 수 있으며, 결정성장 시간도 가감할 수 있다. 결정성장의 시간은 성장된 결정의 수율에 관계한다.그러나 결정성장의 온도가 높으면 고압반응기 안의 압력도 급격히 증가하므로 주의하여야 한다. 또한 고온에서 유기용매는 산화, 폭발등의 위험을 내포하므로 충분한 주의를 기울여야 한다. 결정성장 후 침전물을 취하고 용액은 따로 관리한다. 이 침전물에는 반응의 지꺼기와 불순물 등이 포함되어 있으 므로 알코올과 물로 세척, 묽은 산으로 세척하고 공기중에서 건조한다. 다면체의 결정으로 성장한 알루미늄가넷계 형광체는 후열처리과정이나 환원과정이 필요하지 않으므로 종래에 비하여 매우 효율적이나 별도의 후열처리와 환원과정을 통하여 합성된 결정의 상태를 이완하고 첨가한 Ce를 환원하는 것을 배제하는 것을 아니다. The temperature at which the crystal is grown is preferably in the range of 280 ° C to 350 ° C and is heated for at least 24 hours. The temperature and pressure of crystal growth may vary depending on the type of solvent and the amount of solute, and the crystal growth time may also be added or subtracted. The time of crystal growth is related to the yield of grown crystals, but care must be taken when the temperature of the crystal growth is high, the pressure in the high pressure reactor increases rapidly. In addition, at high temperatures, organic solvents pose a risk of oxidation and explosion, so care must be taken. After crystal growth, a precipitate is taken out and the solution is managed separately. Since this precipitate contains reaction wastes and impurities, it is washed with alcohol and water, with dilute acid and dried in air. Aluminum garnet phosphors grown by polyhedral crystals do not require post-heating or reducing processes, but are more efficient than conventional ones. However, it is necessary to relax the state of the synthesized crystals through a separate post-heating and reducing process and reduce the added Ce. It is not to exclude.

이상과 같은 단계를 거치면 본 발명의 가넷계 결정 황색 형광체가 획득된다. 전통적인 고상반응법에서는 1500 ℃의 온도에서 YAG를 합성하고 있으나 본 발명의 가넷계 결정 황색 형광체 350 ℃ 이하의 온도에서도 합성이 가능하므로 형광체의 합성과정에서 소요되는 에너지를 절약할 수 있다는 장점이 있다. Ce3+의 형광효율을 높이기 위해서는 합성과정에서 생성된 Ce4 +를 환원하는 과정이 반드시 필요한데 종래의 YAG:Ce 형광체는 1500 ℃의 온도에서 환원과정을 수행해야하나 본 발명의 가넷계 결정 형광체는 별도의 환원처리 과정이 필요하지 않으므로 종래의 YAG:Ce 제조공정에 비하여 에너지를 절약효과가 뛰어나다. By the above steps, the garnet-based crystalline yellow phosphor of the present invention is obtained. In the conventional solid phase reaction method, YAG is synthesized at a temperature of 1500 ° C., but since the synthesis is possible even at a temperature of less than 350 ° C. of the garnet-based crystalline yellow phosphor of the present invention, there is an advantage in that energy required for the synthesis of the phosphor can be saved. In order to increase the fluorescence efficiency of Ce 3+ the step of reducing the Ce 4 + generated by the synthesis process must need the conventional YAG: Ce phosphor is a garnet crystal phosphors of the present invention must perform a reduction process at a temperature of 1500 ℃ is Since no additional reduction treatment is required, the energy saving effect is excellent compared to the conventional YAG: Ce manufacturing process.

종래의 YAG:Ce 형광체는 535 nm를 피크로 하는 형광스펙트럼을 가지는데, YAG:Ce 형광체와 470 nm의 청색 LED를 사용하여 SMD 방법으로 제작한 백색 LED의 발광은 색온도가 높고 색지수가 낮아서 차가운 백색(cold white)라 불리우는데, 이를 극복하기 위해서는 적색파장영역의 형광이 우수한 형광체의 개발이 요청되었던 것이다. 종래 가넷계의 형광체에서는 Y 원자의 자리에 Gd, Tb, La 등을 치환한 형광체를 합성하여 적색영역의 형광효율을 증대시키는 시도가 있었으나 이러한 방법은 적색영역의 형광은 상대적으로 우수하나, 전체적인 형광효율은 감소하여 결국 색지수를 높이지는 못하는 결과가 된다는 단점이 있었음은 이미 기술한 바 있다. 종래의 YAG는 매우 안정한 결정상을 이루므로 Y 원자 자리에 크기가 다른 Gd, Tb, La 등을 치환하여도 Ce3 + 이온에 작용하는 결정장의 변화가 미미하여 형광파장의 적색이동이 작으며, 모체 원소의 치환에 따른 Ce3 + 이온의 형광이 오히려 감쇠(quenching)하여 전체적인 형광효율의 감소가 나타나는 문제가 있다. 그러나 본 발명의 가넷계 결정 형광체인 Sm3Al5O12:Ce, Gd3Al5O12:Ce, Tb3Al5O12:Ce는 형광파장이 적색영역으로 이동특성이 매우 뛰어나다..Conventional YAG: Ce phosphors have a fluorescence spectrum with a peak of 535 nm. The light emission of white LEDs produced by the SMD method using YAG: Ce phosphors and 470 nm blue LEDs is high in color temperature and low in color index. It is called cold white, and in order to overcome this, development of a phosphor having excellent fluorescence in the red wavelength region has been required. Conventional garnet-based phosphors have synthesized phosphors substituted with Gd, Tb, and La in place of Y atoms to increase the fluorescence efficiency of the red region. However, in this method, the fluorescence of the red region is relatively excellent. It has already been described that the efficiency is reduced, resulting in a failure to increase the color index. Conventional YAG forms a very stable crystal phase, so even if the Gd, Tb, La, etc. of different sizes are substituted in the Y atom, the change in the crystal field acting on Ce 3 + ions is insignificant. There is a problem in that the fluorescence of Ce 3+ ions due to the substitution of R 4 is rather quenched, resulting in a decrease in the overall fluorescence efficiency. However, Sm 3 Al 5 O 12 : Ce, Gd 3 Al 5 O 12 : Ce, and Tb 3 Al 5 O 12 : Ce, which are garnet crystal crystalline phosphors of the present invention, have excellent fluorescence wavelengths.

도 1은 본 발명의 다면체 결정구조를 가지는 가넷계 형광체 입자들의 x선 회절패턴을 나타낸 그래프인데, 4가지 형광체의 결정구조는 체심입방의 가넷구조이다. (a)는 Y3Al5O12이며 격자상수는 12.00Å, (b)는 Gd3Al5O12이며 격자상수는 12.12Å, (c)는 Tb3Al5O12이며 격자상수는 12.09Å, (d)는 Sm3Al5O12이며 격자상수는 12.10Å 이다. Sm3Al5O12는 지금까지 결정구조가 알려지지 않은 새로운 가넷계 물질이다. JCPDS에는 이와 유사한 분자식의 물질(Sm2O3+xAl2O3, JCPDS 29-0080)이 보고되어 있으나 그 결정구조가 monoclinic(단사정계)으로 표시되어 있으며, 본 발명의 Sm3Al5O12와는 전혀 다른 물질이다.Figure 1 is a graph showing the x-ray diffraction pattern of the garnet phosphor particles having a polyhedral crystal structure of the present invention, the crystal structure of the four phosphors is a garnet structure of the body center cubic. (a) is Y 3 Al 5 O 12 , the lattice constant is 12.00Å, (b) is Gd 3 Al 5 O 12 , the lattice constant is 12.12Å, (c) is Tb 3 Al 5 O 12 and the lattice constant is 12.09Å , (d) is Sm 3 Al 5 O 12 and the lattice constant is 12.10Å. Sm 3 Al 5 O 12 is a new garnet-based material of unknown crystal structure. In JCPDS, a similar molecular material (Sm 2 O 3 + xAl 2 O 3 , JCPDS 29-0080) is reported, but its crystal structure is represented as monoclinic, and Sm 3 Al 5 O 12 of the present invention. It is a completely different substance from.

도 2a 내지 2c는 전자현미경으로 측정한 본 발명에 따른 Y3Al5O12 결정의 사진이다. (a)는 투과전자현미경 사진이며, scale의 크기는 200nm이다. (b)는 (a)를 투과전자현미경으로 측정한 전자회절패턴이다. 개개의 입자가 결정화되었음을 나타낸다. 그림 (b)에서 (222)는 결정이 성장한 면 방향을 나타낸다. (c)는 SEM으로 측정한 사진이다. 성장한 YAG 결정은 200nm에서 400nm 정도의 크기를 가진다.2a to 2c are Y 3 Al 5 O 12 according to the present invention measured by an electron microscope The picture of the crystal. (a) is a transmission electron microscope photograph, the scale is 200nm. (b) is the electron diffraction pattern which measured (a) with the transmission electron microscope. It indicates that the individual particles have crystallized. In Figure (b), (222) shows the direction in which the crystal grows. (c) is a photograph measured by SEM. The grown YAG crystal has a size of about 200 nm to about 400 nm.

도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 Y3Al5O12:Ce 결정의 형광여기 및 형광스펙트럼의 그래프이다. 형광여기는 440nm에서 470nm의 파장 범위에서 피크를 가지며, 기존의 Y3Al5O12:Ce 분말에 비하여 형광여기의 파장영역이 넓다. 형광스펙트럼의 피크는 535nm 이다. 3a and 3b are graphs of fluorescence excitation and fluorescence spectra of Y 3 Al 5 O 12 : Ce crystals according to the present invention. Fluorescence excitation has a peak in the wavelength range of 440nm to 470nm, and the wavelength range of fluorescence excitation is wider than that of conventional Y 3 Al 5 O 12 : Ce powder. The peak of the fluorescence spectrum is 535 nm.

도 4a 내지 4c는 전자현미경으로 측정한 본 발명에 따른 Tb3Al5O12 결정의 사진이다. (a)는 투과전자현미경 사진이며, scale의 크기는 100nm이다. (b)는 (a)를 투과전자현미경으로 측정한 전자회절패턴이다. (a)의 작은 원 부분에 해당하는 전자회절 패턴이 (b)이며, 큰 원에 해당하는 전자회절의 패턴도 (b)와 같다. 즉 (a)에서는 여러 개의 다른 결정으로 보이나 한 개의 결정이 (a)처럼 성장하였음을 알 수 있다. (b)에서 (1-10)는 결정의 끝이 뾰족하게 성장한 면 방향을 나타낸다. (c)는 SEM으로 측정한 사진이며 성장한 Tb3Al5O12 결정은 별모양의 입체적인 형상을 가진다. 일반적으로 열처리(calcine)과정을 통하여 합성한 분말은 대부분이 구의 형상을 가지거나 직면을 가진 다면체이다. 본 발명의 가넷 결정은 350℃보다 낮은 온도의 용액에서 성장하였으므로 특정한 결정면 방향으로 선택적으로 성장하였으며, (c)와 같이 3차원의 별모양으로 보인다. 3차원의 별모양에서 각각의 성장방향이 서로 수직하게 발달하였음을 알 수 있다.4a to 4c are Tb 3 Al 5 O 12 according to the present invention measured by an electron microscope The picture of the crystal. (a) is a transmission electron microscope photograph, the scale is 100nm. (b) is the electron diffraction pattern which measured (a) with the transmission electron microscope. The electron diffraction pattern corresponding to the small circle portion of (a) is (b), and the pattern of the electron diffraction corresponding to the large circle is also the same as (b). In other words, (a) shows several different crystals, but one crystal grows like (a). (1-10) in (b) shows the direction of the surface where the tip of the crystal grows sharply. (c) is a photograph measured by SEM and the grown Tb 3 Al 5 O 12 crystals have a star-shaped three-dimensional shape. In general, the powder synthesized through the heat treatment (calcine) process is a polyhedron having a sphere shape or face most of the. Since the garnet crystal of the present invention was grown in a solution at a temperature lower than 350 ° C., the garnet crystal was selectively grown in a specific crystal plane direction, and is seen as a three-dimensional star like (c). It can be seen that in the three-dimensional star shape, each growth direction developed perpendicularly to each other.

도 5a 및 5b는 본 발명에 따른 Tb3Al5O12:Ce 결정의 형광여기 및 형광스펙트럼의 그래프이다. Ce을 첨가한 Tb3Al5O12 결정의 형광은 541.5nm에서 피크를 가지며, Y3Al5O12:Ce에 비하여 적색파장 영역에서 형광의 특성이 우수하며, 백색 LED의 색지수를 높일 수 있는 황색 형광체이다. 5a and 5b are Tb 3 Al 5 O 12 : Ce according to the present invention Fluorescence excitation and fluorescence spectra of the crystals. Tb 3 Al 5 O 12 with Ce The fluorescence of the crystal has a peak at 541.5 nm and is excellent in fluorescence in the red wavelength region as compared with Y 3 Al 5 O 12 : Ce, and is a yellow phosphor that can increase the color index of the white LED.

도 6a 내지 6c는 전자현미경으로 측정한 본 발명에 따른 Gd3Al5O12 결정의 사진이다. (a)는 투과전자현미경 사진이며, scale의 크기는 500nm이다. (b)는 (a)를 투과전자현미경으로 측정한 전자회절패턴이다. Gd3Al5O12도 (a)와 같이 형상이 뚜렷한 결정임을 알 수있다. (b)에서 (1-10)는 결정의 끝이 뾰족하게 성장한 면 방향을 나타낸다. (c)는 SEM으로 측정한 사진이며 성장한 Gd3Al5O12 결정은 별모양의 입체적인 형상을 가진다. 6a to 6c are Gd 3 Al 5 O 12 according to the present invention measured by an electron microscope The picture of the crystal. (a) is a transmission electron microscope photograph, the scale is 500nm. (b) is the electron diffraction pattern which measured (a) with the transmission electron microscope. Gd 3 Al 5 O 12 It can be seen that the crystal shape is clear as shown in (a). (1-10) in (b) shows the direction of the surface where the tip of the crystal grows sharply. (c) is a photograph measured by SEM and the grown Gd 3 Al 5 O 12 crystals have a star-shaped three-dimensional shape.

도 7a 및 7b는 본 발명에 따른 Gd3Al5O12:Ce 결정의 형광여기 및 형광스펙트럼의 그래프이다. 형광파장의 피크가 544.5nm로 기존의 Y3Al5O12:Ce나 Tb3Al5O12:Ce 보다 적색영역에 있으며, 적색파장 영역의 형광 특성이 두 물질보다 우수하다. Gd3Al5O12:Ce은 현재까지 보고가 되지 않은 새로운 황색 형광체이며, 이를 이용하여 백색 LED를 제작하면 백색 LED의 색지수를 높이고 색온도를 낮출 수 있다. 또한 Gd3Al5O12:Ce를 합성하는 온도가 350℃ 이하로 저온이므로 합성과정에서 에너지를 절약할 수 있다. 합성과정이 단순하고, Ce을 환원하는 과정이 필요 없으므로 색지수 가 높은 황색 형광체를 경제적으로 합성할 수 있다.7a and 7b are Gd 3 Al 5 O 12 : Ce according to the present invention Fluorescence of crystals is a graph of the excitation and form spectrum. The peak of fluorescence wavelength is 544.5nm, which is in the red region than the existing Y 3 Al 5 O 12 : Ce or Tb 3 Al 5 O 12 : Ce, and the fluorescence characteristics of the red wavelength region are superior to the two materials. Gd 3 Al 5 O 12 : Ce is a new yellow phosphor that has not been reported to date, and by using this to remove the white LED, the color index of the white LED can be increased and the color temperature can be lowered. In addition, since the temperature for synthesizing Gd 3 Al 5 O 12 : Ce is lower than 350 ° C., energy can be saved during the synthesis process. Since the synthesis process is simple and there is no need to reduce Ce, it is possible to economically synthesize a yellow phosphor having a high color index.

도 8a 및 8b는 전자현미경으로 측정한 본 발명에 따른 Sm3Al5O12 결정의 사진이다. (a)는 투과전자현미경 사진이며, scale의 크기는 200nm이다. (b)는 SEM으로 측정한 사진이며 성장한 Sm3Al5O12 결정은 별모양의 입체적인 형상을 가진다. Sm3Al5O12 결정은 앞에서 설명한 것과 같이 아직까지 보고되지 않은 새로운 물질이며 본 발명에서 다면체의 결정으로 성장시켜 획득한 것이다. 8a and 8b are Sm 3 Al 5 O 12 according to the present invention measured by an electron microscope The picture of the crystal. (a) is a transmission electron microscope photograph, the scale is 200nm. (b) is a photograph measured by SEM and the grown Sm 3 Al 5 O 12 crystal has a three-dimensional shape of a star. Sm 3 Al 5 O 12 crystals are new materials that have not yet been reported as described above and are obtained by growing into polyhedral crystals in the present invention.

도 9a 및 9b는 본 발명에 따른 Sm3Al5O12:Ce 결정의 형광여기 및 형광스펙트럼의 그래프이다. 형광파장의 피크는 542.5nm이며, 기존의 Y3Al5O12:Ce, Tb3Al5O12:Ce에 비하여 적색 파장영역에서 형광특성이 우수하다. Sm3Al5O12:Ce은 본 발명에서 개발한 새로운 형광모체의 새로운 황색 형광체이다. Sm3Al5O12:Ce의 형광특성을 이용하여 따듯한(warm white) 백색의 백색 LED를 제작할 수 있다.9a and 9b are Sm 3 Al 5 O 12 : Ce according to the present invention. Fluorescence excitation and fluorescence spectra of the crystals. The peak of the fluorescence wavelength is 542.5 nm, and the fluorescence characteristic is excellent in the red wavelength region as compared with the conventional Y 3 Al 5 O 12 : Ce, Tb 3 Al 5 O 12 : Ce. Sm 3 Al 5 O 12 : Ce It is a new yellow phosphor of the novel fluorescent parent developed in the present invention. Sm 3 Al 5 O 12 : Warm white white LED can be manufactured by using the fluorescence characteristics of Ce.

도 10은 본 발명에 따른 가넷계 결정 황색 형광체의 실시예 각각의 형광스펙트럼을 비교한 그래프이다. 형광의 최대 세기를 같게 조정하였으며, 형광스펙트럼의 적색이동을 나타내었다. 형광피크의 파장은 각각 Y3Al5O12:Ce는 535nm, Tb3Al5O12:Ce는 541.5nm, Sm3Al5O12:Ce는 542.5nm, Gd3Al5O12:Ce는 544.5nm이다. 본 발명에서 처음으로 개발한 Sm3Al5O12:Ce와 , Gd3Al5O12:Ce의 적색 파장영역에서 형광특성이 Y3Al5O12:Ce와 Tb3Al5O12:Ce보다 우수함을 알 수 있다.10 is a graph comparing the fluorescence spectrum of each of the examples of the garnet-based crystalline yellow phosphor according to the present invention. The maximum intensity of fluorescence was adjusted to be the same, indicating the red shift of the fluorescence spectrum. The wavelengths of the fluorescence peaks are Y 3 Al 5 O 12 : Ce is 535 nm, Tb 3 Al 5 O 12 : Ce is 541.5 nm, Sm 3 Al 5 O 12 : Ce is 542.5 nm, Gd 3 Al 5 O 12 : Ce is 544.5 nm. In the red wavelength range of Sm 3 Al 5 O 12 : Ce and Gd 3 Al 5 O 12 : Ce developed for the first time in the present invention, the fluorescence characteristics of Y 3 Al 5 O 12 : Ce and Tb 3 Al 5 O 12 : Ce It can be seen that better.

본 발명의 가넷계 결정 황색 형광체는 백색 LED를 구현함에 있어서 종래의 가넷계 형광체보다 형광효율이 높고, 적색파장영역에서 발광특성이 특히 우수하여 색지수가 높고 색온도가 낮은 특성이 있으므로, 종래의 가넷계 형광체를 대체할 수 있으며, 종래의 조명기구 등을 대체하는 발광수단으로서 전기,전자기기분야 및 조명기구 등을 포함한 전 산업분야에서 매우 광범위하게 적용이 가능하다고 할 것이다. The garnet-based crystal yellow phosphor of the present invention has a high fluorescence efficiency than the conventional garnet-based phosphor in the implementation of a white LED, particularly excellent in the light emission characteristics in the red wavelength region, high color index and low color temperature, the conventional garnet It is possible to replace the fluorescent material, and as a light-emitting means to replace the conventional lighting fixtures, it will be said that it is very widely applicable in all industrial fields including electric, electronic device field and lighting fixtures.

도 1은 본 발명의 다면체 결정구조를 가지는 가넷계 형광체 입자들의 x선 회절패턴을 나타낸 그래프. 1 is a graph showing an x-ray diffraction pattern of garnet-based phosphor particles having a polyhedral crystal structure of the present invention.

도 2a 내지 2c는 전자현미경으로 측정한 본 발명에 따른 Y3Al5O12 결정의 사진. 2a to 2c are Y 3 Al 5 O 12 according to the present invention measured by an electron microscope Photo of the decision.

도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 Y3Al5O12:Ce 결정의 형광여기 및 형광스펙트럼의 그래프. Figure 3a and 3b is a graph of the fluorescence excitation and fluorescence spectrum of Y 3 Al 5 O 12 : Ce crystal according to the present invention.

도 4a 내지 4c는 전자현미경으로 측정한 본 발명에 따른 Tb3Al5O12 결정의 사진.4a to 4c are Tb 3 Al 5 O 12 according to the present invention measured by an electron microscope Photo of the decision.

도 5a 및 5b는 본 발명에 따른 Tb3Al5O12:Ce 결정의 형광여기 및 형광스펙트럼의 그래프.5a and 5b are Tb 3 Al 5 O 12 : Ce according to the present invention Fluorescence excitation and fluorescence spectrum of the crystal.

도 6a 내지 6c는 전자현미경으로 측정한 본 발명에 따른 Gd3Al5O12 결정의 사진.6a to 6c are Gd 3 Al 5 O 12 according to the present invention measured by an electron microscope Photo of the decision.

도 7a 및 7b는 본 발명에 따른 Gd3Al5O12:Ce 결정의 형광여기 및 형광스펙트럼의 그래프.7a and 7b are Gd 3 Al 5 O 12 : Ce according to the present invention Fluorescence excitation and fluorescence spectrum of the crystal.

도 8a 및 8b는 전자현미경으로 측정한 본 발명에 따른 Sm3Al5O12 결정의 사진.8a and 8b are Sm 3 Al 5 O 12 according to the present invention measured by an electron microscope Photo of the decision.

도 9a 및 9b는 본 발명에 따른 Sm3Al5O12:Ce 결정의 형광여기 및 형광스펙트럼의 그래프. 9a and 9b are Sm 3 Al 5 O 12 : Ce according to the present invention. Fluorescence excitation and fluorescence spectrum of the crystal.

도 10은 본 발명에 따른 가넷계 결정 황색 형광체의 실시예 각각의 형광스펙트럼을 비교한 그래프.10 is a graph comparing the fluorescence spectrum of each of the examples of the garnet-based crystalline yellow phosphor according to the present invention.

Claims (6)

하기의 <화학식 1>로 표시되는 화합물로서 다면체의 단일 결정구조를 가지며, 단일결정의 입자의 최소 크기가 적어도 200nm 이상인 것을 특징으로 하는 백색 LED용 가넷계 결정 형광체. A compound represented by the following <Formula 1> having a single crystal structure of a polyhedron, the minimum size of the particles of a single crystal is at least 200nm or more, garnet-based crystal phosphor for white LED. <화학식 1><Formula 1> Ln3Al5O12:CeLn 3 Al 5 O 12 : Ce (여기서, Ln 은 Sm 및 Tb 로 구성되는 희토류 원소 그룹에서 선택되는 어느 하나임)Where Ln is any one selected from the group of rare earth elements consisting of Sm and Tb 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 형광체의 형광흡수파장은 420~500 nm 영역에 있고, 형광흡수의 피크파장이 430~495 nm 범위인 것을 특징으로 하는 백색 LED용 가넷계 결정 형광체. The fluorescence absorption wavelength of the phosphor is in the region of 420 ~ 500 nm, the peak wavelength of fluorescence absorption is 430 ~ 495 nm range, Garnet-based crystal phosphor for white LED. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 형광체는 470 nm의 광으로 여기 하였을 때 형광의 발광영역이 470~700 nm의 파장영역에 이르며, 형광의 발광영역의 피크가 500~650 nm 범위 내인 것을 특징으로 하는 백색 LED용 가넷계 결정 형광체. When the phosphor is excited with light of 470 nm, the emission region of the fluorescence reaches a wavelength region of 470 to 700 nm, and the peak of the emission region of the fluorescence is within the range of 500 to 650 nm. . 제 1항 내지 제 3항 중의 어느 하나의 항에서 선택되는 백색 LED용 가넷계 결정 형광체와 청색 LED를 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 백색 발광 LED. A white light emitting LED formed by using a garnet-based crystal phosphor for a white LED selected from any one of claims 1 to 3 and a blue LED. 하기의 <화학식 1>로 표시되는 화합물로서 다면체의 단일 결정구조를 가지며, 단일결정의 입자의 최소 크기가 적어도 200nm 이상인 것을 특징으로 하는 백색 LED용 가넷계 결정 형광체의 제조방법에 관한 것으로서, A compound represented by the following <Formula 1> has a single crystal structure of a polyhedron, and relates to a method for producing a garnet-based crystal phosphor for white LED, characterized in that the minimum size of the particles of the single crystal is at least 200nm or more, <화학식 1><Formula 1> Ln3Al5O12:CeLn 3 Al 5 O 12 : Ce (여기서, Ln은 Sm 및 Tb 로 구성되는 희토류 원소 그룹에서 선택되는 어느 하나임)Where Ln is any one selected from the group of rare earth elements consisting of Sm and Tb (a) Ln의 전구체, Al의 전구체 및 Ce의 전구체를 알코올 용매에 균일하게 녹이는 전구체의 혼합단계; 및 (a) mixing a precursor for uniformly dissolving a precursor of Ln, a precursor of Al, and a precursor of Ce in an alcohol solvent; And (b) 상기 혼합 용액을 280~350 ℃의 온도범위에서 24시간 이상 서서히 열처리하여 입자의 최소 크기가 200nm 이상인 다면체 단일 결정으로 성장시키는 단계(b) gradually heat-treating the mixed solution in a temperature range of 280 ~ 350 ℃ for more than 24 hours to grow into a polyhedral single crystal having a minimum size of particles of 200nm or more 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 백색 LED용 가넷계 결정 형광체의 제조방법. Garnet-based crystalline phosphor for white LED, characterized in that comprises a. 제 5항에 있어서, The method of claim 5, 상기 Ln의 전구체는 희토류 무기염 또는 희토류 유기염 중에서 선택되고, The precursor of Ln is selected from rare earth inorganic salts or rare earth organic salts, 상기 Al의 전구체는 알루미늄알콕사이드 중에서 선택되며, The precursor of Al is selected from aluminum alkoxides, 상기 Ce의 전구체는 세륨 무기염 또는 세륨 유기염 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 백색 LED용 가넷계 결정 형광체의 제조방법. The precursor of Ce is selected from the group consisting of cerium inorganic salts and cerium organic salts.
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