KR101039264B1 - 적색 질화물 형광체 및 이를 이용한 백색 발광다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화물 적색 형광체 및 이를 이용한 백색 발광다이오드에 관한 것으로, 조명용으로 사용될 수 있는 높은 연색성과 발광 효율 가지는 백색 발광 다이오드 제작을 위하여, 새로운 고효율 적색 형광체인 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16을 이용하여 백색광을 얻는 방법에 관한 것이다.
백색발광다이오드, GaN, 적색형광체, 질화물형광체
Description
본 발명에서는 250 ~ 500nm 여기광에 적합한 새로운 질화물 적색 형광체인 질화물 또는 산질화물 형광체를 개발하여 청색 및 UV 여기광에 적합한 광효율이 높고, 열적 안정성이 우수하며 화학적 안전성을 가진 백색 광원을 얻을 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
발광 다이오드를 조명으로 응용하기 위한 노력은 1990년대 말부터 시작되었다. 2006년 조명을 위한 형광체의 세계 시장은 약 20억 달러의 규모에 이르며, LED 조명시장은 매년 20% 이상 성장할 것으로 예상되어 2012년도 세계시장 규모는 100억 달러 이상으로 성장할 것으로 예측하고 있다. 발광 다이오드는 기존 조명 기구에 비하여 높은 신뢰성으로 수명이 길어 낮은 유지보수비를 가지며 소모 전력이 적기 때문에 에너지 절감에 크게 기여한다. 또한 디자인의 유동성과 열 발생이 적어 조명으로 사용하기 위한 조건을 갖추고 있다.
최초 GaN 계의 발광 다이오드인 녹색, 청색 발광 다이오드의 기술 성과로 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색을 모두 발광 다이오드로부터 얻을 수 있었다. 그 다음에는 지속적인 기술 개발로 청색 발광 다이오드에 YAG계 형광체를 이용한 백색 발광 다이오드를 생산하였으며, 자외선 발광 다이오드에 적색, 녹색, 청색 형광체를 이용한 기술 개발이 진행 중이다.
현재 백색 발광다이오드는 휴대폰 디스플레이의 백라이트 광원, 카메라가 장착된 휴대폰의 플래시 광원, LCD 모니터의 백라이트 광원 등으로 사용하고 있으며, 에너지가격의 급격한 상승으로 인해 종래의 백열등 및 형광등을 대체하기 위한 새로운 조명등기구에 대한 기술개발이 진행되고 있다.
백색 발광다이오드는 효율면에서 백열등의 수배, 형광등과 비슷한 수준이며, 수명은 형광등의 10배, 백열등의 20 배 이상으로서 현재 기술수준으로도 LED조명기구는 기존 조명기구에 비해 80%이상의 에너지 절감효과가 있어, 차세대 조명기구로써 그 입지를 확고히 하고 있다. 아직은 가격이 비싸기 때문에 보급화에는 다소 시간이 필요하지만 현재와 같은 고유가시대에 본 기술의 적용은 막대한 에너지절약을 기할 수가 있어 금명간 새로운 조명시장으로의 보급이 확대될 것으로 예상된다.
현재 반도체 광원을 이용하여 조명등을 제조하는 방법으로는 청색 발광 다이오드에 YAG계 주황색 형광체를 이용한 백색 발광 다이오드가 있다.
또한, 근자외선 또는 자색 발광 다이오드에 적색, 녹색, 청색 형광체 또는 황적색 형광체를 조합하여 연색지수를 개선한 백색 발광 다이오드가 있다.
그 외 적색, 녹색, 청색의 발광 다이오드를 조합하여 이용한 백색 발광 다이오드 등이 있다.
그런데 청색 발광 다이오드에 YAG계 형광체를 이용한 백색 발광 다이오드는 낮은 연색성을 가지며, 스토크스 전이(Stokes shift)에 의한 광효율의 한계성 및 온도 효과에 취약한 면이 있어 이에 대한 개선이 요구되고 있다.
청색 발광 다이오드에 YAG계 형광체를 이용한 백색 발광 다이오드는 청색과 황색 두개의 파장을 이용하기 때문에 낮은 연색성을 가진다.
도 1은 종래 기술에 따른 백색발광다이오드의 파장스펙트럼분포도이다.
도 1은 청색 발광 다이오드 및 YAG계 형광체로 제작된 백색 발광 다이오드의 파장 스펙트럼을 보여 준다.
Blue와 Green 사이의 파장 영역에서 발광세기(Intensity)가 갑자기 떨어지는 영역이 존재하므로 연색지수(Color Rendering Index; Ra)가 낮은 것을 알 수 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 백색발광 다이오드의 CIE 차트이다.
도 2에서 B-LED는 청색 발광다이오드를 나타내고 Y-phosphor는 일부 청색이 YAG계 형광체에 의해서 파장 변환된 노란색을 나타낸다. 백색광은 B-LED와 Y-phosphor의 연결선을 따라 움직이며 W로 표기하였다. 청색 및 노란색의 두 개의 파장으로 이루어져 있어 붉은 색 성분이 부족하기 때문에 연색성이 60 ~ 75 정도로 낮아 일반 실내조명으로 사용되기에는 적합하지 않다.
상술한 바와 같이, 백색 발광 다이오드 제작 방법으로 널리 알려진 YAG 형광체를 이용하여 백색광을 얻는 방법은 형광체의 낮은 효율과 붉은 색 성분이 적어 연색성이 낮으며 제작 시 에폭시(epoxy)와 형광체의 혼합 비율의 균일성 및 재현성 등 제작 기술에 있어서 어려움이 있다.
적색, 녹색, 청색 발광 다이오드 세 개를 이용한 백색 발광 다이오드는 광 손실이 없어 가장 높은 발광효율을 보이지만 정확한 백색을 구현하기 위해서는 구동 드라이버의 정확한 제어가 필요하다. 또한 제품이 크고 세 가지 발광다이오드의 온도 특성이 서로 다르기 때문에 제품의 광학적 특성 및 신뢰성에 영향을 미칠 수 있다.
본 발명에서는 YAG 형광체를 사용하지 않고 발광 다이오드에서 방출되는 광을 이용하여 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16 형광체를 여기 시킨 후에 방출하는 적색광을 이용하기 때문에 형광체 양의 구성을 쉽게 제어할 수 있으며 균일성 및 재현성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 새로운 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16 형광체를 사용하여 좋은 열적 안정성과 화학적 내성을 가지는 백색 발광 다이오드 제작에 관한 것으로 파장 대역이 300 ~ 500nm인 발광 다이오드 광원을 이용하여 형광체 분말 가루를 적당한 비율로 에폭시와 혼합하여 형광체가 방출하는 황, 적색 및 녹색을 이용하여 백색 발광 다이오드를 제작하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 백색 발광 다이오드는 300 ~ 500nm의 광원을 사용하고 그 위에 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16 형광체 분말을 에폭시 수지 또는 실리콘 수지 등으로 혼합한 후 얇게 도포하거나, 또한 플립 칩(flip-chip) 형태에서는 형광체를 얇은 판 형태로 제작한 후 기판 위에 접착하고 에폭시 렌즈로 몰딩 된 램프 형태 및 표면 실장형의 백색 발광 다이오드 램프를 제작하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 질화물 적색 형광체는 하기 [화학식 1]로 표시되며, 희토류 원소에 의하여 활성화된 질화물 형광체인 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
(Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16
(상기식에서, M원소는 Ca, Ba, Sr, Mg 및 Zn 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속원소이고, 몰 비는 0.01≤ x ≤0.5 및 0.001≤ y ≤1.0의 값을 가지며, Re는 희토류원소 또는 천이금속원소로부터 선택되는 적어도 1개 이상의 원소임.)
여기서, 상기 질화물 형광체의 여기 파장은 300 ~ 500nm 이고, 방출 파장은 500 ~ 800 nm 인 것을 특징으로 하고, 상기 Re는 Ce, Pr, Eu, Tb, Yb, Er 및 Mn 등으로 구성되어 있는 그룹으로부터 선택된 최소한 1개 이상의 금속인 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 백색 발광 다이오드는 상기 질화물 적색 형광체 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16 를 300 ~ 500nm 파장의 발광 다이오드 광원으로 여기 시켜 500 ~ 800 nm 대역의 방출 파를 발생시키고, 이를 이용하여 백색의 광을 형성하는 것을 특징으로 하고, 상기 발광 다이오드 광원의 주 파장은 390 ~ 480 nm 인 것을 특징으로 하고, 상기 질화물 적색 형광체를 후에 방출되는 적색광의 피크 파장 610 ~ 650nm 인 것을 특징으로 하고, 상기 Re는 Eu를 사용하고, 0.001 ≤ y ≤ 0.3 인 것을 특징으로 하고, 상기 질화물 적색 형광체는 투명 에폭시 또는 실리콘 수지 에 혼합되어 디스펜싱 방법에 의해 상기 발광 다이오드 광원을 구성하는 칩 상에 도포된 것을 특징으로 하고, 상기 질화물 적색 형광체는 투명 에폭시 또는 실리콘 수지에 혼합되어 트랜스퍼 몰딩에 의해 상기 발광 다이오드 광원을 구성하는 칩 상에 도포된 것을 특징으로 하고, 상기 질화물 적색 형광체는 투명 에폭시 또는 실리콘 수지에 혼합되어 스퍼터링 또는 증착에 의해 상기 발광 다이오드 광원을 구성하는 칩 상에 도포된 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명은 상기 질화물 적색 형광체 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16를 300 ~ 500 nm 파장의 발광 다이오드 광원으로 여기 시켜 500 ~ 800 nm 대역의 방출 파를 발생시키고, 이를 이용하여 백색의 광을 형성하는 것을 특징으로 하는 포탄형 백색 발광 다이오드 램프, 표면 실장 형 백색 발광 다이오드 램프 및 에폭시 렌즈를 가진 표면 실장형 백색 발광 다이오드 제품을 포함한다.
본 발명의 백색 발광다이오드는 높은 연색성을 요구하는 조명 응용으로 사용될 수 있으며 관련 기술 즉, 발광다이오드 제작 기술 및 형광체 제작 기술 등 관련 산업의 활성화에 많은 기여를 할 것이다.
본 발명에 따른 질화물 적색 형광체는 발광을 활성화시키기 위하여 천이 금 속 또는 희토류 이온이 첨가된 산화물, 황화물, 질화물 등으로 구성된다. 여기에, α-SiAlON 세라믹이 첨가되어 더 좋은 열적 안정성과 화학적 내성을 가진 새로운 형광체로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 제조 물질로서는 Si3N4, Mg3N2, MgO, MgCO3, Ba3N2, BaCl2, Ba(OH)2, BaCO3, CaO, Ca3N2, CaCl2, Ca(OH)2, CaCO3, CaO, EuN, Eu(OH)3 및 Eu2O3 중 둘 이상의 물질을 사용한 상압의 고상반응에 의한 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16 형광체를 제작하여 발광특성을 측정하였다.
여기서, 고상반응이란 상기 2종 이상의 산화물이나 질화물 등을 혼합하여 고체간에 반응을 일으키게 함으로서 원하는 조성의 분말을 얻는 방법을 뜻하며, 반응온도는 특별히 제한된 바는 없으나, 600 ~ 1800℃의 온도 범위에서 수행하는 것이 바람직하다. 그리고, 그 구체적 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
여기서, 고상반응이란 상기 2종 이상의 산화물이나 질화물 등을 혼합하여 고체간에 반응을 일으키게 함으로서 원하는 조성의 분말을 얻는 방법을 뜻하며, 반응온도는 특별히 제한된 바는 없으나, 600 ~ 1800℃의 온도 범위에서 수행하는 것이 바람직하다. 그리고, 그 구체적 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
우선 물질들을 고순도 질소 또는 아르곤 기체로 채워진 그로브 박스 안에서 분쇄, 혼합한 다음 진공 건조하였다.
다음에는, 건조된 물질을 600 ~ 900oC에서 N2 분위기에서 1차 열처리를 한 다음 1300 ~ 1800oC에서 최소한 5%의 수소가 포함된 N2 분위기에서 2차 소결을 하였다.
도 3은 본 발명에 따른 질화물 적색 형광체의 자외광 여기방출특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 질화물 적색 형광체 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16 (상기식에서, M원소는 Ca, Ba, Sr, Mg 및 Zn 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속원소이고, 0.001≤ y ≤1.0의 값을 가지며, Re는 Ce, Pr, Eu, Tb, Yb, Er 및 Mn 등으로 구성되어 있는 그룹 중 적어도 1개 이상의 원소임.)에서 x의 값을 0.01에서 0.5까지 조성을 바꿔가며 1300 ~ 1800oC에서 소성시킨 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16 형광체의 여기(excitation) 및 방출(emission) 스펙트럼을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 여기서, 스펙트럼 측정은 PL 측정장비(Perkin Elmer LS 55)를 이용하며, 결과로 나타난 그래프는 최적의 여기파장을 알아내기 630nm 적색의 발광파장(λmor) 영역을 입력해서 얻은 것을 도시한 것이다. 이때, x 값의 조합에 의한 조성의 스펙트럼은 유사한 결과를 나타내기 때문에 그래프 상에는 단일선으로 표시하였다.
여기에서, 가장 큰 인텐시티(intensity)를 나타내는 최대 여기 파장은 392nm 이며, 이때의 x 값은 0.215이다.
그 외에 조합한 대부분의 조성를 가지고 실험한 결과 392nm 부근에서 최대 값을 갖는 여기파장을 나타냈으며, 500nm 까지의 넓은 영역의 여기파장을 갖는다.
도 4는 본 발명에 따른 질화물 적색 형광체의 청색광 여기(λex : 460nm)에 의한 적색영역의 발광(λem : 630nm)특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 질화물 적색 형광체 (Ba1 .8- xMx)ReySi8Al4N16 에서 도 3의 결과를 인용하여 x 값이 0.215일 때 가장 큰 인텐시티(intensity)를 갖는 것을 나타내었으며, 630nm일때 최대값을 갖는다.
본 발명에 따른 질화물 적색 형광체 (Ba1 .8- xMx)ReySi8Al4N16 의 방출 스펙트럼은 x 값이 0.01에서 0.3으로 증가함에 따라 최대치가 장파장 쪽에서 나타난다. 또한, 500 ~ 800nm에서 하나의 광대역이 최대량이 될 수 있으며, 방출 픽(peak)은 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16에 Eu의 함유량이 증가함에 따라서 대역이 좁아지고 장파장 쪽에서 나타난다.
도 5는 본 발명에 따른 질화물 적색 형광체의 X-선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 질화물 적색 형광체 (Ba1 .8- xMx)ReySi8Al4N16 의 X-선 회절패턴측정을 통한 구조 분석 결과이다. 29.86o를 최대 픽(peak)으로 하는 구조를 나타내었으며, 이와 같은 구조는 기존 발표된 CaAlSiN3, M2Si5N8(M=Ca, Sr, Ba) 질화물이나, MSi2O2N2(M=Ca, Sr, Ba) 산질화물과는 전혀 다른 새로운 결정구조를 가지고 있다.
도 6은 본 발명에 따른 질화물 적색 형광체의 전자현미경 사진이다.
도 6을 참조하면, 질화물 적색 형광체 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16 의 SEM측정을 통한 입자형태가 나타나 있다. 길이가 3 ~ 4㎛정도가 되는 미세 입자들이 주를 이루었으며, 2㎛이하의 입자들이 형성되어 있는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 형광체 입자크기는 에폭시등과의 혼합이 용이하여 백색 발광 다이오드 소자 적용에 적합하다. 일반적으로 LED 여기용 형광체의 평균 입경은 10㎛ 이하가 적당한 것으로 알려져 있다.
따라서, 본 발명에서는 300 ~ 500nm의 파장을 갖는 발광 다이오드와 광에 의하여 여기 된 후 상술한 바와 같이 적색 광을 방출하는 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16 형광체를 적당한 비율로 혼합하여 백색 발광다이오드 또는 백색 발광다이오드 램프를 제작할 수 있다. 본 발명에 따른 백색 발광다이오드 또는 백색 발광다이오드 램프는 에폭시 또는 실리콘 수지 등의 혼합 영역과 추가로 에폭시 렌즈 및 전극을 외부로 연결할 리드프레임 또는 전극 배선을 포함한다.
이상에서 설명한 실험 결과들은 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16 형광체 중 M원소는 Ca, Ba, Sr, Mg 및 Zn 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속원소이고, 몰 비는 0.01≤ x ≤0.5 및 0.001≤ y ≤1.0의 값을 가지며, Re는 Ce, Pr, Eu, Tb, Yb, Er 및 Mn 등으로 구성되어 있는 그룹 중 적어도 1개 이상의 원소인 모든 경우의 조합에서 평균적으로 나타난 특성을 비교한 것들이다.
이상에서 설명한 실험 결과들은 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16 형광체 중 M원소는 Ca, Ba, Sr, Mg 및 Zn 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속원소이고, 몰 비는 0.01≤ x ≤0.5 및 0.001≤ y ≤1.0의 값을 가지며, Re는 Ce, Pr, Eu, Tb, Yb, Er 및 Mn 등으로 구성되어 있는 그룹 중 적어도 1개 이상의 원소인 모든 경우의 조합에서 평균적으로 나타난 특성을 비교한 것들이다.
도 7은 본 발명에 따른 질화물 적색 형광체를 이용한 포탄형 백색발광다이오드 제품을 도시한 개략도이다.
도 7을 참조하면, 청색 발광 다이오드(110)은 (Al)InGaN 활성층으로 되어 있고 기판은 사파이어 기판 또는 실리콘 카바이드(SiC) 기판을 이용할 수 있다. 리드프레임(150)에 청색 발광 다이오드(110)을 다이본딩 한 후, 전극을 외부로 연결하기 위하여 금 와이어 본딩(140)을 한다. 금 와이어 본딩(140)은 사파이어 기판을 사용할 경우, 소자의 위 부분에 p형과 n형 전극이 있기 때문에 각각 금 와이어 본딩(140)을 하여야 하며 SiC 도전성 기판을 사용할 경우 한 번의 금 와이어 본딩(140)을 할 수 있다. 금 와이어 본딩(140) 후 백색 발광을 위하여 에폭시와 형광체를 혼합한 영역(120)을 디스펜서 또는 적당한 도포 방법을 이용하여 도포한다.
다음에는, 도포 후 결과물을 일정 온도에서 경화시켜 흘러내리지 않도록 한다. 이 후 원하는 모양의 몰드를 이용하여 에폭시 렌즈(130)를 구성하며 리드 프레임(150)의 트림 및 절단 공정을 거처 포탄형 백색 발광 다이오드 램프(100)를 제작한다.
여기서, 본 발명을 보다 더 구체화하기 위하여 에폭시와 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16 형광체의 비율을 변화하여 포탄형 램프를 제작하여 연색성, 색 온도 및 스펙트럼을 측정한다. 예를 들면 에폭시와 형광체 혼합은 투명 에폭시 100㎕를 기준으로 형광체를 0.1g, 0.2g, 0.3g, 0.4g, 0.5g을 첨가하여 디스펜싱 방법에 의해 도포하고 투명 에폭시 램프를 제작한다.
아울러, 다른 형태의 패키지 타입으로 제작될 수도 있는데, 특히 표면 실장형(SMD, SMT) 으로 제작이 가능하며 이들은 하기 도 9 및 도 10에 간단한 도면으로 나타내었다.
도 8은 본 발명에 따른 청색 발광 다이오드를 이용한 표면 실장형 백색 발광 다이오드 제품을 나타낸 개략도이다.
도 8을 참조하면, 청색 발광 다이오드(210)를 PCB 기판(260)의 금속선(270) 위에 다이본딩을 하고 발광다이오드의 p 전극과 n 전극을 금속선(270)에 금 와이어로 본딩(240)을 하여 외부와 전기적으로 통하게 한다. 그 후 적당량의 에폭시(220)에 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16 형광체(220a, 220b)를 혼합하여 청색 발광 다이오드(210)위에 올린다. 다음에는, 형광체가 혼합된 에폭시는 디스펜서 타입으로 몰딩이 될 수 있으며 또 다른 방법은 고형화 하여 트랜스퍼 몰드 형으로 제조된 표면 실장형 백색 발광 다이오드 램프(200)를 완성한다.
도 9는 본 발명에 따른 에폭시 렌즈 형 표면 실장형 백색 발광다이오드 제품 을 나타낸 개략도이다.
도 9를 참조하면, 패키지는 PCB 기판 또는 세라믹기판(360)으로 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode)로 될 부분에 금속선(370)이 부착되어 있고 기판(360)은 절연체(390)등으로 분리되어 있다. 에폭시를 가두는 영역(380)의 내부는 알루미늄 또는 은으로 코팅된 반사막으로 이루어져 다이오드에서 방출된 광을 위로 반사시키는 역할 및 적당량의 에폭시를 가두는 역할을 한다. 자색 발광 다이오드(310)을 플립 칩(flip-chip) 형태로 금 범퍼 또는 Au-Sn 등 본딩 물질(340)으로 다이본딩을 하고 녹색 및 적색 형광체를 적당한 혼합비로 섞은 에폭시 또는 실리콘 수지(320)을 디스펜싱 한다. 여기서, 실리콘 수지(320)은 고출력의 발광다이오드 패키지에 사용될 수 있다. 실리콘 수지(320)은 열적인 스트레스가 칩에 직접 전달되어 신뢰성에 악영향을 미치거나 열의 수축 또는 팽창에 의한 금 와이어가 단락되는 것을 방지 할 수 있다. 또한 에폭시보다 높은 굴절률을 가지는 실리콘 수지(320)을 사용함으로써 다이오드에서 방출되는 광의 계면에서의 반사를 줄여 휘도를 향상시킬 수 있다.
이와 같이 형광체가 혼합된 에폭시 또는 실리콘 수지(320)를 도포 후 그 상부에 에폭시 렌즈(330)를 형성한다. 이때, 에폭시 렌즈(330)는 원하는 지향 각에 따라 모양이 변할 수 있다.
이상에서와 같이 형성된 본 발명에 따른 제품들의 광학특성을 평가하면 다음과 같다.
도 10은 본 발명에 따른 청색광 여기용 질화물 적색 형광체와 상용 YAG 제 품(cmmercial YAG) 및 LCD 백라이트용 유러피움 텅스테이트계 적색 형광체 제품(Eu2W2O9:Eu2)과의 휘도 비교 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 청색 광원의 여기광으로 인해 610nm 이상 영역에서 기존 상용 YAG 제품(cmmercial YAG) 및 LCD 백라이트용 유러피움 텅스테이트계 적색 형광체 제품(Eu2W2O9:Eu2)과 비교할 때 보다 우수한 성능을 가지고 있음을 알 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 청색광(460nm) 여기용 적색 형광체의 패키지실험을 통한 백색발광다이오드의 효율측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 11을 참조하면, R_p 2.5 %, R_p 5 %, R_p 10 %에 대하여 460nm를 적용할 때 램프에서 발생하는 모든 빛을 적분구에서 채집하여 산출한 적분값으로 평가하였고, 그 결과를 하기 [표 1]과 같이 spectral/intensity 값으로 정리하였다.
[표 1]
상기와 같이 조사한 결과, 본 발명에 따른 백색 발광다이오드 제품을 구성하는 질화물 적색 형광체 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16 는 종래와 비교할 수 없는 신 물질임이고, R_p 5% 일 때 최대 53.9%의 광자효율을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 광자효율에 대해서는 후술하는 바와 같이 본 발명에 따른 세라믹 적색형광체의 결정 구조에 의해서도 설명될 수 있다.
질화물 세라믹 형광체의 기하학적 결정구조는 대부분 사방정계(orthorhombic)이며, 산화물 형광체의 경우에는 통상적으로 육방정계(hexagonal)구조를 갖고 있지만, 본 발명에서는 상기 도 5에서 알 수 있는 바와 같이 육방정계와 사방정계가 혼합된 믹스드결정형태를 갖추고 있다. 보통 질화물 또는 산질화물계(oxynitrides) 형광체는 [Al-N]과 [Si-N]의 고리구조를 기본으로 하는 (Si,Al)(O,N)4 망상 구조를 갖게 되는데 이들 호스트(host lattice)물질의 중첩으로 생긴 기본골격구조의 중심부분에 이온반경이 큰 원자가 양론적(stoichiometry)으로 위치하게 되고 전하 불균형에 의해 Ce, Tb, Eu, Y와 같은 희토류금속이 위치하게 됨으로써 활성화가 이루어지게 된다. 따라서 본 발명에서 개발한 질화물 적색 형광체는 화학양론성 화합물(stoichiometric compound)로서 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16 내의 M(Ca, Sr, Mg, Zn)과 Re(Ce, Pr, Eu, Tb, Yb, Er)의 종류에 의해 광학적 특성이 달라지게 되며, (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16 내의 Ba의 위치에 화학양론적으로 M 원소와 Re 원소들이 1 ~ 2 이상이 침입형(interstitial) 또는 치환형(substitutional)으로 고용체가 됨으로써, 넓은 파장 영역에서 구조적으로 안정하고 광자(photon) 흡수량이 최대가 되는 최적구조를 얻게 되는 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16 형광체를 460nm의 파장에서 여기 시킴으로써, 청색 및 자외광 기반의 발광 다이오드를 사용하는 백색 다이오드의 효율을 향상시키고 높은 연색성을 얻을 수 있도록 하고, 이에 따라 다양한 색을 구현가능하게 해 준다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 백색발광다이오드의 파장스펙트럼분포도.
도 2는 종래 기술에 따른 백색발광 다이오드의 CIE 차트.
도 3은 본 발명에 따른 질화물 적색 형광체의 자외광 여기방출특성을 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 질화물 적색 형광체의 청색광(460nm) 여기에 의한 630nm 적색영역의 발광특성을 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 질화물 적색 형광체의 X-선 회절 패턴을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 적색 질화물 형광체의 전자현미경 사진.
도 7은 본 발명에 따른 적색 질화물 형광체를 이용한 포탄형 백색발광다이오드 제품을 도시한 개략도.
도 8은 본 발명에 따른 청색 발광 다이오드를 이용한 표면 실장형 백색 발광 다이오드 제품을 나타낸 개략도.
도 9는 본 발명에 따른 에폭시 렌즈형 표면 실장형 백색 발광다이오드 제품을 나타낸 개략도.
도 10은 본 발명에 따른 청색광 여기용 질화물 적색 형광체와 상용 YAG 제품(cmmercial YAG) 및 LCD 백라이트용 유러피움 텅스테이트계 적색 형광체 제품(Eu2W2O9:Eu2)과의 휘도 비교 결과를 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명에 따른 청색광 여기용 적색 형광체의 패키지실험을 통한 백색발광다이오드의 효율측정결과를 나타낸 그래프.
Claims (13)
- 하기 [화학식 1]로 표시되며, 희토류 원소에 의하여 활성화된 질화물 형광체인 것을 특징으로 하는 적색 질화물 형광체.[화학식 1](Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16(상기식에서, M원소는 Ca, Ba, Sr, Mg 및 Zn 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속원소이고, 몰 비는 0.01≤ x ≤0.5 및 0.001≤ y ≤1.0의 값을 가지며, Re는 Ce, Pr, Eu, Tb, Yb, Er 및 Mn 등으로 구성되어 있는 그룹 중 적어도 1개 이상의 원소임.)
- 제 1 항에 있어서,상기 질화물 형광체의 여기 파장은 300 ~ 500nm 이고, 방출 파장은 520 ~ 700 nm 인 것을 특징으로 하는 적색 질화물 형광체.
- 삭제
- 청구항 1항에 기재된 질화물 적색 형광체 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16 를 300 ~ 500 nm 파장의 발광 다이오드 광원으로 여기시켜 520 ~ 700 nm 대역의 방출 파를 발생시키고, 이를 이용하여 백색의 광을 형성하는 것을 특징으로 하는 백색 발광 다이오드.
- 제 4 항에 있어서,상기 발광 다이오드 광원의 주 파장은 390 ~ 480 nm 인 것을 특징으로 하는 백색 발광 다이오드.
- 제 4 항에 있어서,상기 적색 질화물 형광체를 후에 방출되는 적색광의 피크 파장 610 ~ 680nm 인 것을 특징으로 하는 백색 발광 다이오드.
- 제 4 항에 있어서,상기 Re는 Eu를 사용하고, 0.001 ≤ y ≤ 0.3 인 것을 특징으로 하는 백색 발광 다이오드.
- 제 4 항에 있어서,상기 적색 질화물 형광체는 투명 에폭시 또는 실리콘 수지에 혼합되어 디스펜싱 방법에 의해 상기 발광 다이오드 광원을 구성하는 칩 상에 도포된 것을 특징으로 하는 백색 발광 다이오드.
- 제 4 항에 있어서,상기 적색 질화물 형광체는 투명 에폭시 또는 실리콘 수지에 혼합되어 트랜스퍼 몰딩에 의해 상기 발광 다이오드 광원을 구성하는 칩 상에 도포된 것을 특징으로 하는 백색 발광 다이오드.
- 제 4 항에 있어서,상기 적색 질화물 형광체는 투명 에폭시 또는 실리콘 수지에 혼합되어 스퍼 터링 또는 증착에 의해 상기 발광 다이오드 광원을 구성하는 칩 상에 도포된 것을 특징으로 하는 백색 발광 다이오드.
- 청구항 1항에 기재된 적색 질화물 형광체 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16 를 300 ~ 500 nm 파장의 발광 다이오드 광원으로 여기 시켜 520 ~ 700 nm 대역의 방출파를 발생시키고, 이를 이용하여 백색의 광을 형성하는 것을 특징으로 하는 포탄형 백색 발광 다이오드 제품.
- 청구항 1항에 기재된 적색 질화물 형광체 (Ba1.8-xMx)ReySi8Al4N16 를 300 ~ 500 nm 파장의 발광 다이오드 광원으로 여기 시켜 520 ~ 700 nm 대역의 방출 파를 발생시키고, 이를 이용하여 백색의 광을 형성하는 것을 특징으로 하는 표면 실장 형 백색 발광 다이오드 제품.
- 청구항 1항에 기재된 적색 질화물 형광체 (Ba1 .8- xMx)ReySi8Al4N16 를 300 ~ 500 nm 파장의 발광 다이오드 광원으로 여기 시켜 520 ~ 700 nm 대역의 방출 파를 발생시키고, 이를 이용하여 백색의 광을 형성하는 것을 특징으로 하는 에폭시 렌즈를 가진 표면 실장형 백색 발광 다이오드 제품.
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| CN112094647B (zh) * | 2020-11-01 | 2022-12-13 | 烟台希尔德材料科技有限公司 | 一种窄带发射氮氧化物红色荧光粉及其制备方法 |
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2008
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