KR101118336B1 - 철계 금속-알카리 토류 금속 규산염 혼합 결정 인광체 및 이를 사용하는 발광 장치 - Google Patents

철계 금속-알카리 토류 금속 규산염 혼합 결정 인광체 및 이를 사용하는 발광 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 철계 금속-알칼리 토류 금속 혼합 규산염 기재 인광체는 주로 가시광 및/또는 자외선 발광 장치용 광 변환기로서 단일 성분 또는 혼합물의 형태로 사용된다. 상기 인광체는 활성화제로서 희토류 원소를 포함한다. 상기 희토류 원소는 유로퓸 (Eu)이다. 다르게는, 상기 인광체는 희토류 원소, 및 Mn, .Bi, Sn 및 Sb 중 1종 이상으로 형성되는 공활성화제를 포함할 수 있다.
철계 금속-알칼리 토류 금속 혼합 규산염 기재 인광체, 발광 장치

Description

철계 금속-알카리 토류 금속 규산염 혼합 결정 인광체 및 이를 사용하는 발광 장치{FERROUS-METAL-ALKALINE-EARTH-METAL SILICATE MIXED CRYSTAL PHOSPHOR AND LIGHT EMITTING DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 근자외선 및 가시광원용의 광 변환기로서 사용될 수 있는, 활성화제로서 희토류 원소로 도핑된 철계 금속-알카리 토류 금속 규산염 혼합 결정 인광체 및 이를 사용하는 발광 장치에 관한 것이다.
본 출원은 2006년 3월 27일에 출원된 일본 특허 출원 제2006-086314호를 기초로 하며, 상기 특허의 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함된다.
최근 수년에 걸쳐, 근자외선 또는 청색광을 사용한 여기하에 녹색광, 황색광 또는 적색광을 방사하는 발광 재료가 더욱 중요해지고 있다. 그 주된 이유는 이들을 백색광을 생성시키기 위한 색 변환기로서 발광 장치에 사용할 수 있기 때문이다. 가장 일반적인 원리는 황색 변환기와 함께 청색광 발광 장치를 사용하는 것이다. 생성되는 빛은 비교적 낮은 연색 평가수를 갖는 백색광이다. 특히, 세륨 활성화 가넷(Garnet) 인광체 (국제공개 제98-12757호, 국제공개 제02-52615호, 미국 특허 제5,998,925호, 유럽 특허 제1271664호 및 유럽 특허 제862794호)가 현재 다양한 적용분야에서 사용되고 있다. 또한, 가넷은 청색광에 의해 오직 여기가능하 며, 따라서 이들의 사용은 청색 반도체 칩에 기초한 응용으로 한정된다. 종종 일차 청색 발광 반도체 칩은 1종 이상의 인광체와 조합되어 연색을 증대시킨다(국제공개 제00-33389호 및 국제공개 제00-33390호). 부가적인 인광체로서, 몇몇 무기 황화물 인광체(예를 들어, (Ca, Sr)S:Eu)가 사용될 수 있지만, 이들의 결점은 소성 시간에 걸쳐 안정성을 유지할 수 없다는 것이다(유럽 특허 제1150361호 및 미국 특허 제5,598,059호). 또한, 황화물은 습기에 매우 민감하고, 전체 공정에 걸쳐 건조한 조건이 엄격히 요구된다. 국제 공개 제04-085570호에서는, 유로퓸 활성화 스트론튬 옥소오르토-규산염 (Sr3SiO5:Eu)이 백색광을 제공하기 위해 460 nm에서 청색광을 방사하는 일차 광원과 조합되어 광 변환기로서 사용된다. 국제 공개 제02-11214호에서는, 다른 규산염 기재 인광체 (이규산염 또는 클로로규산염)가 약 370 nm 내지 430 nm의 근자외선 광에서 여기되는 경우의 광 변환기에 대하여 사용된다. 또한, 알칼리 토류 오르토-규산염 인광체가 백색광 발광 장치용 광 변환기로서 사용될 수 있다는 것이 알려져 있다(국제 공개 제02-11214호, 국제 공개 제02-054502호 및 미국 특허 제 6,255,670호). 알칼리 토류 오르토-규산염은 광학 스펙트럼의 녹색 내지 오렌지색 영역의 발광색을 나타낸다. 또한, 이들을 가스 방전 램프에 사용하는 것이 문헌[K. H. Butler "Fluorescent Lamp Phosphors", Pennsylvania Univ. Press 1980]로부터 알려져 있다. 또한, 티.엘. 배리(T. L. Barry)의 문헌[J. Electrochem. Soc, 1968, 1181]이 인용되며, 여기서 (Ca, Sr, Ba)2SiO4:Eu계의 균일한 고용체가 계획적으로 연구되어 왔다. 그들 단독 또는 혼합물에서의 규 산염 인광체는 YAG:Ce계보다 우수한 연색을 제공하기 위하여 일차 청색 또는 자외선 발광 장치와 조합된다.
알칼리 토류-오르토-규산염 인광체는 감람석과 유사한 사방정계의 결정 구조를 나타낸다. 이러한 구조는 β-황산칼륨 (β-K2SO4)의 구조로 표기할 수 있다. 감람석은 최종 부재인 철감람석(Fayalite) (최대 10% Mg을 포함하는 Fe2[SiO4]) 및 고토감람석(Forsterite) (최대 10% Fe를 포함하는 Mg2[SiO4])간의 (Mg,Fe)2[SiO4]의 고용체의 연속 라인의 전체 부재이다. 감람석은 사방정계로 결정화되며, mmm-D2h 결정족 구조를 나타낸다. 이러한 구조는 격자에서 산소 원자의 육방정계의 거의 최밀 충전으로서 표기할 수 있다. 규소 원자는 4개의 산소 원자에 의해 둘러싸인 작은 사면체 공극에 위치한다. Mg2 + 및 Fe2 + 이온은 가장 근접한 6개의 산소 원자에 의해 둘러싸인 격자에서 팔면체 간극을 점유하고 있다. 감람석에 대한 동위원소 결정은 Ni2[SiO4], Co2[SiO4], 알칼리 토류 오르토규산염 또는 금록석 Al2[BeO4]이다. 감람석은 각주 형상의 올리브 녹색 내지 황색, 또는 갈색을 띠는 결정을 형성한다. 이러한 색은 예를 들어 Cr2 + 또는 Mn2 +의 불순물, 또는 결정수의 결합에 의해 형성된다. 감람석 자체는 투명하며, 이들의 결정은 유리와 같은 광택을 나타낸다. 완전히 순수한 출발 물질을 사용하는 경우, 투명한 결정은 어떠한 착색도 없이 형성된다. 예를 들어, 무수철(II) 황산염 (FeSO4)은 백색 결정질 화합물이다. 수용액으 로부터 재결정화한 후, 녹반(Iron Vitriol) (FeSO4 x 7H2O)이 녹색의 단사정계 각주 형태로 형성된다.
ZnS 인광체의 발광 강도는 소량의 철족 원소 이온 Fe2 +, Ni2 + 및 Co2 +로 도핑시킴으로써 대폭 감소된다는 것이 1920년대부터 추가로 알려져 있다. 유사한 관측은, 철족 원소를 램프용 할로인산염 인광체의 격자내로 도입시킴으로써 행할 수 있다. 그 때문에, 이들 원소는 "발광 킬러(killers of luminescence)"라고 명명되었다[참조: "Phosphor Handbook" CRC Press LLC, 1999]. 따라서, 통상적으로 램프 인광체의 제조 공정에서 이러한 원소를 제거하는 것은 매우 중요하다. 또한, 형광 램프 인광체 및 음극선관 인광체용의 공통 활성화제 이온으로서 Mn2 +와 유사한 3d5 기저 상태를 갖는 Fe3 +의 발광은, 670 ㎚보다 긴 파장 영역에 위치하고 있으며, LiAlO2:Fe3+ 및 LiGaO2:Fe3 +만이 특수한 형광 램프 응용에 사용된다는 것이 알려져 있다.
미국 특허 제6,737,681호에서, 가넷 인광체는 몇몇 원소, 및 Pr, Sm, Cu, Ag, Au, Fe, Cr, Nd, Dy, Ni, Ti, Tb 및 Eu로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 사용하여 소량으로 도핑되지만, 이 경우 Fe는 Ce(III)를 위한 3가의 공활성화제(co-activator)로서 도입된다.
특허 문헌 1: 국제 공개 제98-12757호
특허 문헌 2: 국제 공개 제02-52615호
특허 문헌 3: 미국 특허 제5,998,925호
특허 문헌 4: 유럽 특허 제1271664호
특허 문헌 5: 유럽 특허 제862794호
특허 문헌 6: 국제 공개 제00-33389호
특허 문헌 7: 국제 공개 제00-33390호
특허 문헌 8: 유럽 특허 제1150361호
특허 문헌 9: 미국 특허 제5,598,059호
특허 문헌 10: 국제 공개 제04-085570호
특허 문헌 11: 국제 공개 제02-11214호
특허 문헌 12: 국제 공개 제02-054502호
특허 문헌 13: 미국 특허 제6,255,670호
비특허 문헌 1: [K. H. Butler "Fluorescent Lamp Phosphors" Pennsylvania Univ. Press 1980]
비특허 문헌 2: [T. L. Barry (Journal of Electrochemical. Society, 1968, 1181]
비특허 문헌 3: [Phosphor Handbook, CRC Press LLC, 1999]
매우 순수한 규산염 화합물에서의 상기 이론으로부터, 광학 스펙트럼의 근자외선 또는 가시광 영역에는, 예를 들면 Fe의 어떠한 여기도도 있을 수 없다. 그 때문에, 철계 금속은 양이온 부격자(sub-lattice)에서의 성분으로서 사용될 수 있다.
산소 지배적 화합물, 예를 들어, 유로퓸, 테르븀 등과 같은 희토류 이온에 의해 활성화되는 규산염에서 상위 격자 성분의 일부로서 철족 원소의 영향은 현재까지 설명되지 않았다. 그러나, 2가 철족 이온의 이온 반경은 Mg2 + 및 Ca2 +의 반경에 가까운 영역에 있다. 따라서, 격자의 재배열이 발생할 때까지 규정된 양으로 이러한 이온을 규산염 상위 격자 내로 도입시킬 수 있다.
또한, 유로퓸 도핑된 알칼리 토류 오르토-규산염은, 바륨 함량의 증가에 따라 증가하는 모든 양성자성 용매, 예를 들면 물 및 산에 대하여 일정한 감도를 나타낸다. 그 원인은, 알칼리 토류 원소가 높은 음의 전기화학적 산화환원 전위(Ca에서의 -2.87V 내지 Ba에서의 약 -2.91V)를 갖고, 낮은 전기음성도(1.0 내지 1.1)를 갖기 때문이다. 알칼리 토류 수산화물은 강한 염기이지만, 규산은 매우 약한 산에 불과하다. 이는 모든 상술한 규산염이 물에 침지될 때, 가수분해성을 다소 나타냄을 의미한다.
통상의 오르토-규산염의 이러한 결점은, 보다 낮은 음의 전기화학적 산화환원 전위(-0.45V 내지 -0.26V) 및 보다 높은 전기 음성도(1.6 내지 1.8)를 갖는 철족 원소를 도입함으로써 제거되어야 한다.
본 발명의 목적은 수성 조건 또는 습기에 대하여 보다 안정적으로 하기 위해 알칼리 토류 및 철족 원소를 함유하는 결정질 혼합 규산염 기재 인광체, 및 이러한 인광체를 사용하는 발광 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 청색광 또는 근자외선 발광 장치에서 광 변환기로서 사용하기 위한, 희토류 이온으로 도핑한 후 유효한 발광을 나타내는 신규한 발광 철계 금속-알칼리 토류 규산염 혼합 결정에 관한 것이다. 본 발명은 오르토-규산염 화합물에 한정되지 않는다. 다른 모든 규산염 결정질 화합물도 포함될 수 있다.
(1) 본 발명의 하나의 측면에 따라, 주로 가시광 및/또는 자외선 발광 장치용 광 변환기로서 단일 성분 또는 혼합물의 형태로 사용되는, 철계 금속-알칼리 토류 금속 혼합 규산염 기재 인광체가 제공된다.
상기 발명 (1)에 있어서, 다음과 같은 변경 및 변형이 가능하다.
(i) 상기 인광체는 활성화제로서 희토류 원소를 포함한다.
(ii) 상기 희토류 원소는 유로퓸 (Eu)을 포함한다.
(iii) 상기 인광체는 희토류 원소, 및 Mn, Bi, Sn 및 Sb 중 1종 이상을 포함하는 공활성화제를 포함한다.
(iv) 상기 인광체는 화학식 M1 aM2 bM3 cM4 d(Si1 - zM5 z)eM6 fM7 gOhXn:Ax로 표시된다.
상기 식에서,
M1은 Ca, Sr, Ba 및 Zn 중 1종 이상의 원소이고,
M2는 Mg, Cd, Mn 및 Be 중 1종 이상의 원소이고,
M3은 주기율표에서 제1족 원소 중 1종 이상의 1가의 금속 이온이고,
M4는 Fe, Co 및 Ni 중 1종 이상의 원소이고,
M5는 Ti, Zr, Hf 및 Ge 중 1종 이상의 4가 원소이고,
M6은 Al, B, Ga, In, La, Sc 및 Y 중 1종 이상의 원소이고,
M7은 Sb, P, V, Nb 및 Ta 중 1종 이상의 원소이고,
X는 전하의 균형을 취하는 F, Cl, Br 및 I 중 1종 이상의 이온이고,
A는 Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Bi, S, Sn 및 Sb 중 1종 이상의 원소이고,
h는 a + b + c/2 + d + 2e + 3f/2 + 5g/2 - n/2 + x이고,
0.5≤a≤8;
0≤b≤5;
0≤c≤4;
0<d≤2;
0<e≤10;
0≤f≤2;
0≤g≤2;
0≤n≤4;
0<x≤0.5; 및
0≤z≤1이다.
(v) 상기 인광체는 입자 직경이 모두 50 μm보다 작은 입자를 포함한다.
(vi) 상기 인광체는 광학 스펙트럼의 가시 영역에서 빛을 방사하는 LED용 광 변환기로서, 단독으로 사용되거나 다른 인광체와 함께 사용된다.
(2) 본 발명의 다른 측면에 따르면, 발광 장치는 발광부; 상기 발광부로부터 방사되는 빛의 파장을 변환시키는 철계 금속-알칼리 토류 금속 혼합 규산염 기재 인광체를 포함하는 파장 변환부; 상기 발광부에 전력을 공급하는 전력 공급부; 및 상기 발광부 및 상기 전력 공급부를 밀봉하는 밀봉부를 포함한다.
상기 발명 (2)에 있어서, 다음과 같은 변경 및 변형이 가능하다.
(vii) 상기 발광부는 반도체 발광 소자를 포함하고, 상기 철계 금속-알칼리 토류 금속 혼합 규산염 기재 인광체는 화학식 M1 aM2 bM3 cM4 d(Si1 - zM5 z)eM6 fM7 gOhXn:Ax로 표시된다.
상기 식에서,
M1은 Ca, Sr, Ba 및 Zn 중 1종 이상의 원소이고,
M2는 Mg, Cd, Mn 및 Be 중 1종 이상의 원소이고,
M3은 주기율표에서 제1족 원소 중 1종 이상의 1가의 금속 이온이고,
M4는 Fe, Co 및 Ni 중 1종 이상의 원소이고,
M5는 Ti, Zr, Hf 및 Ge 중 1종 이상의 4가 원소이고,
M6은 Al, B, Ga, In, La, Sc 및 Y 중 1종 이상의 원소이고,
M7은 Sb, P, V, Nb 및 Ta 중 1종 이상의 원소이고,
X는 전하의 균형을 취하는 F, Cl, Br 및 I 중 1종 이상의 이온이고,
A는 Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Bi, S, Sn 및 Sb 중 1종 이상의 원소이고,
h는 a + b + c/2 + d + 2e + 3f/2 + 5g/2 - n/2 + x이고,
0.5≤a≤8;
0≤b≤5;
0≤c≤4;
0<d≤2;
0<e≤10;
0≤f≤2;
0≤g≤2;
0≤n≤4;
0<x≤0.5; 및
0≤z≤1이다.
(viii) 상기 발광부는 III족 질화물 기재 화합물 반도체 발광 소자를 포함하고, 상기 철계 금속-알칼리 토류 금속 혼합 규산염 기재 인광체는 화학식 M1 aM2 bM3 cM4 d(Si1-zM5 z)eM6 fM7 gOhXn:Ax로 표시된다.
상기 식에서,
M1은 Ca, Sr, Ba 및 Zn 중 1종 이상의 원소이고,
M2는 Mg, Cd, Mn 및 Be 중 1종 이상의 원소이고,
M3은 주기율표에서 제1족 원소 중 1종 이상의 1가의 금속 이온이고,
M4는 Fe, Co 및 Ni 중 1종 이상의 원소이고,
M5는 Ti, Zr, Hf 및 Ge 중 1종 이상의 4가 원소이고,
M6은 Al, B, Ga, In, La, Sc 및 Y 중 1종 이상의 원소이고,
M7은 Sb, P, V, Nb 및 Ta 중 1종 이상의 원소이고,
X는 전하의 균형을 취하는 F, Cl, Br 및 I 중 1종 이상의 이온이고,
A는 Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Bi, S, Sn 및 Sb 중 1종 이상의 원소이고,
h는 a + b + c/2 + d + 2e + 3f/2 + 5g/2 - n/2 + x이고,
0.5≤a≤8;
0≤b≤5;
0≤c≤4;
0<d≤2;
0<e≤10;
0≤f≤2;
0≤g≤2;
0≤n≤4;
0<x≤0.5; 및
0≤z≤1이다.
(ix) 상기 파장 변환부는 광 투과성 재료와 혼합되고, 상기 밀봉부에 층의 형태로 배치된다.
(x) 상기 파장 변환부는 광 투과성 재료와 혼합되고, 상기 발광부의 근방에 배치된다.
(xi) 상기 발광부는 III족 질화물 기재 화합물 반도체 발광 소자; 상기 발광 소자를 탑재하는 소자 탑재 기판; 및 상기 발광 소자 및 상기 소자 탑재 기판을 일체적으로 밀봉하는 유리 밀봉부를 포함한다.
(xii) 상기 파장 변환부는 상기 유리 밀봉부의 표면상에 일체적으로 배치된다.
(xiii) 상기 반도체 발광 소자는 광학적으로 형상화된 사파이어 기판을 포함한다.
본 발명의 잇점
일반적인 알칼리 토류 규산염 기재 인광체의 양성자성 용매에 대한 감도 때문에, 철족 원소는 격자내로 도입된 경우에 알칼리 토류 원소, 예를 들어, 스트론튬에 비해 철, 코발트 및 니켈의 보다 낮은 음의 전기화학적 전위에 기인하는 물에 대한 안정성을 크게 증대시킨다. 물에 의한 세정 절차는 대규모로 결정 표면의 품질에 영향을 미칠 수 없다. 이러한 인광체를 발광 장치에 사용함으로써, 파장 변환성이 양호할 뿐만 아니라 내습성 및 내수성이 우수한 발광 장치를 실현할 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 실시태양을 하기 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 제2 바람직한 실시태양에서의 발광 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 제2 바람직한 실시태양에서의 발광 장치에 사용되는 발광 소자를 나타내는 종단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 제3 바람직한 실시태양에서의 발광 장치를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 제4 바람직한 실시태양에서의 발광 장치를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제4 바람직한 실시태양에서의 플립 실장형의 발광 소자를 나타내는 종단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 제5 바람직한 실시태양에서의 발광 장치를 나타내는 단면도이다.
도 7은 내부로부터의 광 취출이 용이하도록 형상화된 발광 소자를 나타내는 종단면도이다.
도 8은 내부로부터의 광 취출이 용이하도록 제작된 다른 발광 소자를 나타내 는 종단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 제6 바람직한 실시태양에서의 발광 장치를 나타내는 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 제7 바람직한 실시태양에서의 발광 장치를 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 제8 바람직한 실시태양에서의 발광 장치를 나타내는 단면도이다.
< 발명을 실시하기 위한 최선의 형태>
제1 실시태양
본 발명에 따른 신규한 발광 재료 중 일부를 표 1에 나타내었다. 발광 데이터는 희토류 원소로 도핑된 순수 알칼리 토류 규산염과 비교한 것이다.
Figure 112008067823413-pct00001
일반적으로, 출발 물질, 예를 들어, 알칼리 토류 탄산염, 실리카 (SiO2), 유로퓸 산화물 (EU2O3), 철 산화물 (Fe2O3) 또는 염화철 (FeCl3), 염화코발트(CoCl2), 염화니켈 (NiCl2) 또는 수산화니켈 탄산염 (NiCO3 x 2Ni(OH)2), 융제(fluxing agent) (NH4Cl) 등을 2 내지 8 시간 동안 화학량론적으로 혼합한다. 상기 혼합물을 150 내지 200℃의 건조로에서 2 내지 12 시간 동안 건조시킨다. 그 후, 건조된 혼합물을 600℃ 내지 800℃에서 4 시간 내지 8 시간 동안 강옥 도가니에서 질소 하에 예비 소성시킨다. 실온으로 냉각시킨 후, 혼합물을 다시 분쇄하고, 마지막으로 1200℃ 내지 1400℃에서 6 시간 내지 12 시간 동안 질소/수소의 환원 분위기하에 소성시킨다. 1380℃ 미만의 온도에서 소성시키는 것이 추천된다. 만약 그렇지 않으면, 유리질 형상이 형성되어, 최종 인광체의 효율이 현저히 감소된다. 조 인광체 케이크를 분쇄한 다음, 추가적으로 분쇄한다. 거친 인광체를 세척하고, 100℃ 내지 150℃에서 8 시간 내지 10 시간 동안 건조시고, 마지막으로 체로 거른다.
이하, 제1 바람직한 실시태양의 철계 금속-알카리 토류 금속 규산염 혼합 결정 인광체에 대하여 상세히 설명한다.
인광체 1: (Ba0 .177Sr0 .799Ca0 .001Fe0 .003Eu0 .02)2SiO4
BaCO3 279.48 g의 인광체 4몰을 제조하기 위해, 943.71 g의 SrCO3, 0.8 g의 CaCO3, 1.92 g의 Fe2O3, 28.16 g의 Eu2O3, 240.35 g의 건조 SiO2, 융제로서 13.37 g의 NH3Cl을 칭량하고, 5 시간 동안 혼합하였다. 상기 출발 혼합물을 유리 접시에 놓고, 175℃에서 8 시간 동안 건조시켰다. 건조된 혼합물을 도가니에 넣고, 제1 기간으로서 650℃에서 3 시간 동안 소성시켰다. 실온으로 냉각시킨 후, 상기 혼합물을 재차 분쇄하고, 그 후 1250℃에서 12 시간 동안 환원 분위기(N2 중 10 Vol% H2)하에 제2 소성 공정을 수행하였다. 거친 인광체 케이크를 분쇄한 다음, 충분히 분말화하고, 물로 세척하였다. 분리 후, 상기 규산염 재료를 130℃에서 건조시키고, 마지막으로 체로 걸렀다.
제조한 인광체의 광학적 성질을 측정한 결과, 563.0 ㎚(450 ㎚ 여기)에서 최대값을 갖고, 250 ㎚ 내지 500 ㎚의 범위에 걸쳐서 여기 가능한 넓은 발광 밴드가 얻어졌다. 휘도는 Fe를 함유하지 않는 순수 규산염 인광체에 비해 100.8 ％에 달하였다.
인광체 2: (Ba0 .3525Sr0 .625Co0 .0025Eu0 .02)2SiO4
BaCO3 556.58 g의 인광체 4몰을 제조하기 위하여, 738.20 g의 SrCO3, 2.59 g의 CoCl2, 28.16 g의 Eu2O3, 240.35g의 건조 SiO2, 및 융제로서 13.37 g의 NH3Cl을 칭량하고, 6 시간 동안 혼합하였다. 상기 출발 혼합물을 유리 접시에 놓고 175 ℃에서 8 시간 동안 건조시켰다. 건조된 혼합물을 도가니에 넣고, 제1 기간으로서 650 ℃에서 5 시간 동안 소성시켰다. 실온으로 냉각시킨 후, 상기 혼합물을 재차 분쇄한 다음, 강옥 도가니에 넣고 1250 ℃에서 14 시간 동안 환원 분위기(N2 중 10 Vol% H2)하에 제2 기간 동안 소성시켰다. 거친 인광체 케이크를 분쇄한 다음, 충분히 분말화하고, 물로 세척하였다. 분리 후, 상기 규산염 재료를 130℃에서 건조시키고, 마지막으로 체로 걸렀다.
제조한 인광체의 광학적 성질을 측정한 결과, 531.5 ㎚에서 최대값을 갖고, 250 ㎚ 내지 480 ㎚의 범위에 걸쳐서 여기 가능한 넓은 발광 밴드가 얻어졌다. 휘도는 Co를 함유하지 않는 순수 규산염 인광체에 비해 99.7 ％에 달하였다.
인광체 3: (Ba0 .67Sr0 .31Eu0 .02)3(Mg0 .81Fe0 .07Mn0 .12)Si2O8
BaCO3 793.43 g의 인광체 2몰을 제조하기 위해, 274.61 g의 SrCO3, 136.58 g의 MgCO3, 17.03 g의 MnO, 11.18 g의 Fe2O3, 21.12 g의 Eu2O3, 240.36 g의 건조 SiO2, 및 융제로서 8.56 g의 NH3Cl을 칭량하고 6 시간 동안 혼합하였다. 상기 출발 혼합물을 유리 접시에 놓고 175 ℃에서 10 시간 동안 건조시켰다. 건조된 조성물을 도가니에 넣고, 제1 기간으로서 650 ℃에서 6 시간 동안 소성시켰다. 실온으로 냉각시킨 후, 상기 혼합물을 재차 분쇄하고, 그 후 강옥 도가니에 넣고 1300 ℃에서 10 시간 동안 환원 분위기(N2 중 10 Vol% H2)하에 제2 기간 동안 소성시켰다. 이러한 거친 인광체 케이크를 분쇄한 다음, 이어서 충분히 분말화하고 물로 세척하였다. 분리 후, 상기 규산염 재료를 130 ℃에서 건조시키고, 마지막으로 체로 걸렀다.
제조한 인광체의 광학적 성질을 측정한 결과, 약 643.0 ㎚에서 최대값을 갖고, 250 ㎚ 내지 410 ㎚의 범위에 걸쳐서 여기 가능한 넓은 발광 밴드가 얻어졌다. 휘도는 Fe를 함유하지 않는 순수 규산염 형광체에 비해 101.3 ％에 달하였다.
인광체 4: (Ba0 .222Sr0 .7455Ni0 .0025Eu0 .03)2SiO4
BaCO3 350.53 g의 인광체 4몰을 제조하기 위해, 880.52 g의 SrCO3, 2.59 g의 NiCl2, 42.24 g의 Eu2O3, 240.36 g의 건조 SiO2, 및 융제로서 18.54 g의 NH3Cl을 칭량하고, 5 시간 동안 혼합하였다. 상기 준비된 출발 혼합물을 유리 접시에 놓고, 175 ℃에서 8 시간 동안 건조시켰다. 건조된 조성물을 도가니에 넣고, 제1 기간으로서 650 ℃에서 8 시간 동안 소성시켰다. 실온으로 냉각시킨 후, 상기 혼합물을 재차 분쇄한 다음, 강옥 도가니에 넣고, 1250 ℃에서 15 시간 동안 환원 분위기(N2 중 10 Vol% H2)하에 제2 기간 동안 소성시켰다. 이러한 거친 인광체 케이크를 분쇄한 다음, 이어서 충분히 분말화하고 물로 세척하였다. 분리 후, 상기 규산염 재료를 130 ℃에서 건조시키고, 마지막으로 체로 걸렀다.
제조한 인광체의 광학적 성질을 측정한 결과, 557.5 ㎚에서 최대값을 갖고, 250 ㎚ 내지 490 ㎚의 범위에 걸쳐서 여기 가능한 넓은 발광 밴드가 얻어졌다. 휘도는 Ni을 함유하지 않는 순수 규산염 형광체에 비해 100.2 ％에 달하였다.
제1 실시태양의 잇점
상술한 모든 경우에서, 물 또는 습기에 대한 개선된 안정성과 관련하여 전반적인 개선을 관찰할 수 있었다. 80 ％의 습도를 함유하는 공기 중에서 최종 인광체를 열 처리(10 시간, 85℃)한 후, 휘도의 유지가 순수 알칼리 토류 규산염 형광체의 경우에 비해 훨씬 양호해졌으며, 약 105 ％ 내지 약 110 ％에 달하였다.
상기한 인광체를 발광 장치의 광 변환부에 사용함으로써, 습기에 대하여 안정적이며, 원하는 색을 갖는 파장 변환광을 효율적으로 얻을 수 있다. 또한, 발광 소자를 광원에 사용함으로써, 소형이어도 밝은 발광 장치를 얻을 수 있다.
제2 실시태양
도 1은 본 발명에 따른 제2 바람직한 실시태양의 발광 장치를 나타내는 단면도이다.
이 발광 장치 (1)은, 발광부로서 질화물 기재 반도체 화합물을 포함하는 반도체층(GaN계 반도체층)을 포함하는 발광 소자 (2), 상기 발광 소자 (2)를 탑재하고 외부와 전기적으로 접속된 소자 탑재 기판 (3), 내면에 경사진 반사면 (40)을 포함하는, 상기 소자 탑재 기판 (3)과 일체적으로 설치된 케이스 (4), 상기 발광 소자 (2)를 상기 소자 탑재 기판 (3) 위에 고정시키는 접착제 (5), 상기 발광 소자 (2)의 전극과 전력 공급부로서 소자 탑재 기판 (3)에 설치된 제1 배선 패턴 (31)을 전기적으로 접속시키는 Au를 포함하는 와이어 (6), 및 상기 케이스 (4)의 내측에 고정된 발광 소자 (2)를 밀봉하고, 제1 바람직한 실시태양에서 설명한 철계 금속-알카리 토류 금속 규산염 혼합 결정 인광체를 포함하는 적색 인광체를 포함하는 파장 변환부 (7R), 녹색 인광체를 포함하는 파장 변환부 (7G), 및 파장 변환부 (7B) 보다 상층으로서 설치된 무색 투명한 투명 수지부 (7A)를 포함하는 밀봉 수지부 (7)을 포함한다.
발광 소자 (2)는 사파이어 기판 (201) 상에 MOCVD(금속 유기 화학 증착; Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법에 기초하여 GaN-기재 반도체층의 결정 성장에 의해 형성된 것이며, 제1 바람직한 실시태양에서 발광 소자 (2)는 460 내지 465 ㎚의 피크 파장을 갖는 청색광을 방사한다.
소자 탑재 기판 (3)은 가공성이 우수한 세라믹을 포함하고, 기판 표면으로부터 배면을 관통하여 설치된 비아홀(via hole) (30), 텅스텐(W)과 같은 도전성 페이스트에 의해 패턴화됨으로써 표면 상에 형성된 제1 배선 패턴 (31), 도전성 페이스트에 의해 패턴화됨으로써 탑재면이 되는 배면 상에 유사하게 형성된 제2 배선 패턴 (32), 및 제1 배선 패턴 (31)과 제2 배선 패턴 (32)를 전기적으로 접속시키는 비아 패턴 (33)을 포함한다. 바람직한 실시태양에서, 소자 탑재 기판은 Al2O3의 세라믹 기판을 포함하지만, AlN 등의 방열성이 우수한 세라믹 기판을 사용할 수도 있다.
케이스 (4)는 소자 탑재 기판 (3)에 일체적으로 접착되어 있는, 나일론 등의 수지 재료를 포함한다. 케이스 내면은 발광 소자 (2)로부터 방사되는 빛이 빛 방사 방향으로 반사되도록 하는 경사진 반사면 (40)을 포함하고, 상기 내면은 환상으로 형성되어 있다. 또한, 케이스 (4)도 상기한 Al2O3 등의 세라믹에 의해 형성될 수 있다.
접착제 (5)는 열전도성 Ag 페이스트를 포함하며, 발광 소자 (2)를 제1 배선 패턴 (31) 상에 접착 고정시키고, 이를 통해 발광 소자 (2)의 발광에 기인한 발열을 제1 배선 패턴 (31)에 열 전도시킨다.
밀봉 수지부 (7)은 실리콘과 적색광을 방사하는 인광체로서 철계 금속-알칼리 토류 금속 규산염 혼합 결정 인광체인 (Ba0 .67Sr0 .31Eu0 .02)3(Mg0 .81Fe0 .07Mn0 .12)Si2O8을 혼합시킴으로써 형성된 파장 변환부 (7R)을 포함하고, 발광 소자 (2)의 근방에 배치되어 있다. 파장 변환부 (7R)의 적색 인광체는 발광 소자 (2)로부터 방사되는 청색광에 의해 여기될 때 643 ㎚의 피크 파장을 갖는 적색광을 방사한다.
또한, 밀봉 수지부 (7)은 에폭시 수지와 녹색광을 방사하는 인광체로서 철계 금속-알칼리 토류 금속 규산염 혼합 결정 인광체 (Ba0 .177Sr0 .799Ca0 .001Fe0 .003Eu0 .02)2SiO4를 혼합함으로써 형성된 파장 변환부 (7G)를 포함하고, 파장 변환부 (7R)의 상층으로서 배치되어 있다. 파장 변환부 (7G)의 녹색 인광체는, 발광 소자 (2)로부터 방사되는 청색광에 의해 여기될 때 563 ㎚의 피크 파장을 갖는 녹색광을 방사한다. 에폭시 수지를 포함하는 무색 투명한 투명 수지부 (7A)가 상기 파장 변환부 (7G)의 표면상에 설치된다. 또한, 에폭시 수지 대신에 실리콘이 밀봉 수지부 (7)을 구성하는 수지 재료로서 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 제2 바람직한 실시태양의 발광 장치에 사용되는 발광 소자를 나타내는 종단면도이다.
발광 소자 (2)는 p측 및 n측의 전극이 수평 방향으로 배치된 수평형의 발광 소자이며, III족 질화물 기재 화합물을 성장시키기 위한 성장 기판인 사파이어 기판 (201), 상기 사파이어 기판 (201) 상에 형성된 AlN 완충층 (202), Si로 도핑된 n형 GaN:Si 클래딩층 (203), InGaN/GaN의 다중 양자 웰(well) 구조를 갖는 MQW (204), Mg으로 도핑된 p형 Al0 .12Ga0 .88N:Mg 클래딩층 (205), Mg으로 도핑된 p형 GaN:Mg 접촉층 (206), p형 GaN:Mg 접촉층 (206)에 전류를 확산시키는 ITO(산화 인듐 주석)을 포함하는 투광성 전극 (207)을 포함하는, 순차적으로 적층된 구조에 의해 형성되며, AlN 완충층 (202)로부터 p형 GaN:Mg 접촉층 (206)까지는 MOCVD(금속 유기 화학 증착)법에 의해 형성된다.
또한, Au를 포함하는 패드 전극 (208)이 투광성 전극 (207)의 표면상에 형성되며, Al을 포함하는 n측 전극 (209)가 발광 소자부에서 p형 GaN:Mg 접촉층 (206)으로부터 n형 GaN:Si 클래딩층 (203)까지가 에칭 공정에 의해 제거된 n형 GaN:Si 클래딩층 (203) 상에 형성된다.
AlN 완충층 (202)는 캐리어 가스로서 H2를 사용하여, 트리메틸갈륨(TMG) 및 트리메틸알루미늄(TMA)을 사파이어 기판 (201)이 배치된 반응기에 공급함으로써 형성된다.
n형 GaN:Si 클래딩층 (203)은 캐리어 가스로서 N2를 사용하여, NH3 및 트리메틸갈륨(TMG)을 사파이어 기판 (201)이 배치된 반응기에 공급하고, n형의 도전성을 부여하기 위한 도펀트 및 Si 원료로서 모노실란(SiH4)을 사용하여, AlN 완충층 (202) 상에 약 4 ㎛의 두께로 형성된다.
MQW (204)는 캐리어 가스로서 H2를 사용하고, 트리메틸인듐(TMI) 및 TMG를 반응기에 공급함으로써 형성된다. InGaN 웰층의 형성시에, TMI 및 TMG가 공급되고, GaN 장벽층의 형성시에는 TMG가 공급된다. 바람직한 실시태양에서, MQW (204)의 InGaN 웰층 및 GaN 장벽층은 4쌍으로 형성되지만, 3 내지 6쌍으로 형성되는 것도 가능하다.
p형 Al0 .12Ga0 .88N:Mg 클래딩층 (205)는 캐리어 가스로서 N2를 사용하고, NH3, TMG, TMA 및 Mg 원료로서 Cp2Mg를 사파이어 기판 (201)이 배치된 반응기에 공급함으로써 형성된다.
p형 GaN:Mg 접촉층 (206)은 캐리어 가스로서 N2를 사용하고, NH3, TMG 및 Mg 원료로서 Cp2Mg를 사파이어 기판 (201)이 배치된 반응기에 공급함으로써 형성된다.
상기 발광 장치 (1)은 전력이 제2 배선 패턴 (32)를 통해 외부로부터 발광 장치 (1)에 공급되는 경우, 발광 소자 (2)의 MQW (204)에 있어서 InGaN 웰층에서 전자-정공 재결합이 발생하도록 460 내지 465 ㎚의 피크 파장을 갖는 청색광을 방사한다. 상기 청색광은 밀봉 수지부 (7)의 파장 변환부 (7R)에 입사되어, 파장 변환부 (7R)의 적색 인광체를 여기시켜, 643 ㎚의 피크 파장을 갖는 적색광을 발생시킨다. 또한, 파장 변환부 (7R)을 투과한 청색광은 파장 변환부 (7G)에 입사되어, 파장 변환부 (7G)의 녹색 인광체를 여기시켜, 563 ㎚의 피크 파장을 갖는 녹색광을 발생시킨다. 이와 같이 방사되는 적색광 및 녹색광, 및 발광 소자 (2)로부터 방사되는 청색광이 혼합됨으로써 백색광이 발생되어, 빛 방사 방향으로 방사된다.
제2 실시태양의 잇점
상기한 제2 바람직한 실시태양에 따르면, 파장 변환부 (7R) 및 파장 변환부 (7G)가 철계 금속-알칼리 토류 금속 규산염 혼합 결정 인광체의 여기 파장대인 청색광에 의해 여기됨으로써, 연색성 및 색 재현성이 우수한 백색광을 얻을 수 있고, 인광체가 습기에 의해 덜 열화되는 발광 장치를 얻을 수 있다.
도 1에 도시한 표면 실장형의 발광 장치 (1)의 경우, 밀봉 수지부 (7)의 흡습 및 케이스 (4)와 밀봉 수지부 (7)간의 밀착 저하에 기인하는 흡습이 발생하면, 인광체의 열화가 초래된다고 간주되나, 상기한 제2 바람직한 실시태양의 발광 장치 (1)에서는, 내습성이 개선된 철계 금속-알카리 토류 금속 규산염 혼합 결정 인광체가 사용됨으로써, 통상의 규산염계 형광체에 비해 흡습에 의한 발광 특성의 저하가 방지될 수 있고, 고습 환경하에서 사용하는 경우일지라도 인광체가 흡습에 의해 덜 열화되는 발광 장치가 제공될 수 있다.
또한, 제2 바람직한 실시태양에서, 황색 형광체로서 (Ba0.16Sr0.799Ca0.001Fe0.02Eu0.02)2SiO4를 사용하는 발광 장치 (1)을 설명하였지만, 다른 철계 금속-알카리 토류 금속 규산염 혼합 결정 녹색 인광체로서, (Ba0.3525Sr0.625Co0.0025Eu0.02)2SiO4, (Ba0 .222Sr0 .7455Ni0 .0025Eu0 .03)2SiO4, (Ba0.897Sr0.05Fe0.05Eu0.003)2Si(Al0.0001)O4.00015, (Ba0 .96Eu0 .04)2(Mg0 .82Fe0 .08Zn0 .1)Si2O7이 사용될 수도 있다.
또한, 제2 바람직한 실시태양에서 하나의 발광 소자 (2)를 포함하는 구조를 설명하였지만, 복수개의 발광 소자 (2)를 포함하는 발광 장치 (1)이 사용될 수도 있다. 또한, 파장 변환에 의해 얻어지는 빛의 색은 상기한 백색으로 한정되지 않으며, 발광색과 인광체로부터 방사되는 빛의 혼합에 기초한 색의 빛 또한 사용될 수 있다.
제3 실시태양
도 3은 본 발명에 따른 제3 바람직한 실시태양의 발광 장치를 나타내는 단면도이다. 이하의 설명에 있어서, 제2 바람직한 실시태양과 동일한 구조 및 기능을 갖는 부분에 대해서는 공통 부호가 사용된다.
발광 장치 (1)은 제2 바람직한 실시태양에서 설명한 발광 소자 (2)의 바로 아래에 도전성 페이스트와 함께 방열 패턴 (34A)가 형성되고, 상기 방열 패턴 (34A)가 비아 패턴 (33)을 통해 기판의 배면측에 형성된 방열 패턴 (34B)에 접속함으로써 형성되는 방열 경로를 포함한다는 점에 있어서 제2 바람직한 실시태양의 장치와 상이하다.
제3 실시태양의 잇점
상기한 제3 바람직한 실시태양에 따르면, 제2 바람직한 실시태양의 바람직한 잇점에 추가로, 발광 소자 (2)의 발광에 의해 형성된 열이 방열 패턴 (34A), (34B) 및 비아 패턴 (33)에 의해 기판의 배면측으로 전달되기 때문에, 밀봉 수지부 (7)의 열 팽창이 감소될 수 있으며, 패키지 균열 등의 발생이 억제될 수 있다.
제4 실시태양
도 4는 본 발명에 따른 제4 바람직한 실시태양의 발광 장치를 나타내는 단면도이다.
발광 장치 (1)은 제3 바람직한 실시태양에서 설명한 페이스업(face-up)형 발광 소자 (2) 대신에, 사파이어 기판 (201)이 광 취출측에 배치된 플립 실장형 발광 소자 (2)가 사용되고, 상기 발광 소자 (2)의 전극이 Au 범프 (8)을 통해 제1 배선 패턴 (31)에 전기적으로 접속되는 구조에 있어서 제3 바람직한 실시태양의 장치와 상이하다.
도 5는 본 발명에 따른 제4 바람직한 실시태양의 플립 실장형의 발광 소자를 나타내는 종단면도이다.
발광 소자 (2)는 p측 전극 (210)으로서 로듐(Rh)을 사용하고, n측 전극 (209)로서 알루미늄(Al)을 사용함으로써 형성된다. 또한, p측 전극 (210)으로서 ITO가 사용될 수 있다.
제4 실시태양의 잇점
상기한 제4 바람직한 실시태양에 따르면, 제3 바람직한 실시태양의 바람직한 잇점에 추가로, 와이어 결합 단계가 생략될 수 있으며, 양산성이 우수하고, 광 취출면을 소자 탑재 기판 (3)측에 세팅함으로써 광 취출 효율이 향상될 수 있다.
제5 실시태양
도 6은 본 발명에 따른 제5 바람직한 실시태양의 발광 장치를 나타내는 단면도이다.
발광 장치 (1)은 제4 바람직한 실시태양에서 설명한 발광 소자 (2)로서 발광 파장 380 ㎚을 갖는 근자외광을 방사하는 발광 소자 (2)를 포함하고, 근자외선 광에 의해 여기되는 철계 금속-알카리 토류 금속 규산염 혼합 결정 인광체를 함유하는 파장 변환부 (7R), (7G) 및 (7B)가 상기 소자 (2) 주위에 박막 형태로 형성되는 구조에 있어서 제4 바람직한 실시태양의 장치와 상이하다.
파장 변환부 (7R)은 결합제로서 실리콘 중 적색 인광체로서 (Ba0.67Sr0.31Eu0.02)3(Mg0.81Fe0.07Mn0.12)Si2O8을 함유하고, 파장 변환부 (7G)는 파장 변환부 (7R)과 유사하게 결합제로서 실리콘 중 (Ba0 .177Sr0 .799Ca0 .001Fe0 .003Eu0 .02)2SiO4를 함유하고, 파장 변환부 (7B)는 파장 변환부 (7R) 및 (7G)와 유사하게 결합제로서 실리콘 중 (Ba0 .97Eu0 .03)3(Mg0 .9Fe0 .1)Si2O8을 함유한다.
제5 실시태양의 잇점
상기한 제5 바람직한 실시태양에 따르면, 제4 바람직한 실시태양의 바람직한 잇점에 추가로, 파장 변환부 (7R), (7G) 및 (7B)가 발광 소자 (2)의 근방에 형성됨으로써, 발광 소자 (2)의 근방으로부터 백색광을 방사시킬 수 있는 점광원이 얻어질 수 있다. 상기 점광원은 작은 직경의 빔광을 필요로 하는 용도에 보다 적합하다.
또한, 제5 바람직한 실시태양에서, RGB의 파장 변환부 (7R), (7G) 및 (7B)가 근자외광을 방사하는 발광 소자 (2)의 근방에 형성된 구조를 설명하였지만, 상기 파장 변환부 (7R), (7G) 및 (7B)에 함유되는 인광체는 또한 제2 바람직한 실시태양에서 설명한 바와 같은 청색광을 방사하는 발광 소자 (2)로부터 방사되는 460 내지 465 ㎚의 피크 파장을 갖는 청색광에 의해서도 여기될 수 있다. 이 경우, 파장 변환부 (7B)의 구성이 생략될 수 있고, 에폭시 수지가 파장 변환부에 사용되는 결합제에 사용될 수 있다. 그러나, 발광 강도가 큰 청색 발광 소자 (2)가 사용되는 경우, 빛에 의한 열화를 고려하여 실리콘을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 청색 발광 소자 (2)가 사용되는 경우, 황색 인광체를 함유하는 파장 변환부가 발광 소자의 근방에 형성될 수 있다. 이 경우, 철계 금속-알카리 토류 금속 규산염 혼합 결정 인광체로서 (Ba0 .0015Sr0 .951Ca0 .001Fe0 .015Ni0 .0015Eu0 .03)3SiO5가 황색 인광체로서 사용될 수 있다.
또한, 황색 인광체를 함유하는 파장 변환부가 형성되는 구조에서, 백색광의 색 연색성을 향상시키고자 한다면, 상기한 (Ba0 .0015Sr0 .951Ca0 .001Fe0 .015Ni0 .0015Eu0 .03)3SiO5 에 추가로, 적색 인광체인 (Ba0 .67Sr0 .31Eu0 .02)3(Mg0 .81Fe0 .07Mn0 .12)Si2O8을 함유하는 파장 전환부를 형성시킬 수 있고, 또는 적색 인광체를 함유하는 파장 변환부를 황색 인광체를 함유하는 파장 변환부 상에 적층하여 형성시킬 수 있다.
또한, 플립 실장형의 발광 소자가 사용되는 경우, 사파이어 기판 (201)을 절삭, 에칭 등에 의해 형상 가공함으로써, 밀봉 수지부 (7)과의 굴절률 차에 기인하는 계면 반사가 억제될 수 있다.
도 7은 내부로부터의 광 취출이 용이하도록 형상화된 발광 소자를 나타내는 종단면도이다.
발광 소자 (2)는 도 5에서 설명한 발광 소자 (2)의 사파이어 기판 (201)이 상기 기판(201)의 모서리를 45°의 각도로 절단하여 형성된 절단부 (201B)를 가짐으로써 상기 발광 소자 (2)의 내부를 횡단으로 투과하는 빛을 절단부 (201B)를 통해 외부로 방사시킬 수 있는 구조이다. 이러한 구조에 의해, 발광 소자와 밀봉 수지부 (7) 간의 계면에서 전체 반사된 빛이 발광 소자 내부에 한정됨으로써 초래될 수 있는 광 손실을 줄일 수 있다.
도 8은 내부로부터의 광 취출이 용이하도록 제작된 다른 발광 소자를 나타내는 종단면도이다.
발광 소자 (2)는 도 5에서 설명한 발광 소자 (2)의 사파이어 기판 (201)과 AlN 완충층 (202)를 포함하는 n형 GaN:Si 클래딩층 (203) 간에 형성된, 오목면과 각각이 사다리꼴 형상인 볼록면이 있는 요철 계면 (210A)을 가짐으로써, MQW (204)의 InGaN층으로부터 발생하는 빛은 오목면과 볼록면에 의해 빛의 경로가 변경되어 보다 많은 양으로 외부 방사될 수 있다. 이러한 구조에 의해, 전체 반사에 의한 발광 소자 (2)의 내부로 되돌아 오는 빛이 감소될 수 있으며, 외부 방사 효율을 증대시킬 수 있다.
제6 실시태양
도 9는 본 발명에 따른 제6 바람직한 실시태양에서의 발광 장치를 나타내는 단면도이다.
발광 장치 (1)은 제2 바람직한 실시태양에서 설명한 청색광을 방사하는 발광 소자 (2) 대신에 380 ㎚의 근자외광을 방사하는 플립-팁(flip-tip)형 발광 소자 (2)를 광원으로서 사용하고, 파장 변환부 (7R), (7G) 및 (7B)를 케이스 (4)의 광 취출부에 박막 형태로 적층하여 형성시킴으로써, 파장 변환부에 의해 얻어지는 청색광, 녹색광 및 적색광의 혼합에 기초하여 백색광이 취출될 수 있는 구조에 있어서 제1 바람직한 실시태양의 장치와 상이하다. 파장 변환부 (7R)과 발광 소자 (2)가 고정된 소자 고정면 사이의 빈 공간은 실리콘을 포함하는 밀봉 수지부 (7)에 의해 밀봉되어 있다.
제6 실시태양의 잇점
상기한 제6 바람직한 실시태양에 따르면, 파장 변환부 (7R), (7G) 및 (7B)가 케이스 (4)의 광 취출부에 박막 형태로 형성되어 있기 때문에, 인광체의 사용량이제한되나 파장 변환성이 우수하고, 적색, 녹색 및 청색의 파장 변환광의 혼합에 기초한 백색광이 얻어질 수 있다.
또한, 제6 바람직한 실시태양에서, 근자외광을 방사하는 발광 소자 (2)를 사용하여 RGB의 인광체를 여기시키는 구성을 설명하였지만, 청색광을 방사하는 발광 소자 (2)를 사용하여 RG의 인광체를 여기시키는 구성도 사용될 수 있다. 또한, 청색광을 방사하는 발광 소자 (2)를 사용하여 황색 인광체(Ba0 .0015Sr0 .951Ca0 .001Fe0 .015Ni0 .0015Eu0 .03)3SiO5를 여기시키는 구성도 사용될 수 있다. 또한, 황색 인광체를 사용함에 따른 백색광의 연색성을 향상시키기 위해, 적색 형광체인 (Ba0 .67Sr0 .31Eu0 .02)3(Mg0 .81Fe0 .07Mn0 .12)Si2O8을 파장 변환부에 함유시킬 수 있고, 또는 적색 인광체를 함유하는 파장 변환부가 독립된 파장 변환부로서 적층될 수도 있다.
제7 실시태양
도 10은 본 발명에 따른 제7 바람직한 실시태양에서의 발광 장치를 나타내는 단면도이다.
발광 장치 (1)은 GaN-기재 반도체층을 사파이어 기판 (201) 상에 결정 성장시킴으로써 형성되며, 상기 발광 장치 (1)은 발광부로서 플립 실장되고 광 취출면이 되는 사파이어 기판 (201) 상에 인광체 층 (211)을 코팅시킴으로써 형성되는 발광 소자 (2), 소자 탑재 기판으로서 Al2O3 기판 (300), 및 상기 발광 소자 (2)를 탑재한 Al2O3 기판 (300)을 일체적으로 밀봉하는 저융점 유리를 포함하는 밀봉부 (400)을 포함하는 유리 밀봉 LED (10); 땜납 접합부 (601)을 통해 상기 유리 밀봉 LED (10)에 접속되는 구리를 포함하는 리드부(lead portion) (600); 및 상기 유리 밀봉 LED (10) 및 리드부 (600)을 일체적으로 밀봉하는 투명한 무색의 광 투과성 수지를 포함하는 오버 몰드(over mold) (500)을 포함한다.
Al2O3 기판 (300)은 기판 표면과 배면을 관통하여 형성된 비아홀 (301), 구리를 포함하는 박막으로 패턴화함으로써 표면상에 형성된 회로 패턴 (302), 구리의 박막으로 패턴화함으로써 실장면이 되는 배면 상에 유사하게 형성된 회로 패턴 (303), 및 상기 회로 패턴 (302)와 회로 패턴 (303)을 전기적으로 접속시키는 비아 패턴 (304)를 포함한다.
유리 밀봉부 (400)은 저융점 유리로서 인산 기재 유리(Tg 390 ℃)에 의해 형성되며, 다이 어셈블리 (도시하지 않음)를 사용하는 고온 압축 공정에 의해 유리 함유 Al2O3 기판 (300)에 접착시킨 다음, 다이서(dicer)로 절단함으로써 형성되는 상면 (401) 및 측면 (402)를 포함하며, 직사각형 형상으로 형성된다.
또한, 유리 밀봉부 (400)은 표면 상에 철계 금속-알카리 토류 금속 규산염 혼합 결정 인광체인 (Ba0 .0015Sr0 .951Ca0 .001Fe0 .015Ni0 .0015Eu0 .03)3SiO5를 포함하는 인광체층 (403)을 포함한다. 상기 인광체층 (403)은 460 내지 465 ㎚의 피크 파장을 갖는 청색광에 의해 여기되어 572.5 ㎚의 피크 파장을 갖는 황색광을 방사하는 황색 인광체이다.
오버 몰드 (500)은 아크릴 수지를 포함하며, 리드부 (600)이 장착된 유리 밀봉형 발광 장치 (1)에 대하여 아크릴 수지를 사출 성형함으로써 형성된다. 상기 오버 몰드 (500)은 빛 방사 방향으로 반구 형상의 광학 형상면 (501)을 포함하며, 상기 광학 형상면 (501)은 발광 장치 (1)로부터 오버 몰드 (500)에 입사한 빛을 광학 형상에 기초하여 집광하여 방사한다. 또한, 제7 바람직한 실시태양에서 오버 몰드 (500)은 투명한 무색이지만, 착색될 수도 있다
상기 발광 장치 (1)은 회로 패턴 (303)을 통해 외부로부터 전력이 공급되는 경우, 발광 소자 (2)의 MQW (도시하지 않음)에서 전자-정공 재결합이 발생하도록 하여 460 내지 465 ㎚의 피크 파장을 갖는 청색광을 방사한다. 이 청색광은 사파이어 기판 (201)을 통해 유리 밀봉부 (400)에 입사하여, 상기 밀봉부 (400)의 표면에 형성된 인광체층 (403)에 함유된 황색 인광체를 여기시켜, 572.5 ㎚의 피크 파장을 갖는 황색광을 발생시킨다. 이와 같이 발생한 황색광과 발광 소자 (2)로부터 방사된 청색광이 혼합됨으로써 백색광이 발생되고, 이는 오버 몰드 (500)을 통과하여 외부 방사된다.
제7 실시태양의 잇점
상기한 제7 바람직한 실시태양에 따르면, 오버 몰드 (500)에 의해 유리 밀봉형 LED (10) 및 리드부 (600)의 방수(watertight) 구조가 보다 강화되어 고습 환경에서도 높은 동작 신뢰성을 확보할 수 있고, 유리 밀봉 LED (10)의 구성요소 부재로서 요구되는 집광 특성, 발광색, 실장 형태에 따른 몰딩 형상이 제공될 수 있다.
또한, 제7 바람직한 실시태양에 있어서도, 청색 발광 소자 뿐만 아니라 자외 발광 소자가 선택될 수 있으며, 이 경우, 근자외광에서 여기되는 RGB 인광체를 함유하는 인광체층이 인광체층 (403) 상에 형성될 수 있다.
제8 실시태양
도 11은 본 발명에 따른 제8 바람직한 실시태양에서의 발광 장치를 나타내는 단면도이다.
발광 장치 (1)은 발광 소자 (2)를 리드부에 실장하고 밀봉 수지로 밀봉함으로써 형성된 포탄형의 발광 장치이다.
상기 발광 장치 (1)은 열 전도성이 우수한 구리 합금을 포함하는 리드부 (700A) 및 (700B), 압흔(impression) 공정에 의해 리드부 (700B) 상에 형성된 컵부(cup portion) (701) 내에 고정되어 청색광을 방사하는 발광 소자 (2), 상기 발광 소자 (2)의 전극과 리드부 (700A) 및 (700B)를 전기적으로 접속시키는 와이어 (710), 청색광에 의해 여기되는 적색 인광체 (721) 및 녹색 인광체 (722)가 함유된 실리콘 수지를 포함하고 발광 소자 (2)가 수용된 컵부 (701)을 밀봉하는 밀봉 수지 (코팅부) (720), 리드부 (700A), (700B) 및 와이어 (710)을 일체적으로 밀봉하는, 투명한 무색의 에폭시 수지를 포함하는 밀봉 수지부 (730)을 포함한다.
상기 컵부 (701)은 발광 소자 (2)로부터 방사되는 청색광이 광 취출 방향으로 반사하도록 경사되게 형성된 측벽부 (701A), 및 발광 소자 (2)를 탑재하는 기저부 (701B)를 포함하며, 리드부 (700B)의 프레스 가공시에 압흔 공정에 의해 형성된다. 측벽부 (701A) 및 기저부 (701B)는 광 반사성을 부여하기 위해 Ni로 플레이팅화될 수 있다.
밀봉 수지부 (730)은 빛 방사 방향에 따른 선단부에 반구 형상의 광학 형상면 (730A)를 포함하고, 발광 소자 (2)로부터 방사되는 빛을 광학 형상에 기초하여 집광하여, 광학 형상에 따른 빛을 방사 범위에서 방사한다. 상기 밀봉 수지부 (730)은 리드부 (700A), 및 발광 소자 (2)를 탑재하고 와이어-결합된 리드부 (700B)를 압축-가공된 리드 프레임의 다이 어셈블리에 수용하고, 상기 다이 어셈블리 내에 에폭시 수지를 충전하여 열 경화시키는 캐스팅 몰드법에 의해 형성될 수 있다.
제8 실시태양의 잇점
상기한 제8 바람직한 실시태양에 따르면, 적색 형광체 (721) 및 녹색 형광체 (722)가 제1 바람직한 실시태양에서 설명한 철계 금속-알카리 토류 금속 규산염 혼합 결정 인광체의 여기 파장대인 청색광에 의해 여기됨으로써, 포탄형의 발광 장치에 있어서도 연색성 및 색 재현성이 우수한 백색광을 얻을 수 있고, 인광체가 습기에 의해 덜 열화되는 구조를 얻을 수 있다.
본 발명이 완전하고 명확한 개시를 위하여 특정 실시태양에 관하여 설명되었을지라도, 첨부된 특허청구범위는 이에 한정되지 않으며, 본 명세서에 설명된 근본적인 기술 사항의 정당한 범위 내에서 당업자가 도출할 수 있는 모든 변경 및 대체 구성이 구현될 수 있는 것으로 해석된다.
본 발명의 철계 금속-알카리 토류 금속 규산염 혼합 결정 인광체는 근자외선 및 가시광원용 광 변환기로서 사용될 수 있으며, 발광 장치에 적용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 주로 가시광 및/또는 자외선 발광 장치용 광 변환기로서 단일 성분 또는 혼합물의 형태로 사용되고, 화학식 M1 aM2 bM3 cM4 d(Si1-zM5 z)eM6 fM7 gOhXn:Ax로 표시되는, 철계 금속(ferrous metal)-알칼리 토류 금속 혼합 규산염 기재 인광체.
    상기 화학식에서,
    M1은 Ca, Sr, Ba 및 Zn 중 1종 이상의 원소이고,
    M2는 Mg, Cd, Mn 및 Be 중 1종 이상의 원소이고,
    M3은 주기율표에서 제1족 원소 중 1종 이상의 1가의 금속 이온이고,
    M4는 Fe, Co 및 Ni 중 1종 이상의 원소이고,
    M5는 Ti, Zr, Hf 및 Ge 중 1종 이상의 4가 원소이고,
    M6은 Al, B, Ga, In, La, Sc 및 Y 중 1종 이상의 원소이고,
    M7은 Sb, P, V, Nb 및 Ta 중 1종 이상의 원소이고,
    X는 전하의 균형을 취하는 F, Cl, Br 및 I 중 1종 이상의 이온이고,
    A는 Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Bi, S, Sn 및 Sb 중 1종 이상의 원소이고,
    h는 a + b + c/2 + d + 2e + 3f/2 + 5g/2 - n/2 + x이고,
    0.5≤a≤8;
    0≤b≤5;
    0≤c≤4;
    0<d≤2;
    0<e≤10;
    0≤f≤2;
    0≤g≤2;
    0≤n≤4;
    0<x≤0.5; 및
    0≤z≤1이다.
  2. 제1항에 있어서, 활성화제로서 희토류 원소를 포함하는 철계 금속 알칼리 토류 금속 혼합 규산염 기재 인광체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 희토류 원소가 유로퓸 (Eu)을 포함하는 철계 금속-알칼리 토류 금속 혼합 규산염 기재 인광체.
  4. 제1항에 있어서, 희토류 원소, 및 Mn, Bi, Sn 및 Sb 중 1종 이상을 포함하는 공활성화제를 포함하는 철계 금속-알칼리 토류 금속 혼합 규산염 기재 인광체.
  5. 삭제
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 입자 직경이 모두 50 μm보다 작은 입자를 포함하는 철계 금속-알칼리 토류 금속 혼합 규산염 기재 인광체.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 스펙트럼의 가시 영역에서 빛을 방사하는 LED용 광 변환기로서 단독으로 사용되거나 다른 인광체와 함께 사용되는 철계 금속-알칼리 토류 금속 혼합 규산염 기재 인광체.
  8. 발광부;
    상기 발광부로부터 방사되는 빛의 파장을 변환시키는 철계 금속-알칼리 토류 금속 혼합 규산염 기재 인광체를 포함하는 파장 변환부;
    상기 발광부에 전력을 공급하는 전력 공급부; 및
    상기 발광부 및 상기 전력 공급부를 밀봉하는 밀봉부
    를 포함하고,
    상기 발광부가 반도체 발광 소자를 포함하며, 상기 철계 금속-알칼리 토류 금속 혼합 규산염 기재 인광체가 화학식 M1 aM2 bM3 cM4 d(Si1-zM5 z)eM6 fM7 gOhXn:Ax로 표시되는 발광 장치.
    상기 화학식에서,
    M1은 Ca, Sr, Ba 및 Zn 중 1종 이상의 원소이고,
    M2는 Mg, Cd, Mn 및 Be 중 1종 이상의 원소이고,
    M3은 주기율표에서 제1족 원소 중 1종 이상의 1가의 금속 이온이고,
    M4는 Fe, Co 및 Ni 중 1종 이상의 원소이고,
    M5는 Ti, Zr, Hf 및 Ge 중 1종 이상의 4가 원소이고,
    M6은 Al, B, Ga, In, La, Sc 및 Y 중 1종 이상의 원소이고,
    M7은 Sb, P, V, Nb 및 Ta 중 1종 이상의 원소이고,
    X는 전하의 균형을 취하는 F, Cl, Br 및 I 중 1종 이상의 이온이고,
    A는 Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Bi, S, Sn 및 Sb 중 1종 이상의 원소이고,
    h는 a + b + c/2 + d + 2e + 3f/2 + 5g/2 - n/2 + x이고,
    0.5≤a≤8;
    0≤b≤5;
    0≤c≤4;
    0<d≤2;
    0<e≤10;
    0≤f≤2;
    0≤g≤2;
    0≤n≤4;
    0<x≤0.5; 및
    0≤z≤1이다.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서, 상기 발광부가 III족 질화물 기재 화합물 반도체 발광 소자를 포함하는 발광 장치.
  11. 제8항 또는 제10항에 있어서, 상기 파장 변환부가 광 투과성 재료와 혼합되고, 상기 밀봉부에 층의 형태로 배치되는 발광 장치.
  12. 제8항 또는 제10항에 있어서, 상기 파장 변환부가 광 투과성 재료와 혼합되고, 상기 발광부의 근방에 배치되는 발광 장치.
  13. 제8항 또는 제10항에 있어서, 상기 발광부가
    III족 질화물 기재 화합물 반도체 발광 소자;
    상기 발광 소자를 탑재하는 소자 탑재 기판; 및
    상기 발광 소자 및 상기 소자 탑재 기판을 일체적으로 밀봉하는 유리 밀봉부를 포함하는 발광 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 파장 변환부가 상기 유리 밀봉부의 표면상에 일체적으로 배치되는 발광 장치.
  15. 제8항 또는 제10항에 있어서, 상기 반도체 발광 소자가 광학적으로 형상화된 사파이어 기판을 포함하는 발광 장치.
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