KR101196207B1 - 형광체를 이용한 녹색 발광 다이오드 - Google Patents

형광체를 이용한 녹색 발광 다이오드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 녹색 발광 다이오드에 관한 것이다. 본 발명에 따른 녹색 발광 다이오드는 자외선 영역의 파장을 발생하는 LED 소자와; 상기 LED 소자로부터 발생된 광을 녹색 파장으로 변환시키는 형광체를 포함하며, 상기 형광체는 바륨 오쏘 실리케이트 스트론튬으로 구현되며, 다음의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 한다. 이를 통해, 종래에 비해 발광효율이 최소 1.6배, 최대 3배에 달하는 고효율을 갖는 녹색 발광 다이오드가 제공된다.
[화학식]
Figure 112010072386999-pat00004

(0.88≤w≤0.22, 0.68≤x≤1.05, 0.06≤y≤0.08, 0.01≤z≤0.02)

Description

형광체를 이용한 녹색 발광 다이오드{GREEN LIGHT-EMITTING DIODE BY PHOSPHOR}
본 발명은 녹색 발광 다이오드에 관한 것으로, 구체적으로는 InGaAIN 다이오드로부터 발생한 보라색 영역의 파장을 유로퓸과 세륨 이온으로 활성화되는 형광체가 녹색파장으로 변환시킴으로써 고효율의 녹색광을 발광하는 녹색 발광 다이오드에 관한 것이다.
반도체 발광소자, 즉 발광 다이오드(Light Enitting Diode)는 높은 발광 효율을 가지며, 선명한 색으로 광을 발산한다. 이러한 이유로, 발광 다이오드는 다양한 표시기 및 광원으로 사용된다.
최근에는 질화물 반도체(GaN)를 이용한 질화물 반도체 발광 다이오드(GaN-LED)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 질화물 반도체는 3.4eV의 넓은 밴드갭을 갖고 있고, 화학적으로 매우 안정하여, 단단한 반도체 물질 중 하나이다. 또한, 질화물 반도체는 전자 친화력이 강하여 광학적 특성은 물론, 전자 이동, 전자 포화 속도 및 전계파괴 전압 특성이 우수하다는 장점이 있다.
질화물 반도체를 이용한 가시광 영역의 발광 다이오드 활성층으로 InGaN이 주로 사용된다. 그런데, InGaN 다이오드를 사용하는 경우, 520~530㎚ 파장의 녹색 빛을 내는 녹색 발광 LED는 적색 및 청색 발광 LED에 비해 양자효율이 7 ~ 13%로 낮아서 발광효율이 불과 30 ~ 50㏐/W로 낮다는 단점이 있다.
또한, 종래 기술로써 원적외선을 내는 p-n 헤테로 구조를 갖는 다이오드, 또는 GaAs기판을 Si4 +이온으로 활성화시키는 GaAs:Si와, 이테르븀(yb), 에르븀(Er) 이온을 활성체로 한 무기 형광체 및 Y2O2S:M(M=Yb 또는 Er 또는 Yb와 Er의 혼합물)을 이용한 녹색 발광 LED가 개시되었다.
그러나, 종래 녹색 발광 LED는 원적외선을 흡수하여 520 ~ 550㎚를 발산하는 무기 형광체의 반-스토크스(anti-stokes) 특성에 의해 파장 전환 효율이 10 내지 20%로 매우 낮다는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, InGaN계 다이오드의 낮은 양자효율을 높일 수 있는 녹색 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다이오드로부터 출사된 광이 형광체에서 흡수되지 않도록 한 효율이 높은 녹색 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 녹색 발광 다이오드에 있어서, 자외선 영역의 파장을 발생하는 LED 소자와; 상기 LED 소자로부터 발생된 광을 녹색 파장으로 변환시키는 형광체를 포함하며, 상기 형광체는 바륨 오쏘 실리케이트 스트론튬으로 구현되며, 다음의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 녹색 발광 다이오드에 의해 달성된다.
[화학식]
Figure 112010072386999-pat00001
(0.88≤w≤0.22, 0.68≤x≤1.05, 0.06≤y≤0.08, 0.01≤z≤0.02)
여기서, 상기 형광체에 포함된 이온의 농도비는 바륨 : 스트론튬 : 유로퓸 : 세륨 = 45~55원자량% : 50~42원자량% : 4.5~2.9원자량% : 0.5~0.1원자량%인 것이 바람직하다.
그리고, 원추형 홀의 형태로 형성되는 반사체를 포함하고; 상기 반사체의 각의 경사면은 60±5~10°인 것이 바람직하다.
또한, 상기 반사체의 내부는 투명 고분자로 채워지며, 상기 투명 고분자의 굴절률은 n≥1.5일 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 형광체는 상기 투명 고분자의 상면과 측면에 형성되며, 상기 형광체의 두께는 100±50㎛인 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명은 형광체에 포함된 이온의 농도와, 형광체의 두께와, 반사체의 각의 경사면을 가장 밝은 녹색광을 방출하는 값으로 형성함으로써, 효율이 높은 녹색 발광 다이오드가 제공된다.
또한, 본 발명은 유로퓸과, 세륨 이온으로 활성화되는 실리케이트 형광체를 이용하여 LED 소자로부터 출사된 광이 형광체에 흡수되지 않는 고효율의 녹색 파장으로 변환할 수 있는 녹색 발광 다이오드가 제공된다.
뿐만 아니라, 본 발명은 발광 효율이 80~90㏐/W로 종래 녹색 발광 다이오드의 발광 효율인 약 30~50㏐/W에 반해 발광효율이 최소 1.6배, 최대 3배에 이르는 고효율을 갖는 녹색 발광 다이오드가 제공된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 녹색 발광 다이오드의 구조도이며,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 녹색 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 녹색 발광 다이오드의 CIE1931 색좌표를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 녹색 발광 다이오드의 구조이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 녹색 발광 다이오드는 LED 소자(1)와, 반사체(2)와, 형광체(3)와, 투명 고분자(4)와, 기판(5)으로 구성된다.
본 실시예에 따른 LED 소자(1)는 InGaAIN의 발광 다이오드를 포함하여 구현되며, LED 소자(1)에 연결된 전극선(미도시)에 의해 외부 전원과 연결된다. LED 소자(1)는 전극선으로부터 전류가 공급되면 자외선 영역의 파장을 발생한다. 예컨대, 3V 전압에서 파장이 395~405㎚의 빛을 발산한다.
LED 소자(1)로부터 출사된 광은 형광체(3)에 여기되고, 형광체(3)는 여기된 보라색 광을 흡수하여 녹색의 광으로 재발산한다. LED 소자(1)는 형광체(3)로부터 재발산되는 녹색의 광에 영향을 끼치지 않도록 나노크기의 p-n 헤테로 구조로 구현된다.
반사체(2)는 LED 발광의 효율을 높이기 위한 것으로, 원추형 홀의 형태로 형성된다. LED 소자(1)로부터 발산된 광은 LED 소자(1) 주위에서 손실이 발생되는데, 반사체(2)를 원추형 홀로 형성하여 LED 소자(1) 주위에서 발생하는 손실이 줄어들게 한다. 반사체(2)는 백색 세라믹 또는 폴리머로 형성된다.
본 실시예에 따른 반사체(2)의 각의 경사면(Ø)은 수직과 60±(5~10)도로 이루어지며, 경사면의 수직높이(h)는 전술한 LED 소자(1) 높이의 약 2배 내지 3배로 형성된다.
또한, 반사체(2)의 내부는 투명 고분자(예컨대, 투명 폴리머)(4)로 채워지며, 녹색 발광 다이오드의 최상위에는 형광체(3)가 10~15중량% 분산된 투명성 폴리머로 두께가 100±50㎛가 되도록 덮는다. 투명 고분자(4)는 굴절률 n≥1.5가 되도록 형성하여 빛의 외부 발산이 최대가 되도록 한다.
형광체(3)는 반사체(2) 내부에 채워진 투명 고분자(4)의 상면과 측면에 분산되어 형성된다. 즉, 반사체(2)와 투명 고분자(4) 사이에 위치하며, 그 두께는 약 100±50㎛로 형성하여 투명 고분자(4)가 빛을 방사하는 렌즈 역할을 하도록 한다. 이때, 투명 고분자(4)의 방사각도는 2θ=20~120도로 형성한다.
형광체(3)는 LED 소자(1)로부터 발생된 자외선 영역의 파장을 흡수하여 녹색 파장으로 변환시킨다. 형광체(3)의 주요 성분은 유로퓸(Eu) 이온과, 세륨(Ce) 이온으로 활성화되는 실리케이트 형광체인 발륨 오쏘 실리케이트 스트론튬(barium ortho-slilcate strontium)을 주요 원소로 형성하며, 다음의 [화학식]으로 나타낼 수 있다.
[화학식]
Figure 112010072386999-pat00002
(여기서, 0.88≤w≤0.22, 0.68≤x≤1.05, 0.06≤y≤0.08, 0.01≤z≤0.02)
전술한 바와 같이 구성된 녹색 발광 다이오드는 형광체(3)에 포함된 이온인 바륨(Ba), 스트론튬(Sr)의 농도에 따라 방출되는 최대 스펙트럼(L)이 다르게 나타난다. 이때, 다른 이온의 농도는 일정하게 유지하고, 바륨 이온 또는 스트론튬 이온의 농도만을 변화시킴으로써, 각 이온의 농도에 따른 최대 스펙트럼(L)을 확인한다.
표 1은 바륨 이온의 농도에 따라 방출되는 최대 스펙트럼(L)을 나타낸 표이다.
이온의 농도(원자량%) 최대 파장(㎚)
44 미만 544
45~55 507~540
56 이상 509
표 1에서 보는 바와 같이, 바륨의 농도가 56 원자량%이상이면 최대 파장은 506㎚이고, 바륨의 농도가 45~55 원자량%이면 최대 파장은 507㎚<L<540㎚이고, 바륨의 농도가 44 원자량% 미만이면 최대 파장은 544㎚이다.
표 2는 스트론튬 이온의 농도만 변화시켰을때 방출되는 최대 스펙트럼(L)을 나타낸 표이다.
이온의 농도(원자량%) 최대 파장(㎚)
51 이상 560~566
50~42 507~558
41 미만 505
표 2에서 보는 바와 같이, 스트론튬의 농도가 51 원자량% 이상이면 최대 파장은 560~566㎚이고, 스트론튬의 농도가 50~42 원자량%이면 최대 파장은 567㎚<L<500㎚이고, 스트론튬의 농도가 41 원자량%이면 최대 파장은 505㎚이다.
즉, 바륨의 농도가 45원자량% 보다 낮은 경우 형광체(3)가 형광 물질 방출을 감지하는 것이 좋지 않아 파란색의 광이 방사되고, 스트론튬의 농도가 높아지면 노란색의 광이 방사된다. 그리고, 바륨의 몰농도가 50원자량%이고, 스트론튬의 몰농도가 50원자량%인 경우에 최대 스펙트럼(L)은 533㎚정도로 녹색광이 방사되었다.
본 실시예에 따른 녹색 발광 다이오드는 형광체에 포함된 유로퓸(Eu)과 세륨(Ce) 이온의 농도에 따라 녹색 발광 다이오드로부터 방출되는 광의 밝기가 변화된다. 따라서, 가장 밝은 빛을 내는 유로퓸과 세륨의 농도에 따라 형광체를 구성하여 발광 효율을 높인다.
표 3은 유로퓸 이온의 농도 변화에 따른 광의 밝기를 나타낸 표이다. 여기서, LED 소자(1)에 인가되는 전력은 350㎃로 일정하다.
이온의 농도(원자량%) 밝기(㏐)
4.5 이상 61
4.5~2.9 80~90
2.8 미만 68
표 3을 참조하면, 유로퓸 이온의 농도를 달리하여 실험한 결과, 이온의 농도가 2.8 원자량% 미만이면 밝기가 68㏐이고, 4.5~2.9 원자량%이면 밝기가 80~90㏐이고, 4.5 원자량% 이상이면 밝기가 61㏐로 나타났다. 최대 밝기를 나타내는 유로퓸 이온의 농도는 4.5~2.9원자량%이며, 이 범위를 벗어나면 밝기가 줄어드는 것을 알 수 있다.
표 4는 세륨 이온의 농도 변화에 따른 광의 밝기를 나타낸 표이다. LED 소자(1)에 인가되는 전력은 350㎃로 일정하다.
이온의 농도(원자량%) 밝기(㏐)
0.6 이상 72 이하
0.5~0.1 80~90
0.09 이하 80 이하
표 4를 참조하면, 세륨의 농도가 0.5~0.1 원자량%인 경우 80~90㏐의 밝기가 나타났다. 세륨 이온의 농도가 0.09 원자량% 이하에서는 밝기의 큰 변화는 없었으나 소폭 감소하는 80㏐이하였으며, 0.6 원자량% 이상에서는 72㏐로 밝기가 감소되었다.
표 1 내지 표 4의 실험결과에 따라, 형광체(3)의 발륨 오쏘 실리케이트 스트론튬 형광체의 원소인 바륨, 스트론튬, 유로퓸, 세륨을 각각 45~55원자량%, 50~42원자량%, 4.5~2.9원자량%, 0.5~0.1원자량%의 비율로 조성하고, 투명 고분자(4)에서 방사되는 빛에 의해 여기시켜 524~540㎚ 영역의 녹색광이 방사되도록 형성한다.
도 2는 전술한 이온의 비율에 따라 형성된 형광체(3)를 갖는 녹색 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 최대 스펙트럼은 526.5㎚으로 녹색광이 방사된 것을 확인할 수 있다.
도 3은 전술한 이온의 비율에 따라 형성된 형광체를 갖는 녹색 발광 다이오드의 CIE 1931 색좌표를 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 녹색 발광 다이오드로부터 방사된 광의 색좌표는 X값이 0.3104, Y값이 0.6139로 녹색광이 방사된 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 반사체(2)는 수직과 60±(5~10)도의 각의 경사면으로 이루어진다. 이는 수직과 60±(5~10)도의 각의 경사면으로 구성되었을 경우에 녹색 발광 다이오드가 가장 밝은 빛을 내기 때문이다. 반사체(2)의 각의 경사면에 따른 밝기의 변화를 실험한 결과를 표 5에 나타내었다.
각의 경사면( °) 밝기(㏐)
49 미만 73~83
60±5~10 80~90
71 이상 76~86
표 5를 참조하면, 각의 경사면이 49° 미만에서는 밝기가 73~83㏐이었고, 각의 경사면이 60±5~10°에서는 밝기가 80~90㏐이며, 71°이상에서는 밝기가 76~86㏐로 나타난다. 즉, 각의 경사면이 60±5~10°에 비해 49°미만에서는 밝기가 5~8% 감소하였고, 71°이상에서는 밝기가 2~4% 감소한 것을 알 수 있다.
형광체(3) 층의 두께에 따라서도 녹색 발광 다이오드의 밝기가 달라진다. 본 실시예에 따른 형광체(3) 층의 두께는 약 100±50㎛로 구성된다. 표 6은 형광체(3) 층의 두께에 따른 밝기의 변화를 실험한 결과이다.
형광체 층의 두께(㎛) 밝기(㏐)
49 미만 64~72
100±50 80~90
151 이상 48~54
표 6을 참조하면, 두께가 100±50㎛일 때 80~90㏐의 밝기가 나타나는데 반해, 49㎛ 미만에서는 밝기가 20% 줄어든 64~72㏐이었으며, 151㎛ 이상에서는 밝기가 40% 줄어든 48~54㏐이었다.
실험 결과, 반사체(2)의 각의 경사면은 60±5~10° 이고, 형광체(3)의 두께는 100±50㎛인 경우에 녹색 발광 다이오드는 가장 밝은 빛을 방출하는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 녹색 발광 다이오드는 방출되는 빛의 밝기는 80~90㏐의 밝기로, 종래 녹색 발광 다이오드의 발광 효율인 약 30~50㏐/W에 반해 발광효율이 최소 1.6배, 최대 3배에 이르는 고효율을 갖는다.
이를 통해, 형광체에 포함된 이온의 농도와, 형광체의 두께와, 반사체의 각의 경사면을 가장 밝은 녹색광을 방출하는 값으로 형성함으로써, 효율이 높아질 수 있다.
또한, 유로퓸과, 세륨 이온으로 활성화되는 실리케이트 형광체를 이용하여 LED 소자로부터 출사된 광이 형광체에 흡수되지 않는 고효율의 녹색 파장으로 변환할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1 : LED 소자 2 : 반사체
3 : 형광체 4 : 투명 고분자

Claims (5)

  1. LED 소자, 반사체, 형광체, 투명 고분자 및 기판(5)으로 형성되며, 형광체 전체 원자량에 의한 무게비를 바륨 45~55원자량% 스트론튬 50~42원자량% : 유로퓸 4.5~2.9원자량%, 세륨 0.5~0.1원자량% 조성을 가지는 바륨오쏘실리케이트스트론튬을 포함하는 형광체를 사용하는 녹색발광다이오드에 있어서,
    상기 LED 소자는 LED 소자로부터 출사된 광이 형광체에 여기되고, 형광체는 여기된 보라색 광을 흡수하여 녹색의 광으로 재발산하며, LED 소자는 형광체로부터 재발산되는 녹색의 광에 영향을 끼치지 않도록 나노크기의 p-n 헤테로 구조 가지며, 3V 전압에서 395~405㎚의 빛이 발산되도록 형성하고,
    상기 반사체는 LED 소자 주위에서 광 손실을 줄여 효율을 높이도록, 원추형 홀 형태이며 백색 세라믹 또는 폴리머로 형성하고, 반사체 각의 경사면은 가장 밝은 빛이 발산되도록 수직과 60±(5~10)도를 이루며 경사면의 수직높이를 LED 소자 높이의 2배 내지 3배로 형성하고,
    상기 반사체의 내부는 굴절율이 n≥1.5이고 방사각도가 2θ=20~120도인 투명 고분자로 채워지며, 상기 투명 고분자의 상면과 측면에는 형광체로 덮어서 형성하되, 상기 형광체는 형광체가 10~15중량% 분산된 투명성 폴리머를 두께 100±50㎛가 되도록 덮어서 형성하는 것을 특징으로 하는 녹색 발광 다이오드.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
KR1020100109819A 2010-11-05 2010-11-05 형광체를 이용한 녹색 발광 다이오드 KR101196207B1 (ko)

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