KR101227403B1 - 백색발광다이오드용 형광체 박막 및 이를 이용하여 제조한 백색발광다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 백색발광다이오드용 형광체 박막 및 이를 이용하여 제조한 백색 발광다이오드에 관한 것으로, 하기 [화학식 1]로 표시되는 조성으로 이루어지며, 100 ∼ 2000nm 두께를 갖는 형광체 박막을 물리적 증착법 또는 화학적 증착법으로 형성함으로써, 조명용으로 사용될 수 있는 높은 연색성과 발광 효율을 가지는 백색발광다이오드를 제작할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.
[화학식 1]
(M11-xM2x)2-yReySiO4 (0≤x≤1, 0.01≤y≤1.5)
여기서, M1 및 M2는 Ca, Mg, Sr 및 Ba 중 선택된 금속이고, Re는 Eu, Ce, Pr, Sm 및 Mn 중 선택된 어느 하나의 원소이다.
[화학식 1]
(M11-xM2x)2-yReySiO4 (0≤x≤1, 0.01≤y≤1.5)
여기서, M1 및 M2는 Ca, Mg, Sr 및 Ba 중 선택된 금속이고, Re는 Eu, Ce, Pr, Sm 및 Mn 중 선택된 어느 하나의 원소이다.
Description
본 발명은 백색발광다이오드용 형광체 박막 및 이를 이용하여 제조한 백색 발광다이오드에 관한 것으로, 넓은 범위의 방출 파장을 갖는 형광체 박막을 제조하고 이를 백색발광다이오드에 적용하는 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 백색발광다이오드가 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.
도 1은 종래 기술에 따른 백색발광다이오드의 파장스펙트럼 분포도이다.
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, 백색발광다이오드 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 녹색 및 적색 발광 영역을 동시에 갖는 박막형 형광체를 이용함으로써, 백색발광다이오드 제조를 용이하게 할 수 있는 백색발광다이오드용 형광체 박막 및 이를 이용하여 제조한 백색발광다이오드를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 플립 칩(flip-chip) 형태의 백색발광다이오드, 에폭시 렌즈로 몰딩 된 램프 형태의 백색발광다이오드 및 표면 실장형의 백색발광다이오드에 다양하게 활용될 수 있는 백색발광다이오드용 형광체 박막 및 이를 이용하여 제조한 백색발광다이오드를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 백색발광다이오드용 형광체 조성물은 희토류 또는 전이금속 원소가 첨가된 메탈실리케이트로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 희토류 원소는 Eu, Ce, Pr, Sm 중에서 선택될 수 있으며, 전이금속은 Mn이 될 수 있다. 또한, 상기 메탈실리케이트는 Ca, Mg, Sr 및 Ba 중 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 상기 형광체 조성물은 녹색 및 적색광을 동시에 발광하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 백색발광다이오드용 형광체 박막은 상술한 형광체 조성물로 제조되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 형광체 박막은 100 ~ 2000nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하며, 150 ~ 700nm의 두께를 갖는 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 형광체 박막은 물리적 증착법 또는 화학적 증착법으로 제조되는 것을 특징으로 하되, 상기 물리적 증착법은 스퍼터링(Sputtering), 전자빔증착법(E-beam evaporation), 열증착법(Thermal evaporation), 레이저분자빔증착법(L-MBE, Laser Molecular Beam Epitaxy) 및 펄스레이저증착법(PLD, Pulsed Laser Deposition) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하고, 상기 화학적 증착법은 유기금속증착법인 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 일실시예에 따른 백색발광다이오드용 형광체 박막은 하기 [화학식 1]로 표시되는 조성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
(M11-xM2x)2-yReySiO4 (0≤x≤1, 0.01≤y≤1.5)
화학식 1에서, M1 및 M2는 Ca, Mg, Sr 및 Ba 중 선택된 금속이고, Re는 Eu, Ce, Pr, Sm 및 Mn 중 선택된 어느 하나의 원소이다.
이때, 상기 형광체 박막은 100 ~ 2000nm의 두께로 제조되는 것을 특징으로 하고, 150 ~ 700nm의 두께로 제조되는 것이 보다 바람직하다. 또한 상기 형광체 박막은 녹색 및 적색광을 동시에 발광하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 다른 실시예에 따른 백색발광다이오드용 형광체 박막은 하기 [화학식 2]로 표시되는 조성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
[화학식 2]
(Ca1-xBax)2-yEuySiO4 (0≤x≤1, 0.01≤y≤1.5)
여기서, 상기 형광체 박막의 발광 파장은 500 ~ 640nm 인 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 백색발광다이오드용 형광체 박막 제조 방법은 청색광을 방출하는 반도체층 상부에 상술한 형광체 박막을 형성하되, 물리적 증착법 또는 화학적 증착법으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 물리적 증착법은 스퍼터링(Sputtering), 전자빔증착법(E-beam evaporation), 열증착법(Thermal evaporation), 레이저분자빔증착법(L-MBE, Laser Molecular Beam Epitaxy) 및 펄스레이저증착법(PLD, Pulsed Laser Deposition) 중 선택된 하나를 이용하는 것을 특징으로 하고, 상기 화학적 증착법은 유기금속증착법(MOCVD)을 이용하거나, 알콕사이드 용액 또는 금속 유기용액을 이용하여 액상 증착 후 환원분위기에서 열처리하는 방법 중에 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광다이오드는 상술한 방법으로 제조된 형광체 박막 및 상기 형광체 박막 상부에 형성되는 포탄형, 표면 실장형 및 상부 렌즈형 중 어느 하나의 몰딩층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 녹색 및 적색광을 방출하는 단일층의 형광체 박막을 이용하기 때문에 박막의 두께 또는 형광체의 양 조절을 용이하게 제어할 수 있도록 하며, 백색발광다이오드의 균일성 및 재현성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 형광체 박막은 발광 파장 대역이 500 ~ 640nm이므로 황, 적색 및 녹색 등이 방출되어 백색발광다이오드 구현을 더 용이하게 할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 형광체 박막은 플립 칩(flip-chip) 형태의 백색발광다이오드, 에폭시 렌즈로 몰딩 된 램프 형태의 백색발광다이오드 및 표면 실장형의 백색발광다이오드에 다양하게 활용될 수 있는 효과를 제공한다.
아울러, 본 발명의 백색발광다이오드는 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 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 종래 기술에 따른 백색발광다이오드의 파장스펙트럼분포도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 백색발광 다이오드의 CIE 차트이다.
도 3은 본 발명에 따른 백색발광다이오드를 도시한 단면도이다.
도 4는 기존 벌크형 형광체와 본 발명에 따른 백색발광다이오드용 형광체 박막의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 백색발광다이오드용 형광체 박막의 주사현미경 사진이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 백색발광다이오드용 형광체 박막을 형성하는 조건에 따른 발광 스펙트럼의 변화를 나타낸 그래프들이다.
도 8은 본 발명에 따른 백색발광다이오드용 형광체 박막을 포함하는 포탄형 백색발광다이오드 제품을 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명에 따른 백색발광다이오드용 형광체 박막을 포함하는 표면 실장형 백색 발광 다이오드 제품을 나타낸 개략도이다.
도 10은 본 발명에 따른 표면 실장형 백색발광다이오드용 형광체 박막을 포함하는 에폭시 렌즈 실장형 백색 발광다이오드 제품을 나타낸 개략도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 백색발광 다이오드의 CIE 차트이다.
도 3은 본 발명에 따른 백색발광다이오드를 도시한 단면도이다.
도 4는 기존 벌크형 형광체와 본 발명에 따른 백색발광다이오드용 형광체 박막의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 백색발광다이오드용 형광체 박막의 주사현미경 사진이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 백색발광다이오드용 형광체 박막을 형성하는 조건에 따른 발광 스펙트럼의 변화를 나타낸 그래프들이다.
도 8은 본 발명에 따른 백색발광다이오드용 형광체 박막을 포함하는 포탄형 백색발광다이오드 제품을 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명에 따른 백색발광다이오드용 형광체 박막을 포함하는 표면 실장형 백색 발광 다이오드 제품을 나타낸 개략도이다.
도 10은 본 발명에 따른 표면 실장형 백색발광다이오드용 형광체 박막을 포함하는 에폭시 렌즈 실장형 백색 발광다이오드 제품을 나타낸 개략도이다.
본 발명에서는 희토류 원소 또는 전이금속이 첨가된 메탈실리케이트를 박막형 형광체로 형성하는 것을 특징으로 한다. 특히, 유로피움을 활성제로 사용하여 메탈실리케이트 박막을 물리적 증착법 또는 화학적 증착법으로 형성함으로써, 균일한 재현성을 갖는 백색발광다이오드를 제조할 수 있도록 한다.
이하에서는 상술한 본 발명의 기술에 근거하여 백색발광다이오드용 형광체 박막 및 이를 이용하여 제조한 백색발광다이오드에 대해 상세히 설명하는 것으로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명에 따른 형광체 박막은 하기 [화학식 1]에 따른 조성을 갖는다.
[화학식 1]
(M11-xM2x)2-yReySiO4 (0≤x≤1, 0.01≤y≤1.5)
여기서, M1 및 M2는 Ca, Mg, Sr 및 Ba 중 선택된 금속을 사용하고, Re는 Eu, Ce, Pr, Sm 및 Mn 중 선택된 어느 하나의 원소를 사용한다. 그리고, 본 발명에서는 상기 조성의 벌크형 형광체를 이용하여, 100 ∼ 2000nm 두께, 더욱 바람직하게는 150 ~ 700nm의 두께를 갖는 박막형으로 제조함으로써, 형광체의 발광 파장 영역을 확장시키고, 발광 효율을 향상시킬 수 있도록 한다.
형광체 박막의 두께가 100nm 미만으로 너무 얇으면 발광층의 효과가 감소하여, 결과적으로 발광 효율이 저하된다. 또한, 2000nm를 초과하는 정도로 두꺼우면 하부 발광다이오드의 빛의 투과도가 낮아져 이 또한 결과적으로 발광효율을 저하시키게 된다.
따라서, 형광체 박막의 최적화된 두께가 존재하며, 이는 100 ~ 2000nm이다. 아울러, 상기 100 ~ 2000nm의 범위 중 박막의 두께 범위가 150 ~ 700nm의 범위에서 가장 높은 발광효율을 나타내었기 때문에 더 바람직한 범위로 부가 한정 할 수 있다.
여기서, 상기와 같은 본 발명의 형광체 박막을 형성하는 방법은 특별한 제한이 없다. 즉, 물리적 증착법이나 화학적 증착법 모두 바람직하다.
보다 구체적으로, 본 특허에서 제안한 조성을 갖는 형광체 박막을 물리적 증착법 또는 화학적 증착법으로, 청색이나 자외선 발광 특성을 갖는 반도체층 상부에 박막층의 형태로 형성한다.
이때, 물리적 증착법은 스퍼터링(Sputtering), 전자빔증착법(E-beam evaporation), 열증착법(Thermal evaporation), 레이저분자빔증착법(L-MBE, Laser Molecular Beam Epitaxy) 및 펄스레이저증착법(PLD, Pulsed Laser Deposition) 중 선택된 하나를 이용하는 것이 바람직하다.
화학적 증착법은 유기금속증착법(MOCVD)을 이용하거나, 알콕사이드 용액 또는 금속 유기용액을 이용하여 액상 증착 후 환원분위기에서 열처리하여 제조하는 방법 등이 바람직하다.
또한, 공정비용을 최소화하기 위해서는 고가의 진공 장비보다는 금속 유기용액을 이용한 액상 증착법을 사용하는 것이 보다 효과적이다.
도 3은 본 발명에 따른 백색발광다이오드를 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 백색발광다이오드 제조를 위한 기판(110) 상부에 청색광 발광을 위한 반도체층(120) 및 제 1 형광체층(140)을 형성한다.
이때, 제 1 형광체층(140)은 특별한 박막 제조 공정을 수행하지 않고 일반 벌크형 형광체 조성물을 이용하여 형성한 것으로, 450 ~ 490nm 파장대의 광을 발광하는 (Al)InGaN 활성층과 같은 물질을 이용하여 형성할 수 있으며, 필요에 따라 생략할 수도 있다. 또한, 제 1 형광체층은 하부 반도체층이 청색광 발광 반도체층이 아닌 자외선 발광 반도체층일 경우, 자외선을 흡수하여 청색광을 발광하는 추가 형광체층이 될 수 있다.
그리고, 기판(110)은 사파이어 기판 또는 실리콘 카바이드(SiC) 기판을 이용할 수 있다.
다음에는, 제 1 형광체층(140) 상부에 본 발명에 따른 제 2 형광체 박막(150)을 형성한다.
그 다음에는, 반도체층(120)과 연결되는 전극(130, 135)을 형성하여 발광이 수행될 수 있도록 한다.
종래에는 상기 제 2 형광체 박막(150)을 벌크형층으로 사용하였으나, 본 발명에서는 물리적 증착법 또는 화학적 증착법을 이용하여 100 ∼ 2000nm 두께를 갖는 박막층으로 사용하는 것을 특징으로 한다.
종래의 벌크형 형광체 패키징 방법은 혼합비율이 일정하지 않아 제품의 신뢰성을 떨어뜨리고, 분말의 입도가 고르지 않아 불균일한 휘도 특성을 나타내는 단점을 가지고 있었다.
따라서, 본 발명에서는 상기 [화학식 1]의 조성을 갖는 형광체 물질을 박막형태로 제조 하여 사용함으로써, 두께 제어를 용이하게 할 수 있고, 이를 통하여 균일한 휘도와 신뢰성을 확보할 수 있도록 하였다.
도 4는 일반적인 벌크형 형광체와 본 발명의 박막형 형광체의 발광특성을 비교한 결과이다.
박막형 형광체로, 하기 [화학식 2]에 따른 형광체 조성을 갖는 500nm 두께의 박막을 형성하였다.
측정 방법은 PL 측정장비(Perkin Elmer LS 55)를 이용하였으며, 스펙트럼을 측정한 결과 가장 높은 세기(intensity)를 갖는 부분의 파장을 측정하여 방출 특성을 나타내었다.
[화학식 2]
(Ca1-xBax)2-yEuySiO4 (0≤x≤1, 0.01≤y≤1.5)
도 4의 결과를 참조하면, 본 발명에 따른 형광체 박막이 500 ~ 580nm에 해당하는 녹색 발광 영역과, 580 ~ 640nm에 해당하는 적색 발광 영역까지 넓은 발광 영역을 확보하고 있음을 알 수 있다.
즉, 도 4의 결과는, 일반적인 벌크형 형광체의 경우 단일파장을 갖는 발광특성을 나타내지만, 박막형 형광체의 경우 단일 구조에서 녹색영역과 적색영역에 걸친 넓은 영역의 발광스펙트럼을 보여 준다.
벌크형 형광체의 경우, 이러한 단일파장의 형광체들을 적절히 조합하여 다이오드와 패키징 된다. 이 경우, 각 파장 형광체의 혼합비를 동일하게 유지하기 힘들어, 제품마다 서로 다른 광학특성을 나타내는 등의 제품의 신뢰성을 하락시키는 원인이 된다.
또한, 서로 다른 입자특성을 갖는 두 형광체를 혼합할 경우 형광체 입자들의 뭉침현상에 의해 발광효율이 급격히 감소할 수 있어, 이 또한 최종 램프의 효율저하의 원인이 된다.
그러나, 본 발명에서 제안하는 박막형 형광체를 적용할 경우, 단일막에서 녹색 및 적색을 동시에 발광할 수 있어, 램프로 제작시 위에서 언급한 문제들을 근본적으로 해결할 수 있다.
또한, 한 조성의 박막으로 녹색과 적색의 빛을 동시에 발광하여, 청색 다이오드 상부에 증착할 경우, 녹색, 적색, 청색의 혼합을 통한 백색광 구현이 가능하며, 종래의 벌크 형광체를 사용할 때 발생할 수 있는 효율저하 문제를 해결할 수 있다.
아울러, 하부 다이오드 형성공정과 동일한 박막 공정이므로, 형광체 박막공정을 다이오드 제조공정과 일괄공정으로 제조가 가능하여, 패키징 공정의 단순화가 가능하다. 따라서, 그 구체적 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.
각 원소에 해당하는 Eu-유기용액, Si-유기용액, Ca-유기용액을 조성에 맞게 혼합 한 후, 일반적인 혼합공정을 통해 충분히 혼합하였다.
이렇게 혼합된 용액을 다시 스핀코팅하여 실리콘 기판위에 증착한 후, 일반적인 튜브 퍼니스안에서 공기, 질소 또는 수소/질소 분위기에서 열처리를 하였다.
이 때, 열처리 온도는 800 ~ 1000℃ 였으며, 수소/질소 혼합가스의 경우, 수소의 함량이 5 ~ 30 vol% 정도가 바람직하다.
도 5는 이렇게 형성된 형광체 박막의 전자주사현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 두께 72 nm의 형광체 박막이 실리콘 기판 상부에 균일하게 코팅된 것을 알 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 백색발광다이오드용 형광체 박막을 액상증착법을 이용하여 형성한 후 열처리 조건에 따른 발광 스펙트럼의 변화를 나타낸 그래프들이다.
도 6은 상기 [화학식 1]에 따른 조성을 갖는 형광체 박막을 형성시 공기 중(In air), 질소 중(In nitrogen) 또는 질소와 수소가 포함된 분위기 중에서 800 ~ 1000℃에서 열처리한 박막의 발광스펙트럼을 나타낸 것이다. 이때, 질소 중 수소의 함유량은 최소 5 vol%가 되어야 한다.
그 결과, 공기 중 또는 질소 중에서 열처리했을 경우, 610 nm에서 적색발광만이 관찰되었으나, 수소/질소 혼합가스 중에서 열처리 한 형광체 박막은 610 nm의 적색발광 뿐만 아니라, 530nm영역의 녹색발광도 관찰되었다. 따라서, 적색 및 녹색을 동시에 발광하는 형광체 박막을 얻기 위해서는 수소/질소의 혼합가스 분위기에서 열처리해야만 한다.
이는 열처리를 통한 형광체의 결정구조 형성시, 강한 환원분위기로 인해, Eu 이온 주위의 이웃 원자들의 결합특성이 변화하였으며, 이는 다시 Eu 이온의 크리스탈 필드(crystal field)에 영향을 주어 결국 광학특성의 변화를 가져온 것으로 추정된다.
도 7은 상기 열처리 과정 중 분위기 가스 중 수소의 농도에 따라서 본 발명에 따른 형광체 박막의 발광 효율이 향상될 수 있다는 것을 보여주는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 10%, 30% 및 50% 별로 실험한 결과 30%의 수소 분위기에서 가장 효율이 높게 나타나고 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 형광제 박막 형성을 위한 조성물 제조 시 수소 가스의 농도는 분위기 가스의 총 부피 중 5 ~ 30% 가 되도록 하는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명의 형광체 박막은 금속 실리케이트 구조를 기본으로 하는 (Ca, Mg, Sr 및 Ba)SiO4 구조를 갖게 되는데 이들 호스트(host lattice)물질의 중첩으로 생긴 기본골격구조의 중심부분에 이온반경이 큰 원자가 양론적(stoichiometry)으로 위치하게 되고 전하 불균형에 의해 Eu, Ce, Pr, Sm 등과 같은 희토류 원소나 Mn과 같은 전이금속이 위치하게 됨으로써 활성화가 이루어지게 된다.
따라서, 본 발명에서 개발한 형광체 박막은 화학양론성 화합물(stoichiometric compound)로서 Eu, Sm 및 Mn의 종류에 의해 광학적 특성이 달라지게 된다.
즉, (M11-xM2x)2-yReySiO4 (0≤x≤1, 0.05≤y≤1.5) 내의 금속 위치에 화학양론적으로 Re 원소들이 1 ~ 2 이상이 침입형(interstitial) 또는 치환형(substitutional)으로 고용체가 됨으로써, 넓은 파장 영역에서 구조적으로 안정하고 광자(photon) 흡수량이 최대가 되는 최적구조의 형광체를 얻게 되는 것이다.
따라서, 본 발명에서는 400nm의 자외선의 또는 450 ~ 490nm의 방출 파장을 갖는 반도체층 상부에 (M11-xM2x)2-yReySiO4 (0≤x≤1, 0.05≤y≤1.5) 형광체 박막을 형성하여 백색발광다이오드 또는 백색발광다이오드 램프를 제작할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 백색발광다이오드 또는 백색발광다이오드 램프는 에폭시 또는 실리콘 수지의 혼합 영역 및 리드프레임, 전극 배선의 형태에 따라 다양한 제품으로 활용될 수 있다.
또한, 상기 도 3과 같은 백색발광다이오드를 제조한 후 원하는 모양의 몰드를 이용하여 에폭시 렌즈를 구성하며 포탄형 백색발광다이오드 및 이를 포함하는 램프를 제작할 수 있다.
즉, 상기 도 3과 같은 기본적인 백색발광다이오드 구조만을 이용하여 표면 실장형(SMD, SMT) 으로 제작이 가능하다. 이때, 추가적인 에폭시와 형광체 파우더의 혼합공정이 필요하지 않으므로, 다양한 구조의 램프제작이 가능 할 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 백색발광다이오드용 형광체 박막을 포함하는 포탄형 백색발광다이오드 제품을 도시한 개략도이다.
도 8을 참조하면, 청색광 발광을 위한 반도체층(210)은 (Al)InGaN 활성층으로 되어 있다. 여기서, 백색광 발광을 위하여, 상기 반도체층(210) 상부에 본 발명에 따른 형광체 박막(220)을 형성한다.
기판(미도시)은 사파이어 기판 또는 실리콘 카바이드(SiC) 기판을 이용할 수 있다.
다음으로, 리드프레임(250)에 청색 발광을 위한 반도체층(210)을 다이본딩한 후, 외부로 연결되는 전극으로서 금 와이어 본딩(240)을 한다. 금 와이어 본딩(240)은 사파이어 기판을 사용할 경우, 소자의 위 부분에 p형과 n형 전극이 있기 때문에 각각 금 와이어 본딩(240)을 하여야 하며 SiC 도전성 기판을 사용할 경우 한 번의 금 와이어 본딩(240)을 할 수 있다. 따라서, 본 도면에서는 금 와이어 본딩에(240)에 대한 사항을 구체적으로 도시한 것이 아니므로, 이에 의해서 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 금 와이어 본딩(140) 후 원하는 모양의 몰드를 이용하여 에폭시 렌즈(230)를 구성하며 리드 프레임(250)의 트림 및 절단 공정을 거처 포탄형 백색 발광 다이오드 램프(200)를 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 9는 본 발명에 따른 백색발광다이오드용 형광체 박막을 포함하는 표면 실장형 백색 발광 다이오드 제품을 나타낸 개략도이다.
도 9를 참조하면, 청색광 발광을 위한 반도체층(310)을 PCB 기판(360)의 금속선(370) 위에 다이본딩 한다.
다음에는, 상기 도 3에서와 같은 방법으로 형광체 박막(320)을 청색광 발광을 위한 반도체층(310) 상부에 형성한다.
그 다음에는, 발광다이오드의 p 전극과 n 전극을 금속선(370)에 금 와이어로 본딩(340)을 하여 외부와 전기적으로 통하게 한다.
그 다음에는, 형광체 박막(320) 상부에 에폭시는 디스펜서 타입으로 몰딩(330)을 수행할 수 있으며, 또 다른 방법은 고형화 하여 트랜스퍼 몰드 형으로 제조할 수 있다. 이와 같이 완성된 제조물을 표면 실장형 백색 발광 다이오드 램프(300)라 할 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 표면 실장형 백색발광다이오드용 형광체 박막을 포함하는 에폭시 렌즈 실장형 백색 발광다이오드 제품을 나타낸 개략도이다.
도 10을 참조하면, 패키지는 PCB 기판 또는 세라믹기판(460)의 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode)로 형성 될 영역에 금속선(470)을 부착시키고, 기판(460)은 절연체(490)등으로 분리시킨다.
다음으로, 에폭시를 고정시키는 영역(480)의 내부는 알루미늄 또는 은으로 코팅된 반사막을 형성하여 다이오드에서 방출된 광을 상부로 반사시키는 역할을 하도록 하고, 코팅을 위한 적당량의 에폭시가 실장될 수 있도록 하는 역할을 한다.
그 다음으로, 청색광 발광을 위한 플립 칩(flip-chip) 형태의 반도체층(410)을 금 범퍼 또는 Au-Sn 등 본딩 물질(440)로 다이본딩을 하고 녹색 및 적색광 발광을 위한 형광체 박막(420)을 반도체층(410)과 금속선(470)의 사이에 형성한다.
그 다음으로, 적당한 혼합비로 섞은 에폭시 또는 실리콘 수지(430)를 디스펜싱 한다. 여기서, 에폭시 또는 실리콘 수지(430)는 고출력의 발광다이오드 패키지에 사용될 수 있다. 에폭시 또는 실리콘 수지(430)는 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 에폭시 또는 실리콘 수지(430)를 사용함으로써, 다이오드에서 방출되는 광의 계면에서의 반사를 줄여 휘도를 향상시킬 수 있다. 이때, 에폭시 렌즈 또는 실리콘 수지(430)는 원하는 지향 각에 따라 본 발명에 따른 발광 다이오드 램프(400) 제품의 모양이 변할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 (M11-xM2x)2-yReySiO4 (0≤x≤1, 0.01≤y≤1.5) 형광체 박막을 포함하는 백색다이오드를 제조함으로써, 발광다이오드의 효율을 향상시키고 높은 연색성을 얻을 수 있도록 한다.
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.
110 : 기판
120, 210, 310, 410 : 청색광 발광을 위한 반도체층
130, 135 : 전극 140 : 제 1 형광체층
150 : 제 2 형광체 박막 200, 300, 400 : 발광 다이오드 램프
220 : 형광체 박막 230 : 에폭시 렌즈
240, 340 : 금 와이어 본딩 250 : 리드프레임
320, 420 : 형광체 박막 330 : 에폭시 몰딩
370, 470 : 금속선 430 : 에폭시 또는 실리콘 수지
460 : 세라믹 기판 480 : 에폭시를 고정시키는 영역
120, 210, 310, 410 : 청색광 발광을 위한 반도체층
130, 135 : 전극 140 : 제 1 형광체층
150 : 제 2 형광체 박막 200, 300, 400 : 발광 다이오드 램프
220 : 형광체 박막 230 : 에폭시 렌즈
240, 340 : 금 와이어 본딩 250 : 리드프레임
320, 420 : 형광체 박막 330 : 에폭시 몰딩
370, 470 : 금속선 430 : 에폭시 또는 실리콘 수지
460 : 세라믹 기판 480 : 에폭시를 고정시키는 영역
Claims (16)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 하기 [화학식 1]로 표시되는 조성 및 100 ~ 2000nm의 두께로 형성되어,
녹색광 및 적색광을 동시에 발광하는 것을 특징으로 하는 백색발광다이오드용 형광체 박막.
[화학식 1]
(M11-xM2x)2-yReySiO4 (0≤x≤1, 0.01≤y≤1.5)
화학식 1에서, M1 및 M2는 Ca, Mg, Sr 및 Ba 중 선택되는 금속이고, Re는 Eu, Ce, Pr, Sm 및 Mn 중 선택되는 원소이다.
- 삭제
- 삭제
- 하기 [화학식 2]로 표시되는 조성 및 100 ~ 2000nm의 두께로 형성되어,
녹색 및 적색광을 동시에 발광하는 것을 특징으로 하는 백색발광다이오드용 형광체 박막.
[화학식 2]
(Ca1-xBax)2-yEuySiO4 (0≤x≤1, 0.01≤y≤1.5)
- 삭제
- 청색광을 방출하는 반도체층 상부에, 제 8 항 또는 제11항의 백색발광다이오드용 형광체 박막을 형성하되, 상기 백색발광다이오드용 형광체 박막을 물리적 증착법 또는 화학적 증착법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 백색발광다이오드용 형광체 박막 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 물리적 증착법은 스퍼터링(Sputtering), 전자빔증착법(E-beam evaporation), 열증착법(Thermal evaporation), 레이저분자빔증착법(L-MBE, Laser Molecular Beam Epitaxy) 및 펄스레이저증착법(PLD, Pulsed Laser Deposition) 중 선택된 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 백색발광다이오드용 형광체 박막 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 화학적 증착법은 유기금속증착법을 이용하거나, 알콕사이드 용액 또는 금속 유기용액을 이용하여 액상 증착 후 환원분위기에서 열처리하는 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 백색발광다이오드용 형광체 박막 제조 방법.
- 제 13 항 에 기재된 방법으로 제조된 백색발광다이오드용 형광체 박막; 및
상기 백색발광다이오드용 형광체 박막 상부에 형성되는 포탄형, 표면 실장형 및 상부 렌즈형 중 어느 하나의 몰딩층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드.
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| KR20050034936A (ko) * | 2003-10-10 | 2005-04-15 | 삼성전기주식회사 | 형광체를 이용한 파장변환형 발광 다이오드 패키지 및제조방법 |
| US7713442B2 (en) * | 2006-10-03 | 2010-05-11 | Lightscape Materials, Inc. | Metal silicate halide phosphors and LED lighting devices using the same |
-
2010
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|---|
| J. APPL. PHYS. 49 * |
| JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY * |
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