KR101274044B1 - 발광 소자 및 이를 포함한 ｌｅｄ 백라이트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적색 발광 다이오드 칩, 녹색 발광 다이오드 칩, 청색 발광 다이오드 칩 및 형광부를 포함하고, 상기 형광부는 상기 청색 발광 다이오드 칩에서 방출된 광에 의해 녹색 발광하는 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 및 이를 포함한 LCD 백라이트를 제공한다.
본 발명의 발광 소자는 균일한 백색광의 구현이 가능하고, 높은 휘도와 보다 넓은 색재현 범위를 얻을 수 있으며, 이를 이용하여 LCD의 균일한 광분포 및 저전력 소모와 함께 높은 내구성을 갖는 LCD 백라이트를 제조할 수 있다.
발광 소자, LED, 백색 발광, 형광체, LCD, 백라이트, 배면광원

Description

발광 소자 및 이를 포함한 ＬＥＤ 백라이트 {Light emitting device and LCD backlight using the same}
도 1a와 도 1b는 본 발명에 따른 제 1 실시예를 도시한 평면도와 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 제 1 실시예의 변형예를 도시한 평면도.
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 제 2 실시예를 도시한 평면도와 단면도.
도 4은 본 발명에 적용되는 실리케이트 형광체의 여기 및 발광 스펙트럼을 도시한 그래프.
도 5은 본 발명에 적용되는 티오갈레이트 형광체의 여기 및 발광 스펙트럼을 도시한 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 적색 발광 다이오드 칩 20 : 녹색 발광 다이오드 칩
30 : 청색 발광 다이오드 칩 40 : 형광체
50 : 기판 61, 62, 63 : 제 1 전극
71, 72, 73, 74 : 제 2 전극 80 : 몰딩부
90 : 와이어 100 : 반사기
본 발명은 발광 소자 및 이를 포함한 LCD 백라이트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 균일한 백색광 구현이 가능하고 넓은 색재현 범위를 갖는 발광 소자 및 이를 포함한 LCD 백라이트에 관한 것이다.
정보 및 통신 산업의 발달에 따라 휴대용 정보처리기기 및 이동통신 단말기의 고성능화가 지속적으로 요구됨에 따라 시스템의 각종 부품의 고성능 및 고급화가 계속적으로 요구되고 있다. 노트북과 같은 중대형 단말기의 모니터에 일반적으로 적용되는 LCD(Liquid Crystal Display)는 그 후면에 백색 백라이트의 광원을 필요로 한다. 일반적으로 이러한 백라이트 광원으로 냉음극형광램프(CCFL; Cold Cathode Fluorescent Lamp)를 사용하는 경우에, 높은 휘도를 갖는 균일한 백색광을 구현하는 등 많은 장점을 갖고 있으나 향후 수은 규제에 따른 CCFL 사용 불가로 인해 지속적인 사용에 어려움이 예상된다. 따라서 CCFL을 대체할 수 있는 백라이트 광원의 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그 중 발광 소자를 이용한 백라이트 광원이 CCFL을 대체하기 위한 광원으로 각광받고 있다.
발광 소자(light emission diode; LED)는 반도체의 p-n 접합 구조를 이용하여 주입된 소수 캐리어(전자 또는 정공)를 만들고 이들의 재결합에 의하여 소정의 빛을 발산하는 소자를 지칭하며, 소비 전력이 적고 수명이 길며, 협소한 공간에 설치 가능하고, 또한 진동에 강한 특성을 제공함에 따라 각종 정보처리 및 통신기기의 부품으로의 이용이 늘어나고 있다.
발광 소자를 이용한 LCD 백라이트 광원에 관한 종래 기술로 대한민국 공개특 허 제2002-0041480호에는 청색 발광 소자에서 발광한 청색광을 형광체에 의하여 백색광으로 변환한 다음 이를 균일한 광의 분포를 위한 도광판에 입사시킴으로써 LCD의 균일한 광분포 및 저전력 소모와 함께 높은 내구성을 갖도록 하는 LCD 백라이트 광원 모듈에 대해 개시되어 있다. 이는 청색 발광 소자와 형광체를 이용함으로써, 높은 휘도를 갖는 균일한 백색광을 구현할 수 있으나 LCD 배면 백색 광원으로 이용하는 경우에 RGB 색필터를 투과했을 때 표현할 수 있는 색재현 범위가 상당히 좁기 때문에 보다 자연색에 가까운 화상을 구현하는데 있어 제약을 받는다. 특히 NTSC(National Television System Committee)에서 규정하는 색재현 범위에 크게 못미치기 때문에 보다 사실적인 색 구현에 어려움이 있다.
또 다른 종래기술로서 대한민국 공개특허 제2004-0087974호에는 LCD 백라이트에 있어서 백색 발광 소자를 사용하거나 또는 적, 청, 녹의 3색 발광 소자를 사용하여 백색의 백라이트 광원을 형성하고, 마이콤을 사용하여 각 LED의 입력 전류, 색상을 측정하여 최종적으로 각 발광 소자로 공급되는 전류를 조절하는 LCD 백라이트 구동 방법에 대해 개시되어 있다. 여기서 적, 청, 녹의 3색 발광 소자를 사용한 백라이트 광원의 경우에 기존의 CCFL에 비해 상당히 넓은 색재현 범위를 만족시킬 수 있으나, 각 발광 소자의 열적 또는 시간적 특성이 상이하기 때문에 사용 환경에 따라 색조가 변하고 특히, 색얼룩이 발생하는 등 균일한 혼색을 구현하지 못하는 단점이 있다. 또한 주변 온도에 따라 각 칩의 출력이 변하여 색 좌표가 달라지고, 높은 휘도 구현에 어려움이 있으며, 각 발광 다이오드 칩의 구동을 고려한 회로 구성이 복잡한 단점이 있다. 또한, 시감도가 높은 녹색 영역에서의 스펙트럼 면적이 넓지 않기 때문에 충분한 휘도를 얻기 위해서는 녹색 발광 다이오드 칩의 출력을 높여야 하는 단점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 균일한 백색광의 구현이 가능하고, 높은 휘도와 보다 넓은 색재현 범위를 갖는 발광 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 균일한 백색광을 구현하고 보다 넓은 색재현 범위를 갖는 발광 소자를 이용하여 LCD의 균일한 광분포 및 저전력 소모와 함께 높은 내구성을 갖는 LCD 백라이트를 제공하는 것이다.
또한, 녹색 발광 다이오드 칩부터의 녹색광과 녹색 형광체부터의 녹색광을 이용하여 시감도가 높은 녹색 영역에서 스펙트럼 면적을 넓게하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여, 적어도 하나의 적색 발광 다이오드 칩, 적어도 하나의 녹색 발광 다이오드 칩, 적어도 하나의 청색 발광 다이오드 칩, 및 형광부를 포함하고, 상기 형광부는 상기 청색 발광 다이오드 칩에서 방출된 광에 의해 녹색 발광하는 형광체를 포함하는 발광 소자를 제공한다. 상기 적색 발광 다이오드 칩은 580 내지 760㎚ 파장의 광을 방출하고, 상기 녹색 발광 다이오드 칩은 500 내지 580nm 파장의 광을 방출하고, 상기 청색 발광 다이오드 칩은 430 내지 500㎚ 파장의 광을 방출하고, 상기 형광체는 500 내지 580㎚ 파장의 광을 방출 하는 것을 특징으로 한다. 보다 바람직하게는, 상기 적색 발광 다이오드 칩은 620 내지 640㎚ 파장의 광을 방출하고, 상기 녹색 발광 다이오드 칩은 515 내지 540nm 파장의 광을 방출하고, 상기 청색 발광 다이오드 칩은 450 내지 470㎚ 파장의 광을 방출하고, 상기 형광체는 515 내지 540㎚ 파장의 광을 방출하는 것을 특징으로 한다.
상기 형광체는 실리케이트 또는 티오갈레이트 계열의 형광체를 사용할 수 있다. 또한, 상기 형광체는 YAG 계열의 형광체를 사용할 수 있다.
상기 형광체는 하기 <화학식>으로 표시되고,
<화학식>
a(MⅠO) · b(MⅡO) · c(MⅢA) · d(MⅢ 2O) · e(MⅣ 2O3) · f(MⅤ oOp) · g(SiO2) · h(MⅥ xOy)
상기 MⅠ은 납(Pb) 및 구리(Cu)를 포함하는 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, 상기 MⅡ은 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 아연(Zn), 카드뮴(Cd) 및 망간(Mn)을 포함하는 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, 상기 MⅢ은 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 금(Au) 및 은(Ag)을 포함하는 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, 상기 MⅣ은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 및 인듐(In)을 포함하는 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, 상기 MⅤ은 게르마늄(Ge), 바나듐(V), 네오디뮴(Nd), 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 티탄(Ti), 지르코늄(Zr) 및 하프늄(Hf)을 포함하는 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, 상기 MⅥ은 비스무트(Bi), 주석(Sn), 안티몬(Sb), 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 에르븀(Er), 툴륨(Tm), 이테르븀(Yb) 및 루테튬(Lu)을 포함하는 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, 상기 A는 플로오르(F), 염소(Cl), 브롬(Br) 및 요오드(I)를 포함하는 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, 상기 a, b, c, d, e, f, g, h, o, p, x, y는 0≤a≤2, 0≤b≤8, 0≤c≤4, 0≤d≤2, 0≤e≤2, 0≤f≤2, 0≤g≤10, 0≤h≤5, 1≤o≤2, 1≤p≤5, 1≤x≤2, 1≤y≤5의 범위로 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 형광체는 하기 <화학식>으로 표시되고,
<화학식>
(A1-x- yEuxMⅠ y)(B2- yMⅡ y)S4
상기 A는 바륨(Ba), 스트론튬(Sr) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, 상기 B는 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 및 인디움(In)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, 상기 MⅠ는 스칸디움(Sc), 란탄(La), 가돌리늄(Gd) 및 루테튬(Lu)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 희토류 원소가 선택되고, 상기 MⅡ는 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 및 베릴륨(Be)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, 상기 x와 y는 0.005<x<0.9, 0<y<0.995, x+y<1인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 형광체는 하기 <화학식>으로 표시되고,
<화학식>
(A1-x- yEux(MⅠ 0.5 MⅡ 0.5)y)B2S4
상기 A는 바륨(Ba), 스트론튬(Sr) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, 상기 B는 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 및 인디움(In)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, 상기 MⅠ는 스칸디움(Sc), 란탄(La), 가돌리늄(Gd) 및 루테튬(Lu)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 희토류 원소가 선택되고, 상기 MⅡ는 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, 상기 x와 y는 0.005<x<0.9, 0<y<0.995, x+y<1인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 형광체는 하기 <화학식>으로 표시되고,
<화학식>
MⅠ aMⅡ bMⅢ cOd
상기 MⅠ는 적어도 Ce가 선택되고, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 및 Tb로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 더 선택되고, 상기 MⅡ는 Mg, Ca, Zn, Sr, Cd 및 Ba로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, 상기 MⅢ은 Al, Sc, Ga, Y, In, La, Gd 및 Lu로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, 상기 a, b, c, d는 0.0001≤a≤0.2, 0.8≤b≤1.2, 1.6≤c≤2.4, 3.2≤d≤4.8의 범위로 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
*상기 형광체는 하기 <화학식>으로 표시되고,
<화학식>
(Sr1 -u-v- xMguCavBax)(Ga2 -y- zAlyInzS4) : Eu2 +
상기 u, v, x, y, z는 0≤u≤1, 0≤v≤1, 0≤x≤1, 0≤(u+v+x)≤1, 0≤y≤2, 0≤z≤2, 0≤y+z≤2의 범위로 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 형광체는 하기 <화학식>으로 표시되고/이거나,
<화학식>
(2-x-y)SrO · x(Bau, Cav)O · (1-a-b-c-d)SiO2 · aP2O5bAl2O3cB2O3dGeO2 : yEu2 +
상기 x, y, a, b, c, d, u, v는 0≤x<1.6, 0.005<y<0.5, x+y≤1.6, 0≤a<0.5, 0≤b<0.5, 0≤c<0.5, 0≤d<0.5, u+v=1의 범위로 설정되며;
상기 형광체는 하기 <화학식>으로 표시되고,
<화학식>
(2-x-y)BaO · x(Sru, Cav)O · (1-a-b-c-d)SiO2 · aP2O5bAl2O3cB2O3dGeO2 : yEu2 +
상기 x, y, u, v는 0.01<x<1.6, 0.005<y<0.5, u+v=1, x· u≥0.4의 범위로 설정되고, 상기 a, b, c, d는 적어도 하나의 값이 0.01보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 발광 소자는 0.1 내지 20㎛의 크기의 산란제를 더 포함할 수 있으며, 상기 산란제는 SiO2, Al2O3, TiO2, Y2O3, CaCO3 및 MgO 중 적어도 하나인 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 발광 소자는 상기 발광 다이오드 칩이 실장되는 몸체와, 상기 몸체 상부에 상기 발광 다이오드 칩을 봉지하는 몰딩부를 더 포함하며, 상기 몰딩부는 상기 형광체를 포함할 수 있다. 또한 상기 몰딩부는 상기 형광체 및 산란제를 포함할 수 있다. 또한 발광 소자는 상기 발광 다이오드 칩이 실장되는 몸체와, 상기 몸체 상부에 상기 발광 다이오드 칩을 봉지하고 상기 형광체를 포함하는 제 1 몰딩부와, 상기 제 1 몰딩부를 둘러싸고 상기 산란제를 포함하는 제 2 몰딩부를 더 포함할 수도 있다. 상기 몸체는 기판, 히트 싱크 또는 리드 단자 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명은 상기 상술한 발광 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 LCD 백라이트를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명에 따른 발광 소자는 청색, 적색 및 녹색 발광 다이오드 칩과, 청색광의 일부를 여기원으로서 녹색 발광하는 형광체를 포함하는 형광부를 포함하여 발광 다이오드 칩의 청색, 적색 및 녹색 발광과 함께 형광체의 녹색 발광에 의해 백색을 얻을 수 있다. 즉, 430 내지 500㎚ 파장을 발광하는 청색 발광 다이오드 칩과, 580 내지 760㎚ 파장을 발광하는 적색 발광 다이오드 칩과, 500 내지 580nm 파장을 발광하는 녹색 발광 다이오드 칩과, 청색광을 여기원으로 하여 500 내지 580㎚ 파장의 녹색광을 발생시킬 수 있는 형광체의 조합으로 백색광의 구현이 가능하다. 보다 바람직하게는, 본 발명의 발광 소자는 450 내지 470㎚ 파장을 발광하는 청색 발광 다이오드 칩과, 620 내지 640㎚ 파장을 발광하는 적색 발광 다이오드 칩과, 515 내지 540 파장을 발광하는 녹색 발광 다이오드 칩과, 청색광을 여기원으로 하여 515 내지 540㎚ 파장의 녹색광을 발생시킬 수 있는 형광체의 조합으로 이루어진다. 상기 청색광에 의해 여기되어 녹색광을 방출하는 형광체로는 실리케이트 계열 또는 티오갈레이트 계열의 형광체를 사용할 수 있다. 또한, YAG 계열의 형광체를 사용할 수 있다.
상기 실리케이트 계열의 형광체의 화학식은 하기 화학식 1과 같은 구조를 갖 는다.
a(MⅠO) · b(MⅡO) · c(MⅢA) · d(MⅢ 2O) · e(MⅣ 2O3) · f(MⅤ oOp) · g(SiO2) · h(MⅥ xOy)
상기 화학식 1에서 MⅠ은 납(Pb) 및 구리(Cu)를 포함하는 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, MⅡ은 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 아연(Zn), 카드뮴(Cd) 및 망간(Mn)을 포함하는 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, MⅢ은 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 금(Au) 및 은(Ag)을 포함하는 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, MⅣ은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 및 인듐(In)을 포함하는 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, MⅤ은 게르마늄(Ge), 바나듐(V), 네오디뮴(Nd), 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 티탄(Ti), 지르코늄(Zr) 및 하프늄(Hf)을 포함하는 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, MⅥ은 비스무트(Bi), 주석(Sn), 안티몬(Sb), 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 에르븀(Er), 툴륨(Tm), 이테르븀(Yb) 및 루테튬(Lu)을 포함하는 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, A는 플로오르(F), 염소(Cl), 브롬(Br) 및 요오드(I)를 포함하는 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택된다.
또한 상기 화학식 1에서 a, b, c, d, e, f, g, h, o, p, x, y는 0≤a≤2, 0≤b≤8, 0≤c≤4, 0≤d≤2, 0≤e≤2, 0≤f≤2, 0≤g≤10, 0≤h≤5, 1≤o≤2, 1≤p≤5, 1≤x≤2, 1≤y≤5의 범위로 설정된다.
상기 형광체의 화학식은 하기 화학식 2와 같은 구조를 갖는다.
(A1-x- yEuxMⅠ y)(B2- yMⅡ y)S4
상기 화학식 2에서 A는 바륨(Ba), 스트론튬(Sr) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, B는 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 및 인디움(In)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, MⅠ는 스칸디움(Sc), 란탄(La), 가돌리늄(Gd) 및 루테튬(Lu)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 희토류 원소가 선택되고, MⅡ는 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 및 베릴륨(Be)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택된다. 또한 상기 화학식 2에서 상기 x와 y는 0.005<x<0.9, 0<y<0.995, x+y<1의 범위로 설정된다.
또한 상기 형광체의 화학식은 하기 화학식 3과 같은 구조를 갖는다.
(A1-x- yEux(MⅠ 0.5 MⅡ 0.5)y)B2S4
상기 화학식 3에서 A는 바륨(Ba), 스트론튬(Sr) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, B는 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 및 인디움(In)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, MⅠ는 스칸디움(Sc), 란탄(La), 가돌리늄(Gd) 및 루테튬(Lu)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 희토류 원소가 선택되고, MⅡ는 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택된다. 또한 상기 화학식 3에서 상기 x와 y는 0.005<x<0.9, 0<y<0.995, x+y<1의 범위로 설정된다.
상기 실리케이트 또는 티오갈레이트 형광체는 청색 영역대의 여기하에 매우 우수한 녹색광을 구현한다.
또한 상기 YAG 계열의 형광체의 화학식은 하기 화학식 4와 같은 구조를 갖는다.
(Re1 - rSmr)3(Al1 - sGas)5O12:Ce
상기 화학식 4에서 Re는 Y 및 Gd로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택된다. 또한 상기 화학식 4에서 상기 r와 s는 0≤r<1, 0≤s≤1의 범위로 설정된다.
또한, 상기 형광체의 화학식은 하기 화학식 5와 같은 구조를 갖는다.
MⅠ aMⅡ bMⅢ cOd
*상기 화학식 5에서 MⅠ는 적어도 Ce가 선택되고, 또한 Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 및 Tb로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, MⅡ는 Mg, Ca, Zn, Sr, Cd 및 Ba로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, MⅢ은 Al, Sc, Ga, Y, In, La, Gd 및 Lu로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택된다. 또한 상기 화학식 5에서 상기 a, b, c, d는 0.0001≤a≤0.2, 0.8≤b≤1.2, 1.6≤c≤2.4, 3.2≤d≤4.8의 범위로 설정된다.
또한, 상기 형광체의 화학식은 하기 화학식 6과 같은 구조를 갖는다.
(Sr1 -u-v- xMguCavBax)(Ga2 -y- zAlyInzS4) : Eu2 +
상기 화학식 6에서 상기 u, v, x, y, z는 0≤u≤1, 0≤v≤1, 0≤x≤1, 0≤(u+v+x)≤1, 0≤y≤2, 0≤z≤2, 0≤y+z≤2의 범위로 설정된다.
또한, 상기 형광체의 화학식은 하기 화학식 7과 같은 구조를 갖는다.
(2-x-y)SrO · x(Bau, Cav)O · (1-a-b-c-d)SiO2 · aP2O5bAl2O3cB2O3dGeO2 : yEu2 +
상기 화학식 6에서 상기 x, y, a, b, c, d, u, v는 0≤x<1.6, 0.005<y<0.5, x+y≤1.6, 0≤a<0.5, 0≤b<0.5, 0≤c<0.5, 0≤d<0.5, u+v=1의 범위로 설정된다.
또한, 상기 형광체의 화학식은 하기 화학식 8과 같은 구조를 갖는다.
(2-x-y)BaO · x(Sru, Cav)O · (1-a-b-c-d)SiO2 · aP2O5bAl2O3cB2O3dGeO2 : yEu2 +
상기 화학식 8에서 상기 x, y, u, v는 0.01<x<1.6, 0.005<y<0.5, u+v=1, x· u≥0.4의 범위로 설정되고, 상기 a, b, c, d는 적어도 하나의 값이 0.01보다 큰 것을 특징으로 한다.
이에 따라 본 발명의 발광 소자는 청색, 적색, 및 녹색 발광 다이오드 칩과 상기 형광체를 포함하여 이들 발광의 조합에 의해 백색광을 구현할 수 있다. 즉, 발광 다이오드 칩으로부터 방출되는 청색광, 적색광, 및 녹색광과, 형광체에 의해 파장변환된 녹색광이 혼색되어 백색광을 구현한다. 본 발명의 백색 발광 소자는 종래 적, 청, 녹의 3색 발광 소자를 사용한 경우에 비해 시감도가 높은 녹색 영역에서의 스펙트럼 면적이 상당히 증가하기 때문에 높은 휘도를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 백색 발광 소자는 종래 청색 발광 소자와 형광체를 사용한 경우에 비해 보다 넓은 색재현 범위를 가질 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 발명의 발광 소자는 높은 휘도와 넓은 색재현 범위의 향상된 특성으로 LCD 백라이트에 우수한 광원으로 이용될 수 있다.
이하, 본 발명의 발광 소자에 관해 도면을 참조하여 설명한다.
도 1a와 도 1b는 본 발명에 따른 제 1 실시예를 도시한 평면도와 단면도이다.
도면을 참조하면, 발광 다이오드는 기판(50)과, 상기 기판(50) 상에 형성된 전극(61, 62, 63, 71, 72, 73)과, 각각 적색, 녹색, 청색 발광하는 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)과, 상기 기판(50)의 상부에 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)을 봉지하는 몰딩부(80)를 포함한다.
상기 전극(61, 62, 63, 71, 72, 73)은 상기 적색, 녹색, 청색 발광하는 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)이 각각 실장되는 제 1 전극(61, 62, 63)과, 상기 적색, 녹색, 청색 발광하는 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)의 일단에 각각 연결되는 제 2 전극(71, 72, 73)을 포함한다. 상기 기판(50) 상에 형성되는 전극(61, 62, 63, 71, 72, 73)은 인쇄 기법을 통하거나, 접착제를 이용하여 형성할 수 있다. 전극(61, 62, 63, 71, 72, 73)은 전도성이 우수한 구리 또는 알루미늄을 포함한 금속 물질로 형성하되, 제 1 전극(61, 62, 63)과 제 2 전극(71, 72, 73)은 전기적으로 서로 단전되도록 형성한다. 본 실시예의 발광 다이오드 칩의 개수는 이에 한정되지 않고 다수 개로 구성할 수 있으며, 기판 상에 형성되는 전극 패턴의 개수와 형상 역시 도시한 바와 같이 한정되지 않고 칩의 실장 위치와 구성에 따라 다양하게 형성 가능하다. 예를 들어, 발광 다이오드 칩의 개수에 따라, 또는 삼색광의 혼합을 위한 최적 위치에 따라 형성되는 전극 패턴의 수와 형상이 달라질 것이다.
상기 적색, 녹색, 청색 발광하는 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)은 각각의 제 1 전극(61, 62, 63) 상에 실장되며, 은 페이스트를 이용하여 실장될 수 있다. 각 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)은 와이어(90)를 통하여 제 2 전극(71, 72, 73)에 연결된다.
도 1a의 Ⅰ-Ⅰ′의 단면을 도시한 도 1b에서 볼 수 있듯이, 상기 기판(50) 상부에는 상기 다수 개의 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)을 봉지하기 위한 몰딩부(80)가 형성된다. 몰딩부(80) 내에는 형광부가 균일하게 포함되어 있고, 형광부는 청색광에 의해서만 여기될 수 있는 녹색 형광체(40)를 포함한다..
형광체(40)는 임자결정(Host Lattice)과 적절한 위치에 불순물이 혼입된 활성 이온으로 구성되는데, 활성 이온들의 역할은 발광 과정에 관여하는 에너지 준위를 결정함으로써 발광색을 결정하며, 그 발광색은 결정 구조 내에서 활성 이온이 갖는 기저 상태와 여기 상태의 에너지 차(Energy Gap)에 의해 결정된다. 즉, 활성 이온을 갖는 형광체(40)가 갖는 발광 중심색은 궁극적으로 활성 이온들의 전자 상태 즉, 에너지 준위에 의해 결정된다. 상술한 바와 같이 상기 형광체(70)로는 실리케이트 또는 티오갈레이트 계열의 형광체, 또한 YAG 계열의 형광체를 사용할 수 있으며, 형광체(40)는 도시한 바와 같이 상기 몰딩부(80) 내부에 균일하게 분포되는 것이 바람직하다. 이에 한정되지 않고, 청색 발광 다이오드 칩(30)의 상면 및 측면을 감싸도록 상기 형광체(40)와 수지의 혼합물을 소정 두께로 도팅한 후 몰딩부(80)가 형성될 수도 있다.
본 실시예는 몰딩부(80) 내에 균일하게 분포된 형광체(40)로 인해 적색, 녹색, 및 청색 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)에서 방출되는 빛이 고르게 혼색되어 더욱 균일한 백색광을 구현할 수 있다.
몰딩부(80)는 소정의 에폭시 수지와 상기 형광체(40)들의 혼합물을 이용한 사출 공정을 통해 형성할 수 있다. 또한 별도의 주형을 이용하여 제작한 다음, 이를 가압 또는 열처리하여 몰딩부(80)를 형성할 수 있다. 몰딩부(80)는 광학 렌즈 형태, 평판 형태 및 표면에 소정의 요철을 갖는 형태 등 다양한 형상으로 형성할 수 있다.
이러한 본 발명의 발광 소자는 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)으로부터 각각 1차 광이 방출되고, 1차 광의 일부에 의해 형광체(40)는 파장변환된 2차 광을 방출하여, 이들의 혼색으로 원하는 스펙트럼 영역의 색을 구현한다. 즉, 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)으로부터 적색광, 녹색광, 및 청색광이 방출되고, 청색광의 일부에 의해 형광체(70)는 녹색광을 방출한다. 그리하여 1차 광인 청색광의 일부, 적색광, 및 녹색광과, 2차 광인 녹색광이 혼색되어 백색광을 구현할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 제 1 실시예의 변형예를 도시한 평면도이다.
도면을 참조하면, 발광 다이오드는 기판(50)과, 상기 기판(50) 상에 형성된 전극(61, 62, 63, 74)과, 각각 적색, 녹색, 청색 발광하는 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)과, 상기 기판(50)의 상부에 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)을 봉지하는 몰딩부(80)를 포함하고, 몰딩부(80) 내에는 청색광에 의해서만 여기될 수 있는 녹색 형광체(40)가 균일하게 혼합되어 있다. 이는 상기 제 1 실시예의 구성과 거의 동일하며, 단지 기판(50) 상에 형성된 전극(61, 62, 63, 74) 패턴이 상기 적색, 녹색, 청색 발광하는 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)이 각각 실장되는 제 1 전극(61, 62, 63)과, 상기 적색, 녹색, 청색 발광하는 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)의 일단에 공통적으로 연결되는 제 2 전극(74)을 포함한다. 이에 대한 구체적 설명은 도 1a 내지 도 1b에 관련된 상술로 대신한다. 이와 같이 전극 패턴의 개수나 형상은 한정되지 않고 공정 상의 편의에 따라 다양하게 형성 가능하다. 또한 도 2의 변형예는 도시된 바와 같이 한정되지 않고 다른 실시예에도 적용될 수 있다.
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 제 2 실시예를 도시한 평면도와 단면도이다.
도면을 참조하면, 발광 다이오드는 기판(50)과, 상기 기판(50) 상에 형성된 전극(61, 62, 63, 71, 72, 73)과, 각각 적색, 녹색, 청색 발광하는 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)과, 상기 기판(50)의 상부에 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)을 둘러싸도록 형성된 반사기(100)와, 상기 반사기(100)의 중앙 홀 내부에 형광체(40)를 포함하여 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)를 봉지하는 몰딩부(80)를 포함한다.
상기 전극(61, 62, 63, 71, 72, 73)은 상기 적색, 녹색, 청색 발광하는 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)이 각각 실장되는 제 1 전극(61, 62, 63)과, 상기 적색, 녹색, 청색 발광하는 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)의 일단에 각각 연결되는 제 2 전극(71, 72, 73)을 포함한다. 상기 적색, 녹색, 청색 발광하는 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)은 각각의 제 1 전극(61, 62, 63) 상에 실장되며, 각 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)은 와이어(90)를 통하여 제 2 전극(71, 72, 73)에 연결된다. 이는 상기 제 1 실시예의 구성과 거의 동일하며, 이에 대한 구체적 설명은 도 1a 내지 도 1b에 관련된 상술로 대신한다.
마찬가지로 본 실시예의 발광 다이오드 칩의 개수는 이에 한정되지 않고 다수 개로 구성할 수 있으며, 기판 상에 형성되는 전극 패턴의 개수와 형상 역시 도시한 바와 같이 한정되지 않고 칩의 실장 위치와 구성에 따라 다양하게 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 2와 같은 변형예를 제 2 실시예에 적용할 수 있을 것이다.
도 3a의 Ⅱ-Ⅱ′의 단면을 도시한 도 3b에서 볼 수 있듯이, 본 실시예는 상기 기판(50)의 상부에 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)을 둘러싸도록 형성된 반사기(100)를 포함하며, 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)의 보호를 위해 상기 반사기(100)의 중앙 홀에 액상 에폭시 수지 또는 실리콘 수지 등을 충진한 몰딩부(80)를 포함한다. 몰딩부(80) 내에는 청색광에 의해서만 여기될 수 있는 녹색 형광체(40)가 균일하게 혼합되어 있다. 또한 몰딩부 내부에는 상술한 형광체(40)과 함께 산란제 (미도시) 를 포함할 수도 있다.
즉 실리케이트 또는 티오갈레이트 계열의 형광체, 또한 YAG 계열의 형광체를 사용할 수 있다. 또한 상기 산란제는 광의 혼색을 더욱 원활하게 하기 위해 첨가되는 것으로 0.1 내지 20㎛의 크기를 갖는 입자를 사용한다. 상기 산란제로는 SiO2, Al2O3, TiO2, Y2O3, CaCO3 및 MgO 중 적어도 하나를 사용한다.
이와 같이 산란제를 포함하는 발광 소자는 산란제에 의해 발광 다이오드 칩(10, 20, 30)으로부터의 광을 산란시켜서 광을 방출하므로, 불필요한 발광 패턴을 형성하지 않고 넓은 범위로 균일하게 광을 방출할 수 있다. 따라서 상기 서로 다른 파장의 광들이 넓은 범위로 방출되어 더욱 균일하게 혼합되고, 발광 소자는 균일한 백색광을 구현할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 다양한 구조의 제품에 응용될 수 있으며, 본 발명의 기술적 요지는 상기 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 여러 가지 수정과 변형이 가능하다. 예를 들어, 램프형 발광 소자의 경우 리드 단자에 청색 및 적색 발광 다이오드 칩을 실장한 후, 상기와 마찬가지로 형광체가 균일하게 분포된 몰딩부를 형성하여 본 발명의 백색 발광 소자를 제조할 수 있다. 또한 상술한 실시예에서는 각각 하나의 청색 및 적색 발광 다이오드 칩을 사용하였으나, 목적에 따라 다수개의 칩으로 구성할 수도 있다.
도 4 및 도 5은 본 발명에 적용되는 실리케이트 형광체와 티오갈레이트 형광체의 여기 및 발광 스펙트럼을 각각 도시한 그래프이다. 도면에서 볼 수 있듯이, 실리케이트 형광체와 티오갈레이트 형광체는 청색광의 일부 에너지를 흡수하여 510 내지 560㎚의 우수한 발광 스펙트럼을 나타낸다.
상술한 바와 같은 본 발명의 발광 소자는 높은 휘도와 넓은 색재현 범위를 갖는 특성으로 인해 LCD 백라이트에 응용될 수 있다. 즉, 일반적인 LCD는 후면의 백색 백라이트의 광원을 필요로 하는데, 본 발명의 백색 발광 소자는 우수한 휘도 특성과 색재현성을 나타내므로 LCD의 개발에 매우 중요한 역할을 할 수 있다.
본 발명은 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드 칩과, 청색광에 의해 녹색광을 방출하는 형광체를 사용하여 균일한 백색광을 구현하고 높은 휘도와 넓은 색재현 범위를 갖는 백색 발광 소자를 제조할 수 있다. 특히, 본 발명에 의한 발광 소자는 균일한 광의 구현과 넓은 색재현 범위를 갖는 우수한 백색 발광 특성으로 인해 LCD 백라이트에 응용될 수 있는 장점이 있다.

Claims (18)

  1. 적어도 하나의 적색 발광 다이오드 칩;
    적어도 하나의 녹색 발광 다이오드 칩;
    적어도 하나의 청색 발광 다이오드 칩; 및
    형광부를 포함하고,
    상기 형광부는 상기 청색 발광 다이오드 칩에서 방출된 광에 의해 녹색 발광하는 형광체를 포함하며,
    상기 형광체는 하기 <화학식 1> 내지 <화학식 5>로 표시되는 형광체를 적어도 하나 포함하는 형광체이며,
    <화학식 1>
    (A1-x-yEuxMⅠ y)(B2-yMⅡ y)S4
    상기 A는 바륨(Ba), 스트론튬(Sr) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, 상기 B는 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 및 인디움(In)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, 상기 MⅠ는 스칸디움(Sc), 란탄(La), 가돌리늄(Gd) 및 루테튬(Lu)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 희토류 원소가 선택되고, 상기 MⅡ는 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 및 베릴륨(Be)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고,
    상기 x와 y는 0.005<x<0.9, 0<y<0.995, x+y<1의 범위로 설정되며,
    <화학식 2>
    (A1-x-yEux(MⅠ 0.5 MⅡ 0.5)y)B2S4
    상기 A는 바륨(Ba), 스트론튬(Sr) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, 상기 B는 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 및 인디움(In)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, 상기 MⅠ는 스칸디움(Sc), 란탄(La), 가돌리늄(Gd) 및 루테튬(Lu)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 희토류 원소가 선택되고, 상기 MⅡ는 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고,
    상기 x와 y는 0.005<x<0.9, 0<y<0.995, x+y<1의 범위로 설정되며,
    <화학식 3>
    MⅠ aMⅡ bMⅢ cOd
    상기 MⅠ는 적어도 Ce가 선택되고, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 및 Tb로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 더 선택되고, 상기 MⅡ는 Mg, Ca, Zn, Sr, Cd 및 Ba로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고, 상기 MⅢ은 Al, Sc, Ga, Y, In, La, Gd 및 Lu로 이루어진 그룹에서 적어도 하나의 원소가 선택되고,
    상기 a, b, c, d는 0.0001≤a≤0.2, 0.8≤b≤1.2, 1.6≤c≤2.4, 3.2≤d≤4.8의 범위로 설정되며,
    <화학식 4>
    (2-x-y)SrO · x(Bau, Cav)O · (1-a-b-c-d)SiO2 · aP2O5bAl2O3cB2O3dGeO2 : yEu2+
    상기 x, y, a, b, c, d, u, v는 0≤x<1.6, 0.005<y<0.5, x+y≤1.6, 0≤a<0.5, 0≤b<0.5, 0≤c<0.5, 0≤d<0.5, u+v=1의 범위로 설정되며,
    <화학식 5>
    (2-x-y)BaO · x(Sru, Cav)O · (1-a-b-c-d)SiO2 · aP2O5bAl2O3cB2O3dGeO2 : yEu2+
    상기 x, y, u, v는 0.01<x<1.6, 0.005<y<0.5, u+v=1, x· u≥0.4의 범위로 설정되고, 상기 a, b, c, d는 적어도 하나의 값이 0.01보다 큰 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 적색 발광 다이오드 칩은 580 내지 760㎚ 파장의 광을 방출하고, 상기 녹색 발광 다이오드 칩은 500 내지 580nm 파장의 광을 방출하고, 상기 청색 발광 다이오드 칩은 430 내지 500㎚ 파장의 광을 방출하고, 상기 형광체는 500 내지 580㎚ 파장의 광을 방출하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 적색 발광 다이오드 칩은 620 내지 640㎚ 파장의 광을 방출하고, 상기 녹색 발광 다이오드 칩은 515 내지 540nm 파장의 광을 방출하고, 상기 청색 발광 다이오드 칩은 450 내지 470㎚ 파장의 광을 방출하고, 상기 형광체는 515 내지 540㎚ 파장의 광을 방출하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 형광체는 실리케이트 또는 티오갈레이트 계열의 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 형광체는 YAG 계열의 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  6. 삭제
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  12. 청구항 1에 있어서,
    0.1 내지 20㎛의 직경을 갖는 산란제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 산란제는 SiO2, Al2O3, TiO2, Y2O3, CaCO3 및 MgO 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광 다이오드 칩이 실장되는 몸체와,
    상기 몸체 상부에 상기 발광 다이오드 칩을 봉지하는 몰딩부를 더 포함하며,
    상기 몰딩부는 상기 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 발광 다이오드 칩이 실장되는 몸체와,
    상기 몸체 상부에 상기 발광 다이오드 칩을 봉지하는 몰딩부를 더 포함하며,
    상기 몰딩부는 상기 형광체 및 산란제를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 발광 다이오드 칩이 실장되는 몸체와,
    상기 몸체 상부에 상기 발광 다이오드 칩을 봉지하고 상기 형광체를 포함하는 제 1 몰딩부와,
    상기 제 1 몰딩부를 둘러싸고 상기 산란제를 포함하는 제 2 몰딩부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  17. 청구항 14 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몸체는 기판, 히트 싱크 또는 리드 단자 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  18. 청구항 1 내지 청구항 5, 및 청구항 12 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 따른 발광 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 LCD 백라이트.
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