KR101298718B1

KR101298718B1 - 나노 확산판의 제조 방법 및 이를 이용하는 ｌｅｄ 조명용 확산판

Info

Publication number: KR101298718B1
Application number: KR1020120022732A
Authority: KR
Inventors: 신언상; 여용복; 홍인표
Original assignee: 신언상; 홍인표; 여용복
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2013-08-21

Abstract

본 발명은 원하는 광특성으로 제조가 용이한 나노 형광체와 광확산용 수지로 이루어진 발광층을 확산판 베이스 부재의 표면 부위에 단일 공정으로 형성함으로써 효율적으로 LED 조명의 발광 휘도 및 연색성을 개선할 수 있는 나노 확산판의 제조 방법 및 이를 이용하는 LED 조명용 확산판에 관한 것으로, 나노 확산판의 제조 방법은, 나노 형광체를 포함한 나노 확산판의 제조 방법에 있어서, 톨루엔에 나노 형광체가 분산되어 있는 나노 형광체 용액을 제조하는 제1 단계와, 나노 형광체 용액에서 톨루엔을 포름아미드로 교환하는 제2 단계와, 포름아미드에 나노 형광체가 분산되어 있는 나노 형광체 용액 소스에 광확산용 수지를 혼합하는 제3 단계와, 광확산용 수지가 혼합된 나노 형광체 용액 소스에 일정량의 경화제를 첨가하는 제4 단계와, 경화제가 첨가된 나노 형광체 용액 소스를 소정형상의 조형물에 주입한 후 나노 형광체 용액 소스 내 혼합물들이 비중 차이에 의해 자율 침강하도록 하여 발광층을 형성하는 제5 단계를 포함한다.

Description

나노 확산판의 제조 방법 및 이를 이용하는 ＬＥＤ 조명용 확산판{METHOD FOR MANUFACTURING NANO DIFFUSION SHEET AND DIFFUSION SHEET FOR LED LIGHTING USING THE SAME}

본 발명은 나노 확산판의 제조 방법 및 이를 이용하는 LED 조명용 확산판에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 원하는 광 특성으로 제조가 용이한 나노 형광체와 광확산용 수지로 이루어진 발광층을 확산판 베이스 부재의 표면 부위에 단일 공정으로 형성함으로써 효율적으로 LED 조명의 발광 휘도 및 연색성을 개선할 수 있는 나노 확산판의 제조 방법 및 이를 이용하는 LED 조명용 확산판에 관한 것이다.

발광다이오드(light emitting diode: 이하, LED라 한다)는 저전력 구동과 우수한 광효율의 특성이 있어 디스플레이 장치의 백라이트, 가로등, 자동차 조명, 가정용 조명 등에 적용되고 있다.

그러나, LED 조명은 단파장으로 발광될 경우 조명된 사물의 색재현 충실도를 나타내는 연색성(color rendering)이 떨어져 눈의 피로를 유발하는 단점이 있다. 또한, LED가 발하는 빛은 직진성이 강해 LED 조명기구 아래쪽에 위치하는 직접 조명 공간에는 강한 발광이 있고, 그 외의 다른 공간에서는 빛이 고르게 분산되지 못하여 실질적으로 전체적인 발광 효율이 떨어지는 문제도 있다. 따라서, 종래의 LED 조명기구에서는 발광 효율과 연색성 등을 고려하여 통상 LED 광원에서 발하는 빛을 소정의 확산판을 통해 확산시키거나 여러 가지 색상의 빛으로 발현하여 발광할 수 있도록 하고 있다.

하지만, LED 조명에서 발하는 빛을 여러 가지 색상의 빛으로 발현하는 경우 여러 색상의 광원을 사용해야 하므로 LED 조명기구의 제조 비용을 증가시키게 되며, 확산판을 이용하는 경우 확산판에 도포된 확산제나 안료가 빛의 투과 또는 반사를 저해하여 확산판을 통해 투과되는 빛의 투과율을 크게 저하하는 문제가 있다.

이와 같이, LED 조명 분야에 있어서 LED 조명의 발광 휘도를 개선하면서 연색성을 개선할 수 있는 효율적인 방안이 요구되고 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2011-0101635호(2011.09.16) 대한민국 등록특허공보 제10-0907469호(2009.07.06)

본 발명의 목적은 원하는 광특성으로 제조가 용이한 나노 형광체를 이용하여 LED 조명의 발광 휘도를 개선할 수 있는 나노 확산판의 제조 방법 및 이를 이용하는 LED 조명용 확산판을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 나노 형광체와 광확산용 수지의 혼합 슬러리를 이용하여 확산판 베이스 부재 상에 간편하게 발광층을 형성함으로써 LED 조명의 발광 휘도와 연색성을 효율적으로 개선할 수 있는 나노 확산판의 제조 방법 및 이를 이용하는 LED 조명용 확산판을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 나노 확산판의 제조 방법은, 나노 형광체를 포함한 나노 확산판의 제조 방법에 있어서, 톨루엔에 나노 형광체가 분산되어 있는 나노 형광체 용액을 제조하는 제1 단계; 나노 형광체 용액에서 톨루엔을 포름아미드로 교환하는 제2 단계; 포름아미드에 나노 형광체가 분산되어 있는 나노 형광체 용액 소스에 광확산용 수지를 혼합하는 제3 단계; 광확산용 수지가 혼합된 나노 형광체 용액 소스에 일정량의 경화제를 첨가하는 제4 단계; 및 경화제가 첨가된 나노 형광체 용액 소스를 소정형상의 조형물에 주입한 후 나노 형광체 용액 소스 내 혼합물들이 비중 차이에 의해 자율 침강하도록 하여 발광층을 형성하는 제5 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 나노 확산판의 제조 방법의 제2 단계는, 톨루엔에 나노 형광체가 분산되어 있는 나노 형광체 용액에 톨루엔과 동일한 부피비로 포름아미드를 혼합한 후 일정시간 교반하는 단계; 및 톨루엔과 포름아미드의 층 분리가 완료된 후 상층의 톨루엔을 제거하여 포름아미드에 나노 형광체가 분산되어 있는 나노 형광체 용액 소스를 얻는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 나노 확산판의 제조 방법의 제1 단계는, 카드뮴 전구체와 용매의 제1 혼합용액을 가열하는 단계; 가열된 제1 혼합용액에 셀레늄 전구체와 용매의 제2 혼합용액을 주입하는 단계; 제1 혼합용액과 제2 혼합용액이 혼합된 제3 혼합용액에 계면활성제를 첨가하고 급냉하여 나노입자를 얻는 단계; 나노입자와 금속 전도체의 제4 혼합용액에 부활제를 가하여 소성하는 단계; 부활제가 가해진 제4 혼합용액에 톨루엔과 글라스 비드를 첨가한 후 상온으로 급냉하여 톨루엔에 나노 형광체가 분산되어 있는 나노 형광체 용액을 얻는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 나노 확산판의 제조 방법에 사용되는 용매는 옥타데센(octadecene)인 것이 바람직하다.

일 실시예에서, 나노 확산판의 제조 방법에 사용되는 광확산용 수지는 고분자 재료를 포함하고, 고분자 재료는 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 또는 가교 PMMA 공중합체류인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 측면에 따른 LED(Light Emitting Diode) 조명용 확산판은, 전술한 실시예들 중 어느 하나에 따른 나노 확산판의 제조방법에 의해 제조된 나노 확산판 조성물; 및 나노 확산판 조성물을 이용하여 형성된 발광층을 적어도 일측의 표면상에 구비하는 확산판 베이스 부재를 포함한다.

일 실시예에서, 발광층은 글라스 비드로 형성된 적층 구조의 반사층을 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 원하는 광특성으로 제조가 용이한 나노 형광체를 이용하여 LED 조명의 실질적인 발광 휘도를 개선할 수 있고, 또한 나노 형광체와 광확산용 수지의 혼합 슬러리를 이용하여 확산판 베이스 부재 상에 간편하게 발광층을 형성함으로써 LED 조명의 발광 휘도와 연색성을 동시에 개선할 수 있는 나노 확산판의 제조 방법 및 이를 이용하는 LED 조명용 확산판을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, LED 조명의 선명한 단색광을 은은한 빛으로 바꾸는 연색성을 향상시킴으로써 눈의 피로를 감소시킬 수 있는 나노 확산판의 제조 방법 및 이를 이용하는 LED 조명용 확산판을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 확산판의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 도 1의 나노 확산판의 제조 방법에서 나노 형광체 용액 소스를 제조하는 공정의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 3은 도 1의 나노 확산판의 제조 방법에서 나노 형광체 용액을 제조하는 공정의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 4는 도 3의 나노 형광체 용액의 제조 공정에 의해 제조되는 나노 형광체의 광특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3의 나노 형광체 용액의 제조 공정에 제조되는 나노 형광체를 보여주는 투과전자현미경 사진이다.
도 6은 도 3의 나노 형광체 용액의 제조 공정에 제조되는 나노 형광체에 380㎚의 자외선을 조사한 경우의 입자 크기에 따른 흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 3의 나노 형광체 용액의 제조 공정에 제조되는 나노 형광체의 EDX 시험 결과를 보여주는 도면이다.
도 8은 도 1의 나노 확산판의 제조 방법을 이용하는 LED 조명용 확산판의 일 실시예에 대한 개략적인 단면도이다.
도 9는 도 8의 확산판을 적용한 LED 조명의 분광 스펙트럼을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 10은 비교예에 따른 LED 조명의 분광 스펙트럼을 개략적으로 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 확산판의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.

도 1을 참조하면, 나노 확산판 제조를 위한 나노 확산판 조성물을 제조하기 위하여 우선 톨루엔에 나노 형광체가 분산되어 있는 나노 형광체 용액을 제조한다(S10). 본 실시예의 나노 형광체 용액은 원하는 발광 특성을 나타내는 형광 나노입자를 포함한다. 이러한 나노 형광체 용액의 제조 공정에 대하여는 도 3을 참조하여 후술한다.

다음, 톨루엔에 나노 형광체가 분산되어 있는 나노 형광체 용액에서 톨루엔을 포름아미드(formamide)로 교환한다(S11). 본 단계(S11)는 이후의 단계에서 톨루엔이 광확산용 수지 등과 유해반응을 일으키는 것을 방지하기 위한 것이다. 다시 말해서, 상기 단계(S10)에서 제조한 나노 형광체 용액은 나노 형광체가 톨루엔에 희석되어 있는데, 이러한 톨루엔은 현재 조명용 확산판으로 많이 사용되는 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리카보네이트(polycarbonate) 등과 유해반응을 일으킬 수 있으므로 상기 단계(S11)에서는 나노 형광체 용액의 기(base)를 교환하여 후공정에서의 유해반응을 방지한다. 나노 형광체 용액의 베이스를 교환하기 위해 사용되는 포름아미드는 포름산의 아미드로서 나노 형광체 용액에서 톨루엔을 분해하는 반응용매로서 사용된다. 이러한 포름아미드는 N·N-디메틸포름아미드, N-메틸피롤리돈 등의 액체 아미드로 대체 가능하다.

다음, 포름아미드에 나노 형광체가 분산되어 있는 나노 형광체 용액 소스에 광확산용 수지를 혼합한다(S12). 본 단계(S12)는 전술한 나노 형광체를 채용하여 발광 휘도를 개선한 확산판이 LED 조명기구에 사용될 때 LED 조명의 연색성도 함께 개선할 수 있도록 하기 위한 것이다. 광확산용 수지로는 고분자 재료가 이용될 수 있고, 이러한 고분자 재료로는 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 또는 가교 PMMA 공중합체류 등이 이용될 수 있다.

본 실시예에서, 용어 "나노 형광체 용액 소스"는 톨루엔에 나노 형광체가 분산되어 있는 나노 형광체 용액에서 톨루엔을 포름아미드로 교환하여 얻은 나노 형광체 용액 즉 포름아미드에 나노 형광체가 분산되어 있는 나노 형광체 용액에 대응된다.

다음, 광확산용 수지가 혼합된 나노 형광체 용액 소스에 일정량의 경화제를 첨가한다(S13). 본 단계(S13)는 나노 형광체 용액 소스에 경화제가 첨가된 혼합 슬러리의 경화 속도를 조절하기 위한 것이다. 일 실시예에서 혼합 슬러리는 전체 조성물의 중량을 기준으로 하여 약 0.01 ~ 6 중량%의 나노 형광체와, 약 20~90 중량%의 광확산용 수지와, 약 5~60중량%의 경화제를 혼합하여 제조될 수 있다. 또 다른 일 실시예에서, 혼합 슬러리는 나노 형광체가 포함된 혼합 슬러리에 확산판의 물리적 특성을 증대시키기 위한 보조 첨가제를 약 0.5~50중량% 혼합하여 제조될 수 있다. 보조 첨가제는 글라스 비드(glass bead), 이산화티타늄 입자, 형광안료, 염료, 광변색 색소(photorome) 등의 성분을 포함한다. 상기한 단계(S13)는 나노 형광체와 각종 보조 첨가제를 먼저 투명 수지와 혼합 교반하여 나노 형광체 입자와 각종 보조 첨가제가 균일하게 혼합 분산되도록 혼합 슬러리를 준비한 후, 이 혼합 슬러리에 경화 속도를 조절할 수 있도록 일정량의 경화제를 첨가하는 방식으로 수행되는 것이 바람직하다.

다음, 경화제가 첨가된 혼합 슬러리를 소정 형상의 조형물에 주입한다(S14). 그리고, 소정 형상의 조형물에 주입된 혼합 슬러리 내 혼합물들이 서로의 비중 차이에 의해 자율 침강하도록 하여 발광층을 형성한다(S15). 소정 형상의 조형물은 나노 확산판을 형성하기 위한 몰드(mold)를 포함하며, 예컨대 확산판 베이스 부재 상에 설치될 수 있다. 확산판 베이스 부재는 LED 조명기구에서 LED 광원의 빛을 분산하도록 설치되는 구성부로서 적어도 일측 표면부위에 본 실시예의 나도 확산판 조성물로 발광층이 형성되는 부재를 지칭한다.

본 실시예에 의하면, 나노 형광체와 광확산용 수지와 경화제 등이 포함된 혼합 슬러리(나노 확산판 조성물에 대응함)를 확산판 베이스 부재 상의 몰드에 주입함으로써 단일공정으로 간편하게 확산판을 제조할 수 있다. 이러한 확산판은 LED 면광원이나 LED 형광등에 있어서 발광 휘도 개선이나 연색지수 개선에 유용하다.

도 2는 도 1의 나노 확산판의 제조 방법에서 나노 형광체 용액 소스를 제조하는 공정의 일 실시예를 나타낸 순서도이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 나노 형광체 용액 소스를 제공하는 공정은, 톨루엔에 나노 형광체가 분산되어 있는 나노 형광체 용액에 대하여 동일한 부피비로 포름아미드를 혼합한 후 일정시간 교반하는 단계(S111), 및 톨루엔과 포름아미드의 층분리가 완료된 후 상층의 톨루엔을 제거하여 포름아미드에 나노 형광체가 분산되어 있는 나노 형광체 용액 소스를 얻는 단계(S112)를 포함한다.

톨루엔(toluene)은 나노 형광체 용액의 제조에서 형광 나노입자를 분산하기 위한 용매로 사용된 것이다.

본 실시예에서는, 톨루엔과 혼합되지 않고 분리되는 특성을 가진 포름아미드를 이용하여 나노 형광체 용액 내의 톨루엔 기를 포름아미드로 교환함으로써 후공정에서 광확산용 수지와 용매의 유해반응을 미연에 예방한다. 톨루엔과 교환되는 포름아미드는 일 실시예에 따른 하나의 예이며, 종래의 적절한 용매로 대체가능하다.

도 3은 도 1의 나노 확산판의 제조 방법에서 나노 형광체 용액을 제조하는 공정의 일 실시예를 나타낸 순서도이다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 나노 형광체 용액을 제조하는 공정은, 카드뮴 전구체와 용매의 제1 혼합용액을 가열하는 단계(S101), 가열된 제1 혼합용액에 셀레늄 전구체와 용매의 제2 혼합용액을 주입하는 단계(S102), 제1 혼합용액과 제2 혼합용액이 혼합된 제3 혼합용액에 계면활성제를 첨가하고 급냉하여 나노입자를 얻는 단계(S103), 나노입자와 금속 전도체의 제4 혼합용액에 부활제를 가하여 소성하는 단계(S104), 및 부활제가 가해진 제4 혼합용액에 톨루엔과 글라스 비드를 첨가한 후 상온으로 급냉하여 톨루엔에 나노 형광체가 분산되어 있는 나노 형광체 용액을 얻는 단계(S105)를 포함한다.

본 실시예에 따른 나노 형광체 용액의 제조 공정의 각 단계를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 본 실시예에서는 입자 크기에 따라 흡수 및 발광 특성에서 서로 다른 특성을 나타내는 카드뮴셀레나이드(CdSe) 나노분말을 효과적으로 제조하는 방법에 대하여 설명한다.

카드뮴셀레나이드 나노분말은 CdSe 씨앗결정을 제조하고 성장시켜 얻을 수 있다. 용매로는 옥타데센(octadecene), 테트라하이드로푸란(Tetrahydrofuran), 톨루엔(Toluene), 클로로폼(Chloroform), 디클로로메탄(Dichloromethane), n-핵산(n-Hexane), 크실렌(Xylene), 알파 터피놀(a-Terpineol), 에틸 셀로솔브(Ethyl Cellosolve), 부틸 셀로솔브(Butyl Cellosolve), 카비톨(Carbitol), 부틸 카비톨(Butyl Carbitol) 및 글리세롤(Glycerol) 또는 이들의 조합 중에서 선택되는 어느 하나의 물질이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 원소들이 안정하게 합성되는 온도는 고온이므로 고온에서 안정된 용매이며 긴 체인의 탄화수소인 옥타데센(octadecene)을 사용한다. 여기에서, 고온은 250℃ 이상을 의미하며, 상안정성을 위해서는 기본적으로 300℃ 이하로 공정 분위기를 유지하는 것이 바람직하다.

우선, 전술한 제1 단계(S101)에서, 산해리정수(Ka)가 일정한 올레산(oleic acid)과 옥타데센을 1:1로 혼합한 용액에 산화카드뮴 용액을 1:1로 혼합한 후 혼합된 제1 혼합용액을 250℃로 가열하면서 교반한다.

제2 단계(S102)에서는, 제1 단계에서 250℃로 가열된 제1 혼합용액에 상온의 셀레늄(Se) 용액과 옥타데센의 제2 혼합용액을 약 20㏄/초의 속도로 주입한다. 셀레늄 용액과 옥타데센의 혼합비는 약 1 대 약 0.15인 것이 바람직하다.

제1 혼합용액에 빠른 속도로 제2 혼합용액을 주입하는 것은 길이 또는 직경 10㎚ 이하의 씨앗결정을 얻기 위한 것으로, 이러한 주입속도는 CdSe 씨앗결정의 초기 형상을 결정하기 때문에 중요하다. 제1 혼합용액에 대한 제2 혼합용액의 주입속도가 약 20㏄/초보다 느리면, CdSe 씨앗결정이 예컨대 100㎚ 수준으로 커져 발색 특성에 좋지 않은 영향을 주게 된다. 여기에서, 옥타데센은 카드뮴의 표면장력을 낮게 하여 입자 성장이 원활하게 되도록 사용되고 있다.

제2 단계에서 산화카드뮴 혼합용액 즉 제1 혼합용액과 셀레늄 혼합용액 즉 제2 혼합용액의 혼합비는 약 1 대 약 0.94 ~ 0.97인 것이 바람직하다. 상기 혼합비의 범위를 벗어나면, 발색 특성이 달라져 원하는 흡수 및 광발광 특성을 얻기 어렵다.

다음, 제3 단계(S103)에서, 산화카드뮴 혼합용액과 셀레늄 혼합용액이 혼합된 전체 용액의 온도를 약 275℃~ 280℃로 가열한다. 본 단계는 제2 단계에서 빠른 속도로 주입된 상온의 셀레늄 혼합용액의 영향으로 전체 용액의 온도가 낮아진 것을 보상하기 위한 것이다. 여기에서, 전체 용액의 온도가 약 280℃를 초과하거나 약 275℃보다 낮은 상태로 전체 용액의 온도 보상을 수행하면, 과잉 성장으로 씨앗결정의 상분해가 되거나 미성장이 되어 발색특성이 없어질 수 있다. 씨앗결정 즉 입자의 성장은 오스트왈드 성장이론에 따라 이루어진다.

또한, 제3 단계(S103)에서는 입자들의 계면활성을 위해 계면활성제로서 트리옥틸포스핀 산화물(trioctylphosphine oxide, TOPO)을 전체 부피비 약 1 대 약 0.1 ~ 0.12로 첨가하고 약 150℃까지 급냉한다. 그리고, 용액의 안정성을 얻을 수 있도록 앞서 급냉한 전체 용액에 올레산을 전체 부피비 약 1 대 약 0.13 ~ 0.15로 첨가한 후 전체 용액의 온도를 약 160℃ ~ 200℃까지 교반하면서 가열한 후 급냉한다. 본 단계를 통해 CdSe 나노 분말이 얻어진다. 본 단계에서 나노 분말의 발색이 결정되며, 가열온도가 약 160℃ ~ 약 165℃인 경우 황색, 약 170℃ ~ 175℃인 경우 분홍색, 약 180℃ ~ 190℃인 경우 홍적색, 약 195℃ ~ 200℃인 경우 적자색이 얻어지고, 200℃를 초과하는 온도인 경우, 적갈색 내지 흑갈색이 얻어진다.

다음, 제4 단계(S104)에서, 나노 입자와 용매의 혼합물에 금속 전도체를 첨가하여 나노 입자에 금속 전도체를 합성시킨다. 본 단계(S104)는 발광 특성을 얻기 위하여 CdSe에 CdS를 둘러씌우기 위한 공정으로서, 일 실시예에서 나노입자가 포함된 합성 용액을 수소 분위기에서 150℃로 가열한 후 산화은(AgO) 또는 산화구리(CuO) 용액을 나노입자의 표면적의 약 1.75 ~ 약 1.78배 첨가하는 방식으로 수행될 수 있다. 이 경우, 산화은 또는 산화구리 용액의 첨가량은 합성 용액에 포함된 나노입자의 입경에 따라 결정할 수 있다. 나노입자의 입경은 투과전자현미경 또는 고분해능 주사현미경 등으로 관찰하여 측정하는 것이 바람직하다. 입경의 계산식은 통상적인

을 사용한다.

전술한 제4 단계(S104)에서 산화구리 용액을 이용하는 경우, 전체 용액의 산농도가 유지되도록 하고 입자들의 표면장력을 줄이기 위해 산화구리 용액의 5% 올레산과 3% 옥타데센을 산화구리 용액에 혼합한 후 5등분하여 5회에 걸쳐 전체 용액에 첨가할 수 있다. 이때, 5% 올레산과 3% 옥타데센이 혼합된 산화구리 용액은 20㏄/초의 속도로 주입될 수 있다. 그리고, 산화구리 용액의 주입 후 CdSe/CdS 입자 위에 구리 이온이 안정적으로 융착될 수 있도록 전체 용액의 1% 옥타데센을 첨가한 후 10분간 교반할 수 있다. 이때, 수소가스와 산소(O)가 반응하여 물이 만들어지게 되고 잉여의 수소는 용액 외부로 분출된다. 산화구리 용액을 5등분하여 5회 첨가한 다음, 전체 용액을 상온으로 급냉하여 입자를 석출하고 원심 분리에 의해 입자를 회수하여 건조시킨다.

전술한 제4 단계(S104)에 사용되는 부활제는, 일 실시예에 있어서, 올레산과 옥타데센을 1:1로 혼합한 용액에 산화카드뮴을 1:1로 혼합한 후 황(S) 용액과 옥타데센의 혼합용액을 1:0.75~0.8의 부피 비율로 혼합하고 전체 용액을 150℃로 가열하면서 교반하여 제조한다. 여기에서, 황(S) 용액과 옥타데센의 혼합비는 약 1 대 약 0.2인 것이 바람직하다. 또한, 부활제의 제조에 있어서, 전체 용액이 온도가 150℃에 도달하면, 상안정제로서 부피비 5%의 올레산을 주입한 후 220℃까지 가열하고 상온까지 서냉시킬 수 있다.

다음, 제5 단계(S105)에서는, 상기 제4 단계(S104)의 마지막 건조 과정 중에 입자가 응집될 수 있으므로, 응집을 억제하기 위해 톨루엔 5%와 10㎚ 이하의 글라스 비드(glass bead) 20%를 첨가한다. 여기에서, 톨루엔은 글라스 비드에 나노입자가 균일하게 분산되어 흡착되도록 하기 위한 분산제에 대응된다. 전술한 경우, 나노입자는 Cu2+의 양전하를 띠고 있게 된다.

한편, 전술한 제4 단계(S104)에 있어서, CdSe 나노분말에 발광특성을 부여하기 위하여 황화카드뮴(CdS)를 둘러씌우는 공정은, 일 실시예에서, 150℃로 가열된 카드뮴셀레나이드 용액에 상온의 황화카드뮴 용액을 20㏄/초의 속도로 주입하고 200℃로 가열한 후 150℃로 급냉하는 방식으로 수행될 수 있다. 여기에서, 황화카드뮴의 주입량 또는 황화카드뮴 용액을 20㏄/초로 주입하기 위한 주입속도는 수학식 1에 의해 결정될 수 있다. 수학식 1은 1개의 CdSe 나노입자에 1층의 CdS를 둘러씌울 때 사용할 수 있다.

수학식 1에 의해 황화카드뮴 주입량 또는 주입속도를 결정하면, CdSe 나노입자에 균일한 CdS 층을 쌓을 수 있다. 수학식 1에서, 발광특성은 Eg(nano)에 비례하여 변화한다. 카드뮴셀레나이드와 황화카드뮴의 비율에 따라 약 570㎚ ~ 약 700㎚의 발광특성을 얻을 수 있다. 황화카드뮴층은 3~4층으로 형성하는 것이 바람직하며, 최종 황화카드뮴 층을 쌓은 후에는 상온까지 서냉하는 것이 바람직하다.

도 4는 도 3의 나노 형광체 용액의 제조 공정에 의해 제조되는 나노 형광체의 광특성을 설명하기 위한 도면이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 4층 구조의 황화카드뮴층은 중앙의 CdSe 나노입자(10)를 둘러싸고 있는 1층, 2층, 3층 및 4층의 CdS 층들(21, 22, 23, 24)로 구성될 수 있다. 이러한 형광 나노입자(100)의 발광특성은 예를 들어, 1층은 약 570㎚ ~ 약 590㎚, 2층은 약 600㎚ ~ 약 620㎚, 3층은 약 620㎚ ~ 약 660㎚, 4층은 약 660㎚ ~ 약 700㎚의 발광특성을 가질 수 있다. 형광 나노입자는 다양한 광원의 특정 파장광을 원하는 파장광(단일 파장 또는 복수 파장의 혼합 포함)으로 변화시키는 물질로 사용될 수 있다.

도 5는 도 3의 나노 형광체 용액의 제조 공정에 의해 제조되는 나노 형광체를 보여주는 투과전자현미경 사진이다. 도 6은 도 3의 나노 형광체 용액의 제조 공정에 의해 제조되는 나노 형광체에 380㎚의 자외선을 조사한 경우의 입자 크기에 따른 흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 7은 도 3의 나노 형광체 용액의 제조 공정에 의해 제조되는 나노 형광체의 EDX 시험 결과를 보여주는 도면이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 도 3을 참조하여 앞서 설명한 나노 형광체 용액의 제조 공정을 통해 약 3㎚ 크기의 나노 형광체를 얻을 수 있다.

또한, 전술한 제조 방법을 통해 얻은 약 2.1㎚, 약 2.5㎚, 약 3.1㎚, 약 4.0㎚, 약 5.1㎚ 및 약 6.0㎚ 크기의 나노 형광체들에 380㎚의 자외선(UV)을 각각 조사하였을 때 입자 크기에 따른 흡수 스펙트럼이 도 6에 나타내었다.

도 6에서 볼 수 있듯이, 본 실시예의 약 2.1㎚, 약 2.5㎚, 약 3.1㎚, 약 4.0㎚, 약 5.1㎚ 및 약 6.0㎚ 크기의 CdSe 나노 분말들은 각각의 입자 크기에 따라 흡수 및 광발광 특성이 명확하게 서로 다른 특성을 나타내고 있다. 이러한 결과에 의하면, 원하는 광특성을 가진 나노입자를 입자 크기에 따라 간편하고 효율적으로 제조할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 도 3을 참조하여 앞서 설명한 나노 형광체 용액의 제조 공정을 통해 얻은 CdSe 나노 분말의 EDX 시험 결과를 도 7에 나타내었다.

도 7에서 볼 수 있듯이, 본 실시예에 따른 CdSe 나노 분말에서 셀레늄(Se)은 약 1.1 ~ 1.6keV의 에너지를 주로 나타내고, 카드뮴(Cd)은 약 2.9 ~ 3.2keV 정도의 에너지를 주로 나타내는 것을 알 수 있다.

도 8은 도 1의 나노 확산판의 제조 방법을 이용하는 LED 조명용 확산판의 일 실시예에 대한 개략적인 단면도이다.

도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 LED(Light Emitting Diode) 조명용 확산판은 확산판 베이스 부재(200)와 상기한 확산판 베이스 부재(200)의 적어도 일면 상에 설치된 발광층(110)을 구비하여 이루어진다.

확산판 베이스 부재(200)는 LED 조명기구의 적어도 일측에서 LED 광원의 빛을 투과 또는 반사시키도록 설치된다. 확산판 베이스 부재(200)는 본 기술분야에서 투명하거나 투명하다고 말할 수 있는 정도의 가시광선 투과율을 가진 재료로 구성될 수 있다. 예를 들면, 투명한 확산판의 재료로는 가시광선 투과율이 80% 이상인 PET(polyethylenetherephthalate), PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate), PES(polyethersulfone), PVA(polyvinylalcohol), TAC(triacetylcellulose), PE(polyethylene), PI(polyimide), COC(cyclic olefin copolymer) 등의 재료가 1종 또는 복수 종류가 혼합되어 사용될 수 있다. 또한, 확산판 베이스 부재(200)는 LED 조명기구에 설치되는 위치에 따라 불투명한 재료로 구성될 수 있다. 예를 들면, LED 광원의 빛을 표면 반사하여 LED 조명의 발광 효율과 연색성을 개선하는 경우, 본 실시예의 확산판 베이스 부재(200)의 재료는 가시광선 투과율이 제로(0)이거나 낮은 것이 좋고, 오히려 표면반사 성능이 우수한 것이 바람직하다.

발광층(110)은 도 1 내지 도 7을 참조하여 앞서 설명한 나노 확산판의 제조방법에 의해 제조된 나노 확산판 조성물로 이루어진다. 본 실시예에서 발광층(110)은 나노 형광체(100), 광확산용 수지(102) 및 글라스 비드(104)를 구비한다. 이 경우, 발광층(110)은 나노 형광체(100)와 광확산용 수지(102)에 의해 LED 조명의 연색성을 개선할 수 있다.

본 실시예에 따른 발광층(110)은 확산판 베이스 부재(200)의 적어도 일측의 표면부위에 설치되는 소정 형태의 조형물에 나노 확산판 조성물의 혼합 슬러리를 주입하여 단일공정으로 형성되는 것이 바람직하다. 그 경우, 단일 공정에 의해 LED 조명용 확산판의 제조 시간을 단축하고 제조 비용을 절감할 수 있다.

또한, 발광층(110)은 글라스 비드(104) 등에 의해 형성되는 반사층을 구비하도록 설치되는 것이 바람직하다. 이러한 글라스 비드(104)는 나노 형광체(100)와 혼합되거나 나노 형광체(100)와 적층 구조를 형성함으로써 발광층(110)의 반사율을 높이며, 그것에 의해 LED 조명의 발광 휘도는 개선될 수 있다.

도 9는 도 7의 확산판을 적용한 LED 조명의 분광 스펙트럼을 개략적으로 나타낸 그래프이다. 도 10은 비교예에 따른 LED 조명의 분광 스펙트럼을 개략적으로 나타낸 그래프이다.

도 9에 도시한 발광 스펙트럼은 본 실시예의 나노 형광체가 적용된 확산판을 채용한 LED 면광원의 것이다. 본 실시예에서는 반사층 등을 채용하지 않고 나노 형광체만을 이용한 확산판을 사용하였다. 도 9에서 P1은 나노형광체를 0%, P2는 파장 610㎚ 나노형광체를 0.01중량%, P3은 파장 620㎚ 나노형광체를 0.35중량%, P4는 파장 620㎚ 나노형광체를 0.5중량%, P5는 파장 620㎚ 나노형광체를 1.0중량%로 각각 첨가한 확산판을 채용한 결과이다.

아래의 표 1은 도 9의 분광 스펙트럼의 연색 지수(CRI) 데이터이다.

도 10에 도시한 발광 스펙트럼은 비교예로서 본 실시예의 나노 형광체를 적용하지 않은 일반적인 확산판을 구비한 LED 면광원의 것이다. 도 9와 도 10의 발광 스펙트럼은 확산판을 제외하고 동일한 LED 면광원의 것이다.

도 9 및 도 10의 그래프에 볼 수 있듯이, 비교예의 경우 실질적으로 약 600~630㎚ 파장에서 발광 피크를 나타내고 있으며, 본 실시예의 경우 실질적으로 약 640~670㎚ 파장에서 발광 피크를 나타내고 있다. 즉, 전술한 결과에서와 같이 비교예와 비교할 때 본 실시예의 LED 면광원은 연색지수(Ra)가 약 3~6 수준만큼 개선된 것을 확인할 수 있다.

여기에서, 연색성은 조명된 사물의 색재현 충실도를 나타내는 광원의 성질을 말하며, 연색지수(color rendering index: CRI)는 자연광에서 본 사물의 색과 특정 조명에서의 경우 어느 정도 유사한가를 수치로 나타낸 것이다. 측정방법은 조명 분야에서의 광 분석 기술 중 하나인 DIN 6169에 따라 정해진 여덟 종류의 시험 색을 측정하고자 하는 광원 하에서 본 경우와 기준 광원 하에서 본 경우의 차이로 측정하는 방법을 사용하였다. 측정한 광원에서의 색이 기준 광원에서의 색과 같으면 연색지수는 Ra 100으로 표시되고, 색 차이가 클수록 Ra 값이 작아진다. 연색지수가 100에 가까울수록 연색성이 좋은 것을 나타내며, 연색지수가 낮을수록 색재현도가 떨어진 것을 나타낸다. 일반적으로 평균 연색지수가 80을 넘는 광원은 연색성이 좋다고 할 수 있다.

전술한 실시예에 의하면, 본 실시예의 나노형광체의 첨가량에 따라 LED 조명의 연색지수가 개선된 것을 알 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 의하면 LED 조명의 연색성을 개선하면서 LED 조명의 발광 휘도를 개선할 수 있는 LED 조명용 확산판을 제공할 수 있다. 다시 말해서, 본 실시예에 의하면, LED 면광원이나 LED 형광등 등의 LED 조명기구에서 연색지수가 낮은 단점을 기구 측에서 보완해줄 수 있고, 그것에 의해 LED 조명을 사용하는 사용자의 눈의 피로도를 감소시킬 수 있는 확산판을 제공할 수 있다.

이상에서, 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 상기의 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명은 첨부한 특허청구범위 및 도면 등의 전체적인 기재를 참조하여 해석되어야 할 것이며, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims

나노 형광체를 포함한 나노 확산판의 제조 방법에 있어서,
톨루엔에 나노 형광체가 분산되어 있는 나노 형광체 용액을 제조하는 제1 단계;
상기 나노 형광체 용액에서 톨루엔을 포름아미드로 교환하는 제2 단계;
포름아미드에 나노 형광체가 분산되어 있는 나노 형광체 용액 소스에 광확산용 수지를 혼합하는 제3 단계;
상기 광확산용 수지가 혼합된 나노 형광체 용액 소스에 일정량의 경화제를 첨가하는 제4 단계; 및
상기 경화제가 첨가된 나노 형광체 용액 소스를 소정형상의 조형물에 주입한 후 나노 형광체 용액 소스 내 혼합물들이 비중 차이에 의해 자율 침강하도록 하여 발광층을 형성하는 제5 단계
를 포함하는 나노 확산판의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 단계는,
상기 톨루엔에 나노 형광체가 분산되어 있는 나노 형광체 용액에 상기 톨루엔과 동일한 부피비로 포름아미드를 혼합한 후 일정시간 교반하는 단계; 및
상기 톨루엔과 포름아미드의 층분리가 완료된 후 상층의 톨루엔을 제거하여 포름아미드에 나노 형광체가 분산되어 있는 나노 형광체 용액 소스를 얻는 단계를 포함하는 나노 확산판의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 단계는,
카드뮴 전구체와 용매의 제1 혼합용액을 가열하는 단계;
상기 가열된 제1 혼합용액에 셀레늄 전구체와 용매의 제2 혼합용액을 주입하는 단계;
상기 제1 혼합용액과 제2 혼합용액이 혼합된 제3 혼합용액에 계면활성제를 첨가하고 급냉하여 나노입자를 얻는 단계;
상기 나노입자와 금속 전도체의 제4 혼합용액에 부활제를 가하여 소성하는 단계;
상기 부활제가 가해진 제4 혼합용액에 톨루엔과 글라스 비드를 첨가한 후 상온으로 급냉하여 상기 톨루엔에 나노 형광체가 분산되어 있는 나노 형광체 용액을 얻는 단계를 포함하는 나노 확산판의 제조 방법.
제3항에 있어서,
상기 용매는 옥타데센(octadecene)을 포함하는 나노 확산판의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 광확산용 수지는 고분자 재료를 포함하고, 상기 고분자 재료는 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 또는 가교 PMMA 공중합체류를 포함하는 나노 확산판의 제조 방법.
LED(Light Emitting Diode) 조명용 확산판으로서,
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 나노 확산판의 제조방법에 의해 제조된 나노 확산판 조성물; 및
상기 나노 확산판 조성물을 이용하여 형성된 발광층을 표면상에 구비하는 확산판 베이스 부재를 포함하는 LED 조명용 확산판.
제6항에 있어서,
상기 발광층은 글라스 비드로 형성된 적층 구조의 반사층을 구비하는 LED 조명용 확산판.