KR101466610B1 - 자외선 led를 이용한 발광 파장 변환이 가능한 led 램프, 이를 포함하는 자외선 발생 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내면에 캐소드 전극(-) 및 상기 캐소드 전극과 전기적으로 연결된 LED 칩을 구비하며, LED 칩 위에 도포되는 형광체층 및 상기 LED 칩과 전기적으로 연결되는 애노드 전극(+)을 구비하는 리드 프레임(lead frame); 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 전압을 가하면 LED 칩의 활성화층에서 전기발광하는 빛과 상기 형광체층이 충돌하여 여기된 후 바닥상태로 전이될 때 광발광하는 전자기파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 자외선 LED를 이용한 파장변환이 가능한 LED 램프 및 이를 포함하는 자외선 장치를 말한다.
Description
본 발명은 자외선 LED에서 방출되는 파장을, 도포하는 형광체의 종류에 따라서 조절 가능하고, 이를 사용한 LED 램프에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 AlN계의 질화물인 자외선 LED 칩에서 방출된 자외선-C 영역의 빛, 특히 파장 250 nm 이하를 여기원으로 사용할 때, 도포하는 형광체의 종류에 따라서 자외선-C, B, A 영역 혹은 가시광, 적외선 영역까지 변환이 가능하며, 특히 자외선 영역인 220 내지 400 nm의 파장을 갖는 광선을 이용하여 각 파장 영역 대의 목적에 따라 살균, 의료 및 미용에 사용하는 LED 램프 및 이를 포함하는 장치에 관한 것이다.
자외선 광은 일반적으로 320 내지 400 nm(자외선-A 영역), 280 내지 320 nm(자외선-B 영역) 및 200 내지 280 nm(자외선-C 영역)의 세 가지 영역으로 나뉜다. 상기 자외선-A 영역은 자외선의 장파장 영역으로 태닝 등의 미용 효과를 가지고 있으며, 상기 자외선-B 영역은 홍반영역으로 썬탠 램프 등의 의료 목적의 광치료 분야에 응용된다. 그리고 상기 자외선-C 영역은 미생물의 DNA에 손상을 줄 수 있는 에너지를 가지는 영역으로 세균을 박멸하고 물이나 공기를 살균/정화하는 용도로 사용된다.
더욱이 최근 천재지변 상황이나 개발도상국에서는 휴대용 마실 물공급에 관한 관심이 증가되고 있으나, 기존의 수은방식의 살균 램프는 수은의 독성이 가지는 근본적인 환경적 문제로 인하여 전세계적으로 수은램프의 사용이 감소하고 있는 추세이기 때문에 무수은 자외선 살균 램프에 대한 수요가 증가 되고 있다.
이러한 환경적 요인으로 인하여 수은이 포함되지 않은 제논 엑시머 살균 램프 (제논 유전 방열 램프)가 개발되었다. 미국 특허 등록 제6,398,970호에 따르며 제논 엑시머 방식의 살균 램프가 설명되어 있는데 램프 내부는 형광체로 도포되어 있으며 제논 엑시머에 의해 여기된 (여기파장 : 172 nm) 형광체는 살균 영역인 220 내지 280 nm에서 발광하는 것으로 묘사되어 있다. 하지만 또 다른 특허인 미국 특허 등록 제7,855,497호에 따르면 제논 엑시머 램프는 172 nm 중심파장을 가지며 방전 효율은 65% 수준으로 떨어지는 것으로 알려져 있다.
또한 종래의 자외선 LED는 LED칩의 활성층(active layer)으로 Al1 - xGaxN를 사용하며, 칩 위에 형광체를 도포하지 않아, Al1 - xGaxN 활성층 자체의 에너지 밴드갭에 따라 발생하는 자외선 광선을 직접 이용하기 때문에, 자외선 파장 영역의 빛을 변환하기에 어려움이 있다. 실제로 자외선 LED에서 자외선 파장 영역의 방출되는 빛을 변환하기 위해서는 LED 칩의 활성층인 Al1 - xGaxN의 자체의 성분을 변환시켜 에너지 밴드갭을 바꿔야 하는 어려움이 있다.
따라서, 기존의 수은살균램프가 근본적으로 가지고 있는 수은의 환경 유해성 및 제논 방전 램프의 낮은 효율 및 자외선 LED가 근본적으로 가지고 있는 파장 변환의 어려움을 해결할 필요성이 있다.
본 발명은 기존의 수은살균램프가 근본적으로 가지고 있는 수은의 환경 유해성 및 제논 방전 램프의 낮은 효율을 해결할 뿐만 아니라, 종래의 자외선 발생 LED장치가 근본적으로 가지고 있는 발광 파장 변환의 어려움을 해결하기 위하여, 자외선 LED 칩에 도포되는 형광체의 종류에 따라서, 자외선-C,B,A 영역 혹은 가시광 영역까지 변환이 가능할 LED 램프를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명은 상기 LED 램프를 사용하여, 기존의 자외선 발생 장치에 비하여 친환경적이며 높은 에너지 효율을 가지는 램프 및 이를 포함하는 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 내면에 캐소드 전극(-) 및 상기 캐소드 전극과 전기적으로 연결된 LED 칩을 구비하며 LED 칩 위에 도포되는 형광체층 및 상기 LED 칩과 전기적으로 연결되는 애노드 전극(+)으로 구성되며, 상기 전극들을 지지하는 리드 프레임(lead frame)으로 구성되어 있다.
리드 프레임 내부는 자외선에 손상을 입지 않고 자외선 투과가 가능한 봉지재 혹은 플레이트(plate)로 구성되어 있으며, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 가동 전압이 순방향으로 걸릴 때 단색광(monochromatic light)이 방출되는 전기발광효과(electroluminescence)를 이용하여 LED 칩 자체에서 빛이 발생하는데, 상기 발생하는 빛의 광자(photon)를 이용하여 상기 형광체를 여기시키면, 형광체가 여기된 후 바닥상태로 전이될 때 형광체의 종류에 따라 자외선에서 가시광선, 적외선까지 전자기파를 발생시키는 것으로 상기 LED 칩의 활성화층은 AlN 및 Al1 -XGaXN(단, 0<x<1)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 자외선 LED를 이용한 파장변환이 가능한 LED 램프를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 LED 램프를 포함하는 살균 장치를 제공한다. (자외선-C)
또한, 본 발명은 상기 LED 램프를 포함하는 의료 기구 또는 장치를 제공한다. (자외선-B)
또한, 본 발명은 상기 LED 램프를 포함하는 미용 장치를 제공한다. (자외선-A)
본 발명에 의하면, LED 칩위에 도포하는 형광체의 종류에 따라서, 자외선 파장 영역의 빛을 손쉽게 변환시킬 수 있으며, 종래의 수은을 이용한 자외선 발생 살균 장치들에 비하여 친환경적이면서 제논 램프에 비해 고효율을 갖게 할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, AlN 또는 Al1 -XGaxN(단, 0<x<1)로 이루어진 자외선 LED에서 발광하는 파장을 형광체를 이용하여 변환하면, 자외선-C를 이용하여 고체, 액체, 기체 상태의 살균이 필요한 물질에 포함되어 있는 세균 및 미생물을 살균할 수 있을 뿐만 아니라, 자외선-B를 이용하여 상처 부위의 의료용 치료에 사용하거나, 자외선-A를 이용하여 태닝 등의 미용에도 사용할 수 있다. 또한, 발생한 가시광선을 이용한 디스플레이 장치에 응용할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 LED 램프의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 LED 칩의 단면도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 LED 칩에 도포할 수 있는 형광체를 PL 장비를 이용하여 225 nm에서 여기시킬 때 PL (photoluminescence) 스펙트럼이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 LED 칩의 단면도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 LED 칩에 도포할 수 있는 형광체를 PL 장비를 이용하여 225 nm에서 여기시킬 때 PL (photoluminescence) 스펙트럼이다.
이하 본 발명에 따른 형광체가 도포된 LED 램프를 상세히 설명 한다.
도 1에 본 발명의 일 실시 형태에 따른 LED 램프의 단면도를 도시한다. LED 발광 램프 장치는 형광체층, 형광체층을 여기시켜주는 LED칩, LED칩과 전기적으로 연결되어 있는 캐소드, 애노드 전극, 상기 두 전극의 형태를 유지하는 리드 프레임(lead frame), 이를 감싸는 봉지재 혹은 플레이트로 크게 구성된다.
본 발명의 LED 램프의 LED 칩은 사파이어(Sapphire), 실리콘 카바이드(SiC), 갈륨 나이트라이트(GaN)등의 기판으로 등으로 구성될 수 있으며, 상기 기판상에 N형 반도체(N-GaN), 활성화층(AlN), P형 반도형(P-GaN)가 차례로 MOCVD를 이용하여 차례로 증착되며, P형 반도체 위쪽면에 (+) 전극이 형성되며 (-)전극은 절연체인 기판상 형성될 수 없으므로, 드라이 에칭 방식으로 가장 위쪽에서 N형 반도체(N-GaN)의 일부분까지 식각한 후, (-)전극인 Ti/Al/Au를 형성한다.
P-N 접합부에 위치하는 활성화층의 화학적 조성에 따라서 에너지 밴드갭이 결정되면, 이에 따라서 가동전압도 결정되며, 다이오드에 순방향으로 전압이 걸리게 되면, 애노드 전극(+)에서 캐소드 전극(-) 으로 전류가 흐르게 되며, 이에 따른 활성화층의 에너지 밴드갭에 해당하는 단색광(monochromatic light)이 방출되는 현상인 전기발광효과(electroluminescence)가 나타난다. 상기 방출된 빛의 광자(photon)가 형광체 층과 충돌하게 되어 형광체층의 활성제(activator)를 여기시키면 광발광(photoluminescence) 현상이 나타나는데, 형광체의 종류에 따라서 발생되는 빛의 파장 영역이 자외선부터 가시광선, 적외선으로 조절 가능하다. 이러한 광발광을 위하여, 상기 형광체층과 충돌한 광자의 에너지는 형광체층을 여기시키게 되고 여기된 형광체층이 바닥 상태로 전이될 때 여기상태와 바닥상태의 에너지 차이만큼 전자기파 형태로 방출되는데, 특별히 여기에서는 자외선 영역의 에너지를 가지는 빛을 방출하게 된다.
또한, 특별히 여기에서는 하향변환(downconversion)을 이용하기 때문에, LED의 활성층에서 전기발광되는 빛은 형광체를 여기시키기 위해 높은 에너지의 단파장의 빛이 되어야 하고, 형광체가 여기 후 광발광하는 빛은 LED 칩에서 발생되는 빛보다 낮은 에너지의 장파장의 빛이 되어야 한다. (upconversion은 예외) 따라서, 상기 LED 칩의 활성화층은 형광체층에서 광발광하는 전자기파보다 높은 에너지의 단파장의 빛을 전기발광한다.
특별히 여기에서 LED 칩의 활성화층은 현존하는 활성화층 중 가장 단파장의 빛인 200∼250nm, 바람직하게는 200∼210nm의 빛을 발광할 수 있는 AlN 또는 Al1 -xGaxN(단, 0<x<1)을 사용한다.
본 발명의 형광체는 상기 활성화층에서 나온 빛을 받아 광발광하는 것으로, 광발광하는 전자기파는 발광 파장에 따라서 적외선 (700∼1000nm), 가시광선 (400∼700nm), 자외선-A (320∼400nm), 자외선-B (280∼320nm) 또는 자외선C (200∼280nm) 영역으로 나뉜다.
바람직하게는, 본 발명의 형광체는 상기 단파장의 빛을 흡수하여 220∼400nm의 자외선-A, B, C로 변환할 수 있는 물질로 전이금속, 후전이금속(post transition metal, Al, Ga, In, Sn, Tl, Pb, Bi, Po) 또는 란탄족 금속에 의하여 활성화된 산화물계(O), 포스페이트계(PO4), 보레이트계(BO3), 실리케이트계(SiO4), 알루미네이트계(AlO), 황화물계(S), 산질화물계(ON) 및 질화물계(N) 물질을 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게는 Pr3 +, Nd3 +, Eu3 +, Eu2 +, Ce3 +, Ce4 +, Tb3 +, Bi3 + 및 Pb2 + 중에서 선택되는 것 중 어느 하나에 의해 활성화된 산화물계(O), 포스페이트계(PO4), 보레이트계(BO3), 실리케이트계(SiO4), 알루미네이트계(AlO), 황화물계(S), 산질화물계(ON) 및 질화물계(N) 물질로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 형광체 층은 광자의 충돌에 의해서 빛을 발생시키는 방식을 사용한다.
상기 봉지재 혹은 플레이트는 형광체를 LED칩에서 고정시켜 주는 역할을 하며 자외선 투과가 가능하며 자외선에 의해 손상되지 않는 물질이며 자외선을 투과하는 혼합 물질이거나, 자외선이 투과하는 혼합 물질로 플레이트화하여 자외선 LED위에 부착하여 이용할 수 있다. 바람직하게는 용융 실리카(fused sillica), 석영(quartz) 중에서 선택되는 물질을 사용한다.
상기 방출되는 자외선 영역은 자외선-A (320∼400nm), 자외선-B (280∼320nm) 또는 자외선-C (200∼280nm) 영역의 자외선으로 나뉜다. 상기 자외선 A 영역은 자외선의 장파장 영역으로 태닝효과를 가지고 있어, 이 영역의 자외선을 이용하여 미용 장치에 사용이 가능하다. 또한 상기 자외선 B 영역은 홍반영역으로 썬탠 램프 등의 의료 목적의 광치료 분야에 사용이 가능하다. 그리고 상기 자외선 C 영역은 미생물의 DNA에 손상을 줄 수 있는 에너지를 가지는 영역으로 세균을 박멸하고 물이나 공기를 살균하거나 정화하는데 사용이 가능하다.
따라서, 본 발명은 220∼280nm 영역의 자외선을 발생시키는 것을 특징으로 하는 살균 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 280∼320nm 영역의 자외선을 발생시키는 것을 특징으로 하는 의료 기구 또는 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 320∼400nm 영역의 자외선을 발생시키는 것을 특징으로 하는 미용 장치를 제공한다.
본 발명의 LED 램프와 이를 포함하는 살균 장치, 의료 기구 또는 장치 및 미용 장치는 상기의 일례에 한정되는 것이 아니고, 다양한 모습으로 적용될 수 있다.
10: 봉지재 혹은 플레이트
20: 형광체층
30: LED 칩
40: 리드프레임
20: 형광체층
30: LED 칩
40: 리드프레임
Claims (13)
- 내면에 캐소드 전극(-) 및 애노드 전극(+)이 전기적으로 LED 칩과 연결되어 있으며, LED 칩 위에 도포되는 형광체층,
형광체층을 덮고 있는 봉지재, 및
리드 프레임(lead frame)으로 구성되어 있고, 상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 전압을 가하면, LED 칩의 활성화층에서 전기발광하는 빛이 상기 형광체층과 충돌하여, 여기된 후 바닥상태로 전이될 때 광발광하는 전자기파를 발생시키는 것으로 상기 LED 칩의 활성화층은 AlN 및 Al1 -XGaXN(단, 0<x<1)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 자외선 LED를 이용한 파장변환이 가능한 LED 램프. - 청구항 1에 있어서, 상기 LED 칩의 활성화층은 형광체층에서 광발광하는 전자기파보다 높은 에너지의 단파장의 빛을 전기발광하는 것을 특징으로 하는 자외선 LED를 이용한 파장변환이 가능한 LED 램프.
- 청구항 1에 있어서, 상기 광발광하는 전자기파는 발광 파장에 따라서 적외선 (700~1000nm), 가시광선 (400~700nm), 자외선-A (320~400nm), 자외선-B (280~320nm) 또는 자외선C (200~280nm) 영역으로 나뉘는 것을 특징으로 하는 자외선 LED를 이용한 파장변환이 가능한 LED 램프.
- 청구항 1에 있어서, 상기 LED칩의 전기발광에 의해 여기된 형광체층에서 광발광하는 전자기파는 220~400nm의 자외선인 것을 특징으로 하는 자외선 LED를 이용한 파장변환이 가능한 LED 램프.
- 청구항 1에 있어서, 봉지재는 자외선에 손상을 입지 않으며 자외선을 투과하는 혼합 물질이거나, 자외선이 투과하는 혼합 물질로 플레이트화하여 자외선 LED위에 부착하여 이용하는 것으로, 상기 봉지재는 용융실리카 또는 석영을 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 LED를 이용한 파장변환이 가능한 LED 램프.
- 청구항 1에 있어서, LED칩에 도포되는 형광체층은 전이금속, 후전이금속 또는 란탄족 금속에 의하여 활성화되는 산화물계(O), 포스페이트계(PO4), 보레이트계(BO3), 실리케이트계(SiO4), 알루미네이트계(AlO), 황화물계(S), 산질화물계(ON) 및 질화물계(N) 물질로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 LED를 이용한 파장변환이 가능한 LED 램프.
- 청구항 6에 있어서, 상기 형광체는 Pr3 +, Nd3 +, Eu3 +, Eu2 +, Ce3 +, Ce4 +, Tb3 +, Bi3+ 및 Pb2 +로 이루어진 군 중에서 선택되는 것 중 어느 하나에 의해 활성화된 것을 특징으로 하는 자외선 LED를 이용한 파장변환이 가능한 LED 램프.
- 청구항 4의 LED 램프를 포함하는 살균 장치.
- 청구항 8에 있어서, 상기 LED 램프는 220~280nm 영역의 자외선을 발생시키는 것을 특징으로 하는 살균 장치.
- 청구항 4의 LED 램프를 포함하는 의료 기구 또는 장치.
- 청구항 10에 있어서, 상기 LED 램프는 280~320nm 영역의 자외선을 발생시키는 것을 특징으로 하는 의료 기구 또는 장치.
- 청구항 4의 LED 램프를 포함하는 미용 장치.
- 청구항 12에 있어서, 상기 LED 램프는 320~400nm 영역의 자외선을 발생시키는 것을 특징으로 하는 미용 장치.
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| KR1020130065721A KR101466610B1 (ko) | 2013-06-10 | 2013-06-10 | 자외선 led를 이용한 발광 파장 변환이 가능한 led 램프, 이를 포함하는 자외선 발생 장치 |
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