KR101481011B1 - 형광체, 그의 제조 방법 및 이를 이용한 조명장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 화학식 1로 표시되는 형광체, 그 제조 방법 및 이를 이용한 조명장치에 관한 것으로,
[화학식 1]
Zn(3-x)Mnx (PO4)2
상기 식 중, x는 0.1 내지 0.2의 수이다.
[화학식 1]
Zn(3-x)Mnx (PO4)2
상기 식 중, x는 0.1 내지 0.2의 수이다.
Description
본 발명은 Mn 함량이 높은 형광체, 그의 제조 방법 및 이를 이용한 조명장치에 관한 것이다.
형광체는 여기원의 에너지를 가시광의 에너지로 전환시키는 매개체 역할을 하며, 다양한 디스플레이 소자의 이미지 구현에 필수적인 요소이다. 또한, 형광체의 효율은 디스플레이 제품의 효율과 직접적으로 연관되는 주요 변수이다. 형광체를 포함하는 디스플레이 소자로는 예를 들어, 백색광을 방출하는 LED 소자가 있다. LED 소자는 파장 변환 재료로 형광체를 포함하고 있으며, 이러한 형광체를 적절히 조합함으로써 백색 LED를 구성하게 된다.
백색 LED를 구성하는 방법으로는, 청색 LED를 광원과 황색 형광체를 조합하여 백색을 구현하는 방법이 있다. 예를 들어, 450 nm의 파장을 갖는 InGaN계 청색 LED에 YAG:Ce 형광체를 조합하여 백색을 구현하게 된다. 그러나, 청색 LED에 YAG:Ce 형광체를 조합한 백색 LED는 방출광의 연색지수가 낮고, 발광 색조가 한정되어 백색의 재현범위가 좁다는 문제점이 있다.
또한, 백색 LED를 구현하는 다른 방법으로 적색, 녹색 및 청색 형광체를 모두 사용하여 구현할 수 있으며, 이때 사용되는 적색 형광체로 황화물 형광체(ex: (Ca,Sr)S:Eu), 질화물 형광체(ex: Sr2Si5N8:Eu2 +, CaAlSiN:Eu2 +), 망간활성 인산아연 형광체(ex:(Zn3(PO4)2:Mn)) 등을 사용할 수 있으나, 상기 산화물과 질화물 형광체의 경우 고가의 원료와 높은 비용의 제조비용으로 인해 경제성이 낮다는 문제점이 있으며, 망간활성 인산아연 형광체는 원료 및 제조공정의 경제성은 높으나, 청색 영역(420~460nm)의 흡수 강도가 매우 낮다는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 Mn의 함량이 높은 형광체, 그의 제조 방법 및 이를 이용한 발광다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명은 하기 화학식 1의 구조를 갖는 형광체를 제공한다.
[화학식 1]
Zn(3-x)Mnx (PO4)2
상기 화학식 1에서, x는 0.1 내지 0.2의 수이다.
또한, 아연 산화물, 망간 화합물 및 인산을 용매와 혼합하는 단계; 상기에서 혼합된 혼합물을 400~600℃에서 1차 어닐링 및 800~1000℃에서 2차 어닐링 하여 고체 화합물을 수득하는 단계; 상기 고체 화합물을 분쇄하여 미분화하는 단계를 포함하는 형광체 제조방법을 제공한다.
더욱이, 상기 형광체를 포함하는 조명장치를 제공한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 Mn의 함량이 높은 형광체 및 이를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 형광체는 원료 및 제조 방법 면에서 경제성이 높을 뿐만 아니라, 청색영역(420~460nm)의 흡수 강도를 높여 발광효율을 높이는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 형광체의 SEM사 사진이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 형광체의 여기파장 및 420 nm 파장의 여기광원에 대한 방출파장을 나타낸 그래프이다;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 형광체의 여기파장을 나타낸 그래프이다;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 형광체의 420 nm 파장의 여기광원에 대한 방출파장을 나타낸 그래프이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 형광체와 JCPDS Card number # 30 1490의 X-선 회절분석(X-ray diffraction) 결과를 비교한 그래프 이다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 형광체를 이용한 발광 다이오드와 비교예의 온도 변화에 따른 광발광 강도(PL intensity) 감소율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 발광 다이오드의 백색 발광 다이오드의 CIE 차트를 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 형광체의 여기파장 및 420 nm 파장의 여기광원에 대한 방출파장을 나타낸 그래프이다;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 형광체의 여기파장을 나타낸 그래프이다;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 형광체의 420 nm 파장의 여기광원에 대한 방출파장을 나타낸 그래프이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 형광체와 JCPDS Card number # 30 1490의 X-선 회절분석(X-ray diffraction) 결과를 비교한 그래프 이다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 형광체를 이용한 발광 다이오드와 비교예의 온도 변화에 따른 광발광 강도(PL intensity) 감소율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 발광 다이오드의 백색 발광 다이오드의 CIE 차트를 나타낸 그림이다.
본 발명은 하기 화학식 1의 구조를 갖는 형광체를 제공한다.
[화학식 1]
Zn(3-x)Mnx (PO4)2
상기 식 중, x는 0.1 내지 0.2의 수이다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 형광체는 하기 화학식 1의 구조일 수 있다.
[화학식 1]
Zn(3-x)Mnx (PO4)2
상기 식 중, x는 0.12 내지 0.18의 수이다.
본 발명의 화학식 1에서 x가 0.1 내지 0.2일 때 청색영역(420~460nm)의 흡수 강도를 높일 수 있고, 적색영역의 발광(λem : 630nm)특성을 향상시켜 발광효율을 높일 수 있으며, 상기 화학식 1에서 x는 0.1~0.2, 0.12~0.18, 0.14~0.18 또는 0.14~0.2의 수 일수 있다.
또한, 본 발명의 특징은 Mn의 과잉 첨가에 따른 상기 화학식 1로 표시되는 형광체의 여기 및 발광 피크의 변화를 통해 발광 효율을 증가시키는 것이다.
본 발명에 따른 형광체는 420~460nm에서 여기파장 피크를 가지며, 상기 화학식 1에서 x값이 0.06일 때 여기파장 피크값을 기준으로, 2배 이상의 여기파장 피크값을 갖는다.
아울러, 본 발명에 따른 형광체는 300 ~ 500nm 파장의 발광 다이오드 광원으로 여기시켜 500 ~ 800 nm 대역의 방출 파를 발생시키는 것으로, 500~800nm 사이에서 발광 피크를 갖는다. 더욱이, 이러한 본 발명에 따른 형광체를 적색 형광체로 사용하여 백색의 발광 다이오드를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 형광체를 제조하는 방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 형광체의 제조 방법을 살펴 보면 다음과 같다. 아연 산화물, 망간 화합물 및 인산을 용매와 혼합하는 단계; 상기에서 혼합된 혼합물을 400~600℃에서 1차 어닐링 및 800~1000℃에서 2차 어닐링 하여 고체 화합물을 수득하는 단계; 어닐링된 형광체를 분쇄하여 미분화 하는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로는, 아연 산화물과 망간 화합물을 용매를 이용하여 소정 혼합비로 혼합한 다음, 상기 혼합물에 인산을 소정 혼합비로 혼합한다. 상기 아연 산화물로는 ZnO을 사용할 수 있고, 상기 망간 화합물로는 MnCO3, MnO 등을 사용할 수 있다.
상기에서 혼합된 혼합물을 400 내지 600℃에서 1차 어닐링 하고, 이를 다시 800 내지 1000℃에서 2차 어닐링 하여 고체 화합물를 제조한다. 이때, 상기 1차 어닐링의 온도는 400℃ 내지 600℃의 범위에서 입자의 결정성을 높일 수 있고, 2차 어닐링의 온도는 800 내지 1000℃의 범위에서 용융되지 않으면서 상변화가 일어날 확률이 적어 충분한 발광 강도를 가지는 형광체를 얻을 수 있다. 이때, 상기 1차 어닐링의 시간은 희망하는 형광체의 특성에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어, 2 내지 6 시간, 보다 구체적으로는 3 내지 5 시간 동안 열처리할 수 있다. 또한, 2차 어닐링의 시간은 희망하는 형광체의 특성에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어, 6 내지 10 시간, 보다 구체적으로는 7 내지 9 시간 동안 열처리할 수 있다. 더욱이, 상기 2차 어닐링은 수소, 질소 또는 이들의 혼합 분위기 하 또는 비산화 조건하에서 실시하는 것이 바람직하다.
상기에서 제조된 고체 화합물은 기계적인 볼 밀링을 통해 분쇄하여 미분화시켜 미분말의 형광체를 제조한다. 이때, 상기 미분말의 입자크기는 10 내지 50㎛인 것이 바람직하고, 5 내지 10㎛인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 형광체를 포함하는 발광 다이오드를 제공한다. 상기 발광 다이오드는 조명 또는 디스플레이 장치에 사용될 수 있다. 이러한 발광 다이오드는 예를 들어, 본 발명에 따른 적색의 형광체 외에 녹색 형광체, 청색 형광체 등을 더 포함하여 백색광을 구현할 수 있다. 녹색과 청색 형광체는 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 선택 내지 변형할 수 있는 범위의 물질 중에서 다양하게 선택 가능하다. 이때, 녹색 형광체의 예로는 CaSc2O4:Ce3 +, Zn2SiO4:Mn, YBO3:Tb 등이 있고, 청색 형광체로서는 BaMgAl10O17:Eu, CaMgSi2O6:Eu 등이 있다. 상기 발광 다이오드의 구조 내지 추가되는 형광체의 종류 및 함량은 당업자에 의해 다양하게 변경 내지 추가될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
-Zn2 .9Mn0 .1(PO4)2 형광체 제조-
산화아연(ZnO) 분말 236g과 탄산망간(MnCO3)의 분말 230g을 200ml의 에탄올(ethanol) 용매와 혼합하고, 상기 산화아연(ZnO) 2.9몰을 기준으로 0.1몰의 인산(H3PO4)을 투입하면서 볼 밀링(ball milling) 방법으로 12시간 동안 기계적으로 분쇄 혼합하였다. 분쇄 혼합된 액체혼합물을 알루미나 도가니에 담아 500℃에서 3시간 동안 1차 어닐링 시켰다. 1차 어닐링된 혼합물을 수소와 질소가스 분위기에서 900℃로 7시간 동안 2차 어닐링하여 고체 화합물을 제조하였다. 2차 어닐링 처리된 고체 화합물은 기계적인 볼밀링 분쇄과정을 거쳐 분말화 하여 Zn2 .9Mn0 .1(PO4)2 형광체를 제조하였다.
실시예 2, 실시예 3, 비교예 1 또는 비교예 2: Zn(3-x)Mnx(PO4)2 형광체 제조
하기 표 1에 나타낸 혼합 비율인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 형광체를 제조하였다.
| 실시예/비교예 | ZnO | H3PO4 | MnCO3 |
| 실시예 2 | 2.88mol/234.37g | 2mol/195.99g | 0.12mol/13.79g |
| 실시예 3 | 2.82mol/229.49g | 2mol/195.99g | 0.18mol/20.69g |
| 비교예 1 | 2.94mol/239.25g | 2mol/195.99g | 0.06mol/6.90g |
| 비교예 2 | 2.76mol/224.61g | 2mol/195.99g | 0.24mol/11.49g |
도 1은 상기 실시예 3에서 최종적으로 얻어진 분말의 전자현미경 사진 (SEM; TESCAN VEGA) 사진이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 형광체의 SEM측정을 통한 입자형태는 길이가 5 ~ 30㎛정도가 되는 미세 입자들이 주를 이루고 있는 것을 알 수 있었다.
도 2는 상기 실시예 3에서 제조된 형광체의 여기파장을 측정하고, 420 nm 여기 조건에서의 방출파장을 측정한 결과값을 동시에 나타낸 그래프로 청색 영역(420~460nm)에서 여기파장 피크가 나타남과 동시에 500~800nm 사이에서 높은 발광 피크를 보이는 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 표 1에 기재된 조성으로 혼합하여 제조된 형광체에 대해서, 여기파장을 측정하고, 측정 결과는 도 3에 나타내었다. 더욱이, 청색광 (λex : 420nm) 여기에 의한 적색영역의 발광(λem : 630nm)특성을 도 4에 나타내었다. 상기 도 3과 도 4에 나타낸 여기파장과 방출파장의 결과를 통해 상기 화학식 1에서 x가 0.12인 실시예 2와 x가 0.18인 실시예 3은 청색 영역(420~460nm)의 여기파장 피크가 나타남과 동시에 500~800nm 사이에서 높은 발광 피크(630nm일 때 최대값)를 보이는 것을 확인할 수 있었다.
반면, x가 0.06인 비교예 1과 x가 0.24인 비교예 2의 경우에 청색 영역(420~460nm)의 여기파장이 낮게 나타남으로써, 청색광 (λex : 420nm) 여기에 의한 방출파장이 매우 낮은 인텐시티(intensity)를 갖는 것으로 나타났다. 특히, 본 발명에 따른 형광체의 피크값은 비교예 1의 여기파장 피크값을 기준으로 2배 이상인 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 5는 상기 비교예 1에서 최종적으로 얻어진 분말과 당해 기술분야에서 공지된 JCPDS Card number ＃ 30-1490의 X-선 회절분석(X-ray diffraction)을 비교 측정한 것이다.
도 5에서 나타낸 바와 같이 본 발명에 따라 제조된 형광체는 단사정계 구조를 갖는 것을 확인하였다.
[실시예 4]
-발광 다이오드 제조-
Zn(3-x)Mnx(PO4)2로 표시되는 형광체(x=0.18임)인 실시예 3과 녹색 형광체 (CaSc2O4:Ce3+)를 1:2의 비율로 혼합하여 형광막 형성용 조성물을 준비하였다. 상기에서 준비된 형광막 형성용 조성물을 InGaN 청색 LED에 인쇄하여 백색 발광 다이오드를 제조하였다.
[비교예 3]
상기 형광막 형성용 조성물 대신 상용 YAG 제품(commercial YAG)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일하게 실시하였다.
- 백색 발광 다이오드 효율 측정: (색좌표(CIE), 연색지수(CRI), 색온도(CCT(K)), 온도별 인텐시티(intensity) 변화율)
상기 실시예 4와 비교예 3에서 제조한 백색 발광 다이오드의 온도 변화에 따른 광발광 강도(PL intensity)를 측정하고, 비교예 3의 백색 발광 다이오드(25℃에서의 광발광 강도(PL intensity)=1)를 기준으로 하여 실시예 4와 비교예 3의 광발광 강도(PL intensity) 감소율을 측정하여 도 6에 나타내었다. 도 6에서 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 4는 YAG계 주황색 형광체를 사용한 비교예 3과 대등한 광발광 강도(PL intensity) 감소율을 나타낸 것을 볼 때, 높은 열 안정성을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 4에 따른 백색 발광 다이오드의 CIE 차트를 도 7에 나타내었고, 실시예 4에 대한 색좌표(CIE), 연색지수(CRI) 및 색온도(CCT(K))를 측정하고 하기 표 2에 나타내었다.
| 형광체 | 색좌표 X | 색좌표 Y | 연색지수(CRI) | 색온도(CCT(K)) |
| 실시예 4 | 0.2503 | 0.3345 | 64 | 10556 |
도 7과 상기 표 2에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 형광체를 사용한 실시예 4는 상기 표 1의 결과로부터, 본 발명에 따른 형광체는 높은 연색지수(CRI)와 양호한 색재현력을 갖는 백색 발광 다이오드를 제공할 수 있음을 알 수 있다.
Claims (7)
- 하기 화학식 1로 표시되는 형광체.
[화학식 1]
Zn(3-x)Mnx (PO4)2
상기 식 중, x는 0.1 내지 0.2의 수이다.
- 제1항에 있어서,
화학식 1의 정의 부분에서, x가 0.12 내지 0.18의 수인 것을 특징으로 하는 형광체.
- 제1항에 있어서,
상기 형광체는 420~460nm에서 여기파장 피크를 가지며, 상기 화학식 1에서 x값이 0.06일 때 여기파장 피크값을 기준으로, 2배 이상의 여기파장 피크값을 갖는 것을 특징으로 하는 형광체.
- 제1항에 있어서,
상기 형광체는 500~800nm 사이에서 발광 피크를 갖는 것을 특징으로 하는 형광체.
- 아연 산화물, 망간 화합물 및 인산을 용매와 혼합하는 단계;
상기에서 혼합된 혼합물을 400~600℃에서 1차 어닐링 및 800~1000℃에서 2차 어닐링 하여 고체 화합물을 수득하는 단계;
상기 고체 화합물을 분쇄하여 미분화 하는 단계를 포함하며,
하기 화학식 1로 표시되는 형광체 제조 방법:
[화학식 1]
Zn(3-x)Mnx (PO4)2
상기 식 중, x는 0.1 내지 0.2의 수이다.
- 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 형광체를 포함하는 조명 장치.
- 제 6항에 있어서,
상기 조명장치는 발광 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
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| KR20130004077A KR101481011B1 (ko) | 2013-01-14 | 2013-01-14 | 형광체, 그의 제조 방법 및 이를 이용한 조명장치 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| KR20140093327A KR20140093327A (ko) | 2014-07-28 |
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR20070115951A (ko) * | 2005-03-04 | 2007-12-06 | 도와 일렉트로닉스 가부시키가이샤 | 형광체 및 그 제조 방법 및 상기 형광체를 이용한 발광장치 |
| KR20090044800A (ko) * | 2007-11-01 | 2009-05-07 | 삼성전기주식회사 | 인산계 나노 형광체 및 나노 형광체 제조 방법 |
-
2013
- 2013-01-14 KR KR20130004077A patent/KR101481011B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20070115951A (ko) * | 2005-03-04 | 2007-12-06 | 도와 일렉트로닉스 가부시키가이샤 | 형광체 및 그 제조 방법 및 상기 형광체를 이용한 발광장치 |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| W. M. Yen et al. Inorganic Phosphors. CRC Press. 2004 (114쪽) * |
| W. M. Yen et al. Inorganic Phosphors. CRC Press. 2004 (114쪽)* |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20140093327A (ko) | 2014-07-28 |
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