KR101490233B1 - 장파장 투과필터를 포함하는 형광체 전환 단색 ｌｅｄ - Google Patents

장파장 투과필터를 포함하는 형광체 전환 단색 ｌｅｄ Download PDF

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Abstract

본 발명은 특정 구성을 가지는 장파장 투과필터를 포함하는 형광체 전환 단색 LED가 제공된다.
본 발명의 형광체 전환 단색 LED는 나노 또는 마이크로 파우더 형광체를 사용하더라도 색순도 및 효율이 매우 뛰어나다.

Description

장파장 투과필터를 포함하는 형광체 전환 단색 ＬＥＤ{Phosphor converted monochromatic LED comprising a long wave pass filter}
본 발명은 형광체 전환 단색 LED에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 장파장 투과필터를 이용한 고효율/고색순도의 500∼700nm 범위의 발광을 나타내는 단색 LED에 관한 것이다.
형광체를 사용하지 않고 반도체 물질을 기반으로 한 LED의 경우 청색 LED는 InGaN 반도체물질을 사용하고 적색 LED는 AlGaInP 반도체물질을 사용하여 제조되며, 녹색 LED는 상기 InGaN 반도체물질을 기반으로 하여 제조되고, 호박색 LED는 상기 AlGaInP 반도체물질을 기반으로 하여 제조된다. 이들 중, InGaN 기반의 청색 LED의 외부양자효율은 60% 이상으로 알려져 있지만 InGaN 기반의 녹색 LED는 Ga양 증가에 따른 격자 불일치(lattice mismatch) 등 여러 가지 물리적 요인에 기인한 효율감소로 양자효율이 30% 이하로 보고되어 있다. 또한, AlGaInP 반도체물질을 기반 적색 LED 역시 50% 이상의 양자효율에 도달하고 있으나 호박색 LED의 경우 Al 증가에 따른 특성저하로 양자효율이 15% 이하로 보고되어 있다.
도 1에는 이러한 녹색 또는 호박색 단색 LED의 양자효율에 관한 그래프를 도시하였다. 도 1을 참조하면 530-610 nm 영역의 녹색, 호박색 LED의 경우 외부양자효율이 기존의 InGaN 와 AlGaInP 반도체의 물질 자체의 고유의 문제로 인해 고효율 단색 LED를 도달할 수 없는 현상을 보이게 되는데, 이를 LED의 "Green window" 또는 "Amber gap"이라고 부른다.
또한, AlGaInP을 기반으로 하는 호박색 LED의 경우 InGaN 기반의 청색 LED에 비교하여 온도 상승에 따라서 급격한 발광 스펙트럼의 위치 변화와 인가전류 상승에 따른 효율저하가 보고되었으며 InGaN 기반의 녹색 LED의 경우에도 인가전류 증가에 따른 급격한 효율 감소를 보인다는 것이 보고되었는데 이를 "Droop" 현상이라고 부르며 이러한 문제로 인해 고휘도용 LED로는 사용이 제한되고 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여 근자외선 또는 청색 LED를 여기원으로 사용하여 형광체를 발광시키는 형광체 전환 LED (phosphor-converted LED:pc-LED)의 개발이 보고된 바 있다.
근자외선 LED를 여기원으로 사용하는 형광체 전환 녹색 또는 호박색 LED의 경우 UV가 투과되더라도 눈에 보이지 않으므로 단색 pc-LED 기술로 최근에 연구 개발이 진행되고 있다. 그러나 형광체에 에너지 전이시 스타크 쉬프트(Stark shift)에 의한 에너지차가 크고 이로 인한 에너지 손실이 커지게 되는데 이를 Energy deficit라고 부르며 이러한 에너지 손실로 인해 효율이 높지 않다는 문제점이 있다.
한편, 청색 LED를 여기원으로 사용하고 나노/마이크로 양자점 또는 형광체 분말을 사용하여 녹색 또는 호박색을 발광시키는 LED의 경우에는 형광체 분말을 여기시키지 않고 새어나가는 청색 발광에 의해 색순도가 떨어지는 문제점이 있었다. 따라서, 이러한 문제점을 극복하기 위하여 2009년에 청색 LED와 호박색 형광세라믹기판을 결합한 호박색 LED가 보고된 바 있다. 이는 세라믹 플레이트(ceramic plate) 형광체를 사용하여 LED의 청색을 모두 호박색으로 변환시켜 색순도 95 이상을 달성할 수 있다고 보고되어 있는데, 세라믹 플레이트 형광체의 경우 제조시 일부 형광체는 투명도가 완벽하지 않으므로 LED의 청색이 일부 반사되거나 손실되는 문제점이 있어서 광변환 효율이 여전히 높지 않다는 문제가 있다. 또한 세라믹 플레이트 형광체를 제조하기 위해서 고온 고압의 제조기술을 사용해야하는 일부 형광체의 경우 제조시 화학적 분해 또는 산화가 되는 문제를 야기할 수 있다.
따라서 세라믹플레이드를 사용해서 단색 LED를 구현할때 발생할수 있는 문제점을 극복하기 위하여 제조 공정이 잘 알려진 나노/마이크로 파우더 기반의 pc-LED를 이용한 형광체 전환 단색 LED의 개발의 필요성이 대두되고 있다. 나노/마이크로 파우더 기반의 pc-LED를 이용해서 형광체 전환 단색 LED를 구현하기 위해서는 청색 LED에서 방출하는 빛을 나노/마이크로 파우더가 모두 흡수 및 차단해야 하므로 실리콘 기질(matrix)에 첨가하는 형광체의 양이 필요이상으로 많아져야한다. 이와같이 고농도의 형광체를 사용할 경우 형광체간의 응집으로 인한 청색 LED 여기광 및 형광체 발광 빛 모두 산란/반사에 의한 광손실을 일으킬수 있고 또한 형광체에서 발생한 빛을 재흡수 시킬 수 있으므로 발광효율이 급격히 떨어진다. 따라서 고농도의 형광체를 사용하지 않으면서 나노/마이크로 파우더 기반의 pc-LED를 사용하더라도 색순도 및 휘도 및 효율이 우수하여 단색의 구현이 가능한 형광체 전환 단색 LED의 개발의 필요성이 대두되고 있다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 색순도, 휘도 및 효율이 우수한 나노/마이크로 파우더 기반의 형광체 전환 단색 LED를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 청색광원; 상기 청색광원의 상부에 구비되며, 청색광원에서 방출된 청색광을 흡수하여 500∼700nm 파장의 광을 방출하는 형광체; 및 상기 형광체의 상부에 형성되며, 청색광은 반사시키고 500∼700nm 파장의 광은 투과시키는 장파장 투과필터;를 포함하며 상기 장파장 투과필터는 소정의 굴절율을 가지는 제1박막과 상기 제1박막의 굴절율보다 높은 굴절율을 가지는 제2박막이 교대로 반복되어 적층되어 있는 반복층을 포함하고, 상기 반복층의 상하부에는 최상부층과 최하부층을 구비하며 상기 최상부층 및 최하부층 중 적어도 하나의 층의 두께는 청색광원 반사 밴드 중심 파장 대비 1/80 ~ 1/4.4 광학두께인 것을 특징으로 하는 형광체 전환 단색 LED를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면 상기 장파장 투과필터의 상기 최상부층 및 최하부층의 두께는 청색광원 반사 밴드 중심 파장 대비 1/7 ~ 1/9 광학두께일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의하면, 상기 최상부층과 최하부층 사이의 반복층을 구성하는 개개의 층은 청색광 반사 밴드 중심 파장 대비 1/3 ~ 1/5(λmax/(4n), n:박막의 굴절률) 광학두께를 가질 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 의하면, 상기 500∼700nm 범위의 광은 호박색, 황색, 녹색 또는 적색일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 반복층의 최하층 및 최상층이 제1박막일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 반복층은 제1박막 및 제2박막으로 이루어진 단위체가 3개 이상 형성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 6개 이상 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 형광체는 평균입경이 30㎛이하인 분말 또는 파우더이거나 평균입경이 30㎚ 이하인 양자점일 수 있다.
본 발명에 따르면 나노 또는 마이크로 파우더 형광체를 사용하더라도 색순도가 매우 우수하고 효율 또한 뛰어난 형광체 전환 단색 LED를 제공할 수 있다.
또한, 기존의 반도체 기반의 단색 LED에 비교하여 온도특성 및 전류 의존특성이 크게 개선되며 기존의 반도체 기반 녹색 LED에서 발생하는 드룹(droop)문제를 청색 LED 수준으로 개선할 수 있다.
도 1은 녹색 또는 호박색 단색 LED의 양자효율에 관한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 사용되는 형광체 전환 단색 LED의 제조방법을 도시한 개략도이다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 형광체 전환 단색 LED에 사용되는 장파장 투과필터의 단면도이고, 도 3b는 최상부층 및 최하부층의 광학두께에 따른 투과도 변화를 나타낸 그래프이며, 도 3c는 최상부층 및/또는 최하부층의 광학두께별로 파장에 따른 투과도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 형광체 전환 단색 LED의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5에서 상부도면은 본 발명에 사용되는 녹색/황색/호박색/적색 형광체 전환 LED의 구조를 나타낸 것이며, 하부도면은 녹색/황색/호박색/적색 형광체 및 사용한 통상의 pc-LED 및 본 발명의 장파장 투과필터(LWPF)를 포함하는 pc-LED의 발광사진을 나타한 것이다.
도 6은 파장에 따른 photoluminescence (PL) 강도를 나타낸 그래프로서, 좌측도면은 형광체 파우더에 대한 그래프이고, 우측 도면은 본 발명의 pc-LED에 대한 그래프이다.
도 7은 좌측은 형광체, 우측은 본 발명의 장파장 투과필터를 부착하기 전후의 pc-LED의 전체 CIE 색좌표를 나타낸 그래프이다.
도 8은 형광체의 종류별로 온도에 따른 표준발광효율을 나타내고, 도 9는 형광체의 농도별로 온도에 따른 표준발광효율을 나타낸 그래프이다.
도 10은 통상의 녹색 LED와 본 발명의 장파장 투과필터를 포함하는 녹색 pc-LED의 구동전류(driving current)에 따른 상대적 발광효율을 나타내는 그래프이고, 도 11은 통상 의 호박색 LED와 본 발명의 장파장 투과필터를 포함하는 녹색 pc-LED의 구동전류에 따른 상대적 발광효율을 나타내는 그래프이다.
도 12a는 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 장파장 투과필터에 대하여 투과도를 시뮬레이션한 결과이고, 도 12b는 실시예 1, 비교예 1 및 비교에 3에서 제조된 장파장 투과필터에 대하여 투과도를 측정한 그래프이다.
도 13a는 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 장파장 투과필터에 대하여 반사도를 시뮬레이션한 결과이고 도 13b는 실시예 1에서 제조된 장파장 투과필터에 대하여 반복층의 개수에 따른 청색영역에서의 반사도를 시뮬레이션한 결과이다.
도 14는 실시예 1에 따라 제조된 pc-LED에 대한 투과도 그래프이다.
도 15는 실시예 1 및 비교예 2에서 제조된 pc-LED에 대한 파장에 따른 상대 발광세기 스펙트럼이다.
도 16은 (a)는 형광체 사용량에 따른 상대 발광효율(relative luminous efficacy)과 상대 양자효율(relative quantum efficiency)을 나타내는 데이터이고 (b)는 형광체 사용량에 따른 청색광의 세기 및 호박색 발광세기에 대한 데이터이다.
도 17 (a)는 형광체의 농도에 따른 색순도에 대한 데이터를 도시한 것이고, 도 17의 (b)는 1913 CIE 컬러 코디네이트(1913 CIE color coordinates)를 호박색 형광체 5 중량%에서 20중량%까지 변화시키며 측정한 데이터이다.
도 18은 구동 dc-전류에 따른 스펙트럼의 변화를 나타내는 데이터이다.
도 19는 통상적인 청색 LED와 본 발명에 따른 pc-LED에 대한 각 방사 패턴(angular radiation) 데이터이다.
도 20은 단색 pc-LED의 파장에 따른 intensity를 측정한 그래프이다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
상술한 바와 같이, 종래의 청색 LED를 여기원으로 사용하고 나노/마이크로 형광체 분말 또는 양자점을 사용하여 녹색, 적색 또는 호박색을 발광시키는 LED의 경우에는 형광체 분말을 여기시키지 않고 새어나가는 청색 발광에 의해 색순도가 떨어지는 문제점이 있었다.
이에 본 발명에서는 청색광원; 상기 청색광원의 상부에 구비되며, 청색광원에서 방출된 청색광을 흡수하여 500∼700nm 파장의 광을 방출하는 형광체; 및 상기 형광체의 상부에 형성되며, 청색광은 반사시키고 500∼700nm 파장의 광은 투과시키는 장파장 투과필터;를 포함하며 상기 장파장 투과필터는 소정의 굴절율을 가지는 제1박막과 상기 제1박막의 굴절율보다 높은 굴절율을 가지는 제2박막이 교대로 반복되어 적층되어 있는 반복층을 포함하고, 상기 반복층의 상하부에는 최상부층과 최하부층을 구비하며 상기 최상부층 및 최하부층 중 적어도 하나의 층의 두께는 청색광원 반사 밴드 중심 파장 대비 1/80 ~ 1/4.4 광학두께인 것을 특징으로 하는 형광체 전환 단색 LED를 제공하여 상술한 문제의 해결을 모색하였다.
구체적으로 도 2는 본 발명에 사용되는 형광체 전환 단색 LED(단색 pc-LED)를 제조하는 방법을 나타낸 것이다. 먼저, 각각의 단색을 여기할 수 있는 형광체의 페이스트를 제조하고, 통상의 청색 LED에 상기 페이스트를 도포하여 pc-LED를 제조한다. 이후 pc-LED의 상부에 장파장 투과필터를 포함하여 형광체 전환 단색 LED를 제조한다. 본 발명에 사용되는 형광체 전환 단색 LED는 청색광원을 형광체 여기 광원으로 사용하고 상기 청색광원에서 방출된 청색광을 흡수하여 500∼700nm 범위의 광을 방출하는 형광체를 구비하며 상기 형광체의 상부에는 청색광은 반사시키고 500∼700nm 범위의 광은 투과시키는 장파장 투과필터를 포함하기 때문에 형광체를 여기시키지 못한 청색광원이 형광체 쪽으로 반사되어 다시 형광체를 여기시키는데 사용되는 것에 의하여 광여기 효율이 증가하게 되며, 또한 청색광이 LED의 전면으로 방출되지 않기 때문에 색순도 역시 뛰어나다.
본 발명에서 사용될 수 있는 청색광원은 바람직하게는 청색 LED일 수 있고, 보다 바람직하게는 InGaN 기반의 LED일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
본 발명에서 사용될 수 있는 형광체는 당업계에서 통상적으로 사용되는 형광체는 물론 양자점도 포함하는 개념으로서, 통상적으로 사용되는 녹색, 황색, 호박색, 적색 등의 형광체를 사용할 수 있다.
이처럼, 청색광을 반사시키고 500∼700nm 범위의 광은 투과시키는 상기 장파장 투과필터는 소정의 굴절율을 가지는 제1박막과 상기 제1박막의 굴절율보다 높은 굴절율을 가지는 제2박막이 교대로 반복되어 적층되어 있는 반복층을 포함하여 파장이 짧은 청색광은 반사시키고, 파장이 긴 녹색광 또는 황색광 등, 파장이 500∼700nm 범위의 빛은 투과시키도록 설계되어 있다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 장파장 투과필터의 단면도로서, 장파장 투과필터(100)의 반복층은 상대적으로 굴절율이 낮은 제1박막(100a)과 제1박막보다 굴절율이 높은 제2박막(100b)이 교대로 반복되어 적층되어 이루어진다. 다음으로 장파장 투과필터(100)의 최상부층 및/또는 최하부층은 제3박막(100c)으로 이루어지며, 그 두께는 청색광 반사 밴드 중심 파장 대비 1/80 ~ 1/4.4의 광학두께를 가지거나 1/60 ~ 1/4.5의 광학두께를 가질 수 있으며, 보다 바람직하게는 1/40 ~ 1/4.7의 광학두께를 가질 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1/7 ~ 1/9의 광학두께를 가질 수 있고, 가장 바람직하게는 1/8 광학두께를 가질 수 있다(λmax/8n, n:박막의 굴절률). 도 3b는 최상부층 및 최하부층의 광학두께에 따른 투과도 변화를 나타낸 그래프로서 상기 최상부층 및/또는 최하부층(이하 '제3박막' 이라 함)의 광학두께가 1/8에 가까울수록 투과도가 현저하게 상승하고 있음을 확인할 수 있다.
도 3c는 최상부층 및/또는 최하부층의 광학두께별로 파장에 따른 투과도의 변화를 나타낸 그래프로서, 본 발명의 주된 목적인 500 ~ 700nm의 파장을 기준으로 최상부층 및 최하부층 모두 1/7 ~ 1/9(바람직하게는 1/8) 광학두께인 경우 투과도가 가장 높고, 그 뒤를 이어 최상부층과 최하부층 중 어느 하나가 1/8 광학두께(나머지는 1/4일때)인 경우에는 모두 1/4인 경우에 비해서는 투과도가 높지만 파장에 따른 편차가 심한 단점을 보인다. 이를 통해 최상부층 및 최하부층 모두 1/8광학두께에 가까운 경우의 효율이 가장 우수한 것을 확인할 수 있다.
한편, 상기 제3박막은 광학두께를 제외한 재질 등은 제2박막에서 사용한 재질과 동일한 재질을 사용할 수 있으며 있으며 최상부층 및 최하부층(제3박막) 광학두께가 모두 1/80 ~ 1/4.4이거나 어느 하나의 광학두께가 1/80 ~ 1/4.4이고 나머지 하나는 제2박막(1/4)일 수 있다.
또한 제3박막의 인접한 층, 다시 말해 반복층(제1박막 및 제2박막)의 상부층 및 하부층은 제1박막일 수 있다. 즉, 최하부층-제1박막-제2박막-제1박막-제2박막-제1박막-최상부층의 순으로 배열될 수 있다.
최상부층과 최하부층 사이의 반복층(101)에 존재하는 개개의 층(제1박막 및 제2박막)은 청색광 반사 밴드 중심 파장 대비 1/3 ~ 1/5의 광학두께를 가질 수 있으며, 보다 바람직하게는 1/4의 광학두께(λmax/(4n), n:박막의 굴절률, 이하 1/4 파장 두께라 함)를 가질 수 있다(유리 기재는 미도시).
한편, 도 13b는 본 발명의 장파장 투과필터의 반복층 (제1박막/제2박막)의 개수에 따른 청색영역(400 ~ 500nm) 반사도를 도시한 그래프로서 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면, 상기 반복층 (제1박막 및 제2박막이 하나의 단위체를 형성함)를 형성하는 단위체 3개 이상이 형성되는 것이 청색을 투과시키지 않고 단색 pc-LED를 제조하는데 유리하고 더욱 바람직하게는 4개 이상이며, 가장 바람직하게는 6개 이상이 형성되는 것이 유리하다.
본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면, 상기 장파장 투과필터가 청색광은 반사시키고 황색광 등 파장이 500∼700nm 범위의 빛은 투과시키는 것을 목적으로 아래의 트랜스퍼 매트릭스 방법(Transfer Matrix Method)에 의하여 설계될 수 있다. 본 발명에서 제1박막은 상대적으로 낮은 굴절율을 가지는 산화실리콘(SiO2), MgF2, Na3AlF6 spin-on-glass 을 단독 또는 혼합하여 이루어질 수 있고 제2박막은 상대적으로 높은 굴절율을 가지는 산화티타늄(TiO2), ZrO2, Ta2O5, ZnS, HfO2, Sc2O2, SiNx, Al2O3 등을 단독 또는 혼합하여 이루어질 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 제3 박막은 상술한 바와 같이 제2 박막에서 사용하는 재질을 사용할 수 있다.
한편, 트랜스퍼 매트릭스 방법에 의하여 장파장 투과필터를 이루는 각 층의 굴절율과 층수 등을 조절함으로써 반사 영역대와 투과 영역대의 파장을 선택할 수 있다. 굴절율이 상이한 박막의 경계면 b에서의 전기장(E) 및 자기장(H)의 접선 성분은 아래 수학식 1과 같다.
Figure 112011011479671-pat00001
상기 수학식 1에서 +, -는 전기장 및 자기장의 진행방향을 의미하고,
Figure 112011011479671-pat00002
로 정의되는 물질의 optical admittance로 정의되는 양이다. 여기서
Figure 112011011479671-pat00003
로 자유공간의 optical admittance이다. 본 발명에서는 투명 유전체의 박막을 고려하고 있으므로 굴절율의 성분이 실수성분인 n과 허수성분인 k로 나누어 진다. 즉 어떤 흡수물질의 굴절율은 다음과 같이 정의된다
Figure 112011011479671-pat00004
.
여기서 경계면에서 전기장과 자기장의 접선 성분이 연속이라는 경계조건을 고려하면 하기식과 같은 Matrix를 구할 수 있다.
Figure 112011011479671-pat00005
여기서
Figure 112011011479671-pat00006
이고
Figure 112011011479671-pat00007
는 빛의 파장이다.
다층 박막의 경우 matrix를 순차적으로 곱하면 된다. 또한 여기서 다층의 optical admittance
Figure 112011011479671-pat00008
를 도입하면 최종적인 matrix는 아래 수학식 2와 같다.
Figure 112011011479671-pat00009
여기서 반사 R , 투과 T, 흡수 A는 아래 수학식 3과 같으며 이를 통하여 본 발명에 따른 pc-LED에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.
Figure 112011011479671-pat00010
본 발명은 결국 상술한 방식으로 장파장 투과필터의 원하는 반사 영역과 흡수 영역을 계산하였는데, 만약 원하는 반사 영역과 흡수 영역이 정해진 경우라면, 상기 방식에 따라 원하는 장파장 투과필터의 조건 또한 상술한 방식에 기초하여 설정할 수 있다.
본 발명에 이용되는 장파장 투과필터의 반사 스펙트럼 파장 중심(λmax)은 청색광원의 파장 범위 내에 존재하며, 그 결과로 형광체를 여기시키지 못하고 전면으로 새어나가는 청색광원을 후면으로 반사시켜 다시 형광체를 여기시키도록 할 수 있다.
한편, 본 발명에 사용되는 형광체는 당업계에 통상적으로 사용되는 호박색, 황색, 적색 또는 녹색 형광체인 한 특별히 제한되지 않으며 녹색 형광체로서 SrGa2S4:Eu, (Sr,Ca)3SiO5:Eu, (Sr,Ba,Ca)SiO4:Eu, β-SiALON:Eu, CaSc2O4:Ce, Ca3Sc2Si3O12:Ce, Caα-SiALON:Yb, SrSi2O2N2:Eu, BaSi2O2N2:Eu, Ba3Si6O12N2:Eu, γ-AlON:Mn 및 γ-AlON:Mn,Mg 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 일 수 있고, 황색 또는 호박색 형광체로서 (Y,Gd)3Al5O12:Ce, Tb3Al5O12:Ce, CaGa2S4:Eu, (Sr,Ba,Ca)SiO4:Eu, Caα-SiALON:Eu, Ca-Li-α-SiALON:Eu, CaxAl12(ON)16:Eu, (Sr1 -xBax)Si2O2N2:Eu, (Ba,Sr)2Si5N8:Eu 및 Ca2Si5N8:Eu로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 일 수 있으며, 양자점으로서 CdSe, InP, In1 - xGaxP, CuInS2 및 AgInS2 으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 형광체는 적색 형광체로서 (Sr,Ca)AlSiN3:Eu, CaAlSiN3:Eu, (Sr,Ca)S:Eu 및 Ax - aEuaGeSz 로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으며, 여기에서, A는 Ca, Sr 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고, z=x+2이고, x는 2에서 5 범위 내로 설정되고, a/x는 0.0005에서 0.02 범위 내로 설정될 수 있다.
또한, 상기 형광체는 평균입경이 30㎛ 이하인 분말 또는 파우더이거나 평균입경이 30㎚ 이하인 양자점을 사용할 수 있다.
도 4에는 본 발명에 따른 바람직한 pc-LED의 개략도를 도시한 것으로서, 최상부층과 최하부층(제3박막)은 1/8 광학두께를 갖는 TiO2 층이고, 최상부층과 최하부층 사이의 반복층은 1/4 광학두께를 갖는 SiO2 층(제1박막)과 TiO2 층(제2박막)이 교호적층될 수 있다. 이 경우 반복층의 상부층 및 하부층(최상부층과 최하부층에 인접한 층)은 제1박막이 형성된다. 또한 상기 장파장 투과필터의 최상부층의 상면에는 유리 기재를 더 포함할 수 있다.
도 5에서 상부도면은 본 발명에 사용되는 녹색/황색/호박색/적색 형광체 전환 단색 LED의 구조를 나타낸 것이며, 하부도면은 녹색/황색/호박색/적색 형광체를 사용하여 종래의 pc-LED의 단면 및 본 발명의 장파장 투과필터(LWPF)를 포함하는 pc-LED의 발광 사진을 도시한 것이다. 여기에서 녹색1 (G1)은 (Sr,Ba)2SiO4:Eu 형광체, 녹색2 (G2)는 (Sr,Ca)Ga2S4:Eu 를 사용한 것이고, 황색 1 (Y1)은 (Sr,Ba)2SiO4:Eu 형광체, 황색 2 (Y2)는 (Sr,Ca)Si2O2N2:Eu형광체, 황색 3 (Y3)은 (Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce 형광체, 호박색 1 (A1)은 (Sr,Ba,Ca)3SiO5:Eu형광체, 호박색 2 (A2)는 (Sr,Ba,Ca)3SiO5:Eu 형광체, 적색 1 (R1)은 (Sr,Ca)AlSiN3:Eu 형광체 및 적색 2 (R2)는 CaAlSiN3:Eu 형광체를 의미한다.
상기 발광사진을 통해 종래의 형광체 전환 단색 LED에 비하여 본 발명의 장파장 투과필터를 포함하는 형광체 전환 단색 LED가 색순도가 크게 향상되어서 원래의 형광체의 색과 거의 유사한 것을 확인할 수 있다.
도 6은 파장에 따른 PL 강도를 나타낸 그래프로서, 좌측도면은 450nm의 청색 빛으로 여기시킬 때 형광체 파우더 자체의 상대적인 PL 발광 스펙트럼에 대한 그래프이고, 우측 도면은 본 발명의 장파장투과 필터를 장착한 pc-LED의 electroluminescence (EL) 대한 그래프이다. 양 도면을 대비하면 형광체의 PL 과 본발명에 의해 개발한 단색광 pc-LED의 EL 스펙트럼이 거의 일치하고 있음을 확인할 수 있으며, 이는 장파장투과 필터의 부착으로 단색 LED를 구현할수 있다는 것을 의미하는 것이다.
도 7은 좌측은 형광체, 우측은 종래의 pc-LED에서 본 발명의 장파장 투과필터를 포함하는 pc-LED의 색좌표 변화에 대한 도면으로서 가로축는 CIE 색좌표 x 값을 의미하고 세로축 CIE 색좌표 y 값을 의미하므로 각 컬러에 대한 x,y좌표는 색의 순도 및 색의 종류를 의미한다. 이를 통해 형광체의 x,y 색좌표를 본 발명의 장파장 투과필터를 포함하는 pc-LED를 통해 정확하게 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
표 1은 본발명의 장파장 투과 필터를 포함하는 단색 pc-LED의 EL특성을 요약한 표이고, 상대적 외광양자효율 (relative external quantum efficiency), 상대 발광 효율 (Relative luminous efficacy), 발광효율 (luminous efficacy), 색순도 (color purity), 발광 중심파장 (peak wavelength)를 요약하였다. 이 표를 통해서 본발명의 장파장 투과 필터를 포함하는 단색 pc-LED는 각 형광체의 발광 특성과 거의 동일하게 특성을 나타내며 장파장 투과 필터의 도입으로 고효율의 단색 LED의 구현이 가능하다는 것을 의미한다.
Figure 112011011479671-pat00011
도 8은 형광체의 종류별로 본발명의 장파장 투과 필터를 포함하는 단색 pc-LED의 온도에 따른 표준발광효율을 나타내고, 도 9는 형광체의 농도별로 온도에 따른 표준발광효율을 나타낸 그래프이다. 비록 청색 LED로 여기시켜서 단색 LED를 구현하더라도 형광체의 종류에 따라서 온도 감쇄 특성이 약간씩 차이를 나타내고 있으나, 실제로 LED가 작동될 때의 온도인 80℃에서는 효율감소가 90% 이내에 들어가므로 기존의 단색 LED 중에서 적색과 녹색의 경우는 80℃ 씩 상승할 때 마다 50% 와 75%로 효율감소가 일어나므로 기존의 반도체 기반의 단색 LED에 비교하여 주변 온도 변화에 효율 특성이 매우 안정적이므로 유지됨을 알 수 있다.
도 10은 통상의 녹색 LED와 본 발명의 장파장 투과필터를 포함하는 녹색 pc-LED의 구동전류에 따른 상대적 발광효율을 나타내는 그래프이고, 도 11은 통상의 호박색 LED와 본 발명의 장파장 투과필터를 포함하는 녹색 pc-LED(G2)의 구동전류에 따른 상대적 발광효율을 나타내는 그래프이다. 도 10에서 널리 사용되는 100 mA를 기준으로 통상의 녹색 LED는 36.9 lm/w 이고, 본 발명의 녹색 pc-LED는 82.7lm/w 로서 2.24배의 발광효율을 갖는 것을 확인할 수 있다. 도 11에서 100 mA를 기준으로 통상의 호박색 LED는 34.7 lm/w 이고, 본 발명의 호박색 pc-LED(A1)는 52.9 lm/w 로서 1.52배의 발광효율을 갖는 것을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 형광체 전환 LED는 청색광원을 형광체 여기 광원으로 사용하고 상기 청색광원에서 방출된 청색광을 흡수하여 500∼700nm 범위의 광을 방출하는 형광체를 구비하며 상기 형광체의 상부에는 청색광은 반사시키고 500∼700nm 범위의 광은 투과시키는 장파장 투과필터를 포함하기 때문에 형광체를 여기시키지 못한 청색광원이 형광체 쪽으로 반사되어 다시 형광체를 여기시키는데 사용되는 것에 의하여 광여기 효율이 증가하게 되며, 또한 청색광이 LED의 전면으로 방출되지 않기 때문에 색순도 역시 뛰어나다는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 형광체라 함은 통상적인 형광체는 물론 양자점도 포함하는 개념이다.
이처럼 청색광을 반사시키고 500∼700nm 범위의 광은 투과시키는 상기 장파장 투과필터는 소정의 굴절율을 가지는 제1박막과 상기 제1박막의 굴절율보다 높은 굴절율을 가지는 제2박막이 교대로 반복되어 적층되어 있는 반복층을 포함하고, 상기 반복층의 상하부에는 제3 박막의 최상부층과 최하부층을 구비하며 최상부층 및 최하부층 중 적어도 하나의 층의 두께는 청색광 반사 밴드 중심 파장 대비 1/7 ~ 1/9이며, 가장 바람직하게는 1/8일 수 있다.
결국, 본 발명에 따르면 나노 또는 마이크로 파우더 형광체를 사용하더라도 색순도가 매우 우수하고 효율 또한 뛰어난 형광체 전환 단색 LED를 제공할 수 있다.
또한, 기존의 반도체 기반의 단색 LED에 비교하여 온도특성 및 전류 의존특성이 크게 개선되며 기존의 반도체 기반 녹색 LED에서 발생하는 드룹(droop)문제를 청색 LED 수준으로 개선할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하나 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.
<실시예 1>
1-(1): 장파장 투과필터의 제조
장파장 투과필터의 효과를 실험하기 위하여 3가지 타입의 장파장 투과필터(A1, A2 및 A3)를 유리 기재위에 증착하였다. 구체적으로 최상부층 및 최하부층에 청색광 반사 밴드 중심 파장 대비 1/8 두께의 TiO2를 전자빔 증착에 의해 증착시킨 후 (A1: 23 nm, A2: 24 nm, A3: 25 nm) 청색광 반사 밴드 중심 파장 대비 1/4 두께의 제1박막과 제2박막 SiO2/TiO2 (A1: 69/46 nm, A2: 72/48 nm, A3: 73/50 nm)를 250℃에서 전자빔 증착에 의해 증착시켰다. A1, A2, A3 는 청색영역의 반사밴드의 중심위치가 434, 446, 454 nm 로 다른 장파장 투과 필터를 의미한다. 구체적으로 A1의 경우 최하부층 (TiO2) 23 nm를 증착(1/8 광학두께)하고 반복층(1/4 광학두께)으로서 제1박막층/제2박막층(SiO2 69 nm/TiO2 46 nm)을 8개 단위체(제1박막 8개, 제2박막 8개)를 증착하고 상부에 제1박막층(SiO2, 69 nm)을 증착하고 최상부층으로 TiO2) 23 nm를 증착하였다. A2 와 A3 장파장투과필터도 같은 방법으로 증착하였다.
빔 챔버의 압력은 4.0 x 10-5 torr로 조절하였고 증착은 7kV의 가속전압으로 1.9 x 10-4 torr의 산소분압하에서 실시하였다. 이처럼 증착된 3가지 타입의 장파장 투과필터를 하기 표 2에 나타내었다.
Thickness (nm)
Layer A1 A2 A3
0.5H 23 24 25
L 69 72 73
0.5H 23 24 25
SiO2와 TiO2 의 굴절률(n)과 소멸계수(extinction coefficients;k)는 스펙트로스코픽 엘립소미터(Sentech, SE800)를 사용하여 측정하였다. 이처럼 측정된 굴절률과 소멸계수는 상기 3가지 타입의 장파장 투과필터의 반사율(reflectance;R), 투과율(transmittance; T) 및 흡광도 (absorption;A)를 시뮬레이션하는데 사용되었다. 본 시뮬레이션은 자체 개발한 프로그램을 이용하여 상기에서 언급한 바와 같이 수학식 1 내지 3을 통하여 수행하였다.
<실시예 2>
최상부층에만 청색광 반사 밴드 중심 파장 대비 1/8 두께의 TiO2를 전자빔 증착에 의해 증착시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 장파장 투과필터를 제조하였다.
<실시예 3>
최하부층에만 청색광 반사 밴드 중심 파장 대비 1/8 두께의 TiO2를 전자빔 증착에 의해 증착시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 장파장 투과필터를 제조하였다.
1-(2): pc - LED 의 제조
형광체 전환 LED(이하 pc-LED라 한다)를 제조하기 위하여 청색 칩(λmax = 455 nm)을 형광체의 여기광원으로 사용하였다. 다음으로 호박색 형광체((Sr,Ba,Ca)3SiO5:Eu)의 사용량을 각각 달리하여(실리콘 바인더 중량 대비 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 중량%) 실리콘 바인더에 분산시켜 제조한 형광체 페이스트를 상기 청색 칩의 상부에 구비시켜 컵 형태의 pc-LED를 제조하였으며 그 다음으로 상기 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1에서 제조된 장파장 투과필터를 부착하였다.
<비교예 1>
1/4 파장 두께의 반복층만 9번 반복되도록 제조하고 최상부층과 최하부층에 1/8파장 두께의 H층(TiO2층)을 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1-(2)과 동일한 방법으로 pc-LED를 제조하였다.
<비교예 2>
장파장 투과필터를 전혀 사용하지 않은 것을 제외하고는 상시 실시예 1-(2)와 동일한 방법으로 pc-LED를 제조하였다.
<시험예 1>
상기 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 2 에서 제조된 장파장 투과필터에 대하여 투과도를 측정하고 그 결과를 도 3b, 3c에 도시하였다.
투과도는 Xe램프를 사용하여서 자외선에서 전가시광 영역의 빛이 장파장투과 필터를 투과시킨후 투과된 빛을 적분구가 부착된 스펙트로미터 (피에스아이, 모델명 DARSA)를 사용하여 측정하였고 모든 방향으로 투과된 빛을 유리기판이 투과될때를 기준 측정하였다.
도 3b를 참조하면, 상기 최상부층 및/또는 최하부층의 광학두께가 1/8에 가까울수록 투과도가 현저하게 상승하고 있음을 확인할 수 있다.
도 3c를 참조하면, 최상부층 및/또는 최하부층의 광학두께별로 파장에 따른 투과도의 변화를 나타낸 그래프로서, 본 발명의 주된 목적인 500 ~ 700nm의 파장을 기준으로 최상부층 및 최하부층 모두 1/8 광학두께(실시예 1)인 경우 투과도가 가장 높고, 그 뒤를 이어 최상부층과 최하부층 중 어느 하나가 1/8 광학두께(나머지는 1/4일때, 실시예 2, 3)인 경우에는 모두 1/4인 경우에 비해서는 투과도가 높지만 파장에 따른 편차가 심한 단점을 보인다. 이를 통해 최상부층 및 최하부층 모두 1/8광학두께에 가까운 경우의 효율이 가장 우수한 것을 확인할 수 있다.
도 12a는 실시예 1의 장파장 투과필터 및 비교예 1의 장파장 투과필터에 대한 투과도를 시뮬레이션한 그래프이다. 이를 통해 비교예 1에서 사용된 장파장 투과필터의 경우에는 청색광은 반사하지만 500nm 이상의 파장대의 빛에서 간섭에 의한 진동(빛의 흡수)가 존재한다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 형광체가 여기되며 발광하는 빛이 일부 흡수되기 때문에 광효율이 떨어지게 된다. 이에 반하여 본 발명에 따른 실시예 1에서 사용되는 장파장 투과필터의 경우에는 최하부층과 최상부층에 에지 파장 대비 1/8 두께의 TiO2가 존재하기 때문에 상기 비교예 1과 같은 간섭에 의한 장파장대 빛의 흡수가 전혀 존재하지 않으며 따라서 형광체에 의한 발광이 상쇄되지 않고 모두 방출될 수 있다는 장점이 있다.
도 12b는 본 발명의 실시예 1의 장파장 투과필터, 비교예 1의 장파장 투과필터 및 통상의 녹색컬러필터(동우파인켐, LCD용 녹색필터, 비교예 3)의 장파장 투과필터에 대하여 투과도를 직접 측정한 그래프이다.
비교예 1은 통상적으로 알려져 있는 장파장투과 필터의 투과율이고 비교예 3은 LCD 디스플레이에서 사용한는 일반적인 녹색 칼라필터이다. 본발명으로 얻어진 장파장 투과필터 (실시예 1)는 장파장 영역에서 투과도가 매우 우수하나 통상적인 장파장 투과필터나 (비교예 1) 녹색 칼라필터 (비교예 3)의 경우에는 장파장 영역의 투과도가 상대적으로 많이 떨어진다. 따라서 비교예1 또는 비교예 3의 필터로 형광체 전환 단색 LED 제조시 형광체에서 발광하는 효율을 떨어뜨리게 되므로 기존의 고농도 형광체를 사용해서 형광체 전환 단색 LED를 구현 방법과 마찬가지로 효율면에서 형광체 전환 단색 LED를 구현하는데 적합하지 못하다는 것을 확인할 수 있다.
<시험예 2>
본 발명의 실시예 1에서 사용된 장파장 투과필터에 있어서 반복층의 갯수를 달리하며 청색광의 반사율을 시뮬레이션하고 그 결과를 도 13a 및 13b에 도시하였다. 구체적으로 형광체 전환 단색 LED를 구현하는데 적합한 장파장 투과필터에 있어서 반복층의 개수를 알기위하여 본 발명의 실시예 1에서 사용된 장파장 투과필터에 대하여 청색 영역 (400 ~ 500nm) 반사도의 합이 반복층 (제1박막/제2박막) 수의 변화에 변화하는 결과를 도 13b에 도시하였다. 반복층에 포함된 단위체(제1박막/제2박막층)의 개수가 3개 이상이 형성될 경우 청색을 투과율이 크게 감소하므로 형광체 전환 단색 LED를 구현 할수 있고, 더 바람직하게는 6개 이상이 형성되는 것이 단색 pc-LED를 제조하는데 더 유리하고, 단위체의 개수가 8개 이상이 되는 경우 청색 반사율이 포화되므로 청색 LED광 투과되지 않아서 형광체 전환 단색 LED를 구현 하는데 매우 유리하다.
<시험예 3>
표 2에서와 같이 제조된 A1, A2 및 A3 장파장 투과필터(m=9)를 각각 부착하여 실시예 1에 따라 제조된 pc-LED에 대하여 투과도를 측정하고 그 결과를 도 6에 도시하였다. 호박색 형광체(amber 형광체라고도 함, (Sr,Ba,Ca)3SiO5:Eu)의 사용량은 20중량%였다. 도 14의 내부에 도시된 SEM 사진은 실제 제조된 A3 장파장 투과필터(m=9)에 대한 SEM 사진이다. 도 14를 참조하면 장파장 밴드 에지는 각각 A1=503nm, A2=517nm, A3=527nm인 것을 확인할 수 있으며 격자상수 값이 증가할수록 녹색 칼라로 쉬프트된다는 것을 알 수 있다. 도 14에서 파란색 스펙트럼은 장파장 투과필터를 사용하지 않은 경우에 청색 LED의 방출광과 호박색 여기광이 혼재하여 방출되는 것을 나타낸다. 도 14에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 장파장 투과필터를 사용하게 되면 청색 LED의 청색광은 반사시키고 호박색 여기광은 90%이상 투과시킨다는 것을 확인할 수 있었는데 이는 시뮬레이션과 일치하는 결과이다. 상기 발광 스펙트럼은 스펙트로포토미터(PSI사 제조)를 이용하여 측정하였다.
<시험예 4>
상기 실시예 1 및 비교예 2에서 제조된 pc-LED에 대하여 스펙트로포토미터(PSI사 제조)발광 스펙트럼을 측정하고 상대세기 발광효율 및 양자효율을 측정하고 그 결과를 도 15 및 16에 도시하였다. 호박색 형광체((Sr,Ba,Ca)3SiO5:Eu)의 사용량은 모두 5중량%였다. 도 15를 참조하면 청색광 영역의 경우 맨위부터 차례로 청색 LED 자체(호박색 형광체를 사용하지 않은 경우), 장파장 투과필터를 사용하지 않은 pc-LED, 장파장 투과필터로서 A1을 사용한 pc-LED, 장파장 투과필터로서 A2를 사용한 pc-LED, 장파장 투과필터로서 A3를 사용한 pc-LED의 순서이며 510nm 이상의 장파장 대에서의 스펙트럼의 순서는 그 반대이다. 상기 도 15를 통하여 본 발명의 실시예에 의해 제조된 pc-LED의 경우에는 청색영역에서의 스펙트럼이 감소하며 호박에서의 발광세기가 증가한다는 것을 알 수 있다. 이러한 장파장 스펙트럼의 효과는 A3를 사용한 경우가 가장 뛰어났다.
한편, 도 16의 (a)는 형광체 사용량에 따른 상대 발광효율(relative luminous efficacy)과 상대 양자효율(relative quantum efficiency)을 나타내는 데이터이고 (b)는 형광체 사용량에 따른 청색광의 세기 및 호박색 발광세기에 대한 데이터이다. 양자효율의 경우 비교예 2에 따른 pc-LED의 형광체의 농도가 5중량%일 때의 상대 양자 효율을 1로 정의하였다. 도 16의 (a)를 참조하면 실시예 1에 따른 pc-LED(A3 장파장 투과필터 사용)의 경우가 비교예 2에 따른 pc-LED의 경우보다 발광효율 및 양자효율이 모두 높다는 것을 알 수 있다. 그러나 형광체의 농도가 증가함에 따라 이러한 효율 증가효과가 감소하게 되는데 그 이유는 형광체의 농도가 증가할수록 형광체층의 두께가 증가하게 되어 청색광이 대부분 본 형광체층을 투과하지 못하게 되고 분산되거나 흡수되기 때문이다. 따라서 도 8의 (a)에서 알 수 있듯이 형광체의 농도가 약 45중량% 이상일 때에는 실시예 1과 비교예 2의 상대 양자효율이 비슷하게 되고 형광체의 농도가 약 50중량% 이상일 때에는 실시예 1과 비교예 2의 상대 발광효율도 비슷하게 되므로 본 발명에 따른 pc-LED의 경우 호박색 형광체((Sr,Ba,Ca)3SiO5:Eu)의 농도는 45중량%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
한편, 도 16의 (b)를 참조하면 비교예 2의 경우 형광체의 농도가 20중량%일 때에 호박색 발광세기가 가장 크지만 청색 칩에서 방출되는 청색광이 함께 방출되기 때문에 색순도가 떨어져서 단색(monochromatic)이 되지 못하며 단색이 되기 위해서는 형광체의 농도가 약 50중량%가 되어야 하는데 이때의 호박색 발광세기는 매우 떨어지게 된다. 그러나 실시예 1에 따른 본 발명의 pc-LED의 경우에는 형광체의 농도가 약 20중량%만 되더라도 단색이 되어 색순도가 뛰어나며 이 경우의 호박색 발광세기 역시 매우 높은데 상기 비교예 2와 비교할 때에 호박색 발광세기는 약 23%정도 증가하는 것으로 측정되었다. 본 발명에서는 호박색 형광체를 사용하는 경우 형광체의 농도는 20중량%인 것이 상대 양자효율 및 호박색 발광세기의 면에서 가장 바람직하다.
<시험예 5>
도 17에는 실시예 1(A3 장파장 투과필터 사용)과 비교예 2에 의해 제조된 pc-LED에 대한 색순도와 CIE 색좌표에 대한 데이터를 도시하였다. 도 17의 (a)는 형광체의 농도에 따른 색순도에 대한 데이터를 도시한 것이고, 도 17의 (b)는 1913 CIE 컬러 코디네이트(1913 CIE color coordinates)를 호박색 형광체 5 중량%에서 20중량%까지 변화시키며 측정한 데이터를 나타낸다. 실시예 1의 경우 모든 형광체 농도에서 색순도가 90%를 초과하며 형광체의 농도가 20중량%이상인 때에는 색순도가 96% 이상이 된다. 그러나 비교예 2의 경우에 색순도 96%를 얻기 위해서는 형광체의 농도가 55중량% 이상이 되어야 하며 이 경우에는 호박색 발광세기(휘도)가 감소하게 된다. 도 17 (a)의 내부에는 비교예 2와 실시예 1에 대하여 실제 호박색 발광에 대한 이미지 사진을 첨부하였는데 비교예 2의 경우에는 색순도가 떨어진다는 것을 확연히 알 수 있다. 한편 도 17 (b)를 참조하면 비교예 2의 경우에는 형광체의 농도에 따라 색좌표의 변화가 심하지만 실시예 1의 경우에는 색좌표가 그리 많이 변하지 않는다는 것을 알 수 있다. 실시예 1(A3 장파장 투과필터를 사용하고 호박색 형광체의 농도가 20중량%인 경우)의 경우에 구체적인 색좌표는 0.57과 0.42로서 호박색 영역 (amber box)에 잘 일치함을 알 수 있다.
<시험예 6>
구동 dc-전류에 따른 스펙트럼의 변화를 측정하고 그 결과를 도 18에 도시하였다. 청색광원으로 사용되는 통상적인 InGaN LED는 전류에 따라 스펙트럼이 변화하는데 반해 본 발명에 따른 pc-LED의 경우에는 전류가 변하더라도 스펙트럼의 변화가 거의 없이 안정하다는 것을 확인할 수 있다.
<시험예 7>
도 19에는 통상적인 청색 LED와 본 발명에 따른 pc-LED에 대한 각 방사 패턴(angular radiation) 데이터를 도시하였다. 본 도면을 참조하면 본 발명에 따른 pc-LED는 시야각에 따라 균일한 휘도를 보인다는 것을 확인할 수 있다.
<실시예 4>
실시예 1의 호박색 형광체 대신에 다른 녹색, 황색 및 호박색 형광체를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 pc-LED를 제조하였으며 각 형광체의 종류와 실리콘 바인더 대비 중량% 그리고 A3 장파장 투과필터를 사용한 pc-LED에 대한 결과를 상술한 표 1에 도시하였다.
구체적으로 상술한 표 1은 여러 가지 녹색, 황색 및 호박색 형광체를 이용하여 실리콘 바인더 대비하여 각 형광체 별로 적절한 중량%의 형광체를 도포하므로 동일 전류구동에서 단색 pc-LED를 구현하였다. 형광체를 도포하지 않은 blue-LED를 기준으로 하여 본발명을 통해서 구현한 다양한 단색 pc-LED의 칼라코디네이터, 색 순도와 blue-LED 대비 상대효율 및 상대 휘도 값을 나타내었다. 표 1에서 녹색, 황색, 호박색 형광체 전환 단색 LED의 칼라코디네이터나 색순도 값은 다양한 칼라의 형광체를 사용하여도 본 발명을 통하여 단색 pc-LED를 손쉽게 제작할 수 있음을 보여준다. 또한 상대효율 값과 상대 휘도는 기존 단색 LED의 효율저하 (기존 InGaN 호박색 LED 효율: blue LED 대비 상대 효율 17%) 문제를 해결하므로 "Green window" 또는 "Amber gap"의 문제를 해결하기에 충분한 값을 나타낸다.
<실시예 5>
형광체 전환 LED(이하 pc-LED라 한다)를 제조하기 위하여 청색 칩(λmax = 455 nm)을 형광체의 여기광원으로 사용하였다. 다음으로 녹색 형광체(Sr,Ba)3SiO5:Eu (G1) 를 사용하여 실리콘 바인더에 분산시켜 제조한 형광체 페이스트 (40 wt %)를 상기 청색 칩의 상부에 구비시켜 컵 형태의 pc-LED를 제조하였으며 그 다음으로 상기 실시예 1(A3 장파장 투과필터), 비교예 1, 2 및 통상적으로 사용되는 녹색컬러필터(동우파인켐, LCD용 녹색필터, 비교예 3)를 채용하고 파장에 따른 intensity 및 광학물성을 측정하여 그 결과를 도 20 및 표 3에 나타내었다.
<비교예 4>
장파장 투과필터를 전혀 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 pc-LED를 제조하였다.
<비교예 5>
비교예 1의 통상적인 장파장 투과필터를 사용하여 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 pc-LED를 제조하였다.
<비교예 6>
비교예 3의 통상적인 녹색컬러필터를 사용하여 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 pc-LED를 제조하였다.
도 20은 파장에 따른 intensity의 결과를 나타낸 그래프로서 본 발명을 통해서 제조한 실시예 1의 장파장 투과필터를 부착한 실시예 5의 형광체 전환 단색 LED와 통상적으로 알려진 장파장 투과 필터인 비교예 2 필터와 녹색칼라필터인 비교예 3필터를 부착한 녹색 형광체 전환 LED들의 발광 스펙트럼을 비교 도시하였다. 도 20에서 알 수 있듯이 비교예 1 또는 비교예 3의 필터로 형광체 전환 단색 LED 제조시 형광체에서 발광하는 녹색 스펙트럼의 효율을 떨어뜨리게 되므로 기존의 고농도 형광체를 사용해서 형광체 전환 단색 LED를 구현 방법과 마찬가지로 발광 효율면에서 형광체 전환 단색 LED를 구현하는데 적합하지 못하다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 도 20을 통해서 본 발명을 통해서 제조한 실시예 1의 장파장투과 필터를 부착한 형광체 전환 단색 LED 만이 고효율 형광체 전환 단색 LED를 구현할 수 있다는 것을 알수 있다.
CIE x CIE y 상대효율 상대휘도 색순도
실시예 5 0.27 0.64 74 590 76.4
비교예 4 0.22 0.44 102 550 34.2
비교예 5 0.27 0.64 65 490 75.6
비교예 6 0.22 0.67 51 370 74.5
표 3은 실시예 5 및 비교예 4 ~ 6의 형광체 전환 단색 LED에 대한 광학물성을 측정한 것이다. 표 3은 본 발명을 통해서 제조한 장파장 투과필터를 사용한 실시예 5가 이를 사용하지 않은 비교예 4에 비하여 휘도 및 색순도가 현저하게 우수하고 또한 본 발명의 장파장 투과필터의 범위를 만족하는 실시예 5가 이를 만족하지 못하는 비교예 5, 6에 비하여 상대효율 및 상대휘도가 현저하게 우수한 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 형광체 전환 단색 LED 소자는 그 물성이 매우 우수하므로 자동차용 조명, 헤드라이트, 인테리어 조명, 램프, 백라이트 및 가정용 조명 등에 폭넓게 활용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 청색광원;
    상기 청색광원의 상부에 구비되며, 청색광원에서 방출된 청색광을 흡수하여 500∼700nm 파장의 광을 방출하는 형광체; 및
    상기 형광체의 상부에 형성되며, 청색광은 반사시키고 500∼700nm 파장의 광은 투과시키는 장파장 투과필터;를 포함하며
    상기 장파장 투과필터는 소정의 굴절율을 가지는 제1박막과 상기 제1박막의 굴절율보다 높은 굴절율을 가지는 제2박막이 교대로 반복되어 적층되어 있는 반복층을 포함하며, 상기 제1 박막 및 제2 박막의 두께는 청색광원 반사 밴드 중심 파장 대비 실질적으로 1/4 광학두께를 가지고,
    상기 반복층의 상하부에는 최상부층과 최하부층을 구비하며 상기 최상부층 및 최하부층 중 적어도 하나의 층의 두께는 청색광원 반사 밴드 중심 파장 대비 실질적으로 1/8 광학두께인 것을 특징으로 하는 형광체 전환 단색 LED.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반복층의 최하층 및 최상층이 제1박막인 것을 특징으로 하는 형광체 전환 단색 LED.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반복층은 제1박막 및 제2박막으로 이루어진 단위체가 3개 이상 형성된 것을 특징으로 하는 형광체 전환 단색 LED.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반복층은 제1박막 및 제2박막으로 이루어진 단위체가 6개 이상 형성된 것을 특징으로 하는 형광체 전환 단색 LED.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 500∼700nm 범위의 광은 호박색, 황색, 녹색 또는 적색인 것을 특징으로 하는 형광체 전환 단색 LED.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 형광체는 평균입경이 30㎛ 이하인 분말 또는 파우더이거나 평균입경이 30㎚ 이하인 양자점인 것을 특징으로 하는 형광체 전환 단색 LED.
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