KR101530605B1 - Ｌｅｄ용 형광체 도포액 제조 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 형광체 도포액의 형광체 분산기술 및 배합기술을 이용한 고효율 LED 패키징에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LED 패키징 공정에서 백색광을 형성하기 위한 형광체 혼합물 조성에 있어서 형광체 미립자간의 뭉침현상과 침강현상을 방지할 수 있는 도포액 분산기술과 형광체 배합에 있어 백색 발광효율과 연색성이 우수한 가시광선 파장대 영역의 형광체를 선택적으로 혼합하여 구성하는 것이다.
이와 같이 제조된 형광체 도포액은 미립자간의 분산효과가 뛰어나 입자간 클러스터군의 형성이 축소되어 발광효율이 상승하며 장시간 방치시에도 형광체 입자들의 침전에 의한 상정층의 현상을 억제시킬 수 있다. 또한, 파장대별로 최적화 시킨 배합비는 연색성이나, 색온도를 크게 저하시키기 않고 백색광의 효율을 극대화 할 수 있는 특징을 가지고 있다.
이와 같이 제조된 형광체 도포액은 미립자간의 분산효과가 뛰어나 입자간 클러스터군의 형성이 축소되어 발광효율이 상승하며 장시간 방치시에도 형광체 입자들의 침전에 의한 상정층의 현상을 억제시킬 수 있다. 또한, 파장대별로 최적화 시킨 배합비는 연색성이나, 색온도를 크게 저하시키기 않고 백색광의 효율을 극대화 할 수 있는 특징을 가지고 있다.
Description
본 발명은 백색 LED 조명장치를 위한 LED 패키징에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LED의 백색광을 제조함에 있어서 연색성과 색온도를 저하시키지 않고 광변환 효율을 올릴 수 있도록, 연색성과 색온도를 개선하기 위해 첨가되는 녹색이나 적색 형광체 분말 첨가에 따른 광변환 효율의 저하를 방지하기 위해, 광변환 효율이 향상된 형광체 도포액을 제조하기 위한 파장대에 따른 형광체별 배합조건 및 기계적으로 스터러 교반, 삼본밀, 3D 믹서를 적용하고 화학적으로 분산제와 소포제를 첨가하는, LED용 형광체 도포액 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
LED(Light Emitting Diode)는 p형 반도체와 n형 반도체로 구성된 p-n 접합구조로 애노드(anode)(+)와 캐소드(cathode)(-)에 전원이 인가되면 전자(electron) 또는 정공(hole)의 재결합에 의하여 빛이 발광되며, 전자 제품의 표시용 LED, 형광등을 대체할 실내 조명, 외부 조명, LED 디스플레이, LED 광고판, 자동차 LED 등에 사용된다.
1968년 미국에서 적색 LED가 개발된 후 황색, 녹색, 청색, 백색 LED가 여러 분야에서 쓰이고 있으며, 백색 LED는 실내 조명기구로 사용이 가능하다.
LED 칩을 사용한 백색조명의 확대는 실내 조명에서부터 자동차, 지하도로 및 터널, 대형건물의 외부조명 등 다양한 분야로 확대되고 있는 추세이며, 이에 따라 고출력, 고연색성, 높은 색온도 등의 광학적 특성이 우수한 LED 패키징 기술이 요구되고 있다.
연색성(color rendering)은 조명된 사물의 색 재형 충실도를 나타내는 광원 성질이며, 연색지수(Ra)가 100에 가까울수록 연색성이 좋은 것을 의미하며, 일반적으로 평균연색지수가 80이 넘는 광원은 연색성이 좋다고 할 수 있다.
색온도(color temperature)는 완전 방사체(흑체)의 분광 복사율 곡선으로 흑체의 온도이며, 절도 온도 273℃와 그 흑체의 섭씨 온도를 합친 색광의 절대 온도로써 표시 단위로 K(Kelvin)을 사용한다. 색온도가 낮으면 오렌지색에 가까운 빛으로 되고 색온도가 높아질수록 태양광처럼 백색을 띠는 빛이 되며, 더욱 높아지면 청색에 가까운 빛이 된다. 예를들면, 색온도는 해뜨기 직전 2200K(촛불의 광색), 해뜨고 2시간 후 4000K(백색 형광등, 할로겐 램프), 정오의 태양 5800K(냉백색 형광등)이다.
이를 위해 사용되는 백색광원의 통상적인 방법은 청색파장(blue)대의 LED 칩과 황색(yellow) 형광체 도포액을 조합하여 제조하며, 색온도 및 연색성의 향상을 위해 적색(Red) 및 녹색(Green)계 형광체를 추가적으로 혼합하였다.
LED용 형광체는 LED 칩에서 발산하는 청색의 빛을 흡수하여 녹색, 황색, 적색의 빛을 발산하는 형광체가 대표적이다. 형광체는 무기화합물로 입자의 크기는 1~ 수십 ㎛이다.
이러한 3색의(Yellow+Green+Red)형광체의 배합기술은 색온도 및 연색성을 개선시키는 효과가 있으나, 상대적으로 광변환 효율이 저하되는 트레이드 오프(trade off) 효과를 가지게 된다. 이를 개선시키기 위해 최근 색온도 및 연색성이 낮은 황색(Yellow) 형광체를 배제하고, 광효율이 높은 녹색 및 적색 형광체 만을 혼합하여 백색광을 제조하고 있다. 일예로, 광효율을 크게 저하시키지 않고 연색성을 높일 수 있는 카즌(CAZN)계 적색형광체가 개발되어 적용되고 있는 추세이다.
그러나, 날로 높아져 가고 있는 백색 LED 조명의 고효율에 대한 요구를 충족시키기 위해 종래의 3색(Y+G+R)이나 2색(G+R) 혼합방식에는 한계점을 가지고 있다. 예를 들면, 청색 LED 칩위에 YAG계 황색형광체를 도포하였을 경우 일부 빛은 형광체에 흡수되고 일부 빛은 그대로 통과하게 된다. 이때, LED용 형광체에 흡수된 450nm 파장의 에너지는 형광물질을 여기시켜 재방출시킴으로써 500~600nm 파장대를 갖는 적색(Red)및 녹황색(yellow-green)을 방출시키면서 형광체에 흡수되지 않은 블루파장과 혼합하여 백색광을 만들게 된다.
또한, 기존의 형광체 도포액을 사용하여 LED 칩위에 디스펜싱하는 공정에는 작업시간이 길어지게 됨에 따라 도포액내 형광체 미립자의 침전물이 발생하여 상정층이 형성되거나 형광체 미립자간의 엉킴형상으로 인해 클러스터 군이 형성되어 광효율의 저하, 광착색등의 문제점이 나타나고 있다.
이러한 원인으로는 형광체 도포용액의 용매로 사용되는 실리콘 수지는 형광체 입자의 비중보다 낮기 때문에 형광체 입자들이 침강되기 때문이다. 이러한 비중차와 입자간 표면장력으로 인해 형광체 도포액내 입자들간의 뭉침현상과 침전현상들이 쉽게 발생되어 진다.
형광체 도포액의 분포되는 입자들이 충분히 안정화 되지 않았을 때 나타나는 문제점으로는 점도 상승, 층간분리로 인한 상정층 발생, 색분리, 광효율 저하등의 문제점이 나타나게 된다.
뿐만 아니라 연색성이 우수한 백색광원을 위해 혼합되는 황색(Y), 녹색(G) 및 적색(R)의 형광체는 각각 형광체 표면의 전하량 및 대전도가 틀리며 특히, 녹색인 경우 여기에너지가 크며 대전도가 높기 때문에 전기이온도가 큰 물질을 사용하는 경우 응집되기 쉬운 문제점을 안고 있다.
종래 전기 음성도가 큰 원소를 포함하는 산화물, 불소나 붕소 화합물등을 첨가하여 형광체 입자에 코팅함으로써 형광체의 열화현상을 방지하는 방법이 사용되어지고 있다. 이러한 표면코팅방식은 대전도가 커서 형광체 입자들의 뭉침현상을 촉발시킴으로써 도포액내 분산효과를 떨어뜨린다. 이러한 문제점을 극복하고자 카르복실산 아민염 등과 같은 계면활성제를 사용하여 형광체 입자 표면에 전하량을 조절함으로써 상호간의 응집되는 현상을 제어하는 방법도 이용되고 있다. 그러나, 이러한 계면활성제들은 형광체 입자들에 비해 분자량이 커서 소수의 첨가량으로는 분산효과를 얻기가 어려우며 과량 첨가시 침전물이 발생되거나 소성후 형광체 도포액내 잔존물로 남아 있어 발광효율을 떨어뜨리는 주요 원인으로 작용되고 있다.
최근, 형광체 도포액을 제조하지 않고 폴리머 수지및 경화제를 용매에 혼합시킨후 폴리머 슬러리를 필름 위에 도포한 후, 반 경화시킨 상태에서 형광체를 고르게 코팅한 형광체 수지필름을 제조하고 있다 이러한 방법을 통해 형광체 분말의 침천, 이로 인한 광학특성의 저하및 도포액의 토즐(dispensing)시 발생하는 도포량의 오차 등을 개선할 수 있다.
고효율, 고연색성을 갖는 LED 백색광은 청색 LED 칩에 녹색과 적색을 혼합하여 얻어진 백색광으로써 460~680nm 파장영역에서 450nm 피크파장과 550~650nm의 브로드한 피크영역을 가지고 있다. 통상적으로 요구되는 연색성 80Ra, 색온도 6000K의 CIE 색좌표값은 x=0.35, y=0.35를 기준으로 하고 있으나, 청색 LED 칩위에 황색형광체를 도포하는 방법에 있어서는 높은 연색성과 색온도를 구현하기가 어려운 문제점을 가지고 있다.
연색성 및 색온도를 개선시키기 위한 방법은 녹색(green)과 적색의 형광체를 추가적으로 첨가하여 연색성 및 색온도 값을 개선시키고 있으나 이러한 삼색의 혼합방식은 발광효율이 저하되어 고효율 백색조명을 구현시키는데 한계점을 안고 있다.
따라서, 발광효율을 크게 저하시키기 않고 색온도나 연색성을 개선시킬 수 있는 녹색이나 적색 파장대를 갖으며 발광효율이 우수한 녹색(G) 및 적색(R) 형광체를 적용하는 방법으로 루악(LuAG)계 녹색 형광체나 카즌(CAZN)계 적색형광체도 적용되어져 색좌표의 시프트(shift)현상을 개선시키고 있으나 고효율 백색조명을 달성하기에는 충분하지 못한 상황이다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 LED 패키징 공정에서 고출력 LED에 적합한 형광체 배합과 분산기술 및 그의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 LED의 백색광을 제조함에 있어서 연색성(color rendering)이나 색온도(color temperature)를 저하시키지 않고 광변환 효율을 올릴 수 있는 최적의 배합비를 구성하며, 연색성과 색온도를 개선하기 위해 첨가되는 그린이나 적색 형광체 첨가에 따른 광변환 효율의 저하를 억제하기 위함이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하고자 그린블루 파장대를 갖는 형광체 분말과 450 ~ 550nm 파장대를 갖는 G+R 2원색의 형광체를 혼합하여 연색성 개선을 위해 650nm 파장대를 갖는 적색형광체의 첨가량을 최소화 시킴으로써 광변환 효율을 크게 훼손시키지 않으면서 연색성이나 색온도를 개선시키는 LED 발광효율이 향상된 형광체 분산액 제조 방법을 제공하고자 한다.
또한, Y+G+R 삼색의 형광체를 배합하는 경우 형광체가 가지는 입자사이즈 및 혼합 밀도에 따라 발생되는 응집현상들은 도포액 제조시 침전물 및 색균일도 저하등의 문제점들을 나타내고 있다. 특히 형광체 입자가 클 경우 초기 발광효율은 우수하나 황색(Y), 녹색(G) 및 적색(R) 각각의 형광체 분말들을 혼합할 경우 CIE 색좌표의 시프트 현상이 크게 작용하게 된다.
이러한 원인으로는 형광체 분말의 입자사이즈가 클수록 형광체의 발광효과는 좋으나 주위에 혼합된 형광체 입자들간의 비표면적간의 접촉면적이 크게 줄어들기 때문에 각각의 파장대별로의 색혼합율이 저하되는 것으로 보여진다. 이는 분산효과가 떨어질수록 색좌표의 시프트 현상이 심화되는 원인이기도 하다.
이를 해결하기 위해 본 발명은 LED용 형광체 도포액을 제조함에 있어 형광체 입자들이 도포액내에서 균일하고 안정적으로 분산되게 하기 위한 기계적, 화학적 방법을 적용함으로써 형광체 입자들간 균일한 비표면적과 접촉면적을 유지할 수 있도록 하고자 한다.
화학적 방법으로는 계면활성제를 통한 분산도 기여와 탈포제를 통해 실리콘 수지내 혼합되는 형광체 분말 혼입시 기포 제거를 구현하며, 기계적 방법으로는 3D 믹서 및 3-roll mill에 의한 형광체 분말간 고른 입자들이 분산될 수 있는 방법을 구현하여 침강에 의한 상정층 형성을 억제시킬 수 있는 제조방법을 제공하기 위함이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, LED용 형광체 도포액 제조 장치는 LED의 연색성과 색온도를 개선시키기 위한 형광체 도포액을 주입하는 장치에 있어서, LED 패키징 공정에서 백색광을 형성하기 위한 형광체 혼합액 조성을 위한 장치로서, 바인더 100 중량부 당 형광체 분말 45~60 중량부로 혼합된 형광체 혼합액을 교반하는 스터러 교반기(100); 압축력 및 인장응력을 가해 실리콘 수지 또는 세라믹계 수지와 형광체 분말을 혼합시 분말들의 뭉쳐진 형광체 입자들을 효과적으로 분산하며 지르코니아 또는 알루미나로 이루어진 복수의 압축 인장용 롤밀(roll mill)을 구비하는 삼본밀(3 roll mill)(200); 1 torr의 진공도를 갖는 진공상태에서 교반시 공전과 자전을 하여 기포발생을 최대한 억제하는 공전 믹서(310)와 자전 믹서(320)를 구비하는 3D 믹서(300);를 구비하며,
상기 스터러 교반기(100)에서 상기 형광체 혼합액에 분산제와 소포제를 첨가하여 생성된 형광체 도포액을 사용하여 청색 LED 칩 위에 디스펜싱하는 디스펜싱 공정을 위한 장치로서,
타이머로 설정된 일정 토출 시간 주기로 토출량을 고정하여 스위치 버튼을 사용하여 일정 횟수 주입(디스펜싱)하여 형광체 도포액을 토출시키는 디지털 디스펜서;를 포함하며,
상기 형광체 혼합액에 분산제 및 소포제를 첨가함에 따라 미립자 응집현상을 방지하고 침전물을 억제하는 형광체 도포액을 조성하여, 이를 LED 칩에 디스펜싱하하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해, LED용 형광체 도포액 제조 방법은 LED 패키징 공정에서 백색광을 형성하기 위한 형광체 혼합물 조성에 있어서, 야그(YAG)계 450nm 파장영역을 갖는 청색 LED 칩을 구비하며, 형광체 분말이 황색 형광체 분말과, 루악(LuAG) 계 530~550 nm 파장영역을 갖는 녹색 형광체 분말과, 카즌(CAZN)계열 적색형광체 분말 및/또는 블루그린 형광체 분말을 사용하며, 상기 형광체 분말의 평균입도가 10 ~ 15㎛인 분말을 적용하는 제1 공정; 상기 제 1공정에서 얻은 형광체 분말(120)에 바인더 100 중량부 당 형광체 분말 45~60 중량부로 혼합한 후 스터러 교반기(100)를 통해 소정시간(30분) 동안 2000~3000 rpm 교반속도로 교반하는 제2 공정; 삼본밀(3 roll mill)(200)의 압축 및 인장용 롤밀(230) 사이의 갭은 0.01~0.5 mm로 유지하고 회전속도는 100 rpm으로 고정시킨 후, 상기 제 2공정에서 얻어진 뭉쳐친 상태의 형광체 혼합액을 복수의 압축 인장용 롤밀(230)에 투입시켜가압 분산하는 제3 공정; 및 상기 제 3공정에서 가압 분산된 형광체 혼합액을 3D 믹서(300)에 의해 2000 rpm의 속도로 자전믹서(320)의 자전 및 공전믹서(310)의 공전을 통해 소정 시간 동안 1 torr의 진공상태에서 혼합을 실시한 후 형광체 도포액을 생성하는 제4 공정;을 포함하며,
상기 제2 공정에서 바인더 100 중량부 당 형광체 분말 45~60 중량부로 혼합합시에 바인더 100 중량부에 대해 분산제 0.1~3 중량부, 소포제 1~3 중량부를 첨가하여 상기 형광체 도포액의 미립자의 응집현상을 방지하고 침전물을 억제하도록 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 LED 패키징 공정에서 백색광을 형성하기 위한 형광체 혼합물 조성에 있어서 고출력 LED에 적합한 형광체 분산액 및 광효율이 향상된 제조방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
이와 같이 제조된 형광체 도포액은 미립자간의 분산효과가 뛰어나 입자간 클러스터군의 형성이 축소되어 발광효율이 상승하며 장시간 방치시에도 형광체 입자들의 침전에 의한 상정층의 현상을 억제시킬 수 있다. 또한, 파장대별로 최적화 시킨 배합비는 연색성이나, 색온도를 크게 저하시키기 않고 백색광의 효율을 극대화 할 수 있는 특징을 가지고 있다.
본 발명은, 기계적 분산 및 화학적 분산을 이용하여 형광체간 미립자의 뭉침현상을 방지하고, 고른 분포도를 갖는 형광체 도포액을 제조함으로써 발광효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 백색광을 구현하기 위해 혼합되는 형광체들의 가시광 영역의 파장대별 고연색성과 고효율을 유지하기 위해 적색 형광체의 첨가량을 줄이고 효율을 극대화 시키기 위해 460~495nm 파장대의 형광체를 선택적으로 적용시켜 연색성 및 발광효율을 극대화시킬 수 있다.
본 발명은 기계적, 화학적 분산기술을 적용하여 분산도가 우수한 형광체 도포액이 얻어지기 때문에 색도의 분균일성과 형광체 미립자의 침전물 발생효과를 억제시킬 수 있다. 또한 본 발명에서는 연색성이나 색온도를 크게 저하시키지 않으며 발광효율을 극대화 할수 있도록 YGR(Yellow+Green+Red)의 3색의 형광체외에 블루그린 파장대의 형광체를 혼합시킴으로써 80Ra 이상의 높은 연색성과 발광효율을 갖는 LED 패키징 제품을 제조할 수 있게 되었다. 따라서 본 발명에 의해 제조된 패키징 제품은 우수한 연색성 및 발광효율 특성을 가지므로 백색 LED 조명장치에 있어 핵심적인 고효율, 고연색성 광학특성을 갖는 차세대 조명장치 산업에 활용가치가 크다.
아울러 공정상 작업시간으로 인해 장시간 방치시에도 형광체 입자들의 침전에 의한 상정층의 현상을 억제시킬 수 있으므로 색의 불균일성 및 효율 저하를 방지할 수 있으므로 제품신뢰성 향상 및 비용절감에 기여하는 바가 크다.
따라서, 본 발명은 첨가된 형광체 입자들의 고른 분산 용액의 제조방법과 적색형광체의 첨가량을 최소화 시키며 고연색성 및 고효율의 백색 LED 조명의 구현이 가능하도록 하는 효과를 제공한다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 수지와 형광체와 분산제와 탈포제가 첨가된 혼합액의 분산 및 배합공정도이다.
도 1b는 실리콘 수지와 혼합전 형광체 입자(410), 혼합 분산후 형광체 도포액(510)을 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예 3의 따른 기포 발생현상을 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2의 따른 입자의 응집현상 및 상정층이 나타난 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 4에 따른 형광체 도포액 제조 공정 방법을 설명한 플로챠트이다.
도 5는 본 발명의 실시예 5에 따른 블루그린 형광체 첨가에 의한 발광 기구이다.
도 6은 본 발명의 실시예 5에 따른 백색 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예 5에 따른 CIE 색좌표 도면이다.
도 1b는 실리콘 수지와 혼합전 형광체 입자(410), 혼합 분산후 형광체 도포액(510)을 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예 3의 따른 기포 발생현상을 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2의 따른 입자의 응집현상 및 상정층이 나타난 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 4에 따른 형광체 도포액 제조 공정 방법을 설명한 플로챠트이다.
도 5는 본 발명의 실시예 5에 따른 블루그린 형광체 첨가에 의한 발광 기구이다.
도 6은 본 발명의 실시예 5에 따른 백색 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예 5에 따른 CIE 색좌표 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 백색 LED 조명장치를 위한 LED 패키징에 있어서 형광체 분산액 및 도포액 배합 제조기술에 관한 것이다.
[1] 실리콘계 수지와 혼합되는 형광체 및 분산제로 구성되며 고효율 및 고연색성을 위한 파장대별 선택적 혼합의 배합방식
[2] 상기 형광체 도포액으로 사용되는 형광체는 파장대별로 옐로우(Y), 그린(G), 적색(R)계열의 파장대를 가지며 460~495nm 파장대를 갖는 가시광선 영역의 블루그린(bluegreen) 형광체가 추가로 혼합되는 배합방법
[3] 바인더 100 중량부 당 YGR 형광체 분말 45~60 중량부에 대하여, 460~495nm 단파장대 가시광선 영역의 블루그린 형광체 분말을 3~7 중량부를 소량 추가함으로써 적색 형광체의 첨가량을 늘이지 않고도 80Ra 이상의 연색성과 색온도를 개선시키는 배합방법
[4] 상기 혼합된 용액을 자공전을 하는 3D 믹서(3D mixer) 및 삼본밀(3-roll mill)을 이용하여 기계적으로 분산하는 공정을 포함하는 제조방법
[5] 바인더 100 중량부 당 형광체 분말 45~60 중량부에 대하여, 바인더 100 중량부 당 첨가되는 분산제 및 소포제에 대하여 분산제 0.1~3 중량부를 첨가하고 소포제 1~3 중량부를 첨가하여 화학적으로 형광체 도포액의 미립자의 응집현상을 방지하고 침전물을 억제하는 제조방법
LED 패키징 공정에서 백색광을 형성하기 위한 형광체 혼합물 조성에 있어서 바인더 100 중량부 당 형광체 분말 45~60 중량부로 혼합된 형광체 혼합액을 조성하며,
바람직하게는, 바인더 100 당 첨가되는 분산제에 대하여, 분산제는 0.1~3 중량부로 첨가된다.
바인더 100 당 첨가되는 소포제(탈포제, 기포억제제)에 대하여 소포제는 1~3 중량부를 첨가하는 것이 바람직하다.
바인더는 굴절율 1.5 이상의 실리콘 수지 또는 무기물로 된 세라믹계 수지를 사용한다.
상기 형광체 분말은 황색(Y)형광체 분말과 녹색(G)형광체 분말과 적색(R) 형광체 분말을 혼합한YGR형광체 분말, 또는 상기 YGR 형광체 분말 추가로 460~495nm 단파장대를 갖는 블루그린 형광체 분말을 혼합하되, 상기 YGR형광체 분말 100 중량부 당 상기 블루그림 형광체 분말이 3~7 중량부의 형광체 분말을 혼합하여 발광효율(Radiant Power, %)과 연색성과 색온도를 개선시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 기계적, 화학적 분산기술을 적용하여 분산도가 우수한 형광체 도포액이 생성되기 때문에 색도의 분균일성과 형광체 미립자의 침전물 발생을 억제시킬 수 있다. 또한, 연색성이나 색온도를 크게 저하시키지 않으며 발광효율을 극대화 할수 있도록 YGR(Yellow+Green+Red) 형광체 분말 외에 450~495nm 파장을 가진 블루그린 형광체 분말을 혼합시킴으로써 80Ra 이상의 높은 연색성과 발광효율을 갖는 백색광을 내는 LED 패키징 제품을 제조한다.
기존에는 백색광을 형성하기 위해 일반적으로 450nm 블루파장을 갖는 청색 LED chip 위에 황색(yellow) 형광체를 도포하여 백색광을 형성시키지만, 이 경우 연색성과 색온도가 낮아 실내 조명용으로 사용하기에는 적합하지 않다. 이를 개선하기 위해 적색(R) 형광체 및 녹색(G) 형광체를 추가적으로 혼합하여 연색성과 색온도를 개선시킨다.
이때 혼합되는 각각의 황색(Y), 녹색(G) 및 적색(R) 형광체는 Y:G:R = 30:65:5 정도가 바람직하며, 리드프레임의 컵사이즈에 따라 배합 비율은 조금씩 달라질 수 있다.
상기 분산제(분산용매)로는 퓸드실리카(fumed silica)를 사용할 수 있으며, 분산제 첨가량은 바인더 100 당 첨가되는 분산제에 대하여, 상기 분산제는 0.1~3 중량부를 첨가하는 것이 바람직하며, 분산제의 첨가량이 너무 적을 경우, 너무 많은 분산제를 첨가하게 되면 형광제 입자 상호간의 작용으로 인해 침전물이 형성될 우려가 있다.
바인더 100 중량부 당 첨가되는 분산제에 대하여, 분산제는 0.1 ~ 3 중량부 범위내에서 첨가하며 첨가되는 분산제는 1 중량부인 것이 바랍직하다.
분산제의 비점은 200℃이하인 것이 바람직하다. 형광체 도포액의 큐어링 온도는 사용되는 실리콘 수지의 경화온도에 맞추어 진행되므로, 통상 150~160℃에서 2~3 hr 시간 동안 경화시키므로 경화온도보다 비점이 높은 용매를 사용할 경우 완전 경화후 형광체 도포액 내 잔존물이 과다로 남게 되거나 잔탄(residual carbon)이 형성되어 발광 형광체의 악영향을 미치게 된다. 분산제의 비점이 너무 낮게 되면, 실리콘 수지 및 형광체 수지가 반경화 상태로 진행되기 전에 형광체 도포액 내에서 급속히 빠져나가게 되 형광체 도포액내 기포탈거에 의한 공공(vacancy)를 형성시켜 LED 발광효율에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다.
분산제의 극성은 통상적으로 네거티브(-)를 사용하는 것이 일반적이며, 혼합되는 각각의 형광체 입자표면전하를 고려하여 선택적으로 사용하는 것이 바람직하다. 분산제를 혼합하는 데 있어서는 형광체 분말과 실리콘 수지를 혼합하기 전, 분산제 및 알코올(Alchol)계로 솔벤트 수지를 혼합하여 제1용액을 제조한다. 이때, 사용되는 솔벤트(solvent)는 알코올(Alchol)계로써 분산제와 혼합성이 좋으며 쉽게 휘발될 수 있는 용매를 사용한다.
이렇게 제조된 제1용액을 통해 분산제가 충분한 극성을 유지하며 고르게 용매내에 분산시키는 효과를 가짐으로써 실리콘 수지 및 형광체 분말을 혼합시 형광체 혼합액의 뭉침현상을 억제하고 고르게 분산된 도포액을 제조할 수 있게 된다.
제1용액과 실리콘 수지 및 형광체 분말을 혼합시, 바이더 100 중량부 당 첨가되는 소포제에 대하여, 소포제(탈포제)를 1~3 중량부 소량 첨가하는 것이 바람직하다. 일반적으로 점도가 높은 실리콘 수지내 미립자의 형광체 분말들이 혼입시 대기중에 존재하는 공기입자들이 같이 혼입되어 도포액내에 다량의 기포들을 발생하게 된다. 이를 방지하기 위해 소포제를 첨가시키며, 소포제가 과량 첨가될시, 경화후 도포용액내에 잔탄(residual carbon)을 발생시키기 때문에 소포제를 소량 첨가한다. 예를들면, 소포제는 형광체 혼합액의 기포를 최소화 하기 위해 사용된다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 형광체 혼합액의 분산 및 배합공정도이다.도 1b는 실리콘 수지(420)와 혼합전 형광체 입자(410), 혼합 분산후 형광체 도포액(510)을 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예 3의 따른 기포 발생현상을 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2의 따른 입자의 응집현상 및 상정층이 나타난 사진이다.
도 1a를 참조하면, LED의 연색성과 색온도를 개선시키기 위한 형광체 도포액을 주입하는 장치에 있어서, LED 패키징 공정에서 백색광을 형성하기 위한 형광체 혼합액 조성을 위한 장치로서, 바인더 100 중량부 당 형광체 분말 45~60 중량부로 혼합된 형광체 혼합액을 교반하는 스터러 교반기(100); 압축력 및 인장응력을 가해 실리콘 수지 또는 세라믹계 수지와 형광체 분말을 혼합시 분말들의 뭉쳐진 형광체 입자들을 효과적으로 가압하여 분산하며 지르코니아 또는 알루미나로 이루어진 복수의 압축 인장용 롤밀(roll mill)을 구비하는 삼본밀(3 roll mill)(200); 1 torr의 진공도를 갖는 진공상태에서 교반시 공전과 자전을 하여 기포발생을 최대한 억제하는 공전 믹서(310)와 자전 믹서(320)를 구비하는 3D 믹서(300);를 구비하며,
상기 스터러 교반기(100)에서 상기 형광체 혼합액에 분산제와 소포제를 첨가하여 생성된 형광체 도포액을 사용하여 청색 LED 칩 위에 디스펜싱하는 디스펜싱 공정을 위한 장치로서,
타이머로 설정된 일정 토출 시간 주기로 토출량을 고정하여 스위치 버튼을 사용하여 일정 횟수 주입(디스펜싱)하여 형광체 도포액을 토출시키는 디지털 디스펜서;를 포함하며,
상기 형광체 혼합액에 분산제 및 소포제를 첨가함에 따라 미립자 응집현상을 방지하고 침전물을 억제하는 형광체 도포액을 조성하여, 이를 LED 칩에 디스펜싱하하는 것을 특징으로 한다.
압축 인장용 롤밀(roll mill)(230)은 뭉쳐진 형광체 혼합액의 입자들을 기계적으로 가압(압축)하여 분산(인장)하는 기능을 한다.
3D 믹서(300)는 중심축의 커터가 자전하는 자전 믹서(320)와 바같통이 공전하는 공전 믹서(310)를 구비한다.
상기 바인더는 굴절율 1.5 이상의 실리콘 수지, 또는 무기물로 된 세라믹계 수지를 사용한다.
상기 형광체 분말은 황색(Y)형광체 분말과 녹색(G)형광체 분말과 적색(R) 형광체 분말을 혼합한 Y:G:R = 30:65:5 인 YGR 형광체 분말, 또는 상기 YGR 형광체 분말에 추가로 460~495nm 단파장대를 갖는 가시광선 영역의 블루그린 형광체 분말을 혼합하되, 상기 YGR 형광체 분말 100 중량부 당 상기 블루그린 형광체 분말이 3~7 중량부의 형광체 분말을 혼합하여 발광효율(Radiant Power,%)과 80 Ra 이상의 연색성과 색온도를 개선시키는 것을 특징으로 한다.
삼본밀(3 roll mill)(200)에서 가압 분산을 위한 기계적인 교반은 자전 및 공전을 사용한 원심력을 이용한 것으로, 바인더(실리콘 수지)와 형광체 분말을 혼합시 분말들의 뭉침에 응집력이 클 경우 효과적으로 분산 효과를 기대하기 어려운 경우가 발생한다. 이 경우 삼본밀(3 roll mill)(200)을 통해 3개의 압축 인장용 롤밀(230)을 사용하여 뭉쳐진 형광체 혼합액에 압축력 및 인장응력을 가해줌으로써 뭉쳐진 형광체 입자들을 효과적으로 분산하는 효과를 갖게 된다.
혼합한 형광체 도포액은 3D 믹서(300)와 스터러 교반기(100)를 통해 진공 상태에서 1차 교반을 실시한다. 이때, 3D 믹서(300)에서 1차 교반은 자전 및 공전이 가능한 자공전 교반이 바람직하며, 교반시 진공상태에서 자공전을 하여 기포발생을 최대한 억제시킬 수 있다. 이때, 3D 믹서(300)의 진공도는 1 torr인 진공 상태를 유지하며, 스터러 교반기(100)의 교반시간은 30분, 2000~3000rpm 교반 속도를 유지한다. 3D 믹서(300)의 자공전 교반이 끝난 후, 삼본밀(3 roll mill)(200)을 통해 기계적 교반을 실시한다. 형광체 입자들의 기계적 분산 방법은 볼밀이나 삼본밀(3 roll mill) 등이 있으며, 삼본밀(3 roll mill)은 분산효과가 뛰어나 형광체 입자들의 고른 분산을 유도시킨다. 이때, 형광체 혼합액의 교반은 교반밀 교반조건을 조정함으로써 분산된 형광체 혼합액에서 형광체 입자들의 침전을 방지할 수 있다. 바람직하게는, 삼본밀(200)에 사용되는 밀(mill)은 지르코니아 또는 알루미나를 사용한다. 혼합되는 바인더의 수지들의 화학적 반응을 방지하고 첨가된 용액들의 물성을 유지하기 위해 화학적 내구성이 강한 밀을 사용해야 하며, 스틸이나 일반 금속인 경우 물성 특성이 변하게 되면 형광체 도포액의 광학적 특성에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다.
또한, 압력 조건에 있어서 삼본밀(200)의 압축 인장용 롤밀(230) 사이의 갭은 0.01~0.5 mm에서 조절하는 것이 바람직하다. 압축 인장용 롤밀(230) 사이의 갭은 사이가 좁아 형광체 혼합액 내의 압축 및 인장력이 높을 경우 분산효과는 뛰어나지만 혼합된 형광체 분말들이 미립자화되어 발광효율의 저하 및 설계된 배합기준이 변질될 수 있다. 압축 인장용 롤밀(230) 사이의 갭이 너무 넓게 되는 경우, 압축 및 인장력이 떨어져 기계적인 분산효과가 저하될 수 있으며, 압축 인장용 롤밀 사이의 갭을 조절할 경우, 제조된 도포액의 점도 및 물성을 고려하여 최적화하여 진행시킨다.
형광체 도포액 제조시, 바인더(실리콘 수지) 100 중량부 당 형광체 분말 45~60 중량부에 대하여, 통상적으로 형광체 분말을 45~60 중량부를 첨가시켜 주는 것이 바람직하며, 형광체 분말의 입도는 D50 = 10~15㎛가 적당하다. 형광체 분말의 입자사이즈가 15㎛ 이상일 경우, 발광효율은 증대하나 녹색(G) 및 적색(R) 형광체를 혼합할 경우 색좌표의 시프트(shift)현상이 심해지며 이는 연색성 및 색온도를 저하시키게 된다.
본 발명에서 사용되는 형광체 분말은 평균입도 D50 = 10~15㎛가 바람직하며, 적색으로는 카즌(CAZN)계 형광체를 사용하는 것이 바람직하다. 카즌계 형광체는 발광효율을 크게 저하시키지 않고, 색온도나 연색성을 개선시키는데 효과적인 차세대 적색 형광체이다.
본 발명의 형광체 도포액에 사용되는 형광체 분말의 입도(입경)는 10 내지 15 ㎛인것이 바람직하고, 형광체 분말의 입도가 15㎛ 보다 커지면 형광체 도포액 내 침전 현상이 발생하기 쉽고 입자가 너무 작아도 형광체 분말의 응집 현상이 발생하기 쉬어진다.
본 발명의 도포액의 사용되는 형광체 분말의 비표면적은 1000m2/Kg내지 1200m2/Kg인 것이 바람직하다. 1000m2/Kg보다 작을 경우 첨가하는 분산제 및 탈포제와의 혼합시 첨가된 수지들과의 혼합도가 낮아져 분산성 효과를 거두기가 어려우며 1200m2/Kg보다 클 경우 흡착 및 응집현상이 발생하기 쉬워 침전물이 발생하기 쉬워진다.
형광체 도포액을 제조하는 용매로는 에폭시 계열과 실리콘 계열이 주로 많이 사용되어지나 일반적으로 실리콘 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 에폭시계열은 내열성 및 내화학성에 취약하므로 이를 개선하고 굴절율이 우수한 실리콘 계열을 사용하며 이때의 굴절율은 1.5 정도의 것을 선택하여 제조한다.
최근, 고출력 LED 칩을 사용하는 LED 패키징 제조가 요구되면서 실리콘 수지의 황변 및 크랙현상들을 억제하고자 세라믹 계열의 수지들이 개발 적용되고 있으나 투과성 80% 이상, 굴절율 1.5 이상의 광학적 특성을 만족하지는 못하고 있는 현실이다. 실리콘계 수지를 용매로 사용할 경우 실리콘 수지 100 중량부에 대하여 형광체 분말 45~60 중량부를 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 형광체 분말의 배합량의 결정은 리드프레임의 컵의 용량에 의해 최적화하는 것이 중요하며 컵용량이 커질수록 배합밀도를 줄이며 컵용량이 작을수록 배합밀도를 높이는 것이 바람직하다. 청색 LED 칩의 출력용량에 따라 리드프레임의 컵사이즈 및 높이의 최적화를 설계하며, 이때 설계된 컵사이즈에 따라 실리콘 수지 대비 형광체 혼합밀도는 저밀도의 경우 실리콘 수지 100 중량부에 대하여 형광체 분말 20~30 중량부가 적당하며, 적은 컵사이즈를 적용할 경우 실리콘 수지 100 중량부에 대하여 형광체 분말 45~60 중량부를 가진 형광체 분말을 혼합하여 제조한다.
형광체 도포액을 제조함에 있어서, 바인더 100 중량부에 대하여 형광체 분말들의 함유량은 35 내지 70 중량부 인 것이 바람직하다. 사용되는 바인더는 에폭시, 실리콘 수지, 무기물로 된 세라믹 계열 수지를 사용하며, 투과성이 우수하며 굴절율이 1.3 ~ 1.5 정도를 유지하는 것이 바람직하다.
이어, 본 발명에 구체적인 실시예 및 구체적인 조건과 결과값에 대해 정리한다. 본 발명에 사용될 수 있는 형광체의 배합비 또는 형광체별 파장특성은 사용되어지는 리드프레임의 물성특성 및 컵사이즈 등의 구조적 차이에 따라 선택적으로 다양하게 실시할 수 있다.
[비교예 1]
비교예 1은, 본 발명에 따른 분산공정 없이 단순 믹싱 방법을 통해 제조한 형광체 도포액을 비교하였다. 도 2는 소포제(탈포제)를 사용하지 않거나 대기압 상태에서 도포액을 혼합시, 투명한 형광체와 실리콘 수지(1) 내에 혼입된 기포(2)를 나타냈다. 이러한 형광체 도포액내 존재하는 미량의 기포(2)는 LED 패키징 제품의 신뢰성을 저하시키고 광학적 특성을 크게 저하시키는 요인으로 작용하게 된다.
[비교예 2]
비교예 2는, 본 발명에 따른 분산제의 첨가 및 기계적 분산공정을 거치지 않고 일반 혼합하였을 경우 발생되는 입자의 뭉침현상을 비교하였다. 도 3은 단순 자공전을 통해 교반시켜 도포액을 제조시 발생되는 응집 형광체 미립자(3)들의 분포현상을 나타냈으며 응집된 미립자들은 빠른 속도로 침강하여 고분자 수지가 상정층 상부(4)와 형광체 미립자들은 상정층 하부(5)로 분리되어 침전물을 발생되게 된다.
[비교예 3]
비교예 3은, 본 발명에 따른 블루그린대 파장특성을 갖는 형광체를 추가적으로 혼합하지 않고 기존 옐로우+그린+적색(Y+G+R) 혼합 또는 그린+적색 혼합시 나타난 LED 백색광원의 파장특성을 비교하였다. 도 6은 옐로우+그린+적색 형광체를 혼합(7)한 경우와 그린+적색 형광체를 혼합(8)한 경우 및 (7)+블루그린 형광체를 혼합시 나타난 파장(6)을 나타냈다. (7)의 경우 (6)과 (8)의 비해 450nm 블루 파장대의 피크강도가 줄어들었으며, 폭넓은 500~650nm의 파장대를 갖게 된다. 소량 첨가된 블루그린 형광체에 의해 폭넓은 가시광대 파장대를 나타냄으로써 색좌표의 개선 및 광학적 효율 특성향상에 기여하게 된다.
[실시예 1]
① 제 1공정:
야그(YAG, yittrium aluminium garnet)계 450nm 파장영역을 갖는 청색 LED 칩을 구비하고, 형광체 분말은 황색과, 루악(LuAG, lutetium aluminum garnet) 계 530~550 nm 파장영역을 갖는 녹색과 적색형광체는 카즌(CAZN)계열을 사용하였으며 평균입도는 D50 = 10 ~ 15㎛인 분말을 적용하였다. 최근, 연색성 개선이 우수하고 광효율의 저하율이 적은 차세대 카즌 (CASN)계와 s-카즌(SCASN) 계가 개발되고 있으며, 높은 휘도(luminance)와 신뢰성 특성을 가지고 있어 기존 적색 형광체 보다 우수한 광학적 특성을 가지고 있다.
② 제 2공정:
도 1a에 도시된 바와 같이, 제 1공정에서 얻은 형광체 혼합물(120)에 실리콘계 수지를 바인더(실리콘계 수지) 100 중량부 당 형광체 분말 45~60 중량부로 혼합한 후 스터러 교반기(100)를 통해 소정시간(30분) 동안 2000~3000 rpm 교반속도로 교반시킨다. 이때 교반기(100)의 스터러 타입(110)은 충진된 형광체 혼합액 전체가 충분히 교반되도록 적당한 면적을 선택하여 진행하였다. 이때, 스터러 교반기(100)의 교반 속도는 2000~3000 rpm으로 고정하였다.
③ 제 3공정
도 1a에 도시되 바와같이, 삼본밀(3 roll mill)(200)의 압축 인장용 롤밀 사이의 갭은 0.01~0.5 mm로 유지하였으며, 회전속도는 100 rpm으로 고정시킨 제 2공정에서 얻어진 혼합물(혼합된 형광체 입자)(120)을 투입시켜 압축 입장용 롤밀(230)을 통해 압축 및 인장력으로 가압 분산후 형광체 혼합용액을 회수하였다.
④ 제 4공정
도 1a에 도시된 바와 같이, 제 3공정에서 회수된 혼합물을 3D 믹서(300)에 의해 2000 rpm의 속도로 자전믹서(320)의 자전 및 공전믹서(310)의 공전을 통해 15분~20분 동안 진공상태 1 Mpa로 고속진공 혼합을 실시한 후 최종 형광체 도포액 혼합물을 얻었다.
[실시예 2]
실시예 1과 동일한 방법으로 수행하되, 제1 공정에서 저분자량의 습윤분산제를 사용하였다. 저분자 습윤분산제는 혼입되는 무기물계 형광체 입자들과 강한 친화력을 가지며 입자 표면과 분산제의 극성 head 부분과의 결합이 용이하다. 이러한 저분자량 습윤 분산제는 폴리에스테르 폴리아마이드산, 고분바 카르복신산염, 폴리아민 아마이드의 카르복실릭산염, 폴리실록산, 고분자 불포화 카르복실릭산, 고분자 카르목실릭산 암모늄염 중 어느하나가 사용되며, 추가적으로 퓸드 실리카(fumed silica)가 사용된다.
분산제의 저분자량의 습윤분산제와 퓸드 실리카(fumed silica)를 각각 섞어 사용할 수 있다. 바인더 100 중량부에 첨가되는 분산제에 0.1~3 중량부 대하여, 실시예에서는 분산제의 첨가량은 저분자량의 습윤분산제와 퓸드 실리카(fumed silica)를 각각 1 중량부를 첨가하였다.
또한, 고분자 습윤 분산제를 사용할 경우, 분자량이 최소 5000 이상의 것을 사용해야 한다. 저분자 습윤 분산제는 보다 극소량의 첨가량 만으로도 입자들의 재응집을 방지하며 안정화가 가능하지만 분자량이 높고 유무기에 모두 반응하므로 실리콘 수지를 사용하는 경우에는 좋지 않은 결과값을 나타냈다.
실시예 2의 결과를 표 1에 나타냈다. 바인더 100 중량부 당 첨가되는 분산제 1 중량부일 때, 그 분산제의 배합량이 1.0 중량부인 경우가 점도변화율이나 색좌표 변화에 있어 가장 양호하였으며, 퓸드실리카(fumed silica)를 첨가하였을 경우 분산도에 의한 점도변화율과 색좌표 변화가 가장 양호하였다.
표 1은 분산제별 첨가에 따른 평가결과이다.
| 비교예 |
평가결과 | ||
| 점도변화율 | 상정층 분리시간 | 색좌표 변화 | |
| 샘플1 | ±15.5% | 6 hr | A |
| 샘플2 | ±10.2% | 5.5 hr | A |
| 샘플3 | ±10.2% | 4.3 hr | B |
| 샘플4 | ±12.3% | 4.5 hr | C |
| 샘플5 | ±13.5% | 3.5 hr | A |
[실시예 3]
실시예 1과 동일한 방법으로 수행하되, 기포 발생을 최소화하기 위한 소포제는 활성 성분이 매우 낮은 표면장력을 갖고 실리콘계 폴리실록산의 용액을 사용하였다. 소포제는 디메틸폴리실록산(dimethyl-polysiloxcanes) 폴리 메틸 실록산을 사용하였으며, 폴리실록산계는 저분자량의 실리콘계로써 형광체 도포용액으로 사용되는 실리콘 수지 상에서 발생하는 기포를 억제하는 역할을 하며, 분자량이 큰 소포제는 형광체 도포액의 기포를 제거하는데 좋은 결과를 얻을 수 없었다.
[실시예 4]
실시예 2와 동일한 방법으로 수행하되 도 4에서 도시된 것처럼 실리콘 수지와 Yellow+Green+Red+Bluegreen 형광체 분말 혼합공정, 스터러 교반기의 형광체 혼합액 교반, 삼본밀(3 roll mill)의 가압 분산, 3D 믹싱을 통해 형광체 도포액을 제조하였으며, 디스펜싱 공정은 디스펜싱을 위해 사용되는 실리콘 수지와 혼합된 형광체 혼합액을 수동 토츨 장비를 이용하여 타이머로 설정된 3 msec 주기로 스위이 버튼을 사용하여 3회 디스펜싱을 진행하였다. 리드 프레임에 도포된 패키징은 160℃, 2hr 대기압에서 소성시켰다. 얻어진 패키징 시료는 CAS 140 CT(Instrument system社) model을 이용하여 도포된 형광체층으로부터 발광의 색온도, 효율, 색좌표를 측정하였다.
[실시예5]
실시예 1의 제 1공정에서 제조된 Y+G+R 형광체 혼합물에 460~495nm 파장대를 가진 블루그린 형광체 분말을 사용하는 대신에 실제 실험시에는 인터메틱스사 블루그린(507nm) 형광체 분말을 YGR 형광체 분말 100 중량부 당 첨가되는 블루그린 형광체 3 중량부로 혼합한 후, 바인더 100 중량부 당 첨가되는 분산제 0.1 ~3 중량부에 대하여 분산제를 1 중량부를 첨가한 후, 제 2,3공정과 동일하게 형광체 도포액을 제조하였다.
제 1공정에서 제조된 Y+G+R 형광체 혼합액에 첨가된 블루그린형광체는 도 5에서처럼 청색 LED 칩(610)에서 나온 450nm 파장에너지에 의해 여기되어 블루그린 형광체의 450nm의 파장 에너지(680)를 발생시킨다. 첨가되는 블루그린 형광체 양은 리드프레임의 컵사이즈(620)에 의해 변화될 수 있으며 광학렌즈(651)의 장착 여부에 따라 배광도가 증가되었다. 또한, 와이어 본딩에 의한 LED 칩을 구성하는 것보다 플립칩을 적용한 전극단자(630)를 적용한 것이 보다 발광효율이 높게 나타났다. 전극단자는 캐소드(-)(640)와 애노드(+)를 통해 외부로부터 전원을 공급받는다.
[실시예6]
실시예 1의 제 1공정에서 제조된 Y+G+R 형광체 혼합물에 460~495nm 파장대를 가진 블루그린 형광체 분말을 사용하는 대신에 실험시에는 인터메틱스사 블루그린(507nm) 형광체 분말을 YGR 형광체 분말 100 중량부 당 첨가되는 블루그린 형광체 분말 4 중량부로 혼합한 후, 바인더 100 중량부 당 첨가되는 분산제 0.1~3 중량부에 대하여 분산제 1 중량부를 첨가한 후, 제 2,3공정과 동일하게 도포액을 제조하였다.
[실시예7]
실시예 1의 제 1공정에서 제조된 Y+G+R 형광체 혼합물에 460~495nm 파장대를 가진 블루그린 형광체 분말을 사용하는 대신에 실험시에는 인터메틱스사 블루그린(507nm) 분말을 YGR 형광체 분말 100 중량부 당 첨가되는 블루그린 형광체 5 중량부로 혼합한 후, 바인더 100 중량부 당 첨가되는 분산제 0.1~3 중량부에 대하여 상기 분산제 1 중량부를 첨가한 후, 제 2,3공정과 동일하게 도포액을 제조하였다.
[실시예8]
실시예 1의 제 1공정에서 제조된 Y+G+R 형광체 혼합물에 460~495nm 파장대를 가진 블루그린 형광체 분말을 사용하는 대신에 실험시에는 인터메틱스사 블루그린(507nm) 분말을 Y+G+R 형광체 분말 100 중량부 당 첨가되는 블루그린 형광체 6 중량부로 혼합한 후, 바인더 100 중량부 당 첨가되는 분산제 0.1~3 중량부에 대하여 상기 분산제 1 중량부를 첨가한 후, 제 2,3공정과 동일하게 형광체 도포액을 제조하였다.
[실시예9]
실시예 1의 제 1공정에서 제조된 Y+G+R 형광체 혼합물에 460~495nm 파장대를 가진 블루그린 형광체 분말을 사용하는 대신에 실험시에는 인터메틱스사 블루그린(507nm) 분말을 Y+G+R 형광체 분말 100 중량부 당 첨가되는 블루그린 형광체 7 중량부로 혼합한 후, 바인더 100 중량부 당 첨가되는 분산제 0.1 ~3 중량부에 대하여 상기 분산제 1 중량부를 첨가한 후, 제 2,3공정과 동일하게 형광체 도포액을 제조하였다.
460~495nm 파장대를 가진 블루그린 형광체 분말을 사용하여 실험된 경우, 제 1공정에서 제조된 Y+G+R 형광체 혼합액에 첨가된 블루그린 형광체 분말이 청색 LED 칩(610)에서 나온 450nm 파장에너지에 의해 여기되어 블루그린 형광체의 460~495nm의 파장 에너지(680)를 발생시키며, 첨가되는 블루그린 형광체 양은 리드프레임의 컵사이즈(620)에 의해 변화될 수 있으며 광학렌즈(651)의 장착 여부에 따라 배광도가 증가되며, 와이어 본딩에 의한 LED 칩을 구성하는 것보다 플립칩을 적용한 전극단자(630)를 사용하며, 전극단자(630)는 캐소드(-)(640)와 애노드(+)를 통해 외부로부터 전원을 공급받는 것을 특징으로 한다.
도 5는 본 발명의 실시예 5에 따른 블루그린 형광체 첨가에 의한 발광 기구이다. 방열판(650) 상에 한 쪽 리드프레임 컵(620)에 청색 LED 칩(610)이 장착되고, 애노드(+)와 캐소드(-)(640)를 구비하는 청색 LED 칩(610)의 전극 단자(630)와 다른 한쪽이 리드프레임이 연결되며, 광학 렌즈(651)로 커버링 된 구조를 갖는다.
도 6은 본 발명의 실시예 5에 따른 백색 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
제 1공정에서 제조된 Y+G+R 형광체 혼합액에 460~495nm 파장대를 가진 블루그린 형광체 분말을 사용하는 대신에 실제 실험시에는 인터메틱스사 블루그린(507nm) 형광체 분말을 3 중량부를 혼합한 후, 바인더 100 중량부 당 분산제 1 중량부를 첨가한 후 제 2,3공정과 동일하게 형광체 도포액을 제조된 경우,
6은 블루그린 형광체 첨가 파장특성, 7은 옐로우 형광체 첨가 파장특성, 8은 그린 형광체 첨가 파장특성을 파장(wavelength, nm)에 대한 Radiant Power(%)을 나타냈다.
제 1공정에서 제조된 Y+G+R 형광체 혼합액에 블루그린 형광체를 첨가하지 않은 실시예 1과, 제 1공정에서 제조된 Y+G+R 형광체 혼합액에 블루그린 형광체 분말을 YGR 형광체 분말 100 중량부 당 블루그린 형광체 분말 3~7 중량부를 각각 첨가하여 백색광을 측정한 실시예 5~9에 대한 결과값을 표 2에 나타냈다.
표 2는 Y+G+R 형광체 혼합액에 블루그린 형광체 분말의 첨가에 따른 광학특성 결과이다.
|
|
효율(lm/w) |
색좌표 | |
| x | y | ||
| 실시예1 실시예5 실시예6 실시예7 실시예8 실시예9 |
28.3 31.6 32.4 33.6 29.3 27.3 |
0.365 0.345 0.342 0.341 0.347 0.345 |
0.391 0.351 0.348 0.349 0.353 0.350 |
첨가한 블루그린 형광체의 파장대는 507nm를 실험에 적용하였으나, 바람직하게는 460~495nm 단파장을 갖는 블루그린 형광체를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명에서는 이러한 단파장대의 상용화된 LED용 형광체가 없으므로 507nm 파장대를 적용하여 실험하였다.
YGR 형광체 100 중량부 당 블루그린 형광체의 첨가량이 5 중량부 정도 첨가시, 도 7에 도시된 바와 같이 CIE 색좌표에서 블루그린 형광체를 첨가하지 않은 형광체 도포액(9)에 비해 블루그린 형광체를 첨가한 형광체 도포액(10)의 효율특성이 우수하며, CIE 색좌표가 좌하향(9->10)되는 것을 알 수 있었다. 이러한 특성은 LED 발광의 색온도가 4000K에서 5000K로 높아지는 특성을 나타내며, 적색 형광체의 첨가량이 제한적으로 사용함으로써 연색성 80Ra 이상 개선됨을 알 수 있었다.
(산업상 이용가능성)
본 발명은 기계적, 화학적 분산기술을 적용하여 분산도가 우수한 형광체 도포액이 얻어지기 때문에 색도의 분균일성과 형광체 미립자의 침전물 발생효과를 억제시킬 수 있다. 또한 본 발명에서는 LED 패키징 시에 연색성이나 색온도를 크게 저하시키지 않으며 발광효율을 극대화 하도록 3색의 YGR(Yellow+Green+Red) 형광체외에 460~495nm 파장대의 블루그린 형광체를 혼합시킴으로써 높은 연색성과 발광효율을 갖는 백색광을 내는 LED 패키징 제품을 제조할 수 있게 된다. 따라서 본 발명에 의해 제조된 패키징 제품은 우수한 연색성 및 발광효율 특성을 가지므로 백색 LED 조명장치에 있어 핵심적인 고효율, 고연색성 광학특성을 갖는 차세대 조명장치 산업에 활용가치가 크다.
아울러 공정상 작업시간으로 인해 장시간 방치시에도 형광체 입자들의 침전에 의한 상정층의 현상을 억제시킬 수 있으므로 색의 불균일성 및 효율 저하를 방지할 수 있으므로 제품신뢰성 향상 및 비용절감에 기여하는 바가 크다.
1: 형광체+수지
2: 혼입된 기포(기포 발생)
3: 응집 형광체
4: 상정층 상부(고분자수지)
5: 상정층 하부(형광체)
6: 블루그린 형광체 첨가 파장특성
7: 옐로우 형광체 첨가 파장특성
8: 그린 형광체 첨가 파장특성
9: 블루그린 파장대의 형광체를 첨가하지 않은 CIE 특성
10: 블루그린 파장대의 형광체를 첨가한 CIE 특성
100: 스터러 교반기
110: 스터러(stirrer)
120: 혼합된 형광체 분말 입자
200: 삼본밀(3 roll mill)
230: 압측 인장용 롤밀
300: 3D 믹서
310: 공전 믹서
320: 자전 믹서
410: 혼합전 형광체 분말 입자
420: 실리콘계 수지
510: 혼합 분산후 형광체 도포액
600: 패키지 모듈
610: 청색 LED
620: 리드프레임 컵
630: 전극단자
640: 캐소드
650: 방열판
651: 광학렌즈
680: 블루그린 형광체
2: 혼입된 기포(기포 발생)
3: 응집 형광체
4: 상정층 상부(고분자수지)
5: 상정층 하부(형광체)
6: 블루그린 형광체 첨가 파장특성
7: 옐로우 형광체 첨가 파장특성
8: 그린 형광체 첨가 파장특성
9: 블루그린 파장대의 형광체를 첨가하지 않은 CIE 특성
10: 블루그린 파장대의 형광체를 첨가한 CIE 특성
100: 스터러 교반기
110: 스터러(stirrer)
120: 혼합된 형광체 분말 입자
200: 삼본밀(3 roll mill)
230: 압측 인장용 롤밀
300: 3D 믹서
310: 공전 믹서
320: 자전 믹서
410: 혼합전 형광체 분말 입자
420: 실리콘계 수지
510: 혼합 분산후 형광체 도포액
600: 패키지 모듈
610: 청색 LED
620: 리드프레임 컵
630: 전극단자
640: 캐소드
650: 방열판
651: 광학렌즈
680: 블루그린 형광체
Claims (21)
- LED의 연색성과 색온도를 개선시키기 위한 형광체 도포액을 제조 장치에 있어서, LED 패키징 공정에서 백색광을 형성하기 위한 형광체 혼합액 조성을 위한 장치로서,
바인더 100 중량부 당 형광체 분말 45~60 중량부로 혼합된 형광체 혼합액을 교반하는 스터러 교반기(100);
압축력 및 인장응력을 가해 실리콘 수지 또는 세라믹계 수지와 형광체 분말을 혼합시 분말들의 뭉쳐진 형광체 입자들을 효과적으로 가압하여 분산하며 지르코니아 또는 알루미나로 이루어진 복수의 압축 인장용 롤밀(roll mill)을 구비하는 삼본밀(3 roll mill)(200);
1 torr의 진공도를 갖는 진공상태에서 교반시 공전과 자전을 하여 기포발생을 최대한 억제하는 공전 믹서(310)와 자전 믹서(320)를 구비하는 3D 믹서(300);를 구비하며,
상기 스터러 교반기(100)에서 상기 형광체 혼합액에 분산제와 소포제를 첨가하여 생성된 형광체 도포액을 사용하여 청색 LED 칩 위에 디스펜싱하는 디스펜싱 공정을 위한 장치로서,
타이머로 설정된 일정 토출 시간 주기로 토출량을 고정하여 스위치 버튼을 사용하여 일정 횟수 주입(디스펜싱)하여 형광체 도포액을 토출시키는 디지털 디스펜서;를 포함하며,
상기 형광체 혼합액에 분산제 및 소포제를 첨가함에 따라 미립자 응집현상을 방지하고 침전물을 억제하는 형광체 도포액을 조성하여, 이를 LED 칩에 디스펜싱하하는 것을 특징으로 하는 LED용 형광체 도포액 제조 장치. - 제1항에 있어서,
상기 바인더는 굴절율 1.5 이상의 실리콘 수지, 또는 무기물로 된 세라믹계 수지를 사용하는 것을 특징으로 하는 LED용 형광체 도포액 제조 장치. - 제1항에 있어서,
상기 형광체 분말은
황색(Y)형광체 분말과 녹색(G)형광체 분말과 적색(R) 형광체 분말을 혼합한 YGR 형광체 분말, 또는 상기 YGR 형광체 분말에 추가로 460~495nm 단파장대를 갖는 블루그린 형광체 분말을 혼합하되, 상기 YGR 형광체 분말 100 중량부 당 상기 블루그린 형광체 분말이 3~7 중량부의 형광체 분말을 혼합하여 발광효율(Radiant Power,%)과 80 Ra 이상의 연색성과 색온도를 개선시키는 것을 특징으로 하는 LED용 형광체 도포액 제조 장치. - 제1항에 있어서,
상기 청색 LED 칩은 야그(YAG, yittrium aluminium garnet)계 450nm 파장영역을 갖는 청색 LED 칩이며,
상기 형광체 단말은 황색 형광체, 루악(LuAG, lutetium aluminum garnet) 계 530~550 nm 파장영역을 갖는 녹색 형광체와, 카즌(CAZN)계열 적색형광체를 사용하였으며, 상기 형광체 분말의 입도는 10~15㎛ 인 것을 특징으로 하는 LED용 형광체 도포액 제조 장치. - 제1항에 있어서,
상기 분산제는 퓸드실리카(fumed silica)를 사용하며, 상기 분산제는 바인더 100 중량부 당 0.1 ~ 3 중량부 범위내에서 첨가되는 것을 특징으로 하는 LED용 형광체 도포액 제조 장치. - 제1항에 있어서,
상기 분산제는
폴리에스테르 폴리아마이드산, 고분바 카르복신산염, 폴리아민 아마이드의 카르복실릭산염, 폴리실록산, 고분자 불포화 카르복실릭산, 고분자 카르목실릭산 암모늄염에서 선택된 어느 하나 이상 인 것을 특징으로 하는 LED용 형광체 도포액 제조 장치. - 제1항에 있어서,
상기 소포제는
디메틸폴리실록산(dimethyl-polysiloxcanes) 폴리 메틸 실록산을 적용하여, 형광체 도포액으로 사용되는 바인더 상에서 발생하는 기포 발생을 억제하는 것을 특징으로 하는 LED용 형광체 도포액 제조 장치. - 제7항에 있어서,
상기 소포제는 상기 바인더 및 상기 형광체 분말을 혼합시, 대기중에 존재하는 공기입자들이 같이 혼입됨으로 인해 도포액내에 발생하는 기포들을 억제하기 위해, 상기 바인더 100 중량 당 첨가되는 소포제에 대하여 상기 소포제를 1~3 중량부로 첨가되는 것을 특징으로 하는 LED용 형광체 도포액 제조 장치. - 제7항에 있어서,
상기 바인더와 상기 형광체 분말을 혼합하기 전에, 분산제 및 알코올(Alchol)계의 솔벤트 수지를 혼합하여 제1용액을 제조하며, 상기 형광체 혼합액에 상기 소포제를 혼합시, 상기 제1용액을 첨가하여 분산제와 혼합성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 LED용 형광체 도포액 제조 장치. - 제1항에 있어서,
상기 3D 믹서(300)는 1 torr의 진공도에서 상기 형광체 혼합액을 믹싱하며, 상기 삼본밀(3-roll mill)(200)은 압축 인장용 롤밀 사이의 갭이 0.01~0.5 mm 이고, 상기 스터러 교반기(100)는 소정시간 동안, 2000~3000 rpm의 교반속도로 교반되는 것을 특징으로 하는 LED용 형광체 도포액 제조 장치. - 제1항에 있어서,
상기 디지털 디스펜서는
타이머에 의해 설정된 3 msec 토출시간 주기로, 3회 디스펜싱하는 것을 특징으로 하는 LED용 형광체 도포액 제조 장치. - LED 패키징 공정에서 백색광을 형성하기 위한 형광체 도포액 제조 방법에 있어서,
야그(YAG)계 450nm 파장영역을 갖는 청색 LED 칩을 구비하며, 형광체 분말이 황색 형광체 분말과, 루악(LuAG) 계 530~550 nm 파장영역을 갖는 녹색 형광체 분말과, 카즌(CAZN)계열 적색형광체 분말 및/또는 블루그린 형광체 분말을 사용하며, 상기 형광체 분말의 평균입도가 10 ~ 15㎛인 분말을 적용하는 제1 공정;
상기 제 1공정에서 얻은 형광체 분말(120)에 바인더 100 중량부 당 형광체 분말 45~60 중량부로 혼합한 후 스터러 교반기(100)를 통해 소정시간(30분) 동안 2000~3000 rpm 교반속도로 교반하는 제2 공정;
삼본밀(3 roll mill)(200)의 압축 인장용 롤밀(230) 사이의 갭은 0.01~0.5 mm로 유지하고 회전속도는 100 rpm으로 고정시킨 후, 상기 제 2공정에서 얻어진 뭉쳐친 상태의 형광체 혼합액을 복수의 압축 인장용 롤밀(230)에 투입시켜가압 분산하는 제3 공정; 및
상기 제 3공정에서 가압 분산된 형광체 혼합액을 3D 믹서(300)에 의해 2000 rpm의 속도로 자전믹서(320)의 자전 및 공전믹서(310)의 공전을 통해 소정 시간 동안 1 torr의 진공상태에서 혼합을 실시한 후 형광체 도포액을 생성하는 제4 공정;을 포함하며,
상기 제2 공정에서 바인더 100 중량부 당 형광체 분말 45~60 중량부로 혼합합시에 바인더 100 중량부에 대해 분산제 0.1~3 중량부, 소포제 1~3 중량부를 첨가하여 상기 형광체 도포액의 미립자의 응집현상을 방지하고 침전물을 억제하도록 제조되는 것을 특징으로 하는 LED용 형광체 도포액 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 바인더는 굴절율 1.5 이상의 실리콘 수지, 또는 무기물로 된 세라믹계 수지를 사용하는 것을 특징으로 하는 LED용 형광체 도포액 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 형광체 분말은
황색(Y)형광체 분말과 녹색(G)형광체 분말과 적색(R) 형광체 분말을 혼합한 YGR 형광체 분말, 또는 상기 YGR 형광체 분말에 추가로 460~495nm 단파장대를 갖는 블루그린 형광체 분말을 혼합하되, 상기 YGR 형광체 분말 100 중량부 당 상기 블루그린 형광체 분말이 3~7 중량부의 형광체 분말을 혼합하여 발광효율(Radiant Power,%)과 80 Ra 이상의 연색성과 색온도를 개선시키는 것을 특징으로 하는 LED용 형광체 도포액 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 분산제는 퓸드실리카(fumed silica)를 사용하며, 상기 분산제는 바인더 100 중량부 당 0.1 ~ 3 중량부 범위내에서 첨가되는 것을 특징으로 하는 LED용 형광체 도포액 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 분산제는
폴리에스테르 폴리아마이드산, 고분바 카르복신산염, 폴리아민 아마이드의 카르복실릭산염, 폴리실록산, 고분자 불포화 카르복실릭산, 고분자 카르목실릭산 암모늄염, 추가적으로 퓸드 실리카(fumed silica)에서 선택된 어느 하나 이상 인 것을 특징으로 하는 LED용 형광체 도포액 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 소포제는
디메틸폴리실록산(dimethyl-polysiloxcanes) 폴리 메틸 실록산을 적용하여, 형광체 도포액으로 사용되는 바인더 상에서 발생하는 기포 발생을 억제하는 것을 특징으로 하는 LED용 형광체 도포액 제조 방법. - 제17항에 있어서,
상기 바인더와 상기 형광체 분말을 혼합하기 전에, 분산제 및 알코올(Alchol)계의 솔벤트 수지를 혼합하여 제1용액을 제조하며, 상기 형광체 혼합액에 상기 소포제를 혼합시, 상기 제1용액을 첨가하여 분산제와 혼합성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 LED용 형광체 도포액 제조 방법 - 제17항에 있어서,
황색(Y), 녹색(G), 적색(R) 및 블루그린(Yellow+Green+Red+Bluegreen) 형광체 혼합공정, 스터러교반, 3 roll mill, 3D 믹싱을 통해 형광체 혼합액을 제조하며, 형광체 도포액을 사용하여 청색 LED 칩 위에 디스펜싱 공정은 수동 토츨 장비를 이용하여 타이머를 설정하여 소정 시간 주기로 일정 횟수을 주입하며, 리드 프레임에 도포된 패키징은 150~200℃, 2hr 시간 동안 대기압에서 소성시키는 것을 특징으로 하는 LED용 형광체 도포액 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 제 1공정에서 제조된 Y+G+R 형광체 혼합액에 460~495nm 파장대를 가진 블루그린 형광체 분말을 바인더 100 중량부 당 첨가되는 블루그린 형광체 3~7 중량부로 혼합한 후, 바인더 100 중량부 당 첨가되는 분산제 0.1~3 중량부를 첨가한 후 제 2,3공정과 동일하게 형광체 도포액을 제조하여 발광효율을 개선하는 것을 특징으로 하는 LED용 형광체 도포액 제조 방법. - 제12항에 있어서,
황색, 녹색, 적색, 블루그린 형광체 분말 혼합 공정(Yellow+Green+Red+Bluegreen 형광체), 소정시간 동안 2000~3000 rpm 교반 속도로 교반하는 스터러 교반, 압축 인장용 롤밀 사이의 갭 0.01 ~0.5 mm 인 삼본밀(3-roll mill)을 사용한 기계적으로 가압 분산, 1 torr 진공도를 가진 진공상태에서 자공전을 실시하여 기포 발생을 억제하는 3D 믹싱 후, 형광체 도포액을 사용하여 LED 칩 위에 디스펜싱하는 소정 시간 동안 일정 횟수 디스펜싱 공정 후에 소성 공정이 이루어지며, 상기 소성 공정은 분산제의 비점은 200℃이하이며, 리드 프레임에 도포된 패키징시에 통상 150~160℃에서 2~3 hr 시간 동안 대기압에서 경화시켜 소성시키는 것을 특징으로 하는 LED용 형광체 도포액 제조 방법.
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