KR101546326B1 - Uv led에 의해 여기되는 형광체 및 이를 이용한 조명용 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LED 조명에 사용될 수 있는 형광체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 UV LED 및 청색 LED에 모두 적용 가능하고 발광 스펙트럼의 총 발광 면적이 넓어 백색 발현과 발광 효율이 우수한 옥시탄화규소 형광체 및 이를 이용한 백색발광소자에 관한 것이다.

Description

UV LED에 의해 여기되는 형광체 및 이를 이용한 조명용 소자{Phosphor Materials Excited by UV LED and Devices using the same for Lamp}

본 발명은 실리콘 옥시카바이드계 형광체 및 이를 포함하는 LED에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 우수한 발광효율을 구현하는 신규한 실리콘옥시카바이드 형광체를 포함하는 백색 발광소자용 형광체 및 이를 포함하는 백색 발광 소자에 관한 것이다.

최근 우리 생활주변에서 흔히 볼 수 있는 LED(ligktemitting diodes)는 전압을 가하면 전자와 정공의 결합으로 반도체의 밴드갭에 해당하는 에너지를 빛의 형태로 방출하는 일종의 광전자 소자로써, 조명용 LED가 기존의 형광등 및 백열등으로 대표되는 조명기구에 비해 약 10~15% 정도의 낮은 전력소모와 100,000시간 이상의 반영구적인 수명, 그리고, 환경 친화적 특성 등 에너지 소비 효율을 획기적으로 개선할 수 있어 일반 조명기구를 대체할 차세대 기술로서 주목받고 있다.

이러한 LED가 형광등, 밸열등, LCD 백라이트 유닛을 대체할 수 있는 고체광원으로 쓰이기 위해서는 백색광을 구현하기 위해서는 우선 LED를 이용한 백색광을 얻어야 한다.

백색 LED를 구현하는 방법은 크게 3가지로 나누어진다. 첫째로 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색을 내는 3개의 LED를 조합하여 백색을 구현하는 방법이다. 이 방법은 하나의 백색광원을 만드는데 3개의 LED가 사용될 뿐만 아니라, 각각의 LED를 제어해야 하는 어려움이 있고 가격이 높다는 단점이 있다.

둘째는 청색 LED를 광원으로 사용하여 황색 형광체를 여기시킴으로써 백색을 구현하는 방법을 들 수 있는데, 이 방법은 발광 효율이 우수한 반면, color rendering index (CRI)가 낮으며, 전류 밀도에 따라 CRI가 변하는 특징으로 인해 태양광에 가까운 백색광을 얻기가 어렵다는 단점이 있다.

마지막으론 자외선 발광 LED를 광원으로 이용하여 삼원색 형광체를 여기 시켜 백색을 만드는 방법이다. 이 방법은 고전류하에서의 사용이 가능하며, 색감이 우수하여 가장 활발하게 연구가 진행 중이다.

또한 이 방법은 저비용, 고효율, 우수한 색순도를 가지는 백색광 LED를 제조할 수 있고, 높은 연색지수를 갖는 태양광에 가까운 백색광을 만들 수 있다는 장점이 있다. 따라서 고연색 및 고효율의 휘도 특성이 요구됨으로 우수한 청색발광 형광체를 개발하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다.

또한, 실사용에 있어서 지속적인 발광발현을 위하여 장시간 사용에 대한 안정성 확보와 고온 환경에 있어서 휘도 저하가 적은 열화 특성이 향상된 형광체 개발이 중요하다고 할 수 있다. 상기한 바와 같은 백색 발광 소자 구현시, 적색 형광체로는 K₅Eu_{2 .5}(WO₄)_6.25, La₂O₂S:Eu등이 사용되고, 녹색 형광 체로서 (Ba,Sr)₂SiO₄:Eu 등이 사용되며, 청색 형광체로서 Sr₅(PO₄)₃Cl:Eu 등이 사용되는 것이 일반적이다.

그러나 이러한 종래 형광체는 고형화 (Solidification)의 어려움으로 인한 낮은 발광 효율의 문제점과 세가지 형광체를 조합하여야 하는 경제적 곤란성이 있고, 또한, 이러한 낮은 발광 효율뿐만 아니라, 발광 피크 파장 영역이 좁아서 자연광과 유사한 발광을 얻는데 어려움이 있었다.

KR 10-2013-0076482 A KR 10-2004-0073027 A KR 10-2013-0101377 A KR 10-2009-0043533 A

본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위해 기존에 사용되고 있는 유로피움 또는 실리케이트계 형광체를 배제하고 형광체로서 사용되지 않았던 신규한 조성의 옥시탄화규소 형광체를 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.

따라서, 따라서, 본 발명의 목적은 365 ~ 400 nm 여기광원에서 430 ~ 650 nm 파장의 빛을 방출할 수 있어 백색 LED에 적용이 가능한 새로운 조성의 옥시탄화규소 형광체를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 공정조건이 단순하여 제조비용이 절감될 수 있는 백색형광체 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 새로운 조성의 옥시탄화규소 형광체를 적용함으로써 발광휘도가 증가할 뿐만 아니라 우수한 소비전력을 갖는 백색 발광소자를 제공하는 것이다.

본 발명은 하기 화학식 1을 갖는 UV-LED(자외선 발광다이오드)에 의해 여기되는 옥시탄화규소 형광체를 포함하는 형광체 조성물을 제공한다.

<화학식 1>

Si_xO_yC_z

(상기 화학식 1에서, x는 0.1≤ x ≤5.0이고, y는 0.1≤ y ≤5.0이고, z는 0.1≤ z ≤5.0이다.)

보다 구체적인 일 양태에서, 본 발명은 상기 화학식 1에서 x는 2.0≤ x ≤5.0이고, y는 3.0≤ y ≤4.0이고, z는 0.1≤ z ≤1.0인 옥시탄화규소 형광체 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 UV LED에 의해 여기되는 옥시탄화규소 형광체를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 제조방법은

1) 메틸디에톡시실란 및 트리에톡시실란에 산을 첨가하여 교반하는 단계;

2) 상기 교반단계를 30분 내지 3시간 동안 지속하는 단계;

3) 가열하는 단계;

4) 볼밀로 그라인드하는 단계;

5) 알루미나 용기에 담아 열처리하는 단계;를 포함한다.

구체적인 예로서, 상기 가열하는 단계는 100℃ 내지 160℃, 보다 바람직하게는 110℃ 내지 140℃로, 가장 바람직하게는 115℃ 내지 130℃에서 가열한다.

또한, 본 발명에서의 제조방법은 상기 볼밀로 그라인드하는 단계에서 입자를 2.5 내지 20㎛로 형성되도록 그라인드한다.

또 다른 구체적인 일 예로, 본 발명은 상기 열처리 하는 단계를 1100℃ 내지 1400℃에서, 바람직하게는 1200℃에서 가열하고, 가열시간은 1 내지 4시간, 보다 바람직하게는 1.5 내지 3.5시간, 가장 바람직하게는 1.5 내지 3 시간 동안 하소시키는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 LED(light emitting diode); 및 상기 화학식 1로 표시되는 옥시탄화규소 형광체를 포함하는 형광체 조성물;을 포함하는 백색발광소자를 제공한다.

본 발명에서 제공하는 백색발광소자는 LED의 여기 파장이 365 내지 400nm 범위일 때, 상기 옥시탄화규소 형광체가 430nm ~ 650 nm 파장의 빛을 방출하는 것을 특징으로 하는 백색발광소자이다.

상기 백색발광소자는 상기 옥시탄화규소 형광체와 실리콘레진를 혼합하여 형성시킬 수 있고, 이러한 백색발광소자는 발광다이오드, 레이저다이오드, 면발광 레이저다이오드, 무기 일렉트로루미네선스 소자, 또는 유기 일렉트로루미네센스 소자를 포함할 수 있고 이에 제한되는 것은 아니다.

또 다른 구체적인 예로, 본 발명에서 제공하는 옥시탄화규소 형광체는 발광 피크 파장 영역이 넓어 단독으로 사용될 수 있다. 그러나 사용목적에 따라 또는 필요에 따라 백색발광 발현의 보정을 위해 적색 형광체, 청색 형광체 및 녹색 형광체 중에 선택된 하나 이상을 더 포함하여 백색발광소자로 사용할 수 있다.

본 발명의 옥시탄화규소 형광체는 365 내지 400nm 범위의 여기광원에서 430nm ~ 650 nm 파장의 빛을 방출할 수 있어 백색 LED에 적용이 가능하다.

또한 본 발명의 형광체 제조방법은 공정조건이 단순하고 고가의 희토류 금속이 사용되지 않아 제조비용이 저렴하다.

또한 본 발명의 백색발광소자는 새로운 형광체 조성물을 적용함으로써 발광휘도가 증가할 뿐 아니라 우수한 소비전력을 갖는다.

또한 본 발명의 백색발광소자는 넓은 파장범위의 옥시탄화규소 형광체를 사용하기 때문에 청색, 녹색, 적색 형광체를 사용하지 않고 백색발광소자를 제조할 수 있어 제조공정이 단순하고 비용도 저렴하다.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 옥시탄화규소 형광체를 사용한 일실시예에 따른 LED구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 옥시탄화규소 형광체의 제조방법에 대한 공정도이다.
도 3은 본 발명에 따른 옥시탄화규소 형광체의 발광 스텍트럼이다.
도 4는 본 발명에 따른 옥시탄화규소 형광체의 입도분포도이다.

이하, 본 발명의 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 하기 화학식 1의 화합물로 표시되는 옥시탄화규소 형광체를 제공한다.

<화학식 1>

Si_xO_yC_z

상기 화학식 1에서, x는 0.1≤ x ≤5.0이고, y는 0.1≤ y ≤5.0이고, z는 0.1≤ z ≤5.0이며, 보다 바람직하게는 x는 2.0≤ x ≤5.0이고, y는 3.0≤ y ≤4.0이고, z는 0.1≤ z ≤1.0인 옥시탄화규소 형광체를 제공한다.

이러한 상기 형광체는 UV LED의 여기파장 범위가 365 내지 400nm 범위일 때, 옥시탄화규소 형광체가 430nm ~ 650 nm 파장의 빛을 발광하여 넓은 여기파장 영역으로 백색발광소자를 구현하는데 UV LED 및 청색 LED 모두 적용 가능하다. 또한 발광 스펙트럼의 총 발광면적이 종래 사용되는 형광체의 경우보다 크기 때문에 우수한 발광효율을 보인다.

기존 적색, 녹색, 청색의 형광체는 각각의 컬러에 대응되는 좁고 일정한 파장 대역에서만 강한 발광을 얻을 수 있는데 반하여, 본 발명에 따른 화학식 1의 화합물인 옥시탄화규소 형광체는 도 3과 같이 파장에 따른 발광을 나타내는 그래프를 도시하면 매우 자연광에 가까운 그래프로 나타난다.

도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 LED의 구조를 나타내며, 고분자 렌즈 타입의 표면실장형 LED로 구현한 예를 도시한 것이다. 여기에서 고분자 렌즈의 일실시예로는 일반적으로 광범위하게 사용되고 있는 에폭시 렌즈를 사용할 수 있다.

도 2를 참조하여, UV LED 칩(2)을 금 와이어(4)를 통하여 전기리드선(5)과 다이본딩되고, 본 발명에 따른 옥시탄화규소 형광체를 포함하는 조성물(3)을 포함하도록 에폭시로 몰드층을 형성한다. 그리고 도 2에서 성형몰드의 내부는 알루미늄 또는 은으로 코팅된 반사막으로 이루어지며, 이는 다이오드에서 방출된 광을 위로 반사시키는 역할 및 적당량의 에폭시를 가두는 역할을 한다.

상기 에폭시 몰드층(3) 상부에는 에폭시 돔 렌즈(1)가 형성되고, 이 에폭시 돔 렌즈는 필요에 따라 또는 사용 목적에 따라 다양한 모양으로 변경이 가능하다. 즉 본 발명의 LED는 도 2의 구조로만 한정되는 것을 의미하는 것은 아니다.

한편, 본 발명의 화학식 1로 표시되는 옥시탄화규소 형광체는 상술한 LED이외에 수은 램프, 크세논 램프 등과 같은 램프 또는 액정 표시 소자(LCD)에도 적용가능하다.

<합성예>

메틸디에톡시실란 14 mL, 트리에톡시실란 2.5 mL, 에탄올 5.0 mL, 1.0 M 염산용액 1mL를 혼합한 후, 상온에서 1시간 동안 격렬하게 교반시킨다. 격렬한 교반 후에 점차적으로 온도를 증가시키며 120℃까지 가열시켜 반응을 진행시킨다. 반응이 완료된 후에 수득된 옥시탄화규소 물질을 미세한 입자로 만들기 위하여 볼밀로 분쇄한다.분쇄된 옥시탄화규소 입자를 알루미나 용기에 담아 1,200℃에서 2시간 동안 열처리시킨다.

상기 합성예에 따라 제조된 형광체들의 입경을 측정하였고 도 4에 이의 결과를 도시하였다. 도 4에 나타난 바와 같이 2.5 내지 20 ㎛의 직경을 지닌 입자를 얻을 수 있었다.

또한 상기 합성예에 따라 제조된 형광체의 발광 스펙트럼을 조사하였고 측정조건은 하기한 바와 같다.

<측정조건 및 결과>

Instrument Serial No: FS-1304007

Firmware Version: 131024

Accessory Type: Single-Cell

PMT Voltage (V) : 700

PMT Integration Time (ms) : 20

Scan Speed(nm/min): 1404

Scan Mode : Emission

Data Mode : Fluorescence

Excitation Slit Width (nm) : 2.5

Emission Slit Width (nm) : 2.5

Excitation Filter : Air

Emission Filter : Air

Excitation Wave (nm) : 390

Emission Start Wave (nm) : 420

Emission End Wave (nm) : 650

상기한 조건에서 측정한 결과인 도 3은 390 nm 부근의 여기 파장에서 발광 스펙트럼 결과이며 이를 통하여 약 420 내지 650nm에서의 넓은 파장영역에서 발광이 구현되었음을 확인할 수 있었고, 이로부터 옥시탄화규소 화합물이 자연광에 가까운 광을 구현하는데 유용하다는 것을 확인할 수 있었다.

<실시예 1> 백색 LED 제조

상기 합성예에서 제조한 옥시탄화규소 화합물을 형광체로 사용하였고, 여기 광원으로서 UV LED(390 nm 파장)을 사용하여, 도 2와 같은 백색 LED를 제조하였다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

1: 에폭시 돔 렌즈 2: LED 칩
3: 형광체 조성물 4: 금 와이어
5: 전기 리드선

Claims (14)

1. 하기 화학식 1을 갖는 UV-LED(자외선 발광다이오드)에 의해 여기되는 옥시탄화규소를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광체 조성물
   <화학식 1>
   Si_xO_yC_z
   상기 화학식 1에서, x는 2.0≤ x ≤5.0이고, y는 3.0≤ y ≤4.0이고, z는 0.1≤ z ≤1.0이다.
   
2. 삭제
3. UV-LED(자외선 발광다이오드)에 의해 여기되는 옥시탄화규소 형광체를 제조하는 방법에 있어서,
   1) 메틸디에톡시실란 및 트리에톡시실란에 산을 첨가하여 교반하는 단계;
   2) 상기 교반단계를 30분 내지 3시간 동안 지속하는 단계;
   3) 가열하는 단계;
   4) 볼밀로 그라인드하는 단계;
   5) 알루미나 용기에 담아 열처리하는 단계;를 포함하는 옥시탄화규소 형광체를 제조하는 방법
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 가열하는 단계는 100℃ 내지 160℃에서 가열하는 것을 특징으로 하는 방법
   
5. 제 3항에 있어서,
   상기 볼밀로 그라인드하는 단계는 입자를 2.5 내지 20㎛로 만드는 것을 특징으로 하는 방법
   
6. 제3항에 있어서,
   상기 열처리 하는 단계는 1200℃에서 1.5 내지 3시간 동안 하소시키는 것을 특징으로 하는 방법
   
7. LED(light emitting diode); 및
   제1항에 따른 옥시탄화규소를 포함하는 형광체 조성물;을 포함하는 백색발광소자
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 LED의 여기 파장이 365 내지 400nm 범위인 것을 특징으로 하는 백색발광소자
   
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 옥시탄화규소 형광체는 430nm ~ 650 nm 파장의 빛을 방출하는 것을 특징으로 하는 백색발광소자.
   
10. 제 7항에 있어서,
    상기 옥시탄화규소 형광체는 실리콘레진과 혼합되어 사용되는 것을 특징으로 하는 백색발광소자
    
11. 제 7항에 있어서,
    상기 백색발광소자는 발광다이오드, 레이저다이오드, 면발광 레이저다이오드, 무기 일렉트로루미네선스 소자, 또는 유기 일렉트로루미네센스 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색발광소자
    
12. 제 7항에 있어서,
    적색 형광체, 청색 형광체 및 녹색 형광체 중에 선택된 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백색발광소자
    
13. 하기 화학식 1을 갖고 UV-LED(자외선 발광다이오드) 여기 파장이 365 내지 400nm에 430nm ~ 650 nm 파장의 빛을 방출하는 옥시탄화규소 형광체
    <화학식 1>
    Si_xO_yC_z
    상기 화학식 1에서, x는 2.0≤ x ≤5.0이고, y는 3.0≤ y ≤4.0이고, z는 0.1≤ z ≤1.0이다.
    
    
    
    
14. 삭제

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