KR101585773B1 - 희토류 금속 산화물 입자를 포함하는 led 봉지재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 희토류 금속 산화물 입자를 포함하는 LED 봉지재에 관한 것으로서, 보다 상세히는, 고분자 수지 내에 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는 LED 봉지재이다. 본 발명의 봉재재 조성물은, LED 칩에 생성된 빛의 광추출 효율이 획기적으로 향상시키는 효과가 있다.
[화학식 1]
Ma(OH)b(CO3)cOd
여기서, M은 Sc, Y, La, Al, Lu, Ga, Zn, V, Zr, Ca, Sr, Ba, Sn, Mn, Bi 또는 Ac이고,
a는 1, 또는 2, b는 0 내지 2, c는 0 내지 3, d는 0 내지 3이다.
다만, b, c, 및 d는 동시에 0이 아니고, b 및 c는 동시에 0이거나, 동시에 0이 아니다.
[화학식 1]
Ma(OH)b(CO3)cOd
여기서, M은 Sc, Y, La, Al, Lu, Ga, Zn, V, Zr, Ca, Sr, Ba, Sn, Mn, Bi 또는 Ac이고,
a는 1, 또는 2, b는 0 내지 2, c는 0 내지 3, d는 0 내지 3이다.
다만, b, c, 및 d는 동시에 0이 아니고, b 및 c는 동시에 0이거나, 동시에 0이 아니다.
Description
본 발명은 희토류 금속 산화물 입자를 포함하는 LED 봉지재에 관한 것이다.
발광소자인 발광다이오드(Lighting Emitting Diode: LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜 신호를 보내고 받는데 사용되는 반도체의 일종인 발광 다이오드(LED)는, 고효율, 고속응답, 장수명, 소형화, 경량, 저소비 전력 등의 장점을 갖기 때문에, 디스플레이 장치의 백라이트, 조명 등으로의 널리 활용되고 있고, 세계적 에너지 절감 추세 및 화합물 반도체 기술발전에 따른 응용 고급화는 발광다이오드(LED)의 산업화를 빠르게 진전시키고 있다.
통상적으로, LED 패키지는 크게 LED 칩, 접착제, 봉지재, 형광체 및 방열부속품 등으로 구성되는데, 이 중에서 LED 봉지재는, LED 칩을 감싸고 있어, 외부 충격과 환경으로부터 LED칩을 보호하는 역할을 한다.
그런데, LED의 빛이 LED 패키지로부터 나오기 위해서는, LED 봉지재를 통과하여야 하기 때문에, LED 봉지재는 높은 광학적인 투명성 즉, 높은 광투과도를 가져야 하며, 또한 광추출 효율을 높이기에 적당한 고굴절율을 갖는 것이 요구된다.
LED 봉지재로서 굴절율이 높고 가격이 저렴한 에폭시 수지가 널리 사용되어 왔지만, 에폭시 수지는 내열성이 낮아서 고출력 LED에서 열에 의하여 열화되는 문제가 있고, 백색광 LED에서 청색 및 자외선 부근의 광에 의하여 황변(黃變)되어 휘도를 저하시키는 문제가 있다.
이에 대한 대안으로서, 저파장 영역에서 우수한 내광성을 갖는 실리콘 수지가 사용되고 있지만(실리콘 수지의 실록산 결합(Si-O-Si)의 결합 에너지는 106 kcal/mol 로서 탄소-탄소(C-C) 결합 에너지에 비하여 20 kcal/mol 이상 높아서 내열성 및 내광성이 뛰어나다), 실리콘 수지는 굴절율이 낮아 광추출 효율이 저하되고 접착성이 약한 문제가 있다.
봉지재에 관한 종래의 기술은 하기 특허문헌 1 및 2의 것을 참조하여 이해할 수 있을 것이다. 이로써, 하기 특허문헌 1 및 2의 내용 전부는, 종래기술로서, 본 명세서와 합체된다.
특허문헌 1은, 평균 도메인 크기가 5 nm 미만인 TiO2 도메인을 갖는 폴리실록산 예비중합체를 포함하고 20 내지 60 mol%의 TiO2 (총 고체 기준)를 함유하며, 굴절율이 >1.61 내지 1.7이고, 실온 및 대기압에서 액체인, 발광 다이오드 봉지재로 사용하기 위한 경화성 액체 폴리실록산/TiO2 복합물에 대해 개시한다.
특허문헌 2는, 에폭시 수지 및 상기 에폭시 수지와 경화 반응을 하는 폴리 실라잔을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 소자의 봉지재용 조성물, 상기 조성물로 형성한 봉지재 및 상기 봉지재를 포함하는 발광 다이오드에 대해 개시한다.
LED의 광효율을 높이기 위한 방법으로는 크게 두 가지가 있는데,
첫 번째는, 칩에서 생성되는 총 광량을 높이는 방법이고,
두 번째는, 만들어진 광량을 최대한 LED 밖으로 뽑아내도록 하여 소위 광추출 효율을 높히는 방법이다.
그런데, 상술한 바와 같이, 통상적으로 LED 패키지에서, LED 칩을 봉지재가 감싸고 있는데, 칩 발생 광 에너지 중 약 15%만이 광으로 출력되고 나머지는 봉지재 등에서 흡수되어 버리는 문제점이 있다.
이에 따라, LED의 광효율에 있어서 관심이 집중되는 부분은 LED의 발광 층에서 생성된 빛이 LED 칩 내부의 전반사에 의해 손실되지 않고 효과적으로 외부로 방출되도록 광 추출 효율을 향상시키는 것이라 할 수 있다.
현재 광량을 최대한 LED 밖으로 뽑아내도록 광추출 효율을 높이는 여러 기술들이 연구 중에 있으나, 아직도 더 나은 개선 방안이 필요한 실정이다.
이에 본 발명은, 광추출 효율을 획기적으로 향상시키는 봉지재 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명은, 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,
고분자 수지 내에 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는 LED 봉지재를 제공한다.
[화학식 1]
Ma(OH)b(CO3)cOd
여기서, M은 Sc, Y, La, Al, Lu, Ga, Zn, V, Zr, Ca, Sr, Ba, Sn, Mn, Bi 또는 Ac이고,
a는 1, 또는 2, b는 0 내지 2, c는 0 내지 3, d는 0 내지 3이다.
다만, b, c, 및 d는 동시에 0이 아니고, b 및 c는 동시에 0이거나, 동시에 0이 아니다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 화학식 1 화합물은, Y(OH)CO3인 것을 특징으로 하는 LED 봉지재를 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 화학식 1 화합물은, Y2O3인 것을 특징으로 하는 LED 봉지재를 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 화학식 1 화합물은, 1.6 내지 2.3 범위 이내의 굴절율을 가지는 것을 특징으로 하는 LED 봉지재를 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 고분자 수지는, 실리콘계 수지, 페놀계 수지, 아크릴 수지, 폴리스타렌, 폴리 우레탄, 벤조구아나민 수지, 및 에폭시계 수지에서 선택되어지는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 LED 봉지재를 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 형광체 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 봉지재를 제공한다.
본 발명의 봉재재 조성물은, LED 칩에 생성된 빛의 광추출 효율이 획기적으로 향상시키는 효과가 있다.
도 1은, 본 발명의 희토류 산화물 입자(Y(OH)CO3입자) 나타낸 SEM 사진이다.
도 2는, 본 발명의 희토류 산화물 입자(Y2O3입자) 나타낸 SEM 사진이다.
도 2는, 본 발명의 희토류 산화물 입자(Y2O3입자) 나타낸 SEM 사진이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 광 추출 효율이 향상된 LED 패키지의 봉지용 수지와 희토류 금속 산화물 첨가물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 LED 패키지 내부에서 형성된 빛들 중 LED 패키지 칩과 봉지재 사이에 내부에 갇히게 되는 빛을 외부로 추출해 냄으로써 높은 발광효율을 나타내는 희토류 금속 산화물 나노 입자를 함유하는 LED 봉지용 수지에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 고분자 수지 내에 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
Ma(OH)b(CO3)cOd
여기서, M은 Sc, Y, La, Al, Lu, Ga, Zn, V, Zr, Ca, Sr, Ba, Sn, Mn, Bi 또는 Ac이다.
a는 1, 또는 2, b는 0 내지 2, c는 0 내지 3, d는 0 내지 3이다.
다만, b, c, 및 d는 동시에 0이 아니고, b 및 c는 동시에 0이거나, 동시에 0이 아니다.
상기 화학식 1 화합물은, Y(OH)CO3, 또는 Y2O3인 것이 바람직하고, Y(OH)CO3인 것이 광추출 효율 측면에서, 더 바람직하다. 이에 대한, 보다 상세한 내용은 후술할 실시예 및 실험예를 통해 이해할 수 있을 것이다.
상기 화학식 1 화합물은, 1.6 내지 2.3 범위 이내의 굴절율을 가지는 것이 바람직하다. 1.6 미만, 2.3 초과에서는 광 추출 효율 증가 효과가 없을 수 있다. 왜냐하면, 통상적인 실리콘 봉지재의 굴절율이 약 1.5 내외이고, GaN 칩의 굴절율이 약 2.4 내외이기 때문이다.
발광 소자 패키지 칩 내에서의 전반사 문제는 소자와 외부 공기, 외부 봉지재인 실리콘 등과의 경계에서 전반사가 발생한다. Snell's law에 따르면 빛이나 파동이 굴절률이 다른 두 등방성 매질 사이를 통과할 때 빠져나올 수 있는 임계각(θcrit)은 다음과 같다.
공기 (nair=1), 실리콘 (nsilicon=1.5)에 비해 GaN의 경우 굴절률이 약 2.5정도로 큰 차이가 나기 때문에 발광 소자 패키지 내에서 생성된 빛이 외부로 빠져나갈 수 있는 임계각은 각 θGaN / air= 23°, θGaN / Silicon= 37°으로 한정적이다. 이로 인해 광 추출 효율은 15%정도 밖에 되지 않는 실정이다.
상기 고분자 수지는, 종래의 당해 기술분야에서 널리 사용되는 고분자 수지를 사용할 수 있고, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 실리콘계 수지, 페놀계 수지, 아크릴 수지, 폴리스타렌, 폴리 우레탄, 벤조구아나민 수지 및 에폭시계 수지에서 선택되어지는 1종 이상인 것을 사용할 수 있고, 상기 실리콘계 수지는, 폴리 실란, 폴리 실록산, 및 이들 조합 중 어느 하나를 사용할 수 있고, 상기 페놀계 수지는, 비스페놀형 페놀 수지, 레졸형 페놀수지, 및 레졸형 나프톨 수지에서 선택된 적어도 하나의 페놀 수지인 것을 사용할 수 있으며, 상기 에폭시계 수지는, 비스페놀 F형 에폭시, 비스페놀 A형 에폭시, 페놀 노볼락형 에폭시, 및 크레졸 노볼락형 에폭시에서 선택된 적어도 하나의 에폭시 수지인 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 봉지재 조성물은, 형광체 입자를 더 포함하여 원하는 색상을 구현하는 용도로 사용될 수도 있다.
이하, 본 발명에 대하여 실시예를 들어 보다 더 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 발명의 상세한 설명을 위한 것일 뿐, 이에 의해 권리범위를 제한하려는 의도가 아님을 분명히 해둔다.
실시예
실시예
1
Y(OH)CO3입자 제조는 증류수 100 mL를 기준으로 한다. 증류수 100mL에 2g 이트륨 질산염 수화물, 40g 우레아를 용해한 후, 30 분간 충분히 교반하면서 혼합하였다. 교반한 후, 질산과 수산화암모늄의 염기를 통해 pH를 5 내지 6으로 조절하였다. 상기 혼합 용액을 90℃에서 가열하며 1시간 교반한 후 여과, 증류수 세척을 3회 실시하였다. 세척 완료된 Y(OH)CO3 입자를 70℃오븐에서 3 시간 건조하여 200nm 크기 이하의 입자를 제조 하였다.
도 1에는 제조된 입자의 SEM 사진을 나타내었다.
실리콘계 수지(OE 6631 A 와 OE 6631 B를 1:2 비율로 섞은 것)에, 상기 Y(OH)CO3입자를 첨가한 후(실리콘계 수지 97중량%, Y(OH)CO3 3중량%), 이를 호모게나이저에 넣어 균질화 시켜 봉지재 조성물을 제조하였다.
실시예
2
Y2O3입자 제조는 Y(OH)CO3 제조 후 소성하여 수득하였다. 먼저, Y(OH)CO3는 증류수 100 mL를 기준으로 한다. 증류수 100mL에 2g 이트륨 질산염 수화물, 40g 우레아를 용해한 후, 30 분간 충분히 교반하면서 혼합하였다. 교반한 후, 질산과 수산화암모늄의 염기를 통해 pH를 5 내지 6으로 조절하였다. 상기 혼합 용액을 90℃에서 가열하며 1시간 교반한 후 여과, 증류수 세척을 3회 실시하였다. 세척 완료된 Y(OH)CO3 입자를 70℃오븐에서 3 시간 건조하였다. 건조된 Y(OH)CO3 입자를 산화 분위기 900℃에서 3시간 소성하여 200nm 이하의 크기 Y2O3 입자를 수득하였다.
도 2에는 제조된 입자의 SEM 사진을 나타내었다.
실리콘계 수지(OE 6631 A 와 OE 6631 B를 1:2 비율로 섞은 것)에 Y2O3입자를 첨가한 후(실리콘계 수지 97중량%, Y2O3 3중량%), 이를 호모게나이저에 넣어 균질화 시켜 봉지재 조성물을 제조하였다.
비교예
실리콘계 수지 OE 6631 A 와 OE 6631 B를 1:2 비율로 섞어 100 중량% 봉지재 조성물로 제조하였다.
실험예
상기 실시예 1 내지 2, 및 비교예의 봉지재 조성물을, 청색 LED(파장 450 ㎚) 칩을 구비하는 LED 패키지 내에 실장하여, 휘도 증가율을 측정하였다. 사용된 발광 소자 패키지는 리드 프레임 위에 다이 본딩으로 연결되어 있는 칩을 발광원으로 한다. 발광 소자와 리드프레임이 전기적으로 연결이 되도록 금속 와이어 본딩을 한 후, 상기 투명 봉지 재료인 실리콘 수지와 무기 나노 입자가 분산되어 있는 봉지재로 몰딩되어 있는 구성이다. 상기 휘도 증가율은 비교예를 기준으로 휘도가 증가된 정도를 백분율로 표시한 것이다. 휘도 측정은 한국 Professional Scientific Instrument의 DARSA PRO 5200 PL System 기계에 의해 측정 하였다.
결과는 하기 표 1과 같았다.
| 비교예 | 실시예 1 | 실시예 2 | |
| 휘도 증가율(%) | 0 | 5.9 | 2.6 |
상기 표 1에서 확인할 수 있듯이, 봉지재 조성물에 희토류 금속 무기 산화물 입자가 포함된 경우, 휘도가 놀라울 정도로 증가되었음을 알 수 있었다. 특히, 구체적으로는, Y2O3입자에 비해, Y(OH)CO3입자가, 같은 3중량% 용량에서 휘도 향상에 약 2배이상의 효과를 나타내었다.
Claims (6)
- 고분자 수지 내에 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는 LED 봉지재.
[화학식 1]
Ma(OH)b(CO3)cOd
여기서, M은 Sc, Y, La, Al, Lu, Ga, Zn, V, Zr, Ca, Sr, Ba, Sn, Mn, Bi 또는 Ac이고,
a는 1, 또는 2, b는 0 내지 2, c는 0 내지 3, d는 0 내지 3이다.
다만, b 및 c는 동시에 0이 아니다. - 청구항 1에 있어서, 상기 화학식 1 화합물은, Y(OH)CO3인 것을 특징으로 하는 LED 봉지재.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서, 상기 화학식 1 화합물은, 1.6 내지 2.3 범위 이내의 굴절율을 가지는 것을 특징으로 하는 LED 봉지재.
- 청구항 1에 있어서, 상기 고분자 수지는, 실리콘계 수지, 페놀계 수지, 아크릴 수지, 폴리스타렌, 폴리 우레탄, 벤조구아나민 수지, 및 에폭시계 수지에서 선택되어지는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 LED 봉지재.
- 청구항 1에 있어서, 형광체 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 봉지재.
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