KR101778936B1 - 스핀 코팅과 스프레이 코팅이 가능한 황색 형광체 페이스트 조성물을 이용한 비평면형 백색 발광다이오드 소자의 제조방법 - Google Patents
스핀 코팅과 스프레이 코팅이 가능한 황색 형광체 페이스트 조성물을 이용한 비평면형 백색 발광다이오드 소자의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은, SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하는 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿 10∼40중량%, 황색 형광체 60∼90중량%, 상기 유리 프릿과 상기 황색 형광체의 전체 함량 100중량부에 대하여 유기 바인더 용액 15∼45중량부를 포함하며, 상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿의 연화점은 500℃보다 낮고, 상기 유리 프릿, 상기 황색 형광체 및 상기 유기 바인더 용액의 전체 함량 100중량부에 대하여 n-부틸아세테이트가 50∼100중량부 함유되어 희석되어 있는 것을 특징으로 하는 황색 형광체 페이스트 조성물, 이를 이용한 비평면형 백색 발광다이오드 소자의 제조방법 및 이에 의해 제조된 비평면형 백색 발광다이오드 소자에 관한 것이다. 본 발명의 황색 형광체 페이스트 조성물에 의하면, 저연화점 유리 프릿과 황색 형광체가 균일하게 분산되어 있고, 화학적으로 안정하며, 온도와 습도에 강하고, 장시간 사용 시에도 크랙(crack) 등이 생기지 않으며, 고출력 및 고온환경에 장기간 노출되어도 변색이 거의 없어 광 효율이 우수하고, 막 두께 조절이 용이하며, 코팅의 안정도가 높고, 액상공정인 스핀 코팅과 스프레이 코팅법을 이용하여 도포가 가능하고, 리모트 형광체(remote phosphor) 타입의 패키지에 사용될 수 있으며, 상기 황색 형광체 페이스트 조성물을 이용하여 색유리 렌즈를 제조하고 비평면형 백색 발광다이오드 소자에 적용할 수 있다.
Description
본 발명은 스핀 코팅과 스프레이 코팅이 가능한 황색 형광체 페이스트 조성물, 이를 이용한 비평면형 백색 발광다이오드 소자의 제조방법 및 이에 의해 제조된 비평면형 백색 발광다이오드 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저연화점 유리 프릿과 황색 형광체가 균일하게 분산되어 있고, 화학적으로 안정하며, 온도와 습도에 강하고, 장시간 사용 시에도 크랙(crack) 등이 생기지 않으며, 고출력 및 고온환경에 장기간 노출되어도 변색이 거의 없어 광 효율이 우수하고, 막 두께 조절이 용이하며, 코팅의 안정도가 높고, 액상공정인 스핀 코팅과 스프레이 코팅을 이용하여 도포가 가능하고, 리모트 형광체(remote phosphor) 타입의 패키지에 사용될 수 있는 황색 형광체 페이스트 조성물, 이를 이용한 비평면형 백색 발광다이오드 소자의 제조방법 및 이에 의해 제조된 비평면형 백색 발광다이오드 소자에 관한 것이다.
발광다이오드(Light Emitting Diode; 이하 'LED'라 함)를 통해 백색을 구현하는 방법은 여러 가지가 있으나, 현재 상용화되어 보편적으로 이용되는 방법은 청색(blue) LED에 황색(yellow) 형광체를 도포하는 방법이다. 단일형광체를 사용하기 때문에 제조가 용이하고 황색 형광체의 광 변환 효율이 매우 높기 때문에 광 손실이 적다는 장점으로 널리 사용되고 있다.
일반적으로 백색 LED 소자는 청색 LED 칩(chip), 다이 프레임(Dieframe), 형광체(Phosphor), 봉지재(Encapsulation materials), 골드 와이어(GoldWire), 접착제(Adhesive) 등으로 구성된다.
수직구조의 백색 LED 소자는 대부분 형광체와 실리콘 수지를 혼합하여 몰딩하는 형태로 제작되는데, 형광체를 너무 많이 혼합하는 경우에는 광출력이 감소하며, 형광체의 양이 적은 경우에는 청색 계열의 색온도가 높은 백색광을 얻게 되어 조명용 광원으로 적합하지 않다. 또한, 수명을 고려한 측면에서 고온에 의한 청색 LED 칩의 성능저하보다는 패키지 제조에 사용된 봉지재와 형광체의 열화현상으로 신뢰성 저하의 주요인으로 작용하고 있다.
이러한 문제를 개선하기 위해 백색 LED 소자는 청색 LED 칩 위에 황색 형광체와 실리콘 혹은 에폭시를 일정비율 혼합하여 봉지하는 형태를 적용하고 있다. 그러나 이러한 유기봉지재의 경우, 온도와 습도에 매우 약하고, 장시간 사용 시 딱딱해지거나, 크랙(crack), 황변 등의 현상을 나타내어 효율이 떨어지는 문제가 있다. 이러한 문제로 인해 특히 열을 많이 발생하는 고출력 백색 LED 소자에는 청색 LED 칩 표면에 바로 유기봉지재를 적용하는 현재의 구조로는 적용이 어렵다.
리모트 형광체 타입의 LED는 기존 조명보다 눈부심이 적고, 에너지 효율이 높으며, 방열이 좋고, 수명이 길어 교체비용이 적으며, 진동이나 충격에도 강하고, 수은과 같은 유독물질의 사용이 불필요하기 때문에 에너지 절약, 환경보호 등의 장점으로 인하여 기존 조명을 대체하는 신조명으로 시장에 진입하고 있다.
따라서, 청색 LED 칩 위에 형광체를 혼합한 봉지재를 사용하지 않고, 청색 LED 칩과 형광체를 일정한 간격을 띄우는 리모트 형광체(Remote Phosphor) 구조의 패키지에 대한 연구 및 관심이 늘어가고 있는 추세이다.
본 발명의 발명자들은 청색 LED 칩과 형광체를 일정한 간격을 띄우는 리모트 형광체(Remote Phosphor) 구조를 연구하고, 특허출원을 하여 특허등록(특허등록번호 10-1432479)을 받은 바 있다.
본 발명의 발명자들은 특허등록번호 10-1432479에 개시된 기술을 개량하는 연구를 진행하였으며, 비평면형(예컨대, 돔형) 렌즈가 적용된 백색 발광다이오드 소자에 대한 연구를 진행하였다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 저연화점 유리 프릿과 황색 형광체가 균일하게 분산되어 있고, 화학적으로 안정하며, 온도와 습도에 강하고, 장시간 사용 시에도 크랙(crack) 등이 생기지 않으며, 고출력 및 고온환경에 장기간 노출되어도 변색이 거의 없어 광 효율이 우수하고, 막 두께 조절이 용이하며, 코팅의 안정도가 높고, 액상공정인 스핀 코팅과 스프레이 코팅을 이용하여 도포가 가능하고, 리모트 형광체(remote phosphor) 타입의 패키지에 사용될 수 있는 황색 형광체 페이스트 조성물을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 액상공정인 스핀 코팅과 스프레이 코팅법을 이용하며, 리모트 형광체(remote phosphor) 타입의 패키지가 적용되면서 비평면형 렌즈 모양을 갖는 백색 발광다이오드 소자를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 비평면형 백색 발광다이오드 소자를 제공함에 있다.
본 발명은, SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하는 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿 10∼40중량%, 황색 형광체 60∼90중량%, 상기 유리 프릿과 상기 황색 형광체의 전체 함량 100중량부에 대하여 유기 바인더 용액 15∼45중량부를 포함하며, 상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿의 연화점은 500℃보다 낮고, 상기 유리 프릿, 상기 황색 형광체 및 상기 유기 바인더 용액의 전체 함량 100중량부에 대하여 n-부틸아세테이트가 50∼100중량부 함유되어 희석되어 있는 것을 특징으로 하는 황색 형광체 페이스트 조성물을 제공한다.
상기 유리 프릿은 0.1∼10㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 황색 형광체는 세륨이 도핑된 이트륨 알루미늄 산화물(Y3Al5O12:Ce)을 포함할 수 있으며, 상기 황색 형광체는 0.5∼10㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 유기 바인더 용액은 알파-터피놀, n-부틸아세테이트 및 에틸셀룰로오스가 2.5∼6.5:2.5∼6.5:1의 중량비로 혼합된 용액을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 황색 형광체 페이스트 조성물을 형성하는 단계와, 비평면형 유리렌즈를 스핀코터에 진공을 이용하여 흡착하여 고정하는 단계와, 상기 비평면형 유리렌즈가 회전되게 하면서 상기 비평면형 유리렌즈 상에 상기 황색 형광체 페이스트 조성물을 스프레이 코팅하는 단계와, 상기 황색 형광체 페이스트 조성물이 도포된 비평면형 유리렌즈를 상기 유리 프릿의 연화점 보다 높은 550∼800℃의 온도에서 열처리하여 비평면형 황색 형광 렌즈를 형성하는 단계와, 인쇄회로기판 상부에 청색 발광다이오드 칩이 안착되어 있고 상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어가 본딩되어 있는 발광다이오드 램프를 준비하는 단계 및 상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 상기 비평면형 황색 형광 렌즈를 장착하는 단계를 포함하며, 상기 청색 발광다이오드 칩과 상기 비평면형 황색 형광 렌즈는 서로 이격되게 장착하며, 상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿의 연화점은 500℃보다 낮은 것을 특징으로 하는 비평면형 백색 발광다이오드 소자의 제조방법을 제공한다.
상기 황색 형광체 페이스트 조성물을 형성하는 단계는, SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하는 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿 10∼40중량%와 황색 형광체 60∼90중량%를 혼합하는 단계와, 상기 유리 프릿과 상기 황색 형광체의 혼합물에 상기 유리 프릿과 상기 황색 형광체의 전체 함량 100중량부에 대하여 유기 바인더 용액 15∼45중량부를 첨가하는 단계 및 상기 유리 프릿, 상기 황색 형광체 및 상기 유기 바인더 용액의 전체 함량 100중량부에 대하여 n-부틸아세테이트 50∼100중량부 첨가하여 희석시켜 황색 형광체 페이스트 조성물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 유기 바인더 용액은 알파-터피놀, n-부틸아세테이트 및 에틸셀룰로오스가 2.5∼6.5:2.5∼6.5:1의 중량비로 혼합된 용액을 사용할 수 있다.
상기 황색 형광체 페이스트 조성물은 상기 유리 프릿 및 상기 황색 형광체의 입자 크기를 고려하여 상기 비평면형 유리렌즈 상에 10∼100㎛의 두께로 도포하는 것이 바람직하다.
상기 유리 프릿은 0.1∼10㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 황색 형광체는 세륨이 도핑된 이트륨 알루미늄 산화물(Y3Al5O12:Ce)을 사용할 수 있으며, 상기 황색 형광체는 0.5∼10㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 비평면형 유리렌즈는 50∼200rpm으로 회전시키는 것이 바람직하다.
상기 스프레이 코팅의 분무 시간은 30초 내지 5분 동안 수행하는 것이 바람직하다.
상기 스프레이 코팅 후 상기 열처리 전에 60∼180℃에서 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, 인쇄회로기판과, 전압을 인가하면 청색 가시광선을 발광하는 청색 발광다이오드 칩과, 상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어 및 상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 장착된 비평면형 황색 형광 렌즈를 포함하며, 상기 청색 발광다이오드 칩과 상기 비평면형 황색 형광 렌즈는 서로 이격되어 있고, 상기 비평면형 황색 형광 렌즈는 비평면형 유리렌즈 상에 코팅된 황색 형광체막을 포함하며, 상기 황색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점은 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 황색 형광체 60∼90중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 비평면형 백색 발광다이오드 소자를 제공한다.
본 발명의 황색 형광체 페이스트 조성물에 의하면, 저연화점 유리 프릿과 황색 형광체가 균일하게 분산되어 있고, 화학적으로 안정하며, 온도와 습도에 강하고, 장시간 사용 시에도 크랙(crack) 등이 생기지 않으며, 고출력 및 고온환경에 장기간 노출되어도 변색이 거의 없어 광 효율이 우수하고, 막 두께 조절이 용이하며, 코팅의 안정도가 높고, 액상공정인 스핀 코팅과 스프레이 코팅법을 이용하여 도포가 가능하고, 리모트 형광체(remote phosphor) 타입의 패키지에 사용될 수 있다.
본 발명에 의해 제조된 비평면형 백색 발광다이오드 소자는, 저연화점 유리에 형광체가 균일하게 분산되어 있고, 화학적으로 안정하며, 온도와 습도에 강하고, 장시간 사용 시에도 크랙(crack) 등이 생기지 않고, 고출력 및 고온환경에 장기간 노출되어도 변색이 거의 없어 광효율이 우수하며, 액상공정인 스핀 코팅과 스프레이 코팅을 이용하며, 리모트 형광체(remote phosphor) 타입의 패키지가 적용된다.
도 1은 청색 LED 칩과 황색 형광체를 일정한 간격을 띄우는 리모트 형광체(Remote Phosphor) 타입의 백색 LED 소자의 예를 보여주는 도면이다.
도 2는 실험방법으로 스핀코팅과 스프레이 코팅을 함께하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 코팅 전 비평면형 유리렌즈 A의 형태를 나타낸 사진이다.
도 4는 코팅 전 비평면형 유리렌즈 B의 형태를 나타낸 사진이다.
도 5는 코팅 전 비평면형 유리렌즈 C의 형태를 나타낸 사진이다.
도 6a 내지 도 6c는 실험예 1에 따라 제조된 n-부틸 아세테이트를 혼합하여 형성한 페이스트를 이용해 제조된 비평면형 황색 형광 렌즈를 보여주는 사진들이다.
도 7a 내지 도 7e는 실험예 2에 따라 분무시간을 1분30초∼2분50초하여 제조된 비평면형 황색 형광 렌즈를 보여주는 사진들이다.
도 8a 내지 도 8c는 실험예 3에 따라 다른 크기와 형태의 렌즈들로 제조된 비평면형 황색 형광 렌즈를 보여주는 사진들이다.
도 9는 실험예 3에 따라 다른 크기와 형태의 렌즈들로 제조된 비평면형 황색 형광 렌즈의 색온도(CCT)(K)값을 나타낸 것이다.
도 10은 실험예 3에 따라 다른 크기와 형태의 렌즈들로 제조된 비평면형 황색 형광 렌즈의 연색지수(CRI)를 나타낸 것이다.
도 11은 실험예 3에 따라 다른 크기와 형태의 렌즈들로 제조된 비평면형 황색 형광 렌즈의 광 효율(lm/w)를 나타낸 것이다.
도 2는 실험방법으로 스핀코팅과 스프레이 코팅을 함께하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 코팅 전 비평면형 유리렌즈 A의 형태를 나타낸 사진이다.
도 4는 코팅 전 비평면형 유리렌즈 B의 형태를 나타낸 사진이다.
도 5는 코팅 전 비평면형 유리렌즈 C의 형태를 나타낸 사진이다.
도 6a 내지 도 6c는 실험예 1에 따라 제조된 n-부틸 아세테이트를 혼합하여 형성한 페이스트를 이용해 제조된 비평면형 황색 형광 렌즈를 보여주는 사진들이다.
도 7a 내지 도 7e는 실험예 2에 따라 분무시간을 1분30초∼2분50초하여 제조된 비평면형 황색 형광 렌즈를 보여주는 사진들이다.
도 8a 내지 도 8c는 실험예 3에 따라 다른 크기와 형태의 렌즈들로 제조된 비평면형 황색 형광 렌즈를 보여주는 사진들이다.
도 9는 실험예 3에 따라 다른 크기와 형태의 렌즈들로 제조된 비평면형 황색 형광 렌즈의 색온도(CCT)(K)값을 나타낸 것이다.
도 10은 실험예 3에 따라 다른 크기와 형태의 렌즈들로 제조된 비평면형 황색 형광 렌즈의 연색지수(CRI)를 나타낸 것이다.
도 11은 실험예 3에 따라 다른 크기와 형태의 렌즈들로 제조된 비평면형 황색 형광 렌즈의 광 효율(lm/w)를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
기존 백색 발광다이오드 소자 제조의 형태는 평면형의 모양이었다. 이러한 평면형 형태는 빛을 여러 방향을 분산시키는 데에 한계가 있고, 광 추출 효율이 떨어지기 때문에 빛의 분산이 유리하고, 광 추출 효율이 높은 돔형과 같은 비평면형 렌즈 형태가 요구된다.
본 발명은 비평면형(예컨대, 돔형) 렌즈 모양을 갖는 백색 발광다이오드 소자를 제조하는데 적용할 수 있는 황색 형광체 페이스트 조성물을 제시하고, 상기 황색 형광체 페이스트 조성물을 이용하여 액상공정인 스핀 코팅과 스프레이 코팅을 이용하여 비평면형 백색 발광다이오드 소자를 제조하는 방법을 제시한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 황색 형광체 페이스트 조성물은, SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하는 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿 10∼40중량%, 황색 형광체 60∼90중량%, 상기 유리 프릿과 상기 황색 형광체의 전체 함량 100중량부에 대하여 유기 바인더 용액 15∼45중량부를 포함하며, 상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿의 연화점은 500℃보다 낮고, 상기 유리 프릿, 상기 황색 형광체 및 상기 유기 바인더 용액의 전체 함량 100중량부에 대하여 n-부틸아세테이트가 50∼100중량부 함유되어 희석되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비평면형 백색 발광다이오드 소자의 제조방법은, 상기 황색 형광체 페이스트 조성물을 형성하는 단계와, 비평면형 유리렌즈를 스핀코터에 진공을 이용하여 흡착하여 고정하는 단계와, 상기 비평면형 유리렌즈가 회전되게 하면서 상기 비평면형 유리렌즈 상에 상기 황색 형광체 페이스트 조성물을 스프레이 코팅하는 단계와, 상기 황색 형광체 페이스트 조성물이 도포된 비평면형 유리렌즈를 상기 유리 프릿의 연화점 보다 높은 550∼800℃의 온도에서 열처리하여 비평면형 황색 형광 렌즈를 형성하는 단계와, 인쇄회로기판 상부에 청색 발광다이오드 칩이 안착되어 있고 상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어가 본딩되어 있는 발광다이오드 램프를 준비하는 단계 및 상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 상기 비평면형 황색 형광 렌즈를 장착하는 단계를 포함하며, 상기 청색 발광다이오드 칩과 상기 비평면형 황색 형광 렌즈는 서로 이격되게 장착하며, 상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿의 연화점은 500℃보다 낮은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비평면형 백색 발광다이오드 소자는, 인쇄회로기판과, 전압을 인가하면 청색 가시광선을 발광하는 청색 발광다이오드 칩과, 상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어 및 상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 장착된 비평면형 황색 형광 렌즈를 포함하며, 상기 청색 발광다이오드 칩과 상기 비평면형 황색 형광 렌즈는 서로 이격되어 있고, 상기 비평면형 황색 형광 렌즈는 비평면형 유리렌즈 상에 코팅된 황색 형광체막을 포함하며, 상기 황색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점은 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 황색 형광체 60∼90중량%를 포함한다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 황색 형광체 페이스트 조성물, 이를 이용한 비평면형 백색 발광다이오드 소자의 제조방법 및 이에 의해 제조된 비평면형 백색 발광다이오드 소자를 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 황색 형광체 페이스트 조성물은, SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하는 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿 10∼40중량%, 황색 형광체 60∼90중량%, 상기 유리 프릿과 상기 황색 형광체의 전체 함량 100중량부에 대하여 유기 바인더 용액 15∼45중량부를 포함하며, 상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿의 연화점은 500℃보다 낮고, 상기 유리 프릿, 상기 황색 형광체 및 상기 유기 바인더 용액의 전체 함량 100중량부에 대하여 n-부틸아세테이트가 50∼100중량부 함유되어 희석되어 있다.
상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿의 연화점은 500℃보다 낮은 연화점(예컨대, 400℃ 이상이고 500℃ 미만)을 가지므로 후술하는 열처리 온도를 낮출 수 있고, 따라서 에너지가 절약되어 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
상기 유리 프릿은 0.1∼10㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다. 상기 유리 프릿의 입경이 너무 작으면 제조하기가 어렵고 입경이 작은 유리 프릿을 제조하기 위해 고가의 장비를 필요로 하므로 비경제적이며, 상기 유리 프릿의 입경이 너무 크면 황색 형광체막 형성 시에 표면 요철이 생길 수 있다.
상기 황색 형광체는 세륨이 도핑된 이트륨 알루미늄 산화물(Y3Al5O12:Ce)을 포함할 수 있으며, 상기 황색 형광체는 0.5∼10㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다. 상기 황색 형광체의 입경이 너무 작으면 제조하기가 어렵고 입경이 작은 형광체를 제조하기 위해 고가의 장비를 필요로 하므로 비경제적이며, 상기 황색 형광체의 입경이 너무 크면 황색 형광체막 형성 시에 표면 요철이 생길 수 있다. 상기 세륨의 도핑량은 0.01∼5몰% 정도인 것이 바람직하다.
상기 유기 바인더 용액은 유기 바인더와 용제가 혼합된 용액이다.
상기 유기 바인더로는 에틸셀룰로오스(ethyl cellulose), 메틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 카르복시셀룰로오스, 폴리비닐알콜, 아크릴산에스테르, 메타크릴산에스테르, 폴리비닐부티랄, 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있으며, 유기 바인더로서 그 외에도 일반적으로 잘 알려진 물질을 사용할 수 있다.
상기 용제로는 유기 바인더를 용해시키거나 분산시키고 유리 프릿을 분산시켜 점도를 조절하기 위하여 유기용매를 사용할 수 있으며, 상기 유기용매로서 유기 바인더를 녹일 수 있는 물질이 사용 가능한데, 예컨대, 알파-터피놀(α-Terpineol), 디하이드로 터피놀(Dihydro terpineol; DHT), 디하이드로 터피놀 아세테이트(Dihydro terpineol acetate; DHTA), 부틸카비톨아세테이트(Butyl Carbitol Acetate; BCA), n-부틸아세테이트, 에틸렌글리콜, 이소부틸알콜, 메틸에틸케톤, 부틸카비톨, 텍사놀(texanol)(2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올모노이소부티레이트), 에틸벤젠, 이소프로필벤젠, 시클로헥사논, 시클로펜타논, 디메틸설폭사이드, 디에틸프탈레이트, 이들의 혼합물 등이 그 예이다.
바람직하게는 상기 유기 바인더 용액은 알파-터피놀, n-부틸아세테이트 및 에틸셀룰로오스가 2.5∼6.5:2.5∼6.5:1의 중량비로 혼합된 용액으로 이루어질 수 있다.
황색 형광체 페이스트 조성물은 다음과 같은 방법으로 제조할 수 있다.
먼저 유리 프릿을 제조하는 방법을 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 황색 형광체 페이스트 조성물에 사용되는 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿을 제조하기 위하여 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%가 함유되게 원료들을 칭량한다. 상기 원료들로는 SiO2, B2O3, ZnO 및 Al2O3를 사용할 수 있다.
칭량된 원료들이 용융될 수 있는 온도(예컨대, 1400∼1800℃의 온도)에서 일정 시간(예컨대, 10분∼12시간) 동안 유지하여 원료들을 용융시킨다. 용융된 원료들을 급속 냉각하고, 급속 냉각된 벌크 형태의 유리를 분쇄하여 원하는 크기의 평균 입경을 갖는 분말 형태의 유리 프릿을 얻는다.
상기 벌크 형태 유리의 분쇄는 볼 밀링(Ball Milling), 밀링 미디어(Milling Media), 제트 밀(Jet mill), 유발 분쇄 등과 같은 다양한 방법을 사용할 수 있다.
이하 볼 밀링법에 의한 분쇄 공정을 예로 들어 구체적으로 설명한다. 벌크 형태의 유리를 볼밀링기(ball milling machine)에 장입한다. 볼 밀링기를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 벌크 형태의 유리를 기계적으로 분쇄한다. 볼 밀링에 사용되는 볼은 지르코니아, 알루미나와 같은 세라믹으로 이루어진 볼을 사용할 수 있으며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼 밀링기의 분당 회전속도 등을 조절하여 목표하는 입자의 크기로 분쇄한다. 예를 들면, 입자의 크기를 고려하여 볼의 크기는 1㎜∼50㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼 밀링기의 회전속도는 100∼500rpm 정도의 범위로 설정할 수 있다. 볼 밀링은 목표하는 입자의 크기 등을 고려하여 1∼48시간 동안 실시한다. 볼 밀링에 의해 미세한 크기의 입자로 분쇄되고, 균일한 입자 크기 분포를 갖게 된다.
이렇게 형성된 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 황색 형광체를 목표하는 비율에 따라 혼합한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 황색 형광체 페이스트 조성물은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿 10∼40중량%, 황색 형광체 90∼60중량%를 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 황색 형광체는 세륨이 도핑된 이트륨 알루미늄 산화물(Y3Al5O12:Ce)을 포함할 수 있다. 상기 세륨의 도핑량은 0.01∼5몰% 정도인 것이 바람직하다.
SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 황색 형광체의 혼합물을 미분화하기 위하여 분쇄할 수도 있다. 상기 분쇄는 볼 밀링(Ball Milling), 밀링 미디어(Milling Media), 제트 밀(Jet mill), 유발 분쇄 등과 같은 다양한 방법을 사용할 수 있다. 일정 크기의 메쉬(Mesh) 형태의 체(sieve)를 이용하여 일정 크기 이상의 불순물을 필터링하여 걸러낼 수도 있다. 황색 형광체 페이스트 조성물에 함유되는 유리 프릿의 평균 입경은 0.1㎛∼10㎛ 정도인 것이 바람직하다. 유리 프릿의 입경이 너무 작으면 제조하기가 어렵고 입경이 작은 유리 프릿을 제조하기 위해 고가의 장비를 필요로 하므로 비경제적이며, 유리 프릿의 입경이 너무 크면 황색 형광체막 형성 시에 표면 요철이 생길 수 있다. 황색 형광체 페이스트 조성물에 함유되는 황색 형광체의 평균 입경은 0.5∼10㎛ 정도인 것이 바람직하다. 상기 황색 형광체의 입경이 너무 작으면 제조하기가 어렵고 입경이 작은 형광체를 제조하기 위해 고가의 장비를 필요로 하므로 비경제적이며, 상기 황색 형광체의 입경이 너무 크면 황색 형광체막 형성 시에 표면 요철이 생길 수 있다.
SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 황색 형광체의 혼합물에 유기 바인더 용액을 첨가한다. 상기 유리 프릿과 상기 황색 형광체의 혼합물에 상기 유리 프릿과 상기 황색 형광체의 전체 함량 100중량부에 대하여 유기 바인더 용액 15∼45중량부를 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 유기 바인더 용액은 유기 바인더와 용제가 혼합된 용액이다.
상기 유기 바인더로는 에틸셀룰로오스(ethyl cellulose), 메틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 카르복시셀룰로오스, 폴리비닐알콜, 아크릴산에스테르, 메타크릴산에스테르, 폴리비닐부티랄, 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있으며, 유기 바인더로서 그 외에도 일반적으로 잘 알려진 물질을 사용할 수 있다.
상기 용제로는 유기 바인더를 용해시키거나 분산시키고 유리 프릿을 분산시켜 점도를 조절하기 위하여 유기용매를 사용할 수 있으며, 상기 유기용매로서 유기 바인더를 녹일 수 있는 물질이 사용 가능한데, 예컨대, 알파-터피놀(α-Terpineol), 디하이드로 터피놀(Dihydro terpineol; DHT), 디하이드로 터피놀 아세테이트(Dihydro terpineol acetate; DHTA), 부틸카비톨아세테이트(Butyl Carbitol Acetate; BCA), n-부틸아세테이트, 에틸렌글리콜, 이소부틸알콜, 메틸에틸케톤, 부틸카비톨, 텍사놀(texanol)(2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올모노이소부티레이트), 에틸벤젠, 이소프로필벤젠, 시클로헥사논, 시클로펜타논, 디메틸설폭사이드, 디에틸프탈레이트, 이들의 혼합물 등이 그 예이다.
바람직하게는 상기 유기 바인더 용액은 알파-터피놀, n-부틸아세테이트 및 에틸셀룰로오스가 2.5∼6.5:2.5∼6.5:1의 중량비로 혼합된 용액으로 이루어질 수 있다.
상기 유리 프릿, 상기 황색 형광체 및 상기 유기 바인더 용액의 전체 함량 100중량부에 대하여 n-부틸아세테이트 50∼100중량부 첨가하여 희석시켜 황색 형광체 페이스트 조성물을 형성한다. n-부틸아세테이를 첨가함으로써 스프레이 코팅에 적합한 점도를 유지할 수 있고, 스핀 코팅과 스프레이 코팅을 용이하게 수행할 수 있게 한다.
이렇게 제조된 황색 황광체 페이스트를 액상공정인 스핀 코팅과 스프레이 코팅을 이용하여 비평면형 유리렌즈 위에 코팅한다. 상기 스핀 코팅과 스프레이 코팅은 막 두께 조절이 용이하고, 용액의 손실이 적으며, 장치 및 사용법이 간단하고, 코팅의 안정도가 높으며, 다양한 형태의 표면에 코팅이 가능한 액상 공정이다.
스핀 코팅 및 스프레이 코팅을 하기 위해 비평면형 유리렌즈를 진공을 이용하여 스핀코터 위에 고정시키고, 소정 회전속도(예컨대, 50∼200 rpm, 바람직하게는 100 rpm)로 회전시킨다.
상기 황색 형광체 페이스트 조성물을 회전되고 있는 비평면형 유리렌즈 위에 스프레이 코팅법으로 도포한다. 황색 형광 페이스트를 스핀 코팅과 스프레이 코팅이 이루어지는 과정을 도 2에 나타내었다. 스프레이 분무 시간은 30초 내지 5분 정도, 더욱 구체적으로는 1분 30초 내지 3분 정도인 것이 바람직하다.
상기 황색 형광체 페이스트 조성물은 유리 프릿의 입자 크기를 고려하여 상기 비평면형 유리렌즈 위에 10∼100㎛의 두께로 도포하는 것이 바람직하다. 도포 두께는 후술하는 열처리 후 형성되는 황색 형광체막의 두께를 고려하여 조절하며, 황색 형광체 페이스트 조성물의 점도 등에 따라 적절하게 도포한다.
상기 황색 형광체 페이스트 조성물이 도포된 비평면형 유리렌즈를 오븐에서 건조한다. 상기 건조 공정은 예를 들면, 60∼180℃에서 10분∼12시간 정도 유지하는 공정으로 이루어질 수 있다. 상기 건조 공정에 의해 용제 성분은 건조되어 없어지게 된다.
상기 황색 형광체 페이스트 조성물이 도포된 비평면형 유리렌즈를 퍼니스(furnace)에 장입하고 상기 유리 프릿의 연화점 보다 높은 온도(예컨대, 550∼800℃)에서 열처리하여 비평면형 황색 형광 렌즈를 형성한다. 상기 열처리는 유기 바인더의 타는 온도보다 높고 유리 프릿의 연화점보다 높은 온도에서 실시하는데, 예컨대 550∼800℃의 온도에서 수행한다. 상기 열처리는 5분∼12시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 황색 형광체 페이스트 조성물에 함유된 유기 바인더는 승온 과정 및 열처리 과정에서 태워져서 없어지게 된다.
열처리를 수행한 후, 상기 퍼니스 온도를 하강시켜 비평면형 황색 형광 렌즈를 언로딩한다. 상기 퍼니스 냉각은 퍼니스 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하거나, 임의적으로 온도 하강률(예컨대, 10∼15℃/min)을 설정하여 냉각되게 할 수도 있다.
열처리가 완료되면, 용제 및 유기 바인더 성분은 모두 없어지고, 비평면형 유리렌즈 위에 황색 형광체막이 형성된 비평면형 황색 형광 렌즈를 얻게 된다. 비평면형 황색 형광 렌즈는 비평면형 유리렌즈 상에 코팅된 황색 형광체막을 포함하며, 상기 황색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점은 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 황색 형광체 60∼90중량%를 포함한다.
조명용 LED에서 청색 LED 칩과 황색 형광체를 이용하여 비평면형 백색 LED 소자를 리모트 형광체 타입(remote phosphor type)으로 제조한다.
이하에서, 비평면형 백색 LED 소자를 제조하는 방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
도 1은 비평면형 황색 형광 렌즈를 이용하여 청색 LED 칩과 형광체를 일정한 간격을 띄우는 리모트 형광체(Remote Phosphor) 타입의 비평면형 백색 LED 소자의 예를 보여준다. 도 1에서 참조부호 '110'은 청색 LED 칩을 나타내고, 참조부호 '120'은 비평면형 유리렌즈를 나타내며, 참조부호 '130'은 황색 형광체막을 나타낸다.
인쇄회로기판 상부에 청색 발광다이오드 칩이 안착되어 있고 상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어가 본딩되어 있는 발광다이오드 램프를 준비한다.
상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 상기 비평면형 황색 형광 렌즈를 장착한다. 상기 청색 발광다이오드 칩과 상기 비평면형 황색 형광 렌즈는 서로 이격되게 장착한다.
이렇게 제조된 비평면형 백색 발광다이오드 소자는, 인쇄회로기판과, 전압을 인가하면 청색 가시광선을 발광하는 청색 발광다이오드 칩과, 상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어와, 상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 장착된 비평면형 황색 형광 렌즈를 포함하며, 상기 청색 발광다이오드 칩과 상기 비평면형 황색 형광 렌즈는 서로 이격되어 있다. 상기 비평면형 황색 형광 렌즈는 비평면형 유리렌즈 상에 적층된 황색 형광체막을 포함하며, 상기 황색 형광체막은, SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점은 500℃ 보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿 10∼40중량%과, 황색 형광체 90∼60중량%를 포함한다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실험예 1>
SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 황색 형광체를 혼합하였다.
황색 형광체와 혼합할 유리 프릿은 연화점이 500℃ 이하인 저연화점 유리 조성으로 이루어진 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿을 사용하였다. 상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿은 SiO2 25몰%, B2O3 40몰%, ZnO 30몰% 및 Al2O3 5몰% 비율로 조성이 설계된 것을 사용하였다.
상기 황색 형광체는 7.8∼9.8㎛ 크기를 갖는 세륨(cerium)이 도핑된 이트륨 알루미늄 산화물(yttrium aluminum oxide)(Y3Al5O12:Ce)을 사용하였다. 황색 형광체의 발광색은 황색을 나타내며, CIE 색 좌표는 x=0.431, y=0.549를 갖는다.
황색 형광체 페이스트 조성물을 제조하기 위해 볼 밀링기에 유리 프릿 20중량%, 황색 형광체 80중량%를 첨가하고 30분 동안 건식 볼 밀링(ball milling)을 수행하여 혼합하였다. 상기 건식 볼 밀링은 볼 밀링기를 이용하여 100rpm의 속도로 회전시켜 원료를 기계적으로 혼합하였으며, 건식 볼 밀링에 사용되는 볼은 알루미나로 이루어진 10mm 크기의 볼을 사용하였다.
황색 형광체와 유리 프릿이 혼합된 분말을 페이스트 조성물로 만들기 위해 유기 바인더 용액을 황색 형광체와 유리 프릿 전체 100중량부에 대하여 30중량부를 첨가하였다. 상기 유기 바인더 용액은 알파-터피놀(α-Terpineol), n-부틸아세테이트(n-Butyl Acetate) 및 에틸셀룰로오스(Ethyl Cellulose)가 4.5:4.5:10의 중량비로 혼합된 용액을 사용하였다.
황색 형광체, 유리 프릿 및 유기 바인더 용액을 고속혼합기를 이용하여 10분간 혼합하였다. 이때, 상기 고속혼합기는 1200rpm의 속도로 회전시키며 혼합하였다.
황색 형광체, 유리 프릿 및 유기 바인더 용액의 혼합물에 n-부틸아세테이트를 첨가하여 희석시켜 황색 형광체 페이스트를 형성하였다. 황색 형광체, 유리 프릿 및 유기 바인더 용액의 혼합물의 전체 함량과 n-부틸아세테이트의 함량을 1:1, 1:0.7, 1:0.5의 중량비로 하여 황색 형광체 페이스트를 제조하였다.
비평면형 유리렌즈를 스핀코터에 진공을 이용하여 고정시킨 후, 100rpm의 일정한 속도로 회전시켰다. 황색 형광체 페이스트를 스핀코터에 고정되어 100rpm으로 회전되고 있는 비평면형 유리렌즈 위에 스프레이 코팅법을 이용하여 1분 30초 동안 분무하여 코팅막을 입혔으며, 보로실리케이트계 비평면형 유리렌즈 위에 황색 형광체 페이스트 조성물을 스프레이 코팅으로 도포한 후, 80℃의 오븐에서 30분 동안 건조하였다. 상기 비평면형 유리렌즈는 밑면의 지름이 11.5mm, 높이가 4.2mm인 보로실리케이트(borosilicate)계 유리를 사용하였다. 황색 형광체 페이스트 조성물이 도포된 비평면형 유리렌즈를 시간당 100℃로 800℃까지 승온하고, 2시간 동안 유지한 후, 시간당 100℃로 서냉하여 리모트 형광체 타입의 비평면형 황색 형광 렌즈를 제조하였다. 800℃에서 2시간 동안 열처리 함으로써 유리 프릿이 충분히 용융(melting)되어 접착하도록 하였다.
이렇게 제조된 비평면형 황색 형광 렌즈를 도 6a 내지 도 6c에 나타내었다.
도 6a는 실험예 1에 따라 유리 프릿, 황색 형광체 및 유기 바인더 용액의 전체 함량과 n-부틸아세테이트의 함량을 1:1의 중량비로 하여 형성한 황색 형광체 페이스트를 비평면형 유리렌즈 위에 1분 30초 동안 분무하여 스프레이 코팅한 경우이고, 도 6b는 실험예 1에 따라 유리 프릿, 황색 형광체 및 유기 바인더 용액의 전체 함량과 n-부틸아세테이트의 함량을 1:0.7의 중량비로 하여 형성한 황색 형광체 페이스트를 비평면형 유리렌즈 위에 1분 30초 동안 분무하여 스프레이 코팅한 경우이며, 도 6c는 실험예 1에 따라 유리 프릿, 황색 형광체 및 유기 바인더 용액의 전체 함량과 n-부틸아세테이트의 함량을 1:0.5의 중량비로 하여 형성한 황색 형광체 페이스트를 비평면형 유리렌즈 위에 1분 30초 동안 분무하여 스프레이 코팅한 경우이다.
<실험예 2>
SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 황색형광체를 혼합하였다.
황색 형광체와 혼합할 유리 프릿은 연화점이 500℃ 이하인 저연화점 유리 조성으로 이루어진 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿을 사용하였다. 상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿은 SiO2 25몰%, B2O3 40몰%, ZnO 30몰% 및 Al2O3 5몰% 비율로 조성이 설계된 것을 사용하였다.
상기 황색 형광체는 7.8∼9.8㎛ 크기를 갖는 세륨(cerium)이 도핑된 이트륨 알루미늄 산화물(yttrium aluminum oxide)(Y3Al5O12:Ce)을 사용하였다. 황색 형광체의 발광색은 황색을 나타내며, CIE 색 좌표는 x=0.431, y=0.549를 갖는다.
황색 형광체 페이스트 조성물을 제조하기 위해 볼 밀링기에 유리 프릿 20중량%, 황색 형광체 80중량%를 첨가하고 30분 동안 건식 볼 밀링(ball milling)을 수행하여 혼합하였다. 상기 건식 볼 밀링은 볼 밀링기를 이용하여 100rpm의 속도로 회전시켜 원료를 기계적으로 혼합하였으며, 건식 볼 밀링에 사용되는 볼은 알루미나로 이루어진 10mm 크기의 볼을 사용하였다.
황색 형광체와 유리 프릿이 혼합된 분말을 페이스트 조성물로 만들기 위해 유기 바인더 용액을 황색 형광체와 유리 프릿 전체 100중량부에 대하여 30중량부를 첨가하였다. 상기 유기 바인더 용액은 알파-터피놀(α-Terpineol), n-부틸아세테이트(n-Butyl Acetate) 및 에틸셀룰로오스(Ethyl Cellulose)가 4.5:4.5:10의 중량비로 혼합된 용액을 사용하였다.
황색 형광체, 유리 프릿 및 유기 바인더 용액을 고속혼합기를 이용하여 10분간 혼합하였다. 이때, 상기 고속혼합기는 1200rpm의 속도로 회전시키며 혼합하였다.
황색 형광체, 유리 프릿 및 유기 바인더 용액의 혼합물에 n-부틸아세테이트를 첨가하여 희석시켜 황색 형광체 페이스트를 형성하였다. 황색 형광체, 유리 프릿 및 유기 바인더 용액의 혼합물의 전체 함량과 n-부틸아세테이트의 함량을 1:0.5의 중량비로 하여 황색 형광체 페이스트를 제조하였다.
비평면형 유리렌즈를 스핀코터에 진공을 이용하여 고정시킨 후, 100rpm의 일정한 속도로 회전시켰다. 황색 형광체 페이스트를 스핀코터에 고정되어 100rpm으로 회전되고 있는 비평면형 유리렌즈 위에 스프레이 코팅법을 이용하여 1분 30초 내지 2분 50초 동안 분무하여 코팅막을 입혔으며, 보로실리케이트계 비평면형 유리렌즈 위에 황색 형광체 페이스트 조성물을 스프레이 코팅으로 도포한 후, 80℃의 오븐에서 30분 동안 건조하였다. 상기 비평면형 유리렌즈는 밑면의 지름이 11.5mm, 높이가 4.2mm인 보로실리케이트(borosilicate)계 유리를 사용하였다. 황색 형광체 페이스트 조성물이 도포된 비평면형 유리렌즈를 시간당 100℃로 800℃까지 승온하고, 2시간 동안 유지한 후, 시간당 100℃로 서냉하여 리모트 형광체 타입의 비평면형 황색 형광 렌즈를 제조하였다. 800℃에서 2시간 동안 열처리 함으로써 유리 프릿이 충분히 용융(melting)되어 접착하도록 하였다.
이렇게 제조된 비평면형 황색 형광 렌즈를 도 7a 내지 도 7e에 나타내었다.
도 7a는 실험예 2에 따라 황색 형광체 페이스트를 비평면형 유리렌즈 위에 1분 30초 동안 분무하여 스프레이 코팅한 경우이고, 도 7b는 실험예 2에 따라 황색 형광체 페이스트를 비평면형 유리렌즈 위에 1분 50초 동안 스프레이 코팅한 경우이고, 도 7c는 실험예 2에 따라 황색 형광체 페이스트를 비평면형 유리렌즈 위에 2분 10초 동안 분무하여 스프레이 코팅한 경우이고, 도 7d는 실험예 2에 따라 황색 형광체 페이스트를 비평면형 유리렌즈 위에 2분 30초 동안 분무하여 스프레이 코팅한 경우이며, 도 7e는 실험예 2에 따라 황색 형광체 페이스트를 비평면형 유리렌즈 위에 2분 50초 동안 분무하여 스프레이 코팅한 경우이다.
<실험예 3>
SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 황색형광체를 혼합하였다.
황색 형광체와 혼합할 유리 프릿은 연화점이 500℃ 이하인 저연화점 유리 조성으로 이루어진 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿을 사용하였다. 상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿은 SiO2 25몰%, B2O3 40몰%, ZnO 30몰% 및 Al2O3 5몰% 비율로 조성이 설계된 것을 사용하였다.
상기 황색 형광체는 7.8∼9.8㎛ 크기를 갖는 세륨(cerium)이 도핑된 이트륨 알루미늄 산화물(yttrium aluminum oxide)(Y3Al5O12:Ce)을 사용하였다. 발광색은 황색을 나타내며, CIE 색 좌표는 x=0.431, y=0.549를 갖는다.
황색 형광체 페이스트 조성물을 제조하기 위해 볼 밀링기에 유리 프릿 20중량%, 황색 형광체 80중량%를 첨가하고 30분 동안 건식 볼 밀링(ball milling)을 수행하여 혼합하였다. 상기 건식 볼 밀링은 볼 밀링기를 이용하여 100rpm의 속도로 회전시켜 원료를 기계적으로 혼합하였으며, 건식 볼 밀링에 사용되는 볼은 알루미나로 이루어진 10mm 크기의 볼을 사용하였다.
황색 형광체와 유리 프릿이 혼합된 분말을 페이스트 조성물로 만들기 위해 유기 바인더 용액을 황색 형광체와 유리 프릿 전체 100중량부에 대하여 30중량부를 첨가하였다. 상기 유기 바인더 용액은 알파-터피놀(α-Terpineol), n-부틸아세테이트(n-Butyl Acetate) 및 에틸셀룰로오스(Ethyl Cellulose)가 4.5:4.5:1의 중량비로 혼합된 용액을 사용하였다.
황색 형광체, 유리 프릿 및 유기 바인더 용액을 고속혼합기를 이용하여 10분간 혼합하였다. 이때, 상기 고속혼합기는 1200rpm의 속도로 회전시키며 혼합하였다.
황색 형광체, 유리 프릿 및 유기 바인더 용액의 혼합물에 n-부틸아세테이트를 첨가하여 희석시켜 황색 형광체 페이스트를 형성하였다. 황색 형광체, 유리 프릿 및 유기 바인더 용액의 혼합물의 전체 함량과 n-부틸아세테이트의 함량을 1:0.5의 중량비로 하여 황색 형광체 페이스트를 제조하였다.
비평면형 유리렌즈를 스핀코터에 진공을 이용하여 고정시킨 후, 100rpm의 일정한 속도로 회전시켰다. 황색 형광체 페이스트를 스핀코터에 고정되어 100rpm으로 회전되고 있는 비평면형 유리렌즈 위에 스프레이 코팅법을 이용하여 2분 50초 동안 분무하여 코팅막을 입혔으며, 보로실리케이트계 비평면형 유리렌즈 위에 황색 형광체 페이스트 조성물을 스프레이 코팅으로 도포한 후, 80℃의 오븐에서 30분 동안 건조하였다. 상기 비평면형 유리렌즈는 밑면의 지름이 11.5mm, 높이가 4.2mm인 보로실리케이트(borosilicate)계 유리, 밑면의 지름이 12.0mm, 높이가 11.3mm인 보로실리케이트(borosilicate)계 유리, 밑면의 지름이 18.0mm, 높이가 9.0mm인 보로실리케이트(borosilicate)계 유리를 사용하여 크기가 다른 비평면형 유리렌즈를 사용하였을 때에 따른 특성을 평가하고자 하였다. 황색 형광체 페이스트 조성물이 도포된 비평면형 유리렌즈를 시간당 100℃로 600℃까지 승온하고, 2시간 동안 유지한 후, 시간당 100℃로 서냉하여 리모트 형광체 타입의 비평면형 황색 형광 렌즈를 제조하였다. 600℃에서 2시간 동안 열처리 함으로써 유리 프릿이 충분히 용융(melting)되어 접착하도록 하였다.
이렇게 제조된 비평면형 황색 형광 렌즈를 도 8a 내지 도 8c에 나타내었다.
도 8a는 실험예 3에 따라 황색 형광체 페이스트를 밑면의 지름이 11.5mm, 높이가 4.2mm인 비평면형 유리렌즈 위에 스프레이 코팅한 경우이고, 도 8b는 실험예 3에 따라 황색 형광체 페이스트를 밑면의 지름이 12.0mm, 높이가 11.3mm인 비평면형 유리렌즈 위에 스프레이 코팅한 경우이며, 도 8c는 실험예 3에 따라 황색 형광체 페이스트를 밑면의 지름이 18.0mm, 높이가 9.0mm인 비평면형 유리렌즈 위에 스프레이 코팅한 경우이다.
백색 LED 소자의 광 특성은 IES LM-79-08(Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products)에 의한 방법으로 측정을 실시하였다.
청색 LED 칩이 실장된 백색 LED 소자에 실험예 1, 실험예 2, 실험예 3에 따라 제조된 비평면형 황색 형광 렌즈를 바꿔가면서 장착한 후 각각의 특성을 측정하였다. 직류 전원장치로 정격전류를 공급하여 40분 이상 에이징 후 전기적 특성 및 광학적 특성을 측정하였다. 광속 및 광효율은 고니오포토미터(Goniophotometer)(Ctype)와 파워 어낼라이저(Power Analyzer)를 이용하였으며, 연색성 및 색온도는 인티그레이팅 스피어(Integrating Sphere)(0.5m)를 이용하여 비교 분석하였다.
실험예 3에 따라 황색 형광체와 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿을 혼합하여 제조한 페이스트 조성물을 n-부틸아세테이트를 넣어 희석시킨 후, 2분 50초 동안 스프레이 코팅을 하여 600℃에서 2시간 열처리한 서로 다른 크기의 비평면형 황색 형광 렌즈의 색온도(CCT), 연색지수(CRI), 광 효율(luninance efficiency)을 도 9, 도 10 및 도 11에 나타내었다. 도 9 내지 도 11에서 'A'는 유리렌즈의 밑면 지름이 11.5mm, 높이가 4.2mm인 경우를 나타내고, 'B'는 밑면의 지름이 12.0mm, 높이가 11.3mm인 경우를 나타내고, 'C'는 밑면의 지름이 18.0mm, 높이가 9.0mm 경우를 나타내었다. 실험예 3에서 사용된 코팅 전 비평면형 유리렌즈의 A는 도 3, B는 도 4, C는 도 5에 나타내었다. 비평면형 유리렌즈는 보로실리케이트(borosilicate)계 유리로 이루어져 있으며, 밑면의 지름과 높이가 다른 비평면형 유리렌즈 3개를 사용하였다. 도 3 내지 도 5는 비평면형 유리렌즈를 보여주는 사진들로서, 도 3은 코팅 전 비평면형 유리렌즈 A의 형태를 나타낸 사진이고, 도 4는 코팅 전 비평면형 유리렌즈 B의 형태를 나타낸 사진이며, 도 5는 코팅 전 비평면형 유리렌즈 C의 형태를 나타낸 사진이다.
| 분류 | 색온도 (CCT) (K) | 연색지수 (CRI) | 광 효율 (Luminance efficiency) (lm/w) |
| A | 4739.2 | 63.25 | 129.7 |
| B | 6263.3 | 71.4 | 121.9 |
| C | 5345.9 | 66.85 | 119.4 |
황색 형광체 페이스트와 n-부틸아세테이트를 1:0.5의 비율로 혼합하여 스핀코팅을 100rpm, 스프레이 코팅의 분무시간을 2분 50초로 비평면형 유리렌즈에 도포할 때 가장 좋은 광 특성을 나타내었다.
표 1과 도 9, 도 10, 도 11은 실험예 3에 따른 색온도, 연색지수, 광 효율을 나타낸 것이다. 세 렌즈의 경우 모두 백색광 근처를 나타내었고, 색온도와 연색지수는 B 타입의 비평면형 황색 형광 렌즈가 각각 6263.3 K, 71.4로 가장 높았으며, 광 효율은 A 타입의 비평면형 황색 형광 렌즈가 129.7 lm/w로 가장 높았다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
110: 청색 LED 칩
120: 비평면형 유리렌즈
130: 황색 형광체막
120: 비평면형 유리렌즈
130: 황색 형광체막
Claims (10)
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- SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하는 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿 10∼40중량%, 황색 형광체 60∼90중량%, 상기 유리 프릿과 상기 황색 형광체의 전체 함량 100중량부에 대하여 유기 바인더 용액 15∼45중량부를 포함하며, 상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿의 연화점은 500℃보다 낮고, 상기 유리 프릿, 상기 황색 형광체 및 상기 유기 바인더 용액의 전체 함량 100중량부에 대하여 n-부틸아세테이트가 50∼100중량부 함유되어 희석되어 있는 황색 형광체 페이스트 조성물을 형성하는 단계;
비평면형 유리렌즈를 스핀코터에 진공을 이용하여 흡착하여 고정하는 단계;
상기 비평면형 유리렌즈가 회전되게 하면서 상기 비평면형 유리렌즈 상에 상기 황색 형광체 페이스트 조성물을 스프레이 코팅하는 단계;
상기 황색 형광체 페이스트 조성물이 도포된 비평면형 유리렌즈를 상기 유리 프릿의 연화점 보다 높은 550∼800℃의 온도에서 열처리하여 비평면형 황색 형광 렌즈를 형성하는 단계;
인쇄회로기판 상부에 청색 발광다이오드 칩이 안착되어 있고 상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어가 본딩되어 있는 발광다이오드 램프를 준비하는 단계; 및
상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 상기 비평면형 황색 형광 렌즈를 장착하는 단계를 포함하며,
상기 청색 발광다이오드 칩과 상기 비평면형 황색 형광 렌즈는 서로 이격되게 장착하며,
상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿의 연화점은 500℃보다 낮고,
상기 비평면형 유리렌즈는 50∼200rpm으로 회전시키고,
상기 스프레이 코팅의 분무 시간은 30초 내지 5분 동안 수행하며,
상기 스프레이 코팅 후 상기 열처리 전에 60∼180℃에서 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비평면형 백색 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 황색 형광체 페이스트 조성물을 형성하는 단계는,
SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하는 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿 10∼40중량%와 황색 형광체 60∼90중량%를 혼합하는 단계;
상기 유리 프릿과 상기 황색 형광체의 혼합물에 상기 유리 프릿과 상기 황색 형광체의 전체 함량 100중량부에 대하여 유기 바인더 용액 15∼45중량부를 첨가하는 단계; 및
상기 유리 프릿, 상기 황색 형광체 및 상기 유기 바인더 용액의 전체 함량 100중량부에 대하여 n-부틸아세테이트 50∼100중량부 첨가하여 희석시켜 황색 형광체 페이스트 조성물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비평면형 백색 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 유기 바인더 용액은 알파-터피놀, n-부틸아세테이트 및 에틸셀룰로오스가 2.5∼6.5:2.5∼6.5:1의 중량비로 혼합된 용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 비평면형 백색 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 황색 형광체 페이스트 조성물은 상기 유리 프릿 및 상기 황색 형광체의 입자 크기를 고려하여 상기 비평면형 유리렌즈 상에 10∼100㎛의 두께로 도포하는 것을 특징으로 하는 비평면형 백색 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 유리 프릿은 0.1∼10㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것을 사용하고,
상기 황색 형광체는 세륨이 도핑된 이트륨 알루미늄 산화물(Y3Al5O12:Ce)을 사용하며,
상기 황색 형광체는 0.5∼10㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 비평면형 백색 발광다이오드 소자의 제조방법.
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| KR101432479B1 (ko) * | 2013-04-30 | 2014-08-22 | 한국세라믹기술원 | 황색 형광체 페이스트 조성물, 이를 이용한 백색 발광다이오드 소자의 제조방법 및 이에 의해 제조된 백색 발광다이오드 소자 |
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