KR101930310B1 - 산질화물 형광체 및 그를 포함한 발광소자 패키지 - Google Patents

산질화물 형광체 및 그를 포함한 발광소자 패키지 Download PDF

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Abstract

실시예에 따른 산질화물 형광체는 아래의 화학식으로 표시되는 물질을 포함한다.
[화학식]
Yx-yAl5O9N3:Cey 3+ (1≤x≤4, 0.001≤y≤0.4 )

Description

산질화물 형광체 및 그를 포함한 발광소자 패키지{Oxynitride Phosphor, and Light Emitting device package comprising the same}
실시예는 산질화물 형광체 및 그를 포함한 발광소자 패키지에 관한 것이다.
최근 수은 등 중금속을 포함한 물질에 대한 수입 규제와 더불어 중금속이 포함되지 않은 광원의 필요성이 커지고 있으며, 이에 따라 발광다이오드(이하 LED라 한다)가 주목 받고 있다.
이 중 백색 LED를 구현하기 위해서는 크게 3가지 방법이 있다. 첫 번째는 멀티 칩 형태로 RGB(Red, Green, Blue)의 3개 칩을 조합하여 제작한다. 두 번째는 UV LED와 형광체를 포함하여 백색을 얻는 방법이 있고, 세 번째로 청색 LED와 형광체를 포함하는 방법으로 청색 LED에 황색 형광체를 포함시키는 것과 청색 LED에 녹색, 적색형광체를 포함하는 방법이 있다.
멀티 칩 형태로 백색 LED를 구현하는 경우 각각의 칩마다 동작전압이 불균일하고, 주변 온도에 따라 칩의 출력이 변해 색좌표가 달라지는 등의 문제가 있다. UV LED와 형광체로 백색 LED를 구현하는 경우 고출력으로 인해 발생하는 형광체의 열화로 인하여 광효율이 감소하고 색좌표가 변화하는 경향이 발생할 수 있다.
청색 LED와 형광체로 백색 LED를 구현하는 경우 황색을 내는 Y3Al5O12:Ce3+(YAG:Ce) 형광체를 포함하는 방법이 널리 알려져 있다. 하지만, 이 방법은 2차광을 이용하면서 발생하는 양자결손(quantum deficits) 및 재방사 효율에 기인한 효율감소가 수반되고, 색 랜더링(rendering)이 용이하지 않다는 단점이 있다.
실시예는 광효율이 우수한 백색 LED용 산질화물 형광체 및 그를 이용한 발광소자 및 발광소자 패키지를 제공하는데 있다.
실시예에 따른 산질화물 형광체는 아래의 화학식으로 표시되는 물질을 포함한다.
[화학식]
Yx-yAl5O9N3:Cey 3+ (1≤x≤4, 0.001≤y≤0.4)
실시예에 따른 산질화물 형광체는 기존의 형광체에 비해 장파장에서 발광함으로써, 상기 형광체를 이용하면 더 낮은 색온도를 갖는 백색 LED를 제조할 수 있다.
실시예에 따른 산질화물 형광체를 확산 플레이트(Diffusion plate)에 사용한 경우 광효율이 높은 발광소자 패키지를 얻을 수 있다.
도 1a은 실시예에 따른 산질화물 형광체의 여기파장대역을 나타낸 발광스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 1b는 실시예에 따른 산질화물 형광체의 발광파장대역을 나타낸 발광스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2는 실시예에 따른 산질화물 형광체의 세슘의 비율에 따른 PL 강도의 변화를 나타낸 것이다.
도 3은 실시예에 따른 산질화물 형광체를 합성하는 방법에 대한 순서도를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예에 따른 산질화물 형광체의 입자를 표면 주사전자현미경으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 실시예에 따른 산질화물 형광체에 대한 형광 X선 분석 결과를 나타낸 성분 분포 그래프를 나타낸 것이다.
도 6는 실시예에 따른 산질화물 형광체의 입자를 표면 주사전자현미경으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
도 7는 실시예에 따른 산질화물 형광체에 대한 형광 X선 분석 결과를 나타낸 성분 분포 그래프를 나타낸 것이다.
도 8는 실시예에 따른 산질화물 형광체의 입자를 표면 주사전자현미경으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
도 9는 실시예에 따른 산질화물 형광체에 대한 형광 X선 분석 결과를 나타낸 성분 분포 그래프를 나타낸 것이다.
도 10a는 실시예에 따른 산질화물 형광체를 포함한 발광소자 패키지의 사시도를 나타낸 것이다.
도 10b는 실시예에 따른 산질화물 형광체를 포함한 발광소자 패키지의 단면도를 나타낸 것이다.
도 11a는 실시예에 따른 산질화물 형광체를 포함하는 조명 시스템을 도시한 사시도를 나타낸 것이다.
도 11b는 도 11a의 조명 시스템의 C - C` 단면을 도시한 단면도를 나타낸 것이다.
도 12는 실시예에 따른 산질화물 형광체를 포함하는 액정표시장치의 분해 사시도를 나타낸 것이다.
도 13은 실시예에 따른 산질화물 형광체를 포함하는 액정표시장치의 분해 사시도를 나타낸 것이다.
도 14는 실시예에 따른 산질화물 형광체를 확산 플레이트(Diffusion plate)에 도포하여 청색 LED에 이용한 경우 파장에 따른 발광스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 15는 실시예에 따른 산질화물 형광체를 포함하는 확산 플레이트를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "상(on)", "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 또한, 다른 소자의 "상(on)"으로 기술된 소자도 도면에서 뒤집는 경우, 다른 소자의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있고, "상", 은 위와 아래 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
또한, 실시예에서 발광소자의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 각도와 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 발광소자를 이루는 구조에 대한 설명에서, 각도에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.
이하에서는 도면을 참조하여 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1a은 실시예에 따른 산질화물 형광체의 여기파장대역을 나타낸 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이고, 도 1b는 실시예에 따른 산질화물 형광체의 발광파장대역을 나타낸 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 산질화물 형광체는 하기의 화학식으로 표시되는 물질을 포함한다.
[화학식]
Yx-yAl5O9N3:Cey 3+ (1≤x≤4, 0.001≤y≤0.4)
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활성제는 모체의 양이온 자리에 치환되어 존재하여야 발광특성을 가질 수 있다. 활성제의 이온과 치환되는 양이온의 격자 상수가 크게 차이가 나는 경우 발광특성이 저하될 수 있다. 따라서, 모체의 양이온과 활성제의 원소가 격자 상수가 비슷한 물질로 결정될 수 있다.
상기 산질화물 형광체의 모체는 화학양론(stoichiometric)을 만족하며 이루어질 수 있다. 상기 산질화물 형광체는 공유결합을 할 수 있고, 공유결합을 할 때 화학양론을 만족하며 이루어질 수 있다. 상기 산질화물 형광체의 모체의 원소들은 화학양론을 만족하는 범위 내에서 자유롭게 결합할 수 있다.
상기 산질화물 형광체는 활성제의 몰농도의 변화에 따라 발광 주피크가 변화될 수 있다. 예를 들어, 상기 산질화물 형광체는 활성제의 몰농도가 커질수록 발광 주피크 파장이 길어질 수 있고, 몰농도가 작아질수록 파장은 짧아질 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
상기 산질화물 형광체는 황색 형광체일 수 있다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면 상기 산질화물 형광체는 청색의 빛을 흡수하여 황색의 빛을 방출할 수 있다. 상기 산질화물 형광체는 청색 LED로부터 나오는 청색광을 황색으로 전환하므로 백색 LED의 광원으로 사용될 수 있다.
실시예에 따른 산질화물 형광체는 상술한 바와 같은 화학식을 가지므로 분자 간 결합이 공유결합일 수 있다. 분자간 결합이 공유결합으로 이루어짐에 따라서, 실시예에 따른 산질화물 형광체는 열적으로 열진동에 대해 강한 내구성을 가질 수 있다. 따라서, 발광소자에서 생성되는 열에 대해 강한 내구성을 가지며, 고출력의 조명에 적용하기에 적합할 수 있다.
도 1a, 1b 및 도 2는 실시예에 따른 각 산질화물 형광체 샘플의 여기파장, 발광파장, 발광파장의 효율을 나타낸 것이다. 상기 각 샘플은 가능한 활성제 중 세슘의 비율의 변화에 따른 것이다. 샘플 1은 세슘이 0.1의 비율로 들어간 것이고, 샘플 2는 세슘이 0.2의 비율로 들어간 것이며, 샘플 3은 세슘이 0.3의 비율로 들어간 것을 나타낸다. 이 때 각 샘플은 하기의 화학식으로 표현될 수 있다.
[화학식]
Yx-yAl5O9N3:Cey 3+ (1≤x≤4, 0.001≤y≤0.4)
산질화물 형광체는 상기 몰비에서 벗어나는 경우, 황색 파장의 빛을 발광하지 못할 수 있다. 예를 들어, 산질화물 형광체가 상기 몰비를 벗어나서 소성된 경우 다른 파장의 빛을 발광하게 되어, 발광소자에 적용하기 어려워질 수 있다.
산질화물 형광체는 산소의 몰비에 따라 생성되는 형광체의 결정구조가 변화될 수 있다. 산질화물 형광체는 각 원소의 몰비에 따라 발광 주피크가 변화할 수 있다.
각 샘플은 y 값이 0.1, 0.2, 0.3일 때를 나타낸다. 도면을 참조하면, y 값이 0.2인 샘플 2의 경우 가장 광효율 특성이 우수함을 알 수 있다. 샘플 2의 경우 발광파장이 장파장으로 더 치우쳐 있음을 확인할 수 있다. 샘플 2는 발광파장이 장파장으로 치우쳐 있어서 다른 샘플에 비해 더 낮은 색온도를 갖는 백색 LED를 제조할 수 있다.
도 1a를 참조하면, 산질화물 형광체는 420nm 내지 500nm 의 파장 영역을 여기 파장 대역으로 함을 확인할 수 있다. 따라서, 청색 LED에 사용하는 경우 LED에서 발생하는 청색 파장의 빛을 효율적으로 흡수할 수 있음을 확인할 수 있다. 도 1b를 참조하면, 산질화물 형광체는 여기파장이 450nm 일 때, 530nm 내지 630nm 의 황색 파장의 빛을 발광함을 확인할 수 있다. 따라서, 청색 LED에 사용하는 경우 황색 파장의 빛을 효율적으로 발광할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 2를 참조하면, 각 상기 샘플에서 세슘의 비율을 조절하는 경우, 세슘의 몰분율이 0.2인 경우 가장 효율이 큼을 확인할 수 있지만, 이에 한정되지 않고, 상기 화학식 및 상기 몰분율을 가지는 경우 그 효율이 가장 크게 나타냄을 확인할 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 산질화물 형광체를 합성하는 방법에 대한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 상기 산질화물 형광체의 제조방법은 원료를 준비하는 단계(a), 원료를 혼합하는 단계(b), 형광체 합성분위기를 조성하는 단계(c), 볼밀(Ball Mill) 공정 및 건조 작업을 하는 단계(d), 및 형광체의 성분을 분석하는 단계(e)를 포함할 수 있다.
상기 형광체는 안정한 출발물질을 이용한 일반적인 고상 반응법으로 제조할 수 있다. 상기 형광체는 금속이온이 물에 대한 용해도가 작기 때문에 고상 반응법으로 제조될 수 있다.
원료를 준비하는 단계(a)는 산질화물 형광체의 원료 물질인 Y2O3, Al2O3, CeO2, BaF2 등을 조성비에 맞게 준비하여 Yx-yAlaObNc:Cey 3+를 합성할 수 있다. 이리듐과 세슘을 다른 물질로 대체하는 경우 상기 화학식은 각 물질에 따른 원료 물질을 사용하여 제조할 수 있다.
원료를 혼합하는 단계(b)는 산질화물 형광체의 원료 물질을 조성비에 맞게 개량한 후 용매를 이용하여 마노 유발에 원료물질을 혼합할 수 있다. 용매는 에탄올 또는 아세톤을 사용할 수 있다.
형광체 합성분위기를 조성하는 단계(c)는 약 1100℃ 내지 1500℃의 온도에서 진행할 수 있다. 산질화물 형광체는 상기 수소/질소가스의 가스 플로우(Gas flow) 하에서 소성될 수 있다. 이때, 수소/질소가스의 수소 : 질소 비율은 5 : 95 에서 20 : 80 으로 변화될 수 있다. 산질화물 형광체는 가스 플로우(Gas flow)가 400cc 내지 2000cc 하에서 소성할 수 있다. 각각의 실시예에 따른 산질화물 형광체는 저온 상압 방법으로 합성될 수 있다.
실시예에 의한 산질화물 형광체는 수소/질소가스의 수소 : 질소 비율 20 : 80 분위기, 1450℃, 1000cc의 가스 플로우(Gas flow)에서 6 시간 동안 소성하여 Yx-yAlaObNc:Cey 3+의 산질화물 형광체를 얻었다.
볼밀 공정 및 건조 작업을 하는 단계(d)는 전 단계(c)에서 합성된 형광체를 잘게 분쇄할 수 있다. 형광체를 분쇄한 형광체 분말은 물과 함께 혼합될 수 있다. 형광체 분말과 물을 혼합한 것을 지르코니아 및 유리 볼을 이용하여 볼밀 공정 및 세정과정을 진행할 수 있다. 상기 볼밀 공정 및 세정과정이 진행된 형광체 분말은 80℃의 오븐에서 약 12시간 건조를 할 수 있다.
형광체의 성분을 분석하는 단계(e)는 산질화물 형광체에 대해서 광방출특성(PL emission)을 확인하고 표면 주사전자현미경촬영(SEM) 및 에너지 분사형 엑스선 분석(EDX)을 할 수 있다. 한편, 광 방출 특성(PL emission)을 확인한 결과는 도 1a 내지 도 1b의 그래프에 나타나 있다.
도 4는 샘플 1 에 따른 산질화물 형광체에 대한 형광 X선 분석 결과를 나타낸 성분 분포 그래프이다. 도 4를 참조하면, 샘플 1 에 따른 산질화물 형광체의 입자를 표면 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 확인할 수 있다. 위에서 설명한 제조방법에 따라 소성된 산질화물 형광체를 표면 주사전자 현미경으로 관찰하여, 소성여부를 판단할 수 있다. 도 4를 참조하면, Yx-yAlaObNc:Cey 3+의 산질화물 형광체의 경우 미세입자가 고르게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 샘플 1에 따른 산질화물 형광체에 대한 형광 X선 분석 결과를 나타낸 성분 분포 그래프이다. 에너지 분사형 엑스선 분석(EDX)을 하면 산질화물 형광체가 포함하는 성분들에 대한 Wt% 및 At%를 알 수 있다. 형광 X선 분석으로 산질화물 형광체를 정량적으로 분석하면 Al, Y, O, N 및 Ce이 검출된 것을 확인할 수 있다. 따라서, 상기에 언급된 산질화물 형광체 제조방법으로 Yx-yAlaObNc:Cey 3+의 형광체가 제조되었음을 확인할 수 있다.
하기의 표 1은 샘플 1의 산질화물 형광체가 포함하는 성분들에 대한 Wt% 및 At%를 나타내고 있다. 형광 X선 분석으로 상기 산질화물 형광체에는 필수원소가 검출되었음을 확인할 수 있다.
Figure 112012047772734-pat00001
도 6은 샘플 2 에 따른 산질화물 형광체에 대한 형광 X선 분석 결과를 나타낸 성분 분포 그래프이다. 도 6을 참조하면, 샘플 2 에 따른 산질화물 형광체의 입자를 표면 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 확인할 수 있다. 위에서 설명한 제조방법에 따라 소성된 산질화물 형광체를 표면 주사전자 현미경으로 관찰하여, 소성여부를 판단할 수 있다. 도 6을 참조하면, Yx-yAlaObNc:Cey 3+의 산질화물 형광체의 경우 미세입자가 고르게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 샘플 2에 따른 산질화물 형광체에 대한 형광 X선 분석 결과를 나타낸 성분 분포 그래프이다. 에너지 분사형 엑스선 분석(EDX)을 하면 산질화물 형광체가 포함하는 성분들에 대한 Wt% 및 At%를 알 수 있다. 형광 X선 분석으로 산질화물 형광체를 정량적으로 분석하면 Al, Y, O, N 및 Ce이 검출된 것을 확인할 수 있다. 따라서, 상기에 언급된 산질화물 형광체 제조방법으로 Yx-yAlaObNc:Cey 3+의 형광체가 제조되었음을 확인할 수 있다.
하기의 표 2는 샘플 2의 산질화물 형광체가 포함하는 성분들에 대한 Wt% 및 At%를 나타내고 있다. 형광 X선 분석으로 상기 산질화물 형광체에는 필수원소가 검출되었음을 확인할 수 있다.
Figure 112012047772734-pat00002
도 8은 샘플 3 에 따른 산질화물 형광체에 대한 형광 X선 분석 결과를 나타낸 성분 분포 그래프이다. 도 8을 참조하면, 샘플 3 에 따른 산질화물 형광체의 입자를 표면 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 확인할 수 있다. 위에서 설명한 제조방법에 따라 소성된 산질화물 형광체를 표면 주사전자 현미경으로 관찰하여, 소성여부를 판단할 수 있다. 도 8을 참조하면, Yx-yAlaObNc:Cey 3+의 산질화물 형광체의 경우 미세입자가 고르게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 샘플 3에 따른 산질화물 형광체에 대한 형광 X선 분석 결과를 나타낸 성분 분포 그래프이다. 에너지 분사형 엑스선 분석(EDX)을 하면 산질화물 형광체가 포함하는 성분들에 대한 Wt% 및 At%를 알 수 있다. 형광 X선 분석으로 산질화물 형광체를 정량적으로 분석하면 Al, Y, O, N 및 Ce이 검출된 것을 확인할 수 있다. 따라서, 상기에 언급된 산질화물 형광체 제조방법으로 Yx-yAlaObNc:Cey 3+의 형광체가 제조되었음을 확인할 수 있다.
하기의 표 3은 샘플 3의 산질화물 형광체가 포함하는 성분들에 대한 Wt% 및 At%를 나타내고 있다. 형광 X선 분석으로 상기 산질화물 형광체에는 필수원소가 검출되었음을 확인할 수 있다.
Figure 112012047772734-pat00003
도 10a 및 도 10b는 실시예에 따른 발광소자 패키지(100)를 나타낸 사시도 및 단면도이다.
도 10a 및 도 10b 를 참조하면, 발광소자 패키지(100)는 상면이 함몰되어 캐비티(120)가 형성되는 몸체(110), 캐비티(120)에 배치되며 빛을 발광하는 발광소자(130), 몸체(110)에 배치되며 발광소자(130)와 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 리드 프레임(140, 150) 및 발광소자(130)를 덮도록 캐비티(120)에 충진되는 봉지재(미도시)를 포함할 수 있다.
몸체(110)는 폴리프탈아미드(PPA:Polyphthalamide)와 같은 수지 재질, 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 액정폴리머(PSG, photo sensitive glass), 폴리아미드9T(PA9T), 신지오택틱폴리스티렌(SPS), 금속 재질, 사파이어(Al2O3), 베릴륨 옥사이드(BeO), 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board) 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 몸체(110)는 사출 성형, 에칭 공정 등에 의해 형성될 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
몸체(110)의 내면은 경사면이 형성될 수 있다. 이러한 경사면의 각도에 따라 발광소자(130)에서 방출되는 광의 반사각이 달라질 수 있으며, 이에 따라 외부로 방출되는 광의 지향각을 조절할 수 있다.
광의 지향각이 줄어들수록 발광소자(130)에서 외부로 방출되는 광의 집중성은 증가하고, 반대로 광의 지향각이 클수록 발광소자(130)에서 외부로 방출되는 광의 집중성은 감소한다.
한편, 몸체(110)에 형성되는 캐비티(120)를 위에서 바라본 형상은 원형, 사각형, 다각형, 타원형 등의 형상일 수 있으며, 모서리가 곡선인 형상일 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
발광소자(130)는 제1 리드 프레임(140) 상에 배치되며, 예를 들어, 적색, 녹색, 청색, 백색 등의 빛을 방출하는 발광소자 또는 자외선을 방출하는 UV(Ultra Violet) 발광소자일 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다. 또한, 발광소자(130)는 한 개 이상 배치될 수 있다.
발광소자(130)는 특정한 파장의 빛을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 발광소자(130)는 300 내지 480nm 의 파장 영역의 빛을 발생시킬 수 있다. 즉, 발광소자(130)는 UV-LED 또는 Blue LED 일 수 있다.
발광소자(130)는 수평형 타입(Horizontal type)이거나, 수직형 타입(Vertical type), 또는 플립 칩(flip chip) 모두에 적용 가능하다.
봉지재(미도시)는 발광소자(130)를 덮도록 캐비티(120)에 위치할 수 있다. 봉지재(미도시)는 광투과 에폭시 수지, 폴리이미드 수지, 요소 수지, 아크릴 수지 또는 광투과 실리콘 수지 중에서 하나 또는 복수를 포함할 수 있다. 봉지재(미도시)는 캐비티(120) 내에 충진한 후, 이를 자외선 또는 열 경화하는 방식으로 형성될 수 있다.
봉지재(미도시)는 산질화물 형광체를 포함할 수 있으며, 산질화물 형광체는 Yx-yAl5O9N3:Cey 3+ (1≤x≤4, 0.001≤y≤0.4)의 화학식을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 실시예의 산질화물 형광체는 발광소자 패키지(100)가 선명한 백색광을 구현하도록 할 수 있다.
발광소자(130)가 생성하는 빛이 자외선 파장대인 경우에 봉지재(미도시)는 황색, 녹색 및 청색의 형광체를 포함하여 백색 발광소자 패키지(100)를 구현할 수 있다.
발광소자(130)이 생성하는 빛이 파랑색 가시광선 파장대인 경우에 봉지재(미도시)는 황색, 적색 및 녹색의 형광체를 사용하여 발광소자 패키지(100)가 백색 빛을 방출하도록 할 수 있다.
산질화물 형광체는 발광소자(130)가 발생시키는 빛을 여기하여 파장을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 발광소자 패키지(100)는 Yx-yAl5O9N3:Cey 3+ (1≤x≤4, 0.001≤y≤0.4) 의 산질화물 형광체의 몰비를 조절하여, 원하는 파장의 빛을 낼 수 있다.
산질화물 형광체는 발광소자(130)에서 방출되는 제1 빛을 가지는 광에 의해 여기되어 제2 빛을 생성할 수 있다. 예를 들어, 발광소자(130)가 발생시킨 빛이 산질화물 형광체의 색과 혼색됨에 따라 발광소자 패키지(100)는 백색 빛을 제공할 수 있다.
제1 및 제2 리드 프레임(140, 150)은 금속 재질, 예를 들어, 티타늄(Ti), 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au), 크롬(Cr), 탄탈늄(Ta), 백금(Pt), 주석(Sn), 은(Ag), 인(P), 알루미늄(Al), 인듐(In), 팔라듐(Pd), 코발트(Co), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 하프늄(Hf), 루테늄(Ru), 철(Fe) 중에서 하나 이상의 물질 또는 합금을 포함할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 리드 프레임(140, 150)은 단층 또는 다층 구조를 가지도록 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
제1 ,제2 리드 프레임(140, 150)은 서로 이격되어 서로 전기적으로 분리된다. 발광소자(130)는 제1 및 제2 리드 프레임(140, 150)상에 배치될 수 있으며, 제1 및 제2 리드 프레임(140, 150)은 발광소자(130)와 직접 접촉하거나 또는 솔더링 부재(미도시)와 같은 전도성을 갖는 재료를 통해서 전기적으로 연결될 수 있다.
발광소자(130)는 와이어 본딩을 통해 제1 및 제2 리드 프레임(140, 150)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다. 따라서 제1 및 제2 리드 프레임(140, 150)에 전원이 연결되면 발광소자(130)에 전원이 인가될 수 있다. 한편, 수개의 리드 프레임(미도시)이 몸체(110)내에 실장되고 각각의 리드 프레임(미도시)이 발광소자(130)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다.
도 11a 는 실시예에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 조명장치를 도시한 사시도이며, 도 11b 는 도 11a 의 조명장치의 C-C' 단면을 도시한 단면도이다.
도 11a 및 도 11b 를 참조하면, 조명장치(200)는 몸체(210), 몸체(210)와 체결되는 커버(230) 및 몸체(210)의 양단에 위치하는 마감캡(250)을 포함할 수 있다.
몸체(210)의 하부면에는 발광소자 모듈(240)이 체결되며, 몸체(210)는 발광소자 패키지(244)에서 발생된 열이 몸체(210)의 상부면을 통해 외부로 방출할 수 있도록 전도성 및 열발산 효과가 우수한 금속재질로 형성될 수 있다.
발광소자 패키지(244)는 인쇄회로기판(242) 상에 다색, 다열로 실장되어 어레이를 이룰 수 있으며, 동일한 간격으로 실장되거나 또는 필요에 따라서 다양한 이격 거리를 가지고 실장될 수 있어 밝기 등을 조절할 수 있다. 이러한 인쇄회로기판(242)으로 MPPCB(Metal Core PCB) 또는 FR4 재질의 PCB 등을 사용할 수 있다.
발광소자 패키지(244)는 봉지재가 연색지수가 높은 형광체를 포함하여 백색광의 구현이 향상될 수 있어, 발광소자 패키지(244) 및 발광소자 패키지(244)를 포함하는 조명장치(200)의 해상도가 향상될 수 있다.
산질화물 형광체는 Yx-yAl5O9N3:Cey 3+ (1≤x≤4, 0.001≤y≤0.4) 의 화학식을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 산질화물 형광체는 발광소자 패키지(244)가 백색광을 구현하도록 할 수 있다.
실시예의 산질화물 형광체는 420nm 내지 500nm의 파장 영역을 여기 파장대역으로 하고, 530nm 내지 630nm의 파장 영역을 발광파장대역으로 할 수 있다.
커버(230)는 몸체(210)의 하부면을 감싸도록 원형의 형태로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않음은 물론이다.
커버(230)는 내부의 발광소자 모듈(240)을 외부의 이물질 등으로부터 보호한다. 또한, 커버(230)는 발광소자 패키지(244)에서 발생한 광의 눈부심을 방지하고, 외부로 광을 균일하게 방출할 수 있도록 확산입자를 포함할 수 있으며, 또한 커버(230)의 내면 및 외면 중 적어도 어느 한 면에는 프리즘 패턴 등이 형성될 수 있다. 또한 커버(230)의 내면 및 외면 중 적어도 어느 한 면에는 형광체가 도포될 수도 있다.
한편, 발광소자 패키지(244)에서 발생한 광은 커버(230)를 통해 외부로 방출되므로 커버(230)는 광 투과율이 우수하여야 하며, 발광소자 패키지(244)에서 발생한 열에 견딜 수 있도록 충분한 내열성을 구비하고 있어야 하는바, 커버(230)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylen Terephthalate; PET), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC) 또는 폴리메틸 메타크릴레이트(Polymethyl Methacrylate; PMMA) 등을 포함하는 재질로 형성될 수 있다.
마감캡(250)은 몸체(210)의 양단에 위치하며 전원장치(미도시)를 밀폐하는 용도로 사용될 수 있다. 또한 마감캡(250)에는 전원핀(252)이 형성되어 있어, 실시예에 따른 조명장치(200)는 기존의 형광등을 제거한 단자에 별도의 장치 없이 곧바로 사용할 수 있게 된다.
도 12 는 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 액정표시장치의 분해 사시도이다.
도 12 에 도시된 백라이트 유닛(370)은 에지-라이트 방식으로, 액정표시장치(300)는 액정표시패널(310)과 액정표시패널(310)로 빛을 제공하기 위한 백라이트 유닛(370)을 포함할 수 있다.
액정표시패널(310)은 백라이트 유닛(370)으로부터 제공되는 광을 이용하여 화상을 표시할 수 있다. 액정표시패널(310)은 액정을 사이에 두고 서로 대향하는 컬러 필터 기판(312) 및 박막 트랜지스터 기판(314)을 포함할 수 있다.
컬러 필터 기판(312)은 액정표시패널(310)을 통해 디스플레이되는 화상의 색을 구현할 수 있다.
박막 트랜지스터 기판(314)은 구동 필름(317)을 통해 다수의 회로부품이 실장되는 인쇄회로 기판(318)과 전기적으로 접속되어 있다. 박막 트랜지스터 기판(314)은 인쇄회로 기판(318)으로부터 제공되는 구동 신호에 응답하여 인쇄회로 기판(318)으로부터 제공되는 구동 전압을 액정에 인가할 수 있다.
박막 트랜지스터 기판(314)은 유리나 플라스틱 등과 같은 투명한 재질의 다른 기판상에 박막으로 형성된 박막 트랜지스터 및 화소 전극을 포함할 수 있다.
백라이트 유닛(370)은 빛을 출력하는 발광소자 모듈(320), 발광소자 모듈(320)로부터 제공되는 빛을 면광원 형태로 변경시켜 액정표시패널(310)로 제공하는 도광판(330), 도광판(330)으로부터 제공된 빛의 휘도 분포를 균일하게 하고 수직 입사성을 향상시키는 다수의 필름(352, 366, 364) 및 도광판(330)의 후방으로 방출되는 빛을 도광판(330)으로 반사시키는 반사 시트(347)로 구성된다.
발광소자 모듈(320)은 복수의 발광소자 패키지(324)와 복수의 발광소자 패키지(324)가 실장되어 어레이를 이룰 수 있도록 인쇄회로기판(322)을 포함할 수 있다.
발광소자 패키지(324)는 봉지재가 산질화물 형광체를 포함하여 백색광의 구현이 향상될 수 있어, 발광소자 패키지(324) 및 발광소자 패키지(324)를 포함하는 백라이트 유닛(370)의 해상도가 향상될 수 있다.
산질화물 형광체는 Yx-yAl5O9N3:Cey 3+ (1≤x≤4, 0.001≤y≤0.4)의 화학식을 갖는 결정을 포함할 수 있다. 산질화물 형광체는 발광소자 패키지(324)가 백색광을 구현하도록 할 수 있다. 산질화물 형광체는 백색 파장을 구현하는 필수 형광체로 기능할 수 있어, 발광소자 패키지(324)의 품질을 개선할 수 있다.
실시예의 산질화물 형광체는 420nm 내지 500nm의 파장 영역을 여기 파장대역으로 하고, 530nm 내지 630nm의 파장 영역을 발광파장대역으로 할 수 있다.
한편, 백라이트 유닛(370)은 도광판(330)으로부터 입사되는 빛을 액정 표시 패널(310) 방향으로 확산시키는 확산필름(366)과, 확산된 빛을 집광하여 수직 입사성을 향상시키는 프리즘필름(352)으로 구성될 수 있으며, 프리즘필름(352)를 보호하기 위한 보호필름(364)을 포함할 수 있다.
도 13 은 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 액정표시장치의 분해 사시도이다. 다만, 도 12 에서 도시하고 설명한 부분에 대해서는 반복하여 상세히 설명하지 않는다.
도 13 에 도시된 백라이트 유닛(470)은 직하 방식으로, 액정표시장치(400)는 액정표시패널(410)과 액정표시패널(410)로 빛을 제공하기 위한 백라이트 유닛(470)을 포함할 수 있다.
액정표시패널(410)은 도 12 에서 설명한 바와 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.
백라이트 유닛(470)은 복수의 발광소자 모듈(423), 반사시트(424), 발광소자 모듈(423)과 반사시트(424)가 수납되는 하부 섀시(430), 발광소자 모듈(423)의 상부에 배치되는 확산판(440) 및 다수의 광학필름(460)을 포함할 수 있다.
발광소자 모듈(423) 복수의 발광소자 패키지(422)와 복수의 발광소자 패키지(422)가 배치되어 어레이를 이룰 수 있도록 인쇄회로기판(421)을 포함할 수 있다.
발광소자 패키지(422)는 봉지재가 연색지수가 높은 산질화물 형광체를 포함하여 백색광의 구현이 향상될 수 있어, 발광소자 패키지(422) 및 발광소자 패키지(422)를 포함하는 백라이트 유닛(470)의 해상도가 향상될 수 있다.
산질화물 형광체는 Yx-yAl5O9N3:Cey 3+ (1≤x≤4, 0.001≤y≤0.4)의 화학식을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 산질화물 형광체는 발광소자 패키지(422)가 백색광을 구현하도록 할 수 있다.
실시예의 산질화물 형광체는 420nm 내지 500nm의 파장 영역을 여기 파장대역으로 하고, 530nm 내지 630nm의 파장 영역을 발광파장대역으로 할 수 있다.
반사 시트(424)는 발광소자 패키지(422)에서 발생한 빛을 액정표시패널(410)이 위치한 방향으로 반사시켜 빛의 이용 효율을 향상시킨다.
한편, 발광소자 모듈(423)에서 발생한 빛은 확산판(440)에 입사하며, 확산판(440)의 상부에는 광학 필름(460)이 배치된다. 광학 필름(460)은 확산 필름(466), 프리즘필름(450) 및 보호필름(464)를 포함하여 구성될 수 있다.
이하에는 실시예에 따른 산질화물 형광체를 확산 플레이트에 적용한 실시예를 기술한다.
실시예에 따른 상기 산질화물 형광체는 실리콘(Si)과 혼합될 수 있다. 상기 산질화물 형광체와 실리콘은 5:100의 비율로 혼합될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 산질화물 형광체와 실리콘은 전동 믹서를 이용하여 균일하게 혼합될 수 있다. 상기 혼합된 형광체는 확산 플레이트(diffusion plate)위에 도포할 수 있다. 상기 확산 플레이트는 광 투과성이 우수한 유리소재, 플라스틱 소재, 실리콘 소재를 이용할 수 있다. 상기 산질화물 형광체를 도포한 확산 플레이트는 접착이 강하게 되도록 하기 위해서 오븐에서 건조 및 경화시킬 수 있다. 상기 확산 플레이트는 오븐의 온도 150℃에서 12시간 건조할 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
실시예에 따른 청색 LED는 확산 플레이트를 제조하는 경우 확산플레이트를 통해 면발광이 가능한 백색광원을 구현할 수 있다. 청색 LED는 이를 통해 발생하는 점광원을 확산플레이트에 의해 면광원으로 변환할 수 있다. 따라서 이를 이용하여 제작한 발광소자는 우수한 발광효율 및 특성을 가질 수 있다.
도 14는 청색 LED에 상기 산질화물 형광체를 도포한 확산 플레이트를 제조한 경우 발광 스펙트럼을 나타낸다. 도 14를 참조하면, 420nm 내지 500nm 의 청색 파장 영역과 520nm 내지 630nm 의 황색 파장 영역에서 발광 강도가 가장 높음을 확인할 수 있다. 따라서, 상기 산질화물 형광체는 청색 LED에 사용되어 백색의 빛을 낼 수 있다.
도 15는 상기 산질화물 형광체를 도포하여 확산 플레이트를 제조하는 방법을 나타낸다. 상기 확산 플레이트는 LED의 점광원을 면광원으로 변환시키고, 이에 따라 LED는 우수한 발광효율 및 특성을 가질 수 있다.
하기 표 4는 상기 산질화물 형광체의 조성에 따른 색지수, 색온도 등을 나타낸 것이다. 이를 통해 상기 산질화물 형광체는 청색 LED에 사용되어 백색의 빛을 발광하는 것을 확인할 수 있다.
Figure 112012047772734-pat00004
표 4에서 Im은 광선속(lumen)을 나타내고, Cx, Cy 는 색좌표, CCT 는 색온도, CRI는 색 렌더링 지수(color rendering index)를 나타낸다.
도 14와 표 4를 통해서 실시예에 따른 산질화물 형광체는 청색 LED에 사용되어 420nm 내지 500nm 의 청색 파장 영역과 520nm 내지 630nm 의 황색 파장 영역의 빛을 발할 수 있다. 따라서, 이렇게 결합한 것은 백색 LED용으로 사용될 수 있다.
한편, 실시예에 따른 발광소자는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 여러가지 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : 발광소자 패키지
110 : 몸체
120 : 캐비티
130 : 발광소자
140 : 제 1 리드 프레임
150 : 제 2 리드 프레임

Claims (16)

  1. 아래의 화학식으로 표시되는 물질을 포함하고,
    발광 중심파장이 530nm 내지 630nm이고, 황색 형광체인 산질화물 형광체.
    [화학식]
    Yx-yAl5O9N3:Cey 3+ (1≤x≤4, 0.001≤y≤0.4)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 x는 2≤x≤2.5 이고,
    상기 y는 0.1≤y≤0.3 인 산질화물 형광체.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 산질화물 형광체는 420nm 내지 500nm의 중심파장을 갖는 광에 의해 여기되는 산질화물 형광체.
  7. 삭제
  8. 캐비티가 형성된 몸체;
    상기 캐비티에 배치되며 빛을 발광하는 발광소자; 및
    상기 캐비티에 충진되는 봉지재;를 포함하며,
    상기 봉지재는 Yx-yAl5O9N3:Cey 3+ (1≤x≤4, 0.001≤y≤0.4)의 화학식을 갖는 산질화물 형광체를 포함하고,
    상기 산질화물 형광체는 발광 중심파장이 530nm 내지 630nm이고, 황색 형광체인 발광소자 패키지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 x는 2≤x≤2.5 인 산질화물 형광체를 포함하고,
    상기 y는 0.1≤y≤0.3 인 산질화물 형광체를 포함하는 발광소자 패키지.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 산질화물 형광체는 420nm 내지 500nm의 중심파장을 갖는 광에 의해 여기되는 산질화물 형광체를 포함하는 발광소자 패키지.
  14. 삭제
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 산질화물 형광체를 도포한 확산 플레이트(diffusion plate)를 포함하고,
    상기 확산 플레이트는 플라스틱, 유리, 또는 실리콘 중 어느 하나의 물질을 포함하는 발광소자 패키지.
  16. 삭제
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