KR102075989B1 - 적색 형광체, 백색 발광장치, 디스플레이 장치 및 조명장치 - Google Patents

적색 형광체, 백색 발광장치, 디스플레이 장치 및 조명장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면은, 조성식 Sr1 -x- yBaxEuyAlSi4N7로 표현되는 질화물을 포함하며, 상기 조성식에서, Ba 조성비(x)는 0 < x ≤ 0.3을 만족하고, Eu 조성비(y)는 0 ≤ y ≤ 0.1을 만족하는 적색 형광체를 제공한다.

Description

적색 형광체, 백색 발광장치, 디스플레이 장치 및 조명장치 {RED PHOSPHOR, LIGHT EMITTING DEVICE, DISPLAY APPARATUS AND ILLUMINATION APPARATUS}
본 발명은 적색 형광체에 관한 것으로서, 특히 높은 발광특성과 우수한 열적, 구조적 안정성을 가지는 형광체와 이를 이용한 백색 발광장치, 디스플레이 장치 및 조명 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 파장변환용 형광체물질은 다양한 광원의 특정 파장광을 원하는 파장광으로 변환시키는 물질로 사용되고 있다. 특히, 다양한 광원 중 발광다이오드는 저전력 구동 및 우수한 광효율으로 인해 LCD 백라이트와 자동차 조명 및 가정용 조명장치로서 유익하게 적용될 수 있으므로, 최근에 형광체 물질은 백색 발광장치를 제조하기 위한 핵심기술로 각광받고 있다.
일반적으로, 백색 발광장치는 청색 또는 자외선 LED칩에 1종 이상의 형광체(예, 황색 또는 적색 및 청색)을 적용하는 방식으로 제조되고 있다. 이러한 형광체는 높은 발광특성과 함께 우수한 열적 안정성이 요구된다.
여기서, 적색 형광체는 주로 황화물계 또는 산화물계, 질화물계 형광체와 같은 적색 형광체가 사용될 수 있다. 이 중에 황화물계 및 산화물계 형광체는 열적 안정성 및 구조적 안정성이 낮아 장시간 구동시에 색이 변하는 현상이 발생될 수 있다. 특히, 고출력 LED가 사용되는 조명분야에서 이러한 현상은 심해질 수 있다.
이와 같이, 당 기술 분야에서는, 높은 발광특성과 함께, 상대적으로 열적 안정성이 우수하여 고온 환경에서 특성을 유지할 수 있는 적색 형광체가 요구되고 있다.
본 발명의 일 측면은, 조성식 Sr1 -x- yBaxEuyAlSi4N7로 표현되는 질화물을 포함하며, 상기 조성식에서, Ba 조성비(x)는 0 < x ≤ 0.3을 만족하고, Eu 조성비(y)는 0 ≤ y ≤ 0.1을 만족하는 적색 형광체를 제공한다.
여기원을 조사하여 600∼660㎚ 범위에 피크 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다. 상기 적색 형광체의 내부 양자효율은 80% 이상일 수 있다. 상기 적색 형광체의 반치폭은 110㎚ 이하일 수 있다.
0.5wt% 이하의 산소를 불순물로서 더 포함할 수 있다. Fe, Co 및 Ni로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 불순물로서 50 ppm 이하로 더 포함할 수 있다.
상기 적색 형광체는 7㎛≤d50≤25㎛를 만족하는 입도를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 여기광을 방출하는 반도체 발광소자와, 상기 반도체 발광소자 주위에 배치되어 상기 여기광의 적어도 일부를 파장변환하며, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 적색 형광체와, 상기 반도체 발광소자의 방출파장 및 상기 적색 형광체의 발광파장과 다른 파장의 광을 제공하는 적어도 하나의 발광요소를 포함하며, 상기 적어도 하나의 발광요소는, 추가적인 반도체 발광소자 및 다른 종의 형광체 중 적어도 하나인 백색 발광장치를 제공한다.
상기 반도체 발광소자는 430~470nm 범위에 피크파장을 갖는 청색 반도체 발광소자가며, 상기 적어도 하나의 발광요소는 녹색 또는 황색 형광체를 포함할 수 있다.
상기 적색 형광체의 발광파장 피크는 600∼650nm이고, 상기 녹색 형광체의 발광파장 피크는 500∼550nm일 수 있다. 상기 황색 형광체의 발광파장 피크는 550∼580nm일 수 있다.
상기 녹색 형광체는, M3Al5O12의 조성식으로 표현되는 산화물 형광체, MxAyOxN(4/3)y의 조성식으로 표시되는 산질화물 형광체, MaAbOcN((2/3)a+(4/3)b-(2/3)c)로 표시되는 산질화물 형광체, Si6 - zAlzOzN8 -z의 조성식으로 표시되는 β-사이알론 형광체 및 La3Si6N11:Ce 형광체 중 적어도 하나를 포함하며, 여기서, M은 Y, Lu, Gd, Ga, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Eu, Ce으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 1종의 Ⅱ 또는 Ⅲ족 원소이고, A는 C, Si, Ge, Sn, Ti, Zr, Hf으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 1종의 Ⅳ족 원소일 수 있다.
상기 적어도 하나의 발광요소는 황색 또는 황등색 형광체를 더 포함할 수 있다. 상기 황색 형광체는 실리케이트계 형광체, 가넷계 형광체 및 질화물계 형광체 중 적어도 하나이며, 상기 황등색 형광체는 α-SiAlON:Re인 형광체일 수 있다.
높은 발광특성은 물론, 상대적으로 열적 안정성이 우수한 적색 형광체를 제공할 수 있다. 여기서 제안되는 적색 형광체는 고온 환경에서 특성을 유지할 수 있으므로, 높은 발열원인 반도체 발광소자의 파장변환물질로서 유익하게 사용될 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예(실시예1) 및 비교예1에 따른 적색 형광체의 휘도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도2는 본 발명의 실시예로서, 바륨(Ba)함량에 따른 피크 파장 및 휘도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도3은 본 발명의 실시예로서, 바륨(Ba)함량에 따른 신뢰성의 변화(실제 LED 패키지 제품에 적용된 환경)를 나타내는 그래프이다.
도4 내지 도6은 각각 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 백색 발광장치를 나타내는 개략도이다.
도7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 백색 발광장치에 채용가능한 녹색 형광체의 방출 스펙트럼이다.
도8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 백색 발광장치에 채용가능한 다른 적색 형광체의 방출 스펙트럼이다.
도9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 백색 발광장치에 채용가능한 황색 또는 황등색 형광체의 방출 스펙트럼이다.
도10 및 도11은 각각 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 LED 광원모듈을 개략적으로 나타내는 측단면도이다.
도12 및 도13은 각각 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 백색 발광장치에 채용가능한 반도체 발광소자의 예를 나타낸 측단면도이다.
도14 및 도15는 각각 본 발명에 따른 백색 발광장치에 채용가능한 반도체 발광소자의 일 예를 나타낸 평면도 및 측단면도이다.
도16은 본 발명에 따른 백색 발광장치에 채용가능한 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 측단면도이다.
도17 및 도18는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 백라이트 유닛을 나타내는 단면도이다.
도19는 본 발명의 일 실시형태에 따른 직하형 백라이트 유닛을 나타내는 단면도이다.
도20 및 도21은 각각 본 발명의 다른 실시형태에 따른 에지형 백라이트 유닛을 나타내는 단면도이다.
도22는 본 발명의 일 실시형태에 따른 디스플레이 장치를 나타내는 분해사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.
본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형되거나 여러 가지 실시 형태가 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
본 발명의 일 측면은, 조성식 SrAlSi4N7:Eu2 +로 표현되는 기본 조성에서 Sr 자리에 Ba을 일부 치환함으로써 특성을 개선시킬 수 있다. 즉, 적정 범위에서 Ba의 치환함으로써 피크 파장의 이동과 함께 휘도가 향상시킬 수 있다. 예를 들어, Sr을 단독으로 사용하는 질화물 형광체에 비해 10% 이상 휘도를 향상시킬 수 있다. 또한, 고온에서의 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기 적색 형광체는 조성식 Sr1 -x- yBaxEuyAlSi4N7로 표현되는 질화물 형광체일 수 있다. 상기 조성식에서, Ba 조성비(x)는 0 < x ≤ 0.3을 만족하고, Eu 조성비(y)는 0 ≤ y ≤ 0.1을 만족한다. 여기광원의 파장은 자외선, 청색의 광일 수 있으며, 파장대역으로는 300∼480㎚일 수 있다. 예를 들어, 여기광원으로서 430~470nm의 청색 파장광을 사용할 수 있다.
상기 적색 형광체는 여기광원을 조사하여 600∼660㎚ 범위에 피크 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다.
본 발명에 따른 적색 형광체는 여러 가지 측면에서 우수한 특성을 가질 수 있다. 상기 적색 형광체의 내부 양자효율은 80% 이상일 수 있으며, 나아가 85% 이상일 수 있다.
또한, 상기 적색 형광체의 반치폭은 110㎚ 이하일 수 있다. 상기 적색 형광체는 7㎛≤d50≤25㎛를 만족하는 입도를 가질 수 있다.
특정예에서, 상기 적색 형광체는 일부 불순물을 추가적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 0.5wt% 이하의 산소를 불순물로서 더 포함할 수 있다. Fe, Co 및 Ni로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 불순물로서 50 ppm 이하로 더 포함할 수 있다.
이하, 다양한 실시예를 통해서 본 발명을 더욱 상세히 설명하나 본 발명이 이러한 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
< 실시예1 >
원료물질로서, 스트론늄 나이트라이드, 바륨 나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 실리콘 나이트라이드, 유로퓸 나이트라이드를, 비활성 기체(Ar)로 채워지면서 수분과 산소성분이 1%이하로 매우 낮은 공간에서 칭량하여 원료물질을 마련하고, 마련한 원료물질을 건식 혼합하였다. 여기서, 원료물질의 칭량은 Sr0.965Ba0.005Eu0.03AlSi4N7의 조성을 이루도록 실행되었다.
혼합된 분말을 소성하기 위해서 수분과 산소가 제한된 공간에서 도가니 내에 담아내고, 담아낸 도가니를 1800℃에서 10시간 소성을 진행하였다. 이때에 분위기는 환원분위기(5%H2,95%N2)를 유지하였다.
소성된 형광체를 분쇄하고, 소정의 후열처리 및 산세공정을 통해 Sr0.965Ba0.005Eu0.03AlSi4N7인 질화물 형광체를 마련하였다.
< 비교예1 >
실시예1과 유사한 원료물질과 공정으로 질화물 형광체를 제조하되, 실시예1과 달리, Ba이 함유된 원료물질을 추가하지 않았다. 즉, 스트론늄 나이트라이드, 바륨 나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 실리콘 나이트라이드, 유로퓸 나이트라이드를 칭량하여 원료물질을 마련하고, 마련한 원료물질을 건식 혼합하였다. 여기서, 원료물질의 칭량은 Sr0 .97Eu0 .03AlSi4N7의 조성을 이루도록 실행되었다.
혼합된 분말을 소성하기 위해서 수분과 산소가 제한된 공간에서 도가니 내에 담아내고, 담아낸 도가니를 1800℃에서 10시간 소성을 진행하였다. 이때에 분위기는 환원분위기(5%H2,95%N2)를 유지하였다.
소성된 형광체를 분쇄하고, 소정의 후열처리 및 산세공정을 통해 Sr0.97Eu0.03AlSi4N7의 질화물 형광체를 마련하였다.
상기 실시예1 및 비교예1에 따른 적색 형광체에 대해 약 450㎚ 피크파장의 LED에 의해 여기되는 방출 스펙트럼을 측정하였으며, 그 결과를 도1에 나타내었다.
도1에 나타난 바와 같이, 비교예1에 따른 적색 형광체는 637㎚의 피크파장을 나타내며, 반치폭이 약 100㎚데 반하여, 실시예1에 따른 적색 형광체는 638㎚의 피크파장을 나타내며, 반치폭은 증가하여 약 102㎚ 정도로 나타났다.
도1에 나타난 바와 같이, 본 실시예1에 따른 적색 형광체는 비교예1에 따른 적색 형광체에 비해 상대강도가 10% 이상 증가한 것을 확인할 수 있었다. 이와 같이, 본 실시예1에 따른 적색 형광체는 Sr을 Ba으로 소량(0.005mol) 치환함으로써 변환효율을 크게 개선하여 적색 형광체가 채용되는 최종 광원에서 휘도를 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
추가적으로, Ba 치환량의 적정 범위를 확인하기 위해서 아래와 같이 Ba의 함량을 달리하여 실시예2 내지 5와 함께, 비교예2를 실시하였다.
< 실시예2 -5>
실시예1과 유사한 원료물질과 공정으로 질화물 형광체를 제조하되, 실시예1과 달리, Ba과 Sr의 원료물질을 표1에 나타난 바와 같이 칭량하여 질화물 형광체를 제조하였다. 각 실시예별로 얻어진 질화물 형광체는 각각 Sr0 .96Ba0 .01Eu0 .03AlSi4N7 (실시예2), Sr0 .95Ba0 .02Eu0 .03AlSi4N7 (실시예3), Sr0 .94Ba0 .03Eu0 .03AlSi4N7(실시예4), Sr0.967Ba0.003Eu0.03AlSi4N7 (실시예5)의 조성을 갖는 것으로 확인되었다.
< 비교예2 >
실시예1과 유사한 원료물질과 공정으로 질화물 형광체를 제조하되, 실시예1과 달리, Ba과 Sr의 원료물질을 표1에 나타난 바와 같이 칭량하여 질화물 형광체를 제조하였다. 본 비교예2에서 얻어진 질화물 형광체는 Sr0 .93Ba0 .04Eu0 .03AlSi4N7의 조성을 갖는 것으로 확인되었다.
구분 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 비교예2
Ba 함량(mol) 0.01 0.02 0.03 0.003 0.04
Sr 함량(mol) 0.96 0.95 0.94 0.967 0.93
실시예 2 내지 5에서 얻어진 적색 형광체와 비교예2에 의해 얻어진 적색 형광체에 대해서 450㎚ 피크파장의 LED 광원을 사용하여 방출광의 피크파장과 PL강도를 측정하였다. 이렇게 얻어진 결과를 앞서 실시된 실시예1 및 비교예1의 결과를 함께 도2의 그래프로 나타내었다. 도2는 본 발명의 실시예로, 바륨(Ba)함량에 따른 피크 파장 및 휘도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도2에 나타난 바와 같이, Sr 자리에 Ba을 치환시킨 양에 따라 방출광의 중심파장과 함께 PL강도가 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 실시예5와 같이 Ba의 함량을 극히 미량(0.003)으로 치환하더라도 피크 파장의 변화는 거의 없으나 PL 강도가 비교예1에 비해 5%정도 증가한 것을 확인할 수 있었다.
실시예1의 경우에는 앞서 살펴본 바와 같이, PL 강도가 10% 정도 증가하였고, Ba 치환량을 0.03까지 증가시킬 경우에 다소 증가폭은 줄어들지만, 비교예1에 비해 PL강도가 다소 증가됨을 확인할 수 있었다. 그러나, Ba의 함량을 0.03을 초과하여, 0.04으로 치환한 경우에, PL 강도가 비교예1에 비해 7∼8% 정도 감소된 것을 확인하였다.
이와 같이, 파장변환효율의 개선측면에서, Ba의 함량(x)의 적정 범위는 0<x<0.3으로 정할 수 있다.
도3은 본 발명의 실시예로, 바륨(Ba) 함량에 따른 신뢰성 변화를 나타내는 그래프이다. 각기 다른 함량의 적색 형광체를 LED 패키지내 실리콘 수지와 혼합하여 약 80℃에서 약 200℃ 사이에서 경화시켜 준비하였고 150mA의 전류를 흘려 동작시켰다. 또한 동작시킨 분위기는 85℃, 85% 상대습도의 챔버 내에서 유지하여 실제 동작 조건보다 가혹한 분위기에서 안정성(신뢰성)을 평가하였다.
그 결과, Ba 함량이 커짐에 따라 안정한 특성을 나타내는 현상을 보였다. 따라서, 일부 Ba이 치환될 경우 효율, 안정성(신뢰성)이 높아지는 것을 확인하였다.
이러한 사실을 기초하여, 효율과 안정성(신뢰성) 측면에서 살펴보면 Ba 함량의 적정 범위는 0<x<0.3로 정할 수 있고, 바람직한 조건은 0<x<0.1 로 정할 수 있다.
일반적으로, 안정성이 감소하는 요인은 활성이온으로 형광체 결정 구조 내에 치환된 Eu2 + 이온의 Eu3 + 이온으로 산화될 경우 발광 효율이 감소될 수 있다. 산화되는 원인은 결정구조 내 결함, 산소의 침입으로 인한 반응을 얘기할 수 있다.
2Eu2 + + 1/2O2 + VN → 2Eu3 + + O2 -
여기서 VN은 산소의 침입으로 인해 생긴 질소의 빈자리(Vacancy)이다. 도 3의 Ba 함량에 따른 안정성 증가의 원인은 이온 간의 결합 세기의 차이로 볼 수 있다. 각 원소 간의 전기음성도 차이는 다음과 같다.
Sr-N (2.1), Ba-N (2.2), Eu-N (1.85),Sr-O (2.5), Ba-O (2.6), Eu-O (2.25)
Ba이 포함되지 않은 경우에 비해 Ba이 포함된 경우, Ba이 Sr에 비해 산소와 반응할 가능성이 많을 수 있다(즉, Ba-N > Sr-N, Ba-O > Sr-O). Ba, Sr이 Eu 대신 산화되는 원리는 유사하지만, Ba이 Sr에 비해 Eu이 산화되는 것을 막는 힘이 크다.
이로 인해, Ba2 +가 형광체 결정구조 내 침입된 산소와 반응하여 Ba3 +로 변하고 아래와 같이 Eu2 +가 유지될 수 있게 해준다.
2Ba2 + + 2Eu2 + + 1/2O2 + VN → 2Ba3 + + 2Eu2 + + O2 -
이와 같은 안정성 또는 신뢰성의 개선은 순수 질화물 형광체일 경우, 더불어 산소 성분이 외부가 아닌 결정 구조 내 질소 자리 주위에 배치되어 서로 연관되었을 경우에 이러한 현상을 확인할 수 있다.
측량된 원료물질들의 혼합은 용매를 사용하지 않고 용기에 원료물질들의 삽입하고 밀링 머신(milling machine)을 이용하여 상기 원료물질들을 균질하게 혼합한다. 혼합시간은 1∼24 시간 정도이며 이때 볼을 원료물질과 같이 삽입하여, 혼합을 좀더 용이하게 하여 혼합시간을 단축시킬 수 있다. 이러한 건식혼합 방식은 습식에 비해 용매의 건조과정이 필요 없는 관계로 전체 공정시간을 줄일 수 있는 장점이 있다. 원료물질의 혼합이 완료되면, 습식혼합과 마찬가지로 혼합과정이 완료된 분말을 금속 혹은 폴리머 재질의 체(sieve)를 이용하여 원하는 마이크로미터 사이즈 조건으로 균일하게 분급할 수 있다.
이 때에 용기에 원료물질을 담을 때에는 산소와 수분이 차단된 비활성 기체가 채워진 분위기에서 진행한다. 질화물 원료를 사용할 경우 일반적으로 대기에서 작업할 경우 산소, 수분과 반응하여 원료가 산화되며 이에 따른 특성 저하를 가져올 수 있다.
소성공정은 분급된 혼합분말을 질화붕소(BN) 도가니에 충진시키고 소성공정을 진행할 수 있다. 이 때에 소성공정은 가열로를 이용하여 원하는 소성온도(예, 1850~ 2300℃, 1000 ~ 1800℃)의 온도에서 1∼24 시간 정도 이루어진다. 소성과정 중의 분위기는 질소(N2) 100% 혹은 수소를 1∼10 % 포함된 혼합 질소 가스를 이용할 수 있다.
합성된 형광체 분말을 유발 혹은 분쇄기를 이용하여 균질하게 분쇄한 후 후열처리 공정을 1회 내지 3회 반복 실시하여 형광체의 휘도를 향상시킬 수 있다.
최종적으로 소성된 형광체 분말을 유발 혹은 분쇄기를 통하여 분쇄하고 최적의 입도를 구현하기 위해 분급 공정을 통하여 입도를 제어한다. 이때에, 대표적으로 16 마이크로미터 사이즈의 체를 이용하여 16 마이크로미터 이하의 균질한 크기의 복합 결정 형광체를 얻을 수 있다.
여기서 얻어진 형광체 분말을 증류수(D.I.Water), 무기산, 유기산, 염기를 이용하여 후처리하여 형광체에 함유되어 있는 여분의 유리상, 미반응 금속물질 등의 불순물을 제거할 수 있다. 예를 들면, O.1∼60 % 농도의 질산을 가하여, 1∼10시간 교반함으로써 여분의 불순물을 용출시켜 제거할 수 있다.
무기산으로는, 질산 이외에, 황산, 염산, 불소산, 또는 이들 무기산의 혼합용액을 사용할 수 있다. 한편, 산처리를 통해 제거하지 못한 불순물은 염기를 이용하여 제거할 수 있다. 염기로는 수산화 나트륨, 수산화 칼륨 등의 무기 염기 혹은 이들 무기염기들의 혼합 용액을 사용할 수 있다.
이러한 산처리 및 염처리 후의 형광체 슬러리는, 잔존하는 산 혹은 염을 D.I. water를 이용하여 세척하고, 습식 분급, 여과, 건조를 실시하여 최종적으로 원하는 형광체 분말을 얻을 수 있다. 이때에 건조공정은 50∼150℃에서 충분한 시간동안 실시할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 형광체를 포함하는 다양한 응용형태를 설명하기로 한다.
도4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 백색 발광장치를 나타내는 개략도이다.
도4에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 따른 백색 발광 장치(10)는, 청색 반도체 발광소자(15)와 이를 포장하며 상부로 볼록한 렌즈 형상을 갖는 수지 포장부(19)를 포함한다.
본 실시형태에 채용된 수지포장부(19)는, 넓은 지향을 확보할 수 있도록 반구 형상의 렌즈 형상을 갖는 형태로 예시되어 있다. 상기 청색 반도체 발광소자(15)는 별도의 회로기판에 직접 실장될 수 있다. 상기 수지 포장부(19)는 상기 실리콘 수지나 에폭시 수지 또는 그 조합으로 이루어질 수 있다. 상기 수지포장부(19)의 내부에는 녹색 형광체(12)와 앞서 설명된 질화물계인 적색 형광체(14)가 분산된다.
본 실시형태에 채용가능한 녹색 형광체(12)로는, M3Al5O12의 조성식으로 표현되는 산화물 형광체, MxAyOxN(4/3)y의 조성식으로 표시되는 산질화물 형광체, MaAbOcN((2/3)a+(4/3)b-(2/3)c)로 표시되는 산질화물 형광체, Si6 - zAlzOzN8 -z의 조성식으로 표시되는 β-사이알론 형광체 및 La3Si6N11:Ce 형광체 중 적어도 하나를 포함하며, 여기서, M은 Y, Lu, Gd, Ga, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Eu, Ce으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 1종의 Ⅱ 또는 Ⅲ족 원소이고, A는 C, Si, Ge, Sn, Ti, Zr, Hf으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 1종의 Ⅳ족 원소이다.
또한, 녹색 형광체(12)로, 다른 녹색 형광체와 함께 또는 단독으로, β형 Si3N4 결정 구조를 가지며, 조성식 Si6 - zAlzOzN8 -z:Eua,Mb으로 표현되는 산질화물 형광체을 사용할 수 있다. 여기서, M은 Sr와 Ba 중 선택된 적어도 1종이고, Eu 첨가량(a)은 0.1∼5 mol% 범위이며, M 첨가량(b)은 0.1∼10 mol% 범위이고, Al 조성비(z)는 0.1 < z < 1을 만족한다.
상기한 Si6 - zAlzOzN8 -z:Eua,Mb으로 표현되는 β-사이알론(SiAlON) 형광체도 녹색 형광체로서 여기원을 조사하여 500∼550㎚ 범위에 피크 파장을 갖는 광을 방출하는 형광체를 제공할 수 있다. 본 녹색 형광체는 Si6 - zAlzOzN8 -z:Eua,Mb으로 표현되는 β-사이알론(SiAlON) 결정인 호스트 메트릭스의 공극(empty sphere)에 Sr을 소정량 첨가함으로써 종래의 β-사이알론(SiAlON) 형광체보다 크게 향상된 휘도(예, 약 20% 정도)를 가질 뿐만 아니라, 540㎚이하로 더 단파장화된 녹색 형광체를 제공할 수 있다.
Si6 - zAlzOzN8 -z:Eua,Mb으로 표현되는 β-사이알론(SiAlON) 녹색 형광체는 CIE 1931 색좌표계에서 표준 RGB(sRGB)의 녹색 영역을 만족시킬 수 있는 색특성을 제공하여 선명한 백색을 제공하는데 기여할 수 있다. 나아가, Sr의 첨가(doping)은 β-사이알론의 상안정화에 기여함으로써 신뢰성 특성을 개선하고, 특히 경시에 따른 효율변화를 좌우하는 y 색좌표의 변화를 크게 감소시킬 수 있으며, 생산성 및 수율 측면에서 큰 개선 효과가 있다.
한편, 본 실시형태에 채용가능한 적색 형광체(14)는, 상술된 적색 형광체 외에도 추가적으로 다른 적색 형광체가 혼합되어 사용될 수 있다. 예를 들어, 추가적으로 사용되는 적색 형광체는 M1AlSiNx:Re(1≤x≤5)인 질화물계 형광체, M1D:Re인 황화물계 형광체 및 (Sr,L)2SiO4 - xNy:Eu인 실리케이트계 형광체(여기서, 0＜x＜4, y=2x/3) 중 선택된 적어도 하나일 수 있다.
여기서, M1는 Ba, Sr, Ca, Mg 중 선택된 적어도 1종의 원소이고, D는 S, Se 및 Te 중 선택된 적어도 1종의 원소이며, L은 Ba, Ca 및 Mg로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 제2족 원소 또는 Li, Na, K, Rb 및 Cs로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 제1 족 원소이고, D는 S, Se 및 Te 중 선택된 적어도 1종이며, Re는 Y, La, Ce, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, F, Cl, Br 및 I 중 선택된 적어도 하나이다.
이와 같이, 본 발명에서 반치폭, 피크파장 및/또는 변환효율 등을 고려하여 특정한 녹색 형광체와 특정한 적색형광체를 조합한 형태로 제공함으로써 70 이상의 높은 연색지수를 갖는 백색광을 제공할 수 있다. 또한, 복수의 형광체를 통해 여러 파장대역의 광이 얻어지므로, 색재현성을 향상시킬 수 있다.
상기 적색 형광체 중 (Sr,L)2SiO4 - xNy:Eu인 실리케이트계 형광체의 경우에, 바람직하게, x범위가 0.15≤x≤3 조건일 수 있다. 상기 조성식에서 Si 중 일부는 다른 원소로 치환될 수 있다. 예를 들어, B, Al, Ga 및 In으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 원소로 치환될 수 있으며, 이와 달리, Ti, Zr, Gf, Sn 및 Pb로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 원소로 치환될 수 있다.
상기 청색 반도체 발광소자의 주파장은 430~470nm 범위일 수 있다. 이 경우에, 가시광선대역에서 넓은 스펙트럼을 확보하여 보다 큰 연색지수의 향상을 위해서, 상기 녹색 형광체(12)의 발광파장 피크는 500∼550nm범위이며, 상기 적색 형광체(14)의 발광파장 피크는 600∼650nm범위일 수 있다.
바람직하게, 상기 청색 반도체 발광소자는 10~50nm의 반치폭을 가지며, 상기 녹색 형광체는 30~200nm의 반치폭을 갖고, 상기 적색 형광체는 50~250nm의 반치폭을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에서는, 상술된 적색 형광체(12)와 녹색 형광체(14) 외에 추가적으로 황색 내지 황등색 형광체를 포함할 수 있다. 필요에 따라, 녹색 형광체(14)를 황색 형광체로 대체할 수 있으며, 이 경우에 황색 형광체의 발광피크 파장은 550∼580㎚의 범위일 수 있다.
이 경우에 보다 향상된 연색지수를 확보할 수 있다. 이러한 실시형태는 도6에 도시되어 있다.
도5를 참조하면, 본 실시형태에 따른 백색 발광장치(20)는, 중앙에 반사컵이 형성된 패키지 본체(21)와, 반사컵 바닥부에 실장된 청색 LED칩(25)와, 반사컵 내에는 청색 LED칩(25)를 봉지하는 투명 수지 포장부(29)를 포함한다.
상기 수지 포장부(29)는 예를 들어, 실리콘 수지나 에폭시 수지 또는 그 조합을 사용하여 형성될 수 있다. 본 실시형태에서는, 상기 수지 포장부(29)에 녹색 형광체(22) 및 상술된 질화물계 형광체인 적색 형광체(24)과 함께 추가적으로 황색또는 황등색 형광체(26)를 포함한다.
즉, 녹색 형광체(22)는, M3Al5O12의 조성식으로 표현되는 산화물 형광체, MxAyOxN(4/3)y 산질화물 형광체, MaAbOcN((2/3)a+(4/3)b-(2/3)c) 산질화물 형광체, β- 사이알론 형광체 및 La3Si6N11:Ce 형광체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 적색 형광체(24)는, 상술된 복합 결정 형광체 외에도 추가적으로 M1AlSiNx:Re(1≤x≤5)인 질화물계 형광체 및 M1D:Re인 황화물계 형광체 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 황색 또는 황등색 형광체(26)를 더 포함할 수 있다. 상기 황색 또는 황등색 형광체는 녹색과 적색 파장대역의 중간에 위치한 파장대역의 광을 방출할 수 있다. 상기 황색 내지 황등색 형광체는 실리케이트계 형광체, 가넷계 형광체 및 질화물계 형광체 중 적어도 하나일수 있으며, 상기 황등색 형광체는 α-SiAlON:Re계 또는 YAG, TAG의 가넷계인 형광체일 수 있다.
상술된 실시형태에서는, 2종 이상의 형광체 분말을 단일한 수지포장부영역에 혼합분산시킨 형태를 예시하였으나, 다른 구조를 다양하게 변경되어 실시될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기한 2종 또는 3종의 형광체는 서로 다른 층구조로 제공될 수 있다. 일 예에서, 상기 녹색 형광체, 상기 적색 형광체 및 상기 황색 내지 황등색 형광체는 그 형광체 분말을 고압으로 분산시켜 복층 구조의 형광체막으로 제공될 수도 있다.
이와 달리, 도6에 도시된 바와 같이, 복수의 형광체 함유 수지층 구조로 구현될 수 있다.
도6을 참조하면, 본 실시형태에 따른 백색 발광장치(30)는, 앞선 실시형태와 유사하게, 중앙에 반사컵이 형성된 패키지 본체(31)와, 반사컵 바닥부에 실장된 청색 LED(35)와, 반사컵 내에는 청색 LED(35)를 봉지하는 투명 수지 포장부(39)를 포함한다.
상기 수지 포장부(39) 상에는 각각 다른 형광체가 함유된 수지층이 제공된다. 즉, 녹색 형광체가 함유된 제1 수지층(32), 상술된 질화물계 형광체인 적색 형광체가 함유된 제2 수지층(34) 및 상기 황색 또는 황등색 형광체가 함유된 제3 수지층(36)로 파장변환부가 구성될 수 있다.
본 실시형태에서 사용되는 형광체는 도6에서 도시되어 설명된 형광체와 동일하거나 유사한 형광체가 채택되어 사용될 수 있다.
본 발명에서 제안된 형광체의 조합을 통해 얻어지는 백색광은 높은 연색지수를 얻을 수 있다. 즉, 청색 반도체 발광소자에 황색 형광체를 결합할 경우에, 청색 파장광과 함께 변환된 황색광을 얻을 수 있다. 전체 가시광선 스펙트럼에서 볼 때에 녹색 및 적색 대역의 파장광이 거의 없으므로, 자연광에 가까운 연색지수를 확보하기 어렵다. 특히, 변환된 황색광은 높은 변환효율을 얻기 위해서 좁은 반치폭을 갖게 되므로, 이 경우에는 연색지수를 더욱 낮아질 것이다. 또한, 단일한 황색 변환정도에 따라 발현되는 백색광의 특성이 쉽게 변경되므로, 우수한 색재현성을 보장하기 어렵다.
이에 반하여, 청색 LED칩과 녹색 형광체(G)와 적색 형광체(R)를 조합하는 발명예에는, 기존예에 비해 녹색 및 적색 대역에서 발광되므로, 가시광선 대역에서 보다 넓은 스펙트럼을 얻을 수 있으며, 결과적으로 연색지수를 크게 향상시킬 수 있다. 추가적으로, 녹색 및 적색 대역 사이에 중간파장대역을 제공할 수 있는 황색 또는 황등색 형광체를 더 포함함으로써 연색지수를 더욱 크게 향상시킬 수 있다.
이와 유사하게, 황색 형광체를 추가하는 대신에, 녹색 형광체를 황색 형광체로 대체할 수 있으며, 이 경우에 황색 형광체의 발광피크 파장은 550∼580㎚의 범위일 수 있다.
도7에는 본 발명에 채용될 수 있는 녹색 형광체에 대한 발광 스펙트럼의 일예가 도시되어 있다. 도7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 산질화물 형광체로부터 얻어진 녹색형광체의 피크파장이 약 540㎚이며, 반치폭이 76.7㎚인 방출스펙트럼을 갖는 것을 확인할 수 있다.
도8a 및 도8b에는 본 발명에 추가적으로 채용가능한 적색 형광체에 대한 발광스펙트럼이 도시되어 있다.
도8a를 참조하면, MAlSiNx:Re(1≤x≤5)인 질화물계 형광체(여기서, M는 Be, Ba, Sr, Ca, Mg 중 선택된 적어도 1종의 원소이고, Re는 Y, La, Ce, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, F, Cl, Br 및 I 중 선택된 적어도 1종의 원소임)의 스펙트럼이 도시되어 있다. 변환된 적색광은 약 640㎚의 피크파장과 약 85㎚의 반치폭을 나타낸다.
도8b를 참조하면, MD:Eu,Re인 황화물계 형광체(여기서, M은 Be, Ba, Sr, Ca, Mg 중 선택된 적어도 1종의 원소이고, D는 S, Se 및 Te 중 선택된 적어도 1종의 원소이며, Re는 Y, La, Ce, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, F, Cl, Br 및 I 중 선택된 적어도 1종의 원소임)의 스펙트럼이 도시되어 있다. 변환된 적색광은 약 655㎚의 피크파장과 약 55㎚의 반치폭을 나타낸다.
도9a 및 도9b에는 본 발명에 선택적으로 채용될 수 있는 황색 또는 황등색 형광체에 대한 스펙트럼이 도시되어 있다.
도9a를 참조하면, 실리케이트계 형광체의 스펙트럼이 도시되어 있다. 변환된 황색광은 약 555㎚의 피크파장과 약 90㎚의 반치폭을 나타낸다.
도9b를 참조하면, α-SiAlON:Re인 형광체의 스펙트럼(여기서, Re는 Y, La, Ce, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, F, Cl, Br 및 I 중 선택된 적어도 하나이고, Re는 1ppm 내지 50000ppm의 범위임)이 도시되어 있다. 변환된 황색광은 약 580㎚의 피크파장과 약 88㎚의 반치폭을 나타낸다.
이와 같이, 본 발명에서 반치폭, 피크파장 및/또는 변환효율 등을 고려하여 특정한 녹색 형광체와 특정한 적색형광체를 조합한 형태 또는 이 조합형태에서 황색 내지 황등색 형광체를 추가함으로써 70 이상의 높은 연색지수를 갖는 백색광을 제공할 수 있다.
상기 광에서 적색광의 색좌표는 CIE 1941 색좌표계를 기준으로, x, y좌표가 0.55≤x≤0.65, 0.25≤y≤0.35의 범위인 영역 내에 있고, 녹색광의 색좌표는 x, y좌표가 0.2≤x≤0.4, 0.5≤y≤0.7의 범위인 영역 내에 있으며, 청색광의 색좌표는 x, y좌표가 0.1≤x≤0.2, 0.02≤y≤0.15의 범위인 영역 내에 있다.
청색 반도체 발광소자의 주파장이 430~470nm 범위일 경우에, 녹색 형광체의 발광파장 피크는 500∼550nm범위이며, 적색 형광체의 발광파장 피크는 600∼650nm범위일 수 있다. 황색 내지 황등색 형광체의 발광파장 피크는 550∼600nm범위일 수 있다(황색 형광체: 550∼580nm, 황등색 형광체: 580∼600nm).
또한, 청색 반도체 발광소자가 10~50nm의 반치폭을 갖는 경우에, 상기 녹색 형광체는 30~200nm의 반치폭, 바람직하게 60~80nm을 갖고, 상기 적색 형광체는 50~250nm의 반치폭을 가질 수 있다. 황색 내지 황등색 형광체는 20~100nm의 반치폭을 가질 수 있다.
이러한 조건을 갖는 각 형광체의 선택과 조합을 통해서 본 발명에서는, 가시광선대역에서 넓은 스펙트럼을 확보할 수 있으며, 보다 큰 연색지수를 갖는 우수한 백색광을 제공할 수 있다.
본 발명은 LCD 백라이트 유닛의 광원으로 유익하게 사용될 수 있는 백색 광원 모듈을 제공할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 백색 광원 모듈은 LCD 백라이트 유닛의 광원으로서 여러가지 광학 부재(확산판, 도광판, 반사판, 프리즘 시트 등)와 결합되어 백라이트 어셈블리를 구성할 수 있다. 도11 및 도12는 이러한 백색 광원 모듈을 예시한다.
우선, 도10을 참조하면, LCD 백라이트용 광원 모듈(50)은, 회로 기판(51)과 그 위에 실장된 복수의 백색 LED 장치(10)들의 배열을 포함한다. 회로 기판(51) 상면에는 LED 장치(10)와 접속되는 도전패턴이 형성될 수 있다.
각각의 백색 LED 장치(10)는, 도5에서 도시되어 설명된 백색 LED 장치(10)로 이해할 수 있다. 즉, 청색 LED(15)가 회로 기판(51)에 COB(Chip On Board) 방식으로 직접 실장된다. 각각의 백색 LED 장치(10)의 구성은, 별도의 반사벽을 갖지 않고 렌즈 기능을 갖는 반구형상의 수지 포장부(19)를 구비함으로써, 각각의 백색 LED 장치(20)는 넓은 지향각을 나타낼 수 있다. 각 백색 광원의 넓은 지향각은, LCD 디스플레이의 사이즈(두께 또는 폭)를 감소시키는데 기여할 수 있다.
도11을 참조하면, LCD 백라이트용 광원 모듈(60)은, 회로 기판(61)과 그 위에 실장된 복수의 백색 LED 장치(20)들의 배열을 포함한다. 상기 백색 LED 장치(20)는 도6에서 설명된 바와 같이 패키지 본체(21)의 반사컵 내에 실장된 청색 반도체 발광소자(25)과 이를 봉지하는 수지 포장부(29)를 구비하고, 수지 포장부(29) 내에는, 상술된 복합 결정 형광체를 포함한 적색 형광체(24)와 함께, 녹색 형광체(22)및 황색 또는 황등색 형광체(26)가 분산되어 있다.
본 발명은 상술된 형광체를 파장변화물질로 이용하는 다양한 형태의 백색 발광장치로 구현될 수 있다. 이하, 본 발명에 따른 백색 발광장치에 채용가능한 발광소자를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
우선, 도12에 도시된 발광 소자(100)의 반도체 적층 구조는 하기와 같은 구조를 가질 수 있다. Si-Al 합금으로 이루어진 기판(이하, 'Si-Al 합금 기판'이라 함)(101) 및 Si-Al 합금 기판(101)의 상면 및 하면에 형성된 보호층(120), 보호층(120) 상에 접합금속층(102), 반사 금속층(103), p형 반도체층(104), 활성층(105) 및 n형 반도체층(106)이 순차적으로 적층되어 있다. p형 및 n형 반도체층(104, 106)과 활성층(106)은 GaN계 반도체, 즉 AlxGayIn(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1) 반도체 재료 등으로 이루어질 수 있으며, 발광구조물을 형성한다.
상기 n형 반도체층(106) 상에는 n측 전극(107)이 형성되어 있다. 접합 금속층(102)과 p형 반도체층(104) 사이에 개재된 반사 금속층(103)은 반도체층으로부터 입사된 빛을 상방향으로 반사시킴으로써 발광소자의 휘도를 더욱 증가시킨다. 반사금속층(103)은 고반사율의 금소, 예를 들어 Au, Ag, Al, Rh 및 이들 중 둘 이상의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속 등으로 이루어질 수 있다. 그러나, 이러한 반사 금속층(103)은 필요에 따라 형성되지 않을 수도 있다.
접합금속층(102)은 Si-Al 합금 기판(101)을 발광 구조물에 접합시키는 역할을 하며, Au 등이 사용될 수 있다. 여기서, 본 발명의 발광소자(100)가 접합금속층(102)을 포함하고 있지만, 이러한 접합 금속층(102) 없이 Si-Al 합금(101)이 p형 반도체층(104) 상에 직접 접합될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 발광소자(100)는 Si-Al 합금기판(101)을 도전성 기판으로 사용한다.
이러한 Si-Al 합금은 Si-Al 합금은 열팽창 계수, 열전도도, 기계적 가공성 및 가격의 측면에서 유리한 장점이다. 즉, Si-Al 합금 기판(101)의 열팽창 계수는 사파이어 기판의 열팽창 계수와 유사하다. 따라서, Si-Al 합금 기판(101)을 사용하여 발광소자(100)을 제조하는 경우, 기존의 Si로 이루어진 도전성 기판의 접합 공정과 레이저 조사에 의한 사파이어 기판의 분리 공정시 발생하였던 기판의 휨 현상과 발광구조물에서의 크랙 발생 현상을 크게 감소시켜 결함이 적은 고품질의 발광소자(100)를 얻을 수 있다.
또한, Si-Al 합금 기판(101)의 열전도도는 약 120 내지 180 W/mㆍK로서 열방출 특성이 우수하다. 뿐만 아니라, 고압에서 Si와 AL을 용융시킴으로써 Si-Al 합금기판(101)을 용이하게 제조할 수 있기 때문에, Si-Al 합금기판(101)을 용이하게 제조할 수 있기 때문에, Si-Al 합금 기판을 낮은 비용으로 손쉽게 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 발광소자(100)는 Si-Al 합금 기판(101)의 상하면에 Si-Al 합금 기판(101)으로의 클리닝(cleaning)공정시 케미칼 침투를 막아주는 보호층(120)이 추가로 형성되어 있다. 여기서, 보호층(120)은 금속 또는 전도성 유전체 등으로 이루어질 수 있다. 이때, 보호층(120)이 금속으로 이루어지는 경우, Ni, Au, Cu, W, Cr, Mo,Pt, Ru, Rh, Ti 및 Ta 중 어느 하나, 또는 금속군 중 적어도 둘 이상의 합금으로 이루어질 수 있다.
이 경우, 보호층(120)은 무전해 도금 방식, 금속 증착, 스퍼터(sputter) 또는 CVD 등에 의해 형성된 것일 수 있으며, 이때, Si-Al 합금 기판(101)과 금속 재질의 보호층(120) 사이에는 보호층(120)의 도금 공정에서 씨드(seed) 역할을 하는 씨드 금속층(110)이 더 형성될 수 있다. 씨드 금속층(110)은 Ti/Au 등으로 이루어질 수 있다. 또한, 보호층(120)이 전도성 유전체로 이루어지는 경우, 상기 전도성 유전체는 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 또는 CIO(Copper Indium Oxide) 등으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 보호층(120)은 증착 또는 스퍼터 방식 등에 의해 형성된 것일 수 있다. 이러한 보호층(120)은 0.01㎛ 이상 20㎛ 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 1㎛ 이상 10㎛ 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명의 백색 발광장치에 채용가능한 발광소자는 상기 Si-Al 합금 기판(101)의 표면에 Ni과 같은 보호층(120)을 추가로 형성함으로써, 상기 사파이어 기판의 분리 후에 진행되는 클리닝 공정에서 사용되는 HCl, HF, KOH 등의 케미칼이나, n형 반도체층(106)의 표면 텍스처링(texturing) 공정에서 사용되는 KOH 등에 의해, 상기 Si-Al 합금 기판(101)의 Al 금속이 에칭되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
따라서, 본 발명에 채용가능한 발광소자는 상기 Si-Al 합금 기판(101)의 표면에 요철이 형성되는 것을 막아, 상기 Si-Al 합금 기판(101) 상에 접합되는 발광 구조물이 벗겨지는 불량 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 보호층(120)으로서 Ni 등과 같은 금속을 사용하는 경우, Si-Al 합금 기판(101)의 표면 조도를 개선하여 상기 Si-Al 합금 기판(101)과 발광 구조물간의 접합을 견고하게 할 수 있는 이점이 있다. 즉, 종래에는 Si-Al 합금 기판(101)이 접합 금속층(102) 형성 전에 자연산화막 제거를 위한 산(acid) 등의 화학물질을 이용한 클리닝 공정을 거치면서, Si-Al 합금 기판(101) 표면의 Al 금속이 에칭되면서 평균 200 내지 500 ㎚의 표면 요철이 형성되었으나, 본 발명의 제1 실시예에서와 같이 Si-Al 합금 기판(101)의 표면에 보호층(120)으로서 Ni 등의 금속을 형성한 후, Ni CMP(Chemical Mechanical Polishing) 처리를 하면 표면 요철이 5 ㎚ 이하로 줄어들어 거울면과 같이 표면 조도가 개선될 수가 있다.
이와 같이, Si-Al 합금 기판(101)의 표면 조도가 개선됨으로써, 상기 Si-Al 합금 기판과 발광 구조물 간의 접합을 견고하게 하고, 접합 수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 백색 발광장치에 채용가능한 발광소자의 다른 예로서, 도13에 도시된 발광소자가 제공될 수 있다.
도13에 도시된 발광소자는 도12에 도시된 발광소자와 유사하지만, 보호층(120)이 Si-Al 합금 기판(101)의 상면 및 하면 전체에 형성되지 않고, Si-Al 합금 기판(101)의 상면에 Si-Al 합금 기판(101)의 일부를 드러내도록 형성되어 있으며, 보호층(120) 및 보호층에 의해 드러난 Si-Al 합금 기판(101)의 상면에는 도전층(122)이 더 형성되어 있고, Si-Al 합금 기판(101)의 하면에는 콘택 금속층(123)이 형성되어 있는 점에서 상이하다.
특히, 상기 보호층(120)은 금속이나 전도성 유전체가 아닌 절연재로 이루어지는 것이 바람직하다. 즉, 본 실시예에 따른 발광 소자는, 상기 보호층(120)이 금속이나 전도성 유전체가 아닌 절연재로 이루어지는 대신에, 상기 보호층(120)이 형성된 Si-Al 합금 기판(101)과 상기 보호층(120) 상부의 발광 구조물간의 통전을 위하여, 상기 보호층(120)이 상기 Si-Al 합금 기판(101)의 상면 일부를 드러내도록 형성되고, 상기 보호층(120)을 포함한 상기 Si-Al 합금 기판(101)의 상면에 도전층(122)이 추가로 형성되는 것이다. 여기서, 상기 도전층(122)은 금속 등으로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 백색 발광장치는, 앞서 예시된 형태의 발광소자와 달리, 고전류 동작이 가능하도록 전극의 배치구조가 변경된 발광소자를 채용할 수 있다. 도14 및 도15는 본 발명에 채용가능한 발광소자의 다른 예로서 발광소자를 도시한 평면도 및 단면도이다. 이때, 도15는 도14의 I-I'선을 따라 절취한 단면도이다.
도14 및 도15을 참조하면, 본 반도체 발광소자(200)는 도전성 기판(210), 제1 전극층(220), 절연층(230), 제2 전극층(240), 제2 도전형 반도체층(250), 활성층(260) 및 제1 도전형 반도체층(270)을 포함하며, 상기 각 층들은 순차적으로 적층되어 구비되어 있다.
상기 도전성 기판(210)은 전기가 흐를 수 있는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 도전성 기판(210)은 Au, Ni, Cu 및 W 중 어느 하나의 금속을 포함하는 금속성 기판 또는 Si, Ge 및 GaAs 중 어느 하나를 포함하는 반도체 기판인 것이 바람직하다. 상기 도전성 기판(210) 상에는 상기 제1 전극층(220)이 적층되어 구비되어 있는데, 상기 제1 전극층(220)은 상기 도전성 기판(210) 및 활성층(260)과 전기적으로 연결됨으로써 상기 도전성 기판(210) 및 활성층(260)과 접촉 저항이 최소화되는 물질로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 제1 전극층(220)은 상기 도전성 기판(210) 상에 적층되어 구비되어 있을 뿐만 아니라, 도15에 도시된 바와 같이, 그 일부 영역이 상기 절연층(230), 제2 전극층(240), 제2 도전형 반도체층(250) 및 활성층(260)을 관통하고, 상기 제1 도전형 반도체층(270)의 일정 영역까지 관통한 콘택홀(280)을 통해 연장되어 상기 제1 도전형 반도체층(270)과 접촉하여 상기 도전성 기판(210)과 제1 도전형 반도체층(270)은 전기적으로 연결되도록 구비되어 있다. 즉, 상기 제1 전극층(220)은 상기 도전성 기판(210)과 제1 도전형 반도체층(270)을 전기적으로 연결하되, 상기 콘택홀(280)을 통해 전기적으로 연결함으로써, 상기 콘택홀(280)의 크기, 더 정확하게는 상기 콘택홀(280)을 통해 상기 제1 전극층(220)과 제1 도전형 반도체층(270)이 접촉하는 면적인 접촉 영역(290)을 통해 전기적으로 연결된다.
한편, 상기 제1 전극층(220) 상에는 상기 제1 전극층(220)이 상기 도전성 기판(210) 및 제1 도전형 반도체층(270)을 제외한 다른 층과는 전기적으로 절연시키기 위한 절연층(220)이 구비된다. 즉, 상기 절연층(220)은 상기 제1 전극층(220)과 제2 전극층(240)의 사이뿐만 아니라 상기 콘택홀(280)에 의해 노출되는 상기 제2 전극층(240), 제2 도전형 반도체층(250) 및 활성층(260)의 측면들과 상기 제1 전극층(220) 사이에도 구비된다. 또한, 상기 콘택홀(280)이 관통한 상기 제1 도전형 반도체층(280)의 일정 영역의 측면에도 상기 절연층(220)을 구비하여 절연하는 것이 바람직하다.
상기 제2 전극층(240)은 상기 절연층(220)상에 구비된다. 물론, 상기에서도 상술하고 있는 바와 같이 상기 콘택홀(280)이 관통하는 일정 영역들에는 상기 제2 전극층(240)이 존재하지 않는다. 이때, 상기 제2 전극층(240)은 도15에서 도시된 바와 같이 상기 제2 도전형 반도체층(250)과 접촉하는 계면 중 일부가 노출된 영역, 즉 노출 영역(245)을 적어도 하나 이상 구비하고 있다. 상기 노출 영역(245) 상에는 외부 전원을 상기 제2 전극층(240)에 연결하기 위한 전극패드부(247)를 구비할 수 있다.
한편, 상기 노출 영역(245) 상에는 이후 설명될 상기 제2 도전형 반도체층(250), 활성층(260) 및 제1 도전형 반도체층(270)이 구비되어 있지 않다. 또한, 상기 노출 영역(245)은 도16에 도시하고 있는 바와 같이 상기 반도체 발광 소자(200)의 모서리에 형성하는 것이 바람직한데, 이는 상기 반도체 발광 소자(200)의 발광 면적을 최대화하기 위해서이다. 한편, 상기 제2 전극층(240)은 Ag, Al 및 Pt 중 어느 하나의 금속을 포함하여 이루어지는 것이 바람직한데, 이는 상기 제2 전극층(240)이 상기 제2 도전형 반도체층(250)과 전기적으로 접촉하기 때문에 상기 제2 도전형 반도체층(250)의 접촉 저항을 최소화하는 특성을 가지는 동시에 상기 활성층(260)에서 생성된 빛을 반사시켜 외부로 향하게 하여 발광효율을 높일 수 있는 기능을 갖는 층으로 구비되는 것이 바람직하기 때문이다.
상기 제2 도전형 반도체층(250)은 상기 제2 전극층(240) 상에 구비되고, 상기 활성층(260)은 상기 제2 도전형 반도체층(250) 상에 구비되고, 상기 제1 도전형 반도체층(270)은 상기 활성층(260) 상에 구비된다. 이때, 상기 제1 도전형 반도체층(270)은 n형 질화물 반도체이고, 상기 제2 도전형 반도체층(250)은 p형 질화물 반도체인 것이 바람직하다. 한편, 상기 활성층(260)은 상기 제1 도전형 반도체층(270) 및 제2 도전형 반도체층(250)을 이루는 물질에 따라 다른 물질을 선택하여 형성할 수 있다. 즉, 상기 활성층(260)은 전자/전공의 재결합에 따른 에너지를 빛으로 변화하여 방출하는 층이므로 상기 제1 도전형 반도체층(270) 및 제2 도전형 반도체층(250)의 에너지 밴드 갭보다 적은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 채용가능한 다른 발광소자는 도15에 도시된 발광소자와 달리, 콘택홀과 연결된 제1 전극층이 외부로 노출될 수도 있다.
도16에 도시된 발광소자(300)는 도전성 기판(310) 상에 제2 도전형 반도체층(350), 활성층(360) 및 제1 도전형 반도체층(360)이 형성된다. 이 경우, 제2 도전형 반도체층(350)과 도전성 기판(310) 사이에는 제2 전극층(340)이 배치될 수 있으며, 앞선 실시 형태와 달리 제2 전극층(340)은 반드시 요구되는 것은 아니다.
본 실시 형태의 경우, 제1 도전형 반도체층(370)과 접촉되는 접촉 영역(390)을 갖는 콘택홀(380)은 제1 전극층(320)과 연결되며, 제1 전극층(320)은 외부로 노출되어 전기연결부(345)를 갖는다. 전기연결부(345)에는 전극패드부(347)가 형성될 수 있다. 제1 전극층(320)은 절연층(330)에 의하여 활성층(360), 제2 도전형 반도체층(350), 제2 전극층(340), 도전성 기판(310)과 전기적으로 분리될 수 있다.
앞선 실시형태에서, 콘택홀이 도전성 기판과 연결되었던 것과 달리 본 실시형태의 경우, 콘택홀(380)은 도전성 기판(310)과 전기적으로 분리되며, 콘택홀(380)과 연결된 제1 전극층(320)이 외부로 노출된다. 이에 따라, 도전성 기판(310)은 제2 도전형 반도체층(340)과 전기적으로 연결되어 앞선 실시형태에서와 극성이 달라진다.
따라서, 이러한 발광소자는 제1 전극을 발광면 상에 일부 형성하고, 나머지 일부는 활성층 하부에 배치시킴으로써, 발광면적을 최대로 확보할 수 있고, 발광면상에 배치된 전극을 균일하게 배치함으로써 높은 동작 전류를 인가하여도 전류의 균일한 분포가 가능하여 고전류 동작에서 전류집중 현상을 완화할 수 있다.
이와 같이, 도15 및 도16에 도시된 발광소자는, 서로 대향하는 제1 및 제2 주면을 가지며, 각각 상기 제1 및 제2 주면을 제공하는 제1 및 제2 도전형 반도체층과 그 사이에 형성된 활성층을 갖는 반도체 적층체와, 상기 제2 주면으로부터 상기 활성층을 지나 상기 제1 도전형 반도체층의 일 영역에 연결된 콘택홀과, 상기 반도체 적층체의 제2 주면 상에 형성되며 상기 제1 도전형 반도체층의 일 영역에 상기 콘택홀을 통해 연결된 제1 전극과, 상기 반도체 적층체의 제2 주면 상에 형성되며 상기 제2 도전형 반도체층에 연결된 제2 전극을 포함하는 것으로 설명될 수 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 전극 중 어느 하나가 상기 반도체 적층체의 측방향으로 인출된 구조를 가질 수 있다.
도17 및 도18은 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 백라이트 유닛의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도17을 참조하면, 본 발명에 따른 발광다이오드 패키지가 광원으로 적용될 수 있는 백라이트 유닛의 일 예로서 에지형 백라이트 유닛(1300)이 도시되어 있다.
본 실시형태에 따른 에지형 백라이트 유닛(1300)은 도광판(1340)과 상기 도광판(1340) 양측면에 제공되는 LED 광원 모듈(1310)을 포함할 수 있다.
본 실시형태에서는 도광판(1340)의 대향하는 양측면에 LED 광원 모듈(1310)이 제공된 형태로 예시되어 있으나, 일 측면에만 제공될 수 있으며, 이와 달리, 추가적인 LED 광원 모듈이 다른 측면에 제공될 수도 있다.
도17에 도시된 바와 같이, 상기 도광판(1340) 하부에는 반사판(1320)이 추가적으로 제공될 수 있다. 본 실시형태에 채용된 LED 광원 모듈(1310)은 인쇄회로기판(1301)과 그 기판(1301) 상면에 실장된 복수의 LED 광원(1305)을 포함하며, 상기 LED 광원(1305)는 상술된 형광체를 이용한 발광소자 패키지가 적용된다.
도18을 참조하면, 다른 형태의 백라이트 유닛의 일 예로서 직하형 백라이트 유닛(1400)이 도시되어 있다.
본 실시형태에 따른 직하형 백라이트 유닛(1400)은 광확산판(1440)과 상기 광확산판(1440) 하면에 배열된 LED 광원 모듈(1410)을 포함할 수 있다.
도18에 예시된 백라이트 유닛(1400)은 상기 광확산판(1440) 하부에는 상기 광원 모듈을 수용할 수 있는 바텀케이스(1460)를 포함할 수 있다.
본 실시형태에 채용된 LED 광원 모듈(1410)은 인쇄회로기판(1401)과 그 기판(1401) 상면에 실장된 복수의 LED 광원(1405)을 포함한다. 상기 복수의 LED 광원은 상술된 형광체를 파장변환물질로 이용하는 발광소자 패키지일 수 있다.
상술된 실시형태 외에도 형광체가 직접 LED가 위치한 패키지에 배치되지 않고, 백라이트 유닛의 다른 구성요소에 배치되어 광을 변환시킬 수 있다. 이러한 실시형태는 도19 내지 도22에 도시되어 있다.
우선, 도19에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 따른 직하형 백라이트 유닛(1500)은 형광체 필름(1550)과 상기 형광체 필름(1550) 하면에 배열된 LED 광원 모듈(1510)을 포함할 수 있다.
도19에 예시된 백라이트 유닛(1500)은 상기 광원 모듈(1510)을 수용할 수 있는 바텀케이스(1560)를 포함할 수 있다. 본 실시형태에서는 바텀케이스(1510) 상면에 형광체 필름(1550)을 배치한다. 광원모듈(1510)로부터 방출되는 빛의 적어도 일부가 형광체 필름(1550)에 의해 파장 변환될 수 있다. 상기 형광체 필름(1550)은 별도의 필름으로 제조되어 적용될 수 있으나, 광확산판과 일체로 결합된 형태로 제공될 수 있다.
여기서, LED 광원 모듈(1510)은 인쇄회로기판(1501)과 그 기판(1501) 상면에 실장된 복수의 LED 광원(1505)을 포함할 수 있다.
도20 및 도21은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 에지형 백라이트 유닛이 도시되어 있다.
도20에 도시된 에지형 백라이트 유닛(1600)은 도광판(1640)과 상기 도광판(1640)의 일측면에 제공되는 LED 광원(1605)을 포함할 수 있다. 상기 LED 광원(1605)은 반사구조물에 의해 도광판(1640) 내부로 빛이 안내될 수 있다. 본 실시형태에서, 형광체막(1650)은 도광판(1640)의 측면과 LED 광원(1605) 사이에 위치할 수 있다.
도21에 도시된 에지형 백라이트 유닛(1700)은 도20과 유사하게 도광판(1740)과 상기 도광판(1740)의 일측면에 제공되는 LED 광원(1705)과 반사구조물(1705)을 포함할 수 있다. 본 실시형태에서, 형광체막(1750)은 도광판의 광 방출면에 적용되는 형태로 예시되어 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 형광체는 LED 광원에 직접 적용되지 않고, 백라이트 유닛 등의 다른 장치에 적용된 형태로 구현될 수도 있다.
도22는 본 발명의 일 실시형태에 따른 디스플레이 장치를 나타내는 분해사시도이다.
도22에 도시된 디스플레이 장치(2400)는, 백라이트 유닛(2200)과 액정 패널과 같은 화상 표시 패널(2300)을 포함한다. 상기 백라이트 유닛(2200)은 도광판(224)과 상기 도광판(2240)의 적어도 일 측면에 제공되는 LED 광원모듈(2100)을 포함한다.
본 실시형태에서, 상기 백라이트 유닛(2200)은 도시된 바와 같이, 바텀케이스(2210)와 도광판(2120) 하부에 위치하는 반사판(2220)을 더 포함할 수 있다.
또한, 다양한 광학적인 특성에 대한 요구에 따라, 상기 도광판(2240)과 액정패널(2300) 사이에는 확산시트, 프리즘시트 또는 보호시트와 같은 여러 종류의 광학시트(2260)를 포함할 수 있다.
상기 LED 광원모듈(2100)은, 상기 도광판(2240)의 적어도 일 측면에 마련되는 인쇄회로기판(2110)과, 상기 인쇄회로기판(2110) 상에 실장되어 상기 도광판(2240)에 광을 입사하는 복수의 LED 광원(2150)을 포함한다. 상기 복수의 LED 광원(2150)은 상술된 발광소자 패키지일 수 있다. 본 실시형태에 채용된 복수의 LED 광원은 광방출면에 인접한 측면이 실장된 사이드 뷰타입 발광소자 패키지일 수 있다.
이와 같이, 상술된 형광체는 다양한 실장구조의 패키지에 적용되어 다양한 형태의 백색광을 제공하는 LED 광원 모듈에 적용될 수 있다. 상술된 발광소자 패키지 또는 이를 포함한 광원 모듈은 다양한 형태의 디스플레이 장치 또는 조명장치에 적용될 수 있을 것이다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 조성식 Sr1-x-yBaxEuyAlSi4N7로 표현되는 질화물을 포함하며,
    상기 조성식에서, Ba 조성비(x)는 0 < x ≤ 0.03을 만족하고, Eu 조성비(y)는 0 < y ≤ 0.1을 만족하고,
    430∼470㎚ 범위에 피크파장을 갖는 청색광의 여기원을 조사하여 600∼660㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 광을 방출하는 적색 형광체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적색 형광체의 내부 양자효율은 80% 이상인 것을 특징으로 하는 적색 형광체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적색 형광체의 반치폭은 110㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 적색 형광체.
  5. 제1항에 있어서,
    0.5wt% 이하의 산소를 불순물로서 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적색 형광체.
  6. 제1항에 있어서,
    Fe, Co 및 Ni로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 불순물로서 50 ppm 이하로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적색 형광체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적색 형광체는 7㎛≤d50≤25㎛를 만족하는 입도를 갖는 것을 특징으로 하는 적색 형광체.
  8. 430~470㎚ 범위에 피크파장을 갖는 여기광을 방출하는 청색 반도체 발광소자;
    상기 반도체 발광소자 주위에 배치되어 상기 여기광의 적어도 일부를 파장변환하여 600∼660㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 광을 방출하는 적색 형광체; 및
    상기 반도체 발광소자의 방출파장 및 상기 적색 형광체의 발광파장과 다른 파장의 광을 제공하는 적어도 하나의 발광요소를 포함하며,
    상기 적색 형광체는 조성식 Sr1-x-yBaxEuyAlSi4N7로 표현되는 질화물을 포함하며, 상기 조성식에서, Ba 조성비(x)는 0 < x ≤ 0.03을 만족하고, Eu 조성비(y)는 0 < y ≤ 0.1을 만족하고,
    상기 적어도 하나의 발광요소는, 추가적인 반도체 발광소자 및 다른 종의 형광체 중 적어도 하나인 백색 발광장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 발광요소는 녹색 또는 황색 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 녹색 형광체의 발광파장 피크는 500∼550nm이며, 상기 황색 형광체의 발광파장 피크는 550∼580nm인 것을 특징으로 하는 백색 발광장치.

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