KR102142528B1 - Quantum dot-layered clay complex for led wavelength-conversion part and led wavelength-conversion part using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예는 광원; 상기 광원을 둘러싸도록 배치되는 하우징; 및 상기 광원과 일정 거리 이격되어 배치되는 파장 변환부재를 포함하고, 상기 파장 변환부재는 형광체층 및 상기 형광체층 상에 배치되는 복합체층;을 포함하고,상기 복합체층은 층상구조를 갖는 규산염계 점토광물 및 상기 층상구조의 층간에 위치하고, 적색광을 발광하는 양자점(quantum dot; QD)을 포함하는 조명 장치를 개시한다.An embodiment of the present invention includes a light source; A housing disposed to surround the light source; And a wavelength conversion member disposed at a predetermined distance from the light source, wherein the wavelength conversion member includes a phosphor layer and a composite layer disposed on the phosphor layer, wherein the composite layer is a silicate-based clay having a layered structure. Disclosed is a lighting device including a quantum dot (QD) that is located between layers of a mineral and the layered structure and emits red light.
Description
본 발명의 실시예는 조명 장치에 사용되는 파장 변환부재용 양자점-층상형 점토광물 복합체 및 이를 이용한 파장 변환부재에 관한 것이다.
An embodiment of the present invention relates to a quantum dot-layered clay mineral composite for a wavelength conversion member used in a lighting device and a wavelength conversion member using the same.
백색 LED는 고효율, 고신뢰성의 백색 조명광원으로서 주목받아 일부가 미소 전력 소형 광원으로서 이미 사용되고 있다. 백색 LED를 구현하는 다양한 방법이 있지만, 가장 일반적으로 현재 많이 사용되고 있는 방법은 청색 LED 소자를 황색 형광체와 함께 수지를 매트릭스로 하여 몰딩한 것이다. 그러나 청색광은 에너지가 강하기 때문에 수지를 열화 시키기 쉽다. 따라서 이러한 구조의 백색 LED는 장기간 사용 시, 수지가 변색되기 때문에 발광되는 색조가 변화한다. 또한 수지로 몰딩되어 있어 소자로부터의 열발산이 잘 되지 않기 때문에, 온도가 상승하기 쉽다. 이러한 온도로 인하여 발광색이 황색 쪽으로 시프트하는 문제점이 있다.White LEDs have attracted attention as a high-efficiency, high-reliability white illumination light source, and some of them are already used as small power miniature light sources. There are various methods for implementing white LEDs, but the most commonly used method is molding a blue LED device with a yellow phosphor and a resin as a matrix. However, since blue light has strong energy, it is easy to deteriorate the resin. Therefore, in the case of a long-term use of the white LED of this structure, the color of the light emitted changes because the resin discolors. In addition, since the resin is molded and heat dissipation from the device is not good, the temperature tends to rise. Due to this temperature, there is a problem that the emission color shifts toward yellow.
이러한 문제점을 보완하기 위하여 유리 프리트 등의 세라믹 물질을 매트릭스로 한 소결체 형광체 플레이트가 개발되었으나, 고온에서 소결하게 되므로 열에 약한 적색 형광체가 영향을 받아 양자효율이 감소하게 되는 또 다른 문제점이 발생하고 있다.
In order to compensate for this problem, a sintered phosphor plate using a ceramic material such as glass frit as a matrix has been developed, but there is another problem that the quantum efficiency decreases due to the influence of the red phosphor weak to heat due to sintering at a high temperature.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 층상구조를 갖는 규산염계 점토광물; 및 상기 층상구조의 층간에 위치하고, 적색광을 발광하는 양자점(quantum dot; QD)을 포함하는 파장 변환부재용 양자점-층상형 점토광물 복합체를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
An embodiment of the present invention is designed to solve the problems of the prior art as described above, a silicate-based clay mineral having a layered structure; And a quantum dot (QD) that is located between the layers of the layered structure and emits red light, to provide a quantum dot-layered clay mineral composite for a wavelength conversion member.
상기 기술적 과제를 달성하고자, 실시예에 따른 조명 장치는 광원; 상기 광원을 둘러싸도록 배치되는 하우징; 및 상기 광원과 일정 거리 이격되어 배치되는 파장 변환부재를 포함하고, 상기 파장 변환부재는 형광체층 및 상기 형광체층 상에 배치되는 복합체층;을 포함하고, 상기 복합체층은 층상구조를 갖는 규산염계 점토광물 및 상기 층상구조의 층간에 위치하고, 적색광을 발광하는 양자점(quantum dot; QD)을 포함한다.
상기 규산염계 점토광물은, 몬모릴로나이트(montmorillonite), 사포나이트(saponite), 벤토나이트(bentonite), 불화헥토라이트(fluorohectorite), 베이델라이트(beidelite), 논트로나이트(nontronite), 스티븐사이트(stevensite), 버미큘라이트(vermiclite), 볼콘스코이트(volkonskoite), 소코나이트(sauconite), 마가다이트(magadite), 카올리나이트(kaolinite), 할로이사이트(halloysite), 마이카(mica) 및 케냐라이트(kenyalite) 로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 점토광물일 수 있다.
상기 양자점은, II-VI족 화합물 반도체 나노결정, III-V족 화합물 반도체 나노결정 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 II-VI족 화합물 반도체 나노결정은, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe 및 HgTe으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 화합물이고, 상기 III-V족 화합물 반도체 나노결정은, GaN, GaP, GaAs, InP 및 InAs으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 화합물일 수 있다.In order to achieve the above technical problem, the lighting device according to the embodiment includes a light source; A housing disposed to surround the light source; And a wavelength conversion member disposed at a predetermined distance from the light source, wherein the wavelength conversion member includes a phosphor layer and a composite layer disposed on the phosphor layer, wherein the composite layer is a silicate-based clay having a layered structure. A quantum dot (QD) that is located between the minerals and the layers of the layered structure and emits red light.
The silicate-based clay minerals are montmorillonite, saponite, bentonite, fluorohectorite, beidelite, nontronite, stevensite, From the group consisting of vermiclite, volkonskoite, soconite, magadite, kaolinite, halloysite, mica and kenyalite It may be at least one clay mineral selected.
The quantum dot may be a group II-VI compound semiconductor nanocrystal, a group III-V compound semiconductor nanocrystal, or a mixture thereof.
The group II-VI compound semiconductor nanocrystal is at least one compound selected from the group consisting of CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, and HgTe, and the group III-V compound semiconductor nanocrystal It may be at least one compound selected from the group consisting of silver, GaN, GaP, GaAs, InP and InAs.
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실시예에 따르면, 층상구조를 갖는 규산염계 점토광물; 및 상기 층상구조의 층간에 위치하고, 적색광을 발광하는 양자점을 포함하는 파장 변환부재용 양자점-층상형 점토광물 복합체를 구현함으로써, 적색 발광은 하는 물질로서 양자점을 사용하여 종래의 형광체 대비 높은 연색성(CRI)을 얻을 수 있고, 양자점의 발광파장 이하 전 영역의 파장을 흡수하는 특성을 이용하여 청색 LED 뿐만 아니라 녹색~황색 영역의 빛을 광원으로 하여 적색 발광을 할 수 있으므로 높은 광효율을 구현할 수 있는 효과가 있다.
According to an embodiment, a silicate-based clay mineral having a layered structure; And a quantum dot for a wavelength conversion member including a quantum dot that emits red light and is located between the layers of the layered structure. ), and by using the characteristic of absorbing the wavelengths of the entire area below the emission wavelength of the quantum dots, it is possible to emit red light by using not only the blue LED but also the light from the green to yellow areas as a light source. have.
도 1은 본 실시예에 따른 양자점-층상형 점토광물 복합체를 개념적으로 도시한 모식도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 파장 변환부재를 구비하는 백색 조명의 단면도이다.1 is a schematic diagram conceptually showing a quantum dot-layered clay mineral composite according to the present embodiment.
2 is a cross-sectional view of a white light having a wavelength conversion member according to the present embodiment.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다. 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail preferred embodiments that can be easily carried out by the person of ordinary skill in the art. However, it is to be understood that the configurations shown in the embodiments and drawings described in this specification are only preferred embodiments of the present invention, and that there may be various equivalents and modifications that can replace them at the time of the application. . In addition, in the detailed description of the operating principle for the preferred embodiment of the present invention, when it is determined that a detailed description of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. Terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, and the meaning of each term should be interpreted based on the contents throughout the present specification. The same reference numerals are used for parts having similar functions and functions throughout the drawings.
도 1은 본 실시예에 따른 양자점-층상형 점토광물 복합체를 개념적으로 도시한 모식도이다.1 is a schematic diagram conceptually showing a quantum dot-layered clay mineral composite according to the present embodiment.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 파장 변환부재용 양자점-층상형 점토광물 복합체는 층상구조(12)를 갖는 규산염계 점토광물(10); 및 상기 층상구조(12)의 층간에 위치하고, 적색광을 발광하는 양자점(20)을 포함한다. Referring to FIG. 1, the quantum dot-layered clay mineral composite for a wavelength conversion member according to this embodiment includes a silicate-based
층상구조(12)를 갖는 규산염계 점토광물(10)은 단사정계(monoclinic system)의 구조를 갖는 점토광물이다. 규산염계 점토광물(10)은 규산염(Si-O)으로 이루어진 사면체(tetrahedral)와 산화 알루미늄(Al-O)로 이루어진 팔면체(octahedral)가 결합된 것이 기본 구조이다. 상기 사면체의 Si는 Al 등으로 일부 치환될 수 있고, 상기 팔면체의 Al은 Mg 등으로 일부 치환될 수 있다. 일반적으로 층상구조(12)는 사면체-팔면체-사면체가 하나의 층상을 이루고 있는 것으로, 층간의 표면은 부전하를 띠게 되어 이러한 결손은 층간에 Ca2 +, Na+, Mg2 +, K+, H+ 등의 양이온들이나 유기물이 결합되면서 보상된다. 층상구조(12)에서 한 층의 두께는 수 Å정도이고, 상기 층간의 거리는 층간에 부착된 양이온 또는 유기물의 크기에 따라 달라질 수 있다.The silicate-based
규산염계 점토광물(10)로는 몬모릴로나이트(montmorillonite), 사포나이트(saponite), 벤토나이트(bentonite), 불화헥토라이트(fluorohectorite), 베이델라이트(beidelite), 논트로나이트(nontronite), 스티븐사이트(stevensite), 버미큘라이트(vermiclite), 볼콘스코이트(volkonskoite), 소코나이트(sauconite), 마가다이트(magadite), 카올리나이트(kaolinite), 할로이사이트(halloysite), 마이카(mica), 케냐라이트(kenyalite) 또는 이들의 혼합물 등의 점토광물을 사용할 수 있다. As the silicate-based
양자점(20)은 입자가 작을수록 파장이 짧은 빛을 내고 입자가 클수록 파장이 긴 빛을 내는 특징이 있는 나노소재로, 이 입자의 크기를 조절함으로써 가시광선 영역에서 나타낼 수 있는 원하는 파장의 빛을 낼 수 있어, 보다 선명한 영상을 구현할 수 있다. 양자점의 형광은 여기 상태의 전자가 전도대(conduction band)가전자대(valence band)로 떨어지면서 발생하는 빛으로, 일반적인 유기형광화합물과는 달리 발광파장을 임의로 선택하여 형광을 얻을 수 있다. 또한 일반적인 염료에 비하여 흡광계수(extinction coefficient)가 크고 양자 효율이 높아 매우 강한 형광을 발생시킨다. The
본 실시예에 따른 양자점(20)으로는 II-VI족 화합물 반도체 나노결정, III-V족 화합물 반도체 나노결정 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 II-VI족 화합물 반도체 나노결정은 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe 또는 HgTe 등을 사용할 수 있다. 또한 상기 III-V족 화합물 반도체 나노결정은 GaN, GaP, GaAs, InP 또는 InAs 등의 양자점을 사용할 수 있다. 위에서 설명한 것과 같이 요구되는 광의 파장을 얻기 위해서 양자점의 입경을 조절 또는 선택하여 사용할 수 있다. 본 실시예 따른 양자점-층상형 점토광물 복합체에서는 적색 발광이 요구되므로, 양자점(20)은 10nm 내지 20nm일 수 있고, 바람직하게는 12nm 내지 15nm의 입경을 가진 양자점을 사용할 수 있다. 양자점(20)은 크기가 매우 작으므로 콜로이드 상으로 액체 중에 분산된 것을 사용할 수 있다. 규산염 점토광물(10)의 층상구조(12) 상에 양자점(20)이 잘 부착되어 복합체(100)를 형성할 수 있도록, 규산염 점토광물(10)에 사슬 형태의 유기 분자(14)로 층상구조(12)의 표면을 개질하여 사용할 수 있다.As the
양자점-층상형 점토광물 복합체(100)는 슬러리(slurry) 상으로, 유리 매트릭스 중에 황색 또는 녹색 형광체가 분산되어 있는 형광체층 상의 일면에 도포한 후, 건조하여 적색 발광층을 형성한다. 이에 관해서는 추후 더욱 자세히 설명하기로 한다.
The quantum dot-layered
도 2는 본 실시예에 따른 LED 파장 변환부재(1100)를 구비하는 백색 조명(1000)의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 LED 파장 변환부재(1100)는 유리 매트릭스 중에 황색 또는 녹색 형광체가 분산되어 있는 형광체층(1120) 상에 양자점-층상형 점토광물 복합체층(1110)이 형성되어 있다. 형광체층(1120)은 유리 프리트(frit)를 매트릭스로 하여, 황색 또는 녹색 형광체가 포함될 수 있다. 상기 황색 또는 녹색 형광체로는 이트륨-알루미늄-가넷(Yttrium Aluminium Garnet; YAG)계, 루테늄-알루미늄-가넷(Lutetium aluminium garnet; LuAG)계, 질화물(nitride)계, 황화물(sulfide)계 또는 규산염(silicate)계를 사용할 수 있다.2, in the LED
형광체층(1120)은 상기 유리 프리트 및 상기 세라믹 형광체의 혼합물이 플레이트 또는 원반 형태를 갖도록 서스(Stainless Use Steel, SUS) 몰드에 투입하여 일축성 압축을 한다. 이때, 압축은 7톤에서 5분간 수행된다. 압축된 상기 무기 형광체-유리 분말의 혼합물은 소성로에 넣어 소성을 수행한다. 이때, 상기 무기 형광체 및 유리 분말의 유리전이온도(Tg)에 따라서 소성을 수행하는 온도 및 시간을 조절할 수 있다. The
소성이 완료된 형광체층(1120)은 본 실시예에서 요구되는 특성에 맞도록 두께를 조절하고 표면 조도를 조절하기 위하여 표면 연마(surface polishing)를 더 수행할 수 있다. 이 때, 표면 조도(表面粗度)가 0.1㎛ 내지 0.3㎛가 되도록 연마를 수행한다. The sintered
플레이트 형태로 준비된 형광체층(1120) 상에 슬러리상의 양자점-층상형 점토광물 복합체를 도포한 후 건조하여 양자점-층상형 점토광물 복합체층(1110)을 형성한다. 양자점-층상형 점토광물 복합체층(1110) 및 형광체층(1120)의 두께는 각각 1㎛ 내지 500㎛, 및 200㎛ 내지 1500㎛일 수 있다. LED 파장 변환부재(1100)의 전체 두께가 2000㎛를 초과하면 광효율 및 연색성(CRI)가 떨어지게 된다. 양자점-층상형 점토광물 복합체층(1110)의 두께를 조절하여 색온도를 조절할 수 있는데, 두께가 1㎛미만일 경우, 백색광의 연색성이 떨어지게 될 수 있다. 반면 두께가 500㎛를 초과할 경우, 투명도가 떨어지게 되어 광효율이 낮아질 우려가 있다.A quantum dot-layered clay mineral composite in a slurry form is coated on a
하우징(1300)은 내부가 위에서 아래로 내려갈수록 좁아지는 역사다리꼴 형태로 되어 있고, 그 바닥면에 광원(1200)으로서 청색 LED소자가 구비될 수 있다. 하우싱(1300) 상부이고, 광원(1200)으로부터 이격된 위치에 본 실시예에 따른 LED 파장 변환부재(1100)가 구비된다. 상기 이격 거리는 1㎜ 내지 25㎜ 일 수 있고, 바람직하게는 10㎜ 내지 20㎜ 일 수 있다. 상기 이격 거리가 1㎜ 미만일 경우, 광원(1200)으로부터 발생되는 열에 영향을 받아 수명이 떨어지거나 광효율이 낮아질 우려가 있다. 반면, 상기 이격 거리가 25㎜를 초과할 경우, LED 파장 변환부재(1100)가 광원(1200)으로부터의 거리가 멀어지게 되므로 또한 광효율이 떨어질 우려가 있다. 광원(1200) 및 LED 파장 변환부재(1100)가 이격되어 있는 공간(S)은 형광체층(1120)과 굴절율이 동일하거나 낮은 물질을 충진할 수 있다.
The
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, the following examples are only to aid the understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples in any sense.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to illustrate, and the protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical spirits within an equivalent range It should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
100: 양자점-층상형 점토광물 복합체
10: 층상형 점토광물
20: 적색 발광 양자점
1000: 조명 장치
1100: 파장 변환부재
1200: 청색 광원(LED)
1300: 하우징100: quantum dot-layered clay mineral complex
10: layered clay mineral
20: red emitting quantum dot
1000: lighting device
1100: wavelength conversion member
1200: blue light source (LED)
1300: housing
Claims (7)
상기 광원을 둘러싸도록 배치되는 하우징; 및
상기 광원과 일정 거리 이격되어 배치되는 파장 변환부재를 포함하고,
상기 파장 변환부재는 형광체층 및 상기 형광체층 상에 배치되는 복합체층;을 포함하고,
상기 복합체층은 층상구조를 갖는 규산염계 점토광물 및 상기 층상구조의 층간에 위치하고, 적색광을 발광하는 양자점(quantum dot; QD)을 포함하고,
상기 층상구조는 층간의 표면이 부전하를 갖고 양이온 또는 유기 물질에 의해 표면이 개질되는 조명 장치.
Light source;
A housing disposed to surround the light source; And
It includes a wavelength conversion member disposed at a predetermined distance from the light source,
The wavelength conversion member includes a phosphor layer and a composite layer disposed on the phosphor layer;
The composite layer includes a silicate-based clay mineral having a layered structure and a quantum dot (QD) that is located between the layers of the layered structure and emits red light.
The layered structure is a lighting device in which the surface between layers has a negative charge and the surface is modified by cations or organic materials.
상기 규산염계 점토광물은,
몬모릴로나이트(montmorillonite), 사포나이트(saponite), 벤토나이트(bentonite), 불화헥토라이트(fluorohectorite), 베이델라이트(beidelite), 논트로나이트(nontronite), 스티븐사이트(stevensite), 버미큘라이트(vermiclite), 볼콘스코이트(volkonskoite), 소코나이트(sauconite), 마가다이트(magadite), 카올리나이트(kaolinite), 할로이사이트(halloysite), 마이카(mica) 및 케냐라이트(kenyalite) 로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 점토광물인 조명 장치.
The method according to claim 1,
The silicate-based clay mineral,
Montmorillonite, saponite, bentonite, fluorohectorite, beidelite, nontronite, stevensite, vermiclite, ballconscoy At least one clay selected from the group consisting of volkonskoite, soconite, magadite, kaolinite, halloysite, mica and kenyalite Mineral lighting device.
상기 양자점은,
II-VI족 화합물 반도체 나노결정, III-V족 화합물 반도체 나노결정 또는 이들의 혼합물인 조명 장치.
The method according to claim 1,
The quantum dot,
A lighting device that is a group II-VI compound semiconductor nanocrystal, a group III-V compound semiconductor nanocrystal, or a mixture thereof.
상기 II-VI족 화합물 반도체 나노결정은,
CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe 및 HgTe으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 화합물이고,
상기 III-V족 화합물 반도체 나노결정은,
GaN, GaP, GaAs, InP 및 InAs으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 화합물인 조명 장치.The method according to claim 3,
The II-VI compound semiconductor nanocrystals,
At least one compound selected from the group consisting of CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe and HgTe,
The group III-V compound semiconductor nanocrystals,
A lighting device which is at least one compound selected from the group consisting of GaN, GaP, GaAs, InP and InAs.
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