KR102365215B1 - 발광성 수산화 알루미늄을 포함하는 백색광 방출 소재 및 이를 포함하는 백색광 방출 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광성 수산화 알루미늄을 포함하는 백색광 방출 소재 및 이를 포함하는 백색광 방출 소자에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 백색광 방출 소재로써 기존의 고가의 희토류 금속을 사용하지 않고 저가의 단일 무기물질을 사용함으로써, 그 합성이 용이할 뿐만 아니라 장파장 영역(300~750nm)에서도 우수한 백색 발광 특성을 나타낼 수 있다.

Description

발광성 수산화 알루미늄을 포함하는 백색광 방출 소재 및 이를 포함하는 백색광 방출 소자{White light emitting material comprising luminescent aluminum hydroxide and white light emitting device comprising the same}

본 발명은 발광성 수산화 알루미늄을 포함하는 백색광 방출 소재 및 이를 포함하는 백색광 방출 소자에 관한 것이다.

발광 다이오드를 조명으로 응용하기 위한 노력은 1990년대 말부터 시작되었으며, LED 조명 시장의 규모는 매년 지속적으로 성장하고 있다. 발광 다이오드는 기존 조명 기구에 비하여 높은 신뢰성으로 수명이 길어 낮은 유지 보수비를 가지며 소모 전력이 적기 때문에 에너지 절감에 크게 기여한다. 또한 디자인의 유동성과 열 발생이 적어 조명으로 사용하기 위한 조건을 갖추고 있다.

최초 GaN 계의 발광 다이오드인 녹색, 청색 발광 다이오드의 기술 성과로 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색을 모두 발광 다이오드로부터 얻을 수 있었다. 그 다음에는 지속적인 기술 개발로 청색 발광 다이오드에 YAG계 형광체를 이용한 백색 발광 다이오드를 생산하였으며, 자외선 발광 다이오드에 적색, 녹색, 청색 형광체를 이용한 기술 개발이 진행 중이다.

현재 백색 발광다이오드는 휴대폰 디스플레이의 백라이트 광원, 카메라가 장착된 휴대폰의 플래시 광원, LCD 모니터의 백라이트 광원 등으로 사용하고 있으며, 에너지 가격의 급격한 상승으로 인해 종래의 백열등 및 형광등을 대체하기 위한 새로운 조명 기구에 대한 기술개발이 진행되고 있다.

백색 발광다이오드는 효율 면에서 백열등의 수 배, 형광등과 비슷한 수준이며, 수명은 형광등의 10 배, 백열등의 20 배 이상으로서 현재 기술수준으로도 LED조명기구는 기존 조명기구에 비해 80 % 이상의 에너지 절감효과가 있어, 차세대 조명기구로써 그 입지를 확고히 하고 있다. 아직은 가격이 비싸기 때문에 보급화에는 다소 시간이 필요하지만 현재와 같은 고유가 시대에 본 기술의 적용은 막대한 에너지 절약을 기할 수가 있어 금명간 새로운 조명시장으로의 보급이 확대될 것으로 예상된다.

현재, 시중의 백색 발광 다이오드에 사용되는 자외선에 의해 여기되는 형광재료는 대부분 희토류 원소가 도핑된 형광재료이다. 희토류 원소는 생산량이 매우 적고 또한 쉽게 채굴할 수 없으므로, 가격이 매우 높고 또한 계속하여 상승하고 있어, 형광재료의 원가도 지속적으로 상승하고 있다. 그리고, 희토류 원소를 채굴함에 있어서 지표면의 식생을 대량적으로 파괴해야 하므로, 심각한 환경 파괴를 일으킨다. 그 밖에, 이러한 종류의 희토류 원소가 도핑된 형광분말의 제조방법은 대부분 고상 소결법(solid-state sintering)을 이용하므로, 1,000℃ 이상의 고온으로 장시간 동안 소결해야 할 뿐만 아니라, 수소를 넣어 희토류 원소를 환원시켜야 하므로, 제조 원가가 높고, 작업 위험성도 높다. 따라서, 이러한 희토류 원소가 도핑된 형광분말은 광범위하게 사용될 수 없어, 백색 발광다이오드의 발전에 장애가 된다.

따라서, 종래의 희토류 원소가 도핑된 형광재료를 대체하여, 양자점, 일례로, 망간이 도핑된 황화아연 나노입자(또는 양자점)로 백색 발광다이오드의 더욱 폭넓은 발전 조건을 제공하였다. 그러나, 망간이 도핑된 황화아연 나노입자(또는 양자점)는 one-pot으로 쉽게 합성하기 어렵다는 단점과 더불어 제조원가가 높다는 점에서 백색광 다이오드 개발에 큰 힘이 되지 못했다.

본 발명의 목적은 청색 발광을 나타내는 수산화 알루미늄과 황색 발광을 보이는 도펀트를 합성함으로써, 저가이면서 단일 물질인 백색광 방출 소재를 제공함에 있다.

또한, 본 발명은 청색 발광 다이오드의 청색 광원과, 도펀트(dopant)를 포함하는 발광성 수산화 알루미늄에 의한 황색 광원과의 조합으로, 고순도의 백색 발광을 구현할 수 있는 백색광 발광 소자를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 수산화 알루미늄 및 상기 수산화 알루미늄에 도핑된 황색 발광 특성을 갖는 방향족 화합물(탄소수 6 내지 50)을 포함하는 백색광 방출 소재를 제공한다.

본 발명에 따른 백색광 방출 소자는, 백색광 방출 소재로써 기존의 고가의 희토류 금속이나 반도체 양자점을 사용하지 않고 저가의 단일 무기물질을 사용함으로써, 그 합성이 용이할 뿐만 아니라 가시광선 영역(300~700nm)에서도 우수한 백색 발광 특성을 나타낼 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1(AlOH-5-hydroxyindole)을 사용하여 백색광을 구현한 예를 나타낸 사진이다.
도 2는 실시예 1 (AlOH-5-Hydroxyindole)을 사용하여 백색광을 구현한 후, 흡수-발광 파장을 나타낸 그래프이다.
도 3 내지 도 5는 각각 실시예 1(AlOH-5-hydroxyindole), 비교예 1(AlOH-Salicylic acid) 및 비교예 2 (AlOH)를 사용하여 백색광을 구현한 후, 발광 파장을 나타낸 그래프들이다.
도 6은 실시예 1 (AlOH-5-Hydroxyindole)을 사용하여 백색광을 구현한 후 이의 좌표를 1931 CIE (Commission Internationale de L'Eclairaged) diagram에서 확인한 것이다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

<백색광 방출 소재>

본 발명의 백색광 방출 소재는, 수산화 알루미늄; 및 상기 수산화 알루미늄에 도핑된 황색 발광 특성을 갖는 방향족 화합물(탄소수 6 내지 50)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 백색광 방출 소재는, 청색 발광 특성을 갖는 수산화 알루미늄(AlOH)과 황색 발광 특성을 갖는 방향족 화합물, 예를 들어, 인돌 유도체(탄소수 6 내지 20), 테트라센 및 루브렌에서 선택되는 어느 하나인 도펀트(dopant)를 합성하여 형성된 것일 수 있다. 일례로, 상기 인돌 유도체는 5-하이드록시 인돌일 수 있으며, 상기 백색광 방출소재는 AlOH-5-hydroxyindole 일 수 있다.

상기 백색광 방출 소재는, 상기 도펀트의 도입에 따라 발광성 수산화 알루미늄의 발광 파장(청색)과 더불어 장파장쪽 (적색)에서까지 전체적인 가시광선 영역(300~700 nm)에서도 고순도의 백색광을 구현할 수 있다.

또한, 상기 백색광 방출 소재는 저가의 단일 물질로써, 그 합성이 용이하여 기존의 고가의 물질(희토류 금속 등)을 사용하던 백색광 방출 소재에 비하여 상용성이 높으면서도, 우수한 백색광 발광 효율을 발휘할 수 있다.

상기 백색광 방출 소재의 제조방법으로는, 알루미늄 전구체, 상기 방향족 화합물(탄소수 6 내지 50) 및 용매를 포함하는 혼합물을 열처리하는 단계 및 상기 열처리 후의 혼합물을 원심분리하여 침전물을 얻는 단계를 포함할 수 있다.

상기 알루미늄 전구체는, 알루미늄 염, 예를 들어, 알루미늄 아세테이트(aluminum acetate) 일 수 있다. 상기 방향족 화합물은 인돌 유도체, 일례로, 5-hydroxyindole 일 수 있다. 상기 용매는 예를 들어, 탄소수 1 내지 20의 탄화수소 용매, 일례로, 옥타데센(1-octadecene)일 수 있다.

상기 알루미늄 전구체 및 상기 용매는 1: 5 내지 1 : 40, 예를 들어, 1 : 6.5 내지 1 : 38의 몰비로 혼합될 수 있다. 상기 알루미늄 전구체는 상기 용매 100 중량부에 대하여 20 내지 60 중량부로 혼합될 수 있다.

상기 방향족 화합물 및 상기 알루미늄 전구체는 1 : 40 내지 1 : 130의 중량비로 혼합될 수 있다.

상기 열처리는 진공 상태에서 190 ℃/hr 내지 210 ℃/hr의 승온속도로 90 ℃ 내지 110 ℃의 온도까지 수행될 수 있다. 이후, 30 분 내지 90 분 동안 유지한 후 질소 치환을 수행할 수 있다. 그 다음에 190 ℃/hr 내지 210 ℃/hr의 승온속도로 250 ℃ 내지 330 ℃의 온도까지 열처리를 더 수행할 수 있다.

상기 열처리를 수행한 후의 혼합액에 유기 용매를 넣고 교반한 다음, 원심분리할 수 있다. 상기 원심분리는 4,000 rpm 내지 8,000 rpm의 속도로 5분 내지 15분간 수행될 수 있다. 상기 원심분리 후에 침전물을 얻어 유기용매, 일례로, 톨루엔과 헥산에 분산시킬 수 있다.

경우에 따라서, 상기 백색광 방출 소재는 적색 발광 특성을 갖는 반도체 양자점을 더 포함할 수 있다. 상기 반도체 양자점을 더 포함할 경우, 보다 고순도의 백색 발광을 구현할 수 있다.

<백색광 방출 소자>

본 발명의 백색광 방출 소자는, 전술된 백색광 방출 소재를 포함할 수 있으며, 그 종류에 대하여는 크게 제한되지는 않는다. 예를 들어, 상기 백색광 방출 소자는 휴대폰 디스플레이의 백라이트 광원, 카메라가 장착된 휴대폰의 플래시 광원, LCD 모니터의 백라이트 광원 등으로 사용될 수 있다.

본 발명의 백색광 방출 소자는 청색 발광 다이오드; 및 상기 청색 발광 다이오드 상에 위치하는 상기 백색광 방출 소재; 를 포함할 수 있다. 상기 백색광 방출 소자는 상기 청색 발광 다이오드에서 방출되는 청색광과, 상기 백색광 방출 소재에서 방출되는 황색광의 조합에 의하여 백색광을 구현하는 것일 수 있다. 상기 백색광은 300 내지 750 nm의 파장에서 구현될 수 있다.

상기 청색 발광 다이오드는 일례로, 질화갈륨(GaN)일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하지만, 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 한정되는 것은 아니다.

[백색광 방출 소재 제조예]

<실시예 1>

백색광 방출 소재(AlOH-5-hydroxyindole) 제조

250 mL 3구 플라스크(3-neck bottles glass)에 1g의 알루미늄 전구체인 알루미늄 아세테이트(Aluminum acetate, MW: 162.08 g/mol, Sigma-Aldrich)와 0.00999g의 5-하이드록시인돌(5-Hydroxyindole, MW: 133.15 g/mol, Alfa Aesar)과 50 mL의 1-옥타데센(1-Octadecene, MW: 252.48 g/mol, Sigma-Aldrich)을 넣고 진공상태에서 교반하며 100 ℃까지 (승온속도: 200 ℃/hr) 열처리하였다. 이 상태로 1 시간 정도를 유지한 후, 진공에서 질소로 치환시켜 주었다. 그 후, 약 320 ℃ 까지 (200 ℃/hr의 승온속도) 열을 가해준 뒤 3 시간 유지하였다. 이후, 상온(25 ℃)에서 식혀주었다. 그 다음에, 아세톤(Acetone, MW: 58.08 g/mol, Daejung)을 상기 열처리 후의 혼합액의 2 배 중량만큼 넣은 후 교반시켰다. 그 후, 원심분리기 통에 2 개로 나눠 담아 4,000rpm의 속도로 10분간 원심분리 시켜주었다. 원심분리 후 워싱(washing)을 통해 얻은 침전물은 10 mL의 톨루엔(toluene, MW: 92.14 g/mol, J. T. Baker)에 분산시키고 바이알(vial)에 담아 보관하였다.

<비교예 1>

청색광 방출 소재(AlOH-Salicylic acid) 제조

5-하이드록시인돌(5-Hydroxyindole)이 아닌 살리실산(Salicylic acid)을 도펀트로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 청색광 방출 소재를 제조하였다.

<비교예 2 >

청색광 방출 소재(AlOH) 제조

도펀트를 사용하지 않고, 수산화 알루미늄인 백색광 방출 소재를 사용하여 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 청색광 방출 소재를 제조하였다.

[백색광 방출 소자 제조예]

<실시예 2>

청색 발광 다이오드 (GaN) 상에 전술된 실시예 1의 백색광 방출 소재가 분산된 실리콘을 광경화시켜 백색광 방출 소자를 제조하였다.

<비교예 3>

청색 발광 다이오드 (GaN) 상에 전술된 비교예 2의 청색광 방출 소재가 분산된 실리콘을 광경화시켜 백색광 방출 소자를 제조하였다.

[실험예: 발광 파장 넓어짐 (broaden) 변화 확인]

도 1을 참조하면, 청색광원 (450nm) 방출 소자인 AlOH와 황색광원 (600nm) 방출 소자인 5-Hydroxyindole의 조합을 통하여 백색광 방출 소자인 실시예 1 (AlOH-5-Hydroxyindole)을 구현하였다. 또한, 비교예 1 (AlOH-Salicylic acid) 및 비교예 2 (AlOH)를 통하여 청색광 방출 소자와의 발광 파장을 비교하였다.

도 2를 참조하면, 백색광원 방출 소자인 실시예 1(AlOH-5-Hydroxyindole)의 흡수 파장대는 400 nm 이전의 파장대로, 자외선 광선으로 여기 시켜 백색광을 구현해 내는 것을 보았다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 실시예 1의 백색발광 소자의 경우, 청색 광원(450 nm)과 AlOH-5-hydroxyindole의 황색 광원의 조합으로 발광 파장이 넓어져 300 내지 700 nm의 가시광선 영역에서 넓게 피크가 형성된 것을 확인할 수 있었다. 한편, 방향족 화합물로서 황색 발광을 하는 방향족 화합물, 예를 들어 5-hydroxyindole가 아닌 다른 색 발광을 하는 방향족 화합물, 예를 들어 살리실산을 도펀트로 사용한 수산화 알루미늄(비교예 1)을 사용함에 따라, 300 내지 550 nm에서 짧게만 피크가 형성된 것을 확인할 수 있었다. 반면, 비교예 2에 따라 제조된 발광소자는 도펀트를 미포함할 (비교예 2) 경우, 도펀트가 들어갔을 때보다도 짧게 (300~500 nm) 피크가 형성되었다.

또한, 도 5를 참조하면, 실시예 1의 백색발광 소자의 경우 1931 CIE Diagram에서 (0.29, 0.36)의 좌표를 형성하며, 이는 백색-포인트 범위(white-point range)에 들어가는 것으로 확인되었다.

Claims (6)

1. 수산화 알루미늄; 및
   상기 수산화 알루미늄에 도핑된 하이드록시기를 가지는 인돌(indole) 유도체(탄소수 6 내지 20);를 포함하고, 황색 발광 특성을 갖는 백색광 방출 소재.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 인돌 유도체는 5-하이드록시인돌인 백색광 방출 소재.
4. 제1항에 있어서,
   상기 백색광 방출 소재는 적색 발광 특성을 갖는 반도체 양자점을 더 포함하는 것인, 백색광 방출 소재.
5. 청색 발광 다이오드; 및
   상기 청색 발광 다이오드 상에 위치하고, 제1항, 제3항 및 제4 항 중 어느 한 항에 의한 백색광 방출 소재; 를 포함하고,
   상기 청색 발광 다이오드에서 방출되는 청색광과, 상기 백색광 방출 소재에서 방출되는 백색광의 조합에 의하여 백색광을 구현하는 것인, 백색광 방출 소자.
6. 제5항에 있어서,
   상기 백색광은 300 내지 750nm의 파장에서 구현되는 것인, 백색광 방출 소자.

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