KR102365962B1 - 형광체, 이를 포함하는 발광 소자 패키지 및 조명 장치 - Google Patents

형광체, 이를 포함하는 발광 소자 패키지 및 조명 장치 Download PDF

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Abstract

실시예는 형광체, 이를 포함하는 발광 소자 패키지 및 조명 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 화학식 1로 표시되는 입자를 포함함으로써 520 nm 이상 525 nm 이하인 발광 중심 파장 및/또는 30 nm 이상 40 nm 이하의 반치폭의 구현이 가능함에 따라 색 재현율이 향상된 형광체, 이를 포함하는 발광 소자 패키지 및 조명 장치에 관한 것이다.
[화학식 1]
AxOyNz:Mn2 + a,Mg2 + b
(식 중, A는 B, Al, Ga, In 및 이온 반지름이 0.4 Å 이상 0.7 Å 이하인 원소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, x는 1.0 이상 3.0 이하이며 y는 2.0 이상 3.5 이하이고, z는 0.3 이상 0.6 이하이며 a는 1 이상 8 이하이고 b는 0 초과 20 이하임).

Description

형광체, 이를 포함하는 발광 소자 패키지 및 조명 장치{PHOSPHOR, LIGHT EMITTING DEVICE PACKAGE AND LIGHTING APPARATUS COMPRISING THE SAME}
실시예는 형광체, 이를 포함하는 발광 소자 패키지 및 조명 장치에 관한 것으로, 특히 520 nm 이상 525 nm 이하인 발광 중심 파장 및/또는 30 nm 이상 40 nm 이하의 반치폭을 구현함으로써 색 재현율이 향상된 형광체, 이를 포함하는 발광 소자 패키지 및 조명 장치에 관한 것이다.
반도체의 -Ⅴ족 또는 -Ⅵ족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드와 같은 발광 소자는 박막 성장기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색광도 구현이 가능하며 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저 소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다.
백색광을 구현하는 방법에 있어서는 단일 칩 형태의 방법으로 청색이나 자외선(UV: Ultra Violet) 발광 다이오드 칩 위에 형광물질을 결합하는 것과 멀티 칩 형태로 제조하여 이를 서로 조합하여 백색광을 얻는 방법으로 나누어진다.
멀티 칩 형태의 경우 대표적으로 RGB(Red, Green, Blue)의 3 종류의 칩을 조합하여 제작하는 방법이 있으며, 이는 각각의 칩마다 동작전압의 불균일 하거나, 주변 환경에 의한 각각의 칩의 출력의 차이로 인하여 색 좌표가 달라지는 문제점을 가진다.
또한, 단일칩으로 백색광을 구현하는 경우에 있어서, 청색 LED로부터 발광하는 빛과 이를 이용해서 적어도 하나의 형광체들을 여기 시켜 백색광을 얻는 방법이 사용되고 있다.
이러한 형광체를 이용한 백색광의 구현에 있어서, 휘도와 연색지수(Color Rendering Index)를 개선하는 시도가 계속되고 있으며, 특히 고품질의 광 특성을 얻기 위하여 새로운 형광체의 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
발광 소자에 최초로 적용된 황색 형광체인 YAG는 일반 램프에 비해 CRI 값이 낮기 때문에 최근에 녹색과 적색을 이용하여 CRI를 개선한 백색 발광소자가 개발되었다. 이에 적용하는 녹색 형광체는 규산염 형광체, 황화물 형광체가 사용되었는데, 고온, 열적, 화학적 안정성이 낮기 때문에 최근에는 질화물 형광체를 이용한 형광체가 활발히 연구되고 있다.
질화물 형광체는 고온 구조 재료로 사용되고 있는 Si3N4, SiAlON을 모체로 하고 활성체를 첨가하여 형광체를 구현한다. 이러한 질화물 형광체는 디스플레이 용으로써 색 재현성 및 신뢰성이 뛰어나고, 고온발광특성이 우수한 장점을 갖기 때문에, TV용 백라이트, 조명용 램프 등에 적용되고 있다.
이 중, β-SiAlON:Eu2 + 형광체는 540 nm 영역에서 높은 효율을 가지나, 540 nm 파장의 녹색 형광체는 CIE 색좌표 영역에서 녹색 계열로는 장파장에 해당하므로 광원의 색 재현성 및 연색 지수를 저하시키는 원인이 될 수 있다. 따라서, 540 nm 보다 단파장의 녹색 형광체에 대한 필요성이 증대되고 있는 실정이다.
실시예는 색 재현율을 향상시킬 수 있는 형광체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
실시예는 결정성이 향상되어 휘도가 개선된 형광체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
실시예는 상기 형광체를 포함하는 발광 소자 패키지와 조명 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
실시예의 형광체는 하기 화학식 1로 표시되는 입자를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
AxOyNz:Mn2 + a,Mg2 + b
(식 중, A는 B, Al, Ga, In 및 이온 반지름이 0.4 Å 이상 0.7 Å 이하인 원소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, x는 1.0 이상 3.0 이하 이며 y는 2.0 이상 3.5 이하이고, z는 0.3 이상 0.6 이하이며 a는 1 이상 8 이하고 b는 0 초과 20 이하임)
일 실시예에 따르면, 상기 A는 Al일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 이온 반지름이 0.4 Å 이상 0.7 Å 이하인 원소는 Ge, Zn, Si 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 형광체의 발광 중심 파장은 520 nm 이상 525 nm 이하 일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 형광체의 반치폭은 30 nm 이상 40 nm 이하일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 형광체의 크기(D50)은 10 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하일 수 있다.
실시예의 발광 소자 패키지는 몸체부, 상기 몸체부 상에 형성된 캐비티, 상기 캐비티 내에 배치된 발광 소자, 상기 발광 소자를 둘러싸고 상기 캐비티 내에 배치된 몰딩부 및 상기 몰딩부 상에 배치되는 전술한 실시예의 형광체를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 몰딩부는 상기 발광 소자에서 방출된 광에 의하여 여기 되어 적색 파장 영역의 광을 방출하는 적색 형광체를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 적색 형광체는 K2SiF6:Mn4 +를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 발광 소자는 청색 또는 자외선 파장 영역의 광을 방출할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 발광 소자 패키지는 백색광을 방출할 수 있다.
실시예의 조명 장치는 전술한 발광 소자 패키지를 광원으로 포함할 수 있다.
실시예의 형광체는 520 nm 이상 525 nm 이하의 발광 중심 파장 및/또는 30 nm 이상 40 nm 이하의 반치폭을 구현 할 수 있다.
실시예의 형광체는 결정성이 향상되어 휘도 개선 효과가 있다.
이에 따라, 상기 형광체가 포함된 발광 소자 패키지 및 조명 장치의 색 재현율이 향상될 수 있다.
실시예의 형광체는 발광 다이오드에 결합되어 조명 장치, 디스플레이 및 표시 장치 등의 광원으로 적용될 수 있다.
도 1은 일 실시예의 발광 소자 패키지의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 2는 발광 소자의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 형광체의 X선 회절 분석 패턴이다.
도 4는 실시예에 따른 형광체의 여기 파장 대역을 나타낸 발광 스펙트럼이다.
도 5는 실시예에 따른 형광체의 발광 파장 대역을 나타낸 발광 스펙트럼이다.
도 6은 비교예에 따른 형광체에 관한 SEM 사진이다.
도 7은 실시예에 따른 형광체에 관한 SEM 사진이다.
도 8은 실시예와 비교예의 형광체를 포함하는 발광 소자 패키지의 발광 스펙트럼이다.
도 9는 실시예와 비교예로 구현되는 NTSC 색 좌표이다.
도 10은 실시예와 비교예로 구현되는 DCI 색 좌표이다.
도 11은 실시예와 비교예로 구현되는 sRGB 색좌표이다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층, 막, 전극, 판 또는 기판 등이 각 층, 막, 전극, 판 또는 기판 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 각 구성요소의 상, 옆 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
형광체
실시예의 형광체는 하기 화학식 1로 표시되는 입자를 포함 할 수 있다.
[화학식 1]
AxOyNz:Mn2 + a,Mg2 + b
식 중, A는 B, Al, Ga, In 및 이온 반지름이 0.4 Å 이상 0.7 Å 이하인 원소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, x는 1.0 이상 3.0 이하이며 y는 2.0 이상 3.5 이하이고, z는 0.3 이상 0.6 이하이며 a는 1 이상 8 이하이고 b는 0 초과 20 이하이다.
전술한 바와 같이, 청색 광을 방출하는 발광 소자에 녹색 형광체와 적색 형광체가 조합된 모델은 발광 소자 패키지의 고색 재현에 유리하고, 이 경우 녹색 형광체로 β-SiAlON:Eu2 +가 사용되는 것이 일반적이었다. 그러나, β-SiAlON:Eu2 +의 발광 중심 파장은 540 nm 내외이므로 녹색 계열로는 장파장에 해당하여 광원의 색 재현성 및 연색 지수를 저하시키는 문제가 있어왔다.
이에, 실시예의 형광체는 540 nm 보다 단파장 영역에서 높은 효율을 가지는 녹색 형광체를 구현하기 위하여 상기 화학식 1로 표시되는 입자를 포함할 수 있다. 이에 따라, 실시예의 형광체는 발광 중심 파장 범위가 520 nm 이상 525 nm 이하 일 수 있고, 반치폭은 30 nm 이상 40 nm 이하 일 수 있다. 그러므로, 상기 형광체를 포함하는 발광 소자 패키지의 색 재현율을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예의 형광체는 결정성이 향상되어 발광 소자 패키지의 휘도를 개선할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 상기 A는 Al일 수 있다. 즉, 실시예의 형광체는 AlxOyNz:Mn2+ a,Mg2+ b로 표시되는 입자를 포함할 수 있고, 상기 형광체는 단파장의 발광 중심 파장과 좁은 반치폭을 구현하는 것에 바람직하다.
일 실시예에 따르면, 상기 화학식 1에 있어 이온 반지름이 0.4 Å 이상 0.7 Å 이하인 원소는 Ge, Zn, Si 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다. 상기 Ge, Zn, Si, Sn는 Al과 이온 반지름이 유사하므로, 단파장의 발광 중심 파장과 좁은 반치폭의 구현에 유리할 수 있다.
상기 형광체의 발광 중심 파장은 520 nm 이상 525 nm 이하일 수 있다. 형광체의 발광 중심 파장이 전술한 범위 내인 경우에는 보다 단파장 영역에서 높은 효율을 가질 수 있다. 이에 따라, 발광 소자 패키지의 색 재현성이 향상되어 고색 재현(Wide Color Garmut, WCG) 모델에의 적용에 유리할 수 있다.
상기 형광체의 반치폭은 30 nm 이상 40 nm 이하일 수 있다. 형광체의 반치폭이 전술한 범위 내인 경우에는 보다 좁은 반치폭의 구현이 가능하여, 발광 소자 패키지의 색 재현성이 향상될 수 있다. 이에 따라, 고색 재현 모델에의 적용에 유리할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 형광체의 크기(D50)은 10 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하일 수 있다(하기 표 2참조).
이하에서는, 실시예의 형광체 제조 방법에 대해 설명한다.
먼저 모체의 전구체와 활성체 전구체를 각각 혼합한다. 모체 전구체의 구체적인 예를 들면 Al2O3, AlN 일 수 있다. 또한, 활성체 전구체의 구체적인 예를 들면 MgO, MnCO3 일 수 있다.
혼합물을 건조한 후 질소 분위기 하에서 열처리하여 형광체를 제조할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 활성체 전구체가 모체 격자 내로 위치하는 것을 용이하게 하도록 하기 위하여 H3BO3, NaF, NH4F, K3PO4, BaF, NH4Cl 등의 Flux 물질을 첨가한 후 혼합 공정을 수행할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 활성체 전구체로 기능하면서 동시에 활성체 전구체가 모체 격자 내로 위치하는 것을 용이하게 하도록 하기 위하여, MnF2등을 상기 모체의 전구체 및 활성체의 전구체와 함께 혼합할 수 있다. 또한, 전술한 활성체 전구체 외에도 추가의 활성체를 첨가할 수 있다. 추가적으로 첨가되는 활성체의 구체적인 예를 들면, Na, K, Li, Sc, La, Y 등 일 수 있다. 전술한 실시예들에 따르면, 제조되는 형광체의 결정성이 향상되어 휘도가 개선될 수 있다.
여기서, 질소 함유 분위기 가스의 N2 농도의 구체적인 예를 들면 90% 이상일 수 있으며, 질소 분위기를 형성하기 위하여 진공 상태로 만든 후 질소 함유 분위기 가스를 도입할 수 있고, 이와 달리 진공 상태로 만들지 않고 질소 함유 분위기 가스를 도입할 수 있다. 이 때 불연속적으로 가스를 도입할 수 있다.
또한, 질소 분위기 하에서 압력을 가하여 형광체의 결정성을 증가시킴에 따라 휘도를 개선할 수 있다. 상기 압력 범위의 구체적인 예를 들면, 약 0.5 Mpa 내외일 수 있다.
이어서, 상기 모체의 전구체와 활성체의 전구체 혼합물을 열처리 후 분쇄(grinding)하여 형광체를 얻을 수 있고, 수득된 형광체는 분말 형태일 수 있다. 필요에 따라, 분쇄 전에 냉각 과정을 포함할 수 있다.
한편, 형광체의 결정성 향상을 통해 휘도를 개선하기 위하여, 상기 혼합물의 열처리 시간을 증가시킬 수 있고, 또한 열처리 공정을 복수의 단계로 진행할 수 있다.
구체적인 예를 들면, 상기 혼합물은 약 500 ℃ 내외의 온도에서 약 3 내지 5 시간 열처리 후 1900 ℃ 내외의 온도에서 4 내지 12 시간 열처리 될 수 있다.
또한, 형광체 표면의 이물질을 제거하기 위하여 세정 공정을 포함할 수 있다. 형광체의 세정에 사용되는 물질은 HF, HNO3, HCl, H2SO4 등의 산성 물질 및 NaOH, NH4OH, KOH 등의 염기성 물질 일 수 있다.
분쇄 공정으로 분말을 원하는 사이즈로 균일하게 만들 수 있으며, 분쇄 방법의 구체적인 예를 들면 볼밀 등을 들 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 필요에 따라, 분쇄 공정 후에 추가적으로 세정 공정을 포함할 수 있다.
실시예의 형광체는 보다 단파장(520 nm 이상 525 nm 이하)의 발광 중심 파장 및/또는 보다 좁은(30 nm 이상 40 nm 이하) 반치폭을 구현 할 수 있다.
이에 따라, 발광 소자 패키지가 상기 형광체를 포함하는 경우 색 재현율이 현저하게 향상될 수 있다.
따라서, 실시예의 형광체는 고색 재현을 위한 발광 소자 패키지에 적용될 수 있다.
발광 소자 패키지
도 1은 발광 소자 패키지(200)의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
실시예의 발광 소자 패키지(200)는 몸체부(130), 몸체부(130) 상에 형성된 캐비티(150) 및 캐비티 내에 배치되는 발광 소자(110)를 포함하고, 몸체부(130)에는 발광 소자(110)와의 전기적 연결을 위한 리드 프레임(142, 144)을 포함할 수 있다.
상기 발광 소자(110)는 캐비티(150) 내에서 캐비티의 바닥면에 배치될 수 있고, 캐비티 내에는 발광 소자를 둘러싸고 몰딩부가 배치될 수 있다.
상기 몰딩부에는 전술한 실시예의 형광체(100)가 포함될 수 있다.
상기 몸체부(130)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상부가 개방되고 측면과 바닥면으로 이루어진 캐비티(150)를 가질 수 있다.
상기 캐비티(150)는 컵 형상, 오목한 용기 형상 등으로 형성될 수 있으며, 캐비티(150)의 측면은 바닥면에 대하여 수직이거나 경사지게 형성될 수 있으며, 그 크기 및 형태가 다양할 수 있다.
상기 캐비티(150)를 위에서 바라본 형상은 원형, 다각형, 타원형 등일 수 있으며, 모서리가 곡선인 형상일 수도 있으나, 실시예의 목적을 벗어나지 않는 범위 내라면 반드시 이에 제한되지 않는다.
상기 몸체부(130)에는 제1 리드 프레임(142) 및 제2 리드 프레임(144)이 포함되어 상기 발광 소자(110)와 전기적으로 연결될 수 있다. 몸체부(130)가 금속 재질 등 도전성 물질로 이루어지는 경우, 도시되지는 않았으나 몸체부(130)의 표면에 절연층이 코팅되어 제1, 2 리드 프레임(142, 144) 간의 전기적 단락을 방지할 수 있다.
상기 제1 리드 프레임(142) 및 제2 리드 프레임(144)은 서로 전기적으로 분리되며, 발광 소자(110)에 전류를 공급 할 수 있다. 또한, 상기 제1 리드 프레임(142) 및 제2 리드 프레임(144)은 발광 소자(110)에서 발생된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 발광 소자(110)에서 발생된 열을 외부로 배출시킬 수도 있다.
상기 발광 소자(110)는 캐비티(150) 내에 배치될 수 있으며, 몸체부(130) 상에 배치되거나 제1 리드 프레임(142) 또는 제2 리드 프레임(144) 상에 배치될 수 있다. 배치되는 발광 소자(110)는 수직형 발광 소자 외에 수평형 발광 소자 등일 수도 있다.
다른 실시예에서는 발광 소자(110)가 제1 리드 프레임(142) 상에 배치되며, 제2 리드 프레임(144)과는 와이어(146)를 통하여 연결될 수 있으나, 발광 소자(110)는 와이어 본딩 방식 외에 플립칩 본딩 또는 다이 본딩 방식에 의하여서도 리드 프레임과 연결될 수 있다.
도 1의 발광 소자 패키지(200) 실시예에서 몰딩부는 발광 소자(110)를 감싸고 캐비티(150) 내부를 채우며 형성될 수 있다.
또한, 상기 몰딩부는 전술한 형광체(100) 외에도 적색 형광체(160)와 수지를 포함하여 형성될 수 있다.
상기 몰딩부는 수지와 형광체(100, 160)를 포함할 수 있으며, 발광 소자(110)를 포위하도록 배치되어 발광 소자(110)를 보호할 수 있다.
상기 몰딩부에서 형광체와 같이 혼합되어 사용될 수 있는 수지는 실리콘계 수지, 에폭시계 수지, 아크릴계 수지 중 어느 하나 또는 그 혼합물의 형태일 수 있다.
또한, 형광체(100, 160)는 발광 소자(110)에서 방출된 광에 의하여 여기 되어 파장 변환된 광을 발광할 수 있다.
예를 들어, 발광 소자에서 방출된 광은 청색 광일 수 있으며, 발광 소자 패키지의 몰딩부에는 청색 광에 의하여 여기 되어 녹색 광을 방출하는 실시예의 녹색 형광체(100), 청색 광에 의하여 여기 되어 적색 광을 방출하는 적색 형광체(160)를 포함할 수 있다.
또한, 도면에 도시되지는 않았으나 몰딩부는 캐비티(150)를 채우고 캐비티(150)의 측면부 높이보다 높게 돔(dome) 형상으로 배치될 수 있으며, 발광 소자 패키지(200)의 광 출사각을 조절하기 위하여 변형된 돔 형상으로 배치될 수도 있다. 몰딩부는 발광 소자(110)를 포위하여 보호하고, 발광 소자(110)로부터 방출되는 빛의 경로를 변경하는 렌즈로 작용할 수도 있다.
실시예의 발광 소자 패키지는 전술한 실시예의 형광체를 포함하는바, 현저히 향상된 색 재현율을 나타낼 수 있다.
발광 소자
도 2는 발광 소자(110)의 일 실시예를 나타낸 도면으로, 발광 소자(110)는 지지기판(70), 발광 구조물(20), 오믹층(40), 제1 전극(80)을 포함할 수 있다.
발광 구조물(20)은 제1 도전형 반도체층(22)과 활성층(24) 및 제2 도전형 반도체층(26)을 포함하여 이루어진다.
제1 도전형 반도체층(22)은 -Ⅴ족, -Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(22)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaN, InAlGaN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(22)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(22)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
활성층(24)은 제1 도전형 반도체층(22)과 제2 도전형 반도체층(26) 사이에 배치되며, 단일 우물 구조(Double Hetero Structure), 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(MQW:Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
활성층(24)은 -Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층과 장벽층, 예를 들면 AlGaN/AlGaN, InGaN/GaN, InGaN/InGaN, AlGaN/GaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 우물층은 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(26)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(26)은 -Ⅴ족, -Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(26)은 예컨대, InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaN AlInN, AlGaAs,GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 제2 도전형 반도체층(26)이 AlxGa(1-x)N으로 이루어질 수 있다.
제2 도전형 반도체층(26)이 p형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 제2 도전형 반도체층(26)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
제1 도전형 반도체층(22)의 표면이 패턴을 이루어 광추출 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 제1 도전형 반도체층(22)의 표면에는 제1 전극(80)이 배치될 수 있으며, 도시되지는 않았으나 제1 전극(80)이 배치되는 제1 도전형 반도체층(22)의 표면은 패턴을 이루지 않을 수 있다. 제1 전극(80)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
발광 구조물(20)의 둘레에는 패시베이션층(90)이 형성될 수 있다. 패시베이션층(90)은 절연물질로 이루어질 수 있으며, 절연물질은 비전도성인 산화물이나 질화물로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 패시베이션층(90)은 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있다.
발광 구조물(20)의 하부에는 제2 전극이 배치될 수 있으며, 오믹층(40)과 반사층(50)이 제2 전극으로 작용할 수 있다. 제2 도전형 반도체층(26)의 하부에는 GaN이 배치되어 제2 도전형 반도체층(26)으로 전류 내지 정공 공급을 원활히 할 수 있다.
오믹층(40)은 약 200 옹스트롱(Å)의 두께일 수 있다. 오믹층(40)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx, NiO, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO, Ag, Ni, Cr, Ti, Al, Rh, Pd, Ir, Sn, In, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정하지 않는다.
반사층(50)은 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 은(Ag), 니켈(Ni), 백금(Pt), 로듐(Rh), 혹은 Al이나 Ag이나 Pt나 Rh를 포함하는 합금을 포함하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 반사층(50)은 활성층(24)에서 발생된 빛을 효과 적으로 반사하여 반도체 소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
지지기판(support substrate, 70)은 금속 또는 반도체 물질 등 도전성 물질로 형성될 수 있다. 전기 전도도 내지 열전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 반도체 소자 작동 시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열 전도도가 높은 물질(ex. 금속 등)로 형성될 수 있다.
예를 들어, 지지기판(70)은 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si), 텅스텐(W), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있으며, 또한, 금(Au), 구리합금(Cu Alloy), 니켈(Ni), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예를 들어, GaN, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiGe, SiC, SiGe, Ga2O3 중 어느 하나일 수 있다) 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
지지기판(70)은 전체 질화물 반도체에 휨을 가져오지 않으면서, 스크라이빙(scribing) 공정 및 브레이킹(breaking) 공정을 통하여 별개의 칩으로 잘 분리시키기 위한 정도의 기계적 강도를 가지기 위하여 50㎛ 내지 200㎛의 두께로 이루어질 수 있다.
접합층(60)은 반사층(50)과 지지기판(70)을 결합하는데, 금(Au), 주석(Sn), 인듐(In), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 은(Ag), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 형성할 수 있다.
도 2에 도시된 발광 소자(110)의 실시예는 수직형 발광 소자의 실시예이나, 도 1에 도시된 발광 소자 패키지(200)의 실시예에는 도 2에 도시된 수직형 발광 소자 이외에 수평형 발광 소자, 플립칩 타입의 발광 소자가 배치될 수 있으며, 이때 발광 소자(110)는 청색 또는 자외선 파장 영역의 광을 발광할 수 있다.
도 2에 도시된 일 실시예의 발광 소자를 포함하는 도 1의 발광 소자 패키지의 실시예는 백색광을 방출할 수 있다.
조명 장치
이하에서는 전술한 발광 소자 패키지(200)가 배치된 조명 시스템의 일 실시예로서 영상 표시장치 및 조명 장치를 설명한다.
실시예의 발광 소자 패키지(200)는 복수 개가 기판 상에 어레이 될 수 있고, 발광 소자 패키지(200)의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광 소자 패키지(200), 기판, 광학 부재는 백라이트 유닛으로 기능할 수 있다.
또한, 실시예의 발광 소자 패키지(200)를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 장치로 구현될 수 있다.
여기서, 표시 장치는 바텀 커버와, 바텀 커버 상에 배치되는 반사판과, 광을 방출하는 발광 모듈과, 반사판의 전방에 배치되며 발광 모듈에서 발산되는 빛을 전방으로 안내하는 도광판과, 도광판의 전방에 배치되는 프리즘 시트들을 포함하는 광학 시트와, 광학 시트 전방에 배치되는 디스플레이 패널과, 디스플레이 패널과 연결되고 디스플레이 패널에 화상 신호를 공급하는 화상 신호 출력 회로와, 디스플레이 패널의 전방에 배치되는 컬러 필터를 포함할 수 있다. 여기서 바텀 커버, 반사판, 발광 모듈, 도광판, 및 광학 시트는 백라이트 유닛(Backlight Unit)을 이룰 수 있다.
또한, 조명 장치는 기판과 실시예에 따른 발광 소자 패키지(200)를 포함하는 광원 모듈, 광원 모듈의 열을 발산시키는 방열체, 및 외부로부터 제공받은 전기적 신호를 처리 또는 변환하여 광원 모듈로 제공하는 전원 제공부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 조명 장치는, 램프, 헤드 램프, 또는 가로등을 포함할 수 있다.
헤드 램프는 기판 상에 배치되는 발광 소자 패키지들(200)을 포함하는 발광 모듈, 발광 모듈로부터 조사되는 빛을 일정 방향, 예컨대, 전방으로 반사시키는 리플렉터(reflector), 리플렉터에 의하여 반사되는 빛을 전방으로 굴절시키는 렌즈 및 리플렉터에 의하여 반사되어 렌즈로 향하는 빛의 일부분을 차단 또는 반사하여 설계자가 원하는 배광 패턴을 이루도록 하는 쉐이드(shade)를 포함할 수 있다.
실시예의 영상 표시장치 및 조명 장치의 경우 전술한 실시예의 형광체(100)를 포함한 발광 소자 패키지(200)를 적용함으로써, 색 재현율이 개선된 효과를 가질 수 있다.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 통해서, 본 발명에 따른 작용과 효과를 더욱 상세히 설명하기로 한다.
실시예
Al2O3, AlN, MgO, MnCO3 를 혼합한 후 상기 혼합물을 100 ℃에서 건조 하였다. 생성된 분말을 1900 ℃에서 4 시간 동안 질소 분위기 하에서 열처리 하고, 세정 후에 볼밀 방법으로 분쇄하였다. 이어서, 다시 세정하고 최종 분말을 수득하여 γ-Al1.7O2.1N0.3 :Mn2 +, Mg2 + 의 형광체를 제조하였다.
실험예 1: 형광체 구조 분석
형광체의 구조를 분석하기 위하여 X선 회절 분석법(X-ray diffraction, XRD)을 이용하였다. 도 3은 실시예에 따른 형광체의 X선 회절 분석 패턴이다.
도 3을 살펴보면, Al, O, N 원소에 해당하는 위치에서 피크가 존재하므로 실시예의 형광체는 Al, O, N 원소를 포함하는바, 실시예의 형광체는 본 발명의 범위에 속하는 것을 확인할 수 있었다.
비교예
녹색 형광체로 β-SiAlON을 사용하였다.
실험예 2: 형광체 스펙트럼 분석
실시예 및 비교예에 따른 형광체 스펙트럼을 분석하였으며 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
도 4 및 도 5는 각각 실시예에 따른 형광체의 여기 파장 대역 및 형광체의 발광 파장 대역을 나타낸 발광 스펙트럼이다.
구분 발광 중심 파장 [nm] 반치폭 [nm]
비교예 544 54
실시예 521 38
표1, 도 4 및 도 5를 참조하면, 청색 광에 의하여 여기된 실시예의 형광체는 521 nm 부근에서 발광 파장 대역을 나타내었고 반치폭은 38 nm 였다.
반면에, 청색 광에 의해 여기된 비교예의 형광체는 544 nm 부근에서 발광 파장 대역을 나타내었으며 반치폭은 54 nm 였다.
이를 통해, 실시예의 형광체가 비교예에 비하여 단파장 대의 발광 파장과 좁은 반치폭을 나타냄을 확인할 수 있었다.
실험예 3: 형광체 입도 분석
입도분석기를 이용하여 부피 평균 입경을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 D10 [㎛] D50 [㎛] D90 [㎛]
비교예 12.5 23.1 46.5
실시예 7.7 12.8 30.0
상기 표 2를 참조하면, 비교예와 실시예의 형광체는 부피 평균 입경이 전혀 상이하다. 따라서, 실시예는 β- SiAlON:Eu2 +로 이루어진 비교예와 다른 물질로 된 형광체임을 확인할 수 있었다.
실험예 4: 형광체 표면 분석
비교예 및 실시예의 형광체를 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope)을 사용하여 표면 상태를 분석하였으며, 이를 각각 도 6 및 도 7에 도시하였다.
상기 도면들을 참조하면, 비교예의 형광체는 입자가 길쭉한 막대 형상인데 비하여 실시예의 형광체는 둥근 형상인바, 각 형광체는 상이한 물질로 이루어짐을 확인할 수 있었다.
실험예 5: 발광 소자 패키지의 발광 스펙트럼 분석
실시예의 형광체를 포함하는 발광 소자 패키지의 여기 파장은 446 nm, 비교예의 형광체를 포함하는 발광 소자 패키지의 여기 파장은 446.9 nm 로 하여 발광 스펙트럼을 분석하였다. 이 때, 적색 형광체로는 K2SiF6:Mn4 +를 이용하였다.
도 8은 실시예와 비교예의 형광체를 포함하는 발광 소자 패키지의 발광 스펙트럼인바, 이를 참조하면 비교예에 비하여 실시예의 발광 소자 패키지에서 녹색 광의 파장이 단파장임을 확인할 수 있었다.
실험예 6: 발광 소자 패키지의 색좌표 비교
실험예 5에 사용된 실시예와 비교예로 구현되는 NTSC, DCI, sRGB 방식의 색 좌표를 각각 도 9 내지 도 11에 도시하였다.
도 9에 있어 NTSC 방식의 색 좌표는 참고예 1로, 도 10에 있어 DCI 방식의 색 좌표는 참고예 2로, 도 11에 있어 sRGB 방식의 색 좌표는 참고예 3으로 나타내었다.
또한, 하기 표 3에는 도 9 내지 도 11의 색 좌표에 있어서의 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 색 좌표 값을 나타내었다. NTSC 방식의 색 좌표는 CIE 1931을 기준으로 하고 DCI 방식 및 sRGB 방식의 색 좌표는 CIE 1976을 기준으로 하므로, 표 3에서 실시예와 비교예의 DCI 방식 및 sRGB 방식 색 좌표는 동일한 칸에 나타내었다.
한편, 하기 표 4에는 도 9 내지 도 11의 색 좌표에 있어서의 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 색 좌표 값을 연결한 삼각형의 면적에 따른 색 재현율을 나타내었다. 실시예와 비교예의 색 재현율은 참고예에 따른 색 재현율을 100%로 하였을 때의 값이다.
구분 적색(R) 녹색(G) 청색(B)
비교예 NTSC x축 0.660 0.259 0.155
y축 0.301 0.601 0.030
DCI
sRGB		 x축 0.499 0.107 0.203
y축 0.512 0.558 0.089
실시예 NTSC x축 0.679 0.184 0.152
y축 0.298 0.570 0.035
DCI
sRGB		 x축 0.521 0.078 0.195
y축 0.514 0.542 0.102
구분 NTSC DCI sRGB
비교예 82 88 138
실시예 89 89 148
도 9 내지 11 및 표 3 및 4를 참조하면, 비교예에 비하여 실시예에 따라 구현되는 좌표가 참고예의 색 좌표에 더 가까우며, 색 재현율도 더 향상됨을 확인할 수 있었다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 형광체
110: 발광 소자
130: 몸체부
150: 캐비티
160: 적색 형광체
200: 발광 소자 패키지

Claims (12)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 입자를 포함하는 형광체로서,
    [화학식 1]
    AxOyNz:Mn2+ a,Mg2+ b
    (식 중, A는 B, Ga, In 및 이온 반지름이 0.4 Å 이상 0.7 Å 이하인 원소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, x는 1.0 이상 3.0 이하이며 y는 2.0 이상 3.5 이하이고, z는 0.3 이상 0.6 이하이며 a는 1 이상 8 이하이고 b는 0 초과 20 이하임),
    상기 형광체의 발광 중심 파장은 520 nm 이상 525 nm 이하인 형광체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이온 반지름이 0.4 Å 이상 0.7 Å 이하인 원소는 Ge, Zn, Si 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인, 형광체.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 형광체로부터 방출된 광의 반치폭은 30 nm 이상 40 nm 이하이며,
    상기 형광체의 크기(D50)은 10 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인, 형광체.
  4. 몸체부;
    상기 몸체부 상에 형성된 캐비티;
    상기 캐비티 내에 배치된 발광 소자;
    상기 발광 소자를 둘러싸고 상기 캐비티 내에 배치된 몰딩부; 및
    상기 몰딩부 상에 배치되는 형광체를 포함하고,
    상기 형광체는 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항 기재의 형광체이며,
    상기 발광 소자는 청색 또는 자외선 파장 영역의 광을 방출하는 발광소자 패키지.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 몰딩부는 상기 발광 소자에서 방출된 광에 의하여 여기 되어 적색 파장 영역의 광을 방출하는 적색 형광체를 더 포함하며,
    상기 적색 형광체는 K2SiF6:Mn4+를 포함하는, 발광 소자 패키지.
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