KR102432218B1 - 형광체, 발광 소자 패키지 및 이를 포함하는 조명 장치 - Google Patents

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

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Abstract

실시예는 형광체, 발광 소자 패키지 및 이를 포함하는 조명 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 특정 화학식으로 표시되는 화합물을 포함하고, 특정 수학식으로 표시되는 방출 스펙트럼의 면적비(S1) 값이 1: 1.75 이상 1: 2.1 이하가 되도록 함으로써 반치폭 증가에 따라 연색성이 향상된 형광체, 발광 소자 패키지 및 이를 포함하는 조명 장치에 관한 것이다.

Description

형광체, 발광 소자 패키지 및 이를 포함하는 조명 장치{PHOSPHOR, LIGHT EMITTING DEVICE PACKAGE COMPRISING THE SAME AND LIGHTING APPARATUS COMPRISING THE SAME}
실시예는 형광체, 발광 소자 패키지 및 이를 포함하는 조명 장치에 관한 것으로서, 특히 반치폭 증가에 따라 연색성이 향상된 형광체, 발광 소자 패키지 및 이를 포함하는 조명 장치에 관한 것이다.
반도체의 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저다이오드와 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 연색 지수(Color Rendering Index:CRI)를 개선하는 시도가 계속되고 있으며, 특히 고품질의 광 특성을 얻기 위하여 새로운 형광체의 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
한편, 녹색 형광체만을 단일로 사용하여 발광 소자 패키지를 구현하는 경우, 적색 스펙트럼 영역이 부족하여 연색 지수가 저하되는 문제가 있는바, 이를 방지하기 위하여 많은 양의 적색 형광체를 사용함으로써 전술한 문제점을 해결하고 있다. 그러나, 과량의 적색 형광체를 사용하는 것은 비효율적인바, 이에 대한 해결책이 필요한 실정이다.
실시예는 방출 스펙트럼에서 반치폭을 증가시킴에 따라 연색성이 향상된 형광체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
실시예는 상기 형광체가 적용되어 연색성이 향상되고 미량의 적색 형광체를 사용하는 경우에도 구현이 가능한 발광 소자 패키지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 실시예는 상술한 발광 소자 패키지가 적용된 조명 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
실시예의 형광체는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하고, 하기 수학식 1로 표시되는 방출 스펙트럼의 면적비(S1)는 1: 1.75 이상 1: 2.1 이하인 형광체일 수 있다.
[화학식 1]
LuaAlbXcYdOe:Cez
(식 중, X는 2족 원소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 양이온이고, Y는 14족 원소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 양이온이며 2 < a < 3 이고, 0 < b < 5 이며 0 < c < 2 이고 0 < d < 2 이며 10 < e < 12 이고 0 < z < 1임)
[수학식 1]
S1= 발광 중심 파장 이하 영역의 면적: 발광 중심 파장 초과 영역의 면적
일 실시예에 따르면, 상기 발광 중심 파장은 538 nm 이상 545 nm 이하일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 X는 마그네슘(Mg)을 포함 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 Y는 실리콘(Si)을 포함 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 방출 스펙트럼의 반치폭(Full Width at Half Maximum)은 115 nm 이상 120 nm 이하일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 형광체의 크기(D50)은 10 ㎛ 이상 14 ㎛ 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 제1 형광체를 포함하며 상기 제1 형광체는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하고, 하기 수학식 1로 표시되는 방출 스펙트럼의 면적비(S1)는 1: 1.75 이상 1: 2.1 이하일 수 있다.
[화학식 1]
LuaAlbXcYdOe:Cez
(식 중, X는 2족 원소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 양이온이고, Y는 14족 원소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 양이온이며 2 < a < 3 이고, 0 < b < 5 이며 0 < c < 2 이고 0 < d < 2 이며 10 < e < 12 이고 0 < z < 1임)
[수학식 1]
S1= 발광 중심 파장 이하 영역의 면적: 발광 중심 파장 초과 영역의 면적.
일 실시예에 따르면, 상기 몰딩부는 상기 발광 소자에서 방출된 광에 의하여 여기 되어 적색 파장 영역의 광을 방출하는 제2 형광체를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 형광체 및 상기 제2 형광체 총 100 중량%에 대하여 상기 제1 형광체는 96 중량% 이상 99 중량% 이하로 포함되고 상기 제2 형광체는 1 중량% 이상 4 중량% 이하로 포함될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 형광체는 Sr,CaAlSiN:Eu2 +를 포함 할 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 발광 소자 패키지를 광원으로 포함하고, 상기 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 제1 형광체를 포함하며, 상기 제1 형광체는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하고, 하기 수학식 1로 표시되는 방출 스펙트럼의 면적비(S1) 1: 1.75 이상 1: 2.1 이하 일 수 있다.
[화학식 1]
LuaAlbXcYdOe:Cez
(식 중, X는 2족 원소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 양이온이고, Y는 14족 원소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 양이온이며 2 < a < 3 이고, 0 < b < 5 이며 0 < c < 2 이고 0 < d < 2 이며 10 < e < 12 이고 0 < z < 1임)
[수학식 1]
S1= 발광 중심 파장 이하 영역의 면적: 발광 중심 파장 초과 영역의 면적.
실시예의 형광체는 방출 스펙트럼에서 반치폭을 증가시킴에 따라 연색성을 향상시킬 수 있다.
실시예의 발광 소자 패키지는 상기 형광체를 포함하는바 연색성이 개선될 뿐만 아니라 사용되는 적색 형광체의 함량을 감소시킬 수 있어 경제적이다.
실시예의 형광체는 연색성이 매우 우수한 바, 조명 장치에 적용될 수 있다.
도 1은 일 실시예의 발광 소자 패키지의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 2는 발광 소자의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예 1,2 및 비교예 1,2의 형광체 스펙트럼 전체를 나타낸 도면이다.
도 4는 실시예 1,2 및 비교예 1,2에 따른 발광 중심 파장 이하 영역의 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 5는 실시예 1,2 및 비교예 1,2에 따른 발광 중심 파장 초과 영역의 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 6은 비교예 1에 따른 형광체에 관한 SEM 사진이다.
도 7은 비교예 2에 따른 형광체에 관한 SEM 사진이다.
도 8은 실시예 1에 따른 형광체에 관한 SEM 사진이다.
도 9는 실시예 2에 따른 형광체에 관한 SEM 사진이다.
도 10은 실시예 1,2 및 비교예 1,2의 형광체를 포함하는 발광 소자 패키지의 방출 스펙트럼에 관한 도면이다.
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. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
형광체
실시예의 형광체는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
LuaAlbXcYdOe:Cez
식 중, X는 2족 원소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 양이온이고, Y는 14족 원소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 양이온이며 2 < a < 3 이고, 0 < b < 5 이며 0 < c < 2 이고 0 < d < 2 이며 10 < e < 12 이고 0 < z < 1이다.
전술한 바와 같이, 단일한 LuAG:Ce3 + 계열의 형광체를 사용하여 발광 소자 패키지를 제작하는 경우 적색 스펙트럼 영역이 부족한 문제를 해결하고 연색성을 보상하기 위하여 과량의 적색 형광체를 사용해 왔다.
이에, 실시예는 형광체 중 모체 조성에 특정 물질들을 도핑하여 활성체(Ce3 +)의 에너지 레벨을 조절함으로써 녹색 형광체만으로도 장파장 영역에 해당하는 에너지 레벨을 보상할 수 있도록 할 수 있다. 이에 따라, 방출 스펙트럼에 있어 넓은 반치폭의 구현이 가능하고, 실시예의 형광체를 포함하는 발광 소자 패키지의 경우 적색 형광체의 함량을 감소시킬 수 있도록 한다.
일 실시예에 따르면, 상기 X는 마그네슘(Mg)을 포함할 수 있다. 즉, 실시예의 형광체는 LuaAlbMgcYdOe:Cez로 표시되는 입자를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 Y는 실리콘(Si)을 포함할 수 있다. 즉, 실시예의 형광체는 LuaAlbXcSidOe:Cez로 표시되는 입자를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 화학식 1로 표시되는 형광체는 LuaAlbMgcSidOe:Cez 일 수 있고, 이 경우 반치폭 증가 효과가 현저해질 수 있다.
실시예의 형광체에 따른 방출 스펙트럼은 발광 중심 파장 이하 영역의 면적과 발광 중심 파장 초과 영역의 면적의 비로 1: 1.75 이상 1: 2.1 이하 범위의 값을 가질 수 있다.
실시예의 형광체에 따른 방출 스펙트럼은 하기 수학식 1로 표시되는 방출 스펙트럼의 면적비(S1)를 가질 수 있다.
[수학식 1]
S1= 발광 중심 파장 이하 영역의 면적: 발광 중심 파장 초과 영역의 면적
상기 스펙트럼의 면적비(S1)가 1: 1.75 미만이면 장파장 영역을 커버하기 위하여 적색 형광체의 사용량이 증가되는 문제가 있다. 한편, 상기 스펙트럼의 면적비(S1)가 1: 2.1 초과이면 발광 중심 파장이 장파장 영역으로 이동함에 따라 동일한 색좌표를 나타내는 발광 소자 패키지를 구현하기 위하여 단파장 영역을 커버하기 위한 다른 형광체가 추가적으로 필요한 문제가 있다.
실시예의 형광체에 따른 방출 스펙트럼에 있어 발광 중심 파장 이하 영역의 면적은 다소 좁아지나 발광 중심 파장 초과 영역의 면적은 증가되며, 스펙트럼 증가 정도가 감소 정도에 비하여 상대적으로 큰 경향을 보일 수 있다(도 10 참조). 이에 따라, 방출 스펙트럼에서 반치폭이 증가되고 연색성이 향상될 수 있다. 또한 스펙트럼 전체 면적이 증가될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 형광체의 발광 중심 파장은 538 nm 이상 545 nm 이하일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 형광체의 크기(D50)은 10 ㎛ 이상 14 ㎛ 이하 일 수 있다(표 2참조).
이하에서는, 실시예의 형광체 제조 방법에 대해 설명한다.
먼저 모체의 전구체와 활성체 전구체를 각각 혼합한다. 모체 전구체의 구체적인 예를 들면 Lu2O3, Al2O3 등일 수 있다. 또한, 활성체 전구체의 구체적인 예를 들면 Ce2O3 등일 수 있다. 또한, 활성체(Ce3 +)의 에너지 레벨을 조절하기 한 도핑 물질의 전구체의 구체 예로 MgO 및 SiO2 를 들 수 있다. 전술한 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 바람직하게는 95% 이상일 수 있다. 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 전구체, 활성체의 전구체 및 도핑 물질의 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 1300℃ 내외일 수 있다. 열처리 온도가 1300℃를 현저히 초과하는 경우에는 도핑을 위해 첨가되는 물질들에 결함이 발생할 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 특정 이온이 모체에 도핑된 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하고 상기 형광체에 따른 방출 스펙트럼의 면적비(S1)가 일정 범위 내의 값을 갖도록 함으로써 방출 스펙트럼의 반치폭을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 연색성이 현저히 향상되므로 고성능의 조명 장치에 적용될 수 있다.
또한, 실시예의 형광체는 활성체 이온의 에너지 레벨을 조절함으로써 연색성을 향상시킬 수 있으므로, 상기 형광체가 발광 소자 패키지에 적용 시 적색 형광체의 함량을 감소시킬 수 있어 경제적이다.
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 적색 형광체(160)의 구체적인 예를 들면 Sr,CaAlSiN:Eu2 + 일 수 있으나, 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 범위 내라면 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
실시예의 발광 소자 패키지는 상기 형광체(100)를 포함함에 따라 방출 스펙트럼에서 반치폭이 증가되어 연색성을 현저히 향상시키는바, 적색 스펙트럼 영역의 보상을 위하여 다량의 적색 형광체를 사용해야 하는 문제를 방지할 수 있다. 즉, 적색 형광체의 함량을 감소시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 형광체(100) 및 적색 형광체(160) 총 100 중량%에 대하여 상기 형광체(100)는 96 중량% 이상 99 중량% 이하로 포함되고 상기 적색 형광체(160)는 1 중량% 이상 4 중량% 이하로 포함될 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, 연색성이 우수하다. 또한, 백색 광을 방출하기 위해 사용되는 적색 형광체의 양을 현저히 감소시킬 수 있는바 경제적이다.
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, 연색성이 현저히 개선된 효과를 가질 수 있다.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 통해서, 본 발명에 따른 작용과 효과를 더욱 상세히 설명하기로 한다.
실시예 1
Lu2O3, Al2O3, Ce2O3, MgO, SiO2 를 혼합한 후 건조하였다. 이어서 온도 1300 에서 3 시간 동안 질소 분위기(N2 95%, H2 5%의 혼합가스) 하에서 열처리 하고, 세정 후에 볼밀 방법으로 분쇄하였다. 이어서, 다시 세정하고 최종 분말을 수득하여 Lu2.93Al4.5Mg0.25Si0.25O12:Ce0.07 의 녹색 형광체를 제조하였다.
실시예 2
MgO, SiO2 각각 0.5몰씩 포함한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 녹색 형광체를 제조하였다.
비교예 1
MgO, SiO2 를 불포함하여 1500 에서 열처리 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 녹색 형광체를 제조하였다.
비교예 2
MgO, SiO2 를 불포함 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 녹색 형광체를 제조하였다.
실험예 1: 형광체 스펙트럼 분석
실시예 1,2 및 비교예 1,2에 따른 형광체의 스펙트럼을 분석하였으며 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
도 3 내지 도 5는 각각 실시예 1,2 및 비교예 1,2의 형광체 스펙트럼 전체, 발광 중심 파장 이하 영역의 스펙트럼, 발광 중심 파장 초과 영역의 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
구분 발광 중심 파장 [nm] 반치폭 [nm] 전체 스펙트럼 면적 발광 중심 파장 이하 영역의 면적 발광 중심 파장 초과 영역의 면적 방출 스펙트럼의 면적비
(S1)
비교예1 538 105 112.4 44.4 68 1:1.53
비교예2 538 105 113.5 45.1 68.4 1:1.52
실시예1 538 115 124.5 44.5 80 1:1.80
실시예2 543 119 127.5 41.3 86.2 1:2.09
표1, 도 3 내지 도 5를 참조하면, 청색 광에 의하여 여기된 실시예들의 형광체들은 538 nm 이상 545 nm 이하 부근에서 발광 파장 대역을 나타내었으며, 반치폭은 비교예들에 비해 증가됨을 확인할 수 있었다.
또한, 실시예들의 방출 스펙트럼 면적비가 비교예들에 비해 증가되었는데, 이는 반치폭 증가 시에 발광 중심 파장 이하 영역의 면적의 감소 정도보다 발광 중심 파장 초과 영역의 면적 증가 정도가 상대적으로 큰 것에 기인한 결과이다.
실험예 2: 형광체 표면 분석
비교예 1,2 및 실시예 1,2의 형광체를 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope)을 사용하여 표면 상태를 분석하였으며, 이를 각각 도 6 내지 도 9에 도시하였다.
상기 도면들을 통하여 Mg 및 Si 이온이 도핑된 실시예의 형광체들은 비교예들과 다른 물질임을 확인할 수 있었다.
실험예 3: 형광체 입도 분석
입도분석기를 이용하여 부피 평균 입경을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 D10 [㎛] D50 [㎛] D90 [㎛]
비교예1 10.55 14.25 20.59
비교예2 13.92 22.03 35.46
실시예1 4.72 10.59 20.13
실시예2 5.08 10.61 20.47
상기 표 2를 참조하면, 비교예들과 실시예들의 형광체는 부피 평균 입경이 전혀 상이한바, 다른 물질로 된 형광체임을 확인 할 수 있었다.
실험예 4: 형광체의 연색성 평가
실시예 1 및 비교예 1의 연색성을 평가하였으며 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
구분 CRI R9
비교예1 62.8 -124.4
실시예1 68.8 -78.0
상기 표 3을 참조하면, 실시예 1이 비교예 1에 비하여 CRI 값이 6.0 정도 증가 하였는바, 연색성이 매우 개선되었음을 확인할 수 있었다.
실험예 5: 발광 소자 패키지의 방출 스펙트럼 분석
실시예 1,2 및 비교예 1,2의 녹색 형광체에 Sr,CaAlSiN:Eu2 +의 적색 형광체를 하기 표 4의 함량비로 포함하여 발광 소자 패키지를 제조하였다.
형광체 함량
녹색 형광체 적색 형광체
비교예1 95.0 % 5.0 %
비교예2 94.7 % 5.3 %
실시예1 96.7 % 3.3 %
실시예2 98.0 % 2.0 %
제조된 발광 소자 패키지의 색 좌표 값을 하기 표 5에 나타내었고, 방출 스펙트럼을 분석하였다.
구분 Cx Cy CCT [K]
비교예1 0.343 0.351 5065
비교예2 0.344 0.352 5038
실시예1 0.342 0.351 5109
실시예2 0.343 0.351 5066
도 10은 실시예 1,2 및 비교예 1,2의 형광체를 포함하는 발광 소자 패키지의 방출 스펙트럼이다. 상기 도 10 및 표 5를 참조하면, 실시예들을 포함하는 발광 소자 패키지의 경우 적색 형광체를 비교예들의 발광 소자 패키지에 비하여 소량으로 사용하더라도 비교예들의 발광 소자 패키지와 극히 유사한 색 좌표를 나타내었다.
한편, 방출 스펙트럼에 있어 실시예들을 포함하는 발광 소자 패키지의 경우 발광 중심 파장 이하 영역의 경우 면적이 감소되었더라도 발광 중심 파장 초과 영역의 면적 증가 정도가 더 큰 바 반치폭이 증가됨을 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 (13)

  1. 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 제1 형광체;를 포함하며,
    상기 제1 형광체는,
    하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하고,
    하기 수학식 1로 표시되는 방출 스펙트럼의 면적비(S1)는 1: 1.75 이상 1: 2.1 이하인 발광 소자 패키지.
    [화학식 1]
    LuaAlbXcYdOe:Cez
    (식 중, X는 2족 원소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 양이온이고, Y는 14족 원소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 양이온이며, 2 < a < 3 이고, 0 < b < 5 이며, 0 < c < 2 이고, 0 < d < 2 이며, 10 < e < 12 이고, 0 < z < 1임)
    [수학식 1]
    S1= 발광 중심 파장 이하 영역의 면적: 발광 중심 파장 초과 영역의 면적.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 몰딩부는 상기 발광 소자에서 방출된 광에 의하여 여기 되어 적색 파장 영역의 광을 방출하는 제2 형광체를 포함하는 발광 소자 패키지.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 형광체 및 상기 제2 형광체 총 100 중량%에 대하여
    상기 제1 형광체는 96 중량% 이상 99 중량% 이하로 포함되고, 상기 제2 형광체는 1 중량% 이상 4 중량% 이하로 포함되는 발광 소자 패키지.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 발광 소자는 청색 또는 자외선 파장 영역의 광을 방출하고,
    상기 발광 소자 패키지는 백색광을 방출하는 발광 소자 패키지.
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