KR102449767B1 - 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물, 세라믹 형광체 플레이트 및 발광장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 형광체 및 글래스프릿(glass frit)을 포함하는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물에 있어서, 산화물 La₂O₅, Nb₂O₅ 또는 이들의 혼합물이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 굴절률이 높은 산화물을 글래스에 첨가하여 형광체와의 굴절률 차를 최소화함으로써 광 추출 효율을 향상시킨 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물 및 그 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물을 이용하여 제조된 세라믹 형광체 플레이트 및 그 플레이트를 적용한 발광장치를 제공할 수 있다.

Description

세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물, 세라믹 형광체 플레이트 및 발광장치{Composition for Manufacturing Ceramic Fluorescent Plate, Ceramic Fluorescent Plate and Light Emitting Apparatus}

본 발명은 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물, 세라믹 형광체 플레이트 및 발광장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고굴절률을 가지는 물질을 이용하여 형광체 입자 내 전반사 손실을 방지하여 광 추출 효율을 증가시킬 수 있는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물, 세라믹 형광체 플레이트 및 발광장치에 관한 것이다.

최근 유력한 차세대 광원으로 떠오르고 있는 발광 다이오드(LED)는 낮은 전기 소비, 높은 밝기, 긴 수명 및 환경친화적인 소자로서 기존의 조명 장치에 대한 잠재적인 대체 광원으로 간주되고 있다. 백색 LED는 일본의 S. Nakamura가 개발하였다. 먼저 청색 LED 칩이 개발되어 가시광선 영역 전체의 빛을 LED로 구현할 수 있게 되었으머, 황색 형광을 나타내는 형광체와 청색 LED를 조합하여 백색의 빛이 만들어 진다. 이 방식이 최초로 개발되어 현재 가장 일반적으로 사용되는 백색 LED이며, 그 밖에도 적, 녹, 청색의 LED를 조합하거나 2종류 이상의 형광체를 조합하는 방식도 있다. 형광체 도포를 위한 LED 봉지재는 주로 에폭시를 사용하여 왔으나, 최근에는 고굴절율, 고경도, 공정효율성을 가지는 실리콘 봉지재의 개발이 많이 이루어지고 있다. 그러나 실리콘소재도 유기물로서 내열성, 내자외선성에 한계를 가지고 있어 최근에는 세라믹 플레이트 형광체가 떠오르고 있다. 세라믹 플레이트 형광체에는 세라믹 소결 타입, 결정화유리 타입, 유리분말 소결 타입 등이 개발되고 있다. 그 중에서 유리분말 소결 타입은 형광체 함량을 자유롭게 조절할 수 있고, 색좌표, 연색지수 등 조절을 위해 이종의 형광체를 자유자재로 혼합하여 사용할 수 있어 가장 유망한 기술로 볼 수 있다.

Glass 조성물이 산화물 형광체로만 한정되어 있는데, 그 중에서도 특히 YAG 형광체로 한정되어 있다. YAG와 같은 산화물 형광체만 적용할 경우 내열온도가 800℃ 이상으로 글래스 조성이 복잡해 질 필요가 없다. 그러나 산화물 형광체 만으로는 다양한 색 좌표와 색 온도 구현이 어렵다는 단점이 있어서, 다양한 색온도 구현을 위해 Red 형광체와 Yellow 형광체간 적절한 양이 혼합되어 사용되어야 한다.

LED 제품에 적용되는 세라믹 형광체 플레이트의 경우 형광체와 레진(resin) 또는 글래스(glass) 간의 굴절률 차로 인해 광산란 발생하고, 형광체 입자 내의 전반사가 일어나서 광 추출 효율이 떨어지는 문제점이 발생한다.

본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 굴절률이 높은 산화물을 글래스에 첨가하여 형광체와의 굴절률 차를 최소화함으로써 광 추출 효율을 향상시킨 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물을 제공할 수 있도록 한다. 또한, 상기 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물을 이용하여 제조된 세라믹 형광체 플레이트 및 그 플레이트를 적용한 조명장치를 제공할 수 있도록 한다.

본 발명의 실시예들은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로, 형광체 및 글래스프릿(glass frit)을 포함하는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물에 있어서, 산화물 La₂O₅, Nb₂O₅ 또는 이들의 혼합물이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물을 제공한다.

또한, 상기 La₂O₅의 함량은 15 내지 30중량% 인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 Nb₂O₅의 함량은 1 내지 10중량% 인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 글래스프릿은 SiO₂-B₂O₃-ZnO계인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 글래스프릿은 SiO₂, B₂O₃ 및 ZnO₃의 총합이 45 내지 80 중량%의 범위로 포함된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 글래스프릿제조시 Li₂O를 첨가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 형광체는 YAG 또는 LuAG 계열인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 형광체는 Nitride, Sulfide 및 Silicate 계열의 형광체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 더 혼합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 글래스프릿은 평균 입자의 크기가 2㎛ 이상인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 형광체 및 글래스프릿(glass frit)에, La2O5, Nb2O5 또는 이들의 혼합물인 산화물을 첨가한 조성물을 압축성형 후 소결하여 제조된 세라믹 형광체 플레이트를 제공한다.

또한, 상기의 세라믹 형광체 플레이트를 포함하는 발광장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 굴절률이 높은 산화물을 글래스에 첨가하여 형광체와의 굴절률 차를 최소화함으로써 광 추출 효율을 향상시킨 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물 및 그 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물을 이용하여 제조된 세라믹 형광체 플레이트 및 그 플레이트를 적용한 발광장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리모트 타입(Remote type), 칩 다이렉트(chip direct) 타입의 모식도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플레이트 가공 후 광 특성 측정 방법의 모식도.

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.

본 발명의 실시예는 종래 LED 제품에 적용되는 형광체 플레이트에서 형광체와 레진(resin) 또는 글래스(glass) 간의 굴절률 차이로 인해 발생하는 광산란을 감소시키고자 하는 것으로, 즉 두 매질간 굴절률 차를 최소화하여 굴절률 차이로 인한 형광체 입자 내 전반사 손실이 발생하는 것을 막아 광 추출 효율을 향상시키고자 하는 것이다.

이를 위한 본 발명의 실시예는 레진(Resin)에 비해서 굴절률이 높은 글래스(Glass)를 이용해 광추출 효율을 향상시키도록 하는데, 이는 도 1에 도시된 리모트 타입(Remote type) 뿐만 아니라 칩 다이렉트(chip direct) 방식에도 유리한 것이다. 광원에서 출사되는 빛은 형광체를 포함하는 플레이트형 형광체층을 경유하면서, 형광체(이를 테면, 인형광물질 등)를 통해 저파장의 백색광으로 최종적으로 변환하게 된다.

본 발명의 실시예는 형광체 및 글래스프릿(glass frit)을 포함하는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물에 있어서, 고굴절률의 산화물로서 La2O5, Nb2O5 또는 이들의 혼합물이 더 포함되는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물에 관한 것이다.

상기 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물은 SiO₂-B₂O₃-ZnO 계 조성의 글래스프릿(glass frit)을 사용하여, 주요 글래스 조성은 SiO₂, B₂O₃, ZnO₃ 종이며 3종의 총합이 45 내지 80 중량%의 범위로 포함되는 것이 바람직하다. 45중량% 미만이 포함되는 경우 유리안정성 저하 및 투과율이 저하되며 이는 세라믹 형광체 플레이트 광속 저하를 초래하므로 바람직하지 않으며, 80중량% 보다 많은 양이 포함되는 경우 glass frit 의유리전이점 및 유리연화점의 증가로 인해 세라믹 형광체 플레이트 제작시 형광체의 열화로 인해 광속이 저하되므로 바람직하지 않다.

상기 글래스프릿은 평균 입자의 크기가 2㎛ 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 나아가, 상기 글래스프릿는 평균입경이 2㎛ 내지 20㎛일 수 있고, 바람직하게는 2㎛ 내지 15㎛일 수 있다. 글래스 프리트의 입경을 작게 할 경우 소결 후 내부 기공율이 줄어 광 특성 향상에 유리하다. 상기 글래스 프리트의 입경이 20㎛를 초과할 경우, 추후 형광체와 혼합하여 소결할 경우 다수의 기공(pore)이 형성될 우려가 있다. 반면, 상기 글래스 프리트의 입경이 2㎛ 미만일 경우에는 형광체와 혼합될 때 충분히 분산되지 못하여 충분히 형광체를 패시베이션할 수 없게 될 우려가 있고, 밀링(milling)하는 시간이 증가함에 따라 오염도도 증가하여 소결 후에 백색도 유지가 어렵게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 조성물은 상기 글래스프릿에고굴절률의 산화물로서 La₂O₅, Nb₂O₅ 또는 이들의 혼합물을 더 첨가하는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물에 관한 것으로, 상기 La₂O₅의 함량은 15 내지 30중량% 이고, 상기 Nb₂O₅의 함량은 1 내지 10중량% 인 것이 바람직하다. La₂O₅, Nb₂O₅모두 상기 범위이하일 경우 굴절률 증가에 효과가 없으며, 상기 범위 이상일 경우 유리전이점 및 유리 연화점 증가로 세라믹 형광체 플레이트의 소성온도가 증가된다.

또한 본 발명에 따른 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물을 650℃이하 소성을 위해 alkali(Na₂O, Li₂O, K₂O) 원소 첨가할 수 있으며, 첨가되는 함량은 2내지 15 중량%가 포함될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 조성물의 상기 형광체는 YAG 또는 LuAG 계열인 것을 사용할 수 있으며, 또한 상기 YAG 또는 LuAG 계열의 형광체에 Nitride, Sulfide 및 Silicate 계열의 형광체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 더 혼합하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 일양태는, 형광체 및 글래스프릿(glass frit)에, La₂O₅, Nb₂O₅ 또는 이들의 혼합물인 산화물을 첨가한 조성물을 압축성형 후 소결하여 제조된 세라믹 형광체 플레이트에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 다른 양태는, 상기의 세라믹 형광체 플레이트를 포함하는 조명장치로 구현할 수 있다.

도 2에 도시된 것은, 본 발명에 따른 형광체 조성물을 이용하여 플레이트화한 구조물을 적용한 조명장치를 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 조명장치는 상술한 실시예들에에 따른 형광체 조성물을 이용하여 제조되는 세라믹 형광체 플레이트(2200)를 포함한다. 이 경우, 세라믹 형광체 플레이트(2200)는 광원(2100)으로부터 이격되도록 구비된다. 상기 광원으로부터 이격되는 거리는 10㎜ 내지 20㎜일 수 있다. 상기 이격거리는 바람직하게는 12㎜ 내지 18㎜일 수 있다. 상기 이격 거리가 20㎜를 초과할 경우에는 광추출이 충분히 이루어지지 않을 우려가 있다. 반면 상기 이격거리가 10㎜ 미만일 경우, 광원(2100)으로부터 발생되는 열에 의하여 세라믹 형광체 플레이트(2200)가 열변형을 일으킬 우려가 있다.

아울러, 본 일실시예에서의 상기 조명장치는 광원(2100)을 중심으로 하여 바닥면에서 위쪽으로 갈수록 넓어지는 형태의 하우징(2300)을 포함한다. 광원(2100)으로는 광을 출사하는 광소자로서, 일례로 고체발광소자가 적용될 수 있다. 상기 고체발광소자는 LED, OLED, LD(laser diode), Laser, VCSEL 중 선택되는 어느 하나가 적용될 수 있다. 하우징(2300)의 상단부에 세라믹 형광체 플레이트(2200)가 구비되어, 광원(2100)으로부터 이격되도록 배치된다. 세라믹 형광체 플레이트(2200)는 상술한 바와 같이 유리 프리트로 이루어진 매트릭스 및 매트릭스 중에 분산되어 있는 세라믹 형광체를 포함한다. 하우징 내부는 세라믹 형광체 플레이트(2200)의 굴절률 보다 높거나 같은 굴절률을 갖는 물질로 충진할 수 있다.

또한, 이러한 형태의 적분구(積分球)로서 광특성을 측정할 수 있다. 상기 적분구는 내부의 휘도가 어느 각도에서든지 일정하며, 시료 표면에서 반사되는 빛을 모두 포획하여 적분구 표면에 고른 조도로 분포되게 한다. 적분구 내벽의 코팅 재료로 특수 페인트나 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, polytetrafluoroethylene)등이 있으며 그 내부가 오염되지 않도록 주의한다. 분광 투과율의 경우는 시료 없이 투과되는 빛을 100%로 두고 철판 등 불투명 물체로 빛을 완전 차단한 경우를 0%로 한다. 투과색 중 투과 물질 내에서의 분산 효과가 클 때는 적분구를 이용하여 측정하는 것이 바람직하다.

상기 적분구는 W_T가 55㎜ 내지 60㎜, W_B가 35㎜ 내지 40㎜, H가 15㎜ 내지 20㎜의 크기로 준비한다. 우선 세라믹 형광체 플레이트(2200)가 없는 상태에서 광원(2100)인 청색 LED의 광복사속(radiant flux)을 측정한다. 이후, 세라믹 형광체 플레이트(2200)를 장착하여 광속(lumens)을 측정한 후, 앞서 측정한 청색 LED의 광복사속 값으로 나누면 광효율을 구할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.

[실시예]

1. Glass 제조 공정

1) 산화물 원재료 칙량

2) 볼밀(Ball Mill)을 통해 혼합(48hr)

3) 혼합된 분말을 백금 도가니에 넣고 용융(1300℃, 30분)

4) Glass 용융물을 Twin Roller에 부어 냉각(Quenching) 진행 (Glass Cullet 제조)

5) 제조된 Glass Cullet을 원하는 입도가 되도록 볼밀(Ball Mill), 제트밀(Zet Mill) 등을 이용하여 분쇄하여 글래스프릿 제조

2. 형광체 플레이트(phosphor plate) 제조공정

1) 제조된 Glass Frit 과 형광체 혼합

- 3000K 색온도 구현 시 : 550nm LuAG 형광체 7%, 620nm Nitride 형광체 2% 혼합

- Glass 의 소결 후 투과도와색차에 따라 형광체 혼합량은 미량 변경될 수 있음

- 상기 혼합량은 1T 기준 (0.5T 로 두께가 낮아지면 형광체 혼합량은 약 2배로 증가)

2) Powder Mixing

- Ball Mill을 통해 혼합된 분말을 충분히 Mixing 및 분산

3) 압축성형(Press)

- Sus몰드에 혼합된 분말을 넣고 일축성 Press 진행 (7 Ton, 5 분)

4) 소결(sintering)

- 프레스 공정을 거친 성형물을소결로에 넣고 소결(Glass Tg에 따라 소성 조건 상이)

4) 연마(Polishing)

- Polishing을 통해 Plate의 두께와 표면 연마 진행

- 표면 조도 0.2 um로 경면 가공

3. 형광체 플레이트(phosphor plate) 광속 측정(remote type)

- 두께 1T로 가공 후 도 2와 같이 Remote Phosphor 형태로 적분구를 이용하여 측정

- Plate가 없는 상태에서 Blue LED의 Radiant Flux 를 측정

- Plate를 거치 후 측정된 Lumen 값에 상기 Blue의 Radiant Flux 값으로 나눠 lm/Wrad.blue 값을 구하여 Plate 마다의 광 특성 비교

[실험결과]

표 1의 범위내에서 조성 설계하여 실험을 진행하였다.

SiO2	ZnO	B2O3	La2O3	Nb2O5	Li2O
6.25	20.86	16	10~18	1~5	2~7

설계 조성 바탕으로 글래스프릿(Glass frit) 제작 후 열특성, 굴절률, 투과율을 측정하였다.

		실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4
조성(%)	SiO2	10.40	10.40	10.66	9.83	9.83	9.83	10.66	10.66
	B2O3	26.62	26.62	27.30	25.15	25.15	18.08	19.62	24.74
	ZnO	34.70	34.70	35.59	32.79	32.79	32.79	35.59	35.59
	Li2O	3.33	3.33	3.41	11.00	3.14	11.00	3.41	11.94
	La2O3	16.64	16.64	17.06	15.72	28.30	28.30	30.71	17.06
	Nb2O5	8.32	8.32	5.97	5.50	0.79	0.00	0.00	0.00
열특성(℃)	Ts	680.00	663.00	663.00	650.00	644.00	620.00	634.00	647.00
소성 후 굴절률		1.72	1.72	1.69	1.72	1.74	1.78	1.76	1.68
소성 후 투과율(%)		41.00	45.00	39.00	45.00	38.00	32.00	32.00	41.00

열특성, 굴절률, 투과율 각 특성 고려하여 고투과율, 고굴절률을 가지는 실시예 4를 선정하여 세라믹 형광체 플레이트를 제작한 후 평가를 진행하였다.

선정기준으로는 Ts 650℃이하, 굴절률1.7 이상, 투과율 40% 이상으로 선정하였다.

비교예 5로는 Ts 600℃이하, 굴절률1.6 이하, 투과율 50% 이상을 선정하였다.

Glass	형광체	실장결과
		색좌표		광속	목표대비
		Cx	Cy	(lm@1.5A 6chip) 500~510mA 기준	2280lm → 2330lm140820
비교예 5	BY102D(24%)	0.3322	0.3442	2281	97.9%
실시예 4	BY102D(23%)	0.3368	0.3497	2332	100.1%

고굴절글래스프릿(Glass frit)인 실시예의 실장 평가 결과 비교예 대비 약 2% 광속이 개선되었음을 알 수 있다.

2100: 광원
2200: 세라믹 형광체 플레이트
2300: 하우징

Claims (11)

1. 광원;
   상기 광원에서 이격되는 형광체플레이트; 및
   상기 광원 및 상기 형광체플레이트를 수용하는 하우징;을 포함하며,
   상기 형광체플레이트는 형광체, 글래스프릿(glass frit) 및 산화물 La2O5, Nb2O5 또는 이들의 혼합물을 포함하고,
   상기 La2O5의 함량은 상기 형광체플레이트의 중량 대비 10 내지 18중량%이고,
   상기 Nb2O5의 함량은 상기 형광체플레이트의 중량 대비 1중량% 이상이고,
   상기 글래스프릿은 SiO2-B2O3-ZnO계이고,
   상기 글래스프릿은 SiO2, B2O3 및 ZnO3의 총합이 형광체플레이트의 중량 대비 45 내지 80 중량%의 범위인 조명장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 형광체는 YAG 또는 LuAG 계열인 조명장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 글래스프릿은 평균 입자의 크기가 2㎛ 이상인 조명장치.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제

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