KR20030060280A - 발광 다이오드 장치 및 이를 이용한 조명 기구, 표시 장치그리고 백라이트 장치 - Google Patents

발광 다이오드 장치 및 이를 이용한 조명 기구, 표시 장치그리고 백라이트 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발광 다이오드 장치 및 조명 기기에 관한 것으로, 자연광에 가까운 색도 및 칼라 렌더링을 보이고, 제작을 용이하게 하기 위한 목적을 가지고 있다. 이러한 목적을 달성하기 위하여, 백색의 구성색이 되는 적색, 녹색, 청색의 형광체를 적절한 비율로 혼합한 형광체를 사용한다. 본 발명에 따른 발광 다이오드 장치는, 발광 다이오드가 있고, 백색 형광체가 발광 다이오드에서 나오는 광을 흡수하여 적, 녹, 청의 광을 방출하며, 이러한 발광 다이오드 및 백색 형광체를 수지가 몰딩하고 있다. 여기서, 백색 형광체는 적색 형광체, 녹색 형광체 및 청색 형광체를 혼합하여 이루어진다.

Description

발광 다이오드 장치 및 이를 이용한 조명 기구, 표시 장치 그리고 백라이트 장치 {LIGHT EMITTING DIODE DEVICE AND ILLUMINATOR, DISPLAY, AND BACK LIGHT USING THE SAME}
본 발명은 발광 다이오드 장치 및 이를 이용한 조명 장치에 관한 것으로 특히, 백색을 구현하는 것에 관한 것이다.
발광 다이오드는 화합물 반도체의 PN 접합 다이오드로서, 전압을 가하면 빛을 방출한다. 즉, 반도체의 접합 구조에 전압을 가하여 소수 캐리어 (전자 또는 정공)를 만들어내고, 이들의 결합을 통하여 발광하는 장치이다.
종래의 반도체 발광 다이오드 장치에서, 백색 램프 기술은 청색의 발광 다이오드 칩에서 나오는 청색의 광을 YAG(이트륨-알루미늄-가넷 화합물: Yttrium-Aluminum-Garnet) 형광체를 통과시켜 일부의 광을 적색 및 녹색의 에너지 대역의 광으로 변환하고, 이 변환된 광과 YAG 형광체를 투과하여 나온 청색광을 조합하여 백색을 구현한다.
이러한 발광 다이오드 장치에서 청색 광원으로 사용하는 반도체 다이오드 칩은 일정한 특성을 가져야 하는데, 특히 발광 파장 및 스펙트럼의 분포는 형광체를 여기시키는 광원과 관계가 있으므로 특히 중요하다.
그러나 발광 다이오드 장치를 사용하는 중에 발광 다이오드 칩에 온도 변화 및 특성 변화가 있을 경우 색 지수의 발란스가 흐트러져 백색의 색 지수가 변하게된다. 또한, 형광체를 통하여 변화되는 광과 형광체를 투과하는 광의 조합으로 백색을 구현하므로, 백색의 색도 및 칼라 렌더링의 구현에 제한이 있으며, 특히 자연색의 구현이 어렵다. 또한, 형광체에서 에너지 변환되는 광과 투과하는 광의 양의 비가 일정하게 유지되어야만 적절한 색 지수를 가지는 백색이 표출되는데, 이를 위하여 발광 다이오드 장치를 제작하는 중에 형광체의 물질 특성을 정밀하게 제어해야 하는 제작상 어려움이 있다.
본 발명은 자연광에 가까운 색도 및 칼라 렌더링을 보이는 발광 다이오드 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 제작이 용이한 발광 다이오드 장치를 제공하고자 한다.
도 1은 본 발명에 사용되는 발광 다이오드 칩의 개략적인 단면도이고,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드 장치의 개략적인 단면도이고,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 다이오드 장치의 개략적인 단면도이고,
도 4는 본 발명에 사용되는 적색 형광체의 SEM 사진이고,
도 5 및 도 6은 본 발명에 사용되는 적색 형광체의 파장에 따른 여기 강도 및 발광 강도를 그래프로 각각 나타낸 것이고,
도 7은 본 발명에 사용되는 녹색 형광체의 SEM 사진이고,
도 8 및 도 9는 본 발명에 사용되는 녹색 형광체의 파장에 따른 여기 강도 및 발광 강도를 그래프로 각각 나타낸 것이고,
도 10은 본 발명에 사용되는 청색 형광체의 SEM 사진이고,
도 11 및 도 12는 본 발명에 사용되는 청색 형광체의 파장에 따른 여기 강도 및 발광 강도를 그래프로 각각 나타낸 것이고,
도 13 및 도 14는 기존의 백색 발광 다이오드 장치 및 본 발명에 따른 백색 발광 다이오드 장치의 파장 변환 및 분포를 각각 나타낸 것이다.
본 발명은 이러한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 백색의 구성색이 되는 적색, 녹색, 청색의 형광체를 적절한 비율로 혼합한 형광체를 사용한다.
상세하게, 본 발명에 따른 발광 다이오드 장치는, 발광 다이오드가 있고, 백색 형광체가 발광 다이오드에서 나오는 광을 흡수하여 적, 녹, 청의 광을 방출하며, 이러한 발광 다이오드 및 백색 형광체를 수지가 몰딩하고 있다.
여기서, 백색 형광체는 적색 형광체, 녹색 형광체 및 청색 형광체의 혼합으로 이루어질 수 있다. 이 때, 적색 형광체는 K(WO4)1.25:Eu,Sm 계열로 구성될 수 있고, 녹색 형광체는 (BaSr)2SiO4:Eu 계열로 구성될 수 있고, 청색 형광체는(SrMg)5(PO4)3Cl:Eu 계열로 구성될 수 있다. 여기서, 백색 형광체는 적색 형광체: 녹색 형광체: 청색 형광체가 50 : 5 :1의 질량 비율을 가지고 구성될 수 있다. 또한, 형광체 개량시 다른 질량비율을 가질 수 있다.
발광 다이오드는 350∼415nm 대역의 파장을 방출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 조명 기기는 이러한 발광 다이오드 장치를 이용하여 제조될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드 장치에 사용되는 발광 다이오드 칩의 단면 구조를 나타낸 것이다.
사파이어로 알려진 알루미늄 산화물(Al2O3)로 구성된 결정 성장의 기판(10) 위에 GaN으로 이루어진 버퍼층(20), N형 GaN으로 이루어진 전자 생성층(30), InGaN으로 이루어진 활성층(40), P형 AlGaN으로 이루어진 P형 클래드층(50), P형 GaN으로 이루어진 정공 생성층(60)이 순차적으로 형성되어 있다.
이러한 다층 구조에서의 각 층(20, 30, 40, 50, 60)은 사파이어로 구성된 결정 성장의 기판(10) 위에 에피택셜 성장을 통하여 형성된다.
여기서, 결정 성장의 기판(10)의 종류는 에피택셜 성장으로 형성될 후속 층(20, 30, 40, 50, 60)의 물질 특성에 따라 적절한 것을 선택한다. 예를 들어, 이 실시예에서와 같이, GaN 계열의 반도체층(20, 30, 40, 50, 60)을 성장시킬 경우에는 결정 성장의 기판(10)으로 사파이어 기판을 사용하는 것이 적절하다.
이 때, 버퍼층(20)은 결정 성장시에 기판(10)과 후속층(30, 40, 50, 60)의 격자 부정합을 줄이는 역할을 한다.
정공 생성층(60) 위에는 Ni/Au의 이중층 구조를 가지는 투명 전극층(70)이 형성되어 있다. 그리고, P형 패드(81)가 투명 전극층(70)에 접촉되어 있고, N형 패드(82)가 전자 생성층(70)에 접촉되어 있다.
여기서, P형 패드(81)는 Ti/Au의 적층 구조로 형성될 수 있고, N형 패드(82)는 Ti/Al의 적층 구조로 형성될 수 있다.
P형 패드(81)에는 정공 생성층(60)에 정공을 생성하는데 필요한 전압이 인가되고, N형 패드(82)에는 전자 생성층(30)에 전자를 생성하는데 필요한 전압이 인가된다.
여기서, 투명 전극층(70)은 P형 패드(81)를 통하여 들어온 전압을 정공 생성층(60)에 골고루 인가하는 역할을 한다.
활성층(40)은 언급한 바와 같이, InGaN으로 형성되어 있는데, InN의 밴드갭인 1.9eV와 GaN의 밴드갭인 3.4eV를 이용하여 3.06eV의 밴드갭과 양자우물을 만들어서 전자 및 정공 재결합시에 405nm 부근의 발광 파장을 만들어 낸다.
여기서, 활성층(40)을 이루는 물질의 종류에 따라 전자 및 정공이 결합하여 발생하는 발광 파장이 달라진다. 따라서, 어느 대역의 파장을 이용할 것인가에 따라 활성층(40)을 이루는 반도체 재료를 조절하여 발광 다이오드 칩을 형성하는 것이 바람직하다.
이러한 발광 다이오드 칩의 구조는 일 실시예에 불과하며, 어떤 발광 다이오드 장치를 제작할 것인가에 따라 PN 접합을 기본으로하여 다양하게 변경하여 형성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드 장치의 단면도를 개략적으로 나타낸 것이다.
움폭 패인 컵 형상의 함몰부(103)가 형성되어 있는 제1 몸체(101)와 제1 몸체(101)와 소정의 간격을 두고 위치하는 제2 몸체(102)로 이루어진 리드프레임(100)에 발광 다이오드 칩(C)이 본딩되어 있다.
여기서, 발광 다이오드 칩(C)은 리드프레임(100)의 함몰부(103)에 다이 본딩되어 있고, 발광 다이오드 칩(C)의 P형 패드와 N형 패드 중 하나의 패드는 리드프레임(100)의 제1 몸체(101)에 와이어 본딩되어 있고, 나머지 다른 하나의 패드는 리드프레임(100)의 제2 몸체(102)에 와이어 본딩되어 있다. (201)와 (202)는 와이어를 나타내는데, 통상의 경우 전성, 연성 및 전도성이 우수한 Au 계열로 형성된 것을 사용한다.
발광 다이오드 칩(C)에서 P형 패드로부터 N형 패드로 전류를 흘리면, 활성층의 전자 및 정공이 결합하면서 발광을 한다. 도 1을 참조하여 설명한 발광 다이오드 칩의 경우에는 활성층을 InGaN으로 형성하고 있으므로, 자색 광을 방출한다.
발광 다이오드 칩(C)이 본딩되어 있는 리드프레임(100)의 함몰부(103)에는 백색 형광체 및 에폭시 수지의 혼합물(200)이 충진되어 있다.
이를 위하여, 발광 다이오드 장치를 제작하는 과정 중에 리드프레임(100)의 함몰부(103)에 백색 형광체 및 에폭시 수지의 혼합물(200)을 도포한 후, 경화한다.여기서, 리드프레임(100)의 함몰부(103)의 깊이 및 너비는 도포하고자 하는 형광체의 양에 따라 다양하게 조절할 수 있다.
여기서, 백색 형광체는 적색, 녹색, 청색의 형광체가 혼합되어 있는 상태로서, 이러한 형광체에 대해서는 후술한다.
그리고, 에폭시 수지로 이루어진 에폭시 렌즈(300)가 발광 다이오드 칩(C)과 리드프레임(100)의 함몰부(103)를 충진하는 형광체 및 에폭시 수지의 혼합물(200)을 밀봉하고 있다. 에폭시 렌즈(300)는 형광체를 통하여 방출되는 빛을 원하는 각도로 모으는 역할을 한다. 여기서, 에폭시 렌즈(300)는 도 2에 도시한 바와 같이, 램프 형상으로 형성될 수 있으며, 그 외에 원하는 여러 가지 형태로 제작이 가능하다.
이러한 발광 다이오드 장치에서, 발광 다이오드 칩(C)에 소정의 전압을 인가하면, 발광 다이오드 칩(C)이 소정의 파장 대역 예를 들어, 자색의 파장을 방출한다. 이 자색의 파장은 모두 백색 형광체(200)에 흡수되어 백색 형광체(200)를 구성하는 적색, 녹색 및 청색의 형광체를 여기하여 각각 적색, 녹색 및 청색의 파장을 낸다. 백색 형광체(200)를 통하여 만들어진 적색, 녹색 및 청색의 파장은 서로 중첩하여 백색을 구현한다.
여기서, 백색 형광체는 적색 형광체: 녹색 형광체: 청색 형광체가 서로 다른 질량 비율로 혼합하여 형성할 수 있는데, 예를 들어, 50 : 5 :1의 질량 비율로 적, 녹, 청의 형광체를 혼합하여 형성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 다이오드 장치의 단면도를 개략적으로 나타낸 것이다.
평평한 표면을 가지는 리드프레임(110)위에 발광 다이오드 칩(C)이 다이 본딩되어 있다. 리드프레임(110)에는 두 개의 전극(111, 112)이 형성되어 있고, 이들 전극(111, 112)은 발광 다이오드 칩(C)과 와이어 본딩되어 있다. (201)와 (202)는 와이어를 나타낸다.
리드프레임(110)과 리드프레임(110)에 본딩되어 있는 발광 다이오드 칩(C)을 백색 형광체와 에폭시 수지의 혼합물(200)이 몰딩하고 있다.
이를 위하여, 발광 다이오드 장치를 제작하는 과정 중에 리드프레임(110) 및 발광 다이오드 칩(C)을 덮도록 백색 형광체 및 에폭시 수지의 혼합물(200)을 도포한 후, 경화한다. 이 경우, 백색 형광체가 혼합물(200) 전체에 골고루 분포하게 된다. 또한, 다른 방법으로 백색 형광체를 발광 다이오드 칩(C)의 상단 등 일부에 도포하고 경화한 후, 에폭시 수지로 리드프레임(110)과 백색 형광체가 도포된 발광 다이오드 칩(C)을 몰딩할 수 있다. 이 경우, 백색 형광체는 발광 다이오드 칩(C) 부분에만 분포하게 된다.
언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 발광 다이오드 장치에서의 백색 형광체는 적색, 녹색, 청색 형광체의 혼합으로 구성되어 있는데, 각각의 형광체에 대한 설명은 다음과 같다.
본 발명에서의 적색의 형광체는 예로써, K(WO4)1.25:Eu,Sm로 구성되어 있다. K(WO4)1.25는 형광체의 모체로써 작용하고, Eu, Sm는 도핑 물질이다. 이 도핑 물질의 농도의 조절을 통하여 적색 형광체의 발광 피크를 조절할 수 있다.
도 4는 이러한 적색 형광체의 SEM사진을 나타낸다. 그리고, 도 5와 도 6은 이러한 적색 형광체의 파장에 따른 여기 강도 및 발광 강도를 그래프로 각각 나타낸 것이다. 도 5 및 도 6에 보인 바와 같이, 이러한 적색 형광체의 여기 광원으로 350~415nm의 에너지를 사용할 수 있다. 따라서, 이러한 적색의 형광체와 350~415nm의 발광 파장을 방출하는 발광 다이오드를 사용하여 적색의 발광 다이오드 장치를 제작할 수 있다.
본 발명에서의 녹색 형광체는 예로써, (BaSr)2SiO4:Eu로 구성되어 있다. 마찬가지로, (BaSr)2SiO4은 모체로써 작용하고, Eu는 도핑 물질이다. 이 도핑 물질의 농도의 조절을 통하여 녹색 형광체의 발광 피크를 조절할 수 있다.
도 7은 이러한 녹색 형광체의 SEM사진을 나타낸다. 그리고, 도 8과 도 9는 이러한 녹색 형광체의 파장에 따른 여기 강도 및 발광 강도를 그래프로 각각 나타낸 것이다. 이러한 녹색 형광체의 여기 광원으로 200~415nm의 에너지를 사용할 수 있다. 따라서, 이러한 녹색의 형광체와 200~415nm의 발광 파장을 방출하는 모든 발광 다이오드를 사용하여 녹색의 발광 다이오드 장치를 제작할 수 있다.
본 발명에서의 청색 형광체는 예로써, (SrMg)10(PO4)6Cl2:Eu로 구성되어 있다. 마찬가지로, (SrMg)10(PO4)6Cl2은 모체로써 작용하고, Eu는 도핑 물질이다. 이 도핑 물질의 농도의 조절을 통하여 청색 형광체의 발광피크를 조절할 수 있다.
도 10은 이러한 청색 형광체의 SEM사진을 나타낸다. 그리고, 도 11과 도 12는 이러한 청색 형광체의 파장에 따른 여기 강도 및 발광 강도를 그래프로 각각 나타낸 것이다. 이러한 청색 형광체의 여기 광원으로 200~415nm의 에너지를 사용할 수 있다. 따라서, 이러한 청색의 형광체와 200~415nm의 발광 파장을 방출하는 모든 발광 다이오드를 사용하여 청색의 발광 다이오드 장치를 제작할 수 있다.
본 발명에서의 백색 형광체를 구성하는 상술한 적색, 녹색, 청색의 형광체는 모두 350~415nm에서 여기가 가능하기 때문에, 이들을 물리적으로 혼합한 형광체 역시 이 대역을 여기광원으로 사용할 수 있다.
도 13 및 도 14는 기존의 백색 발광 다이오드 장치 및 본 발명에 따른 백색 발광 다이오드 장치의 파장 변환 및 분포를 개략적으로 나타낸 것이다.
소정의 파장을 방출하는 기존의 발광 다이오드 장치는 도 13에 보인 바와 같이, 이 파장 중 일부는 YAG로 이루어진 황색 형광체를 여기(6)하여, 황색광(3)을 내는데 사용되고, 나머지 부분은 청색광(2)으로 그대로 투과(5)한다. 이렇게 하여 황색 형광체를 통하여 여기된 광(3)과 황색 형광체를 투과한 광(2)이 중첩(4)하여 백색광(4)을 구현하게 된다.
즉, 기존 방식을 발광 다이오드에서 방출하는 광 중 일부는 그대로 사용(2)하고, 나머지 일부는 형광체를 여기하는데 사용하는 방식이다. 이러한 방식은 형광체로 변화되는 에너지와 투과되는 에너지의 조절이 필요하기 때문에, 두 에너지 사이에 밸런스를 조절하는 것을 많은 제약이 따르게 된다. 뿐만 아니라, 백색을 구성하는 적색, 청색, 녹색의 반치폭을 조절할 수 없기 때문에, 자연광과 흡사한 광을 만들 수 없다.
그러나, 본 발명에서의 발광 다이오드 장치에서의 형광체는 도 13에 보인 바와 같이, 소정의 파장을 가지는 에너지(1)를 적색(4), 녹색(3), 청색(2)의 에너지로 각각 적정 비율, 예를 들어, 2.5:6.5:1의 비율로 바꾸는 역할을 한다. 이는 기존의 방식과는 다르게 발광 다이오드가 내는 파장 및 에너지가 전부 흡수되어 백색 형광체(실지로는 적색, 녹색 및 청색의 형광체)를 여기(6, 7, 8)하여 각각 청색(2), 녹색(3), 적색(4)의 파장을 낸다. 백색 형광체를 통하여 만들어진 청색(2), 녹색(3), 적색(4)의 파장은 중첩하여 백색광(5)을 구현한다.
본 발명에서는 각각의 형광체인 적색, 녹색 및 청색의 형광체를 통하여 백색을 구현하는 적색, 청색, 녹색의 반치폭을 조절할 수 있기 때문에, 색 재현이 우수하고 이들의 조절을 통하여 자연광과 흡사한 광을 만들 수 있다.
본 발명에서 발광하는 백색광(5)은 전부 백색 형광체에서 나오는 광만을 이용하므로, 발광 다이오드가 내는 에너지가 백색 형광체에 모두 흡수되도록 하는 것이 바람직하다. 그렇지 않을 경우 자색으로 벗어난 백색이 구현될 수 있다. 또한, 백색의 파장분포를 갖기 위하여 적절한 조건을 가지는 적색, 청색 및 녹색의 형광체를 설정하는 것이 유리하다. 본 발명의 실시예에서는 K(WO4)1.25:Eu,Sm 계열로 구성되는 적색의 형광체, (BaSr)2SiO4:Eu 계열로 구성되는 녹색의 형광체, (SrMg)5(PO4)3Cl:Eu 계열로 구성되는 청색의 형광체를 사용한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 적색, 청색 및 녹색의 형광체로 이루어진 백색의 형광체를 사용하여 발광 다이오드 칩에서 나오는 광을 백색으로 구현한다.
본 발명은 각종 조명 분야의 광원 부품을 에너지 및 색 파장 분야에서 디지털화가 가능하여 조명 분야의 획기적인 기술 혁신 및 신제품의 시장을 창출할 것으로 기대된다. 특히 종래의 조명이 칼라 렌더링 지수가 낮아 자연색의 표출이 불가능하였으나, 본 발명은 이러한 점의 보완이 가능하다. 또한, 각종 정보처리 기기의 고출력 백라이트(back-light), 각종 표시 소자에서의 백색 표시에 있어서, 상술한 발광 다이오드 장치를 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 백색 형광 발광 다이오드 장치에서는, 언급한 바와 같이 적색, 녹색, 청색 형광체가 각각 도핑 물질의 조절을 통해 반치폭 및 파장 이동이 가능하므로, 이러한 도핑 물질의 조절을 통하여 자연광과 거의 흡사한 광을 얻을 수 있다. 또한, 기존 방식인 발광 다이오드와 YAG 형광체를 사용하여 백색을 구현한 것에 비해 칼라 렌더링이 매우 우수하다. 또한, 본 발명에 따른 발광 다이오드 장치는 형광체를 구성하는 물질에 따라 색 특성을 조절하기 때문에 발광 다이오드 칩 특성의 미세한 차이에도 크게 영향을 받지 않아서 발광 다이오드 장치 제작시 효율을 증대시킬 수 있다.

Claims (9)

  1. 발광 다이오드,
    상기 발광 다이오드에서 나오는 광을 흡수하여 적, 녹, 청의 광을 방출하는 백색 형광체,
    상기 발광 다이오드 및 상기 백색 형광체를 몰딩하는 수지
    를 포함하는 발광 다이오드 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 백색 형광체는 적색 형광체, 녹색 형광체 및 청색 형광체의 혼합으로 이루어지는 발광 다이오드 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 적색 형광체는 K(WO4)1.25:Eu,Sm 계열로 구성되어 있는 발광 다이오드 장치.
  4. 제2항에서,
    상기 녹색 형광체는 (BaSr)2SiO4:Eu 계열로 구성되어 있는 발광 다이오드 장치.
  5. 제2항에서,
    상기 청색 형광체는 (SrMg)5(PO4)3Cl:Eu 계열로 구성되어 있는 발광 다이오드 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 발광 다이오드는 350~415nm의 발광 파장을 방출하는 발광 다이오드 장치.
  7. 제1항에 따른 발광 다이오드 장치를 포함하는 조명 기구.
  8. 제1항에 따른 발광 다이오드 장치를 포함하는 표시 장치.
  9. 제1항에 따른 발광 다이오드 장치를 포함하는 백라이트 장치.
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