KR20030092758A - 백색 발광 다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 백색 발광 다이오드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 430㎚ 내지 530㎚의 파장의 광을 흡수하여 적색광 및 녹황색광을 방출하는 여기 발광 특성을 갖는 가넷계 형광체로 이루어진 백색 발광 다이오드에 관한 것이다.
본 발명에 따른 백색 발광 다이오드는 발광 파장이 430㎚ 내지 530㎚인 발광 다이오드 칩상에 소정의 자체 점도를 갖는 에폭시 수지를 도포하고, 상기 액상 에폭시 수지에 Cr3+이온과, Tb3+및 Tm3+이온으로 활성화된 가넷계 형광체를 분포시켜 백색광을 구현한다.
Cr3+이온으로 활성화된 가넷계 형광체는 Y, Gd로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소와, Al, Ga로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 Cr3+이온으로 활성화된 적색 여기 발광 특성을 갖는다.
Tb3+및 Tm3+이온으로 활성화된 가넷계 형광체는 Y, Gd로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소와, Al, Ga로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 Tb3+및 Tm3+이온으로 활성화된 녹황색 여기 발광 특성을 갖는다.

Description

백색 발광 다이오드{White Light Emitting Diode}
본 발명은 백색 발광 다이오드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액상 에폭시 수지에 Cr, Tm 및 Tb를 활성이온으로 하는 가넷계 형광체를 혼합함으로써 아주 넓은 파장의 스펙트럼을 갖도록 하여 우수한 색 안정성을 확보하고 색도도, 피크 에미션 파장 등을 향상시킨 백색 발광 다이오드에 관한 것이다.
일반적으로, 백색 발광 다이오드는 화합물 반도체의 P·N-접합 다이오드로 전압을 인가하여 빛을 발광하는 발광소자로서, 일반적으로 단일칩 또는 멀티칩을 사용하여 백색광을 구현할 수 있다.
멀티칩을 사용하여 백색광을 구현하는 경우, 일반적으로 적, 녹, 청색의 발광원으로 각각의 발광 다이오드를 사용함으로써 색의 연색성은 매우 뛰어나지만, 적, 녹, 청색의 휘도차에 따른 색혼합이 용이하지 않고, 각각의 칩마다 동작 전압이 불균일하며, 주변 온도에 따라 각각의 칩이 출력이 변하여 색 좌표가 달라진다는 등의 많은 문제점이 발생한다.
한편, 단일칩의 경우, 화합물 반도체의 발광 소자와 형광체를 결합하여 백색광을 구현하는데, 상기 발광 소자는 청색광을 방출하고, 형광체는 상기 청색광을 여기광원으로 이용하며 상기 여기광의 일부를 흡수하여 파장을 변환시킨다.
이와 같은 파장 변환광과 여기광이 혼합되어 백색광이 구현되고, 상기 형광체로는 흡수한 광의 파장과는 다른 황색광을 발광하는 이트륨 알루미늄 가넷계 형광체(YAG)가 일반적으로 사용된다.
그러나, 청색과 황색광과의 파장 간격이 넓어서 색 분리로 인해 섬광 효과(Halo effect)를 일으키기 쉽고, 발광 스펙트럼의 영역이 매우 좁아 색좌표가 동일한 백색 발광 다이오드르 양산하기 어렵다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은, 적색 여기 발광 특성과 녹황색 여기 발광 특성을 갖는 가넷 계열의 형광체로 발광 다이오드 칩으로부터 방출되는 일부광의 파장을 변환시킴으로써, 색안전성을 향상시키고, 균일한 백색을 구현하며 백색 발광 다이오드의 색도도 및 피크 에미션 등을 향상시키는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 백색 발광 다이오드는 발광 다이오드 칩과, 상기 발광 다이오드 칩을 봉지하는 에폭시 수지와, 발광 다이오드 칩으로부터 방출된 광을 흡수하여 파장 변환시키는 형광체를 구비한 백색 발광 다이오드에 있어서; 발광 파장이 430㎚ 내지 530㎚인 발광 다이오드 칩상에 소정의 자체 점도를 갖는 에폭시 수지를 도포하고, 상기 액상 에폭시 수지에 Cr3+이온과, Tb3+및 Tm3+이온으로 활성화된 가넷계 형광체를 분포시킨 것이다.
바람직하게, Cr3+이온으로 활성화된 가넷계 형광체는 Y, Gd로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소와, Al, Ga로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 Cr3+이온으로 활성화된 적색 여기 발광 특성을 갖는다.
보다 바람직하게, Tb3+및 Tm3+이온으로 활성화된 가넷계 형광체는 Y, Gd로이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소와, Al, Ga로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 Tb3+및 Tm3+이온으로 활성화된 녹황색 여기 발광 특성을 갖는다.
더 바람직하게, 형광체의 일반식은 (Y1-pGdp)3(Al1-x-yGaxCry)5O12이고, 단, 0≤p≤0.9, 0≤x≤0.99, 0.001≤y≤0.1 또는, (Y1-x-a-bGdxTbaTmb)3(Al1-yGay)5O12이고, 단, 0≤x≤1.0, 0≤y≤1.0, 0≤a≤0.1, 0≤b≤0.03, 바람직하게 a≒0.05이면 b=0 이고, b≒0.05이면 a=0이다.
도 1은 본 발명에 따른 칩형 백색 발광 다이오드 일예의 구조를 개략적으로 도시하는 종단면도;
도 2는 본 발명에 따른 탑형 백색 발광 다이오드 일예의 구조를 개략적으로 도시하는 종단면도;
도 3은 본 발명에 따른 램프형 백색 발광 다이오드 일예의 구조를 개략적으로 도시하는 종단면도;
도 4는 460㎚의 파장을 흡수하여 여기발광 되는 Cr3+의 스펙트럼;
도 5는 460㎚의 파장을 흡수하여 여기발광 되는 Tb3+, Tm3+의 조성비에 따른 스펙트럼;
도 6는 CIE 색도 좌표.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1a, 1b, 1c : 인쇄 회로 기판, 리드 프레임, 리드 단자
2 : 발광 다이오드 칩 11 : 전극
3 : 몰드부 4 : 형광체
본 발명에 따른 백색 발광 다이오드는 하기에서 첨부도면을 참조하여 상세히 설명된다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 칩, 탑 및 램프형 백색 발광 다이오드 일예의 구조를 개략적으로 도시하는 종단면도이고, 도 4 및 도 5는 460㎚의 파장을 흡수하여 여기발광 되는 Cr3+과, Tb3+, Tm3+의 조성비에 따른 스펙트럼이며, 도 6은 CIE 색도 좌표이다.
본 발명에 따른 백색 발광 다이오드는, 도 1 내지 도 3에서 도시된 바와 같이, 수용기(12)가 별도로 부착된 인쇄 회로 기판(1a), 리드 프레임(1b) 또는 반사컵(12)이 상부에 형성된 리드 단자(1c)와, 발광 파장이 430㎚ 내지 530㎚인 발광 다이오드 칩(2)과, 상기 발광 다이오드 칩을 봉지하는 몰드부(3)로 이루어진다.
상기 몰드부(3)는 소정의 자체 점도를 갖고 상기 수용기 또는 반사컵(12) 내부에 주입되는 액상 에폭시 수지에 디스펜서등에 의해 형광체(4)를 포팅(potting)하거나 또는 미리 혼합한 후 수용기등에 주입하여 소정 온도에서 일정 시간동안 경화시킴으로써 형성된 것이다.
이 때, 상기 형광체(4)는 발광 다이오드 칩(2)으로부터 방출된 광을 흡수하여 파장 변환시키는 Cr3+이온과, Tb3+및 Tm3+이온으로 활성화된 가넷계 형광체이다.
이와 같은, 형광체(4)는 일반적으로 임자 결정(host lattice)과 적절한 위치에 불순물이 혼입된 활성이온(activator)으로 구성되는데, 활성이온들의 역할은 발광과정에 관여하는 에너지 준위를 결정함으로써 발광 색을 결정하며, 그 발광색은 결정구조 내에서 활성이온이 갖는 기저상태와 여기상태의 에너지 차(Energy gap)에 의해 결정된다.
활성이온을 갖는 형광체가 갖는 발광 중심색은 궁극적으로 활성 이온들의 전자 상태 즉, 에너지 준위에 의해 결정된다.
Tb3+이온의 경우에는, 임자결정 내에서 5D → 7F 천이가 가장 용이하여 녹황색 발광현상이 나타내고, Tm3+이온은 청색 발광 현상을 나타내며, Cr3+이온은 적색 발광현상을 나타낸다.
본 발명에 따른 적색 여기 발광 특성을 갖는 형광체(4)는 Y, Gd로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소와, Al, Ga로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하고 Cr3+이온으로 활성화된 가넷(Garnet)계 형광체이다.
상기 형광체의 일반식은 (Y1-pGdp)3(Al1-x-yGaxCry)5O12로 표시될 수 있고, 단 0≤p≤0.9, 0≤x≤0.99, 0.001≤y≤0.1이며, 바람직하게 p≒0.2, x≒0.001, y≒0.005이다.
그리고, 녹황색 여기 발광 특성을 갖는 형광체(4)도 Y, Gd로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소와, Al, Ga로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하고 Tb3+및 Tm3+이온으로 활성화된 가넷(Garnet)계 형광체이다.
상기 녹황색 여기 발광 특성을 갖는 형광체의 일반식은 (Y1-x-a-bGdxTbaTmb)3(Al1-yGay)5O12이고, 단, 0≤x≤1.0, 0≤y≤1.0, 0≤a≤0.1, 0≤b≤0.03, 바람직하게 a≒0.05이면 b=0이고, 또는 b≒0.05이면 a=0이다.
본 발명에 따른 형광체(4)는 Y원소를 포함하는 물질과, Al원소를 포함하는 물질과, Y을 치환하는 Gd, Tb 및 Tm과, Al을 치환하는 Ga, Cr가 소정 몰량만큼 혼합되도록 BaF, NH4F등의 융제를 함께 섞어 잘 혼합한 후, 1300℃내지 1800℃정도의 온도에서 바람직하게, 2시간에서 5시간동안 가열하여 반응시키면 생산될 수 있다.
한편, Cr3+이온으로 활성화된 가넷계 형광체(4)는, 도 4에서 도시된 바와 같이, 430㎚-530㎚의 파장을 흡수하여 580㎚-720㎚ 파장의 적색으로 여기 발광되고, 예를 들어, 460㎚파장의 광을 흡수하는 경우, 그 피크치의 파장은 712㎚이다.
이에 따라, 상기 가넷계 형광체에 의해 발광 다이오드 칩(2)에서 발광된 광은 장파장으로의 쉬프트가 이루어져 충분한 적색광을 나타낸다.
또한, 도 5에서 도시된 바와 같이, Tb3+및 Tm3+이온으로 활성화된 가넷계 형광체(4)는 430㎚-530㎚의 파장을 흡수하여 550㎚-570㎚ 파장의 녹황색으로 여기 발광되고, 그 피크치의 파장은 Tb3+및 Tm3+이온의 몰분량에 따라 조금씩 다르나 대략 544㎚이다.
만약 적절하다면, 활성제로 쓰이는 Cr3+이온, Tb3+및 Tm3+이온외에, 소량의 다른 첨가물, 특히 빛의 강도를 높일 수 있는 Li 이온, Ce 이온, B 이온 등을 소정 비율로 추가할 수도 있다.
그리고, Cr3+이온으로 활성화된 가넷계 형광체(4)에 의해 파장변환된 광은 도 6의 CIE 색도 좌표상에서 x= 0.5806, y= 0.2894의 좌표값을 갖고, Tb3+및 Tm3+이온으로 활성화된 가넷계 형광체(4)에 의해 파장변환된 광은 상기 색도 좌표상에서 x= 0.368, y= 0.539의 좌표값을 갖는다.
따라서, 발광 다이오드 칩으로부터 방출된 청색광과, Cr3+이온으로 활성화된 가넷계 형광체(4)에 의해 파장변환된 적색광과, Tb3+및 Tm3+이온으로 활성화된 가넷계 형광체(4)에 의해 파장변환된 녹황색광을 조합하여 만들어 낼 수 있는 색의 영역은 적색, 청색, 녹황색의 세가지 색이 만드는 삼각형 내부이고, 이에 따라 백색광이 구현된다.
즉, 사람의 눈에는 적색과 청색과 녹황색의 중심에 위치한 파장대 즉, 백색광이 본 발명에 따른 발광 다이오드로부터 방출되는 것과 같이 보여지고, 발광 스펙트럼의 영역이 매우 넓어 색좌표가 동일한 백색 발광 다이오드의 양산과 색조절이 용이하다.
이와 같은, 형광체(4)들은 액상 에폭시 수지에 대하여 중량당 3%-50%사이의 범위로 골고루 혼합되어, 수용기 또는 반사컵(12)내부에 주입된다.
본 발명에 따른 칩 및 탑형 백색 발광 다이오드 제작 방법은 바람직한 일실시예에 따라 하기에서 상세하게 설명된다.
액상의 에폭시를 수용할 수 있도록 에폭시 수용기(12) 또는 반사기가 별도로 형성된 인쇄 회로 기판(1a) 또는 리드 프레임(1b)의 내부에 발광 다이오드 칩(2)을 실장한다.
상기 발광 다이오드 칩(2)은 일반적으로 도전성인 Ag-페이스트에 의해 전극(11)상에 고정하고, 전극들(11)과 발광 다이오드 칩(2)은 와이어를 이용하여 전기적으로 연결한다.
와이어 본딩후, 액상 실리콘 또는 액상 에폭시등을 상기 에폭시 수용기(12) 또는 반사기 내부에 충진하고, 디스펜서등으로 형광체(4)를 에폭시 내에 포팅하여 소정 온도 및 시간동안 경화시키거나, 또는 형광체(4)를 액상 에폭시에 혼합하여 칩상부에 도팅한 후 경화시킨다.
한편, 램프형 백색 발광 다이오드는 선단에 광반사용 반사컵(12)이 형성된 일측 리드 단자(1c)에 발광 다이오드 칩(2)을 실장하여 상기 반도체 칩(2)과 타측리드 단자(1c)를 와이어로 연결한 후, 상기 반사컵(12)의 내부에만 투명 또는 반투명 액상 수지를 도포하고, 상기 액상 수지내에 형광체(4)를 포팅(potting)한후, 소정 시간동안 경화시켜 몰드부(3)를 형성한다.
이후, 리드 단자들(1c)을 반사컵(12)이 하향되도록 180°방향 변환하여, 소정 형태를 가진 성형용 틀(미도시)에 상기 리드 단자들의 선단부를 삽입하여 일정 시간 경화시켜, 렌즈 역할을 하는 외주 몰드부(5)를 형성한다.
이 때, 색변환을 위하여 상기 발광 다이오드 칩(2)으로부터 방출되는 광에 의해 여기 발광되는 형광체(4)는 반사컵(12) 내부에만 도포되고, 외주 몰드부(5)는 발광 다이오드 칩(2)에서 방출된 빛의 투과율을 향상시키기 위해 투명 에폭시 수지가 사용된다.
이후, 소정 온도의 오븐에 상기 리드 단자(1c)를 삽입하여 상기 에폭시를 소정 시간동안 경화시킨 후, 개별 발광 다이오드로 분리한다.
이와 같은 과정을 통해 형성된 백색 발광 다이오드에 있어서, 전류가 인가되어 청색 발광 다이오드 칩(2)으로부터 단파장의 청색광이 방출되면, 일부의 빛은 몰드부(3)를 그대로 통과하고, 일부의 빛은 가넷계 형광체(4)에 흡수되어 적색 및 녹황색으로 파장 변환되어, 상기 청색광과 적색광 및 녹황색광의 혼합색인 백색이 발현된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 백색 발광 다이오드는 액상 상태의 에폭시에 적색 및 녹황색 여기 발광 특성을 갖는 가넷계 형광체를 분포시켜상기 발광 다이오드 칩을 몰딩함으로써, 발광 스펙트럼의 영역이 넓어져 구현되는 백색의 색안정성이 향상된다.
또한, 적색 및 녹황색 여기 발광 특성을 갖는 가넷계 형광체를 사용하기 때문에 백색 발광 다이오드의 색도도 및 피크 에미션 등을 향상시키는데 있다.

Claims (5)

  1. 발광 다이오드 칩과, 상기 발광 다이오드 칩을 봉지하는 에폭시 수지와, 발광 다이오드 칩으로부터 방출된 광을 흡수하여 파장 변환시키는 형광체를 구비한 백색 발광 다이오드에 있어서,
    발광 파장이 430㎚ 내지 530㎚인 발광 다이오드 칩상에 소정의 자체 점도를 갖는 에폭시 수지를 도포하고, 상기 액상 에폭시 수지에 Cr3+이온과, Tb3+및 Tm3+이온으로 활성화된 가넷계 형광체를 분포시킨 것을 특징으로 하는 백색 발광 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 Cr3+이온으로 활성화된 가넷계 형광체는 Y, Gd로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소와, Al, Ga로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 Cr3+이온으로 활성화된 적색 여기 발광 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광 다이오드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 Tb3+및 Tm3+이온으로 활성화된 가넷계 형광체는 Y, Gd로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소와, Al, Ga로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 Tb3+및 Tm3+이온으로 활성화된 녹황색 여기 발광 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광 다이오드.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 형광체의 일반식은 (Y1-pGdp)3(Al1-x-yGaxCry)5O12이고, 단, 0≤p≤0.9, 0≤x≤0.99, 0.001≤y≤0.1인 것을 특징으로 하는 백색 발광 다이오드.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 형광체의 일반식은 (Y1-x-a-bGdxTbaTmb)3(Al1-yGay)5O12이고, 단, 0≤x≤1.0, 0≤y≤1.0, 0≤a≤0.1, 0≤b≤0.03, 바람직하게 a≒0.05이면 b=0 이고, b≒0.05 이면 a=0인 것을 특징으로 하는 백색 발광 다이오드.
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