KR20030092766A - 핑크색 발광 다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핑크색 발광 다이오드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 430㎚ 내지 530㎚ 파장의 광을 흡수하여 적색광을 방출하는 여기 발광 특성을 갖는 가넷계 형광체로 이루어진 핑크색 발광 다이오드에 관한 것이다.

본 발명에 따른 핑크색 발광 다이오드는 발광 파장이 430㎚ 내지 530㎚인 발광 다이오드 칩상에 소정의 자체 점도를 갖는 에폭시 수지를 도포하고, 상기 액상 에폭시 수지에 Cr³⁺이온으로 활성화된 가넷계 형광체를 분포시켜 핑크색광을 구현한다.

Cr³⁺이온으로 활성화된 가넷계 형광체는 Y, Gd로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소와, Al, Ga로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하고 Cr³⁺이온으로 활성화된다.

Description

핑크색 발광 다이오드{Pink Light Emitting Diode}

본 발명은 핑크색 발광 다이오드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액상 에폭시 수지에 Cr를 활성이온으로 하는 가넷계 형광체를 혼합함으로써 색도도, 피크 에미션 파장 등을 향상시킨 핑크 발광 다이오드에 관한 것이다.

일반적으로, 핑크색 발광 다이오드는 일본국 스미토모덴키고교 가부시키가이시에 의해 출원된 대한민국 특허출원번호 제 1999-0027851호 및 제 1999-0030713호에 제시된 것과 같이, ZnSe 기판에 황색-적색의 자기 여기 발광용 불순물을 도프하여 제작된다.

상기 발광 다이오드는 활성층이 증착되는 기판 특히, ZnSe 기판에 발광 중심으로서 요드, 알루미늄, 염소, 브롬, 갈륨, 인듐과 같은 불순물을 도프하여, 상기 기판위에 n형 버퍼층, n형 피복층, 활성층, p형 피복층, p형 콘택트 층을 에피택셜 성장시킨 것이다.

따라서, 발광 다이오드는 활성층에서 방출된 일부의 청색광이 기판에 도프된 불순물인, 형광체에 흡수되어 적색으로 여기 발광되고, 적색 파장에 이르는 가시광선으로 발광 파장이 변환된 변환광과 일부의 청색광이 조합되어 핑크광이 형성된다.

그러나, 종래 핑크 발광 다이오드는 기판에 형광체를 도프시켜야 하기 때문에, 별도의 기판 가공 기술이 요구되고 별도의 공정 장치들을 설치하여야 하므로 다이오드의 제작비용이 증가된다.

또한, 기판들마다 특정의 여기 발광 특성을 갖는 불순물이 도포되어 발광 다이오드의 특정 색상 구현시 지정된 기판만을 사용하여야 하므로 기판의 취급이 용이하지 않으며, 기판의 호환성이 저하된다.

또, 기판에 형광체가 균일하게 도프되지 않은 경우, 각각의 LED 뿐만 아니라 개별 LED에서도 색이 분산(scaterring)되는 등의 문제점이 발생하고, 상기 기판들을 모두 파기하여야 하므로 작업공수가 저하된다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은, 에폭시 수지에 적색 여기 발광 특성을 갖는 가넷 계열의 형광체를 소정 비율로 혼합한 혼합물로 발광 다이오드 칩을 봉지함으로써, 핑크광을 구현하고, 핑크 발광 다이오드의 색도도 및 피크 에미션 등을 향상시키는데 있다.

이를 위하여 본 발명에 따른 핑크 발광 다이오드는 발광 다이오드 칩과, 상기 발광 다이오드 칩을 봉지하는 에폭시 수지와, 발광 다이오드 칩으로부터 방출된 광을 흡수하여 파장 변환시키는 형광체를 구비한 핑크색 발광 다이오드에 있어서; 발광 파장이 430㎚ 내지 530㎚인 발광 다이오드 칩상에 소정의 자체 점도를 갖는 에폭시 수지를 도포하고, 상기 액상 에폭시 수지에 Cr³⁺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, 형광체의 일반식은 (Y_1-pGd_p)₃(Al_1-x-yGa_xCr_y)₅O₁₂이고, 단, 0≤p≤0.9, 0≤x≤0.99, 0.001≤y≤0.1 이다.

도 1은 본 발명에 따른 칩형 핑크색 발광 다이오드 일예의 구조를 개략적으로 도시하는 종단면도;

도 2는 본 발명에 따른 탑형 핑크색 발광 다이오드 일예의 구조를 개략적으로 도시하는 종단면도;

도 3은 본 발명에 따른 램프형 핑크색 발광 다이오드 일예의 구조를 개략적으로 도시하는 종단면도;

도 4는 460㎚의 파장을 흡수하여 여기발광 되는 Cr³⁺의 스펙트럼;

도 5는 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 핑크색 발광 다이오드는 하기에서 첨부도면을 참조하여 상세히 설명된다.

도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 칩, 탑 및 램프형 핑크색 발광 다이오드 일예의 구조를 개략적으로 도시하는 종단면도이고, 도 4는 460㎚의 파장을 흡수하여 여기발광 되는 Cr³⁺의 스펙트럼이며, 도 5는 CIE 색도 좌표이다.

본 발명에 따른 핑크색 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 형광체와 액상 에폭시 수지를 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⁺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 결정되며, 본 발명에 따른 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 형광체로서, Cr³⁺이온은 적색광을 방출한다.

상기 형광체의 일반식은 (Y_1-pGd_p)₃(Al_1-x-yGa_xCr_y)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.

본 발명에 따른 Cr³⁺이온으로 활성화된 가넷계 형광체(4)는 Y원소를 포함하는 물질과, Al원소를 포함하는 물질과, Y을 치환하는 Gd과, 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.

이와 같은, 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.

그리고, Cr³⁺이온으로 활성화된 가넷계 형광체(4)에 의해 파장변환된 광은 도 5의 국제조명위원회 (CIE : , Commission International de l’Eclairage)에서 규정한 색도 좌표에서 보여지는 바와 같이, x= 0.5806, y= 0.2894의 좌표값을 갖는다.

즉, 방출 파장이 약 460㎚의 청색은 CIE좌표 상에서 A점에 위치되고, 상기 파장을 갖는 일부의 청색광은 가넷계 형광체에 흡수되어 형광체에 2.64eV를 제공하므로 형광체의 에너지 준위가 상승되었다가 하락하면서 방출되는 적색광이 방출된다.

상기 파장변환된 적색광의 좌표는 712nm의 장파장 영역에 위치하는 B점을 나타낸다.

이 때, 상기 색도 좌표에서 오른편 꼭지점은 약 700nm의 단색광이고 파장이 짧아짐에 따라 윗 방향으로의 가장자리 곡선을 따라가서 400nm의 단색광이 되면 x축과 붙어 있는 꼭지점에 이른다.

따라서, 청색광과 적색광인 단색광들이 합성된 복합광은 상기 CIE좌표 상에서, 두 지점을 가중 평균한 지점, 즉 두 지점을 이어준 선상에 놓이게 된다.

상기 A점과 B점을 연결하는 중간에 위치되는 파장대가 적색광과 청색광을 더해서 혼합한 색의 색좌표가 되며, 이는 A와 B의 두 빛을 혼합하면 이들 밝기의 비로 가중 평균한 지점의 색이 된다는 Grassman의 색채 제 2 법칙에 따른 것이다.

이에 따라, 사람의 눈에는 적색과 청색의 중간에 위치한 파장대 즉, 핑크색광이 본 발명에 따른 발광 다이오드로부터 방출되는 것과 같이 보여지는 것이다.

한편, 가넷계 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 핑크색 발광 다이오드 제작 방법은 바람직한 일실시예에 따라 하기에서 상세하게 설명된다.

도 1 및 도 2와 같이, 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.

이 때, 상기 가넷계 형광체(4)는 에폭시 수지에 중량당 3％ 내지 50％로 혼합된다.

한편, 램프형 핑크색 발광 다이오드는, 도 3과 같이, 선단에 광반사용 반사컵(12)이 형성된 일측 리드 단자(1c)에 발광 다이오드 칩(2)을 실장하여 상기 반도체 칩(2)과 타측 리드 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)한 후, 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.

상기 성형용 틀은 몰드 성형부의 요구 형상에 따라 다양한 형태로 그 내부가 형성될 수 있고, 그 내부에는 에폭시 수지, 바람직하게는 투명 몰딩용 액상 에폭시 수지가 삽입되어 있다.

소정 온도의 오븐에 상기 리드 단자(1c)를 삽입하여 상기 에폭시를 소정 시간동안 경화시킨 후, 개별 발광 다이오드로 분리한다.

이와 같은 과정을 통해 형성된 핑크 발광 다이오드(1)에 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 장파장의 적색으로 파장 변환되어, 상기 청색광과 적색광의 중간색인 핑크색광이 발현된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 핑크색 발광 다이오드는 적색여기 발광 특성을 갖는 가넷계 형광체를 사용하여 발광 다이오드 칩으로부터 방출된 단파장의 광을 장파장의 광으로 여기 발광 시킴으로써, 핑크색을 구현할 수 있다.

또한, 발광 다이오드 칩의 기판에 형광 중심인 불순물을 도프하는 별도의 공정이 필요하지 않으므로 제작이 용이하며 제작비용이 감소된다.

적색 여기 발광 특성을 갖는 가넷계 형광체의 양을 조절하기 용이하므로 핑크색 발광 다이오드의 색도도 및 피크 에미션 등을 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 발광 다이오드 칩과, 상기 발광 다이오드 칩을 봉지하는 에폭시 수지와, 발광 다이오드 칩으로부터 방출된 광을 흡수하여 파장 변환시키는 형광체를 구비한 핑크색 발광 다이오드에 있어서,

   발광 파장이 430㎚ 내지 530㎚인 발광 다이오드 칩상에 소정의 자체 점도를 갖는 에폭시 수지를 도포하고, 상기 액상 에폭시 수지에 Cr³⁺이온으로 활성화된 가넷계 형광체를 분포시킨 것을 특징으로 하는 핑크색 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 핑크색 발광 다이오드.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 형광체의 일반식은 (Y_1-pGd_p)₃(Al_1-x-yGa_xCr_y)₅O₁₂이고, 단, 0≤p≤0.9, 0≤x≤0.99, 0.001≤y≤0.1인 것을 특징으로 하는 핑크색 발광 다이오드.