KR200336527Y1 - Phosphor structure with high brightness for Light Emitting Device and Light Emitting Device using the same - Google Patents
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Abstract
본 고안의 발광 소자용 형광체 구조 및 이를 사용하는 발광 소자는 구형, 또는 구형에 가까운 다면체 또는 타원체로 형성된 형광체와, 형광체의 표면에 코팅된 고굴절 코팅층으로 이루어진다. 이때, 형광체의 직경은 2μm ~ 30μm 정도의 범위에서 균일하게 최적화되고, 코팅층은 굴절률이 1.6~3.2 정도이고, 두께가 0.5μm ~ 7.5μm 정도로 되어, 형광체에 의한 여기광의 효율 뿐 아니라 전체 광효율을 향상시킨다.The phosphor structure for a light emitting device of the present invention and a light emitting device using the same include a phosphor formed of a spherical or nearly spherical polyhedron or ellipsoid, and a high refractive coating layer coated on the surface of the phosphor. At this time, the diameter of the phosphor is uniformly optimized in the range of about 2μm ~ 30μm, the coating layer has a refractive index of about 1.6 ~ 3.2, the thickness is about 0.5μm ~ 7.5μm, improving not only the efficiency of the excitation light by the phosphor but also the overall light efficiency Let's do it.
Description
본 고안은 발광 소자용 고휘도 형광체 구조 및 이를 사용하는 발광 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 발광 소자에서 발광되는 소정 파장의 빛을 다른 파장의 빛으로 변환시킴에 있어서 그 변환 효율이 향상된 형광체 구조 및 이를 사용하는 발광 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a high luminance phosphor structure for a light emitting device and a light emitting device using the same, and more particularly, a phosphor structure having improved conversion efficiency in converting light having a predetermined wavelength emitted from the light emitting device into light having a different wavelength; It relates to a light emitting device using the same.
일반적으로, 레이저 다이오드나 발광 다이오드(LED)와 같은 발광 소자는 그방출 파장이 일정한 영역대로 한정이 되어 있어서 다양한 파장의 빛을 방출하는데는 한계가 있다. 따라서, 다양한 파장의 빛의 광원이 필요한 경우에는 발광 다이오드 칩 위에 형광체를 도포하여 원하는 파장의 빛을 얻고 있다. 예를 들어 백색 발광 소자를 얻기 위해서는 청색광을 방출하는 발광 다이오드 칩에 YAG계 형광체 또는 오소실리케이트 계 형광체 등의 비YAG계 형광체를 도포하여 황색광 및 청색광의 혼합광에 의하여 백색광을 구현한다.In general, light emitting devices such as laser diodes and light emitting diodes (LEDs) have a limited emission wavelength, and thus are limited in emitting light of various wavelengths. Therefore, when light sources of various wavelengths are required, phosphors are coated on a light emitting diode chip to obtain light having a desired wavelength. For example, in order to obtain a white light emitting device, a non-YAG-based phosphor such as a YAG-based phosphor or an orthosilicate-based phosphor is coated on a light emitting diode chip that emits blue light, thereby implementing white light by mixing light of yellow light and blue light.
도 6에 도시된 바와 같이, 종래의 형광체(20)는 그 단면 형상이 원형, 사각형 등으로 그 형상이 각기 다르게 무작위적으로 형성되어 있을 뿐 아니라 그 크기 또한 불균일하게 형성되어, 입사광 또는 형광체에 의하여 여기 발광된 빛이 형광체 표면에서 반사되어 빛의 변환 효율이 떨어졌다. 즉, 형광체의 형상이 무작위적으로 형성되어 모서리가 각이 지게 형성된 곳에서는 산란광이 발생하여 전체적으로 광량 손실이 발생하였다. 또한, 형광체 표면의 반사, 산란에 의하여 형광체 내부로 진입하는 입사광(예를 들어 청색광)의 양이 상대적으로 작게 되어 형광체에 의한 변환광(예를 들어 백색광)의 효율이 작은 문제점이 있었다.As shown in FIG. 6, the conventional phosphor 20 has a cross-sectional shape of a circle, a square, or the like, and is randomly formed in different shapes, as well as non-uniform in size, by incident light or phosphors. The light emitted by the excitation light is reflected from the surface of the phosphor, thereby reducing the light conversion efficiency. That is, scattered light is generated where the shape of the phosphor is randomly formed and the corners are angled, resulting in total light loss. In addition, the amount of incident light (for example, blue light) entering the phosphor due to reflection and scattering of the surface of the phosphor is relatively small, and there is a problem in that the efficiency of converted light (for example, white light) by the phosphor is small.
따라서, 본 고안의 목적은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 파장 변환 효율이 향상되어 고휘도의 여기광을 방출할 수 있는 발광 소자용 형광체 구조 및 이를 사용하는 발광 소자를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the above problems, to provide a light emitting device phosphor structure and a light emitting device using the same that can improve the wavelength conversion efficiency can emit high brightness excitation light.
또한, 본 고안의 다른 목적은 형광체의 크기와 형상을 비교적 균일하게 최적화하여 광효율을 향상시킬 수 있는 발광 소자용 형광체 구조 및 이를 사용하는 발광 소자를 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to provide a light emitting device phosphor structure and a light emitting device using the same that can improve the light efficiency by optimizing the size and shape of the phosphor relatively uniformly.
도 1은 본 고안이 구현되는 칩 LED 형의 발광 소자를 예시하는 도면이고,1 is a diagram illustrating a light emitting device of a chip LED type in which the present invention is implemented,
도 2는 본 고안이 구현되는 램프형의 발광 소자를 예시하는 도면이고,2 is a view illustrating a lamp type light emitting device in which the present invention is implemented;
도 3은 본 고안에 따른 형광층을 개략적으로 도시한 도면이고,3 is a view schematically showing a fluorescent layer according to the present invention,
도 4는 본 고안에 따른 형광체 구조의 단면도이고,4 is a cross-sectional view of a phosphor structure according to the present invention,
도 5는 본 고안의 형광체 구조에 의한 빛의 진행을 도시한 도면이며,5 is a view showing the progress of light by the phosphor structure of the present invention,
도 6은 종래의 형광체에 의한 빛의 진행을 도시한 도면이다.6 is a diagram showing the progress of light by a conventional phosphor.
전술한 목적 및 기타 목적을 달성하기 위하여, 본 고안에 따른 발광 소자용 형광체 구조는 구형, 또는 구형에 가까운 다면체 또는 타원체로 형성된 형광체와, 형광체의 표면에 코팅된 고굴절 코팅층으로 이루어진다.In order to achieve the above object and other objects, the phosphor structure for a light emitting device according to the present invention consists of a phosphor formed of a spherical or near spherical polyhedron or ellipsoid, and a high refractive coating layer coated on the surface of the phosphor.
형광체의 직경 a와 코팅층의 두께 b의 비율 b/a가 바람직하게 0.01~0.4 정도의 범위이고, 형광체의 직경은 바람직하게 2μm ~ 30μm 정도이며, 코팅층의 두께가 0.5μm ~ 7.5μm 정도이다.The ratio b / a of the diameter a of the phosphor and the thickness b of the coating layer is preferably in the range of about 0.01 to about 0.4, the diameter of the phosphor is preferably about 2 μm to about 30 μm, and the thickness of the coating layer is about 0.5 μm to 7.5 μm.
또한, 코팅층의 굴절률은 바람직하게 1.6~3.2 정도이다.In addition, the refractive index of the coating layer is preferably about 1.6 to 3.2.
본 고안의 다른 특징에 따른 발광 소자는Light emitting device according to another feature of the present invention
제1 파장 영역의 빛을 방출하는 발광 다이오드 칩과;A light emitting diode chip emitting light in a first wavelength region;
발광 다이오드 칩 위에 도포되는 에폭시 또는 실리콘 수지와;An epoxy or silicone resin applied on the light emitting diode chip;
에폭시 또는 실리콘 수지 내에 혼합되어 상기 제1 파장 영역의 빛의 일부를 제2 파장 영역의 빛으로 변환하는 형광체로 이루어지며, 형광체는 구형, 또는 구형에 가까운 다면체 또는 타원체로 형성되고, 상기 형광체의 표면에는 고굴절 코팅층 코팅된다.It is composed of a phosphor that is mixed in the epoxy or silicone resin to convert a part of the light of the first wavelength region into the light of the second wavelength region, the phosphor is formed of a spherical or near polyhedron or ellipsoid, the surface of the phosphor There is a high refractive coating coated.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안에 따른 실시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment according to the present invention.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 고안이 구현되는 발광 소자가 예시되어 있다. 도 1의 발광 소자(10)는 칩 LED 형태로 구현된 것이고 도 2의 발광 소자(20)는 램프형 LED 형태로 구현된 것이다. 도 1의 발광 소자(10)는 발광 다이오드 칩(100)이 전극(300) 위에 고정되고, 리플렉터(400) 내부에는 칩(100) 위로 형광층(200)이 도포된다. 형광층(200)은 칩(100)에서 방출된 소정 파장 영역의 빛을 다른 파장으로 변환시키기 위한 형광체가 에폭시 또는 실리콘 수지와 혼합되어 형성된다. 도 2의 발광 소자(20)는 발광 다이오드 칩(100)이 리드 프레임(310) 위에 고정되고, 칩과 리드 프레임을 형광층 몰딩부(200)가 고정한다. 형광체층(200)은 칩(100)에서 방출된 소정 파장 영역의 빛을 다른 파장으로 변환시키기 위한 형광체가 에폭시 또는 실리콘 수지와 혼합되어 몰딩부를 이루도록 형성된다. 또한, 도시되지는 않았으나 본 고안을 측면 발광형(side view type) 발광 소자나 기타 다른 형태의 발광 소자에도 적용할 수 있다.First, referring to FIGS. 1 and 2, there is illustrated a light emitting device in which the present invention is implemented. The light emitting device 10 of FIG. 1 is implemented in the form of a chip LED, and the light emitting device 20 of FIG. 2 is implemented in the form of a lamp LED. In the light emitting device 10 of FIG. 1, a light emitting diode chip 100 is fixed on an electrode 300, and a fluorescent layer 200 is coated on the chip 100 inside the reflector 400. The fluorescent layer 200 is formed by mixing a phosphor for converting light of a predetermined wavelength region emitted from the chip 100 to another wavelength with an epoxy or silicone resin. In the light emitting device 20 of FIG. 2, the LED chip 100 is fixed on the lead frame 310, and the fluorescent layer molding part 200 fixes the chip and the lead frame. The phosphor layer 200 is formed such that a phosphor for converting light of a predetermined wavelength region emitted from the chip 100 into another wavelength is mixed with an epoxy or a silicone resin to form a molding part. Although not shown, the present invention can be applied to side view type light emitting devices or other types of light emitting devices.
다음으로 도 3 내지 도 5를 참조하여 형광체층(200)을 설명한다. 형광체층(200)은 에폭시 또는 실리콘 수지(220)에 형광체 구조(210)가 포함되어 있다. 형광체 구조(210)는 구형 또는 구형에 가까운 다면체 또는 타원체로 이루어진 형광체(211)와 형광체의 표면에 코팅된 고굴절 코팅층(212)으로 이루어진다.Next, the phosphor layer 200 will be described with reference to FIGS. 3 to 5. The phosphor layer 200 includes a phosphor structure 210 in an epoxy or silicone resin 220. The phosphor structure 210 is composed of a phosphor 211 made of a spherical or near spherical polyhedron or ellipsoid and a high refractive coating layer 212 coated on the surface of the phosphor.
형광체(211)는 사용하는 LED의 방출 파장과 변환 파장에 따라 적어도 한 종류 이상의 형광체를 사용할 수 있으며, YAG계 형광체나 오소실리케이트계 등의 비YAG계 형광체 등을 사용할 수 있다. 본 고안은 칩 또는 형광체의 종류 및 재질에 한정되지 않는다. 이때, 형광체(211)는 그 직경이 대략 2μm ~ 30μm 범위 내에서 균일하게 형성하는 것이 가장 효율이 좋다.The phosphor 211 may use at least one or more kinds of phosphors depending on the emission wavelength and the conversion wavelength of the LED to be used, and non-YAG-based phosphors such as YAG-based phosphors and orthosilicates may be used. The present invention is not limited to the type and material of the chip or the phosphor. At this time, it is most efficient to form the phosphor 211 uniformly within a diameter of approximately 2 μm to 30 μm.
한편, 코팅층(212)은 그 굴절률이 대략 1.6~3.2 정도의 고굴절 재료로 형성된다. 이러한 고굴절 재료로 TiO2, SiO2, Ta2O5, WO3가 있으며, 코팅층(212)을 불소(F)가 포함되는 화합물로 형성할 수도 있다. 코팅층(212)의 두께는 0.5μm ~ 7.5μm 정도 범위인 것이 효율이 좋다.Meanwhile, the coating layer 212 is formed of a high refractive material having a refractive index of about 1.6 to 3.2. Such high refractive materials include TiO 2 , SiO 2 , Ta 2 O 5 , and WO 3 , and the coating layer 212 may be formed of a compound containing fluorine (F). The thickness of the coating layer 212 is preferably in the range of about 0.5 μm to 7.5 μm.
형광체(211)의 직경 a와 코팅층(212)의 두께 b의 비율 b/a가 0.01~0.4 정도가 바람직하다.The ratio b / a of the diameter a of the phosphor 211 and the thickness b of the coating layer 212 is preferably about 0.01 to 0.4.
이러한 본 고안의 동작원리는 다음과 같다.The operation principle of the present invention is as follows.
먼저 도 1 또는 도 2의 발광 다이오드 칩(100)에서 소정 파장의 빛을 방출하고, 방출된 빛이 형광층(200)의 형광체 구조(210)에 입사하는 경우 코팅층(212)에 의하여 형광체 표면에서의 반사가 줄어들게 되어 광손실을 막을 수 있으며 형광체 내에서 여기 효율을 높일 수 있다. 즉, 코팅층(212)에 의하여 형광체(211) 내부로 진입하는 입사광(예를 들어 청색광)의 양이 상대적으로 크게 되어 형광체에 의한 변환광(예를 들어 백색광)의 효율이 높아진다.First, the light emitting diode chip 100 of FIG. 1 or 2 emits light of a predetermined wavelength, and when the emitted light is incident on the phosphor structure 210 of the phosphor layer 200, the surface of the phosphor is coated by the coating layer 212. The reflection of is reduced to prevent light loss and to increase the excitation efficiency in the phosphor. That is, the amount of incident light (eg, blue light) entering the phosphor 211 by the coating layer 212 is relatively large, thereby increasing the efficiency of converted light (eg, white light) by the phosphor.
또한, 그 크기가 균일하고 형태가 구형 또는 구형에 가까운 다면체, 타원체 등으로 형성되어 형광체 표면에서의 산란광이 줄어듦으로써 전체적인 광량을 높일 수 있게 된다.In addition, since the size is uniform and the shape is spherical or near spherical polyhedron, ellipsoid, etc., the scattered light on the surface of the phosphor is reduced, thereby increasing the overall amount of light.
다음의 표 1은 코팅층(212)의 굴절률에 따른 광효율 향상을 측정한 것이고, 표 2는 코팅층(212)의 두께에 따른 광효율 향상을 측정한 것이다.Table 1 below measures the light efficiency improvement according to the refractive index of the coating layer 212, and Table 2 measures the light efficiency improvement according to the thickness of the coating layer 212.
따라서, 본 고안은 기존의 형광체 구조를 사용한 발광 소자보다 광효율을 평균 20% 이상 향상시키는 것이 가능하다.Therefore, the present invention can improve the light efficiency by 20% or more on average over the light emitting device using the conventional phosphor structure.
이상에서와 같이, 본 고안은 발광 소자용의 형광체 구조를 그 크기가 비교적 균일하게 최적화시키고, 그 형상을 구형 또는 구형에 가까운 다면체 또는 타원체로 형성하여 광효율을 향상시킬 수 있다.As described above, the present invention can optimize the phosphor structure for the light emitting device with a relatively uniform size, and improve the light efficiency by forming the shape into a spherical or near-spherical polyhedron or ellipsoid.
또한, 형광체 내부로 진입하는 입사광을 최대화하기 위하여 형광체의 표면에 고굴절 재료로 코팅층을 형성하여 변환 효율을 극대화시킬 수 있다.In addition, in order to maximize incident light entering the phosphor, a coating layer of a high refractive material may be formed on the surface of the phosphor to maximize conversion efficiency.
특히, 본 고안은 청자색 발광 다이오드 칩을 사용하여 백색 발광 소자를 만드는 경우에도 광효율을 향상시킬 수 있다.In particular, the present invention can improve the light efficiency even when a white light emitting device using a blue violet light emitting diode chip.
이상에서 본 고안의 기술적 특징을 특정한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 고안에 따른 기술적 사상의 범위 내에서도 여러 가지 변형 및 수정을 가할 수 있음은 명백하다.Although the technical features of the present invention have been described with reference to specific embodiments, those skilled in the art to which the present invention belongs may make various changes and modifications within the scope of the technical idea according to the present invention. It is obvious.
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