KR20040032456A

KR20040032456A - 형광체 및 그것을 이용한 발광 다이오드

Info

Publication number: KR20040032456A
Application number: KR1020020061593A
Authority: KR
Inventors: 가네끼오조오후꾸
Original assignee: 서울반도체 주식회사
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2002-10-09
Publication date: 2004-04-17
Also published as: KR100558080B1

Abstract

청색으로 발광하는 발광 다이오드 칩 위에 그 광의 일부를 여기원으로서 황록색 내지 황색 발광하는 형광체를 부착하여 발광 다이오드의 청색 발광과 형광체의 황록색 내지 황색 발광의 발광에 따라 백색 발광 다이오드를 제공한다.

발광 파장 350nm에서 500nm의 발광 다이오드 칩에서 여기 발광이 적어도 일부를 흡수하여 발광하는 형광체 즉, 형광체의 조성이 Zn(S_1-a, Se_a) : Cu, X로 나타내는 동부활류(銅付活硫) Selenium(Se)화 아연 형광체[단, 0<a<0.7 ; X는 Cl, Br, Al 중 적어도 한 종]를 이용하여 발광하는 백색 발광 다이오드이다.

Description

형광체 및 그것을 이용한 발광 다이오드{White Light Emitting Diode}

본 발명은 백 라이트 조명용 광원 발광 디스플레이 각종 인디게이타 등에 이용되는 발광 다이오드에 관계되는 것이고 특히 발광소자의 발광 다이오드 칩에서 발광 되는 발광 파장의 광을 파장 변환하여 발광 시키는 형광체를 이용하여 고휘도, 고효율의 백색계 발광 다이오드 및 그것을 이용한 발광표시장치를 가능하게 하는 것이다.

본 발명은 백색발광 다이오드에 관한 것이다. 일반적으로 백색발광 다이오드는 청색으로 발광하는 발광 다이오드 칩 위에 그 광의 일부를 여기원으로써 황록색 내지 황색 발광하는 형광체를 부착시켜 발광 다이오드에 청색 발광과 형광체의 황록색 내지 황색 발광에 의해 백색을 얻는 것이다. 현재 실용화되고있는 형광체는일본 국 특허번호 2927279호에 표시되어있는 YAG계 형광체 또는 칼라 TV용에 사용되고 있는 녹색 및 적색 형광체를 혼합한 것이다. 그러면서 전자(前者) 형광체는 ①발광색조가 한정되어, 백색 발광 다이오드로서의 백색의 재현 범위가 좁다. ②형광체 자체에 황색이 강한 채색이 있어 청색 발광의 일부를 백색으로 흡수한다는 결점이 있었다. 또 후자(後者)의 혼합형광체는 발광 강도가 낮다는 결점이 있었다. 본 발명은 현재 형광체 보다도 발광 휘도가 높고 백색의 재현 범위가 넓어 그러면서 가격이 비싼 희토류(希土類)원소를 사용하지 않고 가격이 싼 황록색에서 적색까지 발광하는 형광체를 사용한 백색 발광 다이오드를 제공하는 것이다.

본 발명은 백색계 발광 다이오드에 관한 것이다. 현재 실용화되고 있는 백색계 형광체는 단일 형광체가 아닌 2종 또는 3종이상의 형광체를 발광 파장의 발광 스펙트럼이 주픽크가 400nm에서 530nm까지 발광하는 광의 일부를 흡수 여기에 따라 백색으로 발광하도록 적당한 비율로 혼합한 것이다. 일반적으로 백색 광을 발광하는 다이오드를 제조하기 위한 발광 다이오드 칩 위에 형광체가 혼합된 액상수지를 주입하여 백색계 발광 다이오드를 제조해 왔다. 백색계 발광이란 일반적으로 그 파장이 400nm에서 600nm까지 균일하게 분포된 것을 말한다. 일반적으로 현재 실용 되는 백색계 발광 다이오드용 백색 발광 형광체는 (Y_1-p-q-rGd_pCe_qSm_r)₃(Al_1-sGa_s)₅O₁₂, 0≤p ≤0.8 ,0.003≤q ≤0.2, 0.0003 ≤r ≤0.08, 0≤s ≤1로 나타나는 YAG계 형광체가 있다. 본원 발명에 백색계 발광 형광체는 상기 형광체에 대신하는 것으로 황록색에서 주황색 발광 성분형광체로서 동부활류(銅付活硫) Selenium(Se)화 Zn(S_1-a,Se_a) : Cu, X [단, 0<a<0.7 ; X는 Cl, Br, Al 중 적어도 1종]의 조성을 가진 형광체이다. 본원 발명에 형광체는 발광 휘도가 높고 백색의 재현영역이 완전하고, 그러면서 가격이 비싼 희토류(希土類) 원소를 사용하지 않는 싼 백색계 발광 형광체를 백색계 발광 다이오드로 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

현재 실용화 되고 있는 형광체는 앞에 기술한 바와 같이 ①백색의 재현 범위가 좁다 ②다른 색의 발광을 흡수한다 ③발광 강도가 약하다 등의 결점이 있었는데 본 발명에 의해 앞에 이야기한 결점이 해소되었다.

즉 본 발명에 사용되는 동부활류(銅付活硫) Selenium(Se)화 아연 형광체는 ①모체중의 Selenium(Se)양을 바꿈에 따라 녹색에서 적색으로 까지 임의의 발광색을 얻을 수있다. ②형광체 채색이 비교적 백색이고 청색발광의 흡수가 적다 ③청색광 여기에 의해 밝은 녹색에서 적색으로 까지에 광범위한 발광을 얻을 수있다 본 발명에 의해 현상의 문제점이 해소되었다.

즉 본 형광체의 모체인 Se 양은 그 양이 증가함에 따라 발광색은 녹색에서 적색까지 변화하고 부활제인 Cu는 첨가량이 증가함에 따라 휘도가 높고 발광색이 장 파장으로 되어가는데 첨가량에는 최적점이 있어 그 이상이면 휘도가 낮아진다.

제 1 도면은 본 원 발명에 백색계 발광 다이오드에 사용되는 백색계 발광 형광체를 구성하는 Zn(S_1-a, Se_a) : Cu, Al 형광체에 있는 Se양 a값과 발광색도 점에 x값과의 관계를 표시 한 것이다.

제 2 도면은 본원 발명에 백색계 발광 다이오드에 사용되는 백색 발광 형광체를 구성한다. Zn(S_1-a, Se_a) : Cu, Al 형광체에 있는 Cu부활양과 상대 발광 휘도와의 관계를 표시한 것이다.

제 3 도면은 JEDEC규격 본원 발명의 백색계 발광 다이오드에 사용되는 백색 발광 형광체를 구성한다. Zn(S_1-a, Se_a) : Cu, Al 형광체의 발광색도점 및 본 발명의 백색발광 LED의 발광 색도점을 CIE표색계로 표시한 것이다.

제 4 도면은 본원 발명의 백색계 발광 다이오드의 포탄형 단면도의 한 예를 표시한다.

제 5 도면은 본원 발명의 백색계 발광 다이오드의 백 라이트용 SIDE VIEW 타입의 단면도의 한 예를 표시한다.

제 6 도면은 본원 발명의 백색계 발광 다이오드의 칩 LED(SMD 타입)의 단면도의 한 예를 표시한다.

도면의 주요 부분에 대한 설명

1 : 1과 10은 수지 몰드(Mold) 성형부 또는 트렌스퍼 몰드 성형 수지부

2 : 20은 형광체(형광안료)

3 : 3과 30은 발광 다이오드 칩(LED CHIP)

4 : 4와 40은 은 페스트(Ag paste)

5 : 5와 50은 금(Au) 또는 알루미늄(Al)와이어

6 : 6과 7과 60은 리드프레임 또는 메탈 스템

7 : 8은 인쇄 회로 기판(PCB)

아래에 실시 예에 의해 본 발명을 설명한다.

실시 예1

본 발명의 형광체를 Zn(S_0.70, Se_0.30) :Cu : Al의 조성으로 제조했다. 단 Cu, Al양은 모체 1g에 대해 각각 0.00005g으로 한다. 이형광체를 이용하여 하기의 방법으로 백색 발광 다이오드를 제작했다. 제4도면의 발광 소자로서 발광 파장 픽크가 470nm, 반치폭 30nm의 GaN/SiC 반도체 구조를 가진 발광 다이오드 칩을 사용했다. 이발광 다이오드 칩(도면부호3)을 은 도금된 금속제 리드프레임(도면부호7)의 앞 단에 컵을 가진 마운트리드에 발광 다이오드 칩을 은페스트(Ag paste)(도면부호4)로 다이본딩(Die Bonding)했다. 발광 다이오드 칩이 전극과 인너리드(도면부호6)와를 직경이 25㎛에서 30㎛의 금선(도면부호5)으로 와이어본딩(Wire Bonding)하여 전기적인 도통을 시킨다. 이와 같이 하여 제작된 발광 다이오드 칩의 위에 본 발명의 형광체Zn(S_0.70, Se_0.30) :Cu : Al 를 소망하는 색도를 얻는 적정한 중량비로 하여 수지와 혼합한다. 이때 사용하는 수지는 하기와 같이 특별하게 조정된 수지를 사용한다. 즉 주제와 경화제를 혼합한 액상 수지에 주제와 경화제를 혼합하여 가공한 분말 수지 즉 수지에 흐름성과 Gel화 시간 및 용축점도를 미리 조절하여 170℃ 30분으로 경화 완료하는 가공한 분말 수지를 첨가 혼합한 수지를 사용한다. 이 수지의 특징은 액상 수지와 분말수지와의 경화 반응이 소정의 온도에서 다르기 때문에 상온에서의 수지 점도를 저하하지 않고 분말 수지가 액상수지에 비해 빠르게 제1차 경화 반응을 일으키고 연속해서 액상수지가 제2차의 경화 반응을 진행한다. 액상수지는 소정의 온도에서 경화 반응을 진행시키면 상온시 보다도 수지 점도가 1/10에서 1/100저하한다. 이때의 액상수지의 비중은 약1.19이고 본 발명품의 형광체의 비중은 5.0이다. 따라서 종래의 제조 방법으로는 액상수지의 고온 경화 반응 중에 형광체가 수지 보다도 비중이 무겁기 때문에 형광체가 침전한다. 본 원 발명이 제조 방법을 채용함에 따라 액상수지의 고온 경화 반응 중에 형광체가 침전하지 않고 수지 내에 균일하게 분산하기 때문에 발광 다이오드 칩에서 발광 데는 발광 파장의 광을 파장 변환시켜 백색을 얻을 경우 백색의 색조합의 편차가 적어짐과 동시에 제조 재현성도 우수한 제품이 된다. 여기에 말하는 액상 수지란 엑폭시 수지 또는 실리콘 수지이다. 이 혼합수지를 발광 다이오드 칩이 배치된 마운트리드 위의 컵 내에 포팅(Potting) 시켰다. 포팅 후 형광체가 함유된 수지를 170℃ 30분으로 경화 반응 시켰다. 게다가 발광 다이오드 칩이나 형광체를 보호하는 목적으로 몰딩(Molding)부재(部材)로서 투광성(透光性)수지를 형성했다. 몰드 부재는 포탄형의 몰드컵 속에 형광체의 포팅부가 형성된 리드프레임을 삽입하여 투광성 수지를 혼입 후 120℃ 4시간으로 경화 반응시켰다. 이와 같이하여 얻어진 백색계 발광다이오드의 발광 휘도를 측정한 결과 동일 백색에 있어 종래품의 105%였다.

실시 예2

실시 예1과 같이 Zn(S_0.60, Se_0.40) : Cu : Al (CU, Al양은 실시 예 1과 같음)의 조성으로 형광체를 제작하여 그것을 이용하여 백색 발광 다이오드를 제작했다. 본 발명의 백색 발광 다이오드에서는 종래의 백색 발광 다이오드에서는 얻기 어려웠던 붉은 빛을 띈 백색 발광 다이오드를 얻을 수 있었다. 발광 휘도는 동일 백색에 있어 종래품의 140%였다.

실시 예3

제5도면이 표시하는 발광 다이오드는 백 라이트용의 SIDE VIEW 타입 발광 다이오드의 단면도를 표시한다. SIDE VIEW 타입 발광 다이오드의 하우징(Housing)케이스(도면부호 10) 내의 한쪽의 전극에 GaN/SiC 반도체 구조를 가진 발광 다이오드 칩(도면부호30)을은 페스트 (도면부호40)로 다이본딩하여 고정 시키고 그리고 도전성 와이어로 하여 금선(도면부호50)을 발광 다이오드 칩(도면부호30)의 전극과 하우징케이스 내에(도면부호10) 설치된 전극과 접속하고 있다. 그리고 하우징 케이스 내에 Zn(S_0.60, Se_0.40) : Cu : Al (Cu, Al양은 실시 예 1과 같음)의 조성으로 형광체 (도면부호20)를 소망하는 색도를 얻는 적정한 중량비로 하여 수지와 혼합한 혼합수지를 주입하여 발광 다이오드 칩이랑 도전성 와이어를 외부로부터 보호한다. 이와 같은 발광 다이오드를 발광 시킴에 따라 발광 다이오드 칩에서의 발광과 그 발광에 따라 여기된 형광체에서의 발광과의 혼색에 의해 백색계 발광이 가능한 발광 다이오드를 만들 수 있다.

실시 예4

제5도면은 본 원 발명에 따른 CHIP LED를 표시하는 단면도이다. 제 5도면에 도면부호1은 수지가 성형 된 부분이고 도면부호20은 형광체이며 도면부호3은 발광 다이오드 칩이고 도면부호4는 은 페스트와 동일한 접착제이며 도면부호5는 금 또는 알루미늄 와이어로 도면부호8은 인쇄 회로 기판이다. 본원 발명이 제5도면을 보다 상세하게 기술하면 도면부호8의 인쇄 회로 기판은 필요에 따라 각각의 재질로 각층이 도금되어 일정한 패턴을 이루고 있는 인쇄 회로 기판과 이것과 똑 같은 역할을 하는 리드프레임에 청색 발광 예를 들면 발광파장 450에서 470nm의 광을 발광하는 다이오드 칩 (3)을 페스트 등의 접착제 등을 이용하여 접착 고정 한다. 이 접착체가 경화되도록 특성에 맞도록 일정한 온도 조건 예를 들면 100~150℃의 온도로 30분 내지 1시간 정도 방치한 후 청색을 발광하는 다이오드에 위치한 전극과 인쇄 회로 기판이나 리드프레임에 있는 패턴부분을 정기적으로 전도 상태로 만들어 주기 위한 도전성 재료로 연결한다. 이때 청색을 발광하는 다이오드의 종류와 제조 방법에 따라 도전상태로 만들어 주는 방법과 그 형상은 다양하게 바뀔 수 있는 것이다. 이와 같은 공정은 인쇄 회로기판이나 리드프레임에 형성되어있는 패턴에 따라 한번에 생산하여 얻는 개수를 변경할 수 있도록 회로가 형성 될 수 있다. 한편 트렌스퍼 성형용 투명 분말 에폭시 수지는 특수하게 처리 된 (100)(Cu, Al양은 실시 예1과 같음)형광체 분말을 원하는 특수 품질의 백색 광 수준에 따라 일정한 비율 바람직하게는 투명 성형(Molding)용 분말 에폭시 수지 중량에 대해 5~50%의 비율로 잘 혼합하여 섞은 후 이것을 대량 생산 작업에 편리하고, 최종 제품에 기포가 생기는 문제점을 제거하기 위한 일정한 형태의 금형에 혼합된 분말을 타부렛(Taburet)으로 하기위해 50~300kg/㎠ 압력으로 가압해준다. 전기(前記)의 과정 이전에 이미 제조된 몇 개의 인쇄 회로 기판 (트렌스퍼 몰드 금형상태에 따라 그 수가 다르다)을 금형이 설치된 트렌스퍼 몰딩 프레스 위에 배열하여 형광체가 첨가된 몰딩 수지 타부렛을 넣어 0.5~2ton/㎠의 압력으로 130~180℃ 온도로 200~600초의 조건하에서 성형을 실시한다. 트렌스퍼 몰드 성형 후 인쇄 회로기판과 리드프레임 자체가 도금된패턴에 따라 개개의 칩 LED 제품에 절단하기 위해 다이싱 공정이 진행된다. 이후 다이싱 공정 중에 생기는 수분을 제거하고 성형 된 몰드의 상태를 안정화 시키기 위해 100~250℃ 의 온도로써 1시간 전후의 조건에서 방치하는 경우도 있다. 이와 같이 완성된 백색을 발광하는 칩 LED는 이후 각각 비슷한 수준의 백색의 종류와 그 발광하는 광원 값에 따라 일정하게 분류 및 테스트하여 표면 실장에 편리하도록 자동화 설비를 통해 릴로 감아 출하하게 된다. 따라서 형광체를 별도 액상 상태의 .에폭시 수지로 혼합하여 한 개 씩 청색을 발광하는 다이오드 칩(일반적으로 400~500nm정도의 파장을 지닌다) 의 위에 포팅 하는 등에 작업을 하지 않고서도 일반적인 파장(430,450,470,590,600,620,635,660nm등)의 광을 발광하는 칩 LED를 제조하는 기존 공정에 대해 크게 벗어 나지 않고서도 제4도면 및 제5도면과 같이 용이하게 백색을 발광하는 칩 LED를 제조하고, 기존에 사용된 제품에 대신하여 콤팩트 한 전자제품에 사용가능하게 한 것 뿐이 아니고 한번의 트렌스퍼 몰드 성형작업으로 동일 조성 형광체를 가진 칩 LED 제품을 대량으로 제조 할 수 있음과 동시에 CIE(Commission International Eclarage, 국제 조명 위원회)에 따라 색 좌표상의 색도 편차가 극히 작고 엄격한 품질 수준이 되도록 우수한 수율을 이룰 수 있게 된다. 그리고 별도로 형광체를 하나 씩 하나 씩 포팅(LED CHIP 위에 도포)해 주는 공정이 없기 때문에 시간과 비용이 낭비 되는 불편함을 해소 할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 현재 형광체 보다도 발광 휘도가 높고 백색의 재현 범위가 넓고 그러면서 고가의 희토류(希土類) 원소를 사용하지 않고가격이 싼 황록색에서 적색까지 발광하는 형광체를 사용한 백색 다이오드를 만들 수 있으며 본 발명이 제시한 제법에 의해 백색의 색조합의 편차를 적게 할 수 있고 제조 재현성도 좋게 할 수 있다. 이상에서 본 발명의 특정한 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시 예에 한정 되지 아니 하며 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 수정과 변형 실시가 가능 할 것이다.

Claims

발광 파장 350nm에서 500nm의 발광 다이오드 칩(LED CHIP이라 한다)에서의 여기발광이 적어도 일부를 흡수하여 발광하는 형광체를 가진 발광 다이오드(이하 LED라 한다)에 있어 前記 LED CHIP이 질화물계 화합물 반도체로 전기 형광체가 황록색에서 주황색까지 발광하는 형광체로 그 조성이 Zn(S_1-a, Se_a) : Cu : X로 나타내는 동부활류(銅付活硫) Selenium(Se)화 아연 형광체인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드. [단, 0<a<0.7 ; X는 Cl, Br, Al 중 적어도 한 종]
주제와 경화제를 혼합한 액상수지에 주제와 경화제를 혼합하여 가공한 분말 수지를 2~40% 이 범위에서 혼합되는 것을 특징으로 하는 것을 액상 모체수지에 형광체를 액상 모체수지 중량 100wt%에 대해 발광 파장 350nm에서 500nm의 발광 다이오드 칩의 경우는 Zn(S_1-a, Se_a) : Cu : X계 형광체를 중량비 2~40%의 범위로 혼합되는 것을 특징으로 하는 청구항 1 기재한 백색 발광하는 발광 다이오드.
프린트 기판에 다양한 다수의 층에 도금 되어있는 인쇄 회로 기판이나 리드프레임 위에 청색을 발광하는 다이오드 칩을 도전성이나 비도전성이 접착제로 접착고정 시켜 탑재하고 청색을 발광하는 발광 다이오드 칩 위에의 전극 등과 인쇄 회로 기판이나 리드프레임 위에 도금된 회로 패턴 또는 그 자체에 연결하여 형광체와에폭시 수지등을 이용하여 백색을 발광하도록 하는 백색 발광 다이오드 제품에 있어 투명 몰딩용 분말 에폭시 수지에 형광체를 혼합하여 혼합물를 준비하는 단계와 前記의 혼합물에 소정의 압력을 가하여 일정한 형상 예를 들면 타부렛을 제조하는 단계와 그 형성된 타부렛을 칩 LED 부분에 트랜스퍼 몰딩 하는 단계와 다이서 이용하여 개별 제품으로 절단하여 CHIP LED를 제조하는 단계를 갖춘 것을 특징으로 하는 백색 광을 발광하는 발광 다이오드.
전기(前記) 질화물계 화합물 반도체인 발광 다이오드 칩의 발광 스팩트럼의 주 픽크가 350nm에서 500nm 이내의 발광 파장을 가진 그러면서 전기(前記)형광체의 주 발광파장이 전기(前記) 발광 다이오드 침의 주 픽크 보다 긴 청구항 1에 기재되는 발광 다이오드.
발광 다이오드 램프의 리드컵 내에 탑재 된 발광 다이오드 칩과 그 발광 다이오드 칩을 도전성 와이어로 정기적으로 접속 된 인너리드와 전기(前記) 리드컵 내에 충진된 포팅(Potting) 부재와 해당 포팅 부재, 발광 다이오드 칩, 도전성 와이어 및 마운트리드와 인너리드의 적어도 일부를 피복하는 몰딩 부재를 가진 발광 다이오드이고 전기(前記)발광 다이오드 칩이 질화물계 화합물 반도체이며 그러면서 전기(前記) 코팅부재가 Zn(S_1-a, Se_a) : Cu, X [단, 0<a<0.7 ; X는 Cl, Br, Al 중 적어도 한 종]계 형광체를 지니는 투광성 수지인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
전기(前記) 형광체의 조성이 다음에 일반식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 청구항 1, 청구항 3 또는 청구항 4 및 5 기재한 발광 다이오드 전기(前記) 형광체가 황록색에서 주황색 발광 성분 형광체로서 동부활류(銅付活硫) Selenium(Se)화 아연 Zn(S_1-a, Se_a) : Cu, X계 형광체인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드. 단, a 와 X는 0<a<0.7 ; X는 Cl, Br, Al 중 적어도 한 종이다.