KR20040070870A - 고휘도 백색 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 고휘도 백색 발광 소자는 청색 파장 범위의 빛을 방출하는 적어도 하나의 청색 발광 다이오드 칩과, 자외선 파장 범위의 빛을 방출하는 적어도 하나의 자외선 발광 다이오드 칩 및 형광체를 구비하여 이루어지며, 형광체는 자외선 발광 다이오드 칩과 청색 발광 다이오드 칩 위에 도포되어 자외선 발광 다이오드 칩과 청색 발광 다이오드 칩에서 방출되는 빛을 백색광으로 변환시킨다. 본 발명의 고휘도 백색 발광 소자는 청색 및 자외선 발광 다이오드 칩을 같이 사용하여 광원의 여기 에너지와 파장 범위를 넓힘으로써 형광체에 방출하는 빛의 파장 범위가 넓어지고 형광체의 여기 효율을 최대한 높일 수 있어서 고휘도의 백색광을 방출하게 된다.

Description

고휘도 백색 발광 소자{White Light Emitting Device having high brightness}
본 발명은 고휘도 백색 발광 소자에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 형광체 여기 광원으로 자외선 발광 다이오드 칩과 청색 발광 다이오드 칩을 사용하여 고휘도의 백색광을 방출할 수 있는 고휘도 백색 발광 소자에 관한 것이다.
일반적으로 백색 발광 소자를 제작하는 기술에는 크게 3가지가 있다. 즉, 한 패키지에 적색, 청색 및 녹색 발광 다이오드(LED) 또는 칩들을 실장 하여 칩을 각각 사용하여 백색 발광 소자를 제작하는 기술과, 자외선 발광 다이오드 칩에 적색, 청색 및 녹색 발광 특성을 갖는 형광체를 도포하여 백색 발광 소자를 만드는 기술, 및 청색 발광 다이오드 칩에 황색 발광 특성을 갖는 형광체를 도포하여 백색 발광 소자를 만드는 기술이다.
이러한 종래의 기술 중, 적색, 청색 및 녹색 발광 다이오드 칩을 각각 사용한 백색 발광 소자는 각각의 색을 균일하게 혼합함에 어려움이 있어 순수 백색광을 얻기가 힘들다. 또한, 각각의 칩 또는 발광 다이오드에 관한 전기적 특성들을 고려한 별도의 동작 회로가 필요하고 이를 제어해야 하기 때문에 번거로울 뿐 아니라 고휘도 백색광을 구현하기에는 비효율적이었다.
또한, 자외선 발광 다이오드 칩에 적색, 청색 및 녹색 발광 특성을 갖는 형광체들이 일정한 비율로 혼합된 형광체를 도포하는 기술을 이용한 백색 발광 소자의 경우는 자외선 발광 다이오드 칩에서 방출된 자외선의 여기 에너지는 높으나 적색 발광 특성을 갖는 형광체의 발광 효율이 낮아 고휘도 백색광을 얻을 수 없었다. 더욱이, 특정한 조성비로 혼합된 형광체의 3가지색이 조화를 이루어야 백색광을 얻을 수 있으므로 형광체 제조 과정이 매우 민감하고 복잡하다는 단점이 있다.
한편, 청색 발광 다이오드 칩에 황색 발광 특성을 갖는 형광체를 도포하는 기술을 이용한 백색 발광 소자는 하나의 황색 발광 특성을 갖는 형광체만을 이용하므로 색좌표를 맞추기가 수월하다는 이점은 있으나 청색 발광 다이오드 칩에서 방출되는 청색광의 여기 에너지가 자외선의 여기에너지보다 낮아서 고휘도 백색광을 얻기가 힘들다.
이와 같이 단 파장 범위를 갖는 발광 다이오드 칩 위에 형광체를 도포 하여 백색광을 구현하는 방법은 형광체의 여기 파장과 광원 파장이 정확하게 일치하여야 한다. 일치하지 않을 경우 형광체의 여기 효율이 낮아 휘도가 매우 낮고, 색 좌표 편차가 심하게 된다. 또한, 발광 다이오드 칩의 파장 범위에 맞는 형광체를 사용해야 하므로 형광체의 범위를 제약한다는 단점을 갖는다.
따라서, 본 발명의 목적은 형광체 여기 광원의 여기 에너지와 파장 범위를 넓힘으로써 형광체의 방출하는 빛의 파장 범위가 넓어져서 가시광선 전 영역에서 고른 발광 특성을 가지는 고휘도 백색 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 청색 발광 다이오드 칩과 자외선 발광 다이오드 칩을 같이 사용함으로써 형광체의 발광 효율을 높여 고휘도의 백색광을 방출하는 고휘도 백색 발광 소자를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고휘도 백색 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고휘도 백색 발광 소자와 종래 기술에 의한 백색 발광 소자의 발광 스펙트럼을 도시한 그래프이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고휘도 백색 발광 소자와 종래 기술에 의한 백색 발광 소자의 휘도 분포를 도시한 그래프이며,
도 4는 형광체의 광 발광 특성을 예시한 그래프이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고휘도 백색 발광 소자는
파장 범위 400nm∼200nm의 빛을 방출하는 적어도 하나의 자외선 발광 다이오드 칩과.
파장 범위 480nm∼401nm의 빛을 방출하는 적어도 하나의 청색 발광 다이오드 칩과,
자외선 발광 다이오드 칩과 청색 발광 다이오드 칩 위에 도포되어, 자외선 발광 다이오드 칩과 청색 발광 다이오드 칩에서 방출되는 빛을 백색광으로 변환시키는 형광체를 구비하여 이루어진다. 이 때, 사용되는 형광체는 파장범위 200nm~500nm 내의 빛에 여기되는 물질이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고휘도 백색 발광 소자는 청색광을 방출하는 청색 발광 다이오드 칩(110)과 자외선을 방출하는 자외선 발광 다이오드 칩(120)이 전도성 은수지에 의하여 인쇄 회로 기판(170)에 고정되고, 칩이 전기적으로 연결되도록 와이어(160)로 리이드 단자(180)에 연결된다. 청색 발광 다이오드 칩(110)은 401~480 nm 정도의 파장 범위를 갖는 청색광을 방출하고, 자외선 발광 다이오드 칩(120)은 200 ~ 400 nm 정도의 파장 범위를 갖는 자외선을 방출한다.
형광체(130)는 청색 및 자외선 발광 다이오드(110, 120) 위에 도포되어 청색 및 자외선 발광 다이오드 칩(110, 120)에서 나오는 빛의 파장을 변환시킨다. 형광체(130)로는 파장범위 200nm~500nm 내의 빛을 여기광으로 사용하는 것으로서, 청색 파장 범위와 자외선 파장 범위의 빛에 의해서 여기될 수 있다. 이러한 형광체 물질로는 예를 들어 (Sr, Ba)2SiO4:Eu, Mg4(F)GeO6:Mn4+, Sr4Al4O25:Eu2+, BaMg2Al16O27:Eu2+, Y2O2S:Eu, SBO:Eu 및 YAG와 같은 가넷계, 설파이드계 형광체 등이 있다.
(Sr,Ba)2SiO4:Eu는 250nm~500nm 파장 범위의 빛에 여기되어 황색 발광 특성을갖는 황색 형광체로서, 도 4에 광 발광(photoluminescence) 특성 데이터가 도시되어 있다. Mg4(F)GeO6:Mn4+는 200nm~500nm 파장 범위의 빛에 여기되어 적색 발광 특성을 갖는 형광체이고, Sr4Al4O25:Eu2+는 200nm~480nm 파장 범위의 빛에 여기되어 녹색 발광 특성을 갖는 형광체이고, BaMg2Al16O27:Eu2+는 200nm~480nm 파장 범위의 빛에 여기되어 청색 발광 특성을 갖는 형광체이고, Y2O2S:Eu는 200nm~400nm 파장 범위의 빛에 여기되어 적색 발광 특성을 갖는 형광체이고, SBO:Eu는 200nm~500nm 파장 범위의 빛에 여기되어 녹색 발광 특성을 갖는 형광체이며, YAG는 320nm∼350nm과 400nm∼530nm 파장 범위의 빛에 여기되어 황색 발광 특성을 갖는 형광체이다.
마지막으로 액상 또는 분말상의 투명 및 반투명 에폭시 수지로 몰딩부(140)를 형성한다.
본 실시예에서는 형광체(130)를 청색 및 자외선 발광 다이오드 칩(110, 120) 위에 도포한 후 에폭시 수지로 몰딩하는 구성으로 되어 있으나, 몰딩부가 필요 없는 경우에는 몰딩부가 없이 형광체(130)를 청색 및 자외선 발광 다이오드 칩(110, 120) 위에 도포하여 사용할 수도 있고, 형광체를 에폭시 주제에 용해시켜 균일한 혼합액을 만든 후 청색 및 자외선 발광 다이오드 칩(110, 120) 위에 전체적으로 도포하여 몰딩부를 형성할 수도 있다.
본 실시예에 따른 고휘도 백색 발광 소자의 동작원리는 다음과 같다. 청색 발광 다이오드 칩(110)과 자외선 발광 다이오드 칩(120)에 전원이 공급되면, 청색발광 다이오드 칩(110)은 파장 범위 480nm∼401nm의 청색광을 방출하게 되고 자외선 발광 다이오드 칩(120)은 파장 범위 400nm∼200nm의 자외선을 방출하게 된다. 형광체(130)는 청색 및 자외선 발광 다이오드 칩(110, 120)을 둘러싸도록 도포되어 있어서, 이들 칩(110, 120)으로부터 나오는 청색광과 자외선에 의하여 여기하여 백색광을 방출하게 된다. 즉, 형광체(130)는 청색광에 의하여 여기되어 방출하는 빛의 파장 범위와 자외선에 의하여 여기되어 방출하는 빛의 파장 범위가 달라서 이러한 빛의 혼합에 의하여 백색광을 방출하게 되는 것이다.
또한, 본 발명은 청색 발광 다이오드 칩(110 )에서 나오는 빛의 파장 범위와 자외선 발광 다이오드 칩(120)에서 나오는 빛의 파장 범위 및 형광체(130) 자체의 색을 조절하여 백색광을 조절할 수 있어서 이들 3가지 요인을 이용하여 원하는 백색광의 색감을 용이하게 구현할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고휘도 백색 발광 소자와 종래 기술에 의한 백색 발광 소자의 발광 스펙트럼을 도시한 그래프이다. 도면에서, 실선은 본 발명의 실시예에 따른 고휘도 백색 발광 소자의 스펙트럼으로서, 청색 발광 다이오드 칩 1개와 자외선 발광 다이오드 칩 1개를 사용하고 이들 칩 위에 (Sr,Ba)2SiO4:Eu 형광체를 도포하여 형성한 백색 발광 소자를 측정한 스펙트럼이다. 한편, 도면에서 점선은 종래 기술에 의한 백색 발광 소자의 발과 스펙트럼을 도시한 것으로서, 청색 발광 다이오드 칩 2개와 칩 위에 (Sr,Ba)2SiO4:Eu 형광체를 도포하여 형성한 백색 발광 소자를 측정한 것이다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 종래 기술에의한 스펙트럼(점선)은 청색광과 황색광에 의하여 백색광을 방출함을 알 수 있고, 본 발명에 의한 스펙트럼(실선)은 보라색광과 청색광, 황색광에 의해 백색광을 얻음을 알 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 스펙트럼(실선)은 자외선에서부터 가시광선의 전 범위의 파장의 빛이 나와 색 연속성이 좋고 자연광에 가까운 것을 알 수 있으며, 종래 기술에 의한 스펙트럼에 비하여 광도도 향상된 것을 알 수 있다.
도 3은 도 2와 같은 발광 소자에서 나오는 백색광의 휘도를 비교한 그래프이다. 즉, 청색 발광 다이오드 칩 1개와 자외선 발광 다이오드 칩 1개를 사용하고 이들 칩 위에 (Sr,Ba)2SiO4:Eu 형광체를 도포하여 형성한 백색 발광 소자를 10개를 제작하여 이들의 휘도를 측정하고, 청색 발광 다이오드 칩을 2개와 이들 칩 위에 (Sr,Ba)2SiO4:Eu 형광체를 도포한 종래 기술의 백색 발광 소자를 10개 제작하여 이들의 휘도를 비교하여 보면, 본 발명에 따른 백색 발광 소자가 종래 기술의 백색 발광 소자에 비하여 휘도가 더 높음을 확인할 수 있다.
본 실시예에서는 청색 발광 다이오드 칩과 자외선 발광 다이오드 칩을 각각 1개씩 사용하는 것을 중심으로 설명하였으나, 필요에 따라 하나의 발광 소자 내에 적합한 수의 청색 발광 다이오드 칩과 자외선 발광 다이오드 칩을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 고휘도 백색 발광 소자는 청색 발광 다이오드 칩과 자외선 발광 다이오드 칩을 같이 사용하여 광원의 여기 에너지와 파장 범위를 넓힘으로써 형광체에 방출하는 빛의 파장 범위가 넓어지고 형광체의 여기 효율을 최대한 높일수 있어서 고휘도의 백색광을 방출하게 된다. 즉, 국소적인 형광체의 발광 효율을 극복하기 위해 청색 및 자외선 발광 다이오드를 사용하여 비교적 넓은 파장 범위의 광원을 형성함으로써 부분 적인 여기 특성을 가지는 형광체를 사용하여서도 색편차가 적을 뿐 아니라 고휘도의 백색광을 방출할 수 있다.
이상에서 본 발명의 기술적 특징을 특정한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위 내에서도 여러 가지 변형 및 수정을 가할 수 있음은 명백하다.

Claims (3)

  1. 파장 범위 400nm∼200nm의 빛을 발광하는 적어도 하나의 자외선 발광 다이오드 칩과.
    파장 범위 480nm∼401nm의 빛을 발광하는 적어도 하나의 청색 발광 다이오드 칩과,
    상기 자외선 발광 다이오드 칩과 청색 발광 다이오드 칩 위에 도포되어, 상기 자외선 발광 다이오드 칩과 청색 발광 다이오드 칩에서 방출되는 빛을 백색광으로 변환시키는 형광체
    를 포함하는 고휘도 백색 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 형광체가 파장범위 200nm~500nm 내의 빛을 여기광으로 사용하는 것을 특징으로 하는 고휘도 백색 발광 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 형광체가 (Sr,Ba)2SiO4:Eu, Mg4(F)GeO6:Mn4+, Sr4Al4O25:Eu2+, BaMg2Al16O27:Eu2+, Y2O2S:Eu, SBO:Eu 및 YAG 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 고휘도 백색 발광 소자.
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