KR20040088418A - 삼파장 백색 발광다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 형광체를 이용한 삼파장 백색 반도체 발광장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 청색 및 적색의 발광 칩을 갖는 발광다이오드에 청색광의 일부는 투과하고, 청색의 일부를 흡수하여 녹색의 광을 발광하는 녹색형광체를 이용하여 청색, 녹색 및 적색 광의 혼색에 의한 백색을 구현하는 삼파장 백색 반도체 발광장치이다.

Description

삼파장 백색 발광다이오드 {Tri-color white light emitted diode}

본 발명은 형광체를 이용한 삼파장 백색 반도체 발광장치에 관한 것으로서, 사파이어기판위에 형성된 InGaN 계열의 청색발광다이오드, 또는 SiC 기판위에 형성된 InGaN 계열의 청색 발광다이오드의 활성층으로부터 방출된 청색광과, 방출된 청색광의 일부를 흡수하여 녹색의 광을 발광하는 형광체 및 GaAs, AlAs계열, 또는 AlInGaP계열의 적색 발광다이오드가 하나의 패키지에 구성되어 청색광, 녹색 광, 적색광의 혼색에 의한 삼파장 백색 반도체 발광장치에 관한 것이다.

반도체인 발광다이오드(Light Emitting Diode)는 기본적으로 PN 접합 다이오드이며, 전압을 가하면 전자와 정공의 결합으로 반도체의 밴드갭에 해당하는 에너지를 빛의 형태로 방출하는 광전자소자 이다. 실리콘 PN 접합이 전자정보 혁명의 주역이었다면 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체의 PN 접합은 빛 혁명의 주역이다.

현재 InGaN 계열의 발광다이오드를 이용하여 백색을 구현하는 기술은 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있는데 그 방법은 크게 두 가지로 구분하여 요약할 수 있다. 그 예로 단일 칩 형태의 청색이나 혹은 UV 발광다이오드 칩 위에 형광 물질을 결합하여 백색을 구현하는 기술과 멀티 칩 형태로 두 개나 혹은 세 개의 발광다이오드 칩을 서로 조합하여 백색을 얻는 방법으로 백색을 구현하는 기술이 주류를 이루고 있다.

하나의 칩에 형광체를 접목시키는 방법은 1990년대 후반에 들어 고휘도 청색 발광다이오드의 상용화가 이뤄짐에 따라 청색 발광다이오드를 기준 광원으로 사용하여 노란색의 YAG (Yttrium Aluminum Garnet)형광체에 투사되면 입사된 빛이 여기되어 발광되는 빛은 500nm에서부터 780nm 까지 발광하게 되며 이 빛들의 혼색에 의하여 백색 발광다이오드가 처음으로 등장하게 되었다. 백색 발광다이오드는 청색과 노란색의 파장 간격이 넓어서 색 분리로 인한 섬광효과를 일으키기 쉽다.

따라서 색 좌표가 동일한 백색 발광다이오드의 양산이 어려우며, 조명 광원에서 중요한 변수인 색온도와 연색성 평가지수(Color Rendering Index: CRI)의 조절도 어렵다. 또한 동작 환경 온도에 따라 색 변환 현상이 치명적인 단점으로 되어 있다. 이에 따라 적색을 내는 형광물질을 첨가하여 발광 스펙트럼을 넓혀서 이러한 단점을 보완하고자 하는 시도도 있다.

UV 발광다이오드가 여기 광원으로 개발됨에 따라 단일 칩 방법으로 조명용 백색 발광다이오드 구현에 있어서 새로운 전기를 맞이하게 되었다.

이와 같은 방법은 전극 방전에 의해 254㎚ 혹은 185㎚의 자외선으로 형광등 램프의 구현하는 방법과 매우 비슷한 것으로서 UV 발광다이오드 위에 청색, 녹색, 적색의 다층 형광물질을 도포하면, 백열전구와 같은 아주 넓은 파장 스펙트럼을 갖게 된다. 따라서 우수한 색 안정성을 확보할 수 있으며 색 온도와 연색성 평가지수를 어느 정도 마음대로 조절할 수 있어 조명용 발광다이오드 광원 구현을 위한 가장 우수한 방법으로 대두되고 있으나 휘도가 낮아 상용화되지 못하고 있다.

멀티 칩으로 백색 발광다이오드를 구현하는 방법으로 처음 시도된 것은 RGB의 3개 칩을 조합하여 제작하는 것이다. 그러나 각각 칩마다 동작 전압의 불균일성, 주변 온도에 따라 각각의 칩의 출력이 변해 색 좌표가 달라지는 현상 및 구동회로 추가 등의 문제점을 가지고 있다. 따라서 백색 발광다이오드의 구현보다는 회로 구성을 통해 각각의 발광다이오드 밝기를 조절하여 다양한 색상의 연출을 필요로 하는 특수 조명 목적에 적합한 것으로 판단된다. 색 좌표란 1931년 국제조명위원회(CIE)에서 정한 등색함수에 따른 3색을 표시한 좌표로서 색광 혼합량으로 시료의 색을 표시할 수 있으므로 산업계에 광범위하게 보급되어 색을 표시하는 기준으로 사용하고 있다. CIE에서 표시된 백색 영역은 때로 사용 목적에 따라 좁게 표시되는 경우가 있다. 한 예로 미국 자동차 엔지니어협회(SAE)에서는 규정서 J578에서 자동차에 쓰이는 백색의 범위를 좁게 정의하고 있다.

최근에는 보색 관계를 갖는 2개의 발광다이오드를 결합하여 만드는 BCW(Binary Complementary) 발광다이오드가 출현했다. 주황색과 청녹색을 4대 1의 비율로 섞으면 백색광이 되는데 주황색에서 적색까지의 발광색을 조절할 수 있는 InGaAIP 발광다이오드의 경우 성능 지수가 100㏐/W를 초과함에 따라 현재 조합된 백색 발광다이오드의 조명 효율이 형광등과 가까운 정도이다. 그러나 현재 발광다이오드의 적용분야가 연색성을 중요시하는 모니터등의 디스플레이 백라이트에 집중됨에 따라 상용화에는 어려움이 있다.

따라서 본 발명의 과제는 반도체 제조 공정중 와이어 본딩이 완료된 적색 발광다이오드와 청색 발광다이오드에 가시광선 전영역에 걸쳐 투광성이 좋은 액상 에폭시 또는 실리콘 계열의 물질에 녹색의 형광체를 혼합하여 발광다이오드위에 도포하여 몰드하므로서 동작시 백색을 구현하며, 주 발광피크가 인체시감에서 가장 감도가 좋은 녹색대역이 발광하므로 광도를 향상시킬 수 있고, 연색성을 향상시킬 수 있는 삼파장 백색 반도체 발광장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 황화스트론튬갈륨계 녹색형광체의 흡수스펙트럼을 나타낸 그래프이고,

도 2는 본 발명의 황화스트론튬갈륨계 녹색형광체의 발광스펙트럼을 나타낸 그래프이고,

도 3은 본 발명의 실시예로서 1개의 청색발광다이오드 와 1개의 적색발광다이오드에 녹색형광체가 코팅된 형태로 제작된 표면실장형 삼파장 백색 발광다이오드의 개략적인 구성도이고,

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예로서 2개의 청색발광다이오드 와 1개의 적색발광다이오드에 녹색형광체가 코팅된 형태로 제작된 표면실장형 삼파장 백색 발광다이오드의 개략적인 구성도이고,

도 5는 본 발명의 또다른 실시예로서 1개의 청색발광다이오드 와 1개의 적색발광다이오드 가 직렬 연결된 구조로 녹색형광체가 코팅된 형태로서 제작된 표면실장형 삼파장 백색 발광다이오드의 개략적인 구성도이고,

도 6는 본 발명의 황화스트론튬계 녹색형광체, 적색 발광다이오드 및 청색 발광다이오드를 조합한 백색 발광다이오드의 발광스펙트럼을 나타낸 그래프이고,

도 7는 본 발명의 청색 발광다이오드, 녹색 형광체와 적색발광다이오드를 조합한 발광다이오드 소자에 의해 구현할 수 있는 색 재현 범위를 나타낸 색 좌표이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1, 11, 12 : 청색 발광다이오드 칩

2 : 적색 발광다이오드 칩

3 : 에폭시 + 녹색형광체 몰드 층

4, 41, 42, 43 : 애노드 리드

5, 51, 52 : 캐소드 리드

6 : 골드 와이어

7 : 플라스틱계열의 사출 프레임

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 청색 발광다이오드 소자와 적색 발광다이오드에 하기 화학식 1로 표시되는 청색 발광다이오드용 황화스트론튬갈륨계 녹색형광체를 도포하여 기준광인 청색, 적색과 청색발광다이오드의 빛을 흡수하여 발광되는 녹색의 삼색을 이용한 삼파장 백색 반도체 발광 장치를 제공 한다:

<패키지>

본 실시형태에 있어서, 패키지의 금속 베이스는 양극의 단자를 구성하는 금속 박판과 음극의 단자를 구성하는 금속 박판이 절연성 수지에 의해 접합되어 이루어지고, 각각 발광다이오드 칩의 정(+)전극과 부(-)전극에 와이어에 의해 접속된다.

여기서, 발광다이오드 칩은 한쪽의 금속 박판상에 다이 본딩용 접착제에 의해 다이본딩되어 있다. 그러나 본 발명에서는, 발광다이오드칩 은 다른쪽 금속 박판상에 다이본딩되어 있어도 되고, 금속 박판과 금속 박판에 걸쳐 다이본딩되어 있어도 된다.

< 발광다이오드 칩 >

본 실시형태의 청색 발광 다이오드는, 발광다이오드 칩에서의 광의 일부 또는 전부를 형광 물질에 의해 파장 변환하도록 구성하고 있기 때문에, 청색 발광다이오드 칩으로서는, 그 형광 물질을 여기 가능한 발광 파장의 광을 발광하는 것을 사용한다. 본 발명에 있어서는 형광 물질을 효율적으로 여기할 수 있는 단파장의 광이 발광 가능한 질화물 반도체(InAlGa)를 이용한 발광다이오드 칩을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 청색 발광다이오드 칩은 InGaN을 발광층으로 갖고 있고, 그 혼합결정 조성에 의해 발광 파장을 약 430nm에서 480nm까지 임의로 바꿀 수 있다. 발광다이오드 칩의 구조로서는 MIS 접합, PIN 접합이나 PN 접합 등을 갖는 호모 구조, 헤테로 구조 혹은 더블 헤테로 구성의 것을 들 수 있고, 본 발명에서는 어느 것이나 사용할 수 있으나, 보다 고휘도의 것을 얻을 수 있는 더블 헤테로 구조를 채용하는 것이 바람직하다. 또한, 발광층(활성층)을 구성하는 반도체의 조성이나 그 혼합 정도에 따라 발광 파장을 여러 가지 선택할 수 있다. 또한, 활성층을 양자 효과가 생기는 박막을 포함하여 구성한 단일 양자 우물 구조나 다중 양자 우물구조로 할 수도 있다.

질화물 반도체를 사용하는 발광다이오드칩의 경우, 기판에는 사파이어, 스핀넬, SIC, Si, ZnO 등의 재료를 사용할 수 있으나, 결정성이 좋은 질화물 반도체를 양산성 좋게 형성시키기 위해서는 사파이어 기판을 사용하는 것이 바람직하다.

적색발광용도의 발광다이오드칩의 경우 AlInGaP 의 4원소 화합물을 구성원소로 하는 고휘도 칩을 사용하는 것이 바람직하다.

<형광체>

상기 본 발명의 발광다이오드에 사용되는 형광체는 반도체 발광층에서 발광된 가시광 영역대의 에너지원에의해 여기되고, 여기된 광과 다른 파장을 발광하는 발광다이오드에 적용할 수 있는 화학식1의 황화스트론튬갈륨계 녹색형광체 대해 더욱 상세하게 설명하면 아래와 같다.

화학식 1

(Sr_1-x-y,M_x)Ga₂S₄:Eu_y

구체적으로 황화 스트론튬 갈륨계 녹색형광체는 일반적인 화학식 1로 표시되고, M는 Sr, Ca, Mg, K, Na, Ba에서 선택된 적어도 하나의 원소로서 0 ≤ x 0.5이고, 0 y 0.5이다.

바람직하기로는 0 x+y 1이며, 더욱 바람직하기로는 0 x+y 0.5이다. 또한, 0.05 ≤ x 0.3, 0.0005 ≤ y 0.1인 것이 바람직하다.

상기 일반식에서, x와 y이 상기 수치범위인 경우에 바람직한 발광효율을 얻을 수 있다. 또한, y가 상기 수치 범위인 경우에, Eu이 활성제로서 적절한 기능을 발휘할 수 있으며, 그 상한선을 벗어나는 경우에는 농도소광효과(quenching effect)에 따른 휘도저하가 발생될 수 있다. 상기 녹색 형광체는 약 400 nm 내지 500 nm 범위에서 흡수피크를 나타내고, 약 500 nm 내지 600nm에서 발광피크를 나타낸다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 황화스트론튬갈륨계 녹색 형광체의 흡수 및 발광스펙트럼을 나타낸다.

본 발명에서 사용하고자하는 SrGa₂S₄:Eu 형광체의 정확한 구조식의 표현은Sr_0.95Ga₂S₄:Eu_0.05이다. Eu²⁺이온이 Sr²⁺위치에 최환되므로 합성에는 스트론튬 황화물, 갈륨 질화물, 황 및 유로퓸 황화물을 양론비 만큼 사용한다.

도 1에 도시된 흡수스펙트럼에서 SrGa₂S₄:Eu은 청색 발광다이오드의 발광 영역인 440nm에서 470nm의 좋은 흡수특성을 가짐을 알 수 있다. 또, 도 2에 표시된 발광스펙트럼에서 SrGa₂S₄:Eu은 500nm에서 600nm의 좋은 발광특성을 보임을 알 수 있다.

도 3과 도 4, 그리고 도 5는 본 발명의 실시 예로서 청색 발광다이오드에 의해 발광된 일부 광은 투과하고 일부광은 흡수되어 녹색을 발광하는 황화스트론튬갈륨계 녹색형광체를 투광성 몰드수지인 액상의 에폭시 또는 실리콘에 적량 혼합하여 발광다이오드의 칩 위에 도포하여 기준광원인 청색광과 제2여기광인 녹색광, 그리고 적색발광다이오드로 칩으로부터 발광되는 적색광이 혼색되어 백색 발광특성을 나타내는 삼파장 백색 발광다이오드의 개략적인 구성도를 나타낸 것이다.

도 6은 도 3과 도 4의 발명의 실시 예로서 제작된 삼파장 백색 발광다이오드의 발광스펙트럼을 나타낸 것이다.

도 7은 본 발명의 실시 예로서 청색 발광다이오드에 의해 발광된 일부 광을 흡수하여 녹색 및 적색의 발광을 하는 황화스트론튬갈륨계 녹색형광체와 적색 발광다이오드를 조합한 삼파장 백색 발광다이오드의 색 재현 범위를 나타낸 색 좌표이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 적색 발광다이오드 칩과 청색 발광다이오드 칩의 일부 광을 흡수하는 황화스트론튬갈륨계 녹색형광체의 함유량을 조정함으로써, 선택되어진 영역의 색좌표 구현이 가능하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서 청색 발광다이오드에 의해 발광된 청색광의 일부는 투과하여 청색을 나타내고, 일부 광은 황화스트론튬갈륨계 녹색형광체에 흡수하여 녹색의 광을 발광하며 적색발광다이오드에서 발광되는 적색의 세 가지 색의 혼색에 의한 삼파장 백색 발광다이오드는 휘도 및 색재현성이 우수하여 휴대폰을 비롯한 소형 LCD 백라이트용 광원뿐만 아니라 노트북 및 LCD TV 모니터등에 백라이트 광원으로 사용될 수 있다. 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백할 것이다.

Claims (8)

1. 적색반도체 발광다이오드와 InGaN 계열의 청색 반도체 발광다이오드에 의해 방출된 광의 일부를 흡수하여 흡수한 광의 파장과는 다른 파장을 가진 광을 방출하는 녹색 형광체와 투명수지를 함유하는 형광체 코팅층을 포함하며,

   상기 녹색 형광체는 2가의 유로퓸으로 활성화된 황화스트론튬갈륨계이고;

   (Sr_1-x-y,M_x)Ga₂S₄:Eu_y

   구체적으로 황화 스트론튬 갈륨계 녹색형광체는 일반적인 화학식으로 표시되고, M는 Sr, Ca, Mg, K, Na, Ba에서 선택된 적어도 하나의 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 삼파장 반도체 발광장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 녹색 형광체는 하기 일반식으로 표시되는 것임을 특징으로 하는 삼파장 백색 반도체 발광장치:

   (Sr_1-x-y,M_x)Ga₂S₄:Eu_y

   식에서, M는 전형원소의 금속원소로서 Sr, Ca, Mg, K, Na, Ba에서 선택된 적어도 하나의 원소로서 0 ≤ x 0.5이고, 0 y 0.5이고,

   바람직하기로는 0 x+y 1이며, 더욱 바람직하기로는 0 x+y 0.5이다. 또한, 0.05 ≤ x 0.3, 0.0005 ≤ y 0.1인 것이 바람직하다.
3. 제 1항에 있어서, 상기 녹색 형광체가 약 420nm에서 480nm 범위 내에서 흡수피크를 나타내고, 약 500nm에서 600nm 내에서 발광피크를 나타내는 것을 특징으로 하는 삼파장 백색 반도체 발광장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 반도체 발광다이오드가 플라스틱사출물로 형성된 반사컵내에 위치한 캐소드패드와 캐소드패드에 위치하는 질화물계 반도체층, 상기 패드상에 2항의 형광체와 투명수지를 함유하는 형광체 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 형광체 코팅층의 투명수지는 투명 에폭시 수지 또는 실리콘 수지인 것을 특징으로 하는 삼파장 백색 반도체 발광장치.
6. 제 2항과 3항에 있어서, 용적 분배의 평균 입자 크기(d₅₀)가 1μm 내지 30μm인 것을 특징으로 하는 삼파장 백색 반도체 발광장치.
7. 적색 반도체 발광다이오드와 청색 반도체 발광다이오드에 의해 방출된 광의 일부를 흡수하여 흡수한 광의 파장과는 다른 파장을 가진 광을 방출하는 녹색 형광체와 투명수지를 함유하는 형광체 코팅층을 포함하며,

   상기 녹색 형광체는 2가의 유로퓸으로 활성화된 황화스트론튬갈륨계이고;

   (Sr_1-x-y,M_x)Ga₂S₄:Eu_y

   구체적으로 황화 스트론튬 갈륨계 녹색형광체는 일반적인 화학식으로 표시되고, M는 Sr, Ca, Mg, K, Na, Ba에서 선택된 적어도 하나의 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 삼파장 반도체 발광장치.
8. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 따른 삼파장 백색 반도체 발광장치를 배면광원으로 채용한 디스플레이 모듈 및 기구 장치.