KR20040097514A - 보레이트계 황색형광체를 이용한 백색 반도체 발광장치 - Google Patents

보레이트계 황색형광체를 이용한 백색 반도체 발광장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발광층이 반도체인 반도체 발광소자와 반도체 발광소자에 의해 발광된 자외선 장파장영역 및 가시광 영역 하의 광에 의해 여기되어 발광하는 보레이트계 황색형광체를 이용한 백색광(White Color)을 갖는 반도체 발광장치에 관한 것으로서, 반도체 발광소자의 발광층으로부터의 광과, 반도체 발광소자의 발광층을 피복하는 투광성 수지중에 보레이트계 황색형광체를 함유시킴으로써, 반도체 발광소자에 의해 발광된 청색 광의 일부를 흡수해서 광을 방출하는 보레이트계 황색형광체로 부터의 황색광 혹은 아연셀레늄계 적색형광체로 부터의 적색광의 혼색광인 백색(White) 및 청백색(Blush White Color) 구현이 가능한 발광장치가 제공된다. 본 발명의 발광장치는 연색성이 뛰어나고, 장시간 고휘도 사용에서도 발광효율의 저하가 적으며, 내후성이 뛰어나다.

Description

보레이트계 황색형광체를 이용한 백색 반도체 발광장치{White Semiconductor Light Emitting Device using Borate Type Red Phosphor}
본 발명은 보레이트계 황색형광체 및 아연셀레늄계 적색형광체를 이용한 백색 반도체 발광장치에 관한 것으로, 특히, 반도체 발광소자의 발광층으로부터 발광하는 광과, 반도체 발광소자의 발광층을 피복하는 투광성수지 중에 보레이트계 황색형광체 및 아연셀레늄계 적색형광체를 함유시킴으로써, 반도체 발광소자에 의해 방출된 청색광과 청색광의 일부를 흡수해서 광을 방출하는 보레이트계 황색형광체로부터의 황색광과 아연셀레늄계 적색형광체로 부터의 적색광의 혼색광에 의해 순백색 및 청백색등의 백색계열의 광을 방출하는 반도체 발광장치에 관한 것이다.
반도체 발광장치는 통상적으로 소형이고 선명한 색의 광을 발광할 수 있으며, 반도체소자이기 때문에 소실 염려가 없고, 초기 구동특성 및 내진성이 뛰어나고, 점등의 반복에 강하다는 특성을 가진다. 따라서, 각종 인디케이터, 특수 조명 및 여러 가지 광원으로서 널리 이용되고 있다. 또, 최근에는 초고휘도, 고효율의 적, 녹, 청색(RGB) 발광다이오드가 각각 개발되어, 이들 발광 다이오드를 이용한 대형화면의 LED 디스플레이가 사용되게 되었다. 이 LED 디스플레이는 적은 전력으로 동작시킬 수 있고, 경량이면서 수명이 길다는 우수한 특성을 가지므로, 이후 더욱더 많이 응용될 것으로 기대된다.
그리고, 최근에는 반도체 발광소자를 이용해서 백색발광광원을 구성하는 시도가 여러 가지 이루어지고 있다. 반도체 발광소자를 이용해서 백색광을 얻기 위해서는, 반도체 발광소자가 단색성 피크파장을 가지므로 예를 들어 R, G, B 3가지 반도체 발광소자를 근접 설치해서 발광시켜서 확산혼색시킬 필요가 있다. 이러한 구성으로 백색광을 발생시키고자 했을 경우, 반도체 발광소자의 색조나 휘도 등의 변화로 인해 원하는 백색을 발생시킬 수 없다는 문제점이 있었다. 또, 반도체 발광소자가 각각 다른 재료로 형성되어 있는 경우, 각 반도체 발광소자의 구동전력 등이 달라 각각에 소정의 전압을 인가해야 하므로, 구동회로가 복잡해지고, 색조가 사용환경에 따라 변화되거나 각 반도체 발광소자에 의해 발생되는 광을 균일하게 혼색시키지 못해 색얼룩이 생기고 가격이 비싸다는등 많은 문제점을 가지고 있었다. 즉, 반도체 발광소자는 각각의 색을 발광시키는 반도체 발광장치로서는 유효했지만, 반도체 발광소자를 이용해서 백색광을 발생시킬 수 있는 만족스러운 광원은 얻을 수 없었다.
그래서, 발광층의 에너지밴드갭이 큰 반도체 발광소자를 리드프레임의 선단에 설치된 컵 위에 배치하고, 반도체 발광소자를 피복하는 수지몰드부재 속에 반도체 발광소자로 부터의 광을 흡수해서 흡수한 광과 파장이 다른 광을 방출시키는 형광체를 함유시켜 원하는 혼색을 구현하는 반도체 발광장치에 대한 연구가 많이 진행되었다. 기존 반도체 발광장치 중에서 밝기 특성이 가장 좋은 백색 반도체 발광장치는, 반도체 발광소자로 청색계 발광이 가능한 반도체 발광소자를 이용하고, 해당 반도체 발광소자에 의해 발광된 청색광과 일부의 청색광을 흡수해서 황색계 광을 방출시키는 형광체를 함유한 수지에 의해 몰드함으로써, 혼색에 의해 백색계 광을 방출시킬 수 있는 반도체 발광장치를 형성할 수 있었다.
그러나, 종래의 백색 반도체 발광장치는 주로 450 ~ 470㎚ 파장대의 청색광원에 의해 상부층에 위치한 YAG:Ce 황색형광체를 여기·발광시킴으로써, 청색과 황색의 혼색에 의해 백색을 방출하도록 구성되어 있기 때문에 백색광을 얻는데 적합한 형광물질에 많은 문제점을 가지고 있다. 즉, 450 ~ 470㎚ 파장대의 청색 LED를 활용한 백색 LED는 이 백색 LED에 적합한 형광물질이 YAG:Ce으로 한정되어 물질의 특성상 적색의 발광효율이 낮아 조명 또는 배면광의 특성에 가장 중요한 연색성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 또한 적색, 녹색 및 청색 LED를 이용하여 백색 LED를 제조하기 위해서는 GaAs, AlGaInP, AlInGaN, GaN등의 서로 다른 기판을 제조하여 서로 다른 반도체 박막을 활용해야 하기 때문에, LED 제조 공정이 복잡해짐은물론 투자비가 많이 들고 제조단가가 비싸지는 문제점이 있다. 따라서 하나의 발광칩을 사용하여 백색발광이 가능하고 연색성이 우수한 색순도(Color Purity)를 갖는 백색 반도체 발광장치의 개발이 요망되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술을 감안하여 발명한 것으로, 본 발명의 주된 목적은 반도체 발광소자에 보레이트계 황색형광체 및 아연셀레늄계 적색형광체를 이용함으로써 종래의 청색 LED와 YAG:Ce 황색형광체를 조합시켜 청색과 황색의 혼색에 의해 백색을 구현하는 백색발광장치의 단점인 연색성을 향상시킬 수 있고, 고휘도로 장시간 사용환경하에서도 발광광도 및 발광효율의 저하나 색변화 극히 적으면서, 색구현 범위가 넓어진 백색 반도체 발광장치를 제공하는데 있다.
도 1은 보레이트계 황색형광체를 활용한 리드타입 백색 반도체 발광장치의 개략적인 구성도 및 일부 확대단면도,
도 2는 보레이트계 황색형광체 및 이중몰드를 활용한 리드타입 백색 반도체 발광장치의 개략적인 구성도 및 일부 확대단면도,
도 3은 보레이트계 황색형광체를 활용한 리플렉터 사출구조타입의 표면실장형 백색 반도체 발광장치의 개략적인 구성도,
도 4는 보레이트계 황색형광체 및 이중몰드를 활용한 리플렉터 사출구조타입의 표면실장형 백색 반도체 발광장치의 개략적인 구성도,
도 5는 보레이트계 황색형광체를 활용한 PCB 타입의 표면실장형 백색 반도체 발광장치의 단면도,
도 6은 보레이트계 황색형광체의 흡수스펙트럼 및 발광스펙트럼을 나타낸 그래프,
도 7은 보레이트계 황색형광체의 보론량에 따른 발광스펙트럼을 나타낸 그래프,
도 8은 아연셀레늄계 적색형광체의 흡수스펙트럼 및 발광스펙트럼을 나타낸그래프,
도 9는 보레이트계 황색형광체와 청색 LED를 조합한 백색 반도체 발광장치의 발광스펙트럼을 나타낸 그래프,
도 10은 아연셀레늄계 적색형광체와 청색 LED를 조합한 핑크 반도체 발광장치의 발광스펙트럼을 나타낸 그래프,
도 11는 보레이트계 황색형광체, 아연셀레늄계 적색형광체와 청색 LED를 조합한 발광다이오드에 의해 구현할 수 있는 색재현범위를 나타낸 색좌표이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
3, 10, 20 : LED칩 4, 11, 22 : 애노드 리드
5, 12, 21 : 캐소드 리드 6, 6', 13, 13', 23 : 에폭시 몰드층
본 발명은 패키지와 형광물질을 구비하는 반도체 발광장치에 있어서,
(1) 패키지의 금속베이스는 양극의 단자를 구성하는 금속 박판과 음극의 단자를 구성하는 금속 박판이 절연성 수지에 의해 접합되어 이루어지고, 각각 질화물계 반도체를 발광층으로 하는 LED칩의 정전극과 부전극에 세금선에 의해 접속되며,
(2) 형광물질로서 상기 LED칩에서 발광된 광을 여기원으로 발광할 수 있는 세륨으로 활성된 이트륨, 알루미늄, 보레이트 산화물계 형광물질을 베이스로 한 화학식 1로 표시되는 보레이트계 황색형광체 및 아연셀레늄계 적색형광체를 사용한다.
A(1-y)3B5-xCxO12:Cey
상기 화학식 1에서
A는 Y, Lu, Sc, La, Gd 및 Sm으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 원소,
B는 Al, Ga 및 In으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 원소,
C는 B 및 Fe로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 원소,
그리고, 0 < x ≤5이고, 0.0001 ≤y ≤1이다.
x 및 y의 사용량이 상기 범위미만이면 활성제로서의 기능을 하기에 충분한 양이 되지 못하며, 상기 범위이상 초과하면 농도켄칭효과(quenching effect)에 따른 휘도저하가 일어나는 문제점이 있을 수 있다.
패키지
본 발명에 있어서 반도체 발광장치는 반사 컵 또는 반사판 모양의 댐이 형성되어 있는 구조의 리드타입 또는 표면실장형 모두에 적용되는데, 리드타입의 경우에는 LED칩 상부면을 포함하여 홀컵 내부로 보레이트계 황색형광체 및 아연셀레늄계 적색형광체를 포함하는 에폭시 몰드층을 홀컵 상면과 동일면을 갖게 충진시키며, 상기 에폭시 몰드층 및 애노드와 캐소드의 일부를 포함하여 투광성 외장재로 코팅시켜서 이루어지며, 표면실장형의 경우에는 LED칩 상부면을 포함하여 프레임 요부 내부로 보레이트계 황색형광체 및 아연셀레늄계 적색형광체를 포함하는 투광성 수지 몰드층을 프레임 요부 상면과 동일면을 갖게 충진시켜서 이루어진다. 이때, 실장되는 LED칩의 높이가 100㎛인 경우에 상기 투광성 수지몰드층은 리드타입의 홀컵 또는 표면실장형의 프레임 요부 바닥면을 기준으로 하여 100㎛ ∼ 300㎛ 범위(실장되는 LED칩 높이의 약 1 ~ 3배)내에서 설정된 높이로 충진시키는 것이 바람직하며, 150㎛ ∼ 250㎛범위 내의 높이로 충진시키는 것이 더욱더 바람직하다. 100㎛미만일 때는 칩의 표면에 형광체가 도포되지 않아 백색의 구현이 어렵고, 300㎛이상이면 형광체에 의한 광차단 및 감쇠로 반도체 발광장치의 발광특성이 현저히 감소한다.
이 때, 상기 칩은 사파이어를 기판으로 하는 GaN, InGaN, AlGaInN 계열의 UV 및 청색 발광칩이거나, SiC 재질을 기판으로 하는 GaN, InGaN, AlGaInN 계열의 UV 및 청색 발광칩을 사용 한다. 또는 임의의 기판을 사용하여 제작된 GaN, InGaN, AlGaInN 계열의 UV 및 청색 발광칩을 사용할 수 있다. 그러나 상기 UV 및 청색 발광칩대신에 청색 발광칩만을 사용하여도 된다.
형광물질
본 발명에 있어서 보레이트계 황색형광체는 Y, Lu, Sc, La, Gd 및 Sm 으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소와 Al, Ga 및 In으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소와 B 및 Fe를 포함하고, 그리고 Ce으로 활성화된 보레이트계 형광체를 포함하는 것을 특징으로 한다. 예를들어, 상기 포토루미네선스 형광체로는 Y3Al2B3O12:Ce, Y3Al4BO12:Ce, 혹은 (YGd)3Al2B3O12:Ce을 비롯해서 상기와 같이 정의되는 각종의 것이 포함된다.
형광체는 주로 분말의 표면에서 발광하기 때문에 입자의 크기가 작아질수록 입자 표면적이 증가하여 발광세기가 증가하게 된다. 그러나 특허공개번호 제 2002-0079953 호에선 입자의 크기가 어느 한계 이하로 작아지게 되면 산란된 빛들이 입자들 사이에서 흡수되어 사라지기 때문에 최고의 발광특성을 나타내기 위한 최적의 입자크기는 서브마이크로크기의 형광체 분말이 구형의 형태를 유지할 때 발광세기가 정점으로 된다고 기재되어있다. 그러나 본 출원인에 의해 출원한(출원번호:10-2003-19154) 발명에서 분무열분해 공정에 의해 제조되어진 나노크기의 입자를 가진 황색형광체의 경우 입도 분포가 적음에도 불구하고 좋은 발광특성을 가졌다. 이는 기존의 고상반응법에 의해 제조된 형광체의 경우 입자크기를 줄이기 위해서 볼밀링하는 과정에서 형광체 표면에 결함이 생겨 휘도가 감소한다. 반면에 분무열분해 공정에 의해 제조되어진 서브마이크로크기의 형광체 분말은 하나의 입자로 존재하거나 혹은 하나의 입자가 재결정화에 의해 여러개의 입자로 나누어짐으로 휘도감소는 일어나지 않는다.
초음파 분무열분해 공정에 의해 제조되어진 형광체 입자는 최소 100나노에서 최대 10마이크로의 입자를 가지며, 평균 1-3마이크로의 입자를 가진다.
형광물질의 비중은 경화전의 액상 수지의 수배에 달한다. 또한 열경화성 수지는 가열 경화시 점도가 크게 저하한다. 이 때문에 , LED 칩을 형광 물질을 함유한 액상 수지로 덮어 열경화하면, 수지중의 형광 물질의 대부분은 LED칩의 주변에 빽빽이 집결하여 침강되는 경향이 있다. 이와 같이 빽빽이 집결하여 침강된 형광물질은, 서로 겹쳐져 LED칩의 주변에 침강되기 때문에, LED칩으로부터의 광을 효율적으로 흡수할 수 있는 것은 LED칩의 표면의 근방에 위치하는 형광 물질에만 한정된다. 따라서, 대부분의 형광 물질은 파장의 변환 기능을 충분히 발휘하지 못하고, 오히려 다른 형광 물질이 파장 변환된 광을 차단하여 단순히 빛에너지를 감쇠시키는데만 작용한다. 그 결과, 반도체 발광장치의 발광 출력의 저하를 야기하게 된다.
따라서, 본 발명에서는, 형광물질의 표면발광특성을 이용하여 모든 형광 물질에 파장 변환 기능을 발휘시켜 최대한으로 활용할 수 있는, 특정한 입도크기, 형태 및 분포를 갖는 형광 물질을 이용하여, 발광 다이오드의 출력 향상을 꾀하는 것이다. 즉, 상기 형광체 입도는 50마이크로 이하의 입자를 사용하고 더욱 바람직하게는 10마이크로이하의 입자를 사용하여 투광성 수지층 리드타입의 홀컵 또는 표면실장형의 프레임 요부 바닥면을 기준으로 하여 100㎛ ∼ 300㎛범위 내에서 설정된 높이로 충진시키므로서 광차단, 감쇠가 없고, 또, 1㎛이하의 입자를 충진층 외부에 분산시킴으로써 색변환층을 형성하여 충진층의 높이를 조절하여 고효율의 백색 반도체 발광장치를 형성한다. 즉, 형광체는 0.1마이크로 이상 5마이크로 이하의 입자크기를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 형광체 입경이 50마이크로 이상이면 형광체의 발광면적이 줄어들어 형광체의 사용량이 증대되어 광차단 및 감쇠가 많이 일어나고, 형광체 입경이 0.1마이크로 미만이면 형광체 제조 공정에서 입자크기를 줄이는 과정에서 발광특성이 급격히 감소하는 문제점이 있다. 따라서, 서브마이크로의 형광체의 크기, 형태 및 분포를 조절하여 투광성 수지층 리드타입의 홀컵 또는 표면실장형의 프레임 요부 바닥면을 기준으로 하여 150㎛ ∼ 250㎛범위 내에 충진시키고 M로서 광차단 및 감쇠가 없고 1㎛이하의 입자를 충진층 외부에 분산시킴으로써 색변환층을 형성하여 충진층의 높이를 조절하여 고효율의 백색 발광다이오드를 제작하는 것이 더욱더 바람직하다. 여기서, 본실시 형태에 있어서, 1㎛이하의 입자의 함유량은 형광 물질 전체의 0.01 ~ 10wt%이며, 1 ~ 20㎛ 크기의 입장의 함유량은 형광체 물질 전체의 90wt% 이상이다.
이때, 1㎛이하의 입자의 함유량이 형광물질 전체의 10wt%보다 크면, 산란된 빛들이 입자들사이에서 흡수되는 광경로 차에 의해 소멸되게 되고, 또한 투광성수지몰드층에서 충분히 침강이 이루어지지 않아 부유된 상태로 몰드재 응고가 이루어져 발광강도를 저하시키게 되고, 1㎛이하의 입자의 함유량이 형광체물질 전체의 0.01wt%보다 작으면 즉, 형광체 입자 대부분이 1~50㎛크기만을 함유하면 침강율이 가속화되고 형광물질층이 두꺼워지며 서로 겹치기 때문에 발광에 기여하지 않는 형광물질의 비율이 증가하게 되어 결국 발광강도를 저하하게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
도 1은 보레이트계 황색형광체 및 아연셀레늄계 적색형광체를 활용한 리드타입 백색 반도체 발광장치의 개략적인 구성도 및 일부 확대단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 리드타입 백색 반도체 발광장치는 이미 통상적인 구조로서 패키지를 리드 프레임의 선단부에 형성된 컵 형태의 반사판이 구현된 용기 내에 형광체 안료를 채워 제작한다. 즉, 애노드 세금선(1) 및 캐소드 세금선(2)를 이용하여 캐소드의 리드프레임 선단부에 형성한 컵(9)내부에 장착된 LED칩(3)과 애노드리드(anode lead; 4) 및 캐소드리드(cathode lead; 5)를 각각 연결하고, 컵 내부에 형광체와 투명 에폭시가 혼합된 에폭시 몰드층(6)을 형성시키고, 이 에폭시 몰드층(6)을 포함하여 그 주위를 무색 또는 착색된 투광성 수지로 몰딩하여 봉입하는 외장재(7)로 이루어져 있다. 이 때, 상기 에폭시 몰드층(6)은 보레이트계 황색형광체 및 아연셀레늄계 적색형광체를 포함하여 구성되어 있다.
도 2는 보레이트계 황색형광체, 아연셀레늄계 적색형광체 및 이중몰드를 활용한 리드타입 백색 발광다이오드 개략적인 구성도 및 일부 확대단면도이다. 도 2는 도 1과 비교하여 컵 내부에 2층 구조의 몰드층을 형성시키고 있다는 것이 다른 점이다. 즉, 컵 내부에 칩 본딩된 LED칩(3) 주변 영역을 포함하여 그 상부 임의의 영역까지 투명한 성질의 실리콘을 포함한 투명한 물질을 적층시킨 투명 실리콘층 또는 몰드층(8)을 형성시키고 있다. 컵 내부의 깊이가 0.2㎜ ∼ 0.6㎜ 범위 내의 값을 가지고, 상기 실리콘층 또는 몰드층(8)을 컵내부 깊이에 따라서 적정하게 0.25㎜ ∼ 0.55㎜ 범위 내의 값을 가지며, 또한 LED칩(3)의 높이가 컵 내부 바닥면을 기준으로 하여 높이 100㎛ 정도임을 감안하여, 상기 실리콘층 또는 몰드층(8)을 100㎛ ∼ 200㎛ 범위(즉, LED칩높이의 1~2배 정도)내에서 설정된 높이만큼 적층시키는 것이 바람직하다. 이때, 상기 적층 높이가 100㎛미만일때에는 실리콘층 또는 몰드층이 칩표면에 형성되지 않아 LED칩에 인가되는 스트레스에 대하여 상기 투명 몰드층이 방어벽 역할을 수행할 수 없게 되고, 200㎛보다 적층 높이가 클때에는 색변환에 기여하는 형광물질층이 얇아지므로 인해 원하는 색변환 및 백색광 구현이 어려워진다. 그 다음 상기 실리콘층 또는 몰드층(8) 상부로 보레이트계 황색형광체 및 아연셀레늄계 적색형광체가 포함된 에폭시 몰드층(6')을 컵 상단의 상면과동일면을 갖게 적층시킨다.
도 3은 보레이트계 황색형광체 및 아연셀레늄계 적색형광체를 활용한 리플렉터 사출구조타입의 표면실장형 백색 발광다이오드의 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 불투명수지재의 기판(16)의 상단부에 형성된 컵(17)내에 장착된 LED칩(10)과, 메탈포스트(애노드 리드, 11)와, 메탈포스트(캐소드 리드, 12)와, 형광체를 포함하는 에폭시 몰드층(13)으로 구성되어 있다. 상기 LED칩(10)과 메탈포스트(11, 12)는 세금선(14)으로 각각 N형전극 및 P형전극이 각각 접속되어 있다. 상기 에폭시 몰드층(13)은 보레이트계 황색형광체 및 아연셀레늄계 적색형광체를 포함하는 에폭시 몰드층(13)이며, 상기 LED칩(10) 상부를 포함하여 컵 내부 바닥에 적층시킨다. 그리고, 이 에폭시 몰드층(13) 상부에 컵 상단의 상면과 동일면을 갖게 투명 실리콘층 또는 몰드층(18)을 적층하여 형성된다.
도 4는 보레이트계 황색형광체 및 아연셀레늄계 적색형광체 및 이중몰드를 활용한 리플렉터 사출구조타입의 표면실장형 백색 발광다이오드의 단면도이다. 도 4는 도 3의 2층 구조의 몰드재를 형성시킨 것과 비교하여 외형적으로 3층 구조의 몰드재를 형성시키고 있다는 것이 다른 점이다. 즉, 먼저, 상기 LED칩(10) 상부를 포함하여 컵 내부 바닥에 투명 실리콘층 또는 몰드층(15)을 먼저 적층하여 형성하고, 이후, 상기 투명 실리콘층 또는 몰드층(15) 상부로 보레이트계 황색형광체 및 아연셀레늄계 적색형광체가 혼합된 액상의 몰드재를 충진시켜 형광체와 몰드재의 비중차를 이용하여 형광체가 고르게 침전된 침전층(13')으로서 광밀도를 향상시키기 위한 구조의 형태이다.
도 5는 보레이트계 황색형광체 및 아연셀레늄계 적색형광체를 활용한 PCB 타입의 표면실장형 백색 발광다이오드의 단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, LED칩(20)과, 메탈포스트(애노드 리드, 22)와, 메탈포스트(캐소드 리드, 21)와, 형광체를 포함하는 투광성의 에폭시몰드(23)으로 구성되어 있다. PCB층(25)상부에 상기 LED칩(20)과 메탈포스트(21, 22)는 세금선으로 각각 N형전극 및 P형전극이 각각 접속되어 있다. 상기 에폭시 몰드층(23)은 보레이트계 황색형광체 및 아연셀레늄계 적색형광체를 포함하는 에폭시 몰드층(23)이며, 상기 LED칩(20) 상부를 포함하여 일정 높이로 적층시킨다. 그리고, 이 에폭시 몰드층 상부에 투명 실리콘층 또는 몰드층(24)을 적층시켜 형성한다.
도 6은 보레이트계 황색형광체의 흡수 스펙트럼 및 발광스펙트럼을 나타낸 것이다. 흡수스펙트럼은 400 ~ 470nm 에서 높은 흡수 피크를 보여주고 있고, 520 nm를 발광피크로 하는 우수한 발광스펙트럼을 나타내므로 청색 발광칩을 이용한 백색구현 및 이 파장대를 에너지원으로 하는 응용분야에 있어서 보레이트계 황색형광체가 적합함을 알 수 있다.
도 7은 보레이트계 황색형광체의 모체조성 변화에 따른 발광스펙트럼을 나타낸 것이다. Y3Al5-xBxO12:Ce에서 x=1, 2, 3 일때 530 nm를 발광피크로 하는 우수한 발광스펙트럼을 나타내었다. 또, 붕소의 양론비가 증가해도 좋은 발광특성을 보였다.
도 8은 아연셀레늄계 적색형광체의 흡수 스펙트럼 및 발광스펙트럼을 나타낸 것이다. 흡수스펙트럼은 350 ~ 530nm 에서 높은 흡수 피크를 보여주고 있고, 620nm를 발광피크로 하는 우수한 발광스펙트럼을 나타내므로 UV 발광칩을 이용한 적색구현, 청색 발광칩을 이용한 핑크구현 및 이 파장대를 에너지원으로 하는 응용분야에 있어서 아연셀레늄계 적색형광체가 적합함을 알 수 있다.
도 9은 보레이트계 황색형광체와 청색 LED를 조합한 백색 발광다이오드의 발광스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 청색 발광칩으로부터 발생된 기준광과 방출된 광의 일부를 형광체가 흡수·여기되어 방출되는 제2의 광이 혼색되어 백색이 구현됨을 알 수 있다.
도 10은 아연셀레늄계 적색형광체와 청색 LED를 조합한 핑크색 발광다이오드의 발광스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 청색 발광칩으로부터 발생된 기준광과 방출된 광의 일부를 형광체가 흡수·여기되어 방출되는 제2의 광이 혼색되어 백색이 구현됨을 알 수 있다.
도 11은 보레이트계 황색형광체, 아연셀레늄계 적색형광체와 청색 LED를 조합한 발광다이오드에 의해 구현할 수 있는 색재현범위를 나타낸 색좌표이다. 도 11에 도시된 ① 영역(real white)과 ② 영역(bluish white)은 투광성몰드수지에 함유된 황색형광체 및 적색형광체의 중량퍼센트를 변화시킴으로써 구현이 가능한데 ① 영역은 투광성몰드수지에 대하여 25 ~ 30%의 황색형광체만을 함유시키거나 투광성몰드수지에 대하여 25 ~ 30%의 황색형광체 및 2 ~ 5%의 적색형광체를 함유시킴으로써 연색성이 우수한 색순도(Color Purity)를 갖는 백색구현이 가능하고, ② 영역은 투광성몰드수지에 대하여 3.5 ~ 5.5%의 황색형광체만을 함유시키거나 투광성물질수지에 대하여 3.5 ~ 5.5%의 황색형광체 및 1 ~ 5%의 적색형광체를 함유시킴으로써 연색성이 우수한 색순도(Color Purity)를 갖는 청백색구현이 가능한다. 또한, ③ 영역(purple color)과 ④ 영역(redish orange color)은 투광성몰드수지에 함유된 적색형광체의 중량퍼센트를 변화시킴으로써 구현이 가능한데, ③ 영역은 투광성몰드수지에 대하여 3 ~ 5%의 적색형광체를 함유시킴으로써 구현이 가능하고, ④ 영역은 투광성몰드수지에 대하여 15 ~ 20%의 적색형광체를 함유시킴으로써 구현이 가능하다. 따라서 도 11에 선택된 영역은 투광성몰드수지중에 있어 보레이트계 황색형광체 및 아연셀레늄계 적색형광체의 함유량을 조정함으로써 실선내에 있는 임의의 발광색을 발광시킬 수 있다.
이와 같이, 상기에서 제시한 발광다이오드는 발광층에 고에너지밴드갭을 가지고, 청색 발광이 가능한 질화갈륨계(InGaN) 화합물 반도체 소자, 황색발광이 가능한 보레이트계 황색형광체 및 적색 발광이 가능한 아연셀레늄계 적색형광체를 조합시킨 것으로 반도체 발광소자로부터의 청색발광과 그 발광에 의해 여기된 형광체로부터의 황색 및 적색 발광광과의 혼색에 의해 백색, 청백색, 핑크 및 파스텔 색조(pastel tone color) 구현이 가능해진다. 즉, 청색, 황색 및 적색의 혼색에 의한 백색광을 구현함으로써 연색성이 우수한 색순도를 가지므로, 종래의 청색칩에 YAG:Ce 황색형광체를 조합시킨 백색발광장치에 비해 LCD용 배면광원(backlight)(예를 들면, 직렬 또는 병렬구조로 배치된 백라이트 모듈의 LCD용 배면광원)으로 적용이 적합함을 알 수 있다.
또, 본 발명에 따른 보레이트계 황색형광체 및 아연셀레늄계 적색형광체를 갖는 백색 발광다이오드의 경우, 반도체 발광소자로부터 방출된 가시광대역의 고에너지광을 장시간 조사한 경우에도 발광색의 변화나 발광 휘도의 저하가 매우 적은 백색, 청백색, 핑크 및 파스텔 색조(pastel tone color)구현이 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 보레이트계 황색형광체 및 아연셀레늄계 적색형광체를 갖는 백색, 청백색, 핑크 및 파스텔 발광다이오드는 장파장 UV 영역 및 가시광영역대의 여기하에 매우 우수한 황색 및 적색발광을 나타내므로 UV LED용 적색 발광다이오드, 청색 LED용 백색, 청백색, 파스텔 및 핑크 발광다이오드, 장파장 UV 및 청색 영역대를 에너지원으로 하는 LED 응용분야에 적용할 수 있으며, 특히 연색성이 우수한 색순도를 가지므로 LCD용 배면광원용으로 적용이 적합하다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백할 것이다.

Claims (16)

  1. 발광층이 반도체인 반도체 발광소자와, 상기 반도체 발광소자에 의해 발광된 광의 일부를 흡수해서 흡수한 광의 파장과는 다른 파장을 가지는 여기된 광을 발출하는 형광체를 구비한 반도체 발광장치에 있어서,
    상기 반도체 발광소자의 발광층이 질화물계화합물 반도체로 이루어지고, 상기 형광체가 Y, Lu, Sc, La, Gd 및 Sm 으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소와 Al, Ga 및 In으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소와 B 및 Fe를 포함하고, 그리고 Ce으로 활성화된 보레이트계 형광체 및 아연셀레늄계 적색형광체를 포함함을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 형광체는, 형광체의 크기, 형태 및 분포를 조절하여 투광성 수지층 리드타입의 홀컵 또는 표면실장형의 프레임 요부 바닥면을 기준으로 하여 충진층의 높이를 광차단과 감쇠가 없도록 변화시키고, 또, 0.1~1㎛의 입자를 충진층 외부에 분산시킴으로써 색변환층을 형성함을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 형광체는 B을 포함하는 보레이트계 형광체 및 아연셀레늄계를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 형광체는, 일반식 A(1-y)3B5-xCxO12:Cey로 표시되는 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
    단, 0 < x ≤5이고, 0.0001 ≤y ≤1,
    A는 Y, Lu, Sc, La, Gd 및 Sm으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 원소 혹은 2개이상에서 선택되는 종이고,
    B는 Al, Ga 및 In으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 원소 혹은 2개 이상에서 선택되는 종이며,
    C는 B 및 Fe로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 원소 혹은 2개에서 선택되는 종이다.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자의 발광 스펙트럼의 주요피크가 400nm에서 530nm의 범위내에 있고, 상기 형광체의 주발광파장이 상기 반도체 발광소자의 주요피크보다 긴 것을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 형광체는 0.1 ~ 1㎛ 크기의 입자의 함유량이 형광체 물질 전체의 0.01~ 10wt%이며, 1 ~ 50㎛ 크기의 입자의 함유량이 형광체 물질 전체의 90wt% 이상을 차지함을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 보레이트계 황색형광체 및 아연셀레늄계 적색형광체는 구형 입자형태(spherical particles) 또는 얇은 조각 입자형태(flakelike particle)를 가지며, 그들의 입자크기가 각각 0.1㎛m ∼ 50㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  8. 소정의 요홈부에 GaN, InGaN, AlGaN 또는 AlGaInN계열의 청색 LED칩을 장착하고,
    상기 청색 LED로부터 발광하여 방출하는 광의 일부에 의해 여기되어, 상기 방출광보다 긴 파장의 광을 방출하는 형광물질을 포함하는 투광성 몰드재를 상기 LED칩 위에 충진하여 이루어져서, 상기 청색광의 일부와 상기 형광물질의 여기광에 혼색되어 백색광을 방출하는 백색 반도체 발광장치에 있어서,
    상기 형광물질은 보레이트계 황색형광체 및 아연셀레늄계 적색형광체중의 적어도 하나로 되는 형광체로 이루어짐을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 발광소자는 기판이 사파이어(Al2O3) 또는 SiC으로 형성됨을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 발광소자는 GaN, InGaN, AlGaN 또는 AlGaInN계열의 UV LED칩이 더 포함함을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 반도체 발광장치는 상기 요홈부가 리드 프레임 선단에 컵형상으로 형성되고, 상기 LED칩은 애노드리드와 캐소드리드를 세금선으로 연결시켜 형성된 리드타입임을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 반도체 발광장치는 상기 요홈부가 사출, 프레싱 또는 가공에 의해 형성된 프레임 요부로 이루어지고, 상기 청색 LED칩과 상기 프레임 요부에 설치된 단자, 애노드리드 및 캐소드리드를 세금선으로 접속시키도록 구성된 리플렉터 구조타입의 표면실장형임을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서
    상기 몰드재로 형성된 몰드층과 상기 청색 LED칩 사이에 스트레스 방지 및 광경로차 감소를 위한 투명한 실리콘층 또는 투명한 몰드층을 더 구비함을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 반도체 발광장치는 상기 요홈부가 상기 사출, 프레싱 또는 가공에 의해 형성된 프레임 요부로 이루어지고, 상기 청색 LED칩과 상기 프레임 요부에 설치된 단자, 애노드리드 및 캐소드리드를 세금선으로 접속시키도록 형성된 PCB(printed circuit board)타입의 표면실장형임을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  15. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 6 항, 제 7 항 내지 제 12 항 또는 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 형광물질은 일반화학식 (YGd)3(AlGa)5O12:Ce 및 Tb3Al5O12:Ce로 표시되는 알루미네이트계 황색형광체중의 적어도 하나를 더 포함함을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  16. 제 1 항, 제 9 항 또는 제 15 항 중 어느 한 항에 기재한 반도체 발광장치를 병렬 또는 직렬구조로 배치하여 LCD 백라이트로 적용한 백라이트 모듈.
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