KR20060051687A - 연색평가수가 높은 전계발광 램프 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 연색평가수(color rendering index; CRI)가 높은 전계발광 램프는 청색 방출성 전계발광 인광물질, 청색-녹색 방출성 전계발광 인광물질, 또는 이의 혼합물 중에서 선택되는 전계발광 인광물질과 유로퓸(europium) 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질의 혼합물을 함유하는 인광물질 배합물을 사용하여 제조할 수 있다. 이러한 본 발명의 램프는 CRI가 적어도 약 75인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 적어도 약 80인 것이다. 바람직한 배합물은 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질을 약 10중량% 내지 약 20중량% 함유하는 것이다.
전계발광 램프, 인광물질, 청색 방출, 청색-녹색 방출, 유로퓸

Description

연색평가수가 높은 전계발광 램프{HIGH CRI ELECTROLUMINESCENT LAMP}
도 1은 본 발명에 따른 후막 전계발광 램프의 횡단면도이다.
도 2는 2가지 전계발광 인광물질인 YAG:Ce 인광물질 및 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질의 방출 스펙트럼을 비교한 것이다.
도 3은 다양한 인광물질의 혼합물에 의해 수득될 수 있는 색점을 도시한 CIE x,y 색도 다이아그램이다.
본 발명은 일반적으로 전계발광성 램프 및 인광물질, 보다 상세하게는 백색광(white light)을 발생하는 전계발광 램프에 관한 것이다.
전계발광(EL)은 전기장 여기 상태에서 나타나는 광의 방출을 의미한다. 이러한 기작에 근거하여, EL 램프는 휴대폰 및 노트북과 같은 가정용 전기제품의 수요량 증가로 인해 평면 패널 디스플레이 분야의 응용분야도 증가하는 추세이다. EL 램프는 또한 시야각에 무관하게 균일한 광 방출을 제공하고 기계적 충격과 진동에 민감하지 않다. EL 램프는 50 내지 1000Hz의 주파수에서 약 100 내지 300V(피크간)의 AC 전압을 발생시키는 변환기를 사용하여 1.5 내지 9 볼트에서 용이하게 직류 (DC) 구동될 수 있다.
EL 램프의 주요 구조물 2가지는 일반적으로 박막 및 후막이라 불리는 것이다. 박막 EL 램프는 유전물질, 인광물질 및 전도성 산화물의 박막들을 CVD와 같은 증착 기법을 사용하여 유리 기재 상에 교대로 침착시켜 제조한 것이다. 이에 반해, 후막 램프는 분말 물질을 수지상 물질에 현탁시킨 뒤, 이 현탁물을 통상의 스크린 인쇄 기법으로 플라스틱 필름 위에 막으로 도포시켜 제조한 것이다. 따라서, 후막의 EL 램프는 얇고 유연하며 표면이 거칠어서 광범위한 광원 분야에 적당한 재원이 될 수 있다.
후막 EL 램프에 유용한 인광물질은 주로 다양한 활성인자, 예컨대 Cu, Au, Ag, Mn, Br, I 및 Cl이 도핑된 황화아연으로 구성된 것이다. 이러한 인광물질의 예는 미국 특허 5,009,808, 5,702,643, 6,090,311 및 5,643,496에 기술되어 있다. 시판용 EL 인광물질의 예에는 OSRAM SYLVANIA 타입 813(청색 방출성 ZnS:Cu 인광물질), OSRAM SYLVANIA 타입 723(청색-녹색 방출성 ZnS:Cu,Cl 인광물질) 및 OSRAM SYLVANIA 타입 523(황색-오렌지색 방출성 ZnS:Cu,Mn 인광물질)이 있다. 일반적으로, EL 인광물질의 각 입자는 수분에 의한 분해에 대해 내성을 향상시키기 위해 각각 무기 코팅으로 캡슐화되어 있다. 이러한 코팅의 예에 대해서는 미국 특허 5,220,243, 5,244,750, 6,309,700 및 6,064,150에 기술되어 있다.
다색 정보 디스플레이를 구비하는 역광조명 및 신호계 분야 등에서는 연색평가수(CRI)가 높은 백색광을 발생시킬 수 있는 것이 중요하다. 하지만, 가장 밝은 전계발광성 인광물질은 주로 약 400nm 내지 약 550nm 사이의 파장에서 청색 내지 녹색 스펙트럼 영역에서 발광한다. 이로 인하여, EL 램프에서는 높은 CRI의 백색 방출을 수득하기가 어려우며, 특히 후막 EL 램프에 만족스러운 적색 방출성 전계발광성 인광물질이 아직 개발되어야 하는 상태이기 때문에 더욱 곤란하다. 현재, 가장 일반적인 2가지 백색 방출성 EL 기술은 (1) 청색-녹색 방출성 전계발광 인광물질을 로다민 염료와 혼합하는 것과 (2) 청색-녹색 방출성 전계발광 인광물질을 오렌지색 방출성 ZnS:Cu,Mn 전계발광 인광물질과 배합하는 것이다. 전자의 기술에서, 청색-녹색 전계발광성 인광물질과 로다민 염료의 혼합은 CRI가 약 79이고, x색 좌표가 약 0.27이며 y색 좌표가 약 0.34인 램프를 생산할 수 있다. 하지만, 로다민 염료는 신호계 응용분야에서 선호성을 떨어뜨리는, 소등 시 바람직하지 않은 핑크색 램프를 제공한다. 후자의 기술에서는 배합된 EL 인광물질이 CRI가 약 69밖에 되지 않고 x색 좌표가 약 0.34이며 y 색 좌표가 약 0.38이다. 또한, 2종의 다른 EL 인광물질이 사용되기 때문에 인광물질의 휘도가 다른 속도로 저하되어 램프의 수명 동안 색 변화가 일어나는 문제점이 있을 수 있다.
중국 특허 공개번호 CN 1340590A는 청색 및 청색-녹색 방출성 EL 인광물질을 세륨 활성화성 이트륨 알루미늄 석류석 인광물질 Y3Al5O12:Ce(YAG:Ce)를 혼합하는 방법을 기술하고 있다. YAG:Ce 인광물질은 청색 및 청색-녹색 EL 인광물질에 의해 방출되는 파장에 의해 여기되는 축광성(photoluminescent) 인광물질이다. YAG:Ce 인광물질 유래의 황색 방출은 EL 인광물질 유래의 청색- 또는 청색-녹색 방출과 함께 백색 광을 생산한다. 하지만, 이러한 조합에 의해 방출되는 백색광은 유의의 적색 성분이 부족하고, 결과적으로 CRI가 약 70 미만이다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 극복하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 CRI가 높은 백색 방출성 전계발광 램프를 제공하는 것이다.
CRI가 높은 전계발광 램프는 청색- 또는 청색-녹색 방출성 EL 인광물질을 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질과 배합하여 생산할 수 있음을 발견했다. 청색 방출성 전계발광 인광물질은 약 400nm 내지 약 470nm 사이에서 방출하고, 청색-녹색 방출성 전계발광 인광물질은 약 470nm 내지 약 550nm 사이에서 방출하는 것이 바람직하다. 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질은 약 200nm 내지 약 500nm 사이의 파장에서 여기되고, 약 600nm 내지 약 680nm 사이의 파장에서 최대 방출성을 나타내는 황색 내지 적색 스펙트럼 영역에서 방출하는 축광 물질이다.
일 구체예에서, 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질은 화학식 MxSiyNz:Eu로 표시될 수 있는 것으로서, 여기서 M은 Ca, Sr 및 Ba 중에서 선택되고 z=2x/3 + 4y/3이다. 이러한 알칼리 토류 질화규소 인광물질은 본원에 참고원용되는 미국 특허 6,682,663 및 6,649,946에 기술되어 있다. 바람직한 구체예에서, 알칼리 토류 질화규소 인광물질은 화학식 M2Si5N8:Eu로 표시되는 것이다(여기서, M은 Ca, Sr 및 Ba 중에서 선택되는 것이다). 보다 바람직한 인광물질은 Ca2Si5N8:Eu이다. 다 른 구체예에서, 알칼리 토류 인광물질은 화학식 MSi7N10:Eu(여기서, M은 Ca, Sr 및 Ba 중에서 선택되는 것이다)로 표시되는 것이다. Eu 농도는 알칼리 토류 이온과 비교하여 1 내지 10원자% 범위인 것이 바람직하다.
전계발광 램프에서 함께 혼합될 때, 전계발광성 인광물질 및 축광성 인광물질 유래의 방출은 혼합되어 CRI가 높은 백색광을 발생한다. 램프는 CRI가 적어도 약 75인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 CRI가 적어도 약 80인 것이다. 바람직한 배합물은 전계발광성 인광물질과, 약 10중량% 내지 약 20중량% 범위의 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질을 함유하는 것인데, 여기서 전계발광성 인광물질은 청색 방출성 전계발광 인광물질, 청색-녹색 방출성 전계발광 인광물질 또는 이의 혼합물 중에서 선택되는 것이다.
기타 다른 본 발명의 목적 및 추가 목적, 이의 장점 및 성능과 함께 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 이하의 상세한 설명과 첨부되는 청구의 범위에 전술한 도면과 관련하여 상세히 기술하였다.
도 1은 본 발명에 따른 후막 전계발광 램프(2)의 횡단면도를 도시한 것이다. 램프(2)는 2개의 유전층(20과 22)을 갖고 있다. 플라스틱 필름(12b)에 코팅된 알루미늄 또는 흑연과 같은 제1 전도성 물질(4)은 램프(2)의 제1 전극을 구성하는 반면, 제2 플라스틱 필름(12a)에 코팅된, 인듐 주석 산화물(ITO)과 같은 박막의 투명한 전도성 물질(6)은 제2 전극을 구성한다. 2개의 전도성 전극 (4)와 (6) 사이에는 시아노에틸 셀룰로스 또는 시아노에틸 전분과 같은 것일 수 있는 유전물질(14)이 2층(20과 22)으로 적층되어 있다. 제1 전극(4) 옆에는 강유전 물질(10), 바람직하게는 바륨 티타네이트의 입자가 매립되어 있는 유전물질(14) 층이 인접 위치한다. 제2 전극(6) 옆에는 청색 또는 청색-녹색 방출성 전계발광 인광물질(8)의 입자 및 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질(7)의 입자가 매립되어 있는 유전물질(14) 층이 인접 위치한다.
다음과 같은 몇가지 인광물질의 방출 스펙트럼은 도 2에 비교했다: OSRAM SYLVANIA 타입 813 청색 방출성 전계발광 인광물질, OSRAM SYLVANIA 타입 723 청색-녹색 방출성 전계발광 인광물질, 세륨 활성화성 이트륨 알루미늄 석류석(YAG:Ce) 인광물질 및 OSRAM SYLVANIA 타입 350 Ca2Si5N8:Eu 인광물질. 인광물질 Ca2Si5N8:Eu의 최대 방출은 YAG:Ce 인광물질의 최대 방출 약 530nm 보다 훨씬 높은 약 600nm에서 일어난다. 더욱이, Ca2Si5N8:Eu 인광물질의 방출은 약 680nm까지 확대된다.
Ca2Si5N8:Eu 인광물질과 청색- 및 청색-녹색 방출성 전계발광 인광물질의 배합물을 함유하도록 제조된 전계발광 램프는 약 75 초과의 CRI값을 생산할 수 있다. 이에 반해, 상기와 동일한 전계발광 인광물질과 YAG:Ce의 배합물을 함유하도록 제조된 램프는 70 미만의 CRI 값을 생산할 뿐이다. 구체적으로, 이러한 배합에 의해 수득될 수 있는 CRI값의 계산된 범위는 다음 표 1과 같다.
인광물질 배합물 CRI 범위
타입 813(ZnS:Cu) 및 타입 L350 Ca2Si5N8:Eu 74 내지 85
타입 723(ZnS:Cu,Cl) 및 타입 L350 Ca2Si5N8:Eu 75 내지 85
타입 813(ZnS:Cu) 및 YAG:Ce 56 내지 68
타입 723(ZnS:Cu,Cl) 및 YAG:Ce 53 내지 62
도 3은 청색 방출성(813) 및 청색-녹색 방출성(723) 전계발광 인광물질과 YAG:Ce 인광물질의 배합물(각각 곡선 21 및 22) 및 Ca2Si5N8:Eu (L350) 인광물질의 배합물(각각 곡선 31 및 32)에서 수득할 수 있는 CIE x, y색 좌표의 범위를 도시한 것이다. L350 인광물질과의 배합물의 곡선 31 및 32는, YAG:Ce 인광물질을 함유하는 배합물의 상응하는 곡선 21, 22보다 흑체 곡선에 가깝게 존재하고, 일광 백색점(0.333, 0.333), 형광등(cool white) 백색점(0.380, 0.380) 및 형광등(warm white) 백색점 (0.440, 0.400)과 근접하다. (본 명세서에 언급된 x, y색 좌표는 1931 국제 표준 컬러 측정기구[1931 Commission Internationale de I'Eclairage(CIE) Standard Observer(2°)]로 측정한 값이다).
약 85의 CRI는 L350 인광물질 약 10중량% 내지 약 20중량%를 함유하는 배합물을 통해 수득할 수 있다. 이러한 배합물의 색좌표는 x값이 약 0.29 내지 약 0.39 범위이고, y값이 약 0.35 내지 약 0.39 범위이다. 표 2에는 전계발광성 인광물질 YAG:Ce(OSRAM SYLVANIA 타입 251) 및 Ca2Si5N8:Eu(L350) 20중량%를 함유하는 배합물로 제조한 몇가지 EL 램프의 데이터를 비교한 것이다.
인광물질 휘도(ft-L) 효능(루멘/W) x y CRI
813(대조군) 20.3 2.92 0.170 0.250 30
813/251 17.8 3.19 0.217 0.345 55
813/L350 16.7 3.44 0.295 0.356 85
723(대조군) 31.9 4.18 0.188 0.423 40
723/L350 18.8 4.29 0.314 0.490 75
이상, 현재 본 발명의 바람직한 구체예로 간주되는 예들을 제시하여 설명했지만, 이하의 특허청구범위에 명시된 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 변화와 수정이 이루어질 수 있음은 당업자에게 자명한 것이다.
본 발명의 전계발광 램프는 청색 방출성 전계발광 인광물질, 청색-녹색 방출성 전계발광 인광물질, 또는 이의 혼합물 중에서 선택되는 전계발광 인광물질과 유로퓸(europium) 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질의 혼합물을 함유하는 인광물질 배합물을 사용하여 제조한 것으로서, 연색평가수(CRI)가 적어도 약 75이고, 보다 바람직하게는 적어도 약 80이어서 다색 정보 디스플레이를 구비하는 역광조명 및 신호계 분야 등에 기여하는 바가 지대할 것이다.

Claims (28)

  1. 청색 방출성 전계발광 인광물질, 청색-녹색 방출성 전계발광 인광물질, 또는 이의 혼합물 중에서 선택되는 전계발광 인광물질과 유로퓸(europium) 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질의 혼합물을 함유한 인광물질 배합물을 포함하는 전계발광 램프.
  2. 제1항에 있어서, 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질이 화학식 MxSiyNz:Eu(여기서, M은 Ca, Sr 및 Ba 중에서 선택되고, z = 2x/3 + 4y/3이다)로 표시되는 것인, 전계발광 램프.
  3. 제1항에 있어서, 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질이 화학식 M2Si5N8:Eu(여기서, M은 Ca, Sr 및 Ba 중에서 선택되는 것이다)로 표시되는 것인, 전계발광 램프.
  4. 제1항에 있어서, 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질이 화학식 MSi7N10:Eu(여기서, M은 Ca, Sr 및 Ba 중에서 선택되는 것이다)로 표시되는 것인, 전계발광 램프.
  5. 제1항에 있어서, 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질이 Ca2Si5N8:Eu로 표시되는 것인, 전계발광 램프.
  6. 제1항에 있어서, 배합물이 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질을 약 10중량% 내지 약 20중량% 함유하는 것인, 전계발광 램프.
  7. 제1항에 있어서, 청색 방출성 전계발광 인광물질이 ZnS:Cu이고, 청색-녹색 방출성 전계발광 인광물질이 ZnS:Cu,Cl인 것이 특징인, 전계발광 램프.
  8. 제1항에 있어서, 청색 방출성 전계발광 인광물질이 약 400nm 내지 약 470nm 사이의 파장에서 방출하고, 청색-녹색 방출성 전계발광 인광물질이 약 470nm 내지 약 550nm 사이의 파장에서 방출하는 것이 특징인, 전계발광 램프.
  9. 제8항에 있어서, 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질이 약 200nm 내지 약 500nm 사이의 파장에서 여기되고, 약 600nm 내지 약 680nm 사이의 파장에서 최대 방출성을 나타내는 것인, 전계발광 램프.
  10. 제1항에 있어서, 램프가 적어도 약 75의 CRI를 나타내는 것인, 전계발광 램 프.
  11. 제1항에 있어서, 램프가 적어도 약 80의 CRI를 나타내는 것인, 전계발광 램프.
  12. 제5항에 있어서, 램프가 약 85의 CRI를 나타내는 것인, 전계발광 램프.
  13. 제1항에 있어서, 램프는 x색 좌표가 약 0.29 내지 약 0.39 범위이고, y색 좌표가 약 0.35 내지 약 0.39 범위인 것이 특징인, 전계발광 램프.
  14. 제13항에 있어서, 배합물이 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질을 약 10중량% 내지 약 20중량% 함유하는 것인, 전계발광 램프.
  15. 제14항에 있어서, 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질이 Ca2Si5N8:Eu인 것이 특징인, 전계발광 램프.
  16. 제2항에 있어서, 유로퓸 농도가 알칼리 토류 이온과 비교했을 때 1 내지 10원자%인 것이 특징인, 전계발광 램프.
  17. 청색 방출성 전계발광 인광물질, 청색-녹색 방출성 전계발광 인광물질, 또는 이의 혼합물 중에서 선택되는 전계발광 인광물질과 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질의 혼합물을 함유하는 인광물질 배합물.
  18. 제17항에 있어서, 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질이 화학식 MxSiyNz:Eu(여기서, M은 Ca, Sr 및 Ba 중에서 선택되고, z = 2x/3 + 4y/3이다)으로 표시되는 것인, 인광물질 배합물.
  19. 제17항에 있어서, 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질이 화학식 M2Si5N8:Eu(여기서, M은 Ca, Sr 및 Ba 중에서 선택되는 것이다)으로 표시되는 것인, 인광물질 배합물.
  20. 제17항에 있어서, 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질이 화학식 MSi7N10:Eu(여기서, M은 Ca, Sr 및 Ba 중에서 선택되는 것이다)로 표시되는 것인, 인광물질 배합물.
  21. 제17항에 있어서, 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질이 Ca2Si5N8:Eu로 표시되는 것인, 인광물질 배합물.
  22. 제17항에 있어서, 배합물이 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질을 약 10중량% 내지 약 20중량% 함유하는 것인, 인광물질 배합물.
  23. 제18항에 있어서, 청색 방출성 전계발광 인광물질이 ZnS:Cu이고, 청색-녹색 방출성 전계발광 인광물질이 ZnS:Cu,Cl인 것이 특징인, 인광물질 배합물.
  24. 제17항에 있어서, 청색 방출성 전계발광 인광물질이 약 400nm 내지 약 470nm 사이의 파장에서 방출하고, 청색-녹색 방출성 전계발광 인광물질이 약 470nm 내지 약 550nm 사이의 파장에서 방출하며, 유로퓸 활성화성 알칼리 토류 질화규소 인광물질이 약 200nm 내지 약 500nm 사이의 파장에서 여기되고 약 600nm 내지 약 680nm 사이의 파장에서 최대 방출을 나타내는 것이 특징인, 인광물질 배합물.
  25. 제18항에 있어서, 유로퓸 농도가 알칼리 토류 이온과 비교했을 때 1 내지 10원자% 범위인 것이 특징인, 인광물질 배합물.
  26. 청색 방출성 ZnS:Cu 인광물질, 청색-녹색 방출성 ZnS:Cu,Cl 인광물질, 또는 이의 혼합물 중에서 선택되는 전계발광 인광물질과 Ca2Si5N8:Eu 인광물질의 혼합물을 함유하는 인광물질 배합물.
  27. 제26항에 있어서, 유로퓸 농도가 알칼리 토류 이온과 비교했을 때 1 내지 10원자% 범위인 것이 특징인, 인광물질 배합물.
  28. 제26항에 있어서, 배합물이 Ca2Si5N8:Eu 인광물질 약 10중량% 내지 약 20중량%를 함유하는 것인, 인광물질 배합물.
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