KR20060064434A - 백색발광소자 - Google Patents

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KR20060064434A KR20040103299A KR20040103299A KR20060064434A KR 20060064434 A KR20060064434 A KR 20060064434A KR 20040103299 A KR20040103299 A KR 20040103299A KR 20040103299 A KR20040103299 A KR 20040103299A KR 20060064434 A KR20060064434 A KR 20060064434A
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Abstract

본 발명은 녹색 및 황색 형광체를 이용한 백색 반도체 발광장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체 및 스트론튬실리케이트계 황색 형광체를 채용하여 발광소자로부터 발광하는 청색광과 청색소자로부터 여기 되어 발광하는 녹색광 및 황색광과의 혼색에 의해 백색 발광이 가능하도록 한 백색 반도체 발광장치이다.
Figure 112004519074666-PAT00001
백색 반도체 발광장치, 실리케이트계 녹색형광체, 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체, 실리케이트계 황색형광체

Description

백색발광소자{White Light Emitted Device}
도 1은 본 발명의 바륨 실리케이트계 녹색 형광체의 흡수 및 발광스펙트럼을 나타낸 그래프,
도 2는 본 발명의 황화스트론튬갈륨계 녹색 형광체의 흡수 및 발광스펙트럼을 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명의 스트론튬실리케이트계(Sr2SiO4:Eu) 황색 형광체의 흡수 및 발광스펙트럼을 나타낸 그래프,
도 4은 본 발명의 스트론튬실리케이트계(Sr3SiO5:Eu) 황색 형광체의 흡수 및 발광스펙트럼을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체 및 스트론튬실리케이트계 황색형광체를 활용한 리드타입 백색 반도체 발광장치의 개략적인 구성도,
도 6는 본 발명의 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체 및 스트론튬실리케이트계 황색형광체를 활용한 리플렉터 사출구조타입의 표면실장형 백색 반도체 발광장치의 개략적인 구성도,
도 7은 본 발명의 청색 발광다이오드에 의해 발광된 일부 광을 흡수하여 황 색 발광을 하는 스트론튬실리케이트계 황색형광체의 방출된 광과의 혼색에 의한 백색 발광다이오드 발광스펙트럼,
도 8은 본 발명의 청색발광다이오드에 의해 발광된 일부 광을 흡수하여 녹색 발광을 하는 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체 및 황색발광을 하는 스트론튬실리케이트계 황색형광체의 방출된 광이 혼색되어 발광하는 백색 발광다이오드의 발광스펙트럼,
도 9은 본 발명의 청색 발광다이오드에 의해 발광된 일부 광을 흡수해서 발광하는 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체의 녹색광 및 스트론튬실리케이트계 황색형광체의 황색광과의 혼색에 의해 가능한 색 재현 범위를 나타낸 것이다.
본 발명은 백색 반도체 발광장치에 관한 것으로, 반도체 발광소자의 발광 층으로부터 발광된 청색광과, 발광된 청색광의 일부를 흡수하여 녹색발광이 가능한 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체 및 스트론튬실리케이트계 황색형광체를 함유시킴으로써, 반도체 발광소자에 의해 방출된 청색광과 청색광의 일부를 흡수, 여기 되어 광을 방출하는 녹색 및 황색형광체로부터의 혼색 광에 의해 백색 발광이 가능한 반도체 발광장치에 관한 것이다.
반도체 발광소자, 즉 발광다이오드(Light Emitting Diode)는 기본적으로 반 도체 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 발광소자를 이용하여 백색을 구현하는 기술은 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있는데 그방법은 크게 두 가지로 구분하여 요약할 수 있다. 그 예로 단일 칩 형태의 청색이나 혹은 UV 발광다이오드 칩 위에 형광물질을 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 1996년 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 되어 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 매우 어렵다. 또한 주변온도에 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 254nm 혹은 185nm의 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 소형 디스플레이 백라이트에 집중됨에 따라 전력소비량이 큰 문제점으로 상용화에는 어려움이 있다. 따라서 연색성이 개선되면서 전력소비량이 적은 형태의 백색 발광소자의 개발이 요구되어진다.
본 발명은 청색발광 칩을 갖는 발광소자의 투광성 수지층에 고효율의 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체 및 스트론튬실리케이트 황색형광체를 함유시킴으로써, 청색 발광소자에 의해 발광된 청색광과 이 청색광의 일부를 흡수해서 발광하는 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체의 녹색광 및 알루미늄산터븀계 황색형광체 황색광의 혼색에 의해 우수한 광 특성 및 색재현성을 갖는 백색 반도체 발광장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 청색 발광다이오드 소자에 녹색 및 황색 형광체를 도포하여 청색 발광소자의 청색광을 흡수하여 녹색 및 황색 발광하는 형광체를 이용하여 광 특성 및 색재현성이 우수하고 소비전력이 적은 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 박판 상에 다이본딩 수지에 의해 다이본딩 되어 있다. 그러나 본 발명에서는, 발광다이오드 칩은 다른쪽 금속 박판상에 다이본딩 되어 있어도 되고, 금속 박판과 금속 박판에 걸쳐 다이본딩 되어 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(InAIGa)를 이용한 발광다이오드 칩을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 청색 발광다이오드칩은 InGaN을 발광층을 갖고 있고, 그 혼합 결정 조성에 의해 발광 파장을 약 430nm에서 480nm까지 임의로 바꿀 수 있다. 발광 다이오드 칩의 구조로서는 MIS 접합, PIN 접합이나 PN접합 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 채용 하는 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.
＜형광체＞
상기 반도체 발광장치에 적용된 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체 및 스트론튬실리케이트계 황색형광체에 대해 설명한다.
본 발명의 반도체 발광장치에 사용되는 형광체는 반도체 발광층에서 발광된 자외선과 가시광영역대의 에너지원에의해 여기 되고, 여기 광과 다른 파장을 가지는 광을 발광하는 녹색 및 황색형광체이다. 구체적으로 바륨실리케이트계 녹색형광체는 일반적인 화학식 (Ba1-p-q,Mp)2SiO4:Euq 로 표시되고, M은 Sr, Ca, Mg, K, Na, Ba에서 선택된 적어도 하나의 원소로서 0≤p ＜ 0.7이고, 0 ＜ q ＜0.5이다.
바람직하기로는 0 ＜ p+q ＜ 1이며, 더욱 바람직하기로는 0.2 ＜ p+q ＜ 0.7이다. 또한, 0.1 ≤ p ＜ 0.7, 0.0005 ≤ q ＜ 0.2인 것이 바람직하다.
상기 일반식에서, p와 q가 상기 수치범위인 경우에 바람직한 발광효율을 얻을 수 있다. p가 0.7이상이면 발광파장이 녹색에서 황색으로 변화는 모체 특성이 있다. q가 상기 수치 범위인 경우에, Eu이 활성제로서 적절한 기능을 발휘할 수 있으며, 그 상한선을 벗어나는 경우에는 농도소광효과(quenching effect)에 따른 휘도저하가 발생될 수 있다.
황화스트론튬갈륨계 녹색형광체에 대해 더욱 상세하게 설명하면 일반적인 화학식 (Sr1-p'-q',Mp')Ga2S4:Euq' 로 표시되고, M은 Sr, Ca, Mg, K, Na, Ba에서 선택된 적어도 하나의 원소로서 0 ≤ p' ＜ 0.5이고, 0 ＜ q' ＜0.5이다.
바람직하기로는 0 ＜ p'+q' ＜ 1이며, 더욱 바람직하기로는 0 ＜ p'+q' ＜ 0.5이다. 또한, 0.05 ≤p' ＜ 0.3, 0.0005 ≤ q' ＜ 0.1인 것이 바람직하다.
상기 일반식에서, p'와 q'가 상기 수치범위인 경우에 바람직한 발광효율을 얻을 수 있다. 또한, q'가 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 400nm 내지 500nm 범위에서 흡수피크를 나타내고, 약 500nm 내지 600nm에서 발광피크를 나타낸다.
실리케이트계 황색형광체의 경우 결정구조가 상이한 2가지 형태가 있다. 일반적인 화학식 (Sr1-aXa)2SiO4:Eub 와 (Sr1-c Xc)3SiO5:Eub이다.
상기 화학식에서 X는 Ca, Mg, K, Na 및 Ba으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 원소이며, 0≤a ＜0.4 이고, 0.001 ≤b ≤0.2이고, 0≤ c ＜1 비율로 설정하는 것이 바람직하다. 상기 일반식에서, a, b와 c가 상기 수치범위인 경우 에 바람직한 발광효율을 얻을 수 있다. a가 상기 수치 이상이면 발광 파장이 황색에서 녹색으로 변화는 모체 특성이 있다. b가 상기 수치 범위인 경우에, Eu이 활성제로서 적절한 기능을 발휘할 수 있으며, 그 상한선을 벗어나는 경우에는 농도 소광효과(quenching effect)에 따른 휘도저하가 발생될 수 있다. 상기 황색 형광체는 모두 동일한 흡수 특성을 보이며, 약 470nm이하 범위에서 좋은 흡수특성을 나타내고, 약 500nm 내지 700nm에서 발광피크를 나타내며, 특히, (Sr1-aXa)2SiO 4:Eub의 경우 피크파장이 550nm정도이며, (Sr1-cXc)3SiO5:Eub의 경우 피크파장이 565nm정도이다.
이상과 같은 녹색 및 황색형광체는 백색 반도체 발광장치 제작에 있어, 투명 에폭시 수지층 또는 투명 실리콘 수지층에 포함되어 청색 LED칩 상부 면을 포함하여 홀컵 또는 플라스틱 사출물로 형성된 반사컵 내부를 충진시켜 이루어진다. 투명 에폭시 수지층 또는 투명 실리콘 수지층에 포함된 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체 및 스트론튬실리케이트계 황색형광체는 입자크기(입도)에 따라서 홀컵 또는 플라스틱 사출물로 형성된 반사컵 내부 바닥면을 기준으로 대입자, 중입자, 소입자 순으로 이루어지는데, 투명 에폭시 수지층 또는 투명 실리콘 수지층의 녹색 및 황색형광체가 충분히 침강되어 충진되도록 경화시켜 몰드재 경화가 이루어지게 함이 바람직하다. 투명 에폭시 수지층 또는 투명 실리콘 수지층에 있어 형광체가 충분히 침강되어 몰드재 경화가 이루어지면, 반도체 발광소자로부터 발생된 광이 형광체 입자들에 의해 흡수되고, 산란되어 소멸되는 광 경로차를 줄이고 이로 인하여 백색광의 강도상승은 물론 균일한 백색발광이 가능해지나, 충분히 침강이 이루어지지 않고 형광체 입자들이 부유한 상태로 서로 중첩되어 몰드재 응고가 이루어지면 반도체 발광소자로부터 발생된 광이 상기 LED칩 표면에서 근접한 부분의 부유된 형광체 입자들에 있어서는 형광체에 흡수되어 여기 된 2차광으로 방출되지만, 여기 된 2차 방출광은 경로상으로 칩 표면에서 떨어져있는 형광체 입자들에 부딪쳐 발광에 기여하지 못하고, 일부는 투과하고 일부는 반사되어 확산되며, 또 일부는 소멸되어 발광강도를 현저히 저하시키게 된다. 또한, 본 발명에서는 투명 에폭시 수지층 또는 투명 실리콘 수지층에 포함된 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체 및 스트론튬실리케이트계 황색형광체의 입자크기(입도)에 있어, 대입자 및 중입자형광체 크기는 2㎛ ∼ 50㎛이고 소입자형광체크기는 0.1㎛ ∼ 2㎛범위로 설정한다. 형광체는 주로 분말의 표면에서 발광하기 때문에 입자크기가 작아질수록 입자표면적이 증가하여 발광강도가 증가하게 되지만, 입자크기가 어느 한계미만(예를 들면 0.1㎛미만)으로 작아지게 되면 산란된 빛들이 입자들 사이에서 흡수되는 광경로 차에 의해 소멸되고, 또한 투명 에폭시 수지층 또는 투명 실리콘 수지층에서 충분히 침강이 이루어지지 않아 부유된 상태로 응집체를 형성하기 쉽게 되어 발광강도가 저하 된다. 또한 입자크기가 한계보다 크면(예를 들면 50㎛보다 크면) 침강율이 가속화되고 형광물질 층이 두꺼워지며 서로 중첩되기 때문에 발광에 기여하지 않는 형광물질의 비율이 증가되어 결국 발광강도가 저하된다. 즉, 입자크기(입도)에 의해 침강시킴에 있어서, 2㎛ ∼ 50㎛범위의 입자크기를 갖는 대입자 및 중입자형광체를 홀컵 또는 플라스틱 사출물로 형성된 반사컵 내부 바닥 면을 기준으로 충진 함으로써 상기 LED칩의 가까운 부분에 존재하고, 그 외측으로 0.1㎛ ∼ 2㎛범위의 입자크기를 갖는 소입자형광체를 중첩되지 않도록 배치시킴으로써 더욱 더 발광강도상승은 물론 균일한 백색발광이 가능하도록 할 수 있다.
이와 같이, 상기에서 제시한 반도체 발광장치는 청색 발광이 가능한 질화갈륨계(AIInGaN) 화합물 반도체 소자와 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체 및 알루미늄산터븀계 황색형광체를 조합시킨 것으로 반도체 발광소자로부터의 청색발광과 그 발광에 의해 여기 된 형광체로부터의 발광된 녹색 및 황색 발광의 혼색에 의해 광 특성 및 색재현성이 우수한 백색광 구현이 가능해진다.
백색 반도체 발광장치의 발광체로써, 유기 및 무기계 형광체가 사용될 수 있는데, 무기계 형광체는 유기계 형광체에 비해 보다 높은 화학적 안정성, 온도안정성 및 광에 대한 안정성을 보장해 준다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 바륨 실리케이트계 녹색 형광체의 흡수 및 발광스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 본 발명에서 사용하고자하는 (Ba1-x-y,Mx)2SiO4 :Euy 녹색 형광체의 정확한 구조식의 표현은(Ba0.79Sr0.2)2SiO4:Eu0.1이다. Eu2+이온이 Ba2+ 위치에 치환형태로 구성되어지므로 합성에는 스트론튬 질화물, 바륨 질화물, 실리케이트 산화물 및 유로퓸 질화물을 양론비 만큼 사용한다.
도 1에 도시된 흡수 및 발광스펙트럼에서 (Ba0.79Sr0.2)2SiO4:Eu 0.1은 청색 발광 다이오드의 발광 영역인 440nm에서 470nm의 우수한 흡수특성을 가짐을 알 수 있고, 500nm에서 650nm의 우수한 발광특성을 보임을 알 수 있다.
도 2는 본 발명의 황화스트론튬갈륨계 녹색 형광체의 흡수 및 발광스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 본 발명에서 사용하고자하는 SrGa2S4:Eu 형광체의 정확한 구조식의 표현은Sr0.95Ga2S4:Eu0.05이다. Eu2+이온이 Sr2+ 위치에 치환형태로 구성되어 지므로 합성에는 스트론튬 황화물, 갈륨 질화물, 황 및 유로퓸 황화물을 양론비 만큼 사용한다.
도 2에 도시된 흡수 및 발광스펙트럼에서 Sr0.95Ga2S4:Eu0.05은 청색 발광다이오드의 발광 영역인 440nm에서 470nm의 우수한 흡수특성을 가짐을 알 수 있고, 500nm에서 650nm의 우수한 발광특성을 보임을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 스트론튬실리케이트계 황색 형광체의 흡수 및 발광스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 본 발명에서 사용하고자하는 (Sr1-a-bXa)2SiO 4:Eub 형광체의 정확한 구조식의 표현은(Sr0.79Ba0.2)2SiO4:Eu0.1이다. Eu2+이온이 Sr2+ 위치에 치환형태로 구성되어지므로 합성에는 스트론튬 산화물, 실리카 산화물 및 유로퓸 산화물을 양론비 만큼 사용한다.
도 3에 도시된 흡수 및 발광스펙트럼에서 (Sr0.79Ba0.2)2SiO4:Eu 0.1은 청색 발광다이오드의 발광 영역인 440nm에서 470nm의 우수한 흡수특성을 가짐을 알 수 있고, 500nm에서 650nm의 우수한 발광특성을 보임을 알 수 있고, 특히, (Sr0.79Ba0.2)2SiO4:Eu0.1의 경우 피크파장이 550nm정도임을 알 수 있다.
도 4은 본 발명의 스트론튬실리케이트계 황색 형광체의 흡수 및 발광스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 본 발명에서 사용하고자하는 (Sr1-b-cXc)3SiO 5:Eub 형광체의 정확한 구조식의 표현은(Sr0.89Ba0.1)3SiO5:Eu0.1이다. Eu2+이온이 Sr2+ 위치에 치환형태로 구성되어지므로 합성에는 스트론튬 산화물, 실리카 산화물 및 유로퓸 산화물을 양론비 만큼 사용한다.
도 4에 도시된 흡수 및 발광스펙트럼에서 (Sr0.89Ba0.1)3SiO5:Eu 0.1은 청색 발광다이오드의 발광 영역인 440nm에서 470nm의 우수한 흡수특성을 가짐을 알 수 있고, 500nm에서 650nm의 우수한 발광특성을 보임을 알 수 있고, 특히, (Sr0.89Ba0.1)3SiO5:Eu0.1의 경우 피크파장이 565nm정도임을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예로서 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체 및 스트론튬실리케이트계 황색형광체를 활용한 리드타입 백색 반도체 발광장치의 개략적인 구성도를 나타낸 것이다. 본 발명의 리드타입 백색 반도체 발광장치는 이미 통상적인 구조로서 컵 형태의 반사판이나 이와 유사한 구조의 발광다이오드에 적용 될 수 있다. LED칩(8)과 양극 단자(Anode Lead, 9) 및 음극 단자(Cathode Lead, 10)를 도전성 와이어(Au wire, 11)로 각각 연결함으로써 전기적 접속이 가능하다. 상기 음극단자(Cathode Lead, 10)의 컵 내부에 LED칩이 위치 하고 LED칩을 감싸도록 상기 컵 내부에 투명 에폭시 수지층 또는 투명 실리콘 수지층(13)이 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체 및 스트론튬실리케이트계 황색형광체를 포함하여 형성되고, 이 투명 수지층을 포함하여 그 주위에 무색 또는 착색된 투광성 수지가 피복되는 몰드부재(14)를 포함한다.
본 발명은 상기와 같은 구조의 발광다이오드에 있어 상기 투명 에폭시 수지층 또는 투명 실리콘 수지층이 본 발명의 특징으로서 청색발광소자의 발광경로에 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체 및 스트론튬실리케이트계 황색형광체가 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 몰드층에 함유된 녹색 및 황색 형광체의 입도는 대입자, 중입자 및 소립자가 혼합된 형태가 바람직하다. 그리고 녹색 및 황색 형광체의 입도를 구분하는 것이 더욱 바람직하다. 예로서, 녹색 형광체 입도를 대입자, 중입자로 선택하고 황색 형광체는 소립자를 선택하거나, 혹은 황색 형광체를 대입자, 중입자로 선택하고 녹색 형광체를 소립자로 선택할 경우 입도 구분이 없을 때보다 10%이상의 휘도 개선이 있었다.
도 6는 본 발명의 또 다른 실시 예로서 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬갈륨계 녹색형광체 및 스트론튬실리케이트계 황색형광체를 활용한 리플렉터 사출구조타입의 표면실장형 백색 반도체 발광장치의 개략적인 구성도를 나타낸 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이 발광다이오드는 청색 LED칩(1)과 양극 단자(Anode Lead, 3) 및 음극 단자(Cathode Lead, 2)를 각각 연결함으로써 전기적 접속이 가능하며 투명 에폭시 수지층 또는 투명 실리콘 수지층(4) 및 반사기능을 갖는 불투명 수지재의 컵 형태의 반사판(5)을 포함하는 통상적인 구조를 갖는다. 이 반사판(5)의 내부 측면에 반사면(6)을 형성하고 상기 양극단자 및 음극단자는 도전성 와이어(Au wire, 7)으로 LED칩의 N형전극 및 P형전극에 각각 연결되어 전기적 접속이 가능하다. 상기 투명 에폭시 수지층 또는 투명 실리콘 수지층(4)이 본 발명의 특징으로서 청색발광소자의 발광경로에 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체 및 스트론튬실리케이트계 황색형광체가 포함되어 적층되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 몰드 층에 함유된 녹색 및 황색 형광체의 입도는 대입자, 중입자 및 소립자가 혼합된 형태(a)가 바람직하다. 그리고 녹색 및 황색 형광체의 입도를 구분하는 것이 더욱 바람직하다. 예로서, 녹색 형광체 입도를 대입자, 중입자로 선택하고 황색 형광체는 소립자를 선택(b)하거나, 혹은 황색 형광체를 대입자, 중입자로 선택하고 녹색 형광체를 소립자로 선택(c)할 경우 입도 구분이 없을 때보다 15%이상의 휘도 개선이 있었다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시 예로서 청색 발광다이오드에 의해 발광된 일부 광을 흡수하여 황색 발광을 하는 스트론튬실리케이트계 황색형광체에 의해 발광된 광과의 혼색에 의한 백색 발광다이오드 발광스펙트럼 및 청색발광다이오드에 의해 발광된 일부 광을 흡수하여 녹색 발광을 하는 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체 및 황색 발광을 하는 스트론튬실리케이트계 황색형광체의 방출된 광이 혼색되어 발광하는 백색 발광다이오드의 발광스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 7에 도시된 발광스펙트럼은 단일의 스트론튬실리케이트((Sr0.89Ba0.1)3SiO5:Eu0.1)계 형광체 및 청색광과의 혼색에 의한 백색광 형성시킨 것으로 x=0.296, y=0.252 칼라위치가 형성되어 우수한 백색광 형성이 원활치 못하게 됨을 나타내며, 도 8에 도시된 발광스펙트럼은 본 발명의 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체를 함유시킴으로써, 청색 발광소자에 의해 발광된 청색광과 이 청색광의 일부를 흡수해서 발광하는 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체의 녹색광 및 스트론튬실리케이트((Sr0.89Ba0.1)3SiO5:Eu0.1)계 황색형광체의 황색광과의 혼색에 의해 x=0.298, y=0.280의 우수한 칼라특성의 백색광을 구현 할 수 있다. 특히, 0.1㎛ ∼ 30㎛범위의 입자크기를 갖는 형광체를 되도록 중첩되지 않도록 배치시킴으로써 발광강도상승은 물론 균일한 백색발광이 가능하도록 할 수 있다.
도 9은 본 발명의 실시 예로서 청색 발광다이오드에 의해 발광된 일부 광을 흡수해서 발광하는 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체의 녹색광 및 알루미늄산터븀계 황색형광체의 황색광과의 색재현범위를 나타낸 색좌표이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 청색 발광다이오드칩의 일부 광을 흡수하여 녹색광을 방출하는 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체 및 황색광을 방출하는 스트론튬실리케이트((Sr1-aXa)2SiO4:Eub 혹은 (Sr1-cXc)3SiO5:Eub)계 황색형광체의 함유량을 조정함으로써, 선택되어진 영역의 색좌표 구현이 가능하다.
도 9에 도시된 ① 영역 ∼ ④ 영역은 투명 에폭시 수지층 또는 투명 실리콘 수지층에 함유된 황색 및 녹색형광체의 중량퍼센트를 변화시킴으로써 구현이 가능한데, ① 영역은 투명 에폭시 수지층 또는 투명 실리콘 수지층에 대하여 5 ~ 10%의 황색형광체 및 2 ~ 5%의 녹색형광체를 함유시킴으로써 구현이 가능하고, ② 영역은 투명 에폭시 수지층 또는 투명 실리콘 수지층에 대하여 15 ~ 20%의 황색형광체 및 5 ~ 8%의 녹색형광체를 함유시킴으로써 구현이 가능하다. 또한, ③ 영역은 코팅부에 사용되는 투명 에폭시 수지층 또는 투명 실리콘 수지층에 함유된 18 ~ 25%의 녹색형광체 및 2 ~ 5%의 황색형광체를 함유시킴으로써 구현이 가능하고, ④ 영역은 코팅부에 사용되는 투명 에폭시 수지층 또는 투명 실리콘 수지층에 대하여 10 ~ 15%의 녹색형광체 및 2 ~ 5%의 황색형광체를 함유시킴으로써 구현이 가능하다. 따라서 도 8에 선택된 영역은 투명 에폭시 수지층 또는 투명 실리콘 수지층에 있어 바륨실리케이트계 녹색형광체 및 알루미늄산 터븀계 황색형광체의 함유량을 적절히 조정함으로써 실선 내에 있는 색 구현이 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체 및 스트론튬실리케이트계 황색형광체를 갖는 백색발광다이오드는 가시광영역대의 여기 하에 광 특성 및 색재현성이 우수한 백색광 구현이 가능하므로 백색반도체 발광장치 및 청색 영역 대를 에너지원으로 하는 LED 응용분야의 적용이 적합하다.
본 발명은 상술한 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백할 것이 다.

Claims (12)

  1. GaN, InGaN, AIGaN 또는 AIGaInN 계열의 청색 반도체 발광다이오드에 의해 방출된 광의 일부를 흡수하여 흡수한 광의 파장과는 다른 파장을 가진 광을 방출하는 녹색 형광체와 황색형광체 및 투광성 몰드재를 포함하며, 상기 청색 LED 및 일부의 청색LED에 여기되는 형광물질의 방출광이 혼색되어 백색광을 방출하는 백색 반도체 발광장치로서,
    상기 형광물질은 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체와 터븀계 황색형광체로 이루어짐을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광소자는 GaN, InGaN, AIGaN, AIGaInN계열의 청색 발광 소자를 포함함을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 투광성 몰드재에 포함된 녹색형광체는 2가의 유로퓸으로 활성화된 바륨실리케이트계 및/또는 황화스트론튬갈륨계이고;
    (Ba1-p-q,Mp)2SiO4:Euq 및/또는(Sr1-p'-q' ,Mp')Ga2S4:Euq'
    구체적으로 바륨 실리케이트계 및/또는 황화스트론튬갈륨계 녹색형광체는 일 반적인 화학식으로 표시되고, M는 Sr, Ca, Mg, K, Na, Ba에서 선택된 적어도 하나의 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 투광성 몰드재에 포함된 황색형광체는, 2가의 유로퓸으로 활성화된 스트론튬실리케이트계 이고;
    (Sr1-aXa)2SiO4:Eub 와 (Sr1-cXc )3SiO5:Eub
    구체적으로 스트론튬실리케이트계 황색형광체는 일반적인 화학식으로 표시되고, X는 Ca, Mg, K, Na 및 Ba으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 원소이며, 0 ≤a ＜0.4 이고, 0.001 ≤b ≤0.2이고, 0≤ c ＜1 비율로 설정된 것임을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치이다.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 발광장치는 리드 프레임 선단에 컵 형상으로 형성되고, 상기 청색 LED칩은 양극단자 및 음극단자를 도전성 와이어(Au wire)로 연결시켜 형성된 리드타입임을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 발광장치는 플라스틱사출물로 형성된 반사컵내에 LED칩은 양극단자 및 음극단자를 도전성 와이어(Au wire)로 연결시켜 형성된 리플렉터 사출구조타입의 표면실장형 백색 반도체 발광장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 형광체 코팅층의 투명수지는 투명 에폭시 수지 또는 실리콘 수지인 것을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 바륨실리케이트계 또는 황화스트론튬 갈륨계 녹색형광체 및 알루미늄산터븀계 황색형광체는 구형 입자형태(spherical particles) 또는 얇은 조각 입자형태(flakelike particle)를 가지며, 입자크기는 0.1㎛ ～ 50㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 몰드층에 함유된 형광체의 입도는 녹색형광체 및 황색 형광체의 입도를 균일하게 혹은 대입자 및 중입자 와 소립자로 구분하여 사용하는 것을 특징으로 하고, 구체적으로 녹색형광체의 입도를 대입자 및 중입자(2㎛ ～ 50㎛)로 사용하고 황색형광체는 소립자(0.1㎛ ～ 2㎛)로 사용하거나 황색형광체의 입도를 대입자 및 중입자(2㎛ ～ 50㎛)로 사용하고 녹색형광체는 소립자(0.1㎛ ～ 2㎛)로 사용하는 것을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 LED는 그의 발광스펙트럼의 주요피크가 400 nm ~ 500 nm 범위 내에 있고, 상기 녹색 및 황색형광체의 주발광 파장 피크가 상기 LED 발광소자의 주발광파장 피크보다 긴 것을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치.
  11. 청색 반도체 발광소자에 의해 방출된 광의 일부를 흡수하여 흡수한 광의 파장과는 다른 파장을 가진 광을 방출하는 녹색 형광체 및 황색형광체가 투광성몰드수지와 함께 함유되어 코팅층을 형성하며,
    상기 녹색 형광체는 2가의 유로퓸으로 활성화된 바륨 실리케이트계 및/또는 황화스트론튬갈륨계 녹색형광체이고;
    (Ba1-p-q,Mp)2SiO4:Euq 및/또는 (Sr1-p'-q' ,Mp')Ga2S4:Euq'
    구체적으로 바륨 실리케이트계 녹색형광체는 일반적인 화학식으로 표시되고, M는 Sr, Ca, Mg, K, Na, Ba에서 선택된 적어도 하나의 원소로 이루어진 군으로부터 선택되며,
    상기 투광성 몰드재에 포함된 황색형광체는, 2가의 유로퓸으로 활성화된 스트론튬실리케이트계 이고;
    (Sr1-aXa)2SiO4:Eub 와 (Sr1-cXc )3SiO5:Eub
    구체적으로 스트론튬실리케이트계 황색형광체는 일반적인 화학식으로 표시되고, X는 Ca, Mg, K, Na 및 Ba으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 원소이며, 0 ≤ a ＜0.4 이고, 0.001 ≤b ≤0.2이고, 0≤c ＜1 비율로 설정된 것임을 특징으로 하는 백색 반도체 발광장치이다.
  12. 제 1항 내지 10항 중 어느 한 항에 따른 백색 반도체 발광장치를 병렬 또는 직렬구조로 배치하여 배면광원으로 채용한 디스플레이 모듈 및 기구 장치.
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