KR20060088227A - 색채를 조절할 수 있는 발광 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 색채를 조절할 수 있는 발광 장치는 초기 빛을 방출하는 발광 소자 및 나노미터 형광 물질을 포함한다. 황화물 및 활성화된 황화물 중 하나 이상으로 이루어진 상기 나노미터 형광 물질은 상기 초기 빛을 흡수하여 파장이 상기 초기 빛과 상이한 형광 빛을 방출한다. 상기 초기 빛 및 형광 빛이 조합되어 요구되는 일광(daylight) 또는 요구되는 색채의 빛을 생성한다.

Description

색채를 조절할 수 있는 발광 장치 및 그 제조 방법{COLOR-ADJUSTABLE LIGHT APPARATUS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1 은 본 발명에 따른 색채를 조절할 수 있는 발광 장치의 개략도이다.

도 2 내지 도 4 는 본 발명에 따른 몇가지 나노미터 형광 물질의 스펙트럼을 도시한 그래프이다.

도 5 는 본 발명에 따른 나노미터 형광 물질의 스펙트럼을 도시한 색도도 (色度圖)이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 ; 발광 장치 11 ; 나노미터 형광 물질

12 ; 다이 13 ; 리드 프레임

14 ; 몰딩 부재 15 ; 금속 리드

본 발명은 색채를 조절할 수 있는 발광 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 나노미터 형광 물질을 포함하는 반도체 광전 소자에 관한 것이다.

발광 다이오드(LED)는 전기적으로 연결되었을 때 자동적으로 빛을 방출하는 광전 소자이다. 전기적인 효율이 좋고, 초기 구동이 용이한, 소형 LED는 일반적인 조명, 대형 광고판, 및 모니터용 배광원(backlight source)에서 널리 이용되고 있다.

현재, 제조에 이용되는 반도체 재료에 따라 LED는 여러가지 카테고리, 즉 GaAs, GaAs1-xPx 및 GaP 로 분류된다. 또한, GaAs1-xPx 또는 GaP 계열로 이루어진 질소-도핑된(doped)반도체 재료는 다양한 색채의 광선(ray)을 생성한다. 일반적으로, LED에 의해 방출된 빛은 단색 파장을 특징으로 하며, 그러한 단색 파장은 광-방출 전자 이동에 포함된 에너지의 변화에 따라 달라진다. 사용되는 광 파장은 적외선, 적색광, 녹색광, 황색광, 및 청색광을 포함한다. 인간의 눈이 3가지 상이한 색채의 빛, 즉 적색광, 녹색광 및 청색광("삼원색"(RGB)으로 알려져 있다)을 인식할 수 있기 때문에, 인간은 여러 가지 색채의 빛을 인식할 수 있다.

적색 파장, 녹색 파장 및 청색 파장의 각각의 LED를 병렬 배치하여, 혼합에 의해 임의의 다른 색채의 빛을 생성할 수 있다. 미국 특허 제 5,995,070 호에는 각각의 픽셀이 적색광원, 청색광원, 및 두개의 녹색 광원 다이오드들로 이루어진 병렬식 광원을 포함하는 디스플레이 장치가 기재되어 있다.

전술한 바와 같이, 서로 상이한 파장의 광원들을 혼합함으로써 생성된 백색광은 색상 및 휘도 산란의 문제점을 가지며, 그에 따라 원하는 백색광을 생성하기가 다소 곤란하였다. 또한, 적절한 구동 회로들에 의해 각각 제어되어야 하는 서로 다른 전기적 특성의 다이오드들로 구성되기 때문에, 시스템의 디자인이 복잡하다.

또한, 미국 특허 제 6,614,179 호에 개시된 백색광 생성 방법은, LED 를 이용하여 청색광을 방출하는 단계 및 이어서 형광체(phosphor)를 여기(excite)시켜서 그 여기된 형광체가 황색광을 방출하게 하는 단계, 및 그 후에 두개의 광원을 조합하여 혼합에 의해 백색광을 형성하는 단계를 포함하며, 이때 상기 청색광의 파장은 420nm 내지 490nm 이고, 형광체는 {[(Y,Gd)Sm](AlGa)O:Ce}로 구성된다. 그러나, 상기 방법에 의해 생성된 백색광은 물체의 실제 색체를 거의 표현하지 못하거나, 또는 다시 말해서, 색온도가 비교적 높고 그에 따라 연색성 지수(color rendering index)가 만족스럽지 못하게 된다.

따라서, 높은 연색성 지수의 백색광을 발현하기 위해, 광원에 의해 방출된 빛에서의 각 색채 빛의 비율을 조절하거나 제어하여 방출된 빛이 성분비와 관련하여 일광(daylight)에 접근할 수 있게 하는 것이 필요하며, 결과적으로 방출된 빛에 의해 조명되는 물체의 색채가 선명해질 수 있게 하는 것이 필요하다. 게다가, 형광 물질과 관련하여, 한동안 연구 및 개발의 초점은 이트륨 알루미늄 가넷(garnet)(YAG) 결정(분자식: X₃(A₃B₂)O₁₂)의 성분, 예를 들어, YAG 형광체 구조물내의 Y₃(Al₃Al₂)O₁₂, (Y_3-xCe_x)Al ₅O₁₂, (Y_2.9Tb_0.05)Al₅O₁₂, 및 (Y_2.95-aCe_0.05Gd_a)(Al_5-bGa_b)O₁₂에 맞춰져 있다.

간단히 말해, 현재 시장에서는 여러가지 특성의 나노미터 형광체를 조합함으로써 발광 장치에 의해 방출된 빛의 색채를 마음대로 조절할 수 있으며 성분비와 관련하여 일광과 유사한 빛을 방출할 수 있는 발광 장치를 절실히 원하고 있다.

본 발명의 목적은 색채를 조절할 수 있는 발광 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이며, 상기 장치 및 방법에서 황화물 및 희토류 원소에 의해 활성화된 황화물의 혼합물인 나노미터 형광 물질이 초기 빛을 흡수하여 여기되며, 여기상태에서 파장이 초기 빛과 상이한 형광 빛을 방출한다. 초기 빛 및 형광 빛이 조합되어 다수 파장의 빛을 생성한다.

본 발명의 다른 목적은 색채를 조절할 수 있는 발광 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이며, 상기 장치 및 방법에서 발광 장치는 여러가지 황화물 및 희토류 원소에 의해 활성화된 황화물의 조합의 결과로서 백색광을 방출한다.

상기 목적들을 달성하기 위해, 본 발명은 색채를 조절할 수 있는 발광 장치를 제공하며, 상기 발광 장치는 초기 빛을 방출하는 발광 소자 및 나노미터 형광 물질을 포함한다. 하나 이상의 황화물 또는 활성화된 황화물로 이루어진 나노미터 형광 물질은 초기 빛을 흡수하고 파장이 초기 빛과 상이한 형광 빛을 방출한다. 상기 초기 빛 및 형광 빛이 조합되어 요구되는 일광 또는 요구되는 색채의 빛을 생성한다.

나노미터 형광 물질은 칼슘 황화물(CaS), 스트론튬 황화물(SrS) 및 바륨 황화물(BaS)과 같은 황화물을 포함하고, 또 칼슘 황화물; 유로퓸(europium)(CaS:Eu), 및 칼슘 황화물: 세륨(CaS:Ce)과 같은 활성화제-도핑된 황화물을 포함할 수 있으며, 상기 칼슘 황화물은 청색 형광 빛을 제공하고, 칼슘 황화물; 유로퓸은 적색 형광 빛을 제공하며, 칼슘 황화물; 세륨은 녹색 형광 빛을 제공한다. 칼슘 황 화물, 칼슘 황화물: 유로퓸, 및 칼슘 황화물: 세륨과 같은 형광 물질의 나노-입자들이 혼합되고 그 혼합은 비례관계가 비교적 양호하게 유지된다. 결과적으로, 초기 빛은 여기상태의 형광 물질에 의해 방출된 빛과 조합되어 백색광 또는 디폴트(default) 색채의 빛을 형성한다.

색채를 조절할 수 있는 발광 장치를 제조하는 방법은 다음의 단계들을 포함한다: 즉, 전계발광 반도체 소자를 리드 프레임 또는 기판에 고정하고 전기적으로 연결함으로써 설치되고 초기 빛을 방출하는 발광 소자를 제공하는 단계; 상기 반도체 소자를 몰딩 부재로 코팅하고 보호하는 단계; 및 상기 발광 소자에 의해 방출된 빛이 조명하는 위치에 황화물 및 활성화제-도핑된 황화물 중 하나 이상으로 제조된 나노미터 형광 물질을 위치시키는 단계를 포함한다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.

나노기술의 연구 개발에 의해 밝혀진 바와 같이, 물질 입자들이 나노-크기로 소형화되는 경우, 그 입자들은 양자 효과를 나타내고, 그 시점에 에너지 레벨, 물리적 특성들 및 화학적 특성들의 변화가 일어날 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 색채를 조절할 수 있는 발광 장치의 개략도이다. 발광 장치(10)는 리드 프레임(13)의 컵-형상 부재에 고정된 반도체 소자의 다이(12)를 포함하며; 상기 다이(12)는 금속 리드(15)를 통해 리드 프레임(13)의 양극(13b) 및 음극(13a)에 각각 전기적으로 연결되어 발광 소자를 형성한다. LED 또는 레이저 다이오드가 될 수 있는 다이(12)는 바람직하게 질화물계 발광(luminous) 층 을 가지는 발광 반도체이다. 상기 컵-형상 부재는 나노미터 형광 물질(11)로 채워지며, 그에 따라 다이(12)는 외부 전원에 의해 전기 동력을 전달 받을 때 초기 빛을 방출한다. 주변의 나노미터 형광 물질(11)은 초기 빛에 의해 여기되고, 여기 상태에서 그 나노미터 형광 물질은 초기 빛과 파장이 상이한 형광 빛을 방출한다. 초기 빛 및 형광 빛이 조합되어 다양한 파장의 빛을 형성하며, 그 다양한 파장의 빛은 몰딩 부재(14)를 통과하여 방출된다. 투명 에폭시형태로 보이는 상기 몰딩 부재(14)는 다이(12)를 코팅하며; 나노미터 형광 물질(11)은 에폭시에 포함될 수도 있으며, 그에 따라 혼합물은 몰딩을 위한 탄환(bullet)-형상의 몰드 공동(cavity)내로 분사된다. 또한, 나노미터 형광 물질(11)은 또한 몰딩 부재(14)의 표면에 도포되어 전술한 경우와 마찬가지의 광학적 혼합 효과를 달성할 수 있으며, 그에 따라 본 발명의 실시예는 나노미터 형광 물질(11)의 위치에 대해서는 어떠한 제한도 받지 않는다. 리드 프레임(13) 외에, 다이(12)가 기판에 고정되어 SMD(surface mount device; 표면탑재소자) 타입의 발광 장치를 형성할 수도 있다.

나노미터 형광 물질(11)은 하나 이상의 황화물 또는 활성화된 황화물로 제조된다. 황화물은 칼슘 황화물, 스트론튬 황화물 및 바륨 황화물과 같은 알칼리토(alkaline-earth) 황화물을 포함한다. 활성화된 황화물은 희토류 원소-도핑된 상기 모든 황화물들을 포함한다. 희토류 원소-도핑된 황화물에 의해 예시된 바와 같이, 칼슘 황화물은 도 2 에 도시된 바와 같이 청색 형광 빛을 제공하며, 칼슘 황화물: 유로퓸은 도 3 에 도시된 바와 같이 적색 형광 빛을 제공하며, 칼슘 황화물: 세륨은 도 4 에 도시된 바와 같이 녹색 형광 빛을 제공한다. 도 2 및 도 3 의 곡 선(a) 및 곡선(b)는 여러 가지 상이한 제조 공정 및 방법들에서 성장된 황화물 또는 활성화된 황화물을 나타내고, 상기 곡선(a) 및 곡선(b)는 광전자발광 스펙트럼의 형성과 변화를 나타낸다. 이로부터, 물질들이 고체-상태 및 미세에멀젼 루트(microemulsion route)의 방법에 의해 개별적으로 개발되었다는 것을 알 수 있다.

도 5 에 도시된 바와 같이, (a) 칼슘 황화물, (b) 칼슘 황화물: 유로퓸, 및 (c) 칼슘 황화물: 세륨과 같은 형광체 물질의 나노-입자들이 혼합되고, 그 혼합물은 비례관계가 양호하게 유지되며, 그 결과, 초기 빛이 여기 상태의 형광 물질에 의해 방출된 빛과 조합되어 백색광 또는 디폴트 색채의 빛을 형성한다. 도 5 의 색도도를 참조하여, 다이(12)가 청색광(이때, 스팩트럼 피크가 550nm 이하의 영역에 위치한다)을 방출하는 LED라고 가정하면, 칼슘 황화물: 유로퓸 및 칼슘 산화물: 세륨인 나노미터 형광 물질을 포함할 수 있으며, 그에 따라 최종 형광 빛(550nm 이상의 파장)이 청색광과 조합되어 백색광을 형성하게 된다. 나노-입자의 크기는 5㎛ 이하이고, 바람직한 크기는 1 내지 100nm 이다.

색채를 조절할 수 있는 발광 장치(10)를 제조하는 방법은 다음의 단계들을 포함한다: 즉, 전자발광 반도체 다이(12)를 리드 프레임 또는 기판에 고정하고 전기적으로 연결함으로써 설치되고 초기 빛을 방출하는 발광 소자를 제공하는 단계; 상기 반도체 소자를 몰딩 부재(14)로 코팅하고 보호하는 단계; 및 상기 발광 소자에 의해 방출된 빛이 조명하는 위치에 황화물 및 활성제-도핑된 황화물 중 하나 이상으로 제조된 나노미터 형광 물질을 위치시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 전술한 실시예들은 단지 예시적인 것이다. 소위 당업자는 청구범 위에 기재된 본 발명의 범위내에서도 수 많은 대체 실시예들을 고려할 수 있을 것이다.

본 발명은 색채를 조절할 수 있는 발광 장치 및 그 제조 방법을 제공한다.

Claims (26)

1. 색채를 조절할 수 있는 발광 장치로서:

   초기 빛을 방출하는 발광 소자;

   상기 발광 소자상에 놓여진 몰딩 부재; 및

   하나 이상의 황화물 또는 활성화제 도핑된 황화물로 구성되고, 상기 초기 빛에 의해 여기되어 상기 초기 빛과 상이한 형광 빛을 방출하는 하나 이상의 나노미터 형광 물질을 포함하며;

   상기 초기 빛 및 형광 빛이 조합되어 다수 파장의 빛을 방출하는 발광 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 발광 소자는 발광 다이오드(LED)인 발광 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 LED는 질화물 반도체의 발광 층을 구비하는 발광 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 황화물은 알카리토 황화물인 발광 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 나노미터 형광 물질의 나노-입자의 직경은 5㎛ 미만인 발광 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 나노미터 형광 물질의 나노-입자의 직경은 1-100nm인 발광 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 활성화제-도핑된 황화물은 활성화제-도핑된 알카리토 황화물인 발광 장치.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 활성화제-도핑된 황화물은 희토류 원소에 의해 활성화되는 발광 장치.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 발광 소자는 리드 프레임과 상기 리드 프레임에 부착된 반도체 소자를 포함하는 발광 장치.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 발광 소자는 기판과 상기 기판에 부착된 반도체 소자를 포함하는 발광 장치.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 나노미터 형광 물질은 상기 발광 소자상에 놓이는 발광 장치.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 초기 빛의 스펙트럼 피크는 550nm 이하인 발광 장치.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 초기 빛 및 상기 형광 빛이 조합되어 백색광을 형성하는 발광 장치.
14. 색채를 조절할 수 있는 발광 장치를 제조하는 방법으로서:

    초기 빛을 방출할 수 있는 발광 소자를 제공하는 단계;

    상기 발광 소자상에 몰딩 부재를 적층하는 단계; 및

    상기 초기 빛으로 나노미터 형광 물질을 여기시켜 상기 초기 빛과 상이한 형광 빛을 방출시키는 단계를 포함하고;

    상기 나노미터 형광 물질은 황화물 및 활성화제-도핑된 황화물 중 하나 이상으로 구성되는 발광 장치 제조 방법.
15. 제 14 항에 있어서, LED를 리드 프레임에 부착하여 발광 소자를 형성하는 단계를 더 포함하는 발광 장치 제조 방법.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 LED는 질화물 반도체의 발광 층을 구비하는 발광 장치 제조 방법.
17. 제 14 항에 있어서, LED를 기판에 부착하여 상기 발광 소자를 형성하는 단계를 더 포함하는 발광 장치 제조 방법.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 LED는 질화물 반도체의 발광 층을 구비하는 발광 장치 제조 방법.
19. 제 14 항에 있어서, 상기 황화물은 알카리토 황화물인 발광 장치 제조 방법.
20. 제 14 항에 있어서, 상기 나노미터 형광 물질의 나노-입자의 직경은 5㎛ 미만인 발광 장치 제조 방법.
21. 제 14 항에 있어서, 상기 나노미터 형광 물질의 나노-입자의 직경은 1-100nm인 발광 장치 제조 방법.
22. 제 14 항에 있어서, 상기 활성화제-도핑된 황화물은 활성화제-도핑된 알카리토 황화물인 발광 장치 제조 방법.
23. 제 14 항에 있어서, 상기 활성화제-도핑된 황화물은 희토류 원소에 의해 활성화되는 발광 장치 제조 방법.
24. 제 14 항에 있어서, 상기 나노미터 형광 물질은 상기 발광 소자상에 직접 놓이는 발광 장치 제조 방법.
25. 제 14 항에 있어서, 상기 초기 빛의 스펙트럼 피크는 550nm 이하인 발광 장치 제조 방법.
26. 제 14 항에 있어서, 상기 초기 빛 및 상기 형광 빛이 조합되어 백색광을 형성하는 발광 장치 제조 방법.

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