KR20060090836A - 정의된 색온도를 가진 백색 발광다이오드 - Google Patents

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프랑크 예르만
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파텐트-트로이한트-게젤샤프트 퓌어 엘렉트리쉐 글뤼람펜 엠베하
오스람 옵토 세미컨덕터스 게엠베하
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Abstract

정의된 색온도를 가지는 백색-방사 발광다이오드
앞부분에 두 인광체들을 가지는 청색-방사 발광다이오드를 포함하는, 3500 K까지의 낮은 색온도를 가지는 발광다이오드로서 제 1 인광체는 옥시니트리도실리케이츠의 종류인데 2가의 유로품과 도핑된 카션 M과, x+y<0.5에서 M=Sr, 또는 M=Sr(1-x-y)BayCax인 실험식 M(1-c)Si2O2N2:Dc을 가지고, 상기 옥시니트리도실리케이트는 완벽하게 또는 현저하게 고-온도-안정된 변형 HT를 포함하며, 제 2 인광체는 식 (Ca, Sr)2Si5N8:Eu인 니트리도실리케이츠의 종류인 백색-방사 발광다이오드이다.

Description

정의된 색온도를 가진 백색 발광다이오드{WHITE-EMITTING LED HAVING A DEFINED COLOR TEMPERATURE}
본 출원은 다음의 출원들과 매우 밀접한 관계가 있다 :
2003P14657, 2003P14654, 그리고 2003P14655.
본 발명은, 정의된 특히 낮은 색온도를 가진 발광다이오드에 기반을 두고 있다. 이는 2300 K으로부터 7000 K 범위 사이의 색온도를 의미한다고 이해될 수 있을 것이다.
따뜻한-백색 색온도들의 범위, 즉 3500 K 이하는 지금까지 상업적으로 이용 가능한 백색 발광다이오드를 사용하여 구현하기에 어려운 범위였다. 표준 인광체들은 5000 K 이상의 색온도를 생성한다. 그에 따라, 복수의 발광다이오드, 예를 들어 WO 02/52901과 WO 02/52902를 결합하는 아주 복합한 방식으로 따뜻한-백색 색온도를 생성하려는 시도가 지금까지 있어 왔다.
따뜻한-백색의 가시 색들(warm-white luminous colors)을 생성하기 위한, 간단한 발광다이오드는 지금까지 자외선 칩들(UV chips)에 기반을 두어 왔다. 자외선 영역과 단-파 가시 영역(청색) 사이의 상당한 에너지 차 때문에, 또한 자외선-유도(UV-induced)되고, 높은 에너지로 인해 더 가능성이 높아지고, 방사선 유도로 인해 보다 빨라지는, 하우징과 인광체 포팅의 노화로 인해 이러한 발광다이오드는 지금까지 이용 가능했던 사용수명 또는 청색-방사 칩들(blue-emitting chips)에 기반한 중성-백색 발광다이오드의 효율성을 달성할 수 없다.
한 가지의 대안은, 예를 들면 WO 01/24229에서의 황화물과 티오갈레이트(thiogallate) 인광체를 포함하는 루미네선스(luminescence) 변환 발광다이오드에 기반한 RGB-LED들이다. 그러나, 상기 공보 내에서 제안된 인광체는 높은 동작 온도에 이르는 고-전력 칩들을 사용할 때 장기간의 안정성과 효율성에 대한 요구사항들을 충족시키지 못함이 밝혀졌다. 황화물들은 습기와 관련하여 화학적으로 불안정하고 상기 제안된 티오갈레이트는 공표된 온도에서 발광 소멸된다. 게다가, 물과 접촉시, 공지된 황화물 인광체들은 분해되어 황화수소와 같은, 유독 가스들을 생성한다.
긴 사용수명 및 매우 우수한 연색평가수(color rendering index)와 결합된 고 효율성을 나타내는 대안은 지금까지 나타나지 않았다. 공지된 YAG:Ce와 적색 인광체, 예를 들어 Sr2Si5N8:Eu의 혼합물의 사용은 단지 85에서 90 사이의 최대 Ra 값만을 유도한다. 이것과 관련하여 WO 01/40403을 참조하라.
옥시니트리도실리케이트(oxynitridosilicate) 형태의 인광체들은 본래 단축된 식 MSiON; 예를 들면, "On new rare-earth doped M-Si-AI-O-N materials", J. van Krevel, TU Eindhoven 2000, ISBN 90-386-2711-4, Chapter 6 하에서 공지되었다. 상기 인광체들은 테르븀(Tb)으로 도핑된다. 방사선(emission)은 여기(excitation) 하에서 365 nm 또는 254 nm까지 획득된다.
새로운 형태의 인광체는 아직 공개되지 않은 유럽 특허 출원 02 021 117.8(명부 2002P15736)로부터 알려진다. 상기 인광체는 식 MSi2O2N2(M=Ca, Sr, Ba)의 유로품-(Eu-) 또는 유로품(Eu), 망간(Mn)-동시 활성화 옥시니트리도실리케이트(oxynitridosilicate)로 구성된다.
본 발명의 목적은 청구항 1 전문에 따른 색온도에 대응하는, 정의된 가시 색(a defined luminous color)을 가지는 백색 발광다이오드를 제공하는 것이다. 여기서, Ra는 가능한 한 높은데, 적어도 Ra=80, 특히 Ra=85 이상에 이르고 바람직하게는 90 이상이다.
상기 목적은 청구항 1의 특징부에 의해 달성된다. 특히 바람직한 구성들은 종속항들 내에서 발견될 것이다.
지금까지, 상기 목적을 구현하는 만족할만한 방안은 없었다. 이제 그 자체가 공지된 특히, 고 효율의 녹색-방사 스트론튬 시온 상(green-emitting Sr Sion phase)과 적색 질소화물 인광체(a red nitride phosphor)를 포함하는 인광체 혼합물을 사용하는 방안이 제안된다.
발광다이오드는 주 방사선 소스를 포함하며 백색-방사 루미네선스 변환 발광다이오드로서 설계되고, 상기 방사선 소스는 청색 스펙트럼 영역 내에서 방사하는 칩이고, 상기 칩의 전면에 두 개의 인광체들 층이 존재하고, 상기 두 인광체들은 상기 칩의 방사선을 부분적으로 전환한다. 여기서, 제 1 인광체는 카션 M(cartion M)과 실험식 M(1-c)Si2O2N2:Dc를 포함하는 옥시니트리도실리케이츠의 종류로서 상기 M은 주된 구성물로 스트론튬을 포함하고 D는 2가의 유로품으로 도핑되고, M=Sr이거나 또는 0<=x+y<0.5에서 M=Sr(1-x-y)BayCax이다. 옥시니트리도실리케이츠는 완벽하게 또는 현저하게 고온 안정 변형 HT(the high-temperature-stable modification HT) 이다. 그리고, 제 2 인광체는 식 (Ca, Sr)2Si5N8:Eu의 니트리도실리케이트(nitridosilicate)로서, 2300 K에서 7000 K까지의 색온도를 생성한다.
본 발명은 만약 적당하다면 상호-활성제로서 망간이 조금 더 더해져서, 2가의 유로품(Eu)으로 활성화되는 식 MSi2O2N2(M=Ca, Sr, Ba)의 옥시니트리도실리케이트를 나타내는 인광체를 이용하고, 상기 HT 상(the HT phase)은 인광체의 대부분 또는 전부, 즉 50% 이상의 인광체를 형성한다. 상기 HT 변형은 광대역, 즉 200 nm부터 480 nm까지의 넓은 범위에서 여기되는 사실에 의해 특징지어지는데, 상기 HT 변형은 외적인 영향에 대해서 극도로 안정적이다, 즉 섭씨 150도에서 어떠한 측정 가능한 품질저하가 나타나지 않고, 상기 HT 변형은 변동하는 조건들(섭씨 20도와 섭씨 100도 사이에서 검출할 수 있는 미미한 드리프트) 하에서 매우 우수한 색 로커스(color locus) 안정성을 가진다. 상기 인광체는 역시 종종 아래에서 스트론튬 시온:유로품(Sr Sion:Eu)으로 불려진다.
상기 인광체는 주로 550 nm로부터 570 nm까지의 범위에서 주된 파장을 가지고 녹색-방사한다.
새로운 인광체를 생산할 때, 높은 온도 범위, 섭씨 1300도에서 섭씨 1600도 사이에 위치한 합성 범위를 이용하는 것이 특히 중요하다. 다른 결정 요소는 가능한 한 높아야만 하는 시작 컴포넌트들의 반응성이다.
특히, 상기 인광체는 발광다이오드에 의해 효율적으로 여기되는데, 특히 InGaN 형태의 발광다이오드에 의해 그러하다.
0<=x+y<0.5에서의 M=Sr(1-x-y)BayCax에 대한 스트론튬-지배적인 실시예의 경우에, 유럽 특허 출원 02 021 117.8로부터 알려진 인광체 MSi2O2N2:Eu(M:Ca, Sr, Ba)는 아래에서 스트론튬 시온으로 불려지는 것으로, 제어하기 힘들다. 비록 일부 실험 조건들은 우수한 결과들을 도출하고 있지만, 지금까지 신뢰할만한 방식으로 바람직한 결과들을 얻는 방법과 같은 지도적 원리는 없는 상황이다. 부가적인 요소는 감소되는 인광체의 효율성에서의 특정 성향이 감소되고 높은 열 부하에서 색 로커스가 과도하게 변화하는 것이다.
하기는 특히 바람직하다 : 0<=x<=0.3일 경우에 y=0이고 0<=y<=0.1일 경우에 X=0.
놀랍게도, 두 상들은 인광체로서의 이용을 위한 그들의 적합성 측면에서 근본적으로 다르다는 것을 발견할 수 있다. LT 상이 단지 유로품-도핑 인광체로서만 제한되어 이용되고 약한 주황색-적색 빛만을 방사하는 것에 비하여, HT 상은 녹색 빛을 방사하는 인광체로서의 이용하기에 우수한 적합성을 제공한다. 일반적으로 광대역에 걸친 양쪽 방사 형태를 나타내는 두 변형들의 혼합물이 존재한다. 그러므로 HT 상이 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 70%, 특히 바람직하게는 적어도 85% 비율 이내에서 가능한 한 순수 형태로 생성되는 것은 중요하다.
상기는 적어도 섭씨 1300도 그러나 섭씨 1600도를 넘지 않은 상태에서 수행되는 어닐링(annealing) 과정을 요구한다. 약 섭씨 1450도에서 1580도의 온도 범위가 선호되는데, 그 이유는 LT 상이 저온 상태에서 범위가 증가하고 인광체는 고온 상태에서 점점 처리하기 힘들어지기 때문이다; 상기에서 약 섭씨 1600도 이상에서는 견고한-소결형 세라믹 또는 융해물이 형성된다. 최적 온도 범위는 정확한 혼합과 시작 물질들의 특성들에 달려 있다.
기본 컴포넌트들 SiO2, SrCO3 그리고 Si3N4를 사용하는 실체상 화학량론의 한 묶음의 시작 생성물질은 효율적인 스토론튬 시온 형태의 인광체를 생성하는데 특히 중요하다. 본 상세한 설명에서 스트론튬은 M의 대표적인 예로서 동작한다. 편차는 용해 보조물의 어떤 첨가를 포함하여(종종 습관적으로 일어나므로) 이상적인 화학량론의 묶음에서 기껏 10%, 바람직하게는 5%이어야 한다. 1%의 최대 편차가 특히 바람직하다. 그외에, 도핑된 유로품 부분에 대한 선구물질이 실현되는데, 예를 들면 산화물 Eu2O3로서이다. 상기 발견은 주요한 하위화학량론의 비율 내에 기본 컴포넌트 SiO2을 부가하는 선행 절차에 반하는 것이다. 상기 발견은 또한 유럽 특허 출원 02 021 117.8의 내용에 따른 바륨 시온(Ba Sion)과 같은 인광체로서의 사용을 위해 권고된 다른 시온들(Sions)이 사실상 하위화학량론의 양의 SiO2로 생성되어야한다는 사실로 인해 매우 놀랍다.
그러므로, 스트론튬 시온인 MSi2O2N2에 대한 대응하는 묶음은 11 내지 13의 SiO2 중량퍼센트, 27 내지 29의 Si3N4 중량퍼센트, 나머지 SrCO3를 사용한다. M 내에서 바륨과 칼슘 부분들은 유사하게 탄산염으로서 첨가된다. 유로품은 바람직한 도핑 방안에 따라 SrCO3에 대한 대체물로서 예를 들어 산화물 또는 플루오르화물로서, 첨가된다. MSi2O2N2의 묶음은 또한 만약 상기 묶음이 전하 보유 측면을 위해 보상되면 정확한 화학량론으로부터의 어떠한 편차들도 포함하는 것으로서 이해될 수 있다.
임자결정(the host lattice)의 시작 컴포넌트들, 특히 Si3N4가 가능한 가장 높은 가능한 순도를 가지는 것이 편리하다는 것이 특히 증명되었다. 그러므로, 액체 상, 예를 들어 실리콘 4염화물(silicon tetrachloride)로부터 시작하여 합성되는 Si3N4는 특히 바람직하다. 특히 텅스텐과 코발트와의 혼합은 중요함이 증명되었다. 이러한 구성물들 각각의 불순물 수준들은 가능한 한 낮아야 하고, 특히 각각의 경우에 이러한 선구물질들을 바탕으로 100 ppm, 세부적으로는 50 ppm미만이어야 한다. 또한, 가능한 가장 높은 반응성은 바람직하다; 상기 파라미터는 반응 표면 영역(the reactive surface area)(BET)에 의해 정량화될 수 있는데, 적어도 6 m2/g, 바람직하게는 적어도 8 m2/g여야 한다. 상기 선구물질 Si3N4에 기반한, 알루미늄과 칼슘의 혼합 수준은 가능한 한 역시 100 ppm이하여야 한다.
화학량론의 묶음 및 온도 관리에 관한 상기 절차로부터 발생하는 편차의 경우에는, 바람직하지 않은 이질의 상들, 즉 니트리도실리케이츠 MxSiyNz, 예를 들어 M2Si5N8의 증가하는 수준은 SiO2의 첨가가 지나치게 낮은 수준에 설정될 때 형성되므로, 과도한 질소가 발생한다. 비록 이러한 화합물 자체가 유용한 인광체일지라도, 스트론튬 시온의 합성에 관련하여, 단지 다른 니트리도릴리케이츠와 같이 극도로 파괴적인데, 그 이유는 이러한 이질 상들은 스트론튬 시온의 녹색 방사선을 흡수하고, 그것을 니트리도실리케이츠에 의해 제공되는 공지된 적색 방사선으로 전환시키기 때문이다. 반대로, 너무 많은 SiO2이 첨가된다면, 예를 들어 Sr2SiO4와 같은 스트론듐 실리케이츠(Sr silicates)가 형성되는데, 그 이유는 과도한 산소가 생성되기 때문이다. 양측의 이질의 상들은 유용한 녹색 방사선을 흡수하거나 또는 적어도 인광체의 효율에 악영향을 미치는, 빈자리(vacancies)와 같은 결정 결함들을 유발한다. 사용된 시작점은 이질 상의 수준이 가능한 한 15%, 바람직하게는 심지어 5% 이하여야 하는 기본 원리이다. 합성된 인광체의 XRD(X-Ray Diffraction) 스펙트럼에서, 상기는 섭씨 25도 내지 32도의 범위 내에서 XRD 회절 각도 2
Figure 112006028525596-PCT00001
로 인해, 모든 이질 상의 최고점의 강도가 약 31.8도에서 HT 변형을 특징짓는 주 최고점 강도의 1/3 이하, 바람직하게는 1/4 이하, 특히 바람직하게는 1/5 이하여야 한다는 요구에 대응한다. 상기는 특히 SrxSiyNz, 특히 Sr2Si5N8 형태의 이질의 상들에 적용된다.
최적화된 절차로 인해, 80에서 90% 이상의 양자 효율성을 달성하는 것이 신뢰성 있게 가능하다. 반면에, 절차가 특정되지 않다면, 효율성은 전형적으로 기껏해야 50%에서 60% 양자 효율성 범위 내에서 위치할 것이다.
그러므로 만약 적당하다면 상호-활성제로서 망간(Mn)의 추가 첨가와 함께, 2가의 유로품으로 활성화되는 식 MSi2O2N2(M=Ca, Sr, Ba)의 옥시니트리도실리케이트를 나타내는 인광체의 생산이 가능하고 HT 상은 인광체의 대부분 또는 전부, 즉 인광체의 50% 이상을 형성한다. 이러한 HT 변형은 그것이 광대역, 즉 250 nm로부터 480 nm까지의 넓은 범위 내에서 여기될 수 있다는 사실에 의해 구별되고, 상기 HT 변형은 외부 영향들에 대해 극도로 안정된, 즉 공기 중 섭씨 150도에서 어떠한 측정 가능한 품질저하가 나타나지 않고, 변동하는 조건들 하에서 매우 우수한 색 로커스 안정성을 가진다. 보다 추가적인 점들은 인광체 혼합물의 경우에 특히 바람직한, 적색 내에서 낮은 흡수율을 포함한다. 이러한 인광체는 역시 Sr Sion:Eu로서 아래에 종종 언급된다. HT 변형의 대부분은 약 28.2 도에서 XRD 스펙트럼내 LT 변형의 특징적인 최고점이 섭씨 25도 내지 27도에서 XRD 스펙트럼내에 위치한 HT 변형의 세 반사들의 그룹으로부터 가장 높은 강도의 최고점과 비교하여 1:1 미만, 바람직하게는 1:2 미만의 적은 강도를 가진다는 사실로부터 인식된다. 여기에 언급된 각각의 XRD 스펙트럼들은 공지된 Cu-Kα 라인에 의한 여기와 관련된다.
동일한 활성제 농도로 인해, 상기 인광체는 동일한 화학량론의 LT 이형(the LT variant)에 비하여 다른 방사 특징들을 나타낸다. 최적화된 HT 이형의 경우에서 HT 이형의 절반 최대값에서 총 폭은 이질의 상과 결점들을 포함한 간단한 혼합물의 경우에 비해 상당히 낮고, 70 nm 내지 80 nm 범위 내에 있는 반면, 이질의 상들과 결점들을 포함하는 간단한 혼합물은 약 110 nm에서 120 nm의 절반 최대값의 총 폭을 가진다. HT 변형의 경우에 주 파장은 큰 수준의 이질 상들을 포함하는 견본의 경우에 비해 일반적으로 10 nm에서 20 nm로 짧다. 부가적인 요소는 고순도 HT 변형의 효율성이 전형적으로 적어도 20%보다 높고, 일부의 경우들에서는 LT-우세한 혼합물 또는 고수준의 이질 상들의 혼합물의 경우에 비해 여전히 상당히 높다.
NT 변형과 이질 상들의 충분히 낮은 수준의 한 가지 특징은 90 nm 미만의 방사의 절반 최대값에서의 총 폭(FWHM : Full Width at Half Maximum)인데, 왜냐하면 이질 상들의 수준이 낮아질수록, 이질 상들 내, 특히 Sr2Si5N8:Eu와 같은 니트리도실리케이트 이질 상들(Sr-Si-N-Eu) 내에서 풍부한 변형으로부터 특정한 주황색-적색 방사선이 낮아지기 때문이다.
다른 결정 구조를 나타내는, 상술한 XRD 스펙트럼 내의 일반적인 반사들은 절반 최대값에서 감소된 총 폭 외에, 또 다른 중요한 요소이다.
HT 변형의 XRD 스펙트럼 내에서 지배적인 최고점은 약 섭씨 31.7도에서의 최고점이다. 다른 현저한 최고점은 25도 내지 27도 사이에서(25.3도 그리고 26.0도 그리고 26.3도) 거의 동일한 강도의 세 개의 최고점들이고, 가장 낮은 회절을 가지는 최고점은 가장 높은 강도이다. 다른 강한 최고점은 12.6도이다.
상기 인광체는 550 nm로부터 570 nm까지, 특히 555 nm로부터 565 nm까지의 범위 내에서 주 파장을 가진 녹색 빛을 현저하게 방사한다.
식 MSi2O2N2의 옥시니트리도실리케이트 분자 내 SiN 그룹에 대한 대체물로서, 특히 기껏해야 30%에 달하는 양의 SiN 함유량에 적은 분량의 AIO 그룹을 부가하는 것 역시 가능하다.
Sr Sion:Eu의 양측 상들은 유사하게 두 개의 구조적으로 다른 임자결정 변형들로 결정화할 수 있고, SrSi2O2N2:Eu 묶음 화학량론을 이용하여 각각 생성될 수 있다. 상기 화학량론으로부터의 미미한 편차들은 가능하다. 유로품-도핑된 임자결정들은 놀랍게도 양측 모두 청색 또는 자외선 영역에서 여기될 때 발광할 수 있으나, 각각의 경우 임자결정 변형 후 다른 방사색으로 발광한다. LT 변형은 주황색 방사선을 나타내고, HT 변형은 고율을 가지고 거의 λdom=560 nm에서 녹색 방사선을 나타낸다. 인광체의 바람직한 특성은 도펀트 함유량과 도펀트 재료(Eu 또는 Eu, Mn) 및 HT 및 LT 변형들의 상대비율의 함수로써 정확하게 설정될 수 있다.
HT 상의 한 가지 이점은 양자 효율성에서 단지 미미한 변동이 있고 매우 넓은 스펙트럼 영역에 걸쳐 우수한 수준의 균일성으로 여기될 수 있다는 사실에 있다.
또한, 넓은 온도 범위 내에서 HT 변형의 루미네선스는 온도에 단지 약하게 좌우된다. 그러므로, 본 발명은 바람직하게는 안정화시키기 위한 특별한 방법들 요구하지 않는, 발광다이오드 애플리케이션들에 대한 첫번째 발견된 녹색-방사 인광체이다. 상기는 본 목적을 위해 가장 유망한 후보자로서 이전에 고려된 인광체들, 즉 티오갈레이트 인광체들 또는 크로로실리케이츠(chlorosilicates)와 구별된다.
바람직하게는 바륨 없이 또는 10%까지의 바륨을 가진, M=(Sr, Ba)인 시온 화합물은, 넓은 범위의 방사 최대값들을 가지는 효율적인 인광체들을 나타낸다. 이러한 최대값들은 일반적으로 순수한 스트론튬 시온의 경우에 비해 짧은 파장, 바람직하게는 520 nm에서 565 nm 사이에 존재한다. 또한, 달성 가능한 색 공간(color space)은 소량의(바람직하게는 30 mol%까지의) 칼슘 및/또는 아연의 첨가에 의해 넓어질 수 있다; 상기는 순수한 스트론튬 시온과 비교하여, 그리고 부분적으로(25 mol%까지) 규소를 게르마늄 및/또는 주석으로 대체하여 방사 최대값들을 장-파장 영역으로 이동시킨다.
M, 특히 스트론튬을 위한 또 다른 실시예는 La3+ 또는 Na+ 또는 Y3+와 같은, 3가의 또는 1가의 이온들에 의해 부분적으로 치환된다. 이러한 이온들은 기껏해야 20 mol%의 M을 형성하는 것이 바람직하다.
놀랍게도, HT 상의 스트론튬 시온은 정확하게 녹색 최고점 방사, 예를 들면 파장 560 nm(우세한 파장)에 설정될 수 있는 인광체를 제공한다. 인광체는 80%를 상회하는 양자 효율성으로 빛을 청색 또는 자외선 발광다이오드로부터 전환시킨다. 루멘(lumen)-기반 효율성은 전형적인 YAG:Ce 기반 백색 발광다이오드의 효율성에 필적한다.
또 다른 장점은 루미네선스 변환 발광다이오드의 방사 색이 실질적으로 동작 온도에 무관하다는 것인데, 이는 발광다이오드가 성공적으로 다른 외부 온도에서 동작하고 안정된 색 로커스로 감광되는 것을 의미한다.
제 2 인광체 컴포넌트는 서문에서 언급된 적합한 성분의 (Sr, Ca)2Si5N8:Eu 형태의 니트라이드(nitride)이다. 가장 강력한 칩들이 이용 가능한 경우 전형적인 양자 효율성들이 80%를 웃돌고 두 개의 인광체 모두가 단-파장 청색 방사선 영역, 특히 450 nm에서 465 nm까지의 영역을 매우 성공적으로 흡수하는 이러한 두 인광체들은, 연색평가수 Ra가 95에 이르는 효율적인 따뜻한-백색 발광다이오드를 제공하는 것이 가능하다. 바람직한 최적화에 따라, 전형적인 Ra 값은 85에서 95 사이이다.
상기 배합의 특별한 장점은 두 인광체들이 루미네선스의 효율성 측면에서 유사한 온도 특성들을 가지는 것이고, 그 결과로 바람직하게 가능한 한 일정한 색 로커스를 가진 감광할 수 있는 발광다이오드를 생산하는 것이 가능해졌다.
루미네선스는 지금까지 제안된 황화물의 경우에 비해 훨씬 덜 온도-의존적이고, 게다가 두 형태의 인광체들은 지금까지 드러난 그들의 황화물 대안(SrS:Eu 그리고 티오칼레이츠)에 비해 상당히 더 화학적으로 안정적이다. 두 니트라이드-기반 인광체들과 그들의 가능한 분해 산물들은 실질적으로 비-유독성이고, 또한 환경 측면에서 역시 역할을 담당한다.
표준 과정들은 발광다이오드에 적용될 수 있다. 특히, 다음의 수행 옵션들이 도출된다.
첫째로, 발광다이오드 포팅시 인광체, 예를 들어 실리콘 또는 에폭시수지(epoxy resin)를 분산시킨 후 예를 들어 포팅, 프린팅, 스프레잉 또는 그와 같은, 애플리케이션이 뒤따른다. 둘째로, 성형 합성물(molding compound)로서 알려진 것에 인광체를 도입 후 트랜스퍼 성형(transfer molding)이 뒤따른다. 셋째로, 인근-칩(near-chip) 변환 방법들, 즉 칩들을 다이싱(dicing)하고 발광다이오드 하우징에 장착 후 웨이퍼 처리 수준에 인광체들 및 그 혼합물을 제공한다. 이런 상황은 특히 DE 101 53 615 그리고 WO 01/50540가 참조된다.
본 발명은 또한 위에서 묘사한 바와 같이 발광다이오드를 가지는 조명 시스템과도 역시 관련되고, 상기 조명 시스템은 감광성을 제공하는 전자 컴포넌트들을 포함한다. 상기 전자부품의 또 다른 역할은 개별 발광다이오드 또는 발광다이오드들의 그룹들을 구동하는 것이다. 이러한 기능들은 공지된 전자의 엘리먼트들에 의해 실현될 수 있다.
본 발명은 두 개의 바람직한 실시예에 기반한 다음의 본문에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1 은 옥시니트리도실리케이트의 방사선 스펙트럼에 대한 설명도;
도 2 는 상기 옥시니트리도실리케이트의 반사 스펙트럼에 대한 설명도;
도 3 은 따뜻한-백색 빛을 위한 빛 소스로서 사용하는 반도체 컴포넌트에 대한 구조도;
도 4 는 따뜻한-백색 발광다이오드의 다양한 묶음들을 위한 색 로커스의 위치에 대한 설명도;
도 5 는 도 3에 따른 빛 소스의 방사선 스펙트럼에 대한 설명도;
도 6 은 도 3에 따른 빛 소스들의 또 다른 방사선 스펙트럼들에 대한 설명 도;
도 7 은 따뜻한-백색 발광다이오드에 기반한 조명 시스템에 대한 구성도이다.
도 1은 본 발명에 따른 인광체에 대한 특정한 예를 보여준다. 상기 예는 HT 변형에서 인광체 SrSi2N2O2:(5% Eu2 +)의 방사와 관련되고, 여기에서 유로품 부분은 스트론튬에 의해 차지된 격자 위치의 5 mol%를 형성한다. 방사선 최대값은 540 nm에 위치하고, 파장 λdom은 558 nm에 위치한다. 색 로커스는 x=0.357; y=0.605이다. 여기는 460 nm에서 일어나고, FWHM은 76 nm이다. 양자 효율성은 거의 90%이다. 색 로커스는 x=0.357, y=0.605이다.
도 2는 상기 인광체에 대한 확산 반사 스펙트럼을 보여준다. 그것은 440 nm 이하 범위에서 선언된 최소값을 나타내는데, 그에 따라 상기 범위에서 우수한 흥분성을 나타낸다.
도 3은 백색 빛을 위한 빛 소스의 구조를 특별히 묘사한다. 상기 빛 소스는 440 nm로부터 470 nm까지의, 예를 들면 460 nm의 최고점 방사 파장을 가지는 InGaN 형태의 칩(1)을 가지는 반도체 컴포넌트이고, 상기 반도체 컴포넌트는 리세스(9) 영역 내 불투명한 기본 하우징(8)에 내장된다. 칩(1)은 제 1 터미널(3)과 접속 선(14)을 경유하여 그리고 제 2 전기 터미널(2)과 직접적으로 연결된다. 리세스(9)는 포팅 합성물(5)로 채워지고, 상기 포팅 화합물의 주요 구성물로서 에폭시 캐스팅 수지(80 내지 90 중량퍼센트) 및 두 인광체들(20 중량퍼센트 미만)의 혼합물로부터의 인광체 색소들(6)을 포함한다. 제 1 인광체는 제 1 실시예로서 제안된 5%의 유로품을 포함하는 옥시니트리도실리케이트이고, 제 2 인광체는 적색-방사 인광체인데, 본 경우에는 특히 (Sr, Ca)2Si5N8:Eu(10%)이다. 리세스(9)는 각각 칩(1)과 색소(6)로부터의 제 1 및 제 2 방사선에 대한 반사기로서 사용하는 벽(17)을 가진다. 청색 제 1 방사선과 녹색 및 적색 제 2 방사선의 결합은 따뜻한 백색을 형성하기 위해 91의 높은 Ra과 2850 K의 색온도에서 혼합된다. 바람직한 색 로커스는 도 4와 같이 x=0.44로부터 0.48 그리고 y=0.40으로부터 0.44까지의 범위에 있다. 이 경우 니트리도실리케이트 내의 스트론튬과 칼슘의 비율은 9:1이다.
도 5는 연합된 방사 스펙트럼을 보여준다. 그것은 파장(nm 내)의 함수로서 임의의 단위 내에서 강도를 보여준다. 460 nm의 주 방사선, 약 560 nm에서의 옥시니트리도실리케이트 그리고 약 640 nm에서의 니트리도실리케이트의 최고점들은 확실히 명백하다.
니트리도실리케이트 MaSiyNz:Eu는 일반적으로 영구적인 컴포넌트로서 스트론튬 그리고 0으로부터 60 mol%까지의 비율 내에서 혼합물로서 칼슘을 포함한다. 특히, 바람직한 니트리도실리케이트는 x=0에서 0.6까지일 경우 식 (Sr1 - xCax)2SiyNz에 의해 특징지어지고, y=5 그리고 z=8 그리고 대체로 y,z<=10는 여기에서 선택된다. 일반적으로, 효율성과 연색평가수 Ra는 유로품과의 도핑 범위에 의해 최적화된다; 유로품이 5 mol% 내지 10 mol%의 M인 것이 바람직하다. 칼슘의 첨가는 특히 과도 하게 높은 수준의 도펀트 유로품을 첨가하는 것을 방지할 수 있도록 한다. 높은 연색평가수를 달성하기 위해서, 칼슘을 첨가하고 유로품 함유량을 제한하는 것이 권고되는 것을 알 수 있다. 그러므로, Ra>90에 대해, x는 기껏해야 0.2(바람직하게는 x는 0.1까지)까지 선택될 수 있고, 그리고 동시에 유로품은 바람직하게는 3 mol% 내지 15 mol%(바람직하게는 5 mol% 내지 10 mol%) 범위의 M에 첨가될 수 있다. 높은 Ra에서의 우수한 결과들은 역시 유로품이 동시에 1 mol%에서 5 mol%의 M으로 설정되었다면 0.2<x<0.55에서 달성된다.
도 6은 높은 색온도의 발광다이오드를 보여준다. 약 3300 K보다 높은 색온도들을 얻기 위하여, 총 인광체 농도는 제 1 실시예에 비교하여 감소되어야 하고, 그 결과로 보다 높은 전송 청색 발광다이오드 컴포넌트 및 적색 인광체(니트리도실리케이트)에 관하여 증가된 수준의 녹색 인광체(옥시니트리도실리케이트)가 이루어진다. 460 nm의 최고점 파장을 가지는 발광다이오드는 주 빛 소스와 청색 방사체로 사용되곤 했다. 이 경우에 사용된 특정한 인광체들은 옥시니트리도실리케이트로서 Sr-SiON:Eu(5%)와 니트리도실리케이트로서 SrCaSiN:Eu(3%)이다.
Ra 값은 단-파장 발광다이오드가 사용되면 떨어진다. 예를 들어, 450 nm의 최고점 파장을 가지는 주 발광다이오드가 사용되면, Ra는 6500 K의 색온도에서 80 이하로 떨어진다.
도 7은 조명 시스템(5)을 보여주고 여기서, 따뜻한-백색 방사 발광다이오드(6) 외에, 제어 전자부품(7)은 역시 하우징(8) 내에 위치되어 있다. 덮개는 (9)로 표시된다.

Claims (17)

  1. 루미네선스 변환 발광다이오드로서 설계되고, 부분적으로 칩의 방사선을 변환하는 두 개의 인광체들의 층을 전면에 가지는 청색 스펙트럼 영역 내에서 방사하는 칩인 주 방사선 소스를 포함하는,
    정의된 색온도를 가지는 백색-방사 발광다이오드로서,
    제 1 인광체는 카션 M과 실험식 M(1-c)Si2O2N2:Dc를 가지는 옥시니트리도실리케이츠의 종류이고, 상기 M은 주 성분으로서 스트론튬을 포함하고 D는 0≤x+y<0.5에서 M=Sr 또는 M=Sr(1-x-y)BayCax인 2가의 유로품으로 도핑되고, 상기 옥시니트리도실리케이트는 완벽하게 또는 현저하게 고온 안정된 변형 HT를 포함하며, 제 2 인광체는 식 (Ca, Sr)2Si5N8:Eu의 니트리도실리케이트이고, 2300 K로부터 7000 K까지의 색온도를 생성하고 동시에 적어도 Ra=80의 연색성을 달성하는,
    백색-방사 발광다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 옥시니트리도실리케이트 내에서 유로품 부분은 0.1 mol%와 20 mol% 사이의 M으로 형성되는,
    백색-방사 발광다이오드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    특히 30 mol%까지 상기 M의 비율은 바륨 및/또는 칼슘 및/또는 아연에 의해 대체되는,
    백색-방사 발광다이오드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    특히 30 mol%까지 상기 M의 비율은 리튬 및/또는 란탄 및/또는 나트륨 및/또는 이트륨에 의해 대체되는,
    백색-방사 발광다이오드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    특히 30 mol%까지 상기 SiN의 비율은 AIO에 의해 대체되는,
    백색-방사 발광다이오드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    특히 30 mol%까지 상기 유로품의 비율은 망간에 의해 대체되는,
    백색-방사 발광다이오드.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 칩은 InGaN 칩인,
    백색-방사 발광다이오드.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광다이오드는 감광할 수 있는,
    백색-방사 발광다이오드.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광다이오드는 2700 K로부터 3300 K까지의 색온도를 가지는,
    백색-방사 발광다이오드.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광다이오드는 RGB 원리로 색 혼합에 의해 백색 가시 색을 얻고 상기 청색 발광다이오드의 주 방사선은 430 nm로부터 470 nm까지의 최고점 파장을 가지는,
    백색-방사 발광다이오드.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 칩으로부터의 방사선은 450 nm로부터 465 nm까지 범위 내에서 최고점 파장을 가지는,
    백색-방사 발광다이오드.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 옥시니트리도실리케이트의 방사선은 550 nm로부터 570 nm까지 범위 내의 주 파장(λdom)을 가지는,
    백색-방사 발광다이오드.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 니트리도실리케이트는 영구적인 컴포넌트로서 스트론튬과, 0 mol%로부터 60 mol%까지의 비율의 칼슘을 가지는,
    백색-방사 발광다이오드.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 니트리도실리케이트의 방사선은 620 nm로부터 660 nm까지 범위 내의 주 파장 λdom을 가지는,
    백색-방사 발광다이오드.
  15. 제 1 항에 있어서,
    적어도 85의 Ra는 달성되는,
    백색-방사 발광다이오드.
  16. 제 1 항에 따른 발광다이오드를 가지는 조명 시스템으로서,
    상기 시스템은 개별 발광다이오드들 또는 발광다이오드들의 그룹들을 구동하기 위한 전자제품을 포함하는,
    조명 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    전자 제어부는 감광을 제공하는 수단을 포함하는,
    조명 시스템.
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