KR20060121774A - 백색 발광 소자용 티오갈레이트계 녹색 형광체 및 알칼리토금속 황화물계 적색 형광체 - Google Patents

백색 발광 소자용 티오갈레이트계 녹색 형광체 및 알칼리토금속 황화물계 적색 형광체 Download PDF

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토미조 마츠오카
김경남
박상미
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Abstract

본 발명은 자외선 또는 청색 광을 방출하는 발광 다이오드의 상부면에 배치됨으로써, 이들의 혼색에 의하여 고휘도의 백색광 및 필터 여과 후에 색 재현성이 뛰어난 색 순도(Color Purity)를 가지는 우수한 특성의 백색광을 방출하는 녹색 발광이 가능한 백색 발광 소자의 제작에 사용될 수 있는 티오갈레이트계 녹색 형광체 및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체를 제공한다.
티오갈레이트, 녹색형광체, 알칼리토금속 황화물, 적색형광체, 백색발광소자

Description

백색 발광 소자용 티오갈레이트계 녹색 형광체 및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체{GREEN PHOSPHOR OF THIOGALLATE AND RED PHOSPHOR OF ALKALINE EARTH SULFIDE FOR WHITE LIGHT EMITTING DEVICE}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 백색 발광 소자의 개략적인 단면 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 백색 발광 소자에 채용되는 티오갈레이트계 녹색 형광체의 흡수 스펙트럼 및 발광 스펙트럼 그래프.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 백색 발광 소자에 채용되는 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체의 흡수 스펙트럼 및 발광 스펙트럼 그래프.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 티오갈레이트계 녹색 형광체 및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체와 청색 발광 다이오드를 이용한 백색 발광 소자의 발광 스펙트럼 그래프.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 백색 발광 소자와 종래의 백색 발광 소자의 색 좌표 특성을 비교한 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 프레임 본체 2 : 히트 싱크
3 : 발광 다이오드 4 : 투광성 몰드재
5 : 티오갈레이트 녹색 형광체 6 : 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체
7 : 캐소드 리드 7a : 세금선
8 : 애노드 리드 8a : 세금선
본 발명은 형광체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 백색 발광소자를 위한 개선된 광효율을 갖는 티오갈레이트계 녹색 형광체 및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체에 관한 것이다.
백색 발광 소자(white light emitting device)는 조명, 노트북, 핸드폰, PDA 등에 사용되는 LCD용 배면 광원(backlight)으로 각광을 받고 있다.
종래에 백색 발광 소자를 제작하기 위한 방법으로, 청색 발광 다이오드에 YAG:Ce 형광체 또는 (Ba,Sr,Ca)2SiO4:Eu 형광체를 결합시켜 제작하는 방법과, 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드를 하나의 패키지에 부착하여 혼색에 의해 백색광이 방출 가능하도록 제작하는 방법이 사용되고 있다.
그러나, 청색 발광 다이오드를 이용한 백색 발광 소자는 주로 450 ~ 470nm 파장대의 청색 광원에 의해 상부층에 위치한 YAG:Ce 또는 (Ba,Sr,Ca)2SiO4:Eu 등의 황색 형광체를 여기·발광 시킴으로써, 청색과 황색의 혼색에 의해 백색을 방출하도록 구성되어 있기 때문에 LCD 배면 광원에 적합한 백색 발광 재현에 많은 문제점 을 가지고 있다.
즉, 450 ~ 470nm 파장대의 청색 발광 다이오드와 YAG:Ce 또는 (Ba,Sr,Ca)2SiO4:Eu 등의 황색 형광체의 조합으로 이루어진 백색 발광 다이오드는 물질의 특성상 녹색과 적색부의 스펙트럼 결핍으로 배면광의 특성에서 가장 중요한 색필터 여과 이후 색 재현성이 떨어지는 단점이 있다.
한편, 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드를 이용하여 백색 발광 소자를 제조하기 위해서는 GaAs, AlGaInP, AlInGaN, GaN등의 서로 다른 기판을 제조하여 서로 다른 반도체 박막을 활용해야 하기 때문에, 발광 다이오드 제조 공정 및 이를 배면 광원으로 이용시 매우 복잡한 구동 원리와 혼색에 있어서 큰 문제점을 나타내며, 제조 단가가 비싸지는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 하나의 발광원을 사용하여 백색 발광이 가능하고, 필터 여과 후에 색 재현성이 우수한 색 순도(Color Purity)를 갖는 백색 발광 소자의 제작에 사용될 수 있는 티오갈레이트계 녹색 형광체 및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체를 제공하는 데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 일반식 (A1-x- yEux (MⅠ 0.5 MⅢ 0.5)y)B2S4 ; x+y < 1이고, 여기에서 A는 Ba, Sr, Ca 으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고, B는 Al, Ga, In 으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고, x는 0.01에서 0.1 범위 내로 설정되고, MⅠ은 Li, Na, K으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이며, MⅢ는 Sc, Y, Lu, Gd, La으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고, y는 0.2에서 0.8 범위내로 설정되는 티오갈레이트계 녹색 형광체를 제공한다..
본 발명의 다른 측면에 의하면, 일반식이 Ax- aEuaGeSz 이고, 여기에서, A는 Ca, Sr 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고, z=x+2이고, x는 2에서 5 범위 내로 설정되고, a/x는 0.0005에서 0.02 범위 내로 설정되는 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 티오갈레이트계 녹색 형광체 및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체가 채용된 백색 발광 소자의 개략적인 단면 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 티오갈레이트계 녹색 형광체 및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체가 채용된 백색 발광 소자는 리플렉터 구조타입의 표면실장형인 백색 발광 소자로서, 사출, 프레싱 또는 가공에 의해 요홈부 가 형성된 프레임 본체(1)에 히트 싱크(2)가 설치되고, 히트 싱크(2)위에 청색 광을 방출하는 발광 다이오드(3)가 설치된다.
발광 다이오드(3)의 상부에는 발광 다이오드(3)로부터 방출된 광의 일부와 혼색되어 백색광을 방출시키도록 발광 다이오드(3)로부터 방출된 광에 의해 여기되어 녹색 광을 방출하는 티오갈레이트 녹색 형광체(5)와, 적색 광을 방출하는 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체(6)를 포함하는 투광성 몰드재(4)가 프레임 본체(1)내에 형성된다.
물론, 투광성 몰드재(4)를 사용하지 않고, 티오갈레이트계 녹색 형광체(5) 및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체(6)를 직접 발광 다이오드(3)의 상부에 도포하여 설치할 수 도 있다.
여기에서는, 티오갈레이트계 녹색 형광체(5) 및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체(6)가 투광성 몰드재(4)에 함유되어 발광 다이오드(3)의 상부에 설치된 예를 설명하도록 한다.
발광 다이오드(3)는 외부전원에 연결되기 위해 두 개의 전극들을 구비한다. 전극들은 발광 다이오드(3)의 동일 측면(side) 또는 서로 반대 측면 상에 위치할 수 있다. 전극들은 접착제를 통해 리드단자에 전기적으로 연결되거나, 세금선을 통해 리드단자에 연결될 수 있다.
여기에서는, 프레임의 양측에 애노드 리드(8) 및 캐소드 리드(7)를 세금선(8a, 7a)으로 접속시키도록 하였다.
발광 다이오드(3)는 GaN, InGaN, AlGaN 또는 AlGaInN 계열의 발광 다이오드 로서, 청색 광을 방출한다. 여기에서는 발광 다이오드(3)는 420 내지 480 nm 범위의 청색 광을 방출하는 발광 다이오드를 사용하였다. 발광 다이오드(3)는 청색 광뿐만 아니라 자외선을 방출하는 발광 다이오드를 사용할 수 도 있다.
여기에서는, 사출, 프레싱 또는 가공에 의해 형성된 프레임 본체(1)에 히트 싱크(2)를 개재하여 요홈부를 형성하고, 히트 싱크(2)에 발광 다이오드(3)를 설치하고, 프레임의 양측에 설치된 단자인 애노드리드 및 캐소드리드를 세금선으로 접속시키도록 구성된 리플렉터 구조타입의 표면 실장형으로 구현되었지만, 여러 가지 변형이 가능하다.
일변형예로서 리드 프레임(미도시됨)의 선단에 반사컵 또는 반사판 모양의 댐모양으로 요홈부를 형성하고 그 요홈부에 발광 다이오드(3)를 설치하고, 프레임 요부에 설치된 단자인 애노드 리드와 캐소드 리드를 세금선으로 연결시켜 형성된 리드타입의 백색 발광 소자로 구현할 수 있다.
리드타입의 경우에는 발광 다이오드(3)의 상부면을 포함하여 요홈부 내부로 티오갈레이트계 녹색 형광체(5) 및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체(6)를 포함하는 투광성 몰드재(4)를 요홈부 상면과 동일면을 갖게 충진시키고, 투광성 몰드재 및 애노드와 캐소드의 일부를 포함하여 투광성 외장재로 밀봉시켜서 구현할 수 있다.
다른 변형예로서 사출, 프레싱 또는 가공에 의해 형성된 프레임 요부에 요홈부를 형성하고 그 요홈부에 발광 다이오드를 설치하고, 프레임 요부에 설치된 단자인 애노드리드 및 캐소드리드를 세금선으로 접속시키도록 형성된 PCB(printed circuit board)타입의 표면 실장형의 백색 발광 소자로 구현할 수 있다.
표면 실장형의 경우에는 발광 다이오드(3)의 상부면을 포함하여 프레임 본체(1)의 내부로 티오갈레이트계 녹색 형광체(5) 및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체(6)를 포함하는 투광성 몰드재(4)를 프레임 본체(1)의 상면과 동일면을 갖게 충진시켜서 이루어지도록 구현할 수 있다.
이때, 발광 다이오드(3)는 사파이어(Al2O3)를 기판으로 하는 GaN, InGaN, AlGaInN 계열의 발광 다이오드이거나, SiC 재질을 기판으로 하는 GaN, InGaN, AlGaInN 계열의 발광 다이오드가 사용될 수 있다.
또는 임의의 기판을 사용하여 제작된 GaN, InGaN, AlGaInN 계열의 발광 다이오드가 사용될 수 있다.
한편, 티오갈레이트 녹색 형광체(5) 및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체(6)는 발광 다이오드(3) 상부에 위치하여, 발광 다이오드(3)에서 방출된 광의 일부를 그 보다 상대적으로 장파장인 광으로 변환시킨다.
이때, 티오갈레이트 녹색 형광체(5) 및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체(6)는 투광성 몰드재(4) 내에 분산되어 위치된다.
투광성 몰드재(4)는 발광 다이오드(3)를 덮어, 수분 또는 외력과 같은 외부환경으로부터 발광 다이오드(3)를 보호한다. 투광성 몰드재(4)는 에폭시 또는 실리콘(silicone)일 수 있으며, 도시한 바와 같이 프레임 본체(1)내에 위치할 수 있다.
한편, 발광 다이오드(3)가 청색광을 방출할 경우, 발광 다이오드(3)에서 방 출된 청색광과, 티오갈레이트 녹색 형광체(5)로 방출되는 녹색광과, 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체(6)로부터 방출되는 적색광이 혼색되어 백색광이 되어 외부로 방출된다.
구체적으로 티오갈레이트계 녹색 형광체(5)는 일반식 (A1-x- yEux (MⅠ 0.5 MⅢ 0.5)y)B2S4 ; x+y < 1로 표시된다.
여기에서 A는 Ba, Sr, Ca 으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고, B는 Al, Ga, In 으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이다.
x는 0.01에서 0.1 범위 내로 설정되고 MⅠ은 Li, Na, K으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이며, MⅢ는 Sc, Y, Lu, Gd, La으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고, y는 0.2에서 0.8 범위내로 설정된다.
알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체(6)는 일반식 Ax- aEuaGeSz 로 표시된다. 여기에서, A는 Ca, Sr 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이다. z=x+2이고, x는 2에서 5 범위 내로 설정되고, a/x는 0.0005에서 0.02 범위 내로 설정된다.
이러한 녹색 및 적색 형광체(5, 6)는 형광체 원료물질과 활성제를 원하는 조성에 따른 각각의 소정비가 되도록 평량하고 보다 효과적인 혼합을 위해 알코올 용매하에서, 볼밀링(ball milling) 또는 마노유발 같은 혼합기를 이용하여 균일한 조성이 되도록 충분히 혼합한다.
그 후, 이 혼합물을 오븐에 넣고, 100내지 150℃ 에서 1 ~ 2시간 동안 건조한다. 건조한 혼합물을 고순도 알루미나 보트에 넣고 전기로를 사용하여 800 ~ 1300℃ 사이의 온도에서 H2S 대기중에 열처리하여 형광체 분말을 합성한 후 충분히 분쇄한다.
이들 분말에 대하여 빛 발광강도(Photoluminescence, PL)를 측정한 결과 Sr0.36Eu0.04Y0.3Li0.3Ga2S4로 표현되는 대표적인 조성의 티오갈레이트계 녹색 형광체는 470 ~ 630nm의 영역에 걸쳐서 강한 발광 스펙트럼을 나타내고, Sr2 .185Eu0 .015Ca0 .8GeS5 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체는 520 ~ 780nm의 영역에 걸쳐서 강한 발광 스펙트럼을 나타낸다.
이상과 같은 녹색 및 적색 형광체(5, 6)는 백색 발광 소자의 제작에 있어, 투광성 몰드재(4)에 포함되어 발광 다이오드(3)의 상부면을 포함하여 프레임 본체(1) 내부를 충진시켜 이루어진다.
이와 같이, 청색 발광 또는 자외선의 발광이 가능한 질화갈륨계(AlInGaN) 화합물 반도체 소자로 이루어지는 발광 다이오드(3)와 티오갈레이트계 녹색 형광체 (5)및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체(6)를 조합시킴으로써 발광 다이오드(3)로부터의 청색 발광과 그 발광에 의해 여기된 형광체(5, 6)로부터의 녹색 및 적색 발광과의 혼색에 의해 백색광 구현이 가능해진다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 백색 발광 소자에 채용되는 티오갈레이트계 녹색 형광체의 흡수 스펙트럼 및 발광 스펙트럼 그래프이다.
도 2를 참조하면, 티오갈레이트계 녹색 형광체의 흡수 스펙트럼은 350 ~ 500 nm 에서 높은 흡수 피크를 보여 주고 있고, 535 nm에서 최대 피크를 갖는 우수한 발광 스펙트럼을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 백색 발광 소자에 채용되는 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체의 흡수 스펙트럼 및 발광 스펙트럼 그래프이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 백색 발광 소자에 채용되는 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체의 흡수 스펙트럼은 400 ~ 550 nm에서 높은 흡수 피크를 보여주고 있고, 630 nm에서 최대피크를 갖는 우수한 발광 스펙트럼 특성을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 티오갈레이트계 녹색 형광체 및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체와 청색 발광 다이오드를 이용한 백색 발광 소자의 발광 스펙트럼 그래프이다.
도 4를 참조하면, 청색 발광 다이오드로부터 발생된 기준광과 방출된 광의 일부를 형광체가 흡수 또는 여기되어 방출되는 제 2의 광인 녹색광 및 적색광이 혼색되어 백색이 구현됨을 알 수 있다.
즉, 청색, 녹색 및 적색의 혼색에 의한 백색광을 구현함으로써 LCD 구조내의 색필터 여과 후에 색 재현성이 우수한 색순도를 가진다.
이에 따라, 본 발명의 일실시예에 따른 백색 발광 소자를 직렬 또는 병렬구조로 배치하여 LCD용 배면광원(backlight)으로 적용할 경우 종래의 청색 발광 다이 오드에 YAG:Ce 또는 (Ba,Sr,Ca)2SiO4:Eu 황색 형광체를 결합시킨 백색광에 비해 우수한 색순도를 제공할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 백색 발광 소자와 종래의 백색 발광 소자의 색좌표 특성을 비교한 그래프이다.
본 발명의 일실시예에 따른 백색 발광 소자와 종래의 백색 발광 소자가 각각 동일한 색 필터를 통과한 후에 구현할 수 있는 색 재현 범위를 색 좌표를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 티오갈레이트계 녹색 형광체 및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체와 청색 발광 다이오드를 조합한 백색 발광 소자에서의 색 재현 범위가, 종래의 기술에 따른 청색 발광 다이오드와 (Ba,Sr,Ca)2SiO4:Eu 황색 형광체를 사용하는 백색 발광 소자에서의 색 재현 범위보다 훨씬 넓은 것을 알 수 있다.
백색 발광 소자에서 색 좌표의 범위가 넓을수록 표현할 수 있는 색의 수는 증가하게 되어 보다 자연색에 가까운 색표현이 가능하다는 것을 의미한다.
본 발명은 바람직한 실시예 및 많은 구체적인 변형 실시예를 참조하여 설명되었다. 그렇지만, 구체적으로 설명된 것과는 다른 많은 기타 실시예들이 또한 본 발명의 사상 및 범위 내에 들어간다는 것을 관련 분야의 당업자들은 이해할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 티오갈레이트계 녹색 형광체 및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체는 백색 발광 소자에 채용되었을 때 장파장 자외선 영역 및 특히 청색 영역대의 여기하에 매우 우수한 녹색 및 적색발광을 나타냄으로써, 자외선 발광 다이오드용 녹색, 적색 및 백색 발광 소자와, 청색 발광 다이오드용 녹색, 핑크 및 백색 반도체 발광장치, 장파장 자외선 및 청색 영역대를 에너지원으로 하는 응용분야에 적용할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 티오갈레이트계 녹색 형광체 및 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체는 하나의 청색 발광 다이오드에 적용하여 백색광을 구현할 수 있음에 따라 청색 발광 다이오드와 황색 형광체를 통해 구현된 백색광보다 색 재현성이 우수한 색순도(Color Purity)를 갖으면서, 발광 다이오드 자체의 제조공정 및 제조 단가 등의 문제점을 획기적으로 해결할 수 있다.

Claims (2)

  1. 일반식 (A1-x- yEux (MⅠ 0.5 MⅢ 0.5)y)B2S4 ; x+y < 1이고, 여기에서 A는 Ba, Sr, Ca 으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고, B는 Al, Ga, In 으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고, x는 0.01에서 0.1 범위 내로 설정되고, MⅠ은 Li, Na, K으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이며, MⅢ는 Sc, Y, Lu, Gd, La으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고, y는 0.2에서 0.8 범위내로 설정되는 티오갈레이트계 녹색 형광체.
  2. 일반식이 Ax- aEuaGeSz 이고, 여기에서, A는 Ca, Sr 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고, z=x+2이고, x는 2에서 5 범위 내로 설정되고, a/x는 0.0005에서 0.02 범위 내로 설정되는 알칼리 토금속 황화물계 적색 형광체.
KR1020060099902A 2006-10-13 2006-10-13 백색 발광 소자용 티오갈레이트계 녹색 형광체 및 알칼리토금속 황화물계 적색 형광체 KR20060121774A (ko)

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