KR20070009948A - 2개의 형광체를 이용한 고출력 백색 발광 다이오드 소자 - Google Patents

2개의 형광체를 이용한 고출력 백색 발광 다이오드 소자 Download PDF

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KR20070009948A
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Abstract

휘도가 높고 색특성이 향상된 고출력 백색 LED소자 및 그 제조방법에 대하여 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 백색 LED소자는 고출력 청색 LED칩, LED칩 탑재용 부재, 몰드용 수지 및 황녹색 형광체와 녹색 형광체를 포함하여 구성된다. LED칩 탑재용 부재는 외부 접속 단자를 구비하고, 외부 접속 단자와 전기적으로 연결되는 소정의 배선 패턴이 상기 부재의 표면 및/또는 내부에 형성되어 있다. 그리고, LED칩은 LED칩 탑재용 부재 상에 탑재되어 있는데, 배선 패턴을 통하여 외부 접속 단자와 전기적으로 연결되어 있고 정격 전류가 500 내지 720mA 정도인 고출력의 LED칩이다. 그리고, 몰드용 수지는 LED칩을 봉지하고 있다. 그리고, 황녹색 및 녹색 형광체는 몰드용 수지에 고르게 분산되어 있는데, LED칩, 황녹색 형광체, 및 녹색 형광체로부터 발광되는 광은 서로 조합하여 백색의 광을 형성한다.
발광다이오드, 형광체, 청색 LED칩, 백색, 황녹색 형광체, 녹색 형광체

Description

2개의 형광체를 이용한 고출력 백색 발광 다이오드 소자{High power light emitting diode device comprising two kinds of phosphors}
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 램프형 고출력 백색 LED소자에 대한 개략적인 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 칩형 고출력 백색 LED소자에 대한 개략적인 단면도이다.
도 1c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이중 몰드로 구성된 탑형 고출력 백색 LED소자에 대한 개략적인 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 사용된 YAG 형광체의 여기 파장과 상기 YAG 형광체에 의한 방출 파장을 보여주는 그래프이다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 사용된 Sr1 - xSx : Eu 형광체의 여기 파장과 상기 Sr1-xSx : Eu 형광체에 의한 방출 파장을 보여주는 그래프이다.
도 3은 440nm 파장의 LED칩과 YAG 형광체 및 Sr1 - xSx : Eu 형광체를 포함하는 탑형 LED소자로부터 방출되는 백색광의 방출 스펙트럼이다.
도 4는 종래 기술에 따라 제조된 YAG 형광체만을 포함하는 고출력 백색 LED소자와 본 발명의 실시예에 따라 제조된 YAG 형광체와 Sr1 - xSx : Eu 형광체를 포함하 는 고출력 백색 LED소자에 대한 색좌표 상의 위치를 보여주는 도면이다.
도 5는 2단계 큐어 공정을 포함하는 고출력 백색 LED소자를 제조할 때 가하는 열 버짓(thermal budget)을 보여주는 그래프이다.
본 발명은 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고출력 백색 발광 다이오드 소자에 관한 것이다.
LED소자는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기 에너지를 빛 에너지로 변환시키는 반도체 소자의 일종이다. LED소자는 방출되는 광의 색 특성에 따라서 청색 LED소자, 백색 LED소자, 7칼라 LED소자 또는 파스텔 칼라 LED소자 등으로 나눌 수 있는데, LED소자는 현재 그 응용분야가 지속적으로 확대되어 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 이 중에서, 백색 LED소자는 현재, 플래시용 고휘도 광원, 휴대용 전자제품(휴대폰, 캠코더, 디지털 카메라 및 개인 휴대 정보 단말기(PDA) 등)에 사용되는 액정 디스플레이(LCD)의 배면 조명(back light)용 광원, 전광판용 광원, 조명 및 스위치 조명 광원, 표시등 및 교통 신호등의 광원 등으로 그 사용범위가 상당히 넓어지고 있으며, 특히 정격 전류가 수백 mA에서 720mA 또는 그 이상인 고출력 백색 LED소자의 사용 범위가 확대되고 있다.
백색 LED소자는 LED칩으로부터 발생되는 광의 일부를 더 긴 파장의 광으로 형광 변환시켜서, 최종적으로는 서로 상보 관계에 있는 2가지 파장의 광을 방출함 으로써 전체적으로 백색광을 방출하는 소자이다. 보다 구체적으로, LED칩은 GaAsP, GaAlAs, GaP, InGaAlP 또는 GaN 등의 화합물로 PN접합을 형성하는 반도체 소자로서, 상기 PN접합에 소정의 전압을 가하면 전자 또는 정공이 이동하여 잉여 정공 또는 전자와 결합할 때 빛 에너지가 방출된다. 방출되는 빛 에너지는 단색 파장의 광이며, 방출 파장에 따라서 청색 LED칩 또는 자외선 LED칩 등으로 구분된다. 그리고, LED칩으로부터 방출되는 광, 예컨대 청색광의 일부는 형광체에 의하여 황색광으로 전이되어 방출된다. 그리고, 최종적으로 청색광과 황색광이 혼합되어 LED소자의 외부로는 백색광이 방출되는 것처럼 보이게 된다.
백색 LED소자로부터 방출되는 백색광의 특성에 영향을 미치는 요소는 여러 가지가 있다. 예를 들어, LED칩으로부터의 방출광의 세기, LED칩으로부터의 방출광과 형광체에 의해 형광 변환된 광의 조합, 형광체의 성분, 함량 및/또는 형광체가 에폭시 수지에 분산되어 있는 상태 등에 의하여 방출광의 특성은 영향을 받는다.
종래의 고출력 백색 LED소자는 청색 LED칩과 황색광을 방출하는 형광체를 사용하였으며, 황색 형광체로서는 일반적으로 이트륨-알루미늄-가넷(Y3Al5O12 : Ce, YAG)계 화합물이 널리 사용되고 있다.
종래 기술에 따른 고출력 백색 LED소자의 방출광은 청색파장영역의 좁은 피크와 황색파장영역의 넓은 피크의 두 종류의 피크로 이루어져 있다. 이것은 종래 기술에 따른 백색 LED소자에는 청색광을 황색광으로 변환시키는 형광체만이 포함되 어 있기 때문이다. 그 결과, 종래 기술에 따른 백색 LED소자에서 방출되는 백색광은 완전한 상보 관계에 있지 않는 2가지 파장의 광이 혼합된 것이기 때문에, 전체적으로 자연광에 가까운 백색광으로 인식되지 못하는 문제점을 안고 있다. 그리고, 종래 기술에 따른 고출력 백색 LED소자의 경우에 휘도가 약 600mcd 정도 밖에 되지 않았다.
또한, 종래 기술에 따른 고출력 백색 LED소자는 2가지 파장의 광의 조합을 이용하기 때문에 황색파장영역에서의 세기에 따라 백색광의 스펙트럼이 현저하게 차이가 날 수 밖에 없다. 따라서, 첨가되는 YAG형광체의 양을 정밀하게 조절해야 하기 때문에 제조 공정이 까다롭다. 그리고, YAG형광체를 사용하기 때문에 고출력 LED소자에 요구되는 만큼의 휘도를 얻는데 한계가 있다. 그리고, 하나의 형광체만을 사용하기 때문에 광특성이 우수하고 균일한 백색 LED소자를 대량으로 제조하기가 용이하지가 않은 단점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 자연광에 가까운 백색의 광을 방출하는 고출력 백색 LED소자 및 그것의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 공정 마진이 크며, 균일한 제품이 대량 생산이 용이한 고출력 백색 LED소자 및 그것의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 휘도가 높고 광학적 특성이 우수한 고출력 백색 LED소자 및 그것의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 백색 LED소자는 고출력 청색 LED칩, LED칩 탑재용 부재, 몰드용 수지 및 황녹색 형광체와 녹색 형광체를 포함하여 구성된다. 상기 LED칩 탑재용 부재는 외부 접속 단자를 구비하고, 상기 외부 접속 단자와 전기적으로 연결되는 소정의 배선 패턴이 상기 부재의 표면 및/또는 내부에 형성되어 있다. 그리고, 상기 LED칩은 상기 LED칩 탑재용 부재 상에 탑재되어 있는데, 상기 배선 패턴을 통하여 상기 외부 접속 단자와 전기적으로 연결되어 있고 정격 전류가 500 내지 720mA 정도인 고출력의 칩이다. 그리고, 몰드용 수지는 상기 LED칩을 봉지하고 있다. 그리고, 상기 황녹색 및 상기 녹색 형광체는 상기 몰드용 수지에 고르게 분산되어 있는데, 상기 LED칩, 상기 황녹색 형광체, 및 상기 녹색 형광체로부터 발광되는 광은 서로 조합하여 백색의 광을 형성한다.
상기한 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 황녹색 형광체는 YAG 형광체이고, 상기 녹색 형광체는 Sr1 - xSx : Eu 형광체일 수 있다. 그리고, 상기 YAG 형광체는 피크 방출 파장이 545 - 555nm 사이이고, 상기 Sr1 - xSx : Eu 형광체는 피크 방출 파장이 520 - 540nm 사이일 수 있다. 이 경우에, 상기 YAG 형광체 및 상기 Sr1 - xSx : Eu 형광체는 상기 몰드용 수지 중량의 5 - 60중량%를 차지하고, 상기 YAG 형광체는 상기 YAG 형광체와 Sr1 - xSx : Eu 형광체를 합한 중량의 1 - 30중량%를 차지할 수 있다.
상기한 실시예의 다른 측면에 의하면, 상기 몰드용 수지는 제1 몰드용 수지 및 상기 제1 몰드용 수지의 상부에 형성되어 있는 제2 몰드용 수지로 구성되며, 상기 YAG 형광체는 상기 제1 몰드용 수지에 분산되어 있고, 상기 Sr1 - xSx : Eu 형광체는 상기 제2 몰드용 수지에 분산되어 있다.
상기한 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 백색 LED소자의 제조방법은 먼저, 외부 접속 단자를 구비하고 상기 외부 접속 단자와 전기적으로 연결되는 소정의 배선 패턴이 형성되어 있는 LED칩 탑재용 부재를 준비한다. 그리고, 상기 LED칩 탑재용 부재 상에 고출력 청색 LED칩을 탑재하여 부착시키고, 상기 배선 패턴을 통하여 상기 LED칩과 상기 외부 접속 단자를 전기적으로 연결한다. 그리고, YAG 형광체와 Sr1 - xSx : Eu 형광체가 몰드용 수지에 혼합되어 그 내부에 분산되어 있는 모체 수지를 준비하는데, 상기 LED칩, 상기 황녹색 형광체, 및 상기 녹색 형광체로부터 발광되는 광은 서로 조합하여 백색의 광을 형성하는 모체 수지를 준비한 다음, 봉지(encapsulation) 공정을 사용하여 상기 모체 수지로 상기 LED칩을 몰딩한다.
상기한 실시예의 일 측면에 의하면, 상기한 모체 수지를 준비하는 단계는, 상온에서 주제 및 경화제를 포함하는 액상 에폭시 수지를 1차로 혼합하고, 70 내지 100℃ 의 온도 및 1 내지 30토르의 압력 하에서 상기 액상 에폭시 수지를 반경화시키는 제1 큐어 공정을 실시한 다음, 상온에서 상기 반경화된 액상 에폭시 수지에 상기 YAG 형광체와 Sr1 - xSx : Eu 형광체를 첨가하고 2차로 혼합하는 공정을 포함할 수 있으며, 상기 몰딩을 하는 단계는, 상기 LED칩 상에 상기 모체 수지를 도포하 고, 120℃ 이상의 온도 및 상압 하에서 상기 모체 수지를 경화시키는 제2 큐어하는 공정을 포함할 수 있다.
이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 1a 및 도 1b에는 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 백색 LED소장 대한 개략적인 단면도들이 도시되어 있는데, 도 1a는 램프형 LED소자이고 도 1b는 칩형 LED소자이다. 본 실시예에는 비록 램프형과 칩형 LED소자에 대하여 도시하고 있지만, 탑형 LED소자(도 1c참조)에 대해서도 본 실시예는 동일하게 적용될 수 있다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 고출력 백색 LED소자는 고출력 LED칩(14), LED칩(14)을 부착시켜서 탑재할 수 있는 부재(20 또는 24), LED칩(14)을 둘러싸고 있는 몰드용 수지(10) 및 상기 몰드용 수지(10)에 고르게 분산되어 있는 형광체(11, 12)를 포함하여 구성된다. 형광체(11, 12)는 황녹색과 녹색의 2가지 형광체로 구성되며, 본 실시예에서는 상기 2가지 형광체(11, 12)는 서로 뒤섞여서 몰드용 수지에 임의적으로 분산되어 있다. 이러한 LED소자의 구조는 황녹색과 녹색의 2가지 종류의 형광체가 포함되어 있다는 것을 제외하고는 종래 기술에 따른 고출력 LED소자의 구조의 거의 차이가 없다. 예컨대, LED칩 탑재용 부재(20, 24)로서 리드 프레임이나 인쇄회로기판 등을 사용할 수 있다. 리드 프레임을 LED칩 탑재용 부재로서 사용할 경우에는 외부 리드(22)가 외부의 전극과 연결되는 외부 접속 단자로서 역할을 하며, 상기 외부 리드(22)는 LED칩 탑재용 부재(24) 상에 형성되어 있는 배선 패턴(도시하지 않음)을 통하여 LED칩(14)과 전기적으로 접속되어 있다. 인쇄회 로기판을 LED칩 탑재용 부재로서 사용할 경우에는 인쇄회로기판의 표면 및 내부에는 여러 가지 패턴의 배선 패턴이 형성되어 있으며, 인쇄회로기판의 뒷면이나 가장자리에 외부 접속 단자가 형성되어 있을 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 LED소자의 기본적인 구성 및 동작은 종래 기술에 따른 LED소자의 구성이나 동작과 거의 유사하기 때문에 본 명세서에서는 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 도 1a 및 도 1b에서 설명하지 않은 참조 번호 16은 접착제, 18은 본딩 와이어 그리고 26은 몰더 컵이다.
도 1c에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탑형 고출력 백색 LED소자에 대한 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 본 실시예에 따른 LED소자는 이중 몰드 구조인 점에서 전술한 실시예에 따른 LED소자(도 1a 및 도 1b 참조)와 상이하다. 즉, 본 실시예에 따른 LED소자는 황녹색 형광체와 녹색 형광체가 함께 뒤섞여서 분산되어 있는 것이 아니라 황녹색 형광체가 분산되어 있는 제1 몰드 및 녹색 형광체가 분산되어 있는 제2 몰드로 서로 분리되어 있는 것을 특징으로 한다. 도 1c에는 비록 탑형 LED소자에 대해서만 도시되어 있지만, 이중 몰드로 구성된 고출력 백색 LED소자는 램프형 LED소자(도 1a 참조) 또는 칩형 LED소자(도 1b 참조)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
이러한 이중 몰드를 포함하는 LED소자 및 그것의 제조방법은 본 특허의 출원인과 동일인에 의하여 2004년 1월 2일에 출원된 대한민국특허출원 제2004-0000094호, "이중 몰드로 구성된 백색 발광다이오드 소자 및 그 제조방법"에 상세하게 설명되어 있다. 상기 특허 출원은 참조에 의하여 본 출원 명세서에 완전히 결합니 다. 이하에서는, 이중 몰드로 구성된 고출력 백색 LED소자에 대하여 간략히 설명하기로 한다.
도 1c를 참조하면, 고출력 백색 LED소자는 LED칩 탑재용 부재(24), 고출력 청색 LED칩(14), 제1 몰드(10a, 11) 및 제2 몰드(10b, 12)를 포함하여 구성된다. 제1 몰드(10a, 11)는 몰드용 수지(10a) 및 이에 고르게 분산되어 있는 황녹색 형광체(11)로 구성되어 있다. 그리고, 제2 몰드(10b, 12)는 몰드용 수지(10b) 및 이에 고르게 분산되어 있는 녹색 형광체(12)로 구성되어 있다. 도 1c에는 제1 몰드(10a, 11) 상에 제2 몰드(10b, 12)가 형성되어 있지만, 제1 몰드(10a, 11)와 제2 몰드(10, 12)의 위치는 서로 바뀔 수 있다.
그런데, 실험에 의하면 상기한 2가지 경우 중에서 전자의 경우에 LED소자의 광학적 특성이 더 우수한 것으로 나타났다. 즉, 제1 몰드(10a, 11) 및 제2 몰드(10b, 12)로 구성된 이중 몰드 LED소자의 경우에, 하부에 위치하는 몰드용 수지(10a)에는 상대적으로 방출 파장이 긴 형광체, 즉 황녹색 형광체(11)가 고르게 분산되어 있고, 상부에 위치하는 몰드용 수지(10b)에는 상대적으로 방출 파장이 짧은 형광체(12), 즉 녹색 형광체(12)가 고르게 분산되어 있는 것이 광학적 특성 측면에서 더욱 바람직하다.
이와 같이 이중 몰드로 구성된 고출력 백색 LED소자에서 제1 몰드(10a, 11)는 적어도 LED칩(14)의 상면 높이보다는 두껍게 제1 몰드(10a, 11)의 높이(h1)를 설정하여야 한다. 그리고, 제1 몰드(10a, 11)의 높이(h1)는 제1 몰드(10a, 11)와 제2 몰드(10b, 12)를 합한 높이(h1 + h2)의 약 10-90% 정도인 것이 바람직하다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하여 전술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 고출력 백색 LED소자는 다음과 같은 특징이 있다.
첫째, LED소자로부터 고휘도의 백색광이 방출되도록 하기 위하여 고출력 청색 LED칩(14)을 사용한다. 사용될 수 있는 청색 LED칩(14)의 종류는 형광체의 특성, 즉 형광체가 여기되는 파장의 범위 및 방출되는 백색광의 피크 파장 범위 등을 고려하여 적절하게 선택된다. 예컨대, 황녹색 형광체(11)와 녹색 형광체(12)를 사용하는 경우에, 425-475nm 범위의 발광 피크 파장을 가지는 청색 LED칩(14)을 사용하는 것이 바람직하다.
둘째, 본 실시예에서는 백색광을 방출하는 LED소자를 제조하기 위하여 2가지 종류의 형광체(11, 12)를 사용한다. 그러므로, 본 발명의 실시예에 따른 LED소자는 공정 마진이 크다. 또한, 이러한 2가지 형광체(11, 12)는 각각 방출 피크 파장이 서로 상이하다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 LED소자에서는 LED칩(14)의 고유 방출 파장의 광과 각각의 형광체(11, 12)로부터의 형광 변환되어 방출되는 파장 등 3가지 피크 파장의 광이 합쳐지기 때문에 방출광이 보다 자연광에 가까운 백색광을 나타낸다.
상기한 2가지 형광체 중의 하나는 황녹색 형광체이다. 황녹색 형광체로서는 YAG 형광체(11)를 사용할 수 있는데, YAG 형광체(12)는 예를 들어 Y, Al, O를 포함하며, Ce을 더 포함할 수도 있다. 본 실시예에서 사용한 YAG 형광체(11)는 약 400-480nm의 광을 흡수하여(최대 여기 파장은 440nm), 피크 파장이 약 550nm인 황녹색광을 방출한다. 전술한 바와 같이, 최대 여기 파장과 피크 파장은 형광체(11)의 조성에 따라서 약간 달라질 수 있지만, 상기 값으로부터 크게 벗어나지 않는다.
도 2a에는 YAG 형광체(11)만을 포함하는 탑형 고출력 LED소자로부터 방출되는 광의 스펙트럼을 측정한 그래프가 도시되어 있다. 여기서, LED칩으로는 방출 파장이 470nm인 고출력 청색 LED칩을 사용하였다. 그리고, YAG 형광체(11)로서 Y이 약 29.6중량%, Al가 약 15.1중량%, O가 약 53.1중량% 및 Ce가 약 2.2중량%인 것을 사용하였으며, 형광체(11)의 여기 피크 파장은 약 440nm이다. 도 2a를 참조하면, 470nm가 피크 파장인 청색 발출광에 대하여 YAG 형광체(11)로부터는 피크 파장이 약 553nm인 황녹색광이 방출되는 것을 알 수 있다.
상기한 형광체 중에서 다른 하나의 형광체는 녹색 형광체(12)이다. 녹색 형광체로는 Sr1 - xSx : Eu 형광체(12)를 사용할 수 있다. 여기서, x는 약 0.3 - 0.7사이이고, 유러퓸(Eu)은 SrS를 활성화시키는 이온으로서의 역할을 한다. 그리고, 상기 Sr1 - xSx : Eu 형광체(12)는 Ga, Mo 등을 더 포함할 수도 있다. 본 실시예에서 사용한 Sr1 - xSx : Eu 형광체(12)는 약 400 - 500nm의 광을 흡수하여(최대 여기 파장은 450nm) 피크 파장이 약 540nm인 녹색광을 방출한다. 최대 여기 파장과 피크 파장은 형광체(12)의 조성에 따라서 약간 달라질 수 있지만, 상기 값으로부터 크게 벗어나지 않는다.
도 2b에는 Sr1 - xSx : Eu 형광체(12)만을 포함하는 탑형 LED소자로부터 방출되 는 광의 스펙트럼을 측정한 그래프가 도시되어 있다. 도 2b를 참조하면, LED칩으로는 방출 파장이 각각 460nm와 470nm인 청색 LED칩을 사용한 것을 알 수 있다. 그리고, Sr1 - xSx : Eu 형광체(11)로서 Sr이 약 21중량%, S가 약 23.5중량%, Ga가 약 37.7중량%, Mo가 약 15.3중량% 및 Eu가 약 2.5중량%인 것을 사용하였다. 상기한 Sr1-xSx : Eu 형광체(11)의 여기 파장은 약 420nm 내지 470nm이고, 피크 여기 파장은 약 450nm이다. 그리고, Sr1 - xSx : Eu 형광체(11)의 방출 파장은 약 540nm이다. 따라서, Sr1 - xSx : Eu 형광체(11)로부터는 약 420 - 470nm 파장의 광을 흡수하여 피크 파장이 약 540nm인 녹색광이 방출되는 것을 알 수 있다.
황녹색 형광체(11)와 녹색 형광체(12)를 포함하는 본 발명의 실시시예에 따른 고출력 백색 LED소자는 다음과 같은 방식으로 백색광을 방출한다. 즉, LED칩(14)으로부터 방출되는 청색광의 일부는 YAG 형광체(11)와 Sr1 - xSx : Eu 형광체(12)에 각각 흡수되지만, 나머지 일부는 그대로 몰드용 수지(10)의 외부로 방출된다. YAG 형광체(11)에 청색광이 흡수되면 Ce의 도움으로 YAG 물질이 여기된 후에 안정된 상태로 복귀하면서 형광 변환된 황녹색광을 방출하고, Sr1 - xSx : Eu 형광체(12)에 청색광이 흡수되면 Eu의 도움으로 Sr1 - xSx가 여기된 후에 안정된 상태로 복귀하면서 형광 변환된 녹색광을 방출한다. x값에 따라서 형광 변환된 황녹색광 및 녹색광의 피크 파장은 약간 달라질 수 있지만, x가 0.3 - 0.7 범위인 경우에는 방출광의 특성에 큰 영향이 없다. 결국, 형광체(11, 12)에 흡수되지 않고 그대로 방 출되는 청색광과 YAG 형광체(11) 및 Sr1 - xSx : Eu 형광체(12)로부터 방출되는 황녹색과 녹색 계열의 광이 조합되어서, 상기 LED소자는 궁극적으로 백색광을 방출하게 된다.
도 3에는 440nm 파장의 LED칩(14)과 YAG형광체(11) 및 Sr1 - xSx : Eu 형광체(12)를 포함하는 탑형 LED소자로부터 방출되는 백색광의 방출 스펙트럼이 도시되어 있다.
LED칩(14)으로부터 방출되는 광 중에서 형광체(11, 12)에 흡수되는 광의 양과 그대로 방출되는 광의 양, 그리고 형광체(11, 12)에 흡수되는 광의 양 중에서 YAG 형광체(11) 및 Sr1 - xSx : Eu 형광체(12)에 흡수되어 방출되는 황녹색광과 녹색광의 양은 몰드용 수지(10)에 분산되어 있는 형광체(11, 12)의 양 및 조성 그리고 형광체(11, 12)의 분산 균일성에 따라서 달라질 수 있다. 그리고, 이러한 형광체(11, 12)의 양, 조성 및 분산 균일성 정도에 따라서 고출력 백색 LED소자의 광학적 특성이 영향을 받는다.
우수한 광학적 특성을 갖는 LED소자를 제조하기 위해서, 형광체(11, 12)는 몰드용 수지(10) 중량의 약 2 - 45중량% 바람직하게는 6 - 8중량%를 차지할 수가 있다. 보다 구체적으로, 포팅법이나 스크린 패턴 마스크법 등과 같이 형광체가 혼합된 액상의 에폭시 수지를 사용하여 제조하는 LED소자의 경우에는 형광체(11, 12)가 몰드용 수지(10)의 중량에 대하여 약 2 - 40중량%, 보다 바람직하게는 약 4 - 30중량% 범위일 수 있다. 그리고, 트랜스퍼 몰딩법과 같이 형광체가 혼합된 고상 의 에폭시 수지 테블릿을 사용하여 제조하는 LED소자의 경우에는 형광체(11, 12)가 약 5 - 45중량%, 보다 바람직하게는 약 5 - 40중량% 범위 이내일 수 있다. 또한, 녹색 형광체인 Sr1 - xSx : Eu 형광체(12)는 전체 형광체(11, 12)의 중량에 대하여 약 1 - 30중량%, 보다 바람직하게는 약 3 - 15중량%를 차지할 수 있다.
도 4에는 종래 기술에 따라 제조된 YAG 형광체만을 포함하는 고출력 백색 LED소자와 본 발명의 실시예에 따라 제조된 YAG 형광체와 Sr1 - xSx : Eu 형광체를 포함하는 고출력 백색 LED소자에 대한 색좌표 상의 위치가 비교 도시되어 있다. 여기서, 샘플 번호1은 LED칩에 대한 것이고, 샘플 번호 2-4는 YAG 형광체만을 포함하는 LED소자에 대한 것이고, 샘플 번호 5-7은 Sr1 - xSx : Eu 형광체의 비율이 전체 형광체에 대하여 5중량%인 LED소자에 대한 것이고 그리고 샘플 번호 8-10은 Sr1 - xSx : Eu 형광체의 비율이 전체 형광체에 대하여 10중량%인 LED소자에 대한 것이다. 그리고, 샘플 번호 2-4, 5-7 및 8-10은 각각 몰드용 수지에 대한 형광체의 비율이 각각 6중량%, 8중량% 및 10중량%인 경우이다.
도 4를 참조하면, 방출 파장이 440nm인 고출력 청색 LED칩을 사용한 것을 알 수 있으며(샘플 번호 1), Sr1 - xSx : Eu 형광체의 비율이 5중량%이고, 에폭시 중량에 대한 형광체의 비율이 약 7중량%인 경우에 백색 좌표(x=0.31, y=0.31)에 근접한다는 것을 알 수 있다.
또한, 표 1에는 상기한 샘플 중에서 샘플 번호 5 및 6인 LED소자의 방출광에 대한 휘도와 색좌표 상의 위치를 측정한 것이 도시되어 있다. 상기 실험에서는 탑형 LED소자를 사용하였지만 이중 몰드가 아닌 단일 몰드를 사용하였다. 표 1을 참조하면, 샘플 번호 5의 경우에 방출광의 CIE 색도도 상의 위치는 x=0.279, y=0.281인 것을 알 수 있으며, 샘플 번호 6의 경우에는 방출광의 CIE 색도도 상의 위치는 x=0.305, y=0.333인 것을 알 수 있다. 또한, 샘플 번호 5 및 6의 경우의 휘도가 각각 약 730mcd, 790mcd로서 종래 기술에 따른 고출력 백색 LED소자의 휘도인 약 600mcd보다 휠씬 큰 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 고출력 백색 LED소자는 수명이 약 100,000시간 이상으로서 수명도 길다.
몰드용 수지에 대한 형광체의 비 휘도(mcd) CIE, x좌표 CIE, y좌표
6중량% 729.4 0.279 0.281
8중량% 789.4 0.305 0.333
셋째, 본 발명에 따른 고출력 백색 LED소자는 형광체(11, 12)가 몰드용 수지(10) 내에 고르게 분산되도록 제조할 수가 있다. 몰드용 수지(10)에 균일하게 분산되어 있는 형광체(11, 12)는 LED소자로부터의 방출광 특성에 상당한 영향을 미친다. 일반적으로, 형광체는 에폭시 수지에 비하여 비중이 크기 때문에, 액상 에폭시 수지에 형광체가 섞여 있는 경우에는 침전하는 경향이 있다. 하지만, 색 분산이 적은 백색 LED소자를 제조하기 위해서는 형광체(11, 12)가 고르게 몰드용 수지(10)에 분산되어 있는 것이 바람직하다. 본 특허의 출원인과 동일인에 의하여 2003년 11월 25일에 출원된 한국특허출원 제2003-0084173호, 2단계 큐어 공정을 포함하는 백색 발광 다이오드 소자의 제조방법에 개시된 바와 같이, 2단계 큐어 공정을 사용하면 몰드용 수지(10)에 2가지 종류의 형광체(11, 12)가 고르게 분산되어 있는 LED소자를 제조할 수 있다. 상기 특허출원 명세서는 참조에 의하여 본 명세서에 완전히 결합한다.
이하에서는, 2단계 큐어 공정을 포함하는 고출력 백색 LED소자의 제조방법에 대하여 간단히 설명하기로 한다. 하지만, 본 발명에 따른 고출력 백색 LED소자의 제조방법은 2단계 큐어 공정을 사용하는 제조방법에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명에 따른 LED소자는 이미 공지되어 있는 LED소자의 제조방법을 사용함으로써 제조할 수도 있다. 예컨대, 2단계 큐어 공정을 거치지 않은 황녹색 형광체(11) 및 녹색 형광체(12)가 포함된 모체 수지를 사용하는 포팅법이나 스크린 패턴 마스크법으로 몰딩 공정을 진행하거나 황녹색 형광체(11) 및 녹색 형광체(12)가 포함된 모체 수지의 테블릿을 이용한 트랜스퍼 몰딩법으로 몰딩 공정을 수행하여 LED소자를 제조할 수도 있다. 본 명세서에서 '모체 수지'란 LED칩 상에 도포되거나 몰딩되기 전의 상태로 있는, 형광체(11, 12)와 에폭시 수지(10)의 조성물을 가리킨다.
도 5에는 2단계 큐어 공정을 포함하는 고출력 백색 LED소자를 제조할 때 가하는 열 버짓(thermal budget)을 보여주는 그래프가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 먼저 주제(main gradient)와 경화제를 1차로 혼합하여 액상 에폭시 수지를 제조한다. 1차 혼합 공정에서 형광체(11, 12)의 일부를 더 첨가할 수도 있다. 그러나, 1차 혼합 공정에서는 실리콘 수지나 EMC 파우더 및 확산제(filler)는 더 첨가하지 않는다. 주제로는 예를 들어, 크레졸 노보락 에폭시, 페톨 노보락 에폭시 또는 비스페놀 A형 에폭시 중의 하나이거나 이들의 혼합물일 수 있다. 그리고, 경화제는 무수산물, 방향족 아민 변성물 또는 페놀 노보록 에폭시 중의 하나이거나 이들의 혼합물일 수 있다. 또한, 1차 혼합 공정에서 필요한 경우에는 경화 반응을 촉진시키기 위하여 이민다졸 화합물이나 아민 화합물과 같은 경화 촉진제를 더 첨가할 수도 있다.
계속해서 상기 액상 에폭시 수지에 대하여 1차 큐어 공정을 실시한다. 제1 큐어 공정은 소정의 시간(t4 - t1)동안 실시한다. 상기 제1 큐어 단계의 온도 및 시간은 상호 의존적인데, 특히 온도(T1)에서의 가열 시간은 액상 에폭시 수지의 가열 온도에 따라서 변할 수가 있다. 예컨대, 온도(T1)가 약 70 - 100℃ 인 경우에 승온 시간(t2 - t1)은 약 30분이 될 수 있다. 도 5에서 T0는 상온을 나타낸다. 그리고, 상기 제1 큐어 공정은 저압 상태에서 실시하는데, 저압 상태로 공정을 실시하는 이유는 기포가 발생하는 것을 방지하기 위해서이다. 저압 상태는 약 1-30토르일 수 있다. 상기한 제1 큐어 공정의 결과, 액상 에폭시 수지는 반경화 상태의 에폭시 수지로 숙성된다.
계속해서 도 5를 참조하면, 반경화 상태의 에폭시 수지에 대하여 제2 혼합 공정을 실시하여 모체 수지를 제조한다. 제2 혼합 공정은 반경화 상태의 에폭시 수지의 구성 원료들이 보다 잘 섞여 있도록 하기 위한 공정이다. 제1 혼합 공정에서 형광체(11, 12)를 첨가한 경우에는 이 때 형광체도 함께 혼합된다. 그리고, 제2 혼합 공정에서는 형광체(11, 12)를 필요한 양 또는 부족한 양을 첨가한다. 예를 들어, 몰드용 수지의 중량을 기준으로 했을 때, 형광체(11, 12)의 중량은 약 2 - 45중량%, 바람직하게는 6 - 8중량%일 수 있다. 그리고, 형광체(11, 12) 중량에 대하여 녹색 형광체(12)가 약 1-30중량%, 바람직하게는 3 - 15중량%일 수 있다. 제2 혼합 공정은 상온(T0)에서 실시하며, 공정 소요 시간(t5 - t4)에는 특별한 제한이 없다.
다음으로, 제2 혼합 공정이 완료된 모체 수지를 사용하여 LED칩을 봉지한다. 여기서, LED칩은 도전성 또는 비도전성 접착제를 사용하여 LED칩 탑재용 부재 상에 부착되어 탑재되어 있다. 그리고, 필요한 경우에는 와이어 본딩 공정도 수행이 완료되어 LED칩에 대한 전기적인 연결도 완료되어 있다. 봉지 공정을 예컨대 전술한 바와 같이, 포팅법이나 스크린 패턴 마스크법을 사용할 수 있다.
계속해서 도 5를 참조하면, 모체 수지가 도포된 결과물을 열처리하는 제2 큐어 공정을 실시한다. 제2 큐어 공정은 모체 수지를 완전히 경화시키기 위한 공정이다. 제2 큐어 공정은 상압에서도 실시할 수 있으며, 제1 큐어 공정의 온도(T1)보다 높은 온도(T2)에서 소정의 시간(t7 - t6)동안 실시한다. 예를 들어, 제2 큐어 공정의 가열 단계는 약 120-130℃ 의 온도에서 약 1-2시간 실시할 수 있다. 보다 구체적으로 제2 큐어 공정은 약 30분 정도의 승온 단계(t6 - t5), 약 130℃ 의 온도에서 약 1시간의 가열 단계(t7 - t6) 및 약 30분의 감온 단계(t8 - t7)로 구성될 수 있다. 제2 큐어 공정에서도 가열 시간과 가열 온도는 서로 의존적이다.
이러한 2단계 큐어 공정을 거치는 경우에는 최종 가열 단계인 제2 큐어 공정이 진행되는 동안에 에폭시 수지의 점도가 감소하는 폭이 현저히 작기 때문에, 형광체가 에폭시 수지 등과 같은 몰드용 수지의 하부로 침전되는 현상을 방지할 수 있다. 그 결과, 2개의 형광체가 몰드용 수지에 고르게 분산되어 있기 때문에 색 분산이 적고 우수한 광학적 특성을 가진 고출력 백색 LED소자를 만들 수가 있다.
넷째, 본 발명에 의한 고출력 백색 LED소자는 YAG 형광체 하나만을 사용하는 것이 아니라 녹색 형광체도 함께 사용한다. 따라서, 백색 LED소자를 제조하기 위해서 YAG 형광체 하나만을 사용하는 경우보다 자연광 백색에 근접하는 광을 방출하는 LED소자를 제조하기가 용이할 뿐만이 아니라 2가지 형광체를 사용하기 때문에 공정 마진도 훨씬 크다.
본 발명에 의하면, LED칩으로부터 방출되는 청색광 및 황녹색 형광체와 Sr1 -xSx : Eu 형광체에 의하여 각각 형광 변환된 녹색광과 황녹색 광이 조합되기 때문에, 종래 보다 자연광에 근접하는 백색의 광을 방출하는 고출력 백색 LED소자를 만들 수가 있다.
그리고, 본 발명에 의하면, 2가지의 형광체를 사용항 고출력 백색 LED소자를 제조하기 때문에 공정 마진이 크며, 균일한 제품을 대량으로 생산하기도 용이하다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따라 제조된 고출력 백색 LED 소자는 종래 기술에 따른 고출력 백색 LED 소자에 비하여 휘도가 높고 광학적 특성도 우수하다.

Claims (5)

  1. 외부 접속 단자를 구비하고, 상기 외부 접속 단자와 전기적으로 연결되는 소정의 배선 패턴이 형성되어 있는 LED칩 탑재용 부재;
    상기 LED칩 탑재용 부재 상에 탑재되어 있으며, 상기 배선 패턴을 통하여 상기 외부 접속 단자와 전기적으로 연결되어 있는 고출력 청색 LED칩;
    상기 LED칩을 봉지하고 있는 몰드용 수지; 및
    상기 몰드용 수지에 고르게 분산되어 있는 황녹색 형광체 및 녹색 형광체를 포함하는 발광 다이오드 소자로서, 상기 LED칩, 상기 황녹색 형광체, 및 상기 녹색 형광체로부터 발광되는 광은 서로 조합하여 백색의 광을 형성하는 것을 특징으로 하는 고출력 백색 발광 다이오드 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 황녹색 형광체는 YAG 형광체이고, 상기 녹색 형광체는 Sr1-xSx : Eu 형광체인 것을 특징으로 하는 고출력 백색 발광 다이오드 소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 YAG 형광체는 피크 방출 파장이 545 - 555nm 사이이고, 상기 Sr1 - xSx : Eu 형광체는 피크 방출 파장이 520 - 540nm 사이인 것을 특징으로 하는 고출력 백색 발광 다이오드 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 몰드용 수지는 제1 몰드용 수지 및 상기 제1 몰드용 수지의 상부에 형성되어 있는 제2 몰드용 수지로 구성되며,
    상기 YAG 형광체는 상기 제1 몰드용 수지에 분산되어 있고, 상기 Sr1 - xSx : Eu 형광체는 상기 제2 몰드용 수지에 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 고출력 백색 발광 다이오드 소자.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 YAG 형광체 및 상기 Sr1 - xSx : Eu 형광체는 상기 몰드용 수지 중량의 5 - 60중량%를 차지하고,
    상기 YAG 형광체는 상기 YAG 형광체와 Sr1 - xSx : Eu 형광체를 합한 중량의 1 - 30중량%를 차지하는 것을 특징으로 하는 고출력 백색 발광 다이오드 소자.
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