KR20070025891A - 백색 형광막을 이용한 백색 발광용 무기 전계발광소자, 백색 발광 장치 및 조명장치 - Google Patents
백색 형광막을 이용한 백색 발광용 무기 전계발광소자, 백색 발광 장치 및 조명장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 청색, 녹색 및 적색 혹은 보색의 청색 및 황색의 형광체를 단일층에 격자 구조 혹은 스트라이프 구조로 교차배열하여, 각각의 형광체의 발광색 조합을 통해 백색광을 구현하기 위한 백색 형광막 및 그 제조방법, 또한 상기 형광막으로 제작된 백색 발광용 전계발광 소자, 백색 발광 장치 및 조명 장치에 관한 것이다. 이는, 종래의 수직 적층형, 혼합 분산형의 형광막 구조로 인한 각각의 방출광의 재흡수에 의한 발광 효율 저하를 극소화시켜 종래의 백색 발광소자보다 휘도 및 효율이 우수한 백색 광원을 제공하는 효과가 있다.
단일층, 스트라이프, 사각격자, 육각격자, 백색 발광용 전계발광 소자, 백색 발광 장치, 조명 장치
Description
도 1a는 종래의 냉음극형광램프를 이용한 엣지라이트방식 백라이트의 구성도.
도 1b는 종래의 냉음극형광램프를 이용한 직하방식 백라이트의 구성도.
도 2a는 종래의 수직 적층형 전계발광 소자의 구성도.
도 2b는 종래의 혼합 분산형 전계발광 소자의 구성도.
도 3a는 본 발명에 의한 사각격자 구조 형광막의 구성도.
도 3b는 도 3a에서 격자 크기를 조절하는 것을 도시한 구성도.
도 4a는 본 발명에 의한 육각격자 구조 형광막의 구성도.
도 4b는 도 4a에서 격자 크기를 조절하는 것을 도시한 구성도.
도 5a는 본 발명에 의한 스트라이프 구조 형광막의 구성도.
도 5b는 도 5a에서 폭 조절하는 것을 도시한 구성도.
도 6은 본 발명에 의한 백색 형광막을 구비한 백색 전계발광 소자의 구성도.
도 7은 도 6에서 도 3a, 3b의 형광막을 구비했을 때의 전계발광 스펙트럼.
도 8은 도 6에서 도 5a, 5b의 형광막을 구비했을 때의 전계발광 스펙트럼.
도 9는 사각격자 구조의 형광막, 스트라이프 구조의 형광막 및 청색과 황색의 1:3 사각격자 구조 형광막의 전계발광 스펙트럼.
도 10a는 본 발명에 의한 백색 형광막을 구비한 백색 발광 장치의 구성도.
도 10b는 도 10a의 요부를 확대하여 도시한 구성도.
도 11은 도 10a, 10b에서 도 3a, 3b의 형광막, 도 5a, 5b의 형광막, 종래의 혼합분산형 형광막을 구비했을 때의 상대 광발광 스펙트럼.
도 11a은 도 10a, 10b에서 도 3a, 3b 형광막을 구비했을 때의 광발광 이미지.
도 11b는 도 10a, 10b에서 도 3a, 3b 형광막을 구비했을 때의 CIE 색도 좌표계.
도 11c은 도 10a, 10b에서 도 5a, 5b 형광막을 구비했을 때의 광발광 이미지.
도 11d는 도 10a, 10b에서 도 5a, 5b 형광막을 구비했을 때의 CIE 색도 좌표계.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11 : 냉음극형광램프
12 : 반사판
13 : 확산판
14 : 도광판
15 : 반사판
21 : 산화 방지층
22 : 배면 전극층
23 : 유전체층
24, 25, 26 : 청색, 녹색, 적색 형광막
27 : 글래스
28 : 혼합 분산형 구조의 형광막
29 : 전면 전극층
100 : 본 발명에 의한 백색 형광막
110 : 본 발명에 의한 사각격자 구조의 형광막
120 : 본 발명에 의한 육각격자 구조의 형광막
130 : 본 발명에 의한 스트라이프 구조의 형광막
171 : 발광 다이오드 칩
172 : 반사컵
173 : 에폭시 돔 렌즈
본 발명은 청색, 녹색 및 적색 혹은 보색의 청색 및 황색의 형광체를 단일층으로 교차배열하여 각각의 형광체 발광색 조합을 통해 백색광을 구현하기 위한 백색 형광막 및 그 제조방법, 이를 이용한 백색 발광용 전계발광 소자, 백색 발광 장치 및 조명 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 액정 디스플레이(LCD) 장치는 박막의 공통전극 기판과 인가전압을 조정하는 능동 소자 및 어드레스 라인에 접속된 전극기판 사이에 액정(liquid crystal)이 위치한다. 그래서 전압 비인가시 나선형으로 정렬되어 입사된 광을 통과시키며, 전압이 인가될 때 액정분자는 전기장의 방향으로 수직 정렬되어 입사광의 통과를 차단하거나 방해하는 원리를 이용한 영상정보 표시장치이다. 액정 자체는 발광특성이 없으며, 단지 입사광을 제어하여 통과시키거나 차단하는 역할을 한다. 따라서 LCD 원리를 이용한 영상 정보 디스플레이의 구현을 위해서는 LCD 패널에 백라이트의 조명이 필수적이다. 이러한 백색광원의 백라이트를 이용함으로써 LCD의 각 화소에 청색, 녹색 및 적색의 필터가 위치한 각 화소 또는 부 화소(sub-pixel)에 의해 컬러 정보를 재현할 수 있다. 언급한 바와 같이, 풀칼라 구현을 위해 LCD 패널에 조명되는 백라이트는 백색광원이며, 균일한 상을 얻기 위해 균일한 세기를 가지는 고 휘도의 백라이트가 필수적이다.
도 1a와 도 1b는 종래 일반적으로 LCD 패널에 이용되고 있는 백라이트 유닛(Back Light Unit ; BLU)의 구조이며, 이는 냉음극형광램프(Cold Cathode Fluorescent Lamp: CCFL)기술에 기초한다. 냉음극 형광램프의 원리는 열음극 형광 램프(HCFL)라고도 불리는 전통적인 형광램프의 원리를 기본으로 하고 있다. 즉, CCFL은 일종의 가스방전의 발광 방식으로서 램프 내부에 도포되어 있는 형광물질을 자극함으로써 빛을 발산시키는 원리이며, 전기 에너지를 빛 에너지로 바꾸는 변환장치라 불려지기도 한다. CCFL은 발열량과 전력소모가 적으며 고 휘도의 백색광을 제공한다는 장점을 가져 LCD의 전형적인 광원으로써 최적이다.
아래 도면의 부호는 같은 구성을 표시할 때 동일한 부호를 사용한다.
도 1a는 엣지 라이트(edge-light)방식 CCFL 백라이트(10a)이다. 이 형광램프에서 발하는 빛은 직접 도광판에 입사하는 빛과 반사판(12)(15)에 반사되고 나서 도광판(14)에 입사하는 빛이 있다. 이렇게 입사된 빛은 선 광원이기 때문에 도광판(14)을 이용하여 면 발광으로 전환시켜 균일한 면 발광을 구현한다. 또한 수직 수평의 프리즘시트를 이용하여 확산광을 굴절 및 집광시켜야 하며, 확산판(13)을 이용하여 도광판에서 발하는 빛을 확산시킨다.
도 1b는 직하방식 CCFL 백라이트(10b)로써, 형광램프(11)를 확산판(13) 배면에 일정한 간격으로 여러 개를 두어 형광램프(11)에서 발하는 빛이 반사판(12)(15)에 반사되어 프리즘시트와 확산판(13)을 통하여 빛이 굴절, 확산된다. 엣지 라이트 방식이 두께가 얇고 소비전력이 적어 선호되고 있다.
그러나 이러한 설계를 통해 제작된 백라이트 유닛은 선 광원을 면 광원으로 전환시키는 과정에서 발광 효율이 급격히 저하된다. 프리즘시트의 투광효율은 57.3%이며, 실질적으로 LCD 패널을 통과한 뷰잉 표면(viewing surface)에서의 투광효율은 백라이트 광원(CCFL)에 대해 5~7%에 불과하다. 또한, 2mm 이내의 얇은 패널 제조를 위한 설계와 공정이 복잡하며 제조단가가 비싸다는 단점을 가진다.
이러한 냉음극 형광 램프(CCFL) 기술에 기초한 백라이트 기술은 최근 2~3년간 타 디바이스와의 극심한 경쟁 심화 상황과 LCD 시장의 수요증가의 원인으로 급격한 가격 인하가 가속화되어 왔다. 그래서 CCFL 기술에 기초한 백라이트는 제조 단가가 판가에 대비해 80%가 넘는 실정이어서 제조 단가의 절감이 절실하게 요구된다. 그러나 종래의 BLU 기술은 일반적으로 노동 집약적인 수작업에 의한 제작공정과 다수의 인버터 필요로 인해 제조 단가 절감에는 그 한계성을 지니게 되어 중국으로의 생산기지 이전이 가속화되고 있다. 또한, 2006년부터 수은규제가 본격화됨으로 인해 CCFL을 대체할 수 있는 차세대 백라이트 기술이 요구되고 있다.
따라서 상기의 CCFL 기술을 기초로 한 백라이트의 단점을 극복하기 위해 면 발광이 가능한 백색 발광용 전계발광 소자 및 고휘도 특성을 갖는 백색 발광 다이오드를 응용한 백라이트 기술이 연구되고 있다.
일반적으로 형광체에 흡수되는 외부에너지의 형태에 따라 광발광 (Photoluminescence),전계발광(Electroluminescence),음극선발광(Cathodoluminescence)등으로 구분한다. 광발광(Photoluminescence)은 형광막에 빛을 쬐어 주어 발광을 유도하는 현상으로, 입사광의 에너지가 입자를 여기시키고 형광막에 흡수된 에너지가 일부 다른 경로를 통해 빠지고 남은 Gap 만큼 빛으로 나오는 현상이다.
다시 말하면, 광발광(Photoluminescence)은 어떤 물질의 원자 또는 분자가 광선, 자외선, X선 등을 흡수하고, 흡수된 광양자의 파장보다 긴 파장의 광양자를 방사함으로써 발광하는 현상을 말한다. 이 때, 스토크스의 법칙(Stokes' law)에 따 라, 방사되는 광양자의 파장이 항상 입사되는 광양자의 파장보다 길게 된다. 그래서 주로 UV lamp와 같은 자외선 파장의 단파장을 방출하는 광을 여기 에너지원으로 하여 형광막을 발광시킨다. 형광등, 형광 수은등, 야광도료 등이 그 응용 예이다.
이처럼, 광발광(Photoluminescence)은 빛을 이용하여 에너지를 방출하는 것에 반해, 전계발광(Electroluminescence)은 형광막에 전기장을 걸어줌으로써 빛에너지를 방출하는 것이다.
즉, 전계발광 소자란 전기장을 인가함에 따라 물질이 발광하는 전계 발광(Electroluminescence : EL)현상에 의해 발광하는 능동형 고체 디스플레이 소자이다. 1936년 O.W.Destriau에 의하여 발견된 이후 조명 및 백라이트 광원 등의 특정분야에 활발하게 적용되어 왔으나, 휘도와 수명에서의 문제점을 안고 있어 사용분야가 극히 제한되었다. 즉, 균일한 면 발광이 가능하고 제작공정이 간편한 장점에도 불구하고, 휘도가 낮고 구동하기 위해서는 고전압이 필요하며, 청색발광 물질의 수명이 짧아 화질 저하를 가속시킨다는 문제가 있다.
도 2a와 도 2b는 종래 전계발광 소자를 이용한 백색광원 구현 방식을 도시한 것으로,
도 2a는 산화 방지층(21), 배면 전극층(22), 유전체층(23), 청색, 녹색 및 적색의 형광막(24)(25)(26), 글래스(27)로 이루어진 수직 적층형 전계발광 소자(20a)의 구성도이다. 청색, 녹색 및 적색의 형광막을 순차적으로 수직 적층(24, 25, 26)한 후 각 형광막에 개별적으로 전압을 인가하여 백색광을 구현하는 수직 적층형 전계발광 소자(20a)를 도시한 것이다. 수직 적층형 전계발광 소자(20a)는 청 색, 녹색 및 적색의 형광막에 각각 개별적인 전압을 인가시켜야 하는 제한 사항이 있다. 또한 청색 형광막에서 방출된 청색 광이 녹색 및 적색 형광체에 의해 재흡수되고, 녹색 형광막에서 방출된 녹색 광이 적색 형광체에 의해 재흡수되어 발광효율이 급격히 저하되는 근본적인 단점을 극복하지 못하였다.
도 2b는 산화 방지층(21), 배면 전극층(22), 유전체층(23), 혼합 분산된 청색, 녹색 및 적색 형광체로 이루어진 형광막(28), 전면 전극층(29), 글래스(27)로 이루어진 혼합 분산형 전계발광 소자(20b)의 구성도이다. 청색, 녹색 및 적색의 형광체를 유기결합제와 혼합한 후 단일 전극 사이에 분산시켜 교류 전압을 인가하여 백색광을 구현하는 혼합 분산형 전계발광 소자(20b)를 도시한 것이다. 단일전극의 이점이 있고 배면 전극으로 방출되는 광을 전면 전극층으로 반사시킴으로써 전면 발광효율의 향상을 도모하였다. 그러나 청색과 녹색 형광막에서 방출된 청색 및 녹색 광이 녹색 및 적색 형광체에 의해 재흡수되어 발광효율이 저하되는 근본적인 제한사항을 극복하지 못하였다.
또한, 상기의 CCFL 기술을 기초로 한 백라이트의 단점을 극복하기 위한 백색 발광 장치는 종래 백색광을 구현하는 방법이, 우선 황색 YAG계 형광체를 에폭시와 혼합하여 청색발광 다이오드 상면에 분산시킨다. 그 후 450 ~ 470nm의 파장 영역대의 고휘도 청색발광 다이오드를 황색 형광체의 여기 에너지원으로 하여 발광 다이오드의 청색광과 형광체의 황색광의 색조합을 통해 백색을 구현하는 것이었다. 또는 자외선 파장 영역대의 발광특성을 갖는 발광 다이오드를 청색, 녹색 및 적색 3색의 형광체의 여기 에너지원으로 하여 백색광을 얻는 방법을 이용하였다. 그러나 상기 백색 발광 다이오드 방식을 통한 백색광 재현은 고휘도를 갖고 수명이 길다는 장점에도 불구하고, 제조단가가 비싸고 발열이 심하다는 문제가 있다. 또한 고출력의 발광 다이오드와 높은 발광 효율 및 연색성이 우수한 형광체를 조합시켜야만 고휘도의 백색광을 구현할 수 있다. 그리고 형광체를 발광 다이오드 상면에 분산시키기 위해 사용되는 에폭시 수지 및 실리콘 수지의 열적 불안정성과, 경화시 형광체의 불규칙한 분포로 발광 휘도가 불규칙하며, 색 재현성이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 본 발명은 상기 백색발광용 전계발광 소자 및 백색 발광장치 외에도 조명장치로서 폭넓게 적용될 수 있다. 즉, LCD 백라이트 등의 표시소자로서 뿐만 아니라, 일반조명 및 장식적인 의미로서의 인테리어 조명기구 등 다양하게 활용될 수 있다. 따라서, 에너지를 절감할 수 있는 효율성 있고, 원하는 색을 다양하게 연출할 수 있는 조명기구를 원하고 있는 수요자들에게, 긴 수명을 가지면서도 높은 휘도와 연색성을 가진 조명기구에 대한 개발이 큰 과제일 것이다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 극복할 수 있는 고휘도, 고효율의 백색 형광막과 이를 이용한 백색 발광용 전계발광 소자, 백색 발광 장치 및 조명 기구를 제공함에 그 목적이 있다. 즉, 단일층으로 형광체를 교차배열시켜 각각의 형광체에서 방출된 광의 재흡수를 통한 발광 손실을 최소화시켜 고효율의 백색광을 재현할 뿐 아니라, 배열된 형광체의 격자 크기 및 스트라이프 폭의 조절을 통해 색도 조정 을 하여 표준 백색 광원에 근접한 고휘도의 백색 형광막을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 백색 형광막은, 청색, 녹색 및 적색 또는 보색의 청색 및 황색 발광 성분의 형광체가 단일층으로 배열되어 발광시 각각의 형광체 색이 혼합되어 백색광을 내는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 각각의 형광체를 격자 구조 혹은 스트라이프 구조로 교차배열 한다.
바람직하게는, 상기 각각의 형광체 격자를 다른 크기로 분할하거나, 형광체 스트라이프 폭을 조절하여 각각의 형광체 발광색의 조합을 통해 색도 조정을 한다.
또한, 본 발명에 의한 백색 형광막의 제조방법은 청색, 녹색 및 적색 또는 보색의 청색 및 황색 발광성분의 형광체 분말과 페이스트용 바인더를 각각 소정의 비율로 혼합하고, 혼합된 각각의 분말을 순차적으로 기판 위에 격자 구조 혹은 스트라이프 구조로 스크린 프린팅 하여 패터닝하는 단계를 포함하여 제조하는 것을 특징으로 한다.
혹은, 본 발명에 의한 백색 형광막의 제조방법은 청색, 녹색 및 적색 또는 보색의 청색 및 황색 발광성분의 형광체 분말을 각각 소결하여 타겟을 만들고, 격자 구조 혹은 스트라이프 구조로 패턴이 형성된 마스크를 정렬하여 상기 3개의 타겟을 스퍼터링 방법으로 기판 위에 순차적으로 증착하는 단계를 포함하여 제조하는 것을 특징으로 한다.
또는, 본 발명에 의한 백색 형광막을 이용한 백색 발광용 전계발광 소자는, 상기 형광막이 구비된 전계발광 소자를 단일전극으로 구동시켜 상기 각각의 형광체를 발광시키는 것을 특징으로 한다.
혹은, 본 발명에 의한 백색 형광막을 이용한 백색 발광 장치는, 반사컵 내부에 위치한 발광 다이오드 칩에서 방출된 광을 형광막의 여기 에너지원으로 사용하여 발광하는 백색 발광 장치에 있어서, 상기 발광 다이오드 칩 상부에 형광막이 형성되어 백색 발광 장치에 구비되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 발광 다이오드 칩은 340 nm 내지 470 nm 영역의 광을 방출하고, 상기 형광막이 형성된 반사컵 내부는 발광 다이오드 칩을 덮도록 에폭시 수지로 몰딩되거나, 캐버티 상태이다.
또는, 본 발명에 의한 백색 형광막을 이용한 조명 장치는, 상기 형광막이 구비되어, 상기 각각의 형광체를 여기시킬 수 있는 외부 에너지원을 사용하여 발광시키는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명에 의한 백색 형광막과 그 제조방법, 특별히 스크린 프린팅 방법과 스퍼터링 방법을 이용한 제조방법과, 이를 이용한 백색 발광용 전계발광 소자, 백색 발광 장치 및 조명 장치에 대해 순서대로 설명한다.
먼저, 본 발명에 의한 백색 형광막은, 기판 위에 격자 구조(사각격자, 육각 격자 등), 혹은 스트라이프 구조로 청색, 녹색 및 적색 혹은 보색의 청색 및 황색의 형광체가 교차배열하여 형성된다. 그래서 각각의 형광체 색이 혼합되어 백색광을 발광하게 된다.
그럼, 본 발명의 형광막을 제조하는 방법에 대해서 살펴보기로 한다. 이하 스크린 프린팅 방법과 스퍼터링 방법을 이용해 형광막을 제조하는 과정을 살펴보겠다.
먼저 스크린 프린팅 방법을 이용한 백색 형광막의 제조과정을 살펴보면,
우선, 형광분말과 레진을 아래와 같은 비율로 혼합하여 형광체 페이스트를 제조한다. 적색 형광분말(ZnS : Mn)과 레진은 45 : 55, 녹색 형광분말(ZnS : Cu, Al)과 레진은 40 : 60, 청색 형광분말(ZnS : Cu, Cl)과 레진은 55 : 45의 비율로 호모 믹서(Homo Mixer)에서 혼합한다. 이 때 혼합 속도를 조절하여 분말의 분산이 균일하도록 제조하며, 혼합 후 진공 챔버에서 산소를 제거하는 것이 바람직하다. 이 때 상기 형광체 페이스트는 삼원색 형광체가 아닌 두 가지의 보색특성을 갖는 청색과 황색의 형광체를 이용할 수도 있는데, 청색 형광분말(ZnS : Cu, Cl)과 황색 형광분말(ZnS : Mn)을 레진과 각각 35 : 65의 비율로 혼합한다. 이는 보다 간편한 마스크 제작을 가능하게 하고 백색 혼합 영역의 확장을 도모하게 한다. 상기 레진과 혼합된 각각의 형광체 페이스트를 격자구조로 형성된 30㎛ 막의 마스크를 정렬한 후, 스퀴저(squeezer)를 이용하여 순차적으로 스크린 프린팅(screen printing) 함으로써 단일층으로 형광막을 형성시킨다. 이 때 균일한 세기를 갖는 면 발광 구 현을 위해 전면이 균일한 양으로 프린팅 되도록 하는 것이 바람직하며, 스크린 프린팅의 각 단계마다 드라잉 오븐 속에서 90℃로 유지시키고 15분 동안 건조시킨다. 이 때 상기 격자 구조가 아닌 스트라이프 구조로 형성된 마스크를 정렬하여 형광막을 제조할 수 있다.
상기한 형광막 제작공정을 통해 형성된 형광막은 도 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b 와 같다.
도 3a는 본 발명에 의한 사각격자 구조를 갖는 형광막(110)을 도시한 것이다. 청색, 녹색 및 적색의 형광체를 사각격자 구조로 교차적으로 배열한다. 도 3b는 각 형광체의 격자 크기를 조절하여 색도 조정을 하는 것을 도시한 것이다. 즉, 사각 격자를 이루는 각각의 형광체의 네 변 길이(w1 , w2 , w3 , w4)를 조절하여 각각의 형광체 발광색을 조정하는 것이다. 예를 들어, 좌, 우로 맞닿은 두 사각격자의 각 변의 길이를 조절할 때, 하나의 w3과 다른 하나의 w1 길이는 맞닿게 되어 같은 길이가 될 것이다. 또한, 상, 하로 맞닿은 두 사각격자의 각 변의 길이를 조절할 때, 하나의 w4과 다른 하나의 w2 길이는 맞닿게 되어 같은 길이가 될 것이다. 이런 식으로 각각의 격자의 네 변의 길이를 자유롭게 조절하여 원하는 발광 색을 조절할 수 있다. 색 혼합 영역의 확장과 발열량의 감소를 도모하기 위해 사각격자 구조를 가진 마스크의 망점 크기(w1 , w2 , w3 , w4)는 0.35mm이하로 제작하는 것이 바람직하다. 또한 예시된 바와 같은 청색, 녹색 및 적색의 형광체뿐 아니라 보색의 청색 및 황색의 형광체를 교차적으로 배열하여 사각격자 구조의 형광막을 제조할 수 있다.
도 4a는 본 발명에 의한 육각격자 구조를 갖는 형광막(120)을 도시한 것이다. 청색, 녹색 및 적색의 형광체를 육각격자 구조로 교차적으로 배열한다. 도 4b는 각 형광체의 격자 크기를 조절하여 색도 조정을 하는 것을 도시한 것이다. 즉,육각격자를 이루는 각각의 형광체의 여섯 개의 변의 길이(w1 , w2 , w3 , w4 , w5 , w6)를 조절하여 각각의 형광체 발광색을 조정하는 것이다. 예를 들어, 좌, 우로 맞닿은 두 육각격자의 각 변의 길이를 조절할 때, 하나의 w1과 다른 하나의 w4 길이는 맞닿게 되어 같은 길이가 될 것이다. 또한 하나의 w3과 다른 하나의 w6 길이는 맞닿게 되어 같은 길이가 될 것이다. 이런 식으로 각각의 격자의 여섯 변의 길이를 자유롭게 조절하여 원하는 발광 색을 조절할 수 있다. 색 혼합 영역의 확장과 발열량의 감소를 도모하기 위해 육각격자 구조를 가진 마스크의 망점 크기(w1 , w2 , w3 , w4 , w5 , w6)는 0.3mm이하로 제작하는 것이 바람직하다. 이 역시 보색의 청색 및 황색의 형광체를 교차적으로 배열하여 육각격자 구조의 형광막을 제조할 수 있다.
도 5a는 본 발명에 의한 스트라이프 구조를 갖는 형광막(130)을 도시한 것이다. 청색, 녹색 및 적색의 형광체를 스트라이프 구조로 교차적으로 배열한다. 도 5b는 각 형광체의 스트라이프 폭을 조절하여 색도 조정을 하는 것을 도시한 것이다. 즉, 스트라이프 구조를 이루는 폭(w1)을 조절하여 각각의 형광체 발광색을 조정하는 것이다. 색 혼합영역의 확장과 발열량의 감소를 도모하기 위해 스트라이프 구조를 가진 마스크의 망점 크기(w1)는 0.25mm이하로 제작하는 것이 바람직하다. 또한 이 역시 보색의 청색 및 황색의 형광체를 교차적으로 배열하여 스트라이프 구조의 형광막을 제조할 수 있다.
상기한 격자 구조, 스트라이프 구조의 형광막은 예시한 구성도 외에 다양하게 크기와 폭을 조절하여 색도를 조정하는 것이 가능하다.
또한 상기 단일층에 형성된 형광막의 구조는 사각격자, 육각격자, 스트라이프 등 이외에 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 형광막의 구조를 다양하게 변형하여 적용할 수 있음을 그 특징으로 한다.
다음으로 본 발명의 백색 형광막을 제조하는 또 다른 방법인 스퍼터링 방법에 의해 제조하는 것을 살펴본다. 이하에서는 그 제조공정에 대해서 구체적으로 설명한다.
우선 투명 모재 (ITO 혹은 투명유리)를 스퍼터의 진공용기 내부에 장착 후 진공용기를 충분히 배기시킴과 함께 아르곤, 산소 및 황화수소를 공급한다. 동시에 모재의 온도를 올려주고 주파수 전원(RF Power)을 작동시켜 플라즈마를 형성시키는 1단계 공정을 거친다. 또한 상기된 바와 같은 형광 분말 성분으로 혼합한 청색, 녹색 및 적색 형광체 분말을 소결하여 3개의 타겟을 만든다. 여기에 격자 구조, 혹은 스트라이프 구조가 형성된 마스크를 정렬하여 3개의 타겟에 스퍼터링 과정을 거쳐 순차적으로 투명 모재 위에 박막을 형성하는 2단계 공정을 거친다. 혹은 보색의 청색 및 황색의 분말을 소결하여 순차적으로 스퍼터링 한다. 상기 성막된 형광막을 700℃에서 결정화하는 3단계 공정을 거친다. 위와 같은 일련의 공정을 거친 형광막 을 분산 X선 회절기와 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 그 구조 및 표면상태를 분석하여 결정성과 표면의 균질성을 확인하고, 박막의 두께를 측정하는 4단계 공정을 거친다. 이렇게 제작된 박막 형광막은 우수한 내구성과 열특성을 가진다.
이와 같이, 투명 모재에 증착된 형광체는 앞서 설명한 바와 같이, 사각격자, 스트라이프, 육각격자 등의 구조로 형성될 수 있음은 물론이다. 또한 스퍼터링 방법에 의한 증착 이외에 가능한 여러 가지 진공증착법이 활용될 수 있다.
이하에서는, 상기된 바와 같이 제조된 본 발명의 백색 형광막을 전계발광 소자에 적용한, 고효율 백색 발광용 전계발광 소자를 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다.
실시예
1: 본 발명의 백색 형광막을 갖는 백색 발광용
전계발광
소자.
도 6에 도시된 고효율 특성의 백색 발광용 전계발광 소자의 구성을 살펴보면,
빛에 투명하고 열차단이 우수하며 저가로 대면적화가 용이한 글래스 기판(24)과, 상기 글래스 기판(24) 배면에 빛의 투과성과 도전성이 우수한 ITO(Indium Tin Oxide : InO+SnO)필름을 전면 전극층(29)으로 도포한다. 상기 전면 전극층(29) 배면에 상기된 형광막 제조방법을 이용하여 제조한 형광막(100)을 형성시키며, 상기 형광막(100) 배면에 15㎛의 두께로 고유전율 특성으로 형광체의 전계 발광을 유도함과 동시에 방출광에 투명한 유전체층(23)을 형성시킨다. 상기 유전체층(23) 배면에 형광막으로부터 후방으로 방출되는 광을 반사시키기 위해 반사특성이 우수한 금속 페이스트(Ag paste)로 구성된 배면 전극층(22)을 형성시킨다. 이 때, 고휘도 백색 전계발광 구현을 위해 배면 전극층(22)을 90% 이상의 반사 특성을 가진 금속 페이스트로 제작함으로써 배면 전극 방향으로 진행된 빛을 전면 전극층으로 반사시켜 추가적인 발광효율의 증대를 가능하게 한다. 이 배면 전극층(22)의 배면에 배면 전극층을 보호하기 위한 산화 방지층(21)을 순차적으로 스크린 프린팅하여 전체적으로는 수직적층 구조로 제작한다. 각 페이스트를 프린팅 할 때마다 드라잉 오븐(Drying Oven) 속에서 90℃로 유지시키고 15분 동안 건조시켜 제조하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 전계발광 소자는 삼원색 형광체가 아닌 두 가지의 보색 특성을 갖는 형광체를 이용하여 제조할 수 있다. 상기 전계발광 소자는 전면 전극층(29)과 배면 전극층(22)의 양단에 110V~220V의 전압을 인가하여 단일층의 격자 구조, 혹은 스트라이프 구조로 형성된 형광막 내에 전기장을 유도함으로써, 형광체를 발광시키도록 동작된다.
도 7은 본 발명에 의한 사각격자 구조의 형광막에 110V/60Hz의 전압을 인가하였을 때 전계발광(EL) 스펙트럼을 도시한 것이다. 470~530nm 파장에서 0.00005a.u.정도 최고점(141a)의 세기를 갖고 560~600nm파장에서 0.00003a.u.정도 최고점(141b)의 세기를 갖는다. 형광막의 발광 스펙트럼을 살펴보면 청색과 녹색, 적색 영역 모두에서 강한 흡수가 발생한다는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명에 의한 스트라이프 구조의 형광막에 110V/60Hz의 전압을 인가하였을 때 전계발광(EL) 스펙트럼을 도시한 것이다. 470~530nm 파장에서 0.00006a.u.정도 최고점(151a)의 세기를 갖고 560~600nm파장에서 0.00004a.u.정도 최고점(151b)의 세기를 갖는다. 이 역시 형광막의 발광 스펙트럼을 살펴보면 청색과 녹색, 적색 영역 모두에서 강한 흡수가 발생한다는 것을 알 수 있다.
도 9는 도 7과 8을 포함한 스트라이프 구조 형광막, 사각격자 구조 형광막 및 청색과 황색의 1:3 사각 격자 구조 형광막의 전계발광(EL) 스펙트럼을 나타낸 것이다. 스트라이프 구조와 사각격자 구조 형광막의 스펙트럼은 상기한 바와 같고, 청색과 황색의 1:3 사각격자 구조의 형광막은 전체적으로 낮은 세기를 가지면서, 540~620nm 파장에서 0.00001a.u. 정도의 최고점(161)을 나타낸다.
다음으로, 본 발명의 백색 형광막을, UV 발광 다이오드를 여기광으로 사용한 백색 발광 장치에 적용한, 고효율 백색 발광 장치를 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 먼저, 상기 전계발광 소자와 백색 발광 장치의 발광 특성을 표를 통하여 간단히 비교하여 살펴보기로 한다.
아래 표 1에서는 110V/60Hz ~ 220V/60Hz을 에너지원으로 사용한 전계발광 소자와 365nm UV 발광 다이오드를 에너지원으로 사용한 백색 발광 장치의 발광 특성을 표로 나타내었다.
[표 1]
Power Supply EL과 UV Lamp PL의 발광 특성
| Power Supply EL 이미지 | UV 발광 다이오드 PL 이미지 |
| 110V/60Hz ~220V/60Hz | 365nm UV |
| 전압에 따른 Phosphor 휘도차 | Phosphor 균일한 발광 |
| light emitting layer pin hole | 색혼합 유리 |
| 유전체층 O₂잔존 |
또한, 전계발광 소자와 백색 발광 장치의 색도 좌표를 알아보기로 한다. 먼저, 색도 좌표란 각 형광체 혼합 페이스트에서 발광되는 청색, 녹색 및 적색의 3색을 기본색으로 삼고 기본색을 X, Y, Z만큼 배합했을 때 x=X/(X+Y+Z), y=Y/(X+Y+Z), z=Z/(X+Y+Z)로 구해진 x, y, z값으로 나타낸다. 일반적으로 모든 색깔은 (x, y)로 나타내며, 이론적인 순수 백색은 CIE 색도 좌표에서 (0.333, 0.333)의 색도 좌표를 갖는다.
아래의 표는 각각의 구조에 따른 CIE 색도 좌표를 나타낸 것이다.
[표 2]
사각격자, 스트라이프, 1:3 사각격자 구조의 CIE 색도 좌표
| structure | CIE(x,y) | CIE(x,y) | Efficiency | ||
| 110V/ 60Hz | Stripe | 0.30, 0.41 | 확산판사용시 | 0.34, 0.43 | 30~45 %감소 |
| 사각격자 | 0.29, 0.41 | 0.33, 0.43 | |||
| 1:3 격자 | 0.38, 0.43 | 0.34, 0.43 | |||
| UV 발광 다이오드 | Stripe | 0.35, 0.38 | 0.33, 0.34 | ||
| 사각격자 | 0.37, 0.38 | 0.35, 0.38 | |||
| 1:3 격자 | 0.40, 0.44 | 0.37, 0.40 |
표에서 보는 바와 같이, 110V/60Hz 를 사용한 전계발광 소자와 UV 발광 다이오드를 사용한 백색 발광 장치의 발광시 색도 좌표를 나타냈다. UV 발광 다이오드를 사용한 백색 발광 장치가 보다 더 높은 휘도를 나타내었고, 각각의 형광막 구조에서는 스트라이프 구조가 순수한 백색에 가장 가까운 휘도를 나타내는 걸 알 수 있다. 또한 확산판을 사용했을 때는 전체적으로 발광 효율이 30~45% 정도 감소하는 걸 알 수 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 상기 형광막과 발광 다이오드를 결합한 고효율 백색 발광 장치와 그 제조 방법을 알아보기로 한다.
실시예
2: 본 발명의 백색 형광막을 갖는 백색 발광 장치
도 10a, 10b는 상기 실시예에서 형광막(100)을 발광 다이오드 칩(171)과 결합한 고효율 백색 발광 장치(170)를 도시한 것이다. 반사컵(172) 내부는 에폭시 수지 등으로 몰딩하거나, 캐버티 상태로 둘 수 있으며 형광막(100)은 반사컵(172) 상단에 접합된다. 에폭시 돔 렌즈(173)로 그 주위를 봉입하여 마무리한다. 근자외선 및 청색 영역에서 흡수 특성을 갖는 형광체를 유기 결합 수지와 혼합한 후, 투명 유리기판에 격자구조 혹은 스트라이프 구조로 스크린 프린팅 혹은 스퍼터링 방법을 사용하여 형광막을 제조한다. 그리고 형광막을 근자외선 및 청색(340~470nm) 영역에서 발광 특성을 갖는 InGaN계열의 발광 다이오드 상단에 접합시킨다. 그리하여 상기 형광막이 발광 다이오드 칩에 의해 발광하여 각 형광체의 발광색 혼합을 통해 고효율 백색광을 구현하는 백색 발광 장치를 제작한다.
그러나 본 발명은 백색 발광 장치의 내부 구조에 특징이 있는 것은 아니며, 도 10a, 10b는 본 발명에 의한 백색 형광막이 적용될 수 있는 하나의 예시에 지나지 않으며, 다양한 구조의 백색 발광 장치에 적용될 수 있음은 물론이다.
도 11은 도 10a에서 본 발명에 의해 제작된 백색 형광막을 구비한 백색 발광 장치와, 종래의 혼합분산형 형광막을 구비한 백색 발광 장치의 발광 스펙트럼을 비교하여 도시한 상대 광발광 스펙트럼이다.
365nm UV 발광 다이오드를 여기광으로 하여 반사컵 상단에 접합된 형광막의 구조에 따른 광발광 스펙트럼으로, 발광 효율 및 휘도를 비교하였다.
그래프를 살펴보면, 종래의 혼합분산형 형광막을 구비한 백색 발광 장치의 광발광 스펙트럼은 380~420nm의 파장에서 0.000175a.u. 정도의 최고점을 나타내고, 490~510nm의 파장에서 0.000125a.u.정도의 최고점을 나타낸다. 반면, 본 발명의 사각격자 구조의 형광막을 구비한 백색 발광 장치의 광발광 스펙트럼은 380~420nm의 파장에서 0.00021a.u. 정도의 최고점을 나타내고, 490~510nm의 파장에서 0.00017a.u.정도의 최고점을 나타낸다. 또한, 본 발명의 스트라이프 구조의 형광막을 구비한 백색 발광 장치의 광발광 스펙트럼은 380~420nm의 파장에서 0.000273a.u. 정도의 최고점을 나타내고, 490~510nm의 파장에서 0.0002a.u. 정도의 최고점을 나타낸다. 따라서, 전체적으로 사각격자 구조가 약 22%이상, 스트라이프 구조가 약 53%이상 발광 휘도가 향상되었음을 알 수 있다.
또한, 380~400nm의 파장 영역에서 최고점이 50%이상 상승하여 청색 광의 재흡수가 극소화되어 발광 효율이 극대화됨과 함께, 휘도 역시 크게 상승하게 된다.
도 11a는 사각격자 구조의 형광막을 사용했을 때의 광발광(PL) 이미지를 나타낸 것이다. 매우 밝은 휘도임을 알 수 있다.
도 11b는 사각격자 구조의 형광막을 사용한 백색 발광 장치가 색 좌표 x=0.37, y=0.38을 가짐을 나타내며(●으로 표시됨), 이론적인 백색 좌표인 x=0.333, y=0.333에 매우 근접한 휘도임을 알 수 있다.
도 11c는 스트라이프 구조의 형광막을 사용했을 때의 광발광(PL) 이미지를 나타낸 것이다. 매우 밝은 휘도임을 알 수 있다.
도 11d는 스트라이프 구조의 형광막을 사용한 백색 발광 장치가 색좌표 x=0.35, y=0.38을 가짐을 나타내며(●으로 표시됨), 이론적인 백색 좌표인 x=0.333, y=0.333에 매우 근접한 휘도임을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 백색 형광막을 조명 기구 내에 구비하여 각각의 형광체를 여기시킬 수 있는 여러 외부 에너지원을 사용하여, 백색광을 구현할 수 있게 된다. 예를 들어, 본 발명을 저압방전 원리를 이용한 형광램프에 적용하여 방전에 의해 발생된 자외선이 유리관 내부에 구비된 형광막을 자극하거나, 고압나트륨 방전램프에 적용하여 나트륨에서 방사되는 빛을 형광막의 여기 에너지원으로 사용하여 발광하게 된다. 이러한 조명 기구는 일반 가정의 조명등에서부터 가로등, 점포의 디스플레이용 조명등까지 다양하게 활용되어 적용 가능할 것이다.
지금껏 살펴본 바와 같이, 본 발명의 백색 형광막은 전계발광 소자 및 백색 발광 장치, 백색 조명장치 등 여러 분야에 응용될 수 있음은 물론이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 범위는 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 백색 형광막은, 단일층으로 배열 되어 종래의 수직 적층형, 혼합 분산형의 형광막 구조에 따른 각각의 형광체 방출광의 재흡수로 인한 발광효율 저하를 극복하는 효과가 있다.
또한 교차배열된 격자 구조, 스트라이프 구조 형광막의 격자크기와 폭을 다양하게 조절하여 색도 조정을 할 수 있어, 원하는 색을 혼합하고 재현하기가 매우 용이한 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 백색 형광막을 전계발광 소자에 적용할 때, 단일전극으로 구동시켜 전력소모를 줄일 수 있으며, 표준 백색 광원에 근접한 높은 휘도의 백색광을 내는 효과가 있다.
즉, LCD 백라이트 개발의 핵심부분인 면광원에 있어서, 대표적인 면광원인 EL을 사용한 LCD 백라이트 기술의 근본적인 문제점을 극복하여 LCD 시장에서 큰 경쟁력을 갖출 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 백색 형광막을 구비한 백색 발광 장치 및 조명 장치는 종래보다 높은 휘도와 고효율의 백색광을 낼 수 있어, LCD 시장의 수요증가에 부합할 수 있는 LCD 백라이트 및 2006년 수은 규제에 따라 대체 가능한 백색 조명등으로의 활용 등 넓은 분야에서 다양하게 응용되어 사용될 수 있는 효과가 있다.
참고로, 본 발명은 8월 22~24일 대전 국제특허연수부에서 열린, 특허청이 주관하고 한국발명진흥회에서 주최한 제 4회 전국대학 발명동아리 경진대회에서, 금상인 특허청장상을 수상하여 발명의 독창성과 우수성을 입증한 바 있다.
Claims (12)
- 백색 발광소자를 구성하는 형광막에 있어서,청색, 녹색 및 적색 또는 보색의 청색 및 황색 발광성분의 형광체가 단일층으로 배열되어 발광시 각각의 형광체 색이 혼합되어 백색광을 내는 것을 특징으로 하는 백색 형광막.
- 제1항에 있어서,상기 각각의 형광체는 격자구조로 교차배열된 것을 특징으로 하는 백색 형광막.
- 제2항에 있어서,상기 각각의 형광체 격자를 다른 크기로 분할하여 각각의 형광체 발광색 조합을 통하여 색도 조정하는 것을 특징으로 하는 백색 형광막.
- 제1항에 있어서,상기 각각의 형광체는 스트라이프 구조로 교차배열된 것을 특징으로 하는 백색 형광막.
- 제4항에 있어서,상기 각각의 형광체 스트라이프 폭을 조절함으로 각각의 형광체 발광색 조합을 통하여 색도 조정하는 것을 특징으로 하는 백색 형광막.
- 청색, 녹색 및 적색 또는 보색의 청색 및 황색 발광성분의 형광체 분말과 페이스트용 바인더를 각각 소정의 비율로 혼합하고, 혼합된 각각의 분말을 순차적으로 기판 위에 격자구조 혹은 스트라이프 구조로 스크린 프린팅 하여 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 형광막 제조방법.
- 청색, 녹색 및 적색 또는 보색의 청색 및 황색 발광성분의 형광체 분말을 각각 소결하여 타겟을 만들고, 격자 구조 혹은 스트라이프 구조로 패턴이 형성된 마스크를 정렬하여 상기 3개의 타겟을 스퍼터링 방법으로 기판 위에 순차적으로 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 형광막 제조방법.
- 전계발광 소자에 있어서,상기 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항의 형광막이 구비된 전계발광 소자를 단일전극으로 구동시켜 상기 각각의 형광체를 발광시키는 것을 특징으로 하는 백색 형광막을 이용한 백색 발광용 전계발광 소자.
- 반사컵 내부에 위치한 발광 다이오드 칩에서 방출된 광을 형광체의 여기 에너지원으로 사용하여 발광하는 백색 발광 장치에 있어서,상기 발광 다이오드 칩 상부에 상기 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항의 형광막이 형성된 것을 특징으로 하는 백색 형광막을 이용한 백색 발광 장치.
- 제 9항에 있어서,상기 발광 다이오드 칩은 340 nm 내지 470 nm 영역의 광을 방출하는 것을 특징으로 하는 백색 형광막을 이용한 백색 발광 장치.
- 제 9항에 있어서,상기 형광막이 형성된 반사컵 내부는 발광 다이오드 칩을 덮도록 에폭시 수지로 몰딩되거나, 캐버티 상태로 되어있는 것을 특징으로 하는 백색 형광막을 이용한 백색 발광 장치.
- 조명 장치에 있어서,상기 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항의 형광막이 구비되어, 상기 각각의 형광체를 여기시킬 수 있는 외부 에너지원을 사용하여 발광시키는 것을 특징으로 하는 백색 형광막을 이용한 조명장치.
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