KR20100068446A - 조명용 백색 발광 램프와 그것을 사용한 조명 기구 - Google Patents

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Abstract

백색 발광 램프(1)는 반도체 발광 소자(2)로부터 출사된 광에 의해 여기되어 백색광을 발광하는 형광체층(5)을 구비한다. 반도체 발광 소자(2)와 형광체층(5) 사이에는 투명 수지층(4)이 개재되어 있다. 형광체층(5)은 녹색 형광체로서 3가의 세륨 및 테르븀에 의해 활성화된 희토류 붕산염 형광체를 함유하고 있다.

Description

조명용 백색 발광 램프와 그것을 사용한 조명 기구{WHITE LIGHT-EMITTING LAMP FOR ILLUMINATION AND ILLUMINATING DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 조명용 백색 발광 램프와 그것을 사용한 조명 기구에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)는 전기 에너지를 자외광이나 가시광으로 변환하여 발광하는 반도체 발광 소자이며, 수명이 길고 신뢰성이 높아, 광원으로서 사용한 경우에 교환 작업이 경감된다는 이점을 갖는다. LED 칩을 투명 수지로 밀봉한 LED 램프는 액정 표시 장치의 백라이트, 신호 장치, 스위치류, 차량 탑재용 램프, 일반 조명 등의 조명 기구에 이용되고 있다.
LED 램프로부터 방사되는 광의 색조에 관해서는, LED 칩과 다양한 발광색을 갖는 형광체를 조합함으로써 청색부터 적색까지 사용 용도에 따른 가시광 영역의 광을 실현할 수 있다. 백색 발광형의 LED 램프(백색 LED 램프)는 액정 표시 장치의 백라이트나 차량 탑재용 램프 등의 용도로 급속하게 보급되고 있다. 또한, 형광 램프는 수은을 사용하고 있기 때문에 장래적으로는 수은을 사용하지 않는 백색 LED 램프를 사용한 조명 기구가 형광 램프의 대체품으로서 크게 신장될 것으로 기대되고 있다.
현재, 보급되거나 혹은 시행되고 있는 백색 LED 램프로서는, 청색 발광의 LED(발광 파장 : 460 내지 480nm)와 황색 형광체 혹은 황색과 적색의 혼합 형광체를 조합한 LED 램프와, 자외 발광의 LED(발광 파장 : 300 내지 430nm)와 청색, 녹색, 적색의 각 형광체의 혼합물(BGR 형광체)을 조합한 LED 램프가 알려져 있다. 현재는, 전자쪽이 후자보다 휘도 특성이 우수하기 때문에 보급되어 있다.
이에 대해, 후자의 자외 LED를 사용한 백색 램프는 3색의 형광체를 사용하고 있기 때문에, 전자에 비해 색 재현성이 우수하다는 특징을 갖는다. 또한, 조명 기구로서 사용한 경우, 전자는 간단하게 백색이 얻어지는 반면, 적색 성분이 부족하기 때문에 연색성이 떨어지는 것에 반해, 후자는 형광체의 선택이나 개선에 기초하여 연색성(color rendering property)의 향상이 기대되고 있다. 이러한 점에서, 자외 LED를 사용한 백색 램프는, 장래적으로는 백색 LED 램프의 주류가 되는 것이 기대되고 있다. 특히, 조명 기구에의 기대가 크다.
발광 파장이 300 내지 430nm인 장파장 자외선을 여기원으로 하는 백색 LED 램프에 있어서는, 종래의 수은 가스 여기의 형광 램프(FL)나 냉음극 선관(CCFL)에서 일반적으로 사용되어 온 형광체에서는 여기원의 파장이 너무 길기 때문에 발광하지 않는 경우가 있다. 특히, 녹색 형광체로서 사용되고 있는 LaPO4 : Ce, Tb 형광체는, 파장이 300 내지 430nm인 장파장 자외선에서는 거의 발광하지 않는다. 이로 인해, 자외 LED를 사용한 백색 LED 램프에서는 녹색 형광체로서 (Ba, Mg)Al10O17 형광체 등을 사용하는 것이 검토되고 있다(특허 문헌 1, 2 참조).
그러나, (Ba, Mg)Al10O17 형광체는 발광 파장이 515nm 전후이며, 종래의 FL이나 CCFL에서 사용되어 온 LaPO4 : Ce, Tb 형광체의 발광 파장(543nm)에 비해 단파장측의 광밖에 얻을 수 없다. 이러한 녹색 형광체를 사용한 백색 LED 램프를 조명 기구에 적용한 경우, 종래의 FL이나 CCFL에 비해 황색 성분이 부족함으로써 연색성을 충분히 높일 수 없다는 문제가 발생한다. 이러한 점에서 황색 성분을 많이 함유하는 녹색 형광체를 사용함으로써 자외선 여기형의 백색 LED 램프의 연색성을 높이는 것이 기대되고 있다.
일본 특허 공개 제 2000-073052 공보 일본 특허 공개 제 2002-171000 공보
본 발명의 목적은 BGR 형광체와 반도체 발광 소자를 조합하여 사용하는데 있어서, 녹색 형광체의 특성을 개선하여 연색성을 향상시키는 것을 가능하게 한 조명용 백색 발광 램프와 그것을 사용한 조명 기구를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 형태에 관한 조명용 백색 발광 램프는, 피크 파장이 300nm 이상 430nm 이하의 범위의 광을 출사하는 반도체 발광 소자와, 상기 반도체 발광 소자의 적어도 발광면을 덮도록 배치된 투명 수지층과, 상기 투명 수지층 위에 형성되고, 상기 반도체 발광 소자로부터 출사된 광에 의해 여기되어 백색광을 발광하는 형광체층을 구비하고, 상기 형광체층은 녹색 형광체로서,
화학식 :
Figure pct00001
(식에서, R은 Sc, Y, La, Gd 및 Lu로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, x 및 y는 0.03<x<0.3, 0.03<y<0.3을 만족하는 수이다)
로 표시되는 조성을 갖는 3가의 세륨 및 테르븀에 의해 활성화된 희토류 붕산염 형광체를 함유하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 형태에 관한 조명 기구는, 본 발명의 형태에 관한 조명용 백색 발광 램프를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 의한 백색 발광 램프의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 적용되는 녹색 형광체의 발광 스펙트럼의 일례를 종래의 녹색 형광체와 비교하여 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 의한 조명 기구의 구성을 도시하는 평면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 조명 기구의 변형예를 도시하는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 백색 LED 램프의 밝기와 투명 수지층의 반경의 관계를 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 조명용 백색 발광 램프를 백색 LED 램프에 적용한 실시 형태의 구성을 도시하는 단면도이다. 도 1에 도시된 조명용의 백색 LED 램프(1)는, 여기원(광원)으로서 LED 칩(2)을 갖고 있다. 여기원은 LED 칩(2)에 한정되는 것은 아니다. 백색 발광 램프의 여기원으로서는, 발광의 피크 파장이 300nm 이상 430nm 이하의 범위의 자외 발광 다이오드, 자색 발광 다이오드, 자외 발광 레이저(레이저 다이오드), 자색 발광 레이저(레이저 다이오드) 등의 반도체 발광 소자가 사용된다.
LED 칩(2)에는 InGaN계, GaN계, AlGaN계 등의 발광 다이오드가 사용된다. LED 칩(2)은 300nm 이상 430nm 이하의 범위의 발광 피크 파장을 갖는다. 이러한 피크 파장을 갖는 LED 칩(2)을 후술하는 BGR 형광체와 조합하여 사용함으로써, 고휘도이고 또한 색 재현성이 우수한 백색 LED 램프(1)를 실현할 수 있다. 여기에서는 여기원으로서의 발광 다이오드를 LED 칩(2)이라고 표기하고, 최종적으로 백색 발광을 얻기 위한 발광 램프를 백색 LED 램프(1)라고 표기한다.
LED 칩(2)은 기판(3) 위에 실장되어 있다. 기판(3)으로서는 표면이나 내부에 배선망을 갖는 배선 기판이 사용된다. 도시를 생략했지만, LED 칩(2)의 전극은 배선 기판(3)의 배선망과 전기적으로 접속되어 있고, 이에 의해 LED 칩(2)에 직류 전압이 인가된다. LED 칩(2)은 투명 수지층(4)에 의해 덮여 있다. 투명 수지층(4)은 적어도 LED 칩(2)의 발광면을 덮도록 배치된다. 도 1은 반구 형상의 투명 수지층(4)에 의해 LED 칩(2) 전체를 덮은 구조를 도시하고 있다.
LED 칩(2)을 덮는 투명 수지층(4) 위에는 형광체층(5)이 배치되어 있다. 형광체층(5)은 백색광을 얻기 위한 형광체(6)를 함유하는 수지층(7)을 구비하고 있다. 수지층(7)은 투명성을 갖는 수지로 구성된다. 수지층(7) 내에 분산된 형광체(6)는 LED 칩(2)으로부터 출사되는 광에 의해 여기되어 백색광을 발광한다. 투명 수지층(4)이나 형광체층(5)을 구성하는 수지층(7)에는, 예를 들어 실리콘 수지나 에폭시 수지 등의 투명성을 갖는 수지가 사용된다.
백색광을 얻기 위한 형광체(6)는 LED 칩(2)으로부터 출사된 광(예를 들어 자외광이나 자색광)을 흡수하고, 청색광을 발광하는 청색(B) 형광체, 녹색광을 발광하는 녹색(G) 형광체, 및 적색광을 발광하는 적색(R) 형광체로 구성되어 있다. 형광체(6)는 BGR의 혼합 형광체(BGR 형광체)이다. 또한, BGR 형광체(6)는 동일한 색의 형광체를 2종류 이상 함유하고 있어도 되고, 또한 청색, 녹색, 적색 이외의 발광색을 갖는 형광체(예를 들어 황색 형광체, 주황색 형광체, 진한 적색 형광체 등)를 보조적으로 함유하고 있어도 된다. BGR 형광체(6)는 미리 청색, 녹색, 적색의 각 형광체를 결합제에 의해 결합한 상태에서 수지층(7) 내에 분산시켜도 좋다.
백색 LED 램프(1)에 인가된 전기 에너지는 LED 칩(2)에 의해 자외광이나 자색광으로 변환된다. LED 칩(2)으로부터 출사된 광은 수지층(7) 내에 분산된 BGR 형광체(6)에 의해 보다 장파장의 광으로 변환된다. BGR 형광체(6)를 구성하는 청색 형광체, 녹색 형광체 및 적색 형광체로의 발광이 혼색되어 방출됨으로써, 총계로서 백색광이 백색 LED 램프(1)로부터 발광된다.
BGR 형광체(6)를 구성하는 각 형광체 중 녹색 형광체에는
Figure pct00002
(식에서, R은 Sc, Y, La, Gd 및 Lu로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, x 및 y는 0.03<x<0.3, 0.03<y<0.3을 만족하는 수이다)
로 표시되는 조성을 갖는 3가의 세륨(Ce) 및 테르븀(Tb)에 의해 활성화된 희토류 붕산염 형광체가 사용된다. 화학식 1로 조성이 표시되는 Ce 및 Tb 활성화 희토류 붕산염 형광체는 피크 파장이 300 내지 430nm의 범위의 자외광이나 자색광의 흡수 효율이 우수할 뿐만 아니라, 황색 성분을 더 많이 함유하고 있다.
도 2에 Ce 및 Tb 활성화 희토류 붕산염 형광체(La0 .8Ce0 .1Tb0 .1BO3 형광체)의 발광 스펙트럼(A)을, 종래의 녹색 형광체((Ba, Mg)Al10O17 형광체)의 발광 스펙트럼(B)과 비교하여 나타낸다. 도 2로부터 명백해진 바와 같이, Ce 및 Tb 활성화 희토류 붕산염 형광체는 종래의 녹색 형광체에 비해 540 내지 550nm의 발광 강도가 증가하고 있어, 황색 성분이 많이 함유되는 것을 알았다. 이에 의해, 백색 LED 램프(1)로부터 방사되는 백색광의 연색성을 높이는 것이 가능해진다.
화학식 1로 표시되는 조성을 갖는 녹색 형광체(Ce 및 Tb 활성화 희토류 붕산염 형광체)에 있어서, 원소 R은 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 란탄(La), 가돌리늄(Gd) 및 루테튬(Lu)으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소이다. 이들은 3가의 원소이며, 0.07 내지 0.11nm의 범위의 이온 반경을 갖고 있기 때문에, RBO3 구조를 취하기 쉽다는 특징을 갖고 있다.
이러한 원소 R의 일부를 3가의 테르븀(Tb) 및 세륨(Ce)에 의해 치환함으로써, 발광을 발생하는 결정을 얻을 수 있다. 원소 R은 Sc, Y, La, Gd 및 Lu로부터 2종 이상의 원소를 선택하여 사용해도 좋다. 예를 들어, 원소 R의 합계량을 100원자%로 했을 때, Lu량을 1원자% 이상 100원자% 미만으로 하고, 잔량부를 Sc, Y, La, Gd의 1종 또는 2종 이상의 원소로 하는 것도 가능하다.
RBO3 화합물의 원소 R의 일부를 Ce3 + 및 Tb3 +에 의해 치환한 경우, LED 칩(2)으로부터의 여기광(피크 파장 : 300 내지 430nm)은, 우선 Ce3 + 이온에 흡수되고, 이 흡수된 에너지가 Tb3 + 이온에 전달되어 녹색 발광이 발생한다. Ce에 의한 치환량을 나타내는 x 값은 0.03을 초과하고 0.3 미만의 범위로 한다. Tb에 의한 치환량을 나타내는 y 값은 0.03을 초과하고 0.3 미만의 범위로 한다.
x 값이 0.03 이하이면 Ce3 +에 에너지가 충분히 흡수되지 않기 때문에, Tb3 +에 충분한 에너지가 전달되지 않아, Tb3 +의 녹색 발광이 충분히 일어나지 않는다. x 값이 0.30 이상으로 되면 반대로 발광 효율이 저하된다. 마찬가지로, y 값이 0.03 이하이면, Ce3 +로부터 전달된 에너지를 수취하는 Tb3 +가 부족하여, 녹색 발광을 충분히 얻을 수 없다. y 값이 0.3 이상으로 되면 발광 효율이 저하된다.
녹색 형광체의 제조 방법은 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 이하에 나타내는 방법을 들 수 있다. 우선, 산화스칸듐(Sc2O3), 산화이트륨(Y2O3), 산화란탄(La2O3), 산화가돌리늄(Gd2O3), 산화루테튬(Lu2O3) 중 적어도 1종과, 산화세륨(CeO2), 산화테르븀(Tb4O7) 및 붕산(H3BO3)을, 화학식 1로 표시된 조성이 되도록 소정량 칭량한다. 이들을 소성 보조제와 함께 혼합한다. 이 원료 혼합물을 알루미나 도가니 등에 넣어 1100 내지 1400℃ 정도의 온도에서 3 내지 6시간 정도 소성한다. 이 후, 소성물을 순수에 의해 세정하여 불필요한 가용 성분을 제거하고, 또한 여과 건조시킴으로써 원하는 녹색 형광체가 얻어진다.
BGR 형광체(6)를 구성하는 각 형광체 중 청색 형광체 및 적색 형광체로서는 LED 칩(2)으로부터 출사되는 광(자외광이나 자색광)을 효율적으로 흡수하는 것이면 각종 형광체를 사용할 수 있다. 특히, Ce 및 Tb 활성화 희토류 붕산염 형광체로 이루어지는 녹색 형광체와의 조합면에서, 청색 형광체는 2가의 유로퓸(Eu)에 의해 활성화된 클로로인산염 형광체 및 2가의 유로퓸(Eu)에 의해 활성화된 알루민산염 형광체로부터 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다. 적색 형광체는 유로퓸(Eu)에 의해 활성화된 희토류 산황화물 형광체인 것이 바람직하다.
청색 형광체로서의 Eu 활성화 클로로인산염 형광체는,
Figure pct00003
(식에서, M1은 Mg, Ca, Sr 및 Ba로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, x는 0.001<x<0.5를 만족하는 수이다)
로 표시되는 조성을 갖는 것이 바람직하다. 화학식 2로 표시되는 조성을 갖는 Eu 활성화 클로로인산염 형광체는 LED 칩(2)으로부터 출사되는 광의 흡수 효율이 높고 또한 화학식 1로 표시되는 조성을 갖는 녹색 형광체와의 조합성이 우수한 것이다.
Eu 활성화 알루민산염 형광체는,
Figure pct00004
(식에서, M2는 Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Li, Rb 및 Cs로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, a, b 및 x는 0<a, 0<b, 0.2≤a/b≤1.5, 0.001<x<0.5를 만족하는 수이다)
로 표시되는 조성을 갖는 것이 바람직하다. 화학식 3으로 표시되는 조성을 갖는 Eu 활성화 알루민산염 형광체는 LED 칩(2)으로부터 출사되는 광의 흡수 효율이 높고, 또한 화학식 1로 표시되는 조성을 갖는 녹색 형광체와의 조합성이 우수한 것이다.
적색 형광체로서의 Eu 활성화 희토류 산황화물 형광체는,
Figure pct00005
(식에서, A는 La 및 Y로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, x는 0.01<x<0.15를 만족하는 수이다)
로 표시되는 조성을 갖는 것이 바람직하다. 화학식 4로 표시되는 조성을 갖는 Eu 활성화 희토류 산황화물 형광체는 LED 칩(2)으로부터 출사되는 광의 흡수 효율이 높고, 또한 화학식 1로 표시되는 조성을 갖는 녹색 형광체의 조합성이 우수한 것이다.
청색 형광체로서는, Eu 활성화 클로로인산염 형광체 및 Eu 활성화 알루민산염 형광체 중 어느 것을 사용해도 좋고, 또한 이들을 조합하여 사용해도 좋다. 적색 형광체로서는, Eu 활성화 산황화 란탄 형광체 및 Eu 활성화 산황화 이트륨 형광체 중 어느 것을 사용해도 좋고, 또한 산황화 란탄과 산황화 이트륨의 혼합체를 사용해도 좋다. 이들 각 형광체는 여기 파장, 요구 휘도, 제조 비용 등에 따라 선택된다.
본 실시 형태의 백색 LED 램프(1)는 녹색 형광체, 청색 형광체 및 적색 형광체를 각각 함유하는 형광체층(5)을 구비하고 있다. 각 형광체는 LED 칩(2)으로부터 출사된 자외광 또는 자색광이 조사되었을 때에 자외광 또는 자색광을 효율적으로 흡수하여 고효율로 발광한다. 녹색 형광체는 고휘도의 녹색광을 발광한다. 청색 형광체는 고휘도의 청색광을, 또한 적색 형광체는 고휘도의 적색광을 발광한다. 그 결과, 이들의 광이 혼색되어 고휘도의 백색광이 얻어진다. 또한, 녹색 형광체로부터의 발광은 황색 성분을 많이 함유하기 때문에 연색성이 우수한 백색광을 얻는 것이 가능해진다. 이러한 백색광은 조명 기구 등의 조명 용도에 적합하다.
백색광을 얻는 경우, 각 색의 휘도에 휘도차가 너무 나면, 휘도가 높은 색이 반영된 백색광이 된다. 예를 들어, 녹색만 고휘도인 경우에는 녹색을 띤 백색광이 된다. 즉, 고휘도의 백색광을 얻기 위해서는, 청색(B), 녹색(G), 적색(R)의 각 색 모두 고휘도일 필요가 있다. 이로 인해, 각 색의 형광체의 조합이 중요해진다. 또한, 백색광의 연색성을 향상시키기 위해서는, 각 색의 밸런스를 높일 필요가 있다. 이 때문에도 각 색의 형광체의 선택 및 조합이 중요해진다.
청색, 녹색 및 적색의 각 형광체는, 예를 들어 그들의 혼합물로서 투명 수지층(7) 내에 분산시킨다. 각 형광체의 혼합 비율은 원하는 백색광의 색도에 따라 임의로 설정된다. 또한, 필요에 따라 청색, 녹색 및 적색 이외의 형광체를 첨가해도 좋다. 형광체층(5)에서 양질의 백색 발광을 얻는데 있어서, 각 형광체의 혼합 비율은 청색 형광체, 녹색 형광체, 적색 형광체의 합계량을 100질량%로 했을 때, 청색 형광체를 2 내지 50질량%, 녹색 형광체를 2 내지 50질량%, 적색 형광체를 잔량부로 하는 것이 바람직하다.
또한, 청색, 녹색 및 적색의 각 형광체는 각각 1μm 이상의 평균 입경을 갖고 있는 것이 바람직하다. 평균 입경이 1μm 이상인 형광체 분말을 사용함으로써, LED 칩(2)으로부터 출사되는 자외광이나 자색광의 흡수 효율이 향상된다. 따라서, 백색 LED 램프(1)의 휘도를 더욱 높이는 것이 가능해진다. 형광체 분말의 평균 입경은 10μm 이상인 것이 더 바람직하다. 평균 입경은 입도 분포의 중위값(50%값)을 나타내는 것으로 한다.
형광체의 평균 입경을 크게 하는 방법으로서는, 1색의 형광체끼리 조립(造粒)하는 방법, 3색의 형광체를 혼합하여 조립하는 방법 등을 들 수 있다. 다른 방법으로서는, 형광체를 소성할 때에 소성 보조제를 사용하는 방법, 고온에서 장시간 소성하는 방법 등을 들 수 있다. 형광체의 평균 입경의 상한값은 특별히 한정되는 것은 아니나, 백색 LED 램프(1)의 형광체층(5) 두께의 90% 이하인 것이 바람직하다. 평균 입경이 형광체층(5)의 두께보다 크면 형광체 입자를 수지로 굳혀 형광체층(5)을 형성했을 때에 형광체 입자의 탈입자 등이 발생하기 쉬워진다.
또한, 백색 LED 램프(1)는 LED 칩(2)과 형광체층(5) 사이에 배치된 투명 수지층(4)을 갖고 있다. 투명 수지층(4)은 LED 칩(2)의 적어도 발광면을 덮도록 형성된다. 이와 같이, LED 칩(2)과 형광체층(5) 사이에 투명 수지층(4)을 개재시킴으로써 LED 칩(2)으로부터 출사되는 광의 이용 효율이 향상되기 때문에, 백색 LED 램프(1)의 발광 효율을 높일 수 있다. 투명 수지층(4)은 LED 칩(2)의 발광면 위의 두께(t)가 0.4mm 이상 10mm 이하의 범위로 되도록 형성하는 것이 바람직하다.
투명 수지층(4)의 두께(t)가 0.4mm 미만이면 LED 칩(2)과 형광체층(5) 사이에 투명 수지층(4)을 배치한 효과를 충분히 얻을 수 없을 우려가 있다. 투명 수지층(4)의 두께(t)가 10mm를 초과하면 광의 흡수가 발생될 우려가 있다. 조명 기구로서 사용하는 경우의 크기를 고려해도 투명 수지층(4)의 두께(t)는 10mm 이하인 것이 바람직하다. 투명 수지층(4)의 두께(t)는 0.8mm 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1mm 이상이다. 도 1에 도시된 바와 같이, LED 칩(2)을 반구 형상의 투명 수지층(4)에 의해 덮는 경우에는 반구 형상부의 반경을 0.4mm 이상 10mm 이하로 하는 것이 바람직하다.
백색 LED 램프(1)는, 예를 들어 이하와 같이 하여 제작된다. 우선, 각 색의 형광체 분말을 함유하는 형광체 슬러리를 제조한다. 형광체 슬러리는, 예를 들어 각 색의 형광체 분말을 각각 수지와 혼합한 후, 이들을 혼합하여 제조한다. 혹은, 미리 각 색의 형광체 분말을 혼합한 후, 이 혼합 형광체를 수지와 혼합하여 형광체 슬러리를 제조한다. 형광체와 수지의 혼합비는 형광체의 종류나 입경에 따라 적절하게 선택되지만, 예를 들어 형광체를 100질량부로 했을 때, 수지량은 5 내지 100질량부의 범위로 하는 것이 바람직하다. 각 형광체의 혼합 비율은 원하는 백색광의 색도에 따라 임의로 설정된다. 혼합 방법으로서는, 회전시켜 액의 대류로 혼합하는 방법, 교반기에 의해 뒤섞는 방법 등을 들 수 있다.
이어서, LED 칩(2) 위에 액상의 투명 수지를 도포하고, 이것을 고화시켜 투명 수지층(4)을 형성한다. 그 위로부터 형광체 슬러리를 도포하고, 형광체 슬러리 내의 수지를 고화시켜 형광체층(5)을 형성한다. 이와 같이 하여 백색 LED 램프(1)를 제작한다. 액상의 투명 수지나 형광체 슬러리의 도포 방법으로서는, 예를 들어 LED 칩(2)이 탑재된 배선 기판(3)을 형에 넣고, 그 위로부터 디스펜서에 의해 투명 수지나 형광체 슬러리를 공급하는 방법을 들 수 있다. 또한, 인쇄법이나 사출 성형법 등을 사용해도 좋다. 투명 수지(형광체 슬러리 내의 수지를 함유한다)로서 열경화성 수지를 사용한 경우, 액상의 투명 수지나 형광체 슬러리를 도포한 후, 오븐 등에 넣고 100 내지 200℃의 온도로 가열하여 경화시킨다.
본 실시 형태의 백색 LED 램프(1)는 휘도 특성, 연색성, 색 재현성 등의 램프 특성이 우수하다. 따라서, 백색 LED 램프(1)는 일반 조명 등의 조명 기구의 광원으로서 유효하다. 백색 LED 램프(1)는 차량 탑재용 램프, 스위치류 등의 조명 용도에도 적용 가능하다. 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 형태에 의한 조명 기구를 도시하고 있다. 이들의 도면에 도시된 조명 기구(11)는 광원으로서 복수의 백색 LED 램프(1)를 구비하고 있다.
백색 LED 램프(1)는 적용하는 조명 기구(11)의 광량이나 용도 등에 따라, 기판(12) 위에 각종 배열로 배치되어 사용된다. 도 3은 원판 형상의 기판(12) 위에 매트릭스 형상으로 배치된 복수의 백색 LED 램프(1)를 구비하는 조명 기구(11)를 도시하고 있다. 도 4는 직사각형 형상의 기판(12) 위에 직선 형상으로 배치된 복수의 백색 LED 램프(1)를 구비하는 조명 기구(11)를 도시하고 있다. 기판(12)은 백색 LED 램프(1)의 배선 기판(3)이어도 좋고, 배선 기판(3)과는 별체의 기판이어도 좋다. 이 실시 형태의 백색 LED 램프(1)를 사용한 조명 기구(11)는 종래의 형광 램프의 대체품으로서 고품질의 조명을 제공하는 것이다.
이어서, 본 발명이 구체적인 실시예 및 그 평가 결과에 대하여 설명한다.
(실시예1)
우선, 청색 형광체로서 평균 입경이 40μm인 Eu 활성화 클로로인산염((Ba0.40,Sr0.57,Ca0.02,Eu0.01)10(PO4)6·Cl2) 형광체, 녹색 형광체로서 평균 입경이 40μm인 Ce 및 Tb 활성화 희토류 붕산염((Lu0 .8,Ce0 .1,Tb0 .1)BO3) 형광체, 적색 형광체로서 평균 입경이 40μm인 Eu 활성화 산황화 란탄((La0.89,Eu0.11)2O2S) 형광체를 준비했다. 이들 각 형광체를 백색 LED 램프의 발광색이 5000K(편차 0)인 백색이 되는 비율로 혼합했다. 이 혼합 형광체에 실리콘 수지를 전체량에 대하여 60질량%의 비율로 혼합하여 형광체 슬러리를 제조했다.
이어서, 도 1에 구성을 나타낸 백색 LED 램프(1)의 LED 칩(발광 피크 파장 : 370nm, 칩 크기 : 0.3mm×0.3mm×0.1mmt)(2) 위에 형광체를 함유하지 않는 실리콘 수지를 도포한 후, 혼합 형광체를 함유하는 슬러리를 도포했다. 이것을 140℃의 온도로 열처리하여 실리콘 수지를 경화시킴으로써 백색 LED 램프(1)를 제작했다. 형광체를 함유하지 않는 실리콘 수지에 의한 투명 수지층(4)은 반구 형상으로 형성하고, 그 반경은 0.8mm로 했다. 형광체층(5)의 두께는 0.5mm로 했다. 얻어진 백색 LED 램프(1)를 후술하는 특성 평가에 제공했다.
(실시예2 내지 9)
표 1에 나타내는 청색, 녹색 및 적색의 각 형광체를 사용하는 것 이외는, 실시예1과 마찬가지로 하여 백색 LED 램프(1)를 제작했다. 백색 LED 램프의 발광색은 실시예1과 마찬가지로 하여, 그러한 발광색이 얻어지도록 각 형광체 슬러리의 혼합비를 조정했다. 투명 수지층(4)이나 형광체층(5)의 형상은 실시예1과 마찬가지로 했다. LED 칩(2)의 발광 파장은 각각 표 2에 나타내는 바와 같다. 얻어진 백색 LED 램프(1)를 각각 후술하는 특성 평가에 제공했다.
(비교예1)
청색 형광체로서 평균 입경이 40μm인 Eu 활성화 클로로인산염((Ba0 .40, Sr0.57, Ca0 .02, Eu0 .01)10(PO4)6·Cl2) 형광체, 녹색 형광체로서 평균 입경이 40μm인 Eu 활성화 알루민산염((Ba0 .8, Eu0 .2)(Mg0 .7, Mn0 .3)Al10O17) 형광체, 적색 형광체로서 평균 입경이 40μm인 Eu 활성화 산황화 란탄((La0.89,Eu0.11)2O2S) 형광체를 준비했다.
이들 각 형광체를 백색 LED 램프의 발광색이 5000K(편차 0)인 백색이 되는 비율로 혼합했다. 이 혼합 형광체에 실리콘 수지를 전체량에 대하여 60질량%의 비율로 혼합하여 형광체 슬러리를 제조했다. 이러한 형광체 슬러리를 사용하는 것 이외는 실시예1과 마찬가지로 하여, 도 1에 구성을 도시한 백색 LED 램프(1)를 제작하여, 후술하는 특성 평가에 제공했다. LED 칩(2)의 발광 파장은 360nm이다.
(비교예2 내지 5)
표 1에 나타내는 청색, 녹색 및 적색의 각 형광체를 사용하는 것 이외는, 비교예1과 마찬가지로 하여 백색 LED 램프(1)를 제작했다. 백색 LED 램프의 발광색은 비교예1과 마찬가지로 하여, 그러한 발광색이 얻어지도록 각 형광체 슬러리의 혼합비를 조정했다. LED 칩(2)의 발광 파장은 각각 표 2에 나타내는 바와 같다. 이와 같이 하여 얻은 백색 LED 램프(1)를 각각 후술하는 특성 평가에 제공했다.
실시예1 내지 9 및 비교예1 내지 5의 각 백색 LED 램프에 30mA의 전류를 흘려 점등시켜, 각 백색 LED 램프의 전광속, 평균 연색 지수를 측정했다. 이들의 측정 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 각 백색 LED 램프의 발광 특성은 Labsphere SLMS-1021을 사용하여 측정했다.
Figure pct00006
Figure pct00007
표 2로부터 명백해진 바와 같이, 실시예1 내지 9에 의한 각 백색 LED 램프는 비교예1, 2에 비하여 전광속과 연색성이 모두 우수하다. 또한, 비교예3에서 녹색 형광체로서 사용한 Ce 및 Tb 활성화 인산염 형광체는 장파장의 자외광에서는 발광하지 않는다. 비교예4나 비교예5에서 사용한 녹색 형광체는 Ce나 Tb의 활성화량이 부적절하기 때문에, 고휘도의 녹색광을 얻을 수 없다. 이로 인해, 비교예3 내지 5에서는 연색성을 측정할 수 없었다.
(실시예10)
실시예1의 백색 LED 램프(1)에 있어서, LED 칩(2)과 형광체층(5) 사이에 개재시키는 반구 형상의 투명 수지층(4)의 반경을 다양하게 변화시켜, 각각 백색 LED 램프(1)를 제작했다. 비교예로서 반구 형상의 투명 수지층(4)을 갖지 않는 백색 LED 램프(1)도 마찬가지로 제작했다. 이들 각 백색 LED 램프(1)에 30mA의 전류를 흘려 점등시켜, 각 백색 LED 램프의 전광속을 측정했다. 그 측정 결과를 도 5에 나타낸다. 도 5로부터 명백해진 바와 같이, 투명 수지층(4)의 반경은 0.4mm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 투명 수지층(4)의 반경을 1mm 이상으로 함으로써, 밝기가 더욱 향상된다.
본 발명의 조명용 백색 발광 램프는, 녹색 형광체로서 황색 성분을 더 많이 함유하는 3가의 세륨 및 테르븀에 의해 활성화된 희토류 붕산염 형광체를 사용하고 있기 때문에 휘도 특성 외에 연색성을 향상시킬 수 있다. 이러한 고연색성과 고휘도를 양립시킨 백색 발광 램프는 조명 기구 등에 유효하게 이용할 수 있다.
1 : 백색 LED 램프
2 : LED 칩
3 : 배선 기판
4 : 투명 수지층
5 : 형광체층
6 : BGR 형광체
7 : 수지층(투명 수지층)
11 : 조명 기구
12 : 기판

Claims (15)

  1. 피크 파장이 300nm 이상 430nm 이하의 범위의 광을 출사하는 반도체 발광 소자와,
    상기 반도체 발광 소자의 적어도 발광면을 덮도록 배치된 투명 수지층과,
    상기 투명 수지층 위에 형성되고, 상기 반도체 발광 소자로부터 출사된 광에 의해 여기되어 백색광을 발광하는 형광체층을 구비하고,
    상기 형광체층은 녹색 형광체로서,
    [화학식 1]
    Figure pct00008

    (식에서, R은 Sc, Y, La, Gd 및 Lu로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, x 및 y는 0.03<x<0.3, 0.03<y<0.3을 만족하는 수이다)
    로 표시되는 조성을 갖는 3가의 세륨 및 테르븀에 의해 활성화된 희토류 붕산염 형광체를 함유하는 것을 특징으로 하는 조명용 백색 발광 램프.
  2. 제1항에 있어서, 상기 형광체층은 상기 녹색 형광체, 청색 형광체 및 적색 형광체를 함유하는 것을 특징으로 하는 조명용 백색 발광 램프.
  3. 제2항에 있어서, 상기 형광체층은 상기 청색 형광체로서,
    [화학식 2]
    Figure pct00009

    (식에서, M1은 Mg, Ca, Sr 및 Ba로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, x는 0.001<x<0.5를 만족하는 수이다)
    로 표시되는 조성을 갖는 2가의 유로퓸에 의해 활성화된 클로로인산염 형광체, 및
    [화학식 3]
    Figure pct00010

    (식에서, M2는 Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Li, Rb 및 Cs로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, a, b 및 x는 0<a, 0<b, 0.2≤a/b≤1.5, 0.001<x<0.5를 만족하는 수이다)
    로 표시되는 조성을 갖는 2가의 유로퓸에 의해 활성화된 알루민산염 형광체로부터 선택되는 적어도 1종을 함유하는 것을 특징으로 하는 조명용 백색 발광 램프.
  4. 제2항에 있어서, 상기 형광체층은 상기 적색 형광체로서,
    [화학식 4]
    Figure pct00011

    (식에서, A는 La 및 Y로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, x는 0.01<x<0.15를 만족하는 수이다)
    로 표시되는 조성을 갖는 유로퓸에 의해 활성화된 희토류 산황화물 형광체를 함유하는 것을 특징으로 하는 조명용 백색 발광 램프.
  5. 제1항에 있어서, 상기 투명 수지층은 적어도 상기 발광면 위의 두께가 0.4mm이상 10mm 이하의 범위의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 조명용 백색 발광 램프.
  6. 제1항에 있어서, 상기 투명 수지층은 적어도 상기 발광면 위의 두께가 1mm 이상 10mm 이하의 범위의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 조명용 백색 발광 램프.
  7. 제1항에 있어서, 상기 투명 수지층은 기판 위에 실장된 상기 반도체 발광 소자 전체를 덮는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 조명용 백색 발광 램프.
  8. 제7항에 있어서, 상기 투명 수지층은 상기 반도체 발광 소자 전체를 덮도록 상기 기판 위에 반구 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 조명용 백색 발광 램프.
  9. 제1항에 있어서, 상기 형광체층은 상기 녹색 형광체, 청색 형광체 및 적색 형광체를 함유하는 수지층을 구비하는 것을 특징으로 하는 조명용 백색 발광 램프.
  10. 제9항에 있어서, 상기 녹색 형광체, 상기 청색 형광체 및 상기 적색 형광체는 각각 평균 입경이 1μm 이상인 입자 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 조명용 백색 발광 램프.
  11. 제1항에 있어서, 상기 반도체 발광 소자는 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드를 구비하는 것을 특징으로 하는 조명용 백색 발광 램프.
  12. 제1항에 기재된 조명용 백색 발광 램프를 구비하는 것을 특징으로 하는 조명 기구.
  13. 제12항에 있어서, 기판과, 상기 기판 위에 배치된 복수의 상기 조명용 백색 발광 램프를 구비하는 것을 특징으로 하는 조명 기구.
  14. 제13항에 있어서, 상기 복수의 조명용 백색 발광 램프는 상기 기판 위에 매트릭스 형상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 조명 기구.
  15. 제13항에 있어서, 상기 복수의 조명용 백색 발광 램프는 상기 기판 위에 직선 형상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 조명 기구.
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