KR20100076655A - 백색 발광 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 백색 발광장치에 관한 것으로, 서로 다른 중심 파장을 발생시키는 복수의 활성층을 갖는 청색 발광다이오드 및 상기 청색 발광다이오드에서 방출되는 광에 의해 여기되어 황색 광을 방출하는 형광체를 포함한다. 본 발명에 따른 백색 발광 장치는 형광체의 여기 효율이 향상되고, 고휘도 특성을 나타낸다.
청색 LED, 황색 형광체, 여기 효율, 백색 발광장치.

Description

백색 발광 장치{White light emitting device}
본 발명은 백색 발광 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 서로 다른 중심 파장을 발생시키는 복수의 활성층을 갖는 청색 발광다이오드를 이용하여 발광 효율이 우수한 백색 발광장치에 관한 것이다.
최근 노트북, 모니터, 핸드폰, TV의 LCD 디스플레이용 백라이트 유닛(Backlight Unit: 이하, BLU 라고 함)의 광원으로 LED가 주목 받고 있다. BLU 용의 백색 광원으로는 종래부터 냉음극 형광 램프(CCFL)가 사용되어 왔으나, 최근에는 색상 표현 및 소비 전력 등의 측면에서 유리한 LED 소자를 사용한 백색 광원 이 각광받고 있다.
백색 LED 광원의 구현 방식으로서, 한 패키지에 청색, 녹색, 및 적색의 삼원색의 LED를 사용하는 백색 LED는 색 재현성이 비교적 우수하고, 적, 녹, 및 청색의 LED 광량 조절에 의해 전체적인 출력 광 제어가 가능하다는 장점 있다. 그러나, RGB 광원이 서로 떨어져 있어서, 색 균일성에 문제가 발생할 수 있다. 특히, 적색 LED는 온도에 민감하고, 열에 의해 광 효율이 저하되기 쉬워서, 온도에 따라 백색광의 색 균일성이 불안정하게 될 수 있다. 또한 단위 구역의 백색광을 얻기 위해 최소한 RGB 3개의 칩이 필요하므로, 개별 컬러의 LED를 구동하고 제어하기 위해 회로 구성이 복잡하고 이에 따라 패키지 제작 비용이 높아진다.
자외선 발광 다이오드 칩에 적색, 청색, 녹색 발광 특성을 갖는 형광체를 일정한 비율로 도포하여 백색 발광 소자를 만드는 기술은 자외선 발광 다이오드 칩에서 방출된 자외선의 여기 에너지는 높으나, 적색 발광 특성을 갖는 형광체의 발광 효율이 낮아 고휘도의 백색광을 얻을 수 없다. 더욱이 특정한 조성비로 혼합된 형광체의 3가지 색이 조화를 이루어야 백색광을 얻을 수 있으므로 형광체 제조 과정이 매우 민감하고 복잡하다는 단점이 있다.
청색 LED와 이에 의해 여기 되는 황색 형광체의 조합을 이용한 백색 LED는 회로 구성이 간단하고, 가격이 저렴한 장점이 있다. 도 1은 GaN계 청색 LED와 YAG계 황색 형광체를 조합하여 제조된 종래 백색 발광 장치의 발광 스펙트럼을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 청색 영역 및 황색 영역의 광 강도는 높으나, 단파장 범위를 갖는 LED의 광원 파장과 형광체의 여기 파장이 일치하지 않는 경우 형광체의 여기 효율이 낮아 휘도가 낮아지는 단점이 있다.
따라서, 보다 우수하고 안정적인 색 균일성과 개선된 색 재현성을 갖는 저비용 고품질의 백색 LED가 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 서로 다른 중심 파장을 발생시키는 청색 발광다이오드를 이용하여 형광체의 여기 효율이 높을 뿐 만 아니라, 고휘도 특성을 갖는 백색 발광 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위한 수단으로써, 서로 다른 중심 파장을 발생시키는 복수의 활성층을 갖는 청색 발광다이오드 및 상기 청색 발광다이오드에서 방출되는 광에 의해 여기되어 황색 광을 방출하는 형광체를 포함하는 백색 발광장치를 제공한다.
상기 청색 발광다이오드는 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식을 갖는 반도체 발광소자인 것이 바람직하다.
상기 복수의 활성층은 각각 InxGa(1-x)N(0＜x＜1)로 이루어지는 양자우물층 및 GaN으로 이루어지는 양자장벽층을 포함하는 것으로, 상기 양자우물층은 각각 In조성이 다르고, 이에 의하여 서로 다른 중심 파장을 발생시킬 수 있다.
상기 복수의 활성층은 각각 InxGa(1-x)N(0＜x＜1)로 이루어지는 양자우물층 및 GaN로 이루어지는 양자장벽층을 포함하는 것으로, 상기 양자우물층은 각각 두께가 다르고, 이에 의하여 서로 다른 중심파장을 발생시킬 수 있다.
상기 서로 다른 중심 파장은 20 내지 50nm의 간격을 가질 수 있다.
상기 청색 발광다이오드는 서로 다른 중심 파장으로 400 내지 420nm 및 450 내지 470nm를 방출할 수 있다.
또는 상기 청색 발광다이오드는 서로 다른 중심 파장으로 400 내지 420nm, 420 내지 440nm 및 440 내지 460nm를 방출할 수 있다.
상기 형광체는 실리케이트계 형광체인 것이 바람직하다.
상기 청색 발광다이오드는 회로기판 상에 직접 실장되고, 상기 형광체는 수지 포장부에 포함되고, 상기 수지 포장부는 상기 청색 발광다이오드를 봉지할 수 있다.
또는 상기 청색 발광다이오드는 반사 컵을 갖는 패키지 본체에 실장되어 있고, 상기 패키지 본체는 회로기판에 탑재되어 있으며, 상기 형광체는 수지 포장부에 포함되고, 상기 수지 포장부는 상기 청색 발광다이오드를 봉지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 청색 발광다이오드에서 방출되는 서로 다른 중심 파장은 황색 형광체의 여기 효율을 높이고, 시감도가 향상된다. 이에 따라 서로 다른 중심 파장을 방출하는 청색 발광다이오드 및 상기 청색 발광다이오드에서 방출되는 광에 의해 여기되어 황색 광을 방출하는 형광체를 구비하는 백색 발광장치는 고휘도 특성을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 다만, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 백색 발광 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 백색 발광 장치(100)는 회로기판(140)과 상기 회로기판(140) 상에 배치된 서로 다른 중심 파장(peak wave)을 발생시키는 복수의 활성층을 갖는 청색 발광다이오드(110); 및 상기 청색 발광다이오드(110)에서 방출되는 광에 의해 여기 되어 황색 광을 방출하는 형광체(120)를 포함한다.
회로기판 상(140)에는 전극 패턴 또는 회로 패턴 등의 접속용 패턴(미도시)이 형성되어 있고, 이 접속용 패턴은 예컨대 와이어 본딩이나, 플립 칩 본딩 등에 의해 청색 발광다이오드(110)의 전극과 연결된다. 상기 청색 발광다이오드(110)를 봉지하고 있는 반구형상의 수지 포장부(130) 내에서는 황색 형광체(120)가 분산 혼입되어 있다. 수지 포장부(130)는 황색 형광체(120)를 포함함으로써, 청색 광의 파장을 변환시킬 수 있을 뿐만 아니라, 청색 발광다이오드(110)와 그의 연결부(와 이어 본딩)를 보호하고, 일종의 렌즈 역할도 할 수 있다.
청색 발광다이오드(110)와 황색 형광체(120)로 이루어진 단위 구역의 백색 광원부가 회로 기판(140)상에 복수 개로 배열될 수 있다. 이와 같이 복수 개로 배열된 백색 광원부는 원하는 크기(면적 또는 길이)의 면 광원이나 선 광원을 향상할 수 있다.
상기 청색 발광다이오드(110)는 청색 파장 대역에서 서로 다른 중심 파장을 발생시키는 복수의 활성층을 갖는다.
청색 발광다이오드(110)는 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식을 갖는 질화물 반도체 발광소자인 것이 바람직하고, n형 질화물 반도체층 및 p형 질화물 반도체층과 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 활성층을 포함한다. 상기 활성층은 n형 반도체층에서 발생되는 전자와 p형 질화물 반도체층에서 발생되는 정공의 재결합에 의하여 빛을 발생하는 층으로, 다중 양자우물구조를 갖는다. 상기 활성층의 양자장벽층의 높이, 양자 우물층의 두께, 조성 등을 조절하여 방출되는 빛의 파장을 조절할 수 있다.
보다 구체적으로, 복수의 활성층은 각각 InxGa(1-x)N(0＜x＜1)로 이루어지는 양자우물층 및 GaN으로 이루어지는 양자장벽층을 포함하고, 상기 양자우물층은 각각 In조성을 달리 하여 서로 다른 2개 이상의 중심파장을 발생시킬 수 있다. 중심파장의 범위는 400 내지 490nm일 수 있다.
또는 상기 복수의 활성층은 각각 InxGa(1-x)N(0＜x＜1)로 이루어지는 양자우물층 및 GaN으로 이루어지는 양자장벽층을 포함하고, 상기 양자우물층의 두께를 달리하여 서로 다른 중심 파장을 발생시킬 수 있고, 양자우물층의 두께는 2 내지 5nm일 수 있다.
질화물계 반도체 발광 소자 이외에 당 기술 분야에서 공지된 다른 종류의 반도체 물질도 얼마든지 사용 가능하다.
본 실시 형태에 따른 청색 발광다이오드(110)는 청색 파장대역에서 서로 다른 중심 파장을 가지는 2개의 청색 광(a. b)을 방출하고, 황색 형광체(120)는 상기 청색 LED(110)로부터 나오는 청색 광으로부터 여기되어 황색 광을 발한다. 상기 청색 LED(110)로부터 나온 청색 광 및 상기 황색 형광체(120)로부터 나오는 황색 광이 혼색됨으로써, 백색 광을 출력하게 된다.
청색 발광다이오드에서 방출되는 서로 다른 중심 파장은 청색파장대역이라면, 특별히 제한되지 않으며, 조합되는 형광체의 특성에 따라 형광체의 여기 효율을 높일 수 있는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다.
일반적으로 황색 형광체는 단파장쪽의 여기 효율이 높은 특징을 가지고 있다. 그러나, 청색 영역의 단파장은 시 감도가 낮아 단파장을 방출하는 청색 LED를 사용하는 경우 형광체의 여기 효율은 높아지나 휘도가 저하되는 문제점이 있다.
본 실시 형태에 따른 청색 발광다이오드(110)는 형광체의 여기 효율이 높은단파장 및 시감도가 높은 장파장을 방출하여, 형광체의 여기 효율이 높아지며 고휘도 특성을 나타낼 수 있다.
보다 구체적으로, 형광체의 여기 효율이 높은 파장을 방출함과 동시에 상기 파장 보다 시감도가 높은 장파장을 방출할 수 있다. 예를 들면, 서로 다른 중심 파장은 20 내지 50nm의 간격을 갖는 것이 바람직하다.
상기 서로 다른 중심 파장이 2개의 파장인 경우, 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 400 내지 420nm 및 450 내지 470nm를 방출할 수 있다.
본 실시 형태는 서로 다른 중심 파장으로 2개 청색 광을 방출하는 청색 발광다이오드를 도시하고 있으나, 3개 이상의 청색 광을 방출하는 청색 발광다이오드를 사용할 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 400 내지 420nm, 420 내지 440nm 및 440 내지 460nm를 방출할 수 있다.
상기 황색 형광체(120)는 상기 청색 발광다이오드(110)로부터 나오는 청색 광으로부터 여기 되어 황색 광을 발하는 것으로, 실리케이트계 형광체를 사용하는 것이 바람직하다.
실리케이트 형광체는 청색 파장 영역 중 단파장 쪽의 여기 효율이 높지만, 단파장의 청색 광은 시 감도가 낮아 휘도가 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 상술한 바와 같이, 단 파장 및 장 파장의 청색 광을 광원으로 함께 이용하면 형광체 의 여기 효율이 향상될 뿐만 아니라, 고휘도 특성을 나타낼 수 있다.
본 실시형태에서는 청색 발광다이오드가 회로기판 상에 직접 실장되어 있다. 이러한 칩 온 보드(Chip-On-Board) 방식으로 발광다이오드를 회로 기판 상에 직접 실장함으로써, 발광다이오드로부터 보다 큰 지향각을 용이하게 얻을 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 백색 발광 장치(200)를 나타내는 단면도이다. 도 3을 참조하면, 본 실시 형태에 따른 백색 발광 장치(200)는 회로기판(240) 상에 배치된 서로 다른 중심 파장을 발생시키는 복수의 활성층을 갖는 청색 발광다이오드(210) 및 상기 청색 발광다이오드(210)에서 방출되는 광에 의해 여기 되어 황색 광을 방출하는 형광체(220)를 포함한다. 또한 상기 회로기판(240) 상에는 반사 컵(250a)을 갖는 패키지 본체(250)가 탑재 되어 있다. 청색 발광다이오드(210)는 패키지 본체의 반사컵 내에 실장되어 있고, 황색 형광체(220)를 포함하는 수지 포장부(230)가 청색 발광다이오드(210)를 봉지하고 있다. 원하는 면적의 면광원 또는 선광원을 얻기 위해, 청색 발광다이오드(210) 및 황색 형광체(220)를 갖는 복수개의 백색 발광 장치가 기판 상에 배열될 수 있다. 이러한 차이 외에 동일한 용어로 나타낸 다른 구성 요소에 대해서는 도 2의 경우와 동일한 것으로 이해될 수 있으므로, 이에 대한 설명은 생략한다.
실리케이트계 형광체를 이용한 백색 발광 장치를 제조하고, 이의 발광 효율을 측정하였다.
도 4는 실리케이트계 형광체의 여기 파장 의존성을 나타내는 발광 스펙트럼이다. 이를 참조하여, 하기 표 1에 기재된 바와 같이, 형광체의 여기 효율을 높일 수 있는 단파장 및 시감도가 높은 장파장을 방출하는 청색 발광다이오드를 제조하였다. 도 5는 본 실시예에서 제조한 청색 발광 다이오드의 발광스펙트럼이다. 비교예로 중심 파장이 440nm인 청색 발광다이오드를 제조하고, 이의 발광 효율을 기준으로 실시예의 휘도증가비를 계산하였다.
청색 LED 발광 파장 형광체 발광 강도 청색 광 발광강도 발광 강도 휘도 증가비
비교예 440nm 727.525 0.23921 727.76421 -
실시예 1 410nm 628.936 0.00797 751.17234 103.2164442
470nm 121.989 0.23937
실시예 2 400nm 638.753 0.00279 765.83466 105.2311517
470nm 126.830 0.24887
실시예 3 400nm 523.639 0.00229 754.71037 103.7025948
460nm 230.823 0.24608
실시예 4 410nm 517.106 0.00655 742.3314 102.0016359
460nm 224.979 0.23985
실시예 5 400nm 378.2322 0.00165 744.35081 102.2791173
430nm 153.75 0.01682
460nm 212.124 0.22614
상기 실시예 1 내지 4는 중심 파장이 다른 2개의 청색 광을 발생시키는 청색 발광다이오드를 이용한 것이고, 실시예 5는 중심파장이 다른 3개의 청색 광을 방출하는 청색 발광다이오드를 이용한 것이다. 상기 표 1를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 5는 비교예에 비하여 약 2 내지 5% 정도 휘도가 증가 되었다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
도 1은 GaN계 청색 LED와 황색 형광체를 조합하여 제조된 종래 백색 발광 장치의 발광 스펙트럼을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 백색 발광 장치를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 백색 발광 장치를 나타내는 단면도이다.
도 4는 실리케이트계 형광체의 여기 파장 의존성을 나타내는 발광 스펙트럼이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 청색 발광다이오드의 발광 스펙트럼이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 200: 백색 발광 장치 110, 210: 청색 LED
120, 220: 형광체 130, 230: 수지 포장부
140, 240: 회로기판 250: 패키지 본체

Claims (10)

  1. 서로 다른 중심 파장을 발생시키는 복수의 활성층을 갖는 청색 발광다이오드; 및
    상기 청색 발광다이오드에서 방출되는 광에 의해 여기되어 황색 광을 방출하는 형광체;를 포함하는 백색 발광 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 청색 발광다이오드는 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식을 갖는 반도체 발광소자인 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 활성층은 각각 InxGa(1-x)N(0＜x＜1)로 이루어지는 양자우물층 및 GaN으로 이루어지는 양자장벽층을 포함하는 것으로,
    상기 양자우물층은 각각 In조성이 다르고, 이에 의하여 서로 다른 중심 파장을 발생시키는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 활성층은 각각 InxGa(1-x)N(0＜x＜1)로 이루어지는 양자우물층 및 GaN로 이루어지는 양자장벽층을 포함하는 것으로,
    상기 양자우물층은 각각 두께가 다르고, 이에 의하여 서로 다른 중심파장을 발생시키는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 서로 다른 중심 파장은 20 내지 50nm의 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 청색 발광다이오드는 서로 다른 중심 파장으로 400 내지 420nm 및 450 내지 470nm를 방출하는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 청색 발광다이오드는 서로 다른 중심 파장으로 400 내지 420nm, 420 내지 440nm 및 440 내지 460nm를 방출하는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 형광체는 실리케이트계 형광체인 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 청색 발광다이오드는 회로기판 상에 직접 실장되고, 상기 형광체는 수지 포장부에 포함되고, 상기 수지 포장부는 상기 청색 발광다이오드를 봉지하고 있는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 청색 발광다이오드는 반사 컵을 갖는 패키지 본체에 실장되어 있고, 상기 패키지 본체는 회로기판에 탑재되어 있으며, 상기 형광체는 수지 포장부에 포함되고, 상기 수지 포장부는 상기 청색 발광다이오드를 봉지하고 있는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
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