KR20110085206A - 백색 발광장치 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

청색 발광다이오드; 및 상기 청색 발광다이오드로부터 방출되는 빛을 흡수하고, 흡수한 빛의 파장과 다른 파장을 갖는 빛을 발광하는 형광체층을 포함하되, 상기 청색 발광다이오드는 질화갈륨계 반도체 발광층을 구비하면서, 410nm 이상 460nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 가지고, 상기 형광체층은 460nm 이상 500nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 갖는 청색계 형광체, 500nm 이상 550nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 갖는 녹색계 형광체, 550nm 이상 600nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 갖는 황색계 형광체, 및 600nm 이상 660nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 갖는 적색계 형광체를 구비함으로써, 상기 청색 발광다이오드로부터 방출되는 빛과 상기 형광체층으로부터 방출되는 청색, 녹색, 황색 및 적색 빛의 혼색에 의해 백색의 빛을 발하는 백색 발광장치가 제공된다.

Description

백색 발광장치 및 이의 제조방법{White light emitting device and fabricating method thereof}
본 명세서에 개시된 기술은 백색 발광장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연색성이 뛰어나고 색좌표 편차가 적은 백색 발광장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 유력한 차세대 광원으로 떠오르고 있는 발광 다이오드(LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기를 자외선, 가시광선, 적외선 등으로 전환시키는 반도체 소자로 주로 가전제품, 리모컨, 대형 전광판 등 신호표시용으로 사용되고 있다. 적색 및 녹색을 발생시키는 LED는 오래 전에 개발되어 신호표시용으로 널리 사용되고 있으나, 1990년대 초에 고휘도 적색 LED가 개발되고, 수년 후에는 일본 니치아사에서 GaN계 반도체를 이용한 고휘도 청색 LED가 개발되어 빛의 삼원색을 모두 표현할 수 있는 LED가 모두 개발됨에 따라 LED를 조명광원으로 사용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
일반 조명용으로서 개발된 백색 LED광원은 그 대상물에 광이 조사되는 경우, 사람이 보아서 불쾌감이 없는 백색과 양호한 연색성을 가지고 있을 필요가 있어 지금까지 고휘도 LED에 대한 광속, 연색지수(CRI), 상관 색온도(CCT), CIE(국제조명위원회) 색도좌표 등에 대한 기본적인 광특성에 대한 기존의 광특성 제시로 조명용LED 광원으로서 등기구 제작이나 효율 및 광도분포 등에 대한 분석결과가 발표된 바있다. 따라서, 고효율화와 연색성은 LED 광원으로는 중요한 요소이며 연색성은 백색 LED 광원의 스펙트럼 파장으로부터 결정되기 때문에 광원의 응용을 고려하여 만족하도록 설계되고 있다.
일 측면에 따르면, 청색 발광다이오드; 및 상기 청색 발광다이오드로부터 방출되는 빛을 흡수하고, 흡수한 빛의 파장과 다른 파장을 갖는 빛을 발광하는 형광체층을 포함하되, 상기 청색 발광다이오드는 질화갈륨계 반도체 발광층을 구비하면서, 410nm 이상 460nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 가지고, 상기 형광체층은 460nm 이상 500nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 갖는 청색계 형광체, 500nm 이상 550nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 갖는 녹색계 형광체, 550nm 이상 600nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 갖는 황색계 형광체, 및 600nm 이상 660nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 갖는 적색계 형광체를 구비함으로써, 상기 청색 발광다이오드로부터 방출되는 빛과 상기 형광체층으로부터 방출되는 청색, 녹색, 황색 및 적색 빛의 혼색에 의해 백색의 빛을 발하는 백색 발광장치가 제공된다.
다른 측면에 따르면, 청색 발광다이오드 및 형광체층을 구비한 백색 발광장치의 제조방법에 있어서, 460nm 이상 500nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 갖는 청색계 형광체, 500nm 이상 550nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 갖는 녹색계 형광체, 550nm 이상 600nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 갖는 황색계 형광체, 및 600nm 이상 660nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 갖는 적색계 형광체를 각각 준비하는 단계; 투명 코팅물질과 상기 청색계 형광체, 상기 녹색계 형광체, 상기 황색계 형광체, 및 상기 적색계 형광체 중에서 선택된 적어도 1종의 형광체를 혼합하여 형성된 제1 슬러리를 상기 청색 발광다이오드 상부에 도포하는 단계; 상기 제1 슬러리를 경화시켜 제1 서브층을 형성하는 단계; 투명 코팅물질과 상기 청색계 형광체, 상기 녹색계 형광체, 상기 황색계 형광체, 및 상기 적색계 형광체 중에서 선택된 적어도 1종의 형광체를 혼합하여 형성된 제2 슬러리를 상기 제1 서브층 상부에 도포하는 단계; 및 상기 제2 슬러리를 경화시켜 제2 서브층을 형성하는 단계를 포함하여 수행하되, 상기 형광체층이 상기 제1 서브층 및 상기 제2 서브층을 포함하여 형성된 복수의 서브층을 구비하면서 상기 청색 발광다이오드 상부를 덮고, 상기 청색계 형광체, 상기 녹색계 형광체, 상기 황색계 형광체, 및 상기 적색계 형광체를 모두 포함하는 백색 발광장치의 제조방법이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 형광체층은 상기 청색계 형광체, 상기 녹색계 형광체, 상기 황색계 형광체, 및 상기 적색계 형광체로부터 선택된 적어도 하나의 형광체를 포함하는 서브층들이 2층 이상 적층된 구조를 가질 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 형광체층 중 하부 서브층에 포함된 형광체의 발광피크 파장영역이 상부 서브층에 포함된 형광체의 발광피크 파장영역과 동등하거나 보다 짧은 파장영역을 가질 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 백색 발광장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 서로 다른 입자 크기를 갖는 형광체들이 투명 코팅물질과 혼합된 경우 시간경과에 따른 형광체 입자들의 분포 상태를 나타낸 것이다.
도 3은 다층구조를 갖는 형광체층을 구비한 백색 발광장치의 일 실시예를 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 4는 다층구조를 갖는 형광체층을 구비한 백색 발광장치의 다른 실시예를 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 5는 백색 발광장치의 제조방법의 일 실시예를 나타낸 공정흐름도이다.
이하, 본 명세서에 개시된 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 본문에서 달리 명시하지 않는 한, 도면의 유사한 참조번호들은 유사한 구성요소들을 나타낸다. 상세한 설명, 도면들 및 청구항 들에서 상술하는 예시적인 실시예들은 한정을 위한 것이 아니며, 다른 실시예들이 이용될 수 있으며, 여기서 개시되는 기술의 사상이나 범주를 벗어나지 않는 한 다른 변경들도 가능하다. 당업자는 본 개시의 구성요소들, 즉 여기서 일반적으로 기술되고, 도면에 기재되는 구성요소들을 다양하게 다른 구성으로 배열, 구성, 결합, 도안할 수 있으며, 이것들의 모두는 명백하게 고안되며, 본 개시의 일부를 형성하고 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 도면에서 여러 층(또는 막), 영역 및 형상을 명확하게 표현하기 위하여 구성요소의 폭, 길이, 두께 또는 형상 등은 과장되어 표현될 수도 있다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 요소가 다른 요소 위에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 위에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다.
도 1은 일 실시예에 따른 백색 발광장치의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 백색 발광장치(100)는 청색 발광다이오드(110) 및 이를 둘러싼 형광체층(101)을 포함한다. 또한 형광체층(101)은 코팅부(120) 내에 4종의 형광체들을 포함하고 있다. 상기 4종의 형광체들은 청색계 형광체(132), 녹색계 형광체(134), 황색계 형광체(136), 및 적색계 형광체(138)로 구성되어 있으며, 코팅부(120) 내에 골고루 분산되어 있다. 각 구성요소들을 좀더 상세히 설명하자면 다음과 같다.
청색 발광다이오드(110)는 백색 발광장치(100)의 백색발광에 필요한 청색광을 방출하는 발광원이자 상기 4종의 형광체들을 여기시켜 여러 파장의 빛을 발광하도록 하는 여기원의 역할을 한다. 청색 발광다이오드(110)는 GaN, InGaN, AlGaN 또는 AlGaInN와 같은 질화갈륨계 반도체 발광층을 구비함으로써, 410nm 이상 460nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 가질 수 있다. 자세히 도시하지 하지 않았지만, 청색 발광다이오드(110)는 단일양자우물 또는 다중양자우물 구조의 발광층을 사이에 두고 n-GaN층과 p-GaN층 사이에 바이어싱 전류가 제공되면 상기 발광층으로부터 청색광을 발광할 수 있다. 백색 발광장치(100)에서 형광체를 여기하는 광원으로 자외선 발광다이오드를 사용하는 것에 비해 청색 발광다이오드(110)를 사용하는 것이 다음과 같은 장점을 가진다. 청색 발광다이오드(110)는 자외선 발광다이오드에 비해 효율면에서 유리하다. 자외선 발광다이오드의 경우 칩 성능이 청색 발광다이오드에 비해 좋지 않으며, 단파장의 청색계 형광체를 여기시킬 경우 형광체 자체의 변환효율에 의존하므로 청색광의 에너지가 약해지지만, 청색 발광다이오드(110)는 자체적으로 청색을 발광하므로 이 빛을 직접 이용할 수 있으므로 백색 발광시 상대적으로 높은 효율을 가진다. 따라서 고광속의 백색 발광이 가능하다.
코팅부(120)는 청색 발광다이오드(110)를 전체적으로 둘러싸며 보호하고 있으며, 청색 발광다이오드(110)로부터의 발광을 변환하는 형광체들(132, 134, 136, 138)을 함유하고 있다. 코팅부(120)의 구체적 재료로서, 에폭시 수지, 아크릴수지, 폴리이미드 수지, 요소 수지, 실리콘 등의 내후성이 우수한 투명 수지가 사용될 수 있다. 만일 형광체를 열적 증발법, 화학기상증착법, 스퍼터링, 원자층 에피텍시 등과 같은 박막 증착법에 의해 형성할 경우, 코팅부(120)가 생략될 수도 있다.
형광체층(101)을 이루는 다수의 형광체들(132, 134, 136, 138)은 4가지 파장영역대를 가질 수 있다. 구체적으로, 청색계 형광체(132)는 460nm 이상 500nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 가질 수 있다. 여기서 청색계 형광체(132)는 보다 단파장의 청색 발광다이오드(110)에 의해 여기될 수 있는 것으로, 청색 발광다이오드(110)의 발광파장보다 장파장의 발광피크를 가질 수 있다. 녹색계 형광체(134)는 500nm 이상 550nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 가질 수 있다. 황색계 형광체(136)는 550nm 이상 600nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 가질 수 있다. 적색계 형광체(138)는 600nm 이상 660nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 가질 수 있다.
청색계 형광체(132)의 예로 (Bax, Sry, Caz)3MgSi2O8:Eu (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)와 같은 실리케이트 계열 또는 (Srx, Cay)S:Ce (0≤x≤1, 0≤y≤1)와 같은 황화물 계열 등을 포함할 수 있다. 구체적으로, 청색계 형광체(132)는 Sr3MgSi2O8:Eu, Ba3MgSi2O8:Eu, SrS:Ce, CaS:Ce, CaAl2S4:Eu, Sr44Al14O25:Eu, Ba2SiO4:Eu 중에서 선택될 수 있다.
녹색계 형광체(134)의 예로 (Bax, Sry, Caz)2SiO4:Eu (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)와 같은 실리케이트 계열, (Bax, Sry, Caz)Ga2S4:Eu (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)와 같은 티오갈레이트 계열 또는 (Bax, Sry, Caz)Al2S4:Eu (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)와 같은 티오알루미네이트 계열 등을 포함할 수 있다. 구체적으로, 녹색계 형광체(134)는 Sr2SiO4:Eu, Ba2SiO4:Eu, Ca2SiO4:Eu, SrGa2S4:Eu, BaGa2S4:Eu, CaGa2S4:Eu, Sr2Ga2S5:Eu, SrAl2S4:Eu, BaAl2S4:Eu, Sr2Al2S5:Eu, SiAlON:Eu, CaSc2O4:Ce 중에서 선택될 수 있다.
황색계 형광체(136)의 예로 (Bax, Sry, Caz)2SiO4:Eu (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)와 같은 실리케이트 계열, YAG:Ce, 또는 TAG:Ce 등을 포함할 수 있다.
적색계 형광체(138)의 예로 (Srx, Cay)S:Eu (0≤x≤1, 0≤y≤1)와 같은 황화물 계열, (Bax, Sry, Caz)2Si5N8:Eu (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)와 같은 질화물 계열, Sr3SiO5:Eu, CaAlSiN3:Eu, 또는 SrY2S4:Eu 등을 포함할 수 있다.
상기 형광체들(132, 134, 136, 138)은 모두 여기원인 청색 발광다이오드(110)의 방출광에 의해 여기되어 강한 발광을 하는 고효율의 형광체들이다. 본 개시된 백색 발광장치(100)는 상기 여기원으로부터 형광체층(101) 외부로 방출되는 청색광을 직접 이용할 수 있고 이보다 장파장 범위를 갖는 상기 형광체들(132, 134, 136, 138)로부터 방출되는 청색, 녹색, 황색, 및 적색광들이 고른 파장영역대를 가짐으로써, 청색 발광다이오드(110)의 방출광과 상기 형광체들(132, 134, 136, 138)의 방출광과의 혼색에 의해 고광속 및 고연색의 백색 발광을 할 수 있다.
종래의 황색계 형광체만 청색 발광다이오드의 상부에 도포하여 제조한 백색 발광장치의 경우, 청색과 황색의 2개 파장만을 갖고 있어, 연색성이 낮으며 풀컬러 디스플레이용 백라이트 사용에 적합하지 않다. 한편, 여기원으로서 자외선 발광다이오드를 사용할 경우, 자외선으로부터 적색까지의 에너지 차이가 청색이나 녹색의 경우보다 더 크기 때문에 적색 형광체의 효율이 낮으나, 본 개시된 백색 발광장치의 경우, 여기원으로서 청색 발광다이오드를 사용하므로 이러한 문제가 개선될 수 있다.
조명용 백색 발광장치에 있어서 광질을 평가하는 기준의 하나로 연색성 평가지수(CRI)를 들 수 있는데, CRI는 태양광을 물체에 비출 때를 기준(CRI = 100, 단위는 Ra)으로 인공 조명기구의 빛을 물체에 비출 때 15개 기준색상을 인지하는 정도를 나타낸 평가지수를 말한다. 현재 백열전구의 CRI는 80 이상이고 형광램프의 경우는 75 이상인데, 상용화된 백색 발광장치의 CRI는 대략 65∼75 정도를 나타내며, 최근에는 청색 여기 광원의 파장을 미세하게 조절해 CRI 값이 80 정도까지 개선시키고 있다.
본 개시된 백색 발광장치의 경우, 청색 발광다이오드와 형광체들을 적절한 비율로 조합하면 가시광선 영역의 대부분의 영역에서 발광토록 할 수 있어서, CRI가 90 이상일 수 있으며, 최적화를 통해 바람직하게는 CRI가 95 이상이 될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 본 개시된 백색 발광장치는 90 이상의 높은 CRI를 유지하면서도 80 lm/W 이상의 광효율을 가질 수 있다.
백색 발광장치 제작에 있어, 에폭시 수지층 또는 실리콘 수지층과 같은 투명 코팅물질이 청색 발광다이오드 칩 상부면을 포함하여 홀컵 또는 플라스틱 사출물로 형성된 반사컵 내부를 충진하게 된다. 형광체는 상기 투명 코팅물질이 경화하기 전에 분말의 형태로 상기 투명 코팅물질에 혼합된다. 다음, 상기 형광체 분말을 포함하는 경화되지 않은 상태의 슬러리는 상기 청색 발광다이오드 칩 상에 도포되고, 이어서 상기 투명 코팅물질을 경화시켜 투명 코팅층을 형성시킴으로써 백색 발광장치가 제조된다.
상기 투명 코팅층 내의 형광체 입자는 통상적으로 랜덤하게 분산된다. 그런데 형광체 입자를 포함하는 투명 코팅층을 구비한 백색 발광장치의 경우 백색광의 균일성을 획득하기가 어려울 수 있다. 이러한 불균일성은 투명 코팅물질의 슬러리에 혼합된 형광체 입자의 크기가 균일하지 않기 때문이다. 도 2를 참조하여, 형광체 입자의 크기의 불균일성에 따른 현상을 살펴보고자 한다.
도 2는 서로 다른 입자 크기를 갖는 형광체들이 투명 코팅물질과 혼합된 경우 시간경과에 따른 형광체 입자들의 분포 상태를 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, 발광다이오드 칩(210)을 형광체층(201)이 도포하고 있는 형태의 발광장치를 나타내고 있다. 형광체층(201)은 투명 코팅층(240) 내에 골고루 분산된 형광체 입자들(220, 230)을 포함하고 있다. 도 2의 왼쪽 그림에서, 형광체 분말이 투명 코팅층(240) 내에 혼합된 직후, 상대적으로 큰 형광체 입자(220)와 상대적으로 작은 형광체 입자(230)가 균일하게 분포하고 있음을 보이고 있다. 그러다가 경화공정을 앞두고 일정시간이 경과하면 비중 차이에 의해 상대적으로 큰 형광체 입자(220)가 상대적으로 작은 형광체 입자(230)보다 빨리 침강한다. 결국, 발광다이오드 칩(210) 가까이에 상대적으로 큰 형광체 입자(220)의 개수가 증가하게 되면서 전체적인 형광체 입자들(220, 230)의 분포에 변화가 있게 된다. 이후 경화공정을 거치면 형광체 입자들(220, 230)의 공간적인 분포의 불균일성이 존재하게 된다. 실제의 공정에서 발광장치 유닛들 사이에 투명 코팅물질과 형광체 혼합공정의 선후에 따라 혼합공정 후 경화공정까지의 시간에 편차가 있게 되므로, 경화 후 형광체 입자의 공간적인 분포가 각 발광장치 유닛들 사이에 다르게 된다.
이러한 편차의 존재는 백색 발광장치의 발광특성에 영향을 주며, 공간적인 분포의 불균일성이 커질수록 색좌표 분산도도 넓어지게 되어 동일 색좌표를 갖는 백색 발광장치를 재현하기 어렵게 된다. 좀더 상세히 설명하자면, 발광다이오드로부터 발생된 빛이 형광체 입자에 의해 흡수되어 발생하는 장파장의 빛과 형광체 입자에 부딪히지 않고 투과되는 일부의 빛이 서로 혼합됨에 의해 백색광이 만들어진다. 그런데 경화공정 후 크기가 큰 형광체가 발광다이오드 칩에 많이 분포하고 크기가 작은 형광체가 부유하게 되는데, 발광다이오드 칩에 의해 여기된 형광체로부터 방출된 빛이 외부로 방출되지 못하고 부유하고 있는 형광체에 부딪히게 되면 빛이 소멸 혹은 반사, 확산되거나 해당 형광체를 여기 시키게 되어 본래의 색에 해당하는 광량은 줄고 부유하고 있는 형광체의 광량이 증가하게 되어 혼합광의 총광량과 색좌표에 영향을 줄 수 있다.
형광체의 비중차이가 클수록 이러한 현상이 더 심화될 수 있어, 결국 각 발광장치 유닛들 간에 형광체 분포의 차이는 색좌표의 차이를 가져올 수 있으므로 동일 색좌표를 갖는 백색 발광장치를 재현하기 어렵다.
도 1에서 4종의 형광체를 함유하는 형광체층을 구비한 백색 발광장치에 대해 설명하였는데, 파장영역이 서로 다른 4종의 형광체들은 화학적인 조성이 다르고 형광체 입자의 평균 직경도 서로 다르다. 예를 들어, 실리케이트 형광체는 대체로 20~25 ㎛의 평균 직경을 가지며, YAG 형광체는 7~10 ㎛의 평균 직경을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 다양한 평균 직경을 갖는 여러 종류의 형광체를 혼합하여 사용할 경우, 형광체들간 침강속도의 차이에 의해 하나의 발광장치 내부에서 형광체 분포의 불균일성이 존재하게 되고, 각 발광장치 유닛간 색좌표 편차가 발생할 수 있다.
이를 개선하기 위해 본 개시된 기술은 다층구조를 갖는 형광체층을 제공한다. 도 3은 다층구조를 갖는 형광체층을 구비한 백색 발광장치의 일 실시예를 나타낸 개략적인 단면도이다. 도 3을 참조하면, 백색 발광장치(300)는 청색 발광다이오드(310) 및 이를 둘러싸는 형광체들(332, 334, 336, 338)을 함유하는 코팅부(320)로 이루어진 형광체층을 포함하고 있다. 상기 형광체층은 다시 2개의 서브층(301, 302)으로 나뉘는데, 제1 서브층(301)은 청색계 형광체(332)와 녹색계 형광체(334)를 함유하고 있고, 제2 서브층(302)은 황색계 형광체(336)와 적색계 형광체(338)를 함유하고 있다. 그리하여, 제1 서브층(301)의 청색계 형광체(332)와 녹색계 형광체(334)로부터의 혼합광과 제2 서브층(302)의 황색계 형광체(336)와 적색계 형광체(338)로부터의 혼합광이 청색 발광다이오드(310)로부터의 청색광과 혼색되어 백색 발광을 하게 된다. 이와 같이 형광체층을 다층의 서브층 구조로 구성하더라도, 전체 형광체층의 두께는 일반적인 형광체층의 두께와 동등한 수준으로 구성하는 것이 바람직하다. 전체 형광체층의 두께는 10 ㎛ 내지 1 mm이고, 바람직하게는 50 ㎛ 내지 500 ㎛이다. 형광체층을 제1 서브층(301)과 제2 서브층(302)으로 세분함으로써, 각 서브층들의 두께는 감소할 수 있다.
도 3에는 예시적으로 청색과 녹색, 그리고 황색과 적색 형광체를 각각 동일 층에 포함되도록 하였지만, 동일층에 들어가는 형광체의 크기는 서로 유사한 것이 바람직하다. 서로 유사한 크기를 갖는 형광체들을 동일 층 내에 혼합하면 각 서브층 내의 형광체들의 침강속도가 유사하므로 각 서브층의 광특성을 용이하게 제어할 수 있다. 상술한 바와 같이 적어도 2층 이상의 서브층 구조로 제조하면, 각 서브층 두께를 얇게 할 수 있어서 특정 형광체의 분포가 각 층에 국한되도록 할 수 있어, 각 형광체별 비중 차이에 의한 침전 정도의 차이를 최소화할 수 있다.
도 3의 예는 다양한 방식으로 변형될 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 여기원으로서 청색 발광다이오드 및 4종의 형광체를 구비한 형광체층을 포함하는 백색 발광장치에 있어서, 형광체층은 청색계 형광체, 녹색계 형광체, 황색계 형광체, 및 적색계 형광체로부터 선택된 적어도 하나의 형광체를 포함하는 서브층들이 2층 이상 적층된 구조를 가질 수 있다. 예를 들어 하나의 서브층에 1종, 2종 또는 3종의 형광체가 혼합될 수 있으며, 다른 서브층에도 1종, 2종 또는 3종의 형광체가 혼합될 수 있다. 예를 들어, 상기 청색, 녹색, 황색, 적색 중 청색계열의 형광체를 2종 선택하고 녹색, 황색, 적색계열의 형광체를 각 1종씩 선택하여 5층의 서브층을 구성할 수도 있고, 특정 색상을 갖는 한 종류의 형광체가 서로 다른 서브층에 동시에 포함될 수도 있는 등 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 서브층의 개수는 특별히 제한되는 것은 아니나, 공정의 효율성과 백색 발광장치의 연색성, 품질 재현성 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
형광체의 종류, 서브층의 개수 및 형광체의 혼합방식 등은 자유로이 선택할 수 있지만, 형광체층 중 하부 서브층에 포함된 형광체의 발광피크 파장영역이 상부 서브층에 포함된 형광체의 발광피크 파장영역과 동등하거나 보다 짧은 파장영역을 가지는 것이 바람직하다. 이 경우, 하부 서브층으로부터 방출되는 빛 중 외부로 투과되지 않는 빛의 일부가 그보다 상부에 위치한 서브층 내의 형광체를 어느 정도 여기시킬 수 있기 때문이다. 즉 기본적으로 최하부의 청색 발광 다이오드가 그보다 상부에 있는 서브층들 내의 모든 형광체를 여기시키는 외에도, 하부의 서브층으로부터의 방출광의 파장영역이 그보다 상부의 서브층 내의 형광체의 흡수파장영역과 어느 정도 중첩될 수 있어 상부 서브층 내의 형광체의 발광 효율을 더 높일 수 있다. 예를 들어 적색계 형광체를 다층구조의 서브층 중 최상층에 도포하게 되면 그보다 단파장의 방출광을 갖는 형광체의 빛으로부터 여기될 확률이 커질 수 있다.
도 4는 다층구조를 갖는 형광체층을 구비한 백색 발광장치의 다른 실시예를 나타낸 개략적인 단면도이다. 도 4를 참조하면, 백색 발광장치(400)는 청색 발광다이오드(410) 및 이를 둘러싸는 형광체들(432, 434, 436, 438)을 함유하는 코팅부(420)로 이루어진 형광체층을 포함하고 있다. 상기 형광체층은 4개의 서브층(401, 402, 403, 404)으로 나뉘는데, 제1 서브층(401)은 가장 단파장인 청색계 형광체(332), 제2 서브층(402)은 녹색계 형광체(434), 제3 서브층(403)은 황색계 형광체(336), 및 제4 서브층(404)은 가장 장파장인 적색계 형광체(438)를 함유하고 있다. 그리하여, 각 서브층(401, 402, 403, 404)으로부터 발산되는 빛들의 혼합광과 청색 발광다이오드(310)로부터의 청색광과 혼색되어 백색 발광을 하게 된다.
도 4와 같이 각 서브층이 한 가지 종류의 형광체를 함유하면, 각 서브층 내의 형광체의 분포의 제어가 좀더 용이하게 되고, 장파장 형광체를 위쪽으로 배치하면서 장파장 형광체의 발광효율을 좀더 극대화할 수 있다.
본 개시의 일 측면에 따르면, 청색 발광다이오드 및 형광체층을 구비한 백색 발광장치의 제조방법이 제공된다.
도 5는 백색 발광장치의 제조방법의 일 실시예를 나타낸 공정흐름도이다. 도 5를 참조하면, 단계 S1에서, 청색계 형광체, 녹색계 형광체, 황색계 형광체, 및 적색계 형광체를 각각 준비한다. 단계 S2에서, 투명 코팅물질과 상기 청색계 형광체, 녹색계 형광체, 황색계 형광체, 및 적색계 형광체 중에서 선택된 적어도 1종의 형광체를 혼합하여 형성된 제1 슬러리를 상기 청색 발광다이오드 상부에 도포한다. 단계 S3에서, 상기 제1 슬러리를 경화시켜 제1 서브층을 형성한다. 단계 S4에서, 투명 코팅물질과 상기 청색계 형광체, 녹색계 형광체, 황색계 형광체, 및 적색계 형광체 중에서 선택된 적어도 1종의 형광체를 혼합하여 형성된 제2 슬러리를 상기 제1 서브층 상부에 도포한다. 단계 S5에서, 상기 제2 슬러리를 경화시켜 제2 서브층을 형성함으로써, 다층구조를 갖는 형광체층을 구비한 백색 발광장치가 제조될 수 있다. 단, 상기 형광체층이 상기 제1 서브층 및 상기 제2 서브층을 포함하여 형성된 복수의 서브층을 구비하면서 상기 청색 발광다이오드 상부를 덮고, 상기 청색계 형광체, 상기 녹색계 형광체, 상기 황색계 형광체, 및 상기 적색계 형광체를 모두 포함하도록 한다.
예를 들어, 도 3에 나타난 백색 발광장치(300)의 제조는 제1 서브층(301)을 먼저 제조한 후 제2 서브층(302)을 이어서 제조하는 단계를 포함하는 방식으로 수행될 수 있다. 구체적으로 제1 서브층(301) 제조를 위해, 투명 코팅물질 내에 청색계 형광체(332) 및 녹색계 형광체(334)를 혼합하여 슬러리를 만들어 홀컵 또는 반사컵 내부를 충진하면서 청색 발광다이오드 상부면을 덮는다. 이어서 투명 코팅물질을 경화하여 코팅부(320)를 형성함으로써 제1 서브층(301)을 제조한다. 다음 제2 서브층(302) 제조를 위해, 투명 코팅물질 내에 황색계 형광체(336) 및 적색계 형광체(338)를 혼합하여 슬러리를 만들어 제1 서브층(301) 위에 도포한다. 이어서 투명 코팅물질을 경화하여 코팅부(320)를 추가적으로 형성함으로써 제2 서브층(302)을 제조하는 공정을 통해 백색 발광장치(300)가 제조될 수 있다.
상술한 실시예들에 따르면, 자외선 발광 다이오드 대신 효율이 좋은 청색 발광 다이오드를 사용함으로써, 자외선을 사용할 경우 여기 효율이 저조한 문제를 개선할 수 있고, 청색 발광다이오드에 의해 여기될 수 있는 좀더 장파장의 청색계 형광체를 비롯하여 녹색계, 황색계, 적색계 등 가시광선 전 영역을 커버하는 다수의 형광체를 조합함으로써 높은 연색성을 확보할 수 있다.
또한, 형광체층을 각 서브층의 적층구조로 만들면서, 색좌표 분산이 넓어지고 각 발광장치 유닛 간 편차가 커지는 점을 개선하여 재현성을 확보할 수 있다. 또한 하부 서브층의 형광체에 의해 상부 서브층의 형광체를 추가적으로 여기할 수 있으므로, 장파장 영역의 형광체의 효율이 높아질 수 있다.
이상에서 개시된 기술의 실시예들에 대해 상세히 기술하였지만, 해당 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 개시된 기술의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 개시된 기술을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 청색 발광다이오드; 및
    상기 청색 발광다이오드로부터 방출되는 빛을 흡수하고, 흡수한 빛의 파장과 다른 파장을 갖는 빛을 발광하는 형광체층을 포함하되,
    상기 청색 발광다이오드는 질화갈륨계 반도체 발광층을 구비하면서, 410nm 이상 460nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 가지고,
    상기 형광체층은 460nm 이상 500nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 갖는 청색계 형광체, 500nm 이상 550nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 갖는 녹색계 형광체, 550nm 이상 600nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 갖는 황색계 형광체, 및 600nm 이상 660nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 갖는 적색계 형광체를 구비함으로써,
    상기 청색 발광다이오드로부터 방출되는 빛과 상기 형광체층으로부터 방출되는 청색, 녹색, 황색 및 적색 빛의 혼색에 의해 백색의 빛을 발하는 백색 발광장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 형광체층은 상기 청색계 형광체, 상기 녹색계 형광체, 상기 황색계 형광체, 및 상기 적색계 형광체로부터 선택된 적어도 하나의 형광체를 포함하는 서브층들이 2층 이상 적층된 구조를 갖는 백색 발광장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 형광체층 중 하부 서브층에 포함된 형광체의 발광피크 파장영역이 상부 서브층에 포함된 형광체의 발광피크 파장영역과 동등하거나 보다 짧은 파장영역을 갖는 백색 발광장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 형광체층이 4개의 서브층으로 구성되며, 상기 청색계 형광체, 상기 녹색계 형광체, 상기 황색계 형광체, 및 상기 적색계 형광체가 상기 청색 발광다이오드의 상부로부터 순서대로 적층된 백색 발광장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    CRI 값이 90 이상인 백색 발광장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    80 lm/W 이상의 광효율을 가지는 백색 발광장치.
  7. 청색 발광다이오드 및 형광체층을 구비한 백색 발광장치의 제조방법에 있어서,
    460nm 이상 500nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 갖는 청색계 형광체, 500nm 이상 550nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 갖는 녹색계 형광체, 550nm 이상 600nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 갖는 황색계 형광체, 및 600nm 이상 660nm 미만의 파장영역에서 발광피크를 갖는 적색계 형광체를 각각 준비하는 단계;
    투명 코팅물질과 상기 청색계 형광체, 상기 녹색계 형광체, 상기 황색계 형광체, 및 상기 적색계 형광체 중에서 선택된 적어도 1종의 형광체를 혼합하여 형성된 제1 슬러리를 상기 청색 발광다이오드 상부에 도포하는 단계;
    상기 제1 슬러리를 경화시켜 제1 서브층을 형성하는 단계;
    투명 코팅물질과 상기 청색계 형광체, 상기 녹색계 형광체, 상기 황색계 형광체, 및 상기 적색계 형광체 중에서 선택된 적어도 1종의 형광체를 혼합하여 형성된 제2 슬러리를 상기 제1 서브층 상부에 도포하는 단계; 및
    상기 제2 슬러리를 경화시켜 제2 서브층을 형성하는 단계를 포함하여 수행하되,
    상기 형광체층이 상기 제1 서브층 및 상기 제2 서브층을 포함하여 형성된 복수의 서브층을 구비하면서 상기 청색 발광다이오드 상부를 덮고, 상기 청색계 형광체, 상기 녹색계 형광체, 상기 황색계 형광체, 및 상기 적색계 형광체를 모두 포함하는 백색 발광장치의 제조방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 형광체층 중 하부 서브층에 포함된 형광체의 발광피크 파장영역이 상부 서브층에 포함된 형광체의 발광피크 파장영역과 동등하거나 보다 짧은 파장영역을 갖는 백색 발광장치의 제조방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 형광체층이 4개의 서브층으로 구성되며, 상기 청색계 형광체, 상기 녹색계 형광체, 상기 황색계 형광체, 및 상기 적색계 형광체가 상기 청색 발광다이오드의 상부로부터 순서대로 적층된 백색 발광장치의 제조방법.
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