KR20120009859A - 유리 형광 렌즈를 이용한 발광다이오드 램프 및 그 제조방법 - Google Patents

유리 형광 렌즈를 이용한 발광다이오드 램프 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 양극 및 음극의 프레임과, 전압을 인가하면 자외선 또는 가시광선을 발광하는 발광다이오드 칩과, 상기 프레임과 상기 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어 및, 상기 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 장착된 유리 형광 렌즈를 포함하며, 상기 유리 형광 렌즈는 유리 프릿에 형광체가 균일하게 분산되어 있는 구조를 가지며, 상기 발광다이오드 칩과 상기 유리 형광 렌즈는 이격되어 있고, 상기 발광다이오드 칩의 발광면과 상기 유리 형광 렌즈 사이에는 빈 공간인 공기층으로 이루어진 발광다이오드 램프 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 저융점 유리 프릿과 형광체를 압착 및 가열하여 제조되어 유리 중에 형광체가 균일하게 분산된 구조를 갖는 유리 형광 렌즈를 이용함으로써 화학적으로 안정적이고 고출력의 광에 장기간 노출되어도 변색을 억제할 수 있다.

Description

유리 형광 렌즈를 이용한 발광다이오드 램프 및 그 제조방법{Light emitting diode lamp using glass fluorescence lens and manufacturing method of the same}
본 발명은 발광다이오드 램프 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저융점 유리 프릿과 형광체를 압착 및 가열하여 제조되어 유리 중에 형광체가 균일하게 분산된 구조를 갖는 유리 형광 렌즈를 이용함으로써 화학적으로 안정적이고 고출력의 광 및 고온환경에 장기간 노출되어도 변색을 억제할 수 있는 발광다이오드 램프 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발광다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전기 에너지를 자외선이나 가시광선으로 변환하여 빛을 방출하는 소자이다. 발광다이오드를 광원으로 사용하는 발광다이오드 램프는, 소비 전력이 적게 들고, 수명이 길며, 신뢰성이 높다는 장점이 있다.
일반적인 발광다이오드 램프는 발광다이오드(LED) 칩을 투명 수지로 밀봉하여 제조되며, 휴대형 통신 기기, 퍼스널 컴퓨터 주변 기기, 사무자동화 기기, 가정용 전기 기기 등의 표시부에 사용되는 액정표시장치의 백라이트, 신호 장치, 각종 스위치, 차량 탑재용 램프, 일반 조명 등의 조명 장치에 폭넓게 이용되고 있다.
발광다이오드 램프는, 다양한 발광색을 갖는 형광체를 조합하여 청색부터 적색까지 사용 용도에 따라 다양한 가시광선을 발색할 수 있다.
백색광을 발색하는 발광다이오드 램프(이하 '백색 LED 램프'라 함)는, 액정표시장치의 백라이트, 차량 탑재용 램프 등의 용도로 사용되어 수요가 급증하고 있으며, 최근에는 형광 램프(형광등)을 대체할 수 있는 조명 장치로도 사용되고 있어 효용 가치가 크게 기대되고 있다.
이러한 백색 LED 램프는 청색을 발광하는 발광다이오드(청색 LED)와 황색을 발광하는 발광다이오드(황색 LED)를 조합하거나, 청색을 발광하는 발광다이오드, 녹색을 발광하는 발광다이오드 및 적색을 발광하는 발광다이오드를 조합하여 제조되고 있다.
한편, 형광체를 이용하여 황색 또는 청색 등으로 파장 변환하는 발광다이오드 램프는, 발광다이오드 칩의 발광면을 밀봉하는 유기계 바인더 수지로 이루어진 투명 수지 등에 형광체 분말을 혼합하여 몰드하고, 발광다이오드 칩의 발광을 일부 또는 전부 흡수하여 원하는 파장으로 변환하고 있다.
그러나, 발광다이오드 램프에서 발광다이오드 칩을 밀봉하는 투명 수지는 가시광선이나 자외선 등의 고출력화에 따른 칩 발열량의 급증으로 인해 열화되거나 변색되는 문제가 있다. 따라서, 투명 수지의 열화 또는 변색에 의해 광효율과 색순도가 저하되고, 이에 따라 발광다이오드 램프의 수명이 감소하고 신뢰도가 떨어지게 된다.
또한, 발광다이오드 램프 제조 시에 투명 수지를 발광다이오드 칩에 접착제를 이용하여 부착시키고 있는데, 가시광선이나 자외선 등의 고출력화에 따른 칩 발열량의 급증에 의해 접착제가 열화되어 발광다이오드 램프의 광효율과 색순도가 저하되고 이에 따라 발광다이오드 램프의 수명이 감소하고 신뢰도가 떨어지는 문제가 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 저융점 유리 프릿과 형광체를 압착 및 가열하여 제조되어 유리 중에 형광체가 균일하게 분산된 구조를 갖는 유리 형광 렌즈를 이용함으로써 화학적으로 안정적이고 고출력의 광 및 고온환경에 장기간 노출되어도 변색을 억제할 수 있으며, 유기계 투명 수지를 사용하지 않고 또한 유기계 투명 수지를 발광다이오드 칩에 접착제로 부착시키지 않기 때문에 가시광선이나 자외선 등의 고출력화에 따른 칩 발열량의 급증으로 인해 열화되거나 변색되는 문제가 없으며, 광효율과 색순도가 저하되는 종래의 문제를 개선할 수 있고 수명이 길고 신뢰성이 높은 특성을 갖는 발광다이오드 램프 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 양극 및 음극의 프레임과, 전압을 인가하면 자외선 또는 가시광선을 발광하는 발광다이오드 칩과, 상기 프레임과 상기 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어 및, 상기 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 장착된 유리 형광 렌즈를 포함하며, 상기 유리 형광 렌즈는 유리 프릿에 형광체가 균일하게 분산되어 있는 구조를 가지며, 상기 발광다이오드 칩과 상기 유리 형광 렌즈는 이격되어 있고, 상기 발광다이오드 칩의 발광면과 상기 유리 형광 렌즈 사이에는 빈 공간인 공기층으로 이루어진 발광다이오드 램프를 제공한다.
상기 유리 프릿은, 알칼리 성분을 함유하지 않는 ZnO-B2O3-SiO2계, ZnO-B2O3-SiO2-Al2O3계, ZnO-B2O3-SiO2-Al2O3계, ZnO-B2O3-SiO2-Al2O3-P2O5계, PbO-B2O3-SiO2계, PbO-B2O3-SiO2-Al2O3계, PbO-ZnO-B2O3-SiO2계, PbO-ZnO-B2O3-SiO2-Al2O3계, Bi2O3-B2O3-SiO2계, Bi2O3-B2O3-SiO2-Al2O3계 및 Bi2O3-ZnO-B2O3-SiO2-Al2O3계 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 물질로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 형광체는, 적색 형광체로 SrS:Eu3+, Y2O2S:Eu3+, Y2O3:Eu3+, Y2SiO5:Eu3+, (Y,Gd)BO3:Eu3+, Y3Al5O12:Eu3+, YVO4:Eu3+, Zn3(PO4)2:Mn, SrTiO3:Pr 및 Y2O2S:Eu 중에서 선택된 1종 이상의 적색 형광체이거나, LaPO4:Ce3+:Tb3+, CeMgAl11O19:(Ce3+):Tb3+, GdMgB5O10:Ce3+:Tb3+, Zn2SiO4:Mn, BaAl12O19:Mn, BaMgAl14O23:Mn, Y3(Al,Ga)5O12:Tb, LaPO4:(Ce,Tb), ZnS:(Cu,Al), Zn(Ga,Al)2O2:Mn, Y2SiO2:Tb 및 Y2(Al,Ga)2O2:Tb 중에서 선택된 1종 이상의 녹색 형광체이거나, BaMg2Al16O27:Eu2+, (Sr,Ca,Ba)5(PO4)3Cl:Eu2+, (Zn,Cd)S:Ag, Y2SiO5:Ce, BaMgAl10O17:Eu2+, BaMgAl14O23:Eu2+, (Ca,Sr,Ba)10(PO4)6Cl2:Eu2+, ZnGaO4, ZnSAgCl 및 Y2SiO2:Ce 중에서 선택된 1종 이상의 청색 형광체이거나, Sr4Al14O25:Eu2+, (Ba,Ca,Mg)5(PO4)3Cl:Eu2+ 및 2SrO0.84P2O50.16B2O3:Eu2+ 중에서 선택된 1종 이상의 녹색과 청색의 중간 파장을 나타내는 형광체이거나, 상기 적색 형광체, 상기 녹색 형광체 및 상기 청색 형광체가 혼합된 형광체로 이루어진 것일 수 있다.
또한, 상기 형광체는 Y3Al5O12:Ce3+, Y3Al5SiO12:Ce3+, Tb3Al5O12:Ce3+, Tb3Al5SiO12:Ce3+, Ba-오르소실리케이트, (Ca,Sr,Ba)-오르소실리케이트, (Sr,Ba,Mg)-오르소실리케이트 및 Sr3SiO5:Eu 중에서 선택된 1종 이상의 황색 형광체로 이루어진 것일 수 있다.
상기 형광체는 청색 형광체이고, 상기 청색 형광체가 여기되어 빛을 방출할 때 색순도를 높여주기 위하여 상기 유리 프릿은 청색을 발색하는 코발트(Co)를 유리 프릿 100중량부에 대하여 0.1?0.3중량부 함유할 수 있다.
상기 형광체는 상기 녹색 형광체이고, 상기 녹색 형광체가 여기되어 빛을 방출할 때 색순도를 높여주기 위하여 상기 유리 프릿은 녹색을 발색하는 크롬(Cr) 또는 구리(Cu)를 유리 프릿 100중량부에 대하여 0.4?2중량부 함유할 수 있다.
상기 형광체는 적색 형광체이고, 상기 적색 형광체가 여기되어 빛을 방출할 때 색순도를 높여주기 위하여 상기 유리 프릿은 적색을 발색하는 금(Au) 또는 구리(Cu)를 유리 프릿 100중량부에 대하여 1?2중량부 함유할 수 있다.
상기 유리 프릿은 400?550℃ 범위의 유리전이점을 갖는 저융점 유리 프릿으로 이루어진 것일 수 있다.
상기 유리 형광 렌즈를 구성하는 상기 유리 프릿과 상기 형광체의 중량비는 85?99.5:0.5?15 범위인 것이 바람직하다.
상기 유리 형광 렌즈의 두께 편차는 길이 방향에 따라 10% 이내로서 상기 유리 형광 렌즈의 길이 방향에 따른 두께가 균일한 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 유리 프릿과 형광체를 혼합하는 단계와, 상기 유리 프릿과 성기 형광체의 혼합물을 성형 몰드에 투입하고, 가열 및 압착하여 목표하는 형상의 유리 형광 렌즈로 성형하는 단계와, 성형된 유리 형광 렌즈를 서냉하는 단계와, 서냉된 유리 형광 렌즈를 성형 몰드에서 탈착하는 단계와, 프레임 상부에 자외선 또는 가시광선을 발광하는 발광다이오드 칩이 안착되어 있고 상기 프레임과 상기 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어가 본딩되어 있는 발광다이오드 램프를 준비하는 단계 및 상기 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 상기 유리 형광 렌즈를 장착하는 단계를 포함하며, 상기 유리 형광 렌즈는 유리 프릿에 형광체가 균일하게 분산되어 있는 구조를 가지며, 상기 발광다이오드 칩의 발광면과 상기 유리 형광 렌즈 사이에는 빈 공간인 공기층으로 이루어지게 상기 발광다이오드 칩과 상기 유리 형광 렌즈를 이격되게 장착하는 발광다이오드 램프의 제조방법을 제공한다.
상기 유리 프릿은 400?550℃ 범위의 유리전이점을 갖는 저융점 유리 프릿으로 이루어지고, 상기 가열은 상기 유리 프릿의 유리전이점보다 높은 450?600℃ 범위의 온도로 설정하는 것이 바람직하다.
상기 유리 프릿과 상기 형광체는 85?99.5:0.5?15 범위의 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다.
상기 성형하는 단계는, 상기 유리 형광 렌즈의 두께 편차가 길이 방향에 따라 10% 이내로서 상기 유리 형광 렌즈의 길이 방향에 따른 두께가 균일하게 되도록 성형하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 유리 형광 렌즈는 저융점 유리 프릿과 형광체를 압착 및 가열하여 제조되고, 유리 중에 형광체가 분산된 구조를 가지고 있다. 따라서, 유리 형광 렌즈는 화학적으로 안정적이고, 고출력의 광 및 고온환경에 장기간 노출되어도 변색을 억제할 수 있다.
본 발명에서는 유기계 투명 수지를 사용하지 않음으로써 가시광선이나 자외선 등의 고출력화에 따른 칩 발열량의 급증으로 인해 열화되거나 변색되는 문제가 없으며, 유리 형광 렌즈는 가시광선이나 자외선에 의해 열화되거나 변색되지 않으며, 따라서 광효율과 색순도가 저하되는 문제를 개선할 수 있고, 이에 따라 발광다이오드 램프의 수명이 길고 신뢰성이 높다는 장점이 있다.
또한, 발광다이오드 램프 제조 시에 유기계 투명 수지를 발광다이오드 칩에 접착제로 부착시키지 않기 때문에, 가시광선이나 자외선 등의 고출력화에 따른 칩 발열량의 급증에 의해 접착제가 열화되는 문제가 없으며, 따라서 발광다이오드 램프의 광효율과 색순도가 저하되는 종래의 문제를 개선할 수 있으며, 이에 따라 발광다이오드 램프의 수명이 길어지고 신뢰성이 높아진다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 발광다이도드 램프를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 발광다이도드 램프를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 유리 형광 렌즈를 제조하는 방법을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 4는 상부금형 및 하부금형을 포함하는 성형 몰드를 보여주는 사진이다.
도 5는 600℃에서 가열 및 압착하여 형성한 유리 형광 렌즈의 발광 스펙트럼을 보여주는 그래프로서 565㎚의 주피크를 갖는 황색 발광의 예를 보여주고 있는 도면이다.
도 6은 도 5의 발광 스펙트럼의 CIE 좌표를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광다이오드 램프는 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이, 양극 및 음극의 프레임(110)과, 전압을 인가하면 자외선 또는 가시광선을 발광하는 발광다이오드 칩(120)과, 프레임(110)과 발광다이오드 칩(120)의 전기적 연결을 위한 와이어(130)와, 발광다이오드 칩(120)의 발광면 상부에 장착된 유리 형광 렌즈(140)를 포함한다. 발광다이오드 칩(120)과 유리 형광 렌즈(140)는 소정 거리 이격되어 있는 구조를 가지며, 발광다이오드 칩(120)의 발광면과 유리 형광 렌즈(140) 사이에는 빈 공간인 공기층으로 이루어지게 된다. 공기층은 굴절율이 1로서 발광다이오드 칩(120)에서 발생한 광을 난반사 없이 그대로 유리 형광 렌즈(140)로 전달하는 매체의 역할을 한다.
상기 발광다이오드 칩(120)은 전압을 인가하면 380?770nm 영역에 발광 스펙트럼의 주피크를 갖는 가시광선을 발생시키거나 150?380nm 영역에 발광 스펙트럼의 주피크를 갖는 자외선을 발생시키는 발광다이오드 칩일 수 있다. 상기 발광다이오드 칩의 예로써 GaAs, GaP, GaAs1 -xPx(0〈x〈1), Ga1 -xAlxAs(0〈x〈1), InP, In1 -xGaxP(0〈x〈1), GaN, AlN, InN, InGaN, AlxGa1 -xN(0〈x〈1), InxGa1 -xN(0〈x〈1), Ga1-xAl1-yIn1-zN(0≤x, y, z＜1) 등을 들 수 있다.
유리 형광 렌즈(140)는 유리전이점(glass transition temperature)을 알고 있는 저융점 유리 프릿(Frit)과 형광체를 일정량 혼합하고, 가열 압착하여 목표하는 형상으로 제조할 수 있으며, 이에 따라 형광체간 결합 강도는 저융점 유리 프릿에 의해 증가되게 된다. 유리 형광 렌즈(140)는 도 1에 도시된 바와 같이 반구형에 가까운 형상으로 이루어질 수도 있으나, 도 2에 도시된 바와 같이 유리 형광 렌즈(140)는 길이 방향에 따라 동일한 두께로 제작될 수도 있다. 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이 제1 지점에서의 두께(T1)와 제2 지점에서의 두께(T2)가 동일하게 형성됨에 따라 발광다이오드 램프의 발광 효율이 유리 형광 렌즈(140)의 길이 방향 전체에서 동일할 수 있는 장점이 있다. 유리 형광 렌즈(140)의 길이 방향에 따른 두께 편차는 10% 이내인 것이 발광다이오드 램프의 발광 효율 면에서 바람직하다. 이와 같이 유리 형광 렌즈(140)의 길이 방향에 따른 두께를 균일하게 하는 것은 유리 형광 렌즈(140)의 외부면과 내부면 곡률을 동일하게 구현함으로써 가능하게 된다.
유리 형광 렌즈(140) 형성을 위한 형광체로는 다음과 같은 것을 사용할 수 있다. 적색 형광체로 SrS:Eu3+, Y2O2S:Eu3+, Y2O3:Eu3+, Y2SiO5:Eu3+, (Y,Gd)BO3:Eu3+, Y3Al5O12:Eu3+, YVO4:Eu3+, Zn3(PO4)2:Mn, SrTiO3:Pr, 또는 Y2O2S:Eu을 사용할 수 있고, 녹색 형광체로 LaPO4:Ce3+:Tb3+, CeMgAl11O19:(Ce3+):Tb3+, GdMgB5O10:Ce3+:Tb3+, Zn2SiO4:Mn, BaAl12O19:Mn, BaMgAl14O23:Mn, Y3(Al,Ga)5O12:Tb, LaPO4:(Ce,Tb), ZnS:(Cu,Al), Zn(Ga,Al)2O2:Mn, Y2SiO2:Tb 또는 Y2(Al,Ga)2O2:Tb을 사용할 수 있으며, 청색 형광체로 BaMg2Al16O27:Eu2+, (Sr,Ca,Ba)5(PO4)3Cl:Eu2+, (Zn,Cd)S:Ag, Y2SiO5:Ce, BaMgAl10O17:Eu2+, BaMgAl14O23:Eu2+, (Ca,Sr,Ba)10(PO4)6Cl2:Eu2+, ZnGaO4, ZnSAgCl 또는 Y2SiO2:Ce을 사용할 수 있으며, 녹색과 청색의 중간 파장을 나타내는 형광체로 Sr4Al14O25:Eu2+, (Ba,Ca,Mg)5(PO4)3Cl:Eu2+ 또는 2SrO0.84P2O50.16B2O3:Eu2+를 사용할 수 있다. 또한, 유리 형광 렌즈(140) 형성을 위한 형광체는 상기 적색 형광체, 상기 녹색 형광체 및 상기 청색 형광체가 혼합된 형광체로 이루어진 것일 수도 있다.
또한, 상기 형광체는 황색 형광체로서 Y3Al5O12:Ce3+, Y3Al5SiO12:Ce3+, Tb3Al5O12:Ce3+, Tb3Al5SiO12:Ce3+, Ba-오르소실리케이트(Ba-orthosilicate), (Ca,Sr,Ba)-오르소실리케이트(orthosilicate) 및 (Sr,Ba,Mg)-오르소실리케이트, Sr3SiO5:Eu 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어진 것일 수 있다.
이러한 형광체에 저융점 유리 프릿(glass frit)을 혼합하여 유리 형광 렌즈(140)를 만들 수 있다. 유리 프릿은 응집력이나 접착력이 있어 형광체를 결합하는 역할을 하는데, 형광체와 저융점 유리 프릿을 혼합하여 압착 및 가열하게 되면, 저융점 유리 프릿은 압착 및 가열되는 과정에서 연화되어 형광체의 입자들을 결합시키는 역할을 한다.
형광체와 혼합되는 저융점 유리 프릿의 유리전이점은 400?550℃ 범위인 특성을 갖는 것이 바람직하다. 압착 및 가열 공정에서 450?600℃ 정도의 온도에서 열처리가 이루어지게 되는데 저융점 유리 프릿의 유리전이점은 상기 열처리 온도보다 낮은 온도를 갖는 것이 바람직하다.
상기 저융점 유리 프릿은 무알칼리 조성을 갖는 유리 프릿을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 저융점 유리 프릿으로는 산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)계, 산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)-인산(P2O5)계, 산화납(PbO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)계, 산화납(PbO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화납(PbO)-산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)계, 산화납(PbO)-산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화비스무트(Bi2O3)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)계, 산화비스무트(Bi2O3)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계 및 산화비스무트(Bi2O3)-산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 유리 프릿을 사용할 수 있다.
저융점 유리 프릿과 형광체의 혼합비율은 85?99.5:0.5?15(유리 프릿:형광체의 중량비)가 되도록 하는 것이 바람직하다. 유리 프릿의 함량이 85중량% 미만일 경우에 형광체의 함량 과다로 인하여 빛 투과량이 작아 발광효율이 감소할 수 있고, 유리 프릿의 함량이 99.5중량%를 초과하는 경우에는 형광체 함량이 0.5중량% 이하로 낮아져 발광다이오드 칩으로부터 발광되는 가시광선이나 자외선의 흡수 후 가시광선 변환율이 작아 백색광을 구현하는데 애로가 있다.
또한, 청색 형광체에 혼입되는 상기 저융점 유리 프릿은 청색을 발색하는 코발트(Co)를 저융점 유리 프릿 100중량부에 대하여 0.1?0.3중량부 함유할 수 있고, 녹색 형광체에 혼입되는 저융점 유리 프릿은 녹색을 발색하는 크롬(Cr) 또는 구리(Cu)를 저융점 유리 프릿 100중량부에 대하여 0.4?2중량부 함유할 수 있으며, 적색 형광체에 혼입되는 저융점 유리 프릿은 적색을 발색하는 금(Au) 또는 구리(Cu)를 저융점 유리 프릿 100중량부에 대하여 1?2중량부 함유할 수 있다. 저융점 유리 프릿에 색을 발하는 코발트(Co), 크롬(Cr)과 같은 발색 미립자가 함유되게 되면 형광체가 여기되어 빛을 방출할 때 색순도를 높여주는 효과가 있다. 그러나, 코발트(Co), 크롬(Cr)과 같은 발색 미립자가 너무 많이 함유되면 휘도를 감소시키는 원인이 되고 너무 적게 함유되면 목표하는 만큼의 충분한 색순도 향상 효과를 기대하기 어려우므로, 코발트(Co), 크롬(Cr)과 같은 발색 미립자는 저융점 유리 프릿에 대하여 상술한 범위의 함량으로 함유되게 하는 것이 바람직하다.
도 3은 유리 형광 렌즈를 제조하는 방법을 설명하기 위하여 도시한 도면이다. 본 발명의 유리 형광 렌즈는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.
저융점 유리 프릿과 형광체를 목표하는 함량으로 칭량하여 용매와 함께 혼합한다(S10). 상기 용매는 에탄올과 같은 유기 용매인 것이 바람직하다. 이때, 용매로서 물은 사용하지 않는 것이 바람직한데, 저융점 유리 프릿이 녹을 수 있고 발포 현상이 일어날 수 있기 때문이다.
상기 혼합은 볼 밀링 공정을 이용할 수 있다. 이하에서 볼 밀링 공정을 자세하게 설명한다. 칭량된 저융점 유리 프릿과 형광체를 균일하게 혼합하기 위하여 볼밀링기(ball milling machine)에 장입하여 일정 속도로 회전시켜 균일하게 혼합한다. 볼 밀링에 사용되는 볼은 폴리머 재질의 볼을 사용하는 것이 바람직하다. 알루미나, 지르코니아와 같은 세라믹으로 이루어진 볼을 사용할 경우에는 형광체 또는 유리 형광 렌즈가 검게 변하는 문제가 있을 수 있다. 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼 밀링기의 분당 회전속도 등을 조절하는데, 볼의 크기는 1㎜?10㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼 밀링기의 회전속도는 10?500rpm 정도의 범위로 설정할 수 있다. 볼 밀링은 10분?48시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 볼 밀링에 의해 저융점 유리 프릿과 형광체는 균일하게 혼합되게 된다.
혼합이 완료된 저융점 유리 프릿과 형광체를 건조한다. 상기 건조는 60?200℃의 온도에서 10분?12시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
건조된 저융점 유리 프릿과 형광체의 혼합물을 목표하는 형태의 유리 형광 렌즈로 형성하기 위한 성형 몰드에 투입한다(S20). 성형 몰드는 표면 강도가 높고 유리 프릿이 붙는 현상을 억제하기 위하여 접촉각이 낮은 물질로 이루어진 것이 바람직하며, 이를 위해 백금(Pt), DLC(diamond-like-carbon)과 같은 물질로 이루어지거나 백금(Pt) 또는 DLC(diamond-like-carbon)과 같은 물질로 표면이 코팅된 성형 몰드인 것이 바람직하다. 도 4는 상부금형 및 하부금형을 포함하는 성형 몰드를 보여주는 사진이다.
성형 몰드는 상부 금형과 하부 금형을 포함할 수 있으며, 건조된 혼합물을 하부 금형에 넣고 상부 금형으로 압착하여 원하는 형태의 유리 형광 렌즈로 제작할 수 있다(S30). 이때, 압착하는 과정에서 가열 수단을 이용하여 저융점 유리 프릿과 형광체의 혼합물을 가열하며, 상기 가열은 저융점 유리 프릿의 유리전이온도보다는 높은 온도로 설정한다. 가열 온도는 450?600℃ 정도의 온도로 설정하는 것이 바람직하며, 가열 온도가 600℃를 초과할 경우에는 형광체의 열화 현상이 발생할 수 있다는 문제점이 있고, 가열 온도가 450℃ 미만일 경우에는 유리 프릿의 상변화에 의한 점성을 감소시키는데 한계가 있다. 상기 가열에 의해 유리 프릿은 상변화가 있게 되며 연화되어 흐물흐물해져서 형광체의 입자들을 결합시키게 된다. 유리 점도는 108?1011 포이즈(poise) 정도인 것이 바람직한데, 108 포이즈 미만에서는 성형 후에 냉각 시간이 길어지고 냉각 시에 국부적이 수축에 의한 변형이 발생하여 원하는 유리 형광 렌즈의 형상으로 제어하기 어려울 수 있고, 1011 포이즈를 초과하는 경우에는 유리가 점 탄성변형을 하게 되어 성형 후의 냉각 공정에서 탄성회복 현상이 일어나 유리 형광 렌즈의 형상을 변형시킬 수 있다. 상부 금형에 의해 가압되는 압력은 100?1200Kgf/㎠ 정도인 것이 바람직하다.
앞서도 설명한 바와 같이, 유리 형광 렌즈(140)는 도 1에 도시된 바와 같이 반구형에 가까운 형상으로 성형할 수도 있으나, 도 2에 도시된 바와 같이 유리 형광 렌즈(140)는 길이 방향에 따라 동일한 두께로 셩형할 수도 있다. 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이 제1 지점에서의 두께(T1)와 제2 지점에서의 두께(T2)가 동일하게 형성됨에 따라 발광다이오드 램프의 발광 효율이 유리 형광 렌즈(140)의 길이 방향에 따라 동일할 수 있는 장점이 있다. 유리 형광 렌즈(140)의 길이 방향에 따른 두께 편차는 10% 이내가 되게 성형하는 것이 발광다이오드 램프의 발광 효율 면에서 바람직하다. 이와 같이 유리 형광 렌즈(140)의 길이 방향에 따른 두께를 균일하게 성형하는 것은 유리 형광 렌즈(140)의 외부면과 내부면 곡률을 동일하게 구현함으로써 가능하게 된다.
가열 압착을 실시한 후에는 성형된 유리 형광 렌즈를 서냉시킨다(S40). 상기 서냉은 유리 점도가 1012?1015 포이즈 정도가 될 때까지 압력을 감소시키면서 수행하는 것이 바람직하다. 이때 유리 점도가 1012 포이즈 미만일 경우에는 성형된 유리 형광 렌즈의 형상이 변형될 염려가 있고, 1015 포이즈를 초과하는 경우에는 더 이상의 형상 변형이 발생할 염려가 없기 때문이다.
유리 점도가 1015 포이즈를 초과하게 굳어지면, 상온까지 서냉시켜 성형 몰드로부터 유리 형광 렌즈를 꺼낸다(S50).
유리 형광 렌즈 표면의 이물질을 제거하고 조도 개선을 위하여 표면을 연마하는 공정을 수행할 수도 있다.
이와 같이 제조된 유리 형광 렌즈(140)는 유리에 형광체(140a)가 균일하게 분산되어 있는 구조를 갖는다. 도 5는 600℃에서 가열 및 압착하여 형성한 유리 형광 렌즈의 발광 스펙트럼을 보여주는 그래프로서, 565㎚의 주피크를 갖는 황색 발광의 예를 보여주고 있으며, 도 5은 발광 스펙트럼의 CIE 좌표를 보여주는 도면이다.
상술한 유리 형광 렌즈(140)를 이용하여 도 1에 도시된 바와 같은 발광다이오드 램프를 제작한다.
더욱 구체적으로 살펴보면, 발광다이오드 램프를 제작하기 위하여 프레임(110) 상부에 자외선 또는 가시광선을 발광하는 발광다이오드 칩(120)을 안착시키고, 프레임(110)과 발광다이오드 칩(120)의 전기적 연결을 위한 와이어(130)를 본딩한 후, 상기 발광다이오드 칩(120)의 발광면 상부에 유리 형광 렌즈(140)를 장착한다. 유리 형광 렌즈(140)는 일반적으로 알려져 있는 공기 압축식 방법으로 발광다이오드 램프에 장착될 수 있다. 유리 형광 렌즈(140)는 발광다이오드 칩(120)의 발광면 주위를 전체적으로 커버하는 형태로 제작하여 장착할 수도 있다.
유리전이점(glass transition temperature)을 알고 있는 저융점 유리 프릿(Frit)과 형광체를 일정량 혼합하고 가열 압착하여 목표하는 형상의 유리 형광 렌즈를 제조함으로써, 유리 프릿은 응집력이나 접착력이 있어 형광체를 결합하는 역할을 하여 형광체간 결합 강도는 증가되게 된다.
본 발명에서는 유기계 투명 수지를 사용하지 않음으로써 가시광선이나 자외선 등의 고출력화에 따른 칩 발열량의 급증으로 인해 열화되거나 변색되는 문제가 없다. 본 발명의 유리 형광 렌즈는 가시광선이나 자외선에 의해 열화되거나 변색되지 않으며, 따라서 광효율과 색순도가 저하되는 문제를 개선할 수 있고, 이에 따라 발광다이오드 램프의 수명이 길고 신뢰성이 높다는 장점이 있다.
또한, 발광다이오드 램프 제조 시에 유기계 투명 수지를 발광다이오드 칩에 접착제로 부착시키지 않기 때문에, 가시광선이나 자외선 등의 고출력화에 따른 칩 발열량의 급증에 의해 접착제가 열화되는 문제가 없으며, 따라서 발광다이오드 램프의 광효율과 색순도가 저하되는 종래의 문제를 개선할 수 있으며, 이에 따라 발광다이오드 램프의 수명이 길어지고 신뢰성이 높아진다는 장점이 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
110: 프레임 120: 발광다이오드 칩
130: 와이어 140: 유리 형광 렌즈

Claims (14)

  1. 양극 및 음극의 프레임;
    전압을 인가하면 자외선 또는 가시광선을 발광하는 발광다이오드 칩;
    상기 프레임과 상기 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어; 및
    상기 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 장착된 유리 형광 렌즈를 포함하며,
    상기 유리 형광 렌즈는 유리 프릿에 형광체가 균일하게 분산되어 있는 구조를 가지며,
    상기 발광다이오드 칩과 상기 유리 형광 렌즈는 이격되어 있고, 상기 발광다이오드 칩의 발광면과 상기 유리 형광 렌즈 사이에는 빈 공간인 공기층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유리 형광 렌즈를 이용한 발광다이오드 램프.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유리 프릿은,
    알칼리 성분을 함유하지 않는 ZnO-B2O3-SiO2계, ZnO-B2O3-SiO2-Al2O3계, ZnO-B2O3-SiO2-Al2O3계, ZnO-B2O3-SiO2-Al2O3-P2O5계, PbO-B2O3-SiO2계, PbO-B2O3-SiO2-Al2O3계, PbO-ZnO-B2O3-SiO2계, PbO-ZnO-B2O3-SiO2-Al2O3계, Bi2O3-B2O3-SiO2계, Bi2O3-B2O3-SiO2-Al2O3계 및 Bi2O3-ZnO-B2O3-SiO2-Al2O3계 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유리 형광 렌즈를 이용한 발광다이오드 램프.
  3. 제1항에 있어서, 상기 형광체는,
    적색 형광체로 SrS:Eu3+, Y2O2S:Eu3+, Y2O3:Eu3+, Y2SiO5:Eu3+, (Y,Gd)BO3:Eu3+, Y3Al5O12:Eu3+, YVO4:Eu3+, Zn3(PO4)2:Mn, SrTiO3:Pr 및 Y2O2S:Eu 중에서 선택된 1종 이상의 적색 형광체이거나, LaPO4:Ce3+:Tb3+, CeMgAl11O19:(Ce3+):Tb3+, GdMgB5O10:Ce3+:Tb3+, Zn2SiO4:Mn, BaAl12O19:Mn, BaMgAl14O23:Mn, Y3(Al,Ga)5O12:Tb, LaPO4:(Ce,Tb), ZnS:(Cu,Al), Zn(Ga,Al)2O2:Mn, Y2SiO2:Tb 및 Y2(Al,Ga)2O2:Tb 중에서 선택된 1종 이상의 녹색 형광체이거나, BaMg2Al16O27:Eu2+, (Sr,Ca,Ba)5(PO4)3Cl:Eu2+, (Zn,Cd)S:Ag, Y2SiO5:Ce, BaMgAl10O17:Eu2+, BaMgAl14O23:Eu2+, (Ca,Sr,Ba)10(PO4)6Cl2:Eu2+, ZnGaO4, ZnSAgCl 및 Y2SiO2:Ce 중에서 선택된 1종 이상의 청색 형광체이거나, Sr4Al14O25:Eu2+, (Ba,Ca,Mg)5(PO4)3Cl:Eu2+ 및 2SrO0.84P2O50.16B2O3:Eu2+ 중에서 선택된 1종 이상의 녹색과 청색의 중간 파장을 나타내는 형광체이거나, 상기 적색 형광체, 상기 녹색 형광체 및 상기 청색 형광체가 혼합된 형광체로 이루어진 것을 특징으로 하는 유리 형광 렌즈를 이용한 발광다이오드 램프.
  4. 제1항에 있어서, 상기 형광체는 Y3Al5O12:Ce3+, Y3Al5SiO12:Ce3+, Tb3Al5O12:Ce3+, Tb3Al5SiO12:Ce3+, Ba-오르소실리케이트, (Ca,Sr,Ba)-오르소실리케이트, (Sr,Ba,Mg)-오르소실리케이트 및 Sr3SiO5:Eu 중에서 선택된 1종 이상의 황색 형광체로 이루어진 것을 특징으로 하는 유리 형광 렌즈를 이용한 발광다이오드 램프.
  5. 제1항에 있어서, 상기 형광체는 청색 형광체이고, 상기 청색 형광체가 여기되어 빛을 방출할 때 색순도를 높여주기 위하여 상기 유리 프릿은 청색을 발색하는 코발트(Co)를 유리 프릿 100중량부에 대하여 0.1?0.3중량부 함유하는 것을 특징으로 하는 유리 형광 렌즈를 이용한 발광다이오드 램프.
  6. 제1항에 있어서, 상기 형광체는 상기 녹색 형광체이고, 상기 녹색 형광체가 여기되어 빛을 방출할 때 색순도를 높여주기 위하여 상기 유리 프릿은 녹색을 발색하는 크롬(Cr) 또는 구리(Cu)를 유리 프릿 100중량부에 대하여 0.4?2중량부 함유하는 것을 특징으로 하는 유리 형광 렌즈를 이용한 발광다이오드 램프.
  7. 제1항에 있어서, 상기 형광체는 적색 형광체이고, 상기 적색 형광체가 여기되어 빛을 방출할 때 색순도를 높여주기 위하여 상기 유리 프릿은 적색을 발색하는 금(Au) 또는 구리(Cu)를 유리 프릿 100중량부에 대하여 1?2중량부 함유하는 것을 특징으로 하는 유리 형광 렌즈를 이용한 발광다이오드 램프.
  8. 제1항에 있어서, 상기 유리 프릿은 400?550℃ 범위의 유리전이점을 갖는 저융점 유리 프릿으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유리 형광 렌즈를 이용한 발광다이오드 램프.
  9. 제1항에 있어서, 상기 유리 형광 렌즈를 구성하는 상기 유리 프릿과 상기 형광체의 중량비는 85?99.5:0.5?15 범위인 것을 특징으로 하는 유리 형광 렌즈를 이용한 발광다이오드 램프.
  10. 제1항에 있어서, 상기 유리 형광 렌즈의 두께 편차는 길이 방향에 따라 10% 이내로서 상기 유리 형광 렌즈의 길이 방향에 따른 두께가 균일한 것을 특징으로 하는 발광다이오드 램프.
  11. 유리 프릿과 형광체를 혼합하는 단계;
    상기 유리 프릿과 성기 형광체의 혼합물을 성형 몰드에 투입하고, 가열 및 압착하여 목표하는 형상의 유리 형광 렌즈로 성형하는 단계;
    성형된 유리 형광 렌즈를 서냉하는 단계;
    서냉된 유리 형광 렌즈를 성형 몰드에서 탈착하는 단계;
    프레임 상부에 자외선 또는 가시광선을 발광하는 발광다이오드 칩이 안착되어 있고 상기 프레임과 상기 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어가 본딩되어 있는 발광다이오드 램프를 준비하는 단계; 및
    상기 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 상기 유리 형광 렌즈를 장착하는 단계를 포함하며,
    상기 유리 형광 렌즈는 유리 프릿에 형광체가 균일하게 분산되어 있는 구조를 가지며, 상기 발광다이오드 칩의 발광면과 상기 유리 형광 렌즈 사이에는 빈 공간인 공기층으로 이루어지게 상기 발광다이오드 칩과 상기 유리 형광 렌즈를 이격되게 장착하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 램프의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 유리 프릿은 400?550℃ 범위의 유리전이점을 갖는 저융점 유리 프릿으로 이루어지고, 상기 가열은 상기 유리 프릿의 유리전이점보다 높은 450?600℃ 범위의 온도로 설정하는 것을 발광다이오드 램프의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 유리 프릿과 상기 형광체는 85?99.5:0.5?15 범위의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 램프의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 성형하는 단계는,
    상기 유리 형광 렌즈의 두께 편차가 길이 방향에 따라 10% 이내로서 상기 유리 형광 렌즈의 길이 방향에 따른 두께가 균일하게 되도록 성형하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 램프의 제조방법.
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