KR20120030286A - 적색 형광체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 발광장치 - Google Patents
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Abstract
열적, 화학적 안정성이 우수하고, 높은 발광효율을 나타내는 적색형광체로서, Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)의 조성식으로 표시되고, 상기 A는 리튬(Li), 칼륨(K) 및 나트륨(Na)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소이며, 상기 M은 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소이고, 상기 R은 란탄족 원소 및 전이금속 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소인 화합물을 포함하는 적색형광체가 제공된다.
Description
적색 형광체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 발광장치가 개시된다. 더욱 상세하게는 우수한 발광특성, 열적 화학적 안정성을 나타내는 적색 형광체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 발광장치가 개시된다.
발광 다이오드(Light emitting diode; LED)는 기존의 조명기구에 비하여 높은 신뢰성을 나타내고 수명이 길어 낮은 유지보수비를 가지며, 소모 전력이 적기 때문에 에너지 절감에 크게 기여할 수 있다. 또한, 조명장치로서 다양한 디자인의 적용이 용이하고, 열발생이 적어서, 조명으로 사용되기에 매우 유리한 조건을 갖추고 있다.
이러한 발광 다이오드를 포함하는 장치 등에 사용되는 형광물질은 다양한 광원의 특정 파장광을 원하는 파장광으로 변환시키는 물질로서 백색 LED를 제조하기 위한 핵심적인 기술이다. 또한, 형광물질의 효율은 디스플레이의 구동에 필수적인 요소인 동시에 디스플레이를 포함한 광원 제품의 효율과 직접적으로 연관되는 주요변수로 작용하고 있다. 최근에는 CIE 색조표에서 정의된 자연광에 가까운 백색광을 구현하는 기술이 진행되고 있으며, 이러한 백색광을 방출하기 위한 백색 LED 소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
일반적으로 백색 LED는 청색 또는 자외선 LED 칩에 적색, 청색, 황색 등의 형광체들에서 선택된 1종 이상의 형광체를 적용하는 방식으로 제조되고 있다. 특히 적색형광체와 다른 색을 나타내는 형광체를 조합하여 사용하는 경우, 각 형광체의 반치폭이 낮은 경우에는 충분한 연색지수를 확보하기 어려우며, 원하는 천연 백색광을 구현하는데 한계가 있다.
또한, 종래 적색형광체는 상대적으로 낮은 반치폭을 나타내며, 550 nm 내지 700 nm의 파장대역의 발광피크를 나타냄으로써, 충분한 연색성을 나타내는데 어려움이 있다. 따라서, 백색 LED에 있어서, 높은 발광효율을 가지며, 충분한 연색성을 구현할 수 있는 적색형광체의 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 높은 휘도를 가지며, 열적, 화학적으로 우수한 안정성을 나타내는 적색형광체 및 이의 제조방법 및 이를 포함하는 발광장치가 제공된다.
본 발명의 일실시예에 따른 적색형광체는 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy (0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)의 조성식으로 표시되고, 상기 A는 리튬(Li), 칼륨(K) 및 나트륨(Na)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소이며, 상기 M은 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소인 화합물을 포함하는 적색형광체이다.
일측에 따르면, 상기 A는 나트륨(Na)이고, 상기 M은 칼슘(Ca)일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)로 표시되는 화합물은 결정상을 갖는 호스트 물질로 이루어져 있고, 상기 A는 도펀트 물질 또는 활성물질(activator)로 상기 화합물에 포함될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)로 표시되는 화합물은 결정상을 갖는 호스트 물질로 이루어져 있고, 상기 A 및 알루미늄(Al)은 도펀트 물질 또는 활성물질(activator)로 상기 화합물에 포함될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 적색형광체는 청색 또는 자외선 파장영역을 여기원으로 하여 600 nm 내지 700 nm의 파장대역의 발광피크를 가질 수 있다.
일측에 따르면, 상기 적색형광체는 활성물질로서 유로퓸(Eu) 또는 디스프로슘(Dy)을 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 적색형광체의 발광파장의 스펙트럼 반치폭은 83 nm 내지 150 nm 일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 결정 구조는 사방정계 결정 구조일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 적색형광체의 제조방법은 Sr-함유 화합물 및 M-함유 화합물 중 적어도 하나의 화합물, A 함유 화합물, Eu-함유 화합물, Al 함유 화합물, Si-함유 산화물 및 Si-함유 질화물을 포함하는 원료물질들을 혼합하는 혼합단계; 상기 혼합물을 소성하여 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:Eu(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)의 조성식으로 표시되는 화합물을 얻는 소성단계; 및 상기 소성된 화합물을 분쇄 및 밀링하는 밀링단계를 포함하며, 상기 A는 리튬(Li), 칼륨(K) 및 나트륨(Na)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소이며, 상기 M은 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소인 적색형광체의 제조방법이다.
일측에 따르면, 상기 소성단계 및 밀링단계는 각각 2회 씩 수행될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 Eu-함유 화합물은 산화유로피움(Eu2O3)일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 혼합단계는 망간 탄산염을 더 혼합하는 것일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 Sr-함유 화합물은 스트론튬(Sr)의 금속, 수용성 금속염, 산화물, 질산염, 산화염, 황산염 또는 탄산염을 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 M-함유 화합물은 M의 금속, 수용성 금속염, 산화물, 질산염, 산화염, 황산염 또는 탄산염을 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 상기 Si-함유 산화물은 산화규소(SiO2)이며, 상기 Si-함유 질화물은 질화규소(Si3N4)일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 혼합단계는 용매를 이용하여 습식 혼합하는 것일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 혼합단계를 거친 혼합물을 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 소성은 1000-1800℃ 온도 범위에서 1-24시간 동안 수행될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 소성은 질소 가스 분위기에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 발광장치는 여기광을 방출하는 발광소자; 및 상기 여기광을 흡수하여 가시광을 방출하는 파장변환부;를 포함하며, 상기 파장변환부는 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)의 조성식으로 표시되고, 상기 A는 리튬(Li), 칼륨(K) 및 나트륨(Na)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소이며, 상기 M은 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소이고, 상기 R은 란탄족 원소 및 전이금속 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소인 화합물을 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 적색형광체는 청색 또는 자외선 파장영역을 여기원으로 하여 600 nm 내지 700 nm의 파장대역의 발광피크를 방출할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 발광소자는 자외선 발광다이오드 또는 청색 발광다이오드일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 발광장치는 청색형광체, 녹색형광체 및 황색형광체로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 형광체를 포함하며, 상기 발광장치의 최종 출력광은 백색광일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 파장변환부는 상기 발광소자의 상부에 형성되며, 서로 다른 형광체를 포함하는 적어도 2개의 형광체층으로 이루어진 다층 구조일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 형광체는 청색형광체, 녹색형광체 및 황색형광체로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종이고, 상기 발광장치의 최종 출력광은 백색광일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 파장변환부는 상기 발광소자의 외부면을 상기 적색형광체가 포함된 수지로 균일하게 덮도록 형성될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 파장변환부는 상기 발광소자의 상면에만, 또는 상면 및 측면에 형성될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 파장변환부는 상기 발광소자를 봉지하는 수지포장부를 더 포함하며, 상기 적색형광체가 상기 수지포장부에 분산된 것일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 파장변환부는 청색형광체, 녹색형광체 및 황색형광체로 이루어진 군에서 선택된 적어도 2종의 형광체를 포함하며, 상기 발광장치의 최종 출력광은 백색광인 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 높은 발광특성과 우수한 열적, 화학적 안정성을 가지는 장파장의 적색광을 발광할 수 있는 적색형광체가 제공된다. 또한 이러한 적색형광체를 포함함으로써, 고출력/고신뢰성을 가지며, 청색 및 자외선 파장대역을 여기원으로 하여 자연광에 가까운 백색을 발광하는 발광장치가 제공된다.
도 1은 기존의 실리케이트계 형광체와 본원발명의 질화계 형광체의 온도에 따른 품질(T/Q 특성)을 나타내는 그래프이다;
도 2는 본원발명의 일실시예에 따른 적색형광체의 결정상을 나타내는 모식도이다;
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 형광체와 나트륨, 칼슘 및 알루미늄을 포함하지 않는 나이트라이드계 적색형광체의 결정상에 대한 X-선회절분석 결과를 나타낸 그래프이다;
도 4는 나트륨 원소, 칼슘 원소 및 알루미늄 원소의 농도에 따른 적색형광체의 휘도에 대한 그래프이다;
도 5는 나트륨 원소, 칼슘 원소 및 알루미늄 원소의 농도에 따른 적색형광체의 X 색좌표 값에 대한 그래프이다;
도 6은 나트륨 원소, 칼슘 원소 및 알루미늄 원소의 농도에 따른 적색형광체의 X 색좌표 값의 변화량을 나타낸 그래프이다;
도 7은 여러가지 종류의 도핑원소를 포함하는 형광체들의 표면에 대한 전자 현미경사진이다;
도 8은 도핑원소를 포함하지 않는 형광체들의 표면에 대한 전자 현미경 사진이다;
도 9는 리튬, 칼륨, 마그네슘 도핑원소를 포함하는 형광체의 휘도특성을 나타낸 그래프이다;
도 10은 유로퓸(Eu) 원소의 농도에 따른 형광체의 발광효율을 나타내는 그래프이다;
도 11에는 본 발명의 일실시예에 따른 형광체의 제조과정을 나타내는 순서도이다;
도 12는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 발광소자 패키지를 나타낸 측단면도이다;
도 13 내지 도 31은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 발광소자를 나타낸 측단면도이다;
도 32 및 도 33은 본 발명의 제3 실시예에 따른 수직수평 구조의 발광소자를 도시한 평면도 및 단면도이다;
도 34는 본 발명의 제4 실시예에 따른 수직수평 구조의 발광소자를 도시한 단면도이다;
도 35 및 도 36은 본 발명의 제5 실시예 및 제6 실시예에 따른 발광소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다;
도 37는 본 발명의 제7 실시예에 따른 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다;
도 38는 도 37의 제7 실시예의 발광소자를 사용한 제4 실시형태의 발광소자 패키지를 나타내는 개략적인 단면도이다;
도 39 및 도 40은 각각 본 발명의 제8 및 제9 실시예에 따른 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다;
도 41 및 도 42는 각각 램프 형태와 칩 형태로 구현된 본 발명의 제5 및 제6실시 형태에 따른 발광소자 패키지의 구조를 도시한 단면도이다;
도 43 및 도 44에는 본 발명의 제7 및 제8 실시형태에 따른 발광소자 패키지의 부분적인 구조가 도시되어 있다;
도 45는 도 44에 도시된 본 발명의 제8 실시형태에 따른 발광소자 패키지를 개략적으로 나타낸 개념도이다;
도 46은 제8 실시예에 따른 발광소자 패키지의 동작 원리를 더욱 상세하게 설명하기 위한 모식도이다;
도 47은 본 발명의 제8 실시형태의 발광소자 패키지에 사용되는 녹색 형광체(제2 형광체)와 적색 형광체(제1 형광체) 간의 에너지 전이를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 48은 본 발명의 제9 실시형태에 따른 발광소자 패키지를 나타내는 단면도이다;
도 49는 도 48에 도시된 제9 실시예에 따른 발광소자 패키지에서 광추출메카니즘을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본원발명의 일실시예에 따른 적색형광체의 결정상을 나타내는 모식도이다;
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 형광체와 나트륨, 칼슘 및 알루미늄을 포함하지 않는 나이트라이드계 적색형광체의 결정상에 대한 X-선회절분석 결과를 나타낸 그래프이다;
도 4는 나트륨 원소, 칼슘 원소 및 알루미늄 원소의 농도에 따른 적색형광체의 휘도에 대한 그래프이다;
도 5는 나트륨 원소, 칼슘 원소 및 알루미늄 원소의 농도에 따른 적색형광체의 X 색좌표 값에 대한 그래프이다;
도 6은 나트륨 원소, 칼슘 원소 및 알루미늄 원소의 농도에 따른 적색형광체의 X 색좌표 값의 변화량을 나타낸 그래프이다;
도 7은 여러가지 종류의 도핑원소를 포함하는 형광체들의 표면에 대한 전자 현미경사진이다;
도 8은 도핑원소를 포함하지 않는 형광체들의 표면에 대한 전자 현미경 사진이다;
도 9는 리튬, 칼륨, 마그네슘 도핑원소를 포함하는 형광체의 휘도특성을 나타낸 그래프이다;
도 10은 유로퓸(Eu) 원소의 농도에 따른 형광체의 발광효율을 나타내는 그래프이다;
도 11에는 본 발명의 일실시예에 따른 형광체의 제조과정을 나타내는 순서도이다;
도 12는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 발광소자 패키지를 나타낸 측단면도이다;
도 13 내지 도 31은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 발광소자를 나타낸 측단면도이다;
도 32 및 도 33은 본 발명의 제3 실시예에 따른 수직수평 구조의 발광소자를 도시한 평면도 및 단면도이다;
도 34는 본 발명의 제4 실시예에 따른 수직수평 구조의 발광소자를 도시한 단면도이다;
도 35 및 도 36은 본 발명의 제5 실시예 및 제6 실시예에 따른 발광소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다;
도 37는 본 발명의 제7 실시예에 따른 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다;
도 38는 도 37의 제7 실시예의 발광소자를 사용한 제4 실시형태의 발광소자 패키지를 나타내는 개략적인 단면도이다;
도 39 및 도 40은 각각 본 발명의 제8 및 제9 실시예에 따른 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다;
도 41 및 도 42는 각각 램프 형태와 칩 형태로 구현된 본 발명의 제5 및 제6실시 형태에 따른 발광소자 패키지의 구조를 도시한 단면도이다;
도 43 및 도 44에는 본 발명의 제7 및 제8 실시형태에 따른 발광소자 패키지의 부분적인 구조가 도시되어 있다;
도 45는 도 44에 도시된 본 발명의 제8 실시형태에 따른 발광소자 패키지를 개략적으로 나타낸 개념도이다;
도 46은 제8 실시예에 따른 발광소자 패키지의 동작 원리를 더욱 상세하게 설명하기 위한 모식도이다;
도 47은 본 발명의 제8 실시형태의 발광소자 패키지에 사용되는 녹색 형광체(제2 형광체)와 적색 형광체(제1 형광체) 간의 에너지 전이를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 48은 본 발명의 제9 실시형태에 따른 발광소자 패키지를 나타내는 단면도이다;
도 49는 도 48에 도시된 제9 실시예에 따른 발광소자 패키지에서 광추출메카니즘을 설명하기 위한 개략도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 적색형광체는 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)의 조성식으로 표시되고, 상기 A는 리튬(Li), 칼륨(K) 및 나트륨(Na)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소이며, 상기 M은 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소이고, 상기 R은 란탄족 원소 및 전이금속 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소인 화합물을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
본 발명에 따른 적색형광체는 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)의 조성식으로 표시되는 질화계(nitride) 형광체를 포함함으로써, 발광 다이오드 등과 같은 다양한 조명장치에 포함되었을 경우, 우수한 열적, 화학적 안정성을 나타내면서도, 종래 실리케이트(silicate)계 형광체 등의 적색형광체에 비해 20% 이상의 높은 휘도 개선 성능을 나타낸다. 도 1에는 기존의 실리케이트계 형광체와 본원발명의 질화계 형광체의 온도에 따른 품질(T/Q 특성)을 나타내는 그래프가 도시되어 있다.
상기 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)로 표시되는 화합물에서 A는 바람직하게는 나트륨(Na)이고, 상기 M은 칼슘(Ca)일 수 있다. 상기 나트륨과 칼슘은 상기 화합물의 결정상의 호스트 물질인 매트릭스 형태에 영향을 주지 않으면서, 상기 화합물의 매트릭스에 형성되는 구형 공극(empty sphere)에 포함되어 형광체의 휘도를 개선하는 작용을 한다. 도 3에는 본 발명의 일실시예에 따른 형광체와 나트륨, 칼슘 및 알루미늄을 포함하지 않는 나이트라이드계 적색형광체의 결정상에 대한 X-선회절분석 결과를 나타낸 그래프가 개시되어 있다.
상기 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)로 표시되는 화합물은 A를 구성하는 원소, M을 구성하는 원소 및 알루미늄(Al)들이 각각 결정상을 갖는 호스트 물질 또는 도펀트 물질 또는 활성물질(activator) 등과 같은 다양한 역할을 수행할 수 있도록 제조됨으로써, 발광체의 성능 향상을 위한 다양한 구성의 조합으로 제조될 수 있다.
예를 들어, 상기 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)로 표시되는 화합물은 결정상을 갖는 호스트 물질로 이루어져 있고, 상기 A는 도펀트 물질 또는 활성물질(activator)로 상기 화합물에 포함될 수 있다. 또한, 상기 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 -xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)로 표시되는 화합물은 결정상을 갖는 호스트 물질로 이루어져 있고, 상기 A 및 알루미늄(Al)은 도펀트 물질 또는 활성물질(activator)로 상기 화합물에 포함될수 도 있다. 도 2에는 본원발명의 일실시예에 따른 적색형광체의 결정상을 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
상기 R은 란탄족 원소 또는 전이금속 원소인 활성물질로서 예를 들어, 유로퓸(Eu) 또는 디스프로슘(Dy)일 수 있으며, 이러한 유로퓸(Eu) 또는 디스프로슘(Dy)을 활성물질로 포함하는 적색형광체는 청색 또는 자외선 파장영역의 여기원에서 600 nm 내지 700 nm의 파장대역의 발광피크를 갖는 적색광을 발광할 수 있다.
상기 적색형광체의 발광파장의 스펙트럼 반치폭은 바람직하게는 83 nm 내지 150 nm 의 반치폭을 나타내는 것을 사용할 수 있다. 이러한 범위의 반치폭을 나타내는 적색형광체는 백색 발광장치 등의 발광장치에서 높은 연색성을 나타낼 수 있다.
또한, 상기 적색형광체는 종래 스트론튬실리케이트(Sr2SiO4) 형광체와 동일한 사방정계(Orthorhombic) 결정구조를 가짐으로써, 제조가 용이하면서도 열적 화학적 안정성을 나타낼 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, Sr-함유 화합물 및 M-함유 화합물 중 적어도 하나의 화합물, A 함유 화합물, Eu-함유 화합물, Al 함유 화합물, Si-함유 산화물 및 Si-함유 질화물을 포함하는 원료물질들을 혼합하는 혼합단계, 상기 혼합물을 소성하여 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 -xNy:Eu(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)의 조성식으로 표시되는 화합물을 얻는 소성단계; 및 상기 소성된 화합물을 분쇄 및 밀링하는 밀링단계를 포함하며, 상기 A는 리튬(Li), 칼륨(K) 및 나트륨(Na)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소이며, 상기 M은 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소인 적색형광체의 제조방법을 제공한다.
즉, 본 발명에 따른 적색형광체의 제조방법은 Sr-함유 화합물 및 M-함유 화합물 중 적어도 하나의 화합물, A 함유 화합물, Eu-함유 화합물, Al 함유 화합물, Si-함유 산화물 및 Si-함유 질화물을 포함하는 원료물질들을 혼합한 후, 소성함으로써, Az(Sr, M)2(Si, Al)O4-xNy:Eu(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)의 조성식으로 표시되는 화합물을 얻고, 이러한 화합물을 밀링하는 단계를 포함함으로써, 열적, 화학적 안정성이 우수하고, 높은 휘도를 나타내는 적색형광체를 용이하게 제조할 수 있다.
상기 적색형광체의 제조에 있어서, 상기 소성단계 및 밀링단계 각각 1회씩 만 수행될 수도 있지만, 바람직하게는 각각 2회 이상씩 수행될 수 있다. 이와 같이 2회 이상의 소성단계 및 밀링단계를 거침으로써, 열적, 화학적 안정성 및 발광성능이 더욱 개선된 적색형광체를 제조할 수 있다.
상기 Eu-함유 화합물은 산화유로피움(Eu2O3)일 수 있으며, 상기 원료물질들을 혼합하는 혼합단계에서는, 상기 망간 탄산염을 더 혼합할 수 있다. 상기 망간 탄산염에 포함된 망간은 활성물질인 상기 산화유로피움에 포함된 유로피움의 발광세기를 더욱 증가시킨다.
상기 Sr-함유 화합물은 형광체 제조를 용이하게 하는 다양한 첨가물을 포함하는 화합물로서, 예를 들어 스트론튬(Sr)의 금속, 수용성 금속염, 산화물, 질산염, 산화염, 황산염 또는 탄산염을 포함할 수 있다. 또한, 상기 M-함유 화합물은 M의 금속, 수용성 금속염, 산화물, 질산염, 산화염, 황산염 또는 탄산염을 포함할 수 있다. 또한, 상기 Si-함유 산화물은 예를 들어, 산화규소(SiO2)를 사용할 수 있으며, 상기 Si-함유 질화물은 예를 들어, 질화규소(Si3N4)를 사용할 수 있다.
한편, 상기 원료물질들을 혼합하는 혼합단계는, 용매를 이용하여 원료물질을 혼합하는 습식혼합으로 수행될 수 있으며, 상기 습식 혼합된 원료혼합물을 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 소성은 1000-1800℃ 온도 범위에서 1-24시간 동안 수행될 수 있으며, 상기 소성은 질소 가스 분위기에서 수행될 수 있다. 도 11에는 본 발명의 일실시예에 따른 형광체의 제조과정을 나타내는 순서도가 개시되어 있다.
본 발명은 또한, 여기광을 방출하는 발광소자; 및 상기 여기광을 흡수하여 가시광을 방출하는 파장변환부를 포함하며, 상기 파장변환부는 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)의 조성식으로 표시되고, 상기 A는 리튬(Li), 칼륨(K) 및 나트륨(Na)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소이며, 상기 M은 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소이고, 상기 R은 란탄족 원소 및 전이금속 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소인 화합물을 포함하는 발광장치를 제공한다.
본 발명에 따른 발광장치는 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)의 조성식으로 표시되는 화합물을 포함함으로써, 고출력/고신뢰성을 가지며, 청색 및 자외선 파장대역을 여기원으로 하여 자연광에 가까운 백색을 발광성능을 나타낼 수 있다.
상기 적색형광체는 바람직하게는 청색 또는 자외선 파장영역을 여기원으로 하여 600 nm 내지 700 nm의 파장대역의 적색형광체를 사용할 수 있다. 또한 상기 발광소자는 발광 다이오드의 발광원으로 널리 사용되고 있으며, 저렴한 가격가지면서, 안정적 성능을 나타내는 자외선 발광다이오드 또는 청색 발광다이오드를 사용할 수 있다.
또한, 상기 발광장치는 백색 발광장치로서, 소자의 패키지와 같은 발광장치의 일부분에 청색형광체, 녹색형광체 및 황색형광체로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 형광체를 포함하며, 상기 발광장치의 최종 출력광은 백색광인 발광장치로 제조될 수 있다.
상기 발광장치의 파장변환부는 발광장치에 다양한 위치 및 구성으로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 발광소자의 상부에 형성되며, 서로 다른 형광체를 포함하는 적어도 2개의 형광체층으로 이루어진 다층 구조의 파장변환부로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 다층구조의 파장변환부에 포함될 수 있는 형광체는 청색형광체, 녹색형광체 및 황색형광체로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종이고, 상기 발광장치의 최종 출력광은 백색광인 것으로 형성될 수 있다.
상기 파장변환부는 상기 발광소자의 외부면을 상기 적색형광체가 포함된 수지로 균일하게 덮도록 형성된 구조로 이루어질 수 있다. 이러한 파장변환부는 예를 들어, 상기 발광소자의 상면에만, 또는 상면 및 측면에 형성될 수 있다.
또한, 상기 파장변환부는 상기 발광소자를 봉지하는 수지포장부를 더 포함하며, 상기 적색형광체가 상기 수지포장부에 분산된 구조로 형성될 수 있으며, 여기서 파장변환부는 청색형광체, 녹색형광체 및 황색형광체로 이루어진 군에서 선택된 적어도 2종의 형광체를 포함하며, 상기 발광장치의 최종 출력광은 백색광인 것으로 형성될 수 있다.
이하, 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 실시예에의해 제한되는 것은 아니다.
[실시예 1]
원료물질로서 SrCO3, SiO2, Eu2O3, Si3N4를 화학양론비로 볼밀을 이용하여 에탄올 용매와 혼합하였다. 그런 다음, 원료혼합물을 건조기를 사용하여 에탄올 용매를 휘발시켰다. 이와 같이 건조된 원료혼합물을 질화붕소 도가니에 충진하였다. 그리고, 이러한 질화붕소 도가니에 도핑원소로서 0.01 mol%의 나트륨, 0.2 mol%의 칼슘, 0.2 mol%의 알루미늄을 상기 원료혼합물과 혼합될 수 있도록 첨가하였다.
이후, 원료혼합물과 도핑원소들이 충진된 질화붕소도가니를 가열로에 삽입하고, N2 분위기의 가스상태에서 1600℃로 10시간 동안 소성하는 소정과정을 거쳐 Na0.01(Sr, Ca)2(Si, Al)O4 - xNy :Eu의 화합물을 얻었다. 이러한 Na0 .01(Sr, Ca)2(Si, Al)O4 - xNy :Eu의 화합물을 밀링 머신(milling machine)을 이용하여, 12시간 동안 분쇄 및 밀링을 수행하는 밀링과정을 거쳐 다시 Na0 .01(Sr, Ca)2(Si, Al)O4 - xNy :Eu의 화합물을 얻었다.
이와 같이 얻어진 Na0 .01(Sr, Ca)2(Si, Al)O4 - xNy :Eu의 화합물을 같은 조건으로 상기 소성과정 및 밀링과정을 거치게 함으로써, 최종 Na0 .01(Sr, Ca)2(Si, Al)O4 - xNy :Eu의 형광체를 얻었다.
[실시예 2]
도핑원소로서 0.01 mol%의 나트륨, 0.4 mol%의 칼슘, 0.4 mol%의 알루미늄을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 형광체를 제조하였다.
[실시예 3]
도핑원소로서 0.01 mol%의 나트륨, 0.6 mol%의 칼슘, 0.6 mol%의 알루미늄을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 형광체를 제조하였다.
[비교예 1]
도핑원소로서 나트륨을 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 형광체를 제조하였다.
이러한 실시예들 및 비교예의 형광체에 대한 X, Y 색좌표, 파장, 반치폭, 휘도를 하기 표 1에 나타내었다.
표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 형광체는 파장, 반치폭, 휘도에서 비교예의 발광체에 비해 우수한 성능을 나타내고 있음을 알 수 있다.
도 4에는 나트륨 원소, 칼슘 원소 및 알루미늄 원소의 농도에 따른 적색형광체의 휘도에 대한 그래프가 도시되어 있고, 도 5에는 나트륨 원소, 칼슘 원소 및 알루미늄 원소의 농도에 따른 적색형광체의 X 색좌표 값에 대한 그래프가 도시되어 있으며, 도 6에는 나트륨 원소, 칼슘 원소 및 알루미늄 원소의 농도에 따른 적색형광체의 X 색좌표 값의 변화량이 도시되어 있다.
도 7에는 여러가지 종류의 도핑원소를 포함하는 형광체들의 표면에 대한 전자 현미경사진이 개시되어 있고, 도 8에는 도핑원소를 포함하지 않는 형광체들의 표면에 대한 전자 현미경 사진이 개시되어 있다.
도 9에는 리튬, 칼륨, 마그네슘 도핑원소를 포함하는 형광체의 휘도특성을 나타낸 그래프가 개시되어 있다. 도 9를 참조하면, 리튬, 칼륨을 각각 포함하는 형광체는 본 발명에 따른 실시예 1의 형광체에 비해 50% 이하의 낮은 휘도를 나타내었고, 마그네슘을 포함하는 형광체는 본 발명에 따른 실시예 1의 형광체에 비해 60% 이하의 낮은 휘도를 나타내고 있음을 알 수 있다.
도 10에는 유로퓸(Eu) 원소의 농도에 따른 형광체의 발광효율을 나타내는 그래프가 도시되어 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 실시예에 따른 도면에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 12는 본 발명에 따른 제1 실시형태의 발광소자 패키지를 나타낸 측단면도이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 발광소자 패키지(900)는 패키지 본체(910), 패키지 본체(910)에 몰딩되며 서로 이격된 리드프레임들(920), 적어도 하나의 리드프레임 상에 실장된 발광소자(930), 발광소자(930)와 리드프레임(920)을 전기적으로 연결하는 본딩와이어(940) 및 발광소자(930)를 봉지하는 수지포장부(950)를 포함한다. 그리고, 발광소자 패키지(900)는 발광소자(900)를 둘러싸도록 홈부가 형성된 반사컵(970)이 리드프레임의 위치를 기준으로 패키지 본체 상부에 형성될 수 있다.
이때, 반사컵(970)은 패키지 본체 상에 환상으로 형성되고, 반사컵의 홈부에 의해 발광소자(900)의 실장영역이 정의되며, 적어도 하나의 리드프레임이 홈부 바닥에 노출되어 실장영역을 제공한다. 또한, 반사컵의 측벽은 발광소자(900)에서 방출된 빛을 원하는 방향으로 반사시키기 위해 경사진 반사면으로 형성될 수 있다. 여기서, 패키지 본체(910)는 반사컵(970)과 일체로 형성될 수도 있다.
그리고, 발광소자(930)는 접착제 등에 의하여 리드프레임(920) 상에 본딩될수 있으며, 본딩와이어(940)를 통해 외부 전원으로부터 전류를 입력받아 미리 정해진 파장의 빛을 생성한다. 이러한 발광소자(930)는 200-500nm의 파장의 광을 방출할 수 있으며, 예를 들어, 청색광 또는 자외선을 방출하는 반도체 적층 구조를 갖는 청색 발광다이오드 또는 자외선 발광다이오드일 수 있다. 이러한 발광소자의 반도체 적층 구조에 대한 다양한 실시형태를 하기 도 13 내지 도 18을 참조하여 설명하도록 한다.
또한, 수지포장부(950)는 반사컵 내측으로 발광소자(930), 본딩와이어(940) 및 리드프레임(920)을 덮도록 채워진다. 또한, 수지포장부(950)는 발광소자의 방출 파장을 다른 파장의 광으로 변환하는 형광체(960)가 포함될 수도 있다.
이러한 형광체(960)는 백색광을 방출할 수 있도록 적색형광체와 녹색, 청색 및 황색 중 적어도 하나 이상의 형광체가 혼합되어 사용될 수 있다. 즉, 수지포장부(950)는 형광체 혼합물과, 에폭시 수지, 실리콘 수지 또는 실리콘에폭시 혼합수지와 같은 경화성 투명수지를 적절하게 혼합하여 사용된다.
여기서, 백색광 출력을 위한 적색형광체로, 본 발명의 실시예 1 내지 3에서 합성한 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)의 조성식으로 표시되고, 상기 A는 리튬(Li), 칼륨(K) 및 나트륨(Na)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소이며, 상기 M은 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소이고, 상기 R은 란탄족 원소 및 전이금속 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소인 화합물을 포함하는 질화물(Nitride)계 형광체를 사용할 수 있다. 이러한 질화물계 적색형광체는 황화물(Sulfide)계 형광체보다 열, 수분 등의 외부 환경에 대한 신뢰성이 우수할 뿐만 아니라 변색 위험이 작다. 특히, 고색재현성을 얻기 위해 특정 범위(430 내지 465nm)로 한정한 청색 LED 칩의 주파장에서 높은 형광체 여기 효율을 갖는다.
그리고, 청색 형광체로는 (Ba, Sr, Ca)5(PO4)3Cl:(Eu2+, Mn2+) 또는 Y2O3:(Bi3+, Eu2+) 들 중에서 선택하여 사용할 수 있다. 녹색 형광체는 실리케이트계, 설파이드계 및 나이트라이드계 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 실리케이트계 녹색 형광체로는 2,1,4 조성을 가진 A2SiO4 또는 3,1,5 조성을 가진 A3SiO5 실리케이트계, 또는 SrGa2S4:Eu 조성의 설파이드계 또는 Beta-SiAlON 조성의 나이트라이드계 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 여기서 A는 Sr, Ba, Ca, Mg일 수 있으며 Sr은 필수 성분이며 Ba, Ca, Mg은 필요에 따라 선택적으로 포함될 수 있다( 0=Ba,Ca,Mg=1).
나이트라이드계의 녹색 형광체로는 β형 Si3N4 결정 구조를 가지는 결정 중에 Eu이 고용된 질화물 또는 산질화물의 결정을 포함하고 Si6-zAlzOzN8-z : Euy, Srx(0.009<x<0.011, 0.018 < y < 0.025, 0.23 < z < 0.35) 또는 Si6-zAlzOzN8-z(0.24 = y = 0.42, Eu 함유량은 0.05at%~0.25at%)으로 표시되는 형광체를 포함할 수 있다. 그리고, 황색 형광체로는 YAG 또는 TAG계열의 가넷계 형광체 또는 2,1,4 조성을 가진 A2SiO4 또는 3,1,5 조성을 가진 A3SiO5 실리케이트계, 또는 알파-SiAlON 조성의 나이트라이드계 중 어느 하나를 포함할 수 있다(여기서 A는 Sr, Ba, Ca, Mg일 수 있으며 Sr은 필수 성분이며 Ba, Ca, Mg은 필요에 따라 선택적으로 포함될 수 있다(0=Ba,Ca,Mg=1)).
상기 나이트라이드계 형광체는 CaXSi12-(m+2)Al(m+n)OnN16-n : Euy 으로 나타나는 Ca-α-사이알론 형광체(0.01<y<0.7, 0.6<m<3.0 and 0=n<1.5)를 사용할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 발광소자의 다양한 실시형태를 도 13 내지 도 18을 참조하여 설명한다.
우선, 도 13에 도시된 바와 같이, 제1 실시예에 따른 발광소자(100)의 반도체 적층 구조는 하기와 같은 구조를 가질 수 있다. Si-Al 합금으로 이루어진 기판(이하, 'Si-Al 합금 기판'이라 함)(101) 및 Si-Al 합금 기판(101)의 상면 및 하면에 형성된 보호층(120), 보호층(120) 상에 접합금속층(102), 반사 금속층(103), p형 반도체층(104), 활성층(105) 및 n형 반도체층(106)이 순차적으로 적층되어 있다. p형 및 n형 반도체층(104, 106)과 활성층(106)은 GaN계 반도체, 즉 AlxGayIn(1-x-y)N(0=x=1, 0=y=1, 0=x+y=1) 반도체 재료 등으로 이루어질 수 있으며, 발광구조물을 형성한다.
n형 반도체층(106) 상에는 n측 전극(107)이 형성되어 있다. 접합 금속층(102)과 p형 반도체층(104) 사이에 개재된 반사 금속층(103)은 반도체층으로부터 입사된 빛을 상방향으로 반사시킴으로써 발광소자의 휘도를 더욱 증가시킨다. 반사금속층(103)은 고반사율의 금소, 예를 들어 Au, Ag, Al, Rh 및 이들 중 둘 이상의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속 등으로 이루어질 수 있다. 그러나, 이러한 반사 금속층(103)은 필요에 따라 형성되지 않을 수도 있다. 접합금속층(102)은 Si-Al 합금 기판(101)을 발광 구조물에 접합시키는 역할을 하며, Au 등이 사용될 수 있다. 여기서, 본 발명의 발광소자(100)가 접합금속층(102)을 포함하고 있지만, 이러한 접합 금속층(102) 없이 Si-Al 합금(101)이 p형 반도체층(104) 상에 직접 접합될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 발광소자(100)는 Si-Al 합금기판(101)을 도전성 기판으로 사용한다.
이러한 Si-Al 합금은 Si-Al 합금은 열팽창 계수, 열전도도, 기계적 가공성 및 가격의 측면에서 유리한 장점이다. 즉, Si-Al 합금 기판(101)의 열팽창 계수는 사파이어 기판의 열팽창 계수와 유사하다. 따라서, Si-Al 합금 기판(101)을 사용하여 발광소자(100)을 제조하는 경우, 기존의 Si로 이루어진 도전성 기판의 접합 공정과 레이저 조사에 의한 사파이어 기판의 분리 공정시 발생하였던 기판의 휨 현상과 발광구조물에서의 크랙 발생 현상을 크게 감소시켜 결함이 적은 고품질의 발광소자(100)를 얻을 수 있다.
또한, Si-Al 합금 기판(101)의 열전도도는 약 120 내지 180 W/mㆍK로서 열방출 특성이 우수하다. 뿐만 아니라, 고압에서 Si와 AL을 용융시킴으로써 Si-Al 합금기판(101)을 용이하게 제조할 수 있기 때문에, Si-Al 합금기판(101)을 용이하게
제조할 수 있기 때문에, Si-Al 합금 기판을 낮은 비용으로 손쉽게 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 발광소자(100)는 Si-Al 합금 기판(101)의 상하면에 Si-Al 합금 기판(101)으로의 클리닝(cleaning)공정시 케미칼 침투를 막아주는 보호층(120)이 추가로 형성되어 있다. 여기서, 보호층(120)은 금속 또는 전도성 유전체 등으로 이루어질 수 있다. 이때, 보호층(120)이 금속으로 이루어지는 경우, Ni, Au, Cu, W, Cr, Mo,Pt, Ru, Rh, Ti 및 Ta 중 어느 하나, 또는 금속군 중 적어도 둘 이상의 합금으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 보호층(120)은 무전해 도금 방식, 금속 증착, 스프터(sputter) 또는 CVD 등에 의해 형성된 것일 수 있으며, 이때, Si-Al 합금 기판(101)과 금속 재질의 보호층(120) 사이에는 보호층(120)의 도금 공정에서 씨드(seed) 역할을 하는 씨드 금속층(110)이 더 형성될 수 있다. 씨드 금속층(110)은 Ti/Au 등으로 이루어질 수 있다. 또한, 보호층(120)이 전도성 유전체로 이루어지는 경우, 상기 전도성 유전체는 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 또는 CIO(Copper Indium Oxide) 등으로 이루어질 수 있다.
이 경우, 보호층(120)은 증착 또는 스퍼터 방식 등에 의해 형성된 것일 수 있다. 이러한 보호층(120)은 0.01㎛ 이상 20㎛ 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 1㎛ 이상10㎛ 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 소자의 제조방법에 대하여 도 14 내지 도 21을 참조하여 상세히 설명한다. 도 14 내지 도 21은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 소자의 제조방법을 설명하기 위해 순차적으로 나타낸 공정 단면도이다.
먼저, 도 14에 도시된 바와 같이, 성장용 기판으로서 사파이어 기판(150)을 준비한 다음, 도 15에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(150) 상에 n형 반도체층(106), 활성층(105) 및 p형 반도체층(104)을 순차적으로 형성한다.다음으로,
도 16에 도시된 바와 같이, p형 반도체층(104) 상에 고 반사율의 금속재료, 예컨대 Au, Al, Ag 또는 Rh 등을 이용하여 반사 금속층(103)을 형성한다. 여기서,
반사 금속층(103)은 필요에 따라 형성되지 않을 수도 있다. 그런 다음, 도 17에 도시된 바와 같이, Si-Al 합금 기판(101)의 표면에 보호층(120)을 형성한다. 보호층(120)은 금속 또는 전도성 유전체를 이용하여 형성할 수 있다.
여기서, 보호층(120)이 금속으로 형성되는 경우, 보호층(120)은 Ni, Au, Cu, W, Cr, Mo, Pt, Ru, Rh, Ti 및 Ta 중 어느 하나, 또는 금속군 중 적어도 둘 이상의 합금으로 이루어질 수 있으며, 무전해 도금, 금속 증착, 스퍼터(sputter) 또는 CVD 등의 방식으로 형성할 수 있다. 이때, 금속 재질의 보호층(120)을 무전해 도금 방식으로 형성할 경우, Si-Al 합금 기판(101)의 표면에 보호층(120)을 형성하기 전에 보호층(120)의 도금 공정에서 씨드 역할을 하는 씨드(seed) 금속층(110)을 추가로 형성할 수도 있다.
또한, 보호층(120)이 전도성 유전체로 형성되는 경우에는, 보호층(120)은 ITO, IZO, 또는 CIO 등으로 이루어질 수 있으며, 증착 또는 스퍼터 방식 등으로 형성할 수 있다. 보호층(120)은 Si-Al 합금 기판(101)의 표면 전체에 걸쳐 0.01 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하의 두께로 형성하는 것이 바람직하며, 1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하의 두께로 형성하는 것이 보다 바람직하다. 보호층(120)이 0.01 ㎛ 보다 얇은 두께로 형성되는 경우 보호층(120)이 후술하는 HCl, HF, KOH 등의 케미칼 침투를 막는 역할을 제대로 하기 어렵고, 20 ㎛ 보다 두껍게 형성되는 경우 상기 Si-Al 합금 기판(101)의 열팽창 계수가 변할 수 있으므로, 보호층(120)은 상기한 범위의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 도면에 도시하지는 않았으나, 보호층(120)을 형성한 다음, 보호층(120)의 표면을 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 처리하여 표면 조도를 개선시킬 수도 있다.
상술한 바와 같이 보호층(120)이 표면에 형성된 Si-Al 합금 기판(101)을 준비한 후, 도 18에 도시된 바와 같이 접합 금속층(102)을 이용하여 반사 금속층(103) 상에, 보호층(120)이 표면에 형성된 Si-Al 합금 기판(101)을 접합한다. 여기서, 상술한 바와 같이 접합 금속층(102)을 이용하여 Si-Al 합금기판(101)을 접합할 수도 있으나, 접합 금속층(102)을 이용하지 않고 보호층(120)이 표면에 형성된 Si-Al 합금 기판(101)을 반사 금속층(103) 상에 직접 접합할 수도 있다.
그런 다음, 도 19에 도시된 바와 같이, 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off; LLO) 공정으로 사파이어 기판(150)을 n형 반도체층(106)으로부터 분리한다. 사파이어 기판(150)의 분리 후에는 HCl, HF 및 KOH 등의 케미칼을 사용한 클리닝(cleaning) 공정이 진행될 수 있다.
그 후에, 도 20에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(150)의 분리에 의해 노출된 n형 반도체층(106) 상에 복수개의 n측 전극(107)을 형성한다. 여기서, n측 전극(107)을 형성하기 전에, 소자의 광추출 효율을 향상시키기 위해 n형 반도체층(106)의 표면에 KOH 등을 사용한 텍스처링(texturing) 공정을 수행할 수도 있다.
그 다음에, 도 21에 도시된 바와 같이, n측 전극(107) 사이의 n형 반도체층(106), 활성층(105), p형 반도체층(104), 반사 금속층(103), 접합 금속층(102), 보호층(120), 씨드 금속층(110) 및 Si-Al 합금 기판(101)을 다이싱(dicing)하여 칩단위로 분리한다. 이에 따라, 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광소자(100)를 얻게 된다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광소자는 Si-Al 합금 기판(101)의 표면에 Ni과 같은 보호층(120)을 추가로 형성함으로써, 사파이어 기판(150)의 분리 후에 진행되는 클리닝 공정에서 사용되는 HCl, HF, KOH 등의 케미칼이나, n형반도체층(106)의 표면 텍스처링(texturing) 공정에서 사용되는 KOH 등에 의해, Si-Al 합금 기판(101)의 Al 금속이 에칭되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다. 따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광소자는 Si-Al 합금기판(101)의 표면에 요철이 형성되는 것을 막아, Si-Al 합금 기판(101) 상에 접합되는 발광 구조물이 벗겨지는 불량 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 보호층(120)으로서 Ni 등과 같은 금속을 사용하는 경우, Si-Al 합금 기판(101)의 표면 조도를 개선하여 Si-Al 합금 기판(101)과 발광 구조물 간의 접합을 견고하게 할 수 있는 이점이 있다. 즉, 종래에는 Si-Al 합금 기판(101)이 접합 금속층(102) 형성 전에 자연산화막 제거를 위한 산(acid) 등의 화학물질을 이용한 클리닝 공정을 거치면서, Si-Al 합금 기판(101) 표면의 Al 금속이 에칭되면서 평균 200 내지 500 ㎚의 표면 요철이 형성되었으나, 본 발명의 제1 실시예에서와 같이 Si-Al 합금 기판(101)의 표면에 보호층(120)으로서 Ni 등의 금속을 형성한 후, Ni CMP(Chemical Mechanical Polishing) 처리를 하면 표면 요철이 5㎚ 이하로 줄어들어 거울면과 같이 표면 조도가 개선될 수가 있다.
이와 같이, Si-Al 합금 기판(101)의 표면 조도가 개선됨으로써, 상기 Si-Al 합금 기판과 발광 구조물 간의 접합을 견고하게 하고, 접합 수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
다음으로, 제2 실시예에 따른 발광소자로서, 도 22에 도시된 바와 같이, 본 발광소자(100)는 제1 실시예에 따른 발광소자와 대부분의 구성이 동일하고, 다만, 보호층(120)이 Si-Al 합금 기판(101)의 상면 및 하면 전체에 형성되지 않고, Si-Al 합금 기판(101)의 상면에 Si-Al 합금 기판(101)의 일부를 드러내도록 형성되어 있으며, 보호층(120) 및 보호층에 의해 드러난 Si-Al 합금 기판(101)의 상면에는 도전층(122)이 더 형성되어 있고, Si-Al 합금 기판(101)의 하면에는 콘택 금속층(123)이 형성되어 있는 점에서만 제1 실시예와 다르다. 특히, 보호층(120) 은 금속이나 전도성 유전체가 아닌 절연재로 이루어지는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 소자는, 보호층(120)이 금속이나 전도성 유전체가 아닌 절연재로 이루어지는 대신에, 보호층(120)이 형성된 Si-Al 합금 기판(101)과 보호층(120) 상부의 발광 구조물간의 통전을 위하여, 보호층(120)이 Si-Al 합금 기판(101)의 상면 일부를 드러내도록 형성되고, 보호층(120)을 포함한 상기 Si-Al 합금 기판(101)의 상면에 도전층(122)이 추가로 형성되는 것이다. 여기서, 도전층(122)은 금속 등으로 이루어질 수 있다.
이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 화합물 반도체의 발광 소자의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 다만, 제2 실시예에의 구성 중 제1 실시예와 동일한 부분에 대한 설명은 생략하고, 제2 실시예에서 달라지는 구성에 대해서만 상술하기로 한다.
먼저, 앞서의 도 14 내지 도 16에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(150) 상에 n형 반도체층(106), 활성층(105), p형 반도체층(104) 및 반사 금속층(103)을 순
차로 형성한다. 여기서, 반사 금속층(103)은 필요에 따라 형성되지 않을 수도 있다.
그런 다음, 도 23에 도시된 바와 같이, Si-Al 합금 기판(101)의 표면 전체에 보호층(120)을 형성한다. 여기서, 보호층(120)은 절연재로 이루어질 수 있다.
절연재로 이루어지는 보호층(120)은 CVD 또는 코팅 방식 등에 의해 0.01 ㎛ 이상 1 ㎛ 이하의 두께로 형성할 수 있다.이때, 도면에 도시하지는 않았으나, 보호층(120)을 형성한 다음, 보호층(120)의 표면을 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 처리할 수도 있다.
다음으로, 도 24에 도시된 바와 같이, 보호층(120)의 일부를 식각 방식 등에 의해 제거하여 Si-Al 합금 기판(101)의 상면 일부를 드러낸다. 그 다음에, 도 25에 도시된 바와 같이, 보호층(120)을 포함한 Si-Al 합금 기판(101)의 상면에 도전층(122)을 형성한다. 그런 다음, 도 26에 도시된 바와 같이, 접합 금속층(102)을 이용하여 반사 금속층(103) 상에, Si-Al 합금 기판(101) 상면에 형성된 도전층(122)을 접합한다.
그런 후에, 도 27에 도시된 바와 같이, 레이저 리프트 오프 공정으로 사파이어 기판(150)을 n형 반도체층(106)으로부터 분리한다. 여기서, 사파이어 기판(150)의 분리 후에는 HCl, HF 및 KOH 등의 케미칼을 사용한 클리닝 공정이 진행될 수 있다. 이때, 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광소자는, Si-Al 합금 기판(101)의 표면에 보호층(120) 및 도전층(122)이 형성되어 있으므로, 클리닝 공정에서 사용되는 케미칼에 의해 Si-Al 합금 기판(101)의 Al 금속이 에칭되는 것을 방지할 수 있다.
그 후에, 도 28에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(150)의 분리에 의해 노출된 n형 반도체층(106) 상에 복수개의 n측 전극(107)을 형성한다. 여기서, n측 전극(107)을 형성하기 전에, 소자의 광추출 효율을 향상시키기 위해 n형 반도체층(106)의 표면에 KOH 등을 사용한 텍스처링(texturing) 공정을 수행할 수도 있다. 이 때, 본 실시예에 따르면, Si-Al 합금 기판(101)의 표면에 보호층(120) 및 도전층(122)이 형성되어 있으므로, 상기 텍스처링 공정에서 사용되는 케미칼에 의해 Si-Al 합금 기판(101)의 Al 금속이 에칭되는 것을 방지할 수 있다.
그 다음에, 도 29에 도시된 바와 같이, 래핑(lapping) 공정을 수행하여 보호층(120)을 포함한 Si-Al 합금 기판(101)의 하면을 일정 두께만큼 제거한다. 그런 다음, 도 30에 도시된 바와 같이, 상기 래핑 공정에 의해 드러난 Si-Al 합금 기판(101)의 하면에 콘택 금속층(123)을 형성한다.
그런 후에, 도 31에 도시된 바와 같이, n측 전극(107) 사이의 n형 반도체층(106), 활성층(105), p형 반도체층(104), 반사 금속층(103), 접합 금속층(102), 도전층(122), 보호층(120), Si-Al 합금 기판(101) 및 콘택 금속층(123)을 다이싱(dicing)하여 칩단위로 분리한다. 이에 따라, 본 발명의 제2 실시예에 따른
발광 소자(100)를 얻게 된다.
한편, 본 발명은, 제1 및 제2 실시예의 수직구조의 발광소자와 달리, 전극의 배치구조를 변경하여 고전류 동작이 가능한 수직수평 구조의 발광소자일 수 있다. 도 32 및 도 33은 본 발명의 제3 실시예로서, 수직수평 구조의 발광소자를 도시한 평면도 및 단면도이다. 이때, 상기 도 33은 상기 도 32의 I-I'선을 따라 절취한 단면도이다.
도 32 및 도 33을 참조하여 설명하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광소자(200)는 도전성 기판(210), 제1전극층(220), 절연층(230), 제2전극층(240), 제2 반도체층(250), 활성층(260) 및 제1반도체층(270)을 포함하며, 상기 각 층들은 순차적으로 적층되어 구비되어 있다.
도전성 기판(210)은 전기가 흐를 수 있는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들면, 도전성 기판(210)은 Au, Ni, Cu 및 W 중 어느 하나의 금속을 포함하는 금속성 기판 또는 Si, Ge 및 GaAs 중 어느 하나를 포함하는 반도체 기판인 것이 바람직하다. 도전성 기판(210) 상에는 제1전극층(220)이 적층되어 구비되어 있는데, 제1전극층(220)은 도전성 기판(210) 및 활성층(260)과 전기적으로 연결됨으로 도전성 기판(210) 및 활성층(260)과 접촉 저항이 최소화되는 물질로 구성되는 것이 바람직하다.
제1전극층(220)은 도전성 기판(210) 상에 적층되어 구비되어 있을 뿐만 아니라, 도 33에 도시하고 있는 바와 같이, 그 일부 영역이 절연층(230), 제2전극층(240), 제2반도체층(250) 및 활성층(260)을 관통하고, 제1 반도체층(270)의 일정 영역까지 관통한 콘택홀(280)을 통해 연장되어 제1 반도체층(270)과 접촉하여 도전성 기판(210)과 제1반도체층(270)은 전기적으로 연결되도록 구비되어 있다. 즉, 제1 전극층(220)은 도전성 기판(210)과 제1 반도체층(270)을 전기적으로 연결하되, 콘택홀(280)을 통해 전기적으로 연결하므로써, 콘택홀(280)의 크기, 더 정확하게는 콘택홀(280)을 통해 제1전극층(220)과 제1반도체층(270)이 접촉하는 면적인 접촉 영역(290)을 통해 전기적으로 연결된다.
한편, 제1전극층(220) 상에는 제1전극층(220)이 도전성 기판(210) 및 제1반도체층(270)을 제외한 다른 층과는 전기적으로 절연시키기 위한 절연층(220)이 구비된다. 즉, 절연층(220)은 제1전극층(220)과 제2전극 층(240)의 사이뿐만 아니라 콘택홀(280)에 의해 노출되는 제2전극층(240), 제2반도체층(250) 및 활성층(260)의 측면들과 제1전극층(220) 사이에도 구비된다. 또한, 콘택홀(280)이 관통한 제1반도체층(280)의 일정 영역의 측면에도 절연층(220)을 구비하여 절연하는 것이 바람직하다.
제2전극층(240)은 절연층(220)상에 구비된다. 물론, 상기에서도 상술하고 있는 바와 같이 콘택홀(280)이 관통하는 일정 영역들에는 제2 전극층(240)이 존재하지 않는다. 이때, 제2전극층(240)은 도 33에서 도시하고 있는 바와 같이 제2반도체층(250)과 접촉하는 계면 중 일부가 노출된 영역, 즉 노출 영역(245)을 적어도 하나 이상 구비하고 있다. 노출 영역(245) 상에는 외부 전원을 제2전극층(240)에 연결하기 위한 전극패드부(247)를 구비할 수 있다. 한편, 노출 영역(245) 상에는 이후 설명될 제2반도체층(250), 활성층(260) 및 제1반도체층(270)이 구비되어 있지 않다. 또한, 노출 영역(245)은 도 32에 도시하고 있는 바와 같이 반도체 발광 소자(200)의 모서리에 형성하는 것이 바람직한데, 이는 반도체 발광 소자(200)의 발광 면적을 최대화하기 위해서이다. 한편, 제2전극층(240)은 Ag, Al 및 Pt 중 어느 하나의 금속을 포함하여 이루어지는 것이 바람직한데, 이는 제2전극층(240)이 제2반도체층(250)과 전기적으로 접촉하기 때문에 제2반도체층(250)의 접촉 저항을 최소화하는 특성을 가지는 동시에 활성층(260)에서 생성된 빛을 반사시켜 외부로 향하게 하여 발광 효율을 높일 수 있는 기능을 갖는 층으로 구비되는 것이 바람직하기 때문이다.
제2반도체층(250)은 제2전극층(240) 상에 구비되고, 활성층(260)은 제2반도체층(250) 상에 구비되고, 제1반도체층(270)은 활성층(260) 상에 구비된다. 이때, 제1반도체층(270)은 n형 질화물 반도체이고, 제2반도체층(250)은 p형 질화물 반도체인 것이 바람하다. 한편, 활성층(260)은 제1반도체층(270) 및 제2반도체층(250)을 이루는 물질에 따라 다른 물질을 선택하여 형성할 수 있다. 즉, 활성층(260)은 전자/전공의 재결합에 따른 에너지를 빛으로 변화하여 방출하는 층이므로 제1반도체층(270) 및 제2반도체층(250)의 에너지 밴드 갭보다 적은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에서 제안하는 제4 실시예의 발광소자는 제3 실시예의 발광소자와 같은 구조에서 변형되어 콘택홀과 연결된 제1전극층이 외부로 노출될 수도 있다.
도 34는 본 발명의 제4 실시예에 따른 발광소자를 도시한 단면도이다. 본 제 4 실시형태에 따른 발광소자(300)는 도전성 기판(310) 상에 제2반도체층(350), 활성층(360) 및 제1반도체층(360)이 형성된다. 이 경우, 제2반도체층(350)과 도전성 기판(310) 사이에는 제2전극층(340)이 배치될 수 있으며, 앞선 실시 형태와 달리 제2전극층(340)은 반드시 요구되는 것은 아니다. 본 실시 형태의 경우, 제1반도체 층(370)과 접촉되는 접촉 영역(390)을 갖는 컨택홀(380)은 제1전극층(320)과 연결되며, 제1전극층(320)은 외부로 노출되어 전기연결부(345)를 갖는다. 전기연결부(345)에는 전극패드부(347)가 형성될 수 있다. 제1전극층(320)은 절연층(330)에 의하여 활성층(360), 제2반도체층(350), 제2전극층(340), 도전성 기판(310)과 전기적으로 분리될 수 있다. 앞선 제3 실시형태에서, 콘택홀이 도전성 기판과 연결되었던 것과 달리 본 제4 실시형태의 경우, 콘택홀(380)은 도전성 기판(310)과 전기적으로 분리되며, 콘택홀(380)과 연결된 제1전극층(320)이 외부로 노출된다. 이에 따라, 도전성 기판(310)은 제2반도체층(340)과 전기적으로 연결되어 앞선 제3 실시형태에서와 극성이 달라진다.
따라서, 이러한 수직수평 구조의 발광소자는 제1전극을 발광면 상에 일부 형성하고, 나머지 일부는 활성층 하부에 배치시킴으로써, 발광면적을 최대로 확보할 수 있고, 발광면상에 배치된 전극을 균일하게 배치함으로써 높은 동작 전류를 인가하여도 전류의 균일한 분포가 가능하여 고전류 동작에서 전류집중 현상을 완화할 수 있다.
한편, 상술한 제1 실시예 내지 제4 실시예에 따른 발광소자의 외부면을 수지재로 균일하게 덮는 파장변환부를 형성하여 칩코팅형 발광소자를 제공할 수도 있다.
도 35 및 도 36은 본 발명의 제5 실시예 및 제6 실시예에 따른 발광소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
우선, 도 35를 참조하면, 발광소자(410)의 상부면에는 본디와이어(425)와 전기적으로 연결되는 본딩패드(402)를 구비하며, 이러한 본딩패드(402)는 수평형 또는 수직형으로 구비되는 칩다이(401)의 구조에 따라 단독 또는 2개로 구비될 수 있다. 즉, 본딩패드(402)는 칩다이(401)의 구조에 따라 그 형성 개수가 변경되는데, 칩다이(401)가 P극과 N극이 상,하부면에 각각 형성된 수직형 구조 또는 수직 수평 구조로 구비되는 경우, 본딩패드(402)는 칩다이(401)의 상부면에 형성된 P극과 전기적으로 연결되도록 단독으로 구비된다.
또한, 칩다이(401)가 P극과 N극이 상부면에 모두 형성되는 수평형 구조 또는 수직수평 구조로 구비되는 경우, 본딩패드(402)는 칩다이(401)의 상부면에 형성된 P극과 N극과 각각 전기적으로 연결되도록 2개로 구비되어야 하는 것이다. 또한, 파장변환부(403)는 서브 마운트(404)상에 다이 어태칭된 칩다이(401)의 외부면을 일정하게 덮도록 에폭시, 실리콘 및 레진등과 같은 투명한 수지재에 형광체가 혼합되어 이루어진다. 이때, 파장변환부(403)는 형광체가 혼합된 실리콘, 에폭시 등과 같은 투명성 수지를 일정 두께로 프린팅하는 방식으로 형성되며, 칩다이(401) 전체를 덮도록 형성될 수도 있으며, 인위적으로 제공되는 열이나 UV광에 의해서 경화된다.
여기서, 파장변환부(403)에는 상기 칩다이에서 발생된 빛을 백색광으로 변환시킬 수 있는 YAG계, TAG계, Silicate계중 어느 하나의 파장변환수단인 형광물질이 포함되며, 특히, 적색형광체는 본 발명의 실시예 1 내지 3에서 합성한 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 -xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)의 조성식으로 표시되고, 상기 A는 리튬(Li), 칼륨(K) 및 나트륨(Na)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소이며, 상기 M은 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소이고, 상기 R은 란탄족 원소 및 전이금속 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소인 화합물을 포함하는 형광체를 사용할 수 있다. 그리고, 리드프레임(420)은 파장변환부(403)의 상부면을 통해 외부로 노출되는 적어도 하나의 본딩패드(402)와 본딩와이어(425)를 매개로 하여 전기적으로 연결된다.
다음으로, 도 36을 참조하면, 제6 실시예에 따른 발광소자는 칩다이(401')의 상부면에만 파장변환부(103')가 형성된다.
따라서, 도 35(g)와 같이, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 발광소자 패키지는 수지물로서 사출성형되는 수지구조물인 패키지 본체(미도시)의 내부에 일체로 구비되는 리드프레임(121)과, 제5 실시예의 발광소자(410)의 본딩패드(402)와 일단이 와이어 본딩되고, 리드프레임(421)과 타단이 와이어 본딩되는 금속와이어(425)로 구비될 수 있다. 또한, 도 37(f)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시형태에 따른 발광소자 패키지는, 제 6실시예의 발광소자(410')가 음극 리드와 양극리드를 갖는 리드 프레임(421)의 상부면에 탑재되고, 리드 프레임(421)은상부로 개방된 캐비티를 형성하도록 수지재로 사출성형되는 패키지 본체(미도시)에 일체로 구비되고, 패키지 본체의 캐비티를 통해 외부로 노출되는 발광칩(410')은 본딩패드(402')에 일단이 본딩된 금속 와이어(425)를 매개로 리드 프레임(421)과 전기적으로 연결되어 발광소자 패키지를 구성하게 된다.
이와 같이, 수직구조 또는 수직수평구조의 발광소자는 고출력용 발광소자 패키지에 이용도는 경우, 수직구조 또는 수직수평구조의 발광소자는 광방출면에 직접형광체층이 접촉되어 발광소자로부터 발생되는 열에 의해 상기 형광체가 열화된다.
하지만, 본 발명에 따른 질화물계 적색형광체는 종래 황화물(Sulfide)계 형광체보다 화학적으로 안정하여 열, 수분 등의 외부 환경에 대한 신뢰성이 우수할 뿐만 아니라 변색 위험이 작다. 따라서, 본 발명에 따른 적색형광체는 발광소자의 광방출면에 직접 파장변환부를 형성할 수 있으며, 또한, 고출력/고신뢰성의 백색 발광소자 패키지를 제조할 수 있다.
도 37은 본 발명의 제7 실시예에 따른 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 37을 참조하면, 본 제7 실시예에 따른 발광소자(500)는 발광다이오드 칩(501)과 그 표면을 덮도록 형성되며 발광다이오드 칩(501)으로부터 방출된 빛의 파장을 변환하는 파장변환부(502)를 갖추어 구성된다. 이를 위하여, 파장변환부(502)는 투명 수지부 내에 형광체(P)가 분산된 구조로 채용될 수 있다. 파장변환부(502)에 의하여 변환된 빛과 발광다이오드 칩(501)으로부터 방출된 빛이 혼합되어 발광소자(500)는 백색 광을 방출할 수 있다. 발광다이오드 칩(501)은 n형 반도체층, 발광층 및 p형 반도체층이 적층된 구조일 수 있으며, 일면에는 제1 및 제2전극(503a, 503b)이 형성되어 있다.
도 37에 도시된 것과 같이, 파장변환부(502)는 발광다이오드 칩(501)에서 제1 및 제2 전극(503a, 503b)이 형성된 면을 제1 면이라 하고, 이에 대향하는 면을 제2 면이라 하며, 제1 및 제2 면의 사이에 위치한 면을 측면으로 정의할 때, 발광다이오드 칩(501)의 제1 면(전극 형성 면) 및 측면을 덮도록 형성될 수 있다.
이는 발광다이오드 칩(501)의 빛이 도 37을 기준으로 상부 방향과 측 방향으로 방출되는 것을 의도한 것이다. 본 실시예의 경우, 파장변환부(502)가 발광다이오드 칩(501)의 표면을 따라 얇게 코팅되는 형상으로 제공되며, 패키지 본체의 컵 내부에 형광체를 주입하는 방식과 비교하여 전체적으로 균일한 빛을 얻을 수 있다.
또한, 발광다이오드 칩(501)의 표면에 바로 파장변환부(502)를 적용하며 패키지 본체를 따로 구비하지 않는 점에서 소자의 사이즈를 줄일 수 있다. 발광다이오드 칩(501)의 전기 연결을 위한 구조로서, 본 실시 형태에서는 리드 프레임 대신 도금층을 구비하는 제1 및 제2 전기연결부(504a, 504b)를 사용한다. 구체적으로, 제1 및 제2 전극(503a, 503b)과 접속되도록 제1 및 제2 전기연결부(504a, 504b)가 형성되며, 제1 및 제2 전기연결부(504a, 504b)는 각각 도금층을 구비한다. 제1 및 제2 전기연결부(504a, 504b)는 파장변환부(502)를 통하여 외부로 노출되며 와이어 본딩 등을 위한 영역으로 제공된다. 이와 같이, 발광소자(500)는 종래의 통상적인 패키지에 비하여 간소화된 구조를 가지며, COB (Chip On Board)나 패키지 형태 등의 발광장치에서 다양하게 이용될 수 있다.
도 38은 도 37의 제7 실시예의 발광소자를 사용한 제4 실시형태의 발광소자 패키지를 나타내는 개략적인 단면도이다. 도 38의 제4 실시형태의 발광소자 패키지는 기판(505) 상에 앞서 설명한 제7 실시예의 발광소자가 실장되어 구현될 수 있다. 이 경우, 도 38에서는 발광소자를 나타내는 도면 번호는 기재를 생략하였다.
기판(505)은 절연 기재상에 회로 패턴이 형성된 회로 기판을 사용할 수 있으며, 발광소자와 상기 회로 패턴을 연결하도록 와이어(W)가 형성된다. 앞서 설명한 바와 같이, 발광소자는 상기 제1 면 및 측면을 통하여 빛이 방출되는 점에서, 발광소자의 실장 방향은 발광다이오드 칩의 제2 면이 기판(505)을 향하는 방향이 된다. 기판(505)에 발광소자가 실장되는 방식 외에 따로 도시하지는 아니하였으나, 발광소자는 리드 프레임 위에 실장되어 통상적인 패키지에 이용될 수 있다. 이렇게 발광소자를 패키징하여 사용할 경우 패키지 본체의 컵에 형광체를 따로 주입할 필요가 없으며 전체적인 광 방출 방향에 대하여 균일한 색 온도를 얻을 수 있다.
도 39 및 도 40은 각각 본 발명의 제8 및 제9 실시예에 따른 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 우선, 도 40을 참조하면, 발광소자(600)는 제7 실시예와 같이, 제1 및 제2 전극(603a, 603b)을 갖는 발광다이오드 칩(601), 파장변환부(602), 제1 및 제2 전기연결부(604a, 604b)를 갖추어 구성된다. 도 38에 도시된 구조와 다른 점은 발광다이오드 칩(601)의 측면에 형성된 수지부(607)는 형광체가 제외된 투명 수지로 이루어져 있다는 것이다. 이는 발광다이오드 칩(601)의 측면으로 방출되는 빛은 제1 면으로 방출되는 빛에 비해 강도가 낮은 것을 고려한 것이다.
다음으로, 도 40에 도시된 발광소자(700)는 제7 실시예와 같이, 제1 및 제2전극(703a, 703b)을 갖는 발광다이오드 칩(701), 파장변환부(702), 제1 및 제2 전기연결부(704a, 704b)를 갖추어 구성된다. 도 38에 도시된 구조와 다른 점은 발광다이오드 칩(701)의 제1 면에 위치하여 제1 및 제2 전극(703a, 703b)의 측면을 감싸는 영역에 형성된 언더필 수지부(706)는 형광체가 제외된 투명 수지로 이루어져있다.
한편, 도 41 내지 도 44을 참조하여 UV 발광다이오드 칩 또는 청색 발광다이오드 칩 상에 형광체층이 다층 형태로 적층되는 파장변환부의 구조에 대해 다양한 실시예를 통해 설명한다.
먼저, 도 41 및 도 42는 각각 램프 형태와 칩 형태로 구현된 본 발명의 제2 및 제3 실시 형태에 따른 발광소자 패키지의 구조를 도시한 단면도이다.
도 41에서와 같이, 램프 형태로 구현된 본 발명의 제5 실시형태에 따른 발광소자 패키지는, 대략 410㎚ 이하의 파장을 가진 UV 발광다이오드 칩(810)은 자외선에 의해 여기되어 서로 다른 색상의 광을 방출하는 세 종류의 형광체가 각각 함유된 제1, 제2 및 제3 형광층(821, 822, 823))으로 이루어진 다층 형광층(820)에 의해 덮여질 수 있다.
그리고, 도 42에서와 같이, 칩 형태로 구현된 본 발명의 제6 실시형태에 따른 발광소자 패키지는, UV 발광다이오드 칩(1010)이 기판(1005) 상에 케이싱(1006)의 홈 내부에 설치된다. 케이싱(1006)의 홈 내부에는 세 종류의 형광물질이 각각 함유된 제1, 제2 및 제3 형광층(1021, 1022, 1023)이 형성되며, 이들은 UV 발광다이오드 칩(1010)을 덮는 다층 형광층(1020)을 이루게 된다. UV 발광다이오드 칩(1010)의 n전극과 p전극은 와이어(1003)에 의해 기판(1005)에 형성된 금속도선(1007)에 전기적으로 연결된다.
구체적으로, 제1 형광층은 UV 발광다이오드 칩 위에 형성되며, 적색광(R)을 방출하는 형광체와 수지가 혼합되어 이루어질 수 있다. 적색광(R)을 방출하는 형광체로는 자외선에 의해 여기되어 600㎚ 내지 700㎚ 범위의 발광피크를 가진 광을 방출하는 형광물질, 즉, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 합성한 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)의 조성식으로 표시되고, 상기 A는 리튬(Li), 칼륨(K) 및 나트륨(Na)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소이며, 상기 M은 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소이고, 상기 R은 란탄족 원소 및 전이금속 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소인 화합물을 포함하는 형광체를 사용한다.
상기 제2 형광층은 상기 제1 형광층 위에 적층되며, 녹색광(G)을 방출하는 형광체와 수지가 혼합되어 이루어질 수 있다. 상기 녹색광을 방출하는 형광체로는 자외선에 의해 여기되어 500㎚ 내지 550㎚ 범위의 파장을 가진 광을 방출하는 형광물질이 사용될 수 있다. 상기 제3 형광층은 상기 제2 형광층 위에 적층되며, 청색광(B)을 방출하는 형광체와 수지가 혼합되어 이루어질 수 있다. 상기 청색광을 방출하는 형광체로는 자외선에 의해 여기되어 420㎚ 내지 480㎚ 범위의 파장을 가진 광을 방출하는 형광물질이 사용될 수 있다.
상기한 구성을 통해 UV 발광다이오드 칩에서 방출된 자외선은 제1, 제2 및 제3 형광층 내에 함유된 서로 다른 종류의 형광체들을 여기시키게 된다. 이에 따라 제1, 제2 및 제3 형광층으로부터 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B)이 각각 방출되고, 이러한 세 가지 색상의 광이 조합되어 백색광(W)을 형성하게 되는 것이다.
특히, 자외선을 형광 전환하기 위한 형광층을 다층, 즉 3층으로 형성하되, 가장 긴 파장의 광, 즉 적색광(R)을 방출하는 제1 형광층을 UV 발광다이오드 칩 위에 먼저 적층하고, 그 위에 보다 짧은 파장의 광, 즉 녹색광(G)과 청색광(B)을 방출하는 제2 및 제3 형광층들을 순차적으로 적층한다. 이와 같이 광전환 효율이 가장 낮은 적색광(R)을 방출하는 형광체가 함유된 제1 형광층이 UV 발광다이오드 칩에 가장 가까이 위치함으로써, 제1 형광층에서의 광전환 효율이 상대적으로 높아지게 되고, 이에 따라 발광다이오드 칩의 전체적인 광전환 효율이 향상될 수 있다.
다음으로, 도 43 및 도 44에는 본 발명의 제7 및 제8 실시형태에 따른 발광소자 패키지의 부분적인 구조가 도시되어 있다. 이 도면들에는 발광다이오드 칩과 다층 형광층의 구조만 도시되어 있으며, 다른 부분의 구성은 도 41 및 도 42와 동일하다.
즉, 본 발명의 제7 및 제8 실시형태에 따른 발광소자 패키지도 램프 형태 또는 칩 형태로 구현될 수 있다.
도 43에 도시된 제7 실시형태에 따른 발광소자 패키지는 410㎚ 이하의 파장을 가진 UV 발광다이오드 칩(1110)을 덮도록 형성되는 다층 형광층(1120)을 구비하며, 이 경우 다층 형광층(1120)은 2층의 형광층으로 구성된다. 구체적으로, UV 발광다이오드 칩(1110) 위에 형성되는 제1 형광층(1121)은 적색광(R)을 방출하는 형광체와 수지가 혼합되어 이루어진다. 이때, 적색광(R)을 방출하는 형광체로는 자외선에 의해 여기되어 600㎚ 내지 700㎚ 범위의 발광피크를 가진 광을 방출하는 형광물질, 즉, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 합성한 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)의 조성식으로 표시되고, 상기 A는 리튬(Li), 칼륨(K) 및 나트륨(Na)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소이며, 상기 M은 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소이고, 상기 R은 란탄족 원소 및 전이금속 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소인 화합물을 포함하는 형광체가 함께 혼합되어 이루어진다.
이와 같은 구성을 통해 상기 UV 발광다이오드 칩에서 방출된 자외선은 제1 형광층(1121) 내에 함유된 형광체를 여기시켜 적색광(R)을 방출시키고, 제2 형광층(1122) 내에 혼합된 두 종류의 형광체들을 여기시켜 녹색광(G) 및 청색광(B)을 방출시킨다. 이러한 세 가지 색상의 광이 조합됨으로써 인간의 눈에는 백색광(W)으로 보이게 되는 것이다. 상기한 바와 같이, 자외선을 형광 전환하기 위한 형광층을 2층으로 형성하되, 가장 긴 파장의 적색광(R)을 방출하는 제1 형광층(1121)을 UV 발광다이오드 칩(1110) 위에 먼저 적층하고, 그 위에 보다 짧은 파장의 녹색광(G)과 청색광(B)을 함께 방출하는 제2 형광층(1122)을 적층한다. 이와 같은 다층 형광층의 적층 구조에 의해서도 전술한 실시예에서와 같이 광전환 효율이 높아지는 효과를 얻을 수 있다.
도 44에 도시된 제8 실시형태에 따른 발광소자 패키지는 여기광으로서 420 ㎚- 480 ㎚ 범위의 파장을 가진 청색광(B)을 방출하는 발광다이오드 칩(1210)을 덮도록 형성되는 다층 형광층(1220)이 2층으로 구성되며, 이 경우 발광다이오드 칩(1210) 위에 형성되는 제1 형광층(1221)은 적색광(R)을 방출하는 형광체와 수지가 혼합되어 이루어진다. 이때, 상기 적색광(R)을 방출하는 형광체로는 청색광에 의해 여기되어 600㎚ - 700㎚ 범위의 발광피크를 가진 광을 방출하는 형광물질, 즉, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 합성한 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)의 조성식으로 표시되고, 상기 A는 리튬(Li), 칼륨(K) 및 나트륨(Na)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소이며, 상기 M은 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소이고, 상기 R은 란탄족 원소 및 전이금속 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소인 화합물을 포함하는 형광체를 사용한다. 그리고, 제1 형광층(1221) 위에 적층되는 제2형광층(1222)은 수지에 녹색광(G) 또는 황색광(Y)을 방출하는 형광체가 혼합되어 이루어진다.
이와 같은 구성을 통해 상기 발광다이오드 칩에서 방출된 청색광(B)은 제1 형광층 내에 함유된 형광체를 여기시켜 적색광(R)을 방출시키고, 제2 형광층 내에 함유된 형광체를 여기시켜 녹색광(G) 또는 황색광(Y)을 방출시킨다. 이와 같이 다층 형광층으로부터 방출되는 적색광(R)과 녹색광(G)(또는 황색광(Y))와 발광다이오드 칩에서 발생되는 청색광(B)이 조합되어 백색광(W)이 형성되는 것이다.
여기서, 도 44에 개시된 본 발명의 제8 실시형태에 따른 발광소자 패키지의 백색 발광원리에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
도 45는 도 44에 도시된 본 발명의 제8 실시형태에 따른 발광소자 패키지를 개략적으로 나타낸 개념도이다. 도 45를 참조하면, 청색 광원으로부터 청색광이 방출된다. 상기 청색 광원은 420 내지 480nm의 피크 방출 파장을 가진다. 특히 상기 청색광원으로는, 420 내지 480nm의 피크 방출 파장을 갖는 청색 LED를 사용할 수 있다.
녹색 및 적색 형광체는 청색 광원으로부터 방출된 청색광에 의해 여기되어 각각 녹색 및 적색의 가시광을 방출한다. 방출된 녹색 및 적색의 가시광선은 상기 형광체를 투과한 청색광(상기 청색 광원의 방출광)과 혼색되어 백색광을 출력하게 된다.
녹색 형광체는 490 내지 550nm의 피크 방출 파장(peak emission wavelength)을 가지며, 적색 형광체는 청색광에 의해 여기되어 600㎚ 내지 700㎚ 범위의 발광피크를 가진 광을 방출하는 형광물질, 즉, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 합성한 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4-xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)의 조성식으로 표시되고, 상기 A는 리튬(Li), 칼륨(K) 및 나트륨(Na)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소이며, 상기 M은 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소이고, 상기 R은 란탄족 원소 및 전이금속 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소인 화합물을 포함하는 형광체를 사용한다. 바람직하게는, 상기 형광체들은 청색 광원의 특정 방출 파장에서 높은 광자 효율을 갖는다. 또한, 바람직하게는, 각 형광체들은 다른 형광체에 의해 방출된 가시광에 대해 상당한 투광성을 갖는다. 적색 형광체는 청색 광원에 의해 방출되는 청색광에 의해 여기될 뿐만 아니라 녹색 형광체의 방출광(녹색광)에 의해서도 여기되어 적색광을 방출한다. 바람직하게는, 청색광 및 녹색광에 의해 충분히 효율적으로 여기될 수 있도록 상기 적색 형광체는 420 내지 500nm의 범위에서 피크 여기 파장(peak excitation wavelength)을 갖는다.
또한, 적색 형광체는 청색 광원뿐만 아니라 녹색 형광체에 의해서도 여기되므로(즉, 적색 형광체는 2중 여기됨), 적색 형광체의 양자 수율이 향상된다. 이러한 적색 형광체의 양자 수율 향상에 의해 전체적인 발광 효율, 휘도 및 연색 지수도 개선된다. 더욱이, 종래에 쓸데없이 버려지는 녹색광(예컨대, 출사면의 후방으로 빠져 나가는 녹색 방출광)이 적색 형광체를 여기시키는 데에 사용된다면, 전체적인 발광 효율은 더욱더 커지게 된다. 이러한 양자 수율의 증가에 의하여, 백색 발광 장치의 전체 휘도 및 연색 지수가 향상될 수 있다.
도 46은 제8 실시예에 따른 발광소자 패키지의 동작 원리를 더욱 상세하게 설명하기 위한 모식도이다. 도 46을 참조하면, 청색 LED와 같은 청색 광원(1301)에 의해 청색광(1302)이 방출되어 형광체들(1330), 즉 제2 형광체(1331)와 제1 형광체(1332)에 입사된다. 이 형광체들(1330)은 서로 분리된 층 구조를 형성하는 것이 바람직하다. 이는, 형광체들의 혼합물을 이용하는 것보다 각각 분리된 층구조의 형광체를 이용하는 것이, 출사면 후방으로 방출되는 방출광을 효율적으로 이용하기에 더 적합하기 때문이다.
청색 광원(1301)에서 방출되는 청색광(1302)은 육안으로 감지되며, 예를 들어 420 내지 480nm의 파장을 갖질 수 있다. 바람직하게는, 청색 광원(1301)은 420 내지 480nm의 피크 방출 파장을 갖는 청색 LED이다. 제2 형광체(1331)는 청색광(1302)을 흡수한 후, 490 내지 550nm의 피크 방출 파장을 갖는 녹색광(1304, 1305)을 방출한다. 제1 형광체(1332)는 청색광(1302)과 제2 형광체(1331)의방출광(녹색광(1305))을 흡수한 후, 600 내지 700nm의 발광 피크를 갖는 적색광(1306, 1307)을 방출한다. 특히 제1 형광체(1332)는 420 내지 500nm의 범위에서 피크 여기 파장을 가질 경우, 청색광(1302)과 녹색광(1305)을 효과적으로 흡수할 수 있다(즉, 청색광(1302)과 녹색광(1305)에 의해 효과적으로 여기될 수있음). 적색광(1306)은 제2 형광체(1331)의 방출광(1305)의 흡수로 인해 제1 형광체(1332)에 의해 방출되는 적색광이다. 적색광(1307)은 청색 광원(1301)의 방출광(1302)의 흡수로 인해 제1 형광체(1332)에 의해 방출되는 적색광이다. 관찰자(1309)는 녹색광(1304), 청색광(1302) 및 적색광(1306, 1307)의 조합을 백색광(1308)으로 감지하게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 제1 형광체(1332)는 청색 광원(1301) 및 제2 형광체(1331)에 의해 2중 여기되어 적색광을 방출한다. 따라서, 적색 형광체(제1 형광체(1332))의 광자 수율이 향상된다. 이에 따라, 발광 장치의 전체적인 휘도가 증가하고 연색 지수가 개선된다. 제2 형광체(1331)는, 청색 광원(1301)의 방출광(1302)에 응하여 490 내지 550nm의 피크 방출 파장을 갖는 녹색광을 방출하는 어떠한 형광체도 가능하다. 청색 광원(1301)으로서, 420 내지 480nm의 피크 방출 파장을 갖는 청색 LED를 사용할 경우, 제2 형광체(1331)로는, 490 내지 550의 피크 방출 파장을 가지면서 청색 LED의 방출광(420 내지 480nm의 피크 방출 파장을 갖는 청색광)에 대한 높은 양자 효율(quantum efficiency)을 갖는 형광체를 사용할 수 있다.
제1 형광체(1332)는, 청색 광원(1301)의 방출광(1302) 및 제2 형광체(1331)의 방출광(1305)에 응하여 600㎚ 내지 700㎚ 범위의 발광피크를 가진 광을 방출하는 형광물질, 즉, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 합성한 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)의 조성식으로 표시되고, 상기 A는 리튬(Li), 칼륨(K) 및 나트륨(Na)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소이며, 상기 M은 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소이고, 상기 R은 란탄족 원소 및 전이금속 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소인 화합물을 포함하는 형광체를 사용한다. 바람직하게는, 제1 형광체(1332)는 420 내지 480nm의 청색 LED광 뿐만 아니라 490 내지 550nm의 제2 형광체(31)의 방출광도 함께 흡수하여 600 내지 700nm의 발광피크를 갖는 적색광을 방출할 수 있다. 이들 형광체는 청색광(2)과 녹색광(5)에 의해 2중 여기될 수 있다. 이에 따라, 적색 형광체(제1 형광체(32))의 양자 수율이 높아지고 전체적인 발광 효율, 휘도 및 연색 지수가 개선된다.
도 47은 본 발명의 제8 실시형태의 발광소자 패키지에 사용되는 녹색 형광체(제2 형광체)와 적색 형광체(제1 형광체) 간의 에너지 전이를 개략적으로 나타낸 모식도이다. 도 47을 참조하면, 제2 형광체는 460nm 정도의 청색광에 의해 여기되어 530nm 정도의 녹색광을 방출한다. 또한, 제1 형광체는 460nm 정도의 청색광뿐만 아니라 제1 형광체의 방출광(녹색광) 일부를 흡수하여 620nm 정도의 적색광을 방출한다. 이와 같이 제1 형광체는 2중 여기에 의해 적색광을 방출한다. 즉, 제1 형광체(1332)는 청색 LED 등의 청색 광원(1301) 위에 배치되고, 제2 형광체(1331)는 제1 형광체(1332) 위에 배치된다. 이렇게 함으로써, 제2 형광체(1331)로부터 후방으로 방출된 빛(1305)은 제1 형광체(1332)에 의해 용이하게 흡수되어 적색광(1306)을방출한다. 이에 따라, 제1 형광체(1332)의 추가적인 방출광(1306)은 발광 장치의 전체 휘도를 더욱 높이고 연색 지수도 더욱 향상시키게 된다. 또한, 후방으로 방출되어 버려질 빛(1305)은 제1 형광체(1332)에 의해 효과적으로 이용된다. 이러한 층구조의 형광체 배치는, 각각의 형광체가 분산되어 있는 몰딩 수지의 층을 형성함으로써 용이하게 구현될 수 있다.
도 48은 본 발명의 제9 실시형태에 따른 발광소자 패키지를 나타내는 단면도이다. 도 48을 참조하면, 발광소자 패키지(1430)는 패키지기판(1431)과 패키지기판(1431)에 실장된 발광다이오드 칩(1435)을 포함한다. 패키지기판(1431)은 2개의 리드프레임(1432a,1432b)이 형성된 하부 패키지기판(1431a)과 캐비티가 마련된 상부 패키지 기판(1431b)으로 이루어질 수 있다. 캐비티 영역 내에는 발광다이오드 칩(1435)이 실장된다. 발광다이오드 칩(1435)의 양 전극(미도시)은 각각 리드프레임(1432a,1432b)의 상단에 와이어로 연결된다.
발광다이오드 칩(1435)을 둘러싸도록 저굴절률영역(1436)이 제공된다. 저굴절률영역(1436)은 빈공간일 수 있으나, 비교적 낮은 굴절률을 갖는 투명수지로 충전된 영역일 수 있다. 저굴절률영역(1436)이 빈공간일 경우에는 대기와 유사한 굴절률(n=1)을 갖는다. 또한, 투명수지로 저굴절률영역(1436)을 형성할 경우에는 통상의 에폭시, 실리콘 또는 그 혼합수지를 사용할 수 있다. 이 경우에, 저굴절률영역(1436)의 굴절률은 대략 1.7정도일 수 있다.
저굴절률영역(1436) 상에는 고굴절률층(1437)이 형성된다. 고굴절 률층(1437)은 적어도 저굴절률영역(1436)보다 높은 굴절률을 가지며, 상면에는 요철패턴(1437a)이 형성된다. 또한, 고굴절률층(1437) 상에는 발광다이오드(1435)로부터 방출되는 광의 파장을 변환시키기 위한 형광체(1439)가 함유된 파장변환층(1438)이 형성된다. 파장변환층(1438)은 형광체가 함유된 수지층으로, 적어도 고굴절률층(1437)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는다.
파장변환층(1438)은 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 합성한 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)의 조성식으로 표시되고, 상기 A는 리튬(Li), 칼륨(K) 및 나트륨(Na)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소이며, 상기 M은 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소이고, 상기 R은 란탄족 원소 및 전이금속 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소인 화합물을 포함하는 적색형광체를 적어도 포함한다.
본 발명에서 채용된 고굴절률층(1437)은 자체가 높은 굴절률을 갖는 수지로 형성되거나, 높은 굴절률 입자가 함유된 통상의 투명수지층으로 구현될 수도 있다. 이 경우에, 상기 고굴절률 입자는 GaP, Si, TiO2, SrTiO3, SiC, 큐빅 또는 비정질 카본, 카본나노튜브, AlGaInP, AlGaAs, SiN, SiON, ITO, SiGe, AlN 및 GaN로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.
고굴절률층(1437)은 형광체 입자(1439)에서 산란된 광자가 저굴절률 영역(1436)과의 계면에서 전반사될 수 있도록 높은 굴절률을 갖는다. 고굴절률층(1437)은 1.8이상의 굴절률을 갖도록 형성하는 것이 바람직하지만, 저굴절률 영역(1436)을 특정 굴절률을 갖는 수지로 형성할 경우에는, 상기 특정 수지와의 충분한 굴절률 차이를 갖도록 더욱 높은 굴절률을 갖는 물질로 고굴절률층(1437)을 형성할 수도 있다.
파장변환층(1438)과의 계면에서 비교적 높은 광추출임계각을 갖더라도 고굴절률층(1437) 상에 형성된 요철패턴(1437a)에 의해 파장변환층(1438)으로의 광추출이 보다 용이하게 실현된다. 바람직하게 요철(1437a)의 형성주기는 약 0.001~500㎛범위일 수 있다. 또한, 고굴절률층(1437)과 파장변환층(1438)의 굴절률 차이가 지나치게 클 경우에, 요철(1437a)에 의해서도 충분한 광추출을 기대하기 어려우므로, 고굴절률층(1437)의 굴절률은 10이하인 것이 바람직하다.
도 49는 도 48에 도시된 제9 실시예에 따른 발광소자 패키지에서 광추출메카니즘을 설명하기 위한 개략도이다. 도 48과 함께 도 49를 참조하면, 발광다이오드 칩(1435)으로부터 방출되는 광은 저굴절률영역(1436)과 고굴절률층(1437)를 지나 파장변환층(1438)으로 진행된다. 통상적으로, 저굴절률영역(1436)은 발광다이오드 칩(1435)을 구성하는 질화물보다 낮은 굴절률을 갖지만, LED 표면에 요철패턴(미도시)이 형성되므로, LED(1435)로부터 발생된 광은 저굴절률영역(1436)으로 효과적으로 추출될 수 있다. 또한, 저굴절률영역(1436)에서 고굴절률층(1437)으로 향하는 광은 높은 굴절률 물질로 진행되므로, 효과적으로 추출될 수 있다. 파장변환층(38)은 고굴절률층보다 낮은 굴절률이 가지므로, 제한된 광추출임계각을 갖지만, 고굴절률층의 상면에 형성된 요철에 의해 효과적으로 추출될 수 있다.
이어, LED의 방출광은 형광체 입자(1439)에서 여기되고, 그 여기된 일부광은 원하는 방향, 즉 패키지 상부를 향해 추출될 수 있다. 반면에, 다른 일부의 여기광은 패키지 내부로 향하여 파장변환층(1438)에서 고굴절률층(1437)으로 진행될 수 있다. 파장변환층(1438)은 고굴절률층(1437)보다 낮은 굴절률을 가지므로, 패키지 내부로 향하는 광은 거의 소실되지 않고 고굴절률층(1437)으로 진입될 수 있다. 고굴절률층에 진입된 광은 저굴절영역(1436)과의 계면에서는 높은 굴절률차이에 의해 대부분 전반사된다. 전반사된 광은 고굴절률층(1437)의 상부로 진행되며, 고굴절률층(1437)과 파장변환층(1438)의 계면을 통과하여 원하는 방향으로 추출될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 고굴절률층(1437)과 파장변환층(1438)은 굴절률차이에 의해 그 계면에서 제한된 광추출임계각을 갖지만, 고굴절률층(1437)의 상면에 형성된 요철(1437a)에 의해 용이하게 추출될 수 있다.
이와 같이, 형광체 입자(1439)에 의해 산란되어 패키지 내부로 진행되는 광은 상면에 요철(1437a)이 형성된 고굴절률층(1437)과 저굴절률영역(1436)에 의해 원하는 상부 방향으로 효과적으로 전반사시킬 수 있다.
본 발명은 형광체 입자를 함유한 파장변환층을 상부에 배치하고, 그 하부에 요철면을 갖는 고굴절률층과 저굴절률영역으로 이루어진 광학적 구조를 도입함으로써 형광체 입자에서 전반위로 산란된 광의 진행방향을 광추출효율이 개선되도록 상부 방향으로 재조정할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Claims (29)
- Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)의 조성식으로 표시되고, 상기 A는 리튬(Li), 칼륨(K) 및 나트륨(Na)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소이며, 상기 M은 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소이고, 상기 R은 란탄족 원소 및 전이금속 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소인 화합물을 포함하는 적색형광체.
- 제1항에 있어서,
상기 A는 나트륨(Na)이고, 상기 M은 칼슘(Ca)인 것을 특징으로 하는 적색형광체.
- 제1항에 있어서,
상기 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)로 표시되는 화합물은 결정상을 갖는 호스트 물질로 이루어져 있고, 상기 A는 도펀트 물질 또는 활성물질(activator)로 상기 화합물에 포함되는 것을 특징으로 하는 적색형광체.
- 제1항에 있어서,
상기 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)로 표시되는 화합물은 결정상을 갖는 호스트 물질로 이루어져 있고, 상기 A 및 알루미늄(Al)은 도펀트 물질 또는 활성물질(activator)로 상기 화합물에 포함되는 것을 특징으로 하는 적색형광체.
- 제1항에 있어서,
상기 적색형광체는 청색 또는 자외선 파장영역을 여기원으로 하여 600 nm 내지 700 nm의 파장대역의 발광피크를 갖는 것을 특징으로 하는 적색형광체.
- 제1항에 있어서,
상기 R은 유로퓸(Eu) 또는 디스프로슘(Dy)인 것을 특징으로 하는 적색형광체.
- 제1항에 있어서,
상기 적색형광체의 발광파장의 스펙트럼 반치폭은 83 nm 내지 150 nm 인 것을 특징으로 하는 적색형광체.
- 제1항에 있어서,
상기 적색형광체의 결정 구조는 사방정계 결정 구조인 것을 특징으로 하는 적색형광체.
- Sr-함유 화합물 및 M-함유 화합물 중 적어도 하나의 화합물, A 함유 화합물, Eu-함유 화합물, Al 함유 화합물, Si-함유 산화물 및 Si-함유 질화물을 포함하는 원료물질들을 혼합하는 혼합단계;
상기 혼합물을 소성하여 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:Eu(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)의 조성식으로 표시되는 화합물을 얻는 소성단계; 및
상기 소성된 화합물을 분쇄 및 밀링하는 밀링단계;
를 포함하며, 상기 A는 리튬(Li), 칼륨(K) 및 나트륨(Na)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소이며, 상기 M은 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소인 적색형광체의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 소성단계 및 밀링단계는 각각 2회 씩 수행되는 것을 특징으로 하는 적색형광체의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 Eu-함유 화합물은 산화유로피움(Eu2O3)인 것을 특징으로 하는 적색형광체의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 혼합단계는 망간 탄산염을 더 혼합하는 것을 특징으로 하는 적색형광체의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 Sr-함유 화합물은 스트론튬(Sr)의 금속, 수용성 금속염, 산화물, 질산염, 산화염, 황산염 또는 탄산염을 포함하는 것을 특징으로 하는 적색형광체의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 M-함유 화합물은 M의 금속, 수용성 금속염, 산화물, 질산염, 산화염, 황산염 또는 탄산염을 포함하는 것을 특징으로 하는 적색형광체의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 Si-함유 산화물은 산화규소(SiO2)이며, 상기 Si-함유 질화물은 질화규소(Si3N4)인 것을 특징으로 하는 적색형광체의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 혼합단계는, 용매를 이용하여 습식 혼합하는 것을 특징으로 하는 적색형광체의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 혼합단계를 거친 혼합물을 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적색형광체의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 소성은 1000-1800℃ 온도 범위에서 1-24시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 적색형광체의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 소성은 질소 가스 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 적색형광체의 제조방법.
- 여기광을 방출하는 발광소자; 및
상기 여기광을 흡수하여 가시광을 방출하는 파장변환부;를 포함하며,
상기 파장변환부는 Az(Sr, M)2(Si, Al)O4 - xNy:R(0<x<3, y=2x/3, 0.001<z<0.1)의 조성식으로 표시되고, 상기 A는 리튬(Li), 칼륨(K) 및 나트륨(Na)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소이며, 상기 M은 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소이고, 상기 R은 란탄족 원소 및 전이금속 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소인 화합물을 포함하는 발광장치.
- 제20항에 있어서,
상기 적색형광체는 청색 또는 자외선 파장영역을 여기원으로 하여 600 nm 내지 700 nm의 파장대역의 발광피크를 방출하는 것을 특징으로 하는 발광장치.
- 제20항에 있어서,
상기 발광소자는 자외선 발광다이오드 또는 청색 발광다이오드인 것을 특징으로 하는 발광장치.
- 제20항에 있어서,
상기 발광장치는 청색형광체, 녹색형광체 및 황색형광체로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 형광체를 포함하며, 상기 발광장치의 최종 출력광은 백색광인 것을 특징으로 하는 발광장치.
- 제20항에 있어서,
상기 파장변환부는 상기 발광소자의 상부에 형성되며, 서로 다른 형광체를 포함하는 적어도 2개의 형광체층으로 이루어진 다층 구조인 것을 특징으로 하는 발광장치.
- 제24항에 있어서,
상기 형광체는 청색형광체, 녹색형광체 및 황색형광체로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종이고, 상기 발광장치의 최종 출력광은 백색광인 것을 특징으로 하는 발광장치.
- 제20항에 있어서,
상기 파장변환부는 상기 발광소자의 외부면을 상기 적색형광체가 포함된 수지로 균일하게 덮도록 형성된 것을 특징으로 하는 발광장치.
- 제26항에 있어서,
상기 파장변환부는 상기 발광소자의 상면에만, 또는 상면 및 측면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광장치.
- 제20항에 있어서,
상기 파장변환부는 상기 발광소자를 봉지하는 수지포장부를 더 포함하며, 상기 적색형광체가 상기 수지포장부에 분산된 것을 특징으로 하는 발광장치.
- 제28항에 있어서,
상기 파장변환부는 청색형광체, 녹색형광체 및 황색형광체로 이루어진 군에서 선택된 적어도 2종의 형광체를 포함하며, 상기 발광장치의 최종 출력광은 백색광인 것을 특징으로 하는 발광장치.
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