KR20120080177A - 고효율 변환 ｌｅｄ - Google Patents

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Abstract

매우 높은 효율성을 허용하는, LuAGaG 타입의 제 1 발광단(luminophore) 및 나이트리도실리케이트(nitridosilicate) 타입의 제 2 발광단을 포함하는 발광단 혼합을 갖는 백색을 발생시키기 위한 변환 LED가 개시된다.

Description

고효율 변환 ＬＥＤ{HIGH EFFICIENCY CONVERSION LED}
본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 변환 LED에 기초한다. 이러한 변환 LED들은 특히 일반적인 조명(lighting)에 적합하다.
변환 LED는, 백색 LED를 획득하기 위해 Sr2Si5N8:Eu와 함께 청색 칩을 이용하는 미국 제6 649 946호로부터 알려지고, 여기서, YAG:Ce가 또한 색 재현(color reproduction)을 개선하기 위해 부가적인 발광성(luminescent) 물질로서 이용된다. 그러나, 이 방식으로는 단지 소수의 효율적인 LED들만이 실현될 수 있다.
변환 LED는, 백색 LED를 획득하기 위해 (Sr,Ca)2Si5N8:Eu와 함께 청색 칩을 이용하는 미국 특허 제7 297 293호로부터 알려지고, 여기서, YAG:Ce 및 Gd에 의한 Y의 부분적 대체 또는 Ga에 의한 Al의 부분적 대체를 갖는 유사한 발광성 물질들이 색 재현을 개선하기 위한 부가적인 발광성 물질로서 또한 이용된다. 그러나, 이 방식으로는 단지 소수의 효율적인 LED들만이 실현될 수 있다.
변환 LED는 백색 LED를 획득하기 위해 특별한 (Sr,Ba)2Si5N8:Eu 발광성 물질과 함께 청색 칩을 이용하는 유럽 특허출원 제1 669 429호로부터 알려지고, 여기서, Lu-AG:Ce 뿐만 아니라 Ce 및 Pr로 공동-도핑되는 유사한 발광성 물질들이 색 재현을 개선하기 위한 부가적인 발광성 물질로서 또한 이용된다.
본 발명의 목적은 고효율 변환 LED를 제공하는 것이고, 변환 LED는 특히 높은 유효 수명(useful life)을 달성한다.
이 목적은 청구항 제 1 항의 특징화된 특징들에 의해 달성된다.
특히 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에서 발견된다.
본 발명에 따라 이제 고효율 변환 LED가 제공된다. 모든 발광성 물질들이, 고성능 LED들로 알려진, 고전류들, 본 명세서에서 특히 적어도 250㎃, 바람직하게 적어도 300㎃, 특히 바람직하게 적어도 350㎃에서 동작되는 LED들에서 안정적이지 않다. 특히 이 문제는 나이트라이드 실리케이트 M2Si5N8:Eu와 같은 나이트라이드 또는 옥시나이트라이드 발광성 물질들에 적용된다. 많은 이러한 발광성 물질들, 특히 활성제(activator)로서 D를 갖는 M2Si5N8:D 나이트라이드는 LED에서의 동작 동안 상당한 변환 손실들을 입는다. 700mA까지의 연속 전류를 이용한 스트레스 테스트에서, 이러한 발광성 물질들을 갖는 백색 LED들은 짧은 시간 기간(일반적으로 1000 시간)에 걸쳐 자신들의 변환 효율성의 50%까지 잃는다. 이는 색 위치의 뚜렷한 불안정을 야기한다.
백색 LED들은 일반적인 조명에서 중요성이 끊임없이 증가하고 있다. 특히, 바람직하게 2900 내지 3500 K 범위의, 특히 2900 내지 3100 K의 낮은 색 온도들을 갖는 웜(warm) 백색 LED들에 대한, 그리고 특히 Ra가 적어도 93, 바람직하게 96인 양호한 색 재현에 대한, 그리고 동시에 높은 효율성에 대한 요구가 있다. 일반적으로 이들 목표들은 황색 및 적색 발광성 물질들과 청색 LED를 조합함으로써 달성된다. 모든 이들 솔루션들의 스펙트럼들은, 방사가 거의 방출되지 않는(청색-녹색 갭) 청색-녹색 스펙트럼 범위의 영역을 가지므로, 열악한 색 재현을 야기한다. 보상을 위해, 매우 장파(long-wave)의 청색 LED들이 일반적으로 이용된다(약 460㎚). 그러나, 칩 기술의 부분에서, 보다 짧은 칩 파장들의 LED들이 상당히 보다 효율적임에 따라 상기 보다 짧은 칩 파장들의 LED들을 이용하는 것이 바람직하다. 430 내지 455㎚ 사이, 특히 435 내지 445㎚ 사이의 파장들(피크)이 바람직하다.
황색뿐만 아니라 적색 발광성 물질들과 장파의 청색 LED의 이전의 조합들에 흔히 있는 바와 같이, 전체적인 범위의 청색-녹색 부분이 본질적으로 청색 LED에 의해 단독으로 결정된다면, 이는 백색 LED의 전체 CRI가, 이용된 칩 파장에 심하게 의존적인 것을 야기한다. 그러나, 기술적인 이유들로 인해, 칩 파장들의 비교적 넓은 범위가 실제로 이용되어야만 하고, 따라서 CRI에서의 보다 큰 변동들(fluctuations)을 야기한다. 더욱이, 발광성 물질들은 화학적 영향들, 예를 들어 산소, 습도, 캡슐화 재료들과의 상호작용들에 대해서뿐만 아니라 방사에 대해서도 매우 안정적이어야만 한다. 시스템 온도가 증가할 때 안정된 색 위치를 보장하기 위해, 부가하여 매우 경미한 온도 슬레이킹(slaking) 특징들을 갖는 발광성 물질들이 요구된다.
지금까지의 가장 효율적인 웜 백색 솔루션들은, Al 및 Ga 양자 모두를 포함하는 YAG:Ce 또는 YAGaG:Ce와 같은 황색 가넷(garnet) 발광성 물질과 (Ba,Sr,Ca)2Si5N8:Eu와 같은 나이트라이드 실리케이트의 조합에 기초한다. 충분히 양호한 색 재현을 달성하기 위해, 매우 장파의 청색 LED들(약 455 내지 465㎚)의 이용이 본 명세서에서 요구되지만, 결과적으로 시스템 효율성이 상당히 제한된다. 430 내지 450㎚, 바람직하게 445㎚까지의 보다 짧은 칩 파장들이 이전의 발광성 물질들과 함께 이용되지만, 색 재현은, 특히 청색-녹색 스펙트럼 범위에서 열악하다. 더욱이, 청색 파장에 대한 CRI의 심한 의존성은 제품 내의 CRI의 상당한 변동들을 야기한다. LED에서의 이전의 솔루션의 안정성은 거의 충분하지 않다(barely sufficient). 고전류들, 본 명세서에서 특히, 적어도 250㎃, 바람직하게 적어도 300㎃, 특히 바람직하게 적어도 350㎃의 경우에서, 열적 부하가 계속하여 증가함에 따라 상기 안정성은 중요하다.
새로운 솔루션은, 녹색 대 녹색-황색 방출 가넷 발광성 물질과 단파(short-wave)의, 협대역 오렌지색-적색 방출 나이트라이드 실리케이트 발광성 물질의 조합으로 이루어진다. 이전에 이용된 황색(YAG) 또는 녹색-황색(YAGaG) 가넷과 비교하여, 녹색 가넷 발광성 물질은 강하게 녹색-시프트된 방출을 갖고, 동시에 최적 여기(excitation)는 강하게 단파-시프트된다. 가넷의 이런 녹색 시프트는 백색 스펙트럼에서의 청색-녹색 갭의 상당한 감소를 야기한다.
이들 특성들로 인해, 상당히 보다 짧은 파의 LED들(이전 솔루션에서의 455㎚ 대신에 약 435㎚ 내지 445㎚ 피크 파장)은 이용될 수 있고, 동시에 80보다 큰 백색 LED의 CRI가 획득될 수 있다. 새롭게 개발된 발광성 물질 혼합의 특별한 스펙트럼 특성들의 결과로서, 부가하여 CRI가 청색 LED 파장들의 넓은 범위에 걸쳐 대략 일정하게 유지되고, 따라서 "LED 빈(bin)" 내에서의 균일한 색 품질을 보장한다. 부가하여 이들 발광성 물질의 새롭게 개발된 조합은, 매우 높은 화학적 그리고 광화학적 안정성뿐만 아니라 매우 경미한 온도 슬레이킹 특징들에 의해 구분된다.
결정적인 진전(decisive progress)은 이제, 달성된 애플리케이션의 관점으로부터의 여러 특성들 키의 동시 개선, 즉 발광성 물질들의 노화 안정성, 효율성, 가용 칩 파장 범위 및 온도 안정성에 관하여 이루어진다. 바람직하게 2900 내지 3500 K 범위, 특히 2900 내지 3100 K의 낮은 색 온도들을 갖는 이미 알려진 웜 백색 솔루션들과 이 새로운 솔루션 사이의 차이는 다음과 같다:
- 매우 강한 녹색-시프트된 가넷 발광성 물질. 이는 CRI, 시각적 판단력(visual assessment), 온도 안정성에 대한 이점들을 갖고, λdom은 바람직하게 552 내지 559㎚ 사이에 있어야 하고, (435㎚에서의 여기에 대해) FWHM은 바람직하게 105 내지 113㎚ 사이에 있어야 한다.
- 430 내지 450㎚ 피크 파장의 매우 짧은 칩 파장. 이는 고효율성에 관한 주요한 이점이다.
- 단파 방출 및 협대역 적색 발광성 물질; λdom은 바람직하게 596 내지 604㎚ 사이에 있어야 하고, (435㎚에서의 여기에 대해) FWHM은 바람직하게 100㎚보다 작아야 하고, 특히 바람직하게 90㎚보다 작아야 한다. 이는 LED의 서비스 수명, 시각적 판단력에 대한 이점들을 갖는다.
넘버링된 리스트의 형태의 본 발명의 본질적 특징들은 다음과 같다:
제1항. 1차 방사를 방출하는 칩뿐만 아니라 칩의 1차 방사의 적어도 일부분을 2차 방사로 변환하는 칩의 업스트림에 있는 발광성 물질-함유 층을 갖는 변환 LED로서, 제 1 가넷 A3B5012:Ce 황색-녹색 방출 발광성 물질 및 제 2 나이트라이드 실리케이트 M2X5Y8:D 오렌지색-적색 방출 발광성 물질이 이용되고, 1차 방사의 피크 파장은 430 내지 450㎚, 특히 445㎚까지의 범위 내에 있는 한편, 제 1 발광성 물질은 양이온 A = Lu 또는 30%까지의 Y 부분으로 이루어진 Lu, Y의 혼합을 갖는 가넷이고, B는 Al 및 Ga 양자 모두의 부분들을 갖는 한편, 제 2 발광성 물질은 양이온 M으로서 Sr 및 Ba 양자 모두를 포함하고 도핑이 Eu로 이루어지는 나이트라이드 실리케이트이고, 제 2 발광성 물질은 성분 M에 대해 35 내지 75 ㏖.-% Ba를 포함하고, 나머지는 Sr이고, X = Si이고, Y = N인 것을 특징으로 하는, 변환 LED.
제2항. 제 1 항에 있어서, 성분 B에 있어서, 제 1 발광성 물질은 10%, 바람직하게 15%, 40까지의 ㏖.-% Ga, 바람직하게 35%까지, 특히 20 내지 30%를 포함하고, 나머지는 Al인 것을 특징으로 하는, 변환 LED.
제3항. 제 1 항에 있어서, 제 1 발광성 물질은 성분 A에 있어서 1.5% 내지 2.9 ㏖.-% Ce, 특히 1.8 내지 2.6 ㏖.-% Ce를 포함하고, 나머지는 A, 특히, 단지 Lu만 또는 25%까지의 Y 부분을 갖는 Lu인 것을 특징으로 하는, 변환 LED.
제4항. 제 1 항에 있어서, 제 2 발광성 물질은 성분 M에 있어서 35 내지 65 ㏖.-% Ba, 특히 40 내지 60%를 포함하고, 나머지는 Sr이고, X = Si이고, Y = N인 것을 특징으로 하는, 변환 LED.
제5항. 제 1 항에 있어서, 제 2 발광성 물질은 성분 M에 있어서 1 내지 20 ㏖.-% Eu, 특히 2 내지 6%를 포함하고, 나머지는 (Ba,Sr)인 것을 특징으로 하는, 변환 LED.
제6항. 제 1 항에 있어서, 제 2 발광성 물질은 (Sr0.48Ba0.48Eu0.04)2Si5N8인 것을 특징으로 하는, 변환 LED.
제7항. 제 6 항에 있어서, 제 1 발광성 물질은 A3B5012이고, A = 75 내지 100% Lu이고, 나머지는 Y 및 1.5 내지 2.5%의 Ce 함량을 갖고, B = 10 내지 40% Ga이고, 나머지는 Al을 갖는 것을 특징으로 하는, 변환 LED.
제8항. 제 7 항에 있어서, 제 1 발광성 물질은 A3B5O12이고, A = 80 내지 100% Lu이고, 나머지는 Y 및 1.5 내지 2.5%의 Ce 함량을 갖고, B = 15 내지 30% Ga이고, 나머지는 Al을 갖는 것을 특징으로 하는, 변환 LED.
제9항. 제 8 항에 있어서, 제 1 발광성 물질은 (Lu0.978Ce0.022)3Al3.75Ga1.25012인 것을 특징으로 하는, 변환 LED.
아래에서 본 발명은 여러 예시적인 실시예들에 기초하여 상세히 설명된다. 도면들은 다음을 도시한다.
도 1은 종래 LED이고,
도 2는 다양한 녹색 방출 발광성 물질들의 온도 의존성의 비교이고,
도 3은 다양한 적색 방출 발광성 물질들의 온도 의존성의 비교이고,
도 4는 Ba 부분의 함수로서 다양한 Eu 도핑 함량들에 대한 나이트라이드 실리케이트들의 효율성 손실의 비교이고,
도 5는 Ba 부분의 함수로서 다양한 부하 시나리오들에서의 나이트라이드 실리케이트들의 효율성 손실의 비교이고,
도 6은 다양한 발광성 물질들의 로딩 이전 및 로딩 이후의 컨버터 손실의 비교이고,
도 7은 다양한 발광성 물질들에 대한 컨버터 손실들의 시간 함수의 비교이고,
도 8은 주요 여기(primary excitation) 파장 시프팅을 갖는 다양한 발광성 물질 혼합들에 대한 CRI의 비교이고,
도 9는 다양한 주요 방출들을 갖는 변환 LED의 전체적인 방출의 비교이고,
도 10 내지 도 12는 주요 방출(Ex)의 다양한 피크 위치들을 갖는 LuAGaG 또는 YAGaG 또는 혼합된 Sion의 방출의 비교이고,
도 13은 떨어져 부착된 발광성 물질 혼합을 갖는 LED 모듈이며,
도 14는 다양한 Y 함량들을 갖는 Lu 가넷들에 대한 방출의 비교이다.
도 1은 그 자체가 알려진 RGB에 기초하는 백색 광을 위한 변환 LED의 구조를 도시한다. 광원은 350㎃의 동작 전류 및 고-전류 InGan 청색-방출 칩을 갖는 반도체 디바이스이다. 이는 430 내지 450㎚ 피크 파장, 예를 들면 435㎚의 피크 방출 파장을 갖고, 리세스(9)의 영역 내의 불투명 기본 하우징(8) 내에 임베딩된다. 칩(1)은 제 1 접속부(3)에 접속되고 본딩 와이어(14)를 통해 제 2 전기적 접촉부(2)에 직접적으로 접속된다. 리세스(9)는 충전 화합물(5)로 충전되고, 상기 충전 화합물(5)의 주 성분들은 실리콘(70 내지 95 중량 퍼센트) 및 발광성 물질 안료들(6)(30 중량 퍼센트 미만)이다. 제 1 발광성 물질은 녹색-방출 LuAGaG:Ce이고, 제 2 발광성 물질은 적색-방출 나이트라이드 실리케이트 SrBaSi5N8:Eu이다. 리세스는, 안료들(6) 또는 칩(1)으로부터의 1차 및 2차 방사를 위한 반사기로서 기능하는 벽(17)을 갖는다.
도 2는 도 1의 칩을 이용하여 본래 용이하게 시작될 수 있는, 다양한 황색-녹색-방출 발광성 물질들의 온도 슬레이킹 특징들을 도시한다. 바람직한 조성 LuA-GaG을 갖는 실시예에서, 발광성 물질 A3B5012:Ce, ? 여기서 A = 주로 Lu임 ?, 즉, 다시 말해 B 성분들에 대한 약 25% Ga의 부분(바람직하게 10-40% Ga 부분, 특히 바람직하게 15-30% Ga 부분) 및 약 2.2% Ce(부분 A에 관하여 각각 바람직하게 1.5-2.9% Ce, 특히 바람직하게 1.8-2.6% Ce)를 갖는 Lu3(Al, Ga)5012:Ce는 매우 경미한 온도 슬레이킹에 의해 특징지어진다. 바람직한 발광성 물질은 (Lu0.978Ce0.022)3Al3.75Ga1.25012이다(커브(curve) 1 참조). 그래프는 상당히 보다 열악한 슬레이킹 특징들을 갖는 다른 황색 및 녹색 발광성 물질들과의 비교를 도시한다. 오쏘오실리케이트들(orthosilicates)(커브 3 및 커브 4)은 완전히 부적합하지만, YAGaG(커브 2)는 사용불가하다.
도 3은 도 1의 칩을 이용하여 본래 용이하게 시작될 수 있는 다양한 오렌지색-적색-방출 발광성 물질들의 온도 슬레이킹 특징들을 도시한다. 약 50% Ba((x=0.5); 일반적으로 x=0.35-0.75가 바람직하고, x=0.4-0.6이 특히 바람직함) 및 약 4% Eu((y=0.04); 일반적으로 x의 M의 Eu 부분, x=0.01-0.20이 바람직하고, x=0.02-0.06이 특히 바람직함)를 갖는 바람직한 조성 (Sr,Ba)2Si5N8:Eu를 갖는 타입 나이트라이드 실리케이트 M2Si5N8:Eu의 새로운 발광성 물질들이 매우 경미한 온도 슬레이킹에 의해 특징지어진다. 커브 1을 참조하여, 타입 Sr1 -x-y/2Bax -y/2Euy)2Si5N8의 x=0.4-0.6을 갖는 나이트라이드 실리케이트가 적합하다. 그래프는 다른 오렌지색/적색 발광성 물질들과의 비교를 도시한다. 커브 2 및 커브 3을 참조하여, x=0.25 또는 x=0.75를 갖는 나이트라이드 실리케이트들은 상당히 덜 적합하다. Ca-나이트라이드 실리케이트들(커브 4) 및 오쏘오실리케이트들(커브 5)은 부적합하다.
도 4는 가변 Ba 함량을 이용하여 시스템 (Sr,Ba)2Si5N8:Eu의 안정성이 확인되는 산화 안정성 테스트의 결과를 도시한다. 이를 수행하기 위해, 샘플이 먼저 특징지어졌고, 그 다음에, 68 시간 동안 150℃로 대기에서 구워지고(baked), 그 다음에 다시 특징지어졌다. 상이한 시간들에서 양측 효율성들의 차이는 효율성 손실을 발생시킨다. 최상의 발광성 물질들은 바람직하게 측정 에러들의 맥락(context)에서 완벽하게 안정적이다. 약 45 내지 53% Ba를 갖는 발광성 물질에는 M의 약 4% Eu 부분, 특히 발광성 물질 (Sr0.48Ba0.48Eu0.04)2Si5N8이 선호된다.
도 5는 시스템 (Sr,Ba)2Si5N8:Eu의 안정성이 가변 Ba 함량 x로 조사된 LED 노화 테스트의 결과를 도시한다. 청색 고-전력 LED(약 435㎚에서의 λ피크)는, 각각의 발광성 물질의 확산을 이용하여 실리콘으로 부어졌고(poured) 1000분 동안 350㎃에서 동작되었다. 발광성 물질 오프피크 및 1차 방출의 청색 LED 피크의 상대적 강도들이, 테스트의 시작 및 종료에서 측정되었고, 이로부터 청색 LED 피크의 강도에 대한 변환 효율성의 손실이 결정되었다. 도 5(사각형 측정 포인트들)는 바륨 함량의 증가에 따른 안정성의 명백한 증가를 도시한다. 약 50% Ba 및 약 4% Eu로 최적화될 그 자체를 제공하는 발광성 물질 ((Sr0.48Ba0.48Eu0.04)2Si5N8, L358)은 측정 에러들의 맥락에서 완벽하게 안정적이다. 추가의 테스트(1000 시간, 10mA, 85% rel. 습도, 85℃)에서, 동일한 트렌드가 드러난다(삼각형 측정 포인트들).
도 6은 LED 노화 테스트(1000 시간, 10mA, 85% rel. 습도, 85℃)에서 λdom < 605㎚의 협대역 방출을 갖는 3개의 적색 발광성 물질 시스템의 비교를 도시하며: 제 1 컬럼은 Sr 부분을 갖는 Cal-sin에 관련되고, 제 2 컬럼은 본 발명에 따른 최상의 발광성 물질인, Sr 및 Ba의 동일한 부분들을 갖는 혼합된 나이트라이드 실리케이트이고, 제 3 컬럼은 순수한 Sr 나이트라이드 실리케이트의 특성(behavior)을 도시한다. 혼합된 나이트라이드 실리케이트는 측정 에러들의 맥락에서 완벽하게 안정적이지만, 비교를 위한 시스템들은 매우 심하게 노화한다.
도 7은 황색-녹색 성분의 안정성을 도시한다. LED 노화 테스트에서, 바람직한 조성(약 25% Ga 및 약 2.2% Ce를 갖는 Lu-AGaG, (Lu0.978Ce0.022)3Al3.75Ga1.25O12)을 갖는 새로운 녹색 발광성 물질의 안정성이 조사되었고, 다른 알려진 황색/녹색 발광성 물질들과 비교되었다. 프로세스에서, 각각의 발광성 물질의 확산을 이용하여 청색 고-전력 LED(λ피크 = 435㎚)는 실리콘으로 부어졌고, 이는 1000 시간 동안 350㎃에서 동작되었다. 발광성 물질 피크 및 청색 LED 피크의 상대적 강도가 시작 및 종료에서 측정되었고 이로부터 변환 효율성의 손실이 결정되었다.
새로운 LuAGaG 발광성 물질은 측정 에러들의 맥락에서 완벽하게 안정적이지만(사각형 측정 포인트들), 오쏘오실리케이트는 비교 조건들 하에서 노화의 명백한 징후들을 나타낸다(원형 측정 포인트들).
본 발명에 따른 새로운 황색-녹색과 오렌지색-적색 발광성 물질 혼합을 갖는 웜 백색 LED의 색 재현은 사실상, 이용되는 LED 파장으로부터 독립적이다. 9㎚의 청색 파장에서의 시프트는 단지 1 포인트의 CRI 손실만을 야기한다. 이전의 혼합의 반례(counter-example)는, 청색 파장에서 7㎚의 차이가 존재하는 경우에 이미 5포인트들을 잃는다(테이블 1 참조). 1 포인트에 대한 CRI 손실을 감소시키기 위해, 효율성 및 색 조정에 부정적으로(negatively) 영향을 미치는 제 3 발광성 물질의 추가가 필요하다.
Figure pct00001
테이블 1 : 테이블에서 CRI = 색 재현율(color reproduction index)
도 8은 다양한 시스템들을 위한 색 재현율(CRI) Ra8을 도시한다. 본 발명에 따른 새로운 발광성 물질 혼합(샘플 1 및 샘플 2)을 갖는 웜 백색 LED의 색 재현은 사실상, 이용되는 LED 파장에 독립적이다. 9㎚의 청색 파장에서의 시프트는 단지 1 포인트의 CRI 손실만을 야기한다(사각형 측정 포인트들). 청색 파장에서 7㎚의 차이가 존재한다면, 이전의 혼합의 비교 예는 이미 5 포인트들을 잃는다(원형 측정 포인트들, 테이블, VGL 1 및 VGL 3 참조). 1 포인트에 대한 CRI 손실을 감소시키기 위해, 효율성 및 색 조정에 부정적으로 영향을 미치는 제 3 발광성 물질의 추가가 요구된다(VGL 2). 부가적인 비교 예(다이아몬드-형 측정 포인트들)는 Sr-Ba 나이트라이드 실리케이트를 갖는 황색-녹색 성분으로서의 YAG에 관련된다. 놀랍게도, 이 시스템은 본 발명에 따른 관련된 시스템 보다 훨씬 열악하고, 3개의 발광성 물질 버전만큼 열악하다(VGL 2).
도 9는 청색 파장으로부터의 색 재현율 CRI의 (거의 완벽한) 독립성에 대한 이유를 설명한다: 발광성 물질 방출은 놀랍게도 본 발명에 따른 시스템에서 점점 단파 여기 파장을 짧은 파장들로 상당히 시프트시킨다. 이는 전체적인 스펙트럼에서 특정 보상을 발생시킨다: 단파 LED의 이용의 결과로서 분실된 청색-녹색 부분들은, 시프트된 발광성 물질 방출의 증가된 청색-녹색 부분들에 의해 거의 보상된다.
도 10은 YAGaG:Ce (도 11) 및 황색 (Sr,Ba)Si2O2N2:Eu (도 12)에 비교되는 430 내지 470㎚(Ex 430 내지 470) 사이의 가변 여기 파장을 갖는 녹색-황색 발광성 물질의 발광성 물질 스펙트럼의 이러한 시프트의 상대적 강도를 도시한다.
놀랍게도, 새로운 녹색 LuAGaG 가넷은 비교적인 발광성 물질들에 대해 상당히 상이한 방식으로 작용한다. 이는 쇠퇴하는 여기 파장을 갖는 강한 녹색 시프트를 갖는다. 비교적인 발광성 물질들은 거의 일정하게 유지된다. 3개의 발광성 물질들의 방출 스펙트럼들은, LED 애플리케이션들을 위해 관심있는 430 내지 470㎚ 사이의 청색 파장 범위 내에서의 비교로 도시된다.
도 12의 커브들은 실제로는 모두 서로의 상부 상에 있어서, 단지 하나의 커브만이 도시된다.
30mol.-%까지의 첨가제(admixture)로서 Y를 최대로 포함하는 루테튬(lutetium) 가넷의 이용은, 방출 스펙트럼의 변경된 형상의 결과로서 색 재현 전체에 대해 상당히 긍정적인 영향을 갖는다. Y 가넷들의 이용은 Lu 가넷을 이용하여 획득될 수 있는 만큼의 이러한 높은 색 재현 값들을 야기하지 않는다. 다양한 혼합들의 상세들이 테이블 2에서 확인될 수 있다.
필수적인 성분으로서, Gd는 완전히 부적합하고, Tb 또는 La처럼 상기 Gd는 정교한 튜닝을 위해 기껏해야, 5mol.-%까지의 적은 양들로 성분 A에 단지 부가되어야 한다. 비교하여, 약 30%까지의 Y 부분, 바람직하게 10 내지 25%의 부분을 갖는 Y 부분은, Lu에 양호한 첨가반응을 제공한다. 원인은 Lu 및 Y의 비교적 유사한 이온 반지름(ionic radius)이다. 그러나, Y의 보다 높은 값들은 발광성 물질의 방출을, 전체적인 시스템의 원하는 성능을 방해하는 범위로 다시(back) 시프트할 것이다. 유사한 발광성 물질 방출 파장의 이트륨(yttrium) 가넷들과 비교하여(샘플 VGL 1 내지 VGL 4), 그리고 놀랍게도 심지어 유사하게 우세한 발광성 물질 방출 파장들에서(샘플 VGL 3 및 VGL 4), 상당히 보다 높은 색 재현값들 Ra8은 샘플들 1 내지 3에서 발생된다(테이블 2 참조). 이것의 결과로서 그리고 짧은 파장들의 양호한 여기성(excitability)의 결과로서, 처음으로, 매우 효율적인 단파 청색 LED들이 변환 LED들을 위해 이용될 수 있다.
Figure pct00002
테이블 2
본래, LED 상에 직접적으로 또는 또한 알려진 바와 같이 LED 업스트림 개별 캐리어 상에, 박막 등으로, 확산을 위한 발광성 물질 혼합의 이용은 가능하다. 도 13은 베이스플레이트(21) 상에 다양한 LED들(24)을 갖는 이러한 모듈(20)을 도시한다. 하우징은 상기 베이스플레이트(21) 위에 커버 플레이트(23) 및 측벽들(22)을 가지고 장착된다. 발광성 물질 혼합은 본 명세서에서, 측벽들 상에 그리고 무엇보다 커버 플레이트(23) 상 양자 모두에 층(25)으로서 적용되고, 상기 발광성 물질 혼합은 투명하다.
타입 나이트라이드 실리케이트 M2Si5N8:Eu의 용어 발광성 물질은 또한 단순 나이트라이드 실리케이트의 변형들을 포함하고, Si는 Al 및/또는 B에 의해 부분적으로 대체될 수 있고, N은 O 및/또는 C에 의해 부분적으로 대체될 수 있어서, 대체를 통한 전하적 중성(charge neutrality)이 보장된다. 이러한 변경된 나이트라이드 실리케이트는 그 자체로 알려져 있으며, 예를 들어, EP-출원 제2 058 382호를 참조한다. 형식적으로 이러한 나이트라이드 실리케이트는, M=(Ba,Sr)이고 X=(Si,A,B)이고 Y=(N,O,C)이며 D=Eu 단독 또는 공동-도핑을 갖는 M2X5Y8:D로서 설명될 수 있다.
테이블 3은 (Lu,Y)로부터 선택된 A를 갖는 A3B5O12:Ce 시스템으로부터의 다양한 가넷들을 도시한다. A=Lu 내지 A=70% Lu에 대해, 나머지 Y 양호한 값들이 획득될 수 있다는 것이 증명된다. 동시에 Al과 Ga 사이의 비율은 성분 B에 대해 신중하게 선택되어야만 한다. Ga 부분은 10 내지 40mol.-%, 특히 10 내지 25% 사이에 있어야 한다. 테이블 7은 다양한 A3B5O12:Ce (Lu, Y) 가넷들을 도시하고, 활성제 Ce의 농도는 각각, A 및 A=Lu, Y(Lu의 부분은 지정되고, 나머지는 Y임) 및 B=Al, Ga(부분 Ga는 지정되고, 나머지는 Al임)의 2%이다. 순수한 LuAG:Ce 또는 YAG:Ce는 부적합하다. 마찬가지로, Pr의 부가는 발광성 물질의 효율성에 극히 해롭고 가능하다면 회피되어야 한다.
도 14는 Y의 부분이 변화된 다양한 가넷들에 대한 방출 스펙트럼들을 도시한다. 작은 부분 Y에 대한 방출이 거의 일정하게 유지된다는 것이 증명된다.
테이블 4는 서서히 증가된 Ga 부분을 갖는 순수한 LuAGAG 발광성 물질들을 도시한다. 다른 테이블들의 값들을 포함하여 이들 테이블 값들은 본래 460㎚에서의 순수한 기준 여기에 항상 관련된다.
테이블 4 : A3B5O12:Ce Lu(Al,Ga) 가넷들(이른바 LuAGAG)
Figure pct00003
테이블 3 : A3B5O12:Ce (Lu,Y) 가넷들
Figure pct00004

Claims (9)

1차 청색 방사를 방출하는 칩, 및 상기 칩의 상기 1차 방사의 적어도 일부분을 2차 방사로 변환하는 상기 칩의 업스트림에 있는 발광성 물질(luminescent substance)을 포함하는 층을 갖는 변환 LED로서,
제 1 가넷 A3B5012:Ce 황색-녹색 방출 발광성 물질 및 제 2 나이트라이드 실리케이트 M2X5Y8:D 오렌지색-적색 방출 발광성 물질이 이용되고,
상기 1차 방사의 피크 파장은 430 내지 450㎚, 특히 445㎚까지의 범위 내에 있는 한편, 상기 제 1 발광성 물질은 양이온 A = Lu 또는 30%까지의 Y 부분으로 이루어진 Lu, Y의 혼합을 갖는 가넷(garnet)이고, B는 Al 및 Ga 양자 모두의 부분들을 갖는 한편, 상기 제 2 발광성 물질은 양이온 M으로서 Sr 및 Ba 양자 모두를 포함하고 도핑이 Eu로 이루어지는 나이트라이드 실리케이트이고, 상기 제 2 발광성 물질은 성분 M에 대해 35 내지 75 ㏖.-% Ba를 포함하고, 나머지는 Sr이고, X = Si이고, Y = N인,
변환 LED.
제 1 항에 있어서,
성분 B에 있어서, 상기 제 1 발광성 물질은 10%, 바람직하게 15% 내지 40 ㏖.-% Ga, 바람직하게 35%까지, 특히 20 내지 30%를 포함하고, 나머지는 Al인,
변환 LED.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 발광성 물질은 성분 A에 있어서 1.5% 내지 2.9 ㏖.-% Ce, 특히 1.8 내지 2.6 ㏖.-% Ce를 포함하고, 나머지는 A, 특히, 단지 Lu만 또는 25%까지의 Y 부분을 갖는 Lu인,
변환 LED.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 발광성 물질은 성분 M에 있어서 35 내지 65 ㏖.-% Ba, 특히 40 내지 60%를 포함하고, 나머지는 Sr이고, X = Si이고, Y = N인,
변환 LED.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 발광성 물질은 성분 M에 있어서 1 내지 20 ㏖.-% Eu, 특히 2 내지 6%를 포함하고, 나머지는 (Ba,Sr)인,
변환 LED.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 발광성 물질은 (Sr0.48Ba0.48Eu0.04)2Si5N8인,
변환 LED.
제 6 항에 있어서,
상기 제 1 발광성 물질은 A3B5012이고, A = 75 내지 100% Lu이고, 나머지는 Y 및 1.5 내지 2.5%의 Ce 함량을 갖고, B = 10 내지 40% Ga이고, 나머지는 Al을 갖는,
변환 LED.
제 7 항에 있어서,
상기 제 1 발광성 물질은 A3B5O12이고, A = 80 내지 100% Lu이고, 나머지는 Y 및 1.5 내지 2.5%의 Ce 함량을 갖고, B = 15 내지 30% Ga이고, 나머지는 Al을 갖는,
변환 LED.
제 8 항에 있어서,
상기 제 1 발광성 물질은 (Lu0.978Ce0.022)3Al3.75Ga1.25012인,
변환 LED.
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