KR20120091554A - 발광 장치 - Google Patents

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KR20120091554A
KR20120091554A KR1020110011384A KR20110011384A KR20120091554A KR 20120091554 A KR20120091554 A KR 20120091554A KR 1020110011384 A KR1020110011384 A KR 1020110011384A KR 20110011384 A KR20110011384 A KR 20110011384A KR 20120091554 A KR20120091554 A KR 20120091554A
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김용광
권순목
김하철
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일진반도체 주식회사
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Abstract

본 발명은 청색 발광 칩과, 상기 청색 발광 칩으로부터 방출되는 빛을 흡수하고, 흡수한 빛의 파장과 다른 파장을 갖는 빛을 발광하는 형광체를 포함하고, 상기 청색 발광 칩은 440㎚ 내지 460㎚의 피크 파장을 가지며, 상기 형광체는 피크 파장이 555㎚ 내지 562㎚인 황색 형광체와 피크 파장이 620㎚ 내지 630㎚인 적색 형광체를 이용하여 백색 광을 방출하는 발광 장치가 제시된다.

Description

발광 장치{Light emitting device}
본 발명은 발광 장치에 관한 것으로, 특히 광도 감소를 최소화하면서 연색 지수(color rendering index; CRI)를 향상시킬 수 있는 백색 발광 장치에 관한 것이다.
최근 차세대 광원으로 각광받고 있는 발광 장치(Light emitting device; LED)는 화합물 반도체의 P-N 접합 구조를 이용하여 소수 캐리어(전자 또는 정공)를 만들고, 이들의 재결합에 의하여 소정의 빛을 발산한다. 발광 장치는 GaAs, AlGaAs, GaN, InGaN, AlGaInP 등의 화합물 반도체(compound semiconductor) 재료를 변경하여 발광원을 구성함으로써 자외선, 가시광선, 적외선 등 다양한 광을 구현할 수 있다. 발광 장치는 기존의 전구 또는 형광등에 비해 소모 전력이 작고 수명이 길기 때문에 최근 일반 조명은 물론 액정 표시 장치의 백라이트, 자동차 헤드라이트까지 응용이 확대되고 있다. 특히 백색 광은 일반 조명이나 백라이트의 광원으로 이용되어 활용도가 크게 증대되고 있다.
조명용 발광 장치는 광도, 연색 지수(CRI), 상관 색온도(CCT), CIE(국제조명위원회) 색도 좌표 등을 이용하여 광 특성을 분석하고 있으며, 조명용 백색 발광 장치는 대상물에 광이 조사되는 경우 사람이 보아서 불쾌감이 없는 백색과 양호한 연색 지수를 가져야 한다. 따라서, 조명용 백색 발광 장치는 연색 지수(CRI)와 광도, 색감에 대한 요구가 높아지고 있다. 연색 지수는 태양광의 스펙트럼과 얼마나 유사한지를 비교한 수치이며, 광도는 사람이 밝게 느끼는 정도를 수치로 표기한 것이다.
그러나, 연색 지수와 광도는 서로 상반된 특성을 가지고 있는데, 연색 지수를 높이면 광도는 낮아지게 되고, 광도를 높이면 연색 지수는 낮아지게 된다. 즉, 광도는 555㎚인 녹색에서 최대가 되지만, 연색 지수를 높이기 위해서는 380㎚ 내지 780㎚인 전 가시광선 영역에 균일하게 분포되어야 한다. 따라서, 광도는 형광체의 피크 파장을 555㎚에 가깝게 이용하면 개선할 수 있지만, 광도를 개선하기 위해 555㎚에 스펙트럼이 치우치게 되면 스펙트럼의 균일성이 저하되어 연색 지수는 낮아질 수 밖에 없다.
본 발명은 광도 저하를 최소화하면서 연색 지수를 향상시킬 수 있는 발광 장치를 제공한다.
본 발명은 광도를 개선하기 위해 형광체의 피크 파장을 555㎚에 가깝게 하면서 연색 지수의 저하를 최소화할 수 있는 발광 장치를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 발광 장치는 청색 발광 칩과, 상기 청색 발광 칩으로부터 방출되는 빛을 흡수하고 흡수한 빛의 파장과 다른 파장을 갖는 빛을 발광하는 형광체를 포함하는 발광 장치에 있어서, 상기 청색 발광 칩은 440㎚ 내지 460㎚의 피크 파장을 가지며, 상기 형광체는 피크 파장이 555㎚ 내지 562㎚인 황색 형광체와 피크 파장이 620㎚ 내지 630㎚인 적색 형광체를 이용하여 백색 광을 방출한다.
상기 황색 형광체는 A(3-x-y)BxC5O12:Dy로 이루어지며, A는 La, Eu, Tb, Gd, Y 및 Lu로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, B는 La, Eu, Tb, Gd, Y 및 Lu로 구성된 그룹에서 선택된 원소이며, C는 Al, Ga 및 In로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, D는 La, Ce, Tb, Eu, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu로 구성된 그룹에서 선택된 원소이며, x는 0<x≤0.2이고, y는 0<y≤0.2이다.
상기 적색 형광체는 A(1-x)BxCSiN3로 이루어지며, A는 Ca, Mg, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, B는 Eu, Gd, Tb, Er, Tm, Yb, Lu, Ce 및 La로 구성된 그룹에서 선택된 원소이며, C는 Al, Ga 및 In로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, x는 0<x≤0.2이다.
상기 백색 광은 색좌표가 (0.2890, 0.3105), (0.3160, 0.2880), (0.3530, 0.3510), (0.3260, 0.3735)의 범위에 형성되며, 연색 지수(CRI)가 75 이상이다.
상기 발광 칩은 455㎚의 피크 파장을 가지고, 상기 황색 형광체 및 적색 형광체는 각각 559㎚ 및 625㎚의 피크 파장을 가지며, 상기 백색광은 색좌표가 (0.3070, 0.3360), (0.3190, 0.3260), (0.3340, 0.3530), (0.3221, 0.3610)의 범위에 형성되며, 연색 지수(CRI)가 75 이상이다.
상기 발광 칩은 455㎚의 피크 파장을 가지고, 상기 황색 형광체 및 적색 형광체는 각각 556㎚ 및 625㎚의 피크 파장을 가지며, 상기 백색광은 색좌표가 (0.2920, 0.3110), (0.3040, 0.3020), (0.3190, 0.3260), (0.3070, 0.3360)의 범위에 형성되며, 연색 지수(CRI)가 80 이상이다.
상기 황색 및 적색 형광체에 녹색 형광체를 더 포함한다.
상기 녹색 형광체는 A(2-x-y-z)BxCySiO4:Dz로 이루어지며, A는 Mg, Ca, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, B는 Mg, Ca, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이며, C는 Mg, Ca, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, D는 Ce, Eu, Gd, Tb, Tm 및 Lu로 구성된 그룹에서 선택된 원소며, x는 0<x≤0.2이고, y는 0<y≤0.2이며, z는 0<z≤0.05이다.
상기 황색 형광체는 A(2-x-y)BxCySiO4:D로 이루어지며, A는 Mg, Ca, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, B는 Mg, Ca, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이며, C는 Mg, Ca, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이며, D는 Ce, Eu, Gd, Tb, Tm 및 Lu로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, x는 0<x≤0.2이고, y는 0<y≤0.2이다.
상기 적색 형광체는 A(1-x)BxCSiN3로 이루어지고, A는 Ca, Mg, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, B는 Eu, Gd, Tb, Er, Tm, Yb, Lu, Ce 및 La로 구성된 그룹에서 선택된 원소이며, C는 Al, Ga 및 In로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, x는 0<x≤0.2이다.
상기 발광 칩은 피크 파장이 445㎚이고, 상기 녹색 형광체, 황색 형광체 및 적색 형광체는 각각 525㎚, 562㎚ 및 625㎚의 피크 파장을 가진다.
본 발명은 청색 발광 칩과, 황색 형광체 및 적색 형광체를 이용하여 백색 발광 장치를 제작한다. 여기서, 본 발명은 종래의 백색 발광 장치에 비해 장파장의 청색 발광 칩을 이용하고, 단파장의 황색 형광체를 이용한다. 또한, 황색 및 적색 형광체에 녹색 형광체를 더 첨가하여 백색 발광 장치를 제작한다.
본 발명에 의하면, 종래보다 장파장의 청색 발광 칩과 단파장의 황색 형광체를 이용하고, 적색 형광체를 첨가함으로써 종래보다 연색 지수를 대폭 증가시키면서 광도 저하를 최소화할 수 있다. 즉, 광도 손실분 대비 연색 지수 증가분이 1 이상으로 증가하게 된다.
따라서, 연색 지수(CRI)를 원하는 수준으로 유지하면서 광도를 최대한 높일 수 있고, 그에 따라 최적의 조명용 발광 장치를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 장치의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시 에에 따른 발광 장치에 이용되는 발광 칩의 단면도.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 발광 장치와 비교 예에 따른 발광 장치의 특성을 비교하기 위한 그래프.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 발광 장치와 비교 예에 따른 발광 장치의 특성을 비교하기 위한 그래프.
도 5는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 발광 장치와 비교 예에 따른 발광 장치의 특성을 비교하기 위한 그래프.
도 6은 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시 예에 따른 발광 장치의 색좌표 영역을 CIE 1931 색도도로 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시 예의 연색 지수(CRI)를 기준으로 광도를 비교한 도면 도면.
도 8은 광도와 연색 지수의 변화를 비교한 그래프.
도 9는 비교 예의 형광체를 피크 파장이 다른 칩에 적용했을 때의 색좌표 영역을 CIE 1931 색도도로 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 제 4, 제 5 및 제 6 실시 예와 비교 예를 비교한 도면.
도 11은 본 발명의 제 7, 제 8 및 제 9 실시 예와 비교 예를 비교한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 여러 층 및 각 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 표현하였으며 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하도록 하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도이고, 도 2는 본 발명에 적용된 발광 칩의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자는 패키지 본체(100)과, 패키지 본체(100)의 내측에서 노출되며 외측으로 돌출 형성된 리드 프레임(200)와, 광을 방출하기 위한 발광 칩(300)과, 발광 칩(300)을 리드 프레임(200)와 전기적으로 연결하기 위한 와이어(400)와, 발광 칩(300)을 봉지하는 몰딩부(500)와, 몰딩부(500) 내에 마련된 형광체(600)를 포함한다. 여기서, 발광 칩(300)이 부착되는 패키지 본체(100) 이외에도 슬러그, 기판 및 몰드 컵을 포함하는 몸체를 이용할 수 있는데, 이하에서는 패키지 본체(100)을 예를들어 설명한다.
패키지 본체(100)는 리드 프레임(200)을 지지하며 발광 칩(300)이 안착되는 하우징(110)과, 하우징(110) 상에 형성되고 발광 칩(300)에서 발생된 광이 출사되는 개구부를 형성하는 리플렉터(120)를 포함한다. 이러한 패키지 본체(100)는 열경화성 수지, 예를 들어 에폭시 수지에 백색 안료가 첨가된 EMC(Epoxy mold compound)를 이용하여 트랜스퍼 성형(transfer molding)법으로 제작할 수 있다. 따라서, 하우징(110)과 리플렉터(120)는 일체로 제작될 수 있다. 리플렉터(120)는 하우징(110) 상면으로부터 상향 돌출된 반사면을 포함한다. 이때, 리플렉터(120)의 적어도 일 영역의 반사면의 높이를 조절할 수 있는데, 이 경우 발광 칩(300)에서 발생되는 광의 출사 범위를 조절할 수도 있다. 또한, 반사면은 내측으로 소정 각도 기울어지게 형성될 수 있다. 한편, 리플렉터(120)의 형상은 원형, 사각형 뿐만 아니라 발광 장치의 용도에 따라 발광 칩(300)에서 방출되는 광의 출사 범위를 조절할 수 있도록 다양하게 변경될 수 있다.
리드 프레임(200)은 발광 칩(300)에 외부 전원을 인가하기 위한 것으로, 일측 및 타측에 각각 형성된 제 1 및 제 2 리드 프레임(210 및 220)을 포함한다. 리드 프레임(200)은 하우징(110)상에서 지지되며 하우징(110)과 리플렉터(120)의 사이에 서로 이격되어 구비된다. 즉, 제 1 및 제 2 리드 프레임(210 및 220)이 서로 이격되어 하우징(110) 상으로부터 패키지 본체(100)의 일측 및 타측으로 연장 형성된다.
발광 칩(300)은 P-N 접합 구조를 갖는 화합물 반도체 적층 구조로서, 소수 캐리어(전자 또는 정공)들의 재결합에 의하여 발광되는 현상을 이용한다. 발광칩(300)은 제 1 및 제 2 반도체층과 제 1 및 제 2 반도체층 사이에 형성된 활성층을 포함할 수 있고, 제 1 및 제 2 반도체층은 각각 N형 반도체층 및 P형 반도체층일 수 있다. 발광 칩(300)은 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 기판(310) 상부에 순차적으로 형성된 버퍼층(320), N형 반도체층(330), 활성층(340), P형 반도체층(350) 및 투명 전극(360)과, N형 반도체층(330) 상부에 형성된 제 1 전극(370) 및 P형 반도체층(350) 상부에 형성된 제 2 전극(380)을 포함할 수 있다. 도 2의 발광 칩(300)은 제 1 및 제 2 전극(370 및 380)이 상부면에 형성된 수평형 발광 칩(300)을 예로 들었다. 그러나, 두 전극이 발광 칩(300)의 상부면 및 하부면에 각각 형성된 수직형 발광 칩(300)을 이용할 수도 있는데, 수직형 발광 칩(300)은 제 1 및 제 2 전극(370 및 380)이 각각 상부면 및 하부면에 형성된 것 이외에 수직형 발광 칩(300)과 동일하다. 따라서, 본 실시 예에서는 수평형 발광 칩(300)의 구성을 예로 설명한다. 버퍼층(320)은 반도체 재료인 GaN 또는 AlN를 이용하여 형성하며, N형 반도체층(330)은 N형 불순물이 도핑된 반도체, 예를 들어 GaN을 이용하여 형성할 수 있고 활성층(340)에 전자를 주입한다. 또한, 활성층(340)은 소정의 밴드 갭을 가지며 양자 우물이 만들어져 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, 양자 우물층과 장벽층이 교대로 적층 형성된 다층 구조로 형성할 수 있다. 이때, 활성층(340)을 이루는 물질의 종류에 따라 전자 및 홀이 결합하여 발생하는 발광 파장이 변화되므로 목표로 하는 파장에 따라 활성층(340)에 포함되는 반도체 재료를 조절하는데, 본 실시 예는 발광 칩(300)이 440㎚ 내지 460㎚의 파장 영역에서 발광 피크를 갖는 청색 광을 발생하도록 예를 들어 InGaN을 이용하여 형성할 수 있다. 그리고, P형 반도체층(350)은 활성층(340)에 홀을 주입하며 P형 불순물이 주입된 반도체, 예를 들어 GaN을 이용하여 형성할 수 있다. 투명 전극(360)은 투명 도전성 물질, 예를 들어 ITO, IZO, ZnO, MgO 등을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 제 1 전극(370) 및 제 2 전극(380)은 Cr, Au, Al 등의 금속 물질을 이용하여 단일층 또는 다층으로 형성할 수 있다. 제 1 전극(370)은 투명 전극(360), P형 반도체층(350) 및 활성층(340)의 소정 영역이 식각되어 노출된 N형 반도체층(330)의 상부에 형성된다. 또한, 제 2 전극(380)은 투명 전극(360) 상부에 P형 반도체층(350)과 접촉되도록 형성된다. 그런데, N형 반도체층(330), 활성층(340) 및 P형 반도체층(350)은 상기 물질에 한정되지 않고 다양한 반도체 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 발광 칩(300)은 패키지 본체(100) 상에 페이스트(미도시)를 이용하여 부착될 수 있는데, 예를 들어 도시된 바와 같이 리드 프레임(200) 상에 실장될 수 있고, 발광 칩(300)은 하우징(110) 상에 실장될 수도 있다. 페이스트는 예를 들어 에폭시 수지, 실리콘 수지 등의 비도전성 물질을 이용할 수 있다.
와이어(410, 420; 400)은 발광 칩(300)를 리드 프레임(200)과 전기적으로 연결한다. 와이어(400)은 금(Au) 또는 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다. 제 1 와이어(410)은 발광 칩(300)의 제 2 전극(380)과 제 1 리드 프레임(210)을 전기적으로 연결하고, 제 2 와이어(420)는 발광 칩(300)의 제 1 전극(370)과 제 2 리드 프레임(220)을 전기적으로 연결할 수 있다.
몰딩부(500)는 발광 칩(300)을 봉지하고, 발광 칩(300)과 연결된 와이어(400)을 고정시키는 역할을 한다. 또한, 몰딩부(500)는 발광 칩(300)에서 발생되는 광을 모아주는 렌즈의 역할도 할 수 있다. 이러한 몰딩부(500)는 발광 칩(300)에서 발생된 광을 외부로 투과시켜야 하므로, 에폭시 수지 또는 실리콘 수지 등과 같은 투명 수지로 형성된다. 또한, 몰딩부(500)에는 굴절률 조절제(미도시)가 더 포함될 수 있다. 굴절률 조절제는 사파이어 분말이 이용될 수 있다. 한편, 굴절률 조절제 이외에도 발광 칩(300)으로부터 방출된 광을 산란에 의해 더 확산시킴으로써 균일하게 발광시키기 위해 확산제(미도시)를 더 첨가할 수 있다. 확산제로는 BaTiO3, TiO2, Al2O3, SiO2 등이 사용될 수 있다. 또한, 몰딩부(500) 내에는 형광체(600)가 첨가된다.
형광체(600)는 발광 칩(300)으로부터 발생된 광의 일부를 흡수하여 흡수된 광과 상이한 파장의 광을 방출하며, 임자결정(Host Lattice)의 적절한 위치에 불순물이 혼입된 활성 이온으로 구성된다. 활성 이온은 발광 과정에 관여하는 에너지 준위를 결정함으로써 발광색을 결정하며, 그 발광색은 결정 구조 내에서 활성 이온이 갖는 기저 상태와 여기 상태의 에너지 차(Energy Gap)에 의해 결정된다. 본 발명에서 형광체(600)는 발광 칩(300)으로부터 발생된 청색 광을 백색 광으로 변화시키며, 이를 위해 황색 형광체와 적색 형광체를 이용한다. 황색 형광체는 555㎚ 내지 565㎚의 피크 파장을 가지고, 적색 형광체는 620㎚ 내지 630㎚의 피크 파장을 가진다. 이러한 형광체(600)에 의해 색좌표가 (0.2890, 0.3105), (0.3160, 0.2880), (0.3530, 0.3510), (0.3260, 0.3735) 범위의 백색광이 방출될 수 있다. 여기서, 황색 형광체 및 적색 형광체는 각각 몰딩부(500)의 수지 대비 약 5?9% 및 0.1?0.5% 첨가한다. 이때, 첨가량은 형광체의 입자 사이즈에 따라 달라질 수 있으나, 황색 형광체는 5?15㎛의 입경으로 마련될 수 있고, 적색 형광체는 3?15㎛의 입경으로 마련될 수 있다. 또한, 황색 형광체는 A(3-x-y)BxC5O12:Dy로 이루어질 수 있으며, 여기서 A는 La, Eu, Tb, Gd, Y 및 Lu로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, B는 La, Eu, Tb, Gd, Y 및 Lu로 구성된 그룹에서 선택된 원소이며, C는 Al, Ga 및 In로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, D는 La, Ce, Tb, Eu, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu로 구성된 그룹에서 선택된 원소이다. 이때, x는 0<x≤0.2이고, y는 0<y≤0.2이다. 또한, 적색 형광체는 A(1-x)BxCSiN3로 이루어질 수 있으며, 여기서 A는 Ca, Mg, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, B는 Eu, Gd, Tb, Er, Tm, Yb, Lu, Ce 및 La로 구성된 그룹에서 선택된 원소이며, C는 Al, Ga 및 In로 구성된 그룹에서 선택된 원소이다. 이때, x는 0<x≤0.2이다.
또한, 형광체(600)는 발광 칩(300)으로부터 발생된 청색 광을 백색 광으로 변화시키기 위해 녹색 형광체, 황색 형광체 및 적색 형광체를 이용할 수 있다. 녹색 형광체는 500㎚ 내지 545㎚의 피크 파장을 가지고, 황색 형광체는 555㎚ 내지 565㎚의 피크 파장을 가지며, 적색 형광체는 620㎚ 내지 651㎚의 피크 파장을 가진다. 녹색 형광체는 A(2-x-y-z)BxCySiO4:Dz로 이루어질 수 있으며, 여기서, A는 Mg, Ca, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, B는 Mg, Ca, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이며, C는 Mg, Ca, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, D는 Ce, Eu, Gd, Tb, Tm 및 Lu로 구성된 그룹에서 선택된 원소이다. 이때, x는 0<x≤0.2이고, y는 0<y≤0.2이며, z는 0<z≤0.05이다. 또한, 황색 형광체는 A(2-x-y)BxCySiO4:D로 이루어질 수 있으며, 여기서 A는 Mg, Ca, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, B는 Mg, Ca, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이며, C는 Mg, Ca, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이며, D는 Ce, Eu, Gd, Tb, Tm 및 Lu로 구성된 그룹에서 선택된 원소이다. 이때, x는 0<x≤0.2이고, y는 0<y≤0.2이다. 그리고, 적색 형광체는 A(1-x)BxCSiN3로 이루어지고, 여기서 A는 Ca, Mg, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, B는 Eu, Gd, Tb, Er, Tm, Yb, Lu, Ce 및 La로 구성된 그룹에서 선택된 원소이며, C는 Al, Ga 및 In로 구성된 그룹에서 선택된 원소이다. 이때, x는 0<x≤0.2이다.
<실시 예>
제 1 실시 예
본 발명의 제 1 실시 예에 따른 발광 장치는 피크 파장이 455㎚인 발광 칩과 피크 파장이 각각 559㎚ 및 625㎚인 황색 형광체 및 적색 형광체를 이용하여 제조하였다. 또한, 이와 비교하기 위해 종래의 발광 장치(이하, 비교 예)는 피크 파장이 445㎚인 발광 칩과 피크 파장이 562㎚인 YAG 형광체를 이용하여 제조하였다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 발광 장치와 비교 예에 따른 발광 장치의 특성을 비교하기 위한 그래프이다. 여기서, 10은 제 1 실시 예에 따른 발광 스펙트럼이고, 20은 비교 예에 따른 발광 스펙트럼이며, 30 및 40은 두 발광 스펙트럼을 비교하기 위한 시감도 곡선과 태양광 스펙트럼이다.
연색 지수(CRI)를 높이기 위해서는 태양광 스펙트럼과 같이 가시광선의 전 영역에 걸쳐 균일한 스펙트럼을 형성해주어야 하지만, 상대적으로 사람이 느끼기에 둔감한 영역의 스펙트럼을 형성하게 되면 발광 장치의 광도는 감소하게 된다. 따라서, 본 발명은 연색 지수와 광도를 모두 높은 수준으로 유지하기 위해 제시되었으며, 제 1 실시 예는 도 3의 450㎚ 내지 500㎚의 파장(Wavelength) 영역을 보면 비교 예에 비해 현저히 높은 스펙트럼을 보이는 것을 알 수 있다. 이 파장 영역은 발광 칩의 파장 스펙트럼과 형광체의 스펙트럼 사이로서 골(A)처럼 형성되어 일반 백색 광원에서 연색 지수(CRI)를 감소시키는 주요 원인으로 판단되고 있다. 그러나, 비교 예는 제 1 실시 예에 비해 골 영역(A)이 깊고 넓게 형성된다. 골 영역(A)을 보완하기 위해 피크 파장이 500㎚ 내지 540㎚인 녹색 형광체를 첨가하는 방법도 종래에 시도되었지만, 이 방법은 연색 지수(CRI)를 높일 수 있으나, 광도에서 큰 손실이 발생하기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명은 피크 파장이 비교 예에 비해 상대적으로 장파장인 발광 칩을 이용하고, 피크 파장이 비교 예에 비해 상대적으로 단파장인 황색 형광체를 사용하며, 적색 형광체를 첨가하였다.
연색 지수(CRI)는 파장의 높낮이의 차가 작을수록 높고, 광도는 시감도 영역 내에서 중첩되는 스펙트럼의 부분이 많을수록 높다. 그런데, 비교 예는 430㎚ 내지 480㎚의 파장 영역에서의 파장의 최고점과 최저점 사이의 높낮이 차가 제 1 실시 예의 450㎚ 내지 490㎚의 파장 영역에서의 높낮이의 차보다 크다. 따라서, 제 1 실시 예가 비교 예에 비해 연색 지수(CRI)가 높다고 할 수 있다. 또한, 비교 예가 제 1 실시 예에 비해 시감도 영역에서 중첩되는 영역이 많아 비교 예가 제 1 실시 예보다 광도가 높다고 할 수 있다. 그러나, 시감도 영역에서 스펙트럼의 높낮이의 차이를 비교 예가 제 1 실시 예보다 큰 것을 알 수 있다. 따라서, 시감도 영역에서 제 1 실시 예가 비교 예보다 연색 지수(CRI)가 높다고 할 수 있다. 즉, 제 1 실시 예는 비교 예에 비해 광도는 다소 떨어지지만 연색 지수(CRI)가 더 높다. 한편, 제 1 실시 예와 비교 예의 연색 지수 및 광도를 연색 지수 산출식 및 광도 산출식을 이용하여 산출하면 비교 예는 시감도 영역에서 민감한 영역인 555㎚ 근처에서 높은 강도를 보이기 때문에 광도는 7,024mcd로 높은 강도를 보이지만, 연색 지수(CRI)는 69 정도로 낮은 수치를 보였다. 그러나, 제 1 실시 예는 연색 지수(CRI)를 높이기 위해 스펙트럼의 전반적인 강도를 높여 균일성을 갖게 하되, 시감도에서 약 10% 이상의 감도를 보이는 480㎚ 내지 650㎚ 영역을 벗어나지 않고 발광 장치의 스펙트럼 강도를 높여주었다. 제 1 실시 예의 광도는 6,669mcd로 비교 예에 비해 약 5% 낮은 수치를 보였지만, 연색 지수(CRI)는 79로써 비교 예에 비해 10 정도 높은 결과를 보였다. 따라서, 기존에는 연색 지수(CRI)를 1 올리기 위해 광도를 약 1%씩 손실했지만, 본 발명은 연색 지수(CRI)를 1 올리는데 광도의 손실이 0.5% 밖에 되지 않아서 기존의 방식에 비해 약 두 배의 높은 결과를 보이는 것을 알 수 있다.
제 2 실시 예
본 발명의 제 2 실시 예에 따른 발광 장치는 피크 파장이 455㎚인 발광 칩과 피크 파장이 각각 556㎚ 및 625㎚인 황색 형광체 및 적색 형광체를 이용하여 제조하였다. 즉, 제 2 실시 예는 제 1 실시 예보다 단파장의 황색 형광체를 이용하였다. 이와 비교하기 위한 비교 예는 피크 파장이 445㎚인 발광 칩과 피크 파장이 562㎚인 YAG 형광체를 이용하여 제조하였다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 발광 장치와 비교 예 특성을 비교하기 위한 그래프이다. 여기서, 12는 제 2 실시 예의 발광 스펙트럼이고, 20, 30 및 40은 각각 비교 예에 따른 발광 스펙트럼, 시감도 곡선 및 태양광 스펙트럼이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 비교 예는 430㎚ 내지 480㎚의 파장 영역에서의 파장의 최고점과 최저점 사이의 높낮이 차가 제 2 실시 예의 450㎚ 내지 490㎚의 파장 영역에서의 높낮이의 차보다 크다. 따라서, 제 2 실시 예가 비교 예에 비해 연색 지수(CRI)가 높다고 할 수 있다. 또한, 비교 예가 제 2 실시 예에 비해 시감도 영역에서 중첩되는 영역이 많아 비교 예가 제 1 실시 예보다 광도가 높다고 할 수 있으나, 시감도 영역에서 스펙트럼의 높낮이의 차이를 비교 예가 제 2 실시 예보다 큰 것을 알 수 있다. 따라서, 시감도 영역에서 제 2 실시 예가 비교 예보다 연색 지수(CRI)가 높다고 할 수 있다. 즉, 제 2 실시 예는 제 1 실시 예와 마찬가지로 비교 예에 비해 광도는 다소 떨어지지만 연색 지수(CRI)가 더 높은 것을 알 수 있다. 한편, 제 2 실시 예와 제 1 실시 예의 스펙트럼을 비교하면 제 2 실시 예가 제 1 실시 예보다도 450㎚ 내지 500㎚의 파장 영역에서 더 많은 부분을 차지하고 있는 것을 알 수 있다. 그리고, 제 2 실시 예는 광도가 6,592mcd로 산출되어 비교 예에 비해 약 6% 낮은 결과를 나타내었지만, 연색 지수(CRI)는 81.5로써 12.5가 상승하는 결과를 나타내었다. 따라서, 제 2 실시 예는 제 1 실시 예와 같은 경향을 나타내며, 광도 손실분 대비 연색 지수 증가분이 증가한 것을 알 수 있다.
제 3 실시 예
본 발명의 제 3 실시 예에 따른 발광 장치는 피크 파장이 445㎚인 발광 칩과 피크 파장이 525㎚인 녹색 형광체, 피크 파장이 562㎚인 황색 형광체 및 피크 파장이 625㎚인 적색 형광체를 혼합하여 제조하였다. 즉, 제 1 및 제 2 실시 예에 비해 녹색 형광체를 더 혼합하였다. 이와 비교하기 위한 비교 예는 피크 파장이 445㎚인 발광 칩과 피크 파장이 562㎚인 YAG 형광체를 이용하여 제조하였다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 발광 장치와 종래의 발광 장치의 특성을 비교하기 위한 그래프이다. 여기서, 14는 제 3 실시 예의 발광 스펙트럼이고, 20, 30 및 40은 각각 비교 예에 따른 발광 스펙트럼, 시감도 곡선 및 태양광 스펙트럼이다.
전술한 바와 같이 연색 지수(CRI)를 높이기 위해서는 가시광선 영역의 전반에 걸쳐 균일한 스펙트럼을 만들어주어야 하는데, 이를 위해 제 3 실시 예는 세 종류의 형광체를 혼합하여 전반적으로 균일한 스펙트럼을 만들어주어 연색 지수(CRI)를 높인 발광 장치를 제안하였다. 제 3 실시 예는 비교 예에 비해 전반적으로 균일한 스펙트럼을 보이는 것을 알 수 있으며, 특히 590㎚ 내지 700㎚의 적색 영역이 상대적으로 균일함을 알 수 있다. 이러한 제 3 실시 예는 광도가 6,301mcd로 비교 예에 비해 약 10% 낮았으나, 연색 지수(CRI)는 79를 보여서 약 10이 높은 결과를 보였다. 이는 전반적으로 제 1 실시 예에 비해 낮은 수치를 보였지만, CIE 색도도 중 백색 영역 전반에 걸쳐서 연색 지수(CRI)를 조절할 수 있다. CIE 색도도의 조절에 대해서는 도 9에서 자세히 설명하도록 하겠다.
도 6은 본 발명에서 제시된 발광 칩과 형광체의 조합에 의해 생성된 광이 CIE 색도도 내에서 위치하는 좌표를 표기한 것이다. 즉, 제 1 실시 예, 제 2 실시 예 및 제 3 실시 예에 따른 발광 장치에서 발생된 광의 좌표를 표기한 것이다. 도시된 바와 같이 제 1 실시 예의 색좌표(50)는 (0.3070, 0.3360), (0.3190, 0.3260), (0.3340, 0.3530), (0.3221, 0.3610)의 범위 내에 형성되고, 제 2 실시 예의 색좌표(60)는 (0.2920, 0.3110), (0.3040, 0.3020), (0.3190, 0.3260), (0.3070, 0.3360)의 범위 내에 형성되며, 제 3 실시 예의 색좌표(70)는 (0.2900, 0.3100), (0.3043, 0.2990), (0.3370, 0.3540), (0.3221, 0.3640)의 범위 내에 형성된다. 이렇게 제 1 내지 제 3 실시 예는 모두 백색 광을 방출하게 된다.
도 7은 본 발명에서 제시된 제 1 내지 제 3 실시 예들의 광도를 비교한 그래프이다. 여기서, 연색 지수(CRI)가 75이고, 색좌표 (0.3238, 0.3485)에서 실시 예들을 비교하였다. 그런데, 본 발명의 실시 예들과 비교 예도 비교하려 하였으나, 비교 예는 해당 색좌표에서 75의 연색 지수(CRI)를 구현할 수 없기 때문에 직접 비교를 할 수 없었다. 제 1 실시 예를 기준으로 제 2 실시 예는 광도가 99.2%로 구현되고, 제 3 실시 예는 92.25%로 구현된다. 그런데, 제 2 실시 예가 연색 지수(CRI)를 개선하는 방법으로 더욱 유력한 방법이지만, 형광체의 파장이 제 1 실시 예에 비하여 단파장이기 때문에 해당 색좌표를 구현하기 위해 적색 형광체를 상대적으로 더 많은 양을 첨가해야 한다. 즉, 시감도에서 둔감한 적색 영역인 600㎚ 내지 700㎚ 영역을 보완하게 되어 제 1 실시 예에 비해 높은 광도를 구현하지 못하였다. 그러나, 연색 지수(CRI)가 더 높은 80 조건에서 비교했다면, 제 1 실시 예는 해당 영역에서 80의 연색 지수(CRI) 구현이 불가능하기 때문에 광도로만 각 실시 예들을 비교하여 우열을 판단할 수는 없다. 각 실시 예들을 용도에 맞게 나누자면 제 1 실시예는 도 6에서 도시한 색좌표 중 제 1 실시 예에 속하는 영역에서 연색 지수(CRI) 75 이상을 구현하고자 할 때 최적 조합으로 사용할 수 있으며, 제 2 실시 예는 도 6에서 도시한 색좌표 중 제 2 실시 예에 속하는 영역에서 연색 지수(CRI) 80 이상을 구현하고자 할 때 최적 조합으로 사용할 수 있다. 또한, 제 3 실시 예는 제 1 및 제 2 실시 예에서 도시한 영역 전체에서 연색 지수(CRI)를 70?95까지 자유롭게 변경 가능하다는 장점이 있다.
도 8은 발광 칩의 피크 파장에 따른 광도와 연색 지수(CRI)의 변화를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 연색 지수(CRI)를 증가시키면 광도가 저하되며, 단순히 발광 칩의 피크 파장을 조합하여 구현해서는 본 발명과 같은 결과를 얻을 수 없다는 것을 나타낸다. 또한, 비교 예와 같이 연색 지수(CRI)를 1 올리는데 광도가 1% 가량 감소되는 것을 알 수 있다.
도 9는 비교 예의 형광체를 피크 파장이 다른 발광 칩에 적용했을 때 나오는 색좌표 영역을 CIE 1931 색도도에 나타낸 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 562㎚ 파장의 YAG 형광체를 이용하고 연색 지수(CRI)를 개선하기 위하여 발광 칩의 피크 파장만을 447.5㎚(82), 450.0㎚(84), 452.5㎚(86) 및 455.0㎚(88)로 변화시키게 되면 도 6에서 지정한 백색 광의 색좌표를 벗어나게 되어 상품성이 떨어지게 된다. 즉, 발광 칩의 피크 파장이 증가될수록 백색 광의 색좌표에서 좌상향 방향으로 이동하게 되고, 455.0㎚(88)의 피크 파장을 갖는 발광 칩은 색좌표를 벗어나게 된다. 따라서, 제 3 실시 예가 비교 예들에 비해 우수한 특성을 나타내게 된다. 즉, 제 3 실시 예는 녹색 형광체, 황색 형광체 및 적색 형광체를 혼합하여 색좌표를 구현하기 때문에 각 형광체들 간의 상보 관계를 이용하면 해당 색좌표를 벗어나지 않고 연색 지수(CRI)를 조절할 수 있다. 즉, 녹색 형광체는 색좌표를 Y축 방향으로 이동시키며, 적색 형광체는 색좌표를 X축 방향으로 이동시키기 때문에 색좌표를 벗어났을 때는 발광 장치 안에 포함되는 형광체들 간의 상보 관계를 조절하면 구현하고자 하는 색좌표를 벗어나지 않게 할 수 있다. 또한, 황색 형광체는 시감도에 민감한 영역인 555㎚를 높게 채워줄 수 있기 때문에 광도 또한 조절이 가능하다.
도 10은 본 발명의 제 4, 제 5 및 제 6 실시 예와 비교 예를 비교한 도면으로서, 광도와 연색 지수(CRI)를 비교한 도면이다.
도 10은 발광 칩의 피크 파장을 447.5㎚로 고정하고, 비교 예는 562㎚ 파장의 YAG 형광체를 이용하였으며, 제 4, 제 5 및 제 6 실시 예는 형광체의 피크 파장을 각각 559㎚, 558㎚, 556㎚로 변화시켰다. 발광 칩의 피크 파장을 최적화하지 않고 일반적으로 사용하는 발광 칩을 사용할 경우에는 도 10에 도시된 바와 같이 연색 지수(CRI)가 4 증가하는데 광도가 4% 감소하는 결과를 보여 전혀 개선되지 않는 것을 알 수 있다. 연색 지수(CRI) 상승량 대비 광도 손실률은 1.005로써 전혀 개선되지 않은 결과를 보였다.
도 11은 본 발명의 제 7, 제 8 및 제 9 실시 예와 비교 예를 비교한 도면으로서, 광도와 연색 지수(CRI)를 비교한 도면이다.
도 11은 발광 칩의 피크 파장을 452.5㎚로 고정하고, 비교 예는 562㎚ 파장의 YAG 형광체를 이용하였으며, 제 7, 제 8 및 제 9 실시 예는 형광체의 피크 파장을 각각 559㎚, 558㎚, 556㎚로 변화시켰다. 도 10의 제 4, 제 5 및 제 6 실시 예의 피크 파장에 비해 5㎚ 높은 발광 칩을 사용하면 연색 지수(CRI) 상승량 대비 광도 상승률이 1.432로써 도 10의 결과와 비교하면 개선된 것을 알 수 있다.
이상에서는 도면 및 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 패키지 본체 200 : 리드 프레임
300 : 발광 칩 400 : 와이어
500 : 몰딩부 600 : 형광체

Claims (13)

  1. 청색 발광 칩과, 상기 청색 발광 칩으로부터 방출되는 빛을 흡수하고 흡수한 빛의 파장과 다른 파장을 갖는 빛을 발광하는 형광체를 포함하는 발광 장치에 있어서,
    상기 청색 발광 칩은 440㎚ 내지 460㎚의 피크 파장을 가지며,
    상기 형광체는 피크 파장이 555㎚ 내지 562㎚인 황색 형광체와 피크 파장이 620㎚ 내지 630㎚인 적색 형광체를 이용하여 백색 광을 방출하는 발광 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 황색 형광체는 A(3-x-y)BxC5O12:Dy로 이루어지며, A는 La, Eu, Tb, Gd, Y 및 Lu로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, B는 La, Eu, Tb, Gd, Y 및 Lu로 구성된 그룹에서 선택된 원소이며, C는 Al, Ga 및 In로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, D는 La, Ce, Tb, Eu, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu로 구성된 그룹에서 선택된 원소이며, x는 0<x≤0.2이고, y는 0<y≤0.2인 발광 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 적색 형광체는 A(1-x)BxCSiN3로 이루어지며, A는 Ca, Mg, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, B는 Eu, Gd, Tb, Er, Tm, Yb, Lu, Ce 및 La로 구성된 그룹에서 선택된 원소이며, C는 Al, Ga 및 In로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, x는 0<x≤0.2인 발광 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 백색 광은 색좌표가 (0.2890, 0.3105), (0.3160, 0.2880), (0.3530, 0.3510), (0.3260, 0.3735)의 범위에 형성되며, 연색 지수(CRI)가 75 이상인 발광 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 발광 칩은 455㎚의 피크 파장을 가지고, 상기 황색 형광체 및 적색 형광체는 각각 559㎚ 및 625㎚의 피크 파장을 가지는 발광 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 백색광은 색좌표가 (0.3070, 0.3360), (0.3190, 0.3260), (0.3340, 0.3530), (0.3221, 0.3610)의 범위에 형성되며, 연색 지수(CRI)가 75 이상인 발광 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 발광 칩은 455㎚의 피크 파장을 가지고, 상기 황색 형광체 및 적색 형광체는 각각 556㎚ 및 625㎚의 피크 파장을 가지는 발광 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 백색광은 색좌표가 (0.2920, 0.3110), (0.3040, 0.3020), (0.3190, 0.3260), (0.3070, 0.3360)의 범위에 형성되며, 연색 지수(CRI)가 80 이상인 발광장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 황색 및 적색 형광체에 녹색 형광체를 더 포함하는 발광 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 녹색 형광체는 A(2-x-y-z)BxCySiO4:Dz로 이루어지며, A는 Mg, Ca, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, B는 Mg, Ca, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이며, C는 Mg, Ca, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, D는 Ce, Eu, Gd, Tb, Tm 및 Lu로 구성된 그룹에서 선택된 원소며, x는 0<x≤0.2이고, y는 0<y≤0.2이며, z는 0<z≤0.05인 발광 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 황색 형광체는 A(2-x-y)BxCySiO4:D로 이루어지며, A는 Mg, Ca, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, B는 Mg, Ca, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이며, C는 Mg, Ca, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이며, D는 Ce, Eu, Gd, Tb, Tm 및 Lu로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, x는 0<x≤0.2이고, y는 0<y≤0.2인 발광 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 적색 형광체는 A(1-x)BxCSiN3로 이루어지고, A는 Ca, Mg, Sr 및 Ba로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, B는 Eu, Gd, Tb, Er, Tm, Yb, Lu, Ce 및 La로 구성된 그룹에서 선택된 원소이며, C는 Al, Ga 및 In로 구성된 그룹에서 선택된 원소이고, x는 0<x≤0.2인 발광 장치
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 발광 칩은 피크 파장이 445㎚이고, 상기 녹색 형광체, 황색 형광체 및 적색 형광체는 각각 525㎚, 562㎚ 및 625㎚의 피크 파장을 가지는 발광 장치.
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