KR20130127716A - 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물 및 파장 변환기, 그것을 포함하는 발광 장치 - Google Patents

형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물 및 파장 변환기, 그것을 포함하는 발광 장치 Download PDF

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Abstract

형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물 및 파장 변환기, 그것을 포함하는 발광 장치가 개시된다. 상기 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물은, P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리를 포함하되, 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리는 P2O5 30~60 mol%, ZnO 25~55 mol%, SiO2 5~20 mol%를 포함하고, SnO 및 B2O3를 포함하지 않으며, 소성 온도가 600℃ 이하일 수 있다. 한편, 상기 파장 변환기는 상기 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물 및 형광체를 포함하고, 이 파장 변환기의 제조 방법이 개시된다.
상기 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물은 저온에서 소성이 가능하고, 특수한 공정 분위기가 요구되지 않아 공정적용성이 우수하고, 상기 파장 변환기를 포함하는 발광장치의 효율 및 수명이 개선되는 효과가 있다.

Description

형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물 및 파장 변환기, 그것을 포함하는 발광 장치{LOW TEMPERATURE FIRING GLASS COMPOSITION FOR CARRYING PHOSPHOR AND WAVELENGTH CONVERTER, LIGHT EMITTING DEVICE COMPRISING THE WAVELENGTH CONVERTER}
본 발명은 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물 및 파장 변환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 저온에서 소성이 가능한 유리 조성물 및 그것을 포함하는 파장 변환기, 상기 파장 변환기를 포함하는 발광 장치 및 상기 파장 변환기를 제조하는 방법에 관한 것이다.
발광 다이오드는 에너지 변환 효율이 높고, 수명이 길며, 저전압 구동이 가능하며 복잡한 구동회로가 필요치 않은 등의 장점이 있어, 가까운 미래에 백열등, 형광등, 수은등과 같은 기존의 광원을 대체할 고체 조명(solid-state lighting)으로 기대를 모으고 있다. 특히 백색 발광 다이오드는 차세대 광원으로서의 그 효용가치가 높다.
일반적으로 발광 다이오드는 그 발광 원리상 좁은 파장 범위의 단색광 밖에는 방출할 수 없으므로, 백색 발광 다이오드 구현을 위해서는 이원색 이상의 발광 소스들의 조합이 필요하다. 종래에는 발광 다이오드로부터 백색광을 구현하기 위하여 둘 이상의 다른 색을 발광하는 발광 다이오드들을 조합하거나, 하나의 발광 다이오드에서 둘 이상의 활성영역을 갖도록 하거나, 또는 발광 다이오드와 파장 변환 물질(예컨대, 형광체, 반도체, 또는 염료 등)을 조합하는 기술 등이 사용되어 왔다. 이러한 기술 중 특히, 파장 변환 물질을 이용하여 변환된 파장의 광과 변환되지 않은 광이 혼색되어 백색 발광을 구현하는 기술이 통상적으로 사용된다.
상기 파장 변환 물질 중 형광체가 가장 일반적으로 사용되며, 형광체는 실리케이트(silicate)계, YAG(Yttrium Aluminium Garnet), TAG(Terbium Aluminium Garnet), 나이트라이드(nitride)계 등의 형광체가 사용된다. 이들 형광체는 분말 형태로 제조되어 레진, 실리콘 등 합성 유기 소재에 담지되어 파장 변환 물질로서 사용된다. 종래의 형광체 담지체인 유기 합성 수지는 장시간 사용시, 자외선, 수분 등의 외부적 요인과 발광 다이오드 자체의 열, 빛 등의 내부적 요인으로 인해 소재 자체가 황변 또는 갈변되거나 열화되는 문제가 있었고, 이로 인해 발광 다이오드의 신뢰성이 떨어지고 수명이 감소되어 그 사용이 제한되는 문제가 있었다. 이러한 문제점을 해결하고자 일본 공개특허 2008-255362호 등에는 유기물 담지체 대신 유리를 이용한 형광체 담지체를 사용하는 방법이 개시되었다. 상기 유리와 같은 세라믹 물질을 담지체로 사용하는 경우, 기존의 유기물을 사용한 경우와 같이 형광체의 조절이 용이하고, 기존의 유기물 소재가 갖는 변색, 열화 등의 문제점이 개선될 수 있다.
다만, 유리를 형광체 담지체로서 사용하기 위해서는 형광체를 담지하기에 적합한 유리 프릿(frit)이 제공되어야 한다. 예컨대, 실리케이트(silicate)계 및 나이트라이드(nitride)계 형광체는 고온에서 활성이온의 변질로 인한 효율 저하가 손쉽게 발생하므로 이와 같은 형광체가 담지된 유리를 제조하기 위한 유리 프릿은 600℃ 이하의 소성온도가 요구되고, 또 이러한 유리 프릿은 소성시 형광체와의 반응이 최소화되어야 하며, 소성 온도에서 높은 유동성을 가져야 공정 시간이 단축되고 기포의 발생이 억제된다. 또한, 소성 후에도 높은 투과도를 가져야 발광 다이오드의 파장 변환 물질로 사용될 수 있다.
종래의 특허 문헌들(일본 공개특허 2008-255362호, 대한민국 공개특허 10-2009-0026754호)에 제시된 SiO2-B2O3, SiO2-P2O5, SiO2-B2O3-BaO, SiO2-BaO-RO 등의 실리케이트(silicate)계 유리는 그 소성 온도가 높아 다양한 형광체에 적용하기 힘든 단점이 있었고, 또한, 저온 소성이 가능한 P2O5-SnO-B2O3 계 유리는 P2O5와 함께 흡습성이 큰 B2O3의 높은 함유로 인해 제조시 흡습에 의한 공정상의 어려움이 있었으며, 화학적 내구성이 취약하고, 유리 제조시 상분리의 가능성이 높은 단점이 있었다. 더욱이, 상기 유리들은 SnO가 다량 함유되어 대기 분위기 또는 환원 분위기에서 유리 제조가 불가능하고, 특수한 분위기에서 용융 공정이 수행되어야 하는 단점이 있다.
일본 공개특허 2008-255362호 대한민국 공개특허 10-2009-0026754호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 안정성 및 신뢰성이 높은 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물 및 형광체를 포함하는 파장 변환기를 제공하여, 신뢰성 및 수명이 개선된 발광 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 공정 조건의 민감도 및 양산성이 개선되고, 저온에서 수행가능한 파장 변환기 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 태양에 따른 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물은, P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리를 포함하되, 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리는 P2O5 30~60 mol%, ZnO 25~55 mol%, SiO2 5~20 mol%를 포함한다. 또 상기 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물은 소성 온도가 600℃ 이하일 수 있다. 또한, 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리는 SiO2를 5~10 mol% 포함할 수도 있다.
상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리가 상기의 비율로 P2O5, ZnO, 및 SiO2 를 포함함으로써 균일하게 형광체를 담지할 수 있고, 투과도가 높으며, 화학적 및 물리적으로 안정하여 고출력 발광 다이오드에 적합하고, 외부 환경에 의한 변성 및 열화 발생이 효과적으로 억제되는 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물이 제공될 수 있다.
상기 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물은 SnO 및 B2O3를 포함하지 않는다. SnO 및 B2O3를 포함하지 않음으로써 상기 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물의 흡습성이 개선될 수 있고, 대기 분위기에서의 안정성을 향상시킬 수 있다.
이에 더하여, 상기 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물은, R2O를 0 mol% 초과 및 10 mol% 이하로 더 포함할 수 있고, 상기 R은 Li, Na, K, Rb, 및 Cs 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물은, MgO, CaO, SrO, BaO, Al2O3, Y2O3, Ga2O3, In2O3, GeO2, 및 La2O3에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따른 파장 변환기는, 상기 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물, 및 상기 유리 조성물에 담지된 형광체를 포함할 수 있고, 상기 형광체는 YAG계 형광체, TAG계 형광체, 실리케이트(Silicate)계 형광체, 나이트라이드(Nitride)계 형광체, 플루오라이드(Fluoride)계 형광체, 옥시설파이드(Oxysulfide)계 형광체, 옥시나이트라이드(Oxynitride)계 형광체, 및 옥시플루오라이드(Oxyfluoride)계 형광체에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합일 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따른 발광 장치는, 발광 다이오드, 및 상기 발광 다이오드에서 방출된 광의 파장을 변환하는 파장 변환기를 포함하되, 상기 파장 변환기는 앞서 설명한 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물 및 상기 유리 조성물에 담지된 형광체를 포함한다.
상기 발광 장치는 상기 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물을 포함함으로써 발광 다이오드에 의한 내부적 요인 및 외부 환경에 의한 외부적 요인으로 인한 변성, 열화에 대한 저항성이 개선되어, 그 신뢰성 및 안정성이 향상될 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양에 따른 파장 변환기 제조 방법은, P2O5 30~60 mol%, ZnO 25~55 mol%, SiO2 5~20 mol%를 포함하는 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리 프릿, 및 형광체를 혼합하고, 혼합된 상기 유리 프릿 및 상기 형광체를 소정의 소성 온도에서 소성하여 제공될 수 있다. 또한, 상기 유리 프릿은 SiO2를 5~10 mol%를 포함할 수도 있다.
또한, 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리 프릿은 SnO 및 B2O3를 포함하지 않는다.
SnO를 포함하지 않음으로써 상기 파장 변환기 제조 공정시, 공정이 대기 분위기 또는 환원 분위기에서 수행될 수 있어 특수한 분위기에서의 공정 수행이 필요하지 않고, 따라서 제조 공정이 용이해질 수 있다. 또, B2O3를 포함하지 않아 제조시 흡습성이 개선될 수 있고, 600℃ 이하의 온도에서도 상기 유리 프릿이 높은 유동성을 가질 수 있어 제조 공정이 용이해질 수 있다.
한편, 상기 유리 프릿은 R2O를 0 mol% 초과 및 10 mol% 이하로 더 포함할 수 있으며, 상기 R은 Li, Na, K, Rb, 및 Cs 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 형광체 담지용 저온 소성 유리는, 균일하게 형광체를 담지할 수 있고, 착색이 적어 투과도가 높으며, 화학적 및 물리적으로 안정하여 변성, 변색 및 열화 발생이 효과적으로 억제될 수 있으므로, 신뢰성 및 효율이 높고 수명이 긴 형광체 담지용 저온 소성 유리가 제공된다.
본 발명에 따른 파장 변환기 제조 방법은, 상기 형광체 담지용 저온 소성 유리가 SnO를 포함하지 않게 되어 상기 파장 변환기 제조 공정이 대기 분위기 또는 환원 분위기에서 수행될 수 있으므로 제조 공정이 용이해진다. 또, 상기 파장 변환기 제조 방법은 제조시 B2O3를 포함하지 않아 흡습성, 유동성이 개선될 수 있다.
또한, 상기 형광체 담지용 저온 소성 유리는 600℃ 이하의 온도에서 소성이 가능하여 공정적용성이 우수해지고, 다양한 형광체를 적용하여 파장 변환기를 제조할 수 있는 장점이 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 발광 장치는 상기 형광체 담지용 저온 소성 유리를 포함하여 내, 외부적 요인에 의해 파장 변환기가 변성, 변색 및 열화되는 종래의 문제점을 해소할 수 있으므로, 발광 장치의 수명이 길어지고 신뢰성 및 효율이 개선되는 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 발광 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실험예에 따른 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리의 조성에 따른 특성을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들 및 실험예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들 및 실험예들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들 및 실험예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상부에" 또는 "상에" 있다고 기재된 경우 각 부분이 다른 부분의 "바로 상부" 또는 "바로 상에" 있는 경우뿐만 아니라 각 부분과 다른 부분의 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물에 대하여 상세히 설명한다.
상기 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물은 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리를 포함하고, 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리는 P2O5 30~60 mol%, ZnO 25~55 mol%, SiO2 5~20 mol%를 포함할 수 있다. 상기의 조성비를 갖는 형광체 담지용 저온 소성 유리는 결정화 및 상분리가 일어나지 않고, 흡습성이 낮으며, 저온에서 유동성이 높아 소성 공정이 용이해진다. 이에 대하여는 후술하여 상세히 설명한다.
상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리는 소성 온도가 600℃ 이하일 수 있다. 이와 같이 저온에서 소성 가능한 유리를 사용함으로써 소성 공정이 용이해지고, 고온에서 활성이온의 변질로 효율 저하가 일어나는 형광체, 예컨대, 실리케이트계 형광체 및 나이트라이드계 형광체의 담지체로도 사용될 수 있다.
또한, 상기 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물은 SnO 및 B2O3를 포함하지 않으며, 이로 인해 소성 공정에 있어서 흡습성과 유동성을 개선할 수 있고 공정 분위기의 제한이 감소된다. 예컨대, 상기 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물은 대기 분위기 또는 환원 분위기에서 소성될 수 있다.
상기 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물 중 P2O5는 유리 망목 형성제 중 하나로서 유리내에서 1차원 또는 2차원적 기본 구조를 형성할 수 있다. 상기 P2O5를 포함하는 유리는 소성 공정시 유동성이 증가하여 공정을 용이하게 만들 수 있으나, 함량이 높을 수록 유리의 화학적 내구성이 약해질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리는 P2O5를 30~60 mol% 포함하는 것이 바람직하다. 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리가 상기 P2O5를 30 mol% 미만으로 포함하는 경우 결정화가 진행될 수 있고, 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리가 상기 P2O5를 60 mol% 초과로 포함하는 경우 흡습성이 강해질 수 있다.
한편, 상기 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물 중 ZnO은 망목구조를 단절시키는 망목변형제 역할을 할 수도 있으나, 다량 함유시 일부 P2O5와 함께 유리 구조를 형성할 수 있다. 또한, 유리를 안정화 시키고, 열팽창 계수를 저하시키는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리는 ZnO를 25~55 mol% 포함하는 것이 바람직하다. 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리가 ZnO를 25mol% 미만으로 포함하는 경우 다량의 P2O5로 인해 흡습성이 높아져 유리의 안정성이 감소될 수 있고, 반면 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리가 ZnO를 50mol% 초과하여 포함하는 경우 상기 유리가 결정화되거나 소성시 결정화될 수 있다.
상기 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물 중 SiO2는 망목형성제로서 유리 내에 3차원 망목구조의 형성을 통해 유리의 안정성을 높여줄 수 있으나, 함유량이 증가할수록 연화점(Ts)이 높아지고 점도가 증가할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리는 SiO2를 5~20 mol%로 포함하는 것이 바람직하다. 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리가 SiO2를 5mol% 미만으로 포함하는 경우 유리의 안정성이 떨어져 유리 소재로서 사용되기 어려울 수 있고, 반면 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리가 SiO2를 20mol% 초과하여 포함하는 경우 상기 유리의 점도가 증가하여 600℃ 이하의 온도에서 유동성이 부족하고 소성이 어려운 단점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물은 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리를 포함하고, 이에 더하여 R2O를 더 포함할 수 있으며, 상기 R은 Li, Na, K, Rb, 및 Cs 중 어느 하나일 수 있다. 상기 R2O는 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리에 추가적으로 더 포함될 수 있고, 또는 상기 R2O는 상기 P2O5 또는 상기 ZnO의 일부 또는 전부를 대체하여 포함될 수도 있다.
상기 R2O(R=Li, Na, K, Rb, 또는 Cs)는 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리내에서 P2O5 및 SiO2 로 이루어진 망목을 단절시켜 유리 전이 온도(Tg) 및 연화점(Ts)을 저하시켜 상기 유리의 유동성을 증가시키는 역할을 할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리는 상기 R2O를 0 mol% 초과 및 10 mol% 이하로 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리가 상기 R2O를 10 mol% 초과로 더 포함하는 경우 유리 안정성이 떨어질 수 있고, 소성후에 착색이 더 쉽게 발생할 수 있다.
상기 R2O는 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리에 추가적, 또는 대체적으로 더 포함될 수 있고, 이때 상기 R2O는 상기 ZnO의 일부를 대체하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 R2O를 포함하는 본 발명에 따른 형광체 담지용 저온 소성 유리에 대하여는 후술하여 상세히 설명한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물은 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리를 포함하고, 이에 더하여 MgO, CaO, SrO, BaO, Al2O3, Y2O3, Ga2O3, In2O3, GeO2, 및 La2O3에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다. 상기 MgO, CaO, SrO, BaO, Al2O3, Y2O3, Ga2O3, In2O3, GeO2, 및 La2O3 는 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리의 안정성을 개선시킬 수 있다.
이때, 상기 상기 MgO, CaO, SrO, BaO, Al2O3, Y2O3, Ga2O3, In2O3, GeO2, 및 La2O3 는 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리에 0 mol% 초과 및 5 mol% 이하로 더 포함되는 것이 바람직하고, 5 mol%를 초과하여 포함되는 경우 유리의 결정화가 발생하여 유동성이 저하될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물은 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Sn, Sb, 또는 Bi와 같은 전이 금속의 산화물을 포함하지 않는 것이 바람직하다. 상기 전이 금속은 상기 유리 내에서 전자 천이에 의한 가시광선 흡수 현상을 야기할 수 있으며, 이는 유리 프릿의 착색 현상을 발생시켜 상기 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물의 투과도를 저하시킬 수 있다. 다만, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 발광 장치를 설명하기 위한 단면도들이다.
먼저 도 1을 참조하면, 발광 장치는, 본체(10), 제1 리드(11), 제2 리드(12), 상기 본체(10)에 일체로 형성되는 측벽(13), 발광 다이오드(21), 상기 발광 다이오드(21)과 제2 리드(12)를 전기적으로 연결하는 와이어(14), 및 파장 변환기(30)를 포함한다.
상기 본체(10) 상면에 상기 측벽(13)이 배치될 수 있고, 상기 측벽(13)으로 둘러싸여 발광 다이오드(21)가 상기 본체(10) 상에 실장될 수 있는 캐비티가 제공된다. 상기 본체(10) 및 측벽(13)은 고분자 수지, 또는 세라믹 등으로 형성될 수 있으며, 그 재료는 한정되지 않는다. 또한, 상기 본체(10)는 상기 발광 다이오드(21)로부터 발생되는 열을 배출하기 위한 히트 싱크(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
상기 캐비티를 형성하는 측벽(13)은 소정의 기울기를 갖도록 제공될 수 있고, 또한, 기울기를 갖는 측벽(13) 상에 반사부(도시하지 않음)가 더 형성될 수 있다. 상기 반사부는 상기 발광 다이오드(21)으로부터 방출된 빛을 반사하여 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 제1 리드(11) 및 상기 제2 리드(12)는 상기 발광 다이오드(21)에 전기적으로 연결되도록 형성되어 외부 전원에 연결될 수 있다. 상기 제1 리드(11) 및 상기 제2 리드(12)는 서로 대향하여 배치될 수 있고, 상기 본체(10) 외부로 측면으로부터 돌출되어 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 예컨대, 본체(10)를 상하로 관통하는 비아(via)를 통해 외부로 돌출될 수도 있다. 상기 제1 리드(11) 및 상기 제2 리드(12)는 도전성 재료이면 제한되지 않으며, 예컨대 Cu 또는 Al을 포함하는 금속, 또는 합금으로 형성될 수 있다.
상기 발광 다이오드(21)는 상기 본체(10) 및 측벽(13)에 의해 형성된 캐비티 내에 실장되고, 상기 제1 리드(11) 상에 접촉되어 형성될 수 있다. 이때, 상기 발광 다이오드(21)와 상기 제1 리드(11)는 도전성 접착제, 예컨대 Ag 에폭시로 상호 접착될 수 있다. 또한, 상기 발광 다이오드(21)와 상기 제2 리드(12)는 와이어(14)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 발광 다이오드(21)와 상기 리드들(11, 12)간의 전기적 연결 형태는 상술한 바에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 발광 다이오드(21)는 상기 본체(10)에 접착되도록 형성될 수도 있고, 상기 발광 다이오드(21)과 상기 제1 리드(11)는 와이어(도시하지 않음)를 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 발광 다이오드(21)은 그 형태가 제한되지 않으며, 예컨대 수평형 발광 다이오드, 또는 수직형 발광 다이오드일 수 있다.
한편, 상기 캐비티 내에 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물(31) 및 형광체(32)를 포함하는 파장 변환기(30)가 형성된다. 상기 파장 변환기(30)는 상기 발광 다이오드(21)으로부터 방출된 광의 파장의 일부를 변화시켜 외부로 다른 파장의 빛이 방출되도록 한다. 이로 인해, 본 실시예에 따른 발광 장치는 여러 가지의 다른 파장의 빛들이 혼합되어 다양한 색의 광을 방출할 수 있다.
상기 파장 변환기(30)는 상기 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물(31)에 상기 형광체(32)가 담지되어 형성된다. 상기 형광체(32)가 유기 합성 수지 등의 재료가 아닌 유리에 담지됨으로써 상기 파장 변환기(30)는 내, 외부적 요인에 의해 변색, 변성, 또는 열화되지 않는다. 따라서, 상기 파장 변환기(30)를 포함하는 본 발명에 따른 발광 장치는 신뢰성이 높아질 수 있고, 수명이 길어질 수 있으며, 또한 광 효율이 증가될 수 있어 고출력 발광원이나 조명용으로 이용이 가능하다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 형광체(32)는 YAG계 형광체, TAG계 형광체, Silicate계 형광체, Nitride계 형광체, Fluoride계 형광체, Oxysulfide계 형광체, Oxynitride계 형광체, 및 Oxyfluoride계 형광체에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 형광체(32)가 담지되는 상기 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물(31)은 소성 온도가 600℃ 이하일 수 있어 다양한 형광체를 이용할 수 있고, 따라서 담지될 수 있는 형광체는 상기 형광체들에 한정되지 않는다.
다음으로, 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 장치는 도 1을 참조하여 설명한 발광 장치와 대체로 유사하나, 봉지부(15)를 더 포함하는 것에서 차이가 있다. 이하, 차이점에 대해서만 설명한다.
상기 발광 장치는 캐비티 내에 봉지부(15), 및 상기 봉지부(15)상에 형성되며 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물(41) 및 형광체(42)를 포함하는 파장 변환기(40)를 포함한다. 상기 봉지부(15)는 에폭시, 실리콘, 또는 유리 소재로 형성될 수 있다. 상기 파장 변환기(40)는 막 형태로 상기 봉지부(15)상에 형성될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 봉지부(15) 내에 형성될 수도 있다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 장치는 도 2를 참조하여 설명한 발광 장치와 대체로 유사하나, 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물(51) 및 형광체(52)를 포함하는 파장 변환기(50)가 상기 발광 다이오드(21) 상에 접착되어 형성되는 것에 차이가 있다.
상기 파장 변환기(50)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 발광 다이오드(21) 상면에 형성될 수 있고, 또한 상기 발광 다이오드(21) 측면에 더 형성될 수도 있다.
본 실시예들에 있어서, 발광 장치는 표면 실장형(SMD type)으로 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고 THT(through-hole technology)패키지 발광 장치, 또는 다양한 고출력 발광 다이오드 장치에 본 발명에 따른 파장 변환기가 적용될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파장 변환기 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파장 변환기 제조 방법은, P2O5 30~60 mol%, ZnO 25~55 mol%, SiO2 5~20 mol%를 포함하는 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리 프릿(frit) 및 형광체를 혼합하고, 혼합된 상기 유리 프릿 및 상기 형광체를 소정의 소성 온도에서 소성하는 것을 포함한다. 상기 소성은 상기 유리 프릿 및 형광체 혼합물을 가열하여 성형하는 것을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 예컨대, 압착하는 것을 더 포함하여 성형할 수 있다. 또한, 상기 방법 외에 다양한 형태의 소성이 가능하다. 이하 예를 들어 상세하게 제조 방법을 설명한다.
상기 파장 변환기 제조 방법은, 예컨대, 상기 유리 프릿 및 상기 형광체를 목표하는 양을 칭량하여 혼합한다. 이때, 용매를 이용하여 혼합할 수 있으며, 상기 용매는 에탄올일 수 있다. 이후, 밀링 공정을 이용하여 상기 유리 프릿 및 상기 형광체를 균일하게 혼합하고, 상기 밀링 공정은, 예를 들어, 볼 밀링기를 이용하여 수행될 수 있다. 그 다음으로, 혼합된 상기 유리 프릿 및 상기 형광체 혼합물을 상기 소정의 소성 온도로 가열 용융하여 성형한 후 냉각하면 상기 파장 변환기가 제공된다. 상기 성형 공정과 가열 용융 공정을 동시에 수행할 수도 있으며, 이때 가압하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 유리 프릿은 P2O5 30~60 mol%, ZnO 25~55 mol%, SiO2 5~20 mol%를 포함하여 유리 프릿의 소성 과정에서 유리의 결정화가 일어나지 않고, 상분리가 발생되지 않으며, 흡습성이 낮아 공정이 용이해진다. 또한, 상기 유리 프릿으로부터 소성된 유리 조성물은 투명도가 높게 형성된다.
또한, 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리 프릿은 SnO 및 B2O3를 포함하지 않는다.
상기 유리 프릿은 SnO를 포함하지 않음으로써 상기 유리 프릿의 안정성이 높아 소성 공정에서 유리 조성물이 안정적으로 형성될 수 있고, 또한, 상기 SnO가 포함되지 않은 유리 프릿은 대기 분위기 또는 환원 분위기에서도 소성이 가능하다. 한편, 상기 유리 프릿은 B2O3를 포함하지 않음으로써 흡습성이 개선될 수 있다.
이와 같이, SnO 및 B2O3를 포함하지 않는 상기 유리 프릿은 공정이 용이하고, 소성된 유리 조성물의 유리 안정성과 투과도가 우수한 장점이 있다.
상기 소정의 소성 온도는 600℃ 이하일 수 있다. 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리 프릿은 600℃ 이하에서 높은 유동성을 보여 600℃이하의 온도에서 공정이 용이하여 양산성이 개선되는 장점이 있다. 또한, 600℃이하에서 소성이 가능하므로 고온에서 활성이온의 변질로 인한 효율 저하가 발생되는 형광체를 포함하는 다양한 형광체, 예컨대, YAG계 형광체, TAG계 형광체, Silicate계 형광체, Nitride계 형광체, Fluoride계 형광체, Oxysulfide계 형광체, Oxynitride계 형광체, 및 Oxyfluoride계 형광체 등과 함께 혼합되어 파장 변환기를 형성할 수 있다. 상기 파장 변환기에 포함되는 형광체는 이에 한정되지 않으며 상기 소정의 소성 온도에서 소성이 가능한 다른 형광체들이 포함될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 파장 변환기는 R2O를 더 포함하여 제조 될 수 있으며, 상기 R은 Li, Na, K, Rb, 및 Cs 중 어느 하나일 수 있다. 상기 R2O는 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리 프릿에 추가적으로 더 포함될 수 있고, 또는 상기 R2O는 상기 P2O5 또는 상기 ZnO의 일부를 대체하여 포함될 수도 있다.
상기 R2O(R=Li, Na, K, Rb, 또는 Cs)는 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리내에서 P2O5 및 SiO2 로 이루어진 망목을 단절시켜 유리 전이 온도(Tg) 및 연화점(Ts)을 저하시켜 상기 유리 프릿의 소성시 유동성을 증가시킬 수 있다. 소성시 유동성이 증가되면 상기 유리 프릿의 성형이 용이해지고 기포의 발생이 적어 광 투과도가 개선될 수 있고, 다양한 발광 장치에 적용이 가능하여 공정 적용성이 개선된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리 프릿은 상기 R2O를 0 mol% 초과 및 10 mol% 이하로 더 포함하는 것이 바람직하며, 10 mol% 초과로 더 포함하는 경우 유리 프릿의 안정성이 떨어져 소성후 유리의 수율이 저하될 수 있고, 소성후 유리 조성물의 착색이 더 쉽게 발생할 수 있다.
상기 R2O는 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리 프릿에 추가적, 또는 대체적으로 더 포함될 수 있고, 이때 상기 R2O는 상기 ZnO의 일부 또는 전부를 대체하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 R2O가 P2O5를 대체하는 경우 소성시 유리 프릿의 결정화가 발생되거나 소성후 유리 조성물의 결정화가 발생될 수 있으나, 반면, 상기 R2O가 ZnO를 대체하는 경우 유리 프릿의 유리상이 안정적으로 될 수 있고, 상기 소정의 소성 온도에서의 유동성이 개선될 수 있다. 따라서, 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리 프릿에 R2O가 더 포함됨으로써 공정 적용성이 개선될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 파장 변환기 제조 방법에 있어서, 상기 유리 프릿은 MgO, CaO, SrO, BaO, Al2O3, Y2O3, Ga2O3, In2O3, GeO2, 및 La2O3에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다. 상기 MgO, CaO, SrO, BaO, Al2O3, Y2O3, Ga2O3, In2O3, GeO2, 및 La2O3 는 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리 프릿의 안정성을 개선시켜 소성 공정의 공정 적용성을 개선할 수 있다.
이때, 상기 상기 MgO, CaO, SrO, BaO, Al2O3, Y2O3, Ga2O3, In2O3, GeO2, 및 La2O3 는 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리 프릿에 0 mol% 초과 및 5 mol% 이하로 더 포함되는 것이 바람직하고, 5 mol%를 초과하여 포함되는 경우 유리 프릿의 결정화가 발생할 수 있고 유동성이 저하되어 공정용이성이 저해될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리 프릿은 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Sn, Sb, 또는 Bi와 같은 전이 금속의 산화물을 포함하지 않는 것이 바람직하다. 상기 전이 금속은 전자 천이에 의한 가시광선 흡수 현상을 야기할 수 있으며, 이는 유리 프릿의 착색 현상을 발생시켜 소성 후 유리 조성물의 투과도를 저하시킬 수 있다. 다만, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
이하, 본 발명에 따른 구체적인 실험예들을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실험예 1
P2O5, ZnO, 및 SiO2를 하기 표 1에 나타난 바와 같이 각 시료에 따라 조성별로 칭량한다.
(단위: mol%)
유리 시료 P2O5 ZnO SiO2 용융결과 소성결과 비고
1 60 20 20 ○ × 흡습성강함
2 60 25 15 ○ × 흡습성강함
3 60 30 10 ○ × 흡습성강함
4 60 35 5 ○ ○
5 55 25 20 ○ × 흡습성강함
6 55 30 15 ○ × 흡습성강함
7 55 35 10 ○ ○
8 55 40 5 ○ ○
9 50 30 20 ○ × 흡습성강함
10 50 35 15 ○ × 유동미발생
11 50 40 10 ○ △ 상분리
12 50 45 5 ○ ○
13 45 35 20 ○ × 유동미발생
14 45 40 15 ○ △
15 45 45 10 ○ ○
16 45 50 5 ○ × 결정화
17 40 35 25 × - 미용융
18 40 40 20 ○ × 유동미발생
19 40 45 15 ○ ○
20 40 50 10 ○ ○
21 40 55 5 ○ × 결정화
22 35 50 15 ○ × 결정화
23 35 55 10 ○ × 결정화
24 35 60 5 ○ × 결정화
25 30 55 15 × - 결정화
26 30 60 10 × - 결정화
27 30 65 5 × - 결정화
28 25 60 15 × - 결정화
29 25 65 10 × - 결정화
30 25 70 5 × - 결정화
(용융결과: ○ - 우수, △ - 보통, × - 결정화 또는 상분리)
(소성결과: ○ - 유동성 우수, △ - 보통, × - 결정화 또는 유동 미발생)
상기 유리 시료 1 내지 30을 공기중의 전기로에서 1100℃로 가열하여 1시간동안 용융 후 급냉하여 유리를 제조하였다. 그 결과, 표 1에 나타난 것과 같이, P2O5, ZnO, 및 SiO2를 포함하는 유리 시료들 중, 대부분의 시료들이 용융되었으나(17, 및 시료 25 내지 30 제외하고 용융 가능), P2O5 30~60 mol%, ZnO 25~55 mol%, SiO2 5~20 mol%를 포함하는 유리 시료가 투명한 유리였다. 상기 조성비 외의 조성비를 갖는 유리 시료는 결정화가 발생하였다. 도 4를 참조하면, 도 4는 P2O5, ZnO, 및 SiO2의 조성비에 따른 유리의 특성을 평가하여 도시한 그래프이다.
이후, 상기 시료 1 내지 30 각각을 100㎛이하의 분말로 형성하여 유리 프릿을 제조한 후, 상기 시료 1 내지 30의 유리 프릿을 600℃로 가열하여 30분간 소성하였다. 표 1에 나타난 것과 같이 소성 결과, SiO2가 5~10mol% 포함된 유리 시료들에서 주로 우수한 소성결과가 나타났으며, 다른 조성에서는 흡습성이 높거나, 소성 후 결정화 되거나, 또는 낮은 유동성을 나타내었다.
본 실험예에 따르면, P2O5 30~60 mol%, ZnO 25~55 mol%, SiO2 5~20 mol%를 포함하는 유리 프릿으로 제조된 유리 조성물이 우수한 소성 결과를 나타냈으며, 특히, SiO2를 5~10 mol% 포함하는 유리 조성물에서 보다 우수한 소성 결과를 나타냈다.
실험예 2
P2O5, ZnO, 및 SiO2를 포함하고, R2O(R=Li, Na, K, Rb, 또는 Cs)를 더 포함하는 유리 조성물을 제조하여 유동성 개선 실험을 하였다. 상기 R2O는 소성시 유리의 유동성을 개선시키기 위해서 사용되었다. 상기 표 1에 나타난 시료 4, 8, 12, 15, 20, 및 22에 대해서 P2O5 또는 ZnO의 일부를 R2O로 대체하여, 실험예 1과 같은 방법으로 각 시료의 유리 프릿을 제조하였다. 더욱 상세하게는, P2O5의 조성비율 중 5mol% 또는 10mol%를 R2O로 대체하고, 또 ZnO의 조성비율 중 5mol% 또는 10mol%를 R2O로 대체하였다.
이후, 제조한 각 시료(4, 8, 12, 15, 20, 및 22)를 4g씩 칭량하여 가압 성형을 통해 지름 10 mm의 플로우 버튼(flow button)을 제조하였다. 그리고 각각의 플로우 버튼을 600℃로 가열하여 30분간 소성한 후, 각각의 플로우 버튼의 소성후 크기 변화를 측정하였다. 표 2는 그 결과를 나타낸다. 이때, 플로우 버튼 크기의 변화가 클수록 유동성이 개선된 것을 의미한다.
(단위: mm)
유리 시료 4 8 12 15 20 22
성분 대체 전
플로우 버튼 크기		 17.95 18.80 19.70 18.60 19.00 17.90
P2O5 →R2O
(5mol%)		 유리 형성
불가		 유리 형성
불가		 22.45 19.65 결정화 결정화
P2O5 →R2O
(10mol%)		 유리 형성
불가		 24.85 22.30 결정화 결정화 유리 형성
불가
ZnO →R2O
(5mol%)		 22.40 22.80 24.20 20.80 19.80 20.85
ZnO →R2O
(10mol%)		 27.85 28.20 25.35 20.75 24.70 결정화
표 2에 나타난 바와 같이, P2O5를 R2O로 대체한 경우에는 유리 형성이 되지 않거나 결정화가 발생하여 소성된 유리 조성물을 파장 변환기에 사용할 수 없었다. 또한 유리 형성이 되더라도 ZnO를 R2O로 대체한 경우보다 그 유동성 개선의 정도가 낮았다. 반면, ZnO를 R2O로 대체하였을때 대부분 유리가 형성되었고, 또한 유동선 개선의 효과도 더 큰것으로 나타나 공정 적용성이 더 우수해진 것으로 나타났다.
이상에서, 본 발명의 다양한 실시예들, 실험예 및 특징들에 대하여 설명하였지만, 본 명세서에 기술된 다양한 실시예들, 실험예 및 특징들에 본 발명이 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 특허청구범위에 의한 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능하다.

Claims (13)

  1. P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리를 포함하되,
    상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리는 P2O5 30~60 mol%, ZnO 25~55 mol%, SiO2 5~20 mol%를 포함하고,
    상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리는 SnO 및 B2O3를 포함하지 않는 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리는 SiO2를 5~10 mol% 포함하는 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물.
  3. 청구항 1에 있어서,
    소성 온도가 600℃ 이하인 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물.
  4. 청구항 1에 있어서,
    R2O를 0 mol% 초과 및 10 mol% 이하로 더 포함하되, 상기 R은 Li, Na, K, Rb, 및 Cs 중 어느 하나인 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물.
  5. 청구항 1에 있어서,
    MgO, CaO, SrO, BaO, Al2O3, Y2O3, Ga2O3, In2O3, GeO2, 및 La2O3에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합을 더 포함하는 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5의 어느 한 항에 따른 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물; 및
    상기 유리 조성물에 담지된 형광체를 포함하는 파장 변환기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 형광체는 YAG계 형광체, TAG계 형광체, 실리케이트(Silicate)계 형광체, 나이트라이드(Nitride)계 형광체, 플로우라이드(Fluoride)계 형광체, 옥시설파이드(Oxysulfide)계 형광체, 옥시나이트라이드(Oxynitride)계 형광체, 및 옥시플루오라이드(Oxyfluoride)계 형광체에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합인 파장변환기.
  8. 발광 다이오드; 및
    상기 발광 다이오드에서 방출된 광의 파장을 변환하는 파장 변환기를 포함하되,
    상기 파장 변환기는 청구항 1 내지 청구항 5의 어느 한 항에 따른 형광체 담지용 저온 소성 유리 조성물; 및
    상기 유리 조성물에 담지된 형광체를 포함하는 발광 장치.
  9. P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리 프릿, 및 형광체를 혼합하고,
    혼합된 상기 유리 프릿 및 상기 형광체를 소정의 소성 온도에서 소성하는 것을 포함하되,
    상기 P2O5 - ZnO - SiO2 계 유리 프릿은, P2O5 30~60 mol%, ZnO 25~55 mol%, SiO2 5~20 mol%를 포함하고, SnO 및 B2O3를 포함하지 않는 파장 변환기 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 소성하는 것은 대기 분위기 또는 환원 분위기에서 수행되는 파장 변환기 제조 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 유리 프릿은 SiO2 5~10 mol%를 포함하는 파장 변환기 제조 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 소성 온도는 600℃ 이하인 파장 변환기 제조 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 유리 프릿은 R2O를 0 mol% 초과 및 10 mol% 이하로 더 포함하되, 상기 R은 Li, Na, K, Rb, 및 Cs 중 어느 하나인 파장 변환기 제조 방법.
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