KR20140035553A - 발광다이오드 램프 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 양극 및 음극의 프레임과, 전압을 인가하면 자외선 또는 가시광선을 발광하는 발광다이오드 칩과, 상기 프레임과 상기 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어와, 상기 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 장착된 유리 렌즈 및 상기 유리 렌즈 하부에 구비된 형광체막을 포함하며, 상기 유리 렌즈는 반구형의 돔 형상이나 길이 방향에 따라 동일한 두께로 구비된 플레이트 형상을 가지며, 상기 발광다이오드 칩과 상기 형광체막은 이격되어 있고, 상기 발광다이오드 칩의 발광면과 상기 형광체막 사이에는 빈 공간인 공기층으로 이루어진 발광다이오드 램프 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 유리가 연화되는 비교적 저온의 온도에서 형광체와 결합되는 방식으로 제조되므로, 형광체막과 유리 렌즈가 순차적으로 적층된 구조(형광체막 유리 렌즈의 적층 구조체)를 용이하게 얻을 수 있고, 열처리 등에 의해 형광체가 열화되거나 하는 문제가 없으므로 형광 특성이 저하되는 문제가 없으며, 비교적 저온에서 유리와 형광체가 결합되므로 유리와 형광체 간의 화학적 반응이 억제되어 형광 특성이 저하되는 문제를 방지할 수 있다.

Description

발광다이오드 램프 및 그 제조방법{Light emitting diode lamp and manufacturing method of the same}
본 발명은 발광다이오드 램프 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기계 투명 수지 대신에 유리 렌즈를 이용하고 접착제를 사용하지 않으며 발광다이오드 칩과 형광체 사이에 빈 공간이 있는 리모트(Remote) 방식의 발광다이오드 램프 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발광다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전기 에너지를 자외선이나 가시광선으로 변환하여 빛을 방출하는 소자이다. 발광다이오드를 광원으로 사용하는 발광다이오드 램프는, 소비 전력이 적게 들고, 수명이 길며, 신뢰성이 높다는 장점이 있다.
일반적인 발광다이오드 램프는 발광다이오드(LED) 칩을 투명 수지로 밀봉하여 제조되며, 휴대형 통신 기기, 퍼스널 컴퓨터 주변 기기, 사무자동화 기기, 가정용 전기 기기 등의 표시부에 사용되는 액정표시장치의 백라이트, 신호 장치, 각종 스위치, 차량 탑재용 램프, 일반 조명 등의 조명 장치에 폭넓게 이용되고 있다.
발광다이오드 램프는, 다양한 발광색을 갖는 형광체를 조합하여 청색부터 적색까지 사용 용도에 따라 다양한 가시광선을 발색할 수 있다.
백색광을 발색하는 발광다이오드 램프(이하 '백색 LED 램프'라 함)는, 액정표시장치의 백라이트, 차량 탑재용 램프 등의 용도로 사용되어 수요가 급증하고 있으며, 최근에는 형광 램프(형광등)을 대체할 수 있는 조명 장치로도 사용되고 있어 효용 가치가 크게 기대되고 있다.
이러한 백색 LED 램프는 청색을 발광하는 발광다이오드(청색 LED)와 황색을 발광하는 발광다이오드(황색 LED)를 조합하거나, 청색을 발광하는 발광다이오드, 녹색을 발광하는 발광다이오드 및 적색을 발광하는 발광다이오드를 조합하여 제조되고 있다.
한편, 형광체를 이용하여 황색 또는 청색 등으로 파장 변환하는 발광다이오드 램프는, 발광다이오드 칩의 발광면을 밀봉하는 유기계 투명 수지에 형광체 분말을 혼합하여 몰드하고, 발광다이오드 칩의 발광을 일부 또는 전부 흡수하여 원하는 파장으로 변환하고 있다.
그러나, 발광다이오드 램프에서 발광다이오드 칩을 밀봉하는 유기계 투명 수지는 가시광선이나 자외선 등의 고출력화에 따른 칩 발열량의 급증으로 인해 열화되거나 변색되는 문제가 있다. 따라서, 투명 수지의 열화 또는 변색에 의해 광효율과 색순도가 저하되고, 이에 따라 발광다이오드 램프의 수명이 감소하고 신뢰도가 떨어지게 된다.
또한, 발광다이오드 램프 제조 시에 투명 수지를 발광다이오드 칩에 접착제를 이용하여 부착시키고 있는데, 가시광선이나 자외선 등의 고출력화에 따른 칩 발열량의 급증에 의해 접착제가 열화되어 발광다이오드 램프의 광효율과 색순도가 저하되고 이에 따라 발광다이오드 램프의 수명이 감소하고 신뢰도가 떨어지는 문제가 있다.
발광다이오드 칩의 발광면에 형광체 분말을 도포하고 유기계 투명 수지로 몰딩하여 밀봉하여 제작할 수도 있는데, 이 경우에는 발광다이오드 칩과 형광체가 직접 접촉하고 있기 때문에 발광다이오드 칩에서 발생하는 빛의 상당 부분이 후면 부위의 열로 손실된다. 또한, 사용 시간이 증가함에 따라 유기계 투명 수지가 발광다이오드 칩에서 발생하는 열에 의해 열화되거나 변색되게 되며, 이는 발광다이오드 램프의 수명을 감소시키고 발광 효율 및 발광 색상의 안정성을 저하시키는 요인으로 작용한다.
유리 분말(powder)과 형광체를 혼합하고 소성하여 형광체-유리 복합체를 제조할 수도 있지만, 치밀화된 벌크 제조가 어렵고, 형광체-유리 복합체에서 유리의 광투과율이 감소하며, 열처리 온도 및 시간에 따라 형광체의 열화에 의한 형광 특성이 저하되는 문제가 있고, 유리와 형광체 간의 화학적 반응에 의해 형광 특성이 저하되는 문제 등이 있다.
대한민국 특허등록 제10-1142758호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 유기계 투명 수지 대신에 유리 렌즈를 이용함으로써 화학적으로 안정적이고 고출력의 광 및 고온환경에 장기간 노출되어도 변색을 억제할 수 있으며, 접착제를 사용하지 않기 때문에 가시광선이나 자외선 등의 고출력화에 따른 칩 발열량의 급증으로 인해 열화되거나 변색되는 문제가 없으며, 광효율과 색순도가 저하되는 종래의 문제를 개선할 수 있고 수명이 길고 신뢰성이 높은 특성을 갖는 발광다이오드 램프를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 유리가 연화되는 비교적 저온의 온도에서 형광체와 결합되는 방식으로 제조되므로, 형광체막과 유리 렌즈가 순차적으로 적층된 구조(형광체막 유리 렌즈의 적층 구조체)를 용이하게 얻을 수 있고, 열처리 등에 의해 형광체가 열화되거나 하는 문제가 없으므로 형광 특성이 저하되는 문제가 없으며, 비교적 저온에서 유리와 형광체가 결합되므로 유리와 형광체 간의 화학적 반응이 억제되어 형광 특성이 저하되는 문제를 방지할 수 있으며, 유기계 투명 수지 대신에 유리 렌즈를 이용함으로써 화학적으로 안정적이고 고출력의 광 및 고온환경에 장기간 노출되어도 변색을 억제할 수 있으며, 접착제를 사용하지 않기 때문에 가시광선이나 자외선 등의 고출력화에 따른 칩 발열량의 급증으로 인해 열화되거나 변색되는 문제가 없으며, 광효율과 색순도가 저하되는 종래의 문제를 개선할 수 있고 수명이 길고 신뢰성이 높은 특성을 갖는 발광다이오드 램프의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 양극 및 음극의 프레임과, 전압을 인가하면 자외선 또는 가시광선을 발광하는 발광다이오드 칩과, 상기 프레임과 상기 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어와, 상기 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 장착된 유리 렌즈 및 상기 유리 렌즈 하부에 구비된 형광체막을 포함하며, 상기 유리 렌즈는 반구형의 돔 형상이나 길이 방향에 따라 동일한 두께로 구비된 플레이트 형상을 가지며, 상기 발광다이오드 칩과 상기 형광체막은 이격되어 있고, 상기 발광다이오드 칩의 발광면과 상기 형광체막 사이에는 빈 공간인 공기층으로 이루어진 발광다이오드 램프를 제공한다.
상기 형광체막은 길이 방향에 따라 동일한 두께로 구비된 플레이트 형상을 가질 수 있다.
또한, 본 발명은, 유리 파이버 또는 유리 막대의 일단을 가열하여 유리 파이버 또는 유리 막대의 일단에 구형 유리를 형성하는 단계와, 형광체를 평평한 판 위에 도포하는 단계와, 상기 구형 유리가 상기 형광체를 마주하도록 하면서 상기 구형 유리가 형성된 유리 파이버 또는 유리 막대를 압착하여 상기 구형 유리를 반구형의 돔 형상의 유리 렌즈로 성형하는 단계와, 상기 유리 렌즈 위에 잔류하는 유리 파이버 또는 유리 막대를 절단하여 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체를 얻는 단계와, 프레임 상부에 자외선 또는 가시광선을 발광하는 발광다이오드 칩이 안착되어 있고 상기 프레임과 상기 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어가 본딩되어 있는 발광다이오드 램프를 준비하는 단계 및 상기 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체를 장착하는 단계를 포함하며, 상기 발광다이오드 칩의 발광면과 상기 형광체막 사이에는 빈 공간인 공기층으로 이루어지게 상기 발광다이오드 칩과 상기 형광체막을 이격되게 장착하는 발광다이오드 램프의 제조방법을 제공한다.
상기 발광다이오드 램프의 제조방법은, 상기 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체를 얻는 단계 후에 상기 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체를 장착하는 단계 전에, 상기 유리 렌즈 표면의 이물질을 제거하고 조도 개선을 위하여 표면을 연마하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 압착하는 과정에서 상기 형광체와 접촉하는 부분의 유리는 유리의 딜라토메트릭(dilatometric) 연화 온도 보다 50∼300℃ 높은 온도로 유지되는 것이 바람직하다.
상기 압착하는 과정에서 상기 형광체와 접촉하는 부분의 유리의 점도는 103∼107 포이즈(poise)로 유지되는 것이 바람직하다.
상기 유리 파이버 또는 유리 막대의 일단을 가열하는 것은, 유리 파이버 또는 유리 막대의 딜라토메트릭(dilatometric) 연화 온도 보다 300∼700℃ 높은 온도에서 이루어지며, 상기 가열에 의해 유리 파이버 또는 유리 막대의 일단에 상기 구형 유리가 맺히게 된다.
또한, 본 발명은, 형광체를 평평한 판 위에 도포하는 단계와, 유리를 형광체가 도포된 상기 판 위에 놓고 가열하여 상기 유리를 연화시키는 단계와, 평평한 몰드를 이용하여 연화된 유리를 압착하여 플레이트 형상을 갖는 유리 렌즈로 성형하여 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체를 얻는 단계와, 프레임 상부에 자외선 또는 가시광선을 발광하는 발광다이오드 칩이 안착되어 있고 상기 프레임과 상기 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어가 본딩되어 있는 발광다이오드 램프를 준비하는 단계 및 상기 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체를 장착하는 단계를 포함하며, 상기 발광다이오드 칩의 발광면과 상기 형광체막 사이에는 빈 공간인 공기층으로 이루어지게 상기 발광다이오드 칩과 상기 형광체막을 이격되게 장착하는 발광다이오드 램프의 제조방법을 제공한다.
상기 발광다이오드 램프의 제조방법은, 상기 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체를 얻는 단계 후에 상기 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체를 장착하는 단계 전에, 상기 유리 렌즈 표면의 이물질을 제거하고 조도 개선을 위하여 표면을 연마하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 압착하는 과정에서 상기 형광체와 접촉하는 부분의 유리는 유리의 딜라토메트릭(dilatometric) 연화 온도 보다 50∼300℃ 높은 온도로 유지되는 것이 바람직하다.
상기 압착하는 과정에서 상기 형광체와 접촉하는 부분의 유리의 점도는 103∼107 포이즈(poise)로 유지되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 유리가 연화되는 비교적 저온의 온도에서 형광체와 결합되는 방식으로 제조되므로, 형광체막과 유리 렌즈가 순차적으로 적층된 구조(형광체막 유리 렌즈의 적층 구조체)를 용이하게 얻을 수 있고, 열처리 등에 의해 형광체가 열화되거나 하는 문제가 없으므로 형광 특성이 저하되는 문제가 없으며, 비교적 저온에서 유리와 형광체가 결합되므로 유리와 형광체 간의 화학적 반응이 억제되어 형광 특성이 저하되는 문제를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 유리가 연화되는 비교적 저온의 온도에서 형광체와 결합되면서 돔 형상 또는 플레이트 형상의 유리 렌즈로 성형되므로 유리 렌즈의 광투과율이 저하되지 않고 그대로 유지될 수 있다. 따라서, 유리 렌즈는 화학적으로 안정적이고, 고출력의 광 및 고온환경에 장기간 노출되어도 변색을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 발광다이오드 칩과 형광체 사이에 빈 공간이 있는 리모트(Remote) 방식으로 제조되므로, 발광다이오드 칩에서 발생하는 빛이 열로 손실되는 양이 적고, 발광 효율이 높으며, 색상이 안정성이 높아 균일한 색상의 광원을 제공할 수 있다.
본 발명에서는 유기계 투명 수지를 사용하지 않음으로써 가시광선이나 자외선 등의 고출력화에 따른 칩 발열량의 급증으로 인해 열화되거나 변색되는 문제가 없으며, 유리 렌즈는 가시광선이나 자외선에 의해 열화되거나 변색되지 않으며, 따라서 광효율과 색순도가 저하되는 문제를 개선할 수 있고, 이에 따라 발광다이오드 램프의 수명이 길고 신뢰성이 높다는 장점이 있다.
또한, 발광다이오드 램프 제조 시에 접착제를 사용하지 않기 때문에, 가시광선이나 자외선 등의 고출력화에 따른 칩 발열량의 급증에 의해 접착제가 열화되는 문제가 없으며, 따라서 발광다이오드 램프의 광효율과 색순도가 저하되는 종래의 문제를 개선할 수 있으며, 이에 따라 발광다이오드 램프의 수명이 길어지고 신뢰성이 높아진다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 발광다이오드 램프를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 발광다이오드 램프를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체를 제조하는 방법을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체를 제조하는 방법을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광다이오드 램프는 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이, 양극 및 음극의 프레임(110)과, 전압을 인가하면 자외선 또는 가시광선을 발광하는 발광다이오드 칩(120)과, 프레임(110)과 발광다이오드 칩(120)의 전기적 연결을 위한 와이어(130)와, 발광다이오드 칩(120)의 발광면 상부에 장착된 유리 렌즈(140)와, 유리 렌즈(140) 하부에 구비된 형광체막(150)을 포함한다.
유리 렌즈(140)는 반구형의 돔 형상이나 길이 방향에 따라 동일한 두께로 구비된 플레이트 형상을 가질 수 있다.
형광체막(150)은 길이 방향에 따라 동일한 두께로 구비된 플레이트 형상을 가질 수 있다.
발광다이오드 칩(120)과 형광체막(150)은 소정 거리 이격되어 있는 구조를 가지며, 발광다이오드 칩(120)의 발광면과 형광체막(150) 사이에는 빈 공간인 공기층으로 이루어지게 된다. 공기층은 굴절율이 1로서 발광다이오드 칩(120)에서 발생한 광을 난반사 없이 그대로 형광체막(150)으로 전달하는 매체의 역할을 한다.
상기 발광다이오드 칩(120)은 전압을 인가하면 380∼770nm 영역에 발광 스펙트럼의 주피크를 갖는 가시광선을 발생시키거나 150∼380nm 영역에 발광 스펙트럼의 주피크를 갖는 자외선을 발생시키는 발광다이오드 칩일 수 있다. 상기 발광다이오드 칩의 예로써 GaAs, GaP, GaAs1 -xPx(0〈x〈1), Ga1 -xAlxAs(0〈x〈1), InP, In1 -xGaxP(0〈x〈1), GaN, AlN, InN, InGaN, AlxGa1 -xN(0〈x〈1), InxGa1 -xN(0〈x〈1), Ga1-xAl1-yIn1-zN(0≤x, y, z＜1) 등을 들 수 있다.
유리 렌즈(140)는 도 1에 도시된 바와 같이 반구형에 가까운 돔 형상으로 이루어질 수도 있으나, 도 2에 도시된 바와 같이 유리 렌즈(140)는 길이 방향에 따라 동일한 두께로 구비된 플레이트 형상으로 제작될 수도 있다.
유리 렌즈(140) 하부에 평평한 면을 이루게 구비되는 형광체막(150)으로는 다음과 같은 것을 사용할 수 있다. 적색 형광체로 SrS:Eu3 +, Y2O2S:Eu3 +, Y2O3:Eu3 +, Y2SiO5:Eu3+, (Y,Gd)BO3:Eu3 +, Y3Al5O12:Eu3 +, YVO4:Eu3 +, Zn3(PO4)2:Mn, SrTiO3:Pr, 또는 Y2O2S:Eu을 사용할 수 있고, 녹색 형광체로 LaPO4:Ce3 +:Tb3 +, CeMgAl11O19:(Ce3 +):Tb3 +, GdMgB5O10:Ce3+:Tb3+, Zn2SiO4:Mn, BaAl12O19:Mn, BaMgAl14O23:Mn, Y3(Al,Ga)5O12:Tb, LaPO4:(Ce,Tb), ZnS:(Cu,Al), Zn(Ga,Al)2O2:Mn, Y2SiO2:Tb 또는 Y2(Al,Ga)2O2:Tb을 사용할 수 있으며, 청색 형광체로 BaMg2Al16O27:Eu2 +, (Sr,Ca,Ba)5(PO4)3Cl:Eu2 +, (Zn,Cd)S:Ag, Y2SiO5:Ce, BaMgAl10O17:Eu2+, BaMgAl14O23:Eu2 +, (Ca,Sr,Ba)10(PO4)6Cl2:Eu2 +, ZnGaO4, ZnSAgCl 또는 Y2SiO2:Ce을 사용할 수 있으며, 녹색과 청색의 중간 파장을 나타내는 형광체로 Sr4Al14O25:Eu2+, (Ba,Ca,Mg)5(PO4)3Cl:Eu2+ 또는 2SrO0 .84P2O50 .16B2O3:Eu2 +를 사용할 수 있다. 또한, 상기 형광체막(150)은 상기 적색 형광체, 상기 녹색 형광체 및 상기 청색 형광체가 혼합된 형광체로 이루어진 것일 수도 있다.
또한, 상기 형광체막(150)은 황색 형광체로서 Y3Al5O12:Ce3 +, Y3Al5SiO12:Ce3 +, Tb3Al5O12:Ce3+, Tb3Al5SiO12:Ce3 +, Ba-오르소실리케이트(Ba-orthosilicate), (Ca,Sr,Ba)-오르소실리케이트(orthosilicate) 및 (Sr,Ba,Mg)-오르소실리케이트, Sr3SiO5:Eu 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어진 것일 수 있다.
유리 렌즈(140)에 사용되는 유리로는 투명한 유리이면 그 제한이 없으며, 소다라임계 유리, 붕규산계 유리, 알루미노실리케이트계 유리, 인산염계 유리 등을 사용할 수 있다. 유리 렌즈(140)로 사용될 수 있는 유리의 예를 구체적으로 들어보면, 산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)계, 산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)-인산(P2O5)계, 산화납(PbO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)계, 산화납(PbO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화납(PbO)-산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)계, 산화납(PbO)-산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화비스무트(Bi2O3)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)계, 산화비스무트(Bi2O3)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 또는 산화비스무트(Bi2O3)-산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계 유리 등을 그 예로 들 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체를 제조하는 방법을 설명하기 위하여 도시한 도면이다. 도 3에서 '①'은 압착을 나타내고, '②'는 절단을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 유리 파이버(glass fiber) 또는 유리 막대(glass rod)(160)를 준비한다. 상기 유리 파이버 또는 유리 막대(160)의 직경은 형성하려는 유리 렌즈(140)의 직경 보다 작은 것이 바람직하다. 유리 파이버 또는 유리 막대(160)는 투명한 유리이면 그 제한이 없으며, 소다라임계 유리, 붕규산계 유리, 알루미노실리케이트계 유리, 인산염계 유리 등을 사용할 수 있다.
유리 파이버 또는 유리 막대(160)의 일단을 가열하여 유리 파이버 또는 유리 막대의 일단에 구형 유리(170)가 형성되게 한다. 상기 가열은 유리 파이버 또는 유리 막대(160)의 딜라토메트릭(dilatometric) 연화 온도 보다는 높은 온도로 설정한다. 예컨대, 가열 온도는 유리 재질에 따라 딜라토메트릭(dilatometric) 연화 온도 보다 300∼700℃ 높은 온도로 설정하는 것이 바람직하며, 가열 온도가 딜라토메트릭 연화 온도 보다 700℃를 초과하여 높은 경우에는 온도가 너무 높아 비경제적이고, 가열 온도가 딜라토메트릭 연화 온도 보다 300℃ 미만으로 높은 경우에는 유리 파이버 또는 유리 막대(160)가 미처 녹지 않아 구형 유리(170)가 형성되지 않을 수 있다.
형광체를 평평한 판(175) 위에 도포한다. 상기 판(175)은 표면 강도가 높고 유리 프릿이 붙는 현상을 억제하기 위하여 접촉각이 낮은 물질로 이루어진 것이 바람직하며, 이를 위해 백금(Pt), DLC(diamond-like-carbon)과 같은 물질로 이루어지거나 백금(Pt) 또는 DLC(diamond-like-carbon)과 같은 물질로 표면이 코팅된 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 형광체로는 다음과 같은 것을 사용할 수 있다. 적색 형광체로 SrS:Eu3 +, Y2O2S:Eu3+, Y2O3:Eu3 +, Y2SiO5:Eu3 +, (Y,Gd)BO3:Eu3 +, Y3Al5O12:Eu3 +, YVO4:Eu3 +, Zn3(PO4)2:Mn, SrTiO3:Pr, 또는 Y2O2S:Eu을 사용할 수 있고, 녹색 형광체로 LaPO4:Ce3+:Tb3+, CeMgAl11O19:(Ce3 +):Tb3 +, GdMgB5O10:Ce3 +:Tb3 +, Zn2SiO4:Mn, BaAl12O19:Mn, BaMgAl14O23:Mn, Y3(Al,Ga)5O12:Tb, LaPO4:(Ce,Tb), ZnS:(Cu,Al), Zn(Ga,Al)2O2:Mn, Y2SiO2:Tb 또는 Y2(Al,Ga)2O2:Tb을 사용할 수 있으며, 청색 형광체로 BaMg2Al16O27:Eu2 +, (Sr,Ca,Ba)5(PO4)3Cl:Eu2 +, (Zn,Cd)S:Ag, Y2SiO5:Ce, BaMgAl10O17:Eu2+, BaMgAl14O23:Eu2 +, (Ca,Sr,Ba)10(PO4)6Cl2:Eu2 +, ZnGaO4, ZnSAgCl 또는 Y2SiO2:Ce을 사용할 수 있으며, 녹색과 청색의 중간 파장을 나타내는 형광체로 Sr4Al14O25:Eu2+, (Ba,Ca,Mg)5(PO4)3Cl:Eu2 + 또는 2SrO0 .84P2O50 .16B2O3:Eu2 +를 사용할 수 있다. 또한, 상기 형광체막(150)은 상기 적색 형광체, 상기 녹색 형광체 및 상기 청색 형광체가 혼합된 형광체로 이루어진 것일 수도 있다.
또한, 상기 형광체는 황색 형광체로서 Y3Al5O12:Ce3 +, Y3Al5SiO12:Ce3 +, Tb3Al5O12:Ce3+, Tb3Al5SiO12:Ce3 +, Ba-오르소실리케이트(Ba-orthosilicate), (Ca,Sr,Ba)-오르소실리케이트(orthosilicate) 및 (Sr,Ba,Mg)-오르소실리케이트, Sr3SiO5:Eu 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어진 것일 수 있다.
구형 유리(170)가 형광체를 마주하도록 하면서 구형 유리(170)가 형성된 유리 파이버 또는 유리 막대(160)를 압착하여 구형 유리(170)를 돔 형태로 성형한다. 이때, 압착하는 과정에서 상기 형광체와 접촉하는 부분의 구형 유리(170)가 유리의 딜라토메트릭(dilatometric) 연화 온도 보다 50∼300℃ 높은 온도로 유지되는 것이 바람직하며, 딜라토메트릭 연화 온도 보다 300℃를 초과하여 높은 경우에는 형광체막(150)의 열화 현상이 발생할 수 있다는 문제점이 있고, 딜라토메트릭 연화 온도 보다 50℃ 미만으로 높은 경우에는 구형 유리(170)의 연화가 이루어지지 않아 구형 유리(170)를 돔 형태로 변형하여 성형하는데 어려움이 있고 유리 렌즈(140)와 형광체막(150) 사이의 결합력이 약해질 수 있다. 구형 유리(170)는 연화되어 흐물흐물해져서 형광체막(150) 입자들과 압착에 의해 접촉되면서 결합되게 된다. 연화된 유리는 응집력이나 접착력이 있어 형광체막(150)을 결합하는 역할을 하여 유리 렌즈(140)와 형광체막(150) 간의 결합 강도는 충분히 커지게 된다. 이와 같은 방법을 이용하면, 형광체막(150)과 유리 렌즈(140)가 순차적으로 적층된 구조(형광체막 유리 렌즈의 적층 구조체)를 용이하게 얻을 수 있으며, 접착제를 별도로 사용할 필요가 없다.
상기 압착하는 과정에서 상기 형광체와 접촉하는 부분의 구형 유리(170)의 점도는 103∼107 포이즈(poise) 정도인 것이 바람직한데, 103 포이즈 미만에서는 성형 후에 냉각 시간이 길어지고 냉각 시에 국부적이 수축에 의한 변형이 발생하여 원하는 유리 렌즈의 형상으로 제어하기 어려울 수 있고, 107 포이즈를 초과하는 경우에는 유리가 점 탄성변형을 하게 되어 성형 후의 냉각 공정에서 탄성회복 현상이 일어나 유리 렌즈의 형상을 변형시킬 수 있다. 이때, 가압되는 압력은 10∼1200Kgf/㎠ 정도인 것이 바람직하며, 너무 강하게 압착하는 경우에는 형광체와 마주하는 반대쪽의 유리 렌즈(140) 표면에서 압력에 의한 표면 변형이 일어날 수 있고, 너무 약하게 압착하는 경우에는 원하는 돔 형태의 유리 렌즈(140)를 얻기가 어려울 수 있다.
돔 형의 유리 렌즈(140) 위에 있는 유리 파이버 또는 유리 막대(160)를 절단한다.
유리 렌즈 표면의 이물질을 제거하고 조도 개선을 위하여 표면을 연마하는 공정을 수행할 수도 있다.
이와 같은 공정을 거치면 형광체막(150)과 유리 렌즈(140)가 순차적으로 적층된 구조(이하에서 '형광체막 유리 렌즈의 적층 구조체'라 함)를 갖는다.
앞서도 설명한 바와 같이, 유리 렌즈(140)는 도 1에 도시된 바와 같이 반구형의 돔 형상으로 성형할 수도 있으나, 도 2에 도시된 바와 같이 유리 렌즈(140)는 길이 방향에 따라 동일한 두께를 갖는 플레이트 형상으로 성형할 수도 있다. 유리 렌즈(140)의 길이 방향에 따른 두께 편차는 10% 이내가 되게 성형하는 것이 발광다이오드 램프의 발광 효율 면에서 바람직하다.
이하에서, 형광체막과 플레이트 형상을 갖는 유리 렌즈가 결합된 적층 구조체를 형성하는 방법을 설명한다. 도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체를 제조하는 방법을 설명하기 위하여 도시한 도면이다. 도 4에서 '①'은 압착을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 유리(180)를 준비한다. 이때, 상기 유리(180)의 형태는 둥근 형태, 막대 형태, 다면체 형태 등 그 제한이 없다. 또한, 상기 유리(180)로는 투명한 유리이면 그 제한이 없으며, 소다라임계 유리, 붕규산계 유리, 알루미노실리케이트계 유리, 인산염계 유리 등을 사용할 수 있다.
형광체를 평평한 판(175) 위에 도포한다. 상기 판(175)은 표면 강도가 높고 유리 프릿이 붙는 현상을 억제하기 위하여 접촉각이 낮은 물질로 이루어진 것이 바람직하며, 이를 위해 백금(Pt), DLC(diamond-like-carbon)과 같은 물질로 이루어지거나 백금(Pt) 또는 DLC(diamond-like-carbon)과 같은 물질로 표면이 코팅된 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
준비된 유리(180)를 형광체가 도포된 판(175) 위에 놓고 가열하여 상기 유리(180)를 연화시킨다. 압착하는 과정에서 상기 형광체와 접촉하는 부분의 유리(180)는 유리의 딜라토메트릭(dilatometric) 연화 온도 보다 50∼300℃ 높은 온도로 유지되는 것이 바람직하며, 이를 위해 상기 가열은 유리의 딜라토메트릭(dilatometric) 연화 온도 보다 50∼300℃ 높은 온도로 설정한다. 예컨대, 가열 온도는 유리 재질에 따라 딜라토메트릭 연화 온도 보다 50∼300℃ 높은 온도로 설정하는 것이 바람직하며, 가열 온도가 딜라토메트릭 연화 온도 보다 300℃를 초과하여 높은 경우에는 형광체막(150)의 열화 현상이 발생할 수 있다는 문제점이 있고, 가열 온도가 딜라토메트릭 연화 온도 보다 50℃ 미만으로 높은 경우에는 유리의 연화가 이루어지지 않아 플레이트 형상의 유리 렌즈(140)로 성형하는데 어려움이 있고 유리 렌즈(140)와 형광체막(150) 사이의 결합력이 약해질 수 있다. 상기 가열에 의해 구형 유리(170)는 연화되어 흐물흐물해져서 형광체막(150) 입자들과 압착에 의해 접촉되면서 결합되게 된다. 연화된 유리는 응집력이나 접착력이 있어 형광체막(150)을 결합하는 역할을 하여 유리 렌즈(140)와 형광체막(150) 간의 결합 강도는 충분히 커지게 된다. 이와 같은 방법을 이용하면, 형광체막(150)과 유리 렌즈(140)가 순차적으로 적층된 구조(형광체막 유리 렌즈의 적층 구조체)를 용이하게 얻을 수 있으며, 접착제를 별도로 사용할 필요가 없다.
상기 압착하는 과정에서 상기 형광체와 접촉하는 부분의 유리의 점도는 103∼107 포이즈(poise) 정도인 것이 바람직한데, 103 포이즈 미만에서는 성형 후에 냉각 시간이 길어지고 냉각 시에 국부적이 수축에 의한 변형이 발생하여 원하는 유리 렌즈의 형상으로 제어하기 어려울 수 있고, 107 포이즈를 초과하는 경우에는 유리가 점 탄성변형을 하게 되어 성형 후의 냉각 공정에서 탄성회복 현상이 일어나 유리 렌즈의 형상을 변형시킬 수 있다.
평평한 몰드(190)를 이용하여 연화된 유리를 압착하여 원하는 크기의 플레이트 형상을 갖는 유리 렌즈(140)로 성형한다. 이때, 가압되는 압력은 10∼1200Kgf/㎠ 정도인 것이 바람직하며, 너무 강하게 압착하거나 너무 약하게 압착하는 경우에는 원하는 두께를 갖는 플레이트 형상의 유리 렌즈(140)를 얻기가 어려울 수 있으므로 적절한 범위의 압력으로 압착하는 것이 바람직하다.
유리 렌즈 표면의 이물질을 제거하고 조도 개선을 위하여 표면을 연마하는 공정을 수행할 수도 있다.
이와 같은 공정을 거치면 형광체막(150)과 유리 렌즈(140)가 순차적으로 적층된 구조(형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체)를 갖는다.
상술한 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체를 이용하여 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같은 발광다이오드 램프를 제작한다.
더욱 구체적으로 살펴보면, 발광다이오드 램프를 제작하기 위하여 프레임(110) 상부에 자외선 또는 가시광선을 발광하는 발광다이오드 칩(120)을 안착시키고, 프레임(110)과 발광다이오드 칩(120)의 전기적 연결을 위한 와이어(130)를 본딩한 후, 상기 발광다이오드 칩(120)의 발광면 상부에 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체를 장착한다. 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체는 일반적으로 알려져 있는 공기 압축식 방법으로 발광다이오드 램프에 장착될 수 있다. 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체는 발광다이오드 칩(120)의 발광면 주위를 전체적으로 커버하는 형태로 제작하여 장착할 수도 있다.
발광다이오드 칩(120)은 전압을 인가하면 380∼770nm 영역에 발광 스펙트럼의 주피크를 갖는 가시광선을 발생시키거나 150∼380nm 영역에 발광 스펙트럼의 주피크를 갖는 자외선을 발생시키는 발광다이오드 칩일 수 있다. 상기 발광다이오드 칩의 예로써 GaAs, GaP, GaAs1 -xPx(0〈x〈1), Ga1 -xAlxAs(0〈x〈1), InP, In1 -xGaxP(0〈x〈1), GaN, AlN, InN, InGaN, AlxGa1 -xN(0〈x〈1), InxGa1 -xN(0〈x〈1), Ga1-xAl1-yIn1-zN(0≤x, y, z＜1) 등을 들 수 있다.
본 발명에서는 유기계 투명 수지를 사용하지 않음으로써 가시광선이나 자외선 등의 고출력화에 따른 칩 발열량의 급증으로 인해 열화되거나 변색되는 문제가 없다. 본 발명의 유리 렌즈(140)는 가시광선이나 자외선에 의해 열화되거나 변색되지 않으며, 따라서 광효율과 색순도가 저하되는 문제를 개선할 수 있고, 이에 따라 발광다이오드 램프의 수명이 길고 신뢰성이 높다는 장점이 있다.
또한, 발광다이오드 램프 제조 시에 접착제를 사용하지 않기 때문에, 가시광선이나 자외선 등의 고출력화에 따른 칩 발열량의 급증에 의해 접착제가 열화되는 문제가 없으며, 따라서 발광다이오드 램프의 광효율과 색순도가 저하되는 종래의 문제를 개선할 수 있으며, 이에 따라 발광다이오드 램프의 수명이 길어지고 신뢰성이 높아진다는 장점이 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
110: 프레임
120: 발광다이오드 칩
130: 와이어
140: 유리 렌즈
150: 형광체막
160: 유리 파이버 또는 유리 막대
170: 구형 유리
180: 유리
190: 몰드

Claims (8)

  1. 양극 및 음극의 프레임;
    전압을 인가하면 자외선 또는 가시광선을 발광하는 발광다이오드 칩;
    상기 프레임과 상기 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어;
    상기 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 장착된 유리 렌즈; 및
    상기 유리 렌즈 하부에 구비된 형광체막을 포함하며,
    상기 유리 렌즈는 반구형의 돔 형상이나 길이 방향에 따라 동일한 두께로 구비된 플레이트 형상을 가지며,
    상기 발광다이오드 칩과 상기 형광체막은 이격되어 있고, 상기 발광다이오드 칩의 발광면과 상기 형광체막 사이에는 빈 공간인 공기층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광다이오드 램프.
  2. 제1항에 있어서, 상기 형광체막은 길이 방향에 따라 동일한 두께로 구비된 플레이트 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 램프.
  3. 유리 파이버 또는 유리 막대의 일단을 가열하여 유리 파이버 또는 유리 막대의 일단에 구형 유리를 형성하는 단계;
    형광체를 평평한 판 위에 도포하는 단계;
    상기 구형 유리가 상기 형광체를 마주하도록 하면서 상기 구형 유리가 형성된 유리 파이버 또는 유리 막대를 압착하여 상기 구형 유리를 반구형의 돔 형상의 유리 렌즈로 성형하는 단계;
    상기 유리 렌즈 위에 잔류하는 유리 파이버 또는 유리 막대를 절단하여 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체를 얻는 단계;
    프레임 상부에 자외선 또는 가시광선을 발광하는 발광다이오드 칩이 안착되어 있고 상기 프레임과 상기 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어가 본딩되어 있는 발광다이오드 램프를 준비하는 단계; 및
    상기 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체를 장착하는 단계를 포함하며,
    상기 발광다이오드 칩의 발광면과 상기 형광체막 사이에는 빈 공간인 공기층으로 이루어지게 상기 발광다이오드 칩과 상기 형광체막을 이격되게 장착하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 램프의 제조방법.
  4. 형광체를 평평한 판 위에 도포하는 단계;
    유리를 형광체가 도포된 상기 판 위에 놓고 가열하여 상기 유리를 연화시키는 단계;
    평평한 몰드를 이용하여 연화된 유리를 압착하여 플레이트 형상을 갖는 유리 렌즈로 성형하여 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체를 얻는 단계;
    프레임 상부에 자외선 또는 가시광선을 발광하는 발광다이오드 칩이 안착되어 있고 상기 프레임과 상기 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어가 본딩되어 있는 발광다이오드 램프를 준비하는 단계; 및
    상기 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체를 장착하는 단계를 포함하며,
    상기 발광다이오드 칩의 발광면과 상기 형광체막 사이에는 빈 공간인 공기층으로 이루어지게 상기 발광다이오드 칩과 상기 형광체막을 이격되게 장착하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 램프의 제조방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체를 얻는 단계 후에 상기 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 형광체막과 유리 렌즈의 적층 구조체를 장착하는 단계 전에,
    상기 유리 렌즈 표면의 이물질을 제거하고 조도 개선을 위하여 표면을 연마하는 단계를 더 포함하는 발광다이오드 램프의 제조방법.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 압착하는 과정에서 상기 형광체와 접촉하는 부분의 유리는 유리의 딜라토메트릭(dilatometric) 연화 온도 보다 50∼300℃ 높은 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 램프의 제조방법.
  7. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 압착하는 과정에서 상기 형광체와 접촉하는 부분의 유리의 점도는 103∼107 포이즈(poise)로 유지되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 램프의 제조방법.
  8. 제3항에 있어서, 상기 유리 파이버 또는 유리 막대의 일단을 가열하는 것은,
    유리 파이버 또는 유리 막대의 딜라토메트릭(dilatometric) 연화 온도 보다 300∼700℃ 높은 온도에서 이루어지며,
    상기 가열에 의해 유리 파이버 또는 유리 막대의 일단에 상기 구형 유리가 맺히게 되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 램프의 제조방법.
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KR20160132197A (ko) 2015-05-07 2016-11-17 중앙대학교 산학협력단 납 성분을 함유하지 않는 색 변환체와 그 제조방법 및 상기 색 변환체를 포함하는 조명장치

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