KR20140130098A - Led 적색 형광물질 및 그 형광물질을 함유하는 발광소자 - Google Patents

Led 적색 형광물질 및 그 형광물질을 함유하는 발광소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 LED 적색 형광물질 및 그 형광물질을 함유하는 발광소자를 제공한다. 이 형광물질은 최소한 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn 중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하는 M 원소와, 최소한 B, Al, Ga, In, La, Gd, Lu, Sc, Y 중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하는 A 원소와, 최소한 Si, Ge, C, Sn, Ti, Zr, Hf 중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하는 D 원소와, 최소한 N, O, F 중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하는 X 원소와, 최소한 S, Se, Te 중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하는 L 원소와, 최소한 희토류 원소 또는 전이 금속 원소중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하는 Z 원소로 구성된다. 본 발명의 형광물질에 의하면 발광 효율이 높고 온도 특성이 양호하며 반치폭이 넓은 등 장점이 있고 단독으로 또는 기타 형광물질과 조합하여 고기능의 발광소자의 제조에 이용될 수 있다.

Description

LED 적색 형광물질 및 그 형광물질을 함유하는 발광소자{LED red fluorescent material and lighting device having same}
본 발명은 LED 적색 형광물질 및 그 형광물질을 함유하는 발광소자에 관한 것으로, 특히 질화물인 적색 형광물질 및 그 형광물질을 함유하는 발광소자에 관한 것으로 반도체 기술 분야에 속한다.
백색광 발광다이오드(백색광 LED)는 저전압, 고광율, 저에너지소비, 장수명, 무오염 등 장점이 있어 반도체 조명 및 액정판 표시 분야에 널리 이용되고있다. 현재 백색광 LED의 실현 방식은 주로 3원색(적색, 청색, 녹색) LED 칩의 조합과, 단일한 청색광/자외선 칩의 복합 형광물질 등 두 가지가 있다. 그 중, 두번째 실현 방식은 간단하고 쉽게 수행할 수 있을 뿐만 아니라 가격이 낮음으로 백색광LED의 주요 방안으로 되었다. 백색광의 실현에 있어서, 적색 형광물질은 적색, 청색, 녹색의 3원색중의 중요한 조성물질로 불가결한 것이며 "청색광 LED＋YAG:Ce" 중의 적색 결핍을 보상함과 동시에 청색광 LED 및 녹색 형광물질과 배합하여 백색광을 발생하거나 또는 녹색, 청색 형광물질 및 자색광 또는 자외선 LED와 배합하여 백색광을 발생한다.
현재, 이미 공개된 LED용 적색 형광물질은 Eu2 +/Eu3 + 또는 Mn4 + 활성화된 형광물질을 포함하고 대표적인 것으로 (Ca,Sr)S:Eu2 +, Y2O3:Eu3 +,Bi3 +, Y2O2S:Eu3 +,Bi3 +, Y(V,P)O4:Eu3+, CaMoO4:Eu3 + 등이 있고, 그중, (Ca,Sr)S:Eu2 +는 청색광 LED와 양호한 스펙트럼 매칭성을 갖지만 안정성이 낮고 광감쇄가 큰 등 문제가 존재함으로 LED상의 응용이 제한을 받고 있다. Y2O3:Eu,Bi, Y2O2S:Eu,Bi, Y(V,P)O4:Eu, CaMoO4:Eu의 형광물질은 모두 Eu3 +을 활성화제로 이용하고 대응되는 여기 스펙트럼(excitation spectra)의 370nm 이상에서의 장파 자외선과 가시광선 영역은 모두 샤프 라인 스펙트럼(sharp line spectra)이고 응용시에 매칭되는 칩의 정확한 선택 및 유효한 제어에 대한 난이도가 높고 상기 형광물질의 장파 자외선 또는 가시 청색광 영역의 여기 효율이 아주 낮은데 최근 새로 개발된 CaMoO4:Eu3 +은 고농도의 Eu3 +을 첨가하여 발광 효율이 일정하게 개선되었지만 칩에 대한 엄격한 요구로 인하여 그 응용 역시 제한을 받고 있다.
20세기 90년대 말 이후, 새로운 질소/질소 산화물의 형광물질이 개발되었는데 이러한 형광물질의 음이온기(anionic group)는 고부전하의 N3 -을 함유하고 전자 구름 확대효과(expansion effect)에 의하여 여기 스펙트럼이 근 자외선(near ultraviolet), 가시광 등의 장파 방향으로 이동되고 또한 형광물질의 기질(基質)이 밀접한 네트워크 구조를 가지며 물리 화학 성질이 안정적이므로 질소/질소 산화물을 기질로한 형광물질을 연구하려는 열기가 일어났다.
2001년의 특허문헌 EP1104799A1에 MxSiyNz:Eu(M는 Ca/Sr/Ba중의 최소한 하나가고 z=2/3x+4/3y이다) 질화물인 적색 형광물질이 공개되었는데 대표적인 형광물질은 주로 MSiN2:Eu, M2Si5N8:Eu, MSi7N10:Eu의 3가지가 있다. 이 시리즈의 적색 형광물질은 열 안정성이 낮아 형광물질이 가열되면 발광도가 신속히 저하된다.
2005년의 특허문헌WO2005/052087에 MaAbDcEdXe 적색 형광물질이 공개되었는데 식중의 M는 Mn, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 중의 하나 또는 두 개의 원소이고, A는 Mg, Ca, Sr, Ba 중의 하나 또는 두 개의 원소이며, D는 ４가(價)의 금속 원소 Si, Ge, Sn, Ti, Zr, Hf 중의 하나 또는 두 개의 원소이고, E는 B, Al, Ga, In, Sc, Y, La, Gd, Lu중의 하나 또는 두 개의 원소이며, X는 O, N, F로부터 선택된 하나 또는 두 개의 원소이고, 또한 그 형광물질은 CaAlSiN3의 구조를 가지고 전형적인 형광물질은 CaAlSiN3:Eu이다. 이 종류의 형광물질은 열 안정성이 MxSiyNz:Eu(M는 Ca/Sr/Ba 중의 최소한 하나이고, z=2/3x+4/3y이다) 시리즈의 질화물인 적색 형광물질보다 양호하여 주목받고 있다.
2005년의 특허문헌CN100340631C에 조성식이 MmAaBbNn:Zz인 적색 형광물질이 공개되었는데, 그중, M는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn 중의 하나 또는 하나 이상의 원소이고, A는 붕소, Al, Ga, In, Tl, Y, Sc중의 하나 또는 하나 이상의 원소이며, B는 Si, Ge, Sn, Pb중의 하나 또는 하나 이상의 원소이고, N는 질소이며, Z는 희토류 원소 또는 전이 원소중의 최소한 하나 활성화제이고 (m+z):a:b:n=1:1:1:3이다. 이 특허에 형광물질중의 탄소 함유량이 0.08%(wt) 미만이고 산소 함유량이 3%(wt) 미만이라고 한정하였다.
2006년의 특허문헌 CN101090953A에 적색 형광 재료가 공개되었는데 그 형광 재료의 결정상(結晶相)은 Eu가 활성화된 CaAlSiN3이다. 형광 재료의 원시 입자 직경은 10㎛ 이하이고 이 특허에 형광제품이 AlN을 포함하지 않는다고 제한하였다. 또한 형광 재료의 원료 및 합성 방법도 공개되었고 활성화제인 Eu2 +의 도핑 농도를 0.01%~10%로 한정하였다.
2010년의 특허문헌 WO2010/074963A1에도 (Ca,Sr)AlSiN3:Eu2 + 적색 형광물질이 공개되었고 형광물질중의 불순물 산소와 할로겐의 함유량을 한정하였고 불순물 산소의 함유량은 2%wt 미만이고 할로겐(F 또는/및 Cl)의 함유량이 0 원자 백분율보다 크고 2 원자 백분율 미만이도록 요구하였다.
본 발명은 발광 효율이 지금의 상용되고 Eu2 + 활성화되었고 CaAlSiN3의 구조를 가지는 적색 형광물질보다 양호하고 우수한 열 안정성을 가진 LED 적색 형광물질을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 상기 적색 형광물질을 이용하여 연색성(color rendering) 기능이 우수한 발광소자를 제공하는 것을 다른 한 목적으로 한다.
본 발명은 M, A, D, X, L, Z 원소로 구성되는 질화물인 적색 형광물질에 대하여, 특히 Ca를 대표로 하는 M 원소, Al를 대표로 하는 A 원소, Si를 대표로 하는 D 원소, 질소 및 미량의 산소, Se, 탄소를 함유하고, CaAlSiN3을 메인상으로 하는 질화물인 적색 형광물질에 대하여 일련의 정밀한 연구를 수행하였다. 연구 결과, Se를 도핑하면 발광 강도의 증가에 유리할 뿐만 아니라 형광물질의 광색 기능도 조절할 수 있고 형광물질에 소량의 산소가 존재하면 형광물질의 발광 피크를 넓일 수 있고 미량의 탄소가 존재하면 발광 중심 Eu2 +의 산화를 억제함에 유리함을 발견하였다. 기질중의 양이온(positive valence)인 M을 교환함으로써 기질의 결정장(crystal field)의 강도를 조절할 수 있고 형광물질에 있어서 Sr의 함유량이 증가되고 Ca의 함유량이 감소되면 본 발명에 따른 형광물질의 발광 메인 피크는 서서히 적색 편이(red shift)를 가지고 발광색 역시 적색으로 되어간다.
따라서 상기 목적을 실현하기 위하여 본 발명은 하기 기술방안을 이용한다.
최소한 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn 중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하는 M 원소와, 최소한 B, Al, Ga, In, La, Gd, Lu, Sc, Y 중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하는 A 원소와, 최소한 Si, Ge, C, Sn, Ti, Zr, Hf 중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하는 D 원소와, 최소한 N, O, F 중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하는 X 원소와, 최소한 S, Se, Te 중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하는 L 원소와, 최소한 희토류 원소 또는 전이 금속 원소중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하는 Z 원소로 구성되는 LED 적색 형광물질을 제공한다.
본 발명의 LED 적색 형광물질의 바람직한 일반식은 MmAaDbXdLy:Zn이고 그 중, 0.5≤m≤1.5, 0.5≤a≤1.5, 0.5≤b≤1.5, 2≤d≤5, 0.00001≤y≤0.02, 0.0001≤n≤0.1이다.
본 발명의 LED 적색 형광물질에 있어서, 상기 M 원소는 최소한 Ca, Sr, Ba 중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하고, A 원소는 최소한 Al, B, Gd, Y 중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하며, D 원소는 최소한 Si, C 중의 하나 또는 두 개의 원소를 함유하고, X 원소는 최소한 N, O 중의 하나 또는 두 개의 원소를 함유하며, L 원소는 최소한 Se을 함유하고, Z 원소는 최소한 Eu, Ce, Mn 중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유한다.
본 발명의 LED 적색 형광물질에 있어서, M원소가 Ca와 Sr을 함유하고, 원자수량비 Ca/(Sr+Ca)인 w가 0.03≤w≤0.2인 것이 바람직하다.
본 발명의 LED 적색 형광물질에 있어서, D원소가 C를 함유하고, C원소의 형광물질중의 중량 백분율이 0.001%~0.4%이다.
본 발명의 LED 적색 형광물질에 있어서, X원소는 O을 함유하고, O원소의 상기 형광물질중의 중량 백분율이 0.01%~5%이다.
본 발명의 LED 적색 형광물질에 있어서, 상기 D 원소가 C를 함유하고, 또한 상기 X 원소가 O를 함유하며, C 원소의 상기 형광물질중의 중량 백분율이 0.001%~0.4%이고, O 원소의 상기 형광물질중의 중량 백분율이 0.01%~5%인 것이 바람직하다.
본 발명의 적색 형광물질은 분말형, 박막형 또는 박편형이다.
상기 질화물인 적색 형광물질을 유리 재료, 플라스틱 재료 또는 수지 재료에 분산시키거나 상기 질화물인 적색 형광물질과 기타 형광물질을 함께 유리 재료, 플라스틱 재료 또는 수지 재료중에 분산시키거나 또는 유리 재료, 플라스틱 재료 또는 수지 재료에 도포하여 형성된 형광막 또는 형광편을 제공한다.
형광막 또는 형광편중의 기타 형광물질은 (Y,Gd,Lu,Tb)3(Al,Ga)5O12:Ce, (Mg,Ca,Sr,Ba)2SiO4:Eu, (Ca,Sr)3SiO5:Eu, (La,Ca)3Si6N11:Ce, α-SiAlON:Eu, β-SiAlON:Eu, Ba3Si6O12N2:Eu, Ca3(Sc,Mg)2Si3O12:Ce, CaSc2O4:Eu, BaAl8O13:Eu, (Ca,Sr,Ba)Al2O4:Eu, (Sr,Ca,Ba)(Al,Ga,In)2S4:Eu, (Ca,Sr)8(Mg,Zn)(SiO4)4Cl2:Eu/Mn, (Ca,Sr,Ba)3MgSi2O8:Eu/Mn, (Ca,Sr,Ba)2(Mg,Zn)Si2O7:Eu, Zn2SiO4:Mn, (Y,Gd)BO3:Tb, ZnS:Cu,Cl/Al, ZnS:Ag,Cl/Al, (Sr,Ca)2Si5N8:Eu, (Li,Na,K)3ZrF7:Mn, (Li,Na,K)2(Ti,Zr)F6:Mn, (Ca,Sr,Ba)(Ti,Zr)F6:Mn, Ba0.65Zr0.35F2.7:Mn, (Sr,Ca)S:Eu, (Y,Gd)BO3:Eu, (Y,Gd)(V,P)O4:Eu, Y2O3:Eu, (Sr,Ca,Ba,Mg)5(PO4)3Cl:Eu, (Ca,Sr,Ba)MgAl10O17:Eu, (Ca,Sr,Ba)Si2O2N2:Eu, 3.5MgOㆍ0.5MgF2ㆍGeO2:Mn 중의 하나 또는 하나 이상이다.
최소한 방사선원(放射線源)과 상기 적색 형광물질을 포함하는 발광소자를 제공한다.
발광소자에 있어서, 상기 방사선원은 진공 자외선 또는 자외선 또는 자색광 또는 청색광 방사원(發射源)이다.
발광소자는 상기 방사선원이 여기시켜 발광한 (Y,Gd,Lu,Tb)3(Al,Ga)5O12:Ce, (Mg,Ca,Sr,Ba)2SiO4:Eu, (Ca,Sr)3SiO5:Eu, (La,Ca)3Si6N11:Ce, α-SiAlON:Eu, β-SiAlON:Eu, Ba3Si6O12N2:Eu, Ca3(Sc,Mg)2Si3O12:Ce, CaSc2O4:Eu, BaAl8O13:Eu, (Ca,Sr,Ba)Al2O4:Eu, (Sr,Ca,Ba)(Al,Ga,In)2S4:Eu, (Ca,Sr)8(Mg,Zn)(SiO4)4Cl2:Eu/Mn, (Ca,Sr,Ba)3MgSi2O8:Eu/Mn, (Ca,Sr,Ba)2(Mg,Zn)Si2O7:Eu, Zn2SiO4:Mn, (Y,Gd)BO3:Tb, ZnS:Cu,Cl/Al, ZnS:Ag,Cl/Al, (Sr,Ca)2Si5N8:Eu, (Li,Na,K)3ZrF7:Mn, (Li,Na,K)2(Ti,Zr)F6:Mn, (Ca,Sr,Ba)(Ti,Zr)F6:Mn, Ba0 .65Zr0 .35F2.7:Mn, (Sr,Ca)S:Eu, (Y,Gd)BO3:Eu, (Y,Gd)(V,P)O4:Eu, Y2O3:Eu, (Sr,Ca,Ba,Mg)5(PO4)3Cl:Eu, (Ca,Sr,Ba)MgAl10O17:Eu, (Ca,Sr,Ba)Si2O2N2:Eu, 3.5MgOㆍ0.5MgF2ㆍGeO2:Mn 중의 하나 또는 하나 이상의 기타 형광물질을 함유한다.
상기한 기술방안으로부터 특허문헌에 공개된 MxSiyNz:Eu 및 CaAlSiN3:Eu 등과는 다르게 본 발명에 따른 MmAaDbXdLy:Zn 형광물질에 의하면 원소 L이 산소족의 비기상(氣相) 원소를 함유하고 특히 Se 원소를 첨가하여 형광물질의 결정과 발광 기능에 중요한 작용을 일으키고 있음을 알 수 있다. 산소족 비기상 원소는 형광물질의 결정 격자(crystal lattice)에 진입하여 형광물질의 결정체 구조에 영향을 주게 되고 발광 중심 Eu2 +의 주위의 결정장 환경이 변화되고 형광물질의 발광 피크의 위치, 형상 및 발광 강도에 영향을 주게 되며 서로 다른 광색성의(photochromic) 기능을 가진 형광물질을 얻을 수 있고 백색광 LED상의 응용범위를 넓일 수 있다. 이와 동시에 산소족 비기상 원소의 단체 또는 화합물이 형광물질을 합성하는 공정에 있어서 용해를 촉진하고 형광물질의 결정을 강화하며 완전한 결정을 가진 형광물질이므로 반드시 양호한 발광 특성을 가진다.
형광물질에 소량의 산소를 투입하면 형광물질의 방사 스펙트럼의 반치폭이 넓어져 실제 응용에 있어서 발광소자의 연색 지수(color rendering index)의 향상에 유리하지만 산소의 함유량이 너무 높으면 형광물질의 색의 순도가 급속히 저하되고 심지어 질화물의 결정체 구조를 파괴하며 형광물질의 상대적 발광 강도가 저하되므로 본 발명에 있어서 산소의 함유량을 제한함으로써 형광물질의 LED에서의 응용을 보장할 수 있다. 이와 동시에 미량의 탄소가 존재하면 형광물질의 결정체 구조의 안정에 유리하고 발광 중심 Eu2 +의 산화를 억제할 수 있고 Eu3 +으로 변환하여 발광 효율에 영향을 주는 것을 방지할 수 있지만 탄소의 함유량이 너무 많으면 형광물질을 오염하게 되고 물체 색에 영향을 주게 되며 발광 효율을 대폭 절감시키게 된다.
그리고 서로 다른 발광소자의 형광물질의 광색성 등에 대한 응용 요구를 만족시키기 위하여 본 발명에 따른 형광물질은 일반식중의 M이 대표하는 2가(價) 원소의 유형 및 비율을 조절함으로써 발광 메인 피크를 조절하고 Sr의 함유량이 증가되고 Ca의 함유량이 감소되면 본 발명의 형광물질의 발광 메인 피크는 서서히 하는 적색편이를 가지고 발광색도 적색으로 변화되며 Sr의 함유량이 증가되면 형광물질의 상대적 형광 강도는 강화되지만 Sr의 함유량이 너무 많으면 형광물질의 안정성이 악화된다.
본 발명에 따른 형광물질을 합성하는 원료 및 제조 방법은 한정하지 않지만 하기 원료 및 제조 방법에 의하면 형광물질의 광색성을 향상시킬 수 있다. 형광물질을 합성하는 원료는 각종 금속 및 비 금속 원소의 질화물이고 각종 질화물중의 산소 함유량이 1%이하인 것이 바람직하다. 원료를 필요한 비율에 따라 무게를 달아 충분히 혼합한다. 하소 환경으로 질소/질소―수소 또는 CO 분위기의 고압/상압로(爐)내에서 수행하고 대기중의 산소가 로내에 진입하지 못하도록 한다. 최고 온도에서의 보온시간은 일반적으로 20min~20h이고 보온시간이 너무 짧으면 원료가 충분히 반응할 수 없게 되고 보온시간이 너무 길면 N 원소가 넘쳐나거나 형광 결정체가 이상 성장하는 등 문제가 발생하므로 보온시간이 3~8h인 것이 바람직하다. 그 다음 로내의 온도를 100℃ 이하로 내리고 분말을 꺼내어 연마, 산 세척, 체로치기 및 건조 공정을 포함한 후처리를 수행한다.
본 발명에 따른 형광막 또는 형광편은 유리 재료, 플라스틱 재료 또는 수지 재료의 제조중에 본 발명에 따른 적색 형광물질 또는 본 발명에 따른 적색 형광물질과 기타 형광물질을 유리 재료, 플라스틱 재료 또는 수지 재료의 원료에 균일하게 혼합하여 형성되고, 유리 재료, 플라스틱 재료 또는 수지 재료의 통상 방법으로 박막형 또는 박편형으로 제조하면 되고, 본 발명에 따른 적색 형광물질 또는 본 발명에 따른 적색 형광물질과 기타 형광물질의 혼합물을 유리 재료, 플라스틱 재료 또는 수지 재료에 첨가하는 량은 기존 기술중의 형광막 또는 형광편중의 형광물질의 첨가량과 동일할 수 있다. 당업자라면 본 발명에 기반하여 합리한 기술수단으로 본 발명에 따른 발광막 또는 발광편을 제조할 수 있으므로 제조 방법에 대한 설명을 생략한다.
상기 기타 형광물질이 (Y,Gd,Lu,Tb)3(Al,Ga)5O12:Ce, (Mg,Ca,Sr,Ba)2SiO4:Eu, (Ca,Sr)3SiO5:Eu, (La,Ca)3Si6N11:Ce, α-SiAlON:Eu, β-SiAlON:Eu, Ba3Si6O12N2:Eu, Ca3(Sc,Mg)2Si3O12:Ce, CaSc2O4:Eu, BaAl8O13:Eu, (Ca,Sr,Ba)Al2O4:Eu, (Sr,Ca,Ba)(Al,Ga,In)2S4:Eu, (Ca,Sr)8(Mg,Zn)(SiO4)4Cl2:Eu/Mn, (Ca,Sr,Ba)3MgSi2O8:Eu/Mn, (Ca,Sr,Ba)2(Mg,Zn)Si2O7:Eu, Zn2SiO4:Mn, (Y,Gd)BO3:Tb, ZnS:Cu,Cl/Al, ZnS:Ag,Cl/Al, (Sr,Ca)2Si5N8:Eu, (Li,Na,K)3ZrF7:Mn, (Li,Na,K)2(Ti,Zr)F6:Mn, (Ca,Sr,Ba)(Ti,Zr)F6:Mn, Ba0 .65Zr0 .35F2.7:Mn, (Sr,Ca)S:Eu, (Y,Gd)BO3:Eu, (Y,Gd)(V,P)O4:Eu Y2O3:Eu, (Sr,Ca,Ba,Mg)5(PO4)3Cl:Eu, (Ca,Sr,Ba)MgAl10O17:Eu, (Ca,Sr,Ba)Si2O2N2:Eu, 3.5MgOㆍ0.5MgF2ㆍGeO2:Mn 중의 하나 또는 여러가지인 것이 바람직하다. 발광막 또는 발광편을 제조할 경우, 본 발명에 따른 질화물인 적색 형광물질과 기타 형광물질을 임의 비율로 혼합할 수 있다.
상기 기술방안에 의하면 본 발명에 따른 형광물질이 새로운 형광물질임을 확보할 수 있고 이와동시에 새로운 형광물질의 양호한 발광 효율, 온도 특성, 반치폭 등의 기능 지표를 보장할 수 있다.
본 발명에 따른 형광물질은 파장이 500nm 이하의 방사광선에 의하여 효율적으로 여기되고 형광물질 또는 그 형광물질을 첨가한 수지, 실리카젤(silica gel), 플라스틱, 유리, 세라믹(ceramic) 등 광변환막 재료와, 자외선, 자색광 또는 청색광 방사선원을 조합하면 발광소자를 형성할 수 있다. 이러한 백색광 발광소자는 조명 또는 표시 분야에 응용된다.
도 1은 본 발명의 실시예 3에 따른 형광물질의 여기 스펙트럼이다.
도 2는 본 발명의 실시예 3에 따른 형광물질의 방사 스펙트럼이다.
하기 내용은 본 발명의 실시예로 본 발명의 보호범위는 하기 실시예에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위에 의하여 결정된다.
실시예 1~6
실시예1~6의 형광물질중의 각 원소의 몰비율이 아래와 같다고 한다.
실시예 1 Ca:Al:Si:Eu:Se:S=0.992:1:1:0.008:0.00001:0.00003；
실시예 2 Ca:Al:Si:Eu:Se:Te=0.992:1:1:0.008:0.0001:0.00002；
실시예 3 Ca:Al:Si:Eu:Se=0.992:1:1:0.008:0.001；
실시예 4 Ca:Be:Al:Si:Eu:Se=0.99:0.002:1:1:0.008:0.005；
실시예 5 Ca:Mg:Al:Si:Eu:Se=0.991:0.001:1:1:0.008:0.01；
실시예 6 Ca:Ba:Zn:Al:Si:Eu:Se=0.981:0.01:0.001:1:1:0.008:0.02.
산소 함유량이 0.96%(중량)이고 평균 입자 직경이 0.4㎛인 질화 규소, 산소 함유량이 0.6%(중량)이고 평균 입자 직경이 1.3㎛인 질화 알루미늄, 질화 유로퓸(europium nitride), 질화 칼슘(calcium nitride), 질화 베릴륨(beryllium nitride), 질화 마그네슘(magnesium nitride), 질화 바륨(barium nitride), 단체 셀렌(selenium), 단체 텔루륨(tellurium), 단체 황을 선택하여 원료로 한다. 상기 비율에 따라 무게를 달아 균일하게 혼합한 후 혼합한 분말형의 원료를 질소―수소 분위기에서 1500℃에서 5시간 보온하고 그 다음 온도를 100℃ 이하로 낮추어 꺼내고 그다음 연마, 세척, 건조 및 체로치기 등의 후처리를 수행하여 설정한 형광물질을 얻는다. 얻은 형광물질의 평균 입자 직경은 10㎛이다.
실시예 3의 형광물질의 원소 분석 결과(ICPS-7510 중량 백분율)는 표 1과 같다. 여기 스펙트럼은 도 1에 도시한 바와 같고 도 1로부터 획득한 형광물질이 325nm~500nm에서 모두 강한 흡수가 있음으로 자외선 LED, 근 자외선 LED, 자색광 LED 및 청색광 LED에 적용됨을 알 수 있다. 도 2는 실시예 3에서 얻은 형광물질의 방사 스펙트럼으로, 그 방사는 600~700nm의 넓은 발광 피크를 가지고 발광 메인 피크는 648nm에서 나타났고 순수한 적색광을 방사하고 있다.
실시예 3에서 합성한 형광물질의 원소 분석 결과
Ca(%) Al(%) Si(%) N(%) Eu(%) O(%) Se(%) 기타(%)
46.02 19.1 14.3 18.8 0.73 0.9 0.1 0.05
실시예 1~6에서 얻은 형광물질과 동일한 제조 방법으로 합성한 Ca0.992AlSiN3:Eu0.008과의 광색성능의 비교 데이터는 표 2와 같은데, Se를 첨가하면 형광물질의 발광 피크 위치의 적색편이에 유리하고 상대적 발광 광도가 증가되고 백색광 LED의 발광 효율의 향상에 유리한다.
실시예 1~6에서 합성한 형광물질과 Ca0 .992AlSiN3:Eu0 .008과의 광색 데이터
색 좌표(460nm 여기) 상대
광도/%		 메인
피크 위치/nm		 반치폭(FWMH)
/nm
x y
Ca0 .992AlSiN3:Eu0 .008 0.6778 0.3185 100 646nm 91
실시예1 0.6779 0.3182 112 646nm 91
실시예2 0.6783 0.3164 117 647nm 91
실시예3 0.6788 0.3125 128 647nm 90
실시예4 0.6795 0.3123 120 648nm 90
실시예5 0.6802 0.3118 114 649nm 89
실시예6 0.6811 0.3109 107 649nm 89
실시예 7~12
본 실시예에 있어서, 질화 규소, 질화 알루미늄, 질화 유로퓸(europium nitride), 질화 칼슘(calcium nitride), 단체 셀렌(selenium), 질화 갈륨(gallium nitride), 이트륨 질산염(yttrium nitrate), 산화 루테튬(lutetium oxide), 산화 란탄(lanthanum oxide), 수산화가돌리늄(gadolinium hydroxide), 붕산(boric acid), 산화 스칸듐(scandium oxide), 질화 인듐(indium nitride)을 선택하여 원료로 한다. 각 실시예의 원료 비율은 표 3에 나타낸 원소 몰비율로 하고 형광물질의 합성 및 후처리 공정은 실시예 1~6과 동일하다. 얻은 시리즈의 형광물질의 광색 데이터는 표 3과 같다.
실시예 7~12에서 얻은 시리즈의 형광물질의 광색 데이터
원소 몰비율 상대 광도/% 메인 피크 위치/nm
실시예7 Ca:Al:B:Si:Eu:Se=
0.4999:0.499:0.001:0.5:0.0001:0.0001		 89 628
실시예8 Ca:Al:Ga:La:Si:Eu:Se=
0.999:0.997:0.002:0.001:1:0.001:0.0001		 105 632
실시예9 Ca:Al:Si:Eu:Se=
0.992:1: 1:0.008:0.0001		 128 641.8
실시예10 Ca:Al:Gd:Si:Eu:Se=
0.99:0.99:0.01:1:0.01:0.0001		 108 649.8
실시예11 Ca:Al:Y:Sc:Si:Eu:Se=
0.95:0.997:0.002:0.001:1:0.05:0.0001		 101 666.5
실시예12 Ca:Al: In: Lu:Si:Eu:Se=
1.35:1.496:0.001:0.003:1.5:0.15:0.0001		 98 675
실시예 13~17
실시예 13~17에 있어서, 각 원소의 몰비율은 Ca:Al:Si:Eu:Se=0.992:1:1:0.008:0.001이고 실시예 사이의 차이점은 원료중의 탄화 규소의 함유량이 서로 다른데 있고 질량 백분율은 각각 0.001%, 0.01%, 0.1%, 0.2%, 0.4%이다. 형광물질의 합성 및 후처리 공정은 실시예 1~6과 동일하다. 실시예 15에서 얻은 형광물질의 원소 분석 결과(ICPS-7510 중량 백분율)는 표 4와 같고, 그 중, 0.089%의 탄소가 존재하여 상대적 발광 광도는 탄소를 함유하지 않는 형광물질에 비하여 서로 다른 정도의 향상을 나타내고 있지만 탄소의 함유량이 너무 많으면 탄소가 결정 격자에 진입하는 문제가 발생하고 비순수상이 발생하며 발광 강도가 저하된다(표 5를 참조).
실시예 15에서 합성한 형광물질의 원소 분석 결과
Ca(%) Al(%) Si(%) N(%) Eu(%) O(%) Se(%) C(%) 기타(%)
46.01 19.9 15.8 16.36 0.76 0.9 0.1 0.09 0.08
실시예 13~17에서 합성한 형광물질의 광색 데이터
색 좌표(460nm 여기) 상대
광도/%		 메인 피크 위치/nm 반치폭(FWHM)
/nm
x y
Ca0 .95AlSiN3:Eu0 .05 0.6902 0.3061 96 667 92
실시예13 0.6900 0.3065 101 667 92
실시예14 0.6894 0.3070 103 666 91
실시예15 0.6886 0.3078 108 665 91
실시예16 0.6881 0.3082 101 665 91
실시예17 0.6874 0.3095 93 664 90
실시예 18~25
실시예 18~25의 원료의 원소 몰비율 및 제조공정은 실시예 3과 동일하고 기질중의 2가 원소M의 유형을 조절하여 Sr로 일부분의 Ca를 치환하였고 그 중, Ca 원소와 Sr 원소와의 원자수량비 w(Ca/(Sr+Ca))는 0.03≤w≤0.2이다. 표 6은 실시예 18~25에서 제조한 형광물질의 광색 특성을 나타낸 것으로 표6에 나타낸 바와 같이 Sr의 함유량이 증가되면 발광 피크의 형상 및 위치가 변화되고(청색편이(blue shift)하고 좁아진다) 상대적 발광 광도가 향상된다.
실시예 18~25에서 합성한 형광물질의 광색 데이터
w 색 좌표(460nm 여기) 상대
광도/%		 메인 피크 위치/nm 반치폭(FWHM)/nm
x y
실시예18 0.15 0.6389 0.3624 118 618 80
실시예19 0.2 0.6360 0.3632 138 623 79
실시예20 0.15 0.6350 0.3645 140 622 79
실시예21 0.1 0.6335 0.3660 142 621 79
실시예22 0.08 0.6310 0.3695 146 618 78
실시예23 0.05 0.6280 0.3715 148.6 616 77
실시예24 0.03 0.6223 0.3745 158 612 76
실시예25 0.02 0.6215 0.3756 126 610 74
실시예 26~32
실시예 26~32의 원료는 실시예 3과 기본적으로 같은 것으로 선택하고 실리콘원(源)으로 일부분의 이산화 규소(Siv)로 질화 규소(Siu)를 치환하였다. 각 실시예의 원료의 비율은 표 7에 나타낸 원소 몰비율이고 형광물질의 합성 및 후처리 공정은 실시예 3과 동일하다. 얻은 시리즈의 형광물질의 광색 데이터는 표 7과 같다.
실시예 26~32에서 얻은 시리즈의 형광물질의 광색 데이터
원소 몰비율 산소 농도/wt% 상대
광도/%		 메인 피크 위치/nm
실시예26 Ca:Al:Siu:Siv:Eu:Se=
0.992:1:0.999:0.001:0.008:0.001		 0.93 117 641
실시예27 Ca:Al:Siu:Siv:Eu:Se=
0.992:1:0.995:0.005:0.008:0.001		 1.0 120 639
실시예28 Ca:Al:Siu:Siv:Eu:Se=
0.992:1:0.95:0.05:0.008:0.001		 2.01 124 635
실시예29 Ca:Al:Siu:Siv:Eu:Se=
0.992:1:0.9:0.1:0.008:0.001		 2.3 131 630
실시예30 Ca:Al:Siu:Siv:Eu:Se=
0.992:1:0.87:0.13:0.008:0.001		 3.4 134 626
실시예31 Ca:Al:Siu:Siv:Eu:Se=
0.992:1:0.85:0.15:0.008:0.001		 4.4 135 624
실시예32 Ca:Al:Siu:Siv:Eu:Se=
0.992:1:0.83:0.17:0.008:0.001		 4.9 140 618
실시예 33~38
실시예 33~38의 원료는 실시예 1~6과 기본적으로 같은 것으로 선택하고 각 실시예의 원료의 비율은 표 8에 나타낸 원소 몰비율이고 형광물질의 합성 및 후처리 공정은 실시예 1~6과 같다. 얻은 시리즈의 형광물질의 광색 데이터는 표 8과 같다.
실시예 33~38에서 얻은 시리즈의 형광물질의 광색 데이터
원소 몰비율 상대 광도/% 메인 피크 위치/nm
실시예33 Ca:Al:Si:Ge:Eu:Se=
0.992:1:0.995:0.005:0.008:0.0001		 116 641.8
실시예34 Ca:Al:Si:Sn:Ti:Eu:Se=
0.992:1:0.994:0.005:0.001: 0.008:0.0001		 116 642
실시예35 Ca:Al:La:Si:Zr:Hf:Eu:Se=
0.992:0.999:0.001:0.994:0.003:0.003: 0.008:0.0001		 115 642.5
실시예36 Ca:Al:Si:Eu:Se:F=
0.992:1:1:0.008:0.0001:0.001		 116 643
실시예37 Ca:Al:La:Si:Eu:Ce:Se=
0.991:0.995:0.005:1:0.008:0.001:0.0001		 125 638
실시예38 Ca:Al:La:Si:Eu:Mn:Se=
0.9915:0.995:0.005:1:0.008:0.0005:0.0001		 131 641
실시예 39
본 실시예에 있어서, 청색광 LED 칩을 방사선원으로 하고 본 발명의 실시예 3에서 얻은 적색 형광물질, 백색광 LED 황색 형광물질(예를 들어 Y3Al5O12:Ce), 녹색 형광물질(예를 들어 Ba3Si6O12N2:Eu)의 3가지 형광물질의 중량비율을 적색:황색:녹색=17:52:31로 하고 형광물질을 실리카젤(silica gel)(굴절률은 1.41, 투과율은 99%)에 균일하게 분산시키고 칩과 광변환막을 조합하고 회로를 용접하고 밀봉시켜 백색광 조명 부품을 획득하였는데, 그 색 좌표는 (0.3728, 0.3336)이고 연색 지수(color rendering index)는 93이며 관련되는 색 온도는 3859K이다.
실시예 40
본 실시예에 있어서, 근 자색광 LED 칩(380nm)을 방사선원으로 하고 본 발명의 실시예 23에서 얻은 적색 형광물질, 청색 형광물질(예를 들어 BaMgAl10O17:Eu), 녹색 형광물질(예를 들어 (Y,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce)의 3가지 형광물질의 중량비율을 적색:청색:녹색=16:55:29로 하고 형광물질을 에폭시 수지(epoxy resin) (굴절률1.6)에 균일하게 분산시켜고 칩과 에폭시 수지를 조합하고 회로를 용접하고 밀봉시켜 백색광 조명 부품을 획득하였는데 그 색 좌표는 (0.3879, 0.3404)이고 연색 지수는 92.4이며 관련되는 색 온도는 3469 K이다.
실시예 41
본 실시예에 있어서, 자외선LED 칩(360nm)을 방사선원으로 하고 본 발명의 실시예 32에서 얻은 적색 형광물질, 청색 형광물질(예를 들어 Sr5(PO4)3Cl:Eu), 녹색 형광물질(예를 들어 β-SiAlON:Eu)의 3가지 형광물질의 중량비율을 적색:청색:녹색=13:60:27로하고 형광물질을 실리카젤 (굴절률은 1.41이고 투과율은 99%)에 균일하게 분산시키고 칩과 실리카젤을 조합하고 회로를 용접하고 밀봉시켜 백색광 조명 부품을 획득하였는데, 그 색 좌표는 (0.3882, 0.3401)이고 연색 지수는 92.3이며 관련되는 색 온도는 3460 K이다.
실시예 42
본 실시예에 있어서, 자색광 LED 칩(410nm)을 방사선원으로 하고 본 발명의 실시예 38에서 얻은 적색 형광물질, 청색 형광물질(예를 들어 BaMgAl10O17:Eu), 녹색 형광물질(예를 들어 Ca3Sc2Si3O12:Ce)의 3가지 형광물질의 중량비율을 적색:청색:녹색=10:60:30으로 하고 형광물질을 에폭시 수지(굴절률은 1.6임)에 균일하게 분산시키고 칩과 에폭시 수지를 조합하고 회로를 용접하고 밀봉시켜 백색광 조명 부품을 획득하였는데 그 색 좌표는 (0.3517, 0.4046)이고 연색 지수는 91.1이며 관련되는 색 온도는 4647K이다.
nm: 나노미터

Claims (18)

  1. 최소한 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn 중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하는 M 원소와, 최소한 B, Al, Ga, In, La, Gd, Lu, Sc, Y 중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하는 A 원소와, 최소한 Si, Ge, C, Sn, Ti, Zr, Hf 중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하는 D 원소와, 최소한 N, O, F 중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하는 X 원소와, 최소한 S, Se, Te 중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하는 L 원소와, 최소한 희토류 원소 또는 전이 금속 원소중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하는 Z 원소로 구성되는 것을 특징으로 하는 LED 적색 형광물질.
  2. 제1항에 있어서, 상기 형광물질의 일반식이 MmAaDbXdLy:Zn(그 중, 0.5≤m≤1.5, 0.5≤a≤1.5, 0.5≤b≤1.5, 2≤d≤5, 0.00001≤y≤0.02, 0.0001≤n≤0.1)인 것을 특징으로 하는 LED 적색 형광물질.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 M 원소가 최소한 Ca, Sr, Ba 중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하고, A 원소가 최소한 Al, B, Gd, Y 중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하며, D 원소가 최소한 Si, C 중의 하나 또는 두 개의 원소를 함유하고, X 원소가 최소한 N, O 중의 하나 또는 두 개의 원소를 함유하며, L 원소가 최소한 Se을 함유하고, Z 원소가 최소한 Eu, Ce, Mn 중의 하나 또는 하나 이상의 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 LED 적색 형광물질.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 M 원소가 Sr를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 적색 형광물질.
  5. 제4항에 있어서, 상기 M 원소가 Ca와 Sr인 것을 특징으로 하는 LED 적색 형광물질.
  6. 제5항에 있어서, 원자 수량비 Ca/(Sr+Ca)인 w가 0.03≤w≤0.2인 것을 특징으로 하는 LED 적색 형광물질.
  7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 D 원소가 C를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 적색 형광물질.
  8. 제7항에 있어서, 상기 C 원소의 상기 형광물질중의 중량 백분율이 0.001%~0.4%인 것을 특징으로 하는 LED 적색 형광물질.
  9. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 X 원소가 O를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 적색 형광물질.
  10. 제9항에 있어서, 상기 O 원소의 상기 형광물질 중의 중량 백분율이 0.01%~5%인 것을 특징으로 하는 LED 적색 형광물질.
  11. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 D 원소가 C를 포함하고, 상기 X 원소가 O를 포함하며, C 원소의 상기 형광물질 중의 중량 백분율이 0.001%~0.4%이고, O 원소의 상기 형광물질 중의 중량 백분율이 0.01%~5%인 것을 특징으로 하는 LED 적색 형광물질.
  12. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 형광물질은 분말형, 박막형 또는 박편형인 것을 특징으로 하는 LED 질화물인 적색 형광물질.
  13. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 기재된 질화물인 적색 형광물질을 유리 재료, 플라스틱 재료 또는 수지 재료에 분산하여 형성되거나 또는 제1항 내지 제11항중의 어느 한 항에 기재된 질화물인 적색 형광물질과 기타 형광물질을 유리 재료, 플라스틱 재료 또는 수지 재료에 분산하여 형성되거나 또는 유리 재료, 플라스틱 재료 또는 수지 재료에 도포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 발광막 또는 발광편.
  14. 제13항에 있어서, 상기 기타 형광물질이 (Y,Gd,Lu,Tb)3(Al,Ga)5O12:Ce, (Mg,Ca,Sr,Ba)2SiO4:Eu, (Ca,Sr)3SiO5:Eu, (La,Ca)3Si6N11:Ce, α-SiAlON:Eu, β-SiAlON:Eu, Ba3Si6O12N2:Eu, Ca3(Sc,Mg)2Si3O12:Ce, CaSc2O4:Eu, BaAl8O13:Eu, (Ca,Sr,Ba)Al2O4:Eu, (Sr,Ca,Ba)(Al,Ga,In)2S4:Eu, (Ca,Sr)8(Mg,Zn)(SiO4)4Cl2:Eu/Mn, (Ca,Sr,Ba)3MgSi2O8:Eu/Mn, (Ca,Sr,Ba)2(Mg,Zn)Si2O7:Eu, Zn2SiO4:Mn, (Y,Gd)BO3:Tb, ZnS:Cu,Cl/Al, ZnS:Ag,Cl/Al, (Sr,Ca)2Si5N8:Eu, (Li,Na,K)3ZrF7:Mn, (Li,Na,K)2(Ti,Zr)F6:Mn, (Ca,Sr,Ba)(Ti,Zr)F6:Mn, Ba0 .65Zr0 .35F2.7:Mn, (Sr,Ca)S:Eu, (Y,Gd)BO3:Eu, (Y,Gd)(V,P)O4:Eu, Y2O3:Eu, (Sr,Ca,Ba,Mg)5(PO4)3Cl:Eu, (Ca,Sr,Ba)MgAl10O17:Eu, (Ca,Sr,Ba)Si2O2N2:Eu, 3.5MgOㆍ0.5MgF2ㆍGeO2:Mn 중의 하나 또는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 발광막 또는 발광편.
  15. 최소한 방사선원과 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 기재된 LED 적색 형광물질을 함유하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  16. 제15항에 있어서, 상기 방사선원이 진공 자외선, 또는 자외선, 또는 자색광, 또는 청색광 방사원인 것을 특징으로 하는 발광소자.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 발광소자는 상기 방사선원에 의하여 여기되어 발광된 기타 형광물질을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  18. 제17항에 있어서, 상기 기타 형광물질이 (Y,Gd,Lu,Tb)3(Al,Ga)5O12:Ce, (Mg,Ca,Sr,Ba)2SiO4:Eu, (Ca,Sr)3SiO5:Eu, (La,Ca)3Si6N11:Ce, α-SiAlON:Eu, β-SiAlON:Eu, Ba3Si6O12N2:Eu, Ca3(Sc,Mg)2Si3O12:Ce, CaSc2O4:Eu, BaAl8O13:Eu, (Ca,Sr,Ba)Al2O4:Eu, (Sr,Ca,Ba)(Al,Ga,In)2S4:Eu, (Ca,Sr)8(Mg,Zn)(SiO4)4Cl2:Eu/Mn, (Ca,Sr,Ba)3MgSi2O8:Eu/Mn, (Ca,Sr,Ba)2(Mg,Zn)Si2O7:Eu, Zn2SiO4:Mn, (Y,Gd)BO3:Tb, ZnS:Cu,Cl/Al, ZnS:Ag,Cl/Al, (Sr,Ca)2Si5N8:Eu, (Li,Na,K)3ZrF7:Mn, (Li,Na,K)2(Ti,Zr)F6:Mn, (Ca,Sr,Ba)(Ti,Zr)F6:Mn, Ba0 .65Zr0 .35F2.7:Mn, (Sr,Ca)S:Eu, (Y,Gd)BO3:Eu, (Y,Gd)(V,P)O4:Eu, Y2O3:Eu, (Sr,Ca,Ba,Mg)5(PO4)3Cl:Eu, (Ca,Sr,Ba)MgAl10O17:Eu, (Ca,Sr,Ba)Si2O2N2:Eu, 3.5MgOㆍ0.5MgF2ㆍGeO2:Mn 중의 하나 또는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 발광소자.
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