KR20150055597A - 청녹색 형광체, 이를 포함하는 발광 소자 패키지 및 조명 장치 - Google Patents

청녹색 형광체, 이를 포함하는 발광 소자 패키지 및 조명 장치 Download PDF

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Abstract

실시예의 청녹색 형광체는 하기 화학식 1로 표시될 수 있으며, 실시예의 청녹색 형광체 및 이를 포함하는 발광 소자 패키지는 조성식에 포함되는 각 성분의 조성비 및 함유되는 이온들의 선택에 따라 결정구조 내 격자 결함을 최소화함으로써 발광 특성이 우수하며 온도 안정성이 개선된 특성을 가질 수 있다.
화학식 1
AaBbOcNdCe:REh
상기 화학식 1에서, A는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra의 원소 중 적어도 1종 이상이고, B는 Si, Ge, Sn의 원소 중 적어도 1종 이상이고, C는 C, Cl, F, Br의 원소 중 어느 하나이며, RE는 Eu, Ce, Sm, Er, Yb, Dy, Gd, Tm, Lu의 원소 중 적어도 1종 이상이고, 0 <a≤ 15, 0 <b≤ 15, 0 <c≤ 15, 0 <d≤ 20, 0 <e≤ 10 및 0 <h≤ 10이다.

Description

청녹색 형광체, 이를 포함하는 발광 소자 패키지 및 조명 장치{BLUISH GREEN PHOSPHOR, LIGHIT EMITTING DEVICE PACKAGE AND LIGHTING APPARATUS INCLUDING THE SAME}
실시예는 청녹색 파장 영역의 광을 방출하는 형광체 및 이를 포함하는 발광 소자 패키지와 조명 장치에 관한 것이다.
형광체는 여기원의 에너지를 가시광의 에너지로 전환시키는 매개체 역할을 하며, 다양한 디스플레이 소자의 이미지 구현에 필수적인 동시에 형광체의 효율이나 색 재현 범위는 디스플레이 제품, 조명제품의 효율이나 색 재현 범위와 직접 연관되는 주요 요소이다.
백색광을 방출하는 다이오드 소자들 중의 하나로서, 청색 LED 소자가 있다. 이는 청색 빛을 방출하는 소자에, 상기 청색광을 여기원으로 하여 황색광을 방출하는 형광체를 도포시킴으로써, 소자에서 나오는 청색광과 형광체에서 방출되는 황색광이 혼합되어 백색을 구현하는 방식이다. 즉, 백색광을 방출하는 LED 소자는 LED에 형광체를 도포하여 소자에서 나오는 청색광과 형광체로부터 방출되는 2차 광원을 이용하는 방법으로서, 청색 LED에 황색을 내는 YAG: Ce형광체를 도포하여 백색광을 얻는 방식[미국특허 제6,069,440호]이 일반적이다.
그러나, 상기 방법은 2차광을 이용하면서 발생하는 양자결손(quantum deficits) 및 재방사 효율에 기인한 효율감소가 수반되고, 색 랜더링(rendering)이 용이하지 않다는 단점이 있다. 따라서, 종래의 백색 LED 백라이트는 청색 LED칩과 황색형광체를 조합한 것으로서, 녹색과 적색 성분이 결여되어 부자연스러운 색상을 표현할 수밖에 없어 휴대 전화, 노트북 PC의 화면에 이용하는 정도로 한정되어 적용되고 있다. 그럼에도 불구하고 구동이 용이하고 가격이 현저히 저렴하다는 이점 때문에 널리 상용화되어 있다.
한편, 백색 LED에 관해서는 자외선 또는 청색광 등의 높은 에너지를 갖는 여기원에 의해 여기되어 가시광선을 발광하는 형광체에 대한 개발이 주류를 이루어왔다. 그러나, 종래 형광체는 여기원에 노출되면, 형광체의 휘도가 저하된다는 문제가 있어, 최근에는 휘도 저하가 적은 형광체로서, 질화 규소 관련 세라믹스를 호스트 결정으로 한 형광체의 연구로서, 결정 구조가 안정적이고, 여기광이나 발광을 장파장 측에 시프트할 수 있는 재료로 질화물 또는 형광체가 주목 받고 있다.
특히, 2004년에는 순질화물인 카즌(CaAlSiN3:Eu) 적색형광체에 이어, 2005년에는 베타 사이알론(β-sialon:Eu) 녹색형광체가 개발되었다. 이러한 형광체가 청색 LED칩과 조합하면 색 순도가 좋은 발색을 하게 되고, 특히, 내구성이 뛰어나 온도 변화가 작은 특징이 있어 LED 광원의 장기 수명화와 신뢰성의 향상에 기여할 수 있다.
최근에 개발된 새로운 조명용LED는 청색 LED칩과 Lu3Al5O12: Ce 녹색형광체와 적색형광체 CaAlSiN3:Eu(카즌)를 개량해 조합하여, 청색 LED가 발하는 파장 450nm의 광을, 녹색 또는 황색형광체 520~570nm, 적색형광체 650nm로 변환해 3원색 성분을 발생할 수 있다. 그러나, 이들 조합은 연색성(color rendering)을 90 이상으로 유지하기가 용이하지 않고, 백색 좌표를 적절히 선택하기 위해서는 적색 형광체가 상대적으로 많이 들어가기 때문에 발광강도가 낮아지는 단점이 있다.
한편, 산질화물 형광체의 경우는 2009년 이후 많은 연구가 진행되었으나 불안전한 산소이온과 질소이온의 결합으로 격자결함이 많이 발생하여 신뢰성이 확보되지 않아 상용화가 지연되고 있다.
이에, 대한민국특허 공개공보 제2011-0016377호 및 제2013-00283742 호에는 Eu이온으로 활성화된 시온계 형광체의 발광중심파장이 Eu이온을 둘러싼 결정장(Crystal Field)에 의해 많은 영향을 받는다는 것으로부터, 양이온과 음이온의 성분 및 그 조성비를 최적화하여 온도 안정성이 뛰어나고 온도특성이 뛰어난 형광체가 보고되었는데, 주 발광파장은 540~570nm이다. 그러나, 이러한 산질화물 형광체의 결정구조 변이가 광특성과 어떻게 연결되어 있는가에 대해서는 명확한 규명은 아직까지 도출되기 어려운 것으로 알려져 있다[국제공개특허 제2007/096333호 및 Chemistry of materials 2013, 25, pp1852~1857].
이에, 본 발명자들은 종래 문제점을 해소하고자 노력한 결과, 양이온과 음이온의 성분 및 그 조성비를 최적화하면, 열역학적 합성온도에서 단일 상(homogeneous Phase)의 결정구조에서뿐만 아니라, 다결정(multi-phase)내에도 격자 결함(defect)을 최소화하여 고효율의 안정된 청녹색 발광 형광체를 제공하고, 종래 청색 LED 상에 녹색 형광체와 적색 형광체를 혼합하여 도포하여 얻어지는 백색 LED 제작에 있어서, 본 발명의 청녹색 발광 형광체를 혼합하여 백색 LED소자를 제작하고, 제작된 백색 LED 소자의 연색지수 및 광속 향상을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
실시예에 따른 청녹색 형광체는 조성비의 최적 조합에 의해 광도가 개선되고 열 안정성을 가질 수 있으며, 이를 포함하는 발광 소자 패키지에 대하여서도 휘도 및 연색지수를 개선할 수 있다.
실시예는 하기 화학식 1로 표시되는 청녹색 형광체를 제공할 수 있다.
화학식 1
AaBbOcNdCe:REh
상기 화학식 1에서, A는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra의 원소 중 적어도 1종 이상이고, B는 Si, Ge, Sn의 원소 중 적어도 1종 이상이고, C는 C, Cl, F, Br의 원소 중 어느 하나이며, RE는 Eu, Ce, Sm, Er, Yb, Dy, Gd, Tm, Lu, Pr, Nd, Pm 및 Ho의 원소 중 적어도 1종 이상이고, 0 <a≤ 15, 0 <b≤ 15, 0 <c≤ 15, 0 <d≤ 20, 0 <e≤ 10 및 0 <h≤ 10이다.
다른 실시예는 하기 화학식 2로 표시되는 청녹색 형광체를 제공할 수 있다.
화학식 2
BaxMgyBbOcNdCe:REh
상기 화학식 2에서, B는 Si, Ge, Sn의 원소 중 적어도 1종 이상이고, C는 C, Cl, F, Br의 원소 중 어느 하나이고, RE는 Eu, Ce, Sm, Er, Yb, Dy, Gd, Tm, Lu, Pr, Nd, Pm, Ho의 원소 중 적어도 1종 이상이고, 0.5 <x≤ 15, 0 <y≤ 10, 0.5 <x+y≤ 15 이고, 0 <e≤ 10, 0 <h≤ 10이다.
또한, 실시예는 하기 화학식 3으로 표시되는 청녹색 형광체를 제공할 수 있다.
화학식 3
AaBbOcNdCeDfEg:REh
상기 화학식 3에서, A는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra의 원소 중 적어도 1종 이상이고, B는 Si, Ge, Sn의 원소 중 적어도 1종 이상이고, C는 C, Cl, F, Br의 원소 중 어느 하나이고, D는 Li, Na 및 K 중에서 선택되는 단독 또는 그 혼합형태이고, E는 P, As, Bi, Sc, Y 및 Lu 중에서 선택되는 원소 중 적어도 1종 이상이고, RE는 Eu, Ce, Sm, Er, Yb, Dy, Gd, Tm, Lu, Pr, Nd, Pm, Ho의 원소 중 적어도 1종 이상이고, 0 <a≤15, 0 <b≤ 15, 0 <c≤ 15, 0 <d≤ 20, 0 <e≤ 10, 0 <f≤ 10, 0 <g≤ 10, 0 <h≤10이다.
다른 실시예는 적어도 하나의 발광 소자; 및 상기 적어도 하나의 발광 소자 상에 배치되며 형광체 조성물을 포함하는 몰딩부; 를 포함하는 발광 소자 패키지에 있어서, 상기 형광체 조성물은 상술한 실시예의 청녹색 형광체를 포함하는 발광 소자 패키지를 제공한다.
다른 실시예는 상술한 실시예의 발광 소자 패키지를 광원으로 포함하는 조명 장치를 제공할 수 있다.
실시예에 따른 청녹색 형광체는 조성비의 최적조합에 의해 광도가 개선되고 온도 안정성을 개선할 수 있으며, 이를 포함하는 발광 소자 패키지에 대하여서도 휘도 및 연색지수를 개선할 수 있다.
도 1은 화학식 1의 조성식에서 C 원소가 C(Carbon)인 경우의 여기스펙트럼과 발광스펙트럼을 나타낸 도면이고,
도 2는 화학식 1의 조성식에서 C 원소가 F 인 경우의 여기스펙트럼과 발광스펙트럼을 나타낸 도면이고,
도 3은 화학식 1의 조성식에서 C 원소가 Cl 인 경우의 여기스펙트럼과 발광스펙트럼을 나타낸 도면이고,
도 4는 화학식 1의 조성식에서 C 원소가 Br 인 경우의 여기스펙트럼과 발광스펙트럼을 나타낸 도면이고,
도 5는 화학식 1의 조성식에서 A 원소가 Ba 및 Mg인 여기스펙트럼과 발광스펙트럼을 나타낸 도면이고,
도 6 내지 도 9는 화학식 2의 조성식에서 Ba 및 Mg의 함량에 따른 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이고,
도 10은 화학식 3의 조성식에서 K의 함량에 따른 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이고,
도 11은 화학식 3의 조성식에서 Li의 함량에 따른 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이고,
도 12는 일 실시예의 청녹색 형광체 분말에 대한 도면이고,
도 13은 일 실시예의 청녹색 형광체의 입자크기분포(PSA) 측정결과이고,
도 14는 일 실시예의 청녹색 형광체의 형광 X선 분석 결과를 나타낸 성분 분포 그래프이고,
도 15는 일 실시예의 청녹색 형광체의 온도에 따른 발광세기의 변화이고,
도 16은 일 실시예의 청녹색 형광체의 XRD 데이터이고,
도 17은 도 16의 (a) 실시예의 청녹색 형광체 XRD 결과에 따른 결정구조의 기본 모형이고,
도 18은 일 실시예의 발광 소자 패키지에 대한 도면이고,
도 19는 일 실시예의 청녹색 형광체를 포함하여 제작된 백색 LED 소자와 상용 백색 LED 소자에 대하여 광 스펙트럼을 연색지수(CRI) 90에 5000K 기준하에서 비교한 결과이고,
도 20은 일 실시예의 청녹색 형광체를 포함하여 제작된 백색 LED 소자와 상용 백색 LED 소자에 대하여 연색지수(CRI) 80에 5000K 기준하에서 관찰한 광 스펙트럼이고,
도 21, 도 23 및 도 25는 비교예의 발광 소자 패키지에 대한 발광 스펙트럼도면이고,
도 22, 도 24 및 도 26은 실시예의 발광 소자 패키지에 대한 발광 스펙트럼 도면이고,
도 27 내지 도 30은 일 실시예의 발광 소자 패키지에 대한 도면이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상부" 및 "하부" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.
도면에서 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
실시예에 따른 청녹색 형광체는 아래의 화학식 1으로 표시될 수 있다.
화학식 1
AaBbOcNdCe:REh
상기 화학식 1에서, A는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra의 원소 중 적어도 1종 이상이고, B는 Si, Ge, Sn의 원소 중 적어도 1종 이상이고, C는 C, Cl, F, Br의 원소 중 어느 하나이며, RE는 Eu, Ce, Sm, Er, Yb, Dy, Gd, Tm, Lu의 원소 중 적어도 1종 이상이고, 0 <a≤ 15, 0 <b≤ 15, 0 <c≤ 15, 0 <d≤ 20, 0 <e≤ 10 및 0 <h≤ 10이다.
도 1 내지 도 4는 화학식 1의 조성을 갖는 청녹색 형광체 실시예의 여기 스펙트럼과 발광스펙트럼 결과를 나타낸 것이다.
화학식 1의 조성식에 따른 청녹색 형광체는 일례로서, 상기 C 원소가 C, F, Cl, Br의 원소 중 어느 하나이며, C의 몰비율(e)은 예를 들어, 0 <e≤ 6 일 수 있다.
예를 들어, 화학식 1에서 A는 Ba일 수 있다. 또한, B는 Si이고, RE는 Eu일 수 있다.
즉, 화학식 1의 청녹색 형광체는 하기 화학식 1-1의 조성식으로 표시될 수 있다.
화학식 1-1
AaBbOcNdCe:REh
상기에서, A는 Ba이고, B는 Si이고, C는 C, Cl, F, Br의 원소 중 어느 하나이며, RE는 Eu이고, 이때, 0.05 ≤a≤ 15, 0.5 ≤b≤ 15, 0.1 ≤c≤ 15, 0.67 ≤d≤ 20, 0 <e≤ 6, 0.01 ≤h≤ 10이다.
즉, 화학식 1-1로 표시되는 청녹색 형광체의 일 실시예는 BaaSibOcNdCe:Euh 일 수 있다.
도 1 내지 도 4는 화학식 1-1의 조성식을 가지는 일 실시예들에 대한 광 특성을 나타낸 도면이다.
예를 들어, 도 1 내지 도 4는 화학식 1-1의 조성식에서 C를 C, F, Cl, Br의 원소 중 어느 하나로 하여 광특성을 측정한 결과이다.
도 1 내지 도 4의 도시를 참조하면, 화학식 1-1로 표시되는 실시예의 형광체는 300nm 내지 500nm 파장 영역을 여기 파장으로 하고, 460nm 내지 540nm 발광 파장을 방출할 수 있다. 또한 발광중심파장은 490nm 내지 510nm일 수 있으며, 이러한 발광 파장 특성으로부터 실시예의 형광체는 청녹색 형광체임을 확인할 수 있다.
상술한 화학식 1의 조성식으로 표시되는 청색 발광 형광체는 높은 휘도와 좁은 반치폭을 가지며, 우수한 색상구현이 가능할 수 있다.
도 5는 화학식 1에서, A가 Ba 및 Mg를 포함할 때, Mg의 함량에 따른 여기 스펙트럼과 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 화학식 1에 있어서, A가 Ba 및 Mg를 포함하는 경우에 있어서도, 여기 파장은 300nm 내지 500nm 이며, 460nm 내지 540nm 발광 파장을 가지며, 또한 발광중심파장은 490nm 내지 510nm을 나타내는 것을 알 수 있다.
또한, 일 실시예의 청녹색 형광체는 아래의 화학식 2로 표시될 수 있다.
화학식 2
BaxMgyBbOcNdCe:REh
상기 화학식 2에서, B는 Si, Ge, Sn의 원소 중 적어도 1종 이상이고, C는 C, Cl, F, Br의 원소 중 어느 하나이고, RE는 Eu, Ce, Sm, Er, Yb, Dy, Gd, Tm, Lu, Pr, Nd, Pm, Ho의 원소 중 적어도 1종 이상이고, 0.5 <x≤ 15, 0 <y≤ 10, 0.5 <x+y≤ 15 이고, 0 <e≤ 10, 0 <h≤ 10이다.
화학식 2에 있어서, B는 Si이고, RE는 Eu일 수 있다.
상기 화학식 2의 조성식에 따른 청녹색 발광 형광체는 양이온 Ba2+ 이온자리에, 상기 Ba2+ 이온보다 이온반경이 작은 Mg2+ 이온(원자 반경이 160 pm)이 모체(lattice)에 더 편입되도록 함으로써, 단일상의 결정 구조 내 격자 결함을 최소화하여 높은 효율과 온도 안정성 향상을 달성할 수 있다.
화학식 2에서 Mg 이온의 양인 y는 0 보다 크고 10이하일 수 있다. 구체적으로 y는 0 <y≤ 2 몰비율일 수 있다.
Mg가 Ba와 같이 포함됨으로써 형광체의 격자 결합의 안정성이 증가되어 광특성이 증가될 수 있으나, Mg의 몰비율이 2를 초과하면 Mg를 더 포함함으로써 생기는 광 특성의 개선효과가 크지 않을 수 있다.
도 5는 화학식 2의 조성식에서 A 원소에 Ba 및 Mg가 포함되고 Mg가 0.01 이상이고 2보다 작은 몰비율로 혼입될 때, 얻어진 청녹색 형광체의 여기 스펙트럼과 발광 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 실시예의 청녹색 형광체는 300nm 내지 500nm 파장 영역을 여기원으로 하고, 460nm 내지 540nm 발광 파장을 방출하고, 그 발광중심파장이 490nm 내지 510nm인 범위를 충족한다.
화학식 2에서 Ba의 몰비율인 x에 대한 Mg의 몰비율인 y의 비율은 0 <y/x≤ 2 일 수 있다. 두 원소의 몰비율인 y/x가 2보다 클 경우에는 청녹색 형광체의 발광 특성을 벗어나는 광학 특성을 가질 수 있다.
예를 들어, y/x는 0 <y/x≤ 0.4일 수 있으며, y/x가 0.4보다 클 경우 광속값의 감소 폭이 커질 수 있다. 또한, 예를 들어 y/x값은 0 <y/x≤ 0.1 일 수 있다.
화학식 2의 조성식에서 Ba의 몰비율인 x는 0.5 <x≤ 2.5일 수 있으며, Mg의 몰비율인 y는 0 <y≤ 2 일 수 있다. 구체적으로, Mg의 몰비율은 0 <y≤ 0.5일 수 있다. 이때, x+y는 0.5 <x+y≤ 2.5일 수 있다.
또한, 화학식 2의 조성식을 갖는 일 실시예는 Ba의 몰비율인 x가 1.5 <x≤ 3.5일 수 있으며, Mg의 몰비율인 y는 0 <y≤ 2.5 일 수 있다. 구체적으로, Mg의 몰비율은 0 <y≤ 0.8일 수 있다. 이때, x+y는 1.5 <x+y≤3.5 일 수 있다.
또한, 화학식 2의 조성식을 갖는 다른 실시예는 Ba의 몰비율인 x가 3.5 <x≤ 7.5일 수 있으며, Mg의 몰비율인 y는 0 <y≤ 5 일 수 있다. 구체적으로, Mg의 몰비율은 0 <y≤ 1.7일 수 있다. 이때, x+y는 3.5 <x+y≤ 7.5일 수 있다.
또한, 화학식 2의 조성식을 갖는 또 다른 실시예는 Ba의 몰비율인 x가 7.5 <x≤ 14.5일 수 있으며, Mg의 몰비율인 y는 0 <y≤ 10 일 수 있다. 구체적으로, Mg의 몰비율은 0 <y≤ 2.5일 수 있다. 이때, x+y는 7.5 <x+y≤ 14.5일 수 있다.
도 6 내지 도 9는 화학식 2의 실시예들에 대한 발광 스펙트럼에 대한 도면이다.
도 6 내지 도 9를 참조하면 Mg의 함량이 증가함에 따라 광속이 증가하나, 일정범위의 Mg 함량 이상에서 다시 광속이 감소하는 것을 알 수 있다.
다른 실시예의 청녹색 형광체는 하기 화학식 3의 조성식으로 표시될 수 있다.
화학식 3
AaBbOcNdCeDfEg:REh
상기 화학식 3에서, A는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra의 원소 중 적어도 1종 이상이고, B는 Si, Ge, Sn의 원소 중 적어도 1종 이상이고, C는 C, Cl, F, Br의 원소 중 어느 하나이고, D는 Li, Na 및 K 중에서 선택되는 단독 또는 그 혼합형태이고, E는 P, As, Bi, Sc, Y 및 Lu 중에서 선택되는 원소 중 적어도 1종 이상이고, RE는 Eu, Ce, Sm, Er, Yb, Dy, Gd, Tm, Lu, Pr, Nd, Pm, Ho의 원소 중 적어도 1종 이상이고, 0 <a≤ 15, 0 <b≤ 15, 0 <c≤ 15, 0 <d≤ 20, 0 <e≤ 10, 0 <f≤ 10, 0 <g≤ 10, 0 <h≤ 10이다.
예를 들어, 화학식 3에서 D는 Li 및 K 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 화학식 3에서 E는 P일 수 있다.
예를 들어, 화학식 3의 조성식을 가지는 청녹색 발광 형광체는 상기 화학식 3의 조성식에서, A 원소는 Ba 및 Mg를 포함하고, Mg가 0.01 이상 2 미만의 몰비율로 혼입되고, D 원소가 K이며 K의 몰비율(f)은 0 <f≤ 10이고, E 원소가 P이며, P의 몰비율(g)는 0 <g≤ 10의 범위로 포함될 수 있다.
또한, 화학식 3은 아래의 화학식 3-1의 형태로 표시되는 실시예를 포함할 수 있다.
화학식 3-1
BaxMgyBbOcNdCeLivKwPz:REh
상기 화학식 3-1에서, B는 Si, Ge, Sn의 원소 중 적어도 1종 이상이고, C는 C, Cl, F, Br의 원소 중 어느 하나이고, RE는 Eu, Ce, Sm, Er, Yb, Dy, Gd, Tm, Lu, Pr, Nd, Pm, Ho의 원소 중 적어도 1종 이상이고, 0 <b≤ 15, 0 <c≤ 15, 0 <d≤ 20, 0 <e≤ 10, 0 <h≤10, 0.5 <x≤ 15, 0 <y≤ 10, 0.5 <x+y≤ 15 이고, 0 <v≤ 6, 0 <w≤ 6, 0 <z≤ 2일 수 있다.
예를 들어, K의 몰비율인 w는 0 <w≤ 6 일 수 있으며, P의 몰비율인 g는 0 <g≤ 6 일 수 있다. 구체적으로, K의 몰비율인 w는 0.2 ≤w≤ 0.6 일 수 있다.
도 10은 화학식 3-1의 조성식으로 표시되는 청녹색 형광체의 실시예에서, K의 함량에 따른 발광 파장 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, K의 함량이 증가 될수록 광속의 값이 증가 되나, K가 0.6보다 많이 함유된 경우 광속이 다시 감소하였다.
즉, K의 함유에 의하여 청녹색 형광체의 격자 결함의 강도가 강해져서 광속이 증가하게 되나, 0.6보다 많은 양으로 함유되는 경우 불순물로 작용하여 실시예의 형광체의 물성을 저하시킬 수 있다.
또한, P의 몰비율은 0 보다 크고 2 이하일 수 있으며, 예를 들어, P의 몰비율인 z는 0보다 크고 0.2이하일 수 있다.
또한, 화학식 3-1에서 C원소는 F이고, Li의 몰비율은 0 보다 크고 6이하일 수 있다.
도 11은 Li 함량에 따른 청녹색 형광체 실시예의 발광 특성을 나타낸 도면이다.
도 11은 화학식 3-1의 조성식으로 표시되는 청녹색 형광체 실시예에 대하여 Li의 함량에 따른 발광 특성을 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, Li의 함량이 증가할수록 청녹색 형광체의 광 특성은 개선되나, Li가 1.4 몰비율 보다 많이 함유되면 광속이 감소하는 경향을 확인할 수 있다.
예를 들어, Li의 함량인 v는 0 <v≤ 1.4 일 수 있으며, 구체적으로 v는 0 <v≤ 1 일 수 있다.
화학식 3-1의 조성식에서, Li의 함유에 의하여 청녹색 형광체의 격자 결함의 강도가 강해져서 광속이 증가하게 되나, 1.4 보다 많은 양으로 함유되는 경우 불순물로 작용하여 실시예의 형광체의 물성을 저하시킬 수 있다.
예를 들어, 화학식 3-1의 실시예는
Ba1 .84Mg0 .11Si4 .95O2 .395N8 .6F0.32K0 .3P0 .1Li0 .1:Eu0 .15, Ba1 .84Mg0 .11Si4 .95O2 .395N8 .6F0.72K0 .3P0 .1Li0 .5:Eu0 .15,
Ba2 .84Mg0 .11Si5 .95O3 .395N7 .93F0.22K0 .3P0 .1Li0 .7:Eu0 .15,, Ba2.84Mg0.11Si5.9O3.64N7.93F0.67K0.48P0.16Li0.67:Eu0.15,
Ba2 .79Mg0 .11Si6O3 .62N8F0 .66K0 .465P0 .155Li0 .66:Eu0 .15,
Ba5 .32Mg0 .53Si12 .1O3 .3N8 .2F0.67 K0 .48P0 .16Li0 .67:Eu0 . 15 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
즉, 본 발명의 청녹색 발광 형광체는 결정성을 가장 좋게 할 수 있는 Ba 및 Mg 등을 포함할 수 있으며, 음이온인 N이온과 O이온과의 조합에서 발생되는 결정 내 격자 결함을 안정화시킬 수 있도록, 조성식에서 D로 표시되는 양이온과 C와 E로 표시되는 음이온의 성분을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 화학식 3에서 D는 Li 및 K일 수 있으며, C는 F이고, E는 P일 수 있다.
도 12는 일 실시예의 청녹색 형광체의 입자상에 대한 도면이다.
예를 들어, 도 12의 사진 상의 청녹색 형광체의 실시예는 화학식 1의 조성식을 가질 수 있으며, 구체적으로 Ba2 .84Mg0 .11Si5 .95O3 .4N8 .33F0.22:Eu0 .15 일 수 있다.
화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 상술한 실시예의 청녹색 형광체는 D10일 때 1㎛ 이상 10㎛미만, D50일 때 10㎛ 이상 30㎛미만, D90 일 때 20㎛ 이상 70㎛미만의 입자크기분포를 가질 수 있다.
도 13은 청녹색 발광 형광체의 일 실시예에 대한 입자크기분포(PSA) 측정결과를 도시한 것으로서, 분포도(Dispersive, D10): 1㎛ 이상 10㎛미만, D20: 5㎛ 이상 15㎛ 미만, D30: 10㎛ 이상 20㎛미만, D40: 10㎛ 이상 25㎛미만, D50: 10㎛ 이상 30㎛미만, D60: 15㎛ 이상 30㎛미만, D70: 15㎛ 이상 35㎛미만, D80: 20㎛ 이상 40㎛미만, D90: 20㎛ 이상 70㎛미만, D100: 25㎛ 이상 100㎛미만의 입자크기분포(PSA)를 가질 수 있다.
특히, D50일 때, 10㎛ 이상 30㎛ 미만의 입자크기를 충족하므로, LED 패키지에 응용에 있어서 요구되는 입자크기분포를 충족할 수 있다. 한편 D50에서 30㎛보다 입자크기가 크게 되면 LED 패키지 적용시 침전이 발생하는 문제가 있을 수 있다.
따라서, 실시예의 청녹색 발광 형광체는 LED 패키지 응용에 적합한 형광체로서의 활용이 가능하다.
도 14는 일 실시예의 청녹색 형광체에 대한 형광 X선 분석 결과를 나타낸 성분 분포 그래프이다.
도 14로부터 실시예의 청녹색 형광체는 Ba, Mg, Si, O, N, F, Eu의 원소를 포함하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 15는 일 실시예의 청녹색 형광체의 온도에 따른 발광세기의 변화를 도시한 그래프이다.
도 15를 참조하면, 200℃까지 온도가 상승하여도 실시예의 형광체의 휘도값 감소가 10%이내이므로 실시예의 청녹색 형광체는 온도 안정성을 가지는 것을 알 수 있다.
상술한 실시예들의 청녹색 형광체는 이온반경이 상대적으로 작은 Mg2+ 이온을 포함함으로써, 그 결합비에 따라, 합성되는 형광체의 발광중심파장 및 결정구조를 제어할 수 있으며, 발광 효율이 뛰어나고 온도 안정성과 신뢰성을 개선할 수 있다.
도 16은 청녹색 형광체의 일 실시예들에 대한 XRD 데이터를 나타낸 도면이다.
(a) 및 (b)는 화학식 1에서 A가 Ba 및 Mg를 포함하는 경우이며, (c)는 A에 Mg 만이 포함된 경우이다.
또한, 도 17은 도 16에서 (a) 또는 (b)의 조성을 갖는 청녹색 발광 형광체의 XRD 결과에 따른 결정구조의 기본 모형을 개략적으로 나타낸 것이다.
예를 들어, (a)또는 (b)에 사용된 청녹색 형광체의 실시예는 Ba2.84Mg0.11Si5.95O5.4N6.33F0.22:Eu0.15 의 조성식으로 표시될 수 있으며, 실시예의 청녹색 형광체의 기본 결정구조는 사방정계(orthorhombic) 구조(space group Cmcm, #63)의 변형 형태일 수 있다.
예를 들어, 청녹색 형광체의 결정 구조는 공유도를 높이기 위해 설정된 원자들의 결합에 의해 다양한 모양을 취할 수 있는 구조로 격자결함이 쉽게 형성될 수 있는 구조일 수 있다.
따라서, 실시예의 경우 양이온 자리에서 Ba 이온에 Mg 이온을 일부 치환하고, 음이온은 할로겐이온을 추가적으로 사용하여 공정상에서 발생할 수 있는 격자결함을 최소화할 수 있다. 즉, 도 16에 도시된 바와 같이, 결정성이 향상됨을 확인할 수 있으며 이때, 결정성의 주 피크인 (3,1,1)면 대비 (1,1,1) 면에서의 x-ray의 반사율은 30% 이상 증대시킬 수 있다.
반면에, 도 16 (c)의 형광체의 결정구조는 Mg 이온이 20% 이상 함유된 형광체로서 새로운 상이 형성되는 등의 현저한 변화를 확인할 수 있다.
따라서, 실시예의 청녹색 형광체의 발광강도는 Ba 이온 및 Mg 이온이 동시에 포함될 때 최대 발광강도를 구현할 수 있다.
상술한 실시예의 청녹색 형광체는 화학식 1 내지 화학식 3에 포함되는 양이온과 음이온 혼합비의 조정과 공정 개선을 통해 양자효율 90% 이상의 고신뢰성을 가질 수 있다.
실시예의 청녹색 형광체의 제조 방법은 1) 알칼리 토금속의 2가 금속이온; Si 이온; 및 Eu 이온을 포함하고 있는 금속염을 정량한 후, 혼합하여 형광체 제조용 원료염을 준비하는 단계; 및
2) 상기 혼합된 원료염을 1000℃ 내지 1600℃ 및 환원가스 100 내지 1000sccm으로 제어된 환원분위기에서 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예의 형광체 제조방법 중, 단계 1)에서 청녹색 발광 형광체 모체를 형성하기 위한 원료염으로서, 금속원소는 알칼리 토금속의 2가 금속이온에서 이온반경이 다른 조성과의 조합에 따라 형광체 구조 및 특성을 최적화할 수 있다.
이에, 알칼리 토금속의 2가 금속이온으로서, 바람직하게는 Ba2+ 이온 단독 또는 상기 Ba2+ 이온에 이온반경이 상대적으로 작은 Mg2+ 이온이 포함될 수 있다.
Ba2+ 및 Mg2+의 결합비에 따라, 합성되는 형광체의 발광중심파장 및 결정구조를 유익하게 할 수 있으며, 그에 따라 효율이 뛰어나고 온도 안정성과 신뢰성이 우수한 청녹색 형광체를 제공할 수 있다.
이때, 금속원소의 산화물을 생성할 수 있는 화합물은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 고순도 화합물의 입수 용이성, 대기 중에서의 취급 용이성 및 가격측면에서 유리한 알칼리 토금속류의 탄산염, 수산염, 질산염, 황산염, 초산염, 산화물, 과산화물, 수산화물 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 알칼리 토금속류 화합물이 바람직하다.
예를 들어, 알칼리 토금속류의 탄산염, 수산염, 산화물, 수산화물, 불화물이다. 특히 알칼리 토금속류 화합물은 탄산염 형태를 사용할 수 있다. 또한, 알칼리 토금속류 화합물의 성상 역시 특별히 한정되지 않으나, 고성능의 형광체를 제조하기 위해서는 알칼리 토금속류 화합물은 분말상일 수 있다.
상술한 화학식 1의 조성식에서 알칼리 토금속의 A 원소는 0보다 크고 15 이하의 몰 농도로 사용될 때, 청녹색 형광체를 제조할 수 있으며, A 원소의 몰 농도는 산소 원소의 몰 농도와 동일비율이거나 또는 상이한 비율로 함유될 수 있다.
실시예의 청녹색 형광체 모체를 형성하기 위한 원료염으로서, Si, Ge, Sn의 원소 중 적어도 1종 이상이 사용될 수 있다.
예를 들어, 규소(Si) 화합물을 0보다 크고 15 이하의 몰농도로 사용할 수 있다. 이때, 규소 화합물은 통상의 형광체 조성물에 사용되는 규소 화합물이면, 특별히 한정되지 않으나, 고성능의 형광체를 제조하기 위한 요건으로 바람직하게는, 질화규소(Si3N4), 실리콘디이미드(Si(NH)2) 또는 산화규소(SiO2)를 사용될 수 있다.
실시예의 화학식 1의 조성식을 갖는 형광체에서 B 원소에 해당되는 규소 화합물의 몰 비율에 따라, 질소 원소의 농도와 연관되어 형광체가 제조될 수 있다.
실시예의 청녹색 형광체는 활성제(activator)로서, Eu, Ce, Sm, Er, Yb, Dy, Gd, Tm, Lu의 원소 중 적어도 1종 이상이 사용될 수 있다. 예를 들어, 실시예에서는 알칼리 토금속을 포함하는 2가 금속 대비, 유로퓸(Eu2+)이온 0.01 내지 10의 몰 농도로 원료염에 혼합될 수 있다.
또한, 실시예의 형광체 제조방법에 있어서, 단계 1)의 원료염에는 NH4Cl, KCl, MgCl2, SrCl2, BaCl2, BaF2, SrF2, CaF2, NH4F, H3BO3, K3PO4 및 KNO3로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 융제를 더 함유할 수 있다.
사용되는 융제는 원료염의 총 질량에 대하여, 1중량% 이상 최대 10중량% 미만으로 함유될 수 있다.
이때, 융제가 1중량% 미만이면, 각 화합물간의 혼합이 불충분하여 반응이 불안하게 종료될 수 있고, 10중량% 이상이면, 형광체에 불순물로 작용하여 반응 후에 세척이 어려울 수 있다.
이후, 제조방법 단계 2)는 혼합된 원료염을 1000℃ 내지 1600℃의 소성온도 및 100sccm 내지 600sccm으로 제어된 환원가스 분위기하에서 열처리를 진행하는 것일 수 있다.
이때, 소성온도가 1000℃ 미만에서 수행되면, 발색효율이 저하되고, 1600℃를 초과한 조건에서 수행되면, 색순도가 저하되어 고품질의 형광체를 얻을 수 없다.
제조단계 2)에서 환원가스 분위기는 질소 및 수소의 혼합가스에 의해 조성된 환원 가스 분위기일 수 있으며, 상압 조건에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 혼합가스는 질소 및 수소의 혼합비율이 95:5 내지 90:10로 이루어질 수 있으며, 특히 소성온도 및 혼합가스의 공급속도에 따라, 소성 시간이 달라질 수 있으며, 형광체의 발색 및 효율을 제어할 수 있다.
상술한 제조방법은 화학식 1뿐 아니라 화학식 2 내지 3에서도 그대로 이용될 수 있으며, 단지 추가되는 양이온과 음이온의 원료 혼입과정에서 차이가 있을 수 있다.
상술한 제조방법으로 획득되는 화학식 1 내지 화학식 3의 조성식을 가지는 청녹색 발광 형광체는 SiON계 형광체에서 양이온과 음이온의 성분 및 그 조성비의 최적조합에 의해, 상용 형광체 제품 대비, 대등 또는 우수한 광 방출 특성뿐만 아니라, 온도특성이 우수하여 백색광을 방출하는 발광 소자 패키지에 적용될 수 있다.
이하에서는 상술한 실시예의 청녹색 형광체를 포함하는 발광 소자 패키지의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
발광 소자 패키지의 실시예는 적어도 하나의 발광 소자와, 적어도 하나의 발광 소자 상에 배치되며 형광체 조성물을 포함하는 몰딩부를 포함하고, 형광체 조성물은 상술한 실시예의 청녹색 형광체를 포함할 수 있다.
도 18은 발광 소자 패키지의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 18의 발광 소자 패키지는 패키지 몸체(100), 패키지 몸체(100) 상에 배치되는 발광 소자(104)와 발광 소자(104)를 둘러싸고 패키지 몸체(100) 상에 배치되는 몰딩부(108)를 포함할 수 있으며, 몰딩부에는 상술한 실시예의 청녹색 형광체를 포함한 형광체 조성물(111, 112, 113)이 배치될 수 있다.
패키지 몸체(100)는 실리콘 재질, 합성수지 재질 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 열전도성이 우수한 세라믹 물질로 이루어질 수 있다.
패키지 몸체(100)에는 발광 소자와의 전기적 연결을 위한 리드 프레임(미도시)을 포함할 수 있다. 패키지 몸체(100)에 리드 프레임이 형성될 경우, 리드 프레임은 구리 등의 도전성 물질로 이루어질 수 있으며 일 예로 금(Au)을 도금하여 배치할 수 있다. 리드 프레임은 발광 소자(104)에서 방출된 빛을 반사시킬 수도 있다.
발광 소자(104)는 발광 다이오드 등이 배치될 수 있다.
발광 소자 패키지의 실시예에서 발광 소자(104)는 적어도 하나가 포함될 수 있다.
발광 소자는 청색광 또는 자외선(UV) 파장 영역의 광을 방출할 수 있으며, 형광체층에 포함되는 형광체의 여기 광원으로 사용될 수 있다.
또한, 복수의 발광 소자가 포함될 경우, 발광 소자는 서로 다른 파장 영역의 광을 방출하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 적색 발광 소자 또는 녹색 발광 소자를 포함할 수 있다.
발광 소자(104)는 와이어(105, 106)를 통하여 패키지 몸체(100) 또는 리드 프레임과 전기적으로 연결될 수 있다.
몰딩부(108)는 돔(dome) 타입으로 이루어질 수 있으며, 발광 소자 상에 배치될 수 있다.
몰딩부는 발광 소자 패키지의 광 출사각을 조절하기 위하여 다른 형상으로 배치될 수도 있다. 몰딩부는 발광소자(104)를 포위하여 보호하며 발광 소자(104)로부터 방출되는 빛의 진로를 변경하는 렌즈로 작용할 수도 있다.
몰딩부(108)는 수지부를 포함하여 이루어질 수 있으며, 수지부는 실리콘계 수지, 에폭시계 수지, 아크릴계 수지 중 어느 하나를 포함하는 혼합물 또는 그 화합물의 그룹으로부터 선택된 수지를 포함할 수 있다.
실시예의 발광 소자 패키지(100)에서는 상술한 실시예의 청녹색 형광체를 포함할 수 있다.
이때, 청녹색 형광체는 원하는 색 좌표에 따라 함량이 조정될 수 있으나, 실리콘, 에폭시 수지 또는 봉지재 100 중량부에 대하여, 0.1이상 99이하 중량부가 함유될 수 있다.
형광체 조성물에는 녹색 또는 황색 형광체 중 어느 하나 및 적색 형광체를 더 포함할 수 있다.
녹색 형광체 또는 황색 형광체는 LuAG 계열 또는 YAG 계열의 형광체 일 수 있다.
예를 들어, 녹색 형광체 또는 황색 형광체는 (Lu,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce3+ 또는 (Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce3+ 일 수 있다.
적색 형광체는 (Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+ 또는 (Sr,Ba,Ca)2Si5N8:Eu2+일 수 있다.
하지만, 녹색 형광체 또는 황색 형광체 중 어느 하나 또는 적색 형광체는 예를 들어 설명한 형광체의 종류에 한정하지 않으며, 녹색 또는 황색 발광 파장을 갖거나 또는 적색 발광 파장을 갖는 다양한 종류의 형광체가 사용될 수 있다.
청녹색 형광체를 포함하는 상술한 실시예의 발광 소자 패키지는 백색광을 방출할 수 있다.
도 19는 실시예의 청녹색 형광체를 포함하여 제조된 발광 소자 패키지와 상용 백색 LED 소자에 대한 광 스펙트럼을 연색지수(CRI) 90에 색온도 5000K 기준 하에서 비교한 결과이다.
예를 들어, 발광 소자 패키지에 포함되는 청녹색 형광체는 화학식 1 내지 화학식 3의 조성식으로 표시되는 것일 수 있으며, Ba2 .95Si5 .95O3 .4N8 .33F0.22:Eu0 .15,
Ba2 .84Mg0 .11Si5 .95O5 .4N6 .33F0.22:Eu0 .15, Ba2 .79Mg0 .11Si6O3 .62N8F0 .66K0 .465P0 .155Li0 .66:Eu0 .15로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
도 19를 참조하면, 적색 그래프는 5000K색온도 조건하에서의 연색지수(CRI) 90이 구현되는 현재 상용 백색 LED 소자의 스펙트럼이고, 청색 그래프는 실시예의 청녹색 발광 형광체를 사용하여 제작된 백색 LED 소자의 광 스펙트럼으로서, 실시예의 청녹색 형광체를 포함하는 백색 LED 소자의 경우, 적색 영역의 스펙트럼이 감소하여 전반적으로 광속이 향상되는 결과를 가질 수 있다.
도 20은 실시예의 청녹색 형광체를 이용하여 제작된 백색 LED 소자에 대하여 연색지수(CRI) 80에 색온도 5000K 기준 하에서 관찰한 광 스펙트럼으로서, 500nm영역 부근에 발광영역이 생겨 연색지수(CRI)를 향상시키며 소자의 백색광을 구현함을 확인할 수 있다.
도 20을 참조하면, 녹색 형광체와 적색 형광체에 실시예의 청녹색 형광체를 더 함유하여 제작된 백색 LED 소자는 상용 백색 LED 소자와 대등한 연색지수(CRI) 값을 유지하면서도 광속이 10% 내외로 향상될 수 있다
따라서, 실시예의 발광 소자 패키지는 상술한 실시예들의 청녹색 형광체를 포함함으로써, 적색 형광체 성분의 과도한 사용을 억제하면서 연색성과 광속을 극적으로 향상시켜 LED의 발광강도를 높이고 열안정성을 향상 시킬 수 있다
실시예의 발광 소자 패키지에서 발광 소자는 청색 파장영역의 광을 방출하는 것일 수 있으며, 300nm 내지 420nm UV 발광 소자이거나 420nm 내지 480nm의 청색 발광 소자일 수 있다.
이러한 UV광 또는 청색광을 발광 하는 발광 소자를 여기 광원으로 사용하며, 발광 소자는 GaN 발광 소자일 수 있다.
일 실시예의 발광 소자 패키지는 510nm 내지 570nm 영역의 중심 발광파장을 갖는 녹색 또는 황색형광체와 610nm 내지 670nm 영역의 중심 발광파장을 갖는 적색형광체 및 상술한 실시예의 화학식 1 내지 화학식 3의 조성식으로 표시되는 청녹색 형광체를 포함할 수 있다.
실시예의 청녹색 형광체는 300nm 내지 490nm 영역의 광에 의하여 여기 될 수 있으며, 460nm 내지 540nm영역의 중심 발광파장을 가질 수 있다.
예를 들어, 발광 소자 패키지의 제1실시형태로는 525nm 내지 535nm 영역의 중심 발광파장을 갖는 녹색 또는 황색형광체 및 625nm 내지 635nm 영역의 중심 발광파장을 갖는 적색형광체일 때, 화학식 1 내지 화학식 3의 조성식을 가지는 청녹색(BG) 형광체는 아래의 중량비율을 가질 수 있다.
0 중량% < M < 50 중량%
여기서, M={mb/(mb+mg+mr)}*100 이고, mb는 상기 청녹색 형광체의 중량, mg는 상기 녹색 또는 황색 형광체 중 어느 하나의 중량, mr은 상기 적색 형광체의 중량에 해당한다.
또한, 제2실시형태의 발광 소자 패키지는 520nm 내지 530nm 영역의 중심 발광파장을 갖는 녹색 또는 황색형광체 및 650nm 내지 665nm 영역의 중심 발광파장을 갖는 적색형광체일 때, 화학식 1 내지 화학식 3의 조성식을 가지는 청녹색(BG) 발광 형광체는 아래의 중량비율로 포함될 수 있다.
0 중량% < M < 20 중량%
여기서, M={mb/(mb+mg+mr)}*100 이고, mb는 상기 청녹색 형광체의 중량, mg는 상기 녹색 또는 황색 형광체 중 어느 하나의 중량, mr은 상기 적색 형광체의 중량에 해당한다.
또 다른 실시예인 제3실시형태의 발광 소자 패키지는 535nm 내지 545nm 영역의 중심 발광파장을 갖는 녹색 또는 황색형광체 및 650nm 내지 665nm 영역의 중심 발광파장을 갖는 적색형광체일 때, 화학식 1 내지 화학식 3의 조성식을 가지는 청녹색(BG) 발광 형광체는 아래의 중량비율로 포함될 수 있다.
0 중량% < M < 40 중량%
여기서, M={mb/(mb+mg+mr)}*100 이고, mb는 상기 청녹색 형광체의 중량, mg는 상기 녹색 또는 황색 형광체 중 어느 하나의 중량, mr은 상기 적색 형광체의 중량에 해당한다.
또한, 제 3실시형태에 있어서, 청녹색 형광체의 중량비율이 5 중량% 내지 35 중량% 일 때, 발광 소자 패키지의 연색지수(CRI)는 90Ra 이상 99Ra이하일 수 있다.
상기 제1실시형태 내지 제3실시형태에서는 청녹색 형광체를 포함하고, 그 함량을 조절하여, 광효율에 불리한 적색 대신 청녹색을 다량 사용하도록 배합함으로써, 색 온도(CCT)가 2,000K 내지 10,000K 조건에서 연색 지수(CRI) 60Ra 이상 99Ra이하를 갖는 발광 소자 패키지를 구현할 수 있다.
또한, 실시예의 발광 소자 패키지는 440nm 내지 460nm 영역의 제1피크, 490nm 내지 510nm 영역의 제2피크, 530nm 내지 540nm 영역의 제3피크 및 650nm 내지 655nm 영역의 제4피크의 피크 패턴을 가지는 발광스펙트럼을 가질 수 있다.
예를 들어 도 21, 도 23 및 도 25에 도시된 발광 스펙트럼은 청녹색 형광체 함유 없이, 종래의 녹색형광체 및 적색형광체로 배합되어 제작된 LED 소자의 발광 스펙트럼을 도시한 것이다.
예를 들어, 도 21은 제1실시형태, 도 23은 제2실시형태, 도 25는 제3실시형태에서 각각 청녹색 형광체가 제외된 발광 소자 패키지에 대한 발광 스펙트럼일 수 있다.
반면에, 도 22, 도 24 및 도 26은 상기 제1실시형태 내지 제3실시형태에서 제시된 청녹색 형광체가 배합되어 제조된 경우, 440nm 내지 460nm 영역(제1피크), 490nm 내지 510nm 영역(제2피크), 530nm 내지 540nm 영역(제3피크) 및 650nm 내지 655nm 영역(제4피크)에서의 피크 패턴을 가지는 발광스펙트럼을 확인할 수 있다.
예를 들어, 도 22는 제1실시형태, 도 24는 제2실시형태이고 도 26은 제3실시형태의 발광 소자 패키지에 대한 발광 스펙트럼일 수 있다.
상술한 발광 소자 패키지 실시예에서 색 온도(CCT) 2700K 내지 6500K 조건에서 연색지수(CRI)가 65이상 98이하로 유지되며, 또한, 개선된 광속 특성을 가질 수 있다.
예를 들어, 발광 소자 패키지의 실시예는 발광 소자 상에 녹색 형광체, 적색 형광체 및 청녹색 발광 형광체가 분산 분포되는 타입(dispersive type); 컴포말 타입(conformal type); 또는 리모트 타입(remote type); 으로 제작된 LED 패키지를 포함한다.
도 27은 형광체가 발광 소자 상에 분산 분포되는 타입(dispersive type)으로 제작된 백색 LED 소자의 개략적인 구성도로서 통상의 방법을 이용하여 제작된다.
도 28은 형광체 조성물이 포말 타입(conformal type)으로 발광 소자 상에 코팅되어 형성되는 발광 소자 패키지의 실시예를 나타낸 도면으로, 형광체는 발광 소자와 인접하여 형성될 수 있다.
도 29는 형광체가 리모트 타입(remote type)으로 배치되는 실시예를 나타낸 도면이다. 도 29의 실시예에서 리모트 타입의 형광체층은 세라믹, 폴리머, PIG(Phosphor In Glass) 등의 플레이트로도 형성될 수 있다.
도 30은 발광 소자 패키지의 다른 실시예로 형광체 조성물은 발광 소자 상에 스프레이 방식으로 도포 된 후 경화되어 형성될 수 있다.
상술한 실시예의 발광 소자 패키지는 조명장치의 광원으로 포함될 수 있다.
예를 들어, 실시예들의 발광 소자 패키지는 휘도 및 연색성이 우수하여, 카메라 플래시, 노트북, 모바일, 스마트폰, TV용 백라이트유닛 및 디스플레이로 이루어진 군에서 선택되는 전자부품분야용 광원으로 포함될 수 있다.
또는 차량용 헤드램프, 실내등, 실외등, 가로등, 전광판 조명, 경기장 조명, 의약용 광원, 전시장용 광원 및 농업용 광원 등 각종 조명제품 혹은 광원에 포함될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 청녹색 형광체 제조 및 물성평가
BaCO3, Si3N4 및 Eu2O3 등의 원료염을 각각 정량하고, 볼 밀(Ball Mill) 통에 넣어 8~24 시간 동안 이소프로필 알코올을 용매로 하여 볼 밀링한 후 건조하였다. 이후, 1300? 온도에서 3시간 동안 수소가스를 100sccm의 유량으로 제어된 환원분위기 하에서 소성하여, 형광체를 제조하였다. 이때, 융제를 사용하였다.
표 1 내지 표 4는 화학식 1의 조성식으로 표시되는 실시예들에 대한 광특성 결과이다.
표 1 내지 표 4에서는 BaaSibOcNdCe:Euh의 조성식에서 각 원소이온의 몰비율에 따라 형광체를 제조하고 그 형광체의 물성을 하기 표 1 내지 표 4에 나타내었다.
비율 조성
0.01≤e≤10		 휘도
(Brightness,%)		 중심파장
(nm)		 반치폭
(nm)		 색좌표
(Cx, Cy)
C=0.01 Ba2 .9Si6O3N8C0 .01:Eu0 .1 100 495 30 0.068, 0.480
C=0.1 Ba2 .9Si6O3N8C0 .1:Eu0 .1 97 495 30 0.068, 0.489
C=1 Ba2 .9Si6O3N8C1:Eu0 .1 95 495 30 0.068, 0.478
C=5 Ba2 .9Si6O3N8C5:Eu0 .1 87 495 31 0.068, 0.477
C=10 Ba2 .9Si6O3N8C10:Eu0 .1 70 495 33 0.068, 0.473
비율 조성
0.01≤e≤10		 휘도
(Brightness,%)		 중심파장
(nm)		 반치폭
(nm)		 색좌표
(Cx, Cy)
F=0.01 Ba2 .9Si6O3N8F0 .01:Eu0 .1 100 495 30 0.068, 0.480
F=0.1 Ba2 .9Si6O3N8F0 .1:Eu0 .1 99 495 30 0.068, 0.479
F=1 Ba2 .9Si6O3N8F1:Eu0 .1 98 496 30 0.069, 0.480
F=5 Ba2 .9Si6O3N8F5:Eu0 .1 95 496 30 0.069, 0.478
F=10 Ba2 .9Si6O3N8F10:Eu0 .1 92 495 30 0.068, 0.478
비율 조성
0.01≤e≤10		 휘도
(Brightness,%)		 중심파장
(nm)		 반치폭
(nm)		 색좌표
(Cx, Cy)
Cl=0.01 Ba2 .9Si6O3N8Cl0 .01:Eu0 .1 100 495 30 0.068, 0.480
Cl=0.1 Ba2 .9Si6O3N8Cl0 .1:Eu0 .1 97 495 30 0.069, 0.479
Cl=1 Ba2 .9Si6O3N8Cl1:Eu0 .1 99 496 30 0.069, 0.480
Cl=5 Ba2 .9Si6O3N8Cl5:Eu0 .1 97 495 30 0.069, 0.479
Cl=10 Ba2 .9Si6O3N8cCl10:Eu0 .1 95 494 30 0.068, 0.479
비율 조성
0.01≤e≤10		 휘도
(Brightness,%)		 중심파장
(nm)		 반치폭
(nm)		 색좌표
(Cx, Cy)
Br=0.01 Ba2 .9Si6O3N8Br0 .01:Eu0 .1 100 495 30 0.068, 0.480
Br=0.1 Ba2 .9Si6O3N8Br0 .1:Eu0 .1 93 495 30 0.068, 0.479
Br=1 Ba2 .9Si6O3N8Br1:Eu0 .1 90 494 30 0.069, 0.478
Br=5 Ba2 .9Si6O3N8Br5:Eu0 .1 82 492 32 0.067, 0.476
Br=10 Ba2 .9Si6O3N8cBr10:Eu0 .1 65 491 34 0.066, 0.472
상기 표 1 내지 표 4의 형광체 물성평가와 도 1 내지 도 4에서 화학식 1의 조성식으로부터 얻어진 형광체의 여기 스펙트럼과 발광스펙트럼의 특성으로부터, 양이온과 음이온의 성분 및 그 조성비에 따라 제조된 형광체는 300nm 내지 500nm 파장 영역을 여기원으로 하고, 460nm 내지 540nm 발광 파장을 방출하고, 그 발광중심파장이 490nm 내지 500nm인 청녹색 발광 형광체임을 확인할 수 있다.
표 5는 화학식 1에 있어서, A가 Ba이고 B가 Si, C가 F이며 RE가 Eu인 경우에 있어서 청녹색 형광체의 실시예를 나타낸 것이다.
즉, 표 5의 실시예는 BaaSibOcNdFe:Eug에서, a가 0 <a≤ 15일 때의 광 특성을 나타낸 것이다. 상기의 화학 조성식에서 5 ≤b≤ 15이고, 2 ≤c≤ 7, 5 ≤d≤ 20, 0 <e≤ 1, 0 <g≤ 1 일 수 있다.
예를 들어, 실시예1-1 내지 실시예 1-4는 다른 성분의 조성비는 동일하고, 단지 Ba의 함량이 다른 경우에 해당할 수 있다.
구분 발광 중심 파장(nm) 광속 (Intensity)
실시예 1-1 495.6 33.3
실시예 1-2 495.6 34.4
실시예 1-3 495.6 34.1
실시예 1-4 495.6 31.3
표 5의 결과를 참조하면, 화학식 1의 조성식에서 Ba의 몰비율인 a가 0 <a≤ 15 에서 광속이 우수한 청녹색 형광체를 구현하는 것을 확인할 수 있다.
<실시예 2> 청녹색 형광체 제조 및 물성평가
하기 표 6 내지 표 9에서는 제시된 BaCO3, MgF2, Si3N4 및 Eu2O3을 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 형광체를 제조하였다.
상기 제조된 형광체의 물성을 하기 표 6 내지 표 9에 나타내었다.
표 6 내지 표 9에서는 화학식 2로 표시되는 실시예에 대하여 Ba와 Mg의 조성비를 달리하여 제조된 청녹색 형광체에 대한 광특성을 나타낸다.
표 6 내지 표 9에서 광속(Intensity)은 발광 스펙트럼에서의 발광 피크의 면적을 나타내는 것으로서, 측정한 형광체의 총 발광량에 해당할 수 있다.
표 6 내지 표 9에서의 실시예는 화학식 2의 조성식을 가지는 실시예로서, 예를 들어, BaxMgySibOcNdFe:Eug 이고, 조성식에서 5 ≤b≤ 15이고, 2 ≤c≤ 7, 5 ≤d≤ 20, 0 <e≤ 1, 0 <g≤ 1 일 수 있다.
표 6은 BaxMgySi5 .45O2 .8N7F0 .22:Eu0 . 15 에서의 Ba와 Mg의 조성비를 조절하여 측정한 광 특성 값을 나타낸 것이다.
표 6의 결과를 참조하면, 화학식 2에서 Ba의 몰비는 0.5 보다 크고 2.5이하일 수 있고, Mg의 몰비는 0 보다 크고 2이하일 수 있으며, 화학식 2의 x+y 값은 0.5 <x+y≤ 2.5일 수 있다.
또한, 예를 들어, Mg의 몰비는 0 보다 크고 0.5이하일 수 있다.
구분 발광중심파장(nm) 광속 (Intensity) 반치폭(nm)
실시예 2-1 495.6 33.4 29.6
실시예 2-2 495.6 35.2 30.6
실시예 2-3 495.6 36.8 30.6
실시예 2-4 495.6 34.8 30.6
실시예 2-5 495.6 33.7 30.6
실시예 2-6 495.6 32.8 30.6
실시예 2-7 495.6 30.8 30.6
실시예 2-8 495.6 25.5 31.6
실시예 2-9 495.6 21.5 29.6
실시예 2-10 495.6 15.5 30.6
도 6은 표 6의 실시예들의 조성식을 갖는 청녹색 형광체에 대하여 발광 파장 특성을 나타낸 도면이다.
표 6 및 도 6을 참조하면, 화학식 2의 조성식으로 표시되는 표 6의 실시예들은 490nm~500nm의 발광 중심 파장을 가지는 청녹색 형광체임을 확인할 수 있다.
도 6의 도시를 참조하면, Mg의 함량이 증가되면 광속 값이 증가하나, Mg 값이 0.5이상에서는 광속의 감소가 커지는 것을 알 수 있다.
상기 표 6에서 확인되는 바와 같이, 발광중심파장 495nm의 청녹색 발광 형광체가 제조되었으며, 그 물성평가에서 휘도 및 반치폭의 결과로부터, Ba 이온자리에 Mg 이온이 채워져, 결정성이 안정화됨을 확인할 수 있다.
표 7은 BaxMgySi5 .45O2 .8N7F0 .22:Eu0 . 15 에서의 Ba와 Mg의 조성비를 조절하여 광 특성을 측정한 결과이다.
표 7에서 사용된 화학식 2의 실시예에서 Ba의 몰비는 1.5 보다 크고 3.5이하일 수 있고, Mg의 몰비는 0 보다 크고 2.5이하일 수 있으며, 화학식 2의 x+y 값은 1.5 보다 크고 3.5이하일 수 있다.
예를 들어, Mg의 몰비는 0보다 크고 0.8이하일 수 있다.
구분 발광중심파장(nm) 광속 (Intensity) 반치폭(nm)
실시예 2-11 495.6 34.4 30.6
실시예 2-12 495.6 36.4 30.6
실시예 2-13 495.6 37.6 30.6
실시예 2-14 495.6 35.4 30.6
실시예 2-15 495.6 34.7 30.6
실시예 2-16 495.6 33.5 30.6
실시예 2-17 495.6 32.9 30.6
실시예 2-18 495.6 31.5 30.6
실시예 2-19 494.6 24.8 29.6
실시예 2-20 498.6 17.4 30.6
도 7은 표 7의 실시예들의 조성식을 갖는 청녹색 형광체에 대하여 발광 파장 특성을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, Mg의 함량이 증가되면 광속 값이 증가하나, Mg 값이 0.8보다 클 때 광속의 감소가 커지는 것을 알 수 있다.
표 8은 BaxMgySi12 .1O3 .3N18F0 .22:Eu0 . 15 에서의 Ba와 Mg의 조성비를 조절하여 광 특성을 측정한 결과이다.
표 8에서 사용된 화학식 2의 실시예에서 Ba의 몰비는 3.5보다 크고 7.5이하일 수 있고, Mg의 몰비는 0보다 크고 5이하일 수 있으며, 화학식 2의 x+y 값은 3.5보다 크고 7.5이하일 수 있다.
구분 발광중심파장(nm) 광속 (Intensity) 반치폭(nm)
실시예 2-21 495.6 34.1 30.6
실시예 2-22 495.6 34.1 30.6
실시예 2-23 495.6 34.8 30.6
실시예 2-24 495.6 35.1 30.6
실시예 2-25 495.6 35.4 30.6
실시예 2-26 495.6 35.5 30.6
실시예 2-27 495.6 36.1 30.6
실시예 2-28 495.6 35.2 30.6
실시예 2-29 495.6 34.1 30.6
실시예 2-30 495.6 31 30.6
도 8은 표 8의 실시예들의 조성식을 갖는 청녹색 형광체에 대하여 발광 파장 특성을 나타낸 도면이다.
예를 들어, 표 8과 도 8을 참조하면, 실시예들에 있어서 Mg의 몰비율은 0 보다 크고 1.7이하일 수 있으며, Mg의 함량 증가에 따라 광속이 증가되나 Mg가 0.5일 때 최대값을 가지며 이후 다시 광속이 감소하는 것을 알 수 있다.
표 9는 BaxMgySi14 .95O5 .3N19 .9F0.67:Eu0 . 15 에서의 Ba와 Mg의 조성비를 조절하여 광 특성을 측정한 결과이다.
표 9에서 사용된 화학식 2의 실시예에서 Ba의 몰비는 7.5보다 크고 14.5이하일 수 있고, Mg의 몰비는 0 보다 크고 10이하일 수 있으며, 화학식 2의 x+y 값은 7.5 보다 크고 14.5 이하일 수 있다.
구분 발광중심파장(nm) 광속 (Intensity) 반치폭(nm)
실시예 2-31 495.6 31.5 30.6
실시예 2-32 495.6 31.7 30.6
실시예 2-33 495.6 32 30.6
실시예 2-34 495.6 32.7 30.6
실시예 2-35 495.6 32.8 30.6
실시예 2-36 495.6 33 30.6
실시예 2-37 495.6 34.1 30.6
실시예 2-38 495.6 35.4 30.6
실시예 2-39 494.6 36.8 29.6
실시예 2-40 498.6 35.1 30.6
도 9는 표 9의 실시예들의 조성식을 갖는 청녹색 형광체에 대하여 발광 파장 특성을 나타낸 도면이다.
예를 들어, 표 9과 도 9를 참조하면, 실시예들에 있어서 Mg의 몰비율은 0 보다 크고 2.5이하일 수 있으며, Mg의 함량 증가에 따라 광속이 증가 되나 Mg가 1.5 이상 일 때 광속이 다시 감소하는 것을 확인할 수 있다.
표 6 내지 표 9에서 Ba와 Mg의 비율을 변화한 실시예들을 기술하였으나, 화학식 2로 표시되는 실시예의 청녹색 형광체에서 Ba과 Mg의 몰비율은 표에서 제시된 것에 한정하지 않는다.
표 6 내지 표 9의 실시예를 참고하면, Ba의 몰비율인 x의 값이 0.5 <x≤ 14.5 일 때, Mg의 몰비율인 y는 0 <y≤ 10 이고, 0.5 <x+y≤ 14.5 일 수 있다.
예를 들어, Ba의 몰비율인 x의 값이 2 ≤x≤ 5 일 때, Mg의 몰비율인 y는 0 <y≤2 이고, 2 <x+y≤ 7 일 때, 실시예의 청녹색 형광체는 우수한 발광 특성을 나타낼 수 있다.
하지만, 화학식 2의 실시예에서 Ba와 Mg의 몰 비율은 이에 한정하지 않으며, x와 y의 값은 제시된 비율과 다를 수 있다.
표 6 내지 표 9의 실시예들의 결과를 참조하면, 형광체 실시예에서 Ba와 Mg를 포함함으로써 청녹색의 발광 파장 특성을 가지면서 광속을 개선된 형광체를 얻을 수 있다.
또한 Ba에 대한 Mg의 함량을 증가시켜 청녹색 형광체의 광속을 개선할 수 있다.
즉, 2가 양이온으로서 Ba2+ 이외에 Mg2+를 추가함으로써, Ba2+ 이온보다 이온반경이 작은 Mg2+ 이온(원자 반경이 160 pm)이 모체(lattice)에 더 편입되어 결정 구조를 형성할 수 있다.
이온 반경이 더 작은 Mg가 포함됨으로써, Ba와 Mg를 포함하는 청녹색 형광체는 단일상의 결정 구조 내 격자 결함을 최소화하여 높은 광 효율과 온도 안정성을 가질 수 있다.
도 6 내지 도 9를 참조하면, 화학식 2로 표시되는 청녹색 형광체의 발광 파장은 460nm 내지 540nm 이며, 발광 피크의 중심 파장은 490nm 내지 500nm일 수 있다.
실시예의 청녹색 발광 형광체는 결정성을 가장 좋게 할 수 있는 Ba, Mg 등의 포함할 수 있으며, Ba와 Mg의 조성비 조절과 함께 추가되는 양이온과 음이온의 성분 및 조성비를 최적화할 수 있다.
예를 들어, 음이온인 N이온과 O이온의 조합에서 발생되는 결정 내 격자 결함을 안정화시킬 수 있도록, 양이온과 음이온을 추가하고 조성비를 최적화 할 수 있다.
<실시예 3> 청녹색 형광체 제조 및 물성평가
하기 표 10에서는 제시된 BaCO3, MgF2, Si3N4 및 Eu2O3 및 K3PO4을 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 형광체를 제조하였다.
상기 제조된 형광체의 물성을 하기 표 6 내지 표 9에 나타내었다.
표 10에서는 화학식 3으로 표시되는 실시예에 대하여 K와 P의 조성비를 달리하여 제조된 청녹색 형광체에 대한 광특성을 나타낸다.
표 10에서 광속(Intensity)은 발광 스펙트럼에서의 발광 피크의 면적을 나타내는 것으로서, 측정한 형광체의 총 발광량에 해당할 수 있다.
구분 발광 중심 파장(nm) 광속 (Intensity) 반치폭(nm)
실시예 3-1 493.6 19.0 31.4
실시예 3-2 494.6 30.2 31.4
실시예 3-3 495.6 36 31.0
실시예 3-4 495.6 36.8 31.2
실시예 3-5 496.6 28.7 32.0
실시예 3-6 496.6 29.8 31.4
표 10에서 표시되는 실시예는 화학식 3의 조성식으로 표시될 수 있으며, 예를 들어, BaxMgySibOcNdFeKWPZ:Euh 의 조성식으로 표시될 수 있다.
표 10은 BaxMgySibOcNdFeKWPZ:Euh 의 조성식에서 다른 성분의 함량은 고정하고 K와 P의 함량을 조절하여 측정한 광 특성 값을 나타낸 것이다.
예를 들어, 표 10의 실시예들은 BaxMgySibOcNdFeKWPZ:Euh 에서 0.5 <x≤ 15, 0 <y≤ 10, 0.5 <x+y≤ 15, 5 ≤b≤ 15이고, 2 ≤c≤ 7, 5 ≤d≤ 20, 0 <e≤ 1, 0 <h≤ 1 일 수 있다.
표 10의 결과를 참조하면, 화학식 2에서 K의 몰비는 0보다 크고 6 이하일 수 있으며, P의 몰비는 0 보다 크고 2 이하일 수 있다.
예를 들어, K의 몰비는 0.2 이상이고 0.6이하일 수 있다.
도 10은 표 10의 실시예들의 조성식을 갖는 청녹색 형광체에 대하여 발광 파장 특성을 나타낸 도면이다.
표 10 및 도 10을 참조하면, K의 함량에 따라 광속의 변화가 있으며, K가 0.6몰 이하일 때는 K의 함량이 증가되면 광속 값이 증가하나, K의 몰비율 값이 0.6몰 보다 클 때는 광속의 감소가 커지는 것을 알 수 있다.
또한 도 10을 참조하면, 실시예들의 발광 중심 파장은 490nm 내지 500nm에 있어 청녹색 발광 특성을 갖는 것을 알 수 있다.
상기 표 10에서 확인되는 바와 같이, 발광중심파장 492nm 내지 495nm의 청녹색 발광 형광체가 제조되었으며, K가 청녹색 형광체의 격자 결합을 더욱 견고하게 하여 실시예의 청녹색 형광체는 광 특성 및 열안정성을 개선하는 효과를 가질 수 있다.
한편, 표 10의 실시예들에서 예를 들어, P의 함량은 0 보다 크고 0.2이하일 수 있다.
<실시예 4> 청녹색 형광체 제조 및 물성평가
하기 표 11에서는 제시된 BaCO3, MgF2, Si3N4 및 Eu2O3, K3PO4 및 LiF를 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 형광체를 제조하였다.
표 11에서는 화학식 3의 조성비를 갖도록 제조된 형광체의 물성을 나타내었다.
표 11에서는 화학식 3으로 표시되는 실시예에 대하여 Li와 F의 함량을 달리하여 제조된 청녹색 형광체에 대한 광특성을 나타낸다.
표 11에서 광속(Intensity)은 발광 스펙트럼에서의 발광 피크의 면적을 나타내는 것으로서, 측정한 형광체의 총 발광량에 해당할 수 있다.
구분 발광중심파장(nm) 광속(Intensity) 반치폭(nm)
실시예 4-1 494.6 38.4 31.4
실시예 4-2 494.6 39.2 31.4
실시예 4-3 495.6 39.6 31.4
실시예 4-4 496.6 40.7 31.6
실시예 4-5 495.6 37.7 31.4
실시예 4-6 494.6 34.7 31.4
실시예 4-7 494.6 30.3 31.4
실시예 4-8 494.6 25.5 31.4
실시예 4-9 494.6 19.2 31.4
예를 들어, 화학식 3의 조성식은 BaxMgySibOcNdFeKwPzLiv:Euh으로 표시될 수 있으며, 표 11은 BaxMgySibOcNdFeKwPzLiv:Euh의 조성식에서 다른 성분의 함량은 고정하고 Li 및 F의 함량을 조절하여 측정한 광 특성 값을 나타낸 것일 수 있다.
예를 들어, 표 11의 실시예인 화학식 3의 조성식은 BaxMgySibOcNdFeKwPzLiv:Euh일 수 있으며, 여기에서 0.5 <x≤ 15, 0 <y≤ 10, 0 <x+y≤ 15, 5 ≤b≤ 15, 2 ≤c≤ 7, 5 ≤d≤ 20, 0 <e≤ 1 및 0 <h≤ 1 및 0 <w≤ 6 이고 0 <z≤ 2 일 수 있다.
표 11의 결과를 참조하면, 화학식 3에서 Li의 몰비는 0 보다 크고 6 이하일 수 있다. 또한, F의 몰비는 0 보다 크고 6 이하일 수 있다.
예를 들어, Li의 양은 0 보다 크고 1.4이하일 수 있다.
도 11은 표 11의 실시예들의 조성식을 갖는 청녹색 형광체에 대하여 발광 파장 특성을 나타낸 도면이다.
표 11 및 도 11을 참조하면, Li과 F의 함량에 따라 광속의 변화가 있으며, LiF가 1.4몰 이하에서는 LiF의 함량이 증가되면 광속 값이 증가하나, LiF의 몰비율 값이 1.4 보다 클 때는 광속의 감소가 커지는 것을 알 수 있다.
또한 도 11을 참조하면, 실시예들의 발광 중심 파장은 490nm 내지 500nm에 있어 청녹색 발광 특성을 갖는 것을 알 수 있다.
상기 표 11에서 확인되는 바와 같이, 발광중심파장 492nm 내지 495nm의 청녹색 발광 형광체가 제조되었으며, Li가 청녹색 형광체의 격자 결합을 더욱 견고하게 하여 실시예의 청녹색 형광체는 광 특성 및 열안정성을 개선하는 효과를 가질 수 있다.
<실험예 1> 형광체의 입자크기분포(PSA) 측정
도 13은 실시예의 청녹색 발광 형광체에 대하여 입자크기분포(PSA) 측정하였다. 예를 들어 입자크기분포의 실험예 사용된 실시예의 형광체는 , Ba2.84Mg0.11Si5.95O3.4N8.33F0.22:Eu0.15 조성식으로 표시될 수 있으며, 구체적인 결과를 하기 표 10에 기재하였다.
아래 표 12의 결과로부터, 본 발명의 청녹색 발광 형광체는 분포도(Dispersive, D10): 1㎛ 이상 10㎛미만, D20: 5㎛ 이상 15㎛ 미만, D30: 10㎛ 이상 20㎛미만, D40: 10㎛ 이상 25㎛미만, D50: 10㎛ 이상 30㎛미만, D60: 15㎛ 이상 30㎛미만, D70: 15㎛ 이상 35㎛미만, D80: 20㎛ 이상 40㎛미만, D90: 20㎛ 이상 70㎛미만, D100: 25㎛ 이상 100㎛미만의 입자크기분포(PSA)를 확인하였다.
% Tile 입자크기(㎛)
10.00 8.52
20.00 10.81
30.00 12.59
40.00 14.20
50.00 15.81
60.00 17.56
70.00 19.66
80.00 22.53
90.00 27.72
100.00 73.41
<실험예 2> 형광체의 EDX 분석
실시예의 청녹색 발광 형광체에 대하여 Energy Dispersive Spectrometer (Thermo, Noran)를 이용하여 분석(EDX)하였다.
이에, EDX 분석결과, 본 발명의 청녹색 발광 형광체가 포함하는 성분들에 대한 Wt% 및 At%를 하기 표 13에 기재하고, 도 14에 분석결과를 도시하였다.
Element Wt% At%
N 3.98 15.08
O 4.85 16.12
F 1.65 4.62
Mg 1.31 2.87
Si 18.12 34.27
Ba 68.04 26.32
Eu 2.05 0.72
상기 표 13의 결과로부터, 형광 X선 분석으로 본 발명의 청녹색 발광 형광체를 정량적으로 분석하면, Ba, Mg, Si, O, N, F, Eu의 원소를 확인하였으며, 더욱 구체적으로는, 각각에 원소에 At% 대하여 20 ≤Ba≤ 35, 1 ≤Mg≤ 10, 25 ≤Si≤ 45, 10 ≤O≤ 20, 10 ≤N≤ 20, 1 ≤F≤ 10, 0.1 ≤Eu≤ 5의 범위를 가지며 원소의 총 At%가 100이 되는 형광체가 제조되었음을 확인하였다.
<실시예 5> 청녹색(BG) 형광체를 포함하는 발광 소자 패키지의 실시예
<실시예 5-1~5-4> 제 1실시형태에 의한 발광 소자 패키지 제작
제 1실시형태의 발광 소자 패키지에 포함되는 형광체 조성물에는 녹색형광체로서 525nm 내지 535nm의 중심 발광파장을 갖는 LuAG계 형광체(Lu,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce3 +, 적색형광체로서 625nm 내지 635nm의 중심 발광파장을 갖는 (Sr,Ca)AlSiN3:Eu2 +, 화학식 3의 청녹색 형광체(BG)가 포함될 수 있다. 예를 들어, 화학식 3의 조성식에서 A는 Ba 및 Mg이고, B는 Si이고, C는 F이며, D는 Li 및 K를 포함하며, E는 P이고 RE는 Eu일 수 있다.
녹색 형광체, 적색 형광체 및 청녹색 형광체는 표 14에 제시된 비율로 배합하여, 자외선 또는 청색광을 여기원으로 방출하는 발광 소자 상에 도포 또는 박막형으로 배치된 후, 100℃ 내지 160℃에서 1시간 동안 경화시켜 고정될 수 있다.
<비교예 1~2>
하기 표 14에 제시된 비율로 배합하는 것을 제외하고는, 비교예의 발광 소자 패키지는 상기 실시예 5-1 내지 5-4와 동일하게 제조되었다.
구분 형광체 비율
BG LuAG-1
(525nm~535nm)		 (Sr,Ca)AlSiN3-1 (625nm~635nm) Total(%)
비교예1 0 90 10 100
실시예5-1 5 85 10 100
실시예5-2 10 80 10 100
실시예5-3 15 75 10 100
실시예5-4 20 70 10 100
비교예2 25 65 10 100
<실시예 5-5~5-6> 제 2실시형태의 발광 소자 패키지 제작
제 2실시형태의 발광 소자 패키지에 포함되는 형광체 조성물에는 녹색형광체로서 520nm 내지 530nm의 중심 발광파장을 갖는 LuAG계 형광체(Lu,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce3 +, 적색형광체로서, 650nm 내지 665nm의 중심 발광파장을 갖는 (Sr,Ca)AlSiN3:Eu2 +, 화학식 3의 조성식을 갖는 청녹색 형광체 실시예가 포함될 수 있다.
녹색 형광체, 적색 형광체 및 청녹색 형광체는 표 15에 제시된 비율로 배합하여, 자외선 또는 청색광을 여기원으로 방출하는 발광 소자 상에 도포 또는 박막형으로 배치된 후, 100℃ 내지 160℃에서 1시간 동안 경화시켜 고정될 수 있다.
<비교예 3>
하기 표 15에 제시된 비율로 배합하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 5-5와 동일하게 제조되었다.
구분 형광체 비율
BG LuAG-2 (520nm~530nm) (Sr,Ca)AlSiN3-2 (650nm~665nm) Total(%)
비교예3 0 90 10 100
실시예5-5 5 85 10 100
실시예5-6 10 80 10 100
<실시예 5-7~5-10> 제3실시형태의 발광 소자 패키지 제작
제 3실시형태의 발광 소자 패키지에 포함되는 형광체 조성물에는 녹색형광체로서 535nm 내지 545nm의 중심 발광 파장을 갖는 LuAG계 형광체(Lu,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce3 +, 적색형광체로서, 650nm 내지 665nm의 중심 발광파장을 갖는 (Sr,Ca)AlSiN3:Eu2 +, 화학식 3의 조성식을 갖는 실시예의 청녹색 형광체를 포함할 수 있다.
녹색 형광체, 적색 형광체 및 청녹색 형광체는 표 16에 제시된 비율로 배합하여, 자외선 또는 청색광을 여기원으로 방출하는 발광 소자 상에 도포 또는 박막형으로 배치된 후, 100℃ 내지 160℃에서 1시간 동안 경화시켜 고정될 수 있다.
<비교예 4>
하기 표 16에 제시된 비율로 배합하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 5-7과 동일하게 수행하였다.
구분 형광체 비율
BG LuAG-3 (535nm~545nm) (Sr,Ca)AlSiN3-3 (650nm~665nm) Total(%)
비교예4 0 90 10 100
실시예5-7 5 85 10 100
실시예5-8 10 80 10 100
실시예5-9 15 75 10 100
실시예5-10 20 70 10 100
<실험예 1> 연색지수(CRI) 측정
상기에서 제조된 백색을 방출 하는 발광 소자 패키지와 상용 LED 소자간의 연색지수(CRI)를 측정하였다.
연색지수(CRI)는 인공 광원이 얼마나 기준량과 비슷하게 물체의 색을 보여주는가를 나타나는 수치로서, 연색지수 100에 가까울수록 바람직하다. 그 결과를 하기 표 17 내지 표 19에 기재하였다.
구분 패키지의 광 특성
CIEx CIEy Lm CRI CCT
비교예1 0.3485 0.3521 41.6 84.7 4878
실시예5-1 0.3708 0.4068 42.3 86.4 4447
실시예5-2 0.3546 0.3755 40.1 87.5 4767
실시예5-3 0.3653 0.3939 40.8 89.1 4531
실시예5-4 0.3418 0.3681 38.4 94.4 5174
비교예2 0.3837 0.4464 38.2 83.4 4330
구분 패키지의 광 특성
CIEx CIEy Lm CRI CCT
비교예3 0.3704 0.3039 22.4 64.9 3620
실시예5-5 0.3728 0.3106 23.63 73.6 3610
실시예5-6 0.375 0.3005 24.5 79 3400
구분 패키지의 광 특성
CIEx CIEy Lm CRI CCT
비교예4 0.3425 0.3489 29.2 90.8 5127
실시예5-7 0.3539 0.3652 30.5 93.1 4762
실시예5-8 0.3625 0.3725 32.8 95.2 4506
실시예5-9 0.3525 0.3691 29.9 98.5 4813
실시예5-10 0.3418 0.3684 38.4 94.4 5174
상기 표 17 내지 표 19의 결과에서 확인되는 바와 같이, 녹색형광체 및 적색형광체의 발광 파장영역별 청녹색(BG) 발광 형광체의 함량이 조절될 수 있다.
예를 들어 제3실시형태에서, 상술한 화학식 3의 조성식을 가지는 청녹색 형광체가 10 내지 15중량% 함유할 때, 연색 지수(CRI)의 범위가 95Ra 이상 99Ra를 구현하며 백색광을 방출하는 발광 소자 패키지를 제공할 수 있다.
또한, 실시예들의 발광 소자 패키지는 실시예의 청녹색 형광체의 함량에서 종래 녹색형광체 및 적색형광체의 배합으로 제조된 경우(비교예 1 내지 비교예 4) 대비, 연색 지수(CRI)가 현저히 증가하였다.
상기 제1실시형태 내지 제3실시형태에서 제시된 청녹색 형광체의 함량으로 조절되고, 광효율에 불리한 적색 대신 청녹색을 다량 사용하도록 배합함으로써, 실시예의 발광 소자 패키지는 색 온도(CCT)가 2,000K 내지 10,000K 조건에서 연색 지수(CRI) 60Ra 이상 99Ra이하를 구현할 수 있다.
<실시예 5-11~5-14> 화학식 2의 조성식을 갖는 청녹색(BG) 형광체를 포함하는 발광 소자 패키지
화학식 2의 조성식을 표시되는 청녹색(BG) 발광 형광체를 사용하고, 표 20에 기재된 조성과 같이 배합하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 5-1과 동일하게 수행하여 발광 소자 패키지를 제조하였다. 예를 들어, 화학식 2의 조성식에서 B는 Si이고, C는 F이며, RE는 Eu일 수 있다.
<비교예 5> 제 3실시형태에 의한 발광 소자 패키지 제작
하기 표 20에 제시된 비율로 배합하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 5-1과 동일하게 수행하였다.
구분 형광체 비율
BG LuAG-3 (535nm~545nm) (Sr,Ca)AlSiN3-3 (650nm~665nm) Total(%)
비교예5 0 90 10 100
실시예5-11 5 85 10 100
실시예5-12 10 80 10 100
실시예5-13 15 75 10 100
실시예5-14 20 70 10 100
이상의 화학식 2의 조성식에 따른 청녹색(BG) 형광체를 사용하고, 제 3실시형태의 녹색형광체와 적색형광체 조합에 의해 제작된 백색 LED 소자의 경우 역시, 색 온도(CCT)가 2,000K 내지 10,000K 조건에서 60Ra 이상 99Ra이하를 구현하는 연색 지수(CRI)를 확인하였다.
<실험예 3> 연색지수(CRI) 측정
예를 들어, 실험에서는 상기에서 제조된 형광체들 중에서, Ba2.84Mg0.11Si5.95O3.4N8.33F0.22:Eu0.15 형광체를 이용한 백색 LED 소자일 수 있으며, 이러한 실시예의 백색 LED소자와 상용 LED 소자간의 연색지수(CRI)를 측정하였다.
연색지수(CRI)는 인공 광원이 얼마나 기준량과 비슷하게 물체의 색을 보여주는가를 나타나는 수치로서, 연색지수 100에 가까울수록 바람직하다. 그 결과를 하기 표 21에 기재하였다.
구분 lm Cx Cy CCT/K CRI
상용 백색 LED 8.9 0.346 0.360 4989.0 90.6
실시예의 형광체 적용 백색 LED 9.6 0.346 0.360 5005.5 90.3
표 21에서 확인되는 바와 같이, 상용 백색 LED 소자는 440~465nm 영역의 청색 LED 발광 소자 상에 520~560nm의 녹색 형광체와 600~670nm의 적색 형광체를 조합하여 구현하는 것으로서, 색온도(CCT)가 2700~6500K에서 연색지수(CRI) Ra> 90 구현이 가능하다.
또한, 본 발명의 Ba2 .84Mg0 .11Si5 .95O3 .4N8 .33F0.22:Eu0 .15 청녹색 형광체를 이용한 백색 LED 소자의 경우도 색온도(CCT)가 2700~6500K에서 연색지수(CRI) Ra > 90을 구현하였다.
현재 LED 발광 소자를 포함하는 발광 소자 패키지에서는 색온도(CCT)가 2700~6500K에서 연색지수(CRI)가 1 증가함에 따라 광속이 약 2~3%의 효율이 저하되지만, 본 발명의 일시시예인 Ba2 .84Mg0 .11Si5 .95O3 .4N8 .33F0.22:Eu0 .15 청녹색 형광체를 사용함으로써, 연색지수(CRI) 증가에 따라 광속이 1~2%의 효율로 저하되어, 광속 저하되는 부분을 큰 폭으로 감소시키므로, 전체적으로 발광 소자 패키지의 광속을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 녹색 형광체(Lu3Al5O12: Ce)와 적색 형광체(CaAlSiN3:Eu)를 통상의 방법으로 백색을 구현하면, 연색지수(CRI)가 80에서 90으로 증가하면서, 색온도(CCT)가 2700K~6500K 에서 조건에서 광속이 20~30% 정도 저하된다. 이때, 연색지수(CRI)가 80일 때 광속이 100%이면, 연색지수(CRI)가 90일 때, 광속이 약 70~80% 수준이다.
반면에, 청녹색 형광체 실시예를 녹색 형광체와 적색 형광체에 더 함유하여 백색광을 방출하는 발광 소자 패키지를 제작하면, 연색지수(CRI)가 80일 때 광속이 100%이면, 연색지수(CRI)가 90일 때 광속이 약 80~90% 수준으로 관찰되어, 광속이 10% 내외로 향상될 수 있다.
결과적으로 상용 백색 LED 소자와 동일한 CRI 값을 유지하면서도 본 발명의 청녹색 발광 형광체를 더 함유하여 제작된 백색 LED 소자는 8.9 내지 9.6 lm 으로서 약 8%의 광속이 증가하는 결과를 확인할 수 있다.
따라서, 실시예의 청녹색 형광체를 사용한 백색광을 방출하는 발광 소자 패키지는 적색 형광체 성분의 과도한 사용을 억제하면서 적색형광체가 일부 다른 형광체의 효율을 감소시키는 부분을 완화하여 광속을 향상시키고 연색성을 증가시켜 발광 효율을 높일 수 있다.
104: 발광 소자
105, 106: 와이어
108: 몰딩부
111, 112, 113: 형광체

Claims (5)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 청녹색 형광체:
    화학식 1
    AaBbOcNdCe:REh
    상기 화학식 1에서, A는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra의 원소 중 적어도 1종 이상이고, B는 Si, Ge, Sn의 원소 중 적어도 1종 이상이고, C는 C, Cl, F, Br의 원소 중 어느 하나이며, RE는 Eu, Ce, Sm, Er, Yb, Dy, Gd, Tm, Lu의 원소 중 적어도 1종 이상이고, 0 <a≤ 15, 0 <b≤ 15, 0 <c≤ 15, 0 <d≤ 20, 0 <e≤ 10 및 0 <h≤ 10이다.
  2. 하기 화학식 2로 표시되는 청녹색 형광체:
    화학식 2
    BaxMgyBbOcNdCe:REh
    상기 화학식 2에서, B는 Si, Ge, Sn의 원소 중 적어도 1종 이상이고, C는 C, Cl, F, Br의 원소 중 어느 하나이고, RE는 Eu, Ce, Sm, Er, Yb, Dy, Gd, Tm, Lu, Pr, Nd, Pm, Ho의 원소 중 적어도 1종 이상이고, 0.5 <x≤ 15, 0 <y≤ 10, 0.5 <x+y≤ 15 이고, 0 <e≤ 10, 0 <h≤ 10이다.
  3. 하기 화학식 3으로 표시되는 청녹색 형광체:
    화학식 3
    AaBbOcNdCeDfEg:REh
    상기 화학식 3에서, A는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra의 원소 중 적어도 1종 이상이고, B는 Si, Ge, Sn의 원소 중 적어도 1종 이상이고, C는 C, Cl, F, Br의 원소 중 어느 하나이고, D는 Li, Na 및 K 중에서 선택되는 단독 또는 그 혼합형태이고, E는 P, As, Bi, Sc, Y 및 Lu 중에서 선택되는 원소 중 적어도 1종 이상이고, RE는 Eu, Ce, Sm, Er, Yb, Dy, Gd, Tm, Lu, Pr, Nd, Pm, Ho의 원소 중 적어도 1종 이상이고, 0 <a≤15, 0 <b≤ 15, 0 <c≤ 15, 0 <d≤ 20, 0 <e≤ 10, 0 <f≤ 10, 0 <g≤ 10, 0 <h≤ 10이다.
  4. 적어도 하나의 발광 소자; 및
    상기 적어도 하나의 발광 소자 상에 배치되며 형광체 조성물을 포함하는 몰딩부; 를 포함하는 발광 소자 패키지에 있어서,
    상기 형광체 조성물은 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 청녹색 형광체를 포함하는 발광 소자 패키지.
  5. 제 4항의 발광 소자 패키지를 광원으로 포함하는 조명 장치.
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