KR20150143916A - 고연색성 백색 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고연색성 백색 발광 소자로서, 440nm~460nm의 여기 파장을 갖는 청색 LED 칩과 상기 청색 LED 칩의 발광면을 덮고, 상기 청색 LED 칩의 여기 파장에 의해 여기되어 발광하는 형광체층을 포함하는 백색 발광 램프로서, 상기 형광체층은, 480~499nm의 발광 피크 파장을 갖는 제1 형광체; 500~560nm의 발광 피크 파장을 갖는 제2 형광체; 및 600~650nm의 발광 피크 파장을 갖는 제3 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광 소자이며, 이와 같은 본 발명에 의하면 고연색성의 백색 LED 칩을 제공할 수 있으며, 특히 R9 및 R12 등의 특수 색상에 대한 높은 연색성을 갖는 백색 발광 소자를 제공할 수 있게 된다.

Description

고연색성 백색 발광 소자 {White Light Emitting Device with High Color Rendering Index}
본 발명은 조명용 백색 LED 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고휘도의 청색 LED칩을 여기 광원으로 하면서 높은 연색성을 갖는 조명용 백색 LED 소자에 관한 것이다.
1990년대 후반 청색 LED의 상용화가 이루어짐에 따라, 청색 LED 칩을 여기 광원으로 하고, 이 파장대의 여기 광원을 흡수하여 황색 파장의 광을 발광하는 YAG(Yittrium Aluminium Garnet)와 같은 형광체를 사용하는 백색 LED 소자가 등장하게 되었다. 이 백색 LED는 높은 휘도를 가진다는 점에서 유리하나, 청색과 황색의 파장 간격이 넓어 색분리로 인한 섬광 효과가 나타나서 색좌표가 동일한 백색 LED의 양산에 어려움이 있었고, 특히 조명 광원에서 중요한 특성인 색온도(Color Temperature; CT)와 연색성 평가 지수(Color Rendering Index; CRI)의 조절이 매우 어렵다는 단점을 갖는다. 이와 같은 통상적인 백색 LED의 연색 평가 지수는 75~80에 머물러 있었다.
이러한 문제점에 따라, 자외선 LED 칩 상에 R/G/B의 다층 형광 물질을 도포하여 백열 전구와 같이 넓은 영역의 발광 스펙트럼을 가지며 우수한 색안정성을 갖는 백색 LED 소자가 개발되었다. 이 백색 LED는 CT와 CRI의 조절이 용이하여 조명용 LED의 광원으로 부각되었다(일본공개특허 제2002-171000호 공보). 그러나, UV 칩을 여기 광원으로 하는 백색 LED는 휘도가 청색 LED 칩을 이용한 백색 LED 소자에 비해 낮다는 단점을 갖는다.
한편, 그 밖에도 R/G/B와 같은 멀티 LED 칩을 조합하여 백색을 구현하는 방법이 있으나, 이 방법은 각 칩마다 동작 전압이 불균일하고, 주변 온도에 따라 칩의 출력이 변화하여 색도 좌표가 달라지는 등의 단점을 갖는다.
이와 같이, 백색 LED의 구현을 위해 다양한 방식이 개발되어 왔지만, 청색 LED가 나타내는 고휘도 특성으로 인해 청색 LED를 여기 광원으로 하되, 황색 형광체를 대신하여 녹색 및 적색 형광체를 사용하는 백색 LED에 대한 연구가 진행되고 있다(공개특허 제2008-0063709호). 이 경우 색재현성이 어느 정도 증가하나 아직 충분하지 못한 실정이다. 예컨대, 전술한 녹색 및 적색 형광체를 포함하는 백색 LED 램프는 R9(Red)나 R12(Blue) 등의 특정한 색에 대해 낮은 연색성 평가 지수를 나타낸다는 단점을 나타내고 있다.
또한, 백색 LED 장치에 사용된 적색 또는 녹색 형광체가 외부 에너지 등에 의해 손상되는 등 형광체 재료의 불안정성으로 인해 제품의 신뢰성이 양호하지 못한 문제를 갖고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 청색 LED 칩을 여기 광원으로 하는 고연색성의 백색 LED 칩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 고연색성 및 높은 발광 휘도의 구현을 위해 각 형광체의 조성 및 배합비율을 최적화하여 자연광에 근접한 백색광을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고연색성 백색 발광 소자는, 440nm~460nm의 여기 파장을 갖는 청색 LED 칩과 상기 청색 LED 칩의 발광면을 덮고, 상기 청색 LED 칩의 여기 파장에 의해 여기되어 발광하는 형광체층을 포함하는 백색 발광 램프로서, 상기 형광체층은, 480~499nm의 발광 피크 파장을 갖는 제1 형광체; 500~560nm의 발광 피크 파장을 갖는 제2 형광체; 및 600~650nm의 발광 피크 파장을 갖는 제3 형광체를 포함할 수 있다.
여기서 상기 백색 발광 소자는, 평균 연색 지수가 90% 이상이고, R12가 90%이상이 될 수 있다.
또한 상기 백색 발광 소자는, R9가 90% 이상이 될 수 있다.
바람직하게는 상기 백색 발광 소자는, 발광 스펙트럼 상의 485~504nm 범위에서 첨두 파장이 형성될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 청색 LED 칩을 여기 광원으로 하는 고연색성의 백색 LED 칩을 제공할 수 있게 한다. 본 발명의 백색 LED 칩은 특히 R9 및 R12 등의 특수 색상에 대한 높은 연색성을 나타낸다.
특히, 본 발명은 청색 LED칩을 여기 광원으로서 적용하면서 각 형광체의 파장 대역 선택과 각 형광체의 배합비율을 조절하여 R9 및 R12가 모두 90%이상의 높은 연색성을 갖도록 구현함으로써 보다 태양광에 가까운 LED 소자의 제공이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백색 LED 소자를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 백색 LED 소자의 실시예 1 내지 실시예 12를 나타내며,
도 3은 본 발명과 대비되는 백색 LED 소자의 비교예 1 내지 비교예 12를 나타내며,
도 4는 본 발명에 따른 상기 실시예 1 내지 실시예12에 대한 연색성 평가 결과를 나타내며,
도 5는 본 발명과 대비되는 상기 비교예 1 내지 비교예 12에 대한 연색성 평과 결과를 나타내며,
도 6은 본 발명에 따른 상기 실시예 1과 상기 비교예 1에 대한 발광 스펙트럼을 나타내며,
도 7은 본 발명에 따른 상기 실시예 3과 상기 비교예 3에 대한 발광 스펙트럼을 나타내며,
도 8은 본 발명에 따른 상기 실시예 5과 상기 비교예 5에 대한 발광 스펙트럼을 나타내며,
도 9는 본 발명에 따른 상기 실시예 7과 상기 비교예 7에 대한 발광 스펙트럼을 나타내며,
도 10은 본 발명에 따른 상기 실시예 9와 상기 비교예 9에 대한 발광 스펙트럼을 나타내며,
도 11은 본 발명에 따른 상기 실시예 11과 상기 비교예 11에 대한 발광 스펙트럼을 나타내며,
도 12는 상기 도 5 내지 도 11을 종합한 발광 스펙트럼을 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백색 LED 소자를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, LED 소자(100)는 베이스 기판(110) 상에 장착된 LED 칩(130)을 포함한다. 상기 LED 소자(100)는 금속과 같은 기판(metal PCB)(200) 상에 표면실장 방식(SMT)으로 볼 그리드 접합(210)되어 LED 패키지를 구성할 수 있다. 물론 도시된 패키지 구조는 본 발명의 LED 소자의 적용 예를 예시한 것으로, 본 발명은 다른 패키징 방식에도 적용 가능하다.
상기 LED 소자(100)의 베이스 기판(110) 상에는 소정 형상 예컨대 원통 형상의 프레임(150)이 설치되며, 상기 프레임의 내면에는 LED 칩(130)으로부터 방출되는 광을 효율적으로 반사시키기 위한 리플렉터가 설치된다. 도시하지는 않았지만, 상기 LED 칩(130)의 하나의 전극은 본딩 와이어를 개재하여 프레임(170)과 전기적으로 접속될 수 있다. 또한 상기 LED 칩(130)의 다른 전극은 베이스 기판 상의 금속 배선과 전기적으로 접속될 수 있다.
상기 LED 칩(130)으로는 440nm 내지 460nm의 피크 파장을 갖는 발광 다이오드를 포함한다. 상기 발광 다이오드로는 InGaN계 또는 GaN계 등의 발광 다이오드가 사용될 수 있다. 본 발명에서 LED 칩을 대신하여 레이저 다이오드와 같은 다른 발광 소자가 사용될 수 있음은 당업자라면 누구나 알 수 있을 것이다.
상기 LED 칩(130)은 형광체층(150)에 의해 둘러싸여 있다. 상기 형광체층(150)은 상기 LED 칩(130)의 발광 파장에 의해 여기되어 소정 파장의 광을 방출하는 형광체(152, 154)를 포함한다. 본 발명에서 상기 형광체는 바람직하게는 분말 형태로 제공된다. 이를 위해 상기 형광체층(150)은 상기 형광체를 분산 및 고정하며 상기 LED 칩(130)을 밀봉하는 투명 수지를 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 투명 수지로는 통상의 실리콘 수지나 에폭시 수지 등이 사용될 수 있다.
본 발명에서 상기 형광체(152, 154)는 상이한 조성의 형광 물질로 구성된다. 바람직하게는 상이한 발광 파장을 갖는 최소한 3 종의 형광 물질을 포함한다. 본 발명에서 상기 형광체(152, 154)는 상기 LED 칩에서 방출되는 광에 의해 여기되어 청색광을 발하는 제1 형광체(B), 녹색광을 발하는 제2 형광체(G) 및 적색광을 발하는 제3 형광체(R)를 포함한다. 본 발명에서 상기 제1, 제2 및 제3 형광체는 산화물 또는 질화물인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 제1 형광체는 상기 LED 칩(100)의 발광에 의해 여기되어 480 내지 499nm 범위에서 피크 파장을 갖는 광을 방출한다. 상기 제1 형광체의 발광 피크 파장은 상기 LED 칩(100)에서 방출되는 광의 피크 파장 보다 크다.
본 발명에서 상기 제1 형광체(B)로는 청색광을 발하는 형광체로서 하기 (화학식 1)로 표현되는 형광체를 사용하는 것이 바람직하다.
(화학식 1)
(Ba,Eu)SiOx(O,Cl)xNx (1 < x < 5)
본 발명에서 상기 제2 형광체는 상기 LED 칩(100)의 발광에 의해 여기되어 500 내지 560nm 범위에서 피크 파장을 갖는 광을 방출하며, 상기 제2 형광체로는 녹색광을 발하는 형광체로서 하기 (화학식 2) 내지 (화학식 4)로 표현되는 형광체를 단독 또는 조합되어 사용할 수 있다.
(화학식 2)
(Sr,Ba,Ca)xSiO2x:Eu (1 < x < 5)
(화학식 3)
Si6 -yＡlyOyN8 -y:Eu (0.1 < y < 0.5)
(화학식 4)
Al8-zLuzO12:Ce++ (1< z < 5)
본 발명에서 상기 제3 형광체는 상기 LED 칩(100)의 발광에 의해 여기되어 600 내지 650nm 범위에서 피크 파장을 갖는 광을 방출하며, 상기 제3 형광체로는 하기 (화학식 5) 또는 (화학식 6)으로 표현되는 형광체를 단독 또는 조합하여 사용할 수 있다.
(화학식 5)
(Sr,Ca)AlSiNx:Eu (1 < x < 5)
(화학식 6)
CaAlSiNy:Eu (1 < y < 5)
이하에서는 본 발명에 따른 고연색성 백색 발광 소자의 실시예와 이에 대비되는 비교예에 대한 연색성 평가 실험 결과를 살펴보기로 한다.
<실시예 1 내지 12>
본 발명에 따른 실시예 1내지 12에서는 제1 형광체로서 D50이 15±3um인 480~499nm의 발광 피크 파장을 갖는 (Ba,Eu)Si2(O,Cl)2N2, 제2 형광체로서 D50이 12±3um인 500~560nm의 발광 피크 파장을 갖는 Al5Lu3O12:Ce++ 및 제3 형광체로서 D50이 11±3um인 600~650nm의 발광 피크 파장을 갖는 (Sr,Ca)AlSiN3:Eu을 준비하였다.
그리고 청색 LED 칩 상에 상기와 같은 제1 형광체, 제2 형광체, 제3 형광체 및 실리콘 수지를 도 2와 같은 비율로 혼합한 슬러지를 주입하고 150~180℃ 온도의 열처리로 실리콘 수지를 경화시켜 상기 도 1과 같은 백색 LED 소자를 제작하였는데, 상기 실시예 1, 3, 5, 7, 8 및 11은 440~450 nm의 발광 피크 파장을 갖는 LED 칩을 사용하였고, 상기 실시예 2, 4, 6, 8, 10 및 12는 450~460nm의 발광 피크 파장을 갖는 LED칩을 사용하였다.
<비교예 1 내지 12>
비교예 1 내지 12에서는 제1 형광체로서 430~470nm의 발광 피크 파장을 갖는 (Ba,Eu)Si2(O,Cl)2N2를 준비하였고, 제2 형광체 및 제3 형광체는 상기 실시예 1 내지 12와 동일한 발광피크 파장 및 조성을 갖는 것을 준비하였다.
그리고 청색 LED 칩 상에 상기와 같은 제1 형광체, 제2 형광체, 제3 형광체 및 실리콘 수지를 도 3과 같은 비율로 혼합한 슬러지를 주입하고 150~180℃ 온도의 열처리로 실리콘 수지를 경화시켜 상기 도 1과 같은 백색 LED 소자를 제작하였는데, 상기 비교예 1, 3, 5, 7, 8 및 11은 440~450 nm의 발광 피크 파장을 갖는 LED 칩을 사용하였고, 상기 비교예 2, 4, 6, 8, 10 및 12는 450~460nm의 발광 피크 파장을 갖는 LED칩을 사용하였다.
상기 실시예 1 내지 12와 상기 비교예 1 내지 12로 제작된 백색 발광 소자에 대하여 연색성 평가 실험을 실시하였다.
도 4는 상기 실시예 1 내지 12에 따른 백색 발광 소자에 대한 연색성 평가 실험 결과를 나타내고, 도 5는 상기 비교예 1 내지 12에 따른 백색 발광 소자에 대한 연색성 평가 실험 결과를 나타낸다.
상기 도 4와 도 5에서 백색 LED 소자 샘플의 상관 색온도(CCT), 휘도 및 연색성 평가 지수(CRI)를 측정은 각 소자에 65 mA의 전류를 기준으로 하였고, 측정 장비는 인스트루먼트사의 CAS 140 스펙트로미터 및 오쯔까 덴시사제 MCPD 장치를 사용하였으며, 일본 공업 규격(JIS Z 8726-1990)에 따라 측정하였다.
상기 도 4의 측정결과를 살펴보면, 상기 실시예 1 내지 12에서는 색온도 3000K 부터 6500K까지 연색성지수 Ra가 모두 96%이상으로 나타났으며, 나아가서 R1 부터 R15까지의 색상지수가 모두 90%이상으로 안정적으로 고르게 고연색성을 갖는 것으로 나타났다. 특히 특정 색상인 R9에 대해서 90%이상이며 높게는 98%까지의 결과값을 보였으며, 또한 R12에 대해서도 90%이상이며 높게는 97%까지의 결과값을 보였다.
이와 대비하여 상기 도 5의 측정결과를 살펴보면, 상기 비교예 1 내지 12에서는 연색성지수 Ra가 90%에서 94%까지 비교적 안정적인 지수로 나타났으나 상기 실시예 1 내지 12가 상기 비교예 1 내지 12보다 5%이상 연색성지수 Ra가 향상되었음을 알 수 있다. 또한 상기 비교예 1 내지 12에서는 R1 부터 R15까지의 색상지수 중에는 60%대까지 떨어지는 수치가 보이며, 특히 특정 색상인 R9에 대해서는 60%대에서 70%대 정도에 그치고, R12에 대해서도 80%대 정도에 그치고 있어, 상기 실시예 1 내지 12에서의 R9와 R12가 월등히 높은 것을 알 수 있다.
나아가서 상기 실시예들과 비교예들에 대한 발광 스펙트럼을 살펴보면, 도 6 내지 도 11은 상기 실시예 1, 3, 5, 7, 9 및 11과 이에 대비되는 상기 비교예 1, 3, 5, 7, 9 및 11에 대한 발광 스펙트럼을 나타내는데, 각 도면에서 (a)는 비교예에 대한 발광 스펙트럼을, (b)는 실시예에 대한 발광 스펙트럼을 나타내고, (c)는 실시예와 비교예를 대비한 발광 스펙트럼을 나타낸다.
상기 도 6에 나타난 바와 같이 색온도 3000K 대역에 상기 실시예 1은 상기 비교예 1보다 480~510nm 파장 대역의 수치가 월등히 높게 나타나는 것을 알 수 있다.
나아가서 상기 도 7 및 도 8을 살펴보면, 색온도 3500K와 4000K 대역에서 상기 실시예 3과 5가 상기 비교예 3과 5에 비하여 전체적으로 특수 색상 지수(R9~R15)에 대응되는 발광 파장 대역의 수치가 월등하게 높게 나타났으며, 상기 도 9 내지 도 11에 나타난 색온도 5000K부터 6500K 대역에서도 상기 실시예 7, 9 및 11이 상기 비교예 7, 9 및 11에 비하여 전체적으로 특수 색상 지수(R9~R15)에 대응되는 발광 파장 대역의 수치가 월등하게 높게 나타나는 것을 알 수 있다.
도 12는 상기 도 4 내지 도 11의 발광 스펙트럼을 종합한 결과를 나타내는데, 상기 도 12의 (a)는 상기 비교예들의 발광 스펙트럼을 나타내고, 상기 도 12의 (b)는 상기 실시예들의 발광 스펙트럼을 나타낸다.
상기 도 12의 (b)에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 실시예들의 발광 스펙트럼에서는 485~504nm 범위내에서 첨두 파장이 형성되지만, 상기 도 12의 (a)에서의 상기 비교예들의 발광 스펙트럼에서는 485~504nm 범위에서 첨두 파장이 존재하지 않는 것을 알 수 있다.
상기 발광 스펙트럼 결과를 기초로 본 발명에 의해 발광 스펙트럼에서 485~504nm 범위내의 첨두 파장이 형성됨에 따라 연색지수 R12가 90%이상으로 향상될 수 있으며, 485~504nm 범위내에서 첨두 파장이 형성되어 연색지수 R9까지도 크게 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 전체적으로 특수 연색지수 R9부터 R15까지를 고르게 향상시킬 수 있게 된다.
이와 같은 결과로 판단해 보면, 440nm~460nm의 여기 파장을 갖는 청색 LED 칩을 사용하면서 제1 형광체로서 480~499nm 피크 파장 대역을 갖는 형광체를 적용하는 경우에 색온도 3000K부터 6500K 대역까지 전반적으로 연색지수가 고르게 잘 나타나며, 특히 연색지수 R9와 R12가 월등히 향상될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : LED 소자
110 : 베이스 기판
130 : LED 칩
150 : 형광체층
152, 154 : 형광체
170 : 프레임
200 : PCB
210 : 볼 그리드 접합.

Claims (4)

  1. 440nm~460nm의 여기 파장을 갖는 청색 LED 칩과 상기 청색 LED 칩의 발광면을 덮고, 상기 청색 LED 칩의 여기 파장에 의해 여기되어 발광하는 형광체층을 포함하는 백색 발광 소자로서,
    상기 형광체층은,
    480~499nm의 발광 피크 파장을 갖는 제1 형광체;
    500~560nm의 발광 피크 파장을 갖는 제2 형광체; 및
    600~650nm의 발광 피크 파장을 갖는 제3 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 백색 발광 소자는,
    평균 연색 지수가 90% 이상이고, R12가 90%이상인 것을 특징으로 하는 백색 발광 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 백색 발광 소자는,
    R9가 90% 이상인 것을 특징으로 하는 백색 발광 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 백색 발광 소자는,
    발광 스펙트럼 상의 485~504nm 범위에서 첨두 파장이 형성된 것을 특징으로 하는 백색 발광 소자.
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