KR20160123144A

KR20160123144A - 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물, 세라믹 형광체 플레이트 및 발광장치

Info

Publication number: KR20160123144A
Application number: KR1020150053312A
Authority: KR
Inventors: 이인회; 손인성; 양의열; 이인재
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2016-10-25
Also published as: KR102318233B1

Abstract

본 발명은, 평균입경(D50)이 30㎛ 이하인 글래스프릿(glass frit); 평균입경(D50)이 80㎛ 이상인 글래스프릿(glass frit); 및 형광체를 포함하는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 글래스프릿(glass frit)들 간의 계면을 감소시켜 광 손실을 방지함으로써 광속이 증가되는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물에 의하여, 그 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물을 이용하여 제조된 세라믹 형광체 플레이트 및 그 플레이트를 적용한 발광장치를 제공할 수 있다.

Description

세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물, 세라믹 형광체 플레이트 및 발광장치{Composition for Manufacturing Ceramic Fluorescent Plate, Ceramic Fluorescent Plate and Light Emitting Apparatus}

본 발명은 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물, 세라믹 형광체 플레이트 및 발광장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Phosphor in Glass 타입의 형광체 플레이트 제조시 글래스프릿(glass frit)의 입도 크기의 조절에 의하여 광속을 증가시킬 수 있는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물, 세라믹 형광체 플레이트 및 발광장치에 관한 것이다.

최근 유력한 차세대 광원으로 떠오르고 있는 발광 다이오드(LED)는 낮은 전기 소비, 높은 밝기, 긴 수명 및 환경친화적인 소자로서 기존의 조명 장치에 대한 잠재적인 대체 광원으로 간주되고 있다. 백색 LED는 일본의 S. Nakamura가 개발하였다. 먼저 청색 LED 칩이 개발되어 가시광선 영역 전체의 빛을 LED로 구현할 수 있게 되었으며, 황색 형광을 나타내는 형광체와 청색 LED를 조합하여 백색의 빛이 만들어 진다. 이 방식이 최초로 개발되어 현재 가장 일반적으로 사용되는 백색 LED이며, 그 밖에도 적, 녹, 청색의 LED를 조합하거나 2종류 이상의 형광체를 조합하는 방식도 있다. 형광체 도포를 위한 LED 봉지재는 주로 에폭시를 사용하여 왔으나, 최근에는 고굴절율, 고경도, 공정효율성을 가지는 실리콘 봉지재의 개발이 많이 이루어지고 있다. 그러나 실리콘소재도 유기물로서 내열성, 내자외선성에 한계를 가지고 있어 최근에는 세라믹 플레이트 형광체가 떠오르고 있다. 세라믹 플레이트 형광체에는 세라믹 소결 타입, 결정화유리 타입, 유리분말 소결 타입 등이 개발되고 있다. 그 중에서 유리분말 소결 타입은 형광체 함량을 자유롭게 조절할 수 있고, 색좌표, 연색지수 등 조절을 위해 이종의 형광체를 자유자재로 혼합하여 사용할 수 있어 가장 유망한 기술로 볼 수 있다.

한편, 소결 유리는 Melting glass에 비해 투과율이 낮다는 단점이 있다. 즉 PiG(Phosphor in Glass) 타입의 세라믹 형광체 플레이트는 글래스프릿(Glass frit)와 형광체의 혼합물을 press성형 후 소결하여 제작하는데, 소결 유리의 경우, 글래스프릿들(glass frits) 간의 계면이 존재하며 이 계면에 의해 투과율이 낮아지고, 광 손실이 발생하게 되는 것이다.

종래의 글래스프릿(Glass frit)의 제조공정에서는 글래스프릿(glass frits) 하나의 투과율은 높지만, 글래스프릿들을소결 유리로 제작하면 프릿들(frits) 간의 계면이 완전히 사라지지 않아 투과율이 낮아지는 문제점이 발생하게 된다.

본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 글래스프릿(glass frit)들 간의 계면을 감소시켜 광 손실을 방지함으로써 광속이 증가되는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물을제공할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명의 실시예들은세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물을 이용하여 제조된 세라믹 형광체 플레이트 및 그 플레이트를 적용한 발광장치를 제공할 수 있도록 한다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로, 평균입경(D50)이 30㎛ 이하인 글래스프릿(glass frit); 평균입경(D50)이 80㎛ 이상인 글래스프릿(glass frit); 및 형광체를 포함하는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물을 제공한다.

또한, 상기 글래스프릿은 각각 평균입경(D50)이 5 내지 30㎛인 글래스프릿(glass frit); 및 평균입경(D50)이 80 내지200㎛인글래스프릿(glass frit)인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 평균입경(D50)이 80㎛ 이상인 글래스프릿(glass frit)의 함량은 15부피% 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 평균입경(D50)이 80㎛ 이상인 글래스프릿(glass frit)의 함량은 5 내지 15부피% 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 글래스프릿은 SiO₂-B₂O₃-ZnO계인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 글래스프릿은 SiO₂, B₂O₃ 및 ZnO₃의 총합이 40 내지 80 중량% 포함된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 조성물은 Na₂O, Li₂O 및 K₂O로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 형광체는 발광 파장이 540 내지 570㎚인 LuAG, LuYAG, YAG 또는 Nitride 계 형광체인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 형광체는 발광 파장이 540 내지 570㎚인 LuAG, LuYAG, YAG 또는 Nitride 계 형광체 및 발광 파장이 580 내지 630㎚인 SiAlON 계 형광체를 2종 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로, 평균입경(D50)이 30㎛ 이하인 글래스프릿(glass frit)과 평균입경(D50)이 80㎛ 이상인 글래스프릿(glass frit)을 혼합한 글래스프릿에 형광체를 첨가하여 압축성형 후 소결하여 제조된 세라믹 형광체 플레이트를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로, 세라믹 형광체 플레이트를 포함하는 발광장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 글래스프릿(glass frit)들 간의 계면을 감소시켜 광 손실을 방지함으로써 광속이 증가되는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물 및 그 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물을 이용하여 제조된 세라믹 형광체 플레이트 및 그 플레이트를 적용한 발광장치를 제공할 수 있다.

도 1은 평균입경(D50)이 30㎛이하인 글래스프릿으로 소결된 형광체와 본 발명에 따른 평균입경(D50)이 80㎛인 글래스프릿을 혼합하여 소결된 형광체의 계면들의 차이점을 비교하여 도시한 것이다.
도 2는 Remote type의 형광체 플레이트 측정용 지그에 조립하여 광특성 측정하는 이미지 사진이다.
도 3은 입도가 큰 글래스프릿의 함량(부피%)에 따라 세라믹형광체 플레이트를 제작하여 비교한 광학현미경 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 형광체 플레이트의 PL 스펙트럼 비교 결과이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다. 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.

본 발명의 실시예들은, 평균입경(D50)이 30㎛ 이하인 글래스프릿(glass frit); 평균입경(D50)이 80㎛ 이상인 글래스프릿(glass frit); 및 형광체를 포함하는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물에 관한 것이다.

이하, 본 발명의 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예는 종래의 PIG 타입의 세라믹 형광체 플레이트의 소결체의 미세 계면간의 광 손실을 감소시켜 광 특성을 향상시키고자 하는 것이다.

도 2는 평균입경(D50)이 30㎛이하인 글래스프릿으로 소결된 형광체와 본 발명에 따른 평균입경(D50)이 80㎛인 글래스프릿을 혼합하여 소결된 형광체의 계면들의 차이점을 비교하여 도시한 것이다.

도 2에서 도시된 바와 같이, 입도가 D50기준 30㎛ 이하인 glass frits와 80㎛이상인 글래스프릿(glass frit)을 혼합하여 사용함으로써, 글래스프릿들 간의 계면이 감소되어, 광손실 감소됨으로써, 세라믹 형광체 플레이트의 광속 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 즉, D50이 80㎛인 글래스프릿 내부에는 계면이 없기 때문에, 계면을 거치면서 광속이 떨어지는 것이 그만큼 방지되는 것이다.

본 발명에 따른 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물은 SiO₂-B₂O₃-ZnO 계 조성의 glass frits을 사용하여, 주요 글래스 조성은 SiO₂, B₂O₃, ZnO₃ 종이며 3종의 총합이 40 내지80 중량%의 범위로 포함되는 것이 바람직하다. 40중량% 미만이 포함되는 경우 글래스의 기본 골격이 치밀하지 않아 생기는 신뢰성문제(물리적 강도저하, 글래스 성분이온의 용출 등)가 발생하므로 바람직하지 않으며, 80중량% 보다 많은 양이 포함되는 경우는 글래스의 투과율 및 백색도를 높이는 등의 역할을 하는 성분들의 함량이 부족해져 바람직하지 않다.

또한 본 발명에 따른 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물을 650℃이하 소성을 위해 alkali(Na₂O, Li₂O, K₂O) 원소를 첨가할 수 있으며, 첨가되는 함량은 10내지 20 중량%가 포함될 수 있다.

본 발명에 따른 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물은글래스프릿(Glass frit)을 2가지 수준의 입도로 분쇄한다. 입도가 작은 수준은 D50(S) 30㎛이하이고, 입도가 큰 수준은 D50(L) 80㎛이상인 것으로 조절하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 입도가 작은 수준은 D50(S) 5 내지 30㎛이고, 입도가 큰 수준은 D50(L) 80 내지 200㎛인 것으로 조절할 수 있다. 상기 범위를 벗어나는 입도의 글래스프릿을 포함하는 경우 너무 큰 입도로 인해 LED광원의 청색광이 형광체 플레이트를 그대로 통과할 수 있으며, 5um이하로 입도가 작아질 경우, 내부 산란이 불필요하게 많이 일어나 광효율을 저하시키므로 바람직하지 못하다.

두 가지 입도 수준의 글래스프릿(Glass frit)을 일정 부피 비로 혼합하여 사용하는데, 입도가 큰 글래스프릿의 함량은 15부피% 이하로 하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 5 내지 15부피% 인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 입도가 큰 글래스프릿을 15부피% 보다 많은 농도로 혼합하게 되면, 형광체를 거치지 않고 투과되는 블루(blue)광이 증가하여 색좌표가 blue shift하고 광속이 낮아지게 되므로 바람직하지 못하다.

본 발명의 일실시예는 상기 글래스프릿(Glass frit)에 형광체를 혼합 및 소결하여 제작된 세라믹 형광체 플레이트에 관한 것이다.

사용될 수 있는 형광체는 1종 내지 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있는데, 1종 혼합 시 발광 파장이 540~570nm인 LuAG, LuYAG, YAG, Nitride 계열의 형광체를 사용할 수 있으며, 2종 혼합 시 상기 1종 혼합시 사용되는 형광체에 발광파장이 580~630nm인 SiAlON 계열의 형광체를 추가하여 사용할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.

[실시예]

1. Glass 제조 공정

1) 산화물 원재료 칙량

2) 볼밀(Ball Mill)을 통해 혼합(48hr)

3) 혼합된 분말을 백금 도가니에 넣고 용융(1300℃, 30분)

4) Glass 용융물을 Twin Roller에 부어 냉각(Quenching) 진행 (Glass Cullet 제조)

5) 제조된 Glass Cullet을 원하는 입도가 되도록 볼밀(Ball Mill), 제트밀(Zet Mill) 등을 이용하여 분쇄하여 글래스프릿 제조

- 분쇄 후 sieving시, D50(L)=80㎛, D50(S)=10㎛으로 2가지 수준으로 분리함.

2. 세라믹 형광체 플레이트(phosphor plate)의 제조

1) 재료혼합(material mixing)

- 3000K 색온도 구현 시 : 550nm LuAG:Ce 형광체 7중량%, 620nm Nitride 형광체 2중량% 혼합(두께 1000μm기준의 함량, 플레이트의 두께 및 Glass matrix의 투과율에 형광체 함량은 미량 변경될 수 있음)

- 5700K 색온도 구현 시 : 550nm LuAG:Ce 형광체 15중량%, 590nm Nitride 형광체 1.5중량% 혼합 (두께 190μm기준의 함량, 플레이트의 두께 및 Glass matrix의 투과율에 형광체 함량은 미량 변경될 수 있음)

2) 압축성형(press)

- Sus몰드에 혼합된 분말을 실온에서 일축성 프레스(Press) 진행 (5 Ton, 3 분)

3) 소결(sintering)

- 프레스 공정을 거친 성형물(green body)을 소결로에 넣고 단계적으로 소결 (1차 소결: ~250℃, 1hr / 2차 소결: Glass Tg에 따라 소결 조건 상이)

4) 연마(Polishing)

- 폴리싱(Polishing)을 통해 플레이트의 표면 연마 진행 (두께 가공) : 두께 100 ~ 200㎛

- 표면 조도 0.2 ~ 7㎛ 로 경면 가공

3. 형광체 플레이트(phosphor plate) 광속 측정(remote type)

1) 세라믹 형광체 플레이트를 직경 24mm, 두께 120㎛로 가공

2) 도 2과 같이 Remote type의 형광체 플레이트 측정용 지그에 조립하여 광특성 측정하였다.

[실험결과]

1. 광학 현미경 이미지 비교

도 3은 입도가 큰 글래스프릿의 함량(부피%)에 따라 세라믹형광체 플레이트를 제작하여 비교한 광학현미경 이미지이다.

입도가 큰 글래스프릿을 혼합하여 사용하지 않는 경우(0 부피%), 형광체 간의 간격을 통해 사용한 글래스프릿의 입도를 추정할 수 있다.

입도가 큰 글래스프릿을 혼합한 경우, 형광체가 혼합되지 않은 투명한 부분이 존재하는 것을 확인할 수 있다.

2. 세라믹 형광체 플레이트의 광특성 평가

1) Remote type

Sample Size: 24Φ, 두께 120μm

Chip : 443~446nm, 500~510mW(@350mA)

인가 전류: 1,200 mA

Chip & Plate간 이격 거리: 4mm

		0%	1%	5%	10%	15%	20%	25%
광속(lm)		981	985	1015	1029	1012	939	879
색좌표	Cx	0.3197	0.3198	0.3265	0.3185	0.3232	0.3056	0.2893
색좌표	Cy	0.3308	0.3318	0.3318	0.3281	0.3299	0.305	0.2739

입도가 큰 Glass frits의 함량(vol.%)에 따라 광속 및 색좌표를 측정

입도가 큰 Glass frits를 혼합할 경우, 광속이 상승하는 효과를 볼 수 있음.

입도가 큰 Glass frits를 일정 농도 이상 혼합하게 되면, 형광체를 거치지 않고 투과되는 blue광이 증가하여 색좌표가 blue shift 하고, 광속이 낮아짐(PL spectrum 참고).

3. PL spectrum 비교

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 형광체 플레이트의 PL 스펙트럼 비교 결과이다.

입도가 큰 글래스프릿을 10 부피% 혼합하였을 경우, 혼합하지 않았을 경우에 비해 글래스프릿 영역을 통해 투과되는 450nm 근방의 blue광이 증가하고, 형광체에 의해 변환된 560nm 근방의 빛 또한 손실이 줄어들어 광속이 증가한다.

입도가 큰 글래스프릿을 20 부피% 혼합하였을 경우, 글래스프릿 영역을 통해 투과되는 450nm 근방의 blue광의 양은 많아지지만, 형광체를 로딩(loading)할 수 있는 면적에 한계가 발생하여 560nm 근방의 빛을 더 추출하기가 힘들어진다.

이로 인해, 20 부피% 이상 혼합 시, 광속에 부정적인 영향을 미치게 된다.

Claims

평균입경(D50)이 30㎛ 이하인 글래스프릿(glass frit);
평균입경(D50)이 80㎛ 이상인 글래스프릿(glass frit);및
형광체
를 포함하는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 글래스프릿은 각각
평균입경(D50)이5 내지 30㎛인 글래스프릿(glass frit); 및
평균입경(D50)이 80 내지 200㎛인글래스프릿(glass frit)
인 것을 특징으로 하는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 평균입경(D50)이 80㎛ 이상인 글래스프릿(glass frit)의 함량은 15부피% 이하인 것을 특징으로 하는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물.
제3항에 있어서,
상기 평균입경(D50)이 80㎛ 이상인 글래스프릿(glass frit)의 함량은 5 내지 15부피% 이하인 것을 특징으로 하는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 글래스프릿은 SiO₂-B₂O₃-ZnO계인 것을 특징으로 하는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물.
제5항에 있어서,
상기 글래스프릿은 SiO₂, B₂O₃ 및 ZnO₃의 총합이 40중량%이상 포함된 것을 특징으로 하는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 조성물은 Na₂O, Li₂O 및 K₂O로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 형광체는 발광 파장이 540 내지 570㎚인 LuAG, LuYAG, YAG 또는 Nitride 계 형광체인 것을 특징으로 하는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 형광체는 발광 파장이 540 내지 570㎚인 LuAG, LuYAG, YAG 또는 Nitride 계 형광체 및 발광 파장이 580 내지 630㎚인 SiAlON 계 형광체를 2종 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 세라믹 형광체 플레이트 제조용 조성물.
평균입경(D50)이 30㎛ 이하인 글래스프릿(glass frit)과 평균입경(D50)이 80㎛ 이상인 글래스프릿(glass frit)을 혼합한 글래스프릿에 형광체를 첨가하여 압축성형 후 소결하여 제조된 세라믹 형광체 플레이트.
제10항의 세라믹 형광체 플레이트를 포함하는 발광장치.