KR20160134025A - 양자점이 도포된 확산판을 갖는 led 조명장치 - Google Patents

양자점이 도포된 확산판을 갖는 led 조명장치 Download PDF

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KR20160134025A
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(주)이코루미
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Abstract

본 발명은 LED 조명장치 에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 LED 조명장치의 확산판에 양자점이 도포되어 자연광에 가까운 빛을 제공할 수 있는 양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED 조명장치에 대한 것이다.
본 발명에 따른 양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED조명장치는 기판 상에 형성되는 LED 칩과; 상기 LED 칩 상에 도포되는 형광체와; 상기 LED 조명장치의 상부 표면층을 형성하는 확산판;을 포함하고, 상기 확산판은 폴리카보네이트(PC: Polycarbonate)재질로 만들어지고, 상기 확산판의 일면에는 양자점이 도포되는 것을 특징으로 한다.

Description

양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED 조명장치{LED lighting device having a quantum dots enhanced panel}
본 발명은 LED 조명장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 LED 조명장치의 확산판에 양자점이 도포되어 자연광에 가까운 빛을 제공할 수 있는 양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED 조명장치에 대한 것이다.
전구와 형광등 생산금지 및 판매억제가 구체화되면서 차세대 광원인 LED를 이용한 조명장치의 수요가 더욱 확대될 것으로 전망되고 있다. LED를 이용한 조명장치에 있어서, 백색광을 구현을 위한 종래 방법으로는, 청색 LED 상에 형광체를 도포하는 제1방법, 자외선 LED 상에 청색, 적색 및 녹색의 형광체를 도포하는 제2방법 및 청색, 녹색, 및 적색의 LED를 혼합하는 제3방법을 포함한다. 제1방법에 따라, 백색광을 구현하기 위하여 청색 LED 상에 황색 형광체를 이용하여 구현한 종래 백색광의 스펙트럼은 도 1(A)과 같으며, 청색 LED 상에 황색 및 적색 형광체를 함께 이용하여 구현한 종래 백색광의 스펙트럼은 도 1의 (B)와 같으며, 청색 LED 상에 녹색 및 적색 형광체를 함께 이용하여 구현한 종래 백색광의 스펙트럼은 도 1의 (C )와 같다. 그러나 도 1과 같이 제1방법에 따른 백색광을 구현한 LED 조명장치는 자연광에 가까운 백색광이 구현되지 못하는 문제점이 있다. 이는 도 1의 종래 백색광 구현 LED의 스펙트럼(연색지수 77의 스펙트럼 (A), 연색지수 85 스펙트럼 (B), 연색지수 93의 스펙트럼 (C ))과 도 2의 자연광 스펙트럼을 비교함으로써 확인할 수 있다. 도 2는 자연광 스펙트럼으로서 분광기(Spectrometer, model LOE MMS UV-NIR DU-1, 독일 Tec5 제조)로 측정된 것으로서 일반적인 자연광의 연색지수는 100이다.
한편 조명의 광학적 특성을 나타내는 지표로서 연색지수(color rendering index, CRI)와 상관색온도(correlated color temperature, CCT)가 있다. 연색지수는 같은 색온도를 가지는 자연광과 인공광을 동일한 사물에 조사한 경우 사물의 색상의 표현의 정도를 나타내는 것이고, 상관색온도는 발광물체가 백색광을 방출할 때 이와 매우 비슷한 전자기파를 복사하는 흑체의 온도를 의미한다. 일반적으로 색온도는 광원의 색을 절대온도를 이용하여 숫자로 표시한 것으로서, 붉은색 계통의 광원일수록 색온도가 낮고, 푸른색 계통의 광원일수록 색온도가 높다.
연색지수는, 15개의 반사율을 알고 있는 국제조명위원회에서 정의한 표준시료에 조명광원으로부터 측정한 스펙트럼을 반사시켜 얻어지는 색좌표들을 계산하고 흑체 복사 스펙트럼의 반사율을 알고 있는 표준시료에 반사시켜 색좌표를 계산하여 이들의 차이값의 최소자승합을 100으로부터 뺀 값으로부터 연색지수 값을 계산할 수 있다.
백색광의 경우 연색지수가 높기에, 연색지수를 높이기 위하여 상기 제2방법에 따라 녹색, 황색 및 적색 형광체를 적정한 비율로 혼합하여 도포하여 연색지수 (CRI) 94인 백색광을 구현한 LED 조명의 스펙트럼을 측정하였다. 그 결과는 도 3에서와 같다. 그러나, 도 2의 자연광 스펙트럼과 비교할 경우, 자연광 스펙트럼의 경우 가시영역 전체를 골고루 발광하고 있으나, 도 3의 경우 일부 파장 영역에서 발광이 부족하여 자연광과 유사한 백색광을 구현하지 못하는 문제점이 존재한다. 또한 일반적으로 연색지수를 개선하면 LED 패키지의 밝기(광속 또는 휘도)는 약 10%씩 저하된다고 알려져 있다. 제9회 반도체조명학회 학술대회의 발표내용에 따르면 연색지수 70을 연색지수 90이상으로 개선할 경우 밝기가 약 30% 저하된다고 발표된 바 있다.
또한, 제3방법을 이용하여 LED 조명장치를 제조할 경우, 서로 다른 색상을 지닌 LED 개수의 적절한 조합 및 주입 전류의 제어가 요구되며 다수 LED 제어의 경우 개별 LED에 공급되는 전류가 증가하면 각 LED에서 발생하는 발열량도 함께 증가하여 LED 조명장치의 수명을 단축시키는 문제점이 존재한다.
따라서, 본 발명의 목적은 가시광 영역에서 태양광(또는 자연광)과 유사한 스펙트럼을 가질 수 있도록 양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED 조명장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED조명장치는 기판 상에 형성되는 LED 칩과; 상기 LED 칩 상에 도포되는 형광체와; 상기 LED 조명장치의 상부 표면층을 형성하는 확산판;을 포함하고, 상기 확산판은 폴리카보네이트(PC: Polycarbonate)재질로 만들어지고, 상기 확산판의 일면에는 양자점이 도포되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 확산판에 도포되는 양자점은 상기 양자점을 용매에 분산시켜 상기 확산판에 도포되며, 상기 용매는 헥산(hexane)과 옥탄(octane)의 체적비가 8~9.5 : 0.5~2인 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 실시예에 있어서, 상기 용매는 헥산(hexane)과 옥탄(octane)의 체적비가 9 : 1 인 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 양자점은, 상기 양자점의 표면에 TOP(trioctylphosphine), TOPO (trioctylphosphine oxide), 올레익산(oleic acid), 올레이아민(oleylamine), 옥틸아민(octylamine), 트리옥틸아민 (trioctylamine), 헥사데실아민(hexadecylamine), 헥실포스폰산(HPA), 옥타데실포스폰산(ODPA), 테트라데실포스폰산(TDPA), 옥틸포스핀산(OPA) 리간드 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 양자점은, 450nm 내지 650nm 사이의 파장 영역을 가진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 양자점은, InP, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, ZnO, AgGaS2, AgGaSe2, AgGaTe, CuInS2, CuInSe2, CuGaS2, CuGaSe2, CdSe/CdS, CdSe/CdS/CdZnS, CdSe/CdS/CdZnS/ZnS, CdSe/ZnS, CdS/ZnS, (CdxZn1-xSe)/CdyZn1-yS, CdSe/ZnS/CdZnS, CdSe/CdS/ZnS/CdZnS, CdS/HgS, ZnSe/CdSe, ZnTe/CdSe, CdTe/CdSe, CdS/ZnSe, InAs/CdSe, InP/ZnS, CuInS2/ZnS, ZnS:Mn/ZnS, ZnS:Mn/ZnSe, ZnS/InP/ZnS, ZnS/CdSe/ZnS 또는 이들의 2 이상의 조합으로부터 선택된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 LED칩은 청색LED칩이고, 상기 양자점은 485~495nm 파장의 양자점을 22~28%, 510~520nm 파장의 양자점을 24~30%, 535~545nm 파장의 양자점을 10~16%, 555~565nm 파장의 양자점을 5~11%, 575~585nm 파장의 양자점을 7~13%, 605~615nm 파장의 양자점을 2~8%, 620~630nm 파장의 양자점을 2~8%, 635~645nm 파장의 양자점을 1~7%, 645~655nm 파장의 양자점을 1~6%의 비율로 혼합하여 만들어진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 LED칩은 청색LED칩이고, 상기 양자점은 490, 515, 540, 560, 580, 610, 625, 640, 650nm 파장의 양자점을 각각 25, 27, 13, 8, 10, 5, 5, 4, 3% 의 비율로 혼합하여 만들어진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 확산판에 도포되는 양자점은 상기 양자점을 용매에 분산시켜 상기 확산판에 도포되며, 상기 용매는 헥산(hexane)과 옥탄(octane)의 체적비가 8~9.5 : 0.5~2인 것을 특징으로 하며, 더욱 바람직하게는 상기 양자점의 혼합시 용매는 핵산과 옥탄의 비를 9:1 로 하여 만들어진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 LED칩은 백색LED칩이고, 상기 양자점은 600~610nm 파장의 양자점을 40~46%, 610~620nm 파장의 양자점을 54~60% 의 비율로 혼합하여 만들어진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 LED칩은 백색LED칩이고, 상기 양자점은 605nm 파장의 양자점을 43%, 615nm 파장의 양자점을 57% 의 비율로 혼합하여 만들어진다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 가시광 영역에서 태양광(또는 자연광)과 유사한 스펙트럼을 가질 수 있는 LED 조명장치가 제공된다.
도 1은 종래 LED 조명장치의 발광스펙트럼이고,
도 2는 태양광 발광스펙트럼이고,
도 3은 또 다른 종래 LED 조명장치의 발광 스펙트럼이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명장치의 구조도이고,
도 5는 서로 다른 재질의 확산판에서의 양자점의 분산정도를 보여주는 도면이고,
도 6a 및 도 6d는 서로 다른 재질의 확산판을 사용하였을 때의 LED조명장치의 발광 스펙트럼이고,
도 7은 양자점이 도포된 백색LED를 이용한 LED 조명장치의 발광 스펙트럼을 보여주는 도면이고,
도 8은 양자점이 도포되지 않은 청색LED의 발광스펙트럼을 보여주는 도면이고,
도 9는 양자점이 도포된 청색LED를 이용한 조명장치의 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙이도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED 조명장치의 개념도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED 조명장치는 기판(10) 상에 형성되는 LED 칩(20), 상기 LED 칩 상에 도포되는 형광체(30), 상기 LED 조명장치의 상부 표면층을 형성하는 확산판(90)로 구성된다.
기판(10)은, 실리콘 기판, 금속 기판, 세라믹 기판 또는 수지 기판 등 일반적으로 사용되는 어떠한 재질의 기판을 포함한다. 상기 기판(10) 상에는 LED 칩(20)이 실장된다. 도시되지 않았으나, LED 칩(20)은 n형 반도체층, p형 반도체층 및 n형 반도체층과 p형 반도체층 사이의 활성층을 포함하여 이루어진다. n형 반도체층과 p형 반도체층은 와이어를 통하여 기판(10) 상에 형성된 전극 단지(미도시)와 접속되며 전압을 인가하면 n형 반도체층과 p형 반도체층 사이에 전류가 흘러 활성층에서 광이 발생된다.
LED 칩(20)은 필요에 따라 다양한 파장의 광을 발생시킬 수 있는데, 바이올렛 LED칩을 사용할 경우 390nm 내지 440nm 사이의 파장 영역의 빛을 발광할 수 있고, 청색 LED칩을 사용할 경우 440nm 내지 475nm 사이의 파장 영역의 빛을 발광할 수 있다.
형광체(30)는 YAG 계열, 실리케이트 계열 또는 나이트라이드 계열의 형광체를 포함한다. 상기 형광체(30)의 종류에 따라 다양한 발광스펙트럼이 존재한다. 또한, 여기에 더하여 봉지재(미도시)가 더 포함될 수 있는데, 봉지재(미도시)는 일반적으로 LED 패키지에 사용되는 실리콘계 수지로 이루어진다. 상기 형광체(30)와 상기 봉지재(미도시)는 서로 별도의 층으로 이루어져 상기 LED 칩(20)을 덮도록 마련되거나 또는 상기 형광체(30)와 상기 봉지재(미도시)가 혼합되어 하나의 층으로 이루어져 상기 LED 칩(20)을 덮도록 마련될 수 있다.
상기 확산판(90)은 상기 LED조명장치의 상단에 위치하여 LED조명장치의 상판 역할을 하며, 상기 LED 칩(20)으로 나온 빛을 확산시키는 역할을 한다.
따라서, 상기 확산판(90)의 일면에는 양자점이 도포되어 양자점층(80)을 형성한다.
상기 확산판(90)의 재질은 폴리카보네이트(PC: polycarbonate), 폴리프로필렌(PP: polypropylene), 폴리스티렌(PS: polystyrene) 등이 사용될 수 있다. 이들의 특성에 따라 양자점의 분산 정도가 달라질 수 있으며, 도 5는 동일한 양의 양자점을 확산판에 도포하였을 때 이들이 확산판 표면에서 분산되는 경향은 보여주는 실험결과를 보여주고 있다. 실험 조건은 농도 40mg/ml 의 파장 615nm의 양자점을 0.5mL 드롭(drop)하였을 때의 분산되는 경향을 실험한 것이다.
도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 양자점이 분산되는 경향은 폴리스티렌(PS: polystyrene), 폴리프로필렌(PP: polypropylene), 폴리카보네이트(PC: polycarbonate)의 순서입니다. 폴리스티렌(PS)은 10cm만큼 분산되었고, 폴리프로필렌(PP)는 11cm만큼 분산되었으며, 폴리카보네이트(PC)의 경우에는 16cm만큼 분산되어 폴리카보네이트(PC)의 분산정도가 가장 좋은 것을 확인할 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는 양자점을 도포하지 않은 확산판과 양자점을 0.5ml 드롭(drop)방식으로 도포한 확산판을 사용하였을 때의 조명장치의 스펙트럼의 차이점을 보여주는 도면이다. 도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 양자점을 도포하지 않은 확산판을 사용하는 것보다, 양자점이 0.5mL 드롭(drop)된 폴리스티렌(PS) 확산판과 폴리프로필렌(PP) 확산판과 폴리카보네이트(PC) 확산판을 조명으로 사용하였을 때 스펙트럼의 범위가 넓게 커버되는 것을 볼 수 있다.
도 6a 내지 도 6d에서 확인 할 수 있는 바와 같이, 확산판 재질로 폴리카보네이트(PC)를 사용할 경우 스펙트럼에서 연색성 개선이 가장 잘 된 것을 볼 수 있으며, 수치적으로는 아래의 표 1과 같이 정리할 수 있다. 백색 패키지에 사용된 형광체 와 3종류의 확산판에 소량의 양자점을 드롭(drop) 하였을 때의 연색성 개선 효과는 다음과 같다.
백색LED에 사용된 형광체 양자점 무 PS+양자점 PP+양자점 PC+양자점
YAG 73 80 79 83
Nitride 71 75 76 82
Silicate 62 68 69 73
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 LED조명장치에서 상기 확산판은 폴리카보네이트(PC: Polycarbonate)재질로 만들어지고, 상기 확산판의 일면에는 양자점이 도포된다.
양자점(40)은, 상기 LED 칩(20)에서 발생되어 상기 형광체(30)를 통과한 빛의 발광스펙트럼 중 태양광 스펙트럼에 비하여 낮은 파장 영역에 대응하는 파장 영역을 가지는 양자점이다. 양자점은 나노미터 크기의 반도체로서 입자 크기와 형상을 제어함에 따라 물리적, 화학적, 전기적 특성을 변화시킬 수 있는 재료이다. 양자점의 크기는 수 나노미터로서 크기 및/또는 형상에 따라 청색에서부터 원적색까지, 420nm 내지 750nm 사이의 다양한 파장으로 발광이 가능하다. 따라서, 양자점의 크기 및/또는 형상의 조절을 통하여 양자점의 발광 파장을 조절할 수 있다.
일반적으로 양자점과 형광체는 발광하기 위하여 흡수광원이 필요하며 흡수광원이 단파장일수록 발광강도가 높아진다. 그러나 일반적으로 종래 LED 조명에 사용되는 백색 LED 패키지의 청색 LED 칩의 파장은 주로 460nm 내지 465nm이다. 이러한 이유로 종래 LED 조명에서는 연색지수 중에서 R12를 개선하는데 한계가 존재한다. 상기 R12 연색지수를 개선하고 양자점과 형광체의 발광강도를 증가시키기 위하여 UV LED를 청색 LED 대신 사용하는 것이 가능하나 400nm 이하의 UV LED를 사용하기 위하여는 자외선에 의한 변형 및 손상을 방지하기 위하여 패지키 재료 및 조명기구의 재료를 변경해야 하므로, LED 패키지의 제조원가가 상승되는 문제점이 발생한다. 그러나 본 발명에 따르면, 바이올렛 LED 칩을 이용하여 백색광을 구현하는 바, 이를 이용할 경우 상기 R12연색지수를 개선하고 양자점과 형광체의 발광강도를 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 양자점(40)은, InP, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, ZnO, AgGaS2, AgGaSe2, AgGaTe, CuInS2, CuInSe2, CuGaS2, CuGaSe2, CdSe/CdS, CdSe/CdS/CdZnS, CdSe/CdS/CdZnS/ZnS, CdSe/ZnS, CdS/ZnS, (CdxZn1-xSe)/CdyZn1-yS, CdSe/ZnS/CdZnS, CdSe/CdS/ZnS/CdZnS, CdS/HgS, ZnSe/CdSe, ZnTe/CdSe, CdTe/CdSe, CdS/ZnSe, InAs/CdSe, InP/ZnS, CuInS2/ZnS, ZnS:Mn/ZnS, ZnS:Mn/ZnSe, ZnS/InP/ZnS, ZnS/CdSe/ZnS 또는 이들의 2이상의 조합으로부터 선택되며, 이들은 발광특성이 매우 좋으며 단일 양자점 및 코워/쉘, 코어/다중쉘 구조를 가지는 양자점을 단독 또는 조합하여 사용될 수 있다.
수 나노미터 크기를 가지는 양자점을 용액공정으로 이용하기 위해서는 양자점이 용매에 분산되어야 하고, 분산된 용매가 쉽게 증발되지 않도록 하는 혼합용액을 함께 사용하여 상기 확산판에 도포된다. 상기 용매는 헥산(hexane)과 옥탄(octane)의 체적비가 8~9.5 : 0.5~2이고, 더 바람직하게는 상기 용매는 헥산(hexane)과 옥탄(octane)의 체적비가 9 : 1 인 것을 사용한다.
특히, 양자점이 용매에 양자점 상호간에 응집되지 않고 균일하게 분산되도록 하기 위해서 양자점의 합성시에 TOP(trioctylphosphine), TOPO(trioctylphosphine oxide), 올레익산(oleic acid), 올레이아민(oleylamine), 옥틸아민(octylamine), 트리옥틸아민 (trioctylamine), 헥사데실아민(hexadecylamine), 헥실포스폰산(HPA), 옥타데실포스폰산(ODPA), 테트라데실포스폰산(TDPA), 옥틸포스핀산(OPA)과 같은 유기물의 리간드가 나노입자 표면을 캐핑하고 있다. 이와같은 유기물의 리간드는 나노입자의 모양, 크기등을 제어하는데 필수적인 역할을 할뿐만 아니라 양자점의 상호간 척력을 제공하여 양자점이 응집되는것을 방지해주는 역할을 한다.
실험예 1. 발광 스펙트럼의 측정
실험예 1에서는 폴리카보네이트(PC) 재질의 확산판을 이용하여 연색성을 개선하는 것을 보여준다. 양자점의 파장과 농도를 조절하여 색온도와 연색성을 조절할 수 있으며, 본 실험예 1에서 사용된 조명의 종류는 6인치 매입등이다.
양자점을 포함하지 않고 연색지수가 75이고 색온도가 5500K인 LED 조명장치를 대조군으로, 양자점을 포함하는 LED 조명장치를 실험군으로 하여 발광 스펙트럼을 측정 및 비교하였다.
도 7은 양자점이 도포된 백색LED를 이용한 LED 조명장치의 발광 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
먼저, 대조군인 양자점이 도포되지 않고 형광체만 도포된 LED 조명장치의 발광 스펙트럼을 측정하고, 이 발광 스펙트럼의 결과는 도 7의 a와 같다.
다음은 다양한 파장영역을 갖는 양자점을 제조하여 상기 확산판에 도포하여 LED 조명장치를 제조하여 발광 스펙트럼을 측정하였다.
본 실험예1에 사용된 양자점의 양은 동일한 농도에서 체적 % 로 첨가한 것으로 사용된 양자점의 농도는 40mg/ml이며, 용매의 경우 헥산과 옥탄을 9:1로 혼합한 혼합용액이다. 실험에 사용된 기구는 6인치 매입등의 확산판이다.
도 7의 b는 605nm 양자점 1mL를 혼합용액 100mL에 첨가하여 3mL를 확산판에 코팅한 결과이며, 도 7의 c는 490nm 양자점 1mL를 혼합용액 100mL에 첨가한 1.6mL 의 용액과, 640nm 양자점 1mL를 혼합용액 100mL에 첨가한 1mL 의 용액과, 650nm 양자점 1mL를 혼합용액 100mL에 첨가한 0.4mL의 용액을 혼합하여 확산판에 코팅한 결과이며, 도 7의 d는 605nm 양자점 1mL를 혼합용액 100mL에 첨가한 1.3mL 의 용액과, 615nm 양자점 1mL를 혼합용액 100mL에 첨가한 1.7mL 의 용액을 혼합하여 확산판에 코팅한 결과이며 도 7의 e는 605nm 양자점 1mL를 혼합용액 60mL에 첨가하여 3mL를 확산판에 코팅한 결과이다.
도 7의 b와 e를 비교하였을 때 양자점과 혼합용액의 혼합비에 따라 양자점의 농도를 변화시켜서 연색지수를 개선할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 그리고 도 7의 c와 d에서는 비슷한 연색지수(93, 94)를 갖는 조명이지만 하나는 주광색(cool white)이고 하나는 전구색(warm white) 으로서, 청색~녹색 발광파장의 양자점을 첨가함으로서 주광색을 유지할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
위와 같은 서로 다른 파장의 양자점을 확산판에 도포한 결과의 스펙트럼은 도 7의 c에서 볼 수 있는 바와 같이 파장이 490nm, 640nm 및 650nm인 양자점을 함께 확산판에 도포하면 색온도가 5200K로 변하면서 연색지수는 93으로 상승되었다. 도 7의 d에서 볼 수 있는 바와 같이 605nm의 양자점에 615nm의 양자점을 더 첨가하여 확산판에 도포하면 색온도가 3200K로 변하면서 연색지수는 94로 더 상승되었다.
또한 도 7의 b와 도 7의 e에서는 파장이 605nm인 양자점을 도포하면서 양자점과 혼합용액의 혼합비에 따라 스펙트럼이 달라지는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 다양한 발광파장을 갖는 양자점을 이용하여 LED조명에서 자연광과 비교하여 부족한 파장들을 양자점으로 대신 채워줌으로서 자연광 스펙트럼에 유사한 스펙트럼, 연색지수를 가지게 되어 거의 자연광과 같은 효과를 가질 수 있다. 이에 따라, 이를 이용하여 자연광에 유사한 LED 패키지 및 조명장치의 제공이 가능함을 확인할 수 있다.
실험예 2. 양자점이 도포된 청색 LED의 발광 스펙트럼의 측정
도 8은 양자점이 도포되지 않은 청색LED의 발광스펙트럼을 보여주는 도면으로 자연광을 구현하기 위하여 첨가할 수 있는 양자점과 이 양자점들의 크기를 보여주는 도면이고, 도 9는 양자점이 도포된 청색LED를 이용한 조명장치의 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
실험예 2에서는 청색LED를 이용한 LED조명장치에서 폴리카보네이트(PC) 재질의 확산판을 확산판에 도포하여 연색성을 개선하는 것을 보여준다. 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 청색LED의 경우 청색 발광스펙트럼만 존재하기 때문에 자연광을 구현하기 위해서는 청녹색~원적색 파장의 스펙트럼이 필요하며, 도 8에서는 이러한 파장을 갖는 양자점들을 함께 보여주고 있다.
이와 같은 청색LED를 이용한 LED조명장치에서 확산판의 일면에 양자점을 도포함으로써 연색성을 개선할 수 있으며, 이때 양자점의 파장과 농도를 해당 LED에 맞게 조절하여야 하는데, 청색LED경우 가시광선 대역에서 파장이 짧은 대역 이외의 대부분의 대역에서 스펙트럼이 나타나지 않기 때문에 이러한 파장 대역의 양자점들을 골고루 도포하는 것이 필요하다.
청색LED를 이용한 LED조명장치에 다양한 발광 파장을 갖는 양자점을 첨가하여 백색 조명을 구현할 수 있으며, 이를 위해 동일한 양자점의 농도에서, 450~650nm 파장의 양자점을 혼합하여 확산판에 도포한다.
양자점의 혼합시 용매는 핵산과 옥탄의 비를 9:1 로 하고 490, 515, 540, 560, 580, 610, 625, 640, 650nm 파장의 양자점을 적정비로 혼합하며, 바람직하게는 100%를 기준으로 25, 27, 13, 8, 10, 5, 5, 4, 3% 의 비율로 혼합한다.
여기에서 양자점의 농도는 앞 내용과 같이 40mg/ml 이고, 헥산과 옥탄을 혼합한 용액의 체적도 100mL 이다. 이 농도의 양자점을 25, 27, 13, 8, 10, 5, 5, 4, 3% 의 비율로 1mL를 혼합한 용액을 헥산과 옥탄 혼합용액 100mL에 혼합한다. 이 혼합용액 3mL를 6인치 매입등에 도포한 결과이다.
이렇게 혼합한 양자점을 확산판에 도포하면 도 9에서 보인 스펙트럼에서 확인할 수 있는 바와 같이 연색지수 97, 색온도 6964K의 백색 조명을 얻을 수 있다.
비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
10: 기판 20: LED 칩
30: 형광체 40: 양자점
80 : 양자점층 90 : 확산판

Claims (14)

  1. LED 조명장치에 있어서,
    기판 상에 형성되는 LED 칩과;
    상기 LED 칩 상에 도포되는 형광체와;
    상기 LED 조명장치의 상부 표면층을 형성하는 확산판;을 포함하고,
    상기 확산판은 폴리카보네이트(PC: Polycarbonate)재질로 만들어지고, 상기 확산판의 일면에는 양자점이 도포되는 것을 특징으로 하는 양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED 조명장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 확산판에 도포되는 양자점은 상기 양자점을 용매에 분산시켜 상기 확산판에 도포되며, 상기 용매는 헥산(hexane)과 옥탄(octane)의 체적비가 8~9.5 : 0.5~2인 것을 특징으로 하는 양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED 조명장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 용매는 헥산(hexane)과 옥탄(octane)의 체적비가 9 : 1 인 것을 특징으로 하는 양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED 조명장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 양자점은, 상기 양자점의 표면에 TOP(trioctylphosphine), TOPO (trioctylphosphine oxide), 올레익산(oleic acid), 올레이아민(oleylamine), 옥틸아민(octylamine), 트리옥틸아민 (trioctylamine), 헥사데실아민(hexadecylamine), 헥실포스폰산(HPA), 옥타데실포스폰산(ODPA), 테트라데실포스폰산(TDPA), 옥틸포스핀산(OPA) 리간드 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED 조명장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 양자점은, 450nm 내지 650nm 사이의 파장 영역을 가지는 것을 특징으로 하는 양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED 조명장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 양자점은, InP, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, ZnO, AgGaS2, AgGaSe2, AgGaTe, CuInS2, CuInSe2, CuGaS2, CuGaSe2, CdSe/CdS, CdSe/CdS/CdZnS, CdSe/CdS/CdZnS/ZnS, CdSe/ZnS, CdS/ZnS, (CdxZn1-xSe)/CdyZn1-yS, CdSe/ZnS/CdZnS, CdSe/CdS/ZnS/CdZnS, CdS/HgS, ZnSe/CdSe, ZnTe/CdSe, CdTe/CdSe, CdS/ZnSe, InAs/CdSe, InP/ZnS, CuInS2/ZnS, ZnS:Mn/ZnS, ZnS:Mn/ZnSe, ZnS/InP/ZnS, ZnS/CdSe/ZnS 또는 이들의 2 이상의 조합으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED 조명장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 LED칩은 청색LED칩이고,
    상기 양자점은 485~495nm 파장의 양자점을 22~28%, 510~520nm 파장의 양자점을 24~30%, 535~545nm 파장의 양자점을 10~16%, 555~565nm 파장의 양자점을 5~11%, 575~585nm 파장의 양자점을 7~13%, 605~615nm 파장의 양자점을 2~8%, 620~630nm 파장의 양자점을 2~8%, 635~645nm 파장의 양자점을 1~7%, 645~655nm 파장의 양자점을 1~6%의 비율로 혼합하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED 조명장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 LED칩은 청색LED칩이고,
    상기 양자점은 490, 515, 540, 560, 580, 610, 625, 640, 650nm 파장의 양자점을 각각 25, 27, 13, 8, 10, 5, 5, 4, 3% 의 비율로 혼합하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED 조명장치.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 확산판에 도포되는 양자점은 상기 양자점을 용매에 분산시켜 상기 확산판에 도포되며, 상기 용매는 헥산(hexane)과 옥탄(octane)의 체적비가 8~9.5 : 0.5~2인 것을 특징으로 하는 양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED 조명장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 양자점의 혼합시 용매는 핵산과 옥탄의 비를 9:1 로 하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED 조명장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 LED칩은 백색LED칩이고,
    상기 양자점은 600~610nm 파장의 양자점을 40~46%, 610~620nm 파장의 양자점을 54~60% 의 비율로 혼합하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED 조명장치.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 LED칩은 백색LED칩이고,
    상기 양자점은 605nm 파장의 양자점을 43%, 615nm 파장의 양자점을 57% 의 비율로 혼합하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED 조명장치.
  13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,
    상기 확산판에 도포되는 양자점은 상기 양자점을 용매에 분산시켜 상기 확산판에 도포되며, 상기 용매는 헥산(hexane)과 옥탄(octane)의 체적비가 8~9.5 : 0.5~2인 것을 특징으로 하는 양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED 조명장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 양자점의 혼합시 용매는 핵산과 옥탄의 비를 9:1 로 하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 양자점이 도포된 확산판을 갖는 LED 조명장치.
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