KR20160143922A - 형광체 플레이트 제조용 조성물, 형광체 플레이트 및 조명장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 형광체 및 글래스프릿(glass frit)을 포함하는 형광체 플레이트 제조용 조성물에 있어서, 상기 형광체의 입도가 1 내지 10㎛인 형광체 플레이트 제조용 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면 글래스 매트릭스 내에 형광체의 비표면적을 증가함으로써 지향각을 개선한 형광체 플레이트 제조용 조성물 및 그 형광체 플레이트 제조용 조성물을 이용하여 제조된 형광체 플레이트 및 그 플레이트를 적용한 발광장치를 제공할 수 있다.

Description

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

본 발명은 형광체 플레이트 제조용 조성물, 형광체 플레이트 및 발광장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량과 같은 고출력, 고효율 및 넓은 지향각을 요구하는 분야에 적용할 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 되었으머, 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.

LED는 점광원으로서, 직진성과 좁은 지향면적을 가지고 있다. 따라서, 넓은 지향각을 요구하는 광원으로 사용하기 위해서는 개선이 필요하며, 특히 차량과 같은 고출력, 고효율 및 넓은 지향각을 요구하는 분야에 적용할 수 있도록 하기 위해서는 지향각을 개선하는 것이 필수적인 과제이다.

기존 레진 타입(Resin type)의 경우 레진에 무기 필러나 유기 파티클을 첨가하여 빛을 산란시킴으로서 광원의 지향각을 넓게 하는 방법을 사용하여 왔으나, 세라믹 광변환 소자의 경우 그러한 경우 광속이 저하되는 단점이 있어 유기, 무기 필러를 첨가하는 것으로 지향각을 개선하는 데에는 한계가 있다.

본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 특히 글래스 매트릭스 내에 형광체의 비표면적을 증가함으로써 지향각을 개선한 형광체 플레이트 제조용 조성물을 제공할 수 있도록 한다.

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

본 발명의 실시예들은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로, 형광체 및 글래스프릿(glass frit)을 포함하는 형광체 플레이트 제조용 조성물에 있어서, 상기 형광체의 입도가 1 내지 10㎛인 형광체 플레이트 제조용 조성물을 제공한다.

또한, 상기 형광체는 발광 파장이 500 내지 570㎚인 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 형광체는 발광 파장이 550㎚인 LuAG 형광체 및 620㎚인 Nitride 형광체의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 형광체는 전체 조성물의 함량 대비 발광 파장이 550㎚인 LuAG 형광체 7중량% 및 620㎚인 Nitride 형광체 2중량%의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

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

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

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

또한, 상기 형광체의 함량은 0.01 내지 15중량%인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 글래스프릿은 평균 입자의 크기가 2㎛ 이상인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 입도가 1 내지 10㎛인 형광체 및 글래스프릿(glass frit)을 포함하는 조성물을 압축성형 후 소결하여 제조된 형광체 플레이트를 제공한다.

또한, 상기의 형광체 플레이트를 포함하는 발광장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 글래스 매트릭스 내에 형광체의 비표면적을 증가함으로써 지향각을 개선한 형광체 플레이트 제조용 조성물 및 그 형광체 플레이트 제조용 조성물을 이용하여 제조된 형광체 플레이트 및 그 플레이트를 적용한 발광장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플레이트 가공 후 광 특성 측정 방법의 모식도.
도 2는 비교예 1의 지향각 측정 결과 그래프.
도 3은 비교예 2의 지향각 측정 결과 그래프.
도 4는 비교예 3의 지향각 측정 결과 그래프.
도 5는 비교예 4의 지향각 측정 결과 그래프.
도 6은 비교예 5의 지향각 측정 결과 그래프.
도 7은 실시예 1의 지향각 측정 결과 그래프.
도 8은 실시예 3의 지향각 측정 결과 그래프.

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 실시예는 고효율, 고내열성을 요구하는 고출력 LED 조명 및 차량용 PKG 의 지향각 개선하고자 하는 것으로, LED 조명 및 차량용 PKG의 광효율 저하없이 지향각의 개선을 가능하게 하도록 형광체의 입도를 구현하는 기술에 대한 것이다.

이를 위한 본 발명의 실시예는 형광체 및 글래스프릿(glass frit)을 포함하는 형광체 플레이트 제조용 조성물에 있어서, 상기 형광체의 입도가 1 내지 10㎛의 범위 내의 형광체를 구현할 수 있도록 한다.

이처럼 글래스프릿과 혼합하는 형광체의 입도를 조절하면 형광체의 비표면적이 증가하여 지향각이 개선되는 효과를 얻을 수 있게 되는 것이다.

상기 본 발명의 실시예에 따른 형광체 플레이트 제조용 조성물은 SiO₂-B₂O₃-ZnO 계 조성의 글래스프릿(glass frit)을 사용하여, 주요 글래스 조성은 SiO₂, B₂O₃, ZnO₃ 종이며 3종의 총합이 40 내지 80 중량%의 범위로 포함되는 것이 바람직하다. 40중량% 미만이 포함되는 경우유리안정성이 낮아지며 신뢰성에 취약하므로 바람직하지 않으며, 80중량% 보다 많은 양이 포함되는 소결온도가 높이지고 결정화가 발생되기 쉬우므로 바람직하지 않다.

상기 글래스프릿은 평균 입자의 크기가 2㎛ 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 일실시예로서는, 나아가, 상기 글래스프릿는 평균입경이 2㎛ 내지 20㎛일 수 있고, 바람직하게는 2㎛ 내지 15㎛일 수 있다. 글래스 프리트의 입경을 작게 할 경우 소결 후 내부 기공율이 줄어 광 특성 향상에 유리하다. 상기 글래스 프리트의 입경이 20㎛를 초과할 경우, 추후 형광체와 혼합하여 소결할 경우 다수의 기공(pore)이 형성될 우려가 있다. 반면, 상기 글래스 프리트의 입경이 2㎛ 미만일 경우에는 형광체와 혼합될 때 충분히 분산되지 못하여 충분히 형광체를 패시베이션할 수 없게 될 우려가 있고, 밀링(milling)하는 시간이 증가함에 따라 오염도도 증가하여 소결 후에 백색도 유지가 어렵게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 형광체는 발광 파장이 500 내지 570㎚이고, 입도가 1 내지 10㎛인 것을 사용하는 것이 바람직한데,Amber, Red 의 경우 10㎛ 이하 사이즈 제작에 한계가 있다고 알려져 있고,Yellow 및 Green 파장대에서 작은 입도 제작이 가능하다고 보아, 본 발명의 실시예의 실험 진행시 파장의 범위를 상기와 같이 한정하였다.

상기 발광 파장이 500 내지 570㎚이고, 입도가 1 내지 10㎛인 형광체의 함량은 전체 조성물의 함량을 기준으로 0.01 내지 15중량%의 범위 내에서 사용할 수 있다. 상기 범위 이외에서는 원하는 색구현인 백색광이 되지 않기 때문에 이와 같은 범위로 수치를 한정하였다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 형광체는 상기 형광체 외에 발광 파장이 550㎚인 LuAG 형광체 및 620㎚인 Nitride 형광체의 혼합물을 더 첨가하여 사용할 수 있으며, 상기 형광체의 함량은 전체 조성물의 함량 대비 발광 파장이 550㎚인 LuAG 형광체 7중량% 및 620㎚인 Nitride 형광체 2중량%의 혼합물을 사용할 수 있다.상기 범위 이외에서는 원하는 색구현(백색광)이 되지 않기 때문에 이와 같이 수치의 범위를 한정하였다.

또한 본 발명에 따른 형광체 플레이트 제조용 조성물을 650℃이하 소성을 위해 alkali(Na₂O, Li₂O, K₂O) 원소 첨가할 수 있으며, 첨가되는 함량은 1 내지 15 중량%가 포함될 수 있다.

또한, 본 발명의 일양태는, 입도가 1 내지 10㎛인 형광체 및 글래스프릿(glass frit)을 포함하는 조성물을 압축성형 후 소결하여 제조된 형광체 플레이트를 제공할 수 있으며, 나아가, 이러한 상기의 형광체 플레이트를 포함하는 조명장치를 제공할 수 있도록 한다.

도 1에 도시된 것은, 본 발명에 따른 형광체 조성물을 이용하여 플레이트화한 구조물을 적용한 조명장치를 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 조명장치는 상술한 실시예들에에 따른 형광체 조성물을 이용하여 제조되는 세라믹 형광체 플레이트(2200)를 포함한다. 이 경우, 세라믹 형광체 플레이트(2200)는 광원(2100)으로부터 이격되도록 구비된다. 상기 광원으로부터 이격되는 거리는 10㎜ 내지 20㎜일 수 있다. 상기 이격거리는 바람직하게는 12㎜ 내지 18㎜일 수 있다. 상기 이격 거리가 20㎜를 초과할 경우에는 광추출이 충분히 이루어지지 않을 우려가 있다. 반면 상기 이격거리가 10㎜ 미만일 경우, 광원(2100)으로부터 발생되는 열에 의하여 세라믹 형광체 플레이트(2200)가 열변형을 일으킬 우려가 있다. 이러한 구조에서 상기 형광체플레이트는 본 발명의 실시예와 같이, 형광체와 SiO₂-B₂O₃-ZnO 계 조성의 글래스프릿(glass frit) 및 K₂SiO₃ 를 포함하는 물질로 구현되어, 글래스프릿(glass frit)들 간의 계면을 감소시켜 광 손실을 방지함으로써 광속을 증대할 수 있게 된다.

아울러, 본 일실시예에서의 상기 조명장치는 광원(2100)을 중심으로 하여 바닥면에서 위쪽으로 갈수록 넓어지는 형태의 하우징(2300)을 포함한다. 광원(2100)으로는 광을 출사하는 광소자로서, 일례로 고체발광소자가 적용될 수 있다. 상기 고체발광소자는 LED, OLED, LD(laser diode), Laser, VCSEL 중 선택되는 어느 하나가 적용될 수 있다. 하우징(2300)의 상단부에 세라믹 형광체 플레이트(2200)가 구비되어, 광원(2100)으로부터 이격되도록 배치된다. 세라믹 형광체 플레이트(2200)는 상술한 바와 같이 유리 프리트로 이루어진 매트릭스 및 매트릭스 중에 분산되어 있는 세라믹 형광체를 포함한다. 하우징 내부는 세라믹 형광체 플레이트(2200)의 굴절률 보다 높거나 같은 굴절률을 갖는 물질로 충진할 수 있다.

또한, 이러한 형태의 적분구(積分球)로서 광특성을 측정할 수 있다. 상기 적분구는 내부의 휘도가 어느 각도에서든지 일정하며, 시료 표면에서 반사되는 빛을 모두 포획하여 적분구 표면에 고른 조도로 분포되게 한다. 적분구 내벽의 코팅 재료로 특수 페인트나 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, polytetrafluoroethylene)등이 있으며 그 내부가 오염되지 않도록 주의한다. 분광 투과율의 경우는 시료 없이 투과되는 빛을 100%로 두고 철판 등 불투명 물체로 빛을 완전 차단한 경우를 0%로 한다. 투과색 중 투과 물질 내에서의 분산 효과가 클 때는 적분구를 이용하여 측정하는 것이 바람직하다.

상기 적분구는 W_T가 55㎜ 내지 60㎜, W_B가 35㎜ 내지 40㎜, H가 15㎜ 내지 20㎜의 크기로 준비한다. 우선 세라믹 형광체 플레이트(2200)가 없는 상태에서 광원(2100)인 청색 LED의 광복사속(radiant flux)을 측정한다. 이후, 세라믹 형광체 플레이트(2200)를 장착하여 광속(lumens)을 측정한 후, 앞서 측정한 청색 LED의 광복사속 값으로 나누면 광효율을 구할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 다양한 형광체플레이트의 제조공정의 실시예를 설명하기로 한다.

[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

2. 형광체 플레이트(phosphor plate) 제조공정

1) 제조된 Glass Frit 과 형광체 혼합

- 3000K 색온도 구현 시 : 550nm LuAG 형광체 7%, 620nm Nitride 형광체 2% 혼합

- Glass 의 소결 후 투과도와색차에 따라 형광체 혼합량은 미량 변경될 수 있음

- 상기 혼합량은 1T 기준 (0.5T 로 두께가 낮아지면 형광체 혼합량은 약 2배로 증가)

2) Powder Mixing

- Ball Mill을 통해 혼합된 분말을 충분히 Mixing 및 분산

3) 압축성형(Press)

- Sus몰드에 혼합된 분말을 넣고 일축성 Press 진행 (5 Ton, 5 분)

4) 소결(sintering)

- 프레스 공정을 거친 성형물을소결로에 넣고 소결(Glass Tg에 따라 소성 조건 상이)

4) 연마(Polishing)

- Polishing을 통해 Plate의 두께와 표면 연마 진행

- 표면 조도 0.2 um로 경면 가공

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

- 두께 1T로 가공 후 도 1과 같이 Remote Phosphor 형태로 적분구를 이용하여 측정

- Plate가 없는 상태에서 Blue LED의 Radiant Flux 를 측정

- Plate를 거치 후 측정된 Lumen 값에 상기 Blue의 Radiant Flux 값으로 나눠 lm/Wrad.blue 값을 구하여 Plate 마다의 광 특성 비교

4. 지향각 측정

- LED 및 조사 각도별색좌표(Cx, Cy) 좌표의 변동폭 측정

[실험결과]

표 1은 본 발명의 실시예에 따른 실험결과를 정리하여 나타내었으며, 도 2 내지 도 8은 각각 비교예 1 내지 5(도 2 내지 6) 및 실시예 1 및 2(도 7 및 도 8)의 지향각 측정 결과를 나타낸 것이다.

	Phosphor	입도 (um)	△(Cx)		△(Cy)		광특성
			Θ=60°	Θ=80°	Θ=60°	Θ=80°	Cx	Cy	CCT
비교예 1	-	-	0.009	0.013	0.015	0.022	-	-	-
비교예 2	550+595	15	0.016	0.024	0.030	0.044	0.326	0.339	5799
비교예 3	550+595	15	0.015	0.023	0.030	0.044	0.322	0.334	5975
비교예 4	545+595	14	0.016	0.023	0.029	0.042	0.325	0.330	5866
비교예 5	530+595	13	0.014	0.021	0.027	0.039	0.318	0.325	6221
실시예 1	545+595	7	0.013	0.176	0.024	0.035	0.312	0.310	6740
실시예 2	530+595	5.5	0.010	0.015	0.019	0.028	0.310	0.303	6926
기준치	-	-	0.02	0.03	0.02	0.03	0.322	0.335	6000

상기 표 1의 결과로부터 입도가 작아짐에 따라 60°,80° 에서의 △(Cx), △(Cy) 값이 감소한 것을 확인할수 있으며, 이를통해 지향각이 개선됨을 알 수 있고, 또한 도 2 내지 도 8의 x축은 지향각 측정 각도이며, y축은 △(Cx), △(Cy) 값이다. y축 값은 작을수록 지향각 분포가 좋음을 의미한다.

2100: 광원
2200: 세라믹 형광체 플레이트
2300: 하우징

Claims (11)

1. 형광체; 및
   글래스프릿(glass frit)을 포함하며,
   상기 형광체의 입도가 1㎛ 내지 10㎛인 형광체 플레이트 제조용 조성물.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 형광체는 발광 파장이 500 내지 570㎚인 것을 포함하는 형광체 플레이트 제조용 조성물.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 형광체는 발광 파장이 550㎚인 LuAG 형광체 및 620㎚인 Nitride 형광체의 혼합물을 포함하는 형광체 플레이트 제조용 조성물.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 형광체는 전체 조성물의 함량 대비 발광 파장이 550㎚인 LuAG 형광체 7중량% 및 620㎚인 Nitride 형광체 2중량%의 혼합물을 포함하는 형광체 플레이트 제조용 조성물.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 글래스프릿은 SiO₂-B₂O₃-ZnO계인 형광체 플레이트 제조용 조성물.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 글래스프릿은 SiO₂, B₂O₃ 및 ZnO₃의 총합이 40중량% 이상 포함된 형광체 플레이트 제조용 조성물.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 조성물은 Na2O, Li2O 및 K2O로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 더 포함하는 형광체 플레이트 제조용 조성물.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 형광체의 함량은 0.01 내지 15중량%인 형광체 플레이트 제조용 조성물.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 글래스프릿은 평균 입자의 크기가 2㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 형광체 플레이트 제조용 조성물.
   
10. 입도가 1 내지 10㎛인 형광체 및 글래스프릿(glass frit)을 포함하는 조성물을 압축성형 후 소결하여 제조된 형광체 플레이트.
    
11. 광원;
    상기 광원에서 이격되는 형광체플레이트; 및
    상기 광원 및 상기 형광체 플레이트를 수용하는 하우징;을 포함하며,
    상기 형광체플레이트는, 입도가 1㎛ 내지 10㎛ 내의 형광체 및 글래스프릿(glass frit)을 포함하는 조명장치.
    

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