KR20170018202A - 적색 형광체, 백색 발광장치 및 조명 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 조성식 SrxMgySizN2 /3(x+y+2z+w):Euw로 표현되는 질화물을 포함하며, 상기 조성식에서 상기 파라미터(x, y, z, w)는, 0.5≤x≤2, 2.5≤y≤3.5, 0.5≤z≤1.5 및 0<w≤0.1을 만족하는 적색 형광체를 제공하며, 일 예에서는, 여기원을 조사하여 610∼625㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 광을 방출하며, 상기 여기원은 420∼470㎚ 범위의 주파장(dominant wavelength)을 갖는 청색 광원일 수 있다. 이 경우에, 상기 방출되는 광의 스펙트럼은 55㎚이하의 반치폭(FWHM; full-width at half-maximum)을 가질 수 있다.

Description

적색 형광체, 백색 발광장치 및 조명 장치 {RED PHOSPHOR, LIGHT EMITTING DEVICE AND LIGHTING APPARATUS}
본 발명은 적색 형광체와 이를 포함한 백색 발광장치 및 조명 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 파장 변환용 형광체물질은 다양한 광원의 특정 파장광을 원하는 파장광으로 변환시키는 물질로 사용되고 있다. 특히, 다양한 광원 중 발광다이오드는 저전력 구동 및 우수한 광효율으로 인해 LCD 백라이트와 자동차 조명 및 가정용 조명장치로서 유익하게 적용될 수 있으므로, 최근에 형광체 물질은 백색 발광장치를 제조하기 위한 핵심기술로 각광받고 있다.
일반적으로, 백색 발광장치는 청색 또는 자외선 LED 칩에 1종 이상의 형광체(예, 황색 또는 적색 및 청색)을 적용하는 방식으로 제조되고 있다. 이러한 형광체는 높은 발광특성과 함께 고온고습 환경에서도 우수한 신뢰성이 요구된다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제 중 하나는, 광변환 효율(LER; luminous efficacy of radiation)이 개선된 적색 형광체와, 이를 이용하여 연색지수(CRI)와 같은 광특성이 개선된 백색 발광장치 및 조명 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예는, 조성식 SrxMgySizN2 /3(x+y+2z+w):Euw로 표현되는 질화물을 포함하며, 상기 조성식에서 상기 파라미터(x, y, z, w)는, 0.5≤x≤2, 2.5≤y≤3.5, 0.5≤z≤1.5 및 0<w≤0.1을 만족하는 적색 형광체를 제공한다.
일 예에서, 여기원을 조사하여 610∼625㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 광을 방출하며, 상기 여기원은 420∼470㎚ 범위의 주파장(dominant wavelength)을 갖는 청색 광원일 수 있다. 이 경우에, 상기 방출되는 광의 스펙트럼은 55㎚이하의 반치폭(FWHM; full-width at half-maximum)을 가질 수 있다.
일 예에서, 상기 조성식에서, y는 3이고 z는 1이며, 상기 조성식에서, x 및 w는 x+w=1, 0.95<x<1 및 0<w<0.05을 만족할 수 있다.
일 예에서, 상기 적색 형광체는 불순물로서 산소 함유량이 1wt% 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 조성식 Sr1 - aMg3SiN4:Eua로 표현되는 질화물을 포함하며, 여기서 a는 0<a<0.05을 만족하며, 여기원을 조사하여 610∼625㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 광을 방출하며, 상기 방출되는 광의 스펙트럼은 55㎚ 이하의 반치폭(FWHM)을 갖는 적색 형광체를 제공한다.
일 예에서, 상기 방출되는 광의 스펙트럼에서 680㎚ 이상의 광량은 전체 광량 중 5% 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 420∼470㎚ 범위의 주파장을 갖는 여기광을 방출하는 반도체 발광소자와, 상기 반도체 발광소자 주위에 배치되어 상기 여기광의 적어도 일부 광의 파장을 적색 광으로 변환하는 적색 형광체와, 상기 반도체 발광소자의 방출파장 및 상기 적색 광의 파장과 다른 파장의 광을 제공하는 적어도 하나의 발광요소를 포함하며, 상기 적어도 하나의 발광요소는, 다른 반도체 발광소자 및 다른 형광체 중 적어도 하나이며, 상기 적색 형광체는 조성식 SrxMgySizN2/3(x+y+2z+w):Euw로 표현되는 질화물을 포함하며, 상기 조성식에서 상기 파라미터(x, y, z, w)는, 0.5≤x≤2, 2.5≤y≤3.5, 0.5≤z≤1.5 및 0<w≤0.1을 만족하는 백색 발광장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는, 조성식 SrxMgySizN2/3(x+y+2z+w):Euw로 표현되는 질화물을 포함하며, 상기 조성식에서 상기 파라미터(x, y, z, w)는, 0.5≤x≤2, 2.5≤y≤3.5, 0.5≤z≤1.5 및 0<w≤0.1을 만족하는 적색 형광체 제조방법으로서, Sr 함유 화합물, Mg 함유 질화물, Mg 함유 질화물 및 Eu 함유 화합물을 포함하는 원료 분말들을 측량하는 단계와, 상기 원료 분말들을 혼합하여 혼합 분말을 마련하는 단계와. 상기 적색 형광체가 얻어지도록 상기 혼합 분말을 소성하는 단계를 포함하는 적색 형광체 제조방법을 제공한다.
일 예에서. 상기 원료 분말들은 Sr3N2, Mg3N2, Si3N4 및 EuN을 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 혼합 분말을 마련하는 단계는, 비활성 기체가 채워진 밀폐된 공간에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 혼합 분말을 소성하는 단계는 1400∼1700℃ 범위에서 수행될 수 있다.
일 예에서, 상기 제조방법은 원하는 입도 범위의 입자들이 형성되도록 상기 적색 형광체를 분쇄하는 단계와, 상기 적색 형광체의 입자들을 세정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 상술된 적색 형광체를 파장 변환물질로 이용하는 조명 장치를 제공한다.
일 예에서, 상기 조명 장치는 LED 광원 모듈과, 상기 LED 광원 모듈 상에 배치되며, 상기 LED 광원 모듈로부터 입사된 광을 균일하게 확산시키는 확산시트를 포함하며, 상기 LED 광원 모듈은, 회로 기판과, 상기 회로 기판에 실장되며 상술된 적색 형광체를 파장 변환물질로 갖는 백색 발광장치를 포함하는 조명장치를 포함할 수 있다.
상술된 적색 형광체는 시감도 영역 외의 손실영역을 감소시켜 광변환 효율(LER)이 크게 향상시킬 수 있다. 이러한 적색 형광체는 우수한 백색광을 제공하는 백색 발광장치 및 조명 장치에 널리 활용될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적색 형광체 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도2는 본 발명의 실시예1에 따른 X선 회절 분석(XRD) 결과를 나타내는 그래프이다.
도3은 본 발명의 실시예1와 비교예1 및 2에 따른 적색 형광체의 발광스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도4는 본 발명의 실시예1 및 비교예1에 따른 적색 형광체의 여기광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도5a 내지 도5c는 적색 형광체의 조건(피크파장 및 반치폭)에 따른 백색 발광장치의 광특성을 평가한 그래프이다.
도6은 각각 조성비의 변화에 따른 적색 질화물 형광체로부터 방출되는 광의 피크 파장 및 반치폭을 나타내는 그래프이다.
도7 및 도8은 각각 본 발명의 다양한 실시예에 따른 백색 발광장치를 나타내는 개략도이다.
도9는 본 발명에 따른 백색 발광장치에 채용가능한 파장 변환물질을 설명하기 위한 CIE 1931 좌표계이다.
도10은 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 조명장치를 간략하게 나타내는 사시도이다.
도11은 본 발명의 일 실시예에 따른 벌브형 조명장치를 나타내는 분해사시도이다.
도12는 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브형 조명 장치를 나타내는 분해사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세히 설명한다.
본 실시예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 예를 들어, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 본 명세서에서, '상부', '상면', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 소자가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 "일 실시예(one example)"라는 표현은 서로 동일한 실시예를 의미하지 않으며, 각각 서로 다른 고유한 특징을 강조하여 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 그러나, 아래 설명에서 제시된 실시예들은 다른 실시예의 특징과 결합되어 구현되는 것을 배제하지 않는다. 예를 들어, 특정한 실시예에서 설명된 사항이 다른 실시예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시예에 관련된 설명을 참조하여 이해될 수 있다.
적색 형광체
본 발명의 일 실시예에 따른 적색 형광체는, 조성식 SrxMgySizN2 /3(x+y+2z+w):Euw로 표현되는 질화물을 포함하며, 상기 조성식에서 상기 파라미터(x, y, z, w)는, 0.5≤x≤2, 2.5≤y≤3.5, 0.5≤z≤1.5 및 0<w≤0.1을 만족한다.
여기원을 조사하여 610∼625㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다. 상기 여기원은 420∼470㎚ 범위의 주파장(dominant wavelength)을 갖는 청색 광원일 수 있다. 예를 들어, 상기 청색 광원은 질화물 반도체 발광소자일 수 있다.
상기 적색 형광체는 협반치폭 특성을 가질 수 있다. 상기 여기원에 의해 방출되는 광의 스펙트럼은 55㎚ 이하의 반치폭을 가질 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 적색 형광체는 적색 대역에서의 단파장화와 함께 협반치폭 특성을 가짐으로써 시감도외의 영역의 광량을 크게 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 시감도 곡선을 벗어난 손실되는 광량(680㎚이상의 광량)을 5% 미만, 나아가 1% 미만으로 크게 감소시킬 수 있다.
특정 예에서, 마그네슘의 함량(y)은 3이고 실리콘의 함량(z)은 1이고, 스트론튬의 함량(x) 및 유러퓸의 함량(w)는 x+w=1, 0.95<x<1 및 0<w<0.05을 만족할 수 있다.
상기 적색 형광체는 불순물로서 산소 함유량이 1wt% 이하일 수 있다. 상기 적색 형광체는 질화물 형광체이지만, 불순물로서 산소가 존재할 수 있다. 이러한 산소는 밴드갭 내에서 비발광 준위를 형성하고, 이러한 비발광준위로 인해 여기된 전자가 포톤(photon)이 아닌 포논(phonon)이 되어 에너지가 소실될 수 있다. 그 결과, 형광체의 효율 및 신뢰도가 저하되는 문제가 있을 수 있다.
하지만, 산소 함유량을 일정 수준 아래(예, 1wt%이하)로 제어함으로써 산소로 인한 비발광준위 형성을 억제할 수 있으며, 그 결과, 높은 휘도와 함께 패키지 고온고습의 사용환경에서도 열화되지 않을 수 있다. 이러한 산소농도의 제어는 공정 중에 산화물의 발생을 억제함으로써 구현할 수 있으며, 이에 대해서는 도1을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
적색 형광체 제조방법
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적색 형광체 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
먼저, 조성식 SrxMgySizN2 /3(x+y+2z+w):Euw(여기서, 0.5≤x≤2, 2.5≤y≤3.5, 0.5≤z≤1.5 및 0<w≤0.1)로 표현되는 적색 형광체를 제조하기 위해서, Sr 함유 화합물, Mg 함유 질화물, Mg 함유 질화물 및 Eu 함유 화합물을 포함하는 원료 분말들을 측량한다(S41).
최종적인 형광체에서 산소농도를 낮추기 위해서, 상기 원료 분말들 각각은 1wt% 이하의 산소농도를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 원료 분말들은 Sr3N2, Mg3N2, Si3N4 및 EuN로 구성할 수 있다.
다음으로, 상기 원료 분말들을 혼합하여 혼합 분말을 마련하고(S42), 원하는 형광체가 얻어지도록 상기 혼합 분말을 소성할 수 있다(S43).
혼합 분말을 마련하는 과정은 아르곤(Ar) 가스와 같은 비활성 기체가 채워진 밀폐된 공간에서 수행될 수 있다. 이러한 혼합공정을 통하여 산소와 접촉을 효과적으로 방지할 수 있다. .
본 공정에는 고온고압소성로(GPS; gas pressure sintering)가 사용될 수 있다. 상기 혼합 분말의 소성공정은, 1400∼1700℃에서 질소 가스 분위기 또는 수소/질소 혼합가스 분위기 하에 수행될 수 있다. 압력조건은 5∼10bar 범위일 수 있다.
본 소성공정은 상기 혼합 분말을 금속 또는 세라믹 재질의 도가니에 채운 상태에서 적용될 수 있다. 특히, 금속 도가니는 종래의 BN 세라믹 도가니과 달리 고온의 소성 공정에 노출되더라도 산화물 등 불순물의 발생을 크게 억제시킬 수 있다. 따라서, 최종 형광체에서 불순물 산소농도를 1wt% 이하(바람직하게는 0.5wt% 이하)로 유지할 수 있다. 소성 완료 후에 600℃ 까지 60∼100 시간 동안 서냉시킬 수 있다.
이어, 원하는 입도의 형광체 분말이 얻어지도록 상기 소성된 결과물을 분쇄할 수 있다(S44). 앞선 공정에서 소성된 결과물, 즉 합성된 형광체에 볼밀공정 등을 적용하여 원하는 입도를 갖도록 분쇄하는 공정을 수행할 수 있다. 본 분쇄공정을 통해서 상기 적색 형광체의 분말 입도를 제어할 수 있다. 예를 들어, 5㎛≤d50≤30㎛로 조절할 수 있다. 물론, 본 분쇄 공정은 최종 소성된 결과물이 원하는 입도 범위를 만족할 경우에는 생략될 수 있다.
다음으로, 상기 형광체 분말을 세정할 수 있다(S45). 상기 입도가 제어된 형광체 분말의 표면에 불순물이나 미분을 제거하기 위해서 세정공정이 수행될 수 있다. 본 세정공정에는 산 또는 염기성 용액이 사용될 수 있다. 예를 들어, 불산 용액 및/또는 아세톤 용액을 세정액으로 이용하여 수행될 수 있다. 필요에 따라, 서로 다른 세정액을 이용하여 복수회로 수행될 수도 있다.
이어, 세정된 질화물 입자들을 건조시켜 본 발명의 일 실시예에 따른 적색 질화물 형광체를 얻을 수 있다(S49). 선택적으로, 질화물 입자들을 건조시킨 후, 약 100 ℃ 내지 150 ℃의 온도에서 열처리 공정을 더 수행할 수도 있다.
필요에 따라, 상기 세정된 형광체 분말을 소성 조건과 유사한 조건으로 추가적으로 열처리할 수 있다. 이러한 열처리 공정에서 결함을 제거되어 결정성을 개선시킬 수 있다. 이러한 결정성 개선을 통해서 휘도를 향상시킬 수 있다. 본 열처리 공정은 앞선 소성공정의 온도과 같거나 클 수 있다. 또한, 소성시간과 같거나 길 수 있다.
적색 형광체 평가
원료 분말로서 Sr3N2, Mg3N2, Si3N4 및 EuN를 이용하여 질화물 형광체를 제조하였다. 구체적으로, 우선, 상기 원료물질을 칭량하여 마련하고, 마련된 원료물질을 볼밀을 이용하여 에탄올 용매와 혼합하였다. 원료혼합물을 건조기를 사용하여 에탄올 용매를 휘발시켰다. 이어, 금속 도가니에 건조된 원료혼합물을 배치하고, 원료혼합물이 충진된 질화붕소 도가니를 가열로에 삽입한 후에, 질소 분위기의 가스상태에서 1550℃에서 소성하였다. 그 소성된 형광체를 세정하였다.
소성된 형광체는 Sr, Eu, Mg, Si, N이 모두 함유된 질화물 형광체로서, Sr0.98Eu0.02Mg3SiN4인 것을 확인하였다(실시예1). 도2에 나타난 바와 같이, XRD 분석결과, 상기 형광체의 결정구조는 격자 변수(lattice parameter)가 아래를 만족하는 정방정계(tetragonal system) 구조를 갖는 것을 확인할 수 있었다.
a=b=11.5310Å, c=13.5425Å
α,β,γ=90°
이렇게 얻어진 형광체에 청색 LED 칩의 광(약 450㎚)을 조사하여 방출광을 측정하였다.
비교예 1 및 2로서, 각각 다른 적색 질화물 형광체인 (Sr,Ca)AlSiN3:Eu2 +와 (Sr,Ba)2Si5N8:Eu2+를 동일한 LED 칩으로 조사하여 동일한 방식으로 방출광을 측정하였다. 실시예1와 비교예1 및 2에 따른 방출광의 스펙트럼은 도3에 도시하고, 각각의 피크 파장과 반치폭은 아래의 표1에 나타내었다.
구분 피크파장(㎚) 반치폭(㎚)
실시예1 615 46
비교예1 625 82
비교예2 625 80
도3과 함께 상기 표1에 나타난 바와 같이, 비교예1과 비교예2의 경우에는 적색영역 중 비교적 낮은 피크 파장을 가짐에도 불구하고 반치폭이 크므로, 시감도 곡선을 벗어난 자외선(IR) 손실 영역이 전체에서 10% 정도를 갖는 것으로 나타났다. 반면에 실시예1에 따른 적색 형광체는 단파장대역의 피크 파장을 가지면서 46㎚의 협반치폭을 가지므로, 시감도 곡선을 벗어난 IR 손실영역이 거의 없는 것으로 확인되었다.
실시예 1 및 비교예1의 여기 스펙트럼을 분석하였다. 그 결과를 도4와 표2로 나타내었다. 도4 및 표2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 1에 따른 적색 형광체인 경우에 450㎚ 부근에서 가장 높은 PLE 강도를 나타내는 반면에, 비교예1에 따른 적색 형광체는 450㎚보다 낮은 대역, 예를 들어 자외선 부근에서 더 높은 효율을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
여기상대강도 350㎚ 400㎚ 450㎚ 500㎚ 550㎚
실시예1 96% 82% 100% 86% 72%
비교예1 95% 88% 80% 75% 58%
이와 같이, 실시예1에 따른 적색 형광체가 450㎚의 청색 발광다이오드에서 효율적이며, 적합하게 사용할 수 있는 것을 알 수 있다.
백색 발광장치 적용시 개선효과
적색 형광체의 피크 파장 및 반치폭에 따라 백색 발광장치에서의 개선효과를 확인하기 위해서 시뮬레이션을 실시하였다. 여기광원을 450㎚으로 하고, 녹색 형광체의 피크파장과 반치폭의 조건을 각각 530㎚와 100㎚로 하여 적색 형광체의 피크파장과 반치폭에 따른 휘도, 연색지수(CRI) 및 적색특성(R9)을 측정하였다. 그 결과는 도5a 내지 도5c에 나타내었다.
도5a를 참조하면, 적색 형광체의 피크파장이 630㎚일 때에 휘도 특성이 낮으며, 다른 피크파장(610㎚ 또는 620㎚)에서는 대체로 높게 나타났으나 반치폭이 커질수록 휘도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 도5b 및 도5c를 참조하면, CRI 및 R9측면에서는 피크파장이 610㎚인 경우에 비해, 620㎚ 또는 630㎚에서 상대적으로 높은 것으로 나타났다. 특히 620㎚인 경우에 반치폭이 낮을수록 우수한 특성을 갖는 것으로 확인되었다. 이와 같이, 특성 개선을 위해서는 반치폭만이 아니라 피크 파장도 중요한 인자이다. 예를 들어, 반치폭이 좁더라도 상대적으로 큰 630㎚에서는 원하는 특성이 나타나지 않음을 확인할 수 있었다.
전체적으로 볼 때에, 백색 발광장치에서 우수한 특성(휘도, CRI 등)을 얻기 위해서, 적색 형광체는 615∼625㎚가 바람직한 것을 확인할 수 있다.
적색 형광체의 성분비
스트론튬( Sr ) 함유량(x)의 조건
원료 분말로서 Sr3N2, Mg3N2, Si3N4 및 EuN를 이용하여, 조성식 SrxMgySizN2(x+y+2z)3:Euw로 표현되는 질화물 형광체를 제조하되, 아래 표3과 같은 조건을 만족하는 적색 형광체(샘플 A1 내지 A5)를 제조하였다. 구체적으로, 우선, 상기 원료물질을 칭량하여 혼합하고, 혼합된 원료물질을 금속 도가니에 넣고, 가열로에 삽입하여 질소 분위기의 가스상태에서 1550℃에서 소성하였다. 그 소성된 형광체를 세정하였다.
각 샘플 A1 내지 A4에 따른 적색 형광체의 피크 파장과 반치폭을 측정하여 그 결과를 도6의 그래프와 함께, 표3에 나타내었다. 적색 형광체 조성은 Sr1 -aMg3SiN4:Eua로 표현될 수 있다.
구분 Sr 함량
(1-a)		 Mg 함량 Eu 함량
(a)		 피크파장
(㎚)		 반치폭
(㎚)
샘플C1 0.99 3.00 0.01 613 41
샘플C2 0.98 3.00 0.02 615 46
샘플C3 0.97 3.00 0.03 623 54
샘플C4 0.95 3.00 0.05 631 62
상기 표3과 함께, 도6에 나타난 바와 같이, 샘플C1 내지 C4에 따른 적색 형광체는 대체로 좁은 반치폭을 가지며, 피크파장이 상대적으로 단파장인 것으로 나타났다. 특히, 샘플 C1 내지 C3에 따른 적색 형광체는 625㎚ 이하의 피크 파장을 유지하였으며, 반치폭도 55㎚ 이하로 나타났다. 이러한 조건에서는 시감도 곡선에서 벗어난 영역이 5%이하, 나아기 1% 이하로 나타나거나 거의 존재하지 않을 수 있다.
적색 형광체를 포함하는 백색 발광장치
본 실시예들에 따른 적색 질화물 형광체는 다양한 형태의 백색 발광장치에 유익하게 적용될 수 있다. 도7 및 도8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 백색 발광장치를 나타내는 개략도이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광장치의 개략적인 단면도이다.
도7을 참조하면, 백색 발광장치(100A)는 기판(101), 기판(101) 상에 배치되는 발광소자(130) 및 파장 변환부(150)를 포함할 수 있다. 또한, 백색 발광장치(100)는 발광소자(130)와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 리드 프레임(111,112), 컵 형상을 가지는 몸체부(120) 및 발광소자(130)와 리드 프레임(111,112)을 연결하는 도전성 와이어(W)를 포함할 수 있다.
패키지 기판(101)은 불투명 수지 또는 반사율이 큰 수지로 성형될 수 있으며, 사출공정이 용이한 폴리머 수지로 이루어질 수도 있다. 또한, 패키지 기판(101)은 세라믹으로 이루어질 수 있으며, 이 경우 열방출이 용이할 수 있다. 실시예에 따라, 패키지 기판(101)은 배선 패턴이 형성된 인쇄회로기판일 수 있다.
측벽 반사부(120)는 기판(101) 및 리드 프레임(111,112) 상에 배치되며 발광소자(130)를 수용하는 캐비티(cavity)를 형성할 수 있다. 측벽 반사부(120)는 빛의 반사 효율이 향상되도록 컵 형상을 가질 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 실시예에 따라, 측벽 반사부(120)는 패키지 기판(101)과 일체로 이루어져 패키지 본체를 구성할 수도 있다.
반도체 발광소자(130)는 패키지 기판(101)의 상면에 배치되며, 에피택셜 성장된 반도체층을 포함할 수 있다. 상기 반도체 발광소자(100)는 청색광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 420㎚∼470㎚범위의 주파장을 갖는 광을 방출하는 반도체 발광소자(130)는 일 수 있다.
파장 변환부(150A)는 측벽 반사부(120)에 의해 형성되는 캐비티 내에 배치되며, 봉지층(152), 봉지층(152) 내에 분산되는 적색 형광체(154) 및 녹색 형광체(156)를 포함할 수 있다. 적색 형광체(154)는 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 형광체이다. 파장 변환부(150A)는 반도체 발광소자(130)에서 방출되는 여기광에 의해 여기되어 파장 변환된 가시광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 발광소자(100)에서 방출되는 청색광에 의해 적색 형광체(154) 및 녹색 형광체(156)가 여기되어 각각 적색광 및 녹색광을 방출할 수 있다. 봉지층(152)은 투광성 수지로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 에폭시, 실리콘(silicone), 변형 실리콘, 우레탄수지, 옥세탄수지, 아크릴, 폴리카보네이트, 폴리이미드 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광장치의 개략적인 단면도이다.
도8을 참조하면, 백색 발광장치(100B)는 기판(101), 기판(101) 상에 배치되는 제1 및 제2 반도체 발광소자(132, 134), 보호층(140) 및 파장 변환부(150B)를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 반도체 발광소자(132,134)는 리드 프레임(111, 112)과 도전성 와이어(W)에 의해 연결될 수 있다.
제1 및 제2 반도체 발광소자(132, 134)는 서로 다른 파장의 광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 제1 반도체 발광소자(132)는 녹색광을 방출하고, 제2 반도체 발광소자(134)는 청색광을 방출할 수 있다. 상기 파장 변환부(150B)는 봉지층(152) 및 본 발명의 실시예에 따른 적색 형광체(154)만을 포함할 수 있다.
보호층(140)은 파장 변환부(150B)의 적어도 일 면 상에 배치될 수 있다. 상기 보호층(140)은 수분 침투를 방지할 수 있는 방습성 물질로 이루어질 수 있다. 상기 보호층(140)은 적색 형광체(154)를 외부 환경, 특히 수분으로부터 보호하여 백색 발광장치(100B)의 신뢰성을 확보하게 할 수 있다. 예를 들어, 상기 보호층(140)은, 에폭시, 실리콘, 변형 실리콘, 우레탄수지, 옥세탄수지, 아크릴, 폴리카보네이트, 폴리이미드 등과 같은 수지 물질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 보호층(140)의 굴절율은 봉지층(152)의 굴절률과 다를 수 있으며, 이에 의해 광추출 효율이 개선될 수 있다. 또는, 보호층(140)은 불소 계열 및 실리카 계열 코팅제로 이루어진 코팅층일 수 있다.
본 실시예에서, 보호층(140)은 파장 변환부(150B)의 하면, 즉 파장 변환부(150B)와 기판(101)의 사이에 배치되었으나, 보호층(140)의 배치는 실시예에 따라 다양하게 변화될 수 있다. 예를 들어, 보호층(140)은 파장 변환부(150B)의 상면 및 하면에 모두 배치되거나, 파장 변환부(150B) 전체를 둘러싸도록 배치될 수도 있다.
도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광장치에 채용 가능한 파장 변환 물질을 설명하기 위한 CIE 좌표계이다.
도8 및 도9의 반도체 발광소자(130, 134)가 청색 광을 발광하는 경우, 황색(또는 황등색), 녹색, 적색 형광체 중 적어도 하나를 포함한 발광장치(100A, 100B)는 형광체의 배합비를 조절하여 다양한 색 온도의 백색광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 적색 형광체와 녹색 형광체의 조합 또는 황색 또는 황등색 형광체에 녹색 및/또는 적색 형광체를 추가로 조합하여 백색 광의 색온도 및 연색성(Color Rendering Index, CRI)을 조절할 수 있다.
청색 발광소자에 황색(또는 황등색), 녹색, 적색 형광체 및/또는 녹색, 적색 발광소자의 조합으로 만들어지는 백색광은 2개 이상의 피크 파장을 가지며, 도 9에 도시된 것과 같이, CIE 1931 좌표계의 (x, y) 좌표가 (0.4476, 0.4074), (0.3484, 0.3516), (0.3101, 0.3162), (0.3128, 0.3292), (0.3333, 0.3333)을 잇는 선분 영역 내에 위치할 수 있다. 또는, (x, y) 좌표가 상기 선분과 흑체 복사 스펙트럼으로 둘러싸인 영역에 위치할 수 있다. 백색광의 색온도는 1500 K 내지 20000 K의 범위에 해당한다.
도9에서 상기 흑체 복사 스펙트럼 하부에 있는 점 E(0.3333, 0.3333) 부근의 백색광은 상대적으로 황색계열 성분의 광이 약해진 상태로 사람이 육안으로 느끼기에는 보다 선명한 느낌 또는 신선한 느낌을 가질 수 있는 영역의 조명 광원으로 사용 될 수 있다. 따라서 상기 흑체 복사 스펙트럼 하부에 있는 점 E(0.3333, 0.3333) 부근의 백색광을 이용한 조명 제품은 식료품, 의류 등을 판매하는 상가용 조명으로 효과가 좋다.
상기 백색 발광장치에 사용될 수 있는 형광체로 다음과 같은 형광체가 사용될 수 있다. 적색 형광체의 경우에, 상술된 실시예들에 따른 적색 질화물 형광체가 사용될 수 있다. 또한, 파장 변환부(150A, 150B)는 아래에 예시된 다른 형광체를 더 포함할 수 있다.
산화물계: 황색 및 녹색 Y3Al5O12:Ce, Tb3Al5O12:Ce, Lu3Al5O12:Ce
실리케이트계: 황색 및 녹색 (Ba,Sr)2SiO4:Eu, 황색 및 등색 (Ba,Sr)3SiO5:Ce
질화물계: 녹색 β-SiAlON:Eu, 황색 La3Si6N11:Ce, 등색 α-SiAlON:Eu
또한, 형광체는 양자점과 같은 다른 파장 변환물질들로 대체될 수 있다. 특정 파장대역에서 양자점은 형광체와 혼합되어 사용되거나 단독으로 사용될 수 있다. 양자점은 CdSe, InP 등의 코어(Core)(3~10㎚)와 ZnS, ZnSe 등의 쉘(Shell)(0.5 ~ 2㎚) 및 코어와 쉘의 안정화를 위한 리간드(ligand)의 구조로 구성될 수 있으며, 사이즈에 따라 다양한 컬러를 구현할 수 있다.
적색 형광체를 포함하는 조명 장치
본 실시예에 따른 적색 형광체는 시감도 영역 외의 손실영역을 감소시켜 광변환 효율(LER)이 크게 향상시킬 수 있으며 높은 연색 지수를 보장할 수 있으므로 다양한 조명 장치에 유익하게 사용될 수 있다.
도10은 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 조명 장치를 간략하게 나타내는 사시도이다.
도10을 참조하면, 평판 조명 장치(4100)는 광원모듈(4110), 전원공급장치(4120) 및 하우징(4030)을 포함할 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 광원모듈(4110)은 광원 어레이를 포함할 수 있고, 각 광원은 여기에 사용되는 광원(2015)은 상술된 실시예에 따른 적색 형광체를 갖는 반도체 발광장치일 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체 발광장치는 도7 및 도8에 예시된 백색 발광장치일 수 있다. 전원공급장치(4120)는 발광다이오드 구동부를 포함할 수 있다.
광원모듈(4110)은 광원 어레이를 포함할 수 있고, 전체적으로 평면 현상을 이루도록 형성될 수 있다. 본 실시예에 따라, 광원모듈(4110)은 발광다이오드 및 발광다이오드의 구동정보를 저장하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
전원공급장치(4120)는 광원모듈(4110)에 전원을 공급하도록 구성될 수 있다. 하우징(4130)은 광원모듈(4110) 및 전원공급장치(4120)가 내부에 수용되도록 수용 공간이 형성될 수 있고, 일측면에 개방된 육면체 형상으로 형성되나 이에 한정되는 것은 아니다. 광원모듈(4110)은 하우징(4130)의 개방된 일측면으로 빛을 발광하도록 배치될 수 있다.
도11은 본 발명의 일 실시예에 따른 벌브형 조명장치를 나타내는 분해사시도이다.
도11에 도시된 조명 장치(4200)는 소켓(4210), 전원부(4220), 방열부(4230), 광원모듈(4240) 및 광학부(4250)를 포함할 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 광원모듈(4240)은 발광다이오드 어레이를 포함할 수 있고, 전원부(4220)는 발광다이오드 구동부를 포함할 수 있다.
소켓(4210)은 기존의 조명 장치와 대체 가능하도록 구성될 수 있다. 조명 장치(4200)에 공급되는 전력은 소켓(4210)을 통해서 인가될 수 있다. 도시된 바와 같이, 전원부(4220)는 제1 전원부(4221) 및 제2 전원부(4222)로 분리되어 조립될 수 있다. 방열부(4230)는 내부 방열부(4231) 및 외부 방열부(4232)를 포함할 수 있고, 내부 방열부(4231)는 광원모듈(4240) 및/또는 전원부(4220)와 직접 연결될 수 있고, 이를 통해 외부 방열부(4232)로 열이 전달되게 할 수 있다. 광학부(4250)는 내부 광학부(미도시) 및 외부 광학부(미도시)를 포함할 수 있고, 광원모듈(4240)이 방출하는 빛을 고르게 분산시키도록 구성될 수 있다.
광원모듈(4240)은 전원부(4220)로부터 전력을 공급받아 광학부(4250)로 빛을 방출할 수 있다. 광원모듈(4240)은 하나 이상의 광원(4241), 회로기판(4242) 및 컨트롤러(4243)를 포함할 수 있고, 컨트롤러(4243)는 발광다이오드(4241)들의 구동 정보를 저장할 수 있다. 여기에 사용되는 광원(4241)은 상술된 실시예에 따른 적색 형광체를 갖는 반도체 발광장치일 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체 발광장치는 도7 및 도8에 예시된 백색 발광장치일 수 있다.
본 실시예에 따른 조명 장치(4300)에서 광원 모듈(4240)의 상부에 반사판(4310)이 포함되어 있으며, 반사판(4310)은 광원으로부터의 빛을 측면 및 후방으로 고르게 퍼지게 하여 눈부심을 줄일 수 있다.
반사판(4310)의 상부에는 통신 모듈(4320)이 장착될 수 있으며 상기 통신 모듈(4320)을 통하여 홈-네트워크(home-network) 통신을 구현할 수 있다. 예를 들어, 상기 통신 모듈(4320)은 지그비(Zigbee), 와이파이(WiFi) 또는 라이파이(LiFi)를 이용한 무선 통신 모듈일 수 있으며, 스마트폰 또는 무선 컨트롤러를 통하여 조명 장치의 온(on)/오프(off), 밝기 조절 등과 같은 가정 내외에 설치되어 있는 조명을 컨트롤 할 수 있다. 또한 상기 가정 내외에 설치되어 있는 조명 장치의 가시광 파장을 이용한 라이파이 통신 모듈을 이용하여 TV, 냉장고, 에어컨, 도어락, 자동차 등 가정 내외에 있는 전자 제품 및 자동차 시스템의 컨트롤을 할 수 있다.
상기 반사판(4310)과 통신 모듈(4320)은 커버부(4330)에 의해 커버될 수 있다.
도12는 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브형 조명 장치를 나타내는 분해사시도이다.
도12에 도시된 조명 장치(4400)는 방열 부재(4410)의 양 끝단에는 걸림 턱(4414)이 형성될 수 있다. 방열 부재(4410), 커버(4441), 광원 모듈(4450), 제1 소켓(4460) 및 제2 소켓(4470)을 포함한다. 방열 부재(4410)의 내부 또는/및 외부 표면에 다수개의 방열 핀(4420, 4431)이 요철 형태로 형성될 수 있으며, 방열 핀(4420, 4431)은 다양한 형상 및 간격을 갖도록 설계될 수 있다. 방열 부재(4410)의 내측에는 돌출 형태의 지지대(4432)가 형성되어 있다. 지지대(4432)에는 광원 모듈(4450)이 고정될 수 있다. 방열 부재(4410)의 양 끝단에는 걸림 턱(4433)이 형성될 수 있다.
커버(4441)에는 걸림 홈(4442)이 형성되어 있으며, 걸림 홈(4442)에는 방열 부재(4410)의 걸림 턱(4433)이 후크 결합 구조로 결합될 수 있다. 걸림 홈(4442)과 걸림 턱(4433)이 형성되는 위치는 서로 바뀔 수도 있다.
광원 모듈(4450)은 발광소자 어레이를 포함할 수 있다. 광원 모듈(4450)은 인쇄회로기판(4451), 광원(4452) 및 컨트롤러(4453)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 컨트롤러(4453)는 광원(4452)의 구동 정보를 저장할 수 있다. 인쇄회로기판(4451)에는 광원(4452)을 동작시키기 위한 회로 배선들이 형성되어 있다. 또한, 광원(4452)을 동작시키기 위한 구성 요소들이 포함될 수도 있다. 상기 광원(4452)은 상술된 실시예에 따른 적색 형광체를 갖는 반도체 발광장치일 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체 발광장치는 도7 및 도8에 예시된 백색 발광장치일 수 있다.
제1 및 2 소켓(4460, 4470)은 한 쌍의 소켓으로서 방열 부재(4410) 및 커버(4441)로 구성된 원통형 커버 유닛의 양단에 결합되는 구조를 갖는다. 예를 들어, 제1 소켓(4460)은 전극 단자(4461) 및 전원 장치(4462)를 포함할 수 있고, 제2 소켓(4470)에는 더미 단자(4471)가 배치될 수 있다. 또한, 제1 소켓(4460) 또는 제2 소켓(4470) 중의 어느 하나의 소켓에 광센서 및/또는 통신 모듈이 내장될 수 있다. 예를 들어, 더미 단자(4471)가 배치된 제2 소켓(4470)에 광센서 및/또는 통신 모듈이 내장될 수 있다. 다른 예로서, 전극 단자(4461)가 배치된 제1 소켓(4460)에 광센서 및/또는 통신 모듈이 내장될 수도 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (20)

  1. 조성식 SrxMgySizN2 /3(x+y+2z+w):Euw로 표현되는 질화물을 포함하며,
    상기 조성식에서 상기 파라미터(x, y, z, w)는, 0.5≤x≤2, 2.5≤y≤3.5, 0.5≤z≤1.5 및 0<w≤0.1을 만족하는 적색 형광체.
  2. 제1항에 있어서,
    여기원을 조사하여 610∼625㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 광을 방출하며,
    상기 여기원은 420∼470㎚ 범위의 주파장(dominant wavelength)을 갖는 청색 광원인 것을 특징으로 하는 적색 형광체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 방출되는 광의 스펙트럼은 55㎚이하의 반치폭(FWHM; full-width at half-maximum)을 갖는 것을 특징으로 하는 적색 형광체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 조성식에서, y는 3이고 z는 1인 것을 특징으로 하는 적색 형광체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 조성식에서, x 및 w는 x+w=1, 0.95<x<1 및 0<w<0.05을 만족하는 것을 특징으로 하는 적색 형광체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적색 형광체는 불순물로서 산소 함유량이 1wt% 이하인 것을 특징으로 하는 적색 형광체.
  7. 조성식 Sr1 - aMg3SiN4:Eua로 표현되는 질화물을 포함하며, 여기서 a는 0<a<0.05을 만족하며,
    여기원을 조사하여 610∼625㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 광을 방출하며, 상기 방출되는 광의 스펙트럼은 55㎚ 이하의 반치폭(FWHM)을 갖는 것을 특징으로 하는 적색 형광체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 방출되는 광의 스펙트럼에서 680㎚ 이상의 광량은 전체 광량 중 5% 이하인 것을 특징으로 하는 적색 형광체.
  9. 420∼470㎚ 범위의 주파장을 갖는 여기광을 방출하는 반도체 발광소자;
    상기 반도체 발광소자 주위에 배치되어 상기 여기광의 적어도 일부 광의 파장을 적색광으로 변환하는 적색 형광체; 및
    상기 반도체 발광소자의 방출파장 및 상기 적색광의 파장과 다른 파장의 광을 제공하는 적어도 하나의 발광요소를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 발광요소는, 다른 반도체 발광소자 및 다른 형광체 중 적어도 하나이며, 상기 적색 형광체는 조성식 SrxMgySizN2/3(x+y+2z+w):Euw로 표현되는 질화물을 포함하며, 상기 조성식에서 상기 파라미터(x, y, z, w)는, 0.5≤x≤2, 2.5≤y≤3.5, 0.5≤z≤1.5 및 0<w≤0.1을 만족하는 백색 발광장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 조성식에서, 상기 파라미터(x, y, z, w)는 x+w=1, y=3, z=1, 0.95<x<1 및 0<w<0.05을 만족하는 것을 특징으로 하는 백색 발광장치.
  11. 제10항에 있어서,
    여기원을 조사하여 610∼625㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 광을 방출하며, 상기 방출되는 광의 스펙트럼은 55㎚ 이하의 반치폭(FWHM)을 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 발광요소는 녹색 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광장치.
  13. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 발광요소는 황색 또는 황등색 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광장치.
  14. 조성식 SrxMgySizN2/3(x+y+2z+w):Euw로 표현되는 질화물을 포함하며, 상기 조성식에서 상기 파라미터(x, y, z, w)는, 0.5≤x≤2, 2.5≤y≤3.5, 0.5≤z≤1.5 및 0<w≤0.1을 만족하는 적색 형광체의 제조방법으로서,
    Sr 함유 화합물, Mg 함유 질화물, Mg 함유 질화물 및 Eu 함유 화합물을 포함하는 원료 분말들을 측량하는 단계;
    상기 원료 분말들을 혼합하여 혼합 분말을 마련하는 단계; 및
    상기 적색 형광체가 얻어지도록 상기 혼합 분말을 소성하는 단계를 포함하는 적색 형광체 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 원료 분말들 각각은 1wt% 이하의 산소농도를 갖는 것을 특징으로 하는 적색 형광체 제조방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 원료 분말들은 Sr3N2, Mg3N2, Si3N4 및 EuN을 포함하는 것을 특징으로 하는 적색 형광체 제조방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 혼합 분말을 마련하는 단계는, 비활성 기체가 채워진 밀폐된 공간에서 수행되는 것을 특징으로 하는 적색 형광체 제조방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 혼합 분말을 소성하는 단계는 1400∼1700℃ 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 적색 형광체 제조방법.
  19. 제14항에 있어서,
    원하는 입도 범위의 입자들이 형성되도록 상기 적색 형광체를 분쇄하는 단계와, 상기 적색 형광체의 입자들을 세정하는 단계를 더 포함하는 적색 형광체 제조방법.
  20. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따라 제조된 적색 형광체를 파장 변환물질로 이용하는 조명 장치.
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