KR20170039328A - 백색 발광다이오드 소자의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 인쇄회로기판과, 전압을 인가하면 청색 가시광선을 발광하는 청색 발광다이오드 칩과, 상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어와, 상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 장착된 색 변환 렌즈를 포함하며, 상기 색 변환 렌즈는 유리렌즈 상에 적색 형광체막과 녹색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 이루거나 유리렌즈 상에 적색 형광체막과 녹색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 이루며, 상기 적색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 적색 형광체 60∼90중량%를 포함하고, 상기 녹색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 녹색 형광체 60∼90중량%를 포함하는 백색 발광다이오드 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 습식공정을 이용하며, 온도와 습도에 강하고, 열에 의한 황변 현상이 억제되며, 원하는 색 온도를 나타낼 수 있고, 우수한 연색지수 및 광 효율 특성을 갖는다. 상기 색 변환 렌즈는 색유리 렌즈로서 청색 발광다이도드 칩에서의 발광에 의해 백색을 나타낸다.
Description
본 발명은 백색 발광다이오드 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 온도와 습도에 강하고, 열에 의한 황변 현상이 억제되며, 원하는 색 온도를 나타낼 수 있고, 우수한 연색지수 및 광 효율 특성을 갖는 백색 발광다이오드 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
백색 발광다이오드(Light Emitting Diode; 이하 'LED'라 함)는 백열등의 100배, 형광등의 10배 이상의 긴 수명을 갖고 전력소모가 적으며 빛의 밝기가 세기 때문에 오늘날 자동차 조명, 신호등, 가전제품의 디스플레이, 휴대폰, 건물 외곽 등의 백라이트 광원으로 넓게 쓰이고 있다.
백색 LED를 통해 백색을 구현하는 방법은 여러 가지가 있으나, 현재 상용화되어 보편적으로 이용되는 방법은 청색(blue) LED에 황색(yellow) 형광체를 도포하는 방법이다. 단일형광체를 사용하기 때문에 제조가 용이하고 황색 형광체의 광 변환 효율이 높기 때문에 광 손실이 적다는 장점으로 널리 사용되고 있다.
일반적으로 백색 LED 소자는 청색 LED 칩(chip), 다이 프레임(Dieframe), 형광체(Phosphor), 봉지재(Encapsulation materials), 골드 와이어(GoldWire), 접착제(Adhesive) 등으로 구성된다.
이러한 백색 LED를 제조하는 데 있어 청색 LED 칩, 황색 형광체, 실리콘을 함께 패키지화하는 방법의 경우, 장기간 사용하게 되면 실리콘에 열에 의한 황변 현상이 나타나고, 수축에 의한 깨짐현상 등이 나타나는 문제점이 있다.
또한, 백색 LED 소자는 청색 LED 칩 위에 황색 형광체와 실리콘 혹은 에폭시를 일정비율 혼합하여 봉지하는 형태를 적용하기 한다. 그러나, 이러한 유기봉지재의 경우, 온도와 습도에 매우 약하고, 장시간 사용 시 딱딱해지거나, 크랙(crack), 황변 등의 현상을 나타내어 효율이 떨어지는 문제가 있다. 이러한 문제로 인해 특히 열을 많이 발생하는 고출력 백색 LED 소자에는 청색 LED 칩 표면에 바로 유기봉지재를 적용하는 현재의 구조로는 적용이 어렵다.
또한, 황색 형광체의 사용은 높은 색 온도(Correlated Color Temperature)와 낮은 연색지수(Color Rendering Index)를 나타내기 때문에 약 3000 K의 따뜻한 백색 LED(Warm White LED) 소자를 제조하는데 어려움이 있다.
이러한 문제를 해결하여야 원하는 색 온도와 우수한 연색지수 및 광 효율의 광 특성을 갖는 백색 LED 소자를 제조할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 온도와 습도에 강하고, 열에 의한 황변 현상이 억제되며, 원하는 색 온도를 나타낼 수 있고, 우수한 연색지수 및 광 효율 특성을 갖는 백색 발광다이오드 소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 인쇄회로기판과, 전압을 인가하면 청색 가시광선을 발광하는 청색 발광다이오드 칩과, 상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어와, 상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 장착된 색 변환 렌즈를 포함하며, 상기 색 변환 렌즈는 유리렌즈 상에 적색 형광체막과 녹색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 이루며, 상기 적색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 적색 형광체 60∼90중량%를 포함하고, 상기 녹색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 녹색 형광체 60∼90중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자를 제공한다.
또한, 본 발명은, 인쇄회로기판과, 전압을 인가하면 청색 가시광선을 발광하는 청색 발광다이오드 칩과, 상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어와, 상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 장착된 색 변환 렌즈를 포함하며, 상기 색 변환 렌즈는 유리렌즈 상에 녹색 형광체막과 적색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 이루며, 상기 녹색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 녹색 형광체 60∼90중량%를 포함하고, 상기 적색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 적색 형광체 60∼90중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자를 제공한다.
상기 녹색 형광체막과 상기 적색 형광체막은 6:4∼8:2의 두께비를 갖는 것이 바람직하다.
상기 녹색 형광체는 세륨이 도핑된 루테슘 알루미늄 산화물(Lu3Al5O12:Ce3 +)을 포함할 수 있으며, 상기 녹색 형광체는 0.5∼25㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 적색 형광체는 유로퓸이 도핑된 (스트론튬,칼슘)알루미늄실리콘나이트라이드((Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+)를 포함할 수 있으며, 상기 적색 형광체는 0.5∼25㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 청색 발광다이오드 칩과 상기 색 변환 렌즈는 서로 이격되어 있을 수 있고, 상기 유리렌즈는 평면형 렌즈일 수 있다.
상기 청색 발광다이오드 칩과 상기 색 변환 렌즈는 서로 이격되어 있을 수 있고, 상기 유리렌즈는 비평면형 렌즈일 수 있다.
또한, 본 발명은, SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 적색 형광체를 포함하는 적색 형광체 페이스트 조성물을 유리렌즈 상에 코팅하는 단계와, 상기 적색 형광체 페이스트 조성물이 도포된 상부에 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 녹색 형광체를 포함하는 녹색 형광체 페이스트 조성물을 도포하는 단계와, 상기 적색 형광체 페이스트 조성물과 상기 녹색 형광체 페이스트 조성물이 순차적으로 도포된 유리렌즈를 상기 유리 프릿의 연화점 보다 높은 500∼800℃의 온도에서 열처리하여 유리렌즈 상에 적색 형광체막과 녹색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 갖는 색 변환 렌즈를 형성하는 단계와, 인쇄회로기판 상부에 청색 발광다이오드 칩이 안착되어 있고 상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어가 본딩되어 있는 발광다이오드 램프를 준비하는 단계 및 상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 상기 색 변환 렌즈를 장착하는 단계를 포함하며, 상기 적색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 적색 형광체 60∼90중량%를 포함하고, 상기 녹색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 녹색 형광체 60∼90중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 녹색 형광체를 포함하는 녹색 형광체 페이스트 조성물을 유리렌즈 상에 코팅하는 단계와, 상기 녹색 형광체 페이스트 조성물이 도포된 상부에 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 적색 형광체를 포함하는 적색 형광체 페이스트 조성물을 도포하는 단계와, 상기 녹색 형광체 페이스트 조성물과 상기 적색 형광체 페이스트 조성물이 순차적으로 도포된 유리렌즈를 상기 유리 프릿의 연화점 보다 높은 500∼800℃의 온도에서 열처리하여 유리렌즈 상에 녹색 형광체막과 적색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 갖는 색 변환 렌즈를 형성하는 단계와, 인쇄회로기판 상부에 청색 발광다이오드 칩이 안착되어 있고 상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어가 본딩되어 있는 발광다이오드 램프를 준비하는 단계 및 상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 상기 색 변환 렌즈를 장착하는 단계를 포함하며, 상기 녹색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 녹색 형광체 60∼90중량%를 포함하고, 상기 적색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 적색 형광체 60∼90중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자의 제조방법을 제공한다.
상기 녹색 형광체막과 상기 적색 형광체막은 6:4∼8:2의 두께비를 갖게 하는 것이 바람직하다.
상기 녹색 형광체는 세륨이 도핑된 루테슘 알루미늄 산화물(Lu3Al5O12:Ce3 +)을 포함할 수 있으며, 상기 녹색 형광체는 0.5∼25㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 녹색 형광체 페이스트 조성물은, SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하는 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿 10∼40중량%, 녹색 형광체 60∼90중량%, 상기 유리 프릿과 상기 녹색 형광체의 전체 함량 100중량부에 대하여 유기 바인더 용액 15∼45중량부를 포함할 수 있으며, 상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿의 연화점은 500℃보다 낮고, 상기 유리 프릿은 0.1∼10㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것을 사용하며, 상기 유기 바인더 용액은 알파-터피놀, n-부틸아세테이트 및 에틸셀룰로오스가 2.5∼6.5:2.5∼6.5:1의 중량비로 혼합된 용액을 사용하고, 상기 녹색 형광체 페이스트 조성물의 코팅은 스크린 프린팅법을 이용할 수 있다.
상기 녹색 형광체 페이스트 조성물은, SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하는 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿 10∼40중량%, 녹색 형광체 60∼90중량%, 상기 유리 프릿과 상기 녹색 형광체의 전체 함량 100중량부에 대하여 유기 바인더 용액 15∼45중량부, 상기 유리 프릿, 상기 녹색 형광체 및 상기 유기 바인더 용액의 전체 함량 100중량부에 대하여 n-부틸아세테이트 50∼100중량부를 포함하며, 상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿의 연화점은 500℃보다 낮고, 상기 유리 프릿은 0.1∼10㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것을 사용하며, 상기 유기 바인더 용액은 알파-터피놀, n-부틸아세테이트 및 에틸셀룰로오스가 2.5∼6.5:2.5∼6.5:1의 중량비로 혼합된 용액을 사용하고, 상기 녹색 형광체 페이스트 조성물의 코팅은, 상기 유리렌즈를 스핀코터에 진공을 이용하여 흡착하여 고정하는 단계 및 상기 유리렌즈가 회전되게 하면서 상기 녹색 형광체 페이스트 조성물을 스프레이 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 적색 형광체는 유로퓸이 도핑된 (스트론튬칼슘)알루미늄실리콘나이트라이드((Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+)를 포함할 수 있으며, 상기 적색 형광체는 0.5∼25㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 적색 형광체 페이스트 조성물은, SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하는 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿 10∼40중량%, 적색 형광체 60∼90중량%, 상기 유리 프릿과 상기 적색 형광체의 전체 함량 100중량부에 대하여 유기 바인더 용액 15∼45중량부를 포함하며, 상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿의 연화점은 500℃보다 낮고, 상기 유리 프릿은 0.1∼10㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것을 사용하며, 상기 유기 바인더 용액은 알파-터피놀, n-부틸아세테이트 및 에틸셀룰로오스가 2.5∼6.5:2.5∼6.5:1의 중량비로 혼합된 용액을 사용하고, 상기 적색 형광체 페이스트 조성물의 코팅은 스크린 프린팅법을 이용할 수 있다.
상기 적색 형광체 페이스트 조성물은, SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하는 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿 10∼40중량%, 적색 형광체 60∼90중량%, 상기 유리 프릿과 상기 적색 형광체의 전체 함량 100중량부에 대하여 유기 바인더 용액 15∼45중량부, 상기 유리 프릿, 상기 적색 형광체 및 상기 유기 바인더 용액의 전체 함량 100중량부에 대하여 n-부틸아세테이트 50∼100중량부를 포함하며, 상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿의 연화점은 500℃보다 낮고, 상기 유리 프릿은 0.1∼10㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것을 사용하며, 상기 유기 바인더 용액은 알파-터피놀, n-부틸아세테이트 및 에틸셀룰로오스가 2.5∼6.5:2.5∼6.5:1의 중량비로 혼합된 용액을 사용하고, 상기 적색 형광체 페이스트 조성물의 코팅은, 상기 유리렌즈를 스핀코터에 진공을 이용하여 흡착하여 고정하는 단계 및 상기 유리렌즈가 회전되게 하면서 상기 적색 형광체 페이스트 조성물을 스프레이 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 청색 발광다이오드 칩과 상기 색 변환 렌즈는 서로 이격되게 장착할 수 있고, 상기 유리렌즈는 평면형 렌즈일 수 있다.
상기 청색 발광다이오드 칩과 상기 색 변환 렌즈는 서로 이격되게 장착할 수 있고, 상기 유리렌즈는 비평면형 렌즈일 수 있다.
본 발명의 백색 발광다이오드 소자에 의하면, 온도와 습도에 강하고, 열에 의한 황변 현상이 억제되며, 원하는 색 온도를 나타낼 수 있고, 우수한 연색지수 및 광 효율 특성을 갖는다.
본 발명의 백색 발광다이오드 소자는, 저연화점 유리에 형광체가 균일하게 분산되어 있고, 화학적으로 안정하며, 온도와 습도에 강하고, 장시간 사용 시에도 크랙(crack) 등이 생기지 않고, 고출력 및 고온환경에 장기간 노출되어도 변색이 거의 없어 광효율이 우수하다.
도 1은 형광체 페이스트 조성물을 스핀 코팅과 스프레이 코팅하는 모습을 보여주는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 평면형 색 변환 렌즈와 청색 LED 칩이 이격되어 있지 않은 백색 LED 소자의 예를 보여주는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 평면형 색 변환 렌즈를 이용하여 청색 LED 칩과 형광체를 일정한 간격을 띄우는 리모트 형광체(Remote Phosphor) 타입의 백색 LED 소자의 예를 보여주는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 비평면형 색 변환 렌즈를 이용하여 청색 LED 칩과 형광체를 일정한 간격을 띄우는 리모트 형광체(Remote Phosphor) 타입의 백색 LED 소자의 예를 보여주는 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 실험예에서 페이스트의 코팅 적층순서를 보여주는 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 실험예에서 유리와 형광체의 균일혼합을 위한 출발물질의 입자형상을 보여주는 미세구조이다.
도 7a 내지 도 7i는 실험예에 따라 제조된 색 변환 렌즈의 표면과 단면의 미세구조를 보여주는 도면이다.
도 8a 내지 도 8c는 실험예에서 코팅공정 및 열처리 온도에 따른 결정상 분석을 나타낸 도면이다.
도 9는 실험예에서 코팅공정 및 열처리 온도에 따른 색 변환 렌즈의 가시광 영역에서의 투과율을 나타낸 도면이다.
도 10a 내지 도 10c는 실험예에서 코팅공정 및 열처리 온도에 따른 색 변환 렌즈의 광 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
도 11은 실험예에 따라 녹색 형광체 페이스트 조성물과 적색 형광체 페이스트 조성물을 각각 코팅하고 500℃, 550℃, 600℃에서 열처리 한 후 투과율을 측정하여 비교한 도면이다.
도 12a 내지 도 12c는 실험예에 따라 제조된 색 변환 렌즈들의 코팅공정 및 열처리 온도에 따른 색 온도(CCT), 연색지수(CRI), 광 효율(LE)을 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 평면형 색 변환 렌즈와 청색 LED 칩이 이격되어 있지 않은 백색 LED 소자의 예를 보여주는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 평면형 색 변환 렌즈를 이용하여 청색 LED 칩과 형광체를 일정한 간격을 띄우는 리모트 형광체(Remote Phosphor) 타입의 백색 LED 소자의 예를 보여주는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 비평면형 색 변환 렌즈를 이용하여 청색 LED 칩과 형광체를 일정한 간격을 띄우는 리모트 형광체(Remote Phosphor) 타입의 백색 LED 소자의 예를 보여주는 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 실험예에서 페이스트의 코팅 적층순서를 보여주는 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 실험예에서 유리와 형광체의 균일혼합을 위한 출발물질의 입자형상을 보여주는 미세구조이다.
도 7a 내지 도 7i는 실험예에 따라 제조된 색 변환 렌즈의 표면과 단면의 미세구조를 보여주는 도면이다.
도 8a 내지 도 8c는 실험예에서 코팅공정 및 열처리 온도에 따른 결정상 분석을 나타낸 도면이다.
도 9는 실험예에서 코팅공정 및 열처리 온도에 따른 색 변환 렌즈의 가시광 영역에서의 투과율을 나타낸 도면이다.
도 10a 내지 도 10c는 실험예에서 코팅공정 및 열처리 온도에 따른 색 변환 렌즈의 광 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
도 11은 실험예에 따라 녹색 형광체 페이스트 조성물과 적색 형광체 페이스트 조성물을 각각 코팅하고 500℃, 550℃, 600℃에서 열처리 한 후 투과율을 측정하여 비교한 도면이다.
도 12a 내지 도 12c는 실험예에 따라 제조된 색 변환 렌즈들의 코팅공정 및 열처리 온도에 따른 색 온도(CCT), 연색지수(CRI), 광 효율(LE)을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명은 온도와 습도에 강하고, 열에 의한 황변 현상이 억제되며, 원하는 색 온도를 나타낼 수 있고, 우수한 연색지수 및 광 효율 특성을 갖는 백색 발광다이오드 소자 및 그 제조방법을 제시한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 백색 발광다이오드 소자는, 인쇄회로기판과, 전압을 인가하면 청색 가시광선을 발광하는 청색 발광다이오드 칩과, 상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어와, 상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 장착된 색 변환 렌즈를 포함하며, 상기 색 변환 렌즈는 유리렌즈 상에 적색 형광체막과 녹색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 이루며, 상기 적색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 적색 형광체 60∼90중량%를 포함하고, 상기 녹색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 녹색 형광체 60∼90중량%를 포함한다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 백색 발광다이오드 소자는, 인쇄회로기판과, 전압을 인가하면 청색 가시광선을 발광하는 청색 발광다이오드 칩과, 상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어와, 상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 장착된 색 변환 렌즈를 포함하며, 상기 색 변환 렌즈는 유리렌즈 상에 녹색 형광체막과 적색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 이루며, 상기 녹색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 녹색 형광체 60∼90중량%를 포함하고, 상기 적색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 적색 형광체 60∼90중량%를 포함한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 다른 백색 발광다이오드 소자의 제조방법은, SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 적색 형광체를 포함하는 적색 형광체 페이스트 조성물을 유리렌즈 상에 코팅하는 단계와, 상기 적색 형광체 페이스트 조성물이 도포된 상부에 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 녹색 형광체를 포함하는 녹색 형광체 페이스트 조성물을 도포하는 단계와, 상기 적색 형광체 페이스트 조성물과 상기 녹색 형광체 페이스트 조성물이 순차적으로 도포된 유리렌즈를 상기 유리 프릿의 연화점 보다 높은 500∼800℃의 온도에서 열처리하여 유리렌즈 상에 적색 형광체막과 녹색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 갖는 색 변환 렌즈를 형성하는 단계와, 인쇄회로기판 상부에 청색 발광다이오드 칩이 안착되어 있고 상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어가 본딩되어 있는 발광다이오드 램프를 준비하는 단계 및 상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 상기 색 변환 렌즈를 장착하는 단계를 포함하며, 상기 적색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 적색 형광체 60∼90중량%를 포함하고, 상기 녹색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 녹색 형광체 60∼90중량%를 포함한다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 다른 백색 발광다이오드 소자의 제조방법은, SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 녹색 형광체를 포함하는 녹색 형광체 페이스트 조성물을 유리렌즈 상에 코팅하는 단계와, 상기 녹색 형광체 페이스트 조성물이 도포된 상부에 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 적색 형광체를 포함하는 적색 형광체 페이스트 조성물을 도포하는 단계와, 상기 녹색 형광체 페이스트 조성물과 상기 적색 형광체 페이스트 조성물이 순차적으로 도포된 유리렌즈를 상기 유리 프릿의 연화점 보다 높은 500∼800℃의 온도에서 열처리하여 유리렌즈 상에 녹색 형광체막과 적색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 갖는 색 변환 렌즈를 형성하는 단계와, 인쇄회로기판 상부에 청색 발광다이오드 칩이 안착되어 있고 상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어가 본딩되어 있는 발광다이오드 램프를 준비하는 단계 및 상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 상기 색 변환 렌즈를 장착하는 단계를 포함하며, 상기 녹색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 녹색 형광체 60∼90중량%를 포함하고, 상기 적색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 적색 형광체 60∼90중량%를 포함한다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백색 발광다이오드 소자 및 그 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
먼저 유리 프릿을 제조하는 방법을 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적색 형광체 페이스트 조성물과 녹색 형광체 페이스트 조성물에 사용되는 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿을 제조하기 위하여 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%가 함유되게 원료들을 칭량한다. 상기 원료들로는 SiO2, B2O3, ZnO 및 Al2O3를 사용할 수 있다.
칭량된 원료들이 용융될 수 있는 온도(예컨대, 1200∼1800℃의 온도)에서 일정 시간(예컨대, 10분∼12시간) 동안 유지하여 원료들을 용융시킨다. 용융된 원료들을 급속 냉각하고, 급속 냉각된 벌크 형태의 유리를 분쇄하여 원하는 크기의 평균 입경을 갖는 분말 형태의 유리 프릿을 얻는다.
상기 벌크 형태 유리의 분쇄는 볼 밀링(Ball Milling), 밀링 미디어(Milling Media), 제트 밀(Jet mill), 유발 분쇄 등과 같은 다양한 방법을 사용할 수 있다.
이하 볼 밀링법에 의한 분쇄 공정을 예로 들어 구체적으로 설명한다. 벌크 형태의 유리를 볼밀링기(ball milling machine)에 장입한다. 볼 밀링기를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 벌크 형태의 유리를 기계적으로 분쇄한다. 볼 밀링에 사용되는 볼은 지르코니아, 알루미나와 같은 세라믹으로 이루어진 볼을 사용할 수 있으며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼 밀링기의 분당 회전속도 등을 조절하여 목표하는 입자의 크기로 분쇄한다. 예를 들면, 입자의 크기를 고려하여 볼의 크기는 1㎜∼50㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼 밀링기의 회전속도는 100∼500rpm 정도의 범위로 설정할 수 있다. 볼 밀링은 목표하는 입자의 크기 등을 고려하여 1∼48시간 동안 실시한다. 볼 밀링에 의해 미세한 크기의 입자로 분쇄되고, 균일한 입자 크기 분포를 갖게 된다.
상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿의 연화점은 500℃보다 낮은 연화점(예컨대, 400℃ 이상이고 500℃ 미만)을 가지므로 후술하는 열처리 온도를 낮출 수 있고, 따라서 에너지가 절약되어 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
적색 형광체 페이스트 조성물은 다음과 같은 방법으로 제조할 수 있다.
상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 적색 형광체를 목표하는 비율에 따라 혼합한다. 상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿 10∼40중량%와 상기 적색 형광체 90∼60중량%를 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 적색 형광체는 유로퓸이 도핑된 (스트론튬,칼슘)알루미늄실리콘나이트라이드((Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+)를 포함할 수 있다. 상기 유로퓸(Eu)의 도핑량은 0.01∼5몰% 정도인 것이 바람직하다.
SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 적색 형광체의 혼합물을 미분화하기 위하여 분쇄할 수도 있다. 상기 분쇄는 볼 밀링(Ball Milling), 밀링 미디어(Milling Media), 제트 밀(Jet mill), 유발 분쇄 등과 같은 다양한 방법을 사용할 수 있다. 일정 크기의 메쉬(Mesh) 형태의 체(sieve)를 이용하여 일정 크기 이상의 불순물을 필터링하여 걸러낼 수도 있다. 적색 형광체 페이스트 조성물에 함유되는 유리 프릿의 평균 입경은 0.1㎛∼10㎛ 정도인 것이 바람직하다. 유리 프릿의 입경이 너무 작으면 제조하기가 어렵고 입경이 작은 유리 프릿을 제조하기 위해 고가의 장비를 필요로 하므로 비경제적이며, 유리 프릿의 입경이 너무 크면 적색 형광체막 형성 시에 표면 요철이 생길 수 있다. 적색 형광체 페이스트 조성물에 함유되는 적색 형광체의 평균 입경은 0.5∼25㎛ 정도인 것이 바람직하다. 상기 적색 형광체의 입경이 너무 작으면 제조하기가 어렵고 입경이 작은 형광체를 제조하기 위해 고가의 장비를 필요로 하므로 비경제적이며, 상기 적색 형광체의 입경이 너무 크면 적색 형광체막 형성 시에 표면 요철이 생길 수 있다.
SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 적색 형광체의 혼합물에 유기 바인더 용액을 첨가한다. 상기 유리 프릿과 상기 적색 형광체의 혼합물에 상기 유리 프릿과 상기 적색 형광체의 전체 함량 100중량부에 대하여 유기 바인더 용액 15∼45중량부를 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 유기 바인더 용액은 유기 바인더와 용제가 혼합된 용액이다.
상기 유기 바인더로는 에틸셀룰로오스(ethyl cellulose), 메틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 카르복시셀룰로오스, 폴리비닐알콜, 아크릴산에스테르, 메타크릴산에스테르, 폴리비닐부티랄, 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있으며, 유기 바인더로서 그 외에도 일반적으로 잘 알려진 물질을 사용할 수 있다.
상기 용제로는 유기 바인더를 용해시키거나 분산시키고 유리 프릿을 분산시켜 점도를 조절하기 위하여 유기용매를 사용할 수 있으며, 상기 유기용매로서 유기 바인더를 녹일 수 있는 물질이 사용 가능한데, 예컨대, 알파-터피놀(α-Terpineol), 디하이드로 터피놀(Dihydro terpineol; DHT), 디하이드로 터피놀 아세테이트(Dihydro terpineol acetate; DHTA), 부틸카비톨아세테이트(Butyl Carbitol Acetate; BCA), n-부틸아세테이트, 에틸렌글리콜, 이소부틸알콜, 메틸에틸케톤, 부틸카비톨, 텍사놀(texanol)(2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올모노이소부티레이트), 에틸벤젠, 이소프로필벤젠, 시클로헥사논, 시클로펜타논, 디메틸설폭사이드, 디에틸프탈레이트, 이들의 혼합물 등이 그 예이다.
바람직하게는 상기 유기 바인더 용액은 알파-터피놀, n-부틸아세테이트 및 에틸셀룰로오스가 2.5∼6.5:2.5∼6.5:1의 중량비로 혼합된 용액으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 제조된 적색 형광체 페이스트 조성물은 스크린 프린팅법 등을 이용하여 코팅할 수 있다.
적색 형광체 페이스트 조성물을 스핀 코팅과 스프레이 코팅을 이용하여 코팅하는 경우에는 상기 유리 프릿, 상기 적색 형광체 및 상기 유기 바인더 용액의 전체 함량 100중량부에 대하여 n-부틸아세테이트 50∼100중량부 첨가하여 희석시켜 적색 형광체 페이스트 조성물을 형성하는 것이 바람직하다. n-부틸아세테이를 첨가함으로써 스프레이 코팅에 적합한 점도를 유지할 수 있고, 스핀 코팅과 스프레이 코팅을 용이하게 수행할 수 있게 한다.
녹색 형광체 페이스트 조성물은 다음과 같은 방법으로 제조할 수 있다.
상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 녹색 형광체를 목표하는 비율에 따라 혼합한다. 상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿 10∼40중량%와 상기 녹색 형광체 90∼60중량%를 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 녹색 형광체는 세륨이 도핑된 루테슘 알루미늄 산화물(Lu3Al5O12:Ce3 +)을 포함할 수 있다. 상기 세륨(Ce)의 도핑량은 0.01∼5몰% 정도인 것이 바람직하다.
SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 녹색 형광체의 혼합물을 미분화하기 위하여 분쇄할 수도 있다. 상기 분쇄는 볼 밀링(Ball Milling), 밀링 미디어(Milling Media), 제트 밀(Jet mill), 유발 분쇄 등과 같은 다양한 방법을 사용할 수 있다. 일정 크기의 메쉬(Mesh) 형태의 체(sieve)를 이용하여 일정 크기 이상의 불순물을 필터링하여 걸러낼 수도 있다. 녹색 형광체 페이스트 조성물에 함유되는 유리 프릿의 평균 입경은 0.1㎛∼10㎛ 정도인 것이 바람직하다. 유리 프릿의 입경이 너무 작으면 제조하기가 어렵고 입경이 작은 유리 프릿을 제조하기 위해 고가의 장비를 필요로 하므로 비경제적이며, 유리 프릿의 입경이 너무 크면 녹색 형광체막 형성 시에 표면 요철이 생길 수 있다. 녹색 형광체 페이스트 조성물에 함유되는 녹색 형광체의 평균 입경은 0.5∼25㎛ 정도인 것이 바람직하다. 상기 녹색 형광체의 입경이 너무 작으면 제조하기가 어렵고 입경이 작은 형광체를 제조하기 위해 고가의 장비를 필요로 하므로 비경제적이며, 상기 녹색 형광체의 입경이 너무 크면 녹색 형광체막 형성 시에 표면 요철이 생길 수 있다.
SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 녹색 형광체의 혼합물에 유기 바인더 용액을 첨가한다. 상기 유리 프릿과 상기 녹색 형광체의 혼합물에 상기 유리 프릿과 상기 녹색 형광체의 전체 함량 100중량부에 대하여 유기 바인더 용액 15∼45중량부를 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 유기 바인더 용액은 유기 바인더와 용제가 혼합된 용액이다.
상기 유기 바인더로는 에틸셀룰로오스(ethyl cellulose), 메틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 카르복시셀룰로오스, 폴리비닐알콜, 아크릴산에스테르, 메타크릴산에스테르, 폴리비닐부티랄, 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있으며, 유기 바인더로서 그 외에도 일반적으로 잘 알려진 물질을 사용할 수 있다.
상기 용제로는 유기 바인더를 용해시키거나 분산시키고 유리 프릿을 분산시켜 점도를 조절하기 위하여 유기용매를 사용할 수 있으며, 상기 유기용매로서 유기 바인더를 녹일 수 있는 물질이 사용 가능한데, 예컨대, 알파-터피놀(α-Terpineol), 디하이드로 터피놀(Dihydro terpineol; DHT), 디하이드로 터피놀 아세테이트(Dihydro terpineol acetate; DHTA), 부틸카비톨아세테이트(Butyl Carbitol Acetate; BCA), n-부틸아세테이트, 에틸렌글리콜, 이소부틸알콜, 메틸에틸케톤, 부틸카비톨, 텍사놀(texanol)(2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올모노이소부티레이트), 에틸벤젠, 이소프로필벤젠, 시클로헥사논, 시클로펜타논, 디메틸설폭사이드, 디에틸프탈레이트, 이들의 혼합물 등이 그 예이다.
바람직하게는 상기 유기 바인더 용액은 알파-터피놀, n-부틸아세테이트 및 에틸셀룰로오스가 2.5∼6.5:2.5∼6.5:1의 중량비로 혼합된 용액으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 제조된 녹색 형광체 페이스트 조성물은 스크린 프린팅법 등을 이용하여 코팅할 수 있다.
녹색 형광체 페이스트 조성물을 스핀 코팅과 스프레이 코팅을 이용하여 코팅하는 경우에는 상기 유리 프릿, 상기 녹색 형광체 및 상기 유기 바인더 용액의 전체 함량 100중량부에 대하여 n-부틸아세테이트 50∼100중량부 첨가하여 희석시켜 녹색 형광체 페이스트 조성물을 형성하는 것이 바람직하다. n-부틸아세테이를 첨가함으로써 스프레이 코팅에 적합한 점도를 유지할 수 있고, 스핀 코팅과 스프레이 코팅을 용이하게 수행할 수 있게 한다.
일 실시예로서, 유리렌즈 상에 적색 형광체 페이스트 조성물을 코팅하고, 상기 적색 형광체 페이스트 조성물이 도포된 상부에 녹색 형광체 페이스트 조성물을 도포한 후에, 상기 적색 형광체 페이스트 조성물과 상기 녹색 형광체 페이스트 조성물이 순차적으로 도포된 유리렌즈를 상기 유리 프릿의 연화점 보다 높은 500∼800℃의 온도에서 열처리하여 유리렌즈 상에 적색 형광체막과 녹색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 갖는 색 변환 렌즈를 형성한다.
다른 실시예로서, 유리렌즈 상에 녹색 형광체 페이스트 조성물을 코팅하고, 상기 녹색 형광체 페이스트 조성물이 도포된 상부에 적색 형광체 페이스트 조성물을 도포한 후에, 상기 녹색 형광체 페이스트 조성물과 상기 적색 형광체 페이스트 조성물이 순차적으로 도포된 유리렌즈를 상기 유리 프릿의 연화점 보다 높은 500∼800℃의 온도에서 열처리하여 유리렌즈 상에 녹색 형광체막과 적색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 갖는 색 변환 렌즈를 형성한다.
상기 유리렌즈는 평면형 렌즈일 수 있고, 비평면형(예컨대, 돔형) 렌즈일 수도 있다. 평면형 렌즈 형태는 빛을 여러 방향을 분산시키는 데에 한계가 있고, 광 추출 효율이 떨어지기 때문에, 빛의 분산이 유리하고, 광 추출 효율이 높은 돔형과 같은 비평면형 렌즈 형태가 필요할 수 있다.
평면형 렌즈일 경우에는 스크린 프린팅법이나, 스핀 코팅과 스프레이 코팅 등을 이용하여 페이스트 조성물을 코팅할 수 있다.
비평면형 렌즈일 경우에는 스핀 코팅과 스프레이 코팅을 이용하여 형광체 페이스트 조성물을 코팅할 수 있다. 상기 스핀 코팅과 스프레이 코팅은 막 두께 조절이 용이하고, 용액의 손실이 적으며, 장치 및 사용법이 간단하고, 코팅의 안정도가 높으며, 다양한 형태의 표면에 코팅이 가능한 액상 공정이다.
스핀 코팅 및 스프레이 코팅을 하는 경우에는 유리렌즈를 진공을 이용하여 스핀코터 위에 고정시키고, 소정 회전속도(예컨대, 50∼200 rpm, 바람직하게는 100 rpm)로 회전시킨다. 상기 형광체 페이스트 조성물(적색 형광체 페이스트 조성물 또는 녹색 형광체 페이스트 조성물)을 회전되고 있는 유리렌즈 위에 스프레이 코팅법으로 도포한다. 형광체 페이스트 조성물을 스핀 코팅과 스프레이 코팅하는 모습을 도 1에 나타내었다. 스프레이 분무 시간은 30초 내지 5분 정도, 더욱 구체적으로는 1분 30초 내지 3분 정도인 것이 바람직하다.
상기 녹색 형광체 페이스트 조성물의 코팅 두께와 상기 적색 형광체 페이스트 조성물의 코팅 두께는 6:4∼8:2의 두께비를 갖게 하는 것이 바람직하다.
형광체 페이스트 조성물(적색 형광체 페이스트 조성물 또는 녹색 형광체 페이스트 조성물)이 도포한 후에는 오븐에서 건조하는 것이 바람직하다. 상기 건조 공정은 예를 들면, 60∼180℃에서 10분∼12시간 정도 유지하는 공정으로 이루어질 수 있다. 상기 건조 공정에 의해 용제 성분은 건조되어 없어지게 된다.
적색 형광체 페이스트 조성물과 녹색 형광체 페이스트 조성물이 순차적으로 도포된 유리렌즈를 상기 유리 프릿의 연화점 보다 높은 500∼800℃의 온도에서 열처리하게 되면 유리렌즈 상에 적색 형광체막과 녹색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 갖는 색 변환 렌즈를 얻게 된다.
또한, 녹색 형광체 페이스트 조성물과 적색 형광체 페이스트 조성물이 순차적으로 도포된 유리렌즈를 상기 유리 프릿의 연화점 보다 높은 500∼800℃의 온도에서 열처리하게 되면 유리렌즈 상에 녹색 형광체막과 적색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 갖는 색 변환 렌즈를 얻게 된다.
상기 열처리는 유기 바인더의 타는 온도보다 높고 유리 프릿의 연화점보다 높은 온도에서 실시하는데, 예컨대 550∼800℃의 온도에서 수행한다. 상기 열처리는 5분∼12시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 형광체 페이스트 조성물에 함유된 유기 바인더는 승온 과정 및 열처리 과정에서 태워져서 없어지게 된다.
열처리가 완료되면, 용제 및 유기 바인더 성분은 모두 없어지고, 유리렌즈 위에 적색 형광체막과 녹색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있거나, 유리렌즈 위에 녹색 형광체막과 적색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있는 색 변환 렌즈를 얻게 된다. 상기 녹색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 녹색 형광체 60∼90중량%를 포함하고, 상기 적색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 적색 형광체 60∼90중량%를 포함한다.
조명용 LED에서 청색 LED 칩과 색 변환 렌즈를 이용하여 백색 LED 소자를 제조한다.
이하에서, 백색 LED 소자를 제조하는 방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
도 2a 및 도 2b는 평면형 색 변환 렌즈와 청색 LED 칩이 이격되어 있지 않은 백색 LED 소자의 예를 보여주고, 도 3a 및 도 3b는 평면형 색 변환 렌즈를 이용하여 청색 LED 칩과 형광체를 일정한 간격을 띄우는 리모트 형광체(Remote Phosphor) 타입의 백색 LED 소자의 예를 보여주며, 도 4a 및 도 4b는 비평면형 색 변환 렌즈를 이용하여 청색 LED 칩과 형광체를 일정한 간격을 띄우는 리모트 형광체(Remote Phosphor) 타입의 백색 LED 소자의 예를 보여준다. 도 2a 내지 도 4b에서 참조부호 '110'은 청색 LED 칩을 나타내고, 참조부호 '120'은 유리렌즈를 나타내며, 참조부호 '130'은 적색 형광체막을 나타내고, 참조부호 '140'은 녹색 형광체막을 나타낸다.
도 2a 내지 도 4b를 참조하면, 인쇄회로기판 상부에 청색 발광다이오드 칩이 안착되어 있고 상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어가 본딩되어 있는 발광다이오드 램프를 준비한다.
상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 상기 색 변환 렌즈를 장착한다. 상기 청색 발광다이오드 칩과 상기 색 변환 렌즈는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 서로 인접되게 장착할 수도 있고, 도 4a 내지 도 4b에 도시된 바와 같이 서로 이격되게 장착할 수도 있다.
이렇게 제조된 백색 발광다이오드 소자는, 인쇄회로기판과, 전압을 인가하면 청색 가시광선을 발광하는 청색 발광다이오드 칩과, 상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어와, 상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 장착된(서로 인접하거나 이격되게 장착된) 색 변환 렌즈를 포함한다.
상기 색 변환 렌즈는 유리렌즈 상에 적색 형광체막과 녹색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 이룰 수 있으며, 상기 적색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 적색 형광체 60∼90중량%를 포함하고, 상기 녹색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 녹색 형광체 60∼90중량%를 포함한다.
또한, 상기 색 변환 렌즈는 유리렌즈 상에 녹색 형광체막과 적색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 이루며, 상기 녹색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 녹색 형광체 60∼90중량%를 포함하고, 상기 적색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 적색 형광체 60∼90중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자를 제공한다.
상기 녹색 형광체막과 상기 적색 형광체막은 6:4∼8:2의 두께비를 갖는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예를 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
백색 LED(Light Emitting Diode)는 백열등의 100배, 형광등의 10배 이상의 긴 수명을 갖고 전력소모가 적으며 빛의 밝기가 세기 때문에 오늘날 자동차 조명, 신호등, 가전제품의 디스플레이, 휴대폰, 건물 외곽 등의 백라이트 광원으로 넓게 쓰이고 있다. 이러한 백색 LED를 제조하는 데 있어 청색 LED 칩, 황색 형광체, 실리콘을 함께 패키지화하는 방법의 경우, 장기간 사용하게 되면 실리콘에 열에 의한 황변 현상이 나타나고, 수축에 의한 깨짐 현상 등이 나타나는 문제점이 있다.
또한, 황색 형광체의 사용은 높은 색 온도(Correlated Color Temperature)와 낮은 연색지수(Color Rendering Index)를 나타내기 때문에 약 3000 K의 따뜻한 백색 LED(Warm White LED) 소자를 제조하는데 어려움이 있다.
따뜻한 백색 LED 소자를 제조하기 위해 녹색 형광체와 적색 형광체가 9:1의 비율로 사용하는 경우에, 녹색 형광체와 적색 형광체를 함께 사용하게 되면, 넓은 여기파장을 갖는 적색 형광체가 녹색 형광체에서 발광하는 녹색 광을 재흡수하여 색 좌표의 이동과 광 효율(Luminance efficiency)을 저하시키는 문제가 발생한다.
이러한 문제를 해결하여야 원하는 색 온도와 우수한 연색지수 및 광 효율의 광 특성을 갖는 백색 LED 소자를 제조할 수 있다.
따라서, 본 실험에서는 높은 열안정성, 높은 화학안정성으로 열 충격과 습도에 우수한 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 저 연화점 유리를 사용하였고, 녹색 형광체와 적색 형광체 간 간섭현상을 막기 위해 유리렌즈 위에 형광체 페이스트 조성물을 혼합하지 않고 두 개의 코팅층으로 분리하여 형성하였다. 이때 코팅 방법으로는 제조공정이 간단하고 코팅 두께를 쉽게 조절할 수 있는 스크린 프린팅 기법을 이용하였으며, 녹색 형광체막과 적색 형광체막 형성을 위한 코팅 시 스크린 프레임의 유제막 두께를 9:1로 하여 녹색 형광체막과 적색 형광체막의 코팅두께비가 7:3이 되게 하였다. 형광체 페이스트 조성물의 코팅순서와 열처리 온도를 변화시켜 색 온도, 연색지수, 광 효율에 미치는 영향을 평가하였다.
이하에서, 실험예를 더욱 구체적으로 설명한다.
본 실험에서는 따뜻한 백색 LED 소자를 제조하기 위해 출발물질로 유리 프릿, 녹색 형광체, 적색 형광체를 사용하였다.
상기 유리 프릿은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계로 450℃의 전이점, 485℃의 연화점, 8.5×10-6/℃의 열팽창계수를 갖는 것을 사용하였다. 상기 유리 프릿은 SiO2 25몰%, B2O3 40몰%, ZnO 30몰% 및 Al2O3 5몰% 비율로 조성이 설계된 것을 사용하였다. 상기 유리 프릿은 4∼7 ㎛의 입자 크기를 갖는 것을 사용하였다.
상기 녹색 형광체는 Lu3Al5O12:Ce3 +(LuAG, Daejoo Electronic Materials Co., Ltd., L30)을 사용하였다. 상기 녹색 형광체는 14∼17 ㎛의 입자 크기를 갖는 것을 사용하였다.
상기 적색 형광체는 (Sr,Ca)AlSiN3:Eu2 +(SCASN, Daejoo Electronic Materials Co., Ltd., C30A)을 사용하였다. 상기 적색 형광체는 12∼14 ㎛의 입자 크기를 갖는 것을 사용하였다.
코팅층 형성을 위한 형광체 페이스트 조성물은 유리 프릿 10 wt%와 녹색 형광체 90 wt%를 혼합하고 바인더를 전체무게 대비 30 wt%를 첨가하여 형성한 녹색 형광체 페이스트 조성물과, 유리 30 wt%와 적색 형광체 70 wt%를 혼합하고 바인더를 전체무게 대비 30 wt%를 첨가하여 형성한 적색 황광체 페이스트 조성물의 두 종류를 제조하였다. 이때 사용된 바인더는 알파-터피놀(a-terpineol), n-부틸아세테이트(n-butyl acetate) 및 에틸셀룰로오스(ethyl cellulose)가 4.5:4.5:1의 중량비로 혼합된 용액을 사용하였다.
제조된 형광체 페이스트 조성물(적색 형광체 페이스트 조성물과 녹색 형광체 페이스트 조성물)은 스크린 프린팅 기법을 이용하여 91.6%의 높은 가시광 투과율을 갖는 보로실리케이트(borosilicate)계 유리렌즈(Eagle2000TM, Corning) 위에 코팅하였다. 이때, 형광체 페이스트 조성물의 코팅 적층순서는 도 5a 내지 도 5c와 같이 세 가지로 변화시켰고, 500℃, 550℃, 600℃에서 2시간 동안 열처리하여 색 변환 렌즈를 제조하였다. 도 5a은 유리렌즈(120)에 적색 형광체 페이스트 조성물을 코팅하여 적색 형광체막(130)을 형성하고 적색 형광체막(130) 상부에 녹색 형광체 페이스트 조성물을 코팅하여 녹색 형광체막(140)을 형성한 경우이고, 도 5b은 유리렌즈(120)에 녹색 형광체 페이스트 조성물을 코팅하여 녹색 형광체막(140)을 형성하고 녹색 형광체막(140) 상부에 적색 형광체 페이스트 조성물을 코팅하여 적색 형광체막(130)을 형성한 경우이며, 도 5c는 유리렌즈(120)에 적색 형광체 페이스트 조성물을 코팅하여 적색 형광체막(130)을 형성하고 적색 형광체막(130) 상부에 녹색 형광체 페이스트 조성물을 코팅하여 제1 녹색 형광체막(140a)을 형성하고 제1 녹색 형광체막(140a) 상부에 녹색 형광체 페이스트 조성물을 코팅하여 제2 녹색 형광체막(140b)을 형성한 경우이다. 이하에서, 도 5a에 나타낸 바와 같이 적색 형광체막(130)과 녹색 형광체막(140)이 순차적으로 형성된 경우를 'r-g'라 하고, 도 5b에 나타낸 바와 같이 녹색 형광체막(140)과 적색 형광체막(130)이 순차적으로 형성된 경우를 'g-r'이라 하며, 도 5c에 나타낸 바와 같이 적색 형광체막(130), 제1 녹색 형광체막(140a) 및 제2 녹색 형광체막(140b)이 순차적으로 형성된 경우를 'r-g-g'라 한다.
색 변환 렌즈는 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM)(JSM-6380, JEOL)으로 미세구조를 관찰하였고, X-선회절기(x-ray diffractometer; XRD)(D/max-2500/PC, Rigaku corporation)를 이용하여 200 mA, 40 kV의 조건하에 결정상 분석을 하였다. 가시광 영역의 투과율은 uv-vis spectrophotometer(V-570, JASCO)로 측정하였으며, 색 온도(CCT), 연색지수(CRI), 광 효율(LE) 및 광 스펙트럼은 분광기와 적분구 1M(OPI-100/1000, Withlight)를 이용하여 측정하였다.
유리 프릿과 형광체의 균일혼합을 위한 출발물질의 입자형상을 보기 위해 미세구조를 도 6a 내지 도 6c에 나타내었다. 도 6a은 실험예에서 사용된 유리 프릿(glass frit)의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경 사진이고, 도 6b은 실험예에서 사용된 녹색 형광체(green phosphor)의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경 사진이며, 도 6c는 실험예에서 사용된 적색 형광체(red phosphor)의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 유리 프릿은 다양한 형태를 나타내며, 입자 크기가 4∼7 ㎛로 가장 작았고, 녹색 형광체는 둥근 형태로 입자 크기가 14∼17 ㎛로 가장 컸다. 녹색 형광체와 달리 적색 형광체는 사각 모양을 띠고 있었고, 입자 크기는 12∼14 ㎛로 비교적 비슷한 크기를 나타내고 있었다. 유리 프릿은 형광체보다 입자 크기가 작기 때문에 혼합 시, 형광체 사이에 고루 섞여 녹을 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
제조된 색 변환 렌즈의 표면과 단면의 미세구조를 도 7a 내지 도 7i에 나타내었다. 도 7a는 500℃에서 열처리하여 형성한 r-g의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경 사진이고, 도 7b는 500℃에서 열처리하여 형성한 g-r의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경 사진이며, 도 7c는 500℃에서 열처리하여 형성한 r-g-g의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경 사진이고, 도 7d는 550℃에서 열처리하여 형성한 r-g의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경 사진이며, 도 7e는 550℃에서 열처리하여 형성한 g-r의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경 사진이고, 도 7f는 550℃에서 열처리하여 형성한 r-g-g의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경 사진이고, 도 7g는 600℃에서 열처리하여 형성한 r-g의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경 사진이며, 도 7h는 600℃에서 열처리하여 형성한 g-r의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경 사진이고, 도 7i는 600℃에서 열처리하여 형성한 r-g-g의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
도 7a 내지 도 7i를 참조하면, 각각의 표면은 마지막에 코팅하여 형성된 형광체막으로 덮여있었고, 단면을 보았을 때 코팅한 순서대로 코팅층(형광체막)이 잘 적층되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 열처리 온도가 높아질수록 용융되는 유리 프릿의 양에 따라 표면의 형상에 차이가 있었는데, 500℃일 때 유리 프릿은 연화상태로 형광체의 입자가 뚜렷이 보였으며, 550℃에서는 유리 프릿이 형광체 입자 사이에 고르게 용융되어 있었다. 열처리 온도가 가장 높았던 600℃에서는 용융된 유리 프릿의 양이 많아져 형광체 입자 사이뿐만 아니라 표면까지도 유리 프릿으로 덮여있었다. 이때, 적색 형광체막에 유리 프릿의 함량은 30 wt%로 녹색 형광체막에 비하여 더욱 많이 존재해 있어 r-g와 r-g-g의 경우 용융된 유리 프릿이 코팅층 밑에 많이 있었고, g-r의 경우 표면에 용융된 유리 프릿이 많이 존재하는 것을 알 수 있었다.
코팅공정 및 열처리 온도에 따른 결정상 분석을 도 8a 내지 도 8c에 나타내었다. 도 8a는 500℃에서 열처리하여 형성한 색 변환 렌즈의 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 패턴을 보여주는 도면이고, 도 8b는 550℃에서 열처리하여 형성한 색 변환 렌즈의 X-선회절 패턴을 보여주는 도면이며, 도 8c는 600℃에서 열처리하여 형성한 색 변환 렌즈의 X-선회절 패턴을 보여주는 도면이다.
도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 제조된 색 변환 렌즈의 피크 강도(peak intensity)는 마지막으로 적층된 층에 있는 형광체의 결정상을 뚜렷이 나타내어 r-g와 r-g-g는 대부분 LuAG의 피크(peak)를 나타내었고, g-r은 대부분 SCASN의 피크(peak)를 나타내었다. 이는 코팅층의 아래보다 코팅층의 윗부분인 표면부분의 결정상 피크(peak)가 더욱 뚜렷하게 나타난다는 것을 의미함과 동시에 녹색 형광체막과 적색 형광체막 간 이차반응이 일어나지 않았음을 나타낸다. 또한, g-r의 경우 열처리온도가 높아질수록 피크 강도(peak intensity)는 낮아졌는데, 이러한 원인으로는 유리 프릿의 비정질 Si4 +이온이 결정상(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2 +에 침투하여 SCASN의 결정성을 낮추기 때문에 적색 형광체의 고유성질을 잃어버리는 것으로 생각된다.
도 9는 코팅공정 및 열처리 온도에 따른 색 변환 렌즈의 가시광 영역에서의 투과율을 나타낸 것이다.
도 9를 참조하면, 코팅공정에 따라서는 r-g와 g-r의 차이는 없었고, r-g-g의 경우 투과율이 감소하였으며, 열처리 온도가 높을수록 투과율은 증가하였다. 이러한 이유는 r-g-g는 전체 코팅두께가 두꺼워 코팅층에서 빛을 반사시키는 양이 많아졌기 때문이고, 열처리 온도가 증가할수록 높은 투명성을 띄는 용융되어진 유리 프릿의 양이 많아졌기 때문이라 생각된다.
코팅공정 및 열처리 온도에 따른 색 변환 렌즈의 광 스펙트럼은 도 10a 내지 도 10c에 나타내었다. 도 10a는 500℃에서 열처리하여 형성한 색 변환 렌즈의 광 스펙트럼(photoluminescence spectra)을 보여주는 도면이고, 도 10b는 550℃에서 열처리하여 형성한 색 변환 렌즈의 광 스펙트럼을 보여주는 도면이며, 도 10c는 600℃에서 열처리하여 형성한 색 변환 렌즈의 광 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
도 10a 내지 도 10c를 참조하면, 일반적으로 녹색 형광체는 450 nm에서 청색광을 흡수하여 Ce3 +의 4f7->4f65d1 천이현상에 의해 450∼650 nm의 넓은 범위에서 녹색광을 방출하고, 적색 형광체는 300∼550 nm의 넓은 여기스펙트럼으로 이 구간에서 Eu2 +의 4f7->4f65d1로 천이가 일어나 620∼650 nm에서 적색광을 방출한다. 이에 근거하여 500℃에서 g-r은 r-g와 r-g-g에 비해 많은 양의 녹색광을 방출하였고, 적색광은 적게 방출하였다. 열처리 온도가 높아질수록 r-g와 r-g-g에서 적색광의 방출 세기(intensity)가 현저히 감소하는 반면, 녹색광의 방출 세기(intensity)는 약간 증가하였다. 적색광의 방출 세기(intensity)가 감소한 이유는 온도가 증가할수록 적색 형광체는 열에 의한 형광체의 발광효율이 감소하는 열적소광(Thermal quenching) 현상이 일어났기 때문이다. 특히 600℃에서는 적색광의 방출 세기(intensity)가 거의 발생하지 않은 것으로 보아 적색 형광체는 600℃에서 형광의 기능을 대부분 잃는다는 것을 보여준다. 이와 같은 현상으로 방출 피크 강도(peak intensity)는 먼저 빛을 받는 코팅층 아랫부분에 있는 형광체에 의한 영향이 표면에 있는 형광체에 의한 영향보다 크다는 것을 알 수 있었다.
도 11은 녹색 형광체 페이스트 조성물과 적색 형광체 페이스트 조성물을 각각 코팅하고 500℃, 550℃, 600℃에서 열처리 한 후 투과율을 측정하여 비교한 도면으로 각 형광체의 투과율에 따라서도 설명할 수 있다.
도 11을 참조하면, 녹색 형광체막의 투과율은 열처리 온도가 증가함에 따라 투과율이 증가하였고, 적색 형광체막의 투과율보다 높았으며, 적색 형광체막은 투과율이 너무 낮아 열처리 온도에 따라 투과율이 크게 변화가 없었다. 이는 열처리 온도에 따라 투과율은 녹색 형광체막에 의해 색 변환 렌즈의 투과율이 변화함을 보여준다. 따라서 열처리 온도가 증가할수록 녹색 형광체막의 투과율이 높기 때문에 녹색광의 발광 세기(intensity)는 증가하였다.
도 12a 내지 도 12c는 실험예에 따라 제조된 색 변환 렌즈들의 코팅공정 및 열처리 온도에 따른 색 온도(CCT), 연색지수(CRI), 광 효율(LE)을 나타낸 것이다. 도 12a는 색 온도(CCT)를 보여주는 그래프이고, 도 12b는 연색지수(CRI)를 보여주는 그래프이며, 도 12c는 광 효율(Luminance efficiency; LE)를 보여주는 그래프이다.
도 12a 내지 도 12c를 참조하면, 색 온도와 연색지수는 500℃에서 너무 낮아 측정이 되지 않았다. 550℃에서 색 온도는 2900∼3300 K, 연색지수는 약 80을 나타냈고, 600℃에서 색 온도는 g-r과 r-g-g가 5000∼5500 K, 연색지수는 r-g가 가장 높은 82의 값을 나타내었다. 도 12c의 광 효율 측정결과를 보면, 같은 온도에서 너무 두꺼운 코팅두께로 인하여 낮은 투과율을 갖는 r-g-g의 광 효율이 가장 낮았고, r-g, g-r 순으로 높게 측정되었다. 녹색 형광체막이 아래에 있고 적색 형광체막이 위에 있을 시, 적색 형광체가 녹색 형광체에서 방출한 빛을 재흡수하는 현상이 발생하여 광 효율을 저하시키는 요인이 될 수 있다. 그러나 본 실험에서는 g-r이 r-g보다 높았는데, 이것은 LED 칩에서 발생되는 청색광을 먼저 흡수하여 발광하는 형광체의 영향이 형광체 간 재흡수가 발생하는 현상보다 더욱 광 효율에 영향을 미친다고 생각될 수 있다. 열처리 온도에 따라서도 r-g와 r-g-g의 경우 온도가 높아질수록 광 효율이 감소하였지만, g-r은 변화가 없었다. 이러한 결과는 r-g와 r-g-g는 LED 칩의 청색광을 가장 먼저 흡수하는 적색 형광체가 열적소광 현상에 의해 형광체의 고유성질이 손실되기 때문이고, g-r의 경우 LED 칩의 청색광을 먼저 흡수하는 녹색 형광체가 550℃와 600℃에도 열에 안정하기 때문이다. 따라서 청색광을 많이 흡수하는 형광체의 특성에 따라 광 특성은 결정되며 형광체의 특성이 변하지 않는 열처리 온도 이하에서 광 효율은 유지될 수 있다.
본 실험에서는 따뜻한 백색 LED를 위한 색 변환 렌즈를 제조하는데 있어 녹색 형광체와 적색 형광체의 적층순서를 조절하여 스크린 프린팅 하였고, 열처리 온도를 500℃, 550℃, 600℃로 변화시켜보았다. 적색 형광체막, 녹색 형광체막, 녹색 형광체막의 순서로 코팅되어진 색 변환 렌즈는 녹색 형광체의 좋은 광 특성을 더욱 나타낼 것이라는 기대와 달리 두꺼운 코팅층으로 인해 낮은 투과율로 광 특성이 가장 좋지 않았다. 적색 형광체막과 녹색 형광체막의 적층순서를 바꾸어 비교한 결과로는 먼저 적층되어 아래층에 있는 형광체의 영향이 위쪽에 적층되어 표면 부근에 있는 형광체의 영향에 비해 더욱 크다는 것을 알 수 있었다. 발광 세기는 청색 LED 칩에 가장 영향을 먼저 받는 아래층에 있는 형광체에 의해 대부분의 발광 피크 세기(peak intensity)가 결정되었고, 광 효율 또한 이에 영향을 받아 녹색 형광체막, 적색 형광체막 순서로 코팅이 되었을 때 광 효율이 가장 높았다. 열처리 온도에 따라서는 용융된 유리 프릿의 함량이 많아져 투과율이 높아지는 것을 알 수 있었고, 적색 형광체막이 아래에 있을 경우 열화현상으로 인해 색 온도(CCT), 연색지수(CRI), 광 효율(LE) 등이 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 색 변환 렌즈를 제조하는 데 있어 청색 LED 칩에서 나오는 청색광을 가장 먼저 흡수하는 형광체의 특성이 중요하며, 형광체의 고유성질의 변화가 없는 정도에서 열처리 온도는 높을수록 좋다는 것을 알 수 있었다. 따뜻한 백색 LED를 나타내며, 가장 좋은 광 특성을 나타낸 것은 녹색 형광체막, 적색 형광체막 순으로 각 1회 코팅 후 550℃에서 열처리한 것이며, 색 온도와 연색지수, 광 효율은 각각 3340K, 78.0, 56.5 lm/w를 나타내었다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
110: 청색 LED 칩
120: 유리렌즈
130: 적색 형광체막
140: 녹색 형광체막
120: 유리렌즈
130: 적색 형광체막
140: 녹색 형광체막
Claims (18)
- 인쇄회로기판;
전압을 인가하면 청색 가시광선을 발광하는 청색 발광다이오드 칩;
상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어; 및
상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 장착된 색 변환 렌즈를 포함하며,
상기 색 변환 렌즈는 유리렌즈 상에 적색 형광체막과 녹색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 이루며,
상기 적색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 적색 형광체 60∼90중량%를 포함하고,
상기 녹색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 녹색 형광체 60∼90중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자.
- 인쇄회로기판;
전압을 인가하면 청색 가시광선을 발광하는 청색 발광다이오드 칩;
상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어; 및
상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 장착된 색 변환 렌즈를 포함하며,
상기 색 변환 렌즈는 유리렌즈 상에 녹색 형광체막과 적색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 이루며,
상기 녹색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 녹색 형광체 60∼90중량%를 포함하고,
상기 적색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 적색 형광체 60∼90중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 녹색 형광체막과 상기 적색 형광체막은 6:4∼8:2의 두께비를 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 녹색 형광체는 세륨이 도핑된 루테슘 알루미늄 산화물(Lu3Al5O12:Ce3 +)을 포함하며,
상기 녹색 형광체는 0.5∼25㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적색 형광체는 유로퓸이 도핑된 (스트론튬,칼슘)알루미늄실리콘나이트라이드((Sr,Ca)AlSiN3:Eu2 +)를 포함하며,
상기 적색 형광체는 0.5∼25㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 청색 발광다이오드 칩과 상기 색 변환 렌즈는 서로 이격되어 있고,
상기 유리렌즈는 평면형 렌즈인 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 청색 발광다이오드 칩과 상기 색 변환 렌즈는 서로 이격되어 있고,
상기 유리렌즈는 비평면형 렌즈인 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자.
- SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 적색 형광체를 포함하는 적색 형광체 페이스트 조성물을 유리렌즈 상에 코팅하는 단계;
상기 적색 형광체 페이스트 조성물이 도포된 상부에 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 녹색 형광체를 포함하는 녹색 형광체 페이스트 조성물을 도포하는 단계;
상기 적색 형광체 페이스트 조성물과 상기 녹색 형광체 페이스트 조성물이 순차적으로 도포된 유리렌즈를 상기 유리 프릿의 연화점 보다 높은 500∼800℃의 온도에서 열처리하여 유리렌즈 상에 적색 형광체막과 녹색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 갖는 색 변환 렌즈를 형성하는 단계;
인쇄회로기판 상부에 청색 발광다이오드 칩이 안착되어 있고 상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어가 본딩되어 있는 발광다이오드 램프를 준비하는 단계; 및
상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 상기 색 변환 렌즈를 장착하는 단계를 포함하며,
상기 적색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 적색 형광체 60∼90중량%를 포함하고,
상기 녹색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 녹색 형광체 60∼90중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자의 제조방법.
- SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 녹색 형광체를 포함하는 녹색 형광체 페이스트 조성물을 유리렌즈 상에 코팅하는 단계;
상기 녹색 형광체 페이스트 조성물이 도포된 상부에 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿과 적색 형광체를 포함하는 적색 형광체 페이스트 조성물을 도포하는 단계;
상기 녹색 형광체 페이스트 조성물과 상기 적색 형광체 페이스트 조성물이 순차적으로 도포된 유리렌즈를 상기 유리 프릿의 연화점 보다 높은 500∼800℃의 온도에서 열처리하여 유리렌즈 상에 녹색 형광체막과 적색 형광체막이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 갖는 색 변환 렌즈를 형성하는 단계;
인쇄회로기판 상부에 청색 발광다이오드 칩이 안착되어 있고 상기 인쇄회로기판과 상기 청색 발광다이오드 칩의 전기적 연결을 위한 와이어가 본딩되어 있는 발광다이오드 램프를 준비하는 단계; 및
상기 청색 발광다이오드 칩의 발광면 상부에 상기 색 변환 렌즈를 장착하는 단계를 포함하며,
상기 녹색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 녹색 형광체 60∼90중량%를 포함하고,
상기 적색 형광체막은 SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하고 연화점이 500℃보다 낮은 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 10∼40중량%와 적색 형광체 60∼90중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 녹색 형광체막과 상기 적색 형광체막은 6:4∼8:2의 두께비를 갖게 하는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 녹색 형광체는 세륨이 도핑된 루테슘 알루미늄 산화물(Lu3Al5O12:Ce3 +)을 포함하며,
상기 녹색 형광체는 0.5∼25㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 녹색 형광체 페이스트 조성물은,
SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하는 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿 10∼40중량%, 녹색 형광체 60∼90중량%, 상기 유리 프릿과 상기 녹색 형광체의 전체 함량 100중량부에 대하여 유기 바인더 용액 15∼45중량부를 포함하며,
상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿의 연화점은 500℃보다 낮고,
상기 유리 프릿은 0.1∼10㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것을 사용하며,
상기 유기 바인더 용액은 알파-터피놀, n-부틸아세테이트 및 에틸셀룰로오스가 2.5∼6.5:2.5∼6.5:1의 중량비로 혼합된 용액을 사용하고,
상기 녹색 형광체 페이스트 조성물의 코팅은 스크린 프린팅법을 이용하는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 녹색 형광체 페이스트 조성물은,
SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하는 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿 10∼40중량%, 녹색 형광체 60∼90중량%, 상기 유리 프릿과 상기 녹색 형광체의 전체 함량 100중량부에 대하여 유기 바인더 용액 15∼45중량부, 상기 유리 프릿, 상기 녹색 형광체 및 상기 유기 바인더 용액의 전체 함량 100중량부에 대하여 n-부틸아세테이트 50∼100중량부를 포함하며,
상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿의 연화점은 500℃보다 낮고,
상기 유리 프릿은 0.1∼10㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것을 사용하며,
상기 유기 바인더 용액은 알파-터피놀, n-부틸아세테이트 및 에틸셀룰로오스가 2.5∼6.5:2.5∼6.5:1의 중량비로 혼합된 용액을 사용하고,
상기 녹색 형광체 페이스트 조성물의 코팅은,
상기 유리렌즈를 스핀코터에 진공을 이용하여 흡착하여 고정하는 단계; 및
상기 유리렌즈가 회전되게 하면서 상기 녹색 형광체 페이스트 조성물을 스프레이 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 적색 형광체는 유로퓸이 도핑된 (스트론튬칼슘)알루미늄실리콘나이트라이드((Sr,Ca)AlSiN3:Eu2 +)를 포함하며,
상기 적색 형광체는 0.5∼25㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 적색 형광체 페이스트 조성물은,
SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하는 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿 10∼40중량%, 적색 형광체 60∼90중량%, 상기 유리 프릿과 상기 적색 형광체의 전체 함량 100중량부에 대하여 유기 바인더 용액 15∼45중량부를 포함하며,
상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿의 연화점은 500℃보다 낮고,
상기 유리 프릿은 0.1∼10㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것을 사용하며,
상기 유기 바인더 용액은 알파-터피놀, n-부틸아세테이트 및 에틸셀룰로오스가 2.5∼6.5:2.5∼6.5:1의 중량비로 혼합된 용액을 사용하고,
상기 적색 형광체 페이스트 조성물의 코팅은 스크린 프린팅법을 이용하는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 적색 형광체 페이스트 조성물은,
SiO2 14∼28.0몰%, B2O3 31∼45.0몰%, ZnO 20.4∼34.0몰% 및 Al2O3 0.6∼9.0몰%를 포함하는 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿 10∼40중량%, 적색 형광체 60∼90중량%, 상기 유리 프릿과 상기 적색 형광체의 전체 함량 100중량부에 대하여 유기 바인더 용액 15∼45중량부, 상기 유리 프릿, 상기 적색 형광체 및 상기 유기 바인더 용액의 전체 함량 100중량부에 대하여 n-부틸아세테이트 50∼100중량부를 포함하며,
상기 SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3계 유리 프릿의 연화점은 500℃보다 낮고,
상기 유리 프릿은 0.1∼10㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것을 사용하며,
상기 유기 바인더 용액은 알파-터피놀, n-부틸아세테이트 및 에틸셀룰로오스가 2.5∼6.5:2.5∼6.5:1의 중량비로 혼합된 용액을 사용하고,
상기 적색 형광체 페이스트 조성물의 코팅은,
상기 유리렌즈를 스핀코터에 진공을 이용하여 흡착하여 고정하는 단계; 및
상기 유리렌즈가 회전되게 하면서 상기 적색 형광체 페이스트 조성물을 스프레이 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 청색 발광다이오드 칩과 상기 색 변환 렌즈는 서로 이격되게 장착하고,
상기 유리렌즈는 평면형 렌즈인 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 청색 발광다이오드 칩과 상기 색 변환 렌즈는 서로 이격되게 장착하고,
상기 유리렌즈는 비평면형 렌즈인 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 소자의 제조방법.
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