KR20180006809A - 형광체 조성물, 이를 포함하는 발광소자 패키지 및 조명장치 - Google Patents

형광체 조성물, 이를 포함하는 발광소자 패키지 및 조명장치 Download PDF

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Abstract

실시예는 형광체 조성물, 이를 포함하는 발광소자 패키지 및 조명장치에 관한 것이다.
실시예에 따른 형광체 조성물은, 몰딩부 내에 배치되는 형광체 조성물이며, 상기 형광체 조성물은, (BaMgAl10O17:Eu2 +, Mn2 +) 계열의 녹색 형광체를 포함하여 백색광원의 파장 스펙트럼을 구현할 수 있다.

Description

형광체 조성물, 이를 포함하는 발광소자 패키지 및 조명장치{PHOSPHOR COMPOSITION, LIGHT EMITTING DEVICE PACKAGE AND LIGHTING APPARATUS}
실시예는 형광체 조성물, 이를 포함하는 발광소자 패키지 및 조명장치에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 화합물을 포함하는 반도체 소자는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점을 가져서 발광 소자, 수광 소자 및 각종 다이오드 등으로 다양하게 사용될 수 있다.
특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드(Laser Diode)와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성의 장점을 가진다.
뿐만 아니라, 광검출기나 태양 전지와 같은 수광 소자도 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용하여 제작하는 경우 소자 재료의 개발로 다양한 파장 영역의 빛을 흡수하여 광 전류를 생성함으로써 감마선부터 라디오 파장 영역까지 다양한 파장 영역의 빛을 이용할 수 있다. 또한 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성 및 소자 재료의 용이한 조절의 장점을 가져 전력 제어 또는 초고주파 회로나 통신용 모듈에도 용이하게 이용할 수 있다.
따라서, 반도체 소자는 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등 및 Gas나 화재를 감지하는 센서 등에까지 응용이 확대되고 있다. 또한, 반도체 소자는 고주파 응용 회로나 기타 전력 제어 장치, 통신용 모듈에까지 응용이 확대될 수 있다.
예를 들어, 발광소자 중에 질화물 반도체는 높은 열적 안정성과 폭 넓은 밴드갭 에너지에 의해 광소자 및 고출력 전자소자 개발 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 특히, 질화물 반도체를 이용한 청색(Blue) 발광소자, 녹색(Green) 발광소자, 자외선(UV) 발광소자, 적색(RED) 발광소자 등은 상용화되어 널리 사용되고 있다.
한편, 발광소자를 이용하여 백색광을 구현하는 방법으로는 단일 칩(Single chip)을 활용하는 방법과 멀티 칩(Multi chip)을 활용하는 방법이 있다.
예를 들어, 단일 칩으로 백색광을 구현하는 경우에 있어서, 청색 LED로부터 발광하는 빛과 이를 이용해서 적어도 하나의 형광체들을 여기 시켜 백색광을 얻는 방법이 사용되고 있다.
또한 단일 칩 형태로 백색광을 구현하는 방법으로 청색이나 자외선(UV: Ultra Violet) 발광 다이오드 칩 위에 형광물질을 결합하는 것과 멀티 칩 형태로 제조하여 이를 서로 조합하여 백색광을 얻는 방법으로 나누어진다.
멀티 칩 형태의 경우 대표적으로 RGB(Red, Green, Blue)의 3 종류의 칩을 조합하여 제작하는 방법이 있다.
현재 디스플레이 시장은 색 품질 및 색재현율이 높은 OLED시장이 성장하고 있으며, LED를 BLU(Back Light Unit)를 사용하는 LCD 시장 비율이 점차 감소하고 있으며, OLED를 대응하기 위해 LCD의 기술적인 대안은 기존 대비 색재현율을 현저히 향상시켜야 하는 기술적 요구에 직면해 있다.
이러한 기술적 요구에 대응하기 위해, LED 광원의 색재현율을 향상 시키기 위해서는 LED의 백색 광원의 색품질을 향상시켜야 하며, 현재 청색 칩(Blue Chip) 상에 녹색(Green) 형광체와 적색(Red) 형광체를 혼합하는 방법으로 백색 광을 구현하고 있다.
예를 들어, 종래의 LED 기술은 청색 LED 칩 상에 β-SiAlON:Eu2 + 조성의 녹색 형광체와 K2SiF6:Mn4 + (KSF) 조성의 적색 형광체의 조합으로 백색 광을 구현하고 있는데, 이렇게 구현된 백색광원의 색재현율(NTSC_%) 비율이 약 92%수준이며, 이는 OLED의 색재현율에 경쟁력이 없는 수준에 머무르고 있는 기술적 한계가 있다.
한편, 최근 LED에 적용가능한 다양한 녹색 형광체 또는 적색 형광체가 개발되어 이전의 BLU에 적용되었던 LED 칩에 대비하여 색재현율을 올라갔지만 여전히 OLED대비 아직 기술적인 한계에 있는 상황이다.
도 1은 CIE 색좌표 및 NTSC 색재현 범위(N) 예시도이다.
도 1을 참조하면, 기존 LED에서 색재현율을 향상하기 위한 해결방안으로는 녹색 형광체의 발광파장이나 적색 형광체의 발광파장을 도 1과 같이 좀더 깊은(deep) 쪽으로 이동해야 하며, 이러한 부분이 충족이 되어야 색재현율이 증가될 수 있다.
그러나, 종래 β-SiAlON:Eu2 + 조성의 녹색 형광체는 발광파장이 단파장으로 이동되지 않는 단점이 있어, 녹색 영역에서 색재현율을 향상하기가 어려운 문제가 있었다.
또한 종래 K2SiF6:Mn4 + 적색 형광체는 발광파장이 장파장으로 이동되지 않는 단점이 있고, 기존의 다른 적색 형광체들도 같은 문제점을 내재하고 있어, 적색 영역에서 색재현율을 향상하기가 어려운 문제가 있었다.
실시예의 해결과제(Problem to be solved) 중의 하나는, 색재현율을 현저히 향상시킬 수 있는 형광체 조성물, 이를 포함하는 발광소자 패키지 및 조명장치를 제공하고자 함이다.
또한 실시예의 발전적 해결과제(Advanced Problem to be solved) 중의 하나는, 단파장의 발광피크의 구현이 가능한 녹색 형광체에 대해 여기 파장을 복합적으로 제어하여 좀 더 향상된 색재현율을 현저히 향상시킬 수 있는 발광소자 패키지 및 조명장치를 제공하고자 함이다.
실시예에 따른 형광체 조성물은 (BaMgAl10O17:Eu2 +, Mn2 +) 계열의 녹색 형광체를 포함하여 백색광원의 파장 스펙트럼을 구현할 수 있다.
또한 실시예에 따른 발광소자 패키지는 상기 형광체를 포함할 수 있다.
또한 실시예에 따른 조명장치는 상기 발광소자 패키지를 포함할 수 있다.
실시예는 단파장의 발광피크의 구현이 가능한 녹색 형광체를 통해 색재현율을 현저히 향상시킬 수 있는 형광체 조성물, 이를 포함하는 발광소자 패키지 및 조명장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예는 장파장의 발광피크의 구현이 가능한 적색 형광체를 통해 좀 더 향상된 색재현율을 현저히 향상시킬 수 있는 발광소자 패키지 및 조명장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예는 단파장의 발광피크의 구현이 가능한 녹색 형광체에 대해 여기 파장을 복합적으로 제어하여 좀 더 향상된 색재현율을 현저히 향상시킬 수 있는 발광소자 패키지 및 조명장치를 제공할 수 있다.
도 1은 CIE 색좌표 및 NTSC 색재현 범위(N) 예시도.
도 2는 제1 실시예에 따른 발광소자의 패키지 단면도.
도 3은 실시예와 비교예의 CIE 색좌표 및 색재현 범위 예시도.
도 4는 종래기술과 실시예에 따른 발광소자에서 여기 파장 스펙트럼 데이터.
도 5a와 도 5b는 종래기술과 실시예에 따른 발광소자에서 발광파장 스펙트럼 데이터.
도 6은 제2 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도.
도 7a와 도 7b는 각각 종래기술과 실시예에 따른 발광소자에서 파장스펙트럼 데이터.
도 8은 제3 실시예에 따른 발광소자의 패키지 단면도.
도 9는 실시예에 따른 조명 장치의 사시도.
이하 상기의 과제를 해결하기 위한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성(element)이 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성이 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성이 상기 두 구성 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 구성을 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
반도체 소자는 발광소자, 수광 소자 등 각종 전자 소자 포함할 수 있으며, 발광소자와 수광소자는 모두 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있다. 실시예에 따른 반도체 소자는 발광소자일 수 있다. 발광소자는 전자와 정공이 재결합함으로써 빛을 방출하게 되고, 이 빛의 파장은 물질 고유의 에너지 밴드갭에 의해서 결정된다. 따라서, 방출되는 빛은 상기 물질의 조성에 따라 다를 수 있다.
(실시예)
도 2는 제1 실시예에 따른 발광소자의 패키지(101)의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 실시예의 발광소자 패키지(101)는 몸체(11), 복수의 리드 프레임(21,23), 제1 발광 칩(25), 형광체 조성물(30) 및 몰딩부재(41) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 실시예의 발광소자 패키지(101)는 몸체(11)와 상기 몸체(11) 상에 배치된 복수의 리드 프레임(21,23), 상기 복수의 리드 프레임(21,23)과 전기적으로 연결된 제1 발광 칩(25)과 상기 제1 발광 칩(25) 상에 배치되며 형광체 조성물(30)을 구비한 몰딩부재(41)를 포함할 수 있다. 상기 형광체 조성물(30)은 제1 형광체(31)와 제2 형광체(32)를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 몸체(11)는 상기 제1 발광 칩(25)에 의해 방출된 파장에 대해, 반사율이 투과율보다 더 높은 물질 예컨대, 70% 이상의 반사율을 갖는 재질로 형성될 수 있다.
상기 몸체(11)는 반사율이 70% 이상인 경우, 비 투광성의 재질로 정의될 수 있다.
상기 몸체(11)는 수지 계열의 절연 물질 예컨대, 폴리프탈아미드(PPA:Polyphthalamide)와 같은 수지 재질로 형성될 수 있다. 또는 상기 몸체(11)는 에폭시 또는 실리콘과 같은 수지 재질에 금속 산화물이 첨가될 수 있으며, 상기 금속 산화물은 TiO2, SiO2, Al2O3중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 몸체(11)는 실리콘 계열, 또는 에폭시 계열, 또는 플라스틱 재질을 포함할 수 있고, 열 경화성 수지, 또는 고내열성, 고 내광성 재질로 형성될 수 있다.
또한 상기 몸체(11) 내에는 산무수물, 산화 방지제, 이형재, 광 반사재, 무기 충전재, 경화 촉매, 광 안정제, 윤활제, 이산화티탄 중에서 선택적으로 첨가될 수 있다.
또한 상기 몸체(11)는 에폭시 수지, 변성 에폭시 수지, 실리콘 수지, 변성 실리콘 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종에 의해 성형될 수 있다.
예를 들면, 상기 몸체(11)는 트리글리시딜이소시아누레이트, 수소화 비스페놀 A 디글리시딜에테르 등으로 이루어지는 에폭시 수지와, 헥사히드로 무수 프탈산, 3-메틸헥사히드로 무수 프탈산4-메틸헥사히드로 무수프탈산 등으로 이루어지는 산무수물을, 에폭시 수지에 경화 촉진제로서 DBU(1,8-Diazabicyclo(5,4,0)undecene-7), 조촉매로서 에틸렌 그리콜, 산화티탄 안료, 글래스 섬유를 첨가하고, 가열에 의해 부분적으로 경화 반응시켜 B 스테이지화한 고형상 에폭시 수지 조성물을 사용할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시예는 상기 몸체(11) 내에 차광성 물질 또는 확산제를 혼합하여 투과하는 광을 저감시켜 줄 수 있다. 또한 상기 몸체(11)는 소정의 기능을 갖게 하기 위해서, 열 경화성수지에 확산제, 안료, 형광 물질, 반사성 물질, 차광성 물질, 광 안정제, 윤활제로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 적절히 혼합할 수 있다.
상기 몸체(11)는 상기 몸체(11)의 상면으로부터 소정 깊이로 함몰되며 상부가 오픈된 캐비티(15)를 포함할 수 있다. 상기 캐비티(15)는 오목한 컵 구조, 오픈 구조, 또는 리세스 구조와 같은 형태로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 캐비티(15)는 위로 올라갈수록 점차 넓어지는 너비를 갖고 있어, 광 추출 효율을 개선시켜 줄 수 있다.
상기 몸체(11)에는 복수의 리드 프레임 예컨대, 제1 및 제2리드 프레임(21,23)이 배치될 수 있다. 상기 제1 및 제2리드 프레임(21,23)은 상기 캐비티(15)의 바닥에 배치될 수 있으며, 상기 제1 및 제2리드 프레임(21,23)의 외측부는 상기 몸체(11)를 통해 상기 몸체(11)의 적어도 한 측면에 노출될 수 있다. 상기 제1리드 프레임(21) 및 상기 제2리드 프레임(23)의 하부는 상기 몸체(11)의 하부로 노출될 수 있으며, 회로 기판 상에 탑재되어 전원을 공급받을 수 있다.
상기 제1 및 제2리드 프레임(21,23)의 다른 예로서, 상기 제1 및 제2리드 프레임(21,23) 중 적어도 하나 또는 모두는 오목한 컵 형상의 구조로 형성되거나, 절곡된 구조를 갖거나, 몸체(11)와의 결합을 위해 리세스된 홈 또는 구멍을 포함할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 오목한 컵 형상 내에는 상기의 제1 발광 칩(25)이 배치될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 제1리드 프레임(21) 및 제2리드 프레임(23)은 금속 재질, 예를 들어, 티타늄(Ti), 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au), 크롬(Cr), 탄탈늄(Ta), 백금(Pt), 주석(Sn), 은(Ag), 인(P) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다.
상기 제1리드 프레임(21) 위에는 제1 발광 칩(25)이 배치될 수 있으며, 상기 제1 발광 칩(25)은 접합 부재로 상기 제1리드 프레임(21) 상에 접착될 수 있다. 상기 제1 발광 칩(25)은 제1 및 제2리드 프레임(21,23) 중 적어도 하나에 연결 부재(27)로 연결될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 연결 부재(27)는 전도성 재질 예컨대, 금속 재질의 와이어를 포함할 수 있다.
상기 제1 발광 칩(25)은 제1 피크 파장을 발광할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 발광 칩(25)은 청색 피크 파장 예컨대, 430nm 내지 460nm 범위의 피크 파장을 발광할 수 있다.
상기 제1 발광 칩(25)은 II-VI족 화합물 및 III-V족 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 발광 칩(25)은 예컨대, GaN, AlGaN, InGaN, AlInGaN, GaP, AlN, GaAs, AlGaAs, InP 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 화합물로 형성될 수 있다.
상기 캐비티(15)에는 몰딩부재(41)가 배치될 수 있으며, 상기 몰딩부재(41)는 실시예에 따른 형광체 조성물(30)을 포함할 수 있다. 상기 형광체 조성물(30)은 서로 다른 피크 파장을 발광하는 형광 물질을 포함할 수 있다.
상기 형광체 조성물(30)은 예컨대, 서로 다른 피크 파장을 광발광하는 제1 형광체(31) 및 제2 형광체(32)를 포함할 수 있다. 상기 제1 형광체(31)는 한 종류 또는 두 종류 이상의 형광체를 포함할 수 있으며, 예컨대 제1 발광 칩(25)으로부터 방출된 피크 파장을 여기 파장으로 하여 제1 피크 파장 예컨대, 녹색 광을 발광하는 녹색 형광체를 포함할 수 있다. 또한 상기 제2 형광체(32)는 한 종류 또는 두 종류 이상의 형광체를 포함할 수 있으며, 예컨대 제1 발광 칩(25)으로부터 방출된 피크 파장을 여기 파장으로 하여 제2 피크 파장 예컨대, 적색 광을 발광하는 적색 형광체를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 도 3을 참조하여 이건 실시예의 기술적 효과(Technical effects)을 설명하기로 한다.
도 3은 CIE 색좌표에서 NTSC 색재현 범위(N), 실시예의 색재현 범위(E)와 종래기술의 색재현 범위(R) 예시도이다.
실시예의 해결하고자 하는 기술적 과제(Problem to be solved) 중의 하나는 색재현율을 현저히 향상시킬 수 있는 형광체 조성물, 이를 포함하는 발광소자 패키지 및 조명장치를 제공하고자 한다.
한편 앞서 기술한 바와 같이, 기존 LED에서 색재현율을 향상하기 위한 해결방안으로 녹색 형광체의 발광파장이나 적색 형광체의 발광파장을 도 1과 같이 좀더 깊은(deep) 쪽으로 이동해야 하는데, 종래 β-SiAlON:Eu2 + 조성의 녹색 형광체는 발광파장이 단파장으로 이동되지 않는 단점이 있어, 녹색 영역에서 색재현율을 향상하기가 어려운 문제가 있었다. 또한 종래 K2SiF6:Mn4 + 적색 형광체는 발광파장이 장파장으로 이동되지 않는 단점이 있고, 기존의 다른 적색 형광체들도 같은 문제점을 내재하고 있어, 적색 영역에서 색재현율을 향상하기가 어려운 문제가 있었다.
상기 과제를 해결하기 위한 실시예에 따른 형광체 조성물(30)은 (BaMgAl10O17:Eu2 +, Mn2+) 계열의 신규하고 차별화된 녹색 형광체(31)를 포함하여 소정의 여기 파장으로 백색광원의 파장 스펙트럼을 구현할 수 있다. 예를 들어, 실시예의 녹색 형광체(31)는 BaMgAl10O17:Eu2 + 또는 BaMgAl10O17:Mn2 +를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
도 3을 참조하면, 특히 실시예의 녹색 형광체(31)의 발광파장의 범위(GE)는 515nm~525nm일 수 있다. 상기 녹색 형광체(31)의 최대세기를 가지는 발광 피크(peak)는 516nm~520nm일 수 있다.
이에 따라, 실시예에 의하면 색재현율을 100% 이상까지 현저히 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 실시예에 의하면 상기 녹색 형광체(31)의 반치폭(FWHM)은 26nm~30nm일 수 있으며, 이러한 좁은 반치폭에 의해 색순도가 현저히 향상시킬 수 있다.
반면, 비교예의 녹색 형광체의 발광파장의 범위(GR)은 530nm 내외의 파장이었다.
형광체 Wp(nm) 반치폭(nm)
비교예의 녹색형광체
(β-SiAlON:Eu2 +)		 529 74
실시예의 녹색형광체 518 28
예를 들어, 표 1과 같이 실시예의 (BaMgAl10O17:Eu2 +, Mn2 +) 녹색 형광체는 기존 디스플레이용 BLU 백색 광원에서 상용으로 가장 많이 사용하는 β-SiAlON:Eu2 + 형광체 대비 중심 피크(Wp)가 518nm이고 반치폭이 28nm로 협소하여 Deep한 그린(Green) 영역에서의 발광이 가능하여 색순도를 현저히 향상시킬 수 있다.
이에 따라 실시예에 의하면 단파장의 발광피크의 구현이 가능한 녹색 형광체를 통해 색재현율을 현저히 향상시킬 수 있는 형광체 조성물, 이를 포함하는 발광소자 패키지 및 조명장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예의 형광체 조성물은 (Sr,Mg)GeOF:Mn4 + 계열의 적색 형광체(32)를 포함하여 청색 발광파장을 여기 파장으로 백색광원 스펙트럼을 구현할 수 있다.
특히, 실시예에 의하면 신규하고 차별화된 (Sr,Mg)GeOF:Mn4 + 계열의 적색 형광체(32)의 개발함으로써 최대세기를 가지는 발광 피크(peak)(RE)를 약 650nm~670nm까지 향상시킴으로써 실시예의 색재현률을 100% 이상까지 현저히 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 실시예에 의하면 상기 적색 형광체(32)의 반치폭(FWHM)은 12nm~22nm일 수 있으며, 이러한 좁은 반치폭에 의해 색순도도 현저히 향상시킬 수 있다.
비교예에서 적색 발광피크(RR)는 약 610nm 내외의 발광피크였다.
실시예에 의하면, 장파장의 발광피크의 구현이 가능한 적색 형광체를 통해 좀 더 향상된 색재현율을 현저히 향상시킬 수 있는 발광소자 패키지 및 조명장치를 제공할 수 있다.
실시예에서 적색 형광체(32)의 기본 화학식은 AaBbCcDd:REe 이며, A는 Mg, Ca, Sr, Ba 중 적어도 1종 이상의 2가 원소를 사용하며, B는 Ge, Si, Sn, C의 4가 원소 중 적어도 1종이상이며, C는 O 또는 N이며, D는 F, Cl, Br, I 중 적어도 1종 이상을 사용하며, RE는 Mn, La, Ce, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Er, Tm, Yb, Lu 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
실시예의 적색 형광체(32)는 (Sr,Mg)GeOF:Mn4 + 계열의 적색 형광체을 포함할 수 있다. 예를 들어, 실시예의 적색 형광체(32)의 조성은 (Sr,Mg)aGebOcFd:Mn4 + e 이며, 0＜a≤≤10, 0＜b≤≤5, 1＜c≤≤10, 0＜d≤≤5, 0＜e ≤≤ 0.3일 수 있다.
실시예에서 상기 적색 형광체(32)의 조성은 (Srx,Mgy)aGebOcFd:Mn4 + e (단, 0＜a≤≤10, 0＜b≤≤5, 1＜c≤≤10, 0＜d≤≤5, 0＜e ≤≤ 0.3)일 수 있다.
이때, 실시예에서 상기 적색 형광체(32)의 조성에서 Sr의 조성(x)은 Mg의 조성(y)에 비해 같거나 작을 수 있다. 또는 실시예에 따른 적색 형광체(32)에서 Sr의 조성(x)은 Mg의 조성(y)에 비해 작을 수 있다.
실시예를 기초로 (Sr,Mg)의 전체 비율을 4로 고정후 Sr과 Mg의 비율변화에 따른 발광 특성 데이터에 대해 실험을 하였다.
이에 따르면, 제1 실험예(E1)는 Sr과 Mg 비율이 1: 3인 경우이고, 제2 실험예(E2)는 Sr과 Mg 비율이 2: 2인 경우이고, 제3 실험예(E3)는 Sr과 Mg 비율이 3: 1인 경우였다.
실험에 의하면, Sr과 Mg 비율이 1: 3인 경우(E1)에 여기 효율과 발광 특성이 매우 우수하며, Sr의 비율이 상대적으로 증가하고 Mg의 비율이 감소할수록 실험예 내에서 상대적으로 발광 특성이 저하되었으나, 비교예 중에 가장 특성이 우수한 비교예보다도 우수한 발광 특성을 나타내었다.
이하, 적색 형광체(32) 제조공정을 간략히 설명하기로 한다.
우선, MgO, MgF2, SrF2, GeO2, MnCO3의 원료물질을 준비하여, (Sr,Mg)aGebOcFd:Mn4 + e 의 조성에 맞게 계량한 후 용매를 이용하여 소정의 유발에 원료를 혼합한다. 이때의 용매는 물을 제외한 에탄올이나 아세톤을 사용할 수 있다.
이후, 약 1000℃~1300℃의 합성 온도에서 Air 분위기에서 형광체를 합성한다.
이후, 소성이 완료된 형광체는 지르코니아나 유리 볼을 이용하여 볼밀 과정 및 세정 과정을 거쳐 오븐(oven)에서 건조 시킨다. 이후 건조 된 형광체는 PL 분석을 통해 형광체의 발광특성을 분석한다.
실시예에서 적색형광체는 상기 기술한 것 외에, (Sr, Ca)AlSiN3:Eu2 +, K2SiF6:Mn4 +, K2TiF6:Mn4+, K2SiF6:Mn4+, (Sr, Mg)4GeO3F2:Mn4 +의 1종 이상을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 녹색 형광체인 제1 형광체(31)의 비율은 약 15%~30% 이고, 적색 형광체인 제2 형광체(32)의 비율은 약 70% ~ 약 85%이며, 실리콘을 포함하는 몰딩부(11) 대비 형광체 조성물(30)의 총량은 약 25%~99%일 수 있다.
실시예에 따라, CSP(Chip Scale PKG) 또는 수직형 LED의 경우 100wt%이상이 될 수 있다.
(제2 실시예)
제2 실시예는 제1 실시예의 기술적 특징을 채용할 수 있으며, 이하 제2 실시예의 특징을 중심으로 설명하기로 한다.
실시예의 발전적 해결과제(Advanced Problem to be solved) 중의 하나는, 단파장의 발광피크의 구현이 가능한 녹색 형광체에 대해 여기 파장을 복합적으로 제어하여 좀 더 향상된 색재현율을 현저히 향상시킬 수 있는 발광소자 패키지 및 조명장치를 제공하고자 함이다.
도 4(a)는 종래기술에서 여기 파장 스펙트럼 데이터이며, 도 4(b)는 실시예에서 여기 파장 스펙트럼 데이터이다.
구체적으로, 종래기술에 따른 녹색 형광체가 (β-SiAlON:Eu2 +)인 경우, 도 4(a)와 같이 약 430nm ~ 470nm의 제1 영역파장(A)의 여기 강도(Intensity)에 비해, 도 4(b)와 같이 실시예에 따른 녹색 형광체의 430nm ~ 470nm의 제1 영역(A)에서의 여기 강도가 종래기술에 비해 낮은 것이 확인되었다.
반면, 실시예에 따른 녹색 형광체는 350nm ~ 430nm의 제2 영역(B)의 광원에서 여기 강도가 종래기술에 비해 상대적으로 높은 것이 확인되었다.
한편, 도 5a와 도 5b는 종래기술과 실시예에 따른 발광소자에서 발광파장 스펙트럼 데이터이다.
예를 들어, 도 5a는 여기 파장이 제1 파장영역(A), 예를 들어 450nm일 때, 실시예의 파장스펙트럼(EA)과 비교예의 파장스펙트럼(RA)이며, 도 5b는 여기 파장이 제2 파장영역(B), 예를 들어 420nm일 때, 실시예의 파장스펙트럼(EB)과 비교예의 파장스펙트럼(RB)이다.
이에 따라, 제2 실시예는 녹색 형광체의 여기 강도를 고려하여 발광파장이 다른 2개의 발광 칩을 구비함으로써 최적의 여기 효율을 구현함에 따라 색재현효율을 현저히 향상시키고자 한다.
예를 들어, 도 6은 제2 실시예에 따른 발광소자 패키지(102)의 단면도이다.
제2 실시예에 따른 발광소자 패키지(102)는 패키지 몸체(11)와, 상기 패키지 몸체(11) 상에 배치되며 제1 파장영역을 발광파장으로 하는 제1 발광 칩(25) 및 제2 파장영역을 발광파장으로 하는 제2 발광 칩(26)과, 상기 제1, 제2 발광 칩(25, 26) 상에 배치되는 몰딩부재(41)와, 상기 몰딩부재(41) 내에 배치된 형광체 조성물(30)을 포함하여 백색광원을 구현할 수 있다.
상기 형광체 조성물(30)은 발광파장의 범위가 515nm~525nm인 녹색 형광체(31)를 포함하며, 상기 제1 발광 칩(25)의 제1 파장영역은 430nm 내지 470nm이며, 상기 제2 발광 칩(26)의 제2 파장영역은 350nm 내지 430nm일 수 있다.
녹색 형광체 적색형광체 색재현율
NTSC
(%)		 sRGB
(%)		 DCI
(%)
비교예의 녹색형광체
(β-SiAlON:Eu2 +)		 KSF 87 136 93
실시예의 녹색형광체 KSF 104 145 95
아울러, 도 7a와 도 7b는 각각 종래기술과 실시예에 따른 발광소자에서 파장스펙트럼 데이터이다.
도 7 및 표 2와 같이, 실시예에 따른 녹색형광체를 채용하고, 제1 발광 칩(25)과 제2 발광 칩(26)을 채용하는 경우, 백색 LED 광원에서 전반적으로 색재현율이 상승하였다.
적색 형광체를 실시예에 따른 적색형광체를 적용하는 경우 색재현율을 더욱 현저히 상승될 수 있다.
이에 따라, 제2 실시예에 의하면 단파장의 발광피크의 구현이 가능한 녹색 형광체에 대해 제1 발광 칩(25)의 제1 파장영역은 430nm 내지 470nm이며, 제2 발광 칩(26)의 제2 파장영역은 350nm 내지 430nm인 듀얼 여기파장의 발광 칩을 채용함으로써 여기 파장을 복합적으로 제어하여 좀 더 향상된 색재현율을 현저히 향상시킬 수 있는 발광소자 패키지 및 조명장치를 제공할 수 있다.
(제3 실시예)
도 8은 제3 실시예에 따른 발광소자의 패키지(103) 단면도이다.
제3 실시예는 제1 실시예 또는 제2 실시예의 기술적인 특징을 채용할 수 있으며, 이하에 제3 실시예의 주된 특징을 중심으로 설명하기로 한다.
도 8을 참조하면, 실시예에 따른 발광소자의 패키지(103)는 몸체(11)의 캐비티(15)에 복수의 몰딩 부재(42,43)를 포함할 수 있다. 상기 복수의 몰딩 부재(42,43) 중 어느 하나에 형광체(31,32)가 배치될 수 있다. 상기 복수의 몰딩 부재(42,43)은 제1,2몰딩 부재(42,43)을 포함하며, 상기 형광체(31,32)는 상기 제2몰딩 부재(43)에 배치될 수 있다.
상기 제1 및 제2몰딩 부재(42,43)의 두께 비율을 보면, 2:1 내지 1:3의 범위일 수 있으며, 상기 제2몰딩 부재(43)의 두께 비율이 상기 범위보다 작은 경우 전달되는 열을 분산하는 능력이 저하될 수 있으며, 상기 범위보다 클 경우 발광 소자(10)의 두께가 두꺼워질 수 있는 문제가 있다.
상기 형광체(31,32)는 제1 발광 칩(25)로부터 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제2몰딩 부재(43)의 저면은 상기 제1 발광 칩(25)로부터 0.2mm 이상의 간격을 가질 수 있으며, 상기 간격이 0.2mm 보다 좁은 경우 형광체의 열화 문제가 발생될 수 있다. 상기 제1 발광 칩(25)에 접촉되는 제1몰딩 부재(42)에는 형광체를 첨가하지 않을 수 있다. 상기 제1몰딩 부재(42) 상에 배치된 제2몰딩 부재(43) 내에는 제1 및 제2형광체(31,32)가 첨가될 수 있다. 이에 따라 상기 제1 및 제2형광체(31,32)는 상기 제1 발광 칩(25)로부터 발생된 열에 의한 손해가 감소될 수 있다.
상기 제1몰딩 부재(42)와 상기 제2몰딩 부재(43)은 동일한 수지 재질 예컨대, 실리콘 또는 에폭시를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2형광체(31,32)의 특징은 상기 제1 실시예의 기술적 특징을 채용할 수 있다. 실시 예에 따른 발광 소자는 황색 형광체를 이용하는 구성에 비해, 색 재현율이 높고 Red/Green/Blue 칩을 사용하는 경우와 동등 수준인 색 재현율을 제공할 수 있으며, 특히 더 진하고 선명한 녹색 및 적색을 제공할 수 있다.
실시예에 따른 발광소자는 백라이트 유닛, 조명 유닛, 디스플레이 장치, 휴대폰, 지시 장치, 램프, 가로등, 차량용 조명장치, 차량용 표시장치, 스마트 시계, 의료용 장치 등에 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 9는 실시예에 따른 조명 장치의 사시도이다.
실시예에 따른 조명 장치는 커버(2100), 광원 모듈(2200), 방열체(2400), 전원 제공부(2600), 내부 케이스(2700), 소켓(2800)을 포함할 수 있다. 또한, 실시 예에 따른 조명 장치는 부재(2300)와 홀더(2500) 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 상기 광원 모듈(2200)은 실시 예에 따른 발광소자 또는 발광소자 패키지를 포함할 수 있다.
상기 광원 모듈(2200)은 광원부(2210), 연결 플레이트(2230), 커넥터(2250)를 포함할 수 있다. 상기 부재(2300)는 상기 방열체(2400)의 상면 위에 배치되고, 복수의 광원부(2210)들과 커넥터(2250)이 삽입되는 가이드홈(2310)들을 갖는다.
상기 홀더(2500)는 내부 케이스(2700)의 절연부(2710)의 수납홈(2719)를 막는다. 따라서, 상기 내부 케이스(2700)의 상기 절연부(2710)에 수납되는 상기 전원 제공부(2600)는 밀폐된다. 상기 홀더(2500)는 가이드 돌출부(2510)를 갖는다.
상기 전원 제공부(2600)는 돌출부(2610), 가이드부(2630), 베이스(2650), 연장부(2670)를 포함할 수 있다. 상기 내부 케이스(2700)는 내부에 상기 전원 제공부(2600)와 함께 몰딩부를 포함할 수 있다. 몰딩부는 몰딩 액체가 굳어진 부분으로서, 상기 전원 제공부(2600)가 상기 내부 케이스(2700) 내부에 고정될 수 있도록 한다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
패키지 몸체(11), 제1 발광소자(25),
몰딩부재(41), 제1 형광체(31), 제2 형광체(32)

Claims (11)

  1. (BaMgAl10O17:Eu2 +, Mn2 +) 계열의 녹색 형광체를 포함하여 백색광원의 파장 스펙트럼을 구현하는 형광체 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 녹색 형광체의 발광파장의 범위는 515nm~525nm인 형광체 조성물.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 녹색 형광체의
    반치폭(FWHM)은 26nm~30nm인 형광체 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 녹색 형광체의 최대세기를 가지는 발광 피크(peak)는 516nm~520nm인 형광체 조성물.
  5. 제 1항에 있어서,
    여기 파장의 파장 범위는 430nm 내지 470nm인 형광체 조성물.
  6. 제1 항에 있어서,
    (Sr,Mg)GeOF:Mn4 + 계열의 적색 형광체를 더 포함하여 청색 발광파장을 여기 파장으로 백색광원의 3파장 스펙트럼을 구현하는 형광체 조성물.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 적색 형광체의 조성은
    (Srx,Mgy)aGebOcFd:Mn4 + e (단, 0＜a≤≤10, 0＜b≤≤5, 1＜c≤≤10, 0＜d≤≤5, 0＜e ≤≤ 0.3)인 형광체 조성물.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 적색 형광체의 여기파장의 범위는 350nm~500nm이고,
    상기 적색 형광체의 발광파장의 범위는 650nm~720nm이며,
    최대세기를 가지는 발광 피크(peak)는 650nm~670nm인 형광체 조성물.
  9. 패키지 몸체;
    상기 패키지 몸체 상에 배치되며 제1 파장영역을 발광파장으로 하는 제1 발광 칩 및 제2 파장영역을 발광파장으로 하는 제2 발광 칩;
    상기 제1, 제2 발광 칩 상에 배치되는 몰딩부재;
    상기 몰딩부재 내에 배치된 형광체 조성물을 포함하여 백색광원을 구현하는 발광소자 패키지에 있어서,
    상기 형광체 조성물은,
    제1 항의 녹색 형광체를 포함하며,
    상기 제1 발광 칩의 제1 파장영역은 430nm 내지 470nm이며,
    상기 제2 발광 칩의 제2 파장영역은 350nm 내지 430nm인 발광소자 패키지.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 형광체 조성물은,
    제2 항 내지 제8 항 중 어느 하나의 형광체 조성물을 포함하는 발광소자 패키지.
  11. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 하나의 형광체 조성물을 포함하는 발광소자 패키지를 구비하는 조명장치.
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