KR20190012762A - 청색 led용 단일층 구조의 형광확산판 및 그 제조방법 - Google Patents

청색 led용 단일층 구조의 형광확산판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 a) 폴리스티렌 수지 60~90 중량%; 및 b) 캐리어인 폴리스티렌 수지 82.5~93 중량%, 광확산제 1~2.5 중량% 및 청색 LED용 형광체 6~15 중량%를 함유하는 형광 마스터배치 10~40 중량%;를 포함하는 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판을 제공한다.
본 발명에 따른 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판은 종래 고가의 백색 LED에 사용되는 광확산판을 대체하면서, 광투과성, 광확산성 및 조도 등의 광학적 물성이 크게 향상되어 LED 조명기구 및 LCD의 백라이트 유닛 등에 채용할 수 있을 뿐만 아니라, 간단한 제조공정으로 인하여 생산원가의 절감에 기여함으로써 상용화 가능하다.

Description

청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판 및 그 제조방법{Fluorescent light diffusion mono-layer sheet for blue LED and manufacturing method thereof}
본 발명은 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래 고가의 백색 LED에 사용되는 광확산판을 대체하여 청색 LED에 사용될 수 있는, 형광체를 포함하는 단일층 구조의 수지 시트인 형광확산판 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
일반적으로 LED(light emitting diode) 조명 기구 및 LCD(liquid crystal display)의 백라이트는 점광원 형태의 LED 광원을 이용하기 위하여 광확산판을 필수적으로 채용하고 있다. LED 광원을 이용하는 조명 기구 및 LCD의 백라이트는 다수의 백색 LED를 배치한 후 광산란 입자가 포함된 광확산판을 통하여 대면적의 균일한 백색 면광원을 구현한다. 이러한 백색 LED는 청색 LED의 반도체 소자 위에 형광체를 도포하여 패키징화한 것으로, 실제로 백색광은 청색 LED의 청색광과 이 청색광을 흡수한 형광체에 의하여 발산되는 황색광 또는 적색광의 조합으로 구현되어 진다.
그런데 종래의 백색광은 청색 LED 반도체 소자 위에 형광체를 도포하여 형광막을 형성하는 복잡한 공정이 수반되고, 광전환 효율이 저하되거나 반도체 소자의 발열에 의한 형광체의 열화로 인하여 신뢰성이 떨어지며, 불균일한 형광막에 따른 제품 간의 편차가 발생하여 대면적의 백색광 형성시 균일한 백색광 구현이 어려운 문제점이 있다. 아울러 대면적의 광원 형성과 관련하여서는 종래의 광확산판에 형광체를 도포 내지 코팅하거나, 필름 형태로 제작하여 접착하는 형태의 것이어서 광확산판 기재 상에 별도의 발광층을 형성하는 공정이 수반되는 단점이 있다.
또한, 백색광을 구현하는 백색 LED의 상술한 문제점을 해결하기 위하여 청색 LED 소자 위에 직접적으로 형광체를 도포하는 방식을 벗어나 청색 LED 소자에서 일정한 거리로 이격하여 형광판을 배치하는 기술이 공지되어 있으나, 이는 대면적의 균일한 면광원을 필요로 하는 조명기구 및 LCD의 백라이트에 적용하기에는 한계가 있으며, 아직까지 조명기구 및 LCD의 백라이트와 같은 대면적의 백색광을 구현하기 위하여 단일층 구조의 형광확산판이 개발된 사례는 전무하다.
한편, 본 특허출원의 발명자는 이미 광확산제를 포함하는 단일층 구조의 폴리스티렌 수지계 LED용 광확산판을 개발하여 특허로 등록한 바 있는데, 종래 고가의 수지를 사용함에 따른 원자재 비용 부담을 줄이고 제조공정의 간소화에 따른 생상원가를 줄이면서도 다층 구조의 광확산판과 비교하여 동등 또는 그 이상의 광학적 물성을 나타내는 효과를 거둘 수 있었는바, 단일층 구조의 광확산판 개발에 관한 독자적인 기술을 확보하고 있다.
그러므로 본 발명자는 백색광을 구현하기 위한 형광체와 점광원 형태의 LED 광원을 대면적의 균일한 면광원 형태로 형성시키는데 필요한 확산판을 압출성형방법에 의하여 일체화시킨 단일층 구조의 청색 LED용 형광확산판을 제조할 수 있으면, 광투과성, 광확산성 및 조도 등의 광학적 물성이 크게 향상되어 LED 조명기구 및 LCD의 백라이트 유닛 등에 채용할 수 있을 뿐만 아니라, 간단한 제조공정으로 인하여 생산원가의 절감에 기여함으로써 상용화할 수 있을 것이라는 기대에 비추어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
특허문헌 1. 한국등록특허공보 제10-1298718호
특허문헌 2. 한국공개특허공보 제10-2015-0088064호
특허문헌 3. 한국등록특허공보 제10-1372295호
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 종래 고가의 백색 LED에 사용되는 광확산판을 대체하면서, 광투과성, 광확산성 및 조도 등의 광학적 물성이 크게 향상되어 LED 조명기구 및 LCD의 백라이트 유닛에 채용할 수 있는 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 a) 폴리스티렌 수지 60~90 중량%; 및 b) 캐리어인 폴리스티렌 수지 82.5~93 중량%, 광확산제 1~2.5 중량% 및 청색 LED용 형광체 6~15 중량%를 함유하는 형광 마스터배치 10~40 중량%;를 포함하는 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판을 제공한다.
상기 광확산제는 실리콘 비드인 것을 특징으로 한다.
상기 실리콘 비드는 평균 입경이 1∼10 μm인 것을 특징으로 한다.
상기 청색 LED용 형광체는 Y3Al5O12:Ce, Gd3Al5O12:Ce, Tb3Al5O12:Ce, Sr4-xBayMgzSiO4:Eu2+ 또는 Sr3SiO5:Eu2+인 황색 형광체, Ca3Sc2Si3O12:Ce, CaSc2O4:Ce 또는 Ba3Si6O12N2:Eu인 녹색 형광체, 및 CaAlSiN3:Eu인 적색 형광체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 것을 특징으로 한다.
상기 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판은 광 안정화제, 자외선 흡수제, 산화방지제, 대전방지제, 난연제 및 윤활제로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 첨가제를 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판은 그 두께가 1.0~3.0 mm인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, I) 캐리어인 폴리스티렌 수지 82.5~93 중량%, 광확산제 1~2.5 중량% 및 청색 LED용 형광체 6~15 중량%를 함유하는 형광 마스터배치를 성형하는 단계; II) 상기 형광 마스터배치 10~40 중량% 및 폴리스테렌 수지 60~90 중량%를 배합하고 압출기를 이용하여 펠렛 형태의 원료 수지를 얻는 단계; 및 III) 상기 원료 수지를 건조시킨 다음 시트 압출기를 이용하여 1.0~3.0 mm의 두께를 갖는 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판은 종래 고가의 백색 LED에 사용되는 광확산판을 대체하면서, 광투과성, 광확산성 및 조도 등의 광학적 물성이 크게 향상되어 LED 조명기구 및 LCD의 백라이트 유닛 등에 채용할 수 있을 뿐만 아니라, 간단한 제조공정으로 인하여 생산원가의 절감에 기여함으로써 상용화 가능하다.
도 1은 종래 확산판 기재층에 형광체를 함유하는 발광층이 코팅된 2층 구조의 광확산판의 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판의 단면도.
이하에서는 본 발명에 따른 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판 및 그 제조방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에서는 a) 폴리스티렌 수지 60~90 중량%; 및 b) 캐리어인 폴리스티렌 수지 82.5~93 중량%, 광확산제 1~2.5 중량% 및 청색 LED용 형광체 6~15 중량%를 함유하는 형광 마스터배치 10~40 중량%;를 포함하는 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판을 제공한다.
먼저, 폴리스티렌 수지로서는 광학용으로 적합하고 가격이 저렴한 범용성 폴리스티렌(GPPS) 수지를 단독으로 사용하나, 충격강도를 개선할 수 있는 임팩트 폴리스티렌 수지를 적절히 배합하여 사용하여도 무방하다.
또한, 상기 광확산제로서는 탄산칼슘 입자, 황산바륨 입자, 산화티탄 입자, 수산화알루미늄 입자, 실리카 입자, 유리 입자, 마이카 입자, 산화마그네슘 입자, 산화아연 입자 등의 무기계 입자, 또는 아크릴계 가교입자, 실리콘계 가교입자, 스티렌계 가교입자 등의 유기계 입자를 사용할 수 있으며, 실리콘 비드를 더욱 바람직하게 사용한다.
또한, 상기 실리콘 비드를 사용하는 경우에는 평균 입경이 1∼10 μm인 것이 바람직한바, 실리콘 비드의 평균 입경이 1 μm미만이면 형광확산판의 황변현상이 발생할 우려가 있고, 10 μm를 초과하면 비드의 크기가 너무 커서 폴리스티렌 수지와의 분산성 및 혼화성이 떨어져 광확산 효과를 기대하기 어렵다.
아울러 본 발명에 따른 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판을 이루는 필수구성요소인 형광 마스터배치에 포함되는 청색 LED용 형광체로서는 공지된 황색, 녹색 또는 적색 형광체를 사용할 수 있는바, Y3Al5O12:Ce, Gd3Al5O12:Ce, Tb3Al5O12:Ce, Sr4-xBayMgzSiO4:Eu2+ 또는 Sr3SiO5:Eu2+인 황색 형광체, Ca3Sc2Si3O12:Ce, CaSc2O4:Ce 또는 Ba3Si6O12N2:Eu인 녹색 형광체, 및 CaAlSiN3:Eu인 적색 형광체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 것을 바람직하게 사용할 수 있다.
이때, 상기 형광 마스터배치는 형광확산판 총량 대비 10~40 중량%를 배합하는바, 형광 마스터배치의 함량이 10 중량% 미만이면 청색 LED에 채용되어 백색 발광을 구현하기 어렵고, 40 중량%를 초과하면 조도가 떨어질 수 있으므로, 형광 마스터배치는 형광확산판을 구성하는 폴리스티렌 수지 60~90 중량%와 함께 상기 범위 내에서 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 상기 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판은 광 안정화제 또는 자외선 흡수제와 같은 첨가제를 더욱 포함할 수도 있다.
상기 광 안정화제는 광확산판의 자외선에 의한 내광성을 더욱 향상시키기 위한 것으로, 힌더드 아민계 광 안정화제(hindered amine light stabilizer : Hals)를 바림직하게 사용할 수 있고, 힌더드 아민계 광 안정화제로서는 2,2,6,6-테트라알킬 피페리딘 유도체이면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있으며, 비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)세바세이트를 더욱 바람직하게 사용한다. 이러한 힌더드 아민계 광 안정화제는 광확산판 총량 대비 0.05~0.2 중량%를 함유할 수 있다.
또한, 태양광 또는 기타 광원으로부터 방출되는 자외선 즉, 파장 280~400 nm의 빛은 폴리스티렌 수지와 같은 열가소성 수지를 열화시켜 황변 현상을 일으킴으로써 광학적, 기계적 물성이 떨어질 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 상기 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판은 자외선 흡수제를 함유할 수도 있는바, 광확산판에 내광성을 부여하고 자외선 흡수제의 가시광선 흡수에 의하여 야기되는 착색을 충분히 억제할 수 있다.
자외선 흡수제로서는 벤조페논계, 벤조트리아졸계, 살리실레이트계, 벤조에이트계, 니켈 착염계, 옥살아닐리드계, 시아노아크릴레이트계, 말론산 에스테르계, 신남산 에스테르계 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을사용하며, 벤조트리아졸계 화합물로서 2-(2'-히드록시-5-메틸페닐)벤조트리아졸을 더욱 바람직하게 사용할 수 있다. 이러한 자외선 흡수제는 형광확산판 총량 대비 0.05~0.2 중량%를 함유할 수 있다.
아울러 상술한 첨가제 이외에 필요에 따라 산화방지제, 대전방지제, 난연제 및 윤활제와 같은 기능성 첨가제를 더욱 포함할 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판은 그 두께가 1.0~3.0 mm인 것이 우수한 광학적 물성을 나타내면서도 양산공정을 통한 제품으로서의 경제성을 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판은 표면에 엠보싱이 형성될 수도 있다. 엠보싱 패턴은 램프로부터 입사되는 빛을 균일하게 산란시켜 주고, 램프의 휘선이 보이지 않게 하는 역할을 수행한다. 즉, 램프로부터 직접 입사된 빛이 엠보싱 패턴을 통해 일정한 방향이 아닌 여러 방향으로 산란 및 확산됨으로써 광투과율 및 광확산성을 증가시키고 전체적인 휘도를 더욱 증가시킬 수 있다. 이러한 엠보싱 패턴의 크기는 광확산판과 램프의 거리, 램프의 밝기, 램프의 수, 램프의 배치 등에 따라 조절 가능한 것이나, 10~20 μm인 것이 광투과율 및 광확산성을 더욱 증가시킬 수 있어 바람직하다.
한편으로, 종래에는 확산판 기재층에 형광체를 함유하는 발광층을 코팅하는 복잡한 공정을 통하여 도 1에서 보는 바와 같은 2층 구조의 광확산판을 제조하였으나, 본 발명에서는 간단한 압출성형에 의하여 도 2에서 보는 바와 같은 단일층 구조의 형광확산판을 제조함으로써 종래 기재층 수지 위에 형광체를 함유하는 발광층을 코팅하는 복잡한 공정을 생략하여 생산원가를 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.
즉, 본 발명에서는 I) 캐리어인 폴리스티렌 수지 82.5~93 중량%, 광확산제 1~2.5 중량% 및 청색 LED용 형광체 6~15 중량%를 함유하는 형광 마스터배치를 성형하는 단계; II) 상기 형광 마스터배치 10~40 중량% 및 폴리스테렌 수지 60~90 중량%를 배합하고 압출기를 이용하여 펠렛 형태의 원료 수지를 얻는 단계; 및 III) 상기 원료 수지를 건조시킨 다음 시트 압출기를 이용하여 1.0~3.0 mm의 두께를 갖는 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판 제조방법을 제공한다.
상기 I) 단계의 광확산제 및 청색 LED용 형광체는 상술한 바와 같다.
이하 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.
(실시예 1 내지 4)
캐리어인 폴리스티렌 수지(PS)에 광확산제(평균입경 2 ㎛인 실리콘 비드) 및 청색 LED용 형광체(Y3Al5O12:Ce)를 혼합 및 압출하여 형광 마스터배치(MB)를 성형하였다. 상기 성형된 형광 마스터배치 및 폴리스티렌 수지(PS)를 고속 교반기로 배합하고 압출기를 이용하여 펠렛 형태의 원료 수지를 얻었다. 상기 펠렛 형태의 원료 수지를 건조시킨 다음 시트 압출기를 이용하여 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판을 제조하였다. [표 1]에 상기 각 성분의 함량 및 제조된 형광확산판의 두께를 나타내었다.
샘플 원료 투입량(중량%) 형광 MB 배합량(중량%) 형광체 함량(중량%) 두께(mm)
PS 형광 MB PS 광확산제 형광체
실시예 1 65 35 93 1.0 6.0 2.1 2.0
실시예 2 80 20 82.5 2.5 15 3.0 1.5
실시예 3 70 30 93 1.0 6.0 1.8 1.5
실시예 4 65 35 93 1.0 6.0 2.1 1.5
아래 [표 2]에는 상기 실시예 1 내지 4로부터 제조된 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판 및 비교예[비교예는 ㈜세원정공에서 상용화된 백색 LED용 단일층 구조의 폴리스티렌계 광확산판 DSE-60L(광확산제인 실리콘 비드의 함량이 광확산판 대비 0.6 중량%이고, 형광체를 함유하지 않는 것)]의 광투과율, 조도 및 구현된 색상을 나타내었다.
샘플 투과율(%) 조도(LUX) 색상
실시예 1 55 1,600 백색
실시예 2 57 1,800 백색
실시예 3 56 1,525 백색
실시예 4 65 1,980 백색
비교예 56 1,800 백색
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 4로부터 제조된 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판은 청색 LED에 채용 시 완벽하게 균일한 백색 발광을 구현할 수 있음을 확인할 수 있어, 비교예의 종래 백색 LED용 광확산판을 대체할 수 있음을 알 수 있다. 특히, 실시예 4로부터 제조된 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판은 광투과율 및 조도 등의 광학적 물성도 매우 우수하여 LED 조명기구 및 LCD의 백라이트 유닛 등에 채용할 수 있을 것으로 보여진다.
아울러 본 발명의 실시예 1 내지 4로부터 제조된 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판의 광전환 효율(127.4 Lm/W)도 비교예에 비하여 10% 정도 상승한 것을 확인하였으며, 기타 광속유지율(90% 이상), 색온도 균일성(±5K 이내), 연색성(80 이상) 및 색좌표 균일성(±0.01 이내)도 상용화 가능한 수준에 도달하였다.
그러므로 본 발명에 따른 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판은 종래 고가의 백색 LED에 사용되는 광확산판을 대체하면서, 광투과성, 광확산성 및 조도 등의 광학적 물성이 크게 향상되어 LED 조명기구 및 LCD의 백라이트 유닛 등에 채용할 수 있을 뿐만 아니라, 간단한 제조공정으로 인하여 생산원가의 절감에 기여함으로써 상용화 가능하다.
110 : 발광층 200 : 확산판 기재층
100 : 나노형광체 102 : 광확산용 수지 104 : 글라스 비드
300 : 폴리스티렌 수지 401 : 청색 LED용 형광체 402 : 광확산제

Claims (7)

  1. a) 폴리스티렌 수지 60~90 중량%; 및
    b) 캐리어인 폴리스티렌 수지 82.5~93 중량%, 광확산제 1~2.5 중량% 및 청색 LED용 형광체 6~15 중량%를 함유하는 형광 마스터배치 10~40 중량%;를 포함하는 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광확산제는 실리콘 비드인 것을 특징으로 하는 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판.
  3. 제2항에 있어서, 상기 실리콘 비드는 평균 입경이 1∼10 μm인 것을 특징으로 하는 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판.
  4. 제1항에 있어서, 상기 청색 LED용 형광체는 Y3Al5O12:Ce, Gd3Al5O12:Ce, Tb3Al5O12:Ce, Sr4-xBayMgzSiO4:Eu2+ 또는 Sr3SiO5:Eu2+인 황색 형광체, Ca3Sc2Si3O12:Ce, CaSc2O4:Ce 또는 Ba3Si6O12N2:Eu인 녹색 형광체, 및 CaAlSiN3:Eu인 적색 형광체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 것을 특징으로 하는 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판.
  5. 제1항에 있어서, 광 안정화제, 자외선 흡수제, 산화방지제, 대전방지제, 난연제 및 윤활제로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 첨가제를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판.
  6. 제1항에 있어서, 상기 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판은 그 두께가 1.0~3.0 mm인 것을 특징으로 하는 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판.
  7. I) 캐리어인 폴리스티렌 수지 82.5~93 중량%, 광확산제 1~2.5 중량% 및 청색 LED용 형광체 6~15 중량%를 함유하는 형광 마스터배치를 성형하는 단계;
    II) 상기 형광 마스터배치 10~40 중량% 및 폴리스테렌 수지 60~90 중량%를 배합하고 압출기를 이용하여 펠렛 형태의 원료 수지를 얻는 단계; 및
    III) 상기 원료 수지를 건조시킨 다음 시트 압출기를 이용하여 1.0~3.0 mm의 두께를 갖는 청색 LED용 단일층 구조의 형광확산판 제조방법.
KR1020170096252A 2017-07-28 2017-07-28 청색 led용 단일층 구조의 형광확산판 및 그 제조방법 KR101980734B1 (ko)

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