KR20200024607A - 식물생장용 광합성 클로로필 파장 변환 백색 발광 소자 및 조명장치 - Google Patents

식물생장용 광합성 클로로필 파장 변환 백색 발광 소자 및 조명장치 Download PDF

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KR20200024607A
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Abstract

본 발명에 따른 박물관 조명용 형광체 파장 변환 LED 소자는, 자외/자색광으로 여기한 형광체 파장 변환 방식으로 구성된 고연색 백색 발광 다이오드(Light-emitting Diode: LED로 약칭) 소자에서 백색광을 생성하는 형광체 조합 비율을 조정하는 것으로 인해 여기광인 자외/자색광을 완전히 제거한 LED 소자이다.
본 발명에 의하면, 고연색 백색 LED 소자의 발광부를 형성하는 청색, 녹색, 황색, 적색 형광체를 350nm에서 430nm 사이의 발광 피크를 가지는 반도체 LED로 여기하여 백색광을 얻는 방식에서, 당해 발광부에 함유된 형광체 내의 2종류 청색 형광체 혼합 비율 및 녹색 형광체 외의 혼합 비율을 최적으로 조정하여 여기광인 자외/자색광을 완전히 제거해서 고효율이면서 연색성이 높은 조명용 백색 LED 소자를 제공할 수 있다.

Description

식물생장용 광합성 클로로필 파장 변환 백색 발광 소자 및 조명장치{CHLOROPHYLL WAVELENGTH CONVERSION WHITE LIGHT DEVICE AND ILLUMINATION APPARATUS FOR PHOTOSYNTHESIS OF PLANT GROWTH}
본 발명은, 자외/자색광 여기에 의한 형광체 파장 변환형 백색 발광 소자에 관하여, 보다 상세하게는 발광 스펙트럼에서 여기광을 완전히 제거하여 높은 발광 효율과 높은 연색성을 가지는 식물생장용 광합성 클로로필 파장 변환 백색 발광 소자에 관한 것이다.
자외/자색광 여기 형광체 파장 변환형 백색 LED 소자에 있어성 백색광을 생성하기 위해 적어도 3종류 이상의 형광체를 사용하기 때문에 여기광과 형광체 사이에 발광 에너지의 차이, 즉 스토우크스 이동(Stokes shift)가 나타난다. 또한, 서로 다른 형광체 간에 일어나는 여기/발광 과정에서 발생하는 카스케이드 여기(cascade excitation)에 따른 여기 에너지 손실도 발생하여, 고효율과 고연색성을 양립하는 것은 어려운 일이었다. 게다가, 여기광인 근자외/자색광 성분이 포함되어 있기 때문에 대상물에 조사했을 경우의 열화 우려가 있다. 이 여기광은 가능한 한 적게 하는 것이 바람직하다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 각종 형광체를 층 구조로 제작하는 방법이 있다. 그러나, 다수의 형광체 코팅 과정이 필요하고, 제조 비용이 맞지 않는 단점이 있다. 또한, 여기광이 투과되고 마는 단점이 있다. 그리고, 광학 필터를 사용하여 자색광을 제거하는 방법이 있으나, 현실적이지 않다.
한편, 형광체 혼합층의 두께를 두껍게 하면 여기광이 제거 될 확률이 있지만, 대량 양산에 적용하기 어렵고, 발광 효율이 나쁜 결점이 있다.
이렇듯이, 발광 효율을 향상시키면서 높은 연색성을 가지고, 또한 여기광을 제거하는 방법은 극히 어렵다.
그렇기 때문에, 통상적인 형광체 코팅법으로는 이러한 문제점을 해결할 수는 없었다.
한국특허공개 제10-2002-17100호 국제특허공개 WO2013069435호
본 발명은, 상술한 기존 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 백색 발광 소자에 있어서 반도체 LED 칩에서의 여기광을 제거함과 더불어, 최적 조건으로 조정한 형광체 층을 가지는 것으로 인해 연색성이 높은 고효율 백색 LED 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 여기광인 자색 발광을 완전히 차단하는 메커니즘을 정성적으로 명확히 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하는 것으로, 이하를 요지로 하는 것이다.
[1] 본 발명의 발광 소자는. 380~430nm의 파장 영역에서 발광 피크를 가지는 여기용 반도체 LED 칩과 백색 발광부로 이루어지며, 이하의 제 1형광체와 제 2 형광체로서 각각 (1)과 (2)의 2종류 청색 형광체를 포함한다.
(1) 350~430nm의 파장으로 여기되어 440~455nm 에 발광 피크를 가지는 청색 형광체(B1).
(2) 350~430nm의 파장으로 여기되어 460~470nm 에 발광 피크를 가지는 청색 형광체(B2).
바람직한 것은, B1과 B2의 형광체 2종류의 발광 피크는 근접한 것이 바람직하다.
보다 바람직한 것은, 10nm 이하의 에너지 차이인 것, 또한 발광 전치폭이 넓은 것이 바람직하다.
[2] 또한, 반도체 LED 칩으로 여기되어 녹색, 황색 및 적색으로 발광하는 이하의 (3)~(5)의 3종류 형광체를 포함하는 것이 바람직하다.
(3) 350~430nm의 파장으로 여기되어 520~550nm에 발광 피크를 가지는 녹색 형광체.
(4) 350~430nm의 파장으로 여기되어 580~600nm에 발광 피크를 가지는 황색 형광체.
(5) 350~430nm의 파장으로 여기되어 620~680nm에 발광 피크를 가지는 적색 형광체.
[3] 반도체 LED 칩은 사파이어 기판 상, Si 기판 상 또는 SIC 기판 상에 성장시킨 InGaN/GaN 다중 양자 우물층으로 구성되며, GaN 버퍼 층 위에 성장시킨 것이다. 당해 반도체 LED 칩은 350nm에서 430nm의 파장 영역에서 단일 발광 피크를 가진다.
본 발명에 의하면, 여기광을 흡수한 제 1 청색 형광체는 440~455nm 의 발광을 보이며, 이 에너지로 각종 형광체를 여기시켜, 직접 각종 형광체의 발광을 발생시키는 것이 가능하다. 이에 따라 백색광이 발생한다. 이 원리를 적용하여 본 발명의 백색 발광 소자가 제작된다.
전술한 백색 발광 소자는 평균 연색 평가수 Ra가 95 이상을 가지며, 발광 효율은 74lm/W 이상이다.
또한, 특수 연색 평가수인 R9와 R12는 각각 90 이상 과 80 이상 으로, 높은 연색성을 보인다
또한, 본 발명에 의하면, 백색 조명 LED 모듈은, 본 발명의 소자로 제작되며 표면 실장형(SMD), 칩 온 보드(COB), 그리고 포탄형 램프가 사용된다.
본 발명에 의하면, 여기광인 근자외/자색광을 전혀 포함하지 않는 고효율이면서 고연색성 백색 LED 소자를 제공하는 것이 가능하다.
도 1은 색온도 3900K일 때의 발광 스펙트럼(B1/B2=0).
도 2는 색온도 3800K일 때의 발광 스펙트럼(B1/B2>0.5).
도 3은 색온도 4500K일 때의 발광 스펙트럼(커브 1은 B1/B2=0일 때의 발광 스펙트럼을 나타낸다. 커브 2는 B1/B2>0.7일 때의 발광 스펙트럼을 나타낸다)
도 4는 본 발명의 형광체 여기/발광 구조의 개념도((a)는 B1 청색 형광체의 농도가 적을 경우를 나타낸다. (b)는 B1 형광체의 농도가 높은 경우를 나타낸다. V는 여기광을 나타낸다. B2->G->Y->R의 다단 여기/발광 과정도 고려할 수 있으나 여기에서는 무시하였다)
이하에, 본 발명의 각 요소에 대해 상세히 설명 하겠으나, 본 발명이 이하의 설명에 한정되는 것은 아니며, 그 요지의 범위 내에서 다양하게 변경하여 실시하는 것이 가능하다.
[반도체 칩]
350~430nm에 발광 피크를 가지고 발광 반치폭은 약 30nm인 GaN계 반도체 LED 칩을 사용. 외부 양자 효율은 50% 이상 100% 미만이 바람직하다. 발광층에서 발생한 빛을 보다 많이 외부로 추출하기 위한 다양한 구조(전극 구조, 반사 구조, 플립칩 구조 등)을 적시 마련하는 것이 바람직하다.
[형광체 재료]
본 발명의 발광 소자는, 전술한 반도체 LED 칩에서 나오는 빛으로 여기되어 발광하는 청색 영역으로 파장 변환되는 형광체, 그리고 여기광 에너지와 이 발광 에너지로 여기되는 다른 종류의 청색 형광체, 녹색 형광체, 황색 형광체 및 적색 형광체로서, 이하의 형광체를 포함하는 것이 바람직하다.
청색 형광체로는 350~430nm의 파장 범위에서 여기 가능하며, 주 발광 피크가 450nm 이고 D50이 15~20μm인 청색 형광체를 사용하는 것이 바람직하다.
청색 형광체로는 350~430nm의 파장 범위에서 여기 가능하며, 주 발광 피크가 465nm 이고 D50이 15~20μm인 전술한 청색 형광체와는 다른 청색 형광체를 사용하는 것이 바람직하다.
녹색 형광체로는 350~430nm의 파장 범위에서 여기 가능하며, 주 발광 피크가 510nm 이고 D50이 20~25μm인 녹색 형광체를 사용하는 것이 바람직하다.
황색 형광체로는 350~430nm의 파장 범위에서 여기 가능하며, 주 발광 피크가 520nm이고, D50은 15~20μm인 황색 형광체를 사용하는 것이 바람직하다.
적색 형광체로는 350~430nm의 파장 범위에서 여기 가능하며, 주 발광 피크가 630nm이고 D50이 15~20μm인 적색 형광체를 사용하는 것이 바람직하다.
[백색 발광부]
본 발명의 발광 소자의 발광부는 상기 형광체와 봉지재로서 실리콘 수지를 함유하는 것이다. 발광부는 반도체 LED 칩을 감싸듯이 도포된다.
발광부에 포함되는 발광체의 양은, 발광부의 총 중량에 대해 10중량%~80 중량%인 것이 바람직하다.
[실시례]
이하, 실시례를 사용하여 본 발명을 보다 구체적으로 상세 설명하겠으나, 본 발명은 그 요지를 초월하지 않는 한, 이하의 실시례에 한정되는 것은 아니다.
[실시례 및 비교례]
반도체 LED 칩, 형광체 재료, 봉지재로서 이하의 재료를 사용하고, 이하의 소자를 제작하여 평가하였다.
<반도체 LED 칩>
반도체 LED 칩은, 피크 파장 405nm, 반치폭 30nm인 InGaN/GaN 다중 양자 우물 구조를 가지는 발광층으로 하는 것을 사용한다. 외형은 520μmx390μm인 직사각형이다.
<봉지재>
실리콘 수지와 실리카(
Figure pat00001
) 를 사용하였다.
<형광체>
형광체로서 이하의 형광체 재료를 사용하였다.
(1) 청색 형광체:
Figure pat00002
(2) 청색 형광체:
Figure pat00003
(3) 녹색 형광체:
Figure pat00004
(4) 황색 형광체:
Figure pat00005
(5) 적색 형광체:
Figure pat00006
형광체의 혼합 비율은, 이하의 표 1에 표시한 바와 같다. No.1은 비교례를 위해 사용하였다. 가장 비시감도가 높은 녹색광을 방사하는 녹색 형광체 중량을 기준으로 각 형광체의 중량비를 결정하였다.
샘플 형광체 배합량 (녹색 형광체의 함량을 1로 함.)
청색 형광체
B1
청색 형광체
B2
녹색 형광체
G
황색 형광체
Y
적색 형광체
R
No.1 0(B1/G) 19.2(B2/G) 1(G/G) 1.7(Y/G) 6.3(R/G)
No.2 70(B1/G) 120(B2/G) 1(G/G) 4(Y/G) 20(R/G)
No.3 0(B1/G) 150(B2/G) 1(G/G) 4(Y/G) 16(R/G)
No.4 70(B1/G) 150(B2/G) 1(G/G) 4(Y/G) 16(R/G)
샘플 청색 형광체(B1)의 중량% / 청색 형광체(b2)의 중량% 비율
No.1 0
No.2 >0.5
No.3 0
No.4 >0.7
<실시례와 비교례 용의 발광 소자 제작>
405nm의 발광을 보이는 자색 반도체 LED 칩 1개를 알루미늄 상의 전극 배선한 기판에 실장하였다. 그 후, 표 1에 표기한 형광체 배합 비율의 실리콘 수지 분포 형광체 혼합액을 디스펜서로 도포하였다. 온도 160oC에서 수시간 열 경화를 실시하였다.
발광 스펙트럼은 순방향 전류 65mA 실온에서 측정하였다. 이하에 구체적인 발광 스펙트럼을 비교례와 실시례에 따라 표시함.
<비교례 1>
도 1은 색온도 3900K일 때의 백색 LED 소자의 발광 스펙트럼이다. 당해 소자는, 표 1의 No.1 조건 하에서 제작하였다. B1 대 B2의 농도비는 0이다. 여기광의 강도는 적색 발광 강도와 거의 같은 정도로, 청색, 녹색, 적색 발광 피크가 나타나기는 하지만 상당히 평탄한 스펙트럼 분포를 보인다. 그러므로 연색성은 양호하여, Ra는 98이다. 또한, 적과 청의 색상을 나타내는 R9는 88, R12는 95이다. 발광 효율은 72lm/W 이다.
<실시례 1>
도 2는 색온도 3800K일 때의 백색 LED 소자의 발광 스펙트럼이다. 당해 소자는 표 1의 No, 2 조건으로 제작되었다. 전술한 바와 같이 B1 대 B2의 농도 비는 0.6이다. 이 조건에서는 여기광인 405nm의 발광은 전혀 나타나지 않으며, 청색 발광은 459nm에서 나타나고, 이는 제 2 형광체인 B2 청색 형광체의 발광이다. Ra 값은 96이고, 발광 효율은 81lm/W이다. 또한 R9는 96, R12는 86으로, 각각의 값은 비교례와 비교하여 손색이 없다.
<실시례 2>
도 3은, 표 1에 나타낸 No. 3과 No.4의 조건에서 제작된 2종류의 발광 소자의 발광 스펙트럼이다. 색온도는 모두 4500K이다. 커브 1은 형광체B1을 제외하여 제작한 스펙트럼이다. 한편, 커브 2는 B1과B2 두가지를 특정 비율(>0.7)로 혼합하여 제작한 사례이다. 2가지 발광 스펙트럼은 종축을 565nm인 파장의 발광 강도를 기준으로 정규화시켜 작성하였다.
커브 1의 발광 스펙트럼에는 미약하지만 405nm의 여기광 피크가 나타난다. 이를 반영하여, B1 발광은 B2 발광의 강도보다 약하다. 한편, B2와 G 발광 강도는 B1 발광 강도보다 높다. 색온도는 4500K이다. 또한 Ra 값은 90이다. 그리고, R9는 97, R12는 86이다. 발광 효율은 82lm/W이다.
한편, 커브 2의 발광 스펙트럼에서 B1 형광체가 포함되고, 또한 B1/B2>0.7이므로, 405nm의 여기광 피크는 전혀 나타나지 않았다. 이를 반영하여 B1 형광체의 발광대와 B2 형광체의 발광대가 겹쳐져 459nm 부근에 발광 피크를 보였다. 그리고, 녹색과 황색 형광체 발광대와 연속적으로 연결된다.
커브 2의 발광 스펙트럼에서 405nm의 여기광 피크는 전혀 나타나지 않는다. 이를 반영하여, B1의 강도가 강해져서 B2의 강도와 거의 유사해진다. 색온도는 4500K로, Ra는 90이다. R9와 R12는 각각 80 정도이다. 발광 효율은 77lm/W이다.
도 5(a)와 (b)는 백색 발광부를 형성하는 형광체 수지층 속에 존재하는 5종류의 형광체가 여기되고, 그 후에 각 발광을 발생시키는 과정을 모식적으로 나타낸 것이다. 이 모식도는 어디까지나 본 발명에 기반하여 제작된 백색 LED소자에서, 이하의 실험 사실을 정성적으로 설명하기 위해 작성된 것이다.
(1) 여기광이 거의 완전히 제거되어, 발광부에서 방출되지 않는다.
(2) 높은 발광 효율을 유지한다.
(3) Ra가 90 인 높은 연색성을 보인다.
<고찰 1>
비교례 1에서 나타낸 바와 같이, 통상적인 형광체의 중량% 조합에서는, 도 4(a)에서 명백하듯이 405nm의 여기광은 형광체층을 뚫고 외부로 출사되는 것을 알 수 있다. 이것이 발광 스펙트럼의 단파장 측 여기 출력광으로 나타난다. 각각의 형광체는, 이 여기광에 의해 형광체 고유의 발광을 나타내고, 형광체의 각각의 빛이 합성되어 백색광 성분을 형성한다.
<고찰 2>
그러나, 실시례 1에서 같은 색온도를 가지는 발광 소자에서도 B1/B2>0.5를 초과하면 명백하게 405nm의 여기광 피크가 나타나지 않는다. 이것은 도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 여기광은 우선, B1을 여기시키기 위해 에너지가 사용되고, 대부분이 흡수된다. 그 후, B1 형광체는 450nm의 발광 에너지에서 B2청색형광체, 녹색 형광체, 황색 형광체, 및 적색 형광체를 차례로 여기시킨다. 이러한 여기 과정이 존재하기 때문에, B1 청색형광체, B2청색형광체, G, Y, R의 5색 형광체의 합성광에 의해 백색광을 발생시키는 것이 가능하다.
<고찰 3>
비교례와 실시례를 비교해서 알 수 있는 것은, 발광 효율에 거의 차이가 없다는 점이다. 즉, 350nm 이상 430nm 미만의 여기광과 B1의 청색 여기광을 이용한 2단 여기 에너지의 흡수로 인해, 효율적으로 형광체의 발광이 발생하고 있을 가능성이 있다.
<고찰 4>
실시례에서 알 수 있듯이, B1의 양이 많아지더라도, B1 형광체에서의 450nm 발광은 형광체층에서 외부로 방출되고 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, B1 형광체는 다량으로 포함되어 있기 때문에, 상분리 및 적출의 우려가 있으나, 광학 현미경 관찰에서는 이러한 현상은 관측되지 않았다.
<고찰 5>
연색성에 관해서는, 실시례 1과 2에서 알 수 있듯이, 스펙트럼이 거의 연속적으로 이어지기 때문에 굴곡이 생기는 일은 없었다. 그렇기 때문에 높은 평균 연색 평가수를 얻을 수 있었다. Ra는 90 이상의 값을 얻을 수 있는 것으로 생각된다.
<고찰 6>
본 발명에서는, 많은 형광체를 사용하고 있기 때문에 다단 여기에 의한 에너지 손실이 발생하여, 발광 효율이 저하하는 것은 아닐까 하는 우려가 있었으나, 발광 효율은 74lm/W 이상으로, 높은 것은 90lm/W까지 높일 수 있었다. 이것은, 405nm의 빛으로 각 형광체를 여기시키는 효과와, 450nm내외의 청색광으로 직접적으로 국재화된 청색(B2) 형광체, 녹색 형광체, 황색 형광체 및 적색 형광체를 선택적으로 여기시키는 점에서, 2단계의 여기에 의해 스토우크스 이동(Stokes shift)에 따른 손실이 감소되고, 오히려 형광체 여기에는 유리하게 작용한 것으로 생각된다. 여기광인 405nm의 빛 에너지는 대부분 B1의 청색 형광체 여기에 사용되는 것으로 생각된다.
본 발명에 있어서, 이상의 실험 사실과 고찰을 통해, 당해 백색 발광 소자는 2종류의 청색 형광체 중 단파장에 발광을 보이는 제 1 청색 형광체의 양과 미세하게 장파장 쪽 발광을 가지는 제 2 청색 형광체의 양의 비율을 0.5 이상 1 미만으로 함에 따라 여기광을 완전히 제거하고, 높은 발광 효율과 높은 연색성을 양립하는 특성을 가진다는 점이 밝혀졌다.
또한, 본 발명에 있어서는 녹색 형광체와 B1 청색 형광체 및 B2 청색 형광체 비율도 중요한 관계이다. 두가지 청색 형광체와 녹색형광체를 적절히 배합하여야 원하는 스펙트럼을 얻을 수 있었다.
자외선/자색광은, 산업 응용에 있어서 제품에 포함되어 있는 형광 물질을 여기시켜 열화의 원인이 되므로 선호하지 않는 경우가 있다. 또한, 청색광은 블루 라이트로, 인간의 눈에 좋지 않다고 여겨지기 때문에 가능한 한 강한 청색의 빛은 피하는 것이 장려된다. 본 발명에 의하면, 반도체 LED 칩에서 나오는 자외선/자색의 빛과 날카로운 피크를 가지는 청색광을 제거하여 유익한 백색 LED 소자를 제공하는 것이 가능하다.

Claims (9)

  1. 350nm 이상 430 이하의 자외선 및 자색 반도체 LED 칩과 당해 칩 위에 마련된 형광체 파장 변환형 발광부를 포함하는 백색 발광 소자로, 당해 반도체 LED 칩으로 여기되는 5종류 이상의 형광체를 포함하고,
    그 중의 2종류는 이하의 청색 형광체로,
    (1)440~455nm에 발광 피크 파장을 가지는 제 1형광체(화학식:
    Figure pat00007
    )와
    (2)460~470nm에 발광 피크 파장을 가지는 제 2형광체(화학식:
    Figure pat00008
    )
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 식물생장용 광합성 클로로필 파장 변환 백색 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 형광체와 상기 제 2 형광체의 함유 비율은 약 0.5 이상 1 미만을 특징으로 하는 식물생장용 광합성 클로로필 파장 변환 백색 발광 소자.
  3. 제1 항 및 제2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    백색광을 발광하기 위해, 당해 발광부에 이하의 적어도 3종류 이상의 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 식물생장용 광합성 클로로필 파장 변환 백색 발광 소자.
    (3) 510~550nm의 파장 영역에 발광 피크 파장을 가지는 제 3 형광체;
    (4) 550~590nm의 파장 영역에 발광 피크 파장을 가지는 제 4 형광체;및
    (5) 630~660nm의 파장 영역에 발광 피크 파장을 가지는 제 5 형광체.
  4. 제1 항에 있어서,
    제 1 형광체의 중량과 제 2 형광체의 중량이 각각 제 3 형광체의 중량과 비교했을 때 10배 이상 200배 미만을 만족하는 것을 특징으로 하는 식물생장용 광합성 클로로필 파장 변환 백색 발광 소자.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 발광 소자에서 반도체 LED 칩에서의 여기광인 발광 피크는 전혀 출현하지 않는 것을 특징으로 하는 식물생장용 광합성 클로로필 파장 변환 백색 발광 소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 발광 소자는 발광 스펙트럼이 430nm에서 시작되어 780nm까지의 파장 범위에 분포되는 것을 특징으로 하는 식물생장용 광합성 클로로필 파장 변환 백색 발광 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 소자는 발광 효율이 78lm/W 이상, 연색성은 90 이상, R9는 90 이상, R12는80 이상인 것을 특징으로 하는 식물생장용 광합성 클로로필 파장 변환 백색 발광 소자.
  8. 제1 항의 식물생장용 광합성 클로로필 파장 변환 백색 발광 소자를 포함하는 조명장치.
  9. 제1 항의 식물생장용 광합성 클로로필 파장 변환 백색 발광 소자와 여기광을 포함하는 LED 소자를 포함하는 조명장치.
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