KR20200132059A - 광대역 발광 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자외, 근자외, 가시광, 근적외에 걸쳐 연속적으로 폭 넓은 발광 스펙트럼 분포를 가지는 단일 광대역 발광 장치에 관한 것이다. 본 발명은 (a) 350nm 이상 410nm 이하에 발광의 피크를 가지는 자외 또는 근자외 발광 반도체 LED 소자; 및 (b) 상기 LED 소자의 파장에 의해 여기되어 발광되며, 투명 수지 층에 분산되어 있는 가시광 형광체 및 근적외 형광체를 포함하는 형광체층을 포함하는 광대역 발광 장치에 있어서, 상기 근적외 형광체는, (i) 650~850nm에 발광의 피크를 가지는 제 1 형광체 및 (ii) 800~1150nm에 발광의 피크를 가지는 제 2 형광체로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상의 형광체를 포함하며, 상기 제 1 형광체는 Mn계 산화물이며, 제 2 형광체는 Ca계 산화물인 것을 특징으로 하는 광대역 발광 장치를 제공한다.
Description
본 발명은 광대역 발광 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자외, 근자외, 가시광, 근적외에 걸쳐 연속적으로 폭 넓은 발광 스펙트럼 분포를 가지는 단일 광대역 발광 장치에 관한 것이다.
지금까지, 백색광을 얻는 방법은 다양하게 고안되어, 1990년 후반에 우선 청색LED 칩과 황색 형광체의 조합이 최초로 실용화되고, 다음으로 연색성을 높일 목적으로 청색LED 칩과 녹색 형광체와 적색 형광체의 조합이 실용화되었다. 2000년대 초반에 자색LED 칩을 이용한 청색 형광체, 녹색 형광체, 적색 형광체의 발광을 이용한 빛의3원색 혼합에 의한 형광체 여기 방식에 따른 고연색 백색LED 조명이 개발되었다. 이 백색LED의 특징은, 여기광 자신이 백색광을 구성하지 않는 점이 청색LED 여기의 경우와 근본적으로 상이하다. 따라서, 각종 형광체의 가시 발광의 배광 특성이 램버시안 배광에 따라 백색광을 합성하므로 AAA 고연색 형광 램프의 발광 특성에 근접한다.
또한, 사용 가능한 형광체의 종류도 다종 다양하여 빛의 질을 개선시킬 수 있는 가능성을 감추고 있다. 따라서, 장차 색 재현성 및 색 충실성이 엄격히 요구되는 색 평가용 조명 분야로의 응용이 기대된다.
InAlGaN, InGaAs 및 InAlSb계 3원 및 4원 화합물 반도체에 의한 발광 다이오드(LED) 작제에 관한 에피텍셜 설장 기술과 양자 우물 형성 기술의 전개가 놀랍도록 발전하여 심자외(~260nm)에서 중적외(~3μm) 영역을 방사하는 발광 소자가 실용화되고 있다.
그러나, 반도체 특유의 밴드 간 전이에 기반한 재결합 발광 기구를 이용하기 때문에 발광의 반치폭(수십 nm 정도)가 좁아서 폭 넓은 파장 영역에 걸친 발광 소자를 제작할 경우에는 복수개의 LED 소자를 조합해야만 한다. 이 때문에 순방향 전압이 상이하다는 불편함이 수반된다. 또한, 폭 넓은 파장 영역을 커버하기 위해서는 복수의 LED 소자를 조합하기 때문에 가격 면에서 불리하다.
지금까지, 한 종류의 화합물 반도체 재료를 이용한 단일 LED 소자에서 자외, 근자외, 가시광, 근적외 영역을 모두 커버할 수 있는 실용적인 광대역 발광 장치는 제조되지 않았다.
한편, 1993년에 청색 LED가 개발되어 YAG:Ce 황색 형광체와의 조합에 의해 유사 백색 발광 장치가 실현되었다. 최근 들어 이러한 방식은 일반 조명 광원으로서 백열 전구, 형광 램프 대체 광원 작제 기술로 보급되어 있다. 이 기술은, 기본적으로는 형광체로부터 파장 변환된 황색 형광과 청색광의 혼합을 이용한다. 현재, 자색 및 청색 LED 칩을 이용하여 형광체를 파장 변환하는 방식에 의해 청색, 녹색, 황색, 적색의 가시광 발광이 가능하다.
최근 들어 일본을 중심으로 근적외선 및 근자외선의 생리적 효용이 입증되면서 가시광선 이외에 근적외선과 근자외선을 공급할 수 있는 조명의 필요성이 대두되고 있다. 하지만 이제까지의 백색조명에서 가시광선을 제외한 근자외선 및 근적외선은 손실로 여겨짐에 따라 이를 최소화하기 위한 노력을 지속하여 왔으며, 이에따라 대부분의 백색 조면은 근적외선 및 근자외선을 방사하지 못하고 있다. 따라서 기존의 방법에서는 대부분 추가적인 근적외선 및 근자외선 조명을 사용하거나 필터를 이용하여 가시광선을 근적외선 및 근자외선으로 전환하여 사용하고 있어 그 효율에 문제점을 가지고 있다.
다만 최근에는 700nm에서 1150nm에 발광대를 가지는 근적외 형광체가 개발되었다(WO2017-159175). 그러나, 근적외 영역의 빛을 방사하는 고효율 형광체 파장 변환형 발광 장치의 실용화는 이루어지지 않았으며, 또한 자외, 근자외, 가시광에서 근적외 영역에 걸쳐 폭 넓은 발광 분포를 가지는 발광 장치도 실용화되어 있지 않아 이를 실용화하기 위한 노력이 필요하다.
전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 자외, 근자외, 가시광, 근적외에 걸쳐 연속적으로 폭 넓은 발광 스펙트럼 분포를 가지는 단일 광대역 발광 장치를 제공하고자 한다.
상술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 (a) 350nm 이상 410nm 이하에 발광의 피크를 가지는 자외 또는 근자외 발광 반도체 LED 소자; 및 (b) 상기 LED 소자의 파장에 의해 여기되어 발광되며, 투명 수지 층에 분산되어 있는 가시광 형광체 및 근적외 형광체를 포함하는 형광체층을 포함하는 광대역 발광 장치에 있어서, 상기 근적외 형광체는, (i) 650~850nm에 발광의 피크를 가지는 제 1 형광체 및 (ii) 800~1150nm에 발광의 피크를 가지는 제 2 형광체로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상의 형광체를 포함하며, 상기 제 1 형광체는 Mn계 산화물이며, 제 2 형광체는 Ca계 산화물인 것을 특징으로 하는 광대역 발광 장치를 제공한다.
상기 가시광 형광체는, (iii) 440~455nm에 피크를 가지는 제 3 형광체; (iv) 460~477nm에 피크를 가지는 제 4 형광체; (v) 500~550nm에 피크를 가지는 제 5 형광체; (vi) 550~590nm에 피크를 가지는 제 6 형광체; 및 (vii)630~660nm에 피크를 가지는 제 7 형광체를 포함할 수 있다.
상기 가시광 형광체는 (iii) 제 3형광체로 Sr10(PO4)6Cl2:Eu; (iv) 제 4 형광체로 (Sr,Br)10(PO4)6Cl:Eu; (v) 제 5 형광체로 SiAlON:Eu; (vi) 제 6 형광체로 (Ba,Sr)Si2(O,Cl)2N2:Eu; 및 (vii) 제 7 형광체로 CaAlSi(ON)2:Eu를 포함할 수 있다.
상기 제 1 형광체, 제 2 형광체, 제 3 형광체, 제 4 형광체, 제 5 형광체, 제 6 형광체 및 제 7 형광체의 중량비는 0~140 : 0~2.31 : 50 : 9.23~85 : 1 : 0.46~4 : 5.77~34일 수 있다.
상기 광대역 발광 장치는 발광 스펙트럼 분포가 380nm에서 1150nm까지 연속적으로 연결되어 있을 수 있다.
상기 광대역 발광장치의 발광 스펙트럼은 3000~5200K의 상관 색온도를 가질 수 있다.
상기 제2형광체는, 620~660nm에 발광의 피크를 가지는 적색 LED 소자 또는 적색 형광체에 의해 여기될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 광대역 발광장치를 포함하는 발광모듈을 제공한다.
상기 발광모듈은 상기 광대역 발광장치가 COB기판상에 실장되어 있으며, 발광 효율은 55lm/W 이상, Ra는 85 이상 100 미만, R9는 90 이상 100 미만, R12는 90 이상 100 미만 및 전광속은 5000lm 이상일 수 있다.
상기 발광모듈은 상이한 색온도를 가지는 2종 이상의 광대역 발광장치를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 광대역 발광 장치는 자외, 근자외, 가시광, 근적외 파장 영역에 걸쳐 연속된 발광 스펙트럼 분포를 가지는 점에서 D55, D50 기준 광원, 태양광(A.M.1.5) 할로겐 램프, 제논 램프와 유사한 발광 스펙트럼 분포를 제공할 수 있다.
특히, 700~1000nm의 근적외광은, 생체의 창으로 불리는 파장 영역으로, 폭 넓은 스펙트럼 분포를 가지는 광대역 발광 장치는 생체 내의 혈액 속 헤모글로빈의 활동 상태, 혈관 촬영 등의 의료용 화상 처리 광원으로서 기대된다. 또한, 가시광에서 근적외 전용의 검사 기기 및 의료용 관찰 광원으로서도 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 근자외 LED 소자(405nm)와 상관 색온도 5171K의 백색 LED에 의해 여기된 제 1 형광체를 포함하는 광대역 발광 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 근자외 LED 소자(405nm)와 상관 색온도 5000K의 백색 LED에 의해 여기된 제 1 형광체를 포함하는 광대역 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 근자외 LED 소자(405nm)와 상관 색온도 3086K의 백색 LED에 의해 여기된 제 1 형광체를 포함하는 광대역 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 근자외 LED 소자(405nm)와 상관 색온도 5000K의 백색 LED에 의해 여기된 제 1 형광체와 제 2 형광체를 포함하는 광대역 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 620nm에 발광의 피크를 가지는 적색 LED 소자에 의해 여기된 제 2 형광체(중량 15%)의 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 근자외 LED 소자(405nm)와 색온도 3385K의 백색 LED에 의해 여기된 제 2 형광체를 포함하는 광대역 발광 장치의 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 근자외 LED 소자(405nm)와 색온도 3395K의 백색 LED에 의해 여기된 제 1 형광체와 제 2 형광체를 포함하는 광대역 발광 장치의 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 근자외 LED 소자(405nm)와 색온도 5514K의 백색 LED에 의해 여기된 실시예(도 2)와 유사한 광대역 발광 장치를 탑재한 100W COB 발광 모듈의 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 근자외 LED 소자(405nm)와 상관 색온도 5000K의 백색 LED에 의해 여기된 제 1 형광체를 포함하는 광대역 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 근자외 LED 소자(405nm)와 상관 색온도 3086K의 백색 LED에 의해 여기된 제 1 형광체를 포함하는 광대역 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 근자외 LED 소자(405nm)와 상관 색온도 5000K의 백색 LED에 의해 여기된 제 1 형광체와 제 2 형광체를 포함하는 광대역 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 620nm에 발광의 피크를 가지는 적색 LED 소자에 의해 여기된 제 2 형광체(중량 15%)의 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 근자외 LED 소자(405nm)와 색온도 3385K의 백색 LED에 의해 여기된 제 2 형광체를 포함하는 광대역 발광 장치의 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 근자외 LED 소자(405nm)와 색온도 3395K의 백색 LED에 의해 여기된 제 1 형광체와 제 2 형광체를 포함하는 광대역 발광 장치의 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 근자외 LED 소자(405nm)와 색온도 5514K의 백색 LED에 의해 여기된 실시예(도 2)와 유사한 광대역 발광 장치를 탑재한 100W COB 발광 모듈의 발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 (a) 350nm 이상 410nm 이하에 발광의 피크를 가지는 자외 또는 근자외 발광 반도체 LED 소자; 및 (b) 상기 LED 소자의 파장에 의해 여기되어 발광되며, 투명 수지 층에 분산되어 있는 가시광 형광체 및 근적외 형광체를 포함하는 형광체층을 포함하는 광대역 발광 장치에 있어서, 상기 근적외 형광체는, (i) 650~850nm에 발광의 피크를 가지는 제 1 형광체 및 (ii) 800~1150nm에 발광의 피크를 가지는 제 2 형광체로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상의 형광체를 포함하며, 상기 제 1 형광체는 Mn계 산화물이며, 제 2 형광체는 Ca계 산화물인 것을 특징으로 하는 광대역 발광 장치에 관한 것이다.
상기 발광 반도체 LED소자는 350nm 이상 410nm 이하에 발광의 피크를 가지는 자외 또는 근자외 발광 반도체 LED이며, 405nm에 중심 파장을 가지고 발광 반치폭 30nm인 여기용 LED 소자로서, GaN계 화합물 반도체로 구성되며 외부 양자 효율이 약 50% 이상인 LED를 사용하는 것이 바람직하다. 여상기 LED 소자는, 소자를 반전시켜 기판에 솔더 범프, 골드 범프, 도전성 페이스트 등을 이용하여 플립칩 실장하는 것이 바람직하다. 또한, LED 소자는 기판에 설계된 배선 도체에 와이어 본딩을 이용하여 접속되는 것도 가능하다.
본 발명의 광대역 발광 장치는, 상기 반도체 LED 소자로부터의 발광 에너지에 의해 여기되는 가시광 형광체 및 근적외 형광체를 포함하는 형광체층을 포함할 수 있다. 즉 본 발명의 형광체층은 청색, 녹색, 황색 및 적색으로 구성되는 가시광 형광체 및 단파장의 근적외와 장파장의 근적외로 구성되는 근적외 형광체를 포함하여 5종류 이상 7종류 미만의 형광체를 함유하는 것이 바람직하다.
제 1 형광체는 350~410nm, 440~455nm, 460~477nm 또는 500~550nm의 파장 영역의 빛에 의해서 여기되며, 650~850nm의 발광피크 바람직하게는 720nm에 발광피크를 가지는 근적외 형광체를 사용하는 것이 바람직하다. 이때 상기 350~410nm 파장영역의 빛은 상기 발광 반도체 LED소자에서 발광된 빛일 수 있으며, 상기 440~455nm, 460~477nm 또는 500~550nm 파장영역의 빛은 상기 가시광 형광체(제3형광체, 제4형광체 또는 제5형광체)에서 발광된 빛일 수 있다. 상기 제 1 형광체는 Mn계 산화물인 것이 바람직하다.
제 2 형광체는 620~660nm에 파장 영역의 빛에 의해서 여기되며, 800~1150nm의 발광피크 바람직하게는 910nm의 발광피크를 가지는 근적외 형광체를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 제2 형광체의 경우 상기 제 1 형광체보다 장파장인 발광 피크를 가지는 것이 바람직하다. 또한 상기 620~660nm에 파장 영역의 빛은 가시광 형광체(제7형광체)에서 발광된 빛일 수 있다. 상기 제2형광체는 Ca계 산화물인 것이 바람직하다.
제 3 형광체는 350~410nm의 파장 영역의 빛으로 여기되며, 440~455nm의 발광피크, 바람직하게는 450nm의 발광피크를 가지는 청색 형광체를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 제3형광체는 Sr10(PO4)6Cl2:Eu를 사용하는 것이 바람직하다.
제 4 형광체는 350~410nm의 파장 영역의 빛으로 여기되며, 460~477nm의 발광피크, 바람직하게는 465nm의 발광피크를 가지는 청색 형광체를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 제4 형광체는 (Sr,Br)10(PO4)6Cl:Eu를 사용하는 것이 바람직하다.
제 5 형광체는 350~410nm의 파장 영역의 빛으로 여기되며, 500~550nm의 발광피크, 바람직하게는 530nm의 발광피크를 가지는 녹색 형광체를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 제5형광체는 SiAlON:Eu를 사용하는 것이 바람직하다.
제 6 형광체는 350~410nm의 파장 영역의 빛으로 여기되며, 550~590nm의 발광피크, 바람직하게는 560nm의 발광피크를 가지는 황색 형광체를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 제6형광체는 (Ba,Sr)Si2(O,Cl)2N2:Eu를 사용하는 거시 바람직하다.
제 7 형광체는 350~410nm의 파장 영역의 빛으로 여기되며, 630~660nm의 발광피크, 바람직하게는 630nm의 발광피크를 가지는 녹색 형광체를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 제7형광체는 CaAlSi(ON)2:Eu를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 CaAlSiN:Eu를 사용할 수 있다.
상기 제 1 형광체, 제 2 형광체, 제 3 형광체, 제 4 형광체, 제 5 형광체, 제 6 형광체 및 제 7 형광체의 중량비는 0.01~140 : 0.01~2.31 : 50 : 9.23~85 : 1 : 0.46~4 : 5.77~34일 수 있다. 상기 중량비를 벗어나는 경우 원하는 발색이 되지 않거나, 자외선 및 적외선의 발광량이 많거나 적어져 원하는 성능을 내지 못할 수 있다.
상기 광대역 발광 장치는 발광 스펙트럼 분포가 380nm에서 1150nm까지 연속적으로 연결되어 있을 수 있다. 본 발명에 의한 광대역 발광장치의 경우 도 8에 나타난 바와 같이, 발광 스펙트럼 분포가 연속적으로 연결되어 발광하는 특성을 가질 수 있다. 연속적으로 연결되지 않는 경우 D55, D50 기준 광원, 태양광(A.M.1.5) 할로겐 램프, 제논 램프와 유사한 발광 스펙트럼 분포를 나타낼 수 없어 그 사용처가 제한적일 수 밖에 없다.
상기 광대역 발광장치의 발광 스펙트럼은 3000~5200K의 상관 색온도를 가질 수 있다. 상기 제1형광체를 주로 여기하기 위해서는 5000K에 가까운 상관색온도를 가지는 것이 바람직하며, 제2형광체를 주로 여기하기 위해서는 3300K에 가까운 발광색온도를 가지는 것이 바람직하다. 따라서 본원발명의 광대역 발광장치의 경우 3000~5200K의 상관 색온도를 가지도록 제작되어 각 상황에 따라 제1 및 제2형광체를 선택적으로 여기할 수 있다. 아울러 색온도의 조절에 따라서 상기 제1 및 제2형광체의 발광비율을 조절하거나 동시에 발광할 수도 있다.
본 발명은 또한 상기 광대역 발광장치를 포함하는 발광모듈에 관한 것이다.
상기 발광모듈은 상기 광대역 발광장치가 COB기판상에 실장되어 있으며, 발광 효율은 55lm/W 이상, Ra는 85 이상 100 미만, R9는 90 이상 100 미만, R12는 90 이상 100 미만 및 전광속은 5000lm 이상일 수 있다.
상기 발광모듈은 상이한 색온도를 가지는 2종 이상의 광대역 발광장치를 포함할 수 있다. 위에서 살펴본 바와 같이, 제1형광체 및 제2형광체를 각기 발광시키거나 일정한 비율로 발광하는 것이 가능하므로, 이러한 광대역 발광장치를 조합하여 발광모듈을 제작하는 것이 가능하다. 특히 2종 이상의 색상이 필요한 경우 또는 2종이상의 색온도가 필요한 경우 상기 광대역 발광장치를 조합하여 발광모듈을 제조함으로서, 다양한 빛을 동시에 제공할 수 있는 발광모듈을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.
실시예
반도체 LED 소자, 봉지재, 형광체 재료로서 하기 재료를 이용하여, 광대역 발광 장치 작제와 평가를 하였다.
(1) 반도체 LED 소자
반도체 LED 소자로서, 발광 피크 파장 405nm, 반치폭 30nm의 InGaN/GaN 다중 양자 우물 구조를 발광층으로 하는 것을 사용하였다.
(2) 봉지재
실리콘 수지와, 더불어 침강재로서 실리카 파우더(SiO2)를 사용하였다.
(3) 형광체
형광체로서, 하기 형광체 재료를 사용하였다.
근적외 형광체: Mn계 산화물
근적외 형광체: Ca계 산화물
청색 형광체: Sr10(PO4)6Cl2:Eu
청색 형광체: (Sr,Br)10(PO4)6Cl2:Eu
녹색 형광체: SiAlON:Eu
황색 형광체: (Ba,Sr)Si2(O,Cl)2N2:Eu
적색 형광체: CaAlSi(ON)2:Eu及びCaAlSiN:Eu
전술한 InGaN/GaN 다중 우물 구조를 가지는 근자외 LED 소자를 전극 배선한 세라믹 패키지에 플립칩 실장하여 상기 7종류의 형광체를 하기의 표 1에 나타낸 각각의 배합비에 맞게 전술한 실리콘 수지에 분산시킨 형광체 함유 조성물을 이용해 봉지하였다. 형광체 혼합액은 디스펜서를 이용하여 근자외 LED 소자 상에 직접 빈틈 없이 도포하였다. 또한, 적색 LED 칩 위에는 실리콘 수지에 확산시킨 근적외 형광체를 도포하였다.
실험예
발광 스펙트럼 측정은 20~65mA의 순방향 전류, 3.3Ｖ의 순방향 전압 인가 조건 하에 실온에서 실시하였다. COB 기판에 실장한 광대역 발광 장치 모듈에서는, 순방향 전류 2A, 전압 50V 조건으로 히트 싱크를 부착하여 실온에서 측정을 실시하였다. 발광 스펙트럼 측정은 파장 영역 350nm에서 950nm에 걸쳐 광전자정밀제 WHITELIGHT 분광기(한국제 OPI-100)를 이용하여 실온에서 실시하였다.
표 1은, 본 발명의 실시 예(1에서 7)에 있어서 5종류에서 7종류 형광체 배합비에 관해 발광 스펙트럼의 최적 조건을 구하기 위한 값을 나타내었다.
형광체를 도포하기 전에 실온에서의 발광 스펙트럼을 측정하여 미리 최적의 배합비와 최적의 발광 스펙트럼 분포 관계를 구하였다.
하기의 표 1은 본 발명의 실시 예에서 사용한 제 5 형광체(녹색)에 대한 각종 형광체의 중량비. 여기에서는 각 실시 예의 광대역 발광 장치의 색온도 및 CIE 색도 좌표점도 나타내었다.
| 실시예 | 색온도 및 CIE 색도 좌표 (x, y) |
형광체 중량비 | ||||||
| 제 1 형광체 (적색/근적외) |
제 2 형광체 (근적외) |
제 3 형광체 (청색) |
제 4 형광체 (청색) |
제 5 형광체 (녹색) |
제 6 형광체 (황색) |
제 7 형광체 (적색) |
||
| １ | 5171K | 140 | 0 | 50 | 85 | 1 | 4 | 34 |
| ２ | 5000K | 140 | 0 | 50 | 85 | 1 | 4 | 34 |
| ３ | 3086K | 7.69 | 0 | 0 | 9.23 | 1 | 0.46 | 5.77 |
| ４ | (0.2014, 0.2014) |
140 | 100 | 50 | 85 | 1 | 4 | 34 |
| ５ | 3385K | 0 | 2.31 | 0 | 9.23 | 1 | 0.46 | 9.23 |
| ６ | 3395K | 9.23 | 2.31 | 0 | 9.23 | 1 | 0.46 | 9.23 |
| 7 | 5514K | 140 | 0 | 50 | 85 | 1 | 4 | 34 |
실시예 1
도 1은, 근자외 LED 칩(405nm)를 여기원으로 사용하여 제 1 형광체와 가시광 형광체를 여기시켰을 때(색온도 5171K)의 광대역 발광 장치의 발광 스펙트럼을 나타낸다.
도 1에 나타난 바와 같이, 발광은 600nm에서 장파장인 900nm까지 관찰된다. 즉, 심적색에서 근적외까지의 발광 강도가 유지되고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 스펙트럼의 미세한 구조는 형광체에 부활되어 있는 Mn 원자의 여기대의 2중 구조(710nm, 730nm)를 반영한 것으로 추측된다. 발광의 반치 전폭은 약 110nm이다.
발광 효율은 55lm/W, 평균 연색 평가수(Ra)는 94, 특수 연색 평가수 R9와 R12는 각각 81과 90로 나타났다.
실시예 2
실시예 2에서는 초고연색 발광 장치 작제를 목적으로, 각종 형광체의 최적 중량을 조정하고 실리콘 수지에 대한 함유량을 최적화하여 색온도를 상기 실시예 1보다 낮게 설정하였다. 근자외 LED 소자(405nm)를 여기원으로 사용하여 실시예 1과 동일하게 가시광 형광체를 여기한 광대역 발광 장치이며 제1형광체만 포함되어 있다.
도 2는, 표 1의 중량비로 배합한 형광체의 조합으로 작제된 광대역 발광 장치의 발광 스펙트럼이다. 색온도는 실리콘 수지의 농도를 미세하게 증가시켜 실시 예 1보다 약 200K 정도 낮게 한 결과, 상관 색온도는 5000K였다. 실시예 2의 경우 실시예 1과 동일하게 제2형광체는 포함되어 있지 않다.
도 1의 발광 스펙트럼과 마찬가지로, 제1형광체로부터의 발광에서 유래되는 발광대가 지배적으로 나타난다. 발광 스펙트럼 강도 분포는 420nm의 저하 부분을 제외하면 405nm의 근자외광 강도와 가시광 파장 영역(450~730nm)의 발광 강도는 거의 동일하며, 그 스펙트럼 분포도 거의 평탄하다. 이 도 2에 나타난 바와 같이, 380nm에서 약 850nm의 넓은 파장 영역을 커버하는 광대역 분광 스펙트럼 분포를 얻을 수 있었다.
발광 효율은 60lm/W, Ra는 98, R9는 96, R12는 98로 매우 뛰어난 초고연색 특성을 나타내었다. 제1형광체를 첨가하고, 그 외의 형광체의 중량비를 최적화함으로 인해 R9와 R12의 값이 균형 있게 높은 값을 나타내는 것을 알 수 있다.
실시예 3
도 3은, 근자외 LED 소자(405nm)를 여기원으로 사용하여 실시예 1 및 실시예 2와 동일하게 가시광 형광체를 여기시킨 광대역 발광 장치의 발광 스펙트럼을 나타낸 것으로, 제1형광체만 포함되어 있다. 실시예 3의 상관 색온도는 3086K이다. 약 700nm에서 850nm에 걸쳐 스펙트럼 강도는 증가되는 것을 알 수 있다.
발광 효율은 53lm/W, Ra는 94, R9와 R12는 각각 76과 85로 나타났다 제1형광체의 함유량을 증가시키면, 700nm에서 850nm의 발광 강도가 증가하는 경향을 보였다.
실시예 4
도 4는, 표 1에 나타낸 실시예 4의 형광체 배합비로 작제된 2종류의 근적외 형광체로서, 제1형광체와 제2형광체를 포함하는 광대역 발광 장치의 발광 스펙트럼을 나타낸 것이다.
실시예 1과 실시예 2에 나타난 바와 같이, 제2형광체가 포함되어 있지 않은 경우에는, 발광 장치의 상관 색온도는 5000K이지만, 제2형광체를 첨가함으로 인해 광대역 발광 장치의 색온도는 CIE의 색도 좌표에서 표현되는 백색 영역에서 벗어나 색도 좌표(x, y)는 (0.2014, 0.2014)이다
즉, 도 1 및 도 2와 비교해 보면, 제2형광체를 첨가함으로 인해 630nm 부근의 적색 발광 강도가 감소하는 것을 알 수 있다. 이것은, 적색 발광의 에너지로 제 2 형광체를 여기시키기 때문에 소비되는 것으로 추측할 수 있다. 이에 따라 910nm에 발광의 피크가 출현하고, 그 발광은 장파장 쪽으로 약 1150nm(미도시)까지 미친다. 스펙트럼 분포의 요철은 관찰되지만, 발광 스펙트럼은 연속적으로 계속되어 약 380nm에서 약 1150nm까지의 광범위한 파장 영역에 걸친 발광 스펙트럼 분포를 얻을 수 있었다.
도 4의 결과에서 판단했을 때, 한층 더 상관 색온도를 낮춰서 적색 발광을 증강한 광대역 발광 장치를 작제하는 목적으로 표 1에 나타낸 배합비를 설정하여, 최적의 조건에서 발광 장치를 작제하였다. 그 결과를 이하의 실시예 5~7에 나타내었다.
실시예 5
실시예 5에서는 제1형광체를 포함하지 않는 조건으로 각종 형광체의 배합 조건을 결정하였다. 상기 도 4에 나타난 바와 같이, 제2형광체는 적색 형광 에너지로 강하게 여기되기 때문에 635nm에 발광의 피크를 가지는 적색 LED 소자(칩)으로 제 2 형광체만을 발광시킬 경우의 발광 스펙트럼을 도 5에 나타내었다.
제2형광체의 발광 피크는 도 4와 마찬가지로 910nm에 출현하였다. 두 피크는 명백하게 분리되어 관측되며, 제2형광체의 발광은 800nm부터 발생하는 것으로 나타났다. 이때 발광의 반치 전폭은 약 150nm이다.
이에 따라, 본 발명에서는 적색 발광이 지배적으로 나타나는 색온도의 백색 발광 소자를 작제하는 경우, 효율적으로 제 2 형광체를 여기시켜 강한 발광을 얻을 수 있을 것이다.
이를 검토한 결과, 상관 색온도 3300K의 백색 발광이 최적이라는 최적인 것으로 확인되었다. 3300K의 상관 색온도의 백색 발광은, 청색, 녹색, 황색, 적색 성분의 빛을 포함하며, 전구색에 가까운 색온도로, 제2형광체의 여기 스펙트럼과 유사한 것으로 확인되었다.
표 1의 실시예 5에 나타낸 형광체의 중량비를 가지는 광대역 발광 장치를 작제하고 발광 스펙트럼을 측정하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 이 도 6에서 알 수 있듯이, 제7형광체에 의한 적색 발광 성분이 증가됨에 따라 실시예 4의 도 4의 경우와는 달리 제2형광체는 유효하게 여기되어 910nm를 중심으로 강한 근적외 발광이 관측된다. 이때의 상관 색온도는 3385K이다. 800nm 부근의 발광 강도 감소는 있으나, 근자외, 가시광, 및 근적외 발광은 연속적으로 연결되어 있는 것으로 나타났다.
여기에서, 도 6의 680nm의 강도를 R, 800nm의 강도를 D, 910nm의 강도를 NI로 하면, R과 D의 비는 약 6배, NI와 D의 비는 약 6.5배이다. 또한, R과 NI의 비는 약 1.1배이다. R과 D의 발광 강도 비를 적게 함으로 인해 보다 매끄러운 스펙트럼 분포를 얻을 수 있을 것이다.
이때 발광 효율은 20lm/W 이상, Ra는 89 이상 100 미만으로 나타났다.
실시예 6
상기 실시예 5의 R과 D의 비를 개선하기 위해, 실시예 5와 같은 조건으로 제 1 형광체와 제 2 형광체를 혼합하여 이 때의 발광 스펙트럼을 측정하였다. 상관 색온도는 3395K로 나타났으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7에서 알 수 있듯이, 800nm의 파장 강도 저하는 상당히 개선되어, 그 비의 값은 3배 정도로 수렴된다. 그리고 R과 NI의 비는 개선되어 약 1.5배 정도가 되는 것을 알 수 있다. 전체 발광 스펙트럼을 보면, 약 400nm에서 1150nm(미도시)까지 근자외, 가시광, 근적외까지 연속적으로 연결되는 발광 스펙트럼 분포가 되고 있다.
이상, 실시 예 1에서 실시 예 6에서 기술한 바와 같이 여기, 발광 메커니즘은 제1형광체와 제2형광체에서는 상이하기 때문에, 아래에 각각의 근적외 형광체 발광 기구를 설명한다.
(1) 제 1 형광체: 이 형광체는 자외 및 근자외의 에너지로 직접 여기된다. 또한, 청색과 녹색 빛의 파장대, 450~550nm의 가시광에서도 여기된다. 그 결과, 720nm에 피크를 가지는 발광을 발생시킨다. 발광의 반치 전폭은 약 110nm이다.
(2) 제 2 형광체: 이 형광체는 자외와 근자외 빛으로는 직접 여기되지 않는다. 가시광인 청색, 녹색, 황색, 적색의 파장대, 450nm~660nm의 가시광에 의해 유효하게 여기된다. 그 결과, 910nm에 피크를 가지는 발광을 발생 시킨다. 발광의 반치 전폭은 약 150nm이다.
실시예 7
고출력, 고조도 발광 모듈을 작제하기 위해, 실시예 2에서 나타낸 가장 바람직한 특성을 가지는 광대역 발광 장치를 집적화한 발광 모듈의 일례를 나타내었다. 본 실시예 7에서는 제2형광체는 포함되지 않는다.
도 8은, 표 1에 나타낸 실시예 2의 배합비로 형광체의 중량비를 조정하여 근자외 LED 소자(405nm) 상에 6종류의 형광체를 도포한 광대역 발광 장치의 발광 스펙트럼이다.
전력으로는 100W를 투입하였다. 상관 색온도는 5514K로, 발광 효율은 55lm/W 이상, 전광속이 약 5500lm 이상, Ra는 95 이상 100 미만이다. R9와 R12는 전형적인 예로서 각각 85 이상 100 미만과 93 이상 100 미만이다. 발광 스펙트럼은 380~900nm까지 연속적으로 연결된 넓은 분포이다.
또한, 실시예 2와 실시예 5의 색온도가 상이한 광대역 발광 장치를 조합한 발광 모듈을 작제하는 것도 가능하다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
Claims (10)
- (a) 350nm 이상 410nm 이하에 발광의 피크를 가지는 자외 또는 근자외 발광 반도체 LED 소자; 및
(b) 상기 LED 소자의 파장에 의해 여기되어 발광되며, 투명 수지 층에 분산되어 있는 가시광 형광체 및 근적외 형광체를 포함하는 형광체층;
을 포함하는 광대역 발광 장치에 있어서,
상기 근적외 형광체는,
(i) 650~850nm에 발광의 피크를 가지는 제 1 형광체 및
(ii) 800~1150nm에 발광의 피크를 가지는 제 2 형광체로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상의 형광체를 포함하며,
상기 제 1 형광체는 Mn계 산화물이며,
제 2 형광체는 Ca계 산화물인 것을 특징으로 하는 광대역 발광 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 가시광 형광체는,
(iii) 440~455nm에 피크를 가지는 제 3 형광체;
(iv) 460~477nm에 피크를 가지는 제 4 형광체;
(v) 500~550nm에 피크를 가지는 제 5 형광체;
(vi) 550~590nm에 피크를 가지는 제 6 형광체; 및
(vii)630~660nm에 피크를 가지는 제 7 형광체;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 발광 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 가시광 형광체는
(iii) 제 3형광체로 Sr10(PO4)6Cl2:Eu;
(iv) 제 4 형광체로 (Sr,Br)10(PO4)6Cl:Eu;
(v) 제 5 형광체로 SiAlON:Eu;
(vi) 제 6 형광체로 (Ba,Sr)Si2(O,Cl)2N2:Eu; 및
(vii) 제 7 형광체로 CaAlSi(ON)2:Eu;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 발광 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 제 1 형광체, 제 2 형광체, 제 3 형광체, 제 4 형광체, 제 5 형광체, 제 6 형광체 및 제 7 형광체의 중량비는 0~140 : 0~2.31 : 50 : 9.23~85 : 1 : 0.46~4 : 5.77~34 인 것을 특징으로 하는 광대역 발광 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 광대역 발광 장치는 발광 스펙트럼 분포가 380nm에서 1150nm까지 연속적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 광대역 발광 장치.
- 제1항에 있어서;
상기 광대역 발광장치의 발광 스펙트럼은 3000~5200K의 상관 색온도를 가지는 것을 특징으로 하는 광대역 발광 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제2형광체는, 620~660nm에 발광의 피크를 가지는 적색 LED 소자 또는 적색 형광체에 의해 여기되는 것을 특징으로 하는 광대역 발광 장치.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 광대역 발광장치를 포함하는 발광모듈.
- 제8항에 있어서
상기 발광모듈은 상기 광대역 발광장치가 COB기판상에 실장되어 있으며, 발광 효율은 55lm/W 이상, Ra는 85 이상 100 미만, R9는 90 이상 100 미만, R12는 90 이상 100 미만 및 전광속은 5000lm 이상인 것을 특징으로 하는 발광 모듈.
- 제8항에 있어서,
상기 발광모듈은 상이한 색온도를 가지는 2종 이상의 광대역 발광장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광모듈.
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