KR20210120964A - 백색 발광 장치 - Google Patents

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KR20210120964A
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김명진
남기범
오광용
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Abstract

본 발명은 백색 발광 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광 장치는, 410nm 내지 435nm 범위 내의 피크 파장을 갖는 빛을 방출하는 발광 다이오드; 및 상기 발광 다이오드 상에 위치하며, 상기 발광 다이오드에서 방출되는 빛의 파장을 변환하는 파장변환부를 포함하고, 상기 파장변환부는 입사된 빛을 시안광 대역의 피크 파장을 갖는 빛으로 방출하는 시안 형광체와 입사된 빛을 적색광 대역의 피크 파장을 갖는 빛으로 방출하는 적색 형광체를 포함할 수 있다. 본 발명에 의하면, 청색 파장 대역의 발광 다이오드보다 단파장 대역의 발광 다이오드를 사용하여 백색 발광 장치를 구현함으로써, 멜라토닌 억제 또는 수면 장애 등의 청색 파장 대역의 빛으로 인해 발생할 수 있는 문제가 원천적으로 발생하지 않을 수 있는 효과가 있다.

Description

백색 발광 장치{WHITE LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 백색 발광 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단파장 발광 다이오드를 이용한 백색 발광 장치에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED: light emitting diode)는 발광 효율이 높으면서 수명이 길고 소비전력이 낮아 친환경적이다. 또한, 사용목적이나 형태에 따라 발광 다이오드 칩이 탑재된 패키지 구조로 제작할 수 있어 그 사용범위가 넓은 장점도 있다.
종래에 백색 발광 장치에 사용되는 발광 다이오드는 청색 빛을 방출하는 450nm 파장 대역의 발광 다이오드가 많이 이용되었다. 이러한 청색 발광 다이오드와 함께 청색 형광체, 녹색 형광체 및 적색 형광체가 조합된 파장변환부를 이용하여 백색 빛을 구현하여 사용한다. 상기와 같은 종래의 발광 장치는 높은 CRI 값을 가지도록 구현할 수 있고, 온도에 대한 색좌표 변화율이 낮고, 형광체 조합에 의한 CCT 변환이 용이한 장점이 있다.
하지만, 최근, 450nm 파장 대역의 발광 다이오드는 청색 파장의 빛에 의해 멜라토닌 억제나 수면 장애 등의 문제가 발생할 수 있는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 멜라토닌 억제나 수면 장애 등의 문제가 발생하지 않을 수 있는 백색 발광 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광 장치는, 410nm 내지 435nm 범위 내의 피크 파장을 갖는 빛을 방출하는 발광 다이오드; 및 상기 발광 다이오드 상에 위치하며, 상기 발광 다이오드에서 방출되는 빛의 파장을 변환하는 파장변환부를 포함하고, 상기 파장변환부는 입사된 빛을 시안광 대역의 피크 파장을 갖는 빛으로 방출하는 시안 형광체와 입사된 빛을 적색광 대역의 피크 파장을 갖는 빛으로 방출하는 적색 형광체를 포함할 수 있다.
이때, 상기 시안 형광체는 500nm 내지 530nm 범위 내의 피크 파장을 갖는 빛을 방출할 수 있으며, 상기 LuAG 계열의 시안 형광체는 III-족 계열의 원소가 도핑된 LuAG 계열일 수 있다. 상기 적색 형광체는 600nm 내지 650nm 범위 내의 피크 파장을 갖는 빛을 방출할 수 있다.
그리고 상기 시안 형광체는 LuAG 계열, YAG 계열, 질화물(nitride) 계열 및 실리케이트(silicate) 계열의 형광체 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 상기 적색 형광체는 질화물(nitride) 계열 및 황화물(sulfide) 계열의 형광체 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
이때, 상기 적색 형광체는 두 종류 이상의 질화물 계열의 형광체가 혼합될 수 있고, 상기 두 종류 이상의 질화물 계열의 적색 형광체 중 하나는 (Sr,Ca)xAlySizNw: Eu 이고, 다른 하나는 CaxAlySizNw: Eu일 수 있다.
본 발명에 의하면, 청색 파장 대역의 발광 다이오드보다 단파장 대역의 발광 다이오드를 사용하여 백색 발광 장치를 구현함으로써, 멜라토닌 억제 또는 수면 장애 등의 청색 파장 대역의 빛으로 인해 발생할 수 있는 문제가 원천적으로 발생하지 않을 수 있는 효과가 있다.
또한, 단파장 대역의 발광 다이오드를 사용하더라도 녹색 형광체보다 단파장 대역의 시안 형광체 및 단파장의 적색 형광체를 사용하여 CRI 값 및 광 효율이 종래의 청색 파장 대역의 발광 다이오드를 사용했을 때와 유사하거나 높은 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광 장치를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광 장치에 이용되는 발광 다이오드의 파장 대역을 확인할 수 있는 발광 다이오드의 파장에 따른 시안 형광체의 여기(excitation) 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광 장치를 도시한 단면도이다.
도1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광 장치는 하우징(110), 발광 다이오드(120), 파장변환부(130)를 포함한다.
하우징(110)은 상부면이 개방된 캐비티를 가지며, 캐비티 내에 발광 다이오드(120)가 실장될 수 있다. 캐비티의 측면은 경사가 형성될 수 있으며, 경사면은 필요에 따라 반사면으로 형성될 수 있다. 그에 따라 발광 다이오드(120)에 방출된 빛은 캐비티 측면에서 반사됨에 따라 본 발명의 백색 발광 장치(100)의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고 하우징(110)은 폴리머 등을 포함하는 플라스틱. ABS(acrylonitrile butadiene styrene), LCP(liquid crystalline polymer), PA(polyamide), IPS(polyphenylene sulfide) 또는 TPE(thermoplastic elastomer) 등으로 형성되거나, 메탈 또는 세라믹으로 형성될 수 있다.
그리고 하우징(110)은 두 개의 리드 단자를 포함할 수 있고, 리드 단자와 발광 다이오드(120)는 와이어를 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 하우징(110)은 상기와 같은 구성에 한정되지 않고, 공지된 다양한 구성을 포함할 수 있다.
발광 다이오드(120)는 n형 반도체층과 p형 반도체층을 포함하여 정공과 전자의 결합을 통해 광을 방출할 수 있는 구조를 가지며, 수평형, 수직형 또는 플립칩형 등의 구조를 가지는 발광 소자가 이용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 발광 다이오드(120)는 410nm 내지 435nm 범위 내의 피크 파장을 갖는 빛을 방출한다. 이때, 발광 다이오드(120)가 방출하는 빛의 피크 파장의 반치폭(FWHM: full with half maximum)은 40nm 이하일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
파장변환부(130)는 도 1에 도시된 바와 같이, 발광 다이오드(120) 상부에 위치할 수 있고, 발광 다이오드(120)의 적어도 일부를 덮도록 형성된다. 그에 따라 파장변환부(130)는 발광 다이오드(120)의 빛이 방출되는 경로 상에 위치할 수 있다. 또한, 하우징(110)의 캐비티를 채워 발광 다이오드(120)를 봉지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 파장변환부(130)는 담지부(131), 시안 형광체(135) 및 적색 형광체(137)를 포함한다.
담지부(131)는 시안 형광체(135) 및 적색 형광체(137)를 담지할 수 있는 물질이면 제한되지 않고, 투명 또는 반투명 특성을 가질 수 있다. 담지부(131)는 실리콘(silicone) 계열, 에폭시(epoxy) 계열, PMMA(polymethyl methacrylate) 계열, PE(polyethylene) 계열 및 PS(polystyrene) 계열 중 적어도 하나를 포함하는 고분자로 형성될 수 있고, 유리와 같은 무기물로 형성될 수도 있다.
담지부(131)가 고분자 물질로 형성된 경우, 파장변환부(130)는 발광 다이오드(120)로부터 방출된 빛을 파장 변환하는 역할과 더불어, 발광 다이오드(120)를 봉지하는 봉지재 역할을 할 수도 있다. 또한, 도 1에서 파장변환부(130)를 볼록하게 표시하였지만, 이에 한정되지 않는다.
시안 형광체(135) 및 적색 형광체(137)는 담지부(131) 내에서 불규칙적으로 분사되어 배치될 수 있다.
시안 형광체(135)는 입사된 광을 여기시켜 시안(cyan)광을 방출할 수 있고, 적색 형광체(137)는 입사된 광을 여기시켜 적색광을 방출할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 백색 발광 장치는 발광 다이오드(120)에서 방출된 자색(violet)광, 시안 형광체(135)에 의해 여기된 시안광 및 적색 형광체(137)에서 여기된 적색광이 혼색되어 백색광을 방출할 수 있다.
그리고 본 발명의 일 실시예에서 백색 발광 장치에서 방출된 빛은 CRI 값이 90이상일 수 있으며, 이는 시안 형광체(135) 및 적색 형광체(137)의 종류와 배합비율을 조절하여 달성할 수 있다.
시안 형광체(135)에서 방출되는 시안광의 피크 파장은 500nm 내지 530nm 범위 내의 피크 파장을 갖는 빛을 방출할 수 있다. 그리고 시안 형광체(135)는 LuAG 계열 형광체를 포함할 수 있으며, 상기 LuAG 계열 형광체는 LuxAlyOz: Ce 및/또는 Lux(Al,Ga)yOz: Ce 화학식으로 표현되는 형광체를 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 LuAG 계열 형광체는 Lu3Al5O12: Ce 및/또는 Lu3(Al,Ga)5O12: Ce를 포함할 수 있다. 또는, 시안 형광체(135)는 YAG 계열, 질화물(nitride) 계열 및 실리케이트(silicate) 계열 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
적색 형광체(137)에서 방출되는 적색광의 피크 파장은 600nm 내지 650nm 범위 내의 피크 파장을 갖는 빛을 방출할 수 있다. 그리고 적색 형광체(137)는 질화물(nitride) 계열 및 황화물(sulfide) 계열의 형광체 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서 적색 형광체(137)는 한 종류의 적색 형광체가 이용될 수 있으며, 필요에 따라 두 종류의 적색 형광체가 배합되어 이용될 수도 있다. 두 종류의 적색 형광체가 이용되는 경우, 질화물 계열의 형광체와 황화물 계열의 형광체가 혼합되어 이용될 수 있고, 두 종류의 적색 형광체 모두 질화물 계열의 형광체일 수도 있다. 이때, 질화물 계열의 적색 형광체는 CASN, CASSON 및 SCASN 등일 수 있다.
그리고 두 종류의 질화물 형광체가 이용된 경우, 단파장 영역의 적색 형광체는 (Sr,Ca)xAlySizNw: 일 수 있으며, 유로퓸(Eu)이 첨가될 수 있다. 일례로, 단파장 영역의 적색 형광체는 (Sr,Ca)1Al1Si1N3: Eu 일 수 있다. 또한, 장파장 영역의 적색 형광체는 CaxAlySizNw: Eu일 수 있으며, 일례로, Ca1Al1Si1N3: Eu 일 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 백색 발광 장치를 구성함에 따라 표 1을 통해 확인할 수 있듯이, 종래의 청색 파장 대역의 발광 다이오드(120)를 사용하였을 때와 비교하여 광효율이 증가하고, CRI는 동일하게 나타난 것을 확인할 수 있다.
@100mA 형광체 PKG
파장(λ) 녹색(시안) 적색 Flux(lm) CCT(K) CRI
Blue chip 450nm LuAG 계열(wp=562nm)
+ YAG 계열		 질화물 계열
(wp=648nm)		 65.9
(100%)		 2584 92
Violet chip 425nm LuAG 계열(wp=509nm) 질화물 계열
(wp=626nm)		 70.2
(107%)		 2772 92
여기서, LuAG 계열의 시안 형광체는 상기에서 설명한 바와 같이, LuxAlyOz: Ce의 화학식으로 표현되는데, 이러한 화학식으로 구현된 시안 형광체의 파장은 535nm 내지 550nm 범위 내의 피크 파장의 빛을 방출한다. 그런데, 535nm 내지 550nm 범위 내의 피크 파장의 범위는 녹색광에 가까운 빛이므로, 이를 시안광에 해당하는 파장 범위로 변환이 필요하다.이를 위해 LuAG 계열의 형광체에서 Al을 Ga로 일부 치환하여 파장을 단파장으로 변환함으로써, 피크 파장이 약 505nm이 되는 시안광을 구현할 수 있다. 그에 따라 LuAG 계열의 시안 형광체는 Lux(Al,Ga)yOz: Ce의 화학식으로 표현될 수 있다. 이때, Al은 Ga뿐만 아니라 같은 족에 속한 다른 III-족 원소로 치환될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광 장치에 이용되는 발광 다이오드의 파장 대역을 확인할 수 있는 발광 다이오드의 파장에 따른 시안 형광체의 여기(excitation) 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광 장치에 이용된 시안 형광체(135)는 LuAG 계열을 이용하는데, LuAG 계열의 시안 형광체(135)는 500nm 내지 530nm의 파장 범위 내에 있는 형광체이다. 도 2는 LuAG 계열의 시안 형광체(135)를 이용할 때, 여기가 가장 잘 이루어지는 발광 다이오드(120)의 파장 대역을 확인할 수 있도록 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, LuAG 계열의 시안 형광체(135)에서 가장 여기가 잘되는 발광 다이오드(120)의 파장 대역은 420nm 내지 430nm 사이 대역에서 피크가 나타난 것을 확인할 수 있다. 그에 따라 본 발명의 백색 발광 장치에 이용하는 발광 다이오드(120)의 파장 대역이 410nm 내지 435nm 범위에 있으므로, LuAG 계열 시안 형광체(135)를 통해 여기가 가장 잘 이루어지는 것을 알 수 있다.
또한, 표 2에 도시된 바와 같이, 발광 다이오드(120)의 408nm, 413nm 및 425nm에 대한 효율을 확인한 결과, 425nm의 효율이 가장 좋은 것을 확인할 수 있다. 그러므로 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광 장치에 410nm 내지 435nm 범위 내의 파장 대역을 갖는 발광 다이오드(120)를 이용하는 것이 본 발명의 백색 발광 장치의 광효율을 극대화할 수 있다.
Chip_100mA CIE x CIE y L/F(lm) ΔL/F(%) CRI
Y6L3_408nm 0.440 0.407 28.1 100.0% 88.2
Y6L3_413nm 0.435 0.412 31.3 111.4% 90.6
Y6L3_425nm 0.426 0.394 34.0 121.0% 93.2
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.
110: 하우징
120: 발광 다이오드
130: 파장변환부
131: 담지부
135: 시안 형광체
137: 적색 형광체

Claims (7)

  1. 발광 다이오드; 및
    상기 발광 다이오드 상에 위치하며, 상기 발광 다이오드에서 방출되는 빛의 파장을 변환하는 파장변환부를 포함하고,
    상기 파장변환부는 입사된 빛을 시안광 대역의 피크 파장을 갖는 빛으로 방출하는 시안 형광체와 입사된 빛을 적색광 대역의 피크 파장을 갖는 빛으로 방출하는 적색 형광체를 포함하며,
    상기 시안 형광체는 LuAG 계열의 단파장의 형광체이고,
    상기 시안 형광체의 화학식은 Lux(Al, Ga)yOz:Ce인하는 백색 발광 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 시안 형광체는 500nm 내지 530nm 범위 내의 피크 파장을 갖는 빛을 방출하는 백색 발광 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 적색 형광체는 600nm 내지 650nm 범위 내의 피크 파장을 갖는 빛을 방출하는 백색 발광 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 시안 형광체는 YAG 계열, 질화물(nitride) 계열 및 실리케이트(silicate) 계열의 형광체 중 하나 이상을 더 포함하는 백색 발광 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 적색 형광체는 질화물(nitride) 계열 및 황화물(sulfide) 계열의 형광체 중 하나 이상을 포함하는 백색 발광 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 적색 형광체는 두 종류 이상의 질화물 계열의 형광체가 혼합된 백색 발광 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 두 종류 이상의 질화물 계열의 적색 형광체 중 하나는 (Sr,Ca)xAlySizNw: Eu 이고, 다른 하나는 CaxAlySizNw: Eu인 백색 발광 장치.
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