KR20220129499A - 발광 다이오드 패키지 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 발광 다이오드 패키지는 디스플레이에서 백라이트 유닛으로 사용되는 발광 다이오드 패키지로서, 하우징; 상기 하우징에 배치되는 적어도 하나의 발광 다이오드 칩; 상기 적어도 하나의 발광 다이오드 칩에 의해 여기되어 녹색광을 방출하는 제1 형광체; 및 상기 적어도 하나의 발광 다이오드 칩에 의해 여기되어 적색광을 방출하는 제2 형광체 및 제3 형광체를 포함하되, 상기 제2 형광체는 A2MF6: Mn4+의 화학식을 가지는 형광체이고, 상기 A는 Li, Na, K, Ba, Rb, Cs, Mg, Ca, Se 및 Zn 중 하나이고, M은 Ti, Si, Zr, Sn 및 Ge 중 하나이며, 상기 제3 형광체는 질화물계 형광체이되, 상기 제2 형광체 및 상기 제3 형광체 각각의 적색광은 서로 다른 피크 파장을 가지고, 상기 적어도 하나의 발광 다이오드 칩, 상기 제1 형광체, 상기 제2 형광체 및 상기 제3 형광체에서 방출되는 광의 합성에 의해 백색광이 형성되고, 상기 백색광은 CIE 색도도 상의 영역 내에 있는 지점을 형성하는 x 및 y 색좌표를 가지며, 상기 x 색좌표는 0.25 내지 0.35이고, 상기 y 색좌표는 0.22 내지 0.32이다.

Description

발광 다이오드 패키지{LIGHT EMITTING DIODE PACKAGE}
본 발명은 발광 다이오드 패키지에 대한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 형광체를 포함하는 발광 다이오드 패키지에 대한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED) 패키지는 반도체의 p-n 접합 구조를 가지는 화합물 반도체로서 소수 캐리어(전자 또는 정공)들의 재결합에 의하여 소정의 광을 발산하는 소자를 지칭한다. 발광 다이오드 패키지는 소비 전력이 적고 수명이 길며, 소형화가 가능하다.
발광 다이오드 패키지는 파장 변환 수단인 형광체를 사용하여 백색광을 구현할 수 있다. 즉, 형광체를 발광 다이오드 칩 상에 배치하여, 발광 다이오드 칩의 1차 광의 일부와 형광체에 의해 파장 변환된 2차 광의 혼색을 통하여 백색광을 구현할 수 있다. 이런 구조의 백색 발광 다이오드 패키지는 가격이 싸고, 원리적 및 구조적으로 간단하기 때문에 널리 이용되고 있다.
구체적으로, 청색 발광 다이오드 칩 상에 청색광의 일부를 여기광으로 흡수하여 황록색 또는 황색을 발광하는 형광체를 도포하여 백색광을 얻을 수 있다. 대한민국 공개특허 제10-2004-0032456호를 참조하면, 청색으로 발광하는 발광 다이오드 칩 위에 그 광의 일부를 여기원으로서 황록색 내지 황색 발광하는 형광체를 부착하여 발광 다이오드의 청색 발광과 형광체의 황록색 내지 황색 발광에 따라 백색 발광하는 발광 다이오드를 개시하고 있다.
그러나, 이러한 방식을 사용하는 백색 발광 다이오드 패키지는 황색 형광체의 발광을 활용하므로, 방출되는 광의 녹색 및 적색 영역의 스펙트럼 결핍으로 인해 높은 색 재현성을 구현하기 어렵다. 특히, 백라이트 유닛(backlight unit)으로 사용 시, 색 필터를 투과한 이후의 낮은 색순도로 인하여 자연색에 가까운 색 구현이 어렵다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 청색 발광 다이오드 칩과 청색광을 여기광으로 하여 녹색 및 적색을 발광하는 형광체들을 사용하여 발광 다이오드를 제조한다. 즉, 청색광과 청색광에 의해 여기되어 나오는 녹색광 및 적색광의 혼색을 통하여, 높은 연색성을 가지는 백색광을 구형할 수 있다. 이러한, 백색 발광 다이오드를 백라이트 유닛으로 사용할 경우, 색 필터와의 일치도가 매우 높기 때문에, 보다 자연색에 가까운 영상을 구현할 수 있다. 그러나, 형광체의 여기를 통하여 방출되는 광은 발광 다이오드 칩과 비교하여, 넓은 반치폭(full width at half maximum)을 가진다. 또한, 대한민국 등록특허 제10-0961324호를 참조하면, 질화물 형광체와 그 제조 방법 및 발광 장치가 개시되어 있다. 질화물 형광체를 포함하는 발광 장치의 발광 스펙트럼을 검토하면, 적색 영역에서 넓은 반치폭을 가짐을 알 수 있다. 따라서, 이 경우에도 높은 색재현성을 구현하기 어렵다.
따라서, 보다 높은 색재현성을 가지는 백색광을 구현하기 위해서는, 보다 좁은 반치폭을 가지는 형광체의 사용이 필요하다. 그러나, 좁은 반치폭을 가지는 형광체들은 대체로 수분에 취약한 특성을 보이고, 이는 발광 다이오드 패키지의 전체적인 신뢰성을 저하시키는 문제점이 있다.
종래 기술에 있어서, 좁은 반치폭을 가지는 광을 방출하는 형광체를 구현하기 위하여, 망간(Mn)을 활성 이온으로 이용하는 형광체를 이용하고 있다. 그러나, 망간(Mn)을 활성 이온으로 사용하는 경우에, 상기 망간의 함유량이 증가될수록 광량이 증가되는 경향을 보이지만, 상기 망간은 산소와 반응하여 산화망간(MnO)를 형성할 수 있으므로, 형광체의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 높은 광량을 가짐과 동시에, 신뢰성이 향상된 발광 다이오드 패키지의 개발이 요구된다.
대한민국 공개특허 10-2004-0032456호 대한민국 등록특허 10-0961324호
본 발명에 해결하고자 하는 과제는, 형광체의 고온 및/또는 고습 환경에서의 열화 문제를 해결하여, 신뢰성이 향상된 발광 다이오드 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 좁은 반치폭을 가지는 광을 방출하는 형광체룰 포함하여, 색재현성이 향상된 발광 다이오드 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지는 하우징; 상기 하우징에 배치되는 적어도 하나의 발광 다이오드 칩; 상기 적어도 하나의 발광 다이오드 칩에 의해 여기되어 녹색광을 방출하는 제1 형광체; 및 상기 적어도 하나의 발광 다이오드 칩에 의해 여기되어 적색광을 방출하는 제2 형광체를 포함하되, 상기 발광 다이오드 칩, 상기 제1 형광체 및 제2 형광체에서 방출되는 광의 합성에 의해 백색광이 형성되고, 상기 제2 형광체는 A2MF6:Mn4+의 화학식을 가지는 형광체이고, 상기 A는 Li, Na, K, Rb, Ce 및 NH4 중 하나이고, 상기 M은 Si, Ti, Nb 및 Ta 중 하나이되, 상기 제2 형광체의 Mn4+의 M에 대한 몰수의 범위는 0.02 내지 0.035 배의 몰수를 가지며, 상기 몰수의 범위 내에서, 상기 백색광의 광속의 변화는 5% 이내일 수 있다.
상기 몰수의 범위 내에서, 상기 백색광은 CIE 색도도 상의 영역 내에 있는 지점을 형성하는 x 및 y 색좌표를 가지며, 상기 x 색좌표는 0.25 내지 0.32이고, 상기 y 색좌표는 0.22 내지 0.32일 수 있다.
상기 몰수의 범위 내에서 상기 백색광의 광도의 변화율은 5% 이내일 수 있다.
상기 적색광에 대한 상기 녹색광의 피크 파장의 크기는 20 내지 35%일 수 있다.
상기 제1 형광체는 BAM 계열 형광체 및 양자점 형광체 중 하나일 수 있다.
상기 제1 형광체의 녹색광의 피크 파장은 520 내지 570nm 범위 내에 위치하고, 상기 제2 형광체의 적색광의 피크 파장은 610 내지 650nm 범위 내에 위치할 수 있다.
상기 적어도 하나의 발광 다이오드 칩은 청색 발광 다이오드 칩 및 자외선 발광 다이오드 칩 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 백색광은 85% 이상의 NTSC(national television system committee) 색채 포화도를 가질 수 있다.
상기 제2 형광체가 방출하는 적색광은 15nm 이하의 반치폭(FWMH)을 가질 수 있다.
상기 몰수의 범위 내에서 상기 백색광의 광도의 변화율은 5% 이내일 수 있다.
상기 적어도 하나의 발광 다이오드 칩을 덮는 몰딩부를 더 포함하되, 상기 몰딩부는 실리콘, 에폭시, PMMA, PE 및 PS 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 몰딩부와 상기 적어도 하나의 발광 다이오드 칩 사이에 배치되는 버퍼부를 더 포함하되, 상기 버퍼부는 상기 몰딩부보다 낮은 경도를 가질 수 있다.
상기 몰딩부는 상기 적어도 하나의 발광 다이오드 칩을 덮는 제1 몰딩부; 및 상기 제1 몰딩부를 덮는 제2 몰딩부를 포함하되, 상기 제1 몰딩부는 상기 제2 형광체를 함유하고, 상기 제2 몰딩부는 상기 제1 형광체를 함유할 수 있다.
상기 몰딩부 상에 배치되는 형광체 플레이트를 더 포함하고, 상기 형광체 플레이트는 상기 제1 및 제2 형광체를 함유할 수 있다.
상기 하우징은 상기 적어도 하나의 발광 다이오드 칩에서 방출된 광을 반사하는 리플렉터를 포함할 수 있다.
상기 하우징은 상기 리플렉터를 덮는 베리어 리플렉터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지는 하우징; 상기 하우징에 배치되는 적어도 하나의 발광 다이오드 칩; 상기 적어도 하나의 발광 다이오드 칩에 의해 여기되는 제1 형광체; 및 상기 적어도 하나의 발광 다이오드 칩에 의해 여기되는 제2 형광체를 포함하되, 상기 발광 다이오드 칩, 상기 제1 형광체 및 제2 형광체에서 방출되는 광의 합성에 의해 백색광이 형성되고, 상기 제2 형광체는 A2MF6:Mn4+의 화학식을 가지는 형광체이고, 상기 A는 Li, Na, K, Rb, Ce 및 NH4 중 하나이고, 상기 M은 Si, Ti, Nb 및 Ta 중 하나이되, 상기 제2 형광체의 Mn4+의 M에 대한 몰수의 범위는 0.02 내지 0.035 배의 몰수를 가지며, 상기 몰수의 범위 내에서, 상기 백색광은 CIE 색도도 상의 영역 내에 있는 지점을 형성하는 x 및 y 색좌표를 가지며, 상기 x 색좌표는 0.25 내지 0.32이고, 상기 y 색좌표는 0.22 내지 0.32일 수 있다.
나아가, 상기 몰수의 범위 내에서, 상기 백색광의 광도의 변화율는 5% 이내일 수 있다.
상기 제2 형광체가 여기되어 방출하는 광에 대한 상기 제1 형광체가 여기되어 방출하는 광의 피크 파장의 크기는 20 내지 35%일 수 있다.
상기 제1 형광체는 BAM 계열 형광체 및 양자점 형광체 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 제2 형광체가 여기되어 방출하는 광은 15nm 이하의 반치폭(FWMH)을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지는 하우징; 상기 하우징에 배치되는 적어도 하나의 발광 다이오드 칩; 상기 적어도 하나의 발광 다이오드 칩에 의해 여기되어 녹색광을 방출하는 제1 형광체; 및 상기 적어도 하나의 발광 다이오드 칩에 의해 여기되어 적색광을 방출하는 제2 형광체를 포함하되, 상기 발광 다이오드 칩, 상기 제1 형광체 및 제2 형광체에서 방출되는 광의 합성에 의해 백색광이 형성되고, 상기 제2 형광체는 A2MF6:Mn4+의 화학식을 가지는 형광체이고, 상기 A는 Li, Na, K, Rb, Ce 및 NH4 중 하나이고, 상기 M은 Si, Ti, Nb 및 Ta 중 하나이되, 상기 제2 형광체의 Mn4+는 M에 대하여, 0.02 내지 0.035 배의 몰수 범위를 가질 수 있다.
나아가, 상기 몰수의 범위 내에서, 상기 백색광은 CIE 색도도 상의 영역 내에 있는 지점을 형성하는 x 및 y 색좌표를 가지며, 상기 x 색좌표는 0.25 내지 0.32이고, 상기 y 색좌표는 0.22 내지 0.32일 수 있다.
한편, 상기 몰수의 범위 내에서 상기 백색광의 광도의 변화율은 5% 이내일 수 있다.
또한, 상기 적색광에 대한 상기 녹색광의 피크 파장의 크기는 20 내지 35%일 수 있다.
상기 제1 형광체는 BAM 계열 형광체 및 양자점 형광체 중 적어도 하나일 수 있다.
나아가, 상기 제1 형광체의 녹색광의 피크 파장은 520 내지 570nm 범위 내에 위치하고, 상기 제2 형광체의 적색광의 피크 파장은 610 내지 650nm 범위 내에 위치할 수 있다.
상기 적어도 하나의 발광 다이오드 칩은 청색 발광 다이오드 칩 및 자외선 발광 다이오드 칩 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 백색광은 85% 이상의 NTSC(national television system committee) 색채 포화도를 가질 수 있다.
상기 제2 형광체가 방출하는 적색광은 15nm 이하의 반치폭(FWMH)을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 패키지는 좁은 반치폭을 가지는 광을 방출하는 형광체를 포함하므로, 발광 다이오드 패키지의 색재현성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 형광체 고온 및/또는 고습 환경에서 발광 특성 등이 저하되는 열화 현상을 방지하여, 형광체의 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 발광 다이오드 패키지의 전체적이 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 3는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지를 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 또한, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에" 또는 "상에" 있다고 기재된 경우 각 부분이 다른 부분의 "바로 상부" 또는 "바로 상에" 있는 경우뿐만 아니라 각 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지를 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 발광 다이오드 패키지는 하우징(101), 발광 다이오드 칩(102)), 제1 형광체(105), 제2 형광체(106) 및 몰딩부(104)를 포함한다.
하우징(101) 상에 발광 다이오드 칩(102), 제1 형광체(105), 제2 형광체(106) 및 몰딩부(104)가 배치될 수 있다. 발광 다이오드 칩(102)은 하우징(101)의 바닥면에 배치될 수 있다. 하우징(101)에는 발광 다이오드 칩(102)에 전력을 입력하기 위한 리드 단자들(미도시)이 설치될 수 있다. 몰딩부(104)는 제1 형광체 및 제2 형광체(105,106)들을 포함하고, 발광 다이오드 칩(102)을 덮을 수 있다.
하우징(101)은 일반적인 플라스틱(폴리머), ABS(acrylonitrile butadiene styrene), LCP(liquid crystalline polymer), PA(polyamide), IPS(polyphenylene sulfide) 또는 TPE(thermoplastic elastomer) 등으로 형성되거나, 메탈 또는 세라믹으로 형성될 수도 있다. 발광 다이오드 칩(102)이 자외선 발광 다이오드 칩인 경우에는, 하우징(101)은 세라믹으로 형성될 수 있다. 하우징(101)이 세라믹인 경우에는, 자외선 발광 다이오드 칩에서 방출된 자외선 광에 의해 세라믹을 포함하는 하우징(101)이 변색되거나 변질될 우려가 없어, 발광 다이오드 패키지의 신뢰성을 유지할 수 있다. 하우징(101)이 메탈인 경우에는, 하우징(101)은 둘 이상의 금속 프레임들을 포함할 수 있고, 금속 프레임들은 서로 절연될 수 있다. 메탈을 포함하는 하우징(101)을 통해, 발광 다이오드 패키지의 방열 능력을 향상시킬 수 있다. 하우징(101)을 형성할 수 있는 물질들을 상기에 언급하였지만, 하우징(101)은 이에 제한되지 않고 다양한 물질들로 형성할 수 있다.
하우징(101)은 발광 다이오드 칩(102)에서 방출되는 광의 반사를 위하여 경사진 내벽을 포함할 수 있다.
몰딩부(104)는 실리콘(silicone), 에폭시(epoxy), PMMA(polymethyl methacrylate), PE(polyethylene) 및 PS(polystyrene) 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 몰딩부(104)는 필요에 따라 일정한 경도를 가지는 물질로 형성될 수 있으며 상술한 물질로 제한되는 것은 아니다.
몰딩부(104)는 상술한 물질과 제1 및 제2 형광체(105, 106)들의 혼합물을 이용한 사출 공정을 통해 형성할 수 있다. 또한 별도의 주형을 이용하여 제작한 다음, 이를 가압 또는 열처리하여 몰딩부(104)를 형성할 수 있다. 몰딩부(104)는 볼록 렌즈 형태, 평판 형태(미도시) 및 표면에 소정의 요철을 갖는 형태 등 다양한 형상으로 형성할 수 있다. 본 발명에 따른 발광 다이오드 패키지는 볼록 렌즈 형태를 가지는 몰딩부(104)를 개시하였지만, 몰딩부(104)의 형상은 이에 국한되지 않는다.
발광 다이오드 칩(102)은 자외선 발광 다이오드 칩 또는 청색 발광 다이오드 칩일 수 있다. 발광 다이오드 칩(102)이 청색 발광 다이오드 칩인 경우에는, 방출하는 광의 피크 파장은 410 내지 490nm 범위 내에 위치할 수 있다. 발광 다이오드 칩(102)이 방출하는 청색광의 피크 파장의 반치폭(full width at half maximum: FWHM)은 40nm 이하 일 수 있다. 본 발명에 따른 발광 다이오드 패키지는 하나의 발광 다이오드 칩(102)이 배치된 형태를 개시하였지만, 배치되는 발광 다이오드 칩(102)의 개수 및 배치 형태는 이에 제한되지 않는다.
제1 형광체(105)는 발광 다이오드 칩(102)에 여기되어 녹색광을 방출할 수 있다. 제2 형광체(106)는 발광 다이오드 칩(102)에 여기되어 적색광을 방출할 수 있다.
제1 형광체(105)가 방출하는 녹색광의 피크 파장은 520 내지 570nm 범위 내에 위치할 수 있다. 제1 형광체(105)는 35nm이하의 반치폭을 가지는 녹색광을 방출할 수 있다. 제1 형광체(105)는 BAM(Ba-Al-Mg) 계열의 형광체, 양자점(quantum dot) 형광체 및 불화물 계열 형광체에서 선택된 적어도 하나의 형광체를 포함할 수 있다. 상기 불화물 계열 형광체는 A2MF6:Mn4+의 화학식을 가지는 형광체일 수 있다. 상기 화학식에서 A는 Li, Na, K, Rb, Ce 및 NH4 중 하나일 수 있고, M은 Si, Ti, Nb 및 Ta 중 하나일 수 있다. 또한, 상기 불화물 계열 형광체는 AxMyFz:Mn4+ q 의 화학식을 가지는 형광체로 표현될 수 있다. 여기서,0<x≤2.5 및 0<z≤7.0 일 수 있으며, 보다 상세하게는, 1.8≤x≤2.3 및 5.8≤z≤6.9 일 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서, 상기 q는 y에 대하여, 0.02 내지 0.035배의 크기를 가질 수 있다.
상기에 제1 형광체(105)의 종류를 서술하였지만, 본 발명에 따른 제1 형광체(105)의 종류는 이로 인해 제한되는 것은 아니다.
녹색광의 반치폭이 좁을수록 높은 색 순도를 가지는 녹색광을 구현할 수 있다. 반치폭이 35㎚ 이상인 경우에는, 발광하는 광의 색 순도가 낮기 때문에 컬러 텔레비전의 방송 방식으로서 채용되고 있는 NTSC(National Television System Committee) 방식의 규격으로 정해져 있는 전체 색 재현 범위의 85% 이상을 재현하기 어렵다. 따라서, 본 발명에 따른 발광 소자가 방출하는 백색광의 85% 이상의 NTSC 색채 포화도를 구현하기 위해, 상기 제1 형광체는 35㎚ 이하의 반치폭을 가지는 녹색광을 방출한다.
제2 형광체(106)는 발광 다이오드 칩(102)에 의해 여기되어 적색광을 방출할 수 있다. 제2 형광체(106)가 방출하는 적색광의 피크 파장은 610 내지 650㎚ 범위 내에서 위치할 수 있다. 제2 형광체(106)는 양자점(quantum dot) 형광체, 황화물계 형광체 및 불화물 계열 형광체에서 선택된 적어도 하나의 형광체를 포함할 수 있다. 불화물 계열 형광체는 A2MF6:Mn4+의 화학식을 가지는 형광체일 수 있다. 상기 화학식에서 A는 Li, Na, K, Rb, Ce 및 NH4 중 하나일 수 있고, M은 Si, Nb, Ti 및 Ta 중 하나일 수 있다. 또한, 상기 불화물 계열 형광체는 AxMyFz:Mn4+ q 의 화학식을 가지는 형광체로 표현될 수 있다. 여기서,0<x≤2.5 및 0<z≤7.0 일 수 있으며, 보다 상세하게는, 1.8≤x≤2.3 및 5.8≤z≤6.9 일 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서, 상기 q는 y에 대하여, 0.02 내지 0.035배의 크기를 가질 수 있다.
제2 형광체(106)는 좁은 반치폭을 가지는 적색광을 방출할 수 있다. 구체적으로, 양자점 형광체의 경우에는 30 내지 40㎚의 반치폭을, 황화물계 형광체인 경우에는 65㎚ 이하의 반치폭을, 불화물 계열 형광체의 경우에는 20㎚ 이하의 반치폭을 가지는 적색광을 방출할 수 있다. 즉, 제2 형광체(106)가 불화물 계열 형광체인 경우에, 가장 좁은 반치폭을 가지는 적색광을 방출할 수 있다.
이하, 제1 형광체 및/또는 제2 형광체(105, 106)이 불화물 계열 형광체인 경우에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 불화물 계열 형광체는 상술한 바와 마찬가지로 망간(Mn)을 활성 이온으로 포함할 수 있다. 상기 불화물 계열 형광체에 있어서, 망간의 몰수가 증가될수록, 형광체가 방출하는 광의 광량이 증가될 수 있다. 그러나, 망간의 몰수가 증가함에 따라, 망간이 산화되어 산화 망간을 형성하므로, 형광체의 신뢰성이 저하되고, 결과적으로 발광 다이오드 패키지의 전체 신뢰성이 저하될 수 있다.
따라서, 상기 A2MF6:Mn4+ 화학식에 있어서, Mn4+는 M에 대하여, 0.02 내지 0.035배의 몰수 범위 내의 몰수를 가질 수 있다. Mn4+가 M에 대하여, 0.02배 미만의 몰수를 가지는 경우에는, 본 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지가 충분한 광량을 방출하기 어렵다. Mn4+가 M에 대하여, 0.035배 초과의 몰수를 가지는 경우에는, 상기 불화물 계열 형광체의 신뢰성을 확보하기 어려우므로, 본 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지의 신뢰성 역시 문제될 수 있다.
또한, 상기 불화물계열 형광체의 Mn4+가 상술한 몰수 범위 내의 몰수를 가지는 경우에는, 본 발명에 따른 발광 다이오드 패키지는 광량 변화를 최소화할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 발광 다이오드 패키지는 상기 몰수 범위 내의 Mn4+ 몰수를 가지는 경우에, 방출하는 백색광의 광량의 변화는 5% 이내일 수 있다.
또한, 상기 백색광의 CIE 색도도 상의 일 지점을 형성하는 x,y 색좌표, 역시 최소한의 변화를 나타낼 수 있다. 구체적으로, x 색좌표는 0.25 내지 0.32일 수 있으며, y 색좌표는 0.22 내지 0.32일 수 있다. 보다 구체적으로, x 색좌표는 0.258 내지 0.265일 수 있으며, y 색좌표는 0.225 내지 0.238일 수 있다.
또한, 상기 몰수의 범위 내에서 본 발명에 따른 백색광의 발광 강도의 변화율 역시 최소한의 변화율일 수 있다. 구체적으로, 상기 백색광의 발광 강도의 변화율은 5% 이내일 수 있다.
이하에서, 실험예들을 통하여, 상기 불화물계 형광체를 포함하는 본 발명에 따른 발광 다이오드 패키지를 설명한다.
[실험예 1]
제1 불화물계 형광체, 제2 불화물계 형광체, 제3 불화물계 형광체를 준비한다. 여기서, 제1 불화물계 형광체는 K2.230Si0.968F6.870:Mn4+ 0.032 화학식으로 표현된다. 제1 불화물계 형광체의 Mn4+ 의 몰수는 Si에 대하여 대략 0.033배이다. 제2 불화물계 형광체의 Mn4+ 의 몰수는 Si에 대하여 대략 0.025배이다. 제3 불화물계 형광체의 Mn4+ 의 몰수는 Si에 대하여 대략 0.020배이다. 여기서, Si의 몰수과 Mn 몰수의 합은 1을 유지할 수 있다.
상기 불화물계 형광체들을 각각 포함하는 발광 다이오드 패키지의 백색광의 광속의 변화, 광도의 변화 및 색좌표의 변화 등을 측정하였다. 본 실험예에서 불화물계 형광체들은 적색 형광체로 사용되었으며, 녹색 형광체로는 BAM 계열 형광체 및 양자점 형광체 중 하나를 사용하였으며, BAM 계열 형광체는 BaMgAl10O17:Eu를, 양자점 형광체는 CdSe를 사용하였다. 또한, 발광 다이오드 칩이 방출하는 여기광은 450nm 내지 460nm의 파장 범위를 사용하였다.
광속(luminous flux)의 변화를 측정한 결과, 제1 불화물계 형광체를 포함하는 발광 다이오드 패키지(이하, 제1 패키지)의 백색광은 74.5 lm, 제2 불화물계 형광체를 포함하는 발광 다이오드 패키지(이하, 제2 패키지)의 백색광은 73.2 lm, 제3 불화물계 형광체를 포함하는 발광 다이오드 패키지(이하, 제3 패키지)의 백색광은 72.7 lm의 광속을 나타냄이 측정되었다. 즉, 광속은 Mn4+의 변화에 따라, 대략 2.5%의 변화를 보임을 알 수 있다.
광도(luminous intensity)의 변화를 측정한 결과, 제1 패키지의 백색광은 23223 mcd, 제2 패키지의 백색광은 22640 mcd, 제3 패키지의 백색광은 22491 mcd의 광도를 나타냄이 측정되었다. 즉, 광도는 Mn4+의 변화에 따라, 대략 3.2%의 변화를 보임을 알 수 있다.
색좌표(CIE)의 변화를 측정한 결과, 제1 패키지의 백색광의 x 좌표는 0.264, y 좌표는 0.236을 나타내고, 제23 패키지의 백색광의 x 좌표는 0.264, y 좌표는 0.235을 나타내고, 제3 패키지의 백색광의 x 좌표는 0.264, y 좌표는 0.232을 나타냄이 측정되었다. 즉, 색좌표는 Mn4+의 변화에 미세한 변화를 보임을 알 수 있다.
또한, 백색광이 포함하는 적색광의 피크 파장의 강도(PL intensity)를 1로 두고 비교하면, 제1 패키지의 녹색광의 강도는 0.34이고, 제2 패키지의 녹색광의 강도는 0.27이고, 제3 패키지의 녹색광의 강도는 0.22임을 측정할 수 있었다.
한편, 패키지들 각각에 대하여, 광도의 1000 시간 신뢰성 테스트를 진행하였다. 패키지들의 온도는 85℃ 이고, 전류는 120mA이었다.
최초의 광도에 대해여, 1000시간 후에, 제1 패키지는 9.5%, 제2 패키지는 9.6%, 제3 패키지는 8.8%의 광도의 감소를 보였다. 또한, 최초의 CIE 좌표에 대하여, 제1 패키지의 x 좌표는 -0.013, y 좌표는 -0.007 변화를 보였고, 제2 패키지의 x 좌표는 -0.014, y 좌표는 -0.006 변화를 보였고, 제3 패키지의 x 좌표는 -0.014, y 좌표는 -0.007 변화를 보였다.
즉, 본 실험예에 따른 발광 다이오드 패키지는 모두 10% 이내의 광도의 감소를 보임과 동시에, 미세한 색좌표의 변화를 보였다. 발광 다이오드 패키지가 10% 이상의 광도의 감소를 보이고, 색좌표의 변화가 큰 경우에는, 발광 다이오드 패키지는 사용목적에 부합되어 사용되기 어렵다. 따라서, 본 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지는 장시간 사용에도 높은 신뢰성을 확보할 수 있다.
또한, 패키지들의 온도는 60℃ 이고, 상대습도는 90%, 전류는 120 mA인 상태에서, 광도에 대한 1000 시간 신뢰성 테스트를 추가적으로 진행하였다.
이 경우에, 최초의 광도에 대해여, 제1 패키지는 4.2%, 제2 패키지는 2.6%, 제3 패키지는 3.3%의 광도의 감소를 보였다. 또한, 최초의 CIE 좌표에 대하여, 제1 패키지의 x 좌표는 -0.006, y 좌표는 -0.006 변화를 보였고, 제2 패키지의 x 좌표는 -0.007, y 좌표는 -0.004 변화를 보였고, 제3 패키지의 x 좌표는 -0.008, y 좌표는 -0.005 변화를 보였다. 즉, 본 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지는 고습환경에 장시간 노출된 경우에, 5% 이하의 광도의 감소를 보임과 동시에, 미세한 색좌표의 변화를 보이므로, 높은 신뢰성을 확보할 수 있다.
[실험예 2]
제4 불화물계 형광체, 제5 불화물계 형광체, 제6 불화물계 형광체를 준비한다. 여기서, 제4 불화물계 형광체는 K2.130Si0.970F6.790:Mn4+ 0.030 화학식으로 표현된다. 제4 불화물계 형광체의 Mn4+ 의 몰수는 Si에 대하여 대략 0.031배이다. 제5 불화물계 형광체의 Mn4+ 의 몰수는 Si에 대하여 대략 0.025배이다. 제6 불화물계 형광체의 Mn4+ 의 몰수는 Si에 대하여 대략 0.020배이다. 여기서, Si의 몰수과 Mn 몰수의 합은 1을 유지할 수 있다.
상기 불화물계 형광체들을 각각 포함하는 발광 다이오드 패키지의 백색광의 광속의 변화, 광도의 변화 및 색좌표의 변화 등을 측정하였다. 본 실험예에서 불화물계 형광체들은 적색 형광체로 사용되었으며, 녹색 형광체로는 BAM 계열 형광체 및 양자점 형광체 중 하나를 사용하였으며, BAM 계열 형광체는 BaMgAl10O17:Eu를, 양자점 형광체는 CdSe를 사용하였다. 또한, 발광 다이오드 칩이 방출하는 여기광은 450nm 내지 460nm의 파장 범위를 사용하였다.
광속(luminous flux)의 변화를 측정한 결과, 제4 불화물계 형광체를 포함하는 발광 다이오드 패키지(이하, 제4 패키지)의 백색광은 74.4 lm, 제5 불화물계 형광체를 포함하는 발광 다이오드 패키지(이하, 제5 패키지)의 백색광은 73.2 lm, 제6 불화물계 형광체를 포함하는 발광 다이오드 패키지(이하, 제6 패키지)의 백색광은 72.8 lm의 광속을 나타냄이 측정되었다. 즉, 광속은 Mn4+의 변화에 따라, 대략 2.5%의 변화를 보임을 알 수 있다.
광도(luminous intensity)의 변화를 측정한 결과, 제4 패키지의 백색광은 23540 mcd, 제5 패키지의 백색광은 22719 mcd, 제6 패키지의 백색광은 23360 mcd의 광도를 나타냄이 측정되었다. 즉, 광도는 Mn4+의 변화에 따라, 대략 3.5%의 변화를 보임을 알 수 있다.
색좌표(CIE)의 변화를 측정한 결과, 제4 패키지의 백색광의 x 좌표는 0.264, y 좌표는 0.237을 나타내고, 제5 패키지의 백색광의 x 좌표는 0.264, y 좌표는 0.235을 나타내고, 제6 패키지의 백색광의 x 좌표는 0.264, y 좌표는 0.234을 나타냄이 측정되었다. 즉, 색좌표는 Mn4+의 변화에 상관없이 거의 일정한 좌표를 보임을 알 수 있다.
또한, 백색광이 포함하는 적색광의 피크 파장의 강도(PL intensity)가 1로 두고 비교면, 제4 패키지의 녹색광의 강도는 0.32이고, 제5 패키지의 녹색광의 강도는 0.27이고, 제6 패키지의 녹색광의 강도는 0.22임을 측정할 수 있었다.
한편, 패키지들 각각에 대하여, 광도의 1000 시간 신뢰성 테스트를 진행하였다. 패키지들의 온도는 85℃ 이고, 전류는 120mA이었다.
최초의 광도에 대해여, 1000시간 후에, 제4 패키지는 8.5%, 제5 패키지는 9.4%, 제6 패키지는 9.7%의 광도의 감소를 보였다. 또한, 최초의 CIE 좌표에 대하여, 제4 패키지의 x 좌표는 -0.013, y 좌표는 -0.007 변화를 보였고, 제5 패키지의 x 좌표는 -0.013, y 좌표는 -0.007 변화를 보였고, 제6 패키지의 x 좌표는 -0.012, y 좌표는 -0.007 변화를 보였다.
즉, 본 실험예에 따른 발광 다이오드 패키지는 모두 10% 미만의 광도의 감소를 보임과 동시에, 미세한 색좌표의 변화를 보였다. 발광 다이오드 패키지가 10% 이상의 광도의 감소를 보이고, 색좌표의 변화가 큰 경우에는, 발광 다이오드 패키지는 사용목적에 부합되어 사용되기 어렵다. 따라서, 본 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지는 종래기술과 비교하여, 장시간 사용에도 상대적으로 높은 신뢰성을 확보할 수 있다.
또한, 패키지들의 온도는 60℃ 이고, 상대습도는 90%, 전류는 120 mA인 상태에서, 광도에 대한 1000 시간 신뢰성 테스트를 추가적으로 진행하였다.
이 경우에, 최초의 광도에 대해여, 제4 패키지는 2.1%, 제5 패키지는 1.9%, 제6 패키지는 2.2%의 광도의 감소를 보였다. 또한, 최초의 CIE 좌표에 대하여, 제4 패키지의 x 좌표는 -0.007, y 좌표는 -0.004 변화를 보였고, 제5 패키지의 x 좌표는 -0.007, y 좌표는 -0.004 변화를 보였고, 제6 패키지의 x 좌표는 -0.006, y 좌표는 -0.005 변화를 보였다. 즉, 본 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지는 고습환경에 장시간 노출된 경우에, 3% 이하의 광도의 감소를 보임과 동시에, 미세한 색좌표의 변화를 보이므로, 종래기술과 비교하여 상대적으로 높은 신뢰성을 확보할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 불화물 계열 형광체는 일정 범위를 가지는 망간(Mn) 활성 이온을 포함함으로써, 충분한 광량을 가짐과 동시에, 신뢰성이 향상될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 발광 다이오드 패키지 역시 충분한 광량과 높은 신뢰성을 확보할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지를 나타내는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 발광 다이오드 패키지는 하우징(101), 발광 다이오드 칩(102), 몰딩부(104), 제1 형광체(105), 제2 형광체(106) 및 버퍼부(109)를 포함한다. 본 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지는 버퍼부(109)를 제외하면, 상기 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지와 대체로 유사하며, 따라서 중복되는 설명은 생략한다.
버퍼부(109)는 발광 다이오드 칩(102)과 몰딩부(104) 사이에 배치될 수 있다. 버퍼부는 silicone, epoxy, PMMA(polymethyl methacrylate), PE(polyethylene) 및 PS(polystyrene) 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 버퍼부(109)의 경도는 몰딩부(104)보다 작을 수 있다. 버퍼부(109)을 이용하여, 발광 다이오드 칩(102)에서 발생하는 열로 인한 몰딩부(104)의 열적 스트레스를 방지할 수 있다. 본 실시예에 따른 버퍼부(109)는 발광 다이오드 칩(102) 주변 영역에 배치된 경우를 개시하였지만, 버퍼부(109)는 하우징(101)의 좌측벽과 우측벽 모두와 접하도록 넓은 영역에 배치될 수 도 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지를 나타내는 단면도이다. 도 3을 참조하면, 발광 다이오드 패키지는 하우징(101), 발광 다이오드 칩(102), 몰딩부(104), 제1 형광체(105), 제2 형광체(106), 리플렉터(111) 및 베리어 리플렉터(112)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지는 리플렉터(111) 및 베리어 리플렉터(112)를 제외하면, 상기 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지와 대체로 유사하며, 따라서 중복되는 설명은 생략한다.
리플렉터(111)는 발광 다이오드 칩(102)과 이격되어 측면에 배치될 수 있다. 리플렉터(111)는 발광 다이오드 칩(102), 제1 및 2 형광체(105, 106)에서 방출되는 광의 반사를 극대화하여 발광 효율을 증대시킬 수 있다. 리플렉터(111)는 반사 코팅 필름 및 반사 코팅 물질층 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 리플렉터(111)는 내열성 및 내광성이 우수한 무기 재료, 유기 재료, 금속 재료 및 금속 산화물 재료 중에서 적어도 하나로 형성될 수 있다. 일례로, 리플렉터(111)는 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 이산화 티타늄(TiO2) 등과 같이 높은 반사율을 가지는 금속 또는 금속 산화물을 포함하여 구성될 수 있다. 리플렉터(111)는 하우징(101) 상에 금속 또는 금속 산화물을 증착 또는 코팅하여 형성할 수 있으며, 금속 잉크를 인쇄하여 형성할 수도 있다. 또한, 리플렉터(111)는 하우징(101) 상에 반사 필름 또는 반사 시트(sheet)를 접착하여 형성할 수도 있다.
베리어 리플렉터(112)는 리플렉터(111)를 덮을 수 있다. 베리어 리플렉터(112)는 발광 다이오드 칩(102)에서 방출되는 열로 인한 리플렉터(111)의 열화 등을 방지할 수 있다. 베리어 리플렉터(112)는 내광성 및 반사율이 높은 무기 재료 또는 금속 재료로 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지를 나타내는 단면도이다. 도 4를 참조하면, 발광 소자는 하우징(101), 발광 다이오드 칩(102), 몰딩부(104), 제1 형광체(105) 및 제2 형광체(106)를 포함하고, 몰딩부(104)는 제1 몰딩부(104b) 및 제2 몰딩부(104a)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지는 제1 몰딩부(104b) 및 제2 몰딩부(104a)를 제외하면, 상기 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지와 대체로 유사하며, 따라서 중복되는 설명은 생략한다.
제1 몰딩부(104b)는 발광 다이오드 칩(102)을 덮을 수 있다. 제2 몰딩부(104a)는 제1 몰딩부(104b)를 덮을 수 있다. 제1 몰딩부(104b)는 제2 몰딩부(104a)와 동일한 경도를 가지는 물질로 형성되거나, 다른 경도를 가지는 물질로 형성될 수 있다. 제1 몰딩부(104b)의 경도는 제2 몰딩부(104a)보다 낮을 수 있고, 이 경우, 상술한 실시예의 버퍼부(109)와 동일하게, 발광 다이오드 칩(102)에 인한 열 스트레스를 완화할 수 있다.
제1 몰딩부(104b)는 적색광을 방출하는 제2 형광체(106)를 함유할 수 있다. 제2 몰딩부(104a)는 녹색광을 방출하는 제1 형광체(105)를 함유할 수 있다. 장파장을 방출하는 형광체들을 하부에 배치하고, 단파장을 방출하는 형광체들을 상부에 배치하여, 제1 형광체(105)에서 발광된 녹색광이 제2 형광체(106)에 다시 흡수되어 손실되는 것을 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지를 나타내는 단면도이다. 도 5를 참조하면, 발광 다이오드 패키지는 하우징(101), 발광 다이오드 칩(102), 몰딩부(104), 제1 형광체(105), 제2 형광체(106) 및 형광체 플레이트(118)를 포함한다. 본 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지는 형광체 플레이트(118)를 제외하면, 상기 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지와 대체로 유사하며, 따라서 중복되는 설명은 생략한다.
형광체 플레이트(118)는 발광 다이오드 칩(102)과 이격되어 몰딩부(104) 상부에 배치되고, 제1 및 제2 형광체(105, 106)들을 포함할 수 있다. 상기 형광체 플레이트(118)은 본 발명의 일 실시예에 따른 몰딩부(104)와 동일한 물질 또는 높은 경도를 가지는 물질로 형성될 수 있다.
제1 및 제2 형광체(105, 106)들이 발광 다이오드 칩(102)와 이격되어 배치되기 때문에, 제1 및 제2 형광체(105, 106)들 및 형광체 플레이트(118)의 열 또는 광에 의한 손상을 줄일 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 형광체(105, 106)들의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
형광체 플레이트(118)와 발광 다이오드 칩(102) 사이에는 몰딩부(104) 대신에 빈공간이 형성될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
101: 하우징
102: 발광 다이오드 칩
104: 몰딩부
104a: 제1 몰딩부
104b: 제2 몰딩부
105: 제1 형광체
106: 제2 형광체
109: 버퍼부
111: 리플렉터
112: 베리어 리플렉터
118: 형광체 플레이트

Claims (7)

  1. 디스플레이에서 백라이트 유닛으로 사용되는 발광 다이오드 패키지로서,
    하우징;
    상기 하우징에 배치되는 적어도 하나의 발광 다이오드 칩;
    상기 적어도 하나의 발광 다이오드 칩에 의해 여기되어 녹색광을 방출하는 제1 형광체; 및
    상기 적어도 하나의 발광 다이오드 칩에 의해 여기되어 적색광을 방출하는 제2 형광체 및 제3 형광체를 포함하되,
    상기 제2 형광체는 A2MF6: Mn4+의 화학식을 가지는 형광체이고, 상기 A는 Li, Na, K, Ba, Rb, Cs, Mg, Ca, Se 및 Zn 중 하나이고, M은 Ti, Si, Zr, Sn 및 Ge 중 하나이며,
    상기 제3 형광체는 질화물계 형광체이되,
    상기 제2 형광체 및 상기 제3 형광체 각각의 적색광은 서로 다른 피크 파장을 가지고,
    상기 적어도 하나의 발광 다이오드 칩, 상기 제1 형광체, 상기 제2 형광체 및 상기 제3 형광체에서 방출되는 광의 합성에 의해 백색광이 형성되고,
    상기 백색광은 CIE 색도도 상의 영역 내에 있는 지점을 형성하는 x 및 y 색좌표를 가지며,
    상기 x 색좌표는 0.25 내지 0.35이고, 상기 y 색좌표는 0.22 내지 0.32인 발광 다이오드 패키지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 형광체의 녹색광의 피크 파장은 500 내지 570nm 범위 내에 위치하고,
    상기 제2 형광체의 적색광의 피크 파장은 610 내지 650nm 범위 내에 위치하며,
    상기 제3 형광체의 적색광의 피크 파장은 600 내지 670nm 범위 내에 위치하는 발광 다이오드 패키지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 형광체는 MSiN2, MSiON2 및 M2Si5N8 화학식으로 표현되는 형광체들 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 M은 Ca, Sr, Ba, Zn, Mg 및 Eu 중 하나인 발광다이오드 패키지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 형광체는 상기 제3 형광체보다 작은 반치폭(FWMH)을 가지는 발광 다이오드 패키지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 형광체는 BAM(Ba-Al-Mg) 계열의 형광체, 양자점(quantum dot) 형광체, 실리케이트(Silicate) 계열, 베타-사이알론(beta-SiAlON) 계열, 가넷(Garnet)계열, LSN 계열 형광체 중 적어도 하나인 발광 다이오드 패키지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 발광 다이오드 칩은 청색 발광 다이오드 칩 및 자외선 발광 다이오드 칩 중 적어도 하나를 포함하는 발광 다이오드 패키지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 백색광은 85% 이상의 NTSC(national television system committee) 색채 포화도를 가지는 발광 다이오드 패키지.
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