WO2009145500A2 - 광 여기 발광장치와 그 제조방법, 및 이를 이용한 백색 광원 - Google Patents

광 여기 발광장치와 그 제조방법, 및 이를 이용한 백색 광원 Download PDF

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조병광
강지영
소윤미
최송이
양성철
김병규
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Definitions

  • the present invention relates to a photo-excited light emitting device and a method of manufacturing the same, and a white light source using the same, and in particular, by electrospinning a photo-excited light emitting material such as a phosphor mixed with a transparent polymer to radiate onto a medium or a light emitting device or to form a web
  • the present invention relates to an optical excitation light emitting device and a method of manufacturing the same, and a white light source using the same, which can achieve high efficiency, high brightness, and large size by directly radiating light, thereby increasing light transmittance and density of photoexcitation light emitting material.
  • An inorganic light emitting diode (LED) and an organic light emitting diode (OLED) may be used as the light source.
  • LED inorganic light emitting diodes
  • OLED organic light emitting diode
  • gallium nitride (GaN) blue LEDs coated with phosphors emitting white light are used a lot, but are generally used as point light sources rather than surface light sources.
  • OLED organic light emitting diode
  • a light source consisting of a blue organic light emitting diode and two subpixels composed of green and red fluorescent materials has been proposed in US Pat. No. 5,294,870.
  • the organic light emitting diode is formed by using a subpixel that transmits blue light emitted from the blue organic light emitting diode and two subpixels composed of green and red fluorescent materials which cause color conversion by using blue emission of the blue organic light emitting diode. It emits green and red.
  • an organic light emitting diode including three light emitting layers emitting blue, green, and red light, and emitting white light using three light emitting layers
  • OLED organic light emitting diode
  • the proposed organic light emitting device has a problem that the three light emitting layers are differently deteriorated with time change, and the color changes with time, and the light emitted is not uniform.
  • a light source for solving the problems of the organic light emitting device has been proposed in US Pat. No. 6,700,322, which is capable of producing a uniform light and has an organic light emitting device having a first wavelength so as not to change color with time.
  • a light source including an inorganic fluorescence excitation light emitting layer that absorbs a portion of light emitted from the organic light emitting device and emits a second wavelength is proposed.
  • the photoexcitation light emitting layer includes a diffusion material and an inorganic phosphor, absorbs a portion of the light emitted by the organic light emitting device having the first wavelength to emit light of a second wavelength, and emits light of the organic light emitting device. It serves to transmit the rest of the. In other words, the emitted light of the organic light emitting device having the first wavelength is mixed with the light emitted from the photoexcited emission layer to emit light of a new wavelength.
  • Korean Patent Publication No. 2006-0060171 discloses a microcavity organic light emitting device having one or more wavelengths and a part of the emitted light of the microcavity organic light emitting device in constructing a light source to estimate a problem in which the efficiency of the organic light emitting device is inferior.
  • a light source comprising a photoexcitation light emitting layer that absorbs light to emit light having a different wavelength and transmits the remaining portion of the light emitted by the microcavity organic light emitting device.
  • the photoexcitation light emitting layer is composed of a photoexcitation light emitting material for exciting and amplifying light, a diffusion material for scattering and diffusing light, and a thermoplastic sheet for uniformly distributing the photoexcitation light emitting material and the diffusion material.
  • thermoplastic sheet is manufactured in a molten state
  • a photoexcited light emitting material, a diffusing material, a precipitation inhibitor, an antifoaming agent, a binder, and the like are uniformly mixed in the thermoplastic sheet, and then uniformly mixed to prepare a film.
  • the photoexcited light emitting layer includes a thermoplastic sheet (epoxy resin), a diffusing material, a precipitation inhibitor, an antifoaming agent, a binder, and the like, in addition to the light emitting material, thereby preventing light generated from the light emitting device. It is not directly emitted to the light emitting material, and as a result there is a problem that the light transmittance and luminous efficiency is lowered.
  • the light source is made through a semiconductor manufacturing process, there is a problem that the manufacturing cost is high as a white light source for illumination that is directed to a large surface light source of high output and high brightness.
  • Korean Patent Laid-Open Publication No. 2005-87444 discloses an organic light emitting device manufactured by a blue emitting transparent substrate provided as a first layer, and absorbs some blue light energy passing through the transparent substrate, and one or more other components of a white light source.
  • a planar white light-emitting device comprising an excitation coating layer which is provided as a second layer for generating index rust, yellow, orange and red color.
  • the planar white light emitting device constitutes white light, and the blue used as the excitation circle is recognized by being partially generated by the blue organic light emitting device as the first layer and partially passing through the transparent excitation coating layer as the second layer.
  • the other white light constituent colors are recognized and generated by excitation by light energy transfer of an inorganic phosphor, an organic dye, an organic pigment, a nano metal, a nano composite material, etc., which are applied in an excitation layer from a blue light source by an organic light emitting element.
  • planar white light emitting device also has a problem that the manufacturing cost is high as a white light source for illumination that is directed to a large surface light source of high output and high brightness because it is made through a semiconductor manufacturing process.
  • conventional surface phosphors are prepared by mixing a phosphor with a binder to prepare a slurry and then applying the same on a medium, and a medium having a larger wire diameter than the phosphor particle size (for example, nonwoven fabric, glass, and silicon sheet). There is a way to produce by spinning.
  • the line diameter of the used medium is 20 to 30 ⁇ m, and light is blocked by using a medium having a diameter larger than the size of the phosphor particle. There is a problem that the efficiency is lowered.
  • the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, the object of which is an optical excitation light emitting device having a high efficiency, high brightness characteristics by increasing the light transmittance and the density of the optical excitation light emitting material, and a manufacturing method thereof, and It is to provide a white light source using the same.
  • Another object of the present invention is to provide a photoexcited light emitting device, a method of manufacturing the same, and a white light source using the same, which can be easily enlarged and mass produced at a relatively low cost.
  • the present invention provides a photoexcitation light emitting device having an enhanced reflectance capable of increasing phosphor density and achieving high efficiency and high brightness, a method of manufacturing the same, and a white light source using the same.
  • Another object of the present invention is the electrospinning method to emit light excitation light emitting materials such as phosphors and white inorganic pigments having good reflectance with a transparent polymer directly on the filter medium or the light emitting device or in the form of a film to facilitate large size and low-cost mass production
  • the present invention provides an optically excited light emitting device having an enhanced reflectance and a method of manufacturing the same.
  • a photoexcited light emitting device comprising a light emitting layer obtained by spinning a solution obtained by dissolving a photoexcited light emitting material and a transparent polymer in a solvent by an electrospinning method.
  • a photoexcited light emitting device comprising a fibrous or film-like light emitting layer obtained by spinning a solution obtained by dissolving a photoexcited light emitting material, a white inorganic pigment, and a transparent polymer in a solvent by an electrospinning method. do.
  • the media ; And a light emitting layer obtained by radiating a solution obtained by dissolving a photoexcited light emitting material and a transparent polymer in a solvent to the media by an electrospinning method.
  • the media ; And a light emitting layer obtained by spinning a solution obtained by dissolving a photoexcited light emitting material, a white inorganic pigment, and a transparent polymer in a solvent on the media by an electrospinning method.
  • a light emitting device for emitting light having one or more wavelengths;
  • a white light source including a light emitting layer obtained by directly radiating a solution obtained by dissolving a photoexcited light emitting material and a transparent polymer in a solvent to the surface of the light emitting device by an electrospinning method.
  • a light emitting device for emitting light having one or more wavelengths;
  • a white light source comprising a light emitting layer obtained by directly radiating a solution obtained by dissolving a photoexcited light emitting material, a white inorganic pigment, and a transparent polymer in a solvent to the surface of the light emitting device by an electrospinning method.
  • a light emitting device for emitting light having one or more wavelengths;
  • a white light source comprising a filter medium and a photoexcited light emitting device comprising a light emitting layer obtained by dissolving a solution obtained by dissolving a photoexcited light emitting material and a transparent polymer in a solvent by the electrospinning method.
  • a light emitting device which emits light having one or more wavelengths;
  • a white light source including a light excitation light emitting device comprising a filter medium and a light emitting layer obtained by dissolving a solution obtained by dissolving a photoexcited light emitting material, a white inorganic pigment, and a transparent polymer in a solvent by an electrospinning method.
  • a photoexcitation light emitting material comprising the steps of dissolving a photoexcited light emitting material and a transparent polymer in a solvent to prepare a solution, and emitting the solution on a medium by an electrospinning method to obtain a light emitting layer.
  • a method for preparing a spinning solution by dissolving a photoexcited luminescent material, the white inorganic pigment and a transparent polymer in a solvent; And radiating the solution onto the media by an electrospinning method to obtain a light emitting layer.
  • the present invention provides a high efficiency, high brightness, and large size by increasing the light transmittance and the density of the photo-excited light emitting material by radiating the photo-excited light emitting material with a transparent polymer on the filter medium or the light emitting device directly or in the form of a web by an electrospinning method
  • an optically excited light emitting device a method of manufacturing the same, and a white light source using the same.
  • the present invention is an electrospinning method to emit light excitation light emitting materials such as phosphors and white inorganic pigments having good reflectance with a transparent polymer on the filter medium or the light emitting device or in the form of a web to increase the light transmission efficiency and maximize the reflectance, phosphors
  • a transparent polymer on the filter medium or the light emitting device or in the form of a web to increase the light transmission efficiency and maximize the reflectance
  • phosphors Provided are an optical excitation light emitting device capable of achieving high density, high brightness, and large size, a manufacturing method thereof, and a white light source using the same.
  • 1 to 3 are schematic cross-sectional views showing the structure of a white light source according to the first to third embodiments of the present invention, respectively;
  • FIGS. 4 and 5 are schematic cross-sectional views showing the structure of the photoexcited light emitting devices according to the fourth and fifth embodiments of the present invention, respectively;
  • FIG. 6 is an enlarged SEM photograph showing that only PMMA, which is a conductive polymer, is radiated by an electrospinning method without including a phosphor;
  • FIG. 7 is an SEM image showing an enlarged image of PMMA, which is a conductive polymer, with a phosphor in a film form by an electrospinning method;
  • 10 and 11 are SEM images showing an enlarged photoexcitation light emitter electrospun with a white inorganic pigment according to the present invention.
  • FIGS. 4 and 5 are photo-excited light emission according to the fourth and fifth embodiments of the present invention, respectively. It is a schematic sectional drawing which shows the structure of an apparatus.
  • the light source 1 includes a light emitting device 10 that emits light having one or more wavelengths, and light emitted from the light emitting device 10. It is composed of a photo-excited light emitting device 20 that is mixed with the light emitted from the light emitting layer 14 when it is incident to emit light of a new wavelength.
  • the light emitting device 10 is a light emitting device for generating light having a blue wavelength or a wavelength in which at least one of a blue wavelength and a wavelength other than blue is mixed.
  • a blue LED is used.
  • the photoexcited light emitting device 20 may emit light of a white wavelength by, for example, light emitted from a light emitting device having one or more wavelengths mixed with light emitted from the light emitting layer 14 of the photoexcited light emitting device. .
  • the light emitting layer 14 is made of a photoexcitation light emitting material, and the photoexcitation light emitting material may be an inorganic or organic phosphor, an organic pigment, or a nanomaterial.
  • nano-sized metals or nanocomposites are used as materials such as quantum dots of nano metals and composite materials. Platinum, gold, silver, nickel, magnesium, palladium, etc. are used as nano metals.
  • the nanocomposites are cadmium sulfide (CdS), cadmium selenide (CdSe), zinc sulfide (ZnS), zinc selenide (ZnSe), indium phosphite (InP), titanium oxide (TiO2), zinc oxide (ZnO) ), Tin oxide (SnO), silicon oxide (SiO 2), magnesium oxide (MgO) and the like.
  • a blue LED for generating light having a blue wavelength is used as the light emitting element 10 so that the light source 1 generates white light, and a yellow phosphor or the light emitting layer 14 of the photoexcited light emitting device 20 is used.
  • quantum dots An example in which quantum dots are included will be described.
  • the light source 1 according to the first embodiment shown in FIG. 1 has a structure in which the light emitting element 10 and the photoexcited light emitting device 20 are separated, and the photoexcited light emitting device 20 has a slide glass having good transparency. Yellow phosphors or quantum dots on a plate-shaped media 12 made of slide glass, polycarbonate (PC) or polymethyl methacrylate (PMMA), for example electrospinning together with PMMA, a transparent conductive polymer
  • the light emitting layer 14 is formed by spinning by the method.
  • the light source 1 of the first embodiment serves as a surface light emitting body, and when light of blue wavelength is generated from the light emitting element 10 and irradiated to the light emitting layer 14 of the photoexcited light emitting device 20, the filter medium 12 White light is obtained from the back side of the).
  • the light source 1a has a structure in which the light emitting element 10 and the photoexcited light emitting device are separated, and the photoexcited light emitting device does not use a medium and has a yellow phosphor or a quantum dot (
  • the light emitting layer 14 is formed by emitting a quantum dot) in a web or film form with an electrospinning method together with PMMA, which is a transparent conductive polymer.
  • the light source 1a of the second embodiment serves as a surface light emitting body, and when light of blue wavelength is generated from the light emitting element 10 and irradiated to the light emitting layer 14 serving as a photo-excited light emitting device, white light is obtained therefrom. do.
  • FIG. 6 is a SEM photograph showing that only a conductive polymer PMMA is radiated by electrospinning without a phosphor and obtained in a film form.
  • FIG. 7 is a film obtained by electrospinning a conductive polymer PMMA in a DMAC solvent together with a phosphor. It is the SEM photograph which expanded and showed what was radiated in shape.
  • the light emitting layer 14 is formed in such a film shape, it is highly flexible and can be utilized in various ways.
  • a blue LED for generating light having a blue wavelength is used as the light emitting element 10 so that the light source 1 generates white light, and yellow (yellow) as the light emitting layer 14 of the photoexcited light emitting device 20. It is also possible to include a phosphor or a quantum dot (white inorganic pigment) with good reflectance.
  • the light source 1 according to the first embodiment shown in FIG. 1 has a structure in which the light emitting element 10 and the photoexcited light emitting device 20 are separated, and the photoexcited light emitting device 20 has a good transparency.
  • a yellow phosphor or a quantum dot and a white inorganic pigment having good reflectance may be formed on a plate-shaped media 12 made of glass, polycarbonate (PC), or polymethyl methacrylate (PMMA).
  • the light emitting layer 14 is formed by electrospinning with PMMA which is a transparent conductive polymer.
  • the polymer may be a transparent polymer such as PMMA or PC, and the phosphor may be a yellow phosphor, a quantum dot, and the like, and the white inorganic pigment may have high reflectivity, TiO 2 , ZnO, lithopone (ZnS). At least one of + BaSO 4 ), ZnS, and BaSO 4 may be used.
  • any one of DMF, DMAC, THF, acetone, and methanol may be used as a solvent for dissolving the polymer.
  • the light source 1 of the first embodiment serves as a surface light emitting body, and when light of blue wavelength is generated from the light emitting element 10 and irradiated to the light emitting layer 14 of the photoexcited light emitting device 20, White light is obtained from the back side.
  • the light emitting layer 14 includes a white inorganic pigment having a good reflectance, when blue light is emitted from the light emitting element 10 and irradiated with light, the reflection by the white inorganic pigment is reinforced to increase the reflectance.
  • the polymer that acts as an adhesive during the electrospinning of the phosphor is in the form of a nanofiber of 5 ⁇ 1000nm, the phosphor particles are 3 ⁇ 10 ⁇ m size, the white inorganic pigment particles for reflectance enhancement depending on the type of pigment The size is different and the spherical shape of about 5nm ⁇ 10 ⁇ m can increase the light transmission efficiency and increase the density of the phosphor, the reflectance is increased by the reflecting material.
  • the light source 1b has a structure in which the light emitting element 10 and the light emitting layer 14a of the photoexcited light emitting device are integrally formed.
  • the light emitting layer 14a is formed by directly emitting a yellow phosphor or a quantum dot on the surface of the light emitting device 10 by electrospinning with PMMA, which is a transparent conductive polymer.
  • the light emitting layer 14a directly emits a yellow phosphor or a quantum dot on the surface of the light emitting device 10 by electrospinning method together with a white inorganic pigment having good reflectance and PMMA which is a transparent conductive polymer. It is also possible to form).
  • Reference numeral 13 is to protect the light emitting device from external shock while maintaining the transmittance of the light emitting device using PMMA, PC, etc. as a protective material for protecting the light emitting device 10.
  • the light source 1b according to the third embodiment generates white light on the same principle as the light sources 1 and 1a of the first and second embodiments described above.
  • the photoexcitation light emitting device 20a shown in FIG. 4 has a yellow phosphor or a quantum dot on a hemispherical media 12a made of slide glass, PC (Polycarbonate), or PMMA having good transparency.
  • the light emitting layer 14b is formed by spinning with PMMA, which is a transparent conductive polymer, by an electrospinning method.
  • the photoexcited light emitting device 20a is a white inorganic pigment having a high reflectance and a transparent conductivity on a hemispherical media 12a made of slide glass, PC, or PMMA with good transparency. It is also possible to form the light emitting layer 14b by radiating with the polymer PMMA by electrospinning.
  • the photoexcited light emitting device 20a may have a hemispherical cross section and have a tunnel-shaped structure having a predetermined length or other various curved structures.
  • the optical excitation light emitting device 20a may be used to obtain white light having perfect color purity by adding it to an illumination device that generates white light having incomplete color purity, such as a fluorescent lamp or an incandescent lamp.
  • the photoexcited light emitting device 20b shown in FIG. 5 shows a planar structure in which glasses 12a and 12b are attached to both sides of the light emitting layer 14.
  • a photo-excited light emitting material such as a phosphor material is added to the solution to prepare a solution containing the phosphor and the polymer.
  • the content of the polymer and the photo-excited light emitting material added to the solution is in the range of 2wt% to 50wt% and 1 to 50wt% of the polymer based on the whole solution.
  • the content of the polymer when the content of the polymer is less than 2wt%, electrospinning is difficult to be performed smoothly, and as the content of the polymer increases, the amount of the phosphor is relatively decreased, so that the yellow color becomes stronger.
  • the polymer have a light transmittance of 80% or more for efficient light transmittance, but may be appropriately selected depending on the use, and must be able to be dissolved in a polymer used as a solvent. If the light transmittance is too low, the illuminance of the light is lowered, which may cause color change of the white light due to color interference is not good.
  • polymer of the present invention for example, a polymer having high transparency such as polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), or the like is suitable.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PC polycarbonate
  • the addition amount of the photoexcitation light emitting material is less than 1wt%, it is difficult to expect sufficient light emission efficiency, while if the amount is too large and exceeds 50wt%, light transmittance is rather deteriorated, which is not preferable.
  • the solvent usable in the present invention should be volatile at room temperature, for example, DMF (dimethylformamide), DMAC (dimethyl acetamide), THF (tetrahydrofuran), ethanol or acetone.
  • Yellow phosphors such as YAG may be used as the phosphor used as the photo-excited luminescent material, and the phosphor may be used in both liquid and powder states, and is electrospun using an electrospinning apparatus by mixing with the polymer.
  • an optical excitation light emitting device including a phosphor in the form of a fiber or a film having a 5 to 1000 nm wire diameter containing a high density of phosphors can be manufactured. .
  • a polymer solution is prepared by dissolving a polymer having excellent transparency in a solvent, and then a photoexcitation light emitting material such as a phosphor material and a white inorganic pigment having good reflectance are added to the solution to include a phosphor and a polymer. To prepare a solution.
  • the content of the polymer and the photo-excited light emitting material added to the solution is in the range of 2 to 50 wt% of polymer, 1 to 50 wt% of phosphor, and 2 to 50 wt% of white inorganic pigment.
  • the content of the polymer is less than 2wt%, electrospinning is difficult to be performed smoothly, and as the content of the polymer increases, the relative amount of the phosphor decreases and the yellow color becomes stronger, which is not preferable.
  • the upper limit thereof is 50 wt%.
  • the polymer it is recommended that the polymer have a light transmittance of preferably 80% or more for efficient light transmission.
  • the polymer may be appropriately selected according to the use and may be dissolved in a polymer used as a solvent. If the light transmittance is too low, the illuminance of the light is lowered, and color change of white light may be caused by color interference, which is not good.
  • a polymer having high transparency such as polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), or the like is suitable.
  • the addition amount of the photoexcited light emitting material is less than 1wt%, it is difficult to expect sufficient light emission efficiency.
  • the amount is too large, when the amount exceeds 50wt%, the light transmittance is rather deteriorated.
  • the white inorganic pigment used in the present invention is not a photo-excited light emitting material, when the amount is too large, the amount of the light emitting material is relatively decreased, so that it is difficult to obtain desired white light. For this reason, the upper limit thereof is limited to 50 wt%.
  • the solvent usable in the present invention should be volatile at room temperature, for example, DMF (dimethylformamide), DMAC (dimethyl acetamide), THF (tetrahydrofuran), methanol or acetone.
  • the white inorganic pigment at least one of TiO 2 , ZnO, lithopone, ZnS, and BaSO 4 having good reflectance may be used, and a solvent may be one of DMF, DMAC, THF, acetone, and methanol.
  • Yellow phosphors such as YAG may be used as the phosphor used as the photo-excited light emitting material, and the phosphor may be used in both liquid and powder states, and is electrospun using an electrospinning apparatus by mixing with the polymer.
  • an optical excitation light emitting device including a phosphor in the form of a fiber or a film having a 5 to 1000 nm wire diameter containing a high density of phosphors can be manufactured. .
  • FIGS. 8 and 9 are SEM images of a photoexcited light emitting layer obtained by electrospinning 15 wt% of a yellow phosphor (YAG), 20 wt% of a polymer (PMMA), and 65 wt% of a solvent (DMF) according to the present invention. It is shown.
  • the spherical portion is a phosphor material and the thin thread is an electrospun PMMA fiber phase.
  • the polymer that acts as an adhesive during electrospinning of the phosphor is in the form of nanofibers as small as 5 to 1000 nm, the particle size of the phosphor is 3 to 5 ⁇ m, so it is very unlikely that the light transmission is limited by the polymer. It can be increased and it is possible to greatly improve the density of the phosphor.
  • the phosphor can be produced in the form of nanofibers or films by electrospinning process by mixing both the liquid and powder state with the polymer.
  • 10 and 11 are the addition of a white inorganic pigment, YAG (yellow phosphor) 15wt%, PMMA (polymer) 20wt%, TiO 2 (white inorganic pigment) 5wt%, DMF (solvent) 60wt% by mixing In the case of spinning, what is obtained is shown in enlarged form.
  • YAG yellow phosphor
  • PMMA polymer
  • TiO 2 white inorganic pigment
  • DMF solvent
  • the polymer acting as an adhesive during the electrospinning of the phosphor is in the form of a fine nanofiber of about 5 to 1000nm
  • the particle size of the phosphor is 3 to 5 ⁇ m
  • the white inorganic pigment particles for reflectance enhancement are 5nm to 10 ⁇ m. It is possible to increase the light transmission efficiency and increase the density of the phosphor, and the reflectance is increased by the reflecting material.
  • TiO 2 is visible wavelength
  • ZnO is white to reflect light in the UV wavelength band.
  • the present invention provides an electrospinning method for emitting photoexcited luminescent materials such as phosphors or photoexcited luminescent materials and white inorganic pigments for enhancing the reflectance together with a transparent polymer on a medium or a light emitting device, or directly in the form of a web or a film.
  • the present invention can be applied to an optical excitation light emitting device and a method of manufacturing the same, and a white light source using the same, which can increase the density of the photoexcitation light emitting material and achieve high efficiency, high brightness, and enlargement.

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Abstract

본 발명은 전기방사 방법으로 광 여기 발광물질을 투명한 폴리머와 함께 여재나 발광소자 위에 방사하거나 또는 웹 형태로 방사하여 빛 투과율과 광 여기 발광물질의 밀도를 증가시켜 고효율, 고휘도 및 대형화를 이룰 수 있는 광 여기 발광장치와 그 제조방법, 및 이를 이용한 백색 광원에 관한 것이다.

Description

광 여기 발광장치와 그 제조방법, 및 이를 이용한 백색 광원
본 발명은 광 여기 발광장치와 그 제조방법, 및 이를 이용한 백색 광원에 관한 것으로, 특히 전기방사 방법으로 형광체 등의 광 여기 발광물질을 투명한 폴리머와 함께 혼합하여 여재나 발광소자 위에 방사하거나 또는 웹 형태로 직접 방사하여 빛 투과율과 광 여기 발광물질의 밀도 증가를 도모하여 고효율, 고휘도 및 대형화를 이룰 수 있는 광 여기 발광장치와 그 제조방법, 및 이를 이용한 백색 광원에 관한 것이다.
광원으로서 무기 발광다이오드(LED)와 유기 발광소자(OLED)를 이용하기도 한다. 예를 들면, 무기 발광다이오드의 경우는 백색 빛을 내는 형광체가 코팅된 갈륨나이트라이드(GaN) 청색 LED를 많이 사용하지만, 면광원보다는 보편적으로 점광원으로 많이 사용된다.
유기 발광소자(OLED)의 경우는 미국특허 제 5,294,870 호에 청색 유기 발광 소자와 녹색과 적색 형광물질로 구성된 두개의 서브픽셀(subpixel)로 구성된 광원이 제안되었다. 상기 유기 발광소자는 청색 유기 발광소자에서 발광하는 청색이 투과되는 서브픽셀과 상기 청색 유기 발광소자의 청색 발광을 이용하여 색 변환을 일으키는 녹색과 적색 형광물질로 구성된 두 개의 서브픽셀을 이용하여 청색, 녹색, 적색을 발광한다.
다른 예로는 각각 청색, 녹색, 적색을 발광하는 세 개의 발광층으로 구성되고, 세 개의 발광층을 이용하여 백색 발광을 내는 유기 발광소자(OLED)가 제안되기도 했다(Junji Kido et al., "Multilayer White Light-Emitting Organic Electroluminescent Device", 267 Science 1332-1334, 1995 참조). 그러나, 상기 제안된 유기 발광소자는 세 개의 발광층이 시간 변화에 따라 각각 다르게 퇴화되어 시간에 따라 색이 변화되는 문제점을 가지고 있으며, 발광하는 빛이 균일하지 못한 문제점도 가지고 있다.
상기 유기 발광소자의 문제점들을 해결하기 위한 광원이 미국특허 제 6,700,322 호에 제안되어 있으며, 이는 균일한 빛을 낼 수 있고, 시간에 따라 색의 변화가 없게 하기 위하여 제1파장을 가진 유기 발광소자와 상기 유기 발광소자에서 발광된 빛의 일부분을 흡수하여 제2파장을 발광하는 무기형광 여기 발광층으로 구성된 광원을 제안하였다.
상기 광 여기 발광층은 확산 물질 및 무기 형광체로 구성되어 있으며, 상기 제1 파장을 가진 유기 발광소자의 발광된 빛의 일부분을 흡수하여 제2 파장의 빛을 발광하고, 상기 유기 발광소자의 발광된 빛의 나머지 부분을 투과시키는 역할을 한다. 다시 말하면, 상기 제1파장을 가진 유기 발광소자의 발광된 빛이 광 여기 발광층에서 발광된 빛과 혼합되어 새로운 파장의 빛을 발광한다.
한국 공개특허 제2006-0060171호에는 유기 발광소자의 효율이 떨어지는 문제점을 개산하고자 광원을 구성함에 있어서, 하나 이상의 파장을 갖는 미세공동 유기 발광소자와, 상기 미세공동 유기 발광소자의 발광된 빛의 일부분을 흡수하여 다른 파장의 빛을 발광하고, 상기 미세공동 유기 발광소자의 발광된 빛의 나머지 부분을 투과하는 광 여기 발광층으로 이루어진 광원을 개시하고 있다.
상기 광 여기 발광층은 크게 광을 여기 및 증폭시키는 광 여기 발광물질, 광을 산란 및 확산시켜 주는 확산 물질, 상기 광 여기 발광물질 및 확산 물질이 균일하게 분포되도록 하는 열 가소성 시트 등으로 구성되어 있다.
또한, 열 가소성 시트를 용융상태로 제작한 후, 상기 열 가소성 시트에 광 여기 발광물질, 확산 물질, 침전 방지제, 기포 방지제, 바인더 등을 넣고 균일하게 섞어준 후, 필름 형태로 제작하고 있다.
따라서, 상기 종래기술에서는 광 여기 발광층이 발광물질 이외에 발광물질의 투과를 저해하는 열 가소성 시트(에폭시 수지), 확산 물질, 침전 방지제, 기포 방지제, 바인더 등을 포함하고 있어 발광소자로부터 발생된 광이 발광물질에 직접 방사되지 못하며, 그 결과 광 투과율과 발광효율이 떨어지는 문제가 있다.
상기한 광원은 반도체 제조공정을 통하여 이루어지기 때문에 고출력, 고휘도의 대형 면광원을 지향하는 조명용 백색 광원으로는 제조비용이 높다는 문제가 있다.
한국 공개특허 제2005-87444호에는 제1층으로 구비된 청색을 방출하는 투명기판에 의해 제작된 유기 발광소자와 투명기판 쪽을 투과하는 일부 청색광 에너지를 흡수하며 백색 광원의 하나 또는 둘 이상의 다른 구성색인 녹, 노란, 오렌지, 적색을 발생하는 제2층으로 구비되는 여기 도포층을 포함하는 것을 특징으로 하는 평면 백색 발광소자가 개시되어 있다.
상기 평면 백색 발광소자는 백색광을 구성하며, 여기 원으로 사용되는 청색은 제1층인 청색 유기 발광소자로부터 발생되어 제2층인 투명 여기 도포층으로 일부 통과됨으로써 인식되며, 녹, 노란, 오렌지 및 적색의 다른 백색광 구성 색들은 유기 발광소자에 의한 청색 광원으로부터 여기층 안에 도포되어 있는 무기 형광체, 유기염료, 유기안료, 나노 금속, 나노 복합 재료 등을 광 에너지 전달에 의한 여기에 의해 발생 인식된다.
그러나, 이러한 평면 백색 발광소자 역시 반도체 제조공정을 통하여 이루어지기 때문에 고출력, 고휘도의 대형 면광원을 지향하는 조명용 백색광원으로는 제조비용이 높다는 문제가 있다.
또한, 종래의 면형광체는 형광체를 바인더와 혼합하여 슬러리(slurry)를 제조한 후 여재 위에 도포하여 제조하는 방식과, 형광체 입자 크기보다 선경이 큰 여재(예를 들어, 부직포, 글래스, 실리콘 시트) 위에 방사하여 제조하는 방식이 있다.
이러한 종래기술에서는 여재에 접착하기 위해 반드시 바인더를 사용해야 하기 때문에 바인더에 의한 발광도, 빛 투과도 저하 문제가 발생한다. 또한, 실리콘 시트 등 여재를 사용하므로 발광도, 빛 투과도가 저하하는 문제가 있다.
더욱이, 상기한 종래기술에서는 바인더를 사용함으로 인해 발광체의 밀도를 높이는 데 한계가 있고, 바인더를 사용하여 도포를 함에 따라 도포 두께를 줄이는데도 한계가 있다.
또한, 기존 형광체 입자는 크기가 3∼5㎛인데 비해 사용되는 여재(예를 들어, 부직포)의 선경이 20∼30㎛이므로, 형광체 입자 크기보다 큰 직경을 갖는 여재를 사용함에 따라 빛이 차단되어 효율이 저하되는 문제가 있다.
더욱이, 상기한 종래기술에서는 선경이 광 여기 발광물질인 형광체보다 큰 부직포를 사용함으로 인해 빛의 반사율이 떨어져 일정 면적에 대한 광원(LED 등) 수량이 많아지게 되므로 광원의 사용 증가에 따라 비용이 증가하는 문제가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 빛 투과율의 증가와 광 여기 발광물질의 밀도 증가를 통하여 고효율, 고휘도 특성을 가지는 광 여기 발광장치와 그 제조방법, 및 이를 이용한 백색 광원을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 대형화가 보다 용이하여 비교적 저가로 대량생산이 이루어질 수 있는 광 여기 발광장치와 그 제조방법, 및 이를 이용한 백색 광원을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전기방사 방법으로 형광체 등의 광 여기 발광물질과 반사율이 좋은 백색 무기안료를 투명한 폴리머와 함께 여재나 발광장치 위에 방사하거나 또는 웹 형태로 방사하여 빛 투과 효율 증가와 반사율 극대화, 형광체 밀도 증가를 도모하여 고효율, 고휘도를 이룰 수 있는 반사율이 증강된 광 여기 발광장치와 그 제조방법 및 이를 이용한 백색 광원을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 전기방사 방법으로 형광체 등의 광 여기 발광물질과 반사율이 좋은 백색 무기안료를 투명한 폴리머와 함께 여재나 발광장치 위에 직접 방사하거나 또는 필름 형태로 방사하여 대형화와 저렴한 대량생산이 용이하게 이루어질 수 있는 반사율이 증강된 광 여기 발광장치와 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 발광장치로부터 방사된 광이 직접 형광체와 반사용 재료에 조사됨에 따라 높은 발광 효율을 나타낼 수 있는 광 여기 발광장치와 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 특징에 따르면, 광 여기 발광물질과 투명한 폴리머를 용매에 용해하여 얻은 용액을 전기방사 방법으로 방사하여 얻어지는 발광층으로 구성되는 광 여기 발광장치가 제공된다.
본 발명의 제2 특징에 따르면, 광 여기 발광물질과 백색 무기안료 및 투명한 폴리머를 용매에 용해하여 얻은 용액을 전기방사 방법으로 방사하여 얻어지는 섬유상 또는 필름 형상의 발광층으로 구성되는 광 여기 발광장치가 제공된다.
본 발명의 제3 특징에 따르면, 여재; 및 광 여기 발광물질과 투명한 폴리머를 용매에 용해하여 얻은 용액을 전기방사 방법으로 상기 여재에 방사하여 얻어지는 발광층으로 구성되는 광 여기 발광장치가 제공된다.
본 발명의 제4 특징에 따르면, 여재; 및 광 여기 발광물질과 백색 무기안료 및 투명한 폴리머를 용매에 용해하여 얻은 용액을 전기방사 방법으로 상기 여재 상에 방사하여 얻어지는 발광층으로 구성되는 광 여기 발광장치가 제공된다.
본 발명의 제5 특징에 따르면, 하나 이상의 파장을 갖는 빛을 발광하는 발광소자; 광 여기 발광물질과 투명한 폴리머를 용매에 용해하여 얻은 용액을 전기방사 방법으로 상기 발광소자의 표면에 직접 방사하여 얻어지는 발광층을 포함하는 백색 광원이 제공된다.
본 발명의 제6 특징에 따르면, 하나 이상의 파장을 갖는 빛을 발광하는 발광소자; 광 여기 발광물질과 백색 무기안료 및 투명한 폴리머를 용매에 용해하여 얻은 용액을 전기방사 방법으로 상기 발광소자의 표면에 직접 방사하여 얻어지는 발광층을 포함하는 백색 광원이 제공된다.
본 발명의 제7 특징에 따르면, 하나 이상의 파장을 갖는 빛을 발광하는 발광소자; 여재, 및 광 여기 발광물질과 투명한 폴리머를 용매에 용해하여 얻은 용액을 전기방사 방법으로 상기 여재에 방사하여 얻어지는 발광층으로 구성되는 광 여기 발광장치를 포함하는 백색 광원이 제공된다.
본 발명의 제8 특징에 따르면, 하나 이상의 파장을 갖는 빛을 발광하는 발광소자; 여재, 및 광 여기 발광물질과 백색 무기안료 및 투명한 폴리머를 용매에 용해하여 얻은 용액을 전기방사 방법으로 상기 여재에 방사하여 얻어지는 발광층으로 구성되는 광 여기 발광장치를 포함하는 백색 광원이 제공된다.
본 발명의 제9 특징에 따르면, 광 여기 발광물질과 투명한 폴리머를 용매에 용해하여 용액을 제조하는 단계, 및 상기 용액을 전기방사 방법으로 여재 상에 방사하여 발광층을 얻는 단계로 구성되는 광 여기 발광장치의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제10 특징에 따르면, 광 여기 발광물질과 상기 백색 무기안료 및 투명한 폴리머를 용매에 용해하여 방사용 용액을 제조하는 단계; 및 상기 용액을 전기방사 방법으로 여재 상에 방사하여 발광층을 얻는 단계로 구성되는 광 여기 발광장치의 제조방법이 제공된다.
본 발명은 전기방사 방법으로 광 여기 발광물질을 투명한 폴리머와 함께 여재나 발광소자 위에 방사하거나 또는 웹 형태로 직접 방사하여 빛 투과율과 광 여기 발광물질의 밀도증가를 도모하여 고효율, 고휘도, 및 대형화를 이룰 수 있는 광 여기 발광장치와 그 제조방법, 및 이를 이용한 백색 광원을 제공한다.
또한, 본 발명은 전기방사 방법으로 형광체 등의 광 여기 발광물질과 반사율이 좋은 백색 무기안료를 투명한 폴리머와 함께 여재나 발광장치 위에 방사하거나 또는 웹 형태로 방사하여 빛 투과 효율 증가와 반사율 극대화, 형광체 밀도 증가를 도모하여 고효율, 고휘도, 대형화를 이룰 수 있는 광 여기 발광장치와 그 제조방법 및 이를 이용한 백색 광원을 제공한다.
도 1 내지 도 3은 각각 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 백색 광원의 구조를 나타낸 개략 단면도,
도 4 및 도 5는 각각 본 발명의 제4 및 제5 실시예에 따른 광 여기 발광장치의 구조를 나타낸 개략 단면도,
도 6은 형광체를 포함하지 않고 도전성 폴리머인 PMMA만을 전기방사 방법으로 방사한 것을 확대하여 나타낸 SEM 사진,
도 7은 형광체와 함께 도전성 폴리머인 PMMA을 전기방사방법으로 필름 형상으로 방사한 것을 확대하여 나타낸 SEM 사진,
도 8 및 도 9는 본 발명에 따라 전기방사된 광 여기 발광층을 나타낸 SEM 사진,
도 10 및 도 11은 본 발명에 따라 백색 무기안료를 넣어서 전기방사된 광 여기 발광체를 확대하여 나타낸 SEM 사진이다.
이하에 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 3은 각각 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 백색 광원의 구조를 나타낸 개략 단면도, 도 4 및 도 5는 각각 본 발명의 제4 및 제5 실시예에 따른 광 여기 발광장치의 구조를 나타낸 개략 단면도이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광원(1)은 하나 이상의 파장을 갖는 빛을 발광하는 발광소자(10)와, 상기 발광소자(10)로부터 발광된 빛이 입사될 때 발광층(14)에서 발광된 빛과 혼합되어 새로운 파장의 빛을 발광하는 광 여기 발광장치(20)로 구성된다.
상기 발광소자(10)는 청색 파장이나 혹은 청색 파장과 청색 이외의 파장이 적어도 하나 이상 혼합된 파장을 갖는 광을 발생하는 발광소자로서, 예를 들면 청색 LED를 사용한다.
상기 광 여기 발광장치(20)는, 예를 들어 하나 이상의 파장을 갖는 발광소자의 발광된 빛이 광 여기 발광장치의 발광층(14)에서 발광된 빛과 혼합되어 백색 파장의 빛을 발광할 수 있다.
이를 위하여 발광층(14)은 광 여기 발광물질로 이루어지며, 이러한 광 여기 발광물질로는 무기 또는 유기 형광체, 유기 안료, 또는 나노 물질 등을 사용할 수 있다.
본 발명에서 사용 가능한 형광체의 종류에는 특별한 제한이 없다. 예를 들면, 나노 금속 및 복합 재료의 양자 점(quantum dot) 등의 재료로는 나노 크기의 금속이나 나노 복합재료가 사용되는데, 나노 금속으로는 백금, 금, 은, 니켈, 마그네슘, 팔라듐 등이 이용되고, 나노 복합재료는 카드늄 설파이드(CdS), 카드늄 셀레나이드(CdSe), 진크 설파이드(ZnS), 진크 셀레나이드(ZnSe), 인듐 포스파이트(InP), 티타늄 옥사이드(TiO2), 진크 옥사이드(ZnO), 틴 옥사이드(SnO), 실리콘 옥사이드(SiO2), 마그네슘 옥사이드(MgO) 등의 화합물이 있다.
이하에서는 광원(1)이 백색광을 발생하도록 발광소자(10)로 청색 파장의 광을 발생하는 청색 LED를 사용하고, 광 여기 발광장치(20)의 발광층(14)으로는 황색(yellow) 형광체 또는 양자 점(quantum dot)을 포함하고 있는 경우를 예를 들어 설명한다.
도 1에 도시된 제1 실시예에 따른 광원(1)은 발광소자(10)와, 광 여기 발광장치(20)가 분리된 구조로서, 광 여기 발광장치(20)는 투명도가 양호한 슬라이드 글래스(slide glass), PC(Polycarbonate), 또는 PMMA(Polymethyl methacrylate) 재질로 된 판 형상의 여재(12) 상에 황색 형광체 또는 양자 점(quantum dot)을, 예를 들어 투명한 도전성 폴리머인 PMMA와 함께 전기방사 방법으로 방사함에 의해 발광층(14)을 형성한 것이다.
이 경우 제1 실시예의 광원(1)은 면발광체로서 역할을 하며, 발광소자(10)로부터 청색 파장의 광이 발생되어 광 여기 발광장치(20)의 발광층(14)에 조사되면, 여재(12)의 배면으로부터 백색광이 얻어지게 된다.
제2 실시예를 나타낸 도 2를 참고하면, 광원(1a)은 발광소자(10)와, 광 여기 발광장치가 분리된 구조로서, 광 여기 발광장치는 여재를 사용하지 않고 황색 형광체 또는 양자 점(quantum dot)을 투명한 도전성 폴리머인 PMMA와 함께 전기방사 방법으로 웹 또는 필름 형상으로 방사하여 발광층(14)을 형성한 것이다.
제2 실시예의 광원(1a)은 면발광체로서 역할을 하며, 발광소자(10)로부터 청색 파장의 광이 발생되어 광 여기 발광장치 역할을 하는 발광층(14)에 조사되면, 이로부터 백색광이 얻어지게 된다.
도 6은 형광체를 포함하지 않고 도전성 폴리머인 PMMA만을 전기방사 방법으로 방사하여 필름 형상으로 얻은 것을 나타낸 나타낸 SEM 사진이고, 도 7은 형광체와 함께 도전성 폴리머인 PMMA을 DMAC 용매에 녹여서 전기방사 방법으로 필름 형상으로 방사한 것을 확대하여 나타낸 SEM 사진이다.
이로부터, 형광체와 함께 폴리머를 전기방사하면 필름 형상으로 제조하는 것이 가능하다는 사실을 알 수 있으며, 전기방사하여 얻은 필름을 사용자의 필요에 따라 원하는 크기와 형상으로 절단하여 사용할 수 있다. 이러한 필름 형상으로 발광층(14)을 형성하면 가요성이 높아 다양하게 활용할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 광원(1)이 백색광을 발생하도록 발광소자(10)로 청색 파장의 광을 발생하는 청색 LED를 사용하고, 광 여기 발광장치(20)의 발광층(14)으로는 황색(yellow) 형광체 또는 양자 점(quantum dot)과 반사율이 좋은 백색 무기안료를 포함하는 것도 가능하다.
이 경우 도 1에 도시된 제1 실시예에 따른 광원(1)은 발광소자(10)와, 광 여기 발광장치(20)가 분리된 구조로서, 광 여기 발광장치(20)는 투명도가 양호한 슬라이드 글래스(slide glass), PC(Polycarbonate), 또는 PMMA(Polymethyl methacrylate) 재질로 된 판 형상의 여재(12) 상에 황색 형광체 또는 양자 점(quantum dot) 및 반사율이 좋은 백색 무기안료를, 예를 들어 투명한 도전성 폴리머인 PMMA와 함께 전기방사 방법으로 방사함에 의해 발광층(14)을 형성한 것이다.
상기 폴리머는 PMMA나 PC 등의 투명한 고분자 폴리머를 사용할 수 있고, 형광체는 황색 형광체, 양자 점(Quantum dot) 등을 사용하며, 백색 무기안료는 반사율이 좋은 TiO2, ZnO, 리소폰(Lithopone: ZnS+BaSO4), ZnS, BaSO4 중의 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.
또한, 상기 폴리머를 용해시키기 위한 용매로는 DMF, DMAC, THF, 아세톤, 메탄올 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
제1 실시예의 광원(1)은 면발광체로서 역할을 하며, 발광소자(10)로부터 청색 파장의 광이 발생되어 광 여기 발광장치(20)의 발광층(14)에 조사되면, 여재(12)의 배면으로부터 백색광이 얻어지게 된다. 이 경우, 발광층(14)에는 반사율이 좋은 백색 무기안료를 포함하고 있으므로 발광소자(10)로부터 청색 파장의 광이 발생되어 조사되면 백색 무기안료에 의한 반사가 보강되어 반사율이 증가하게 된다.
즉, 형광체의 전기방사 시 접착제 역할을 하는 폴리머가 5~1000nm의 나노 파이버(Nano fiber) 형태이고, 형광체 입자는 크기가 3~10㎛이며, 반사율 증강용 백색 무기안료 입자는 안료의 종류에 따라 크기가 달라지며 대략 5nm~10㎛의 구형상으로서 빛 투과 효율의 증가 및 형광체의 밀도를 증대시킬 수 있게 되며 반사용 재료에 의해 반사율이 증가한다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 광원(1b)은, 도 3에 도시한 바와 같이, 발광소자(10)와, 광 여기 발광장치의 발광층(14a)이 일체로 형성된 구조로서, 발광층(14a)은 황색 형광체 또는 양자 점(quantum dot)을 투명한 도전성 폴리머인 PMMA와 함께 전기방사 방법으로 발광소자(10)의 표면에 직접 방사하여 발광층(14a)을 형성한 것이다.
또한, 상기 발광층(14a)은 황색 형광체 또는 양자 점(quantum dot)을 반사율이 좋은 백색 무기안료 및 투명한 도전성 폴리머인 PMMA와 함께 전기방사 방법으로 발광소자(10)의 표면에 직접 방사하여 발광층(14a)을 형성하는 것도 가능하다.
도면부호 13은 발광소자(10)를 보호하기 위한 보호재로서 PMMA, PC 등을 사용하여 발광소자의 투과율을 유지하면서 발광소자를 외부충격으로부터 보호하기 위한 것이다.
제3 실시예에 따른 광원(1b)은 상기한 제1 및 제2 실시예의 광원(1,1a)과 동일한 원리로 백색광이 발생된다.
도 4에 도시된 광 여기 발광장치(20a)는 투명도가 양호한 슬라이드 글래스(slide glass), PC(Polycarbonate), 또는 PMMA로 이루어지는 반구형상의 여재(12a)상에 황색 형광체 또는 양자 점(quantum dot)을 투명한 도전성 폴리머인 PMMA와 함께 전기방사 방법으로 방사하여 발광층(14b)을 형성한 것이다.
또한, 상기 광 여기 발광장치(20a)는 투명도가 양호한 슬라이드 글래스(slide glass), PC, 또는 PMMA로 이루어지는 반구형상의 여재(12a)상에 황색 형광체 또는 양자 점을 반사율이 좋은 백색 무기안료 및 투명한 도전성 폴리머인 PMMA와 함께 전기방사 방법으로 방사하여 발광층(14b)을 형성하는 것도 가능하다.
상기 광 여기 발광장치(20a)는 단면이 반구형으로서 일정한 길이를 갖는 터널형 구조나 다른 다양한 곡면 구조로 이루어질 수 있다.
상기한 광 여기 발광장치(20a)는 기존의 형광등 또는 백열등과 같이 색순도가 완전하지 않은 백색광을 발생하는 조명장치에 부가시킴에 의해 색순도가 완전한 백색광을 얻고자 할 때 이용될 수 있다.
도 5에 도시된 광 여기 발광장치(20b)는 발광층(14)의 양측면에 글래스(12a,12b)가 부착된 평면형 구조를 나타내는 것이다.
(발광체의 제조 1)
투명성이 뛰어난 폴리머(Polymer)를 용매(Solvent)에 용해하여 폴리머 용액을 제조한 후, 이 용액에 광 여기 발광물질, 예를 들면 형광체 물질을 첨가하여 형광체와 폴리머를 포함하는 용액을 제조한다.
이때 이 용액에 첨가되는 폴리머와 광 여기 발광물질의 함량은, 용액 전체를 기준으로, 폴리머가 2wt%∼50wt%, 광 여기 발광물질이 1∼50wt%의 범위로 되도록 한다.
본 발명에서 폴리머의 함량이 2wt% 미만으로 되면 전기방사가 원활하게 이루어지기 어렵고, 폴리머의 함량이 증가할수록 형광체의 양이 상대적으로 감소하여 옐로우 색상이 강해지게 되어 바람직하지 못하다.
본 발명에서 폴리머는 효율적인 빛 투과성을 위하여, 바람직하기는 80% 이상의 빛 투과도를 가지는 것이 추천되지만 용도에 따라 적절하게 선택할 수 있으며, 용매로 사용하는 고분자에 용해될 수 있어야 한다. 빛 투과도가 지나치게 낮으면 빛의 조도가 낮아지고, 색상 간섭에 의해 백색광의 색상변화를 일으킬 수 있어 좋지 않다.
본 발명의 폴리머로는, 예를 들면 PMMA(Polymethyl methacrylate)나 PC(Polycarbonate) 등과 같은 투명도가 높은 폴리머가 적당하다.
광 여기 발광물질의 첨가량 1wt% 미만이 되면 충분한 발광효율을 기대하기 어렵고 반면 그 양이 지나치게 많아져 50wt%를 초과하면 빛 투과성이 오히려 저하하므로 바람직하지 않다.
한편, 본 발명에서 사용 가능한 용매는 상온에서 휘발성이 있어야 하며, 예를 들면 DMF(dimethylformamide), DMAC(dimethyl acetamide), THF(tetrahydrofuran), 에탄올이나 아세톤 등이 있다.
광 여기 발광물질로 사용되는 형광체로는 YAG 등의 황색 형광체를 사용할 수 있고, 형광체는 액상 및 파우더 상태의 것 모두가 사용 가능하며 상기 폴리머와 혼합을 하여 전기방사 장치를 이용하여 전기방사를 한다.
본 발명에 의해 제조된 형광체 용액을 전기방사법을 이용하여 방사하면 형광체가 고밀도로 함유되어 있는 5∼1000nm 선경을 가지는 파이버(fiber)나 필름 형상으로 형광체를 포함하는 광 여기 발광장치를 제조할 수 있다.
(발광체의 제조 2)
투명성이 뛰어난 폴리머(Polymer)를 용매(Solvent)에 용해하여 폴리머 용액을 제조한 후, 이 용액에 광 여기 발광물질, 예를 들면 형광체 물질과 반사율이 좋은 백색 무기안료를 첨가하여 형광체와 폴리머를 포함하는 용액을 제조한다.
이때 이 용액에 첨가되는 폴리머와 광 여기 발광물질의 함량은, 용액 전체를 기준으로, 폴리머(Polymer) 2~50wt%, 형광체 1~50wt% 및 백색 무기안료 2~50wt%의 범위로 되도록 한다.
폴리머의 함량이 2wt%미만으로 되면 전기방사가 원활하게 이루어지기 어렵고, 폴리머의 함량이 증가할수록 형광체의 상대적 양이 적어져 옐로우 색상이 강해지게 되어 바람직하지 못하다. 또한, 광 여기 발광물질은 첨가량이 지나치게 많아지면 빛 투과성이 감소하므로 그 상한을 50wt%로 하였다.
본 발명에서 폴리머는 효율적인 광투과를 위하여 바람직하기는 80%이상의 광투과도를 가지는 것이 추천되지만 용도에 따라 적절하게 선택할 수 있으며, 용매로 사용하는 고분자에 용해될 수 있어야 한다. 광투과도가 지나치게 낮으면 빛의 조도가 낮아지고, 색상 간섭에 의해 백색광의 색상 변화를 일으킬 수 있어 좋지 않다. 본 발명의 폴리머로는, 예를 들면 PMMA(Polymethyl methacrylate)나 PC(Polycarbonate) 등과 같은 투명도가 높은 폴리머가 적당하다.
광 여기 발광물질의 첨가량 1wt% 미만이 되면 충분한 발광 효율을 기대하기 어렵고, 반면 그 양이 지나치게 많아 50wt%를 초과하면 빛 투과성이 오히려 저하하므로 바람직하지 않다.
본 발명에서 사용하는 백색 무기안료는 광 여기 발광물질이 아니기 때문에 그 양이 지나치게 많을 경우 발광물질의 양이 상대적으로 감소하여 원하는 백색광을 얻기 곤란하다. 이러한 이유로 그 상한을 50wt%로 제한한다.
한편, 본 발명에서 사용 가능한 용매는 상온에서 휘발성이 있어야 하며, 예를 들면 DMF(dimethylformamide), DMAC(dimethyl acetamide), THF(tetrahydrofuran), 메탄올이나 아세톤 등이 있다.
백색 무기안료는 반사율이 좋은 TiO2, ZnO, 리소폰(Lithopone), ZnS, BaSO4 중의 적어도 어느 하나를 사용할 수 있으며, 용매로는 DMF, DMAC, THF, 아세톤, 메탄올 중 하나를 사용할 수 있다.
광 여기 발광물질로 사용되는 형광체로는 YAG 등의 황색 형광체를 사용할 수 있고, 형광체는 액상 및 파우더 상태의 것 모두가 사용 가능하며 상기 폴리머와 혼합을 하여 전기방사 장치를 이용하여 전기방사를 한다.
본 발명에 의해 제조된 형광체 용액을 전기방사법을 이용하여 방사하면 형광체가 고밀도로 함유되어 있는 5∼1000nm 선경을 가지는 파이버(fiber)나 필름 형상으로 형광체를 포함하는 광 여기 발광장치를 제조할 수 있다.
(실험예 1)
도 8 및 도 9는 본 발명에 따라 광 여기 발광물질로 황색 형광체(YAG) 15wt%, 폴리머(PMMA) 20wt%, 용매(DMF) 65wt%를 혼합하여 전기 방사하여 얻어진 광 여기 발광층의 SEM 사진을 나타낸 것이다. 여기서, 구형으로 나타나는 부분이 형광체 물질이고 가느다란 실형상의 것은 전기방사된 PMMA 섬유 상이다.
종래 일반적인 코팅방식에서는 형광체를 부착하기 위해 바인더를 사용하여 다량의 형광체를 넣음으로 얇은 두께의 면발광체를 제조하기 어려우나, 본 발명에 따라 폴리머와 형광체의 혼합용액을 제조하여 전기방사를 함으로써 면형광체의 두께를 0.2mm이하로 제조하는 것이 가능하다.
형광체의 전기방사시 접착제 역할을 하는 폴리머가 5∼1000nm 정도로 미세한 나노 파이버 형태인 반면, 형광체의 입자 크기는 3∼5㎛이므로 폴리머에 의해 빛 투과가 제한될 가능성이 매우 낮아, 결과적으로 빛 투과율이 증대될 수 있으며 형광체의 밀도 역시 크게 향상시키는 것이 가능하다.
더욱이, 형광체는 액상 및 파우더 상태의 것 모두 폴리머와 혼합을 하여 전기방사공정에 의해 나노 파이버나 필름 형태로 제작 가능함을 알 수 있다.
(실험예 2)
도 10 및 도 11의 사진은 백색 무기안료를 첨가한 것으로 YAG(황색 형광체) 15wt%, PMMA(폴리머) 20wt%, TiO2(백색 무기안료) 5wt%, DMF(용매) 60wt%를 혼합하여 전기방사한 경우 얻어진 것을 확대하여 나타낸 것이다.
종래 일반적인 코팅방식에서는 형광체를 부착하기 위해 바인더를 사용하여 다량의 형광체를 넣음으로 얇은 두께의 면발광체를 제조하기 어려우나, 본 발명에 따라 폴리머와 형광체의 혼합용액을 제조하여 전기방사를 함으로써 면형광체의 두께를 0.2mm이하로 제조하는 것이 가능하다.
또한, 형광체의 전기방사시 접착제 역할을 하는 폴리머가 5∼1000nm 정도로 미세한 나노 파이버 형태인 반면, 형광체의 입자크기는 3∼5㎛, 반사율 증강용 백색 무기안료 입자는 5nm~10㎛의 구형상이므로 빛 투과 효율의 증가 및 형광체의 밀도를 증대시킬 수 있게 되며 반사용 재료에 의해 반사율이 증가한다.
상기 반사율 증강용 백색 무기안료 중에서 예를 들어, TiO2는 가시 파장, ZnO는 UV 파장 대역의 광을 반사하여 백색을 띄게 된다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명하였지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
본 발명은 전기방사 방법으로 형광체 등의 광 여기 발광물질 또는 광 여기 발광물질과 반사율 증강용 백색 무기안료를 투명한 폴리머와 함께 여재나 발광소자 위에 방사하거나 또는 웹 또는 필름 형태로 직접 방사하여 빛 투과율과 광 여기 발광물질의 밀도증가를 도모하여 고효율, 고휘도 및 대형화를 이룰 수 있는 광 여기 발광장치와 그 제조방법, 및 이를 이용한 백색 광원에 적용될 수 있다.

Claims (23)

  1. 광 여기 발광물질과 투명한 폴리머를 용매에 용해하여 얻은 용액을 전기방사 방법으로 방사하여 얻어지는 섬유상 또는 필름 형상의 발광층으로 구성되는 광 여기 발광장치.
  2. 여재; 및
    광 여기 발광물질과 투명한 폴리머를 용매에 용해하여 얻은 용액을 전기방사 방법으로 상기 여재 상에 방사하여 얻어지는 발광층으로 구성되는 광 여기 발광장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광 여기 발광물질은 형광체인 것을 특징으로 하는 광 여기 발광장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 투명한 폴리머는 PC(Polycarbonate)와 PMMA(Polymethyl methacrylate) 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광 여기 발광장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 용매는 DMF(dimethylformamide), DMAC(dimethyl acetamide), THF(tetrahydrofuran), 애탄올 및 아세톤 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광 여기 발광장치.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 여재는 슬라이드 글래스(slide glass), PC(Polycarbonate) 및 PMMA(Polymethyl methacrylate) 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광 여기 발광장치.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 용액 전체를 기준으로, 상기 광 여기 발광물질은 1∼50wt%, 상기 투명한 폴리머는 2wt%∼50wt%의 범위에서 각각 용매에 첨가되는 것을 특징으로 하는 광 여기 발광장치.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 용액은 백색 무기안료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 여기 발광장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 백색 무기안료는 TiO2, ZnO, 리소폰(Lithopone), ZnS 및 BaSO4 중에서 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 광 여기 발광장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 용액 전체를 기준으로, 상기 광 여기 발광물질은 1∼50wt%, 상기 백색 무기안료는 2∼50wt%, 상기 투명한 폴리머는 2∼50wt%의 범위에서 각각 용매에 첨가되는 것을 특징으로 하는 광 여기 발광장치.
  11. 하나 이상의 파장을 갖는 빛을 발광하는 발광소자;
    광 여기 발광물질과 투명한 폴리머를 용매에 용해하여 얻은 용액을 전기방사 방법으로 상기 발광소자의 표면에 직접 방사하여 얻어지는 발광층을 포함하는 백색 광원.
  12. 하나 이상의 파장을 갖는 빛을 발광하는 발광소자;
    여재, 및 광 여기 발광물질과 투명한 폴리머를 용매에 용해하여 얻은 용액을 전기방사 방법으로 상기 여재에 방사하여 얻어지는 발광층으로 구성되는 광 여기 발광장치를 포함하는 백색 광원.
  13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,
    상기 광 여기 발광물질은 형광체인 것을 특징으로 하는 백색 광원.
  14. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,
    상기 투명한 폴리머는 PC(Polycarbonate)와 PMMA(Polymethyl methacrylate) 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 백색 광원.
  15. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,
    상기 용매는 DMF(dimethylformamide), DMAC(dimethyl acetamide), THF(tetrahydrofuran), 및 아세톤 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 백색 광원.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 여재는 슬라이드 글래스(slide glass), PC(Polycarbonate) 및 PMMA(Polymethyl methacrylate) 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 백색 광원.
  17. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,
    상기 용액 전체를 기준으로, 상기 광 여기 발광물질은 1∼50wt%, 상기 투명한 폴리머는 2wt%∼50wt%의 범위에서 각각 첨가되는 것을 특징으로 하는 백색 광원.
  18. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,
    상기 용액은 백색 무기안료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백색광원.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 용액 전체를 기준으로, 상기 광 여기 발광물질은 1∼50wt%, 상기 백색 무기안료는 2∼50wt%, 상기 투명한 폴리머는 2∼50wt%의 범위에서 각각 상기 용매에 첨가되는 것을 특징으로 하는 백색 광원.
  20. 광 여기 발광물질과 투명한 폴리머를 용매에 용해하여 방사용 용액을 제조하는 단계; 및
    상기 용액을 전기방사 방법으로 여재 상에 방사하여 발광층을 얻는 단계로 구성되는 광 여기 발광장치의 제조방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 용액 전체를 기준으로, 상기 광 여기 발광물질은 1∼50wt%, 상기 투명한 폴리머는 2wt%∼50wt%의 범위에서 각각 상기 용매에 첨가되는 것을 특징으로 하는 광 여기 발광장치의 제조방법.
  22. 제 20항에 있어서,
    상기 용액은 백색 무기안료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 여기 발광장치의 제조방법.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 용액 전체를 기준으로, 상기 광 여기 발광물질은 1∼50wt%, 상기 백색 무기안료는 2∼50wt%, 상기 투명한 폴리머는 2∼50wt%의 범위에서 각각 상기 용매에 첨가되는 것을 특징으로 하는 광 여기 발광장치의 제조방법.
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