WO2012026718A2 - 멀티칩 백색 led 소자 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a white LED device using a multi-chip, and more particularly to significantly improve the problems of the white LED using an RGB multi-chip including a conventional monochromatic LED, including a phosphor switching mono-color LED having a specific structure
  • the present invention provides a multichip white LED device using phosphor switching monochrome LEDs.
  • the conventional method for implementing white light using the LED is largely divided into two.
  • the first method is to implement white light using RGB multi-chip.
  • Korean Laid-Open Patent Publication No. 2006-88940 discloses a method of configuring each R (red), G (green), and B (blue) chip into one package and mixing them to implement white light.
  • the method of implementing white light using RGB multi-chip has the advantage that the color coordinate and color temperature of white light can be adjusted very easily, but 1) the efficiency of green LED is reduced due to yellow gap phenomenon, and 2) the temperature / between each RGB chip. Due to the necessity of complex driving circuit due to the difference of current and droop characteristics, and 3) due to the decrease in color rendering index (R a ), a complicated technical solution is required to solve this problem and the production cost increases significantly. .
  • Korean Patent Application No. 2008-111832 discloses a method for implementing white light using a single chip, including a phosphor-converted LED (pc-LED) that emits phosphors using near-ultraviolet or blue LEDs as excitation sources. Is disclosed.
  • the white LED device using the pc-LED single chip is widely used because the driving circuit is relatively simple and the white efficiency is high when the white light is implemented as compared to the white LED device using the RGB multi-chip described above.
  • the white LED device using such a pc-LED single chip is difficult to realize white light (eg, warm-white) having various sensitivities due to the limitation of the color temperature, and the (R a ) decrease in the color rendering index as well as various phosphors. Since it is included in one chip, the emission energy loss due to energy resorption and scattering between the phosphors inevitably occurs, and due to the difference between the respective phosphors, the tolerance of the emission characteristics is high during chip manufacturing. there was.
  • the color rendering index R a is less than 70 in the color temperature range of 2700 to 12000K.
  • the present invention has been made to solve the above problems, the problem to be solved by the present invention is a multi-chip using a phosphor switching monochromatic LED designed to be commercialized by dramatically improving the problems of the white LED using a conventional RGB multi-chip It is to provide a white LED device.
  • a second object of the present invention is to use a phosphor switching monochromatic LED having a color rendering index (R a ) of 80 or more in a color temperature range of 2700-12000K in a multichip white LED device that realizes white light by mixing light emitted from three monochromatic LED chips.
  • R a color rendering index
  • the present invention provides a multi-chip white LED device for implementing white light by mixing light emitted from a plurality of single-color LED chip, at least one chip of the plurality of single-color LED chip, blue light source; A phosphor provided on the blue light source and absorbing the blue light emitted from the blue light source to emit light in the range of 500 to 700 nm; And a long wavelength transmission filter formed on the phosphor and reflecting blue light and transmitting light in a range of 500 to 700 nm.
  • the light in the range of 500 to 700nm may be amber, yellow, green or red
  • the phosphor may be yellow, amber, green or red phosphor.
  • the long wavelength transmission filter includes a repeating layer in which a first thin film having a predetermined refractive index and a second thin film having a refractive index higher than that of the first thin film are alternately stacked. It may include.
  • the uppermost layer and the lowermost layer of the repeating layer forms a third thin film, wherein the thickness of at least one of the uppermost layer and the lowermost layer is 1 compared to the center wavelength of the blue light source reflection band.
  • / 80 ⁇ 1 / 4.4 optical thickness, more preferably 1/40 ⁇ 1 / 4.7 optical thickness, more preferably the layer adjacent to the third thin film of the repeating layer may be a first thin film.
  • each layer constituting the repeating layer (first thin film, second thin film) between the uppermost layer and the lowermost layer is 1/4 optical thickness compared to the center wavelength of the blue light source reflection band. It can have
  • the blue light source may be an InGaN-based LED.
  • the monochrome LED chip may be two or more.
  • all chips except the blue chip may be the phosphor conversion monochromatic LEDs.
  • the plurality of monochromatic LED chips comprises a) red phosphor switching monochromatic LED, green phosphor switching monochromatic LED, blue LED; b) red LED, green phosphor switching monochromatic LED, blue LED; c) red phosphor switching monochrome LED, amber phosphor switching monochrome LED, green phosphor switching monochrome LED, blue LED; d) red LED, amber phosphor switched monochrome LED, green phosphor switched monochrome LED, blue LED; e) red phosphor switching monochrome LED, yellow phosphor switching monochrome LED, green phosphor switching monochrome LED, blue LED; f) red LED, yellow phosphor switched monochrome LED, green phosphor switched monochrome LED, blue LED; g) yellow based phosphor switching white LED, red phosphor switching monochrome LED, amber phosphor switching monochrome LED, green phosphor switching monochrome LED or h) yellow based phosphor switching white LED, red
  • the plurality of monochromatic LED chips comprises a) a yellow phosphor switching monochromatic LED, a blue LED; a combination of two chips: b) green based phosphor switching blue green LED, amber phosphor switching monochrome LED, or c) green based phosphor switching blue green LED, red phosphor switching monochrome LED.
  • the multi-chip white LED device including the phosphor switching monochromatic LED according to the present invention has excellent luminous efficiency in the entire color temperature range (2700-12000 K) and is higher than Ra 85 as compared to the multi-chip white LED device without using a conventional phosphor. Since it has a value, the color rendering index is excellent.
  • the multi-chip white LED device including the phosphor switching monochromatic LED according to the present invention controls the color temperature in comparison with the color temperature and the color rendering index having a fixed value during chip manufacturing in the case of a single chip white LED using a conventional phosphor (2700). -12000 K) and the color rendering index can be actively adjusted.
  • the color rendering index (R a ) is 80 or more in the color temperature range of 2700 ⁇ 12000K in a multi-chip white LED device that implements white light by mixing light emitted from three monochromatic LED chips
  • a multichip white LED device having a color rendering index (R a ) of 85 or more is provided.
  • the white LED device using the multi-chip according to the present invention maximizes the efficiency of the green, yellow and amber LEDs in the yellow gap compared to the white LED device using the RGB multi-chip, thereby minimizing the variation between chips of different colors.
  • the driving circuit can be simplified by minimizing the variation of temperature, current and droop characteristics between each chip, and the voltage applied to each chip is the same as the blue chip, and the life characteristics are also suitable for commercialization.
  • high color rendering index (R a > 80) can be realized (R a > 80), and various color temperature can be adjusted from 2700 ⁇ 12000K, compared to the conventional single-chip white LED device.
  • high-efficiency white light can be realized, and when used as a backlight, color dimming can be achieved, and thus device efficiency, contrast, and color gamut can be improved.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a method of manufacturing a phosphor conversion monochrome LED of the present invention.
  • Figure 2a is a cross-sectional view of the long wavelength transmission filter used in the preferred phosphor switching monochrome LED of the present invention
  • Figure 2b is a graph showing the change in transmittance according to the optical thickness of the top layer and the bottom layer
  • Figure 2c is the top layer and / or bottom. It is a graph showing the change of transmittance according to the wavelength according to the optical thickness of the layer.
  • FIG. 3 is a view schematically showing the structure of a phosphor conversion monochrome LED according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows the structure of the green / yellow / amber / red phosphor conversion LED used in the present invention
  • the lower diagram is a green / yellow / amber / red phosphor and the conventional pc-LED used and the long wavelength of the present invention
  • a light emission photograph of a pc-LED including a transmission filter (LWPF) is shown.
  • Figure 5 is a graph showing the intensity of photoluminescence (PL) according to the wavelength
  • the left figure is a graph for the phosphor powder
  • the right figure is a graph for the pc-LED of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing the entire CIE color coordinates of the pc-LED before and after attaching the phosphor on the left side and the long wavelength transmission filter of the present invention on the right side.
  • FIG. 7 is a graph showing standard luminous efficiency according to temperature for each type of phosphor
  • FIG. 8 is a graph showing standard luminous efficiency according to temperature for each concentration of phosphor.
  • FIG. 9 shows the standard luminous efficiency according to the operating current for each type of phosphor of the conventional monochromatic LED
  • FIG. 10 is a driving current for each kind of phosphor of the monochromatic pc-LED including the long wavelength transmission filter of the present invention. It shows the standard luminous efficiency according to.
  • FIG 11 is a graph showing the relative luminous efficiency according to the driving current (driving current) of the green PC-LED including the conventional green LED and the long wavelength transmission filter of the present invention
  • Figure 12 is a conventional amber LED and the long wavelength of the present invention It is a graph showing the relative luminous efficiency according to the driving current of the green pc-LED including the transmission filter.
  • FIG. 13 is a diagram of a multichip white LED device comprising a phosphor conversion monochromatic LED of the present invention capable of realizing white light.
  • FIG. 14 to 17 show the entire color gamut of the preferred white LED multichip device of the invention, and FIG. B, M G B, M B LED multichip, Figure 15 is W B R B, M G B, M LED multichip, Figure 16 is W B R B, M A B, M B LED multichip, FIG. 17 shows W B R B, M A B, M G B, M It shows the color reproduction range of LED multichip.
  • FIG. 18 is a graph showing the intensity of light for each wavelength
  • FIG. 19 is a graph showing the intensity of light for each wavelength for each color temperature
  • Figure 20 is a graph showing a driving current (driving current) in accordance with the color temperature (Tcp) by a solid chip
  • Figure 21 is a graph showing the color rendering index (R a) and the light emission efficiency (luminous efficacy) of the color temperature (Tcp).
  • FIG. 22 to 25 are graphs showing the physical properties of the white LED device composed of the R B, M G B, M B multichip of the present invention.
  • FIG. 22 is a graph showing the intensity of light for each wavelength
  • FIG. 23 is a graph showing the intensity of light for each wavelength for each color temperature
  • 24 is a graph showing an applied voltage according to the color temperature Tcp for each monochromatic chip
  • FIG. 25 is a graph showing the color rendering index Ra and luminous efficacy according to the color temperature Tcp.
  • FIG. 26 to 29 are graphs showing the physical properties of the white LED device composed of RG B, M B multichip of the present invention.
  • FIG. 26 is a graph showing the intensity of light for each wavelength
  • FIG. 27 is a graph showing the intensity of light for each wavelength for each color temperature
  • FIG. 28 is a graph showing driving current according to color temperature Tcp for each monochromatic chip
  • FIG. 29 is a graph showing color rendering index Ra and luminous efficacy according to color temperature Tcp.
  • FIG. 30 to 33 are graphs evaluating the physical properties of BGR, R B, M G B, M B, RG B, and M B multichips for implementing white light at 150 mA.
  • FIG. 30 is a graph showing luminous efficiency according to color temperature Tcp for each multichip
  • FIG. 31 is a graph showing relative efficiency according to color temperature Tcp
  • FIG. 32 is a relative luminance according to color temperature Tcp
  • 33 is a graph showing the color rendering index according to the color temperature (Tcp).
  • FIG. 34-37 are graphs showing the physical properties of the white LED element formed by W B R B, M A B , M G B, M multi-chip in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 34 is a graph showing the intensity of light for each wavelength
  • FIG. 35 is a graph showing the intensity of light for each wavelength for each color temperature.
  • FIG. 36 is a graph illustrating a driving current according to the color temperature Tcp for each monochromatic chip
  • FIG. 37 is a graph illustrating the color rendering index Ra according to the color temperature Tcp.
  • FIG. 38 to 41 illustrate physical properties of BGR, R B, M G B, M B, RG B, M B, and W B R B, M A B, M G B, M multichips for implementing white light at 150 mA and 200 mA.
  • FIG. 38 is a graph showing luminous efficiency according to color temperature Tcp for each multichip
  • FIG. 39 is a graph showing relative efficiency according to color temperature Tcp
  • FIG. 40 is a relative luminance according to color temperature Tcp
  • 41 is a graph showing the color rendering index according to the color temperature (Tcp).
  • RGB 45 and 46 show emission spectra and luminous efficiency of RGB, R B, M A B, M G B, M B and R B3, M A B3, M G B3, M B3 white light at color temperatures (Tcp) 6500K and 3500K. luminous efficacy) and color rendering index (R a ).
  • the white LED device using the conventional RGB multi-chip has a disadvantage in that the characteristic variation between the chips is large, the efficiency and the color rendering index are low, and the white LED device using the single chip, that is, the white LED device using the pc-LED single chip, Not only do not realize a variety of white light, but also because of low color rendering index, difficult to realize warm white, single-chip tricolor pc-LED with two or more phosphors is low efficiency and different characteristics between the phosphors, When manufacturing a single chip, there was a big problem in manufacturing variation of characteristics.
  • the multi-chip white LED device using the phosphor-switched monochromatic LED according to the present invention is a white LED multichip device that realizes white light by mixing light emitted from a plurality of single-color LED chips, at least one of the plurality of single-color LED chips.
  • At least one chip comprises a blue light source; A phosphor provided on the blue light source and absorbing the blue light emitted from the blue light source to emit light in the range of 500 to 700 nm; And a long wavelength transmission filter formed on top of the phosphor and reflecting blue light and transmitting light in the range of 500 to 700 nm.
  • the present invention is to develop a multi-chip white LED device using a phosphor switching monochromatic LED to implement a variety of white light, high efficiency and high color rendering index, driving by reducing the variation of temperature / current / life / droop characteristics between chips
  • This simple and predictable characteristic in use makes it possible to utilize it as a white light for various applications.
  • the phosphor conversion monochromatic LED used in the present invention is disclosed in detail in Korean Patent Application No. 2010-34745 (a phosphor conversion monochromatic LED including a long wavelength transmission filter) previously filed by the present inventors. -34745 is incorporated herein by reference.
  • Figure 1 shows a method of manufacturing a phosphor conversion monochrome LED (monochrome pc-LED) used in the present invention.
  • a paste of a phosphor capable of exciting each monochromatic color is prepared, and the paste is applied to a normal blue LED to produce a pc-LED. Since the long-wavelength transmission filter on the top of the pc-LED to produce a monochromatic phosphor conversion LED.
  • the phosphor switching monochromatic LED used in the present invention includes a phosphor that uses a blue light source as a phosphor excitation light source and absorbs the blue light emitted from the blue light source to emit light in the range of 500 to 700 nm, and blue light is reflected on the phosphor.
  • the light excitation efficiency is increased by reflecting the blue light source, which does not excite the phosphor, to be used again to excite the phosphor because the light having a long wavelength transmission filter transmits the light in the range of 500 to 700 nm.
  • the color purity is also excellent because it is not emitted to the front of the.
  • the blue light source that can be used in the present invention may preferably be a blue LED, more preferably may be an InGaN-based LED, but is not limited thereto.
  • Phosphor that can be used in the present invention is a concept including a quantum dot as well as a phosphor commonly used in the art, it is possible to use a phosphor such as green, yellow, amber, red commonly used.
  • the long wavelength transmission filter reflecting blue light and transmitting light in the range of 500 to 700 nm includes a first thin film having a predetermined refractive index and a second thin film having a refractive index higher than that of the first thin film. It is designed to reflect blue light having a short wavelength, including a repeating layer, and to transmit light having a wavelength in the range of 500 to 700 nm, such as long green light or yellow light.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view of a long wavelength transmission filter according to an exemplary embodiment of the present invention, in which a repetitive layer of the long wavelength transmission filter 100 has a relatively low refractive index and a second thin film 100a and a second higher refractive index than the first thin film.
  • the thin films 100b are alternately repeated and stacked.
  • the uppermost layer and / or lowermost layer of the long wavelength transmission filter 100 is formed of the third thin film 100c, and the thickness thereof has an optical thickness of 1/80 to 1 / 4.4 with respect to the center wavelength of the blue light reflection band or 1 It may have an optical thickness of / 60 ⁇ 1 / 4.5, more preferably may have an optical thickness of 1/40 ⁇ 1 / 4.7, more preferably may be 1/7 ⁇ 1/9 optical thickness, Most preferably, it may have a 1/8 optical thickness ( ⁇ max / 8n, n: refractive index of the thin film).
  • 2B is a graph showing the change in transmittance according to the optical thickness of the uppermost layer and the lowermost layer. As the optical thickness of the uppermost layer and / or the lowermost layer approaches 1/8, it is confirmed that the transmittance is significantly increased.
  • Figure 2c is a graph showing the change in transmittance according to the wavelength of the optical thickness of the uppermost layer and / or the lowermost layer, the top layer and the lowermost layer is 1/8 optical thickness based on the wavelength of 500 ⁇ 700nm which is the main object of the present invention
  • the highest transmittance, followed by one of the uppermost layer and the lowermost layer is 1/8 optical thickness (when the other quarter is 1/4)
  • the transmittance is higher than the case of all 1/4, but the deviation according to the wavelength Has a severe downside.
  • the efficiency of the case where the uppermost layer and the lowermost layer is close to 1/8 optical thickness is the best.
  • the third thin film may be made of the same material as the second thin film except for the optical thickness, and the optical thicknesses of the uppermost layer and the lowermost layer are all 1/80 to 1 / 4.4, or any one of the optical thicknesses is 1/80 to 1 / 4.4 and the other may be the second thin film 1/4.
  • the adjacent layers of the third thin film that is, the lower layer of the uppermost layer and the upper layer of the lowermost layer may be the first thin film.
  • the individual layers (first thin film and second thin film) present in the repeating layer 101 between the uppermost layer and the lowermost layer may have an optical thickness of 1/3 to 1/5 of the center wavelength of the blue light reflection band. Preferably, it may have an optical thickness of 1/4 ( ⁇ max / (4n), n: refractive index of a thin film, hereinafter referred to as 1/4 wavelength thickness) (the glass substrate is not shown).
  • the long wavelength transmission filter is designed by the following Transfer Matrix Method for the purpose of reflecting blue light and transmitting light having a wavelength in the range of 500 to 700 nm such as yellow light.
  • the first thin film may be made of silicon oxide (SiO 2 ) having a relatively low refractive index
  • the second thin film may be made of titanium oxide (TiO 2 ) having a relatively high refractive index.
  • the long wavelength transmission filter used in the present invention may be represented by a formula such as [0.5H (L) 0.5H] m .
  • 0.5H means a layer having a high refractive index of 1/8 wavelength thickness (for example, TiO 2 ) and L represents a layer having a low refractive index of 1/4 wavelength thickness (for example, SiO 2 ).
  • M means a repeating unit.
  • m is 1, m is preferably an integer of 2 or more because only the (L) layer having a low refractive index is present between the uppermost layer and the lowermost layer, instead of the 1/4 wavelength-thick (LH) repeating layer.
  • FIG. 3 shows an example in which SiO 2 is used as the first thin film and TiO 2 is used as the second thin film, the present invention is not limited thereto.
  • the uppermost layer of the long wavelength transmission filter is a glass substrate.
  • the lower diagram is a cross-sectional view and pattern of a conventional pc-LED using green / yellow / amber / red phosphor
  • the light emission photograph of the pc-LED including the long wavelength transmission filter (LWPF) of the present invention is shown.
  • green 1 (G1) is (Sr, Ba) 2 SiO 4 : Eu phosphor
  • green 2 (G2) is (Sr, Ca) Ga 2 S 4 : Eu
  • yellow 1 (Y1) is (Sr, Ba) 2 SiO 4 : Eu phosphor
  • yellow 2 (Y2) is (Sr, Ca) Si 2 O 2 N 2 : Eu phosphor
  • yellow 3 (Y3) is (Y, Gd) 3 (Al, Ga) 5 O 12 : Ce phosphor
  • amber 1 (A1) is (Sr, Ba, Ca) 3 SiO 5 : Eu phosphor
  • amber 2 (A2) is (Sr, Ba, Ca) 3 SiO 5 : Eu phosphor
  • red 1 (R1) is (Sr, Ca) AlSiN 3 : Eu phosphor
  • red 2 (R 2) mean CaAlSiN 3 : Eu phosphor.
  • the phosphor switching monochromatic LED including the long-wavelength transmission filter of the present invention is greatly improved in color purity, thereby confirming that the phosphor is almost similar to the color of the original phosphor.
  • FIG. 5 is a graph showing the PL intensity according to the wavelength
  • the left figure is a graph of the relative PL emission spectrum of the phosphor powder itself when excited with blue light of 450nm
  • the right figure is a pc equipped with a long wavelength transmission filter of the present invention
  • Graph of electroluminescence (EL) of -LED Comparing the drawings, it can be seen that the EL spectrum of the PL of the phosphor and the monochromatic light pc-LED developed by the present invention are almost identical, which means that the monochromatic LED can be realized by the attachment of a long wavelength transmission filter.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a color coordinate change of a pc-LED including a phosphor on the left side and a long wavelength transmission filter of the present invention in a conventional pc-LED.
  • the x and y coordinates for each color represent the purity of the color and the kind of color. because of this It can be seen that the x, y color coordinates of the phosphor can be accurately implemented through the pc-LED including the long wavelength transmission filter of the present invention.
  • Table 1 is a table summarizing the EL characteristics of the monochromatic pc-LED including the long wavelength transmission filter of the present invention, and the relative external quantum efficiency, relative luminous efficacy, luminous efficacy ), Color purity and peak wavelength.
  • the monochromatic pc-LED including the long-wavelength transmission filter of the present invention exhibits almost the same characteristics as the emission characteristics of each phosphor, and the introduction of the long-wavelength transmission filter means that high-efficiency monochromatic LEDs can be realized.
  • FIG 7 shows the standard luminous efficiency according to the temperature of the monochromatic pc-LED including the long-wavelength transmission filter of the present invention according to the type of the phosphor
  • Figure 8 is a graph showing the standard luminous efficiency according to the temperature by the concentration of the phosphor.
  • the monochromatic LED is realized by excitation with a blue LED, the temperature attenuation characteristics are slightly different depending on the type of phosphor. However, the efficiency decreases within 90% at 80 ° C when the LED is operated. In the case of red and green LEDs, the efficiency decreases by 50% and 75% for each 80 ° C increase, so that the efficiency characteristics are very stable to ambient temperature changes compared to the conventional monochromatic LEDs, and thus the present invention is maintained. It can be seen that the temperature characteristic of the white LED lamp including the monochromatic pc-LED including the long wavelength transmission filter is also stable.
  • FIG. 9 illustrates the standard luminous efficiency according to the operating currents of the conventional InGaN green, blue, and InGaAlP amber and red monochromatic LEDs, and an arrow indicates a drop point for each phosphor.
  • the conventional monochromatic LEDs have different droop point positions for the operating current for each type of phosphor, so when manufacturing a multichip LED for realizing white light including the same, a complex driving circuit is required to match the droop points according to the operating current. You can see that it is necessary.
  • FIG. 10 shows the standard luminous efficiency according to the operating current for each type of phosphor of the monochromatic pc-LED including the long wavelength transmission filter of the present invention. You can see that. This means that when manufacturing a multi-chip LED including a monochromatic pc-LED including the long wavelength transmission filter of the present invention, since the droop points according to the operating current are almost identical, the white light can be realized using only a driving circuit having a simple structure.
  • FIG. 11 is a graph showing the relative luminous efficiency according to the driving current of the green PC-LED including the conventional green LED and the long wavelength transmission filter of the present invention
  • Figure 12 includes a conventional amber LED and the long wavelength transmission filter of the present invention
  • the graph shows the relative luminous efficiency according to the driving current of the green pc-LED (G2).
  • G2 the green pc-LED
  • a typical green LED is 36.9 lm / w
  • the green pc-LED of the present invention has a luminous efficiency of 2.24 times as 82.7 lm / w.
  • a typical amber LED is 34.7 lm / w based on 100 mA
  • the amber pc-LED (A1) of the present invention has a luminous efficiency of 1.52 times as 52.9 lm / w.
  • Multi-chip white LED device uses the phosphor switching monochrome LED of the present invention described above at least one monochromatic LED chip of a plurality of monochromatic LED chips constituting it. This maximizes the efficiency of the green LED in the yellow gap, minimizing the variation between chips of different colors, and minimizing the variation of temperature, current, and droop characteristics between each chip, compared to the white LED device using RGB multi-chip. Therefore, the driving circuit can be simplified, which is suitable for commercialization.
  • the high color rendering index (R a > 80) can be realized (R a > 80), and various color temperature can be adjusted from 2700 ⁇ 12000K, compared to the conventional single-chip white LED device.
  • White light can be realized as efficiency.
  • the multi-chip white LED device of the present invention uses a conventional RGB multi-chip except that at least one or more single-color LED chip of the plurality of single-color LED chip is used as the above-described phosphor switching monochrome LED of the present invention.
  • the configuration is the same as that of the white LED element. Therefore, since the size, material, arrangement, and the like of the monochromatic LED chip used are the same as those of a white LED device using a conventional RGB multichip, a detailed description thereof will be omitted.
  • the cup including the chip and the phosphor is 50 mm x 50 mm in size, but is not limited thereto. It is obvious to those skilled in the art that the cup is appropriately modified according to the use and conditions.
  • Example 1 of Korean Patent Application No. 2010-34745 a phosphor conversion monochromatic LED including a long wavelength transmission filter
  • a phosphor conversion monochromatic LED for each color was manufactured.
  • the first thin film / second thin film layer (SiO 2 69 nm / TiO 2 46 nm) is used as a repeating layer (1/4 optical thickness).
  • Eight units (eight first thin films and eight second thin films) were deposited, a first thin film layer (SiO 2 , 69 nm) was deposited on top, and TiO 2 24 nm was deposited on the top layer.
  • the pressure of the beam chamber was adjusted to 4.0 x 10 -5 torr and the deposition was carried out under an oxygen partial pressure of 1.9 x 10 -4 torr with an acceleration voltage of 7 kV.
  • the long wavelength transmission filter (band edge 530 nm) was cut to fit the size of the cup, and then prepared by attaching the front of the LED cup.
  • the size of the blue chip used in the present invention is 1 mm x 0.5 mm, the cup containing the chip and the phosphor is 50 mm x 50 mm size.
  • amber phosphor (amber amber A1: 596 nm (Sr, Ba, Ca) 3 SiO 5 : Eu amber phosphor in Intemetix) in place of the red phosphor in Preparation Example 1 and using a concentration of 20 wt% Was prepared in the same manner as in Preparation Example 1 to produce a phosphor-converted amber LED (A B, M ).
  • W B is a conventional phosphor-converting white LED, which is a blue LED-excited white LED to which a yellow phosphor (yellow Y3: Phosphor Tech Co. (Y, Gd) 3 (Al, Ga) 5 O 12 : Ce yellow phosphor) is added as a phosphor ( Blue and yellow emit light simultaneously).
  • a white LED that does not use a long wavelength transmission filter.
  • R B, M is a red LED added as a phosphor to the phosphor switching monochrome LED of the present invention
  • a B, M is an amber phosphor as a phosphor to the phosphor switching monochrome LED of the present invention.
  • Is a amber LED added with G B, M is a green LED added with a green phosphor as a phosphor to the phosphor switching monochromatic LED of the present invention
  • W B is a blue LED with a yellow phosphor added as a phosphor as a conventional phosphor switching white LED
  • B is a normal blue LED of InGaN system
  • R is a normal red LED of InGaAlP system
  • G is a normal green LED of InGaN system.
  • R, G, and B are ordinary red, green, and blue LEDs (here, ordinary LEDs using only semiconductor-type chips without phosphors and long wavelength transmission filters), reds of Alti Semiconductor Company (now Eastern LED), Green and blue LEDs were purchased and used with green and blue LEDs equivalent to blue.
  • Fig. 13 is a schematic diagram of a white LED multichip device including phosphor switching monochromatic LEDs of the present invention.
  • the R B, M G B, M B LED multichip is a white LED multichip device manufactured by combining the R B, M , G B, M and B LED devices of Preparation Example 1.
  • the B LED was manufactured by fixing by soldering on an electrode arranged at the vertex of an equilateral triangle having a side length of 1 cm.
  • the LED multichip package was fabricated by soldering each monochromatic LED onto the electrodes arranged at the corners of a square of 1 cm in length.
  • the configuration of the multichip capable of realizing white light includes RB , M G B, M B LED multichip, R B, M A B, M G B, M B LED multichip, or a conventional blue LED.
  • W B, R B, M A B, M G B LED which may not include the multi-chip structure, the configuration of the white light is not limited to this condition at least one or more monochrome pc-LED including a long wavelength transmission filter Any combination may be included.
  • FIG. 14 to 17 show the entire color gamut of the preferred multichip white LED device of the present invention
  • Figure 15 is W B, R B, M G B, M LED multichip
  • Figure 16 R B, M A B, M G B, M B LED multichip
  • FIG. 17 shows W B, R B, M A B, M G B, M The color reproduction area of the LED multichip is shown.
  • the horizontal axis means the CIE color coordinate x value
  • the vertical axis means the CIE color coordinate y value
  • the star mark for each color means the EL emission color coordinate of the monochromatic pc-LED including the long wavelength transmission filter.
  • the rectangle represents the color reproduction range that can be realized by the emission spectrum and the reflection color spectrum of the lamp.
  • the rectangle represents the color reproduction range that can be realized by the emission spectrum of the lamp, and the rectangle may implement the reflection color spectrum.
  • a white LED device composed of a conventional RGB multichip that does not contain a phosphor conversion LED was manufactured.
  • FIG. 18 to 21 are graphs showing physical properties of a white LED device composed of a conventional RGB multichip that does not include a phosphor conversion LED. Specifically, FIG. 18 is a graph showing the intensity of light for each wavelength, and a small graph therein represents the color coordinates of the monochromatic LEDs used, and FIG. 19 is a graph showing the intensity of light for each wavelength for each color temperature.
  • White LED devices composed of conventional RGB multichips have been shown to realize white light of various color temperatures.
  • Figure 20 is a graph showing a driving current (driving current) in accordance with the color temperature (Tcp) by a solid chip
  • Figure 21 is a graph showing the color rendering index (R a) and the light emission efficiency (luminous efficacy) of the color temperature (Tcp).
  • FIGS. 22 to 25 are graphs showing physical properties of the white LED device composed of the R B, M G B, and M B multichips of the present invention.
  • R B, M and G B, M are R1 and G1 pc-LED chips, respectively.
  • FIG. 22 is a graph showing the intensity of light for each wavelength, and a small graph therein represents the color coordinates of the monochromatic LEDs used
  • FIG. 23 is a graph showing the intensity of light for each wavelength for each color temperature.
  • the white light made of the R B, M G B, M B multi-chip of the present invention also shows that it can implement a white light of various color temperature.
  • Figure 24 is a graph showing the driving current (driving current) in accordance with the color temperature (Tcp) by a solid chip
  • Figure 25 is a graph showing the color rendering index (R a) and the light emission efficiency (luminous efficacy) of the color temperature (Tcp). It is possible to realize various color temperatures by changing the amount of current applied to R B, M G B and M B chips, but the half-width of the emission spectrum of green and red chips of R B, M G B and M B is increased, so that the white light
  • the color rendering index is high and the efficiency of green pc-LED LED is also improved, resulting in higher luminous efficiency than white LEDs composed of conventional RGB multichips.
  • the color rendering index of a white LED composed of a conventional RGB multi-chip is 70 or less
  • a multi-color that realizes white light by mixing light emitted from three monochromatic LED chips including the phosphor conversion pc-LED of the present invention in a chip white LED device, the color rendering index (R a ) may be 80 or more, and more preferably, the color rendering index (R a ) may be 85 or more in the color temperature range of 2700-12000K. Monochromatic chips) could not be achieved.
  • RG B, M B multichip was manufactured by the same method as Example 1 by combining the R, G B, M and B LED devices of Preparation Example 1.
  • FIG. 26 to 29 are graphs showing the physical properties of the white LED device composed of RG B, M B multichip of the present invention.
  • G B, M is the G1 pc-LED chip.
  • FIG. 26 is a graph showing the intensity of light for each wavelength, and a small graph therein represents the color coordinates of monochromatic LEDs used
  • FIG. 27 is a graph showing the intensity of light for each wavelength for each color temperature.
  • white LED devices composed of conventional RGB multichips white light produced by the RG B and M B multichips of the present invention also shows that white light of various color temperatures can be realized.
  • Figure 28 is a graph showing a driving current (driving current) in accordance with the color temperature (Tcp) by a solid chip
  • Figure 29 is a graph showing the color rendering index (R a) and the light emission efficiency (luminous efficacy) of the color temperature (Tcp). It is possible to realize various color temperatures by changing the amount of current applied to RG B, M B chips, but the half-width of the emission spectrum of G B, M green chips is increased, so that the color rendering index of white light is high and the efficiency of green pc-LED LED is also increased. Efficiency improvement greatly improves luminous efficiency than white LEDs composed of conventional RGB multi-chips.
  • FIG. 30 to 33 are graphs evaluating the physical properties of BGR, R B, M G B, M B, RG B, and M B multichips for implementing white light at 150 mA.
  • FIG. 30 is a graph showing luminous efficiency according to color temperature (Tcp, correlated color temperature) for each multichip
  • FIG. 31 is a graph showing relative efficiency according to color temperature (Tcp, correlated color temperature)
  • FIG. 32 is a color temperature ( A graph showing relative luminance according to Tcp and correlated color temperature.
  • FIG. 33 is a graph showing color rendering index according to correlated color temperature (Tcp).
  • the physical properties of the multichip including at least one or more phosphor switching monochrome chips including the long wavelength filter of the present invention are significantly higher than those of the conventional multichip consisting of RGB monochromatic LEDs.
  • W B , R B, M , G B, M and B LEDs of Preparation Example 1 were combined to prepare W B R B, M G B, M B multichips in the same manner as in Example 1.
  • FIG. 34-37 are graphs showing the physical properties of the white LED element formed by W B R B, M G B , M B multi-chip in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
  • R B, M and G B, M are R2 and G1 pc-LED monochromatic chips, respectively
  • W B is a white pc-LED chip using Y1.
  • FIG. 34 is a graph showing the intensity of light for each wavelength, and a small graph therein represents the color coordinates of the monochromatic LEDs used
  • FIG. 35 is a graph showing the intensity of light for each wavelength for each color temperature.
  • White light made of the W B R B, M G B, M B multi-chip of the present invention shows that the white light of a wider color temperature than the conventional white LED device composed of RGB multi-chip.
  • W B R B, M A B, M G B can be of different color temperature implemented with changes in the amount of current applied to the M chips, W B R B, M A B, M G B, M of the white chip yellow and red
  • the half-width of the emission spectrum of the amber, amber, and green chips is increased, and the color rendering index of the white light produced by combining them is greatly increased, and the efficiency is also improved.
  • FIG. 38 to 40 show the physical properties of BGR, BG B, M R B, M , BG B, M R and W B R B, M A B, M G B, M multichips for implementing white light at 150 mA and 200 mA. It is a graph evaluated.
  • FIG. 38 is a graph showing luminous efficiency according to color temperature Tcp for each multichip
  • FIG. 39 is a graph showing relative efficiency according to color temperature Tcp
  • FIG. 40 is a relative luminance according to color temperature Tcp.
  • 41 is a graph showing the color rendering index according to the color temperature (Tcp).
  • the physical properties of the multichip including at least one or more phosphor switching monochrome chips including the long wavelength filter of the present invention are significantly higher than those of the conventional multichip consisting of RGB monochromatic LEDs.
  • G B2, M , G B3, M green LEDs were manufactured by the method of Preparation Example 1, and the characteristics were compared according to the efficiency, and R B3, M amber and R B3, M red LEDs were manufactured and used as the preparation example 1
  • the R B3, M G B3, M B3 and R B3, M A B3, M G B, M B3 multichips were fabricated and compared with RGB multichip white LEDs.
  • FIG. 42 is a graph showing luminous efficacy of G B, M , G B2, M , G B3, M and G green chips according to a driving current between 10 mA and 150 mA.
  • the efficiency of the phosphor conversion monochromatic LED has been shown to be greatly improved according to the improvement of the external quantum efficiency of the blue LED used as the excitation source.
  • the efficiency is remarkably improved.
  • luminous efficacy and color rendering index of RGB R B, M G B, M B and R B3, M G B3, M B3 white light at color temperature (Tcp) 6500K and 3500K.
  • a ) is a graph.
  • 45 and 46 show emission spectra and luminous efficiency of RGB, R B, M A B, M G B, M B and R B3, M A B3, M G B3, M B3 white light at color temperatures (Tcp) 6500K and 3500K.
  • the multi-chip white LED including at least one phosphor switching monochromatic chip including the long wavelength filter of the present invention also greatly improves the efficiency of the white LED according to the efficiency of the blue LED.
  • the efficiency of a multichip white LED including at least one phosphor switching monochromatic chip described above can be significantly improved according to the characteristics of a blue LED, and the color rendering index is compared with that of a multichip white LED using ordinary RGB. It shows that the luminous efficiency can be significantly improved as well as
  • Example 6 using B3 blue chip B3, M , G B3, M , A B3, M Manufacture phosphor red, amber, green LED
  • Example 8 R prepared in Example 6 B3, M , A B3, M , G B3, M Optical property evaluation according to the frequency of pulse wave of monochromatic chip and B3 blue chip
  • Examples 1 to 5 show examples related to white LED implementation related to spatial mixing in which white, blue, green, red tricolor, or blue, green, amber, and red four-color chips are mixed in the same space to realize white color.
  • the phosphor conversion monochrome chip including the long wavelength filter of the present invention was driven by a continuous wave (CW).
  • CW continuous wave
  • the multi-chip white LED method including at least one phosphor conversion monochromatic chip including the long wavelength filter of the present invention is used, the efficiency is much higher than that of the conventional method of implementing white using time mixing of conventional RGB multi-chip. It can be seen that the improvement.
  • a white current is realized by using a pulse wave around 500 kHz.
  • 47 to 50 are graphs comparing the efficiency change according to the pulse driving of the phosphor conversion monochrome chip including the long-wavelength filter of the present invention, showing that the luminous efficiency is greater than 90% compared to the DC wave used in the conventional spatial mixing. Giving. Therefore, when the multi-chip is manufactured by using the phosphor-switched monochromatic chip including the long wavelength filter of the present invention, the white is realized, and the efficiency is greatly improved compared to the white by the time mixing with the existing RGB multi-chip. Giving.
  • the implementation of high-efficiency white LEDs replaces conventional RGB tricolor LEDs used in conventional field sequential liquid crystal display (LCD) displays.
  • the efficiency can be greatly improved.
  • field sequential liquid crystal display LCD
  • the LED of each color flickers with time difference and the liquid crystal cell is synchronized so that the color filter on the front of the LCD is removed and full color is achieved.
  • the efficiency cannot be greatly improved due to the problem of the green gap, it can be seen from Example 6 that the efficiency can be greatly improved when the backlight is manufactured using the phosphor conversion monochromatic chip including the long wavelength filter of the present invention.
  • the multi-chip white LED device of the present invention has excellent physical properties, it can be widely used in applications where white light can be used, such as light emitting devices, lighting for automobiles, interior lighting, headlights, lamps, backlights, and home lighting. have.

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Abstract

본 발명에 따른 멀티칩을 이용한 백색 LED 소자는 종래의 RGB 멀티칩을 이용한 백색 LED 소자에 비하여, yellow gap내의 그린 LED의 효율을 최대화하여 다른 색의 칩들간의 편차를 최소화하였고, 각각의 칩간의 온도, 전류 및 droop 특성의 편차를 최소화하여 구동 회로를 단순화할 수 있어 상용화에 적합하다. 또한, 통상의 단일칩 구조의 백색 LED 소자에 비하여 고 연색지수를 실현 (Ra > 80)할 수 있고, 2700 ~ 12000K 에서 다양한 색온도 조절이 가능하며, 감성 조명으로 색 표현력이 풍부해질 뿐 아니라 높은 효율로서 백색광을 구현할 수 있다.

Description

멀티칩 백색 LED 소자
본 발명은 멀티칩을 이용한 백색 LED 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 특정구조를 가지는 형광체 전환 단색 LED를 포함하여 종래의 단색 LED를 포함하는 RGB 멀티칩을 이용한 백색 LED의 문제점들을 획기적으로 개선한 형광체 전환 단색 LED를 이용한 멀티칩 백색 LED 소자를 제공하는 것이다.
1990년도 중반에 접어들면서 질화물 반도체 InGaN를 이용한 녹색 및 청색 LED의 조명 효율(luminous efficiency)이 백열 전구 수준을 능가하게 되어 총천연색 디스플레이를 포함하여 광범위한 분야로의 LED의 응용이 본격화되었다. 특히 1996년 InGaN 청색 LED에 형광 물질을 도포시켜서 구현한 고휘도 백색 LED의 등장으로 인해 이른바 반도체 조명의 시대가 시작되었다.
한편, LED를 이용하여 백색광을 구현하는 종래 방법은 크게 두 가지로 나뉘어 진다. 첫째로는 RGB 멀티칩을 이용하여 백색광을 구현하는 방법이다. 구체적으로 한국공개특허 제2006-88940호에서는 각각의 R(레드), G(그린) 및 B(블루) 칩을 하나의 패키지로 구성하고 이를 혼색하여 백색광을 구현하는 방법이 개시되어 있다. 이러한 RGB 멀티칩을 이용하여 백색광을 구현하는 방법은 백색광의 색좌표와 색온도를 아주 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있으나, 1) 옐로우 갭 현상으로 인한 Green LED 의 효율 저하, 2) 각각의 RGB 칩 간의 온도/전류 특성 및 droop 특성의 차이로 인한 복잡한 구동회로의 필요성 및 3) 연색지수 (Ra) 저하 등으로 인하여 상용화 될 때 이를 해결하기 위해서 복잡한 기술적 해결책이 요구되고 생산단가가 크게 상승하는 문제점이 발생하였다.
이에, 단일칩을 통해 백색광을 구현하는 두번째 방법에 제안되었다. 구체적으로 한국특허출원 제2008-111832호에서는 근자외선 또는 청색 LED를 여기원으로 사용하여 형광체를 발광시키는 형광체 전환 LED (phosphor-converted LED:pc-LED)를 포함하여 단일칩으로 백색광을 구현하는 방법이 개시되어 있다. 상기 pc-LED 단일칩을 이용한 백색 LED 소자는 상술한 RGB 멀티칩을 이용한 백색 LED 소자에 비하여 백색광의 구현 시 구동회로가 비교적 단순하고, 백색효율이 높아서 널리 사용되고 있다. 그러나, 이러한 pc-LED 단일칩을 이용한 백색 LED 소자는 색온도의 제약으로 인해 다양한 감성을 가지는 백색광(예 : warm-white)을 구현하기 어렵고, 연색지수의 (Ra) 저하가 발생할 뿐 아니라 여러 형광체를 하나의 칩에 포함하므로 각 형광체간에 에너지 재흡수 및 산란으로 인한 발광 에너지 손실이 필연적으로 발생하고, 각각의 형광체 간의 특성의 차이에 의해서 칩 제조시 발광 특성의 오차(tolerance)가 높게 나타나는 문제가 있었다.
나아가 RGB 3개의 칩으로 백색광을 구현하는 경우 2700 ~ 12000K의 색온도 영역에서 연색지수(Ra)가 70 이하로 나타나는 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 해결하려는 과제는 종래의 RGB 멀티칩을 이용한 백색 LED의 문제점들을 획기적으로 개선하여 상용화가 가능하도록 설계된 형광체 전환 단색 LED를 이용한 멀티칩 백색 LED 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 두번째 과제는 3개의 단색 LED 칩에서 조사되는 광의 혼합을 통해 백색광을 구현하는 멀티칩 백색 LED 소자에서 2700 ~ 12000K의 색온도 영역에서 연색지수(Ra)가 80 이상인 형광체 전환 단색 LED를 이용한 멀티칩 백색 LED 소자를 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 복수개의 단색 LED 칩에서 조사되는 광의 혼합을 통해 백색광을 구현하는 멀티칩 백색 LED 소자에 있어서, 상기 복수개의 단색 LED 칩 중 적어도 하나 이상의 칩이, 청색광원; 상기 청색광원의 상부에 구비되며, 청색광원에서 방출된 청색광을 흡수하여 500∼700nm 범위의 광을 방출하는 형광체; 및 상기 형광체의 상부에 형성되며, 청색광은 반사시키고 500∼700nm 범위의 광은 투과시키는 장파장 투과필터;를 포함하는 형광체 전환 단색 LED를 포함하는 멀티칩 백색 LED 소자를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 500∼700nm 범위의 광은 호박색, 황색, 녹색 또는 적색일 수 있으며, 상기 형광체는 황색, 호박색, 녹색 또는 적색 형광체일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 장파장 투과필터는 소정의 굴절율을 가지는 제1박막과 상기 제1박막의 굴절율보다 높은 굴절율을 가지는 제2박막이 교대로 반복되어 적층되어 있는 반복층을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 반복층의 최상부층과 최하부층은 제3박막을 형성하며 상기 최상부층 및 최하부층 중 적어도 하나의 층의 두께는 청색광원 반사 밴드 중심 파장 대비 1/80 ~ 1/4.4 광학두께, 보다 바람직하게는1/40 ~ 1/4.7 광학두께일 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 반복층 중 상기 제3박막에 인접한 층은 제1박막일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 최상부층과 최하부층 사이의 반복층(제1박막, 제2박막)을 구성하는 개개의 층은 청색광원 반사 밴드 중심 파장 대비 1/4 광학두께를 가질 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 청색광원은 InGaN 기반의 LED일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 단색 LED 칩은 2개 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 복수개의 단색 LED 칩은 청색칩을 제외한 모든 칩이 상기 형광체 전환 단색 LED일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 복수개의 단색 LED 칩은 a) 적색 형광체 전환 단색 LED, 녹색 형광체 전환 단색 LED, 청색 LED; b) 적색 LED, 녹색 형광체 전환 단색 LED, 청색 LED; c) 적색 형광체 전환 단색 LED, 호박색 형광체 전환 단색 LED, 녹색 형광체 전환 단색 LED, 청색 LED; d) 적색 LED, 호박색 형광체 전환 단색 LED, 녹색 형광체 전환 단색 LED, 청색 LED; e) 적색 형광체 전환 단색 LED, 황색 형광체 전환 단색 LED, 녹색 형광체 전환 단색 LED, 청색 LED; f) 적색 LED, 황색 형광체 전환 단색 LED, 녹색 형광체 전환 단색 LED, 청색 LED; g) 황색 기반의 형광체 전환 백색 LED, 적색 형광체 전환 단색 LED, 호박색 형광체 전환 단색 LED, 녹색 형광체 전환 단색 LED 또는 h) 황색 기반의 형광체 전환 백색 LED, 적색 형광체 전환 단색 LED, 녹색 형광체 전환 단색 LED의 조합을 포함을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 복수개의 단색 LED 칩은 a) 황색 형광체 전환 단색 LED, 청색 LED; b) 녹색 기반의 형광체 전환 청녹색 LED, 호박색 형광체 전환 단색 LED 또는 c) 녹색 기반의 형광체 전환 청녹색 LED, 적색 형광체 전환 단색 LED 의 2가지 칩의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 형광체 전환 단색 LED를 포함한 멀티칩 백색 LED 소자는 종래의 형광체를 사용하지 않는 멀티칩 백색 LED 소자에 비교하여 전체 색온도영역 (2700 - 12000 K)에서 발광 효율이 우수하고 또한 Ra 85 이상의 값을 가지므로 연색지수가 우수하다. 또한 본 발명에 의한 형광체 전환 단색 LED를 포함한 멀티칩 백색 LED 소자는 종래의 형광체를 이용한 단일칩 백색 LED의 경우 색온도와 연색지수가 칩제조 시 일정하게 고정된 값을 갖는 것과 비교하여 색온도 조절 (2700 - 12000 K) 과 동시에 연색지수의 능동적 조절이 가능하다.
본 발명의 두번째 과제를 달성하기 위하여, 3개의 단색 LED 칩에서 조사되는 광의 혼합을 통해 백색광을 구현하는 멀티칩 백색 LED 소자에서 2700 ~ 12000K의 색온도 영역에서 연색지수(Ra)가 80 이상, 더욱 바람직하게는 연색지수(Ra)가 85 이상인 멀티칩 백색 LED 소자를 제공한다.
본 발명에 따른 멀티칩을 이용한 백색 LED 소자는 종래의 RGB 멀티칩을 이용한 백색 LED 소자에 비하여, yellow gap내의 녹색, 황색, 호박색 LED의 효율을 최대화하여 다른 색의 칩들간의 편차를 최소화하였다.
각각의 칩간의 온도, 전류 및 droop 특성의 편차를 최소화하여 구동 회로를 단순화할 수 있고, 또한 각칩에 인가되는 전압이 청색칩과 동일해 지고 수명 특성 또한 칩간의 편차가 최소화 되므로 상용화에 적합하다.
또한, 통상의 단일칩 구조의 백색 LED 소자에 비하여 고 연색지수를 실현 (Ra > 80)할 수 있고, 2700 ~ 12000K 에서 다양한 색온도 조절이 가능하며, 일반조명으로 사용될 경우 감성 조명으로 색 표현력이 풍부해질 뿐 아니라 높은 효율로서 백색광을 구현할 수 있고, 백라이트로 사용될 경우 칼라디밍이 가능해지고 그에 따른 디바이스 효율 향상과 콘트라스트 및 색재현 범위 향상 등의 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 사용되는 형광체 전환 단색 LED의 제조방법을 도시한 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 바람직한 형광체 전환 단색 LED에 사용되는 장파장 투과필터의 단면도이고, 도 2b는 최상부층 및 최하부층의 광학두께에 따른 투과도 변화를 나타낸 그래프이며, 도 2c는 최상부층 및/또는 최하부층의 광학두께별로 파장에 따른 투과도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 형광체 전환 단색 LED의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4에서 상부도면은 본 발명에 사용되는 녹색/황색/호박색/적색 형광체 전환 LED의 구조를 나타낸 것이며, 하부도면은 녹색/황색/호박색/적색 형광체 및 사용한 통상의 pc-LED 및 본 발명의 장파장 투과필터(LWPF)를 포함하는 pc-LED의 발광사진을 나타한 것이다.
도 5는 파장에 따른 photoluminescence (PL) 강도를 나타낸 그래프로서, 좌측도면은 형광체 파우더에 대한 그래프이고, 우측 도면은 본 발명의 pc-LED에 대한 그래프이다.
도 6은 좌측은 형광체, 우측은 본 발명의 장파장 투과필터를 부착하기 전후의 pc-LED의 전체 CIE 색좌표를 나타낸 그래프이다.
도 7은 형광체의 종류별로 온도에 따른 표준발광효율을 나타내고, 도 8은 형광체의 농도별로 온도에 따른 표준발광효율을 나타낸 그래프이다.
도 9는 종래의 단색 LED의 형광체의 종류별로 동작전류에 따른 표준발광효율을 나타낸 것이고, 도 10은 본 발명의 장파장 투과필터를 포함하는 단색 pc-LED의 형광체의 종류별로 구동전류(driving current)에 따른 표준발광효율을 나타낸 것이다.
도 11은 통상의 녹색 LED와 본 발명의 장파장 투과필터를 포함하는 녹색 pc-LED의 구동전류(driving current)에 따른 상대적 발광효율을 나타내는 그래프이고, 도 12는 통상 의 호박색 LED와 본 발명의 장파장 투과필터를 포함하는 녹색 pc-LED의 구동전류에 따른 상대적 발광효율을 나타내는 그래프이다.
도 13은 백색광을 구현할 수 있는 본 발명의 형광체 전환 단색 LED를 포함하는 멀티칩 백색 LED 소자의 도면이다.
도 14 ~ 17은 본 발명의 바람직한 백색 LED 멀티칩 소자의 전체 색영역으로서, 도 14는 RB,MGB,MB LED 멀티칩, 도 15는 WBRB,MGB,M LED 멀티칩, 도 16은 WBRB,MAB,MB LED 멀티칩, 도 17은 WBRB,MAB,MGB,M LED 멀티칩의 색 재현 범위을 나타낸 것이다.
도 18 ~ 21은 종래의 RGB 멀티칩으로 구성된 백색 LED 소자의 물성을 나타낸
그래프이다. 구체적으로 도 18은 파장별 광의 세기를 나타낸 그래프이고, 도 19는 색온도 별로 파장별 광의 세기를 나타낸 그래프이다. 도 20은 단색칩 별로 색온도(Tcp)에 따른 구동전류(driving current)를 나타낸 그래프이고, 도 21은 색온도(Tcp)에 따른 연색지수(Ra) 와 발광효율 (luminous efficacy)을 나타낸 그래프이다.
도 22 ~ 25는 본 발명의 RB,MGB,MB 멀티칩으로 구성된 백색 LED 소자의 물성을 나타낸 그래프이다. 구체적으로 도 22는 파장별 광의 세기를 나타낸 그래프이고, 도 23은 색온도 별로 파장별 광의 세기를 나타낸 그래프이다. 도 24는 단색칩 별로 색온도(Tcp)에 따른 인가전압(applied current)을 나타낸 그래프이고, 도 25는 색온도(Tcp)에 따른 연색지수(Ra)와 발광효율 (luminous efficacy)을 나타낸 그래프이다.
도 26 ~ 29는 본 발명의 RGB,MB 멀티칩으로 구성된 백색 LED 소자의 물성을 나타낸 그래프이다. 구체적으로 도 26은 파장별 광의 세기를 나타낸 그래프이고, 도 27은 색온도 별로 파장별 광의 세기를 나타낸 그래프이다. 도 28은 단색칩 별로 색온도(Tcp)에 따른 구동전류(driving current)를 나타낸 그래프이고, 도 29는 색온도(Tcp)에 따른 연색지수(Ra)와 발광효율 (luminous efficacy)을 나타낸 그래프이다.
도 30 ~ 33은 150mA에서 백색광을 구현하기 위한 BGR, RB,MGB,MB, RGB,MB 멀티칩의 물성을 평가한 그래프이다. 구체적으로 도 30은 멀티칩별로 색온도(Tcp)에 따른 발광효율을 나타낸 그래프이고, 도 31은 색온도(Tcp)에 따른 상대효율을 나타낸 그래프이며, 도 32는 색온도(Tcp)에 따른 상대휘도를 나타낸 그래프이고 도 33은 색온도(Tcp)에 따른 연색지수를 나타낸 그래프이다.
도 34 ~ 37은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 WBRB,MAB,MGB,M 멀티칩으로 구성된 백색 LED 소자의 물성을 나타낸 그래프이다. 구체적으로 도 34는 파장별 광의 세기를 나타낸 그래프이고, 도 35는 색온도 별로 파장별 광의 세기를 나타낸 그래프이다. 도 36은 단색칩 별로 색온도(Tcp)에 따른 구동전류(driving current)를 나타낸 그래프이고, 도 37은 색온도(Tcp)에 따른 연색지수(Ra)를 나타낸 그래프이다.
도 38 ~ 41은 150mA 및 200mA에서 백색광을 구현하기 위한 BGR, RB,MGB,MB, RGB,MB 및 WBRB,MAB,MGB,M멀티칩의 물성을 평가한 그래프이다. 구체적으로 도 38은 멀티칩별로 색온도(Tcp)에 따른 발광효율을 나타낸 그래프이고, 도 39는 색온도(Tcp)에 따른 상대효율을 나타낸 그래프이며, 도 40은 색온도(Tcp)에 따른 상대휘도를 나타낸 그래프이고 도 41은 색온도(Tcp)에 따른 연색지수를 나타낸 그래프이다.
도 42는 10 mA에서 150 mA 사이의 구동전류(driving current)에 따라서 청색 LED의 외부양자효율 증가에 (B = 0.34, B2 = 0.40, B3 = 0.49) 따른 GB,M, GB2,M, GB3,M 및 G 녹색칩의 발광효율 (luminous efficacy)을 나타낸 그래프이다.
도 43과 44는 색온도(Tcp) 6500K 와 3500K에서 RGB, RB,MGB,MB 및 RB3,MGB3,MB3 백색광의 발광 스펙트럼, 발광효율 (luminous efficacy) 및 연색지수(Ra)를 나타내는 그래프이다.
도 45와 46은 색온도(Tcp) 6500K 와 3500K에서 RGB, RB,MAB,MGB,MB 및 RB3,MAB3,MGB3,MB3 백색광의 발광 스펙트럼, 발광효율 (luminous efficacy) 및 연색지수(Ra)를 나타내는 그래프이다.
도 47, 48, 49 및 50은 60 mA의 외부인가 전류에서 RB3,M, AB3,M, GB3,M 단색칩 과 B3 청색칩의 효율 변화를 직류파 (주파수 =0)에 대비하여 펄스파의 주파수를 5Hz에서 1200 kHz 로 증가시키면서 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이 종래의 RGB 멀티칩을 이용한 백색 LED 소자는 칩간의 특성 편차가 크고 효율 및 연색지수가 낮은 단점이 있고, 단일칩을 이용한 백색 LED 소자 즉 pc-LED 단일칩을 이용한 백색 LED 소자는 다양한 감성의 백색광을 구현하지 못할 뿐 아니라, 연색지수가 낮고 warm white의 구현이 어렵고, 형광체가 두 개 이상 사용되는 단일칩 삼색 pc-LED는 효율이 낮고 형광체간 특성이 다르므로 혼합 형광체를 사용하여 단일칩을 제조할 때 특성의 제조 편차가 큰 문제점이 있었다.
이에 본 발명에 따른 형광체 전환 단색 LED를 이용한 멀티칩 백색 LED소자는, 복수개의 단색 LED 칩에서 조사되는 광의 혼합을 통해 백색광을 구현하는 백색 LED 멀티칩 소자에 있어서, 상기 복수개의 단색 LED 칩 중 적어도 하나 이상의 칩이, 청색광원; 상기 청색광원의 상부에 구비되며, 청색광원에서 방출된 청색광을 흡수하여 500～700nm 범위의 광을 방출하는 형광체; 및 상기 형광체의 상부에 형성되며, 청색광은 반사시키고 500～700nm 범위의 광은 투과시키는 장파장 투과필터;를 포함하는 형광체 전환 단색 LED를 포함하여 상술한 문제점의 해결을 모색하였다.
이를 통해, 본 발명은 형광체 전환 단색 LED를 이용한 멀티칩 백색 LED소자를 개발하여 다양한 감성의 백색광의 구현과 고효율 및 고 연색지수를 구현하고, 칩 간의 온도/전류/수명/droop 특성 편차를 줄여서 구동이 간편하고 사용시 예측 가능한 특성을 확보하므로 다양한 응용의 백색 조명으로의 활용을 가능하게 한다.
먼저, 본 발명에 사용되는 형광체 전환 단색 LED는 본 발명자들이 기출원한 한국특허출원 제2010-34745호(장파장 투과필터를 포함하는 형광체 전환 단색 LED)에 상세히 개시되어 있으며, 상기 한국특허출원 제2010-34745호는 본 발명에 참조로서 삽입된다.
구체적으로, 도 1은 본 발명에 사용되는 형광체 전환 단색 LED(단색 pc-LED)를 제조하는 방법을 나타낸 것이다. 먼저, 각각의 단색을 여기할 수 있는 형광체의 페이스트를 제조하고, 통상의 청색 LED에 상기 페이스트를 도포하여 pc-LED를 제조한다. 이후 pc-LED의 상부에 장파장 투과필터를 포함하여 형광체 전환 단색 LED를 제조한다. 본 발명에 사용되는 형광체 전환 단색 LED는 청색광원을 형광체 여기 광원으로 사용하고 상기 청색광원에서 방출된 청색광을 흡수하여 500∼700nm 범위의 광을 방출하는 형광체를 구비하며 상기 형광체의 상부에는 청색광은 반사시키고 500∼700nm 범위의 광은 투과시키는 장파장 투과필터를 포함하기 때문에 형광체를 여기시키지 못한 청색광원이 형광체 쪽으로 반사되어 다시 형광체를 여기시키는데 사용되는 것에 의하여 광여기 효율이 증가하게 되며, 또한 청색광이 LED의 전면으로 방출되지 않기 때문에 색순도 역시 뛰어나다.
본 발명에서 사용될 수 있는 청색광원은 바람직하게는 청색 LED일 수 있고, 보다 바람직하게는 InGaN 기반의 LED일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
본 발명에서 사용될 수 있는 형광체는 당업계에서 통상적으로 사용되는 형광체는 물론 양자점도 포함하는 개념으로서, 통상적으로 사용되는 녹색, 황색, 호박색, 적색 등의 형광체를 사용할 수 있다.
이처럼, 청색광을 반사시키고 500∼700nm 범위의 광은 투과시키는 상기 장파장 투과필터는 소정의 굴절율을 가지는 제1박막과 상기 제1박막의 굴절율보다 높은 굴절율을 가지는 제2박막이 교대로 반복되어 적층되어 있는 반복층을 포함하여 파장이 짧은 청색광은 반사시키고, 파장이 긴 녹색광 또는 황색광 등, 파장이 500∼700nm 범위의 빛은 투과시키도록 설계되어 있다.
도 2a는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 장파장 투과필터의 단면도로서, 장파장 투과필터(100)의 반복층은 상대적으로 굴절율이 낮은 제1박막(100a)과 제1박막보다 굴절율이 높은 제2박막(100b)이 교대로 반복되어 적층되어 이루어진다. 다음으로 장파장 투과필터(100)의 최상부층 및/또는 최하부층은 제3박막(100c)으로 이루어지며, 그 두께는 청색광 반사 밴드 중심 파장 대비 1/80 ~ 1/4.4의 광학두께를 가지거나 1/60 ~ 1/4.5의 광학두께를 가질 수 있으며, 보다 바람직하게는 1/40 ~ 1/4.7의 광학두께를 가질 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1/7 ~ 1/9 광학두께일 수 있으며, 가장 바람직하게는 1/8 광학두께를 가질 수 있다(λmax/8n, n:박막의 굴절률).
도 2b는 최상부층 및 최하부층의 광학두께에 따른 투과도 변화를 나타낸 그래프로서 상기 최상부층 및/또는 최하부층의 광학두께가 1/8에 가까울수록 투과도가 현저하게 상승하고 있음을 확인할 수 있다.
도 2c는 최상부층 및/또는 최하부층의 광학두께별로 파장에 따른 투과도의 변화를 나타낸 그래프로서, 본 발명의 주된 목적인 500 ~ 700nm의 파장을 기준으로 최상부층 및 최하부층 모두 1/8 광학두께인 경우 투과도가 가장 높고, 그 뒤를 이어 최상부층과 최하부층 중 어느 하나가 1/8 광학두께(나머지는 1/4일때)인 경우에는 모두 1/4인 경우에 비해서는 투과도가 높지만 파장에 따른 편차가 심한 단점을 보인다. 이를 통해 최상부층 및 최하부층 모두 1/8광학두께에 가까운 경우의 효율이 가장 우수한 것을 확인할 수 있다.
한편, 상기 제3박막은 광학두께를 제외한 재질 등은 제2박막과 동일할 수 있으며 최상부층 및 최하부층의 광학두께가 모두 1/80 ~ 1/4.4이거나 어느 하나의 광학두께가 1/80 ~ 1/4.4이고 나머지 하나는 제2박막(1/4)일 수 있다.
또한 제3박막의 인접한 층, 다시말해 최상부층의 하부층과 최하부층의 상부층은 제1박막일 수 있다.
최상부층과 최하부층 사이의 반복층(101)에 존재하는 개개의 층(제1박막 및 제2박막)은 청색광 반사 밴드 중심 파장 대비 1/3 ~ 1/5의 광학두께를 가질 수 있으며, 보다 바람직하게는 1/4의 광학두께(λmax/(4n), n:박막의 굴절률, 이하 1/4 파장 두께라 함)를 가질 수 있다(유리 기재는 미도시).
본 발명의 일구현예에 따르면 상기 장파장 투과필터가 청색광은 반사시키고 황색광 등 파장이 500∼700nm 범위의 빛은 투과시키는 것을 목적으로 아래의 트랜스퍼 매트릭스 방법(Transfer Matrix Method)에 의하여 설계된다. 본 발명에서 제1박막은 상대적으로 낮은 굴절율을 가지는 산화실리콘(SiO2)으로 이루어고 제2박막은 상대적으로 높은 굴절율을 가지는 산화티타늄(TiO2)으로 이루어질 수 있다.
도 3에는 본 발명에 따른 바람직한 pc-LED의 개략도를 도시하였다. 도 3을 참조하면 본 발명에 사용되는 장파장 투과필터는 [0.5H(L)0.5H]m과 같은 수식으로 나타낼 수 있다. 상기 수식에서 0.5H는 1/8 파장 두께의 높은 굴절률을 갖는 층(예를 들어, TiO2)을 의미하고 L은 1/4 파장 두께의 낮은 굴절률을 갖는 층(예를 들어, SiO2)을 의미하며, m은 반복 단위를 의미한다. m이 1인 경우에는 최상부층과 최하부층 사이에 1/4 파장 두께의 (LH) 반복층이 존재하는 것이 아니라 단순히 낮은 굴절률을 갖는 (L)층만 존재하게 되므로 상기 m은 2 이상의 정수인 것이 바람직하다. 도 3에는 제1박막으로써 SiO2를 사용하고 제2박막으로써 TiO2를 사용한 예를 도시하였지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 도 3에서 상기 장파장 투과필터의 제일 상부층은 유리 기재이다.
도 4에서 상부도면은 본 발명에 사용되는 녹색/황색/호박색/적색 형광체 전환 LED의 구조를 나타낸 것이며, 하부도면은 녹색/황색/호박색/적색 형광체를 사용하여 종래의 pc-LED의 단면 및 본 발명의 장파장 투과필터(LWPF)를 포함하는 pc-LED의 발광 사진을 도시한 것이다. 여기에서 녹색1 (G1)은 (Sr,Ba)2SiO4:Eu 형광체, 녹색2 (G2)는 (Sr,Ca)Ga2S4:Eu 를 사용한 것이고, 황색 1 (Y1)은 (Sr,Ba)2SiO4:Eu 형광체, 황색 2 (Y2)는 (Sr,Ca)Si2O2N2:Eu형광체, 황색 3 (Y3)은 (Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce 형광체, 호박색 1 (A1)은 (Sr,Ba,Ca)3SiO5:Eu형광체, 호박색 2 (A2)는 (Sr,Ba,Ca)3SiO5:Eu 형광체, 적색 1 (R1)은 (Sr,Ca)AlSiN3:Eu 형광체 및 적색 2 (R2)는 CaAlSiN3:Eu 형광체를 의미한다.
상기 발광사진을 통해 종래의 형광체 전환 단색 LED에 비하여 본 발명의 장파장 투과필터를 포함하는 형광체 전환 단색 LED가 색순도가 크게 향상되어서 원래의 형광체의 색과 거의 유사한 것을 확인할 수 있다.
도 5는 파장에 따른 PL 강도를 나타낸 그래프로서, 좌측도면은 450nm의 청색 빛으로 여기시킬 때 형광체 파우더 자체의 상대적인 PL 발광 스펙트럼에 대한 그래프이고, 우측 도면은 본 발명의 장파장투과 필터를 장착한 pc-LED의 electroluminescence (EL) 대한 그래프이다. 양 도면을 대비하면 형광체의 PL 과 본발명에 의해 개발한 단색광 pc-LED의 EL 스펙트럼이 거의 일치하고 있음을 확인할 수 있으며, 이는 장파장투과 필터의 부착으로 단색 LED를 구현할수 있다는 것을 의미하는 것이다.
도 6은 좌측은 형광체, 우측은 종래의 pc-LED에서 본 발명의 장파장 투과필터를 포함하는 pc-LED의 색좌표 변화에 대한 도면으로서 가로축는 CIE 색좌표 x 값을 의미하고 세로축 CIE 색좌표 y 값을 의미하므로 각 컬러에 대한 x,y좌표는 색의 순도 및 색의 종류를 의미한다. 이를 통해 형광체의 x,y 색좌표를 본 발명의 장파장 투과필터를 포함하는 pc-LED를 통해 정확하게 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
표 1은 본 발명의 장파장 투과 필터를 포함하는 단색 pc-LED의 EL특성을 요약한 표이고, 상대적 외광양자효율 (relative external quantum efficiency), 상대 발광 효율 (Relative luminous efficacy), 발광효율 (luminous efficacy), 색순도 (color purity), 발광 중심파장 (peak wavelength)를 요약하였다. 이 표를 통해서 본발명의 장파장 투과 필터를 포함하는 단색 pc-LED는 각 형광체의 발광 특성과 거의 동일하게 특성을 나타내며 장파장 투과 필터의 도입으로 고효율의 단색 LED의 구현이 가능하다는 것을 의미한다.
[표 1]
Figure PCTKR2011006167-appb-I000001
도 7은 형광체의 종류별로 본발명의 장파장 투과 필터를 포함하는 단색 pc-LED의 온도에 따른 표준발광효율을 나타내고, 도 8은 형광체의 농도별로 온도에 따른 표준발광효율을 나타낸 그래프이다. 비록 청색 LED로 여기시켜서 단색 LED를 구현하더라도 형광체의 종류에 따라서 온도 감쇄 특성이 약간씩 차이를 나타내고 있으나, 실제로 LED가 작동될 때의 온도인 80℃에서는 효율감소가 90% 이내에 들어가므로 기존의 단색 LED 중에서 적색과 녹색의 경우는 80℃ 씩 상승할 때 마다 50% 와 75%로 효율감소가 일어나므로 기존의 단색 LED에 비교하여 주변 온도 변화에 효율 특성이 매우 안정적이므로 유지됨을 알수 있고, 본 발명의 장파장 투과 필터를 포함하는 단색 pc-LED의 포함하는 백색 LED 램프의 온도 특성도 안정적임을 알 수 있다.
도 9는 종래의 InGaN 녹색, 청색 및 InGaAlP 호박색, 적색의 단색 LED의 동작전류에 따른 표준발광효율을 나타낸 것으로서 화살표는 각 형광체별로 아래로 꺾이는 점(droop point)를 나타낸 것이다. 이를 통해 종래의 단색 LED는 형광체의 종류별로 동작전류에 대한 droop point의 위치가 상이하므로 이를 포함하여 백색광을 구현하기 위한 멀티칩 LED를 제조하는 경우 동작전류에 따른 droop point를 일치시키기 위하여 복잡한 구동회로가 필요한 것을 알 수 있다.
이에 반하여, 도 10은 본 발명의 장파장 투과필터를 포함하는 단색 pc-LED의 형광체의 종류별로 동작전류에 따른 표준발광효율을 나타낸 것으로서 형광체의 종류별로 동작전류에 대한 droop point의 위치가 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다. 이는 본 발명의 장파장 투과필터를 포함하는 단색 pc-LED를 포함하는 멀티칩 LED를 제조하는 경우 동작전류에 따른 droop point가 거의 일치하므로 단순한 구조의 구동회로만으로 백색광을 구현할 수 있음을 의미하는 것이다.
도 11은 통상의 녹색 LED와 본 발명의 장파장 투과필터를 포함하는 녹색 pc-LED의 구동전류에 따른 상대적 발광효율을 나타내는 그래프이고, 도 12는 통상의 호박색 LED와 본 발명의 장파장 투과필터를 포함하는 녹색 pc-LED(G2)의 구동전류에 따른 상대적 발광효율을 나타내는 그래프이다. 도 11에서 널리 사용되는 100 mA를 기준으로 통상의 녹색 LED는 36.9 lm/w 이고, 본 발명의 녹색 pc-LED는 82.7lm/w 로서 2.24배의 발광효율을 갖는 것을 확인할 수 있다. 도 12에서 100 mA를 기준으로 통상의 호박색 LED는 34.7 lm/w 이고, 본 발명의 호박색 pc-LED(A1)는 52.9 lm/w 로서 1.52배의 발광효율을 갖는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 멀티칩 백색 LED 소자는 이를 구성하는 복수개의 단색 LED 칩 중 적어도 하나 이상의 단색 LED 칩을 상술한 본 발명의 형광체 전환 단색 LED를 사용한다. 이를 통해 종래의 RGB 멀티칩을 이용한 백색 LED 소자에 비하여, yellow gap내의 그린 LED의 효율을 최대화하여 다른 색의 칩들간의 편차를 최소화하였고, 각각의 칩간의 온도, 전류 및 droop 특성의 편차를 최소화하여 구동 회로를 단순화할 수 있어 상용화에 적합하다.
또한, 통상의 단일칩 구조의 백색 LED 소자에 비하여 고 연색지수를 실현 (Ra > 80)할 수 있고, 2700 ~ 12000K 에서 다양한 색온도 조절이 가능하며, 감성 조명으로 색 표현력이 풍부해질 뿐 아니라 높은 효율로서 백색광을 구현할 수 있다.
한편, 본 발명의 멀티칩 백색 LED 소자는 상술한 바와 같이 복수개의 단색 LED 칩 중 적어도 하나 이상의 단색 LED 칩을 상술한 본 발명의 형광체 전환 단색 LED를 사용한 것을 제외하고는 통상의 RGB 멀티칩을 이용한 백색 LED 소자와 그 구성이 동일하다. 그러므로, 사용되는 단색 LED 칩의 크기, 재질, 배열 등은 통상의 RGB 멀티칩을 이용한 백색 LED 소자와 동일하므로 이에 관한 구체적인 기술은 생략한다.본 발명에서 사용한 청색 칩의 사이즈는 1 mm x 0.5 mm 이고, 칩과 형광체를 포함하는 cup은 50 mm x 50 mm 사이즈이나 이에 제한되는 것은 아니며 용도 및 조건에 따라 적절하게 변형하여 사용하는 것은 당업자에게 자명하다.
이하, 본 발명을 실시예를 중심으로 설명하나 이는 예시이며, 본 발명의 범위가 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<제조예 1> 형광체 전환 단색 LED의 제조
한국특허출원 제2010-34745호(장파장 투과필터를 포함하는 형광체 전환 단색 LED)의 실시예 1에 개시된 제조방법을 참조하여 색상별 형광체 전환 단색 LED를 제조하였다.
(1) 형광체 전환 적색 LED (RB,M)
구체적으로. RB,M는 본 발명의 형광체 전환 단색 LED에 형광체로서 적색 형광체를 첨가한 적색 LED로서 (적색 R1: (Sr,Ca)AlSiN3:Eu) 10 wt%를 실리콘 바인더와 섞어서 청색 LED((외부양자효율 = 0.34, 동부 LED 13 mW급 청색 LED)를 포함하는 cup 안에 주입한 후에 100℃에서 3시간 건조하였다.
이후, 한국특허출원 제2010-34745호에 개시된 장파장 투과필터의 제조방법에 따라 제조하였다. 구체적으로 최상부층 및 최하부층에 청색광 반사 밴드 중심 파장 대비 1/8 두께의 TiO2를 전자빔 증착에 의해 증착시킨 후 (A2: 24 nm) 청색광 반사 밴드 중심 파장 대비 1/4 두께의 제1박막과 제2박막 SiO2/TiO2 (A1: 69/46 nm, A2: 72/48 nm, A3: 73/50 nm)를 250℃에서 전자빔 증착에 의해 증착시켰다. A2 는 청색영역의 반사밴드의 중심위치가 446 nm 인 장파장 투과 필터를 의미한다. 구체적으로 A2의 경우 최하부층 (TiO2) 24nm를 증착(1/8 광학두께)하고 반복층(1/4 광학두께)으로서 제1박막층/제2박막층(SiO2 69 nm/TiO2 46 nm)을 8개 단위체(제1박막 8개, 제2박막 8개)를 증착하고 상부에 제1박막층(SiO2, 69 nm)을 증착하고 최상부층으로 TiO2 24 nm를 증착하였다. 빔 챔버의 압력은 4.0 x 10-5 torr로 조절하였고 증착은 7kV의 가속전압으로 1.9 x 10-4 torr의 산소분압하에서 실시하였다.
이후 cup의 사이즈에 맞게 상기 장파장 투과필터 (band edge 530 nm)를 자른후에 LED cup 전면에 부착하는 방법을 통해서 제조하였다. 본 발명에서 사용한 청색 칩의 사이즈는 1 mm x 0.5 mm 이고, 칩과 형광체를 포함하는 cup은 50 mm x 50 mm 사이즈이다.
(2) 형광체 전환 호박색 LED (AB,M)
상기 제조예 1에서 적색 형광체를 대신하여 호박색 형광체(호박색A1: Intemetix 사의 596 nm (Sr,Ba,Ca)3SiO5:Eu 호박색 형광체)를 사용한 것과 20 wt%의 농도를 사용한 것을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 제조하여 형광체 전환 호박색 LED (AB,M)를 제조하였다.
(3) 형광체 전환 녹색 LED (GB,M)
상기 제조예 1에서 적색 형광체를 대신하여 호박색 형광체(녹색 G1: Intemetix 사 (Sr,Ba)2SiO4:Eu 녹색 형광체)를 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 제조하여 형광체 전환 호박색 LED (AB,M)를 제조하였다.
(4) 기존의 형광체 전환 백색 LED (WB)
WB는 기존의 형광체 전환 백색 LED로서 형광체로서 황색 형광체(황색 Y3: Phosphor Tech 사 (Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce 황색 형광체) 를 첨가한 청색 LED 여기 백색 LED이다 (청색과 황색이 동시에 발광함). 본 발명에 사용된 종래의 LED와 마찬가지로 장파장투과 필터를 사용하지 않은 백색 LED이다.
본 발명의 실시예에서 RB,M는 본 발명의 형광체 전환 단색 LED에 형광체로서 적색 형광체를 첨가한 적색 LED이고, AB,M는 본 발명의 형광체 전환 단색 LED에 형광체로서 호박색(amber) 형광체를 첨가한 호박색 LED이며, GB,M는 본 발명의 형광체 전환 단색 LED에 형광체로서 녹색 형광체를 첨가한 녹색 LED이고, WB는 기존의 형광체 전환 백색 LED로서 형광체로서 황색 형광체를 첨가한 청색 LED 여기 백색 LED이다 (청색과 황색이 동시에 발광함). 또한, B는 InGaN 계의 통상의 청색 LED 이고, R은 InGaAlP 계의 통상의 적색 LED 이며, G는 InGaN 계의 통상의 녹색 LED이다.
한편, R, G, B 는 통상의 적색, 녹색 및 청색 LED로서 (여기서 통상이라 함은 형광체와 장파장 투과필터를 쓰지 않은 반도체 형태의 칩만을 사용한 LED) 알티 반도체사 (현재 동부 LED)의 적색, 녹색 및 청색 LED에서 청색과 동등 성능의 녹색, 적색 LED를 구입하여 사용하였다.
<실시예 1> 백색 LED 멀티칩 소자들의 제조
제조예 1의 LED 소자들을 조합하여 다양한 종류의 백색 LED 멀티칩 소자들을 제조하였다.
도 13은 본 발명의 형광체 전환 단색 LED를 포함하는 백색 LED 멀티칩 소자의 개략도이다. 구체적으로 RB,MGB,MB LED 멀티칩은 상기 제조예 1의 RB,M, GB,M, B LED 소자들을 조합하여 백색 LED 멀티칩 소자를 제조한 것이다
RB,MGB,MB 멀티칩 패키지는 각각의 RB,M, GB,M, B LED를 변의 길이가 1 cm 인 정삼각형의 꼭지점에 배열된 전극위에 납땜으로 고정하는 방법으로 제조하였다. RB,MAB,MGB,MB LED 멀티칩과 WB,RB,MAB,MGB LED 멀티칩 패키지는 각각의 단색칩 LED를 변의 길이가 1 cm 인 정사각형의 꼭지점에 배열된 전극위에 납땜으로 고정하는 방법으로 제조하였다.
도 13에서 백색광을 구현할 수 있는 멀티칩의 구성은 RB,MGB,MB LED 멀티칩, RB,MAB,MGB,MB LED 멀티칩을 포함하거나 통상의 청색 LED를 포함하지 않는 WB,RB,MAB,MGB LED 멀티칩 구조를 포함할 수 있고, 백색광의 구성은 이 조건에 한정되지 않고 장파장 투과필터를 포함하는 단색 pc-LED를 적어도 하나 이상 포함하는 어떠한 조합도 가능하다.
도 14 ~ 17은 본 발명의 바람직한 멀티칩 백색 LED 소자의 전체 색영역으로서, 도 14는 RB,MGB,MB LED 멀티칩, 도 15는 WB,RB,MGB,M LED 멀티칩, 도 16은 RB,MAB,MGB,MB LED 멀티칩, 도 17은 WB,RB,MAB,MGB,M LED 멀티칩의 색재현 영역을 나타낸 것이다. 상기 도면에서 가로축은 CIE 색좌표 x값을 의미하고 세로축 CIE 색좌표 y값을 의미하고 각 컬러에 대한 별표시는 장파장 투과필터를 포함하는 단색 pc-LED의 EL 발광 색좌표를 의미하고, 도 14, 16에서 사각형은 램프의 발광스펙트럼과 반사색 스펙트럼이 구현할 수 있는 색 재현 범위를 의미하며, 도 15, 17에서는 사각형은 램프의 발광스펙트럼이 구현할 수 있는 색재현 범위를, 사각형은 반사색 스펙트럼이 구현할 수 있는 색 재현 범위 의미한다. 따라서 본발명의 멀티칩 백색 LED 소자의 색재현범위는 장파장 투과필터를 포함하는 단색 pc-LED의 색좌표에 의존하고 이의 선택에 따라서 다양한 칼라를 구현할 수 있는 사용자 중심의 스마트조명이 가능하다.
<비교예 1> 종래의 RGB 멀티칩으로 구성된 백색 LED 소자의 제조
형광체 전환 LED를 포함하지 않는 종래의 RGB 멀티칩으로 구성된 백색 LED 소자를 제조하였다.
구체적으로 제조예 1에 기재된 R, G, B LED 소자들을 실시예 1과 같은 방법으로 조립하여 종래의 RGB 멀티칩으로 구성된 백색 LED 소자를 제조하였다.
도 18 ~ 21은 형광체 전환 LED를 포함하지 않는 종래의 RGB 멀티칩으로 구성된 백색 LED 소자의 물성을 나타낸 그래프이다. 구체적으로 도 18은 파장별 광의 세기를 나타낸 그래프이고, 그안에 작은 그래프는 사용된 단색 LED들의 색좌표를 나타내고, 도 19는 색온도 별로 파장별 광의 세기를 나타낸 그래프이다. 종래의 RGB 멀티칩으로 구성된 백색 LED 소자는 다양한 색온도의 백색광을 구현할 수 있음을 보여주고 있다.
도 20은 단색칩 별로 색온도(Tcp)에 따른 구동전류(driving current)를 나타낸 그래프이고, 도 21은 색온도(Tcp)에 따른 연색지수(Ra)와 발광 효율 (luminous efficacy)을 나타낸 그래프이다. RGB 칩에 인가되는 전류량의 변화로 다양한 색온도의 구현이 가능하지만 도면에는 표시되어 있지 않지만 각각의 단색 소자에 인가되는 전압의 변화가 칼라별로 다르므로 백색 LED를 구현하는데 복잡한 회로가 필요하므로 구동회로의 제작 단가가 커지고, RGB 단색 칩의 발광 스펙트럼의 반치폭이 작아서 이들을 합쳐서 만든 백색광의 연색지수가 작고 효율 역시 기존의 녹색 LED의 효율 저하로 높지 않다.
<실험예 1> RB,MGB,MB 멀티칩의 광학물성평가
실시예 1에서 제조된 RB,MGB,MB 멀티칩의 광학물성을 평가하였다.
구체적으로 도 22 ~ 25는 본 발명의 RB,MGB,MB 멀티칩으로 구성된 백색 LED 소자의 물성을 나타낸 그래프이다. 여기서 RB,M 과 GB,M은 각각 R1 과 G1 pc-LED 칩이다. 구체적으로 도 22는 파장별 광의 세기를 나타낸 그래프이고, 그안에 작은 그래프는 사용된 단색 LED들의 색좌표를 나타내고, 도 23은 색온도 별로 파장별 광의 세기를 나타낸 그래프이다. 종래의 RGB 멀티칩으로 구성된 백색 LED 소자와 마찬가지로 본 발명의 RB,MGB,MB 멀티칩으로도 만든 백색광 역시 다양한 색온도의 백색광을 구현할 수 있음을 보여주고 있다.
도 24는 단색칩 별로 색온도(Tcp)에 따른 구동전류(driving current)를 나타낸 그래프이고, 도 25는 색온도(Tcp)에 따른 연색지수(Ra) 와 발광 효율 (luminous efficacy)을 나타낸 그래프이다. RB,MGB,MB 칩에 인가되는 전류량의 변화로 다양한 색온도의 구현이 가능하지만 RB,MGB,M B의 녹색, 적색 칩의 발광 스펙트럼의 반치폭이 커져서 이들을 합쳐서 만든 백색광의 연색지수가 높고 효율 역시 녹색 pc-LED LED의 효율 향상으로 종래의 RGB 멀티칩으로 구성된 백색 LED 보다 발광 효율이 향상된다. 특히 종래의 RGB 멀티칩으로 구성된 백색 LED의 연색지수가 아무리 높아도 70이하였음을 고려할 때 본 발명의 형광체 전환 pc-LED를 포함하는 3개의 단색 LED 칩에서 조사되는 광의 혼합을 통해 백색광을 구현하는 멀티칩 백색 LED 소자에서 2700 ~ 12000K의 색온도 영역에서 연색지수(Ra)가 80 이상, 더욱 바람직하게는 연색지수(Ra)가 85 이상일 수 있으며, 이러한 연색지수는 종래의 RGB 멀티칩(3개 단색칩)으로는 구현할 수 없었던 수치이다.
<실시예 2> RGB,MB 멀티칩의 제조
제조예 1의 R, GB,M 및 B LED 소자들을 조합하여 실시예 1과 같은 방법으로 RGB,MB 멀티칩을 제조하였다.
<실험예 2> RGB,MB 멀티칩의 광학물성 평가
실시예 2의 RGB,MB 멀티칩의 광학물성을 평가하였다.
도 26 ~ 29는 본 발명의 RGB,MB 멀티칩으로 구성된 백색 LED 소자의 물성을 나타낸 그래프이다. 여기서 GB,M은 G1 pc-LED 칩이다. 구체적으로 도 26은 파장별 광의 세기를 나타낸 그래프이고, 그 안에 작은 그래프는 사용된 단색 LED들의 색좌표를 나타내고, 도 27은 색온도 별로 파장별 광의 세기를 나타낸 그래프이다. 종래의 RGB 멀티칩으로 구성된 백색 LED 소자와 마찬가지로 본 발명의 RGB,MB 멀티칩으로도 만든 백색광 역시 다양한 색온도의 백색광을 구현할 수 있음을 보여주고 있다.
도 28은 단색칩 별로 색온도(Tcp)에 따른 구동전류(driving current)를 나타낸 그래프이고, 도 29는 색온도(Tcp)에 따른 연색지수(Ra)와 발광 효율 (luminous efficacy)을 나타낸 그래프이다. RGB,MB 칩에 인가되는 전류량의 변화로 다양한 색온도의 구현이 가능하지만 GB,M 녹색 칩의 발광 스펙트럼의 반치폭이 커져서 이들을 합쳐서 만든 백색광의 연색지수가 높고 효율 역시 녹색 pc-LED LED의 효율 향상으로 종래의 RGB 멀티칩으로 구성된 백색 LED 보다 발광 효율이 크게 향상된다.
결국, 복수개의 단색 LED 칩 중 청색칩을 제외하고 녹색, 적색 등의 나머지 칩을 모두 본 발명의 장파장 필터를 포함하는 형광체 전환 단색 LED를 사용한 경우 또는 그 중 일부만 사용한 경우 모두 종래의 단색 LED를 사용한 경우에 그 중 일부만 사용한 경우에 비하여 물성이 현저하게 개선되는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 3> BGR, RB,MGB,MB, RGB,MB 멀티칩의 광학물성 평가
실시예 1, 2 및 비교예 1에서 제조된 BGR, RB,MGB,MB, RGB,MB 멀티칩의 광학물성 평가하였다.
도 30 ~ 33은 150mA에서 백색광을 구현하기 위한 BGR, RB,MGB,MB, RGB,MB 멀티칩의 물성을 평가한 그래프이다. 구체적으로 도 30은 멀티칩별로 색온도(Tcp, correlated color temperature)에 따른 발광효율을 나타낸 그래프이고, 도 31은 색온도(Tcp, correlated color temperature)에 따른 상대효율을 나타낸 그래프이며, 도 32는 색온도(Tcp, correlated color temperature)에 따른 상대휘도를 나타낸 그래프이고 도 33은 색온도(Tcp, correlated color temperature)에 따른 연색지수를 나타낸 그래프이다.
이를 통해 종래의 RGB 단색 LED로 구성된 멀티칩에 비하여 본 발명의 장파장 필터를 포함하는 형광체 전환 단색칩을 적어도 하나 이상 포함하는 멀티칩의 물성이 현저하게 높은 것을 알 수 있다.
<실시예 3> WBRB,MGB,MB 멀티칩의 제조
제조예 1의 WB, RB,M, GB,M 및 B LED 소자들을 조합하여 실시예 1과 같은 방법으로 WBRB,MGB,MB 멀티칩을 제조하였다.
<실험예 4> WBRB,MGB,MB 멀티칩의 광학물성 평가
실시예 3의 WBRB,MGB,MB 멀티칩의 광학물성을 평가하였다.
도 34 ~ 37은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 WBRB,MGB,MB 멀티칩으로 구성된 백색 LED 소자의 물성을 나타낸 그래프이다. 여기서 RB,M 과 GB,M은 각각 R2 와 G1 pc-LED 단색 칩이고, WB는 Y1을 이용한 백색 pc-LED 칩이다. 구체적으로 도 34는 파장별 광의 세기를 나타낸 그래프이고, 그안에 작은 그래프는 사용된 단색 LED들의 색좌표를 나타내고, 도 35는 색온도 별로 파장별 광의 세기를 나타낸 그래프이다. 종래의 RGB 멀티칩으로 구성된 백색 LED 소자보다 본 발명의 WBRB,MGB,MB 멀티칩으로도 만든 백색광은 더 다양한 색온도의 백색광을 구현할 수 있음을 보여주고 있다.
도 36은 단색칩 별로 색온도(Tcp)에 따른 구동전류(driving current)를 나타낸 그래프이고, 도 37은 색온도(Tcp)에 따른 연색지수(Ra)와 발광 효율 (luminous efficacy)을 나타낸 그래프이다. WBRB,MAB,MGB,M 칩에 인가되는 전류량의 변화로 다양한 색온도의 구현이 가능하고, WBRB,MAB,MGB,M 백색칩중 황색 및 적색, 호박색, 및 녹색 칩의 발광 스펙트럼의 반치폭이 커져서 이들을 합쳐서 만든 백색광의 연색지수가 크게 높아지고 효율 역시 형광체 전환 단색 LED의 효율 향상으로 종래의 RGB 멀티칩으로 구성된 백색 LED 보다 발광 효율이 크게 향상된다.
<실시예 4> BGR, BGB,MRB,M, BGB,MR 및 WBRB,MAB,MGB,M 멀티칩의 제조
제조예 1의 LED 소자들을 이용하여 실시예 1과 같은 방법으로 BGR, BGB,MRB,M, BGB,MR 및 WBRB,MAB,MGB,M 멀티칩을 제조하였다.
<실험예 5> BGR, BGB,MRB,M, BGB,MR 및 WBRB,MAB,MGB,M 멀티칩의 광학물성 평가
실시예 4에서 제조한 BGR, BGB,MRB,M, BGB,MR 및 WBRB,MAB,MGB,M 멀티칩의 광학물성을 평가하였다.
도 38 ~ 40은 150mA 및 200mA에서 백색광을 구현하기 위한 BGR, BGB,MRB,M, BGB,MR 및 WBRB,MAB,MGB,M 멀티칩의 물성을 평가한 그래프이다. 구체적으로 도 38은 멀티칩별로 색온도 (Tcp)에 따른 발광효율을 나타낸 그래프이고, 도 39는 색온도 (Tcp)에 따른 상대효율을 나타낸 그래프이며, 도 40은 색온도 (Tcp)에 따른 상대휘도를 나타낸 그래프이고 도 41은 색온도 (Tcp)에 따른 연색지수를 나타낸 그래프이다.
이를 통해 종래의 RGB 단색 LED로 구성된 멀티칩에 비하여 본 발명의 장파장 필터를 포함하는 형광체 전환 단색칩을 적어도 하나 이상 포함하는 멀티칩의 물성이 현저하게 높은 것을 알 수 있다.
<실시예 5> B 청색칩의 외부 양자효율에 따른 GB,M 단색 LED 제조 및 RB,MGB,MB 와 RB,MAB,MGB,MB 멀티칩의 제조
제조예 1의 청색칩 (외부양자효율 = 0.34, 동부 LED 13 mW급 청색 LED) 과 효율이 향상된 청색칩 (외부양자효율 = 0.40, 0.49)(동부 LED 사 18 mW, 22 mW 급 청색 LED)을 이용하여 제조예 1의 방법으로 단색 및 백색 LED를 제조하였다. 제조예 1의 청색과 구분하기 위하여 외부양자효율이 0.40, 0.49인 청색 LED를 각각 B2 와 B3으로 명명하였다. 제조예 1의 방법으로 GB2,M, GB3,M 녹색 LED를 제조하여 효율에 따른 특성을 비교하였고, RB3,M 호박색 과 RB3,M 적색 LED를 제조하여 이를 이용하여 제조예 1의 방법으로 RB3,MGB3,MB3 과 RB3,MAB3,MGB,MB3 멀티칩을 제조하여 RGB 멀티칩 백색 LED와 비교하였다.
<실험예 6> GB,M, GB2,M, GB3,M 및 G 녹색칩의 광학물성평가
제조예 1 및 실시예 5에서 제조한 GB,M, GB2,M, GB3,M 및 G 녹색칩의 광학물성을 평가하였다.
도 42는 10 mA에서 150 mA 사이의 구동전류(driving current)에 따라서 GB,M, GB2,M, GB3,M 및 G 녹색칩의 발광효율 (luminous efficacy)를 나타낸 그래프이다. 구체적으로 형광체 전환 단색 LED의 효율은 여기원으로 사용되는 청색 LED의 외부양자효율 향상에 따라서 크게 향상됨을 보이고 있다. 실시예 1 ~ 4에서 사용항 청색 LED 보다 외부양자효율이 향상된 LED를 기반으로 단색 LED를 제조할 경우 효율이 현저하게 향상됨을 보여 주고 있다.
<실험예 7> RGB, RB,MGB,MB, RB3,MGB3,MB3, RB,MAB,MGB,MB 및 RB3,MAB3,MGB3,MB3 멀티칩의 광학물성 평가
도 43과 44는 색온도(Tcp) 6500K 와 3500K에서 RGB, RB,MGB,MB 및 RB3,MGB3,MB3 백색광의 발광 스펙트럼, 발광효율 (luminous efficacy) 및 연색지수(Ra)를 나타내는 그래프이다. 도 45와 46은 색온도(Tcp) 6500K 와 3500K에서 RGB, RB,MAB,MGB,MB 및 RB3,MAB3,MGB3,MB3 백색광의 발광 스펙트럼, 발광효율 (luminous efficacy) 및 연색지수(Ra)를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 장파장 필터를 포함하는 형광체 전환 단색칩의 경우 청색 LED를 여기원으로 사용하므로 청색 LED의 효율이 증가함에 따라서 형광체 전환 단색 LED의 효율이 크게 향상된다. 또한 도 43~46에 따르면 본 발명의 장파장 필터를 포함하는 형광체 전환 단색칩을 적어도 하나 이상 포함하는 멀티칩 백색 LED의 경우도 청색 LED의 효율 향상에 따라서 백색 LED의 효율이 크게 향상된다. 앞에서 설명한 형광체 전환 단색칩을 적어도 하나 이상 포함하는 멀티칩 백색 LED의 효율은 청색 LED의 특성 향상에 따라서 더 크게 특성을 향상될 수 있고 또한 통상의 RGB를 사용하는 멀티칩 백색 LED에 비교하여 연색 지수의 향상 뿐만 아니라 발광효율을 상당하게 향상시킬 수 있음을 보여준다.
<실시예 6> B3 청색칩의 이용하여 RB3,M, GB3,M, AB3,M 형광체 전환 적색, 호박색, 녹색 LED를 제조
제조예 1의 방법으로 효율이 향상된 청색칩 (B3 = 0.49)을 이용하여 단색 LED를 제조하였다.
<실험예 8> 실시예 6에서 제조한 RB3,M, AB3,M, GB3,M 단색칩 과 B3 청색 칩의 펄스파의 주파수에 따른 광학물성 평가
도 47, 48, 49 및 50은 60 mA의 외부인가 전류에서 RB3,M, AB3,M, GB3,M 단색칩 과 B3 청색칩의 효율 변화를 직류파 (주파수 =0)에 대비하여 펄스파의 주파수를 5Hz에서 1200 kHz 로 증가시키면서 나타낸 그래프이다. 시간섞임(temporal mixing)에 사용되는 500 kHz 근처에서 모든 단색 칩의 효율이 직류파 (continous wave, CW)로 구동할 때의 90% 이상임을 보여주고 있다.
지금까지의 실시예 1~5는 같은 공간에서 청색, 녹색, 적색 삼색 또는 청색, 녹색, 호박색, 적색 사색 칩을 섞어서 백색을 구현하는 공간섞임 (spatial mixing)에 관련된 백색 LED 구현에 관련된 예를 보여주고 있다. 이 경우 본 발명의 장파장 필터를 포함하는 형광체 전환 단색칩을 직류파 (continous wave, CW)로 구동하였다. 백색을 구현하는 또 다른 방법으로 청색, 녹색, 적색 LED 또는 청색, 녹색, 호박색, 적색 LED를 시간 차를 두고서 매우 빠른 속도로 섞으므로 백색을 구현하는 시간섞임(temporal mixing)에 의한 백색 구현 방법에서도 본 발명의 장파장 필터를 포함하는 형광체 전환 단색칩을 적어도 하나 이상 포함하는 멀티칩 백색 LED 방법을 사용할 경우 기존의 통상적인 RGB 멀티칩을의 시간섞임을 이용하는 백색을 구현하는 방법에 비교하여 효율이 크게 향상됨을 알 수 있다. 특히 본 발명의 장파장 필터를 포함하는 형광체 전환 단색칩을 사용하여 시간섞임에 의해서 백색을 구현하기 위해서는 구동 전류를 500 kHz 근처의 펄스파를 사용하여 백색을 구현한다. 도 47 ~ 50은 본 발명의 장파장 필터를 포함하는 형광체 전환 단색칩의 펄스 구동에 따른 효율 변화를 비교한 그래프로서 기존의 공간섞임에 사용되는 직류파에 비교하여 90% 이상의 발광 효율을 나타냄을 보여 주고 있다. 따라서 이러한 본 발명의 장파장 필터를 포함하는 형광체 전환 단색칩을 이용하여 멀티칩을 제작하여 백색을 구현하는 경우 기존의 RGB 멀티칩으로 시간섞임에 의해서 백색을 구현하는 것에 비교하여 효율이 크게 향상됨을 보여주고 있다.
본 발명의 장파장 필터를 포함하는 형광체 전환 단색칩을 기반으로 멀티칩 을 temporal mixing하므로 고효율 백색의 LED의 구현은 기존의 field sequential liquid crystal display(LCD) 디스플레이에 사용하는 통상의 RGB 3색 LED를 대체하여 효율을 크게 향상 시킬 수 있다. field sequential liquid crystal display(LCD)의 경우 각 칼라의 LED를 시간차를 두고 점멸하는 것과 액정 셀을 동기화 시키므로 LCD 전면에 칼라필터를 제거하고 풀칼라를 구현하는 고효율 LCD 기술이지만 통상의 RGB LED를 사용할 경우 green gap의 문제에 의해서 효율을 크게 향상 시킬수 없지만 본 발명의 장파장 필터를 포함하는 형광체 전환 단색칩 사용하여 백라이트를 제작하는 경우 효율을 크게 향상시킬 수 있음을 실시예 6을 통해 알 수 있다.
본 발명의 멀티칩 백색 LED 소자는 그 물성이 매우 우수하므로 발광장치, 자동차용 조명, 인테리어 조명 등의 조명기기, 헤드라이트, 램프, 백라이트 및 가정용 조명 등 백색광이 사용될 수 있는 용도에 폭넓게 활용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 복수개의 단색 LED 칩에서 조사되는 광의 혼합을 통해 백색광을 구현하는 멀티칩 백색 LED 소자에 있어서, 상기 복수개의 단색 LED 칩 중 적어도 하나 이상의 칩이,
    청색광원; 상기 청색광원의 상부에 구비되며, 청색광원에서 방출된 청색광을 흡수하여 500∼700nm 범위의 광을 방출하는 형광체; 및 상기 형광체의 상부에 형성되며, 청색광은 반사시키고 500∼700nm 범위의 광은 투과시키는 장파장 투과필터;를 포함하는 형광체 전환 단색 LED를 포함하는 멀티칩 백색 LED 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 500∼700nm 범위의 광은 호박색, 황색, 녹색 또는 적색인 것을 특징으로 하는 멀티칩 백색 LED 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 형광체는 황색, 호박색, 녹색 또는 적색 형광체인 것을 특징으로 하는 멀티칩 백색 LED 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 장파장 투과필터는 소정의 굴절율을 가지는 제1박막과 상기 제1박막의 굴절율보다 높은 굴절율을 가지는 제2박막이 교대로 반복되어 적층되어 있는 반복층을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티칩 백색 LED 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 반복층의 최상부층과 최하부층은 제3박막을 형성하며 상기 최상부층 및 최하부층 중 적어도 하나의 층의 두께는 청색광원 반사 밴드 중심 파장 대비 1/80 ~ 1/4.4 광학두께인 것을 특징으로 하는 멀티칩 백색 LED 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 최상부층과 최하부층 사이의 반복층을 구성하는 제1박막 및 제2박막은 청색광원 반사 밴드 중심 파장 대비 1/3 ~ 1/5 광학두께를 가지는 것을 특징으로 하는 멀티칩 백색 LED 소자.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 반복층 중 상기 제3박막에 인접한 층은 제1박막인 것을 특징으로 하는 멀티칩 백색 LED 소자.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 최상부층 및 최하부층의 두께 중 어느 하나 이상의 두께는 청색광원 반사 밴드 중심 파장 대비 1/7 ~ 1/9 광학두께인 것을 특징으로 하는 멀티칩 백색 LED 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단색 LED 칩은 2개 이상인 것을 특징으로 하는 멀티칩 백색 LED 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 단색 LED 칩은 a) 적색 형광체 전환 단색 LED, 녹색 형광체 전환 단색 LED, 청색 LED; b) 적색 LED, 녹색 형광체 전환 단색 LED, 청색 LED; c) 적색 형광체 전환 단색 LED, 호박색 형광체 전환 단색 LED, 녹색 형광체 전환 단색 LED, 청색 LED; d) 적색 LED, 호박색 형광체 전환 단색 LED, 녹색 형광체 전환 단색 LED, 청색 LED; e) 적색 형광체 전환 단색 LED, 황색 형광체 전환 단색 LED, 녹색 형광체 전환 단색 LED, 청색 LED; f) 적색 LED, 황색 형광체 전환 단색 LED, 녹색 형광체 전환 단색 LED, 청색 LED; g) 황색 기반의 형광체 전환 백색 LED, 적색 형광체 전환 단색 LED, 호박색 형광체 전환 단색 LED, 녹색 형광체 전환 단색 LED 또는 h) 황색 기반의 형광체 전환 백색 LED, 적색 형광체 전환 단색 LED, 녹색 형광체 전환 단색 LED;의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티칩 백색 LED 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 단색 LED 칩은 a) 황색 형광체 전환 단색 LED, 청색 LED; b) 녹색 기반의 형광체 전환 청녹색 LED, 호박색 형광체 전환 단색 LED 또는 c) 녹색 기반의 형광체 전환 청녹색 LED, 적색 형광체 전환 단색 LED; 의 2가지 칩의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티칩 백색 LED 소자.
  12. 3개의 단색 LED 칩에서 조사되는 광의 혼합을 통해 백색광을 구현하는 멀티칩 백색 LED 소자에서 2700 ~ 12000K의 색온도 영역에서 연색지수(Ra)가 80 이상인 멀티칩 백색 LED 소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 연색지수(Ra)가 85 이상인 멀티칩 백색 LED 소자.
  14. 제1항의 멀티칩 백색 LED 소자를 포함하는 LED 조명.
  15. 제1항의 멀티칩 백색 LED 소자를 포함하는 디스플레이용 백라이트 유닛.
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