WO2024058548A1 - 발광 소자 및 그것을 갖는 조명 기구 - Google Patents

발광 소자 및 그것을 갖는 조명 기구 Download PDF

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WO2024058548A1
WO2024058548A1 PCT/KR2023/013724 KR2023013724W WO2024058548A1 WO 2024058548 A1 WO2024058548 A1 WO 2024058548A1 KR 2023013724 W KR2023013724 W KR 2023013724W WO 2024058548 A1 WO2024058548 A1 WO 2024058548A1
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    • H01L33/52—Encapsulations
    • H01L33/56—Materials, e.g. epoxy or silicone resin

Definitions

  • the present disclosure relates to a light-emitting device and a lighting device, and more specifically, to a light-emitting device using a light-emitting diode as a light source and a lighting device having the same.
  • Indoor lighting devices generally exhibit a certain spectral power distribution, and this spectral power distribution is very different from that of sunlight.
  • this spectral power distribution is very different from that of sunlight.
  • white light can be realized by a combination of blue, green, and red, but the spectral power distribution over a wide wavelength in the visible region, such as sunlight, is limited. It does not represent a distribution that has a peak at a specific wavelength.
  • the spectrum of black body radiation is similar to the spectrum of a conventional white light source.
  • the higher the color temperature the higher the intensity in the blue wavelength range.
  • the spectrum of a white light source shows a distinct difference from the spectrum of black body radiation. For example, at a temperature of 6500 K, the spectrum of blackbody radiation shows a gradual decrease in light intensity from the blue region to the red region.
  • the human lens which has adapted to the solar spectrum, can be damaged by light in the abnormally strong blue wavelength region, resulting in poor vision.
  • exposure of retinal cells to excessive energy in the blue region can result in abnormal signals being transmitted to the brain, which can negatively affect the body's circadian rhythm by abnormally producing or suppressing hormones such as cortisol and melatonin. .
  • phosphors are used dispersed in transparent molding materials such as silicone. As the amount of phosphors used increases, it becomes difficult to block moisture using transparent molding materials. For example, silicone plays a role in preventing moisture penetration, and a decrease in the mixing ratio of silicone drastically reduces the silicone's ability to prevent moisture penetration.
  • Phenyl-based silicone which is suitable for preventing moisture penetration, can be easily modified by light of shorter wavelength than blue light. For this reason, there is a disadvantage in that phenyl-based silicon cannot be used as a transparent molding material in light-emitting devices that use ultraviolet or purple light-emitting diodes. Moreover, when using a light emitting diode that emits light of a shorter wavelength than blue light, there are restrictions on the selection of housing materials.
  • the present disclosure provides a new technology that can increase light efficiency in light-emitting devices using various types of phosphors.
  • the present disclosure also provides a light-emitting device and lighting device that can prevent or alleviate damage to the human lens or retina by abnormal blue region light.
  • the present disclosure provides a light-emitting device and lighting device that has a spectral power distribution corresponding to the spectral power distribution of sunlight and can improve light efficiency and reliability.
  • a light emitting device includes a first light emitting diode chip that emits light of a first peak wavelength; a second light emitting diode chip emitting light with a second peak wavelength longer than the first peak wavelength; a first wavelength conversion material disposed on the first light emitting diode chip and converting the wavelength of light emitted from the first light emitting diode chip; and a second wavelength conversion material disposed on the second light emitting diode chip and converting the wavelength of light emitted from the second light emitting diode chip.
  • the peak wavelength of the excitation spectrum of the first wavelength conversion material may be closer to the first peak wavelength than the second peak wavelength, and the peak wavelength of the excitation spectrum of the second wavelength conversion material may be closer to the first peak wavelength than the first peak wavelength. It may be closer to the second peak wavelength. Furthermore, light incident on the second wavelength conversion material from the first light emitting diode chip may be blocked, and light incident on the first wavelength conversion material from the second light emitting diode chip may be blocked.
  • the light emitting device may further include a third wavelength conversion material disposed on the first light emitting diode chip, and the third wavelength conversion material is the light emitted from the first light emitting diode chip and the first wavelength conversion material.
  • the light emitted from can be converted to wavelength.
  • the peak wavelength of the excitation spectrum of the third wavelength conversion material may be closer to the peak wavelength of the emission spectrum of the first wavelength conversion material than the first peak wavelength.
  • the first wavelength conversion material may be a blue phosphor
  • the second wavelength conversion material may be a green to yellow phosphor
  • the third wavelength conversion material may be a red phosphor
  • the first peak wavelength may be in the range of 410 nm to 440 nm
  • the second peak wavelength may be in the range of 440 nm to 470 nm.
  • the light emitting device may further include a first housing having a first cavity and a second housing having a second cavity.
  • the first light emitting diode chip may be placed in a first cavity of the first housing, and the second light emitting diode chip may be placed in a second cavity of the second housing, and the first cavity and the second The cavities may be spaced apart from each other.
  • the first housing may be formed of epoxy molding compound
  • the second housing may be formed of polyester polycyclohexylenedimethylene terephthalate (PCT).
  • PCT polyester polycyclohexylenedimethylene terephthalate
  • the light emitting device may further include a first molding part disposed in the first cavity and a second molding part disposed in the second cavity.
  • the first wavelength conversion material may be distributed within the first molding portion, and the second wavelength conversion material may be distributed within the second molding portion.
  • the first molding part may include silicone containing methyl-based silicon as a main ingredient
  • the second molding part may contain silicone containing phenyl-based silicone as a main ingredient.
  • the light emitting device may further include a third wavelength conversion material disposed within the first molding portion.
  • the third wavelength conversion material may convert the light emitted from the first light emitting diode chip and the light emitted from the first wavelength conversion material, and the peak wavelength of the excitation spectrum of the third wavelength conversion material is the third wavelength conversion material. 1 It may be closer to the peak wavelength of the emission spectrum of the first wavelength conversion material than the peak wavelength.
  • the peak wavelength of the emission spectrum of the third wavelength conversion material may be longer than the peak wavelength of the emission spectrum of the second wavelength conversion material.
  • the first wavelength conversion material may be a blue phosphor
  • the second wavelength conversion material may be a green to yellow phosphor
  • the third wavelength conversion material may be a red phosphor
  • the first housing may be combined with the second housing.
  • the first housing may be surrounded by the second housing.
  • the first housing may be spaced apart from the second housing.
  • first housing and the second housing may have the same area. In another embodiment, the first housing and the second housing may have different areas.
  • a light emitting device includes a first light emitting unit including a first light emitting diode chip and a first wavelength conversion material; And it may include a second light-emitting unit including a second light-emitting diode chip and a second wavelength conversion material.
  • the first light emitting diode chip may emit light of a first peak wavelength
  • the second light emitting diode chip may emit light of a second peak wavelength longer than the first peak wavelength.
  • the first light emitting unit may emit a first mixed color light having a color coordinate located below the Planckian locus on the CIE color coordinates
  • the second light emitting unit may emit a first mixed light having a color coordinate located above the Planckian locus on the CIE color coordinates.
  • the light emitting device may emit mixed color light, and the light emitting device may emit light that is a mixture of the first color mixed light and the second color mixed light.
  • the first light emitting unit may further include a third wavelength conversion material.
  • the third wavelength conversion material may convert the light emitted from the first light emitting diode chip and the light emitted from the first wavelength conversion material, and the peak wavelength of the excitation spectrum of the third wavelength conversion material is the third wavelength conversion material. 1 It may be closer to the peak wavelength of the emission spectrum of the first wavelength conversion material than the peak wavelength.
  • the first wavelength conversion material may be a blue phosphor
  • the second wavelength conversion material may be a green to yellow phosphor
  • the third wavelength conversion material may be a red phosphor
  • a lighting device includes the light emitting device described above.
  • Figure 1 is a graph showing a typical emission spectrum distribution of a green or yellow garnet-based phosphor.
  • Figure 2 is a graph showing a typical excitation spectrum distribution of a green or yellow garnet-based phosphor.
  • Figure 3 is a graph showing a typical emission spectrum distribution of a red CASN-based phosphor.
  • Figure 4 is a graph showing a typical excitation spectrum distribution of a red CASN-based phosphor.
  • Figure 5 is a graph showing a typical emission spectrum distribution of a blue halophosphate-based phosphor.
  • Figure 6 is a graph showing a typical excitation spectrum distribution of a blue halophosphate-based phosphor.
  • Figure 7 is a graph showing the external quantum efficiency according to the typical wavelength of the InGaN-based light emitting diode.
  • Figure 8A is a schematic plan view for explaining a light-emitting device according to an embodiment of the present disclosure.
  • Figure 8B is a schematic cross-sectional view taken along line A-A' in Figure 8A.
  • Figure 9 is a graph showing the emission spectrum distribution of light-emitting devices according to Example 1 and Comparative Example 1.
  • Figure 10 is a graph showing the emission spectrum distribution of light-emitting devices according to Example 2 and Comparative Example 2.
  • Figure 11 is a graph showing the emission spectrum distribution of light-emitting devices according to Example 3 and Comparative Example 3.
  • Figure 12 is a graph for explaining a method of implementing color coordinates of a light-emitting device according to embodiments of the present disclosure.
  • Figure 13 is a schematic plan view for explaining a light-emitting device according to another embodiment of the present disclosure.
  • Figure 14 is a schematic plan view for explaining a light-emitting device according to another embodiment of the present disclosure.
  • Figure 15 is a schematic plan view for explaining a light emitting device according to another embodiment of the present disclosure.
  • a blue light emitting diode chip with a narrow and strong spectral distribution should be used to express the blue region, but rather than a blue light emitting diode chip with a narrow and strong spectral distribution.
  • a new light source that can express a wide and gentle spectral distribution and a wavelength conversion material that uses it are needed.
  • the three primary colors of light are blue, green, and red, and when these three colors are mixed, they are expressed as white.
  • additional wavelength conversion materials corresponding to green and red are required, and each wavelength of green and red is required.
  • a specific spectral distribution can be realized by additively mixing the spectral distribution of the conversion material and blue light.
  • a near-ultraviolet light-emitting diode chip that emits visible light close to ultraviolet rays, such as violet light
  • an additional wavelength conversion material for expressing blue is needed in addition to the wavelength conversion material for green and red, and phosphors
  • the emitted blue, green, and red light can be additively mixed with near-ultraviolet light to achieve a specific spectral distribution.
  • spectral distribution design is required to adjust optical properties by additively mixing wavelength conversion materials with appropriate emission spectra required to implement white spectral distribution.
  • Embodiments of the present disclosure disclose a novel method for improving the light efficiency of light-emitting devices using various types of phosphors.
  • the phosphor has an excitation spectral distribution along with an emission spectral distribution.
  • the phosphor can absorb the excitation light and emit wavelength-converted light with high efficiency.
  • the phosphor will absorb the excitation light and emit wavelength-converted light with low efficiency.
  • Figure 1 is a graph showing a typical emission spectrum distribution of a green or yellow garnet-based phosphor
  • Figure 2 is a graph showing a typical excitation spectrum distribution of a green or yellow garnet-based phosphor.
  • Figure 1 shows the emission spectrum distribution of the phosphor by excitation light with a wavelength of 450 nm
  • Figure 2 shows the emission intensity of the phosphor at 540 nm according to the wavelength of the excitation light.
  • green or yellow phosphors have an emission spectrum distribution with a peak wavelength within the range of 500 nm to 600 nm.
  • This phosphor has an excitation spectrum distribution with a peak wavelength in the range of 450 nm to 470 nm, as shown in Figure 2. That is, the green or yellow phosphor converts blue excitation light in the wavelength range of 450 nm to 470 nm into green or yellow light with optimal efficiency.
  • green or yellow phosphors have a low excitation spectrum intensity for light in the wavelength range of about 420 nm or less, and therefore their wavelength conversion efficiency is considerably low.
  • Figure 3 is a graph showing a typical emission spectrum distribution of a red CASN-based phosphor
  • Figure 4 is a graph showing a typical excitation spectrum distribution of a red CASN-based phosphor.
  • Figure 3 shows the emission spectrum distribution of the phosphor by excitation light with a wavelength of 450 nm
  • Figure 4 shows the emission intensity of the phosphor at 645 nm according to the wavelength of the excitation light.
  • red phosphors have an emission spectrum distribution with a peak wavelength within the range of 600 nm to 680 nm. This phosphor has an excitation spectrum distribution with a peak wavelength in the range of 400 nm to 500 nm, as shown in Figure 4. In other words, the red phosphor converts excitation light in the wavelength range of 400 nm to 500 nm into red light with optimal efficiency. On the other hand, red phosphors have a low excitation spectrum intensity for light in the wavelength range of about 500 nm or more, and therefore their wavelength conversion efficiency is quite low.
  • Figure 5 is a graph showing a typical emission spectrum distribution of a blue halophosphate-based phosphor
  • Figure 6 is a graph showing a typical excitation spectrum distribution of a blue halophosphate-based phosphor.
  • blue phosphors have an emission spectrum distribution with a peak wavelength within the range of 440 nm to 480 nm.
  • This phosphor has an excitation spectrum distribution with a peak wavelength in the range of 400 nm to 425 nm, as shown in Figure 6.
  • the blue phosphor converts excitation light in the wavelength range of 400 nm to 425 nm into blue light with optimal efficiency.
  • the intensity of the excitation spectrum of blue phosphors rapidly decreases as the wavelength increases.
  • Figure 7 is a graph showing the external quantum efficiency according to the typical wavelength of the InGaN-based light emitting diode.
  • the InGaN-based light emitting diode has relatively high external quantum efficiency in the wavelength range of approximately 390 nm to 470 nm, and has low external quantum efficiency in areas outside the above wavelength range.
  • a light emitting diode with a peak wavelength in the above range is generally selected considering light efficiency.
  • a blue light emitting diode can be used together with a green or yellow phosphor and a red phosphor to achieve a white spectral distribution.
  • a blue light emitting diode is suitable as an excitation light source for the above phosphors.
  • both green or yellow phosphors and red phosphors have strong excitation spectral distributions around 450 nm, and therefore, the desired spectral distribution can be designed with optimal efficiency by applying a blue light-emitting diode chip.
  • white light produced by a combination of blue light-emitting diodes and phosphors exhibits excessively high emission intensity in the blue region, as shown in Figure 2, and therefore has a different spectral distribution from white light similar to sunlight.
  • a near-ultraviolet light-emitting diode can be used as a light source, and a wavelength conversion material, that is, a blue phosphor, is additionally needed to express blue.
  • the wavelength of the near-ultraviolet light-emitting diode is selected to excite the blue, green to yellow, and red phosphors used with the near-ultraviolet light-emitting diode.
  • the wavelength emitted from the near-ultraviolet light-emitting diode should not be the main emission wavelength in the blue region, and the light-emitting diode chip expressed in mW
  • the efficiency of radiant power must be maximized, and physical deterioration of elements constituting the light-emitting device must be minimized, and furthermore, any adverse effects on the human body must be taken into consideration.
  • the peak wavelength of the light emitted from the near-ultraviolet light-emitting diode needs to be 440 nm or less in order to excite the blue phosphor without becoming the main light-emitting wavelength in the blue region.
  • the peak wavelength of the near-ultraviolet light emitting diode may be 390 nm or more, further 400 nm or more, and further, 410 nm or more, as can be seen from FIG. 7.
  • near-ultraviolet light emitting diodes can exhibit good luminous efficiency within the range of 400 nm to 430 nm.
  • phosphors corresponding to wavelength conversion materials are typically excited by light in a high energy range based on physical laws and emit light in a low energy range. And these phosphors undergo an energy loss process expressed as a Stoke shift when the ion corresponding to the luminescent center among the elements constituting the phosphor receives energy corresponding to the excitation energy, resulting in a loss of energy lower than the excitation energy. Emits light of energy. Additionally, the quantum efficiency of the phosphor is maximized when the excitation energy and emission energy of the phosphor have a certain gap. In other words, it is necessary to select a phosphor that can maximize the efficiency of the excitation wavelength and emission wavelength by considering the Stokes shift characteristics of the phosphor material itself.
  • the emission wavelength and phosphor of the external light-emitting diode not only a blue phosphor, but also a green or yellow phosphor, and a red phosphor must be selected.
  • the prior art of using a near-ultraviolet light-emitting diode as a light source uses a mixture of blue phosphor, green or yellow phosphor, and red phosphor along with the near-ultraviolet light-emitting diode. That is, a near-ultraviolet light-emitting diode is used as an excitation light source for blue phosphor, green or yellow phosphor, and red phosphor.
  • the near-ultraviolet light-emitting diode excites the blue phosphor to emit blue light, and the blue light emitted from the blue phosphor excites the green or yellow phosphor, but even in this case, the energy of the light emitted from the near-ultraviolet light-emitting diode is Since energy is lost in the blue phosphor and again in the green or yellow phosphor, a decrease in energy conversion efficiency cannot be prevented.
  • the main emission wavelength of the red phosphor is located approximately 640 nm to 650 nm.
  • Figure 2 which shows the white spectral distribution implemented based on a blue light emitting diode chip, it can be seen that as the color temperature increases, the wavelength with the maximum light emission distribution in the red region moves to around 630 nm.
  • the reason why there is a difference between the main emission wavelength of the red wavelength conversion CASN-based phosphor and the main emission wavelength of the white spectral distribution is due to the energy interaction between the phosphors. Looking at this in detail, the following reasons are expected.
  • the light emitted from the blue light-emitting diode is first simultaneously absorbed by green to yellow phosphors and red phosphors, and the converted light is emitted through an energy conversion process.
  • the red phosphor absorbs the energy emitted from the blue light-emitting diode and simultaneously absorbs the energy emitted from the green to yellow phosphor and emits red light through an appropriate energy conversion process. Looking at the excitation spectral distribution of the red phosphor shown in FIG. 4, it overlaps a significant portion with the emission spectral distribution of the green to yellow phosphor shown in FIG. 1.
  • the red phosphor absorbs not only the energy emitted from the blue light-emitting diode but also the energy emitted from the green to yellow phosphor, resulting in energy interference between the green to yellow phosphor and the red phosphor. Accordingly, in the white spectral distribution by correlated color temperature as shown in Figure 2, the green to yellow and red phosphors do not represent the original emission spectral distribution, but move from the original emission distribution to the region between green to yellow and red. It is done.
  • the conversion efficiency of converting the wavelength of light emitted from a light source such as a blue light-emitting diode or near-ultraviolet light-emitting diode by a red phosphor is also considered.
  • FIG. 8A is a schematic plan view for explaining the light emitting device 100 according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 8B is a schematic cross-sectional view taken along the cutting line A-A' of FIG. 8A.
  • the light emitting device 100 includes two light emitting units.
  • the first light emitting unit includes a first housing (20a), a first light emitting diode chip (30a), a first molding part (40a), a first wavelength conversion material (50a), and a third wavelength conversion material (50c).
  • the second light emitting unit may include a second housing (20b), a second light emitting diode chip (30b), a second molding part (40b), and a second wavelength conversion material (50b).
  • the first housing 20a and the second housing 20b may be arranged adjacent to each other and may be coupled to each other.
  • the first and second housings 20a and 20b may be formed of epoxy molding compound (EMC), silicone molding compound (SMC), polyester polycyclohexylenedimethylene terephthalate (PCT), or ceramic.
  • EMC is particularly excellent in light resistance and impact resistance in the light emitting device 100 including a light emitting diode chip of a short wavelength light source. Therefore, as an example, the first and second housings 20a and 20b may be made of EMC.
  • the present disclosure is not limited to this.
  • the first housing 20a may be made of EMC
  • the second housing 20b may be made of PCT. Since PCT has a high reflectivity for blue light, it can be suitably used in a housing in which the second light emitting diode chip 30b of 440 nm or more is mounted.
  • the first light emitting diode chip 30a may emit light having a first peak wavelength within a range of about 410 nm to about 440 nm.
  • the first light emitting diode chip 30a may be formed of a gallium nitride-based semiconductor layer.
  • the first light emitting diode chip 30a may be mounted in the cavity of the first housing 20a.
  • the second light emitting diode chip 30b emits light with a longer wavelength than the first light emitting diode chip 30b.
  • the second light emitting diode chip 30b may emit light having a second peak wavelength within the range of 440 nm to 470 nm.
  • the second light emitting diode chip 30b may be mounted in the cavity of the second housing 20b.
  • the first molding part 40a covers the first light emitting diode chip 30a.
  • the first molding part 40a may fill the cavity of the first housing 20a.
  • the first molding part 40a may include wavelength conversion materials 50a and 50c.
  • the first molding part 40a may include silicone.
  • the first molding portion 40a is made of high refractive index silicon containing a large amount of phenyl silicon in addition to methyl silicon, or medium refractive index silicon containing methyl silicon and a small amount of phenyl silicon, or methyl silicon and phenyl silicon. It can be formed of low refractive index silicon that does not contain any silicon-based silicon.
  • Methyl-based silicon has excellent light resistance to short-wavelength light such as near-ultraviolet rays and has excellent impact resistance compared to phenyl-based silicon. Accordingly, the first molding part 40a contains methyl silicon as a main component and may also contain phenyl silicon, but the content of phenyl silicon needs to be appropriately controlled. For example, the content of methyl silicon needs to be appropriately controlled. It may be 10wt% or less.
  • the second molding part 40b covers the second light emitting diode chip 30b.
  • the second molding part 40b may fill the cavity of the second housing 20b.
  • the second molding part 40b may include a wavelength conversion material 50b.
  • the second molding part 40b may include silicone.
  • the second molding part 40b may contain a larger amount of phenyl-based silicon than the first molding part 40a.
  • the second molding part 40b may have a higher refractive index than the first molding part 40a. Since phenyl-based silicon has a relatively high refractive index, the light extraction efficiency of the light emitting diode chip 30b can be maximized.
  • the first wavelength conversion material 50a converts the wavelength of light emitted from the first light emitting diode chip 30a.
  • the first wavelength conversion material 50a may have a peak wavelength longer than the first peak wavelength.
  • the first wavelength conversion material 50a may be a blue phosphor.
  • blue phosphors include BAM-based, Halo-Phosphate-based, or aluminate-based phosphors, for example, BaMgAl 10 O 17 :Mn 2+ , BaMgAl 12 O 19 :Mn 2+ or (Sr,Ca, Ba)PO 4 Cl:Eu 2+ may be included.
  • the first wavelength conversion material 50a is not limited to phosphor and may be quantum dots or perovskite.
  • the first wavelength conversion material 50a may have a peak wavelength within the range of 440 to 500 nm.
  • the second wavelength conversion material 50b converts the light emitted from the second light emitting diode chip 30b into a wavelength.
  • the second wavelength conversion material 50b may have a peak wavelength longer than the second peak wavelength.
  • the second wavelength conversion material 50b may be a green to yellow phosphor.
  • green or yellow phosphors examples include LuAG(Lu 3 (Al,Gd) 5 O 12 :Ce 3+ ), YAG(Y 3 (Al,Gd) 5 O 12 :Ce 3+ ), Ga-LuAG((Lu, Ga) 3 (Al,Gd) 5 O 12 :Ce 3+ ), Ga-YAG ((Ga,Y) 3 (Al,Gd) 5 O 12 :Ce 3+ ), LuYAG ((Lu,Y) 3 ( Al,Gd) 5 O 12 :Ce 3+ ), Ortho-Silicate ((Sr,Ba,Ca,Mg) 2 SiO 4 :Eu 2+ ), Oxynitride ((Ba,Sr,Ca)Si 2 O 2 N 2 :Eu 2+ ), or Thio Gallate (SrGa 2 S 4 :Eu 2+ ).
  • the second wavelength conversion material 50b may also be quantum dots or perfskite.
  • the peak wavelength of the excitation spectrum of the second wavelength conversion material 50b is closer to the second peak wavelength of the second light emitting diode chip 30b than the first peak wavelength of the first light emitting diode chip 30a. Therefore, compared to the case of exciting the second wavelength conversion material 50b with the light emitted from the first light emitting diode chip 30a, optical efficiency can be increased when the second wavelength conversion material 50b is excited with the light emitted from the second light emitting diode chip 30b. and optical loss due to stalk shift can be reduced.
  • the third wavelength conversion material 50c can convert the wavelength of light emitted from the first light emitting diode chip 30a and the first wavelength conversion material 50a.
  • the third wavelength conversion material 50c may emit light having a peak wavelength longer than the peak wavelength of the second wavelength conversion material 50b.
  • the third wavelength conversion material 50c may be a red phosphor.
  • red phosphors examples include Nitride, Sulfide, Fluoride, Oxyfluoride, or Oxynitride-based phosphors, specifically, CASN (CaAlSiN 3 :Eu 2+ ), (Ba,Sr,Ca) 2 Si 5 N 8 :Eu 2 + , (Ca,Sr)S 2 :Eu 2+ ), or (Sr,Ca) 2 SiS 4 :Eu 2+ .
  • the third wavelength conversion material 50c may also be quantum dots or perovskite.
  • the third wavelength conversion material 50c may have a peak wavelength within the range of 600 nm to 700 nm.
  • the peak wavelength of the excitation spectrum of the third wavelength conversion material 50c may be closer to the peak wavelength of the first wavelength conversion material 50a than the first peak wavelength of the first light emitting diode chip 30a. Accordingly, the light emitted from the first light emitting diode chip 30a is converted in the first wavelength conversion material 50a, and the light emitted from the first wavelength conversion material 50a is converted into the third wavelength conversion material 50c. Even if converted from , the reduction in efficiency can be reduced.
  • the second wavelength conversion material 50b is used to prevent the light emitted from the first light emitting diode chip 30a from exciting the second wavelength conversion material 50b in the second housing 20b. ) is placed outside the path of the emitted light.
  • the first and third wavelength conversion materials ( 50a and 50c) are disposed outside the path of light emitted from the second light emitting diode chip 30b.
  • the cavity of the first housing 20a and the cavity of the second housing 20b may be separated from each other by a partition.
  • a light emitting device 100 that can produce stronger white light due to higher light efficiency even if white light of the same color temperature is implemented under the same input power.
  • lm/W which represents the light efficiency output compared to the applied electrical energy, can be maximized.
  • the present disclosure can be applied to a light emitting device using two or more types of wavelength conversion materials with different excitation spectra and emission spectra, and these two or more types of wavelength conversion materials are excited by light emitting diode chips with different peak wavelengths. . Therefore, optical loss due to Stokes shift can be reduced, and wavelength conversion can be performed with optimal efficiency for each wavelength conversion material. Furthermore, it is possible to select housing materials and molding material suitable for each light emitting diode chip, thereby further improving the reliability and light efficiency of the light emitting device.
  • the main wavelength conversion materials (50a, 50b, 50c) disposed in the first and second housings (20a, 20b) are described, but these wavelength conversion materials (50a, 50b, 50c)
  • other wavelength conversion materials may be added to the first housing (20a) and/or the second housing (20b).
  • Mn4+ activated fluoride phosphor may be added to the first housing 20a or the second housing 20b.
  • White light-emitting devices using conventional near-ultraviolet light-emitting diodes and white light-emitting devices according to embodiments of the present disclosure were manufactured at various color temperatures, and the relative luminance, color coordinates, correlated color temperature (CCT), and average color rendering index (CRI) were reported in Table 1. shown in
  • Example 1 100 100 0.346 0.344 4932 93.7
  • Comparative Example 2 100 100 0.382 0.366 3888 92.2
  • Comparative Example 3 100 100 0.425 0.392 3108 94.3
  • Comparative Example 4 100 100 0.459 0.395 2579 90.9
  • a conventional light-emitting device was manufactured using a single light-emitting diode chip and blue phosphor, green to yellow phosphor, and red phosphor, and emitted white light having the correlated color temperature of Comparative Examples 1 to 4 under a driving current of 100 mA.
  • the white light emitting device of the present disclosure disposes a first light emitting diode chip and a second light emitting diode chip in a first housing and a second housing, respectively, a blue phosphor and a red phosphor in the first housing, and a green to yellow phosphor in the second housing.
  • the phosphor was placed and driven so that the sum of the driving currents of the first and second light emitting diode chips was 100 mA, thereby emitting white light with a correlated color temperature similar to that of a conventional light emitting device.
  • Both the first light emitting diode chip and the conventional single light emitting diode chip have a peak wavelength between about 410 nm and 440 nm, and the second light emitting diode chip has a peak wavelength between about 440 nm and 470 nm.
  • Comparative Example 1 and Example 1 implement white light with a correlated color temperature of approximately 5000K, but the light emitting device of Example 1 is 20% higher than the light emitting device of Comparative Example 1. showed brightness.
  • Comparative Example 2 and Example 2 implemented white light with a correlated color temperature of approximately 4000K, but the light emitting device of Example 2 showed 25% higher luminance than the light emitting device of Comparative Example 2.
  • Comparative Example 3 and Example 3 implement white light with a correlated color temperature of approximately 3000K, but the light-emitting device of Example 3 showed 30% higher luminance than the light-emitting device of Comparative Example 3, and Comparative Example 4 and Example 3 Example 4 implements white light with a correlated color temperature of approximately 2700K, but the light emitting device of Example 4 showed approximately 34% higher luminance than the light emitting device of Comparative Example 4.
  • Figure 9 is a graph showing the emission spectrum distribution of the light-emitting devices according to Example 1 and Comparative Example 1
  • Figure 10 is a graph showing the emission spectrum distribution of the light-emitting devices according to Example 2 and Comparative Example 2
  • Figure 11 is a graph showing the emission spectrum distribution of the light-emitting devices according to Example 1 and Comparative Example 1. This is a graph showing the emission spectrum distribution of the light-emitting devices according to Example 4 and Comparative Example 4.
  • the light-emitting devices of the example exhibit a similar emission spectrum distribution as the light-emitting devices of the comparative example, but exhibit relatively higher emission intensity in most wavelength ranges in the visible region. You can. Furthermore, by arranging the red phosphor together with the blue phosphor, the peak wavelength in the red region moves to a shorter wavelength side compared to the conventional light-emitting device, and thus the overall luminance of the light-emitting device can be further increased.
  • Figure 12 is a graph for explaining a method of implementing color coordinates of a light-emitting device according to embodiments of the present disclosure.
  • the light emitting device 100 emits two mixed color lights having color coordinates in the first region (B-R) and the second region (B-Y), and these two mixed colors are mixed to produce the target final mixed color light.
  • the first region (B-R) may be located below the Planckian locus (PL), and the second region (B-Y) may be located above the Planckian locus (PL).
  • a first light emitting unit including a first light emitting diode chip 30a, a blue phosphor 50a, and a red phosphor 50c is used to emit a first mixed light having color coordinates in the first region B-R.
  • a second mixed light having color coordinates is emitted within the second area B-Y using a second light emitting unit including the second light emitting diode chip 30b and the green to yellow phosphor 50b.
  • the first mixed light and the second mixed light can be mixed to produce light with the required color coordinates.
  • the color coordinates and intensity of the first mixed light and the second mixed light may be adjusted so that the final mixed light has color coordinates on the Planckian locus line.
  • white light having a desired color temperature can be realized by adjusting the color coordinates in the first region (B-R) and the color coordinates in the second region (B-Y) and their intensity.
  • the light-emitting device 100 that implements white light of a desired color temperature is described, but the present disclosure is not limited to white light, and the light-emitting device 100 may implement other mixed color light such as cyan light. .
  • FIG. 13 is a schematic plan view illustrating a light emitting device 200 according to another embodiment of the present disclosure.
  • the light emitting device 200 is generally similar to the light emitting device 100 described with reference to FIGS. 8A and 8B, but the first housing 20a and the second housing 20b are There is a difference in being separated from each other.
  • the first housing 20a and the second housing 20b may be formed through different processes, and therefore, materials for the first and second housings 20a and 20b may be freely selected.
  • the first housing 20a and 20b may be formed of a material suitable for the first light emitting diode chip 30a and the second light emitting diode chip 30b.
  • the first housing 20a may be made of EMC
  • the second housing may be made of PCT.
  • the molding parts 40a and 40b may also be formed of a material suitable for the first light emitting diode chip 30a and the second light emitting diode chip 30b.
  • the first molding part 40a may be formed of silicon containing methyl-based silicon as a main component
  • the second molding part 40b may be formed of silicon containing phenyl-based silicon as a main ingredient.
  • FIG. 14 is a schematic plan view illustrating a light emitting device 300 according to another embodiment of the present disclosure.
  • the light emitting device 300 is generally similar to the light emitting device 100 described with reference to FIGS. 8A and 8B, but the first housing 20a is replaced with the first housing 20b. There is a difference in what is surrounded.
  • the first housing 20a may be formed first, and the second housing 20b may be formed to surround the first housing 20a.
  • the second housing 20b may be formed first, and the second housing 20b may be formed to surround the first housing 20a.
  • the first housing 20a may be formed. Materials for each of the first housing 20a and the second housing 20b may be selected to be suitable for the first light emitting diode chip 30a and the second light emitting diode chip 30b.
  • the first housing 20a may be made of EMC
  • the second housing 20b may be made of PCT.
  • the molding parts 40a and 40b may also be formed of a material suitable for the first light emitting diode chip 30a and the second light emitting diode chip 30b.
  • the first molding part 40a may be formed of silicon containing methyl-based silicon as a main component
  • the second molding part 40b may be formed of silicon containing phenyl-based silicon as a main ingredient.
  • Figure 15 is a schematic plan view for explaining a light emitting device 400 according to another embodiment of the present disclosure.
  • the light emitting device 300 is generally similar to the light emitting device 100 described with reference to FIGS. 8A and 8B, but the first housing 20a and the second housing 20b are There is a difference in relative size. As shown in FIG. 15, the first housing 20a may be larger than the first housing 20b, and accordingly, more phosphors may be disposed in the cavity of the first housing 20a, and the first housing 20a may be larger than the first housing 20b. The light emitted from the light emitting diode chip 30a may be converted to more wavelengths than the light emitted from the second light emitting diode chip 30b.
  • a plurality of light emitting diode chips are adopted to maximize wavelength conversion efficiency by considering the wavelength conversion efficiency of each phosphor with different excitation spectrum.
  • the mixed phosphors may be selected to prevent light emitted from one phosphor from being converted to wavelength with low efficiency by another phosphor.
  • the red phosphor is not mixed with the green phosphor but is mixed with the blue phosphor, thereby suppressing a decrease in light efficiency.
  • the present disclosure in addition to maximizing the wavelength conversion efficiency, it is possible to select optimal housing materials and molding material for each light emitting diode chip, thereby achieving greater light emission luminance compared to the light emitting device according to the prior art.
  • the width can be increased.
  • the light-emitting elements 100, 200, 300, and 400 of the present disclosure can be used for lighting and, therefore, can be mounted within a lighting fixture.

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Abstract

발광 소자 및 그것을 갖는 조명 기구가 제공된다. 일 실시예에 따른 발광 소자는, 제1 피크 파장의 광을 방출하는 제1 발광 다이오드 칩, 제1 피크 파장보다 장파장의 제2 피크 파장의 광을 방출하는 제2 발광 다이오드 칩, 제1 발광 다이오드 칩 상부에 배치되어 제1 발광 다이오드 칩에서 방출된 광을 파장변환하는 제1 파장변환물질, 및 제2 발광 다이오드 칩 상부에 배치되어 제2 발광 다이오드 칩에서 방출된 광을 파장변환하는 제2 파장변환물질을 포함하고, 제1 파장변환물질의 여기 스펙트럼의 피크 파장은 제2 피크 파장보다 제1 피크 파장에 더 가깝고, 제2 파장변환물질의 여기 스펙트럼의 피크 파장은 제1 피크 파장보다 제2 피크 파장에 더 가까우며, 제1 발광 다이오드 칩으로부터 제2 파장변환물질로 입사되는 광은 차단되고, 제2 발광 다이오드 칩으로부터 제1 파장변환물질로 입사되는 광은 차단된다.

Description

발광 소자 및 그것을 갖는 조명 기구
본 개시는 발광 소자 및 조명 기구에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 발광 다이오드를 광원으로 이용하는 발광 소자 및 그것을 갖는 조명 기구에 관한 것이다.
실내 조명 장치는 일반적으로 일정한 스펙트럼 파워 분포(spectral power distribution)를 나타내며, 이러한 스펙트럼 파워 분포는 태양광의 스펙트럼 파워 분포와는 많은 차이가 있다. 예를 들어, 청색, 녹색 및 적색 발광 다이오드를 사용하는 발광 장치의 경우, 청색, 녹색 및 적색의 조합에 의해 백색광을 구현할 수는 있지만, 태양광과 같이 가시영역의 넓은 파장에 걸쳐 스펙트럼 파워 분포를 나타내지 못하고 특정 파장에서 피크를 가지는 분포를 나타낸다.
태양과 같은 흑체 복사의 스펙트럼은 종래의 백색 광원의 스펙트럼과 유사하게 색 온도가 높을 수록 청색 파장 영역에서 강도가 높다. 그러나, 색 온도가 높아질 수록 백색 광원의 스펙트럼은 흑체 복사의 스펙트럼과 뚜렷한 차이를 나타낸다. 예컨대 6500K의 온도에서, 흑체 복사의 스펙트럼은 청색 영역에서 적색 영역으로 광의 강도가 서서히 감소하는 경향을 보인다.
태양 스펙트럼에 적응해 온 인간의 수정체는 비정상적으로 강한 청색 파장 영역의 광에 의해 손상될 수 있으며, 이에 따라 시력이 나빠질 수 있다. 또한, 망막 세포가 과도한 청색 영역의 에너지에 노출됨으로써 뇌에 비정상적인 신호가 전달되어 코르티졸과 멜라토닌과 같은 호르몬을 비정상적으로 생성하거나 억제하여 신체의 하루 주기 생체 리듬(Circadian Rhythm)에 부정적 영향을 미칠 수 있다.
최근, 태양 스펙트럼에 유사한 스펙트럼 파워 분포를 나타내는 백색 광원을 제공하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있으나 이러한 조합에 의한 백색 광원은 다양한 단점을 갖는다.
우선, 광원의 광 효율이 감소하는 문제가 있다. 종래 광원에 비해 더 많은 양의 형광체를 파장 변환시켜야 하므로, 파장 변환에 따른 효율 감소가 발생한다. 더욱이, 청색 발광 다이오드에서 방출되는 청색광보다 더 단파장의 광을 이용하여 녹색 또는 적색 형광체를 파장변환시킬 경우, 스토크 쉬프트에 의한 효율 감소가 발생된다.
한편, 형광체는 실리콘과 같은 투명 몰딩재에 분산되어 사용되는데, 형광체의 사용량이 증가함에 따라, 투명 몰딩재를 이용한 수분 차단이 어려워진다. 예를 들어, 실리콘은 수분의 침투를 방지하는 역할을 수행하는데, 실리콘의 혼합 비율 감소는 실리콘의 수분 침투 방지 성능을 급격히 떨어뜨린다.
나아가. 수분 침투를 방지하기에 적합한 페닐계 실리콘은 청색광보다 단파장의 광에 의해 쉽게 변형될 수 있다. 이 때문에, 자외선 또는 보라색 발광 다이오드를 사용하는 발광 소자에서 투명 몰딩재로 페닐계 실리콘을 사용하지 못하는 단점이 있다. 더욱이, 청색광보다 단파장의 광을 방출하는 발광 다이오드를 사용할 경우, 하우징 재료의 선택에도 제약이 따른다.
본 개시는 다양한 종류의 형광체를 사용하는 발광 소자에 있어서, 광 효율을 증가시킬 수 있는 새로운 기술을 제공하는 것이다.
본 개시는 또한 인간의 수정체나 망막이 비정상적인 청색 영역의 광에 의해 손상되는 것을 방지 또는 완화할 수 있는 발광 장치 및 조명 기구를 제공한다.
또한, 본 개시는 태양광의 스펙트럼 파워 분포에 상응하도록 스펙트럼 파워 분포를 가지며, 광 효율 및 신뢰성을 개선할 수 있는 발광 소자 및 조명 기구를 제공한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 발광 소자는, 제1 피크 파장의 광을 방출하는 제1 발광 다이오드 칩; 상기 제1 피크 파장보다 장파장의 제2 피크 파장의 광을 방출하는 제2 발광 다이오드 칩; 상기 제1 발광 다이오드 칩 상부에 배치되어 제1 발광 다이오드 칩에서 방출된 광을 파장변환하는 제1 파장변환물질; 및 상기 제2 발광 다이오드 칩 상부에 배치되어 상기 제2 발광 다이오드 칩에서 방출된 광을 파장변환하는 제2 파장변환물질을 포함한다. 상기 제1 파장변환물질의 여기 스펙트럼의 피크 파장은 상기 제2 피크 파장보다 상기 제1 피크 파장에 더 가까울 수 있고, 상기 제2 파장변환물질의 여기 스펙트럼의 피크 파장은 상기 제1 피크 파장보다 상기 제2 피크 파장에 더 가까울 수 있다. 나아가, 상기 제1 발광 다이오드 칩으로부터 상기 제2 파장변환물질로 입사되는 광은 차단될 수 있고, 상기 제2 발광 다이오드 칩으로부터 상기 제1 파장변환물질로 입사되는 광은 차단될 수 있다.
상기 발광 소자는 상기 제1 발광 다이오드 칩 상부에 배치된 제3 파장변환물질을 더 포함할 수 있으며, 상기 제3 파장변환물질은 상기 제1 발광 다이오드 칩에서 방출된 광 및 상기 제1 파장변환물질에서 방출된 광을 파장변환할 수 있다. 상기 제3 파장변환물질의 여기 스펙트럼의 피크 파장은 상기 제1 피크 파장보다 상기 제1 파장변환물질의 발광 스펙트럼의 피크 파장에 더 가까울 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 파장변환물질은 청색 형광체일 수 있고, 상기 제2 파장변환물질은 녹색 내지 황색 형광체일 수 있으며, 상기 제3 파장변환물질은 적색 형광체일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 피크 파장은 410nm 내지 440nm 범위 내일 수 있고, 상기 제2 피크 파장은 440nm 내지 470nm 범위 내일 수 있다.
상기 발광 소자는, 제1 캐비티를 갖는 제1 하우징 및 제2 캐비티를 갖는 제2 하우징을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 발광 다이오드 칩은 상기 제1 하우징의 제1 캐비티 내에 배치될 수 있고, 상기 제2 발광 다이오드 칩은 상기 제2 하우징의 제2 캐비티 내에 배치될 수 있으며, 상기 제1 캐비티와 상기 제2 캐비티는 서로 이격될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 하우징은 에폭시 몰딩 컴파운드로 형성될 수 있고, 상기 제2 하우징은 PCT(Polyester Polycyclohexylenedimethylene Terephthalate)로 형성될 수 있다.
상기 발광 소자는 상기 제1 캐비티 내에 배치된 제1 몰딩부 및 상기 제2 캐비티 내에 배치된 제2 몰딩부를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 파장변환물질은 상기 제1 몰딩부 내에 분포될 수 있고, 상기 제2 파장변환물질은 상기 제2 몰딩부 내에 분포될 수 있다.
나아가, 상기 제1 몰딩부는 메틸계 실리콘을 주 성분으로 하는 실리콘을 포함할 수 있고, 상기 제2 몰딩부는 페닐계 실리콘을 주 성분으로 하는 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 발광 소자는 상기 제1 몰딩부 내에 배치된 제3 파장변환물질을 더 함할 수 있다. 상기 제3 파장변환물질은 상기 제1 발광 다이오드 칩에서 방출된 광 및 상기 제1 파장변환물질에서 방출된 광을 파장변환할 수 있으며, 상기 제3 파장변환물질의 여기 스펙트럼의 피크 파장은 상기 제1 피크 파장보다 상기 제1 파장변환물질의 발광 스펙트럼의 피크 파장에 더 가까울 수 있다.
나아가, 상기 제3 파장변환물질의 발광 스펙트럼의 피크 파장은 상기 제2 파장변환물질의 발광 스펙트럼의 피크 파장보다 장파장일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 파장변환물질은 청색 형광체일 수 있고, 상기 제2 파장변환물질은 녹색 내지 황색 형광체일 수 있으며, 상기 제3 파장변환물질은 적색 형광체일 수 있다.
상기 제1 하우징은 상기 제2 하우징과 결합될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 하우징은 상기 제2 하우징으로 둘러싸일 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 제1 하우징은 상기 제2 하우징으로부터 이격될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징은 동일한 면적을 가질 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징은 서로 다른 면적을 가질 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 발광 소자는, 제1 발광 다이오드 칩 및 제1 파장변환물질을 포함하는 제1 발광 유닛; 및 제2 발광 다이오드 칩 및 제2 파장변환물질을 포함하는 제2 발광 유닛을 포함할 수 있다. 상기 제1 발광 다이오드 칩은 제1 피크 파장의 광을 방출할 수 있고, 상기 제2 발광 다이오드 칩은 상기 제1 피크 파장보다 장파장의 제2 피크 파장의 광을 방출할 수 있다. 나아가, 상기 제1 발광 유닛은 CIE 색좌표 상에서 플랭키안 로커스 아래에 위치하는 색좌표를 갖는 제1 혼색광을 방출할 수 있고, 상기 제2 발광 유닛은 CIE 색좌표 상에서 플랭키안 로커스 위에 위치하는 색좌표를 갖는 제2 혼색광을 방출할 수 있으며, 상기 발광 소자는 상기 제1 혼색광과 상기 제2 혼색광이 혼합된 광을 방출할 수 있다.
나아가, 상기 제1 발광 유닛은 제3 파장변환물질을 더 포함할 수 있다. 상기 제3 파장변환물질은 상기 제1 발광 다이오드 칩에서 방출된 광 및 상기 제1 파장변환물질에서 방출된 광을 파장변환할 수 있고, 상기 제3 파장변환물질의 여기 스펙트럼의 피크 파장은 상기 제1 피크 파장보다 상기 제1 파장변환물질의 발광 스펙트럼의 피크 파장에 더 가까울 수 있다.
상기 제1 파장변환물질은 청색 형광체일 수 있고, 상기 제2 파장변환물질은 녹색 내지 황색 형광체일 수 있으며, 상기 제3 파장변환물질은 적색 형광체일 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 조명 기구는 위에서 설명한 발광 소자를 포함한다.
도 1은 녹색 또는 황색 가넷계 형광체의 전형적인 발광 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프이다.
도 2는 녹색 또는 황색 가넷계 형광체의 전형적인 여기 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프이다.
도 3은 적색 CASN계 형광체의 전형적인 발광 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프이다.
도 4는 적색 CASN계 형광체의 전형적인 여기 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프이다.
도 5는 청색 할로 포스페이트계 형광체의 전형적인 발광 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프이다.
도 6은 청색 할로 포스페이트계 형광체의 전형적인 여기 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프이다.
도 7은 InGaN계 발광 다이오드의 전형적인 파장에 따른 외부 양자효율을 나타내는 그래프이다.
도 8A는 본 개시의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 8B는 도 8A의 절취선 A-A'를 따라 취해진 개략적인 단면도이다.
도 9는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 발광 소자들의 발광 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프이다.
도 10은 실시예 2 및 비교예 2에 따른 발광 소자들의 발광 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프이다.
도 11은 실시예 3 및 비교예 3에 따른 발광 소자들의 발광 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 개시의 실시예들에 따른 발광 소자의 색좌표 구현 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 13은 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 14는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 15는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하에서, 특정 색좌표는 특별한 언급이 없는 한 미국 표준 협회(American National Standards Institute, ANSI)에 의하여 규정된 CIE-1931 좌표계에서의 색좌표를 의미한다.
태양광과 유사한 백색 분광분포를 구현하기 위해서는 청색 영역에 해당하는 분광분포의 발광 세기를 청색 영역에 해당하는 태양광 수준으로 제어하는 것이 굉장히 중요하다. 그러나 청색 발광 다이오드 칩을 사용면서 청색 영역의 높은 발광 세기를 태양광 수준으로 적절히 제어하면서 CIE-1931 xy 색좌표계 상에서의 상관 색온도 별 백색영역을 구현하는 것은 매우 힘들다. 백색 분광분포를 구현함에 있어 청색 영역의 발광 세기를 태양광 수준으로 효과적으로 제어하기 위해선 청색을 표현하는 분광분포가 좁고 강하게 분포하는 것보다 상대적으로 넓고 완만하게 분포하는 것이 유리하지만 기존 청색 발광 다이오드 칩 기반의 백색분광분포 구현 방식은 청색 발광 다이오드에서 방출되는 좁고 강한 형태의 분광분포 때문에 청색 영역의 높은 발광 세기를 태양광 수준으로 적절히 제어하기 힘들다.
따라서 태양광 수준의 청색 분광분포를 유지하면서 CIE-1931 xy 색좌표계 상에서의 상관 색온도 별 백색 영역을 구현하기 위해서는 청색 영역을 표현함에 있어 좁고 강한 형태의 분광분포를 갖는 청색 발광 다이오드 칩이 아닌 그보다 훨씬 넓고 완만한 형태의 분광분포를 표현해줄 수 있는 새로운 광원 및 이를 이용하는 파장 변환 물질이 필요하다.
빛의 삼원색은 청색, 녹색, 적색이고 이 세가지 색이 혼합되었을 때 백색으로 표현되는데, 청색 발광 다이오드 칩을 적용하는 경우 녹색 및 적색에 해당하는 파장 변환 물질이 추가로 필요하며 녹색과 적색 각각의 파장 변환 물질의 분광분포와 청색광의 가법 혼합에 의해 특정 분광분포를 구현할 수 있다.
한편, 자외선에 가까운 가시광, 예컨대 보라색 광을 방출하는 근자외 발광 다이오드 칩을 적용할 경우, 녹색, 적색에 해당하는 파장 변환 물질 이외에 청색을 표현하기 위한 파장 변환 물질이 추가로 필요하며, 형광체들에서 방출된 청색, 녹색, 및 적색광이 근자외선과 함께 가법 혼합되어 특정 분광분포를 구현할 수 있다. 청색 발광 다이오드 칩이나 근자외 발광 다이오드 칩을 적용하는 경우 모두 백색 분광분포 구현에 필요한 적절한 방출 스펙트럼의 파장 변환 물질을 서로 가법 혼합하여 광학적 특성을 조절해야 하는 분광분포 설계가 필요하다.
본 개시의 실시예들은 여러 종류의 형광체를 사용하는 발광 소자의 광 효율을 개선하기 위한 신규한 방법을 개시한다. 형광체는 발광 스펙트럼 분포와 함께 여기 스펙트럼 분포를 갖는다. 여기 스펙트럼 분포에서 강도가 높은 파장의 광을 형광체에 조사할 경우, 형광체는 여기광을 흡수하여 높은 효율로 파장변환된 광을 방출할 수 있다. 이와 달리, 여기 스펙트럼 분포에서 강도가 낮은 파장의 광을 형광체에 조사할 경우, 형광체는 여기광을 흡수하여 낮은 효율로 파장변환된 광을 방출할 것이다.
우선, 각 형광체의 전형적인 발광 스펙트럼 분포 및 여기 스펙트럼 분포에 대해 설명한다.
도 1은 녹색 또는 황색 가넷계 형광체의 전형적인 발광 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프이고, 도 2는 녹색 또는 황색 가넷계 형광체의 전형적인 여기 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프이다. 도 1은 450nm의 파장을 갖는 여기광에 의한 형광체의 발광 스펙트럼 분포를 나타내며, 도 2는 여기광의 파장에 따른 540nm에서의 형광체의 발광 강도를 나타낸다.
일반적으로, 녹색 또는 황색계 형광체는 500nm 내지 600nm 범위 내에 피크 파장을 갖는 발광 스펙트럼 분포를 갖는다. 이러한 형광체는 도 2에 도시한 바와 같이, 450nm 내지 470nm 범위에서 피크 파장을 갖는 여기 스펙트럼 분포를 갖는다. 즉, 녹색 또는 황색계 형광체는 450nm 내지 470nm 파장 범위의 청색 여기광을 최적의 효율로 녹색 또는 황색광으로 변환한다. 한편, 녹색 또는 황색계 형광체는 약 420nm 이하의 파장범위의 광에 대해서는 여기 스펙트럼의 강도가 낮으며, 따라서 파장변환 효율이 상당히 낮다.
도 3은 적색 CASN계 형광체의 전형적인 발광 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프이고, 도 4는 적색 CASN계 형광체의 전형적인 여기 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프이다. 도 3은 450nm의 파장을 갖는 여기광에 의한 형광체의 발광 스펙트럼 분포를 나타내며, 도 4는 여기광의 파장에 따른 645nm에서의 형광체의 발광 강도를 나타낸다.
일반적으로, 적색 형광체는 600nm 내지 680nm 범위 내에 피크 파장을 갖는 발광 스펙트럼 분포를 갖는다. 이러한 형광체는 도 4에 도시한 바와 같이, 400nm 내지 500nm 범위에서 피크 파장을 갖는 여기 스펙트럼 분포를 갖는다. 즉, 적색계 형광체는 400nm 내지 500nm 파장 범위의 여기광을 최적의 효율로 적색광으로 변환한다. 한편, 적색계 형광체는 약 500nm 이상의 파장범위의 광에 대해서는 여기 스펙트럼의 강도가 낮으며, 따라서 파장변환 효율이 상당히 낮다.
도 5는 청색 할로 포스페이트계 형광체의 전형적인 발광 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프이고, 도 6은 청색 할로 포스페이트계 형광체의 전형적인 여기 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프이다.
일반적으로, 청색 형광체는 440nm 내지 480nm 범위 내에 피크 파장을 갖는 발광 스펙트럼 분포를 갖는다. 이러한 형광체는 도 6에 도시한 바와 같이, 400nm 내지 425nm 범위에서 피크 파장을 갖는 여기 스펙트럼 분포를 갖는다. 즉, 청색계 형광체는 400nm 내지 425nm 파장 범위의 여기광을 최적의 효율로 청색광으로 변환한다. 한편, 청색계 형광체는 약 425nm 이상의 파장범위의 광에 대해서는 파장이 증가할수록 여기 스펙트럼의 강도가 급격히 낮아진다.
도 7은 InGaN계 발광 다이오드의 전형적인 파장에 따른 외부 양자효율을 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, InGaN계 발광 다이오드는 대략 390nm 내지 470nm 파장범위에서 외부 양자 효율이 상대적으로 높고 위 파장범위를 벗어난 영역에서 외부 양자효율이 낮은 것을 확인할 수 있다. 발광 다이오드를 광원으로 사용할 경우, 광 효율을 고려하여 일반적으로 위 범위의 피크 파장을 갖는 발광 다이오드가 선택된다.
예를 들어, 청색 발광 다이오드를 녹색 또는 황색 형광체 및 적색 형광체와 함께 사용하여 백색 분광 분포를 구현할 수 있다. 도 2 및 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이 청색 발광 다이오드는 위 형광체들의 여기 광원으로 적합하다. 즉, 녹색 또는 황색 형광체와 적색 형광체는 모두 450nm 부근에서 강한 여기 분광분포를 갖고 있는 것을 확인할 수 있으며, 따라서 청색 발광 다이오드 칩을 적용하여 최적의 효율로 원하는 분광분포를 설계할 수 있다.
그러나 앞서 설명한 바와 같이, 청색 발광 다이오드와 형광체들의 조합에 의한 백색광은 도 2에 도시한 바와 같이, 청색 영역에서 과도하게 높은 발광 강도를 나타내며, 따라서, 태양광에 유사한 백색광과는 다른 분광 분포를 갖는다. 이를 해결하기 위해 근자외 발광 다이오드가 광원으로 사용될 수 있으며, 청색을 표현하기 위한 파장 변환 물질, 즉 청색 형광체가 추가로 필요하다.
한편, 근자외 발광 다이오드와 함께 사용되는 청색, 녹색 ~ 황색, 적색 형광체를 여기시키기 위한 근자외 발광 다이오드의 파장이 선택된다. 근자외 발광 다이오드의 방출 파장을 선택함에 있어서, 파장변환물질에 의해 청색 영역이 표현되므로, 근자외 발광 다이오드에서 방출되는 파장은 청색 영역에서 주요 발광 파장이 되면 안 되며, mW로 표현되는 발광 다이오드 칩의 방사 출력(Radiant Power)의 효율이 최대가 되어야 하며, 또한, 발광 소자를 구성하는 요소들의 물리적 열화 현상을 최소화해야 하고, 나아가, 인체에 미칠 수 있는 악영향 또한 고려되어야 한다.
우선, 청색 영역에서 주요 발광 파장이 되지 않으면서 청색 형광체를 여기시키기 위해 근자외 발광 다이오드에서 방출되는 광의 피크 파장은 440nm 이하일 필요가 있다. 또한, mW로 표현되는 발광 다이오드의 방사 출력의 효율을 최대화하기 위해, 근자외 발광 다이오드의 피크 파장은 도 7로부터 알 수 있듯이, 390nm 이상이며, 나아가, 400nm 이상, 더 나아가, 410nm 이상일 수 있다. 예를 들어, 근자외 발광 다이오드는 400nm 내지 430nm 범위내에서 양호한 발광 효율을 나타낼 수 있다.
한편, 파장 변환 물질에 해당하는 형광체는 물리적 법칙에 근거하여 높은 에너지 영역의 광에 의해 여기되어 낮은 에너지 영역의 광을 방출하는 것이 통상적이다. 그리고 이러한 형광체는 형광체를 구성하는 요소 중 발광 중심에 해당하는 이온이 여기 에너지에 해당하는 만큼의 에너지를 받았을 때, 스토크 쉬프트(Stoke shift)로 표현되는 만큼의 에너지 손실 과정을 거겨, 여기 에너지보다 낮은 에너지의 광을 방출한다. 또한, 형광체는 여기 에너지와 방출 에너지가 특정 격차를 가질 때 형광체의 양자 효율이 극대화된다. 즉, 형광체 물질 그 자체의 스토크 쉬프트 특성을 고려하여 여기 파장과 발광 파장의 효율을 최대로 이끌어 낼 수 있는 형광체를 선택할 필요가 있다는 것을 의미한다.
대표적 청색 영역의 파장 변환 물질인 할로 포스페이트(Halo phosphate)계 형광체의 발광 분광분포와 여기 분광분포가 도 5 및 도 6에 도시되어 있다. 도 6의 여기 분광분포를 참조하면, 420nm를 초과하여 파장이 증가함에 따라 여기 분광분포의 효율이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 근자외 발광 다이오드를 적용함에 있어 형광체와의 상호 작용을 통한 백색분광분포의 구현과 인가된 전기적 에너지 대비 출력되는 광 효율, 즉, lm/W로 표현되는 발광 소자의 광 효율을 최적화하도록 근자외 발광 다이오드의 발광 파장 및 형광체, 청색 형광체뿐만 아니라, 녹색 또는 황색 형광체, 및 적색 형광체가 선택되어야 한다.
근자외 발광 다이오드를 광원으로 사용하는 종래 기술은 근자외 발광 다이오드와 함께 청색 형광체, 녹색 또는 황색 형광체, 및 적색 형광체를 혼합하여 사용한다. 즉, 근자외 발광 다이오드가 청색 형광체, 녹색 또는 황색 형광체, 및 적색 형광체의 여기 광원으로 사용된다.
그러나, 앞서 설명한 대표적 녹색 ~ 황색 영역의 파장 변환 물질인 YAG 형광체의 발광 분광분포와 여기 분광분포를 나타낸 도 1 및 도 2를 다시 참조하면, YAG 형광체의 여기 분광분포에서 근자외 발광 다이오드의 방출 파장에 해당하는 400 ~ 420nm 영역의 효율은 450nm~460nm의 청색 파장 영역에 대비하여 급격히 떨어진다. 즉, 녹색 ~ 황색 영역의 파장 변환 물질인 YAG 형광체의 스토크 쉬프트 특성은 근자외 발광 다이오드를 적용하여 최대 효율로 파장변환하기에는 적합하지 않다.
또한, 근자외 발광 다이오드가 청색 형광체를 여기시켜 청색광을 방출하고, 청색 형광체에서 방출된 청색광이 녹색 또는 황색 형광체를 여기시키는 것을 생각할 수 있지만, 이 경우에도, 근자외 발광 다이오드에서 방출된 광의 에너지가 청색 형광체에서 에너지 손실을 겪고 또 다시 녹색 또는 황색 형광체에서 에너지 손실을 겪기 때문에, 에너지 변환 효율의 감소를 막을 수 없다.
한편, 도 3 및 도 4에 도시된 CASN계 적색 형광체의 여기 및 발광 분광분포를 살펴보면, 적색 형광체의 주요 발광 파장이 대략 640nm ~ 650nm에 위치하고 있다. 그런데, 청색 발광 다이오드 칩 기반으로 구현한 백색 분광 분포를 나타낸 도 2를 참조하면, 색온도가 증가할수록 적색 영역의 최대 발광 분포를 갖는 파장이 630nm 부근으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 적색 파장 변환 CASN계 형광체가 갖는 주요 발광 파장과 백색 분광분포의 주요 발광 파장이 차이를 보이는 이유는 형광체 간의 에너지 상호작용 때문인데 이를 자세히 살펴보면 다음과 같은 이유로 예상된다.
즉, 청색 발광 다이오드 기반의 백색분광분포 구현 방식의 경우, 청색 발광 다이오드에서 방출된 광은 먼저 녹색 ~ 황색 형광체와 적색 형광체에 동시에 흡수되며, 에너지 변환 과정을 거쳐 변환된 광이 방출된다. 적색 형광체는 청색 발광 다이오드에서 방출된 에너지를 흡수함과 동시에 녹색 ~ 황색 형광체에서 방출된 에너지 또한 흡수하고 적절한 에너지 변환 과정을 거쳐 적색광을 방출한다. 도 4에 도시된 적색 형광체의 여기 분광분포를 살펴보면 도 1에 도시된 녹색 ~ 황색 형광체의 발광 분광분포와 상당 부분 겹친다. 즉, 적색 형광체는 청색 발광 다이오드에서 방출된 에너지뿐만이 아니라 녹색 ~ 황색 형광체에서 방출된 에너지 또한 흡수함으로써 녹색 ~ 황색 형광체와 적색 형광체 사이의 에너지 간섭이 발생하게 된다. 이에 따라, 도 2에 도시된 바와 같은 상관색온도 별 백색분광분포에서, 녹색 ~ 황색과 적색 형광체가 원래 가진 발광 분광분포를 나타내는 것이 아니라, 원래의 발광 분포에서 녹색 ~ 황색과 적색 사이의 영역으로 이동하는 것이다.
따라서, 청색 발광 다이오드 또는 근자외 발광 다이오드와 같은 광원에서 방출된 광을 적색 형광체에 의해 파장변환하는 변환 효율뿐만 아니라, 녹색 내지 황색 형광체에서 방출된 광을 적색 형광체에 의해 파장변환하는 변환 효율도 고려되어야 하다.
이하에서는 본 개시의 실시예들에 따라 광 효율을 극대화시킨 발광 소자를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 8A는 본 개시의 일 실시예에 따른 발광 소자(100)를 설명하기 위한 개략적인 평면도이고, 도 8B는 도 8A의 절취선 A-A'를 따라 취해진 개략적인 단면도이다.
도 8A 및 도 8B를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 발광 소자(100)는 두 개의 발광 유닛을 포함한다. 예를 들어, 제1 발광 유닛은 제1 하우징(20a), 제1 발광 다이오드 칩(30a), 제1 몰딩부(40a), 제1 파장변환물질(50a), 및 제3 파장변환물질(50c)을 포함할 수 있다. 제2 발광 유닛은 제2 하우징(20b), 제2 발광 다이오드 칩(30b), 제2 몰딩부(40b), 및 제2 파장변환물질(50b)을 포함할 수 있다.
제1 하우징(20a)과 제2 하우징(20b)은 서로 이웃하여 배치될 수 있으며, 서로 결합될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 하우징(20a, 20b)은 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC), 실리콘 몰딩 컴파운드(SMC), PCT(Polyester Polycyclohexylenedimethylene Terephthalate), 또는 세라믹으로 형성될 수 있다. EMC는 특히 단파장 광원의 발광 다이오드 칩을 포함하는 발광 소자(100)에서 내광성 및 내충격성이 우수하다. 따라서, 일 예로 제1 및 제2 하우징(20a, 20b)은 EMC로 형성될 수 있다. 그러나 본 개시가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 하우징(20a)은 EMC로 형성되고, 제2 하우징(20b)은 PCT로 형성될 수도 있다. PCT는 청색광에 대해 반사율이 높기 때문에, 440nm 이상의 제2 발광 다이오드 칩(30b)이 실장되는 하우징에 적합하게 사용될 수 있다.
제1 발광 다이오드 칩(30a)은 약 410nm 내지 약 440nm 범위 내에 제1 피크 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다. 제1 발광 다이오드 칩(30a)은 질화갈륨계 반도체층으로 형성될 수 있다. 제1 발광 다이오드 칩(30a)은 제1 하우징(20a)의 캐비티 내에 실장될 수 있다.
제2 발광 다이오드 칩(30b)은 제1 발광 다이오드 칩(30b)보다 장파장의 광을 방출한다. 제2 발광 다이오드 칩(30b)은 예컨대 440nm 내지 470nm 범위 내에 제2 피크 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다. 제2 발광 다이오드 칩(30b)은 제2 하우징(20b)의 캐비티 내에 실장될 수 있다.
제1 몰딩부(40a)는 제1 발광 다이오드 칩(30a)을 덮는다. 제1 몰딩부(40a)는 제1 하우징(20a)의 캐비티를 채울 수 있다. 제1 몰딩부(40a)는 파장변환물질(50a, 50c)을 포함할 수 있다. 제1 몰딩부(40a)는 실리콘(silicone)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 몰딩부(40a)는 메틸계 실리콘과 함께 페닐계 실리콘을 다수 함유하는 고굴절률 실리콘, 또는 메틸계 실리콘에 페닐계 실리콘을 소량 함유하는 중굴절률 실리콘, 또는 메틸계 실리콘에 페닐계 실리콘을 전혀 함유하지 않는 저굴절률 실리콘으로 형성될 수 있다. 메틸계 실리콘은 페닐계 실리콘에 비해 근자외선과 같은 단파장 광에 대해 내광성이 우수하고 또한 내충격성이 우수한다. 따라서, 제1 몰딩부(40a)는 메틸계 실리콘을 주 성분으로 포함하고, 페닐계 실리콘을 포함할 수도 있으나, 페닐계 실리콘의 함량은 적절히 제어될 필요가 있으며, 예를 들어, 메틸계 실리콘의 10wt% 이하일 수 있다.
제2 몰딩부(40b)는 제2 발광 다이오드 칩(30b)을 덮는다. 제2 몰딩부(40b)는 제2 하우징(20b)의 캐비티를 채울 수 있다. 제2 몰딩부(40b)는 파장변환물질(50b)을 포함할 수 있다. 제2 몰딩부(40b)는 실리콘(silicone)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 몰딩부(40b)는 제1 몰딩부(40a)에 비해 페닐계 실리콘을 다량으로 함유할 수 있다. 제2 몰딩부(40b)는 제1 몰딩부(40a)에 비해 높은 굴절률을 가질 수 있다. 페닐계 실리콘은 상대적으로 높은 굴절률을 갖기 때문에, 발광 다이오드 칩(30b)의 광 추출 효율을 극대화할 수 있다.
제1 파장변환물질(50a)은 제1 발광 다이오드 칩(30a)에서 방출된 광을 파장변환한다. 제1 파장변환물질(50a)은 제1 피크 파장보다 장파장의 피크 파장을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 파장변환물질(50a)은 청색 형광체일 수 있다. 청색 형광체의 예로는 BAM계, Halo-Phosphate계 또는 알루미네이트계의 형광체를 들 수 있으며, 예를 들어, BaMgAl10O17:Mn2+, BaMgAl12O19:Mn2+ 또는 (Sr,Ca,Ba)PO4Cl:Eu2+ 를 포함할 수 있다. 제1 파장변환물질(50a)은 형광체에 한정되는 것은 아니며, 양자점이나 페로프스카이트 등일 수도 있다. 제1 파장변환물질(50a)은 예를 들어 440 내지 500nm 범위 내에 피크 파장을 가질 수 있다.
제2 파장변환물질(50b)은 제2 발광 다이오드 칩(30b)에서 방출된 광을 파장변홚나다. 제2 파장변환물질(50b)은 제2 피크 파장보다 장파장의 피크 파장을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 파장변환물질(50b)은 녹색 내지 황색 형광체일 수 있다. 녹색 또는 황색 형광체의 예로는 LuAG(Lu3(Al,Gd)5O12:Ce3+), YAG(Y3(Al,Gd)5O12:Ce3+), Ga-LuAG((Lu,Ga)3(Al,Gd)5O12:Ce3+), Ga-YAG ((Ga,Y)3(Al,Gd)5O12:Ce3+), LuYAG ((Lu,Y)3(Al,Gd)5O12:Ce3+), Ortho-Silicate ((Sr,Ba,Ca,Mg)2SiO4:Eu2+), Oxynitride ((Ba,Sr,Ca)Si2O2N2:Eu2+), 또는 Thio Gallate (SrGa2S4:Eu2+) 등을 들 수 있다. 제2 파장변환물질(50b)은 또한 양자점 또는 페르프스카이트일 수도 있다. 제2 파장변환물질(50b)은 예를 들어, 500nm 내지 600nm 범위 내에 피크 파장을 가질 수 있다.
제2 파장변환물질(50b)의 여기 스펙트럼의 피크 파장은 제1 발광 다이오드 칩(30a)의 제1 피크 파장보다 제2 발광 다이오드 칩(30b)의 제2 피크 파장에 더 가깝다. 따라서, 제2 파장변환물질(50b)을 제1 발광 다이오드 칩(30a)에서 방출된 광으로 여기시키는 경우에 비해 제2 발광 다이오드 칩(30b)에서 방출된 광으로 여기시키는 경우 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 스토크 쉬프트에 의한 광 손실을 줄일 수 있다.
제3 파장변환물질(50c)은 제1 발광 다이오드 칩(30a) 및 제1 파장변환물질(50a)에서 방출된 광을 파장변환할 수 있다. 제3 파장변환물질(50c)은 제2 파장변환물질(50b)의 피크 파장보다 장파장의 피크 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 제3 파장변환물질(50c)은 적색 형광체일 수 있다. 적색 형광체의 예로는 Nitride, Sulfide, Fluoride, Oxyfluoride 또는 Oxynitride 계의 형광체를 들 수 있고, 구체적으로, CASN (CaAlSiN3:Eu2+), (Ba,Sr,Ca)2Si5N8:Eu2+, (Ca,Sr)S2:Eu2+), 또는 (Sr,Ca)2SiS4:Eu2+ 등을 들 수 있다. 제3 파장변환물질(50c)은 또한 양자점이나 페로프스카이트일 수도 있다. 제3 파장변환물질(50c)은 예를 들어 600nm 내지 700nm 범위 내에 피크 파장을 가질 수 있다.
제3 파장변환물질(50c)의 여기 스펙트럼의 피크 파장은 제1 발광 다이오드 칩(30a)의 제1 피크 파장보다 제1 파장변환물질(50a)의 피크 파장에 더 가까울 수 있다. 이에 따라, 제1 발광 다이오드 칩(30a)에서 방출된 광이 제1 파장변환물질(50a)에서 변환되고, 다시 제1 파장변환물질(50a)에서 방출된 광이 제3 파장변환물질(50c)에서 변환되어도 효율 감소를 줄일 수 있다.
한편, 제1 발광 다이오드 칩(30a)에서 방출된 광이 제2 하우징(20b) 내의 제2 파장변환물질(50b)을 여기시키지 못하도록 제2 파장변환물질(50b)은 제1 발광 다이오드 칩(30a)에서 방출된 광의 경로 바깥에 배치된다. 또한, 제2 발광 다이오드 칩(30b)에서 방출된 광이 제1 하우징(20a) 내의 제1 및 제3 파장변환물질들(50a, 50c)을 여기시키지 못하도록 제1 및 제3 파장변환물질들(50a, 50c)은 제2 발광 다이오드 칩(30b)에서 방출된 광의 경로 바깥에 배치된다. 이를 위해, 제1 하우징(20a)의 캐비티와 제2 하우징(20b)의 캐비티는 격벽에 의해 서로 분리될 수 있다.
본 개시의 실시예에 따르면, 동일한 입력 전력하에서 동일한 색온도의 백색광을 구현하더라도 광 효율이 높아 더 강한 백색광을 구현할 수 있는 발광 소자(100)가 제공된다. 즉, 인가된 전기 에너지 대비 출력되는 광 효율을 나타내는 lm/W를 극대화시킬 수 있다.
본 실시예에서는 백색광을 구현하기 위해 제1 내지 제3 파장변환물질들(50a, 50b, 50c)을 배치한 것에 대해 설명하지만, 본 개시가 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 개시는 여기 스펙트럼 및 발광 스펙트럼이 서로 다른 2종류 이상의 파장변환 물질을 사용하는 발광 소자에 적용될 수 있으며, 이들 2종류 이상의 파장변환물질이 서로 다른 피크 파장을 갖는 발광 다이오드 칩들에 의해 여기된다. 따라서, 스토크 쉬프트에 의한 광 손실을 줄일 수 있으며, 각 파장변환물질에 대해 최적의 효율로 파장변환을 수행할 수 있다. 나아가, 각각의 발광 다이오드 칩에 적합한 하우징 재료 및 몰딩부 재료를 선택할 수 있어 발광 소자의 신뢰성 및 광 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 본 실시예에서, 제1 및 제2 하우징(20a, 20b) 내에 배치되는 주요 파장변환물질들(50a, 50b, 50c)에 대해 설명하지만, 이들 파장변환물질들(50a, 50b, 50c) 이외에 추가적으로 다른 파장변환물질이 제1 하우징(20a) 및/또는 제2 하우징(20b)에 첨가될 수도 있다. 예를 들어, Mn4+ 부활 불화물 형광체가 제1 하우징(20a) 또는 제2 하우징(20b)에 첨가될 수도 있다.
다양한 색온도에서 종래의 근자외 발광 다이오드를 이용한 백색 발광 소자와 본 개시의 실시예들에 따른 백색 발광 소자를 제작하여 상대 휘도, 색좌표, 상관색온도(CCT), 및 평균 연색지수(CRI)를 표 1에 나타내었다.
전류(mA) 상대휘도(%) CIE-x CIE-y CCT(K) CRI
비교예 1 100 100 0.346 0.344 4932 93.7
실시예 1 A:59
B:41		 120 0.342 0.351 5118 93.0
비교예 2 100 100 0.382 0.366 3888 92.2
실시예 2 A:60
B:40		 125 0.383 0.364 3832 93.3
비교예 3 100 100 0.425 0.392 3108 94.3
실시예 3 A:63
B:37		 130 0.428 0.394 3075 92.2
비교예 4 100 100 0.459 0.395 2579 90.9
실시예 4 A:70
B:30		 133 0.460 0.395 2576 91.4
종래의 발광 소자는 단일의 발광 다이오드 칩과 청색 형광체, 녹색 내지 황색 형광체, 및 적색 형광체를 사용하여 제작했으며, 100mA의 구동 전류 하에서 비교예 1 내지 4의 상관색온도를 갖는 백색광을 방출하였다.
본 개시의 백색 발광 소자는 제1 하우징과 제2 하우징에 각각 제1 발광 다이이오드 칩 및 제2 발광 다이오드 칩을 배치하고, 제1 하우징에 청색 형광체 및 적색 형광체를, 제2 하우징에 녹색 내지 황색 형광체를 배치하고, 제1 발광 다이오드 칩과 제2 발광 다이오드 칩의 구동 전류의 합이 100mA가 되도록 구동하여 종래의 발광 소자와 유사한 상관 색온도를 갖는 백색광을 방출하였다. 제1 발광 다이오드 칩과 종래의 단일의 발광 다이오드 칩은 모두 약 410nm 내지 440nm 사이의 피크 파장을 가지며, 제2 발광 다이오드 칩은 약 440nm 내지 470nm 사이의 피크 파장을 갖는다.
표 1을 참조하면, 전체 전류량이 동일한 조건하에서 비교예 1과 실시예 1은 대략 5000K의 상관 색온도를 갖는 백색광을 구현하지만, 실시예 1의 발광 소자가 비교예 1의 발광 소자에 비해 20% 높은 휘도를 보였다. 비교예 2와 실시예 2는 대략 4000K의 상관 색온도를 갖는 백색광을 구현하지만, 실시예 2의 발광 소자가 비교예 2의 발광 소자에 비해 25% 높은 휘도를 보였다. 또한, 비교예 3과 실시예 3은 대략 3000K의 상관 색온도를 갖는 백색광을 구현하지만, 실시예 3의 발광 소자가 비교예 3의 발광 소자에 비해 30% 높은 휘도를 보였으며, 비교예 4와 실시예 4는 대략 2700K의 상관 색온도를 갖는 백색광을 구현하지만, 실시예 4의 발광 소자가 비교예 4의 발광 소자에 비해 약 34% 높은 휘도를 보였다.
도 9는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 발광 소자들의 발광 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프이고, 도 10은 실시예 2 및 비교예 2에 따른 발광 소자들의 발광 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프이며, 도 11은 실시예 4 및 비교예 4에 따른 발광 소자들의 발광 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프이다.
도 9, 도 10, 및 도 11을 참조하면, 실시예의 발광 소자들은 비교예의 발광 소자들과 유사한 발광 스펙트럼 분포를 나타내지만, 가시 영역의 대부분의 파장범위에서 상대적으로 더 높은 발광 강도를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 나아가, 적색 형광체를 청색 형광체와 함께 배치함으로써, 적색 영역의 피크 파장이 종래의 발광 소자에 비해 더 단파장측으로 이동하며, 이에 따라, 발광 소자의 전체 휘도가 더욱 증가할 수 있다.
도 12는 본 개시의 실시예들에 따른 발광 소자의 색좌표 구현 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
본 실시예에 따른 발광 소자(100)는 제1 영역(B-R) 및 제2 영역(B-Y) 내에 색좌표를 갖는 2개의 혼색광을 방출하고, 이들 2 개의 혼색광이 혼합되어 목표로 하는 최종 혼색광을 구현한다. 제1 영역(B-R)은 플랭키안 로커스(PL) 아래에 위치할 수 있으며, 제2 영역(B-Y)은 플랭키안 로커스(PL) 위에 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1 발광 다이오드 칩(30a), 청색 형광체(50a) 및 적색 형광체(50c)를 포함하는 제1 발광 유닛을 이용하여 제1 영역(B-R) 내에 색좌표를 갖는 제1 혼합광을 방출하고, 제2 발광 다이오드 칩(30b) 및 녹색 내지 황색 형광체(50b)를 포함하는 제2 발광 유닛을 이용하여 제2 영역(B-Y) 내에 색좌표를 갖는 제2 혼합광을 방출한다. 제1 혼합광과 제2 혼합광이 혼합되어 요구되는 색좌표의 광을 구현할 수 있다. 최종 혼합광이 플랭키안 로커스 선 상의 색좌표를 갖도록 제1 혼합광과 제2 혼합광의 색좌표 및 강도가 조절될 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(B-R) 내의 색좌표 및 제2 영역 (B-Y) 내의 색좌표와 이들의 강도를 조절함으로써 원하는 색온도를 갖는 백색광을 구현할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 원하는 색온도의 백색광을 구현하는 발광 소자(100) 에 대해 설명하지만, 본 개시가 백색광에 한정되는 것은 아니며, 발광 소자(100)는 시안광과 같은 다른 혼색광을 구현할 수도 있다.
도 13은 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(200)를 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 13을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 소자(200)는 도 8A 및 도 8B를 참조하여 설명한 발광 소자(100)와 대체로 유사하나, 제1 하우징(20a)과 제2 하우징(20b)이 서로 이격된 것에 차이가 있다. 제1 하우징(20a) 및 제2 하우징(20b)은 서로 다른 공정을 통해 형성될 수 있으며, 따라서, 제1 및 제2 하우징(20a, 20b)의 재료 선택이 자유로울 수 있다. 이에 따라, 제1 하우징(20a)과 제1 하우징(20b)은 제1 발광 다이오드 칩(30a) 및 제2 발광 다이오드 칩(30b)에 적합한 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 하우징(20a)은 EMC로 형성되고, 제2 하우징은 PCT로 형성될 수 있다.
나아가, 몰딩부들(40a, 40b) 또한, 제1 발광 다이오드 칩(30a) 및 제2 발광 다이오드 칩(30b)에 적합한 재료로 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 몰딩부(40a)는 메틸계 실리콘을 주 성분으로 포함하는 실리콘으로 형성되고, 제2 몰딩부(40b)는 페닐계 실리콘을 주 성분으로 포함하는 실리콘으로 형성될 수 있다.
도 14는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(300)를 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 14를 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 소자(300)는 도 8A 및 도 8B를 참조하여 설명한 발광 소자(100)와 대체로 유사하나, 제1 하우징(20a)이 제1 하우징(20b)으로 둘러싸인 것에 차이가 있다. 제1 하우징(20a)을 먼저 형성하고, 제1 하우징(20a)을 둘러싸도록 제2 하우징(20b)을 형성할 수도 있으며, 제2 하우징(20b)을 먼저 형성하고, 제2 하우징(20b) 내에 제1 하우징(20a)을 형성할 수도 있다. 제1 하우징(20a)과 제2 하우징(20b) 각각의 재료는 제1 발광 다이오드 칩(30a) 및 제2 발광 다이오드 칩(30b)에 적합하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 제1 하우징(20a)는 EMC로 형성되고, 제2 하우징(20b)은 PCT로 형성될 수 있다.
나아가, 몰딩부들(40a, 40b) 또한, 제1 발광 다이오드 칩(30a) 및 제2 발광 다이오드 칩(30b)에 적합한 재료로 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 몰딩부(40a)는 메틸계 실리콘을 주 성분으로 포함하는 실리콘으로 형성되고, 제2 몰딩부(40b)는 페닐계 실리콘을 주 성분으로 포함하는 실리콘으로 형성될 수 있다.
도 15는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(400)를 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 15를 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 소자(300)는 도 8A 및 도 8B를 참조하여 설명한 발광 소자(100)와 대체로 유사하나, 제1 하우징(20a)과 제2 하우징(20b)의 상대적인 크기에 차이가 있다. 도 15에 도시한 바와 같이, 제1 하우징(20a)은 제1 하우징(20b)보다 더 클 수 있으며, 이에 따라, 제1 하우징(20a)의 캐비티 내에 더 많은 형광체들이 배치될 수 있으며, 제1 발광 다이오드 칩(30a)에서 방출된 광이 제2 발광 다이오드 칩(30b)에서 방출된 광보다 더 많이 파장변환될 수 있다.
본 개시의 실시예들에 따르면, 여기 스펙트럼이 서로 다른 형광체들 각각의 파장변환 효율을 고려하여 파장변환 효율을 극대화할 수 있도록 복수의 발광 다이오드 칩들이 채택된다. 또한, 서로 다른 종류의 형광체들이 혼합될 경우, 하나의 형광체에서 방출된 광이 다른 하나의 형광체에 의해 낮은 효율로 파장변환되는 것을 방지할 수 있도록 혼합되는 형광체들이 선택될 수 있다. 예를 들어, 적색 형광체는 녹색 형광체와 혼합되지 않고 청색 형광체와 혼합되며, 이에 따라, 광 효율 감소를 억제할 수 있다.
본 개시의 실시예들에 따르면, 파장변환 효율을 극대화함과 아울러, 나아가, 각 발광 다이오드 칩들에 최적의 하우징 재료들 및 몰딩부 재료들을 선택할 수 있어 종래 기술에 따른 발광 소자에 비해 발광 휘도를 큰 폭으로 증가시킬 수 있다.
본 개시의 발광 소자들(100, 200, 300, 400)은 조명을 위해 사용될 수 있으며, 따라서, 조명 기구 내에 장착될 수 있다. 특히, 본 개시의 발광 소자들을 채택함으로써 높은 효율로 태양광에 유사한 백색광을 방출하는 조명 기구를 제공할 수 있다.
이상에서 본 발명의 다양한 실시예들에 대해 설명하였으나, 본 발명은 이들 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 특정 실시예에서 소개한 구성요소는 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다른 실시예에 적용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 제1 피크 파장의 광을 방출하는 제1 발광 다이오드 칩;
    상기 제1 피크 파장보다 장파장의 제2 피크 파장의 광을 방출하는 제2 발광 다이오드 칩;
    상기 제1 발광 다이오드 칩 상부에 배치되어 제1 발광 다이오드 칩에서 방출된 광을 파장변환하는 제1 파장변환물질; 및
    상기 제2 발광 다이오드 칩 상부에 배치되어 상기 제2 발광 다이오드 칩에서 방출된 광을 파장변환하는 제2 파장변환물질을 포함하고,
    상기 제1 파장변환물질의 여기 스펙트럼의 피크 파장은 상기 제2 피크 파장보다 상기 제1 피크 파장에 더 가깝고,
    상기 제2 파장변환물질의 여기 스펙트럼의 피크 파장은 상기 제1 피크 파장보다 상기 제2 피크 파장에 더 가까우며,
    상기 제1 발광 다이오드 칩으로부터 상기 제2 파장변환물질로 입사되는 광은 차단되고,
    상기 제2 발광 다이오드 칩으로부터 상기 제1 파장변환물질로 입사되는 광은 차단된 발광 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 발광 다이오드 칩 상부에 배치된 제3 파장변환물질을 더 포함하되,
    상기 제3 파장변환물질은 상기 제1 발광 다이오드 칩에서 방출된 광 및 상기 제1 파장변환물질에서 방출된 광을 파장변환하고,
    상기 제3 파장변환물질의 여기 스펙트럼의 피크 파장은 상기 제1 피크 파장보다 상기 제1 파장변환물질의 발광 스펙트럼의 피크 파장에 더 가까운 발광 소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 파장변환물질은 청색 형광체이고,
    상기 제2 파장변환물질은 녹색 내지 황색 형광체이고,
    상기 제3 파장변환물질은 적색 형광체인 발광 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 피크 파장은 410nm 내지 440nm 범위 내이고,
    상기 제2 피크 파장은 440nm 내지 470nm 범위 내인 발광 소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    제1 캐비티를 갖는 제1 하우징; 및
    제2 캐비티를 갖는 제2 하우징을 더 포함하되,
    상기 제1 발광 다이오드 칩은 상기 제1 하우징의 제1 캐비티 내에 배치되고,
    상기 제2 발광 다이오드 칩은 상기 제2 하우징의 제2 캐비티 내에 배치되며,
    상기 제1 캐비티와 상기 제2 캐비티는 서로 이격된 발광 소자.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 하우징은 에폭시 몰딩 컴파운드로 형성되고,
    상기 제2 하우징은 PCT(Polyester Polycyclohexylenedimethylene Terephthalate)로 형성된 발광 소자.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 캐비티 내에 배치된 제1 몰딩부; 및
    상기 제2 캐비티 내에 배치된 제2 몰딩부를 더 포함하되,
    상기 제1 파장변환물질은 상기 제1 몰딩부 내에 분포되고,
    상기 제2 파장변환물질은 상기 제2 몰딩부 내에 분포된 발광 소자.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 몰딩부는 메틸계 실리콘을 주 성분으로 하는 실리콘을 포함하고,
    상기 제2 몰딩부는 페닐계 실리콘을 주 성분으로 하는 실리콘을 포함하는 발광 소자.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 몰딩부 내에 배치된 제3 파장변환물질을 더 포함하되,
    상기 제3 파장변환물질은 상기 제1 발광 다이오드 칩에서 방출된 광 및 상기 제1 파장변환물질에서 방출된 광을 파장변환하고,
    상기 제3 파장변환물질의 여기 스펙트럼의 피크 파장은 상기 제1 피크 파장보다 상기 제1 파장변환물질의 발광 스펙트럼의 피크 파장에 더 가까운 발광 소자.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제3 파장변환물질의 발광 스펙트럼의 피크 파장은 상기 제2 파장변환물질의 발광 스펙트럼의 피크 파장보다 장파장인 발광 소자.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 파장변환물질은 청색 형광체이고,
    상기 제2 파장변환물질은 녹색 내지 황색 형광체이고,
    상기 제3 파장변환물질은 적색 형광체인 발광 소자.
  12. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 하우징은 상기 제2 하우징과 결합된 발광 소자.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 하우징은 상기 제2 하우징으로 둘러싸인 발광 소자.
  14. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 하우징은 상기 제2 하우징으로부터 이격된 발광 소자.
  15. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징은 서로 다른 면적을 갖는 발광 소자.
  16. 제1 발광 다이오드 칩 및 제1 파장변환물질을 포함하는 제1 발광 유닛; 및
    제2 발광 다이오드 칩 및 제2 파장변환물질을 포함하는 제2 발광 유닛을 포함하고,
    상기 제1 발광 다이오드 칩은 제1 피크 파장의 광을 방출하고,
    상기 제2 발광 다이오드 칩은 상기 제1 피크 파장보다 장파장의 제2 피크 파장의 광을 방출하고,
    상기 제1 발광 유닛은 CIE 색좌표 상에서 플랭키안 로커스 아래에 위치하는 색좌표를 갖는 제1 혼색광을 방출하고,
    상기 제2 발광 유닛은 CIE 색좌표 상에서 플랭키안 로커스 위에 위치하는 색좌표를 갖는 제2 혼색광을 방출하고,
    상기 제1 혼색광과 상기 제2 혼색광이 혼합된 광을 방출하는 발광 소자.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 제1 발광 유닛은 제3 파장변환물질을 더 포함하되,
    상기 제3 파장변환물질은 상기 제1 발광 다이오드 칩에서 방출된 광 및 상기 제1 파장변환물질에서 방출된 광을 파장변환하고,
    상기 제3 파장변환물질의 여기 스펙트럼의 피크 파장은 상기 제1 피크 파장보다 상기 제1 파장변환물질의 발광 스펙트럼의 피크 파장에 더 가까운 발광 소자.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 제1 파장변환물질은 청색 형광체이고,
    상기 제2 파장변환물질은 녹색 내지 황색 형광체이고,
    상기 제3 파장변환물질은 적색 형광체인 발광 소자.
  19. 조명 기구에 있어서,
    발광 소자를 포함하며,
    상기 발광 소자는
    제1 피크 파장의 광을 방출하는 제1 발광 다이오드 칩;
    상기 제1 피크 파장보다 장파장의 제2 피크 파장의 광을 방출하는 제2 발광 다이오드 칩;
    상기 제1 발광 다이오드 칩 상부에 배치되어 제1 발광 다이오드 칩에서 방출된 광을 파장변환하는 제1 파장변환물질; 및
    상기 제2 발광 다이오드 칩 상부에 배치되어 상기 제2 발광 다이오드 칩에서 방출된 광을 파장변환하는 제2 파장변환물질을 포함하고,
    상기 제1 파장변환물질의 여기 스펙트럼의 피크 파장은 상기 제2 피크 파장보다 상기 제1 피크 파장에 더 가깝고,
    상기 제2 파장변환물질의 여기 스펙트럼의 피크 파장은 상기 제1 피크 파장보다 상기 제2 피크 파장에 더 가까우며,
    상기 제1 발광 다이오드 칩으로부터 상기 제2 파장변환물질로 입사되는 광은 차단되고,
    상기 제2 발광 다이오드 칩으로부터 상기 제1 파장변환물질로 입사되는 광은 차단된 발광 소자.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 발광 소자는 상기 제1 발광 다이오드 칩 상부에 배치된 제3 파장변환물질을 더 포함하되,
    상기 제3 파장변환물질은 상기 제1 발광 다이오드 칩에서 방출된 광 및 상기 제1 파장변환물질에서 방출된 광을 파장변환하고,
    상기 제3 파장변환물질의 여기 스펙트럼의 피크 파장은 상기 제1 피크 파장보다 상기 제1 파장변환물질의 발광 스펙트럼의 피크 파장에 더 가까운 조명 기구.
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