KR100687374B1 - 3파장 백색 발광다이오드를 제작하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 그 파장이 425nm-475nm인 청색 LED 칩을 채택한 3파장 백색 LED의 제조방법에 있어서, 적색 및 녹색의 혼합 형광체가 상기 청색 LED 칩상에 코팅되고, 그 결과 상기 청색 LED 칩에 의해 상기 적색 및 녹색 혼합 형광체가 여기되어 3파장 백색 LED를 만드는 것을 특징으로 하는 3파장 백색 LED의 제조방법에 관한 것이다.

Description

3파장 백색 발광다이오드를 제작하는 방법{METHOD FOR MANUFACTURING A TRIPLE WAVELENGTHS WHITE LED}
도 1은 Nichia corporation에 의해 발표된 2파장 백색 LED(발광다이오드)를 제조하는 종래의 방법의 발광 스펙트럼.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 백색광 램프형의 LED의 패키지 방법의 평면 단면 구성도(plan cross-sectional structural view)이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 백색광 SMD(surface mount diode)형 LED의 패키지 방법의 평면 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 3파장 백색 LED의 제조방법에 있어서 La2O3·11Al2O3: Mn의 녹색 형광체의 여기 스펙트럼(excitation spectrum) 및 발광 스펙트럼의 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 3파장 백색 LED의 제조방법에 있어서 Y3(GaxAl1-x)5O12:Ce(0<x<1))의 녹색 형광체의 여기 스펙트럼의 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 3파장 백색 LED의 제조방법에 있어서 Y3(GaXAl1-x)5O12:Ce(0<x<1))의 녹색 형광체의 발광 스펙트럼의 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 3파장 백색 LED의 제조방법에 있어서 Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu, Mn의 녹색 형광체의 여기 스펙트럼의 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 3파장 백색 LED의 제조방법에 있어서 Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu, Mn의 녹색 형광체의 발광 스펙트럼의 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 3파장 백색 LED의 제조방법에 있어서 Li2TiO3:Mn의 적색 형광체의 여기 스펙트럼의 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 3파장 백색 LED의 제조방법에 있어서 Li2TiO3:Mn의 적색 형광체의 발광 스펙트럼의 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 3파장 백색 LED의 제조방법에 있어서 LiAlO2:Mn의 적색 형광체의 여기 스펙트럼의 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 3파장 백색 LED의 제조방법에 있어서 LiAlO2:Mn의 적색 형광체의 발광 스펙트럼의 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 3파장 백색 LED의 제조방법에 있어서 6MgO·As2O5:Mn4+의 적색 형광체의 여기 스펙트럼 및 발광 스펙트럼의 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 3파장 백색 LED의 제조방법에 있어서 3.5MgO·0.5MgF2 ·GeO2:Mn4+의 적색 형광체의 여기 스펙트럼 및 발광 스펙트럼의 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 3파장 백색 LED를 제조하는 방법의 발광 스펙트럼의 그래프이다.
도 16은 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 3파장 백색 LED를 제조하는 방법의 스펙트럼의 그래프이다.
본 발명은 3파장 백색 LED를 제조하는 방법으로서, 특히 청색 LED 칩에 의해 여기될 수 있는 적색과 녹색의 혼합 형광체가 산화물로 만들어져 상기 적색과 녹색의 혼합된 형광체는 보다 안정적이고 보다 긴수명을 갖는 3파장 백색 LED를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 상기 LED(발광다이오드)는 긴 수명을 갖고, 전력을 절약할 수 있으며, 빠른 반응 속도를 갖고, 높은 신뢰성을 가지며, 환경을 보호하고, 안전하게 사용될 수 있다. 상기 백색 LED는 근래에 들어 일반적으로 사용되고 있다.
상기 종래의 백색 LED를 제조하는 방법은 백색광을 생성하는 단일 LED 칩을 채택하는 것이다. 상기 단일 LED 칩의 표면은 형광층으로 코팅되어 있으며, 상기 단일 LED 칩에 의해 생성된 빛은 상기 형광체를 여기시켜, 각기 다른 파장의 빛을 생성한다. 각기 다른 파장을 갖는 빛은 상기 단일 LED 칩에 의해 생성된 빛을 혼합하고 백색 LED를 생성한다.
백색 LED를 제조하는 종래의 제 1 방법은 청색 LED칩과 YAG 황색 형광체를 채택하는 것이다. 그 결과, 상기 청색 LED칩의 청색광선이 YAG 황색 형광체를 여기시켜 상기 청색 LED 칩의 청색광과 혼합이 되는 황색광을 생성하여, 황색과 청색이 각각 보강간섭(complementary)하며, 그에 의해 2개의 파장을 갖는 백색 LED를 생성한다. 상기 전술한 종래의 제 1 백색 LED를 제조하는 방법은 미국 특허 No.5,998,925(Nichia corporation)에 개시되어 있다. 도 1은 Nichia corporation이 특허권자인 2파장 백색 LED를 제조하는 종래의 제 1 방법의 방출 스펙트럼이다.
그러나, 백색 LED를 제조하는 종래의 제 1 방법에 있어서, 상기 백색 LED는 오직 2개의 파장을 갖는 청색광과 황색광만을 갖는다. 그러므로, 상기 LED는 오직 표시용으로만 사용될 수 있으며, 조명 또는 풀 칼라 LCD 배면광에 대해서는 사용될 수 없다. 또한, 상기 YAG 황색 형광체의 양은 정확하게 제어될 수 없고, 상기 백색 LED는 쉽게 청색광 또는 황색광을 생성한다.
백색 LED를 제조하는 종래의 제 2 방법은 자외선 LED 칩(250nm 내지 390nm의 파장) 및 적색, 청색 및 녹색으로 혼합된 형광체를 채택한다. 상기 자외선 LED 칩의 자외선은 적색, 청색 및 녹색으로 혼합된 형광체를 여기하여, 3 파장의 백색 LED를 생성한다. 상기 전술한 백색 LED를 제조하는 종래의 제 2 방법은 미국 특허 No. 5,952,681(특허권자 Solidlite Cor., 발명자 Chen Hsing)에 개시되어 있다.
그러나, 백색 LED를 제조하는 종래의 제 2 방법에 있어서, 상기 자외선 LED 칩은 보다 짧은 수명과 보다 낮은 효율을 갖는다. 또한, 상기 자외선 LED칩은 빨리 감쇠한다. 게다가, 유기수지의 대부분은 자외선 영역에서 상기 자외선을 흡수하고, 그에 의해 상기 자외선의 투사에 따라 상기 수지를 마모시키며, 그럼으로써 상기 백색 LED의 수명이 짧아진다.
백색 LED를 제조하는 종래의 제 3 방법은 보라색 LED 칩(파장이 390nm-410nm의 영역) 및 적색, 청색, 및 녹색으로 혼합된 형광체를 채택한다. 상기 보라색 LED 칩의 보라색 빛은 상기 적색, 청색 및 녹색으로 혼합된 형광체를 여기시켜 3파장 백색 LED를 생성할 수 있다. 전술한 백색 LED를 제조하는 종래의 제 3 방법은 미국 우선권을 주장하며 Solidlite Cor.의 Chen Hsing에 의해 대만 특허 Serial No. 090133508로 출원되었다.
백색 LED를 제조하는 종래의 제 3 방법에서, 상기 보라색 LED 칩은 보다 큰 효율을 갖는다. 그러나, 상기 백색 LED의 수명은 개선될 필요가 있다.
본 발명은 백색 LED를 제조하는 종래 방법의 단점을 완화시키거나 제거하기 위해 만들어졌다.
본 발명의 주목적은 3파장 백색 LED를 제조하는 방법을 제공하는 것으로서, 상기 청색 LED 칩(파장 425nm-475nm의 영역)은 적색 및 녹색으로 혼합된 형광체를 여기시켜 3파장을 갖는 백색 LED를 생성하는데 사용된다.
본 발명에 따른 3 파장 백색 LED를 제조하는 방법은 상기 청색 LED 칩(파장 425nm-475nm의 영역)을 채택하여 적색 및 녹색이 혼합된 형광체를 여기시켜 상기 청색 LED 칩의 청색광과 혼합되는 적색 및 녹색광을 생성하고, 그럼으로써 3파장 백색 LED를 생성한다.
상기 청색 LED 칩(파장 430nm-480nm의 영역)을 사용하는 이유는 상기 청색 LED 칩의 광방출효율 및 파워(power)가 보라색 LED 보다 훨씬 크기 때문이다. 또한, 상기 청색 LED 칩에 의해 여기될 수 있는 적색 및 녹색으로 혼합된 형광체는 산화물로 만들어져 있으며, 적색 및 녹색으로 혼합된 형광체는 보다 큰 안정성과 보다 긴 수명을 갖는다.
상기 청색 LED 칩에 의해 여기될 수 있는 적색 및 녹색으로 혼합된 형광체의 조성(component)(파장 430nm-480nm의 영역)이 아래에 나열되어 있다.
상기 적색 형광체의 성분(조성)은,
Li2TiO3: Mn; 또는
LiAlO2: Mn; 또는
6MgO·As2O5:Mn4+; 또는
3.5MgO·0.5MgF2·GeO2: Mn4+이다.
상기 녹색 형광체의 성분(조성)은,
Y3(GaxAl1-x)5O12: Ce(0<x<1), 또는
La2O3·11Al2O3: Mn, 또는
Ca8Mg(SiO4)4Cl2: Eu, Mn이다.
최근, 상기 백색 LED는 상기 Nichia Corporation의 제조방법을 사용하는데, 즉, 청색 LED칩과 YAG 황색 형광체를 사용한다. 상기 YAG 황색 형광체의 화학조성은 550nm-560nm의 범위의 파장을 갖는 (YGd)3Al5O12: Ce이다.
비교를 하면, 본 발명의 녹색 형광체의 조성은 515nm-520nm의 영역의 발광 피크 파장을 갖는 Y3(GaXAl1-X)5O12: Ce(0<x<1)이다. 또, 본 발명의 기타 녹색 형광체의 조성은 La2O3·11Al2O3: Mn, 또는 Ca8Mg(SiO4)4Cl2: Eu, Mn이고, 본 발명의 적색 형광체의 조성은 Li2TiO3:Mn, 또는 LiAlO2:Mn, 또는 6MgO·As2O5:Mn4+, 또는 3.5MgO·0.5MgF2·GeO2:Mn4+다. 그러므로, 본 발명의 녹색 형광체와 적색 형광체는 적절한 비율로 혼합되고, 직간접적으로 상기 청색 LED 칩에 코팅되며, 상기 혼합된 형광체는 청색 LED 칩에 의해 여기되고, 그에 의해 3 파장 백색 LED를 얻는다. 또한, 본 발명의 녹색 형광체와 적색 형광체는 다양한 비율로 혼합될 수 있으며, 그에 의해 분홍색, 청백색 등의 중간색을 갖는 LED를 형성한다.
본 발명의 한 측면에 따라, 3파장 백색 LED를 제조하는 방법에 있어서,
청색 LED 칩(파장 425nm-475nm의 영역) 및 상기 청색 LED칩에 의해 여기되는 적색과 녹색으로 혼합된 형광체를 포함하고,
상기 혼합된 적색 및 녹색 형광체는 상기 청색 LED 칩으로부터 방출된 청색광선의 일부를 흡수하여, 흡수된 청색광선과는 다른 파장을 갖는 적색 및 녹색 광선을 여기시키며, 상기 여기된 적색광선 및 녹색 광선은 상기 청색 LED 칩으로부터 방출된 청색광선과 혼합되어, 3 파장 백색 LED를 생성하며,
상기 적색 및 녹색의 혼합된 형광체는 적어도
Li2TiO3:Mn, 또는
LiAlO2:Mn, 또는 6MgO·As2O5:Mn4+, 또는
3.5MgO·0.5MgF2·GeO2: Mn4+을 포함하는 적색 형광체를 포함하고,
상기 적색 및 녹색의 혼합된 형광체는 적어도
Y3(GaxAl1-x)5O12:Ce(0<x<1), 또는
La2O3·11Al2O3:Mn, 또는
Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu, Mn을 포함하는 녹색 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 3파장 백색 LED 제조방법을 제공한다.
상기 적색 및 녹색의 혼합된 형광체 중 적색 형광체는 발광 피크 파장이 약 659nm일 때 Li2TiO3:Mn이고, 발광 피크 파장이 약 670nm일 때 LiAlO2:Mn이고, 발광 피크 파장이 약 650nm일 때 6MgO· As2O5:Mn4+이거나, 또는 발광 피크파장이 약 650nm일 때, 3.5MgO·0.5MgF2·GeO2: Mn4+이다.
상기 적색 및 녹색의 혼합된 형광체 중 녹색 형광체는 발광 피크 파장이 약 520nm일 때 La2O3·11Al2O3:Mn 이고, 발광 피크 파장이 약 516nm일 때 Y3(GaXAl1- X)5O12:Ce(0<x<1)이고, 발광 피크파장이 약 515nm일 때 Ca8Mg(SiO 4)4Cl2: Eu, Mn이다.
상기 녹색 형광체와 적색 형광체는 다양한 비율로 혼합되며, 그럼으로써 분홍색 또는 청백색과 같은 중간색의 LED를 형성한다.
상기 청색 LED 칩은 InGaN형, SiC형 또는 ZnSe형을 갖는다.
본 발명의 또다른 이점은 첨부한 도면을 적절히 참조하여 상세한 설명을 주의 깊게 읽고나면 보다 명확해질 것이다.
본 발명에 따라, 상기 적색 및 녹색의 혼합된 형광체(2)는 상기 청색 LED 칩(파장 425nm-475nm의 영역)에 의해 여기될 수 있다.
본 발명의 적색 형광체의 성분(조성)은 다음과 같다.
Li2TiO3:Mn, 또는
LiAlO2:Mn, 또는
6MgO·As2O5:Mn4+, 또는
3.5MgO·0.5MgF2·GeO2:Mn4+이다.
본 발명의 녹색 형광체의 조성은 다음과 같다.
Y3(GaXAl1-X)5O12:Ce(0<x<1), 또는
La2O3·11Al2O3: Mn, 또는
Ca8Mg(SiO4)4Cl2: Eu, Mn 이다.
우선 도 2-3의 도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 3파장 백색 LED 의 제조방법이 도시되어 있고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 백색광 램프형 LED의 패키지 방법의 평면 단면 구조도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 백색광 SMD(surface mount diode) 형의 LED의 패키지 방법의 평면 단면 구조도이다.
우선, 적색 형광체 Li2TiO3: Mn 및 녹색 형광체 Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu, Mn은 적색 및 녹색의 혼합된 형광체(2)의 수지(gum)(에폭시 같은)를 형성하기 위해 적당한 비율로 투명한 수지(resin)(5)와 혼합된 적색 및 녹색의 혼합된 형광체를 형성하는 적당한 비율로 혼합된다. 청색 LED 칩은 도 2에 도시된 것처럼 리드(lead) 프레임(3)상에 고정되거나, 또는 도 3에 도시된 것처럼 패키지기판(package substrate)(6)상에 고정되며, 도체선(conductive wire)(4)은 청색 LED 칩(1)과 리드 프레임(3) 또는 패키지기판(6) 사이에 연결된다. 그때, 적색 및 녹색의 혼합된 형광체(2)의 수지는 직접 또는 간접적으로 코팅 또는 인쇄의 방식으로 청색 LED 칩(1)상에 코팅되고, 그것에 의해 적색 및 녹색의 혼합된 형광체(2)의 수지와 청색 LED 칩(1)이 램프형 LED 또는 SMD형 LED로 패키지된다(package). 상기 청색 LED 칩(1)에서 방출된 청색광선은 적색 및 녹색의 혼합된 형광체(2)를 여기시켜, 상기 청색 LED 칩(1)으로부터 방출된 청색광선과 혼합되는 적색 및 녹색 광선을 생성하고, 상기 적색, 녹색 및 청색 광선으로 혼합된 3파장 백색 LED를 생성한다.
그 결과, 생성된 3파장 백색 LED의 발광스펙트럼은 도 15에 도시되어 있다. 도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 3파장 백색 LED 제조방법의 발광 스펙트럼의 그래프이다.
또한, 적색 형광체 Li2TiO3:Mn의 여기 스펙트럼 및 발광 스펙트럼이 도 9 및 도 10에 도시되어 있다.
또한, 녹색 형광체 Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu, Mn의 여기 스펙트럼 및 발광 스펙트럼이 도 7 및 도 8에 도시되어 있다.
본 발명의 또다른 형광체도 상기 청색 LED 칩(1)에 유용하다.
예를 들면, 녹색 형광체 La2O3·11Al2O3:Mn의 여기 스펙트럼 및 발광 스펙트럼이 도 4에 도시되어 있다.
또한, 녹색 형광체 Y3(GaXAl1-X)O12:Ce(0<x<1)의 여기 스펙트럼 및 발광 스펙트럼이 도 5 및 도 6에 도시되어 있다.
또한, 적색 형광체 LiAlO2:Mn의 여기 스펙트럼 및 발광 스펙트럼이 도 11 및 도 12에 도시되어 있다.
또한, 적색 형광체 6MgO·As2O5:Mn4+의 여기 스펙트럼 및 발광 스펙트럼이 도 13에 도시되어 있다.
또한, 적색 형광체 3.5MgO·0.5MgF2·GeO2:Mn4+의 여기 스펙트럼 및 발광 스펙트럼이 도 14에 도시되어 있다.
본 발명의 형광체의 여기 스펙트럼 및 발광 스펙트럼은 작은 차이점을 갖는다. 그러므로, 청색 LED 칩(1)은 그 사용가능한 형광체를 선택할 수 있다. 예를 들면, 상기 청색 LED 칩(1)이 425nm의 파장을 가질 때, 상기 적색 형광체는 6MgO·As2O5:Mn4+, 또는 3.5MgO·0.5MgF2·GeO2:Mn 4+를 적용할 수 있고, 상기 녹색 형광체는 Y3(GaxAl1-x)5O12:Ce(0<x<1), 또는 Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu, Mn을 적용할 수 있다.
비교를 해보면, Nichia corporation은 청색 LED 칩과 YAG 황색 형광체를 사용한다. YAG 황색 형광체의 화학조성은 (YXGd1-X)3Al5O12:Ce이다. 그러므로, 청색 LED칩(1)의 청색광선은 YAG 황색 형광체를 여기시켜 청색 LED 칩의 청색광선과 혼합되는 황색광선을 생성하여, 상기 황색광선과 청색광선이 서로 보강 간섭하여, 그것으로 2파장 백색 LED를 생성한다.
반면, 본 발명에서 사용되는 형광체는 Nichia corporation의 형광체와는 다르고, 제조 방법 역시 Nichia corporation과 다르다. 덧붙여, 본 발명에서 사용되는 형광체는 3파장 백색 LED를 만드는데 사용되고, 본 발명의 녹색 및 적색 형광체는 또한 다양한 비율로 혼합되어 분홍색 또는 청백색 등의 중간색 LED를 만들 수 있다.
따라서, 본 발명의 3파장 백색 LED를 제조하는 방법에 따라, 상기 청색 LED 칩은 적색 및 녹색으로 혼합된 형광체를 여기시켜, 적색, 녹색 및 청색광선으로 혼합된 3파장 백색 LED를 생성한다. 상기 청색 LED 칩은 보다 높은 휘도를 가져, 상기 적색 및 녹색 혼합 형광체를 여기시킴으로써 만들어진 3파장 백색 LED는 순수한 색을 가지며, 보다 좋은 휘도를 갖는다.
결론적으로, 본 발명의 방법은 청색 LED 칩(파장 425nm-475nm의 영역)에 사용가능한 적색 및 녹색의 혼합된 형광체를 얻는다. 또한, 상기 청색 LED 칩에 의해 여기될 수 있는 적색 및 녹색의 혼합 형광체는 산화물로 만들어져, 상기 적색 및 녹색의 혼합 형광체는 보다 높은 안정성과 긴 수명을 갖는다. 그러므로, 본 발명의 3파장 백색 LED는 지시, 설명, 단색 또는 다양한 색상의 액정칩의 배면광 등의 목적에 사용 가능하다.
본 발명이 상기 전술한 선호하는 실시 예에 관해 설명하였음에도 불구하고, 본 발명의 영역에서 벗어나지 않고서 만들어질 수 있는 다양한 변경 및 변형이 있을 수 있다는 것을 이해해야한다. 그러므로, 본 발명의 진정한 영역내의 변경 및 변형은 첨부된 청구범위내에 속한다.
본 발명은 상기와 같이 3파장 백색 LED를 제조하는 방법에 관한 것이며, 특히 청색 LED 칩에 의해 여기될 수 있는 적색 및 녹색의 혼합된 형광체가 산화물로 만들어져 상기 적색과 녹색의 혼합된 형광체는 보다 안정적이고 보다 긴 수명을 갖게된다.

Claims (6)

  1. 3파장 백색 LED 제조방법에 있어서,
    청색 LED 칩(파장 425nm - 475nm의 범위), 및 상기 청색 LED 칩에 의해 여기될 수 있는 적색 및 녹색 혼합 형광체를 공급하는 단계를 포함하고,
    상기 적색 및 녹색 혼합 형광체는 상기 청색 LED 칩으로부터 방출된 청색광선의 일부를 흡수하여, 흡수된 청색광선과는 다른 파장을 갖는 적색광선 및 녹색광선을 여기시키고, 상기 여기된 적색광선 및 녹색광선은 그 후 상기 청색 LED 칩으로부터 방출된 청색광선과 혼합되어 3파장 백색 LED를 생성하고,
    상기 적색 및 녹색 혼합 형광체는
    Li2TiO3:Mn 또는
    LiAlO2:Mn를 하나 이상 함유한 적색 형광체를 포함하고,
    상기 적색 및 녹색 혼합 형광체는
    Ca8Mg(Si2O4)4Cl2:Eu, Mn을 함유한 녹색 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 3파장 백색 LED 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    광방출 피크 파장이 659nm 일 때 상기 적색 및 녹색 혼합 형광체의 적색 형광체는 Li2TiO3:Mn 또는 광방출 피크 파장이 670nm 일 때 상기 적색 및 녹색 혼합 형광체의 적색 형광체는 Li2AlO2:Mn인 것을 특징으로 하는 3파장 백색 LED 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    광방출 피크 파장이 515nm일 때 상기 적색 및 녹색 혼합 형광체의 녹색 형광체는 Ca8Mg(SiO4)4Cl2 :Eu, Mn인 것을 특징으로 하는 3파장 백색 LED 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 녹색 형광체 및 적색 형광체는 다양한 비율로 혼합이 되어, 분홍색 또는 청백색의 중간색 LED를 형성하는 것을 특징으로 하는 3파장 백색 LED 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 청색 LED 칩은 InGaN형, SiC형, 또는 ZnSe형인 것을 특징으로 하는 3파장 백색 LED 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은 백색 광램프형 LED 또는 백색광 SMD형 LED를 갖는 패키지 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 3파장 백색 LED 제조방법.
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