KR101476000B1 - The manufacturing method of led lamp for plant growth-promoting - Google Patents
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Abstract
본 발명은 형광체를 이용하여 LED 칩을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 식물의 생장을 촉진시키는 가시광선 중에 주파장이 650nm인 적색광과 450nm인 청색광 파장 빛을 발광시킬 수 있도록 질화물계 형광체와 실리케이트계 형광체를 이용하여 LED 칩의 제조 방법에 관한 것이다.
본원 발명의 LED 칩은 구조식이 Me2-xRxSi5N8-yF3y인 질화물 형광체와 BawSrxCaySiO4: zEu 인 실리케이트계 형광체의 조합으로 만들어 지며, 상기 질화물 형광체의 구조식에서 Me는 알칼리 토금속이고, R은 희토류 금속이며, Si는 실리콘원소, N은 질소 원소이며, 0<x<1, 0≤y<1를 만족한다.
그리고 상기 실리케이트계 형광체의 구조식에서 w+x+y+z = 2이고, 상기 실리케이트 형광체는 구형 입자, 다각형 또는 판형의 형태를 가진다.
이와 같은 LED 램프는 식물 또는 작물에 광 조건을 충분하게 만들어 주어 식물 또는 작물의 생장을 촉진시켜 재배 기간을 단축시킬 수가 있고, 청색과 적색의 LED 램프 조합으로 만들어진 조명에 비하여 제조원가를 낮춰 재배농가나 식물공장의 경제성을 높일 수가 있다. The present invention relates to a method of manufacturing an LED chip using phosphors, and more particularly, to a method of manufacturing a nitride-based phosphor capable of emitting red light having a main wavelength of 650 nm and blue light having a wavelength of 450 nm in visible light for promoting plant growth, And a method of manufacturing an LED chip using the silicate-based phosphor.
The LED chip of the present invention is made of a combination of a nitride phosphor having a structural formula of Me 2 -xR x Si 5 N 8 -yF 3 y and a BawSr x Ca y SiO 4 : zEu phosphorous silicate phosphor, wherein Me is an alkaline earth metal and R Si is a silicon element and N is a nitrogen element, and satisfies 0 < x < 1, 0 y < 1.
In the formula of the silicate-based phosphor, w + x + y + z = 2, and the silicate phosphor has a spherical shape, a polygonal shape or a plate shape.
Such an LED lamp can shorten the cultivation period by promoting the growth of plants or crops by making enough light condition for plants or crops, and it is possible to reduce the production cost compared with the lighting made by the combination of blue and red LED lamps, The economical efficiency of the plant can be increased.
Description
본 발명은 질화물 형광체와 실리케이트 형광체를 이용하여 LED 조명장치에 적용되는 LED 칩을 만드는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 Me2-xRxSi5N8-yF3y의 조성을 갖는 질화물 형광체 분말과 BawSrxCaySiO4: zEu의 조성을 갖는 실리케이트 형광체 분말을 수지와 혼합하여 LED 램프에 몰딩하여 LED 칩를 만드는 것이다. The present invention relates to a method of making an LED chip applied to an LED lighting device using a nitride phosphor and a silicate phosphor. More specifically, the Me 2 -xRxSi 5 N 8 -yF 3 y nitride phosphor having a composition of powder and BawSrxCaySiO 4: to make LED chipreul by molding the LED light is mixed with a resin to silicate phosphor powder having a composition of zEu.
상기 화학식의 질화물 형광체는 적색광원 성질을 가지고, 실리케이트 형광체는 녹색광원의 성질을 가지고 있으며, 이들 형광체를 LED 램프에 적용하게 되면 식물광합성의 유효파장이 91% 정도로 자연광과 유사한 정도 광원이 된다.
The nitride phosphor of the above formula has a red light source property, the silicate phosphor has a nature of a green light source, and when these phosphors are applied to an LED lamp, the effective wavelength of plant photosynthesis becomes about 91%, which is similar to natural light.
LED는 수명이 반영구적이고 전력소모가 적으며 동작속도가 빨라서 그동안 전자기기분야에서 주로 사용되었으나, 최근 광합성 유효파장이 다른 광원에 비해 크게 높아 식물공장에서 조명으로 많이 사용되고 있다. LED has a long life span, low power consumption, and high operating speed, and has been widely used in the field of electronic devices. However, recently, photosynthetic effective wavelength is much higher than other light sources and is widely used in plant factories.
LED 칩은 Ce³/Eu²와 같은 희토류 금속이 도핑된 형광체가 청색InGaN LED 칩에 의해 여기되어 장파장의 빛을 방출하고, 방출되는 빛의 혼합에 의해 백색광으로 발광한다. In the LED chip, a phosphor doped with a rare earth metal such as Ce < 3 > / Eu < 2 > is excited by the blue InGaN LED chip to emit light of a long wavelength and emit white light by mixing of emitted light.
LED 램프가 크게 각광받을 수 있는 응응분야로는 식물공장 등과 관련된 바이오 분야를 들 수 있다. 바이오 분야에서 LED 램프를 이용한 조명으로 식물의 광합성을 유도하고, 식물 생장을 촉진시키게 된다. Examples of areas where LED lamps can be widely spotlighted include bio-related fields such as plant factories. In the biotechnology field, LED lamps are used to induce photosynthesis of plants and promote plant growth.
종래 이러한 LED 램프를 식물 생장을 촉진시키는 광원으로서 활용하는 발명이 한국특허 제10-879711호에 개시되어 있다. 상기 발명에서는 적색광과 청색광을 발생시키는 LED를 복수개 설치하고 적색광 및 청색광을 각각 별개로 발광시킴으로써 식물 생장을 촉진하는 형태로 구현되고 있다.In the past, such an LED lamp has been disclosed in Korean Patent No. 10-879711, which is utilized as a light source for promoting plant growth. In the above invention, a plurality of LEDs for generating red light and blue light are provided, and red light and blue light are separately emitted to promote plant growth.
그러나 이러한 구성으로는 적색광과 청색광의 파장으로 한정되어 있어 일정한 형태의 식물 생장에만 유효하고, 전류를 제어해 주어야 하는 발광다이오드칩의 경우 청색 LED와 적색 LED의 순방향 전압의 차이가 크기 때문에 제어 체널을 분기해 주어야 하는 등 기술의 구성이 복잡한 문제점이 있다. However, this configuration is limited to the wavelengths of red light and blue light, and is effective only for a certain type of plant growth. In the case of a light emitting diode chip which needs current control, a difference between the forward voltage of the blue LED and the red LED is large, There is a problem in that the configuration of the technology is complex.
유럽 공개특허 제1104799호에는 적색광원인 M2Si5N8(M = Ca, Sr, Ba)의 질화물형광체 제조방법에 관해 기재되어 있다.European Patent Laid-Open No. 1104799 describes a method for producing a nitride phosphor of M 2 Si 5 N 8 (M = Ca, Sr, Ba) as a red light source.
상기 제조방법은 튜브 퍼니스 내에서 550 ~ 800℃의 온도로 8~16 시간 동안 질소분위기하에서 상기 금속들의 질화반응에 의해 알카리 토금속 질화물과 유로퓸 질화물이 제조된다. 이후에 상기 알카리 토금속 질화물과 a-Si3N4 및 EuNx가 혼합되고 몰리브덴 도가니에 채워진 후 90% N2 10% H2 의 분위기하에서 1300~1400℃의 온도조건과 12~16시간 동안 반응 시간을 유지함으로써, 다결정의 M2xEuxSi5N8 (0≤x≤0.2 for M=Ca, 0≤x≤2.0 for M= Sr, Ba) 형광체 분말이 얻어진다.In this method, an alkaline earth metal nitride and europium nitride are produced in a tube furnace at a temperature of 550 to 800 ° C for 8 to 16 hours under a nitrogen atmosphere by a nitridation reaction of the metals. Thereafter, the alkaline earth metal nitride and a-Si 3 N 4 and EuN x are mixed and filled in the molybdenum crucible, and the reaction time is maintained at 1300 to 1400 ° C and 12 to 16 hours in an atmosphere of 90% N 2 10% M 2 xEuxSi 5 N 8 (0? X? 0.2 for M = Ca, 0? X? 2.0 for M = Sr, Ba) phosphor powders are obtained.
그러나, 상기 유럽 공개특허 제1104799호에서 제시된 방법은 알카리 토금속 질화물 및 희토류 금속 질화물을 우선 제조함으로써, 제조공정상의 어려움 및 상기 질화물의 단가가 비싼 단점이 존재하며, 또한 원료물질에 대한 공기와 습기에 의한 보관상의 문제를 포함하고 있다. 더욱이 상기 방법에 의해 얻어지는 형광체의 전환효율은 효과적이지 않아 개선의 여지를 가지고 있다.However, the process disclosed in EP-A-1104799 has disadvantages in that it is difficult to produce an alkaline earth metal nitride and a rare-earth metal nitride at a high production rate and the cost of the nitride is high, And storage problems caused by Furthermore, the conversion efficiency of the phosphor obtained by the above method is not effective and has room for improvement.
미국 공개특허공보 제2007/0040152에서는 M2Si5N8, MSi7N10, MSiN2 및 MeAlSiN3, (M 은 Mg, Ca, Sr, Ba 등)의 조성을 가지며 실질적으로 산소를 가지지 않는 형광체에 관해 기재되어 있다. 이는 출발물질로서 알카리 토금속 및 희토류 금속의 질화물을 사용하였고, 상기 질화물의 제조공정의 곤란함과 비싼 제조비용, 다루기 어려운 점 등의 단점을 가진다.US Patent Application Publication No. 2007/0040152 discloses a phosphor having a composition of M 2 Si 5 N 8 , MSi 7 N 10 , MSiN 2, and MeAlSiN 3 (M is Mg, Ca, Sr, Ba, etc.) . This method uses nitrides of alkaline earth metals and rare earth metals as starting materials, and has disadvantages such as difficulty in manufacturing the nitride, expensive manufacturing cost, and difficulty in handling.
이러한 난점들에 의해 질화 실리케이트 계열의 형광체는 공업적 스케일의 생산이 곤란하다는 인식이 퍼지고 있으며, 이는 "상업적 질화 실리케이트 계열의 물질은 1) 불순물인 산소의 존재로 인한 낮은 순도, 2) 낮은 순도에 의한 형광체의 낮은 형광특성, 3) 높은 제조비용 등에 의한 단점을 가진다"고 인식되며, 이로 인해 낮은 광학적 특성을 가지는 것으로 보고되고 있다.These difficulties have led to the recognition that nitrated silicate-based phosphors are difficult to produce on an industrial scale, which suggests that "commercial nitride silicate-based materials have a low purity due to the presence of impurity oxygen, 2) Low fluorescence properties of the phosphor due to the high fluorescence property of the phosphor, and 3) high manufacturing cost ", which is reported to have low optical properties.
더욱이, 상기 문헌들에서 기재된 질화물 형광체의 원료는 분말형태로서는 낮은 반응성이 보고되고 있다. 즉, 원료입자들간의 고상반응을 증진시키기 위해서는 원료 물질들은 고온(1200~1600℃)에서 10시간 이상 가열해야 한다.Moreover, the raw materials of the nitride phosphors described in the above documents are reported to have low reactivity in powder form. That is, raw materials should be heated at a high temperature (1200 to 1600 ° C.) for 10 hours or more in order to promote the solid-phase reaction between the raw particles.
그 결과 합성된 형광체는 매우 큰 그레인 사이즈(3~15 ㎛)의 응집체들로 구성되며 상기 응집된 분말은 형광체의 목적으로 사용하기 위해 각각의 독립된 분말로 나누어져야 하므로 분쇄가 필요하다.As a result, the synthesized phosphor is composed of agglomerates having a very large grain size (3 to 15 탆), and the agglomerated powder is required to be divided into respective independent powders for use as a phosphor, and thus pulverization is required.
그러나 상기 목적을 달성하기 위해서는 장시간의 밀링 작업이 필요하나 이는 발광 강도의 심각한 저하를 가져올 수 있다.However, in order to achieve the above object, a long milling operation is required, but this may seriously lower the light emission intensity.
상기와 같은 이유로서 새롭고 진일보한 질화물 실리케이트계 형광체의 제조방법이 현실적으로 요구되고 있다.For this reason, a method for producing a new and advanced nitride silicate-based phosphor is actually required.
국내 등록특허 제10-1050504호와 같은 종래 특허문헌에 개시된 발광 스펙트럼 형태를 보면 제1피크가 450nm 영역에 있고, 제2피크가 650nm임을 나타내고 있다. 그러나 상기 종래기술에 표현된 적색 형광체인 (Ca(1-x)Mx)AaBbSs:Eu²,Q계열의 형광체는 650nm의 피크를 실제로 구현하지 못하기 때문에 본 발명에서는 상기 종래 기술과 상이한 형광체를 사용하여 650nm의 피크를 구현하였다.
The luminescence spectrum form disclosed in the conventional patent document such as the Korean Patent No. 10-1050504 shows that the first peak is in the region of 450 nm and the second peak is in the region of 650 nm. However, since the phosphors of the (Ca (1-x) Mx) AaBbSs: Eu2, Q series which are the red phosphors expressed by the above-described conventional techniques can not actually realize the peak of 650 nm, the present invention uses phosphors different from the above- A peak of 650 nm was realized.
본 발명의 첫 번째 목적은 식물공장 등의 LED 조명장치에 사용하기 위하여 적색광의 질화물계 형광체 분말에 녹색광의 실리케이트계 분말을 혼합 사용하여 새로운 형광체를 제공하는 것이다. 종래의 LED 조명은 파장별로 단독으로 조명함으로써 작물이 건강하게 자라지 못하는 경향이 있었다. 즉 400~420nm 파장의 청색광에서는 광합성을 촉진하고 개화를 유도하기도 하지만 작물을 웃자라게 할 수도 있어 단일 파장대의 조명만으로는 작물을 건강하게 키우기 어려운 점이 있다.A first object of the present invention is to provide a novel phosphor by mixing a silicate powder of green light with a nitride phosphor powder of red light for use in an LED lighting device such as a plant factory. Conventional LED lighting has been tended to be unable to grow healthy crops by lighting by wavelength alone. In other words, blue light with a wavelength of 400 to 420 nm promotes photosynthesis and induces flowering, but it can make crops smile. It is difficult to raise crops healthily with a single wavelength.
또한 본 발명의 두 번째 목적은 식물공장 등의 광원으로 사용되는 종래의 백열전구, 전자식 형광램프 등에 비하여 광 효율성을 증가시키고 에너지 효율을 절감시킬 수 있는 LED 칩에 상기의 형광체를 몰딩하여 자연광과 유사한 정도의 광합성 효율을 나타내는 조명장치를 제공하는데 있다.
Further, the second object of the present invention is to provide an LED chip which can increase the light efficiency and reduce the energy efficiency compared with conventional incandescent lamps and electronic fluorescent lamps used as light sources in plant factories, Of the total luminous efficiency.
본 발명의 LED 칩에 사용되는 형광체는 LED 칩의 발광층에서 발광된 자외선과 가시광영역대의 에너지원에 의해 여기된 광과 다른 파장의 광을 발광시킬 수 있도록 하는 질화물 형광체 및 실리케이트 형광체를 이용하는 것이다. 상기 질화물 형광체는 적색광(red)을 발광하고, 실리케이트 형광체는 녹색광(green)을 발광하며 본 발명의 LED 칩에 상기 질화물 형광체와 실리케이트 형광체가 혼합 또는 순차적으로 몰딩되어 사용된다.The phosphor used in the LED chip of the present invention uses a nitride phosphor and a silicate phosphor that emit light of a wavelength different from that of the ultraviolet light emitted from the light emitting layer of the LED chip and the energy source of the visible light region band. The nitride phosphor emits red light and the silicate phosphor emits green light. The nitride phosphor of the present invention and the silicate phosphor are mixed or sequentially molded and used.
아래 (I)의 구조식은 질화물 형광체에 관한 것이다.The structural formula of the following (I) relates to a nitride phosphor.
Me2-xRxSi5N8-yF3y (I)Me 2 -xR x Si 5 N 8 -yF 3 y (I)
상기 Me는 알칼리 토금속이고, R은 희토류 금속이며, Si는 실리콘원소, N은 질소 원소이며. 0<x<1, 0≤y<1를 만족한다.Me is an alkaline earth metal, R is a rare earth metal, Si is a silicon element, and N is a nitrogen element. 0 < x < 1, 0 < y <
보다 구체적으로 상기 구조에서 0<x<0.1, 0<y<0.3를 만족하는 것이 바람직하다.More specifically, it is preferable that 0 <x <0.1 and 0 <y <0.3 in the above structure.
상기 질화물 형광체는 분말크기가 평균크기가 10㎛이하이며, 바람직 하게는 0.01~2㎛인 것을 특징으로 한다.The nitride phosphor has an average size of powder size of 10 탆 or less, preferably 0.01 to 2 탆.
아래 (Ⅱ)의 구조식은 질화물 형광체와 혼합되는 실리케이트 형광체의 구조식이다. BawSrxCaySiO4: zEu (Ⅱ)The structural formula (II) below is a structural formula of a silicate phosphor mixed with a nitride phosphor. BawSrxCaySiO 4 : zEu (II)
상기 구조식에서 w+x+y+z = 2이고, 상기 녹색 형광체는 구형 입자, 다각형 또는 판형의 형태를 가지며, 크기는 0.1㎛ 내지 5㎛의 범위다.W + x + y + z = 2 in the structural formula, and the green phosphor has a spherical particle shape, a polygonal shape or a plate shape, and the size ranges from 0.1 to 5 mu m.
상기 실리케이트 형광체는 화학식 (I)에 따른 실리케이트, Ce-도핑된 루테튬-함유 가닛(garnet), Eu-도핑된 술포셀레나이드, 티오갈레이트 및/또는 Ce- 및/또는 Eu-도핑된 니트라이드를 함유하는 형광체에서 선택된다.The silicate phosphors can be selected from silicates according to formula (I), Ce-doped lutetium-containing garnets, Eu-doped sulfoselenides, thiogallates and / or Ce- and / or Eu- ≪ / RTI >
LED 칩에 적용되는 상기 질화물 형광체와 실리케이트 형광체는 중량비가 1 내지 2 : 1 내지 2 비율로 혼합되며, 최적화된 sRGB는 1.2 내지 1.8 : 1.3 내지 1.5 범위이다. The nitride phosphor and the silicate phosphor that are applied to the LED chip are mixed in a weight ratio of 1: 2: 1 to 2: 2, and an optimized sRGB is in a range of 1.2: 1.8: 1.3 to 1.5.
본 발명의 LED 칩은 청색 발광다이오드칩으로부터 발광하는 청색광(blue), 이 청색광과 다른 파장대의 빛을 발산하는 실리케이트계 형광체의 녹색광(green) 및 상기 청색광과 녹색광의 일부를 흡수하여 다른 파장대의 빛을 발광하는 질화물게 형광체의 적색광(red)이 혼합되어 자연광과 유사한 백색광을 발광하게 된다. 이 때 청색광(blue): 녹색광(green): 적색광(red)의 비율은 2:1:1의 비율이 되도록 한다. 상기 청색광(blue)은 420~470nm의 파장을 나타내며, 작물의 형태 및 생육변화에 영향을 주고 작물의 웃자람을 억제하며, 개화유도 및 광합성 유효한 광원이다. 녹색광(green)은 470~570nm의 파장을 보이며, 광합성에 유효하고 작물 및 인간활동에 안전한 광원이고, 적색광(red)은 650~700nm의 광합성에 유효한 파장으로 작물의 생육을 촉진시키면서 동시에 웃자람을 억제하는 효과가 있다.The LED chip of the present invention includes a blue light emitting from a blue light emitting diode chip, a green light of a silicate phosphor that emits light of a different wavelength band than the blue light, and a green light of a blue light and a green light, The red light of the nitride phosphor emitting light is mixed to emit white light similar to natural light. At this time, the ratio of blue light: green light: red light is 2: 1: 1. The blue light has a wavelength of 420 to 470 nm, which affects the morphology and growth of the crop, inhibits the growth of the crop, and is an effective source of flowering and photosynthesis. Green is a light source with a wavelength of 470 ~ 570nm, effective for photosynthesis, safe for crops and human activities, and red light is effective for photosynthesis at 650 ~ 700nm, .
상기 질화물 형광체 분말은 LED 칩의 특성을 확인하기 위해 고분자 수지와 적당량을 혼합하여 청색광에 사용되는 InGaN계열의 물질과 함께 사용되어 발광소자로 제조된다. 이 경우 UV-블루 광원을 포함하는 발광소자의 표면에 본 발명의 형광체가 패키징될 수 있다.The nitride phosphor powder is mixed with an appropriate amount of a polymer resin to confirm characteristics of the LED chip and is used together with an InGaN material used for blue light to manufacture a light emitting device. In this case, the phosphor of the present invention can be packaged on the surface of a light-emitting element including a UV-blue light source.
상기 우수한 특성들은 연소반응에 의해 유래한 것 뿐만 아니라 생성된 형광체가 불소이온을 함유함으로써 유래된 것이다. 구체적으로 불소이온은 연소공정시 가스전이반응(gas-transport reactions)을 유발하여 쉽게 증발할수 있는 불화 실리콘류(SiF4,SiF2)로부터 고결정성 형광체입자를 제공하고, 열역학적으로 안정한 불화 스트론튬(SrF2, Tmelt=1470℃) 등의 불화 알카리 토금속을 형성하며, 상기 불화물은 형광체입자의 표면에 얇은 막을 만들 수 있어 광학적 특성을 개선하며, 본 발명에 의해 제조되는 불화물(NaF, SrF2)의 용융염은 플럭스로서 작용하여 연소반응의 전환율을 증가시키고, 형광체의 결정격자내로 확산 되어 부분적으로 N-3이온에 치환될 수 있어, 본 발명의 형광체의 광학특성에 기여할 수 있다.
These excellent properties are derived not only by the combustion reaction but also by the fact that the resulting phosphors contain fluorine ions. Specifically, fluorine ions provide highly crystalline phosphor particles from silicon fluoride (SiF4, SiF2) which can easily evaporate by causing gas-transport reactions during the combustion process, and thermodynamically stable strontium fluoride (SrF2, Tmelt = 1470 ° C), and the fluoride can form a thin film on the surface of the phosphor particles to improve the optical characteristics. The molten salt of the fluoride (NaF, SrF 2) produced by the present invention can be used as a flux To increase the conversion rate of the combustion reaction, to diffuse into the crystal lattice of the phosphor, and to be partially substituted with N-3 ions, thereby contributing to the optical characteristics of the phosphor of the present invention.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 식물 생장촉진용 LED 칩은 질화물계 형광체와 실리케이트계 형광체를 혼합하여 작물 생육에 최적 파장의 광을 발광한다. As described above, the plant-growth-promoting LED chip according to the present invention mixes the nitride-based phosphor and the silicate-based phosphor to emit light of the optimum wavelength for growing the crop.
본 발명의 질화물계 형광체는 적색광(red)를 발광하고 실리케이트계 형광체는 녹색광(green)을 발광하며, 상기 질화물계 형광체와 실리케이트계 형광체는 청색광을 발광하는 LED 칩에 몰딩되어 사용되어 진다. 이 경우 고효율을 가진 발광소자로 적용이 가능하다. 상기 질화물계 형광체는 연소반응에 의한 특성뿐만 아니라 불소이온을 함유함으로써 발광 특성이 우수한 소자를 만들 수 있다. The nitride-based fluorescent material of the present invention emits red light, the silicate-based fluorescent material emits green light, and the nitride-based fluorescent material and the silicate-based fluorescent material are molded into an LED chip emitting blue light. In this case, it can be applied to a light emitting device having high efficiency. The nitride-based fluorescent material contains fluorine ions as well as a characteristic of a combustion reaction, thereby making it possible to produce an element having excellent luminescence characteristics.
또한 각 형광체의 입자를 미세하게 가공함으로써 LED 칩에 적용할 때 적절한 중량비를 산출 할 수 있어 발광 특성을 우수하게 할 뿐만 아니라 사용되는 형광체를 최상의 조합으로 할 수 있어 원가를 절감할 수 있게 해 준다. In addition, fine particles of each phosphor can be finely processed so that an appropriate weight ratio can be calculated when applied to an LED chip, thereby making it possible not only to improve luminescence characteristics, but also to reduce the cost by using the phosphor in the best combination.
본 발명의 질화물계 형광체와 실리케이트계 형광체를 이용한 LED 칩은 복수의 발광 LED 칩으로부터 발생된 여러 파장대의 광을 조합하여 자연광에 가까운 백색광을 발생시켜 줌으로써 식물생장에 최적인 파장대의 광을 발생시킬 수 있다. 필요에 따라선 6개의 파장을 이용하여 자연광과 유사한 인공광을 구현시켜 식물 생장에 최적인 광 조건을 구현하는 것이 가능하다. 이와 같이 본 발명의 LED 칩은 작물의 생장을 촉진시키고 에너지의 소비를 절감할 수 있는 친환경적인 조명장치를 제공할 수 있게 된다.
INDUSTRIAL APPLICABILITY The LED chip using the nitride-based fluorescent material and the silicate-based fluorescent material of the present invention can combine lights of various wavelength ranges generated from a plurality of LED chips to generate white light close to natural light, have. It is possible to realize the optimum light condition for plant growth by implementing artificial light similar to natural light by using 6 wavelengths as needed. As such, the LED chip of the present invention can provide an environmentally friendly lighting device that promotes the growth of crops and can reduce energy consumption.
도 1은 본 발명의 식물전용 LED 스펙트럼의 광 효율
도 2는 본 발명의 청색광 및 적색광의 스펙트럼
도 3은 종래 백색 LED의 파장에 따른 광강도
도 4는 본 발명의 형광등의 발광스펙트럼
도 5는 적색 형광체의 발광스펙트럼Fig. 1 is a graph showing the light efficiency
2 is a graph showing the spectra of the blue light and the red light of the present invention
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the light intensity
4 is a graph showing the emission spectrum of a fluorescent lamp of the present invention
FIG. 5 is a graph showing the emission spectrum
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary meanings and should be construed in accordance with the technical meanings and concepts of the present invention.
본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다. The embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are preferred embodiments of the present invention and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention and thus various equivalents and modifications Can be.
본 발명의 LED 칩에 사용되는 형광체는 칩의 발광층에서 발광된 자외선과 가시광영역대의 에너지원에 의해 여기된 광과 다른 파장의 광을 발광시킬 수 있도록 하는 질화물 형광체 및 실리케이트 형광체를 이용하는 것이다. 상기 질화물 형광체는 적색광을 발광하고, 실리케이트 형광체는 녹색광을 발광하게 되는데 상기의 형광체를 식물생장 촉진용 LED 칩에 적용되어 식물공장 또는 시설 재배에서 작물의 생육을 촉진시키는 것이다. The phosphor used in the LED chip of the present invention uses a nitride phosphor and a silicate phosphor that emit ultraviolet light emitted from a light emitting layer of a chip and light of a wavelength different from that excited by an energy source of a visible light region band. The nitride phosphor emits red light, and the silicate phosphor emits green light. The phosphor is applied to an LED chip for promoting plant growth, thereby promoting the growth of the plant in a plant or plant.
도 1은 본 발명의 식물전용 LED 스펙트럼의 광 효율을 나타낸 그래프로서 주피크는 650nm 부근이고, 부피크는 450nm 부근임을 나타내고 있으며, 도 2는 본 발명의 청색광 및 적색광의 스펙트럼을 나타낸 그래프로서 460nm 주위에 청색광이, 650nm 주위에 적색광이 발광되고 있음을 보여주고 있고, 도 3은 종래 백색 LED의 파장에 따른 광강도를 나타낸 그래프이다. 도 4는 본 발명의 형광등의 발광스펙트럼를 나타낸 그래프로서 440nm, 550nm 및 610nm에서 강하게 발광하고 있음을 보여주고 있으며, 도 5는 적색 형광체의 발광스펙트럼을 나타낸 그래프이다.FIG. 1 is a graph showing the light efficiency of the plant-exclusive LED spectrum of the present invention, in which the main peak is around 650 nm and the peak is about 450 nm. FIG. 2 is a graph showing the spectra of the blue light and the red light of the present invention, FIG. 3 is a graph showing the intensity of light according to the wavelength of a conventional white LED. FIG. 4 is a graph showing the emission spectrum of the fluorescent lamp of the present invention. FIG. 4 is a graph showing strong emission at 440 nm, 550 nm and 610 nm, and FIG. 5 is a graph showing the emission spectrum of a red phosphor.
아래 (I)의 구조식은 질화물 형광체에 관한 것이다.The structural formula of the following (I) relates to a nitride phosphor.
화학식: Me2-xRxSi5N8-yF3y (I)???????? Me 2 -xR x Si 5 N 8 -yF 3 y (I)
상기 Me는 알칼리 토금속이고, R은 희토류 금속이며, Si는 실리콘원소, N은 질소 원소이며, 0<x<1, 0≤y<1를 만족한다.Me is an alkaline earth metal, R is a rare earth metal, Si is a silicon element, N is a nitrogen element, and 0 < x <
보다 구체적으로 상기 구조에서 0<x<0.3, 0<y<0.5를 만족하는 것이 바람직하다.More specifically, it is preferable that 0 <x <0.3 and 0 <y <0.5 in the above structure.
상기 질화물 형광체는 분말크기가 평균크기가 10㎛이하이며, 바람직하게는 0.01~2㎛인 것을 특징으로 한다.The nitride phosphor has an average size of powder size of 10 탆 or less, preferably 0.01 to 2 탆.
상기 질화물 형광체 분말은 희토류 금속이 도핑된 알칼리 토금속 실리콘 질화물 형광체 분말(Me2-xRxSi5N8-yF3y(0<x<0.5, 0<y<1))의 물리적 특성 및 광학적 특성을 개선시키기 위하여 반응 혼합물에 소량의 무기불소염을 포함하는 불소원(FS)를 추가로 제공함으로써 불소가 도입된 질화물계 형광체 분말을 제공한다. 상기 질화물계 형광체는 입자의 크기가 작아 총 표면적은 넓으며, 개선된 화학적 특성을 가지고, 또한 UV 및 블루광을 강하게 흡수하고 이를 효율적으로 적색광으로 변환시킬 수 있어 효과적인 형광체로 사용할 수 있게 된다. 또한 LED 칩에 침강이 없어 균일한 층을 형성시킬 수 있으며 광원용 또는 디스플레이용으로 유용하게 사용된다.The nitride phosphor powder has improved physical properties and optical properties of rare earth metal-doped alkaline earth metal silicon nitride phosphor powders (Me 2 -xR x Si 5 N 8 -yF 3 y (0 <x <0.5, 0 <y <1) Fluorine source (FS) containing a small amount of an inorganic fluorine salt is further added to the reaction mixture to give a fluorine-doped nitride-based phosphor powder. The nitride-based fluorescent material has a small particle size, has a large total surface area, has improved chemical characteristics, and strongly absorbs UV and blue light and can efficiently convert the red light into a red light. In addition, since there is no settling in the LED chip, a uniform layer can be formed and is useful for a light source or a display.
본 발명에 의해 제조된 질화물 형광체는 10㎛보다 작은 분말크기를 가지며, 바람직한 크기는 0.1 내지 2.0㎛의 크기가 된다. 또한 상기 형광체는 고결정성 입자로서 매우 우수하고 안정적인 광학적 특성을 가진다.The nitride phosphor produced by the present invention has a powder size smaller than 10 mu m, and a preferable size is 0.1 to 2.0 mu m. Further, the above-mentioned phosphors have very excellent and stable optical characteristics as highly crystalline particles.
또한 상기 방법에 의해 얻어진 질화물 형광체 분말은 LED 칩의 특성을 확인하기 위해 고분자 수지와 적당량을 혼합하여 청색광에 사용되는 InGaN계열의 물질과 함께 사용되어 발광소자로 제조된다. 이 경우 UV-블루 광원을 포함하는 발광소자의 표면에 본 발명의 질화물 형광체가 패키징 될 수 있다.The nitride phosphor powder obtained by the above method is mixed with an appropriate amount of a polymer resin to confirm the characteristics of the LED chip and is used together with the InGaN material used for blue light to manufacture a light emitting device. In this case, the nitride phosphor of the present invention can be packaged on the surface of the light emitting device including the UV-blue light source.
상기 우수한 특성들은 연소반응에 의해 유래된 것이기도 하지만, 생성된 형광체가 불소이온을 함유하기 때문이며, 연소공정에서 불소이온은 가스 전이반응 등 다중의 역할을 수행한다.These excellent properties are derived from the combustion reaction, but the resulting phosphor contains fluorine ions. In the combustion process, the fluorine ions act as gas-transfer reactions and the like.
한편 형광체의 입자가 2.5㎛이하로 미세화 되면 광특성이 현저히 향상되는데 그 이유로는 (1) 비표면적의 증대로 인해 굵은 입자에 비해 입자표면의 Eu(활성제)의 농도가 증가하므로 광도가 증가하고, (2) 굵은 입자에 비해 상대적으로 겉보기비중이 감소하므로 LED 칩에 적용시 침강이 되지 않아 광효율이 증가하여 적은 양을 사용해도 효과를 볼 수 있다.On the other hand, if the size of the phosphor particles is reduced to 2.5 μm or less, the optical characteristics are remarkably improved because (1) the luminous intensity is increased because the concentration of Eu (active agent) on the particle surface is increased as compared with the coarse particles, (2) Since the apparent specific gravity is relatively reduced compared to coarse particles, it is not settled when applied to an LED chip, so that the light efficiency increases, so that a small amount can be used.
아래 (Ⅱ)의 구조식은 질화물 형광체와 혼합되는 실리케이트 형광체의 구조식이다. The structural formula (II) below is a structural formula of a silicate phosphor mixed with a nitride phosphor.
BawSrxCaySiO4: zEu (Ⅱ)BawSrxCaySiO 4 : zEu (II)
상기 구조식에서 w+x+y+z = 2이고, 상기 실리케이트 형광체는 구형 입자, 다각형 또는 판형의 형태를 가지며, 크기는 0.1㎛ 내지 5㎛의 범위다.In the above formula, w + x + y + z = 2, and the silicate phosphor has a spherical particle shape, a polygonal shape or a plate shape, and the size ranges from 0.1 to 5 mu m.
상기 실리케이트 형광체는 녹색(green)으로 발광하며, 실리케이트 형광체는 화학식 (Ⅱ)에 따른 실리케이트, Ce-도핑된 루테튬-함유 가닛(garnet), Eu-도핑된 술포셀레나이드, 티오갈레이트 및/또는 Ce- 및/또는 Eu-도핑된 니트라이드를 함유하는 형광체에서 선택된다.The silicate phosphor emits green light and the silicate phosphor is selected from the group consisting of silicate according to formula (II), Ce-doped lutetium-containing garnet, Eu-doped sulfoselenide, thiogallate and / or Ce - and / or Eu-doped nitrides.
본원발명은 상기 질화물 형광체와 실리케이트계 형광체를 이용하여 LED 칩을 만들어 작물 및 식물생육을 촉진시키는 파장의 빛을 발광시킬 수 있도록 하는 것이다. 이 때 청색광(blue)이 발광되는 LED 칩은 상기 질화물 형광체가 집적되어 적색광(red)을 발광시키고, 상기 LED 칩에 실리케이트계 형광체가 집적되면 녹색광(green)이 발광하게 된다. 이들 청색광, 적색광 및 녹색광의 파장이 혼합되어 자연광과 유사한 백색광이 되어 작물생육에 유리하게 되는 것이다. 상기 LED 칩에 집적시키는 질화물 형광체와 실리케이트계 형광체 층은 직접 LED 칩 표면에 몰딩되거나, LED 칩 바로 위 또는 주위에 특정 부피로 분포되기도 하고, LED 칩의 특정 거리 내의 층 또는 부피로 존재할 수 있다The present invention is to make an LED chip using the nitride phosphor and the silicate-based phosphor to emit light of a wavelength that promotes crop and plant growth. At this time, the LED chip emitting blue light emits red light when the nitride phosphors are integrated, and green light is emitted when the silicate-based fluorescent material is integrated into the LED chip. The wavelengths of the blue light, the red light and the green light are mixed to become white light similar to natural light, which is advantageous for crop growth. The nitride phosphor and the silicate-based phosphor layer integrated on the LED chip may be directly molded on the surface of the LED chip, distributed in a specific volume right on or around the LED chip, or in a layer or volume within a certain distance of the LED chip
LED 칩에 적용되는 상기 질화물 형광체와 실리케이트 형광체는 중량비가 1 내지 2 : 1 내지 2 비율로 혼합되며, 최적화된 sRGB는 1.2 내지 1.8 : 1.3 내지 1.5 범위이다. The nitride phosphor and the silicate phosphor that are applied to the LED chip are mixed in a weight ratio of 1: 2: 1 to 2: 2, and an optimized sRGB is in a range of 1.2: 1.8: 1.3 to 1.5.
이 때 청색광(blue): 녹색광(green): 적색광(red)의 비율은 2:1:1의 비율이 되도록 한다. 상기 청색광(blue)은 420~470nm의 파장을 나타내며, 작물의 형태 및 생육변화에 영향을 주고 작물의 웃자람을 억제하며, 개화유도 및 광합성 유효한 광원이다. 녹색광(green)은 470~570nm의 파장을 보이며, 광합성에 유효하고 작물 및 인간활동에 안전한 광원이고, 적색광(red)은 650~700nm의 광합성에 유효한 파장으로 작물의 생육을 촉진시키면서 동시에 웃자람을 억제하는 효과가 있다.At this time, the ratio of blue light: green light: red light is 2: 1: 1. The blue light has a wavelength of 420 to 470 nm, which affects the morphology and growth of the crop, inhibits the growth of the crop, and is an effective source of flowering and photosynthesis. Green is a light source with a wavelength of 470 ~ 570nm, effective for photosynthesis, safe for crops and human activities, and red light is effective for photosynthesis at 650 ~ 700nm, .
본 발명의 LED 칩은 칩으로부터 발광하는 청색광(blue), 이 청색광과 다른 파장대의 빛을 발산하는 실리케이트계 형광체의 녹색광(green) 및 상기 청색광과 녹색광의 일부를 흡수하여 다른 파장대의 빛을 발광하는 질화물계 형광체의 적색광(red)이 혼합되어 백색광을 발광하게 된다. The LED chip of the present invention includes a blue light emitting from a chip, a green light of a silicate phosphor emitting light of a different wavelength band from the blue light, and a green light of a silicate phosphor emitting light of a different wavelength band by absorbing a part of the blue light and the green light The red light (red) of the nitride-based fluorescent material is mixed to emit white light.
또한 상기 질화물 형광체 분말은 LED 칩의 특성을 확인하기 위해 고분자 수지와 적당량을 혼합하여 청색광에 사용되는 InGaN계열의 물질과 함께 사용되어 발광소자로 제조될 수 있다. 이 경우 UV-블루 광원을 포함하는 발광소자의 표면에 본 발명의 형광체가 패키징 될 수 있다.Further, the nitride phosphor powder may be manufactured as a light emitting device by mixing an appropriate amount of a polymer resin with an InGaN-based material used for blue light to confirm the characteristics of the LED chip. In this case, the phosphor of the present invention can be packaged on the surface of a light-emitting element including a UV-blue light source.
본 발명의 식물 생장촉진 LED 조명장치는 가시광영역과 근적외선 영역까지 광원을 방출하게 되며, 주피크는 640~690nm, 바람직하게는 650nm 파장의 광을 발생시키고, 부피크는 440~460nm, 바람직하게는 450nm 파장의 광을 발생시키는 LED 칩을 질화물 형광체와 실리케이트 형광체를 혼합 또는 각각 몰딩하여 제조하는 것이다. The plant growth-promoting LED illumination device of the present invention emits light to a visible light region and a near-infrared light region. The main peak generates light having a wavelength of 640 to 690 nm, preferably 650 nm, and has a bulk of 440 to 460 nm, An LED chip for generating light of a wavelength is manufactured by mixing nitride phosphor and silicate phosphor or by molding them respectively.
본 발명의 LED 칩은 LED 칩으로부터 발광하는 청색광과 녹색 형광체로부터 발광하는 녹색광 및 적색 형광체로부터 발광하는 적색광이 혼색되어 자연광과 유사한 백색의 빛으로 발광하게 된다.
In the LED chip of the present invention, blue light emitted from the LED chip, green light emitted from the green phosphor, and red light emitted from the red phosphor are mixed to emit white light similar to natural light.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이고 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 명백한 사실이다.
While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. Further, it is obvious that various modifications can be made without departing from the scope of the technical idea of the present invention by anyone having ordinary skill in the art.
Claims (6)
상기 질화물 형광체를 고분자 수지에 InGaN계열의 물질과 함께 사용하여 발광소자를 제조하되, 청색광 발광소자의 표면에 질화물 형광체 또는 실리케이트 형광체를 집적시킬 때
상기 질화물 형광체와 실리케이트 형광체를 각각 또는 중량비로 1 내지 2 : 1 내지 2 비율로 혼합하여 LED 칩에 집적시켜 발광시키며,
상기 청색광 발광소자로부터 발광하는 청색광; 및
상기 청색광을 실리케이트 형광체가 흡수하여 발광되는 녹색광; 및
상기 청색광 발광소자에 질화물 형광체를 집적시켜 발광되는 적색광;을 혼합하여 자연광과 유사한 백색광이 발광되도록 하고, 이 때 혼합되는 청색광(blue): 녹색광(green): 적색광(red)의 비율은 2:1:1의 비율로 혼합하며,
상기 실리케이트 형광체는 하기의 구조식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 LED 칩의 제조방법.
구조식: BawSrxCaySiO4: zEu (Ⅱ)
(상기 구조식에서 w+x+y+z = 2이고, 상기 녹색 형광체는 구형 입자, 다각형 또는 판형의 형태를 가진다)
A method of manufacturing an LED chip using a nitride phosphor and a silicate phosphor,
When the nitride phosphor and the silicate phosphor are integrated on the surface of the blue light emitting device, the light emitting device is manufactured by using the nitride phosphor together with the InGaN-based material in the polymer resin.
The nitride phosphor and the silicate phosphor are mixed at a weight ratio of 1: 2: 1 to 2:
Blue light emitted from the blue light emitting device; And
A green light which is emitted by the silicate phosphor absorbing the blue light; And
The ratio of the blue light, the green light, and the red light mixed at this time is 2: 1 (red), and the blue light emitted from the blue light emitting device is mixed with the red light emitted by integrating the nitride phosphor to emit white light similar to natural light. : ≪ / RTI > 1,
Wherein the silicate phosphor is represented by the following structural formula.
Structural formula: BawSrxCaySiO 4 : zEu (II)
(W + x + y + z = 2 in the above structural formula, and the green phosphor has a spherical particle shape, a polygonal shape or a plate shape)
상기 질화물 형광체는 하기의 구조식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 LED 칩의 제조방법.
구조식: Me2-xRxSi5N8-yF3y (I)
(상기 구조식에서 Me는 알칼리 토금속이고, R은 희토류 금속이며, Si는 실리콘원소, N은 질소 원소이며, 0<x<1, 0≤y<1를 만족한다)The method according to claim 1,
Wherein the nitride phosphor is represented by the following structural formula.
Me 2 -xR x Si 5 N 8 -yF 3 y (I)
(Wherein Me is an alkaline earth metal, R is a rare earth metal, Si is a silicon element and N is a nitrogen element, and 0 < x <
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