KR20060110641A - 조명용 백색 발광장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 청색 발광소자, 황색 및 적색 형광체를 이용한 조명용 백색 발광장치에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는, 청색 발광소자와, 상기 청색 발광소자상에 형성되며, 투명수지, 황색 형광체 및 적색 형광체를 포함하는 형광체 코팅층을 포함하는 조명용 백색 발광장치를 제공한다. 본 발명의 백색 발광장치는 청색 발광소자에 의해 발광된 청색광과 이 청색광의 일부를 흡수하여 황색 파장영역의 광과 적색 파장영역의 광을 각각 발광하는 황색 형광체 및 적색 형광체를 포함하여, 청색, 황색 및 적색광의 혼색에 의하여 따뜻한 백색광을 제공할 수 있다.

백색 발광장치, 황색 형광체, 적색형광체

Description

조명용 백색 발광장치{WARM WHITE LIGHT EMITTING DEVICE FOR LIGHTING APPLICATIONS}

도 1는 본 발명의 이트륨 알루미늄계 황색 형광체의 흡수스펙트럼 및 발광스펙트럼 그래프이고,

도 2는 본 발명의 스트론튬 실리케이트계 황색 형광체의 흡수스펙트럼 및 발광스펙트럼 그래프이고,

도 3은 본 발명의 황화스트론튬 적색 형광체의 흡수스펙트럼 및 발광스펙트럼 그래프이고,

도 4는 본 발명의 일례에 따른 황색 형광체(Y_2.99Al₅O₁₂:Ce_0.01) 와 적색 형광체(SrS_0.99:Eu_0.01)를 채용하고 있는 리드타입 조명용 백색 발광장치의 개략적인 구성도 및 일부 확대단면도를 나타내고,

도 5는 본 발명의 일례에 따른 황색 형광체 및 적색형광체와 청색 발광 소자를 조합한 조명용 백색 발광장치의 발광스펙트럼 그래프이고,

도 6은 본 발명의 일례에 따른 청색 발광소자, 황색 형광체(Y₃Al₅O₁₂:Ce, Sr₂SiO₄:Eu 및 Sr₃SiO₅:Eu) 및 적색 형광체(SrS:Eu, CaS:Eu)를 이용하여 구현 가능한 백색 발광장치의 색좌표 영역이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1: 금속 와이어 2: 금속와이어

3: LED칩 4: 애노드 리드

5: 캐소드 리드 6: 황색 형광체

7: 적색 형광체 8: 외장재

9: 홀컵 10: 몰드층

본 발명은 반도체 발광장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 황색 발광 형광체 및 적색 발광 형광체를 채용함으로써 반도체 발광소자에 의해 방출되는 광의 일부를 흡수해서 흡수광과는 다른 파장의 광을 방출하고, 이들 광의 조합에 의해 따뜻한 백색 광을 구현하는 발광장치에 관한 것이다.

반도체 발광소자 (Light Emitting Diode: LED)는 PN 접합된 화합물 반도체로서, 전압을 가하면 전자와 정공의 결합으로 반도체의 밴드갭 (bandgap)에 해당하는 에너지를 빛의 형태로 방출하는 일종의 광전자소자 (optoelectronic device)이다.

GaN 계의 질화물 반도체 발광물질에 의해 고휘도의 청색 LED가 개발되어 LED의 풀 컬러화가 실현됨에 따라, LED는 표시장치의 표시소자 뿐만 아니라 조명용으로까지 그 사용범위가 확대되고 있다. 조명용 LED는 형광등 및 백열등과 같은 기존의 조명기구에 비해 약 10~15% 정도의 낮은 전력소모와 100,000시간 이상의 반영 구적인 수명, 및 환경 친화적 특성 등을 지니고 있어서 에너지 소비 효율을 획기적으로 개선할 수 있다.

반도체 발광소자가 조명용으로 응용되기 위해서는 LED를 이용하여 백색광을 얻을 수 있어야 한다. 조명용 백색 발광장치를 구현하는 방법에는 크게 3가지가 알려져 있다. 첫 번째 방법은 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색을 내는 3개의 LED를 조합하여 백색을 구현하는 방법으로서, 발광물질로는 InGaN, AlInGaP 형광체를 이용한다. 이 방법은 단일 칩 위에 RGB의 3색 LED를 구성하여 백색 LED를 만드는 작업이 용이하지 않으며, 각각의 LED를 만드는 물질과 방식이 서로 다르고, 각각의 LED의 구동전압이 달라서 전류의 세기를 조절하기가 용이하지 않다. 두 번째 방법은 자외선 LED를 광원으로 이용하여 삼원색 형광체를 여기시켜 백색을 구현하는 방법으로서, InGaN/R,G,B 형광체를 발광물질로서 이용한다. 이 방법은 고전류하에서 사용될 수 있고, 색감을 개선시킬 수 있다. 그러나 현재 적색 구현을 위한 물질의 개발이 만족스럽지 못하고 단파장인 자외선 LED로부터 방출된 광이 형광체에 흡수되어 발광될 때 각각의 형광체의 발광 파장에 의해 광 감쇠되는 문제가 있다.

세 번째 방법은 청색 LED를 광원으로 사용하여 황색 형광체를 여기시킴으로써 백색을 구현하는 방법이며, 일반적으로 InGaN/YAG:Ce 형광체를 발광물질로서 이용한다. 황색 형광체를 사용함으로써 연색이 좋지 않은 문제점이 있지만 가격, 광 특성 및 적용의 용이성 측면에서 상기 방법에 비해 우수함으로 많이 적용되어지고 있다.

형광체를 이용하는 조명기구의 효율은 여기 광선 (exciting radiation)의 파 장과 방출되는 광선의 파장의 차이가 작을수록 증가한다. 따라서, 형광체의 발광특성은 반도체 발광장치의 색상과 휘도의 결정에 매우 중요한 인자로 작용한다. 형광체는 일반적으로 결정성 무기화합물로 된 모체 (matrix)와 이러한 모체를 효과적인 형광물질로 전환시키는 작용을 하는 활성제 (activator)로 되어 있으며, 다양한 형태의 에너지를 흡수하여 전자가 여기상태로 되었다가 바닥상태로 되돌아가면서 주로 가시영역의 빛을 내는 물질이다. 상기 무기화합물 모체와 활성제의 적절한 조합에 의해 방출광의 칼라가 조절될 수 있다.

종래의 조명용 백색 발광장치로서 알려져 있는 것들의 예로는 다음과 같은 것을 들 수 있다. 니치아 (Nichia) 사의 미국특허 5,998,925호 및 6,069,440호에는 질화물 반도체를 이용한 조명용 백색 발광장치를 개시하고 있다. 오스람 (Osram) 사의 미국특허 6,504,179에는 기존의 RGB 어프로치 (적색, 녹색 및 청색의 조합을 이용하는 방법) 및 BY 어프로치 (청색과 황색의 조합을 이용하는 방법)와는 달리 BYG 어프로치 (청색, 황색 및 녹색의 조합을 이용하는 방법)를 채용한 백색 조명장치가 개시되어 있다. 또한, 제너럴 일렉트릭 (General Electric)사의 미국특허 6,596,195호에는 근자외선 내지 청색 파장영역 (약 315 nm 내지 약 480 nm 영역)의 광에 의해 여기될 수 있으며 녹색 내지 황색 파장영역 (약 490 nm 내지 약 770 nm)의 광범위영역에서 발광피크를 보이는 가시광선을 방출하는 형광체와 이를 채용한 백색 광원을 개시하고 있다.

상술한 바와 같이, 백색 발광다이오드는 대부분 청색 LED에 YAG:Ce형광체를 결합시켜 제조되어지며 조명 및 노트북, 핸드폰 등 LCD용 배면광원(backlight)으로 각광을 받고 있다. 청색 LED를 이용한 백색 LED는 주로 450 ~ 470nm 파장대의 청색광원에 의해 상부 층에 위치한 YAG:Ce 황색형광체를 여기·발광시킴으로써, 청색과 황색의 혼색에 의해 조명용 백색 발광장치의 제조가 가능하다. 그러나, 450 ~ 470nm 파장대의 청색 LED를 활용한 백색 LED의 백색광은 심리적 차게 느껴지는 냉음광이므로 실내등으로 부적합하다는 단점이 있다. 따라서 이러한 차가운 백색광을 따뜻한 광으로 표현하는 발광장치가 필요한 실정이다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 청색 발광소자로부터 방출되는 청색광과 이 방출된 청색광의 일부를 흡수하여 황색 발광이 가능한 황색 형광체 및 적색 발광이 가능한 적색 형광체를 포함하는 형광체 코팅층을 채용함으로써, 이들 청색, 황색 및 적색의 혼색에 의한 따뜻한 백색 발광 장치(Warm White LED)를 제공하는데 있다.

본 발명의 일면에 있어서, 본 발명은

청색 반도체 발광소자, 및 상기 발광소자위에 형성된 형광체 코팅층을 포함하는 조명용 백색 발광장치로서,

상기 형광체 코팅층은, 투명수지, 상기 반도체 발광소자에 의해 방출된 광을 흡수하여 흡수한 광의 파장과는 다른 파장을 가진 광을 방출하며, 하기 화학식 1을 갖는 이트륨 알루미늄계 황색 형광체, 화학식 2을 갖는 스트론튬계 황색 형광체, 및 화학식 3을 갖는 스트론튬계 황색형광체로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 황색 발광 형광체, 및 적색 발광 형광체를 포함하는 것인 조명용 백색 발광장치에 관한 것이다.

[화학식 1]

Y_3-zAl₅O₁₂:Ce_z

상기 화학식 1에서 0 ＜ z ＜ 0.5이고;

[화학식 2]

(Sr_1-p)₂SiO₄:Eu_p

상기 화학식 2에서, 0 ＜ p ≤ 0.5 이고;그리고

[화학식 3]

(Sr_1-q)₃SiO₅:Eu_q

상기 화학식 3에서, 0 ＜ q ≤ 0.5 이다.

또한, 본 발명은, 상기 조명용 백색 발광장치에 있어서 상기 적색 형광체는 SrS:Eu 및 CaS:Eu로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 것이다.

또한, 본 발명은, 다양한 구조의 리드형 및 표면실장형 조명용 백색 발광장치가 제공된다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 청색 반도체 발광소자, 및 황색 발광 형광체와 적색 발광 형광체, 및 투명수지를 포함하며, 상기 발광소자위에 형성된 형광체 코팅층을 포함하는 조명용 백색 발광장치에 관한 것이다.

본 발명은 백색 발광장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 황색 발광 형광체 및 적색 발광 형광체를 채용함으로써 반도체 발광소자에 의해 방출되는 광의 일부를 흡수해서 흡수광과는 다른 파장의 광을 방출하고, 이들 광의 조합에 의해 따뜻한 백색 광을 구현하는 발광장치에 관한 것이다. 일반적으로 백색광은 색온도(CCT, Correlated Color Temperature)로 표현하면 2,500K(Reddish White)에서 20,000K(Bluish White)범위로 CIE에서 정의하고 있으며, 2,500K에 가까운 쪽을 따뜻한 광(Warm White)라고 사용한다. 본 발명에 있어서, 따뜻한 백색광이라 함은 색온도에서 2,500K 내지 6,000K 영역인 백색광을 의미하는 의도이다. 본 발명의 백색 발광장치에서 구현하는 백색광은 색온도 2,500K 내지 6,000K 범위의 백색광이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 색온도 2,500K 내지 4,000K이다. 황색 형광체 단독으로 이용한 백색 발광소자의 경우 차가운 백색광을 구현하므로 그 자체로만은 따뜻한 백색의 구현이 어렵다는 문제점을 있어, 본 발명에서는 적색 발광체와 조합에 의해 따뜻한 백색광을 구현하고 있다.

상기 형광체 코팅층은, 투명수지, 상기 반도체 발광소자에 의해 방출된 광을 흡수하여 흡수한 광의 파장과는 다른 파장을 가진 광을 방출하는 황색 발광 형광체, 및 적색 발광 형광체를 포함한다.

본 발명에 적용되는 황색 형광체는 하기 화학식 1을 갖는 이트륨 알루미늄계 황색 형광체, 화학식 2를 갖는 스트론튬계 황색 형광체, 및 화학식 3을 갖는 스트론튬계 황색형광체로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 것이다. 가장 바람직한 황색 형광체의 예로는 Y₃Al₅O₁₂:Ce, Sr₂SiO₄:Eu, Sr₃SiO₅:Eu이다.

상기 이트륨 알루미늄계의 황색 형광체는 하기 화학식 1을 갖는 화합물이다.

[화학식 1]

Y_3-zAl₅O₁₂:Ce_z

상기 화학식 1에서 0 ＜ z ＜ 0.5이고; 상기 황색 형광체는 약 420 nm 내지 480 nm 범위에서 흡수피크를 나타내고, 약 520nm 내지 580nm 범위에서 발광피크를 나타낸다.

상기 스트론튬계의 황색 형광체는 하기 화학식 2를 갖는 화합물이다.

[화학식 2]

(Sr_1-p)₂SiO₄:Eu_p

상기 화학식 2에서, 공부활제 Eu는 0 ＜ p ≤ 0.5 범위 내에서 설정하는 것이 바람직하다. 상기 황색 형광체는 420nm 이하에서 흡수피크를 나타내지만 피크의 하강 곡선이 완만하여 420nm 내지 480nm 범위에서 적절한 흡수피크를 나타내고, 약 520nm 내지 580nm 범위에서 발광피크를 나타낸다.

상기 스트론튬계의 황색 형광체는 하기 화학식 3을 갖는 화합물이다.

[화학식 3]

(Sr_1-q)₃SiO₅:Eu_q

상기 화학식에서, 공부활제 Eu는 0 ＜ q ≤ 0.5 범위 내에서 설정하는 것이 바람직하다. 상기 황색 형광체는 420nm 이하에서 흡수피크를 나타내지만 피크의 하강 곡선이 완만하여 420nm 내지 480nm 범위에서 적절한 흡수피크를 나타내고, 약 520nm 내지 580nm 범위에서 발광피크를 나타낸다.

본 발명에 적용되는 적색 형광체는 SrS:Eu 및 CaS:Eu로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 것이다.

상기 SrS:Eu 형광체는 하기 화학식 4로 나타내는 화합물이다.

[화학식 4]

(Sr_1-r)S:Eu_r

상기 화학식에서, 공부활제 Eu는 0.001 ≤r ≤0.1 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 상기 적색 형광체는 약 420nm 내지 540nm 범위에서 흡수피크를 나타내고, 약 560nm 내지 700nm 범위에서 발광피크를 나타낸다.

[화학식 5]

(Ca_1-s)S:Eu_s

상기 화학식 5에서, 공부활제 Eu는 0.001 ≤s ≤0.1mol 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 상기 적색 형광체는 약 420 nm 내지 540 nm 범위에서 흡수피크를 나타내고, 약 500nm 내지 700nm 범위에서 발광피크를 나타낸다.

상기 황색형광체 및 황화 스트론튬 적색형광체에서 공부활제의 사용량이 상기 범위 미만이면 공부활제로서의 기능을 하기에 충분한 양이 되지 못하며, 상기범위 이상 초과하면 농도소광효과에 따른 휘도 저하가 일어나는 문제점이 있을 수 있다.

본 발명에 적용가능한 발광 형광체는 당해 기술분야에서 통상적으로 이용되는 고상법, 액상법, 또는 기상법에 의해 제조될 수 있으며, 그 중에서도 나노수준 정도로 입자크기가 작은 형광체를 제조하기 위해서는 기상법의 일종인 분무열분해법을 이용하는 것이 바람직하다. 분무열분해 공정에 의해 제조되는 나노크기의 입자를 가진 황색형광체의 경우 입도 분포가 좁음에도 불구하고 발광특성이 크게 개선된 것으로 나타났는데, 이는 기존의 고상반응법에 의해 제조된 형광체의 경우 입자크기를 줄이기 위해서 볼밀링하는 과정에서 형광체 표면에 결함이 생겨 휘도가 감소될 수 있는 반면, 분무열분해 공정에 의해 제조되는 형광체 분말은 하나의 입자로 존재하거나 또는 하나의 입자가 재결정화에 의해 여러 개의 입자로 나누어짐으로써 휘도감소가 일어나지 않기 때문이다. 초음파 분무열분해 공정에 의해 제조되는 형광체 입자는 100 nm 내지 10 ㎛의 평균입경을 가진다.

따뜻한 백색을 구현할 수 있도록, 형광체 코팅층에 포함된 형광체 총량100중량부중에서 황색 발광형광체는 60-95 중량부를 함유시키고, 바람직하게는 75-85 중량부를 함유할 수 있고, 상기 적색발광형광체는 5-40 중량부, 바람직하게는 15-25 중량부를 함유할 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서, 투명수지중량 대 총형광체의 중량비는 13:1~3.5:1이며 더욱 바람직하게는 9:1~4:1이다.

상기한 백색 발광장치는 상기 발광소자상에 형성되어, 발광소자에서 조명된 광을 굴절 투과시켜 광경로차를 감소시키는 투명수지를 포함한다. 상기 투명수지는 에폭시 및/또는 실리콘 수지로 이루어진다.

상기 황색 및 적색 형광체는 상기 투명수지에 불규칙하거나, 황색 형광체와 적색 형광체가 교대로 인접하여 매트릭스 배열 구조로 혼합 형성된다. 예를 들어, 소정 점도를 가지는 액상의 투명수지내에 상기 황색 및 적색 형광체가 충분히 침강되어 충진시킨 후, 투명수지를 경화시켜 몰드재가 응고되도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 투명수지 내에 황색 및 적색 형광체가 충분히 침강된 상태로 상기 투명수지가 응고되면, 상기 발광소자로부터 발생된 광이 황색 및 적색 형광체를 이루는 입자들에 의해 흡수되고, 산란되어 소망하는 색좌표 영역의 따뜻한 백색 광 제어가 가능해진다.

이때, 상기 투명수지에 포함된 황색 형광체와 적색 형광체의 입자크기(입도)는 혼합비에 따라 목표로 하는 색좌표 영역의 혼색이 이루어질 수 있도록 적정크기로 체 분리하여 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 황색 및 적색 형광체의 입자 형상은 구형, 다각형 또는 판 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 황색 및 적색 형광체의 입자크기는 대략 0.1 내지 50 ㎛ 범위의 입자크기를 가지는 것이 바람직하다.

상기 황색 및 적색 형광체 입자의 크기(입도)에 있어, 황색형광체는 대입자 및 중입자 크기의 형광체를 사용하는 것이고, 황색 형광체의 중량평균입경은 5㎛<D₅₀<40㎛, 바람직하게는 5㎛<D₅₀<25㎛이고, 적색 형광체는 소립자 크기의 형광체를 사용하며, 적색 형광체 중량평균입경은 0.1㎛<D₅₀≤5㎛ 범위로 설정한다. 황색 형광체는 총 형광체량 100 중량중 60~95wt%로 포함하고, 적색 형광체는 5~40wt%로 포함 할 수있다. 황색 형광체와 적색 형광체의 입경분포 및 이들의 함량을 적합하게 설정함으로써 본 발명에 따른 조명용 백색 발광 장치에서 목적하는 따뜻한 백색을 구현할 수 있다.

형광체는 주로 분말의 표면에서 발광하기 때문에 입자크기가 작아질수록 입자표면적이 증가하여 발광강도가 증가하게 되지만, 입자크기가 지나치게 작아지게 되면 산란된 빛들이 입자들 사이에서 흡수되는 광경로 차에 의해 소멸되고, 또한 투명 에폭시 수지층 또는 투명 실리콘 수지층에서 충분히 침강이 이루어지지 않아 부유된 상태로 응집체를 형성하기 쉽게 되어 발광광도가 저하 된다. 또한 입자크기가 지나치게 크면, 침강율이 가속화되고 형광물질 층이 두꺼워지며 서로 중첩되기 때문에 발광에 기여하지 않는 형광물질의 비율이 증가되어 결국 발광강도가 저하된다. 즉, 입자크기(입도)에 의해 침강시킴에 있어서, 황색 형광체의 중량평균입경은 5㎛<D₅₀<40㎛을 갖는 대입자 및 중입자 형광체를 홀컵 또는 플라스틱 사출물로 형성된 반사컵 내부 바닥 면을 기준으로 충진 함으로써 상기 LED칩의 가까운 부분에 존재하고, 그 외측으로 중량평균입경은 0.1㎛<D₅₀≤5㎛ 인 적색 형광체를 중첩되지 않도록 배치시킴으로써 더욱더 발광 강도 상승은 물론 균일한 백색 발광이 가능하도록 할 수 있다.

상기한 바와 같이 투명수지에 대해 황색 및 적색 형광체를 혼합함에 있어서, 상기 황색 및 적색 형광체의 입도 분포가 작거나 혼합 비율이 높아질수록 균일한 혼합이 어렵다. 이를 감안하여, 유성연동 장치 혼합기(planetary mixer)나 롤 (roll) 장비를 이용하여 투명수지와 황색 및 적색 형광체 사이의 혼합율을 높여 색좌표의 분포를 조밀하게 하고 제품 수율을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 사용되는 상기 반도체 발광소자의 발광 스펙트럼의 주요피크가 400 nm에서 530 nm의 범위에 있고, 상기 황색 발광 형광체 및 적색 발광 형광체의 주발광파장이 상기 반도체 발광소자의 주요피크 파장보다 긴 것이 바람직하다.

상기 반도체 발광소자는 기판과, 기판상에 형성된 질화물 반도체 화합물로 이루어진 발광층을 포함한다. 상기 기판은 사파이어(Al₂O₃) 또는 실리콘카바이드(SiC)으로 형성되어 있으며, 상기 질화물 반도체층은 GaN, InGaN, 또는 InGaAlN 반도체를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 발광다이오드는 발광층에 고에너지 밴드갭을 가지고, 청색 발광이 가능한 질화갈륨계(InGaN) 화합물등의 반도체 소자와, 황색발광이 가능한 보레이트계 황색형광체 및 적색 형광체를 조합시킨 것으로, 발광소자로부터의 청색발광과 그 발광에 의해 여기된 형광체로부터의 황색 및 적색광과의 혼색에 의해 따뜻한 백색의 구현이 가능해진다. 또한, 발광소자로부터 방출된 가시광대역의 고에너지광을 장시간 조사한 경우에도 발광색의 변화나 발광 휘도의 저하가 매우 적은 것으로 나타났다.

패키징 공정에서 본 발명의 조명용 백색 발광장치는 표면실장형이나 리드형으로 제조될 수 있는데, 이러한 패키징을 위한 재료로는 금속 스템, 리드 프레임, 세라믹, 인쇄회로기판 등이 있다. 패키징은 외부와의 전기적 접속, 외부로부터의 기계적, 전기적, 환경적 요인에 대한 보호, 열확산, 발광효율의 증대화, 지향성의 적정화 등을 위해 이루어지는 공정이다.

도 1는 본 발명과 관련하는 이트륨 알루미레이트계 황색 발광형광체(Y_2.99Al₅O₁₂:Ce_0.01)의 흡수 및 발광스펙트럼을 나타내는 것으로서 이 형광체는 청색 발광소자의 발광 영역인 430 ~ 480 nm 영역에서 좋은 흡수 특성을 보여주고 있고, 500 - 650 nm 영역에서 강한 발광 피크를 보인다.

도 2는 본 발명과 관련하는 스트론튬 실리케이트계 황색 발광형광체(Sr_1.99SiO₄:Eu_0.01)의 흡수 및 발광스펙트럼을 나타내는 것으로서 이 형광체는 청색 발광소자의 발광 영역인 430 ~ 480nm 영역에서 좋은 흡수 특성을 보여주고 있고, 500 - 650nm 영역에서 강한 발광피크를 보인다.

도 3은 본 발명과 관련하는 황화 스트론튬 적색 발광형광체(Sr_0.99S:Eu_0.01)의 흡수 및 발광스펙트럼을 나타내는 것으로서 이 형광체는 청색 발광소자의 발광 영역 및 녹색 발광 영역인 430 - 540 nm 영역에서 좋은 흡수 특성을 보여주고 있고, 580 - 700nm 영역에서 강한 발광피크를 보인다.

이러한 흡수스펙트럼은 블루칩 뿐만 아니라 황색 형광체의 발광영역으로 부터 나오는 파장대의 빛 에너지가 상기 형광체를 여기 시키게 되므로 따뜻한 백색 구현이 가능하다. 이것은 이들 파장대를 에너지원으로 하는 응용분야에 있어서 상기 적색형광체가 적합함을 알 수 있다.

도 4는 본 발명의 한 실시 예를 나타낸 도면으로서, 본 발명에 따른 황색형 광체 및 적색형광체를 적용한 리드타입 백색 발광다이오드의 개략적인 구성도 및 일부확대단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 리드타입 백색 발광다이오드는 통상적인 구조로서 컵 형태의 반사판을 갖는 것이나 이에 한정되는 것은 아니며 이와 유사한 구조의 발광다이오드가 적용될 수 있다. 애노드 와이어(anode wire, 1) 및 캐소드 와이어(cathode wire, 2)를 이용하여 청색 LED칩(3)과 애노드리드(anode lead; 4) 및 캐소드리드(cathode lead; 5)를 각각 연결함으로써 상기 LED 칩(3)에 전류를 인가할 수 있는 수단을 갖고 있다. 상기 캐소드 리드(5)의 일단에는 반사수단으로서 홀 컵이 일체로 형성되어 있으며 이 홀 컵 내부에 상기 LED 칩(3)이 위치한다. 상기 LED 칩(3)은 청색 LED 칩이 사용될 수 있다.

상기 LED 칩(3)은 물리적인 힘에 의해 보호될 수 있도록 하면서 이 LED 칩(3)을 상기 홀컵(9)에 고정시키기 위하여 상기 LED 칩과 상기 애노드 및 캐소드 와이어(1,2)의 일부분이 함께 몰드재에 의해 몰딩 된다. 이 몰드재에는 에폭시 또는 실리콘이 모두 사용될 수 있으며, 본 발명과 관련하는 2가지의 형광체가 혼합된 형태로 포함되어 있다.

이러한 구조에 의해 홀컵(9)의 내부에는 에폭시 몰드층(10)이 형성되고, 이 에폭시 몰드층(10)을 포함하여 그 주위에 무색의 투광성 수지가 몰딩 되는 외장재(8)를 포함한다.

본 발명은 상기한 바와 같은 구조의 발광다이오드에서 상기 에폭시 몰드층 경로에 상기 황색 및 적색 발광 물질(6, 7)이 본 발명의 특징으로서 상기 청색 발광소자의 광의 일부를 흡수하여 황색 및 적색발광 하는 형광체가 제공되는 것을 특 징으로 한다.

본 발명에서 상기 황색형광체와 적색형광체는 에폭시 수지와 혼합되는 상태로 상기 에폭시 몰드층(9)이 제공되며, 황색 발광형광체와 적색 발광형광체가 혼합 및 적층 되는 구조로 제공된다.

몰드층에 함유된 황색 및 적색 형광체의 입도는 대입자, 중입자 및 소립자가 혼합된 형태가 바람직하다. 그리고 황색 및 적색 형광체의 입도를 구분하는 것이 더욱 바람직하다. 예로서, 황색 형광체 입도를 대입자, 중입자로 선택하고 적색 형광체는 소립자를 선택할 경우 홀컵(9) 내부의 몰드층(10)에서 황색 및 적색 형광체가 층 분리가 발생하여 칩 윗부분에는 황색의 형광체가 위치하고 그 상부에는 적색 형광체가 적층 되는 구조를 제공함으로써 광 감쇠효과를 감소시킬 수 있고, 적색형광체의 발광 특성을 향상 시킬 수 있다.

도 5은 본 발명의 황색형광체와 적색형광체, 청색 발광소자를 조합한 백색 발광장치의 발광스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 청색 칩으로부터 발생된 기준광과 방출된 광의 일부를 형광체가 흡수??여기 되어 방출되는 제2의 광인 황색광 및 적색광이 혼색되어 따뜻한 백색광(a)이 구현됨을 알 수 있다.

즉 청색 발광소자로부터 발생된 기준광과 이 기준광의 일부를 흡수하여 발광하는 황색 및 적색 발광형광체에 의해 따뜻한 백색의 구현이 가능하게 되므로 종래에 청색 발광소자에 YAG:Ce 황색발광형광체를 결합시켜 얻어지는 차가운 백색광(b)에 비하여 녹색의 함유량이 적고 적색의 함유량이 많은 따뜻한 광을 연출함으로써 따뜻한 백색광이 요구되어지는 조명용으로 적합하다.

도 6은 본 발명의 황색 발광형광체, 적색 발광형광체 및 청색 발광 소자를 조합한 발광다이오드에 의해 구현할 수 있는 색재현 범위를 나타낸 색좌표이다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 특허청구범위에 의해 정해지는 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 황색 발광 형광체 및 적색 형광체를 갖는 조명용 백색 발광장치는 청색 발광소자에서 조명된 청색광의 일부를 흡수하여, 황색과 적색을 발광하는 황색 및 적색 발광체를 조합함으로써, 따뜻한 백색광의 조명이 가능하다. 또한, 이 백색 발광장치는 휘도 및 색재현성이 우수하다. 그러므로, 따뜻한 백색광의 조명이 요구되는 자동차용 실내조명, 인테리어 조명, 휴대용 조명 등의 광원으로 사용될 수 있다.

Claims (11)

1. 청색 반도체 발광소자, 및 상기 발광소자위에 형성된 형광체 코팅층을 포함하는 조명용 백색 발광장치로서,

   상기 형광체 코팅층은, 투명수지, 상기 반도체 발광소자에 의해 방출된 광을 흡수하여 흡수한 광의 파장과는 다른 파장을 가진 광을 방출하며, 하기 화학식 1을 갖는 이트륨 알루미늄계 황색 형광체, 화학식 2을 갖는 스트론튬계 황색 형광체, 및 화학식 3을 갖는 스트론튬계 황색형광체로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 황색 발광 형광체, 및 적색 발광 형광체를 포함하는 것인 조명용 백색 발광장치:

   [화학식 1]

   Y_3-zAl₅O₁₂:Ce_z

   상기 화학식 1에서 0 ＜ z ＜ 0.5이고;

   [화학식 2]

   (Sr_1-p)₂SiO₄:Eu_p

   상기 화학식 2에서, 0 ＜ p ≤ 0.5 이고;그리고

   [화학식 3]

   (Sr_1-q)₃SiO₅:Eu_q

   상기 화학식 3에서, 0 ＜ q ≤ 0.5 이다.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 적색 형광체는 하기 화학식 4로 나타내는 SrS:Eu 및 화학식 5로 나타내는 CaS:Eu로 이루어진 군에서 1종 이상 선택된 것인 조명용 백색 발광장치:

   [화학식 4]

   (Sr_1-r)S:Eu_r

   상기 화학식 4에서, 0.001 ≤r ≤0.1이며,

   [화학식 5]

   (Ca_1-s)S:Eu_s

   상기 화학식 5에서, 0.001 ≤s ≤0.1이다.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 형광체코팅층에서 형광체 총량은 황색 발광형광체 60-95 중량%와 적색발광형광체는 5-40 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명용 백색 발광장치.
4. 제 3 항에 있어서, 황색 형광체의 중량평균입경은 5㎛<D₅₀<40㎛이고, 적색 형광체 중량평균입경은 0.1㎛<D₅₀≤5㎛ 범위인 조명용 백색 발광장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 형광체 코팅층중 투명수지중량 대 총형광체의 중량비는 13:1~3.5:1인 것인 조명용 백색 발광장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 투명수지는 에폭시 수지 및 실리콘 수지로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 수지인 것을 특징으로 하는 백색 발광장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 청색 반도체 발광소자는 발광 스펙트럼 피크가 400nm 내지 530 nm인 것을 특징으로 하는 조명용 백색 발광장치.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 청색 반도체 발광소자는,

   기판; 및

   상기 기판상에 형성되며, GaN, InGaN, AlGaN 및 AlInGaN로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 질화물 반도체 화합물로 이루어진 발광층을 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광장치.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 기판이 사파이어 또는 실리콘카바이드인 것을 특징으로 하는 조명용 백색 발광장치.
10. 제 1항 내지 5항중 어느 한항에 있어서,

    리드 및 리드 상단에 리세스부를 포함하는 마운트 리드;

    상기 리세스부에 위치하며, 그 양전극과 음전극이 금속와이어에 의해 각각 상기 마운트 리드의 리드에 연결되어 있으며, UV 또는 청색광을 방출하는 LED 칩;

    상기 LED 칩을 커버하도록 상기 리세스부내에 충진되어 있는 형광체코팅층; 및

    상기 마운트 리드의 하부를 제외한 마운트 리드 부분과 상기 LED 칩 및 형광체코팅층을 밀봉하는 외장재;를 구비하며,

    상기 형광체코팅층이 투명수지, 상기 반도체 발광소자에 의해 방출된 광을 흡수하여 흡수한 광의 파장과는 다른 파장을 가진 광을 방출하는 황색 발광 형광체, 및 적색 발광 형광체를 포함하는 것인 조명용 백색 발광장치.
11. 제1항 내지 제5항중 어느 한항에 있어서,

    상부에 리세스부를 가지며, 금속단자가 장착된 케이싱;

    상기 리세스부내에 장착되어 있으며, 그 양전극과 음전극이 금속와이어에 의해 각각 상기 금속단자에 연결되어 있으며, UV 또는 청색광을 방출하는 LED 칩; 및

    상기 LED 칩을 커버하도록 상기 리세스부내에 충진되어 상기 금속와이어를 매몰시키는 형광체코팅층을 구비하며, 상기 형광체코팅층이 투명수지, 상기 반도체 발광소자에 의해 방출된 광을 흡수하여 흡수한 광의 파장과는 다른 파장을 가진 광을 방출하는 황색 발광 형광체, 및 적색 발광 형광체를 포함하는 것인 조명용 백색 발광장치.

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