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KR101057349B1 - 휘도가 강화된 백색광원 - Google Patents

휘도가 강화된 백색광원 Download PDF

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KR101057349B1
KR101057349B1 KR1020090093192A KR20090093192A KR101057349B1 KR 101057349 B1 KR101057349 B1 KR 101057349B1 KR 1020090093192 A KR1020090093192 A KR 1020090093192A KR 20090093192 A KR20090093192 A KR 20090093192A KR 101057349 B1 KR101057349 B1 KR 101057349B1
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blue
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Abstract

본 발명은 백색광원에 관한 것으로서, 청색광원과, 상기 청색광원의 하부에 형성되고, 청색광원에서 방출된 청색광의 스펙트럼 밴드폭을 감소시키는 마이크로캐비티와, 상기 마이크로캐비티 하부에 형성되고, 청색광은 투과시키고 황색광은 반사시키는 광재순환필터와, 상기 광재순환필터 하부에 형성되고, 청색광원에서 방출된 청색광을 흡수하여 황색광을 방출하는 형광체를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 백색광원에 사용되는 마이크로캐비티는 청색광의 스펙트럼 밴드폭을 감소시키며 형광체에서 반사된 청색광을 재반사시키고, 광재순환필터는 청색광은 투과시키며 형광체에서 방출된 황색광은 반사시키므로 전체적으로 백색광원의 휘도가 향상되는 효과를 가진다.

Description

휘도가 강화된 백색광원{High-luminance white light source}
본 발명은 백색광원에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 청색광원과 황색형광체를 이용한 고효율ㅇ고휘도 백색광원에 관한 것이다.
백색광원은 조명, 디스플레이 소자의 백라이트 광원 등에 널리 사용된다. 종래의 백색광원은 전기 저항에 의하여 필라멘트가 가열되어 빛을 발산하는 필라멘트 전구, 방전된 기체에서 발생된 자외선으로 백색형광체를 여기시키는 형광등 등이 있었다. 그러나 필라멘트 전구는 빛의 발생 효율이 매우 낮고 수명이 짧다는 문제점을 가지고, 형광등 역시 효율이 낮고 부피가 커서 공간적인 제약을 가진다는 문제점을 가지고 있다.
최근에는 유기발광다이오드를 이용한 백색광원의 구현에 관심이 집중되고 있다. 유기발광다이오드는 수명이 길고, 효율이 높다는 장점과 부피가 작아서 다양한 조명기구나 디스플레이 장치에 응용될 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한 유기발광다이오드는 디스플레이 장치에 응용될 경우, 자발광 디스플레이 소자이므로 넓은 시야각을 확보할 수 있고, 응답속도가 빠르며, 전력 소모가 적은 특성을 가진다. 또한 고분자 수지와 같이 탄성을 지닌 기판을 이용할 경우 플렉서블 디스플레이를 구현할 수 있고, 패널의 무게가 가벼우므로 액정표시소자나 플라즈마 디스플레이 패널과 같은 종래의 평판 디스플레이 소자를 대체할 차세대 디스플레이 소자로도 각광을 받고 있다.
유기발광다이오드는 일반적으로 기판, 양극, 유기층 및 음극을 포함하고, 유기층은 정공 주입층, 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층 및 전자 주입층이 차례로 적층되어 이루어진다. 이와 같은 유기발광다이오드는, 음극에서 주입된 전자가 전자 주입층과 전자 수송층을 거쳐 발광층으로 이동하고, 양극에서 주입된 정공이 정공 주입층과 정공 수송층을 거쳐 발광층으로 이동하며, 발광층에서 각각 이동된 전자와 정공이 엑시톤(exiton)으로 재결합됨으로써 특정 파장의 빛을 방출한다.
이러한 유기발광다이오드를 이용하여 백색광원을 구현하는 종래의 기술들은 다양하다.
도 1은 유기발광다이오드를 이용한 종래의 백색광원들을 설명하기 위한 도면이다. 도 1의 (a)는 수평형 RGB 스택(horizontal RGB stack) 유기발광다이오드의 구조를 도시한 것으로, 기판(101) 위에 R, G, B 유기발광다이오드가 연속적으로 배치되어 혼색에 의하여 백색광이 구현되도록 하였다. R, G, B 유기발광다이오드는 투명전극(102)과 금속전극(104) 사이에 각각 적색발광층(103a), 녹색발광층(103b) 및 청색발광층(103c)이 게재되어 있다. 다만 이러한 수평형 RGB 스택 유기발광다이오드는 R, G, B 각각의 유기발광다이오드에 인가되는 전압을 따로 조절하여야 하므로 각 셀을 하나의 전압으로 구동할 수 없는 문제점을 가지고 있다.
도 1의 (b)는 수직형 RGB 스택(vertical RGB stack) 유기발광다이오드의 구 조를 도시한 것으로, 기판(101) 위에 형성된 투명전극(102)과 금속전극(104) 사이에 R, G, B 발광층(103a, 103b, 103c)이 적층되어 혼색에 의하여 백색광이 전면으로 방출된다. 다만 이러한 수직형 RGB 스택 유기발광다이오드는 두 전극 사이의 공진효과에 의하여 백색의 색순도가 높지 않고, 두께 조건에 따라 백색에서 벗어나는 색 특성을 얻게 되는 문제가 있다.
도 1의 (c)는 청색 유기발광다이오드와 황색형광체를 결합시킨 형태의 백색광원의 구조를 도시한 것으로, 기판(101) 위에 형성된 투명전극(102), 청색발광층(103c) 및 금속전극(104)으로 이루어진 청색 유기발광다이오드에서 방출된 청색광에 의하여 황색형광체(105)가 여기되어 황색광이 방출되며, 청색과 황색의 혼색에 의하여 백색광이 구현된다. 다만 이러한 백색광원은 청색광에 의한 황색형광체의 발광효율이 낮은 문제점과, 황색형광체에서 반대방향으로 방출된 빛을 효율적으로 이용하지 못한다는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 황색형광체로 공급되는 청색광의 스펙트럼 밴드폭을 감소시키고 피크에서의 광세기를 증가시킴으로써 청색광에 대한 황색형광체의 흡수효율을 향상시키고, 황색형광체에서 후면으로 발광된 빛을 다시 전면으로 반사시켜 전체적인 발광효율을 향상시킨 백색광원을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 청색광원과, 상기 청색광원의 하부 에 형성되고, 청색광원에서 방출된 청색광의 스펙트럼 밴드폭을 감소시키는 마이크로캐비티와, 상기 마이크로캐비티 하부에 형성되고, 청색광은 투과시키고 황색광은 반사시키는 광재순환필터와, 상기 광재순환필터 하부에 형성되고, 청색광원에서 방출된 청색광을 흡수하여 황색광을 방출하는 형광체를 포함하는 백색광원을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 마이크로캐비티는 굴절율이 상이한 2가지 물질층이 교대로 적층되어 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 교대로 적층된 굴절율이 상이한 2가지 물질층은 각각 산화실리콘과 산화티타늄으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 마이크로캐비티는 굴절율이 상이한 2가지 물질층이 2 내지 4층으로 적층된 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 광재순환필터는 소정의 굴절율을 가지는 제1박막과 상기 제1박막의 굴절율보다 높은 굴절율을 가지는 제2박막이 교대로 반복되어 적층된 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 제1박막은 산화실리콘으로 이루어지고, 상기 제2박막은 산화티타늄으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 광재순환필터의 최상부층과 최하부층은 제1박막으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 최상부층과 최하부층은 에지 파장의 밴드 중심 파장 대비 1/8의 두께를 가지고, 최상부층과 최하부층 사이의 층은 에지 파장의 밴드 중심 파장 대비 1/4의 두께를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 광재순환필터는, 형광체에서 방출된 황색광을 반사시키면서 스펙트럼의 중심을 변화시킬 수 있다.
본 발명의 백색광원에 사용되는 광재순환필터는 황색형광체에서 후면으로 방출된 빛을 다시 전면으로 반사시키고, 마이크로캐비티는 황색형광체를 여기시키기 위한 청색광의 스펙트럼 밴드폭을 감소시켜 황색형광체의 발광효율을 향상시킴과 동시에 황색형광체에서 반사된 청색광을 다시 재반사시켜 황색형광체에 공급하므로 백색광원의 전체적인 발광효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 백색광원은 청색광원과, 상기 청색광원의 하부에 형성되고, 청색광원에서 방출된 청색광의 스펙트럼 밴드폭을 감소시키는 마이크로캐비티와, 상기 마이크로캐비티 하부에 형성되고, 청색광은 투과시키고 황색광은 반사시키는 광재순환필터와, 상기 광재순환필터 하부에 형성되고, 청색광원에서 방출된 청색광을 흡수하여 황색광을 방출하는 형광체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 2는 청색 유기발광다이오드와 황색형광체가 결합된 백색광원에서 백색광이 방출되는 과정을 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 청색발광층(103c)의 상부면과 하부면에 형성된 투명전극(102)과 금속전극(104)에 일정 전압이 인가되면 청색발광층(103c)에서 청색광(채워진 화살표)이 방출된다. 방출된 청색광은 기판을 통 과하여 기판(101)의 하부면에 형성된 황색형광체(105)에 공급되고, 황색형광체(105)는 청색광을 흡수하여 황색광(채워지지 않은 화살표)을 방출하며, 청색과 황색의 혼색에 의하여 백색광이 구현된다. 이때 황색광은 기판의 아래쪽과 위쪽으로 모두 방출되는데, 위쪽으로 방출된 황색광은 백색광원의 외부로 방출되는 빛이 아니므로 발광효율을 감소시키는 원인이 된다. 백색광원의 발광효율을 감소시키는 또 다른 원인은 형광체에서 일어나는 청색광의 반사이다. 청색 유기발광다이오드에서 방출된 청색광은 형광체에 흡수되어 형광체를 여기시키기도 하지만, 일부는 반사 또는 산란되어 반대방향으로 손실된다. 따라서 본 발명에서는 광재순환필터를 이용하여 황색형광체에서 발생된 황색광 중 기판 쪽으로 방출된 빛을 반대방향으로 반사시키고, 마이크로캐비티를 이용하여 황색형광체의 청색광 흡수효율을 증가시킴과 동시에 광재순환필터에서 반사되는 청색광의 양을 감소시킴으로써 백색광원의 휘도를 증가시키는 것을 목적으로 한다.
도 3은 본 발명의 백색광원에 적용되는 마이크로캐비티(microcavity)의 기능을 설명하기 위한 도면이다. 도 3의 (a)를 참조하면, 투명전극(302)과 금속전극(304) 사이에 청색 발광층(303)이 구비된 청색 유기발광다이오드가 기판(301) 상부에 형성되고, 유기발광다이오드와 기판 사이에 마이크로캐비티(307)가 형성되며, 기판의 하부에 황색형광체층(305)이 형성되어 있다. 청색 유기발광다이오드에서 방출된 청색광(채워진 화살표)은 기판(301)을 투과하여 황색형광체(305)에 공급되고, 황색형광체(305)는 청색광을 흡수하여 황색광(채워지지 않은 화살표)을 방출하며, 청색과 황색의 혼색에 의하여 백색광이 외부로 방출된다. 도 3의 (b)를 참조하면, 마이크로 캐비티(307)는 굴절율이 상이한 2가지 물질(307a, 307b)이 교대로 적층되어 이루어져 있다. 굴절율이 상이한 2가지 물질층은 각각 산화실리콘과 산화티타늄으로 이루어질 수 있고, 마이크로캐비티는 굴절율이 상이한 2가지 물질층이 2 내지 4층의 범위로 적층되는 것이 바람직하다. 마이크로캐비티의 층수가 4층을 초과하면 청색광의 투과율이 낮아져서 황색형광체로 공급되는 청색광의 세기가 지나치게 약해지기 때문이다. 본 발명의 마이크로캐비티는 청색광의 스펙트럼 밴드폭(band width)을 감소시키며 황색형광체의 청색광 흡수효율을 증가시킨다. 또한 마이크로캐비티는 황색형광체에서 반사된 청색광을 다시 황색형광체 방향으로 반사시키는 역할도 수행한다. 본 발명에 이용되는 황색형광체는 청색광을 흡수하여 황색광을 방출하는 형광체를 의미하는 것으로, 형광체 입자 하나가 황색 파장대의 광을 방출하는 경우도 이에 해당하지만, 녹색 파장대의 광을 방출하는 형광체 입자와 적색 파장대의 광을 방출하는 형광체 입자가 혼합되어 전체적으로 황색 파장대의 광이 방출되는 형광체를 사용하는 경우도 본 발명의 범주에 속한다.
도 4는 본 발명의 백색광원에 이용될 수 있는 청색 유기발광다이오드의 발광스펙트럼과 황색형광체의 흡수 및 발광 스펙트럼 및 마이크로캐비티에 의한 광의 변조를 나타낸 것이다. 청색 유기발광다이오드에 사용된 청색발광체는 DPVBi(4,4-Bis(2,2-diphenylvinyl)-1,1-biphenyl)이고, 황색형광체는 YAG:Ce((Y3Al5O12:Ce)이다. 도 4의 (a)를 참조하면, 400㎚ 내지 500㎚ 영역에서 DPVBi의 발광스펙트럼과 YAG:Ce의 흡수스펙트럼은 유사한 밴드폭을 가지고 있다. 일반적으로 여기광을 흡수하여 발광하는 형광체의 발광효율은, 여기광의 스펙트럼 중심과 형광체의 흡수 스 펙트럼 중심이 일치할수록 높고, 여기광의 밴드폭이 흡수스펙트럼의 밴드폭보다 좁을수록 높아진다. 이는 여기광의 스펙트럼 밴드폭이 좁아질수록 여기광의 스펙트럼이 형광체의 흡수스펙트럼 범위에 포함되는 비율이 높아져서, 형광체의 여기에 이용되는 청색광의 손실이 적어지기 때문이다. 도 4의 (b)를 참조하면, 마이크로캐비티를 통과한 청색광은 스펙트럼의 밴드폭이 좁아지고 중심파장의 세기가 증가하며, 이러한 경향은 마이크로캐비티를 구성하는 굴절율이 상이한 물질의 층수가 증가할수록 커진다. 이는 마이크로캐비티(micro cavity) 효과에 의한 것인데, 굴절율이 상이한 다층막을 빛이 통과할 경우 빛이 내부에서 여러 번 반사되며 상쇄간섭과 보강간섭이 생겨 일정한 파장의 빛만이 유지되고 나머지 파장의 빛은 강도가 약해진다. 다만, 마이크로캐비티의 층수가 일정 이상으로 증가하면, 마이크로캐비티를 통과하는 청색광의 전체적 세기(스펙트럼의 면적)가 지나치게 감소하여 백색광원의 휘도가 오히려 감소할 수 있다. 이러한 의미에서 본 발명에 이용되는 마이크로캐비티는 굴절율이 상이한 2가지 물질층이 2 내지 4층으로 적층되어 있는 중간 마이크로캐비티(moderate microcavity)라 부를 수 있다.
도 5는 본 발명의 백색광원에 적용되는 광재순환필터(light-recycling filter)의 기능을 설명하기 위한 도면이다. 도 5의 (a)를 참조하면, 투명전극(302)과 금속전극(304) 사이에 청색 발광층(303)이 구비된 청색 유기발광다이오드가 기판(301)의 상부면에 형성되어 있고, 기판(301)의 하부면에는 광재순환필터(306)와 황색형광체층(305)이 형성되어 있다. 청색 유기발광다이오드에서 방출된 청색광(채워진 화살표)은 기판(301)과 광재순환필터(306)를 투과하여 황색형광체(305)에 공 급되고, 황색형광체(305)는 청색광을 흡수하여 황색광(채워지지 않은 화살표)을 방출하며, 청색과 황색의 혼색에 의하여 백색광이 백색광원의 외부로 방출된다. 이때 기판(301)의 위쪽으로 방출된 황색광은 광재순환필터(306)에서 반사되어 다시 기판(301)의 아래쪽으로 방출됨으로써, 황색광의 손실을 감소시켜 백색광원의 전체적인 발광효율이 향상된다.
광재순환필터는 파장이 짧은 청색광은 투과시키고, 파장이 긴 황색광은 반사시키도록 설계되어 있다. 도 5의 (b)를 참조하면, 광재순환필터(306)는 상대적으로 굴절율이 낮은 제1박막(306a)과 굴절율이 높은 제2박막(306b)이 교대로 반복되어 적층되어 이루어진다. 광재순환필터(306)의 최상부층과 최하부층은 제1박막(306a)로 이루어지고, 그 두께는 에지 파장 대비 1/8의 두께를 가지고, 최상부층과 최하부층 사이의 층은 에지 파장 대비 1/4의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 에지 파장(edge λ)이란 광재순환필터를 통과할 수 있는 광의 최대 파장을 의미한다(도 9 참조). 이는 광재순환필터가 청색광은 통과시키고 황색광은 반사시키는 것을 목적으로 아래의 트랜스퍼 매트릭스 방법(Transfer Matrix Method)에 의하여 설계된 것이다. 본 발명에서 제1박막은 상대적으로 낮은 굴절율을 가지는 산화실리콘(SiO2)으로 이루어지고, 제2박막은 상대적으로 높은 굴절율을 가지는 산화티타늄(TiO2)으로 이루어질 수 있다.
트랜스퍼 매트릭스 방법에 의하여 광재순환필터를 이루는 각 층의 굴절율과 층수 등을 조절함으로써 반사 영역대와 투과 영역대의 파장을 선택할 수 있다. 굴 절율이 상이한 박막의 경계면 b에서의 전기장(E) 및 자기장(H)의 접선 성분은 아래 수학식 1과 같다.
Figure 112009060333671-pat00001
상기 수학식 1에서 +, -는 전기장 및 자기장의 진행방향을 의미하고,
Figure 112009060333671-pat00002
로 정의되는 물질의 optical admittance로 정의되는 양이다. 여기서
Figure 112009060333671-pat00003
로 자유공간의 optical admittance이다. 본 발명에서는 투명 유전체의 박막을 고려하고 있으므로 굴절율의 성분이 실수성분인 n과 허수성분인 k로 나누어 진다. 즉 어떤 흡수물질의 굴절율은 다음과 같이 정의된다
Figure 112009060333671-pat00004
.
여기서 경계면에서 전기장과 자기장의 접선 성분이 연속이라는 경계조건 고려하면 하기식과 같은 Matrix를 구할 수 있다.
Figure 112009060333671-pat00005
여기서
Figure 112009060333671-pat00006
이고
Figure 112009060333671-pat00007
는 빛의 파장이다.
다층 박막의 경우 matrix를 순차적으로 곱하면 된다. 또한 여기서 multilayer의 optical admittance
Figure 112009060333671-pat00008
를 도입하면 최종적인 matrix는 아래 수학식 2와 같다.
Figure 112009060333671-pat00009
여기서 반사 R , 투과 T, 흡수 A는 아래 수학식 3과 같다.
Figure 112009060333671-pat00010
본 발명은 결국 상술한 방식으로 광재순환필터의 원하는 반사 영역과 흡수 영역을 계산하였는데, 만약 원하는 반사 영역과 흡수 영역이 정해진 경우라면, 상기 방식에 따라 원하는 광재순환필터의 조건 또한 상술한 방식에 기초하여 설정할 수 있다.
본 발명에 이용되는 광재순환필터의 반사 스펙트럼 파장 중심(λmax)은 황색형광체의 발광 스펙트럼의 파장 범위 내에 존재하며, 그 결과로 형광체층에서 후면으로 방출되는 빛을 전면으로 반사시킬 수 있다. 이 경우 광재순환필터는 황색형광체에서 발광된 빛을 반사시키면서 스펙트럼의 중심(λmax)을 변화시킬 수 있다. 황색형광체의 발광 스펙트럼의 파장 중심과 광재순환필터의 반사 파장 영역의 중심이 일치하는 경우 반사 효과가 극대화되는데, 발광 스펙트럼의 중심과 반사 스펙트럼의 중심을 적절히 어긋나게 설계하면 백색광원의 외부로 방출되는 백색광의 파장 중심을 변화시켜 백색광의 색순도를 조절하는 것이 가능하다.
도 6은 본 발명에 따른 백색광원의 구조와 백색광의 방출 과정을 도시한 것이다. 도 6을 참조하면, 마이크로캐비티(307)와, 투명전극(302), 청색발광층(303) 및 금속전극(304)로 이루어진 청색 유기발광다이오드가 차례로 기판(301)의 상부에 형성되어 있고, 기판(301)의 상부면과 투명전극(304) 사이에 마이크로캐비티(307)가 형성되어 있다. 기판(301)의 하부면에는 광재순환필터(306)와 황색형광체층(305)이 형성되어 있다. 청색 유기발광다이오드에서 방출된 청색광(채워진 화살표)은 마이크로캐비티(307), 기판(301) 및 광재순환필터(306)을 투과하여 황색형광체(305)를 여기시킨다. 이때 마이크로캐비티(307)는 청색 발광다이오드에서 발생된 청색광의 스펙트럼 밴드폭을 감소시킨 상태로 청색광이 황색형광체층(305)에 공급되도록 하고, 황색형광체층(305)에서 반사된 청색광을 재반사시켜 황색형광체층(305) 방향으로 다시 공급되도록 하는 기능을 한다. 광재순환필터(306)는 황색형광체층(305)에서 발생된 중 기판 방향으로 방출된 빛을 반사시켜 다시 외부로 방출하도록 하는 기능을 한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 백색광원은 청색광원에서 발생된 빛으로 황색형광체를 여기시키고, 청색광과 황색광의 혼색에 의하여 백색광이 구현되는 원리를 가진다. 이때 마이크로캐비티의 광변조 효과(청색광의 스펙트럼 밴드폭을 감소시킴)와 청색광의 재반사 효과 및 광재순환필터에 의한 황색광의 반사 효과가 시너지 효과를 발생시키는 특징을 가지고 있으며, 결과적으로 백색광원의 전체적인 휘도를 현저히 증가시킬 수 있다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
실시예 1(1페어의 마이크로캐비티와 510㎚ 에지 파장의 광재순환필터를 포함하는 백색광원의 제조)
도 6과 같은 단면구조를 가지는 백색광원을 제조하였다. 기판의 상부에 마이크로캐비티층을 형성하고, 그 위에 청색 발광다이오드를 형성하였으며, 기판의 하부에 광재순환필터 및 황색형광층을 형성하였다. 기판은 유리기판이고, 청색 발광다이오드는 알루미늄으로 이루어진 금속전극과 두께 150㎚의 인듐틴옥사이드로 이루어진 투명전극 사이에 하기 화학식 1의 청색발광물질인 TAT(9,10-bis(3',5'-diphenylphenyl)-10-(3'",5'"-diphenylbiphenyl-4"-yl)anthracene)를 삽입하여 형성하였으며, 황색형광체로는 YAG:Ce를 사용하였다.
화학식 1
Figure 112009060333671-pat00011
마이크로캐비티는 전자빔 증착법(e-beam deposition)을 이용하여 두께 80㎚ 의 실리콘옥사이드(SiO2)와 두께 50㎚의 티타늄옥사이드(TiO2)를 한 층씩 증착하여 총 2층이 되도록 형성하였다. 광재순환필터는 전자빔 증착법을 이용하여 실리콘옥사이드와 티타늄옥사이드를 교대로 반복하여 증착하였다. 광재순환필터의 최상부층과 최하부층은 실시콘옥사이드로 형성하고, 실리콘옥사이드와 티타늄옥사이드가 총 19층이 되도록 하였다. 이때, 광재순환필터의 최상부층과 최하부층은 510㎚로 설정된 에지 파장이 만들어지도록 밴드 중심 파장대비 1/8의 두께로 형성하였고, 그 사이의 층은 에지 밴드 중심 파장대비 1/4의 두께로 형성하였다.
실시예 2(1페어의 마이크로캐비티와 550㎚ 에지 파장의 광재순환필터를 포함하는 백색광원의 제조)
광재순환필터에 의한 에지 파장을 550㎚로 설정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 백색광원을 제조하였다.
실시예 3(1페어의 마이크로캐비티와 580㎚ 에지 파장의 광재순환필터를 포함하는 백색광원의 제조)
광재순환필터에 의한 에지 파장을 600㎚로 설정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 백색광원을 제조하였다.
비교예 1(마이크로캐비티와 광재순환필터를 포함하지 않는 백색광원의 제조)
마이크로캐비티와 광재순환필터를 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 백색광원을 제조하였다.
비교예 2(1페어의 마이크로캐비티를 포함하는 백색광원의 제조)
기판의 하부면에 광재순환필터를 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 백색광원을 제조하였다.
비교예 3(2페어의 마이크로캐비티를 포함하는 백색광원의 제조)
두께 80㎚의 실리콘옥사이드(SiO2)와 두께 50㎚의 티타늄옥사이드(TiO2)를 2층씩 교대로 증착하여 마이크로캐비티를 형성한 것을 제외하고는 비교예 2와 동일한 방법으로 백색광원을 제조하였다.
비교예 4(4페어의 마이크로캐비티를 포함하는 백색광원의 제조)
두께 80㎚의 실리콘옥사이드(SiO2)와 두께 50㎚의 티타늄옥사이드(TiO2)를 4층씩 교대로 증착하여 마이크로캐비티를 형성한 것을 제외하고는 비교예 2와 동일한 방법으로 백색광원을 제조하였다.
비교예 5(510㎚ 에지 파장의 광재순환필터를 포함하는 백색광원의 제조)
기판의 상부면에 마이크로캐비티를 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1 과 동일한 방법으로 백색광원을 제조하였다.
비교예 6(550㎚ 에지 파장의 광재순환필터를 포함하는 백색광원의 제조)
광재순환필터에 의한 에지 파장을 550㎚로 설정한 것을 제외하고는 비교예 5와 동일한 방법으로 백색광원을 제조하였다.
비교예 7(580㎚ 에지 파장의 광재순환필터를 포함하는 백색광원의 제조)
광재순환필터에 의한 에지 파장을 580㎚로 설정한 것을 제외하고는 비교예 5와 동일한 방법으로 백색광원을 제조하였다.
실험예 1
비교예 1 내지 비교예 4의 청색광에 대하여 유기발광층(TAT)의 발광스펙트럼과 마이크로캐비티를 통과한 발광스펙트럼 및 황색형광체인 YAG:Ce의 흡수 스펙트럼을 측정하고, 청색광의 전기적 효율 및 외부 양자효율을 측정하였다.
도 7은 비교예 1 내지 비교예 4의 청색광에 대한 청색광의 스펙트럼 결과와, 청색광의 효율을 도시한 것이다. 도 7의 (a)를 참조하면, 마이크로캐비티를 통과한 청색광은 스펙트럼 밴드폭이 감소하고, 마이크로캐비티의 층수가 증가할수록 이러한 경향은 크게 나타났다. 또한 마이크로 캐비티 효과에 의하여 파장의 중심이 변화되었다. 상기의 마이크로캐비티 효과에 의하여 청색광의 발광스펙트럼 중 황색형광체인 YAG:Ce의 흡수 스펙트럼과 중첩되는 부분이 커졌음을 알 수 있다. 도 7의 (b)를 참조하면, 비교예 2의 청색광이 비교예 1의 청색광보다 전기적 효율(electrical efficiency) 및 외부 양자효율(external quantum efficiency)이 높은 것으로 측정되었다. 다만, 비교예 3은 외부 양자효율은 비교예 1보다 높았지만 전기적 효율은 낮았고, 비교예 4는 외부 양자효율과 전기적 효율이 가장 낮았다. 전기적 효율은 시감효과가 고려된 휘도이고, 외부 양자 효율은 시감효과가 고려되지 않은 수치이다.
실험예 2
비교예 1 내지 비교예 4의 백색광원에서 발생된 백색광의 스펙트럼, 백색광원의 효율 및 색좌표/색온도를 측정하였다. 도 8은 비교예 1 내지 비교예 4의 백색광의 스펙트럼 결과와, 백색광원의 효율을 도시한 것이다. 도 8의 (a)를 참조하면, 1페어의 마이크로캐비티가 적용된 비교예 2의 백색광원은 마이크로캐비티가 적용되지 않은 비교예 1에 비하여 백색광 스펙트럼의 피크 강도와 면적이 증가하였다. 도 8의 (b)를 참조하면, 비교예 2의 백색광은 비교예 1의 백색광보다 전기적 효율 및 외부 양자효율이 높은 것으로 측정되었고(전기적 효율은 약, 1.27배, 외부 양자효율은 약 1.32배), 비교예 3의 백색광은 비교예 1과 비슷하거나 조금 향상된 전기적 효율 및 외부 양자효율을 나타내었으며, 비교예 4는 비교예 1보다 낮은 전기적 효율 및 외부 양자효율을 나타내었다. 도 8의 (c)를 참조하면, 비교예 1 내지 비교예 4의 백색광은 모두 비슷한 정도의 색좌표와 색온도를 나타내었다.
실험예 3
비교예 5 내지 비교예 7의 백색광원에 적용된 광재순환필터에 대하여 파장에 따른 반사율을 측정하였다. 도 9는 비교예 5 내지 비교예 7의 광재순환필터에 대한 반사율 측정 결과이다. 도 9를 참조하면, 광재순환필터는 낮은 파장의 빛은 투과시키고, 높은 파장의 빛은 반사하는 특성을 가지고 있으며, 광재순환필터를 구성하는 물질층의 두께를 조절하여 광재순환필터의 에지 파장을 조절할 수 있고, 그 결과로 청색광(검은색 그래프)의 투과도와, 황색광(파란색 그래프)의 반사도를 조절할 수 있음을 알 수 있다.
실험예 4
비교예 1 및 비교예 5 내지 비교예 7의 백색광원에 대하여 백색광의 스펙트럼과 효율을 측정하였다. 도 10은 비교예 1 및 비교예 5 내지 비교예 7의 백색광원에 대한 백색광의 스펙트럼 결과와 백색광원의 효율을 도시한 것이다. 도 10의 (a)를 참조하면, 비교예 6의 백색광원은 비교예 1의 백색광원에 비하여 백색광의 스펙트럼이 이동하였고, 면적이 조금 증가하였다. 도 10의 (b)를 참조하면, 전기적 효율과 외부 양자효율도 비교예 6과 비교예 7의 경우는 비교예 1보다 조금 증가하였고, 비교예 5는 비교예 1보다 조금 감소하였다. 비교예 5의 효율이 감소한 것은 광재순환필터의 적용으로 황색광의 반사효율은 높아졌지만, 청색광의 투과도가 낮아졌기 때문인 것을 생각된다.
실험예 5
비교예 1, 비교예 2, 비교예 6 및 실시예 2의 백색광원에 대하여 백색광의 스펙트럼을 측정하였다. 도 11은 비교예 1, 비교예 2, 비교예 6 및 실시예 2의 백색광원에 대하여 백색광의 스펙트럼을 도시한 것이다. 도 11을 참조하면, 비교예 1과 비교예 6의 스펙트럼은 큰 차이를 나타내지 않지만, 비교예 2는 비교예 1보다 짧은 파장대의 피크 높이가 현저히 커졌으며, 실시예 2의 경우는 비교예 1보다 짧은 파장대의 피크와 긴 파장대의 피크 높이가 모두 현저히 커진 것을 알 수 있다.
실험예 6
비교예 1, 비교예 2, 비교예 6 및 실시예 2의 백색광원에 대하여 전류밀도에 따른 휘도와 전류효율을 측정하였다. 도 12는 비교예 1, 비교예 2, 비교예 6 및 실시예 2의 백색광원에 대한 전류밀도에 따른 휘도와 전류효율 측정 결과를 도시한 것이다. 도 12의 (a)를 참조하면, 전류밀도의 증가에 따라 휘도가 지수함수적으로 증가하며, 실시예 2는 비교들에 비하여 휘도의 증가 폭이 현저히 크다. 도 12의 (b)를 참조하면, 전류밀도가 증가하면 일정 수준까지 전류효율이 급격히 증가하다가 유지 또는 소폭 감소하는 경향을 보이는데 실시예 2의 경우 비교예들에 비하여 전류효율이 현저히 높다.
실험예 7
비교예 1, 비교예 2, 비교예 5, 실시예 1 내지 실시예 3의 백색광원에 대하 여 전기적 효율 및 외부 양자효율을 측정하였다. 도 13은 비교예 1, 비교예 2, 비교예 5, 실시예 1 내지 실시예 3의 백색광원에 대한 전기적 효율 및 외부 양자효율 측정 결과를 도시한 것이다. 도 13을 참조하면, 비교예 2의 경우는 비교예 1에 비하여 전기적 효율 및 외부 양자효율인 높은 것으로 나타났고, 비교예 5는 비교예 1에 비하여 전기적 효율은 높고 외부 양자효율은 낮을 것으로 나타났으며, 실시예들은 비교예들에 비하여 전기적 효율과 외부 양자효율이 현저히 높은 것으로 나타났다(전기적 효율은 비교예 1보다 최대 1.92배, 외부 양자효율은 최대 1.58배).
실험예 8
비교예 1, 비교예 2, 비교예 5, 실시예 1 내지 실시예 3의 백색광원에 대하여 색좌표와 색온도를 측정하였다. 도 14는 비교예 1, 비교예 2, 비교예 5, 실시예 1 내지 실시예 3의 백색광원에 대한 색좌표와 색온도 측정 결과를 도시한 것이다. 도 14를 참조하면, 비교예 5 및 실시예 1 내지 실시예 3의 백색광원은 모두 비슷한 색좌표와 색온도를 나타내었고, 이는 비교예 1에 비하여 X, Y 좌표가 증가하고 색온도가 감소하는 경향이었다. 따라서 실시예들의 백색광원은 비교예 1에 비하여 따뜻한 백색(warm white)으로 색좌표 및 색온도가 변화되었다.
실험예 9
비교예 1, 비교예 2, 비교예 5 및 실시예 2의 백색광원에 대하여 시야각에 따른 휘도의 변화를 측정하였다. 도 15는 비교예 1, 비교예 2, 비교예 5 및 실시예 2의 백색광원에 대한 시야각에 따른 휘도 측정 결과를 도시한 것이다. 도 15의 (a) 내지 (d)를 참조하면, 비교예들과 실시예 2는 시야각에 따른 휘도의 변화가 비슷한 것으로 나타났고, 이는 도 15의 (e)에 표시하였다. 따라서 마이크로캐비티와 광재순환필터의 적용에 따른 시야각 문제는 발생하지 않았다.
실험예 10
비교예 1, 비교예 2, 비교예 5 및 실시예 2의 백색광원에 대하여 시야각에 따른 색좌표 변화를 측정하였다. 도 16은 비교예 1, 비교예 2, 비교예 5 및 실시예 2의 백색광원에 대한 시야각에 따른 색좌표 변화 결과를 도시한 것이다. 도 16을 참조하면, 비교예들과 실시예 모두 시야각의 증가에 따라 X 색좌표와 Y 색좌표가 함께 증가하였다.
도 1은 유기발광다이오드를 이용한 종래의 백색광원들을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 청색 유기발광다이오드와 황색형광체가 결합된 백색광원에서 백색광이 방출되는 과정을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 백색광원에 적용되는 마이크로캐비티의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 백색광원에 이용될 수 있는 청색 유기발광다이오드의 발광스펙트럼과 황색형광체의 흡수 및 발광 스펙트럼 및 마이크로캐비티에 의한 광의 변조를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 백색광원에 적용되는 광재순환필터의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 백색광원의 구조와 백색광의 발광 과정을 도시한 것이다.
도 7은 비교예 1 내지 비교예 4의 청색광에 대한 청색광의 스펙트럼 결과와, 청색광의 효율을 도시한 것이다.
도 8은 비교예 1 내지 비교예 4의 백색광의 스펙트럼 결과와, 백색광원의 효 율을 도시한 것이다.
도 9는 비교예 5 내지 비교예 7의 광재순환필터에 대한 반사율 측정 결과이다.
도 10은 비교예 1 및 비교예 5 내지 비교예 7의 백색광원에 대한 백색광의 스펙트럼 결과와 백색광원의 효율을 도시한 것이다.
도 11은 비교예 1, 비교예 2, 비교예 6 및 실시예 2의 백색광원에 대하여 백색광의 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 12는 비교예 1, 비교예 2, 비교예 6 및 실시예 2의 백색광원에 대한 전류밀도에 따른 휘도와 전류효율 측정 결과를 도시한 것이다.
도 13은 비교예 1, 비교예 2, 비교예 5, 실시예 1 내지 실시예 3의 백색광원에 대한 전기적 효율 및 외부 양자효율 측정 결과를 도시한 것이다.
도 14는 비교예 1, 비교예 2, 비교예 5, 실시예 1 내지 실시예 3의 백색광원에 대한 색좌표와 색온도 측정 결과를 도시한 것이다.
도 15는 비교예 1, 비교예 2, 비교예 5 및 실시예 2의 백색광원에 대한 시야각에 따른 휘도 측정 결과를 도시한 것이다.
도 16은 비교예 1, 비교예 2, 비교예 5 및 실시예 2의 백색광원에 대한 시야각에 따른 색좌표 변화 결과를 도시한 것이다.

Claims (9)

  1. 청색광원;
    상기 청색광원의 하부에 형성되고, 청색광원에서 방출된 청색광의 스펙트럼 밴드폭을 감소시키며 굴절율이 상이한 2가지 물질층이 교대로 적층된 마이크로캐비티;
    상기 마이크로캐비티 하부에 형성되고, 청색광은 투과시키고 황색광은 반사시키는 광재순환필터; 및
    상기 광재순환필터 하부에 형성되고, 청색광원에서 방출된 청색광을 흡수하여 황색광을 방출하는 형광체;를 포함하는 백색광원.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 교대로 적층된 굴절율이 상이한 2가지 물질층은 각각 산화실리콘과 산화티타늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 백색광원.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로캐비티는 굴절율이 상이한 2가지 물질층이 2 내지 4층으로 적층된 것을 특징으로 하는 백색광원.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광재순환필터는 소정의 굴절율을 가지는 제1박막과 상기 제1박막의 굴절율보다 높은 굴절율을 가지는 제2박막이 교대로 반복되어 적층된 것을 특징으로 하는 백색광원.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1박막은 산화실리콘으로 이루어지고, 상기 제2박막은 산화티타늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 백색광원.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 광재순환필터의 최상부층과 최하부층은 제1박막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 백색광원.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 최상부층과 최하부층은 에지 파장의 밴드 중심 파장 대비 1/8의 두께를 가지고, 최상부층과 최하부층 사이의 층은 에지 파장의 밴드 중심 파장 대비 1/4의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 백색광원.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광재순환필터는, 형광체에서 방출된 황색광을 반사시키면서 스펙트럼의 중심을 변화시키는 것을 특징으로 하는 백색광원.
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