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KR102357584B1 - 질화물 형광체, 백색 발광장치, 디스플레이 장치 및 조명장치 - Google Patents

질화물 형광체, 백색 발광장치, 디스플레이 장치 및 조명장치 Download PDF

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KR102357584B1
KR102357584B1 KR1020140182682A KR20140182682A KR102357584B1 KR 102357584 B1 KR102357584 B1 KR 102357584B1 KR 1020140182682 A KR1020140182682 A KR 1020140182682A KR 20140182682 A KR20140182682 A KR 20140182682A KR 102357584 B1 KR102357584 B1 KR 102357584B1
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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 조성식 (Sr1 -x- yBaxEuy)2Si5N8로 표현되는 질화물을 포함하며, 상기 조성식에서 Ba 조성비(x)는 0<x<0.7을 만족하고, Eu 조성비(y)는 0<y<0.1을 만족하는 적색 형광체를 제공한다. 여기원을 조사하여 600∼630㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다. 상기 여기원은 420∼470㎚ 범위의 피크파장을 갖는 청색 광원일 수 있다.

Description

질화물 형광체, 백색 발광장치, 디스플레이 장치 및 조명장치 {NITRIDE PHOSPHOR, LIGHT EMITTING DEVICE, DISPLAY APPARATUS AND ILLUMINATION APPARATUS}
본 발명은 적색 형광체와 이를 이용한 백색 발광장치, 디스플레이 장치 및 조명 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 파장변환용 형광체물질은 다양한 광원의 특정 파장광을 원하는 파장광으로 변환시키는 물질로 사용되고 있다. 특히, 다양한 광원 중 발광다이오드는 저전력 구동 및 우수한 광효율으로 인해 LCD 백라이트와 자동차 조명 및 가정용 조명장치로서 유익하게 적용될 수 있으므로, 최근에 형광체 물질은 백색 발광장치를 제조하기 위한 핵심기술로 각광받고 있다.
일반적으로, 백색 발광장치는 청색 또는 자외선 LED 칩에 1종 이상의 형광체(예, 황색 또는 적색 및 청색)을 적용하는 방식으로 제조되고 있다. 이러한 형광체는 높은 발광특성과 함께 고온고습 환경에서도 우수한 신뢰성이 요구된다.
당 기술 분야에서는, 휘도의 개선과 함께, 고온고습의 사용환경에서도 신뢰성이 유지될 수 있는 적색 형광체 및 이를 이용한 백색 발광장치, 디스플레이 장치 및 조명장치가 요구되고 있다.
본 발명의 일 실시예는, 조성식 (Sr1 -x- yBaxEuy)2Si5N8로 표현되는 질화물을 포함하며, 상기 조성식에서 Ba 조성비(x)는 0<x<0.7을 만족하고, Eu 조성비(y)는 0<y<0.1을 만족하는 적색 형광체를 제공한다.
여기원을 조사하여 600∼630㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다. 상기 여기원은 420∼470㎚ 범위의 피크파장을 갖는 청색 광원일 수 있다.
상기 적색 형광체는 불순물로서 산소 함유량이 1wt% 이하일 수 있다.
상기 조성식에서 Ba 조성비(x)는 0.19<x<0.6일 수 있다. 상기 조성식에서 Eu 조성비(y)는 0.018<y<0.04일 수 있다.
상기 적색 형광체는 질량중심입도(d50)로 10∼25㎛ 범위일 수 있다. 입도에 관련된 사분 편차(Q.D.)를 (d75-d25)/(d75+d25)로 정의할 때에, 상기 적색 형광체의 입도분포는 0.18<Q.D.<0.32를 만족할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 여기광을 방출하는 반도체 발광소자와, 상기 반도체 발광소자 주위에 배치되어 상기 여기광의 적어도 일부의 광의 파장을 변환하며, 상기한 적색 형광체와, 상기 반도체 발광소자의 방출파장 및 상기 적색 형광체의 발광파장과 다른 파장의 광을 제공하는 적어도 하나의 발광요소를 포함하며, 상기 적어도 하나의 발광요소는, 다른 반도체 발광소자 및 다른 형광체 중 적어도 하나인 백색 발광장치를 제공한다.
상기 반도체 발광소자는 420∼470㎚ 범위의 피크파장을 갖는 청색 반도체 발광소자일 수 있다.
상기 적어도 하나의 발광요소는 녹색 형광체를 포함할 수 있다. 상기 녹색 형광체는 500∼550㎚ 범위의 피크 파장을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 녹색 형광체는, M3Al5O12의 조성식으로 표시되는 산화물계 형광체, 산질화물계 형광체, Si6 - zAlzOzN8 -z의 조성식으로 표시되는 β-사이알론 형광체 및 La3Si6N11:Ce 형광체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, M은 Y, Lu, Gd, Ga, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Eu, Ce으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 1종의 Ⅱ 또는 Ⅲ족 원소일 수 있다.
상기 적어도 하나의 발광요소는 황색 또는 황등색 형광체를 포함할 수 있다. 상기 황색 또는 황등색 형광체는 550∼600㎚ 범위의 피크 파장을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 황색 형광체는 실리케이트계 형광체, 가넷계 형광체 및 질화물계 형광체 중 적어도 하나이며, 상기 황등색 형광체는 α-SiAlON:Re인 형광체일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 조성식 (Sr1 -x- yBaxEuy)2Si5N8 (여기서, 0<x<0.7, 0<y<0.1을 만족함)으로 표시되는 질화물 형광체를 제조하기 위해서, Sr 함유 질화물, Ba 함유 질화물, Si 함유 질화물 및 Eu 함유 질화물을 포함하는 원료 분말들을 측량하는 단계와, 상기 원료 분말들을 혼합하여 혼합 분말을 마련하는 단계와, 형광체가 얻어지도록 상기 혼합 분말을 소성하는 단계와, 원하는 입도의 형광체 분말이 얻어지도록 상기 소성된 결과물을 분쇄하는 단계와, 상기 형광체 분말을 세정하는 단계를 포함하는 적색 형광체 제조방법을 제공한다.
상기 원료 분말들 각각은 1wt% 이하의 산소농도를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 원료 분말들은 Sr3N2, Ba3N2, EuN 및 Si3N4를 포함할 수 있다. 상기 조성식에서 Ba 조성비(x)는 0.19<x<0.6일 수 있다.
상기 혼합 분말을 마련하는 단계는, 비활성 기체가 채워진 밀폐된 공간에서 수행될 수 있다. 상기 혼합 분말을 소성하는 단계는, 상기 혼합분말을 금속 도가니에 배치한 상태에서 수행될 수 있다.
상기 혼합 분말을 소성하는 단계는, 1500 ∼1900℃에서 질소 가스 분위기 또는 수소/질소 혼합가스 분위기 하에 수행될 수 있다.
상기 세정된 형광체 분말을 추가적으로 소성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 추가적으로(즉, 2차) 소성하는 단계에서 적용되는 소성 온도 및 소성시간은 앞선(즉, 1차) 소성 단계에서 적용된 소성 온도 및 소성시간과 같거나 클 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 화상을 표시하기 위한 화상표시 패널과, 상기 화상표시 패널에 광을 제공하며, LED 광원 모듈을 구비한 백라이트 유닛을 포함하며, 상기 LED 광원 모듈은, 회로 기판과, 상기 회로 기판에 실장되며 상술된 백색 발광장치 중 어느 하나를 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은, LED 광원 모듈과, 상기 LED 광원 모듈 상에 배치되며, 상기 LED 광원 모듈로부터 입사된 광을 균일하게 확산시키는 확산시트;를 포함하며, 상기 LED 광원 모듈은, 회로 기판과, 상기 회로 기판에 실장되며 상술된 백색 발광장치 중 어느 하나를 포함하는 조명장치를 제공한다.
본 실시예에 따른 적색 형광체는 적색 파장 중 단파장대역에서 피크파장을 가지면서, 휘도뿐만 아니라 신뢰성을 크게 개선시킬 수 있다. 이러한 적색 형광체는 다른 파장의 발광요소와 결합하여 우수한 백색광 스펙트럼을 방출하는 백색 발광장치를 제공할 수 있다. 또한, 디스플레이 장치 및 조명장치에 널리 응용될 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적색 형광체 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도2a 및 도2b는 각각 바륨(Ba) 몰비의 변화에 따른 적색 형광체로부터 방출되는 광의 피크 파장 및 상대 피크강도를 나타내는 그래프이다.
도3a 및 도3b는 각각 유로피움(Eu) 몰비의 변화에 따른 적색 형광체로부터 방출되는 광의 피크 파장 및 상대 피크강도를 나타내는 그래프이다.
도4는 본 발명의 실시예2 및 비교예2A 및 2B에 따른 적색 형광체(산소량의 변화)의 패키지 신뢰성 평가 결과(휘도 변화)를 나타내는 그래프이다.
도5는 본 발명의 실시예3A 및 3B에 따른 적색 형광체(입도의 변화)의 패키지 신뢰성 평가 결과(휘도 변화)를 나타내는 그래프이다.
도6a 내지 도6c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 백색 발광장치를 나타내는 개략도이다.
도7은 본 발명에 따른 백색 발광장치에 채용가능한 파장변환물질을 설명하기 위한 CIE 1931 좌표계이다.
도8a 및 도8b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 LED 광원모듈을 개략적으로 나타내는 측단면도이다.
도9a 및 도9b는 각각 본 발명에 따른 백색 발광장치에 채용가능한 반도체 발광소자의 일 예를 나타낸 평면도 및 측단면도이다.
도10은 본 발명에 따른 백색 발광장치에 채용가능한 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 측단면도이다.
도11 및 도12는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 백라이트 유닛을 나타내는 단면도이다.
도13은 본 발명의 일 실시예에 따른 직하형 백라이트 유닛을 나타내는 단면도이다.
도14a 및 도14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 에지형 백라이트 유닛을 나타내는 단면도이다.
도15은 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 장치를 나타내는 분해사시도이다.
도16은 본 발명의 일 실시예에 따른 벌브형 조명장치를 나타내는 분해사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세히 설명한다.
본 실시예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 예를 들어, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 본 명세서에서, '상부', '상면', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 소자가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 "일 실시예(one example)"라는 표현은 서로 동일한 실시예를 의미하지 않으며, 각각 서로 다른 고유한 특징을 강조하여 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 그러나, 아래 설명에서 제시된 실시예들은 다른 실시예의 특징과 결합되어 구현되는 것을 배제하지 않는다. 예를 들어, 특정한 실시예에서 설명된 사항이 다른 실시예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시예에 관련된 설명을 참조하여 이해될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적색 형광체는, 조성식 (Sr1 -x- yBaxEuy)2Si5N8로 표현되는 질화물을 포함한다. 여기서, Ba 조성비(x)는 0<x<0.7을 만족하고, Eu 조성비(y)는 0<y<0.1을 만족한다.
상기 적색 형광체는 적색 파장에서도 단파장영역에 속하는 600∼630㎚(바람직하게는 620㎚이하)의 피크 파장을 가지므로, 백색 발광장치에 적용할 경우에 원하는 백색 광 특성(예, CCT, CRI)을 구현할 수 있다. 단파장화와 함께 휘도를 고려하여, 상기 조성식에서 Ba 조성비(x)는 0.19<x<0.6일 수 있다. 상기 조성식에서 Eu 조성비(y)는 0.018<y<0.04일 수 있다.
상기 적색 형광체는 불순물로서 산소 함유량이 1wt% 이하일 수 있다. 상기 적색 형광체는 질화물 형광체이지만, 불순물로서 산소가 존재할 수 있다. 이러한 산소는 밴드갭 내에서 비발광 준위를 형성하고, 이러한 비발광준위로 인해 여기된 전자가 포톤(photon)이 아닌 포논(phonon)이 되어 에너지가 소실될 수 있다. 그 결과, 형광체의 효율 및 신뢰도가 저하되는 문제가 있을 수 있다. 하지만, 산소 함유량을 일정 수준 아래(예, 1wt%이하)로 제어함으로써 산소로 인한 비발광준위 형성을 억제할 수 있으며, 그 결과, 높은 휘도와 함께 패키지 고온고습의 사용환경에서도 열화되지 않을 수 있다. 이러한 산소농도의 제어는 공정 중에 산화물의 발생을 억제함으로써 구현할 수 있으며, 이에 대해서는 도1에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
상기 적색 형광체의 분말 입도를 10㎛≤d50≤25㎛로 조절함으로써 신뢰성(휘도저하, 색좌표 이동)이 우수한 형광체를 얻을 수 있다. 입도가 낮은 형광체는 수지포장부 내에서 균일하게 분산하는데 유리한 반면에, 패키지 사용환경에서 휘도 저하와 색좌표의 변화가 크게 일어날 수 있다. 한편, 입도(d50)가 25㎛를 초과하는 경우에는 수지 포장부 내에 분산성이 낮아지며, 휘도 및 색산포가 커지는 문제가 있을 수 있다. 입도에 관련된 사분 편차(Q.D.)를 (d75-d25)/(d75+d25)로 정의할 때에, 상기 적색 형광체의 입도분포는 0.18<Q.D.<0.32를 만족할 수 있다. 본 실시예에서 제시된 입도조건에서는, 결정성 향상으로 인해 휘도가 상승하며 미분발생을 최소화할 수 있어 신뢰성도 크게 개선할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적색 형광체 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
먼저, 조성식 (Sr1 -x- yBaxEuy)2Si5N8 (여기서, 0<x<0.7, 0<y<0.1을 만족함)으로 표시되는 질화물 형광체를 제조하기 위해서, Sr 함유 질화물, Ba 함유 질화물, Si 함유 질화물 및 Eu 함유 질화물을 포함하는 원료 분말들을 측량한다(S42).
최종 형광체에서 산소농도를 제어하기 위해서, 상기 원료 분말들 각각은 1wt% 이하의 산소농도를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 원료 분말들은 Sr3N2, Ba3N2, EuN 및 Si3N4를 포함할 수 있다.
이어, 상기 원료 분말들을 혼합하여 혼합 분말을 마련한다(S44). 혼합 분말을 마련하는 과정은 아르곤(Ar) 가스와 같은 비활성 기체가 채워진 밀폐된 공간에서 수행될 수 있다. 이러한 혼합공정을 통하여 산소와 접촉을 방지할 수 있다.
다음으로, 형광체가 얻어지도록 상기 혼합 분말을 소성한다(S45). 상기 혼합 분말의 소성공정은, 1500 ∼1900℃에서 질소 가스 분위기 또는 수소/질소 혼합가스 분위기 하에 수행될 수 있다. 본 공정에는 고온고압소성로(gas pressure sintering: GPS)가 사용될 수 있다. 본 소성공정은 상기 혼합 분말을 금속 또는 세라믹 재질의 도가니에 채운 상태에서 적용될 수 있다. 특히, 금속 도가니는 종래의 BN 세라믹 도가니과 달리 고온의 소성 공정에 노출되더라도 산화물 등 불순물의 발생을 크게 억제시킬 수 있다. 따라서, 최종 질화물 형광체에서 불순물로서 산소농도를 1wt% 이하(바람직하게는 0.5wt% 이하)로 유지하는데 도움을 줄 수 있다.
이어, 원하는 입도의 형광체 분말이 얻어지도록 상기 소성된 결과물을 분쇄할 수 있다(S46). 앞선 공정에서 소성된 결과물, 즉 합성된 형광체에 볼밀공정 등을 적용하여 원하는 입도를 갖도록 분쇄하는 공정을 수행할 수 있다. 본 분쇄공정을 통해서 상기 적색 형광체의 분말 입도를 10㎛≤d50≤25㎛로 조절할 수 있다. 또한, 입도에 관련된 사분 편차(Q.D.)를 (d75-d25)/(d75+d25)로 정의할 때에, 상기 적색 형광체의 입도분포는 0.18<Q.D.<0.32를 만족할 수 있다.
다음으로, 상기 형광체 분말을 세정할 수 있다(S48). 상기 입도가 제어된 형광체 분말의 표면에 불순물이나 미분을 제거하기 위해서 세정공정이 수행될 수 있다. 본 세정공정에는 산 또는 염기성 용액이 사용될 수 있다.
이어, 상기 세정된 형광체 분말을 추가적으로(2차) 소성할 수 있다(S49). 본 2차 소성공정에서 결함을 제거되어 결정성을 개선시킬 수 있다. 이러한 결정성 개선을 통해서 휘도를 향상시킬 수 있다. 본 공정은 1500∼1900℃에서 5∼30시간 동안 수행될 수 있다. 압력은 상압에서 10 bar까지 적용될 수 있다. 본 2차 소성공정의 소성온도는 앞선(즉, 1차) 소성공정의 온도과 같거나 클 수 있다. 또한 2차 소성공정의 소성시간도 1차 소성공정의 소성시간과 같거나 길 수 있다.
실험1 : 적색 질화물 형광체 제조
바륨( Ba ) 함유량에 따른 차이
원료물질로 Sr3N2, Ba3N2, EuN 및 Si3N4를 이용하여 아래 표1과 같은 조건을 만족하는 (Sr1 -x- yBaxEuy)2Si5N8 질화물 형광체(샘플 A1 내지 A6)를 제조하였다. 구체적으로, 우선, 상기 원료물질을 칭량하여 마련하고, 마련된 원료물질을 볼밀을 이용하여 에탄올 용매와 혼합하였다. 원료혼합물을 건조기를 사용하여 에탄올 용매를 휘발시키고, 금속 도가니에 건조된 원료혼합물을 배치하고, 원료혼합물이 충진된 질화붕소 도가니를 가열로에 삽입하고, 아르곤(Ar) 분위기의 가스상태에서 1800℃에서 소성하였다. 소성된 형광체를 세정하였다.
각 샘플 A1 내지 A6에 따른 질화물 형광체의 피크파장과 상대 피크강도를 측정하여 그 결과를 표1과 함께 도2a 및 도2b에 나타내었다.
구분 Ba 함량
(x)		 Eu 함량
(y)		 Sr 함량
(1-x-y)		 피크파장
(㎚)		 상대피크강도
(%)
샘플A1 0 0.03 0.97 590 100
샘플A2 0.1 0.03 0.87 615 101
샘플A3 0.3 0.03 0.67 620 102
샘플A4 0.5 0.03 0.57 623 101
샘플A5 0.7 0.03 0.27 626 98
샘플A6 0.97 0.03 0 630 96
상기 표1과 함께, 도2a 및 도2b에 나타난 바와 같이, 샘플A1의 경우에는 600㎚미만이며(도2a 참조), 샘플A5 및 샘플A6의 경우에는 상대 피크강도가 샘플A1에 비해 약하게 나타났다(도2b 참조). 샘플A2 내지 샘플A4는 피크강도도 샘플A1에 비해 강하고, 600∼625㎚ 범위일 수 있다.
유러퓸 ( Eu ) 함유량에 따른 차이
앞선 실험예와 유사하게, 원료물질로 Sr3N2, Ba3N2, EuN 및 Si3N4를 이용하여 아래 표2과 같은 조건을 만족하는 (Sr1 -x- yBaxEuy)2Si5N8 질화물 형광체(샘플 B1 내지 B6)를 제조하였다. 여기서, 샘플B4는 앞선 샘플들 중 샘플A3과 동일한 샘플로 이해될 수 있다.
각 샘플 B1 내지 B6에 따른 질화물 형광체의 피크파장과 상대 피크강도를 측정하여 그 결과를 표2와 함께 도3a 및 도3b에 나타내었다.
구분 Ba 함량
(x)		 Eu 함량
(y)		 Sr 함량
(1-x-y)		 피크파장
(㎚)		 상대피크강도
(%)
샘플B1 0.3 0.01 0.69 608 100
샘플B2 0.3 0.018 0.682 613 104
샘플B3 0.3 0.02 0.68 615 105
샘플B4(A3) 0.3 0.03 0.67 620 104
샘플B5 0.3 0.04 0.66 624 101
샘플B6 0.3 0.05 0.65 627 95
상기 표2와 함께, 도3a 및 도3b에 나타난 바와 같이, 샘플B1 내지 B6에 걸쳐 파장피크가 600∼630㎚ 범위를 유지하였으며, 0.04를 초과한 경우(샘플B6)를 제외하고 높은 상대피크 강도를 나타내었다. 또한, 샘플B2 내지 샘플B5의 경우에는 높은 상대 피크강도와 함께, 610∼625㎚ 범위를 나타낸 것을 확인할 수 있었다.
실험2 : 산소 함량 제한 확인
샘플A3(즉, 샘플B4)에서 제조된 (Sr0 .67Ba0 .3Eu0 .03)2Si5N8과, 앞선 제조공정이 아닌 통상의 공정을 제조된 상용 제품인 질화물 형광체에 대해서, 산소 및 질소 함량을 분석하였으며, 그 결과는 아래의 표3에 나타내었다.
구분 산소 함량(wt%) 질소 함량(wt%)
실시예1 0.2 25.84
비교예1 1.7 22.2
상기 표3에 나타난 바와 같이, 실시예1은 비교예1과 달리, 원료분말로서 질화물만을 사용하고, 이를 금속 도가니에 채워 소성공정을 적용함으로써 산소 농도를 최소화할 수 있었으며, 그 결과 실시예1에 따른 적색 질화물 형광체는 0.2wt%를 갖는데 반해, 비교예1에 따른 적색 질화물 형광체는 1.7wt%로 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
실험3 : 백색 발광장치 적용시 개선효과
450㎚의 주파장을 갖는 질화물 반도체 발광소자를 이용하여 백색 발광장치(실시예2)를 제조하였다. 적색 형광체로는 실시예1에서 얻어진 질화물 형광체와, 녹색 형광체로는 β-SiAlON을 사용하였다.
실시예2와 동일한 조건으로 4개의 백색 발광장치(비교예2A 내지 2D)를 제조하되, 적색 형광체만을 달리하였다. 즉, 비교예2A 내지 2D에서 사용된 적색 형광체는 현재 상용제품으로 판매되고 있는 (Sr,Ca)AlSiN3:Eu2 + 형광체와, 다른 3종류의 (Sr,Ba,Eu)2Si5N8:Eu2+ 형광체를 사용하였다. 특히, 비교예2B에 사용된 적색 형광체는 앞선 실험에서 산소함량이 분석된 비교예1에 따른 적색 질화물 형광체였다.
실시예2와 함께, 비교예2A 내지 2D에 따른 백색 발광장치에 대해서 광속과 함께 연색지수를 측정하였다. 그 결과를 아래의 표2에 나타내었다. 광속은 비교예2A의 광속을 기준으로 하여 평가하였다.
구분 상대광속(lm%) 연색지수(CRI)
실시예2 102.5 82
비교예2A 100 83
비교예2B 96.4 81
비교예2C 98.5 82
비교예2D 97.7 81
상기한 표4에 나타난 바와 같이, 연색지수는 대체로 모든 샘플에서 유사한 수준(81-83)을 나타냈으나, 실시예2에 따른 백색 발광장치는 가장 높은 광속을 나타내었으며, 비교예2A에 대비하여도 2.5% 정도 향상되었으며, 비교예2B 내지 비교예2D에 대비하면, 약 5% 이상 향상된 결과를 확인할 수 있었다.
실시예2 및 비교예2A 및 2B에 따른 백색 발광장치에 대해서, 신뢰도를 평가하였다. 구체적으로, 각 백색 발광장치를 120㎃로 구동하면서 고온고습환경(85℃,85%)에 노출시켰으며, 각 시간별로 휘도변화량(Δcd)과 색좌표 x 변화량(ΔCx)을 측정하였다. 그 결과를 각각 표5 및 표6에 나타내었다. 휘도 변화량은 도4에도 나타내었다.
시간 0 250 500 1000 1500 2000
실시예2 0.0% -1.0% -1.8% -3.2% -6.2% -9.4%
비교예2A 0.0% -1.3% -2.1% -3.6% -7.8% -11.6%
비교예2B 0.0% -4.3% -6.8% -8.2% -12.5% -14.3%
상기한 표5에 나타난 바와 같이, 실시예2의 백색 발광장치에서는 1500 시간, 2000 시간이 경과한 후에도 -6.2%, -9.4%에 불과한 반면에, 유사한 조성계인 비교예2B인 백색 발광장치에서는 -10% 이상의 높은 변화량을 나타내었다.
시간 0 250 500 1000 1500 2000
실시예2 0 -0.0001 -0.0001 -0.002 -0.005 -0.011
비교예2A 0 -0.0001 -0.0002 -0.003 -0.006 -0.014
비교예2B 0 -0.0003 -0.004 -0.007 -0.013 -0.016
상기한 표6에 나타난 바와 같이, 실시예2의 백색 발광장치에서는 1000 시간, 1500 시간이 경과한 후에도 -0.002, -0.005에 불과한 반면에, 유사한 조성계인 비교예2B의 백색 발광장치에서는 2배 이상의 높은 변화량을 나타내었다.
이와 같이, 실시예2에 따른 백색 발광장치가 고온 고습 환경에서도 높은 신뢰성을 유지한 것을 확인할 수 있었다. 이는 실시예2에 채용된 적색 형광체가 표3에 나타난 바와 같이, 비교예2B에 채용된 적색 형광체와 달리 산소 함량이 적게 포함되었기 때문인 것으로 이해할 수 있다.
실험4 : 입도크기 한정에 따른 효과
< 실시예 3A 및 3B>
본 실시예에서는 실시예1과 동일한 조건을 (Sr0 .67Ba0 .3Eu0 .03)2Si5N8을 제조하되, 입도 조건을 달리하였다. 입도는 질량중심입도(d50) 기준으로 각각 20.2㎛, 5.3㎛가 되도록 분쇄하여 적색 형광체를 마련하고, 적색 형광체만을 달리하여, 실시예2와 동일한 조건으로 백색 발광장치(실시예3A 및 3B)를 제조하였다.
실시예3A(20.2㎛) 및 실시예3B(5.3㎛)에 따른 백색 발광장치에 대해서 신뢰성을 평가하였다. 신뢰성 평가는 2가지로 수행되었다. 우선, 각 백색 발광장치를 105℃에서 1000시간 구동시킨 후에, 휘도변화량(Δcd)과 색좌표 x 변화량(ΔCx,ΔCy)을 측정하였다. 그 결과는 아래의 표7와 도5에 나타내었다. 또한, 각 백색 발광장치를 온도 85℃/상대습도 85%의 조건에서 1000시간 구동시킨 후에, 휘도변화량(Δcd)과 색좌표 x 변화량(ΔCx,ΔCy)을 측정하였다. 그 결과는 표8에 나타내었다.
구분 휘도변화량
(Δcd)		 색좌표 x 변화량
(ΔCx)		 색좌표 y 변화량
(ΔCy)
실시예3A +0.4% 0 0.001
실시예3B -0.5% -0.001 0
상기한 표7에 나타난 바와 같이, 색좌표의 경우에, 실시예3A는 입도 조건이 다른 실시예3B(5.3㎛)와 마찬가지로 큰 변화가 없었다. 하지만, 실시예3B에서는 휘도가 -0.5% 정도 감소한 반면에, 실시예3A의 백색 발광장치에서는 휘도는 거의 저하되지 않은 것을 확인하였다.
구분 휘도변화량
(Δcd)		 색좌표 x 변화량
(ΔCx)		 색좌표 y 변화량
(ΔCy)
실시예3A -4.4% -0.003 -0.003
실시예3B -14.9% -0.012 -0.018
상기한 표8에 나타난 바와 같이, 앞선 평가결과와 달리, 실시예3A는 입도 조건(20.2㎛)이 다른 실시예3B(5.3㎛)에 비해, 휘도의 변화량뿐만 아니라, 색좌표의 변화량이 크게 개선된 것을 확인할 수 있었다.
이와 같이, 입도 조건에 따라 신뢰성도 크게 차이가 발생될 수 있으며, 이러한 경향을 고려하여, 본 실시예에 따른 형광체의 입도(d50)는 10∼25㎛ 범위일 수 있다.
본 실시예들에 따른 적색 질화물 형광체는 다양한 형태의 백색 발광장치에 유익하게 적용될 수 있다. 도6a 내지 도6c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 백색 발광장치를 나타내는 개략도이다.
도6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광장치를 나타내는 개략도이다.
도6a에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 백색 발광 장치(10)는, 청색 반도체 발광소자(15)와, 이를 포장하며 상부로 볼록한 렌즈 형상을 갖는 수지 포장부(19)를 포함한다.
본 실시예에서, 상기 수지포장부(19)는, 넓은 지향각을 갖도록 반구 형상의 렌즈 구조를 가질 수 있다. 상기 청색 반도체 발광소자(15)는 별도의 회로기판에 직접 실장될 수 있다. 상기 수지 포장부(19)는 상기 실리콘 수지나 에폭시 수지 또는 그 조합으로 이루어질 수 있다. 상기 수지포장부(19)의 내부에는 녹색 형광체(12)와 적색 형광체(14)가 분산될 수 있다.
본 실시예에 사용되는 적색 형광체(14)는, 상술된 실시예에 따른 적색 형광체가 사용된다. 즉, 상기 적색 형광체(14)는 조성식 (Sr1 -x- yBaxEuy)2Si5N8로 표현되는 질화물 형광체를 포함한다. 상기 조성식에서 Ba 조성비(x)는 0<x<0.7을 만족하고, Eu 조성비(y)는 0<y<0.1을 만족한다.
상기 적색 형광체(12)는 다른 적색 형광체를 추가적으로 포함할 수도 있다. 예를 들어, 추가적인 적색 형광체는 M1AlSiNx:Re(1≤x≤5)인 질화물계 형광체, M1D:Re인 황화물계 형광체 및 (Sr,L)2SiO4 - xNy:Eu인 실리케이트계 형광체(여기서, 0＜x＜4, y=2x/3) 중 선택된 적어도 하나일 수 있다. 여기서, M1는 Ba, Sr, Ca, Mg 중 선택된 적어도 하나의 원소이고, D는 S, Se 및 Te 중 선택된 적어도 하나의 원소이며, L은 Ba, Sr, Ca, Mg, Li, Na, K, Rb 및 Cs로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고, D는 S, Se 및 Te 중 선택된 적어도 하나의 원소이며, Re는 Y, La, Ce, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, F, Cl, Br 및 I 중 선택된 적어도 하나의 원소이다.
상기 녹색 형광체(14)는, M3Al5O12의 조성식으로 표시되는 산화물계 형광체, 산질화물계 형광체, Si6 - zAlzOzN8 -z의 조성식으로 표시되는 β-사이알론 형광체 및 La3Si6N11:Ce 형광체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, M은 Y, Lu, Gd, Ga, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 산질화물계 형광체로는, M1xAyOxN(4/3)y의 조성식으로 표시되는 산질화물 형광체 또는 M1aAbOcN((2/3)a+(4/3)b-(2/3)c)로 표시되는 산질화물을 형광체를 사용할 수 있다. 여기서, M1은 Ba, Sr, Ca, Mg으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 하나이고, A는 C, Si, Ge, Sn, Ti, Zr, Hf으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 하나이다.
이와 같이, 청색 반도체 발광소자(15)와 함께 적색 형광체(12)와 녹색 형광체(14)를 조합함으로써 높은 연색지수(예, 70 이상)를 갖는 백색광을 제공할 수 있다. 또한, 복수의 형광체를 통해 여러 파장대역의 광이 얻어지므로, 디스플레이 장치로 구현될 경우에 색재현성을 향상시킬 수 있다.
상기 청색 반도체 발광소자(15)의 주파장(dominant wavelength)은 420∼470㎚ 범위일 수 있다. 본 실시예에 채용된 적색 형광체(12)는 적색 대역 중 단파장 대역(600∼630㎚)에서 파장피크를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 적색 형광체(12)는 600∼620㎚ 파장 피크를 가질 수 있다. 상기 녹색 형광체(14)의 발광파장 피크는 500∼550㎚ 범위일 수 있다.
상기 청색 반도체 발광소자(15)은 10~50㎚의 반치폭을 가지며, 상기 적색 형광체(12)는 50~180㎚의 반치폭을 가질 수 있으며, 상기 녹색 형광체(15)는 30∼200㎚의 반치폭을 가질 수 있다.
본 실시예에 채용된 적색 형광체(12)는 앞선 실시예들에서 설명된 바와 같이 높은 휘도를 가질 뿐만 아니라, 고온 다습의 환경에서도 높은 신뢰성이 유지되므로, 패키지 환경에서 기존 대비 높은 휘도와 우수한 백색광을 보장할 수 있다.
본 실시예와 달리, 상술된 적색 형광체(12)와 녹색 형광체(14) 외에 추가적으로 황색 내지 황등색 형광체를 포함할 수 있다. 이 경우에 보다 향상된 연색지수를 확보할 수 있다. 이러한 실시예는 도6b에 도시되어 있다.
도6b에 도시된 백색 발광장치(20)는, 중앙에 반사컵이 형성된 패키지 본체(21)와, 반사컵 바닥부에 실장된 청색 반도체 발광소자(25)와, 반사컵 내에는 청색 반도체 발광소자(25)를 봉지하는 수지 포장부(29)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 수지 포장부(29)에 적색 형광체(22)와 녹색 형광체(24)와 함께 추가적으로 황색 또는 황등색 형광체(26)와 같은 제3 형광체를 포함한다. 상기 적색 형광체(22)는 본 발명의 실시예에 설명된 질화물 형광체를 포함할 수 있으며, 녹색 형광체(24)로는 도6a에서 설명된 녹색 형광체(14)가 사용될 수 있다.
상기 황색 형광체로는 실리케이트계 형광체, YAG, TAG와 같은 가넷계 형광체 및 질화물계 형광체이 사용될 수 있다. 상기 황등색 형광체로는 α-SiAlON:Re 형광체가 사용될 수 있다.
도6a 및 도6b에 도시된 실시예에서는, 2종 이상의 형광체가 하나의 수지포장부에 분산된 형태로 예시되었으나, 다른 구조의 파장변환부로 다양하게 변경되어 실시될 수 있다. 예를 들어, 2종 또는 3종의 형광체를 서로 다른 층에 위치하도록 복수의 층으로 제공될 수 있다. 이러한 실시예는 도6c에 예시되어 있다.
도6c에 도시된 백색 발광장치(30)는, 도6b에 도시된 실시예와 유사하게, 중앙에 반사컵이 형성된 패키지 본체(31)와, 반사컵 바닥부에 실장된 청색 반도체 발광소자(35)와, 반사컵 내에는 청색 반도체 발광소자(35)를 봉지하는 수지 포장부(39)를 포함한다.
상기 수지 포장부(39) 상에는 각각 다른 형광체가 함유된 수지층들(32,34,36)이 배치될 수 있다. 이러한 복수의 수지층은 상기 녹색 형광체(34)가 함유된 제1 수지층과, 상기 황색 또는 황등색 형광체(36)가 함유된 제2 수지층 및 상기 적색 형광체(32)가 함유된 제3 수지층를 포함할 수 있다. 본 실시예에서 채용된 형광체들은 도6a 및 도6b에 설명된 형광체들과 동일하거나 유사한 형광체들이 사용될 수 있다.
이와 같이, 상술된 적색 형광체를 이용함으로써 우수한 백색 발광장치를 구현할 수 있다. 특히, 본 실시예에 따른 적색 형광체는 앞서 설명한 바와 같이, 고온 고습의 환경에서도 휘도 및 색좌표의 열화정도가 작다. 따라서, 변환효율의 저하로 인하여 휘도가 저하되거나 사용 수명이 감소하는 문제를 완화시킬 수 있다. 또한, 색좌표 이동(shift)이 저감될 수 있으므로, 조명장치에서는 CCT 값의 변화를 감소시키고 우수한 CRI 특성을 유지할 수 있으며, BLU와 같은 디스플레이 장치에서는 색재현성 감소 및 색필터 매칭율 감소로 인한 효율저하를 방지할 수 있다.
도7은 본 발명에 따른 백색 발광장치에 채용가능한 파장변환물질을 설명하기 위한 CIE 1931 좌표계이다.
상기 LED 칩(15,25,35)가 청색 광을 발광하는 경우, 황색, 녹색, 적색 형광체 중 적어도 하나를 포함한 발광소자 패키지(10,20,30)는 형광체의 배합비을 조절하여 다양한 색 온도의 백색 광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 황색 형광체에 녹색 및/또는 적색 형광체를 추가로 조합하여 백색 광의 색온도 및 연색성(Color Rendering Index: CRI)을 조절할 수 있다.
도19에 도시된 CIE 1931 좌표계를 참조하면, 상기 UV 또는 청색 LED에 황색, 녹색, 적색 형광체 및/또는 녹색, 적색 LED의 조합으로 만들어지는 백색 광은 2개 이상의 피크 파장을 가지며, 도19에 도시된 CIE 1931 좌표계의 (x, y) 좌표가 (0.4476, 0.4074), (0.3484, 0.3516), (0.3101, 0.3162), (0.3128, 0.3292), (0.3333, 0.3333)을 잇는 선분 상에 위치할 수 있다. 또는, 상기 선분과 흑체 복사 스펙트럼으로 둘러싸인 영역에 위치할 수 있다. 상기 백색 광의 색 온도는 2000K ~ 20000K사이에 해당한다.
앞선 실시예들에 따른 백색 발광장치에 사용될 수 있는 형광체로 다음과 같은 형광체가 사용될 수 있다. 적색 형광체의 경우에, 조성식 (Sr1 -x- yBaxEuy)2Si5N8로 표현되는 질화물을 형광체를 필수적으로 사용하며, 선택적으로 아래에 예시된 다른 적색 형광체 또는 황색 및 녹색 형광체를 추가 사용할 수 있다. 상기 조성식에서 Ba 조성비(x)는 0<x<0.7을 만족하고, Eu 조성비(y)는 0<y<0.1을 만족할 수 있다.
산화물계: 황색 및 녹색 Y3Al5O12:Ce, Tb3Al5O12:Ce, Lu3Al5O12:Ce
실리케이트계: 황색 및 녹색 (Ba,Sr)2SiO4:Eu, 황색 및 등색 (Ba,Sr)3SiO5:Ce, 적색 Ca2SiO4:Eu에 해당하는 Ca1 .2Eu0 .8SiO4
질화물계: 녹색 β-SiAlON:Eu, 황색 La3Si6N11:Ce, 등색 α-SiAlON:Eu, 적색 CaAlSiN3:Eu, Sr2Si5N8:Eu, SrSiAl4N7:Eu, SrLiAl3N4:Eu, Ln4 -x(EuzM1 -z)xSi12- yAlyO3 +x+ yN18 -x-y (0.5≤x≤3, 0<z<0.3, 0<y≤4) (단, 여기서 Ln은 Ⅲa 족 원소 및 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 한 종의 원소이고, M은 Ca, Ba, Sr 및 Mg로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 한 종의 원소일 수 있다.)
플루오라이드(fluoride)계: KSF계 적색 K2SiF6:Mn4 +, K2TiF6:Mn4 +, NaYF4:Mn4 +, NaGdF4:Mn4+
상술된 형광체 조성은 기본적으로 화학양론(Stoichiometry)에 부합하여야 하며, 각 원소들은 주기율표상 각 족들 내 다른 원소로 치환이 가능하다. 예를 들어 Sr은 알카리토류(Ⅱ)족의 Ba, Ca, Mg 등으로, Y는 란탄계열의 Tb, Lu, Sc, Gd 등으로 치환이 가능하다. 또한, 활성제인 Eu 등은 원하는 에너지 준위에 따라 Ce, Tb, Pr, Er, Yb 등으로 치환이 가능하며, 활성제 단독 또는 특성 변형을 위해 부활성제 등이 추가로 적용될 수 있다.
또한, 형광체는 양자점과 같은 다른 파장변환물질들로 대체될 수 있다. 특정 파장대역에서 양자점은 형광체와 혼합되어 사용되거나 단독으로 사용될 수 있다. 양자점은 CdSe, InP 등의 코어(Core)(3~10㎚)와 ZnS, ZnSe 등의 셀(Shell)(0.5 ~ 2㎚) 및 코어와 쉘의 안정화를 위한 리간드(ligand)의 구조로 구성될 수 있으며, 사이즈에 따라 다양한 컬러를 구현할 수 있다.
아래 표8은 UV 발광소자(200∼440㎚) 또는 청색 발광소자(440∼480㎚)를 사용한 백색 발광소자 패키지의 응용분야별 형광체 종류이다.
용도 형광체
LED TV BLU β-SiAlON:Eu2 +, (Ca, Sr)AlSiN3:Eu2 +, La3Si6N11:Ce3 +, K2SiF6:Mn4 +, SrLiAl3N4:Eu, Ln4 -x(EuzM1 -z)xSi12- yAlyO3 +x+ yN18 -x-y(0.5≤x≤3, 0<z<0.3, 0<y≤4), K2TiF6:Mn4 +, NaYF4:Mn4 +, NaGdF4:Mn4 + Ca2SiO4:Eu2+, Ca1.2Eu0.8SiO4
조명 Lu3Al5O12:Ce3 +, Ca-α-SiAlON:Eu2 +, La3Si6N11:Ce3 +, (Ca, Sr)AlSiN3:Eu2+, Y3Al5O12:Ce3 +, K2SiF6:Mn4 +, SrLiAl3N4:Eu, Ln4 -x(EuzM1-z)xSi12-yAlyO3+x+yN18-x-y(0.5≤x≤3, 0<z<0.3, 0<y≤4), K2TiF6:Mn4+, NaYF4:Mn4 +, NaGdF4:Mn4 +, Ca2SiO4:Eu2 +, Ca1.2Eu0.8SiO4
Side View
(Mobile, Note PC)		 Lu3Al5O12:Ce3 +, Ca-α-SiAlON:Eu2 +, La3Si6N11:Ce3 +, (Ca, Sr)AlSiN3:Eu2+, Y3Al5O12:Ce3 +, (Sr, Ba, Ca, Mg)2SiO4:Eu2 +, K2SiF6:Mn4+, SrLiAl3N4:Eu, Ln4 -x(EuzM1 -z)xSi12- yAlyO3 +x+ yN18 -x-y(0.5≤x≤3, 0<z<0.3, 0<y≤4), K2TiF6:Mn4 +, NaYF4:Mn4 +, NaGdF4:Mn4 +, Ca2SiO4:Eu2+, Ca1.2Eu0.8SiO4
전장
(Head Lamp, etc.)		 Lu3Al5O12:Ce3 +, Ca-α-SiAlON:Eu2 +, La3Si6N11:Ce3 +, (Ca, Sr)AlSiN3:Eu2+, Y3Al5O12:Ce3 +, K2SiF6:Mn4 +, SrLiAl3N4:Eu, Ln4 -x(EuzM1-z)xSi12-yAlyO3+x+yN18-x-y(0.5≤x≤3, 0<z<0.3, 0<y≤4), K2TiF6:Mn4+, NaYF4:Mn4 +, NaGdF4:Mn4 +, Ca2SiO4:Eu2 +, Ca1.2Eu0.8SiO4
필요에 따라, 백색 발광소자 패키지에 보라색, 청색, 녹색, 적색, 오렌지색 등을 선택적으로 혼합하여 주위 분위기에 맞는 색온도를 구현할 수도 있다. 예를 들어, 색 온도 4000K인 백색 발광 소자 패키지, 색 온도 3000K인 백색 발광 소자 패키지 및 적색 발광소자 패키지를 하나의 모듈에 배치하고, 각 패키지를 독립적으로 구동하여 출력을 제어함으로써 색온도를 2000K∼4000K 범위에서 조절할 수 있다. 또한, 연색성(Ra)은 85∼99인 백색 발광 모듈을 제조할 수 있다.
다른 예에서, 색 온도 5000K인 백색 발광 소자 패키지 및 색 온도 2700K인 백색 발광 소자 패키지가 하나의 모듈 내에 배치되어 독립적으로 구동되어 각각의 출력을 제어함으로써 색 온도를 2700K∼5000K 범위에서 조절할 수 있다. 또한, 연색성(Ra)이 85∼99인 백색 발광 모듈을 제조할 수 있다.
각각 발광소자 패키지의 수는 기본 색온도의 설정 값에 따라 달라질 수 있다. 기본 색온도의 설정 값이 4000K 부근이라면, 색온도 4000K에 해당하는 발광소자 패키지의 수는 색온도 3000K의 발광 소자 패키지의 수 또는 적색 발광 소자 패키지의 수보다 많을 수 있다.
이와 같이, 연색성 및 색온도가 조절가능한 모듈은 도16에 예시된 조명장치에 유익하게 사용될 수 있으며, 상술된 실시예에 따른 반도체 발광소자 및 이를 구비한 패키지(또는 모듈)는 여러 응용제품에 유익하게 적용될 수 있다.
예를 들어, LCD 백라이트 유닛이나 조명장치와 같은 광원 장치에 유익하게 사용될 수 있는 광원 모듈을 제공할 수 있다. 도8a 및 도8b에는 이러한 백색 광원 모듈이 예시되어 있다.
도8a를 참조하면, 백색 광원 모듈(50)은, 회로 기판(51)과 그 위에 실장된 복수의 백색 발광장치(10)를 포함한다. 상기 복수의 백색 발광장치(10)는 도6a에 도시된 백색 발광장치일 수 있다.
본 실시예에서, 청색 반도체 발광소자(15)는 회로 기판(51)에 COB(Chip On Board) 방식으로 직접 실장될 수 있다. 각각의 청색 반도체 발광소자(15)는 상기 회로 기판(51) 상면에 마련된 회로라인에 연결될 수 있다.
도8b를 참조하면, 백색 광원 모듈(60)은, 회로 기판(61)과 그 위에 실장된 복수의 백색 발광장치(20)를 포함한다. 상기 백색 발광장치(20)는 도6b에서 설명된 바와 같이 패키지 본체(21)의 반사컵 내에 실장된 청색 반도체 발광소자(25)와 이를 봉지하는 수지 포장부(29)를 구비하고, 수지 포장부(29) 내에는, 적색 및 녹색 형광체(22,24)와 함께 황색 또는 황등색 형광체(26)가 분산될 수 있다. 도8a에 도시된 예와 달리, 상기 반도체 발광소자(25)는 상기 패키지 본체(21)를 통해서 상기 회로기판(61)의 회로라인과 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 백색 발광장치에는 다양한 형태의 반도체 발광소자가 채용될 수 있다. 도9a 및 도9b는 본 발명에 채용가능한 발광소자의 일 예를 나타내는 평면도 및 측단면도이다. 도9b는 도9a의 I-I'선을 따라 절취한 단면도이다.
우선, 도9a 및 도9b를 참조하면, 본 반도체 발광소자(200)는 도전성 기판(210), 제1 전극(220), 절연층(230), 제2 전극(240), 제2 도전형 반도체층(250), 활성층(260) 및 제1 도전형 반도체층(270)을 포함하며, 상기 각 층들은 순차적으로 적층되어 구비되어 있다. 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(270,250)은 각각 p형 질화물 반도체층 및 n형 질화물 반도체층일 수 있다.
상기 도전성 기판(210)은 전기적 도전성을 갖는 금속 기판 또는 반도체 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 도전성 기판(210)은 Au, Ni, Cu 및 W 중 어느 하나의 금속을 포함하는 금속 기판 또는 Si, Ge 및 GaAs 중 어느 하나를 포함하는 반도체 기판일 수 있다.
상기 제1 전극(220)은 상기 도전성 기판(210) 상에는 배치된다. 콘택홀(H)은 상기 제2 전극(240), 제2 도전형 반도체층(250) 및 활성층(260)을 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층(270)의 일정 영역까지 연장될 수 있다. 상기 제1 전극(220)의 일부 영역은 상기 콘택홀(H)을 통하여 상기 제1 도전형 반도체층(270)과 접속될 수 있다. 이로써, 상기 도전성 기판(210)과 제1 도전형 반도체층(270)은 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제2 전극(240)은 상기 제2 도전형 반도체층(250)과 접속되도록 배치된다. 상기 제2 전극(240)은 절연층(230)에 의해 상기 제1 전극(220)과 전기적으로 절연될 수 있다. 도9b에 도시된 바와 같이, 상기 절연층(230)은 상기 제1 전극(220)과 제2 전극(240)의 사이뿐만 아니라 상기 콘택홀(H)의 측면에도 형성된다. 이로써, 상기 콘택홀(H)의 측벽에 노출된 제2 전극(240), 제2 도전형 반도체층(250) 및 활성층(260)을 상기 제2 전극(240)으로부터 절연시킬 수 있다.
상기 콘택홀(H)에 의해 제1 도전형 반도체층(270)의 콘택영역(C)이 노출되며, 상기 제2 전극(240)의 일부 영역은 상기 콘택홀(H)을 통해 상기 콘택영역(C)에 접하도록 형성될 수 있다.
상기 제2 전극(240)은 도13에서 도시된 바와 같이 상기 반도체 적층체 외부로 연장되어 노출된 전극형성영역(E)을 제공한다. 상기 전극형성영역(E)은 외부 전원을 상기 제2 전극(240)에 연결하기 위한 전극패드부(247)를 구비할 수 있다. 이러한 전극형성영역(E)을 1개로 예시되어 있으나, 필요에 따라 복수개로 구비할 수 있다. 상기 전극형성영역(E)은 도10a에 도시된 바와 같이 발광면적을 최대화하기 위해서 상기 반도체 발광 소자(200)의 일측 모서리에 형성할 수 있다. 상기 제2 전극(240)은 상기 제2 도전형 반도체층(250)과 오믹콘택을 이루면서도 높은 반사율을 갖는 물질이 사용될 수 있다. 이러한 제2 전극(240)의 물질로는 앞서 예시된 반사전극물질이 사용될 수 있다.
이와 달리, 도10에 도시된 질화물 반도체 발광소자(300)는 도10b에 도시된 질화물 발광소자(200)와 달리, 제1 도전형 반도체층(370)과 연결된 제1 전극(320)이 외부로 노출될 수도 있다.
도10에 도시된 질화물 반도체 발광소자(300)는 앞선 예와 유사하게, 도전성 기판(310)과 그 위에 위치하며, 제2 도전형 반도체층(350), 활성층(360) 및 제1 도전형 반도체층(370)을 갖는 반도체 적층체를 포함한다. 상기 제2 도전형 반도체층(350)과 도전성 기판(310) 사이에는 제2 전극(240)이 배치될 수 있다.
상기 반도체 적층체에는 상기 콘택홀(H)이 형성되어 제1 도전형 반도체층(370)의 콘택영역(C)이 노출되고, 상기 콘택영역(C)은 제1 전극(370)의 일부 영역과 연결될 수 있다. 상기 제1 전극(320)은 절연층(330)에 의하여 활성층(360), 제2 도전형 반도체층(350), 제2 전극(340), 도전성 기판(310)과 전기적으로 분리될 수 있다.
앞선 예와 달리, 상기 제1 전극(320)이 외부로 연장되어 노출된 전극형성영역(E)을 제공하며, 그 전극형성영역(E) 상에 전극패드부(347)가 형성될 수 있다. 또한, 제2 전극(340)은 상기 도전성 기판(310)에 직접 접속되어 상기 도전성 기판(310)은 상기 제2 도전형 반도체층(350)에 접속된 전극으로 제공될 수 있다.
도11 및 도12는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자가 채용된 백라이트 유닛의 예를 나타낸다.
도11을 참조하면, 백라이트 유닛(1000)은 회로기판(1002) 상에 광원(1001)이 실장되며, 그 상부에 배치된 하나 이상의 광학 시트(1003)를 구비한다.
상기 광원(1001)은 본 발명에 따른 적색 형광체를 함유한 백색 발광장치이며, 상기 광원(1001)이 회로기판(1002) 상에 실장된 모듈은 도8a 및 도8b에 예시된 광원 모듈일 수 있다.
본 실시예에 채용된 회로기판(1002)은 메인 영역에 해당되는 제1 평면부(1002a)와 그 주위에 배치되어 적어도 일부가 꺾인 경사부(1002b)와, 상기 경사부(1002b)의 외측인 회로 기판 (1002)의 모서리에 배치된 제2 평면부(1002c)를 가질 수 있다. 상기 제1 평면부(1002a) 상에는 제1 간격(d1)에 따라 광원이 배열되며, 상기 경사부(1002b) 상에도 제2 간격(d2)으로 하나 이상의 광원(1001)이 배열될 수 있다. 상기 제1 간격(d1)은 상기 제2 간격(d2)과 동일할 수 있다. 상기 경사부(1002b)의 폭(또는 단면에서는 길이)는 제1 평면부(1002a)의 폭보다 작으며 제2 평면부(1002c)의 폭에 비해서는 길게 형성될 수 있다. 또한, 제2 평면부(1002c)에도 필요에 따라 적어도 하나의 광원이 배열될 수 있다.
상기 경사부(1002b)의 기울기는 제1 평면부(1002a)를 기준으로 0°보다는 크며 90°보다는 작은 범위 안에서 적절하게 조절할 수 있다. 회로 기판(1002)은 이러한 구조를 취함으로써 광학시트(1003)의 가장자리 부근에서도 균일한 밝기를 유지할 수 있다.
도11에 도시된 백라이트 유닛(1000)에서 광원(1001)은 액정표시장치가 배치된 상부를 향하여 빛을 방출하는 방식과 달리, 도12에 도시된 다른 예의 백라이트 유닛(2000)은 기판(2002) 위에 실장된 광원(2001)이 측 방향으로 빛을 방사하며, 이렇게 방사된 빛은 도광판(2003)에 입사되어 면광원의 형태로 전환될 수 있다. 도광판(2003)을 거친 빛은 상부로 방출되며, 광추출 효율을 향상시키기 위하여 도광판(2003)의 하면에는 반사층(2004)이 배치될 수 있다.
상술된 실시예와 달리, 형광체가 직접 반도체 발광소자나 패키지에 배치되지 않고, 백라이트 유닛의 다른 구성요소에 배치된 형태로 구현될 수 있다. 이러한 실시형태는 도13와 도14a 및 도14b에 도시되어 있다.
도13에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 따른 직하형 백라이트 유닛(1500)은 형광체 필름(1550)과 상기 형광체 필름(1550) 하면에 배열된 광원 모듈(1510)을 포함할 수 있다. 상기 형광체 필름(1550)은 적어도 본 발명에 따른 적색 형광체를 포함할 수 있다.
도13에 도시된 백라이트 유닛(1500)은 상기 광원 모듈(1510)을 수용할 수 있는 바텀케이스(1560)를 포함할 수 있다. 본 실시형태에서는 바텀케이스(1510) 상면에 형광체 필름(1550)을 배치한다. 광원모듈(1510)로부터 방출되는 빛의 적어도 일부가 형광체 필름(1550)에 의해 파장 변환될 수 있다. 상기 형광체 필름(1550)은 별도의 필름으로 제조되어 적용될 수 있으나, 광확산판과 일체로 결합된 형태로 제공될 수 있다. LED 광원 모듈(1510)은 회로 기판(1501)과 그 회로 기판(1501) 상면에 실장된 복수의 반도체 발광장치(1505)을 포함할 수 있다. 본 실시예에 채용된 반도체 발광장치는 형광체가 적용되지 않은 반도체 발광장치일 수 있다.
도14a 및 도14b는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 에지형 백라이트 유닛이 도시되어 있다.
도14a에 도시된 에지형 백라이트 유닛(1600)은 도광판(1640)과 상기 도광판(1640)의 일측면에 제공되는 반도체 발광장치(1605)를 포함할 수 있다. 상기 반도체 발광장치(1605)는 반사구조물(1620)에 의해 도광판(1640) 내부로 빛이 안내될 수 있다. 본 실시예에서, 형광체 필름(1650)은 도광판(1640) 측면과 상기 반도체 발광장치(1605) 사이에 위치할 수 있다.
도14b에 도시된 에지형 백라이트 유닛(1700)은 도14a와 유사하게 도광판(1740)과 상기 도광판(1740)의 일측면에 제공되는 반도체 발광장치(1705)와 반사구조물(1720)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 형광체 필름(1750)은 도광판(1740)의 광 방출면에 적용되는 형태로 예시되어 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 적색 형광체는 반도체 발광장치에 직접 적용되지 않고, 백라이트 유닛 등의 다른 요소에 적용될 수도 있다.
도15는 본 발명의 일 실시형태에 따른 디스플레이 장치를 나타내는 분해사시도이다.
도15에 도시된 디스플레이 장치(2400)는, 백라이트 유닛(2200)과 액정 패널과 같은 화상 표시 패널(2300)을 포함한다. 상기 백라이트 유닛(2200)은 도광판(224)과 상기 도광판(2240)의 적어도 일 측면에 제공되는 LED 광원모듈(2100)을 포함한다.
본 실시예에서, 상기 백라이트 유닛(2200)은 도시된 바와 같이, 바텀케이스(2210)와 도광판(2120) 하부에 위치하는 반사판(2220)을 더 포함할 수 있다.
다양한 광학적인 특성에 대한 요구에 따라, 상기 도광판(2240)과 액정패널(2300) 사이에는 확산시트, 프리즘시트 또는 보호시트와 같은 여러 종류의 광학시트(2260)를 포함할 수 있다.
상기 LED 광원모듈(2100)은, 상기 도광판(2240)의 적어도 일 측면에 마련되는 회로 기판(2110)과, 상기 회로 기판(2110) 상에 실장되어 상기 도광판(2240)에 광을 입사하는 복수의 반도체 발광장치(2150)를 포함한다. 상기 복수의 반도체 발광장치(2150)는 본 발명에 따른 적색 형광체를 포함하는 패키지일 수 있다. 본 실시예에 채용된 복수의 반도체 발광장치(2150)은 광방출면에 인접한 측면이 실장된 사이드 뷰(side-view) 발광소자 패키지일 수 있다.
도16은 본 발명의 실시형태에 따른 반도체 발광소자가 채용된 조명 장치의 예를 나타낸 분해사시도이다.
도16에 도시된 조명장치(3000)는 일 예로서 벌브형 램프로 도시되어 있다. 발광모듈(3003)과 구동부(3008)와 외부접속부(3010)를 포함한다. 또한, 외부 및 내부 하우징(3006, 3009)과 커버부(3007)와 같은 외형 구조물을 추가적으로 포함할 수 있다.
상기 광원모듈(3003)은 상술된 반도체 발광 장치인 LED 광원(3001)과 그 광원(3001)이 탑재된 회로기판(3002)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체 발광소자의 제1 및 제2 전극이 회로기판(3002)의 전극 패턴과 전기적으로 연결될 수 있다. 본 실시예서는, 하나의 광원(3001)이 회로기판(3002) 상에 실장된 형태로 예시되어 있으나, 필요에 따라 복수 개로 장착될 수 있다. 또한, 상기 LED 광원(3001)은 본 발명에 따른 적색 형광체를 포함할 수 있다.
외부 하우징(3006)은 열방출부로 작용할 수 있으며, 발광모듈(3003)과 직접 접촉되어 방열효과를 향상시키는 열방출판(3004) 및 조명장치(3000)의 측면을 둘러싸는 방열핀(3005)을 포함할 수 있다. 커버부(3007)는 발광모듈(3003) 상에 장착되며 볼록한 렌즈형상을 가질 수 있다. 구동부(3008)는 내부 하우징(3009)에 장착되어 소켓구조와 같은 외부 접속부(3010)에 연결되어 외부 전원으로부터 전원을 제공받을 수 있다.
또한, 구동부(3008)는 발광모듈(3003)의 반도체 발광소자(3001)를 구동시킬 수 있는 적정한 전류원으로 변환시켜 제공하는 역할을 한다. 예를 들어, 이러한 구동부(3008)는 AC-DC 컨버터 또는 정류회로부품 등으로 구성될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (20)

  1. 조성식 (Sr1-x-yBaxEuy)2Si5N8로 표현되는 질화물을 포함하며,
    상기 조성식에서 Ba 조성비(x)는 0<x<0.7을 만족하고, Eu 조성비(y)는 0.018<y<0.04을 만족하고,
    입도(d50)가 10∼25㎛ 범위이며, 입도에 관련된 사분 편차(Q.D.)를 (d75-d25)/(d75+d25)로 정의할 때에, 적색 형광체의 입도분포는 0.18<Q.D.<0.32를 만족하고,
    여기원을 조사하여 600∼630㎚ 범위에 피크 파장을 갖는 광을 방출하며,
    상기 여기원은 420∼470㎚ 범위의 주파장(dominant wavelength)을 갖는 청색 광원인 적색 형광체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적색 형광체는 불순물로서 산소 함유량이 1wt%이하인 것을 특징으로 하는 적색 형광체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 조성식에서 Ba 조성비(x)는 0.19<x<0.6인 것을 특징으로 하는 적색 형광체.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 420∼470㎚ 범위의 주파장을 갖는 여기광을 방출하는 반도체 발광소자;
    상기 반도체 발광소자 주위에 배치되어 상기 여기광의 적어도 일부 광의 파장을 변환하며, 제1항, 제3항, 및 제4항 중 어느 한 항에 따른 적색 형광체; 및
    상기 반도체 발광소자의 방출파장 및 상기 적색 형광체의 발광파장과 다른 파장의 광을 제공하는 적어도 하나의 발광요소를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 발광요소는, 다른 반도체 발광소자 및 다른 형광체 중 적어도 하나인 백색 발광장치.
  9. 삭제
  10. 화상을 표시하기 위한 화상표시 패널; 및
    상기 화상표시 패널에 광을 제공하며, LED 광원 모듈을 구비한 백라이트 유닛을 포함하며,
    상기 LED 광원 모듈은, 회로 기판과, 상기 회로 기판에 실장되며 제8항에 따른 백색 발광장치를 포함하는 디스플레이 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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