KR20170054801A - 황색 발광 형광체 및 이를 이용한 발광 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 형광체에 관한 것으로 특히, 황색 발광 형광체 및 이를 이용한 발광 장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 황색 발광 형광체에 있어서, Lu3Al5O12:Ce 및 SrSi2O2N2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 제1형광체; 및 상기 제1형광체와 혼합되어 혼합물을 이루며, Ba2Si5N8을 포함하고, 근 자외선 또는 청색 광에 의하여 여기되어 중심파장이 550 내지 590 nm 대역에 위치하는 광을 발광하는 제2형광체를 포함하여 구성되고, 상기 제1형광체 및 제2형광체의 혼합물은, 상기 근 자외선 또는 청색 광에 의하여 여기되어 황색 광을 발광할 수 있다.

Description

황색 발광 형광체 및 이를 이용한 발광 장치 {Phosphor emitting yellow light and light emitting device using the same}
본 발명은 형광체에 관한 것으로 특히, 황색 발광 형광체 및 이를 이용한 발광 장치에 관한 것이다.
발광 다이오드(light emitting diode; LED)는 기존의 일반 조명 중 가장 대표적이라 할 수 있는 형광등을 대체 할 수 있는 차세대 발광 소자 후보 중의 하나이다.
LED는 기존의 광원보다 소비전력이 적으며, 형광등과 달리 수은을 포함하지 않아 친환경적이라 할 수 있다. 또한 기존의 광원과 비교하여 수명이 길며 응답 속도가 빠르다는 장점을 갖는다.
이러한 LED는 이 LED로부터 방출되는 광을 흡수하여 여러 색상의 광을 발광하는 형광체와 함께 이용될 수 있다. 이와 같은 형광체는 보통 황색, 녹색 및 적색 광을 발광할 수 있다.
백색 LED는 현재 청색 발광 LED와 이 LED로부터 방출되는 빛의 발광 파장을 변환하는 형광체의 구성으로 제작되고 있다. 이러한 백색 LED의 사용 범위가 커질수록 더욱 효율적인 LED가 요구되고 있으며, 이를 위해서는 형광체의 발광 효율 개선이 요구되고 있다. 또한, 이에 따라 더 신뢰성이 우수한 LED의 요구가 높아지고 있다.
LED에 이용되는 형광체로는 황색 형광체로 산화물 형광체인 미국 특허 등록 제5998925호로 대표되는 YAG 형광체(Yttrium Aluminium Garnet) 형광체(조성식 Y3Al5O12:Ce)가 대표적으로 알려져 있지만, 이러한 YAG 형광체는 열 안정성이 떨어지고 고온이 되면 휘도 저하, 색좌표의 변화 등의 문제가 발생할 수 있다.
또한, 황색 내지 녹색 계열의 형광체로서 산화물 형광체 및 실리케이트 계열 형광체가 알려져 있지만, 이들은 열 안정성이 상대적으로 낮으며 내 습성이 나쁘기 때문에 LED 패키지의 신뢰성에 악영향을 줄 수 있다.
따라서, LED와 함께 백색광을 만들 수 있는 고효율의 신뢰성이 우수한 형광체의 개발이 요구된다.
더욱이, 청색 발광 LED가 고출력화 될수록 파장이 단파장 측으로 이동할 수 있는데 이에 따라 단파장에서도 여기 효율이 높은 황색 발광 형광체의 개발이 요구된다.
이에 따라, 이러한 고효율의 황색 발광 형광체를 이용한 고효율 및 고출력의 발광 장치가 요구되고 있다.
본 발명은 형광체에 있어서, 고효율 및 고휘도의 황색 발광 형광체 및 이를 이용한 발광 장치를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 황색 발광 형광체에 있어서, Lu3Al5O12:Ce 및 SrSi2O2N2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 제1형광체; 및 상기 제1형광체와 혼합되어 혼합물을 이루며, Ba2Si5N8을 포함하고, 근 자외선 또는 청색 광에 의하여 여기되어 중심파장이 550 내지 590 nm 대역에 위치하는 광을 발광하는 제2형광체를 포함하여 구성되고, 상기 제1형광체 및 제2형광체의 혼합물은, 상기 근 자외선 또는 청색 광에 의하여 여기되어 황색 광을 발광할 수 있다.
여기서, 상기 제2형광체는, Ba에 치환되는 Eu가 활성제로 사용될 수 있다.
이때, 상기 Eu는 0.05 내지 0.2 mol 함량으로 Ba와 치환될 수 있다.
여기서, 상기 제1형광체 및 제2형광체의 혼합물의 여기 스펙트럼은, 360 내지 460 nm의 파장 대역에서 YAG(Yttrium Aluminium Garnet) 형광체보다 높은 여기율을 가질 수 있다.
이때, 상기 제1형광체 및 제2형광체의 혼합물의 여기 스펙트럼은, 410 nm 파장에서 피크 대비 50 % 이상의 여기율을 가질 수 있다.
여기서, 상기 제2형광체는, 상기 제1형광체 및 제2형광체의 합을 100 wt%로 했을 때, 40 내지 60 w%의 함량을 가질 수 있다.
한편, 적색 파장 대역의 제3형광체를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 발광 장치에 있어서, 발광 소자; 상기 발광 소자에서 방출된 광에 의하여 여기되어 녹색 광을 발광하는 제1형광체; 및 상기 제1형광체와 혼합되어 혼합물을 이루며, Ba2Si5N8을 포함하고, 상기 발광 소자에서 방출된 광에 의하여 여기되어 중심파장이 550 내지 590 nm 대역에 위치하는 광을 발광하는 제2형광체를 포함하여 구성되고, 상기 제1형광체 및 제2형광체의 혼합물은, 상기 근 자외선 또는 청색 광에 의하여 여기되어 황색 광을 발광할 수 있다.
여기서, 상기 제1형광체는, Lu3Al5O12:Ce 및 SrSi2O2N2 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2형광체는, Ba에 치환되는 Eu가 활성제로 사용될 수 있다.
이때, 상기 Eu는 0.05 내지 0.2 mol 함량으로 Ba와 치환될 수 있다.
여기서, 상기 제2형광체는, 상기 제1형광체 및 제2형광체의 합을 100 wt%로 했을 때, 40 내지 60 wt%의 함량을 가질 수 있다.
한편, 적색 파장 대역의 제3형광체를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
먼저, 본 발명의 황색 발광 형광체는 시감 특성이 향상되고 휘도가 향상될 수 있다. 이와 함께 연색 평가 지수가 향상되어, 고 효율의 형광체를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 황색 발광 형광체는 450 nm 이하의 여기광에 의하여 여기율이 향상될 수 있고, 따라서, 발광 소자가 고출력화 될수록 발광 특성이 더 향상될 수 있다.
한편, 본 발명의 황색 발광 형광체는 고온에서 열 안정성이 우수하여 고출력 광원의 구동 시에도 안정적으로 휘도를 유지할 수 있다.
이와 같은 황색 발광 형광체와 발광 소자를 이용하여 고효율의 발광 장치를 구현할 수 있다.
도 1은 사람의 시감 특성을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 황색 발광 형광체의 여기 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 황색 발광 형광체의 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 황색 발광 형광체를 이용하여 백색 발광 소자 패키지를 구현한 경우의 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 황색 발광 형광체가 이용된 발광 소자 패키지의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 황색 발광 형광체가 이용된 발광 소자 패키지의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 황색 발광 형광체를 이용하여 백색광이 구현되는 과정을 설명하기 위한 도 5의 일부 확대도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
우선, 본 발명에 의한 황색 발광 형광체에 대하여 설명한다.
본 발명에 의하면 근 자외선 및 청색 여기원에 의한 여기 효율이 우수한 녹색 및 호박색(Amber; 이하, 앰버라 칭함) 형광체를 혼합하여 휘도가 높은 황색 광을 발광할 수 있는 황색 발광 형광체를 구현할 수 있다.
이를 위하여, 본 발명에서 근 자외선 및 청색 여기광에 의한 발광 효율이 우수한 녹색(green)계열 형광체인 Lu3Al5O12:Ce(LuAG) 및 SrSi2O2N2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 제1형광체를 이용할 수 있다.
이러한 제1형광체는 근 자외선 및 청색 여기광에 의하여 여기되어 녹색 파장 대역의 광을 발광할 수 있다. 이와 같은 제1형광체는 중심파장이 530 내지 550 nm의 대역에 위치할 수 있다.
여기서, LuAG는 Lu3Al5O12:Ce의 화학식으로 알려져 있다. 이 외에도 LSN(La3Si6N11:Ce), SrSi2O2N2:Eu 및 BaSi2O2N2 형광체 중 적어도 어느 하나가 이용될 수 있다.
또한, 시감 특성이 우수하며, 제1형광체와 혼합되어 높은 휘도의 황색 광을 발광할 수 있는 최적의 발광 파장을 가지는 새로운 조성의 제2형광체를 포함할 수 있다. 이러한 제2형광체는 근 자외선 및 청색 여기광에 의하여 여기되어 앰버 파장 대역의 광을 발광할 수 있다.
이와 같은 제1형광체 및 제2형광체의 혼합물은, 근 자외선 또는 청색 광에 의하여 여기되어 높은 휘도의 황색 광을 발광할 수 있다. 또한, 이러한 근 자외선 또는 청색 광에서 여기율이 우수하여 고 효율의 형광체 특성을 발휘할 수 있다. 또한, 열 안정성이 우수하여 특히 고출력 광원에서 발생하는 열로 인한 고온 환경에서 안정적으로 발광 휘도를 유지할 수 있다.
이러한 제2형광체는 Ba2Si5N8을 이용할 수 있고, Ba2Si5N8 형광체는 근 자외선 또는 청색 광에 의하여 여기되어 중심파장이 550 내지 590 nm 대역에 위치하는 광을 발광할 수 있다.
이와 같이, 피크의 중심파장이 550 내지 590 nm 대역인 Ba2Si5N8을 이용하면 동일한 피크 세기를 가지는 발광에 대하여 시감 특성이 25% 정도 향상될 수 있다. 더 좋게는 중심 파장이 578 내지 588 nm 대역에 위치하는 광을 발광하도록 하면 시감 특성은 더 향상될 수 있다.
도 1은 사람의 시감(視感) 특성을 나타내는 그래프(Photonic curve)이다.
도시하는 바와 같이, 사람의 시감도의 값(Relative Intensity)은 대략 555 nm 파장(Wavelength)에서 최대값을 가진다. 즉, 동일한 강도의 빛에 대하여 사람은 555 nm 파장 대역의 빛을 가장 강한 것으로 감지한다.
따라서, 통상 600 nm 정도의 발광 중심파장을 가지는 α형 SiAlON과 같은 녹색 형광체에 비하여, 본 발명에서 이용되는 중심파장이 550 내지 590 nm 대역인 Ba2Si5N8은 시감 특성에서 더 우수할 수 있다.
즉, 동일한 강도의 빛에 대하여 사람이 보다 밝게 감지할 수 있으므로, 이와 같은 발광 파장의 조절은 휘도가 증가하는 효과로 작용할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 제2형광체로 이용될 수 있는 Ba2Si5N8은, 동일한 피크 세기의 발광에 대하여 다른 형광체, 예를 들면, Ca-α-SiAlON에 비하여 시감 특성이 25% 정도 향상될 수 있다(CIE 1924 photopic Value 기준으로 발광 파장 595 nm일 때 0.6949에서 발광 파장 580 nm일 때 0.87로 향상).
또한, 위에서 언급한 바와 같이, 동일한 파장 대의 발광 휘도가 우수한 실리케이트(silicate) 계열 형광체에 비하여 고온(100℃이상)에서 열 안정성이 우수하여 고출력 광원의 구동시 발생하는 열에서도 안정적으로 휘도를 유지할 수 있다.
아래의 표 1은 각 형광체의 상온 대비 온도별 상대 휘도를 나타내고 있다.
Figure pat00001
표 1에서 나타내는 바와 같이, Ba2Si5N8은 온도가 100℃ 및 150℃로 상승함에 따라 휘도가 거의 저하되지 않음을 알 수 있다. 이에 비하여 Ca-α-SiAlON 및 실리케이트(Silicate) 형광체는 온도가 상승함에 따라 휘도가 급격히 감소함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 녹색 발광 형광체인 제1형광체와 앰버 색상 발광 형광체인 제2형광체를 혼합하여 휘도 및 열 안정성이 우수한 황색 광을 구현할 수 있다.
한편, 본 발명의 제2형광체로 이용될 수 있는 Ba2Si5N8 형광체는 유로퓸(Eu)을 활성제로 이용할 수 있다.
또한, Ba2Si5N8은, 580 nm 부근의 파장 대역의 발광을 구현하기 위하여 Eu와 등가(2+)인 Ba 원소의 치환량을 조절할 수 있다. 즉, Eu 원소의 치환량을 조절하여 발광 파장을 조절할 수 있다.
아래의 표 2는 Ba2Si5N8 형광체에서 Eu의 치환량과 그에 따른 발광 파장을 나타내는 표이다.
Figure pat00002
표 2에서 나타내는 바와 같이, Eu는 Ba2Si5N8 형광체에서 0.05 내지 0.2 mol의 함량으로 Ba와 치환될 수 있다. 즉, 5 내지 20 mol% 함량으로 Ba와 치환될 수 있다.
또한, 580 nm 파장의 광을 발광하기 위하여 0.05 mol이 Ba와 치환되는 것을 알 수 있다(Ba1.95, Eu0.05)Si5N8).
한편, 위에서 설명한 바와 같이, 시감 특성의 향상을 위해서 Eu는 0.05 내지 0.2 mol의 함량으로 Ba와 치환될 수 있다.
또한, 제1형광체 및 제2형광체 각각의 발광 파장 및 혼합 비율을 조절함으로써 발광 휘도를 향상시킬 수 있다. 이와 함께 광원의 연색성을 나타내는 연색 평가 지수(color rendering index; CRI)가 함께 개선될 수 있다.
이러한 연색 평가 지수(CRI)는 광원의 연색성을 나타내는 것을 목적으로 한 지수로서 시료 광원 아래에서 물체의 색 지각이 규정된 기준 광 아래서 동일한 물체의 색 지각에 합치되는 정도를 수치화한 것이다.
표 3은 이와 같이 제1형광체와 앰버 색상 발광 형광체인 제2형광체를 혼합하여 광의 휘도 및 CRI가 향상될 수 있음을 나타내고 있다.
Figure pat00003
즉, 종래의 황색 형광체(Yellow 형광체; 통상적으로 많이 사용되는 YAG 형광체를 나타낸다.)와 Ca-α-SiAlON를 이용하여 황색 발광 형광체를 구현한 것에 대비하여, 본 발명의 제1형광체(535 nm 피크 파장을 갖는 경우) 및 제2형광체(580 nm 피크 파장을 갖는 경우)를 사용함으로써 발광 휘도 및 CRI가 종래의 황색 형광체에 비하여 향상될 수 있음을 알 수 있다.
도 2는 본 발명의 황색 발광 형광체의 여기 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 이러한 스펙트럼은 본 발명의 황색 발광 형광체가 여기되는 파장 대역 및 해당 파장에서의 여기의 정도를 나타내고 있다.
도 2에서 도시하는 바와 같이, 본 발명의 황색 발광 형광체는 점선으로 표시된 종래의 황색 발광 형광체(Yellow; 일례로서, YAG 형광체)에 비하여 단파장에서의 여기 정도가 우수함을 알 수 있다.
예를 들어, 여기 파장이 410 nm인 경우, 여기 정도가 470 nm 근처의 피크 강도에 비하여 대략 절반 정도(절반 이상)로 유지되는 것을 볼 수 있다.
즉, 본 발명의 황색 발광 형광체의 여기 스펙트럼은, 410 nm 파장에서 피크 대비 50 % 이상의 여기율을 가질 수 있다.
또한, 410 nm보다 단파장에서도 여기 정도가 감소하지 않는 것을 알 수 있다. 즉, 400 nm 파장에서도 410 nm와 유사한 정도의 여기율을 보임을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 황색 발광 형광체의 여기 스펙트럼은, 450 nm 이하의 파장 대역에서 YAG 형광체보다 높은 여기율을 가질 수 있다.
형광체를 여기시키는 근자외선 또는 청색 광은 단파장으로 갈수록 우수한 여기광을 보이므로, 이와 같이, 단파장 대역에서 여기 정도가 우수한 본 발명은 형광체로서의 특성이 상대적으로 우수함을 알 수 있다.
이는, 여기 광으로서 작용하는 근 자외선 또는 청색 광이 단파장으로 갈수록 발광의 세기 및 발광 품질 등이 우수한 경향을 보이고 있고, 이러한 근 자외선 또는 청색 광을 발광하는 발광 소자(예를 들어, LED)가 고출력화 됨에 따라 중심 파장이 450 nm 이하로 이동하는 경향을 보이고 있기 때문이다.
예를 들어, 점선으로 표시된 황색 발광 형광체는 단파장으로 갈수록 여기 정도가 눈에 띄게 감소함을 알 수 있고, 이는 여기광을 발산하는 발광 소자가 고출력화됨에 따라 광 변환 효율이 낮아짐을 알 수 있다.
그러나, 본 발명의 황색 발광 형광체는 여기광을 발산하는 발광 소자가 고출력화 될수록 발광 특성이 더 향상될 수 있음을 알 수 있다.
<실시예>
아래의 표 4는 제1형광체로서 535 nm의 녹색(green) 파장(피크 파장) 대역의 광을 발광하는 Lu3Al5O12:Ce(LuAG) 형광체를 이용하고, 제2형광체로서 580 nm의 앰버(Amber) 색상 파장(피크 파장) 대역의 광을 발광하는 Ba2Si5N8 형광체를 혼합하여 황색 발광 형광체를 구현한 경우의 색좌표, CRI 및 발광 휘도의 예를 나타내고 있다.
Figure pat00004
이러한 예에서, 제1형광체와 제2형광체의 함량을 각각 0 내지 100 wt%로 조절하면서 각각의 경우의 색좌표, CRI 및 발광 휘도를 측정한 결과가 표 4에 나타나 있다. 즉, 제1형광체가 100 wt%이고 제2형광체가 0 wt%인 경우부터 제1형광체가 0 wt%이고 제2형광체가 100 wt%인 경우를 순차적으로 나타내고 있다. 여기서 함량(%)은 중량%(wt%)를 나타낸다.
비교가 되는 황색 형광체(Yellow)는 YAG 형광체의 예를 나타내고 있으며, 이러한 YAG 형광체는 색좌표가 CIE x 및 CIE y가 각각 0.454 및 0.531이고, CRI가 36.5인 것을 알 수 있다. 이때, YAG 형광체의 발광 휘도를 100으로 설정한 경우를 나타내고 있다.
표 4에서 나타내는 바와 같이, 본 발명의 황색 형광체는 종래의 황색 형광체에 비하여 대부분의 경우에 발광 휘도가 향상됨을 알 수 있다. 발광 휘도는 제1형광체의 함량이 증가함에 따라 대체적으로 증가하는 경향을 보이고 있다.
또한, CRI의 경우에는 제1형광체가 60 wt%이고 제2형광체가 40 wt%인 경우부터 종래의 황색 형광체에 비하여 향상됨을 알 수 있다. 이러한 CRI의 경우에는 제2형광체의 함량이 증가함에 따라 대체적으로 증가하는 경향을 보이고 있다.
이러한 CRI 및 발광 휘도와 관련된 결과를 고려할 때, 제1형광체 및 제2형광체의 비율이 60 wt% 대 40 wt%(6:4)에서 40 wt% 대 60 wt%(4:6) 사이의 비율을 가지는 경우에 그 효과가 가장 우수함을 알 수 있다.
즉, 제2형광체는, 제1형광체 및 제2형광체의 합을 100 wt%로 했을 때, 40 내지 60 wt%의 함량을 가질 수 있다.
이 중에서도 제1형광체 및 제2형광체의 비율이 50 wt% 대 50 wt%(5:5)인 경우에는 CRI 및 발광 휘도를 종합할 때 황색 발광 형광체로서 가장 특성이 우수하다고 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 황색 발광 형광체의 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 황색 발광 형광체는 Green 형광체에 기인하는 녹색 발광(일점쇄선)과 580 nm 피크 파장의 Ba2Si5N8 형광체에 기인하는 앰버 발광(이점 쇄선)의 혼합 광으로서 황색을 구현할 수 있다.
도 3에서 실선으로 나타난 본 발명의 황색 광의 스펙트럼은 점선으로 표기된 Yellow(YAG) 형광체에 의한 종래의 황색 광(Yellow)보다 파장 대역 및 발광 강도(휘도)가 우수함을 알 수 있다.
또한, 파장 대역이 대략 500 nm에서 570 nm 대역의 스펙트럼을 참조하면 YAG 형광체에 의한 종래의 황색 광(Yellow)보다 CRI가 크게 증가함을 알 수 있다. 즉, 이 대역의 스펙트럼이 종래의 황색 광(Yellow)보다 장파장 측으로 이동한 것을 알 수 있으며, 이를 색 좌표 상에서 고려하면 CRI 값이 크게 향상되는 것을 알 수 있다.
더욱이, 종래의 황색 광(Yellow)과 비슷한 수준의 발광 강도로서 고려하면 CRI가 증가하였음을 명백히 알 수 있다(도 3을 참조하면, 파장 대역이 대략 570 nm 내지 620 nm의 대역에서는 스펙트럼이 종래의 황색 광(Yellow)보다 발광 강도가 증가한 것을 알 수 있으며, 이는 휘도의 향상에 기여한다.).
도 4는 본 발명의 청색 발광 소자와 황색 발광 형광체를 이용하여 백색 발광 장치(발광 소자 패키지)를 구현한 경우의 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4에서 도시하는 바와 같이, 청색 여기광 및 이 청색광에 의하여 본 발명에 의한 황색 발광 형광체가 여기되어 발광한 황색광이 혼합되어 우수한 품질의 백색 광을 발산할 수 있음을 알 수 있다. 이는 580 nm 파장 대역의 광이 다른 구현에 비하여 크게 증가함을 통하여 알 수 있다.
즉, 본 발명의 황색 발광 형광체(Green + 580 nm Amber)에 의한 백색 광은 종래의 황색 발광 형광체(Yellow) 및 아래에서 설명하는 비교예(Green + 595 nm Amber)에 비하여 향상된 광의 특성을 보이고 있다.
이러한 사항은 아래의 표 5에서 정리된 바와 같다.
Figure pat00005
위의 표 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 종래의 황색 형광체(Yellow 형광체)에 의한 백색 광의 상대 광속을 100%로 고려한 경우, 이때의 CRI는 64.8 정도의 수준이나, 본 발명에 의한 발광 장치의 백색 광은 112%로 증가하고, CRI 또한 68.3으로 증가한 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의하면 황색 발광 대역에서 광의 강도 및 시감도(CRI)가 우수하여, 근자외선 또는 청색 발광 소자와 함께 고 품질의 백색 광을 만들어낼 수 있다.
<비교예>
표 6은 535 nm의 녹색 파장(피크 파장) 대역의 광을 발광하는 Lu3Al5O12:Ce(LuAG) 형광체(이하, 녹색 형광체)와 595 nm의 앰버 색상 파장(피크 파장) 대역의 광을 발광하는 Ca-α-SiAlON(이하, 앰버 형광체)을 혼합하여 구현한 황색 발광 형광체의 발광 휘도와 CRI를 나타내고 있다.
Figure pat00006
이러한 예에서는, 표 4의 경우와 유사하게, 녹색(green) 형광체와 앰버(Amber) 형광체의 함량을 각각 0 내지 100 wt%로 조절하면서 각각의 경우의 색좌표, CRI 및 발광 휘도를 측정한 결과가 표 6에 나타나 있다. 또한, 비교가 되는 황색 형광체(Yellow 형광체)는 YAG 형광체의 예를 나타내고 있다. 여기서 함량(%)은 중량%(wt%)를 나타낸다.
표 6에서 나타내는 바와 같이, 비교예로서의 황색 발광 형광체는 종래의 황색 발광 형광체(YAG)에 비하여 CRI 특성은 상대적으로 우수하나 발광 휘도가 저하됨을 알 수 있다. 또한, 발광 휘도가 우수한 구간에서는 CRI가 저하됨을 볼 수 있다.
<발광 장치>
도 5는 본 발명의 황색 발광 형광체가 이용된 발광 장치의 일례를 나타내는 단면도이다. 이러한 도 5는 본 발명의 발광 장치의 일 실시 예에 따른 램프형의 발광 소자 패키지(100)의 예를 나타내고 있다.
이러한 램프형의 백색 발광 소자 패키지(100)는 한 쌍의 리드 프레임(110, 120)과, 전압의 인가에 따라 빛을 발생시키는 발광 소자(130)를 포함한다.
발광 소자(130)는 리드 프레임(110, 120)과 와이어(140)에 의하여 전기적으로 연결되고, 발광 소자(130) 상에는 광 투과성 수지(150)가 몰딩된다. 이러한 발광 소자(130)는 근 자외선 또는 청색 광을 발광할 수 있다.
또한, 근 자외선 발광 소자 대신 동일한 파장 영역에 주 발광 피크를 가지는 발광 소자로서, 레이저 다이오드, 면 발광 레이저 다이오드, 무기 전계 발광 소자, 유기 전계 발광 소자 등을 사용할 수도 있다. 본 발명에서는 바람직한 응용 예로서 질화물 반도체 발광 다이오드가 이용되는 예를 나타내고 있다. 도 5에서 발광 소자(130)는 개략적으로 표현되고 있으며, 수평형 또는 수직형 질화물 반도체 발광 다이오드가 모두 이용될 수 있다.
이러한 광 투과성 수지(150)에는 형광체(170, 171; 도 7 참고)가 분산되어 구비될 수 있고, 광 투과성 수지(150) 상에는 소자 전체의 외부 공간을 마감하는 외장재(160)가 구비될 수 있다.
여기서 사용되는 형광체(170, 171)는 위에서 설명한 제1형광체(170) 및 제2형광체(171)를 포함하는 황색 발광 형광체 이외에 다른 형광체, 예를 들면 적색 발광 형광체(172)가 함께 분산되어 구비될 수 있다. 이러한 분산 형광체(172)는 경우에 따라 두 종류 이상이 구비될 수 있다.
몰딩 부재로 사용되는 광 투과성 수지(150)는 광 투과 에폭시 수지, 실리콘 수지, 폴리이미드 수지, 요소 수지, 아크릴 수지 등이 사용될 수 있다. 바람직하게는 광 투과 에폭시 수지 또는 광 투과 실리콘 수지 등이 사용될 수 있다.
이러한 광 투과성 수지(150)는 발광 소자(130) 주위를 전체적으로 몰딩할 수도 있지만 필요에 따라 발광 부위에 부분적으로 몰딩하는 것도 가능하다.
즉, 고출력 발광 소자의 경우에는 발광 소자(130)의 대형화로 인해 전체적으로 몰딩할 경우, 광 투과성 수지(150)에 분산되는 형광체(170, 171)의 균일 분산에 불리할 수 있기 때문이다. 이 경우 발광 부위에 부분적으로 몰딩하는 것이 유리할 수 있다.
도 6은 본 발명의 황색 발광 형광체가 이용된 발광 소자 패키지의 다른 예를 나타내는 단면도이다. 이러한 도 6은 표면 실장 형 발광 소자 패키지(200)를 나타내고 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표면 실장 형 발광 소자 패키지(200)는 도 6에 도시된 바와 같이, 양극 및 음극의 리드 프레임(210, 220)이 구비되고, 이 양극 및 음극의 리드 프레임(210, 220) 중 어느 하나의 위에 위치하여 전압의 인가에 따라 빛을 발생시키는 발광 소자(240)를 포함한다. 이러한 발광 소자(240)는 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드를 이용할 수 있다.
도 6에서는 수평형 구조를 가지는 발광 소자(240)의 예를 도시하고 있으나, 수직형 구조의 발광 소자가 이용될 수 있음은 물론이다.
이러한 발광 소자(240)는 리드 프레임(210, 220)과 와이어(250)에 의하여 전기적으로 연결되고, 발광 소자(240) 상에는 광 투과성 수지(260)가 몰딩된다. 이러한 리드 프레임(210, 220)은 패키지 몸체(230)에 의하여 고정될 수 있고, 패키지 몸체(230)는 반사컵 형상을 제공할 수 있다.
또한, 이러한 광 투과성 수지(260)에는 형광체(270, 271)가 분산되어 구성될 수 있다.
여기에 사용되는 형광체(270, 271)는 위에서 설명한 제1형광체(270) 및 제2형광체(271)가 혼합되어 분산되어 사용될 수 있으며, 이외에 다른 형광체가 함께 분산되어 구비될 수 있다. 예를 들면 적색 발광 형광체(272)가 함께 분산되어 구비될 수 있다. 이러한 분산 형광체(272)는 경우에 따라 두 종류 이상이 구비될 수 있다.
몰딩 부재로 사용되는 광 투과성 수지(260)는 광 투과 에폭시 수지, 실리콘 수지, 폴리이미드 수지, 요소 수지, 아크릴 수지 등이 사용될 수 있다. 바람직하게는 광 투과 에폭시 수지 또는 광 투과 실리콘 수지 등이 사용될 수 있다.
이러한 광 투과성 수지(260)는 발광 소자(240) 주위를 전체적으로 몰딩할 수도 있지만 필요에 따라 발광 부위에 부분적으로 몰딩하는 것도 가능하다.
그 외에 설명되지 않은 부분은 도 5를 참조하여 설명한 사항과 동일한 사항이 적용될 수 있다.
위에서 상세히 설명한 본 발명에 따른 발광 소자 패키지(100, 200)는 백색 발광 패키지로 구현될 수 있다.
도 7은 도 5의 일부 확대도로서, 도 6을 함께 참조하여 백색광이 구현되는 과정을 설명하면 다음과 같다.
발광 소자(130, 220)에서 방출되는 근 자외선 또는 청색 광에 해당하는 400 내지 480 nm 파장 영역의 푸른 빛이 형광체(170, 171, 270, 271)를 통과하게 된다. 여기에 일부 빛은 형광체(170, 171, 270, 271)를 여기시켜 도 7에서 도시하는 바와 같은 발광 파장 중심이 500 내지 600 nm 범위의 주요 피크를 갖는 광을 발생시키고, 나머지 광(a)은 푸른 빛으로 그대로 투과시킨다.
그 결과, 400 내지 700 nm의 넓은 파장의 스펙트럼을 갖는 백색광을 발광하게 된다.
형광체(170, 171, 270, 271)는 위에서 설명한 산 질화물 형광체 이외에 다른 형광체가 함께 분산되어 구비될 수 있다.
예를 들어, 이들 형광체(170, 171, 270, 271)는 위에서 설명한 황색 발광 형광체 외에 다른 발광 피크를 가지는 형광체(제3형광체)가 혼합되어 함께 이용될 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100, 200: 발광 소자 패키지 110, 120, 210, 220: 리드 프레임
130, 240: 발광 소자 140, 250: 와이어
150, 260: 광 투과 수지 160: 외장재
170, 171, 172, 270, 271, 272: 형광체
230: 패키지 몸체

Claims (13)

  1. 황색 발광 형광체에 있어서,
    Lu3Al5O12:Ce 및 SrSi2O2N2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 제1형광체; 및
    상기 제1형광체와 혼합되어 혼합물을 이루며, Ba2Si5N8을 포함하고, 근 자외선 또는 청색 광에 의하여 여기되어 중심파장이 550 내지 590 nm 대역에 위치하는 광을 발광하는 제2형광체를 포함하여 구성되고,
    상기 제1형광체 및 제2형광체의 혼합물은, 상기 근 자외선 또는 청색 광에 의하여 여기되어 황색 광을 발광하는 것을 특징으로 하는 황색 발광 형광체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2형광체는, Ba에 치환되는 Eu가 활성제로 사용되는 것을 특징으로 하는 황색 발광 형광체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 Eu는 0.05 내지 0.2 mol 함량으로 Ba와 치환되는 것을 특징으로 하는 황색 발광 형광체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1형광체 및 제2형광체의 혼합물의 여기 스펙트럼은, 360 내지 460 nm의 파장 대역에서 YAG(Yttrium Aluminium Garnet) 형광체보다 높은 여기율을 갖는 것을 특징으로 하는 황색 발광 형광체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1형광체 및 제2형광체의 혼합물의 여기 스펙트럼은, 410 nm 파장에서 피크 대비 50 % 이상의 여기율을 갖는 것을 특징으로 하는 황색 발광 형광체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2형광체는, 상기 제1형광체 및 제2형광체의 합을 100 wt%로 했을 때, 40 내지 60 wt%의 함량을 가지는 것을 특징으로 하는 황색 발광 형광체.
  7. 제1항에 있어서, 적색 파장 대역의 제3형광체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 황색 발광 형광체.
  8. 발광 장치에 있어서,
    발광 소자;
    상기 발광 소자에서 방출된 광에 의하여 여기되어 녹색 광을 발광하는 제1형광체; 및
    상기 제1형광체와 혼합되어 혼합물을 이루며, Ba2Si5N8을 포함하고, 상기 발광 소자에서 방출된 광에 의하여 여기되어 중심파장이 550 내지 590 nm 대역에 위치하는 광을 발광하는 제2형광체를 포함하여 구성되고,
    상기 제1형광체 및 제2형광체의 혼합물은, 상기 근 자외선 또는 청색 광에 의하여 여기되어 황색 광을 발광하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1형광체는, Lu3Al5O12:Ce 및 SrSi2O2N2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제2형광체는, Ba에 치환되는 Eu가 활성제로 사용되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 Eu는 0.05 내지 0.2 mol 함량으로 Ba와 치환되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  12. 제8항에 있어서, 상기 제2형광체는, 상기 제1형광체 및 제2형광체의 합을 100 wt%로 했을 때, 40 내지 60 wt%의 함량을 가지는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  13. 제8항에 있어서, 적색 파장 대역의 제3형광체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
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