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KR100524117B1 - 발광다이오드의 제조방법 - Google Patents

발광다이오드의 제조방법 Download PDF

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KR100524117B1
KR100524117B1 KR10-2002-7001342A KR20027001342A KR100524117B1 KR 100524117 B1 KR100524117 B1 KR 100524117B1 KR 20027001342 A KR20027001342 A KR 20027001342A KR 100524117 B1 KR100524117 B1 KR 100524117B1
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KR
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light
phosphor
emitting diode
emitting element
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KR10-2002-7001342A
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KR20030097578A (ko
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시미즈요시노리
사카노켄쇼
노구치야스노부
모리구치도시오
Original Assignee
니치아 카가쿠 고교 가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

컵부에 장착되어 있는 청색 발광 칩과, 상기 청색 발광 칩의 발광파장을 이것보다도 장파장의 광으로 변환시키는 형광물질을 가지는 발광다이오드의 제조방법에 있어서, 컵부에 청색 발광 칩을 탑재하는 공정과; 상기 청색 발광 칩이 탑재된 컵부 내에 상기 형광물질을 함유하는 코팅수지를 주입하여 청색 발광 칩을 피복하는 공정과; 상기 형광물질을 함유하는 코팅수지를 몰드부재로 포위하는 공정;으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 결과, 발광다이오드는 소망하는 색을 가지는 광을 발광할 수 있고, 장시간 고휘도 사용에서도 발광효율의 열화가 적으며, 내후성이 우수하다.

Description

발광다이오드의 제조방법{FABRICATION OF LIGHT EMITTING DIODE}
본원발명은 LED 디스플레이, 백라이트 광원, 신호기, 조명식 스위치 및 각종 인디케이터 등에 이용되는 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 발광소자가 발생시키는 광의 파장을 변환시켜 발광하는 포토루미네선스 형광체를 구비한 발광장치 및 이것을 이용한 표시장치에 관한 것이다.
발광다이오드는 소형이고, 효율적으로 선명한 색의 광을 발광할 수 있고, 반도체 소자이므로 소실의 염려가 없고, 초기 구동특성 및 내진성이 우수하고, 0N/0FF 점등의 반복에 강하다는 특징을 가진다. 따라서, 각종 인디케이터나 여러가지 광원으로서 널리 이용되고 있다. 또, 최근에는 초고휘도, 고효율의 RGB(적색, 녹색, 청색) 발광다이오드가 각각 개발되어, 이들 발광다이오드를 이용한 대형화면의 LED 디스플레이가 사용되게 되었다. 이 LED 디스플레이는 적은 전력으로 동작시킬 수 있고, 경량이면서 수명이 길다는 우수한 특성을 가지고 있기 때문에, 이후 더욱더 많이 사용될 것으로 기대된다.
그리고, 최근에는 발광다이오드를 이용하여 백색 발광광원을 구성하려는 시도가 여러가지 이루어지고 있다. 발광다이오드를 이용하여 백색광을 얻기 위해서는, 발광다이오드가 단색성 피크파장을 가지고 있기 때문에, 예를 들면, R, G, B의 3가지 발광소자를 근접하게 설치하고, 이것들을 발광시켜서 확산 혼색시킬 필요가 있다. 이러한 구성으로 백색광을 발생시키고자 한 경우, 발광소자의 색조나 휘도 등의 분산으로 인해 소망하는 백색을 발생시킬 수 없다는 문제점이 있었다. 또, 발광소자가 각각 상이한 재료로 형성되어 있는 경우, 각 발광소자의 구동전력 등이 달라 각각에 소정의 전압을 인가할 필요가 있어, 구동회로가 복잡하게 된다는 문제점이 있었다. 또한, 발광소자가 반도체 발광소자이기 때문에, 각각의 온도특성이나 시간경과에 따른 변화가 달라, 색조가 사용환경에 따라 변화하거나 각 발광소자에 의해서 발생되는 광을 균일하게 혼색시킬 수 없어 색얼룩이 생기는 등 많은 문제점을 가지고 있었다. 즉, 발광다이오드는 각각의 색을 발광시키는 발광장치로서는 유효하지만, 발광소자를 이용하여 백색광을 발생시킬 수 있는 만족할 만한 광원은 얻을 수 없었다.
그래서, 본 출원인은 본원출원에 앞서 발광소자에 의해서 발생된 광이 형광체에 의해서 색변환되어 출력되는 발광다이오드를 일본국 특개평 5-152609호 공보, 특개평 7-99345호 공보, 특개평 7-176794호 공보, 특개평 8-7614호 공보 등에 발표하였다. 이것들에 개시된 발광다이오드는 1종류의 발광소자를 이용하여 백색계 등 다른 발광색을 발광시킬 수 있는 것으로서, 다음과 같이 구성되어 있다.
상기 공보에 개시된 발광다이오드는, 구체적으로는, 발광층의 에너지 밴드 갭이 큰 발광소자를 리드 프레임의 선단에 설치된 컵 위에 배치하고, 발광소자를 피복하는 수지몰드부재 내에, 발광소자로부터의 광을 흡수하여 흡수한 광과 파장이 다른 광을 발광시키는(파장 변환) 형광체를 함유시켜 구성한다.
상기 공보에 개시된 발광다이오드에 있어서, 발광소자로서 청색계 발광이 가능한 발광소자를 이용하고, 이 발광소자를 그 발광을 흡수하여 황색계 광을 발광시키는 형광체를 함유한 수지에 의해서 몰드함으로써, 혼색에 의해서 백색계 광을 발광시킬 수 있는 발광다이오드를 제작할 수 있다.
그러나, 종래의 발광다이오드는, 형광체의 열화(劣化)에 의해서 색조가 변하거나 또는 형광체가 거무스름해져서 광의 외부 추출효율이 저하되는 경우가 있다는 문제점이 있었다. 여기서, 거무스름해진다는 것은, 예를 들면, (Cd,Zn)S 형광체 등의 무기계 형광체를 이용한 경우에는, 이 형광체를 구성하는 금속원소의 일부가 석출되거나 변질되어 착색되는 것을 말하고, 또 유기계 형광체 재료를 이용한 경우에는 2중 결합이 끊어지는 등에 의해서 착색되는 것을 말한다. 특히, 발광소자인 고에너지 밴드 갭을 가지는 반도체를 이용하여 형광체의 변환효율을 향상시킨 경우(즉, 반도체에 의해서 발광되는 광의 에너지가 높아지게 되어, 형광체가 흡수할 수 있는 한계값(threshold) 이상의 광이 증가하여 보다 많은 광이 흡수되게 된다.), 또는 형광체의 사용량을 줄인 경우(즉, 상대적으로 형광체에 조사되는 에너지량이 많아지게 된다.) 등에 있어서는 형광체가 흡수하는 광의 에너지가 필연적으로 높아지기 때문에 형광체의 열화가 현저하다. 또, 발광소자의 발광강도를 더 높여서 장기간에 걸쳐 사용하면, 형광체의 열화가 더욱더 심해지게 된다.
또, 발광소자 근방에 설치된 형광체는, 발광소자의 온도 상승이나 외부 환경(예를 들면, 옥외에서 사용된 경우의 태양광에 의한 것 등)에 의해서 고온 상태로 되고, 이 열에 의해서 열화되는 경우가 있다.
또한, 형광체에 따라서는 외부에서 침입하는 수분이나 제조시에 내부에 함유된 수분과 상기 광 및 열에 의해서 열화가 촉진되는 것도 있다.
또한, 이온성 유기염료를 사용하면, 칩 근방에서는 직류전계에 의해서 전기영동(electrophoresis)을 일으켜 색조가 변하는 경우가 있다.
따라서, 본원발명은 상기한 과제를 해결하여, 보다 고휘도이고, 장시간의 사용환경 하에서도 발광강도 및 발광효율의 저하나 색 편향(色偏向:color shift)이 극히 적은 발광장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.또, 본원발명의 다른 목적은, 발광다이오드의 수지에 파장변환재료를 함유시켜서 청색 발광 칩의 파장을 변환시킬 때, 우선 변환된 발광의 집광을 좋게 하여 발광다이오드의 휘도를 높임과 아울러, 형광물질을 사용하였을 때, 파장이 다른 발광다이오드를 근접하게 설치하여도 혼색이 일어나지 않는 발광다이오드의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명자들은, 상기한 목적을 달성하기 위해서, 발광소자와 형광체를 구비한 발광장치에 있어서,
(1) 발광소자로서는, 고휘도의 발광이 가능하고 또한 그 발광특성이 장기간의 사용에 대해서 안정한 것,
(2) 형광체로서는, 상술한 고휘도의 발광소자에 근접하게 설치되어 상기 발광소자에서 발생되는 강한 광에 노출된 상태로 장기간 사용한 경우에 있어서도 특성변화가 적은 내광성 및 내열성 등이 우수한 것(특히 발광소자 주변에 근접하게 배치되는 형광체는, 본 발명자들의 검토에 의하면, 태양광에 비해 약 30배∼40배에 달하는 강도를 가지는 광에 노출되기 때문에, 발광소자로서 고휘도인 것을 사용하면 할수록 형광체에 요구되는 내광성은 엄격해진다),
(3) 발광소자와 형광체와의 관계로서는, 형광체가 발광소자로부터의 스펙트럼 폭을 가진 단색성 피크파장의 광을 효율좋게 흡수함과 동시에 효율좋게 다른 발광파장을 발광시킬 수 있는 것,
등이 필요하다고 생각하고 예의 검토한 결과, 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명의 발광장치는, 발광층이 반도체인 발광소자와, 이 발광소자에 의해서 발광된 광의 일부를 흡수하여 흡수한 광의 파장과 다른 파장을 가지는 광을 발광하는 포토루미네선스 형광체를 구비한 발광장치에 있어서, 상기 발광소자의 발광층이 질화물계 화합물 반도체로 이루어지고, 또한 상기 포토루미네선스 형광체가, Y, Lu, Sc, La, Gd 및 Sm으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 원소와, Al, Ga 및 In으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함하고, 또한 세륨으로 활성화된 가넷(garnet)계 형광체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
삭제
여기서, 질화물계 화합물 반도체(일반식 IniGajAlkN, 단 0≤i, 0≤j, 0≤k, i+j+k=1)로서는, InGaN이나 각종 불순물이 도프된 GaN을 비롯하여 여러가지의 것이 포함된다.
또, 상기 포토루미네선스 형광체로서는, Y3Al5O12:Ce, Gd3In5O12:Ce를 비롯하여, 상기한 바와 같이 정의되는 각종의 것이 포함된다.
삭제
본원발명의 발광장치는, 고휘도의 발광이 가능한 질화물계 화합물 반도체로 이루어진 발광소자를 사용하고 있기 때문에, 고휘도로 발광시킬 수 있다. 또, 상기 발광장치에서 사용하고 있는 상기 포토루미네선스 형광체는, 장시간에 걸쳐서 강한 광에 노출되더라도 형광특성의 변화가 적은 매우 내광성이 우수한 것이다. 따라서, 장시간에 걸친 사용에 대해서 특성 열화를 줄일 수 있고, 발광소자로부터의 강한 광 뿐만 아니라 야외 사용시 등 외래광(자외선을 포함하는 태양광 등)에 의한 열화도 줄일 수 있으며, 색 편향이나 휘도 저하가 극히 적은 발광장치를 제공할 수 있다. 또, 본원발명의 발광장치는, 사용하고 있는 상기 포토루미네선스 형광체가 단잔광(短殘光)이기 때문에, 예를 들면, 120nsec라는 비교적 빠른 응답속도가 요구되는 용도에도 사용할 수 있다.
본 발명의 발광다이오드에 있어서는, 상기 포토루미네선스 형광체가 Y과 Al을 포함하는 이트륨 ·알루미늄 ·가넷계 형광체(yttrium-aluminum-garnet fluorescent material)를 포함하는 것이 바람직하고, 이것에 의해서 발광장치의 휘도를 높일 수 있다.
본 발명의 발광장치에 있어서는, 상기 포토루미네선스 형광체로서, 일반식 (Re1-rSmr)3(Al1-sGas)5O12:Ce (단, 0≤r＜1, 0≤s≤1, Re는 Y, Gd에서 선택되는 적어도 일종이다)로 표시되는 형광체를 사용할 수 있으며, 이트륨 ·알루미늄 ·가넷계 형광체를 사용한 경우와 동일한 우수한 특성을 얻을 수 있다.
또, 본 발명의 발광장치에서는, 발광특성(발광파장이나 발광강도 등)의 온도 의존성을 줄이기 위해서, 상기 포토루미네선스 형광체로서, 일반식 (Y1-p-q-rGdpCeqSmr)3(Al1-sGas)5O12 (단, 0≤p≤0.8, 0.003≤q≤0.2, 0.0003≤r≤0.08, 0≤s≤1)로 표시되는 형광체를 사용하는 것이 바람직하다.
또, 본 발명의 발광장치에 있어서, 상기 포토루미네선스 형광체는 각각 Y과 Al을 포함하여 이루어지는 서로 조성이 다른 2이상의, 세륨으로 활성화된 이트륨·알루미늄·가넷계 형광체를 포함하도록 하여도 된다. 이것에 의해서, 발광소자의 특성(발광파장)에 대응하여 포토루미네선스 형광체의 발광 스펙트럼을 조정함으로써 소망하는 발광색을 발광시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 발광장치에서는, 발광장치의 발광파장을 소정의 값으로 설정하기 위해서, 상기 포토루미네선스 형광체는 각각 일반식 (Re1-rSmr)3(Al1-sGas)5O12:Ce (단, 0≤r＜1, 0≤s≤1, Re는 Y, Gd에서 선택되는 적어도 일종이다.)로 표시되고, 서로 조성이 다른 2이상의 형광체를 포함하는 것이 바람직하다.
또, 본 발명의 발광장치에 있어서는, 발광파장을 조정하기 위해서, 상기 포토루미네선스 형광체는 일반식 Y3(Al1-sGas)5O12:Ce로 표시되는 제 1 형광체와, 일반식 Re3Al5O12:Ce로 표시되는 제 2 형광체를 포함하여도 된다. 단, 0≤s≤1, Re는 Y, Gd, La에서 선택되는 적어도 일종이다.
삭제
또, 본 발명의 발광장치에 있어서는, 발광파장을 조정하기 위해서, 상기 포토루미네선스 형광체는, 각각 이트륨 ·알루미늄 ·가넷계 형광체에 있어서, 이트륨의 일부가 가돌리늄(Gd)으로 치환되고, 서로 치환량이 다른 제 1 형광체와 제 2 형광체를 포함하도록 하여도 된다.
또한, 본 발명의 발광장치에 있어서, 상기 발광소자의 발광 스펙트럼의 주(主) 피크가 400nm에서 530nm 범위 내에 설정되고, 또한 상기 포토루미네선스 형광체의 주(主) 발광파장이 상기 발광소자의 주 피크 파장보다 길게 되도록 설정하는 것이 바람직하다. 이것에 의해서, 백색계의 광을 효율좋게 발광시킬 수 있다.
또, 상기 발광소자에 있어서, 이 발광소자의 발광층이 In을 포함하는 질화갈륨계 반도체를 포함하여 이루어지고, 상기 포토루미네선스 형광체가 이트륨 ·알루미늄·가넷계 형광체에 있어서 Al의 일부가 Ga에 의해서 Ga:Al = 1:1에서 4:6의 범위 내의 비율이 되도록 치환되고, 또한 Y의 일부가 Gd에 의해서 Y:Gd = 4:1 에서 2:3의 범위 내의 비율이 되도록 치환되어 있는 것이 더 바람직하다. 이와같이 조정된 포토루미네선스 형광체의 흡수 스펙트럼은, 발광층으로서 In을 포함하는 질화갈륨계 반도체를 가지는 발광소자가 발광하는 광의 파장과 매우 잘 일치하므로, 변환효율(발광효율)을 좋게 할 수 있다. 또, 상기 발광소자의 청색광과 상기 형광체의 형광광의 혼색에 의한 광은 연색성(color rendering)이 좋은 양질의 백색이 되며, 이 점에서 매우 우수한 발광장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시형태에 따른 발광장치는, 그 일측면에 상기 포토루미네선스 형광체를 통해서 상기 발광소자가 설치되고, 또한 그 일주표면(one principal surface)을 제외하는 표면이 실질적으로 반사부재에 의해서 덮여지는 대략 장방형상의 도광판(optical guide plate)을 구비하고, 상기 발광소자가 발광한 광을 상기 포토루미네선스 형광체와 도광판을 통해서 평면광으로 하여 상기 도광판의 상기 일주표면에서 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시형태에 따른 발광장치는, 그 일측면에 상기 발광소자가 설치되고, 그 일주표면에 상기 포토루미네선스 형광체가 설치되고 또한 이 일주표면을 제외하는 표면이 실질적으로 반사부재에 의해서 덮여진 대략 장방형상의 도광판을 구비하고, 상기 발광소자가 발광한 광을 도광판과 상기 포토루미네선스 형광체를 통해서 평면광으로 하여 상기 도광판의 상기 일주표면에서 출력하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 LED 표시장치는, 본 발명의 발광장치를 매트릭스형상으로 배치한 LED 표시기와, 입력되는 표시 데이터에 따라서 상기 LED 표시기를 구동시키는 구동회로를 구비한다. 이것에 의해서, 고정세(高精細)한 표시가 가능하고, 보는 각도에 따라서 색얼룩이 적고, 또한 비교적 저렴한 LED 표시장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시형태에 따른 발광장치는, 컵부와 리드부를 가지는 마운트 리드(mount lead)와, 상기 마운트 리드의 컵 내에 놓여지고 또한 일측 전극이 마운트 리드에 전기적으로 접속된 LED 칩과, 상기 LED 칩의 타측 전극에 전기적으로 접속시킨 인너 리드와, 상기 LED 칩을 덮도록 상기 컵 내에 충진된 투광성의 코팅부재와, 상기 마운트 리드의 컵부와, 상기 인너 리드와 상기 LED 칩의 타측 전극과의 접속부분을 포함하고, 상기 코팅부재로 덮여진 LED 칩을 피복하는 몰드부재를 가지는 발광다이오드에 있어서, 상기 LED 칩이 질화물계 화합물 반도체이고, 또한 상기 코팅부재가 Y, Lu, Sc, La, Gd 및 Sm으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 원소와, Al, Ga 및 In으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함하고, 세륨으로 활성화된 가넷계 형광체로 이루어진 포토루미네선스 형광체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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본 발명의 발광다이오드에 있어서는, 상기 포토루미네선스 형광체가 Y과 Al을 포함하는 이트륨·알루미늄·가넷계 형광체를 포함하는 것이 바람직하다.
또, 본 발명의 발광다이오드에서는, 상기 포토루미네선스 형광체로서, 일반식 (Re1-rSmr)3(Al1-sGas)5O12:Ce (단, 0≤r＜1, 0≤s≤1, Re는 Y, Gd에서 선택되는 적어도 일종이다)로 표시되는 형광체를 사용하여도 된다.
또, 본 발명의 발광다이오드에서는, 상기 포토루미네선스 형광체로서, 일반식 (Y1-p-q-rGdpCeqSmr)3(Al1-sGas)5O12(단, 0≤p≤0.8, 0.003≤q≤0.2, 0.0003≤r≤0.08, 0≤s≤1)로 표시되는 형광체를 사용할 수도 있다.
본 발명의 발광다이오드에 있어서는, 발광파장을 소망하는 파장으로 조정하기 위해서, 상기 포토루미네선스 형광체는 각각 Y과 Al을 포함하여 이루어지는 서로 조성이 다른 2이상의 세륨으로 활성화된 이트륨 ·알루미늄 ·가넷계 형광체를 포함하도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 발광다이오드에서는, 상기한 바와 마찬가지로 발광파장을 소망하는 파장으로 조정하기 위해서, 상기 포토루미네선스 형광체로서, 각각 일반식 (Re1-rSmr)3(Al1-sGas)5O12:Ce (단, 0≤r＜1, 0≤s≤1, Re는 Y, Gd에서 선택되는 적어도 일종이다)로 표시되고, 서로 조성이 다른 2이상의 형광체를 사용하여도 된다.
본 발명의 발광다이오드에서는, 상기한 바와 마찬가지로 발광파장을 소망하는 파장으로 조정하기 위해서, 상기 포토루미네선스 형광체로서, 일반식 Y3(Al1-sGas)5O12:Ce로 표시되는 제 1 형광체와, 일반식 Re3Al5O12:Ce로 표시되는 제 2 형광체를 사용하여도 된다. 여기서, 0≤s≤1, Re는 Y, Gd, La에서 선택되는 적어도 일종이다.
본 발명의 발광다이오드에서는, 상기한 바와 마찬가지로 발광파장을 소망하는 파장으로 조정하기 위해서, 상기 포토루미네선스 형광체는, 각각 이트륨·알루미늄·가넷계 형광체에 있어서, 각각 이트륨의 일부가 가돌리늄으로 치환되어 이루어지고, 서로 치환량이 다른 제 1 형광체와 제 2 형광체를 사용하여도 된다.
또, 형광체에서는, 일반적으로 단파장의 광을 흡수하여 장파장의 광을 발광하는 것이 장파장의 광을 흡수하여 단파장의 광을 발광하는 것에 비해 효율이 좋다. 발광소자로서는, 수지(몰드부재나 코팅부재 등)를 열화시키는 자외선 광을 발광시키는 것보다 가시광을 발광시키는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 발광다이오드에 있어서는, 발광효율의 향상 및 장수명화(長壽命化)를 위해서, 상기 발광소자의 발광 스펙트럼의 주 피크를 가시광 중에서 비교적 단파장인 400nm에서 530nm 범위 내에서 설정하고, 또한 상기 포토루미네선스 형광체의 주 발광파장을 상기 발광소자의 주 피크 파장보다 길게 설정하는 것이 바람직하다. 또, 이와 같이 함으로써, 형광체에 의해서 변환된 광은 발광소자가 발광하는 광보다도 장파장이기 때문에, 형광체 등에 의해서 반사된 변환후의 광이 발광소자에 조사되더라도 발광소자에 의해서 흡수되는 일이 없다(밴드 갭 에너지보다 변환된 광의 에너지 측이 작기 때문이다). 이와 같이, 형광체 등에 의해서 반사된 광은 발광소자를 얹어놓은 컵에 의해서 반사되므로, 더욱더 효율좋은 발광이 가능하게 된다.본 발명의 발광다이오드의 제조방법은, 컵부에 장착되어 있는 청색 발광 칩과, 상기 청색 발광 칩의 발광파장을 이것보다도 장파장의 광으로 변환시키는 형광물질을 가지는 발광다이오드의 제조방법에 있어서, 컵부에 청색 발광 칩을 탑재하는 공정과; 상기 청색 발광 칩이 탑재된 컵부 내에 상기 형광물질을 함유하는 코팅 수지를 주입하여 청색 발광 칩을 피복하는 공정과; 상기 형광물질을 함유하는 코팅 수지를 몰드부재로 포위하는 공정;으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.본 발명의 방법에 의해서 제조된 발광다이오드는, 형광물질인 파장변환재료를 함유하는 코팅수지를 청색 발광 칩을 피복하도록 컵부 내에 충진하고 있다. 형광물질인 파장변환재료는 청색 발광 칩의 발광색을 변환시켜서 컵부의 외부로 방사한다. 컵부 내에 충진되는 형광물질인 파장변환재료는 발광색이 변환된 광을 사방 팔방으로 산란시키는데, 산란된 광의 대부분은 컵부 내면에서 반사되어 발광관측면측으로 집광된다. 즉, 본 발명의 발광다이오드는, 청색 발광 칩이 고정되고 또한 파장변환재료가 충진되어 있는 컵부에 의해서, 발광색이 변환된 광을 내면에서 반사하여 집광할 수 있기 때문에 변환광의 집광효율을 격단으로 향상시킬 수 있다.또한, 파장변환재료를 형광물질로 하고 있기 때문에, 형광물질을 함유하는 코팅수지를 컵부의 가장자리부의 수평면보다 낮게 되도록 충진하면, 외부에서 입사되는 광이 컵부의 가장자리에 의해서 차단되어 형광물질에까지 도달하지 않게 됨으로써 발광다이오드간의 혼색을 방지할 수 있다. 간단하게 말하면, 컵부의 깊이를 깊게 하여 형광물질을 함유하는 코팅수지가 컵부에서 비어져 나오지 않도록 함으로써, 형광물질의 여기원을 청색 발광 칩의 발광파장만으로 제한할 수 있다.(발명의 실시형태)
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다.
도 1에 나타낸 발광다이오드(100)는 마운트 리드(105)와 인너 리드(106)를 구비한 리드 타입의 발광다이오드로서, 마운트 리드(105)의 컵부(105a) 위에 발광소자(102)가 설치되고, 컵부(105a) 내에 상기 발광소자(102)를 덮도록 소정의 포토 루미네선스 형광체를 함유하는 코팅수지(101)가 충진된 후에 수지 몰드되어 구성된다. 여기서, 발광소자(102)의 n측 전극 및 p측 전극은 각각 마운트 리드(105)와 인너 리드(106)에 와이어(103)를 사용하여 접속된다.
이상과 같이 구성된 발광다이오드에 있어서는, 발광소자(LED 칩)(102)에 의해서 발광된 광(이하, LED광이라 한다)의 일부가 코팅수지(101)에 함유된 포토루미네선스 형광체를 여기시켜 LED광과 다른 파장의 형광을 발생시킴으로써, 포토루미네선스 형광체에서 발생하는 형광과 포토루미네선스 형광체의 여기에 상관없이 출력되는 LED광이 혼색되어 출력된다. 이 결과, 발광다이오드(100)는 발광소자(102)에서 발생하는 LED광과는 파장이 다른 광도 출력한다.
또, 도 2에 나타낸 것은 칩 타입의 발광다이오드로서, 케이싱(204)의 오목부에 발광소자(LED 칩)(202)가 설치되고, 이 오목부에 소정의 포토루미네선스 형광체를 함유하는 코팅재가 충진되어 코팅부(201)가 형성되도록 구성된다. 여기서, 발광소자(202)는, 예를 들면 Ag을 함유시킨 에폭시수지 등에 의해서 고정되고, 이 발광소자(202)의 n측 전극과 P측 전극은 각각 케이싱(204)에 설치된 단자금속(205)에 도전성 와이어(203)를 사용하여 접속된다.
이상과 같이 구성된 칩 타입의 발광다이오드(200)에 있어서는, 도 1의 리드타입의 발광다이오드(100)와 마찬가지로, 포토루미네선스 형광체에서 발생하는 형광과 포토루미네선스 형광체에 흡수되지 않고 전달된 LED광이 혼색되어 출력되며, 이 결과, 발광다이오드(200)는 발광소자(102)에서 발생하는 LED광과는 파장이 다른 광도 출력한다.
이상 설명한 포토루미네선스 형광체를 구비한 발광다이오드는 다음과 같은 특징을 가진다.
1. 통상, 발광소자(LED)에서 방출되는 광은 발광소자에 전력을 공급하는 전극을 통해서 방출된다. 방출된 광은 발광소자에 형성된 전극의 음이 되어 특정한 발광패턴을 가지기 때문에, 모든 방향으로 균일하게 방출되지 않는다. 그러나, 형광체를 구비한 발광다이오드는 형광체에 의해서 발광소자로부터의 광을 산란시켜서 광을 방출하기 때문에, 불필요한 발광패턴을 형성하는 일 없이 넓은 범위에 걸쳐서 균일하게 광을 방출할 수 있다.
2. 발광소자(LED)로부터의 광은 단색성 피크를 가진다 하더라도 어느 정도의 스펙트럼 폭을 가지기 때문에 연색성이 높다. 이것은 비교적 넓은 범위의 파장을 필요로 하는 광원으로서 사용할 경우에는 없어서는 안 될 장점이 된다. 예를 들면, 스캐너의 광원 등에 사용할 경우에는 스펙트럼 폭이 넓은 것이 바람직하다.
이하에 설명하는 제 1, 제 2 실시형태의 발광다이오드는, 도 1 또는 도 2에 나타낸 구조를 가지는 발광다이오드에 있어서, 가시광 대역에 있어서의 광에너지가 비교적 높은 질화물계 화합물 반도체를 사용한 발광소자와, 특정한 포토루미네선스 형광체를 조합한 것을 특징으로 하며, 이것에 의해서 고휘도의 발광을 가능하게 하고, 장시간의 사용에 대해서 발광효율의 저하나 색 편향이 적다는 양호한 특성을 가진다.
형광체에 있어서는, 일반적으로 단파장의 광을 흡수하여 장파장의 광을 방출하는 형광체가 장파장의 광을 흡수하여 단파장의 광을 방출하는 형광체에 비해서 변환효율이 우수하기 때문에, 본 발명의 발광다이오드에 있어서는 단파장의 청색계 발광이 가능한 질화갈륨계 반도체 발광소자를 사용하는 것이 바람직하다. 또, 고휘도의 발광소자를 사용하는 것이 바람직하다는 것은 말할 것도 없다.
이와 같은 질화갈륨계 반도체 발광소자와 조합시켜서 사용하는데 적합한 포토루미네선스 형광체로서는,
1. 발광소자(102,202)에 근접하게 설치되어 태양광의 약 30배에서 40배에 달하는 강한 광에 노출되게 되므로, 강한 강도의 광조사에 대해서 장시간 견딜 수 있는 내광성이 우수한 것.
2. 발광소자(102,202)에 의해서 여기되기 때문에, 발광소자의 발광에 의해서 효율좋게 발광하는 것. 특히, 혼색을 이용할 경우, 자외선이 아닌 청색계 발광에 의해서 효율좋게 발광하는 것.
3. 청색계의 광과 혼색되어 백색이 되도록, 녹색계에서 적색계의 광이 발광 가능한 것.
4. 발광소자(102,202)에 근접하게 설치되어 이 칩을 발광시킬 때의 발열에 의한 온도변화의 영향을 받기 때문에, 온도특성이 양호한 것.
5. 조성비 또는 복수 형광체의 혼합비를 변화시킴으로써 색조를 연속적으로 변화시킬 수 있는 것.
6. 발광다이오드가 사용되는 환경에 대응한 내후성이 있는 것, 등의 특성이 요구된다.
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＜제 1 실시형태＞
본원발명에 관한 제 1 실시형태의 발광다이오드는, 발광층에 고에너지 밴드 갭을 가지며 청색계의 발광이 가능한 질화갈륨계 화합물 반도체소자와, 황색계의 발광이 가능한 포토루미네선스 형광체인 세륨으로 활성화된 가넷계 포토루미네선스 형광체를 조합시킨 것이다. 따라서, 본 제 1 실시형태의 발광다이오드에 있어서는, 발광소자(102,202)로부터의 청색계 발광과, 이 발광에 의해서 여기된 포토루미네선스 형광체로부터의 황색계 형광광과의 혼색에 의해서 백색계 발광이 가능하게 된다.
또, 본 제 1 실시형태의 발광다이오드에 사용한 세륨으로 활성화된 가넷계 포토루미네선스 형광체는 내광성 및 내후성을 가지기 때문에, 발광소자(102, 202)에서 방출된 가시광 대역에 있어서의 고에너지 광을 장시간 그 근방에서 고휘도로 조사한 경우에도 발광색의 색 편향이나 발광휘도의 저하가 극히 적은 백색광을 발광할 수 있다.
이하, 본 제 1 실시형태에 관한 발광다이오드의 각 구성부재에 대해서 상세하게 설명한다.
(포토루미네선스 형광체)
본 제 1 실시형태의 발광다이오드에 사용되는 포토루미네선스 형광체는, 반도체 발광층에서 발광된 가시광이나 자외선에 의해서 여기되고, 여기된 광과 다른 파장을 가지는 광을 발광하는 포토루미네선스 형광체이다. 구체적으로는, 포토루미네선스 형광체는 Y, Lu, Sc, La, Gd 및 Sm에서 선택된 적어도 1개의 원소와 Al, Ga 및 In에서 선택된 적어도 1개의 원소를 함유하고, 세륨으로 활성화된 가넷계 형광체이다. 본 발명에서는, 상기 형광체로서, Y과 Al을 함유하고 세륨으로 활성화된 이트륨·알루미늄·가넷계 형광체, 또는 일반식 (Re1-rSmr)3(Al1-sGas)5O12:Ce (단, 0≤r＜1, 0≤s≤1, Re는 Y, Gd에서 선택되는 적어도 1종)로 표시되는 형광체를 사용하는 것이 바람직하다. 질화갈륨계 화합물 반도체를 사용한 발광소자가 발광하는 LED광과, 보디 칼라가 황색인 포토루미네선스 형광체가 발광하는 형광광이 보색관계에 있는 경우, LED광과 형광광을 혼색하여 출력함으로써 전체적으로 백색계 광을 출력할 수 있다.
본 제 1 실시형태에 있어서, 상기 포토루미네선스 형광체는, 상술한 바와 같이 코팅수지(101), 코팅부(201)를 형성하는 수지(상세한 내용은 후술함)에 혼합하여 사용되기 때문에, 질화갈륨계 발광소자의 발광파장에 대응시켜서 수지 등과의 혼합비율 또는 컵부(105a) 또는 케이싱(204)의 오목부에 대한 충진량을 각각 조정함으로써, 발광다이오드의 색조를 백색을 포함하여 전구색 등 임의로 설정할 수 있다.
상기 포토루미네선스 형광체의 함유분포는 혼색성이나 내구성에도 영향을 준다. 예를 들면, 포토루미네선스 형광체가 함유된 코팅부나 몰드부재의 표면측에서 발광소자측을 향해서 포토루미네선스 형광체의 분포농도를 점차 높아지게 한 경우에는, 외부환경으로부터의 수분 등의 영향을 보다 덜 받게 할 수 있어 수분에 의한 열화를 방지할 수 있다. 한편, 포토루미네선스 형광체를 발광소자측에서 몰드부재 등의 표면측을 향해서 분포농도가 점차 높아지게 되도록 분포시키면, 외부환경으로부터의 수분의 영향은 받기 쉽지만 발광소자로부터의 발열, 조사(照射)강도 등의 영향을 보다 적게 할 수 있어 포토루미네선스 형광체의 열화를 억제할 수 있다. 이와 같은 포토루미네선스 형광체의 분포는 포토루미네선스 형광체를 함유하는 부재, 형성온도, 점도나 포토루미네선스 형광체의 형상, 입도분포 등을 조정함으로써 각종 분포를 실현할 수 있으며, 발광다이오드의 사용조건 등을 고려하여 분포상태를 설정할 수 있다.
제 1 실시형태의 포토루미네선스 형광체는 발광소자(102,202)와 접하거나 또는 근접하게 배치되고, 조사강도(Ee)로서 3W·cm-2 이상 10W·cm-2 이하에서도 고효율이고 또한 충분한 내광성을 가지기 때문에, 상기 형광체를 사용함으로써 우수한 발광 특성을 가지는 발광다이오드를 구성할 수 있다.
또, 제 1 실시형태의 포토루미네선스 형광체는 가넷구조를 가지기 때문에, 열, 광 및 수분에 강하고, 도 3A에 나타낸 바와 같이 여기 스펙트럼의 피크를 450nm 부근으로 할 수 있다. 또, 발광피크도, 도 3B에 나타낸 바와 같이 580nm 부근에 있고 700nm까지 점차 줄어드는 브로드한 발광 스펙트럼을 가진다. 또, 제 1 실시형태의 포토루미네선스 형광체는, 결정 내에 Gd을 함유함으로써 460nm 이상의 장파장 대역에 있어서의 여기 발광효율을 높일 수 있다. Gd함유량의 증가에 의해서 발광 피크파장이 장파장으로 이동하고, 전체의 발광파장도 장파장측으로 시프트한다. 즉, 붉은 빛이 강한 발광색이 필요한 경우, Gd에 의한 치환량을 많게 함으로써 달성할 수 있다. 한편, Gd이 증가함에 따라서 청색광에 의한 포토루미네선스의 발광휘도가 저하되는 경향이 있다.
특히, 가넷구조를 가지는 YAG계 형광체의 조성 중, Al의 일부를 Ga으로 치환함으로써 발광파장이 단파장측으로 시프트한다. 또, 조성 중, Y의 일부를 Gd으로 치환함으로써 발광파장이 장파장측으로 시프트한다.
표 1에 일반식 (Y1-aGda)3(Al1-bGab)5O12:Ce로 표시되는 YAG계 형광체의 조성과 그 발광특성을 나타낸다.
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표 1에 나타낸 각 특성은 460nm의 청색광으로 여기하여 측정하였다. 또, 표 1에 있어서의 휘도와 효율은 ①의 재료를 100으로 하여 상대값으로 나타내고 있다.
Al을 Ga으로 치환할 경우, 발광효율과 발광파장을 고려하여 Ga:Al = 1:1에서 4:6의 범위의 비율로 설정하는 것이 바람직하다. 마찬가지로, Y의 일부를 Gd으로 치환할 경우에는 Y:Gd = 9:1 에서 1:9의 범위의 비율로 설정하는 것이 바람직하고, 4:1 에서 2:3의 범위의 비율로 설정하는 것이 보다 바람직하다. Gd의 치환량이 2할 미만일 때에는 녹색성분이 커지고 적색성분이 적어지게 되기 때문이고, Gd의 치환량이 6할 이상이 되면, 적색성분은 증가시킬 수 있지만 휘도가 급격하게 저하된다. 특히, 발광소자의 발광파장에 의거하는 것인데, YAG계 형광체 중의 Y과 Gd의 비율을 Y:Gd = 4:1에서 2:3의 범위로 설정함으로써, 1종류의 이트륨·알루미늄·가넷계 형광체를 사용하여 흑체방사궤적(黑體放射軌跡:black body radiation locus)을 거의 따르는 백색광의 발광이 가능한 발광다이오드를 구성할 수 있다. 또, YAG계 형광체 중의 Y과 Gd의 비율을 Y:Gd = 2:3∼1:4의 범위로 설정하면, 휘도는 낮지만 전구색의 발광이 가능한 발광다이오드를 구성할 수 있다. Ce의 함유량(치환량)은 0.003∼0.2의 범위로 설정함으로써, 발광다이오드의 상대 발광광도를 70% 이상으로 할 수 있다. 함유량이 0.003 미만일 때에는 Ce에 의한 포토루미네선스의 여기발광중심의 수가 감소함으로써 광도가 저하되고, 반대로 0.2보다 커지게 되면, 농도소광(density quenching)이 발생한다.
이상과 같이 조성의 Al의 일부를 Ga으로 치환함으로써 발광파장을 단파장으로 시프트시킬 수 있고, 또 조성의 Y의 일부를 Gd으로 치환함으로써 발광파장을 장파장으로 시프트시킬 수 있다. 이와 같이 조성을 변화시킴으로써 발광색을 연속적으로 조절하는 것이 가능하다. 또, 파장이 254nm나 365nm인 Hg휘선에서는 거의 여기되지 않아 450nm 부근의 청색계 발광소자로부터의 LED광에 의한 여기효율이 높다. 또한, 피크파장이 Gd의 조성비에 의해서 연속적으로 변하는 등 질화물 반도체 발광소자의 청색계 발광을 백색계 발광으로 변환시키기 위한 이상적인 조건을 구비하고 있다.
또, 제 1 실시형태에서는, 질화갈륨계 반도체를 사용한 발광소자와, 세륨으로 활성화된 이트륨·알루미늄·가넷 형광체(YAG)에 희토류 원소인 사마륨(Sm)을 함유시킨 포토루미네선스 형광체를 조합함으로써, 발광다이오드의 발광효율을 더 향상시킬 수 있다.
이와 같은 포토루미네선스 형광체는, Y, Gd, Ce, Sm, Al 및 Ga의 원료로서 산화물 또는 고온에서 용이하게 산화물이 되는 화합물을 사용하고, 이것들을 소정의 화학량론비로 충분히 혼합하여 혼합원료를 제작하고, 제작된 혼합원료에 프럭스로서 불화암모늄 등의 불화물을 적량 혼합하여 도가니에 넣고, 공기중 1350∼1450℃의 온도범위에서 2∼5시간 소성하여 소성품을 얻고, 얻어진 소성품을 수중에서 볼밀(ball mill)하여 세정, 분리, 건조하고, 최후로 체로 쳐서 제작할 수 있다.
상술한 제작방법에 있어서, 혼합원료는 Y, Gd, Ce, Sm의 희토류 원소를 화학량론비로 산에 용해시킨 용해액을 수산으로 공침시킨 것을 소성하여 얻어지는 공침산화물(oxide of the coprecipitate)과, 산화알루미늄과, 산화갈륨을 혼합함으로써 제작하여도 된다.
일반식 (Y1-p-q-rGdpCeqSmr)3Al5O12로 표시할 수 있는 포토루미네선스 형광체는, 결정 내에 Gd을 함유시킴으로써, 특히 460nm 이상의 장파장 대역의 여기발광효율을 높일 수 있다. 또, 가돌리늄의 함유량을 증가시킴으로써, 발광피크파장을 530nm에서 570nm까지 장파장으로 이동시키고, 전체의 발광파장도 장파장측으로 시프트시킬 수 있다. 붉은 빛이 강한 발광색이 필요한 경우에는 Gd의 치환량을 많게 함으로써 달성할 수 있다. 한편, Gd이 증가함에 따라서 청색광에 의한 포토루미네선스의 발광휘도는 서서히 저하된다. 따라서, p는 0.8 이하인 것이 바람직하고, 0.7 이하인 것이 더 바람직하다. 특히 바람직하게는 0.6 이하이다.
또, 일반식 (Y1-p-q-rGdpCeqSmr)3Al5O12로 표시되는 Sm을 함유하는 포토루미네선스 형광체는, Gd의 함유량을 증가시켜도 온도특성의 저하를 적게 할 수 있다. 즉, Sm을 함유시킴으로써, 고온에서의 포토루미네선스 형광체의 발광휘도의 열화가 대폭으로 개선된다. 이 개선되는 정도는 Gd의 함유량이 많아지게 될수록 커지게 된다. 특히, Gd의 함유량을 증가시켜서 포토루미네선스의 발광 색조에 붉은 빛을 부여한 조성의 형광체는, 온도특성이 나빠지게 되므로, Sm을 함유시켜서 온도특성을 개선하는 것이 유효하다. 또한, 여기서 말하는 '온도특성'이란, 450nm 청색광에 의한 상온(25℃)에서의 여기발광휘도에 대한, 동일 형광체의 고온(200℃)에서의 발광 휘도의 상대값(%)을 말한다.
Sm의 함유량(r)은 0.0003≤r≤0.08의 범위인 것이 바람직하고, 이것에 의해서 온도특성을 60% 이상으로 할 수 있다. 이 범위보다 r이 작으면, 온도특성의 개량효과가 작아지게 된다. 또, 이 범위보다 r이 커지게 되면, 온도특성은 반대로 저하된다. 또, Sm의 함유량(r)은 0.0007≤r≤0.02의 범위인 것이 더 바람직하고, 이것에 의해서 온도특성을 80% 이상으로 할 수 있다.
Ce의 함유량(q)은 0.003≤q≤0.2의 범위인 것이 바람직하고, 이것에 의해서 상대발광휘도를 70% 이상으로 할 수 있다. 또한, 여기서 말하는 '상대발광휘도'란, q=0.03인 형광체의 발광휘도를 100퍼센트로 하였을 경우에 있어서의 발광휘도를 말한다.
Ce의 함유량(q)이 0.003 이하일 때에는, Ce에 의한 포토루미네선스의 여기발광중심의 수가 감소하기 때문에 휘도가 저하되고, 반대로 0.2보다 커지게 되면, 농도소광이 발생한다. 또한, 여기서 말하는 '농도소광'이란, 형광체의 휘도를 높이기 위해서 활성제의 농도를 증가시켜 가면, 어느 최적값 이상의 농도에서는 발광강도가 저하되는 것을 말한다.
본원발명의 발광다이오드에 있어서는, Al, Ga, Y 및 Gd이나 Sm의 함유량이 다른 2종류 이상의 (Y1-p-q-rGdpCeqSmr)3Al5O12 포토루미네선스 형광체를 혼합하여 사용하여도 된다. 이것에 의해서, 형광체 내의 RGB의 파장성분을 증가시킬 수 있고, 이것에, 예를 들면 칼라 필터를 사용하여 풀 칼라 액정표시장치(full-color liquid crystal display device)용으로서도 이용할 수 있다.
(발광소자(102,202))
발광소자는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 몰드부재에 매설되는 것이 바람직하다. 본원발명의 발광다이오드에 사용되는 발광소자는, 세륨으로 활성화된 가넷계 형광체를 효율좋게 여기시킬 수 있는 질화갈륨계 화합물 반도체이다. 질화갈륨계 화합물 반도체를 사용한 발광소자(102,202)는 M0CVD법 등에 따라서 기판 상에 InGaN 등의 질화갈륨계 반도체를 발광층으로서 형성함으로써 제작된다. 발광소자의 구조로서는, MIS접합, PIN접합이나 PN접합 등을 가지는 호모구조, 헤테로구조 또는 더블 헤테로구조의 것을 들 수 있다. 반도체층의 재료나 그 결정도에 따라서 발광파장을 여러가지 선택할 수 있다. 또, 반도체 활성층을 양자(量子)효과가 생길 정도로 얇게 형성한 단일 양자우물구조나 다중 양자우물구조로 할 수도 있다. 특히, 본원발명에 있어서는, 발광소자의 활성층을 InGaN의 단일 양자우물구조로 함으로써, 포토루미네선스형광층의 열화가 없고, 보다 고휘도로 발광하는 발광다이오드로서 이용할 수 있다.
질화갈륨계 화합물 반도체를 사용한 경우, 반도체 기판으로서는 사파이어, 스핀넬, SiC, Si, ZnO 등의 재료를 사용할 수 있지만, 결정성이 좋은 질화갈륨을 형성시키기 위해서는 사파이어 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 이 사파이어 기판 상에 GaN, AlN 등의 버퍼층을 통해서 PN접합을 형성하도록 질화갈륨 반도체층을 형성한다. 질화갈륨계 반도체는 불순물을 도프하지 않은 상태에서 N형 도전성을 나타내지만, 발광효율을 향상시키는 등 소망하는 특성(캐리어농도 등)을 가지는 N형 질화갈륨 반도체를 형성하기 위해서는, N형 도펀트로서 Si, Ge, Se, Te, C 등을 적절하게 도프하는 것이 바람직하다. 한편, p형 질화갈륨 반도체를 형성하는 경우에는, p형 도펀트인 Zn, Mg, Be, Ca, Sr, Ba 등을 도프한다. 또한, 질화갈륨계 화합물 반도체는, p형 도펀트를 도프한 것만으로는 p형화하기 어렵기 때문에, p형 도펀트 도입후에 노(furnace)에 의한 가열, 저속 전자선 조사나 플라즈마 조사 등에 의해서 p형화시키는 것이 바람직하다. 에칭 등에 의해서 P형 및 N형 질화갈륨 반도체의 표면을 노출시킨 후, 각 반도체층 상에 스퍼터링법이나 진공증착법 등을 사용하여 소망하는 형상의 각 전극을 형성한다.
그리고, 이상과 같이 하여 형성된 반도체 웨이퍼 등을 다이싱소(dicing saw)에 의해서 직접 풀 커트하는 방법, 또는 절삭날의 날끝보다도 넓은 폭의 홈을 판 후(하프 커트)에 외력에 의해서 반도체 웨이퍼를 자르는 방법, 또는 선단의 다이아몬드 침(針)이 왕복직선운동하는 스크라이버로 반도체 웨이퍼에 극히 가느다란 스크라이브 라인(경선)을 예를 들어 바둑판모양으로 그은 후, 외력에 의해서 웨이퍼를 자르는 방법 등을 이용하여 반도체 웨이퍼를 칩형태로 커트한다. 이와 같이 하여 질화갈륨계 화합물 반도체로 이루어진 발광소자를 형성할 수 있다.
본 제 1 실시형태의 발광다이오드에 있어서, 백색계를 발광시킬 경우에는, 포토루미네선스 형광체와의 보색관계나 수지의 열화 등을 고려하여, 발광소자의 발광파장은 400nm 이상 530nm 이하로 설정하는 것이 바람직하고, 420nm 이상 490nm 이하로 설정하는 것이 더 바람직하다. 발광소자와 포토루미네선스 형광체의 효율을 각각 더 향상시키기 위해서는 450nm 이상 475nm 이하로 설정하는 것이 더욱 바람직하다. 제 1 실시형태에 관한 백색계 발광다이오드의 발광 스펙트럼의 일례를 도 4에 나타낸다. 여기서 예시한 발광다이오드는 도 1에 나타낸 리드 타입의 것이고, 후술하는 제 1 실시예의 발광소자와 포토루미네선스 형광체를 사용한 것이다. 여기서, 도 4에 있어서 450nm 부근에 피크를 가지는 발광이 발광소자로부터의 발광이고, 570nm 부근에 피크를 가지는 발광이 발광소자에 의해서 여기된 포토루미네선스의 발광이다.
또, 표 1에 나타낸 형광체와 피크파장 465nm의 청색 LED(발광소자)를 조합한 백색계 발광다이오드로 실현할 수 있는 색재현범위를 도 16에 나타낸다. 이 백색계 발광다이오드의 발광색은, 청색 LED 기원의 색도점과 형광체 기원의 색도점을 잇는 직선상의 어느 곳에 위치하기 때문에, 표 1의 ①∼⑦의 형광체를 사용함으로써 색도 도면 중앙부의 광범위한 백색영역(도 16에 있어서 빗금친 부분)을 모두 커버할 수 있다. 도 17은 백색계 발광다이오드에 있어서의 형광체의 함유량을 변화시켰을 때의 발광색의 변화를 나타낸 것이다. 여기서, 형광체의 함유량은, 코팅부에 사용하는 수지에 대한 중량 퍼센트로 나타낸다. 도 17에서 알 수 있는 바와 같이, 형광체의 양을 늘리면 형광체의 발광색에 근접하고, 줄이면 청색 LED에 근접한다.
또한, 본원발명에서는, 형광체를 여기시키는 광을 발생하는 발광소자와 형광체를 여기시키지 않는 발광소자를 함께 사용할 수도 있다. 구체적으로는, 형광체를 여기시킬 수 있는 질화물계 화합물 반도체인 발광소자와, 형광체를 실질적으로 여기시키지 않는, 발광층이 갈륨-인, 갈륨-알루미늄-비소, 갈륨-비소-인이나 인듐-알루미늄-인 등인 발광소자를 함께 배치한다. 이와 같이 하면, 형광체를 여기시키지 않는 발광소자로부터 발생되는 광은 형광체에 흡수되지 않고 외부로 방출된다. 이것에 의해서, 홍백색을 발광할 수 있는 발광다이오드로 할 수 있다.
이하, 도 1 및 도 2의 발광다이오드의 다른 구성요소에 대해서 설명한다.
(도전성 와이어(103,203))
도전성 와이어(103,203)로서는, 발광소자(102,202)의 전극에 대한 옴성, 기계적 접속성, 전기전도성 및 열전도성이 좋은 것이 요구된다. 열전도도로서는 0.01㎈/(s)(㎠)(℃/cm) 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5㎈/(s)(㎠)(℃/cm) 이상이다. 또, 작업성을 고려하면, 도전성 와이어의 직경은 10㎛ 이상 45㎛ 이하가 바람직하다. 특히, 형광체가 함유된 코팅부와 몰드부재를 각각 동일한 재료로 사용하였다 하더라도, 어느 일측에 형광체가 들어감에 의한 열팽창계수의 차이에 의해서 이것들의 경계면에서는 도전성 와이어가 단선되기 쉽다. 따라서, 도전성 와이어의 직경은 25㎛ 이상이 보다 바람직하고, 발광면적이나 취급의 용이성이라는 관점에서 35㎛ 이하가 바람직하다. 도전성 와이어의 재질로서는 금, 구리, 백금, 알루미늄 등의 금속 및 이것들의 합금을 들 수 있다. 이와 같은 재질, 형상으로 이루어진 도전성 와이어를 사용함으로써, 와이어본딩장치로 각 발광소자의 전극과 인너 리드 및 마운트 리드를 용이하게 접속할 수 있다.
(마운트 리드(105))
마운트 리드(105)는 컵부(105a)와 리드부(105b)로 이루어지며, 컵부(105a)에 다이본딩장치로 발광소자(102)를 얹어놓을 수 있는 크기로 되어 있으면 된다. 또, 복수의 발광소자를 컵 내에 설치하여 마운트 리드를 발광소자의 공통전극으로서 이용할 경우에는, 다른 전극재료를 사용하는 경우가 있기 때문에, 각각에 충분한 전기전도성과 본딩와이어 등에 대한 접속성이 요구된다. 또, 마운트 리드의 컵 내에 발광소자를 배치함과 아울러 형광체를 컵 내부에 충진시킬 경우에는, 형광체로부터의 광이 등방적(isotropic)으로 방출된다 하더라도 컵에 의해서 소망하는 방향으로 반사되기 때문에, 즉 코팅수지가 컵의 가장자리부의 수평면보다도 낮게 충진되어 있어 이 컵에 의해서 가이드되어 소망하는 방향으로 반사되기 때문에, 근접하게 배치시킨 다른 발광다이오드로부터의 광에 의한 의사점등을 방지할 수 있다. 여기서, 의사점등(擬似点燈)이란, 근접하게 배치된 다른 발광다이오드에 전력을 공급하지 않았는데도 발광하고 있는 것처럼 보이는 현상을 말한다.
발광소자(102)와 마운트 리드(105)의 컵부(105a)와의 접착은, 에폭시수지, 아크릴수지나 이미드수지 등의 열경화성 수지 등을 사용하여 접착할 수 있다. 또, 페이스 다운(face down) 발광소자{기판측에서 발광하는 타입으로서, 발광소자의 전극을 컵부(105a)에 대향시켜서 부착하도록 구성된 것}를 사용할 경우에는, 이 발광소자를 마운트 리드와 접착시킴과 아울러 전기적으로 도통시키기 위해서, Ag 페이스트, 카본 페이스트, 금속범프 등을 사용할 수 있다. 또한, 발광다이오드의 광 이용효율을 향상시키기 위해서, 발광소자가 배치되는 마운트 리드의 컵부의 표면을 경면상태로 하여, 이 표면에 반사기능을 갖게 하여도 된다. 이 경우의 표면조도는 0.1S 이상 0.8S 이하가 바람직하다. 또, 마운트 리드의 구체적인 전기저항으로서는 300μΩㆍ㎝ 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 3μΩㆍ㎝ 이하이다. 또, 마운트 리드 상에 복수의 발광소자를 적층시킬 경우에는, 발광소자로부터의 발열량이 많아지기 때문에 열전도도가 좋은 것이 요구되며, 그 열전도도는 0.01㎈/(s)(㎠)(℃/cm) 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5㎈/(s)(㎠)(℃/cm) 이상이다. 이러한 조건을 만족하는 재료로서는 철, 구리, 철을 입힌 구리, 주석을 입힌 구리, 메탈라이드즈 세라믹(metallized ceramincs) 등을 들 수 있다.(인너 리드(106))인너 리드(106)는 마운트 리드(105) 상에 배치된 발광소자(102)의 일측 전극에 도전성 와이어 등에 의해서 접속된다. 마운트 리드 상에 복수의 발광소자를 설치한 발광다이오드의 경우에는, 인너 리드(106)를 복수개 설치하고, 각 도전성 와이어들이 접촉하지 않도록 각 인너 리드를 배치할 필요가 있다. 예를 들면, 마운트 리드로부터 멀어짐에 따라서 각 인너 리드에 있어서의 와이어본딩되는 각 단면의 면적을 순차적으로 크게 함으로써, 도전성 와이어간에 간격을 두도록 본딩하여 도전성 와이어간의 접촉을 방지할 수 있다. 인너 리드의 도전성 와이어에 대한 접속단면의 조도는, 밀착성을 고려하여 1.6S 이상 10S 이하로 설정하는 것이 바람직하다.인너 리드는 소망하는 형상이 되도록 형틀을 이용한 블랭킹가공 등을 사용하여 형성할 수 있다. 또한, 인너 리드를 블랭킹가공에 의해서 형성한 후, 단면방향에서 가압함으로써 소망하는 단면의 면적과 단면높이를 조정하도록 하여도 된다.또, 인너 리드는, 도전성 와이어인 본딩와이어 등과의 접속성 및 전기전도성이 좋은 것이 요구된다. 구체적인 전기저항으로서는 300μΩㆍ㎝ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3μΩㆍ㎝ 이하이다. 이러한 조건을 만족하는 재료로서는 철, 구리, 철을 입힌 구리, 주석을 입힌 구리 및 구리, 금, 은을 도금한 알루미늄, 철, 구리 등을 들 수 있다.
(코팅부(101))
코팅부(101)는, 몰드부재(104)와는 별도로 마운트 리드(105)의 컵부(105a)에 형성되는 것으로, 본 제 1 실시형태에서는 발광소자의 발광을 변환시키는 포토루미네선스 형광체가 함유된 것이다. 코팅부의 구체적인 재료로서는 에폭시수지, 우레아수지, 실리콘 등의 내후성이 우수한 투명수지나 유리 등이 적합하다. 또, 포토루미네선스 형광체와 함께 확산제를 함유시켜도 된다. 구체적인 확산제로서는, 티탄산바륨, 산화티탄, 산화알루미늄, 산화규소 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 형광체를 스퍼터링에 의해서 형성할 경우에는 코팅부를 생략할 수도 있다. 이 경우, 막두께를 조정하거나 형광체층에 개구부를 형성함으로써 혼색 표시가 가능한 발광다이오드로 할 수 있다.
(몰드부재(104))
몰드부재(104)는, 발광소자(102), 도전성 와이어(103), 포토루미네선스 형광체가 함유된 코팅부(101) 등을 외부로부터 보호하는 기능을 가진다. 본 제 1 실시 형태에서는 몰드부재(104)에 확산제를 더 함유시키는 것이 바람직하고, 이것에 의해서 발광소자(102)로부터의 지향성을 완화시킬 수 있고, 시야각을 증가시킬 수 있다. 또, 몰드부재(104)는, 발광다이오드에 있어서, 발광소자로부터의 발광을 집속시키거나 확산시키는 렌즈기능을 가진다. 따라서, 몰드부재(104)는 통상 볼록렌즈형상, 오목렌즈형상, 나아가서는 발광 관측면에서 볼 때 타원형상이나 이것들을 복수개 조합한 형상으로 형성된다. 또, 몰드부재(104)는, 각각 다른 재료를 복수 적층한 구조로 하여도 된다. 몰드부재(104)의 구체적인 재료로서는, 주로 에폭시수지, 우레아수지, 실리콘수지 등의 내후성이 우수한 투명수지나 유리 등이 적합하다. 또, 확산제로는 티탄산바륨, 산화티탄, 산화알루미늄, 산화규소 등을 사용할 수 있다. 또한, 본원발명에서는, 확산제와 더불어 몰드부재 내에 포토루미네선스 형광체를 함유시켜도 된다. 즉, 본원발명에서는 포토루미네선스 형광체를 코팅부에 함유시켜도 되고, 몰드부재 내에 함유시켜도 된다. 몰드부재에 포토루미네선스 형광체를 함유시킴으로써, 시야각을 더 크게 할 수 있다. 또, 코팅부와 몰드부재 모두에 함유시켜도 된다. 또한, 코팅부를 포토루미네선스 형광체가 함유된 수지로 하고, 몰드부재를 코팅부와 다른 부재인 유리를 사용하여 형성하여도 되고, 이와 같이 함으로써, 수분 등의 영향이 적은 발광다이오드를 생산성 높게 제조할 수 있다.또, 용도에 따라서는 굴절률을 맞추기 위해서 몰드부재와 코팅부를 같은 부재를 사용하여 형성하여도 된다. 본원발명에서는 몰드부재에 확산제나 착색제를 함유시킴으로써, 발광 관측면 측에서 본 형광체의 착색을 숨길 수 있음과 아울러, 혼색성을 더 향상시킬 수 있다. 즉, 형광체는 강한 외래광 중에서 청색성분을 흡수하여 발광하므로 황색으로 착색되어 있는 것처럼 보인다. 그러나, 몰드부재에 함유된 확산제는 몰드부재를 유백색으로 하고, 착색제는 소망하는 색으로 착색한다. 이것에 의해서, 발광 관측면에서 형광체의 색이 관측되지 않는다. 또한, 발광소자의 주 발광파장이 430nm 이상인 경우에는 광안정화제인 자외선 흡수제를 함유시키는 것이 보다 바람직하다.
＜제 2 실시형태＞
본 발명에 관한 제 2 실시형태의 발광다이오드는, 발광소자로서 발광층에 고 에너지 밴드 갭을 가지는 질화갈륨계 반도체를 구비한 소자를 사용하고, 포토루미네선스 형광체로서 서로 조성이 다른 2종류 이상의 포토루미네선스 형광체, 바람직하게는 세륨으로 활성화된 이트륨·알루미늄·가넷계 형광체를 함유하는 형광체를 사용한다. 따라서, 제 2 실시형태의 발광다이오드는, 발광소자에 의해서 발광되는 LED광의 발광파장이, 제조시의 편차 등에 의해서 소망하는 값으로부터 벗어난 경우에도, 2종류 이상의 형광체의 함유량을 조절함으로써 소망하는 색조를 가진 발광다이모드를 제작할 수 있다. 이 경우, 발광파장이 비교적 짧은 발광소자에 대해서는 발광파장이 비교적 짧은 형광체를 사용하고, 발광파장이 비교적 긴 발광소자에는 발광파장이 비교적 긴 형광체를 사용함으로써 발광다이오드에서 출력되는 발광색을 일정하게 할 수 있다.
형광체에 대해서 설명하면, 포토루미네선스 형광체로서 일반식 (Re1-rSmr)3(Al1-sGas)5O12:Ce로 표시되는 세륨으로 활성화된 형광체를 사용할 수도 있다. 단, 0＜r≤1, 0≤s≤1, Re는 Y, Gd, La에서 선택되는 적어도 일종이다. 이것에 의해서, 발광소자로부터 방출된 가시광 대역에 있어서의 고에너지를 가지는 광이 장시간 고휘도로 조사된 경우나 여러가지 외부환경의 사용하에서도 형광체의 변질을 적게 할 수 있기 때문에, 발광색의 색 편향이나 발광휘도의 저하가 매우 적고, 또한 고휘도의 소망하는 발광성분을 가지는 발광다이오드를 구성할 수 있다.
(제 2 실시형태의 포토루미네선스 형광체)
제 2 실시형태의 발광다이오드에 사용되는 포토루미네선스 형광체에 대해서 상세하게 설명하다. 제 2 실시형태에 있어서는, 상술한 바와 같이 포토루미네선스형광체로서 조성이 다른 2종류 이상의 세륨으로 활성화된 포토루미네선스 형광체를 사용한 것 외에는 제 1 실시형태와 같게 구성되고, 형광체의 사용방법은 제 1 실시형태와 같다.
또, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 포토루미네선스 형광체의 분포를 여러가지로 변화시킴으로써(발광소자로부터 멀어짐에 따라서 농도의 구배를 두는 등), 내후성이 강한 특성을 발광다이오드에 부여할 수 있다. 이와 같은 분포는 포토루미네선스 형광체를 함유하는 부재, 형성온도, 점도나 포토루미네선스 형광체의 형상, 입도분포 등을 조정함으로써 여러가지로 조정할 수 있다. 따라서, 제 2 실시형태에서는 사용조건 등에 대응시켜서 형광체의 분포농도가 설정된다. 또, 제 2 실시형태에서는 2종류 이상의 형광체를 각각 발광소자로부터 출력되는 광에 대응시켜서 배치함으로써(예를 들면, 발광소자에 가까운 쪽에서부터 차례대로 배치하는 등), 발광효율을 높일 수 있다.
이상과 같이 구성된 제 2 실시형태의 발광다이오드는, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 조도강도로서 (Ee)=3W·cm-2 이상 10W·cm-2 이하의 비교적 고출력의 발광소자와 접하는 또는 근접하게 배치된 경우에서도 고효율이고 또한 충분한 내광성을 가지는 발광다이오드를 구성할 수 있다.
제 2 실시형태에 사용되는 세륨으로 활성화된 이트륨·알루미늄·가넷계 형광체(YAG계 형광체)는, 제 1 실시형태와 마찬가지로 가넷구조를 가지기 때문에 열, 광 및 수분에 강하다. 또, 제 2 실시형태의 이트륨·알루미늄·가넷계 형광체는, 도 5A에 실선으로 나타낸 바와 같이 여기 스펙트럼의 피크를 450nm 부근에 설정할 수 있고, 또한 발광 스펙트럼의 발광피크를 도 5B에 실선으로 나타낸 바와 같이 510nm 부근에 설정할 수 있으며, 게다가 발광 스펙트럼을 700nm까지 점차 줄어들도록 브로드하게 할 수 있다. 이것에 의해서, 녹색계 발광이 가능하게 된다. 또, 제 2 실시형태에 사용되는 세륨으로 활성화된 다른 이트륨·알루미늄·가넷계 형광체는, 여기 스펙트럼의 피크를 도 5A에 점선으로 나타낸 바와 같이 450nm 부근으로 할 수 있고, 또한 발광 스펙트럼의 발광피크를 도 5B에 점선으로 나타낸 바와 같이 600nm 부근에 설정할 수 있으며, 게다가 발광 스펙트럼을 750nm까지 점차 줄어들도록 브로드하게 할 수 있다. 이것에 의해서, 적색계 발광이 가능하게 된다.
가넷구조를 가진 YAG계 형광체의 조성 중, Al의 일부를 Ga으로 치환함에 따라서 발광파장이 단파장측으로 시프트되고, 또 조성의 Y의 일부를 Gd 및/또는 La으로 치환함에 따라서 발광파장이 장파장측으로 시프트된다. Al의 Ga으로의 치환은, 발광효율과 발광파장을 고려하여 Ga:Al = 1:1 에서 4:6이 바람직하다. 마찬가지로, Y의 일부를 Gd 및/또는 La으로 치환하는 것은, Y:Gd 및/또는 La = 9:1 에서 1:9이고, 보다 바람직하게는 Y:Gd 및/또는 La = 4:1 에서 2:3 이다. 치환이 2할 미만일 때에는 녹색성분이 커지고 적색성분이 적어지게 된다. 또, 6할 이상일 때에는 적색성분이 증가하지만 휘도가 급격하게 저하된다.
이와 같은 포토루미네선스 형광체는, Y, Gd, Ce, La, Al, Sm 및 Ga의 원료로서 산화물 또는 고온에서 용이하게 산화물이 되는 화합물을 사용하고, 이것들을 화 학량론비로 충분히 혼합하여 원료를 얻는다. 또는, Y, Gd, Ce, La, Sm의 희토류 원소를 화학량론비로 산에 용해한 용해액을 수산으로 공침한 것을 소성하여 얻어지는 공침산화물과, 산화알루미늄, 산화갈륨을 혼합하여 혼합원료를 얻는다. 이것에 프럭스로서 불화암모늄 등의 불화물을 적량 혼합하여 도가니에 넣고, 공기중 1350∼1450℃의 온도범위에서 2∼5시간 소성하여 소성품을 얻고, 얻어진 소성품을수중에서 볼밀하여 세정, 분리, 건조하고, 최후로 체로 쳐서 제작할 수 있다. 본 제 2 실시형태에 있어서, 조성이 다른 2종류 이상의 세륨으로 활성화된 이트륨·알루미늄·가넷계 형광체는 혼합해서 사용하여도 되고, 각각 독립적으로 배치(예를 들면, 적층)해서 사용하여도 된다. 2종류 이상의 형광체를 혼합해서 사용한 경우, 비교적 간단하게 양산성 좋게 색변환부를 형성할 수 있고, 2종류 이상의 형광체를 독립적으로 배치한 경우에는 소망하는 색이 될 때까지 중합(重合)함으로써, 형성후에 색조정을 할 수 있다. 또, 형광체를 각각 독립적으로 배치해서 사용할 경우, LED 소자에 가까운 측에 광을 보다 단파장측에서 흡수발광하기 쉬운 형광체를 설치하고, LED에서 멀어지는 곳에 이것보다도 장파장측에서 흡수발광하기 쉬운 형광체를 배치하는 것이 바람직하다. 이것에 의해서 효율좋게 흡수 및 발광시킬 수 있다.
이상과 같이 본 제 2 실시형태의 발광다이오드는, 형광물질로서 조성이 다른 2종류 이상의 이트륨·알루미늄·가넷계 형광체를 사용하고 있다. 이것에 의해서, 소망하는 발광색을 효율좋게 발광시킬 수 있는 발광다이오드를 구성할 수 있다. 즉, 반도체 발광소자가 발광하는 광의 발광파장이 도 6에 나타낸 색도(色度)도면의 A점에서 B점에 이르는 선상에 위치할 경우, 조성이 다른 2종류 이상의 이트륨·알루미늄·가넷계 형광체의 색도점(C점 및 D점)인 도 6의 A점, B점, C점 및 D점으로 둘러싸인 사선 내에 있는 임의의 발광색을 발광시킬 수 있다. 제 2 실시형태에서는 LED 소자, 형광체의 조성 또는 그 양을 각각 선택함에 의해서 조절할 수 있다. 특히, LED 소자의 발광파장에 대응하여 소정의 형광체를 선택함에 의해서 LED 소자의 발광파장의 분산을 보상함으로써, 발광파장의 분산이 적은 발광다이오드를 구성할 수 있다. 또, 형광물질의 발광파장을 선택함에 의해서, RGB의 발광성분을 고휘도로 함유한 발광다이오드를 구성할 수 있다.또한, 제 2 실시형태에 사용되는 이트륨·알루미늄·가넷계(YAG계) 형광체는 가넷구조를 가지기 때문에, 제 2 실시형태의 발광다이오드는 장시간 고휘도로 발광시킬 수 있다. 또, 제 1 및 제 2 실시형태의 발광다이오드는, 발광 관측면에서 볼때 형광체를 통해서 발광소자를 설치한다. 또, 발광소자로부터의 광보다도 더 장파장측으로 발광하는 형광물질을 사용하고 있기 때문에, 효율좋게 발광시킬 수 있다. 또한, 변환된 광은 발광소자에서 방출되는 광보다도 장파장측으로 되어 있기 때문에, 발광소자의 질화물 반도체층의 밴드 갭보다도 작고, 이 질화물 반도체층에 흡수되기 어렵다. 따라서, 형광체가 등방적으로 발광하기 때문에 발광된 광은 LED 소자로도 향하지만, 형광체에 의해서 발광된 광은 LED 소자에 흡수되는 일이 없기 때문에, 발광다이오드의 발광효율을 저하시키지는 않는다.(평면형 발광광원)본 발명에 관한 다른 실시형태인 평면형 발광광원의 예를 도 7에 나타낸다.도 7에 나타낸 평면형 발광광원에서는, 제 1 또는 제 2 실시형태에서 사용한 포토루미네선스 형광체가 코팅부(701)에 함유되어 있다. 이것에 의해서, 질화갈륨계 발광소자가 발생하는 청색계의 광을 코팅부에서 색변환한 후, 도광판(704) 및 산란시트(706)를 통해서 평면형태로 출력한다.상세하게 설명하면, 도 7의 평면형 발광광원에 있어서, 발광소자(702)는 절연층 및 도전성 패턴(도시하지 않음)이 형성된 ㄷ자 형상의 금속기판(703) 내에 고정된다. 발광소자의 전극과 도전성 패턴을 도통시킨 후, 포토루미네선스 형광체를 에폭시수지와 혼합하여 발광소자(702)가 적재되어 있는 ㄷ자 형상의 금속기판(703)내부에 충진한다. 이와 같이 하여 고정된 발광소자(702)는, 아크릴성 도광판(704)의 일측 단면에 에폭시수지 등에 의해서 고정된다. 도광판(704)의 일측 표면에 있어서의 산란시트(706)가 형성되어 있지 않은 부분에는, 점 형상으로 발광하는 형광 현상방지를 위해서 백색 산란제가 함유된 필름형상의 반사부재(707)가 형성된다.마찬가지로, 도광판(707)의 타측 표면(이면측)의 전면 및 발광소자가 배치되어 있지 않은 타측 단면에도 반사부재(705)를 형성하여 발광효율을 향상시키도록 구성한다. 이것에 의해서, 예를 들면 LCD의 백라이트용으로서 충분한 밝기를 가지는 평면형 발광의 발광다이오드를 구성할 수 있다.상기 평면형 발광의 발광다이오드를 사용한 액정표시장치는, 예를 들면 도광판(704)의 일측 표면에, 투광성 도전성 패턴이 형성된 유리기판(도시하지 않음) 사이에 액정이 주입된 액정장치를 통해서 편광판을 배치하여 구성한다.본 발명에 관한 다른 실시형태인 평면형 발광장치의 예를 도 8, 도 9에 나타낸다. 도 8에 나타낸 발광장치는, 발광소자(702)가 발광하는 청색계의 광을 포토루미네선스 형광체가 함유된 색변환부재(701)를 통해서 백색계의 광으로 변환한 후, 도광판(704)에 의해서 평면형태로 출력하도록 구성되어 있다.도 9에 나타낸 발광장치는, 발광소자(702)가 발광하는 청색계의 광을 도광판(704)에 의해서 평면형태로 한 후, 도광판(704)의 일측 표면에 형성된 포토루미네선스 형광체를 가지는 산란시트(706)에 의해서 백색광으로 변환하여 평면형의 백색광을 출력하도록 구성되어 있다. 여기서, 포토루미네선스 형광체는 산란시트(706)에 함유시켜도 되고, 또는 바인더 수지와 함께 산란시트(706)에 도포하여 시트형상으로 형성하여도 된다. 또한, 도광판(704) 상에 포토루미네선스 형광체를 함유하는 바인더를 시트형상이 아닌 도트형상으로 직접 형성하여도 된다.＜응용예＞(표시장치)계속해서, 본원발명에 관한 표시장치에 대해서 설명한다.도 10은 본원발명에 관한 표시장치의 구성을 나타낸 블록도이다. 이 표시장치는, 도 10에 나타낸 바와 같이, LED 표시기(601)와, 드라이버회로(602), 화상데이터 기억수단(603) 및 계조제어수단(tone control means)(604)을 구비한 구동회로(610)로 이루어진다.여기서, LED 표시기(601)는, 도 11에 나타낸 바와 같이, 도 1 또는 도 2에 나타낸 백색계의 발광다이오드(501)가 케이싱(504)에 매트릭스 형상으로 배열되어 흑백용 LED 표시장치로서 사용된다. 여기서, 케이싱(504)에는 차광부재(505)가 일체로 성형되어 있다.구동회로(610)는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 입력되는 표시데이터를 일시적으로 기억하는 화상데이터 기억수단(RAM)(603)과, RAM(603)에서 인출된 데이터에 의거하여 LED 표시기(601)의 각각의 발광다이오드를 소정의 밝기로 점등시키기 위한 계조신호를 연산하여 출력하는 계조제어수단(604)과, 계조제어수단(604)에서 출력되는 신호에 의해서 스위칭되어 발광다이오드를 점등시키는 드라이버(602)를 구비한다. 계조제어회로(604)는 RAM(603)에 기억되는 데이터를 인출하여 LED 표시기(601)의 발광다이오드의 점등시간을 연산하여 점멸시키는 펄스신호를 LED 표시기(601)로 출력한다. 이상과 같이 구성된 표시장치에 있어서, LED 표시기(601)는 구동회로로부터 입력되는 펄스신호에 의거하여 표시데이터에 대응한 화상을 표시할 수 있으며, 다음과 같은 이점이 있다.즉, RGB의 3개의 발광다이오드를 사용하여 백색 표시를 하는 LED 표시기는, RGB의 각 발광다이오드의 발광출력을 조절하여 표시할 필요가 있기 때문에, 즉 각 발광다이오드의 발광강도, 온도특성 등을 고려하여 각 발광다이오드를 제어하여야 하기 때문에, LED 표시기를 구동하는 구동회로가 복잡하게 된다는 문제점이 있었다. 그러나, 본원발명의 표시장치에서는, LED 표시기(601)가 상기한 RGB의 3개의 발광다이오드를 사용하는 것이 아니라 본원발명에 관한 백색계의 발광이 가능한 발광다이오드(501)를 사용하는 구성으로 되어 있기 때문에, 구동회로가 RGB의 각 발광다이오드를 개별적으로 제어할 필요가 없어, 구동회로의 구성을 간단하게 할 수 있고, 표시장치를 저렴하게 할 수 있다.또, RGB의 3개의 발광다이오드를 사용하여 백색 표시를 하는 LED 표시기는, 1화소마다 RGB의 3개의 발광다이오드를 조합하여 백색 표시를 하기 위해서 3개의 발광다이오드를 각각 동시에 발광시켜서 혼색시킬 필요가 있고, 따라서 1화소당의 표시영역이 커지게 됨으로써 고정밀하게 표시할 수 없었다. 그러나, 본원발명의 표시장치에 있어서의 LED 표시기는 1개의 발광다이오드로 백색 표시를 할 수 있기 때문에, 보다 고정밀하게 백색 표시를 할 수 있다. 또한, 3개의 발광다이오드의 혼색에 의해서 백색 표시를 하는 LED 표시기는 보는 방향이나 각도에 따라서 RGB의 발광다이오드 중 어느 하나가 부분적으로 차광되어 표시색이 변화하는 경우가 있지만, 본원발명의 LED 표시기에서는 이와 같은 일이 없다.이상과 같이 본원발명에 관한 백색계의 발광이 가능한 발광다이오드를 사용한 LED 표시기를 구비한 표시장치는, 보다 고정밀화가 가능하고, 안정된 백색 표시를 할 수 있고, 또한 색얼룩을 적게 할 수 있는 특징이 있다. 또, 본원발명에 관한 백색 표시가 가능한 LED 표시기는, 종래의 적색, 녹색만을 사용한 LED 표시기에 비해 사람의 눈에 대한 자극이 적어 장시간 사용하는데 적합하다.
(본원발명의 발광다이오드를 사용한 다른 표시장치의 예)
본원발명의 발광다이오드를 사용함으로써, 도 12에 나타낸 바와 같이, RGB의 3개의 발광다이오드에 본원발명의 발광다이오드를 첨가한 것을 1화소로 하는 LED 표시기를 구성할 수 있다. 그리고, 이 LED 표시기와 소정의 구동회로를 접속함으로써 여러가지 화상을 표시할 수 있는 표시장치를 구성할 수 있다. 이 표시장치에 있어서의 구동회로는, 모노크롬의 표시장치와 마찬가지로, 입력되는 표시데이터를 일시적으로 기억하는 화상데이터 기억수단(RAM)과, RAM에 기억된 데이터에 의거하여 각 발광다이오드를 소정의 밝기로 점등시키기 위한 계조신호를 연산하는 계조제어회로와, 계조제어회로의 출력신호에 의해서 스위칭되어 각 발광다이오드를 점등시키는 드라이버를 구비한다. 단, 이 구동회로는, RGB와 백색계로 발광하는 각 발광 다이오드를 각각 제어하는 전용 회로를 필요로 한다. 계조제어회로는, RAM에 기억되는 데이터에서 각각의 발광다이오드의 점등시간을 연산하여 점등시키는 펄스신호를 출력한다. 여기서, 백색 표시를 할 경우에는, RGB의 각 발광다이오드를 점등시키는 펄스신호의 펄스폭을 짧게, 또는 펄스신호의 피크값을 낮게, 또는 펄스신호를 전혀 출력하지 않도록 한다. 한편, 이것을 보상하도록(즉, 펄스신호의 펄스폭을 짧게, 또는 펄스신호의 피크값을 낮게, 또는 펄스신호를 전혀 출력하지 않는 부분을 보상하도록) 백색계 발광다이오드에 펄스신호를 공급한다. 이것에 의해서, LED 표시기에 백색을 표시한다.
이와 같이, RGB 발광다이오드에 백색 발광다이오드를 추가함으로써, 디스플레이의 휘도를 향상시킬 수 있다. 또, RGB의 조합에 의해서 백색을 표시하려고 하면, 보는 각도에 따라서 RGB 중 어느 1개 또는 2개의 색이 강조되어 순수한 백색을 표현할 수 없으나, 본 표시장치와 같이 백색계 발광다이오드를 추가하면, 이와 같은 문제를 해결할 수 있다.
이와 같은 표시장치에 있어서의 구동회로에서는, 백색계 발광다이오드를 소망하는 휘도로 점등시키기 위한 펄스신호를 연산하는 계조제어회로로서 CPU를 별도로 구비하는 것이 바람직하다. 계조제어회로에서 출력되는 펄스신호는 백색계 발광 다이오드의 드라이버에 입력되어 드라이버를 스위칭시킨다. 드라이버가 온(0N)되면 백색계 발광다이오드가 점등되고, 오프되면 소등된다.
(신호기)본원발명의 발광다이오드를 표시장치의 1종인 신호기에 사용한 경우, 장시간안정하게 발광시키는 것이 가능함과 아울러, 발광다이오드의 일부가 소등되어도 색 얼룩 등이 생기지 않는다는 특징이 있다.본원발명의 발광다이오드를 사용한 신호기의 개략구성으로서, 도전성 패턴이 형성된 기판 상에 백색계 발광다이오드를 소정의 배열로 배치한다. 이와 같은 발광 다이오드를 직렬 또는 직병렬로 접속한 발광다이오드의 회로를 발광다이오드군으로서 취급한다. 발광다이오드군을 2개 이상 사용하여 각각 소용돌이 형상으로 발광다이오드를 배치한다. 모든 발광다이오드가 배치되면 원형상으로 전면에 배치된다. 각 발광다이오드 및 기판에서 외부전극과 접속시키는 전원코드를 각각 납땜에 의해서 접속한 후, 철도신호용 케이싱 내에 고정한다. LED 표시기는 차광부재가 부착된 알루미늄 다이캐스트의 케이싱 내에 배치되며, 표면이 실리콘 고무의 충진재에 의해서 밀봉되어 있다. 케이싱의 표시면은 백색 렌즈를 설치하고 있다. 또, LED 표시기의 전기적 배선은, 케이싱의 이면에서 케이싱를 밀폐하기 위해서 고무패킹을 통해서 케이싱 내를 밀폐한다. 이와 같이 하여 백색계 신호기를 형성할 수 있다.본원발명의 발광다이오드를 복수 그룹으로 나누어 중심부에서 외측을 향해서 원을 그리는 소용돌이 형상 등으로 배치하고, 병렬 접속함으로써 보다 신뢰성 높은 신호기를 구성할 수 있다. 이 경우, 중심부에서 외측을 향해서 원을 그림으로써 신뢰성 높은 신호기를 구성할 수 있다. 중심부에서 외측을 향해서 원을 그리는 것은 연속적으로 원을 그리는 것, 단속적으로 배치하는 것 모두를 포함한다. 따라서, LED 표시기의 표시면적 등을 고려하여 배치되는 발광다이오드의 개수나 발광다이오드군의 개수를 여러가지로 선택할 수 있다. 이 신호기에 의해서, 일측의 발광다이오드군이나 일부 발광다이오드가 어떠한 트러블에 의해서 소등되었다 하더라도 타 측의 발광다이오드군이나 나머지 발광다이오드에 의해서 신호기를 원형상으로 균일하게 발광시키는 것이 가능하게 되며, 색얼룩이 생기는 일도 없다. 소용돌이 형상으로 배치되어 있으므로 중심부를 조밀하게 배치할 수 있고 전구 발광의 신호도 아무런 위화감 없이 구동시킬 수 있다.＜실시예＞이하, 본원발명의 실시예에 대해서 설명한다. 또한, 본원발명은 이하에 개시하는 실시예에만 국한되는 것이 아님은 물론이다.(제 1 실시예)제 1 실시예는, 발광소자로서, GaInN 반도체를 사용한 발광피크가 450nm, 반치 폭(half width)이 30nm인 발광소자를 사용한 예이다. 제 1 실시예의 발광소자는 세정된 사파이어기판 상에 TMG(트리메틸갈륨)가스, TMI(트리메틸인듐)가스, 질소가스 및 도펀트가스를 캐리어가스와 함께 흐르게 하고, M0CVD법에 의해서 질화갈륨계 화합물 반도체를 성막하여 제작된다. 성막시에, 도펀트가스로서 SiH4와 Cp2Mg를 전환함에 의해서 N형 도전성을 가지는 질화갈륨 반도체와 P형 도전성을 가지는 질화갈륨 반도체를 형성한다. 제 1 실시예의 LED 소자는, N형 도전성을 가지는 질화갈륨 반도체인 콘택트층과, P형 도전성을 가지는 질화갈륨 알루미늄 반도체인 클래드층과, P형 도전성을 가지는 질화갈륨 반도체층인 콘택트층을 구비하고, N형 도전성을 가지는 콘택트층과 P형 도전성을 가지는 클래드층과의 사이에 두께 약 3nm인 단일 양자 우물구조를 구성하기 위한 언도프 InGaN으로 이루어진 활성층이 형성되어 있다. 또한, 사파이어기판 상에는 버퍼층으로서 저온에서 질화갈륨 반도체층이 형성되어 있다. 또, P형 질화갈륨 반도체는 성막후 400℃ 이상의 고온에서 어닐링되어 있다.에칭에 의해서 P형 및 N형의 각 반도체 표면을 노출시킨 후, 스퍼터링에 의해서 n측 p측의 각 전극을 각각 형성한다. 이와 같이 하여 제작된 반도체 웨이퍼에 스크라이브 라인을 그은 후, 외력을 가하여 각각의 발광소자로 분할하였다.상기한 바와 같이 하여 제작된 발광소자를, 은도금한 강철제 마운트 리드의 컵부에 에폭시수지로 다이본딩한 후, 발광소자의 각 전극과 마운트 리드 및 인너 리드를 각각 직경이 30㎛인 금선을 사용하여 와이어본딩하여, 리드 타입의 발광다이오드를 제작하였다.한편, 포토루미네선스 형광체는, Y, Gd, Ce의 희토류원소를 소정의 화학량론비로 산에 용해시킨 용해액을 수산으로 공침시키고, 침전물을 소성하여 얻은 공침산화물과 산화알루미늄을 혼합하고, 이 혼합원료에 프럭스로서 불화알루미늄을 혼합하여 도가니에 넣고, 공기중 1400℃의 온도에서 3시간 소성한 후, 그 소성품을 볼밀을 사용하여 습식 분쇄하고, 세정, 분리, 건조 후, 마지막으로 체로 쳐서 제작하였다. 이 결과, 포토루미네선스 형광체는, Y이 Gd으로 약 2할 정도 치환된 이트륨·알루미늄산화물로서 (Y0.8Gd0.2)3Al5O12:Ce가 형성되었다. 또, Ce의 치환은 0.03이었다.
이상과 같이 하여 제작한 (Y0.8Gd0.2)3Al5O12:Ce 형광체 80중량부와 에폭시수지 100중량부를 잘 혼합하여 슬러리를 만들고, 이 슬러리를 발광소자가 얹어놓여진 마운트 리드의 컵부 내에 주입한 후, 130℃의 온도에서 1시간 경화시켰다. 이와 같이하여 발광소자 상에 두께 120㎛의 포토루미네선스 형광체가 함유된 코팅부를 형성하였다. 또한, 본 제 1 실시예에서는, 코팅부에 있어서는 발광소자측을 향해서 포토루미네선스 형광체가 서서히 많게 분포되도록 구성하였다. 조사강도는 약 3.5W/㎠이다. 그 후, 발광소자와 포토루미네선스 형광체를 외부응력, 수분 및 먼지 등으로부터 보호할 목적으로, 몰드부재로서 투광성 에폭시수지를 형성하였다. 여기서, 몰드부재는, 포탄형의 형틀 내에, 리드프레임에 본딩되고 포토루미네선스 형광체를 함유한 코팅부에 덮여진 발광소자를 삽입하고, 투광성 에폭시수지를 주입한 후, 150℃에서 5시간 경화시켜서 형성하였다.
이와 같이 하여 형성한 발광다이오드는, 발광관측 정면에서 볼 때, 포토루미네선스 형광체의 보디칼라에 의해서 중앙부가 황색을 띠도록 착색되어 있었다.
이와 같이 하여 얻어진 백색계가 발광가능한 발광다이오드의 색도점, 색온도, 연색성 지수를 측정한 결과, 각각 색도점은 (x=0.302,y=0.280), 색온도 8080K, 연색성 지수(Ra)=87.5로서 삼파장형 형광등에 가까운 성능을 나타내었다. 또, 발광효율은 9.5lm(lumen)/w로서 백색 전구와 비슷하였다. 또한, 온도 25℃ 60mA 통전, 온도 25℃ 20mA 통전, 온도 60℃ 90%RH 하에서 20mA 통전의 각 수명시험에 있어서도 형광체에 기인하는 변화는 관측되지 않고, 통상의 청색 발광다이오드와 수명특성에 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다.
(제 1 비교예)
포토루미네선스 형광체를 (Y0.8Gd0.2)3Al5O12:Ce 형광체에서 (ZnCd)S:Cu,Al으로 한 것 외에는 제 1 실시예와 같은 방법으로 발광다이오드의 형성 및 수명시험을 하였다. 형성된 발광다이오드는 통전 직후, 제 1 실시예와 마찬가지로 백색계 발광이 확인되었으나 휘도는 낮았다. 또, 수명시험에서는 약 100시간에서 출력이 제로가 되었다. 열화원인을 해석한 결과, 형광체가 흑화되어 있었다.
이것은, 발광소자의 발광광과 형광체에 부착되어 있던 수분 또는 외부환경에서 진입한 수분에 의해서 광분해되어 형광체 결정 표면에 콜로이드성 아연금속이 석출되어 외관이 흑색으로 변색된 것으로 생각된다. 온도 25℃ 20mA 통전, 온도 60℃ 90%RH 하에서 20mA 통전의 수명시험결과를 제 1 실시예의 결과와 함께 도 13에 나타낸다. 휘도는 초기값을 기준으로 하여 각각의 상대값을 나타낸다. 도 13에 있어서, 실선이 제 1 실시예이고, 파선이 제 1 비교예이다.
(제 2 실시예)
제 2 실시예의 발광다이오드는, 발광소자에 있어서의 질화물계 화합물 반도체의 In 함유량을 제 1 실시예의 발광소자보다 증가시켜서, 발광소자의 발광피크를 460nm으로 하고, 포토루미네선스 형광체의 Gd 함유량을 제 1 실시예보다 증가시켜서 (Y0.6Gd0.4)3Al5O12:Ce로 한 것 외에는 제 1 실시예와 같은 방법으로 발광다이오드를 제작하였다.
이상과 같이 하여 제작된 발광다이오드는, 백색계 발광이 가능하고, 그 색도점, 색온도, 연색성 지수를 측정하였다. 각각, 색도점(x=0.375,y=0.370), 색온도 4400K, 연색성 지수 (Ra)=86.0이었다.
도 18A, 도 18B 및 도 18C에 각각 제 2 실시예의 포토루미네선스 형광체, 발광소자 및 발광다이오드의 각 발광 스펙트럼을 나타낸다.
또, 본 제 2 실시예의 발광다이오드를 100개 제작하고, 초기 광도에 대한 1000시간 발광시킨 후에 있어서의 광도를 조사하였다. 그 결과, 초기(수명시험전)의 광도를 100%라 하였을 경우, 1000시간 경과후에 있어서의 평균광도는, 평균 98.8%로 특성에 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다.
(제 3 실시예)
제 3 실시예의 발광다이오드는, 포토루미네선스 형광체로서 Y, Gd, Ce의 희토류원소에 Sm을 더 함유시킨 일반식 (Y0.39Gd0.57Ce0.03Sm0.01)3Al5O12:Ce 형광체를 사용한 것 외에는 제 1 실시예와 같은 방법으로 제작하였다. 이 제 3 실시예의 발광다이오드를 100개 제작하고, 130℃의 온도 하에서 평가한 결과, 제 1 실시예의 발광 다이오드에 비해 평균온도특성이 8%정도 양호하였다.
(제 4 실시예)
제 4 실시예의 LED 표시기는, 제 1 실시예의 발광다이오드가, 도 11에 나타낸 바와 같이 구리패턴을 형성한 세라믹기판 상에 16×16 매트릭스 형상으로 배열되어 구성된다. 또한, 제 4 실시예의 LED 표시기에서는, 발광다이오드가 배열된 기판은, 페놀수지로 이루어지고 차광부재(505)가 일체로 형성된 케이싱(504) 내부에 배치되고, 발광다이오드의 선단부를 제외한 케이싱, 발광다이오드, 기판 및 차광부재의 일부를 피그먼트에 의해서 흑색으로 착색한 실리콘고무(506)가 충진된다. 또, 기판과 발광다이오드와의 접속은 자동 납땜실장장치를 사용하여 납땜하였다.
이상과 같이 구성된 LED 표시기를, 입력되는 표시데이터를 일시적으로 기억하는 RAM, RAM에 기억되는 데이터를 인출하여 발광다이오드를 소정의 밝기로 점등시키기 위한 계조신호를 연산하는 계조제어회로, 계조제어회로의 출력신호에 따라서 스위칭되어 발광다이오드를 점등시키는 드라이버를 구비한 구동수단에 의해서 구동함으로써, 흑백 LED 표시장치로서 사용할 수 있는 것을 확인하였다.
(제 5 실시예)
제 5 실시예의 발광다이오드는, 포토루미네선스 형광체로서 일반식 (Y0.2Gd0.8)3Al5O12:Ce로 표시되는 형광체를 사용한 것 외에는 제 1 실시예와 같은 방법으로 제작하였다. 제 5 실시예의 발광다이오드를 100개 제작하고, 모든 특성을 측정하였다.
그 결과, 색도점(평균치)은 (x=0.450, y=0.420)으로, 전구색의 광을 발광할 수 있었다.
도 19A, 도 19B 및 도 19C에 각각 제 5 실시예의 포토루미네선스 형광체, 발광소자 및 발광다이오드의 각 발광 스펙트럼을 나타낸다.
또, 제 5 실시예의 발광다이오드는, 제 1 실시예의 발광다이오드에 비해 휘도가 약 40% 낮아졌으나, 수명시험에서는 제 1 실시예와 마찬가지로 우수한 내후성을 나타내었다.
(제 6 실시예)
제 6 실시예의 발광다이오드는, 포토루미네선스 형광체로서 일반식 Y3Al5O12:Ce로 표시되는 형광체를 사용한 것 외에는 제 1 실시예와 같은 방법으로 제작하였다. 이 제 6 실시예의 발광다이오드를 100개 제작하고, 모든 특성을 측정하였다.
그 결과, 제 1 실시예에 비해 약간 황녹색을 띤 백색광을 발광할 수 있었다.
도 20A, 도 20B, 도 20C에 각각 제 6 실시예의 포토루미네선스 형광체, 발광소자, 및 발광다이오드의 각 발광 스펙트럼을 나타낸다.
또, 제 6 실시예의 발광다이오드는, 수명시험에서는 제 1 실시예와 마찬가지로 우수한 내후성을 나타내었다.
(제 7 실시예)
제 7 실시예의 발광다이오드는, 포토루미네선스 형광체로서 일반식 Y3(Al0.5Ga0.5)5O12:Ce로 표시되는 형광체를 사용한 것 외에는 제 1 실시예와 같은 방법으로 제작하였다. 제 7 실시예의 발광다이오드를 100개 제작하고, 모든 특성을 측정하였다.
그 결과, 제 7 실시예의 발광다이오드는, 휘도는 낮지만 녹색을 띤 백색광을 발광할 수 있고, 수명시험에서는 제 1 실시예와 마찬가지로 우수한 내후성을 나타내었다.
도 21A, 도 21B, 도 21C에 각각 제 7 실시예의 포토루미네선스 형광체, 발광소자, 및 발광다이오드의 각 발광 스펙트럼을 나타낸다.
(제 8 실시예)
제 8 실시예의 발광다이오드는, 포토루미네선스 형광체로서 일반식 Gd3(Al0.5Ga0.5)5O12:Ce로 표시되는 Y을 포함하지 않는 형광체를 사용한 것 외에는 제 1 실시예와 같은 방법으로 제작하였다. 제 8 실시예의 발광다이오드를 100개 제작하고, 모든 특성을 측정하였다.
그 결과, 제 8 실시예의 발광다이오드는, 휘도는 낮지만, 수명시험에서는 제 1 실시예와 마찬가지로 우수한 내후성을 나타내었다.
(제 9 실시예)
제 9 실시예의 발광다이오드는 도 7에 나타낸 구성을 가지는 평면형 발광의 발광장치이다.
발광소자로서 발광피크가 450nm인 In0.05Ga0.95N 반도체를 사용하였다. 발광소자는, 세정된 사파이어기판 상에 TMG(트리메틸갈륨)가스, TMI(트리메틸인듐)가스, 질화가스 및 도펀트가스를 캐리어가스와 함께 흐르게 하고, M0CVD법에 의해서 질화갈륨계 화합물 반도체를 성막하여 형성하였다. 도펀트가스로서 SiH4와 Cp2Mg를 전환함에 의해서 N형 도전성을 가지는 질화갈륨 반도체와 P형 도전성을 가지는 질화갈륨 반도체를 형성하여 PN접합을 형성하였다. 반도체 발광소자로서는, N형 도전성을 가지는 질화갈륨 반도체인 콘택트층, N형 도전성을 가지는 질화갈륨 알루미늄 반도체인 클래드층, P형 도전성을 가지는 질화갈륨 알루미늄 반도체인 클래드층, P형 도전성을 가지는 질화갈륨 반도체인 콘택트층을 형성하였다. N형 도전성을 가지는 클래드층과 P형 도전성을 가지는 클래드층과의 사이에 더블 헤테로 접합이 되는 Zn 도프 InGaN의 활성층을 형성하였다. 또한, 사파이어기판 상에는 저온에서 질화갈륨반도체를 형성하고 버퍼층으로서 사용하였다. P형 질화물 반도체층은 성막후 400℃이상의 고온에서 어닐링되어 있다.
각 반도체층을 성막한 후, 에칭에 의해서 P형 및 N형의 각 반도체 표면을 노출시킨 후, 스퍼터링에 의해서 각 전극을 각각 형성하고, 이와 같이 하여 제작된 반도체 웨이퍼에 스크라이브 라인을 그은 후, 외력을 가하여 분할시킨 발광소자를 발광소자로서 형성하였다.
은도금한 구리제 리드 프레임의 선단에 컵부를 가지는 마운트 리드에 발광소자를 에폭시수지로 다이본딩하였다. 발광소자의 각 전극과 마운트 리드 및 인너 리드를 각각 직경이 30㎛인 금선으로 와이어본딩하여 전기적으로 도통시켰다.
몰드부재는, 포탄형의 형틀 내에 발광소자가 배치된 리드 프레임을 삽입하고, 투광성 에폭시수지를 주입한 후, 150℃에서 5시간 경화시켜서 청색계 발광다이오드를 형성하였다. 청색계 발광다이오드를 단면이 모두 연마된 아크릴성 도광판의 일단면에 접속시켰다. 아크릴판의 편면 및 측면은, 백색 반사부재로서 티탄산바륨을 아크릴계 바인더 내에 분산시킨 것으로 스크린 인쇄 및 경화시켰다.
한편, 포토루미네선스 형광체는, 녹색계 및 적색계를 각각 필요로 하는 Y, Gd, Ce, La의 희토류원소를 화학량론비로 산에 용해시킨 용해액을 수산으로 공침시켰다. 이것을 소성하여 얻은 공침산화물과, 산화알루미늄, 산화갈륨을 혼합하여 혼합원료를 각각 얻는다. 이것에 프럭스로서 불화알루미늄을 혼합하여 도가니에 넣고, 공기중 1400℃ 온도범위에서 3시간 소성하여 소성품을 얻었다. 소성품을 각각수중에서 볼밀하여 세정, 분리, 건조, 마지막으로 체로 쳐서 형성하였다.
상기한 바와 같이 하여 제작된 일반식 Y3(Al0.6Ga0.4)5O12:Ce로 표시되는 녹색계가 발광 가능한 제 1 형광체 120중량부와, 같은 방법으로 하여 제작된 일반식 (Y0.4Gd0.6)3Al5O12:Ce로 표시되는 적색계가 발광 가능한 제 2 형광체 100중량부를 에폭시수지 100중량부와 잘 혼합하여 슬러리를 만들고, 이 슬러리를 두께 0.5mm의 아크릴층 상에 멀티코터를 사용하여 균등하게 도포하고 건조하여, 두께 약 30㎛의 색변환부재로서 형광체막을 형성하였다. 형광체층을 도광판의 주 발광면과 같은 크기로 절단하여 도광판 상에 배치함으로써 평면형 발광장치를 제작하였다. 이상과 같이 제작한 발광장치의 색도점, 연색성 지수를 측정한 결과, 색도점은 (x=0.29, y=0.34)이고, 연색성 지수(Ra)는 92.0으로 삼파장형 형광등에 가까운 성능을 나타내었다. 또, 발광효율은 12lm(lumen)/w로서 백색 전구와 비슷하였다. 또한, 내후성 시험으로서 실온 60mA 통전, 실온 20mA 통전, 60℃ 90%RH 하에서 20mA 통전의 각 시험에서도 형광체에 기인하는 변화는 관측되지 않았다.
(제 2 비교예)
제 9 실시예의 일반식 Y3(Al0.6Ga0.4)5O12:Ce로 표시되는 녹색계가 발광 가능한 제 1 형광체, 및 일반식 (Y0.4Gd0.6)3Al5O12:Ce로 표시되는 적색계가 발광 가능한 제 2 형광체로 이루어지는 포토루미네선스 형광체 대신에, 각각 페릴렌계 유도체인 녹색 유기형광안료{신로이히(SINLOIHI)화학제 FA-001}와 적색 유기형광안료{신로이히화학제 FA-005}를 사용하여 같은 양으로 혼합 교반한 것 외에는 제 9 실시예와 같은 방법으로 발광다이오드를 제작하고, 제 9 실시예와 같은 내후성 시험을 하였다. 제작한 제 2 비교예의 발광다이오드의 색도점은 (x=0.34,y=0.35)이었다. 내후성 시험으로서, 카본 아크로 자외선량을 200hr로 태양광의 1년분과 거의 동등하게 하여 시간에 따른 휘도 유지율 및 색조를 측정하였다. 또, 신뢰성 시험으로서, 발광소자를 발광시켜서 70℃의 일정 온도에서의 시간에 따른 발광 휘도 및 색조를 측정하였다. 그 결과를 제 9 실시예와 함께 도 14 및 도 15에 각각 나타낸다. 도 14, 도 15에서 알 수 있는 바와 같이, 모든 시험에서 제 9 실시예는 제 2 비교예보다 열화가 적다.
(제 10 실시예)
제 10 실시예의 발광다이오드는 리드 타입의 발광다이오드이다.
제 10 실시예의 발광다이오드에서는, 제 9 실시예와 같은 방법으로 하여 제작한 450nm의 In0.05Ga0.95N의 발광층을 가지는 발광소자를 사용하였다. 그리고, 은도금한 구리제 마운트 리드의 선단의 컵부에 발광소자를 에폭시수지로 다이본딩하고, 발광소자의 각 전극과 마운트 리드 및 인너 리드를 각각 금선으로 와이어본딩하여 전기적으로 도통시켰다.
한편, 포토루미네선스 형광체는 일반식 Y3(Al0.5Ga0.5)5O12:Ce로 표시되는 녹색계가 발광 가능한 제 1 형광체와, 일반식 (Y0.2Gd0.8)3Al5O12:Ce로 표시되는 적색계가 발광 가능한 제 2 형광체를 각각 다음과 같이 제작하고 혼합하여 사용하였다. 즉, 필요한 Y, Gd, Ce의 희토류원소를 화학량론비로 산에 용해시킨 용해액을 수산으로 공침시켰다. 이것을 소성하여 얻은 공침산화물과, 산화알루미늄, 산화갈륨을 혼합하여 혼합원료를 각각 얻는다. 이것에 프럭스로서 불화알루미늄을 혼합하여 도가니에 넣고, 공기중 1400℃의 온도에서 3시간 소성하여 각각 소성품을 얻었다. 소성품을 수중에서 볼밀하여 세정, 분리, 건조, 마지막으로 체로 쳐서 소정의 입도를 가지는 제 1, 제 2 형광체를 제작하였다.
이상과 같이 하여 제작된 제 1 형광체 및 제 2 형광체 각각 40중량부를 에폭시수지 100중량부에 혼합하여 슬러리를 만들고, 이 슬러리를 발광소자가 배치된 마운트 리드의 컵부 내에 주입하였다. 주입후, 주입된 포토루미네선스 형광체를 함유하는 수지를 130℃에서 1시간 경화시켰다. 이와 같이 하여 발광소자 상에 두께 120μ의 포토루미네선스 형광체가 함유된 코팅부재를 형성하였다. 또한, 이 코팅부재는, 발광소자에 가까울수록 포토루미네선스 형광체의 양이 서서히 많아지게 되도록 형성하였다. 그 후, 발광소자와 포토루미네선스 형광체를 외부응력, 수분 및 먼지등으로부터 보호할 목적으로, 몰드부재로서 투광성 에폭시수지를 형성하였다. 몰드부재는, 포탄형의 형틀 내에 포토루미네선스 형광체의 코팅부가 형성된 리드 프레임을 삽입하고 투광성 에폭시수지를 주입한 후, 150℃에서 5시간 경화시켜서 형성하였다. 이와 같이 하여 제작된 제 10 실시예의 발광다이오드는, 발광관측 정면에서 볼 때, 포토루미네선스 형광체의 보디칼라에 의해서 중앙부가 황색을 띠도록 착색되어 있었다.
이상과 같이 제작한 제 10 실시예의 발광다이오드의 색도점, 색온도, 연색성 지수를 측정한 결과, 색도점은 (x=0.32, y=0.34)이고, 연색성 지수(Ra)=89.0, 발광효율은 10lm(lumen)/w이었다. 또한, 내후성 시험으로서 실온 60mA 통전, 실온 20mA통전, 60℃ 90%RH 하에서 20mA 통전의 각 시험에서도 포토루미네선스 형광체에 기인하는 변화는 관측되지 않고, 통상의 청색계 발광다이오드와 수명특성에 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다.
(제 11 실시예)
LED 소자로서 발광피크가 470nm인 In0.4Ga0.6N 반도체를 사용하였다. 발광소자는, 세정된 사파이어기판 상에 TMG(트리메틸갈륨)가스, TMI(트리메틸인듐)가스, 질화가스 및 도펀트가스를 캐리어가스와 함께 흐르게 하고, M0CVD법에 의해서 질화갈륨계 화합물 반도체를 성막하여 형성하였다. 도펀트가스로서 SiH4와 Cp2Mg를 전환함에 의해서 N형 도전성을 가지는 질화갈륨 반도체와 P형 도전성을 가지는 질화갈륨 반도체를 형성하여 PN접합을 형성하였다. LED 소자로서는, N형 도전성을 가지는 질화갈륨 반도체인 콘택트층, P형 도전성을 가지는 질화갈륨 알루미늄 반도체인 클래드층, P형 도전성을 가지는 질화갈륨 반도체인 콘택트층을 형성하였다. N형 도전성을 가지는 콘택트층과 P형 도전성을 가지는 클래드층과의 사이에 두께 약 3nm의 언도프 InGaN의 활성층을 형성함으로써 단일 우물구조로 하였다. 또한, 사파이어기판상에는 저온에서 질화갈륨 반도체를 버퍼층으로서 형성하였다.
이상과 같이 각 층을 형성한 후, 에칭에 의해서 P형 및 N형의 각 반도체 표면을 노출시킨 후, 스퍼터링에 의해서 p측 및 n측의 각 전극을 형성하였다. 이와 같이 하여 제작된 반도체 웨이퍼에 스크라이브 라인을 그은 후, 외력을 가하여 분할시킨 발광소자를 발광소자로서 형성하였다.
상기 발광소자를 은도금한 구리제 마운트 리드의 컵부에 에폭시수지를 사용하여 다이본딩하였다. 발광소자의 각 전극과 마운트 리드 및 인너 리드를 각각 직경이 30㎛인 금선으로 와이어본딩하여 전기적으로 도통시켰다.
몰드부재는, 포탄형의 형틀 내에 발광소자가 배치된 리드 프레임을 삽입하고 투광성 에폭시수지를 주입한 후, 150℃에서 5시간 경화시켜서 청색계 발광다이오드를 형성하였다. 청색계 발광다이오드를 단면이 모두 연마된 아크릴성 도광판의 일단면에 접속시켰다. 아크릴판의 편면 및 측면은, 백색 반사부재로서 티탄산바륨을 아크릴계 바인더 내에 분산시킨 것을 스크린 인쇄 및 경화시켜서 막형상으로 형성하였다.
한편, 포토루미네선스 형광체는, 일반식 (Y0.8Gd0.2)3Al5O12:Ce로 표시되고 비교적 단파장측의 황색계가 발광 가능한 형광체와, 일반식 (Y0.4Gd0.6)3Al5O12:Ce로 표시되고 비교적 장파장측의 황색계가 발광 가능한 형광체를 다음과 같이 하여 제작하고 혼합하여 사용하였다. 이들 형광체는, 각각 필요한 Y, Gd, Ce의 희토류원소를 화학량론비로 산에 용해시킨 용해액을 수산으로 공침시켰다. 이것을 소성하여 얻은 공침산화물과, 산화알루미늄, 산화갈륨을 혼합하여 혼합원료를 각각 얻는다. 이것에 프럭스로서 불화알루미늄을 혼합하여 도가니에 넣고, 공기중 1400℃의 온도에서 3시간 소성하여 소성품을 얻었다. 소성품을 각각 수중에서 볼밀하여 세정, 분리, 건조, 마지막으로 체로 쳐서 형성하였다.
이상과 같이 제작한 비교적 단파장측의 황색계 형광체 100중량부와 비교적 장파장측의 황색계 형광체 100중량부를 아크릴수지 1000중량부와 잘 혼합하여 압출 성형함으로써, 두께 약 180㎛의 색변환부재로서 사용하는 형광체막을 형성하였다. 형광체막을 도광판의 주 발광면과 같은 크기로 절단하여 도광판 상에 배치함으로써 발광장치를 제작하였다. 이와 같이 하여 제작한 제 11 실시예의 발광장치의 색도점, 연색성 지수를 측정한 결과, 색도점은 (x=0.33, y=0.34)이고, 연색성 지수(Ra)=88.0을 나타내었다. 또, 발광효율은 10lm/w이었다.
도 22A, 도 22B, 도 22C에는 각각 제 11 실시예에서 사용한 일반식 (Y0.8Gd0.2)3Al5O12:Ce로 표시되는 형광체, 일반식 (Y0.4Gd0.6)3Al5O12:Ce로 표시되는 형광체 및 발광소자의 각 발광 스펙트럼을 나타낸다. 또, 도 23에는 제 11 실시예의 발광다이오드의 발광 스펙트럼을 나타낸다. 또한, 내후성 시험으로서의 실온 60mA 통전, 실온 20mA 통전, 60℃ 90%RH 하에서 20mA 통전의 각 시험에서도 형광체에 기인하는 변화는 관측되지 않았다. 마찬가지로, 이 형광체의 함유량을 여러가지로 변경시킴에 의해서 발광소자로부터의 파장이 변화하더라도 소망하는 색도점을 유지시킬 수 있다.
(제 12 실시예)
제 12 실시예의 발광다이오드는, 포토루미네선스 형광체로서 일반식 Y3In5O12:Ce로 표시되는 Al을 포함하지 않은 형광체를 사용하는 것 외에는 제 1 실시예와 같은 방법으로 발광다이오드를 100개 제작하였다. 제 12 실시예의 발광다이오드는, 휘도는 낮지만 수명시험에 있어서 제 1 실시예와 마찬가지로 우수한 내후성을 나타내었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 제조방법에 의해서 제조된 발광다이오드는, 소망하는 색을 가지는 광을 발광시킬 수 있고, 장시간 고휘도의 사용에서도 발광효율의 열화가 적고 게다가 내후성이 우수하다. 따라서, 일반적인 전자기기에 한정하지 않고, 고신뢰성이 요구되는 자동차 적재용, 항공산업용, 항만 내의 부표 표시용 및 고속도로의 표식 조명 등 옥외에서의 표시나 조명으로서 새로운 용도를 개척할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 실시형태의 리드 타입 발광다이오드의 모식적 단면도
도 2는 본 발명에 관한 실시형태의 칩 타입 발광다이오드의 모식적 단면도
도 3A는 제 1 실시형태의 세륨으로 활성화된 가넷계 형광체의 여기 스펙트럼 (excitation spectrum)을 나타낸 그래프
도 3B는 제 1 실시형태의 세륨으로 활성화된 가넷계 형광체의 발광 스펙트럼 (emission spectrum)을 나타낸 그래프
도 4는 제 1 실시형태의 발광다이오드의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프
도 5A는 제 2 실시형태의 세륨으로 활성화된 이트륨·알루미늄·가넷계 형광체의 여기 스펙트럼을 나타낸 그래프
도 5B는 제 2 실시형태의 세륨으로 활성화된 이트륨·알루미늄·가넷계 형광체의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프
도 6은 제 2 실시형태의 발광다이오드의 발광색을 설명하기 위한 색도 도면으로서, 도면중 A점 및 B점은 발광소자가 발광하는 광의 발광색을 나타내고, C점 및 D점은 각각 2종류의 포토루미네선스 형광체로부터의 발광색을 나타낸다.
도 7은 본 발명에 관한 다른 실시형태의 평면형 발광광원의 모식적 단면도
도 8은 도 7과는 다른 평면형 발광광원의 모식적 단면도
도 9는 도 7 및 도 8과는 다른 평면형 발광광원의 모식적 단면도
도 10은 본원발명의 응용예인 표시장치의 블록도
도 11은 도 10에 나타낸 표시장치의 LED 표시기의 평면도
도 12는 본원발명의 발광다이오드 및 RGB의 4개의 발광다이오드를 이용하여 1화소를 구성한 LED 표시기의 평면도
도 13A는 제 1 실시예 및 제 1 비교예에 관한 발광다이오드의 수명시험결과를 나타낸 그래프로서, 25℃에서의 결과이다.
도 13B는 제 1 실시예 및 제 1 비교예에 관한 발광다이오드의 수명시험결과를 나타낸 그래프로서, 60℃, 90%RH에서의 결과이다.
도 14A는 제 9 실시예 및 제 2 비교예에 관한 내후성(weatherability)시험결과를 나타낸 그래프로서, 경과시간에 대한 휘도유지율을 나타낸다.
도 14B는 제 9 실시예 및 제 2 비교예에 관한 내후성시험결과를 나타낸 그래프로서, 시험 전후의 색조변화를 나타낸다.
도 15A는 제 9 실시예 및 제 2 비교예에 관한 발광다이오드의 신뢰성시험에서의 휘도유지율과 시간과의 관계를 나타낸 그래프
도 15B는 제 9 실시예 및 제 2 비교예에 관한 발광다이오드의 신뢰성시험에서의 색조와 시간과의 관계를 나타낸 그래프
도 16은 표 1에 나타낸 형광체와 피크 파장 465nm의 청색 LED를 조합한 발광 다이오드에 의해서 실현할 수 있는 색재현(色再現)범위를 나타낸 색도 도면
도 17은 표 1에 나타낸 형광체와 피크 파장 465nm의 청색 LED를 조합한 발광 다이오드에 있어서의 형광체의 함유량을 변화시켰을 때의 발광색의 변화를 나타낸 색도 도면
도 18A는 (Y0.6Gd0.4)3Al5O12:Ce로 표시되는 제 2 실시예의 포토루미네선스 형광체의 발광 스펙트럼을 나타낸다.
도 18B는 발광 피크 파장 460nm를 가지는 제 2 실시예의 발광소자의 발광 스펙트럼을 나타낸다.
도 18C는 제 2 실시예의 발광다이오드의 발광 스펙트럼을 나타낸다.
도 19A는 (Y0.2Gd0.8)3Al5O12:Ce로 표시되는 제 5 실시예의 포토루미네선스 형광체의 발광 스펙트럼을 나타낸다.
도 19B는 발광 피크 파장 450nm를 가지는 제 5 실시예의 발광소자의 발광 스펙트럼을 나타낸다.
도 19C는 제 5 실시예의 발광다이오드의 발광 스펙트럼을 나타낸다.
도 20A는 Y3Al5O12:Ce로 표시되는 제 6 실시예의 포토루미네선스 형광체의 발광 스펙트럼을 나타낸다.
도 20B는 발광 피크 파장 450nm를 가지는 제 6 실시예의 발광소자의 발광스펙트럼을 나타낸다.
도 20C는 제 6 실시예의 발광다이오드의 발광 스펙트럼을 나타낸다.
도 21A는 Y3(Al0.5Ga0.5)5O12:Ce로 표시되는 제 7 실시예의 포토루미네선스 형광체의 발광 스펙트럼을 나타낸다.
도 21B는 발광 피크 파장 450nm를 가지는 제 7 실시예의 발광소자의 발광 스펙트럼을 나타낸다.
도 21C는 제 7 실시예의 발광다이오드의 발광 스펙트럼을 나타낸다.
도 22A는 (Y0.8Gd0.2)3Al5O12:Ce로 표시되는 제 11 실시예의 포토루미네선스 형광체의 발광 스펙트럼을 나타낸다.
도 22B는 (Y0.4Gd0.6)3Al5O12:Ce로 표시되는 제 11 실시예의 포토루미네선스 형광체의 발광 스펙트럼을 나타낸다.
도 22C는 발광 피크 파장 470nm를 가지는 제 11 실시예의 발광소자의 발광 스펙트럼을 나타낸다.
도 23은 제 11 실시예의 발광다이오드의 발광 스펙트럼을 나타낸다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100,200,501 : 발광다이오드 101, 201, 701 : 코팅부
102,202,702 : 발광소자 103, 203 : 와이어
104 : 몰드부재 105 : 마운트 리드
105a : 컵부 105b : 리드부
106 : 인너리드 204 : 발광케이싱
205 : 단자금속 504 : 케이싱
505 : 차광부재 506 : 실리콘고무
601 : LED 표시기 602 : 드라이버 회로
603 : 화상데이터 기억수단 604 : 계조 제어수단
610 : 구동회로 703 : 금속기판
704, 707 : 도광판 705 : 반사부재
706 : 산란시트

Claims (13)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 컵부에 장착되어 있는 청색 발광 칩과, 상기 청색 발광 칩의 발광파장을 이것보다도 장파장의 광으로 변환시키는 형광물질을 가지는 발광다이오드의 제조방법에 있어서,
    컵부에 청색 발광 칩을 탑재하는 공정과;
    상기 청색 발광 칩이 탑재된 컵부 내에 세륨으로 활성화된 가넷계의 형광물질을 함유하는 코팅수지를 주입하여 청색 발광 칩을 피복하는 공정과;
    상기 형광물질을 함유하는 코팅수지를 몰드부재로 포위하는 공정;으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 코팅수지가 경화된 후에 상기 몰드부재로 밀봉하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 코팅수지와 상기 몰드부재가 동일 재료인 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 코팅수지 및 몰드부재는 에폭시수지인 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 코팅수지와 상기 몰드부재가 동일 재료인 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 코팅수지 및 몰드부재는 에폭시수지인 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
  13. 청구항 7 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅수지를 컵부의 가장자리부의 수평면보다도 낮게 되도록 충진하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
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