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KR100684044B1 - 백색 발광다이오드 및 그의 제조 방법 - Google Patents

백색 발광다이오드 및 그의 제조 방법 Download PDF

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KR100684044B1
KR100684044B1 KR1020050081938A KR20050081938A KR100684044B1 KR 100684044 B1 KR100684044 B1 KR 100684044B1 KR 1020050081938 A KR1020050081938 A KR 1020050081938A KR 20050081938 A KR20050081938 A KR 20050081938A KR 100684044 B1 KR100684044 B1 KR 100684044B1
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Abstract

청색 발광다이오드 칩으로부터 발광된 청색 광 일부를 흡수하여 녹색 발광하는 녹색 형광체와 청색 및 녹색 광의 일부를 흡수하여 적색을 발광하는 적색 형광체를 이용하여 발광된 삼색의 가법 혼색에 의한 색재현성이 우수한 백색 발광다이오드 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 청색 반도체 발광다이오드 칩, 발광다이오드로부터 발광하는 청색광의 확산영역에서 이 청색광의 일부를 흡수하여 이 청색광과 다른 파장대의 빛을 발광하는 유로퓸으로 활성화된 황화스트론튬계 녹색 형광체와 청색 반도체 발광다이오드로 부터의 청색광 및 녹색 형광체로 부터의 녹색광의 일부를 흡수하여 다른 파장대의 빛을 발광하는 바륨실리케이트계 적색형광체를 포함하며, 청색 반도체 발광다이오드로 부터의 청색광, 녹색 형광체로 부터의 녹색광과 적색 형광체로 부터의 적색광의 혼색에 의한 백색광을 발광하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 백색 발광다이오드 및 그의 제조 방법을 이용하는 것에 의해, 색재현성이 우수하여 자용차용 실내조명, 인테리어 조명, 휴대용 조명 및 액정디스플레이 배면 광원 등으로 사용될 수 있다는 효과가 얻어진다.
백색 발광다이오드, 황화스트론튬계, 형광체, 녹색, 적색

Description

백색 발광다이오드 및 그의 제조 방법{WHITE LIGHT EMITTING DIODE AND METHOD THEREOF}
도 1은 황화스트론튬계 녹색 형광체의 흡수스펙트럼 그래프,
도 2는 황화스트론튬계 녹색 형광체의 발광스펙트럼 그래프,
도 3은 바륨실리케이트계 적색 형광체의 흡수스펙트럼 그래프,
도 4는 바륨실리케이트계 적색 형광체의 발광스펙트럼 그래프,
도 5는 청색 발광다이오드 칩, 황화스트론튬계 녹색 및 바륨실리케이트계 적색형광체를 채용하고 있는 리드타입 백색 발광다이오드의 개략적인 구성도,
도 6는 청색 발광다이오드 칩, 황화스트론튬계 녹색 및 바륨실리케이트계 적색형광체를 채용하고 있는 리드타입 백색 발광다이오드의 발광스펙트럼을 나타낸 그래프,
도 7은 청색 발광다이오드 칩, 황화스트론튬계 녹색 및 바륨실리케이트계 적색형광체를 채용하고 있는 리드타입 백색 발광다이오드에 이중 몰드를 적용한 개략적인 구성도,
도 8은 청색 발광다이오드 칩, 황화스트론튬계 녹색 및 바륨실리케이트계 적색형광체를 채용하고 있는 리드타입 백색 발광다이오드에 형광체 입도를 조절하여 적용한 개략적인 구성도,
도 9는 황화스트론튬계 녹색 형광체 및 바륨실리케이트계 적색 형광체와 청색 발광다이오드를 조합한 발광다이오드에 의해 구현할 수 있는 색 재현 범위를 나타낸 색 좌표계.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 청색 발광다이오드 칩
2 : 캐소드 리드
3 : 에노드 리드
4 : 투명수지
5 : 녹색 형광체
6 : 적색 형광체
7 : 반사컵 형상물
8 : 반사면
9 : 금속 와이어
본 발명은 백색 발광다이오드 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 청색 발광다이오드 칩으로부터 발광된 청색 광 일부를 흡수하여 녹색 발광하는 녹색 형광체와 청색 및 녹색 광의 일부를 흡수하여 적색을 발광하는 적색 형광체를 이용하 여 발광된 삼색의 가법 혼색에 의한 색재현성이 우수한 백색 발광다이오드 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 일반적인 반도체 제조 공정 중 와이어본딩이 완료된 청색 발광다이오드 칩에 황화스트론튬계 녹색형광체와 적색형광체를 투명한 수지의 몰드재와 적정한 혼합비로 혼합후 발광다이오드 칩 상부에 도포하여, 주파장인 청색광을 제1의 여기광원으로 하고 청색광을 흡수한 녹색형광체로부터 파장 변환되어 방출되는 녹색발광과 청색광을 제2의 여기광원으로 하고 청색광을 흡수한 적색형광체로부터 파장 변환되어 발광되는 적색발광을 이용하여 주 발광파장인 청색, 변환된 녹색, 적색의 3색 가법혼색에 의해 색 표현되는 백색 발광다이오드 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
GaN 계의 질화물 반도체 발광물질에 의해 고휘도의 청색 발광다이오드가 개발되어 발광다이오드의 풀 컬러화가 실현됨에 따라, 발광다이오드는 표시장치의 표시소자 뿐만 아니라 조명용으로까지 그 사용범위가 확대되고 있다. 조명용 발광다이오드는 형광등 및 백열등과 같은 기존의 조명기구에 비해 약 10~15% 정도의 낮은 전력소모와 100,000시간 이상의 반영구적인 수명, 및 환경 친화적 특성 등을 지니고 있어서 에너지 소비 효율을 획기적으로 개선할 수 있다.
반도체 발광다이오드가 조명용으로 응용되기 위해서는 백색광을 얻을 수 있어야 한다. 백색 반도체 발광다이오드를 구현하는 방법에는 크게 3가지가 알려져 있다.
첫 번째 방법은 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색을 내는 각각의 발광다이오 드의 광도를 적절하게 조합하여 백색을 구현하는 방법이다. 이는 단일 칩 위에 적, 녹, 청색의 3색 발광다이오드를 구성하여 백색을 표시하기에는 각 소자의 전기적 특성이 달라 3색의 혼합시 백색의 표현영역이 너무나 커서 제품으로서의 활용하기에는 적정한 색표현영역만을 선택적으로 사용하여야 하기 때문에 수율의 문제로 가격이 비싸다.
두 번째 방법은 자외선 발광다이오드를 광원으로 이용하여 삼원색 형광체를 여기시켜 백색을 구현하는 방법으로서, InGaN 계열의 발광다이오드에 적, 청, 녹색 형광체를 이용한다. 이 방법은 고전류에서 사용될 수 있고, 색감을 개선시킬 수 있다. 그러나 상기 방법은 현재 적색 구현을 위한 형광체 물질의 개발이 만족스럽지 못한 문제가 있다.
세 번째 방법은 청색 발광다이오드를 광원으로 사용하여 황색 형광체를 여기시킴으로써 백색을 구현하는 방법이며, 대표적으로 InGaN계열의 발광다이오드칩 상에 YAG:Ce 형광체를 도포하여 백색광을 구현한다.
종래의 백색 반도체 발광다이오드로서 알려져 있는 것들의 예로는 다음과 같은 것을 들 수 있다.
니치아 (Nichia) 사의 미국특허 5,998,925호 및 6,069,440호에는 질화물 반도체를 이용한 백색 반도체 발광다이오드로서, IniGajAlkN (0≤i, 0≤j, 0≤k, i+j+k=1)로 표시되는 질화물 반도체를 함유하는 청색발광다이오드와, 상기 청색발광다이오드에 의해 방출되는 광의 일부를 흡수하여 흡수광과 다른 파장의 광을 방 출하는 YAG (Yttrium, Aluminium, Garnet)계 형광물질을 함유하는 황색 형광체를 포함하는 발광다이오드를 개시하고 있는데, 상기 YAG계 형광체로는, 제1형광체인 Y3(Al1-sGas)5O12:Ce와 제2형광체인 Re3Al5O12:Ce (0≤s≤1, Re는 Y, Ga 및 La 중 적어도 하나이다)의 혼합물이 이용될 수 있다.
오스람 (Osram) 사의 미국특허 6,504,179에는 기존의 적색, 녹색 및 청색의 조합을 이용하는 방법 및 청색과 황색의 조합을 이용하는 방법과는 달리 청색, 황색 및 녹색의 조합을 이용하는 방법을 채용한 백색 조명장치가 개시되어 있다. 이 백색 조명장치는 광원으로서 300 ㎚ 내지 470 ㎚ 영역의 제1광을 방출하는 발광다이오드를 포함하며, 이 제1광은 제1광에 노출된 형광체에 의해 장파장의 광으로 전환된다.
이러한 파장변환을 돕는 물질로서 Eu-활성화 칼슘 마그네슘 클로로실리케이트계의 녹색 형광체와 Ce-부활 희토류 가넷계 황색 형광체가 이용되고,. Ce-부활 희토류 가넷계 황색 형광체로는 방출광 중 20% 이상이 620 ㎚ 이상의 가시영역에 해당하는 광을 방출하는 Re3(Al, Ga)5O12:Ce (Re는 Y 및/또는 Tb이다)로 표시되는 형광체가 이용된다.
또한, 제너럴 일렉트릭 (General Electric)사의 미국특허 6,596,195호에는 근자외선 내지 청색 파장영역 (약 315 ㎚ 내지 약 480 ㎚ 영역)의 광에 의해 여기될 수 있으며 녹색 내지 황색 파장영역 (약 490 ㎚ 내지 약 770 ㎚)의 광범위 영역에서 발광피크를 보이는 가시광선을 방출하는 형광체와 이를 채용한 백색 광원을 개시하고 있는데, 이 형광체는 가넷구조 (garnet structure)를 가지며, 일반식 (Tb1-x-yAxRey)3DzO12 (A는 Y, La, Gd 및 Sm 중에서 선택되며, Re는 Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu 중에서 선택되는 한 종류 이상이며, D는 Al, Ga, In 중에서 선택되는 한 종류 이상이며, A와 Re는 동일하지 않으며, x는 0 내지 0.5이고, y는 0.0005 내지 0.2이고, z는 4 내지 5이다)로 표시된다.
상기 공보 등에 개시된 종래 기술에 있어서 백색 반도체 발광다이오드는 주로 청색 발광다이오드에 의해 황색 형광체를 여기, 발광시킴으로써, 혼색에 의해 백색을 구현하는 방식을 이용하고 있다.
그러나, 황색 형광체의 경우 녹색과 적색의 보색으로써 백색광의 구현은 가능하나 적색영역의 색재현성이 낮은 문제점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해 상기에서와 같이 백색 발광다이오드의 개발을 진행 중에 있지만 가격이 비싸고 휘도가 낮은 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 청색 발광다이오드 칩으로부터 발광된 청색 광 일부를 흡수하여 녹색 발광하는 녹색 형광체와 청색 및 녹색 광의 일부를 흡수하여 적색을 발광하는 적색 형광체를 이용하여 발광된 삼색의 가법 혼색에 의한 색재현성이 우수한 백색 발광다이 오드 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 백색 발광다이오드는 청색 반도체 발광다이오드 칩, 상기 발광다이오드로부터 발광하는 청색광의 확산영역에서 이 청색광의 일부를 흡수하여 이 청색광과 다른 파장대의 빛을 발광하는 유로퓸으로 활성화된 황화스트론튬계 녹색 형광체와 상기 청색 반도체 발광다이오드로 부터의 청색광 및 녹색 형광체로 부터의 녹색광의 일부를 흡수하여 다른 파장대의 빛을 발광하는 바륨실리케이트계 적색형광체를 포함하며, 상기 청색 반도체 발광다이오드로 부터의 청색광, 녹색 형광체로 부터의 녹색광과 적색 형광체로 부터의 적색광의 혼색에 의한 백색광을 발광하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 백색 발광다이오드에 있어서, 상기 녹색 형광체는 하기 일반식으로 표시되는 황화스트론튬계의 녹색 형광체이고,
(Sr1-p'-q',Mp')Ga2S4:Euq'
(상기 화학식에서, M은 Sr, Ca, Mg, K, Na, Ba에서 선택된 적어도 하나의 원소로서 0 ≤ p' ＜ 0.5이고, 0 ＜ q' ＜0.5이고, 0 ＜ p'+q' ＜ 1이다), 상기 녹색 형광체는 약 200 ㎚ 내지 500 ㎚ 범위에서 흡수피크를 나타내고, 500㎚ 내지 600㎚ 범위에서 발광피크를 나타내는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 백색 발광다이오드에 있어서, 상기 적색 형광체는 하기 일반식으로 표시되는 바륨실리케이트계의 적색 형광체이고,
(Ba1-x-y-zRExAy)3SiO5:Euz
(상기 화학식에서, RE는 희토류 원소로서 Y, Lu, Sc, La, Gd, Sm, Pr, Nd, Eu, Dy, Ho, Er, Tm 및 Yb으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소이고, A는 전형원소의 금속 원소로서 Be, Mg, Ca, Sr, Ba및 Ra으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소로서 0 ≤ x ＜ 0.5이고, 0 ≤ y ＜1이고, 0 ＜ z ＜ 0.5이며, 0 ＜ x+y+z ＜ 1이다), 상기 적색 형광체는 약 200 ㎚ 내지 550 ㎚ 범위에서 흡수피크를 나타내고, 550㎚ 내지 650㎚ 범위에서 발광피크를 나타내는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 백색 발광다이오드에 있어서, 상기 녹색 및 적색 형광체는 구형 입자, 다각형 또는 판형의 형태를 가지며, 입자크기는 0.1㎛ 내지 40㎛의 범위인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 백색 발광다이오드의 제조 방법은 청색 반도체 발광다이오드, 상기 발광다이오드로부터 발광하는 청색광의 확산영역에서 이 청색광의 일부를 흡수하여 이 청색광과 다른 파장대의 빛을 발광하는 황화스트론튬계 녹색 형광체와 상기 청색 반도체 발광다이오드로 부터의 청색광 및 녹색 형광체로 부터의 녹색광의 일부를 흡수하여 다른 파장대의 빛을 발광하는 바륨실리케이트계 적색형광체로 부터의 혼색에 의한 백색광을 발광하는 장치의 제조 방법에 있어서, 상기 발광다이오드는 이 발광다이오드로부터 발광한 빛을 반사 하기 위한 반사판 내부에 위치하며, 상기 발광다이오드는 상기 녹색 형광체가 혼합된 몰드 수지에 의해 몰딩되고, 그 상부에 적색 형광체가 몰딩된 이중몰드 형태로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 백색 발광다이오드의 제조 방법은 청색 반도체 발광다이오드, 상기 발광다이오드로부터 발광하는 청색광의 확산영역에서 이 청색광의 일부를 흡수하여 이 청색광과 다른 파장대의 빛을 발광하는 황화스트론튬계 녹색 형광체와 상기 청색 반도체 발광다이오드로 부터의 청색광 및 녹색 형광체로 부터의 녹색광의 일부를 흡수하여 다른 파장대의 빛을 발광하는 바륨실리케이트계 적색형광체로 부터의 혼색에 의한 백색광을 발광하는 장치의 제조 방법에 있어서, 상기 녹색 및 적색 형광체의 입도는 서로 상이하고, 상기 녹색 및 적색 형광체의 입자는 구형, 다각형 또는 판형의 형태를 가지며, 상기 녹색 형광체의 입자크기는 10㎛ 내지 40㎛(대립자)의 범위이고, 상기 적색 형광체의 입자크기는 0.1㎛ 내지 10㎛(소립자)의 범위인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 및 그밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
먼저 본 발명에 따른 특징을 설명한다.
본 발명의 일면에 있어서는 반도체 발광다이오드 칩 및 상기 반도체 발광다이오드 칩에 의해 방출된 광의 일부를 흡수해서 흡수한 광의 파장보다는 장파장으로 파장 변환되는 녹색 및 적색 형광체와 투명수지를 포함하는 형광체 도포층을 구비하며, 상기 녹색 및 적색 형광체가 각각 유로퓸으로 활성화된 황화스트론튬계 및 바륨실리케이트계인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 반도체 발광다이오드 칩의 발광 스펙트럼의 주요피크가 420㎚에서 500㎚의 범위에 있고, 상기 2종류의 형광체의 주 발광파장이 상기 반도체 발광다이오드 칩의 주요 피크파장 보다 긴 것이 바람직하다.
또, 반도체 발광다이오드 칩은 기판과 기판 상에 위치하는 질화물 반도체층을 포함한다. 상기 기판은 사파이어(Al2O3) 또는 실리콘카바이드(SiC)로 형성되어 있으며, 상기 질화물 반도체 층은 GaN, InGaN, AlGaN 또는 AlGaInN계열의 반도체층을 포함 한다.
본 발명의 또 다른 면에 있어서, 도 5에서와 같이 반사컵이 구비된 기구물에, 금속 전극 단자가 장착되어 있으며, 그 양전극(애노드)과 음전극(캐소드)이 금속와이어에 의해 각각 상기 금속 전극 단자에 연결되어 있으며, 청색광을 방출하는 발광다이오드 칩 및 상기 발광다이오드 칩을 도포하도록 반사컵 내에 충진되어 상기 금속와이어를 매몰시키는 형광체 도포층을 구비하며, 상기 형광체 도포층이 투명수지와 황화스트론튬계 녹색 형광체 및 바륨실리케이트계 적색 형광체를 포함하는 표면실장형 백색 반도체 발광다이오드인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 있어서는 하기 일반식으로 표시되는 황화스트론튬계의 녹색 형광체가 제공 된다.
(Sr1-p'-q',Mp')Ga2S4:Euq'
상기 화학식에서, M은 Sr, Ca, Mg, K, Na, Ba에서 선택된 적어도 하나의 원 소로서 0 ≤ p' ＜ 0.5이고, 0 ＜ q' ＜0.5이다.
바람직하기로는 0 ＜ p'+q' ＜ 1이며, 더욱 바람직하기로는 0 ＜ p'+q' ＜ 0.5이다. 또한, 0.05 ≤ p' ＜ 0.3, 0.0005 ≤ q' ＜ 0.1인 것이 바람직하다.
상기 일반식에서, p'와 q'가 상기 수치범위인 경우에 바람직한 발광효율을 얻을 수 있다. 또한, q'가 상기 수치 범위인 경우에, Eu이 활성제로서 적절한 기능을 발휘할 수 있으며, 그 상한선을 벗어나는 경우에는 농도소광효과(quenching effect)에 따른 휘도저하가 발생될 수 있다.
상기 녹색 형광체는 약 200㎚ 내지 500㎚ 범위에서 흡수피크를 나타내고, 약 500㎚ 내지 600㎚ 범위에서 발광피크를 나타낸다.
또 본 발명에 있어서는 하기 일반식으로 표시되는 바륨 실리케이트계 적색 형광체가 제공 된다.
(Ba1-x-y-zRExAy)3SiO5:Euz
상기 식에서, RE는 희토류 원소로서 Y, Lu, Sc, La, Gd, Sm, Pr, Nd, Eu, Dy, Ho, Er, Tm 및 Yb으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소이고, A는 전형원소의 금속 원소로서 Be, Mg, Ca, Sr, Ba및 Ra으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소로서 0 ≤ x ＜ 0.5이고, 0 ≤ y ＜1이고, 0 ＜ z ＜ 0.5이며, 더욱 바람직하기로는 0 ≤ x ＜ 0.2이고, 0.2 ＜ y ＜0.8이고, 0 ＜ z ＜ 0.1이다. x가 0.5이상이면 결정 구조가 변해 발광을 하지 않고, z가 0이면 활성제의 부제로 인해 발광을 하지 않으며, z가 0.5이상이면 농도 소광현상에 의해 발광 특성이 거의 없다.
상기 식에서, 바람직하기로는 0 ＜ x+y+z ＜ 1이며, 더욱 바람직하기로는 0.2 ＜ x+y+z ＜ 0.8이다.
상기 적색 형광체는 약 200㎚ 내지 550㎚ 범위에서 흡수피크를 나타내고, 약 550㎚ 내지 650㎚ 범위에서 발광피크를 나타낸다.
상기 녹색 및 적색 형광체는 형광체 제조방법으로서 통상적으로 이용되는 고상법, 액상법, 또는 기상법에 의해 제조될 수 있다.
이상과 같은 녹색 발광 및 적색 발광형광체는 백색 발광다이오드를 제조할 때, 발광다이오드 칩 상부면을 포함하여 반사컵을 충진 시키는 상태로 제공된다. 이들 형광체는 실질적으로 발광다이오드 칩의 상부에 위치하는 투광성 수지몰드 층에 제공된다. 이 투광성 수지몰드 층에 포함된 황색 형광체와 적색 형광체의 입자크기(입도)는 혼합비에 따라 목표로 하는 색좌표 영역의 혼색이 이루어질 수 있도록 적정 크기 이하로 분리 하여 사용하는 것이 바람직하며, 혼합 후 투광성 수지몰드 층의 녹색 및 적색형광체가 충분히 침강되어 충진 되도록 한 후 경화시키는 것이 바람직하다.
이 투광성 수지몰드 층에 형광체가 충분히 침강되어 몰드재가 경화되면, 발광다이오드 칩으로부터 발생된 광이 형광체 입자들에 의해 흡수되고, 산란되어 원하는 색좌표 영역의 백색 광 표현이 가능해진다.
상기 녹색 및 적색 형광체는 형광체 제조 방법에 상관없이 적정 크기(입도)의 입도를 제어하여 사용하는 것이 바람직하다.
입도를 제어하는 방법은 가장 쉬운 방법으로 진동 채 분리 장치를 사용하는 것이 바람직하며 이는 필요한 입자 크기(입도)에 따라 적정한 채를 선택하여 사용한다.
녹색 및 적색 형광체의 입자크기는 소립자와 대립자로 구분할 수 있다. 소립자는 100나노미터 이상 10마이크로미터 이하의 입자로서 평균입도(d50)가 1에서 6마이크로미터의 입도를 가지며, 대립자는 10 이상 40마이크로미터 이하의 입자로서 평균입도(d50)가 15에서 25마이크로미터의 입도를 가진다. 상기 녹색 및 적색 형광체는 적용 패키지의 형태, 크기 및 용도 등에 따라 선택적으로 사용하는 것이 바람직하다.
또 상기 몰드재는 투명한 재료의 액상을 화학적 경화과정을 거쳐 고상화되는 재료를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 에폭시 수지 혹은 실리콘 수지 모두 사용가능하며 패키지의 크기, 용도 등에 따라 선택적으로 사용된다.
이하, 본 발명의 구성을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명의 설명에 있어서는 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
도 1, 2는 본 발명에 사용된 황화스트론튬계((Sr0.89,Ba0.1)Ga2S4:Eu0.01)녹색 형광체의 흡수 및 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프로서, 이 녹색 형광체는 200 ~ 500㎚ 영역에서 높은 흡수 피크를 보여주고 있고, 500 ~ 600㎚ 영역에서 강한 발광피크를 보인다.
도 3, 4는 본 발명에 사용된 바륨실리케이트((Ba0.67Y0.02Sr0.3)3SiO5:Eu0.01)적색 형광체의 흡수 및 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프로서, 이 적색 형광체는 200 ~ 550㎚ 영역에서 높은 흡수 피크를 보여주고 있고, 550 ~ 650㎚ 영역에서 강한 발광피크를 보인다.
도 5는 본 발명의 실시 예를 나타내는 도면으로서, 본 발명과 관련하는 상기 녹색 및 적색 형광체(도1~4)를 제공한 반사컵이 구비된 형태의 표면실장형 백색 발광다이오드의 상면도와 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이 백색 발광다이오드는 청색 발광다이오드칩(1)과, 캐소드 리드(2)와 애노드 리드(3), 수지 몰드층(4) 및 컵 내부가 반사기능을 갖는 불투명수지재의 반사컵 기구물(7)를 포함하는 통상적인 구조의 것을 보여주고 있다.
상기 캐소드 및 애노드 리드(2, 3)는 골드와이어(9)로 각각 청색 발광다이오드칩(1)의 N형 전극 및 P형 전극과 각각 접속되어 있다. 일반적으로 사용되는 청색발광다이오드칩(1)은 Sic기판상에 반도체 발광층이 형성된 구조는 칩의 상면과 칩의 저면이 각각 형태에 따라서 캐소드와 애노드로 구분되어 상면에 골드와이어가 1회 본딩되며, 사파이어기판상에 형성된 반도체 발광층은 사파이어의 절연특성에 의하여 동일한 방향에 케소드와 애노드가 형성되어 2회의 와이어본딩이 진행되게 된다.
또 다른 예로 사파이어기판 구조로 형성된 청색 발광 다이오드칩이 플립본딩 방식에 의해 와이어본딩 없이도 금속 전극단자에 연결될 수 있다. 상기 투명 몰드층(4)에 황화스트론튬계 녹색(5) 및 적색 형광체(6)를 포함하는 것이 본 발명의 특징으로서 청색 발광다이오드의 발광경로에 황화스트론튬계 녹색(5) 및 바륨 실리케이트계 적색 형광체(6)가 포함되어 적층되는 것을 특징으로 한다.
상기 녹색 및 적색 형광체는 대립자와 소립자를 7:3의 비율로 섞어서 사용하였으며, 투명 몰드재:녹색형광체:적색형광체의 비는 20:1:1.5의 비율로 적용하였을 때 색중심이 CIE색좌표계의 x가 0.293에 y가 0.298의 결과를 얻었다. 상기 혼합비율은 패키지 형태, 크기, 색좌표 목표 및 용도에 따라 달라질 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예를 나타내는 도면으로서, 본 발명과 관련하는 상기 도 5의 녹색 및 적색 형광체가 혼합된 반사면이 구비된 표면실장형 백색 발광다이오드의 발광 스펙트럼이다.
도 6에 도시된 바와 같이 450㎚ 에서의 파장이 청색 발광다이오드에 의한 발광 파장이며, 530㎚ 에서의 파장이 녹색 형광체에 의한 발광 파장이며, 600㎚에서의 파장이 적색 형광체에 의한 발광 파장이다.
도 7은 본 발명의 실시 예를 나타내는 도면으로서, 본 발명과 관련하는 상기 녹색 및 적색 형광체(도1~4)를 각각 따로 실리콘 몰드재에 혼합하여 이중몰드 형태의 리플렉터 사출구조타입의 표면실장형 백색 발광다이오드의 단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이 발광다이오드는 청색 발광다이오드칩(1)과, 캐소드 리드(2)와, 애노드 리드(3)와, 실리콘 몰드층(4‘, 4“) 및 반사면이 구비된 반사컵 기구물(7)을 포함하는 통상적인 구조의 것을 보여주고 있다.
상기 캐소드 및 애노드 리드(2, 3)는 골드와이어(9)로 각각 청색 발광다이오드칩(1)의 N형 전극 및 P형 전극과 각각 접속되어 있다. 상기 반사컵 기구물내에 몰드재를 2중 몰딩하는 것을 특징으로 한다.
황화스트론튬계 녹색 형광체(5)를 포함하는 실리콘 몰드층(4’)을 형성하고 그 상부에 바륨실리케이트계 적색 형광체(6)를 포함하는 실리콘 몰드층(4”)이 형성되는 것이 본 발명의 특징으로서 청색 발광다이오드의 발광 경로에 황화스트론튬계 녹색 형광체(5)가 적층되고 그 상부에 바륨 실리케이트계 적색 형광체(6)가 포함되어 적층되는 것을 특징으로 한다.
상기에서와 같이 적색 형광체를 제일 상부에 적층함으로써 청색 발광다이오드의 청색 광 뿐만 아니라 녹색 형광체의 녹색 광을 흡수하여 적색 형광체가 발광함으로써 발광 효율을 개선할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예를 나타내는 도면으로서, 본 발명과 관련하는 상기 녹색(5) 및 적색 형광체(6)의 입자크기(입도)를 구분하여 실리콘 몰드재에 혼합한 형태의 반사컵 구조타입의 표면실장형 백색 발광다이오드의 단면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이 발광다이오드는 도 5와 동일한 형태를 가지고 있으나, 녹색 형광체(5)는 대립자를 사용하고, 적색 형광체는 소립자를 사용하는 것이 본 발명의 특징으로서 청색 발광다이오드의 발광경로에 바륨 황화스트론튬계 녹색 형광체(5)가 적층되고 그 상부에 바륨 실리케이트계 적색 형광체(6)가 포함되어 적층되는 것을 특징으로 한다.
상기 녹색 형광체의 평균입도(d50)는 16마이크로미터이고 적색 형광체의 평균입도(d50)는 4마이크로미터이며, 실리콘몰드재 : 녹색 형광체 : 적색 형광체의 비는 20 : 1 : 1의 비율로 적용하였을 때 CIE색좌표의 x가 0.297에 y가 0.291의 결과를 얻었다. 상기에서와 같이 중력에 의해 적색 형광체를 제일 상부에 적층함으로써 청색 발광다이오드의 청색 광 뿐만 아니라 녹색 형광체의 녹색 광을 흡수하여 적색 형광체가 발광함으로써 발광 효율을 개선할 수 있다.
도 9는 본 발명의 녹색 형광체, 적색 형광체 및 청색 발광 소자를 조합한 발광다이오드에 의해 구현할 수 있는 색재현 범위를 나타낸 색좌표이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 청색 발광다이오드에 적용하는 녹색 및 적색 발광형광체의 함유량을 조정함으로써, 선택되어진 영역의 색좌표 구현이 가능하다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서 사용된 청색 발광다이오드 칩의 일부 광을 흡수하는 녹색 및 적색 형광체로부터 발광되는 3색광의 혼색에 의한 백색 발광다이오드 및 그의 제조 방법에 의하면 휘도 및 색재현성이 우수하여 자용차용 실내조명, 인테리어 조명, 휴대용 조명 및 액정디스플레이 배면 광원 등으로 사용될 수 있다는 효과가 얻어진다.

Claims (6)

  1. 청색 반도체 발광다이오드 칩,
    상기 발광다이오드로부터 발광하는 청색광의 확산영역에서 이 청색광의 일부를 흡수하여 이 청색광과 다른 파장대의 빛을 발광하는 유로퓸으로 활성화된 황화 스트론튬계 녹색 형광체와
    상기 청색 반도체 발광다이오드로 부터의 청색광 및 녹색 형광체로 부터의 녹색광의 일부를 흡수하여 다른 파장대의 빛을 발광하는 바륨실리케이트계 적색형광체를 포함하며,
    상기 청색 반도체 발광다이오드로 부터의 청색광, 녹색 형광체로 부터의 녹색광과 적색 형광체로 부터의 적색광의 혼색에 의한 백색광을 발광하는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 녹색 형광체는 하기 일반식으로 표시되는 황화스트론튬계의 녹색 형광체이고,
    (Sr1-p'-q',Mp')Ga2S4:Euq'
    (상기 화학식에서, M은 Sr, Ca, Mg, K, Na, Ba에서 선택된 적어도 하나의 원소로서 0 ≤ p' ＜ 0.5이고, 0 ＜ q' ＜0.5이고, 0 ＜ p'+q' ＜ 1이다)
    상기 녹색 형광체는 약 200 ㎚ 내지 500 ㎚ 범위에서 흡수피크를 나타내고, 500㎚ 내지 600㎚ 범위에서 발광피크를 나타내는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 적색 형광체는 하기 일반식으로 표시되는 바륨실리케이트계의 적색 형광체이고,
    (Ba1-x-y-zRExAy)3SiO5:Euz
    (상기 화학식에서, RE는 희토류 원소로서 Y, Lu, Sc, La, Gd, Sm, Pr, Nd, Eu, Dy, Ho, Er, Tm 및 Yb으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소이고, A는 전형원소의 금속 원소로서 Be, Mg, Ca, Sr, Ba및 Ra으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소로서 0 ≤ x ＜ 0.5이고, 0 ≤ y ＜1이고, 0 ＜ z ＜ 0.5이며, 0 ＜ x+y+z ＜ 1이다)
    상기 적색 형광체는 200 ㎚ 내지 550 ㎚ 범위에서 흡수피크를 나타내고, 550㎚ 내지 650㎚ 범위에서 발광피크를 나타내는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드.
  4. 제 2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 녹색 및 적색 형광체는 구형 입자, 다각형 또는 판형의 형태를 가지며, 입자크기는 0.1㎛ 내지 40㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드.
  5. 청색 반도체 발광다이오드,
    상기 발광다이오드로부터 발광하는 청색광의 확산영역에서 이 청색광의 일부를 흡수하여 이 청색광과 다른 파장대의 빛을 발광하는 황화스트론튬계 녹색 형광체와
    상기 청색 반도체 발광다이오드로 부터의 청색광 및 녹색 형광체로 부터의 녹색광의 일부를 흡수하여 다른 파장대의 빛을 발광하는 바륨실리케이트계 적색형광체로 부터의 혼색에 의한 백색광을 발광하는 장치의 제조 방법에 있어서,
    상기 발광다이오드로부터 발광한 빛을 반사하기 위한 반사판 내부에 상기 발광다이오드를 위치시키는 단계 및
    상기 발광다이오드를 상기 녹색 형광체가 혼합된 몰드 수지로 몰딩하고, 그 상부에 적색 형광체를 몰딩하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드의 제조 방법.
  6. 청색 반도체 발광다이오드,
    상기 발광다이오드로부터 발광하는 청색광의 확산영역에서 이 청색광의 일부를 흡수하여 이 청색광과 다른 파장대의 빛을 발광하는 황화스트론튬계 녹색 형광체와
    상기 청색 반도체 발광다이오드로 부터의 청색광 및 녹색 형광체로 부터의 녹색광의 일부를 흡수하여 다른 파장대의 빛을 발광하는 바륨실리케이트계 적색형광체로 부터의 혼색에 의한 백색광을 발광하는 백색 발광다이오드에 있어서,
    상기 녹색 및 적색 형광체의 입도는 서로 상이하고,
    상기 녹색 및 적색 형광체의 입자는 구형, 다각형 또는 판형의 형태를 가지며, 상기 녹색 형광체의 입자크기는 10㎛ 내지 40㎛(대립자)의 범위이고,
    상기 적색 형광체의 입자크기는 0.1㎛ 내지 10㎛(소립자)의 범위인 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드.
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