KR101786093B1 - 형광체, 형광체 제조방법 및 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 형광체는 350nm 내지 480nm의 파장 영역에서 중심 파장을 갖는 광을 여기원으로 하고 490nm 내지 550nm의 파장 영역을 중심 파장으로 하는 광을 방출하는 M (p-y) Al (2q+r-x) Si x O (p+3q-3x/2) N (r+4x/3) Eu y 으로 표현되는 형광체를 포함한다. (상기 화학식에서, M은 Ba, Sr, Ca, Mg 및 Be으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1개 이상의 알칼리 토금속 이온이고, 1≤p≤3, 1≤q≤3 , 0≤r≤1, 0≤x≤6, 및 0.001<y≤0.4이다.)
Description
본 발명은 형광체, 형광체 제조방법 및 발광 소자에 관한 것이다.
형광체는 여기원의 에너지를 가시광의 에너지로 전환시키는 매개체 역할을 하며, 다양한 디스플레이 소자의 이미지 구현에 필수적인 동시에 형광체의 효율이 디스플레이 제품의 효율과 직접 연관되는 주요 요소이다.
백색광을 방출하는 발광 소자들 중의 하나로 청색 발광 다이오드를 이용한 발광 소자가 있다. 청색 발광 다이오드를 이용한 발광 소자는 청색 빛을 방출하는 발광 다이오드에 청색광을 여기원으로 하여 황색광을 방출하는 황색 형광체를 도포시킴으로써, 상기 청색 발광 다이오드에서 나오는 청색광과 황색 형광체에서 방출되는 황색광이 혼합되어 백색을 구현하고 있다.
즉, 백색광을 방출하는 발광 소자는 청색 발광 다이오드에 형광체를 도포하여 발광 다이오드에서 나오는 청색광과 형광체로부터 방출되는 2차 광원을 이용하는 방법으로서, 청색 발광 다이오드에 황색을 내는 YAG:Ce형광체를 도포하여 백색광을 얻는 방식이 사용되고 있다.
그러나, 상기 방법은 2차광을 이용하면서 발생하는 양자결손(quantum deficits) 및 재방사 효율에 기인한 효율감소가 수반되고, 색 랜더링이 용이하지 않다는 단점이 있다. 따라서, 종래의 백색 발광 소자는 청색 발광 다이오드와 황색 형광체를 조합한 것으로서, 녹색과 적색 성분이 결여되어 부자연스러운 색상을 표현할 수밖에 없어 휴대 전화, 노트북 PC의 화면에 이용하는 정도로 한정되어 적용되고 있다. 그럼에도 불구하고 구동이 용이하고 가격이 현저히 저렴하다는 이점 때문에 널리 상용화되어 있다.
일반적으로 형광체는 모체 재료에 규산염, 인산염, 알루민산염, 또는 황화물을 사용하고, 발광 중심에 천이 금속 또는 희토류 금속을 사용한 것이 널리 알려져 있다.
한편, 백색광을 방출하는 발광 소자에 관해서는 자외선 또는 청색광 등의 높은 에너지를 갖는 여기원에 의해 여기되어 가시광선을 발광하는 형광체에 대한 개발이 주류를 이루어 왔다. 그러나, 종래 형광체는 여기원에 노출되면, 형광체의 휘도가 저하된다는 문제가 있어, 최근에는 휘도 저하가 적은 형광체로서, 질화 규소 관련 세라믹스를 호스트 결정으로 한 형광체의 연구를 진행한 결과, 결정 구조가 안정적이고, 여기광이나 발광을 장파장 측에 시프트할 수 있는 재료로서, 질화물 또는 산화질화물 형광체가 주목을 받고 있다.
실시예는 새로운 형광체, 형광체 제조방법, 및 발광 소자를 제공한다.
실시예는 색 순도가 높고 350nm 내지 480nm의 파장 영역에서 중심 파장을 갖는 광을 여기원으로 하고 490nm 내지 550nm의 파장 영역을 중심 파장으로 하는 광을 방출하는 형광체, 및 형광체 제조방법을 제공한다.
실시예는 산질화물 형광체의 양이온과 음이온을 선택적으로 적용함으로써 UV LED 혹은 청색 LED에서 나오는 광을 여기원으로 하면서 490nm 내지 550nm의 파장 영역에서 발광 중심 파장을 갖는 광 스펙트럼을 방출하는 형광체, 및 형광체 제조방법을 제공한다.
실시예는 350nm 내지 480nm의 파장 영역에서 중심 파장을 갖는 광을 여기원으로 하고 490nm 내지 550nm의 파장 영역을 중심 파장으로 하는 광을 방출하는 형광체를 포함하는 발광 소자를 제공한다.
본 발명에 따른 형광체는 350nm 내지 480nm의 파장 영역에서 중심 파장을 갖는 광을 여기원으로 하고 490nm 내지 550nm의 파장 영역을 중심 파장으로 하는 광을 방출하는 M (p-y) Al (2q+r-x) Si x O (p+3q-3x/2) N (r+4x/3) Eu y 으로 표현되는 형광체를 포함한다. (상기 화학식에서, M은 Ba, Sr, Ca, Mg 및 Be으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1개 이상의 알칼리 토금속 이온이고, 1≤p≤3, 1≤q≤3 , 0≤r≤1, 0≤x≤6, 및 0.001<y≤0.4이다.)
본 발명에 따른 형광체는 350nm 내지 480nm의 파장 영역에서 중심 파장을 갖는 광을 여기원으로 하고 490nm 내지 550nm의 파장 영역을 중심 파장으로 하는 광을 방출하는 M (p-y) Al (2q+r) O (p+3q) NrEuy 으로 표현되는 형광체를 포함한다. (상기 화학식에서, M은 Ba, Sr, Ca, Mg 및 Be으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1개 이상의 알칼리 토금속 이온이고, p, q, r은 p=1, 1≤q≤2.5, 1≤r≤3을 만족하며, y는 0.001≤y≤0.4를 만족한다.)
실시예는 새로운 형광체, 형광체 제조방법, 및 발광 소자를 제공할 수 있다.
실시예는 색 순도가 높고 350nm 내지 480nm의 파장 영역에서 중심 파장을 갖는 광을 여기원으로 하고 490nm 내지 550nm의 파장 영역을 중심 파장으로 하는 광을 방출하는 형광체, 및 형광체 제조방법을 제공할 수 있다.
실시예는 산질화물 형광체의 양이온과 음이온을 선택적으로 적용함으로써 UV LED 혹은 청색 LED에서 나오는 광을 여기원으로 하면서 490nm 내지 550nm의 파장 영역에서 발광 중심 파장을 갖는 광 스펙트럼을 방출하는 형광체, 및 형광체 제조방법을 제공할 수 있다.
실시예는 350nm 내지 480nm의 파장 영역에서 중심 파장을 갖는 광을 여기원으로 하고 490nm 내지 550nm의 파장 영역을 중심 파장으로 하는 광을 방출하는 형광체를 포함하는 발광 소자를 제공할 수 있다.
도 1 및 도 2는 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al4O11 /2NEu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 3 및 도 4는 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al4O4N2Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 5 및 도 6은 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al5O7NEu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 7 및 도 8은 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al5O4N3Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 9 및 도 10은 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al5O11 /2N2Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 11 및 도 12는 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al6O17 /2NEu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 13 및 도 14는 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al6O11 /2N3Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 15 및 도 16은 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .6Al4O11 /2NEu0 .4 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 17 및 도 18은 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .58Ba0 .02Al4O11 /2NEu0 .4 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 19 및 도 20은 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .55Ba0 .05Al4O11 /2NEu0 .4 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 21 및 도 22은 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .5Ba0 .1Al4O11 /2NEu0 .4 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 23 및 도 24는 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al4O5 .5NEu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 25 및 도 26은 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al3 .2Si0 .8O4 .3N2 .07Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 27 및 도 28은 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al4O5 .5NEu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 29 및 도 30은 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al3 .7Si0 .3O5 .05N1 .4Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 31 및 도 32는 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al3 .5Si0 .5O4 .75N1 .67Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 33 및 도 34는 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al3 .2Si0 .8O4 .3N2 .07Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 35 및 도 36은 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al2 .1O4N0 .1Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 37 및 도 38은 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al1 .8Si0 .3O3 .55N0 .5Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 39 및 도 40은 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al1 .6Si0 .6O3 .25N0 .77Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 41 및 도 42는 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al1 .3Si0 .8O2 .8N1 .17Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 43 및 도 44는 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Sr2 .9Si6O3N8Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 45 내지 도 57은 본 발명의 백색 발광 소자의 실시예들을 설명하는 도면.
도 58 및 도 59는 본 발명의 백색 발광 소자에 사용될 수 있는 발광 다이오드의 실시예들을 설명하는 도면.
도 3 및 도 4는 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al4O4N2Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 5 및 도 6은 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al5O7NEu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 7 및 도 8은 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al5O4N3Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 9 및 도 10은 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al5O11 /2N2Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 11 및 도 12는 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al6O17 /2NEu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 13 및 도 14는 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al6O11 /2N3Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 15 및 도 16은 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .6Al4O11 /2NEu0 .4 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 17 및 도 18은 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .58Ba0 .02Al4O11 /2NEu0 .4 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 19 및 도 20은 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .55Ba0 .05Al4O11 /2NEu0 .4 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 21 및 도 22은 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .5Ba0 .1Al4O11 /2NEu0 .4 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 23 및 도 24는 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al4O5 .5NEu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 25 및 도 26은 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al3 .2Si0 .8O4 .3N2 .07Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 27 및 도 28은 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al4O5 .5NEu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 29 및 도 30은 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al3 .7Si0 .3O5 .05N1 .4Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 31 및 도 32는 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al3 .5Si0 .5O4 .75N1 .67Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 33 및 도 34는 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al3 .2Si0 .8O4 .3N2 .07Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 35 및 도 36은 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al2 .1O4N0 .1Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 37 및 도 38은 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al1 .8Si0 .3O3 .55N0 .5Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 39 및 도 40은 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al1 .6Si0 .6O3 .25N0 .77Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 41 및 도 42는 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al1 .3Si0 .8O2 .8N1 .17Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 43 및 도 44는 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Sr2 .9Si6O3N8Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
도 45 내지 도 57은 본 발명의 백색 발광 소자의 실시예들을 설명하는 도면.
도 58 및 도 59는 본 발명의 백색 발광 소자에 사용될 수 있는 발광 다이오드의 실시예들을 설명하는 도면.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 형광체, 형광체 제조방법, 및 발광 소자에 대해 상세히 설명하고자 한다.
형광체는 임자결정(Host Lattice)인 산화물이나 할로겐화합물에 활성이온인 희귀금속을 미량 도핑하여 활성화함으로써 완성된다. 이때 형광체의 광학적 특성은 활성이온의 에너지 준위에 의해 주로 좌우된다. 임자결정내에서 활성이온의 에너지 준위는 활성이온 자체가 갖는 고유의 에너지 준위에 의해 결정될 뿐만 아니라 임자결정에 의해 결정되는 결정장(crystal field)에 의해 영향을 받는다. 이를 네페로우쎄틱(Nephelauxetic) 효과라 하는데, Eu2 +의 경우 주변에 결정장(crystal field)이 강하게 형성될 경우 흡수영역대를 장파장쪽으로 이동시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 이들 결정장을 조정할 수 있는 수단중의 하나가, 양이온의 크기 변화 혹은 임자결정을 구성하고 있는 음이온의 공유도(covalency)이다.
본 발명에서는 임자결정의 산소(Oxygen)이온을 질소이온으로 치환하여 공유 결합도를 조정하여 원하는 흡수광 영역, 발광영역을 얻는다. 같은 개념으로 결합길이(bonding length)가 1.70~1,78Å인 [Al-O] 결합을 결합길이가 1.65~1.75Å인 [Si-N] 결합으로 대체함으로써 흡수파장, 발광 파장을 조정한다.
본 발명은 350∼480nm 파장 영역에서 중심 파장을 갖는 광을 여기원으로 하고, 490nm 내지 550nm의 파장 영역을 중심 파장으로 하는 광을 방출하는 하기 화학식 1 및 화학식 2로 표시되는 형광체를 제공한다.
화학식 1
M (p-y) Al (2q+r) O (p+3q) NrEuy
(상기 화학식1에서, M은 Ba, Sr, Ca, Mg 및 Be으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1개 이상의 알칼리 토금속 이온이고, 전이금속인 Zn을 포함할 수도 있다. p, q, r은 p=1, 1≤q≤2.5, 1≤r≤3을 만족하며, y는 0.001≤y≤0.4를 만족한다.)
본 발명의 실시예에 따른 형광체는 유로피움(Eu+2)이온으로 활성화되는 것으로서, Ba, Sr, Ca, Mg 및 Be를 포함하는 알칼리토금속, Zn을 포함한 전이금속, Si, Al, N 이온을 포함하는 원료염을 포함한다. 예를 들어, 상기 형광체는 BaCO3, SrCO3, CaCO3, MgCO3, 및 BeCO3 중 적어도 어느 하나와, Al2O3, AlN 에 Eu 이온을 미량 첨가하여 제조될 수 있다.
이때, 유로피움(Eu2+)을 포함하는 화합물은 알칼리 토금속을 포함하는 2가 금속 대비 0.001에서 0.4 사이의 몰농도로 함유된다. 상기 유로피움(Eu+2)이온이 0.001몰 미만이면, 활성화가 부족하고, 0.4몰을 초과하면, 농도 소광(concentration quenching)이 발생하여 휘도가 감소하는 문제가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 형광체는 부활성제로서 알칼리 토금속을 포함하는 2가 금속 대비, 0.01 내지 0.3의 몰 농도로 망간(Mn2 +)이온을 더 포함할 수 있다. 상기 망간(Mn2 +)이온을 포함함으로써, 530nm 파장 영역대 에서의 발광파장의 효율을 증진할 수 있다.
또한, Dy3 +을 부활성제로 사용하여 효율을 증대할 수 있다. 이 경우, Li+1을 첨가하여 전하균형(charge balance)을 유지시켜 준다.
화학식 1로 표시되는 형광체 제조방법의 예
Sr, Al 및 Eu의 이온을 포함하고 있는 금속염, SrCO3, BaCO3, Eu2O3, Al2O3, AlN을 정량하고, 800∼1200℃의 온도에서 2시간 산화 처리한 후, 볼밀 통에 넣어 2∼24 시간 동안 아세톤을 용매로 하여 볼 밀링한 후 건조하였다. 이후, 1300∼1400℃의 온도에서 4∼10시간 동안 수소/질소가스(95:5v/v)의 공급속도가 100∼300sccm의 유량으로 제어된 환원분위기 하에서 소성하여, 형광체를 제조하였다. 제조된 형광체들은 350∼430nm 파장 영역에서 여기 중심 파장을 가지며, 510∼530nm의 파장 영역에서 발광 중심 파장을 갖는 가시광을 방출함을 알 수 있었다.
화학식 1로 표시되는 형광체의 구체적인 예시
예를 들어, 화학식 1로 표시되는 형광체는 Sr0 .9Al4O11 /2NEu0 .1, Sr0.9Al4O4N2Eu0.1, Sr0 .9Al5O7NEu0 .1, Sr0 .9Al5O4N3Eu0 .1, Sr0 .9Al5O11 /2N2Eu0 .1, Sr0.9Al6O17/2NEu0.1, Sr0 .9Al6O11 /2N3Eu0 .1, Sr0 .6Al4O11 /2 NEu0 .4, Sr0 .58Ba0 .02Al4O11 /2NEu0 .4, Sr0.55Ba0.05Al4O11/2NEu0.4, Sr0 .5Ba0 .1Al4O11 /2NEu0 . 4 이다.
도 1 및 도 2는 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al4O11 /2NEu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
예를 들어, 상기 Sr0 .9Al4O11 /2NEu0 .1 형광체의 합성을 위해 사용된 초기 질량비는 다음 표 1에서 보는 바와 같다.
| 물질명 | 분자량 | 몰수 | 질량 | 1g당 질량 |
| SrCO3 | 147.63 | 0.9 | 147.63 | 0.411049 |
| Al2O3 | 101.96 | 1.5 | 152.94 | 0.425833 |
| AlN | 40.9882 | 1 | 40.9882 | 0.114124 |
| Eu2O3 | 351.926 | 0.05 | 17.5963 | 0.048994 |
상기 Sr0 .9Al4O11 /2NEu0 .1 형광체는 368nm의 여기 중심 파장을 갖고, 524nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
도 3 및 도 4는 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al4O4N2Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
상기 Sr0 .9Al4O4N2Eu0 .1 형광체는 367nm의 여기 중심 파장을 갖고, 520nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
도 5 및 도 6은 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al5O7NEu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
상기 Sr0 .9Al5O7NEu0 .1 형광체는 367nm의 여기 중심 파장을 갖고, 519nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
도 7 및 도 8은 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al5O4N3Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
상기 Sr0 .9Al5O4N3Eu0 .1 형광체는 363nm의 여기 중심 파장을 갖고, 524nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
도 9 및 도 10은 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al5O11 /2N2Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
상기 Sr0 .9Al5O11 /2N2Eu0 .1 형광체는 367nm의 여기 중심 파장을 갖고, 520nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
도 11 및 도 12는 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al6O17 /2NEu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
상기 Sr0 .9Al6O17 /2NEu0 .1 형광체는 368nm의 여기 중심 파장을 갖고, 521nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
도 13 및 도 14는 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al6O11 /2N3Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
상기 Sr0 .9Al6O11 /2N3Eu0 .1 형광체는 366nm의 여기 중심 파장을 갖고, 518nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
도 15 및 도 16은 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .6Al4O11 /2NEu0 .4 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
예를 들어, 상기 Sr0 .6Al4O11 /2NEu0 .4 형광체의 합성을 위해 사용된 초기 질량비는 다음 표 2에서 보는 바와 같다.
| 물질명 | 분자량 | 몰수 | 질량 | 1g당 질량 |
| SrCO3 | 147.63 | 0.6 | 88.578 | 0.251006 |
| Al2O3 | 101.96 | 1.5 | 152.94 | 0.433391 |
| AlN | 40.9882 | 1 | 40.9882 | 0.11615 |
| Eu2O3 | 351.926 | 0.2 | 70.3852 | 0.199453 |
상기 Sr0 .6Al4O11 /2NEu0 .4 형광체는 366nm의 여기 중심 파장을 갖고, 520nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
도 17 및 도 18은 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .58Ba0 .02Al4O11 /2NEu0 .4 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
예를 들어, 상기 Sr0 .58Ba0 .02Al4O11 /2NEu0 .4 형광체의 합성을 위해 사용된 초기 질량비는 다음 표 3에서 보는 바와 같다.
| 물질명 | 분자량 | 몰수 | 질량 | 1g당 질량 |
| SrCO3 | 147.63 | 0.58 | 85.6254 | 0.241958 |
| BaCO3 | 197.34 | 0.02 | 3.9468 | 0.011153 |
| Al2O3 | 101.96 | 1.5 | 152.94 | 0.432174 |
| AlN | 40.9882 | 1 | 40.9882 | 0.115823 |
| Eu2O3 | 351.926 | 0.2 | 70.3852 | 0.198893 |
상기 Sr0 .58Ba0 .02Al4O11 /2NEu0 .4 형광체는 368nm의 여기 중심 파장을 갖고, 516nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
도 19 및 도 20은 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .55Ba0 .05Al4O11 /2NEu0 .4 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
상기 Sr0 .55Ba0 .05Al4O11 /2NEu0 .4 형광체는 369nm의 여기 중심 파장을 갖고, 518nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
도 21 및 도 22은 화학식 1로 표시되는 형광체 중 Sr0 .5Ba0 .1Al4O11 /2NEu0 .4 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
상기 Sr0 .5Ba0 .1Al4O11 /2NEu0 .4 형광체는 368nm의 여기 중심 파장을 갖고, 518nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
상기 화학식 1에서 합성된 형광체의 여기 특성을 살펴보면 질화 정도에 따라 중심 흡수대가 360~400nm 영역에 걸쳐 존재한다. 통상 청색 LED로 여기 되는 형광체의 경우, 흡수대가 450nm 영역에 존재하여야 효율을 높일 수 있다. 이처럼 흡수 대를 가급적 450nm에 인접한 파장대로 옮기기 위해 [Al-O]+1 결합을 [Si-N]+1 결합으로 대체하고자 한 조성식이 화학식 2이다.
화학식 2
M (p-y) Al (2q+r-x) Si x O (p+3q-3x/2) N (r+4x/3) Eu y
(상기 화학식2에서, M은 Ba, Sr, Ca, Mg 및 Be으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1개 이상의 알칼리 토금속 이온이고, 전이금속인 Zn을 포함할 수도 있다. 1≤p≤3, 1≤q≤3 , 0≤r≤1, 0≤x≤6, 및 0.001<y≤0.4이다.)
또한, 본 발명의 실시예에 따른 형광체는 부활성제로서 알칼리 토금속을 포함하는 2가 금속 대비, 0.01 내지 0.3의 몰 농도로 망간(Mn2 +)이온을 더 포함할 수 있다. 상기 망간(Mn2 +)이온을 포함함으로써, 530nm 파장 영역대 에서의 발광파장의 효율을 증진할 수 있다.
또한, Dy3 +을 부활성제로 사용하여 효율을 증대할 수 있다. 이 경우, Li+1을 첨가하여 전하균형(charge balance)을 유지시켜 준다.
화학식 2로 표시되는 형광체 제조방법의 예
Sr, Ba, Al, Si 및 Eu의 이온을 포함하고 있는 금속염, SrCO3, BaCO3, Eu2O3, Al2O3, AlN, Si3N4을 정량하고, 800∼1200℃의 온도에서 2시간 산화 처리한 후, 볼밀 통에 넣어 2∼24 시간 동안 아세톤을 용매로 하여 볼밀링한 후 건조하였다. 이후, 1300℃∼1400℃의 온도에서 4∼10시간 동안 수소/질소가스(95:5v/v)의 공급속도가 100∼300sccm의 유량으로 제어된 환원분위기 하에서 소성하여, 형광체를 제조하였다. 이때, 상기 제조된 형광체는 350∼480nm 파장 영역을 여기 중심파장으로, 490∼550nm의 파장 영역을 발광 중심파장으로 하는 가시광을 방출하는 형광체를 제조하였다. 화학식2에서 보여주는 형광체는 궁극적으로 화학식1에 공유결합도를 증대한 조성식으로 화학식 1에서 합성된 입자를 전구체로 활용할 수 있다.
화학식 2로 표시되는 형광체의 구체적인 예시
예를 들어, 화학식 2로 표시되는 형광체는 Sr0 .9Al4O5 .5NEu0 .1 (p=1, q=3/2, r=1, x=0, y=0.1), Sr0 .9Al3 .2Si0 .8O4 .3N2 .07Eu0 .1 (p=1, q=3/2, r=1, x=0.8 y=0.1), Ba0.9Al4O5.5NEu0.1 (p=1, q=3/2, r=1, x=0, y=0.1), Ba0 .9Al3 .7Si0 .3O5 .05N1 .4Eu0 .1 (p=1, q=3/2, r=1, x=0.3, y=0.1), Ba0 .9Al3 .5Si0 .5O4 .75N1 .67Eu0 .1 (p=1, q=3/2, r=1, x=0.5, y=0.1), Ba0 .9Al3 .2Si0 .8O4 .3N2 .07Eu0 .1 (p=1, q=3/2, r=1, x=0.8 y=0.1), Ba0.9Al2.1O4N0.1Eu0.1 (p=1, q=1, r=0.1, x=0, y=0.1), Ba0 .9Al1 .8Si0 .3O3 .55N0 .5Eu0 .1 (p=1, q=1, r=0.1, x=0.3, y=0.1), Ba0 .9Al1 .6Si0 .6O3 .25N0 .77Eu0 .1 (p=1, q=1, r=0.1, x=0.5, y=0.1), Ba0 .9Al1 .3Si0 .8O2 .8N1 .17Eu0 .1 (p=1, q=1, r=0.1, x=0.8, y=0.1), Sr2 .9Si6O3N8Eu0 .1 (p=3, q=3, r=0, x=6, y=0.1)이다.
도 23 및 도 24는 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al4O5 .5NEu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
상기 Sr0 .9Al4O5 .5NEu0 .1 형광체는 376nm의 여기 중심 파장을 갖고, 518nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
도 25 및 도 26은 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Sr0 .9Al3 .2Si0 .8O4 .3N2 .07Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
상기 Sr0 .9Al3 .2Si0 .8O4 .3N2 .07Eu0 .1 형광체는 394nm의 여기 중심 파장을 갖고, 500nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
도 27 및 도 28은 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al4O5 .5NEu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
상기 Ba0 .9Al4O5 .5NEu0 .1 형광체는 376nm의 여기 중심 파장을 갖고, 506nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
도 29 및 도 30은 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al3 .7Si0 .3O5 .05N1 .4Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
상기 Ba0 .9Al3 .7Si0 .3O5 .05N1 .4Eu0 .1 형광체는 370nm의 여기 중심 파장을 갖고, 520nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
도 31 및 도 32는 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al3 .5Si0 .5O4 .75N1 .67Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
예를 들어, 상기 Ba0 .9Al3 .5Si0 .5O4 .75N1 .67Eu0 .1 형광체의 합성을 위해 사용된 초기 질량비는 다음 표 4에서 보는 바와 같다.
| 물질명 | 분자량 | 몰수 | 질량 | 1g당 질량 |
| BaCO3 | 197.34 | 0.9 | 177.606 | 0.45893 |
| Al2O3 | 101.96 | 1.25 | 127.45 | 0.329328 |
| Si3N4 | 140.29 | 0.17 | 23.381 | 0.060418 |
| AlN | 40.9882 | 1 | 40.988 | 0.105912 |
| Eu2O3 | 351.926 | 0.05 | 17.596 | 0.045468 |
상기 Ba0 .9Al3 .5Si0 .5O4 .75N1 .67Eu0 .1 형광체는 396nm의 여기 중심 파장을 갖고, 524nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
도 33 및 도 34는 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al3 .2Si0 .8O4 .3N2 .07Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
상기 Ba0 .9Al3 .2Si0 .8O4 .3N2 .07Eu0 .1 형광체는 396nm의 여기 중심 파장을 갖고, 518nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
도 35 및 도 36은 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al2 .1O4N0 .1Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
상기 Ba0 .9Al2 .1O4N0 .1Eu0 .1 형광체는 396nm의 여기 중심 파장을 갖고, 500nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
도 37 및 도 38은 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al1 .8Si0 .3O3 .55N0 .5Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
상기 Ba0 .9Al1 .8Si0 .3O3 .55N0 .5Eu0 .1 형광체는 450nm의 여기 중심 파장을 갖고, 528nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
도 39 및 도 40은 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al1 .6Si0 .6O3 .25N0 .77Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
상기 Ba0 .9Al1 .6Si0 .6O3 .25N0 .77Eu0 .1 형광체는 438nm의 여기 중심 파장을 갖고, 522nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
도 41 및 도 42은 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Ba0 .9Al1 .3Si0 .8O2 .8N1 .17Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
예를 들어, 상기 Ba0 .9Al1 .3Si0 .8O2 .8N1 .17Eu0 .1 형광체의 합성을 위해 사용된 초기 질량비는 다음 표 5에서 보는 바와 같다.
| 물질명 | 분자량 | 몰수 | 질량 | 1g당 질량 |
| BaCO3 | 197.34 | 0.9 | 177.606 | 0.606164 |
| Al2O3 | 101.96 | 0.6 | 61.176 | 0.208792 |
| Si3N4 | 140.29 | 0.257 | 37.41067 | 0.127681 |
| AlN | 40.988 | 0.1 | 4.098 | 0.0138 |
| Eu2O3 | 351.926 | 0.05 | 17.596 | 0.060055 |
상기 Ba0 .9Al1 .3Si0 .8O2 .8N1 .17Eu0 .1 형광체는 436nm의 여기 중심 파장을 갖고, 526nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
도 43 및 도 44는 화학식 2로 표시되는 형광체 중 Sr2 .9Si6O3N8Eu0 .1 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼이다.
상기 Sr2 .9Si6O3N8Eu0 .1 형광체는 396nm의 여기 중심 파장을 갖고, 528nm의 발광 중심 파장을 갖는다.
본 발명에 따른 형광체에서, 화학식 2로 표시되는 형광체들은 490~550nm의 파장 범위에서 발광 중심 파장을 갖는 녹색 형광체로 제조될 수 있다.
도 45는 본 발명의 백색 발광 소자의 개략적인 구성도로서, 350~480nm 파장영역에서 중심 파장을 갖는 광자를 방출시키는 발광 다이오드(110)을 설치하고, 봉지재(150)에 본 발명의 녹색 형광체와, 적색 형광체를 혼합 산재시켜 제조할 수 있다. 상기 봉지재(150)는 에폭시 수지 또는 실리콘 수지로 형성될 수 있다.
상기 적색 형광체는 반치폭이 80-110nm, 바람직하게 90-100nm인 광을 방출하는 나이트라이드(N)계 형광체가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 적색 형광체는 반치폭이 90-100nm인 광을 방출하는 CaAlSiN3:Eu2 + 형광체가 사용될 수도 있다.
또한, 상기 녹색 형광체 및 적색 형광체 외에, 황색 형광체를 더 함유하여 소자의 광효율을 높일 수 있다. 또한, 황색 형광체로서 Garnet계 형광체(YAG:Ce, TAG:Ce 등) 및/또는 실리케이트계 형광체를 사용하는 것도 가능하다.
상기 발광 다이오드(110)는 350nm 내지 480nm 대역의 파장 영역, 바람직하게 465nm의 파장영역에서 중심 파장을 갖고 반치폭이 15-40nm인 청색광을 방출하는 GaN 기반 발광 다이오드를 사용할 수 있다.
상기 발광 다이오드(110)는 은 페이스트 등을 이용하여 전극(131) 또는 바디(120)에 접착 고정시킨다. 상기 발광 다이오드(110)는 상기 전극(131) 중 어느 하나와 은 페이스트 등을 통해 전기적으로 연결되고 다른 하나와 와이어(140)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 봉지재(150)는 에폭시 수지 또는 실리콘 수지에 본 발명에서 합성된 형광체(151)를 분산시켜 제작되고, 이후 제작된 봉지재(150)를 발광 다이오드(110) 상에 도포 또는 박막형으로 올린 후, 100 내지 160℃에서 1시간 동안 경화하고 고정시켜 제작한다.
이때, 에폭시 수지 또는 실리콘 수지 100 중량부에 대하여, 본 발명의 형광체의 첨가량은 원하는 색 좌표에 따라 조정될 수 있으나, 0.1 내지 60 중량부가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1 내지 30 중량부로 함유되는 것이다.
아울러, 백색 발광 소자 제조 시, 소자의 광효율을 높이기 위하여 통상의 황색 형광체를 더 함유할 수 있음은 당업자로부터 용이하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에서 백색 구현을 위하여 첨가되는 황색 형광체의 첨가량은 에폭시 수지 또는 실리콘 수지 100 중량부에 대하여, 0.1 내지 20 중량부를 사용할 수 있다.
특히, 상기 봉지재(150) 내부의 본 발명의 형광체는 발광 다이오드(110)에서 방출되는 청색광을 여기원으로 하여, 490nm 내지 550nm의 파장 대역에서 중심 파장을 갖는 가시광으로 광변환된다.
따라서, 종래 청색광을 여기광원으로 하여 단일 황색 형광체를 사용하여 백색을 구현하는 경우보다, 색의 연색성이 저하되는 문제점을 최소화하여 색순도가 뛰어나고 광효율이 높은 백색 발광 소자를 제조할 수 있다.
또한, 상기 발광 다이오드는 UV(Ultraviolet) 광을 방출하는 발광 다이오드로 구비될 수 있으며, 이 경우 상기 형광체(151)는 녹색 형광체, 적색 형광체, 청색 형광체를 포함할 수도 있다.
도 46은 본 발명의 백색 발광 소자의 다른 예이다.
도 46에 도시된 백색 발광 소자를 설명함에 있어서 도 45에 도시된 백색 발광 소자에 대한 설명과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 46을 참조하면, 백색 발광 소자는 발광 다이오드(110)와, 상기 발광 다이오드(110)를 지지하고 상기 발광 다이오드(110)에서 방출된 광을 상측 방향으로 반사시키는 바디(120)와, 상기 발광 다이오드(110)에 전원을 제공하는 전기적으로 절연된 두개의 전극(131)과, 상기 발광 다이오드(110)와 상기 두개의 전극(131)을 전기적으로 연결하는 와이어(140)와, 상기 발광 다이오드(110)를 몰딩하는 에폭시 수지 또는 실리콘 수지로 형성된 광 투과 수지에 분산된 형광체(151)와, 상기 발광 다이오드(110), 바디(120), 형광체(151), 와이어(140)를 포위하는 봉지재(150)를 포함할 수 있다. 상기 형광체(151)는 도 45에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에서 설명된 형광체가 사용될 수 있다.
도 47은 본 발명의 백색 발광 소자의 또 다른 예이다.
도 47에 도시된 백색 발광 소자를 설명함에 있어서 도 45에 도시된 백색 발광 소자에 대한 설명과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 47을 참조하면, 백색 발광 소자는 발광 다이오드(110)와, 상기 발광 다이오드(110)를 지지하고 상기 발광 다이오드(110)에서 방출된 광을 상측 방향으로 반사시키는 바디(120)와, 상기 상기 바디(120) 상에 패터닝되어 상기 발광 다이오드(110)에 전원을 제공하는 두개의 전극(131)과, 상기 발광 다이오드(110)와 상기 두개의 전극(131) 중 어느 하나를 전기적으로 연결하는 와이어(140)와, 상기 발광 다이오드(110)를 몰딩하는 광 투과 수지에 분산된 형광체(151)와, 상기 바디(120) 상에 배치되어 상기 발광 다이오드(110)를 포위하는 봉지재(150)를 포함할 수 있다. 상기 형광체(151)는 도 45에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에서 설명된 형광체가 사용될 수 있다.
도 48은 본 발명의 백색 발광 소자의 또 다른 예이다.
도 48에 도시된 백색 발광 소자를 설명함에 있어서 도 45에 도시된 백색 발광 소자에 대한 설명과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 48을 참조하면, 백색 발광 소자는 발광 다이오드(110)와, 상기 발광 다이오드(110)를 지지하고 상기 발광 다이오드(110)에서 방출된 광을 상측 방향으로 반사시키는 바디(120)와, 상기 바디(120)를 관통하여 일측은 상기 바디(120)에 형성된 캐비티 내에 배치되고 타측은 상기 바디(120)의 하면에 배치되어 상기 발광 다이오드(110)에 전원을 제공하는 두개의 전극(131)과, 상기 발광 다이오드(110)와 상기 두개의 전극(131) 중 어느 하나를 전기적으로 연결하는 와이어(140)와, 상기 발광 다이오드(110)를 몰딩하는 광 투과 수지를 포함하는 봉지재(150)와, 상기 바디(120) 및/또는 상기 봉지재(150) 상에 배치되는 형광체(151)를 포함할 수 있다. 상기 형광체(151)는 도 45에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에서 설명된 형광체가 사용될 수 있다.
상기 형광체(151)는 광 투과 수지에 분산되어 형성될 수도 있으며, 상기 바디(120) 및/또는 봉지재(150) 상에 균일한 두께로 형성될 수 있다. 즉, 상기 형광체(151)는 컨포멀 코팅에 의해 형성될 수도 있다.
상기 발광 다이오드(110)는 상기 바디(120)에 형성된 캐비티 내에 배치될 수 있으며, 상기 형광체(151)와 이격되어 배치된다.
도 49는 본 발명의 백색 발광 소자의 또 다른 예이다.
도 49에 도시된 백색 발광 소자를 설명함에 있어서 도 45에 도시된 백색 발광 소자에 대한 설명과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 49를 참조하면, 백색 발광 소자는 발광 다이오드(110)와, 상기 발광 다이오드(110)를 지지하고 상기 발광 다이오드(110)에서 방출된 광을 상측 방향으로 반사시키는 바디(120)와, 상기 바디(120) 상에 패터닝되어 상기 발광 다이오드(110)에 전원을 제공하는 두개의 전극(131)과, 상기 발광 다이오드(110)와 상기 두개의 전극(131) 중 어느 하나를 전기적으로 연결하는 와이어(140)와, 상기 발광 다이오드(110)상에 형성된 형광체(151)와, 상기 바디(120) 상에 배치되어 상기 발광 다이오드(110)를 포위하는 봉지재(150)를 포함할 수 있다. 상기 형광체(151)는 도 45에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에서 설명된 형광체가 사용될 수 있다.
상기 형광체(151)는 상기 발광 다이오드(110)의 표면에 균일한 두께로 형성될 수 있으며, 상기 발광 다이오드(110)의 상면 및 측면과 접촉할 수도 있다.
도 50은 본 발명의 백색 발광 소자의 또 다른 예이다.
도 50에 도시된 백색 발광 소자를 설명함에 있어서 도 45에 도시된 백색 발광 소자에 대한 설명과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 50을 참조하면, 백색 발광 소자는 발광 다이오드(110)와, 상기 발광 다이오드(110)를 지지하고 상기 발광 다이오드(110)에서 방출된 광을 상측 방향으로 반사시키는 바디(120)와, 상기 바디(120) 상에 상기 발광 다이오드(110)에 전원을 제공하는 두개의 전극(131)과, 상기 발광 다이오드(110)와 상기 두개의 전극(131) 중 어느 하나를 전기적으로 연결하는 와이어(140)를 포함한다. 상기 발광 다이오드(110)는 상기 두개의 전극(131) 중 다른 하나의 위에 형성되어 전기적으로 연결될 수도 있다.
또한, 상기 발광 다이오드(110)를 포위하는 제1 봉지재(150a)와, 상기 제1 봉지재(150a) 상에 형성되는 제1 형광체(151a)와, 상기 제1 형광체(151a) 상에 형성되는 제2 봉지재(150b)와, 상기 제2 봉지재(150b) 상에 형성되는 제2 형광체(151b)와, 상기 제2 형광체(151b) 상에 형성되는 제3 봉지재(150c)와, 상기 제3 봉지재(150c) 상에 형성되는 제3 형광체(151c)와, 상기 제3 형광체(151c) 상에 형성되는 제4 봉지재(150d)를 포함할 수 있다. 상기 제1,2,3 형광체(151a,151b,151c)는 상기 발광 다이오드(110)와 이격될 수 있으며, 상기 제1,2,3 형광체(151a,151b,151c)는 서로 이격될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1,2,3,4 봉지재(150a,150b,150c,150d)는 에폭시 수지 또는 실리콘 수지로 형성될 수 있다.
상기 백색 발광 소자는 적어도 2종류의 형광체가 포함되며, 실시예에서는 3종류의 형광체가 제1,2,3 형광체(151a,151b,15c)로 예시되어 있다.
예를 들어, 상기 발광 다이오드(110)가 청색광을 방출하는 청색 발광 다이오드인 경우, 상기 제1 형광체(151a) 및 제2 형광체(151b)만 구비될 수도 있으며, 이 경우 상기 제1 형광체(151a) 및 제2 형광체(151b)는 황색광을 방출하는 황색 형광체와 녹색광을 방출하는 녹색 형광체가 되거나, 황색광을 방출하는 황색 형광체와 적색광을 방출하는 적색 형광체가 될 수 있다. 또한, 적색광을 방출하는 적색 형광체와 녹색광을 방출하는 녹색 형광체가 될 수도 있다.
예를 들어, 상기 발광 다이오드(110)가 청색광을 방출하는 청색 발광 다이오드인 경우, 상기 제1 형광체(151a), 제2 형광체(151b), 제3 형광체(151c)가 구비될 수 있으며, 이 경우 상기 제1 형광체(151a), 제2 형광체(151b), 제3 형광체(151c)는 황색광을 방출하는 황색 형광체, 녹색광을 방출하는 녹색 형광체, 적색광을 방출하는 적색 형광체가 될 수도 있다.
예를 들어, 상기 발광 다이오드(110)가 UV광을 방출하는 UV 발광 다이오드인 경우, 상기 제1 형광체(151a), 제2 형광체(151b), 제3 형광체(151c)가 구비될 수 있으며, 이 경우 상기 제1 형광체(151a), 제2 형광체(151b), 제3 형광체(151c)는 청색광을 방출하는 청색 형광체, 녹색광을 방출하는 녹색 형광체, 적색광을 방출하는 적색 형광체가 될 수도 있다.
상기 제1 형광체(151a), 제2 형광체(151b), 제3 형광체(151c)는 상기 발광 다이오드(110)에서 방출되는 광 경로 상에 배치될 수 있으며, 상기 발광 다이오드(110)에 인접할수록 단파장의 광을 방출하는 형광체가 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 발광 다이오드(110)가 청색 발광 다이오드인 경우 상기 제1 형광체(151a)는 녹색 형광체가 사용될 수 있고, 상기 제2 형광체(151b)는 황색 형광체가 사용될 수 있고, 상기 제3 형광체(151c)는 적색 형광체가 사용될 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 발광 다이오드(110)가 UV 발광 다이오드인 경우 상기 제1 형광체(151a)는 청색 형광체가 사용될 수 있고, 상기 제2 형광체(151b)는 녹색 형광체가 사용될 수 있고, 상기 제3 형광체(151c)는 적색 형광체가 사용될 수 있다.
상기 녹색 형광체는 본 발명에 따른 형광체가 사용될 수 있고, 상기 적색 형광체는 나이트라이드(N)계 형광체가 사용될 수 있고, 상기 황색 형광체는 YAG 형광체, TAG 형광체, 또는 실리케이트계 형광체가 사용될 수 있다.
상기 제1 형광체(151a), 제2 형광체(151b), 제3 형광체(151c)가 각각 녹색 형광체, 황색 형광체, 적색 형광체인 경우, 상기 황색 형광체의 양이 가장 많이 포함되고, 그 다음 상기 녹색 형광체의 양이 많이 포함되고, 상기 적색 형광체의 양이 가장 적게 포함될 수도 있다. 또한, 상기 녹색 형광체, 황색 형광체, 적색 형광체는 광원의 특성이나 발광하고자 하는 빛의 색에 따라 가변될 수도 있다.
상기 황색 형광체는 반치폭이 50-100nm 또는 120nm 이상인 광을 방출하는 형광체가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 황색 형광체는 반치폭이 120nm 이상인 광을 방출하는 YAG 형광체로서 Y3Al5O12:Ce3 + 형광체 또는 TAG 형광체로서 Tb3Al5O12:Ce3 +가 사용되거나 반치폭이 60-100nm인 광을 방출하는 실리케이트계 형광체로서 (Sr,Ba,Mg,Ca)2SiO4:Eu2+가 사용될 수도 있다.
따라서, 도 50에 도시된 백색 발광 소자는 적어도 2종류 이상의 형광체를 포함하므로써, 백색 발광을 구현할 수 있다.
도 51은 본 발명의 백색 발광 소자의 또 다른 예이다.
도 51에 도시된 백색 발광 소자를 설명함에 있어서 도 50에 도시된 백색 발광 소자에 대한 설명과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 51을 참조하면, 백색 발광 소자는 발광 다이오드(110)와, 상기 발광 다이오드(110)를 지지하고 상기 발광 다이오드(110)에서 방출된 광을 상측 방향으로 반사시키는 바디(120)와, 상기 바디(120) 상에 상기 발광 다이오드(110)에 전원을 제공하는 두개의 전극(131)과, 상기 발광 다이오드(110)와 상기 두개의 전극(131) 중 어느 하나를 전기적으로 연결하는 와이어(140)를 포함한다. 상기 발광 다이오드(110)는 상기 두개의 전극(131) 중 다른 하나의 위에 형성되어 전기적으로 연결될 수도 있다.
또한, 상기 발광 다이오드(110)의 상면 및 측면 방향에 배치되어 상기 발광 다이오드(110)를 포위하는 제1 형광체(151a)와, 상기 제1 형광체(151a) 상에 배치되고 상기 발광 다이오드(110)의 상면 및 측면 방향에 배치되어 상기 발광 다이오드(110)를 포위하는 제2 형광체(151b)와, 상기 제2 형광체(151b) 상에 배치되고 상기 발광 다이오드(110)의 상면 및 측면 방향에 배치되어 상기 발광 다이오드(110)를 포위하는 제3 형광체(151c)를 포함하고, 상기 제1,2,3 형광체(151a,151b,151c)를 포위하는 봉지재(150)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 형광체(151a)는 상기 발광 다이오드(110)와 접촉할 수도 있고, 상기 제2 형광체(151b)는 상기 제1 형광체(151a)와 접촉하고 상기 발광 다이오드(110)와 이격될 수도 있고, 상기 제3 형광체(151c)는 상기 제2 형광체(151b)와 접촉하고 상기 발광 다이오드(110)와 이격될 수도 있다.
상기 봉지재(150)는 에폭시 수지 또는 실리콘 수지로 형성될 수 있으며, 상기 제1,2,3 형광체(151a,151b,151c)는 도 50에 대한 설명과 동일하다.
도 52는 본 발명의 백색 발광 소자의 또 다른 예이다.
도 52에 도시된 백색 발광 소자를 설명함에 있어서 도 50에 도시된 백색 발광 소자에 대한 설명과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 52를 참조하면, 백색 발광 소자는 발광 다이오드(110)와, 상기 발광 다이오드(110)를 지지하고 상기 발광 다이오드(110)에서 방출된 광을 상측 방향으로 반사시키는 바디(120)와, 상기 바디(120) 상에 상기 발광 다이오드(110)에 전원을 제공하는 두개의 전극(131)과, 상기 발광 다이오드(110)와 상기 두개의 전극(131) 중 어느 하나를 전기적으로 연결하는 와이어(140)를 포함한다. 상기 발광 다이오드(110)는 상기 두개의 전극(131) 중 다른 하나의 위에 형성되어 전기적으로 연결될 수도 있다.
또한, 상기 발광 다이오드(110)의 상면 및 측면 방향에 배치되어 상기 발광 다이오드(110)를 포위하는 제1 형광체(151a)와, 상기 제1 형광체(151a) 상에 배치되고 상기 발광 다이오드(110)의 상면 방향에 배치되는 제2 형광체(151b)와, 상기 제2 형광체(151b) 상에 배치되고 상기 발광 다이오드(110)의 상면 방향에 배치되는 제3 형광체(151c)를 포함하고, 상기 제1,2,3 형광체(151a,151b,151c)를 포위하는 봉지재(150)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 형광체(151a)는 상기 발광 다이오드(110)의 상면 및 측면과 접촉할 수 있고, 상기 제2 형광체(151a)는 상기 발광 다이오드(110)와 이격되어 상기 제1 형광체(151a)와 접촉할 수 있고, 상기 제3 형광체(151c)는 상기 발광 다이오드(110)와 이격되어 상기 제2 형광체(151b)와 접촉할 수도 있다.
상기 봉지재(150)는 에폭시 수지 또는 실리콘 수지로 형성될 수 있으며, 상기 제1,2,3 형광체(151a,151b,151c)는 도 50에 대한 설명과 동일하다.
도 53은 본 발명의 백색 발광 소자의 또 다른 예이다.
도 53에 도시된 백색 발광 소자를 설명함에 있어서 도 50에 도시된 백색 발광 소자에 대한 설명과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 53을 참조하면, 백색 발광 소자는 발광 다이오드(110)와, 상기 발광 다이오드(110)를 지지하고 상기 발광 다이오드(110)에서 방출된 광을 상측 방향으로 반사시키는 바디(120)와, 상기 바디(120) 상에 상기 발광 다이오드(110)에 전원을 제공하는 두개의 전극(131)과, 상기 발광 다이오드(110)와 상기 두개의 전극(131) 중 어느 하나를 전기적으로 연결하는 와이어(140)를 포함한다. 상기 발광 다이오드(110)는 상기 두개의 전극(131) 중 다른 하나의 위에 형성되어 전기적으로 연결될 수도 있다.
또한, 상기 발광 다이오드(110)를 포위하는 봉지재(150)와, 상기 봉지재(150) 내에 분산되어 분포되는 제1 형광체(151a), 제2 형광체(151b), 및 제3 형광체(151c)를 포함한다.
상기 봉지재(150)는 에폭시 수지 또는 실리콘 수지로 형성될 수 있으며, 상기 제1,2,3 형광체(151a,151b,151c)는 도 50에 대한 설명과 동일하다.
도 54는 본 발명의 백색 발광 소자의 또 다른 예이다.
도 54에 도시된 백색 발광 소자를 설명함에 있어서 도 50에 도시된 백색 발광 소자에 대한 설명과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 54를 참조하면, 백색 발광 소자는 발광 다이오드(110)와, 상기 발광 다이오드(110)를 지지하고 상기 발광 다이오드(110)에서 방출된 광을 상측 방향으로 반사시키는 바디(120)와, 상기 바디(120) 상에 상기 발광 다이오드(110)에 전원을 제공하는 두개의 전극(131)과, 상기 발광 다이오드(110)와 상기 두개의 전극(131) 중 어느 하나를 전기적으로 연결하는 와이어(140)를 포함한다. 상기 발광 다이오드(110)는 상기 두개의 전극(131) 중 다른 하나의 위에 형성되어 전기적으로 연결될 수도 있다.
또한, 상기 발광 다이오드(110)를 포위하는 봉지재(150)와, 상기 봉지재(150) 상에 제1 형광체(151a)와, 상기 제1 형광체(151a) 상에 제2 형광체(151b)와, 상기 제2 형광체(151b) 상에 제3 형광체(151c)를 포함한다.
예를 들어, 상기 제1 형광체(151a)는 상기 발광 다이오드(110)와 이격되어 상기 봉지재(150) 상에 형성되고, 상기 제2 형광체(151b)는 상기 제1 형광체(151a)와 접촉하고, 상기 제3 형광체(151c)는 상기 제2 형광체(151b)와 접촉할 수도 있다.
상기 봉지재(150)는 에폭시 수지 또는 실리콘 수지로 형성될 수 있으며, 상기 제1,2,3 형광체(151a,151b,151c)는 도 50에 대한 설명과 동일하다.
도 55는 본 발명의 백색 발광 소자의 또 다른 예이다.
도 55에 도시된 백색 발광 소자를 설명함에 있어서 도 50에 도시된 백색 발광 소자에 대한 설명과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 55를 참조하면, 백색 발광 소자는 발광 다이오드(110)와, 상기 발광 다이오드(110)를 지지하고 상기 발광 다이오드(110)에서 방출된 광을 상측 방향으로 반사시키는 바디(120)와, 상기 바디(120) 상에 상기 발광 다이오드(110)에 전원을 제공하는 두개의 전극(131)과, 상기 발광 다이오드(110)와 상기 두개의 전극(131) 중 어느 하나를 전기적으로 연결하는 와이어(140)를 포함한다. 상기 발광 다이오드(110)는 상기 두개의 전극(131) 중 다른 하나의 위에 형성되어 전기적으로 연결될 수도 있다.
또한, 상기 발광 다이오드(110)를 포위하는 제1 봉지재(150a)와, 상기 제1 봉지재(150a) 상에 제1 형광체(151a)와, 상기 제1 형광체(151a) 상에 제2 봉지재(150b)와, 상기 제2 봉지재(150b) 상에 제2 형광체(151b)와, 상기 제2 형광체(151b) 상에 제3 봉지재(150c)와, 상기 제3 봉지재(150c) 상에 제3 형광체(151c)를 포함한다.
예를 들어, 상기 제1 형광체(151a)는 상기 발광 다이오드(110)와 이격되고, 상기 제2 형광체(151b)는 상기 제1 형광체(151a)와 이격되고, 상기 제3 형광체(151c)는 상기 제2 형광체(151b)와 이격될 수 있다.
상기 제1,2,3 봉지재(150a,150b,150c)는 에폭시 수지 또는 실리콘 수지로 형성될 수 있으며, 상기 제1,2,3 형광체(151a,151b,151c)는 도 50에 대한 설명과 동일하다.
도 56은 본 발명의 백색 발광 소자의 또 다른 예이다.
도 56에 도시된 백색 발광 소자를 설명함에 있어서 도 50에 도시된 백색 발광 소자에 대한 설명과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 56을 참조하면, 백색 발광 소자는 발광 다이오드(110)와, 상기 발광 다이오드(110)를 지지하고 상기 발광 다이오드(110)에서 방출된 광을 상측 방향으로 반사시키는 바디(120)와, 상기 바디(120) 상에 상기 발광 다이오드(110)에 전원을 제공하는 두개의 전극(131)과, 상기 발광 다이오드(110)와 상기 두개의 전극(131) 중 어느 하나를 전기적으로 연결하는 와이어(140)를 포함한다. 상기 발광 다이오드(110)는 상기 두개의 전극(131) 중 다른 하나의 위에 형성되어 전기적으로 연결될 수도 있다.
또한, 상기 발광 다이오드(110)의 상면 방향에 배치되는 제1 형광체(151a)와, 상기 제1 형광체(151a) 상에 배치되고 상기 발광 다이오드(110)의 상면 방향에 배치되는 제2 형광체(151b)와, 상기 제2 형광체(151b) 상에 배치되고 상기 발광 다이오드(110)의 상면 방향에 배치되는 제3 형광체(151c)를 포함하고, 상기 제1,2,3 형광체(151a,151b,151c)를 포위하는 봉지재(150)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 형광체(151a)는 상기 발광 다이오드(110)와 접촉할 수 있고, 상기 제2 형광체(151b)는 상기 발광 다이오드(110)와 이격되어 상기 제1 형광체(151a)와 접촉할 수 있고, 상기 제3 형광체(151c)는 상기 제2 형광체(151b)와 접촉할 수도 있다.
상기 봉지재(150)는 에폭시 수지 또는 실리콘 수지로 형성될 수 있으며, 상기 제1,2,3 형광체(151a,151b,151c)는 도 50에 대한 설명과 동일하다.
도 57은 본 발명의 백색 발광 소자의 또 다른 예이다.
도 57에 도시된 백색 발광 소자를 설명함에 있어서 도 50에 도시된 백색 발광 소자에 대한 설명과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 57을 참조하면, 백색 발광 소자는 발광 다이오드(110)와, 상기 발광 다이오드(110)를 지지하고 상기 발광 다이오드(110)에서 방출된 광을 상측 방향으로 반사시키는 바디(120)와, 상기 바디(120) 상에 상기 발광 다이오드(110)에 전원을 제공하는 두개의 전극(131)과, 상기 발광 다이오드(110)와 상기 두개의 전극(131) 중 어느 하나를 전기적으로 연결하는 와이어(140)를 포함한다. 상기 발광 다이오드(110)는 상기 두개의 전극(131) 중 다른 하나의 위에 형성되어 전기적으로 연결될 수도 있다.
또한, 상기 발광 다이오드(110)의 상면 방향에 배치되는 제1 형광체(151a)와, 상기 발광 다이오드(110) 및 제1 형광체(151a)를 포위하는 제1 봉지재(150a)와, 상기 제1 봉지재(150a) 상에 배치되는 제2 형광체(151b)와, 상기 제2 형광체(151b) 상에 배치되는 제2 봉지재(150b)와, 상기 제2 봉지재(150b) 상에 배치되는 제3 형광체(151c)를 포함한다.
예를 들어, 상기 제1 형광체(151a)는 상기 발광 다이오드(110)와 접촉할 수 있고, 상기 제2 형광체(151b)는 상기 제1 형광체(151a)와 이격되어 상기 제1 봉지재(150a) 상에 형성될 수 있고, 상기 제3 형광체(151c)는 상기 제2 형광체(151b)와 이격되어 상기 제2 봉지재(150b) 상에 형성될 수도 있다.
상기 제1,2 봉지재(150a,150b)는 에폭시 수지 또는 실리콘 수지로 형성될 수 있으며, 상기 제1,2,3 형광체(151a,151b,151c)는 도 50에 대한 설명과 동일하다.
도 58은 본 발명의 백색 발광 소자에 사용될 수 있는 발광 다이오드의 예이다.
실시예에 따른 발광 다이오드는 기판(10) 상에 언도프트 반도체층(20), 상기 언도프트 반도체층(20) 상에 제1 도전형의 반도체층(30), 활성층(40), 제2 도전형의 반도체층(50)을 포함하는 발광 구조층이 형성되고, 상기 제1 도전형의 반도체층(30) 상에 제1 전극(60)이 형성되고, 상기 제2 도전형의 반도체층(50) 상에 제2 전극(90)이 형성된다.
또한, 상기 제1 도전형의 반도체층(30)과 상기 활성층(40) 사이에는 제1 도전형의 InGaN/GaN 슈퍼래티스 구조 또는 InGaN/InGaN 슈퍼래티스 구조(35)가 형성될 수도 있다.
또한, 상기 제2 도전형의 반도체층(50)과 상기 활성층(40) 사이에는 제2 도전형의 AlGaN층(55)이 형성될 수도 있다.
상기 기판(10)은 예를 들어, 사파이어 기판(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge 중 적어도 하나로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 예를 들어, 상기 기판(10)은 상기 발광 구조층이 성장되는 성장 기판으로서 기능을 하며, 상기 사파이어 기판이 사용될 수도 있다.
상기 기판(10)에는 복수의 돌출 패턴(11)이 형성될 수 있으며, 상기 돌출 패턴(11)은 상기 활성층(40)에서 방출된 광을 산란시켜 광 효율을 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 돌출 패턴(11)은 반구 형상, 다각형 형상, 삼각뿔 형상, 나노 기둥 형상 중 어느 하나의 형상으로 형성될 수도 있다.
상기 언도프트 반도체층(20)은 의도적으로 제1 도전형의 불순물을 주입하지는 않았으나, 제1 도전형의 전도 특성을 가질 수도 있는 질화물층이며, 예를 들어, 상기 언도프트 질화물층(20)은 Undoped-GaN층으로 형성될 수도 있다. 상기 언도프트 반도체층(20)과 상기 기판(10) 사이에 버퍼층이 형성될 수도 있다. 또한, 상기 언도프트 반도체층(20)은 반드시 형성되어야 하는 것은 아니며, 형성되지 않을 수도 있다.
상기 제1 도전형의 반도체층(30)은 예를 들어, n형 반도체층을 포함할 수 있다. 상기 제1 도전형의 반도체층(30)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, AlInN, InGaN, AlN, InN 등에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.
상기 활성층(40)은 상기 제1 도전형의 반도체층(30)을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)와 상기 제2 도전형의 반도체층(50)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 서로 만나서, 상기 활성층(40)의 형성 물질에 따른 에너지 밴드(Energy Band)의 밴드갭(Band Gap) 차이에 의해서 빛을 방출하는 층이다.
상기 활성층(40)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW : Multi Quantum Well), 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 활성층(40)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료로 형성될 수 있다. 상기 활성층(40)이 상기 다중 양자 우물 구조로 형성된 경우, 상기 활성층(40)은 복수의 우물층과 복수의 장벽층이 적층되어 형성될 수 있으며, 예를 들어, InGaN 우물층/GaN 장벽층의 주기로 형성될 수 있다.
상기 활성층(40)의 위 및/또는 아래에는 n형 또는 p형 도펀트가 도핑된 클래드층(미도시)이 형성될 수도 있으며, 상기 클래드층(미도시)은 AlGaN층 또는 InAlGaN층으로 구현될 수 있다.
상기 제2 도전형의 반도체층(50)은 예를 들어, p형 반도체층으로 구현될 수 있다. 상기 제2 도전형의 반도체층(50)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlInN, AlN, InN 등에서 선택될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
한편, 상기 제1 도전형의 반도체층(30)이 p형 반도체층을 포함하고 상기 제2 도전형의 반도체층(50)이 n형 반도체층을 포함할 수도 있다. 또한, 상기 제2 도전형의 반도체층(50) 상에는 n형 또는 p형 반도체층을 포함하는 제3 도전형의 반도체층(미도시)이 형성될 수도 있으며, 이에 따라, 상기 발광 구조층은 np, pn, npn, pnp 접합 구조 중 적어도 어느 하나를 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형의 반도체층(30) 및 상기 제2 도전형의 반도체층(50) 내의 불순물의 도핑 농도는 균일 또는 불균일하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 발광 구조층의 구조는 다양하게 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 제1 전극(60)은 상기 제1 도전형의 반도체층(30) 상에 배치되고 상기 제2 전극(70)은 상기 제2 도전형의 반도체층(50) 상에 배치되어 각각 상기 활성층(40)에 전원을 제공한다.
상기 발광 다이오드는 450nm 내지 480nm 대역의 파장 영역, 바람직하게 465nm의 파장영역에서 중심 파장을 갖고 반치폭이 15-40nm인 청색광을 방출하는 GaN 기반 발광 다이오드가 될 수 있다.
도 59는 본 발명의 백색 발광 소자에 사용될 수 있는 발광 다이오드의 다른 예이다. 도 59에 도시된 발광 다이오드를 설명함에 있어서 도 58에 도시된 발광 다이오드와 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 59를 참조하면, 발광 다이오드는 전도성 지지기판(80)과, 상기 전도성 지지기판(80) 상에 제1 도전형의 반도체층(30), 활성층(40), 및 제2 도전형의 반도체층(50)을 포함하는 발광 구조층과, 상기 제1 도전형의 반도체층(30) 상에 형성되는 제1 전극(60)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 도전형의 반도체층(30)과 상기 활성층(40) 사이에는 제1 도전형의 InGaN/GaN 슈퍼래티스 구조 또는 InGaN/InGaN 슈퍼래티스 구조(35)가 형성될 수도 있다.
또한, 상기 제2 도전형의 반도체층(50)과 상기 활성층(40) 사이에는 제2 도전형의 AlGaN층(55)이 형성될 수도 있다.
또한, 상기 제1 도전형의 반도체층(30)에는 기둥 또는 홀 형태의 광 추출 구조(31)가 형성될 수 있으며, 상기 광 추출 구조(30)는 상기 활성층(40)에서 방출된 광이 효과적으로 외부로 추출될 수 있도록 한다.
예를 들어, 상기 광 추출 구조(31)는 반구 형상, 다각형 형상, 삼각뿔 형상, 나노 기둥 형상 중 어느 하나의 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 광 추출 구조(31)는 광 결정(photonic crystal)으로 형성될 수도 있다.
상기 전도성 지지기판(80)은 상기 발광 구조층을 지지하며, 상기 제1 전극(60)과 함께 상기 발광 구조층에 전원을 제공할 수 있다.
상기 전도성 지지기판(175)은 지지층, 반사층, 오믹접촉층을 포함할 수 있으며, 상기 지지층은 구리, 금, 니켈, 몰리브덴, 구리-텅스텐 합금, 또는 캐리어 웨이퍼(예를 들어, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiC 등) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 반사층은 Ag 또는 Al을 포함하는 금속으로 형성될 수 있으며, 상기 오믹접촉층은 상기 제2 도전형의 반도체층(50)과 오믹 접촉을 하는 물질로 형성되며, 예를 들어, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni, Ag, Ni/IrOx/Au, 또는 Ni/IrOx/Au/ITO 중 하나 이상을 이용하여 단층 또는 다층으로 구현할 수 있다.
상기 발광 구조층은 복수의 Ⅲ족 내지 Ⅴ족 원소의 화합물 반도체층을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형의 반도체층(30)은 예를 들어, n형 반도체층을 포함할 수 있다. 상기 제1 도전형의 반도체층(30)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, AlInN, InGaN, AlN, InN 등에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.
상기 활성층(40)은 상기 제1 도전형의 반도체층(30)을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)와 상기 제2 도전형의 반도체층(50)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 서로 만나서, 상기 활성층(40)의 형성 물질에 따른 에너지 밴드(Energy Band)의 밴드갭(Band Gap) 차이에 의해서 빛을 방출하는 층이다.
상기 활성층(40)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW : Multi Quantum Well), 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 활성층(40)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료로 형성될 수 있다. 상기 활성층(40)이 상기 다중 양자 우물 구조로 형성된 경우, 상기 활성층(40)은 복수의 우물층과 복수의 장벽층이 적층되어 형성될 수 있으며, 예를 들어, InGaN 우물층/GaN 장벽층의 주기로 형성될 수 있다.
상기 활성층(40)의 위 및/또는 아래에는 n형 또는 p형 도펀트가 도핑된 클래드층(미도시)이 형성될 수도 있으며, 상기 클래드층(미도시)은 AlGaN층 또는 InAlGaN층으로 구현될 수 있다.
상기 제2 도전형의 반도체층(50)은 예를 들어, p형 반도체층으로 구현될 수 있다. 상기 제2 도전형의 반도체층(50)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlInN, AlN, InN 등에서 선택될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
한편, 상기 제1 도전형의 반도체층(30)이 p형 반도체층을 포함하고 상기 제2 도전형의 반도체층(50)이 n형 반도체층을 포함할 수도 있다. 또한, 상기 제2 도전형의 반도체층(50) 상에는 n형 또는 p형 반도체층을 포함하는 제3 도전형의 반도체층(미도시)이 형성될 수도 있으며, 이에 따라, 상기 발광 구조층은 np, pn, npn, pnp 접합 구조 중 적어도 어느 하나를 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형의 반도체층(30) 및 상기 제2 도전형의 반도체층(50) 내의 불순물의 도핑 농도는 균일 또는 불균일하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 발광 구조층의 구조는 다양하게 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
또한, 상기 제2 도전형의 반도체층(50)과 상기 전도성 지지기판(80) 사이에는 상기 제1 전극(60)과 적어도 일부분이 오버랩되는 위치에 전류 차단 영역(미도시)이 형성될 수 있으며, 상기 전류 차단 영역은 상기 전도성 지지기판(80)보다 전기 전도도가 낮은 물질 또는 전기 절연성 물질로 형성되거나 상기 제2 도전형의 반도체층(50)에 플라즈마 데미지를 가하여 형성될 수 있다. 상기 전류 차단 영역은 전류가 넓게 퍼져 흐르도록 하여 상기 활성층(40)의 광 효율을 증가시킬 수 있다.
상기 발광 다이오드는 450nm 내지 480nm 대역의 파장 영역, 바람직하게 465nm의 파장영역에서 중심 파장을 갖고 반치폭이 15-40nm인 청색광을 방출하는 GaN 기반 발광 다이오드가 될 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (13)
- 350nm 내지 480nm의 파장 영역에서 중심 파장을 갖는 광을 여기원으로 하고 490nm 내지 550nm의 파장 영역을 중심 파장으로 하는 광을 방출하고,
Sr0.9Al4O5.5NEu0.1, Sr0.9Al3.2Si0.8O4.3N2.07Eu0.1, Ba0.9Al4O5.5NEu0.1, Ba0.9Al3.7Si0.3O5.05N1.4Eu0.1, Ba0.9Al3.5Si0.5O4.75N1.67Eu0.1, Ba0.9Al3.2Si0.8O4.3N2.07Eu0.1, Ba0.9Al2.1O4N0.1Eu0.1, Ba0.9Al1.8Si0.3O3.55N0.5Eu0.1, Ba0.9Al1.6Si0.6O3.25N0.77Eu0.1, Ba0.9Al1.3Si0.8O2.8N1.17Eu0.1, Sr2.9Si6O3N8Eu0.1 중 적어도 어느 하나로 표시되는 형광체. - 제 1항에 있어서,
상기 형광체는 Zn을 포함하는 형광체. - 제 1항에 있어서,
상기 형광체는 망간(Mn2+)이온을 포함하는 형광체. - 제 1항에 있어서,
상기 형광체는 녹색광을 방출하는 형광체. - 삭제
- 350nm 내지 480nm의 파장 영역에서 중심 파장을 갖는 광을 여기원으로 하고 490nm 내지 550nm의 파장 영역을 중심 파장으로 하는 광을 방출하는 M (p-y) Al (2q+r) O (p+3q) NrEuy 으로 표현되는 형광체.
(상기 화학식에서, M은 Ba, Sr, Ca, Mg 및 Be으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1개 이상의 알칼리 토금속 이온이고, p, q, r은 p=1, 1≤q≤2.5, 1≤r≤3을 만족하며, y는 0.001≤y≤0.4를 만족한다.) - 제 6항에 있어서,
상기 형광체는 Sr0 .9Al4O11 /2NEu0 .1, Sr0 .9Al4O4N2Eu0 .1, Sr0 .9Al5O7NEu0 .1, Sr0.9Al5O4N3Eu0.1, Sr0 .9Al5O11 /2N2Eu0 .1, Sr0 .9Al6O17 /2NEu0 .1, Sr0 .9Al6O11 /2N3Eu0 .1, Sr0 .6Al4O11 /2 NEu0.4, Sr0 .58Ba0 .02Al4O11 /2NEu0 .4, Sr0 .55Ba0 .05Al4O11 /2NEu0 .4, Sr0 .5Ba0 .1Al4O11 /2NEu0 .4 중 적어도 어느 하나를 포함하는 형광체. - 바디;
상기 바디 상에 발광 다이오드;
상기 발광 다이오드에 전원을 제공하는 전극;
상기 발광 다이오드 상에 투광성 수지에 포함된 형광체를 포함하고,
상기 형광체는 350nm 내지 480nm의 파장 영역의 광을 여기원으로 하고, 490nm 내지 550nm의 파장 영역에서 중심 파장을 갖는 녹색 형광체를 포함하고,
상기 녹색 형광체는 청구항 제1항 내지 제4항, 제6항 및 제7항 중 어느 하나에 기재된 형광체를 포함하는 발광 소자. - 제 8항에 있어서,
상기 형광체는 반치폭이 50nm 내지 100nm 또는 120nm 이상인 광을 방출하는 황색 형광체를 포함하는, 발광 소자. - 제 8항에 있어서,
상기 발광 다이오드는 UV를 방출하는 UV 발광 다이오드 또는 청색광을 방출하는 청색 발광 다이오드를 포함하는 발광 소자. - 제 8항에 있어서,
상기 발광 다이오드에서 방출되는 광의 반치폭은 15~40nm인 발광 소자. - 제 8항에 있어서,
상기 발광 다이오드는 돌출 패턴이 형성된 기판, 상기 기판 상에 제1 도전형의 반도체층, 상기 제1 도전형의 반도체층 상에 활성층, 상기 활성층 상에 제2 도전형의 반도체층을 포함하고,
상기 제1 도전형의 반도체층과 상기 활성층 사이에는 제1 도전형의 InGaN/GaN 슈퍼래티스 구조 또는 InGaN/InGaN 슈퍼래티스 구조를 포함하고,
상기 제2 도전형의 반도체층과 상기 활성층 사이에는 제2 도전형의 AlGaN층을 포함하는 발광 소자. - 제 8항에 있어서,
상기 발광 다이오드는 전도성 지지기판, 상기 전도성 지지기판 상에 제2 도전형의 반도체층, 상기 제2 도전형의 반도체층 상에 활성층, 상기 활성층 상에 광 추출 구조를 포함하는 제1 도전형의 반도체층을 포함하고,
상기 제1 도전형의 반도체층과 상기 활성층 사이에는 제1 도전형의 InGaN/GaN 슈퍼래티스 구조 또는 InGaN/InGaN 슈퍼래티스 구조를 포함하고,
상기 제2 도전형의 반도체층과 상기 활성층 사이에는 제2 도전형의 AlGaN층을 포함하는 발광 소자.
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