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WO2017034355A1 - 적색 형광체 및 이를 포함하는 발광장치 - Google Patents

적색 형광체 및 이를 포함하는 발광장치 Download PDF

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WO2017034355A1
WO2017034355A1 PCT/KR2016/009468 KR2016009468W WO2017034355A1 WO 2017034355 A1 WO2017034355 A1 WO 2017034355A1 KR 2016009468 W KR2016009468 W KR 2016009468W WO 2017034355 A1 WO2017034355 A1 WO 2017034355A1
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WO
WIPO (PCT)
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phosphor
light
red phosphor
wavelength
light emitting
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/KR2016/009468
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English (en)
French (fr)
Inventor
문지욱
송우석
민봉걸
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LG Innotek Co Ltd
Original Assignee
LG Innotek Co Ltd
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Priority claimed from KR1020150119658A external-priority patent/KR102472340B1/ko
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Definitions

  • Embodiments relate to a red phosphor and a light emitting device including the same.
  • a light emitting device is a compound semiconductor device that converts electrical energy into light energy, and various colors can be realized by adjusting the composition ratio of the compound semiconductor.
  • the nitride semiconductor light emitting device has advantages of low power consumption, semi-permanent life, fast response speed, safety and environmental friendliness compared to conventional light sources such as fluorescent lamps and incandescent lamps. Therefore, LED backlights that replace the Cold Cathode Fluorescence Lamps (CCFLs) that make up the backlight of liquid crystal display (LCD) displays, white LED lighting devices that can replace fluorescent or incandescent bulbs, and automotive headlights. And the application is expanding to traffic lights.
  • CCFLs Cold Cathode Fluorescence Lamps
  • LCD liquid crystal display
  • the light emitting device may implement white light by combining a light emitting element (light emitting chip) and a phosphor.
  • a K 2 SiF 6 phosphor has been studied as a red phosphor.
  • such a fluoride phosphor has a problem in that the emission luminance is reduced or the color coordinate is changed in a high temperature / high humidity environment.
  • the embodiment provides a red phosphor having excellent reliability and a light emitting device using the red phosphor.
  • the red phosphor according to an embodiment of the present invention satisfies the following structural formula.
  • M is at least one element selected from the group consisting of Group 4 elements and Group 14 elements, wherein X satisfies 0.028 ⁇ X ⁇ 0.055.
  • the red phosphor may include a coating layer formed on the surface.
  • the coating layer may include a Group 2 or Group 3 element.
  • the coating layer may include at least one of MgO, In 2 O 3 , Al 2 O 3 , B 2 O 3 .
  • a light emitting device a light emitting device for emitting a first light; And a wavelength conversion layer for converting the wavelength of the first light, the wavelength conversion layer comprising: a first phosphor that absorbs the first light and emits light in a green wavelength band; And a second phosphor that absorbs the first light and emits light in a red wavelength band, wherein the second phosphor satisfies the following structural formula.
  • M is at least one element selected from the group consisting of Group 4 elements and Group 14 elements, wherein X satisfies 0.028 ⁇ X ⁇ 0.055.
  • the wavelength conversion layer may include a light transmitting resin in which the first wavelength converter and the second wavelength converter are dispersed.
  • the total amount of the first wavelength converter and the second wavelength converter may be 25 wt% to 50 wt% based on 100 wt% of the composition of the wavelength conversion layer.
  • the total amount of the first wavelength converter and the second wavelength converter may be 25 wt% to 45 wt% based on 100 wt% of the composition of the wavelength conversion layer.
  • the content ratio of the first wavelength converter may be 25% to 40%, and the content ratio of the second wavelength converter may be 60% to 75%.
  • the molar ratio of Mn of the second wavelength converter may be 0.04 mol to 0.055 mol.
  • the total amount of the first wavelength converter and the second wavelength converter may be 30 wt% to 50 wt% based on 100 wt% of the composition of the wavelength conversion layer.
  • the content ratio of the first wavelength converter may be 15% to 30%, and the content ratio of the second wavelength converter may be 70% to 85%.
  • the molar ratio of Mn of the second wavelength converter may be 0.028 mol to 0.399 mol.
  • the second phosphor may include a coating layer formed on a surface thereof.
  • the coating layer may include at least one of MgO, In 2 O 3 , Al 2 O 3 , B 2 O 3 .
  • the moisture resistance of the red phosphor may be improved. Therefore, it is possible to control that the emission luminance decreases under a high temperature / high humidity environment.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a red phosphor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a conceptual diagram of a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a graph measuring color coordinates of white light implemented using a red phosphor having Mn molar ratios of 100% and 75%.
  • FIG. 11 is a graph measuring a spectrum of white light implemented using a red phosphor having Mn molar ratios of 100% and 75%.
  • FIG. 13 is a graph measuring the luminous flux of white light implemented using a red phosphor having a molar ratio of Mn of 100% and 50%,
  • 15 is a graph measuring color coordinates of white light implemented using a red phosphor having a molar ratio of Mn of 100% and 30%,
  • 16 is a graph measuring the luminous flux of white light implemented using a red phosphor having Mn molar ratios of 100% and 30%,
  • FIG. 17 is a graph measuring a spectrum of white light implemented using a red phosphor having a molar ratio of Mn of 100% and 30%.
  • 18 is a graph measuring the spectrum of a red phosphor obtained by adjusting the molar ratio of Mn to 100%, 75%, and 50%.
  • 19 is a graph measuring the change in luminous flux of white light using a red phosphor having a molar ratio of Mn of 100%, 75%, and 50% under 60 ° C.
  • 20 is a graph measuring the change in the Cx color coordinate of a white light using a red phosphor having a molar ratio of Mn of 100%, 75%, and 50% under 60 ° C.
  • FIG. 21 is a graph measuring changes in Cy color coordinates of white light using a red phosphor having a molar ratio of Mn of 100%, 75%, and 50% under 60 ° C.
  • FIG. 22 is a graph showing the change in luminous flux of white light using a red phosphor having a molar ratio of Mn of 100%, 75%, and 50% under conditions of 80 ° C.
  • FIG. 23 is a graph illustrating a change in Cx color coordinates of white light using a red phosphor having a molar ratio of Mn of 100%, 75%, and 50% under conditions of 80 ° C.
  • FIG. 24 is a graph illustrating a change in Cy color coordinates of white light using a red phosphor having a molar ratio of Mn of 100%, 75%, and 50% under 80 ° C.
  • FIG. 25 is a graph illustrating the change in luminous flux under conditions of 80 ° C./85% for white light using a red phosphor having a molar ratio of Mn of 100%, 75%, and 50%,
  • FIG. 26 is a graph illustrating a change in Cx color coordinates of white light using a red phosphor having a molar ratio of Mn of 100%, 75%, and 50% under 80 ° C / 85%.
  • FIG. 27 is a graph measuring changes in Cy color coordinates under conditions of 80 ° C./85% for white light using a red phosphor having a molar ratio of Mn of 100%, 75%, and 50%,
  • FIG. 28 is a conceptual diagram of the light emitting device of FIG. 8;
  • 29 is a conceptual diagram of a light emitting device package according to an embodiment of the present invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the second component may be referred to as the first component, and similarly, the first component may also be referred to as the second component.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a red phosphor according to an embodiment of the present invention.
  • the phosphor 202 may have a structure in which a coating layer 202b is formed on the surface of the particles 202a.
  • the phosphor 202 may absorb some excitation light and emit light of a red wavelength band.
  • Light in the red wavelength band has a peak at 630 nm to 635 nm, and the full width at half maximum (FWHM) may be 5 nm to 10 nm.
  • the phosphor may be a fluoride phosphor satisfying the following structural formula.
  • M may be at least one element selected from the group consisting of Group 4 elements and Group 14 elements.
  • M may be Si or Ti.
  • X may satisfy 0 ⁇ X ⁇ 0.2.
  • the present invention is not necessarily limited thereto, and X may satisfy 0.028 ⁇ X ⁇ 0.055.
  • the range of X can be suitably adjusted within the said range according to desired luminescence characteristics.
  • the activating element Mn can be easily oxidized by reaction with air. Therefore, there is a problem that the light emission luminance decreases when exposed to air for a long time. Therefore, in this embodiment, it is possible to improve the reliability by coating the surface of the phosphor.
  • the coating layer 202b may be formed on the surface of the particle 202a.
  • the coating layer 202b may include group 3 or group 4 elements.
  • the coating layer 202b may include metal oxides such as MgO, In 2 O 3 , Al 2 O 3 , and B 2 O 3 .
  • the coating layer 202b may use a metal oxide to form a single layer or a plurality of layers. When forming a plurality of layers, the metal included in each layer may be different.
  • the coating layer 202b may be prepared by adding a phosphor powder, a coating agent, and a reaction catalyst into the dispersion solution, stirring the mixture, and then washing and drying the coating layer 202b.
  • a phosphor powder a coating agent
  • a reaction catalyst a reaction catalyst
  • Table 2 below is a table measuring the luminescence intensity of the Comparative Example and Experimental Examples 4, 5, 6 decreases with time at 150 °C.
  • the emission luminance (PL) is reduced by about 50% when exposed for 24 hours in an environment of 150 °C. Since time elapses further, it can be seen that the decrease in emission luminance is relatively small.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram of a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • the light emitting device of the embodiment includes a light emitting device 100 that emits the first light L1, and a wavelength conversion layer 200 that absorbs and emits a portion of the first light L1.
  • the light emitting device 100 may be a blue light emitting device emitting light of 420 nm to 470 nm or a UV light emitting device emitting light of an ultraviolet wavelength band.
  • the structure of the light emitting device 100 is not particularly limited.
  • the wavelength conversion layer 200 includes a first phosphor 201, a second phosphor 202, and a light transmissive resin 204 in which they are dispersed.
  • the structure of the wavelength conversion layer 200 is not limited.
  • the wavelength conversion layer 200 may be disposed only on an upper surface of the light emitting device 100, or may be disposed on an upper surface and a side surface thereof. Alternatively, the light emitting device 100 may be molded as a whole by filling the cavity of the package.
  • the light transmissive resin 204 may be selected from one or more selected from the group consisting of an epoxy resin, a silicone resin, a polyimide resin, a urea resin, and an acrylic resin, but is not limited thereto.
  • the first light L1 emitted from the light emitting device 100 and the light converted by the wavelength conversion layer 200 may be mixed to implement white light L2 on a CIE color coordinate.
  • the first phosphor 201 may absorb part of the first light L1 to emit light of the green wavelength band.
  • Light in the green wavelength band has a peak at 525 nm to 545 nm, and the full width at half maximum (FWHM) may be 45 nm to 55 nm.
  • the first phosphor 201 is ⁇ (beta) type SiAlON: Eu, BaYSi 4 N 7 : Eu, Ba 3 Si 6 O 12 N 2 : Eu, CaSi 2 O 2 N 2 : Eu, SrYSi 4 N 7 : Eu, LuAG, and may include at least one.
  • the second phosphor 202 may be a fluoride phosphor satisfying the following structural formula.
  • M may be at least one element selected from the group consisting of Group 4 elements and Group 14 elements.
  • M may be Si or Ti.
  • x may satisfy 0 ⁇ x ⁇ 0.2 or 0.028 ⁇ X ⁇ 0.055.
  • the second phosphor will be described as a red phosphor represented by K 2 SiF 6 : Mn 4+ .
  • the molar ratio (x) of Mn which is an activating element, may be 0.028 mol to 0.055 mol.
  • the total amount of the first phosphor 201 and the second phosphor 202 may be 25 wt% to 45 wt% based on 100 wt% of the composition of the wavelength conversion layer.
  • the content of the light transmissive resin 204 may be 60 wt%.
  • the content ratio of the first phosphor 201 in the total amount of 40wt% may be 25% to 40%, and the content ratio of the second phosphor 202 may be 60% to 75%.
  • white light may be realized on the CIE coordinate system.
  • the Cx color coordinate deviation can be improved as described later.
  • the total amount of the first phosphor 201 and the second phosphor 202 may be 30 wt% to 50 wt% based on 100 wt% of the composition of the wavelength conversion layer.
  • the content ratio of the first phosphor 201 may be 15% to 30%
  • the content ratio of the second phosphor 202 may be 70% to 85%.
  • the light may be mixed with the light of the light emitting device to implement white light on the CIE coordinate system.
  • the Cx color coordinate deviation of the package can be improved.
  • Mn molar ratio 0.07 mol
  • Mn: 100% 0.525 mol is defined as Mn: 75%
  • 0.035 mol is Mn: 50%
  • 0.021 mol is defined as Mn: 30%.
  • FIG. 9 is a graph measuring color coordinates of white light implemented using a red phosphor having Mn molar ratios of 100% and 75%
  • FIG. 10 is implemented using a red phosphor having Mn molar ratios of 100% and 75%
  • FIG. 11 is a graph measuring the luminous flux of one white light
  • FIG. 11 is a graph measuring the spectrum of white light implemented using a red phosphor having Mn molar ratios of 100% and 75%.
  • white light was implemented using a blue light emitting device, a beta SiAlON green phosphor, and a red phosphor having Mn: 100%.
  • the first embodiment implements white light using a blue light emitting device, a green phosphor of beta SiAlON, and a red phosphor having a Mn of 75%.
  • Table 3 is a table measuring the flux, CIE color coordinates, color reproducibility (NTSC), and wavelength peak (WP) of the white light implemented by the comparative example and the first embodiment, and Table 4 shows the compounding ratio of the phosphors. Table.
  • both the white light of the comparative example and the first embodiment are white light on the CIE coordinate system. 10 and Table 3, it can be seen that the luminous flux of the first embodiment is almost the same as that of the comparative example.
  • the total amount of the phosphor based on the total composition 100wt% is 20.9wt%, it can be seen that the total amount increased to 25.2wt% in the first embodiment.
  • the content ratio of the red phosphor was slightly increased compared to the comparative example at 68.8%.
  • FIG. 12 is a graph measuring color coordinates of white light implemented using a red phosphor having a molar ratio of Mn of 100% and 50%
  • FIG. 13 illustrates a red phosphor having a molar ratio of 100% and 50% of Mn
  • FIG. 14 is a graph measuring a light flux of one white light
  • FIG. 14 is a graph measuring a spectrum of white light implemented using a red phosphor having a molar ratio of Mn of 100% and 50%.
  • white light was realized using a blue light emitting device, a green phosphor of beta SiAlON, and a red phosphor having Mn: 100%.
  • the second embodiment implements white light using a blue light emitting device, a green phosphor of beta SiAlON, and a red phosphor having Mn: 50%.
  • Table 5 is a table measuring the luminous flux, CIE color coordinates, color reproducibility (NTSC), and wavelength peak (WP) of the white light implemented by the comparative example and the second example, and Table 6 is a table showing the phosphor compounding ratio.
  • both the white light of the comparative example and the second embodiment are white light on the CIE coordinate system.
  • the luminous flux of the second embodiment is almost the same as that of the comparative example.
  • the total amount of the phosphor is 20.0wt% based on the total composition 100wt%, it can be seen that the total amount increased to 33.0wt% in the second embodiment.
  • the content ratio of the red phosphor is increased to 81.5% compared to the comparative example.
  • FIG. 15 is a graph measuring color coordinates of white light implemented using a red phosphor having a molar ratio of Mn of 100% and 30%
  • FIG. 16 illustrates a red phosphor having a molar ratio of 100% and 30% of Mn
  • Fig. 17 is a graph measuring the luminous flux of one white light
  • FIG. 17 is a graph measuring the spectrum of white light implemented using a red phosphor having a molar ratio of Mn of 100% and 30%.
  • white light was realized using a blue light emitting device, a green phosphor of beta SiAlON, and a red phosphor having Mn: 100%.
  • white light is realized using a blue light emitting device, a green phosphor of beta SiAlON, and a red phosphor having a Mn of 30%.
  • Table 7 is a table measuring the luminous flux, CIE color coordinates, color reproducibility (NTSC), and wavelength peak (WP) of the white light implemented by the comparative example and the third example, and Table 8 is a table showing the phosphor compounding ratio.
  • both the first white light and the second white light are white light on the CIE coordinate system.
  • the luminous flux decreased by about 2.3% compared to the comparative example.
  • the total amount of the phosphor was 28.0 wt% based on 100 wt% of the total composition, whereas in the third embodiment, the total amount was 91.0 wt%, which is very high.
  • the content ratio of the red phosphor is 89.5%, which is very high compared to the comparative example.
  • 18 is a graph measuring the spectrum of a red phosphor obtained by adjusting the Mn molar ratio to 100%, 75%, and 50%.
  • Table 9 is a table measuring wavelength peak (WP), relative luminance, half width, and incident size according to the molar ratio of Mn.
  • FIG. 19 is a graph showing the change in luminous flux of white light using a red phosphor having a molar ratio of Mn of 100%, 75%, and 50% under a condition of 60 ° C.
  • FIG. 20 is a mole ratio of Mn of 100%, 75.
  • the white light using the red phosphor of%, 50% is a graph measuring the change in the Cx color coordinates under the condition of 60 °C
  • Figure 21 is a white light using a red phosphor having the molar ratio of Mn 100%, 75%, 50% It is a graph which measured the change of Cy color coordinate on 60 degreeC conditions.
  • the third embodiment has the lowest Cx coordinate change width of the white light.
  • the change width of the Cx coordinate is largest as time passes.
  • the reliability of the package can be improved when the molar ratio of Mn of the red phosphor is lowered.
  • the Mn molar ratio of the red phosphor and the total amount of the phosphor may be inversely related. That is, as the molar ratio of Mn is lower, the rate of change of Cx decreases, but the amount of phosphor used may increase.
  • FIG. 28 is a conceptual diagram of the light emitting device of FIG. 8, and FIG. 29 is a conceptual view of a light emitting device package according to an embodiment of the present invention.
  • the substrate 110 of the light emitting device 100 includes a conductive substrate or an insulating substrate.
  • the substrate 110 may be a material or a carrier wafer suitable for growing a semiconductor material.
  • the substrate 110 may be formed of a material selected from sapphire (Al 2 O 3 ), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, and Ge, but is not limited thereto.
  • the buffer layers 111 and 112 may mitigate lattice mismatch between the light emitting structure provided on the substrate 110 and the substrate 110.
  • the buffer layers 111 and 112 may grow as a single crystal on the substrate 110, and the buffer layers 111 and 112 grown as the single crystal may improve crystallinity of the first semiconductor layer 130.
  • the light emitting structure provided on the substrate 110 includes a first semiconductor layer 130, an active layer 140, and a second semiconductor layer 160.
  • the light emitting structure as described above may be separated into a plurality of substrates by cutting the substrate 110.
  • the first semiconductor layer 130 may be a compound semiconductor such as a III-V group or a II-VI group, and the first dopant may be doped into the first semiconductor layer 130.
  • the first semiconductor layer 130 is a semiconductor material having a composition formula of In x1 Al y1 Ga 1 -x1 -y1 N (0 ⁇ x1 ⁇ 1, 0 ⁇ y1 ⁇ 1, 0 ⁇ x1 + y1 ⁇ 1), for example GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN and the like can be selected.
  • the first dopant may be an n-type dopant such as Si, Ge, Sn, Se, or Te. When the first dopant is an n-type dopant, the first semiconductor layer 130 doped with the first dopant may be an n-type semiconductor layer.
  • the active layer 140 is a layer where electrons (or holes) injected through the first semiconductor layer 130 and holes (or electrons) injected through the second semiconductor layer 160 meet each other.
  • the active layer 140 may transition to a low energy level as electrons and holes recombine, and may generate light having a wavelength corresponding thereto. There is no restriction on the emission wavelength in this embodiment.
  • the active layer 140 may have any one of a single well structure, a multi well structure, a single quantum well structure, a multi quantum well (MQW) structure, a quantum dot structure, or a quantum line structure, and the active layer 140.
  • the structure of is not limited to this.
  • the active layer 140 may have a structure in which a plurality of well layers and barrier layers are alternately arranged.
  • the well layer and the barrier layer may have a composition formula of InxAlyGa1-x-yN (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1), and the energy bandgap of the barrier layer is the energy of the well layer. It may be larger than the bandgap.
  • the second semiconductor layer 160 is formed on the active layer 140, and may be implemented as a compound semiconductor such as group III-V or group II-VI, and the second semiconductor layer 160 may be doped with the second dopant.
  • the second semiconductor layer 160 may be formed of a semiconductor material having a composition formula of In x5 Al y2 Ga 1 -x5- y2 N (0 ⁇ x5 ⁇ 1, 0 ⁇ y2 ⁇ 1, 0 ⁇ x5 + y2 ⁇ 1) or AlInN, AlGaAs. It may be formed of a material selected from GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP.
  • the second dopant is a p-type dopant such as Mg, Zn, Ca, Sr, or Ba
  • the second semiconductor layer 160 doped with the second dopant may be a p-type semiconductor layer.
  • An electron blocking layer (EBL) 150 may be disposed between the active layer 140 and the second semiconductor layer 160.
  • the electron blocking layer 150 blocks the flow of electrons supplied from the first semiconductor layer 130 to the second semiconductor layer 160 to increase the probability of electrons and holes recombining in the active layer 140. have.
  • the energy bandgap of the electron blocking layer 150 may be larger than the energy bandgap of the active layer 140 and / or the second semiconductor layer 160.
  • the electron blocking layer 150 is a semiconductor material having a composition formula of In x1 Al y1 Ga 1 -x1- y1 N (0 ⁇ x1 ⁇ 1, 0 ⁇ y1 ⁇ 1, 0 ⁇ x1 + y1 ⁇ 1), for example AlGaN. , InGaN, InAlGaN, etc. may be selected, but is not limited thereto.
  • the first electrode 180 may be formed on the first semiconductor layer 130 partially exposed.
  • a second electrode 170 may be formed on the second semiconductor layer 160.
  • Various metals and transparent electrodes may be applied to the first electrode 180 and the second electrode 190.
  • the first electrode 180 and the second electrode 170 are In, Co, Si, Ge, Au, Pd, Pt, Ru, Re, Mg, Zn, Hf, Ta, Rh, Ir, W, Ti, Ag, It may include any one of metals selected from Cr, Mo, Nb, Al, Ni, Cu, and WTi. If necessary, it may further include an ohmic electrode layer.
  • the light emitting device package 10 may include a first lead frame 11, a second lead frame 12, a light emitting device 100, a wavelength conversion layer 200, and a body 13. ).
  • the light emitting device 100 may be a light emitting device having various structures that emit light in the blue or ultraviolet wavelength range.
  • the configuration described with reference to FIG. 28 may be applied to the light emitting device 100 as it is.
  • the light emitting device 100 may be electrically connected to the first lead frame 11 and the second lead frame 12.
  • the electrical connection between the light emitting device 100 and the first and second lead frames 11 and 12 may be determined by an electrode structure (vertical or horizontal type) of the light emitting device.
  • the body 13 fixes the first lead frame 11 and the second lead frame 12 and includes a cavity 13a through which the light emitting device 100 is exposed.
  • the body 13 may include a polymer resin such as polyphthalamide (PPA).
  • the wavelength conversion layer 200 is disposed in the cavity 13a and includes first and second phosphors 201 and 202.
  • the first and second phosphors 201 and 202 may be dispersed in the light transmitting resin 204.
  • the wavelength conversion layer 200 may include the features described above.
  • the light emitting device or the light emitting device package according to the embodiment may further include an optical member such as a light guide plate, a prism sheet, and a diffusion sheet to function as a backlight unit.
  • the light emitting device of the embodiment may be further applied to a display device, a lighting device, and a pointing device.
  • the display device may include a bottom cover, a reflector, a light emitting module, a light guide plate, an optical sheet, a display panel, an image signal output circuit, and a color filter.
  • the bottom cover, the reflector, the light emitting module, the light guide plate, and the optical sheet may form a backlight unit.
  • the reflecting plate is disposed on the bottom cover, and the light emitting module emits light.
  • the light guide plate is disposed in front of the reflective plate to guide light emitted from the light emitting module to the front, and the optical sheet includes a prism sheet or the like and is disposed in front of the light guide plate.
  • the display panel is disposed in front of the optical sheet, the image signal output circuit supplies the image signal to the display panel, and the color filter is disposed in front of the display panel.
  • the lighting apparatus may include a light source module including a substrate and a light emitting device according to an embodiment, a heat dissipation unit for dissipating heat of the light source module, and a power supply unit for processing or converting an electrical signal provided from the outside and providing the light source module to the light source module.
  • the lighting device may include a lamp, a head lamp, a street lamp or the like.

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Abstract

실시 예는, 하기 구조식을 만족하는 적색 형광체 및 이를 포함하는 발광장치를 개시한다. [구조식] K2M1-xMn4+ XF6 여기서, M은 4족 원소 및 제14족 원소로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소이고, X는 0.028≤X≤0.055를 만족한다.

Description

적색 형광체 및 이를 포함하는 발광장치
실시 예는 적색 형광체 및 이를 포함하는 발광장치에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device, LED)는 전기에너지를 빛 에너지로 변환하는 화합물 반도체 소자로서, 화합물반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
질화물반도체 발광소자는 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비 전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 갖고 있다. 따라서, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등에까지 응용이 확대되고 있다.
발광장치는 발광소자(발광 칩)와 형광체를 조합하여 백색광을 구현할 수 있다. 최근에는 적색 형광체로 K2SiF6 형광체가 연구되고 있다. 그러나, 이러한 불화물 형광체는 고온/고습 환경하에서 발광 휘도가 감소하거나 색좌표가 변화하는 문제가 있다.
실시 예는 신뢰성이 우수한 적색 형광체 및 적색 형광체를 이용한 발광장치를 제공한다.
실시 예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 적색 형광체는, 하기 구조식을 만족한다.
[구조식]
K2M1-xMn4+ xF6
여기서, M은 4족 원소 및 제14족 원소로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소이고, 상기 X는 0.028≤X≤0.055를 만족한다.
적색 형광체는 표면에 형성된 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 코팅층은 2족 또는 3족 원소를 포함할 수 있다.
상기 코팅층은 MgO, In2O3, Al2O3, B2O3 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 발광장치는, 제1광을 방출하는 발광소자; 및 상기 제1광의 파장을 변환하는 파장변환층을 포함하고, 상기 파장변환층은, 상기 제1광을 흡수하여 녹색 파장대의 광을 방출하는 제1형광체; 및 상기 제1광을 흡수하여 적색 파장대의 광을 방출하는 제2형광체를 포함하고, 상기 제2형광체는 하기 구조식을 만족한다.
[구조식]
K2M1-xMn4+ XF6
여기서, M은 4족 원소 및 제14족 원소로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소이고, 상기 X는 0.028≤X≤0.055를 만족한다.
상기 파장변환층은 상기 제1파장변환체 및 제2파장변환체가 분산되는 광 투과성 수지를 포함할 수 있다.
상기 파장변환층의 조성물 100wt%를 기준으로 상기 제1파장변환체 및 제2파장변환체의 총량은 25wt% 내지 50wt%일 수 있다.
상기 파장변환층의 조성물 100wt%를 기준으로 상기 제1파장변환체 및 제2파장변환체의 총량은 25wt% 내지 45wt%일 수 있다.
상기 제1파장변환체의 함량비는 25% 내지 40%이고, 제2파장변환체의 함량비는 60% 내지 75%일 수 있다.
상기 제2파장변환체의 Mn의 몰비율은 0.04몰 내지 0.055몰일 수 있다.
상기 파장변환층의 조성물 100wt%를 기준으로 상기 제1파장변환체 및 제2파장변환체의 총량은 30wt% 내지 50wt%일 수 있다.
상기 제1파장변환체의 함량비는 15% 내지 30%이고, 제2파장변환체의 함량비는 70% 내지 85%일 수 있다.
상기 제2파장변환체의 Mn의 몰비율은 0.028몰 내지 0.399몰일 수 있다.
상기 제2형광체는 표면에 형성된 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 코팅층은 MgO, In2O3, Al2O3, B2O3 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면, 적색 형광체의 내습성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 고온/고습 환경하에서 발광 휘도가 감소하는 것을 제어할 수 있다.
또한, 고온/고습 환경하에서 색좌표가 변화하는 것을 제어할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적색 형광체의 개념도이고,
도 2는 ODE 용액을 이용하여 MgO를 코팅한 적색 형광체의 SEM 사진이고,
도 3은 ODE 용액을 이용하여 In2O3를 코팅한 적색 형광체의 SEM 사진이고,
도 4는 IPA 용액을 이용하여 Al2O3를 코팅한 적색 형광체의 SEM 사진이고,
도 5는 PEG 용액을 이용하여 In2O3을 코팅한 적색 형광체의 SEM 사진이고,
도 6은 PEG 용액을 이용하여 Al2O3를 코팅한 적색 형광체의 SEM 사진이고,
도 7는 PEG 용액을 이용하여 B2O3을 코팅한 적색 형광체의 SEM 사진이고,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광장치의 개념도이고,
도 9는 Mn의 몰비율이 100%와 75%인 적색 형광체를 이용하여 구현한 백색광의 색좌표를 측정한 그래프이고,
도 10은 Mn의 몰비율이 100%와 75%인 적색 형광체를 이용하여 구현한 백색광의 광속을 측정한 그래프이고,
도 11은 Mn의 몰비율이 100%와 75%인 적색 형광체를 이용하여 구현한 백색광의 스펙트럼을 측정한 그래프이고,
도 12는 Mn의 몰비율이 100%와 50%인 적색 형광체를 이용하여 구현한 백색광의 색좌표를 측정한 그래프이고,
도 13은 Mn의 몰비율이 100%와 50%인 적색 형광체를 이용하여 구현한 백색광의 광속을 측정한 그래프이고,
도 14는 Mn의 몰비율이 100%와 50%인 적색 형광체를 이용하여 구현한 백색광의 스펙트럼을 측정한 그래프이고,
도 15는 Mn의 몰비율이 100%와 30%인 적색 형광체를 이용하여 구현한 백색광의 색좌표를 측정한 그래프이고,
도 16은 Mn의 몰비율이 100%와 30%인 적색 형광체를 이용하여 구현한 백색광의 광속을 측정한 그래프이고,
도 17은 Mn의 몰비율이 100%와 30%인 적색 형광체를 이용하여 구현한 백색광의 스펙트럼을 측정한 그래프이고,
도 18은 Mn의 몰비율을 100%, 75%, 50%로 조절한 적색 형광체의 스펙트럼을 측정한 그래프이다.
도 19는 Mn의 몰비율이 100%, 75%, 50%인 적색 형광체를 이용한 백색광이 60℃의 조건하에서 광속이 변화하는 것을 측정한 그래프이고,
도 20은 Mn의 몰비율이 100%, 75%, 50%인 적색 형광체를 이용한 백색광이 60℃의 조건하에서 Cx 색좌표가 변화하는 것을 측정한 그래프이고,
도 21은 Mn의 몰비율이 100%, 75%, 50%인 적색 형광체를 이용한 백색광이 60℃의 조건하에서 Cy 색좌표가 변화하는 것을 측정한 그래프이고,
도 22는 Mn의 몰비율이 100%, 75%, 50%인 적색 형광체를 이용한 백색광이 80℃의 조건하에서 광속이 변화하는 것을 측정한 그래프이고,
도 23은 Mn의 몰비율이 100%, 75%, 50%인 적색 형광체를 이용한 백색광이 80℃의 조건하에서 Cx 색좌표가 변화하는 것을 측정한 그래프이고,
도 24는 Mn의 몰비율이 100%, 75%, 50%인 적색 형광체를 이용한 백색광이 80℃의 조건하에서 Cy 색좌표가 변화하는 것을 측정한 그래프이고,
도 25는 Mn의 몰비율이 100%, 75%, 50%인 적색 형광체를 이용한 백색광이 80℃/85%의 조건하에서 광속이 변화하는 것을 측정한 그래프이고,
도 26은 Mn의 몰비율이 100%, 75%, 50%인 적색 형광체를 이용한 백색광이 80℃/85%의 조건하에서 Cx 색좌표가 변화하는 것을 측정한 그래프이고,
도 27은 Mn의 몰비율이 100%, 75%, 50%인 적색 형광체를 이용한 백색광이 80℃/85%의 조건하에서 Cy 색좌표가 변화하는 것을 측정한 그래프이고,
도 28은 도 8의 발광소자의 개념도이고,
도 29는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광소자 패키지의 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예를 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명 실시 예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시 예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 실시 예의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 2 구성 요소는 제 1 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 1 구성 요소도 제 2 구성 요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명 실시 예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
실시 예의 설명에 있어서, 어느 한 element가 다른 element의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적색 형광체의 개념도이다.
도 1을 참고하면, 실시예에 따른 형광체(202)는 입자(202a)의 표면에 코팅층(202b)이 형성된 구조일 수 있다. 형광체(202)는 여기광을 일부 흡수하여 적색 파장대의 광을 방출할 수 있다. 적색 파장대의 광은 630nm 내지 635nm에서 피크를 가지며, 반치폭(FWHM)은 5nm 내지 10nm일 수 있다. 형광체는 하기 구조식을 만족하는 불화물 형광체일 수 있다.
[구조식]
K2M1-xMn4+ XF6
여기서, M은 4족 원소 및 제14족 원소로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소일 수 있다. 일 예로, M은 Si 또는 Ti일 수 있다. X는 0<X≤0.2를 만족할 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 X는 0.028≤X≤0.055를 만족할 수도 있다. X의 범위는 원하는 발광특성 등에 따라 상기 범위 내에서 적절히 조절할 수 있다.
활성화 원소인 Mn은 공기와 반응하여 쉽게 산화될 수 있다. 따라서, 장기간 공기 중에 노출시 발광 휘도가 감소하는 문제가 있다. 따라서, 본 실시예에서는 형광체의 표면을 코팅하여 신뢰성을 개선할 수 있다.
실시 예에 따르면, 입자(202a)의 표면에는 코팅층(202b)이 형성될 수 있다.
코팅층(202b)은 3족 또는 4족원소를 포함할 수 있다. 코팅층(202b)은 MgO, In2O3, Al2O3, B2O3와 같은 산화 금속을 포함할 수 있다. 코팅층(202b)은 산화금속을 이용하여 단층 또는 복수의 층을 형성할 수 있다. 복수의 층을 형성하는 경우 각 층이 포함하는 금속은 상이할 수도 있다.
코팅층(202b)은 분산용액에 형광체 분말, 코팅제, 및 반응촉매를 넣고 교반한 뒤, 세정 및 건조하여 제작할 수 있다. 이하, 아래의 비제한적 실험예에서 보다 자세하게 설명한다.
<제1실험예>
분산용액(ODE, CH3(CH2)15CH=CH2) 20ml에 KsiF 형광체 3.0g, Mg(C2H3O2)2 0.5g와 반응촉매(CH(CH2)7COOH) 1ml를 40℃에서 3시간 반응시켜 MgO가 코팅된 적색 형광체를 제조하였다. 이후, IPA 20ml로 2회 세정한 후, 90℃에서 1시간 건조시켰다. 제조한 형광체의 SEM 사진을 도 2에 도시하고, 측정한 발광 휘도를 표 1에 기재하였다.
<제2실험예>
분산용액(CH3(CH2)15CH=CH2) 20ml에 KsiF 형광체 3.0g, In(C2H3O2)2 0.5g와 반응촉매(CH(CH2)7COOH) 1ml를 40℃에서 3시간 반응시켜 In2O3가 코팅된 적색 형광체를 제조하였다. 이후, IPA 20ml로 2회 세정한 후, 90℃에서 1시간 건조시켰다. 제조한 형광체의 SEM 사진을 도 3에 도시하고, 측정한 발광 휘도를 표 1에 기재하였다.
<제3실험예>
분산용액(Isopropyl alcohol (IPA)) 50ml에 KsiF 형광체 4.0g, Al(NO3)3 0.5g와 반응촉매(Urea CO(NH2)2) 0.5g를 40℃에서 3시간 반응시켜 Al2O3가 코팅된 적색 형광체를 제조하였다. 이후, IPA 20ml로 2회 세정한 후, 90℃에서 1시간 건조시켰다. 제조한 형광체의 SEM 사진을 도 4에 도시하고, 측정한 발광 휘도를 표 1에 기재하였다.
<제4실험예>
분산용액(Polyethylene glycol (PEG)) 20ml에 KsiF 형광체 5.0g, InCl3 1.25g와 반응촉매(Citric aicd) 2.5g를 40℃에서 3시간 반응시켜 In2O3가 코팅된 적색 형광체를 제조하였다. 이후, IPA 20ml로 3회 세정한 후, 90℃에서 2시간 건조시켰다. 제조한 형광체의 SEM 사진을 도 5에 도시하고, 측정한 발광 휘도를 표 1에 기재하였다.
<제5실험예>
분산용액(Polyethylene glycol (PEG)) 20ml에 KsiF 형광체 5.0g, Al(NO3)3 1.25g와 반응촉매(Citric aicd) 2.5g를 40℃의 반응온도로 3시간 반응시켜 Al2O3가 코팅된 적색 형광체를 제조하였다. 이후, IPA 20ml로 3회 세정한 후, 90℃에서 2시간 건조시켰다. 제조한 형광체의 SEM 사진을 도 6에 도시하고, 측정한 발광 휘도를 표 1에 기재하였다.
<제6실험예>
분산용액(Polyethylene glycol (PEG)) 20ml에 KsiF 형광체 5.0g, Boric acid 1.25g와 반응촉매(Citric aicd) 2.5g를 40℃의 반응온도로 3시간 반응시켜 B2O3가 코팅된 적색 형광체를 제조하였다. 이후, IPA 20ml로 3회 세정한 후, 90℃에서 2시간 건조시켰다. 제조한 형광체의 SEM 사진을 도 7에 도시하고, 측정한 발광 휘도를 표 1에 기재하였다.
발광 휘도(PL%)
비교예 100
제1실험예 93.4
제2실험예 98.2
제3실험예 97.8
제4실험예 101.1
제5실험예 98.6
제6실험예 93.0
표 1을 참고하면, 표면이 코팅되지 않은 적색 형광체(비교예)의 발광 휘도를 100으로 정의할 때, 실험예의 발광 휘도는 상대적으로 떨어지는 것을 알 수 있다. 그러나, 제4실험예의 경우에는 비교예보다 발광 휘도가 높아지는 것을 확인할 수 있다. 제2실험예와 제4실험예는 모두 In을 코팅한 것이나 분산 용액이 상이하다. 따라서, PEG 용액을 이용하여 코팅하는 경우 발광 휘도를 더 높일 수 있음을 알 수 있다.
하기 표 2는 비교예와 설험예 4, 5, 6을 150℃에서 시간이 경과할수록 발광 강도가 감소하는 것을 측정한 표이다.
0h 24h 48h 72h 96h 120h
비교예 100(PL%) 50.8 49.8 44.3 42.7 42.0
제4실시예 100(PL%) 94.8 93.3 85.7 81.1 80.9
제5실시예 100(PL%) 96.5 90.2 86.5 81.7 81.6
제6실시예 100(PL%) 94.8 88.9 82.1 76.2 73.0
표면이 코팅되지 않은 비교예의 경우 150℃의 환경에서 24시간 동안 노출되는 경우 발광 휘도(PL)가 약 50% 감소하는 것을 알 수 있다. 이후 시간이 더 경과하여도 발광 휘도의 감소폭은 상대적으로 작음을 알 수 있다.
그러나, 제4실험예 내지 제6실험예를 참조하는 경우 비교예에 비해 발광 휘도의 감소폭이 작음을 알 수 있다. 특히, 제4실험예 및 제5실험예의 경우 약 120시간이 경과하여도 초기 발광 강도에 비해 약 80%이상의 휘도를 유지할 수 있음을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광장치의 개념도이다.
도 8을 참고하면, 실시 예의 발광장치는 제1광(L1)을 방출하는 발광소자(100)와, 제1광(L1)의 일부를 흡수하여 발광하는 파장변환층(200)을 포함한다.
발광소자(100)는 420nm 내지 470nm의 광을 방출하는 청색 발광소자 또는 자외선 파장대의 광을 방출하는 UV 발광소자일 수 있다. 발광소자(100)의 구조는 특별히 제한되지 않는다.
파장변환층(200)은 제1형광체(201), 제2형광체(202), 및 이들이 분산되는 광투과성 수지(204)를 포함한다. 파장변환층(200)의 구조에는 제한이 없다.
파장변환층(200)은 발광소자(100)의 상면에만 배치될 수도 있고, 상면과 측면에 배치될 수도 있다. 또는 패키지의 캐비티에 충진되어 발광소자(100)를 전체적으로 몰딩할 수도 있다.
광 투과성 수지(204)는 에폭시 수지, 실리콘 수지, 폴리이미드 수지, 요소 수지, 아크릴 수지로 이루어진 군에서 어느 하나 이상이 선택될 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
발광소자(100)에서 방출된 제1광(L1)과 파장변환층(200)에 의해 변환된 광은 혼합되어 CIE 색좌표상 백색광(L2)을 구현할 수 있다.
제1형광체(201)는 제1광(L1)을 일부 흡수하여 녹색 파장대의 광을 방출할 수 있다. 녹색 파장대의 광은 525nm 내지 545nm에서 피크를 가지며, 반치폭(FWHM)은 45nm 내지 55nm일 수 있다.
제1형광체(201)는 β(베타)형 SiAlON:Eu, BaYSi4N7:Eu, Ba3Si6O12N2:Eu, CaSi2O2N2:Eu, SrYSi4N7:Eu, LuAG, 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이 제2형광체(202)는 하기 구조식을 만족하는 불화물 형광체일 수 있다.
[구조식]
K2M1-xMn4+ XF6
여기서, M은 4족 원소 및 제14족 원소로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소일 수 있다. 일 예로, M은 Si 또는 Ti일 수 있다. x는 0<x≤0.2 또는 0.028≤X≤0.055를 만족할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 제2형광체는 K2SiF6:Mn4+로 표현되는 적색 형광체로 설명한다.
활성화 원소인 Mn의 몰비율(x)은 0.028몰 내지 0.055몰일 수 있다. Mn의 몰비율이 0.04몰 내지 0.055몰인 경우, 파장변환층의 조성물 100wt%를 기준으로 제1형광체(201) 및 제2형광체(202)의 총량은 25wt% 내지 45wt%일 수 있다. 일 예로, 제1형광체 및 제2형광체의 총량이 40wt%인 경우 광 투광성 수지(204)의 함량은 60wt%일 수 있다.
이때, 40wt%의 총량에서 제1형광체(201)의 함량비는 25% 내지 40%이고, 제2형광체(202)의 함량비는 60% 내지 75%일 수 있다. 이러한 조건을 만족하는 경우 CIE 좌표계상 백색광을 구현할 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이 Cx 색좌표 편차를 개선할 수 있다.
Mn의 몰비율이 0.028몰 내지 0.399몰인 경우, 파장변환층의 조성물 100wt%를 기준으로 제1형광체(201) 및 제2형광체(202)의 총량은 30wt% 내지 50wt%일 수 있다. 이때, 제1형광체(201)의 함량비는 15% 내지 30%이고, 제2형광체(202)의 함량비는 70% 내지 85%일 수 있다. 이러한 조건을 만족하는 경우 발광소자의 광과 혼합되어 CIE 좌표계상 백색광을 구현할 수 있다. 또한, 패키지의 Cx 색좌표 편차를 개선할 수 있다.
이하에서는 Mn의 몰비율이 0.07몰인 경우를 Mn: 100%로 정의하고, 0.525몰은 Mn: 75%, 0.035몰은 Mn: 50%, 그리고 0.021몰은 Mn: 30%로 정의한다.
도 9는 Mn의 몰비율이 100%와 75%인 적색 형광체를 이용하여 구현한 백색광의 색좌표를 측정한 그래프이고, 도 10은 Mn의 몰비율이 100%와 75%인 적색 형광체를 이용하여 구현한 백색광의 광속을 측정한 그래프이고, 도 11은 Mn의 몰비율이 100%와 75%인 적색 형광체를 이용하여 구현한 백색광의 스펙트럼을 측정한 그래프이다.
비교예는 청색 발광소자와, 베타 SiAlON 녹색 형광체 및 Mn: 100%인 적색 형광체를 이용하여 백색광을 구현하였다. 제1실시예는 청색 발광소자와, 베타 SiAlON의 녹색 형광체 및 Mn: 75%인 적색 형광체를 이용하여 백색광을 구현하였다.
하기 표 3은 비교예와 제1실시예에 의해 구현한 백색광의 광속(Flux), CIE 색좌표, 색재현성(NTSC), 및 파장 피크(WP)을 측정한 표이고, 표 4는 형광체 배합비를 나타낸 표이다.
구분 형광체 Flux(lm) Flux(%) Cx Cy NTSC(%) W.P(nm)
Green Red
비교예 Beta SiAlON KSF Mn:100% 13.7 100.0 0.268 0.265 89.8 447.4
제1실시예 KSF Mn:75% 13.5 98.6 0.268 0.265 88.8 446.4
구분 광 투과성 수지 형광체 배합비(%)
Total(wt%) GreenBeta-SiAlON KSFMn:100% KSFMn: 75%
비교예 실리콘 20.9 33.5 66.5 -
제1실시예 25.2 31.2 - 68.8
도 9와 같이 비교예와 제1실시예의 백색광은 모두 CIE 좌표계상 백색광인 것을 알 수 있다. 또한, 도 10 및 표 3과 같이 제1실시예의 광속은 비교예와 거의 동일함을 알 수 있다.
표 4를 참고하면, 비교예는 전체 조성물 100wt%를 기준으로 형광체의 총량이 20.9wt%인 반면, 제1실시예의 경우 총량이 25.2wt%로 상승하였음을 알 수 있다. 또한, 제1실시예의 경우 적색 형광체의 함량비가 68.8%로 비교예에 비해 다소 상승하였음을 알 수 있다.
즉, 적색 형광체의 Mn의 몰비율이 낮아지는 경우에는 CIE 좌표상 백색광을 유지하기 위해 상대적으로 형광체의 총량이 증가하고 적색 형광체의 함량이 증가함을 알 수 있다.
도 12는 Mn의 몰비율이 100%와 50%인 적색 형광체를 이용하여 구현한 백색광의 색좌표를 측정한 그래프이고, 도 13은 Mn의 몰비율이 100%와 50%인 적색 형광체를 이용하여 구현한 백색광의 광속을 측정한 그래프이고, 도 14는 Mn의 몰비율이 100%와 50%인 적색 형광체를 이용하여 구현한 백색광의 스펙트럼을 측정한 그래프이다.
비교예는 청색 발광소자와, 베타 SiAlON의 녹색 형광체, 및 Mn: 100%인 적색 형광체를 이용하여 백색광을 구현하였다. 제2실시예는 청색 발광소자와, 베타 SiAlON의 녹색 형광체, 및 Mn: 50%인 적색 형광체를 이용하여 백색광을 구현하였다.
하기 표 5은 비교예와 제2실시예에 의해 구현한 백색광의 광속, CIE 색좌표, 색재현성(NTSC), 및 파장 피크(WP)을 측정한 표이고, 표 6는 형광체 배합비를 나타낸 표이다.
구분 형광체 Flux(lm) Flux(%) Cx Cy NTSC(%) W.P(nm)
Green Red
비교예 Beta SiAlON KSF Mn:100% 11.96 100 0.245 0.220 91.0 446.7
제2실시예 KSF Mn:50% 12.07 100.9 0.244 0.220 90.7 446.5
구분 광 투과성 수지 형광체 배합비(%)
Total(wt%) GreenBeta-SiAlON KSFMn:100% KSFMn: 50%
비교예 실리콘 20.0 32 68 -
제2실시예 33.0 18.5 - 81.5
도 12와 같이 비교예와 제2실시예의 백색광은 모두 CIE 좌표계상 백색광인 것을 알 수 있다. 또한, 도 13 및 표 5과 같이 제2실시예의 광속은 비교예와 거의 동일함을 알 수 있다.
표 6를 참고하면, 비교예는 전체 조성물 100wt%를 기준으로 형광체의 총량이 20.0wt%인 반면, 제2실시예의 경우 총량이 33.0wt%로 상승하였음을 알 수 있다. 또한, 제2실시예의 경우 적색 형광체의 함량비가 81.5%로 비교예에 비해 상승하였음을 알 수 있다.
Mn: 50%를 이용한 제2실시예는 제1실시예에 비해 전체 형광체의 총량 및 적색 형광체의 함량이 더 증가하였음을 알 수 있다.
도 15는 Mn의 몰비율이 100%와 30%인 적색 형광체를 이용하여 구현한 백색광의 색좌표를 측정한 그래프이고, 도 16은 Mn의 몰비율이 100%와 30%인 적색 형광체를 이용하여 구현한 백색광의 광속을 측정한 그래프이고, 도 17은 Mn의 몰비율이 100%와 30%인 적색 형광체를 이용하여 구현한 백색광의 스펙트럼을 측정한 그래프이다.
비교예는 청색 발광소자와, 베타 SiAlON의 녹색 형광체 및 Mn: 100%인 적색 형광체를 이용하여 백색광을 구현하였다. 제3실시예는 청색 발광소자와, 베타 SiAlON의 녹색 형광체 및 Mn: 30%인 적색 형광체를 이용하여 백색광을 구현하였다.
하기 표 7은 비교예와 제3실시예에 의해 구현한 백색광의 광속, CIE 색좌표, 색재현성(NTSC), 및 파장 피크(WP)을 측정한 표이고, 표 8은 형광체 배합비를 나타낸 표이다.
구분 형광체 Flux(lm) Flux(%) Cx Cy NTSC(%) W.P(nm)
Green Red
비교예 Beta SiAlON KSF Mn:100% 15.92 100 0.259 0.248 87.0 447.9
제3실시예 KSF Mn:30% 15.55 97.4 0.259 0.248 86.6 447.9
구분 광 투과성 수지 형광체 배합비(%)
Total(wt%) GreenBeta-SiAlON KSFMn:100% KSFMn: 30%
비교예 실리콘 28.5 31.5 68.5 -
제3실시예 91.0 10.5 - 89.5
도 15와 같이 제1백색광과 제2백색광은 모두 CIE 좌표계상 백색광인 것을 알 수 있다. 그러나, 도 16 및 표 7를 참고하면, 제3실시예의 경우 비교예에 비해 광속이 약 2.3%감소하였음을 알 수 있다.
비교예는 전체 조성물 100wt%를 기준으로 형광체의 총량이 28.0wt%인 반면, 제3실시예의 경우 총량이 91.0wt%로 매우 높음을 알 수 있다. 또한, 제3실시예의 경우 적색 형광체의 함량비가 89.5%로 비교예에 비해 매우 높음을 알 수 있다.
따라서, Mn 몰비율이 30%이하로 낮아지는 경우 광속이 낮아지고, 형광체의 총량이 과도하게 많아질 수 있다. 이 경우 신뢰성 문제가 발생할 수 있다.
도 18은 Mn 몰비율을 100%, 75%, 50%로 조절한 적색 형광체의 스펙트럼을 측정한 그래프이다.
하기 표 9는 Mn의 몰비율에 따른 파장 피크(WP), 상대 휘도, 반치폭, 및 입사 사이즈를 측정한 표이다.
구분 파장 피크[nm] 상대휘도(%) 반치폭[nm] 입자 사이즈 [㎛]
D10 D50 D90 D90-D10
KSF-Mn 100% 632 100 7 18 26 40 22
KSF-Mn 75% 632 91 7 18 26 40 22
KSF-Mn 50% 632 77 7 18 26 40 22
표 9 및 도 18을 참고하면, Mn: 100%인 적색 형광체의 휘도를 100으로 할 때, Mn: 75%인 적색 형광체의 상대 휘도는 91%이고, Mn: 50%인 적색 형광체의 상대 휘도는 77%로 감소함을 알 수 있다. 그러나, 반치폭, 파장 피크 및 입자의 사이즈는 실질적으로 동일한 것을 알 수 있다.
도 19는 Mn의 몰비율이 100%, 75%, 50%인 적색 형광체를 이용한 백색광이 60℃의 조건하에서 광속이 변화하는 것을 측정한 그래프이고, 도 20은 Mn의 몰비율이 100%, 75%, 50%인 적색 형광체를 이용한 백색광이 60℃의 조건하에서 Cx 색좌표가 변화하는 것을 측정한 그래프이고, 도 21은 Mn의 몰비율이 100%, 75%, 50%인 적색 형광체를 이용한 백색광이 60℃의 조건하에서 Cy 색좌표가 변화하는 것을 측정한 그래프이다.
도 19를 참고하면, Mn: 50%인 적색 형광체를 이용한 제3실시예의 경우 백색광의 광속이 변화폭이 상대적으로 낮음을 알 수 있다. 이에 반해, Mn: 100%인 적색 형광체를 이용한 비교예 및 Mn: 75%인 적색 형광체를 이용한 제1실시예의 경우 시간이 경과할수록 광속 저하폭이 커짐을 알 수 있다. 이때, 전술한 바와 같이 형광체를 산화금속으로 코팅한 경우에는 광속이 저하되는 것을 더 효과적으로 줄일 수 있다.
도 20을 참고하면, 제3실시예의 경우 백색광의 Cx 좌표 변화폭이 가장 낮음을 알 수 있다. 비교예의 경우 시간의 경과에 따라 Cx 좌표 변화폭이 가장 큼을 알 수 있다.
따라서, 적색 형광체의 Mn의 몰비율을 낮추는 경우 패키지의 신뢰성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
그러나, 적색 형광체의 Mn 몰비율과 형광체의 총량은 반비례 관계에 있을 수 있다. 즉, Mn의 몰비율이 낮을수록 Cx 변화율이 감소하나 사용되는 형광체의 양은 증가할 수 있는 것이다.
그러나, 도 21을 참고하면, 비교예, 제1실시예, 및 제2실시예 모두 시간이 경과하여도 Cy 좌표의 변화폭은 상대적으로 유사함을 알 수 있다.
이러한 광속, Cx 색좌표, 및 Cy 색좌표의 편차는 도 22 내지 도 24와 같이 80℃로 온도를 더 올려 측정한 경우에도 유사한 결과값을 얻을 수 있었다. 또한, 도 25 내지 도 27과 같이 고온/고습(80℃/85%)의 조건하에서도 유사한 결과값을 얻을 수 있었다.
도 28은 도 8의 발광소자의 개념도이고, 도 29는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광소자 패키지의 개념도이다.
도 28을 참고하면, 발광소자(100)의 기판(110)은 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함한다. 기판(110)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼일 수 있다. 기판(110)은 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP 및 Ge 중 선택된 물질로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
버퍼층(111, 112)은 기판(110) 상에 구비된 발광 구조물과 기판(110)의 격자 부정합을 완화할 수 있다. 버퍼층(111, 112)은 기판(110) 상에 단결정으로 성장할 수 있으며, 단결정으로 성장한 버퍼층(111, 112)은 제1반도체층(130)의 결정성을 향상시킬 수 있다.
기판(110) 상에 구비되는 발광 구조물은 제1반도체층(130), 활성층(140), 및 제2반도체층(160)을 포함한다. 일반적으로 상기와 같은 발광 구조물은 기판(110)을 절단하여 복수 개로 분리될 수 있다.
제1반도체층(130)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체일 수 있으며, 제1반도체층(130)에 제1도펀트가 도핑될 수 있다. 제1반도체층(130)은 Inx1Aly1Ga1 -x1-y1N(0≤x1≤1, 0≤y1≤1, 0≤x1+y1≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN 등에서 선택될 수 있다. 그리고, 제1도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te와 같은 n형 도펀트일 수 있다. 제1도펀트가 n형 도펀트인 경우, 제1도펀트가 도핑된 제1반도체층(130)은 n형 반도체층일 수 있다.
활성층(140)은 제1반도체층(130)을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)과 제2반도체층(160)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 만나는 층이다. 활성층(140)은 전자와 정공이 재결합함에 따라 낮은 에너지 준위로 천이하며, 그에 상응하는 파장을 가지는 빛을 생성할 수 있다. 본 실시 예에서 발광 파장에는 제한이 없다.
활성층(140)은 단일 우물 구조, 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(Multi Quantum Well; MQW) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있으며, 활성층(140)의 구조는 이에 한정하지 않는다.
활성층(140)은 복수 개의 우물층 및 장벽층이 교대로 배치되는 구조를 가질 수 있다. 우물층과 장벽층은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가질 수 있고, 장벽층의 에너지 밴드갭은 우물층의 에너지 밴드갭보다 클 수 있다.
제2반도체층(160)은 활성층(140) 상에 형성되며, Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2반도체층(160)에 제2도펀트가 도핑될 수 있다. 제2반도체층(160)은 Inx5Aly2Ga1 -x5- y2N (0≤x5≤1, 0≤y2≤1, 0≤x5+y2≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질 또는 AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 선택된 물질로 형성될 수 있다. 제2도펀트가 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트인 경우, 제2도펀트가 도핑된 제2반도체층(160)은 p형 반도체층일 수 있다.
활성층(140)과 제2반도체층(160) 사이에는 전자 차단층(EBL, 150)이 배치될 수 있다. 전자 차단층(150)은 제1반도체층(130)에서 공급된 전자가 제2반도체층(160)으로 빠져나가는 흐름을 차단하여, 활성층(140) 내에서 전자와 정공이 재결합할 확률을 높일 수 있다. 전자 차단층(150)의 에너지 밴드갭은 활성층(140) 및/또는 제2반도체층(160)의 에너지 밴드갭보다 클 수 있다.
전자 차단층(150)은 Inx1Aly1Ga1 -x1- y1N(0≤x1≤1, 0≤y1≤1, 0≤x1+y1≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 AlGaN, InGaN, InAlGaN 등에서 선택될 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
제1전극(180)은 일부가 노출된 제1반도체층(130)상에 형성될 수 있다. 또한, 제2반도체층(160)상에는 제2전극(170)이 형성될 수 있다. 제1전극(180)과 제2전극(190)은 다양한 금속 및 투명전극이 모두 적용될 수 있다.
제1전극(180)과 제2전극(170)은 In, Co, Si, Ge, Au, Pd, Pt, Ru, Re, Mg, Zn, Hf, Ta, Rh, Ir, W, Ti, Ag, Cr, Mo, Nb, Al, Ni, Cu, 및 WTi 중에서 선택된 금속 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 필요에 따라 오믹 전극층을 더 포함할 수 있다.
도 29를 참고하면, 실시 예에 따른 발광소자 패키지(10)는 제1리드프레임(11), 제2리드프레임(12), 발광소자(100), 파장변환층(200), 및 몸체(13)를 포함한다.
발광소자(100)는 청색 또는 자외선 파장대의 광을 방출하는 다양한 구조의 발광소자가 적용될 수 있다. 또한, 발광소자(100)는 도 28에서 설명한 구성이 그대로 적용될 수도 있다.
발광소자(100)는 제1리드프레임(11)과 제2리드프레임(12)에 전기적으로 연결될 수 있다. 발광소자(100)와 제1, 제2리드프레임(11, 12)의 전기적 연결은 발광소자의 전극 구조(수직형 또는 수평형)에 의해 결정될 수 있다.
몸체(13)는 제1리드프레임(11) 및 제2리드프레임(12)을 고정하고, 발광소자(100)가 노출되는 캐비티(13a)를 포함한다. 몸체(13)는 폴리프탈아미드(PPA: Polyphthalamide)와 같은 고분자 수지를 포함할 수 있다.
파장변환층(200)은 캐비티(13a) 내에 배치되고, 제1, 제2형광체(201, 202)를 포함한다. 제1, 제2형광체(201, 202)는 광 투과성 수지(204)에 분산될 수 있다. 파장변환층(200)은 전술한 특징을 그대로 포함할 수 있다.
실시 예의 발광 장치 또는 발광소자 패키지는 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등의 광학 부재를 더 포함하여 백라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또한, 실시 예의 발광 소자는 표시 장치, 조명 장치, 지시 장치에 더 적용될 수 있다.
이 때, 표시 장치는 바텀 커버, 반사판, 발광 모듈, 도광판, 광학 시트, 디스플레이 패널, 화상 신호 출력 회로 및 컬러 필터를 포함할 수 있다. 바텀 커버, 반사판, 발광 모듈, 도광판 및 광학 시트는 백라이트 유닛(Backlight Unit)을 이룰 수 있다.
반사판은 바텀 커버 상에 배치되고, 발광 모듈은 광을 방출한다. 도광판은 반사판의 전방에 배치되어 발광 모듈에서 발산되는 빛을 전방으로 안내하고, 광학 시트는 프리즘 시트 등을 포함하여 이루어져 도광판의 전방에 배치된다. 디스플레이 패널은 광학 시트 전방에 배치되고, 화상 신호 출력 회로는 디스플레이 패널에 화상 신호를 공급하며, 컬러 필터는 디스플레이 패널의 전방에 배치된다.
그리고, 조명 장치는 기판과 실시 예의 발광 소자를 포함하는 광원 모듈, 광원 모듈의 열을 발산시키는 방열부 및 외부로부터 제공받은 전기적 신호를 처리 또는 변환하여 광원 모듈로 제공하는 전원 제공부를 포함할 수 있다. 더욱이 조명 장치는, 램프, 해드 램프, 또는 가로등 등을 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명 실시 예는 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 실시 예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명 실시 예가 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (15)

  1. 하기 구조식을 만족하는 적색 형광체.
    [구조식]
    K2M1-xMn4+ xF6
    여기서, M은 4족 원소 및 제14족 원소로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소이고, 상기 X는 0.028≤X≤0.055를 만족한다.
  2. 제1항에 있어서,
    표면에 형성된 코팅층을 포함하는 적색 형광체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코팅층은 2족 또는 3족 원소를 포함하는 적색 형광체.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 코팅층은 MgO, In2O3, Al2O3, B2O3 중 적어도 어느 하나를 포함하는 적색 형광체.
  5. 제1광을 방출하는 발광소자; 및
    상기 제1광의 파장을 변환하는 파장변환층을 포함하고,
    상기 파장변환층은,
    상기 제1광을 흡수하여 녹색 파장대의 광을 방출하는 제1형광체; 및
    상기 제1광을 흡수하여 적색 파장대의 광을 방출하는 제2형광체를 포함하고,
    상기 제2형광체는 하기 구조식을 만족하는 발광장치.
    [구조식]
    K2M1-xMn4+ XF6
    여기서, M은 4족 원소 및 제14족 원소로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소이고, 상기 X는 0.028≤X≤0.055를 만족한다.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 파장변환층은 상기 제1파장변환체 및 제2파장변환체가 분산되는 광 투과성 수지를 포함하는 발광장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 파장변환층의 조성물 100wt%를 기준으로 상기 제1파장변환체 및 제2파장변환체의 총량은 25wt% 내지 50wt%인 발광장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 파장변환층의 조성물 100wt%를 기준으로 상기 제1파장변환체 및 제2파장변환체의 총량은 25wt% 내지 45wt%인 발광장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1파장변환체의 함량비는 25% 내지 40%이고, 제2파장변환체의 함량비는 60% 내지 75%인 발광장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2파장변환체의 Mn의 몰비율은 0.04몰 내지 0.055몰인 발광장치.
  11. 제1항 있어서,
    상기 파장변환층의 조성물 100wt%를 기준으로 상기 제1파장변환체 및 제2파장변환체의 총량은 30wt% 내지 50wt%인 발광장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1파장변환체의 함량비는 15% 내지 30%이고, 제2파장변환체의 함량비는 70% 내지 85%인 발광장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2파장변환체의 Mn의 몰비율은 0.028몰 내지 0.399몰인 발광장치.
  14. 제5항에 있어서,
    상기 제2형광체는 표면에 형성된 코팅층을 포함하는 발광장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 코팅층은 MgO, In2O3, Al2O3, B2O3 중 적어도 어느 하나를 포함하는 발광장치.
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