KR20050016804A

KR20050016804A - 발광 소자용 고휘도 형광체 구조 및 이를 사용하는 발광소자

Info

Publication number: KR20050016804A
Application number: KR1020030053699A
Authority: KR
Inventors: 한관영; 토미조 마쯔오카; 박광일; 김경남
Original assignee: 서울반도체 주식회사
Priority date: 2003-08-04
Filing date: 2003-08-04
Publication date: 2005-02-21

Abstract

본 발명의 발광 소자용 형광체 구조 및 이를 사용하는 발광 소자는 구형, 또는 구형에 가까운 다면체 또는 타원체로 형성된 형광체와, 형광체의 표면에 코팅된 고굴절 코팅층으로 이루어진다. 이때, 형광체의 직경은 2μm ~ 30μm 정도의 범위에서 균일하게 최적화되고, 코팅층은 굴절률이 1.6~3.2 정도이고, 두께가 0.5μm ~ 7.5μm 정도로 되어, 형광체에 의한 여기광의 효율 뿐 아니라 전체 광효율을 향상시킨다.

Description

발광 소자용 고휘도 형광체 구조 및 이를 사용하는 발광 소자{Phosphor structure with high brightness for Light Emitting Device and Light Emitting Device using the same}

본 발명은 발광 소자용 고휘도 형광체 구조 및 이를 사용하는 발광 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 발광 소자에서 발광되는 소정 파장의 빛을 다른 파장의 빛으로 변환시킴에 있어서 그 변환 효율이 향상된 형광체 구조 및 이를 사용하는 발광 소자에 관한 것이다.

일반적으로, 레이저 다이오드나 발광 다이오드(LED)와 같은 발광 소자는 그 방출 파장이 일정한 영역대로 한정이 되어 있어서 다양한 파장의 빛을 방출하는데는 한계가 있다. 따라서, 다양한 파장의 빛의 광원이 필요한 경우에는 발광 다이오드 칩 위에 형광체를 도포하여 원하는 파장의 빛을 얻고 있다. 예를 들어 백색 발광 소자를 얻기 위해서는 청색광을 방출하는 발광 다이오드 칩에 YAG계 형광체 또는 오소실리케이트 계 형광체 등의 비YAG계 형광체를 도포하여 황색광 및 청색광의 혼합광에 의하여 백색광을 구현한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 종래의 형광체(20)는 그 단면 형상이 원형, 사각형 등으로 그 형상이 각기 다르게 무작위적으로 형성되어 있을 뿐 아니라 그 크기 또한 불균일하게 형성되어, 입사광 또는 형광체에 의하여 여기 발광된 빛이 형광체 표면에서 반사되어 빛의 변환 효율이 떨어졌다. 즉, 형광체의 형상이 무작위적으로 형성되어 모서리가 각이 지게 형성된 곳에서는 산란광이 발생하여 전체적으로 광량 손실이 발생하였다. 또한, 형광체 표면의 반사, 산란에 의하여 형광체 내부로 진입하는 입사광(예를 들어 청색광)의 양이 상대적으로 작게 되어 형광체에 의한 변환광(예를 들어 백색광)의 효율이 작은 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 파장 변환 효율이 향상되어 고휘도의 여기광을 방출할 수 있는 발광 소자용 형광체 구조 및 이를 사용하는 발광 소자를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 형광체의 크기와 형상을 비교적 균일하게 최적화하여 광효율을 향상시킬 수 있는 발광 소자용 형광체 구조 및 이를 사용하는 발광 소자를 제공하는 것이다.

전술한 목적 및 기타 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 발광 소자용 형광체 구조는 구형, 또는 구형에 가까운 다면체 또는 타원체로 형성된 형광체와, 형광체의 표면에 코팅된 고굴절 코팅층으로 이루어진다.

형광체의 직경 a와 코팅층의 두께 b의 비율 b/a가 바람직하게 0.01~0.4 정도의 범위이고, 형광체의 직경은 바람직하게 2μm ~ 30μm 정도이며, 코팅층의 두께가 0.5μm ~ 7.5μm 정도이다.

또한, 코팅층의 굴절률은 바람직하게 1.6~3.2 정도이다.

본 발명의 다른 특징에 따른 발광 소자는

제1 파장 영역의 빛을 방출하는 발광 다이오드 칩과;

발광 다이오드 칩 위에 도포되는 에폭시 또는 실리콘 수지와;

에폭시 또는 실리콘 수지 내에 혼합되어 상기 제1 파장 영역의 빛의 일부를 제2 파장 영역의 빛으로 변환하는 형광체로 이루어지며, 형광체는 구형, 또는 구형에 가까운 다면체 또는 타원체로 형성되고, 상기 형광체의 표면에는 고굴절 코팅층 코팅된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예에 대하여 설명한다.

먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명이 구현되는 발광 소자가 예시되어 있다. 도 1의 발광 소자(10)는 칩 LED 형태로 구현된 것이고 도 2의 발광 소자(20)는 램프형 LED 형태로 구현된 것이다. 도 1의 발광 소자(10)는 발광 다이오드 칩(100)이 전극(300) 위에 고정되고, 리플렉터(400) 내부에는 칩(100) 위로 형광층(200)이 도포된다. 형광층(200)은 칩(100)에서 방출된 소정 파장 영역의 빛을 다른 파장으로 변환시키기 위한 형광체가 에폭시 또는 실리콘 수지와 혼합되어 형성된다. 도 2의 발광 소자(20)는 발광 다이오드 칩(100)이 리드 프레임(310) 위에 고정되고, 칩과 리드 프레임을 형광층 몰딩부(200)가 고정한다. 형광체층(200)은 칩(100)에서 방출된 소정 파장 영역의 빛을 다른 파장으로 변환시키기 위한 형광체가 에폭시 또는 실리콘 수지와 혼합되어 몰딩부를 이루도록 형성된다. 또한, 도시되지는 않았으나 본 발명을 측면 발광형(side view type) 발광 소자나 기타 다른 형태의 발광 소자에도 적용할 수 있다.

다음으로 도 3 내지 도 5를 참조하여 형광체층(200)을 설명한다. 형광체층(200)은 에폭시 또는 실리콘 수지(220)에 형광체 구조(210)가 포함되어 있다. 형광체 구조(210)는 구형 또는 구형에 가까운 다면체 또는 타원체로 이루어진 형광체(211)와 형광체의 표면에 코팅된 고굴절 코팅층(212)으로 이루어진다.

형광체(211)는 사용하는 LED의 방출 파장과 변환 파장에 따라 적어도 한 종류 이상의 형광체를 사용할 수 있으며, YAG계 형광체나 오소실리케이트계 등의 비YAG계 형광체 등을 사용할 수 있다. 본 발명은 칩 또는 형광체의 종류 및 재질에 한정되지 않는다. 이때, 형광체(211)는 그 직경이 대략 2μm ~ 30μm 범위 내에서 균일하게 형성하는 것이 가장 효율이 좋다.

한편, 코팅층(212)은 그 굴절률이 대략 1.6~3.2 정도의 고굴절 재료로 형성된다. 이러한 고굴절 재료로 TiO₂, SiO₂, Ta₂O₅, WO₃ 가 있으며, 코팅층(212)을 불소(F)가 포함되는 화합물로 형성할 수도 있다. 코팅층(212)의 두께는 0.5μm ~ 7.5μm 정도 범위인 것이 효율이 좋다.

형광체(211)의 직경 a와 코팅층(212)의 두께 b의 비율 b/a가 0.01~0.4 정도가 바람직하다.

이러한 본 발명의 동작원리는 다음과 같다.

먼저 도 1 또는 도 2의 발광 다이오드 칩(100)에서 소정 파장의 빛을 방출하고, 방출된 빛이 형광층(200)의 형광체 구조(210)에 입사하는 경우 코팅층(212)에 의하여 형광체 표면에서의 반사가 줄어들게 되어 광손실을 막을 수 있으며 형광체 내에서 여기 효율을 높일 수 있다. 즉, 코팅층(212)에 의하여 형광체(211) 내부로 진입하는 입사광(예를 들어 청색광)의 양이 상대적으로 크게 되어 형광체에 의한 변환광(예를 들어 백색광)의 효율이 높아진다.

또한, 그 크기가 균일하고 형태가 구형 또는 구형에 가까운 다면체, 타원체 등으로 형성되어 형광체 표면에서의 산란광이 줄어듦으로써 전체적인 광량을 높일 수 있게 된다.

다음의 표 1은 코팅층(212)의 굴절률에 따른 광효율 향상을 측정한 것이고, 표 2는 코팅층(212)의 두께에 따른 광효율 향상을 측정한 것이다.

YAG계 형광체 사용
코팅층 굴절률	1.7	2.0	2.3	2.6	3.0
광효율 향상률	15%	18%	25%	27%	24%

오소실리케이트계 형광체 사용
코팅층 두께(μm)	0.2	0.5	1.0	1.3	1.5	2.0	2.5
광효율 향상률	7%	10%	12%	17%	19%	16%	15%

따라서, 본 발명은 기존의 형광체 구조를 사용한 발광 소자보다 광효율을 평균 20% 이상 향상시키는 것이 가능하다.

이상에서와 같이, 본 발명은 발광 소자용의 형광체 구조를 그 크기가 비교적 균일하게 최적화시키고, 그 형상을 구형 또는 구형에 가까운 다면체 또는 타원체로 형성하여 광효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 형광체 내부로 진입하는 입사광을 최대화하기 위하여 형광체의 표면에 고굴절 재료로 코팅층을 형성하여 변환 효율을 극대화시킬 수 있다.

특히, 본 발명은 청자색 발광 다이오드 칩을 사용하여 백색 발광 소자를 만드는 경우에도 광효율을 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 고안의 기술적 특징을 특정한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 고안에 따른 기술적 사상의 범위 내에서도 여러 가지 변형 및 수정을 가할 수 있음은 명백하다.

도 1은 본 발명이 구현되는 칩 LED 형의 발광 소자를 예시하는 도면이고,

도 2는 본 발명이 구현되는 램프형의 발광 소자를 예시하는 도면이고,

도 3은 본 발명에 따른 형광층을 개략적으로 도시한 도면이고,

도 4는 본 발명에 따른 형광체 구조의 단면도이고,

도 5는 본 발명의 형광체 구조에 의한 빛의 진행을 도시한 도면이며,

도 6은 종래의 형광체에 의한 빛의 진행을 도시한 도면이다.

Claims

구형, 또는 구형에 가까운 다면체 또는 타원체로 형성된 형광체와;

상기 형광체의 표면에 코팅된 고굴절 코팅층

을 포함하는 발광 소자용 형광체 구조.
제1항에 있어서,

상기 형광체의 직경 a와 코팅층의 두께 b의 비율 b/a가 0.01~0.4 정도의 범위 내인 것을 특징으로 하는 발광 소자용 형광체 구조.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 형광체의 직경이 2μm ~ 30μm 정도인 것을 특징으로 하는 발광 소자용 형광체 구조.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 코팅층의 두께가 0.5μm ~ 7.5μm 정도인 것을 특징으로 하는 발광 소자용 형광체 구조.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 코팅층의 굴절률이 1.6~3.2 정도인 것을 특징으로 하는 발광 소자용 형광체 구조.
제5항에 있어서,

상기 코팅층이 TiO₂, SiO₂, Ta₂O₅, WO₃ 중에서 선택된 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자용 형광체 구조.
제5항에 있어서,

상기 코팅층이 불소(F)가 포함되는 화합물로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자용 형광체 구조.
제1 파장 영역의 빛을 방출하는 발광 다이오드 칩과;

상기 발광 다이오드 칩 위에 도포되는 에폭시 또는 실리콘 수지와;

상기 에폭시 또는 실리콘 수지 내에 혼합되어 상기 제1 파장 영역의 빛의 일부를 제2 파장 영역의 빛으로 변환하는 형광체

를 포함하며,

상기 형광체는 구형, 또는 구형에 가까운 다면체 또는 타원체로 형성되고, 상기 형광체의 표면에는 고굴절 코팅층 코팅된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제8항에 있어서,

상기 형광체의 직경 a와 코팅층의 두께 b의 비율 b/a가 0.01~0.4 정도의 범위 내인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 형광체의 직경이 2μm ~ 30μm 정도인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 코팅층의 두께가 0.5μm ~ 7.5μm 정도인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 코팅층의 굴절률이 1.6~3.2 정도인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 발광 다이오드 칩에서 방출되는 제1 파장 영역의 빛과 상기 형광체에 의하여 파장 변환된 제2 파장 영역의 빛이 같이 방출됨으로써 백색광이 구현되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.