LED는 소비전력 절감, 사용수명 증가, 발광 파장 변화를 통한 다변적 적용이 가능하여 에너지 효율 증대의 대안으로 각광받고 있으며, 조명뿐만 아니라 디스플레이 백라이트, 차량용 헤드라이트 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 현재 백색 LED를 구현하는 데에는 청색 LED와 황색 형광체를 혼합하는 방식이 주로 활용되며, 황색 형광체로는 YAG : $Ce^{3+}$가 많이 이용된다. 기존에는 형광체를 epoxy resin과 혼합하여 LED chip 위에 도포하여 경화시키는 패키징 방식을 주로 사용하였다. 하지만 페이스트 기반 패키징 방식은 열에 의한 형광체의 특성 저하와 효율 감소 문제를 일으킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 형광체 플레이트를 이용한 remote 방식이 이용되고 있지만, 플레이트 내부 전반사로 인한 광 효율 손실 또한 해결해야 할 문제이다. 본 연구에서는 플레이트 측면을 Ag로 코팅함으로써 플레이트 내부의 전반사에 의한 광 효율 손실을 해결하고자 하였다.
LED는 소비전력 절감, 사용수명 증가, 발광 파장 변화를 통한 다변적 적용이 가능하여 에너지 효율 증대의 대안으로 각광받고 있으며, 조명뿐만 아니라 디스플레이 백라이트, 차량용 헤드라이트 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 현재 백색 LED를 구현하는 데에는 청색 LED와 황색 형광체를 혼합하는 방식이 주로 활용되며, 황색 형광체로는 YAG : $Ce^{3+}$가 많이 이용된다. 기존에는 형광체를 epoxy resin과 혼합하여 LED chip 위에 도포하여 경화시키는 패키징 방식을 주로 사용하였다. 하지만 페이스트 기반 패키징 방식은 열에 의한 형광체의 특성 저하와 효율 감소 문제를 일으킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 형광체 플레이트를 이용한 remote 방식이 이용되고 있지만, 플레이트 내부 전반사로 인한 광 효율 손실 또한 해결해야 할 문제이다. 본 연구에서는 플레이트 측면을 Ag로 코팅함으로써 플레이트 내부의 전반사에 의한 광 효율 손실을 해결하고자 하였다.
LEDs are considered to be an alternative for enhancement of energy efficiency, applied for numerous areas such as display, automotive headlight not only lights. Yellow phosphor is generally utilized with blue LEDs to generate WLED, $Y_3Al_{5}O_{12}:Ce^{3+}$ is typically used as the yellow...
LEDs are considered to be an alternative for enhancement of energy efficiency, applied for numerous areas such as display, automotive headlight not only lights. Yellow phosphor is generally utilized with blue LEDs to generate WLED, $Y_3Al_{5}O_{12}:Ce^{3+}$ is typically used as the yellow phosphor. The phosphor, mixed with epoxy resin, has been used by being spread and hardened on the blue LED chip. This paste-based packaging gives rise to problems of degradation of phosphor by heat and decrease of luminous efficiency. Although phosphor plate is used instead of the epoxy-phosphor mixture to solve these problems, loss of luminous efficacy by total internal reflection inside the plate also should be solved. In this study, we coated the side of the plate with silver as one of the solution.
LEDs are considered to be an alternative for enhancement of energy efficiency, applied for numerous areas such as display, automotive headlight not only lights. Yellow phosphor is generally utilized with blue LEDs to generate WLED, $Y_3Al_{5}O_{12}:Ce^{3+}$ is typically used as the yellow phosphor. The phosphor, mixed with epoxy resin, has been used by being spread and hardened on the blue LED chip. This paste-based packaging gives rise to problems of degradation of phosphor by heat and decrease of luminous efficiency. Although phosphor plate is used instead of the epoxy-phosphor mixture to solve these problems, loss of luminous efficacy by total internal reflection inside the plate also should be solved. In this study, we coated the side of the plate with silver as one of the solution.
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문제 정의
SEM 관찰을 통해 형광체의 입자 크기를 측정하고, 코팅 여부에 따른 광속(Luminous Flux), 색온도(CCT, Color Converted Temperature), 연색지수(CRI, Color Rendering Index)를 측정하였다. 본 연구결과는 플레이트 측면 Ag 코팅의 영향을 확인하여 고출력 LED용 형광체 플레이트 제작을 위한 정보를 제공하고자 한다.
제안 방법
본 실험에서는 형광체 파우더의 산란 손실을 줄이기 위해 ZrO2 ball로 ball milling하여 형광체의 입자 크기를 감소시키고, 플레이트 내 전반사로 인한 광 효율 손실을 줄이기 위해 플레이트 측면을 Ag로 코팅하였다. SEM 관찰을 통해 형광체의 입자 크기를 측정하고, 코팅 여부에 따른 광속(Luminous Flux), 색온도(CCT, Color Converted Temperature), 연색지수(CRI, Color Rendering Index)를 측정하였다. 본 연구결과는 플레이트 측면 Ag 코팅의 영향을 확인하여 고출력 LED용 형광체 플레이트 제작을 위한 정보를 제공하고자 한다.
형광체 플레이트를 제작하였다. 또한 광산란으로 인한 손실을 줄여 광 효율을 높이기 위해 형광체 분말 크기 감소와 형광체 플레이트 측면을 Ag coating하고 광속, 색온도 등을 측정하였다.
그러나 형광체 플레이트를 LED에 적용하는 경우, 내부의 형광체에서 발광한 황색광은 임계각보다 낮은 각도에서만 제한적으로 방출되고, 임계각보다 큰 각도로 방출된 광은 전반사로 인해 plate 내에 갇히거나 plate의 edge 쪽으로 방출되어 광 효율 저하의 원인이 된다[6, 7]. 본 실험에서는 형광체 파우더의 산란 손실을 줄이기 위해 ZrO2 ball로 ball milling하여 형광체의 입자 크기를 감소시키고, 플레이트 내 전반사로 인한 광 효율 손실을 줄이기 위해 플레이트 측면을 Ag로 코팅하였다. SEM 관찰을 통해 형광체의 입자 크기를 측정하고, 코팅 여부에 따른 광속(Luminous Flux), 색온도(CCT, Color Converted Temperature), 연색지수(CRI, Color Rendering Index)를 측정하였다.
대상 데이터
YAG : Ce3+ 8.5 g, PVA 0.5 g(5 wt%), TEOS 1 g(10 wt%)을 혼합한 후 ZrO2 ball로 24시간 milling한 후, 건조시켜 입자 크기를 감소시킨 nano-sized YAG : Ce3+ 형광체 분말을 제조한다. 제조한 YAG : Ce3+ 분말을 30Φ mm mold로 9000 kgf 하중에서 2 min 유지하여 가압 성형하여 disk를 제작한다.
본 연구에서는 고출력용 LED에서도 형광체가 열화되지 않고 안정적으로 구동할 수 있는 YAG : Ce3+ 형광체 플레이트를 제작하였다. 또한 광산란으로 인한 손실을 줄여 광 효율을 높이기 위해 형광체 분말 크기 감소와 형광체 플레이트 측면을 Ag coating하고 광속, 색온도 등을 측정하였다.
제조한 YAG : Ce3+ 분말을 30Φ mm mold로 9000 kgf 하중에서 2 min 유지하여 가압 성형하여 disk를 제작한다.
3의 YAG1은 측면 Ag 코팅을 하지 않은 YAG : Ce3+ plate, YAG2는 측면 Ag 코팅을 한 YAG : Ce3+ plate이다. PL 분석 결과, 측면 Ag 코팅 후 청색 영역의 PLE intensity는 감소하고, 황색 영역의 PL intensity는 증가하였다. 이 결과를 통해, 측면 Ag 코팅 후 LED chip에서 나온 blue 빛이 plate 내의 형광체와 더 많이 반응하여 yellow로 convert 된 것을 알 수 있다.
2(c)). SEM 관찰을 통해 결정립이 잘 형성이 된 것을 확인할 수 있었으며, milling하지 않은 분말로 제조한 plate와 비교할 때 plate로 제작 후 pore의 형성이 감소하는 것을 확인하였다.
1은 제조한 YAG : Ce3+ 형광체 분말의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다. XRD 분석 결과, JCPDS card(No. 33-0040)과 일치하는 pure YAG상이 나타났으며 그 이외의 불순물 상은 검출되지 않았다. Ce3+ 이온은 activator로써, YAG 구조에 변화를 일으키지 않고 YAG 구조 내에 doping된다.
본 연구의 결과로 형광체 분말 크기 감소를 통해 형광체 플레이트 내의 pore를 감소시키고, 형광체 플레이트 측면 Ag 코팅을 통해 광속이 증가한 것을 확인하였다. 또한, 플레이트 측면 Ag coating을 통해 색온도가 감소한 결과를 통해 warm-white 구현을 위한 방안이 될 수 있는 가능성도 볼 수 있었다. 다만, 연색지수 향상을 위한 방안은 향후 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
본 연구의 결과로 형광체 분말 크기 감소를 통해 형광체 플레이트 내의 pore를 감소시키고, 형광체 플레이트 측면 Ag 코팅을 통해 광속이 증가한 것을 확인하였다. 또한, 플레이트 측면 Ag coating을 통해 색온도가 감소한 결과를 통해 warm-white 구현을 위한 방안이 될 수 있는 가능성도 볼 수 있었다.
연색지수(CRI, Color Rendering Index)는 YAG1과 YAG2의 두 경우에서 차이가 크지 않았지만, 측면 Ag 코팅 후인 YAG2의 연색지수가 소폭 감소한 것으로 나타났다.
PL 분석 결과, 측면 Ag 코팅 후 청색 영역의 PLE intensity는 감소하고, 황색 영역의 PL intensity는 증가하였다. 이 결과를 통해, 측면 Ag 코팅 후 LED chip에서 나온 blue 빛이 plate 내의 형광체와 더 많이 반응하여 yellow로 convert 된 것을 알 수 있다.
4는 EL(Electroluminescence) 분석을 통해 측정한 I-L 그래프이다. 측면 Ag 코팅 한 YAG2의 Luminous flux가 측면 코팅하지 않은 YAG1보다 약 9.4 % 높게 측정되었다(Fig. 4). 이는 측면의 Ag가 플레이트 측면으로 빛이 새나가는 것을 막아주는 역할을 하기 때문이다.
YAG : Ce3+ powder는 열에 약하기 때문에 일정시간 전류를 가해주었을 때 형광체의 색온도 변화가 크다. 형광체 플레이트를 사용할 경우에는 열 안정성이 높아져 전류를 가해주었을 때에도 색온도가 3792 K 부근에서 크게 벗어나지 않는 것으로 나타났다.
후속연구
또한, 플레이트 측면 Ag coating을 통해 색온도가 감소한 결과를 통해 warm-white 구현을 위한 방안이 될 수 있는 가능성도 볼 수 있었다. 다만, 연색지수 향상을 위한 방안은 향후 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LED는 어떤 특징이 있으며 어디에 사용되고 있는가?
LED는 고효율, 사용 수명 증가, 친환경, 사용 전력 감소 등의 특징을 갖는 차세대 광원으로서 생활 조명, 산업 조명뿐만 아니라 디스플레이 BLU, 자동차의 헤드라이트 등 점점 더 많은 범위에 적용되고 있다. 현재 백색 LED는 고온에서 구조적으로 안정하고 고출력 전자소자에의 응용이 가능한 GaN과 같은 III-V족 질화물 반도체를 주로 활용한다[1].
형광체 플레이트는 어떤 형태가 있는가?
이러한 광 손실 문제와 형광체의 열화 문제를 줄이기 위해 형광체를 플레이트 형태로 제작하여 반사컵 위에 올리는 Remote 방식의 패키징이 이용되고 있다. 형광체 플레이트는 형광체 파우더와 Glass를 혼합시켜 plate 형태로 만든 Phosphor-in-Glass와 형광체 파우더와 소량의 binder를 혼합하여 플레이트로 제작하는 Ceramic plate 형태가 있다. 이 중 산업 조명과 자동차 헤드라이트와 같이 고출력이 요구되는 분야에서는 내열 특성이 더 뛰어난 Ceramic plate가 적용되어야 한다[4, 5].
본 논문에서는 형광체 플레이트의 산란 손실과 광 효율 손실을 줄이기 위해 어떻게 하였는가?
그러나 형광체 플레이트를 LED에 적용하는 경우, 내부의 형광체에서 발광한 황색광은 임계각보다 낮은 각도에서만 제한적으로 방출되고, 임계각보다 큰 각도로 방출된 광은 전반사로 인해 plate 내에 갇히거나 plate의 edge 쪽으로 방출되어 광 효율 저하의 원인이 된다[6, 7]. 본 실험에서는 형광체 파우더의 산란 손실을 줄이기 위해 ZrO2 ball로 ball milling하여 형광체의 입자 크기를 감소시키고, 플레이트 내 전반사로 인한 광 효율 손실을 줄이기 위해 플레이트 측면을 Ag로 코팅하였다. SEM 관찰을 통해 형광체의 입자 크기를 측정하고, 코팅 여부에 따른 광속(Luminous Flux), 색온도(CCT, Color Converted Temperature), 연색지수(CRI, Color Rendering Index)를 측정하였다.
참고문헌 (7)
J.Y. Kim, G.S. Lee, M.A. Park, M.J. Shin, S.N. Yi, M. Yang, H.S. Ahn, Y.M. Yu, S.W. Kim, H.S. Kang, H.S. Jeon and N. Sawaki, "The growth of GaN on the metallic compound graphite substrate by HVPE", J. Korean Cryst. Growth Cryst. Technol. 23 (2013), 213.
T. Nishida, T. Ban and N. Kobayashi, "High-color-rendering light sources consisting of a 350-nm ultraviolet light-emitting diode and three-basal-color phosphors", Appl. Phys. Lett. 82 (2003) 3817.
S.C. Allen and A.J. Stecki, "A nearly ideal phosphorconverted white light-emitting diode", Appl. Phys. Lett. 92 (2009) 143309.
R. Zhang, H. Lin, Y. Yu, D. Chen, J. Xu and Y. Wang, "A new-generation color converter for high-power white LED: transparent $Ce^{3+}$ : YAG phosphor-in-glass", Laser Photonics Rev. 8 (2014) 158.
S.L. Jones, D. Kumar, R.K. Singh and P.H. Holloway, "Luminescence of pulsed laser deposited Eu doped yttrium oxide films", Appl. Phys. Lett. 71 (1991) 404.
J.Y. Cho, Y.R. Do and Y.-D. Huh, "Analysis of the factors governing the enhanced photoluminescence brightness of Li-doped $Y_2O_3$ : Eu thin-film phosphors", Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 131915.
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