Recently, solid-state lighting based on GaN semiconductors has made remarkable breakthroughs in efficiency. Basically, it is expected that white light emitting diodes (LEDs) can offer advantageous properties such as high brightness, reliability, low power consumption, and long life time, compared with conventional light bulbs and fluorescent lamps. There are several ways to assemble the white LEDs. A conventional device is a combination of a blue LED with a yellow emitting phosphor. This method is relatively easy to be performed and the device has been commercialized. However, there are several problems which appear in this type of white LEDs, such as blue-yellow color separation (halo effect), temperature and current dependence of chromaticity, and spectrum shape. And a concern with this device is that the white output light has an unsatisfactory color rendering property. The output light is deficient in the red region of the visible light spectrum.
In order to overcome its disadvantage, combination of ultraviolet LEDs (UV LEDs) with red, green, and blue (RGB) phosphors blend has been studied. This type of white LED can be offered superior color uniformity, high color rendering index and the excellent light quality. Especially, the UV pumped white LED using a single phased full-color-emitting phosphor has advantages as follows. There are no reabsorption of the blue light by green or red phosphors and no requirement for mixing of two or three phosphors. Therefore a single phased full-color-emitting phosphor for UV pumped white LED is required to enhance the luminous efficiency and color reproducibility of white light source.
This study reports on the structural and optical properties of $La_{0.827}Al_{11.9}O_{19.09}:Eu^{2+}$, $Mn^{2+}$ phosphor. The energy transfer mechanism of $La_{0.827}Al_{11.9}O_{19.09}:Eu^{2+}$, $Mn^{2+}$ phosphor was investigated. The $La_{0.827}Al_{11.9}O_{19.09}$ which is distorted magnetoplumbite structure has a space group of $P6_3/mmc$ and has 12-coordinated La sites and three different Al sites of 4, 5 and 6-coordination in a unit cell. We have proposed that $La^{3+}$ sites were substituted by $Eu^{2+}$ ion and $Al^{3+}$ sites were substituted by $Mn^{2+}$ ion. The $La_{0.827}Al_{11.9}O_{19.09}:Eu^{2+}$, $Mn^{2+}$ phosphor showed three emission bands. The blue emission band of 450 nm originated from $Eu^{2+}$ ions substituted by $La^{3+}$ sites, and the green (525 nm) and red emission band (660 nm) originatd from $Mn^{2+}$ ions substituted by tetrahedral and octahedral sites of $Al^{3+}$ ions, respectively. The mechanism of emission is explained through the energy transfer from $Eu^{2+}$ to tetrahedral sites of $Mn^{2+}$ and from tetrahedral sites of $Mn^{2+}$ to octahedral sites of $Mn^{2+}$ This energy transfer was confirmed by the fast decay time of the blue emission band of $Eu^{2+}$ (645 ns → 149 ns) and green emission band of $Mn^{2+}$ (4.46 ms → 1.03 ms) as an energy donor. Also the emitting color of $La_{0.827}Al_{11.9}O_{19.09}:Eu^{2+}$, $Mn^{2+}$ phosphor can be easily tailored from blue to red by the only control of $Mn^{2+}$ amount.
The white LED through combining UV LED chip $(λ_{peak} = 385 nm)$ with $La_{0.827}Al_{11.9}O_{19.09}:Eu^{2+}$, $Mn^{2+}$ phosphor are fabricated. The CIE chromaticity coordinates and color temperature of the fabricated white LED were x = 0.40, y = 0.42, and $T_c$ = 3700 K, respectively. The color characteristic of fabricated white LED was excellent for representing a warm white light.
Our study indicates that $La_{0.827}Al_{11.9}O_{19.09}:Eu^{2+}$, $Mn^{2+}$ phosphor has the potential to act as a single phased full color emitting phosphor for UV LEDs.
LED는 1907년 Henry Round에 의해 처음으로 소개되었고, 그 이후 반도체 기술의 발전과 더불어 LED의 성능 향상이 크게 이루어져 LED를 이용한 광원이 가장 현실적인 대체광원으로 떠오르고 있다. LED 광원은 반도체 소자이기 때문에 수명이 길고, 전기-광 변환 효율이 좋아 소비전력이 적으며, 방전가스를 사용하지 않아 친환경적이라는 장점을 가지고 있다. 그러나 LED가 조명시장에서 사용되기 위해서는 100 lm/W 이상의 광속을 방출해야 하며, 백색광의 품질이 좋아야 한다. 현재 상용화된 백색 LED는 청색 발광 LED에 황색 발광 형광체를 도포하여 제작되고 있지만 연색 지수가 낮으며 우수한 색좌표를 나타내지 못하는 단점이 있다. 따라서 이러한 단점을 보완하고자 균일한 백색 구현이 가능하고, 형광체의 양을 조절하여 cool white에서 warm white까지 원하는 백색을 쉽게 얻을 수 있으며 연색성이 우수한 UV LED에 청색, 녹색, 적색 형광체를 도포하여 백색광을 구현하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 사용되고 있는 UV LED용 형광체에서 적색 형광체로는 $Y_2O_2S:Eu^{3+}$, 녹색 형광체로는 ZnS:Cu, Al, 청색 형광체로는 $(Sr,Ca,Ba,Mg)_{10}(PO_4)_6C_12:Eu^{2+}$ , $BaMgAl_{10}O_{17}:Eu2+ (BAM) 이다. 그러나 UV LED에 청색, 녹색, 적색 형광체를 도포하려면, 우선 백색을 만들기 위해 각 형광체의 양을 맞추는 것이 어렵고, 또한 각 형광체의 morphology가 달라 LED에 에폭시를 이용해 도포할 때 균일하게 분산되기가 어렵다. 그리고 녹색과 적색 형광체에 의해서 청색 발광이 재흡수되어 발광 효율이 저하되는 문제가 있다. 따라서 본 연구에서는 UV LED에 여러 가지 형광체를 사용하여 백색을 만들 때에 나타나는 문제점을 해결하기 위해 하나의 모체에서 청색, 녹색, 적색 발광을 하여 백색을 발광하는 신조성 형광체인 $La_{0.827}Al_{11.9}O_{19.09}:Eu^{2+}$, $Mn^{2+}$ system $(La-Al-O:Eu^{2+}, Mn^{2+} system)$ 에 대해서 다루고자 한다. $La-Al-O:Eu^{2+}$, $Mn^{2+}$ system 을 이용하여 청색 발광 LED에 황색 형광체를 도포하는 white LED에서는 구현하기가 어려운 warm white light를 구현 하였다. $La-Al-O:Eu^{2+}$, $Mn^{2+}$ 의 청색, 녹색, 적색발광 메커니즘에 대해 고찰하였다. 청색은 $La^{3+}$ 의 site를 치환한 $Eu^{2+}$ 에 의한 것이고, 녹색과 적색은 $Al^{3+}$ 의 site를 치환한 $Mn^{2+}^ 에 의한 것으로 고찰할 수 있었다. $Mn^{2+}$ 양 변화에 따른 PL 분석 결과 $Eu^{2+}$ 에 의해서 $Mn^{2+}^ 로 energy transfer가 되는 것을 예측할 수 있었고 $Eu^{2+}$ 의 decay time이 감소하는 분석 결과를 통해서 확인하였다. 그리고 $Eu^{2+}$ 와 $Mn^{2+}$ 의 energy transfer가 되기 위한 RC 값을 두 가지 방법을 통해서 구하였다. Concentration quenching 방법으로 구한 값은 9.12 $\AA$ 이고 spectrum overlap 방법으로 구한 값은 8.68 $\AA$ 으로 두 값이 잘 일치하는 것을 확인하였다. 또한 $Mn^{2+}$ 양 변화에 따라서 청색, 녹색, 황색, 적색 발광이 가능하여 하나의 형광체에서 $Mn^{2+}$ 양만 변화시켜 쉽게 청색에서 적색까지 발광색을 조절할 수 있었다. La-Al-O:$Eu^{2+}$, $Mn^{2+}$ 에서 $Eu^{2+}$ 양 변화에 따른 샘플의 PL 분석 결과 warm white light를 발광하는 조성을 찾았다. $Eu^{2+}$ 의 양 0.21 ~ 0.3 mol, $Mn^{2+}$의 양 0.6 mol인 경우에 색좌표는 x = 0.4 ~ 0.42, y = 0.4 ~ 0.42, 색온도는 3300 ~ 3500 K의 특성을 나타내었다. 또한 제조된 La-Al-O system 형광체를 UV LED에 도포하여 white LED를 만든 후의 발광 스펙트럼은 형광체의 PL 결과와 비슷한 경향을 나타내었다. UV LED를 이용해 제작된 white LED의 색좌표는 x = 0.4, y = 0.42이었고, 색온도는 3700 K로 warm white light의 특성을 나타내었다. 또한 구동전류에 따라 white LED의 광특성을 분석한 결과 구동 전류의 변화에 관계없이 동일한 색좌표와 색온도 값을 나타내어 색 안정성이 우수하다는 것을 확인하였다.
