CN102299241A - 发光装置用透镜 - Google Patents

Abstract

本发明为了长期维持发光装置的初始发光特性而提供在长期使用时可抑制透射率劣化的发光装置用透镜。本发明的发光装置用透镜用于发光装置，所述发光装置包括：LED芯片、对由所述LED芯片发出的光进行波长转换的波长转换构件、设置于所述LED芯片和所述波长转换构件之间的透镜；所述透镜由以质量％表示含有总量为80％以上的SiO₂、Al₂O₃、Na₂O、CaO作为必需成分且含有0.001～0.9％的Fe₂O₃+FeO的玻璃构成。

Description

发光装置用透镜

技术领域

本发明涉及以发光二极管作为发光源的发光装置中使用的透镜。

背景技术

以发光二极管作为发光源的发光装置是通过LED芯片发射光，并且通过荧光体对该发射光进行波长转换，藉此得到所要的颜色的发光的装置。

例如，为了利用发光装置得到白色光，可以通过氮化镓(GaN)类的LED芯片发出蓝色光，并且使该蓝色光透过保持有钇-铝-石榴石(YAG)类荧光体的波长转换层，藉此，能够以荧光的形式得到的红色～绿色的光与透过荧光体的蓝色光混合而得到白色的发光。

对于这样的发光装置，为了提高光输出功率，提出了在LED芯片和波长转换构件之间设置光取出增大部(透镜)的结构(专利文献1)。该结构中，在LED芯片的光取出面侧包括具有增大光取出率的功能的光取出增大部，该光取出增大部与LED芯片一体化。因此，波长转换构件与光取出增大部并非同一构件，仅形成于凹状开口部的内侧，所以整个发光装置的颜色偏差和波长转换构件内的色相不均减少，而且为了固定波长转换构件，采用了不预先填充透光性树脂的结构，因此不会影响LED芯片上的光取出增大部的效果。

专利文献1：日本专利特开2005-166733号公报

发明内容

但是，上述现有技术文献记载的发光装置中，虽然可见光输出功率的提高，但观察到因长期使用而导致光输出功率的衰减增大的现象。认为其原因如下。

由LED芯片发射的光的发射光谱包含近紫外线。因此，如果长期使用发光装置，则暴露于来自LED芯片的发射光的LED芯片上的光取出增大部(透镜)因紫外线的影响而发生着色或变形，因而到达波长转化构件(荧光体)的发射光减少。认为由此导致发光装置的发光特性的劣化。而且，如果透镜着色，则由LED芯片发射的光中的红外线成分的透射率降低，透镜本身会积蓄热量，因而透镜的着色和变形加速进行。透镜中使用树脂材料的情况下，这些紫外线的影响尤为显著。

本发明是解决上述问题的发明，其目的在于提供一种透镜，该透镜是用于发光装置的透镜，可长期维持发光装置的初始发光特性，因此在长期使用时可抑制透射率特性的劣化。

本发明的发光装置用透镜用于发光装置，所述发光装置包括：LED芯片、对由所述LED芯片发出的光进行波长转换的波长转换构件、设置于所述LED芯片和所述波长转换构件之间的透镜，其特征在于，所述透镜由以质量％表示含有总量为80％以上的SiO₂、Al₂O₃、Na₂O、CaO作为必需成分且含有0.001～0.9％的Fe₂O₃+FeO的玻璃构成。

此外，所述透镜的特征在于，以质量％表示含有总计0.05～10％的WO₃、TiO₂、Nb₂O₅、Bi₂O₃、CeO₂中的至少1种以上的成分。

此外，所述透镜的特征在于，0～300℃下的平均热膨胀系数为2～10(×10^-6/K)。

此外，所述透镜的特征在于，以质量％表示含有：

SiO₂  66～75％、

Al₂O₃ 0.1～5％、

Na₂O  5～15％、

R₂O   5～15％、

CaO   3～10％、

MgO   0～7％、

RO    3～18％；

这里，R₂O：Li₂O+Na₂O+K₂O；RO：CaO+MgO+BaO+SrO。

此外，所述透镜的特征在于，具有对板状玻璃的一个面进行蚀刻而得的单面凹曲面状或单面凸曲面状。

此外，所述透镜的特征在于，层叠在所述LED芯片上。

此外，本发明的发光装置的特征在于，使用所述发光装置用透镜。

利用本发明的发光装置用透镜，即使长期使用发光装置，也可抑制透镜的着色和变形的发生。因此，可长期维持发光装置的初始发光特性。

附图说明

图1是使用本发明的实施方式的透镜的LED发光装置的简单剖视图。

图2是使用本发明的另一实施方式的透镜的LED发光装置的简单剖视图。

图3是表示本发明的透镜的制造方法的流程图。

符号的说明

1…LED发光装置，2…透镜(凸曲面状透镜)，3…LED芯片，4…波长转换构件，5…安装基板，6…透镜(凹曲面状透镜)，10…玻璃基板，11…抗蚀图案。

具体实施方式

参照附图对本发明的发光装置用透镜的一种实施方式进行说明。

图1中记载的本实施方式的发光装置1包括LED芯片3、重叠配置在安装有LED芯片3的安装基板5和LED芯片3上的透镜2、设置于透镜2的光出射面侧的波长转换构件4。本实施方式的发光装置1例如用于照明器具的光源或电子设备的操作显示部等。

安装基板5由装载LED芯片3的金属板和层叠于金属板的由玻璃环氧树脂基板制成的绝缘性基材构成，在该绝缘性基材的金属板侧的相反侧的表面设置有一对引线图案，该一对引线图案分别与LED芯片3的未图示的两个电极电连接。这里采用Cu作为金属板的材料，但只要是导热系数较高的金属材料即可，不局限于Cu，也可采用Al等。除此之外，也可使用由玻璃和氧化铝填料等陶瓷填料构成的LTCC(低温共烧陶瓷基板)作为安装基板5。此外，也可在安装基板上设置用于反射来自LED芯片等的光的银等的光反射层。考虑到长期可靠性，所述光反射层也可以是用由玻璃构成的保护涂层覆盖由银等构成的导体层的结构。

LED芯片3是发射蓝色光的GaN类蓝色LED芯片，作为结晶生长用基板，使用由蓝宝石基板或n型SiC基板构成的导电性基板等。在结晶生长用基板的主表面侧，发光部通过外延生长法(例如MOVPE法等)生长，该发光部由GaN类化合物半导体材料形成，且由例如具有双异质结构的层叠结构部构成；在结晶生长用基板的背面形成有未图示的作为阴极侧电极的阴极电极(n电极)；在发光部的表面(导电性基板11的主表面侧的最表面)形成有未图示的作为阳极侧电极的阳极电极(p电极)。总之，LED芯片中，在一个表面侧形成有阳极电极，并且在另一表面侧形成有阴极电极。

透镜2重叠配置在LED芯片3上，其光入射面侧平坦，光出射面侧形成为凹曲面状。由LED芯片3发出的光透过透镜2，从而成为与光轴平行的光，藉此，通过波长转换构件4时的光的方向一致，因此可抑制发光装置1中的光的中心部和端部的色调产生差异。

波长转换构件4设置于透镜2的光出射面侧，既可以直接层叠在透镜2上而形成，也可以设置于隔着透镜2和空气层隔开一定距离的位置。波长转换构件4由混合好的混合物的成形品构成，该混合物由有机硅树脂之类的透明材料和被由LED芯片3发射的蓝色光激发而发射出广域的黄色系光的粒子状的黄色荧光体混合而成。因此，本实施方式的发光装置1中，由LED芯片3发射的蓝色光和由黄色荧光体发射的光从波长转换构件4的光出射面发射，可得到白色光。波长转换构件4所用的透明材料不限于有机硅树脂，也可采用例如丙烯酸树脂、环氧树脂等。波长转换构件4所用的荧光体不限于上述黄色荧光体，例如也可将红色荧光体和绿色荧光体混合而得到白色光。

由LED芯片3发射的蓝色光的发射光谱在波长450～500nm处具有相对发光强度的峰，且虽然相对发光强度不高，但仍包含波长小于400nm的近紫外线。因此，与LED芯片3的光出射面侧相邻的透镜2使该包含近紫外线的光透过。透镜2由丙烯酸树脂等树脂材料或玻璃形成的情况下，透镜2因该紫外线而变色(所谓紫外线曝晒(ultraviolet solarization))。如果透镜2变色，则透过透镜2的光量下降，导致发光装置1的亮度的下降和发光颜色的偏差之类的品质劣化。此外，如果透镜2变色，则红外线透射特性下降，因而透镜2本身会积蓄热量，发光装置1的散热特性劣化。

因此，本发明的发光装置用透镜以质量％表示含有总量为80％以上的SiO₂、Al₂O₃、Na₂O、CaO作为必需成分且含有0.001～0.9％的Fe₂O₃+FeO，藉此赋予透镜以耐紫外线曝晒性，从而解决了上述问题。

本发明的发光装置用透镜由含有SiO₂、Al₂O₃、Na₂O、CaO作为必需成分且这些必需成分的总量为80％以上的玻璃构成，因此与树脂材料相比耐热性更好，即使LED芯片通过发光而发热，透镜长时间暴露在该热量下，也可抑制由热量引起的劣化。所述总量较好为85％以上，更好为90％以上。此外，因为玻璃组成含有铁成分，所以可抑制透镜因紫外线曝晒而变色的现象。铁成分是强力吸收紫外线的成分，是通过在玻璃中含有少量可期待紫外线屏蔽效果的本发明的实施方式所必需的成分，但以质量％计Fe₂O₃+FeO如果低于0.001％，则无法期待其效果，如果高于0.9％，则透镜本身着色，光的透射量可能会下降。优选0.01％～0.2％的范围。

铁成分在玻璃中以不同价数的离子Fe²⁺、Fe³⁺的状态存在，离子原子价通过紫外线照射而转变，这是玻璃着色的主要原因。另一方面，通过紫外线照射而着色的部分期待紫外线屏蔽膜的作用，阻断紫外线向玻璃内部的侵入，这就防止了紫外线曝晒的进行。因此，如果玻璃中的铁成分含量少，则因侵入玻璃内部的紫外线的作用而导致电子从其它离子流入大范围的玻璃结构中的空穴，该空穴成为发色中心，因此其结果是玻璃的透射率特性劣化。基于上述由紫外线导致的玻璃的着色机理，Fe₂O₃+FeO的含量必须在规定范围内。

因为玻璃中的铁成分以Fe₂O₃和FeO的状态存在，所以以两者的总量(Fe₂O₃+FeO)来限定。Fe₂O₃是提高紫外线吸收能力的成分，FeO是提高热射线吸收能力的成分。为了使玻璃获得高透射率，FeO相对于总氧化铁的比例较好是低于40％。Fe₂O₃和FeO的平衡可通过对添加于玻璃原料的氧化剂或还原剂的量、玻璃熔融炉内气氛的氧化还原条件等进行调整来控制。

此外，玻璃中的铁成分的添加方法除了作为玻璃原料添加铁成分的方法外，也可采用以下方法中的任一种：控制硅砂原料中所含的铁成分，通过硅砂原料来添加的方法；控制制造工艺中混入的铁成分，从制造工艺条件添加，即通过原料以外的方法来添加的方法。

为了赋予透镜以耐紫外线曝晒性，透镜的玻璃可以含有WO₃、TiO₂、Nb₂O₅、Bi₂O₃、CeO₂中的至少1种以上。WO₃、TiO₂、Nb₂O₅、Bi₂O₃、CeO₂是赋予耐紫外线曝晒性、紫外线屏蔽性能的成分，它们的总量以质量％计低于0.05％时，无法获得所期待的效果，如果高于10质量％，则玻璃容易失透，发生均质性的劣化。以这些成分的总量计的添加量较好是在0.05～3％的范围内。

透镜的0～300℃下的平均热膨胀系数较好为2～10×10^-6/K。透镜用公知的粘接剂粘接在LED芯片上。另一方面，如上所述，LED芯片通过发光而发热。因此，通过使透镜的平均热膨胀系数与作为LED芯片的发光体的GaN的热膨胀系数相似，可防止透镜从LED芯片剥离。GaN为晶体结构，热膨胀系数因晶轴而不同，因此考虑到这一点，将透镜的0～300℃下的平均热膨胀系数设为2～10×10^-6/K。如果超出该范围，则在使用发光装置时，透镜和LED芯片之间产生热膨胀差，可能会从粘接部剥离。

构成本实施方式的发光装置用透镜的各成分的含量较好是如下所述，如上所述对构成玻璃的各成分的含量等进行限定的原因在下文中说明。各成分的含量均以质量％表示。

SiO₂是形成玻璃的网络结构的主要成分，也是用于维持热学特性和机械特性的重要成分。其添加量如果低于66％，则玻璃结构变得不稳定，因而机械特性劣化，而且化学耐久性也劣化。如果高于75％，则玻璃的熔融性、成形性变差，因此优选66～75％的范围，更优选68～73％的范围。

Al₂O₃具有改善玻璃的失透性和化学耐久性的作用，如果低于0.1％，则容易发生分相和失透，如果高于5％，则会产生波筋等，熔融性变差，因此优选0.1～5％的范围，更优选1～4％。

Li₂O、Na₂O、K₂O起到助熔剂的作用，用于改善玻璃的熔融性并调整粘度和热膨胀系数。此外也是对电学特性有较大影响的重要成分。这三种成分的含量的总和如果低于5％，则无法获得作为助熔剂的效果，熔融性劣化。如果高于15％，则化学耐久性劣化，热膨胀系数也增大。因此，优选5～15％的范围。这三种成分中，特别优选使用Na₂O。

CaO、MgO、BaO、SrO是用于实现玻璃的熔融成形性和防失透的有效成分，这些成分的总含量如果低于3％，则该效果不佳，如果高于18％，则有机械强度下降的倾向。因此，优选3～18％的范围，更优选9～15％。

这四种成分中，CaO是用于提高玻璃的熔融性的特别有效的成分。但是，CaO的含量如果多于10％，则玻璃的液相温度升高，难以进行稳定的玻璃成形，而且还会产生热膨胀系数升高等问题。如果低于3％，则高温粘性提高，不仅难以进行均质熔融，还会产生应变点降低等问题。因此，优选3～10％的范围，更优选5～9％的范围。

MgO可获得与CaO同样的效果，是用于提高玻璃的熔融性的有效的成分。但是，MgO的含量如果高于7％，则产生成形性等的问题。因此，优选0～7％的范围，更优选0～5％的范围。

作为其它任意成分，为了提高熔融成形性、调整透射率、调整机械强度、调整热学特性，可添加低于5％的B₂O₃、ZrO₂等。

作为另一种实施方式的发光装置，可例举图2中记载的发光装置。其与图1的发光装置的不同之处仅在于透镜6的形状是凸透镜。透镜的详细形状可根据发光装置的详细情况适当设定，透镜是凹曲面状还是凸曲面状可根据透镜的折射率和与光出射面侧接触的物质的折射率来决定。具体而言，透镜的折射率高于与光出射面侧接触的物质的折射率的情况下，应当采用凹曲面状，透镜的折射率低于与光出射面侧接触的物质的折射率的情况下，应当采用凸曲面状。

接着，对本实施方式的发光装置用透镜6的制造方法进行说明。

本实施方式的发光装置用透镜6可如下所述制作。首先，按照上述组成范围称量作为玻璃原料的氧化物、碳酸盐、氢氧化物、硝酸盐、硫酸盐、氯化物等原料粉末并混合，制成原料配合料。将该原料配合料加入铂坩埚，于1350～1500℃的温度下熔融，充分搅拌、澄清，制成均质的玻璃。将这些熔融玻璃导入框中，成形为块状，保持在退火点附近以消除应变，然后冷却至室温。接着，将块状的玻璃切片，切割成所要的尺寸，然后对光学面进行研磨，得到板状的玻璃基板10。玻璃的熔融可通过使用铂坩埚的坩埚熔融(日语：ポツト溶融)、使用池窑的连续熔融等来进行。成形方法有浇铸于模具、用辊拉伸为板状等方法，主要优选采用浮法进行板成形。

接着，在所述玻璃基板10的光学面形成凹曲面状的透镜。作为在玻璃基板10上形成凹曲面状的透镜6的方法，作为一例有如下方法：通过对玻璃基板10的一个面实施下述的蚀刻加工而形成所要的凹曲面，然后从玻璃基板10中切出凹曲面状部分，从而得到透镜6。

用图3来说明对凹曲面实施蚀刻加工的方法。凹曲面为近似球面的情况下，采用在玻璃基板10上涂布光致抗蚀层的工序、用光刻技术在所述光致抗蚀层上形成抗蚀图案11的工序(a)、进行被覆有该光致抗蚀层11的玻璃基板10的各向同性蚀刻的工序(b)。凹曲面为非球面的情况下，除了上述的凹曲面为近似球面时的工序外，还采用在实施了进行玻璃基板10的各向同性蚀刻的工序后除去玻璃基板10上的光致抗蚀层11的工序(c)，对玻璃基板10的整个表面进行蚀刻的工序(d)。接着，将成形有凹曲面的部位切出(e)，从而得到凹曲面状的透镜6。上述方法中，通过调整对形成近似球面的凹曲面时的抗蚀图案11或玻璃基板10的整个表面进行蚀刻的量，可容易地形成所要的近似球面或非球面的凹曲面。通过对透镜6的凹曲面实施蚀刻加工，透镜6表面的平滑性高，透镜6的光出射面上的光的散射少，可抑制透过透镜6的光的衰减。此外，采用蚀刻的加工中，通过使用大块的玻璃基板10，可同时对多个透镜6进行加工，因此能以低廉的成本制造透镜6。

作为对凸曲面实施蚀刻加工的方法，采用在玻璃基板上涂布光致抗蚀层的工序、用光刻技术在所述光致抗蚀层上形成抗蚀图案的工序、进行被覆有该光致抗蚀层的玻璃基板的各向同性蚀刻的工序。玻璃基板的蚀刻中，被覆有光致抗蚀层的部分不被蚀刻，而是残留下来，因此通过对圆形的被覆部分的周围进行蚀刻等方法，即通过调整对抗蚀图案或玻璃基板的整个表面进行蚀刻的量，可容易地形成所要的形状。通过对透镜的凸曲面实施蚀刻加工，透镜表面的平滑性高，透镜的光出射面上的光的散射少，可抑制透过透镜的光的衰减。此外，采用蚀刻的加工中，通过使用大块的板状玻璃，可同时对多个透镜进行加工，因此能以低廉的成本制造透镜。

作为透镜的其它制造方法，也可采用以下方法：将规定量的熔融玻璃供至透镜成形模具进行加压成形的直接加压法；由熔融玻璃形成预成形体后用金属模具对预成形体加压的模压法等玻璃成形法。

实施例

接着，基于实施例对本发明的发光装置用透镜进行详细说明。表1所示为本发明的实施例及比较例。例1～例5为本发明的实施例，例6为比较例。另外，表中的组成是以质量％表示。表中记载的玻璃如下所述：按照表中所示的各氧化物组成称量硅砂和各金属的碳酸盐、氢氧化物等原料粉末并混合，通过使用芒硝的澄清方法用铂坩埚于1450℃熔融5小时。将熔融玻璃充分搅拌、澄清后，倒出至矩形框内，退火后与下述评价项目相对应地制作加工成所要的形状的样品。

对于这些样品，通过下述的耐紫外线曝晒试验来评价对紫外线照射的影响。基于耐紫外线曝晒性试验的透射率的劣化度如下所述测定：将各玻璃样品切成单边30mm见方的板状，以厚度达到1mm的条件进行双面光学研磨加工，将所得试样配置在距离汞灯(H-400P)20cm的位置，进行300小时的紫外线照射，然后测定波长400nm处的透射率，用与紫外线照射前的初始透射率相比的劣化度表示。劣化度(％)＝[(初始透射率-紫外线照射后的透射率)/初始透射率]×100。上述试验中，劣化度在2％以上的记作有紫外线劣化，劣化度低于2％的记作无紫外线劣化。

[表1]

由实施例的结果可知，通过在规定范围内含有Fe₂O₃+FeO，紫外线照射后的透射率减少被控制在低于2％，具有高耐紫外线曝晒性。与之相对，比较例中因为不含Fe₂O₃+FeO，所以紫外线照射后的透射率大幅减少。因此，如果使用比较例的玻璃作为发光装置用透镜，则随着长期的使用，透镜发生着色，可能会导致发光装置的亮度下降和发光颜色的偏差等。

产业上利用的可能性

如上所述，本发明的玻璃的紫外线屏蔽特性优良，因此用作发光装置用透镜的情况下，不会导致发光装置的亮度下降和发光颜色的偏差等，可长期维持发光装置的品质。

Claims (7)

1.一种发光装置用透镜，该透镜用于发光装置，所述发光装置包括：LED芯片、对由所述LED芯片发出的光进行波长转换的波长转换构件、设置于所述LED芯片和所述波长转换构件之间的透镜，其特征在于，

所述透镜由以质量％表示含有总量为80％以上的SiO₂、Al₂O₃、Na₂O、CaO作为必需成分且含有0.001～0.9％的Fe₂O₃+FeO的玻璃构成。

2.如权利要求1所述的发光装置用透镜，其特征在于，所述透镜以质量％表示含有总计0.05～10％的WO₃、TiO₂、Nb₂O₅、Bi₂O₃、CeO₂中的至少1种以上的成分。

3.如权利要求1所述的发光装置用透镜，其特征在于，所述透镜的0～300℃下的平均热膨胀系数为2～10(×10^-6/K)。

4.如权利要求1或2所述的发光装置用透镜，其特征在于，所述透镜以质量％表示含有：

SiO₂  66～75％、

Al₂O₃ 0.1～5％、

Na₂O  5～15％、

R₂O   5～15％、

CaO   3～10％、

MgO   0～7％、

RO    3～18％；

这里，R₂O：Li₂O+Na₂O+K₂O；RO：CaO+MgO+BaO+SrO。

5.如权利要求1所述的发光装置用透镜，其特征在于，所述透镜具有对板状玻璃的一个面进行蚀刻而得的单面凹曲面状或单面凸曲面状。

6.如权利要求1所述的发光装置用透镜，其特征在于，所述透镜层叠在所述LED芯片上。

7.一种发光装置，其特征在于，使用权利要求1～6中任一项所述的发光装置用透镜。

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