JP2006054396A

JP2006054396A - 発光装置

Info

Publication number: JP2006054396A
Application number: JP2004236693A
Authority: JP
Inventors: Reiji Ono; 玲司小野
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Discrete Semiconductor Technology Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Device Solutions Corp
Priority date: 2004-08-16
Filing date: 2004-08-16
Publication date: 2006-02-23

Abstract

【課題】照射角度を広く取ることが可能で、波長変換された光の取出し効率が高い発光装置を提供する。
【解決手段】指向性を有する青色乃至近紫外光を放射するＬＥＤ１１と、ＬＥＤ１１の放射光強度分布の中心軸５に回転中心軸を実質一致させ、中心軸５と頂角方向を一致させた円錐形の外形を有して、ＬＥＤ１１を封止するＬＥＤ１１から放射される光に透明な封止樹脂２１と、封止樹脂２１の外側に密着して、ＬＥＤ１１から放射される光を吸収して可視波長の変換光を放射する粒子状の蛍光体を含有する薄板状の蛍光体膜２５とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置に関わり、特に、半導体発光素子から放射された光を波長変換して外部に放射する発光装置に関する。

半導体発光素子は、近年、窒化ガリウム系の材料を用いて、青色光から近紫外光の放射が可能なＬＥＤあるいはＬＤが開発されてきた。これらの半導体発光素子を光源として、例えば、蛍光体を介して波長変換された光と蛍光体に変換されなかった光との２色、あるいは、波長変換された３色を合成して白色光を得る方法等が開発され、照明や表示用等へ向けて演色性あるいは発光効率等の改善が図られている。

このようなＬＥＤを主とする半導体発光素子と蛍光体を組み合わせる発光装置は、多岐にわたる形態が提案されている。例えば、発光素子と、発光素子を封止する封止樹脂と、発光素子からの光により励起されて所望の波長の光を発光する発光体とを備えた発光装置において、封止樹脂の表面に、蛍光体を分布させた光透過性樹脂からなるキャップを被せる構成をなし、キャップを通過する際に蛍光体により波長変換された光と、蛍光体に変換されなかった青色系の光とが混合され、キャップの表面から白色系の光が外部放射される例が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この封止樹脂は、先端の丸い砲弾型に整形された形状であり、その外側に、同形状のキャップが設けられている。

しかしながら、砲弾型の透明樹脂及びキャップを形成する光透過性樹脂はレンズとして機能するために、蛍光体により波長変換された光も集光されることになり、照射角度が広く必要な照明用途には、適してないという問題があった。また、蛍光体を分布させたキャップが丸形で厚さが一定のため、蛍光体に吸収されて波長変換された光と、蛍光体で変換されなかった光とは同じ方向に取出される確率が高く、波長変換の効率を上げようして、蛍光体の厚さを厚くすると、波長変換された光の取出し効率が下がるという問題があった。
特開２００２−７６４３４号公報（第９−１０頁、図１８）

本発明は、照射角度を広く取ることが可能で、波長変換された光の取出し効率が高い発光装置を提供する。

本発明の一態様の発光装置は、指向性を有する青色乃至近紫外光を放射する光源と、前記光源の放射光強度分布の中心軸に回転中心軸を実質一致させ、前記中心軸と頂角方向を一致させた円錐形の外形を有して、前記光源を封止する前記光源から放射される光に透明な透明体と、前記透明体の外側に密着して、前記光源から放射される光を吸収して可視波長の変換光を放射する粒子状の蛍光体を含有する薄板状蛍光体膜とを有することを特徴とする。

本発明によれば、照射角度を広く取ることが可能で、波長変換された光の取出し効率が高い発光装置を提供することができる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。以下に示す図では、同一の構成要素には同一の符号を付す。

本発明の実施例に係る発光装置について、図１及び図２を参照しながら説明する。図１は発光装置の構造を模式的に示す断面図、図２は図１の発光装置の円で囲んだ部分を拡大して模式的に示す断面図である。

まず、図１に示すように、発光装置１は、半導体発光素子であるＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ；発光ダイオード）１１、ＬＥＤ１１の放射した光を反射する機能を有するＬＥＤ１１搭載用のヘッダ１２、ＬＥＤ１１を搭載したヘッダ１２の周囲を封止する円錐形状を有する透明体である封止樹脂２１、及び封止樹脂２１の周りに薄板状に配置された蛍光体膜２５を主要構成要素とする。

発光装置１の構成要素の個々について説明する。ＬＥＤ１１は、ＧａＮ系の発光層を有し、波長３６０〜３８０ｎｍの近紫外光を放射する。ＬＥＤ１１は、例えば導電性接着剤あるいはＡｕＳｎ等の共晶半田を介して、断面が台形にくりぬかれたヘッダ１２のカップ部１６の下底に位置する底面に固着されている。カップ部１６の台形は、図面の上方向、すなわちＬＥＤ１１の発光した光の取出し方向に広く開放した形状をなし、台形の下底は相対的に短く、対向する上底は相対的に長く、この上底と下底を結ぶ線分に相当する斜面が反射面１５となっている。

ＬＥＤ１１及びＬＥＤ１１が搭載されたヘッダ１２の反射を含めて光源として、光源の放射光強度分布は、発光層すなわちＬＥＤ１１の搭載されたヘッダ１２のカップ部１６の底面に垂直で、ＬＥＤ１１の発光中心を通る線に概ね対称中心を有する形状が一般的である。この方向を中心軸５とするが、中心軸５は放射光強度分布の最大方向と一致することが多い。

ヘッダ１２は、銅合金等を加工して作製され、反射面にメッキが施されている。このヘッダ１２は、ＬＥＤ１１の一方の電極（図示略）とＡｕワイヤ１８で接続され、光の取出し方向と反対側に伸びたリード１３と連接している。ＬＥＤ１１の他方の電極（図示略）は、ヘッダ１２と同材料のリード１４の一端にＡｕワイヤ１８で接続されている。リード１４の他端は、光の取出し方向と反対側に、リード１３と平行に伸びている。

封止樹脂２１は、例えば、ＬＥＤ１１光に透明なシリコーン系樹脂である。封止樹脂２１のヘッダ１２の光取出し側端部より光取出し前方（図面上方）の形状は、中心軸５に概略一致する軸に回転中心軸を持つ円錐形である。この円錐断面の頂角は、約４０度に形成されている。封止樹脂２１のヘッダ１２の光取出し側端部より図面下方のリード１３、１４側の形状は、中心軸５に概略一致する軸に回転中心軸を持つ円柱である。ＬＥＤ１１及びＡｕワイヤ１８等を含むヘッダ１２の部分やリード１４の一端は封止樹脂２１で封止されて、ヘッダ１２とリード１４とはこの封止樹脂２１を間に挟んで分離されている。また、リード１３、１４の一部は、光取出し方向と反対側に、封止樹脂２１から露出している。

蛍光体膜２５は、赤色、緑色及び青色に、それぞれ、最大発光可能な粒子状の蛍光体を、バインダであるエポキシ系樹脂の中に分布させて、薄板状もしくは膜状に形成した構成である。蛍光体は、例えば、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕをベースとする赤色系、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌをベースとする緑色系、（Ｂａ，Ｍｇ）Ａｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕをベースとする青色系を主成分としている。これらの蛍光体はガラス体または結晶体からなり、粒子形状が概ね５μｍ以下となるように調整してある。これらの蛍光体がほぼ均質に分布された蛍光体膜２５を封止樹脂２１の外形、特に円錐部分の外形、に密着させて形成してある。円柱状をしている封止樹脂２１の外側面部では、蛍光体膜２５の厚さが最も厚く約２００μｍに調整してあり、円錐の頂点近傍の蛍光体膜２５の厚さが最も薄くその約６０％、円錐の側面上の中間部では、蛍光体膜２５の厚さが頂点に向かって次第に薄くなるように調整してある。膜厚２００μｍは、蛍光体膜２５に垂直に放射された近紫外光のほとんどを吸収できる膜厚となっている。この円柱状をしている封止樹脂２１のリード１３、１４露出側の底面には蛍光体膜２５を形成してない。

発光装置１の製造において、蛍光体膜２５を形成する前までの工程は、周知の砲弾型の発光装置と同様に行うことができ、その後、円錐キャップ状の蛍光体膜２５を封止樹脂２１に被せることにより発光装置１が完成する。ただし、封止樹脂２１は砲弾型ではなく、円錐形をしているので、円錐形に合わせた金型に変更することにより、円錐形のシリコーン系の封止樹脂２１を形成できる。そして、封止樹脂２１が半硬化状態の時、封止樹脂２１と蛍光体膜２５との接触面に、未硬化状態の封止樹脂２１と同組成のシリコーン系樹脂を薄く形成した後、予め作製しておいた円錐キャップ状の蛍光体膜２５を封止樹脂２１に被せる。封止樹脂２１と蛍光体膜２５との接触面に、シリコーン系樹脂の代わりに未硬化状態のエポキシ系樹脂を薄く形成しても差し支えない。

この後、円錐形部を押圧して、封止樹脂２１と蛍光体膜２５とを密着させて、キュアを行って固定する。なお、封止樹脂２１の円柱部分及び蛍光体膜２５の円管部分は、挿入し易いように、封止樹脂２１の半径を相対的に小さくしておく。あるいは、挿入し易いように、円錐の頂点側の半径が小さく、反対側の半径が大きくなるように、すなわち、封止樹脂２１を形成する円錐の頂点よりずっと遠方に頂点がある円錐の一部となるように、テーパを付けた形状としても差し支えない。

また、蛍光体膜２５の形成方法は、封止樹脂２１が硬化または半硬化状態の時、トランスファモールド法で未硬化状態の蛍光体を分散させたエポキシ系樹脂を加圧充填する方法で薄板状または膜状に成型し、熱硬化させても差し支えない。

上述のように形成した発光装置１は、リード１３、１４に通電することにより、ＬＥＤ１１から近紫外光を放射させることができる。この近紫外で発光した光（光源光３１という）は、シリコーン系の封止樹脂２１の中を進み、蛍光体が分布した蛍光体膜２５に入射して、蛍光体に当たって吸収される。この光源光３１は励起光として働き、当たった蛍光体の種類に応じて、赤色、緑色あるいは青色の変換光３３が放射され、その一部は蛍光体膜２５の外側に取出される。発光装置１の外側では、最終的にこれらの変換光３３が合成されて、白色光として目に見ることができる。

赤色、緑色及び青色等が合成された白色光の評価の指標として、自然光で見た時の色を基準とする平均演色評価数Ｒａがある。発光装置１の白色光の平均演色評価数Ｒａは８８〜９２と測定された。これは、３波長蛍光灯と同等乃至は自然光により近い値であり、照明光源として適している。

次に、発光装置１の発光特性及びそれを実現する構成要素の形状、濃度、材料等の詳細について説明する。まず、発光装置１の封止樹脂２１及び蛍光体膜２５を取り払って、代わりに、公知の砲弾型の封止樹脂形状にした評価では、このＬＥＤからの光源光は、反射面１５による反射光も含めて、図面上方の中心軸５前方に最大強度を有する強い光強度分布（指向性）を持つ。この砲弾型の先端部は凸レンズ形状をなし、このレンズ相当部分で集光されて強い光強度分布を持つことになるが、このレンズ効果を排除しても中心軸５前方に最大強度を有する光強度分布は存在する。すなわち、このヘッダ１２のカップ部１６により、中心軸５前方に最大強度を有する光強度分布が強調されて、封止樹脂２１の円錐頂点方向に最大の光強度を有する。そして、中心軸５からの角度が大きくなる光源光３１ほど、光強度は小さくなる。

この中心軸５前方に最大強度を有する光強度分布を有するＬＥＤ１１の発光部分近傍の構成に、円錐形の封止樹脂２１及び蛍光体膜２５を形成して発光装置１を完成させ、通電することにより、光源光３１はシリコーン系の封止樹脂２１の中を直進し、光路上にある蛍光体に当たって吸収され、変換光３３が放出される。図１の円で囲った部分の光源光３１と変換光３３との関係を拡大して図２に示す。

図２に示すように、光源光３１は、封止樹脂２１のシリコーン系樹脂より屈折率が５〜１０％大きなエポキシ系樹脂をバインダにした蛍光体膜２５との界面で、屈折率相当の角度だけ屈折して、図２の左側方向に曲がる。屈折率が相対的に小さな媒質から相対的に大きな媒質に、光が進行すると、入射角より屈折角が小さくなるように屈折して進むので、図２に示す場合は入射光の延長線より左側方向に曲がることとなる。従って、シリコーン系樹脂とエポキシ系樹脂との界面と光源光３１とのなす角がより小さくなったとしても、光源光３１は、界面で反射をすることなく、封止樹脂２１から蛍光体膜２５に導くことができる。

この屈折した光源光３１は光路上にある蛍光体２８に当たって吸収され、蛍光体２８からは、変換光３３が放出される。光源光３１は光束をなし、蛍光体膜２５に分布した赤色、緑色及び青色の変換光３３を発する蛍光体２８に当たって、それぞれ、赤色、緑色及び青色光が放射される。発光装置１の外部へ取出される光は、これらの合成された光であるので、片寄りなく白色光となるように、赤色、緑色及び青色の変換光３３を発する蛍光体２８の蛍光体膜２５中の分布濃度は調整されている。

ところで、変換光３３は、四方八方に放射されるが、蛍光体２８の分布が実質ランダムであり、蛍光体２８の外側表面が実質平滑面である等の条件を満たしているので、発光装置１の外部への取出し光としては、蛍光体膜２５の最も薄い方向である厚さ方向、すなわち、外側面に概略垂直な方向に最大強度を持つような分布となる。外部へ変換光３３を取出す時、その強度分布の波長依存性は実質小さいので、赤色、緑色及び青色共に、蛍光体２８の外側面に概略垂直な方向に最も明るくなり、方向によって特定の色が強くなるということは少なく、ほぼ均一な白色光を得ることが可能である。従って、中心軸５方向に強い強度分布を有する光源光３１を、円錐形状をした蛍光体膜２５の斜面に当てることにより、斜面に垂直な方向に強い強度分布を持つ白色光に変換することができる。

また、光を蛍光体２８に確実に出合わせるためには、蛍光体膜２５中の蛍光体２８の分布濃度を一定とすれば、蛍光体膜２５を厚くする方がよい。しかし、変換光３３をより多く外に取出すためには、蛍光体膜２５を薄くする方がよい。この両方を実現できる方法として、光源光３１に対して、鋭角で交わる蛍光体膜２５の形成が考えられる。すなわち、中心軸５方向に強い強度分布を有する光源光３１に対して、回転中心軸を一致させた円錐の表面に蛍光体膜２５を形成することで実現できる。

図２に示すように、光源光３１は、封止樹脂２１と蛍光体膜２５との界面で屈折して進行すると仮定すると、破線で示した光路に従って、最大光路長３６（蛍光体膜２５の一方の界面から他方の界面まで）だけ蛍光体膜２５中を進むことになる。発光装置１では、この最大光路長３６で、蛍光体２８に衝突する十分な確率が得られるように蛍光体膜２５の膜厚が決定されている。

従来、蛍光体膜は砲弾型をして、光源光に対して垂直乃至は垂直に近い角度で交わるように形成する例が提案されていたが、発光装置１で、例えば、光源光３１と蛍光体膜２５とが約３０度で交われば、膜厚を約半分にすることが可能となる。発光装置１の円錐形の頂点近傍では、光源光３１と蛍光体膜２５が約２０度で交わる確率が高いが、頂点部分の蛍光体膜２５の膜厚は、十分な衝突が起こる膜厚に更に余裕を持たせて、円柱部に接続する根元部分の膜厚の約６０％に設定してある。中間の部分の膜厚は、根元部分の膜厚から頂点部分の膜厚に向けて直線で結んで、頂点部分に行くに従い徐々に減少するように形成してある。なお、蛍光体膜２５の膜厚は一定にして、蛍光体２８の蛍光体膜２５中の分布濃度を約６０％にしても、同様な効果が期待できる。

この蛍光体膜２５の膜厚の減少は、変換光３３の外部への取出しに際して、顕著な効果を生み出す。上述したように、変換光３３は蛍光体膜２５の外側面に概略垂直な方向に最大強度を持つような分布で取出される。つまり、膜厚が小さいほど、変換光３３の外部へ取出される光路は短くなり、散乱や吸収の影響が少なくなり、変換光３３の取出し効率は高くなるためである。膜厚が薄い分、多くの変換光３３を取出すことが可能となる。

以上述べたように、中心軸５前方に最大強度を有する光強度分布を有する近紫外の光源光３１に、中心軸５を共有する円錐形状の封止樹脂２１、封止樹脂２１に密着し、中心軸５方向に膜厚が減少し、屈折率が封止樹脂２１より大きな薄板状の蛍光体膜２５を形成した発光装置１を作製した。この発光装置１は、円錐外形に沿った蛍光体膜２５に垂直な方向に強い白色光強度分布を得ることができ、中心軸５方向に強い白色光強度分布を有する従来の発光装置に比較して、広い範囲を照射することができる。従って、照明あるいは表示用等により広く応用することが可能となる。また、光源光３１の吸収のためには十分な膜厚を持ちながら、変換光３３の取出し方向の膜厚を薄くできるので、変換光３３すなわち白色光の外部取出し効率を上げることが可能である。

また、光源光３１を、屈折率差を利用して封止樹脂２１から蛍光体膜２５へ導くことができるので、封止樹脂２１から取出せずに減衰する光、つまり、励起光として機能しない光源光３１を抑制することができる。このため、発光装置１は、光源光３１に対する変換光３３の割合、すなわち、ＬＥＤ注入電力に対する白色光の割合を上げることが可能となり、効率の良い照明用光源の実現に貢献可能である。

変換光３３の光強度分布方向を変えるためには、蛍光体膜２５の斜面の角度、すなわち、円錐の頂角等を変更すればよい。ＬＥＤ等からなる光源部分の設計を固定しておいて、例えば、円錐の頂角のみを変更して、用途に合わせた照射角度の設計及び製作が可能となる。従って、要求に合わせた発光装置１を供給することが容易となる。

ＬＥＤ１１は、発光に使われる以外の注入電力の多くの部分を熱エネルギーとして放出する。この熱のため、ＬＥＤ１１近傍が高温になるが、蛍光体膜２５は発生する熱から比較的遠く離れている。従って、蛍光体２８の熱による劣化を抑制できる。特に、高出力の発光装置１では、この熱による劣化抑制効果が大きい。

本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々、変形して実施することができる。

例えば、本実施例では、ＬＥＤから放射される励起光としての近紫外光と、赤色、緑色及び青色光に最大発光可能な蛍光体とを組み合わせて、白色光を取出すことができる例を示した。別の組み合わせ、例えば、ＬＥＤから放射する励起光としての青色光と、黄色に最大発光可能な蛍光体とを組み合わせることで、類似の白色光を取出すことが可能である。更に、別の組み合わせ、例えば、ＬＥＤから発振する励起光としての青色光と、赤色及び緑色に最大発光可能な蛍光体とを組み合わせることで、類似の白色光を取出すことが可能である。これらの例では、青色光は励起光の一部を直接蛍光体膜から外に取出す必要があるために、蛍光体膜中の蛍光体の分布濃度を適するように調整する。また、青色光の取出し光強度分布を蛍光体膜に垂直な方向に強くするために、例えば、蛍光体膜中に光散乱粒子等を分布させて散乱させることは可能である。

また、ＬＥＤを使用する光源の例を示したが、ＬＤ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）を使用する光源に置き換えてもよい。ＬＤは光強度分布が光軸方向に極めて高いので、光軸を上記実施例の中心軸に概略一致させて、中心軸の周辺に円錐形の封止樹脂及び蛍光体膜を形成して、ＬＤからの光を受ける構造としても差し支えない。ヘッダに反射面を形成する必要が必ずしもない。円錐の頂角は変更せず、円錐の頂点から離れた部分を切り捨てて円柱部分に直結することにより、円錐形の回転中心軸に沿った長さを短くでき、発光装置全体の長さを短くできる可能性が高い。同様なことは、指向性の高いＬＥＤを使用した発光装置についても適用できて、円錐の回転中心軸に沿った長さを短くでき、発光装置全体の長さを短くできる可能性がある。

また、封止樹脂はシリコーン系樹脂、蛍光体膜はエポキシ系樹脂を使用する例を示した。両樹脂共に、成分や結合方法等を変更することによって、屈折率をある範囲内で変更することが可能である。従って、同一系統の樹脂を使用して、例えば、封止樹脂は屈折率の低いシリコーン系樹脂、蛍光体膜は屈折率の高いシリコーン系樹脂、同様に、封止樹脂は屈折率の低いエポキシ系樹脂、蛍光体膜は屈折率の高いエポキシ系樹脂とすることが可能である。

また、例えば、その他の尿素系樹脂等の透光性樹脂あるいはガラス等と、上述したシリコーン系樹脂やエポキシ系樹脂と組み合わせて使用することが可能である。また、この透光性樹脂あるいはガラスの成分等を変更して、同一系統内で屈折率の異なる二者を選択して使用することは差し支えない。

また、円錐形状の蛍光体膜の頂角（先端）が尖っている例を示したが、蛍光体膜の膜厚を考慮した丸みを持たせた形状としても差し支えない。発光装置の先端の強度が強くなり、先端部の欠け等による発光装置の不良発生率を低減できる可能性が高くなると同時に、取り扱いが容易になる。また、蛍光体膜の外側に、丸みを有する保護膜を形成することは可能である。

また、実施例の発光装置はいわゆる砲弾型の形態を変形して、円錐形状の封止樹脂及び蛍光体膜を用いているが、いわゆる表面実装型の発光装置において、上記実施例と同様に、その発光方向に凸型の円錐形状の封止樹脂及び蛍光体膜を用いる構成としても差し支えない。

本発明の実施例に係る発光装置の構造を模式的に示す断面図。本発明の実施例に係る発光装置の図１の円で囲んだ部分を拡大して模式的に示す断面図。

符号の説明

１発光装置
５中心軸
１１ＬＥＤ
１２ヘッダ
１３、１４リード
１５反射面
１６カップ部
１８Ａｕワイヤ
２１封止樹脂
２５蛍光体膜
２８蛍光体粒子
３１光源光
３３変換光
３６最大光路長

Claims

指向性を有する青色乃至近紫外光を放射する光源と、
前記光源の放射光強度分布の中心軸に回転中心軸を実質一致させ、前記中心軸と頂角方向を一致させた円錐形の外形を有して、前記光源を封止する前記光源から放射される光に透明な透明体と、
前記透明体の外側に密着して、前記光源から放射される光を吸収して可視波長の変換光を放射する粒子状の蛍光体を含有する薄板状蛍光体膜と
を有することを特徴とする発光装置。
前記蛍光体膜は前記透明体より大きな屈性率を有することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記蛍光体膜中の蛍光体の量は、前記回転中心軸付近で最も少なく、前記回転中心軸から遠ざかる程多くなることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
前記光源は、断面が前記中心軸の方向に開いた凹型台形の上底より短い下底に相当する面を有するヘッダと、前記ヘッダの下底面上に載置された発光ダイオードとを備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光装置。
前記透明体は、樹脂またはガラスであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光装置。