JP2006080383A - 発光装置及びその温度検出方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 発光ダイオードベアチップを用いた発光装置の発光層の温度を外部から容易に検出できる手段を提供する。
【解決手段】 発光層を含む発光ダイオードベアチップと、前記発光ダイオードベアチップの外表面を覆った透光性材料とを備えた発光装置であって、前記発光装置の表面には温度測定指定部が設けられ、前記温度測定指定部の温度は前記発光層の温度との間に一定の相関関係を有する発光装置を用いて、前記温度測定指定部の温度を測定することにより前記発光層の温度を検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオードを用いた発光装置及びその発光装置の温度検出方法に関する。
従来、照明装置として電球や蛍光灯などが用いられてきたが、近年、発光ダイオード（以下、ＬＥＤという。）を用いた照明装置が提案されている。ＬＥＤを用いた照明装置は、小型で長寿命な照明装置として注目されている。
しかし、ＬＥＤは、電気エネルギーの散逸によって生じるＬＥＤベアチップ自身の熱等により、ＬＥＤベアチップに含まれる発光層の温度が上昇することがある。発光層の温度が高くなると、出力光の光束が減少したり、出力光の主波長がシフトしたり、ＬＥＤベアチップの順方向電圧が減少したり、さらに、ＬＥＤベアチップを覆う樹脂等の被覆材の熱膨張率に影響を与えることもある。特に、ＬＥＤを照明の用途に用いた場合、従来に比べて高い出力が要求される。そのため、駆動電流も発熱量も大きくなり、発光層の温度が上昇して、出力光が暗くなる、出力光の色が変化する、被覆材が伸縮する、ワイヤーボンドが変位する等の問題が起こりやすくなる。そこで、安定した出力光と充分な寿命とを備えた照明装置を得るためには、発光層の温度を低く制御する必要がある。
また、発光層の温度を検出する方法や、発光層の温度の上昇によるＬＥＤベアチップの光束、主波長、電圧の変化及び被覆材の熱膨張率の変化に関する理論も確立している（例えば、非特許文献１参照。）。
"サーマル・マネージメント・コンシダレーションズ・フォー・スーパーフラックス・エルイーディーズ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ＳｕｐｅｒＦｌｕｘ ＬＥＤｓ）"、［ｏｎｌｉｎｅ］、ルミレッズ（Ｌｕｍｉｌｅｄｓ）、［平成１６年７月２０日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｌｕｍｉｌｅｄｓ．ｃｏｍ／ｐｄｆｓ／ｐｒｏｔｅｃｔｅｄ／ＡＢ２０−４．ＰＤＦ＞
従来、ＬＥＤベアチップに含まれる発光層の温度を検出する方法として、例えばＬＥＤベアチップと放熱系との間の熱抵抗を求めて発光層の温度を算出する方法は存在する。しかし、この方法には高度な知識と特殊な手法を要するため、発光層の温度の検出を困難にしていた。
そこで、本発明は、ＬＥＤベアチップを用いた発光装置の発光層の温度を外部から容易に検出できる手段を提供するものである。
本発明の発光装置は、発光層を含むＬＥＤベアチップと、前記ＬＥＤベアチップの外表面を覆った透光性材料とを備えた発光装置であって、前記発光装置の表面には温度測定指定部が設けられ、前記温度測定指定部の温度は前記発光層の温度との間に一定の相関関係を有していることを特徴とする。
また、本発明の発光装置の温度検出方法は、発光層を含むＬＥＤベアチップと、前記ＬＥＤベアチップの外表面を覆った透光性材料とを備えた発光装置の温度検出方法であって、前記発光装置の表面に設けられた温度測定指定部の温度と前記発光層の温度との間に成立する一定の相関関係に基づいて、前記温度測定指定部の温度を測定することにより、前記発光層の温度を検出することを特徴とする。
本発明では、ＬＥＤベアチップに含まれる発光層の温度を外部から容易に検出できる発光装置及びその温度検出方法を提供できる。
（実施形態１）
本発明の発光装置の一例は、発光層を含むＬＥＤベアチップと、上記ＬＥＤベアチップの外表面を覆った透光性材料とを備えた発光装置であって、上記発光装置の表面には温度測定指定部が設けられ、上記温度測定指定部の温度は上記発光層の温度との間に一定の相関関係を有している。
上記ＬＥＤベアチップは、一般に用いられるものであればよく、その構造、形状、半導体の種類、出力光の色等に特に限定されない。
上記透光性材料は、透光性のある、例えば、透明樹脂やガラス等であり、ＬＥＤベアチップの外表面を被覆したものであればよく、例えば、蛍光体を含む蛍光体層、被覆材、被覆材をさらに覆うカバー等、又は、それらの任意な組み合わせとすることもできる。
上記温度測定指定部は、上記発光層との間に温度について相関関係を有し、発光装置の表面に設けられていればよい。つまり温度測定指定部は、その設置位置、構成、材料等に特に限定されるものではなく、例えば、発光装置の基板やレンズ等の表面に設けられていてもよい。さらに、温度測定指定部の表面を透光性材料（例えば、樹脂、ガラス等）で被覆していてもよい。特に、温度測定指定部が発光装置の発光面側に設けられていれば、発光装置をさらに別の装置に組込んだ後に温度の測定が容易であり、より好ましい。また、温度測定指定部が発光装置の表面に設けられていれば、温度センサ等を用いて温度測定指定部の温度を直接測定することができるのでより好ましい。
本発明の発光装置の形態は、上記ＬＥＤベアチップと透光性材料とを少なくとも備えた発光装置であって、その発光装置に温度測定指定部が設けられていれば、特に限定されるものではなく、例えば、白色ＬＥＤ、ＬＥＤベアチップを用いたカード型のモジュール光源、ＬＥＤベアチップを用いた表示装置、ＬＥＤベアチップを用いた照明装置などが該当する。より具体的には、ＬＥＤベアチップを用いた表示装置としては、例えば、ＬＥＤ情報表示端末、ＬＥＤ交通信号灯、自動車用のＬＥＤランプなどがある。ＬＥＤベアチップを用いた照明装置としては、例えば、ＬＥＤ屋内外照明灯、車内ＬＥＤ灯、ＬＥＤ非常灯、ＬＥＤ装飾灯などがある。
本実施形態において、上記温度測定指定部は、発光装置の発光面側に設けられていればより好ましい。
本実施形態において、上記温度測定指定部に、外部から認識可能なマークを表示すれば、より容易に発光層の温度を検出できるのでより好ましい。上記マークは、上記温度測定指定部の位置等を表示するものであれば特に限定されず、温度測定指定部の一部に表示してもよいし、全体に表示してもよい。マークとしては、例えば、ロゴタイプ、型番及び極性等を示す記号、文字等であってもよいし、その一部であってもよい。また、上記温度測定指定部に、温度変化に対応して変色する示温性材料を配置すれば、より容易に発光層の温度を検出できるのでより好ましい。上記示温性材料は、一般に温度によって色や透明度等が変化する有機化合物、無機化合物を用いた材料であれば特に限定されず、例えば、示温インク、液晶インク、サーモクロミックガラス等がある。温度変化に対応して変色するとは、例えば、温度測定指定部、発光層等の温度変化に対応して変化することをいう。この示温性材料の形態も特に限定されず、例えば、塗料、ラベル状のもの等を用いればよい。また、上記示温性材料の表面がさらに透明材料で被覆されていれば、上記温度測定指定部の温度を発光装置の外部から確認でき、且つ、温度測定指定部も保護できるのでより好ましい。
上記温度測定指定部の温度と発光層の温度との間の相関関係は、実用上十分な線形性を有していればよく、例えば、１次関数の関係等がある。
以下、上記相関関係を求める方法の一例として、本実施形態のＬＥＤベアチップをｎ個（ｎ≧１）直列につないだ発光装置に電流を流した場合の熱抵抗を調べ、温度測定指定部の温度と発光層の温度との間の相関関係を求める方法を説明する。
熱抵抗Ｒは、一般に下記式１で表される。
（式１） Ｒ＝（Ｔj−Ｔa）／Ｐf＝（Ｔj−Ｔa）／Ｉf／Ｖf
但し、Ｔjは発光層の温度、Ｔaは発光装置の雰囲気温度、Ｉfは駆動電流、Ｖfは順方向動作電圧である。また、ＬＥＤベアチップをｎ個直列につないだ発光装置にパルス電流１ｍＡを流して駆動させたとき、Ｔjの上昇はほとんどないと考えられるため、Ｔj＝Ｔaと近似できる。なお、発光装置がフィン等の放熱体に取り付けられている場合は、Ｔaはその放熱体の温度であるとしてもよい。
そこで、本実施形態のＬＥＤベアチップをｎ個（ｎ≧１）直列につないだ発光装置をＩf’＝１ｍＡで駆動させ、Ｔa1のときのＶf1’を測定する。さらにＴaを変化させてＶf’を測定すれば、ＴjとＶf’との間の相関関係を調べることができる。ＴjとＶf’との間の相関関係は再現性が高く、この相関関係は一般に下記式２で近似できる。
（式２） Ｔj＝Ｆ（Ｖf’）n
次に、上記発光装置の全体を恒温槽で所定の雰囲気温度Ｔaに保ち、所定の駆動電流Ｉfを十分な時間流したときの順方向動作電圧をＶf1とする。また、Ｉf’に切り替えた直後に測定した電圧をＶf2’とする。このＶf2’を上記式２に代入すると、Ｔjが求められる。従って、上記式１に代入することより、本実施形態の発光装置の熱抵抗Ｒ1が求められる。なお、上記切り替えた直後とは、Ｔjが、Ｉf’に切り替える直前とほぼ等しいと考えられる時間であり、切り替えた後１ミリ秒以内、より好ましくは数マイクロ秒以内である。
続いて、上述の発光装置を所定のＩfで駆動させ、Ｔa2のときのＶf2を測定する。また、このときの温度測定指定部の温度Ｔmも測定する。このＶf2とＲ1を上記式１に代入することによりＴj2を求められる。Ｔaを変化させて複数のＶfとＴmを測定すれば、ＴmとＴjとの間の相関関係を求められ、下記式３で近似できる。
（式３） Ｔj＝Ｇ（Ｔm）n
なお、この相関関係を求める方法は、温度測定指定部の温度と発光層の温度との間に一定の相関関係がわかる方法であればよく、上述の相関関係を求める方法に限定されるものではない。
（実施形態２）
本発明の発光装置の温度検出方法の一例は、上述した実施形態１に記載の発光装置の温度検出方法であって、上記発光装置の表面に設けられた温度測定指定部の温度と上記発光層の温度との間に成立する一定の相関関係に基づいて、上記温度測定指定部の温度を測定することにより、上記発光層の温度を検出する方法である。
本実施形態に用いる発光装置には、実施形態１の発光装置をそのまま適用できる。
本実施形態において、上記温度測定指定部の温度は、温度センサを用いて測定すると簡便に測定できるので好ましい。上記温度センサは、一般に温度の測定に用いられるものであれば特に限定されず、例えば、熱電対、測温抵抗体、サーミスタ等を用いればよい。特に、温度センサの測定部が、断線しない範囲で細いもの（すなわち、熱容量が小さいもの）を用いると、温度センサの温度と温度測定指定部の温度との温度差がより小さくなるのでより好ましい。
本実施形態において、上記温度測定指定部には、温度変化に対応して変色する示温性材料が配置されていれば、新たに測定装置を用いることなくより簡便に発光層の温度を検出できるので好ましい。この示温性材料は、一般に温度によって色や透明度等が変化する有機化合物、無機化合物を用いた材料であれば特に限定されず、例えば、示温インク、液晶インク、サーモクロミックガラス等を用いればよい。温度変化に対応して変色するとは、例えば、温度測定指定部、発光層等の温度変化に対応して変化することをいう。また、この示温性材料の形態も特に限定されず、例えば、塗料、ラベル状の材料等を用いればよい。
以上のように、発光装置の出力が高いとＬＥＤベアチップに含まれる発光層の温度が上昇して、出力光が暗くなる、出力光の色が変化する等の問題が起こりやすくなるが、本発明の発光装置及びその温度検出方法は、上記発光層の温度を容易に検出するためのものであり、この検出した温度に基づき、上述の問題を回避できる出力を容易に決定することができる。
（実施例）
以下、実施例に基づき本発明をより具体的に説明する。
本実施例では、発光装置として、図１に示すカード型の照明モジュール光源を作製した。図２は、図１の一部断面図である。
まず、半導体発光素子１の製造方法を説明する。ｎ型Ｓｉウエハー上にある、元々、マトリクス状に形成したＳｉサブマウント２のｎ電極３とｐ電極４の上に、マイクロバンブ５を介して、ＧａＩｎＮを発光層として４７０ｎｍ付近に発光ピ−クを有する発光を放つ青色ＬＥＤベアチップ６を導通搭載した。
その後、各青色ＬＥＤベアチップ６のｎ電極とｐ電極とを、各々Ｓｉサブマウント２上のｎ電極３及びｐ電極４に接続した後、印刷技術を用いて、上記青色ＬＥＤベアチップ６の周辺部に蛍光体を含む蛍光体層７を形成した。さらに、上記蛍光体層７の上面を研削して平坦化した後、ダイヤモンドカッターを用いて個々に切断分離して半導体発光素子１を形成した。
上記蛍光体層７は、蛍光体を添加したシリコーン樹脂を乾固して形成した。また、本実施例では、蛍光体として、波長６２５ｎｍ付近に発光ピークを有するＳｒＡｌＳｉＮ3：Ｅｕ2+赤色蛍光体と、波長５３５ｎｍ付近に発光ピークを有する（Ｂａ，Ｓｒ）2ＳｉＯ4：Ｅｕ2+緑色蛍光体との２種類を用いた。
次に、アルミニウム金属基板８（厚さ１ｍｍ）上に、第１の絶縁体層９（厚さ１００μｍ）、銅配線１０（厚さ約１０μｍ）、第２の絶縁体層１１（厚さ１００μｍ）、対をなす電極パッド１２（厚さ１０μｍ、合計６４対）を順次積層して高熱伝導多層基板１３を形成した。上記第１の絶縁体層９と上記第２の絶縁体層１１は、熱圧着によって形成したアルミナ分散エポキシ樹脂からなる。また、上記銅配線１０はエッチング技術によってパターニング形成したものであり、上記電極パッド１２は、エッチング技術によって形成した給電用のカソード電極パッド１２ａ及びアノード電極パッド１２ｂからなる。なお、第２の絶縁体層１１の一部にはコンタクトホールを設け、上記電極パッド１２は、上記銅配線１０を通して給電できるように形成した。
次に、半導体発光素子１を高熱伝導多層基板１３上の所定の位置に載置した。このとき、Ｓｉサブマウントの裏面電極（ｎ電極）１４は、銀ペーストを用いて、カソード電極パッド１２ａに固着接続し、ｐ電極上のボンディングパッド部１５は、銅ワイヤー１６を用いてアノード電極パッド１２ｂに接続して、半導体発光素子１に給電できるように形成した。
次に、逆円錐筒状の研削穴（６４個）を有するアルミニウム金属反射板１７を、高熱伝導多層基板１３上に、接着剤を用いて接着した。このとき、高熱伝導多層基板１３上の半導体発光素子１は、アルミニウム金属反射板１７の研削穴部に収まるように形成した。さらに、半導体発光素子１と研削穴部の全体を包み覆うように、エポキシ樹脂を用いたドーム状のレンズ１８を形成し、アルミニウム金属反射板１７以外の端部に給電端子１９を設け、実施例１の発光装置を得た。
本実施例の発光装置は、図１に示した高熱伝導多層基板１３の表面に温度測定指定部２０を設け、温度測定指定部２０の位置がわかるようにマークで表示した。
次に、本実施例の温度測定指定部２０の温度と発光層の温度との間に成立する相互関係を求めた。本実施例のＬＥＤベアチップ６４個を直列につないだ発光装置に、電流を流した場合の熱抵抗を調べ、温度測定指定部２０の温度と発光層の温度との相関関係を求めた。ここで発光層は青色ＬＥＤベアチップのｎ型層とｐ型層との間である。以下、温度の測定には熱電対（八光社製、“ＨＴＫ０２１１”（商品名））を用いた。
まず、放熱体に取り付けた本実施例の発光装置にパルス電流Ｉf’＝１ｍＡを流して駆動させた。このとき、実施形態１で説明した理由から、発光層の温度Ｔj＝発光装置が取り付けられた放熱体温度Ｔaと近似した。図３に、Ｔaを変化させて順方向動作電圧Ｖf’を測定した結果を示した。図３からＴjとＶf’は１次関数である下記式４で近似できることがわかった。
（式４） Ｔj＝−５．９Ｖf’＋１２１５
次に、駆動電流Ｉf＝４０ｍＡの交流電流を１０分間流したところ、Ｔa＝２５．０℃であった。また、Ｉfをパルス電流Ｉf’＝１ｍＡに切り替えて流した直後に測定した電圧は、Ｖf’＝１９９．７Ｖであった。従って式４より、Ｔj＝−５．９×１９９．７＋１２１５＝３６．７℃であることがわかった。また、前述の式１より、本実施例の発光装置の熱抵抗Ｒ＝（３６．７−２５．０）／（０．０４×１９９．７）＝１．４６℃／Ｗを算出した。
さらに、上記発光装置を用いて、Ｉfを変化させてＶfを測定し、既に求めた本実施例の発光装置のＲと式１から、Ｔjを求めた。また、そのとき温度測定指定部２０の温度Ｔmも測定した。図４に、ＴmとＴjの結果を示した。図４からＴmとＴjは１次関数である下記式５で近似できることがわかった。
（式５） Ｔj＝１．１Ｔm−０．６７
本実施例の発光装置に用いられた樹脂等の耐熱性を維持し、長期間劣化を抑制するためには、発光層の温度を８０℃以下に制御するのが望ましい。図４及び上記式５より、発光層の温度は８０℃のとき、温度測定指定部２０の温度は７３．３℃であることがわかった。
以上のように、本実施例の発光装置は、温度測定指定部２０の温度を測定することにより、発光層の温度を外部から検出できる。
本実施例では、発光装置として、図５に示すカード型の照明モジュール光源を作製した。この発光装置は、温度測定指定部に示温性材料を配置した以外は実施例１と同様にして発光装置を作製した。即ち、高熱伝導多層基板１３の表面に帯状の温度測定指定部を設け、その温度測定指定部上にサーモシール２１（日油技研工業（株）製）を貼ったものである。このサーモシール２１は、それぞれ５０℃、５５℃、６０℃、６５℃、７０℃以上になるとそれぞれ独立して変色する示温性材料が並んでおり、例えば、温度測定指定部の温度が６０℃に達すると５０℃、５５℃、６０℃で変色する示温性材料は黒くなり、６５℃、７０℃で変色する示温性材料は変色しないものである。また、本実施例でも、温度測定指定部の温度と発光層の温度との間に前述の相互関係（図４及び式５）は成立する。
本実施例の発光装置は、サーモシール２１の色の変化から、温度測定指定部の温度を目視で確認できる。本実施例の発光装置に用いられた樹脂等の耐熱性を維持し、長期間劣化を抑制するためには、このサーモシール２１おける７０℃以上で変色する示温性材料の色を少なくとも維持することにより、発光層の温度が８０℃以下に維持されていることを確認できる。
従って、本実施例の発光装置は、温度測定指定部の温度と発光層の温度との間に前述の式５の相関関係を有し、温度変化に対応してサーモシール２１の色が変化する発光装置である。
次に、本実施例の発光装置を用いて、発光層の温度を検出した。前述のとおり、温度測定指定部の温度と発光層の温度との間に相互関係（図４及び式５）は成立する。また、上記サーモシール２１は、温度測定指定部の温度変化に対応して変色する。そこで本実施例は、前述の式５に基づき、温度測定指定部に塗布したサーモシール２１の色を赤色に維持することにより、発光層の温度を８０℃以下に維持した。
以上説明したように、本発明はＬＥＤベアチップに含まれる発光層の温度を外部から容易に検出できる発光装置及びその検出方法を提供できる。本発明により、ＬＥＤを用いた発光装置をより長寿命にすることができる。
本発明の実施例１における発光装置の斜視図である。 本発明の実施例１における発光装置の一部断面図である。 本発明の実施例１における発光装置のＶfとＴjとの相関関係を示す図である。 本発明の実施例１における発光装置のＴmとＴjとの相関関係を示す図である。 本発明の実施例２における発光装置の斜視図である。
符号の説明
１ 半導体発光素子
２ Ｓｉサブマウント
３ ｎ電極
４ ｐ電極
５ マイクロバンブ
６ 青色ＬＥＤベアチップ
７ 蛍光体層
８ アルミニウム金属基板
９ 第１の絶縁体層
１０ 銅配線
１１ 第２の絶縁体層
１２ 電極パッド
１２ａ カソード電極パッド
１２ｂ アノード電極パッド
１３ 高熱伝導多層基板
１４ 裏面電極
１５ ボンディングパッド部
１６ 銅ワイヤー
１７ アルミニウム金属反射板
１８ レンズ
１９ 給電端子
２０ 温度測定指定部
２１ サーモシール

Claims (8)

  1. 発光層を含む発光ダイオードベアチップと、前記発光ダイオードベアチップの外表面を覆った透光性材料とを備えた発光装置であって、
    前記発光装置の表面には温度測定指定部が設けられ、
    前記温度測定指定部の温度は、前記発光層の温度との間に一定の相関関係を有していることを特徴とする発光装置。
  2. 前記相関関係は、前記温度測定指定部の温度と前記発光層の温度との１次関数の関係である請求項１に記載の発光装置。
  3. 前記温度測定指定部は、前記発光装置の発光面側に配置された請求項１又は２に記載の発光装置。
  4. 前記温度測定指定部には、前記発光装置の外部から認識可能なマークが表示されている請求項１〜３のいずれかに記載の発光装置。
  5. 前記温度測定指定部には、温度変化に対応して変色する示温性材料が配置されている請求項１〜３のいずれかに記載の発光装置。
  6. 発光層を含む発光ダイオードベアチップと、前記発光ダイオードベアチップの外表面を覆った透光性材料とを備えた発光装置の温度検出方法であって、
    前記発光装置の表面に設けられた温度測定指定部の温度と前記発光層の温度との間に成立する一定の相関関係に基づいて、前記温度測定指定部の温度を測定することにより、前記発光層の温度を検出することを特徴とする発光装置の温度検出方法。
  7. 前記温度測定指定部の温度は、温度センサを用いて測定される請求項６に記載の発光装置の温度検出方法。
  8. 前記温度測定指定部には、温度変化に対応して変色する示温性材料が配置され、前記示温性材料の変色に基づいて、前記温度測定指定部の温度を測定する請求項６に記載の発光装置の温度検出方法。
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