JP2007042687A - 発光ダイオード装置 - Google Patents

Abstract

【課題】白色光の光束とその赤色領域の成分を増加させることができる発光ダイオード装置を提供する。
【解決手段】青色光を発光する発光ダイオードチップ６と；青色光により励起されて赤色光を発光する赤色発光蛍光体を合成樹脂中に分散、沈降させ、赤色発光蛍光体の高濃度層１０ａと低濃度層１０ｂをそれぞれ形成してなり、この高濃度層１０ｂが発光ダイオードチップ６側に位置するように配設された赤色発光蛍光体層１０と；赤色発光蛍光体層からの光により励起されて黄色光を発光する黄色発光蛍光体を合成樹脂中に分散させてなり、赤色発光蛍光体側に配設された黄色発光蛍光体層１１と；を具備している。
【選択図】 図１

Description

本発明は発光ダイオードチップを具備した発光ダイオード装置に関する。

一般に、発光ダイオードチップの発光を電球色等の白色光に変換し照射する発光ダイオード装置は、低電圧駆動や小型軽量化、耐久性、長寿命等の長所を有するので、近年では、車載ディスプレイ装置や携帯電話器の表示部のバックライトとして普及しつつある。

従来、この種の発光ダイオード装置において、発光ダイオードチップの発光をやや赤味を帯びた電球色等白色系の混色光に変換する方法としては、発光ダイオードチップの青色発光または紫外線発光を蛍光体によりそれぞれ白色光に変換する２方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

前者は、発光ダイオードチップからの青色発光の一部を蛍光体により波長変換し、残る青色発光と蛍光体からの発光との混色により白色発光を得る方法である。

また、後者は、発光ダイオードチップからの紫外線を、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）を発光する蛍光体により白色光に変換する方法である。
特開２００４−１７９６４４号公報

しかしながら、上記従来の前者の方法では、例えば発光ダイオードチップからの青色光により、まず黄色発光蛍光体を励起して黄色光を発光させ、次に、この黄色発光蛍光体を透過した青色光と黄色光とにより、赤色発光蛍光体を励起して赤色光を発光させ、これら発光色の混色光により白色光を得る場合には、黄色発光蛍光体からの黄色光の一部が赤色発光蛍光体により吸収されてしまうという課題がある。

このために、赤色発光蛍光体から取り出される白色光の光束が低減すると共に、その白色光のスペクトルは、比較的赤色領域の成分が少ないので、やや赤味を帯びた電球色が得難く、赤色成分を必要とする分野では演色性が十分ではないという課題がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、白色光の光束とその赤色領域の成分を増加させることができる発光ダイオード装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、主として青色光を発光する発光ダイオードチップと；青色光により励起されて赤色光を発光する赤色発光蛍光体を合成樹脂中に分散、沈降させ、赤色発光蛍光体の高濃度層と低濃度層をそれぞれ形成してなり、この高濃度層が発光ダイオードチップ側に位置するように配設された赤色発光蛍光体層と；赤色発光蛍光体層からの光により励起されて黄色光を発光する黄色発光蛍光体を合成樹脂中に分散させてなり、赤色発光蛍光体側に配設された黄色発光蛍光体層と；を具備していることを特徴とする発光ダイオード装置である。なお、発光ダイオードチップは、紫外光を発光してもよい。赤外発光蛍光体層は、明確に高濃度層と低濃度層とが分離されている必要はなく、濃度が徐々に変化する部分を含んでもよい。

請求項２に係る発明は、赤色発光蛍光体層と黄色発光蛍光体層は、発光ダイオードチップが収容される投光開口を有する凹部を形成する凹部形成部材内に、赤色発光蛍光体層と黄色発光蛍光体層をこの順に順次充填固化させてなることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード装置である。

請求項３に係る発明は、赤色発光蛍光体層と黄色発光蛍光体層は、それぞれ樹脂によりシート状に形成され、この樹脂製シートは、発光ダイオードチップが収容される凹部を形成する凹部形成部材内に配設された透明樹脂層の投光開口端側に配設されることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード装置である。

請求項１に係る発明によれば、発光ダイオードチップからの青色発光により、まず赤色発光蛍光体層を励起させて赤色光を発光させてから、黄色発光蛍光体層を励起させて黄色光を発光させるので、この黄色光が赤色発光蛍光体層により吸収されるのを防止または低減することができる。

このために、黄色発光蛍光体層から得られる白色光の光束を増加させることができる。

また、赤色発光蛍光体層は、沈降により形成された赤色発光蛍光体分子の高濃度層を、発光ダイオードチップ側に位置させて近接させているので、赤色光の発光強度を増強させることができる。このために、白色光の赤色領域の成分を増加させることができるので、やや赤味を帯びた電球色を得ることができ、または演色性を向上させることができる。

また、発光ダイオードチップの周囲を赤色発光蛍光体高濃度層の赤色発光蛍光体分子により高密度で取り囲んでいるので、この発光ダイオードチップからの微小な青色光により励起されて赤色発光蛍光体層で発光する赤色光の発光分布を、赤色発光蛍光体層が黄色発光蛍光体層に対向する対向方向に対して直交する方向、すなわち横方向に拡散してから黄色発光蛍光体層に入射させることができる。

このために、赤色光により黄色発光蛍光体層を励起して黄色光を発光させる励起面積を拡大させることができるので、黄色光の光束を増加させることができると共に、拡散効果を奏することができる。その結果、黄色発光蛍光体層から得られる白色光の光束をさらに増加させることができると共に、色むらを低減することができる。

請求項２に係る発明によれば、発光ダイオードチップが収容される収容部内に、赤色発光蛍光体層と黄色発光蛍光体層を配設するので、これら赤色発光蛍光体層と黄色発光蛍光体層とを発光ダイオードチップに接近させることができる。

このために、これら両蛍光体層でそれぞれ発光する発光強度を増強させることができるので、その分、黄色発光蛍光体層から得られる白色光の光束を増加させることができる等、請求項１に係る発明の効果と同様の効果をさらに一段と向上させることができる。

請求項３に係る発明によれば、赤色発光蛍光体層と黄色発光蛍光体層とを１枚またはそれ以上の樹脂シートに形成しているので、発光ダイオードチップの収容部内に既に透明樹脂層を形成している発光ダイオード装置についても、この透明樹脂層の投光開口端側に、かかる樹脂シートを只単に配設することにより、請求項１に係る発明とほぼ同様の効果を得ることができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、複数の添付図面中、同一または相当部分には同一符号を付している。

図１は図３のＩ部拡大図、図２は本発明の一実施形態に係る発光ダイオードモジュール１の平面図、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。

図１〜図３に示すように発光ダイオードモジュール１は基板２上に、複数の発光ダイオード装置３，３，…を一平面上で例えば３行３列のマトリクス状に配設し、かつ一体に連成している。

基板２は放熱性と剛性を有するアルミニウム（Ａｌ）やＮｉ、ガラスエポキシ等の平板からなり、複数の発光ダイオード装置３，３，…の各基板を一体に連成してなる一体基板であり、この基板２上には、電気絶縁層４を介して回路パターン５が配設されている。

図３に示すように回路パターン５は、各発光ダイオード装置３毎に、ＣｕとＮｉの合金やＡｕ等により、陰極側と陽極側の回路パターン５ａ，５ｂに形成されており、この回路パターン５上には、各発光ダイオード装置３毎に、青色発光の発光ダイオードチップ６をそれぞれ搭載している。各青色発光の発光ダイオードチップ６は、青色の光を発光する例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体等からなる。各ダイオードチップ６は、その底面電極を回路パターン５ａ，５ｂの一方上に載置して電気的に接続する一方、上面電極を回路パターン５ａ，５ｂの他方にボンディングワイヤ７により接続している。

そして、基板２上には、各発光ダイオードチップ６の周囲を所要の間隔を置いて取り囲み、基板２の反対側（図２，図３では上方）に向けて漸次拡開する円錐台状の凹部８をそれぞれ同心状に形成した凹部形成部材９を各発光ダイオード装置３毎に形成すると共に、これら凹部形成部材９を一体に形成している。凹部形成部材９は例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）やＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＣ（ポリカーボネート）等の合成樹脂よりなり、各凹部８はその内底面と内側面の少なくとも一方に形成された反射面と、外部に開口する投光開口８ａをそれぞれ有する。

各凹部８は、その内底面上に、赤色発光蛍光体層１０を配設し、この赤色発光蛍光体層１０上に黄色発光蛍光体層１１を形成している。

赤色発光蛍光体層１０は、黄色発光蛍光体層１１との境界面が発光ダイオードチップ６の高さよりも高い位置まで達するように形成されている。赤色発光蛍光体層１０は低粘度（例えば１．０Ｐａ：Ｓ以下）の熱可塑性または熱硬化性樹脂の例えば透明シリコーン樹脂内に、発光ダイオードチップ６の青色発光に励起されて赤色光を発光する赤色発光蛍光体を分散させ、かつ沈降させることにより構成されている。

このために、赤色発光蛍光体層１０は、その重力方向下部に、赤色発光蛍光体分子（図１では小円で図示）の沈降により、その密度が高い赤色発光蛍光体高濃度層１０ａが形成され、この赤色高濃度層１０ａの上方には、これとは逆に赤色発光蛍光体分子の密度が疎な赤色発光蛍光体低濃度層１０ｂが形成されている。

黄色発光蛍光体層１１は、赤色発光蛍光体層１０の硬化形成後、凹部８内に、赤色発光蛍光体層１０からの光により励起されて黄色に蛍光発光する黄色発光蛍光体を、熱可塑性や熱硬化性等の高粘度（例えば３．０Ｐａ：Ｓ以上）の透明合成樹脂内に、所要量添加し、黄色発光蛍光体文分子（図１中小円で図示）をほぼ均等分散させることにより構成されている。

次に、この発光ダイオードモジュール装置１の作用を説明する。

まず、各陰極側と陽極側の回路パターン５ａ，５ｂ間に、外部から所定の直流電圧が印加されると、各青色発光ダイオードチップ６が青色発光される。この青色発光は、赤色発光蛍光体層１０の赤色発光蛍光体高濃度層１０ａに入射され、ここで一部は青色光のまま透過して上層の黄色発光蛍光体層１１へ入射され、残りの青色光は赤色発光蛍光体を励起して赤色光を蛍光発光させる。

このとき、赤色発光蛍光体高濃度層１０ａは発光ダイオードチップ６に近接し、かつ赤色発光蛍光体分子が高密度であるので、赤色光の発光強度が向上する。しかも、発光ダイオードチップ６の周囲を高密度の赤色発光蛍光体分子により取り囲んでいるので、この赤色発光蛍光体高濃度層１０ａにて発光した赤色光の発光分布は、図１中横方向，すなわち、発光ダイオードチップ６が投光開口８ａに対向する垂直方向に対して直交する方向に拡散してから黄色発光蛍光体層１１に入射される。

黄色発光蛍光体層１１では、赤色発光蛍光体層１０を透過した青色光と赤色光が入射され、これら青色光と赤色光の一部は、そのまま黄色発光蛍光体層１１を透過して外部へ放射され、残りの青色光と赤色光は黄色発光蛍光体層１１の黄色発光蛍光体を励起して黄色光を発光させ、外部へ放射される。

このために、黄色発光蛍光体層１１から外部へは青色光、赤色光および黄色光の混色光である白色系光が放射される。

したがって、この発光ダイオードモジュール１では、発光ダイオードチップ６からの青色光の一部を赤色発光蛍光体層１０により赤色光に変換してから黄色発光蛍光体層１１により黄色光に変換するので、上記したように赤色発光蛍光体層１０により黄色発光蛍光体層１１からの黄色光を吸収するのを防止または低減することができる。このために、黄色発光蛍光体層１１から得られる白色光の光束を増加させることができる。

また、赤色発光蛍光体層１０は、沈降により形成された赤色発光蛍光体高濃度層１０ａを、発光ダイオードチップ６側に位置させて近接させているので、赤色光の発光強度を増強させることができる。このために、白色光の赤色領域の成分を増加させることができるので、やや赤味を帯びた電球色を得ることができ、または演色性を向上させることができる。

また、発光ダイオードチップ６の周囲を赤色発光蛍光体高濃度層１０ａの赤色発光蛍光体分子により高密度で取り囲んでいるので、この発光ダイオードチップ６からの微小な青色光により励起されて赤色発光蛍光体層で発光する赤色光の発光分布を、赤色発光蛍光体層１０が黄色発光蛍光体層１１に対向する対向方向に対して直交する方向、すなわち横方向に拡散してから黄色発光蛍光体層に入射させることができる。

このために、赤色光により黄色発光蛍光体層１１を励起して黄色光を発光させる励起面積を拡大させることができるので、黄色光の光束を増加させることができると共に拡散効果を奏することができる。その結果、黄色発光蛍光体層から得られる白色光の光束をさらに増加させることができると共に、色むらを低減することができる。

図４は本発明の第２の実施形態に係る発光ダイオード装置３Ａの要部拡大縦断面図である。この発光ダイオード装置３Ａは、図１で示す発光ダイオード装置３において、その赤色発光蛍光体層１０と黄色発光蛍光体層１１とを、赤色発光蛍光体樹脂シート１０ｘと黄色発光蛍光体樹脂シート１１ｘとにそれぞれ置換し、さらに、凹部形成部材９の凹部８内に、赤色発光蛍光体層１０と黄色発光蛍光体層１１に代えて、透明層１２を配設した点に主な特徴を有する。

赤色発光蛍光体樹脂シート１０ｘは各凹部形成部材９の投光開口８ａよりも大きい所要形状に形成されて、この投光開口８ａの端面上に配設され、この投光開口８ａ端上と、透明層１２の投光開口８ａ側の端面（図４中、透明層１２の上端面）上の少なくとも一方に、シリコーン樹脂等の接着剤により固着されている。

そして、赤色発光蛍光体樹脂シート１０ｘは上記赤色発光蛍光体層１０と同様に、低粘度（例えば１．０Ｐａ：Ｓ以下）の熱可塑性または熱硬化性樹脂の例えば透明シリコーン内に、発光ダイオードチップ６の青色発光により励起させて赤色光を発光する赤色発光蛍光体を分散させ、かつ沈降させた樹脂シートに構成されている。

このために、赤色発光蛍光体樹脂シート１０ｘは、その重力方向下部に、赤色発光蛍光体分子（図１では点で図示）の沈降により、その密度が高い赤色発光蛍光体高濃度層１０ｘａが形成され、この赤色発光蛍光体高濃度層１０ｘａの上方には、これとは逆に赤色発光蛍光体分子の密度が疎な赤色発光蛍光体低濃度層１０ｘｂが形成されている。

黄色発光蛍光体樹脂シート１１ｘは、赤色発光蛍光体樹脂シート１０ｘとほぼ同形同大に形成され、この赤色発光蛍光体樹脂シート１０ｘからの光により励起されて黄色光に蛍光発光する黄色発光蛍光体を、熱可塑性や熱硬化性等の高粘度（例えば３．０Ｐａ：Ｓ以上）のシリコーン等の透明合成樹脂内に、所要量添加し、黄色発光蛍光体分子（図１中小円で図示）をほぼ均等分散させた樹脂シートに構成されている。

したがって、この発光ダイオード装置３Ａによれば、発光ダイオードチップ６からの青色発光は凹部形成部材９内の透明層１２を透過して赤色発光蛍光体樹脂シート１０ｘと黄色発光蛍光体樹脂シート１１ｘとに、この順に順次入射されるので、この透明層１２を透過する行程以外は、図１〜図３で示す発光ダイオード装置３とほぼ同様の作用を呈する。

このために、黄色発光蛍光体樹脂シート１１ｘから得られる白色光の光束を向上させると共に、その白色光の赤色領域の成分を増加させることができるので、やや赤味を帯びた電球色を得ることができ、または演色性を向上させることができる等、前記図１〜図３で示す発光ダイオード装置３とほぼ同様の効果を奏することができる。

また、この発光ダイオード装置３Ａによれば、前記発光ダイオード装置３の赤色発光蛍光体層１０と黄色発光蛍光体層１１とを、樹脂シート１０ｘ，１１ｘにより形成したので、既に凹部形成部材９内に透明層１２を形成した発光ダイオード装置にも容易に赤色発光蛍光体樹脂シート１０ｘ，黄色樹脂シート１１ｘを設けることにより、この発光ダイオード装置３Ａに構成することができる。

図５は本発明の第３の実施形態に係る発光ダイオード装置３Ｂの要部拡大縦断面図である。この発光ダイオード装置３Ｂは、図１で示す各発光ダイオード装置３において、その凹部形成部材９の凹部８の内底面上に、ニッケルめっき層１３と金めっき層１４とを反射層として上下２層に積層形成し、各凹部形成部材９毎に、これらめっき層１３，１４同士の間隙と一対の回路パターン５ａ，５ｂ同士間の間隙に電気絶縁体１５を介在させた点に特徴があり、これ以外は図１〜図３で示す発光ダイオード装置３と同様の構成である。

したがって、この発光ダイオード装置３Ｂによれば、上記発光ダイオード装置３とほぼ同様の作用効果を奏するうえに、発光ダイオードチップ６から凹部形成部材９の内底面側へ放射された光を、ニッケルめっき層１３と金めっき層１４により投光開口８ａ側へ反射させることができるので、その分、この投光開口８ａから外部へ取り出される光取出し効率を向上させることができる。

なお、ニッケル，金めっき層１３，１４は、凹部８の側面にも反射層として形成してもよく、これによれば、この凹部８の側面反射層で反射して投光開口８ａから外部へ取り出され光量の分、光取出し効率をさらに向上させることができる。

図６は本発明の第４の実施形態に係る発光ダイオード装置３Ｃの要部拡大縦断面図である。この発光ダイオード装置３Ｃは、図４で示す各発光ダイオード装置３Ａにおいて、図５で示す発光ダイオード装置３Ｂと同様に、その凹部形成部材９の凹部８の内底面上に、ニッケルめっき層１３と金めっき層１４とを反射層として上下２層に積層形成し、各凹部形成部材９毎に、これらめっき層１３，１４同士の間隙と一対の回路パターン５ａ，５ｂ同士間の間隙に電気絶縁体１５を介在させた点に特徴があり、これ以外は図４で示す発光ダイオード装置３Ａと同様の構成である。

この発光ダイオード装置３Ｃによれば、ダイオードチップ６から凹部形成部材９の内底面側へ放射された光を、ニッケルめっき層１３と金めっき層１４により投光開口８ａ側へ反射させることができるので、その分、この投光開口８ａから外部へ取り出される光取出し効率を向上させることができる。

なお、ニッケル，金めっき層１３，１４は、凹部８の側面にも反射層として形成してもよく、これによれば、この凹部８の側面反射層で反射して投光開口８ａから外部へ取り出され光量の分、光取出し効率をさらに向上させることができる。

また、前記各実施形態では、発光ダイオード装置３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃの各複数個をそれぞれマトリックス状に配設した発光ダイオードモジュールについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば各発光ダイオード装置３，３Ａ〜３Ｃの複数個をそれぞれ１列状に形成してもよく、さらに各発光ダイオード装置３，３Ａ〜３Ｃそれぞれ単数でもよい。

図３のＩ部拡大図。 本発明の第１の実施形態に係る発光ダイオードモジュールの平面図。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。 本発明の第２の実施形態に係る発光ダイオード装置の拡大縦断面図。 本発明の第３の実施形態に係る発光ダイオード装置の拡大縦断面図。 本発明の第４の実施形態に係る発光ダイオード装置の拡大縦断面図。

符号の説明

１…発光ダイオードモジュール、３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…発光ダイオード装置、５，５ａ，５ｂ…回路パターン、６…青色発光のダイオードチップ、８…凹部、８ａ…投光開口、９…凹部形成部材、１０…赤色発光蛍光体層、１０ａ，１０ｘａ…赤色発光蛍光体高濃度層、１０ｂ，１０ｘｂ…赤色発光蛍光体低濃度層、１０ｘ…赤色発光蛍光体樹脂シート、１１…黄色蛍光体層、１１ｘ…黄色発光蛍光体樹脂シート、１３…ニッケルめっき層、１４…金めっき層。

Claims (3)

1. 主として青色光を発光する発光ダイオードチップと；
   青色光により励起されて赤色光を発光する赤色発光蛍光体を合成樹脂中に分散、沈降させ、赤色発光蛍光体の高濃度層と低濃度層をそれぞれ形成してなり、この高濃度層が発光ダイオードチップ側に位置するように配設された赤色発光蛍光体層と；
   赤色発光蛍光体層からの光により励起されて黄色光を発光する黄色発光蛍光体を合成樹脂中に分散させてなり、赤色発光蛍光体側に配設された黄色発光蛍光体層と；
   を具備していることを特徴とする発光ダイオード装置。
2. 赤色発光蛍光体層と黄色発光蛍光体層は、発光ダイオードチップが収容される投光開口を有する凹部を形成する凹部形成部材内に、赤色発光蛍光体層と黄色発光蛍光体層をこの順に順次充填固化させてなることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード装置。
3. 赤色発光蛍光体層と黄色発光蛍光体層は、それぞれ樹脂によりシート状に形成され、この樹脂製シートは、発光ダイオードチップが収容される凹部を形成する凹部形成部材内に配設された透明樹脂層の投光開口端側に配設されることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード装置。

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