JP2007059758A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】粒径の大きな蛍光体粒子を用いた場合においても製造歩留まりを低下させることなく、発光効率を向上させることが可能な発光装置を提供する。
【解決手段】ＬＥＤランプ１は、キャビティ３内に発光素子としてＬＥＤチップ２を有する。ＬＥＤチップ２は透明樹脂層９で封止されている。キャビティ３を覆うようにしてフレーム６上には蛍光体シート１０が設けられている。蛍光体シート１０は、ＬＥＤチップ２から放射された光で励起されて可視光を発光する蛍光体を含有する透明樹脂をシート状に成形してなる。蛍光体は、粒径が１０〜３０μｍの範囲の蛍光体粒子を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明はＬＥＤランプ等の発光装置に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）を用いたＬＥＤランプは、液晶ディスプレイ、携帯電話、情報端末等のバックライト、屋内外広告等、多方面への展開が飛躍的に進んでいる。さらに、ＬＥＤランプは長寿命で信頼性が高く、また低消費電力、耐衝撃性、高純度表示色、軽薄短小化の実現等の特徴を有することから、産業用途のみならず一般照明用途への適用も試みられている。このようなＬＥＤランプを種々の各種用途に適用する場合、白色発光を得ることが重要となる。

ＬＥＤランプで白色発光を実現する代表的な方式としては、(1)青、緑および赤の各色に発光する3つのＬＥＤチップを使用する方式、(2)青色発光のＬＥＤチップと黄色ないし橙色発光の蛍光体とを組合せる方式、(3)紫外線発光のＬＥＤチップと青色、緑色および赤色の三色混合蛍光体（以下、ＲＧＢ蛍光体と記す）とを組合せる方式の3つが挙げられる。これらのうち、一般的には(2)の方式が広く実用化されている。また、(3)の方式で発光効率8.2lm/W、平均演色評価数Ｒa86〜90が得られたことが報告されている。さらに、（2)の方式においても黄色ないし橙色発光蛍光体に加えて赤色発光蛍光体を使用することで、平均演色評価数Ｒaの増加も期待されている。

上記した(2)および(3)の方式を適用したＬＥＤランプの構造としては、例えばＬＥＤチップを装備したカップ型のフレーム内に蛍光体を混合した透明樹脂を流し込み、これを固化することによって形成された構造等が一般的である（例えば特許文献１参照）。このようなＬＥＤランプにおいては、フリップチップ等のＬＥＤチップの電極形状に基づく光の取出し効率の向上、またチップ形状の検討による配光制御等が進められており、チップ前面への光量は増加する傾向にある。

このようなチップ前面への光量の増加にともなって、透明樹脂に添加、混合させる蛍光体粒子の粒径の大きさも光取出し効率に影響を及ぼすようになってきている。一般に、蛍光体粒子の粒径が大きいほど、発光効率が高く光取出し効率が向上することが知られている。
特開２００１−１４８５１６号公報

しかしながら、上述したような構造を有する従来のＬＥＤランプにおいて、例えば粒径が１０μｍ以上の比較的粒径の大きな蛍光体粒子を用いた場合、このような蛍光体を含有する透明樹脂を直径０．２０〜０．２５ｍｍ程度のノズル径のディスペンサでフレーム内に注入すると、蛍光体粒子がディスペンサ内で沈降して目詰まりを起こし注入精度が低下し易くなる。したがって、粒径の大きな蛍光体粒子の使用が難しく、発光効率を向上させることが困難であった。

本発明は粒径の大きな蛍光体粒子を用いた場合においても製造歩留まりを低下させることなく、発光効率を向上させることが可能な発光装置を提供することを目的としている。

請求項１記載の発光装置は、凹部を有する基材と；前記凹部内に配置された発光素子と；前記発光素子を封止する透明樹脂層と；前記基材の凹部を被覆するように配置され、粒径が１０〜３０μｍの範囲の蛍光体粒子を含有するシート状蛍光体層と；を具備することを特徴としている。

また、請求項２記載の発光装置は、凹部を有する基材と；前記凹部内に配置された発光素子と；前記発光素子を封止する透明樹脂層と；前記基材の凹部を被覆するように配置され、平均粒径（Ｄ５０）が１０〜３０μｍの範囲の蛍光体粒子を含有するシート状蛍光体層と；を具備することを特徴としている。

請求項３記載の発光装置は、請求項１または２記載の発光装置であって、前記発光素子は青色光を放射する発光ダイオードチップを有し、かつ前記蛍光体は前記発光ダイオードチップから放射された青色光により励起されて、黄色光ないし橙色光を発光する黄色ないし橙色発光蛍光体を有することを特徴としている。

上記した請求項１ないし請求項３記載の発明において、特に指定しない限り、用語の定義及び技術的意味は以下の通りである。

基材は、例えば回路パターンやリード端子のような配線部を有する基板と、この基板上に設けられ外部に開口した凹部を形成するフレームから構成されている。この凹部内には、底面から上方へ向けて発光素子、透明樹脂層及び蛍光体層がこの順に配置されている。なお、フレームを使用せずに基板上に凹部を形成して基材を作製してもよい。

発光素子は、放射した光で蛍光体を励起して可視光を発光させるものである。本発明で用いられる発光素子としては、例えば青色発光タイプのＬＥＤチップや紫外発光タイプのＬＥＤチップ等が挙げられる。ただし、これらに限定されるものではなく、蛍光体を励起して可視光を発光させることが可能な発光素子であれば、発光装置の用途や目的とする発光色等に応じて種々の発光素子を使用することができる。

透明樹脂層は、基材の凹部内に配置された発光素子を封止するものであり、その材質は特に限定されるものではない。透明樹脂層には、例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の各種透明樹脂を適用することができる。また、透明樹脂の粘度は、２５℃において０．１〜１０Ｐａ・ｓの範囲であることが好ましい。これによって、透明樹脂層を形成する際の気泡の混入等を抑制することが可能となる。

シート状蛍光体層は、蛍光体を保持するものであり、蛍光体を含有する透明樹脂をシート状に成形してなる。シート状蛍光体層は、０．５〜１．０ｍｍ程度の厚みが好ましく、基材の凹部を被覆するようにして固定されている。シート状蛍光体層の厚みが０．５ｍｍ未満であると発光するに十分な量の蛍光体を含有させることができず、１．０ｍｍを超えると光の透過率が低下し所望の光量を得られ難くなる。このように蛍光体を含む樹脂をシート状に成形することによって、製造歩留まりを低下させることなく後述するような粒径の大きな蛍光体粒子を使用することができる。従って、発光効率を向上させることが可能となる。

蛍光体は、発光素子から放射された光により励起されて可視光を発光し、この蛍光体から発光される可視光と発光素子から放射される光との混色によって、あるいは蛍光体から発光される可視光または可視光自体の混色によって、発光装置として所望の発光色を得るものである。蛍光体の種類は特に限定されるものではなく、目的とする発光色や発光素子から放射される光等に応じて適宜に選択される。

本発明で用いる蛍光体としては、粒径が１０〜３０μｍの範囲の蛍光体粒子を使用する。蛍光体粒子の粒径は、蛍光体製造時に篩い等を用いて分級して得たものである。上記範囲を有する蛍光粒子を使用することによって、発光効率の向上を図ることができる。

また、本発明で用いる蛍光体としては、平均粒径（Ｄ５０）が１０〜３０μｍの範囲の蛍光体粒子を使用してもよい。上記平均粒径（Ｄ５０）は、例えばレーザー回折法で測定したものであり、低粒子径から積算し全体の蛍光体量の５０容量％に至る粒子の大きさを示すものである。

請求項１記載の発光装置によれば、蛍光体を含有する透明樹脂をシート状に成形することによって、粒径が１０〜３０μｍの粒径の大きな蛍光体粒子を用いることができる。これによって、製造歩留まりを低下させることなく、発光装置の発光効率を向上させることができる。

請求項２記載の発光装置によれば、蛍光体を含有する透明樹脂をシート状に成形することによって、平均粒径（Ｄ５０）が１０〜３０μｍの粒径の大きな蛍光体粒子を使用することができる。これによって、優れた発光効率を発揮する発光装置を収率よく作製することができる。

請求項３記載の発光装置によれば、所謂電球色の発光装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の発光装置をＬＥＤランプに適用した第１の実施形態の構成を示す断面図、図２は、図１に示すＬＥＤランプを例えば一平面上に３行３列のマトリックス状に複数配置した発光ダイオードモジュールの一例を示す平面図、図３は、図２のＡ−Ａ´線断面図である。

図１〜図３に示すＬＥＤランプ１は、発光素子としてＬＥＤチップ２を有している。ＬＥＤチップ２には、例えば青色発光タイプのＬＥＤチップや紫外発光タイプのＬＥＤチップ等が用いられている。このＬＥＤチップ２は、電気絶縁層４を介して基板５上に設けられた回路パターン８上に搭載されている。

基板５上には、上方に向けて円錐台状に開口したキャビティ３（凹部）を形成するフレーム６が設けられており、ＬＥＤチップ２はキャビティ３内に配置されている。ＬＥＤチップ２が配置されたキャビティ３内には透明樹脂が充填されており、ＬＥＤチップ２は透明樹脂層９で覆われている。透明樹脂としては、例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等が好ましい。ＬＥＤランプ１に印加された電気エネルギーは、ＬＥＤチップ２で青色光や紫外線に変換され、それらの光は透明樹脂層９を透過して、蛍光体シート１０中に含有された蛍光体でより長波長の光に変換される。そして、ＬＥＤチップ２から放射される光の色と蛍光体の発光色とに基づく色、例えば白色の光がＬＥＤランプ１から放出される。

上述した透明樹脂層９は、例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の液状透明樹脂を、ＬＥＤチップ２が配置されたキャビティ３内にディスペンサ等を用いて充填し熱硬化することにより形成される。この際、気泡の巻き込み等を抑制する上で、樹脂粘度が２５℃において０．１〜１０Ｐａ・ｓの範囲であることが好ましい。これによって、ＬＥＤチップ２を封止することができる。

キャビティ３の開口部には蛍光体シート１０が、透明樹脂層９の上端とほぼ面一になるようにシリコーン樹脂等でフレーム６上に固定されている。また、この蛍光体シート１０は、シリコーン樹脂等の透明樹脂に蛍光体を添加、混合した後、ドクターブレード法等により厚さ０．５〜１．０ｍｍ程度のシート状に成形し、１５０℃で１時間硬化することにより形成される。なお、蛍光体シート１０の成形において、透明樹脂と蛍光体とを混合する際に気泡が混入した場合には、真空脱泡して気泡を除去することが好ましい。

蛍光体シート１０中に含有される蛍光体は、ＬＥＤチップ２から放射される光、例えば青色光や紫外線により励起されて可視光を発光するものである。蛍光体シート１０は発光部として機能するものであり、ＬＥＤチップ２の発光方向前方に配置されている。蛍光体の種類は目的とするＬＥＤランプ１の発光色に応じて適宜に選択されるものであり、特に限定されるものではない。

例えば、青色発光タイプのＬＥＤチップ２を使用して白色発光を得る場合には、黄色ないし橙色発光蛍光体が主として用いられる。また、演色性等の向上を図るために、黄色ないし橙色発光蛍光体に加えて赤色発光蛍光体を使用してもよい。黄色ないし橙色発光蛍光体としては、例えばＲＥ₃（Ａｌ，Ｇａ）₅Ｏ₁₂：Ｃｅ蛍光体（ＲＥはＹ、ＧｄおよびＬａから選ばれる少なくとも1種を示す。以下同じ）等のＹＡＧ蛍光体、ＡＥ₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ蛍光体（ＡＥはＳｒ、Ｂａ、Ｃａ等のアルカリ土類元素である。以下同じ）等の珪酸塩蛍光体が用いられる。

また、紫外発光タイプのＬＥＤチップ２を使用して白色発光を得る場合には、ＲＧＢ蛍光体が主として用いられる。青色発光蛍光体としては、例えばＡＥ₁₀（ＰＯ₄）₆Ｃｌ₁₂：Ｅｕ蛍光体のようなハロ燐酸塩蛍光体や（Ｂａ，Ｍｇ）Ａｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ蛍光体のようなアルミン酸塩蛍光体等が用いられる。緑色発光蛍光体としては、（Ｂａ，Ｍｇ）Ａｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ，Ｍｎ蛍光体のようなアルミン酸塩蛍光体等が用いられる。赤色発光蛍光体としては、Ｌａ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ蛍光体のような酸硫化物蛍光体等が用いられる。

さらに、上記したような蛍光体に代えて、組成に応じて種々の発光色が得られる窒化物系蛍光体（例えばＡＥ₂Ｓｉ₅Ｎ₈：Ｅｕ）、酸窒化物系蛍光体（例えばＹ₂Ｓｉ₃Ｏ₃Ｎ₄：Ｃｅ）、サイアロン系蛍光体（例えばＡＥ_x（Ｓｉ，Ａｌ）₁₂（Ｎ，Ｏ）₁₆：Ｅｕ）等を適用してもよい。なお、ＬＥＤランプ１は白色発光ランプに限られるものではなく、白色以外の発光色を有するＬＥＤランプ１を構成することも可能である。ＬＥＤランプ１で白色以外の発光、例えば中間色の発光を得る場合には、目的とする発光色に応じて種々の蛍光体が適宜に使用される。

上記蛍光体シート１０中に含有される蛍光体は、１０〜３０μｍの範囲、好ましくは１５〜２０μｍの範囲の蛍光体粒子を用いる。蛍光体粒子の粒径が１０μｍ未満であると、十分な発光効率が得られ難くなる。一方、３０μｍを越えると、蛍光体の隙間が大きくなるため、透明樹脂に対する蛍光体の配合比を増やさないと所望の色温度が得られ難くなる。蛍光体粒子の粒径は、例えば製造工程で篩い分け等の分級処理を実施することにより制御することができる。なお、蛍光体にＲＧＢ蛍光体等を適用する場合には、青色、緑色、赤色の各蛍光体に粒径が１０〜３０μｍの範囲の蛍光体粒子を使用する。また、ＲＧＢ蛍光体以外の２種以上の蛍光体を混合して使用する場合も同様である。

したがって、蛍光体を含有する透明樹脂をシート状に成形した蛍光体シート１０を用いることによって、粒径が１０〜３０μｍの範囲の蛍光体粒子を使用した場合においても、容易に且つ収率よくＬＥＤランプ１を作製することができる。これによって、優れた発光効率を発揮するＬＥＤランプ１を提供することが可能となる。

また、例えば、青色発光タイプのＬＥＤチップ２を使用した場合、ＬＥＤチップ２からの青色発光が蛍光体シート１０中の蛍光体の粒間をすり抜ける青色光と、青色発光で励起されて蛍光体が発光する黄色光ないしは橙色光との混色により白色発光を得ることができる。このため、蛍光体の粒径や形状がＬＥＤランプ１の発光色に大きく影響する。これに対し、粒径が１０〜３０μｍの範囲の蛍光体粒子を使用することによって、目的の白色温度を得るために必要な蛍光体量を削減することができる。これによって、ＬＥＤランプ１の製造コストを低減することができる。

次に、本発明の発光装置をＬＥＤランプに適用した第２の実施形態について説明する。第２の実施形態によるＬＥＤランプは、基本的な構成は第１の実施形態のＬＥＤランプ１０と同様であり、回路パターン８を有する基板５上に搭載され、かつキャビティ３内に配置されたＬＥＤチップ２、キャビティ３内のＬＥＤチップ２を封止する透明樹脂層９及び蛍光体を保持する蛍光体シート１０等を有している。

第２の実施形態のＬＥＤランプにおいて、蛍光体シート１０中に含有される蛍光体は、ＬＥＤランプ１の発光効率等を向上させる上で、例えば平均粒径（Ｄ５０）が１０〜３０μｍの範囲、好ましくは２０〜３０μｍの蛍光体粒子を使用する。平均粒径（Ｄ５０）はレーザー回折法で測定したものであり、低粒子径から積算し全体の蛍光体量の５０容量％に至る粒子の大きさを示すものである。

このように蛍光体を含有する透明樹脂をシート状に成形することによって、平均粒径（Ｄ５０）が１０〜３０μｍの範囲の蛍光体粒子を使用した場合においても、ＬＥＤランプの製造歩留まりの向上や製造コストの低減等を図ることができる。

また、平均粒径（Ｄ５０）が１０〜３０μｍの範囲の蛍光体粒子を用いることによって、ＬＥＤランプの発光色や発光効率の向上を図ることが可能となる。例えば、青色発光タイプのＬＥＤチップを使用して白色発光を得る場合、平均粒径（Ｄ５０）が１０〜３０μｍの蛍光体粒子を使用することによって、黄色ないし橙色発光蛍光体の発光量が向上する。したがって、目的の白色温度を得るために必要な蛍光体量を削減することが可能となる。

なお、上記実施形態では、ＬＥＤランプ１をマトリックス状に複数配置した発光ダイオードモジュール２０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、例えば複数のＬＥＤランプ１をそれぞれ１列状に形成してもよく、さらにＬＥＤランプ１はそれぞれ単数でもよい。

次に、本発明の実施例およびその評価結果について述べる。
実施例１〜４、比較例１
粒径範囲が２５〜３０μｍの実施例１のＹＡＧ蛍光体は、以下のようにして分級処理した。まず、目開きが３０μｍの篩い（Swiss Nylon Monofilament製、品番HD-30）を用いて篩分けを行い３０μｍ未満の粒径範囲に調整した。この３０μｍ未満に調整されたＹＡＧ蛍光体を目開きが２５μｍの篩い（Swiss Nylon Monofilament製、品番HD-25）に通して２５〜３０μｍの粒径範囲に調整し実施例１のＹＡＧ蛍光体を作製した。同様に、実施例２は粒径範囲が２０〜２５μｍのＹＡＧ蛍光体、実施例３は粒径範囲が１５〜２０μｍのＹＡＧ蛍光体、実施例４は１０〜１５μｍのＹＡＧ蛍光体、比較例１は１０μｍ未満のＹＡＧ蛍光体をそれぞれ用いたものである。

上述した各実施例および比較例のＹＡＧ蛍光体を用いて、図１に構成を示したＬＥＤランプ１を作製した。すなわち、シリコーン樹脂をディスペンサでキャビティ３内に充填した。この後、各ＹＡＧ蛍光体をシリコーン樹脂中に分散させ、ドクターブレード法により厚さ０．５ｍｍ程度のシート状に成形し、１５０℃で１時間硬化した。これを、キャビティ３を被覆するようにシリコーン樹脂で固定することによって、それぞれＬＥＤランプ１を作製した。これら各ＬＥＤランプにおいて、ＬＥＤランプの発光効率を調べた。測定結果を図４に示す。なお、ＬＥＤランプの発光効率は実施例４を１としたときの相対値である。

図４より明らかなように、１０〜３０μｍの粒径範囲を有する各実施例は、発光効率が向上することがわかる。また、このような粒径範囲の蛍光体粒子をシリコーン樹脂に含有させてシート状に成形することで、ＬＥＤランプを収率よく容易に作製することができることを確認した。

実施例５〜８、比較例２
まず、レーザー回折式粒度分布計により平均粒径（Ｄ５０）を１０〜１５μｍに調整して、実施例５のＹＡＧ蛍光体を作製した。同様に、実施例６は平均粒径（Ｄ５０）を１５〜２０μｍに調整したＹＡＧ蛍光体、実施例７は平均粒径（Ｄ５０）を２０〜２５μｍに調整したＹＡＧ蛍光体、実施例８は平均粒径（Ｄ５０）を２５〜３０μｍに調整したＹＡＧ蛍光体、比較例２は平均粒径（Ｄ５０）を５〜１０μｍに調整したＹＡＧ蛍光体をそれぞれ用いたものである。

上述した各実施例および比較例の蛍光体を用いて、それぞれ実施例１と同様にしてＬＥＤランプを作製した。このとき、各ＬＥＤランプの発光効率を測定した。測定結果を図５に示す。なお、ＬＥＤランプの発光効率は実施例５を１としたときの相対値である。

図５より明らかなように、平均粒径（Ｄ５０）が１０〜３０μｍの範囲を有する各実施例は、発光効率が向上することがわかる。また、このような粒径範囲の蛍光体粒子をシリコーン樹脂に含有させてシート状に成形することにより、ＬＥＤランプの製造歩留まりを向上させることができることを確認した。

本発明の発光装置をＬＥＤランプに適用した第１の実施形態の構成を示す断面図である。 図１に示すＬＥＤランプを複数配置した発光ダイオードモジュールの一例を示す平面図である。 図２のＡ―Ａ´線断面図である。 蛍光体粒子の粒径と発光効率との関係を示す図。 蛍光体粒子の平均粒径（Ｄ５０）と発光効率との関係を示す図。

符号の説明

１…ＬＥＤランプ、２…ＬＥＤチップ、３…キャビティ、５…基板、６…フレーム、８…回路パターン、９…透明樹脂層、１０…蛍光体シート、２０…発光ダイオードモジュール。

Claims (3)

1. 凹部を有する基材と；
   前記凹部内に配置された発光素子と；
   前記発光素子を封止する透明樹脂層と；
   前記基材の凹部を被覆するように配置され、粒径が１０〜３０μｍの範囲の蛍光体粒子を含有するシート状蛍光体層と；
   を具備することを特徴とする発光装置。
2. 凹部を有する基材と；
   前記凹部内に配置された発光素子と；
   前記発光素子を封止する透明樹脂層と；
   前記基材の凹部を被覆するように配置され、平均粒径（Ｄ５０）が１０〜３０μｍの範囲の蛍光体粒子を含有するシート状蛍光体層と；
   を具備することを特徴とする発光装置。
3. 前記発光素子は青色光を放射する発光ダイオードチップを有し、かつ前記蛍光体は前記発光ダイオードチップから放射された青色光により励起されて、黄色光ないし橙色光を発光する黄色ないし橙色発光蛍光体を有することを特徴とする請求項１または２記載の発光装置。

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