JP2007134656A - 蛍光体板及びこれを備えた発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】演色性の高い白色光を得ることができるとともに、白色光の光取出効率を高めることができる蛍光体板及びこれを備えた発光装置を提供する。
【解決手段】ＬＥＤ素子３の光取出側に配設され、ＬＥＤ素子３から発せられる光を受けて励起されることにより赤色光及び緑色光・青色光の波長変換光をそれぞれ発する３種の蛍光体層９Ｒ，９Ｇ，９Ｂを発光素子側から光取出側に沿って積層してなる波長変換用の板部材であって、３種の蛍光体層９Ｒ，９Ｇ，９Ｂのうち波長変換光としての赤色光を発する蛍光体層９Ｒは、他の蛍光体層９Ｇ，９Ｂと比べてＬＥＤ素子３に近い位置に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子から発せられる光を受けて励起されることにより波長変換光を発する蛍光体板及びこれを備えた発光装置に関する。

周知のように、単一の発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）素子から発せられる光と、この光で蛍光体が励起されて発する波長変換光との混合により白色光を得ることができる発光装置が実用化されている。

このような発光装置においては、蛍光体板の厚さを一定の寸法に設定し、ＬＥＤ素子から様々な方向に発せられる各光の光路長を蛍光体板内で一定の寸法に近づけて色むらを改善することが重要とされる。

このため、光取出側に開口するケースを有するパッケージと、このパッケージのケース内に収容された青色光ＬＥＤ素子と、このＬＥＤ素子をケース内で封止する封止部材と、この封止部材内のＬＥＤ素子から発せられる光を受けて励起されることにより黄色光を発する黄色蛍光体板とを備えた発光装置が従来から開発されている。

また、発光素子として紫外線発光素子を用いるとともに、この紫外線発光素子から発せられる紫外線を受けて励起されることにより赤色光及び緑色光・青色光をそれぞれ発する３種の蛍光体層を用いる発光装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−２２８４６４号公報

しかし、特許文献１によると、紫外線発光素子から発せられる紫外線を受けて励起されることにより赤色光を発する赤色蛍光体層が他の蛍光体層と比べて紫外線発光素子から遠い位置に配置されているため、赤色蛍光体層の励起に必要な光エネルギーを十分に確保することができなかった。この結果、赤色光の光量不足によって色バランスが悪くなり、演色性の高い白色光を得ることができないという問題があった。

また、前記した３種の蛍光体層を用いる発光装置においては、発光素子側蛍光体層及び光取出側蛍光体層のうち発光素子側蛍光体層が紫外線に励起されて発する光が光取出側蛍光体層の蛍光体に吸収される。特に、特許文献１に示すように、発光素子に最も近い位置に青色蛍光体層が、また発光素子から最も遠い位置に赤色蛍光体層がそれぞれ配置されると、青色蛍光体層が励起されて発する青色光の赤色蛍光体層に対する吸収量が顕著であった。この結果、青色光が光量損失によって蛍光体層の光取出側から十分に出射されず、赤色光及び緑色光・青色光の混合による白色光の光取出効率が低下するという問題もあった。

従って、本発明の目的は、演色性の高い白色光を得ることができるとともに、白色光の光取出効率を高めることができる蛍光体板及びこれを備えた発光装置を提供することにある。

（１）本発明は、上記目的を達成するために、紫外線発光素子の光取出側に配設され、前記紫外線発光素子から発せられる光を受けて励起されることにより赤色光及び緑色光・青色光の波長変換光をそれぞれ発する３種の蛍光体層のうち少なくとも２種の蛍光体層を発光素子側から光取出側に沿って積層してなる波長変換用の板部材であって、前記３種の蛍光体層のうち前記波長変換光としての赤色光を発する赤色蛍光体層は、他の蛍光体層と比べて前記紫外線発光素子に近い位置に配置されていることを特徴とする蛍光体板を提供する。

（２）本発明は、上記目的を達成するために、光取出側に開口する素子収容部と、前記素子収容部の光取出側に配設された波長変換部と、前記波長変換部の光反取出側に配設され、かつ前記素子収容部内に収容された紫外線発光素子とを備えた発光装置において、前記波長変換部は、上記（１）に記載の蛍光体板であることを特徴とする発光装置を提供する。

本発明によると、演色性の高い白色光を得ることができるとともに、白色光の光取出効率を高めることができる。

[第１の実施の形態]
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光装置を説明するために示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態に係る発光装置のＬＥＤ素子を説明するために示す断面図である。

〔発光装置１の全体構成〕
図１において、発光装置１は、素子収容用のパッケージ２と、このパッケージ２内に収容されたＬＥＤ素子３と、このＬＥＤ素子３をパッケージ２内で封止する封止樹脂部８と、この封止樹脂部８の光取出側に位置する波長変換部としての蛍光体板９とから大略構成されている。

（パッケージ２の構成）
パッケージ２は、図１に示すように、ＬＥＤ素子３を収容可能な素子収容部としてのケース５と、ケース５の一方側（図１では下側）開口部を覆う素子搭載基板６とを有し、前述したようにＬＥＤ素子３を収容するように構成されている。

<ケース５の構成>
ケース５は、図１に示すように、基板側から光取出側に向かって開口する平面円形状の内部空間を有し、全体が例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等のセラミックス材料からなる無底箱体によって形成されている。ケース５の材料としては、Ａｌ₂Ｏ₃の他にシリコン（Ｓｉ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）あるいは白色樹脂が用いられる。ケース５内には、ＬＥＤ素子３からの光を光取出側に反射するための反射面５Ａ及び蛍光体板９を取り付けるための段状面５Ｂが設けられている。また、ケース５内には封止樹脂部８が充填されている。

<素子搭載基板６の構成>
素子搭載基板６はＡｌ₂Ｏ₃等のセラミックス材料によって形成されており、素子搭載基板６の光取出側面（表面）には、ＬＥＤ素子３のパッド電極（ｐ側電極）１０及びｎ側電極１１（共に図２に示す）にそれぞれ金（Ａｕ）からなるワイヤ１２，１３を介して接続する第１配線パターン１４，１５が設けられている。素子搭載基板６の実装側面（裏面）には、ＬＥＤ素子３に対して電源電圧を供給するための第２配線パターン１６，１７が設けられている。そして、第１配線パターン１４と第２配線パターン１６と及び第１配線パターン１５と第２配線パターン１７とは、それぞれ素子搭載基板６を貫通するビアホール１９，２０内に充填されたビアパターン２２，２３により電気的に接続されている。第１配線パターン１４，１５及び第２配線パターン１６，１７は、例えばタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属によりビアパターン２２，２３と一体的に形成されている。

また、素子搭載基板６の材料としては、Ａｌ₂Ｏ₃の他にＳｉやＡｌＮあるいは白色樹脂を用いることもできる。

なお、第１配線パターン１４，１５及び第２配線パターン１６，１７の表面には、ニッケル（Ｎｉ），アルミニウム（Ａｌ），白金（Ｐｔ），チタン（Ｔｉ），Ａｕ，銀（Ａｇ），銅（Ｃｕ）など単層又は積層あるいは半田材料による金属層が必要に応じて形成される。

（封止樹脂部８の構成）
封止樹脂部８は、シリコーン等の光透過性樹脂材料（屈折率ｎ＝１．５）からなり、素子搭載基板６と蛍光体板９との間に配置され、前述したようにケース５内でＬＥＤ素子３を封止するように構成されている。封止樹脂部８の材料としては、シリコーンの他にエポキシ等の樹脂材料やＮ₂，Ａｒ等の不活性ガスが用いられる。

（ＬＥＤ素子３の構成）
ＬＥＤ素子３は、パッド電極１０及びｎ側電極１１（共に図２に示す）を有するフェイスアップ型の紫外線ＬＥＤ素子（屈折率ｎ＝２．２）からなり、図１に示すようにパッケージ２内の封止樹脂部８によって封止され、かつ素子搭載基板６（第１配線パターン１４）上に接着剤１００によって搭載されている。ＬＥＤ素子３は、図２に示すように、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）基板２４上にＡｌＮバッファ層２５及びｎ−ＧａＮ層２６・発光層２７・ｐ−ＧａＮ２８層を順次結晶成長させることにより形成されている。そして、ピーク発光波長が３６０ｎｍ〜４００ｎｍである紫外線を発するように構成されている。ＬＥＤ素子３には、パッド電極１０のサファイア基板側に位置し、かつｐ−ＧａＮ層２８のパッド電極側面を覆う電流拡散導電膜としての酸化インジウム・酸化錫（ＩＴＯ）からなる透明電極２９が配設されている。また、ＬＥＤ素子３には、パッド電極１０とｎ側電極１１との間に介在し、かつマイグレーションによる電極間の短絡発生を防止するための保護膜３０が配設されている。ＬＥＤ素子３の平面縦横寸法は、例えば縦寸法及び横寸法をそれぞれ約０．３ｍｍとする平面サイズに設定されている。

（蛍光体板９の構成）
蛍光体板９は、図１に示すように、ケース５内（内部空間）に封止樹脂部８の光出射面を覆うように収容され、かつ段状面５Ｂに取り付けられている。そして、３種の蛍光体層９Ｒ（赤），９Ｇ（緑），９Ｂ（青）からなり、全体が平面円形状の薄板部材によって形成されている。蛍光体板９の厚さは、均一な寸法に設定されている。これにより、ＬＥＤ素子３から様々な方向に発せられる各紫外線の光路長を蛍光体板９内において一定の寸法に近づけ、蛍光体板９から出射される各光の色むらの発生が抑制される。蛍光体層９Ｒ，９Ｇ，９Ｂは、発光素子側から光取出側に向かって順次積層されている。蛍光体層９Ｒ，９Ｇ，９Ｂには、波長領域３６０ｎｍ〜４００ｎｍにおいて高い励起強度を示す蛍光体がそれぞれ含有されている。

蛍光体層９Ｒは、蛍光体層９Ｇ，９Ｂと比べてＬＥＤ素子３に近い位置に配置されている。そして、ＬＥＤ素子３からの光（波長３６０ｎｍ〜４００ｎｍの紫外線）を受けて励起されることにより、波長変換光としての赤色光を発する蛍光体を含有するシリコーン等の光透過性樹脂（屈折率ｎ＝１．５）によって形成されている。蛍光体層９Ｒの蛍光体材料としては、化学式Ｌａ₂Ｏ₂Ｓ：Ｓｍ，Ｅｕで表されるユーロピウム及びサマリウム付活硫化ランタン蛍光体が挙げられる。

蛍光体層９Ｇは、両蛍光体層９Ｒ，９Ｂ間に配置されている。そして、ＬＥＤ素子３からの光を受けて励起されることにより、波長変換光としての緑色光を発する蛍光体を含有するシリコーン等の光透過性樹脂（屈折率ｎ＝１．５）によって形成されている。蛍光体層９Ｇの蛍光体材料としては、化学式ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ，Ｍｎで表されるユーロピウム及びマンガン付活アルミン酸バリウムマグネシウム蛍光体が挙げられる。

蛍光体層９Ｂは、蛍光体層９Ｒ，９Ｇと比べてＬＥＤ素子３から遠い位置に配置されている。そして、ＬＥＤ素子３からの光を受けて励起されることにより、波長変換光としての青色光を発する蛍光体を含有するシリコーン等の光透過性樹脂（屈折率ｎ＝１．５）によって形成されている。蛍光体層９Ｂの蛍光体材料としては、化学式（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）₁₀（ＰＯ₄）₆・Ｃｌ₂：Ｅｕで示されるユーロピウム付活リン酸クロロストロンチウム蛍光体が挙げられる。

〔発光装置１の動作〕
ＬＥＤ素子３に電源から第２配線パターン１６，１７及びビアパターン２２，２３・第１配線パターン１４，１５・ワイヤ１２，１３を介して電圧が印加されると、ＬＥＤ素子３の発光層２７において紫外線を発し、この紫外線がＬＥＤ素子３の光取出面から封止樹脂部８に出射される。

次に、ＬＥＤ素子３からの紫外線が封止樹脂部８を透過して蛍光体板９に入射する。この場合、ＬＥＤ素子３からの出射光の一部が封止樹脂部８を透過し、またケース５の反射面５Ａで反射してから封止樹脂部８を透過し、それぞれ蛍光体板９に入射する。

そして、蛍光体板９の蛍光体層９Ｒ，９Ｇ，９Ｂでは入射した紫外線を受けて励起されることにより赤色光及び緑色光・青色光の波長変換光をそれぞれ発し、これら各波長変換光が蛍光体板９（蛍光体層９Ｂ）の光出射面から出射される。このため、蛍光体板９から出射される赤色光及び緑色光・青色光の各波長変換光が混合して白色光となる。

[第１の実施の形態の効果]
以上説明した実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。

（１）蛍光体層９Ｒ（ＬＥＤ素子３から発せられる紫外線を受けて励起されることにより赤色光を発する蛍光体層）が他の蛍光体層９Ｇ，９Ｂと比べてＬＥＤ素子３から近い位置に配置されているため、蛍光体層９Ｒの励起に必要な光エネルギーが十分に確保される。このため、赤色光の十分な光量によって色バランスが良好なものとなり、演色性の高い白色光を得ることができる。

（２）蛍光体層９Ｂが蛍光体層９Ｒの光取出側に配置されているため、蛍光体層９Ｒ（蛍光体）による青色光の吸収（光量損失）を回避することができる。このため、青色光が赤色光及び緑色光と同様に十分な光量をもって蛍光体板９から出射され、赤色光及び緑色光・青色光の混合による白色光の光取出効率を高めることができる。

なお、本実施の形態では、蛍光体層９Ｒ及び蛍光体層９Ｇ・蛍光体層９Ｂが発光素子側から光取出側に向かって順次積層されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、蛍光体層９Ｒ及び蛍光体層９Ｂ・蛍光体層９Ｇを発光素子側から光取出側に向かって順次積層してもよい。この場合、蛍光体層９Ｒ，９Ｇ，９Ｂのうち蛍光体層９ＲがＬＥＤ素子３に最も近い位置に、また蛍光体層９ＧがＬＥＤ素子３から最も遠い位置に、蛍光体層９Ｂが両蛍光体層９Ｒ，９Ｇ間にそれぞれ配置されることとなる。

なお、第１の実施の形態では、蛍光体層９Ｒ及び蛍光体層９Ｇ・蛍光体層９Ｂの屈折率が同じである構成を説明したが、これに限定されず、発光素子側の蛍光体層９Ｒから屈折率が段階的に小になる構成としても良い。

[第２の実施の形態]
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る発光装置を説明するために示す断面図である。図３において、図１と同一の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図３に示すように、第２の実施の形態に示す発光装置３１は、紫外線発光素子としてフリップチップ型のＬＥＤ素子３２を用いた点に特徴がある。

このため、ＬＥＤ素子３２は、パッド電極及びｎ側電極（図３には共に図示せず）がそれぞれ第１配線パターン１４，１５にＡｕバンプ３３を介して搭載されている。

[第２の実施の形態の効果]
以上説明した第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果と同様の効果が得られる。

[第３の実施の形態]
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る発光装置を説明するために示す断面図である。図４において、図１と同一又は同等の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図４に示すように、第４の実施の形態に示す発光装置５１は、３種の蛍光体層９Ｒ，９Ｇ，９Ｂのうち発光素子側の蛍光体層９ＲをＬＥＤ素子３の光取出面に最も接近させて配設した点に特徴がある。

このため、蛍光体層９Ｒは、ＬＥＤ素子３の光取出面に密接して配置されている。そして、波長変換光としての赤色光を発する蛍光体を含有し、かつ無機ガラスを混入してなるシリコーン等の光透過性樹脂によって形成されている。

[第３の実施の形態の効果]
以上説明した第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果（１）及び（２）に加え、次に示す効果が得られる。

（１）蛍光体層９ＲがＬＥＤ素子３の光取出面に密接して配置されているため、第１の実施の形態に示す場合と比べて蛍光体層９Ｒの励起に必要な光エネルギーがより高くなる。このため、赤色光の十分な光量によって色バランスが一層良好なものとなり、演色性の高い白色光を効果的に得ることができる。

（２）無機ガラスを混入してなるシリコーン等の光透過性樹脂によって蛍光体層９Ｒが形成されているため、ＬＥＤ素子３から発せられる紫外線に対して蛍光体層９Ｒの耐久性が高くなり、蛍光体層９Ｒの劣化を抑制することができる。

[第４の実施の形態]
図５は、本発明の第４の実施の形態に係る発光装置を説明するために示す断面図である。図５において、図１と同一又は同等の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図５に示すように、第４の実施の形態に示す発光装置６１は、蛍光体板９の光出射面（光取出面）９ａを凹凸形成した点に特徴がある。

このため、蛍光体層９Ｂの光取出面９ａは、例えばエッチングによって波形状の凹凸面で形成されている。これにより、蛍光体層９Ｂと空気層との界面で赤色光及び緑色光・青色光の混合による白色光が拡散して蛍光体板９から出射され易くなる。

[第４の実施の形態の効果]
以上説明した第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果（１）及び（２）に加え、次に示す効果が得られる。

赤色光及び緑色光・青色光の混合による白色光が蛍光体板９の光取出面９ａで拡散してその光取出面９ａから出射され易くなるため、白色光の光取出効率を一層効果的に高めることができる。

なお、本実施の形態では、蛍光体板９の凹凸面がエッチングによって形成されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、型成形やダイサーを用いた切削加工によって凹凸面を形成してもよい。

また、本実施の形態では、蛍光体層９Ｂの光取出面９ａが波形状の凹凸面である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、断面矩形状の凹凸部を有する凹凸面や断面Ｖ字状の凹部を有する凹凸面あるいは断面半円状の凹部を有する凹凸面であってもよい。

[第５の実施の形態]
図６は、本発明の第５の実施の形態に係る発光装置を説明するために示す断面図である。図６において、図１と同一又は同等の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図６に示すように、第６の実施の形態に示す発光装置７１は、砲弾型の光学形状面を有する封止樹脂部７２によってＬＥＤ素子３及び蛍光体板９等を封止した点に特徴がある。

このため、発光装置７１は、封止樹脂部７２の他に外部接続用のリード部７３，７４を備えている。リード部７３は、蛍光体板９を挿通するワイヤ１２を介してＬＥＤ素子３のｐ側電極（パッド電極）に接続されている。リード部７４は、ＬＥＤ素子３を底面７５Ａに固定するためのカップ部７５を有し、蛍光体板９を挿通するワイヤ１３を介してＬＥＤ素子３のｎ側電極に接続されている。そして、その先端部（カップ部側端部）がリード部７３の先端部及びワイヤ１２，１３と共に封止樹脂部７２によって封止されている。また、蛍光体板９は、その側面をカップ部７５の内側面（反射面）７５Ｂに接触させ、カップ部７５内に封止樹脂部８の光出射面を覆うように収容されている。

[第５の実施の形態の効果]
以上説明した第５の実施の形態によれば、砲弾型の発光装置についても第１の実施の形態の効果（１）及び（２）と同様の効果が得られる。

以上、本発明の発光装置を上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば次に示すような変形も可能である。

（１）本実施の形態では、蛍光体層９Ｒ，９Ｇ，９Ｂが蛍光体含有のシリコーン等の光透過性樹脂材料からなる場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、蛍光体含有の無機ガラスからなるもの、あるいは蛍光体含有の有機・無機ハイブリッド材料からなるものでもよい。

（２）本実施の形態では、ケース５又はカップ部７５内に単一のＬＥＤ素子３が収容されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、複数のＬＥＤ素子（紫外線ＬＥＤ素子）を収容しても勿論よい。

本発明の第１の実施の形態に係る発光装置を説明するために示す断面図。 本発明の実施の形態に係る発光装置のＬＥＤ素子を説明するために示す断面図。 本発明の第２の実施の形態に係る発光装置を説明するために示す断面図。 本発明の第３の実施の形態に係る発光装置を説明するために示す断面図。 本発明の第４の実施の形態に係る発光装置を説明するために示す断面図。 本発明の第５の実施の形態に係る発光装置を説明するために示す断面図。

符号の説明

１，３１，４１，５１，６１，７１…発光装置、２…パッケージ、３，３２…ＬＥＤ素子、５…ケース、５Ａ…反射面、６…素子搭載基板、８，７２…封止樹脂部、９…蛍光体板、９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ…蛍光体層、９ａ…光取出面、１０…パッド電極、１１…ｎ側電極、１２，１３…ワイヤ、１４，１５…第１配線パターン、１６，１７…第２配線パターン、１９，２０…ビアホール、２２，２３…ビアパターン、２４…サファイア基板、２５…ＡｌＮバッファ層、２６…ｎ−ＧａＮ層、２７…発光層、２８…ｐ−ＧａＮ層、２９…透明電極、３０…保護膜、３３…Ａｕバンプ、７３，７４…リード部、７５…カップ部、７５Ａ…底面、７５Ｂ…内側面、１００…接着剤

Claims (9)

1. 紫外線発光素子の光取出側に配設され、前記紫外線発光素子から発せられる光を受けて励起されることにより赤色光及び緑色光・青色光の波長変換光をそれぞれ発する３種の蛍光体層のうち少なくとも２種の蛍光体層を発光素子側から光取出側に沿って積層してなる波長変換用の板部材であって、
   前記３種の蛍光体層のうち前記波長変換光としての赤色光を発する赤色蛍光体層は、他の蛍光体層と比べて前記紫外線発光素子に近い位置に配置されていることを特徴とする蛍光体板。
2. 前記３種の蛍光体層のうち前記波長変換光としての青色光を発する青色蛍光体層は、前記波長変換光としての緑色光を発する緑色蛍光体層の光取出側に配置されている請求項１に記載の蛍光体板。
3. 前記３種の蛍光体層のうち前記紫外線発光素子から最も遠い位置に位置する蛍光体層の光出射面は凹凸面で形成されている請求項１又は２に記載の蛍光体板。
4. 前記３種の蛍光体層のうち光取出側の蛍光体層の屈折率は、発光素子側の蛍光体層の屈折率と同等あるいは小なる屈折率に設定されている請求項１に記載の蛍光体板。
5. 前記赤色光発光蛍光体層は、前記紫外線発光素子の光取出面に密接して配置されている請求項１に記載の蛍光体板。
6. 光取出側に開口する素子収容部と、
   前記素子収容部の光取出側に配設された波長変換部と、
   前記波長変換部の光反取出側に配設され、かつ前記素子収容部内に収容された紫外線発光素子とを備えた発光装置において、
   前記波長変換部は、請求項１乃至６のいずれかに記載の蛍光体板であることを特徴とする発光装置。
7. 前記紫外線発光素子及び前記３種の蛍光体層は、砲弾型の光学形状面を有する封止樹脂部によって封止されている請求項６に記載の発光装置。
8. 前記紫外線発光素子は、紫外線発光ダイオード素子からなる請求項６又は７に記載の発光装置。
9. 前記紫外線発光ダイオード素子は、表面実装型の紫外線発光ダイオード素子である請求項８に記載の発光装置。

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