JP2007180430A - 発光ダイオード装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力光の低下を抑制しつつ、相関色温度の調整をすることのできる発光ダイオード装置を提供する。
【解決手段】主に青色光を発光する発光ダイオードチップ７；発光ダイオードチップからの青色光により励起されて黄色系光を発光し、これら青色光と黄色系光との混色によりなる白色光を放射する黄色系蛍光体層１２と；金製の反射層により略６７００Ｋ以下の相関色温度を調整すること、または銀製の反射層により略６７００Ｋ以上の相関色温度を調整することのいずれかを選択してなる反射手段と；を具備している。
【選択図】 図３

Description

本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）を配設する発光ダイオード装置に関する。

従来の発光ダイオード装置の一例としては、発光ダイオードチップを配設するケース内に、合成樹脂を充填して発光ダイオードチップをケース内に封止する面実装タイプのものが知られている（例えば特許文献１参照）。そして、この種の発光ダイオード装置により白色光を発光させる従来例の一例としては、青色発光ダイオードチップの青色光と、この青色発光により黄色発光蛍光体を励起させて得た黄色光とを混色させて白色光を出力させるものが知られている。また、この種の発光ダイオード装置では、発光ダイオードチップの発光を基板実装面に反射させて、出力光の光束を高めるために、この基板実装面に、反射率の高い白色樹脂や、金（Ａｕ）めっき、ニッケル（Ｎｉ）めっき等の金属めっきを形成するものが知られている（例えば特許文献２参照）。
特開２００２−４３６２５号公報 特開２００２−３１９７１１号公報

しかしながら、ニッケルめっきにより反射層を形成している場合には、このニッケルめっきの反射層の反射率が例えば３８０ｎｍの短波長域から７８０ｎｍの長波長域までのほぼ全可視光領域において全般的に低いので、出力光が低いという課題がある。

また、金めっき反射層の場合は、５２０ｎｍ以上の中，長波長域では、ニッケルめっき反射層よりも反射率が高いものの、発光ダイオードチップが発光する青色光の例えば４６０ｎｍおよびその周辺の短波長域では、ニッケルめっき反射層よりも反射率が低いので、出力光が低く、高相関色温度の出力光を得にくくなるという課題がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、出力光の低下を抑制しつつ、相関色温度の調整をすることができる発光ダイオード装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、主に青色光を発光する発光ダイオードチップと；発光ダイオードチップからの青色光により励起されて黄色系光を発光し、これら青色光と黄色系光との混色によりなる白色光を放射する蛍光体層と；金製の反射層により略６７００Ｋ以下の相関色温度を調整すること、または銀製の反射層により略６７００Ｋ以上の相関色温度を調整することのいずれかを選択してなる反射手段と；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、本請求項１以下において、黄色系光とは、波長４８０ｎｍ以上の黄色光や緑色光、赤色光を含む光をいう。また、略６７００Ｋとは、６７００Ｋ±１０％の範囲を示す。

請求項２に係る発明は、前記反射手段は、銀製の反射層であり、波長４６０ｎｍでの反射率が８０％以上であって、かつ波長５４０ｎｍでの反射率が波長４６０ｎｍでの反射率の１．００倍〜１．１５倍をなす特性を有す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、前記反射層が銀めっきにより形成されていることを特徴とする請求項２記載の発光ダイオード装置である。

請求項４に係る発明は、前記反射層が基板に形成されていることを特徴とする請求項２または３記載の発光ダイオード装置である。

請求項５に係る発明は、前記反射層は、発光ダイオードチップを配設する基板の配設部およびその周辺部に形成された金めっき反射層であり、この金めっき反射層よりも外側には、銀めっき反射層が形成されてい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６に係る発明は、前記銀めっき反射層の厚さが０．１〜０．５μｍであることを特徴とする請求項３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、反射手段が金製の反射層を選択したときに、出力光を低下させずに略６７００Ｋ以下の相関色温度の出力光に調整することができ、また、銀製の反射層を選択したときには、出力光を低下させずに略６７００Ｋ以上の相関色温度の出力光に調整することができ、出力光と相関色温度を好適なものに調整することができる。

請求項２に係る発明によれば、反射層は、銀製の反射層であり、波長４６０ｎｍでの反射率が８０％以上であって、かつ波長５４０ｎｍでの反射率が波長４６０ｎｍでの反射率の１．００倍〜１．１５倍をなす特性を有するので、請求項１記載の効果に加え、発光ダイオードチップが発光する青色光等の短波長域の光から、蛍光体層からの黄色系光の長波長域の光までのほぼ全可視光域に亘って反射率（全反射率）が高く、出力光が向上する。

請求項３に係る発明によれば、請求項２に係る反射層が銀めっき反射層であり、この銀めっき反射層が請求項１に係る反射層と同一の反射特性を有するので、請求項２に係る発明と同様の作用効果を奏することができる。

請求項４に係る発明によれば、請求項２に係る反射層と、請求項３に係る銀めっき反射層は、発光ダイオードチップが実装される基板に形成されるので、これら反射層または銀めっき反射層と、発光ダイオードチップとの間隔を短くすることができる。

このために、反射層や銀めっき反射層による発光ダイオードチップからの青色光の反射効率を向上させ、その分、出力光をさらに向上させることができる。

請求項５に係る発明によれば、基板の発光ダイオードチップ配設部およびその周辺部に形成された金めっき反射層は、一般に、発光ダイオードチップが発光する青色光を含む短波長域での反射率が低いので、発光ダイオードチップの配設部およびその周辺部における青色光の反射光量を抑制することができる。

一方、この金めっき反射層の外側に形成された銀めっき反射層は、一般に、青色光を含む短波長域から黄色系光を含む長波長域までほぼ全可視光域に亘って反射率が高いので、発光ダイオードチップ周辺部の外周側における黄色系光の光束を向上させることができる。

したがって、この黄色系光と青色光との混色よりなる白色光の取出し側における発光ダイオードチップを中心とする白色光の平面配光分布では、その中心部の青味を帯びた白色光の当該青味を低減ないし抑制する一方、周辺部の白色光の光束を向上させることができる。このために、平面配光分布における角度色差（いわゆる色割れ）を低減することができる。

請求項６に係る発明によれば、請求項３に係る銀めっき反射層の厚さが０．１〜０．５μｍであるので、この銀めっき反射層の反射率を向上させることができる。

すなわち、図６に示すように０．５μｍの反射率が０．１μｍと０．３μｍのほぼ中間値を示し、０．１〜０．５μｍが底部銀めっき反射層６の厚さの範囲として望ましい反射特性を示している。したがって、銀めっき反射層６の厚さは０．１〜０．５μｍに形成される。

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は本発明の第１の実施形態に係る発光ダイオード照明装置１の平面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図、図３は図２のＩＩＩ部拡大図である。

図１，図２に示すように発光ダイオード照明装置１は、基板２上に、複数の発光ダイオード装置３，３，…を例えば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）やニッケル（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を介して導電層５が配設されている。

図３に示すように導電層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、陰極側と陽極側の一対の回路パターン（配線パターン）５ａ，５ｂを形成しており、これら一対の回路パターン５ａ，５ｂ間には、樹脂等の電気絶縁体５ｃを介在させて、これら一対の回路パターン５ａ，５ｂ同士を電気的に絶縁している。これら一対の回路パターン５ａ，５ｂ上には、本発明の反射手段としての反射層６の一例である底部銀めっき反射層６を形成している。この底部銀めっき反射層６は４６０ｎｍでの反射率が８０％以上であって、かつ波長５４０ｎｍでの反射率が波長４６０ｎｍでの反射率の１．００倍〜１．１５倍をなす特性を有する。

すなわち、図４はこの底部銀めっき反射層６の反射率（全反射率）Ｃを、ニッケルめっき反射層（Ｎｉ）Ａと金めっき反射層（Ａｕ）Ｂの両反射率と対比して示すグラフであり、底部銀めっき反射層６は例えば３８０ｎｍから７８０ｎｍの可視光領域のほぼ全波長域において、ニッケルめっき反射層Ａと金めっき反射層Ｂの両反射率よりも高い。また、図５にも示すように底部銀めっき反射層６の反射率Ｃは、波長４６０ｎｍでの反射率Ｄが約８７％であって、８０％よりも高く、かつ波長５４０ｎｍでの反射率Ｅが例えば約９６％であり、これら両反射率同士の比（Ｅ／Ｄ）は、約１．１０である。

図５に示すようにこれら反射率Ｄ，Ｅや反射率比Ｅ／Ｄは底部銀めっき反射層６の厚さが０．３μｍの場合である。底部銀めっき反射層６の厚さが０．１μｍの場合は、波長４６０ｎｍでの反射率Ｄが約８２％、波長５４０ｎｍでの反射率Ｅが約８８％で、これら反射率比Ｅ／Ｄは１．０７である。

したがって、これら反射率比Ｅ／Ｄは、本発明の反射層の特性を示す次式の範囲内にそれぞれ収まっている。

［数１］
１．００≦Ｅ／Ｄ≦１．１５

図６は底部銀めっき反射層６の厚さと反射率（全反射率）との相関関係を示すグラフであり、図６中、符号Ｃ１は底部銀めっき反射層６の厚さが０．１μｍ、Ｃ２は同０．３μｍ、Ｃ３は同０．５μｍの各反射特性をそれぞれ示している。

図６に示すように０．５μｍの反射率が０．１μｍと０．３μｍのほぼ中間値を示し、０．１〜０．５μｍが底部銀めっき反射層６の厚さの範囲として望ましい反射特性を示している。したがって、銀めっき反射層６の厚さは０．１〜０．５μｍに形成される。

そして、底部銀めっき反射層６は、一対の回路パターン５ａ，５ｂに対応して、陰極側と陽極側とに電気絶縁体５ｃにより、それぞれ電気絶縁されている。この底部銀めっき反射層６の陰極側または陽極側の一方上には、各発光ダイオード装置３毎に、青色発光ダイオードチップ７をそれぞれ搭載し、透明樹脂接着剤により固着している。各青色発光ダイオードチップ７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。各青色発光ダイオードチップ７は、その陰極と陽極の一対の上面電極を回路パターン５ａ，５ｂ上の底部銀めっき反射層６上にボンディングワイヤ８により接続している。

そして、基板２上には、各青色発光ダイオードチップ７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９をそれぞれ同心状に形成したレンズホルダ１０を各発光ダイオード装置３毎に形成すると共に、これらを一体に形成している。レンズホルダ１０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９は外部に開口する投光開口９ａと側面反射面９ｂとをそれぞれ有する。

そして、各凹部９は、その内部に、透光性を有するシリコンゴムやエポキシ樹脂等の熱硬化性透明樹脂を封止樹脂１１としてそれぞれ充填し、この封止樹脂１１に、青色発光ダイオードチップ７からの青色発光を受光して黄色光や緑色光を含む例えば４８０ｎｍ以上の黄色系光に蛍光発光する黄色系蛍光体を所要質量％添加した樹脂を注入して熱硬化させることにより、黄色系蛍光層１２を構成している。

なお、図４に示すように凹部９の側面反射面９ｂとして上記Ｎｉめっき層や金めっき反射層を形成してもよい。

次に、この発光ダイオード照明装置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、図示省略した点灯回路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７が青色発光される。この青色発光は、黄色系蛍光体層１２を透過し、その一部が黄色系蛍光体を励起して黄色系光に発光させると共に、この黄色系光と混色されて白色光になる。これら青色発光や黄色系光は、投光開口９ａに対向する底部銀めっき反射層６により反射され、または投光開口９ａに向けて漸次開口する側面反射面９ｂによっても、それぞれ反射されて投光開口９ａから外部へそれぞれ投光（取り出）される。

そして、底部銀めっき反射層６は発光ダイオードチップ７が発光する青色光（例えば４６０ｎｍ）を含む短波長域から、黄色光や緑色光を含む黄色系光の長波長域の光までほぼ全可視光領域に亘って反射率が高いので、投光開口９ａから外部へ取り出される光束を例えば約２０％程度向上させることができる。

なお、上記電気絶縁体５ｃは、上記導電層５、底部銀めっき反射層６の各陰極側と陽極側とを離間させる間隙に置換してもよい。

図７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の要部縦断面図、図８は同要部平面図である。この発光ダイオード装置３Ａは、上記図３等で示す発光ダイオード装置３の底部銀めっき反射層６の一部、すなわち、発光ダイオードチップ７の配設部、すなわち、発光ダイオードチップ７の底面電極が底部銀めっき反射層６に固着される固着部およびその周辺部を、電解金めっき製の底部金めっき反射層１３に置換した点に主な特徴を有する。

底部金めっき反射層１３は、平面形状がほぼ正方形の発光ダイオードチップ６の一辺の長さの例えば２〜３倍の直径を有する平面形状が円形に形成され、発光ダイオードチップ６とほぼ同心状に配設されている。

図９はこの電解金めっき製の底部金めっき反射層１３の厚さと反射率（全反射率）との相関関係を示すグラフであり、図中符号Ｆ１は厚さ０．１μｍ、Ｆ２は同０．３μｍ、Ｆ３は同０．５μｍの反射率をそれぞれ示している。

同様に図１０は底部金めっき反射層１３のめっき厚と反射率との相関関係を、底部銀めっき反射層６のものと対比して示す一覧表である。

これら図９，図１０に示すように底部金めっき反射層１３は、発光ダイオードチップ７が発光する青色光（例えば４６０ｎｍ）およびこれを含む短波長域において反射率が低く、約５５０ｎｍ周辺およびこれを含む長波長域において反射率が高い反射特性を有する。また、図９は底部金めっき反射層１３の厚さが０．１〜０．５μｍの範囲内にあることが好ましいことを示している。

このために、底部金めっき反射層１３と底部銀めっき反射層６は、そのめっき厚が０．１〜０．５μｍの範囲で形成される。

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７が発光する青色光とその周辺の短波長域の反射光量を底部金めっき反射層１３により抑制するので、光取出し効率を殆ど低下させずに発光ダイオード装置３Ａを見る角度により色の見え方が異なる、いわゆる青色抜けによる角度色差（色割れ）を低減することができる。

すなわち、図７で示す底部金めっき反射層１３を設けずに、図３で示すように底部銀めっき反射層６のみを形成した場合には、投光開口９ａ側の平面配光分布が図７の符号Ｇで示すように発光ダイオードチップ７の中心軸上で発光ダイオードチップ７からの青色光の強度が強く、これよりも強度の弱い黄色系光が符号Ｈで示すように投光開口９ａのほぼ全幅に亘って分布する。

このために、投光開口９ａ側の平面配光分布は発光ダイオードチップ７に対応する投光開口９ａのほぼ中央部で青味がかった白色光となり、その周縁部で黄味がかった白色光となる。

しかし、本実施形態では、図７に示すように発光ダイオードチップ７の直下およびその周辺部に上記底部金めっき反射層１３を配設しているので、この底部金めっき反射層１３により図９に示すように発光ダイオードチップ７からの青色光が吸収されて反射率が低くなるので、投光開口９ａの中央部で青色光が抑制される。このために、青色抜けによる角度色差を低減することができる。

図１１はこの反射手段６として金めっきＡｕと、ニッケルめっきＮｉを反射層として選択したときの相関色温度（Ｋ）と視感効率との相関関係を示すグラフであり、このグラフは新知見に基づく。なお、相関色温度は例えば封止樹脂１１内に混合される黄色発光や赤色発光等黄色光系の蛍光体の混合量を調節することにより調整することができる。

図１１に示すように反射層６として金めっき反射層を使用した場合には、例えば約７０００Ｋ以下の低相関色温度領域における視感効率がニッケルめっき反射層Ｎｉの視感効率よりも高い。

したがって、反射手段６としてニッケルめっき反射層を使用する場合には、例えば封止樹脂１１内に混合させる赤色蛍光体の混合量を増加させることにより相関色温度を低温度領域に調節することができるが、赤色蛍光体自体の青色光から赤色光への変換効率が低いうえに、発光ダイオードチップ７からの青色光と黄色蛍光体からの黄色光を吸収するので、出力光が低くなる。

これに対し、反射手段６として金めっき反射層を使用する場合には、封止樹脂１１内に混合させる赤色蛍光体の混合量をニッケルめっきの場合よりも増加させることなく、例えば約６７００Ｋ以下の低相関色温度領域に調節することができる。

このために、低相関色温度領域では、出力光を低下させずに相関色温度を適宜調節することができる。すなわち、取り出すべき出力光の相関色温度が同じであれば、金めっきの方がニッケルめっきよりも出力光を向上させることができる。

また、反射手段６として銀めっき反射層を使用する場合には、光出力が向上し、さらに約６７００Ｋ以上の高相関色温度領域に調節することができる。

銀めっき反射層を使用して低相関色温度領域の出力光を得ようとすると、金めっき反射層のときと比較して光出力が低下するので好ましくない。

したがって、発光ダイオード装置３によれば、反射手段６が金めっき反射層を選択したときに、出力光を低下させずに略６７００Ｋ以下の相関色温度の出力光に調整することができる。また、銀めっき反射層を選択したときには、出力光を低下させずに略６７００Ｋ以上の相関色温度の出力光に調整することができ、出力光と相関色温度を好適なものに調整することができる。

本発明の第１の実施形態に係る発光ダイオード照明装置の平面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図。 図２のＩＩＩ部拡大図。 図３で示す底部銀めっき反射層の可視光反射率を、金めっき反射層とＮｉめっき層の可視光反射率と対比して示すグラフ。 図３で示す銀めっき反射層の所要波長における反射率と、その反射率同士の比等を示す一覧表。 図３で示す銀めっき反射層の厚さと可視光反射率を示すグラフ。 本発明の第２の実施形態に係る発光ダイオード照明装置の発光ダイオード装置の要部縦断面図。 図７で示す発光ダイオード装置の要部平面図。 図７で示す金めっき反射層の厚さと可視光反射率との相関関係を示すグラフ。 図４で示す金めっき反射層および銀めっき反射層の厚さと、可視光の所要波長における反射率との相関関係を示す一覧表。 図３で示す発光ダイオード装置の反射手段として金めっき反射層、銀めっき反射層およびニッケルめっきを選択したときの白色光の相関色温度と、視感効率との相関関係を示すグラフ。

符号の説明

１…発光ダイオード照明装置、２…基板、３，３Ａ…発光ダイオード装置、４…絶縁層、５…導電層、６…底部銀めっき反射層、７…発光ダイオードチップ、９…凹部、９ａ…投光開口、９ｂ…凹部側面、１０…レンズホルダ、１２…黄色系蛍光体層、１３…底部金めっき反射層。

Claims (6)

1. 主に青色光を発光する発光ダイオードチップと；
   発光ダイオードチップからの青色光により励起されて黄色系光を発光し、これら青色光と黄色系光との混色によりなる白色光を放射する蛍光体層と；
   金製の反射層により略６７００Ｋ以下の相関色温度を調整すること、または銀製の反射層により略６７００Ｋ以上の相関色温度を調整することのいずれかを選択してなる反射手段と；
   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. 前記反射手段は、銀製の反射層であり、波長４６０ｎｍでの反射率が８０％以上であって、かつ波長５４０ｎｍでの反射率が波長４６０ｎｍでの反射率の１．００倍〜１．１５倍をなす特性を有す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. 前記反射層が銀めっきにより形成されていることを特徴とする請求項２記載の発光ダイオード装置。
4. 前記反射層が基板に形成されていることを特徴とする請求項２または３記載の発光ダイオード装置。
5. 前記反射層は、発光ダイオードチップを配設する基板の配設部およびその周辺部に形成された金めっき反射層であり、この金めっき反射層よりも外側には、銀めっき反射層が形成されてい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。
6. 前記銀めっき反射層の厚さが０．１〜０．５μｍであることを特徴とする請求項３記載の発光ダイオード装置。

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