JP2007294974A - 発光ダイオードモジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】長寿命の発光ダイオードモジュールを提供する。
【解決手段】発光チップと、前記発光チップから放出された光を、前記光の波長より長波長の光へと変換させる蛍光物質を含む蛍光層と、前記発光チップ及び前記蛍光層の間に配置される、前記発光チップを保護するとともに前記発光チップ及び前記蛍光層から発生した熱を拡散させる一以上の中間層と、を備える発光ダイオードモジュールである。
【選択図】図２
【解決手段】発光チップと、前記発光チップから放出された光を、前記光の波長より長波長の光へと変換させる蛍光物質を含む蛍光層と、前記発光チップ及び前記蛍光層の間に配置される、前記発光チップを保護するとともに前記発光チップ及び前記蛍光層から発生した熱を拡散させる一以上の中間層と、を備える発光ダイオードモジュールである。
【選択図】図２
Description
本発明は、発光ダイオードモジュールに係り、さらに詳細には、紫外線光または青色光を放出する発光ダイオード及び蛍光物質を使用して白色光や他の単色光を具現するに当って、蛍光物質の劣化特性を改善して寿命時間を延長させうる構造の発光ダイオードモジュールに関する。
発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ；以下、ＬＥＤ）は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＡｓなどの化合物半導体を利用して発光源を構成することによって、多様な色の光を発生させる半導体発光素子である。ＬＥＤは、半導体レーザに比べて製造及び制御が容易であり、また、蛍光灯に比べて長寿命であるので、蛍光灯に代わる次世代ディスプレイ装置の照明用光源として注目されている。最近、物理的、化学的特性に優れた窒化物を利用して具現された青色発光ダイオード及び紫外線発光ダイオードが登場し、また、青色もしくは紫外線発光ダイオード及び蛍光物質を利用して白色光または他の単色光を生成できるようになったことに伴い、発光ダイオードの応用範囲が広がっている。例えば、白色発光ダイオードモジュールにおいては、ＬＥＤチップから放出される紫外線が蛍光物質を励起し、これにより、蛍光物質から光の三原色、すなわち、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の可視光が放出されるか、または黄色（Ｙ）及び青色（Ｂ）の可視光が放出される。このとき、蛍光物質から放出される可視光は、蛍光物質の組成によって変わり、このような可視光は、互いに混じりあって人間の目には白色光に見える。
図１は、従来のＬＥＤモジュールの構造を示す図面である。図１に示すように、ＬＥＤモジュールは、発光チップ１がベース６の内部の凹状のスロットに配置され、第１樹脂層３がベース６の内部にコーティングされた後、蛍光物質で満たされた蛍光層４及び第２樹脂層５がコーティングされた構造になっている。発光チップ１から放出された光が蛍光層４に入射すると、蛍光物質にエネルギーを伝達することによって、入射された光より長い波長の光を放出して、白色光または単色光を生成する。このような過程で、発光チップ１が駆動するときに発生する熱及び蛍光物質が、発光チップ１から発生した光を他の波長の光に変換させつつ発生する熱により蛍光物質が劣化する。蛍光物質の劣化は、ＬＥＤモジュールの寿命に直接的な影響を及ぼす要素であり、寿命の長いＬＥＤモジュールの製造のためには、このような劣化特性を改善する必要がある。
本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであって、紫外線光または青色光を放出する発光ダイオード及び蛍光物質を使用して白色光や他の単色光を具現するに当たって、蛍光物質の劣化特性を改善して寿命時間を延長させうる構造の発光ダイオードモジュールを提供することを目的とする。
前記目的を解決するために、本発明に係るＬＥＤモジュールは、発光チップと、前記発光チップから放出された光を、前記光の波長より長波長の光へと変換させる蛍光物質を含む蛍光層と、前記発光チップ及び前記蛍光層の間に配置される、前記発光チップを保護するとともに前記発光チップ及び前記蛍光層から発生した熱を拡散させる一以上の中間層と、を備える。
本発明に係るＬＥＤモジュールは、蛍光層及び発光チップから発生する熱を拡散放出させる熱拡散層を採用することによって、温度による特性低下が低減され、信頼性が向上し、長い寿命時間を有する。また、熱拡散層は、樹脂に比べて安価であり、工程コストを低減させうるので、さらに経済的である。
本発明は、発光チップと、前記発光チップから放出された光を、前記光の波長より長波長の光へと変換させる蛍光物質を含む蛍光層と、前記発光チップ及び前記蛍光層の間に配置される、前記発光チップを保護するとともに前記発光チップ及び前記蛍光層から発生した熱を拡散させる一以上の中間層と、を備える発光ダイオードモジュールである。
前記中間層は、（ｉ）前記発光チップを保護する機能と前記発光チップ及び前記蛍光層から発生した熱を拡散させる機能とを併せ持つ１種単独の層であってもよく、また、（ｉｉ）上記２つの機能を別々に有する２種の層であってもよい。上記（ｉｉ）の場合をより具体的に言えば、前記中間層は、前記発光チップ上に形成されて前記発光チップを保護するキャッピング層と、前記キャッピング層及び前記蛍光層の間に配置されて、前記発光チップ及び前記蛍光層から発生した熱を拡散させる熱拡散層と、からなる。
以下、添付された図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。しかし、以下で例示される実施形態は、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明を当業者に十分に説明するために提供するものである。以下の図面で同じ参照符号は、同じ構成要素を示し、図面上で各構成要素のサイズは、説明の明瞭性及び便宜のために誇張して示されている。なお、以下の例示は前記中間層が上記（ｉｉ）の場合であるが、上記（ｉ）の場合であっても前記キャッピング層及び前記熱拡散層が単一の層である点を除いては、以下の実施形態と同一である。
図２は、本発明の一実施形態によるＬＥＤモジュールの構造を示す切開斜視図である。図２に示すように、ＬＥＤモジュールは、発光チップ２０と、発光チップ２０から放出された光を励起源として発光チップ２０から放出される光の波長より長い波長の光を放出する蛍光層３０と、発光チップ２０上に形成されて発光チップ２０を保護するキャッピング層２３と、キャッピング層２３と蛍光層３０との間に形成されて、発光チップ２０及び蛍光層３０から発生した熱を拡散する熱拡散層２６と、を備える。
発光チップ２０は、コップ状の内面３５ａを有するパッケージハウジング３５の内部に設置したサブマウント１５上に配置されている。パッケージハウジング３５の下部には、第１リードフレーム３７及び第２リードフレーム３９が、前記パッケージハウジング３５の外部に突出するように設けられている。第１リードフレーム３７及び第２リードフレーム３９は、発光チップ２０のｎ電極及びｐ電極とそれぞれ電気的に連結されている。発光チップ２０は、ｐ型半導体層、活性層、ｎ型半導体層を備える構造であって、第１リードフレーム３７及び第２リードフレーム３９を通じて発光チップ２０のｎ電極とｐ電極との間に電圧が印加されると、ｐ型半導体層の正孔とｎ型半導体層の電子とが活性層で結合して、光が生成する。このようにして生成した光は、発光チップ２０の外部へ放出される。この際、発光チップ２０で生成する光の波長は、活性層の材質及び構造によって変わるので、このような材質及び構造は、ＬＥＤモジュールで具現しようとする光の波長に応じて適切に決定される。
蛍光層３０は、発光チップ２０から放出された光を前記光の波長より長い波長の光へと変換させる蛍光物質からなっている。発光チップ２０で生成して放出された光が蛍光層３０に入射すると、入射した光は、蛍光層３０を形成する蛍光物質にエネルギーを伝達した後、低エネルギーの光、すなわち、より波長の長い光として放出される。
キャッピング層２３は、パッケージハウジング３５の底面から、発光チップ２０を覆う高さにまで亘って形成される。キャッピング層２３は、発光チップ２０を保護し、また、発光チップ２０との屈折率差を低減させて光抽出効率を向上させる。キャッピング層２３の材質としては、以下に限定されることはないが、例えば、樹脂のように、屈折率が高く、透光性に優れた物質が使用されうる。
熱拡散層２６は、発光チップ２０や蛍光層３０から発生する熱により蛍光層３０が劣化することを防止する役割を果たすものであって、キャッピング層２３と蛍光層３０との間に形成される。熱拡散層２６は、透光性物質に熱伝導性物質が混合されてなる。透光性物質としては、以下に限定されることはないが、例えば、樹脂が使用され、熱伝導性物質としては、以下に限定されることはないが、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＺｎＯのような物質が使用されうる。
熱拡散層２６は、このように、熱伝導性物質が含まれるように形成されるので、発光チップ２０や蛍光層３０から発生する熱を拡散及び放出する役割を果たす。例えば、結晶質シリカ（ＳｉＯ２）の熱伝導度は、２００×１０−４ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・℃であり、球形アルミナの熱伝導度は、８６０×１０−４ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・℃であって、樹脂の熱伝導度である１５×１０−４ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・℃に比べて非常に大きな値を有する。したがって、樹脂のような透光性物質に熱伝導性物質を混合した物質から形成される熱拡散層２６は、光を透過させつつ、また蛍光層３０や発光チップ２０から発生する熱を拡散及び放出させるので、温度による光特性の低下を抑えるという効果を奏する。熱拡散層２６を形成するに当たって、透光性物質に熱伝導性物質が混合される比率は、各物質によって具体的な熱伝導度及び透過率を考慮して決定される。
また、上記効果を倍加させるために、キャッピング層２３の材質を、上記熱拡散層３０と同様、透光性物質に熱伝導性物質が混合された物質から形成することも可能である。
図３Ａないし図３Ｃは、それぞれ本発明の構造と従来の構造との光出力飽和特性を比較するためのものであって、上記した従来の構造に関する比較対照、並びに本発明の構造に関する２つの実施形態（第１実施形態及び第２実施形態）についてのグラフである。第１実施形態及び第２実施形態は、図２の構造に対するキャッピング層２３及び熱拡散層２６を形成する物質が相違したものであって、他の構成は同じである。上記相違点は、表１の通りである。
表１で、ＳｉＯ２と樹脂との混合比は、１：１とした。また、実験に使用した発光チップ（図２の２０）から放出される光は、波長帯域が約４００ｎｍである紫色光に該当し、蛍光層（図２の３０）は緑色蛍光物質からなり、波長帯域が約５３５ｎｍである緑色光を放出する場合である。ＬＥＤモジュールの光出力飽和特性の測定は、電流の変化に対する光出力の変化を測定したものである。
比較対照の結果である図３Ａのグラフに示すように、複数個のサンプルに対して測定され、電流が約６６０ｍＡの場合、ほとんどのサンプルで光出力が飽和し始めるということが分かる。一方、それぞれ本発明の第１実施形態及び第２実施形態に該当する図３Ｂ及び図３Ｃの場合、電流が７００ｍＡの場合であっても光出力が飽和に達していないことが分かる。すなわち、同じ発光チップを使用したＬＥＤモジュールで、比較対照と第１実施形態及び第２実施形態との間で光出力の飽和特性が異なるということは、熱拡散層の有無に起因する。
図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ加速寿命テストにより、比較対照、第１実施形態及び第２実施形態のＬＥＤモジュールの寿命時間を予測したグラフである。各グラフは、温度８５℃、電流３５０ｍＡの条件で１００，０００時間測定し、前記測定結果に基づいたグラフフィッティングを行った結果である。予想寿命時間は、初期の光出力に対比して５０％の光出力に対応する時間で決まる。図４Ａに示すように、従来の構造に該当する比較対照の場合、寿命が約３，０００時間ないし４，５００時間と予想される。一方、図４Ｂに示すように、第１実施形態及び第２実施形態の場合、寿命がそれぞれ１５，０００時間及び４０，０００時間以上と予想されることが分かる。第１実施形態の場合、寿命が従来の構造に対比して約３.３倍ないし５倍向上し、第２実施形態の場合、寿命が約１３倍以上向上したことを示している。第１実施形態及び第２実施形態の双方とも、従来の構造に比べて寿命が著しく向上し、また、キャッピング層（図２の２３）も、熱拡散層（図２の２６）のように透光性物質に熱伝導性物質を混合して形成すると、寿命向上効果がはるかに大きいということが分かる。
次いで、本発明の実施形態についての光特性測定結果を説明する。
表２ないし表４は、それぞれ比較対照、第１実施形態及び第２実施形態についての蛍光転換効率（Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ＰＣＥ）を比較したものである。ＰＣＥは、ベアーチップ状態の光出力から、蛍光層で蛍光変換されずにそのまま放出される光出力を引いた量に対する、蛍光層で蛍光変換されて放出される光出力の割合を意味する。
表２を参照すれば、比較対照のＬＥＤモジュール８個のサンプルに対して測定された結果で、ＰＣＥの平均は、約６１．４６％である。
表３を参照すれば、第１実施形態のＬＥＤモジュール５個のサンプルに対して測定された結果で、ＰＣＥの平均は、約６１．８２％である。すなわち、比較対照と比較するとＰＣＥの差がほとんどないので、熱拡散層を採用しても光特性には影響が無いということが分かる。
表４を参照すれば、第２実施形態のＬＥＤモジュール５個のサンプルに対して測定された結果で、ＰＣＥの平均は、約５１．５９％である。これは、比較対照や第１実施形態に比べて約１０％低い数値である。これは、第２実施形態の場合、第１実施形態や従来の構造の場合より、ＳｉＯ２の含量が増大して、透光率に有意に影響を及ぼした結果と見られる。したがって、第１実施形態のように、キャッピング層を透光性物質のみから構成するか、または第２実施形態のように、光特性を多少犠牲にしても、さらに長寿命を有するように、透光性物質に熱伝導性物質を混合して形成するかは、光出力特性及び寿命時間を考慮して選択できる。また、上記実施形態においては、透光性物質（樹脂）及び熱伝導性物質（ＳｉＯ２）を１：１の比率で使用したが、前記比率を変化させることによっても、ＬＥＤモジュールの光出力特性及び寿命時間を所望のバランスにすることが可能である。
以上のような本願発明のＬＥＤモジュールについて、理解を容易にするために、添付された図面や表を参照しつつ説明したが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態の実施が可能であるという点が理解できるであろう。したがって、本発明の真の保護範囲は、特許請求の範囲によって決まらねばならない。
本発明は、発光ダイオードモジュールに関連した技術分野に好適に適用されうる。
１ 発光チップ、
３ 第１樹脂層、
４ 蛍光層、
５ 第２樹脂層、
６ ベース、
１５ サブマウント、
２０ 発光チップ、
２３ キャッピング層、
２６ 熱拡散層、
３０ 蛍光層、
３５ パッケージハウジング、
３５ａ コップ状の内面、
３７ 第１リードフレーム、
３９ 第２リードフレーム。
３ 第１樹脂層、
４ 蛍光層、
５ 第２樹脂層、
６ ベース、
１５ サブマウント、
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２３ キャッピング層、
２６ 熱拡散層、
３０ 蛍光層、
３５ パッケージハウジング、
３５ａ コップ状の内面、
３７ 第１リードフレーム、
３９ 第２リードフレーム。
Claims (11)
- 発光チップと、
前記発光チップから放出された光を、前記光の波長より長波長の光へと変換させる蛍光物質を含む蛍光層と、
前記発光チップ及び前記蛍光層の間に配置される、前記発光チップを保護するとともに前記発光チップ及び前記蛍光層から発生した熱を拡散させる一以上の中間層と、
を備える、発光ダイオードモジュール。 - 前記中間層が、
前記発光チップ上に形成されて前記発光チップを保護するキャッピング層と、
前記キャッピング層及び前記蛍光層の間に配置されて、前記発光チップ及び前記蛍光層から発生した熱を拡散させる熱拡散層と、
からなる、請求項１に記載の発光ダイオードモジュール。 - 前記熱拡散層が、熱伝導性物質及び透光性物質の混合物からなる、請求項２に記載の発光ダイオードモジュール。
- 前記熱伝導性物質が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＺｎＯから選択される１種以上である、請求項３に記載の発光ダイオードモジュール。
- 前記透光性物質が樹脂である、請求項３または４に記載の発光ダイオードモジュール。
- 前記熱拡散層が、樹脂及びＳｉＯ２を１：１の割合で混合した物質からなる、請求項２〜５のいずれか１項に記載の発光ダイオードモジュール。
- 前記キャッピング層が樹脂からなる、請求項２〜６のいずれか１項に記載の発光ダイオードモジュール。
- 前記キャッピング層は、熱伝導性物質及び透光性物質の混合物からなる、請求項２〜６のいずれか１項に記載の発光ダイオードモジュール。
- 前記熱伝導性物質が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＺｎＯから選択される１種以上である、請求項８に記載の発光ダイオードモジュール。
- 前記透光性物質が樹脂である、請求項８または９に記載の発光ダイオードモジュール。
- 前記キャッピング層が、樹脂及びＳｉＯ２を１：１の割合で混合した物質からなる、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の発光ダイオードモジュール。
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