JP2007329177A - 光素子および発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特性のばらつきが少なく、より均一に光を変換する光変換素子を提供する。
【解決手段】
Ａｌ₂Ｏ₃単結晶とＣｅ³⁺イオンをドーピングしたＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶が連続的かつ三次元的に相互に絡み合って形成されているＭＧＣ１１の周囲をＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶の屈折率１．８２よりも高い屈折率を持つ透明物質１２で被覆する。これにより、青色光を入射させると、Ｃｅ³⁺イオンを励起して黄色光を放射する。青色光と黄色光が透明物質１２内で十分に混色することにより、より均一な白色光を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置に用いられ、入射した可視光を別の色に変換する光素子の技術に関する。

近年、発光ダイオードが照明として用いられている。照明には白色光が最適であることから、白色発光ダイオードの研究開発が盛んに行われている。照明に用いられる発光ダイオードとして特許文献１や特許文献２に記載のものが知られている。

従来の白色発光ダイオードは、図８に示すように、青色光を放射する発光素子８１を凹部８３の底面に配置し、蛍光体を含有させた透明樹脂８２で封入した構造をしている。発光素子８１から放射された青色光によって蛍光体が励起されて黄色光を発光する。その結果、青色光と黄色光が混色して白色光を発光する白色発光ダイオードが得られる。なお、発光素子８１の発光色と透明樹脂８２に含有された発光体の発光色を変えることにより、各種の発光色を有する発光ダイオードを作製することができる。

一方、高温構造材料の分野で、曲げ強さや、熱安定性、耐クリープ性に優れた材料としてＭＧＣ（Melt Growth Composite：融液成長複合材料）が知られている（特許文献３、非特許文献１、非特許文献２参照）。ＭＧＣは、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃の単結晶とＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂の単結晶が単結晶を維持したまま、連続的かつ３次元的に相互に絡み合って形成され、境界部分にアモルファス層のないセラミック複合材料である。

ＭＧＣのＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂の単結晶内にＣｅ³⁺イオンをドーピングすれば光変換素子として利用できる。例えば、図９に示すように、板状に加工したＭＧＣ９１に発光素子９０の青色光を照射すると、ＭＧＣ９１のＡｌ₂Ｏ₃単結晶９３内では青色光９４はそのまま透過するが、ＭＧＣ９１のＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶９２内を通過した光はＣｅ³⁺イオンを励起して黄色光９５を放射する。また、それぞれの結晶の屈折率は、Ａｌ₂Ｏ₃が１．７６、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂が１．８２であってわずかに異なっており、各結晶は連続的かつ３次元的に絡み合って形成されているためＭＧＣ９１内で青色光９４と黄色光９５が混色しながら散乱、拡散されるので、より均一で効率のよい白色光９６が得られる。なお、光変換素子としてＭＧＣを用いた発光ダイオードとして特許文献４に記載のものが知られている。
特許第３７２４４９０号公報 特許第３７２４４９８号公報 特許第３２１６６８３号公報 特開２００６−４９４１０号公報 Nature、Vol. 389、No. 6646、p.49-52 Journal of the Europian Ceramic Society、25(2005)、p.1441-1445

しかしながら、図８のように発光素子８１の周囲を蛍光体を含有させた透明樹脂８２で被覆した従来の構造では、蛍光体の濃度が高くなる、あるいは、透明樹脂８２の厚みが厚くなることにより、蛍光体による吸収が増えて青色透過光が減少するため、混色された光は黄色が強くなってしまう。このため、発光ダイオードの発光強度と色度、空間分布が発光体の濃度や樹脂ポッティングの状態に敏感に影響を受けて変化するので、製品特性の広いばらつきや低い歩留まりの原因となる。

また、図９のように、ＭＧＣを光変換素子として使用する場合では、ＭＧＣを構成するＡｌ₂Ｏ₃単結晶相とＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶相の分布間隔が大きいとおよそ２００μｍにも達し、分布間隔が大きい場合には、ＭＧＣ表面付近では青色光と黄色光が十分混色されずに、青色と黄色の光分布が生じていることが観察される。このような光分布が生じている光源をレンズ投影して使用すると、色分布がそのまま現れてしまうことがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、発光強度と色度、空間分布などの特性のばらつきが少なく、より均一に光を変換する光変換素子を提供することにある。

第１の本発明に係る光素子は、１種類以上の単一金属酸化物の単結晶と１種類以上の複合金属酸化物の単結晶が連続的かつ立体的に相互に絡み合って形成されたセラミック複合体と、セラミック複合体の周囲を被覆して配置された金属酸化物各々の屈折率と異なる少なくとも１種類以上の透明物質と、を有することを特徴とする。

本発明にあっては、１種類以上の単一金属酸化物の単結晶と１種類以上の複合金属酸化物の単結晶が連続的かつ立体的に相互に絡み合って形成されたセラミック複合体の周囲を金属酸化物各々の屈折率と異なる少なくとも１種類以上の透明物質で被覆することにより、光素子に入射した光は、透明物質と光素子の内部に閉じ込められて拡散導波するので、より均一な出射光を得ることができる。

上記光素子において、各金属酸化物の少なくとも１種類以上に発光体をドーピングしたことを特徴とする。

本発明にあっては、セラミック複合体の金属酸化物に発光体をドーピングすることにより、光素子に入射した光が発光体を励起して異なる波長の光を放射するとともに、透明物質内部で入射した光と励起して放射した光が混色するので、より均一な混色光を放射する光変換素子を提供することができる。

上記光素子において、発光体は、Ｃｅ³⁺であることを特徴とする。

本発明にあっては、発光体にＣｅ³⁺を用いることにより、光素子に青色光が入射された際に、Ｃｅ³⁺が励起され黄色光が放射されるとともに、透明物質内部で青色光と黄色光が混色ので、より均一な白色光を得ることができる。

また、透明物質のうち少なくとも１種類は、金属酸化物各々の屈折率よりも高い屈折率であって、厚さが１μｍ以上であることが、透明物質内に光を閉じ込めて十分に混色するうえで望ましい。

また、透明物質は、金属酸化物各々の屈折率よりも低い屈折率であって、透明物質の厚さの合計が２００μｍ以上であることが、透明物質内に光を閉じ込めて十分に混色するうえで望ましい。

また、セラミック複合体は複数種類の透明物質により被覆されており、透明物質は外側に向かって屈折率が低くなるように配置されていることが、光出力を得るうえで望ましい。

上記光素子において、単一金属酸化物がＡｌ₂Ｏ₃であり、複合金属酸化物がＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂であることを特徴とする。

上記光素子において、セラミック複合体は板状であって、透明物質はセラミック複合体の上面および下面を被覆していることを特徴とする。

第２の本発明に係る発光装置は、第１の本発明に係る光素子を、発光素子を配置するための内壁が傾斜した凹部に充填された透明樹脂の上面に配置したことを特徴とする。

本発明にあっては、第１の本発明に係る光素子を発光素子の凹部に充填された透明樹脂の上面に配置することにより、発光素子から放射された光は、透明樹脂の上面に配置された光素子を透過するので、光素子内部で混色され、より均一な光を得ることができる。

第３の本発明に係る発光装置は、第１の本発明に係る光素子を、発光素子を配置するための内壁が傾斜した凹部に透明樹脂で封入したことを特徴とする。

本発明にあっては、第１の本発明に係る光素子を発光素子の凹部に透明樹脂で封入することにより、透明樹脂内でも混色されるので、より均一な光を得ることができる。

本発明によれば、発光強度と色度、空間分布などの特性のばらつきが少なく、より均一に光を変換する光変換素子を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本実施の形態における光素子の構成を示す断面図である。同図に示す光素子１は、Ａｌ₂Ｏ₃単結晶とＣｅ³⁺イオンをドーピングしたＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶が連続的かつ三次元的に相互に絡み合って形成されているＭＧＣ１１の周囲をＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶の屈折率１．８２よりも高い屈折率を持つ透明物質１２で覆った構造である。

Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶には、Ｃｅ³⁺イオンがドーピングされており、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶を通過する青色光はＣｅ³⁺を励起し、黄色光を発光する。Ａｌ₂Ｏ₃単結晶は透過率が高いためＭＧＣ１１内での平均的透過率は３０％であり、入射した青色光の３０％はそのまま透過する。ＭＧＣ１１より高い屈折率を持つ透明物質１２でＭＧＣ１１を覆うことにより、ＭＧＣ１１と透明物質１２の界面では光が透過しやすくなり、透明物質１２とその外側の界面では光の閉じ込めが起こり、青色光と黄色光が十分混色され、より均一な白色光を放射することが可能となる。

透明物質１２は、照射される光の波長以上の厚みを有することにより、光を閉じ込めて十分に混色することができるので、真空製膜法や塗工法などを用いて１μｍ以上の膜厚で形成する。

また、ＭＧＣ１１の屈折率よりも低い屈折率の透明物質１２を用いる場合には、透明物質１２を通過する光路長を長くするために透明物質１２の厚さをＡｌ₂Ｏ₃単結晶相とＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶相の分布間隔より大きい２００μｍ以上にすることにより、混色を促すことができる。

図２は、本光素子を発光装置に実装した様子を示す断面の一部を表す図である。同図に示す発光装置は、内壁が傾斜した凹部２３を備え、凹部２３の底面に波長が４００ｎｍ〜５００ｎｍの青色光を発光する発光素子２１を配置し、発光素子２１が放射した青色光を白色光に変換するために、光素子１を発光素子２１の上方に配置し、凹部２３に透明樹脂２２を流し込んで発光素子２１と光素子１を封入したものである。

光素子１の透明物質１２より低い屈折率を有する透明樹脂２２で光素子１を封入することにより、光素子１と透明樹脂２２との境界で光の閉じ込めが発生するので、Ａｌ₂Ｏ₃単結晶を透過した青色光とＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶で発光した黄色光が光素子１内部で十分に混色される。さらに、透明樹脂２２と発光装置上部の空気層との境界においても、光の閉じ込めが発生することにより、透明樹脂２２内部においてもよく混色されるので、発光装置はより均一な白色光を得ることができる。また、透明物質１２の屈折率により透明樹脂２２の屈折率が低く、さらに空気の屈折率が低いために、光素子から出射される光を効率よく空気中に放射することができる。

図３は、本実施の形態における別の光素子の構成を示す断面図である。同図に示す光素子３は、図１に示したものをさらに別の透明物質１３で覆ったものである。ＭＧＣ１１より屈折率が高い透明物質１２でＭＧＣ１１を覆った場合には、光の混色には効果的だが、光の取り出しが悪くなる。透明物質１２より低い屈折率を有する透明物質１３で覆うことにより、放射される光の取り出しを向上させることができる。

図４は、図３に示した光素子３を発光装置に実装した様子を示す断面の一部を表す図である。図４に示す発光装置は、図２に示したものに対して光素子１を光素子３に変更したものである。透明樹脂２２の屈折率は透明物質１３の屈折率より低いことが望ましい。

図５は、本光素子を別の発光装置に実装した様子を示す断面の一部を表す図である。同図に示す発光装置は、光素子１を透明樹脂２２内に埋め込むのではなく、透明樹脂２２の上面に配置したものである。なお、透明樹脂２２の上面に配置する光素子は、図１に示した光素子１よりも、図３に示した光素子３のほうがより高出力を得ることができる。

図６は、本実施の形態におけるさらに別の光素子の構成を示す断面図である。同図に示す光素子６は、ＭＧＣ１１が板状であり、ＭＧＣ１１の上面および下面が透明物質１２で被覆されている。ＭＧＣ１１が板状の場合には、ＭＧＣ１１の側面から取り出される光は少ないので、ＭＧＣ１１の上面および下面のみを透明物質１２で覆う構成でもよい。

図７は、本実施の形態におけるさらに別の光素子の構成を示す断面図である。同図に示す光素子は、ＭＧＣ１１を覆う透明物質１４でさらに発光素子２１も覆い、発光装置内に直接実装したものである。透明物質１４は、図２に示した発光装置で用いた凹部に流し込んだ透明樹脂２２と同じものでよい。この場合も、ＭＧＣ１１を屈折率の低い物質で被覆して十分な光路長を確保したときと同様の効果が得られる。

次に、本実施の形態における光素子の製造方法について説明する。

厚さ０．２ｍｍのＭＧＣの周囲にプラズマ化学気相成長法で屈折率２．０のＳｉ₃Ｎ₄を２μｍほど形成する。さらに、その周囲を屈折率１．４６のＳｉＯ₂で２μｍ形成してもよい。

次に、発光装置への実装方法について説明する。

光素子を実装する発光装置は、開口部直径２．５ｍｍ、底部直径１ｍｍ、深さ１ｍｍのコーン型をした凹部を有し、この凹部の底面に３５０μｍ角の青色発光ダイオードを銀ペーストを用いて接着し、さらに、直径２０μｍの金線でワイヤボンディングする。

続いて、屈折率１．４のシリコン系樹脂を凹部の深さの半分ほど流し込み、その表面に光素子を載せ、さらに、シリコン系樹脂を凹部に流し込む。そして、１５０℃で２時間ほど空気中に放置し、シリコン系樹脂を硬化させる。

なお、Ｓｉ₃Ｎ₄などで被覆したＭＧＣの換わりに、透明物質で被覆していないＭＧＣを使用することにより、図７で示した発光装置を作製することができる。

また、光素子をシリコン系樹脂の表面に実装する場合には、シリコン系樹脂を凹部の上面まで流し込み、シリコン系樹脂の表面に光素子を載せて作製する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、Ａｌ₂Ｏ₃単結晶とＣｅ³⁺イオンをドーピングしたＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶からなるＭＧＣ１１の周囲をＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶の屈折率１．８２よりも高い屈折率を持つ透明物質１２で覆うことにより、青色光をＭＧＣ１１に入射した際に、Ａｌ₂Ｏ₃単結晶を透過する青色光とＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶を通過する際にＣｅ³⁺イオンを励起して放射される黄色光が透明物質１２とＭＧＣ１１内に光が閉じ込められ、十分混色されるので、より均一な白色光を得ることができる。

本実施の形態によれば、Ａｌ₂Ｏ₃単結晶とＣｅ³⁺イオンをドーピングしたＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶からなるＭＧＣ１１の周囲を屈折率がＭＧＣ１１より低い１．２〜１．９の透明物質１２で覆う場合には、光路長を２００μｍ以上にすることにより混色が促されて、より均一な白色光を得ることができる。

なお、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶にＣｅ³⁺イオンをドーピングしていないＭＧＣを透明物質で覆った光素子に光を入射させた場合には、屈折率の異なるＡｌ₂Ｏ₃単結晶とＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶が連続的かつ３次元的に相互に絡み合って形成されていることにより、入射された光は分布しながら拡散導波するので、光拡散素子として利用できる。この場合に、拡散後の光を均一な光として利用するためには、Ｃｅ⁺³イオンをドーピングした場合と同様にＭＧＣの周囲を屈折率の異なる物質で覆うことが有効である。ただし、混色を有効にする光閉じ込めと光出力を向上させる光取り出しは、相反する関係であるので、ＭＧＣを被覆する各層の屈折率と層数の最適化が重要である。

また、ＭＧＣを被覆する透明物質は、ＡｌＮ，ＧａＮ，ＳｉＣ，ＺｎＯ，ダイアモンド，ＤＬＣ（ダイアモンドライクカーボン），ＢＮ，ＳｉＯ₂，Ｉｎ₂Ｏ₃，ＳｎＯ₂，ＭｇＯ，ＴｉＯ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＩＴＯ（インジウムとすずの酸化物），ＩＺＯ（インジウムと亜鉛の酸化物），エポキシ系樹脂，シリコン系樹脂などが考えられる。形成方法は、蒸着、スパッタ、イオンプレーティング、化学気相成長法、塗工法などが利用できる。

ＭＧＣに２種類以上の単一金属酸化物や、２種類以上の複合金属酸化物が含まれていてもよい。ＭＧＣを構成する単一金属酸化物および複合金属酸化物の他の例は、特許文献４に記載されている。

本実施の形態における光素子の構成を示す断面図である。 図１の光素子を発光装置に実装した様子を示す断面図である。 本実施の形態における別の光素子の構成を示す断面図である。 図３の光素子を発光装置に実装した様子を示す断面図である。 図１の光素子を発光装置に実装した別の様子を示す断面図である。 本実施の形態におけるさらに別の光素子の構成を示す断面図である。 本実施の形態におけるさらに別の光素子を発光装置に実装した様子を示す断面図である。 従来の白色発光ダイオードの構成を示す断面図である。 ＭＧＣを光変換素子として利用して従来の青色発光ダイオードの放射光を白色に変換する様子を示す模式図である。

符号の説明

１，３，６…光素子
１１…ＭＧＣ
１２，１３，１４…透明物質
２１…発光素子
２２…透明樹脂
２３…凹部
８１，９０…発光素子
８２…透明樹脂
８３…凹部
９１…ＭＧＣ
９２…Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶
９３…Ａｌ₂Ｏ₃単結晶
９４…青色光
９５…黄色光
９６…白色光

Claims (10)

1. １種類以上の単一金属酸化物の単結晶と１種類以上の複合金属酸化物の単結晶が連続的かつ立体的に相互に絡み合って形成されたセラミック複合体と、
   前記セラミック複合体の周囲を被覆して配置された前記金属酸化物各々の屈折率と異なる少なくとも１種類以上の透明物質と、
   を有することを特徴とする光素子。
2. 前記単一金属酸化物がＡｌ₂Ｏ₃であり、前記複合金属酸化物がＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂であることを特徴とする請求項１に記載の光素子。
3. 前記各金属酸化物の少なくとも１種類以上に発光体をドーピングしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光素子。
4. 前記発光体は、Ｃｅ³⁺であることを特徴とする請求項３に記載の光素子。
5. 前記透明物質のうち少なくとも１種類は、前記金属酸化物各々の屈折率よりも高い屈折率であって、厚さが１μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光素子。
6. 前記透明物質は、前記金属酸化物各々の屈折率よりも低い屈折率であって、前記透明物質の厚さの合計が２００μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光素子。
7. 前記セラミック複合体は複数種類の前記透明物質により被覆されており、前記透明物質は外側に向かって屈折率が低くなるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光素子。
8. 前記セラミック複合体は板状であって、前記透明物質は前記セラミック複合体の上面および下面を被覆していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光素子。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の光素子を、発光素子を配置するための内壁が傾斜した凹部に充填された透明樹脂の上面に配置したことを特徴とする発光装置。
10. 請求項１乃至８のいずれかに記載の光素子を、発光素子を配置するための内壁が傾斜した凹部に透明樹脂で封入したことを特徴とする発光装置。
    

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