JP2009224656A - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 色温度の調整が可能であり、色温度の調整時の混色の均一性に優れた発光装置を提供すること。
【解決手段】 発光装置は、底面に互いに対向する方向に傾斜した複数の傾斜面11a,11bが形成された凹部10aを有する基体10と、傾斜面11a,11bのそれぞれに設置された発光素子13a,13bと、発光素子13a,13bのそれぞれを覆うように設けられた、各発光素子13a,13bから発光された光を互いに異なる波長の光20a,20bにそれぞれ変換する波長変換部材14a,14bとを有する。
【選択図】 図1
【解決手段】 発光装置は、底面に互いに対向する方向に傾斜した複数の傾斜面11a,11bが形成された凹部10aを有する基体10と、傾斜面11a,11bのそれぞれに設置された発光素子13a,13bと、発光素子13a,13bのそれぞれを覆うように設けられた、各発光素子13a,13bから発光された光を互いに異なる波長の光20a,20bにそれぞれ変換する波長変換部材14a,14bとを有する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、発光ダイオード(LED)を用いた発光装置に関するものであり、特に色温度が調整可能な発光装置に関する。
化学式AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1)で表される窒化ガリウム系化合物半導体を用いて、紫外光、青色光、緑色光等を発光する発光素子である発光ダイオード(LED)、半導体レーザ(LD)等の開発が盛んに行われている。窒化ガリウム系化合物半導体は、AlN,InN,GaN等の組み合わせにより、AlGaN,InGaN,InGaAlN等の混晶を形成できる。このような混晶は、その構成元素及び組成を選択することによりバンドギャップを変化させることができることから、可視光領域から紫外光領域までの発光が可能となる。また、上記の発光ダイオードと蛍光体を組み合わせることにより、白色光を発光する発光装置への応用が行われている。
白色光を得るために、現在の多くの発光装置が青色光を発光する青色LEDと、黄色光を発光する黄色蛍光体との組合せによるものである。また、一部の発光装置は、紫外光を発光する紫外LEDと、赤色蛍光体、緑色蛍光体及び青色蛍光体との組合せによるものであ(例えば、特許文献1参照)。
また、白色光の発光装置の中には、発光する色によりやや赤みがかった白色光(いわゆる電球色光)を発光するもの、太陽光に近い白色光を発光するもの等の多くの種類がある。一般に、このような発光色を定義するものとして色温度がある。色温度(単位:K(ケルビン))は理想的な黒体のある温度における放射光の波長分布によって規定されるものであり、温度が低い時は黒体の色は暗いオレンジ色であり、温度が高くなるにつれて黒体の色は黄色みを帯びた白色になり、さらに高くなると黒体の色は青みがかった白色に近くなる。
従来のLEDを用いた発光装置においては、蛍光体の種類、量を調整することにより色温度を選択している。しかし、1つの発光装置において異なる色温度の光を発光させること、また色温度を調整可能とすることはできなかった。
そこで、色温度を調整するために、異なる色温度の光を発光する発光装置をそれぞれ器具内に配置してランプユニットにし、それぞれの発光装置を別々に制御することによって、混色による色温度を調整していた。
また、発光装置において色温度を調整可能とするために、複数のLEDチップとそれに対応する複数の蛍光体による色変換領域を有する構成の発光装置が、特許文献2に記載されている。
特開平10−242513号公報
特開2007−80880号公報
しかしながら、色温度を調整するために異なる色温度の光を発光する発光装置を器具内に配置したランプユニットにおいては、所定の色温度の光を発光する1個の発光素子が1つのパッケージに収納された発光装置を交互に配列する構成であるが、発光装置同士の間が離れているために、互いに異なる色温度の光を発光する発光装置を同時に発光させて色温度を調整する際に、混色性が高くないために各色光が均一に混ざりにくく、色むらが生じるという問題点がある。
また、特許文献2に記載された構成の発光装置においては、調色は可能となるが、発光素子と色変換領域が遮光壁によって区切られているため、それぞれの色温度の光を個別に発光させる場合は問題ないが、同時に発光させて色温度を調整する際には各色光が均一に混ざりにくく、やはり色むらが生じる可能性がある。
従って、本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、色温度の調整が可能であり、色温度の調整時の混色の均一性に優れた発光装置を提供することである。
本発明の発光装置は、底面に互いに対向する方向に傾斜した複数の傾斜面が形成された凹部を有する基体と、前記傾斜面のそれぞれに設置された発光素子と、前記発光素子のそれぞれを覆うように設けられた、前記各発光素子から発光された光を互いに異なる波長の光にそれぞれ変換する波長変換部材とを具備しているものである。
また、本発明の発光装置は好ましくは、前記波長変換部材は蛍光体を含む透明部材から成る。
また、本発明の発光装置は好ましくは、前記基体の前記凹部の内面に光反射層が形成されている。
また、本発明の発光装置は好ましくは、前記傾斜面の傾斜角度が0°より大きく30°未満である。
本発明の発光装置は、底面に互いに対向する方向に傾斜した複数の傾斜面が形成された凹部を有する基体と、傾斜面のそれぞれに設置された発光素子と、発光素子のそれぞれを覆うように設けられた、各発光素子から発光された光を互いに異なる波長の光にそれぞれ変換する波長変換部材とを有することから以下の作用効果を奏する。
発光素子のパッケージとしての基体の底面に互いに対向する方向に傾斜した複数の傾斜面が形成され、それらの傾斜面のそれぞれに発光素子が設置されていることから、発光装置の発光中心が基体の凹部の底面の中心付近となる。その結果、発光素子から発光した色温度が異なる光が基体の凹部の底面の中心付近で最大強度で均一に混ざることとなる。従って、それぞれの発光素子の出力を制御して色温度を調整する際に、それらの光が発光装置の中心付近で均一に混ざり合い、発光装置として均一な色温度の光を出射することが可能となる。
また、基体の底面に傾斜面が形成されていることによって、発光素子から発光された光に対して基体の内面に回折角が異なる面が存在することとなり、傾斜面が形成されていない基体においては取り出すことができなかった光を容易に外部に取り出すことが可能となる。その結果、発光装置の光取り出し効率及び出力を向上させることができる。
また、それぞれの発光素子を覆うように波長変換部材が設けられていることから、発光素子間に遮光壁を設けることなく、いずれかの発光素子を駆動することによって単一の色温度の光を出力することが可能となる。
また、各発光素子から発光された光を互いに異なる波長の光にそれぞれ変換する波長変換部材を有することから、発光する発光素子の出力をそれぞれ制御することにより、任意の色温度の光を発光することが可能となる。
また、本発明の発光装置は好ましくは、波長変換部材は蛍光体を含む透明部材から成ることから、発光素子から発光した光を波長変換部材において損失を発生させずに波長変換することができる。また、波長変換部材に含まれる蛍光体の種類または量を制御することにより、所望の色温度の白色光等を得ることができる。
また、本発明の発光装置は好ましくは、基体の凹部の内面に光反射層が形成されていることから、発光素子から発光した光を効率よく波長変換部材に到達させることができる。また、波長変換部材により波長変換された光も効率よく基体から外部に放射することが可能となり、発光効率の高い発光装置とすることができる。
また、本発明の発光装置は好ましくは、傾斜面の傾斜角度が0°より大きく30°未満であることから、各波長変換部材により互いに異なる波長に変換された各発光素子からの光を、より均一に混合することが可能となる。また、それぞれの発光素子の出力を制御して色温度を調整する際に、複数の色温度の光がより中心付近で均一に混ざり合い、より均一な色温度の光を出力することが可能となる。
また、傾斜面の傾斜角度が0°より大きく30°未満である場合、発光装置からの距離が数10cm程度で照射面積が3600cm2(60cm四方)程度の、照明装置における実効的な照射領域を、最大強度でかつほぼ均一に照射することができる。
以下、本実施の形態の発光装置について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1は本実施の形態の発光装置の一例を示す断面図である。図1において、10は発光素子のパッケージとしての基体、10aは基体10の上面に形成された凹部、11a,11bは基体10の凹部の底面に形成された傾斜面、12a,12bはサブマウント基板、13a,13bは発光素子、14a,14bは発光素子13a,13bより出力した光をそれぞれ異なる波長に変換する蛍光体を含有する波長変換部材、20a,20bは波長変換部材14a,14bからそれぞれ出力された互いに波長の異なる光である。
本実施の形態の発光装置は、底面に互いに対向する方向に傾斜した複数の傾斜面11a,11bが形成された凹部10aを有する基体10と、傾斜面11a,11bのそれぞれに設置された発光素子13a,13bと、発光素子13a,13bのそれぞれを覆うように設けられた、各発光素子13a,13bから発光された光を互いに異なる波長の光20a,20bにそれぞれ変換する波長変換部材14a,14bとを有する。
上記の構成により、発光素子13a,13bのパッケージとしての基体10の底面に互いに対向する方向に傾斜した複数の傾斜面11a,11bが形成され、それらの傾斜面11a,11bのそれぞれに発光素子13a,13bが設置されていることから、発光装置の発光中心が基体10の凹部10aの底面の中心付近となる。その結果、発光素子13a,13bから発光した色温度が異なる光20a,20bが基体10の凹部10aの底面の中心付近で最大強度で均一に混ざることとなる。従って、それぞれの発光素子13a,13bの出力を制御して色温度を調整する際に、それらの光20a,20bが発光装置の中心付近で均一に混ざり合い、発光装置として均一な色温度の光を出射することが可能となる。
また、基体10の底面に傾斜面11a,11bが形成されていることによって、発光素子13a,13bから発光された光に対して基体10の内面に回折角が異なる面が存在することとなり、傾斜面11a,11bが形成されていない基体10においては取り出すことができなかった光を容易に外部に取り出すことが可能となる。その結果、発光装置の光取り出し効率及び出力を向上させることができる。
また、それぞれの発光素子13a,13bを覆うように波長変換部材14a,14bが設けられていることから、発光素子13a,13b間に遮光壁を設けることなく、いずれかの発光素子13a,13bを駆動することによって単一の色温度の光を出力することが可能となる。
また、各発光素子13a,13bから発光された光を互いに異なる波長の光20a,20bにそれぞれ変換する波長変換部材14a,14bを有することから、発光素子13a,13bの出力をそれぞれ制御することにより、任意の色温度の光を発光することが可能となる。
本実施の形態の発光装置は、発光素子13a,13bは基体10の凹部10aの底面に形成された斜面面11a,11bに、サブマウント基板12a,12bを介して設置されている。サブマウント基板12a,12bは、Al2O3(アルミナ),AlN(窒化アルミニウム)等のセラミックスから成り、発光素子13a,13bに駆動電力を入力するための配線パターン等が形成されている。
基体10は、Al2O3(アルミナ),AlN(窒化アルミニウム)等のセラミックス、樹脂、金属等からなる。基体10の凹部10aの底面には、互いに対向する方向に傾斜した複数の傾斜面11a,11bが形成されている。
互いに対向する方向に傾斜した複数の傾斜面11a,11bとは、換言すれば、縦断面において複数の傾斜面11a,11bのそれぞれの法線が交差するように傾斜していることを意味する。あるいは、縦断面において複数の傾斜面11a,11bの面方向の成す角度が180°未満であることを意味する。
また、複数の傾斜面は、凹部10aの底面及び内面に3つ以上形成してもよい。
基体10は、直方体、円柱、多角柱等の形状とすることができ、凹部10aは、四角筒形状、円筒形状、多角筒形状等の形状とすることができる。図1は、直方体の基体10に四角筒形状の凹部10aを形成した場合を示す。
また、基体10の凹部10aの内面に光反射層が形成されていることが好ましい。光反射層はAl(アルミニウム),Ag(銀),Rh(ロジウム)等の光反射性を有する金属層から成る。この場合、発光素子13a,13bから発光した光を効率よく波長変換部材14a,14bに到達させることができる。また、波長変換部材14a,14bにより波長変換された光20a,20bも効率よく基体10から外部に放射することが可能となり、発光効率の高い発光装置とすることができる。
また、傾斜面の傾斜角度が0°より大きく30°未満であることが好ましい。この場合、各波長変換部材14a,14bにより互いに異なる波長に変換された各発光素子13a,13bからの光20a,20bを、より均一に混合することが可能となる。また、それぞれの発光素子13a,13bの出力を制御して色温度を調整する際に、複数の色温度の光20a,20bがより中心付近で均一に混ざり合い、より均一な色温度の光を出力することが可能となる。
また、傾斜面11a,11bの傾斜角度が0°より大きく30°未満である場合、発光装置からの距離が数10cm程度で照射面積が3600cm2(60cm四方)程度の、照明装置における実効的な照射領域を、最大強度でかつほぼ均一に照射することができる。
発光素子13a,13bは、サファイアなどの基板上に化学式AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)で表される窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光ダイオード(LED)から成る。窒化ガリウム系化合物半導体は、AlN,InN,GaN等の組み合わせにより、AlGaN,InGaN,InGaAlN等の混晶を形成でき、バンドギャップを変化させることができることから、可視光領域から紫外光領域までの発光が可能である。
このような発光素子13a,13bは、サファイア,GaN等から成る基板上に、化学式AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)で表される各種窒化ガリウム系化合物半導体層を有機金属気相成長(MOVPE)法等により形成して作製される。例えば、基板上に、n型窒化ガリウム系化合物半導体層、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層とての活性層、p型窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させ、さらにn型窒化ガリウム系化合物半導体層の上面の露出部にn型電極を形成し、p型窒化ガリウム系化合物半導体層の上面にp型電極を形成して作製される。基板としてGaN基板などの導電性基板を用いた場合、窒化ガリウム系化合物半導体層を形成する面と反対側の面をn型電極として用いることも可能である。
発光素子13a,13bから発光する光の波長は365nm〜405nm程度の紫外光、近紫外光であることが、色の見えやすさを表す指標である演色性を高くできる点で好ましい。青色発光素子と黄色蛍光体とを用いた従来の発光装置においては、色温度を低くするために赤色蛍光体をさらに用いる必要があるが、赤色蛍光体を用いると変換効率が低下する。それに対して、本実施の形態のように紫外光、近紫外光により色温度を制御する場合、色温度を低くしても変換効率の低下がない。
また、波長変換部材14a,14bは蛍光体を含む透明部材からなることが好ましい。発光素子13a,13bから発光した光を波長変換部材14a,14bにおいて損失を発生させずに波長変換することができる。また、波長変換部材14a,14bに含まれる蛍光体の種類または量を制御することにより、所望の色温度の白色光等を得ることができる。波長変換部材14a,14bは、発光素子13a,13bのそれぞれの直上に発光素子13a,13bを覆うように配置される。透明部材はシリコーン系樹脂等から成り、その中に赤色蛍光体、緑色蛍光体、青色蛍光体を含んでいる。これらの蛍光体の種類、量、配合等を調整することにより、色温度が低い3000K程度の電球色光、7000K程度の白色光を得ることができる。
本実施の形態の一例では、発光素子13a,13bからの波長365nm〜405nm程度の紫外光、近紫外光を受け、波長変換部材14aは3000K程度の電球色光を発生し、波長変換部材14bは7000K程度の白色光を発生するように、それぞれ蛍光体を混合している。
波長変換部材14a,14bに含まれる蛍光体としては、赤色蛍光体としてはLa2O2S:Eu(EuドープLa2O2S),緑色蛍光体としてはZnS:Cu,Al(Cu,AlドープZnS),青色蛍光体としてはBaMgAl10O17:Eu(EuドープBaMgAl10O17)等がある。これらの蛍光体の配合比を変えることにより色温度を変えることが可能となる。
従って、発光素子14aのみを駆動することによって3000Kの電球色光を発光させることができ、また、発光素子14bのみを駆動することによって7000Kの白色光を発光することができる。さらに、発光素子14a,14bの駆動電力を個々に制御することによって、3000K〜7000Kの間の任意の色温度の光を均一に発光することが可能となる。
波長変換部材14a,14bは、発光素子13a,13bの光出射面に接するか、あるいは密着していることが好ましい。この場合、波長変換部材14a,14bと発光素子13a,13bとの間に空間(屈折率1の空気)が存在しないため、空間との界面における光の反射を抑えることができる。
また、波長変換部材14a,14bは、発光素子13a,13bの光出射面を覆うとともに光出射面よりも若干大きい領域(光出射面よりも10〜50%程度大きな面積の領域)に、蛍光体を含んでいることが良い。この場合、発光素子13a,13bから発光した光を効率よく波長変換することができる。
本実施の形態の発光装置の実施例について以下に説明する。
図1の構成の発光素子を以下のように作製した。サファイア基板上に化学式AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)で表される各種窒化ガリウム系化合物半導体層が積層されている、発光波長が405nmである発光素子13a,13bを作製した。
発光素子13a,13bはそれぞれ、サファイア基板上に、厚み2μmのn型窒化ガリウム系化合物半導体層(GaN層)、厚み3nmのInGaN層からなる量子井戸層、10nmGaN層からなるバリア層より構成される発光層、厚み200nmのp型窒化ガリウム系化合物半導体層(AlGaN層またはGaN層を含む)を形成したものである。
次に、発光素子13a,13bに駆動電力を入力するための配線パターンが形成されている、窒化アルミニウム(AlN)セラミックスから成るサブマウント基板12a,12b上にそれぞれ発光素子13a,13bを実装した。
次に、サブマウント基板11a上に実装された発光素子13aとサブマウント基板11b上に実装された発光素子13bを、アルミナ(Al2O3)セラミックスからなる縦5mm、横5mm、高さ3mmの大きさの基体10の凹部10a内に実装した。
基体10の凹部10aの底面には、互いに対向する方向に傾斜した四角形の傾斜面11a,11bが形成されている。傾斜面11aの中央部にサブマウント基板12a上に実装された発光素子13aを接着剤により設置し、傾斜面11bの中央部にサブマウント基板12b上に実装された発光素子13bを接着剤により設置した。
次に、蛍光体が分散しているシリコーン系樹脂から成る板状の波長変換部材14a,14bをそれぞれ、傾斜面11a,11bに平行にして、発光素子13a,13bを覆うように配置した。波長変換部材14aは、発光素子13aからの波長405nmの光を受けて色温度3000Kの光に変換する蛍光体を含み、波長変換部材14bは、発光素子13bからの波長405nmの光を受けて色温度7000Kの光に変換する蛍光体を含む。
波長変換部材14aに含まれる蛍光体は、赤色蛍光体であるLa2O2S:Euと緑色蛍光体であるZnS:Cu,Alと青色蛍光体であるBaMgAl10O17:Euとから成るものとし、波長変換部材14bに含まれる蛍光体も同様で配合比が異なるものとした。即ち、波長変換部材14bに含まれる蛍光体は、波長変換部材14aに含まれる蛍光体よりも赤色蛍光体(La2O2S:Eu)が少なく、緑色蛍光体(ZnS:Cu,Al)と青色蛍光体(BaMgAl10O17:Eu)が多いものとした。
次に、波長変換部材14a,14bを凹部10a内において固定するために、シリコーン系樹脂を凹部10a内に充填し、発光装置を作製した。
以上の構成の発光装置において、傾斜面11a,11bの傾斜角度が15°,30°とされた2種の発光装置を作製し、発光装置から約30cm離れた場所で60cm四方の評価面における混色性を評価した。混色性の評価は、色温度3000Kの光の強度と7000Kの光の強度との差を測定することによって行った。
図2,図3,図4に評価結果を表すグラフを示す。図2のグラフは比較例を示すものであり、2つの発光素子を基体の凹部の平坦な底面に配置し、2つの発光素子の間に遮光板を設けた構成の発光装置についてのグラフである。
図2の比較例の発光装置は、色温度3000Kの光の強度と7000Kの光の強度との差が大きい部分が見られ、色むらが生じていることが判った。
図4の傾斜面11a,11bの傾斜角度が30°である発光装置は、色温度3000Kの光の強度と7000Kの光の強度との差が大きい部分が見られ、色むらが生じていることが判った。しかしながら、傾斜角度が30°より大きくなると、各色の光の出射方向が逆転するが、従来のランプユニットを交互に並べた図2の構成のものよりは色むらは改善されたものとなった。
図3の傾斜面11a,11bの傾斜角度が15°である発光装置は、色温度3000Kの光の強度と7000Kの光の強度との差が僅かに見られるものの、その差は比較例に比較して全体的に小さく、2つの光の色が均一に混ざっており、色ムラが殆ど生じていないことが判った。
10:基体
10a:凹部
11a,11b:傾斜面
12a,12b:サブマウント基板
13a,13b:発光素子
14a,14a:波長変換部材
10a:凹部
11a,11b:傾斜面
12a,12b:サブマウント基板
13a,13b:発光素子
14a,14a:波長変換部材
Claims (4)
- 底面に互いに対向する方向に傾斜した複数の傾斜面が形成された凹部を有する基体と、前記傾斜面のそれぞれに設置された発光素子と、前記発光素子のそれぞれを覆うように設けられた、前記各発光素子から発光された光を互いに異なる波長の光にそれぞれ変換する波長変換部材とを具備している発光装置。
- 前記波長変換部材は蛍光体を含む透明部材から成る請求項1記載の発光装置。
- 前記基体の前記凹部の内面に光反射層が形成されている請求項1または2記載の発光装置。
- 前記傾斜面の傾斜角度が0°より大きく30°未満である請求項1乃至3のいずれか記載の発光装置。
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