JP2009289829A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ素子が発光する紫外光を、蛍光体により波長変換して白色光を発光する発光装置に関して、紫外光に対する耐久性に問題があり、白色光の演色性も不十分で、光度と色度にバラツキがあった。
【解決手段】回路基板と、回路基板に載置され固着された窓部を有する反射枠と、回路基板に実装され窓部の中央部に配置して紫外光を発光する発光素子と、紫外光に励起されて発光する蛍光体を含有する波長変換部を備えた発光装置において、波長変換部は、赤色を発光する蛍光体を含有する第１の発光層で発光素子の発光面を直接覆い、第１の発光層の上部に緑色を発光する蛍光体を含有する第２の発光層を積層し、第２の発光層の上部に青色を発光する蛍光体を含有する第３の発光層を積層し、紫外光を白色光に変換する。
【選択図】図２

Description

本発明は発光ダイオード（以下ＬＥＤという）を用いた発光装置に関し、特にＬＥＤの光を複数の蛍光体により波長変換して、白色光を発光する発光装置に関する。

ＬＥＤは長寿命で、小型で発光効率がよく、発光色が鮮やかであるから、照明用の小型の電子部品として広く利用されてきた。更に、発光ダイオード素子（以下ＬＥＤ素子という）と蛍光体を組み合わせて白色光を発光する発光装置は、小型化に適しており液晶ディスプレイ、携帯電話や携帯端末のバックライトとして、広く利用されている。

即ち、蛍光体がＬＥＤ素子の発光した光を吸収して、吸収した波長の光と異なる波長の光に波長変換して発光する原理を利用して、ＬＥＤ素子の発光光路に複数の蛍光体を配置し、白色光を発光する発光装置を実現している。

白色光を発光する発光装置の従来技術として、特許文献１のような例が提案されている。枠体のカップ内に配置された紫外光を発光する発光素子が、紫外光を波長変換して赤色・緑色・青色に発光する蛍光体を分散混合した透光性樹脂の封止材で、封止されており、更に黄色に発光する蛍光体を、封止材の中に添加して、演色性の向上を図った白色の発光装置が開示されている。

また、特許文献２に示す従来技術における白色を発光する発光装置は、一次光を発光する光源と、一次光を吸収して一次光のピーク波長よりも長いピーク波長を有する二次光を発する波長変換部とを備え、波長変換部は、光路順に赤色蛍光体、緑色蛍光体、青色蛍光体が積層されている。

上記構成により、各蛍光体から光路順に赤色、緑色、青色の二次光が発光するから、他色を発光する蛍光体に再度吸収されることがなく、設定した色バランスの白色光を容易に得る事ができ、又、色バランスの設定は各蛍光体の膜厚または密度を変えるだけで容易にかつ独立に制御することが可能である。

更に、特許文献３に示す従来技術における白色を発光する発光装置は、チップ基板の上面外縁に取り付けられキャビティを形成する反射リングと、キャビティに実装される紫外光を発光する発光素子と、キャビティ内に充填された熱硬化性樹脂により形成される樹脂層と、キャビティの上部を閉塞するように樹脂層の外側に順次積層される発光層とを備え、紫外光に励起されて赤色に発光する蛍光体を含有する第１の発光層と、紫外光に励起されて緑色に発光する蛍光体を含有する第２の発光層と、紫外光に励起されて青色に発光する蛍光体を含有する第３の発光層からなり、蛍光体の含有密度は赤色に発光する蛍光体を含有する発光層が最も低く、青色に発光する蛍光体を含有する発光層が最も高くなるように構成されている。

上記構成を採用することにより、赤色、緑色、青色を発光して、演色性に優れた白色の発光色を得ることができる。また、第２の発光層及び第３の発光層において、二次吸収による光損失が生じ難いため発光効率が高まる。

特開２００４−１２７９８８号公報（第１頁、図１） 特開２００４−７１３５７号公報（第１頁、図１） 特開２００７−２０１３０１号公報（第１頁、図１）

しかしながら、特許文献１に示す従来の白色光を発光する発光装置は、封止材に赤色、黄色、緑色、青色の蛍光体が混合して分散しているため、ＬＥＤ素子の紫外光で励起された緑色、青色の蛍光体の光が、励起波長の領域の広い赤色の蛍光体に吸収され、赤色の光を発光し、いわゆる光の相互作用を発生して、赤色・黄色・緑色・青色の発光の混合比率が崩れ白色光としての演色性を損ない、又、光度と色度のバラツキも発生するという問題があった。

また、特許文献２、特許文献３に示す従来の白色光を発光する発光装置は、特許文献１の演色性を損なう問題を解決するため、赤色、緑色、青色の蛍光体をそれぞれ各層に分離して、赤色を発光する蛍光体を含有する層を最下層として、その上に緑色、更にその上に青色を発光する蛍光体を含有する層を、順番に積層している。しかし、紫外光を発光するＬＥＤ素子と、最下層の赤色を発光する蛍光体を含有する層との間に、透光性樹脂や導光板を介しているため、紫外光を無駄なく使用することができず、発光直後の強い紫外光が、透光性樹脂や導光板やその他の発光装置を形成する部材を劣化させ、耐久性に問題があった。

（発明の目的）
本発明の目的は、耐久性の良い、発光効率が高く、演色性に優れ、そして光度と色度のバラツキのない、白色光を発光する発光装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の発光装置は、基本的には下記記載の構成を採用するものである。
本発明の発光装置は、電極パターンが形成された回路基板と、回路基板に載置され固着された窓部を有する反射枠と、回路基板に実装され窓部の中央部に配置して紫外光を発光する発光素子と、紫外光に励起されて発光する蛍光体を含有する波長変換部を備えた発光装置において、波長変換部は、赤色を発光する蛍光体を含有する第１の発光層で発光素子の発光面を直接覆い、第１の発光層の上部に緑色を発光する蛍光体を含有する第２の発光層を積層し、第２の発光層の上部に青色を発光する蛍光体を含有する第３の発光層を積層し、紫外光を白色光に変換して発光することを特徴とするものである。

上記構成の発光装置において、波長変換部の第１の発光層、第２の発光層、第３の発光層は、反射枠の窓部の内枠の全域に亘って積層されていることを特徴とする。

また、上記構成の発光装置において、波長変換部は、発光素子の上面と側面を直接覆うことを特徴とする。

また、上記構成の発光装置において、波長変換部の発光層に含有される蛍光体の粒径は、赤色、緑色、青色の順に小さくなることを特徴とする。

以上のように、本発明の発光装置は、紫外光を波長変換して、赤色、緑色、青色に発光する蛍光体を含む層を積層して形成する波長変換部が、発光素子の発光面を直接密着した状態で覆って、紫外光を直ちに赤色、緑色、青色の光に波長変換するので、紫外光による発光装置内部の劣化がなく、また、紫外光を無駄なく蛍光体の励起光として使用することが出来るので、耐久性の優れた、発光効率の高い、演色性の良好な、そして光度と色度のバラツキのない、白色光を発光する発光装置が提供できる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の具体的実施形態について、図面に基づき説明する。図１と図２は、本発明の第１実施形態に係る発光装置の構成を示す図面であり、図１は、発光装置の構成を説明する発光装置の斜視図であり、図２は、図１の発光装置のＡ−Ａ断面図であり、波長変換部の蛍光体を含有する発光層の構成を説明する図面である。尚、波長変換部の発光層及び蛍光体等の形状、厚さは説明を理解し易いように、実寸法と異なり模式的に拡大して表示している。

図１に示すように、発光装置２０は、電極パターンが形成されたガラスエポキシ基板からなる回路基板１と、回路基板１の上に載置され接着し固定された窓部３ａを有する反射枠３と、窓部３ａの中央部に配置され、回路基板１の上に実装され電極パターンとワイヤボンディングで電気的に接続されたＬＥＤ素子２で、構成されている。

尚、図１において、反射枠３の窓部３ａと回路基板１で形成する凹部は、半透明または不透明な蛍光体を含有する発光層からなる波長変換部と、波長変換部の上部に透光性樹脂が充填されているが、発光装置２０の構成を理解しやすくするため、省略してあるが、図２にて詳細に説明する。

反射枠３は、反射特性の優れた熱可塑性樹脂、例えばポリフタルアミド樹脂（ＰＰＡ樹脂）からなり、窓部３ａは上部方向に開いたテーパが形成され、光が上方に放射しやすい構造となっている。

次に、図２において、発光装置２０のＡ−Ａ断面図に基づき、ＬＥＤ素子２が発光する紫外光を波長変換して白色光を発光する波長変換部１０ａについて説明する。

波長変換部１０ａは、反射枠３の窓部３ａと回路基板１で形成される凹部の底に、紫外光を波長変換して赤色の光を発光する蛍光体７ａを分散混合した透光性のシリコーン樹脂を定量注入し、１００〜１８０℃、１時間加熱することで、一時的に流動化したシリコーン樹脂が窓部３ａの内枠いっぱいに広がり、注入量に見合ったほぼ一定の厚さで硬化して、ＬＥＤ素子２の上面と側面を直接密着した状態で覆って、第１の発光層４ａが形成される。即ち、反射枠３の窓部３ａが、金型を採用することなしに、蛍光体を含有する透光性のシリコーン樹脂の硬化する層の厚さを、決定することが可能となっている。

次に、紫外光を波長変換して緑色の光を発光する蛍光体８ａを分散混合した透光性のシリコーン樹脂を、第１の発光層４ａの上部に定量注入し、同じ条件で加熱すると、同様に一時的に流動化したシリコーン樹脂が窓部３ａの内枠いっぱいに広がり、一定の厚さで硬化し、第２の発光層５ａが第１の発光層４ａの上部に積層して形成される。

更に、同様にして、紫外光を波長変換して緑色の光を発光する蛍光体９ａを分散混合した透光性のシリコーン樹脂を、第２の発光層５ａの上部に定量注入し、同じ条件で加熱することにより、一定の厚さの第３の発光層６ａが、窓部３ａの内枠いっぱいに広がり、第２の発光層５ａの上部に積層して形成される。そして、波長変換部１０ａを保護するため、シリコーン系樹脂からなる透光性樹脂が第３の発光層６ａの上部に定量注入され、加熱し硬化され透光性樹脂層１１が積層して形成される。

以上のようにして波長変換部１０ａは、ＬＥＤ素子２の全ての発光面を直接密着した状態で覆って、第１の発光層４ａと第２の発光層５ａと第３の発光層６ａが積層して形成される。上記説明から明らかなように、各発光層の厚さは、蛍光体を含有したシリコーン樹脂の注入量を制御することで、調整が可能である。しかも、各発光層４ａ、５ａ、６ａの形成に反射枠３の窓部３ａが枠となり、特別の金型を必要としない。

尚、波長変換部１０ａの蛍光体７ａ、８ａ、９ａ及び第１の発光層４ａ、第２の発光層５ａ、第３の発光層６ａ及び透光性樹脂層１１の形状、厚さは説明の理解をし易いように、実寸法と異なり模式的に表示してある。

次に、波長変換部１０ａにより紫外光を白色光に変換する作用を説明する。
ＬＥＤ素子２は、ＧａＮ系のＬＥＤ素子で波長領域３５０〜４１０ｎｍにピーク波長を有する紫外光を発光する。

波長変換部１０ａにおいて、紫外光を波長変換して赤色を発光する蛍光体７ａは、組成式がＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ、又は（ＳｒＣａ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ、又は、Ｂａ３ＭｇＳｉ２Ｏ８：Ｅｕ，Ｍｎ、又は、Ｌａ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕであり、励起波長はほぼ３００〜５００ｎｍ、波長領域６００〜６６０ｎｍにピーク波長を有している。

紫外光を波長変換して緑色を発光する蛍光体８ａは、組成式がＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ、又は、（ＢａＳｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ、又は、ＳｒＡｌＯ４：Ｅｕであり、励起波長はほぼ３００〜４５０ｎｍ、波長領域５００〜５５０ｎｍにピーク波長を有している。

紫外光を波長変換して青色を発光する蛍光体９ａは、組成式がＳｒ１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ、又は、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、であり、励起波長はほぼ３００〜４００ｎｍであり、波長領域４４０〜４９０ｎｍにピーク波長を有している。

ＬＥＤ素子２から発光した紫外光は、波長変換部１０ａの第１の発光層４ａで蛍光体７ａを励起して、波長領域６００〜６６０ｎｍにピーク波長を持つ赤色の光を発光させる。そして、第１の発光層４ａを透過した残りの紫外光は、第２の発光層５ａで蛍光体８ａを励起して、波長領域５００〜５５０ｎｍにピーク波長を持つ緑色の光を発光させる。更に、第２の発光層５ａをも透過した残りの紫外光は第３の発光層６ａで蛍光体９ａを励起して、波長領域４４０〜４９０ｎｍにピーク波長を持つ青色の光を発光させる。

蛍光体７ａの発光した赤色の光は、波長領域６００〜６６０ｎｍにピーク波長があるため、第２の発光層５ａに含有されている励起波長が３００〜４５０ｎｍの蛍光体８ａを励起することなく、また、第３の発光層６ａに含有されている励起波長が３００〜４００ｎｍの蛍光体９ａも励起することなく、吸収されずに、第２の発光層５ａと第３の発光層６ａを透過する。同様に、蛍光体８ａの発光した緑色の光は、波長領域５００〜５５０ｎｍにピーク波長があるため、第３の発光層６ａに含有されている励起波長が３００〜４００ｎｍの発光体９ａを励起することなく吸収されずに、第３の発光層６ａを透過する。

従って、ＬＥＤ素子２の発光した紫外光が、波長変換部１０ａの３種類の蛍光体７ａ、８ａ、９ａにより波長変換されて、赤色、緑色、青色に発光して、光の相互作用を発生することもなく、混色することにより、発光装置２０から白色光を発光する。

以上説明したように、本発明によれば、ＬＥＤ素子２の発光する紫外光が、ＬＥＤ素子２を直接覆う波長変換部１０ａにより、直ちに、赤色、緑色、青色に波長変換されるので、紫外光により発光装置２０自身の内部が劣化することなく、又、紫外光の漏れも少ないから、他の部品の劣化を招くことがない。従って、耐久性に優れた発光装置が提供できる。

更に、本発明によれば、白色光の発光において重要な演色性は、波長変換部１０ａの発光層４ａ，５ａ，６ａに含まれるそれぞれの蛍光体の分散量と関連して発光する赤色・緑色・青色の発光量の混合比率で決まるから、反射枠３の窓部３ａの底面が一定面積であることを利用して、一定密度で蛍光体を含有したシリコーン樹脂の注入量の制御だけで各色の発光量の調整が容易であり、一旦注入量が確定すれば、良好な白色光を得ることが出来て、光度や色度のバラツキも低減できる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態を図３に基づき説明する。図３は、図１の発光装置２０のＡ―Ａ断面図であり、ＬＥＤ素子２が発光する紫外光を波長変換して白色光を発光する波長変換部１０ｂについて説明する図で、理解しやすいように模式的に示してある。
図２の構成と異なる部分は、蛍光体とそれに関連した発光層の構成だけで、その他の材質や構造は全く同じである。従って、以下の説明では、主にこの相違点について説明し、構成要素が同じものについては、同一の符号を付してその説明を省略する。

図３において、波長変換部１０ｂは、図２で説明した第１の実施形態と全く同様に、発光装置２０の回路基板１と、反射枠３の窓部３ａにより形成された凹部の底に、最下層に紫外光を波長変換して赤色を発光する蛍光体７ｂを含有する第１の発光層４ｂと、第１の発光層４ｂの上部に積層して紫外光を波長変換して緑色を発光する蛍光体８ｂを含有する第２の発光層５ｂと、第２の発光層５ｂの上部に積層して紫外光を波長変換して青色を発光する蛍光体９ｂを含有する第３の発光層６ｂから形成されており、そして、第１の発光層４ｂが発光素子２の発光面を直接密着した状態で覆っている。第３の発光層６ｂの上部には波長変換部１０ｂを保護する透光性樹脂層１１が積層して形成されている。また、各発光層は、第１の実施形態と同様に、シリコーン系樹脂からなる透光性樹脂に各蛍光体が分散混合されて構成されている。

そして、波長変換部１０ｂの第１、第２、第３の発光層４ｂ，５ｂ，６ｂに含有される赤色、緑色、青色の蛍光体７ｂ、８ｂ、９ｂの粒径を赤色、緑色、青色の順に小さくすることにより、ＬＥＤ素子２の紫外光は、効率よく励起光としてそれぞれの蛍光体に吸収され、赤色、緑色、青色の光に変換される。

即ち、各発光層に含有される蛍光体の粒径を等しくして、各色の発光量を同量にして演色性のバランスを取ると、細かい隙間を埋めきれずに、木漏れ日のように紫外光が漏れることがある。従って、上記のように、最下層から上層に向かって、蛍光体の粒径を小さくすることにより、紫外光の漏れを最小限に抑えることが可能となる。

以上のように、本発明によれば、蛍光体の粒径を赤色、緑色、青色の順に小さくすることにより、紫外光の漏れを最小限に抑えられるから、発光装置や周辺部材の紫外光による劣化を抑えることが可能となり、耐久性の向上が一層図れることになる。

そして、赤色、緑色、青色の蛍光体のシリコーン樹脂に含有される密度や各発光層の厚さを調整する簡単な方法で、白色光の演色性の調整が容易で、光度、色度のバラツキが少ない、優れた白色光の発光装置の提供が可能である。

本発明の第１の実施形態における発光装置の斜視図である。 本発明の第１の実施形態における発光装置のＡ―Ａ断面図である。 本発明の第２の実施形態における発光装置のＡ―Ａ断面図である。

符号の説明

１ 回路基板
２ ＬＥＤ素子
３ 反射枠
３ａ 窓部
４ａ、４ｂ 第１の発光層
５ａ、５ｂ 第２の発光層
６ａ、６ｂ 第３の発光層
７ａ、７ｂ 赤色を発光する蛍光体
８ａ、８ｂ 緑色を発光する蛍光体
９ａ、９ｂ 青色を発光する蛍光体
１０ａ、１０ｂ 波長変換部
１１ 透光性樹脂層
２０ 発光装置

Claims (4)

1. 電極パターンが形成された回路基板と、前記回路基板に載置され固着された窓部を有する反射枠と、前記回路基板に実装され前記窓部の中央部に配置して紫外光を発光する発光素子と、前記紫外光に励起されて発光する蛍光体を含有する波長変換部を備えた発光装置において、前記波長変換部は、赤色を発光する蛍光体を含有する第１の発光層で前記発光素子の発光面を直接覆い、前記第１の発光層の上部に緑色を発光する蛍光体を含有する第２の発光層を積層し、前記第２の発光層の上部に青色を発光する蛍光体を含有する第３の発光層を積層し、前記紫外光を白色光に変換して発光することを特徴とする発光装置。
2. 前記波長変換部の前記第１の発光層、第２の発光層、第３の発光層は、前記反射枠の窓部の内枠の全域に亘って積層されていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記波長変換部は前記発光素子の上面と側面を直接覆うことを特徴とする請求項１、又は請求項２記載の発光装置。
4. 前記波長変換部の発光層に含有される蛍光体の粒径は、赤色、緑色、青色の順に小さくなることを特徴とする請求項３記載の発光装置。

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