JP2010098335A

JP2010098335A - 発光装置

Info

Publication number: JP2010098335A
Application number: JP2010020623A
Authority: JP
Inventors: Naotada Okada; 直忠岡田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2010-04-30

Abstract

【課題】蛍光体による光の散乱を抑えるとともに、発光素子基板から樹脂へ光が出る際の全反射を抑制することにより、光取り出し効率を向上させること。
【解決手段】ＬＥＤ基板２０と、ＬＥＤ基板２０を封止するとともに、屈折率ｎ１の蛍光体３２と、屈折率ｎ２の微粒子３３が添加された屈折率ｎ３のシリコーン樹脂３１を有する封止樹脂部３０とを備え、上記屈折率ｎ１〜ｎ３は、ｎ２＞ｎ１＞ｎ３の関係にあり、微粒子３３の粒径は、ＬＥＤ基板２０の発する光の波長の１／１０以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種の照明光源に利用可能な発光装置に関し、特に光取り出し効率を向上させたものに関する。

ＬＥＤ（発光素子）を用いたＬＥＤランプ（発光装置）は、小型で電力効率が良く鮮やかな色の発光をするとともに、長寿命であり、振動や点灯・消灯の繰り返しに強いため、各種の照明光源として使われることが多い（例えば、特許文献１参照）。

図４は、このようなＬＥＤランプの一例を示す図である。ＬＥＤランプ１００は、発光素子であるＬＥＤ基板１０１と、このＬＥＤ基板１０１を封止するシリコーン等の封止樹脂１０２から形成されている。封止樹脂１０２には、蛍光体１０３が混入され、ＬＥＤ基板１０１の色と、蛍光体１０３の色との組合せにより、様々な発色が可能である。
特開２００５−１９６６４２号公報

上述したＬＥＤランプでは、次のような問題があった。すなわち、白色ＬＥＤで用いる蛍光体１０３は屈折率ｎ＝１．７〜１．８である。これに対し、蛍光体１０３を分散させる封止樹脂１０２は屈折率が１．４〜１．５であるので、発光した光が蛍光体１０３で散乱され、空気中に取り出されるまでに、パッケージの壁面や、蛍光体１０３自身に何度もあたり、光の強度が減衰してしまい、結果として光の取り出し効率が低下するという問題があった。

蛍光体１０３の散乱を抑制する方法としては、蛍光体１０３の粒径を５０ｎｍ以下にする方法がある。これは、粒径を５０ｎｍ以下にすると、屈折率差があっても散乱はほとんど生じないことを利用したものである。また、シリコーンに代えてエポキシ等の屈折率の高い樹脂を用い、蛍光体との屈折率の差を小さくして散乱を抑制する方法がある。さらに、樹脂を使わず、蛍光体を焼結して用いる等の方法がある。

しかし、粒径が小さく効率の良い蛍光体の製作が困難であること、エポキシはシリコーンに比べて熱や紫外線による劣化が起こりやすいこと、焼結体はＳｒ_２ＳｉＯ_４系の材料では実現困難、といった問題がある。

一方、図５に示すＬＥＤランプ１１０においては、ＬＥＤ基板１１１の屈折率は通常、封止樹脂１１２よりも高いため、ＬＥＤ基板１１１の活性層から出た光はＬＥＤ基板１１１と封止樹脂１１２の界面で全反射が起こり、ＬＥＤ基板１１１内に閉じ込められ、光の取出し効率が低下するという問題があった。

そこで本発明は、蛍光体による光の散乱を抑えるとともに、発光素子基板から樹脂へ光が出る際の全反射を抑制することにより、光取り出し効率を向上させることができる発光装置を提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の発光装置は次のように構成されている。

発光素子基板と、この発光素子基板を封止するとともに、屈折率ｎ１の蛍光体と、屈折率ｎ２の微粒子が添加された屈折率ｎ３の樹脂を有する封止樹脂部とを備え、上記屈折率ｎ１〜ｎ３は、ｎ２＞ｎ１＞ｎ３の関係にあり、上記微粒子の粒径は、上記発光素子基板の発する光の波長の１／１０以下である。

屈折率ｎ４の発光素子基板と、この発光素子基板を封止するとともに、屈折率ｎ５の微粒子が添加された屈折率ｎ６の樹脂を有する封止樹脂部とを備え、上記屈折率ｎ５及びｎ６は、ｎ５＞ｎ６の関係にあり、上記樹脂に対する上記微粒子の体積割合ａが、ｎ４^２＝ａ・ｎ５^２＋（１−ａ）ｎ５^２を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、蛍光体による光の散乱を抑えるとともに、発光素子基板から樹脂へ光が出る際の全反射を抑制することにより、光取り出し効率を向上させることが可能となる。

図１は本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤランプ（発光装置）１０を示す図である。ＬＥＤランプ１０は、ＬＥＤ基板（発光素子基板）２０と、このＬＥＤ基板２０を封止する封止樹脂部３０とを備えている。ＬＥＤ基板２０は、サファイア基板（屈折率１．７７）から形成され、ＩｎＧａＮ系活性層に形成された波長４６０〜４８０ｎｍの青色、または３６０〜４００ｎｍの紫外線を発生する。封止樹脂部３０は、シリコーン樹脂３１と、このシリコーン樹脂３１に添加された蛍光体３２及び微粒子３３から形成されている。

蛍光体３２は、直径１〜１０μｍのＥｕ：Ｓｒ_２ＳｉＯ_４またはＣｅ：ＹＡＧ蛍光体であり、微粒子３３は、直径３０ｎｍのＴｉＯ_２（酸化チタン）である。ここで、蛍光体３２の屈折率ｎ１は１．７〜１．８程度、一般にＬＥＤ（発光素子）の封止に用いられるシリコーン樹脂の屈折率ｎ３は１．４〜１．５である。

微粒子３３は、光の散乱をなくし、白色ＬＥＤの光取り出し効率を向上させるために、封止樹脂部３０の屈折率を蛍光体３２の屈折率に近づけるために用いられる。すなわち、樹脂自体の屈折率を上げて蛍光体３２の屈折率に近づけることは困難であるため、高屈折率の微粒子３３を、低屈折率のシリコーン樹脂３１中に分散させることにより、実質的な屈折率を上げるようにしている。

微粒子３３が分散した樹脂封止部３０の屈折率ｎ０は、シリコーン樹脂３１に対する微粒子３３の体積割合をａとし、微粒子の屈折率ｎ２、シリコーン樹脂３１の屈折率ｎ３とすると、ｎ０^２＝ａ・ｎ２^２＋（１−ａ）ｎ３^２として示される。

一方、微粒子３３の粒径が大きいと散乱が大きくなり、逆効果となることから、光の波長である４００〜８００ｎｍに比べて十分小さくする必要がある。具体的には、微粒子３３の粒径は５０ｎｍ以下、望ましくは１０〜２０ｎｍとする。これは、図２に示すように、シリコーン樹脂（屈折率ｎ３）中に分散された微粒子（屈折率ｎ２）の大きさが５０ｎｍ以下になると、樹脂封止部３０においては可視光に対しては粒子界面での散乱等がなくなり、あたかもバルク樹脂と微粒子３３が混合されたバルク材料としての特性を示すことによるものである。なお、図２は封止樹脂部３０の厚さが６００ｎｍ、光の波長が５００ｎｍである場合を示し、ａ＝０．１〜０．４でデータをとっている。

このときのバルク材料、すなわち樹脂封止部３０全体の屈折率ｎ０は、シリコーン樹脂３１に対する微粒子３３の体積混合割合をａとして、ｎ０＝√（ａ・ｎ２^２＋（１−ａ）ｎ３^２）となる。バルク材料の屈折率ｎ０と蛍光体３２の屈折率ｎ１とを等しくすれば、散乱が起こらないため、光の取り出し効率が向上する。したがって、ｎ１^２＝ａ・ｎ２^２＋（１−ａ）ｎ３^２という条件と、ｎ２＞ｎ１＞ｎ３という条件を満たせばよい。

上述したことから、微粒子３３として粒径３０ｎｍのＴｉＯ_２（屈折率ｎ２＝２．７）を用い、樹脂にシリコーン（屈折率ｎ３＝１．４４）を用いれば、ａ＝０．２２のときｎｘ＝１．８となる。蛍光体３２としてＣｅ：ＹＡＧ（ｎ１＝１．８）を用いれば、蛍光体３２による散乱を最小限に抑えることができる。

さらに、ＬＥＤ基板２０（屈折率１．７７）と、封止樹脂部３０（屈折率１．８）とで屈折率の差が小さく、ＬＥＤ基板２０と封止樹脂部３０との間で発生する反射を最小限に抑えることができる。

上述したように、本第１実施の形態に係るＬＥＤランプ１０によれば、樹脂封止部３０における蛍光体３２による散乱を最小限に抑えることができるとともに、ＬＥＤ基板２０と封止樹脂部３０との間で発生する反射を最小限に抑えることができ、ＬＥＤ基板２０からの外部への光の取り出し効率を上げることが可能である。また、樹脂中に微粒子を添加することで屈折率を調整しているので、製造コストも低く、技術的な困難度も低い。

図３は本発明の第２の実施の形態に係るＬＥＤランプ４０を模式的に示す断面図である。ＬＥＤランプ４０は、ＬＥＤ基板５０と、このＬＥＤ基板５０を封止する封止樹脂部６０とを備えている。ＬＥＤ基板５０は、サファイア基板（屈折率ｎ４＝１．７７）から形成され、ＩｎＧａＮ系活性層に形成された波長４６０〜４８０ｎｍの青色、または３６０〜４００ｎｍの紫外線を発生する。封止樹脂部６０は、シリコーン樹脂６１と、このシリコーン樹脂３１に添加された微粒子６２から形成されている。微粒子６２は、直径３０ｎｍのＴｉＯ_２である。

シリコーン樹脂６１（屈折率ｎ６）中に分散された微粒子６２（屈折率ｎ５）の大きさが５０ｎｍ以下になると、可視光に対しては粒子界面での散乱等がなくなり、あたかもバルク樹脂と微粒子が混合されたバルク材料としての特性を示す。そのときのバルク材料の屈折率ｎｙは体積混合割合をａとして、ｎｙ^２＝（ａ・ｎ５^２＋（１−ａ）ｎ６^２）となる。

バルク材料、すなわち樹脂封止部６０の屈折率ｎｙと、ＬＥＤ基板５０の屈折率ｎ４＝１．７７を近似させれば、ＬＥＤ基板５０と封止樹脂部６０との界面での全反射がなくなり、ＬＥＤ基板５０から封止樹脂部６０中への光取り出し効率が向上する。したがって、ｎ４^２＝ａ・ｎ５^２＋（１−ａ）ｎ５^２という条件と、ｎ５＞ｎ６という条件を満たせばよい。

微粒子６２として粒径３０ｎｍのＴｉＯ_２（ｎ５＝２．７）を用い、樹脂にシリコーン（ｎ６＝１．４４）を用いた場合、微粒子６２の体積濃度を２０％（ａ＝０．２）とすることで、すなわち封止樹脂部６０の屈折率をｎｙ＝１．７７とすることができ、これはＬＥＤ基板５０の屈折率ｎ４と近似する。

上述したように、本第２実施の形態に係るＬＥＤランプ４０によれば、ＬＥＤ基板５０（屈折率１．７７）と、封止樹脂部６０（屈折率が１．８）とで屈折率の差を小さくすることで、ＬＥＤ基板５０と封止樹脂部６０との間で発生する反射を最小限に抑えることができる。また、樹脂中に微粒子を添加することで屈折率を調整しているので、製造コストも低く、技術的な困難度も低い。

なお、上述した各実施の形態では、微粒子３３，６２としてはＴｉＯ_２を用いたが、屈折率が２．０のＺｒＯ_２（酸化ジルコニウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＨｆＯ_２（酸化ハフニウム）や１．７のＡｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）等を使用しても良い。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要
旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤランプを模式的に示す縦断面図。散乱率と粒径との関係を示す図。本発明の第２の実施の形態に係るＬＥＤランプを模式的に示す縦断面図。従来のＬＥＤランプを模式的に示す縦断面図。従来のＬＥＤランプを模式的に示す縦断面図。

１０，４０…ＬＥＤランプ（発光装置）、２０，５０…ＬＥＤ基板、３０，６０…封止樹脂部、３１，６１…シリコーン樹脂、３２…蛍光体、３３，６２…微粒子。

Claims

発光素子基板と、
この発光素子基板を封止するとともに、屈折率ｎ１の蛍光体と、屈折率ｎ２の微粒子が添加された屈折率ｎ３の樹脂を有する封止樹脂部とを備え、
上記屈折率ｎ１〜ｎ３は、ｎ２＞ｎ１＞ｎ３の関係にあり、
上記微粒子の粒径は、上記発光素子基板の発する光の波長の１／１０以下であることを特徴とする発光装置。
上記微粒子の上記樹脂に対する体積割合ａが、ｎ１^２＝ａ・ｎ２^２＋（１−ａ）ｎ３^２を満たすことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
上記微粒子は金属酸化物であることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
上記金属酸化物は酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムの少なくとも１種類であることを特徴とする請求項３記載の発光装置。
屈折率ｎ４の発光素子基板と、
この発光素子基板を封止するとともに、屈折率ｎ５の微粒子が添加された屈折率ｎ６の樹脂を有する封止樹脂部とを備え、
上記屈折率ｎ５及びｎ６は、ｎ５＞ｎ６の関係にあり、
上記樹脂に対する上記微粒子の体積割合ａが、ｎ４^２＝ａ・ｎ５^２＋（１−ａ）ｎ５^２を満たすことを特徴とする発光装置。