JP2011109010A

JP2011109010A - 照明装置

Info

Publication number: JP2011109010A
Application number: JP2009265162A
Authority: JP
Inventors: Go Koyanazu; 剛小▲柳▼津; Kiyoko Kawashima; 淨子川島; Haruki Takei; 春樹武井
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2011-06-02

Abstract

【課題】発光に伴う影響によって発光効率が低下することを抑制できる照明装置を提供すること。
【解決手段】本発明の照明装置は、無機材料から成る基板と；基板上に金属ペースト又は低融点ガラスで接着されて実装された１以上の発光素子と；基板の前記発光素子を実装した側と対向して配置されたガラス基板と；ガラス基板の少なくとも一方の面に形成された前記発光素子から放射された光により励起されて可視光を発光する蛍光体層と；を具備する。ガラス基板は、セラミックス基板の発光素子を実装した側に、無機材料からなる支持部材を介して支持されており、ガラス基板と発光素子との間には空間が形成されている。ガラス基板と発光素子との間の空間は、減圧され、もしくは空気より熱伝導率の低い材料で置換されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）モジュール等の照明装置に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）チップを用いた照明装置は、液晶ディスプレイ、携帯電話、情報端末等のバックライト、屋内外広告等、多方面への展開が飛躍的に進んでいる。また、長寿命、低消費電力、耐衝撃性、高速応答性、高純度表示色、軽薄短小化の実現等の特徴を有する。

ＬＥＤチップを用いた照明装置（ＬＥＤモジュール）で白色光を実現する代表的な方式としては、（１）青、緑および赤の各色に発光する３つのＬＥＤチップを使用する方式、（２）青色光を発するＬＥＤチップと黄色光等を発する蛍光体とを組合せる方式、（３）紫外線を発するＬＥＤチップと青色、緑色および赤色発光の三色混合蛍光体とを組合せる方式、の３つが挙げられる。これらのうちで、（２）の方式が広く実用化されている。

上記した（２）および（３）の方式を適用したＬＥＤモジュールとして、ＬＥＤチップを装備したカップ型のフレーム内やリフレクタの枠内に蛍光体を混合した樹脂を流し込み固化させて、蛍光体を含有する樹脂層を凸状に形成した砲弾型構造や、主面に配線パターンが形成された基板の上にＬＥＤチップを実装し、さらにこの基板上に蛍光体含有樹脂による封止部を形成した構造（表面実装タイプあるいはモジュールタイプ）などが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特許２９００９２８号公報特許２９２７２７９号公報

これら従来のＬＥＤモジュールには、ＬＥＤチップと基板との間に配設される絶縁層の材料、ＬＥＤチップの接着材料およびＬＥＤチップの封止材料などに有機材料（例えば、シリコーンやエポキシ樹脂など）が使用されている。しかしながら、これらの有機材料は、紫外線等により劣化したり、発光時に生じる発熱によって有機物が化学変化を起こし、特性が変化するという問題がある。例えば、封止材料としてエポキシ樹脂を使用した場合、エポキシ樹脂が黄変（紫外線により黄色に変色）するため、発光素子から放射される光が吸収され発光効率が低下してしまう。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、発光に伴う影響によって発光効率が低下することを抑制できる照明装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の照明装置は、無機材料から成る基板と；基板上に金属ペースト又は低融点ガラスで接着されて実装された１以上の発光素子と；基板の発光素子を実装した側と対向して配置されたガラス基板と；ガラス基板の少なくとも一方の面に形成された発光素子から放射された光により励起されて可視光を発光する蛍光体層と；を具備することを特徴とする。

請求項２記載の照明装置は、請求項１記載の照明装置において、ガラス基板は、セラミックス基板の発光素子を実装した側に、無機材料からなる支持部材を介して支持されており、ガラス基板と発光素子との間には空間が形成されていることを特徴とする。

請求項３記載の照明装置は、請求項２記載の照明装置において、ガラス基板と発光素子との間の空間は、減圧され、もしくは空気より熱伝導率の低い材料で置換されていることを特徴とする。

上記した請求項１〜請求項３記載の発明において、用語の定義および技術的意味は、特に指定しない限り以下の通りである。

無機材料からなる基板は、後述する発光素子が搭載される部材である。この無機材料からなる基板には、セラミックスやガラス等からなるものがあるが、光の反射特性を考慮するとセラミックス基板が好適である。このセラミックス基板は、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）、ジルコン（ＺｒＳｉＯ_４）などからなる。

発光素子は、光を放射する素子である。例えば、放射した光により蛍光体を励起して可視光を発光させるものであり、青色発光タイプのＬＥＤチップや紫外発光タイプのＬＥＤチップなどが挙げられる。ただし、これらに限定されるものではなく、照明装置の用途や目的とする発光色などに応じて、種々の発光素子を使用することができる。

蛍光体は、発光素子から放射された光により励起されて発光するものである。

蛍光体層は、１種類以上の蛍光体を低融点ガラスに混合・分散させた層としてガラス基板上に形成される。

低融点ガラスは、融点が５８０℃以下で結着性を有するガラス材料であれば、特に種類は限定されない。例えば、組成式（ＳｉＯ_２・Ｂ_２Ｏ_３・ＰｂＯ）、（Ｂ_２Ｏ_３・Ｂｉ_２Ｏ_３）、（ＳｉＯ_２・ＰｂＯ）あるいは（Ｂ_２Ｏ_３・ＰｂＯ）で表わされるガラスから選ばれる少なくとも一種を用いることができる。

支持部材は、ガラス基板を支持する部材である。支持部材は、絶縁性の無機材料であるセラミックス、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）、ジルコン（ＺｒＳｉＯ_４）などからなる。なお、支持部材の形状は、基板、ガラス基板および支持部材により発光素子を封止することができればよく、円筒形状や四角筒形状など様々な形状をとることができる。

金属ペーストは、Ａｇ、Ｃｕ等の導電性を有する金属の粉末（微粒子）を含むペースト（インク）である。

減圧とは、大気圧以下の圧力である。

空気より熱伝導率の低い材料とは、例えば、クリプトン（Ｋｒ）やアルゴン（Ａｒ）などのことである。

請求項１記載の照明装置によれば、照明装置を無機材料により構成したので、発光に伴う影響によって発光効率が低下することを抑制できる。

請求項２記載の照明装置によれば、請求項１記載の効果に加えて、ガラス基板と発光素子との間には空間が形成されているので発光素子で発生する熱が蛍光体層に伝達されにくく、熱による蛍光体の発光効率の低下を効果的に抑制できる。

請求項３記載の照明装置によれば、請求項１記載及び請求項２記載の効果に加えて、空間を減圧もしくは熱伝導率の低い材料で置換しているので、発光素子で発生する熱が蛍光体層により伝達されにくくなり、熱による蛍光体の発光効率の低下をより効果的に抑制できる。

第１の実施形態に係る照明装置の断面図である。第２の実施形態に係る照明装置の断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に参照する複数の図面において、同一または相当部分には同一符号を付している。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る照明装置１の断面図である。図１に示す照明装置１は、基板１１と、その上に形成された配線層1２と、ＬＥＤチップ1３（発光素子）と、蛍光体層１５を備えたガラス基板１６と、このガラス基板１６を支持する支持部材１７とを備えている。

基板１１は、セラミックスやガラス等からなるものがあるが、光の反射特性を考慮するとセラミックス基板が好適である。このセラミックス基板は、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）、ジルコン（ＺｒＳｉＯ_４）などからなる。基板１１をアルミナで構成する場合、含有量（割合）が９６重量％を超える高純度アルミナから構成することが望ましい。光反射率ならびに後述する表面粗さおよび熱伝導性の観点からは、基板１１のアルミナ含有量は高いほど良く、例えば９９．６重量％以上とすることが好ましい。

なお、印刷により基板１１上に配線層1２を形成する場合、基板１１の平均表面粗さ（Ｒａ）（μｍ）は０．３０〜０．８０であることが好ましい。ここで、平均表面粗さ（Ｒａ）は、ＪＩＳＢ０６０１−１９９４に拠り測定した値とする。基板１１の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．８０を超える場合には、基板１１上に形成される配線層1２の印刷性が悪くなり、ファインピッチのパターンを形成することが難しくなる。また、平均表面粗さ（Ｒａ）が０．３０未満の場合には、配線層1２の接合強度が低下して剥離しやすくなる。

配線層１２は、銅（Ｃｕ）とニッケル（Ｎｉ）の合金、金（Ａｕ）等により構成される。印刷により配線層1２を形成するには、Ａｇ等の導電体粉末（微粒子）を含むペースト（インク）を、基板１１の表面に所望のパターンで印刷（スクリーン印刷あるいはインクジェット印刷）した後、塗布層を乾燥・焼成し形成する。この方法は、メッキにより配線層を形成する方法に比べて、排水処理等のユーティリティが不要で簡便である。

発光素子であるＬＥＤチップ1３としては、例えば、主波長が４２０〜４８０ｎｍ（例えば４６０ｎｍ）の青色光を発するＬＥＤチップが用いられる。ＬＥＤチップ1３は、基板１１上にＡｇ、Ｃｕ等の導電性を有する金属の粉末（微粒子）を含むペースト（インク）１８（以下、金属ペースト１８と称する）により接着（ダイボンド）されている。

ＬＥＤチップ１３の底面電極が配線層１２に形成された一方の電極に導電性を有する金属ペースト１８により電気的に接続され、上面電極が、配線層１２に形成された他方の電極に金線のようなボンディングワイヤ１４を介して接続されている。ＬＥＤチップ１３の電極接続構造としては、フリップチップ接続構造を適用することもできる。これらの電極接続構造によれば、ＬＥＤチップ４の前面への光取出し効率が向上する。

金属ペースト１８には有機物が含有されているが、乾燥（焼成）工程において金属ペースト１８に含有される有機物は略消失する。このため、金属ペースト１８に含まれる有機物の劣化は、ほとんど問題とならない。なお、この第１の実施形態では、ＬＥＤチップ1３を一つだけ基板１１上に実装した場合について説明するが、ＬＥＤチップ1３を複数個実装するようにしてもよい。

ガラス基板１６のＬＥＤチップ1３に対向する面１６ａには、１種類以上の蛍光体を含有する蛍光体層１５が形成されている。蛍光体層１５は、蛍光体を混合・分散させた低融点ガラス（フリットガラス）をガラス基板１６に塗布した後、加熱焼成して形成する。低融点ガラスは、融点が５８０℃以下で結着性を有するガラス材料であれば、特に種類は限定されない。例えば、組成式（ＳｉＯ_２・Ｂ_２Ｏ_３・ＰｂＯ）、（Ｂ_２Ｏ_３・Ｂｉ_２Ｏ_３）、（ＳｉＯ_２・ＰｂＯ）あるいは（Ｂ_２Ｏ_３・ＰｂＯ）で表わされるガラスから選ばれる少なくとも一種を用いることができる。なお、蛍光体層１５は、上記ガラス基板１６の面１６ａとは反対側の面１６ｂに形成してもよく、ガラス基板１６の両面１６ａ、１６ｂに形成してもよい。

蛍光体層１５に含有される蛍光体としては、ＬＥＤチップ1３からの青色光により励起され黄色光乃至橙色光を発する黄色系蛍光体を用いることができる。また、演色性等の向上を図るために、黄色系蛍光体に加えて赤色蛍光体を使用してもよい。黄色系蛍光体としては、例えばＲＥ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ蛍光体（ＲＥはＹ、ＧｄおよびＬａから選ばれる少なくとも１種を示す。以下同じ）等のＹＡＧ蛍光体、ＡＥ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ蛍光体（ＡＥはＳｒ、Ｂａ、Ｃａ等のアルカリ土類元素である。以下同じ）等のケイ酸塩蛍光体、サイアロン系蛍光体（例えば、ＣａｘＳｉｙＡｌｚＯＮ：Ｅｕ^２＋）等が用いられる。

蛍光体層１５に含有される蛍光体の主波長は、特に限定されるものではなく、目的とする照明装置１の発光色などに応じて適宜選択することができる。また、蛍光体の形状は、球形、楕円球形（あるいはラグビーボール形状）、板状、針状など様々な形状をとりうるが、球形であることがより好ましい。球形は、短径／長径の値が正確に１．０である真球形だけでなく、球形に近い形状（例えば、短径／長径の値が１．０〜０．９）も含むものとする。

ガラス基板１６は、基板１１のＬＥＤチップ１３を実装した側と対向して配置される。ガラス基板１６は、後述する支持部材１７を介して支持される。ガラス基板１６は、ＬＥＤチップ1３から放射される青色光と蛍光体層１５に含有される蛍光体の発光色との混色による白色光を透過する。

支持部材１７は、基板１１上にＬＥＤチップ１３を囲むようにして配設され、ＬＥＤチップ１３と蛍光体層１５との間に空間が形成されるようにしてガラス基板１６を支持する。支持部材１７は、絶縁性の無機材料であるセラミックス、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）、ジルコン（ＺｒＳｉＯ_４）などからなる。支持部材１７の形状は、基板１１、ガラス基板１６および支持部材１７によりＬＥＤチップ１３を封止することができればよく、円筒形状や四角筒形状など様々な形状をとることができる。

支持部材１７と基板１１および支持部材１７とガラス基板１６は、それぞれ低融点ガラス１９により接着される。低融点ガラス１９は、融点が５８０℃以下で結着性を有するガラス材料であれば、特に種類は限定されない。例えば、組成式（ＳｉＯ_２・Ｂ_２Ｏ_３・ＰｂＯ）、（Ｂ_２Ｏ_３・Ｂｉ_２Ｏ_３）、（ＳｉＯ_２・ＰｂＯ）あるいは（Ｂ_２Ｏ_３・ＰｂＯ）で表わされるガラスから選ばれる少なくとも一種を用いることができる。

以上のように、この第１の実施形態に係る照明装置１では、アルミナやガラス等の絶縁性の無機材料からなる基板１１上に配線を設け、Ａｇ等の導電性を有する無機材料の粉末を含む金属ペースト１８でＬＥＤチップ１３を接着している。また、透明性の無機材料であるガラス基板１６に、低融点ガラスの水溶液に蛍光体を加えて混合・分散させたものを塗布して硬化させた蛍光体層１５を形成し、このガラス基板１６を、無機材料からなる支持部材１７で支持している。さらに、支持部材１７と基板１１および支持部材１７とガラス基板１６は、それぞれ低融点ガラス１９により結着される。

つまり、この第１の実施形態に係る照明装置１は、無機材料で構成しており、ＬＥＤチップ１３と基板１１との間に配設される絶縁層やＬＥＤチップの封止材料として有機材料を使用していない。このため、例えば、封止材料としてエポキシ樹脂を使用した場合に生じる黄変がないため、ＬＥＤチップ１３から放射される光が封止材料に吸収されて発光効率が低下してしまうことがない。さらに、発光時に生じる発熱によって有機物が化学変化を起こし、特性が変化するという問題もない。その結果、発光に伴う影響によって発光効率が低下することを効果的に抑制できる。

さらに、この第１の実施形態に係る照明装置１は、蛍光体層１５を備えたガラス基板１６を支持部材１７で支持する構成とし、ＬＥＤチップ１３と蛍光体層１５との間に空間２０が形成されている。このため、ＬＥＤチップ１３を蛍光材が含有された封止材料で封止する場合に比べて、ＬＥＤチップ１３で発生する熱が蛍光体層１５の蛍光体に伝達されにくく、熱による蛍光体の発光効率の低下を効果的に抑制できる。さらに、空間２０を大気圧力以下に減圧するか、空間２０を空気よりも熱伝導率の低い気体（例えば、クリプトン（Ｋｒ）やアルゴン（Ａｒ））で置換すれば、ＬＥＤチップ１３で発生する熱が蛍光体層１５の蛍光体にさらに伝達されにくくなり、熱による蛍光体の発光効率の低下をより効果的に抑制できる。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係る照明装置２の断面図である。この第２の実施形態では、発光素子として、電極がＬＥＤチップ１３の上面に形成されているＬＥＤチップ１３を用いた実施形態について説明する。この第２の実施形態では、底面電極を配線層１２と導通させる必要がない。このため、金属ペースト１８の代わりに低融点ガラス１９を使用して、ＬＥＤチップ１３を接着することができる。

以下、図２を参照して、この第２の実施形態に係る照明装置２について説明する。なお、図２において、第１の実施形態に係る照明装置１の構成と同一の構成部分には、同一の符号を付して、その説明を簡略化または省略する。

図２は、第２の実施形態に係る照明装置２の断面図である。図２に示す照明装置２は、基板１１と、その上に形成された配線層１２と、ＬＥＤチップ1３（発光素子）と、蛍光体層１５を備えたガラス基板１６と、このガラス基板１６を支持する支持部材１７とを備えている。

基板１１は、絶縁性の無機材料であるセラミックス、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）、ジルコン（ＺｒＳｉＯ_４）などからなる。

配線層１２は、絶基板１１上に所定のパターンで（例えば縦横に整列して）設けられている。この配線層１２は、銅（Ｃｕ）とニッケル（Ｎｉ）の合金、金（Ａｕ）等により構成される。この配線層１２は、スクリーン印刷やインクジェット印刷等の方法により形成された印刷層としてもよい。

ＬＥＤチップ１３は、主波長が４２０〜４８０ｎｍ（例えば４６０ｎｍ）の青色光を発するＬＥＤチップが用いられる。ＬＥＤチップ１３は、基板１上に低融点ガラス１９により接着されており、１対の上面電極がそれぞれ配線層１２と金線のようなボンディングワイヤ１４を介して接続されている。なお、この第２の実施形態では、ＬＥＤチップ１３を一つだけ基板１１上に実装した場合について説明するが、ＬＥＤチップ１３を複数個実装するようにしてもよい。

ガラス基板１６のＬＥＤチップ1３に対向する面１６ａには、１種類以上の蛍光体を含有する蛍光体層１５が形成されている。蛍光体層１５は、蛍光体を混合・分散させた低融点ガラス（フリットガラス）をガラス基板１６に塗布した後、加熱焼成して形成する。低融点ガラスは、融点が５８０℃以下で結着性を有するガラス材料であれば、特に種類は限定されない。例えば、組成式（ＳｉＯ_２・Ｂ_２Ｏ_３・ＰｂＯ）、（Ｂ_２Ｏ_３・Ｂｉ_２Ｏ_３）、（ＳｉＯ_２・ＰｂＯ）あるいは（Ｂ_２Ｏ_３・ＰｂＯ）で表わされるガラスから選ばれる少なくとも一種を用いることができる。

蛍光体層１５に含有される蛍光体としては、ＬＥＤチップ1３からの青色光により励起され黄色光乃至橙色光を発する黄色系蛍光体を用いることができる。また、演色性等の向上を図るために、黄色系蛍光体に加えて赤色蛍光体を使用してもよい。

ガラス基板１６は、ＬＥＤチップ1３から放射される青色光と蛍光体層１５に含有される蛍光体の発光色との混色による白色光を透過する。

支持部材１７は、基板１１上にＬＥＤチップ１３を囲むようにして配設され、ＬＥＤチップ１３と蛍光体層１５との間に空間が形成されるようにしてガラス基板１６を支持する。支持部材１７は、絶縁性の無機材料であるセラミックス、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）、ジルコン（ＺｒＳｉＯ_４）などからなる。

このように構成される第２の実施形態に係る照明装置２は、ＬＥＤチップ１３を低融点ガラス１９により基板１１に結着しているため、第１の実施形態に係る照明装置１に比べ、発光に伴う影響によって発光効率が低下することをより効果的に抑制できる。その他の効果は、第１の実施形態に係る照明装置１と同じである。

１…照明装置、１１…基板、１２…配線層、１３…ＬＥＤチップ（発光素子）、１４…ボンディングワイヤ、１５…蛍光体層、１６…ガラス基板、１７…支持部材、１８…金属ペースト、１９…低融点ガラス。

Claims

無機材料から成る基板と；
前記基板上に金属ペースト又は低融点ガラスで接着されて実装された１以上の発光素子と；
前記基板の前記発光素子を実装した側と対向して配置されたガラス基板と；
前記ガラス基板の少なくとも一方の面に形成された前記発光素子から放射された光により励起されて可視光を発光する蛍光体層と；
を具備することを特徴とする照明装置。
前記ガラス基板は、前記セラミックス基板の前記発光素子を実装した側に、無機材料からなる支持部材を介して支持されており、前記ガラス基板と前記発光素子との間には空間が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記ガラス基板と前記発光素子との間の空間は、減圧され、もしくは空気より熱伝導率の低い材料で置換されていることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。