JP2011109010A - 照明装置 - Google Patents

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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)、窒化アルミニウム(AlN)、ステアタイト(MgO・SiO)、ジルコン(ZrSiO)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・B・PbO)、(B・Bi)、(SiO・PbO)あるいは(B・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)、窒化アルミニウム(AlN)、ステアタイト(MgO・SiO)、ジルコン(ZrSiO)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)、窒化アルミニウム(AlN)、ステアタイト(MgO・SiO)、ジルコン(ZrSiO)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、JIS B0601−1994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・B・PbO)、(B・Bi)、(SiO・PbO)あるいは(B・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(Al,Ga)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、AESiO: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:Eu2+)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)、窒化アルミニウム(AlN)、ステアタイト(MgO・SiO)、ジルコン(ZrSiO)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・B・PbO)、(B・Bi)、(SiO・PbO)あるいは(B・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)、窒化アルミニウム(AlN)、ステアタイト(MgO・SiO)、ジルコン(ZrSiO)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・B・PbO)、(B・Bi)、(SiO・PbO)あるいは(B・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)、窒化アルミニウム(AlN)、ステアタイト(MgO・SiO)、ジルコン(ZrSiO)などからなる。
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・B・PbO)、(B・Bi)、(SiO・PbO)あるいは(B・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。
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 (3)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
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