JP2012138561A

JP2012138561A - 発光装置及びその製造方法

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Publication number: JP2012138561A
Application number: JP2011142412A
Authority: JP
Inventors: Makoto Izumi; 真和泉; Kazunori Annen; 一規安念; Kenichi Yoshimura; 健一吉村; Kimiko Saegusa; 貴三子三枝
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2012-07-19
Anticipated expiration: 2031-06-28
Also published as: JP5231609B2

Abstract

【課題】簡単な方法で発光色の調整、設定が可能で、光散乱の影響を緩和し、明るく、色再現性のよい発光装置を提供する。
【解決手段】一次光を発光する発光素子と、前記一次光の一部を吸収して二次光を発光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、少なくとも、第１の蛍光体を含む樹脂層からなる第１の波長変換部と第２の蛍光体を含む第２の波長変換部を含む複数の樹脂層からなり、前記第１の波長変換部は、前記第２の波長変換部より、前記発光素子に近い側に配置され、前記第２の波長変換部には、蛍光体を含まない光学的に透明な材料を配置していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は発光装置及びその製造方法に関し、特に、光源から発せられた光により励起される蛍光体を用いた発光装置に好適なものである。

近年、発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）を用いた発光装置として、液晶ディスプレイのＬＥＤバックライトやＬＥＤ電球に注目が集まっている。ＬＥＤバックライトやＬＥＤ電球の発光部は、ＬＥＤの光の一部を蛍光体が波長変換した光と、前記ＬＥＤの前記蛍光体に波長変換されなかった光を混合して放出することにより、本来のＬＥＤの光とは異なる光を発光する構成となっている。

図４は、特許文献１に示された発光装置の概略図である。該特許文献に示された発光装置９０は、一次光を発する発光素子９１と、一次光の一部を吸収してその一次光の波長以上の波長を有する二次光を発する波長変換部９２とを含み、その波長変換部９２は互いに異なる発光波長を有する複数種の蛍光体９３、９４、９５を含み、これら複数種の蛍光体の少なくとも１種は他の少なくとも１種で発せられた二次光を吸収しうる吸収帯域を有している。このような構造により、発光色の設定が容易となり、輝度の高い発光装置を実現することができる。

特開２００７−４９１１４（平成１９年２月２２日公開）

しかしながら、上記特許文献１における発光装置９０を実際に発光させた場合、発光素子９１からの光が蛍光体の各層を通過する際に、上部の層で光が一部吸収されたり、上部の層において光散乱が起こり、特に最下層９３からの赤色光の取り出し効率が低くなってしまう。特に、光散乱については、上部の層において、蛍光体が混練された樹脂の粘度が弱い場合、蛍光体がまんべんなく樹脂に混在せず、沈降することがあり、沈降した蛍光体の層によって発光素子９１からの光が遮られたり、光散乱を起こすため、特に最下層９３からの光が弱くなってしまう。このため、各色の発光強度のバランスが崩れ、理想的な色再現性及び明るさを得ることは困難である。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な方法で発光色の調整、設定が可能で、光散乱の影響を緩和し、明るく、色再現性のよい発光装置を提供することにある。

本発明に係る発光装置は、一次光を発光する発光素子と、前記一次光の一部を吸収して二次光を発光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、少なくとも、第１の蛍光体を含む樹脂層からなる第１の波長変換部と第２の蛍光体を含む第２の波長変換部を含む複数の樹脂層からなり、前記第１の波長変換部は、前記第２の波長変換部より、前記発光素子に近い側に配置され、前記第２の波長変換部には、蛍光体を含まない光学的に透明な材料を配置していることを特徴とする。

また、前記複数の樹脂層は、相対的に長い波長の二次光を発する順序で前記発光素子に近い側から配置されていてもよい。また、前記第１の波長変換部は、ナノ結晶である蛍光体を含む樹脂層から構成され、前記第２の波長変換部は、希土類付活蛍光体もしくは遷移金属元素付活蛍光体を含む樹脂層から構成されていてもよい。

また、前記ナノ結晶蛍光体は、ＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体または、ＩＩ―ＶＩ化合物半導体よりなることを特徴としてもよい。また、前記ナノ結晶蛍光体は、ＩｎＰまたはＣｄＳｅのうち、少なくとも一つを含むことを特徴としてもよい。

また、前記希土類付活蛍光体は、付活剤としてＣｅもしくはＥｕを含むことを特徴としてもよい。また、前記希土類付活蛍光体は、窒化物系蛍光体であることを特徴としてもよい。また、前記希土類付活蛍光体は、サイアロン蛍光体であることを特徴としてもよい。

本発明に係る発光装置の製造方法は、パッケージの底面上に発光素子を搭載する工程と、前記発光素子を覆うように第１の蛍光体が混練された液状樹脂を注入して硬化させ、第１の波長変換部を形成する工程と、前記第１の波長変換部の上に、第２の蛍光体及び蛍光体を含まない光学的に透明な材料が混練された液状樹脂を注入して硬化させ、第２の波長変換部を形成する工程とを含むことを特徴とする。

本発明の発光装置によれば、簡単な方法で、色再現性及び明るさの向上が可能な発光装置を実現することができる。

発光装置の断面図である。発光装置の製造工程を示す図である。発光装置の製造工程を示す図である。従来の発光装置の構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図１〜図３を用いて以下に説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。本明細書において、「ナノ結晶」とは結晶サイズを励起子ボーア半径程度まで小さくし、量子サイズ効果による励起子の閉じ込めやバンドギャップの増大が観測されるサイズの結晶を指すものとする。

図１は、実施形態に係る発光装置１０の断面図である。発光装置１０は、電極１が形成された基板２と、電極１上に設けられたパッケージ３及び発光素子４と、発光素子４と電極１を接続するワイヤ５、発光素子４の光路順に半導体ナノ粒子を含有する第１の波長変換部６、Ｅｕ付活β型サイアロン蛍光体および樹脂片８を含有する第２の波長変換部７が積層されたものとで構成される。

電極１を形成する導体は、発光素子４を電気的に接続するための電導路としての機能を有し、ワイヤ５にて発光素子４と電気的に接続されている。導体としては、たとえばＷ、Ｍｏ、Ｃｕ、またはＡｇ等の金属粉末を含むメタライズ層を用いることができる。基板２は、熱伝導性が高く、かつ全反射率の大きいことが求められるため、たとえばアルミナ、窒化アルミニウム等のセラミック材料のほかに、金属酸化物微粒子を分散させた高分子樹脂が好適に用いられる。

パッケージ３は、高い反射率を持ちつつ、封止樹脂との密着性が良いポリフタルアミドなどにより構成される。発光素子４は、光源として用いられ、たとえば４５０ｎｍにピーク波長を有するＧａＮ系発光ダイオード、ＺｎＯ系発光ダイオード、ダイヤモンド系発光ダイオード等を用いることができる。

第１の波長変換部６は、蛍光体を含む樹脂層から構成され、本実施例では、ＩｎＰ系のナノ結晶を用いている。ＩｎＰは粒径を小さく（ナノ結晶化）していくと量子効果によってバンドギャップを青色から赤色の範囲で制御することができる。例えば、赤色発光する粒径を有する、ＩｎＰ系ナノ結晶をシリコーン樹脂中に混合し硬化させたものが用いられる。

このほか、波長変換部６として、ＩｎＰ以外のＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体やＩＩ―ＶＩ化合物半導体よりなるナノ結晶である赤色蛍光体を用いてもよい。たとえば、ＩＩ―ＶＩ族化合物半導体やＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体よりなるナノ結晶の化合物半導体としては、二元系では、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体として、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ等が挙げられる。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としては、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ等が挙げられる。

また、三元系や四元系では、ＣｄＳｅＳ、ＣｄＳｅＴｅ、ＣｄＳＴｅ、ＺｎＳｅＳ、ＺｎＳｅＴｅ、ＺｎＳＴｅ、ＨｇＳｅＳ、ＨｇＳｅＴｅ、ＨｇＳＴｅ、ＣｄＺｎＳ、ＣｄＺｎＳｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＣｄＨｇＳ、ＣｄＨｇＳｅ、ＣｄＨｇＴｅ、ＨｇＺｎＳ、ＨｇＺｎＳｅ、ＨｇＺｎＴｅ、ＣｄＺｎＳｅＳ、ＣｄＺｎＳｅＴｅ、ＣｄＺｎＳＴｅ、ＣｄＨｇＳｅＳ、ＣｄＨｇＳｅＴｅ、ＣｄＨｇＳＴｅ、ＨｇＺｎＳｅＳ、ＨｇＺｎＳｅＴｅ、ＨｇＺｎＳＴｅ、ＧａＮＰ、ＧａＮＡｓ、ＧａＰＡｓ、ＡｌＮＰ、ＡｌＮＡｓ、ＡｌＰＡｓ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＰＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＧａＡｌＮＰ、ＧａＡｌＮＡｓ、ＧａＡｌＰＡｓ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＩｎＡｌＮＰ、ＩｎＡｌＮＡｓ、ＩｎＡｌＰＡｓ等が挙げられる。

そして、上述の材料の中でも、第１の波長変換部６としては、ＩｎおよびＰを含むナノ結晶、または、ＣｄおよびＳｅを含むナノ結晶を用いることが好ましい。その理由は、ＩｎおよびＰを含むナノ結晶、または、ＣｄおよびＳｅを含むナノ結晶は、可視光域（３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）で発光する粒径のナノ結晶を作製し易いためである。

その中でも特に、ＩｎＰ、またはＣｄＳｅを用いることが好ましい。理由としては、ＩｎＰとＣｄＳｅは、構成する材料が少ないため作製がし易い上、高い量子収率を示す材料であり、ＬＥＤの光を照射した際、高い発光効率を示すからである。ここでの量子収率とは、吸収した光子数に対する蛍光として発光した光子数の割合のことである。

第２の波長変換部７は、上記第１の波長変換部６と異なる発光波長を有する蛍光体および樹脂片８を含む樹脂層から構成され、蛍光体には、例えば、希土類付活蛍光体もしくは遷移金属元素付活蛍光体を用いることが出来る。これらの蛍光体は、酸素や水分の影響で蛍光体の発光効率が低下しにくい蛍光体であり、たとえば、蛍光体母体がイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）に付活剤としてセリウム（Ｃｅ）を導入したＹＡＧ：Ｃｅなどが挙げられる。

さらに、これらの蛍光体は希土類や遷移金属元素を付活された窒化物系蛍光体であることが望ましい。窒化物系蛍光体は、高温下でも発光効率の低下が起きにくい特徴を持つ。窒化物系蛍光体としては、たとえば、サイアロン蛍光体が考えられ、β型サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）に希土類元素や遷移金属元素を付活した蛍光体が知られている。Ｔｂ、Ｙｂ、Ａｇを付活したβ型サイアロンは５２５ｎｍから５４５ｎｍの緑色を発光する蛍光体となる。さらに、β型サイアロンにＥｕ^２＋を付活した緑色の蛍光体が知られている。Ｅｕ付活β型サイアロン蛍光体は、従来の公知の方法にて製造することが出来る。具体的には、たとえばＥｕ_２Ｏ_３、ＥｕＮ等の光学活性元素Ｅｕを含有する金属化合物と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末と窒化珪素粉末（Ｓｉ_３Ｎ_４）とを均一に混合し、１８００〜２０００℃程度の温度で焼成することで得られる。これら原料粉末の混合比は、焼成後の蛍光体の組成比を考慮して適宜選択される。

第２の波長変換部７に分散して混練されている樹脂片８は、光学的に透明な材料からなる樹脂片であって、主にシリコーンあるいはエポキシ系のものが用いられ、その形状は一般にはビーズ状のものが用いられるが、これに限定されるものではなく、大きさは、ほぼ揃っていることが望ましい。また、本実施形態では、第２の波長変換部７を構成する樹脂層と同じかそれに近い屈折率を有する樹脂片を用いているが、逆に光散乱を利用したい場合には、樹脂片の屈折率を樹脂層の屈折率と異ならせてもよい。また、本実施形態では、樹脂片８を用いているが、例えばガラスや酸化物、フッ化物など、光学的に透明であれば材料は樹脂に限らない。

次に、発光装置１０の製造方法を以下に説明する。本実施形態では、蛍光体樹脂層が２層の場合について説明するが、蛍光体樹脂層は互いに異なる発光帯域を有していればよく、層の数が増えても発光装置の製造は同様にして行うことが可能である。

図２及び図３は、発光装置１０の製造工程を説明する図である。まず、図２に示される電極１、基板２、パッケージ３、発光素子４、そしてワイヤ５が備わったＬＥＤパッケージを用意する。

次に、重量比で樹脂：ナノ結晶である赤色蛍光体＝１０００：４．６２の比になるよう樹脂とナノ結晶である赤色蛍光体を含有するトルエン溶液を混合する。ナノ結晶である赤色蛍光体には、ＩｎＰ結晶からなるものを使用した。また、シリコーン樹脂は、信越化学工業株式会社製ＳＣＲ１０１１を使用した。ＳＣＲ１０１１以外でも、ナノ結晶である赤色蛍光体が均一に分散される樹脂であって、透明であり、熱や光に強い樹脂であれば使用することが出来る。

次に、上記ＬＥＤパッケージにナノ結晶である赤色蛍光体を含有した液状樹脂を滴下し、所定の時間で硬化させることで第１の波長変換部６を作製した。図３は、第１の波長変換部６が作製された状態を示している。次に、重量比で樹脂：Ｅｕ付活β型サイアロン蛍光体：樹脂片＝７０：１５：１５の比率で混合する。シリコーン樹脂は、信越化学工業株式会社製ＳＣＲ１０１１（硬化前粘度３５０ｍＰａ・ｓ）を使用した。ＳＣＲ１０１１以外でも、Ｅｕ付活β型サイアロン蛍光体が均一に分散される樹脂であって、透明であり、熱や光に強い樹脂であれば使用することが出来る。また、樹脂片８は、トクヤマ社製ＤＭ−３０Ｓを使用した。

その後、第１の波長変換部６が形成されているＬＥＤパッケージにＥｕ付活β型サイアロン蛍光体および樹脂片８を含有する液状樹脂を滴下し、所定の時間で硬化させることで、第２の波長変換部７を作製した。第１の波長変換部６と第２の波長変換部７との樹脂層界面においては、通常、多少の光反射が起こり、第１の波長変換部６から光はこの界面において光散乱により発光ロスが生じる。また、それに加え、第２の波長変換部７を作成する工程において、ＬＥＤパッケージに滴下された直後は蛍光体がほぼ均一に分散されていても、蛍光体を含有する樹脂が硬化するまでの間に、重力により多少の沈降現象が現れ、この状態で樹脂が硬化すると、蛍光体の均一性が保たれず、第２の波長変換部７の下部分に蛍光体の層ができる虞があり、この層によって第１の波長変換部６からの光が散乱し、十分に上方に光が出射されない可能性が高くなる。

このように、樹脂への混練状態によっては、第２の波長変換部７の蛍光体が一部に偏ったり、沈降することに起因し、発光素子４および第１の波長変換部６からの光の取り出し効率が悪くなり、理想的な照明機能を得られない。これに対して硬化の経過に伴って蛍光体が沈降しないような適切な粘度に、あるいは、蛍光体が分散しやすいように、シリコーン樹脂の粘度を調整することは非常に難しい。

そこで、蛍光体をシリコーン樹脂に混合する工程において、樹脂片８を混ぜることで、蛍光体を含有する樹脂が硬化するまでの間に蛍光体が重力により沈降することを樹脂片８によって容易に防ぐことができ、蛍光体の均一性を保ったままの状態で第２の波長変換部７を作製することができる。さらに、樹脂片８には蛍光体が混じっておらず、発光素子４からの一次光および／または蛍光体が一次光の一部を吸収して発する二次光に対し、光学的に透明なため、樹脂層が硬化する前から、確実に光を透過させる経路を樹脂片８の部分によってあらかじめ確保することができる。樹脂片8の量を調整するという簡単な方法で、第２の波長変換部7を構成する蛍光体量、樹脂の粘度等の条件に応じて、最適な発光装置１０を作製することができる。

なお、今回は第１の波長変換部６と第２の波長変換部７の一次光の光路方向の厚みは、同じになるように調整したが、求められる発光装置の発光の色合いなどの仕様にしたがって、それぞれの厚みを設定すればよい。上記のようにして、図１に示すような発光装置１０が作製される。

次に、本実施形態における発光装置１０の光の動きを説明する。光源である発光素子４から発せられた光は、第１の波長変換部６を透過し、第２の波長変換部７に入光する。ここで、発光素子４の光の一部が、第１の波長変換部６の樹脂層から第２の波長変換部７の樹脂層の部分のみを透過する場合、発光素子４からの青色光がほぼそのまま取り出される。また、発光素子４の光の別の一部は、第１の波長変換部６樹脂層、ナノ結晶である赤色蛍光体、第１の波長変換部６の樹脂層、第２の波長変換部７の樹脂層の順で透過し、赤色の光が取り出される。また発光素子４の光の別の一部は、第１の波長変換部６の樹脂層、第２の波長変換部７の樹脂層、Ｅｕ付活β型サイアロン蛍光体、第２の波長変換部７の樹脂層の順で透過し、緑色の光が取り出される。また発光素子４の光の別の一部は、第１の波長変換部６樹脂層、ナノ結晶である赤色蛍光体、第１の波長変換部６の樹脂層、第２の波長変換部７の樹脂層、Ｅｕ付活β型サイアロン蛍光体、第２の波長変換部７の樹脂層の順で透過し、赤色の光が取り出される。このように、第２の波長変換部７に樹脂片８を混練することにより、第２の波長変換部７の蛍光体が沈降することなく分散され、また樹脂片８より下部分からの光路を確保できるので、第１の波長変換部６からの光が散乱する確率が減り、効率よく光を取り出すことができる。

以上説明したように、本発明によれば、樹脂片８が蛍光体をバランスよく分散し、第１の波長変換部からの光を効率よく取り出すことができる。なお、樹脂片８の形状、大きさ、混合率については、本実施形態で示した例に限られるものではなく、求められる発光装置の発光の色合いなどの仕様により適宜決定すればよい。

以上のように、波長変換部に光学的に透明な材料を混合するという簡単な方法で、発光色の調整、設定が可能で、光散乱の影響を緩和し、明るく、色再現性のよい発光装置を実現することができた。

１電極
２基板
３パッケージ
４発光素子
５ワイヤ
６第１の波長変換部
７、７´ 第２の波長変換部
１０、１０´ 発光装置
８樹脂片

Claims

一次光を発光する発光素子と、
前記一次光の一部を吸収して二次光を発光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、少なくとも、第１の蛍光体を含む樹脂層からなる第１の波長変換部と第２の蛍光体を含む第２の波長変換部を含む複数の樹脂層からなり、
前記第１の波長変換部は、前記第２の波長変換部より、前記発光素子に近い側に配置され、
前記第２の波長変換部には、蛍光体を含まない光学的に透明な材料を配置していることを特徴とする発光装置。
前記複数の樹脂層は、相対的に長い波長の二次光を発する順序で前記発光素子に近い側から配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記第１の波長変換部は、ナノ結晶である蛍光体を含む樹脂層から構成され、前記第２の波長変換部は、希土類付活蛍光体もしくは遷移金属元素付活蛍光体を含む樹脂層から構成されていることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
前記ナノ結晶蛍光体は、ＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体または、ＩＩ―ＶＩ化合物半導体よりなることを特徴とする請求項３に記載の発光装置。
前記ナノ結晶蛍光体は、ＩｎＰまたはＣｄＳｅのうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項４に記載の発光装置。
前記希土類付活蛍光体は、付活剤としてＣｅもしくはＥｕを含むことを特徴とする請求項５に記載の発光装置。
前記希土類付活蛍光体は、窒化物系蛍光体であることを特徴とする請求項３ないし５のいずれかに記載の発光装置。
前記希土類付活蛍光体は、サイアロン蛍光体であることを特徴とする請求項７に記載の発光装置。
パッケージの底面上に発光素子を搭載する工程と、
前記発光素子を覆うように第１の蛍光体が混練された液状樹脂を注入して硬化させ、第１の波長変換部を形成する工程と、
前記第１の波長変換部の上に、第２の蛍光体及び蛍光体を含まない光学的に透明な材料が混練された液状樹脂を注入して硬化させ、第２の波長変換部を形成する工程を含むことを特徴とする発光装置の製造方法。