JP2013012537A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、発光素子の発する光が波長変換部材の全体に照射することが可能な発光装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 発光装置１であって、中央部Ｃが上方に突出した凸部２を有する基板３と、凸部２上に実装された発光素子３と、基板３上に凸部２の周囲を取り囲むように発光素子４の下端よりも低い位置まで設けられた透光性シート５と、基板３の周辺部Ｐに沿って発光素子４を取り囲むように設けられた枠体６と、枠体６内に設けられた、発光素子４の発する光を波長変換する蛍光体７を含有する、透光性シート５の屈折率よりも屈折率が小さい波長変換部材８とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光素子を含む発光装置に関するものである。

近年、発光素子を有する発光装置の開発が進められている。当該発光装置は、消費電力または製品寿命に関して注目されている。なお、発光装置として、発光素子から発せられる光を蛍光体が含有された波長変換部材で特定の波長帯の光に変換して、外部に取り出すものがある（下記特許文献１参照）。

特開２００４−３４３１４９号公報

発光素子の開発において、発光素子の発する光が波長変換部材の特定の個所に集中させずに、発光素子の発する光が波長変換部材の全体にわたって照射され、波長変換部材全体で波長変換することによって輝度を向上させる技術が求められている。

本発明は、発光素子の発する光が波長変換部材の全体に照射することが可能な発光装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る発光装置は、中央部が上方に突出した凸部を有する基板と、前記凸部上に実装された発光素子と、前記基板上に前記凸部の周囲を取り囲むように前記発光素子の下端よりも低い位置まで設けられた透光性シートと、前記基板の周辺部に沿って前記発光素子を取り囲むように設けられた枠体と、前記枠体内に設けられた、前記発光素子の発する光を波長変換する蛍光体を含有する、前記透光性シートの屈折率よりも屈折率が小さい波長変換部材とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、発光素子の発する光を波長変換部材の全体に照射することが可能な発光装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る発光装置の概観を示す断面斜視図である。 本発明の実施形態に係る発光装置の断面図である。 本発明の実施形態に係る発光装置の透過平面図である。 図２に示す発光装置の一部を拡大した拡大断面図である。 一変形例に係る発光装置の断面図である。 一変形例に係る発光装置の断面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる発光装置の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されないものである。

＜発光装置の概略構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る発光装置の概観斜視図であって、その一部を断面視している。図２は、図１に示す発光装置の断面図である。図３は、発光装置の透過平面図であって、波長変換部材および発光素子を取り除いた状態を示している。図４は、図２に示す発光装置の一部Ａを拡大した拡大断面図である。なお、図４に示した矢印は、光の進行方向を示している。

発光装置１は、中央部Ｃが上方に突出した凸部２を有する基板３と、凸部２上に実装された発光素子４と、基板３上に凸部２の周囲を取り囲むように、発光素子４の下端よりも低い位置まで設けられた透光性シート５と、基板３の周辺部Ｐに沿って発光素子４を取り囲むように設けられた枠体６と、枠体６内に充填され、発光素子４の発する光を波長変換する蛍光体７を含有する、透光性シート５の屈折率よりも屈折率が小さい波長変換部材８を備えている。なお、発光素子４は、例えば、発光ダイオードであって、半導体を用いたｐｎ接合中の電子と正孔が再結合することによって、外部に向かって光を放出する。

基板３は、絶縁性の基板であって、例えば、アルミナまたはムライト等のセラミック材料、あるいはガラスセラミック材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。また、基板３は、基板３の熱膨張を調整することが可能な金属酸化物微粒子を分散させた高分子樹脂を用いることができる。

基板３の中央部Ｃに設けられた凸部２は、基板３と一体に設けられている。凸部３は、下部が上部よりも幅広に形成され側面が傾斜した傾斜面に形成されている。凸部３の上面は平坦に形成されており、凸部３が基板３から、例えば、０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下突出している。また、凸部３は、台形状に形成されており、凸部３の上部の横方向の幅の長さは、例えば、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下に設定されている。また、凸部３の下部の横方向の幅の長さは、例えば、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下に設定されている。なお、凸部３の側面の傾斜角度は、基板３の上面に対して、例えば、１０度以上８０度以下傾斜している。

基板３は、基板３の内外を電気的に導通する反射電極９が形成されている。反射電極９は、例えば、タングステン、モリブデン、マンガン、銅、アルミニウム、銀、金またはプラチナ等の導電材料からなる。反射電極９は、例えば、タングステン等の粉末に有機溶剤を添加して得た金属ペーストを、基板３となるセラミックグリーンシートに所定パターンで印刷し、焼成することにより得られる。

反射電極９は、基板３上から凸部３上にかけて連続して設けられている。そして、凸部３上に実装される発光素子４と電気的に接続される。反射電極９は、発光素子４の発する光のうち、下方に向かって進行する光を反射して、上方に向かって取り出すものである。

反射電極９は、枠体６で囲まれる領域に幅広く設けられる。枠体６で囲まれる領域が円形の場合は、図３に示すように、半円状に形成された一対の反射電極９が設けられ、一対の反射電極９のそれぞれが間を空けて配置されている。発光素子４は、一対の反射電極９の両方と重なるように配置される。そして、一対の反射電極９は、一方が発光素子４の陽極となる第１電極に接続され、他方が発光素子４の陰極となる第２電極に接続される。

発光素子４は、基板３の凸部２上に実装される。発光素子４は、凸部２上にまで形成される反射電極９上に、例えば、ろう材または半田を介して電気的に接続される。

発光素子４は、透光性基体と、透光性基体上に形成される光半導体層とを有している。透光性基体は、有機金属気相成長法または分子線エピタキシャル成長法等の化学気相成長法を用いて、光半導体層を成長させることが可能なものであればよい。透光性基体に用い
られる材料としては、例えば、サファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、セレン化亜鉛、シリコンカーバイド、シリコンまたは二ホウ化ジルコニウム等を用いることができる。なお、透光性基体の厚みは、例えば５０μｍ以上１０００μｍ以下である。

光半導体層は、透光性基体上に形成された第１半導体層と、第１半導体層上に形成された発光層と、発光層上に形成された第２半導体層とから構成されている。

第１半導体層、発光層および第２半導体層は、例えば、III族窒化物半導体、ガリウム
燐またはガリウムヒ素等のIII−Ｖ族半導体、あるいは、窒化ガリウム、窒化アルミニウ
ムまたは窒化インジウム等のIII族窒化物半導体などを用いることができる。なお、第１
半導体層の厚みは、例えば１μｍ以上５μｍ以下であって、発光層の厚みは、例えば２５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であって、第２半導体層の厚みは、例えば５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。また、このように構成された発光素子４では、例えば３７０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の波長範囲の励起光を発する素子を用いることができる。

透光性シート５は、基板３上の反射電極９上に、凸部３の周囲を取り囲むようにして凸部３の上部を露出するように設けられている。透光性シート５は、一対の反射電極９同士の間から露出する基板３の上面の一部にも設けられている。そして、一対の反射電極９の一方の上面から他方の上面にかけて連続して設けられている。透光性シート５は、硬化した反射電極９上に、例えばスパッタリング法または印刷塗布法を用いて設けられる。透光性シート５は、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂またはガラス等の透光性材料からなる。また、透光性シート５の屈折率は、波長変換部材８の屈折率よりも大きく、例えば、１．４以上１．６以下に設定されている。透光性シート５の上下方向の厚みは、例えば、０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下に設定されている。

枠体６は、基板３上の周返部Ｐに発光素子４を取り囲むように設けられている。また、枠体６は、透光性シート５上に設けられている。そして、枠体６は、基板３とは別体に設けられる。枠体６は、平面視して、枠体６の内壁面の形状を円形とすると、発光素子４が発光する光を全方向に反射させて外部に放出することができる。

枠体６は、例えば、アルミナまたはムライト等のセラミック材料、あるいはガラスセラミック材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。また、枠体６は、例えば、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウムまたは酸化イットリウム等のセラミック材料を所望の形状に形成して焼結された多孔質材料から構成されてもよい。枠体６を多孔質材料から構成した場合は、発光素子４からの光が、多孔質材料から成る枠体６の表面で拡散して反射される。そして、発光素子４から発せられる光が、波長変換部材８の一部に集中することなく、波長変換部材８に入射される。その結果、波長変換部材８は、波長変換部材８の一部が温度上昇することによる波長変換効率の低下や、波長変換部材８の一部が温度上昇することによる透過率や機械的強度の劣化が抑制される。

また、枠体６で囲まれる領域は、下部から上部に向かって幅広に大きくなるように設定されている。また、枠体６の傾斜する内壁面には、例えば、タングステン、モリブデン、銅または銀等から成る金属層と、金属層を被覆するニッケルまたは金等から成る鍍金金属層が形成されてもよい。この鍍金金属層は、発光素子４の発する光を反射させる機能を有する。

また、枠体６の内壁面の傾斜角度は、基板３の上面に対して例えば５５度以上７０度以下の角度に設定されている。また、鍍金金属層の表面は、算術平均粗さＲａが例えば、１
μｍ以上３μｍ以下に設定されている。

枠体６で囲まれる領域に、蛍光体７を含有する光透過性の波長変換部材８が充填されている。波長変換部材８は、発光素子４を封止するとともに、発光素子４の発する光の波長を変換する機能を有している。波長変換部材８は、発光素子４から発せられる光が内部に入射して、内部に含有される蛍光体７が励起されて、発光素子４の発する光を波長変換することができる。

波長変換部材８は、例えば、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂等からなり、その樹脂中に、例えば４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の蛍光を発する青色蛍光体、例えば５００ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の蛍光を発する緑色蛍光体、例えば５４０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の蛍光を発する黄色蛍光体、例えば５９０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の蛍光を発する赤色蛍光体が含有されている。

また、蛍光体７は、波長変換部材８中に均一に分散するようにしている。なお、波長変換部材８の熱伝導率は、例えば、０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。また、波長変換部材８の屈折率は、例えば、１．３以上１．５以下に設定されている。そして、波長変換部材８の屈折率が、透光性シート５の屈折率よりも小さく設定されている。

波長変換部材８は、発光素子４の上面および側面に被着して設けられている。発光素子４の側面を波長変換部材８で覆うことで、発光素子４の側面から進行する光を効果的に波長変換することができる。

また、透光性シート５には蛍光体７が含有されていないため、温度が上昇しにくくなっている。また、枠体６は、透光性シート５上に設けられており、透光性シート５の端部が外部に露出している。発光素子４、波長変換材８または反射電極９から透光性シート５に伝わった熱は、透光性シート５の端部から外部に向かって放熱することができる。そして、透光性シート５が基板３から剥離しにくくすることができ、枠体６が発光素子４に対して位置ずれするのを抑制することができる。

発光素子４の上面から上方に向かって進行する光は、波長変換部材８内で蛍光体７によって波長変換されて、外部に向かって取り出される。また、発光素子４の側面から横方向に進行する光は、波長変換部材８内で蛍光体によって波長変換されて、枠体６にて反射されて外部に取り出される。また、発光素子４の側面から斜め下方向に進行する光は、図４に示すように、透光性シート５内に進入する。そして、反射電極９の上面にて反射されて、斜め上方に進行するが、光の進行する角度によっては、波長変換部材８の屈折率が透光性シート５の屈折率よりも小さいために、波長変換部材８と透光性シート５の界面にて反射されて、再び透光性シート５内を進行する。その結果、発光素子４の側面から斜め下方向に進行した光が、透光性シート５内を進行する角度によっては、繰り返し波長変換部材８と透光性シート５の界面にて反射されて、発光素子４から離れた位置まで到達し、透光性シート５から波長変換部材８内に進入することができる。その結果、基板３上の周辺部Ｐに位置する波長変換部材８内で蛍光体７によって波長変換されて、外部に波長変換された光が取り出される。このように、波長変換部材８全体で効率よく蛍光体７によって発光素子４の発する光が波長変換されるため、波長変換部材８の特定個所に熱が集中しにくくなり、波長変換部材８が熱変形して透光性シート５から剥離しにくくすることができ、長期間にわたって駆動することが可能な発光装置１を実現することができる。

このように、発光素子４の発する光のうち、透光性シート５に進入した光を基板３上の周辺部Ｐに位置する波長変換部材８内で波長変換することができ、発光素子４の発する光
が波長変換部材８の全体に照射することが可能な発光装置１を提供することができる。

また、透光性シート５内には、蛍光体７が含有されていないため、透光性シート５内を進行する波長変換前の光は、発光素子４から離れた位置にまで到達しやすくすることができ、波長変換部材８の全体を用いて波長変換するようにすることで、発光装置１の発光輝度を向上させることができる。

なお、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

上述した実施形態によれば、凸部２の側面を傾斜面としたが、これに限られない。例えば、図５に示すように、凸部２の側面を基板３の上面に対して垂直となるように形成してもよい。そして、凸部２は、平面透視して発光素子４よりも小さく形成する。

凸部２の側面を垂直に形成して、さらに、平面透視して発光素子４の外周内に位置するように凸部２の側面を位置させた場合は、発光素子４の下面から下方に進行する光についても、一部透光性シート５内に進行させることができ、その光を発光素子４から離れた位置にある基板３の周辺部Ｐ上に位置する透光性シート５内にまで到達させることができる。その結果、基板３の周辺部Ｐ上に位置する波長変換部材８にて波長変換する光を多くすることができ、波長変換部材８に含有された蛍光体７を全体的に励起させ、励起させる蛍光量を増加させることにより、発光装置１の光出力を増加させることができる。

また、上述した実施形態では、波長変換部材８を枠体６内に充填させたが、これに限られない。例えば、図６に示すように、波長変換部材８をシートにして、枠体６の上部に段差６ａを設け、段差６ａにて波長変換部材８を支持するようにしてもよい。

枠体６の上部に波長変換部材８を設けることで、枠体６の内壁面にて散乱させた光を波長変換部材８の全体に効果的に当てることができ、波長変換部材８全体で発光素子４の発する光を蛍光体７にて波長変換することができ、発光装置１の光出力を向上させることができる。

また、反射電極９は上面が拡散面であり、透光性シート５の上面が平坦面であってもよい。その結果、発光素子４から透光性シート５に入射された光は、一部は反射電極９の上面で拡散反射されて透光性シート５の上側に配置された波長変換部材８内の蛍光体７を一様に励起させるとともに、一部は透光性シート５と波長変換部材８との界面で全反射されながら基板３の周辺部に伝達される。このように、発光素子４から透光性シートに入射された光は、反射電極９および透光性シート５と波長変換部材８との界面で拡散反射と全反射を繰り返しながら、基板３上に配置された蛍光体７を、透光性シート５を介して基板３周囲に向かって一様に励起させることがきることから、発光装置１の光出力を向上させることができる。

＜発光装置の製造方法＞
ここで、図１に示す発光装置１の製造方法を説明する。まず、基板３を準備する。基板３が、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウム等の原料粉末に、有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して混合物を得る。そして、混合物から複数のグリーンシートを作製する。

また、タングステンまたはモリブデン等の高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して金属ペーストを得る。そして、基板３とな
るセラミックグリーンシートに反射電極９となるメタライズパターンを所定パターンで印刷し、複数のセラミックグリーンシートを積層した状態で焼成することで、基板３を準備することができる。

次に、基板３上に凸部３を露出した状態で、例えば、ガラスを塗布して、屈折率が１．４となる透光性シート５を形成する。さらに、枠体６を準備する。枠体６は、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウムまたは酸化イットリウム等のセラミック材料を準備する。そして、枠体６の型枠内に、セラミック材料を充填して乾燥させた後に、焼成することで枠体６を準備することができる。

次に、基板３上の透光性シート５上に、枠体６を、接着樹脂を介して接合することによって設ける。そして、基板３上の凸部２の上面であって枠体６で囲まれた領域に発光素子４を実装する。

そして、基板３上の枠体６で囲まれた領域に、例えば蛍光体７を含有する波長変換部材８としてのシリコーン樹脂を充填する。その後、例えば１５０℃以上の温度にシリコーン樹脂を熱して、シリコーン樹脂を硬化させることで、屈折率が１．３となる波長変換部材８を形成して発光素子４を封止する。このようにして、発光装置１を製造することができる。

１ 発光装置
２ 凸部
３ 基板
４ 発光素子
５ 透光性シート
６ 枠体
７ 蛍光体
８ 波長変換部材
９ 反射電極
Ｃ 中央部
Ｐ 周辺部

Claims (4)

1. 中央部が上方に突出した凸部を有する基板と、
   前記凸部上に実装された発光素子と、
   前記基板上に前記凸部の周囲を取り囲むように前記発光素子の下端よりも低い位置まで設けられた透光性シートと、
   前記基板の周辺部に沿って前記発光素子を取り囲むように設けられた枠体と、
   前記枠体内に設けられた、前記発光素子の発する光を波長変換する蛍光体を含有する、前記透光性シートの屈折率よりも屈折率が小さい波長変換部材とを備えたことを特徴とする発光装置。
2. 請求項１に記載の発光装置であって、
   前記基板上から前記凸部上にかけて連続して設けられた、前記発光素子に電気的に接続される反射電極が設けられていることを特徴とする発光装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の発光装置であって、
   前記凸部は、平面透視して前記発光素子よりも小さいことを特徴とする発光装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の発光装置であって、
   前記凸部は、下部が上部よりも幅広に形成され、側面が傾斜した傾斜面に形成されていることを特徴とする発光装置。

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