JP2013172041A

JP2013172041A - 発光装置

Info

Publication number: JP2013172041A
Application number: JP2012035692A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Ryorin; 達也両輪; Kazunori Annen; 一規安念; Makoto Izumi; 真和泉; Kimiko Saegusa; 貴三子三枝
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2013-09-02

Abstract

【課題】ナノ結晶蛍光体の特性を生かしつつ、性能低下や劣化を防止し、長寿命の発光装置を実現する。
【解決手段】一次光を発光する発光素子と、前記発光素子上に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とを備えた発光装置であって、前記波長変換部は、少なくともナノ結晶蛍光体を含む波長変換部から構成され、前記波長変換部の上部に、無機材料からなる粒子を含む被覆部が積層されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明やディスプレイに用いられる発光装置に関し、特に、光源から直接出力される光と、この光源から出力された光の一部によって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、省電力、小型、且つ高輝度が期待される次世代の発光装置として、ナノ結晶である蛍光体（以下、ナノ結晶蛍光体と記す。）と、その蛍光体を励起する一次光を発する光源とからなる発光装置の開発が盛んに行われている。蛍光体として、ナノ結晶を用いることにより、従来の蛍光体と比較して、発光効率の向上が期待されている。ナノ結晶蛍光体の特徴は、量子サイズ効果により、ナノ結晶の粒子サイズを変えることで短波長である青色から長波長である赤色まで自在に発光する色を制御できることである。そして、このナノ結晶蛍光体の作製条件を最適化させることで、ナノ結晶の粒子サイズ分布のばらつきをなくし、ほぼ均一な粒子サイズのナノ結晶蛍光体が得られるため、半値幅の狭い発光スペクトルを得ることが出来るといったメリットがある。

このようなナノ結晶蛍光体を用いた発光装置の一例が、特許文献１に開示されている。図１０は、該文献に示された発光装置１００の概略断面図である。この発光装置１００は、基板１０１上に、発光素子１０２と反射部材１０３と波長変換部を備え、波長変換部を構成する蛍光体として、平均粒径０．１〜５０μｍの一般的な蛍光体と平均粒径１０ｎｍ以下のナノ結晶蛍光体を用いている。具体的には、青色蛍光体１０４として平均粒径７μｍの〔（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２：Ｅｕ〕を、緑色蛍光体１０５として平均粒径４μｍの〔ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ，Ｍｎ〕を、黄色蛍光体１０６として平均粒径２．８ｎｍのＺｎＡｇＩｎＳ_２を、赤色蛍光体１０７として平均粒径３．８ｎｍのＺｎＡｇＩｎＳ_２を用いている。このような構成とすることで、色バランスの良い優れた白色光を効率よく発光することが可能となる。

特開２００７−１０３５１２号公報（平成１９年４月１９日公開）

しかしながら、上記特許文献１に示された発光装置１００では、ナノ結晶蛍光体をも含む波長変換部が最上面にあり、その上面が大気にさらされた状態となる。もともと、ナノ結晶蛍光体は酸素や水分に弱いため、最上層の蛍光体は直接空気に触れ、劣化する虞がある。これは、発光装置の性能低下につながり、問題となる。また、ナノ結晶蛍光体を酸素、水分から守るためにナノ結晶蛍光体層の上面を樹脂などで被覆したとしても、樹脂中では、樹脂を構成する分子がネットワークを形成しており、隙間が存在する構造となっているため、ここに水蒸気や水分子が触れると隙間内に水分子が入り込み、拡散し、ナノ結晶蛍光体の劣化につながる可能性がある。さらに、ナノ結晶蛍光体が均一に分散されずに樹脂が硬化するとうまく発光バランスがとれず、色ムラの原因となる。

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、ナノ結晶蛍光体の性能低下や劣化を防ぎ、色ムラの少ない、長寿命の発光装置を実現することにある。

本発明に係る発光装置は、一次光を発光する発光素子と、前記発光素子上に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とを備えた発光装置であって、前記波長変換部は、少なくともナノ結晶蛍光体を含む波長変換部から構成され、前記波長変換部の上部に、無機材料からなる粒子を含む被覆部が積層されていることを特徴とする。

また、前記被覆部は、光を散乱させることを特徴としてもよい。また、前記無機材料は、酸化物であることを特徴としてもよい。また、前記無機材料は、ガラスであることを特徴としてもよい。また、前記無機材料からなる粒子の粒径は、０．５μｍ〜１０μｍであってもよい。

また、前記ナノ結晶蛍光体は、ＩｎおよびＰを含むＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体または、ＣｄおよびＳｅを含む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。

本発明の発光装置によれば、ナノ結晶蛍光体の特性を生かしつつ、性能低下や劣化を防止し、色ムラの少ない、長寿命の発光装置を実現することができる。

本発明の実施形態１に係る発光装置の断面図である。実施形態１に係る発光装置の製造工程を説明する図である。実施形態１に係る発光装置の製造工程を説明する図である。実施形態１に係る発光装置１０の発光スペクトルを示したグラフである。本発明の実施形態２に係る発光装置の断面図である。本発明の実施形態３に係る発光装置の断面図である。実施形態３に係る発光装置３０の変形例を示す断面図である。本発明の実施形態４に係る発光装置の断面図である。実施形態４に係る発光装置４０の変形例を示す断面図である。従来の発光装置の断面図である。

本発明の実施の形態について、図１〜図９を用いて以下に説明する。それぞれの実施形態は一例であり、適宜構成を組み合わせることも可能である。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結晶を指すものとする。

＜実施形態１＞
図１は、本発明の実施形態１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および発光素子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波長変換部６と、無機材料からなる粒子（以下、無機粒子と記す。）を含む被覆部７が積層された構成である。

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。

波長変換部６としては、ＩｎＰ系のナノ結晶を好適に用いることができる。ＩｎＰは粒径をナノサイズに結晶化して小さくしていくと、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、赤色ナノ結晶蛍光体６１として、波長６２０〜７５０ｎｍ、粒径約２．７〜５．０ｎｍの赤色発光するＩｎＰ系ナノ結晶蛍光体、緑色ナノ結晶蛍光体として波長５１０〜５６０ｎｍ、粒径約２．２〜２．７ｎｍの緑色発光するＩｎＰ系ナノ結晶蛍光体を、シリコーン樹脂中に混合し、硬化させたものを用いることができる。

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赤色ナノ結晶蛍光体および緑色ナノ結晶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、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。

さらに言えば、波長変換部６として、強い毒性を示すＣｄを含まないＩｎＰを用いることが好ましい。

また、被覆部７に含まれる無機粒子７１としては、無機粒子７１が混練される樹脂とは異なる屈折率を持つ、金属酸化物粒子もしくは無機酸化物ガラス粒子が好適である。これらの無機粒子７１は、酸素や水分を透過させにくい無機材料であり、たとえば、二酸化ケイ素ＳｉＯ_２、酸化イットリウムＹ_２Ｏ_３、酸化ガリウムＧａ_２Ｏ_３、酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３、酸化チタンＴｉＯ_２などが挙げられる。このような酸化物は、一般に、熱に強く、分子間の結合が強く、安定しているという特性がある。中でもこれらの酸化物は特にその性質に優れており、比較的入手が容易である。

さらに、これらの無機粒子７１は平均粒子径が０．１〜５０μｍであることが好ましい。さらに好ましくは、０．５〜１０μｍであることが好ましい。なお、形状は粒状以外でもかまわない。金属酸化物もしくは無機酸化物ガラスは、平均粒子径が発光素子４および波長変換部６の蛍光体の発光波長と同程度の大きさ以上になると、これらの光を散乱する性質をもつようになる。この場合、発光素子４および蛍光体からの発光は被覆部７の無機粒子７１により散乱され、その結果発光装置１０からは均一な光を出射することが可能となる。また、樹脂にこのような無機粒子が混練されることにより、外部からの酸素、水分が樹脂に浸透しにくくなり、酸素、水分がナノ結晶蛍光体に到達して劣化するのを防止することができる。

また、樹脂に単一の無機粒子を含むだけでなく、上で挙げた何種類かを混合して混練する方法、あるいは違う種類の無機粒子の層を何層かに積層するなどの方法でもかまわない。いずれの場合も空気や水分の透過を抑制するという効果がある。さらに、屈折率を制御することが可能である。ＬＥＤ側から最上層に向かうにつれて屈折率が低くなるような積層順とすることで、発光の取り出し効率が良くなるといった効果が得られる。

次に、発光装置１０の製造方法の一例を以下に説明する。図２および図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に示されるように電極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：赤色ナノ結晶蛍光体：緑色ナノ結晶蛍光体＝１０００：４．６２：４．６２の比になるよう、樹脂と赤色ナノ結晶蛍光体６１および緑色ナノ結晶蛍光体６２を含有するトルエン溶液を混合する。赤色ナノ結晶蛍光体および緑色ナノ結晶蛍光体には、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。そして、図３に示すように、上記ＬＥＤパッケージに赤色ナノ結晶蛍光体６１および緑色ナノ結晶蛍光体６２を含有した樹脂を滴下し、所定の時間で硬化させることで波長変換部６を作製した。

次に、重量比で樹脂：無機粒子として二酸化ケイ素＝１０００：２００の比で混合する。シリコーン樹脂は、信越化学工業株式会社製ＳＣＲ１０１１を使用した。ＳＣＲ１０１１以外でも、二酸化ケイ素粒子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。

その後、波長変換部６が形成されているＬＥＤパッケージに無機粒子７１として、二酸化ケイ素粒子を含有する樹脂を滴下し、所定の時間で硬化させる。ＳＣＲ１０１１の場合、自然に硬化させることも可能であるが、時間がかかるため、通常は８０℃で３０分加熱し、次に１５０℃で２時間程度加熱して硬化させることが望ましい。なお、これ以外に、シリコーン樹脂としてＵＶ（ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）硬化樹脂を用いて、ＵＶ光を照射し、硬化させる方法や、硬化促進剤を用いる方法などでもかまわない。

上記のような方法で、無機粒子７１を含む被覆部７を作製した。ここで、被覆部７は波長変換部６の上面を完全に覆うことが望ましい。また、波長変換部６と被覆部７の一次光の光路方向の厚みは、所望の色バランスに応じて厚みを適宜設定すればよい。上記のようにして、図１に示すような照明装置１０が作製される。なお、製造方法については、波長変換部６上に、無機粒子７１を含む被覆部７が形成される方法であれば、上記の方法に限られるものではない。

以上のように、無機粒子７１を含有する被覆部７が、ナノ結晶蛍光体を有する波長変換部６を保護する働きをするため、ナノ結晶蛍光体を酸素や水分から守るためにガラス板などの特別なキャップを用いる必要が無く、製造工程が増えることもない。このように、本発明によれば、ナノ結晶蛍光体の特性を生かしつつ、ナノ結晶蛍光体を酸素や水分から保護し、発光装置の劣化を防ぎ、耐性に優れた発光装置を効率的に得ることができる。また、無機粒子７１により、光が散乱されるので、色ムラの少ない発光装置を得ることができる。なお、本発光装置を製造するすべての工程において、余分な水分、酸素を遠ざけるために、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気中で作業することが望ましい。

ここで、上記の手順により作製された照明装置１０の発光スペクトルを、大塚電子株式会社製分光光度計ＭＣＰＤ−７０００にて測定した。

図４は、発光装置１０の発光スペクトルを示したグラフである。赤色ナノ結晶蛍光体および緑色ナノ結晶蛍光体を用いたことにより、従来の蛍光体よりも細い発光スペクトルが得られ、従来に比べて、ＮＴＳＣ（ＮａｔｉｏｎａｌＴｅｌｅｖｉｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍＣｏｍｍｉｔｅｅ）比が向上し、色再現性が改善された。

なお、本実施形態では、波長変換部６、無機粒子７１を含む被覆部７のみで形成される発光装置１０の作製方法について示したが、さらに、別の蛍光体よりなる波長変換部が積層されてもよい。ここで、各波長変換部における蛍光体は、それぞれの励起エネルギーより大きいエネルギーを有した光を全て吸収し、蛍光として二次光を発色する。励起エネルギーの大きい蛍光体（例えば青色）で発光した二次光は、励起エネルギーの小さい蛍光体（例えば赤色）に吸収されてしまい、所望の色バランスを得るのが難しくなる。このような場合には、一次光の光路順にピーク波長の長い蛍光体順に積層することで、各蛍光体から発光した二次光は、他色を発光する蛍光体に再度吸収されることがほとんど無く、所望の色バランスを容易に得ることができる。

＜実施形態２＞
次に、実施形態２について説明する。本実施形態では、発光素子４上に樹脂層８を備える点が、実施形態１とは異なる。

図５は、本発明の実施形態２に係る発光装置２０の断面図である。発光装置２０は、発光素子４上に樹脂層８、波長変換部６、被覆部７の順に積層された構成となっている。樹脂層８は、シリコーン樹脂（信越化学工業株式会社製ＳＣＲ１０１１）のみから構成され、ナノ結晶蛍光体および無機粒子を含まない層である。

このように発光素子４を樹脂層８で覆うことにより、実施形態１の効果に加えて、発光素子４の熱によって波長変換部６に混練されたナノ結晶蛍光体が劣化するのを防ぐことができる。

＜実施形態３＞
次に、実施形態３について説明する。本実施形態では、波長変換部６が複数の層構造になっている点が、実施形態１及び実施形態２とは異なる。

図６は、本発明の実施形態３に係る発光装置３０の断面図である。発光装置３０は、発光素子４上に第一の波長変換部６１０、第二の波長変換部６２０、被覆部７の順に積層された構成となっている。第一の波長変換部６１０は、赤色ナノ結晶蛍光体６１が混練されたシリコーン樹脂よりなり、第二の波長変換部６２０は緑色ナノ結晶蛍光体６２が混練されたシリコーン樹脂よりなる。実施形態１の効果に加え、このように一次光を発する発光素子４に近い側にピーク波長のより長い蛍光体を配置することで、各蛍光体の発する二次光は、他色を発光する蛍光体に再度吸収されることがほとんどなく、所望の色バランスを容易に得ることが可能となる。

なお、変形例として図７に示す発光装置３１のように、発光素子４上に、シリコーン樹脂のみから構成され、ナノ結晶蛍光体および無機粒子を含まない樹脂層８を積層した構成としてもかまわない。このような構成とすることで、上記の効果に加え、発光素子４の熱によってナノ結晶蛍光体が劣化するのを防ぐことができる。

＜実施形態４＞
次に、実施形態４について説明する。本実施形態では、従来蛍光体層を追加している点が、上記実施形態のいずれとも異なる。

図８は、本発明の実施形態４に係る発光装置４０の断面図である。発光装置４０は、発光素子４上に従来蛍光体層９、波長変換部６、被覆部７の順に積層された構成となっている。従来蛍光体層９は、黄色蛍光体９１としてＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体が混練されたシリコーン樹脂よりなる。また、波長変換部６には、赤色ナノ結晶蛍光体６１と緑色ナノ結晶蛍光体６２が混練されている。このように発光素子４上に従来蛍光体層９を積層させることで、発光素子４の熱によってナノ結晶蛍光体が劣化するのを防ぐことができる。また、赤色、緑色、黄色の３色に加え、一次光の青色が混ざりあい、色味の良い白色光を得ることができる。さらに、被覆部７により、ナノ結晶蛍光体の劣化を防ぎ、かつ均一な光を発光させることができる。

なお、変形例として図９に示す発光装置４１のように、発光素子４に近い側にピーク波長のより長い蛍光体を配置する構成としても構わない。図９に示す発光装置４１は、発光素子４上に、ＣａＡｌＳｉＮ_３赤色蛍光体９２、黄色蛍光体９１、緑色ナノ結晶蛍光体６２を積層している。このように、発光素子４に近い側にピーク波長のより長い蛍光体を配置することにより、各蛍光体の発する二次光は、他色を発光する蛍光体に再度吸収されることがほとんどなく、所望の色バランスを容易に得ることが可能となる。

以上、それぞれの実施形態で説明したように、本発明によれば、ナノ結晶蛍光体の特性を生かしつつ、性能低下や劣化を防止し、色ムラの少ない、長寿命の発光装置を実現することができる。

１電極
２基板
３パッケージ
４発光素子
５ワイヤ
６波長変換部
７被覆部
８樹脂層
９従来蛍光体層
１０、２０、３０、３１、４０、４１発光装置
６１赤色ナノ結晶蛍光体
６２緑色ナノ結晶蛍光体
７１無機粒子
９１黄色蛍光体
９２赤色蛍光体
６１０第一の波長変換部
６２０第二の波長変換部

Claims

一次光を発光する発光素子と、
前記発光素子上に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
とを備えた発光装置であって、
前記波長変換部は、少なくともナノ結晶蛍光体を含む波長変換部から構成され、
前記波長変換部の上部に、無機材料からなる粒子を含む被覆部が積層されていることを特徴とする発光装置。
前記被覆部は、光を散乱させることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記無機材料は、酸化物であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の発光装置。
前記無機材料は、ガラスであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の発光装置。
前記無機材料からなる粒子の粒径は、０．５μｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の発光装置。
前記ナノ結晶蛍光体は、ＩｎおよびＰを含むＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体または、ＣｄおよびＳｅを含むＩＩ―ＶＩ化合物半導体よりなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の発光装置。
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６記載の発光装置。