JP2013182975A - 発光装置及びこれを用いたバックライトシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】 発光装置の銀部分とナノ結晶蛍光体が反応して基板が変色するのを防ぎ、発光効率低下を防止することができる、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、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なる第1の波長変換部と、ナノ結晶蛍光体を含む樹脂層からなる第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及びこれを用いたバックライトシステムに関するものである。
近年、発光ダイオード(以下、LEDと記す。)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。
上記発光装置における蛍光体としては、従来は、希土類付活蛍光体が主に使用されてきたが、近年、演色性が高く、効率のよい発光装置の作製を可能にする半導体ナノ結晶からなる蛍光体(以下、ナノ結晶蛍光体と記す。)が注目を集めている。直接遷移型のエネルギーギャップを持つ半導体は、元来その物質に固有の波長を蛍光として発するが、粒子サイズをボーア半径と同程度に制限することで、価電子帯、伝導電子帯の双方とも取りうる運動エネルギーが不連続となり、発光波長は粒子寸法に応じて短くなる。そのため、従来蛍光体と異なり、ナノ結晶蛍光体では、粒子サイズを変えることで青(短波長)から赤(長波長)まで自在に発光する色を制御することが可能となり、様々な希望のスペクトルの発光を起こすことが可能となる。さらに、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。
このようなナノ結晶蛍光体には、非特許文献1に示されるように、ナノ結晶コアとそれを被覆するシェル層を含む構成となるものがある。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8は、該文献に示された発光装置800の概略側面図である。この発光装置800では、基板801上に実装された発光素子802を覆うようにナノ結晶蛍光体803を分散したシリコーン樹脂804を塗布している。
特開2005−285800号公報 (平成17年10月13日公開)
Holger Borchert,et.al.,NANO Lett.,Vol.2,No.2,151−154(2002)
しかしながら、上記の文献に示されたナノ結晶蛍光体のシェル層には、S、Se、Teが含まれることが一般的である。また発光装置の発光素子が実装されている基板、電極あるいは発光素子が電極と接続されるワイヤには、銀メッキが施されていたり、銀を含んでいることが多い。銀はS、Se、Teと反応し易く、反応すると銀が黒っぽく着色してしまい、着色した基板、電極、ワイヤは、発光素子からの発光やナノ結晶蛍光体から発した発光を吸収する虜がある。これは、発光装置の発光効率低下につながり、問題となる。また、このような課題は、ナノ結晶蛍光体のコアにS、Se、Teが含まれる場合でも同様に起こりうる。さらに、ナノ結晶蛍光体は通常トルエンなどの溶液に含有された形で取り扱われることが多く、これら溶液には、ナノ結晶蛍光体の製造工程で材料として使用するS、Se、Teがそのままの状態で溶け込んでいることが多いため、この場合も銀が変色し、発光効率に悪影響を及ぼす可能性がある。
本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板、電極、ワイヤの銀部分とナノ結晶蛍光体または、これを含む溶液が反応して基板が変色するのを防ぎ、発光効率低下を防止することができる、発光装置及びこれを用いたバックライトシステム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、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なる第1の波長変換部と、ナノ結晶蛍光体を含む樹脂層からなる第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ていることを特徴とする。
また、前記発光装置は、基板、電極、発光素子及び前記発光素子と前記電極を接続するワイヤを含み、前記基板、前記電極、前記ワイヤのうち少なくとも一つは銀を含む材料からなることを特徴としてもよい。前記第1の波長変換部には、S、Se、Teのいずれも含まないことを特徴としてもよい。
また、前記発光装置は、基板、電極、発光素子及び前記発光素子と前記電極を接続するワイヤを含み、前記第1の波長変換部は、前記発光素子、前記基板、前記電極、前記ワイヤを覆っていることを特徴としてもよい。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。
本発明に係るバックライトシステムは、上記のいずれかに記載の発光装置を用いたことを特徴とする。
本発明によれば、発光装置の銀部分とナノ結晶蛍光体が反応して基板が変色するのを防ぎ、発効効率低下を防止することができる発光装置を実現することが可能となる。
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示す図である。 実施形態1に係る発光装置の製造工程を示す図である。 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。 本発明の実施形態4に係る発光装置の断面図である。 本発明の実施形態5に係るバックライトシステムの断面図である。 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7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結晶を指すものとする。
<実施形態1>
図1は、本発明の第1の実施形態に係る発光装置100の断面図である。発光装置100は、電極1及び銀メッキ層2が形成された基板3と、電極1上に設けられたパッケージ4および発光素子5と、発光素子5と電極1を接続するワイヤ6、発光素子5に近い側から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有する第1の波長変換部7とナノ結晶蛍光体を含有する第2の波長変換部8が配置されたもので構成される。
電極1を形成する導体は、発光素子5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6にて発光素子5と電気的に接続されている。導体としては、例えば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3は熱伝導性が高く、かつ反射率の大きいことが求められるため、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム等のセラミックス材料のほかに、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。なお、発光素子5と電極1との接続方法については、図1で示したように発光素子5とp型電極あるいはn型電極のいずれか一方をワイヤ6で接続し、もう一方を発光素子と直接接続する方法以外に、p型電極用、n型電極用に2本のワイヤ6を用いて発光素子5からp型電極及びn型電極のそれぞれに接続する方法でもかまわない。
パッケージ4は、高い反射率を持ちつつ、封止樹脂との密着性がよいポリフタルアミドなどにより構成される。発光素子5は、光源として用いられ、ピーク波長としては360nmから470nmの範囲にあることが好ましく、例えば450nmにピーク波長を有するGaN系LED、ZnO系発光LED、ダイヤモンド系発光LED等を用いることができる。
第1の波長変換部7としては、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が用いられる。これらは、銀と反応するS、Se、Teが含まれていないので、銀が黒く変色することがなく、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る。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Eu2+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、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)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8としては、InP系のナノ結晶コアを用いることができる。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、波長620〜750nmの赤色発光する粒径を有するInP系ナノ結晶コアである赤色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、第2の波長変換部8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コア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、上述の中でも、第2の波長変換部8としては、InおよびPを含むナノ結晶コア、または、CdおよびSeを含むナノ結晶コアを用いることが好ましい。その理由は、InおよびPを含むナノ結晶コア、または、CdおよびSeを含むナノ結晶コアは、可視光域(380nm〜780nm)で発光する粒径のナノ結晶コア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、第2の波長変換部8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。
さらにナノ結晶コアを覆うシェル層には、ZnSを用いることが出来る。ZnSはInPと格子整合性が良いため、シェル膜を厚くしても、ナノ結晶コア表面から剥がれることがない。そのため、ナノ結晶コア表面の欠陥部分をシェルが保護することが出来、また電子を閉じ込める効果が向上するので、InPナノ結晶コアの発光効率を高めることが出来る。
このほか、シェル層を構成する半導体の組成として、ZnS以外のII―VI化合物族半導体、またはIII―V化合物半導体を使用することができる。たとえば、GaAs、GaP、GaN、GaSb、InAs、InSb、AlAs、AlP、AlSb、AlN、ZnO、ZnSe、ZnTe等が挙げられる。
次に、発光装置100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100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、銀メッキ層2、基板3、パッケージ4、発光素子5、そしてワイヤ6が備わったLEDパッケージを用意する。
次に、重量比でシリコーン樹脂:Eu付活β型サイアロン蛍光体=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、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。そして、図3に示すように、上記LEDパッケージにEu付活β型サイアロン蛍光体を含有した樹脂を、ワイヤ6をすべて覆うように滴下し、所定の時間で硬化させることで第1の波長変換部7を作製した。
次に、重量比で樹脂:ナノ結晶である赤色蛍光体(以下赤色ナノ結晶蛍光体と記す。)=1000:4.62の比になるよう樹脂と赤色ナノ結晶蛍光体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、赤色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。
その後、第1の波長変換部7が形成されているLEDパッケージに赤色ナノ結晶蛍光体を含有する樹脂を滴下し、所定の時間で硬化させることで第2の波長変換部8を作製した。今回は、第1の波長変換部7と第2の波長変換部8の一次光の光路方向の厚みは、同じになるよう調整したが、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に示すような発光装置100が作製される。なお、製造方法については、第1の波長変換部7上に、第2の波長変換部8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。
赤色ナノ結晶蛍光体及びこれを含有するトルエンの中にS、Se、Teを含む化合物が含まれているため、これが銀と反応し、反応した部分が黒く変色するが、本実施形態によれば、銀と反応しないEu付活β型サイアロン蛍光体が介在しているため、銀は変色することがない。このため、変色した銀が発光素子5や蛍光の発光を吸収することがなく、発光装置100の明るさを保つことができる。さらに、Eu付活β型サイアロン蛍光体は、スペクトルが細いので、ナノ結晶蛍光体の赤のスペクトルとの重なりが少なく、色純度が良くなるという効果がある。
<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、第1の波長変換部にCaAlSiN赤色蛍光体(以下、CASNと記す。)を、第2の波長変換部に緑色ナノ結晶蛍光体を用いる点が実施形態1とは異なる。
図4は、本発明の第2の実施形態に係る発光装置200の断面図である。第1の波長変換部71としてCASNを含む樹脂層上に第2の波長変換部81として緑色ナノ結晶蛍光体を含む樹脂層が形成されている。CASNは、熱に強く、また、銀と反応するS、Se、Teが含まれていないので、銀が黒く変色することがない。
さらに、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吸収し、蛍光として二次光を発する。例えば、緑色蛍光体のように励起エネルギーの大きい蛍光体で発光した二次光は、例えば赤色蛍光体のように励起エネルギーの小さい蛍光体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。したがって、本実施形態のように、一次光を発する発光素子5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、色バランスのよい発光装置を容易に得ることが可能となる。
<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、波長変換部を3層で構成する点が上記実施形態のいずれとも異なる。
図5は、本発明の第3の実施形態に係る発光装置300の断面図である。第1の波長変換部72としてCASNを含む樹脂層上に第2の波長変換部82として赤色ナノ結晶蛍光体を含む樹脂層が形成され、第2の波長変換部82上に、第3の波長変換部92として緑色ナノ結晶蛍光体を含む樹脂層が形成されている。
本実施形態のように、発光素子5に近い側にCASNを備えることで、ナノ結晶蛍光体が銀と反応して変色することがなく、かつ、赤色ナノ結晶蛍光体により、細い発光スペクトルを得ることができるので、色バランスのよい発光装置を容易に得ることが可能となる。
<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、波長変換部を3層で構成し、かつそれぞれの波長変換部から発せられる二次光の色が互いに異なる点が上記実施形態のいずれとも異なる。
図6は、本発明の第4の実施形態に係る発光装置400の断面図である。第1の波長変換部73としてCASNを含む樹脂層上に第2の波長変換部83として黄色ナノ結晶蛍光体を含む樹脂層が形成され、第2の波長変換部83上に、第3の波長変換部93として緑色ナノ結晶蛍光体を含む樹脂層が形成されている。
本実施形態のように、発光素子5に近い側にCASNを備えることで、ナノ結晶蛍光体が銀と反応して変色することがなく、かつ、一次光を発する発光素子5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、色バランスのよい発光装置を容易に得ることが可能となる。
<実施形態5>
次に、図7を参照して、本発明に係るサイドエッジ型バックライトシステムを説明する。本実施形態におけるサイドエッジ型バックライトシステムは、発光装置100と導光板50及び反射板51とから構成される。本実施形態では、発光装置100から出る一次光とニ次光が導光板50に入り、反射板51で反射されることで、反射板51と対向している面から一次光とニ次光を取り出す構造になっている。
発光装置100は、銀と反応しないEu付活β型サイアロン蛍光体層が発光素子5上に積層され、その上に赤色ナノ結晶蛍光体が積層されているため、銀は変色することがない。このため、発光素子5や蛍光の発光を銀が吸収することがなく、発光装置100の明るさを保つことができるため、例えば、本実施形態をテレビのバックライトシステムに適用した場合、テレビの明るさを保ち、発光効率の低下を防止することができる。
なお、本実施形態ではサイドエッジ型のバックライトに本発明の照明装置を用いた例を説明したが、これに限らず、例えば、直下型バックライトとしても用いることもできる。本実施形態では発光装置100を用いたが、上記実施形態で説明したいずれの発光装置を用いても構わない。
以上、それぞれの実施形態で説明したように、ナノ結晶蛍光体と発光素子の間に銀と反応しない蛍光体層を配置することにより、基板の銀部分とナノ結晶蛍光体が反応して基板が変色するのを防ぎ、発効効率低下を防止することができる発光装置を実現することが可能となる。
1 電極
2 銀メッキ層
3 基板
4 パッケージ
5 発光素子
6 ワイヤ
7、71、72、73 第1の波長変換部
8、81、82、83 第2の波長変換部
50 導光板
51 反射板
92、93 第3の波長変換部
100、200、300、400 発光装置

Claims (6)

  1. 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、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なる第1の波長変換部と、
    ナノ結晶蛍光体を含む樹脂層からなる第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ていることを特徴とする発光装置。
  2. 前記発光装置は、基板、電極、発光素子及び前記発光素子と前記電極を接続するワイヤを含み、
    前記基板、前記電極、前記ワイヤのうち少なくとも一つは銀を含む材料からなることを特徴とする請求項1記載の発光装置。
  3. 前記第1の波長変換部には、S、Se、Teのいずれも含まないことを特徴とする請求項1または2記載の発光装置。
  4. 前記発光装置は、基板、電極、発光素子及び前記発光素子と前記電極を接続するワイヤを含み、
    前記第1の波長変換部は、前記発光素子、前記基板、前記電極、前記ワイヤを覆っていることを特徴とする請求項1記載の発光装置。
  5. 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ないし4のいずれかに記載の発光装置。
  6. 請求項1から5のいずれかに記載の発光装置を用いたことを特徴とする映像機器のバックライトシステム。
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