JP2013197335A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光出力を向上させ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、基板２と、基板２上に設けられた、励起光を発する発光素子３と、基板２上に設けられた、発光素子３を取り囲むとともに、外面に外縁が下部から上部に向かって小さくなる傾斜面４ａを有した光透過性の枠体４と、枠体４上に発光素子３を覆うように設けられた、平面視して枠体４が見えないように覆うとともに、枠体４の傾斜面４ａと間を空けて設けられた、蛍光体７を含有するシート状の波長変換部材５と、を備えている。
【選択図】図３

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、発光ダイオードからなる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。ここで、発光装置としては、蛍光体シートによって発光素子が発した光を波長変換して、外部に取り出す技術が開示されている（下記特許文献１参照）。なお、蛍光体シートは、枠体の内側にはめ込むようにして設けられている。

特開２００７−３１７８１５号公報

ところで、蛍光体シートを用いた発光装置は、発光素子の発した光が枠体の一部によって遮られて、蛍光体シートの端部にまで届きにくい。そのため、蛍光体シートの端部内では、蛍光体が励起されにくく、発光装置の光出力を十分に向上させることができない虞がある。

本発明は、光出力を向上させ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、基板と、前記基板上に設けられた、励起光を発する発光素子と、前記基板上に設けられた、前記発光素子を取り囲むとともに、外面に外縁が下部から上部に向かって小さくなる傾斜面を有した光透過性の枠体と、前記枠体上に前記発光素子を覆うように設けられた、平面視して前記枠体が見えないように覆うとともに、前記枠体の前記傾斜面と間を空けて設けられた、蛍光体を含有するシート状の波長変換部材と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、光出力を向上させることが可能な発光装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る発光装置の概観を示す概観斜視図である。 図１に示す発光装置から波長変換部材を取り除いて、発光装置の内部を示した概観斜視図である。 図１に示す発光装置のＸ−Ｘに沿った断面図である。 本発明の一実施形態に係る発光装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る発光装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る発光装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る発光装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る発光装置の製造工程を示す断面図である。 一変形例に係る発光装置の枠体の内面を示した概観斜視図である。 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概観斜視図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る発光装置の一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＞
発光装置１は、照明器具、ディスプレイ、表示機またはランプ等に用いられる。発光装置１は、基板２と、基板２上に設けられた、励起光を発する発光素子３と、基板２上に設けられた、発光素子３を取り囲む枠体４と、枠体４上に発光素子３を覆うように設けられた、シート状の波長変換部材５と、を備えている。なお、発光素子３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。ここで、励起光とは、蛍光体が励起される光をいう。

基板２は、絶縁性の基板であって、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、ガラスセラミック材料、あるいは樹脂材料等から成る。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２は、基板２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２は、基板２の内外を電気的に導通する配線導体が形成されている。配線導体は、例えばタングステン、モリブデン、マンガンまたは銅等の導電材料からなる。配線導体は、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２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、複数のセラミックグリーンシートを積層して、焼成することにより得られる。なお、配線導体の表面には、酸化防止のために、例えば、ニッケルまたは金等の鍍金層が形成されている。また、基板２の上面には、基板２上方に効率良く光を反射させるために、配線導体および鍍金層と間を空けて、例えばアルミニウム、銀、金、銅またはプラチナ等の金属反射層を形成する。さらに、金属反射層の表面に透光性のガラス層が形成されてもよく、酸化による金属反射層の反射率の低下が抑制される。

発光素子３は、基板２上に実装される。発光素子３は、矩形状であって、基板２上に形成される配線導体の表面に被着する鍍金層上に、例えばろう材または半田を介して電気的に接続されたり、ワイヤボンディングを介して電気的に接続されたりする。

発光素子３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る第１半導体層と、第１半導体層上に形成される発光層と、発光層上に形成される第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３では、例えば３７０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の波長範囲の近紫外光としての励起光を発する素子を用いることができる。

枠体４は、基板２上の発光素子３を取り囲むように設けられている。枠体４は、発光素子３を外部から保護するものであって、波長変換部材５を支持するものである。枠体４は、光透過性の材料からなり、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、ガラスセラミック材料、あるいは樹脂材料等から成る。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２は、基板２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。なお、枠体４の屈折率は、例えば１．４以上１．８以下に設定されている。

枠体４は、四角形状であって、傾斜面４ａを、枠体４の外面のそれぞれに有している。また、枠体４は、外縁が下部から上部に向かって小さくなる。また、傾斜面４ａは、枠体４の外縁の全周に形成されている。枠体４の外面は、傾斜面４ａと、基板２の上面に対して垂直な側面４ｂとからなる。枠体４の内面は、平面視して矩形状に形成されている。枠体４の上面および下面は、基板２の上面に対して平行に形成されている。

枠体４は、外縁の一辺の長さが、例えば２ｍｍ以上１０ｍｍ以下に設定されている。また、枠体４の内面の一辺の長さは、例えば１ｍｍ以上９ｍｍ以下に設定されている。また、枠体４は、下部から上部までの長さが、例えば０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の設定であって、側面４ｂの下部から上部までの長さが、例えば０．１ｍｍ以上４ｍｍ以下に設定されている。また、枠体４の傾斜面４ａの傾斜角度は、基板２の上面に対して例えば６０度以上８８度以下の角度に設定されている。

枠体４の傾斜面４ａは、側面４ｂよりも算術平均粗さが大きく設定されている。傾斜面４ａの算術平均粗さは、例えば０．３μｍ以上３μｍ以下に設定されている。また、側面４ｂの算術平均粗さは、例えば０．０１μｍ以上０．１μｍ以下に設定されている。枠体４の傾斜面４ａの算術平均粗さを枠体４の側面４ｂの表面粗さよりも大きくすることで、枠体４の傾斜面４ａの表面積は枠体４の側面４ｂより大きくなり、枠体４に入射された光は枠体４の側面４ｂと比較して枠体４の傾斜面４ａから放射されやすくなるとともに、枠体４内から枠体４の傾斜面４ａに到達した光を散乱させやすくすることができる。また、枠体４内から枠体４の側面４ｂに到達した光は、枠体４と外部との屈折率差によって枠体４の内側方向に反射されることによって外部に放射される光が減少し、波長変換部材５を介して発光装置１から放射される光は増加する。そして、枠体４の傾斜面４ａから外部に向かって進行する光や枠体４の側面４ｂで反射された光は、波長変換部材５の端部５ａ内や発光素子３の上方に配置された波長変換部材５に到達しやすくすることができる。

枠体４の傾斜面４ａは、側面４ｂよりも算術平均粗さが小さく設定されてもよい。傾斜面４ａの算術平均粗さは、例えば０．０１μｍ以上０．１μｍ以下に設定されている。また、側面４ｂの算術平均粗さは、例えば０．３μｍ以上３μｍ以下に設定されている。枠体４の傾斜面４ａの算術平均粗さを枠体４の側面４ｂの表面粗さよりも小さくすることで、枠体４内から枠体４の傾斜面４ａに到達した光は、枠体４と外部との屈折率差によって波長変換部材５の方向に屈折されるとともに、傾斜面４ａで枠体４の内側方向に反射された光は基板２の上面で波長変換部材５の方向に反射され、枠体４の貫通孔や傾斜面４ａを介して波長変換部材５に到達しやすくすることができ、波長変換部材５で波長変換される光が増加する。また、発光素子３から枠体４の側面４ｂに到達した光は、外部に散乱して放射されやすくなり、側面４ｂから放射される光は側面４ｂの周囲に分散されることから、発光装置１から離れた場所まで到達する発光素子３からの光は低減され、発光素子３からの光エネルギーによる、発光装置１の周辺部材の特性変化を抑制することができる。

発光素子３の発する光のうち、基板２の上面に沿って平行な方向に進んだ光や枠体４の
傾斜面４ａの方向に進んだ光は、枠体４内に進行して、外部に取り出される。傾斜面４ａの表面粗さを大きくすることで傾斜面４ａの表面積が増加し、枠体４内に進行した光のうち、枠体４の傾斜面４ａから外部に取り出される光を散乱させるとともに増加させることができる。その結果、発光素子３の発した光は、傾斜面４ａを介して波長変換部材５の下面の端部の広い領域に多く進入することができるとともに、傾斜面４ａによって拡散されて波長変換部材５の下面の端部に一様に進入することができる。また、波長変換部材５の端部５ａにて波長変換される光量を多くすることができ、発光素子３からの光を波長変換部材５に一様に入射させることにより、波長変換部材５の端部５ａまで効率よく利用することができ、発光装置１の発光効率を向上させることができる。

枠体４の上面は、平坦であって、接着材６を介して波長変換部材５が接続される。接着材６は、波長変換部材５を枠体４に固定するものである。接着材６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の透光性の絶縁樹脂からなる。

接着材６は、傾斜面４ａには被着しないように設けることが好ましい。傾斜面４ａの露出している領域を大きくすることで、接着材６が設けられている領域を小さくすることができ、傾斜面４ａを透過して波長変換部材５に入射される光が増加する。そして、接着材６に吸収される光が抑制され、波長変換部材５から放射される光が増加することによって発光装置１の光出力が向上する。また、発光素子４は、発光時に熱が発生するが、熱は基板２を介して枠体４に伝わり、枠体４の傾斜面４ａから大気中に放熱する。仮に、接着材６の被着領域が大きいとすると、接着材６から波長変換部材５に熱が伝わりやすくなり、波長変換部材５の温度が必要以上にあがって、蛍光体７にて励起される光の色が変化しやすくなってしまったり、熱によって波長変換部材５の透過率が低下することにより、発光装置１の光出力が低下したりする。そこで、接着材６の被着領域を小さくすることで、波長変換部材５を介して外部に取り出される発光色を所望する色に維持しやすくすることができるとともに、発光装置１の光出力を維持しやすくすることができる。

波長変換部材５は、発光素子３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５は、発光素子３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、光を発するものである。波長変換部材５は、枠体４上に発光素子３を覆うように設けられ、平面視して端部５ａが枠体４の外縁の最も大きな箇所と対応し、且つ枠体４の傾斜面４ａと間を空けて設けられている。

波長変換部材５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の透光性の絶縁樹脂からなる。さらに、その絶縁樹脂中に、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等の蛍光体７が含有されている。

また、波長変換部材５の熱伝導率は、例えば０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上０．８Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。波長変換部材５の熱膨張率は、例えば０．８×１０^−５／Ｋ以上８×１０^−５／Ｋ以下に設定されている。波長変換部材５の屈折率は、例えば、１．３以上１．６以下に設定されている。例えば、波長変換部材５の材料の組成比を調整することで、波長変換部材５の屈折率を調整することができる。ここで、波長変換部材５の屈折率とは、蛍光体７を除いた絶縁樹脂の材料に関する屈折率をいう。

波長変換部材５は、シート状の部材であって、枠体４上に接着材６を介して支持されるとともに、発光素子３と間を空けて設けられている。波長変換部材５は、矩形状であって、一辺の長さが、例えば２ｍｍ以上１０ｍｍ以下に設定されている。そして、波長変換部材５の端部５ａは、平面視して枠体４の外縁の最も大きな箇所と重なるように形成されている。波長変換部材５の厚みは、例えば０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定されており、且つ厚みが一定に設定されている。ここで、厚みが一定とは、厚みの誤差が０．５μｍ以下のものを含む。波長変換部材５の厚みを一定にすることにより、波長変換部材５内で励起される光の量を一様になるように調整することができ、波長変換部材５における輝度ムラや照射面における色ムラを抑制することができる。

波長変換部材５は、平面視して端部５ａが、枠体４の側面４ｂと一致するように形成されており、枠体４の傾斜面４ａを覆うように形成されている。そして、枠体４の傾斜面４ａと波長変換部材５の下面とは、間を空けて配置されている。枠体４の傾斜面４ａから外部に向かって進行する光は、波長変換部材５の端部５ａに進入し、波長変換部材５の端部５ａにて蛍光体７が励起される。波長変換部材５の端部５ａが平面視して枠体４の側面４ｂと一致するように形成されている場合には、波長変換部材５の大きさに拘わらず、発光装置１を基板２の大きさに応じて外部回路基板に配列することができる。また、発光装置１を外部回路基板に高密度に実装することができ、発光装置１を光源とする照明装置の小型化を実現することができるとともに、傾斜面４ａから端部５ａに入射される発光素子３からの光を向上させることができる。

本実施形態に係る発光装置１は、枠体４を光透過性の材料から構成することで、発光素子３の発した光を外部に向かって通過させることができる。仮に、枠体４を光吸収性、光反射性の材料から構成した場合は、発光素子３の発した光が枠体４の内面で囲まれた領域上の波長変換部材５の中央部に進入しやすい一方、波長変換部材５の端部５ａにまでは届きにくくなる。その結果、波長変換部材５の端部５ａでは蛍光体７が励起しにくく、波長変換部材５の端部５ａ内の蛍光体７を十分に活用できない。そこで、枠体４を光透過性の材料にすることで、発光素子３の発した光を、枠体４の内面で囲まれる領域上に位置する波長変換部材５の中央部以外に、枠体４上に位置する波長変換部材５の端部５ａにまで到達しやすくすることができる。

また、本実施形態に係る発光装置１は、枠体４の外面に傾斜面４ａを形成することで、枠体４の内面から外面に進行する光のうち、傾斜面４ａに到達した光は、光の屈折によって進行する方向が波長変換部材５の下面に向かって進行しやすくすることができる。そして、波長変換部材５の端部５ａ内の蛍光体７を効率よく励起することができ、波長変換部材５の中央部と端部５ａとの間に輝度ムラが発生するのを抑制することができる。

また、本実施形態に係る発光装置１は、傾斜面４ａが、枠体４の外縁の全周に形成されることで、発光素子３の発した光が枠体４の内面の全面のどこに当たっても、枠体４の外縁に形成された傾斜面４ａにて波長変換部材５の端部５ａに到達するように光の向きを調整することができる。

＜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２を準備する。基板２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２となるセラミックグリーンシートに配線導体となるメタライズパターンおよび必要に応じて枠体４を接合するためのメタライズパターンをそれぞれ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することで、多数個取り用の複数の基板２を準備することができる。

枠体４は、基板２と同様に、複数のセラミックグリーンシートを積層して、発光素子３を実装するために、予めパンチ等で貫通孔を形成しておく。さらに、多数個取りするために、複数の枠体４同士が連続している箇所に切れ目を入れておく。このとき、焼成後に、算術平均粗さが大きくなるようにブラスト処理などによって粗面化しておく。そして、図４に示すように、多数個取り用の複数の基板２上に、多数個取り用の複数の枠体４を設ける。さらに、多数個取り用の複数の基板２および多数個取り用の複数の枠体４を同時に焼成することで、複数の基板２と複数の枠体４を一度に準備することができる。なお、複数の枠体４同士が連続している箇所に形成した切れ目が、枠体４の傾斜面４ａに相当する。

図５に示すように、枠体４の貫通孔が形成されている箇所に、発光素子３を例えばろう材を介して実装する。なお、多数個取り用の基板２と多数個取り用の枠体４とを別々に焼成しておき、両者をシリコーン樹脂等の接合部材を介して接合してもよい。

次に、波長変換部材５を準備する。波長変換部材５は、未硬化の樹脂に蛍光体７を混合して、スピンコート法またはディップ法等のシート成形技術を用いて成形することで、複数の波長変換部材５が連続した状態のシートを準備することができる。そして、図６に示すように、準備した波長変換部材５を、枠体４上に接着材６としての例えばシリコーン樹脂を介して接着する。

次に、波長変換部材５を切断することが可能な、樹脂用ブレードＢ１を準備する。そして、図７に示すように、連続した複数の波長変換部材５を樹脂用ブレードＢ１を用いて切断する。このとき、樹脂用ブレードＢ１は、枠体４と接触しないように、枠体４の切れ目に沿って移動して、波長変換部材５を個片化する。なお、樹脂用ブレードＢ１は、樹脂を切断するのに特化したブレードであって、セラミックスからなる枠体４に接触すると、ブレードの刃が破損してしまう。

さらに、基板２および枠体４を切断することが可能な、無機材料用ブレードＢ２を準備する。そして、図８に示すように、連続した複数の基板２、連続した複数の枠体４を無機材料用ブレードＢ２を用いて切断する。このとき、枠体４に切れ目を入れていることで、無機材料用ブレードＢ２が切断する枠体４の厚みを小さくしていることで、よりスムーズに効率化して基板２および枠体４を切断することができる。このようにして、複数の発光装置１を多数個取りすることができる。もしくは、基板２は、下面に枠体４の切れ目に沿って無機材料用ブレードＢ２で切れ目が形成され、基板２および枠体４の切れ目に沿って分割されるように外力が加えられることにより、複数に分割された発光装置１を多数個取りすることができる。

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。ここで、上述した実施形態に係る変形例について説明する。なお、本実施形態の変形例に係る発光装置のうち、本実施形態に係る発光装置と同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。

図９は、一変形例に係る発光装置の内部を示した概観斜視図であって、枠体４の内面を示している。上述した実施形態は、枠体４の内面が平面視して矩形状に形成されているが、枠体４の内面が平面視して円形状に形成されていてもよい。枠体４の内面を円形状にすることで、発光素子３を中心として光学設計した場合は、発光素子３から枠体４の内面までの距離を一定に調整することができる。その結果、発光素子３からの光が枠体４の内面の角部等で繰り返して反射されることを低減することができ、発光素子３から外部に取り出される光量を増加させることができるとともに、発光素子３からの光を枠体４の内面から波長変換部材５にムラなく入射させることができることから、波長変換部材５の発光効率を低下させることなく有効に活用することができる。

また、図１０に示すように、基板２と枠体４とを別々に設けて、両者を接合部材８を介して接続してもよい。かかる場合は、未硬化の基板２および枠体４を用いるのに比べて、硬化した基板２および枠体４を張り合わせて用いることができ、取扱いやすく製造時の製造制約を低減することができ、量産に適した製造技術を提供することができる。

また、図１１に示すように、基板２、枠体４および波長変換部材５について、外形を円形状にした構造であってもよい。各部材の外形を円形状とすることで、発光素子３から波長変換部材５までの光路長が発光素子３の光軸に対して軸対称となることから、発光装置１から放射される光は、発光素子３の光軸を中心として回転軸対称の配光分布を形成することがきる。即ち、光軸の回転方向で光強度が強い部位と、弱い部位が形成されることによって生じる光強度のムラを抑制できる。

１ 発光装置
２ 基板
３ 発光素子
４ 枠体
４ａ 傾斜面
５ 波長変換部材
６ 接着材
７ 蛍光体

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられた、励起光を発する発光素子と、
   前記基板上に設けられた、前記発光素子を取り囲むとともに、外面に外縁が下部から上部に向かって小さくなる傾斜面を有した光透過性の枠体と、
   前記枠体上に前記発光素子を覆うように設けられた、平面視して前記枠体が見えないように覆うとともに、前記枠体の前記傾斜面と間を空けて設けられた、蛍光体を含有するシート状の波長変換部材と、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、
   前記枠体は四角形状であり、前記傾斜面を、前記枠体の外面のそれぞれに有し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のいずれかに記載の発光装置であって、
   前記枠体の外面は、前記基板の上面に垂直な側面と前記傾斜面とからなり、
   前記傾斜面は、前記側面よりも表面粗さが大き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、
   前記枠体の内面は、平面視して円形状であることを特徴とする発光装置。
   
   

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