JP2014084427A

JP2014084427A - 半導体発光装置用の波長変換コンポーネント

Info

Publication number: JP2014084427A
Application number: JP2012235803A
Authority: JP
Inventors: Hanako Kato; 波奈子加藤; Yukiya Haraguchi; 幸也原口
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-05-12

Abstract

【課題】互いにくっつき合ったとしても引き離すことが容易な、シリコーン樹脂組成物製の平板型波長変換コンポーネントを提供すること。また、重ね置きしても互いにくっつき合い難い、シリコーン樹脂組成物製の波長変換コンポーネントを提供すること。
【解決手段】側面に傾斜部分が設けられたシリコーン樹脂組成物製の平板型波長変換コンポーネントが提供される。また、テクスチャ化された表面を有するシリコーン樹脂組成物製の波長変換コンポーネントが提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光装置用の波長変換コンポーネントに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）と、該ＬＥＤが放出する光（一次光）の一部を異なる波長の光（二次光）に変換する蛍光体とを組み合わせて、白色光を生じるように構成した半導体発光装置が知られている。かかる半導体発光装置において、波長変換機能を担う要素をコンポーネント化する試みが従来から行われている。一例として、光学的に透明なポリマーバインダー中に蛍光体を分散させた組成物を、ディスク状等に成形した波長変換コンポーネントが知られている（特許文献１；この文献で「蛍光部材」と呼ばれているものが波長変換コンポーネントである）。

最近では、ＬＥＤの大出力化に伴い、大型の波長変換コンポーネントを用いた「リモート・フォスファー」ＬＥＤ装置と呼ばれるものが開発されている（特許文献２）。

特開２００１−１１１１１７号公報米国特許出願公開ＵＳ２０１２／００８７１０５

シリコーン樹脂は優れた耐熱性および耐光性を有していることから、波長変換コンポーネントのマトリックス樹脂として好適である。しかし、シリコーン樹脂は表面にタック性があるために、シリコーン樹脂を用いた波長変換コンポーネントは重ね置きしたときに互いにくっつき合う傾向があり、取扱い性が良くないという問題点がある。
この問題は、波長変換コンポーネントが平板である場合に顕著となる。平板型波長変換コンポーネントは互いにくっつき合ってしまうと、引き離すのが容易ではない。

そこで、本発明の第１の目的は、互いにくっつき合ったとしても引き離すことが容易な、シリコーン樹脂組成物製の平板型波長変換コンポーネントを提供することである。
また、本発明の第２の目的は、重ね置きしても互いにくっつき合い難い、シリコーン樹脂組成物製の波長変換コンポーネントを提供することである。

上記第１の目的を達成するために、本願発明の第１実施形態に係る波長変換板は次の特徴を有する。
（ａ１）側面に傾斜部分が設けられたシリコーン樹脂組成物製の平板型波長変換コンポーネント。
（ａ２）テクスチャ化された表面を有する、上記（ａ１）に記載の波長変換コンポーネント。
（ａ３）上記シリコーン樹脂組成物が球状フィラーを４５〜９０Ｖｏｌ％の濃度で含む上記（ａ１）または（ａ２）に記載の波長変換コンポーネント。
（ａ４）上記球状フィラーが、球状シリカおよび球状シリコーンレジンの少なくとも一方を含有する、上記（ａ３）に記載の波長変換コンポーネント。
（ａ５）上記シリコーン樹脂組成物が含有するシリコーン樹脂と、上記球状フィラーの屈折率差が０．１以下である、上記（ａ４）に記載の波長変換コンポーネント。

上記第２の目的を達成するために、本願発明の第２実施形態に係る波長変換板は次の特徴を有する。
（ｂ１）テクスチャ化された表面を有するシリコーン樹脂組成物製の波長変換コンポーネント。
（ｂ２）上記シリコーン樹脂組成物が球状フィラーを４５〜９０Ｖｏｌ％の濃度で含む上記（ｂ１）に記載の波長変換コンポーネント。
（ｂ３）上記球状フィラーが、球状シリカおよび球状シリコーンレジンの少なくとも一方を含有する、上記（ｂ２）に記載の波長変換コンポーネント。
（ｂ４）上記シリコーン樹脂組成物が含有するシリコーン樹脂と、上記球状フィラーの屈折率差が０．１以下である、上記（ｂ３）に記載の波長変換コンポーネント。

上記第１実施形態に係るシリコーン樹脂組成物製の平板型波長変換コンポーネントは、互いにくっつき合ったとしても引き離すことが容易である。
上記第２実施形態に係るシリコーン樹脂製の波長変換コンポーネントは、重ね置きしても互いにくっつき合い難い。

第１実施形態に係るディスク型波長変換コンポーネントを示す図であり、図１（ａ）は鳥瞰図、図１（ｂ）はディスクを厚さ方向に平行な平面で切断したときにできる断面を示す図である。第１実施形態に係る波長変換コンポーネントが２枚積層されたところを示す断面図である。互いにくっつき合った第１実施形態に係る波長変換コンポーネントを引き離すことが容易であることを説明する図面である。第１実施形態に係る波長変換コンポーネントは１枚ずつ掴むことが容易であることを説明する図面である。図５（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、第１実施形態に係る波長変換コンポーネントの断面図である。図６（ａ）は第２実施形態に係る波長変換コンポーネントの断面図であり、図６（ｂ）は第２実施形態に係る波長変換コンポーネントが２個重ね置きされたところを示す断面図である。ドーム型波長変換コンポーネントの断面図である。実施形態に係る波長変換コンポーネントを用いた、リモートフォスファー型ＬＥＤ装置の断面図である。

１．波長変換コンポーネント
１．１波長変換コンポーネントの材料
本発明の波長変換コンポーネントは、液状シリコーン樹脂に蛍光体を分散させた原料組成物を金型内で硬化させることにより製造される。好ましくは、この原料組成物には、加工に適した粘性および流動性の付与、硬化後の硬度および剛性の向上、光散乱性の付与、線膨張係数の調整、その他の目的でフィラーが添加される。
以下に、原料組成物に使用する材料の好適例を説明する。

１．１．１液状シリコーン樹脂
液状シリコーン樹脂としては、ヒドロシリル化反応によって硬化する付加硬化タイプを用いることが好ましい。なぜなら、硬化時に副生成物が発生しないので、金型内の圧力が異常に高くなることがない他、成型品にヒケや気泡が生じ難いからである。また、硬化速
度が速いために、成形サイクルを短くすることができるという利点もある。

付加硬化タイプの液状シリコーン樹脂は、ヒドロシリル基を有するオルガノポリシロキサン（第１成分）、アルケニル基を有するオルガノポリシロキサン（第２成分）および硬化触媒を含有する。第１成分の典型例は分子内に２個以上のヒドロシリル基を有するポリジオルガノシロキサンであり、具体的には、両末端にヒドロシリル基を有するポリジオルガノシロキサン、両末端がトリメチルシリル基で封鎖されたポリメチルヒドロシロキサン、メチルヒドロシロキサン−ジメチルシロキサン共重合体等である。第２成分としては、１分子中にケイ素原子に結合したビニル基を少なくとも２個有するものが好ましく用いられる。第１成分と第２成分を兼用するオルガノポリシロキサン、すなわち、１分子中にヒドロシリル基とアルケニル基の両者を有するオルガノポリシロキサンが使用されることもある。

硬化触媒は、第１成分中のヒドロシリル基と第２成分中のアルケニル基との付加反応を促進するための触媒であり、その例としては、白金黒、塩化第２白金、塩化白金酸、塩化白金酸と一価アルコールとの反応物、塩化白金酸とオレフィン類との錯体、白金ビスアセトアセテート等の白金系触媒、パラジウム系触媒、ロジウム系触媒などの白金族金属触媒が挙げられる。

１．１．２蛍光体
蛍光体としては、一般的な白色ＬＥＤに使用されている無機蛍光体を制限なく使用することができる。
近紫外ＬＥＤまたは紫色ＬＥＤを光源とする白色発光装置のための波長変換コンポーネントには、青色蛍光体と緑色蛍光体と赤色蛍光体を含有させる。緑色蛍光体に加えて、あるいは、緑色蛍光体に代えて、黄色蛍光体を用いることもできる。波長変換コンポーネント中の各蛍光体の含有量を調節することによって、白色発光装置の色温度を調節することができる。

青色ＬＥＤを光源とする白色発光装置のための波長変換コンポーネントには、黄色蛍光体を含有させる。電球色や温白色といった低色温度の白色光を発生させるためには赤色蛍光体を併用すればよい。赤色蛍光体の併用は発光装置の演色性の改善にも役立つ。より良好な演色性を得るために、黄色蛍光体の一部または全部を緑色蛍光体に置き換えることができる。

青色蛍光体の好適例は、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）ＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）₁₀（ＰＯ₄）₆（Ｃｌ，Ｆ）₂：Ｅｕなどである。
緑色蛍光体の好適例は、Ｙ₃（Ａｌ，Ｇａ）₅Ｏ₁₂：Ｃｅ、（Ｓｒ，Ｂａ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ、β型サイアロン：Ｅｕ、Ｓｒ₃Ｓｉ₁₃Ａｌ₃Ｏ₂Ｎ₂₁：Ｅｕ、Ｓｒ₅Ａｌ₅Ｓｉ₂₁Ｏ₂Ｎ₃₅：Ｅｕなどである。

黄色蛍光体の好適例は、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ、（Ｙ，Ｇｄ）₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ、Ｌａ₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁：Ｃｅ、Ｃａ_1.5xＬａ_3-xＳｉ₆Ｎ₁₁：Ｃｅなどである。
赤色蛍光体の好適例は、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）₂Ｓｉ₅（Ｎ，Ｏ）₈：Ｅｕ、（Ｃａ，Ｓ
ｒ，Ｂａ）ＡｌＳｉ（Ｎ，Ｏ）₃：Ｅｕ、（Ｌａ，Ｙ）₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ、ＳｒＡｌＳｉ₄Ｎ₇
：Ｅｕ、Ｋ₂ＳｉＦ₆：Ｍｎなどである。

１．１．３フィラー
フィラーとしては、原料組成物にチキソトロピー性を付与する目的でフュームドシリカを用いることができる。フュームドシリカは５０ｍ^２／ｇ以上という大きな比表面積を有
する超微粒子であり、市販されているものとしては、日本アエロジル（株）のアエロジル（登録商標）、旭化成ワッカーシリコーン（株）のＷＡＣＫＥＲＨＤＫ（登録商標）などが挙げられる。チキソトロピー性の付与は、蛍光体の沈降により原料組成物の組成が不均一化するのを防止するうえで有効である。

特に、トリメチルシリル基、ジメチルシリル基、ジメチルシリコーン鎖などで表面修飾した疎水性フュームドシリカを用いると、過度な増粘を引き起こすことなく、原料組成物にチキシトロピー性を付与できる。換言すれば、射出成形に適した高い流動性と、蛍光体の沈降防止効果の両方を備えた原料組成物を得ることができる。
酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸マグネシウム、硫酸バリウム、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、ケイ酸ジルコニウム、酸化ジルコニウム、硼酸アルミニウムなどのフィラーは、シリコーン樹脂との屈折率差が大きいことから、少量の使用で光散乱材（光拡散材）としての効果を発揮する。

射出成形に適した流動性を原料組成物に与える目的で好ましく用いることのできるフィラーが、球状シリカや球状シリコーンレジンのような球状フィラーである。
球状シリカとは真球状のシリカ微粒子で、好適例としては、粉砕された原料硅石を高温の火炎中で溶融し表面張力で球状化させる方法で製造された溶融シリカが挙げられる。球状シリカの比表面積は好ましくは１〜１０ｍ^２／ｇであり、より好ましくは１〜５ｍ^２／ｇである。一方、比表面積が５０ｍ^２／ｇを超える球状シリカは原料組成物の増粘の目的で使用することができる。

球状シリカのメジアン径は１〜３０μｍの範囲内であることが好ましく、１〜２０μｍの範囲内であることがより好ましい。
球状シリコーンレジンとは、ポリアルキルシルセスキオキサン構造を有する球状の三次元架橋シリコーン粒子であり、市販されているものとしては、信越化学工業（株）のシリコーンレジンパウダー（ＫＭＰ−５９０・７０１・７０２／Ｘ−５２−８５４／Ｘ５２−１６２１）、モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン（同）のトスパール（登録商標）などが挙げられる。

球状シリコーンレジンのメジアン径は１〜３０μｍの範囲内であることが好ましく、１〜２０μｍの範囲内であることがより好ましい。
射出成形に適した良好な流動性を付与するには、原料組成物中の球状フィラーの濃度を４５〜９０Ｖｏｌ％とすることが好ましい。
球状フィラーをかかる濃度で含有する原料組成物を用いた場合、これを硬化させて得られるシリコーン樹脂組成物中の球状フィラーの濃度も略同程度となる。従って、この場合には、硬化後のシリコーン樹脂と球状フィラーの屈折率差を好ましくは０．１以内、より好ましくは０．０５以内とする。該屈折率差が０．１より大きいと球状フィラーの光散乱作用が強くなるために、波長変換コンポーネントの透光性低下が問題となる。

１．１．４その他の添加物
その他、原料組成物には必要に応じて、硬化速度制御剤、老化防止剤、ラジカル禁止剤、紫外線吸収剤、接着性改良剤、難燃剤、界面活性剤、保存安定性改良剤、オゾン劣化防止剤、光安定剤、可塑剤、カップリング剤、酸化防止剤、熱安定剤、帯電防止剤、離型剤などの添加物を加えることができる。

１．１．５原料組成物の一例
液状射出成形法による波長変換コンポーネントの製造に使用し得る原料組成物の具体例として、６２ｇのＹＡＧ蛍光体、３２９ｇの液状シリコーン樹脂、７２ｇのフュームドシ
リカ、１３２ｇの球状シリカ、４０５ｇの球状シリコーンレジンを混合した組成物が挙げられる。

液状シリコーン樹脂としては、白金錯体触媒が分散された両末端ビニルジメチルポリシロキサンを主成分として含有するシリコーンＡ（ビニル基含量：０．３ｍｍｏｌ／ｇ、粘度：５０００ｍＰａ・ｓ）と、メチルヒドロシロキサン−ジメチルシロキサン共重合体を主成分として含有するシリコーンＢ（ヒドロシリル基含量：４．２ｍｍｏｌ／ｇ、粘度：４０ｍＰａ・ｓ）と、硬化遅延剤としてアルキニル基を含むシリコーンＣ（ビニル基含量：０．２ｍｍｏｌ／ｇ、アルキニル基含量：０．３ｍｍｏｌ／ｇ、粘度：１０００ｍＰａ・ｓ）とを、重量比９：１：０．１で混合して得られるものを用いることができる。

フュームドシリカとしては、トリメチルシリル基で表面処理された疎水性フュームドシリカ（ＢＥＴ比表面積：１４０±２５ｍ^２／ｇ、一次粒子の平均径：約１２ｎｍ）を用いることができる。
球状シリカとしては、比表面積：２．２ｍ^２／ｇ、ｄ５０：４．９μｍの球状溶融シリカを用いることができる。

球状シリコーンレジンとしては、比表面積２０ｍ^２／ｇ、平均粒子径：６．０μｍの真球状ポリメチルシルセスキオキサン粒子を用いることができる。
上記の原料組成物を液状射出成形法で成形して波長変換コンポーネントを製造する場合には、金型温度を１５０〜２００℃の間で、金型への充填時間を０．１秒〜１秒の間で、金型内での樹脂硬化時間を１０秒〜数分の間で、射出圧を０．５〜２ｔの間で、それぞれ調節すればよい。

１．２波長変換コンポーネントの形状
波長変換コンポーネントは、ディスク、平面形状が正方形、長方形、菱形、その他の平行四辺形である平角板、その他様々な平面形状を有する平板であり得る。平板型波長変換コンポーネントの平面形状の一例には、楕円形、辺の数が５以上の多角形（正五角形、正六角形、正八角形等を含む）、星形等が含まれる。

一例として、図１にディスク型波長変換コンポーネントを示す。図１（ａ）は鳥瞰図であり、図１（ｂ）はディスクを厚さ方向に平行な平面で二等分したときにできる断面を示す断面図である。
図１に示すディスク型波長変換コンポーネント１は、例えば直径Ｄが６０ｍｍ、厚さｔが１ｍｍである。第１主面１ａと第２主面１ｂを連結する側面１ｃには傾斜角θが付与されている。傾斜角θは例えば１〜３０度であり、好ましくは３〜２０度、より好ましくは５〜１５度である。傾斜角はこの範囲より大きくてもよいが、大きくし過ぎるとディスク端部が薄くなるため破損しやすくなる。

図２は、重ね置きされた２枚のディスク型波長変換コンポーネント１を示している。側面１ｃに設けられた傾斜角１ｃのために、下側のディスクの末端と上側のディスクの末端との間には空間Ｓが形成されている。従って、この２枚のディスクは互いにくっつき合った場合であっても、図３に示すように、ディスクの端に指先を引っかけて引っ張ることで容易に引き離すことができる。指の代わりにロボットハンドを用いる場合も同様である。
また、側面に傾斜角を設けることによって、ディスク同士が互いにくっつき合っていない場合においても、図４に示すように重ね置きされたディスクを１枚ずつ指で掴むことが容易になるという利点が得られる。指の代わりにロボットハンドを用いる場合も同様である。

図１に示すディスク型波長変換コンポーネント１では側面１ｃの傾斜角が一様であるが
、必須ではない。図５（ａ）の例では、側面１ｃが第１主面１ａ側に傾斜角を有する部分１ｃ−１を有しており、第２主面１ｂ側に傾斜角を有さない部分１ｃ−２を有している。図５（ｂ）の例では、側面１ｃの傾斜角が第１主面１ａ側から第２主面１ｂ側に向かって減少している。図５（ｃ）の例では、側面１ｃの傾斜方向が第１主面１ａ側と第２主面１ｂ側とで逆になっている。図５（ｄ）の例では、側面１ｃの傾斜方向が第１主面１ａ側と第２主面１ｂ側とで逆になっており、かつ側面が丸みを帯びている。

図６に断面図を示すディスク型波長変換コンポーネント１は、図１に示すものと全体形状は同一であるが、第１主面および第２主面がテクスチャ化されている。そのため、図２（ｂ）に示すように、２枚を重ね置きしたときに、一方のディスクの第１主面と他方のディスクの第２主面との接触面積が、これらの主面が平滑面である場合よりも小さい。従って、表面がタック性を有している場合であっても、この２枚のディスクは互いにくっつき合い難い。

波長変換コンポーネントの表面をテクスチャ化する方法としては、ブラスト処理（金属粗粒、砂、ガラスビーズ、研磨材などを照射する処理）が挙げられる。ブラスト処理を行う場合には、波長変換コンポーネントをその構成材料であるシリコーン樹脂のガラス転移点よりも低い温度に冷却して行う。
その他の方法として、波長変換コンポーネントの成形に用いる金型の表面をテクスチャして、その形状を波長変換コンポーネントの表面に転写する方法が挙げられる。金型表面のテクスチャ化は、ブラスト処理、エッチング加工などの方法で行うことができる。

波長変換コンポーネントのテクスチャ化面における凹部の深さは、例えば１〜１００μｍとすることができる。
図１および図５に示す、平板型波長変換コンポーネントの側面に傾斜部分を設ける構成は、ディスク型だけではなく、様々な平面形状を有する平板型波長変換コンポーネントに適用することができる。また、図６に示す、波長変換コンポーネントの表面をテクスチャ化して互いにくっつき合い難くする構成は、様々な平面形状を有する平板型波長変換コンポーネントに適用できる他、図７に断面図を示すドーム型波長変換コンポーネントなど、様々な形状の波長変換コンポーネントに適用することができる。

２．リモートフォスファーＬＥＤ装置
本発明実施形態に係る波長変換コンポーネントを用いて構成することのできるリモートフォスファーＬＥＤ装置の断面構成を図８に示す。
リモートフォスファーＬＥＤ装置１０は、凹所２ａを有するケース２と、該凹所の底面上に配置されたＬＥＤランプ３と、該凹所２ａを塞ぐように配置された平板状波長変換コンポーネント１とを有している。ＬＥＤランプ３は、パッケージと該パッケージ上にマウントされた１個以上の青色ＬＥＤチップとから構成されている。ケース２の凹所の底にはＬＥＤランプ３に電力を供給するための配線（図示せず）が設けられている。ＬＥＤランプ３の個数は１個であってもよいし、２個以上であってもよい。

ＬＥＤランプを用いる代わりに、ケース２の凹所の底に設けた配線上にＬＥＤチップを直接実装するチップ・オン・ボード構造を採用することも可能である。チップ・オン・ボード構造を採用する場合に実装するチップ数は１０個以下であってもよいし、あるいは、５０個以上、更には１００個以上とすることもできる。
配線を通して電力を供給するとＬＥＤランプ３は青色光を放出し、その青色光の一部が波長変換コンポーネント１に含まれるＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体によって黄色光に変換される。波長変換コンポーネント１の表面からリモートフォスファーＬＥＤ装置１０の外部に放出される光は、この黄色光と、波長変換を受けなかった青色光とから合成された白色光となる。

以上、実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態により限定を受けるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。

１波長変換コンポーネント
２ケース
３ＬＥＤランプ
１０リモートフォスファーＬＥＤ装置

Claims

側面に傾斜部分が設けられたシリコーン樹脂組成物製の平板型波長変換コンポーネント。
テクスチャ化された表面を有する、請求項１に記載の波長変換コンポーネント。
上記シリコーン樹脂組成物が球状フィラーを４５〜９０Ｖｏｌ％の濃度で含む請求項１または２に記載の波長変換コンポーネント。
上記球状フィラーが、球状シリカおよび球状シリコーンレジンの少なくとも一方を含有する、請求項３に記載の波長変換コンポーネント。
上記シリコーン樹脂組成物が含有するシリコーン樹脂と、上記球状フィラーの屈折率差が０．１以下である、請求項４に記載の波長変換コンポーネント。
テクスチャ化された表面を有するシリコーン樹脂組成物製の波長変換コンポーネント。
上記シリコーン樹脂組成物が球状フィラーを４５〜９０Ｖｏｌ％の濃度で含む請求項６に記載の波長変換コンポーネント。
上記球状フィラーが、球状シリカおよび球状シリコーンレジンの少なくとも一方を含有する、請求項７に記載の波長変換コンポーネント。
上記シリコーン樹脂組成物が含有するシリコーン樹脂と、上記球状フィラーの屈折率差が０．１以下である、上記請求項８に記載の波長変換コンポーネント。