JP2015106660A - 発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】より単純化された配線により複数色の発光素子を制御して、より鮮やかに見える白色光が得られる発光装置を提供する。【解決手段】発光装置（１０，２０，３０）は、青色系の半導体発光素子である複数の青色素子（１１）と、緑色系の半導体発光素子である複数の緑色素子（１２）と、複数の青色素子からの青色光および複数の緑色素子からの緑色光を励起光として吸収して赤色光を発する赤色蛍光体（１５）が分散混入され、複数の青色素子および複数の緑色素子を被覆する封止樹脂（１３）と、を有し、複数の青色素子と複数の緑色素子が互いに直列接続される。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子を有する発光装置に関する。
近年、青色ＬＥＤ（light-emitting diode）などの半導体発光素子と蛍光体との組合せにより白色光を得る発光装置が実用化されている。特に、こうした発光装置として、より自然な色合いの（すなわち、演色性のよい）白色光が得られるように、青色ＬＥＤと緑色ＬＥＤの２種類の半導体発光素子と、赤色などの蛍光体とを有するものが知られている。
例えば、特許文献１には、青色ＬＥＤと、緑色ＬＥＤと、青色ＬＥＤからの青色光を励起光として吸収して黄色系の蛍光を発する黄色蛍光体と、緑色ＬＥＤからの緑色光を励起光として吸収して赤色系の蛍光を発する赤色蛍光体とを備える発光装置が記載されている。また、特許文献２には、青色ＬＥＤ素子が発する青色系の光、緑色ＬＥＤ素子が発する緑色系の光、およびそれらの光で赤色蛍光体を励起することで得られる赤色系の光が混合した白色光を出射する白色パッケージ光源を有する液晶表示装置が記載されている。この光源では、青色ＬＥＤ素子と緑色ＬＥＤ素子は別系統の配線で並列に接続され、それぞれの発光量が独立に制御される。
特開２００６−２４５４４３号公報 特開２０１０−１９７８４０号公報
発光素子として青色素子と緑色素子を有する発光装置では、所望の色合いの白色光を得るために、特許文献２に記載されている光源のように、青色素子と緑色素子を別系統の配線で接続し、各色の素子に加える電圧や電流を別々に制御している。しかしながら、このように青色素子と緑色素子を独立して点灯させようとすると、２系統の配線が必要になる。例えば発光装置を照明装置として使用する場合には、各色の素子の個数が多くなるため、複数色の素子を独立して点灯させようとすると、それらの配線や制御が複雑になる。
一方、緑色素子を含めずに、青色の単色ＬＥＤと、緑色蛍光体および赤色蛍光体などの複数色の蛍光体とにより白色光を得る発光装置も知られている。しかしながら、単色ＬＥＤと複数色の蛍光体との組合せでは、単色光で複数色の蛍光体を励起しなければならないため十分な発光強度が得られず、また、複数色の蛍光体を混ぜることにより色のばらつきが生じるという不具合がある。このため、発光装置に含める蛍光体の種類は少ない方が望ましい。
そこで、本発明の目的は、本構成を有しない場合と比べて単純化された配線により複数色の発光素子を制御して、より鮮やかに見える白色光が得られる発光装置を提供することである。
本発明に係る発光装置は、青色系の半導体発光素子である複数の青色素子と、緑色系の半導体発光素子である複数の緑色素子と、複数の青色素子からの青色光および複数の緑色素子からの緑色光を励起光として吸収して赤色光を発する赤色蛍光体が分散混入され、複数の青色素子および複数の緑色素子を被覆する封止樹脂とを有し、複数の青色素子と複数の緑色素子が互いに直列接続されることを特徴とする。
本発明に係る発光装置では、複数の青色素子と複数の緑色素子は、ともにＩｎＧａＮ系の半導体発光素子であることが好ましい。
本発明に係る発光装置では、複数の青色素子と複数の緑色素子は、同一基板上で互いに並列接続される複数の列に分けられ、複数の列のそれぞれにおいて複数の青色素子と複数の緑色素子が互いに直列接続されることが好ましい。
本発明に係る発光装置では、複数の列のそれぞれに含まれる複数の青色素子と複数の緑色素子の個数の比率はすべての列で等しいことが好ましい。
本発明の発光装置によれば、本構成を有しない場合と比べて単純化された配線により複数色の発光素子を制御して、より鮮やかに見える白色光を得ることができる。
発光装置１０の模式的な上面図および断面図である。 青色ＬＥＤ１１と緑色ＬＥＤ１２の接続例を示す配線図である。 各色ＬＥＤの温度特性を模式的に示したグラフである。 発光装置１０と比較例の発光装置による白色光のスペクトルを示したグラフである。 発光装置２０の模式的な断面図である。 発光装置３０の模式的な断面図である。
以下、添付図面を参照して、本発明に係る発光装置について詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
図１（Ａ）は、発光装置１０の模式的な上面図である。また、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
発光装置１０は、複数の青色ＬＥＤ１１と、複数の緑色ＬＥＤ１２と、封止樹脂１３と、封止枠１４と、基板１７と、電極１８とを有する。発光装置１０では、赤色蛍光体１５を含有する封止樹脂１３により、複数の青色ＬＥＤ１１と複数の緑色ＬＥＤ１２が被覆されている。これにより、発光装置１０は、青色ＬＥＤ１１からの青色光と、緑色ＬＥＤ１２からの緑色光と、それらによって赤色蛍光体１５を励起することで得られる赤色光とを混合させて、白色光を得る。
青色ＬＥＤ１１は、例えば発光波長帯域が４５０〜４６０ｎｍのＩｎＧａＮ系化合物半導体を用いた青色系の半導体発光素子（青色素子）である。また、緑色ＬＥＤ１２は、例えば発光波長帯域が５１０〜５３０ｎｍのＩｎＧａＮ系化合物半導体を用いた緑色系の半導体発光素子（緑色素子）である。青色ＬＥＤ１１と緑色ＬＥＤ１２には、順電圧（forward voltage, ＶＦ）や、温度特性、寿命などが略等しいとみなせるＬＥＤを使用することが好ましい。そのためには、青色ＬＥＤ１１および緑色ＬＥＤ１２として、同じ系列の化合物半導体を材料とするＬＥＤを使用することが好ましい。例えば、青色ＬＥＤ１１および緑色ＬＥＤ１２としてＩｎとＧａの混晶比を変えたＩｎＧａＮ系化合物半導体を用いると、両者の順電圧は、略等しい約３．５Ｖになる。
封止樹脂１３は、エポキシ樹脂またはシリコン樹脂などの無色で透明な樹脂であり、青色ＬＥＤ１１および緑色ＬＥＤ１２を一体に被覆する。封止樹脂１３には、赤色蛍光体１５が分散混入されている。封止樹脂１３は、発光装置１０の用途に応じた形状（図１の例では円形）にモールド成型され、例えばプラスチックの封止枠１４により基板１７上に固定される。
赤色蛍光体１５は、青色ＬＥＤ１１からの青色光および緑色ＬＥＤ１２からの緑色光を励起光として吸収して赤色光を発する粒子状の蛍光体材料である。例えば、赤色蛍光体１５には、Ｅｕ２＋（ユーロピウム）固溶のＣａＡｌＳｉＮ３（カルシウム・アルミニウム・シリコン三窒化物）蛍光体などが用いられる。Ｅｕ２＋固溶のＣａＡｌＳｉＮ３蛍光体は、例えば紫外光により発光する酸化イットリウムの赤色蛍光体と同等の高い発光強度で青色光から緑色光までの励起光により赤色光を発する蛍光体であり、赤色蛍光体１５として好ましい。
基板１７は、青色ＬＥＤ１１および緑色ＬＥＤ１２が表面上に実装される、例えばガラスエポキシ基板や、ＢＴレジン基板、セラミックス基板、メタルコア基板などの絶縁性基板である。基板１７上には、青色ＬＥＤ１１および緑色ＬＥＤ１２との接続用電極（図示せず）ならびに回路パターン（図示せず）が形成される。青色ＬＥＤ１１および緑色ＬＥＤ１２の各電極は、Ａｇペーストなどの導電性接着材料やワイヤボンディングによるワイヤなどを介して、基板１７上の接続用電極に電気的に接続される。
電極１８は、基板１７を外部のＤＣ電源に接続するための電極である。発光装置１０では、１つの基板１７上に複数の青色ＬＥＤ１１と複数の緑色ＬＥＤ１２がアレイ状に実装されて１つのパッケージを構成しており、その２つの端子として電極１８が設けられる。
図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、青色ＬＥＤ１１と緑色ＬＥＤ１２の接続例を示す配線図である。発光装置１０では、青色ＬＥＤ１１と緑色ＬＥＤ１２とが別系統の配線に分かれて接続されるのではなく、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に符号１９で示すように、青色ＬＥＤ１１と緑色ＬＥＤ１２が互いに直列接続される。そして、青色ＬＥＤ１１と緑色ＬＥＤ１２の直列接続１９（以下、単に「列１９」ともいう）が複数個並列接続されて、直並列の回路が形成される。例えば、それぞれの直列接続１９には青色ＬＥＤ１１と緑色ＬＥＤ１２が計１２個含まれ、直列接続１９が１２列並列接続されて、全体で１４４個のＬＥＤで発光装置１０が構成される。
得られる白色光を均一にするためには、それぞれの列１９において、例えば青色ＬＥＤ１１と緑色ＬＥＤ１２を交互に接続することが好ましい。接続される青色ＬＥＤ１１と緑色ＬＥＤ１２の順序は、例えば図２（Ａ）に示すようにすべての列１９で同じでもよいし、図２（Ｂ）に示すように隣り合う列１９で逆に（すなわち、市松模様のように配置）してもよいし、列１９ごとに異なってもよい。
また、列１９ごとの電流のばらつきをなくすために、青色ＬＥＤ１１と緑色ＬＥＤ１２の個数の比率はすべての列１９で等しいことが好ましい。例えば、それぞれの列１９における青色ＬＥＤ１１と緑色ＬＥＤ１２の個数の比率は１：１（６個ずつ）でもよい。あるいは、青色ＬＥＤ１１より緑色ＬＥＤ１２の方が発光強度が低いことから、青色ＬＥＤ１１と緑色ＬＥＤ１２の個数の比率を５：７とするなど、青色ＬＥＤ１１より緑色ＬＥＤ１２の個数を多くしてもよい。逆に、必要な白色光の色合いによっては、緑色ＬＥＤ１２より青色ＬＥＤ１１の個数を多くしてもよい。
上記のような直並列の回路により、発光装置１０では、例えば１２個分のＬＥＤの順電圧（３８Ｖ程度）より大きい電圧を加えると、青色ＬＥＤ１１と緑色ＬＥＤ１２が点灯する。これらのＬＥＤは、全部点灯するか全部消灯するかのどちらかであり、あたかも１つの大きなＬＥＤのように振る舞う。青色ＬＥＤ１１と緑色ＬＥＤ１２の順電圧は厳密には異なるが、それらが略等しいとみなせるものを使用することにより、青色ＬＥＤ１１と緑色ＬＥＤ１２を互いに直列接続できるようになる。そして、青色ＬＥＤ１１と緑色ＬＥＤ１２を直列接続すると、各色ＬＥＤに流れる電流は同じであるから、各色ＬＥＤの制御が単純化される。
なお、赤色蛍光体１５の代わりに赤色系の発光波長帯域を有する赤色ＬＥＤを使用し、青色ＬＥＤ１１、緑色ＬＥＤ１２および赤色ＬＥＤを上記の列１９のようにすべて直列接続して、各色ＬＥＤに加える電圧や電流の制御を単純化することも考えられる。しかしながら、次に示すように、ＬＥＤの温度特性や寿命は、一般に青色ＬＥＤと緑色ＬＥＤでは似ているが、青色ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤと赤色ＬＥＤとの間では大きく異なっている。
図３は、各色ＬＥＤの温度特性を模式的に示したグラフである。図３の横軸は温度Ｔであり、右に行くほど温度が高くなる。また、縦軸は発光強度Ｉであり、上に行くほど発光強度が高くなる。図３の実線（Ｂ）、破線（Ｇ）および一点鎖線（Ｒ）は、それぞれ、青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤおよび赤色ＬＥＤのグラフである。図３に示すように、青色ＬＥＤと緑色ＬＥＤは、温度が高くなっても発光強度の差が比較的小さいが、赤色ＬＥＤは、温度が高くなるにつれて発光強度が急激に低くなる。
したがって、青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤおよび赤色ＬＥＤをすべて直列接続すると、発光装置の環境温度が変化したときに色のばらつきが生じ、また、赤色ＬＥＤに起因して発光装置の寿命が短くなるなどの不具合がある。このため、赤色ＬＥＤは含めずに赤色蛍光体１５を使用し、青色ＬＥＤ１１と緑色ＬＥＤ１２を直列接続することが好ましい。さらに、上記の通り、青色ＬＥＤ１１と緑色ＬＥＤ１２には、同じ系列の化合物半導体を材料とする、順電圧や、温度特性、寿命などが略等しいとみなせるＬＥＤを使用することが好ましい。
図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、それぞれ、発光装置１０と比較例の発光装置による白色光のスペクトルを示したグラフである。比較例の発光装置とは、緑色蛍光体と赤色蛍光体を含有する封止樹脂１３により青色ＬＥＤを被覆した、緑色ＬＥＤを含まない発光装置である。各グラフの横軸は波長λ（ｎｍ）、縦軸は相対発光強度Ｉである。また、各グラフでは、紫色から赤色までの各色と波長とのおおよその対応関係も併せて示している。
図４（Ａ）に示す比較例の発光装置のスペクトルでは、緑色に対応するピークの幅が比較的広くなる。これにより、緑色と赤色の間の谷間が浅くなり、緑色から赤色にかけて比較的均一な強度の光が得られる。このため、比較例の発光装置では演色性が高くなる。
一方、図４（Ｂ）に示す発光装置１０のスペクトルでは、５２０ｎｍ付近に比較例の発光装置より鋭いピークができる。すなわち、発光装置１０の場合、緑色ＬＥＤ１２を含むことにより、緑色に対応するピークの幅が比較例の発光装置の場合より狭くなるため、緑色と赤色の間の谷間が深くなる。これにより、発光装置１０では、光の三原色である４５０ｎｍ付近の青色光、５２０ｎｍ付近の緑色光および６５０ｎｍ付近の赤色光の波長が際立つため、比較例の発光装置と比べて彩色性が高くなり、白色光が鮮やかに見える。
演色評価数ＣＲＩ（Color Rendering Index）の指標で発光装置１０と比較例の発光装置の白色光を比べると、比較例の発光装置の方が高い評価が得られる。しかしながら、ＣＱＳ（Color Quality Scale）の指標で両者を比べると、発光装置１０も比較例の発光装置と同等の評価が得られる。ＣＲＩは評価したい照明光で照らされた物体表面色の色再現の忠実性を表す指標であるのに対し、ＣＱＳは、彩度が高く見える方向の変化に対しては評価が高くなるようにＣＲＩの評価尺度を修正した指標である。ＣＱＳの指標でみると、彩色性の高さを反映して、発光装置１０の評価が相対的に高くなる。
なお、図４（Ｂ）からわかるように、発光装置１０では５８０ｎｍ付近の黄色の波長域における発光強度が低くなっている。そこで、以下で説明するように、黄色蛍光体を使用して、緑色と赤色の波長域の間にあるこのスペクトルの谷間を補完してもよい。
図５は、発光装置２０の模式的な断面図である。図５は、図１（Ｂ）と同様に、発光装置２０の中央における縦断面図を示す。発光装置２０では、それぞれの青色ＬＥＤ１１の上に黄色蛍光体１６が配置され、黄色蛍光体１６付きの青色ＬＥＤ１１と緑色ＬＥＤ１２とが封止樹脂１３により被覆されている。これ以外の点では、発光装置２０の構成は、発光装置１０と同一である。このように、少なくとも青色ＬＥＤ１１の上面に黄色蛍光体１６を配置してもよい。
黄色蛍光体１６は、青色ＬＥＤ１１からの青色光を励起光として吸収して黄色系の蛍光を発する粒子状の蛍光体材料である。例えば、黄色蛍光体１６には、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系、デルビウム系、ストロンチウム系、リン酸塩系、ケイ酸塩系、アルミン酸塩系などの蛍光体が用いられる。
図６は、発光装置３０の模式的な断面図である。図６は、図１（Ｂ）と同様に、発光装置３０の中央における縦断面図を示す。発光装置３０では、青色ＬＥＤ１１だけでなく緑色ＬＥＤ１２の上にも黄色蛍光体１６が配置され、黄色蛍光体１６付きの青色ＬＥＤ１１および緑色ＬＥＤ１２が封止樹脂１３により被覆されている。これ以外の点では、発光装置３０の構成は、発光装置１０と同一である。このように、すべてのＬＥＤの上面に黄色蛍光体１６を配置してもよい。
以上説明してきたように、発光装置１０〜３０では、順電圧や、温度特性、寿命などが略等しい複数の青色ＬＥＤ１１と複数の緑色ＬＥＤ１２を使用して、それらを互いに直列接続することにより、各色の素子を点灯させるための配線と制御がより単純化される。また、発光装置１０〜３０では、青色ＬＥＤ１１および緑色ＬＥＤ１２と赤色蛍光体１５との組合せにより、青色、緑色および赤色の各色の波長が際立つため、鮮やかに見える白色光が得られる。
複数の青色ＬＥＤ１１と複数の緑色ＬＥＤ１２を基板１７上にアレイ状に実装することにより、発光装置１０〜３０は、例えば広面積の液晶ディスプレイにおけるバックライトなどの光源として使用可能である。また、発光装置１０〜３０は、携帯電話などの小面積の液晶ディスプレイにおける導光板照明や、メータ類またはインジケータ類のバックライトユニットといった種々の照明光源にも使用可能である。
１０，２０，３０ 発光装置
１１ 青色ＬＥＤ
１２ 緑色ＬＥＤ
１３ 封止樹脂
１４ 封止枠
１５ 赤色蛍光体
１６ 黄色蛍光体
１７ 基板
１８ 電極

Claims (4)

  1. 青色系の半導体発光素子である複数の青色素子と、
    緑色系の半導体発光素子である複数の緑色素子と、
    前記複数の青色素子からの青色光および前記複数の緑色素子からの緑色光を励起光として吸収して赤色光を発する赤色蛍光体が分散混入され、当該複数の青色素子および当該複数の緑色素子を被覆する封止樹脂と、を有し、
    前記複数の青色素子と前記複数の緑色素子が互いに直列接続されることを特徴とする発光装置。
  2. 前記複数の青色素子と前記複数の緑色素子は、ともにＩｎＧａＮ系の半導体発光素子である、請求項１に記載の発光装置。
  3. 前記複数の青色素子と前記複数の緑色素子は、同一基板上で互いに並列接続される複数の列に分けられ、当該複数の列のそれぞれにおいて複数の青色素子と複数の緑色素子が互いに直列接続される、請求項１または２に記載の発光装置。
  4. 前記複数の列のそれぞれに含まれる前記複数の青色素子と前記複数の緑色素子の個数の比率はすべての列で等しい、請求項３に記載の発光装置。
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