JP2016066742A - 発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】光源として短波長可視光を発光する半導体発光素子を用いて白色光の色温度改善を図りながらも、良好な反射特性の反射部材を用いて光束を低下させずに高輝度化を図ることが可能な発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置の光源として、ピーク波長が３９５〜４１０ｎｍの半導体発光素子１１を用い、バンドギャップが３．４ｅＶ以上の物質からなる光散乱粒子を反射部材１４の分散中に分散し、光散乱粒子の屈折率を分散媒の屈折率よりも０．３以上大きくする。また、半導体発光素子１１は、発光積分強度において１パーセンタイルの値が３６５〜３８３ｎｍの範囲内とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置に関し、特に短波長可視光を発光する発光ダイオードおよび反射部材を有する発光装置に関する。
近年になって、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：発光ダイオード）やＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：半導体レーザ）などの半導体発光素子を光源として用いた白色発光装置の技術が急速に発展してきた。これらの発光装置は、自動車のヘッドランプや屋内外の照明装置などの大光量を必要とする用途にも用いられるようになってきている。特に、自動車用ヘッドランプ用途においては、従来のハロゲンバルブや放電灯として点光源に近いＬＥＤ光源を用いることが重要であり、ＬＥＤ光源のさらなる高輝度化が求められている。
ＬＥＤを用いた白色発光装置を高輝度化する手法としては、青色ＬＥＤチップの上面に波長変換材料を配置し、樹脂中に光散乱粒子を含有させた白色反射部材で青色ＬＥＤチップと波長変換材料の側面を覆うものが提案されている（特許文献１）。また、半導体発光素子上に波長変換材料と透光性プレートを配置し、金属酸化物微粒子をフィラーとして含有する白色樹脂の反射部材で半導体発光素子を囲み、透光性プレートの側面に接触させて透光性部材を配置して反射部材を封止したものも提案されている（特許文献２）。
また、半導体発光素子として発光ピーク波長が３５０〜４３０ｎｍの範囲内である短波長可視光を発光するＬＥＤチップを用い、波長変換材料として短波長可視光によって励起されてピーク波長が５６０〜５９０ｎｍの範囲内である黄色光を発光する蛍光材料と、短波長可視光によって励起されてピーク波長が４４０〜４７０ｎｍの範囲内である青色光を発光する蛍光材料とを用いるものも提案されている（特許文献３）。
特開２０１３−２１９３９７号公報 特開２０１３−１４９９０６号公報 特許第４９９９７８３号公報
特許文献１，２のような従来技術では、半導体発光素子の周囲を白色樹脂で囲むことにより、半導体発光素子から出射した光を小さい体積の波長変換部材に対して効果的に反射させることができ、効率的に波長変換部材で波長変換をして白色光を得ることができ高輝度化を図っていた。このような従来技術では、半導体発光素子として青色光を発光するＬＥＤチップを用い、波長変換部材で青色光の一部を黄色光に変換し、青色光と黄色光の混色によって白色を得ていることから得られる白色光の色温度が高くなる傾向があり、色温度を改善することが困難であった。
特許文献３の従来技術では、光源として短波長可視光を用いることで、波長変換材料に含有される蛍光材料からの青色光と黄色光との混色によって白色光を得ることができ、光源からの短波長可視光は視感度が低いことから、白色発光装置の色温度を改善することができた。
しかしながら、特許文献３の従来技術において高輝度化を図るために白色樹脂を反射部材に用いようと、特許文献１，２のように青色光を反射するのに適した光散乱粒子を用いたとしても、光源の波長が異なり短波長可視光であることから、必ずしも良好な反射特性を得ることができず高輝度化には限界があった。
そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、光源として短波長可視光を発光する半導体発光素子を用いて白色光の色温度改善を図りながらも、良好な反射特性の反射部材を用いて光束を低下させずに高輝度化を図ることが可能な発光装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の発光装置は、ピーク波長が３９５〜４１０ｎｍの半導体発光素子と、分散媒中に光散乱粒子が分散された反射部材とを有し、前記光散乱粒子は、バンドギャップが３．４ｅＶ以上の物質からなり、前記分散媒の屈折率よりも前記光散乱粒子の屈折率のほうが０．３以上大きいことを特徴としている。
このような本発明の発光装置では、半導体発光素子から出射した光のピーク波長が３９５〜４１０ｎｍの範囲である短波長可視光であっても、光散乱粒子のバンドギャップが３．４ｅＶ以上であり、分散媒と光散乱粒子の屈折率差が０．３以上であることから、光散乱粒子によって吸収される光量を抑制でき、かつ光散乱粒子で良好に光を散乱できるため反射部材の反射率を向上させることができる。これにより、光源として短波長可視光を発光する半導体発光素子を用いて白色光の色温度改善を図りながらも、良好な反射特性の反射部材を用いて光束を低下させずに高輝度化を図ることが可能となる。
また、本発明の発光装置では、前記半導体発光素子は、発光積分強度において１パーセンタイルの値が３６５〜３８３ｎｍである。
このように、発光積分強度において１パーセンタイルの値が３６５〜３８３ｎｍの半導体発光素子を用いることで、バンドギャップが３．４ｅＶ以上の物質である光散乱粒子によって吸収される光量を全体の１％以下とすることができる。これにより、半導体発光素子が発光した光量全体のうち、光散乱粒子で吸収されてしまう光量を実質的に無視できる程度まで低減できるため、さらに光束低下を抑制して高輝度化を図ることが可能となる。
また、本発明の発光装置では、前記反射部材は、前記半導体発光素子の周囲を囲んで０．２〜２．０ｍｍの幅で形成されている。
このように、反射部材で半導体発光素子の周囲を囲むことで、半導体発光素子からの短波長可視光が反射部材を透過して漏れ出すことを防止できる。これにより、反射部材で十分に短波長可視光を反射することができ、さらに光束低下を抑制して高輝度化を図ることが可能となる。
また、本発明の発光装置では、前記半導体発光素子からの光によって励起されて、他の波長の光を発光する波長変換部材を有し、前記波長変換部材は、前記半導体発光素子上に５０〜５００ｎｍの厚みで形成され、前記反射部材は前記半導体発光素子及び前記波長変換部材の周囲の少なくとも一部に形成されている。
このように、波長変換部材を半導体発光素子上に形成して周囲の少なくとも一部に反射部材を形成することで、反射部材で短波長可視光を波長変換部材に対して効果的に反射させることができる。これにより、波長変換部材で適切に短波長可視光を波長変換することができ、さらに光束低下を抑制して高輝度化を図ることが可能となる。
また、本発明の発光装置では、前記光散乱粒子は、Ｎｂ2Ｏ5及びＴａ2Ｏ5の少なくとも一方である。
このように、光散乱粒子として短波長可視光を反射するために最適な物質を選択することで、光散乱粒子での短波長可視光の吸収を抑制し、分散媒との屈折率差を確保して反射部材の反射率を向上させることができる。これにより、反射部材の反射率を向上させることができ、さらに光束低下を抑制して高輝度化を図ることが可能となる。
本発明では、光源として短波長可視光を発光する半導体発光素子を用いて白色光の色温度改善を図りながらも、良好な反射特性の反射部材を用いて光束を低下させずに高輝度化を図ることが可能な発光装置を提供できる。
第１実施形態に係る発光装置を示す模式平面図と模式断面図である。 半導体発光素子１１が発光する発光積分強度を示すグラフである。 実施例１および比較例１，２の発光装置１について発光特性を測定したスペクトル図である。 第２実施形態に係る発光装置を示す模式断面図である。 第３実施形態に係る発光装置を示す模式断面図である。 第４実施形態に係る発光装置を示す模式断面図である。 第５実施形態に係る発光装置を示す模式断面図である。 第６実施形態に係る発光装置を示す模式断面図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る発光装置を示す模式図であり図１（ａ）は模式平面図で図１（ｂ）は模式断面図である。図１に示す発光装置１は、基板１０上に半導体発光素子１１が実装され、半導体発光素子１１上には波長変換部材１２が設けられている。半導体発光素子１１と波長変換部材１２の周囲を囲むように基板１０上にダム部材１３が配置されており、ダム部材１３の内側には反射部材１４が充填されている。
基板１０は他の部材を搭載して支持するための平板状の部材であり、絶縁性材料や導電性材料の何れを用いてもよく、熱伝導性が高い材料で形成されることが好ましい。例えば、セラミック基板やガラスエポキシ基板、可撓性基板、金属基板上に絶縁膜を形成した複合基板、リードフレームを絶縁材料で固定した基板などを用いることができる。図１では省略しているが、基板１０の半導体発光素子１１を搭載する面上には、金属材料等からなる配線層を形成しており、半導体発光素子１１に接続されて電流を供給している。
半導体発光素子１１は、短波長可視光を発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）である。本発明における短波長可視光とは、青色よりも短波長である４００ｎｍ近傍の光であり、より具体的には発光ピーク波長が３９５〜４１０ｎｍの波長範囲の光である。この範囲の短波長可視光は、青色である４５０ｎｍ近傍の光よりも視感度が低いため、光量が増加しても白色光全体の色温度に与える影響が小さいという特性がある。
半導体発光素子１１としては、活性層としてＩｎＧａＮ系の化合物半導体を備えるものが好ましい。ＩｎＧａＮ系の化合物半導体は、Ｉｎの含有量によって発光波長が変化し、Ｉｎの含有量が多いと発光波長が長波長となり、少ないと短波長となる傾向を示す。ＩｎＧａＮ系活性層では、ピーク波長が４００ｎｍ近傍となる程度にＩｎが含有された組成比のもので量子効率が最も高いことが確認されている。したがって、半導体発光素子１１をＩｎＧａＮ系化合物半導体材料とすると、短波長可視光での発光効率を最適にすることができる。しかし、半導体発光素子１１を構成する材料はＩｎＧａＮ系に限定されず、短波長可視光を発光できれば他の材料であってよく、例えばＩＩ−ＶＩ族化合物半導体やＺｎＯ系化合物半導体、Ｇａ2Ｏ3系化合物半導体などであってもよい。
波長変換部材１２は、半導体発光素子１１が発光した短波長可視光の一部を他の波長に変換する部材である。図１では、蛍光体材料を微粒子にして樹脂中に分散させてシート状に形成した蛍光含有シートを、図示しない接着剤で半導体発光素子１１の上面に固定している。波長変換部材１２としては蛍光含有シートに限定されず、短波長可視光を波長変換できる部材であればよく、蛍光体微粒子を分散させた樹脂を塗布するものや、ガラス中に蛍光体材料を含ませたもの、蛍光セラミック板などを用いることができる。蛍光体粒子を分散させる樹脂としては、例えばジメチルシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等を用いることができる。
波長変換部材１２には、短波長可視光により励起されて青色光を発光する蛍光体材料と、短波長可視光により励起されて黄色光を発光する蛍光体材料が含まれている。青色光を発光する蛍光体材料としては、例えば（Ｃａ，Ｓｒ）5（ＰＯ4）3Ｃｌ：Ｅｕが挙げられる。黄色光を発光する蛍光体材料としては、例えば（Ｃａ，Ｓｒ）7（ＳｉＯ3）6Ｃｌ2：Ｅｕが挙げられるが、他の材料であってもよい。波長変換部材に含まれる蛍光体材料としては、青色光と黄色光を発光するものに限らず、混色することにより白色を得られれば他の色でもよく、例えば、赤色光と青色光と緑色光を発光するものをそれぞれ含ませてもよい。また、色温度を調整するために他の色を発光する蛍光体材料を追加してもよい。
ダム部材１３は、半導体発光素子１１から離間した位置の基板１０上に配されて周囲を囲む枠体である。ダム部材１３としては、例えば樹脂やセラミック等を枠体状に成形して基板１０上に接着剤で固定することや、基板１０上に樹脂等の材料を枠形状に塗布して硬化させることなど、様々な態様を用いることができる。図１に示すように、ダム部材１３は、半導体発光素子１１よりも高く形成されており、半導体発光素子１１上に配された波長変換部材１２の高さと略同一に形成されている。
反射部材１４は、樹脂等の分散媒に光散乱粒子を分散させたものであり、半導体発光素子１１からの短波長可視光および波長変換部材１２からの可視光を反射するための部材である。分散媒としては、短波長可視光を透過する材料であればよく、例えばジメチルシリコーン樹脂やエポキシ樹脂、ガラスなどが挙げられる。図１に示すように、反射部材１４はダム部材１３の内側に充填されて半導体発光素子１１と波長変換部材１２の側面を覆って形成されている。図１では、反射部材１４の高さは、波長変換部材１２とダム部材１３の高さと略同一に形成されている。
反射部材１４における分散媒と光散乱粒子の比率としては、光散乱粒子が１０体積パーセント濃度以上２０体積パーセント濃度以下となる範囲が好ましい。１０体積パーセント濃度未満では、光散乱粒子の密度が小さくなり短波長可視光が反射部材１４で十分に反射されず、漏れ光が発生してしまう。また、２０体積パーセント濃度より大きいと、光散乱粒子を分散媒に十分に濡らすことができずボイドが発生しやすくなり、歩留まりが低下するため好ましくない。ボイドが発生した場合には、ボイドを経由して短波長可視光が漏れてしまうおそれがあり、反射部材１４で十分に短波長可視光を反射することができなくなってしまう。
光散乱粒子の粒径としては、粒径分布の中央値（メジアン）が０．１μｍ≦５０％Ｄ≦１０μｍの範囲が好ましく、さらに好ましくは０．１μｍ≦５０％Ｄ≦３μｍの範囲である。粒径がこの範囲よりも小さいと、光散乱粒子が分散媒に対して均一に分散しにくくなり、この範囲よりも大きいと、光散乱粒子の比表面積が小さくなって短波長可視光を散乱しにくくなる。
また、反射部材１４の幅（図中横方向の厚さ）としては、０．２〜２．０ｍｍの範囲が好ましく、より好ましくは０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲である。反射部材１４の幅がこの範囲よりも小さい場合には、反射部材１４を通過して外部に取り出される漏れ光が増加してしまい、十分に波長変換部材１２に対して短波長可視光を反射できない。波長変換部材１２に対して十分に短波長可視光が反射されないと、波長変換されて白色を得るための青色光および黄色光の光量が不足し、結果として白色光の光束が低下して輝度も低下する。反射部材１４の幅がこの範囲よりも大きい場合には、反射部材１４の成型性が悪化する。
発光装置１に電流を供給すると、半導体発光素子１１が４００ｎｍ近傍に発光ピーク波長を有する短波長可視光を発光する。半導体発光素子１１からの短波長可視光が波長変換部材１２に含まれる蛍光体材料に入射すると、蛍光体材料は励起されて青色光と黄色光とを発光し、混色されて白色光として発光装置１外部に取り出される。
半導体発光素子１１からの短波長可視光と波長変換部材１２からの光が反射部材１４に入射すると、反射部材１４の分散媒中に分散されている光散乱粒子の屈折率差によって光が屈折して進行方向が変化して散乱される。反射部材１４中には多数の光散乱粒子が分散されているため、多数の光散乱粒子に繰り返し散乱された光は、反射部材１４の外部方向に再度取り出される。したがって、反射部材１４に入射した光は散乱反射されて一部は反射部材１４を通過して発光装置１の外部に取り出され、一部は波長変換部材１２側に入射して波長変換される。
発光装置１では、半導体発光素子１１として視感度が低い短波長可視光を用いていることから、直接外部に取り出される短波長可視光が増加すると、波長変換部材１２で波長変換される光量が低下し白色光の光束が低下してしまう。したがって、波長変換部材１２に対して短波長可視光を良好に反射できる分散媒と光散乱粒子の選定が重要となってくる。
図２は、半導体発光素子１１が発光する発光積分強度を示すグラフである。図２では、短波長可視光である３９５〜４１０ｎｍの波長範囲のうち、最も波長が短い３９５ｎｍで発光ピーク波長を有する場合を示している。図２で示したように、半導体発光素子１１の発光スペクトルは半値幅３０ｎｍ程度のガウス分布に近似したものとなっており、３５０〜４５０ｎｍ程度まで分布が広がっている。このような半導体発光素子１１では、全波長域での発光強度の積分値に対して、短波長側から発光強度を積分して１パーセンタイルとなる波長は３６５ｎｍ、１０パーセンタイルとなる波長は３８５ｎｍ、２５パーセンタイルとなる波長は３９０ｎｍ、５０パーセンタイルとなる波長は３９５ｎｍである。半導体発光素子１１として、発光ピーク波長が４１０ｎｍのものを用いた場合には、１パーセンタイル値は３８３ｎｍであった。
図２から明らかなように、半導体発光素子１１として短波長可視光のものを用いると、その発光強度分布には、３８０ｎｍ以下の波長が数％程度含まれていることがわかる。従来の発光装置で用いられていた青色ＬＥＤでは、図２に示した発光積分強度とは異なり、ピーク波長が４５０ｎｍ近傍にシフトしたものである。よって、半値幅が本発明と同程度であったとしても、青色ＬＥＤでは３８０ｎｍ以下の領域まではスペクトルが広がっておらず、ＴｉＯ2等の粒子を光散乱粒子に用いても青色光はほとんど吸収されなかった。
しかし、本発明の発光装置１では、半導体発光素子１１として短波長可視光を発光するものを用いていることから、反射部材１４において分散媒中に分散されている光散乱粒子を適切に選択しなければ、光散乱粒子によって短波長可視光の一部が吸収されてしまう。その結果として、波長変換部材１２に入射する短波長可視光の光量が減少し、波長変換部材１２で波長変換される青色光および黄色光も減少して、発光装置１の光束と輝度が低下してしまう。このような問題は、半導体発光素子として青色ＬＥＤを用いた従来技術においては発生していなかったものである。
光散乱粒子による光の吸収は、光散乱粒子を構成する物質のバンドギャップと光の波長が主な要因と考えられる。光散乱粒子を構成する物質は、それぞれ特有のバンドギャップを有しており、そのバンドギャップエネルギーを波長に換算したバンドギャップ波長よりも短波長の光を吸収してしまう。したがって、図２に示したようなスペクトル分布である短波長可視光をほとんど吸収しないようにするためには、バンドギャップ波長が短波長可視光のスペクトル分布と可能な限り重ならない材料を光散乱粒子として用いる必要がある。
具体的には、半導体発光素子１１の発光積分強度において、１パーセンタイル値となる波長よりもバンドギャップ波長が短波長となるように光散乱粒子の材料を選択する。このようなバンドギャップ波長を選択すると、半導体発光素子１１が発光した光のうち、光散乱粒子で吸収される比率を１％以下とすることができ、光の吸収による光束の低下を実用上は無視できる。図２に示したように、発光ピーク波長が３９５ｎｍの短波長可視光の場合には、１パーセンタイル値は３６５ｎｍであり、発光ピーク波長が４１０ｎｍの短波長可視光の場合には、１パーセンタイル値は３８３ｎｍである。したがって、バンドギャップ波長が３６５ｎｍ以下（３．４ｅＶ以上）の材料を選択することで、光散乱粒子による短波長可視光の吸収を抑制し、発光装置１の光束を低下させず高輝度化を図ることが可能となる。
また、反射部材１４で短波長可視光を良好に反射するためには、分散媒と光散乱粒子の屈折率差も重要な要因となってくる。前述したように、反射部材１４では分散媒と光散乱粒子の屈折率差によって生じる光の散乱が繰り返されることで、短波長可視光が入射してきた方向に再び短波長可視光が取り出されて、短波長可視光が散乱反射される。このとき、分散媒と光散乱粒子の屈折率差が小さい場合には、光が散乱される角度が小さくなって十分に光が散乱されないため、全体として反射部材１４を通過して外部に漏れる光量が多くなってしまう。具体的には、光散乱粒子の屈折率は分散媒の屈折率よりも０．３以上大きいことが好ましい。
［実施例］
本発明の第１実施形態の実施例として、図１に示した発光装置１を作製した。基板１０としてＡｌＮのセラミックス基板を用い、半導体発光素子１１としてＩｎＧａＮ系材料からなる活性層を有し発光ピーク波長が４００ｎｍのＬＥＤチップを用いた。ＬＥＤチップのサイズは１ｍｍ×１ｍｍであり、基板１０上にフリップチップ実装した。
波長変換部材１２に含有させる蛍光体粒子として、青色蛍光体である（Ｃａ，Ｓｒ）5（ＰＯ4）3Ｃｌ：Ｅｕと、黄色蛍光体である（Ｃａ，Ｓｒ）7（ＳｉＯ3）6Ｃｌ2：Ｅｕを用い、色温度が５５００Ｋとなるような比率で混合した。混合した二種類の蛍光体粒子が１５体積パーセント濃度となるように、屈折率１．４のジメチルシリコーン樹脂中に分散させ、厚さ３００μｍのシート状に成形した。得られた蛍光含有シートを１．２ｍｍ×１．２ｍｍのサイズに切断し、ＬＥＤチップの四方から０．１ｍｍはみ出す位置に透光性接着樹脂で固定した。
波長変換部材１２から１ｍｍの位置を囲むような枠状のダム部材１３を形成して基板１０上に設置した。したがって、ダム部材１３の内側に形成される反射部材１４の幅は１ｍｍとなる。
反射部材１４として、屈折率が１．４のジメチルシリコーン樹脂中に［表１］で示した各材料からなる光散乱粒子を分散させて、ダム部材１３内にディスペンス塗布して半導体発光素子１１と波長変換部材１２の側面を覆うように充填し、実施例１−９および比較例１−５の発光装置１を得た。実施例１−９および比較例２−５の各材料では、ジメチルシリコーン樹脂における光散乱粒子の濃度を１０〜２０体積パーセント濃度の範囲となるように調整し、粒径を０．１μｍ≦５０％Ｄ≦３μｍの範囲となるように調整した。比較例１では、光散乱粒子を添加しない屈折率１．４のジメチルシリコーン樹脂のみで反射部材１４を形成した。
このようにして得られた各発光装置１について、発光装置１に供給するオペレーション電流を３５０ｍＡに固定して輝度と光束の測定を行った。輝度の測定方法としては、オペレーション電流を供給して２０〜３０分経過した後に、暗室中で波長変換部材１２の上面に焦点をあわせてカメラで撮像して光量を測定し輝度を算出した。光束の測定方法としては、積分球に発光装置１を設置して、１０ｍｓｅｃの間オペレーション電流を供給し光束を測定した。このように測定した輝度と光束について、比較例１を基準として相対輝度と相対光束を算出した。
表１に、実施例１−９および比較例１−５の各材料のバンドギャップ、屈折率、相対輝度、相対光束を示す。
Figure 2016066742
実施例１−９であるＧａ2Ｏ3、ＨｆＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＺｎＯ、Ｎｂ2Ｏ5、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＡｌＮ、ＢＮは、いずれもバンドギャップが３．４ｅＶ以上であり、分散媒であるジメチルシリコーン樹脂との屈折率差も０．３以上となっている。これらの実施例１−９では、相対輝度が１．３以上であり相対光束も１．０５以上となっており、光束が向上するとともに輝度も向上している。
表１に示したように、比較例２のルチル型ＴｉＯ2では、ジメチルシリコーン樹脂との屈折率は大きいため、反射部材１４から波長変換部材１２に向けて反射される光量を確保できるが、バンドギャップが小さく短波長可視光を数％程度吸収してしまう。これにより、相対輝度および相対光束が実施例１−９より小さくなっている。
実施例２において、光散乱粒子で短波長可視光が部分的に吸収されていることを、図３を用いて説明する。図３は、実施例１および比較例１，２の発光装置１について発光特性を測定したスペクトル図である。図中で実線が実施例１のスペクトルを示し、点線が比較例１のスペクトルを示し、破線が比較例２のスペクトルを示している。比較例１では、ジメチルシリコーン樹脂に光散乱粒子を分散していない例であり、半導体発光素子１１からの光はほとんどが反射部材１４を通過してしまうため、ＬＥＤチップが発光した短波長可視光である４００ｎｍの波長で強度が最大となっている。比較例２では、バンドギャップが３．０ｅＶと小さいため、短波長可視光近傍の波長範囲で光が吸収されてしまい、光強度が実施例１よりも小さくなっていることがわかる。
比較例３−５のＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2は、バンドギャップが３．４ｅＶよりも十分に大きいため、光散乱粒子での短波長可視光の吸収による光量の低下はみられない。しかし比較例３−５は、分散媒であるジメチルシリコーン樹脂との屈折率差が０．３未満であり、反射部材１４中で光散乱粒子によって十分に短波長可視光が散乱されず、短波長可視光を波長変換部材１２に対して十分に反射できていない。したがって、相対輝度および相対光束が実施例１−９より小さくなっている。
実施例１−９の中でも、相対輝度および相対光束が特に大きいものは実施例５−７，９のＮｂ2Ｏ5、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＢＮであり、さらにＺｒＯ2、ＢＮは僅かに着色しており、可視光の一部を吸収してしまうため、実施例５，６のＮｂ2Ｏ5、Ｔａ2Ｏ5が光散乱粒子として最も好ましい。
表１に示したように、反射部材１４において短波長可視光を良好に反射して、発光装置１から出射する白色光の光束および輝度を高くするためには、分散媒との屈折率差の大きさとバンドギャップ大きさのどちらか一方を満たす光散乱粒子の選択だけでは十分ではないことがわかる。これは従来の青色ＬＥＤチップを用いた発光装置では問題とならず、短波長可視光を発光する半導体発光素子１１を用いた発光装置に特有の現象であり、ピーク波長が３９５〜４１０ｎｍの半導体発光素子と、バンドギャップが３．４ｅＶ以上の光散乱粒子と、光散乱粒子の屈折率が分散媒より０．３以上大きいという３条件が揃って初めて光束と輝度の向上という効果を得られる。
次に、光散乱粒子としてＴａ2Ｏ5を用い、波長変換部材１２の厚さと蛍光体粒子の濃度を変化させた実施例１０−１２および比較例６，７を作製した。ここで、波長変換部材１２の蛍光体条件である厚さを決定し、その厚さにおいて色温度５５００Ｋを実現できる蛍光体粒子の量を決定して、ジメチルシリコーン樹脂に分散させた。したがって、波長変換部材１２が厚いほど蛍光体粒子の体積パーセント濃度は低下する傾向にある。実施例１０−１２および比較例６，７の発光装置１は、波長変換部材の厚さと濃度以外は実施例６と同様に作製した。反射部材１４における光散乱粒子であるＴａ2Ｏ5の濃度は、１５体積パーセントであった。
表２は、実施例１０−１２および比較例６，７について、実施例１−９および比較例１−５と同様の測定方法で相対輝度および相対光束について測定した結果を示している。相対輝度および相対輝度は、表１に示した比較例１を基準としている。
Figure 2016066742
表２から明らかなように、実施例１０−１２では波長変換部材１２の厚さがそれぞれ８０μｍ、２００μｍ、４５０μｍであり、いずれも相対輝度が１．３以上であり相対光束も１．００以上となっており、光束が向上するとともに輝度も向上している。それに対して、比較例６，７の波長変換部材１２の厚さはそれぞれ４０μｍ、６００μｍであり、いずれも相対輝度は１．３未満であり相対光束も１．００未満となっている。
比較例６のような波長変換部材１２の厚さが５０μｍ未満では、所望の色温度を実現するためにジメチルシリコーン樹脂中に分散される蛍光体粒子の濃度が高くなりすぎて、蛍光体粒子表面での光の散乱と遮蔽が増大して、光取り出しが困難になるため光束および輝度が低下してしまう。また、蛍光体粒子の濃度が高くなりすぎると、前述したように分散媒であるジメチルシリコーン樹脂と光散乱粒子を十分に濡らすことができずボイドが発生しやすくなり、歩留まりが低下するため好ましくない。ボイドが発生した場合には、ボイドを経由して短波長可視光が漏れてしまうおそれがあり、反射部材１４で十分に短波長可視光を反射することができなくなってしまう。
比較例７のような波長変換部材１２の厚さが５００μｍより大きい場合には、反射部材１４で覆われている波長変換部材１２の側面の面積が増加しすぎる。これにより、波長変換部材１２のうち発光装置１上面から露出している光取り出し面の比率が低下し、光取り出し面以外から取り出される光が増加してしまう。その結果として光取り出し面から取り出される光量が減少するため、発光装置１の光束および輝度が低下してしまう。したがって、望ましい波長変換部材１２の厚さは、５０〜５００μｍの範囲である。
本発明の発光装置１では、半導体発光素子から出射した光のピーク波長が３９５〜４１０ｎｍの範囲である短波長可視光であっても、光散乱粒子のバンドギャップが３．４ｅＶ以上であり、分散媒と光散乱粒子の屈折率差が０．３以上であることから、光散乱粒子によって吸収される光量を抑制でき、かつ光散乱粒子で良好に光を散乱できるため反射部材の反射率を向上させることができる。
また、発光積分強度において１パーセンタイルの値が３６５〜３８３ｎｍの半導体発光素子を用いることで、バンドギャップが３．４ｅＶ以上の物質である光散乱粒子によって吸収される光量を全体の１％以下とすることができる。これにより、半導体発光素子が発光した光量全体のうち、光散乱粒子で吸収されてしまう光量を実質的に無視できる程度まで低減できるため、さらに光束低下を抑制して高輝度化を図ることが可能となる。
これにより、光源として短波長可視光を発光する半導体発光素子を用いて白色光の色温度改善を図りながらも、良好な反射特性の反射部材を用いて光束を低下させずに高輝度化を図ることが可能となる。
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る発光装置を示す模式断面図である。図４に示すように、第２実施形態の発光装置４は、基板１０上に半導体発光素子１１を実装し、半導体発光素子１１から離間した周囲に枠状の反射部材１４を配置し、反射部材１４の内側に波長変換部材１２を充填している。
本実施形態では、反射部材１４は半導体発光素子１１から離間した周囲に形成されて、半導体発光素子１１の側面と上面は波長変換部材１２で覆われている。したがって、半導体発光素子１１が発光した短波長可視光は、波長変換部材１２に入射して波長変換される。波長変換部材１２で変換されなかった短波長可視光は、反射部材１４に到達して散乱反射され再び波長変換部材１２に入射する。これにより、短波長可視光を反射部材１４で良好に反射して波長変換部材１２からの白色発光の効率を向上させることができ、発光装置４の光束および輝度を向上させることができる。
（第３実施形態）
図５は、第４実施形態に係る発光装置を示す模式断面図である。図５に示すように、第３実施形態の発光装置５は、基板１０上に半導体発光素子１１を実装し、半導体発光素子１１から離間した周囲に内側側面が傾斜した枠状の反射部材１４を配置し、反射部材１４の内側に透光性部材１５を充填して半導体発光素子１１を封止し、反射部材１４の上に波長変換部材１２を形成している。
透光性部材１５は、半導体発光素子１１が発光する短波長可視光を透過する透明な材料であり、例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂、ガラスなどが挙げられる。また、透光性部材１５は、半導体発光素子１１の封止部材としても機能している。波長変換部材１２を板状部材として別途用意しておき、透光性部材１５として窒素などの不活性ガスを充填し、反射部材１４と波長変換部材１２とで半導体発光素子１１を気密封止するとしてもよい。
本実施形態では、半導体発光素子１１が発光した短波長可視光は、透光性部材１５を通過して波長変換部材１２や反射部材１４に到達する。反射部材１４に到達した短波長可視光は、反射部材１４で散乱反射されて波長変換部材１２に入射する。これにより、短波長可視光を反射部材１４で良好に反射して波長変換部材１２からの白色発光の効率を向上させることができ、発光装置５の光束および輝度を向上させることができる。
（第４実施形態）
図６は、第４実施形態に係る発光装置を示す模式断面図である。図６に示すように、第４実施形態の発光装置６は、基板１０上に半導体発光素子１１を実装し、基板１０表面の半導体発光素子１１の周囲を覆って反射部材１４が形成されている。また、半導体発光素子１１とその周囲の反射部材１４上は半球形状に透光性部材１５が形成されており、透光性部材１５の外側にドーム形状の波長変換部材１２が形成されている。
透光性部材１５は、半導体発光素子１１が発光する短波長可視光を透過する透明な材料であり、例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂、ガラスなどが挙げられる。また、透光性部材１５は、半導体発光素子１１の封止部材としても機能している。波長変換部材１２を板状部材として別途用意しておき、透光性部材１５として窒素などの不活性ガスを充填し、反射部材１４と波長変換部材１２とで半導体発光素子１１を気密封止するとしてもよい。
本実施形態では、半導体発光素子１１から上方に出射した短波長可視光は、透光性部材１５を通過して波長変換部材１２に到達する。半導体発光素子１１から側方に出射した短波長可視光は、反射部材１４に到達し散乱反射されて波長変換部材１２に入射する。これにより、短波長可視光を反射部材１４で良好に反射して波長変換部材１２からの白色発光の効率を向上させることができ、発光装置６の光束および輝度を向上させることができる。
（第５実施形態）
図７は、第５実施形態に係る発光装置を示す模式断面図である。図７に示すように、第５実施形態の発光装置７は、基板１０上に半導体発光素子１１を実装し、半導体発光素子１１から離間した周囲に反射部材１４を配置し、反射部材１４の内側に波長変換部材１２を滴下して略半球状に形成している。ここで、反射部材１４は波長変換部材１２を滴下した際に、波長変換部材１２が半導体発光素子１１の近傍で略半球状となるように堰き止めるダム部材として機能している。
本実施形態では、反射部材１４は半導体発光素子１１から離間した周囲に形成されて、半導体発光素子１１の側面と上面は波長変換部材１２で覆われている。したがって、半導体発光素子１１が発光した短波長可視光は、波長変換部材１２に入射して波長変換される。半導体発光素子１１から側方に出射し波長変換部材１２で変換されなかった短波長可視光は、反射部材１４に到達して散乱反射され再び波長変換部材１２に再び入射する。これにより、短波長可視光を反射部材１４で良好に反射して波長変換部材１２からの白色発光の効率を向上させることができ、発光装置７の光束および輝度を向上させることができる。
（第６実施形態）
図８は、第６実施形態に係る発光装置を示す模式断面図である。図８に示すように、第６実施形態の発光装置８は、基板１０上に半導体発光素子１１を実装し、半導体発光素子１１から離間した位置に内側側面が基板１０に対して傾斜した反射部材１４を配置し、反射部材１４の傾斜面上に波長変換部材１２を形成している。本実施形態では、半導体発光素子１１として端面発光型のものを用いており、例えばスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）などが挙げられる。
端面発光型の半導体発光素子１１が発光する短波長可視光は、図中矢印で示した方向に指向性をもって出射され、波長変換部材１２に到達する。短波長可視光は波長変換部材１２で一部が波長変換されるが、残りの一部は波長変換部材１２を通過して反射部材１４で散乱反射され、再び波長変換部材１２に入射する。これにより、短波長可視光を反射部材１４で良好に反射して波長変換部材１２からの白色発光の効率を向上させることができ、発光装置８の光束および輝度を向上させることができる。
（第７実施形態）
第１〜第５実施形態では、半導体発光素子１１の周囲をすべて反射部材１４で囲んだ例を示した。しかし本発明は、光散乱粒子のバンドギャップが３．４ｅＶ以上であり、分散媒と光散乱粒子の屈折率差が０．３以上であることから、半導体発光素子１１から出射した光のピーク波長が３９５〜４１０ｎｍの範囲である短波長可視光であっても、光散乱粒子によって吸収される光量を抑制でき、かつ光散乱粒子で良好に光を散乱できるため反射部材１４の反射率を向上させることができるものである。
したがって、半導体発光素子１１及び波長変換部材１２の周囲すべてを反射部材１４が囲んでいる必要はなく、半導体発光素子１１及び波長変換部材１２の周囲の少なくとも一部に反射部材１４を形成しておけば、反射部材１４での短波長可視光の良好な散乱反射をすることが可能である。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
１，４，５，６，７，８ 発光装置
１０ 基板
１１ 半導体発光素子
１２ 波長変換部材
１３ ダム部材
１４ 反射部材
１５ 透光性部材

Claims (5)

  1. ピーク波長が３９５〜４１０ｎｍの半導体発光素子と、分散媒中に光散乱粒子が分散された反射部材とを有し、
    前記光散乱粒子は、バンドギャップが３．４ｅＶ以上の物質からなり、
    前記分散媒の屈折率よりも前記光散乱粒子の屈折率のほうが０．３以上大きい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、
    前記半導体発光素子は、発光積分強度において１パーセンタイルの値が３６５〜３８３ｎｍであることを特徴とする発光装置。
  3. 請求項１又は２に記載の発光装置であって、
    前記反射部材は、前記半導体発光素子の周囲を囲んで０．２〜２．０ｍｍの幅で形成されていることを特徴とする発光装置。
  4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の発光装置であって、
    前記半導体発光素子からの光によって励起されて、他の波長の光を発光する波長変換部材を有し、
    前記波長変換部材は、前記半導体発光素子上に５０〜５００ｎｍの厚みで形成され、
    前記反射部材は前記半導体発光素子及び前記波長変換部材の周囲の少なくとも一部に形成されていることを特徴とする発光装置。
  5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の発光装置であって、
    前記光散乱粒子は、Ｎｂ2Ｏ5及びＴａ2Ｏ5の少なくとも一方であることを特徴とする発光装置。
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