JP2017126714A - 発光装置 - Google Patents

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本間 卓也
Takuya Honma
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Abstract

【課題】放熱性の低下を抑制し、光取出し効率の低下を抑制する発光装置を提供する。【解決手段】発光装置1は、ヒートシンク10と、絶縁層20と、発光素子40とを具備する。絶縁層20は、反射性材料を含んだ無機ガラスにより形成され、ヒートシンク10に重ねて設けられる。発光素子40は、絶縁層20上に設けられる。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、発光装置に関する。
例えば、セラミック基板上に発光ダイオード(LED:light emitting diode)などの半導体発光素子が実装され、半導体発光素子が樹脂で封止された発光装置がある。LEDは、例えば、セラミックで形成される絶縁層の上に配電層とともに搭載されCOB(Chip On Board)モジュールを形成する。
このような発光装置は、例えば屋外照明として投光器などに用いられることがあり、その場合指向性の強い配光特性が要求される。このような配光特性を実現するためには、発光装置の発光面積を小さく抑えることが好ましい。そのため、発光装置における発光素子の高密度化が進んでいる。ここで、高出力且つ高光束発散度を有するLEDは、発光素子の発熱量が非常に多く、また発熱密度が高い。さらに、上述したような発光素子の高密度化のため、発光装置には、さらなる発熱量の増大や発熱密度の上昇が懸念される。
このような発熱量の増大や発熱密度の上昇に対応するために、発光装置の放熱性を向上させることが重要となる。例えば、放熱性を向上させる手段として、ヒートスプレッダを用いる従来技術が提案されている。ヒートスプレッダは、放熱筐体(ヒートシンク)へ放熱グリースを介してネジ止めなどで取り付けられる。ただし、ヒートスプレッダを用いた場合、構成部材間における熱抵抗増加への影響が避けきれない。
そこで、ヒートシンク上に絶縁層を介して直接チップ及び蛍光体などの発光部を形成する方法や、蛍光体を有するCOBモジュールをヒートシンクに直接金属接合する方法などが考えられる。これにより、熱抵抗を大幅に低減し、且つ部品点数を減らすことができる。そして、熱抵抗の低減により、発光素子に投入可能な電力を大幅に増加させることができる。
特表2014−516459号公報
しかしながら、大きな電力の発光素子への投入に伴い、点灯時における発光素子の放熱により絶縁層に与える影響が大きくなる。例えば、絶縁層に樹脂等の有機材料が用いられる場合、発光素子からの熱による影響を受けやすいため、絶縁層の熱劣化により所望の光取出し効率が得られないことがある。
本発明は、放熱性の低下を抑制し、光取出し効率の低下を抑制する発光装置を提供することを目的とする。
本実施形態の発光装置は、ヒートシンクと、絶縁層と、発光素子とを具備する。絶縁層は、反射性材料を含んだ無機ガラスにより形成され、ヒートシンクに重ねて設けられる。発光素子は、絶縁層上に設けられる。
本発明によれば、放熱性の低下を抑制し、光取出し効率の低下を抑制する発光装置を提供することができる。
図1は、実施形態に係る発光装置の図2中のA−A断面の一部を示す断面図である。 図2は、実施形態に係る発光装置を示す平面図である。 図3は、実施形態に係る図1中の反射領域の概要を示す拡大図である。 図4は、実施形態に係る発光装置の図2中のA−A断面の一部を示す断面図である。 図5は、変形例に係る発光装置を示す断面図である。 図6は、変形例に係る反射領域を有しない場合における発光装置の全光線反射率を示す図である。 図7は、変形例に係る発光装置の全光線反射率を示す図である。
以下で説明する実施形態及び変形例に係る発光装置1,1Aは、ヒートシンク10,10Aと、反射性材料を含んだ無機ガラスにより形成され、ヒートシンク10,10Aに重ねて設けられた絶縁層20,20Aと、絶縁層20,20A上に設けられる発光素子40とを具備する。
また、以下で説明する実施形態に係る発光装置1において、ヒートシンク10は、金属材料により形成され、絶縁層20は、絶縁層20の厚み方向における発光素子40側の端面201から第1の高さH1の間に形成される第1領域(実施形態においては反射領域21)と、絶縁層20の厚み方向におけるヒートシンク10側の端面202から第2の高さH2の間に形成される熱伝導性材料が位置する第2領域(実施形態においては放熱領域22)とを具備する。
また、以下で説明する実施形態に係る発光装置1において、第1領域は、反射性材料を含んだ反射領域であり、第2領域は、熱伝導性材料を含んだ放熱領域である。
また、以下で説明する実施形態に係る発光装置1において、反射領域における反射性材料の添加率は、80vol%未満であり、放熱領域における熱伝導性材料の添加率は、80vol%未満である。
また、以下で説明する実施形態及び変形例に係る発光装置1,1Aにおいて、絶縁層20,20Aの厚み方向の高さは、40μm以上150μm以下である。
また、以下で説明する実施形態及び変形例に係る発光装置1,1Aは、無機ガラスにより形成され、発光素子40を封止する封止部50を具備する。
[実施形態]
まず、本発明の実施形態に係る発光装置1を図面に基づいて説明する。図1は、実施形態に係る発光装置の図2中のA−A断面の一部を示す断面図である。具体的には、図1は、発光装置1の封止部50を除いた図2中のA−A断面の一部を示す図である。また、図1では、導体パターン30の断面以外の部分の図示を省略する。図2は、実施形態に係る発光装置を示す平面図である。
本実施形態に係る発光装置1は、ヒートシンク10と、絶縁層20と、導体パターン30と、発光素子40と、封止部50とを具備する。以下、図1を用いて、発光装置1の各構成について詳述する。
ヒートシンク10は、金属材料により形成される。例えば、ヒートシンク10は、アルミニウムや銅により形成される。また、図1では、ヒートシンク10は、矩形状に形成される。
また、ヒートシンク10上には、絶縁性材料である無機ガラスにより形成される絶縁層20が設けられる。例えば、絶縁層20は、二酸化ケイ素(SiO)により形成される。また、絶縁層20の厚み(高さ)は、40μm以上150μm以下に形成される。なお、絶縁層20の厚み(高さ)は、100μm以下に形成されることが好適である。また、絶縁層20の耐電圧は、0.5kV以上5kV以下に形成されることが好ましい。
このように、絶縁層20が二酸化ケイ素等の無機ガラスにより形成されることにより、発光装置1は、機械的応力を向上させることができる。また、絶縁層20が二酸化ケイ素等の無機ガラスにより形成されることにより、発光装置1は、絶縁層20と他の部材との熱膨張率の差による影響を抑制することができる。すなわち、発光装置1は、外部から加わる力により変形等することをさらに抑制できる。絶縁層20が二酸化ケイ素等の無機ガラスにより形成されることにより、発光装置1は、絶縁層20と他の部材(ヒートシンク10等)とを結合させることができる。例えば、発光装置1は、焼成等の熱を加える工程により、絶縁層20と他の部材(ヒートシンク10等)とを結合させることができる。
ここで、絶縁層20は、絶縁層20の厚み方向における発光素子40側の端面201からの厚み(高さ)である第1の高さH1の間に形成される反射領域21と、絶縁層20の厚み方向におけるヒートシンク10側の端面202からの厚み(高さ)である第2の高さH2の間に形成される熱伝導性材料が位置する放熱領域22とを具備する。
反射領域21は、絶縁層20のうち、反射性材料を含んだ領域である。例えば、反射領域21は、アルミナとも称される酸化アルミニウム(Al)やジルコニアとも称される二酸化ジルコニウム(ZrO)を含む領域である。なお、反射領域21の第1の高さH1は、40μm以上60μm以下に形成されることが好適である。また、例えば、反射領域21は、可視光線領域(例えば380〜740nm)の全光線反射率が85(%)以上である。ここでいう、全光線反射率とは、平行入射光束に対する反射光束の割合であり、拡散成分を含む光線反射率を意味する。
ここで、反射領域21の構造の概要について図3を用いて説明する。図3は、実施形態に係る図1中の反射領域の概要を示す拡大図である。図3における反射領域21は、無機ガラスとジルコニアとにより形成される。図3中の灰色で図示する部分PT11は、無機ガラスが位置する部分を示す。また、図3中の白で図示する部分PT12は、ジルコニアが位置する部分を示す。また、図3中の黒で図示する部分PT13は、無機ガラス及びジルコニアが位置しない、すなわち空間(孔)が位置する部分を示す。このように、図1に示す絶縁層20中の反射領域21はポーラス(多孔質)である。また、図3に示すように、ジルコニアの粒子同士が無機ガラスを介して接合される。
また、放熱領域22は、絶縁層20のうち、熱伝導性材料を含んだ領域である。例えば、放熱領域22は、アルミナイトライドとも称される窒化アルミニウム(AlN)や窒化ホウ素(BN)を含む領域である。なお、放熱領域22の第2の高さH2は、40μm以上60μm以下に形成されることが好適である。また、例えば、放熱領域22は、可視光線領域(例えば380〜740nm)の全光線反射率が50(%)以上である。
図1では、反射領域21の第1の高さH1は、50μmである。また、図1では、放熱領域22の第2の高さH2は、50μmである。すなわち、図1では、反射領域21の第1の高さH1と放熱領域22の第2の高さH2との合計は、100μmとなる。例えば、10μmあたりの耐電圧を0.5kVとした場合、反射領域21と放熱領域22との合計の耐電圧は、5kV(=0.5×100÷10)となる。
また、反射領域21の反射性材料の添加率は、80vol%(体積パーセント)未満であることが好適である。また、放熱領域22の熱伝導性材料の添加率は、80vol%未満であることが好適である。これにより、発光装置1は、絶縁層20において、反射領域21と放熱領域22とが分離した状態を保つことができる。
また、反射領域21の反射性材料の添加率は、40vol%(体積パーセント)以上であってもよい。また、放熱領域22の熱伝導性材料の添加率は、40vol%以上であってもよい。この場合、発光装置1は、絶縁層20において、反射領域21と放熱領域22との間に反射領域21と放熱領域22とが混合した領域が形成され、さらに機械的応力を向上させることができる。すなわち、発光装置1は、外部から加わる力により変形等することをさらに抑制できる。
また、図1に示すように、絶縁層20は、放熱領域22の上に反射領域21が重なるように位置するため、絶縁層20の可視光線領域(例えば380〜740nm)の全光線反射率は、例えば、反射領域21の全光線反射率と同等、すなわち85(%)以上となる。これにより、発光装置1は、所望の耐電圧、所望の放熱効率、及び所望の全光線反射率を実現することができる。
また、絶縁層20上には、導体パターン30が設けられる。図1では、導体パターン30は、絶縁層20の端面201上に設けられる。導体パターン30は、外部から発光素子40に給電するためにヒートシンク10上に設けられる。また、導体パターン30の幅や厚みは、用いられる発光素子40等により適宜設定される。例えば、導体パターン30の幅や体積は、導体パターン30に印加される電流や電圧等により適宜設定される。
例えば、導体パターン30は、金属材料を用いてメッキ処理されることにより、絶縁層20上に設けられる。具体的には、導体パターン30は、金(Au)または銀(Ag)を用いてメッキ処理されることにより、絶縁層20上に設けられる。
発光素子40は、絶縁層20上に設けられる。具体的には、発光素子40は、絶縁層20上の導体パターン30に載置される。例えば、発光素子40には、LEDチップ等が用いられる。また、発光素子40は、導体パターン30上に載置される面の反対面(以下、「上面」とする場合がある)から給電される。すなわち、発光素子40は、上面側から給電される。例えば、発光素子40は、上面に設けられる電極(図示せず)により電力が供給される。また、例えば、発光素子40の導体パターン30上に載置される面側は、サファイア等の絶縁性材料により形成される。これにより、発光素子40は、導体パターン30上に載置可能となる。
また、発光素子40は、封止部50により封止される。この点について、図4を用いて説明する。図4は、実施形態に係る発光装置の図2中のA−A断面の一部を示す断面図である。図4に示すように、封止部50は、発光素子40を覆うように設けられる。例えば、封止部50は、二酸化ケイ素(SiO)により形成される。例えば、封止部50は、蛍光体を含んだ無機ガラスにより形成され、発光素子40や導体パターン30や絶縁層20を覆うように設けられる。これにより、発光装置1においては、絶縁層20と封止部50とが同様の材料(無機ガラス)により形成されるため、絶縁層20と封止部50との界面による光取出し効率への影響を抑制することができる。なお、光取出し効率は、例えば、発光素子40が放射する光のうち、発光装置1外へ放射される光の割合を示す。
また、図4に示すように、導体パターン30のうち、発光素子40が載置される部分以外は、反射領域21と同様の材料により形成される反射部材23により覆われてもよい。例えば、反射部材23は、反射性材料を含んだ無機ガラスにより形成されてもよい。具体的には、反射部材23は、アルミナやジルコニアを含んだ無機ガラスにより形成されてもよい。これにより、発光装置1は、より全光線反射率を向上させることができる。
[変形例]
ここから、変形例に係る発光装置1Aを図面に基づいて説明する。図5は、変形例に係る発光装置を示す断面図である。例えば、図5は、図2中のA−A断面の一部を示す断面図において、ヒートシンク10をヒートシンク10Aに置き換えた場合の構成を示す。なお、図5において、実施形態に係る発光装置1と同一部分には、同一符号を付する。また、図5においては、ヒートシンク10A及び絶縁層20Aを説明するため、封止部50の図示を省略する。
変形例に係る発光装置1Aは、ヒートシンク10Aと、絶縁層20Aと、導体パターン30と、発光素子40と、封止部50とを具備する。以下、図5を用いて、発光装置1Aの各構成について詳述する。
ヒートシンク10Aは、セラミック等の材料により形成される。例えば、ヒートシンク10Aには、窒化アルミニウムや窒化ホウ素等を含む材料により形成されたセラミック基板などが用いられる。また、図5では、ヒートシンク10Aは、矩形状に形成される。
また、ヒートシンク10A上には、絶縁性材料である無機ガラスにより形成される絶縁層20Aが設けられる。絶縁層20Aは、例えば、二酸化ケイ素(SiO)により形成される。また、絶縁層20Aの厚み方向の高さ(単に「厚み」とする場合がある)は、40μm以上150μm以下に形成される。なお、絶縁層20Aの厚みは、100μm以下に形成されることが好適である。また、絶縁層20Aの耐電圧は、0.5kV以上5kV以下に形成されることが好ましい。
絶縁層20Aは、反射領域21Aからなる。反射領域21Aは、反射性材料を含んだ領域である。例えば、反射領域21Aは、アルミナやジルコニアを含む領域である。なお、反射領域21Aの厚み(図5中のH3)は、40μm以上60μm以下に形成されることが好適である。また、例えば、反射領域21Aは、可視光線領域(例えば380〜740nm)の全光線反射率が85(%)以上である。これにより、発光装置2は、所望の耐電圧、所望の放熱効率、及び所望の全光線反射率を実現することができる。
ここで、図6及び図7を用いて、変形例に係る発光装置1Aにおいて、絶縁層20A、すなわち反射領域21Aの有無による全光線反射率の差異について説明する。図6は、変形例に係る反射領域を有しない場合における発光装置の全光線反射率を示す図である。具体的には、図6は、反射領域21A、すなわち絶縁層20Aを設けず発光素子40をヒートシンク10A上に設けた場合の発光装置の全光線反射率を示す図である。また、図7は、変形例に係る発光装置の全光線反射率を示す図である。具体的には、図7は、反射領域21Aを有する発光装置1Aの全光線反射率を示す図である。なお、図7は、絶縁層20A、すなわち反射領域21Aの厚み(図5中のH3)が50μmである場合を示す。
まず、図6を用いて反射領域21A、すなわち絶縁層20Aを設けず発光素子40をヒートシンク10A上に設けた場合の発光装置の全光線反射率を説明する。図6中の一点鎖線LN11は、ヒートシンク10Aがアルミナにより形成される場合の全光線反射率を示す。図6に示すように、ヒートシンク10Aがアルミナにより形成される場合、各可視光線領域(例えば380〜740nm)の全光線反射率が90(%)以上である。
また、図6中の点線LN12は、ヒートシンク10Aが窒化アルミニウムにより形成される場合の全光線反射率を示す。図6に示すように、ヒートシンク10Aが窒化アルミニウムにより形成される場合、各可視光線領域(例えば380〜740nm)の全光線反射率が40(%)前後である。また、図6中の実線LN13は、ヒートシンク10Aが窒化ケイ素により形成される場合の全光線反射率を示す。図6に示すように、ヒートシンク10Aが窒化ケイ素により形成される場合、各可視光線領域(例えば380〜740nm)の全光線反射率が30(%)前後である。このように、絶縁層20Aを設けず発光素子40をヒートシンク10A上に設けた場合の発光装置の全光線反射率は、ヒートシンク10Aがアルミナにより形成される場合以外は、50(%)以下となり所望の全光線反射率を実現することは難しい。
次に、図7を用いて反射領域21Aを有する発光装置1Aの全光線反射率を説明する。図7中の一点鎖線LN21は、ヒートシンク10Aがアルミナにより形成される場合の全光線反射率を示す。図7に示すように、ヒートシンク10Aがアルミナにより形成される場合、各可視光線領域(例えば380〜740nm)の全光線反射率が95(%)前後である。このように、ヒートシンク10Aがアルミナにより形成される場合であっても、反射領域21Aを有する発光装置1Aは、絶縁層20Aを設けず発光素子40をヒートシンク10A上に設けた場合に比べて、全光線反射率を向上させることができる。
また、図7中の点線LN22は、ヒートシンク10Aが窒化アルミニウムにより形成される場合の全光線反射率を示す。図7に示すように、ヒートシンク10Aが窒化アルミニウムにより形成される場合、各可視光線領域(例えば380〜740nm)の全光線反射率が90(%)前後である。このように、ヒートシンク10Aが窒化アルミニウムにより形成される場合、反射領域21Aを有する発光装置1Aは、絶縁層20Aを設けず発光素子40をヒートシンク10A上に設けた場合に比べて、大幅に全光線反射率を向上させることができる。
また、図7中の実線LN23は、ヒートシンク10Aが窒化ケイ素により形成される場合の全光線反射率を示す。図7に示すように、ヒートシンク10Aが窒化ケイ素により形成される場合、各可視光線領域(例えば380〜740nm)の全光線反射率が90(%)前後である。このように、ヒートシンク10Aが窒化ケイ素により形成される場合、反射領域21Aを有する発光装置1Aは、絶縁層20Aを設けず発光素子40をヒートシンク10A上に設けた場合に比べて、大幅に全光線反射率を向上させることができる。
このように、ヒートシンク10Aがどの材料により形成された場合であっても、反射領域21Aを有する発光装置1Aは、全光線反射率を90(%)前後とすることができ、所望の全光線反射率を実現することができる。
前述した構成の実施形態及び変形例に係る発光装置1,1Aは、ヒートシンク10,10Aと、反射性材料を含んだ無機ガラスにより形成され、ヒートシンク10,10Aに重ねて設けられた絶縁層20,20Aと、絶縁層20,20A上に設けられる発光素子40とを具備する。このように絶縁層20,20Aに反射性材料を含んだ無機ガラスを用いることにより、発光装置1,1Aは、所望の耐電圧、所望の放熱効率、及び所望の全光線反射率を実現することができる。したがって、発光装置1,1Aは、放熱性の低下を抑制し、光取出し効率の低下を抑制することができる。
また、前述した構成の実施形態に係る発光装置1において、第1領域は、反射性材料を含んだ反射領域21であり、第2領域は、熱伝導性材料を含んだ放熱領域22である。このように、絶縁層20に反射性材料を含んだ反射領域21と熱伝導性材料を含んだ放熱領域22とを形成することにより、発光装置1は、所望の耐電圧、所望の放熱効率、及び所望の全光線反射率を実現することができる。したがって、発光装置1は、放熱性の低下を抑制し、光取出し効率の低下を抑制することができる。
また、前述した構成の実施形態に係る発光装置1において、反射領域における反射性材料の添加率は、80vol%未満であり、放熱領域における熱伝導性材料の添加率は、80vol%未満である。したがって、発光装置1は、放熱性の低下を抑制し、光取出し効率の低下を抑制することができる。
また、前述した構成の実施形態及び変形例に係る発光装置1,1Aは、絶縁層20,20Aの厚みは、40μm以上150μm以下である。このように絶縁層20,20Aの厚みをヒートシンク10,10Aに取り付け可能、かつ必要な耐電圧を維持可能な厚みにすることにより、発光装置1,1Aは、所望の耐電圧、所望の放熱効率、及び所望の全光線反射率を実現することができる。したがって、発光装置1,1Aは、放熱性の低下を抑制し、光取出し効率の低下を抑制することができる。
また、前述した構成の実施形態及び変形例に係る発光装置1,1Aは、無機ガラスにより形成され、発光素子40を封止する封止部50を具備する。これにより、発光装置1,1Aは、絶縁層20,20Aと封止部50とが同様の材料(無機ガラス)により形成されるため、絶縁層20,20Aと封止部50との界面による光取出し効率への影響を抑制することができる。したがって、発光装置1,1Aは、放熱性の低下を抑制し、光取出し効率の低下を抑制することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
1,1A 発光装置
10,10A ヒートシンク
20,20A 絶縁層
21,21A 反射領域(第1領域)
22 放熱領域(第2領域)
30 導体パターン
40 発光素子
50 封止部
H1 第1の高さ
H2 第2の高さ

Claims (6)

  1. ヒートシンクと;
    反射性材料を含んだ無機ガラスにより形成され、前記ヒートシンクに重ねて設けられた絶縁層と;
    前記絶縁層上に設けられる発光素子と;
    を具備することを特徴とする発光装置。
  2. 前記ヒートシンクは、金属材料により形成され、
    前記絶縁層は、前記絶縁層の厚み方向における前記発光素子側の端面から第1の高さの間に形成される第1領域と、前記絶縁層の厚み方向における前記ヒートシンク側から第2の高さの間に形成される熱伝導性材料が位置する第2領域とを具備することを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
  3. 前記第1領域は、前記反射性材料を含んだ反射領域であり、前記第2領域は、前記熱伝導性材料を含んだ放熱領域であることを特徴とする請求項2に記載の発光装置。
  4. 前記反射領域における前記反射性材料の添加率は、80vol%未満であり、前記放熱領域における前記熱伝導性材料の添加率は、80vol%未満である
    ことを特徴とする請求項3に記載の発光装置。
  5. 前記絶縁層の厚み方向の高さは、40μm以上150μm以下である
    ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の発光装置。
  6. 無機ガラスにより形成され、前記発光素子を封止する封止部;
    をさらに具備することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の発光装置。
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