JP2018067618A - 発光デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】励起光の取り出し効率を向上させ、発光効率を高めることができる発光デバイスを提供する。【解決手段】ガラスマトリクス７中に蛍光体粒子８を分散させた波長変換部材３と、波長変換部材３に励起光を照射する光源２と、波長変換部材３と光源２の間に設けられる接着剤層４とを備え、ガラスマトリクス７と接着剤層４の屈折率の差が、０．１以下であることを特徴としている。【選択図】図１
Description
本発明は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）やＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）などの励起光源を用いた発光デバイスに関するものである。
近年、蛍光ランプや白熱灯に代わる次世代の光源として、ＬＥＤやＬＤなどの励起光源を用いた発光デバイスが注目を集めている。そのような次世代光源の一例として、青色光を出射するＬＥＤと、ＬＥＤからの光の一部を吸収して黄色光に変換する波長変換部材とを組み合わせた発光デバイスが広く知られている。この発光デバイスは、ＬＥＤから出射された青色光と、波長変換部材から出射された黄色光との合成光である白色光を発する。
波長変換部材としては、従来、樹脂マトリクス中に無機蛍光体粉末を分散させたものが用いられている。しかしながら、当該波長変換部材を用いた場合、ＬＥＤからの光により樹脂が劣化し、発光デバイスの輝度が低くなりやすいという問題がある。特に、ＬＥＤが発する熱や高エネルギーの短波長（青色〜紫外）光によってモールド樹脂が劣化し、変色や変形を起こすという問題がある。
そこで、樹脂に代えてガラスマトリクス中に蛍光体を分散固定した完全無機固体からなる波長変換部材が提案されている（例えば、特許文献２及び３を参照）。当該波長変換部材は、母材となるガラスがＬＥＤの熱や照射光により劣化しにくく、変色や変形といった問題が生じにくいという特徴を有している。
フリップチップ型のＬＥＤ等を光源として用いる場合、光源と波長変換部材の間に接着剤層を配置して固定される場合がある。光源からの励起光は、接着剤層を通り波長変換部材に入射する。励起光は、波長変換部材に含まれる蛍光体により蛍光に変換され、波長変換部材の光源とは反対側の面から、波長変換されなかった励起光とともに出射する。ここで、波長変換部材と光出射側の空気層との屈折率差が大きいと、両者の界面で光反射が生じ、光取り出し効率が低下しやすくなる。そこで、波長変換部材と空気層との屈折率差を小さくするため、波長変換部材の屈折率を低下させることが考えられる。しかしながら、単に波長変換部材の屈折率を低下させても必ずしも光取り出し効率の向上につながらない場合がある。この事実は、光取り出し効率には、波長変換部材と空気層の屈折率差以外の要因も関係していることを示唆している。しかしながら、従来、発光デバイスの光取り出し効率を最適化するため、発光デバイスを構成する各部材の屈折率の関係については十分に検討されていなかった。
本発明の目的は、励起光の取り出し効率を向上させ、発光効率を高めることができる発光デバイスを提供することにある。
本発明の発光デバイスは、ガラスマトリクス中に蛍光体粒子を分散させた波長変換部材と、波長変換部材に励起光を照射する光源と、波長変換部材と光源の間に設けられる接着剤層とを備え、ガラスマトリクスと接着剤層の屈折率の差が、０．１以下であることを特徴としている。
ガラスマトリクスの屈折率は、１．６以下であることが好ましい。
接着剤層は、シリコーン樹脂から構成されていることが好ましい。
ガラスマトリクスの屈折率は、１．４８以上であることが好ましい。
波長変換部材、光源、及び接着剤層の周囲に反射層を備えることが好ましい。この場合、反射層は、樹脂組成物またはガラスセラミックスから構成されていることが好ましい。
本発明によれば、励起光の取り出し効率を向上させ、発光効率を高めることができる。
以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。
図１は、本発明の一実施形態の発光デバイスを示す模式的断面図である。図２は、本発明の一実施形態の発光デバイスを示す模式的平面図である。図１に示すように、本実施形態の発光デバイス１は、波長変換部材３と、波長変換部材３に励起光を照射する光源２と、波長変換部材３と光源２の間に設けられる接着剤層４とを備えている。図１及び図２に示すように、本実施形態において、光源２は基板５の上に設置されている。また、波長変換部材３、光源２、及び接着剤層４の周囲には反射層６が配置されている。反射層６を配置することにより、励起光及び蛍光を反射して外部に漏れるのを抑制することができ、光の取り出し効率を高めることができる。
図３は、本発明の一実施形態の発光デバイスにおける波長変換部材を拡大して示す模式的断面図である。図３に示すように、波長変換部材３は、ガラスマトリクス７中に蛍光体粒子８を分散させることにより構成されている。
光源２としては、ＬＥＤやＬＤなどを用いることができる。ＬＥＤチップを光源２として用いる場合、ＬＥＤチップをフリップチップ実装することができる。フリップチップ型のＬＥＤとしては、例えば、発光層の上にサファイヤ層を設けたものが挙げられる。サファイヤ層は、励起光の出射側に設けられる。
光源２の上には、接着剤層４が設けられている。接着剤層４の上には、波長変換部材３が設けられている。光源２から出射した励起光は、接着剤層４を通り、波長変換部材３に入射する。波長変換部材３に入射した励起光により、蛍光体粒子８が励起され、蛍光体粒子８から蛍光が出射する。蛍光体粒子８から出射した蛍光と波長変換部材３を通過した励起光との合成光が波長変換部材３から出射する。
なお、既述の通り、発光デバイスの光取り出し効率を向上させるため、単に波長変換部材の屈折率を低下させても、必ずしも光取り出し効率の向上につながらない場合がある。このことは、後述の実験データにも示されている。本発明者等の調査の結果、波長変換部材を構成するガラスマトリクスと接着剤層の屈折率差が光取り出し効率に影響していることを見出した。具体的には、本実施形態においては、波長変換部材３のガラスマトリクス７と接着剤層４の屈折率の差を、０．１以下に設定している。これにより、波長変換部材３と接着剤層４の界面で励起光が反射されるのを抑制することができ、励起光の取り出し効率を向上させ、発光効率を高めることができる。
接着剤層４を構成する接着剤としては、例えば、シリコーン樹脂系、エポキシ樹脂系、ビニル系樹脂系、アクリル樹脂系などが挙げられる。ガラスマトリクス７と接着剤層４の屈折率（ｎｄ）の差は、０．０８以下であることが好ましく、０．０７以下であることがさらに好ましく、０．０４以下であることが特に好ましい。接着剤層４の屈折率は、１．３８〜１．６０の範囲であることが好ましく、１．４０〜１．５８の範囲であることがより好ましい。ガラスマトリクス７の屈折率は、１．４８〜１．６０の範囲であることが好ましく、１．５０〜１．５８の範囲であることがより好ましい。
ガラスマトリクス７は、無機蛍光体等の蛍光体粒子８の分散媒として用いることができ、上記範囲の屈折率を有するものであれば特に限定されない。例えば、ホウ珪酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラス、スズリン酸塩系ガラス、ビスマス酸塩系ガラス等を用いることができる。ホウ珪酸塩系ガラスとしては、質量％で、ＳｉＯ２ ３０〜８５％、Ａｌ２Ｏ３ ０〜３０％、Ｂ２Ｏ３ ０〜５０％、Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ ０〜１０％、及び、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０〜５０％を含有するものが挙げられる。スズリン酸塩系ガラスとしては、モル％で、ＳｎＯ ３０〜９０％、Ｐ２Ｏ５ １〜７０％を含有するものが挙げられる。
ガラスマトリクス７の軟化点は、２５０℃〜１０００℃の範囲内であることが好ましく、３００℃〜９５０℃の範囲内であることがより好ましく、５００℃〜９００℃の範囲内であることがさらに好ましい。ガラスマトリクス７の軟化点が低すぎると、波長変換部材３の機械的強度や化学的耐久性が低下する場合がある。また、ガラスマトリクス７自体の耐熱性が低くなるため、蛍光体粒子８から発生する熱により軟化変形する場合がある。一方、ガラスマトリクス７の軟化点が高すぎると、製造時の加熱工程によって、蛍光体粒子８が劣化して、波長変換部材３の発光強度が低下する場合がある。また、ガラスマトリクス７は、無アルカリガラスであることが好ましい。これにより、蛍光体粒子８の失活を抑制することができる。なお、波長変換部材３の化学的安定性及び機械的強度を高める観点からはガラスマトリクス７の軟化点は５００℃以上、６００℃以上、７００℃以上、８００℃以上、特に８５０℃以上であることが好ましい。そのようなガラスとしては、ホウ珪酸塩系ガラスが挙げられる。ただし、ガラスマトリクス７の軟化点が高くなると、焼成温度も高くなり、結果として製造コストが高くなる傾向がある。よって、波長変換部材３を安価に製造する観点からは、ガラスマトリクス７の軟化点は５５０℃以下、５３０℃以下、５００℃以下、４８０℃以下、特に４６０℃以下であることが好ましい。そのようなガラスとしては、スズリン酸塩系ガラス、ビスマス酸塩系ガラスが挙げられる。
蛍光体粒子８は、励起光の入射により蛍光を出射するものであれば、特に限定されるものではない。蛍光体粒子８の具体例としては、例えば、酸化物蛍光体、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体、塩化物蛍光体、酸塩化物蛍光体、硫化物蛍光体、酸硫化物蛍光体、ハロゲン化物蛍光体、カルコゲン化物蛍光体、アルミン酸塩蛍光体、ハロリン酸塩化物蛍光体及びガーネット系化合物蛍光体から選ばれた１種以上等が挙げられる。励起光として青色光を用いる場合、例えば、緑色光、黄色光または赤色光を蛍光として出射する蛍光体を用いることができる。
ガラスマトリクス７中での蛍光体粒子８の含有量は、１〜７０体積％の範囲内であることが好ましく、１．５〜５０体積％の範囲内であることがより好ましく、２〜３０体積％の範囲内であることがさらに好ましい。蛍光体粒子８の含有量が少なすぎると、波長変換部材３の発光強度が不十分になる場合がある。一方、蛍光体粒子８の含有量が多すぎると、所望の発光色が得られない場合がある。また、波長変換部材３の機械的強度が低下する場合がある。
本実施形態では、基板５として、例えば、光源２から発せられた光線を効率良く反射させることができる白色のＬＴＣＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）などが用いられる。具体的には、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ニオブ等の無機粉末と、ガラス粉末との焼結体が挙げられる。あるいは、酸化アルミニウムや窒化アルミニウム等のセラミック基板を使用することができる。
本実施形態では、反射層６として、樹脂組成物またはガラスセラミックスを用いることができる。樹脂組成物としては、樹脂と、セラミックス粉末またはガラス粉末の混合物を用いることができる。ガラスセラミックスとしては、ＬＴＣＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）等が挙げられる。ガラスセラミックスの材料としては、ガラス粉末及びセラミックス粉末の混合粉末、又は結晶性ガラス粉末を用いることができる。
ガラス粉末としては、ＳｉＯ２―Ｂ３Ｏ３系ガラス、ＳｉＯ２−ＲＯ系ガラス（Ｒは、アルカリ土類金属を表す）、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３系ガラス、ＳｉＯ２−ＺｎＯ系ガラス、ＳｉＯ２−Ｒ２Ｏ系ガラス（Ｒは、アルカリ金属を表す）、又はＳｉＯ２−ＴｉＯ２系ガラスなどを用いることができる。これらのガラス粉末は、単独で用いてもよく、複数を併用してもよい。
セラミックス粉末としては、アルミナ、ジルコニア又はチタニアなどを用いることができる。これらのセラミックス粉末は、単独で用いてもよく、複数を併用してもよい。
図４は、波長変換部材のマトリクスの屈折率と光束との関係を示す図である。具体的には、屈折率（ｎｄ）が１．５４であるシリコーン樹脂を接着剤として用いて形成した接着剤層４と、屈折率の異なる材料をマトリクスに用いた波長変換部材３とを組み合わせて作製した発光デバイスから出射される光束と、波長変換部材３のマトリクスの屈折率との関係を示している。光源２は、波長４４５ｎｍの励起光を出射するＬＥＤである。蛍光体粒子８は、ＹＡＧである。マトリクスＡ〜Ｋは、以下の通りである。
Ａ：低屈折率シリコーン樹脂
Ｂ：溶融シリカ
Ｃ：アルカリホウケイ酸ガラス
Ｄ：アルカリホウケイ酸ガラス
Ｅ：アルカリホウケイ酸ガラス
Ｆ：アルカリ土類ケイ酸ガラス
Ｇ：バリウムケイ酸ガラス
Ｈ：ランタンホウ酸ガラス
Ｉ：ランタンチタンホウ酸ガラス
Ｊ：ランタン亜鉛ホウ酸ガラス
Ｋ：ランタンガドリニウムホウ酸ガラス
Ｂ：溶融シリカ
Ｃ：アルカリホウケイ酸ガラス
Ｄ：アルカリホウケイ酸ガラス
Ｅ：アルカリホウケイ酸ガラス
Ｆ：アルカリ土類ケイ酸ガラス
Ｇ：バリウムケイ酸ガラス
Ｈ：ランタンホウ酸ガラス
Ｉ：ランタンチタンホウ酸ガラス
Ｊ：ランタン亜鉛ホウ酸ガラス
Ｋ：ランタンガドリニウムホウ酸ガラス
上記の各マトリクスＡ〜Ｋを用いた各発光デバイスからの出射光の光束（ｌｍ）と、各マトリクスの屈折率（ｎｄ）を表１に示す。
図４は、表１に示す光束（ｌｍ）とマトリクスの屈折率（ｎｄ）をグラフにして示してものである。図４においては、接着剤層の屈折率（ｎｄ）の位置を点線で示している。
表１及び図４から明らかなように、マトリクスの屈折率と接着剤層の屈折率の差が、０．１以下である場合に、高い光束が得られていることがわかる。また、マトリクスの屈折率を空気の屈折率（≒１．０）に近づけると、屈折率１．５付近より低屈折率域ではむしろ光束値が低下することがわかる。よって、本発明に従い、ガラスマトリクスと接着剤層の屈折率の差を０．１以下にすることで、高い発光強度が得られることがわかる。また、ガラスマトリクスと接着剤層の屈折率の差を０．０８以下にすることで、より高い発光強度が得られ、０．０７以下にすることで、さらに高い発光強度が得られることがわかる。
１…発光デバイス
２…光源
３…波長変換部材
４…接着剤層
５…基板
６…反射層
７…ガラスマトリクス
８…蛍光体粒子
２…光源
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５…基板
６…反射層
７…ガラスマトリクス
８…蛍光体粒子
Claims (6)
- ガラスマトリクス中に蛍光体粒子を分散させた波長変換部材と、
前記波長変換部材に励起光を照射する光源と、
前記波長変換部材と前記光源の間に設けられる接着剤層とを備え、
前記ガラスマトリクスと前記接着剤層の屈折率の差が、０．１以下である、発光デバイス。 - 前記ガラスマトリクスの屈折率は、１．６以下である、請求項１に記載の発光デバイス。
- 前記接着剤層は、シリコーン樹脂から構成されている、請求項１または２に記載の発光デバイス。
- 前記ガラスマトリクスの屈折率は、１．４８以上である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光デバイス。
- 前記波長変換部材、前記光源、及び前記接着剤層の周囲に反射層を備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光デバイス。
- 前記反射層が、樹脂組成物またはガラスセラミックスから構成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光デバイス。
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