JP2021048237A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光装置は、蛍光体の使用量を減らしながらも、所望の色度及び明るさを達成することが可能な発光装置を提供することを目的とする。【解決手段】発光装置は、基板１上に設けられた発光素子２と、発光素子を囲むように基板上に配置された枠樹脂３と、枠樹脂で囲まれた領域に、発光素子を覆うようにして配置された赤色蛍光体４及び酸化チタン５を含む封止樹脂６と、を有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置に関する。

ＬＥＤを用いて白色光を得る方法として、青色ＬＥＤに、緑色蛍光体及び赤色蛍光体を含んだ封止材を配置して発光させる方法がある。さらに、白色ＬＥＤの演色性を向上させるために、狭帯域の発光スペクトルを有する蛍光体として、Ｍｎ⁴⁺を賦活したフッ化物錯体蛍光体を用いたＬＥＤが提案されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載の白色発光装置は、蛍光体がＬＥＤ素子と空間を介して配置され、青色ＬＥＤ素子と、該青色ＬＥＤ素子により励起される蛍光体として、黄色蛍光体及び／または緑色蛍光体と、赤色蛍光体とを備え、該赤色蛍光体がＭｎ⁴⁺付活フッ化物錯体蛍光体及びＥｕ²⁺付活アルカリ土類ケイ窒化物蛍光体を含む。

ここで、フッ化物錯体蛍光体等の蛍光体は高価であるため、白色ＬＥＤの低コスト化のためには、白色ＬＥＤの封止材に含ませる蛍光体の使用量を少なくすることが好ましい。

しかしながら、白色ＬＥＤの封止材に含ませる蛍光体の使用量を単純に減少させると、所望の色度及び明るさを実現することができなくなる。そのため、蛍光体の使用量を減らしつつ、所望の色度及び明るさを実現する白色ＬＥＤを得ることは難しかった。

特開２０１２−１７８５７４号公報

本開示の実施形態に係る発光装置は、蛍光体の使用量を減らしながらも、所望の色度及び明るさを達成することが可能な発光装置を提供することを目的とする。

本開示の実施形態に係る発光装置は、基板上に設けられた発光素子と、発光素子を囲むように基板上に配置された枠樹脂と、枠樹脂で囲まれた領域に、発光素子を覆うようにして配置された赤色蛍光体及び酸化チタンを含む封止樹脂と、を有することを特徴とする。

上記発光装置では、赤色蛍光体は、Ｋ₂ＳｉＦ₆：Ｍｎ⁴⁺（ＫＳＦ）蛍光体を含むことが好ましい。

上記発光装置では、封止樹脂は、酸化チタンを０．１〜０．６重量％含むことが好ましい。

上記発光装置では、封止樹脂は、酸化チタンを０．２〜０．３重量％含むことが好ましい。

本開示の実施形態に係る発光装置によれば、蛍光体の使用量を減らしながらも、所望の色度及び明るさを達成することができる。

本開示の実施例１に係る発光装置の断面図である。 本開示の実施例１に係る発光装置の発光スペクトルである。 本開示の実施例１に係る発光装置において、ＴｉＯ₂量とＫＳＦ蛍光体使用量及び明るさとの関係を表すグラフである。 本開示の実施例２に係る発光装置において、ＫＳＦ蛍光体使用量及びＴｉＯ₂量を変えた場合の色度をプロットした図である。 本開示の実施例２に係る発光装置において、ＴｉＯ₂量明るさとの関係を表すグラフである。 本開示の実施例２に係る発光装置において、ＴｉＯ₂量とＫＳＦ蛍光体使用量との関係を表すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明に係る発光装置について説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、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に、本開示の実施例１に係る発光装置の断面図を示す。発光装置１００は、発光素子２と、枠樹脂３と、封止樹脂６と、を有する。

発光装置１００は、発光素子としてＬＥＤ素子２を含み、蛍光体による波長変換を利用して白色光を出射する発光装置（ＬＥＤパッケージ）である。発光装置１００は、例えば、液晶表示装置のバックライト用の光源、各種照明装置、投光器、またはイルミネーション等のＬＥＤ光源として利用される。発光装置１００は、主要な構成要素として、基板１、ＬＥＤ素子２、及び封止樹脂６を有する。なお、ＬＥＤ素子２の個数は１個には限られず、発光装置１００は、共通の基板１上に複数のＬＥＤ素子２が実装されたＣＯＢ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｂｏａｒｄ）タイプの発光装置であってもよい。

基板１は、ＬＥＤ素子２を外部電源（図示せず）に接続するための２つの配線（８１、８２）を有し、上面にＬＥＤ素子２が実装される。例えば、基板１は、セラミック基板であってもよい。あるいは、基板１は、耐熱性及び放熱性に優れたアルミニウムや銅等の金属基板と、ＬＥＤ素子２の配線パターン及び配線が形成された絶縁性の回路基板とを貼り合わせた基板であってもよい。または、基板１は、ＬＥＤ素子２が実装され封止樹脂６が充填される凹部を有し、ＬＥＤ素子２を外部電源に接続するための２つのリード電極が設けられたＬＥＤパッケージの基体であってもよい。

ＬＥＤ素子２は、例えば、紫外域から青色領域にわたる波長の光を出射する窒化ガリウム系化合物半導体等で構成された発光素子である。ＬＥＤ素子２は、例えば、出射光として発光波長帯域が４５０〜４６０［ｎｍ］程度の青色光を出射する青色ＬＥＤ素子である。ただし、このような例には限られず、他の波長の光を出射する素子であってもよい。

ＬＥＤ素子２は、基板１上に設けられる。具体的には、基板１の上面にダイボンディングによって実装される。ＬＥＤ素子２の正負それぞれの電極は、２本のボンディングワイヤ（９１、９２）（以下、単に「ワイヤ」ともいう）により、基板１上の配線（８１，８２）に電気的に接続されている。発光装置１００が複数のＬＥＤ素子２を有し、それらが直列接続される場合には、ＬＥＤ素子２同士もワイヤによって電気的に接続される。なお、ＬＥＤ素子２の実装方式は、ワイヤボンディングに限らず、フリップチップ方式であってもよい。

枠樹脂３は、発光素子であるＬＥＤ素子２を囲むように基板１上に配置される。

封止樹脂６は、枠樹脂３で囲まれた領域に、ＬＥＤ素子２を覆うようにして配置された赤色蛍光体４及び酸化チタン５を含む。図１では、赤色蛍光体４及び酸化チタン５に加えて、封止樹脂６に緑色蛍光体７が含まれる例を示している。封止樹脂６は、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂等の透光性の樹脂であり、基板１上のＬＥＤ素子２の周囲に充填されて、ＬＥＤ素子２及びワイヤ（９１、９２）を一体的に封止する。

枠樹脂３は、封止樹脂６の流れ出しを防止するダム材として機能する。枠樹脂３で囲まれた内側領域に封止樹脂６を充填してＬＥＤ素子２及びワイヤ（９１、９２）を封止することができる。

赤色蛍光体４は、例えば、ＣＡＳＮ（ＣａＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕ）蛍光体、ＳＣＡＳＮ（（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕ）蛍光体、またはＫＳＦ（Ｋ₂ＳｉＦ₆：Ｍｎ⁴⁺）蛍光体で構成される。赤色蛍光体４は、ＬＥＤ素子２からの青色光を吸収して赤色光に波長変換する。

緑色蛍光体７は、例えば、βサイアロン緑色蛍光体で構成され、ＬＥＤ素子２からの青色光を吸収して緑色光に波長変換する。発光装置１００は、ＬＥＤ素子２からの青色光と、緑色蛍光体及び赤色蛍光体からの緑色光及び赤色光とを混合させることで得られる白色光を出射する。あるいは、封止樹脂６は、赤色蛍光体、黄色蛍光体及び緑色蛍光体といった３種類以上の蛍光体を含有してもよい。

赤色蛍光体４としてＫＳＦ蛍光体を用い、緑色蛍光体７としてβサイアロン緑色蛍光体を用いることが好ましい。図２に、本開示の実施例１に係る発光装置の発光スペクトルの例を示す。赤色蛍光体としてＫＳＦ（ゼネラルエレクトリック社製、商品名：ＴｒｉＧａｉｎ ＨＡ）を用い、緑色蛍光体としてサイアロン緑色蛍光体（デンカ社製、商品名：ＧＲ−ＭＷ５４０Ｋ）を用いた。青色の光を出射するＬＥＤ素子２からの発光ピークが４５０［ｎｍ］付近に見られる。また、ＫＳＦにより、赤色の光のピークは６３０［ｎｍ］付近の狭い帯域に観測される。

封止樹脂６に含まれるフィラーは、平均粒径が１〜１００［μｍ］の範囲内であるミクロンサイズの粒子状の無機材料である。フィラーは、封止樹脂６内で光を拡散させて、ＬＥＤ素子２及び封止樹脂６で構成される発光装置１００の発光領域全体を一様に発光させる散乱材として機能する。フィラーとして、例えば、酸化チタンを用いることができる。ただし、このような例には限られず、二酸化ケイ素（シリカ）、酸化アルミニウム、ジルコニア、または酸化マグネシウム等を使用してもよい。

フィラーを散乱材として用いることにより、封止樹脂６に含有される蛍光体の量を減少させることができる。フィラーとして酸化チタンを用いた場合のＫＳＦ蛍光体使用量及び明るさの測定結果を表１に示す。酸化チタンの濃度を０、０．２５、０．５［重量％］と変えた場合の積分球色度（ｘ＝０．３３０，ｙ＝０．３１０）における各条件時のＫＳＦ蛍光体使用量（「比（ＫＳＦ）」）及び同一色度での明るさ（「光度比」）を算出した。

赤色蛍光体として、ＫＳＦ（ＴｒｉＧａｉｎ ＨＡ）を用い、緑色蛍光体としてβサイアロン緑色蛍光体（ＧＲ−ＭＷ５４０Ｋ）を用いた。表１において、「酸化チタン量」は、封止樹脂６に占める酸化チタンの濃度（重量％）を表す。「比（ＫＳＦ）」は、酸化チタンを添加しない場合、即ち、酸化チタン濃度が０［重量％］の場合におけるＫＳＦ蛍光体の量を１とした場合のＫＳＦ蛍光体の量を表す。同様に、「光度比」は、酸化チタンを添加しない場合における光度（明るさ）を１とした場合の光度を表す。

図３に、本開示の実施例１に係る発光装置において、ＴｉＯ₂量とＫＳＦ蛍光体使用量及び明るさとの関係を表すグラフを示す。

図３のグラフから、酸化チタンの量を増加させると、ＫＳＦ蛍光体の使用量を減少させることができる一方、明るさが減少することが分かる。従って、ＫＳＦ蛍光体の使用量及び明るさの両者に基づいて、酸化チタンの量を設定することが好ましい。

図３のグラフから、酸化チタンの添加量を０．１［重量％］としたとき、ＫＳＦ使用量を１０％程度減少させることができる。このとき、明るさの低下は２％程度にとどまる。

一方、酸化チタンの添加量を０．６［重量％］としたとき、ＫＳＦ使用量の減少量を４０％程度減少させることができる。このとき、明るさの低下は１０％程度であり許容範囲といえる。

以上より、封止樹脂６は、酸化チタン５を０．１〜０．６［重量％］含むことが好ましいといえる。

さらに、図３のグラフから、酸化チタンの添加量を０．２［重量％］としたとき、ＫＳＦ使用量を２０％程度減少させることができる。このとき、明るさの低下は３％程度にとどまる。

一方、酸化チタンの添加量を０．３［重量％］としたとき、ＫＳＦ使用量を２５％程度減少させることができる。このとき、明るさの低下は５％程度にとどまる。

以上より、封止樹脂６は、酸化チタン５を０．２〜０．３［重量％］含むことがさらに好ましいといえる。

次に、ＫＳＦの使用量を変えながら所望の色度に合わせ込む方法について説明する。表２に、ＫＳＦ／βサイアロンの比、蛍光体量、ＴｉＯ₂量を変えた場合の、色度（ｘ，ｙ）及び光束φ_v、光度Ｉ_vの測定結果を示す。実施例１の測定結果より、ＫＳＦ／βサイアロンの比は３．３〜３．４が好ましく、ＴｉＯ₂量を増やすと必要な蛍光体量が減少することが分かっているので、表２のように、ＫＳＦ／βサイアロンの比及び蛍光体量を設定した。図４に色度（ｘ，ｙ）の測定結果をプロットしたグラフを示す。

図４から分かるように、測定された色度は、色度図上で四角形状の領域に分布している。そこで、四角形のコーナーの４点（１）〜（４）を抽出して、明るさ及びＫＳＦ使用量を算出する。図４から、４点（１）〜（４）の座標は表３のように求められる。

表２の各色度における光束φ_v及び光度Ｉ_v、並びに表３の色度（１）〜（４）のＩ_vの値から、色度（１）〜（４）における光束を表４のように求めることができる。また、ＴｉＯ₂量が０％のときの光束φ_vで規格化した値を「明るさ」とした。

表４に記載した明るさとＴｉＯ₂量との関係を図５に示す。ＴｉＯ₂量を増やすほど、明るさが低下することが分かる。また、ＴｉＯ₂量が同じでも、明るさの低下には色度の違いに基づくばらつきがみられる。このことから、所定の範囲内で色度を変えることで明るさを最適化することができることが分かる。

また、各ＴｉＯ₂量における色度（１）〜（４）でのＫＳＦ使用量比を表５に示す。ただし、ＫＳＦ使用量比は、ＴｉＯ₂量が０％のときのＫＳＦ使用量（ＨＡ（ＫＳＦ））で規格化した値である。

表５で求められたＫＳＦ使用量比とＴｉＯ₂量との関係を図６に示す。ＴｉＯ₂量を増やすほど、ＫＳＦ使用量を減少させることができることが分かる。また、ＴｉＯ₂量が同じでも、ＫＳＦ使用量の減少量には色度の違いに基づくばらつきがみられる。このことから、所定の範囲内で色度を変えることでＫＳＦ使用量を最適化することができることが分かる。また、表５及び図６より、色度が（１）の場合に、ＫＳＦ使用量が最も少なくなることが分かる。さらに、図５より、色度が（１）の場合に、最も明るくなっている。以上の点から色度を（１）の値に設定することにより、ＫＳＦ使用量及び明るさを最適化することができるといえる。

ただし、色度（１）〜（４）の各点は大きく離れているため、色度（１）の周辺で色度を変えることにより、ＫＳＦ使用量及び明るさを最適化することができる可能性がある。そこで、色度（１）の周辺の色度を新たに設定し、ＫＳＦ使用量及び明るさを最適化することが好ましい。

以上説明したように、本開示の実施例に係る発光装置によれば、蛍光体の使用量を減らしながらも、所望の色度及び明るさを達成することができる。

１ 基板
２ 発光素子
３ 枠樹脂
４ 赤色蛍光体
５ 酸化チタン
６ 封止樹脂
７ 緑色蛍光体
８１，８２ 配線
９１，９２ ワイヤ
１００ 発光装置

Claims (4)

1. 基板上に設けられた発光素子と、
   前記発光素子を囲むように前記基板上に配置された枠樹脂と、
   前記枠樹脂で囲まれた領域に、前記発光素子を覆うようにして配置された赤色蛍光体及び酸化チタンを含む封止樹脂と、
   を有することを特徴とする発光装置。
2. 前記赤色蛍光体は、Ｋ₂ＳｉＦ₆：Ｍｎ⁴⁺（ＫＳＦ）蛍光体を含む、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記封止樹脂は、前記酸化チタンを０．１〜０．６重量％含む、請求項１または２に記載の発光装置。
4. 前記封止樹脂は、前記酸化チタンを０．２〜０．３重量％含む、請求項１または２に記載の発光装置。

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