JP4238681B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（Light-Emitting Diode：以下「ＬＥＤ」という。）から放射される光を蛍光体で吸収し、異なる波長の光に波長変換して放射させる発光装置に関し、特に、面状の発光装置に関する。

ＬＥＤは、省電力性に優れ、かつ長寿命であることから、近年、光源として広く用いられている。また、従来の電球等の光源と比較して小型であることから、光源サイズに制約のある対象への搭載を可能にするものとしてチップ状、面状、砲弾ランプ状等の種々の形態を有したＬＥＤランプが提案されている。

従来のＬＥＤランプとして、複数のＬＥＤを面状に配置して形成された発光装置がある。上記したようにＬＥＤは小型であることから、薄型かつ面状の発光装置を形成するのに好適である。このようなＬＥＤランプとして、複数のＬＥＤをマトリクス状に配置し、この複数のＬＥＤから放射された光を波長変換して所望の色の光を得る発光装置がある（例えば、特許文献１参照。）。

図１０は、特許文献１に記載された発光装置を示す断面図である。この発光装置５０は、基体５１と、反射枠５２と、反射枠５２に設けられる凹部５３と、配線５４と、ＬＥＤチップ５５と、透光性シート基板５６Ａおよび波長変換物質層５６Ｂからなる波長変換シート５６と、拡散板５７とを有し、凹部５３の内部はモールド樹脂５８によって封止されている。また、基体５１、反射枠５２、波長変換シート５６、および拡散板５７はモールド樹脂５８によって一体的に封止されている。

基体５１は、面状に配置される複数のＬＥＤチップ５５を搭載するものであり、ＬＥＤチップは配線５４を介して電気的に接続されて図示しない電源部から電力を供給される。また、基体５１には反射枠５２が取り付けられており、ＬＥＤチップ５５から放射される光を凹部５３で反射させて紙面上方に放射させるようになっている。

反射枠５２は、複数のＬＥＤチップ５５から放射される光を所望の方向に放射させるものであり、上面に波長変換シート５６が設けられている。

波長変換シート５６は、波長変換物質と樹脂結合剤とを均一に混合した波長変換物質層５６Ｂをシート状樹脂フィルムまたはガラス等からなる透光性シート基板５６Ａに塗布硬化させることによって形成されており、ＬＥＤチップ５５から放射される光によって励起されて励起光を放射する。この励起光とＬＥＤチップ５５の放射光とが混合されることによって所定の発光波長の照射光を生じる。

このような発光装置５０によれば、面状に配置されたＬＥＤチップ５５から放射される光を波長変換シート５６で波長変換して放射させるので、波長変換効率に優れ、均一な発光色を得ることができ、そのことによって色ムラの発生を低減することができる。
特開２０００−３１５４７号公報（図２）

しかし、特許文献１の発光装置５０によると、ＬＥＤチップ５５が発した光は、必ず波長変換物質層５６Ｂを通過しなければ、外部放射されない。このため、ＬＥＤチップ５５が発し波長変換された光も、波長変換物質層５５Ｂの外部へ放射されにくく減衰するという問題がある。また、反射枠５２、波長変換シート５６、および拡散板５７をモールド樹脂５８で一体的に封止しているため、装置全体の厚みが大になるという問題がある。

従って、本発明の目的は、良好な波長変換性を有するとともに、薄型で、光取り出し効率に優れる発光装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、複数のＬＥＤ素子を面状に配置し、前記ＬＥＤ素子から放射される光を波長変換して照射する発光装置において、平坦な基体に前記光に基づいて励起される蛍光体を薄膜状に設けた蛍光体層を有する波長変換部を備え、
前記蛍光体層に外部放射のための隙間が形成され、
前記隙間は、前記ＬＥＤ素子に対して前記基体と空気の界面での臨界角以上の領域にのみ形成されることを特徴とする発光装置を提供する。

前記ＬＥＤ素子は、紫外線ＬＥＤ素子であってもよい。

前記複数のＬＥＤ素子に応じて設けられる複数のすり鉢状の反射面を有し、前記反射面に前記光に基づいて励起される蛍光体層が設けられていても良い。

前記波長変換部は、透明なガラス材からなる前記基体の断面内に薄膜状の蛍光体層を封入した構成とすることもできる。

前記波長変換部に設けられる蛍光体層は、前記ＬＥＤ素子の配置に応じた位置に部分的に封入されていても良い。

前記波長変換部は、前記基体の表面に光拡散性を付与する凹凸を有していても良い。

本発明の発光装置によれば、ＬＥＤチップ直上で、その周囲に透過窓を有している蛍光体層を有した波長変換部を取り付けるようにしたため、優れた波長変換性を有し、薄型で、光取り出し効率に優れるようにすることができる。

以下に、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光装置を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ部における断面図である。この発光装置１は、平坦な基体となる透明なガラス材２１に蛍光体層２０ａ、２０ｂを設けてなる波長変換部２と、複数の発光部１０をマトリクス状に有する枠体としての反射部３と、反射部３と接合される基板部４とを有し、波長変換部２、反射部３、および基板部４の側面を露出させた構成を有する。

波長変換部２は、ガラス材２１として屈折率ｎ＝１．５の透明なガラスを使用し、反射部３側に薄膜状の蛍光体層２０ａ、２０ｂを有し、反射部３と接着等によって接合されている。蛍光体層２０ａ、２０ｂは、溶媒に蛍光体を溶解させた蛍光体溶液を平坦なガラス材２１にスクリーン印刷することによって形成されており、環状の隙間２０ｃを有するとともに反射部３との接合に基づいて封止されている。

反射部３は、高反射率の白色樹脂材料によって形成されており、基板部４に搭載されたＬＥＤ素子１１から放射された光を反射するすり鉢状の反射面３０を有する。また、発光部１０には透明なシリコン樹脂（図示せず）が充填されている。なお、高反射率の白色樹脂材料の代わりに熱伝導性に優れるアルミニウム等の金属材料で反射部３を形成しても良い。但し、この差異には、基板の配線パターンなどとの短絡防止に対する配慮が必要である。また、発光部１０に充填する封止材としてエポキシ樹脂を用いても良い。

基板部４は、セラミックによって形成されており、素子搭載面に銅箔等の導電性薄膜によって形成される配線パターン４０を有する。配線パターン４０は、図示しないスルーホールを介して基板部４の下面に設けられる図示しない端子部に接続されている。また、配線パターン４０にはＬＥＤ素子１１がフリップチップ接合されている。なお、ＬＥＤ素子１１はフリップチップタイプ以外にフェイスアップタイプのものであっても良い。

ＬＥＤ素子１１は、ＧａＮ系の青色ＬＥＤ素子を使用する。なお、ＧａＮ系の紫外線ＬＥＤ素子を用いてもよいし、ＧａＮ系ＬＥＤ素子以外の他のＬＥＤ素子を用いることも可能である。

蛍光体層２０ａ、２０ｂは、青色ＬＥＤ素子から放射される青色光によって励起されるＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）等の黄色系蛍光体を使用する。なお、ＹＡＧ以外の他の蛍光体を用いることも可能である。

また、発光装置１は、複数の発光装置１を一線状あるいは縦横方向に平面連結することによって、要求される光量やレイアウトに応じた複合ユニットを形成することができる。この場合には、図示しない枠体や結合部材を用いて複数の発光装置１を一体化し、電気的に結合する。

図２および図３は、第１の実施の形態に係る発光装置の製造時における各工程を示す図であり、図４は、製造工程を示すフローチャートである。本実施の形態の発光装置１は、波長変換部２を構成するガラス材２１を準備する準備工程（ａ）、ガラス材２１に蛍光体層２０ａ、２０ｂを一体的に設ける波長変換部形成工程（ｂ）、反射部３と基板部４とを所定の精度で位置決めする基板・反射部位置決め工程（ｃ）、反射部３と基板部４との間に隙間が生じないように接合する接合工程（ｄ）、基板部４にＬＥＤ素子１１をＬＥＤ素子を搭載するＬＥＤ素子搭載工程（ｅ）、および、波長変換部２と反射部３、基板部４とを一体化する波長変換部一体化工程（ｆ）に基づいて製造される。

（ａ）準備工程
まず、図２（ａ）に示すように、シート状ガラス材２１を用意し、表面洗浄等の下処理を行う。

（ｂ）波長変換部形成工程
次に、図２（ｂ）に示すように、ガラス材２１の表面に増粘材として約１％のニトロセルロースを含むｎ−酢酸ブチルに蛍光体を溶解した蛍光体溶液を作成し、この溶液をガラス材２１の表面にスクリーン印刷して薄膜状に付着させる。次に、蛍光体溶液を印刷されたガラス材２１を加熱処理して溶剤分を除去することにより蛍光体層２０ａ、２０ｂを形成する。

（ｃ）基板・反射部位置決め工程
次に、図３（ｃ）に示すように、別工程で反射面３０を形成された反射部３と、別工程で配線パターン４０を形成された基板部４とを位置決めする。

（ｄ）接合工程
次に、図３（ｄ）に示すように、反射部３と基板部４とを接着剤等で接合する。このとき、反射部３と基板部４との間に隙間を生じないように行う。

（ｅ）ＬＥＤ素子搭載工程
次に、図３（ｅ）に示すように、基板部４の配線パターン４０上にＬＥＤ素子１１を金バンプを介しフリップチップ実装する。ＬＥＤ素子１１を基板部４に搭載した後、発光部１０内にシリコン樹脂を充填してＬＥＤ素子１１を封止する。

（ｆ）波長変換部一体化工程
次に、図３（ｆ）に示すように、シリコン樹脂による封止をされた発光部１０の上面を覆うように波長変換部２を接着剤等で接合する。波長変換部２は、蛍光体層２０ａ、２０ｂ、および隙間２０ｃが反射部３との界面に配置されるように接合される。

以下に、発光装置１０の動作について説明する。

基板部４の下面に設けられる図示しない端子部を電源装置に接続して電力を供給すると、発光部１０内に設けられたＬＥＤ素子１１が点灯する。ＬＥＤ素子１１から放射される光のうち直接透明なシリコン樹脂を透過して蛍光体層２０に照射される光は、蛍光体層２０を励起する。このことによりＬＥＤ素子１１から放射される光とは異なる波長の励起光が放射される。この励起光と、ＬＥＤ素子１１の放射光とが混合されて所定の波長の波長変換光を生じ、このうち上方へ放射された光は、ガラス材２１を透過して外部に放射される。また、ＬＥＤ素子１１から放射される光のうち蛍光体層２０の隙間２０ｃへ放射された光、及び、下方へ放射された光は、幾度か反射した後、蛍光体層２０に再度入射するか、あるいは、蛍光体層２０の隙間２０ｃから外部放射される。さらに、ガラス材２１を透過した光の一部については、ガラスと空気との界面で反射されて蛍光体層２０に再度入射する。このことによって蛍光体層２０がより効率的に励起される。

上記した第１の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
（１）波長変換部２と、反射部３と、基板部４とを接着等によって接合して一体化しているので、装置全体を樹脂封止する構成と比べて薄く、かつ、小型化することができる。
（２）蛍光体層２０に隙間２０ｃを形成し、蛍光体層２０から外部放射されなかった光を外部放射できるようにしたので、外部放射効率を向上することができる。尚、ＬＥＤ素子１１から直接隙間２０ｃへ放射される光もガラスと空気の界面で反射されて蛍光体層２０に入射するので、外部放射効率を向上することができる。
（３）ガラス材２１にスクリーン印刷によって蛍光体を層状に形成するようにしたので、蛍光体層２０の厚さにばらつきが生じることがなく、発光装置１の全面にわたって均一で安定した波長変換性が得られる。また、ＹＡＧ等の高価な蛍光体を使用する場合には、蛍光体を無駄に使用することを防げるので、発光装置１のコストダウンを図れる。
（４）波長変換部２の蛍光体層２０を反射部３との界面に配置して封止するようにしたので、装置の厚さを大にすることなく吸湿等による蛍光体の劣化を防ぐことができる。

なお、第１の実施の形態では、波長変換部２として蛍光体層２０とガラス材２１とを積層した構成を説明したが、これらは一体的に形成されても良い。例えば、ガラス又は樹脂からなる蛍光体含有材料を薄板状に形成し、反射部３の上面に一体化すると、均一な波長変換性を維持しながら装置全体を更に薄型化することができる。

また、ＬＥＤ素子１１および蛍光体の種類についても、上記した構成以外の種々の組み合わせが可能である、例えば、近紫外光を放射する紫外ＬＥＤ素子とＲＧＢ蛍光体との組み合わせに基づく波長変換装置を構成することも可能であり、その他の組み合わせも可能である。また、ＬＥＤ素子の配置数についても所望の数とすることが可能である。

なお、発光装置１の放熱性を高めるものとして、例えば、装置側面に粗面化処理を施して表面積拡大を図ることも可能である。また、銅やアルミニウム等の熱伝導性に優れる金属からなるヒートシンクを設けても良い。

図５は、第１の実施の形態の変形例を示す断面図である。このように発光装置１０の反射面３０に蛍光体層２０ｂを設けて反射される光を波長変換するようにしても良い。

図６は、第２の実施の形態に係る発光装置を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ部における断面図である。なお、以下の説明では、第１の実施の形態と共通する部分に共通する引用数字を付して説明している。

第２の実施の形態では、複数の発光部を結合して形成される単一の発光部１０に９個のＬＥＤ素子１１をマトリクス状に設けた構成を有し、ＬＥＤ素子１１の直上に位置するように正方形状の蛍光体層２０を設けている。また、反射面３０と基板部４に蛍光体層２０を設けてある。なお、図６（ａ）の構成においては、蛍光体層２０は正方形状以外に円形状に形成されても良い。この際、ＬＥＤ素子１１に対し、ガラス材２１と空気との界面での臨界角以内となる方向には蛍光体層２０が設けられていることが望ましい。ＬＥＤ素子１１から蛍光体層２０へ至らずに外部放射される光がないようにするためである。また、ＬＥＤ素子１１の発光波長および蛍光体層２０の種類についても、第１の実施の形態で説明したＧａＮ系ＬＥＤ素子と黄色蛍光体との組み合わせに限定されず、用途に応じたものを選択的に用いることができる。

上記した第２の実施の形態によると、第１の実施の形態の好ましい効果に加えて、発光部１０の開口を広く取ることができるので、配線パターン４０上へのＬＥＤ素子１１の搭載性が向上する。また、発光部１０に対してシリコン樹脂の充填作業を１回行うことによって全てのＬＥＤ素子１１を同時に樹脂封止できるので、生産性に優れるとともに光取り出し性を容易に均一化することができる。

図７は、第３の実施の形態に係る発光装置を示す断面図である。第３の実施の形態の発光装置１０は、反射部３の上面を覆う波長変換部２のガラス材２１中に薄膜状の蛍光体層２０を封入したものである。

波長変換部２は、低融点ガラスからなる第１および第２のガラス材２１を用意し、第１および第２のガラス材のいずれか一方に第１の実施の形態で説明した手順で蛍光体層２０を形成し、蛍光体層２０の形成面を他方のガラスで覆い、これら２つのガラス材を加熱プレスによって熱融着させることにより一体化して形成する。

第３の実施の形態によると、薄膜状の蛍光体層２０をガラス材２１で封止しているので、第１の実施の形態で説明した発光装置１より更なる薄型化を実現することができる。また、蛍光体層２０をガラス封止することで蛍光体の吸湿による劣化を防止でき、多湿条件下で使用されるような発光装置であっても長期にわたって安定した波長変換性を付与することが可能となる。なお、ガラス材２１の代わりに透明樹脂からなるシート材で蛍光体層２０を挟持する構成とすることも可能であるが、樹脂材料については吸湿性を完全に排除することは困難である。

図８は、第４の実施の形態に係る発光装置を示す断面図である。第４の実施の形態の発光装置１０は、第３の実施の形態で説明した波長変換部２の蛍光体層２０をＬＥＤ素子１１の位置に応じて部分的に配置したものである。

第４の実施の形態によると、第３の実施の形態の好ましい効果に加えて蛍光体の使用量を低減できることにより、装置コストを安価にしながら長期にわたって安定した波長変換性を付与することが可能となる。

図９は、第５の実施の形態に係る発光装置を示す断面図である。第５の実施の形態の発光装置１０は、第４の実施の形態で説明した波長変換部２の光出射面に凹凸を施して光拡散性を付与するようにしたものである。

第５の実施の形態によると、第４の実施の形態の好ましい効果に加えて発光装置１から放射される光を広範囲に照射することができ、特に、照明装置等で広範囲に均一な光照射性が要求される用途に好適である。

本発明の第１の実施の形態に係る発光装置を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ部における断面図である。 第１の実施の形態に係る発光装置の波長変換部の製造工程を示す図である。 第１の実施の形態に係る発光装置の反射部および基板部の製造工程を示す図である。 第１の実施の形態に係る製造工程を示すフローチャートである。 第１の実施の形態に係る発光装置の変形例を示す断面図である。 第２の実施の形態に係る発光装置を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ部における断面図である。 第３の実施の形態に係る発光装置の断面図である。 第４の実施の形態に係る発光装置の断面図である。 第５の実施の形態に係る発光装置の断面図である。 特許文献１に記載された発光装置を示す断面図である。

符号の説明

１、発光装置 ２、波長変換部 ３、反射部 ４、基板部 １０、発光装置
１０、発光部 １１、ＬＥＤ素子 ２０、蛍光体層 ２１、ガラス材
３０、反射面 ４０、配線パターン ５０、発光装置 ５１、基体
５２、反射枠 ５３、凹部 ５４、配線 ５５、ＬＥＤチップ
５６、波長変換シート ５６Ａ、透光性シート基板 ５６Ｂ、波長変換物質層
５７、拡散板 ５８、モールド樹脂

Claims (6)

1. 複数のＬＥＤ素子を面状に配置し、前記ＬＥＤ素子から放射される光を波長変換して照射する発光装置において、
   平坦な基体に前記光に基づいて励起される蛍光体を薄膜状に設けた蛍光体層を有する波長変換部を備え、
   前記蛍光体層に外部放射のための隙間が形成され、
   前記隙間は、前記ＬＥＤ素子に対して前記基体と空気の界面での臨界角以上の領域にのみ形成されることを特徴とする発光装置。
2. 前記複数のＬＥＤ素子に応じて設けられる複数のすり鉢状の反射面を有し、前記反射面に前記光に基づいて励起される蛍光体層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記波長変換部は、透明なガラス材からなる前記基体の断面内に薄膜状の蛍光体層を封入して構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
4. 前記蛍光体層は、前記ＬＥＤ素子の配置に応じた位置に部分的に封入されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の発光装置。
5. 前記波長変換部は、前記基体の表面に光拡散性を付与する凹凸を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の発光装置。
6. 前記ＬＥＤ素子は、紫外線ＬＥＤ素子である請求項１から５のいずれか１項に記載の発光装置。

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