JP4253768B2 - 白色ｌｅｄ光源 - Google Patents

Description

この発明は、白色ＬＥＤ光源に関し、その発光効率の向上に関するものである。

一般に発光ダイオード（ＬＥＤ）の光源色には、赤や橙、緑など様々な種類があり、この中で照明用光源としては、主として白色ＬＥＤが用いられる。この白色ＬＥＤを実現するには、青色光または近紫外光を発光する発光ダイオードと、それに装着された透光性被覆材中に含有された蛍光物質の組み合わせにより実現されている。
即ち、発光ダイオードに装着する透光性被覆材として、その被覆材中に蛍光物質を含有することを特徴とする発光ダイオード用透光性被覆材や、それを発光ダイオードと組み合わせて蛍光物質より固有波長の発光色を発光するようにした蛍光カラー光源などが開発されている。（例えば、特許文献１参照）

特開平１１−０８７７８４号公報

ＬＥＤ素子から放射される近紫外線を受光したときに赤色、緑色、青色に波長変換する３種類の蛍光体を適正な分量で混合することにより白色光が得られる。
しかし、ＬＥＤ素子からの放射出力の大きさは、その放射角度により異なる。
即ち、実際のＬＥＤ素子の配光曲線は、理想的な放射角度０゜から１８０゜まで均等な配光曲線とは異なり、或る放射角度では放射出力の強度は弱く、また或る放射角度では強くなるというように、放射角度により強弱が生じる。

また、一定の放射強度の近紫外線が蛍光体にあたる場合、蛍光体の膜厚と蛍光体により波長変換された放射出力には或る関係が存在する。即ち、蛍光体の膜厚が小さい場合は、波長変換された放射出力は小さく、膜厚が大きくなるにつれて放射出力は上昇し或る膜厚に至って極大となり、それ以上膜厚を増やしても放射出力はむしろ減少する。
したがって、白色ＬＥＤ光源の発光効率を向上させるために、蛍光体の膜厚を適正量に制御することが強く望まれている。

また、ＬＥＤ素子から放射される近紫外線を効率よく可視光線に変換するためには、ＬＥＤ素子と蛍光体との間が完全に封止されていることが必要であり、この封止条件と封止材料の構成により発光効率が大きく影響されるとの知見を得ている。
したがって、より発光効率の良い白色ＬＥＤ光源を得るために、より良き封止条件と封止材料の構成の開発が期待されている。
本発明は、封止樹脂部材を層状に分割することにより、封止条件と封止材料の構成を改善し、且つ適正な蛍光体の膜厚を実現させることにより発光効率の良い白色ＬＥＤ光源を得ることをその目的としている。

本発明に係る白色ＬＥＤ光源は、ＬＥＤ素子と蛍光体と封止樹脂部材とからなり、封止樹脂部材は、ＬＥＤ素子に密着して封止する外形が半球体形状をなす第１の封止樹脂部材と、第１の封止樹脂部材の外側に間隙をもって配置される外形が半球体形状をなす第２の封止樹脂部材と、第１の封止樹脂部材と第２の封止樹脂部材との間隙に充填された蛍光体よりなることを特徴としている。

本発明の白色ＬＥＤ光源によれば、第１の封止樹脂部材の外側形状と第２の封止樹脂部材の内側形状によって、第１の封止樹脂部材と第２の封止樹脂部材を組み合わせたときに任意の間隙が得られ、この間隙に蛍光体を封入することにより結果として蛍光体の膜厚を任意に設定でき発光効率の良い白色ＬＥＤ光源を得ることができる。
また、封止樹脂部材を層状に分割することにより、より良き封止条件と封止材料の構成を得ることが可能となり、白色ＬＥＤ光源の発光効率をより向上させることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る断面説明図である。
図２は、ＬＥＤ素子の放射角度０゜〜１８０゜間で均等な配光曲線を示す図である。
図３は、ＬＥＤ素子の実際の放射角度により異なる配光曲線を示す図である。
図４は、蛍光体の膜厚と蛍光体の波長変換強度の関係を示す図である。

図１において、 基板２の上側に凹部２ａを設け、この凹部２ａの底面にＬＥＤ素子１を配置し、このＬＥＤ素子１の全体を覆うように外形が半球体形状をなす第１の封止樹脂部材３を配置する。この第１の封止樹脂部材３の外側に配置される、内面に凹凸があり外形が半球体形状をなす第２の封止樹脂部材４と、この第２の封止樹脂部材４と前記第１の封止樹脂部材３との間隙５に蛍光体６が満たされている。第２の封止樹脂部材４の内面の凹凸形状により、蛍光体６の膜厚は任意に設計できる。

前記膜厚、即ち、第２の封止樹脂部材４と第１の封止樹脂部材３との間隙５は、本ＬＥＤ光源の発光効率に極めて大きく影響する。この間隙５の量は、下記の諸条件を加味して決められる。
図２におけるように、ＬＥＤ素子１から放射される放射線の理想的な均一な分布状態である場合は、放射線を受けた蛍光体６からはより均一な強度分布の可視光線を得ることができる。しかしながら、実際のＬＥＤ素子１からの配光曲線は、図３に示すように放射角度により異なる配光強度分布を示している。

一方、図４に示すように、蛍光体６の膜厚により蛍光体の波長変換強度が異なり、或る膜厚において最も好ましい極大の波長変換強度が得られる。
膜厚の変化は、蛍光体６を構成する蛍光物質粉体の見掛けの密度が同じであれば、蛍光物質粉体の粒子量の変化となる。この粒子量が放射線の量に対して、少な過ぎれば粒子間をそのまま透過して、蛍光体６による可視化に寄与しない部分が多くなり発光効率が低下する。また、この粒子量が放射線の量に対して、多過ぎれば放射線により可視化されない蛍光体６部分が残り、同じく発光効率が低下する。

したがって、実測の配光曲線によりＬＥＤ素子より放射される放射線の分布量を特定し、これに見合った蛍光体６の量を特定して、該蛍光体６の量に見合った間隙５を作成する。なお、蛍光体粉末の平均半径は５〜１５μｍ程度、間隙５の値は、１０〜２００μｍ程度である。蛍光体６の間隙５内への装着は、充填法または印刷法により行う。

封止樹脂部材は、多かれ少なかれ材料劣化を伴う。第１の封止樹脂部材３と第２の封止樹脂部材４とでは入射される波長が異なるため、特に、近紫外線が透過する第１の封止樹脂部材３では樹脂部材組織の劣化が多い。したがって、少なくとも第１の封止樹脂部材３の材料としては、イ）近紫外線による劣化の少ないもの、ロ）屈折率の大きいもの、が選ばれる必要がある。ガラスはこの条件にマッチするが、封止時の成形温度によりＬＥＤ素子がもたず使用できない。Ｓｉ系樹脂、フッ素系樹脂を使用することが好ましい。
本実施の形態１の発明により白色ＬＥＤ光源の発光効率を向上することができる。

実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２に係る断面説明図である。
本実施の形態２は、前記実施の形態１に対して、第１の封止樹脂部材３を、第１ａの封止樹脂部材３ａと第１ｂの封止樹脂部材３ｂの２層により構成したものである。
他の構成は、実施の形態１に準じており説明を省略する。

本実施の形態２においては、蛍光体および封止樹脂部材からなるＬＥＤにおいて、封止樹脂部材はＬＥＤ素子１に密着して封止する外形が半球体形状をなす第１ａの封止樹脂部材３ａと、第１ａの封止樹脂部材３ａの外側に配置される外形、内形が半球体形状をなす第１ｂの封止樹脂部材３ｂと、第１ｂの封止樹脂部材３ｂの外側に間隙５をもって配置される第２の封止樹脂部材４と、第１ｂの封止樹脂部材３ｂと第２の封止樹脂部材４との間隙５に充填された蛍光体６よりなるものである。

第１ｂの封止樹脂部材３ｂは、第１ａの封止樹脂部材３ａの合成樹脂材料に対して接着性がより優れた合成樹脂材料を使用する。これにより、間隙５に充填された蛍光体を第２の封止樹脂部材４との間でより確実に保持することができる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る断面説明図である。
本実施の形態３は、前記実施の形態１に対して、第１の封止樹脂部材３を、外形が半球体形状をなす第１ａの封止樹脂部材３ａと、外形、内形が半球体形状をなす第１ｂの封止樹脂部材３ｂと、前記第１ａの封止樹脂部材と前記第１ｂの封止樹脂部材との間に挟在された第１ｃの封止樹脂部材３ｃとの３層により構成したものである。
他の構成は、実施の形態１に準じており説明を省略する。

第１ｂの封止樹脂部材３ｂは、第１ａの封止樹脂部材３ａの合成樹脂材料に対して接着性がより優れた合成樹脂材料を使用する。これにより、間隙５に充填された蛍光体を第２の封止樹脂部材４との間でより確実に保持することができる。
また、第１ｃの封止樹脂部材３ｃは、第１ａの封止樹脂部材３ａの合成樹脂材料に対して屈折率のより大きな材料を使用し、これにより発光強度分布を比較的に平準化することができ、外部への可視光発光がより均一となり、また発光効率を上げることができる。

実施の形態４．
図７、図８、及び図９は、図１、図５および図６における各間隙５を均一間隙とした場合の図である。
本実施の形態４は、前述の実施の形態１、２および３における間隙５が、ＬＥＤ素子１からの配光分布曲線に基づき構成されているのに対し、均一な配光分布曲線の場合を示している。各要素の構成、作用は実施の形態１、２および３における場合に準じており、説明を省略する。
これにより外部への発光分布が均一となり、発光効率が向上する。

本発明は、白色ＬＥＤ光源につき述べてきたが、封止め被覆を多層にする構成効果については、一般の有色ＬＥＤ光源としても適用することができる

本発明の実施の形態１に係る断面説明図である。 ＬＥＤ素子の放射角度０゜〜１８０゜間で均等な配光曲線を示す図である。 ＬＥＤ素子の実際の放射角度により異なる配光曲線を示す図である。 蛍光体の膜厚と蛍光体の波長変換強度の関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る断面説明図である。 本発明の実施の形態３に係る断面説明図である。 図１の間隙を均一間隙とした場合の図である。 図５の間隙を均一間隙とした場合の図である。 図６の間隙を均一間隙とした場合の図である。

符号の説明

１ ＬＥＤ素子、２ 基板、２ａ 凹部、３ 第１の封止樹脂部材、３ａ 第１ａの封止樹脂部材、３ｂ 第１ｂの封止樹脂部材、３ｃ 第１ｃの封止樹脂部材、４ 第２の封止樹脂部材、５ 間隙、６ 蛍光体。

Claims (3)

1. ＬＥＤ素子と蛍光体と封止樹脂部材とからなる白色ＬＥＤ光源において、封止樹脂部材はＬＥＤ素子に密着して封止する外形が半球体形状をなす第１の封止樹脂部材と、第１の封止樹脂部材の外側に間隙をもって配置される外形が半球体形状をなす第２の封止樹脂部材と、第１の封止樹脂部材と第２の封止樹脂部材との間隙に充填された蛍光体よりなり、且つ前記間隙はＬＥＤ素子の配光形状に対応した間隙であることを特徴とする白色ＬＥＤ光源。
2. 前記第１の封止樹脂部材が、ＬＥＤ素子に密着して封止する第１ａの封止樹脂部材と、第１ａの封止樹脂部材の外側にあって前記第２の封止樹脂部材との間に間隙をもって配設される外形、内形が半球体形状をなす第１ｂの封止樹脂部材との２層により構成されており、且つ前記間隙はＬＥＤ素子の配光形状に対応した間隙であることを特徴とする請求項１に記載の白色ＬＥＤ光源。
3. 前記第１の封止樹脂部材が、ＬＥＤ素子に密着して封止する第１ａの封止樹脂部材と、前記第２の封止樹脂部材との間に間隙をもって配設される外形、内形が半球体形状をなす第１ｂの封止樹脂部材と、第１ａの封止樹脂部材と第１ｂの封止樹脂部材との間に挟在された第１ｃの封止樹脂部材との３層により構成されており、且つ前記間隙はＬＥＤ素子の配光形状に対応した間隙であることを特徴とする請求項１に記載の白色ＬＥＤ光源。

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