JP4473284B2 - 発光装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、発光装置およびその製造方法に関し、特に、発光素子とこの発光素子からの光によって異なる波長の光を発する蛍光体とを組み合わせた発光装置およびその製造方法に関する。
近年、近紫外〜青色領域の光を発するＬＥＤのような発光素子と、この発光素子からの光によって異なる波長の光を発する蛍光体とを組み合わせて、白色光を発する発光装置の開発が盛んに行われている。このような白色発光装置では、リードフレームや基板に形成されたカップ状の凹部の底面にＬＥＤチップを載置し、このＬＥＤチップからの光を吸収してその光の波長より長波長の光を発する蛍光体を混合した樹脂をポッティングすることによって、カップ状の凹部内のＬＥＤチップを封止している。
このような白色発光装置は、照明用光源として使用する場合、発光出力（照度）が高く、色むらが小さく、演色性が良好な光を発することが求められている。このような白色発光装置からの光を演色性が良好な白色光にするために、ＬＥＤチップからの光によって異なる波長の光を発する２種類の蛍光体を混合した樹脂をＬＥＤチップの周囲に配置させることが提案されている（例えば、特許文献１〜５参照）。また、青色領域の光を発する発光素子の周囲に、この青色領域の光と補色関係にある緑色〜黄色領域の光を発するＹＡＧ系蛍光体（ガーネット構造を有する希土類元素により付活された希土類アルミン酸塩蛍光体）を混合した樹脂を配置させることにより、白色光を発する発光装置が提案されており、また、橙色〜赤色領域の光を発するＣａ２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕなどからなる蛍光体をさらに樹脂に混合することにより、さらに演色性の高い発光色を実現することができる白色発光装置が提案されている（例えば、特許文献６参照）。
リードフレームや基板に形成されたカップ状の凹部の底面に発光素子を載置して、蛍光体を含有する樹脂のポッティングによってカップ状の凹部内の発光素子を封止した白色発光装置では、色むらを低減させるために、発光素子からの光が樹脂中を通過する光路長を一定にする必要がある。そのためには、発光素子と封止部材の表面の間の距離が一定になるように、樹脂の封止部材の上面を盛り上げて凸面にする必要がある。
しかし、樹脂のポッティングによってカップ状の凹部内の発光素子を封止する場合には、使用する樹脂の粘度や樹脂にかかる重力によって、発光素子からの光が樹脂中を通過する光路長が一定になるように樹脂の封止部材の形状を制御するのは容易ではなく、その結果、発光装置からの光の色むらが生じてしまう。
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、封止部材の形状にかかわらず色むらを低減することができる発光装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長より長波長側にピーク波長を有する光を発する第１の蛍光体を発光素子の表面に吸着させて第１の蛍光体の層を形成した後、この第１の蛍光体と発光素子の少なくとも一方からの光を吸収してその少なくとも一方からの光のピーク波長より長波長側にピーク波長を有する光を発する第２の蛍光体を含む封止部材によって発光素子および第１の蛍光体の層を封止することにより、封止部材の形状にかかわらず色むらを低減することができる発光装置を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明による発光装置は、所定のピーク波長の光を発する発光素子と、この発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長より長波長側にピーク波長を有する光を発する第１の蛍光体と、この第１の蛍光体と発光素子の少なくとも一方からの光を吸収してその少なくとも一方からの光のピーク波長より長波長側にピーク波長を有する光を発する第２の蛍光体とを用意し、発光素子の表面に第１の蛍光体を吸着させて第１の蛍光体の層を形成した後、第２の蛍光体を含む封止部材によって発光素子および第１の蛍光体の層を封止することを特徴とする。
この発光装置の製造方法において、吸着が静電吸着であるのが好ましい。また、発光素子が４２０ｎｍ以上且つ４９０ｎｍ未満の領域にピーク波長を有する光を発する発光素子であり、第１の蛍光体が４９０ｎｍ以上且つ５９０ｎｍ未満の領域にピーク波長を有する光を発する蛍光体であり、第２の蛍光体が５９０ｎｍ以上且つ７８０ｎｍ以下の領域にピーク波長を有する光を発する蛍光体であるのが好ましい。さらに、封止部材に第２の蛍光体を分散させるのが好ましい。
また、本発明による発光装置は、凹部が形成された載置部と、この載置部の凹部の底面に載置されて所定のピーク波長の光を発する発光素子と、この発光素子の表面に形成されて発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長より長波長側にピーク波長を有する光を発する第１の蛍光体の層と、この第１の蛍光体と発光素子の少なくとも一方からの光を吸収してその少なくとも一方からの光のピーク波長より長波長側にピーク波長を有する光を発する第２の蛍光体と、この第２の蛍光体が分散して発光素子および第１の蛍光体の層を載置部の凹部内に封止する封止部材とを備え、この封止部材の表面から出射された光の相関色温度を封止部材の表面の中心における接平面に対して１０〜１７０°の範囲において１０°毎の角度で測定したときの相関色温度の最大値と最小値の差が５００Ｋ以下であることを特徴とする。相関色温度の最大値と最小値の差が５００Ｋ以下であれば、様々な方向に均一な白色光を発することができ、照明用光源として使用することができる。
この発光装置において、発光素子が４２０ｎｍ以上且つ４９０ｎｍ未満の領域にピーク波長を有する光を発する発光素子であり、第１の蛍光体が４９０ｎｍ以上且つ５９０ｎｍ未満の領域にピーク波長を有する光を発する蛍光体であり、第２の蛍光体が５９０ｎｍ以上且つ７８０ｎｍ以下の領域にピーク波長を有する光を発する蛍光体であるのが好ましい。また、この発光装置の平均演色評価数Ｒａが９０以上であるのが好ましい。平均演色評価数Ｒａが９０以上であれば、発光装置の光を物体に照射した際に目に見える物体の色が、太陽光を物体に照射した際に目に見える物体の色に近くなって、色再現性が良好になり、照明用光源として使用するのに好ましいからである。
本発明によれば、封止部材の形状にかかわらず色むらを低減することができる発光装置を製造することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明による発光装置およびその製造方法の実施の形態について説明する。
図１は、本発明による発光装置の実施の形態を概略的に示す断面図であり、図２は、図１の発光装置の発光素子を載置した一方のリードフレームのカップの部分を拡大して示す断面図である。図１および図２に示すように、本実施の形態の発光装置１０は、互いに離間して配置された一対のリードフレーム１２ａおよび１２ｂと、一方のリードフレーム１２ａの先端部に形成されたカップ（凹部）１３の底面１３ａに載置された発光素子１４と、この発光素子１４の表面を覆うように配置された第１の蛍光体１６と、この第１の蛍光体１６を覆うようにリードフレーム１２ａのカップ１３内に充填された第２の蛍光体１８を含む封止部材２０と、リードフレーム１２ａ、１２ｂの先端部分を覆う透明のモールド部材２４とから構成されている。
なお、発光素子１４の底面には、（図示しない）一対の電極のうちの一方の電極、例えば、Ａｕ−Ｓｎ電極が設けられ、発光素子１４の上面には、他方の電極、例えば、Ａｕ電極が設けられている。発光素子１４の底面の電極は、ダイボンディングによって一方のリードフレーム１２ａのカップ１３の底面１３ａに電気的に接続され、発光素子１４の上面の電極は、金線などの導電性ワイヤ２２によって他方のリードフレーム１２ｂに電気的に接続されている。
発光素子１４としては、ピーク波長４２０〜４９０ｎｍの青色または青紫などの青色系の可視光を発光し、例えば、窒化ガリウム系半導体結晶からなる青色ＬＥＤチップを使用することができる。しかし、本発明による発光装置の発光素子１４として使用可能なＬＥＤチップは、青色ＬＥＤチップだけでなく、紫外光や近紫外光を発光可能な発光素子でもよい。また、発光素子１４としては、通常、０．３〜１ｍｍ角程度の略正方形の平面形状のＬＥＤチップを使用することができる。
第１の蛍光体１６は、発光素子１４が青色領域の光を発する場合には、輝度を向上させるために、輝度を高める効果がある緑色から黄色領域の光を発する材料からなるのが好ましく、演色性をより高くするためには、緑色蛍光体からなるのが好ましい。また、第１の蛍光体１６と第２の蛍光体１８は、発光素子１４との組み合わせによって外部から観察される光が白色光になるような材料であるのが好ましい。また、第１の蛍光体１６と第２の蛍光体１８の平均粒径は１〜５０μｍ程度であるのが好ましい。また、リードフレーム１２は、銅、銅亜鉛合金、鉄ニッケル合金などの金属からなるのが好ましい。さらに、封止部材２０の材料は、エポキシ樹脂やシリコーン系樹脂などの透光性の樹脂の他、ガラス材料でもよいが、耐熱性、耐紫外線性および作業性の観点からシリコーン系樹脂であるのが好ましい。
なお、本実施の形態の発光装置１０のように、第２の蛍光体１８を封止部材２０中に分散させて発光素子１４から離間して配置させると、第２の蛍光体１８の量が少なくても、発光素子１４から第２の蛍光体１８に直接入射する光の他に、発光素子１４の周囲の第１の蛍光体１６によって散乱した光も第２の蛍光体１８に入射して、第２の蛍光体１８が励起される確率が増大して、第２の蛍光体１８の発光量を増大させることができる。また、発光素子１４から全ての角度に発した光と第２の蛍光体１８からの光を混ぜることができるので、色むらを非常に少なくすることができる。
以上のように構成された本実施の形態の発光装置１０は、以下のように製造することができる。
まず、（図示しない）ダイボンダによって一方のリードフレーム１２ａのカップ１３の底面１３ａに発光素子１４の一方の面をダイボンディング（接着固定）して、発光素子１４の一方の電極を一方のリードフレーム１２ａに電気的に接続する。このダイボンディングの後、一対のリードフレーム１２ａおよび１２ｂを（図示しない）ワイヤボンダに移送し、金線などの導電性ワイヤ２２によって発光素子１４の他方の電極を他方のリードフレーム１２ｂにワイヤボンディングして電気的に接続する。
次に、一対のリードフレーム１２ａおよび１２ｂを静電吸着装置に移送し、リードフレーム１２ａのカップ１３にダイボンディングされた発光素子１４の表面に第１の蛍光体１６を静電吸着させて、波長変換層を発光素子１４の表面に均等に形成する。すなわち、図３に示すように、第１の蛍光体１６を金属製トレイ２６上に載せ、この金属製トレイ２６を金属板２８上に配置した後、リードフレーム１２ａのカップ１３の開口部が金属製トレイ２６に対向するように金属製トレイ２６の上方１０ｍｍの位置にリードフレーム１２ａおよび１２ｂを設置し、リードフレーム１２ａを配線により接地する。次に、直流電源３０により金属板２８に−１０ｋＶの電圧を印加して、金属板２８とリードフレーム１２ａの間に１０ｋＶの電位差を生じさせることにより、金属板２８上に配置された金属製トレイ２６上の第１の蛍光体１６の粒子を負に帯電させて、正に帯電した発光素子１４上に吸着させる。このようにして、静電吸着によって目的の色温度になる厚さまで第１の蛍光体１６の層をカップ１３内の発光素子１４上に形成する。この静電吸着では、観測角度によって色温度が変化するのを防止するため、すなわち、観測角度が変わっても色温度が均一になるようにするため、輝度を高める効果がある第１の蛍光体１６の層を均一な厚さになるように発光素子１４の表面に形成する。なお、本実施の形態では発光素子１４の表面に第１の蛍光体１６を静電吸着させているが、発光素子１４の表面に第１の蛍光体１６を均等な厚さに形成することができれば、静電吸着以外の吸着方法を使用してもよい。
次に、一対のリードフレーム１２ａおよび１２ｂを（図示しない）モールド装置に移送し、このモールド装置のディスペンサによりリードフレーム１２ａのカップ１３内に第２の蛍光体１８および封止部材２０を注入する。このようにして第２の蛍光体１８が分散した封止部材２０により第１の蛍光体１６が保持される。なお、第１の蛍光体１６として黄色領域の光を発する蛍光体を使用し、第２の蛍光体１８として赤色領域の光を発する蛍光体を使用する場合には、第１の蛍光体１６の量に対して第２の蛍光体１８の量を１〜２０質量％程度にすれば、大部分の蛍光体が黄色領域の光を発する第１の蛍光体１６になり、この第１の蛍光体１６の層は均一な厚さに形成することができるので、発光素子１４からの光が蛍光体の層を通過する距離の相違によって生じる色むらを低減させることができる。また、発光素子１４の表面に吸着した黄色領域の光を発する第１の蛍光体１６のまわりに、赤色領域の光を発する第２の蛍光体１８を樹脂に混合して塗布することにより、塗布量を微調整することができ、色温度や演色性の調整が可能になる。
最後に、予めモールド部材が注入された（図示しない）モールド型枠の中にリードフレーム１２ａおよび１２ｂを浸漬した後、型枠を外して樹脂を硬化させると、図１に示すような砲弾型の発光装置を製造することができる。
このように、発光素子１４からの光が輝度を高める効果がある第１の蛍光体１６を通過する光路長を均一にして、波長変換層としての第１の蛍光体１６の層内の光の波長変換量を均一にして、色むらのない白色光を発する発光装置を製造することができる。また、樹脂に添加する第２の蛍光体１８の量を減少させて第２の蛍光体１８を樹脂に均一に分散させることができ、演色性も向上させることができる。
以下、本発明による発光装置およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
まず、一方のリードフレーム１２ａのカップ１３内に発光素子１４として（活性層の組成がＩｎＧａＮからなり、発光波長のピークが４６０ｎｍの）青色ＬＥＤチップをダイボンディングした後、ワイヤボンディングした。また、第１の蛍光体１６として、平均粒径（Ｄ５０）が１０μｍのＳｒＡｌ（１＋ｘ）Ｓｉ（４−ｘ）ＯｘＮ（７−ｘ）：Ｃｅ（０≦ｘ≦１）と表記されるｘ＝０．４５の蛍光体（ＳｒＡｌ１．４５Ｓｉ３．５５Ｏ０．４５Ｎ６．５５：Ｃｅからなる組成の緑色蛍光体）（発光ピーク波長５５７ｎｍ）を用意した。次に、図３に示すように、この第１の蛍光体１６を金属製トレイ２６上に載せて、この金属製トレイ２６を金属板２８上に配置した後、リードフレーム１２ａのカップ１３の開口部が金属製トレイ２６に対向するように金属製トレイ１６の上方１０ｍｍの位置にリードフレーム１２ａを設置し、リードフレーム１２ａを配線により接地した。次に、金属板２８に−１０ｋＶの電圧を印加して、金属板２８とリードフレーム１２ａの間に１０ｋＶの電位差を生じさせることにより、金属板２８上に配置された金属製トレイ２６上の第１の蛍光体１６の粒子を負に帯電させて、正に帯電した青色ＬＥＤチップ１４上に吸着させた。このようにして、静電吸着によって、目的の色温度にするのに必要な厚さになるまで第１の蛍光体１６の層をカップ１３内の青色ＬＥＤチップ１４上に形成した。
また、第２の蛍光体１８として、平均粒径（Ｄ５０）が７μｍのＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕからなる組成の赤色蛍光体（発光ピーク波長６５９ｎｍ）を用意した。この第２の蛍光体１８とＳｉＯ２からなる粒径７ｎｍの沈降防止剤とを粘度３５０ｍＰａ・ｓのシリコーン樹脂（信越化学工業製のＳＣＲ−１０１１）に混合し、リードフレーム１２ａのカップ１３内にポッティングすることにより、第２の蛍光体１８が分散した封止部材２０で第１の蛍光体１６を封止した。なお、樹脂に混合した第２の蛍光体１８の量は、第１の蛍光体９５重量％に対して５重量％とした。
このようにして図４に示すようなカップ１３内の構造の発光装置を作製し、この発光装置について演色評価数を測定した。また、色むら（色温度分布）を評価するために、観測角度に対するＪＩＳ Ｚ８７２６に基づいて相関色温度を測定した。すなわち、発光装置から放出される光が見る角度によって異なって見えると、色むらが大きくなるので、観測角度毎の相関色温度を測定して、その最大値と最小値の差（色温度幅）を求めれば、色むらを評価することができる。観測角度に対する相関色温度の測定は、図１１に示すように、封止部材２０の表面から出射された光の相関色温度を封止部材２０の表面の中心における接平面に対して１０〜１７０°の範囲において１０°毎の角度で測定することによって行った。なお、相関色温度は、発光装置から１．４〜１．５ｍ離れた位置に配置した検出部に照射された光を光ファイバによって測定装置（浜松ホトニクス製の分光装置ＰＭＡ−１１（Ｃ７４７３−３６））に伝送してＪＩＳ Ｚ８７２５に基づいて測定した。
その結果、図５および表１に示すように、観測角度９０°における相関色温度は約４８００Ｋ、色温度幅は２３３Ｋであり、色むらが非常に小さかった。また、観測角度９０°における平均演色評価数Ｒａは９０と高い値であり、演色性は良好であり、色再現性が良好であった。また、表２に示すように、特殊演色評価数Ｒ９〜Ｒ１５が６０以上になり、太陽光下の物質の色に近くなって好ましく、特に、Ｒ９が９５と高い値であるので、赤色についての色再現性が良好であり、Ｒ１５が９１と高い値であるので、日本人の肌色についての色再現性が良好であるため、実施例の発光装置は、非常に優れた照明用光源として使用することができる。さらに、図６および表３に示すように、観測角度による平均演色評価指数Ｒａのむらがなくなり、演色評価指数は観測角度１０〜１７０°で９０以上と高い値であった。なお、平均演色評価指数Ｒａのむらが大きい発光装置を使用した照明の下に物体を置くと、照明からの光の角度によって物体の色が異なって見えるが、平均演色評価指数Ｒａのむらが小さい発光装置では、照明からの光の角度によって物体の色が異なって見える度合いが小さくなる。また、本実施例の発光装置の観測角度９０°における各波長の発光強度の測定結果（発光スペクトル）を図１２に示す。
［比較例１］
実施例と同様の第１の蛍光体１６と第２の蛍光体１８を用意し、これらの第１の蛍光体１６と第２の蛍光体１８を実施例と同様のシリコーン樹脂に混合し、実施例と同様にリードフレーム１２ａのカップ１３内にポッティングすることにより、第１の蛍光体１６と第２の蛍光体１８を含む封止部材２０で発光素子１４を封止した。
実施例と同様の第１の蛍光体１６と第２の蛍光体１８を用意し、これらの第１の蛍光体１６と第２の蛍光体１８を実施例と同様のシリコーン樹脂に混合し、実施例と同様にリードフレーム１２ａのカップ１３内にポッティングすることにより、第１の蛍光体１６と第２の蛍光体１８を含む封止部材２０で発光素子１４を封止した。
このようにして図７に示すようなカップ１３内の構造の発光装置を作製し、この発光装置について演色評価数および観測角度に対する相関色温度を測定した。その結果、平均演色評価数Ｒａは９２であり、演色性は良好であった。しかし、図８および表１に示すように、観測角度９０°における相関色温度は約５１５０Ｋ、色温度幅は８７８Ｋであり、色むらが大きかった。
［比較例２］
実施例の第１の蛍光体１６の代わりに実施例の第２の蛍光体１８を使用し、実施例の第２の蛍光体１８の代わりに実施例の第１の蛍光体１６を使用した以外は、実施例と同様の方法により、図９に示すようなカップ１３内の構造の発光装置を作製した。
実施例の第１の蛍光体１６の代わりに実施例の第２の蛍光体１８を使用し、実施例の第２の蛍光体１８の代わりに実施例の第１の蛍光体１６を使用した以外は、実施例と同様の方法により、図９に示すようなカップ１３内の構造の発光装置を作製した。
このようにして作製した発光装置について、演色評価数および観測角度に対する相関色温度を測定した。その結果、平均演色評価数Ｒａは９２であり、演色性は良好であった。しかし、図１０および表１に示すように、観測角度９０°における相関色温度は約５２００Ｋ、色温度幅は７００Ｋであり、色むらが大きかった。
１０ 発光装置
１２ａ、１２ｂ リードフレーム
１３ カップ（凹部）
１３ａ 底面
１４ 発光素子
１６ 第１の蛍光体
１８ 第２の蛍光体
２０ 封止部材
２２ 導電性ワイヤ
２４ モールド部材
２６ 金属製トレイ
２８ 金属板
３０ 直流電源
１２ａ、１２ｂ リードフレーム
１３ カップ（凹部）
１３ａ 底面
１４ 発光素子
１６ 第１の蛍光体
１８ 第２の蛍光体
２０ 封止部材
２２ 導電性ワイヤ
２４ モールド部材
２６ 金属製トレイ
２８ 金属板
３０ 直流電源
Claims (3)
- 所定のピーク波長の光を発する発光素子と、この発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長より長波長側にピーク波長を有する光を発する第１の蛍光体と、この第１の蛍光体と発光素子の少なくとも一方からの光を吸収してその少なくとも一方からの光のピーク波長より長波長側にピーク波長を有する光を発する第２の蛍光体とを用意し、第１の蛍光体の上方に対向するように発光素子を配置し、第１の蛍光体を負に帯電させて、正に帯電した発光素子の表面に第１の蛍光体を静電吸着させて第１の蛍光体の層を形成した後、第２の蛍光体を含む封止部材によって発光素子および第１の蛍光体の層を封止することを特徴とする、発光装置の製造方法。
- 前記発光素子が４２０ｎｍ以上且つ４９０ｎｍ未満の領域にピーク波長を有する光を発する発光素子であり、前記第１の蛍光体が４９０ｎｍ以上且つ５９０ｎｍ未満の領域にピーク波長を有する光を発する蛍光体であり、前記第２の蛍光体が５９０ｎｍ以上且つ７８０ｎｍ以下の領域にピーク波長を有する光を発する蛍光体であることを特徴とする、請求項１に記載の発光装置の製造方法。
- 前記封止部材に前記第２の蛍光体を分散させることを特徴とする、請求項１または２に記載の発光装置の製造方法。
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