JP4805019B2

JP4805019B2 - 発光ダイオードの製造方法

Info

Publication number: JP4805019B2
Application number: JP2006142427A
Authority: JP
Inventors: 龍次鈴木; 健佐久間
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2026-05-23
Also published as: JP2007317690A

Description

本発明は、発光ダイオード素子と複数種類の蛍光体とを組み合わせた発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す。）の製造方法に関する。

ＬＥＤは、高い発光効率が得られ、またＬＥＤ素子と蛍光体とを組み合わせることで白色光が得られることから、近年、照明用光源として使用され始めている。照明用光源としては、白色ＬＥＤが使用されているが、照明用光源として使用するには多数の白色ＬＥＤを配置し、色、明るさが均一の光源である必要がある。多数の白色ＬＥＤを配置して光源とする場合は、個々のＬＥＤの色度ばらつきが問題となる。

白色ＬＥＤは、青色ＬＥＤ素子から発する青色光により蛍光体を励起し、蛍光体からの発光と青色ＬＥＤ素子からの青色光の混色により白色光を得る。一般に白色ＬＥＤは、青色ＬＥＤ素子と黄色蛍光体とを組み合わせることで白色光を得ることができるが、複数の蛍光体を使用することにより、演色性の高い白色光とすることもできる。青色ＬＥＤ素子を実装したＬＥＤパッケージに塗布する蛍光体の量により、白色ＬＥＤの発光色が決まるが、蛍光体の量を一定にすることで色度ばらつきを抑えることができる。色度ばらつきを抑えるＬＥＤの作製方法としては、例えば特許文献１が提案されている。

特許文献１に開示された、蛍光体含有する樹脂の温度を一定、攪拌しながら、その密度を保持したままＬＥＤパッケージに塗布する作製方法である。しかし、特性ばらつきを低減させるには不十分である。
特開平１０−２３３５３３号公報

白色ＬＥＤに複数種類の蛍光体を使用した場合、樹脂中の蛍光体分布のばらつきにより、得られる白色ＬＥＤの特性ばらつきが発生する。樹脂中の蛍光体の分布が均一ではなく、分布に偏りをもったままＬＥＤに実装すると、蛍光体比率や濃度がばらつくため、白色ＬＥＤの色度や明るさにばらつきが発生する。
発光特性ばらつきの小さい白色ＬＥＤを作製するためには、樹脂中の蛍光体の分布をできるだけ均一にする必要がある。さらに樹脂中の蛍光体分布を一定にする方法が必要である。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、ＬＥＤ素子と組み合わせる複数種類の蛍光体を透明樹脂に混ぜて実装する際に、蛍光体の分布状態を均一とし、得られるＬＥＤの色度ばらつきを低減させることが可能な製造方法の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、ＬＥＤ素子の光出力側に、複数種類の蛍光体粉末を透明材料に分散した蛍光体分散層を積層してＬＥＤを製造する方法において、複数種類の蛍光体粉末を粉末状態のまま均一に混合して混合粉末とし、次いで得られた混合粉末について発光特性の測定を行い、得られた混合粉末の発光スペクトルと使用する発光ダイオード素子の発光スペクトルとにより、これらを組み合わせた後に得られる発光ダイオードの発光色の色度座標を計算し、算出した色度が目的の値と異なる場合には、混合粉末にいずれか１種類以上の蛍光体粉末を適量追加して再度均一に混合し、色度補正操作を１回以上行って色度補正後の混合粉末を作製し、次いで前記色度補正後の混合粉末の所定量を未硬化の透明材料に混合して混練し、次いでこの蛍光体含有材料をＬＥＤ素子の光出力側に適量実装し、透明材料を硬化させて蛍光体分散層を形成することを特徴とするＬＥＤの製造方法を提供する。

ＬＥＤ素子が青色ＬＥＤ素子であり、複数種類の蛍光体粉末が少なくとも黄色蛍光体と緑色蛍光体を含み、これらの組み合わせによって白色ＬＥＤを製造することが好ましい。

本発明の製造方法は、複数種類の蛍光体を粉末状態で混合してから、樹脂に混練することにより、樹脂内の蛍光体分布が均一になるため、白色ＬＥＤの特性ばらつきを低減させることができる。
また、混合した蛍光体の特性から作製するＬＥＤの色度座標が確認できるので、事前に蛍光体粉末状態で色度調整ができる。
また、すでに混練した状態の蛍光体を透明樹脂に混練する作業だけなので、作製毎に蛍光体を混合する必要がないため、製造毎の蛍光体比率割合のばらつきを小さくすることができる。

以下、図面を参照して本発明によるＬＥＤの製造方法の実施形態を説明する。
図１は、本発明により製造するＬＥＤの一例を示す断面図である。このＬＥＤ１は、擂り鉢状の凹部が設けられたＬＥＤパッケージ２と、該ＬＥＤパッケージ２の凹部底面に設けられた一対の電極３と、一方の電極３上に実装されたＬＥＤ素子４と、ＬＥＤ素子４の上部端子と他方の電極とを電気的に接続しているワイヤ５（金細線）と、ＬＥＤ素子４を封止するように凹部内に実装された蛍光体７入りの透明樹脂６とを備えて構成されている。透明樹脂６には、発光の色度が異なる複数種類の蛍光体が均一に分散されている。

本発明の好ましい実施形態として、ＬＥＤ素子４が青色ＬＥＤ素子であり、複数種類の蛍光体７が少なくとも黄色蛍光体と緑色蛍光体とを含み、これらの組み合わせによって白色ＬＥＤを製造する場合が挙げられる。

本実施形態のＬＥＤの製造方法では、複数種類の蛍光体粉末を粉末状態のまま均一に混合して混合粉末とし、次いで該混合粉末の所定量を未硬化の透明樹脂に混合して混練し、次いでこの蛍光体含有材料を、ＬＥＤ素子４を封止するようにＬＥＤパッケージ２の凹部内に適量実装し、次いで透明樹脂６を硬化させ、透明樹脂６中に蛍光体７が均一に分散した蛍光体分散層を形成してＬＥＤ１を製造する。

このように、複数種類の蛍光体を透明樹脂に混練する前に、あらかじめ十分に混合し、透明樹脂に混練することにより、蛍光体分布を一定にし、発光特性のばらつきが小さい白色ＬＥＤを提供することができる。また、あらかじめ均一に混合された蛍光体を測定することで、目標となる白色ＬＥＤの蛍光体の配合比率を調整することができる。また、混合した蛍光体を多量に用意しておけば、常に同じ配合比率で混合された蛍光体を使用することができるので、製造毎の特性ばらつきも小さくすることができる。

本実施形態のＬＥＤの製造方法において、蛍光体の処理方法の一例を説明する。
まず、使用する複数の蛍光体を適量秤量し、スチロール棒瓶に混合用のアルミナビーズと一緒に入れて、スチロール棒瓶を振り、蛍光体粉末を十分に混合する。
蛍光体粉末が十分に混合されたら、スチロール棒瓶からアルミナビーズを取り出し、蛍光分光光度計にて混合粉末の発光特性を測定する。

次に、測定した前記混合粉末と青色ＬＥＤの発光スペクトルより、白色ＬＥＤの色度座標を計算する。混合した蛍光体と青色ＬＥＤから、図２に示すように、作製する白色ＬＥＤの色度を計算する。図２は、ＣＩＥ１９３１ｘｙ色度図上に、青色ＬＥＤ素子から発する光の色度と、混合粉末の蛍光の色度測定値とから、得られる白色ＬＥＤの色度を推定する方法を説明するグラフである。図２中「白色ＬＥＤ」と記載した領域は、白色（昼光色、昼白色、白色、温白色及び電球色）の座標領域を示している。青色ＬＥＤ素子の色度と、混合粉末の蛍光の色度測定値とを色度図上にそれぞれプロットし、両方の点を結ぶ直線を引き、その直線が白色ＬＥＤの領域に入れば、青色ＬＥＤ素子と蛍光体との組み合わせによって、白色ＬＥＤが製造できると推定される。

この色度推定の結果、目的とする白色（昼光色、昼白色、白色、温白色又は電球色）と異なる場合は、混合粉末中の各蛍光体粉末の配合比率を適宜調整し、得られた混合粉末の色度を前記と同様に測定し、その測定値を色度図上にプロットし、青色ＬＥＤ素子の座標と直線で結ぶことで、目的とする白色が得られるか否かを推定する色度補正操作によって調整することができる。この色度補正操作は、目的とする白色が得られるまで、必要回数繰り返すことができる。

所望の白色ＬＥＤになるような蛍光体比率を持った混合粉末が得られたなら、その混合粉末の一部を採り、透明樹脂、例えばシリコーン樹脂に混ぜる。シリコーン樹脂は主材と硬化材からなる２液性の樹脂で混合したときから、樹脂硬化が始まり、粘度変化が起こる。

複数種類の蛍光体粉末を透明樹脂に別個に入れてから、透明樹脂中の蛍光体割合と蛍光体分布が均一に分散するように混ぜた場合、混ぜている間も樹脂硬化による粘度変化が起こってしまい、透明樹脂の粘度変化により塗布装置での蛍光体入り樹脂の塗布量にばらつきができ、白色ＬＥＤの色度ばらつきが発生してしまう。

本発明の製造方法では、すでに所望の色度になるように複数種類の蛍光体が均一な分布で混合された混合粉末の状態とするので、透明樹脂に混合粉末を均一に混ぜる作業だけでよいため、混練作業が短時間で済み、透明樹脂の粘度変化も小さい。

次に、蛍光体を分散した透明樹脂を塗布装置にセットし、透明樹脂の温度を一定にした状態で、攪拌装置で樹脂の混練を行いながら、青色ＬＥＤ素子を実装したＬＥＤパッケージの凹部内に適量実装する。均一に蛍光体が混練された透明樹脂を塗布装置によって一定量ＬＥＤパッケージの凹部内に実装することで、色度ばらつきの小さい白色ＬＥＤを作製することができる。使用する蛍光体の種類が多いほど、蛍光体の不均一により、蛍光体分布によるＬＥＤ色度ばらつきが発生しやすくなるが、本発明によれば蛍光体の分散不均一による色度ばらつきを小さくすることができる。

図１に示すような外径３．２ｍｍ×２．８ｍｍ×１．９ｍｍの表面実装型ＬＥＤパッケージの凹部内に、発光中心波長４５０ｎｍの青色ＬＥＤ素子を実装した。表面実装型ＬＥＤパッケージの凹部の寸法は、底面直径１．７ｍｍ、反射面傾斜角度６７．５度、凹部上面直径２．４ｍｍであり、凹部内に蛍光体を混練した透明樹脂を塗布し、硬化させることで白色ＬＥＤを作製する。

［実施例］
緑色蛍光体粉末１．０ｇ、黄色蛍光体粉末０．８ｇをスチロール棒瓶に混合用のアルミナビーズと一緒に入れて、十分に蛍光体粉末が混合するように、スチロール棒瓶を１０分間程度振り、混合した。その後、アルミナビーズを取り出し、混合され得た蛍光体粉末を蛍光分光光度計にて測定を行い、測定したデータより蛍光体粉末の色度座標の計算を行った。青色ＬＥＤ素子と蛍光体粉末の色度座標を結んだ線が、作製される白色ＬＥＤの色度の目安になる。目標となる白色のラインでは無かったため、混合蛍光体に黄色蛍光体を加えて、同様の操作を繰り返した。緑色蛍光体粉末１．０ｇ、黄色蛍光体粉末１．０ｇの混合粉末で測定した場合に、作製する白色ＬＥＤの色度座標を通る図３に示すようなラインとなった。混合した蛍光体０．３ｇとシリコーン樹脂３．６ｇを混練し、樹脂を撹拌、温度を一定にする機能を持つ塗布装置により、ＬＥＤパッケージに所望の色度になる量の蛍光体入り樹脂を塗布し、１５０度で１時間加熱し、硬化させた。硬化後に作製したＬＥＤの色度の測定を行った。色度分布を図４に示す。色度のばらつきは、色度ｘでσ＝０．００２、色度ｙでσ＝０．００３であった。蛍光体粉末での測定結果と色度座標が異なっているが、ＬＥＤに実装する際のシリコーン樹脂及び、樹脂内の蛍光体濃度により色度座標のずれが起こっている。蛍光体粉末とＬＥＤでの色度のずれを一度確認しておけば、同じ蛍光体で蛍光体粉末の状態で色度の微調整（補正）が可能である。

［比較例］
実施例と同じ蛍光体量となるように、緑色蛍光体０．１５ｇ、黄色蛍光体０．１５ｇをシリコーン樹脂３．６ｇに混練し、実施例と同じ塗布装置により、ＬＥＤパッケージに同量塗布し、１５０度で１時間加熱し、樹脂を硬化させた。作製後にＬＥＤの色度の測定を行った。色度分布を図５に示す。色度のばらつきは、色度ｘでσ＝０．００４、色度ｙでσ＝０．００６であった。
同じ装置、同じ条件で塗布したが、実施例のように蛍光体を粉末状態で十分に混合してから実装すると、比較例１の場合よりも色度ばらつきが小さくなることが実証された。

ＬＥＤの一例を示す断面図である。本発明の方法における蛍光体とＬＥＤ素子の各色度から、得られるＬＥＤの色度を推定する方法を説明するための色度図である。本発明に係る実施例において、蛍光体と青色ＬＥＤ素子の各色度と、得られた白色ＬＥＤの色度との関係を示す色度図である。実施例で製造した白色ＬＥＤの色度分布を示す図である。比較例で製造した白色ＬＥＤの色度分布を示す図である。

符号の説明

１…ＬＥＤ、２…ＬＥＤパッケージ、３…電極、４…ＬＥＤ素子、５…ワイヤ、６…透明樹脂、７…蛍光体。

Claims

発光ダイオード素子の光出力側に、複数種類の蛍光体粉末を透明材料に分散した蛍光体分散層を積層して発光ダイオードを製造する方法において、
複数種類の蛍光体粉末を粉末状態のまま均一に混合して混合粉末とし、
次いで得られた混合粉末について発光特性の測定を行い、得られた混合粉末の発光スペクトルと使用する発光ダイオード素子の発光スペクトルとにより、これらを組み合わせた後に得られる発光ダイオードの発光色の色度座標を計算し、算出した色度が目的の値と異なる場合には、混合粉末にいずれか１種類以上の蛍光体粉末を適量追加して再度均一に混合し、色度補正操作を１回以上行って色度補正後の混合粉末を作製し、
次いで前記色度補正後の混合粉末の所定量を未硬化の透明材料に混合して混練し、次いでこの蛍光体含有材料を発光ダイオード素子の光出力側に適量実装し、透明材料を硬化させて蛍光体分散層を形成することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
発光ダイオード素子が青色発光ダイオード素子であり、複数種類の蛍光体粉末が少なくとも黄色蛍光体と緑色蛍光体を含み、これらの組み合わせによって白色発光ダイオードを製造することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードの製造方法。