JP5044194B2 - 発光ダイオードモジュール - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードモジュールに係り、より詳細には、紫外線光または青色光を放出する発光ダイオード及び蛍光物質を使用して白色光や他の単色光を具現するに当たって、照明効率が向上するように構造を改善した発光ダイオードモジュールに関する。

発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ等の化合物半導体を利用して発光源を構成することによって、多様な色の光を発生させる半導体発光素子である。ＬＥＤは、半導体レーザに比べて製造及び制御が容易であり、かつ、蛍光灯に比べて長寿命であるので、蛍光灯に代えて次世代ディスプレイ装置の照明用の光源として注目されている。最近、物理的、化学的特性に優れた窒化物を利用して具現された青色発光ダイオード及び紫外線発光ダイオードが登場し、また、青色または紫外線発光ダイオード及び蛍光物質を利用して白色光または他の単色光が作れることによって、発光ダイオードの応用範囲が広がっている。

蛍光物質を利用したＬＥＤモジュールは、青色または紫外線ＬＥＤから放出された光が蛍光物質に入射された後、蛍光物質にエネルギーを伝達することによって、入射された光より長波長の光を放出させる原理によって白色光または他の単色光を作る。例えば、白色ＬＥＤモジュールにおいては、ＬＥＤチップから放出される紫外線が蛍光物質を励起し、これにより、蛍光物質から光の三原色、すなわち、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の可視光が放出されるか、または黄色（Ｙ）及び青色（Ｂ）の可視光が放出される。このとき、蛍光物質から放出される可視光は、蛍光物質の組成によって変わり、このような可視光は、互いに混合されて人間の目には白色光に見える。

図１は、従来のＬＥＤモジュールの構造を示す図面である。図１に示すように、ＬＥＤモジュールは、発光チップ１がベース６の内部の凹状のスロットに配置され、第１レジン層３がベース６の内部にコーティングされた後、蛍光物質からなる第２レジン層４及び第３レジン層５がコーティングされた構造になっている。

しかし、このような構造は、光抽出効率が低いという問題がある。光抽出効率とは、発光チップ１から発生した光が外部に放出される比率を意味し、光抽出効率は、ＬＥＤモジュールの性能を表す指数である照明効率と直接的に関連する。

図２は、図１のＬＥＤモジュールの構造で、蛍光物質により励起された光路を示す図面である。図２に示すように、発光チップから放出されて蛍光物質により励起された光は、全方向に発光される。したがって、蛍光物質により励起された光のうち、外部に放出されずに下側に励起された光の場合、損失として作用するので、照明効率が低くなるという問題点がある。

したがって、本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであって、高い照明効率を有する構造のＬＥＤモジュールを提供するところにその目的がある。

本発明の第１の形態においては、前記発光チップから放出された光を前記光の波長より長波長の光に励起させる蛍光物質からなる蛍光層と、前記発光チップと前記蛍光層との間に配置されて、前記蛍光層で励起された光を反射させ、前記発光チップと対向する面に凹凸パターンが形成されている反射板と、前記反射板と前記蛍光層との間に備えられ、前記反射板の屈折率より大きい屈折率を有する上部レジン層と、を備えることを特徴とする発光ダイオードモジュールを提供する。
本発明の第２の形態においては、発光チップと、前記発光チップから放出された光を前記光の波長より長波長の光に励起させる蛍光物質からなる蛍光層と、前記発光チップと前記蛍光層との間に配置されて、前記蛍光層で励起された光を反射させる反射板と、前記発光チップと前記反射板との間に備えられ、前記反射板の屈折率より小さな屈折率を有する第１レジン層と、前記反射板と前記蛍光層との間に備えられ、前記反射板の屈折率より大きい屈折率を有する第２レジン層と、を備え、前記反射板の前記蛍光層と対向する面及び前記発光チップと対向する面は、平面になる発光ダイオードモジュールを提供する。
本発明の第３の形態においては、発光チップと、前記発光チップから放出された光を前記光の波長より長波長の光に励起させる蛍光物質からなる蛍光層と、前記発光チップと前記蛍光層との間に配置されて、前記蛍光層で励起された光を反射させる反射板と、を備え、前記反射板の前記蛍光層と対向する面及び前記発光チップと対向する面は、平面になり、前記反射板は、屈折率の異なる物質からなる複数の層からなり、前記反射板をなす複数の層は、前記蛍光層に近い層であるほど、屈折率がさらに大きい発光ダイオードモジュールを提供する。

本発明に係るＬＥＤモジュールは、発光チップ及び蛍光層を使用して白色光または単色光を具現するに当って、蛍光層と発光チップとの間に、蛍光層で励起された光を反射させる反射板を採用することによって照明効率が向上する。また、反射板の少なくとも何れか一面に微細形状の凹凸パターンを形成することによって、照明効率の向上効果を倍加させる。

以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
図３は、本発明の実施形態によるＬＥＤモジュールの構造を示す概略的な断面図であり、図４Ａないし図４Ｄは、図３のＬＥＤモジュールに採用される反射板の実施形態を示す図面である。

図面を参照すれば、ＬＥＤモジュールは、発光チップ２２と、発光チップ２２から放出された光を励起源として、発光チップ２２からの光の波長より長波長の光を放出する蛍光層２５と、蛍光層２５と発光チップ２２との間に配置されて、蛍光層２５で励起された光を反射させる反射板２８とを備える。

発光チップ２２は、カップ状の内面３３ａを有するディスペンシング部材（ｄｉｓｐｅｎｓｉｎｇ ｍｅｍｂｅｒ）３３の内部に載置されたサブマウント３４上に配置されている。ディスペンシング部材３３の下部には、第１リードフレーム３７及び第２リードフレーム４０がディスペンシング部材３３により固定されるように設けられている。

第１リードフレーム３７及び第２リードフレーム４０は、発光チップ２２のｎ電極及びｐ電極にそれぞれ電気的に連結される。

発光チップ２２は、ｐ型半導体層、活性層及びｎ型半導体層を備える構造であって、第１リードフレーム３７及び第２リードフレーム４０を通じて発光チップ２２のｎ電極とｐ電極との間に電圧が印加されれば、ｐ型半導体層の正孔及びｎ型半導体層の電子が活性層で結合して光が生成される。このように生成された光は、発光チップ２２の外へ放出される。

このとき、発光チップ２２で生成される光の波長は、活性層の材質及び構造によって決定され、ＬＥＤモジュールで具現しようとする光波長の如何によって決定される。

発光チップ２２で生成されて放出された光は、反射板２８を経て蛍光層２５に入射される。蛍光層２５は、蛍光物質からなっており、入射された光が蛍光物質にエネルギーを伝達して光を励起させる原理により色が変換される。すなわち、発光チップ２２と蛍光層２５との適切な組合わせにより、ＬＥＤモジュールで白色光または単色光が具現される。

例えば、白色光を具現する一般的な方法の一つとして、発光チップ２２は、青色光を生成するように構成され、蛍光層２５は、黄色蛍光物質からなるものでありうる。他の方法として、発光チップ２２は、紫外線光を生成するように構成され、蛍光層２５は、赤色、緑色、及び青色蛍光物質の混合でなりうる。

また、発光チップ２２は、紫外線光または青色光を生成するように構成され、蛍光層２５は、単色蛍光物質からなって、発光チップ２２で生成された光より長波長の単色光を発光するＬＥＤモジュールとして応用されてもよい。

反射板２８は、発光チップ２２と蛍光層２５との間に配置されており、反射板２８の蛍光層２５と対向する上面には、凹凸パターンが形成されている。

図４Ａに示すように、凹凸パターンは、四角柱状に凹んでいるパターンになっている。図示された反射板２８の凹凸パターンは、例示的なものであり、同じ形状の凸状のパターンであるか、または他の形状のパターンも可能である。すなわち、図３のＬＥＤモジュールには、図４Ｂのように、半球形状に凹んでいる凹凸パターンが形成された反射板２９が採用されてもよい。さらに、多角柱状に凹んでいる凹凸パターンが形成された反射板（図示せず）が採用されてもよい。

また、凹凸パターンは、反射板２８，２９の蛍光層と対向する上面に形成されてもよく、反射板２８，２９の発光チップ２２と対向する下面に形成されてもよい。

発光チップ２２と反射板３１との間には、第１レジン層４３が設けられうる。第１レジン層４３は、発光チップ２２を保護し、さらに発光チップ２２の屈折率と発光チップ２２外部の屈折率との差を減らすためのものである。第１レジン層４３の屈折率が、発光チップ２２の屈折率と近い値になるほど、発光チップ２２と外部の境界面２２ａで全反射が減って、発光チップ２２の外部に放出される光が多くなる。

反射板２８，２９と蛍光層２５との間には、第２レジン層４６が備えられうる。

一方、反射板２８，２９の凹凸パターンが形成されていない一面では、屈折率及び入射角の如何によって全反射が起こりうるので、損失として作用しうる。したがって、例えば、反射板２８，２９の蛍光層２５と対向する上面にのみ凹凸パターンが形成され、反射板２８，２９の発光チップ２２と対向する下面が平面になっていれば、第１レジン層４３の屈折率は、反射板２８，２９の屈折率より小さな値を有することが望ましい。

また、反射板２８，２９の発光チップ２２と対向する下面にのみ凹凸パターンが形成され、反射板の蛍光層２５と対向する面が平面になっていれば、第２レジン層４６の屈折率は、反射板２８，２９の屈折率より大きい値を有することが望ましい。

図４Ｃに示すように、反射板３０は、蛍光層２５と対向する上面及び発光チップ２２と対向する下面が何れも平面になったものも可能である。この場合、第１レジン層４３の屈折率は、反射板３０の屈折率より小さく、また第２レジン層４６の屈折率は、反射板３０の屈折率より大きいことが、発光チップ２２から放出される光の反射板３０との境界で全反射による損失を減らしうるので望ましい。また、蛍光層２５で励起されて放出された光の側面から見れば、反射板３０によって全反射される光が多くなるので望ましい。

図４Ｄに示すように、反射板３１は、屈折率の異なる物質からなる複数の層からなることも可能である。この場合、前述したように、発光チップ２２から放出された光が、反射板３１、蛍光層２５を経て外部に放出されるに当って、全反射による損失が最小化され、また、蛍光層２５で励起される光において、反射板３１により全反射される量が多くなるように、蛍光層２５に近く配置される層であるほど屈折率が大きいことが好ましい。

図５は、発光チップ２２から放出され、蛍光層２５で励起される光路を示す図面である。図５に示すように、発光チップ２２から放出された光は、反射板２８を経て蛍光層２５に入射する。

蛍光層２５に入射された光は、蛍光物質にエネルギーを伝達した後、長波長の光に励起される。励起された光は、蛍光層２５の上部のみだけでなく、下部を含んで全方向に放出される。このとき、蛍光層２５と発光チップ２２との間に配置された反射板２８は、蛍光層２５から外部に放出されず、反射板２８側に入射される光を再反射させるので、結果的に照明効率を高める役割を担う。

また、反射板２８に形成された凹凸パターンは、蛍光層２５で励起された光を効果的に散乱させて外部に放出させるので、さらに望ましい構造になる。反射板２８の材質や、凹凸パターンにおいて形状のサイズ及び配列周期は、発光チップ２２から放出される光の波長、蛍光層２５で励起される光の波長及びその他の特性との関係を考慮して適切に決定できる。

反射板２８ないし３１の材質としては、例えば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＺｎＳｅのような材質が使用されうる。

表１は、本発明の実施形態によるＬＥＤモジュールの照明効率（実施例）を従来のＬＥＤモジュールの照明効率（比較例）と比較した表である。

実験で使用されたＬＥＤモジュールでは、波長が約４００ｎｍの光を放出する発光チップと赤色蛍光物質、緑色蛍光物質、及び青色蛍光物質の混合からなる蛍光層が使用された。第１レジン層及び第２レジン層としてシリコンレジンが使用され、反射板の凹凸パターンは、図４Ｂのようなパターンが使用された。発光チップから放出された光は、蛍光層に入射されて赤色、青色、緑色の光を励起させ、前記励起された光が混合されて白色光を形成した場合である。

ＬＥＤモジュールの性能を表す指数として照明効率が使用され、これは、供給した１ワットの電力当り、人間の目が感じる輝度（ｌｕｍｅｎ：ｌｍ）値を意味する。本発明の実施例によるＬＥＤモジュールの照明効率は、２６．６ｌｍ／Ｗであり、従来の構造のＬＥＤモジュールの２２．７ｌｍ／Ｗに比べて約１７％向上したことが分かる。

このような本発明のＬＥＤモジュールは、理解を容易にするために、添付された図面に示す実施形態を参考として説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点が理解できる。したがって、本発明の真の保護範囲は、特許請求の範囲によって決まらねばならない。

本発明は、発光ダイオードモジュール関連の技術分野に適用可能である。

従来のＬＥＤモジュールを示す概略的な断面図である。 図１のＬＥＤモジュールで、蛍光層で励起された光が放出される経路を示す概略図である。 本発明の実施形態に係るＬＥＤモジュールを示す概略的な断面図である。 本発明に採用される反射板の実施形態を示す図面である。 本発明に採用される反射板の実施形態を示す図面である。 本発明に採用される反射板の実施形態を示す図面である。 本発明に採用される反射板の実施形態を示す図面である。 本発明の実施形態に係る図３のＬＥＤモジュールで、蛍光層で励起された光が放出される経路を示す概略図である。

符号の説明

２２ 発光チップ、
２２ａ 境界面、
２５ 蛍光層、
２８ 反射板、
３３ ディスペンシング部材、
３３ａ 内面、
３４ サブマウント、
３７ 第１リードフレーム、
４０ 第２リードフレーム、
４３ 第１レジン層、
４６ 第２レジン層。

Claims (10)

1. 発光チップと、
   前記発光チップから放出された光を前記光の波長より長波長の光に励起させる蛍光物質からなる蛍光層と、
   前記発光チップと前記蛍光層との間に配置されて、前記蛍光層で励起された光を反射させ、前記発光チップと対向する面に凹凸パターンが形成されている反射板と、
   前記反射板と前記蛍光層との間に備えられ、前記反射板の屈折率より大きい屈折率を有する上部レジン層と、を備えることを特徴とする発光ダイオードモジュール。
2. 前記発光チップは、紫外線光を放出し、
   前記蛍光層は、可視光を放出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モジュール。
3. 前記蛍光層は、赤色、緑色、及び青色の蛍光物質が混合されてなることを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオードモジュール。
4. 前記発光チップは、青色光を放出し、
   前記蛍光層は、黄色蛍光物質からなることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードモジュール。
5. 前記凹凸パターンは、半球形状に凹んでいる凹凸パターンまたは多角柱状に凹んでいる凹凸パターンであることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の発光ダイオードモジュール。
6. 前記反射板は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＺｎＳｅから選択された何れか一つの材質からなることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の発光ダイオードモジュール。
7. 前記反射板の前記蛍光層と対向する面は、平面になることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の発光ダイオードモジュール。
8. 前記発光チップと前記反射板との間に備えられ、前記反射板の屈折率より小さな屈折率を有する下部レジン層を、更に備えることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の発光ダイオードモジュール。
9. 発光チップと、
   前記発光チップから放出された光を前記光の波長より長波長の光に励起させる蛍光物質からなる蛍光層と、
   前記発光チップと前記蛍光層との間に配置されて、前記蛍光層で励起された光を反射させる反射板と、
   前記発光チップと前記反射板との間に備えられ、前記反射板の屈折率より小さな屈折率を有する第１レジン層と、
   前記反射板と前記蛍光層との間に備えられ、前記反射板の屈折率より大きい屈折率を有する第２レジン層と、
   を備え、
   前記反射板の前記蛍光層と対向する面及び前記発光チップと対向する面は、平面になる ことを特徴とする発光ダイオードモジュール。
10. 発光チップと、
    前記発光チップから放出された光を前記光の波長より長波長の光に励起させる蛍光物質からなる蛍光層と、
    前記発光チップと前記蛍光層との間に配置されて、前記蛍光層で励起された光を反射させる反射板と、
    を備え、
    前記反射板の前記蛍光層と対向する面及び前記発光チップと対向する面は、平面になり、
    前記反射板は、屈折率の異なる物質からなる複数の層からなり、
    前記反射板をなす複数の層は、前記蛍光層に近い層であるほど、屈折率がさらに大きい
    ことを特徴とする発光ダイオードモジュール。

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