JP6045779B2 - 波長変換構造及びその製造方法並びに該波長変換構造を含む発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、波長変換構造及びその製造方法に関し、特に、高い光取り出し効率を有する波長変換構造及びその製造方法、並びに該波長変換構造を含む発光装置に関する。

近年、エネルギー問題がますます重視されており、様々な新型の省エネ照明器具が開発されている。そのうち、発光ダイオード（ＬＥＤ）が、発光効率が高く、電気消費量が少なく、水銀が無く、及び使用寿命が長いなどの利点を有し、次世代の照明器具になりつつある。

照明用白色ＬＥＤについて言えば、一般的には、ＬＥＤチップが蛍光粉と併せて用いられる。例えば、青色ＬＥＤチップによる青色光を使用することにより、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet；Y₃Al₅O₁₂）黄色蛍光粉を励起して黄色光を発光させ、それから、両者を混合して白色光を生成する。

よくある蛍光粉塗布方法としては、絶縁保護コーティング（conformal coating）とリモートフォスファ（remote phosphor）技術との２種類がある。絶縁保護コーティングは、蛍光粉をＬＥＤチップに直接塗布して蛍光粉層を形成するよう行うものである。蛍光粉をＬＥＤチップに直接塗布するので、この種類の塗布方法は、厚みが比較的均一である利点を有する。しかし、ＬＥＤチップ及びそのキャリアが蛍光粉層から発した光を吸収することがあるので、全体の発光効率が低下することがある。また、蛍光粉がＬＥＤチップと直接接触するので、ＬＥＤチップが作動時に１００℃〜１５０℃の高温状態になる場合には、蛍光粉層が次第に変質劣化し、変換効率に悪い影響を与える可能性がある。

リモートフォスファ技術は、上述の絶縁保護コーティングの問題を解決するために行うものである。リモートフォスファ技術によるＬＥＤ発光素子の蛍光粉層とＬＥＤチップとが分離されるので、蛍光粉層から発した光をＬＥＤチップにより直接吸収することをできる限り避けることができる。また、蛍光粉層がＬＥＤチップから離れる方式で設置されるので、蛍光粉層中の蛍光粉は、ＬＥＤチップの作動時の高温による劣化が生じ難い。

蛍光粉粒子がＬＥＤチップからの光を受けると励起されて他の種類の色の光を生成することができる。しかし、蛍光粉粒子の励起により生成された光は、全ての方向に向かい、もちろん、内に向かって伝播する光も含む。そのため、パッケージ用樹脂と蛍光粉との屈折率が異なる場合には、全反射が起こりやすく、発光効率が低下する。

本発明の目的は、高い光取り出し効率を有する波長変換構造及びその製造方法、並びに該波長変換構造を有する発光装置を提供することにある。

本発明の一実施例によれば、波長変換構造が提供される。この波長変換構造は、第一領域と第二領域とを含む蛍光粉層であって、第二領域は第一領域の上に位置し、且つ第一領域及び第二領域はそれぞれ隙間を有する蛍光粉層と、蛍光粉層の第一領域の隙間に形成される第一材料層と、蛍光粉層の第二領域の隙間に形成される第二材料層とを含む。

本発明の一実施例によれば、波長変換構造が提供される。この波長変換構造は、第一材料層と、第二材料層と、複数の蛍光粉粒子とを含み、第二材料層は第一材料層の上に位置し、複数の蛍光粉粒子は第一材料層及び第二材料層内に分散される。

本発明の他の一実施例によれば、波長変換構造の製造方法が提供される。この波長変換構造の製造方法は、基板を提供するステップと、基板の上に蛍光粉層を形成するステップであって、蛍光粉層は第一領域と第二領域とを含み、第二領域は第一領域の上に位置し、且つ第一領域及び第二領域はそれぞれ隙間を有するステップと、第一領域の隙間に第一材料層を形成するステップと、第二領域の隙間に第二材料層を形成するステップとを含む。

本発明の他の一実施例によれば、発光装置が提供される。この発光装置は、キャリアと、キャリアの上に設置される発光素子と、発光素子を覆い且つキャリアの上に設置される第一導光層と、第一導光層の上に位置する波長変換構造とを含み、波長変換構造は、導電基板と、第一領域と第二領域とを含む蛍光粉層であって、第一領域は第一導光層の上に位置し、第二領域は第一領域の上に位置し、且つ第一領域及び第二領域はそれぞれ隙間を有する蛍光粉層と、蛍光粉層の第一領域の隙間に形成される第一材料層と、蛍光粉層の第二領域の隙間に形成される第二材料層とを含む。

本発明の実施例によれば、高い光取り出し効率を有する波長変換構造及びその製造方法、並びに該波長変換構造を有する発光装置を提供することができる。

本発明の一実施例における波長変換構造を示す図である。 本発明の一実施例における蛍光粉層の第一領域及び第二領域を示す図である。 第二領域に充填される第二材料層の上表面が蛍光粉層の頂面より高い様子を示す図である。 基板に蛍光粉層を形成する様子の電子顕微鏡による写真を示す図である。 第一領域に第一材料層を形成する様子の電子顕微鏡による写真を示す図である。 第二領域に第二材料層を形成する様子の電子顕微鏡による写真を示す図である。 本発明の一実施例における発光装置を示す図である。

次に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。

なお、本明細書では、一つの素子又は一つの材料層が他の素子又は他の材料層の上に設置（形成、配置など）又は接続（連結など）されるとのように記載するときは、この一つの素子又は一つの材料層が他の素子又は他の材料層上に直接的に設置（形成、配置など）又は接続（連結など）されること、或いは、他の素子又は他の材料層の上に間接的に設置（形成、配置など）又は接続（連結など）されること（即ち、両者の間は他の素子又は他の材料層を有すること）を意味する。また、一つの素子又は一つの材料層が他の素子又は他の材料層上に直接的に設置（形成、配置など）又は接続（連結など）されるとのように記載するときは、両者の間は他の素子又は他の材料層を有しないことを意味する。

図１は、本発明の一実施例における波長変換構造１０を示す図である。波長変換構造１０は、導電基板１０１と、蛍光粉層１０２と、第一材料層１０３と、第二材料層１０４とを含む。蛍光粉層１０２は、導電基板１０１の上に形成され、蛍光粉粒子からなり、また、蛍光粉粒子間は隙間を有する。蛍光粉層１０２は、第一領域１０５と第二領域１０６とを含み、第一領域１０５は、導電基板１０１の上に位置し、第二領域１０６は、第一領域１０５の上に位置し、また、第一領域１０５の厚みと第二領域１０６の厚みとの和は、蛍光粉層１０２の厚みと等しい。第一材料層１０３は、導電基板１０１の上に位置し、この第一材料層１０３は、無機化合物を第一領域１０５の隙間に充填し、厚みが蛍光粉層１０２の厚みより小さい薄層を形成することにより得られる。第二材料層１０４は、第一材料層１０３の上に位置し、この第二材料層１０４は、ゴム材料又はガラスを蛍光粉層１０２の第二領域１０６の隙間に充填することにより形成される。

導電基板１０１は、透明導電性を有し、その材料は、透明導電性無機化合物（ＴＣＯ）を含んでも良いが、これに限定されない。蛍光粉層１０２は、導電基板１０１の上に形成され、その材料は、黄色セラミック蛍光材料（即ち、励起されて黄色光を発光するセラミック蛍光材料）を含んでも良いが、これに限定されない。蛍光粉層１０２の蛍光粉粒子の粒径の範囲は、約２２５〜８２５ｎｍであり、蛍光粉粒子間は、隙間を有する。蛍光粉層１０２は、第一領域１０５と第二領域１０６とを含み、この第一領域１０５の厚みは、蛍光粉層１０２の厚みより小さく、第一領域１０５の厚みと蛍光粉層１０２の厚みとの比は、０．５〜１．９であり、また、この第二領域１０６の厚みは、蛍光粉層１０２の厚みから第一領域１０５の厚みを引いた後の値に等しい。

図２に示すように、無機化合物を第一領域１０５の蛍光粉粒子間の隙間に充填することによって上述の第一材料層１０３を形成する。無機化合物の材料は、例えば、金属酸化物であり、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化アルミニウム亜鉛（ＡＺＯ）又はインジウムガリウム亜鉛酸化物（ＩｎＧａＺｎＯ、ＩＧＺＯ）を含んでも良いが、これらに限定されない。蛍光粉層１０２の材料が黄色セラミック蛍光粉であると、その屈折率が約２であり、この場合は、無機化合物の材料は、好ましくは、該蛍光粉の屈折率に近いものを有する材料を採用し、例えば、屈折率が約１．８〜２である酸化亜鉛（ＺｎＯ）を使用しても良い。第一材料層１０３の屈折率と蛍光粉層１０２の屈折率とが近いため、材料間の屈折率が異なることによる発光効率の低下を有効に防止することができる。また、蛍光粉粒子間の隙間に充填される無機化合物は、粘着剤の役割を果たすこともでき、これにより、蛍光粉層１０２の機械的強度を向上させることができる。

また、ゴム材料を蛍光粉層１０２の第二領域１０６の隙間に充填することによって上述の第二材料層１０４を形成する。第二材料層１０４の材料は、屈折率が約１．４５であるシリカゲルを含んでも良いが、これに限定されない。言い換えると、本実施例におけるゴム材料は、シリカゲルであるが、他の実施例では、ゴム材料としては他の材料、例えば、ガラス（屈折率が１．５〜１．９）、樹脂（屈折率が１．５〜１．６）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２；屈折率が２．２〜２．４）、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２；屈折率が１．５〜１．７）、又はフッ化マグネシウム（ＭｇＦ；屈折率が１．３８）などを使用しても良い。また、第二材料層１０４は、屈折率が約１．３〜１．６である有機化合物又は無機化合物を含んでも良い。

本実施例では、第二領域１０６の厚みは、蛍光粉層１０２の厚みから第一領域１０５の厚みを引いた後の値と等しい。また、他の一実施例では、図３に示すように、第二材料層１０４の厚みが第二領域１０６の厚みより大きく、即ち、第二材料層１０４の頂面１２４が蛍光粉層１０２の頂面１２６より高く、これにより、波長変換構造１０の表面をさらに平坦化することができる。

以下、本実施例における波長変換構造１０の製造方法について説明する。先ず、導電基板１０１を電気泳動装置内に置き、この導電基板１０１は、例えば、ＩＴＯガラスであっても良い。図４のＳＥＭ写真に示すように、電気泳動技術により蛍光粉粒子をＩＴＯガラスの表面に堆積させることによって蛍光粉層１０２を形成する。本実施例における蛍光粉層１０２は、入射した光の波長を変換できる材料、例えば、蛍光材料を有する。蛍光粉層１０２の堆積方法は、電気泳動技術に限定されず、他の堆積方法、例えば、重力堆積方法を含んでも良い。次に、メッキにより透明な無機化合物（例えば、ＺｎＯ）を蛍光粉層１０２の第一領域１０５の隙間に充填することによって第一材料層１０３を形成する。蛍光粉の屈折率に近いものを有する透明な酸化物を充填することにより、光の散乱（scattering）による損失を減らして白色光の光取り出し効率を向上させることができる。図５のＳＥＭ写真に示すように、上述の無機化合物は、蛍光粉粒子の粘着剤の役割を果たすこともでき、これにより、蛍光粉層１０２の機械的強度を向上させることができる。第一材料層１０３の堆積厚みは、蛍光粉粒子及び又は隙間の大小に従って調整されても良い。第一材料層１０３の堆積方法は、メッキに限定されず、無機化合物を蛍光粉粒子間の隙間に充填できる他の方法、例えば、ＣＶＤ方法又はＳｏｌ−Ｇｅｌ方法を含んでも良い。最後に、図６のＳＥＭ写真に示すように、ゴム材料を蛍光粉層１０２の第二領域１０６の隙間に完全に充填する。ゴム材料を充填する方法は、当業者に良く知られているものであるため、ここでは、その詳細な説明を省略する。形成された波長変換構造１０は、ほぼ均一又は不均一な厚みを有する。

図７は、本発明の一実施例における発光装置２０を示す図である。発光装置２０は、パッケージ基板１１１と、発光ダイオード１１０と、筐体１１２と、導光層１１３と、波長変換構造１０とを含む。発光ダイオード１１０は、パッケージ基板１１１の上に位置する。導光層１１３は、パッケージ基板１１１と発光ダイオード１１０とを覆う。発光装置２０は、例えば、上述の実施例による波長変換構造１０を含む。波長変換構造１０と発光ダイオード１１０とが筐体１１２により分離され、蛍光粉が発光ダイオード１１０と直接接触せず、これにより、蛍光粉層から発した光を発光ダイオード１１０（ＬＥＤチップ）により直接吸収することをできる限り避けることができる。また、蛍光粉が発光ダイオード１１０から離れる方式で設置されるので、蛍光粉層中の蛍光粉は、発光ダイオード１１０の作動時の高温による劣化が生じ難い。

本実施例における導光層１１３は、光透過層であり、光取り出し効率を向上できる材料層を有するものであっても良い。本実施例では、導光層１１３は、複数の材料層を有し、また、勾配屈折率（gradient refractive index）を有する。本実施例では、導光層１１３の複数の材料層は、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４；屈折率ｎ_ａ＝１．９５）層と、酸化アルミニウム(Al₂O₃；屈折率ｎ_ｂ＝１．７)層と、シリコーン（silicone；屈折率ｎ_ｃ＝１．４５）層とからなるスタック層であっても良いが、他の実施例では、他の材料層の組合せを採用しても良い。層と層との屈折率の差が小さく、各層の屈折率が発光ダイオード１１０から離れる方向に沿って次第に減少する複数の材料層を利用することにより、光の全反射の発生を有効に抑えることができる。また、使用可能な材料としては、ガラス（屈折率が１．５〜１．９）、樹脂（屈折率が１．５〜１．６）、ＤＬＣ（diamond like carbon；屈折率が２．０〜２．４）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２；屈折率が２．２〜２．４）、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２；屈折率が１．５〜１．７）、又はフッ化マグネシウム（ＭｇＦ；屈折率が１．３８）などの組合せであっても良い。本実施例では、発光ダイオード１１０は、屈折率が２．４であるＧａＮの青色ＬＥＤチップを採用しても良い。よって、勾配屈折率を有し、且つ、層と層との屈折率の差が小さいスタック層を使用することにより、光の全反射の発生を有効に抑えることができる。

本実施例における発光装置２０では、導光層１１３の上に例えば上述の実施例による波長変換構造１０が設けられ、光が発光ダイオード１１０から発した後に導光層１１３を通過して波長変換構造１０に進入する。つまり、発光ダイオード１１０から発した光は、複数の材料層を有する導光層１１３を通過した後に、屈折率が比較的低い第二材料層１０４に入射し、それから、蛍光粉層１０２と、蛍光粉の屈折率に近いものを有する第一材料層１０３とに進入する。よって、屈折率の差が比較的小さいので、全反射による光の損失を有効に軽減することができる。また、無機化合物と蛍光粉粒子との屈折率が近いので、蛍光粉粒子間における光の散乱を低減することもできる。なお、本実施例における発光装置２０は、平板状のパッケージ構造であるが、他の実施例では、波長変換構造１０の導電基板１０１の形状が平板状に限定されず、凸レンズ状、凹レンズ状、又は三角錐状であっても良く、即ち、導電基板１０１の表面が平面、曲面、又は折れ曲がり面であっても良い。

表１は、本発明の一実施例による波長変換構造１０を有する発光装置２０の発光効率と、従来のリモートフォスファ技術によるＬＥＤ発光素子の発光効率とを比較するものである。具体的には、実験により、蛍光粉層１０２の隙間にシリカゲルのみを充填する従来のＬＥＤ発光素子の発光効率と、蛍光粉層１０２の隙間に無機化合物ＩＴＯ、シリカゲル、及びＺｎＯを充填する本発明の一実施例による波長変換構造１０を有する発光装置２０の発光効率とを比較する。この実験によれば、蛍光粉層１０２の隙間にシリカゲルのみ充填するＬＥＤ発光素子の発光効率は、約３２．１５ルーメン／ワットであり、蛍光粉層１０２の隙間にＺｎＯ、シリカゲル、及びＩＴＯ材料を充填する発光装置２０の発光効率は、約３５．９〜３６．８ルーメン／ワットである。後者の場合は、ＺｎＯのメッキ時間が４５分であるときに、その発光効率は約３５．９ルーメン／ワットであり、ＺｎＯのメッキ時間が９０分であるときに、その発光効率は約３６．８ルーメン／ワットである。比較すれば分かるように、本発明の一実施例による波長変換構造１０を有する発光装置２０の発光効率は、従来のＬＥＤ発光素子の発光効率より約１４％高い。また、ＺｎＯのメッキ時間が９０分である発光素子２０の発光効率は、ＺｎＯのメッキ時間が４５分である発光素子２０の発光効率より高い。その結果は、表１に示されている。
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されず、本発明の趣旨を離脱しない限り、本発明に対するあらゆる変更は本発明の範囲に属する。

１０ 波長変換構造
１０１ 導電基板
１０２ 蛍光粉層
１０３ 第一材料層
１０４ 第二材料層
１０５ 第一領域
１０６ 第二領域
１１０ 発光ダイオード
１１１ パッケージ基板
１１２ 筐体
１１３ 導光層
２０ 発光装置

Claims (8)

1. 波長変換構造であって、
   第一領域と第二領域とを含む蛍光粉層であって、前記第二領域は前記第一領域の上に位置し、且つ前記第一領域及び前記第二領域は隙間をそれぞれ有する蛍光粉層と、
   前記蛍光粉層の前記第一領域の隙間に形成される第一材料層と、
   前記蛍光粉層の前記第二領域の隙間に形成される第二材料層と、を含み、
   前記第一材料層の屈折率は、前記第二材料層の屈折率より少なくとも０．２大きい、波長変換構造。
2. 前記第一材料層の一方側に位置する透明導電基板をさらに含む、請求項１に記載の波長変換構造。
3. 前記第一材料層は無機化合物を含み、及び／又は、前記第二材料層は無機化合物を含む、請求項１に記載の波長変換構造。
4. 前記第一材料層の屈折率は実質的に１．８〜２．０であり、及び／又は、前記第二材料層の屈折率は実質的に１．３〜１．６である、請求項１に記載の波長変換構造。
5. 前記第一領域の厚みは前記蛍光粉層の厚みの０．５〜０．９倍である、請求項１に記載の波長変換構造。
6. 前記第二材料層の上表面は前記蛍光粉層の頂面より高い、請求項１に記載の波長変換構造。
7. 前記透明導電基板の表面は曲面又は折れ曲がり面である、請求項２に記載の波長変換構造。
8. 前記蛍光粉層の屈折率と前記第一材料層の屈折率との差は０．３より小さい、請求項１に記載の波長変換構造。