JP6444299B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子からの光を透過可能な光透過部材を備える発光装置に関する。

近年、半導体発光素子は、蛍光灯に代わる照明用の光源のみならず、車両のヘッドライトなどの投光器、投光照明等の良好な指向性及び高い輝度を有する光源として利用されている。

このような用途に用いられる発光装置が、例えば、特開２０１０−２７２８４７号に提案されている。この発光装置は、高い輝度を可能とするために、発光素子を被覆して、接合される透光性部材の外周側面を下面に向かって広がる傾斜面とし、その下面のうち、発光素子と接合されていない部分と傾斜面とが光反射性樹脂で被覆されている。

しかし、発光装置の開発のなかで、特に、車両用途において、さらなる小型化を実現し、色むらの少ない発光装置が求められている。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、さらなる小型化を実現し、色むらの少ない発光装置を提供することを目的とする。

本発明の発光装置は、上面を光取り出し面とする発光素子と、
上面及び下面を有し、前記発光素子の光取り出し面を被覆する透光性部材と、を備える発光装置であって、
前記透光性部材は蛍光体を含有し、
前記透光性部材の上面及び下面は、それぞれ平坦面で、互いに平行であり、
前記透光性部材の側面は、前記下面に接し、側方に突出する凸部を有することを特徴とする。

本発明の発光装置は、さらなる小型化を実現することができる。また、正面輝度が均一で、色むらの少ない発光装置を提供することができる。

本発明の実施形態１の発光装置を示す概略平面図である。 図１ＡのＡ−Ａ’線断面図である。 本発明の実施形態１の発光装置に用いられる透光性部材を示す概略平面図である。 図２ＡのＡ−Ａ’線断面図である。 本発明の実施形態１の発光装置の輝度の断面データを示すグラフである。 図３ＡのＡ部分の拡大図である。 比較のための発光装置に用いられる透光性部材を示す概略平面図である。 図４ＡのＣ−Ｃ’線断面図である。

本願においては、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。以下の説明において、同一の名称、符号については同一又は同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。一実施例及び一実施形態において説明された内容は、他の実施例及び他の実施形態等に利用可能である。

図１Ａの平面図及び図１Ｂの断面図に示すように、発光装置１０は、上面を光取り出し面とする発光素子１と、上面及び下面を有し、発光素子１の光取り出し面を被覆する透光性部材２とを備える。

（発光素子１）
発光素子１は、通常、発光ダイオードが用いられる。
発光素子は、その組成、発光色又は波長、大きさ、個数等、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、青色、緑色の発光素子としては、ＺｎＳｅ、窒化物系半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）、ＧａＰなどの半導体層を用いたもの、赤色の発光素子としては、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰなどの半導体層を用いたものが挙げられる。

発光素子は、通常、透光性の成長用基板（例えば、サファイア基板）上に、半導体層を積層させて形成される。基板が発光素子の上面側となり、光取り出し面となる。基板は半導体層との接合面に凹凸を有していてもよい。これにより半導体層から出射された光が、基板に当たるときの臨界角を意図的に変えて、基板の外部に光を容易に取り出すことができる。
発光素子では、成長用基板は半導体層の積層後に除去されていてもよい。除去は、例えば、研磨、ＬＬＯ（Laser Lift Off）等で行うことができる。成長用基板が除去された場合は、基板に最も近かった半導体層が上面側となり、光取り出し面となる。

発光素子は、同一面側に正負一対の電極を有するものが好ましい。これにより、発光素子を実装基板にフリップチップ実装することができる。この場合、一対の電極が形成された面と対向する面が光取り出し面となる。

発光素子は、１つの発光装置において１つ又は複数含まれていてもよい。言い換えると、発光素子は、１つの透光性部材によって、１つ又は複数が被覆されていてもよい。

（透光性部材）
透光性部材は、発光素子の光取り出し面を被覆し、発光素子から出射される光を透過させ、外部に放出することが可能な部材である。また、透光性部材は、蛍光体を含有している。
透光性部材は、上面及び下面を有している。下面は、発光素子の光取り出し面を被覆し、上面は、発光素子からの光を出射する面となる。通常、発光素子から出射された光の全てを取り出すためには発光素子の光取り出し面の全部を透光性部材で被覆することが必要である。一方、透光性部材が光取り出し面よりも大きくなるほど、そこから取り出される光は、輝度が低下することが確認されている。従って、発光素子を被覆する透光性部材の下面は、発光素子の光取り出し面と同等の大きさ以上であるが、上面は、できる限り光取り出し面と同等の大きさであることが好ましい。つまり、透光性部材の上面の縁は、平面視、発光素子の外縁と一致することが好ましい。これにより、発光装置のより一層の小型化が可能となることに加え、より一層高い輝度が得られる。
複数の発光素子が１つの透光性部材によって被覆されている場合は、複数の発光素子の光取り出し面の全部を透光性部材で被覆することが必要である。また、この際、透光性部材の上面の縁は平面視、基板上に配置された複数の発光素子群の外縁と一致することが好ましい。

透光性部材の上面及び下面は、それぞれ平坦面であり、互いに平行であることが好ましい。ここでの平行とは、上下面のいずれか一方が他方に対して±５°程度の傾斜が許容されることを包含する。このような形状により、発光面となる透光性部材の上面において、正面輝度が均一な色むらの少ない発光装置とすることができる。
透光性部材の厚みは、特に限定されるものではなく、例えば、５０〜３００μｍ程度とすることができる。

図２Ａ及び２Ｂに示すように、透光性部材２は、側面２ｃにおいて、下面２ｂに接し、側方に突出する凸部３を有する。ここで下面２ｂに接するとは、透光性部材２の下面２ｂを構成する面の一部が、凸部３を構成する面の一部となることを意味する。言い換えると、透光性部材２の下面２ｂと同じ平面を構成するように、透光性部材２の下面２ｂから延長する面が、凸部３を構成する面の一部となることを意味する。

透光性部材２の凸部３は、透光性部材２の下面２ｂに加え、この下面２ｂに接する鉛直面３ａと、この鉛直面３ａに接し、かつ透光性部材２の上面２ａに平行な面３ｂとを有する。凸部３は、さらに、透光性部材２の上面２ａに平行な面３ｂ及び上面２ａに接する第２の鉛直面３ｃを有することが好ましい。
あるいは、透光性部材２の上面が凹凸形状、曲面、レンズ状の場合には、鉛直面３ａと第２の鉛直面３ｃとの接する面は、透光性部材２の下面又は発光素子の光取り出し面に平行な面とすることが好ましい。

透光性部材２の側面２ｃにおける鉛直面３ａ、第２の鉛直面３ｃ及び平行な面３ｂは、凹凸がなく、傾斜又は湾曲しない平坦な面であることが好ましい。これにより、側方凸部の上部（３ｂの上）に配置される光反射部材の厚みが均一になる。このため、発光部（透光性部材上面（２ａ））と、非発光部（透光性部材周囲の白樹脂（３ｂの上））との輝度差が急峻で、発光ムラが少ない発光装置を得ることができる。

側方に突出する凸部３の長さＬ（図２Ｂ参照）は、例えば、１０〜３００μｍ程度が挙げられる。この長さが大きいほど、後述するように、発光素子を透光性部材で被覆する際に、多少の位置ずれが生じたとしても、発光素子の上面を全て透光性部材の下面で覆うことができる。しかし、この長さが大きすぎると発光素子の上面以外に配置される割合が大きくなり、色むらの原因となることがある。
透光性部材２の下面２ｂからの凸部の高さＨ（図２Ｂ参照）は、例えば、透光性部材の厚みの２５％程度が好ましい。厚みが大きいほど、凸部上方に配置される光反射部材の量が少なくなり、色むらの原因となる。また厚みが小さいほど、欠けなどが生じやすく、また発光素子からの光が上面に伝播されにくくなる。

このように、透光性部材に凸部を有する場合には、下面側において、発光素子から出射される光の全てを受光し得る面積を確保することができる。加えて、上面、つまり、透光性部材の光取り出し面側において、受光した光を、発光素子と同等の平面積で出射させることができる。その結果、輝度の向上を図ることができる。
透光性部材の光取り出し面側において、発光部周囲に漏れ出す光を低減できるため、見切り性の良い発光装置を提供することが可能となる。ここで、見切り性が良いとは、発光部と非発光部との境界が明確なことを意味し、発光部と非発光部の輝度差が急峻なほど、見切り性が良くなるといえる。

透光性部材の下面の面積は、発光素子の上面の面積よりも大きい。これにより、発光素子の光出射面の全てが透光性部材で被覆することができるため、光のロスを低減することができる。また、透光性部材を、発光素子の上方に配置させる際に、多少の位置ずれが生じたとしても、発光素子の上面を全て透光性部材の下面で覆うことができるため、ずれによる輝度の変化が殆ど発生しない。その結果、発光装置の製造における歩留まりを向上させることができる。また、後述するように、発光素子と透光性部材との接合に接着剤を用いる場合、透光性部材の側面への接着材の漏れや這い上がりを防止することができる。接着剤は、発光素子からの光を吸収又は散乱するため、発光素子からの光を、後述する光反射性部材により効率よく反射させる。よって、接合面以外に、接着材などの接合部材を介さないことが好ましい。

ここで、面積とは、透光性部材の下面及び発光素子の上面が平坦面である場合、それらの平面積を意味し、平坦面でない場合、透光性部材の下面及び発光素子の上面の外縁内の面積を意味する。
透光性部材の下面の面積と発光素子の上面の面積との比は、例えば、１０：８〜１０程度が好ましく、１０：９〜１０程度がより好ましく、１０：９．５程度であることがさらに好ましい。
透光性部材の上面の面積は、発光素子の上面の面積と同等であることが好ましい。ここでの同等とは、±１０％程度の差が許容されることを意味する。

透光性部材は、蛍光体を含有する限りその材料は特に限定されず、例えば、樹脂、ガラス、無機物が挙げられる。また、蛍光体の単結晶、多結晶又は蛍光体粉末の焼結体等の蛍光体インゴットから切り出したもの、樹脂、ガラス又は無機物等に蛍光体粉末を混合して焼結したものであってもよい。透明度が高いほど、後述する光反射性部材との界面において光を反射させやすいため、輝度を向上させることが可能となる。

青色発光素子に組み合わせて白色発光させる蛍光体としては、例えば、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）系、ＢＯＳ（Barium ortho-Silicate）系等が挙げられる。このような蛍光体を透光性部材に含有される場合、蛍光体の濃度を、例えば５〜５０％程度とすることが好ましい。

透光性部材は、発光素子の光取り出し面を被覆するように接合されている。接合は、例えば、圧着、焼結、エポキシ又はシリコーンのような周知の接着剤による接着、高屈折率の有機接着剤による接着、低融点ガラスによる接着などで行うことができる。
例えば、透光性部材が青色発光素子に組み合わせて白色発光させる蛍光体を含有する場合、青色発光素子とこの透光性部材とを接合する接着剤に赤色蛍光体を含有させることにより、ＪＩＳ規格に沿う、電球色に発光する発光装置とすることができる。

透光性部材の凸部は、透光性部材をダイシングして個片化する際に、ダイシングブレードの刃先角及び刃幅を適宜選択することにより上述した形状に形成することができる。また、ダイシング方法としてハーフダイシングによっても形成することができる。

（光反射性部材）
発光装置は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、発光素子１及び／又は透光性部材２を包囲する光反射性部材６を備えていてもよい。なかでも、光反射性部材６は、発光素子１及び透光性部材２の双方を包囲するものが好ましい。ただし、光反射性部材６が透光性部材２を包囲する場合、透光性部材２の上面２ａは、光反射性部材６で被覆されず、透光性部材２の上面２ａと光反射性部材６とを面一とするか、光反射性部材６の上面から突出していることが好ましい。

一般に、光出射面となる透光性部材の上面から出射された光は、横方向にも広がりを有する。光反射性部材の上面が、透光性部材の上面から突出している（つまり透光性部材の上面の高さよりも高い）場合には、透光性部材の上面から出射された光が光反射性部材に当たって反射され、配光のばらつきが生じる。よって、透光性部材の側面を光反射性部材で覆いつつ、その側面の外周を覆う光反射性部材の高さを低くすることにより、出射された光を外部に直接取り出すことができる。

また、透光性部材が剥離することによって、発光素子から光出射面までの間に位置する蛍光体の分布量が変わり、色ズレが生じることがある。一方、透光性部材が光反射性部材により包囲され、それによって透光性部材が係止されている場合には、透光性部材の剥離又はずれ等が生じないため、色ズレ等が生じるおそれがない。

光反射性部材は、発光素子から出射される光を反射することができる材料から形成される。これによって、透光性部材又は発光素子と光反射性部材との界面で、発光素子から出射される光を、透光性部材又は発光素子内に反射させる。その結果、透光性部材又は発光素子内で光が伝播し、最終的に透光性部材の上面から、外部へと出射される。

光反射性部材は、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、アクリル樹脂の１種以上を含む樹脂又はハイブリッド樹脂等と、反射性物質とを用いて形成することができる。反射性物質としては、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、チタン酸カリウム、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ムライトなどが挙げられる。

光反射性部材は、反射性に加え、放熱性を有する材料を用いてもよい。このような材料としては、熱伝導率の高い窒化アルミニウム、窒化ホウ素が挙げられる。光反射性部材の熱伝導率は１Ｗ／ｍ・Ｋ以上が好ましい。より好ましくは３Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることである。このように、熱伝導率を高く設定することにより、上述した透光性部材の側面の凸部の形状と相まって、透光性部材と光反射性部材との接触面積を増大させることができる。その結果、透光性部材に蓄積される熱を、光反射性部材へ伝達しやすくなり、透光性部材の放熱性を向上させることができる。透光性部材に含有される蛍光体がストークスロスに起因する自己発熱を起こし、この熱によって光変換効率を低下させることがある。しかし、上述したように、光反射性部材の熱伝導率を高く設定することにより、透光性部材中の蛍光体の熱を効率的に放熱することが可能となる。

反射性物質等の含有量及び／又は肉厚によって光の反射量、透過量等を変動させることができる。よって、得ようとする発光装置の特性等によって適宜調整することができる。例えば、反射性物質の含有量を３０ｗｔ％以上とし、その肉厚を２０μｍ以上とすることが好ましい。

光反射性部材は、例えば、射出成形、ポッティング成形、樹脂印刷法、トランスファーモールド法、圧縮成形などで成形することができる。

本発明の発光装置には、ツェナーダイオード等の保護素子を搭載してもよい。保護素子を、光反射性部材６に埋設することにより、発光素子からの光が保護素子に吸収されたり、保護素子に遮光されたりすることによる光取り出しの低下を防止することができる。

（基板）
発光装置では、図１Ａ及び図１Ｂに示したように、発光素子１は、通常、基板４に載置されている。
基板の材料としては、ガラスエポキシ、樹脂、セラミックスなどの絶縁性部材、絶縁部材を形成した金属部材等が挙げられる。なかでも、耐熱性及び耐候性の高いセラミックスを利用したものが好ましい。セラミックス材料としては、アルミナ、窒化アルミニウム、ムライトなどが挙げられる。これらのセラミックス材料に、例えば、ＢＴレジン、ガラスエポキシ、エポキシ系樹脂等の絶縁性材料を組み合わせてもよい。
基板４は、通常、その表面に発光素子１と接続される配線５を有するものが用いられる。
このような基板は、当該分野で公知であり、発光素子等が実装されるために使用される基板のいずれをも用いることができる。

（輝度評価）
図２Ａ及び２Ｂに示す透光性部材２を用いて、図１Ａ及び１Ｂに示す発光装置１０を作製し、輝度分布を測定した。
この発光装置１０は、基板４上に、発光素子１（サイズ：１．３ｍｍ×１．３ｍｍ）が４個直列に載置されている。基板は、熱電導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋ程度の窒化アルミニウム板材の表面に、チタン、パラジウム、金がこの順にパターン蒸着されたものであり、その上にさらに金メッキが施されている。発光素子は、金からなるバンプによって、フリップチップ実装されている。

発光素子１は、ＹＡＧとアルミナを混合して焼結することで形成された板状の透光性部材２（ＹＡＧ蛍光体を５〜１０ｗｔ％含有、サイズ：１．５５ｍｍ×５．９ｍｍ×０．２０（厚み））によって、その上面を被覆されている。この被覆は、シリコーン樹脂からなる接着剤の熱硬化によって行われている。
透光性部材２の凸部３の長さＬは０．１２５ｍｍ、高さＨは０．０５ｍｍとした。
発光素子１及び透光性部材２の側面は、ポッティング成形により、光反射性部材６で包囲されている。光反射性部材６は、シリコーン樹脂に酸化チタンが３０ｗｔ％含有されており、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。
光反射性部材６は、透光性部材２の上面２ａと略面一であり、透光性部材２及び発光素子１の側面の肉厚は１．２ｍｍ程度である。

また、比較のために、図４Ａ及び図４Ｂに示す透光性部材１２を用いて同様の発光装置を作製し、輝度分布を測定した。
この透光性部材１２では、上面及び下面のサイズ及び厚みならびに材料は、上述した透光部材２と同じであるが、その側面が、上面側では４５°で傾斜した傾斜面を有し、下面側では、上面よりも長さＬ’（０．１２５ｍｍ）突出し、高さＨ’（０．０７５ｍｍ）の鉛直面を有している。

輝度分布の測定は、ＰｒｏＭｅｔｒｉｃ（ＰＭ−１４２３Ｆ−１）を使用して相対的に比較した。透光性部材２および１２を用いた発光装置のそれぞれの正面の輝度分布を測定し、正面の輝度分布から断面データ（図３Ａ及び３Ｂ）を作成した。
その結果、図３Ａ及び３Ｂに示すように、透光性部材に凸部を備える本実施形態の発光装置では、発光部と非発光部との輝度差がより急峻となり、見切り性の良い発光装置を提供することができる。

発光部以外からの光の漏れは、例えば、発光装置をヘッドランプ等に組み込んだ際、不要な光が不要な箇所を照らすことになり、グレア光の要因にもつながることがある。発光装置としての正面輝度を考慮すると、発光部と非発光部との境界がはっきりしている（見切り性が良い）ことが重要である。

本発明の発光装置は、照明用光源、各種インジケーター用光源、車載用光源、ディスプレイ用光源、液晶のバックライト用光源、信号機、車載部品、看板用チャンネルレターなど、種々の光源に使用することができる。

Claims (5)

1. 上面を光取り出し面とする複数の発光素子と、
   該発光素子を包囲する光反射性部材と、
   上面及び下面を有し、前記発光素子の光取り出し面を被覆する１つの透光性部材と、を備える発光装置であって、
   前記透光性部材は蛍光体を含有し、
   前記透光性部材の上面及び下面は、それぞれ平坦面で、互いに平行であり、
   前記透光性部材の側面は、前記下面に接し、側方に突出する凸部を有し、
   前記複数の発光素子に対し、前記透光性部材と前記光反射性部材とによりその全体が被覆されており、
   前記透光性部材は、その全側面が前記光反射性部材で被覆されており、
   前記透光性部材の凸部は、前記下面に接する鉛直面と、該鉛直面に接し、かつ前記透光性部材の上面に平行な面とを有する発光装置。
2. 上面を光取り出し面とする複数の発光素子と、
   該発光素子を包囲する光反射性部材と、
   上面及び下面を有し、前記発光素子の光取り出し面を被覆する１つの透光性部材と、を備える発光装置であって、
   前記透光性部材は蛍光体を含有し、
   前記透光性部材の上面及び下面は、それぞれ平坦面で、互いに平行であり、
   前記透光性部材の側面は、前記下面に接し、側方に突出する凸部を有し、
   前記複数の発光素子に対し、前記透光性部材と前記光反射性部材とによりその全体が被覆されており、
   前記透光性部材は、その全側面が前記光反射性部材で被覆されており、
   前記透光性部材の凸部は、さらに、前記透光性部材の上面に平行な面及び上面に接する第２の鉛直面を有する発光装置。
3. 前記透光性部材の凸部は、さらに、前記透光性部材の上面に平行な面及び上面に接する第２の鉛直面を有する請求項１に記載の発光装置。
4. 前記透光性部材は、その上面が、前記光反射性部材と面一であるか又は前記光反射性部材の上面から突出している請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光装置。
5. 前記透光性部材の上面の縁が、平面視、発光素子の外縁と一致する請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光装置。

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