JP7598533B2

JP7598533B2 - 発光装置

Info

Publication number: JP7598533B2
Application number: JP2024019382A
Authority: JP
Inventors: 丈明白▲瀬▼
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2024-02-13
Publication date: 2024-12-12
Anticipated expiration: 2039-11-15
Also published as: JP2024050890A; JP2021082655A

Description

本発明は、発光装置に関する。

例えば道路灯などの屋外灯では、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の発光装置に、レンズ（２次レンズ）やリフレクタを組み合わせて道路側を照らすように配光が制御されている。

特開２００４－２４１２８２号公報

本発明の一態様は、発光装置自体の構造で配光制御可能な発光装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、発光装置は、基板と、前記基板の表面上に設けられ、光出射側面を有する発光素子と、前記基板の前記表面上であり、前記発光素子の前記光出射側面の側方の領域に設けられる、第１透光性樹脂と前記第１透光性樹脂中に含まれる第１光反射材とを有する透光性部材と、前記基板の前記表面上であり、前記透光性部材の周囲の少なくとも一部を囲み、第２透光性樹脂と前記第２透光性樹脂中に含まれる第２光反射材とを有する光反射部材と、を備え、前記第１透光性樹脂に対する前記第１光反射材の重量比は、前記第２透光性樹脂に対する前記第２光反射材の重量比よりも低い。
本発明の一態様によれば、発光装置の製造方法は、基板の表面上に、光出射側面を有する発光素子を配置する工程と、前記基板の前記表面上であり、前記発光素子の前記光出射側面の側方の領域に、前記発光素子の前記光出射面を覆うように、第１光反射材を含み流動性を有する第１透光性樹脂を供給する工程と、前記第１透光性樹脂を硬化し、透光性部材を形成する工程と、を備える。

本発明の一態様によれば、発光装置自体の構造で配光制御可能な発光装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態の発光装置の模式上面図である。図１ＡのＡ－Ａ線における模式断面図である。本発明の実施形態の発光装置の指向光度特性図である。本発明の第１実施形態の発光装置の製造方法を示す模式上面図である。本発明の第１実施形態の発光装置の製造方法を示す模式断面図である。本発明の第１実施形態の発光装置の製造方法を示す模式上面図である。本発明の第１実施形態の発光装置の製造方法を示す模式断面図である。本発明の第２実施形態の発光装置の模式断面図である。本発明の第３実施形態の発光装置の模式断面図である。本発明の第４実施形態の発光装置の製造方法を示す模式断面図である。本発明の第４実施形態の発光装置の製造方法を示す模式断面図である。本発明の第５実施形態の発光装置の模式断面図である。本発明の第６実施形態の発光装置の模式上面図である。図８ＡのＢ－Ｂ線における模式断面図である。本発明の第７実施形態の発光装置の模式上面図である。

以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。

実施形態によれば、発光装置は、基板と、前記基板の表面上に設けられ、光出射側面を有する発光素子と、前記基板の前記表面上であり、前記発光素子の前記光出射側面の側方の領域に設けられる、第１透光性樹脂と前記第１透光性樹脂中に含まれる第１光反射材とを有する透光性部材と、を備える。前記透光性部材の上面から出射する光は、前記基板の前記表面に垂直な軸からずれた角度に光度ピークをもつ。
実施形態によれば、発光装置は、基板と、前記基板の表面上に設けられ、光出射側面を有する発光素子と、前記基板の前記表面上であり、前記発光素子の前記光出射側面の側方の領域に設けられる、第１透光性樹脂と前記第１透光性樹脂中に含まれる第１光反射材とを有する透光性部材と、前記基板の前記表面上であり、前記透光性部材の周囲の少なくとも一部を囲み、第２透光性樹脂と前記第２透光性樹脂中に含まれる第２光反射材とを有する光反射部材と、を備える。前記第１透光性樹脂に対する前記第１光反射材の重量比は、前記第２透光性樹脂に対する前記第２光反射材の重量比よりも低い。

＜第１実施形態＞
図１Ａは、本発明の第１実施形態の発光装置１の模式上面図である。図１Ｂは、図１ＡのＡ－Ａ線における模式断面図である。

発光装置１は、基板１０と、発光素子２０と、透光性部材３０と、光反射部材４０とを備える。

（基板）
基板１０は、絶縁基板であり、樹脂基板またはセラミック基板である。基板１０の表面１１には例えば白色樹脂膜が形成され、基板１０の表面１１は発光素子２０が発する光に対する反射性を有する。なお、図１Ａにおいて、基板１０の表面１１に平行な方向であって、互いに直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とする。

（発光素子）
発光素子２０は、基板１０の表面１１上に設けられている。例えば、発光素子２０は、発光層（または活性層）を含む発光部２５と、発光部２５を実装する台座２７と、波長変換部２６とを有する。

発光部２５は、例えば、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）からなる半導体積層体を含み、青色光を発光することができる。発光部２５は、青色以外の光を発光してもよい。

波長変換部２６は、発光部２５が発する光によって励起され、発光部２５が発する光の波長とは異なる波長の光を発する蛍光体を含む。波長変換部２６における蛍光体は、樹脂に覆われていてもよい。波長変換部２６は、なくてもよい。

発光素子２０は、基板１０の表面１１に対して非平行な光出射側面２１を有する。図１Ｂには、光出射側面２１が基板１０の表面１１に垂直な例を示すが、光出射側面２１は基板１０の表面１１に対して傾いていてもよい。

発光部２５の（半導体積層体の）主発光面は、光出射側面２１に向いている。波長変換部２６は、発光部２５の主発光面と、光出射側面２１との間に設けられている。または、発光部２５の半導体積層体が基板１０の表面１１に平行な方向に広がり、その側面（または端部）から出射する光が光出射側面２１を通じて発光素子２０の外部に出射される構成であってもよい。

発光部２５および波長変換部２６における、光出射側面２１に向き合う面以外の部分は台座２７に覆われている。台座２７は光反射性または遮光性を有し、発光素子２０における光出射側面２１以外の面からの光の漏れが抑制されている。

発光素子２０は、基板１０の表面１１に形成された導電部材（パッドや配線）と電気的に接続され、その導電部材を通じて発光部２５に電力が供給され、発光部２５が発光する。

（透光性部材）
透光性部材３０は、基板１０の表面１１上であり、発光素子２０の光出射側面２１の側方の領域５０に設けられ、発光素子２０の光出射側面２１を覆っている。光出射側面２１の側方の領域５０とは、光出射側面２１の真横の領域に限らず、光出射側面２１から出射した光が入射可能な領域であり、Ｘ方向の幅が光出射側面２１のＸ方向の幅よりも大きい領域も「光出射側面の側方の領域」に含まれる。

図１Ａに示すように、透光性部材３０は、例えば４つの辺部３４、３５、３６、３７を有する。辺部３４および辺部３５は、Ｘ方向に平行な部分を含み、辺部３４は辺部３５よりもＹ方向において発光素子２０に近い側に位置し、辺部３５は辺部３４からＹ方向に離間し、辺部３４よりも発光素子２０から遠い側に位置する。辺部３６および辺部３７は、Ｘ方向に互いに離間し、Ｙ方向に平行な部分を含む。

透光性部材３０は、第１透光性樹脂３１と、第１透光性樹脂３１中に含まれる第１光反射材３２とを有する。第１光反射材３２は粒子状（または粉状）であり、第１透光性樹脂３１中に分散されている。第１透光性樹脂３１は、発光素子２０が発する光に対する透光性を有し、例えば、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂である。特に、第１透光性樹脂３１としては、耐光性および耐熱性に優れたシリコーン樹脂が望ましい。第１光反射材３２は、発光素子２０が発する光に対する反射性を有し、例えば、酸化チタンである。第１光反射材３２の大きさとしては、３０μｍ以下が好ましく、さらに８００ｎｍ以下が好ましく、特に４００ｎｍ以下が好ましい。これは、分散性と反射性の両方を満たすからである。第１光反射材３２の大きさは、２５０ｎｍ以下、１５０ｎｍ以下、４５ｎｍ以下の小粒径とすることもできる。第１光反射材３２の大きさを小粒径にすることで、第１光反射材３２を含んだ状態の第１透光性樹脂３１の透光性を高め、光束を高く維持することができるからである。

第１透光性樹脂３１に対する第１光反射材３２の重量比は、光束を低下させないために低い方が好ましく、例えば、０．１重量％以上２重量％以下であり、さらに１重量％以下がより好ましい。透光性部材３０は、さらに透光性フィラーを含むことができる。透光性フィラーは、発光素子２０が発する光に対する反射率が第１光反射材３２よりも低く、例えば、ガラスフィラー、シリカフィラーである。

第１光反射材３２よりもサイズが小さい透光性フィラーが、第１透光性樹脂３１中において第１光反射材３２よりも多く含まれ、第１光反射材３２が沈み込もうとするところに既に透光性フィラーが存在する。このような透光性フィラーは第１光反射材３２の沈降抑制材として機能し、第１光反射材３２が第１透光性樹脂３１の下方に偏在することが抑制される。すなわち、第１光反射材３２を、第１透光性樹脂３１中の厚さ方向において偏り無く分散させることができる。

透光性部材３０における第１透光性樹脂３１と第１光反射材３２と透光性フィラーとの重量比は、例えば、第１透光性樹脂３１：第１光反射材３２：透光性フィラー＝１００：０．５：１０である。

（光反射部材）
光反射部材４０は、基板１０の表面１１上であり、透光性部材３０の周囲の少なくとも一部を囲む。図１Ａに示す例では、光反射部材４０は、透光性部材３０の３つの辺部３５、３６、３７を連続して囲み、さらに辺部３４の一部（発光素子２０のＸ方向における両側の部分）を囲んでいる。

光反射部材４０は、第２透光性樹脂４１と、第２透光性樹脂４１中に含まれる第２光反射材４２とを有する。第２光反射材４２は粒子状（または粉状）であり、第２透光性樹脂４１中に分散されている。第２透光性樹脂４１は、発光素子２０が発する光に対する透光性を有し、例えば、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂である。特に、第２透光性樹脂４１としては、耐光性および耐熱性に優れたシリコーン樹脂が望ましい。第２光反射材４２は、発光素子２０が発する光に対する反射性を有し、例えば、酸化チタンである。さらに、光反射部材４０は、透光性フィラー、例えば、ガラスフィラー、シリカフィラーを含むことができる。透光性フィラーは、粘度調整をすることができる。

第２透光性樹脂４１に対する第２光反射材４２の重量比は、例えば、５重量％以上４０重量％以下であり、１０重量％以上がさらに好ましく、特に２５重量％以下が好ましい。第１透光性樹脂３１に対する第１光反射材３２の重量比は、第２透光性樹脂４１に対する第２光反射材４２の重量比よりも低い。すなわち、発光素子２０が発する光に対して、光反射部材４０における反射率は透光性部材３０における反射率よりも高い。

発光素子２０の光出射側面２１から出射した光は、透光性部材３０に入射し、透光性部材３０中の第１光反射材３２によって散乱され、すなわち拡散反射され、透光性部材３０の上面３３から外部に出射する。透光性部材３０に入射し、下方に向かった光は基板１０の表面１１で反射され、下方への光の漏れが抑制される。透光性部材３０に入射し、透光性部材３０の周囲に向かった光は光反射部材４０で反射され、透光性部材３０の周囲からの光の漏れが抑制される。

ただし、光反射部材４０は、透光性部材３０の大きさを大きくすることや第１光反射材３２の含有量を多くすることで、光反射部材４０に到達する光量を減らすことができるため、光反射部材４０をなくすこともできる。

第１透光性樹脂３１に対する第１光反射材３２の重量比を適切に（例えば、０．１重量％以上２重量％以下に）制御することで、透光性部材３０の上面３３から出射する光の配光を制御することができる。

図２は、発光装置１のＹ方向に沿った指向光度特性図である。横軸の指向角においては、透光性部材３０の上面３３の中心を基板１０の表面１１に垂直な軸上から見たときを０°としている。９０°は、基板１０の表面１１に垂直な軸から図１Ｂにおける右方に９０°変位した軸上から見たときの角度を表す。－９０°は、基板１０の表面１１に垂直な軸から図１Ｂにおける左方に９０°変位した軸上から見たときの角度を表す。縦軸は、ピークを１としたときの相対光度を表す。

本実施形態の発光装置１において透光性部材３０の上面３３から出射する光は、基板１０の表面１１に垂直な軸からずれた角度に光度ピークをもつ。すなわち、透光性部材３０の上面３３を、基板１０の表面１１に垂直な方向に対して斜め方向から見たときに最も明るく見える。図２に示す例では、基板１０の表面１１に垂直な軸から、図１Ｂにおける右方に傾いた軸上から見たときに最も明るく見える。

このような配光特性をもつ実施形態の発光装置１は、例えば、住宅地などに対する光の漏れを抑えつつ、道路を照明する街路灯などの照明機器に用いることができる。

また、実施形態によれば、発光装置１自体で配光制御されている。そのため、発光装置１とは別に備えられる２次レンズやリフレクタを小型化することや、それらの部品数を削減することが可能になる。また、用途によっては、２次レンズやリフレクタを不要にすることも可能である。したがって、そのような発光装置１を搭載した照明機器の小型化、構成の簡略化、部品数の削減が可能になる。

次に、実施形態の発光装置１の製造方法について説明する。

図３Ａは図１Ａと同様の模式上面図であり、図３Ｂは図１Ｂと同様の模式断面図である。図３Ａおよび図３Ｂに示すように、まず、基板１０の表面１１上に発光素子２０を配置する。発光素子２０は、その光出射側面２１が基板１０の表面１１に対して垂直または傾いた姿勢をとる。

図４Ａは図３Ａの工程に続く工程を示す模式上面図であり、図４Ｂは図３Ｂの工程に続く工程を示す模式断面図である。発光素子２０を基板１０の表面１１上に配置する工程の後、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、基板１０の表面１１上に、発光素子２０の光出射側面２１の側方の領域５０を囲むように、第２光反射材４２を含む第２透光性樹脂４１を供給する。

このとき、第２透光性樹脂４１は流動性を有する。例えば、液状またはペースト状の未硬化の第２透光性樹脂４１が、領域５０を囲むように描画される。領域５０は、発光素子２０および第２透光性樹脂４１によって囲まれる。第２透光性樹脂４１中の第２光反射材４２は、分散させたまま硬化してもよいし、自然沈降をさせてから硬化してもよい。

第２光反射材４２を含む第２透光性樹脂４１で領域５０を囲んだ後、その領域５０の基板１０の表面１１上に、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、第１光反射材３２を含む第１透光性樹脂３１を供給する。

このとき、第１透光性樹脂３１は流動性を有する。液状またはペースト状の未硬化の第１透光性樹脂３１が、発光素子２０の光出射側面２１を覆うように、領域５０にポッティングされる。領域５０を囲む枠状に形成された第２透光性樹脂４１は、基板１０の表面１１上における第１透光性樹脂３１の広がり（形成位置）を制限する。

第２透光性樹脂４１の粘度を調整することで、枠の太さや高さを変えることができる。また、第１透光性樹脂３１の粘度を高くすることで、第１透光性樹脂３１の流れ出しを抑制できるため、光反射部材４０を設けなくてもよい。

第１透光性樹脂３１中の第１光反射材３２は、分散または自然沈降させる。

なお、透光性フィラーのような沈降抑制を用いなくても、第１透光性樹脂３１の粘度、第１光反射部材３２の粒径、材質、密度などの制御により、第１光反射材３２の沈降を抑制することが可能である。

基板１０の表面１１上に第１透光性樹脂３１と第２透光性樹脂４１とを供給した後、第１透光性樹脂３１と第２透光性樹脂４１とに熱を加えてそれぞれを硬化させる。例えば、第１透光性樹脂３１と第２透光性樹脂４１とは、基板１０の表面上で同時に硬化させる。同時に硬化させることで、樹脂同士の界面がなくなり、光反射部材４０と透光性部材３０の密着性を良くすることができる。または、先に基板１０の表面１１上に供給された第２透光性樹脂４１を先に硬化してから、未硬化の流動性を有する第１透光性樹脂３１を領域５０に供給し、硬化させてもよい。

第１透光性樹脂３１が硬化し、第１透光性樹脂３１中に第１光反射材３２を含む透光性部材３０が形成される。第２透光性樹脂４１が硬化し、第２透光性樹脂４１中に第２光反射材４２を含む光反射部材４０が形成される。

図５Ａは、第２実施形態の発光装置２の、図１Ｂと同様の模式断面図である。
図５Ｂは、第３実施形態の発光装置３の、図１Ｂと同様の模式断面図である。

第１透光性樹脂３１を基板１０の表面１１上に供給するときや硬化させる際の材料やプロセス条件の制御により、透光性部材３０の上面３３が曲面を有する構成にすることができる。

図５Ａは、透光性部材３０の上面３３に凹状の曲面が形成された例を示す。図５Ｂは、透光性部材３０の上面３３に凸状の曲面が形成された例を示す。

発光装置２、３における光出射面である透光性部材３０の上面３３が曲面を有することで、光束を収束または発散させる効果が得られ、所望の配光に制御することができる。

図６Ｂは、第４実施形態の発光装置４の、図１Ｂと同様の模式断面図である。

この発光装置４における透光性部材１３０は、少なくとも２層の構造で形成されている。この透光性部材１３０を形成する工程は、第１光反射材を含む透光性樹脂を２段階に分けて基板１０の表面１１上に供給する工程を有する。

まず、第１光反射材３２を含む透光性樹脂を領域５０における基板１０の表面１１上に供給し、第１光反射材３２を基板１０の表面１１上に遠心沈降させる。第１光反射材３２は基板１０の表面１１を覆うように偏在し、図６Ａに示すように、領域５０における基板１０の表面１１上に反射層６１が形成される。あらかじめ、基板１０の表面１１に白色樹脂膜を形成しておかなくてもよい。

反射層６１を形成した後、反射層６１よりも低い濃度で第１光反射材３２を含み、かつ反射層６１を形成するときよりも量が多い第１透光性樹脂３１を領域５０における反射層６１上に供給し、反射層６１を覆う。この後、反射層６１を形成する透光性樹脂および反射層６１上の第１透光性樹脂３１を硬化させる。反射層６１上の第１透光性樹脂３１中の第１光反射材３２の濃度は、反射層６１中の第１光反射材３２の濃度よりも低い。

発光装置４における透光性部材１３０は、第１光反射材３２の濃度が異なる少なくとも２層構造で形成されている。または、反射層６１上の第１透光性樹脂３１の厚さ方向において、第１光反射材３２の濃度に勾配をもたせてもよい。または、反射層６１上に、第１光反射材３２の濃度が異なる複数の第１透光性樹脂３１を複数段階に分けて形成してもよい。

また、透光性部材３０の面方向に第１光反射材３２の濃度勾配をもたせてもよい。例えば、図１Ｂにおいて、発光素子２０に相対的に近い領域の第１光反射材３２の濃度を、その領域よりも発光素子２０に相対的に遠い領域の第１光反射材３２の濃度よりも高くすることで、図２に示す光度ピークを負の指向角側にシフトさせることができる。逆に、図１Ｂにおいて、発光素子２０に相対的に近い領域の第１光反射材３２の濃度を、その領域よりも発光素子２０に相対的に遠い領域の第１光反射材３２の濃度よりも低くすることで、図２に示す光度ピークを正の指向角側にシフトさせることができる。

図７は、第５実施形態の発光装置５の、図１Ｂと同様の模式断面図である。

この発光装置５は、発光素子２０の上面を覆う光反射部材７１をさらに備える。光反射部材７１は、発光素子２０が発する光に対する反射性を有する。例えば、発光素子２０の上面側の台座２７の厚さが薄い場合においても、光反射部材７１によって発光素子２０の上面からの光の漏れを確実に抑制することができる。

光反射部材７１は、例えば、光反射材を含む白色樹脂である。または、光反射部材７１として金属を用いると、ヒートシンクとしても機能させることができる。

図８Ａは、第６実施形態の発光装置６の模式上面図である。
図８Ｂは、図８ＡのＢ－Ｂ線における模式断面図である。

この発光装置６は、複数（この例では３つ）の発光素子２０を有する。複数の発光素子２０は、Ｘ方向に互いに離間して配列されている。また、この例では、発光素子２０の上面を、透光性部材３０を囲む光反射部材４０で覆っている。

それぞれの発光素子２０の光出射側面２１は光反射部材４０で覆われず、光出射側面２１から出射した光は、透光性部材３０に入射可能となっている。光反射部材４０は、発光素子２０間にも設けられ、発光素子２０の光出射側面２１以外の側面（Ｙ方向に沿った側面）を覆っている。発光素子２０の上面、および光出射側面２１以外の側面が光反射部材４０で覆われているため、発光素子２０の上面、および光出射側面２１以外の側面からの光の漏れが抑制される。

例えば、基板１０の表面１１上に複数の発光素子２０を配置した後、第２光反射材４２を含む第２透光性樹脂４１で領域５０を囲むとともに、複数の発光素子２０の上面および側面（光出射側面２１以外の側面）を覆うように連続して枠状に形成することで、図８Ａおよび図８Ｂに示す構成を得ることができる。

図９は、第７実施形態の発光装置７の模式上面図である。

複数の発光素子２０を配置した場合において、透光性部材３０を囲む光反射部材４０とは別に、光反射部材（例えば白色樹脂）７２を複数の発光素子２０の間に設けてもよい。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。本発明の上述した実施形態を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての形態も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

１～７…発光装置、１０…基板、２０…発光素子、２１…光出射側面、２５…発光部、２６…波長変換部、３０…透光性部材、３１…第１透光性樹脂、３２…第１光反射材、４０…光反射部材、４１…第２透光性樹脂、４２…第２光反射材、６１…反射層、７１…光反射部材、７２…光反射部材

Claims

基板と、
前記基板の表面上に設けられ、光出射側面を有する発光素子と、
前記基板の前記表面上であり、前記発光素子の前記光出射側面の側方の領域に設けられる、第１透光性樹脂と前記第１透光性樹脂中に含まれる第１光反射材とを有する透光性部材と、
前記基板の前記表面上に設けられ、前記透光性部材の周囲の少なくとも一部を囲み、第２透光性樹脂と前記第２透光性樹脂中に含まれる第２光反射材とを有する光反射部材と、
を備え、
前記第１透光性樹脂に対する前記第１光反射材の重量比は、前記第２透光性樹脂に対する前記第２光反射材の重量比よりも低い発光装置。
前記第１透光性樹脂に対する前記第１光反射材の重量比は、０．１重量％以上２重量％以下である請求項１記載の発光装置。
前記第２透光性樹脂に対する前記第２光反射材の重量比は、５重量％以上４０重量％以下である請求項１記載の発光装置。
前記第１透光性樹脂はシリコーン樹脂であり、前記第１光反射材は酸化チタンである請求項１～３のいずれか１つに記載の発光装置。
前記第２透光性樹脂はシリコーン樹脂であり、前記第２光反射材は酸化チタンである請求項１～４のいずれか１つに記載の発光装置。
前記光反射部材は、前記発光素子の上面を覆っている請求項１～５のいずれか１つに記載の発光装置。
前記透光性部材は、透光性フィラーをさらに含む請求項１～６のいずれか１つに記載の発光装置。
前記透光性部材が少なくとも２層の構造で形成されている請求項１～７のいずれか１つに記載の発光装置。
前記第１透光性樹脂の厚さ方向、または前記透光性部材の面方向において、前記第１透光性樹脂中の前記第１光反射材の濃度は勾配をもつ請求項１～８のいずれか１つに記載の発光装置。