JPWO2012014439A1 - 発光モジュール - Google Patents
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Abstract
発光モジュール40は、LEDチップ42と、LEDチップ42の発光面42aに対向するように設けられ、LEDチップ42が発する光の波長を変換する板状の蛍光体層44と、蛍光体層44の表面のうち、LEDチップ42と対向する面および側面の少なくともいずれかの表面に形成され、LEDチップ42から出射した光を透過させるとともに蛍光体層44で波長変換された光を反射するフィルタ層46と、を備える。フィルタ層46は、出射光の全エネルギーに対して、正面方向から±60度の範囲内の出射光のエネルギーの割合が80%以上となるように構成されている。
Description
本発明は、発光ダイオードなどの発光素子を備えた発光モジュールに関する。
近年、環境への関心の高まりから照明器具の光源として、省電力が期待される発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)が注目されている。LEDを用いた白色光を発する照明器具としては、LEDチップと蛍光体を組み合わせた構成が知られている。
このような構成では、LEDチップの光は蛍光体で波長変換され全方位に出射するため、波長変換された光の一部は再度LEDチップ側に戻って吸収され、熱となって消失する。その結果、LEDチップからの光取り出し効率が低下してしまうことになる。
そこで、LEDチップから放射される光を透過しかつ蛍光体から放射される可視光を反射する波長選択フィルタ層を備えた発光装置が考案されている(特許文献1、2参照)。これにより、蛍光体から放射される可視光の一部がLEDチップ側に戻って吸収されることを抑制し、光取り出し効率の低下を防止できるとされている。
しかしながら、前述の特許文献1に記載の発光装置は、LEDチップと波長選択フィルタ層との間に空気層があり、LEDチップと空気の屈折率の差が大きいため、LEDチップの光がLEDチップ内部に閉じ込められやすくなる。その結果、光取り出しが少なく、高輝度の発光装置とならない。また、ガラスでLEDチップを覆った別形態では、発光層の表面積が大きくなるため、高輝度の発光装置とならない。特許文献2に記載の発光装置は、LEDチップと波長選択フィルタ層との間に封止樹脂があり、LEDチップからの光の取り出し効率が向上する。一方、封止樹脂を有する発光装置は、封止樹脂がない場合に比べてLEDチップ光が波長選択フィルタ層へ入射するときの角度(入射角)が、波長選択フィルタ層の透過率に大きく影響を与える。特に、入射角が大きいほど光の透過率が低下する。その結果、高輝度の発光装置とならない。また、特許文献2に記載の発光装置は封止樹脂が厚いため、LEDチップ光がフィルタ層へ到達する前に光の広がりや封止樹脂による吸収を招く点も輝度向上を阻害する。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、輝度の高い発光モジュールを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の発光モジュールは、半導体発光素子と、半導体発光素子の発光面に対向するように設けられ、半導体発光素子が発する光の波長を変換する板状の光波長変換部材と、板状の光波長変換部材の表面のうち、半導体発光素子と対向する面および側面の少なくともいずれかの表面に形成され、半導体発光素子から出射した光を透過させるとともに光波長変換部材で波長変換された光を反射するフィルタ層と、を備える。半導体発光素子は、出射光の全エネルギーに対して、正面方向から±60度の範囲内の出射光のエネルギーの割合が80%以上となるように構成されている。
この態様によると、フィルタ層によって、半導体発光素子から出射した光を透過させるとともに光波長変換部材で波長変換された光を反射するため、正面方向への光の取り出し効率が向上する。また、半導体発光素子の配光が比較的正面に集中しており、また、半導体発光素子の発光面に対向するように設けられている光波長変換部材が板状であるため、半導体発光素子の出射光および光波長変換部材で波長が変換された変換光は共に正面方向に向かいやすい。そのため、特に発光モジュールの正面方向の輝度を高めることができる。
フィルタ層は、光波長変換部材の表面のうち半導体発光素子と対向する面に形成されており、フィルタ層と半導体発光素子とを接着する接着層を更に備えてもよい。接着層は、屈折率が1.3以上の材料を含んでいてもよい。フィルタ層と半導体発光素子との間が空気層の場合、空気層と半導体発光素子との屈折率の差が比較的大きいため、半導体発光素子の光の取り出し効率に改善の余地がある。そこで、フィルタ層と半導体発光素子とを空気より高い屈折率を有する接着層によって接着することで、半導体発光素子の光の取り出し効率を向上することができる。
接着層は、厚みが0.1μm〜100μmであってもよい。接着層の厚みが0.1μm以上であればフィルタ層と半導体発光素子とを接着することが可能となる。また、接着層の厚みが100μm以下であれば、半導体発光素子の光が接着層の側面にあまり広がらずにフィルタ層に到達でき、また、透過率の低下も抑制される。
フィルタ層は、半導体発光素子が発する光が入射角60度で該フィルタ層に入射した場合の透過率が80%以上となるように構成されていてもよい。これにより、半導体発光素子から正面方向に出射された光の多くを光波長変換部材に導くことが可能となる。
光波長変換部材は、フィルタ層が形成されていない面の少なくとも一部が凹凸形状を有していてもよい。これにより、光波長変換部材の出射面の光取り出し効率が向上する。
凹凸形状は、複数の溝から構成されており、溝は、幅が1μm〜1000μm、深さが1μm〜1000μmであってもよい。これにより、光波長変換部材の出射面の光取り出し効率が更に向上する。
光波長変換部材は、フィルタ層が形成されていない面の少なくとも一部の算術平均粗さRaが100nm〜1000nmであってもよい。これにより、光波長変換部材の出射面の光取り出し効率が更に向上する。
発光モジュールに含まれる半導体発光素子の個数をN、各半導体発光素子のフィルタ層と対向する側の出射面の面積をS、光波長変換部材の半導体発光素子と対向する側の入射面の面積をT、とした場合、S≦T/N≦4×Sを満たしてもよい。これにより、光波長変換部材の発光面の面積を小さく制限でき、発光モジュールの正面方向の輝度を高めることができる。
光波長変換部材は、その厚みが1μm〜1000μmであってもよい。
光が入射角0度で前記フィルタ層に入射した場合の透過率が50%となる光の波長をλ1[nm]、前記半導体発光素子が発する光のピーク波長λp[nm]とすると、前記フィルタ層は、λp≦λ1≦λp+200[nm]を満たすように構成されていてもよい。光が入射角0度で前記フィルタ層に入射した場合の透過率が50%となる光の波長λ1が半導体発光素子が発する光のピーク波長λpよりも小さい場合、半導体発光素子から出射した光の多くがフィルタ層を透過せず、光波長変換部材まで到達する光が減少する。一方、透過率が50%となる光の波長λ1が、半導体発光素子が発する光のピーク波長λp+200nmよりも大きい場合、光波長変換部材で波長変換された光のうちフィルタ層に向かう光がフィルタ層で十分に反射されないため、反射されなかった光はそのまま半導体発光素子に向かい、その間に熱に変換されてしまう。そこで、フィルタ層を、λp≦λ1≦λp+200[nm]を満たすように構成することで、発光モジュールの発光に寄与せずに無駄になってしまう光の発生を抑制できる。
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、輝度の高い発光モジュールを提供することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
近年、LEDやLD(Laser Diode)を用いた各種の照明装置の開発がすすんでいる。このような照明装置の中には、特性として高い輝度が求められるものがある。例えば、LEDやLDを光源とした発光モジュールを車両のヘッドライトに用いる場合、更なる高輝度化が求められることになる。そこで、本発明者らは、発光モジュールの高輝度化を実現すべく鋭意検討した結果、以下に述べる実施の形態に代表される発光モジュールを考案した。
[車両用前照灯装置]
はじめに、後述する各実施の形態に係る発光モジュールが好適な用途として、高輝度化が求められている車両用前照灯装置の概略について説明する。本実施の形態の車両用前照灯装置は、ハイビーム用配光パターンの一部領域を形成可能な光を照射する灯具ユニットと、この灯具ユニットの光の照射状態を制御する照射制御部とを備える。そして、照射制御部は、ハイビーム用配光パターンの一部領域が少なくとも車幅方向に複数に分割された部分領域により形成されるように光の照射状態を制御する。また、各部分領域に対応する照射光の光度を個別に調整してハイビーム照射モードと昼間点灯照射モードを切り替えてハイビーム照射モードに適した光度分布と昼間点灯照射モードに適した光度分布を形成する。なお、各実施の形態に係る発光モジュールは、ハイビーム用配光パターンを形成する灯具ユニットだけではなく、ロービーム用配光パターンを形成する灯具ユニットにも適用できる。
はじめに、後述する各実施の形態に係る発光モジュールが好適な用途として、高輝度化が求められている車両用前照灯装置の概略について説明する。本実施の形態の車両用前照灯装置は、ハイビーム用配光パターンの一部領域を形成可能な光を照射する灯具ユニットと、この灯具ユニットの光の照射状態を制御する照射制御部とを備える。そして、照射制御部は、ハイビーム用配光パターンの一部領域が少なくとも車幅方向に複数に分割された部分領域により形成されるように光の照射状態を制御する。また、各部分領域に対応する照射光の光度を個別に調整してハイビーム照射モードと昼間点灯照射モードを切り替えてハイビーム照射モードに適した光度分布と昼間点灯照射モードに適した光度分布を形成する。なお、各実施の形態に係る発光モジュールは、ハイビーム用配光パターンを形成する灯具ユニットだけではなく、ロービーム用配光パターンを形成する灯具ユニットにも適用できる。
図1は、本実施の形態に係る車両用前照灯装置を構成する灯具本体ユニットの概略構造図である。本実施の形態の車両用前照灯装置は、車両の前部の車幅方向左右両端に一対の灯具本体ユニットを含む。そして、左右の灯具本体ユニットから照射される配光パターンを車両の前方で重畳させることにより車両用前照灯装置としての照射を完成させる。図1は、左右の灯具本体ユニットのうち右側に配置される灯具本体ユニット10の構成を示す。図1では、理解を容易にするために灯具本体ユニット10を水平面で切断して上方から見た断面図を示している。なお、左側に配置される灯具本体ユニットは右側に配置される灯具本体ユニット10と左右対称の構造であり基本構造は同一である。したがって、右側に配置される灯具本体ユニット10を説明することで左側に配置される灯具本体ユニットの説明は省略する。また、以下では、便宜上、灯具の光が照射する方向を車両前方(前側)、その反対側を車両後方(後側)として説明する場合がある。
灯具本体ユニット10は、透光カバー12、ランプボディ14、エクステンション16、第1灯具ユニット18、および第2灯具ユニット20を有する。ランプボディ14は、樹脂などによって細長い開口部を有するカップ型に成形されている。透光カバー12は、透光性を有する樹脂などによって成形され、ランプボディ14の開口部を塞ぐようにランプボディ14に取り付けられる。こうしてランプボディ14と透光カバー12とによって実質的に閉鎖空間となる灯室が形成され、この灯室内にエクステンション16、第1灯具ユニット18、および第2灯具ユニット20が配置される。
エクステンション16は、第1灯具ユニット18および第2灯具ユニット20からの照射光を通すための開口部を有し、ランプボディ14に固定される。第1灯具ユニット18は、第2灯具ユニット20より車両の車幅方向の外側に配置される。第1灯具ユニット18は、いわゆるパラボラ型の灯具ユニットであり、後述するロービーム用配光パターンを形成する。
第1灯具ユニット18は、リフレクタ22、光源バルブ24、およびシェード26を有する。リフレクタ22は、カップ型に形成され、中央に挿通孔が設けられている。本実施の形態では、光源バルブ24はハロゲンランプなどフィラメントを有する白熱灯によって構成されている。なお、光源バルブ24は、放電灯等他のタイプの光源が採用されてもよい。光源バルブ24は、内部に突出するようリフレクタ22の挿通孔に挿通されてリフレクタ22に固定される。リフレクタ22は、光源バルブ24が照射した光を車両前方に向けて反射させるよう、内面の曲面が形成されている。シェード26は、光源バルブ24から車両前方へ直接進行する光を遮断する。第1灯具ユニット18の構成は公知であるため、第1灯具ユニット18に関する詳細な説明は省略する。なお、第1灯具ユニット18の光源として後述の発光モジュールを用いても良い。
図2は、本実施の形態の灯具本体ユニット10に含まれる第2灯具ユニット20の構成を示す図である。図2では、第2灯具ユニット20を水平面で切断して上方から見た断面図を示している。第2灯具ユニット20は、ホルダ28、投影レンズ30、発光モジュール32、およびヒートシンク38を備える。第2灯具ユニット20は、ハイビーム用配光パターンの全部または一部領域を形成可能な光を照射する灯具ユニットである。すなわち、第2灯具ユニット20は、ハイビーム照射モード時に、第1灯具ユニット18により形成されるロービーム用配光パターンの上部にハイビーム用配光パターンを形成する。ハイビーム用配光パターンがロービーム用配光パターンに追加されることで、全体として照射範囲が広くなり、遠方視認性能も向上する。また、第2灯具ユニット20は、昼間点灯照射モード時に単独で光を照射することにより、昼間など対向車や歩行者などに自車の存在を認識しやすくするための昼間点灯照射ランプ、いわゆるデイタイムランニングランプ(DRL)として機能する。
投影レンズ30は、前方側表面が凸面で後方側表面が平面の平凸非球面レンズからなり、その後側焦点面上に形成される光源像を、反転像として灯具前方の仮想鉛直スクリーン上に投影する。投影レンズ30は筒状に形成されたホルダ28の一方の開口部に取り付けられる。なお、発光モジュール32は、以下に示す各実施の形態に係る発光モジュールに対応するものである。
(第1の実施の形態)
[発光モジュール]
図3は、第1の実施の形態に係る発光モジュールの要部を示す断面図である。発光モジュール40は、半導体発光素子としてのLEDチップ42と、LEDチップ42の発光面42aに対向するように設けられ、LEDチップ42が発する光の波長を変換する板状の蛍光体層44と、板状の蛍光体層44の表面のうち、LEDチップ42と対向する面44a上に形成され、LEDチップ42から出射した光を透過させるとともに蛍光体層44で波長変換された光を反射するフィルタ層46と、を備える。なお、本実施の形態に係る発光モジュール40は、LEDチップ42とフィルタ層46との隙間に空気層48が形成されている。
[発光モジュール]
図3は、第1の実施の形態に係る発光モジュールの要部を示す断面図である。発光モジュール40は、半導体発光素子としてのLEDチップ42と、LEDチップ42の発光面42aに対向するように設けられ、LEDチップ42が発する光の波長を変換する板状の蛍光体層44と、板状の蛍光体層44の表面のうち、LEDチップ42と対向する面44a上に形成され、LEDチップ42から出射した光を透過させるとともに蛍光体層44で波長変換された光を反射するフィルタ層46と、を備える。なお、本実施の形態に係る発光モジュール40は、LEDチップ42とフィルタ層46との隙間に空気層48が形成されている。
LEDチップ42としては、不図示の実装基板にフェイスダウンで実装されるフリップチップ型LEDや、縦型LEDなどが挙げられる。蛍光体層44は、対向するLEDチップ42が発する光を波長変換して出射する光波長変換部材として機能する。
図4は、第1の実施の形態に係る発光モジュールの変形例の要部を示す断面図である。発光モジュール50は、半導体発光素子としてCAN型LD52が用いられている以外は前述の発光モジュール40と同様である。
図5は、本実施の形態に好適なLEDチップの配光分布の一例を示す図である。図5では、LEDチップの正面方向の光度を100とした場合の相対値を照射方向が−90°から90°の範囲で示したものである。図13は、図5に示す配光分布を有するLEDチップの測定角度と累積光度比との関係を示した図である。図13に示す累積光度比とは、LEDチップの正面方向(0度)から真横方向(90度)に向かって10度ごとに測定した光度を足し合わせた値を100とした場合の、各測定角度までの光度の累積値の比率を示している。例えば、測定角度x(10,20,・・・80,90)における光度をIxとした場合、測定角度60度までの累積光度比R60は、以下の式で示される。
R60=(I0+I10+・・・+I60)/(I0+I10+・・・+I80+I90)
R60=(I0+I10+・・・+I60)/(I0+I10+・・・+I80+I90)
本実施の形態に係るLEDチップは、測定角度60までの累積光度比R60が80%を超えて88.7%となっている。このように、本実施の形態に係る半導体発光素子は、出射光の全エネルギーに対して、正面方向から±60度の範囲内の出射光のエネルギーの割合が80%以上となるように構成されている。
なお、半導体発光素子の発光波長は、可視光の範囲だけではなく紫外光の範囲であってもよい。また、半導体発光素子の指向性が高いほどフィルタ層46を透過する光が多くなるため、発光モジュールの輝度を高めるという観点では、LD、縦型LED、フリップチップ型LEDの順で好適である。
[光波長変換部材]
光波長変換部材に用いられる材料は、粉末の蛍光体を分散させた樹脂組成物やガラス組成物、後述する蛍光セラミックスが挙げられる。特に、無機材料である蛍光セラミックスは、多様な形状への成形や、精度の高い加工が容易に行える。そのため、蛍光セラミックスは、特に、板状の光波長変換部材として利用する場合に好適である。蛍光体からなるセラミックス(蛍光体焼結体)は、いわゆる発光セラミックス、または蛍光セラミックスと呼ばれるものであり、青色光によって励起される蛍光体であるYAG(Yttrium Aluminum Garnet)粉末を用いて作成されたセラミックス素地を焼結することにより得ることができる。このような光波長変換セラミックスの製造方法は公知であることから詳細な説明は省略する。こうして得られた光波長変換セラミックスは、例えば粉末状の蛍光体と異なり、粉末表面での光拡散を抑制でき、半導体発光素子が発する光の損失が非常に少ない。なお、焼結する蛍光体は、青色光によって励起される蛍光体に限られず、例えば、近紫外光、紫外光によって励起される蛍光体であっても良い。
光波長変換部材に用いられる材料は、粉末の蛍光体を分散させた樹脂組成物やガラス組成物、後述する蛍光セラミックスが挙げられる。特に、無機材料である蛍光セラミックスは、多様な形状への成形や、精度の高い加工が容易に行える。そのため、蛍光セラミックスは、特に、板状の光波長変換部材として利用する場合に好適である。蛍光体からなるセラミックス(蛍光体焼結体)は、いわゆる発光セラミックス、または蛍光セラミックスと呼ばれるものであり、青色光によって励起される蛍光体であるYAG(Yttrium Aluminum Garnet)粉末を用いて作成されたセラミックス素地を焼結することにより得ることができる。このような光波長変換セラミックスの製造方法は公知であることから詳細な説明は省略する。こうして得られた光波長変換セラミックスは、例えば粉末状の蛍光体と異なり、粉末表面での光拡散を抑制でき、半導体発光素子が発する光の損失が非常に少ない。なお、焼結する蛍光体は、青色光によって励起される蛍光体に限られず、例えば、近紫外光、紫外光によって励起される蛍光体であっても良い。
光波長変換部材の厚みは、発光モジュールとして必要とされる光の色や輝度、組み合わせるLEDチップの種類などを考慮して適宜設定すればよい。例えば、厚みが1μm以上であれば、LEDチップが発する光を十分波長変換することが可能となる。また、厚みが1000μm以下であれば、LEDチップの光を十分透過させることができる。
光波長変換部材の屈折率は、1.2〜3.0が好ましい。光波長変換部材は、単一成分であっても、複数成分から構成されていても、板状であればよい。
例えば、
(i)シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂などの熱硬化性樹脂に蛍光体を混合し、板状に成形したもの、
(ii)アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ポリスチレン、シクロオレフィン、PVCなどの熱可塑性樹脂に蛍光体を混合し、板状に成形したもの、
(iiia)溶融シリカ、溶融石英、アルミン酸カルシウムガラス、ニオブ酸リチウム、カルサイド、酸化チタン、チタン酸ストロンチウム、アルミナ、フッ化リチウム、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、ジルコニア、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化ナトリウム、フッ化バリウム、フッ化鉛、ヨウ化ナトリウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化銀、塩化タリウム、塩臭化タリウム、臭化カリウム、臭化銀、臭化タリウム、ヨウ化カリウム、臭化セシウム、ヨウ化セシウム、
(iiib)石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、光学ガラスなどの酸化物ガラス、フッ化物ガラス、カルコゲンガラス、
などの透明無機物に蛍光体を混合し、板状に成形したもの、
(iv)YAG(イットリウムアルミニウムガーネット)やTAG(テルビウムアルミニウムガーネット)、シリケート系、サイアロンなど蛍光体粉末を焼成して板状にしたもの、が挙げられる。
(i)シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂などの熱硬化性樹脂に蛍光体を混合し、板状に成形したもの、
(ii)アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ポリスチレン、シクロオレフィン、PVCなどの熱可塑性樹脂に蛍光体を混合し、板状に成形したもの、
(iiia)溶融シリカ、溶融石英、アルミン酸カルシウムガラス、ニオブ酸リチウム、カルサイド、酸化チタン、チタン酸ストロンチウム、アルミナ、フッ化リチウム、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、ジルコニア、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化ナトリウム、フッ化バリウム、フッ化鉛、ヨウ化ナトリウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化銀、塩化タリウム、塩臭化タリウム、臭化カリウム、臭化銀、臭化タリウム、ヨウ化カリウム、臭化セシウム、ヨウ化セシウム、
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(iv)YAG(イットリウムアルミニウムガーネット)やTAG(テルビウムアルミニウムガーネット)、シリケート系、サイアロンなど蛍光体粉末を焼成して板状にしたもの、が挙げられる。
また、光波長変換部材は、少なくとも一つ以上の発光素子上に設けられていればよい。また、光波長変換部材は、複数の発光素子のそれぞれに設けてもよい。また、光波長変換部材は、複数の発光素子に対して一体的に設けてもよい。また、複数の発光素子に一体的な光波長変換部材を設ける場合には、光波長変換部材の厚みは一様でなくてもよい。例えば、複数の発光素子と対向するように一枚の光波長変換部材を配置する場合、光波長変換部材の、発光素子間の隙間領域と対向する部分の厚みを薄くしてもよい。
[フィルタ層]
前述のフィルタ層46は、所望の波長の光を選択的に透過させるように適宜設計されたいわゆる光学薄膜が好適である。フィルタ層46は、屈折率の異なる材料を交互に積層することにより多層化された、例えば、ダイクロイックミラーとして機能するものである。フィルタ層46を構成する各層は、蒸着やスパッタリングにより形成される。本実施の形態に係るフィルタ層46は、青色光を透過し、黄色光を反射するように設けられている。なお、フィルタ層46は上述したものに限られないことは勿論であり、例えばロングパスフィルタ、ショートパスフィルタ、またはバンドパスフィルタが採用されてもよい。このような光学薄膜からなるフィルタ層46は、板状の蛍光体層44を光学研磨した面に成膜される。なお、フィルタ層46は、粗化面や凹凸面に成膜されることももちろん可能である。
前述のフィルタ層46は、所望の波長の光を選択的に透過させるように適宜設計されたいわゆる光学薄膜が好適である。フィルタ層46は、屈折率の異なる材料を交互に積層することにより多層化された、例えば、ダイクロイックミラーとして機能するものである。フィルタ層46を構成する各層は、蒸着やスパッタリングにより形成される。本実施の形態に係るフィルタ層46は、青色光を透過し、黄色光を反射するように設けられている。なお、フィルタ層46は上述したものに限られないことは勿論であり、例えばロングパスフィルタ、ショートパスフィルタ、またはバンドパスフィルタが採用されてもよい。このような光学薄膜からなるフィルタ層46は、板状の蛍光体層44を光学研磨した面に成膜される。なお、フィルタ層46は、粗化面や凹凸面に成膜されることももちろん可能である。
本実施の形態に係る発光モジュール40は、フィルタ層46によって、LEDチップ42から出射した光を透過させるとともに蛍光体層44で波長変換された光を反射するため、正面方向への光の取り出し効率が向上する。また、LEDチップ42の配光が比較的正面に集中しており、また、LEDチップ42の発光面42aに対向するように設けられている蛍光体層44が板状であるため、LEDチップ42の出射光および蛍光体層44で波長が変換された変換光は共に正面方向に向かいやすい。そのため、特に発光モジュール40の正面方向の輝度を高めることができる。
バンドパスフィルタは、誘電体の薄膜を組み合わせて構成される。誘電体の薄膜の成膜方法は、各種公知の方法を用いて作製される。このような方法として、例えば、エアドクタコータ、ブレードコータ、ロッドコータ、ナイフコータ、リバースロールコータ、トランスファコータ、グラビアコータ、キスコータ、キャスティングコーティング、スプレイコーティング、スロットオリフスコータ、カレンダコーティング、電着コーティング、押し出しコーティング、スピンコーティング、真空メッキ法、などを用いることができる。
バンドパスフィルタは、低屈折率と高屈折率の誘電体の薄膜を組み合わせて作製できる。例えば、低屈折率の誘電体を実現する物質としては、CaF(屈折率1.23)、LiF(屈折率1.36)、MgF2(屈折率1.38)、SiO2(屈折率1.46)LaF3(屈折率1.59)が挙げられる。また、高屈折率の誘電体を実現する物質としては、NdF3(屈折率1.60)、Al2O3(屈折率1.63)、CeF3(屈折率1.63)、MgO(屈折率1.70)、BiF3(屈折率1.74)、PbF2(屈折率1.75)、BeO(屈折率1.82)、Sc2O3(屈折率1.86)、Pr6O11(屈折率1.92)、La2O3(屈折率1.95)、Nd2O3(屈折率2.00)、HfO2(屈折率2.09)、CeO2(屈折率2.20)、ZrO2(屈折率2.03)、OH−5(ZrO2+TiO2:屈折率2.09)、Ta2O5(屈折率2.14)、OS−50(Ti3O5:屈折率2.24)、Sb2O3(屈折率2.29)、PbCl2(屈折率2.30)が挙げられる。
フィルタ層の入射面の最表層は、高屈折率の誘電体薄膜であっても、低屈折率の誘電体薄膜であってもよい。なお、耐久性の観点からは、SiO2など膜硬度の高い物質が好ましい。
(第2の実施の形態)
図6は、第2の実施の形態に係る発光モジュールの要部を示す断面図である。本実施の形態に係る発光モジュール60は、第1の実施の形態に係る発光モジュールと比較して、フィルタ層46とLEDチップ42とを接着する接着層54を更に備えている点が大きく異なる。接着層54は、屈折率が1.3以上の透光性の材料で構成されている。具体的には、フッ素系接着剤、ジメチルシリコーン、ビスフェノールA型エポキシ、TiO2系ゾルゲル剤などが好適である。
図6は、第2の実施の形態に係る発光モジュールの要部を示す断面図である。本実施の形態に係る発光モジュール60は、第1の実施の形態に係る発光モジュールと比較して、フィルタ層46とLEDチップ42とを接着する接着層54を更に備えている点が大きく異なる。接着層54は、屈折率が1.3以上の透光性の材料で構成されている。具体的には、フッ素系接着剤、ジメチルシリコーン、ビスフェノールA型エポキシ、TiO2系ゾルゲル剤などが好適である。
第1の実施の形態に係る発光モジュールのように、フィルタ層46とLEDチップ42との間が空気層48の場合、空気層48とLEDチップ42との屈折率の差が比較的大きいため、LEDチップ42の光の取り出し効率に改善の余地がある。そこで、フィルタ層46とLEDチップ42とを空気より高い屈折率を有する接着層54によって接着することで、LEDチップ42の光の取り出し効率を向上することができる。その結果、発光モジュールの輝度を高めることもできる。
上述の各実施の形態に係る発光モジュールにおいては、フィルタ層46の成膜場所は蛍光体層44の表面のうち、LEDチップ42と対向する面44a上にのみ形成されているが、フィルタ層の成膜場所はこの構成に限られない。例えば、蛍光体層44の表面のうち側面のみであったり、蛍光体層44の表面のうち側面とLEDチップ42と対向する面44aの両方であったりしてもよい。フィルタ層46を側面に成膜する場合、輝度向上の効果と製造の容易さとを勘案して、全ての側面ではなく一部の側面のみにフィルタ層を成膜してもよい。
上述の各実施の形態に係る蛍光体層44は、直方体であってもよく、直方体の側面がテーパ形状であってもよい。図7は、側面がテーパ形状の蛍光体層56を示す断面図である。なお、テーパ形状は、蛍光体層56の入射面56aから出射面56bに向かって広がるように形成されている。側面をこのようなテーパ形状にすることにより、フィルタ層46を透過した光が側面から出射しにくくなり、蛍光体層56の正面である出射面56bから出射する光束を増すことができることができる。
また、蛍光体層44や蛍光体層56の表面のうちフィルタ層46が成膜されていない表面に、反射防止膜を形成したり、粗化または凹凸加工を施したりしてもよい。反射防止膜としては、例えば、蛍光体層の出射面を鏡面研磨した後に誘電体多層膜を成膜したものが挙げられる。また、表面の粗化加工としては、例えば、フィルタ層が形成されていない面の少なくとも一部の算術平均粗さRaが10nm〜1000nmとなるように研磨機で加工する方法が挙げられる。なお、好ましくは、算術平均粗さRaが100nm以上となるように表面の粗化加工を行うとよい。また、表面の凹凸加工としては、例えば、フィルタ層が形成されていない面に、ダイサーにより複数の溝を形成する方法が挙げられる。形成する溝は、線幅が1μm〜1000μm、深さが1μm〜1000μm程度である。このように蛍光体層の表面に反射防止膜を形成したり表面を加工したりすることで、蛍光体層の出射面の光取り出し効率が更に向上する。
なお、凹凸加工は、ダイサーによる研削加工以外に、レーザー加工、ブラスト加工、ドライエッチング加工、ウエットエッチング加工等を適宜用いてもよい。
次に、青色発光LEDチップと黄色発光蛍光体を用いた白色発光モジュールを例に、更に好適なフィルタの特性について説明する。フィルタ層46が多層膜の場合、光が斜めから入射すると、一般的に、透過/反射特性が(垂直に入射する場合に比べて)短波長方向にシフトする。つまり、フィルタ層に光が垂直に入射する場合に透過率(または反射率)が急変する波長と比較して、フィルタ層に光が斜めに入射する場合に透過率(または反射率)が急変する波長は、短波長側にシフトする。
図8は、従来のフィルタ層の透過率を示したグラフである。図9は、本実施の形態に係るフィルタ層の透過率を示したグラフである。図10は、入射角の定義を示す概要図である。なお、図8および図9は、LEDチップ42から出射された光(波長420〜480nm)が、図10に示した入射角θ(0、30、60度)で屈折率1.4の接着層54からフィルタ層46へ入射する時の透過率Tを示している。
図8に示すフィルタ層では、入射角θが大きくなるにつれて透過率が高い波長域が短波長側にシフトしている。特に、入射角60度の場合、青色LEDチップの発光スペクトルの波長域における透過率Tは46%まで低下している。したがって、青色LEDチップの出射光のうち、特に、大きな入射角でフィルタ層46に入射する光の多くが反射されてしまい、蛍光体層に到達する光が減少する。その結果、青色LEDチップの出射光をより有効に利用するという観点から更なる改良の余地がある。
そこで、図9に示す特性を有するフィルタ層に想到した。図9に示すフィルタ層においても、入射角θが大きくなるにつれて透過率が高い波長域が短波長側にシフトする点は図8に示すフィルタ層と同様である。しかしながら、図9に示すフィルタ層は、入射角θの増大に伴い透過率が高い波長域が短波長側にシフトする点を考慮して、入射角0度での透過/反射特性(図9に示すラインL1’)が従来のフィルタ層の入射角0度での透過/反射特性(図8に示すラインL1)に対して長波長側に15nmシフトするように構成されている。
図11は、フィルタ層の有無および種類による発光素子光の透過率の入射角度依存性を示したグラフである。なお、透過率は、屈折率1.4の接着層からフィルタ層に向かう光について算出した。図11に示すように、本実施の形態に係るフィルタ層では、LEDチップの光が入射角60度でフィルタ層に到達した場合でも、フィルタ層における透過率が90%以上となる。
なお、シフト量を更に大きくすることで入射角60度以上のLEDチップの光の透過率の向上が可能である。その反面、入射角0度の場合の、透過率が高い波長域が蛍光波長域(490nm〜780nm)の一部と重なるため反射性能が低下する。そこで、本発明者らは、光取り出し効率を最大化させるために、LEDチップの配光の指向性、LEDチップ光の波長、蛍光の波長のバランスを考慮して、LEDチップ出射光のうちフィルタ層に対する入射角が±60度の範囲の光(LEDチップの出射光の全エネルギーの90%相当)をより透過させるフィルタ層が好ましいことを見いだした。
なお、フィルタ層は、半導体発光素子が発する光が入射角60度でフィルタ層に入射した場合の透過率が80%以上となるように構成されていてもよい。これにより、半導体発光素子から正面方向に出射された光の多くを蛍光体層に導くことが可能となる。
また、光が入射角0度でフィルタ層46に入射した場合の透過率が50%となる光の波長(複数ある場合は波長が大きい方)をλ1[nm]、LEDチップ42が発する光のピーク波長λp[nm]とすると、本実施の形態に係るフィルタ層46は、λp≦λ1≦λp+200[nm]を満たすように構成されている。具体的には、本実施の形態では、LEDチップ42が発する光のピーク波長λpは約450nm、光が入射角0度でフィルタ層46に入射した場合の透過率が50%となる光の波長λ1は約550nmであり、前述の式の関係を満たしている。
透過率が50%となる光の波長λ1がLEDチップ42のピーク波長λpよりも小さい場合、LEDチップ42から出射した光の多くがフィルタ層46を透過せず、蛍光体層44まで到達する光が減少する。一方、透過率が50%となる光の波長λ1が、LEDチップ42が発する光のピーク波長λp+200nmよりも大きい場合、蛍光体層44で波長変換された光のうちフィルタ層46に向かう光がフィルタ層46の表面で十分に反射されないため、反射されなかった光はそのままLEDチップ42に向かう間に熱に変換されてしまう。そこで、フィルタ層46を、λp≦λ1≦λp+200[nm]を満たすように構成することで、発光モジュールの発光に寄与せずに無駄になる光の発生を抑制できる。なお、好ましくは、フィルタ層46を、λp+50[nm]≦λ1≦λp+200[nm]を満たすように構成するとよい。更に好ましくは、フィルタ層46を、λp+100[nm]≦λ1≦λp+150[nm]を満たすように構成するとよい。
また、前述の各実施の形態において、フィルタ層46は、LEDチップ42が発する光の光軸上にあればどこに設置されていてもよく、例えば、LEDチップ内の発光層の直上や、LEDチップの直上に形成されていてもよい。好ましくは、蛍光体層44の入射側に設置することにより、蛍光体層44の内部で効率よく波長変換された光を反射できる。
以下、上述の種々の構成を組み合わせた発光モジュールの輝度について各実施例を参照して説明する。
(実施例1−1〜実施例1−3)
本実施例では、図3または図4に示す発光モジュールにおいて、半導体発光素子のタイプ別の輝度を比較する。比較例1に係る発光モジュールは、半導体発光素子がフリップチップ(FC)型LEDであり、フィルタ層を備えていない。実施例1−1に係る発光モジュールは、半導体発光素子がFC型LEDであり、フィルタ層を備えている。実施例1−2に係る発光モジュールは、半導体発光素子が縦(VC)型LEDであり、フィルタ層を備えている。実施例1−3に係る発光モジュールは、半導体発光素子がLDであり、フィルタ層を備えている。なお、比較例および各実施例に係る発光モジュールの蛍光体層は、粉末の蛍光体を分散させたガラス組成物であり、厚みが150μmである。
本実施例では、図3または図4に示す発光モジュールにおいて、半導体発光素子のタイプ別の輝度を比較する。比較例1に係る発光モジュールは、半導体発光素子がフリップチップ(FC)型LEDであり、フィルタ層を備えていない。実施例1−1に係る発光モジュールは、半導体発光素子がFC型LEDであり、フィルタ層を備えている。実施例1−2に係る発光モジュールは、半導体発光素子が縦(VC)型LEDであり、フィルタ層を備えている。実施例1−3に係る発光モジュールは、半導体発光素子がLDであり、フィルタ層を備えている。なお、比較例および各実施例に係る発光モジュールの蛍光体層は、粉末の蛍光体を分散させたガラス組成物であり、厚みが150μmである。
実施例1−1〜1−3に示すように、フィルタ層を設けることにより比較例と比較して輝度が向上している。特に、指向性の高いLDを備えた実施例1−3に係る発光モジュールは、比較例1に係る発光モジュールに対して輝度が20%向上している。
(実施例2−1、実施例2−2)
本実施例では、フィルム層を蛍光体層のいずれの面に成膜することが好ましいかについて検討する。実施例2−1に係る発光モジュールは、蛍光体層の側面のみにフィルタ層が成膜してある。実施例2−2に係る発光モジュールは、蛍光体層の側面および底面にフィルタ層が成膜してある。なお、その他の構成は比較例1および実施例1−1と同様である。
本実施例では、フィルム層を蛍光体層のいずれの面に成膜することが好ましいかについて検討する。実施例2−1に係る発光モジュールは、蛍光体層の側面のみにフィルタ層が成膜してある。実施例2−2に係る発光モジュールは、蛍光体層の側面および底面にフィルタ層が成膜してある。なお、その他の構成は比較例1および実施例1−1と同様である。
実施例1−1、2−1、2−2に示すように、蛍光体層の表面にフィルタ層を形成することで発光モジュールの輝度が向上する。また、実施例2−2に示すように、蛍光体層のLEDチップと対向する側の面(底面)および側面にフィルタ層を設けることにより、蛍光体層からLEDチップに向かう蛍光を反射するとともに蛍光体層の側面から外部へ出射する光を抑制することができるため、発光モジュールの輝度が更に向上する。
(実施例3−1、実施例3−2)
本実施例では、蛍光体層の種類について検討する。実施例3−1に係る発光モジュールは、粉末の蛍光体をビスフェノールA型エポキシに分散させた樹脂板蛍光体層を備えている。実施例3−2に係る発光モジュールは、蛍光体を焼結させたセラミックス蛍光体層を備えている。比較例3−1に係る発光モジュールは、粉末蛍光体をジメチルシリコーン樹脂に分散させた樹脂フィルム蛍光体層を備えている。比較例3−2に係る発光モジュールは、実施例3−1に係る樹脂板蛍光体層を備えているが、フィルタ層は成膜されていない。
本実施例では、蛍光体層の種類について検討する。実施例3−1に係る発光モジュールは、粉末の蛍光体をビスフェノールA型エポキシに分散させた樹脂板蛍光体層を備えている。実施例3−2に係る発光モジュールは、蛍光体を焼結させたセラミックス蛍光体層を備えている。比較例3−1に係る発光モジュールは、粉末蛍光体をジメチルシリコーン樹脂に分散させた樹脂フィルム蛍光体層を備えている。比較例3−2に係る発光モジュールは、実施例3−1に係る樹脂板蛍光体層を備えているが、フィルタ層は成膜されていない。
実施例3−1、3−2に示すように、板状の蛍光体層を備えることで発光モジュールの輝度が向上する。特に、板状のセラミックス蛍光体層を備える実施例3−2に係る発光モジュールは、比較例1に係る発光モジュールに対して輝度が16%向上している。なお、比較例3−1に係る蛍光体層は、樹脂フィルムであるため硬度が不足しており、加工時の外力でフィルム形状が変形しやすくなっている。そのため、加工時において、フィルムにクラックが発生したり蒸着されたフィルタ層が剥離したりする問題が発生し、輝度を正確に測定することができなかった。
(実施例4−1〜実施例4−4)
本実施例では、透光性の接着層の屈折率の相違について検討する。実施例4−1に係る発光モジュールは、フッ素系接着剤(屈折率n=1.34)からなる接着層を備えている。実施例4−2に係る発光モジュールは、ジメチルシリコーン(n=1.41)からなる接着層を備えている。実施例4−3に係る発光モジュールは、ビスフェノールA型エポキシ(n=1.55)からなる接着層を備えている。実施例4−4に係る発光モジュールは、TiO2ゾルゲル剤(屈折率n=1.60)からなる接着層を備えている。なお、その他の構成は実施例3−2と同様である。
本実施例では、透光性の接着層の屈折率の相違について検討する。実施例4−1に係る発光モジュールは、フッ素系接着剤(屈折率n=1.34)からなる接着層を備えている。実施例4−2に係る発光モジュールは、ジメチルシリコーン(n=1.41)からなる接着層を備えている。実施例4−3に係る発光モジュールは、ビスフェノールA型エポキシ(n=1.55)からなる接着層を備えている。実施例4−4に係る発光モジュールは、TiO2ゾルゲル剤(屈折率n=1.60)からなる接着層を備えている。なお、その他の構成は実施例3−2と同様である。
実施例4−1〜4−4に示すように、半導体発光素子とフィルタ層を接着層で接着することで発光モジュールの輝度が大幅に向上する。特に、屈折率が1.3以上の接着層を備えた発光モジュールは、比較例1に係る発光モジュールに対して輝度が約40%以上向上している。また、屈折率が高い接着層を備えた発光モジュールほど輝度が向上している。これは、半導体発光素子がフリップチップ型のLEDチップの場合、出射面がサファイアで構成されていることが多く、サファイアの屈折率が1.78程度であるため、この屈折率により近い屈折率の接着層を用いることで、LEDチップからの光の取り出し効率が向上するためと考えられる。
なお、接着層は、厚みが0.1μm〜100μmの範囲が好適である。接着層の厚みが0.1μm以上であればフィルタ層と半導体発光素子とを接着することが可能となる。また、接着層の厚みが100μm以下であれば、半導体発光素子の光が余り広がらずにフィルタ層に到達でき、また、透過率の低下も抑制される。
(実施例5)
本実施例では、蛍光体層の出射面に反射防止膜を形成した場合の効果について検討する。実施例5に係る発光モジュールは、蛍光体層の出射面に誘電体多層膜からなる反射防止層がコーティングされている。
本実施例では、蛍光体層の出射面に反射防止膜を形成した場合の効果について検討する。実施例5に係る発光モジュールは、蛍光体層の出射面に誘電体多層膜からなる反射防止層がコーティングされている。
実施例5に示すように、蛍光体層の出射面に反射防止膜を形成することで蛍光体層からの光取り出し効率が向上し、発光モジュールの輝度が向上する。
(実施例6−1〜実施例6−6)
本実施例では、蛍光体層の出射面の凹凸(溝)加工の効果について検討する。図12は、蛍光体層の出射面の溝加工による凹凸形状を示す要部断面図である。図12に示すように、蛍光体層44は、フィルタ層46が形成されていない面の少なくとも一部に溝形状を有している。溝形状を定義するパラメータは、溝幅W、溝深さD、溝間の未加工の部分の幅であるスペースLがある。実施例6−1〜実施例6−5における各蛍光体層においては、蛍光体層の厚みに対する溝深さDが90%になるように加工されており、溝深さDは45μm〜450μmの範囲で異なっている。なお、溝幅WおよびスペースLは全て100μmである。また、実施例6−6における発光モジュールは、フィルタ層を備えていない点を除いて実施例4−2と同様である。
本実施例では、蛍光体層の出射面の凹凸(溝)加工の効果について検討する。図12は、蛍光体層の出射面の溝加工による凹凸形状を示す要部断面図である。図12に示すように、蛍光体層44は、フィルタ層46が形成されていない面の少なくとも一部に溝形状を有している。溝形状を定義するパラメータは、溝幅W、溝深さD、溝間の未加工の部分の幅であるスペースLがある。実施例6−1〜実施例6−5における各蛍光体層においては、蛍光体層の厚みに対する溝深さDが90%になるように加工されており、溝深さDは45μm〜450μmの範囲で異なっている。なお、溝幅WおよびスペースLは全て100μmである。また、実施例6−6における発光モジュールは、フィルタ層を備えていない点を除いて実施例4−2と同様である。
実施例6−1〜6−5に示すように、蛍光体層の出射面に溝を設けることで、蛍光体層の出射面の光取り出し効率が向上し、発光モジュールの輝度が向上している。また、蛍光体層の厚みに対する溝深さDの割合が一定の場合、溝深さが小さいほど発光モジュールの輝度が高く、またフィルタ層を設けたときの輝度向上の割合も高くなっている。特に、蛍光体層の厚みが150μm以下の実施例に係る発光モジュールは、比較例1に係る発光モジュールに対して輝度が100%以上向上している。
また、セラミックスの蛍光体層の厚みが150μmであって溝加工がされてない実施例4−2および実施例6−6の発光モジュールを比較すると、フィルタ層のない実施例6−6に係る発光モジュールの相対輝度が138であるのに対して、フィルタ層のある実施例4−2に係る発光モジュールの相対輝度は145である。つまり、溝加工がない蛍光体層にフィルタ層を設けた効果はおよそ5%(138→145)である。
セラミックスの蛍光体層の厚みが150μmであって溝加工がされている実施例6−3を見ると、フィルタ層のない発光モジュールの相対輝度が193であるのに対して、フィルタ層のある発光モジュールの相対輝度は221である。つまり、溝加工がある蛍光体層にフィルタ層を設けた効果はおよそ14%(193→221)である。つまり、蛍光体層にフィルタ層を成膜するとともに蛍光体層の出射面に溝加工を施すことで、相乗効果により発光モジュールの輝度がより向上していることがわかる。
このように溝加工の有無による輝度向上の効果の相違は、以下のように考えられる。蛍光体層の出射面に溝加工がない場合、蛍光体層で波長変換された光のうちフィルタ層が出射面方向に反射した光は、板状のセラミックスの蛍光体層内において出射面で再度反射されやすくなり、蛍光体層内部で繰り返し反射され最終的に熱になる。そのため、フィルタ層で反射された光を蛍光体層の外部へ効率的に取り出せないと考えられる。一方、蛍光体層の出射面に溝加工がある場合、フィルタ層で反射された光を蛍光体層の外部へ効率的に取り出すことが可能となり、発光モジュールの輝度の更なる向上が実現されていると考えられる。
(実施例7−1〜実施例7−4)
本実施例においても、蛍光体層の出射面の凹凸(溝)加工の効果について検討する。実施例7−1〜実施例7−4における各蛍光体層においては、厚みが一定の蛍光体層に対して溝深さDが異なるように加工されており、溝深さDは3μm〜100μmの範囲で異なっている。なお、溝幅WおよびスペースLは全て100μmである。
本実施例においても、蛍光体層の出射面の凹凸(溝)加工の効果について検討する。実施例7−1〜実施例7−4における各蛍光体層においては、厚みが一定の蛍光体層に対して溝深さDが異なるように加工されており、溝深さDは3μm〜100μmの範囲で異なっている。なお、溝幅WおよびスペースLは全て100μmである。
実施例7−1〜7−4に示すように、蛍光体層の出射面に溝を設けることで、蛍光体層の出射面の光取り出し効率が向上し、発光モジュールの輝度が向上している。また、一定の厚みの蛍光体層に対して溝深さDが大きいほど発光モジュールの輝度が向上している。特に、溝深さDが3μm以上であれば、比較例1に係る発光モジュールに対して輝度が100%以上向上している。
(実施例8−1〜実施例8−4)
本実施例では、蛍光体層の出射面粗化加工の効果について検討する。実施例8−1〜実施例8−4における各蛍光体層においては、蛍光体層の出射面の算術平均粗さが100nm〜1000nmの範囲で異なっている。
本実施例では、蛍光体層の出射面粗化加工の効果について検討する。実施例8−1〜実施例8−4における各蛍光体層においては、蛍光体層の出射面の算術平均粗さが100nm〜1000nmの範囲で異なっている。
実施例8−1〜8−4に示すように、蛍光体層の出射面を粗化することで、蛍光体層の出射面の光取り出し効率が向上し、発光モジュールの輝度が向上している。また、出射面の算術平均粗さが100nm〜1000nmであれば、比較例1に係る発光モジュールに対して輝度が100%以上向上している。特に、算術平均粗さが400nm〜1000nmであれば、比較例1に係る発光モジュールに対して輝度が200%以上向上している。
以上の各実施の形態や各実施例に係る発光モジュールでは、主として半導体発光素子が単数の場合について説明している。しかしながら、発光モジュールが備える半導体発光素子は単数に限られず、用途や必要とされる特性に応じて複数であってもよい。
このような場合、発光モジュールに含まれる半導体発光素子の個数をN、各半導体発光素子のフィルタ層と対向する側の出射面の面積をS、蛍光体層の半導体発光素子と対向する側の入射面の面積をT、とした場合、S≦T/N≦4×Sを満たすとよい。これにより、半導体発光素子から出射した光の多くが蛍光体層に入射する。
[組成分析]
上述の各膜(層)の組成分析は、例えば、薄膜断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察しながらエネルギー分散型X線分析装置(XMA)で元素分析を行ったり、膜表面をイオンビームでエッチングしながら光電子分光装置(XPS)や二次イオン質量分析計(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometer)などを用いたりする。このような手法により、各膜の膜厚や材料が特定される。
上述の各膜(層)の組成分析は、例えば、薄膜断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察しながらエネルギー分散型X線分析装置(XMA)で元素分析を行ったり、膜表面をイオンビームでエッチングしながら光電子分光装置(XPS)や二次イオン質量分析計(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometer)などを用いたりする。このような手法により、各膜の膜厚や材料が特定される。
[光学シミュレーション]
光学薄膜の光学特性は、市販光学薄膜設計ソフト(例えば、Essential Macleod)を用いて特定される。このような薄膜設計ソフトは、膜材料の屈折率と膜厚データから多層膜の分光特性をシミュレーションすることが可能である。同時に、任意の接着樹脂の屈折率と入射光線の入射角度に対応する分光特性を再現することが可能である。
光学薄膜の光学特性は、市販光学薄膜設計ソフト(例えば、Essential Macleod)を用いて特定される。このような薄膜設計ソフトは、膜材料の屈折率と膜厚データから多層膜の分光特性をシミュレーションすることが可能である。同時に、任意の接着樹脂の屈折率と入射光線の入射角度に対応する分光特性を再現することが可能である。
以上、本発明を各実施の形態や各実施例をもとに説明した。これら実施の形態や実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
上述の実施の形態では、青色の光を発する半導体発光素子と黄色の蛍光体の組み合わせた発光モジュールについて説明したが、発光モジュールとしては、紫外光を発する半導体発光素子と、紫外光で励起され、赤、緑、青の光をそれぞれ発する複数の蛍光体と、を有するものであってもよい。あるいは、紫外光を発する半導体発光素子と、紫外光で励起され、青、黄の光を発する蛍光体と、を有する発光モジュールであってもよい。また、本実施の形態に係る発光モジュールは、車両用灯具だけではなく照明用灯具にも用いることができる。
本発明の発光モジュールは、種々の灯具、例えば照明用灯具、ディスプレイ、車両用灯具、信号機等に利用することができる。
10 灯具本体ユニット、 32 発光モジュール、 42 LEDチップ、 42a 発光面、 44 蛍光体層、 46 フィルタ層、 48 空気層、 52 CAN型LD、 54 接着層。
Claims (10)
- 半導体発光素子と、
前記半導体発光素子の発光面に対向するように設けられ、前記半導体発光素子が発する光の波長を変換する板状の光波長変換部材と、
前記板状の光波長変換部材の表面のうち、前記半導体発光素子と対向する面および側面の少なくともいずれかの表面に形成され、前記半導体発光素子から出射した光を透過させるとともに前記光波長変換部材で波長変換された光を反射するフィルタ層と、を備え、
前記半導体発光素子は、出射光の全エネルギーに対して、正面方向から±60度の範囲内の出射光のエネルギーの割合が80%以上となるように構成されていることを特徴とする発光モジュール。 - 前記フィルタ層は、前記光波長変換部材の表面のうち前記半導体発光素子と対向する面に形成されており、
前記フィルタ層と前記半導体発光素子とを接着する接着層を更に備え、
前記接着層は、屈折率が1.3以上の材料を含んでいることを特徴とする請求項1に記載の発光モジュール。 - 前記接着層は、厚みが0.1μm〜100μmであることを特徴とする請求項2に記載の発光モジュール。
- 前記フィルタ層は、前記半導体発光素子が発する光が入射角60度で該フィルタ層に入射した場合の透過率が80%以上となるように構成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の発光モジュール。
- 前記光波長変換部材は、前記フィルタ層が形成されていない面の少なくとも一部が凹凸形状を有していることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の発光モジュール。
- 前記凹凸形状は、複数の溝から構成されており、
前記溝は、幅が1μm〜1000μm、深さが1μm〜1000μmであることを特徴とする請求項5に記載の発光モジュール。 - 前記光波長変換部材は、前記フィルタ層が形成されていない面の少なくとも一部の算術平均粗さRaが100nm〜1000nmであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の発光モジュール。
- 発光モジュールに含まれる前記半導体発光素子の個数をN、各前記半導体発光素子のフィルタ層と対向する側の出射面の面積をS、前記光波長変換部材の半導体発光素子と対向する側の入射面の面積をT、とした場合、
S≦T/N≦4×S
を満たすことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の発光モジュール。 - 前記光波長変換部材は、その厚みが1μm〜1000μmであることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の発光モジュール。
- 光が入射角0度で前記フィルタ層に入射した場合の透過率が50%となる光の波長をλ1[nm]、前記半導体発光素子が発する光のピーク波長λp[nm]とすると、
前記フィルタ層は、λp≦λ1≦λp+200[nm]を満たすように構成されていることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の発光モジュール。
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