JPWO2014010211A1

JPWO2014010211A1 - 発光モジュール

Info

Publication number: JPWO2014010211A1
Application number: JP2014524640A
Authority: JP
Inventors: 雄壮前野; 岩崎　剛; 剛岩崎; 大長　久芳; 久芳大長
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2016-06-20
Also published as: WO2014010211A1

Abstract

発光モジュール１０は、紫外線又は短波長可視光を発する半導体発光素子１４と、紫外線又は短波長可視光により励起され、青色光を発光する第１の蛍光体を有する第１の波長変換層１６と、紫外線又は短波長可視光により励起され、黄色光を発光する第２の蛍光体を有する第２の波長変換層１８と、を備える。第１の波長変換層１６および第２の波長変換層１８は、半導体発光素子１４の発光面上に積層されており、第１の波長変換層および第２の波長変換層の少なくともいずれか一方は、セラミックス層である。

Description

本発明は、発光モジュールに関する。

従来、照明用の灯具としては蛍光灯や電球が多く用いられてきた。近年、このような灯具の代替として、消費電力や寿命の観点から発光ダイオード（以下、適宜「ＬＥＤ」と称する。）などの半導体発光素子を用いた発光装置が種々開発されている。

このような発光装置では、蛍光体などを用いてＬＥＤなどの発光素子が発する光を波長変換することにより、発光素子が発する光の色とは異なる色の光を出射する発光モジュールを得る技術が知られている。これに対し、光の波長を変換するときの変換効率を増大させるべく、例えば波長変換材料を含むセラミックス層を、発光層によって放出された光の経路内に配置する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−５３６７号公報

ところで、近年、自動車のヘッドランプや照明用の灯具としてＬＥＤを用いた発光モジュールを採用する技術が開発されている。また、これらの灯具では、コストの低減からＬＥＤの数を減らすことが求められており、より高効率な発光モジュールの開発がすすめられている。

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、高効率な発光モジュールを実現可能な技術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、紫外線又は短波長可視光を発する発光素子と、紫外線又は短波長可視光により励起され、青色光を発光する第１の蛍光体を有する第１の波長変換層と、紫外線又は短波長可視光により励起され、黄色光を発光する第２の蛍光体を有する第２の波長変換層と、を備える。第１の波長変換層および第２の波長変換層は、発光素子の発光面上に積層されており、第１の波長変換層および第２の波長変換層の少なくともいずれか一方は、セラミックス層であり、第２の蛍光体は、３００ｎｍ以上の波長域における励起スペクトルの最大強度をＩｍａｘ、発光素子が発する紫外線又は短波長可視光のピーク波長における励起スペクトルの強度をＩａとすると、０．２×Ｉｍａｘ＜Ｉａを満たす。

この態様によると、第２の蛍光体は、発光素子が発する紫外線又は短波長可視光のピーク波長における励起スペクトルの強度が高いため、発光素子の光を効率よく黄色光に変換できる。

第１の波長変換層は、発光素子と第２の波長変換層との間に配置されており、第２の波長変換層は、セラミックス層であってもよい。

第２の蛍光体は、３００ｎｍ以上の波長域における励起スペクトルの最大強度をＩｍａｘ、第１の蛍光体が発する可視光のピーク波長における励起スペクトルの強度をＩｂとすると、Ｉｂ＜０．８×Ｉｍａｘを満たす。これにより、第２の蛍光体において、第１の蛍光体が発する光の吸収を抑えられる。

第１の波長変換層は、第１の蛍光体が透明性の封止材に分散されて構成されており、厚みが１５〜１０００μｍであってもよい。

第１の波長変換層は、第１の蛍光体を０．５〜３５体積％含んでいてもよい。これにより、第１の波長変換層を通過し、第２の波長変換層に到達する発光素子の光を多くできる。

第２の波長変換層は、厚みが３０〜１０００μｍであってもよい。

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、高効率な発光モジュールを実現できる。

実施例１に係る発光モジュールの概略構造を示す断面図である。比較例に係る発光モジュールの概略構造を示す断面図である。実施例１に係る第１の波長変換層および第２の波長変換層の透過率の測定結果を示す図である。比較例１に係る第１の波長変換層および第２の波長変換層の透過率の測定結果を示す図である。実施例１および比較例１に係る発光モジュールの発光スペクトルを示す図である。実施例１および比較例１に係る発光モジュールにおける光束の温度依存性を示す図である。実施例２に係る発光モジュールの概略構造を示す断面図である。実施例２および比較例１に係る発光モジュールの発光スペクトルを示す図である。実施例３に係る発光モジュールの概略構造を示す断面図である。比較例２に係る発光モジュールの概略構造を示す断面図である。実施例３に係る第１の波長変換層および第２の波長変換層の透過率の測定結果を示す図である。比較例１に係る第１の波長変換層および第２の波長変換層の透過率の測定結果を示す図である。実施例３および比較例２に係る発光モジュールの発光スペクトルを示す図である。実施例４に係る発光モジュールの概略構造を示す断面図である。比較例３に係る発光モジュールの概略構造を示す断面図である。実施例４および比較例３に係る発光モジュールの発光スペクトルを示す図である。実施例１に係る半導体発光素子の発光スペクトルを示す図である。実施例１に係る蛍光体２および従来のＹＡＧ蛍光体の発光スペクトルを示す図である。実施例１に係る蛍光体２および従来のＹＡＧ蛍光体の励起スペクトル、並びに、実施例１に係る蛍光体１および従来の青色ＬＥＤの発光スペクトルを示す図である。発光モジュールの色度を測定する方法を説明するための図である。測定位置による発光モジュールの色度の変化を示す図である。

はじめに、発明者らが本願発明に想到した背景について説明する。従来、白色ＬＥＤモジュールは、近紫外線から青色までの波長の光を発する半導体発光素子に、半導体発光素子が発した光をその光よりも長波長の可視光に変換する蛍光体を組み合わせ、白色光を実現している。

白色ＬＥＤモジュールの例としては、青色に発光するＬＥＤチップと黄色に発光するＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）蛍光体を組み合わせたもの、青色に発光するＬＥＤチップと赤色・緑色にそれぞれ発光する２種類の蛍光体を組み合わせたもの、近紫外線から紫外線に対応する波長の光を発するＬＥＤチップと赤色・緑色・青色にそれぞれ発光する３種類の蛍光体を組み合わせたものなどがある。これらの中で最も一般的なものは、青色ＬＥＤチップとＹＡＧ蛍光体の組合せである。

ＬＥＤモジュールにおける蛍光体層として、粉末状の蛍光体を透明性の封止材（有機樹脂材や無機アモルファス材、無機ゾルゲル材）に分散させた形態とすると、粉末状の蛍光体がフィラーとして作用する。そのため、ＬＥＤチップから出射された光を外部に取り出すまでに光損失が発生し、発光モジュールの発光効率を低下させる一因となりうる。これは、蛍光体と封止材の屈折率差が原因であり、この屈折率差により散乱・反射が生じ光損失となる。

そこで、粉末状の蛍光体を焼結させ透光性セラミックス化する手法がある。この手法によれば、蛍光体層は蛍光体単一成分で形成されるため、層内では蛍光体と他の成分との界面は存在せず、屈折率差がなくなり、上述の光損失が大幅に軽減される。その結果、粉末状の蛍光体を透明樹脂に分散させて蛍光体層とした場合と比較して、ＬＥＤモジュールの発光効率を高めることができる。現在、高い量子効率を保持したまま透光性セラミックス化に成功している蛍光体はＹＡＧのみである。

しかし、透光性セラミックスＹＡＧと青色ＬＥＤとから構成される白色モジュールは、透光性セラミックスＹＡＧより青色ＬＥＤの方が発光の指向性が高いので、色が分離する。色分離を抑えるために、透光性セラミックスＹＡＧの中に散乱体成分を添加する手法は有効であるが、一方でセラミックスＹＡＧの透過率が低下し光束が十分得られない。また、このような白色ＬＥＤモジュールは、昼白色程度の色温度が高い白色光を実現するのに適している一方、温白色、電球色といった低色温度の光を形成することは困難である。そして、これら低色温度の光を形成するためには、青色光を吸収し赤色に発光する蛍光体を混合するのが一般的であるが、発光面の外周部にレッドリングが形成されやすく、色分離につながる傾向にある。

このような知見に基づいて、本発明者らが鋭意検討した結果、光損失の少ない高効率な発光モジュールを実現すべく以下の構成に着目した。

（１）発光モジュールは、紫外線や短波長可視光（例えば、紫から近紫外の波長の可視光）を発するＬＥＤチップなどの半導体発光素子と、紫外線や短波長可視光を吸収し、可視光で発光する蛍光体を有する蛍光体層と、を備えており、蛍光体層は、蛍光体単一成分で緻密に焼結されたセラミックス層であるとよい。また、セラミックス層は透光性を有することが好ましい。

（２）蛍光体は、発光モジュールとして所望の発光色を得ることができれば、１種類でも複数種類でもよい。

（３）少なくとも１種類以上の蛍光体層がセラミックス層であるとよい。蛍光体の組合せや量によっては、粉末状蛍光体を透明な封止材（有機樹脂材や無機アモルファス材、無機ゾルゲル材）で封止した形状の蛍光体層が含まれていてもよい。この場合、製造コストの低減が図れる。

（４）発光モジュールとしての所望の発光色の違いにより、各色発光の透光性セラミックス蛍光体層同士、透光性セラミックス蛍光体層と粉末状蛍光体を封止した蛍光体層との積層順は限定されず、高効率・色むら抑制などの所望特性により適宜選択することができる。好ましくは、視感度が最も高い色で発光する蛍光体層を最上層（光取り出し面側）に配置するとよい。

（透光性セラミックス蛍光体）
次に、透光性セラミックス蛍光体について説明する。透光性セラミックス蛍光体は、その高い分光透過率を特徴とし、可視光領域を含む波長３５０〜９００ｎｍの波長域において透過率（空気中で測定した場合）が７０〜８５％、好ましくは８０％以上である。ただし、蛍光体自体の吸収帯（励起帯の波長範囲）ではこの限りではない。また、理論最大透過率（空気中測定）は蛍光体自体の屈折率により一意的に決まる。また、蛍光体媒質内のみの透過率は８０〜１００％、好ましくは９０％以上である。ただし、蛍光体自体の吸収帯（励起帯の波長範囲）ではこの限りではない。

また、透光性セラミックス蛍光体を発光モジュールに実装する場合、蛍光体層の厚さが４０〜２０００μｍ、加工性を考慮すれば好ましくは８０〜２０００μｍとなるように加工する。また、光の取り出し効率を向上させるため、透光性セラミックス蛍光体表面にフレネルレンズ加工、Ｖ字溝加工、レーザ加工、ナノプリンティング加工、イオンミリング、サンドブラスト等の種々の加工による粗面化・パターン化、また任意の屈折率をもつ樹脂やガラス等の白色透明材料を塗布、成膜してもよい。

更に、透光性セラミックス蛍光体は加工性に優れるため、例えばプリズム形状加工、レンズ形状加工、種々のステップ加工、反射材の蒸着などにより、光の取り出し方向や配向制御をすることもできる。また、これらの形状制御は、透光性セラミックス蛍光体の作製過程の成形工程において、あらかじめ所望の形状に成形しておくことで、上記の加工無しで所望形状を付与することもできる。また、鏡面研磨加工とそれに伴い生じる全反射作用を利用し、所定の部位のみの減光、導波、光の取り出し部位の制御等も可能となる。

また、粉末状蛍光体を透明性の封止材（有機樹脂材や無機アモルファス材、無機ゾルゲル材）などで封止した形状の蛍光体層の透過率が、透光性セラミックス蛍光体の透過率と同等である場合は、封止形状の蛍光体層を用いてもよく、製造コストの低減が図れる。この場合、封止形状の蛍光体層の分光透過率は、可視光領域を含む波長３５０〜９００ｎｍの波長域において６０〜８５％（空気中で測定）の範囲であり、好ましくは６５％以上である。

次に、透光性セラミックス蛍光体の作製方法について概略を説明する。蛍光体の微粒子原料を作製し、必要に応じ適切な焼結助剤を添加する。その後、蛍光体微粒子原料を一軸加圧成形、ＣＩＰ成形（冷間当方加圧成形）などで成形する。又は、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）などの樹脂と混合しスラリー化し、テープ成形、押出成形、鋳込み成形、ゲルキャスティング成形、などで成形する。その後、適切な条件で脱脂、仮焼、必要に応じホットプレス焼成、ＨＩＰ焼成（熱間当方圧加圧焼成）をして透光性セラミックス蛍光体を得る。その後、所定のサイズに切削・研磨加工し、表面処理加工を施すことで、透光性セラミックス蛍光体が作製される。

上述の知見を考慮した本実施の形態のある態様の発光モジュールは、紫外線又は短波長可視光を発する発光素子と、紫外線又は短波長可視光により励起され、青色光を発光する第１の蛍光体を有する第１の波長変換層と、紫外線又は短波長可視光により励起され、黄色光を発光する第２の蛍光体を有する第２の波長変換層と、を備える。第１の波長変換層および第２の波長変換層は、発光素子の発光面上に積層されており、第１の波長変換層および第２の波長変換層の少なくともいずれか一方は、セラミックス層である。なお、以下の説明では、発光素子としてＬＥＤを例に説明するが、レーザダイオード（ＬＤ）素子、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子等を用いることも可能である。

発光素子は、３５０〜４２０ｎｍの波長域にピーク波長を有する紫外線又は短波長可視光を発しているものが好ましい。これにより、発光スペクトルの異なる複数種の蛍光体、例えば、各実施例に係る青色蛍光体と黄色蛍光体を用いて白色光を実現できる。また、発光素子の光を直接用いずに青色光と黄色光との混色で白色光を実現できる。

このように、少なくとも１種類の蛍光体を含む層をセラミックス層とすることで、蛍光体層の透過率が向上し、散乱ロスが大幅に軽減されるため、発光モジュールとして高効率化が図れる。

具体的には、発光モジュールとしての白色ＬＥＤモジュールは、近紫外光を発するＬＥＤチップと、近紫外光を吸収し青色光を発する第１の蛍光体（蛍光体１）と、近紫外光を吸収し黄色光を発する第２の蛍光体（蛍光体２）とを有する。そして、第１の蛍光体と第２の蛍光体の少なくともいずれかをセラミックス板化することで、新規な白色ＬＥＤモジュールが得られる。第１の蛍光体が発する青色光は、例えば、ピーク波長λｐが４００〜５００ｎｍ程度の光である。また、第２の蛍光体が発する黄色光は、例えば、ピーク波長λｐが５００〜６２０ｎｍ程度の光であり、より好ましくは、視感度がピークとなる５５５ｎｍ近傍にピーク波長λを有する光がよい。

このように、近紫外光を発するＬＥＤチップと複数種の蛍光体を組み合わせた白色ＬＥＤモジュールは、実質的に、全方向に発光する蛍光体の蛍光のみで白色を形成するため、色分離が生じづらい。この際、複数種の蛍光体の中で、相対的に長波長で発光する蛍光体は、相対的に短波長で発光する蛍光体の蛍光を吸収し発光しないことが重要である。そこで、本実施の形態の好適な例としては、以下に示す、相対的に短波長で発光する蛍光体１と、相対的に長波長で発光する蛍光体２と、を挙げて説明する。

（蛍光体１）
本実施の形態に係る蛍光体１は、紫外光又は短波長可視光により励起され、青色で発光する青色蛍光体である。例えば、
（ｉ）一般式がＭ^１ _ａ（Ｍ^２Ｏ_４）_ｂＸ_ｃ：Ｒｅ_ｄで表されている蛍光体
（Ｍ^１は、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうち一種以上を必須とし、一部をＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｋ、Ａｇ、Ｔｌからなる群の元素に置き換えることができる。Ｍ^２は、Ｐを必須とし、一部をＶ，Ｓｉ，Ａｓ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｂからなる群の元素に置き換えることができる。Ｘは少なくとも１種のハロゲン元素、Ｒｅは、Ｅｕ^２＋必須とする少なくとも１種の希土類元素又はＭｎを示す。ａは４．２≦ａ≦５．８、ｂは２．５≦ｂ≦３．５、ｃは０．８＜ｃ＜１．４、ｄは０．０１＜ｄ＜０．１の範囲である。）

（ｉｉ）一般式がＭ^１ _１−ａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ^２＋ _ａで表されている蛍光体
（Ｍ^１は、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、ａは０．００１≦ａ≦０．５の範囲である。）

（ｉｉｉ）一般式がＭ^１ _１−ａＭｇＳｉ_２Ｏ_８：Ｅｕ^２＋ _ａで表されている蛍光体
（Ｍ^１は、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、ａは０．００１≦ａ≦０．８の範囲である。）

（ｉｖ）一般式がＭ^１ _２−ａ（Ｂ_５Ｏ_９）Ｘ：Ｒｅ_ａで表されている蛍光体
（Ｍ^１は、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、Ｘは少なくとも１種のハロゲン元素、ａは０．００１≦ａ≦０．５の範囲である。）

（蛍光体２）
本実施の形態に係る蛍光体２は、紫外光又は短波長可視光により励起され、緑〜黄色で発光する蛍光体である。例えば、
（ｉ）一般式が（Ｃａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ−ｗ}、Ｓｒ_ｘ、Ｍ^II _ｙ、Ｅｕ_ｚ、Ｍ^Ｒ _ｗ）_７（ＳｉＯ_３）_６Ｘ_２で表されている蛍光体
（Ｍ^IIは、Ｍｇ、Ｂａ又はＺｎ、Ｍ^Ｒは希土類元素又はＭｎ、Ｘは、Ｃｌ又はＣｌを必須とする複数のハロゲン元素、ｘは０．１＜ｘ＜０．７、ｙは０≦ｙ＜０．３、ｚは０＜ｚ＜０．４、ｗは０≦ｗ＜０．１の範囲である。）

（ｉｉ）一般式がＣｓＭ^１ _１−ａＰ_２Ｏ_７：Ｅｕ^２＋ _ａで表されている蛍光体
（Ｍ^１はＣａ、Ｓｒ、ａは０．００１≦ａ≦０．５の範囲である。）
（ｉｉｉ）一般式がＢａ_２−ａＭｇＳｉ_２Ｏ_７：Ｅｕ^２＋ _ａで表されている蛍光体
（ａは０．００１≦ａ≦０．５の範囲である。）

このような蛍光体２は、前述の蛍光体１と混合されても、蛍光体１が発する青色光をほとんど吸収しないため、色分離抑制に有効であり、色度もずれにくい。また、青色に発光する蛍光体と組み合わせることで電球色から昼光色までの幅広い白色を形成可能である。

以下に、本実施の形態に係る透光性セラミックス蛍光体層を有する発光モジュールの幾つかの効果を挙げる。
（１）発光モジュール内の色安定性
近紫外光を発するＬＥＤチップと、上述の蛍光体１、蛍光体２を組み合わせた白色ＬＥＤモジュールは、製造工法に由来する近紫外発光ＬＥＤチップの強度差、波長ずれに対し白色の色度がずれにくい。

（２）高効率（省電力）
ＩｎＧａＮ系ＬＥＤに代表される近紫外発光ＬＥＤチップは、同系の青色発光ＬＥＤチップに対し、原理的には１．２倍高効率であり、特にパワー系発光モジュールにおいては有効なＬＥＤチップである。そして、少なくとも１種類の蛍光体を透光性セラミックス化することで蛍光体層における散乱を軽減し、高効率化（省電力化）が可能となる。

（３）温度特性の向上
パワー系発光モジュールとしての使用を想定した場合、蛍光体のストークスロスによる発熱量が大きくなり、この放熱が重要となる。蛍光体自体の熱伝導率は、一般的な封止材（例えば、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂などが挙げられる。）に対し２倍以上であるため、蛍光体の透光性セラミックス化により放熱性が大きく改善され、発光モジュールとしての温度特性が向上する。

（４）信頼性の向上
一般的に有機物は紫外線に弱い。そこで、複数の蛍光体層を全て透光性セラミックス板化し、更に蛍光体層間、蛍光体層−ＬＥＤチップ間の接着をゾルゲル接着剤等を用いた場合は、有機物レスの発光モジュールを実現でき、パワー系発光モジュールとしての信頼性が大幅に向上する。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態の実施例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。
（実施例１）
図１は、実施例１に係る発光モジュールの概略構造を示す断面図である。発光モジュール１０は、素子搭載用基板１２と、素子搭載用基板１２の上にフリップチップ実装されている半導体発光素子１４と、半導体発光素子１４の発光面上に設けられている第１の波長変換層１６と、第１の波長変換層１６の上に設けられている第２の波長変換層１８と、を備えている。ここで、「層の上に設けられ」とは、層の上に直接設けられている場合だけでなく、層の上に他の部材（接着剤やフィルタ等）を介して間接的に設けられている場合も含まれる。

半導体発光素子１４は、ピーク波長λｐ＝４０５ｎｍのＬＥＤチップである。第１の波長変換層１６は、一般式がＭ^１ _ａ（Ｍ^２Ｏ_４）_ｂＸ_ｃ：Ｒｅ_ｄで表されている蛍光体１を有している。また、第２の波長変換層１８は、一般式が（Ｃａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ−ｗ}、Ｓｒ_ｘ、Ｍ^II _ｙ、Ｅｕ_ｚ、Ｍ^Ｒ _ｗ）_７（ＳｉＯ_３）_６Ｘ_２で表されている蛍光体２を有している。積層された半導体発光素子１４、第１の波長変換層１６および第２の波長変換層１８の側面は、光反射材２０で覆われている。

第１の波長変換層１６および第２の波長変換層１８のそれぞれは、あらかじめ作製されているサブミクロン以下の各蛍光体の粒子を、適切な焼結助剤と混合し成形した後、一軸加圧成形、ＣＩＰ成形、常圧焼成、ＨＩＰ焼成等の処理が行われ、その後、厚さ１００μｍとなるように薄肉化・研磨され、透光性セラミックス化される。この際、白色発光モジュールとしての発光色温度が５５００Ｋ近傍となるように蛍光体１、２のＲｅ_ｄ、Ｓｒ_ｘ、Ｅｕ_ｚの濃度が調整されている。その後、透光性セラミックス蛍光体である、第１の波長変換層１６および第２の波長変換層１８を、それぞれ厚さ１００μｍ、１．２ｍｍ角に加工した。半導体発光素子１４と第１の波長変換層１６との間、第１の波長変換層１６と第２の波長変換層１８との間は、ゾルゲル系接着剤により接着されている。

（比較例１）
図２は、比較例に係る発光モジュールの概略構造を示す断面図である。発光モジュール２２は、第１の波長変換層２４および第２の波長変換層２６の構成が実施例１に係る発光モジュール１０と異なる。第１の波長変換層２４は、実施例１と同様の蛍光体１の粉末をシリコーン樹脂に分散させたものである。また、第２の波長変換層２６は、実施例１と同様の蛍光体２の粉末をシリコーン樹脂に分散させたものである。この際、白色発光モジュールとしての発光色温度が５５００Ｋ近傍となるように蛍光体１、２のＲｅ_ｄ、Ｓｒ_ｘ、Ｅｕ_ｚの濃度が調整されている。その後、第１の波長変換層２４および第２の波長変換層２６を、それぞれ厚さ１００μｍ、１．２ｍｍ角に加工した。半導体発光素子１４と第１の波長変換層２４との間、第１の波長変換層２４と第２の波長変換層２６との間は、シリコーン樹脂により接着されている。

図３は、実施例１に係る第１の波長変換層１６および第２の波長変換層１８の透過率の測定結果を示す図である。図４は、比較例１に係る第１の波長変換層２４および第２の波長変換層２６の透過率の測定結果を示す図である。図３、図４に示す通り、実施例１に係る第１の波長変換層１６および第２の波長変換層１８は、比較例１に係る第１の波長変換層２４および第２の波長変換層２６に対して透過率が高い。つまり、蛍光体をセラミックス化した層の方が、蛍光体を樹脂に分散させた層よりも透過率が高いことがわかる。

図５は、実施例１および比較例１に係る発光モジュールの発光スペクトルを示す図である。前述のように、実施例１で用いられている各波長変換層は、比較例１で用いられている各波長変換層と比較して、透過率が高い。このため、実施例１に係る発光モジュール１０は、各波長変換層において散乱による光損失が小さくなる。そのため、実施例１に係る発光モジュール１０は、波長域のほぼ全体にわたって発光強度が高い。

表１は、各実施例および各比較例に係る発光モジュールの光束比、発光効率比、色温度［Ｋ］を示したものである。なお、発光素子への印加電流は０．７Ａである。

表１に示すように、実施例１に係る発光モジュール１０は、比較例１に係る発光モジュール２２と比較して、光束が約１．３５倍となっており、高効率な発光モジュールである。そのため、発光モジュール１０は、省電力化が可能である。

図６は、実施例１および比較例１に係る発光モジュールにおける光束の温度依存性を示す図である。図６において、横軸は発光モジュールのジャンクション温度（Ｔｊ）を表し、縦軸は光束を相対値で表している。

図６に示すように、実施例１に係る発光モジュール１０は、比較例１に係る発光モジュール２２と比較して、ジャンクション温度（Ｔｊ）の上昇に伴う光束の低下が少ない。具体的には、実施例１に係る発光モジュール１０は、比較例１に係る発光モジュール２２と比較して、光束がＴｊ＝５０℃において２．３％、Ｔｊ＝１００℃において６．８％、Ｔｊ＝１５０℃において１１．３％向上している。このように、蛍光体をセラミックス化した蛍光体層を波長変換層として用いた発光モジュール１０は、放熱性が高いため、温度上昇に伴う光束の低下を抑制できる。換言すると、発光モジュール１０は、光束の温度依存性が低減されている。

（実施例２）
図３、図４に示すように、蛍光体１を用いた、実施例１に係る第１の波長変換層１６と比較例１に係る第１の波長変換層２４を比較すると、セラミックス層と封止樹脂層という形態の違いがあるものの、透過率に大きな差はない。このような蛍光体の場合には、蛍光体の粉末を樹脂で封止した波長変換層を用いても性能の低下はほとんどなく、製造コストを低減できる。

図７は、実施例２に係る発光モジュールの概略構造を示す断面図である。発光モジュール２８は、蛍光体が樹脂に分散された第１の波長変換層２４（比較例１参照）を用いている点以外は、形状、大きさや発光色温度を含め実施例１に係る発光モジュール１０と同じ構成である。波長変換層は、予め第１の波長変換層を作製しカッティングした後、この第１の波長変換層およびセラミックスからなる第２の波長変換層を積層してもよい。また、波長変換層は、第１の波長変換層の未硬化樹脂を、素子搭載用基板１２にフリップチップボンディングされている半導体発光素子１４上にポッティング等で塗布した後、セラミックスからなる第２の波長変換層を実装して硬化することで作製してもよい。なお、作製方法はこれらに限られない。

図８は、実施例２および比較例１に係る発光モジュールの発光スペクトルを示す図である。前述のように、実施例２で用いられている第２の波長変換層１８は、比較例１で用いられている第２の波長変換層２６と比較して、透過率が高い。このため、実施例２に係る発光モジュール２８は、特に第２の波長変換層２６において散乱による光損失が小さくなる。そのため、実施例２に係る発光モジュール２８は、波長域全体にわたって発光強度が高い。

また、表１に示すように、実施例２に係る発光モジュール２８は、比較例１に係る発光モジュール２２と比較して、光束が約１．２８倍となっており、製造コストの低減と高効率とが両立された発光モジュールである。また、効率が高い発光モジュール２８は、省電力化が可能である。

（実施例３）
実施例３に係る発光モジュールは、実施例１に係る第１の波長変換層および第２の波長変換層の積層順を変更した点が特徴の一つである。図９は、実施例３に係る発光モジュールの概略構造を示す断面図である。発光モジュール３０は、第１の波長変換層１６と第２の波長変換層１８の積層順を、実施例１に係る発光モジュール１０と反対にした以外は、形状、大きさや発光色温度を含め実施例１に係る発光モジュール１０と同じ構成である。

（比較例２）
比較例２に係る発光モジュールは、比較例１に係る第１の波長変換層および第２の波長変換層の積層順を変更した点が特徴の一つである。図１０は、比較例２に係る発光モジュールの概略構造を示す断面図である。発光モジュール３２は、第１の波長変換層２４と第２の波長変換層２６の積層順を、比較例１に係る発光モジュール２２と反対にした以外は、形状、大きさや発光色温度を含め比較例１に係る発光モジュール２２と同じ構成である。

図１１は、実施例３に係る第１の波長変換層１６および第２の波長変換層１８の透過率の測定結果を示す図である。図１２は、比較例１に係る第１の波長変換層２４および第２の波長変換層２６の透過率の測定結果を示す図である。図１１、図１２に示す通り、実施例３に係る第１の波長変換層１６および第２の波長変換層１８は、比較例２に係る第１の波長変換層２４および第２の波長変換層２６に対して透過率が高い。つまり、蛍光体をセラミックス化した第１の波長変換層および第２の波長変換層は、積層順にかかわらず、蛍光体を樹脂に分散させた層よりも透過率が高いことがわかる。

図１３は、実施例３および比較例２に係る発光モジュールの発光スペクトルを示す図である。前述のように、実施例３で用いられている各波長変換層は、比較例２で用いられている各波長変換層と比較して、透過率が高い。このため、実施例３に係る発光モジュール３０は、各波長変換層において散乱による光損失が小さくなる。そのため、実施例３に係る発光モジュール３０は、波長域のほぼ全体にわたって発光強度が高い。

また、表１に示すように、実施例３に係る発光モジュール３０は、比較例２に係る発光モジュール３２と比較して、光束が約１．３７倍となっており、高効率な発光モジュールである。また、効率が高い発光モジュール３２は、省電力化が可能である。

（実施例４）
図１４は、実施例４に係る発光モジュールの概略構造を示す断面図である。発光モジュール３４は、第２の波長変換層１８の上に、緑色で発光する蛍光体２を含む第３の波長変換層３６を更に備えている点が特徴の一つであり、それ以外は、概ね実施例１に係る発光モジュール１０と同様の構成である。第３の波長変換層３６は、一般式がＢａ_２−ａＭｇＳｉ_２Ｏ_７：Ｅｕ^２＋ _ａで表されている蛍光体２が樹脂で封止されたものである。

なお、発光モジュール３４は、白色発光モジュールとしての発光色温度が５５００Ｋ近傍となるように、第１の波長変換層１６における蛍光体１のＲｅ_ｄの濃度が調整され、第２の波長変換層１８における蛍光体２のＥｕ_ｚ、Ｓｒ_ｘの濃度が調整され、第３の波長変換層３６における蛍光体２のＥｕ^２＋ _ａの濃度が調整されている。また、実施例４においては、第１の波長変換層１６および第２の波長変換層１８のそれぞれの厚みを９０μｍ、第３の波長変換層３６の厚みを５０μｍとしている。

（比較例３）
図１５は、比較例３に係る発光モジュールの概略構造を示す断面図である。発光モジュール３８は、第２の波長変換層２６の上に、緑色で発光する蛍光体２を含む第３の波長変換層３６を更に備えている点が特徴の一つであり、それ以外は、概ね比較例１に係る発光モジュール２２と同様の構成である。第３の波長変換層３６は、一般式がＢａ_２−ａＭｇＳｉ_２Ｏ_７：Ｅｕ^２＋ _ａで表されている蛍光体２が樹脂で封止されたものである。

なお、発光モジュール３８は、前述の発光モジュール３４と同様に、白色発光モジュールとしての発光色温度が５５００Ｋ近傍となるように、第１の波長変換層２４における蛍光体１のＲｅ_ｄの濃度が調整され、第２の波長変換層２６における蛍光体２のＥｕ_ｚ、Ｓｒ_ｘの濃度が調整され、第３の波長変換層３６における蛍光体２のＥｕ^２＋ _ａの濃度が調整されている。また、比較例３においては、第１の波長変換層２４および第２の波長変換層２６のそれぞれの厚みを９０μｍ、第３の波長変換層３６の厚みを５０μｍとしている。

図１６は、実施例４および比較例３に係る発光モジュールの発光スペクトルを示す図である。実施例４に係る発光モジュール３４は、各波長変換層において散乱による光損失が小さく、比較例３に係る発光モジュール３８と比較して、波長域のほぼ全体にわたって発光強度が高い。

また、表１に示すように、実施例４に係る発光モジュール３４は、比較例１に係る発光モジュール３８と比較して、光束が約１．４０倍となっており、高効率な発光モジュールである。そのため、発光モジュール３４は、省電力化が可能である。

次に、発光モジュールの更に好適な構成について説明する。はじめに、半導体発光素子の発光スペクトル、各蛍光体の発光スペクトルおよび励起スペクトルについて説明する。図１７は、実施例１に係る半導体発光素子の発光スペクトルを示す図である。図１８は、実施例１に係る蛍光体２および従来のＹＡＧ蛍光体の発光スペクトルを示す図である。図１９は、実施例１に係る蛍光体２および従来のＹＡＧ蛍光体の励起スペクトル、並びに、実施例１に係る蛍光体１および従来の青色ＬＥＤの発光スペクトルを示す図である。

図１７に示すように、実施例に係る半導体発光素子は、ピーク波長λｐ＝４０５ｎｍの近紫外光を発するＬＥＤである。また、図１８に示すように、実施例１に係る蛍光体２の発光スペクトル（ラインＬ１）は、ＹＡＧ蛍光体の発光スペクトル（ラインＬ２）と比較して、青色の波長（約４５０〜５００ｎｍの範囲）を多く含む。

図１９に示すラインＬ１は、実施例１で使用した黄色発光の蛍光体２の励起スペクトルを示している。また、ラインＬ２は、ＹＡＧ蛍光体の励起スペクトルを示している。両者を比較すると、励起光の波長域が大きく異なっていることがわかる。ＹＡＧ蛍光体は、発光素子が発する紫外線又は短波長可視光のピーク波長（λｐ＝４０５ｎｍ）における励起スペクトルの強度Ｉｙは小さく、近紫外光では発光しないことがわかる。そのため、ＹＡＧ蛍光体と組み合わせて白色を実現するためには、図１９に示すような発光スペクトル（ラインＬ３）特性を有する青色発光ＬＥＤチップが必要である。

一方、蛍光体２は、３００ｎｍ以上の波長域における励起スペクトル（Ｌ１）の最大強度をＩｍａｘ、発光素子が発する紫外線又は短波長可視光のピーク波長（λｐ＝４０５ｎｍ）における励起スペクトルの強度をＩａとすると、０．２×Ｉｍａｘ＜Ｉａを満たしている。好ましくは、蛍光体２は、０．５×Ｉｍａｘ＜Ｉａを満たしているとよく、図１９に示す蛍光体２のように、０．８×Ｉｍａｘ＜Ｉａを満たしていると更によい。

これにより、実施例に係る蛍光体２は、発光素子が発する紫外線又は短波長可視光のピーク波長における励起スペクトルの強度が高いため、発光素子の光を効率よく黄色光に変換できる。

また、各実施例に係る発光モジュールは、複数種の蛍光体（蛍光体１、蛍光体２）でそれぞれ変換された異なる色（青色、黄色）を組み合わせて白色を得ることで、発光素子が発する光と蛍光体が発する光とを組み合わせて白色を得る場合（ＹＡＧ蛍光体と青色ＬＥＤチップとの組合せ）と比較して、モジュールの発光方向による色度ずれが抑えられる。

図１９に示すラインＬ４は、実施例１で使用した青色発光の蛍光体１の発光スペクトルを示している。実施例１に示すように半導体発光素子１４の上に蛍光体１を含む第１の波長変換層１６を積層し、その上に蛍光体２を含む第２の波長変換層１８を積層した発光モジュールの場合、第１の波長変換層１６の蛍光体１による青色光が、第２の波長変換層１８の蛍光体２で波長変換されると、いわゆるストークスロスによる発熱が生じ、発光効率が低下してしまう。

しかしながら、実施例１に係る蛍光体２は、３００ｎｍ以上の波長域における励起スペクトルの最大強度をＩｍａｘ、実施例１に係る蛍光体１が発する可視光のピーク波長（約４５０ｎｍ）における励起スペクトルの強度をＩｂとすると、Ｉｂ＜０．８×Ｉｍａｘを満たす。好ましくは、蛍光体２は、Ｉｂ＜０．５×Ｉｍａｘを満たしているとよく、図１９に示す蛍光体２のように、Ｉｂ＜０．２×Ｉｍａｘを満たしていると更によい。これにより、蛍光体２において、蛍光体１が発する光の吸収が少なくなり、ストークスロスが抑えられため、高効率な発光モジュールが実現できる。

ここで、近紫外光を発する半導体発光素子と複数種の蛍光体とを組み合わせた白色発光モジュールでは、青色ＬＥＤチップとＹＡＧ蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤモジュールと比較して、蛍光体濃度が増加する傾向にある。これは、白色を実現するために素子の光を直接利用せず、ほとんど蛍光体から発する光で実現しているためである。そのため、蛍光体の量が多いと、前述の通り蛍光体による散乱効果が大きくなり発光効率が低下する一因ともなりうる。

そこで、以下では、上述の実施の形態や実施例で得られた知見に基づいて、蛍光体濃度を抑えつつ高い発光効率を実現する発光モジュールの構成について更に詳述する。

青色と黄色を比較すると、黄色の方が視感度が高いため、青色を発する第１の波長変換層よりも黄色を発する第２の波長変換層を発光モジュールの出射面側に配置することで光束を高められる（表１の実施例１と実施例３を参照。）。また、第２の波長変換層に含まれる蛍光体２は、前述のように青色の波長（約４５０〜５００ｎｍの範囲）を比較的多く含む。そのため、第１の波長変換層に含ませる青色発光の蛍光体１の量を低減できる。この場合、蛍光体が樹脂に分散された第１の波長変換層を選択することも可能である。

そこで、以下では、実施例２に示す発光モジュール２８の構成を基準に各波長変換層の厚みの好適な例について説明する。図７に示すように、発光モジュール２８は、半導体発光素子１４の上に、青色発光の蛍光体１が透明性の封止材である樹脂に分散された第１の波長変換層２４が積層され、その上に黄色発光の蛍光体２がセラミックス化された第２の波長変換層１８が積層された構造である。

発光モジュールを自動車用ヘッドランプの光源として使用する場合、ヘッドランプの色温度は４０００〜６０００Ｋ程度の範囲である。そこで、第２の波長変換層は蛍光体２をセラミックス化した層とし、第１の波長変換層は樹脂に蛍光体１を分散させた層とすると、前述の色温度の光を満たすためには、第１の波長変換層１６に含ませられる蛍光体１の濃度の上限量は、製法上の観点から３５ｖｏｌ．％程度である。表２に示すように、所望の色温度を満たすために必要な蛍光体の量が一定だとすると、第１の波長変換層の厚みが厚くなると、そこに含まれる蛍光体１の濃度は低下する。

第１の波長変換層は、厚みが１５〜１０００μｍの範囲が好ましい。より好ましくは、厚みが１５〜１０００μｍの範囲である。厚みが１５μｍ以上であれば、所望の色温度を実現できる量の蛍光体１を含ませることができる。一方、厚みが１０００μｍ以下、好ましくは３００μｍ以下であれば、第１の波長変換層の内部での光の吸収や散乱が抑えられる。また、第１の波長変換層は、蛍光体１を０．５〜３５体積％含んでいてもよい。これにより、第１の波長変換層を通過し、第２の波長変換層に到達する発光素子の光を多くできる。

また、第１の波長変換層と組み合わせる第２の波長変換層に含まれる蛍光体２が発する光は、前述のように青色の波長成分を多く含んでいるため、第１の波長変換層に含ませる青色発光の蛍光体１の量を少なくしても白色光を実現できる。つまり、第１の波長変換層を非常に薄くできるため、第１の波長変換層としてシリコーン樹脂などの接着性の樹脂に蛍光体１を分散させたものを半導体発光素子上に塗布し、第２の波長変換層を積層することで第２の波長変換層を半導体発光素子に固定できる。つまり、半導体発光素子と第１の波長変換層と第２の波長変換層１８とを一つの工程で積層できる。

第２の波長変換層の厚みは、第１の波長変換層の構成に応じて適宜選択すればよいが、例えば、３０〜１０００μｍ、好ましくは、５０〜３００μｍの範囲である。厚みが３０μｍ以上であれば、セラミックス化した際の割れなどを防止できる。一方、厚みが１０００μｍ以下であれば、発光モジュールの輝度の低下を抑制できる。

図２０は、発光モジュールの色度を測定する方法を説明するための図である。図２１は、測定位置による発光モジュールの色度の変化を示す図である。

図２０に示す発光モジュール４０は、基板４２の上にサブマウント４４を介して青色光又は紫外光を発するＬＥＤチップ４６が搭載されている。ＬＥＤチップ４６の発光面上には、蛍光部材４８が搭載されている。

図２１に示すように、ＬＥＤチップ４６として青色ＬＥＤチップを、蛍光部材４８としてＹＡＧ蛍光体を採用した発光モジュールでは、測定位置によって色度Ｃｘの変化が大きい。これに対して、ＬＥＤチップ４６としてＵＶ−ＬＥＤチップを、蛍光部材４８として蛍光体１を有する第１の波長変換層２４および蛍光体２を有する第２の波長変換層１８（実施例２参照）を採用した発光モジュールでは、測定位置による色度Ｃｘの変化が非常に少ない。

以上、本発明を実施の形態や実施例をもとに説明した。この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。

例えば、第１や第２の波長変換層の構成として、セラミックス化したり樹脂に蛍光体を分散させたりする以外に、無機アモルファス材や無機ゾルゲル材に蛍光体を分散させた構成であってもよい。無機アモルファス材としては、例えば、低融点ガラス材が挙げられる。無機アモルファス材は、処理温度が９００℃以下、好ましくは８００℃以下のものが挙げられる。また、波長３５０〜９００ｎｍの光において、透過率が７０％以上、好ましくは８０％以上の無機アモルファス材が好ましい。また、屈折率が１．４以上、２．０以下、好ましくは、１．６以上、２．０以下の無機アモルファス材が好ましい。

上述の各実施例では、青色蛍光体と黄色蛍光体とを組み合わせ発光モジュールについて説明したが、色の組合せはこれらに限られない。

例えば、ある態様の発光モジュールは、
紫外線又は短波長可視光を発する発光素子と、
前記紫外線又は短波長可視光により励起され、可視光を発光する第１の蛍光体を有する第１の波長変換層と、
前記紫外線又は短波長可視光により励起され、第１の蛍光体が発光する可視光のピーク波長よりも長波長側のピーク波長を有する可視光を発光する第２の蛍光体を有する第２の波長変換層と、を備え、
前記第１の波長変換層および前記第２の波長変換層は、前記発光素子の発光面上に積層されており、
前記第１の波長変換層および前記第２の波長変換層の少なくともいずれか一方は、セラミックス層である。

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、ディスプレイ用バックライト、車両用灯具等に利用することができる。

１０発光モジュール、１４半導体発光素子、１６第１の波長変換層、１８第２の波長変換層、２２発光モジュール、２４第１の波長変換層、２６第２の波長変換層、２８，３０，３２，３４発光モジュール、３６第３の波長変換層、３８，４０発光モジュール。

Claims

紫外線又は短波長可視光を発する発光素子と、
前記紫外線又は短波長可視光により励起され、青色光を発光する第１の蛍光体を有する第１の波長変換層と、
前記紫外線又は短波長可視光により励起され、黄色光を発光する第２の蛍光体を有する第２の波長変換層と、を備え、
前記第１の波長変換層および前記第２の波長変換層は、前記発光素子の発光面上に積層されており、
前記第１の波長変換層および前記第２の波長変換層の少なくともいずれか一方は、セラミックス層であり、
前記第２の蛍光体は、
３００ｎｍ以上の波長域における励起スペクトルの最大強度をＩｍａｘ、
前記発光素子が発する前記紫外線又は短波長可視光のピーク波長における励起スペクトルの強度をＩａとすると、
０．２×Ｉｍａｘ＜Ｉａを満たすことを特徴とする発光モジュール。
前記第１の波長変換層は、前記発光素子と前記第２の波長変換層との間に配置されており、
前記第２の波長変換層は、セラミックス層であることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
前記第２の蛍光体は、
３００ｎｍ以上の波長域における励起スペクトルの最大強度をＩｍａｘ、
前記第１の蛍光体が発する可視光のピーク波長における励起スペクトルの強度をＩｂとすると、Ｉｂ＜０．８×Ｉｍａｘを満たすことを特徴とする請求項２に記載の発光モジュール。
前記第１の波長変換層は、前記第１の蛍光体が透明性の封止材に分散されて構成されており、厚みが１５〜１０００μｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光モジュール。
前記第１の波長変換層は、前記第１の蛍光体を０．５〜３５体積％含んでいることを特徴とする請求項４に記載の発光モジュール。
前記第２の波長変換層は、厚みが３０〜１０００μｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発光モジュール。