JPWO2014122888A1 - 発光モジュール - Google Patents

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Abstract

発光モジュール１０は、第１の色の光を発する半導体発光素子１２と、第１の色の光の少なくとも一部を波長変換して、第２の色の光を発する波長変換層１４と、第１の色の光および第２の色の光の少なくとも一方の光を拡散する拡散層１６と、を備える。拡散層１６は、マトリックス１６ａと該マトリックスに分散されている拡散材１６ｂとを有する。波長変換層１４は、波長変換物質を含む。波長変換層の屈折率とマトリックスの屈折率との差が０．３以下であり、マトリックスの屈折率と拡散材の屈折率との差が０．０５以上である。

Description

本発明は、半導体発光素子を有する発光モジュールに関する。
従来、照明用の灯具として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（ＬＥＤ）を用いた白色発光装置が種々開発されている。
一般的な白色ＬＥＤでは、青色発光のＬＥＤチップを使用する。そして、青色光の一部を励起光として黄色光に変換する蛍光体を含む波長変換層を設け、青色光と黄色光とを混色することで擬似白色光を生成している。しかし、この構成では、青色光と黄色光が別々の場所から発光しているため、色度ムラが発生しやすいという問題がある。
特許文献１には、発光素子を被覆する第１の樹脂層と、第１の樹脂層の粘度よりも低い粘度に形成され、第１の樹脂層の上側に配設される第２の樹脂層と、を具備する照明装置において、第１の樹脂層に拡散剤または反射剤を含め、第２の樹脂層に蛍光体を含めることが記載されている。これによると、ＬＥＤチップの発光を拡散剤または反射剤により多方向へ拡散させ、蛍光体による黄色光の励起を増やすことで、白色光の色度ムラが低減される。
特開２００７−４３０７４号公報
半導体発光素子は、その内部に電極を有しているが、この電極部分は発光しない。そのため、特許文献１のように樹脂層内に拡散剤または反射剤を含めるだけでは、発光モジュールの発光面に輝度ムラや色度ムラが生じてしまうことがある。
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、明るくてムラの少な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、第１の色の光を発する半導体発光素子と、第１の色の光の少なくとも一部を波長変換して、第２の色の光を発する波長変換層と、第１の色の光および第２の色の光の少なくとも一方の光を拡散する拡散層と、を備える。拡散層は、マトリックスと該マトリックスに分散されている拡散材とを有する。波長変換層は、波長変換物質を含む。波長変換層の屈折率とマトリックスの屈折率との差が０．３以下であり、マトリックスの屈折率と拡散材の屈折率との差が０．０５以上である。
この態様によると、波長変換層の屈折率と拡散層のマトリックスの屈折率との差が所定値以下であるため、波長変換層と拡散層との間での反射、例えば全反射、が減少する。そのため、半導体発光素子が発した光のうち波長変換層や拡散層を透過して発光面から出射する光が増加する。また、マトリックスの屈折率と拡散材の屈折率との差が所定値以上であるため、拡散層内での光の拡散が増し、発光面での輝度ムラや色度ムラ等を少なくできる。
拡散層と波長変換層とを接着する接着層を更に備えてもよい。接着層は、厚みが１．０［μｍ］以下であってもよい。これにより、拡散層と波長変換層との間で生じる光の屈折や反射に対する接着層の影響を低減できる。
半導体発光素子は、青色の光を発し、青色の光のピーク波長をλｐ［μｍ］とすると、接着層の厚みｔ［μｍ］は、（１／８）λｐ＜ｔ＜（３／８）λｐを満たすとよい。これにより、青色の光のピーク波長に対して接着層の厚みが１／４程度のため、接着層の影響をより低減できる。
波長変換層は、賦活成分を有する板状のＹＡＧセラミックであり、マトリックスは、板状のＹＡＧセラミックある。これにより、波長変換層および拡散層の主たる材料が共通であり屈折率差がほとんどないため、波長変換層と拡散層との間の界面での反射をより少なくできる。
波長変換層は、半導体発光素子と拡散層との間に配置されていてもよい。これにより、第１の色の光と第２の色の光との両方を拡散できるため、色度ムラをより低減できる。
半導体発光素子は、搭載基板に対してバンプを介してフリップチップ実装されており、透明な基板の上に形成されている発光層と、バンプと電気的に接続され、発光層を貫通するように形成されている電極と、を有してもよい。
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、明るくてムラの少ない発光モジュールを提供できる。
第１の実施の形態に係る発光モジュールの概略断面図である。 図２（ａ）は、図１の半導体発光素子の概略断面図、図２（ｂ）は半導体発光素子の概略平面図である。 拡散層の拡散材近傍での光の屈折の様子を模式的に示した図である。 比較例１、２に係る各発光モジュールの構成および測定結果を示す表である。 実施例１〜６に係る発光モジュールの構成および測定結果を示す表である。 実施例７〜１１に係る発光モジュールの構成および測定結果を示す表である。
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。
（第１の実施の形態）
［発光モジュール］
図１は、第１の実施の形態に係る発光モジュール１０の概略断面図である。図１に示す発光モジュール１０は、第１の色の光を発する半導体発光素子１２と、半導体発光素子が発する第１の色の光（例えば青色光）の少なくとも一部を波長変換して、第１の色の光と異なり補色関係にある第２の色の光（例えば黄色光）を発する波長変換層１４と、第１の色の光および第２の色の光の少なくとも一方の光を拡散する拡散層１６と、を備える。拡散層１６は、マトリックス１６ａとマトリックスに分散されている拡散材１６ｂとを有する。波長変換層１４は、例えば、波長変換物質である蛍光体を含む。
半導体発光素子１２は、素子搭載用基板１８に対してバンプ２０を介してフリップチップ実装されている。素子搭載用基板１８は、パッケージ基板２２の上に載置されている。そして、素子搭載用基板１８およびパッケージ基板２２の電極同士は、ワイヤ２４により導通されている。ワイヤ２４は、金ワイヤ等の導電部材であり、例えば超音波熱圧着等により素子搭載用基板１８の上面側電極およびパッケージ基板２２の上面側電極に接合され、両者を電気的に接続する。
また、本実施の形態に係る発光モジュール１０は、拡散層１６と波長変換層１４とを接着する接着層２６を更に備えている。なお、拡散層１６と波長変換層１４とを直接接合できるのであれば、接着層２６を設けなくてもよい。
半導体発光素子１２としては、例えば、青色光を発光するＬＥＤ（Light Emitting Diode）やＬＤ（Laser Diode）等を用いることができる。具体例として、ＩｎＧａＮ系の化合物半導体を挙げることができる。ＩｎＧａＮ系の化合物半導体は、Ｉｎの含有量によって発光波長域が変化する。Ｉｎの含有量が多いと発光波長が長波長となり、少ない場合は短波長となる傾向を示すが、ピーク波長が４００ｎｍ付近となる程度にＩｎが含有されたＩｎＧａＮ系の化合物半導体が発光における量子効率が最も高いことが確認されている。
波長変換層１４は、いわゆる発光セラミック、または蛍光セラミックと呼ばれるものが好ましく、例えば、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素地を焼結することにより得ることができる。本実施の形態に係る波長変換層１４は、賦活成分を有する板状のＹＡＧセラミックである。このような光波長変換セラミック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。こうして得られた波長変換層１４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１２が発する光の損失が非常に少ない。
本実施の形態に係る波長変換層１４は、半導体発光素子１２が主として発する青色光の波長を変換して黄色光を出射する。このため、発光モジュール１０からは、波長変換層１４をそのまま透過した青色光と、波長変換層１４によって波長が変換された黄色光との合成光が出射する。この場合、発光モジュール１０は、白色の光を発することが可能となる。
また、波長変換層１４には、透明なものが採用されている。本実施の形態において「透明」とは、変換光波長域の全光線透過率が４０％以上のことを意味するものとする。発明者の鋭意なる研究開発の結果、変換光波長域の全光線透過率が４０％以上の透明な状態であれば、波長変換層１４による光の波長を適切に変換できるとともに、波長変換層１４を通過する光の光度の減少も適切に抑制できることが判明した。したがって、波長変換層１４をこのように透明な状態にすることによって、半導体発光素子１２が発する光をより効率的に変換することができる。
素子搭載用基板１８は、導電性を有しないが熱伝導性は高い材料によって形成されることが好ましく、例えば、セラミック基板（窒化アルミニウム基板、アルミナ基板、ムライト基板、ガラスセラミック基板）やガラスエポキシ基板等を用いることができる。なお、バンプ２０が接合される電極の下に絶縁層を形成すれば、金属基板（好ましくは、アルミニウム、銅、真鍮等の熱伝導率の高い材質）、ＳｉＣ基板、カーボン基板、金属とカーボンの複合基板等を用いることができる。
また、発光モジュール１０は、半導体発光素子１２や波長変換層１４の下面や側面を覆うように白色樹脂２８が設けられている。白色樹脂２８は、半導体発光素子１２から下方や側方に出射した光や、波長変換層１４から下方や側方に出射した光を反射する反射部材として機能する。これにより、発光モジュール１０の発光面（図１では拡散層１６の発光面１６ｃ）から出射する光が増え、発光モジュールの輝度を増すことができる。
なお、図１には一つの半導体発光素子１２のみが示されているが、実際には、発光モジュールの用途に応じた数および配置で、素子搭載用基板１８上に複数の半導体発光素子１２が配列されていてもよい。例えば、半導体発光素子１２は素子搭載用基板１８上に格子状に配列されてもよいし、千鳥状に配列されてもよいし、ライン状に配列されていてもよい。
［半導体発光素子］
次に、半導体発光素子の構造について説明する。図２（ａ）は、図１の半導体発光素子１２の概略断面図、図２（ｂ）は半導体発光素子１２の概略平面図である。透光性の基板３０上に、第１導電型半導体層３２、発光層３４、第２導電型半導体層３６がこの順に積層されている。第２導電型半導体層３６、発光層３４、および第１導電型半導体層３２の一部がエッチングにより除去されて露出した第１導電型半導体層３２の表面に、第１電極４０が形成される。また、第２導電型半導体層３６には第２電極３８が形成される。このように、半導体発光素子１２は、透明な基板３０の上に形成されている発光層３４と、バンプと電気的に接続され、発光層３４を貫通するように形成されている第１電極４０と、を有している。
図２（ａ）、図２（ｂ）から分かるように、第１電極４０の部分では発光層３４がエッチングされているため、電極間に電流を印加しても発光しない。このため、半導体発光素子１２を上面から観察したとき、第１電極の部分が周囲より暗くなり、輝度ムラが発生する。また、第１電極の上部では、発光素子の上側に位置する波長変換層に入射する光の量が他の部分よりも少なくなるため、青色光の生成が少なくなり、色度ムラも発生する。
そこで、本実施の形態に係る拡散層１６は、板状のＹＡＧセラミックからなるマトリックス１６ａとマトリックスに分散されている拡散材１６ｂとを有する。拡散材１６ｂは、空気からなる中空の気泡や、マトリックス１６ａであるＹＡＧセラミックと屈折率の異なる比較的透明な物質が分散されたものである。
このように構成された拡散層１６では、半導体発光素子１２や波長変換層１４から出射した光が入射すると、例えば、マトリックス１６ａと拡散材１６ｂとの界面で屈折や反射が生じるため、拡散層１６の内部で光が拡散される。その結果、発光モジュール１０の発光面における輝度ムラ、色度ムラを小さくすることができる。図３は、拡散層の拡散材１６ｂ近傍での光の屈折の様子を模式的に示した図である。
上述の知見を考慮した結果、本実施の形態に係る発光モジュール１０は、波長変換層１４の屈折率と拡散層１６のマトリックス１６ａの屈折率との差が所定値以下であり、マトリックス１６ａの屈折率と拡散材１６ｂの屈折率との差が所定値以上である。
これにより、波長変換層１４の屈折率と拡散層１６のマトリックス１６ａの屈折率との差が所定値以下であるため、波長変換層１４と拡散層１６との間での反射、例えば全反射、が減少する。そのため、半導体発光素子１２が発した光のうち波長変換層１４や拡散層１６を透過して発光面１６ｃから出射する光が増加する。ここで、波長変換層１４の屈折率と拡散層１６のマトリックス１６ａの屈折率との差は、例えば、０．４以下であり、好ましくは０．３以下であり、より好ましくは０．２または０．１以下である。
本実施の形態に係る波長変換層１４および拡散層１６のマトリックス１６ａは、賦活成分の有無の相違はあるものの、主たる材料は共に板状のＹＡＧセラミックであり、屈折率差がほとんどないため、波長変換層１４と拡散層１６との間の界面での反射をより少なくできる。
また、マトリックス１６ａの屈折率と拡散材１６ｂの屈折率との差が所定値以上であるため、拡散層１６内での光の拡散が増し、発光面１６ｃでの輝度ムラや色度ムラ等を少なくできる。ここで、マトリックス１６ａの屈折率と拡散材１６ｂの屈折率との差は、例えば、０．０５以上であり、好ましくは０．１０以上であり、より好ましくは０．５以上である。
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態に係る拡散層１６は、波長変換層１４の出射面側に配置されている。第２の実施の形態に係る発光モジュールでは、拡散層１６を波長変換層１４の入射面側に配置している。また、必要に応じて、波長変換層１４の入射面と拡散層１６との間に接着層２６が設けられている。
［実施例］
以下、上述の各実施の形態に係る発光モジュールの実施例について、比較例とともに説明する。
はじめに、発光モジュール１０を組み立て、アルミダイキャスト製のヒートシンクに組み付ける。その後、発光モジュール１０に電流を７００ｍＡ印加し、１５分程度安定化させた後、コニカミノルタ製２次元色彩色度計で発光モジュール１０上面（発光面）の輝度［ｃｄ］、輝度ムラ［ｃｄ／ｍｍ２］、色度ムラを測定した。なお、輝度ムラは、発光モジュールの発光面の最高輝度と最低輝度の差を表し、色度ムラは、発光モジュールの発光面内の色度Ｃｘの最高値と最低値の差を表している。
図４は、比較例１、２に係る各発光モジュールの構成および測定結果を示す表である。図５は、実施例１〜６に係る発光モジュールの構成および測定結果を示す表である。図６は、実施例７〜１１に係る発光モジュールの構成および測定結果を示す表である。
発光モジュールを車両用灯具に組み込んで路面を照射する場合、輝度ムラは５ｃｄ／ｍｍ２以下であることが好ましい。輝度ムラがこれより大きくなると、路面に配光スジが生じ、夜間長距離運転時の疲労が大きくなるためである。また、色度ムラが０．１以上である場合も、夜間長距離運転時の疲労が大きくなることが分かっている。
また、各発光モジュールについて、通常の発光モジュールでは、輝度が高いほど、照明器具を小型に設計することができる。小型にできることで意匠の自由度も高くなり見栄えのよい照明器具を作製できるからである。
各比較例および各実施例に係る発光モジュールは、波長変換層として板状のＹＡＧセラミックにＣｅを賦活剤として添加したものを用いている。比較例１および比較例２に係る発光モジュールの構造では、各実施例の光拡散層に該当する板状の無色のＹＡＧセラミックからなる層を有しているが、拡散材を含んでいない。そのため、輝度ムラ、色度ムラともに値が大きく、車両用灯具での使用には適していないことが分かる。
一方、実施例１〜１１に係る各発光モジュールは、光拡散層に拡散材を含んでおり、マトリックスの屈折率と拡散材の屈折率との差が０．０５以上である。そのため、実施例１から１１のいずれの構造であっても、比較例よりも輝度が向上している上に、輝度ムラ、色度ムラが大幅に改善されていることが分かる。具体的には、実施例１〜１１に係る発光モジュールを車両用灯具に組み込んだ場合、輝度ムラが５ｃｄ／ｍｍ２以下であり、色度ムラが０．１以下のため、夜間長距離運転時の疲労を軽減できる。
また、実施例１と実施例２に係る発光モジュールの測定結果を比較すると、拡散層１６を波長変換層１４の出射面側に配置した場合は、拡散層１６を波長変換層１４の入射面側に配置した場合よりも、輝度ムラ、色度ムラは低減されていることが分かる。つまり、波長変換層１４は、半導体発光素子１２と拡散層１６との間に配置されているとよい。このような配置により、半導体発光素子１２が発する青色光と波長変換層１４が発する黄色光との両方を拡散できるため、色度ムラをより低減できると考えられる。
各実施例では、接着層２６の厚みは、０．１〜１０μｍ程度となっているが、特に厚みが１．０［μｍ］以下であるとよい。これにより、拡散層と波長変換層との間で生じる光の屈折や反射に対する接着層の影響を低減できる。
特に接着層の厚みが０．５μｍ未満、具体的には厚みが０．１μｍである実施例５〜１０に係る発光モジュールでは、輝度、輝度ムラ、色度ムラが大きく改善している。
つまり、実施例５〜１０に係る発光モジュールは、半導体発光素子１２が発する青色の光のピーク波長λｐが０．４［μｍ］（＝４００［ｎｍ］）とすると、接着層の厚みｔ［μｍ］は、（１／８）λｐ＜ｔ＜（３／８）λｐを満たしている。このように、青色の光のピーク波長に対して接着層の厚みが１／４程度の場合、接着層の影響をより低減できる。
また、拡散材としてマトリックスよりも屈折率の高いＹＡＰ（ＹＡｌＯ３）を用いている実施例９〜１１では、輝度が非常に高く、輝度ムラ、色度ムラが非常に低くなっている。
以上、本発明を上述の実施の形態や各実施例を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態や実施例に限定されるものではなく、実施の形態や実施例の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態や各実施例における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態や各実施例に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
実施の形態では、半導体発光素子から青色光を発し、波長変換層によって黄色光に変換し、両者を混色することで白色光を生成することを述べたが、他の方法によって白色光を生成してもよい。例えば、半導体発光素子から紫外光を発し、波長変換層内の二種類の蛍光体によってそれぞれ青色光と黄色光に変換し、両者を混色して白色光を生成してもよい。
１０ 発光モジュール、 １２ 半導体発光素子、 １４ 波長変換層、 １６ 拡散層、 １６ａ マトリックス、 １６ｂ 拡散材、 １６ｃ 発光面、 １８ 素子搭載用基板、 ２０ バンプ、 ２２ パッケージ基板、 ２４ ワイヤ、 ２６ 接着層、 ２８ 白色樹脂、 ３０ 基板、 ３４ 発光層、 ４０ 第１電極。
本発明は、半導体発光素子を有する発光モジュールに利用できる。

Claims (6)

  1. 第１の色の光を発する半導体発光素子と、
    前記第１の色の光の少なくとも一部を波長変換して、第２の色の光を発する波長変換層と、
    前記第１の色の光および前記第２の色の光の少なくとも一方の光を拡散する拡散層と、を備え、
    前記拡散層は、マトリックスと該マトリックスに分散されている拡散材とを有し、
    前記波長変換層は、波長変換物質を含み、
    前記波長変換層の屈折率と前記マトリックスの屈折率との差が０．３以下であり、
    前記マトリックスの屈折率と前記拡散材の屈折率との差が０．０５以上である、
    ことを特徴とする発光モジュール。
  2. 前記拡散層と前記波長変換層とを接着する接着層を更に備え、
    前記接着層は、厚みが１．０［μｍ］以下である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
  3. 前記半導体発光素子は、青色の光を発し、
    前記青色の光のピーク波長をλｐ［μｍ］とすると、前記接着層の厚みｔ［μｍ］は、（１／８）λｐ＜ｔ＜（３／８）λｐ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。
  4. 前記波長変換層は、賦活成分を有する板状のＹＡＧセラミックであり、
    前記マトリックスは、板状のＹＡＧセラミック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。
  5. 前記波長変換層は、前記半導体発光素子と前記拡散層との間に配置され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。
  6. 前記半導体発光素子は、
    搭載基板に対してバンプを介してフリップチップ実装されており、
    透明な基板の上に形成されている発光層と、
    前記バンプと電気的に接続され、前記発光層を貫通するように形成されている電極と、
    を有す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。
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