KR101266205B1 - 발광 장치 및 발광 장치의 제조 방법 - Google Patents

발광 장치 및 발광 장치의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

장치의 사용 시에 발광 효율이 저하하지 않고, LED 소자에 큰 전류를 흐르게 하여 광량을 증대시킬 수 있고, 또한, 양호한 연색성의 백색광을 얻을 수 있는 발광 장치를 제공한다. 또한, LED 소자에서 생긴 열을 원활하게 탑재 기판으로 전달할 수 있는 발광 장치의 제조 방법을 제공하는 것으로, 본원 발명의 발광 장치는, 자외광을 발하는 제1 LED 소자와, 가시광을 발하는 제2 LED 소자와, 상기 제1 LED 소자 및 상기 제2 LED 소자가 탑재되고, 무기 재료로 이루어지는 기판과, 상기 제1 LED 소자, 상기 제2 LED 소자 및 상기 기판을 수용하고, 무기 재료로 이루어지는 하우징과, B 및 Al중 적어도 한쪽과, N이 도프되고, 상기 제1 LED 소자로부터 발해지는 광에 의해 여기되면 가시광을 발하는 SiC 형광판을 구비한 것을 특징으로 한다.

Description

발광 장치 및 발광 장치의 제조 방법{LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은, LED 소자를 구비하고, 백색광을 방출하는 발광 장치에 관한 것이다.
종래, LED 소자와 형광체의 조합에 의해, 백색광을 방출하는 발광 장치가 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 특허 문헌 1에 기재된 발광 장치는, 300∼470nm의 광을 방출하는 LED 소자를 구비하고, 이 광에 의해 여기되는 형광체에 의해 부분적으로 또는 완전하게 보다 장파장의 광으로 변환됨으로써, 백색광을 생성하고 있다. 또한, 형광체는, LED 소자를 실링하는 실링 수지에 분산되어 있다.
또한, 적색 LED 소자, 녹색 LED 소자 및 청색 LED 소자의 조합에 의해, 백색광을 생성 가능한 발광 장치도 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 2 참조).
[특허 문헌 1] 일본국 특허공표 2003-535478호 공보
[특허 문헌 2] 일본국 특허공개 2008-085324호 공보
그러나, 특허 문헌 1에 기재된 발광 장치는, 실링 수지 중의 형광체의 내열성이 낮고, 장치의 사용 시에 발광 장치의 온도가 상승하면 발광 효율이 저하한다. 또한, LED 소자의 발열량이 제한되므로, LED 소자에 큰 전류를 흐르게 하여 광량을 증대시키는 것은 곤란하다.
여기서, 특허 문헌 2에 기재된 발광 장치와 같이, 형광체를 이용하지 않고 적색, 녹색 및 청색의 각 LED 소자에 의해 백색광을 얻는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 각 LED 소자의 반치폭은 형광체에 비해 매우 작아, 얻어지는 백색광의 연색성이 낮아져 버린다.
또한, LED 소자의 발열량이 제한되지 않는 경우, 각 LED 소자에서 발생한 열을, 원활하게 각 LED 소자를 탑재하는 기판에 전달할 필요가 생긴다.
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 장치의 사용 시에 발광 효율이 저하하지 않고, LED 소자에 큰 전류를 흐르게 하여 광량을 증대시킬 수 있고, 또한 양호한 연색성의 백색광을 얻을 수 있는 발광 장치를 제공하는데 있다.
또한, 다른 목적은 LED 소자에서 생긴 열을 원활하게 기판으로 전달할 수 있는 발광 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제1의 발광 장치는, 자외광을 방출 하는 제1 LED 소자와, 가시광을 방출하는 제2 LED 소자와, 상기 제1 LED 소자 및 상기 제2 LED 소자가 탑재되고, 무기 재료로 이루어지는 기판과, 상기 제1 LED 소자, 상기 제2 LED 소자 및 상기 기판을 수용하고, 무기 재료로 이루어지는 하우징과, B 및 Al중 적어도 한쪽과, N이 도프되고, 상기 제1 LED 소자로부터 방출되는 광에 의해 여기되면 가시광을 방출하는 SiC 형광판을 구비한 것을 특징으로 한다.
상기의 제1의 발광 장치에 있어서, 상기 제1 LED 소자는, 피크 파장이 408nm이하의 광을 방출하고, 상기 제2 LED 소자는, 피크 파장이 408nm를 넘는 광을 방출하는 것을 특징으로 한다.
상기의 제1의 발광 장치에 있어서, 상기 하우징은, 개구를 가지고, 상기 SiC 형광판은, 상기 개구에 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기의 제1의 발광 장치에 있어서, 상기 SiC 형광판은, 상기 제1 LED 소자로부터 방출된 광이 입사하는 면에, 상기 제1 LED 소자의 발광 파장보다 작은 주기로 형성된 주기 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기의 제1의 발광 장치에 있어서, 상기 개구의 상기 SiC 형광판의 외측에 설치되고, 무기 재료로 이루어지는 렌즈를 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제2의 발광 장치는, 자외광을 방출하는 자외 LED 소자와, 청색광을 방출하는 청색 LED 소자와, 녹색광을 방출하는 녹색 LED 소자와, 적색광을 방출하는 적색 LED 소자와, 상기 자외 LED 소자, 상기 청색 LED 소자, 상기 녹색 LED 소자 및 상기 적색 LED 소자가 탑재되고, 무기 재료로 이루어지는 기판과, 상기 자외 LED 소자, 상기 청색 LED 소자, 상기 녹색 LED 소 자, 상기 적색 LED 소자 및 상기 기판을 수용하고, 무기 재료로 이루어지는 하우징과, B 및 Al중 적어도 한쪽과, N이 도프되고, 상기 자외 LED 소자로부터 방출되는 광에 의해 여기되면 가시광을 방출하는 SiC 형광판을 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제3의 발광 장치는, 자외광을 방출하는 제1 LED 소자와, 가시광을 방출하는 제2 LED 소자와, B 및 Al중 적어도 한쪽과, N이 도프되고, 상기 제1 LED소자로부터 방출되는 광에 의해 여기되면 가시광을 방출하는 SiC 형광판과, 상기 제1 LED 소자 및 상기 제2 LED 소자가 탑재되고, 무기 재료로 이루어지는 기판과, 상기 기판과 상기 제1 LED 소자 및 상기 제2 LED 소자를 접합하고, 상기 기판에 대해서 대략 수직인 방향으로 신장하는 기둥형상 결정을 가지는 AuSn계 합금층을 구비한 것을 특징으로 한다.
상기의 제3의 발광 장치에 있어서, 상기 기판을 수용하고, 무기 재료로 이루어지는 하우징을 구비한 것을 특징으로 한다.
상기의 제3의 발광 장치에 있어서, 상기 제1 LED 소자의 피크 파장은, 408nm이하이고, 상기 제2 LED 소자의 피크 파장은, 408nm를 넘는 것을 특징으로 한다.
상기의 제3의 발광 장치에 있어서, 상기 제2 LED 소자는, 청색 LED 소자, 녹색 LED 소자 및 적색 LED 소자의 3종의 LED 소자인 것을 특징으로 한다.
상기 제3의 발광 장치를 제조하는 방법은, 상기 기판의 탑재면에 Sn막을 형성하는 Sn막 형성 공정과, 제1 LED 소자 및 제2 LED 소자의 비탑재면에 Au막을 형성하는 Au막 형성 공정과, 상기 기판의 상기 탑재면에 형성된 상기 Sn막의 표면에, 상기 제1 LED 소자 및 상기 제2 LED 소자에 형성된 상기 Au막을 접촉시키는 접촉 공정과, 상기 Sn막과 상기 Au막을 접촉시킨 상태에서, 수소 가스와 질소 가스의 혼합 가스로 이루어지는 포밍 가스의 분위기 중에서 상기 기판을 가열하고, 상기 제1 LED 소자 및 상기 제2 LED 소자를 상기 기판에 접합하는 접합 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제3의 발광 장치를 제조하는 방법에 있어서, 특히, 상기 접촉 공정에서, 상기 기판의 상기 탑재면을 윗쪽으로 하고, 상기 제1 LED 소자 및 제2 LED 소자의 비탑재면을 아래쪽으로 하여, 상기 제1 LED 소자 및 상기 제2 LED 소자를 상기 기판에 재치함으로써 상기 Sn막과 상기 Au막을 접촉시키고, 상기 접합 공정에서, 상기 제1 LED 소자 및 상기 제2 LED 소자가 상기 기판에 재치된 상태에서, 상기 기판을 가열하여, 상기 제1 LED 소자 및 상기 제2 LED 소자를 상기 기판에 접합하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, SiC 형광판은 높은 내열성을 가지므로, 장치의 사용 시에 종래와 같이 발광 효율이 저하하지 않고, 장치 자체의 내열성이 향상되므로, LED 소자에 큰 전류를 흐르게 하여 광량을 증대시키는 것이 가능해진다. 또한, SiC 형광판은, 제1 LED 소자로부터 방출된 광에 의해 여기되면, LED 소자 등에 비해 반치폭이 큰 광을 방출하므로, 양호한 연색성의 백색광을 얻을 수 있다.
또한, 기판과 각 LED 소자가 기둥형상 결정을 가지는 AuSn계 합금층에 의해 접합되므로, 각 LED 소자에서 생긴 열을 원활하게 기판으로 전달할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일실시 형태를 나타내는 발광 장치의 외관 사시도이다.
도 1에 도시하는 바와같이, 발광 장치(1)는, 일단에 개구(2a)가 형성된 원통형상의 하우징(2)과, 이 개구(2a)를 폐색하는 SiC 형광판(3)과, 하우징(2)의 타단에 형성되는 단자부(4)를 가지고 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 하우징(2)의 일단측을 상 방향, 타단측을 하 방향으로 하여 설명한다. 하우징(2)에는, 단자부(4)로부터 전력이 공급되는 복수 종류의 LED 소자가 수용되어 있고, LED 소자로부터 방출되는 자외광에 의해 SiC 형광판(3)이 여기되어 발광하도록 되어 있다. 또한, LED 소자로부터 방출된 청색광, 녹색광 및 적색광은, 파장 변환되지 않고 SiC 형광판(3)을 투과한다.
도 2는, 발광 장치의 개략 종단면도이다.
도 2에 도시하는 바와같이, 하우징(2)는, 무기 재료로 이루어지고, 하단이 폐색되고, 이 폐색 부분이 바닥부(2b)를 이루고 있다. 하우징(2)은, 세라믹으로 이루어지고, 본 실시 형태에 있어서 AIN이다. 바닥부(2b)에는, 자외 LED 소자(11), 청색 LED 소자(12), 녹색 LED 소자(13) 및 적색 LED 소자(14)를 탑재하는 탑재 기판(10)이 고정된다. 탑재 기판(10)의 고정 방법은 임의이지만, 본 실시 형태에 있어서는, 탑재 기판(10)은 바닥부(2b)와 나사식 결합하는 나사(5)에 의해 고정되어 있다. 하우징(2)의 개구(2a)의 부분은, 단형상으로 형성되어 있고, SiC 형광판(3)이 단 형상부에 고정되어 있다. 또한, 하우징(2)은, 바닥부(2b)로부터 아래쪽으로 돌출하는 플랜지(2c)를 가지고 있다. 본 실시 형태에 있어서, 플랜지(2c)는, 둘레 방향에 걸쳐 형성되어 있다.
단자부(4)는, 무기 재료로 이루어지고, 전력을 공급하는 소정의 소켓에 대해서 나사식 결합 가능하게 구성된다. 단자부(4)는, 하우징(2)의 플랜지(2c)의 내주면에 고정되는 원통부(4a)와, 원통부(4a)의 하단과 연속적으로 형성되어 아래쪽을 향해 좁아지는 경사부(4b)와, 경사부(4b)의 하단에 설치되고 바깥면에 수나사가 형성되는 제1 전극부(4c)와, 제1 전극부(4c)의 하단과 연속적으로 형성되어 직경 방향 안쪽으로 연장되는 절연부(4d)와, 절연부(4d)의 직경 방향 안쪽을 폐색하는 제2 전극(4e)을 가지고 있다. 원통부(4a), 경사부(4b) 및 절연부(4d)는 절연성을 가지는 세라믹으로 이루어지고, 제1 전극(4c) 및 제2 전극(4e)은 도전성을 가지는 금속으로 이루어진다. 원통부(4a), 경사부(4b) 및 절연부(4d)는, 하우징(2)과 동일한 재료로 하는 것이 바람직하다. 제1 전극(4c) 및 제2 전극(4e)은, 내부 도선(6)에 의해 나사(5)와 전기적으로 접속되어 있다. 본 실시 형태에 있어서, 나사(5)는, 도전성의 금속으로 이루어지고, 탑재 기판(10)과 나사식 결합하면, 탑재 기판(10)의 배선 패턴과 전기적으로 접속되도록 되어 있다.
SiC 형광판(3)은, 6층마다 주기적인 구조를 취하는 6H형의 SiC 결정으로 이루어지고, 판형상으로 형성되어 있다. SiC 형광판(3)은, 도너(donor) 불순물로서 N을 포함함과 더불어, 억셉터 불순물로서 Al 및 B를 포함하고 있다. SiC 형광판(3)에는, Al이 예를 들면 2×1018cm-3, B가 예를 들면 1×1019cm－3, N이 예를 들면 1.5×1019cm-3의 농도로 도프되어 있다. 또한, Al, B 및 N의 농도는 임의이지만, SiC 형광체(3)를 여기시켜 발광시키기 위해서는, Al과 B의 농도의 합이, N의 농도 보다 작아지지 않으면 안된다. SiC 형광판(3)은, 자외광에 의해 여기되면, 도너와 억셉터(acceptor)의 재결합에 의해 형광을 일으킨다. SiC 형광판(3)의 제조 방법은 임의인데, 예를 들면 승화법, 화학 기상 성장법에 의해 SiC 결정을 성장시켜 제조할 수 있다. 이 때, 결정 성장 중의 분위기에 있어서의 질소 가스(N2)의 분압을 적절히 조정함으로써, SiC 형광판(3)에 있어서의 질소 농도를 임의로 설정할 수 있다. 한편, Al 및 B를 단체로, 또는, Al 화합물 및 B 화합물을 원료에 대해서 적당량 혼합시킴으로써, SiC 형광판(3)에 있어서의 Al 농도 및 B 농도를 임의로 설정할 수 있다.
도 3은 SiC 형광판의 확대도이며, (a)는 일부 종단면도, (b)는 일부 평면도이다.
도 3(a)에 도시하는 바와같이, SiC 형광판(3)은, 표면 및 이면에 소정의 주기 구조가 형성되어 있다. 주기 구조는 다수의 대략 원추형상의 볼록부(3a)에 의해 구성되어 있고, 각 볼록부(3a)가 SiC 형광판(3)의 표면 및 이면을 따른 방향으로 주기적으로 배열되어 있다. 또한, 각 볼록부(3a)를, 삼각추, 사각추와 같은 다각추 형상으로 해도 된다.
도 3(b))에 도시하는 바와같이, 각 볼록부(3a)는, 평면에서 봐서, 소정의 주기로 삼각 격자형상으로 정렬하여 형성된다. 각 볼록부(3a)의 평균 주기는, 임의인데, 본 실시 형태에서는 200nm으로 되어 있다. 또한, 평균 주기는, 서로 인접하는 볼록부(3a)의 평균 피크간 거리로 정의된다. 각 볼록부(3a)는, 대략 원추형상으로 형성되고, 평균적인 바닥 직경이 150nm이고, 평균 높이가 400nm으로 되어 있 다. 이와 같이, 투과하는 광의 광학 파장에 대해서 충분히 작은 주기 구조를 형성함으로써, SiC 형광판(3)과 공기의 계면에서 반사하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)로부터 방출되는 근자외광 및 가시광을 SiC 형광판(3)에 효율적으로 입사시킴과 더불어, SiC 형광판(3)으로부터 가시광을 효율적으로 출사시킬 수 있다.
도 4는, 탑재 기판의 모식 평면도이다.
도 4에 도시하는 바와같이, 탑재 기판(10)은, 평면에서 봐서 정방형상으로 형성되고, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)가 전후 방향 및 좌우 방향으로 소정의 간격을 두고 탑재되어 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)는, 평면에서 봐서 약 350㎛각으로 형성되고, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)끼리의 간격은 약 20㎛으로 되어 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)는, 실링되어 있지 않다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 탑재 기판(10)에는, 7열 및 7행으로 합계 49개의 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)가 탑재된다. 상세하게는, 자외 LED 소자(11)가 41개, 청색 LED 소자(12)가 2개, 녹색 LED 소자(13)가 4개, 적색 LED 소자(14)가 2개로 되어 있다.
제1 LED 소자로서의 자외 LED 소자(11)는 예를 들면 피크 파장이 380nm인 광을 방출하고, 제2 LED 소자로서의 청색 LED 소자(12)는 예를 들면 피크 파장이 450nm인 광을 방출하고, 제2 LED 소자로서의 녹색 LED 소자(13)는 예를 들면 피크 파장이 550nm인 광을 방출하고, 제2 LED 소자로서의 적색 LED 소자(14)는 예를 들면 피크 파장이 650mm인 광을 방출한다. 또한, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)는, 재질이 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, AlINGaN, AlGaN, InGaN, GaN, ZnSe, GaP, GaAsP, AlGalnP, AlGaAs 등의 재료를 이용할 수 있다.
탑재 기판(10)은, 절연성의 무기 재료로 이루어지고, 표면에 배선 패턴(10a)이 형성되어 있다.
탑재 기판(10)은, 세라믹이 바람직하고, 본 실시 형태에 있어서는 AlN으로 형성된다. 또한, 탑재 기판(10)은, 예를 들면 Si, SiC 등에 의해 형성해도 되고, 불순물 억셉터 및 불순물 도너가 도프된 파장 변환 SiC로 해도 된다. 또한, 탑재 기판(10)은, 4개의 각부에서 나사(5)에 의해 하우징(2)에 체결되어 있다. 4개의 나사(5) 중, 대각에 위치하는 2개의 나사(5)에 배선 패턴(10a)이 전기적으로 접속되어 있다.
도 5는, LED 소자를 탑재 기판에 탑재하는 설명도이고, (a)는 LED 소자를 탑재하기 전의 탑재 기판의 평면도, (b)는 LED 소자를 탑재할 때의 탑재 기판의 측면도, (c)는 LED 소자를 탑재한 후의 탑재 기판의 측면도이다.
도 5(a)에 도시하는 바와같이, 탑재 기판(10)에는, 예를 들면 Sn으로 이루어지는 배선 패턴(10a)이 형성되고, 각 LED 소자(11)와의 전기 접속 위치에는 Sn막(10b)이 형성되어 있다. 또한, 도 5(a)에 있어서는, 플립 칩형의 각 LED 소자(11)를 도시하고 있다.
한편, 도 5(b)에 도시하는 바와같이, 각 LED 소자(11)의 한쌍의 전극에는, Au막(11a)이 형성되어 있다. 그리고, 도 5(b) 중의 화살표로 표시하는 바와같이, 탑재 기판(10)의 Sn막(10b) 상에, Au막(11a)을 아래쪽으로 하여 각 LED 소자(11)를 재치한다.
이 상태에서, 탑재 기판(10)을, 수소 가스와 질소 가스의 혼합 가스로 이루어지는 포밍 가스가 유동하는 분위기에서 가열하여, 각 LED 칩(11)을 탑재 기판(10)에 접합한다.
이에 따라, 도 5(c)에 도시하는 바와같이, 각 LED 칩(11)은, AuSn 합금(10C)에 의해 탑재 기판(10)의 배선 패턴(10a)에 접속된다.
발광 장치의 제조에 있어서, 탑재 기판(10)의 탑재면에 Sn막(10b)을 형성하는 Sn막 형성 공정과, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)의 비탑재면에 Au막(11a)을 형성하는 Au막 형성 공정과, 탑재 기판(10)의 탑재면에 형성된 Sn막(10b)의 표면에, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)에 형성된 Au막(11a)을 접촉시키는 접촉 공정과, Sn막(10b)과 Au막(11a)을 접촉시킨 상태에서, 수소 가스와 질소 가스의 혼합 가스로 이루어지는 포밍 가스의 분위기 중에서 탑재 기판(10)을 가열하고, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)를 탑재 기판(10)에 접합하는 접합 공정에 의해, 탑재 기판(10)에 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)가 탑재된다. 본 실시 형태에 있어서는, 접촉 공정에서, 탑재 기판(10)의 탑재면을 윗쪽으로 하고, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)의 비탑재면을 아래쪽으로 하여, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)를 탑재 기판(10)에 재치함으로써, Sn막(10b)과 Au막(11a)이 접촉하고, 접합 공정에서, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)가 탑재 기판(10)에 재치된 상태에서, 탑재 기판(10)을 가열하여, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)가 탑재 기판(10)에 접합된다.
구체적으로, 우선, 도 5(a)에 도시하는 바와같이, 무기 재료로 이루어지는 탑재 기판(10)에, 예를 들면 Sn으로 이루어지는 배선 패턴(10a)이 형성되고, 탑재면에 있어서의 각 LED 소자(11)의 전기 접속 위치에는 Sn막(10b)이 형성된다. 이 Sn막(10b)은, 예를 들면 EB 증착법(전자빔 증착법)에 의해 형성되고, 그 막 두께는, 1∼8㎛이고, 일례로는 3㎛이다. 또한, 도 5(a)에 있어서는, 플립 칩형의 각 LED 소자(11)를 도시하고 있다.
한편, 도 5(b)에 도시하는 바와같이, 각 LED 소자(11)의 피탑재면으로서의 한쌍의 전극에는, Au막(11a)이 형성된다. 이 Au막(11a)은, 예를 들면 EB 증착법에 의해 형성되고, 그 막 두께는, 0.1∼1.0㎛이며, 일례로는, 0.2㎛이다. 그리고, 도 5(b) 중의 화살표로 표시하는 바와같이, 탑재 기판(10)의 Sn막(10b) 상에, Au막(11a)을 아래쪽으로 하여 각 LED 소자(11)를 재치한다.
이 후, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)가 재치된 탑재 기판(10)을 열처리 용기내에 배치한다. 그리고, 탑재 기판(10)을, 수소 가스와 질소 가스의 혼합 가스로 이루어지는 포밍 가스가 유동하는 분위기에서 가열함으로써, Sn과 Au가 합금화되어 이루어지는 AuSn계 합금층(10c)이 형성된다. 이 포밍 가스는, 수소 가스의 함유 비율이 10%미만이고, 일례로서는 5%이다. 또한, 포밍 가스의 유량은, 50∼350cc/min이고, 일례로는 300cc/min이다. 또한, 열처리 조건은, 가열 온도가 250∼350℃, 처리 시간이 1∼20분이며, 일례로는, 가열 온도 300℃, 처리 시간 10분이다. 이에 따라, 도 5(c)에 도시하는 바와같이, 각 LED 칩(11)은, AuSn계 합금층(10c)에 의해 탑재 기판(10)에 접합된다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)의 자중에 의해 AuSn계 합금층(10c)이 형성되는데, 예를 들면 10∼50g/㎠의 압력으로 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)를 가압해도 된다. 이 후, 탑재 기판(10)을 하우징(2)의 바닥부(2b)에 나사(5)를 이용하여 고정한다. 그리고, 하우징(2)의 플랜지(2c)에 단자부(4)를 접속함과 더불어, 내부 도선(6)에 의해 탑재 기판(10)과 각 전극부(4c, 4e)를 전기적으로 접속함으로써, 발광 장치(1)가 완성된다.
이와 같이 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)를 탑재 기판(10)에 접합하는 경우, 탑재 기판(10) 및 각 LED 칩(11, 12, 13, 14)에 AuSn 합금에 의한 합금막을 미리 형성할 필요는 없다. 또한, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)가 자중에 의해 탑재 기판(10)에 접합되게 되므로, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)를 반드시 가압할 필요는 없어, 가압의 불균일성에 기인하는 폐해를 억제할 수 있다. 나아가, AuSn 합금(10c)에는 기둥형상 결정이 형성되게 되므로, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)는 전류에 대한 높은 발광 효율을 얻을 수 있어, AuSn 합금(10c)에 의한 접합부에 뛰어난 내열성 및 열 전도성이 부여된다.
이상과 같이 구성된 발광 장치(1)에서는, 단자부(4)를 외부의 소켓에 나사식 결합함으로써, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)에 전력을 공급 가능한 상태로 된다. 그리고, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)에 전류를 인가하면, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)로부터 소정 파장의 광이 방출된다.
자외 LED 소자(11)로부터 방출된 자외광은, 이면으로부터 SiC 형광판(3)에 입사하고, SiC 형광판(3)에 흡수되어 백색으로 변환된 후, SiC 형광판(3)의 표면으로부터 출사한다. 이 때, SiC 형광판(3) 내에 있어서는, 자외광을 여기광으로 하 여 도너·억셉터·페어에 의해 발광하고 있다.
본 실시 형태에 있어서는, 억셉터로서 Al과 B가 도프되어 있고, 녹색 영역에 피크파장을 가지는 청색 영역으로부터 적색 영역에 걸친 넓은 파장의 발광에 의해 순백색의 발광이 얻어지게 된다. 이 순백색의 발광만으로도, 청색 LED 소자와 황색 형광체를 조합한 종래의 발광 장치보다도 높은 연색성의 백색광을 얻을 수 있다.
또한, 자외 LED 소자(11)를 제외한 각 LED 소자(12, 13, 14)로부터 방출된 가시광(본 실시 형태에서는, 청색광, 녹색광 및 적색광)은, 이면으로부터 SiC 형광판(3)에 입사된 후, 파장 변환되지 않고 SiC 형광판(3)의 표면으로부터 출사한다. 이는, SiC 형광판(3)은, 408mm이하의 파장의 광으로 여기되고, 408nm를 넘는 파장의 광에 대해서는 투명한 것에 의한다.
여기서, SiC 형광판(3)에는, 표면 및 이면에 주기 구조가 형성되어 있으므로, 탑재 기판(10)측으로부터 입사하는 광과 외부에 출사하는 광이, SiC 형광체(3)와 공기의 계면에서 반사하는 것이 억제된다. 이에 따라, 하우징(2)의 내부가, SiC보다도 굴절률이 낮은 공기로 채워져도, 적확하게 외부로 광을 방출할 수 있다.
이와 같이, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)에 통전하면, SiC 형광판(3)의 형광에 의한 백색광과, SiC 형광판(3)을 투과한 청색광, 녹색광 및 적색광의 혼합광이 외부로 방출된다. 따라서, SiC 형광판(3)의 순백색의 형광에 추가하여, 청색 성분, 녹색 성분 및 적색 성분을 청색 LED 소자(12), 녹색 LED 소자(13) 및 적색 LED 소자(14)로 보충할 수 있어, 매우 높은 연색성을 가지는 백색광을 얻을 수 있다. 본 실시 형태의 발광 장치(1)는, LED 소자를 이용하여, 종래의 할로겐 램프의 대체품의 조명 장치로서 이용할 수 있다.
또한, 실험에 의하면, 41개의 자외 LED(11)로부터 약 280lm의 광량이 얻어지고, 2개의 청색 LED 소자(12), 4개의 녹색 LED 소자(13) 및 2개의 적색 LED 소자(14)로부터 약 20lm의 광량이 얻어져, 전체로 약 300lm의 광량이 얻어진다. 이 때, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)의 통전 조건은, 전압 3V, 전류 20mA이며, 탑재 기판(10)의 온도는 약 70도였다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 가시광을 방출하는 각 LED 소자(12, 13, 14)중, 녹색 LED 소자(13)의 수를, 청색 LED 소자(12) 및 적색 LED 소자(14)의 수보다도 많게 했으므로, 출사되는 백색광을 환자에 대해서 보다 밝게 느끼게 할 수 있다. 이는, 인간의 시감도(視感度)는, 녹색 영역에서 가장 높기 때문이다.
또한, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)가 발광했을 때에는, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)가 발열한다. 본 실시 형태의 발광 장치(1)에서는, 하우징(2), SiC 형광판(3), 단자부(4), 탑재 기판(10) 등이 무기 재료에 의해 구성되어 있으므로, LED 소자의 실링 수지에 형광체를 함유시키거나, 수지제의 렌즈를 가지는 종래의 발광 장치에 비해, 내열성을 비약적으로 향상시킬 수 있다. 따라서, 종래 필요했던 방열 기구를 생략하거나, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)에 흐르는 전류를 증대시켜 발광량을 증대시킬 수 있어, 실용에 있어 매우 유리하다. 또한, 내열성의 관점에서는 발광 장치(1)에 수지를 일절 사용하지 않는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 실시 형태의 발광 장치(1)에서는, AuSn계 합금층(10c)에 의해 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)와 탑재 기판(10)이 접속되어 있으므로, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)에서 발생한 열이 원활하게 탑재 기판(10)에 전달된다. 탑재 기판(10)에 전달된 열은, 탑재 기판(10)으로부터 하우징(2)에 전달되어 외기(外氣)로 방산된다.
또한, 단자부(4)의 절연 부분, 하우징(2) 및 탑재 기판(10)을 동일한 재료에 의해 구성했으므로, 발열 시에 있어서의 각 부재의 열 팽창율차에 기인하는 내부 응력 등을 작게 할 수 있다. 여기서, 하우징(2)의 바닥부(2b)와 탑재 기판(10)의 연결에는 금속제의 나사(5)를 이용하고 있는데, 바닥부(2b) 및 탑재 기판(10)의 연장 방향(수평 방향)과, 나사(5)의 연장 방향(상하 방향)이 수직이므로, 이들에 관해서 열팽창율차에 의해 생기는 응력 등은 비교적 작고, 나사(5)가 파손되는 일은 없다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서는, 예를 들면 도 6에 나타내는 바와같이, 하우징(2)의 개구(2a)에 무기 재료로 이루어지는 렌즈(7)가 설치되어도 된다. 도 6의 발광 장치(101)에서는, 렌즈(7)는, 유리로 이루어지고, SiC 형광판(3)의 외측에 배치된다. 렌즈(7)의 출사면은, 상방으로 볼록한 형상을 나타내고, 하우징(2)로부터 출사되는 광을 집광한다. 이 발광 장치(101)에 있어서도, 렌즈(7)가 무기 재료이므로, 내열성이 높게 되어 있다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서는, 소켓에 단자부(4)를 나사식 결합시키는 발광 장치(1)를 나타냈는데, 예를 들면 도 7에서 도 9에 나타내는 바와같이, 차 량(200)용의 헤드라이트(200a)의 발광 장치(201)로 할 수도 있다. 도 7의 차량(200)은, 자동차 차량이며, 앞부분에 헤드라이트(200a)를 구비하고 있다. 도 8에 도시하는 헤드라이트(200a)용의 발광 장치(201)는, 하우징(2)의 하부에 단자부가 설치되어 있지 않고, 하우징(2)의 바닥부(2b)에 히트싱크(8)가 접속되어 있다. 또한, 하우징(2)의 상부에는, 개구(2a)로부터 출사한 광을 반사시키는 반사경(9)이 설치되어 있다. 도 9에 도시하는 바와같이, 반사경(9)에서 반사된 백색광은, 렌즈(220)에 의해 소정 방향으로 집광되게 되어 있다. 이 발광 장치(201)에서는, 내열 온도가 높으므로, 종래의 수지 실링 타입의 LED 헤드라이트에 비해, 히트싱크(8)를 소형으로 할 수 있다. 또한, 히트싱크(8)를 설치하지 않은 구성으로 해도 지장은 없고, 자동차 차체의 소정 개소에 발광 장치(201)를 접속하여 차체 자체를 방열 부재로서 이용하는 것도 가능하다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서는, 각 LED 소자(11)에 Au막(11a)을 형성하고, 탑재 기판(10)에 Sn막(10b)과 접합되는 것을 나타냈는데, 예를 들면 도 10에 도시하는 바와같이, 탑재 기판(10)에 AuSn 납땜(10d)을 형성해 두고 각 LED 소자(11)를 탑재 기판(10)에 납땜 접합하도록 해도 된다. 또한, 상기 실시 형태에 있어서는, 각 LED 소자(11)가 플립 칩 접합되는 것을 나타냈는데, 예를 들면 도 10에 도시하는 바와같이 와이어(11b)를 이용한 페이스업 접합이어도 되고, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)의 실장 형태는 임의이다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서는, 자외 LED 소자(11)가 41개, 청색 LED 소자(12)가 2개, 녹색 LED 소자(13)가 4개, 적색 LED 소자(14)가 2개인 예를 나타냈 는데, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)의 수는 임의로 설정할 수 있다. 또한, 청색 LED 소자(12), 녹색 LED 소자(13) 및 적색 LED 소자(14)를 모두 구비할 필요는 없고, 예를 들면, 난색계의 백색을 얻으려면 청색 LED 소자(12)를 설치하지 않고 적색 LED(14)의 비율을 많게 하고, 한색계의 백색을 얻으려면 적색 LED 소자(14)를 설치하지 않고 청색 LED(14)의 비율을 많게 하면 된다. 즉, 제1 LED 소자로서 자외광을 방출하는 LED 소자를 이용하고, 제2 LED 소자로서 가시광을 방출하는 LED 소자를 이용하면, 각 LED 소자의 발광 파장은 임의이다. 다만, SiC 형광판(3)이 408nm 이하의 광에 의해 여기되므로, 제1 LED 소자의 피크 파장은 408nm 이하이고, 제2 LED 소자의 피크 파장이 408nm을 넘도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서는, 각 LED 소자(11, 12, 13, 14)가 실링되지 않은 것을 나타냈는데, 투명 유리 등의 무기 재료로 실링되도록 해도 된다. 이 경우도, 실링재는 무기 재료이므로, 발광 장치(1)의 내열성이 손상되지 않는다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서는, SiC 형광판(3)에 억셉터로서 Al 및 B를 도프한 것을 나타냈는데, 억셉터로서 Al과 B중 한쪽을 도프한 것이어도 된다. 억셉터가 Al만이고 도너가 N인 경우는, 청색 영역에 피크 파장을 가지는 형광을 방출하고, 억셉터가 B만이고 도너가 N인 경우는 황색 영역에 피크 파장을 가지는 형광을 방출하게 된다. 즉, 난색계의 백색을 얻으려면, 억셉터를 B만으로 하면 적합하고, 한색계의 백색을 얻으려면, 억셉터를 Al만으로 하면 적합하다.
또한, SiC 형광판(3)의 출사측의 면에 자외광을 반사하는 반사막을 형성해도 된다. 이 반사막은, 예를 들면, 무기 재료로 이루어지는 다층 반사막(DBR막)이어 도 되고, 유리보다도 반사율이 높은 무기 재료로 이루어지는 막이어도 된다. 이에 따라, 외부로의 자외광의 출사가 저지됨과 더불어, 자외광을 SiC 형광판(3)측으로 반사시켜 효율적으로 파장 변환을 행할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서는, 하우징(2), 단자부(4), 탑재 기판(10)을 AlN으로 형성한 것을 나타냈는데, 무기 재료이면 재질은 임의이고, 예를 들면, Si, SiC 등을 이용해도 되고, 억셉터 불순물 및 도너 불순물이 도프된 파장 변환 SiC를 이용하는 것도 가능하다. 다만, 열팽창율을 동일하게 하기 위해서는, 이들을 동일한 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 그 외, 구체적인 세부 구조 등에 대해서도 적절하게 변경 가능한 것은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일실시 형태를 나타내는 발광 장치의 외관 사시도이다.
도 2는 발광 장치의 개략 종단면도이다.
도 3은 SiC 형광판의 확대도이고, (a)는 일부 종단면도, (b)는 일부 평면도이다.
도 4는 탑재 기판의 모식 평면도이다.
도 5는 LED 소자를 탑재 기판에 탑재하는 설명도이고, (a)는 LED 소자를 탑재하기 전의 탑재 기판의 평면도, (b)는 LED 소자를 탑재할 때의 탑재 기판의 측면도, (c)는 LED 소자를 탑재한 후의 탑재 기판의 측면도이다.
도 6은 변형예를 나타내는 발광 장치의 개략 종단면도이다.
도 7은 자동차 차량의 앞부분의 외관도이다.
도 8은 변형예를 나타내는 발광 장치의 개략 종단면도이다.
도 9는 변형예를 나타내는 헤드라이트의 내부 구조를 나타내는 설명도이다.
도 10은 LED 소자를 탑재 기판에 탑재하는 설명도이고, (a)는 LED 소자를 탑재하기 전의 탑재 기판의 평면도, (b)는 LED 소자를 탑재할 때의 탑재 기판의 측면도, (c)는 LED 소자를 탑재한 후의 탑재 기판의 측면도이다.
<부호의 설명>
1 : 발광 장치 2 : 하우징
2a : 개구 2b : 바닥부
2c : 플랜지 3SiC : 형광판
3a : 볼록부 4 : 단자부
4a : 원통부 4b : 경사부
4c : 제1 전극 4d : 절연부
4e : 제2 전극 5 : 나사
6 : 내부 도선 7 : 렌즈
8 : 히트 싱크 9 : 반사경
10 : 탑재 기판 10a : 배선 패턴
10b : Sn막 10c : AuSn계 합금층
11 : 자외 LED 소자 12 : 청색 LED 소자
13 : 녹색 LED 소자 14 : 적색 LED 소자
101 : 발광 장치 200 : 차량
200a : 헤드라이트 201 : 발광 장치
220 : 렌즈

Claims (12)

  1. 일단에 개구가 형성된 통형상의 무기 재료로 이루어지는 하우징과,
    자외광을 방출하는 제1 LED 소자 및 가시광을 방출하는 제2 LED 소자가 탑재된 무기 재료로 이루어지는 기판과,
    B 및 Al중 적어도 한쪽과, N이 도프되고, 상기 제1 LED 소자로부터 방출되는 광에 의해 여기되면 가시광을 방출하는 무기 재료로 이루어지는 SiC 형광판을 구비하고,
    상기 하우징은 당해 하우징 내에 바닥부가 형성되며,
    상기 제1 LED 소자, 상기 제2 LED 소자 및 상기 기판을 하우징 내에 수용하고, 상기 바닥부에 상기 기판이 고정되며,
    상기 하우징의 개구를 폐색하도록 상기 SiC 형광판이, 상기 제1 LED 소자 및 상기 제2 LED 소자로부터 이격하여 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 LED 소자는, 피크 파장이 408nm 이하인 광을 방출하고,
    상기 제2 LED 소자는, 피크 파장이 408nm를 넘는 광을 방출하는 발광 장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 SiC 형광판은, 상기 제1 LED 소자로부터 방출된 광이 입사하는 면에, 상기 제1 LED 소자의 발광 파장보다 작은 주기로 형성된 주기 구조를 가지는 발광 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 개구의 상기 SiC 형광판의 외측에 설치되고, 무기 재료로 이루어지는 렌즈를 구비한 발광 장치.
  6. 일단에 개구가 형성된 통형상의 무기 재료로 이루어지는 하우징과,
    자외광을 방출하는 자외 LED 소자와, 청색광을 방출하는 청색 LED 소자와, 녹색광을 방출하는 녹색 LED 소자와, 적색광을 방출하는 적색 LED 소자가 탑재된 무기 재료로 이루어지는 기판과,
    B 및 Al중 적어도 한쪽과, N이 도프되고, 상기 자외 LED 소자로부터 방출되는 광에 의해 여기되면 가시광을 방출하는 무기 재료로 이루어지는 SiC 형광판을 구비하고,
    상기 하우징은 당해 하우징 내에 바닥부가 형성되며,
    상기 자외 LED 소자와, 상기 청색 LED 소자와, 상기 녹색 LED 소자와, 상기 적색 LED 소자 및 상기 기판을 하우징 내에 수용하고, 상기 바닥부에 상기 기판이 고정되며,
    상기 하우징의 개구를 폐색하도록 상기 SiC 형광판이, 상기 자외 LED 소자와 상기 청색 LED 소자와 상기 녹색 LED 소자와 상기 적색 LED 소자로부터 이격하여 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
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