KR20070007019A - 발광장치 - Google Patents

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히로토 다마키
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니치아 카가쿠 고교 가부시키가이샤
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Abstract

발광소자와, 발광소자로부터의 광의 적어도 일부를 흡수하여 다른 파장을 갖는 빛을 발하는 형광물질을 함유하는 광변환부재를 구비하는 발광장치.
발광장치는, 발광소자의 쪽으로부터 보아 광변환부재를 구비하는 측에, 방열부재를 더 갖는다. 방열부재는, 2장의 판형상부재의 사이에 냉각용 유체를 흘리는 유로가 형성되는 방열부재이고, 발광소자는, 방열부재의 주면상에 2차원형상으로 배열하도록 복수 탑재되고, 유로 내에 있어서 판형상부재의 표면에 복수의 볼록부가 형성되고, 복수의 볼록부의 적어도 볼록부는, 발광소자의 사이 및 대략 중앙에 중심이 위치하도록 형성되는 것이 바람직하다.
발광장치, 방열부재, LED

Description

발광장치{LIGHT-EMITTING DEVICE}
본 발명은, 레이저 다이오드(LD), 발광 다이오드(LED)와 같은 발광소자가 탑재되어 이루어지는 발광장치에 관한 것이다. 특히 발광소자와 함께 발광소자로부터의 빛을 여기(勵起)광으로서 다른 파장을 갖는 빛을 발광하는 형광물질을 구비하는 발광장치에 관한 것이다. 또한, 반도체 발광소자나 반도체 수광소자, 또는 반도체 디바이스 등의 발열체의 방열에 이용되는 방열부재 및 이것을 구비한 반도체 장치에 관한 것이다.
발광 다이오드를 이용한 조명장치로서 다수의 발광 다이오드를 도전성 플레이트의 위에 탑재시킨 조명장치가 제안되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에 개시되는 조명장치는, 발광 다이오드가 탑재되어 있지 않은 측의 도전성 플레이트가 냉각체에 접속되고 있고, 냉각체에서 발광 다이오드의 방열을 재촉하는 것에 의해서, 고출력인 발광이 가능한 조명장치이다. 또한, 방열성의 더 나은 개선을 위해서, 냉각체에는 냉각액이 환류된다.
또한, 예를 들면 특허문헌 2에 개시되는 진공 형광관은, 도체에 형광체층이 피착된 양극과, 그 양극에 대향하는 음극이, 진공용기 내에 배열설치된 팩시밀리 광원용 진공 형광관이다. 여기서, 형광체층이 피착된 양극의 일부는, 진공용기의 밖으로 연신하는 연신부가 되어, 상기 연신부가 바깥 공기에 접하는 냉각부로 되어 있다. 이 형광관은, 형광체층이 피착된 양극을 열전도성이 좋은 금속재료로 하여, 상기 냉각부에 의한 방열을 재촉함으로써, 피착된 형광체층의 발열을 내릴 수 있다. 이것에 의해, 진공 형광관은, 형광체의 열화를 막아, 발광효율의 향상 및 고휘도 발광을 유지할 수 있다.
여기서, 반도체 디바이스 등의 발열체의 방열에 이용되는 히트싱크에 있어서의 일반적인 냉각수단으로서는, 수동적 냉각수단과 능동적 냉각수단으로 나눌 수 있다. 예를 들면, 전자는 열용량이 큰 히트싱크를 이용함으로써 발열체의 방열을 실시하는 것이고, 후자는 발열체를 탑재하는 히트싱크 내에 냉각수를 흘려 열을 빼앗는 수단이다. 최근, 더 나은 고출력화나 고휘도화 등이 요구되는 반도체 장치에 대해서는, 효율적으로 냉각을 할 수 있는 능동적 냉각수단의 채용이 선호되고 있다.
수동적 냉각수단을 이용한 반도체 장치로서 예를 들면 적외(赤外) 대역의 반도체 레이저 어레이로 1∼수십 와트(W)의 광출력이 얻어지고 있다. 여기서, 반도체 레이저 어레이란, 단일 반도체 결정상에 복수의 공진기가 배열된 어레이, 혹은 분리된 복수의 반도체 결정상에 각각 공진기가 배열된 어레이를 나타낸다.
또한 반도체 레이저 어레이를 스택구조로 하는 것에 의해서, 수십∼수킬로 와트(W)의 광출력이 얻어지고 있다. 이러한 스택구조를 한 반도체 장치에 이용되고 있는 냉각수단이 능동적 냉각수단이다. 예를 들면, 특허문헌3에서는, 히트싱크내에 수로를 설치하여, 반도체 레이저 어레이의 바로 아래를 냉각하는 기술이 제안 되고 있다. 수로 내에 있어서, 가압된 유체가 발열체의 바로 아래에 내뿜어지도록 수로를 가늘게 한 복수의 미세구멍이 형성되어 있다. 이 미세구멍으로부터 유체를 기세 좋게, 반도체 레이저 어레이의 바로 아래에 내뿜음으로써, 열전달효율을 향상시킨다. 이 반도체 장치의 구조는, 반도체 레이저 등의 발열체의 방열면에 대해, 유체가 거의 직각에 해당되도록 수로가 설계되고 있다.
특허문헌 1 : 일본 특표 2002-544673호 공보
특허문헌 2 : 일본 특개 소 59-161966호 공보
특허문헌 3 : 일본 특개 평 8-139479호 공보
일반적으로, 광변환부재에 함유되는 형광체의 광변환효율은, 형광체의 주위온도가 높아지는 데 따라서 저하하는 것이 알려져 있다. 상술의 기술은, 이러한 문제를 해결하기 위해 발광장치에 있어서의 광변환부재의 외부적 발열요인을 제거하는 방법으로서 고안된 것이다. 즉, 발광 다이오드의 탑재기판을 냉각하고, 또한 형광체가 피착된 전극의 다른 끝단에 냉각부를 설치하는 것에 의해, 외부로부터 열을 받아 발열하는 광변환부재의 열을 제거하는 것이다.
그런데, 종래까지 형광체를 자외영역에서 여기하는 광원으로서 선택되고 있던 것으로서 고압 수은램프 등을 들 수 있지만, 열을 다량으로 발생할 뿐만아니라, 가시광선 스펙트럼을 가지고 있어, 자외광만을 추출하기 위한 필터 등이 필요하였다. 본 출원인 등은, 고출력인 자외광을 발하는 질화물 반도체소자를 발표하여(JJAP Vol. 41(2002) L1434-1436), 이러한 발광소자를 형광물질의 여기광원으로서 이용하는 것을 고안하였다. 이것에 의해, 종래 선택되어 있던 자외영역에서 여기하는 광원과 비교해서 열의 발생이 적고, 필터 등을 필요로 하지 않아도 고출력인 자외광 스펙트럼만을 추출하는 것이 가능해졌다. 즉, 발광장치에 있어서의 광 변환부재의 외부적 발열요인을 한없이 무시할 수 있게 되었다.
그러나, 그러한 단파장 영역에 스펙트럼을 갖는 광반도체 발광소자를 형광체의 여기광원으로서도, 스펙트럼에 의한 광변환부재부의 발열은 무시할 수 있지만, 형광체의 발열을 무시할 수 없게 되는 것을 알 수 있어 왔다. 즉, 고에너지의 여기광에 노출되는 형광체는, 형광체의 스토크스 포토루미네선스(stokes Photoluminescence)기구의 손실(이후, '스토크스 손실'라고 부른다.)에 기인하는 자기발열을 일으킨다. 이것은, 외부적으로 열을 가해지는 것에 의한 광변환부재 전체의 온도상승과는 달리, 광변환부재에 함유되는 형광체 자신의 발열을 기원(起源)으로서 광변환효율을 스스로 저하시키고 있는 것이다.
따라서, 본 발명은, 형광체의 자기발열을 억제하여, 광변환부재의 열화를 저지하는 것과 동시에, 형광체의 발광효율을 향상시켜, 고출력인 발광장치를 실현시키는 것을 제1 목적으로 한다.
또한, 상기 능동적 냉각방식의 일례로서 나타낸 반도체 레이저 등은, 발열체의 방열면에 대해서 유체(냉각매체)가 거의 직각에 닿도록 수로를 설계하는 것에 의해, 히트싱크 내벽면에 있어서의 마찰저항을 한없이 작게 한 점에 특징이 있다. 즉, 유체(냉각매체)와 방열면이 접하는 부위에는, 마찰저항을 일으키는 1종의 피막이 형성되고 있고, 상기 피막을 피막면에 대해서 수직인 방향에서 냉각수를 기세 좋게 내뿜는 것에 의해 피막을 파괴하여, 냉각효율을 효율적으로 향상하는 것이다.
그러나, LED나 면(面)발광 레이저 등의 면 발광장치는, 매트릭스 형상으로 탑재하는 것에 의해 그 기능을 발휘하는 것이다. 즉, LED나 면 발광레이저 등의 면 발광장치를 복수개 조합하여 고출력의 발광장치를 만들려고 하면, 복수의 면 발광장치를 매트릭스 형상으로 탑재할 필요가 있다. 이러한 면 발광장치는 각각이 발열체이기 때문에, 각 면 발광장치에 대해서 효율이 높은 냉각을 실시할 필요가 있다. 그런데, 상기 수로 구조를 적용했을 경우, 방열면에 수직인 방향으로부터 유체(냉각매체)가 내뿜어지는 부위는 한정되어 있기 때문에, 이러한 부위를 면 발광장치마다 다수 형성하기 위해서는 수로가 복잡하게 되어버려, 면 발광장치의 고밀도인 탑재가 방해되어 버린다.
따라서 본 발명은, 충분한 냉각기능을 갖는 히트싱크(방열부재), 및 이러한 히트싱크를 구비한 반도체 장치를 제공하는 것, 특히 방열면과 유체(냉각매체)가 흐르는 방향이 평행한 위치관계에 있는 경우나, 유체(냉각 매체)가 흐르는 방향과 평행한 면 위에 발열체를 1 이상 탑재되어 있는 경우에 있어서도 충분한 냉각기능을 갖는 히트싱크, 및 이러한 히트싱크를 구비한 반도체 장치를 제공하는 것을 제2 목적으로 한다.
본 발명에 관한 발광장치는, 발광소자와 발광소자로부터의 빛의 적어도 일부를 흡수하여 다른 파장을 갖는 빛을 발하는 형광물질을 함유하는 광변환부재를 구비하는 발광장치로서, 발광장치는, 발광소자로부터 보아 광변환부재를 구비하는 측에, 방열부재를 더 갖는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성하면, 형광체의 방열이 종래와 비교하여 효율적으로 실시할 수 있기 때문에, 형광체의 자기발열을 억제하여, 형광체의 열화를 방지하는 것에 의해, 형광체의 광변환 효율을 향상시켜, 더 고출력인 발광장치로 할 수 있다.
또한, 방열부재는, 냉매의 유로를 갖는다. 이것에 의해, 방열부재에 의한 방열을 효율적으로 실시할 수 있고, 형광물질로부터의 방열성이 더 향상하기 때문에, 더 고출력인 발광장치로 할 수 있다.
또한, 방열부재는, 상기 냉매가 도입되는 공급구와, 상기 유로가 환류되는 냉매가 방출되는 배출구를 적어도 한 쌍 갖는다. 이와 같이 구성하여, 방열부재에 냉매를 환류시키면, 발광장치의 방열성이 향상하여, 고출력인 발광장치로 할 수 있다.
또한, 상기 방열부재는, 적어도 상기 발광소자로부터의 빛을 투과하는 재료, 또는, 상기 발광소자로부터의 빛과 상기 광변환부재가 발하는 빛의 양쪽 모두의 빛을 투과시킬 수 있는 재료로 이루어진다. 이것에 의해, 방열부재에 광변환부재를 배치시킬 때, 발광 관측면 측의 주면(主面) 뿐만이 아니라, 발광소자로부터의 빛이 조사되는 측의 주면에도 광변환부재를 배치시킬 수 있다.
상기 방열부재는, 2장의 판형상부재의 사이에 냉각용 유체를 흘리는 유로가 형성되는 방열부재로서, 상기 발광소자는, 상기 방열부재의 주면 상에 2차원 형상으로 배열하도록 복수 탑재되고, 상기 유로 내에 있어서 상기 판형상부재의 표면에 복수의 볼록부가 형성되고, 상기 복수의 볼록부의 적어도 일부는, 상기 발광소자의 사이 및 대략 중앙에 중심이 위치하도록 형성된다. 이와 같이 구성하는 것에 의해, 형광체의 자기발열을 억제하여, 형광체의 열화를 방지하는 것에 의해, 형광체의 광 변환효율을 향상시킬 뿐만 아니라, 발광소자의 자기발열에 의한 광출력의 저하를 억제하는 것이 가능해져, 복수의 발광소자를 고밀도 탑재하는 것이 가능하게 된다. 이것에 의해, 더 고출력인 발광장치로 할 수 있다.
본 발명에 관한 발광장치는, 발광소자와, 발광소자로부터의 빛의 적어도 일부를 흡수하여 다른 파장을 갖는 빛을 발하는 형광물질을 함유하는 광변환부재와, 방열부재를 구비하는 발광장치로서, 상기 방열부재는, 냉매의 유로를 갖고, 상기 발광소자가 얹어 놓여지는 측에서 제1 유로를 갖는 제1 방열부재와, 상기 발광소자로부터의 빛이 조사되는 측에서 제2 유로를 갖는 제2 방열부재로 이루어지고, 제2 방열부재는, 상기 광변환부재를 갖는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성하면, 형광체의 방열이 종래와 비교하여 효율적으로 실시할 수 있기 때문에, 형광체의 자기발열을 억제하여, 형광체의 열화를 방지하는 것에 의해, 형광체의 광변환효율을 향상시켜, 더 고출력인 발광장치로 할 수 있다.
또한, 상기 유로는, 상기 제1 유로와 상기 제2 유로를 연락하는 제3 유로를 갖는다. 이와 같이 구성하면, 발광장치에 공급된 냉매를 제1 유로 및 제2 유로에 대해 나란히 흐르게 할 수 있어, 발광소자의 방열과 형광체의 방열이 같은 방열(放熱)계통으로 실시할 수 있기 때문에, 발광장치의 방열부재의 구조를 간략화할 수 있다.
또한, 상기 제1 방열부재 및/ 또는 상기 제2 방열부재는, 상기 냉매가 도입되는 공급구와, 상기 유로가 환류되는 냉매가 방출되는 배출구를 적어도 한 쌍 갖는다. 이와 같이 구성하여 연속하여 냉매를 공급·배출하면, 발광장치의 방열성이 향상하여, 고출력인 발광장치로 할 수 있다.
또한, 상기 제1 방열부재와, 절연성 부재와 지지기판과, 상기 제2 방열부재가 적층되고 있다. 이와 같이 구성하면, 보다 간단한 구성으로 방열성이 뛰어난 발광장치로 할 수 있다.
또한, 상기 방열부재는, 상기 공급구 혹은 배출구를, 적어도 한 쪽의 주면측에 갖고, 상기 절연성 부재와 상기 지지기판은, 상기 제3 유로의 일부가 되는 관통구멍을 갖는다. 이와 같이 구성하면, 발광장치의 주면 방향으로 한 쌍이 공급구 및 배출구를 형성시킬 수 있고, 발광장치의 광학특성에 악영향을 미치지 않는 방향으로부터 냉매의 환류를 실시할 수 있다.
또한, 상기 절연부재의 적어도 한 쪽의 주면에 Au, Ag, Al로부터 선택되는 적어도 1종을 포함한 도전성 부재가 피착되고 있다. 이와 같이 구성하면, 발광소자에 전력을 공급하는 것을 용이하게 할 수 있다.
또한, 상기 발광소자의 한 쪽의 전극은, 도전성 와이어를 통하여 상기 절연성 부재의 적어도 한 쪽의 주면에 피착된 도전성 부재와 전기적으로 접속되고, 한 쪽의 전극은, 상기 제1 방열부재에 각각 전기적으로 접속된다. 이와 같이 구성하면, 발광소자에게 전력을 공급하는 것을 용이하게 할 수 있다.
또한, 상기 제2 방열부재는, 적어도 상기 발광소자로부터의 빛을 투과하는 재료, 또는 상기 발광소자로부터의 빛과 상기 광변환부재가 발하는 빛의 양쪽 모두의 빛을 투과시킬 수 있는 재료로 이루어진다. 이것에 의해, 제2 방열부재에 광변환부재를 배치시킬 때, 발광 관측면 측의 주면 뿐만이 아니라, 발광소자로부터의 빛이 조사되는 측의 주면에도 광변환부재를 배치시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 방열부재 및/ 또는 상기 제2 방열부재는, 2장의 판형상부재의 사이에 냉각용 유체를 흘리는 유로가 형성되는 방열부재로서, 상기 발광소자는, 상기 제1 방열부재의 주면상에 2차원형상으로 배열하도록 복수 탑재되고, 상기 유로 내에 있어서 상기 판형상부재의 표면에 복수의 볼록부가 형성되고, 상기 복수의 볼록부의 적어도 일부는, 상기 발광소자의 사이 및 대략 중앙에 중심이 위치하도록 형성된다. 이와 같이 구성하는 것에 의해, 형광체의 자기발열을 억제하여, 형광체의 열화를 방지하는 것에 의해, 형광체의 광변환효율을 향상시킬 뿐만 아니라, 발광소자의 자기발열에 의한 광출력의 저하를 억제하는 것이 가능해져, 복수의 발광소자를 고밀도 탑재하는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 더 고출력인 발광장치로 할 수 있다.
본 발명에 관한 발광장치는, 2장의 판형상부재의 사이에 냉각용 유체를 흘리는 유로가 형성되는 방열부재와, 상기 방열부재의 주면상에 2차원형상으로 배열하도록 탑재되는 복수의 발광소자를 구비하는 발광장치로서, 상기 유로 내에 있어 상기 판형상부재의 표면에 복수의 볼록부가 형성되고, 상기 복수의 볼록부의 적어도 일부는, 상기 발광소자의 사이 및 대략 중앙에 중심이 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성하는 것에 의해, 유로 내에 있어서의 판형상부재의 표면에 있어서의 열밀도가 저하한다. 그 때문에, 발광소자의 자기발열에 의한 광출력의 저하를 억제하는 것이 가능해져, 복수의 발열체를 고밀도로 탑재할 수 있다. 이것에 의해, 고출력인 발광장치로 할 수 있다.
또한, 상기 복수의 볼록부는, 상기 유로의 입구로부터 출구를 향하여 가장 근접하는 볼록부끼리를 차례차례 연결한 선분이 굴곡을 반복하도록 서로 어긋나서 배치된다. 이와 같이 구성하면, 그 부분에 있어서의 열밀도를 내릴 수 있어, 열분포를 억제하여 고효율인 냉각을 할 수 있기 때문에, 더 고출력인 발광장치로 할 수 있다.
또한, 상기 복수의 볼록부의 적어도 일부는, 상기 발광소자의 사이에 중심이 위치하도록 형성된다. 이와 같이 구성하면, 발광소자 자신의 내부에서 생기는 열분포를 억제하여 고효율인 냉각을 할 수 있기 때문에, 더 고출력인 발광장치로 할 수 있다.
또한, 상기 복수의 볼록부가 각 발광소자의 대략 중앙과 정점 부근에 배치된다. 이와 같이 구성하면, 발광소자 자신의 내부에서 생기는 열분포와, 발광소자끼리의 열간섭에 의해서 일어나는 열분포의 양쪽 모두를 억제하여 효과적인 방열을 실시할 수 있다. 이것에 의해 고효율인 냉각을 할 수 있기 때문에, 더 고출력인 발광장치로 할 수 있다.
또한, 상기 판형상부재의 붙여 합침면이 Au를 포함한 금속재료에 의해 덮여 있다. 이와 같이 구성하면, 판형상부재끼리의 밀착성이 높아지기 때문에 냉각재의 누락을 없애, 신뢰성이 향상한 발광장치로 할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일실시예인 발광장치의 모식적인 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 일실시예인 발광장치의 모식적인 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 일실시예인 발광장치의 모식적인 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 일실시예인 발광장치의 모식적인 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 실시예 및 비교예의 특성을 나타내는 도면이다.
도 6은, 본 발명의 일실시예인 발광장치의 모식적인 사시도 및 단면도이다.
도 7은, 본 발명의 일실시예인 발광장치의 각 구성부재를 나타내는 모식적인 사시도이다.
도 8은, 본 발명의 일실시예인 발광장치의 모식적인 단면도이다.
도 9는, 본 발명의 일실시예인 발광장치의 모식적인 단면도이다
도 10은, 본 발명의 일실시예인 구성부재의 모식적인 사시도이다.
도 11은, 본 발명의 반도체 장치의 구성을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 12는, 본 발명의 반도체 장치의 구성을, 금속 캡 등을 생략하여 나타낸 모식적 사시도이다.
도 13은, 본 발명의 히트싱크 구조를 설명하는 모식적 단면도이다.
도 14 (a)∼(c)는, 본 발명의 제1 판형상부재의 일례를 모식적으로 나타내는 사시도, 평면도 및 단면도이다.
도 15 (a)∼(c)는, 본 발명의 제2 판형상부재의 일례를 모식적으로 나타내는 사시도, 평면도 및 단면도이다.
도 16(a) 및 (b)은, 도 4 및 도 5에 나타낸 판형상부재를 조합한 모양을 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 17(a) 및 (b)은, 반도체소자와 유로 내의 볼록부의 위치관계를 모식적으로 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 18은, 본 발명의 실시형태에 의해 구성되는 LED광원의 유닛모듈 광원장치를 설명하는 도면이다.
도 19는, 본 발명의 실시형태에 의해 구성되는 LED광원의 유닛모듈 광원장치를 설명하는 도면이다.
도 20은, 본 발명의 실시형태에 의해 구성되는 LED광원의 초고출력화 모듈 광원장치를 설명하는 도면이다.
도 21은, 본 발명의 실시형태에 의해 구성되는 LED광원의 초고출력화 모듈 광원장치를 설명하는 도면이다.
도 22는, 본 발명의 실시형태에 의해서 된 능동적 냉각수단에 의한 LED소자의 IL특성과, 수동적 냉각수단에 의한 LED소자의 IL특성의 상대비교를 나타내는 도면이다.
도 23은, 본 발명의 실시형태에 의해서 고휘도화된 LED광원의 IL특성이다.
도 24는, 본 발명의 실시형태에 의해서 고휘도화된 LED광원의 CW-ACC 구동시험과, 수동적 냉각수단에 의한 LED1 소자의 CW-ACC 구동시험으로부터 예측되는 열화곡선이라는 비교를 나타내는 도면이다.
도 25는, 본 발명의 실시형태에 의해서 고휘도화된 LED광원의 CW-ACC 구동시험과 수동적 냉각수단에 의한 LED1 소자의 CW-ACC 구동시험으로부터 예측되는 열화곡선이라는 비교를 나타내는 도면이다.
도 26(a)∼(c)은, 본 발명의 압력의 등고선을 나타내는 도면이다.
도 27은, 본 발명에 관한 발광장치의 방열부재의 최저온도와 유체의 유량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 28은, 본 발명에 관한 발광장치의 방열부재의 최고온도와 유체의 유량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 29는, 본 발명에 관한 발광장치의 방열부재의 열저항과 유체의 유량의 관계를 나타내는 도면이다.
[부호의 설명]
1, 10 : 발열체
2 : 제1 판형상부재
3 : 제2 판형상부재
100, 200, 300, 400 : 발광장치
101, 201, 301, 401 : 광변환부재
102, 202, 302, 402 : 방열부재
103 : 지지부재
104 : 반도체 발광소자
105 : 유로
106, 111 : 오목부
107 : 절연성 부재
108 : 지지기판
109 : 제2 방열부재
109a, 115a : 제1 판형상부재
109b, 115b : 제2 판형상부재
110 : 제3 유로
112 : 제1 유로
113 : 제2 유로
114 : O-링
115 : 제1 방열부재
116 : 도전성 부재
302 : 투광성 부재
[발명의 상세한 설명]
[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를, 이하에 도면을 참조하면서 설명한다. 다만, 이하에 나타내는 형태는, 본 발명의 기술사상을 구체화하기 위한 발광장치를 예시하는 것으로, 본 발명은 발광장치를 이하에 한정하는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 나타내는 부재의 크기나 위치관계 등은 설명을 명확하게 하기 위해서 과장하고 있는 부분이 있다.
실시형태 1.
본 발명에 관한 실시형태 1의 발광장치는, 발광소자와 발광소자로부터의 빛의 적어도 일부를 흡수하여 다른 파장을 갖는 빛을 발하는 형광물질을 함유하는 광 변환부재를 구비하는 발광장치로서, 발광장치는, 발광소자로부터 보아 광변환부재를 구비하는 측에, 방열부재를 더 갖는 발광장치이다. 즉, 본 발명은, 반도체 발광소자, 광변환부재 및 방열부재를 구비하여, 그 방열부재에 의해, 형광체를 함유하는 광변환부재로부터의 방열을 촉진시키는 발광장치이다. 이것에 의해, 고출력의 여기광이나, 형광체의 자기발열이 억제되어 형광체의 열화를 방지할 수 있기 때문에, 발광장치의 출력저하가 생기는 일 없이, 더 고출력인 빛, 예를 들면 백색계 등의 빛을 발광할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 형태에 관한 발광장치는, 발광소자로부터의 빛이 조사되는 방향으로 광변환부재를 갖고, 그 광변환부재에 인접하여, 혹은 광변환부재 중에, 그 광변환부재로부터의 방열을 촉진시키기 위한 방열부재를 갖는다. 방열부재는, 광변환부재가 얹어놓여지는 측에 유로를 갖는 것이 바람직하다. 그 유로는, 광변환부재로부터의 방열을 촉진시키는 냉매를 가질 수 있다. 이것에 의해, 고출력이고 고에너지의 여기광에 노출되는 형광체의 자기발열을 억제할 수 있다. 한편, 본 명세서에 있어서의 '냉매'란, 예를 들면, 냉각수, 냉각가스, 낮은 끓는점의 불활성 액체와 같은 열냉각매체, 혹은 펠티에 소자(peltier device)와 같은 고체형상의 열경사매체를 말한다. 또한, 냉매는, 순환시킴으로써 발광장치로부터의 방열이 촉진되지만, 순환시키는 형태로 한정되는 일은 없다.
본 형태에 있어서의 광변환부재는, 발광소자로부터 어느 일정한 간격을 비우고, 그 발광소자로부터의 빛이 조사되는 방향으로 배치된다. 이것에 의해, 광변환부재가 발광소자를 직접적으로 피복하고 있는 종래의 발광장치와 비교하여, 형광체 가 발광소자로부터 받는 열의 영향을 작게 할 수 있다. 본 형태에 있어서, 특히 광변환부재는, 개구부를 갖도록 격자형상으로 된 평면적인 방열부재에 도포되고 있는 것이 바람직하다. 혹은, 방열부재는, 광변환부재 중에 3차원적인 격자형상으로 형성할 수도 있다. 즉, 광변환부재는, 그 중에 방열부재가 그물코형상으로 둘러쳐 있는 상태로 하는 것이 바람직하다. 이 때, 광변환부재는, 격자형상의 방열부재 가운데, 반도체 발광소자로부터의 빛이 조사되는 면, 혹은 발광 관측방향의 면의 적어도 한 쪽에 형성된다.
또한, 발광관측방향으로부터 보아, 평면형상으로 도포된 광변환부재의 주변부는, 반도체 발광소자가 탑재되는 지지부재에 대해, 열적으로 접속되고 있는 것이 바람직하다. 여기서, '열적으로 접속되고 있다'란, 각 부재가 직접 접합되고 있던지, 다른 열전도성이 좋은 재료를 통하여 접합되고 있는 것을 말하고, 접합되고 있는 부재 사이에서 열이 이동하기 쉬운 상태를 말한다. 이것에 의해, 발광 관측면방향으로부터 보아, 평면형상으로 도포된 광변환부재의 중앙부 부근으로부터 그 주변부의 방향에의 방열을 효율적으로 실시할 수 있고, 형광물질로부터의 방열성이 더 향상하기 때문에, 더 고출력인 발광장치로 할 수 있다.
본 형태에 있어서의 방열부재는, 발광소자로부터의 빛, 혹은 광변환부재에 의해 파장변환된 빛을 소정의 방향으로 반사시키기 위한 광반사부재를 갖는 것이 바람직하다. 보다 상세하게 설명하면, 반도체 발광소자로부터의 빛이 조사되는 측으로부터, 광변환부재, 광반사부재, 및 방열부재의 순서로 적층된다. 혹은, 방열부재가 투광성 재료일 때는, 반도체 발광소자로부터의 빛이 조사되는 측으로부터, 광변환부재, 방열부재, 및 광반사부재의 순서로 적층되어도 좋다. 광반사부재의 재료로서는, Al, Ag 및 Rh와 같은 백색의 금속 혹은 그것들을 적어도 1종 이상 포함하는 합금이 된다. 혹은, 이러한 광 반사성이 높은 금속재료로 방열부재 자체를 형성하고, 광변환부재로부터 출사하는 빛을 방열부재로 직접 반사시키도록 해도 좋다.
상기 광반사부재를 방열부재에 직접 도포시키는 방법으로서는, 도금, 스퍼터링, 스크린 인쇄 등의 방법으로 할 수 있다. 한편, 본 형태에 있어서의 광반사부재는, 방열부재에 직접 도포되는 형태로 한정되는 일은 없고, 상술의 재료에 의해 형성되어 방열부재에 인접되어 배치되는 다른 부재로서도 좋다.
방열부재는, 그 적어도 일부에, 반도체 발광소자로부터의 빛이 입사하여, 형광물질로부터의 빛이 소정의 방향으로 출사되는 곡면을 가질 수 있다. 곡면은, 방물면(方物面), 타원면과 같은 여러 가지의 형상의 곡면이 되어, 반도체 발광소자로부터의 빛이 집광되어 소정의 방향으로 출사할 수 있는 형상이 된다.
본 형태의 방열부재는, 그 방열부재의 외벽면에 대해서 냉매가 도입되는 공급구와, 방열부재의 유로가 환류되는 냉매가 방출되는 배출구를 적어도 한 쌍 갖는다. 발광장치에 공급구 및 배출구가 형성되는 위치, 수 및 그러한 형상은, 발광장치의 크기 및 형상을 고려하여 냉각효과가 향상되도록 선택되어, 본 형태에 한정되지 않는다. 이것에 의해, 방열부재 내에 냉매를 환류시킬 수 있다.
광변환부재에 입사되는 빛의 밀도가 3W/cm2 이상, 또한, 발광장치에 전류를 투입시킨 구동시에 있어서, 광변환부재의 온도가 200℃ 이하, 바람직하게는 120℃ 이하, 더 바람직하게는 100℃ 이하가 된다. 이것에 의해, 방열성이 향상된 본 형태에 관한 발광장치는, 고출력인 발광장치로 할 수 있다. 이하, 본 형태의 각 구성에 대해 상술한다.
이하, 본 실시형태 1의 발광장치의 구성에 대해 상세하게 설명한다.
(방열부재)
본 형태의 발광장치에 있어서의 방열부재는, 발광소자로부터의 빛이 조사되는 측에 있어서, 광변환부재, 특히 광변환부재에 함유되는 형광물질로부터의 방열을 촉진시키는 부재이다. 또한, 방열부재는, 발광소자가 탑재되는 지지부재와 열적으로 접속되어, 광변환부재로부터의 열을 그 지지부재의 방향으로 방열시키는 부재이다. 이하, 본 형태에 있어서의 방열부재에 대해서, 보다 상세하게 설명한다.
본 형태에 있어서의 방열부재란, 형광체를 함유하는 광변환부재가 직접 혹은 다른 열과 양의 도성부재를 통하여 얹어 놓여져, 형광체로부터 발생하는 열을 발광장치의 외부에 전달시키는 부재이다. 또한, 본 형태에 있어서의 방열부재란, 형광체를 냉각하는 냉매의 유로를 갖고, 형광체를 함유하는 광변환부재가 얹어 놓여져, 형광체로부터 발생하는 열을 광변환부재의 외부에 전달시키는 부재이기도 하다. 여기서, 방열부재는, 발광소자가 얹어 놓여지는 지지부재에 대해, 열적으로 접속되는 것이 바람직하다. 또한, 광변환부재의 이면 혹은 방열부재의 주변에 공냉팬, 펠티에 소자와 같은 고체형상의 열 경사매체 혹은 방열블록을 갖는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 광변환부재 혹은 방열부재의 열을 효율적으로 외부에 전달시킬 수 있다.
방열부재의 재료는, 적어도 발광소자로부터의 빛을 투과시킬 수 있는 재료, 또는, 발광소자로부터의 빛과 광변환부재가 발하는 빛의 양쪽 모두의 빛을 투과시킬 수 있는 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 광변환부재는, 방열부재의 발광 관측면측 주면 및 발광소자로부터의 빛이 조사되는 주면의 적어도 한 쪽에 얹어 놓을 수 있다. 한편, 광변환부재는, 방열부재에 직접 고정되는 형태로 한정되는 일 없이, 다른 투광성 부재를 통하여 방열부재에 탑재되어도 좋은 것은 말할 것도 없다. 또한, 광변환부재의 발광 관측면측의 형상은, 발광장치로부터의 빛의 광학특성을 고려하여 렌즈형상으로 할 수도 있다. 혹은, 광변환부재 외에, 볼록렌즈나 오목렌즈와 같이 발광장치로부터의 빛의 지향성을 제어하기 위한 광학부재를 구비하는 발광장치로 할 수도 있다. 또한, 방열부재의 일부를 투광성으로 하고, 그 투광성의 부분에 형광체를 함유시킴으로써, 광변환부재로 할 수도 있다. 또한, 광변환부재 중에 형광체를 냉각하는 냉매의 유로를 형성시킬 수도 있다.
본 발명에 있어서, 냉매의 유로는, 발광장치의 외부에 대해서 폐쇄계, 개방계를 묻지 않는다. 개방형의 유로를 갖는 방열부재의 일례로서 예를 들면, 동이나 알루미늄 등의 금속을 재료로 하여, 내부에 냉매를 도통시키기 위한 유로를 형성시킨 평판으로 할 수 있다. 여기서, 방열부재의 일부를 투과성으로 할 때, 그 투광성의 부분에는, 투광성 수지, 석영 등의 재료를 선택한다. 또한, 방열부재는, 그 외벽면에 방열부재 내에 냉매를 순환시키기 위해, 냉매의 공급구와 배출구를 적어 도 한 쌍 갖는다. 방열부재의 유로는, 복수의 평판형상이 된 재료의 적어도 한 쪽, 예를 들면, 제1 판형상부재에 홈, 요철형상 및 상기 공급구·배출구로 하기 위한 관통구멍을 형성하여, 제1 판형상부재와 제2 판형상부재와의 대향하는 면끼리를 접착시키는 것에 의해 방열부재로 할 수 있다. 여기서, 본 형태에 있어서, 유로의 형상은, 도면에 나타나는 것에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다. 예를 들면, 방열부재의 재료의 일부인 제1 판형상부재에 있어서, 한 쪽의 개구부(공급구 혹은 배출구)가 형성된 위치로부터, 한 쪽의 개구부까지, 유로가 서서히 넓어지고, 또한 유로가 서서히 더 좁아지도록, 오목부를 형성한다. 이것에 의해, 냉매가 유로 내를 원활히 순환하도록 할 수 있다. 또한, 그 오목부의 내벽면은, 미세한 홈이나 요철형상이 형성되고 있는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 냉매와 방열부재와의 접촉면적을 크게 하여, 발광장치의 방열효과를 향상시킬 수 있다.
폐쇄계의 유로를 갖는 방열부재의 일례로서 예를 들면, 동이나 알루미늄 등의 금속을 재료로 하여, 내부에 냉매를 봉입시킨 히트 파이프(heat pipe)로 할 수 있다. 특히, 다른 형태에 있어서, 방열부재로서 사용할 수 있는 히트 파이프는, 예를 들면, 동이나 알루미늄 등의 금속재료로 이루어지는 금속관 내에, 물, 후론(fleon), 대체 후론, 프로리나이트 등의 열수송용의 작동액을 봉입한 것으로, 입열부(고온부)에서 작동액이 가열되어 증기가 되어, 그 증기가 방열부(저온측)로 이동하여 액화하는 것에 의해서 방열하여, 그 액화한 작동액이 모세관현상에 의해 입열부로 되돌아온다고 하는 동작을 반복하는 것에 의해, 극히 높은 열전도성을 실현한 열전달 부재이다.
방열부재의 형상은, 방열되는 방향이나 방열효과를 고려하여 여러 가지의 형상 및 크기로 할 수 있다. 예를 들면, 광변환부재가 얹어 놓여지는 면에 대향하는 유로의 내벽면에 요철형상을 형성한다. 이것에 의해, 상기 내벽면과 냉매와의 접촉면적은, 요철형상을 형성하지 않을 때와 비교하여 커지기 때문에, 광변환부재로부터의 방열성이 향상한다. 또한, 개구부를 갖도록 격자형상으로 된 방열부재는, 평판형상의 방열부재의 재료에 대해, 복수의 관통구멍을 매트릭스 형상으로 배열시켜 형성한 것으로 할 수 있다. 혹은, 복수의 세선을 격자형상으로 짜는 것에 의해서, 형성할 수도 있다.
평판형상이 된 방열부재는, 방열부재를 형성하는 판재의 열전도율을 C[W/mK]로 했을 때, 광변환부재에 대향하는 면과 유로의 내벽면과의 최단거리 d[mm]는, 이하의 관계식을 충족하는 것이 바람직하다.
0.05 < d < (C/800) … (식 1)
예를 들면, 무산소 동을 재료로서 방열부재를 형성할 때, d[mm]는, 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다.
0.05 < d < 0.5 … (식 2)
또한, 알루미나나 질화 알루미늄과 같은 세라믹스를 재료로서 방열부재를 형성할 때, d[mm]는, 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다.
0.05 < d < 0.25 … (식 3)
여기서, d의 값을 상한치보다 크게 하면, 방열부재의 열저항이 커져, 인접하는 발광소자끼리의 열간섭이 현저하게 나타나 버리기 때문에, 발광소자를 고밀도로 탑재할 수 없게 된다. 또한, d의 값을 하한치보다 작게 하면, 방열부재의 판재를 가공하는 것이 용이하지 않게 된다.
(지지부재)
본 형태에 있어서의 지지부재란, 발광소자가 얹어 놓여져, 상기 발광소자에 전력을 공급하는 도체 배선이 실시되고, 다른 구성 부재의 지지체가 되어, 발광장치의 기계적 강도를 유지하기 위한 것이다. 지지부재는, 방열성, 발광장치의 출력 등을 고려하여 여러 가지의 크기로 형성시켜, 발광장치의 형상에 맞춰 여러 가지의 형상으로 된다. 또한, 지지부재는, 빛의 배광특성을 제어하기 위해, 그 일부에 리플렉터를 가지고 있어도 좋다.
지지부재는, 예를 들면, 내벽면이 테이퍼 형상의 오목부를 형성하여, 그 내벽면이 탑재되는 발광소자에 대향시켜, 발광소자로부터의 빛을 발광 관측면 방향에 반사시키는 경사벽이라 해도 좋다. 또한, 그 경사벽에, 발광소자로부터의 빛을 적합하게 반사시키는 반사층을 형성하더라도 좋다. 지지부재는, 발광소자로부터 방출된 열을 방열부재 측에 효율적으로 방열시키기 위해 열전도성이 좋은 것이 바람직하다. 이러한 열전도성이 좋은 재료의 예로서는, 세라믹스, 강철, 알루미늄이나 인(P) 청동판이 단독으로 이용되는 것 외, 그러한 표면에 은, 파라듐 혹은 은, 금 등의 금속도금이나 땜납도금 등을 실시한 것이 적합하게 이용된다.
(반도체 발광소자)
본 형태에 있어서의 반도체 발광소자는, 형광체를 여기할 수 있는 파장의 빛을 발하는 레이저 다이오드나 발광 다이오드이다. 특히, 반도체 발광소자는, 형광 체를 효율적으로 여기할 수 있는 특정의 발광파장을 발광하는 발광층을 갖는 것이 바람직하다.
반도체 발광소자의 재료로서 BN, SiC, ZnSe나 GaN, InGaN, InAlGaN, AlGaN, BAlGaN, BInAlGaN 등 여러 가지의 반도체를 들 수 있다. 마찬가지로 이러한 원소에 불순물 원소로서 Si나 Zn 등을 함유시켜 발광 중심으로 할 수도 있다. 형광체를 효율적으로 여기할 수 있는 자외영역으로부터 가시광선의 단파장을 효율적으로 발광하는 것이 가능한 발광층의 재료로서 특히, 질화물 반도체(예를 들면, Al나 Ga를 포함한 질화물반도체, In나 Ga를 포함하는 질화물 반도체로서 InXAlYGa1-X-YN, 0≤X, 0≤Y, X+Y≤1)를 들 수 있다. 또한, 이에 더하여, III족 원소로서 B를 이용할 수도 있고, V족 원소로 하여 N의 일부를 P, As로 치환할 수도 있다. 반도체의 구조로서는, MIS 접합, PIN접합이나 pn접합 등을 갖는 호모(homo)구조, 헤테로(hetero)구조 혹은 더블 헤테로(double hetero) 구성의 것을 들 수 있다. 반도체층의 재료나 그 혼정도(混晶度)에 의해서 발광파장을 여러 가지 선택할 수 있다. 또한, 반도체 활성층을 양자효과가 발생하는 박막에 형성시킨 단일양자 우물구조나 다중양자 우물구조로 할 수도 있다.
상기 질화물 반도체의 성장방법으로서는, 특별히 한정되지 않지만, MOVPE(유기금속 기상성장법), MOCVD(유기금속 화학기상성장법), HVPE(하이드라이드 기상성장법), MBE(분자선 에피탁시(epitaxy)법) 등, 질화물 반도체의 성장방법으로서 알려져 있는 모든 방법을 적합하게 이용할 수 있다. 특히, MOCVD는 결정성 좋게 성 장시킬 수 있으므로 바람직하다.
질화물 반도체를 사용했을 경우, 반도체용 기판에는 사파이어, 스피넬, SiC, Si, ZnO 등의 재료가 적합하게 이용된다. 결정성이 좋은 질화물 반도체를 양산성 좋게 형성시키기 위해서는 사파이어 기판을 이용하는 것이 바람직하다. 이 사파이어 기판 상에 MOCVD법 등을 이용하여 질화물 반도체를 형성시킬 수 있다. 사파이어기판상에 GaN, AlN, GaAlN 등의 버퍼층을 형성하여, 그 위에 pn접합을 갖는 질화물 반도체를 형성시킨다.
질화물 반도체를 사용한 pn접합을 갖는 발광소자의 예로서 버퍼층 상에, n형 질화갈륨으로 형성한 제1 컨택트층, n형 질화알루미늄·갈륨으로 형성시킨 제1 클래드층, 질화인듐·갈륨으로 형성한 활성층, p형 질화 알루미늄·갈륨으로 형성한 제2 클래드층, p형 질화갈륨으로 형성한 제2 컨택트층을 순서대로 적층시킨 더블헤테로 구성 등을 들 수 있다.
질화물 반도체는, 불순물을 도핑하지 않는 상태에서 n형 도전성을 나타낸다. 발광효율을 향상시키는 등 원하는 n형 질화물 반도체를 형성시키는 경우는, n형 불순물로서 Si, Ge, Se, Te, C 등을 적당히 도입하는 것이 바람직하다. 한편, p형 질화물 반도체를 형성시키는 경우는, p형 도펀트(dopant)인 Zn, Mg, Be, Ca, Sr, Ba등을 도핑시킨다. 질화물 반도체는, p형 도펀트를 도핑한 것만으로는 p형화하기 어렵기 때문에 p형 불순물 도입 후에, 노(爐)에 의한 가열이나 플라즈마 조사 등에 의해 저(低)저항화시키는 것이 바람직하다.
p형 반도체에는, 발광소자에 투입된 전류를 p형 반도체의 전 영역에 넓히기 위한 확산전극이 설치된다. 또한, 확산전극 및 n형 반도체에는, 범프나 도전성 와이어와 같은 도전부재와 접속하는 p측 대좌전극 및 n측 대좌전극이 각각 설치된다.
반도체 발광소자의 p측 및 n측 대좌전극은, 도전성 와이어에 의해 절연성 부재에 배치되는 도전성 부재나 방열부재와 전기적으로 접속된다. 혹은, 반도체 발광소자는, 땜납, 범프에 의해 플립 칩 탑재되어, 지지부재나 방열부재와 전기적으로 접속된다.
질화물 반도체층의 전극 형성면을 광 추출면으로 하는 구성이라고 해도 좋고, 질화물 반도체층을 적층한 기판측을 광 추출면이라고 해도 좋다. 질화물 반도체층을 적층한 기판측을 광 추출면으로 하는 경우, 질화물 반도체소자의 전극을 형성한 면을 제외하고 보호막을 형성하여, 질화물 반도체층 위에 형성된 전극과 외부전극 등을 메탈라이즈층(범프)에 의해서 접속하는 페이스다운 구조로 하는 것이 바람직하다. 기판측을 광 추출면으로 함으로써 광추출효율이 향상한다.
본 발명에 있어서의 질화물 반도체소자는, 지지기판상에 도전층과 p전극을 통하여 p형 질화물 반도체층, 활성층, n형 질화물 반도체층을 갖고, 그 위에 n전극을 형성한 구성으로 할 수도 있다. 상기 질화물 반도체소자는 p전극과 n전극이 질화물 반도체층을 끼우고 서로 마주 보는 대향 전극구조로 하는 것이다. 이 경우에는, 상기 질화물 반도체소자는, n전극측이 광 추출면이 된다. 질화물 반도체(특히 GaN계 반도체)는 n형층의 저항이 낮기 때문에, n전극의 사이즈를 작게 할 수 있다. 광추출효율의 향상은 n전극을 작게 함으로써 빛을 차단하는 영역을 저감할 수 있기 때문이다.
또한, 다른 형태에 관한 반도체 발광소자는, 질화물 반도체층만으로 이루어지는 것으로서, 반도체층의 상면과 하면에 대향전극이 형성되고 있다. 이러한 대향전극을 갖는 반도체 발광소자는, 한 쪽의 전극이 본 형태에 관한 방열부재에 대향하도록, 도전성 접착제를 통하여 고정된다. 본 형태에 관한 절연성 부재는, 지지부재와의 대향면으로부터 오목부내에 걸쳐 도전성 부재가 피착되고 있다. 따라서, 발광소자의 한 쪽의 전극은, 방열부재와 전기적으로 접속하여, 한 쪽의 전극은, 상기 도전성 부재에 대해 도전성 와이어를 통하여 접속된다. 도전성 접착제의 재료로서 예를 들면, 은 페이스트, Au-Sn나 Ag-Sn와 같은 공정재를 들 수 있다.
이하, 이러한 대향전극 구조를 갖는 반도체 발광소자의 형성방법을 설명한다. 우선 n형 질화물 반도체층 및 p형 질화물 반도체층을 상술의 반도체소자와 같이 하여 적층 후, 제1 전극인 p전극과 p전극 이외의 p형 질화물 반도체층상에 절연막을 형성한다. 한편, 이 반도체층에 붙여 합쳐지는 지지기판을 준비한다. 지지기판의 구체적인 재료로서는, Cu-W, Cu-Mo, AlN, Si, SiC 등이다. 붙여 합침면에는 밀착층, 배리어층, 공정계를 구비한 구조가 바람직하다. 예를 들면 Ti-Pt-Au, 또는 Ti-Pt-AuSn 등의 금속막을 형성한다. 이러한 금속막은 공정에 의해 합금화되어 후속공정에서 도통계가 된다.
다음에 지지기판의 금속막을 형성한 면과 질화물 반도체층의 표면을 서로 마주 보게 하고, 프레스를 하면서 열을 가해 합금화한 후, 이종(異種) 기판측으로부터 엑시머 레이저를 조사하거나, 또는 연삭에 의해 이종 기판을 없앤다. 그 후, 질화물 반도체소자를 형성하기 위해 RIE 등으로 바깥둘레 에칭을 실시하여, 바깥둘 레의 질화물 반도체층을 제거한 상태의 질화물 반도체소자로 한다. 또한, 빛의 추출효과를 향상시키기 위해서 질화물 반도체의 노출면을 RIE 등으로 요철(딤플가공)을 실시해도 좋다. 요철의 단면형상은 메사형, 역메사형이 있고, 평면형상은, 섬형상, 격자형상, 직사각형 형상, 원형상, 다각형 형상 등이 있다.
다음에, 제2 전극인 n전극을 상기 질화물 반도체층의 노출면에 형성한다. 전극재료로서는, Ti/Al/Ni/Au, W/Al/WPt/Au 등을 들 수 있다.
(광변환부재)
본원발명에 이용 가능한 형광체는, 발광소자로부터 방출되는 가시광선이나 자외광의 일부를 흡수하여, 그 흡수한 빛의 파장과 다른 파장을 갖는 빛을 발광하는 것이다. 특히, 본 형태에 이용되는 형광체는, 적어도 반도체 발광소자로부터 발광된 빛에 의해서 여기되어, 파장 변환한 빛을 발하는 형광체를 말하고, 상기 형광체를 고착시키는 결착제와 함께 광변환부재를 구성한다. 여기서, 결착제로서는, 예를 들면, 에폭시 수지와 같은 투광성 수지나, 내광성이 높은 실리콘 수지나 금속 알콕시드(Alkoxide)를 출발원료로서 졸겔법에 의해 생성되는 투광성 무기재료로 할 수도 있다. 또한, 광변환부재의 방열부재로의 도포방법으로서는, 스크린인쇄, 잉크젯 도포, 포팅, 공판(孔版) 인쇄 등 여러 가지의 형성방법으로 할 수 있다. 또한, 형광체는, 투광성이 된 방열부재에 함유시킬 수도 있다. 이하, 본 형태의 광변환부재에 함유시킬 수 있는 형광체에 대해 상술한다.
<알루미늄·가넷계 형광체〉
본 실시형태에 이용되는 알루미늄·가넷계 형광체란, Al을 포함하고, 또한 Y, Lu, Sc, La, Gd, Tb, Eu 및 Sm으로부터 선택된 적어도 하나의 원소와 Ga 및 In으로부터 선택된 하나의 원소를 포함하여, 희토류 원소로부터 선택된 적어도 하나의 원소로 부활된 형광체로서, LED칩으로부터 발광된 가시광선이나 자외선으로 여기되어 발광하는 형광체이다.
예를 들면, YAlO3:Ce, Y3Al5O12:Ce, Y4Al2O9:Ce, (Y0 .8Gd0 .2)3Al5O12:Ce, Y3(Al0.8Ga0.2)5O12:Ce, Tb2 .95Ce0 .05Al5O12, Y2 .90Ce0 .05Tb0 .05Al5O12, Y2 .94Ce0 .05Pr0 .01Al5O12, Y2.90Ce0.05Pr0.05Al5O12 등을 들 수 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 특히 Y를 포함하고, 또한 Ce 혹은 Pr로 부활되어 조성이 다른 2종류 이상의 이트륨·알루미늄 산화물계 형광체(이트륨·알루미늄·가넷계 형광체(이하, 'YAG계 형광체'라고 한다.))가 이용된다. 특히, 고휘도이고 장시간의 사용시에 있어서는(Re1 - xSmx)3(Al1-yGay)5O12:Ce(0≤x<1, 0≤y≤1, 단, Re는, Y, Gd, La로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소이다.) 등이 바람직하다.
(Re1 - xSmx)3 (Al1 - yGay)5O12:Ce형광체는, 가넷구조 때문에, 열, 빛 및 수분에 강하고, 여기 스펙트럼의 피크가 470nm 부근에 나타나게 할 수 있다. 또한, 발광피크도 530nm 부근에 있어서 720nm까지 아랫부분을 끄는 폭이 넓은 발광 스펙트럼을 갖게 할 수 있다.
본 발명의 발광장치에 있어서, 형광체는, 2종류 이상의 형광체를 혼합시켜도 좋다. 즉, 상술한 YAG계 형광체에 대해 말하면, Al, Ga, Y, La 및 Gd나 Sm의 함유 량이 다른 2종류 이상의(Re1-xSmx)3 (Al1- yGay)5O12 : Ce형광체를 혼합시켜 RGB의 파장성분을 늘릴 수 있다. 또한, 현재로서는 반도체 발광소자의 발광파장에는, 편차가 발생하는 일이 있기 때문에 2종류 이상의 형광체를 혼합 조정시켜 원하는 백색계의 혼색광 등을 얻을 수 있다. 구체적으로는, 발광소자의 발광파장에 맞춰 색도점(色度点)이 다른 형광체의 양을 조정하여 함유시킴으로써 그 형광체 사이와 발광소자로 연결되는 색도도(色度圖) 상의 임의의 점을 발광시킬 수 있다.
발광층에 질화물계 화합물 반도체를 이용한 발광소자로부터 발광한 청색계의 빛과, 청색빛을 흡수시키기 위해 바디(body) 컬러가 황색인 형광체로부터 발광하는 녹색계의 빛과, 적색계의 빛을 혼색 표시시키면 원하는 백색계 발광색표시를 실시할 수 있다. 발광장치는 이 혼색을 일으키게 하기 위해서 형광체의 분체나 벌크를 에폭시수지, 아크릴수지 혹은 실리콘수지 등의 각종 수지나 산화규소, 산화알루미늄 등의 투광성 무기물중에 함유시킬 수도 있다. 이와 같이 형광체가 함유된 것은, 발광소자로부터의 빛이 투과할 정도로, 얇게 형성시킨 도트 형상의 것이나 층형상의 것 등 용도에 따라 여러 가지 이용할 수 있다. 형광체와 투광성 무기물과의 비율이나 도포, 충전량을 여러 가지 조정하는 것 및 발광소자의 발광파장을 선택하는 것에 의해 백색을 포함하여 전구색 등 임의의 색조를 제공시킬 수 있다.
또한, 2종류 이상의 형광체를 각각 발광소자로부터의 입사광에 대해서 순서대로 배치시키는 것에 의해서 효율적으로 발광 가능한 발광장치로 할 수 있다. 즉, 반사부재를 갖는 발광소자 상에는, 장파장측에 흡수파장이 있어 장파장에 발광 가능한 형광체가 함유된 색변환부재와, 그것보다 장파장 측에 흡수파장보다 장파장에 발광 가능한 색변환부재를 적층시킴으로써 반사광을 유효하게 이용할 수 있다.
YAG계 형광체를 사용하면, 방사조도로서(Ee) = 0.1W·cm-2 이상 1000W·cm-2 이하의 발광소자와 접하거나 혹은 근접해서 배치된 경우에 있어서도 고효율에 충분한 내광성을 갖는 발광장치로 할 수 있다.
본 실시형태에 이용되는 세륨으로 부활된 녹색계가 발광 가능한 YAG계 형광체에서는, 가넷구조 때문에, 열, 빛 및 수분에 강하여, 여기흡수스펙트럼의 피크파장이 420nm에서 470nm 부근에 나타나게 할 수 있다. 또한, 발광 피크파장 λρ도 510nm 부근에 있고 700nm 부근까지 아랫부분을 끄는 폭이 넓은 발광 스펙트럼을 갖는다. 한편, 세륨으로 부활된 이트륨·알루미늄 산화물계 형광체인 적색계가 발광 가능한 YAG계 형광체에서도, 가넷구조로서 열, 빛 및 수분에 강하고, 여기 흡수 스펙트럼의 피크파장이 420nm로부터 470nm 부근에 나타나게 할 수 있다. 또한, 발광 피크파장 λρ가 600nm부근에 있고 750nm 부근까지 아랫부분을 끄는 폭이 넓은 발광 스펙트럼을 갖는다.
가넷구조를 가진 YAG계 형광체의 조성중, Al의 일부를 Ga로 치환함으로써 발광 스펙트럼이 단파장측에 시프트하고, 또한 조성의 Y의 일부를 Gd 및/ 또는 La로 치환함으로써, 발광 스펙트럼이 장파장 측에 시프트한다. 이와 같이 조성을 변화함으로써 발광색을 연속적으로 조절하는 것이 가능하다. 따라서, 장파장 측의 강도가 Gd의 조성비로 연속적으로 바뀌어지는 등 질화물 반도체의 청색계 발광을 이 용하여 백색계 발광으로 변환하기 위한 이상조건을 구비하고 있다. Y의 치환이 2할 미만에서는, 녹색성분이 크고 적색성분이 적어지고, 8할 이상에서는, 붉은 빛을 띤 성분이 증가하는 것의 휘도가 급격하게 저하한다. 또한, 여기 흡수스펙트럼에 대해서도 마찬가지로 가넷구조를 가진 YAG계 형광체의 조성중, Al의 일부를 Ga로, 치환함으로써, 여기 흡수스펙트럼이 단파장측에 시프트 하고, 또한 조성의 Y의 일부를 Gd 및/또는 La로 치환함으로써, 여기 흡수스펙트럼이 장파장 측에 시프트한다. YAG계 형광체의 여기 흡수스펙트럼의 피크파장은, 발광소자의 발광 스펙트럼의 피크파장보다 단파장 측에 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성하면, 발광소자에게 투입하는 전류를 증가시켰을 경우, 여기 흡수 스펙트럼의 피크파장은, 발광소자의 발광 스펙트럼의 피크파장에 거의 일치하기 때문에, 형광체의 여기효율을 저하시키는 일 없이, 색도 차이의 발생을 억제한 발광장치를 형성할 수 있다.
알루미늄·가넷계 형광체는, 이하와 같은 방법으로 제조할 수 있다. 우선, 형광체는, Y, Gd, Ce, La, Al, Sm, Pr, Tb 및 Ga의 원료로서 산화물, 또는 고온에서 용이하게 산화물이 되는 화합물을 사용하여, 그것들을 화학량론비로 충분히 혼합하여 원료를 얻는다. 또는, Y, Gd, Ce, La, Sm, Pr, Tb의 희토류원소를 화학량론비로 산에 용해한 용해액을 수산으로 공침(共侵)한 것을 고온에서 소성하여 얻을 수 있는 공침산화물과 산화알루미늄, 산화갈륨을 혼합하여 혼합원료를 얻는다. 이것에 플럭스로서 불화 암모늄 등의 불화물을 적당량 혼합하여 도가니에 채워 공기 중 1350∼1450℃의 온도범위에서 2∼5시간 고온에서 소성하여 소성품을 얻고, 다음에 소성품을 수중에서 볼밀(ball mill)하여, 세정, 분리, 건조, 마지막으로 체를 통과시킴으로써 얻을 수 있다. 또한, 다른 실시형태의 형광체의 제조방법에서는, 형광체의 원료를 혼합한 혼합원료와 플럭스로 이루어지는 혼합물을, 대기중 또는 약환원분위기 중에서 실시하는 제1 소성공정과 환원분위기중에서 실시하는 제2 소성공정으로 이루어지는, 2단계에서 고온에서 소성하는 것이 바람직하다. 여기서, 약환원분위기란, 혼합원료로부터 원하는 형광체를 형성하는 반응과정에 있어서 필요한 산소량은 적어도 포함하도록 설정된 약한 환원분위기를 말하고, 이 약환원분위기 중에 있어서 소망으로 하는 형광체의 구조형성이 완료될 때까지 제1 소성공정을 실시하는 것에 의해, 형광체의 흑변을 방지하고, 또한 빛의 흡수 효율의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 제2 소성공정에 있어서의 환원 분위기란, 약환원분위기보다 강한 환원 분위기를 말한다. 이와 같이 2단계에서 고온에서 소성하면, 여기파장의 흡수효율이 높은 형광체를 얻을 수 있다. 따라서, 이와 같이 형성된 형광체에서 발광장치를 형성했을 경우에, 소망으로 하는 색조를 얻기 위해서 필요한 형광체량을 줄일 수 있어, 광추출효율이 높은 발광장치를 형성할 수 있다.
조성이 다른 2종류 이상의 세륨으로 부활된 알루미늄·가넷계 형광체는, 혼합시켜 이용해도 좋고, 각각 독립하여 배치시켜도 좋다. 형광체를 각각 독립하여 배치시키는 경우, 발광소자로부터 빛을 보다 단파장측에서 흡수 발광하기 쉬운 형광체, 그것보다 장파장측에서 흡수 발광하기 쉬운 형광체의 순서로 배치시키는 것이 바람직하다. 이것에 의해서 효율적으로 흡수 및 발광시킬 수 있다.
본 실시형태에 있어서 사용되는 형광체는, 이트륨·알루미늄·가넷계 형광체나 루테튬·알루미늄·가넷계 형광체로 대표되는 알루미늄·가넷계 형광체와, 적색 계의 빛을 발광 가능한 형광체, 특히 질화물계 형광체를 조합한 것을 사용할 수도 있다. 이러한 YAG계 형광체 및 질화물계 형광체는, 혼합하여 광변환부재 중에 함유시켜도 좋고, 복수의 층으로부터 구성되는 광변환부재 중에 따로 따로 함유시켜도 좋다. 이하, 각각의 형광체에 대해 상세하게 설명해 간다.
<루테튬·알루미늄·가넷계 형광체>
루테튬·알루미늄·가넷계 형광체란, 일반식(Lu1 -a- bRaMb)3(Al1- cGac)5O12(단, R은 Ce를 필수로 하는 적어도 1종 이상의 희토류 원소이다. M은 Sc, Y, La, Gd로부터 선택되는 적어도 1종의 원소이며, 0.0001≤a≤0.5, 0≤b≤0.5, 0.0001≤a+b<1, 0≤c≤0.8이다.)로 표시되는 형광체이다. 예를 들면, 조성식이(Lu0.99 Ce0.01)3Al5O12, (Lu0.90Ce0.10)3Al5O12, (Lu0 .99Ce0 .01)3(Al0.5Ga0 .5)5O12로 표시되는 형광체이다.
루테튬·알루미늄·가넷계 형광체(이하, 'LAG계 형광체'라고도 한다.)는, 다음과 같이 하여 얻을 수 있다. 형광체 원료로서 루테튬 화합물, 희토류 원소 R의 화합물, 희토류 원소 M의 화합물, 알루미늄 화합물 및 갈륨화합물을 이용하여, 각 화합물에 대해 상기 일반식의 비율이 되도록 칭취하여, 혼합하거나, 또는 이러한 형광체 원료에 플럭스를 더하여 혼합하여, 원료 혼합물을 얻는다. 이 원료혼합물을 도가니에 충전 후, 환원성 분위기중, 1200∼1600℃로 고온에서 소성하여, 냉각 후, 분산처리하는 것에 의해, 상기 일반식에서 표시되는 본 발명의 형광체를 얻는다.
형광체 원료로서 산화물 또는 열분해에 의해 산화물이 되는 탄산염, 수산화 물 등의 화합물이 바람직하게 이용된다. 또한, 형광체 원료로서 형광체를 구성하는 각 금속원소를 전부 또는 일부 포함하는 공침물을 이용할 수도 있다. 예를 들면, 이러한 원소를 포함한 수용액에 알칼리, 탄산염 등의 수용액을 더하면 공침물을 얻을 수 있지만, 이것을 건조 또는 열분해하여 이용할 수 있다. 또한, 플럭스로서는 불화물, 붕산염 등이 바람직하고, 형광체 원료 100중량부에 대해서 0.01∼1.0중량부의 범위에서 첨가한다. 소성분위기는, 부활제의 세륨이 산화되지 않는 환원성 분위기가 바람직하다. 수소농도가 3.0부피% 이하의 수소·질소의 혼합가스 분위기가 보다 바람직하다. 소성온도는 1200∼1600℃에서 소성하여, 냉각 후, 목적의 중심 입자지름의 형광체를 얻을 수 있다. 보다 바람직하게는 1300∼1500℃이다.
상기 일반식에 있어서, R은 부활제이며, Ce를 필수로 하는 적어도 1종 이상의 희토류 원소이며, 구체적으로는, Ce, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lr이다. R은 Ce 뿐이라도 좋지만, Ce와 Ce 이외의 희토류 원소로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 포함하고 있어도 좋다. Ce 이외의 희토류 원소는, 모두 부활제로서 작용하기 때문이다. 여기서, R에는, Ce가 R전량에 대해 70mol% 이상 함유되고 있는 것이 바람직하다. a값(R량)은, 0.0001≤a≤0.5가 바람직하고, 0.0001 미만에서는 발광휘도가 저하하고, 0.5를 넘어도 농도(濃度)소광(消光)에 의해서 발광휘도가 저하한다. 보다 바람직하게는, 0.001≤a≤0.4, 더 바람직하게는, 0.005≤a≤0.2이다. b값(M량)은, 0≤b≤0.5가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0≤b≤0.4이고, 더 바람직하게는 0≤b≤0.3이다. 예를 들면, M이 Y인 경 우, b값이 0.5를 넘으면 장파장 자외선∼단파장 가시광선, 특히 360∼410nm 여기에 의한 발광휘도가 상당히 저하해 버린다. c값(Ga량)은, 0≤c≤0.8가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0≤c≤0.5이고, 더 바람직하게는 0≤c≤0.3이다. c가 0.8을 넘으면 발광파장은 단파장에 시프트하고, 발광휘도가 저하한다.
LAG계 형광체의 중심 입자지름은 1∼100㎛의 범위가 바람직하고, 보다 바람직하게는 5∼50㎛의 범위이고, 더 바람직하게는 5∼15㎛의 범위이다. 1㎛보다 작은 형광체는, 응집체를 형성하기 쉬운 경향에 있다. 이것에 대해, 5∼50㎛의 입자지름 범위의 형광체는, 빛의 흡수율 및 변환효율이 높고, 광변환부재도 형성하기 쉽다. 이와 같이, 광학적으로 뛰어난 특징을 갖는 입자지름이 큰 형광체를 함유시키는 것에 의해, 발광장치의 양산성도 향상한다. 또한, 상기 중심 입자지름값을 갖는 형광체가 빈도높게 함유되고 있는 것이 바람직하고, 빈도치는 20%∼150%가 바람직하다. 이와 같이 입자지름의 편차가 작은 형광체를 이용하는 것으로, 보다 얼룩이 억제되어 양호한 색조를 갖는 발광장치를 얻을 수 있다.
루테튬·알루미늄·가넷계 형광체는 300nm∼550nm의 파장역의 자외선 또는 가시광선에 의해 효율적으로 여기되어 발광하기 때문에, 광변환부재에 함유 되는 형광체로서 효율적으로 이용할 수 있다. 또한 조성식이 다른 복수종류의 LAG계 형광체, 또는 LAG계 형광체를 다른 형광체와 함께 이용하는 것에 의해, 발광장치의 발광색을 여러 가지 변화시킬 수 있다. 반도체 발광소자로부터의 청색계의 발광과, 상기 발광을 흡수하여 황색계가 발광하는 형광체로부터의 발광과의 혼색에 의해, 백색계의 혼색광을 발광하는 종래의 발광장치는, 발광소자로부터의 빛의 일부 를 투과시켜 이용하기 때문에, 구조 자체를 간략화할 수 있음과 동시에 출력향상을 실시하기 쉽다고 하는 이점이 있다. 그 한편, 상기 발광장치는, 2색 혼색에 의한 발광이기 때문에, 연색성(演色性)이 충분하지 않고, 개량이 요구되고 있다. 따라서, LAG계 형광체를 이용하여 백색계의 혼색광을 발하는 발광장치는, 종래의 발광장치와 비교하여 그 연색성을 향상시킬 수 있다. 또한, LAG계 형광체는, YAG계 형광체와 비교하여 온도특성이 뛰어나기 때문에, 열화, 색차이가 적은 발광장치를 얻을 수 있다.
<질화물계 형광체>
본 발명에서 사용되는 형광체는, N을 포함하고, 또한 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, 및 Zn로부터 선택된 적어도 하나의 원소와 C, Si, Ge, Sn, Ti, Zr, 및 Hf로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하여, 희토류 원소로부터 선택된 적어도 하나의 원소로 부활된 질화물계 형광체도 사용할 수 있다. 또한, 본 실시형태에 이용되는 질화물계 형광체로서는, LED칩으로부터 발광된 가시광선, 자외선, 및 YAG계 형광체로부터의 발광을 흡수하는 것에 의해서 여기되어 발광하는 형광체를 말한다. 예를 들면 Sr2Si5N8:Eu,Pr, Ba2Si5N8:Eu,Pr, Mg2Si5N8:Eu,Pr, Zn2Si5N8:Eu,Pr, SrSi7N10:Eu,Pr, BaSi7N10:Eu,Ce, MgSi7N10:Eu,Ce, ZnSi7N10:Eu,Ce, Sr2Ge5N8:Eu,Ce, Ba2Ge5N8:Eu,Pr, Mg2Ge5N8:Eu,Pr, Zn2Ge5N8:Eu,Pr, SrGe7N10:Eu,Ce, BaGe7N10:Eu,Pr, MgGe7N10:Eu,Pr, ZnGe7N10:Eu,Ce, Sr1 .8Ca0 .2Si5N8:Eu,Pr, Ba1 .8Ca0 .2Si5N8:Eu,Ce, Mg1.8Ca0.2Si5N8:Eu,Pr, Zn1 .8Ca0 .2Si5N8:Eu.Ce, Sr0 .8Ca0 .2Si7N10:Eu,La, Ba0 .8Ca0 .2Si7N10: Eu,La, Mg0 .8Ca0 .2Si7N10:Eu,Nd, Zn0 .8Ca0 .2Si7N10:Eu,Nd, Sr0 .8Ca0 .2Ge7N10:Eu,Tb, Ba0.8Ca0.2Ge7N10:Eu,Tb, Mg0 .8Ca0 .2Ge7N10:Eu,Pr, Zn0 .8Ca0 .2Ge7N10:Eu,Pr, Sr0 .8Ca0 .2Si6GeN10 :Eu,Pr, Ba0 .8Ca0 .2Si6GeN10:Eu,Pr, Mg0 .8Ca0 .2Si6GeN10:Eu,Y, Zn0 .8Ca0 .2Si6GeN10:Eu,Y, Sr2Si5N8: Pr, Ba2Si5N8:Pr, Sr2Si5N8: Tb, BaGe7N10:Ce 등을 들 수 있지만 이것에 한정되지 않는다.
질화물 형광체에 함유되는 희토류 원소는, Y, La, Ce, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Lu 중의 적어도 1종 이상이 함유되고 있는 것이 바람직하지만, Sc, Sm, Tm, Yb가 함유되고 있어도 좋다. 이러한 희토류 원소는, 단체 이외, 산화물, 이미드, 아미드 등 상태로 원료 중에 혼합한다. Mn을 이용하면 입자지름을 크게 할 수 있고, 발광휘도의 향상을 꾀할 수 있다.
특히 본 형광체는, Mn가 첨가된 Sr-Ca-Si-N: Eu, Ca-Si-N: Eu, Sr-Si-N: Eu, Sr-Ca-Si-O-N: Eu, Ca-Si-Q-N: Eu, Sr-Si-O-N: Eu계 실리콘 나이트라이드이다. 이 형광체의 기본 구성원소는, 일반식 LXSiYN(2/3X+4/3Y): Eu 또는 LXSiYOZN(2/3X+4/3Y-2/3Z) : Eu(L은, Sr, Ca, Sr와 Ca 중의 하나)로 표시된다. 일반식 중, X 및 Y는, X=2, Y=5 또는, X=1, Y=7인 것이 바람직하지만, 임의의 것도 사용할 수 있다. 구체적으로는, 기본 구성원소는, Mn이 첨가된(SrXCa1-X)2Si5N8 : Eu, Sr2Si5N8 : Eu, Ca2Si5N8 : Eu, SrXCa1-XSi7N10 : Eu, SrSi7N10 : Eu, CaSi7N10 : Eu로 표시되는 형광체를 사용하는 것이 바람직하지만, 이 형광체의 조성중에는, Mg, Sr, Ca, Ba, Zn, B, Al, Cu, Mn, Cr 및 Ni로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상이 함유되고 있어도 좋다. L은, Sr, Ca, Sr과 Ca 중의 어느 하나이다. Sr와 Ca는, 소망에 의해 배합비를 바꿀 수 있다. 형광체의 조성에 Si를 이용하는 것에 의해 염가로 결정성이 양호한 형광체를 제공할 수 있다.
형광체는, 모체의 알칼리토류 금속계 질화규소에 대해서, Eu2 +를 부활제(付活劑)로서 이용한다. 첨가물인 Mn은, Eu2 +의 확산을 촉진하여, 발광휘도, 에너지 효율, 양자효율 등의 발광효율의 향상을 꾀한다. Mn은, 원료 중에 함유시키거나, 또는, 제조공정 중에 Mn단체 또는 Mn화합물을 함유시켜, 원료와 함께 고온에서 소성한다.
형광체에는, 기본 구성원소 중에, 혹은, 기본 구성원소와 함께 Mg, Ga, In, Li, Na, K, Re, Mo, Fe, Sr, Ca, Ba, Zn, B, Al, Cu, Mn, Cr, O 및 Ni로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상을 함유한다. 이러한 원소는, 입자지름을 크게 하거나, 발광 휘도를 높이거나 하는 등의 작용을 가지고 있다. 또한, B, Al, Mg, Cr 및 Ni는, 잔광을 억제할 수 있다고 하는 작용을 가지고 있다.
이러한 질화물계 형광체는, 발광소자에 의해서 발광된 빛의 일부를 흡수하여 황색으로부터 적색영역의 빛을 발광한다. 질화물계 형광체를 YAG계 형광체와 함께 사용하여, 발광소자에 의해 발광된 빛과 질화물계 형광체에 의한 황색으로부터 적색광이 혼색에 의해 난색계의 백색계의 혼색광을 발광하는 발광장치를 제공한다. 질화물계 형광체 외에 가하는 형광체에는, 알루미늄·가넷계 형광체가 함유되고 있는 것이 바람직하다. 알루미늄·가넷계 형광체를 함유하는 것에 의해, 원하는 색도로 조절할 수 있기 때문이다. 예를 들면, 세륨으로 이트륨·알루미늄 산화물 형광물질은, 발광소자광의 일부를 흡수하여 황색 영역의 빛을 발광한다. 여기서, 발광소자에 의해 발광된 빛과, 이트륨·알루미늄 산화물 형광물질의 황색광이 혼색에 의해 백색계의 혼색광을 발(發)한다. 따라서, 이트륨·알루미늄 산화물 형광물질과 적색 발광하는 형광체를, 투광성을 갖는 광 변환부재 중에 함께 혼합하여, 발광소자에 의해 발광된 청색광, 혹은 형광체에 의해 파장변환된 청색광을 조합하는 것에 의해 백색계의 빛을 발광하는 발광장치를 제공할 수 있다. 특히 바람직한 것은, 색도가 색도도에 있어서의 흑체 방사의 궤적 위에 위치하는 백색계의 발광장치이다. 단, 원하는 색온도의 발광장치를 제공하기 위해, 이트륨·알루미늄 산화물 형광물질의 형광체량과 적색발광의 형광체량을 적당히 변경할 수도 있다. 이 백색계의 혼색광을 발광하는 발광장치는, 특수연색평가수 R9의 개선을 꾀하고 있다. 종래의 청색 발광소자와 세륨으로 부활된 이트륨·알루미늄 산화물 형광물질과의 조합만의 백색계 발광장치는, 색온도 Tcp=4600K 부근에 있어서 특수 연색 평가수 R9가 거의 0에 가까워, 붉은 빛 성분이 부족하였다. 그 때문에 특수 연색 평가수 R9를 높이는 것이 해결과제가 되고 있었지만, 본 발명에 있어서 적색발광의 형광체를 이트륨·알루미늄 산화물 형광물질과 함께 이용하는 것에 의해, 색온도 Tcp=4600 K부근에 있어서 특수 연색평가수 R9를 40 부근까지 높일 수 있다.
다음에, 본 발명에 관한 형광체((SrXCa1 -X)2Si5N8 : Eu)의 제조방법을 설명하지만, 본 제조방법에 한정되지 않는다. 상기 형광체에는, Mn, O가 함유되어 있다.
원료인 Sr, Ca는, 단체(單體)를 사용하는 것이 바람직하지만, 이미드 화합물, 아미드 화합물 등의 화합물을 사용할 수도 있다. 또한 원료 Sr, Ca에는, B, Al, Cu, Mg, Mn, MnO, Mn2O3, Al2O3 등을 함유하는 것이라도 좋다. 원료의 Sr, Ca는, 아르곤분위 기중, 글로브 박스 내에서 분쇄를 실시한다. 분쇄에 의해 얻어진 Sr, Ca는, 평균 입자지름이 약 0.1㎛에서 15㎛인 것이 바람직하지만, 이 범위에 한정되지 않는다. 보다 혼합상태를 좋게 하기 위해, 금속Ca, 금속Sr, 금속Eu 중의 적어도 1 이상을 합금상태로 한 후, 질화하여, 분쇄 후, 원료로서 이용할 수도 있다.
원료인 Si는, 단체(單體)를 사용하는 것이 바람직하지만, 질화물 화합물, 이미드 화합물, 아미드 화합물 등을 사용할 수도 있다. 예를 들면, Si3N4, Si(NH2)2, Mg2Si 등이다. 원료인 Si의 순도는, 3N 이상의 것이 바람직하지만, Al2O3, Mg, 금속 붕화물(Co3B, Ni3B, CrB), 산화망간, H3BO3, B2O3, Cu2O, CuO 등의 화합물이 함유되어 있어도 좋다. Si도, 원료의 Sr, Ca와 같이, 아르곤 분위기 중, 혹은, 질소 분위기 중, 글로브 박스내에서 분쇄를 실시한다. Si화합물의 평균 입자지름은, 약 0.1㎛에서 15㎛인 것이 바람직하다.
다음에, Sr, Ca를, 질소분위기 중에서 질화한다. Sr, Ca는, 혼합하여 질화 하더라도 좋고, 각각 별개로 질화해도 좋다. 이것에 의해, Sr, Ca의 질화물을 얻을 수 있다. 또한, 원료의 Si를, 질소분위기 중에서 질화한다. 이것에 의해, 질화 규소를 얻는다.
Sr, Ca 혹은 Sr-Ca의 질화물을 분쇄한다. Sr, Ca, Sr-Ca의 질화물을, 아르곤분위기 중, 혹은, 질소분위기 중, 글로브 박스내에서 분쇄를 실시한다. 마찬가지로 Si의 질화물을 분쇄한다. 또한, 마찬가지로 Eu의 화합물 Eu2O3을 분쇄한다. Eu의 화합물로서 산화 유로퓸을 사용하지만, 금속 유로퓸, 질화 유로퓸 등도 사용 가능하다. 이 밖에, 원료의 Z는, 이미드 화합물, 아미드 화합물을 이용할 수도 있다. 산화 유로퓸은, 고순도의 것이 바람직하지만, 시판의 것도 사용할 수 있다.분쇄 후의 알칼리토류금속의 질화물, 질화규소 및 산화 유로퓸의 평균 입자지름은, 약 0.1㎛에서 15㎛인 것이 바람직하다.
상기 원료중에는, Mg, Sr, Ca, Ba, Zn, B, Al, Cu, Mn, Cr, O 및 Ni로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상이 함유되고 있어도 좋다. 또한, Mg, Zn, B 등의 상기 원소를 이하의 혼합공정에 있어서, 배합량을 조절하여 혼합할 수도 있다. 이러한 화합물은, 단독으로 원료내에 첨가할 수도 있지만, 통상, 화합물의 형태로 첨가된다. 이 종류의 화합물에는, H3BO3 Cu2O3, MgCl2, MgO·CaO, Al2O3, 금속붕화물(CrB, Mg3B2, AlB2, MnB), B2O3, Cu2O, CuO 등이 있다.
상기 분쇄를 실시한 후, Sr, Ca, Sr-Ca의 질화물, Si의 질화물, Eu의 화합물 Eu2O3를 혼합하여, Mn을 첨가한다. 이러한 혼합물은, 산화되기 쉽기 때문에, Ar분 위기 중, 또는, 질소 분위기 중, 글로브박스내에서, 혼합을 실시한다.
마지막으로, Sr, Ca, Sr-Ca의 질화물, Si의 질화물, Eu의 화합물 Eu2O3의 혼합물을 암모니아 분위기중에서, 고온에서 소성한다. 소성에 의해, Mn이 첨가된(SrXCa1-X)2Si5N8: Eu로 표시되는 형광체를 얻을 수 있다. 단, 각 원료의 배합비율을 변경하는 것에 의해, 목적으로 하는 형광체의 조성을 변경할 수 있다. 소성은, 관형상로, 소형로, 고주파로, 메탈로 등을 사용할 수 있다. 소성온도는, 1200에서 1700℃의 범위에서 소성을 실시할 수 있지만, 1400에서 1700℃의 소성온도가 바람직하다. 소성은, 서서히 온도상승을 실시하여 1200에서 1500℃에서 수 시간 소성을 실시하는 1단계 소성을 사용하는 것이 바람직하지만, 800에서 1000℃에서 1단계째의 소성을 실시하고, 서서히 가열하여 1200에서 1500℃에서 2단계째의 소성을 실시하는 2단계 소성(다단계 소성)을 사용할 수도 있다. 형광체의 원료는, 질화붕소(BN) 재질의 도가니, 보트를 이용하여 소성을 실시하는 것이 바람직하다. 질화붕소 재질의 도가니 외에, 알루미나(Al2O3)재질의 도가니를 사용할 수도 있다.
이상의 제조방법을 사용하는 것에 의해, 목적으로 하는 형광체를 얻는 것이 가능하다. 본 발명의 실시예에 있어서, 붉은 색을 띤 빛을 발광하는 형광체로서 특히 질화물계 형광체를 사용하지만, 본 발명에 있어서는, 상술한 YAG계 형광체와 적색계의 빛을 발광 가능한 형광체를 구비하는 발광장치로 하는 것도 가능하다. 이러한 적색계의 빛을 발광 가능한 형광체는, 파장이 400∼600nm의 빛에 의해서 여기되어 발광하는 형광체로서, 예를 들면, Y2O2S: Eu, La2O2S : Eu, CaS : Eu, SrS : Eu, ZnS : Mn, ZnCdS : Ag, Al, ZnCdS : Cu, Al 등을 들 수 있다. 이와 같이 YAG계 형광체와 함께 적색계의 빛을 발광 가능한 형광체를 사용하는 것에 의해 발광장치의 연색성을 향상시키는 것이 가능하다.
이상과 같이 하여 형성되는 알루미늄·가넷계 형광체, 및 질화물계 형광체로 대표되는 적색계의 빛을 발광 가능한 형광체는, 발광소자의 주변에 있어서 1층으로 이루어지는 광변환부재 중에 2종류 이상 존재해도 좋고, 2층으로 이루어지는 광변환부재 중에 각각 1종류 혹은 2종류 이상 존재해도 좋다. 이러한 구성으로 하면, 다른 종류의 형광체로부터의 빛의 혼색에 의한 혼색광을 얻을 수 있다. 이 경우, 각 형광물질로부터 발광되는 빛을 보다 좋게 혼색이고 얼룩을 감소시키기 위해서, 각 형광체의 평균 입자지름 및 형상은 유사하고 있는 것이 바람직하다. 또한, 질화물계 형광체는, YAG계 형광체에 의해 파장 변환된 빛의 일부를 흡수해 버리는 것을 고려하여, 질화계 형광체가 YAG계 형광체보다 발광소자에게 가까운 위치에 배치되도록 광변환부재를 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성하는 것에 의해서, YAG 형광체에 의해 파장 변환된 빛의 일부가 질화물계 형광체에 흡수되어 버리는 일이 없어져, YAG계 형광체와 질화물계 형광체를 혼합하여 함유시킨 경우와 비교하여, 혼색광의 연색성을 향상시킬 수 있다.
<산질화물계 형광체〉
상술의 형광물질 외, 본 형태에 있어서의 형광물질에는, 또한 하기의 일반식에서 표시되는 산질화물 형광체를 함유시킬 수 있다.
LxMyOzN{(2/3)x+(4/3)y-(2/3)z} : R
단, L은 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 갖고, M은 C, Si, Ge, Sn, Ti, Zr, Hf로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 갖는다. 또한, N은 질소이고, O는 산소, R은 희토류 원소이다. x, y, z는 이하의 수치를 만족한다.
x=2, 4, 5≤y≤6, 0.01<z<1.5
또는 x=1, 6.5≤y≤7.5, 0.01<z<1.5
또는 x=1, 1.5≤y≤2.5, 1.5≤z≤2.5
이하, 산질화물 형광체의 제조방법을 설명하지만, 본 제조방법에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다. 우선, 소정 배합비가 되도록, L의 질화물, M의 질화물 및 산화물, 희토류 원소의 산화물을 원료로서 혼합한다. 각 원료의 배합비율을 변경하는 것에 의해, 목적으로 하는 형광체의 조성을 변경할 수 있다.
다음에, 상기 원료의 혼합물을 도가니에 투입하여, 소성을 실시한다. 소성은, 관형상로, 소형로, 고주파로, 메탈로 등을 사용할 수 있다. 소성온도는, 특별히 한정되지 않지만, 1200에서 1700℃의 범위에서 소성을 실시하는 것이 바람직하고, 1400에서 1700℃의 소성온도가, 더 바람직하다. 본 형광체의 원료는, 질화붕소(BN) 재질의 도가니, 보트를 이용하여 소성을 실시하는 것이 바람직하다. 질화붕소 재질의 도가니 외에, 알루미나(Al2O3) 재질의 도가니를 사용할 수도 있다. 또한, 소성은, 환원 분위기중에서 실시하는 것이 바람직하다. 환원 분위기는, 질소 분위기, 질소-수소 분위기, 암모니아 분위기, 아르곤 등의 불활성가스 분위기 등이다. 이상의 제조방법을 사용하는 것에 의해, 목적으로 하는 옥시 질화물 형광체를 얻을 수 있다.
<알칼리토류금속 규산염 형광체〉
본 실시형태에 있어서의 발광장치는, 발광소자가 발광한 빛의 일부를 흡수하여, 그 흡수한 빛의 파장과 다른 파장을 갖는 빛을 발광하는 형광체로서, 유로퓸으로 부활된 알칼리토류금속 규산염 형광체를 가질 수도 있다. 알칼리토류금속 규산염 형광체를 갖는 것에 의해, 청색 영역의 빛을 여기광으로 하여, 난색계의 혼색광을 발광하는 발광장치로 할 수 있다. 상기 알칼리토류금속 규산염 형광체는, 이하와 같은 일반식으로 표시되는 알칼리토류금속 오르토 규산염 형광체가 바람직하다.
(2-x-y)SrOㆍx(Ba,Ca)Oㆍ(1-a-b-c-d)SiO2ㆍaP2O5bAl2O3cB2O3dGeO2: yEu2 +(식 중, 0<x<1.6, 0.005<y<0.5, 0<a, b, c, d<0.5이다.)
(2-x-y)BaOㆍx(Sr,Ca)Oㆍ(1-a-b-c-d)SiO2ㆍaP2O5bAl2O3cB2O3dGeO2: yEu2 +(식 중, 0.01<x<1.6, 0.005<y<0.5, 0<a, b, c, d<0.5이다.)
여기서, 바람직하게는, a, b, c 및 d 중, 적어도 하나가 0.01보다 크다.
본 실시형태에 있어서의 발광장치는, 알칼리토류금속염으로 이루어지는 형광체로서 상술한 알칼리토류금속 규산염 형광체 외, 유로퓸 및/또는 망간으로 부활된 알칼리토류금속 알루민산염 형광체나 Y(V,P,Si)O4:Eu, 또는 다음식으로 나타나는 알칼리토류금속-마그네슘-규산염 형광체를 가질 수도 있다.
Me(3-x-y)MgSi2O3 : xEu, yMn(식 중, 0.005<x<0.5, 0.005<y<0.5, Me는, Ba 및/또는 Sr 및/또는 Ca를 나타낸다.)
다음에, 본 실시형태에 있어서의 알칼리토류금속 규산염으로 이루어지는 형광체의 제조 공정을 설명한다.
알칼리토류금속 규산염 형광체의 제조를 위해서, 선택한 조성에 따라 출발물질 알칼리토류금속 탄산염, 이산화규소 및 산화 유로퓸의 화학량론적량을 조밀하게 혼합하고, 또한, 형광체의 제조에 상용의 고체 반응으로, 환원성 분위기하에서, 온도 1100℃ 및 1400℃에서 원하는 형광체로 변환한다. 이 때, 0.2몰 미만의 염화암모늄 또는 다른 할로겐화물을 첨가하는 것이 바람직하다. 또한, 필요에 따라서 규소의 일부를 게르마늄, 붕소, 알루미늄, 인으로 치환할 수도 있고, 유로퓸의 일부를 망간으로 치환할 수도 있다.
상술한 바와 같은 형광체, 즉, 유로퓸 및/ 또는 망간으로 부활된 알칼리토류금속 알루민산염 형광체나 Y(V,P,Si)O4: Eu, Y2O2S: Eu3 +의 1개 또는 이러한 형광체를 조합하는 것에 의해서, 원하는 색온도를 갖는 발광색 및 높은 색재현성을 얻을 수 있다.
<기타 다른 형광체〉
본 실시형태에 있어서, 형광체로서 자외로부터 가시영역의 빛에 의해 여기되 어 발광하는 형광체도 이용할 수 있고, 구체적인 예로서 이하의 형광체를 들 수 있다.
(1) Eu, Mn 또는 Eu와 Mn로 부활된 알칼리토류 할로겐 아파타이트 형광체 ; 예를 들면, M5(PO4)3(Cl, Br): Eu(단, M은 Sr, Ca, Ba, Mg로부터 선택되는 적어도 1종), Ca10(PO4)6 ClBr : Mn, Eu 등의 형광체.
(2) Eu, Mn 또는 Eu와 Mn로 부활된 알칼리토류 알루민산염 형광체 ; 예를 들면, BaMg2Al16O27 : Eu, BaMg2Al16O27 : Eu, Mn, Sr4Al14O25 : Eu, SrAl2O4 : Eu, CaAl2O4 : Eu, BaMgAl10O17 : Eu, BaMgAl10O17 : Eu, Mn 등의 형광체.
(3) Eu로 부활된 희토류산 황화물 형광체 ; 예를 들면, La2O2S : Eu, Y2O2S : Eu, Gd2O2S : Eu 등의 형광체.
(4) (Zn, Cd)S : Cu, Zn2GeO4 : Mn, 3.5MgOㆍ0.5MgF2ㆍGeO2 : Mn, Mg6As2O11 : Mn, (Mg, Ca, Sr, Ba)Ga2S4 : Eu, Ca10(PO4)6 FCl : Sb, Mn
(확산제)
본 형태에 있어서, 광변환부재 중에 상술의 형광물질에 더하여, 확산제를 함유시켜도 좋다. 또한, 본 형태에 있어서, 투광성의 방열부재나 후술하는 투광성 부재(303)중에, 확산제를 함유시켜도 좋다. 구체적인 확산제로서는, 티탄산바륨, 산화티탄, 산화알루미늄, 산화규소 및 그러한 혼합물이 적합하게 이용된다. 이것에 의해, 양호한 지향특성을 갖는 발광장치를 얻을 수 있다.
여기서 본 명세서중에 있어서 확산제란, 중심 입자지름이 1nm 이상 5㎛미만인 것을 말한다. 1㎛ 이상 5㎛ 미만의 확산제는, 형광물질로부터의 빛을 양호하게 난반사시켜, 큰 입자지름의 형광물질을 이용하는 것에 의해 생기기 쉬운 얼룩을 억제할 수 있어 바람직하다. 한편, 1nm 이상 1㎛ 미만의 확산제는, 발광소자로부터의 광파장에 대한 간섭효과가 낮은 반면, 광도를 저하시키는 일 없이 수지 점도를 높일 수 있다. 이것에 의해, 형광물질 함유의 수지 등을 원하는 장소에 떨어뜨리는 것에 의해 광변환부재를 형성시키는 경우, 시린지(Syringe)내에 있어서 수지 중의 형광물질을 거의 균일하게 분산시켜 그 상태를 유지하는 것이 가능해져, 비교적 취급이 곤란한 입자지름의 큰 형광물질을 이용했을 경우에서도 생산제조비율 좋게 생산하는 것이 가능해진다. 이와 같이 본 발명에 있어서,의 확산제는 입자지름 범위에 의해 작용이 달라, 사용방법에 맞춰 선택 혹은 조합해 이용할 수 있다.
(필러)
또한, 본 형태에 있어서, 광변환부재 중에 형광물질에 더하여 필러를 함유 시켜도 좋다. 또한, 본 형태에 있어서, 투광성의 방열부재나 투광성 부재(303)중에, 필러를 함유시켜도 좋다. 이것에 의해, 각 부재의 내열 충격성이나 방열성을 향상시킬 수 있다.
구체적인 재료는 확산제와 같지만, 확산제와 중심 입자지름이 달라, 본 명세서에 있어서 필러와는 중심 입자지름이 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 것을 말한다. 이러한 입자지름의 필러가 광변환부재의 재료인 투광성 수지 중에 함유되면, 광 산란작용에 의해 발광장치의 색도 편차가 개선될 뿐만 아니라, 투광성 수지의 열전도성 및 내열충격성을 높일 수 있다. 따라서, 광변환부재 중에 형광물질에 더하여 필러를 함유시키는 것에 의해, 그 광변환부재의 방열성을 향상시킬 수 있다. 또한, 투광성 수지의 유동성을 장시간 일정하게 조정하는 것이 가능해져서, 원하는 바로 광변환부재를 형성할 수 있어, 본 형태의 발광장치를 생산제조비율 좋게 양산할 수 있다. 또한, 형광물질, 필러 및 형광체의 결착제로서의 수지의 혼합비율을 적당히 조정하는 것에 의해, 광변환부재의 내열충격성이나 방열성을 향상시킬 수 있다.
또한, 필러는 형광물질과 유사한 입자지름 및/ 또는 형상을 갖는 것이 바람직하다. 여기서 본 명세서중에 있어서의 '유사한 입자지름'이란, 각 입자 각각의 중심 입자지름의 차이가 20% 미만의 경우를 말하고, 유사한 형상이란, 각 입자지름의 진원(眞圓)과의 근사 정도를 나타내는 원형도(원형도=입자의 투영면적에 동일한 진원의 주위길이/입자의 투영의 주위길이)의 값의 차이가 20% 미만의 경우를 말한다. 이러한 필러를 이용하는 것에 의해, 형광물질과 필러가 서로 작용하여, 수지 중에서 형광물질을 양호하게 분산시킬 수 있어 얼룩이 억제된다.
예를 들면, 형광물질 및 필러는, 모두 중심 입자지름이 15㎛∼50㎛, 보다 바람직하게는 20㎛∼50㎛로 할 수 있다. 이와 같이 입자지름을 조정하는 것에 의해, 각 입자간에 바람직한 간격을 형성하여 배치시킬 수 있다. 이것에 의해 빛의 추출경로가 확보되어 필러혼입에 의한 광도저하를 억제하면서 지향특성을 개선시킬 수 있다.
실시형태 2.
본 발명에 관한 실시형태 2의 발광장치는, 실시형태 1의 발광장치에 있어서, 방열부재를, 냉매의 유로를 갖고, 발광소자가 얹어 놓여지는 측에서 제1 유로를 갖는 제1 방열부재와, 발광소자로부터의 빛이 조사되는 측에서 제2 유로를 갖는 제2 방열부재와, 제2 방열부재가 광변환부재를 갖는 구성으로 한 것이다. 즉, 본 발명은, 발광장치로부터의 발열을 완화시키는 수냉식의 방열부재를 구비하여, 그 방열부재에, 형광체를 함유하는 광변환부재가 얹어 놓여져 있는 발광장치이다. 이것에 의해, 형광체의 자기발열이 억제되어 형광체의 열화를 방지할 수 있기 때문에, 발광장치의 출력저하가 생기는 일 없이, 더 고출력인 빛, 예를 들면 백색계 등의 빛을 발광할 수 있다. 한편, 그 외의 점은, 실시형태 1과 같다.
보다 구체적으로는, 본 형태에 관한 발광장치는, 발광소자로부터의 방열을 촉진시키는 제1 방열부재와, 광변환부재로부터의 방열을 촉진시키는 제2 방열부재를 갖는다. 광변환부재는, 제2 방열부재 중, 발광소자로부터의 빛이 조사되는 영역에 얹어 놓여져 있다. 제2 방열부재는, 광변환부재가 얹어 놓여지는 측에 제2 유로를 갖고, 상기 제2 유로는, 광변환부재로부터의 방열을 촉진시키는 냉매를 갖는다. 이것에 의해, 고출력이나 고에너지의 여기광에 노출되는 형광체의 자기발열을 억제할 수 있다. 또한, 제1 방열부재는, 제2 방열부재와 같이 냉매의 유로를 갖고, 고출력인 빛을 발하는 발광소자로부터의 방열을 촉진시킨다. 따라서, 발광장치 전체적으로의 방열성이 향상되어, 고출력인 빛을 조사하는 발광장치로 할 수 있다.
본 형태의 방열부재가 갖는 유로는, 상기 제1 유로와 상기 제2 유로를 연락하는 제3 유로를 갖는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 본 형태에 관한 발광장치 는, 제1 및 제2 유로에 공통되는 공급구 및 배출구를 한 쌍 갖고, 발광소자의 냉각과 광변환부재의 냉각이 동일계통으로 실시할 수 있기 때문에, 발광소자와 광변환부재를 다른 계통으로 냉각하는 다른 냉각기구와 비교하여, 발광장치를 소형화할 수 있고, 또한, 발광장치의 냉각기구를 간략화시킬 수 있다.
본 형태의 발광장치는, 발광소자를 탑재하는 측에 있어서, 냉매의 제1 유로를 갖는 제1 방열부재와, 전기적 절연성 부재와, 지지기판과 광변환부재가 배열설치되는 측에서, 냉매의 제2 유로를 갖는 제2 방열부재가 적어도 적층되어서 이루어진다. 이와 같이 하는 것에 의해, 본 발명에 관한 발광장치를 용이하게 실현할 수 있다.
공급구 혹은 배출구는, 방열부재에 형성되고 있고, 절연성 부재와 지지기판은, 제3 유로의 일부가 되는 관통구멍을 갖는다. 이것에 의해, 발광장치의 탑재면측으로부터 냉각액의 공급 및 방출을 실시할 수 있고, 발광장치에 냉매를 공급하는 장치 등이 발광장치의 광학특성에 악영향을 미치지 않도록 할 수 있다.
절연부재의 적어도 한 쪽의 주면에 Au, Ag, Al로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 도전성 부재가 피착되고 있다. 또한, 발광소자의 한 쪽의 전극은, 도전성 와이어 및 상기 도전성 부재를 통하여 상기 절연성 부재의 적어도 한 쪽의 주면에 피착된 도전성 부재와 전기적으로 접속되고, 다른 쪽의 전극은, 제1 방열부재에 각각 전기적으로 접속된다. 즉, 지지기판 및 제1 방열부재의 극성이 달라, 발광소자의 양극과 음극의 한 쌍의 전극은, 상기 지지기판과 상기 제1 방열부재에 각각 전기적으로 접속된다. 이것에 의해 발광소자에 전력을 공급하는 것을 용이하게 할 수 있다.
이하, 본 형태의 각 구성에 대해 상술한다.
이하, 본 실시형태 2의 발광장치의 구성에 대해 상세하게 설명한다.
(방열부재)
본 형태의 발광장치에 있어서의 방열부재는, 발광소자가 얹어 놓여지는 측에 있어서, 제1 유로를 갖는 제1 방열부재와, 발광소자로부터의 빛이 조사되는 측에 있어서, 제2 유로를 갖는 제2 방열부재로 이루어진다. 본 형태의 발광소자는, 제1 방열부재에 얹어 놓여지지만, 본 발명이 이것에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다. 즉, 발광소자와 제1 방열부재와의 사이에 열전도성이 좋은 다른 부재, 예를 들면, 발광소자가 플립칩 탑재되는 보조소자로서 서브마운트를 가져도 좋다. 이하, 제1 방열부재 및 제2 방열부재에 대해서, 보다 상세하게 설명한다.
본 형태에 있어서의 제1 방열부재란, 발광소자를 냉각하는 냉매의 유로를 갖고, 발광소자가 직접 혹은 도전성 접착제를 통하여 얹어 놓여지고, 발광소자로부터 발생하는 열을 발광장치의 외부로 전달시키는 부재이다. 또한, 본 형태에 있어서의 제2 방열부재란, 형광체를 냉각하는 냉매의 유로를 갖고, 형광체를 함유하는 광변환부재가 얹어 놓여지고, 형광체로부터 발생하는 열을 광변환부재의 외부로 전달시키는 부재이기도 하다. 여기서, 제2 방열부재는, 적어도 발광소자로부터의 빛을 투과시킬 수 있는 재료, 또는, 발광소자로부터의 빛과 광변환부재가 발하는 빛의 양쪽 모두의 빛을 투과시킬 수 있는 재료로 이루어진다. 이것에 의해, 광변환부재는, 제2 방열부재의 발광 관측면측 주면 및 발광소자로부터의 빛이 조사되는 주면 의 적어도 한 쪽에 얹어 놓여진다. 한편, 광변환부재는, 제2 방열부재에 직접 고착되는 형태로 한정되는 일 없이, 다른 투광성 부재를 통하여 제2 방열부재에 탑재되어도 좋은 것은 말할 필요도 없다. 또한, 광변환부재의 발광 관측면측의 형상은, 발광장치로부터의 빛의 광학특성을 고려하여 렌즈형상으로 할 수도 있다. 방열부재의 일부를 투광성으로 하고, 그 투광성의 부분에 형광체를 함유시킴으로써, 광변환부재로 할 수도 있다. 또한, 광변환부재 중에 형광체를 냉각하는 냉매의 유로를 형성시킬 수도 있다.
본 발명에 있어서, 냉매의 유로는, 발광장치의 외부에 대해서 폐쇄계, 개방계를 묻지 않는다. 개방형의 유로를 갖는 방열부재의 일례로서 예를 들면, 동이나 알루미늄 등의 금속을 재료로 하여, 내부에 냉매를 도통시키기 위한 유로를 형성시킨 평판으로 할 수 있다. 여기서, 방열부재의 일부를 투과성으로 하여, 제2 방열부재로 할 때, 그 투광성의 부분에는, 투광성 수지, 석영 등의 재료를 선택한다. 또한, 방열부재는, 그 외벽면에 방열부재 내에 냉매를 순환시키기 위해, 냉매의 공급구와 배출구를 적어도 한 쌍 갖는다. 도 7에 나타나는 바와 같이, 유로는, 복수의 평판형상이 된 재료의 적어도 한 쪽, 예를 들면, 제2 판형상부재 (115b, 109b)에 홈, 요철형상 및 상기 공급구·배출구로 하기 위한 관통구멍을 형성하여, 제1 판형상부재(115a, 109b)와 제2 판형상부재(115b, 109b)와의 대향하는 면끼리를 접착시키는 것에 의해 방열부재(115, 109)로 하여, 상기 방열부재로 형성할 수 있다. 여기서, 본 형태에 있어서, 유로의 형상은, 도 7에 나타나는 것에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다. 예를 들면, 도 10에 나타나는 바와 같이, 방열부재의 재 료의 일부인 제1 판형상부재(115b, 109b)에 있어서, 한 쪽의 개구부(공급구 혹은 배출구)가 형성된 위치로부터, 다른 쪽의 개구부까지, 유로가 서서히 넓어지고, 더 유로가 서서히 좁아지도록, 오목부를 형성한다. 이것에 의해, 냉매가 유로 내를 원활히 순환하도록 할 수 있다. 또한, 그 오목부의 내벽면은, 가는 홈이나 요철형상이 형성되고 있는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 냉매와 방열부재와의 접촉면적을 크게 하여, 발광장치의 방열효과를 향상시킬 수 있다. 폐쇄계의 유로를 갖는 방열부재의 일례로서 예를 들면, 동이나 알루미늄 등의 금속을 재료로 하여, 내부에 냉매를 봉입시킨 히트파이프로 할 수 있다. 특히, 다른 형태에 있어서, 방열부재로서 사용할 수 있는 히트파이프는, 예를 들면, 동이나 알루미늄 등의 금속재료로 이루어지는 금속관내에, 물, 프론, 대체프론, 플로리나이트 등의 열수송용의 작동액을 봉입한 것으로서, 입열부(고온부)에서 작동액이 가열되어 증기가 되어, 그 증기가 방열부(저온측)로 이동하여 액화하는 것에 의해서 방열하여, 그 액화한 작동액이 모세관 현상에 의해 입열부로 되돌아온다고 하는 동작을 반복하는 것에 의해, 극히 높은 열전도성을 실현한 열전달 부재이다.
방열부재의 형상은, 방열되는 방향이나 방열효과를 고려하여 여러 가지의 형상 및 크기로 할 수 있다. 예를 들면, 도 9에 나타나는 바와 같이, 발광소자의 이면에 대향하는 제1 유로의 내벽면에 요철형상을 형성한다. 이것에 의해, 상기 내벽면과 냉매와의 접촉면적은, 요철형상을 형성하지 않을 때와 비교하여 커지기 때문에, 발광소자로부터의 방열성이 향상한다. 또한, 광변환부재에 대향하는 제2 유로의 내벽면에 요철형상을 형성한다. 이것에 의해, 상기 내벽면과 냉매와의 접촉 면적은, 요철형상을 형성하지 않을 때와 비교해 커지기 때문에, 광변환 물질로부터의 방열성이 향상한다. 여기서, 제1 유로와 제2 유로를 제3 유로로 연락시켜, 제1 유로와 제2 유로를 나란히 흘리는 발광장치로 했을 때, 제1 및 제2 유로의 내벽면은, 같은 형상으로 하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 발광장치내의 냉매의 압력을 균일하게 할 수 있기 때문에, 신뢰성이 높은 발광장치로 할 수 있다.
평판형상이 된 제1 방열부재는, 방열부재를 형성하는 판재의 열전도율을 c[W/mK]로 했을 때, 발광소자를 탑재하는 면과 제1 유로의 내벽면과의 최단 거리 d[mm]는, 이하의 관계식을 충족하는 것이 바람직하다.
0.05<d<(C/800) … (식 1)
예를 들면, 무산소 동을 재료로 하여 제1 방열부재를 형성할 때, d[mm]는, 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다.
0.05<d<0.5 … (식 2)
또한, 알루미나나 질화 알루미늄과 같은 세라믹스를 재료로서 제1 방열부재를 형성할 때, d[mm]는, 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다.
0.05<d<0.25 … (식 3)
여기서, d의 값을 상한치보다 크게 하면, 방열부재의 열저항이 커져, 인접하는 발광소자끼리의 열간섭이 현저하게 나타나 버리기 때문에, 발광소자를 고밀도로 탑재할 수 없게 된다. 또한, d의 값을 하한치보다 작게 하면, 방열부재의 판재를 가공하는 것이 용이하지 않게 된다.
(지지기판)
지지기판은, 발광소자에 전력을 공급하여, 다른 구성부재의 지지체가 되어, 발광장치의 기계적 강도를 유지하기 위한 것이다. 지지기판은, 방열성, 발광장치의 출력 등을 고려하여 여러 가지의 크기로 형성시켜, 발광장치의 형상에 맞춰 여러 가지의 형상으로 된다. 또한, 지지기판은, 빛의 배광특성을 제어하기 위해, 그 일부 플렉터를 가지고 있어도 좋다.
지지기판은, 예를 들면 도 6에 나타나는 바와 같이, 발광장치의 외부에 연신하는 연신부를 설치하여, 그 연신부에 발광장치(100)를 외부의 탑재기판이나, 예를 들면, 진공펌프와 같은 냉매의 공급장치에 고정하기 위한 관통구멍을 가질 수 있다. 또한, 도 7에 나타나는 바와 같이, 테이퍼 형상의 관통구멍을 형성하여, 그 관통구멍의 내벽면을 제1 방열부재에 탑재되는 발광소자에게 대향시켜, 발광소자로부터의 빛을 발광 관측면(觀測面)방향으로 반사시키는 경사벽이라고 해도 좋다. 또한, 그 경사벽에, 발광소자로부터의 빛을 적합하게 반사시키는 반사층을 형성해도 좋다. 지지기판은, 발광소자로부터 방출된 열을 방열부재측에 효율적으로 방열시키기 위해 열전도성이 좋은 것이 바람직하다. 이러한 열전도성이 좋은 재료의 예로서는, 세라믹스, 동, 알루미늄이나 인(P) 청동판이 단독으로 이용되는 것 외,그러한 표면에 은, 파라듐 혹은 은, 금 등의 금속도금이나 땜납도금등을 실시한 것이 적합하게 이용된다.
(절연성 부재)
본 형태에 있어서의 절연성 부재란, 제1 방열부재와 지지기판을 절연하도록 양자 사이에 배치되는 부재이다. 또한, 절연성 부재는, 도전성의 지지기판 및/또 는 제1 방열부재와의 대향면에 대하여, Au, Ag 및 Al와 같은 금속이 피착된다. 지지기판과의 대향면에 피착된 금속에 의해, 발광소자에게 전력을 공급하기 위한 배선이 이루어지고, 제1 방열부재와의 대향면에 피착된 금속은, 제1 방열부재와 절연성 부재를 양호하게 접합하기 위한 층이 된다.
절연성 부재의 형상은, 제1 방열부재 및 지지기판의 형상에 대응시켜, 예를 들면, 도 6 및 도 7에 나타나는 바와 같이, 평판형상이 된다. 절연성 부재의 재료는, 수지, 알루미나, 질화 알루미늄과 같은 전기적으로 절연성이 있는 재료로 된다. 절연성 재료의 제1 방열부재와 지지기판에 대향하는 면 중의 적어도 한 쪽에는, Au, Ag 및 Al의 적어도 1종을 포함하는 금속이 형성되고 있는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 발광소자와 전기적 접속을 꾀하는 것을 용이하게 할 수 있다. 혹은, 발광소자에 전력을 공급하는 와이어를 본딩하기 위한 배선을 할 수 있다.
또한, 도 7에 나타나는 바와 같이, 테이퍼형상의 관통구멍을 형성하여, 그 관통구멍의 내벽면을 제1 방열부재에 탑재되는 발광소자에 대향하는 경사벽이라고 해도 좋다. 또한, 그 경사벽에, 발광소자로부터의 빛을 적합하게 반사시키는 반사층을 형성해도 좋다.
상술의 지지기판 및 절연성 부재에 대해서, 방열부재의 유로에 연결되는 개구부에 대응시키고, 한 쌍의 관통구멍을 형성하여 제3 유로로 할 수 있다. 또한, 그러한 관통구멍은, 제1, 제2 및 제3 유로의 각 유로가 접속되어 있는 부분에 있어서, 냉매의 누설을 방지하는 목적으로, O링이 되고 있는 것이 바람직하다. O링의 재료는, 예를 들면, 실리콘 수지로 하는 것이 바람직하다.
실시형태 3.
본 발명에 관한 실시형태 3의 발광장치는, 2장의 판형상부재 사이에 냉각용 유체를 흘리는 유로가 형성되는 방열부재와, 방열부재의 주면(主面)상에 2차원형상으로 배열하도록 탑재되는 복수의 발광소자를 구비하는 발광장치로서, 유로 내에 있어서 판형상부재의 표면에 복수의 볼록부가 형성되고, 복수의 볼록부의 적어도 일부는, 발광소자의 사이 및 대략 중앙에 중심이 위치하도록 형성되는 발광장치이다. 이하, 특히 설명하는 점을 제외하고는, 실시형태 1과 같다.
이하, 본 실시형태 3의 방열부재에 대해 상세하게 설명한다.
(방열부재)
본 발명의 방열부재(이하, '히트싱크'라고도 한다.)는, 발열체가 열적으로 접속되는 제1 면을 갖는 제1 판형상부재와, 상기 제1 판형상부재의 제2 면과 접속되는 제2 판형상부재로 이루어지는 적층 판형상부재에, 유체가 공급되는 공급구와, 상기 공급구와 연통하여 유체가 배출되는 배출구를 구비한 히트싱크에 있어서, 상기 제1 판형상부재의 제2 면에는 요철을 갖는다.
상기 제1 판형상부재에 있어서의 제2 면에 요철을 가짐으로써, 동일영역에서의 유체가 흐르는 표면적을 크게 할 수 있다. 즉, 제1 판형상부재의 제2 면에 형성된 볼록부는 방열핀과 같은 역할을 완수하게 된다. 또한, 유체는, 단차가 있는 면을 진행하기 위해 직선적으로 진행할 뿐만 아니라, 진행방향이나 진행속도를 변화시키면서 진행하게 된다. 그 때문에 발열체로부터의 열을 효율적으로 냉각할 수 있다. 또한 히트싱크의 박형화나 소형화를 우선하기 위해서 공급구의 지름을 작게 한 경우라도 충분한 냉각기능을 갖는다.
여기서, 상기 제1 판형상부재가, 발열체와 접속하고 있다는 것은, 직접적으로 접하고 있는 것에 한정되지 않고, 열적으로 접속하고 있으면 좋다. 즉, 제1 판형상부재와 발열체와의 사이에는 열수송경로가 형성되고 있으면 좋고, 예를 들면 공정재료를 1층 또는 다층으로 통하고 있는 구성으로 해도 상관없다. 또한, 상기 유체란, 냉각매체로서, 순수한 물이나 저융점 액체 등이다.
또한, 본 발명의 히트싱크에 있어서, 상기 요철은, 발열체의 접속영역에 대향한 영역에 형성하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 유체와 접하는 방열면적을 예를 들면 2배 이상으로 넓히고, 제2 면에 있어서의 열밀도(열류의 밀도)를 내릴 수 있으므로 효율적으로 냉각할 수 있다.
또한, 본 발명의 히트싱크에 있어서, 상기 제1 판형상부재의, 제2 면에 형성되는 요철은, 단차가 10㎛ 이상 500㎛ 이하인 것이 바람직하다. 요철구조는, 판형상부재에 수로를 형성하는 것과 동시에 화학적 에칭 등에 의해서 형성하지만, 가공정밀도의 형편상 10㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 에칭에 의해서 깎아낸 양이 유체의 유량을 결정하기 때문에, 상기 범위가 500㎛보다 높으면, 실질적으로 냉각에 기여하지 않는 유체가 존재하게 되고, 더고나 과잉인 유체를 순환시키기 위해서, 압력이 필요이상으로 올라 버려, 효율적은 아니다. 그 때문에, 상기 단차는 500㎛ 이하인 것이 바람직하다.
상기 요철의 단차는 100㎛ 이상 300㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 상기 범위에서 단차를 형성하는 것에 의해, 더 효율적으로 히트싱크를 냉각할 수 있다.
또한, 본 발명의 히트싱크는, 발열체가 열적으로 접속되는 제1 면을 갖는 제1 판형상부재와, 상기 제1 판형상부재의 제2 면과 접속되는 제2 판형상부재로 이루어지는 적층 판형상부재에, 유체가 공급되는 공급구와, 상기 공급구와 연이어 통하여 유체가 배출되는 배출구를 구비한 히트싱크에 있어서, 상기 제1 판형상부재는, 제1 면에 있어서의 발열체의 접촉면적(a)에 대해서, 발열체의 접촉영역에 대향한 제2 면에 있어서의 표면적(b)이 큰 것을 특징으로 한다. 본건 발명자는, 방열면으로부터 방열되는 열수송에 있어서, 발열체로부터의 열은 히트싱크내를 두께방향으로 45°의 각도로 넓어지면서 제1 판형상부재에 있어서의 제2 면까지 전해지는 온도분포를 확인하고 있다. 이 때문에 발열체인 면 발광장치 등을 고밀도로 탑재하면, 인접하는 발열체로부터 생긴 열이 제1 판형상부재의 두께방향으로 전해지는 동안 겹쳐 포개져서 열간섭을 일으켜, 국소적으로 큰 열이 발생하게 된다. 따라서, 발열체인 면 발광장치 등을 고밀도로 탑재했을 경우, 각 면 발광장치에 흘릴 수 있는 투입전력은 낮게 제한되어 버린다. 그러나, 본건발명에 의하면, 그러한 고밀도 탑재한 반도체 장치에 있어서, 상기 구성과 같은 방열면을 확보함으로써, 허용되는 투입전력을 현격히 올릴 수 있다. 여기서, 투입전력이란, 면 발광장치 등의 반도체소자에 흘리는 전류와 인가전압의 곱으로, 그 투입전력을 소자의 투영면적으로, 나눈 값을 열밀도라고 칭한다. 본건발명에 의하면, 예를 들면 열밀도 2W/mm2 이상이 되는 투입전력을 허용할 수 있다. 한편, 고밀도 탑재란, 발열체끼리의 간격을 발열체의 폭보다 좁게 한 탑재형태로서, 상기 발열체의 수량은 3개 이상으로 한다.
또한, 본 발명의 히트싱크에 있어서의 상기 제1 면에 있어서의 발열체의 접촉면적(a)과, 제2 면에 있어서의 발열체의 접촉영역에 대향한 제2 면에 있어서의 표면적(b)과의 비가, 0.2≤(a/b)<1인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 상기 범위는 0.2≤(a/b)<0.5로 한다. 제2 면에 있어서의 표면적(b)이, 제1 면에 있어서의 발열체의 접촉면적(a)의 5배보다 크게 하면, 상당한 가공 정밀도가 요구되게 된다. 그러나, 상기 범위이면, 냉각효율을 보다 향상할 수 있다.
또한, 상기 제1 판형상부재에 있어서의 제1 면과 상기 발열체와는 공정재료를 통하여 접속하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 발열체에 열적손실을 주지 않는 저온에서 발열체와 판형상부재를 붙여 합치는 것이 가능하게 된다. 또한 판형상부재에 대한 미세가공을 용이하게 유지할 수 있어 열변형을 억제할 뿐만이 아니라 박형화를 용이하게 실현할 수 있고, 열저항을 저감할 수 있다.
또한, 상기 제1 판형상부재에 있어서의 제2 면과 상기 제2 판형상부재와도 공정재료를 통하여 접속하는 것이 바람직하다. 각 판형상부재를 붙여 합치는 접착부재로서 공정재료를 사용하는 것에 의해, 판형상부재를 비교적 저온에서 붙여 합치는 것이 가능하게 된다. 판형상부재에 대한 미세가공을 용이하게 유지할 수 있어, 박형화를 용이하게 실현할 수 있고 열저항을 저하할 수 있다.
또한 본 발명의 반도체 장치는, 상기 히트싱크와 반도체로 이루어지는 발열체를 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 장치이다. 이러한 히트싱크를 이용함으로써 발열체의 소자특성의 열열화를 막는 것이 가능해져, 신뢰성이 뛰어난 반도체 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 반도체 장치는, 상기 제1 판형상부재에 있어서의 제1 면 위에 1 이상이 탑재되어서 완성되는 것이 바람직하다. 상기 제1 판형상부재의 제2 면 위에 형성된 요철에 의해서, 상기 제2 면에 있어서의 열밀도가 저하한다. 그 때문에, 발열체의 자기발열에 의한 광출력의 저하를 억제하는 것이 가능해져, 복수의 발열체를 고밀도 탑재할 수 있다.
또한, 본 발명 발광장치에 있어서, 상기 발열체가 반도체 발광소자인 것이 바람직하다. 반도체 발광소자는 열특성이 민감하기 때문에 열에 의한 열화가 현저하다. 특히 반도체 레이저(LD)나 LED는 발열량이 크다. 그러나, 본 발명의 히트싱크를 탑재함으로써 고밀도탑재 및 고출력화를 실현할 수 있다. 또한, 반도체 발광소자중에서도 질화물 반도체 발광소자는 발열량이 많기 때문에, 본 발명의 히트싱크를 탑재하는 것은 특히 유효하다.
또한, 본 발명의 히트싱크는, 상기 판형상부재를 각각 붙여 합치는 공정에 있어서, 한 쪽의 판형상부재의 표면측에 접착부재를 형성하고, 한 쪽의 판형상부재의 붙여 합침면에 금속막을 형성한 후, 붙여 합칠 수 있다. 접착부재 뿐만 아니라 금속막을 형성하는 것에 의해서 접착부재의 젖는 성질을 높여 판형상부재끼리의 밀착성을 높이는 것에 의해서 냉각재의 누설문제 등의 신뢰성을 더 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 히트싱크는, 상기 공정재료가 AuSn, AuSi, SnAgBi, SnAgCu, SnAgBiCu, SnCu, SnBi, PbSn, In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 접착재료인 것을 특징으로 한다. 젖는 성질·밀착성의 관점으로부터 이러한 접착재료가 적합하다. 본 발명의 히트싱크의 제조방법으로서는, 상기 공정 재료의 붙여 합침 온도를 500℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 이 온도 범위에서 히트싱크를 제조하는 것에 의해 현저하게 열변형이 개선된다.
본 발명의 구성에 의해, 예를 들면, 히트싱크에 질화물 반도체로 이루어지는 LED를 10개 이상으로 고밀도 탑재하는 것을 가능하게 하여, 나아가서는 CW구동으로 연속 발광하는 와트 광원을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 히트싱크에 고출력 면발광 반도체 레이저를 1 이상 탑재하는 것에 의해, 열량이 큰 질화물 반도체 레이저이더라도, CW구동으로 연속 발진하는 소형인 와트광원을 얻을 수 있다. 또한 본 발명의 히트싱크이면, 반도체 발광소자를 1 이상 탑재한 와트광원 자신을 복수개 배열하는 것도 가능해져, 더 고출력인 광원을 얻을 수 있다.
본 발명의 방열부재는, 면발광 반도체 레이저 및 고휘도 LED등에서 특히 유효하지만, 발열을 수반하는 모든 반도체 디바이스에 대해 적용할 수 있는 방열부재로서 이용할 수도 있다.
또한, 게다가 발열체는 제1 도전형 층과 제2 도전형 층을 갖는 반도체소자인 것이 바람직하다. 제1 도전형이 n형의 경우, 제2 도전형은 p형이 된다. 또는 이 반대라도 좋다. 본 실시형태에서는, 제1 도전형 층이 히트싱크에 전기적으로 접속되고, 제2 도전형 층이 히트싱크 위에 절연막을 통하여 형성된 금속 부재에 전기적으로 접속되고 있다.
이하, 본 형태에 대해서 도면에 기초하여 설명한다.
도 11은 본 발명의 히트싱크를 구비한 반도체 장치를 나타내는 모식적 단면도이다. 도 11의 반도체 장치는, 제1 판형상부재(2)와 제2 판형상부재(3)에 의해 서 구성된 히트싱크를 가지고 있고, 발열체인 LED칩(1)을 제1 판형상부재(2)상에 탑재하고 있다. 제1 판형상부재(2)와 제2 판형상부재(3)와의 사이에는 냉각용 유체를 흘리는 유로(12)가 형성되고 있다. 제2 판형상부재(3)는 유체의 공급구(36a)와 배출구(36b)를 구비하고 있다. 제1 판형상부재(2)의 상면에는, LED칩(1)의 탑재영역을 제외하고 절연성 부재(4)가 형성되고 있고, 그 절연성 부재(4)의 위에 금속부재(5)가 형성되고 있다. 제1 판형상부재(2)와 금속부재(5)는 절연성 부재(4)에 의해서 전기적으로 절연되고 있다. 발열체인 LED칩(1)은, 그 상면에 형성된 n측 전극이 금속부재(5)와 와이어로 접속되고 있다. 한편, LED칩(1)의 p측 전극은, LED칩(1)의 바닥면에 형성되고 있고, 제1 판형상부재(2)에 접속되고 있다. 금속부재(5)의 위에는, 또한 금속제의 캡 용접부재(6)가 상기 전기적으로 접속하도록 형성되고 있다. 또한, 제1 판형상부재(2)와 제2 판형상부재(3)도 전기적으로 접속되고 있다. 전원(8)은, 캡 용접부재(6)와 제2 판형상부재(3)에 접속된다. 전기적 접속경로로서는, 발열체(1)를 통하여 제1 판형상부재(2)와 금속부재(5)가 접속되고 있다. 즉, 제2 판형상부재(3)와 제1 판형상부재(2)가 LED칩(1)의 p측 전극에 전류를 흘리는 리드의 역할을 완수하고, 금속제의 캡 용접부재(6)와 금속부재(5)가 LED칩(1)의 n측 전극에 전류를 흘리는 리드의 역할을 완수하고 있다. 또한 금속부재(5)상의 캡 용접부재(6)에는, 또한 LED칩(1)을 보호하기 위한 커버인 캡(7)이 형성되어 있다. 캡(7)에는 LED칩(1)의 발광을 관측할 수 있도록 창부분이 형성되어 투광성의 창부재(9)가 끼워 넣어져 있다.
도 12는, 도 11에 나타내는 반도체 장치의 구조를 모식적으로 나타내는 사시 도이다. 한편, 도면의 간단을 위해, 금속부재(5), 캡 용접부재(6) 및 캡(7)은 생략하고 있다. 도 12 에 나타내는 바와 같이, 제1 판형상부재(2) 위에 원형의 창부분을 갖는 절연성 부재(4)가 형성되고 있고, 그 원형의 창부분(4a)으로부터 제1 판형상부재(2)가 노출하고 있다.이 원형의 창부분(4a)의 안쪽이 LED칩(1)의 탑재영역이 되고 있고, 창부분(4a)내에 복수(도 12에서는 21개)의 LED칩(1)이 정방 매트릭스 형상으로 배치되어 있다. 한편, 정방 매트릭스 형상이란, 개개의 LED칩이 바둑판형상으로 배열되어 있는 상태를 나타내고, 배열 전체가 직사가형이 아니라도 좋다. 본 실시형태에 의하면, 이하에 설명하는 수냉구조에 의해서 높은 냉각효율을 실현할 수 있기 때문에, 발열체인 LED칩(1)은, LED칩끼리의 간격(11)을 좁게 제한한 고밀도 탑재로 할 수 있다.
도 13은, 본 실시형태에 관한 반도체 장치의 히트싱크의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 한편, 본 도면면에서는 편의를 위해 개개의 부재를 분리하여 나타내고 있다. 히트싱크는, 제1 판형상부재(2)와 제2 판형상부재(3)에 의해서 구성되어 있다. 제1 판형상부재(2)는, 제1 면(21)과 제2 면(22)을 가지고 있고, 제2 판형상부재(3)는, 제1 면(31)과 제2 면(32)을 가지고 있다. 발열체인 LED칩(1)은, 제1 판형상부재(2)의 제1 면(21)의 위에 탑재되고 있다. 제1 판형상부재(2)의 제2 면(22)과 제2 판형상부재(3)의 제1 면(31)은 서로 대향하고 있고, 이들 2면에 끼워진 부분이 냉각용 유체가 흐르는 유로가 된다. 도 13에 부분확대도로 나타내는 바와 같이, 제1 판형상부재(2)의 제2 면(22)에는, 복수의 볼록부(25)가 형성되고 있다. 이 볼록부(25)에 의해 냉각용 유체와 제1 판형상부재(2)와의 접촉면적이 증가하여, LED칩(1)으로부터 제1 판형상부재(2)에 전해진 열이 효율적으로 방산된다. 또한, 제1 판형상부재(2)에 형성된 볼록부(25)는, 냉각용 유체의 진행방향이나 진행속도를 변화시키는 역할을 완수하여, 이것에 의해서도 방열효율이 향상한다. 히트싱크를 구성하는 판형상부재는 열전도성이 좋은 부재로 하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 동(Cu)을 모재로 한 동계 박판재료이다. 가장 바람직하게는 무산소 동이다. 한편, 후술하는 바와 같이 판형상부재끼리의 접합을 공정재에 의해서 실시하면, 판형상부재의 재료 선택의 자유도가 증가한다. 특히, 금을 포함하는 금속재료에 의해서 판형상부재의 붙여 합침면 전면을 덮어, 그 금을 포함하는 금속재료의 적어도 한 쪽을 저융점(예를 들면 융점 500℃이하)의 공정재로 하면, 냉각재에 대한 부식성도 고려할 필요가 없어지기 때문에, 판형상부재의 재료선택의 자유도가 한층 증가한다. 따라서, 판형상부재(특히 제1 판형상부재)의 재료로서 그 위에 탑재하는 반도체소자의 기판재료와 열팽창 계수가 대략 동일한 재료를 이용하는 것도 가능해져, 그에 따라 반도체소자의 탑재시에 반도체소자에 가해지는 일그러짐을 저감할 수 있다. 예를 들면, 반도체소자가 CuW 등으로 이루어지는 지지기판상에 형성되고 있는 경우에는, 제1 판형상부재를 같은 CuW에 의해서 구성하여, 그 붙여 합침면(=제2 면)을 금을 포함하는 금속재료(Au, AuSn, AuSi 또는 이러한 적층체 등)로 덮으면 좋다.
제1 판형상부재(2)의 제2 면(22)에 볼록부(25)가 형성된 결과, 요철패턴이 형성되고 있다. 본 실시형태에서는, 볼록부(25)가 평면에서 보아 원형(즉, 원기둥형상)인 경우를 예로 설명하지만, 요철의 패턴형상은, 줄무늬형상, 직사각형형상, 스트라이프 형상, 격자형상 등으로 해도 좋다. 제1 판형상부재(2)의 제2 면(22)에 형성되는 요철은, 단차가 바람직하게는 10㎛ 이상 500㎛ 이하, 보다 바람직하게는 100㎛ 이상 300㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 히트싱크에 있어서, 제1 판형상부재의 제1 면에 있어서의 발열체의 접촉면적(a)과 제2 면에 있어서의 발열체의 접촉영역에 대향한 제2 면에 있어서의 표면적(b)과의 비를, 바람직하게는 0.2≤(a/b)<1, 더욱 바람직하게는, 0.2≤(a/b)<0.5로 한다. 이 조건을 충족하는 히트싱크와 하기 위해서는, 제1 판형상부재(2)의 제2 면(22)에 요철을 형성하면 좋다. 또한 발열체인 LED칩(1)의 칩사이즈는 □100㎛∼□10mm 정도이다. 따라서, 그러한 발열체(1)가 복수개 형성된 제1 면에 대향한 제2 면에 요철을 형성하는 경우, 제2 면에 형성되는 오목부 및/또는 볼록부의 사이즈는 폭을 10㎛ 이상 1000㎛이하로 하는 것이 바람직하다.
제1 판형상부재(2)와 제2 판형상부재(3)의 바람직한 형태에 대해 도 4 내지 6을 참조하면서 설명한다. 도 14(a)∼(c)는, 제1 판형상부재(2)의 바람직한 형태를 나타내고, 도 15(a)∼(c)는, 제2 판형상부재(3)의 바람직한 형태를 나타낸다. 또한, 도 16(a) 및 (b)은, 도 14와 도 15에 나타내는 판형상부재를 조합한 상태를 나타낸다.
우선, 제1 판형상부재(2)의 바람직한 형태에 대해 설명한다. 도 14(a)∼(c)에 나타내는 바와 같이, 제1 판형상부재(2)의 제2 면(22)의 대략 중앙에는, 냉각용 유체의 유로를 형성하기 위한 원형 오목부(24)가 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 원형 오목부(24)의 깊이가 냉각용 유체를 흘리는 유로의 높이에 일치한다. 따 라서 원형 오목부(24)의 깊이는 10㎛ 이상 500㎛ 이하, 보다 바람직하게는 100㎛ 이상 300㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 이것은 유로의 높이가 지나치게 낮아서는, 가공이 곤란할 뿐만이 아니라 냉각수가 유로를 흐를 때의 저항이 커지기 때문이고, 반대로 유로의 높이가 지나치게 높아서는, 방열면인 오목부(24)의 바닥면으로부터 멀리 떨어진 위치에도 냉각용 유체가 흐르게 되어, 냉각에 기여하지 않는 유체를 과잉으로 순환시키게 되기 때문이다.
또한, 원형 오목부(24)의 바닥면에는, 방열핀이 되는 볼록부(25)가 규칙적으로 배열되고 있다. 개개의 볼록부(25)의 높이는, 원형 오목부(24)의 깊이와 같거나, 그것보다 낮게 하는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는, 볼록부(25)의 높이를 원형 오목부(24)의 깊이(=유로의 높이)와 같게 하고 있다. 이렇게 하면, 제1 판형상부재(2)와 제2 판형상부재(3)를 붙여 합칠 때에 볼록부(25)가 지지기둥으로서의 역할을 완수해, 히트싱크의 기계적인 강도가 향상된다. 그 때, 볼록부(25)의 상면을 제2 판형상부재(3)의 표면과 접합하면, 제1 판형상부재(2)와 제2 판형상부재(3)의 접합면적이 늘어나, 히트싱크의 기계적 강도가 한층 향상한다. 한편, 볼록부(25)의 높이를 원형 오목부(24)의 깊이(=유로의 높이)보다 낮게 하면, 볼록부(25)의 상면도 냉각용의 유체에 접촉하게 되어, 방열효율이 향상한다. 한편, 볼록부(25)를 제2 판형상부재(3)의 제1 면(31)에 형성하고, 볼록부(25)의 상면을 제1 판형상부재(2)의 제2 면(22)과 붙여 합치는 것도 가능하다. 그 경우, 볼록부(25)는 제1 판형상부재(2)의 제2 면(22)과 열적 및 기계적으로 일체화하고 있기 때문에, 제1 판형상부재(2)의 제2 면(22)에 볼록부 형성되었다고 볼 수 있다. 제1 판 형상부재(2)의 네 모서리에는, 나사구멍(23)이 형성되어 있다.
다음에, 제2 판형상부재(3)의 바람직한 형태에 대해 설명한다. 도 15(a) 내지 (c)에 나타내는 바와 같이, 제2 판형상부재(3)에는 유체를 공급하기 위한 관통구멍인 공급구(36a) 및 유체를 배출하기 위한 관통구멍인 배출구(36b)가 형성되어 있다. 또한, 제2 판형상부재의 제1 면(31)에는, 공급구(36a)로부터 제2 판형상부재(3)의 중앙을 향하여 대략 부채형상으로 넓어지는 부채형상 오목부(34a)가 형성되고 있고, 냉각용 유체를 공급구(36a)로부터 유로의 입구로 이끄는 가이드부를 구성하고 있다. 한편, 부채형상 오목부(34a)의 판형상부재 중앙에 가까운 둘레가장자리(37a)는 원호 형상이 되고 있고, 도 14에 나타낸 원형 오목부(24)의 둘레가장자리(24a)와 함께 유로의 입구를 구성한다. 또한, 부채형상 오목부(34a)의 바닥면에는, 복수의 지지기둥(35a)이 형성되고 있다. 지지기둥(35a)은, 유체가 흐르는 방향으로 일치하도록 방사상으로 배열되고 있다. 또한, 지지기둥(35a)은, 그 상면이 제2 판형상부재의 제1 면(31)과 면이 하나가 되는 높이를 가지고 있고, 제1 판형상부재(2)와 제2 판형상부재(3)를 붙여 합칠 때의 접합면이 된다. 이러한 지지기둥(35a)을 형성하는 것에 의해, 히트싱크의 기계적 강도가 향상됨과 동시에, 냉각용 유체가 유로 전체에 균일하게 흐르기 쉬워진다.
또한, 배출구(36b)에 대해서도 같은 구조가 형성되고 있다. 즉, 배출구(36b)로부터 판형상부재의 중앙을 향하여 대략 부채형상으로 넓어지는 부채형상 오목부(34b)가 형성되고 있고, 냉각용 유체를 유로의 출구로부터 배출구(36b)로 이끄는 도입가이드부를 구성하고 있다. 한편, 부채형상 오목부(34b)의 판형상부재 중앙에 가까운 둘레가장자리(37b)는 원호 형상이 되고 있고, 도 14에 나타낸 원형 오목부(24)의 둘레가장자리(24b)와 함께 유로의 출구를 구성한다. 또한, 부채형상 오목부(34b)의 바닥면에는, 복수의 지지기둥(35b)이 형성되고 있다. 한편, 제2 판형상부재(3)의 네 모서리에는 나사구멍(33)이 형성되고 있고, 제2 판형상부재(2)의 네 모서리에 설치된 나사구멍(23)과 일치시킴으로써, 판형상부재끼리의 위치맞춤을 가능하게 하고 있다.
이러한 제1 판형상부재(2)와 제2 판형상부재(3)를 조합하면 도 16(a) 및 (b)에 나타내는 형태가 된다. 도 16(a) 및 (b)에 나타내는 바와 같이, 제1 판형상부재(2)의 제2 면(22)에 형성된 원형 오목부(24)는, 제2 판형상부재의 제1 면(31)과의 사이에 원형의 냉각용 유로를 형성한다. 이 원형의 냉각용 유로의 입구(13)는, 제2 판형상부재(3)에 형성된 부채형상 오목부(34a)의 원호 형상의 둘레가장자리부(37a)와 제1 판형상부재(2)의 원형 오목부(24)의 둘레가장자리부(24a)와의 사이에 형성되고 있고, 원호상의 형상을 갖는다. 마찬가지로, 원형의 냉각용 유로의 출구(14)는, 제2 판형상부재(3)에 형성된 부채형상 오목부(34b)의 원호 형상의 둘레가장자리부(37b)와, 제1 판형상부재(2)의 원형 오목부(24)의 둘레가장자리부(24b)와의 사이에 형성되고 있고, 원호 형상의 형상을 갖는다. 한편, 당연히 원호상의 둘레가장자리부(37a 또는 37b)는, 제1 판형상부재(2)의 원형 오목부(24)의 둘레가장자리부(24a 또는 24b)보다 안쪽에 위치하도록 형성되고 있다. 또한, 제2 판형상부재(3)에 형성된 부채형상 오목부(34a)는, 제1 판형상부재의 제2 면(32)과의 사이에, 공급구(36a)로부터 유로의 입구(13)에 냉각용 유체를 이끄는 가이드를 형성한다. 마찬가지로 제2 판형상부재(3)에 형성된 부채형상 오목부(34b)는, 제1 판형상부재의 제2 면(22)과의 사이에, 유로의 출구(14)로부터 배출구(36b)에 냉각용 유체를 이끄는 가이드를 형성한다.
도 16에 나타내는 히트싱크에 대해 냉각용 유체의 흐름은 다음과 같이 된다. 우선, 공급구(36a)로부터 도입된 냉각용 유체는, 부채형상 오목부(34a)에 의해서 구성된 가이드에 따라서 퍼지면서 히트싱크 중앙으로 향해 흐른다. 그리고, 부채형상 오목부(34a)의 둘레가장자리부(37a)에 도달하면, 부채형상 오목부(34a)의 둘레가장자리부(37a)와 원형 오목부(24)의 둘레가장자리부(24a)에 의해서 형성된 유로의 입구(13)에 흘러들어간다. 여기서 유로의 입구(13)는 원호 형상이기 때문에, 히트싱크의 중앙으로 향하는 흐름의 일부는, 히트싱크의 주변부에 돌아 들어가면서 유로에 진입하게 된다. 따라서, 냉각용 유체가 유로 전체에 균일하게 흐르기 쉬워짐과 함께, 냉각용 유체의 수압분포가 유체의 흐름에 대해서 수직인 등고선을 형성하기 쉬워진다. 따라서, 평면적인 확대를 갖는 유로 전체에 걸쳐 균일한 냉각 효과를 얻을 수 있고, 탑재한 LED칩(1)의 열에 의한 특성편차를 억제할 수 있다.
그리고 냉각용 유로의 입구(13)로부터 유입한 유체는, 볼록부(25)에 의해서 S자모양으로 우회를 반복하면서 유로의 출구(14)를 향한다. 즉, 볼록부(25)는, 유로의 입구(13)의 중앙으로부터 출구(14)의 중앙을 향해 가장 근접하는 볼록부(25)끼리를 차례차례 연결한 선분이 굴곡을 반복하도록 서로 어긋나서 배치되어 있기 때문에, 볼록부(25)에 부딪친 유체는 S자모양으로 우회를 반복하면서 유로를 흐르게 된다. 환언하면, 볼록부(25)의 2차원 배열을 유로의 입구로부터 제1 열, 제2 열, ‥제 n 열이라고 보았을 때에, 제 n 번째의 볼록부(25)의 배열은, 제( n-1) 번째의 볼록부(25)의 배열로부터 반피치분만큼, 상하에 어긋나서 배치되어 있다. 이것에 의해 각 볼록부(25)는, 근접하는 4개의 볼록부가 만드는 정방형의 중심에 위치하는 배치가 된다. 이와 같이 유체가 S자모양으로 우회를 반복하면서 흐르도록 볼록부(25)를 배치하는 것에 의해, 냉각용 유체와 제1 판형상부재와의 사이의 열교환이 촉진되어 방열효과가 한층 높아진다.
이렇게 하여 유로를 흐른 냉각용 유체는, 유로 출구(14)에 도달하면 부채형상 오목부(34b)에 의해서 구성된 가이드를 통해서 배출구(36b)로부터 배출된다. 여기서 유로의 출구(14)는 원호 형상이기 때문에, 유로의 주변부로부터 흘러 온 유체는 출구(14)의 중앙으로 향해 돌면서 흘러나오게 된다. 따라서, 먼저와 같이, 냉각용 유체가 유로 전체에 균일하게 흐르기 쉬워짐과 함께, 냉각용 유체의 수압분포가 유체의 흐름에 대해서 수직인 등고선을 형성하기 쉬워진다. 따라서, 평면적인 확대를 갖는 유로전체에 걸쳐 균일한 방열효과를 얻을 수 있고, 탑재한 LED칩(1)의 열에 의한 특성편차를 억제할 수 있다. 한편, 판형상부재에 형성되는 유로형상은 도 14, 도 15의 형상에 한정되는 것은 아니다.
본 실시형태에 있어서, 유로 내에 형성하는 볼록부(25)는 발열체인 LED칩(1)에 대해서 특정의 위치에 배치하는 것이 바람직하다. 도 17(a) 및 (b)은, LED칩(1)이 정방 매트릭스 형상으로 배열되고 있는 경우에 있어서의 LED칩(1)과 볼록부(25)의 위치관계를 나타내는 모식도이다. 상술한 바와 같이, LED칩 등의 발열체로부터의 발열은, 방열면으로부터 방열되는 열수송에 있어서 히트싱크내를 두께방 향으로 45°의 각도로 퍼지면서 전해진다. 즉, 도 16(b)에 나타내는 바와 같이, LED칩(1)에서 발생한 열은, 제1 판형상부재(2)를 판두께 방향으로 진행할 때에 45°의 각도로 퍼지면서 진행한다. 이 때문에 LED칩(1) 등을, 예를 들면 칩끼리의 간격이 칩 폭 이하(보다 구체적으로는, 칩 폭의 절반 이하)인 높은 밀도로 탑재하면, 인접하는 2개의 LED칩에서 생긴 열이 제1 판형상부재의 두께방향으로 전해지는 동안에 겹쳐 포개져서 열간섭을 일으켜, LED칩(1)끼리의 간격(11)에 상당하는 위치에서 상대적으로 열밀도가 높아진다. 따라서 다수 있는 볼록부(25)의 적어도 일부는, LED칩(1)끼리의 간격(11)에 상당하는 위치에 형성하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 볼록부(25)를 형성하면, 그 부분에 있어서의 열밀도를 내릴 수 있기 때문이다. 즉, 볼록부(25)를 형성하면, 제1 판형상부재(2)의 단위 투영면적당의 표면적은 커지기 때문에, 냉각용 유체와 접하는 면{=제1 판형상부재(2)의 제2 면(22)}에 있어서의 열밀도를 내릴 수 있다. 따라서, LED칩 등의 발열체가 되는 반도체소자를 고밀도에 탑재하여, 서로 열간섭을 일으키는 경우라도, 열분포를 억제하여 고효율인 냉각을 할 수 있다.
또한, 같은 이유로부터, 각 LED칩(1)의 대략 중앙에 상당하는 위치에도 볼록부(25)를 형성하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, LED칩 등의 반도체 발광소자는, 일반적으로 소자의 중심부에서 큰 발열을 나타내기 때문이다. 따라서 본 실시형태에서는, 도 17(a)에 나타내는 바와 같이, 볼록부(25)를 LED칩(1)의 중앙과 네 모서리에 배치하도록 형성하고 있다. LED칩(1)의 네 모서리에 형성된 볼록부(25)는, LED칩(1)끼리의 간격(11)상에 중심을 가지도록(듯이) 배치되어 있다.즉, 어느 LED 칩(1)의 네 모서리에 형성되는 볼록부(25)는, 인접하는 3개의 LED칩(1)에도 걸쳐 형성되고 있다. 이와 같이 볼록부(25)를 배치하는 것에 의해, LED칩(1) 자신의 내부에서 생기는 열분포와 LED칩(1)끼리의 열간섭에 의해서 일어나는 열분포의 양쪽 모두를 억제하여 효과적인 방열을 실시할 수 있다. 한편, 직사각형의 LED칩(1)의 네 모서리에 볼록부(25)를 형성하는 대신에, 직사각형의 LED칩(1)의 각 변의 중앙에 볼록부(25)를 배치해도 좋다. 그 경우는 인접하는 2개의 LED칩(1)으로 1개의 볼록부(25)를 공유하게 된다. 한편, 이 경우도 볼록부(25)의 중심을 LED칩끼리의 간격(11) 상에 배치하는 것이 바람직하다.
히트싱크를 구성하는 판형상부재끼리는, 공정재료로 붙여 합치는 것이 바람직하다. 판형상부재끼리를 공정재료로 붙여 합치는 것에 의해, 제1 판형상부재(2)로부터 제2 판형상부재(3)에의 열전도와 전기전도를 양호하게 함과 함께, 냉각용 유체의 누설이 없고, 내열성의 높은 접합이 가능해진다. 제1 판형상부재(2)와 제2 판형상부재의 사이의 열전도가 양호하면, 이러한 조합에 의해서 히트싱크를 구성하는데 있어서 유리하다. 또한, 제1 판형상부재(2)와 제2 판형상부재의 사이의 전기전도가 양호하면, 이러한 조합에 의해서 구성한 히트싱크를 반도체 칩에의 리드로 할 때에 유리하다.
또한, 공정재료는 붙여 합침면의 전면, 즉, 제1 판형상부재(2)의 제2 면(22)과 제2 판형상부재(3)의 제1 면(31)의 전면에 형성하는 것이 바람직하다. 이것에 의해 공정재료에 의해서 판형상부재의 표면을 유체에 의한 부식 등으로부터 보호할 수 있다. 예를 들면, 판형상부재로서는 열전도율이 높은 동 등을 이용하는 것이 바람직하지만, 동은 냉각수에 의해서 전해부식 등을 일으키기 쉽다. 따라서, 판형상부재의 붙여 합침면의 전면을 내식성이 높은 공정부재(예를 들면, Au를 포함하는 합금 등)로 덮는 것에 의해, 신뢰성이 높은 히트싱크로 할 수 있다. 또한, 한 쪽의 판형상부재의 표면을 공정재료로 덮고, 다른 쪽의 판형상부재의 붙여 합침면 측에 금속막을 형성하는 구성으로 할 수도 있다. 즉, 판형상부재에 금속막을 형성하는 것에 의해서, 판형상부재의 표면을 보호함과 동시에 공정재료와의 접속을 용이하게 할 수 있다. 공정재료로서는, AuSn, AuSi, SnAgBi, SnAgCu, SnAgBiCu, SnCu, SnBi, PbSn, In로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 접착부재인 것이 바람직하다. 금속막은 접착부재인 공정재료와의 관계에서 젖는 성질이 양호한 금속이면 특별히 한정되지 않는다. 바람직한 조합으로서는, 공정재료로서 Au를 포함하는 합금(예를 들면, AuSn)을 이용하여, 금속막으로서 Au 혹은 Au를 포함하는 적층체를 이용할 수 있다.
또한, 본 발명의 히트싱크는, 2 이상의 발열체(1)를 어레이형상으로 탑재할 수 있다. 본 발명의 히트싱크를 이용하는 것에 의해, 발열체를 복수 탑재해도 충분한 방열을 확보함과 동시에, 냉각재 등의 흘러 들어감이나, 그에 따른 판형상부재의 벗겨짐 등을 억제할 수 있다. 또한 히트싱크의 동일면 위에 형성되는 어레이형상의 발열체는 전기적으로 병렬, 및/ 또는 직렬로 접속되고 있어도 좋다.
또한, 발열체는 제1 도전형 층과 제2 도전형 층을 갖는 반도체소자인 것이 바람직하다. 제1 도전형이 n형인 경우, 제2 도전형은 p형이 된다. 또한 이 반대라도 좋다. 본 실시형태에서는, 제1 도전형 층이 히트싱크에 전기적으로 접속되 고, 제2 도전형 층이 히트싱크 위에 절연막을 통하여 형성된 금속부재에 전기적으로 접속되고 있다.
또한, 본 발명의 히트싱크는, 2 이상의 발열체(1)를 어레이 형상으로 탑재할 수 있다. 본 발명의 히트싱크를 이용하는 것에 의해, 발열체를 복수 탑재해도 충분한 방열을 확보함과 동시에, 냉각재등의 흘러 들어감, 그에 따른 판형상부재의 벗겨짐 등을 등을 억제할 수 있다. 또한 히트싱크의 동일면 위에 형성되는 어레이형상의 발열체는 전기적으로 병렬, 및/또는 직렬로 접속되고 있어도 좋다.
또한, 본 발명의 반도체 장치는, 예를 들면 도 18에 나타내는 바와 같이, 히트싱크(40)를 구비하고 있고, 바깥쪽 표면에 설치된 공급구(42) 및 배출구(44)를 통해서 히트싱크(40) 내부를 냉각재가 흐르는 구조가 되고 있다. 발열체인 반도체소자(46)로부터 발생한 열은, 히트싱크(40) 내를 흐르는 냉각재에 의해서 적합하게 방열된다. 히트싱크(40)는, 예를 들면 2 이상의 판형상부재를 붙여 합쳐 형성된 적층 판형상부재로, 공정재나 젖는 성질이 좋은 금속막을 설치하여 강고하게 접착되고 있으므로 히트싱크(110) 내부에서 냉각수가 누설되는 일은 없다. 또한, 본 발명의 발열체를 반도체 발광소자, 특히 반도체 레이저로 하면, 500nm 이하의 단파장 영역에 있어서 레이저 발진하는 고출력의 레이저 광원장치를 얻는 것이 가능해진다. 또한 본 실시형태는, 발열체가 발광다이오드나 수광소자 등인 경우에도 적용 가능한 것은 말할 필요도 없다.
본 발명의 실시형태에 의해 구성되는 반도체 장치의 일례로서는, LED광원의 유닛모듈 광원장치가 있다(도 18). 상기 광원장치의 외형은, 히트싱크(40)와 그것 을 고정하는 고정치구(50)와 나사(48)로 형성된다. 또한, 히트싱크(40)와 고정치구(50)와의 사이에는, 히트싱크(40)의 공급구 및 배출구와 고정치구(50)의 공급구(42) 및 배출구(44)를 누설 없이 연결시키기 위한 부재를 이용해도 좋다. 이 부재는, 예를 들면 수지라도 좋고 금속이라도 좋다. 또한, 상기 LED광원의 유닛모듈 광원장치의 외관은 도 18에 나타내는 사각형이라도 좋고, 또한 도 19에 나타내는 바와 같이 삼각형이라도 좋다. 한편, 도 18 및 19에 있어서, 전원으로부터의 전력공급배선은 생략하고 있다.
또한, 상기 구성으로 이루어지는 LED광원의 유닛모듈 광원장치를 배열시키고, 초고출력화 모듈 광원장치를 구성할 수 있다. 도 20에는 초고출력화 모듈 광원장치를 나타낸다. 도 20에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 LED광원의 유닛모듈 광원장치(52)의 외관이 사각형인 경우는, 광원장치(52)를 어레이형상 혹은 매트릭스 형상으로 배열시키는 것에 의해, 더 나은 고출력 광원을 구성할 수 있다. 이 경우, 유닛모듈 광원장치(52)의 냉각재의 공급구 및 배출구는, 유닛모듈 광원장치(52)끼리의 사이에 직렬 또는 병렬로 연이어 통하게 하는 것이 바람직하다. 즉, 유닛모듈 광원장치(52)의 사이에서 공급구끼리 또는 배출구끼리를 연이어 통하게 해도 좋다. 또한, 이것을 대신하고, 어떤 유닛모듈 광원장치(52)의 배출구를 다음의 유닛모듈 광원장치의 공급구에 접속하여, 이것을 반복해도 좋다. 또한 상기 LED광원의 유닛모듈 광원장치(52)의 외관이 삼각형의 경우는, 도 21에 나타내는 바와 같이, 삼각형의 변끼리가 겹치듯이 차례대로 원형상으로 배열하는 것에 의해, 전체적으로 다각형이 되도록 배치하더라도 좋다. 이러한 배열을 채용하는 것에 의 해, 작은 면적이면서 더 나은 고출력화를 꾀한 광원을 구성할 수 있다. 한편, 초고출력화 모듈 광원장치는, 그것을 구성하는 유닛모듈 광원장치간의 공급구 및 배출구를 누설 없이 연결시키기 위한 부재를 이용해도 좋다. 이 부재는, 예를 들면 수지나 금속이다. 이것에 의해, 어레이형상 또는 매트릭스 형상 또는 원형상으로 배열되어 이루어지는 수로의 직렬결합에 있어서, 높은 수압이 필요하게 된 경우였다고 해도, 누수를 막는 것이 가능해진다.
이하, 본 발명에 관한 발광장치에 대해서 실시예를 들어 설명하지만, 이 실시예에 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 나타내는 부재의 크기나 위치 관계 등은 설명을 명확하게 하기 위해서 과장하고 있는 부분이 있다. 한편, 이하의 실시예에 있어서의 발광장치에 있어서, 반도체 발광소자에 전력을 공급하기 위한 도체배선 및 도전성 와이어의 재료, 형상 및 배치는, 여러 가지의 형태로 할 수 있고, 본 명세서중에서는 간단하기 때문에, 그 설명 및 도시는 생략하고 있는 부분도 있다.
[실시예 1]
도 1은, 본 실시예에 관한 발광장치의 모식적인 단면도를 나타낸다. 본 실시예에 관한 발광장치(100)는, 냉매의 유로(105)를 갖는 방열부재(102)와 복수의 반도체 발광소자(104)가 매트릭스 형상으로 배열되어 탑재되는 오목부(106)를 갖는 지지부재(103)를 구비한다. 또한 상기 방열부재(102) 중, 발광장치(100)으로부터 출사되는 빛이 관측되는 면에 대해서 광변환부재(101)가 도포되고 있다.
본 실시예에 있어서의 반도체 발광소자(104)의 발광 피크파장은, 365nm로 한다. 또한, 광변환부재(101)는, 백색계의 빛을 발하도록, 상술한 형광체로부터 적당히 선택하여, 혼합시킨 것을 함유시키고 있다. 방열부재(102)는, 그 재료를 석영유리로 해, 유로(105)에 냉매를 공급하기 위한 공급구 및 배출구(도시하지 않음)를 갖는다. 또한, 지지부재(103)는, 무산소 동으로 이루어지는 판재에 가공을 실시하여, 오목부(106)가 형성되어 있다. 이상과 같이 형성된 발광장치(100)를 수냉치구에 탑재하여, 냉매로서 순수한 물을 공급구로부터 발광장치내의 유로에 도입한다.
본 실시예에 관한 발광장치에 냉각수를 순환시켜, 60초 전력을 공급하여, 발광소자가 발하는 광밀도를 4.9W/cm2로 했는데, 출력의 감소는 확인되지 않는다.
다음에, 발광소자 광밀도에 대한 광변환부재의 온도, 발광장치의 광출력을 측정하였다. 광변환부재의 온도는, 광변환부재에 서미스트를 삽입하여 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다. 여기서, 도 5(a)는, 발광장치에 전력을 60초만 공급한 것을 모식적으로 나타낸다. 또한, 도 5(b)는, 본 실시예에 관한 발광장치의 상대적인 출력의 시간경과에 따른 변화를 모식적으로 나타낸다. 본 실시예에 의해, 발광소자로부터의 광밀도는, 3.0W/cm2 이상으로 할 수 있고, 광변환부재의 온도는, 적어도 200℃ 이하, 바람직하게는 120℃ 이하, 더욱 바람직하게는 100℃ 이하로 억제되는 것이 명백해진다.
본 실시예와 같은 발광장치로 함으로써, 형광체를 여기하는 발광소자로부터 의 빛이 단파장이고 고밀도인 여기광이라도, 형광체의 자기발열을 무시할 수 있는 정도로 억제하여, 광변환 효율을 최적으로 유지할 수 있다. 따라서, 본 발명은, 고휘도인 발광을 하는 발광장치로 할 수 있다.
[실시예 2]
유로에 냉매를 공급하지 않는 것 이외는, 실시예 1과 같이 발광장치를 형성한다. 이 발광장치에 있어서, 자외선을 발광하는 발광소자를 매트릭스 형상으로 오목부내의 제1 방열부재에 배열시켜, 그 발광소자의 약 2mm 바로 위에 백색계를 발광하도록 형광물질이 함유된 광변환부재부를 얹어 놓는다. 발광소자의 발광 피크파장은, 365nm로 하고, 또한 형광체는, 백색계의 빛을 발하도록, 상술의 형광체로부터 적당히 선택하여, 혼합시켰다. 방열부재의 재료는, 석영유리로 하고, 광변환부재는 석영유리의 발광 관측면측 표면에 도포하였다. 광변환부재에 서미스트를 삽입하여, 광변환부재부의 온도를 측정하였다. 발광소자 광밀도, 발광소자에의 전력에 대한 광변환부재의 온도, 발광장치의 광출력을 측정하여, 그 결과를 이하의 표에 나타낸다. 또한, 도 5(a)는, 발광장치에 전력을 시간 60초만 공급한 것을 모식적으로 나타낸다. 또한, 도 5(b)는, 발광소자로부터의 각 광밀도에 대해서, 발광장치의 상대적인 광출력의 시간경과에 따른 변화를 모식적으로 나타낸다. 또한, 도 5(c)는, 발광소자로부터의 각 광밀도에 대해서, 광변환부재의 온도의 시간경과에 따른 변화를 모식적으로 나타낸다.
[표 1]
광밀도 [W/cm2] 전력 [W] 광변환부재의 온도 [℃]
1.5 15 약 60
2.7 30 약 85
4.9 70 약 120
전력이 15W일 때, 광변환부재의 온도는 약 60℃이지만, 도 5(b)에 나타나는 바와 같이, 광출력은 충분히 안정되었다. 전력이 30W일 때, 광변환부재의 온도는 약 85℃이지만, 제2 광인 백색광의 출력은 초기에 약간 감소하지만 충분히 안정되었다. 전력이 70W일 때, 광변환부재의 온도는, 전력 투입하여 60초 후에 약 120℃에까지 달하고, 발광장치의 출력광은, 전력 투입하여 60초 후, 초기의75% 정도의 출력에까지 감소했지만, 그 후 어느 출력에서 안정되는 징조를 나타냈다.
[실시예 3]
도 2는, 본 실시예에 관한 발광장치(200)의 모식적인 단면도를 나타낸다. 본 실시예에 있어서의 방열부재(202)는, 평판형상의 금속재료로 하여, 발광장치(200)의 발광관 측방향에서 보아, 매트릭스 형상으로 배열된 복수의 관통구멍을 갖는다. 또한, 광변환부재(201)는, 그 방열부재(202) 중, 반도체 발광소자(104)로부터의 빛이 조사되는 측의 면, 관통구멍 및 발광 관측면에 형성되고 있다. 따라서, 광변환부재(201)중에, 방열부재(202)가 그물코형상으로 둘러쳐 있는 상태가 되고 있다. 또한, 발광관 측방향에서 보아, 방열부재(202)혹은 광변환부재(201)의 주변부는, 지지부재(103)에 대해서 열적으로 접속되고 있다. 이상과 같이 하는 것 이외는, 실시예 1과 같이 발광장치를 형성한다. 본 실시예와 같이 구성하는 것에 의해, 실시예 1과 거의 동등한 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 광변환부재의 중앙부에서 주변부 방향에의 방열이 촉진되어 고출력인 발광장치로 할 수 있다.
[실시예 4]
도 3은, 본 실시예에 관한 발광장치(300)의 모식적인 단면도를 나타낸다. 본 실시예에 있어서의 광변환부재(301) 및 방열부재(302)는, 함께 투광성 부재(303)의 상면 및 하면 중, 발광장치(300)로부터의 발광이 관측되는 표면측에 배치되어 있다. 여기서, 본 실시예에 있어서의 투광성 부재(303)이란, 적어도 반도체 발광소자(104)로부터의 빛을 투과시키는 평판형상의 재료이며, 그 구체적인 재료는, 예를 들면, 유리나 투광성 수지 등이다. 또한, 광변환부재(301)는, 상기 투광성 부재(303)를 투과해 오는 발광소자(104)로부터의 빛이 조사되는 영역, 즉 오목부(106)의 개구부의 크기에 맞춰 형성되고 있다. 또한, 방열부재(302)는, 그 내부에 냉매의 유로(105)를 갖고, 광변환부재(301)의 바깥가장자리부를 둘러싸도록 형성되고 있다. 여기서, 방열부재(302) 내부의 냉매의 유로(105)는, 광변환부재 (301)를 둘러싸도록 형성된다. 또한, 발광관 측방향에서 보아, 투광성 부재 (303)의 주변부는, 적어도 지지부재(103)와 접하는 부분에 필러를 함유시켜, 열전도성이 좋게 해도 좋다. 이상과 같이 하는 것 이외는, 실시예 1과 같이 발광장치를 형성한다. 본 실시예와 같이 구성하는 것에 의해, 실시예 1과 거의 동등한 효과를 얻을 수 있고, 발광장치로부터 출사하는 빛의 광학특성에 방열부재가 영향을 미치는 일이 없어져, 더 고출력인 발광장치로 할 수 있다.
[실시예 5]
도 4는, 본 실시예에 관한 발광장치(400)의 모식적인 단면도를 나타낸다. 본 실시예에 있어서의 발광장치(400)는, 반도체 발광소자(104)가 얹어 놓여진 지지부재(103)의 오목부(106)의 개구방향에 곡면형상이 된 방열부재(402)를 갖고, 그 방열부재(402)의 내벽면{발광소자(104)로부터의 빛을 받는 면}에 광변환부재(401)가 도포되고 있다. 또한, 방열부재(402)의 끝단부는, 지지부재(103)와 열적으로 접속시키고, 다른 끝단부는, 발광장치의 출력광을 통과할 수 있도록, 지지부재 (103)로부터 이간시켜 둔다. 이와 같이 구성하는 것에 의해, 반도체 발광소자 (104)로부터의 빛(예를 들면, 도면중, 파선으로 나타난다.)은, 광변환부재(401)에 입사되어 형광체에 의해 파장 변환된 빛이 방열부재(402)의 내벽면에서 반사되어 발광장치(400)로부터 출력된다(예를 들면, 도면중, 실선으로 나타난다.). 이상과 같이 하는 것 이외는, 실시예 1과 같이 발광장치를 형성한다. 본 실시예에 의해, 실시예 1과 거의 동등한 효과를 얻을 수 있어, 형광체에 의해 파장 변환된 빛을 원하는 방향으로 출사하는 발광장치로 할 수 있다.
[실시예 6]
도 6은, 본 실시예에 관한 발광장치의 모식적인 사시도 및 부분 단면도를 나타낸다. 또한, 도 7은, 본 실시예에 관한 발광장치의 각 구성부재를 나타내는 모식적인 사시도이고, 도 8은, 도 6의 X-X에 있어서의 발광장치의 단면도이다.
본 실시예에 관한 발광장치(100)는, 제1 유로(112)를 갖는 제1 방열부재(115)와 발광소자(201)에 전력을 공급하는 지지기판(108)이 절연성 부재(107)를 통하여 적층되고 있고, 또한 상기 지지기판(108)에 대해서, 제2 유로(113)를 갖는 제2 방열부재(109)가 적층되고 있다. 제2 방열부재(109)는, 그 발광 관측면측 주면에, 형광체를 함유하는 광변환부재(101)가 피착되고 있다. 또한, 상기 유로에 냉매를 유입시키기 위한 공급구, 및 상기 유로로부터 발광장치의 외부에 냉매를 방출시키기 위한 배출구가, 제1 방열부재(115)의 주면측, 즉 발광장치(100)의 탑재면측에 형성되고 있다. 절연성 부재(107)와 지지기판(108)은, 주면방향에 관통구멍을 갖고, 그 관통구멍이 상기 공급구 및 배출구와 대향되어 상기 제1 유로(112)와 제2 유로(113)를 연락하는 제3 유로(110)로 되어 있다. 또한, 지지기판(108)은, 얹어 놓여진 반도체 발광소자를 포위하는 관통구멍이 형성되고 있고, 관통구멍의 내벽면은, 발광소자로부터의 빛을 발광 관측면방향으로 반사시키도록 테이퍼형상이 되고 있다.
복수의 발광소자(201)는, 매트릭스 형상으로 오목부내의 제1 방열부재에 배열되어, 백색계를 발광하도록 형광물질이 함유된 광변환부재부를 제2 방열부재에 얹어 놓는다. 본 실시예에 있어서의 발광소자의 발광 피크파장은, 365nm로 하고, 또한 형광체는, 백색계의 빛을 발하도록, 상술한 형광체로부터 적당히 선택하여, 혼합시켰다. 제2 방열부재의 재료는, 석영유리로 하여, 광변환부재는 석영유리의 발광 관측면측 표면에 도포한다. 이하, 본 실시예에 관한 발광장치의 형성방법에 대해 상술한다.
우선, 발광소자를 냉각하기 위한 제1 방열부재(115)를 형성한다. 무산소동으로 이루어지는 판재에 가공을 하여, 도 7에 나타내는 바와 같이, 제1 판형상부재(115a) 및 제2 판형상부재(115b)로 한다. 제1 및 제2 판형상부재의 판두께는, 각각 200㎛로 한다. 또한, 제1 판형상부재(115a)는, 고정을 위한 나사구멍이 사방으로 형성되고, 반도체 발광소자를 얹어 놓는 주면에 대향하는 측의 면에, 제3 유로의 측벽이 되는 관통구멍을 형성한다.
한편, 제2 판형상부재(115b)에는, 도 2에 나타나는 바와 같이, 나사구멍을 네 방향으로 형성한 후, 제1 유로(112)를 형성하는 요철형상 및 냉매를 발광장치내에 도입하기 위한 공급구와, 발광장치 밖으로 냉매를 방출시키기 위한 배출구를 형성한다. 또한, 제1 및 제2 판형상부재의 대향하는 주면에, Au 및/또는 Au와 Sn의 합금층을 형성한다. 그 후, 질소가스 분위기중에서 300∼400℃의 열처리를 실시하여, 제1 및 제2 판형상부재를 붙여 합쳐 판재가 적층된 제1 방열부재(115)로 한다. 한편, 제1 유로는, 제1 판형상부재와 제2 판형상부재의 빈틈에 상기 요철형상에 의해 형성된다.
다음에, 광변환부재가 피착되어, 상기 광변환부재를 냉각하는 제2 방열부재(109)를 형성한다. 제2 방열부재(109)의 재료는, 적어도 반도체 발광소자의 발광의 주파장에 대해서 투광성을 갖는 재료, 바람직하게는 반도체 발광소자의 광과 형광체의 광에 대해서 투광성을 갖는 재료이다. 예를 들면, 합성석영, 투광성 수지를 2장의 판재(109a, 109b)로 하고, 상기 판재의 적어도 한 쪽의 주면에 요철형상, 공급구 및 배출구를 형성한다. 그 후, 녹여 붙임 등에 의해 판재끼리를 붙여 합쳐 제2 방열부재(109)로 한다.
또한, 탑재되는 발광소자를 냉각하는 제1 방열부재(115)와 절연성 부재(107)와, 지지기판(108)과 광변환부재가 피착되는 제2 부재(109)를 순서대로 적층한다. 이 때, 절연성 부재(107)에는, 미리 관통구멍이 형성되고 있고, 제1 및 제2 방열부재의 공급구와 배출구가 각각 대응하도록, 각 부재의 개구부의 위치결정을 실시한다. 또한, 절연성 부재(107)는 상면과 하면이 전기적으로 절연되고 있고, 상기 나사구멍과 대응하는 나사구멍이 형성되고 있다. 또한, 절연성 부재(107)에 형성된 관통구멍의 개구부의 입구지름은, 제1 혹은 제2 방열부재에 형성된 공급구 및 배출구의 입구지름보다 약간 커지고, 개구부는, O링이 되고 있는 것이 바람직하다. O링은, 고무, 실리콘수지와 같은 탄성체가 링형상으로 형성된 부재를 관통구멍에 끼워 넣는 것에 의해 이루어진다. 이것에 의해, 발광장치로부터 냉매가 새어 나오는 것을 방지할 수 있다. 이상과 같이 하여, 반도체 발광소자가 얹어 놓여지는 지지체가 형성된다.
반도체 발광소자는, 도전성 접착제를 통하여 제1 방열부재(115)에 탑재된다. 제2 방열부재(109)는, 발광 관측면측 표면에, 형광체가 투광성 수지로 고착된 광변환부재(101)가 피착된다. 반도체 발광소자는, Au-Sn를 접착제로서 제1 방열부재(115)와 지지기판(108)에 의해 형성되는 오목부(111)내에 탑재된다. 이 때, 상술의 동을 주성분으로 하는 판재의 접합에 사용되는 Au-Sn의 공정온도와 비교하여, 반도체 발광소자를 탑재할 때에 사용되는 Au-Sn의 공정온도가 낮아지도록 한다. 이것에 의해, 판재의 박리를 방지할 수 있다.
이상과 같이 형성된 발광장치(100)를 수냉치구에 탑재하고, 냉매로서 순수한 물을 공급구로부터 발광장치내의 유로에 도입한다. 예를 들면, 도 8 중에 화살표로서 나타나는 바와 같이, 공급구로부터 발광장치에 연속하여 공급되는 순수한 물 은, 제1 유로(112)와 제3 유로(110)를 경유하여 제2 유로에 유입하는 것으로 분류되어 분류된 순수한 물은, 배출구 부근에서 다시 합류하여 발광장치(100)의 외부에 배출된다. 이와 같이 발광장치내에 순수한 물을 순환시켜도, 상술한 바와 같이, 본 실시예에 관한 발광장치는, Au-Sn를 접착제로서 부재끼리를 접합하여, O링을 갖는 것에 의해, 히트싱크로부터 냉매가 새는 일은 없다.
본 실시예에 관한 발광장치에 냉각수를 순환시켜, 60초 전력을 공급하여, 발광소자가 발하는 광밀도를 4.9 W/cm2로 했더니, 출력의 감소는 확인되지 않는다.
다음에, 발광소자 광밀도에 대한 광변환부재의 온도, 발광장치의 광출력을 측정하였다. 광변환부재의 온도는, 광변환부재에 서미스트를 삽입하여 측정하였다. 본 실시예에 의해, 발광소자로부터의 광밀도는, 3.0W/cm2 이상으로 할 수 있고, 광변환부재의 온도는, 적어도 200℃ 이하, 바람직하게는 120℃ 이하, 더욱 바람직하게는 100℃ 이하로 억제되는 것이 명백해졌다.
본 실시예와 같은 발광장치로 함으로써, 형광체를 여기하는 발광소자로부터의 빛이 단파장으로 또한 고밀도인 여기광이라도, 형광체의 자기발열을 무시할 수 있을 정도로 억제하여, 광변환효율을 최적으로 유지할 수 있다. 따라서, 본 발명은, 고휘도인 발광을 하는 발광장치로 할 수 있다.
[실시예 7]
두께로 200㎛의 무산소동으로 이루어지는 제1 판형상부재 및 제2 판형상부재를, 도 14, 도 15에 나타내는 바와 같이 가공을 한다. 제1 판형상부재에는 나사구 멍을 사방으로 형성하고, 발열체를 형성하는 제1 면에 대향한 제2 면에는 요철가공을 하고 있다(도 14). 제2 판형상부재에도 나사구멍을 사방으로 형성하고, 또한 유체를 도입하는 공급구와 배출구를 형성한다(도 15). 이러한 부재의 형성면에는, Au층, 및/ 또는 AuSn층을 형성한다. 그 후, N2가스 분위기 중에서 300℃∼400℃의 열처리를 실시하여 붙여 합쳐 적층 판형상부재를 형성한다. 이 적층 판형상부재에는 발열체를 AuSn등의 접착부재를 사용해 탑재한다. 이 때, 동박판에 실시하는 AuSn의 공정온도에 비해, 발열체를 탑재할 때에 이용하는 AuSn의 공정온도가 낮아지도록, AuSn 중량비를 제어해 둠으로써, 발열체를 접합할 때의 히트싱크의 박리를 억제할 수 있다. 이러한 발열체를 형성한 히트싱크는, 수냉치구에 탑재하여 유체로서 예를 들면 순수한 물 등을 순환시켜도 히트싱크로부터 유체가 새는 일은 없다.
[실시예 7-1]
케미컬 에칭 등에 의해 상기 제1 판형상부재의 제2 면에, 요철구조를 실시하여 적층 판형상부재를 형성하여 이루어지는 히트싱크에 있어서, 히트싱크 위에 □1mm의 질화물 반도체로 이루어지는 LED소자를 21개 탑재하고, 개구지름으로 8mm정도의 LED광원을 시작하였다. 요철은 오목부의 폭 200㎛, 깊이 200㎛이고, 볼록부의 폭은 800㎛이다. 이 LED광원을 구성하는 21개의 소자 중의 평균적인 1개 소자의 I-L특성과 종래 수동적 냉각수단에 의해 얻을 수 있는 1소자의 I-L특성을 조사했더니, 도 22에 나타내는 바와 같이, O점으로 나타내는 수동적 냉각수단에서는 0.3A∼0.5A로부터 선형성(linearity)이 붕괴된다. 이것에 대해서, 본 실시예인 능동적 냉각수단에 대해서는, 실선으로 나타내는 바와 같이 LED소자가 21개 탑재된 반도체 장치라도 0.5A 이상에 미치는 선형성이 취해져 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 23에 나타내는 바와 같이 □1mm의 LED소자를 21개 탑재한 반도체 장치로부터 5Watt를 넘는 광출력을 얻을 수 있었다. 소자간격이 200㎛ 정도이고 열간섭을 고려했다고 해도, 이러한 고밀도 탑재이면서 선형성이 양호한 고휘도 LED광원을 얻을 수 있었다.
[실시예 7-2]
본 발명의 히트싱크에, LED 소자를 21개 탑재해서 이루어지는 반도체 장치에 있어서, 유체로서 순환 냉각매체인 순수한 물(온도 25℃, 유량 0.4L/min의 조건)을 순환시켜 정전류 구동시켰다. 그 결과를 도 24, 25에 나타낸다. 상기 반도체 장치는, 순수한 물(온도 25℃, 유량 0.4L/min의 조건)을 순환시켜, 전류 10.5A(1개 소자당의 투입전류는 0.5A)로 정전류 구동시켰다(도 24). 비교예가 되는 수동적 냉각방법에서는, 점선으로 나타내도록 1소자에 0.5A 투입했을 경우에는, 100시간 경과 후에는 출력이 약 10% 저하하는 것이 추측되지만, 본 발명의 능동적 냉각수단을 이용한 히트싱크에 탑재시켰을 경우, 발열체인 LED 소자의 간격이 200㎛로 고밀도 탑재이면서도 100시간 후의 열화는 거의 관측할 수 없었다. 이 때의 열밀도는 약 2Watt/mm2이지만, 3Watt를 넘는 광출력을 얻을 수 있었다.
[실시예 7-3]
또한, 본 발명의 히트싱크에 LED 소자를 21개 탑재해서 이루어지는 반도체 장치에 있어서, 순수한 물(온도 25℃, 유량 0.4L/min의 조건)을 순환시켜, 전류 20A(1개 소자당의 투입전류는 0.95A)로 정전류 구동시켰다(도 25). 수동적 냉각방법에서는, 1소자에 1A투입했을 경우, 10시간 경과후에는 출력이 약 15% 저하하는 것이 추측되지만, 본 발명의 능동적 냉각수단을 이용한 히트싱크에 탑재시켰을 경우, 소자간격이 200㎛로 고밀도 탑재이면서도, 10시간 후의 열화는 거의 관측할 수 없었다. 이 때의 열밀도는 약 5Watt/mm2이지만, 5Watt를 넘는 광출력을 얻을 수 있었다.
[실시예 7-4]
히트싱크에 발열체가 매트릭스 형상으로 탑재된 것(이하, '계(系)'라고 한다.)이, 진공 단열공간에 놓여져 있고, 히트싱크내에 25℃의 냉각수가 순환하고 있다고 가정하고 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션 결과를 도 26에 나타낸다. 도 26(a)은, 볼록부를 발열체의 중앙과 네모서리에 배치하여, 볼록부의 지름을 상대적으로 크게 설정한 히트싱크를 이용한 시뮬레이션이다(이하, 간단히 '계(a)'라고 한다.). 도 26(b)은, 볼록부를 발열체의 중앙에 배치하고, 볼록부의 지름을 상대적으로 작게 설정한 히트싱크를 이용한 시뮬레이션이다(이하, 간단히 '계(b)'라고 한다.). 도 26(c)은, 볼록부가 완전히 없도록 설정한 히트싱크를 이용한 시뮬레이션이다(이하, 간단히 '계(c)'라고 한다.).
도 26(a)∼(c)에 있어서, 파선은 냉각용 유체의 수압분포를 나타내는 등고선 이다. 도 26(a)∼(c)에 나타내는 바와 같이, 계(c)보다 계(b), 계(b) 보다 계(a) 쪽이, 냉각용 유체의 수압분포가 유체의 흐름에 대해서 수직인 등고선을 형성하기 쉬워지고, 냉각용 유체가 유로 전체에 균일하게 흐르기 쉬워진다. 이것에 의해, 계(a)와 같이 볼록부를 설정한 히트싱크를 이용한 발광장치는, 열에 의한 특성편차가 억제되는 것을 알 수 있다. 또한, 시뮬레이션에서는, 25℃의 냉각수를 끊임없이 순환시키고 있으므로, 계의 최저온도가 25℃ 이상이 된다면 히트싱크에 열이 축열된다. 즉 실제로는, 계 외부의 재료에 방열되기 위해 패키지의 온도가 상승하는 것을 추측할 수 있다.
도 27 및 28은, 계(a)∼(c)의 최저온도, 최고온도와 냉각수의 유량의 관계를 나타내는 그래프이다. 여기서 계의 '최저온도'란, 계중에서 제일 낮은 온도를 가리키고, '최고온도'란, 계중에서 제일 높은 온도, 즉 발열체 자신의 온도를 가리킨다.
도 27 및 28에 나타내는 바와 같이, 계(a)와 같이 볼록부를 설정한 히트싱크를 이용한 발광장치는, 냉각수의 유량이 작은 경우에서도, 계의 최저온도 및 최고온도가 낮게 유지되고 있어, 계 외부의 재료에의 열의 유출을 억제하여 열평형상태로 이끄는 것이 가능하다.
또한, 계의 최고온도로부터 계산되는 열저항과 유량의 관계를 도 29에 나타낸다. 계(a)와 같이 볼록부를 설정한 히트싱크를 이용한 발광장치는, 유량 0.3∼0.7L/min에 있어서 0.5℃/Watt 이하라고 하는 열저항을 얻을 수 있다. 이것은, 매우 응축된 열밀도의 높은 열량을 배열할 수 있는 것을 나타낸다.
따라서, 본 실시예의 계(a)와 같은 구성을 갖는 발광장치로 함으로써, 100Watt를 넘는 전력을 연속적으로 투입해도 맨손으로 드는 것이 가능한 고출력인 발광장치로 할 수 있다.
본 발명의 발광장치는, 형광램프 등의 일반조명, 신호기용, 차재조명, 액정용 백라이트, 디스플레이 등의 발광장치, 특히, 반도체 발광소자를 이용하는 백색계 및 다색계의 발광장치에 이용할 수 있다.
또한, 본 발명은, 방열성이 뛰어나고 형광체의 열화도 없기 때문에, 신뢰성이 높게 고출력인 빛을 발하는 조명장치로서 이용할 수 있다.
또한 본 발명은, 반도체 발광소자나 반도체 수광소자, 또는 반도체 디바이스 등의 발열체를 형성한 히트싱크, 및 이것을 구비한 반도체 장치로서 이용할 수 있다.

Claims (19)

  1. 발광소자와, 상기 발광소자로부터의 빛의 적어도 일부를 흡수하여 다른 파장을 갖는 빛을 발하는 형광물질을 함유하는 광변환부재를 구비하는 발광장치로서,
    상기 발광장치는, 상기 발광소자로부터 보아 상기 광변환부재를 구비하는 측에 방열부재를 더 갖는 것을 특징으로 하는, 발광장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열부재는 냉매의 유로를 갖는, 발광장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 방열부재는, 상기 냉매가 도입되는 공급구와, 상기 유로가 환류되는 냉매가 방출되는 배출구를 적어도 한 쌍 갖는, 발광장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 방열부재는, 적어도 상기 발광소자로부터의 빛을 투과하는 재료 또는 상기 발광소자로부터의 빛과 상기 광변환부재가 발하는 빛의 양쪽 모두의 빛을 투과시킬 수 있는 재료로 이루어지는, 발광장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열부재는, 2장의 판형상부재의 사이에 냉각용 유체를 흘리는 유로가 형성되는 방열부재로서,
    상기 발광소자는, 상기 방열부재의 주면(主面)상에 2차원 형상으로 배열하도록 복수 탑재되고,
    상기 유로 내에 있어서 상기 판형상부재의 표면에 복수의 볼록부가 형성되고, 상기 복수의 볼록부의 적어도 일부는, 상기 발광소자의 사이 및 대략 중앙에 중심이 위치하도록 형성되는, 발광장치.
  6. 발광소자와, 상기 발광소자로부터의 빛의 적어도 일부를 흡수하여 다른 파장을 갖는 빛을 발하는 형광물질을 함유하는 광변환부재와, 방열부재를 구비하는 발광장치로서,
    상기 방열부재는, 냉매의 유로를 갖고, 상기 발광소자가 얹어 놓여지는 측에서 제1 유로를 갖는 제1 방열부재와, 상기 발광소자로부터의 빛이 조사되는 측에서 제2 유로를 갖는 제2 방열부재로 이루어지고, 상기 제2 방열부재는, 상기 광변환부재를 갖는 것을 특징으로 하는, 발광장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유로는, 상기 제1 유로와 상기 제2 유로를 연락(連絡)하는 제3 유로를 갖는, 발광장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 방열부재 및/또는 상기 제2 방열부재는, 상기 냉매가 도입되는 공급구와, 상기 유로가 환류되는 냉매가 방출되는 배출구를 적어도 한 쌍 갖는, 발광장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 방열부재와, 절연성 부재와, 지지기판과, 상기 제2 방열부재가 적층되어 이루어지는, 발광장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 방열부재는, 상기 공급구 혹은 배출구를, 적어도 한 쪽의 주면(主面)측에 갖고, 상기 절연성 부재와 상기 지지기판은, 상기 제3 유로의 일부가 되는 관통구멍을 갖는, 발광장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 절연부재의 적어도 한 쪽의 주면에 Au, Ag, Al로부터 선택되는 적어도 1종(種)을 포함하는 도전성 부재가 피착되어 있는, 발광장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 발광소자의 한 쪽의 전극은, 도전성 와이어를 통하여 상기 절연성 부재 의 적어도 한 쪽의 주면에 피착된 도전성 부재와 전기적으로 접속되고, 다른 쪽의 전극은, 상기 제1 방열부재에 각각 전기적으로 접속되는, 발광장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제2 방열부재는, 적어도 상기 발광소자로부터의 빛을 투과하는 재료, 또는, 상기 발광소자로부터의 빛과 상기 광변환부재가 발하는 빛의 양쪽 모두의 빛을 투과시킬 수 있는 재료로 이루어지는, 발광장치.
  14. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 방열부재 및/또는 상기 제2 방열부재는, 2장의 판형상부재의 사이에 냉각용 유체를 흘리는 유로가 형성되는 방열부재로서,
    상기 발광소자는, 상기 제1 방열부재의 주면상에 2차원형상으로 배열하도록 복수개 탑재되고,
    상기 유로 내에 있어서 상기 판형상부재의 표면에 복수의 볼록부가 형성되고, 상기 복수의 볼록부의 적어도 일부는, 상기 발광소자의 사이 및 대략 중앙에 중심이 위치하도록 형성되는, 발광장치.
  15. 2장의 판형상부재의 사이에 냉각용 유체를 흘리는, 유로가 형성되는 방열부재와, 상기 방열부재의 주면상에 2차원형상으로 배열하도록 탑재되는 복수의 발광소자를 구비하는 발광장치로서,
    상기 유로 내에 있어서 상기 판형상부재의 표면에 복수의 볼록부가 형성되고,
    상기 복수의 볼록부의 적어도 일부는, 상기 발광소자의 사이 및 대략 중앙에 중심이 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 발광장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 복수의 볼록부는, 상기 유로의 입구로부터 출구를 향하여 가장 근접하는 볼록부끼리를 차례차례 연결한 선분이 굴곡을 반복하듯이 서로 어긋나서 배치되는, 발광장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수의 볼록부의 적어도 일부는, 상기 발광소자의 사이에 중심이 위치하도록 형성되는, 발광장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 복수의 볼록부가 각 발광소자의 대략 중앙과 정점 부근에 배치되는, 발광장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 판형상부재의 붙여 합침면이, Au를 포함한 금속재료에 의해서 덮여 있 는, 발광장치.
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