KR20120024976A - 발광 모듈 - Google Patents

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다츠야 마츠우라
겐 가토
야스타카 사사키
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가부시키가이샤 고이토 세이사꾸쇼
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Abstract

발광 모듈(10)에 있어서, 반도체 발광 소자(14)는 단파장 가시광을 발광한다. 반도체 발광 소자(14)는 동일 평면 상에 복수개 병설된다. 광파장 변환 부재(16)는 백색광을 출사하도록, 반도체 발광 소자(14)가 발하는 광을 파장 변환한다. 광파장 변환 부재(16)는 파장 변환하여 발하는 광의 파장 범위가 서로의 여기 파장과 상이한 제1 형광체 및 제2 형광체를 함유한다. 제1 형광체는 단파장 가시광을 여기하여 황색광을 발한다. 제2 형광체는 단파장 가시광을 여기하여 청색광을 발한다. 제1 형광체는 여기 파장 범위에 청색광의 파장 범위를 포함하지 않는다. 광파장 변환 부재(16)는 복수의 반도체 발광 소자(14)를 일체적으로 피복하도록 포팅된 후 경화된다.

Description

발광 모듈{LIGHT EMITTING MODULE}
본 발명은 발광 모듈에 관한 것이며, 특히 발광 소자와 그 발광 소자가 발하는 광을 파장 변환하여 출사하는 광파장 변환 부재를 구비하는 발광 모듈에 관한 것이다.
현재, 백색광을 발하는 백색 LED(Light Emitting Diode)가 널리 이용되고 있다. 여기서, 예컨대 청색광을 발하는 반도체 발광 소자와, 청색광에 의해 여기되어 녹색광을 발하는 형광체와, 청색광에 의해 여기되어 적색광을 발하는 형광체를 조합시킴으로써, 청색광, 녹색광, 및 적색광의 가색(加色) 혼합에 의해 백색광을 출사하는 백색 LED가 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조). 이 백색 LED에서는, 바닥면에 청색광을 발하는 반도체 발광 소자가 배치된 컵에 형광체를 포함하는 바인더를 유입시켜 반도체 발광 소자를 피복한다.
한편, 이러한 구조의 백색 LED에서는, 반도체 발광 소자로부터 바인더 페이스트의 출사면까지의 거리가 균일하지 않기 때문에, 반도체 발광 소자로부터 발광된 광이 바인더 페이스트를 투과할 때에 파장 변환되는 광량이 방사 방향에 따라 달라지게 된다. 이 때문에, 바인더 페이스트가 두꺼운 부분은 파장 변환되어 발광된 황색광이 많아지기 때문에 황색으로 보이고, 바인더 페이스트가 얇은 부분은 황색광이 적어지기 때문에 청색으로 보이게 되어, 균일하게 백색의 발광을 얻는 것은 곤란하다. 이와 같이 발광 모듈에 색 얼룩이 생기면, 특히 조명 광원으로서의 용도에 있어서 높은 품질의 조명을 제공하는 것이 곤란해진다.
이 때문에, 형광체를 포함하는 바인더 페이스트의 두께를 균일하게 하도록, 예컨대, 잉크 젯 인쇄법에 따라 LED 칩 상에 배치되는 형광 물질을 형성하는 발광 다이오드의 형성 방법이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 2 참조). 또한, 예컨대, 위치 결정된 스텐실의 개구부에 스텐실 조성물을 체적시킨 후 스텐실을 제거하고, 스텐실 조성물을 경화시켜 제조된 발광 장치가 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 3 참조).
일본 특허 공개 평성10-107325호 공보 일본 특허 공개 평성11-46019호 공보 일본 특허 공개 제2002-185048호 공보
상기 특허문헌 2 및 3에 기재되는 기술에서는, 발광 장치가 발하는 광의 색을 균일하게 하기 위해, 바인더 페이스트의 두께를 균일하게 하는 것에 주목하고 있다. 그러나, 바인더 페이스트의 두께를 균일하게 해야 한다고만 하면, 바인더 페이스트의 형상의 자유도가 저하될 우려가 있다. 이에 반해, 최근 LED의 용도는 점점 광범위해져, 여러가지 형태의 LED 발광 소자의 실현이 요구되고 있다. 이때, 바인더 페이스트의 형상에 제한이 설정되면, LED의 설계 자유도가 손상될 가능성이 있다. 특히, 서로 이격된 복수의 반도체 발광 소자를 바인더 페이스트로 일체적으로 피복하는 경우, 단순히 바인더 페이스트의 표면을 균일한 평면으로 하는 것만으로는 반도체 발광 소자의 각각으로부터 바인더 페이스트의 출사면까지의 거리가 균일해지지는 않기 때문에, 전술한 특허문헌 2 및 3에 기재되는 기술에서는 균일한 색을 발하는 발광 모듈을 얻는 것이 곤란하다.
그래서, 본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 그 목적은 형태의 자유도를 확보하면서 균일한 색을 발하는 발광 모듈을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 양태의 발광 모듈은 발광 소자와, 발광 소자가 발하는 광을 파장 변환하여 출사하는 광파장 변환 부재를 구비한다. 광파장 변환 부재는 파장 변환하여 발하는 광의 파장 범위가 서로의 여기 파장과 상이한 복수의 형광체를 함유하며, 발광 소자를 피복하도록 형성된다.
이 양태에 따르면, 한 형광체에 의해 파장 변환된 광이 다른 형광체에 의해 여기되어 흡수되는 것을 회피할 수 있다. 이 때문에, 광파장 변환 부재의 두께에 상관없이 균일한 색의 광을 출사하는 발광 모듈을 얻을 수 있다.
발광 소자는 서로 이격되어 복수개 병설되고, 광파장 변환 부재는 복수의 발광 소자를 일체적으로 피복하도록 형성되어도 좋다.
최근, LED의 조명 광원으로서의 용도에의 요구 등에 따라, 보다 광범위한 면적을 균일한 색으로 발광하는 발광 모듈의 개발이 요구되고 있다. 그러나, 보다 광범위한 면적에서 발광 가능한 발광 모듈을 실현하기 위해, 서로 이격되도록 복수의 발광 소자를 배치한 경우, 이들을 광파장 변환 부재로 일체적으로 피복하였을 때에, 각각의 발광 소자로부터 광파장 변환 부재의 출사면까지의 거리를 균일하게 하는 것은 곤란하다. 이 양태에 따르면, 파장 변환하여 발하는 광의 파장 범위가 서로의 여기 파장과 상이한 복수의 형광체를 함유하는 광파장 변환 부재를 이용함으로써, 복수의 발광 소자를 서로 이격되어 병설한 경우에 있어서도, 균일한 광을 발하는 발광 모듈을 실현할 수 있다.
복수의 발광 소자는 동일 평면 상에 배치되어도 좋다.
예컨대, 조명 광원으로서 복수의 발광 소자를 이용하는 경우, 동일 평면 상에 복수의 발광 소자를 서로 이격하여 병설하는 양태를 고려할 수 있다. 또한, 복수의 발광 소자를 설치하는 경우, 동일 기판 상에 배치함으로써 기판 구성을 간략화할 수 있기 때문에, 동일 평면 상에 배치하는 것에 대한 요구도 높다. 그러나, 동일 평면 상에 복수의 발광 소자를 서로 이격하여 병설한 경우, 같은 시점에서 모든 발광 소자의 광을 시인하는 것이 가능해지기 때문에, 색 얼룩이 생긴 경우에 매우 눈에 띄게 된다. 이 양태에 따르면, 복수의 발광 소자를 동일 평면 상에 배치하여도, 색 얼룩의 발생을 억제할 수 있다. 이 때문에, 균일한 색으로 광을 출사하는 평면 상의 발광 모듈을 실현할 수 있다. 또한, 복수의 발광 소자는 일직선 상에 병설되어도 좋고, 평면 상에 산재되도록 배치되어도 좋다.
또한, 본 발명의 다른 양태도 발광 모듈이다. 이 발광 모듈은 근자외 또는 단파장 가시 파장 범위의 광을 발하는 발광 소자와, 일반식 M1O2?a(M2 1 -z, M4 z)O?bM3X2(단, M1은 Si, Ge, Ti, Zr 및 Sn을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 1종의 원소, M2는 Mg, Ca, Sr, Ba 및 Zn을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 1종의 원소, M3은 Mg, Ca, Sr, Ba 및 Zn을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 1종의 원소, X는 적어도 1종의 할로겐 원소, M4은 희토류 원소 및 Mn을 포함하는 그룹에서 선택되는 Eu2 +를 필수로 하는 적어도 1종의 원소를 나타내고, a는 0.1≤a≤1.3, b는 0.1≤b≤0.25, z는 0.03<z<0.8의 범위임)로 나타내는 제1 형광체와, 발광 소자가 발하는 광을 파장 변환하여 청색광을 발하는 제2 형광체 쌍방을 함유하며, 발광 소자를 피복하도록 형성되는 광파장 변환 부재를 구비한다.
발명자가 예의 연구 개발한 결과, 상기 제1 형광체와 제2 형광체는 파장 변환하여 발하는 광의 파장 범위가 서로의 여기 파장과 대체로 상이한 것이 확인되었다. 따라서 이 양태에 따르면, 제1 형광체 및 제2 형광체의 한쪽에 의해 파장 변환된 광이 다른쪽에 의해 여기되어 흡수되는 것을 회피할 수 있다. 이 때문에, 광파장 변환 부재의 두께에 상관없이 균일한 색의 광을 출사하는 발광 모듈을 얻을 수 있다.
또한, 이 양태에 있어서도, 발광 소자는 서로 이격되어 복수개 병설되고, 광파장 변환 부재는 복수의 발광 소자를 일체적으로 피복하도록 형성되어도 좋다. 또한, 복수의 발광 소자는 동일 평면 상에 배치되어도 좋다. 또한, 복수의 발광 소자는 일직선 상에 병설되어도 좋고, 평면 상에 산재되도록 배치되어도 좋다.
본 발명에 따르면, 형태의 자유도를 확보하면서 균일한 색을 발하는 발광 모듈을 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시형태에 따른 발광 모듈의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 제1 형광체의 여기, 발광 스펙트럼, 및 제2 형광체의 발광 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 3은 제1 실시형태에 따른 발광 모듈과 비교예에 따른 발광 모듈 각각의 각 항목에서의 값을 나타내는 도면이다.
도 4는 제1 실시형태에 따른 발광 모듈의 발광 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 5는 비교예의 발광 모듈의 발광 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 6은 제1 실시형태에 따른 발광 모듈에 의한 출사광의 색도 분포를 나타내는 도면이다.
도 7은 비교예에 따른 발광 모듈에 의한 출사광의 색도 분포를 나타내는 도면이다.
도 8은 제2 실시형태에 따른 발광 모듈의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 9는 제2 실시형태에 따른 발광 모듈과 비교예에 따른 발광 모듈 각각의 각 항목에서의 값을 나타내는 도면이다.
도 10은 제2 실시형태에 따른 발광 모듈의 발광 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 11은 비교예의 발광 모듈의 발광 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 12는 제1 실시형태에 따른 발광 모듈의 발광 색도의 검출 부분을 나타내는 도면이다.
도 13은 제2 실시형태에 따른 발광 모듈의 a축의 색도 분포를 나타내는 도면이다.
도 14는 비교예에 따른 발광 모듈의 a축의 색도 분포를 나타내는 도면이다.
도 15는 제2 실시형태에 따른 발광 모듈의 b축의 색도 분포를 나타내는 도면이다.
도 16은 비교예에 따른 발광 모듈의 b축의 색도 분포를 나타내는 도면이다.
도 17은 제2 실시형태에 따른 발광 모듈 및 비교예에 따른 발광 모듈 쌍방에 대한, B점의 색도와 Y점의 색도의 차를 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시의 형태(이하, 실시형태라고 함)에 대해서 상세하게 설명한다.
(제1 실시형태)
도 1은 제1 실시형태에 따른 발광 모듈(10)의 구성을 나타내는 단면도이다. 발광 모듈(10)은 지지 기판(12), 반도체 발광 소자(14), 및 광파장 변환 부재(16)를 갖는다.
(1) 지지 기판
지지 기판(12)은 질화알루미늄(AlN)으로 형성되며, 금 증착에 의해 상면에 회로가 형성되어 있다. 또한, 지지 기판(12)은, 예컨대 알루미나, 멀라이트, 유리 세라믹 등의 세라믹이나, 유리 에폭시 등, 도전성을 갖지 않는 한편, 열전도성이 높은 다른 재료로 형성되어도 좋다. 제1 실시형태에서는, 지지 기판(12)은 길이 6 ㎜, 폭 1 ㎜, 두께 1 ㎜의 직사각형 플레이트형으로 형성된다.
(2) 반도체 발광 소자
제1 실시형태에서는, 반도체 발광 소자(14)로서 근자외광 또는 단파장 가시광을 발광하는 LED를 채용하였다. 반도체 발광 소자(14)는, 예컨대 한 변이 1 ㎜인 정사각형의 칩으로서 형성되며, 발하는 광의 중심 파장은 약 400 ㎚가 되도록 설치된다. 제1 실시형태에서는, 반도체 발광 소자(14)에, 피크 파장이 402 ㎚인 SemiLEDs사 제조의 MvpLED(등록상표) SL-V-U40AC를 이용하였다. 또한, 반도체 발광 소자(14)가 이것에 한정되지 않는 것은 물론이며, 예컨대 반도체 레이저 다이오드(LD)가 채용되어도 좋다.
반도체 발광 소자(14)는 소위 종형 칩 타입의 것이 채용된다. 또한, 반도체 발광 소자(14)에 다른 타입의 것이 채용되어도 좋은 것은 물론이며, 예컨대 반도체 발광 소자(14)에 소위 플립 칩 타입의 것이나, 소위 페이스업 타입의 것이 채용되어도 좋다.
반도체 발광 소자(14)는 지지 기판(12) 상에 서로 이격되어 동일 평면 상에 복수개 병설된다. 구체적으로는, 반도체 발광 소자(14)는 2.3 ㎜의 간격을 두고 지지 기판(12) 상에 2개가 직렬로 실장된다. 또한, 반도체 발광 소자(14)의 개수와 간격이 이들에 한정되지 않는 것은 물론이다. 또한, 지지 기판(12)은 동일 평면 이외의 면, 예컨대 곡면이나 단차가 형성된 면의 각각의 단차에 설치되어도 좋다.
(3) 광파장 변환 부재
광파장 변환 부재(16)는 복수의 반도체 발광 소자(14)를 일체적으로 피복하도록 형성된다. 광파장 변환 부재(16)는 파장 변환하여 발하는 광의 파장 범위가 서로의 여기 파장과 대체로 상이한 제1 형광체 및 제2 형광체를 함유한다. 이 제1 형광체 및 제2 형광체를 투명한 바인더 페이스트에 함유시켜 형광체 페이스트를 생성하고, 이 형광체 페이스트를 복수의 반도체 발광 소자(14)를 일체적으로 피복하도록 포팅(potting)하여 경화시킴으로써 광파장 변환 부재(16)가 형성된다.
(4) 제1 형광체
제1 형광체는 근자외광 또는 단파장 가시광을 효율적으로 흡수하는 한편, 450 ㎚ 이상의 가시광의 흡수가 거의 없는 것을 이용한다. 제1 형광체는 근자외광 또는 단파장 가시광을 파장 변환하여 황색광을 발하는 황색 형광체이며, 방사하는 광의 도미넌트(dominant) 파장은 564 ㎚ 이상 582 ㎚ 이하의 것을 이용한다.
제1 실시형태에서는, 제1 형광체로서, SiO2?1.0(Ca0 .54, Sr0 .36, Eu0 .1)O?0.17SrCl2로 나타내는 형광체를 이용하였다. 제1 형광체는 원료의 혼합비에 있어서 SiO2를 과도하게 첨가함으로써, 형광체 내에 크리스토발라이트(cristobalite)를 생성시킨 형광체이다.
제1 형광체를 제조하는 데 있어서, 먼저, SiO2, Ca(OH)2, SrCl2?6H2O, 및 Eu2O3의 각 원료를 이들의 몰비가 SiO2:Ca(OH)2:SrCl2?6H2O:Eu2O3=1.1:0.45:1.0:0.13이 되도록 칭량하였다. 다음에, 칭량된 각 원료를 알루미나 유발에 넣어 약 30분 분쇄 혼합하여, 원료 혼합물을 얻었다. 이 원료 혼합물을 알루미나 도가니에 넣고, 환원 분위기의 전기로(爐)에서 분위기 (5/95)의 (H2/N2), 1030℃에서 5?40시간 소성하여, 소성물을 얻었다. 얻어진 소성물을 따뜻한 순수로 꼼꼼히 세정하여, 제1 형광체를 얻었다.
또한, 제1 형광체를 형성하는 재료는 상기 재료에 한정되지 않고, 일반식 M1O2?a(M2 1 -z, M4 z)O?bM3X2로 나타내는 다른 재료가 채용되어도 좋다. 단, M1은 Si, Ge, Ti, Zr 및 Sn을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타낸다. M2는 Mg, Ca, Sr, Ba 및 Zn을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타낸다. M3은 Mg, Ca, Sr, Ba 및 Zn을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타낸다. X는 적어도 1종의 할로겐 원소, M4는 희토류 원소 및 Mn을 포함하는 그룹에서 선택되는 Eu2 +를 필수로 하는 적어도 1종의 원소를 나타낸다. a는 0.1≤a≤1.3의 범위이며, b는 0.1≤b≤0.25의 범위이고, z는 0.03<z<0.8의 범위이다. 이 일반식에 있어서, 제1 실시형태에서 채용한 제1 형광체는 M1=Si, M2=Ca/Sr(몰비 60/40), M3=Sr, X=Cl, M4=Eu2 +, a=0.9, b=0.17, M4의 함유량(c)(몰비)이 c/(a+c)=0.1이 된다.
(5) 제2 형광체
제2 형광체는 근자외광 또는 단파장 가시광을 파장 변환하여 청색광을 발하는 청색 형광체이다. 제2 형광체로는 근자외광 또는 적색광을 효율적으로 흡수하며 도미넌트 파장이 440 ㎚ 이상 470 ㎚ 이하인 광을 방사하는 것을 이용한다. 제1 실시형태에서는, 제2 형광체로서, (Ca4 .67Mg0 .5)(PO4)3Cl:Eu0 .08로 나타내는 형광체를 이용하였다. 또한, 제2 형광체는 이에 한정되지 않고, 이하의 일반식으로 나타내는 형광체 그룹 중에서 선택하여도 좋다.
일반식 M1a(M2O4)bXc:Red
M1은 Ca, Sr, Ba 중 일종 이상을 필수로 하며, 일부를 Mg, Zn, Cd, K, Ag, Tl로 이루어지는 군의 원소로 대체할 수 있다. M2는 P를 필수로 하며, 일부를 V, Si, As, Mn, Co, Cr, Mo, W, B를 포함하는 그룹의 원소로 대체할 수 있다. X는 적어도 1종의 할로겐 원소, Re는 Eu2 +를 필수로 하는 적어도 1종의 희토류 원소, 또는 Mn을 나타낸다. 또한, a는 4.2≤a≤5.8, b는 2.5≤b≤3.5, c는 0.8<c<1.4, d는 0.01<d<0.1의 범위이다.
일반식 M1 1 - aMgAl10O17:Eu2 + a
M1은 Ca, Sr, Ba, Zn을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 1종의 원소, a는 0.001≤a≤0.5의 범위이다.
일반식 M1 1 - aMgSi2O8:Eu2 + a
M1은 Ca, Sr, Ba, Zn을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 1종의 원소, a는 0.001≤a≤0.8의 범위이다.
일반식 M1 2 -a(B5O9)X:Rea
M1은 Ca, Sr, Ba, Zn을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 1종의 원소, X는 적어도 1종의 할로겐 원소, a는 0.001≤a≤0.5의 범위이다.
제2 형광체를 제조하는 데 있어서, 먼저 CaCO3, MgCO3, CaCl2, CaHPO4, 및 Eu2O3의 각 원료를, 이들의 몰비가 CaCO3:MgCO3:CaCl2:CaHPO4:Eu2O3=0.42:0.5:3.0:1.25:0.04가 되도록 칭량하고, 칭량된 각 원료를 알루미나 유발에 넣어 약 30분 분쇄 혼합하여, 원료 혼합물을 얻었다. 이 원료 혼합물을 알루미나 도가니에 넣고, 2?5％의 H2를 포함하는 N2 분위기 속에서, 온도 800℃ 이상 1200℃ 미만에서 3시간 소성하여, 소성물을 얻었다. 얻어진 소성물을 따뜻한 순수로 꼼꼼히 세정하여, 제2 형광체를 얻었다.
(6) 바인더 재료
바인더 재료는 근자외광 또는 단파장 가시광에 대하여 투명, 즉 이들의 광 투과율이 90％ 이상이며, 광 내성이 양호한 재료를 이용한다. 제1 실시형태에서는, 바인더 재료로서 실리콘 수지를 이용하였다. 구체적으로는, 바인더 재료로서, 내광성이 양호한 디메틸실리콘 수지(토레?다우코닝 제조 JCR6126)를 이용하였다. 그러나, 바인더 재료는 이에 한정되지 않고, 예컨대 불소 수지, 졸겔 유리, 아크릴 수지, 무기 바인더, 유리 재료 등을 이용할 수 있다.
또한, 제1 실시형태에서는, 실리카 미립자를 틱소제로서 실리콘 수지에 분산시켜 바인더 페이스트를 생성하였다. 또한, 확산제, 틱소제로서 다른 재료가 이용되어도 좋고, 예컨대 이산화규소, 산화티탄, 산화알루미늄, 티타늄산바륨 등의 미립자가 바인더 페이스트에 포함되어도 좋다.
(7) 발광 모듈의 제조 방법
발광 모듈(10)을 제조하는 데 있어서, 먼저, 미리 금 증착에 의해 양극 및 음극을 포함하는 전극 패턴을 지지 기판(12)에 형성하였다. 다음에, 디스펜서를 이용하여 은 페이스트(에이블스틱사 제조: 84-1LMISR4)를 지지 기판(12)의 양극 상에 적하하고, 그 위에 2개의 반도체 발광 소자(14)의 각각의 하면(피지지면)을 접착하였다. 이렇게 해서 은 페이스트를 175℃ 환경 하에서 1시간 경화시켰다. 그 후, 와이어로서 φ45 ㎛의 금 와이어를, 반도체 발광 소자(14)의 상면측 전극 및 지지 기판(12)의 음극에 각각 초음파 열압착으로 접합하였다.
형광체 페이스트를 생성하는 데 있어서, 먼저 제1 형광체와 제2 형광체를 중량비 2:1로 혼합하고, 혼합 형광체를 디메틸실리콘 수지에 의한 바인더 재료에 1.8 vol％가 되도록 배합하였다. 이것을 10 cc의 연고 용기에 3 g 이상 5 g 이하 충전하고, 자공전 믹서(쿠라보 제조 마제루스타)를 이용하여 공전 1200, 자전 400 회전으로 90초간 혼합함으로써, 형광체 페이스트를 제작하였다.
이 형광체 페이스트를 2.5 cc(배출구 직경 φ1 ㎜)의 시린지로 반도체 소자가 가려지도록 포팅하였다. 또한, 150℃를 유지하는 가열 처리를 1시간 실시하여 형광체 페이스트를 경화시켜, 광파장 변환 부재(16)를 형성하였다. 경화 후의 광파장 변환 부재(16)는 폭 2 ㎜ 이상 4 ㎜ 이하, 높이 2 ㎜ 이상 3 ㎜ 이하, 길이 약 7 ㎜의 부정형의 형상이었다.
도 2는 제1 형광체의 여기, 발광 스펙트럼, 및 제2 형광체의 발광 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 도 2에 있어서, L1은 제1 형광체가 파장 변환하여 발하는 광의 파장 범위를 나타내는 발광 스펙트럼, L2는 제2 형광체가 파장 변환하여 발하는 광의 파장 범위를 나타내는 발광 스펙트럼, E1은 제1 형광체가 파장 변환하는 여기 파장 범위를 나타내는 여기 스펙트럼을 나타낸다. 또한, 제2 형광체의 여기 스펙트럼이 제1 형광체의 발광 스펙트럼과 겹치지 않는 것은 분명하기 때문에, 제2 형광체의 여기 스펙트럼의 도시는 생략한다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 제1 형광체의 여기 스펙트럼(E1)은 제2 형광체의 발광 스펙트럼(L2)과 거의 겹치지 않는다. 또한, 전술한 바와 같이, 제2 형광체의 여기 스펙트럼도 역시 제1 형광체의 발광 스펙트럼과 겹치지 않는다. 따라서, 제1 형광체와 제2 형광체는 파장 변환하여 발하는 광의 파장 범위가 서로의 여기 파장 범위와 대체로 상이하다. 이 때문에, 제2 형광체에 의해 파장 변환되어 발광된 청색광은 제1 형광체에 의해 거의 흡수되는 일없이 광파장 변환 부재(16)를 통과할 수 있다. 또한, 제1 형광체에 의해 파장 변환되어 발광된 황색광도 역시 제2 형광체에 의해 거의 흡수되는 일없이 광파장 변환 부재(16)를 통과할 수 있다.
이 때문에, 제1 실시형태에 따른 광파장 변환 부재(16)에 의하면, 두께가 불균일, 즉 반도체 발광 소자(14)의 발광면으로부터 광파장 변환 부재(16)의 출사면까지의 거리가 불균일한 경우에도, 출사면 전체에 걸쳐 균일한 색으로 광파장 변환 부재(16)로부터 광을 출사시키는 것이 가능해진다. 따라서, 포팅 등의 제법에 따라 광파장 변환 부재(16)를 형성한 경우에도, 균일한 색을 발하는 발광 모듈을 제조할 수 있다.
도 3은 제1 실시형태에 따른 발광 모듈(10)과 비교예에 따른 발광 모듈 각각의 각 항목에서의 값을 나타내는 도면이다. 도 4는 제1 실시형태에 따른 발광 모듈(10)의 발광 스펙트럼을 나타내는 도면이며, 도 5는 비교예의 발광 모듈의 발광 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 발광 모듈(10)의 발광 특성을 확인하기 위해, 비교예의 발광 모듈의 발광 특성도 조사하였다. 이 비교예의 발광 모듈에서는, 제1 형광체 및 제2 형광체 대신에, 비교용 형광체를 이용하였다. 비교예의 발광 모듈의 형광체 페이스트는 이 비교용 형광체를 디메틸실리콘 수지에 0.7 vol％가 되도록 배합한 것이다. 비교용 형광체로서는, 세륨 활성화된 이트륨알루미늄가넷(카세이옵트닉스 제조 P46-Y3)을 이용하였다. 그 이외에는, 비교예의 발광 모듈의 구성은 발광 모듈(10)과 동일하다.
발광 모듈(10) 및 비교예의 발광 모듈 각각을 700 ㎃의 전류로 구동시켜, 그 발광 특성을 조사하였다. 도 3에 있어서, 광속비 및 발광 효율비 각각은 비교예를 100으로 하였을 때의 비율을 나타내고 있다. 도 3으로부터 알 수 있듯이, 비교예의 발광 모듈에 비하여, 제1 실시형태에 따른 발광 모듈(10)은 광속 및 발광 효율이 높고, 더구나 연색성(演色性)이 양호한 것을 알 수 있다.
도 6은 제1 실시형태에 따른 발광 모듈(10)에 의한 출사광의 색도 분포를 나타내는 도면이다. 도 7은 비교예에 따른 발광 모듈에 의한 출사광의 색도 분포를 나타내는 도면이다. 색채 휘도계로서 미놀타 제조 CA1500을 이용해서, 발광 모듈(10) 및 비교예에 따른 발광 모듈 각각의 포팅면을 약 50 ㎛2로 분할하여 색도 분포를 조사하였다. 각각의 발광 모듈의 색도 변동을 평가하기 위해, 도 6 및 도 7에서는, 각각의 발광 모듈의 길이 방향의 중앙선 상의 색도 분포를 플롯하였다.
도 6 및 도 7로부터 알 수 있듯이, 발광 모듈(10)은 어떤 부분도 동일 색도로 발광하는 것을 알 수 있다. 이에 반해 비교예의 발광 모듈은 반도체 발광 소자(14)의 바로 위 부근에서는 청색을 띠는 백색으로 발광하며, 반도체 발광 소자(14)의 바로 위로로부터 멀어짐에 따라 황색을 띠는 백색으로 변화하여, 색의 변동도 큰 것을 알 수 있다. 예컨대, 비교예의 발광 모듈을 조명용의 광원으로서 이용한 경우, 광이 조사되는 장소에 따라 푸르스름해진 백색 부분과 노르스름해진 백색 부분이 생기는 등 더욱 색의 변동은 확대된다. 이에 따라, 조명의 품질은 크게 손상된다. 제1 실시형태에 따른 발광 모듈(10)에 의하면, 이러한 색의 변동을 억제할 수 있어, 조명된 영역을 균일한 백색으로 비추는 것이 가능해진다. 따라서, 조명용 광원으로서의 용도에 발광 모듈(10)이 특히 유용한 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 파장 변환하여 발하는 광의 파장 범위가 서로의 여기 파장과 대체로 상이한 제1 형광체와 제2 형광체를 함유한 광파장 변환 부재(16)를 이용하여 반도체 발광 소자(14)를 피복하도록 포팅함으로써, 색 얼룩이 적은 발광 모듈을 얻을 수 있다.
(제2 실시형태)
도 8은 제2 실시형태에 따른 발광 모듈(30)의 구성을 나타내는 사시도이다. 발광 모듈(30)은 케이스(32), 발광 소자 유닛(34), 및 광파장 변환 부재(36)를 갖는다.
케이스(32)는 투명한 폴리카보네이트에 의해, 길이 45 ㎜, 폭 8 ㎜, 높이 5 ㎜, 판 두께 0.2 ㎜의 직육면체의 상자형으로 형성되며, 상면만이 개구되어 있다. 발광 소자 유닛(34)은 지지 기판(38) 및 반도체 발광 소자(40)를 포함한다. 지지 기판(38)은 질화알루미늄으로 형성되며 금 증착에 의해 상면에 회로가 형성되는 점에 있어서 제1 실시형태에 따른 지지 기판(12)과 동일하다. 지지 기판(38)은 길이 40 ㎜, 폭 5 ㎜, 두께 1 ㎜의 직사각 플레이트형으로 형성된다.
반도체 발광 소자(40)는 제1 실시형태에 따른 반도체 발광 소자(14)와 동일하다. 제2 실시형태에서는, 지지 기판(38) 상에 반도체 발광 소자(40)가 5개 직렬로 병설되어, 발광 소자 유닛(34)이 구성된다. 반도체 발광 소자(40)의 간격은 5 ㎜이다.
발광 소자 유닛(34)은 케이스(32)의 내부에 수용되어 바닥면에 고정된다. 케이스(32)의 측면으로부터, 발광 소자 유닛(34)에 전류를 공급하기 위한 급전 코드를 인출하였다.
형광체 페이스트를 생성하는 데 있어서, 먼저 제1 형광체와 제2 형광체를 중량비 2:1로 혼합하고, 혼합 형광체를 디메틸실리콘 수지에 의한 바인더 재료에 3.0 vol％가 되도록 배합하였다. 혼합 방법은 제1 실시형태와 동일하다.
이 형광체 페이스트를 2.5 cc(배출구 직경 φ1 ㎜)의 시린지를 이용하여, 이미 발광 소자 유닛(34)이 바닥부에 고정된 케이스(32)에 충전하였다. 충전 후, 형광체 페이스트의 상면을 스퀴지에 의해 평탄하게 정돈하였다. 또한, 150℃를 유지하는 가열 처리를 1시간 실시하여 형광체 페이스트를 경화시키고, 광파장 변환 부재(36)를 형성하였다.
도 9는 제2 실시형태에 따른 발광 모듈(30)과 비교예에 따른 발광 모듈 각각의 각 항목에서의 값을 나타내는 도면이다. 도 10은 제2 실시형태에 따른 발광 모듈(30)의 발광 스펙트럼을 나타내는 도면이며, 도 11은 비교예의 발광 모듈의 발광 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 발광 모듈(30)의 발광 특성을 확인하기 위해, 제2 실시형태에 대해서도, 비교예의 발광 모듈의 발광 특성을 조사하였다. 이 비교예의 발광 모듈에서는, 제1 형광체 및 제2 형광체 대신에, 비교용 형광체를 이용하였다. 비교용 형광체의 재질은 제1 실시형태와 동일하다. 비교예의 발광 모듈의 형광체 페이스트는 이 비교용 형광체를 디메틸실리콘 수지에 0.18 vol％가 되도록 배합한 것이다. 그 이외에는, 비교예의 발광 모듈의 구성은 발광 모듈(10)과 동일하다.
발광 모듈(30) 및 비교예의 발광 모듈 각각을 700 ㎃의 전류로 구동시켜, 그 발광 특성을 조사하였다. 도 9에 있어서, 광속비 및 발광 효율비 각각은 비교예를 100으로 하였을 때의 비율을 나타내고 있다. 도 9로부터 알 수 있듯이, 비교예의 발광 모듈에 비하여, 제2 실시형태에 따른 발광 모듈(30)은 광속 및 발광 효율이 높고, 더구나 연색성이 양호한 것을 알 수 있다.
도 12는 제1 실시형태에 따른 발광 모듈(30)의 발광 색도의 검출 부분을 나타내는 도면이다. 도 12에서는, 발광 모듈(30)의 평면도를 이용하여 발광 모듈(30)의 발광 색도의 검출 부분을 나타내고 있다.
발광 모듈(30)의 발광 색도는 끝에서 2번째의 반도체 발광 소자(40)에 대응하는 부분에 대해서 조사하였다. 구체적으로는, 광파장 변환 부재(36)의 상면 중 그 반도체 발광 소자(40)의 중심의 수직 상방 부분을 원점으로 하여, 그 원점을 통과해 지지 기판(38)의 연장 방향으로 평행인 a축 위, 그리고 그 원점을 통과해 지지 기판(38)의 연장 방향으로 수직인 b축 위 양쪽에 대해서 검출 부분을 이동시키면서 발광 색도를 검출하고, 각각의 축에 대해서 색도 분포를 조사하였다. 이때, 색채 휘도계로서 미놀타 제조 CA1500을 이용하여, 광파장 변환 부재(36)의 상면의 50 ㎛2에서의 색도를 검출하였다. 또한, 반도체 발광 소자(40)의 중심의 수직 상방 부분인 B점, 및 B점으로부터 미리 정해진 거리(약 1 ㎜) 떨어진 b축 상의 Y점 쌍방에서도, 색도를 검출하였다. 상기와 같은 조사를, 전술한 비교예에 따른 발광 모듈에 대해서도 실시하였다.
도 13은 제2 실시형태에 따른 발광 모듈(30)의 a축의 색도 분포를 나타내는 도면이며, 도 14는 비교예에 따른 발광 모듈의 a축의 색도 분포를 나타내는 도면이다. 또한, 도 15는 제2 실시형태에 따른 발광 모듈(30)의 b축의 색도 분포를 나타내는 도면이며, 도 16은 비교예에 따른 발광 모듈의 b축의 색도 분포를 나타내는 도면이다.
도 13?도 16으로부터 알 수 있듯이, 제2 실시형태에 따른 발광 모듈(30)에서는, a축 및 b축 쌍방에 있어서, 검출 부분을 이동시킨 경우에도 색도는 그다지 변화하지 않는다. 이에 반해, 비교예에 따른 발광 모듈에서는, a축 및 b축 쌍방에 있어서, 검출 부분을 이동시키면 색도가 크게 변화한다. 구체적으로는, 비교예에 따른 발광 모듈에서는, 청색에서 황색까지의 색도 변동이 있고, 특히 반도체 발광 소자(40)의 바로 위 주변에서는 청색을 띠는 백색으로 발광하며, 반도체 발광 소자(40)의 바로 위에서 멀어져 감으로써 황색을 띠는 백색으로 변화하는 것을 알 수 있다.
도 17은 제2 실시형태에 따른 발광 모듈(30) 및 비교예에 따른 발광 모듈 쌍방에 대한, B점의 색도와 Y점의 색도의 차를 나타내는 도면이다. 비교예의 발광 모듈에서는, B점과 Y점의 색차가 0.371인데 반해, 제2 실시형태에 따른 발광 모듈(30)에서는 0.098과 약 4분의 1까지 색차가 저감하는 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 파장 변환하여 발하는 광의 파장 범위가 서로의 여기 파장과 대체로 상이한 제1 형광체와 제2 형광체를 함유한 광파장 변환 부재(36)를 이용하여 반도체 발광 소자(40)를 피복하도록 몰드 성형함으로써, 색 얼룩이 적은 발광 모듈을 얻을 수 있다.
본 발명은 전술한 각 실시형태에 한정되는 것이 아니며, 각 실시형태의 각 요소를 적절하게 조합한 것도 본 발명의 실시형태로서 유효하다. 또한, 당업자의 지식에 기초하여 각종 설계 변경 등의 변형을 각 실시형태에 대하여 부가하는 것도 가능하며, 그와 같은 변형이 부가된 실시형태도 본 발명의 범위에 포함될 수 있다. 이하, 그러한 예를 든다.
일 변형예에서는, 복수의 반도체 발광 소자를 일직선형이 아니라 평면 상에 산재시킨다. 파장 변환하여 발하는 광의 파장 범위가 서로의 여기 파장과 상이한 복수의 형광체를 함유한 광파장 변환 부재를 이용하여, 이들 복수의 반도체 발광 소자를 일체적으로 피복한다. 이에 따라, 평면 상에 넓은 면적에 걸쳐 균일하게 발광하는 발광 모듈을 얻는 것이 가능해진다.
다른 변형예에서는, 광파장 변환 부재를 반도체 발광 소자에 피복할 때, 발광 소자의 발광면으로부터 광파장 변환 부재의 외면까지의 거리가 불균일한 형상으로 광파장 변환 부재를 형성한다. 이때, 광파장 변환 부재는 원주 형상이나 다각 기둥 형상, 원뿔 형상이나 다각뿔 형상으로 형성되어도 좋다. 이와 같이 파장 변환하여 발하는 광의 파장 범위가 서로의 여기 파장과 상이한 복수의 형광체를 함유한 광파장 변환 부재를 이용함으로써, 광파장 변환 부재의 형상에 의존하는 일없이 균일한 색의 광을 발하는 발광 모듈을 얻는 것이 가능해진다. 이 때문에, 이와 같이 광파장 변환 부재를 이와 같이 여러가지 형상으로 형성한 경우에도, 색 얼룩이 적은 발광 모듈을 제공할 수 있다.
또 다른 변형예에서는, 파장 변환하여 발하는 광의 파장 범위가 서로의 여기 파장과 상이한 제1 형광체, 제2 형광체, 및 제3 형광체를 함유한 광파장 변환 부재를 이용하여 반도체 발광 소자를 피복함으로써 발광 모듈을 형성한다. 제1 형광체는 반도체 발광 소자가 발하는 광을 파장 변환하여 청색광을 발한다. 제2 형광체는 반도체 발광 소자가 발하는 광을 파장 변환하여 녹색광을 발한다. 제3 형광체는 반도체 발광 소자가 발하는 광을 파장 변환하여 적색광을 발한다. 이 양태에 따라서도, 청색광, 녹색광, 적색광의 가색 혼합에 의해 균일한 백색광을 발하는 발광 모듈을 제공하는 것이 가능해진다.
또 다른 변형예에서는, 파장 변환하여 발하는 광의 파장 범위가 서로의 여기 파장과 상이한 복수의 형광체를 함유한 광파장 변환 부재를 이용하여 복수의 반도체 발광 소자를 일체적으로 피복함으로써 발광 모듈을 형성한다. 이 복수의 반도체 발광 소자는 동일하지는 않지만, 공통되는 파장 범위의 광을 출사하도록 형성된다. 복수의 형광체 각각은 이 공통되는 파장 범위의 광을 파장 변환하도록 형성된다. 이에 따라, 예컨대 파장 범위가 약간 다른 자외광을 각각이 발하는 복수의 반도체 발광 소자를 일체적으로 피복하는 경우에도, 색 얼룩이 적은 발광 모듈을 제공할 수 있다.
[산업상 이용가능성]
본 발명은 발광 모듈에 이용 가능하며, 특히 발광 소자와 그 발광 소자가 발하는 광을 파장 변환하여 출사하는 광파장 변환 부재를 구비하는 발광 모듈에 이용 가능하다.
10: 발광 모듈 12: 지지 기판
14: 반도체 발광 소자 16: 광파장 변환 부재
30: 발광 모듈 32: 케이스
34: 발광 소자 유닛 36: 광파장 변환 부재
38: 지지 기판 40: 반도체 발광 소자

Claims (10)

  1. 발광 소자와,
    상기 발광 소자가 발하는 광을 파장 변환하여 출사하는 광파장 변환 부재
    를 구비하고,
    상기 광파장 변환 부재는 파장 변환하여 발하는 광의 파장 범위가 서로의 여기 파장과 상이한 복수의 형광체를 함유하며, 상기 발광 소자를 피복하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발광 소자는 서로 이격되어 복수개 병설되고,
    상기 광파장 변환 부재는 이 복수의 발광 소자를 일체적으로 피복하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 복수의 발광 소자는 동일 평면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 발광 모듈.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 복수의 발광 소자는 일직선 상에 병설되는 것을 특징으로 하는 발광 모듈.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 복수의 발광 소자는 평면 상에 산재되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 발광 모듈.
  6. 근자외 또는 단파장 가시 파장 범위의 광을 발하는 발광 소자와,
    일반식 M1O2?a(M2 1 -z, M4 z)O?bM3X2(단, M1은 Si, Ge, Ti, Zr 및 Sn을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 1종의 원소, M2는 Mg, Ca, Sr, Ba 및 Zn을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 1종의 원소, M3은 Mg, Ca, Sr, Ba 및 Zn을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 1종의 원소, X는 적어도 1종의 할로겐 원소, M4는 희토류 원소 및 Mn을 포함하는 그룹에서 선택되는 Eu2 +를 필수로 하는 적어도 1종의 원소를 나타내고, a는 0.1≤a≤1.3, b는 0.1≤b≤0.25, z는 0.03<z<0.8의 범위임)로 나타내는 제1 형광체와, 상기 발광 소자가 발하는 광을 파장 변환하여 청색광을 발하는 제2 형광체 쌍방을 함유하며, 상기 발광 소자를 피복하도록 형성되는 광파장 변환 부재
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 발광 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 발광 소자는 서로 이격되어 복수개 병설되고,
    상기 광파장 변환 부재는 이 복수의 발광 소자를 일체적으로 피복하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 모듈.
  8. 제5항에 있어서, 상기 복수의 발광 소자는 동일 평면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 발광 모듈.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 복수의 발광 소자는 일직선 상에 병설되는 것을 특징으로 하는 발광 모듈.
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 복수의 발광 소자는 평면 상에 산재되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 발광 모듈.
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