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JP3863174B2 - 発光装置 - Google Patents

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Description

この発明は発光装置に関し、詳しくは半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせた蛍光体発光装置に関する。
近年、ブラウン管や液晶表示パネルなどの既存の表示装置に代わって、半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせた発光装置を光源とする表示装置の開発が進められている。
蛍光体と半導体発光素子とを組み合わせた発光装置としては、例えばGaN系半導体からなる青色の発光ダイオード(LED)と、黄色で発光するYAG蛍光体とを組み合わせた蛍光体発光装置が知られている。この蛍光体発光装置では、LEDからの中心波長450nm付近の青色発光と、この発光を受けた蛍光体からの発光(波長560nm付近にピークを持つようなスペクトル分布の発光)とを混色することで白色光(変換光)を取り出している。従来のこの種の蛍光体発光装置では、半導体発光素子の周囲に蛍光体を塗布し、蛍光体層の中に半導体発光素子を埋め込んだ構成となっている。
ところで、蛍光体の内部では波長変換による発光だけでなく、入射光・蛍光発光などの散乱や吸収も発生している。このため、従来のように半導体発光素子を蛍光体層に埋め込み、蛍光体層を通して可視光を取り出すように構成した場合は、変換光が蛍光体層で散乱・吸収されるために、輝度などの光出力が低下するという問題が生じていた。
この発明の目的は、光出力を効率良く取り出すことができる発光装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、請求項1の発明は、所定の周波数範囲の光を吸収する基板と、前記基板の第1の面上に設けられた半導体発光素子と、前記基板の第1の面側に形成され、当該半導体発光素子から発光される光を波長の異なる変換光に変換して放出する波長変換部とを備え、前記半導体発光素子から発光された光を前記波長変換部において波長の異なる変換光に変換し、当該変換光を前記基板の第1の面からみて反対側の第2の面側から取り出すとともに、前記波長変換部において波長の異なる変換光に変換されなかった所定の周波数範囲の光を前記基板により吸収するように構成されたことを特徴とする発光装置である。
また、請求項3の発明は、400nm未満の光を吸収する基板と、前記基板の第1の面上に設けられた凹部を有するケースと、前記基板の第1の面上であって、前記ケースの凹部内に設けられた半導体発光素子と、前記ケースの凹部内に形成され、前記半導体発光素子から発光される光を波長の異なる変換光に変換して放出する波長変換部と、前記波長変換部からみて前記半導体発光素子と反対側に設けられ、前記波長変換部から放出された変換光を前記基板側に反射する反射板とを備え、前記半導体発光素子から発光された光を前記波長変換部において波長の異なる変換光に変換し、当該変換光のうち前記半導体発光素子近傍で変換された変換光を前記基板の第1の面からみて反対側の第2の面側から取り出すとともに、その他の変換光を前記反射板で反射して前記基板の第2の面側から取り出し、前記波長変換部において波長の異なる変換光に変換されなかった400nm未満の光を前記基板により吸収するように構成されたことを特徴とする発光装置である。
請求項1に係わる発光装置によれば、半導体発光素子から発光された光のうち半導体発光素子に近い波長変換部で変換された変換光は波長変換部を通過しないで基板の第2の面側から取り出されるので、変換光は波長変換部を通過する際に散乱・吸収などの損失を受けることがなくなり、輝度などの光出力を効率良く取り出すことができる。また、波長変換部において波長の異なる変換光に変換されなかった光は基板により吸収されるため、発光に寄与しない光が外部に放出されるのを防止することができる。
以下、この発明に係わる発光装置をLEDランプに適用した場合の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
[実施形態1]
図1(a)〜(e)は、実施形態1に係わるLEDランプの製造過程を示す概略断面図である。
なお実施形態1では、光源部となる半導体発光素子としてUV発光のGaN系LED(以下、UV−LED)を用いている。また、波長変換部となる蛍光体層としてはR、G、B各色蛍光体材料を色温度6500Kの白色に合わせて配合し、無機接着剤に混合したものを用いている。
まず、図1(a)に示すように、可視光に対し透明なプレート12上の所定位置にUV−LED11を配置して、透明接着剤13で固定する。プレート12は、UV吸収材を混合した母材からなり、紫外線を吸収して可視光のみを透過する。プレート12上のUV−LED11の周囲には、図1(b)に示すように、上面に電極となるAuなどの金属層14が形成された断面略凹形状のケース部15が設けられている。そして、図1(c)に示すように、金属層14と、UV−LED11のp電極16a及びn電極16bとを金属のワイヤ17で接続する。次に、図1(d)に示すように、ケース部15の内部に蛍光体材料を混合した無機接着剤(又は樹脂)を隙間なく充填して、蛍光体層18を形成する。続いて、図1(e)に示すように、UV−LED11の発光面側に反射板19をはめ込み、固定する。なお、図示していないが、光の取り出し部分には集光のためのレンズを形成するなどの処理を施しても良い。
上記図1(a)〜(e)の製造過程を経ることでLEDランプ10が完成する。なお、実際に製造にあたっては、フレームと呼ばれる枠の中に複数のLEDランプを同時に形成し、このフレームから個別に取り出すことで量産することができる。
図1に示すような形状のLEDランプは、一般に表面実装型(SMD:Surface Mounted Device)LEDと呼ばれている。このようなLEDランプをアレイ状に配置することにより、表示装置の光源とすることができる。
なお、プレート12の表面には、UV散乱材やUV反射材をコーティングしてもよい。また、可視光に対し透明なプレートのほか、導光性を有するプレートを用いてもよい。
このようにして製造されたLEDランプ10では、UV−LED11から出射したUV光が蛍光体層18に入射して、蛍光体層18で波長変換されて長波長の可視光が発光し、蛍光体内部でRGB混色することで白色光が取り出される。この白色光のうち、UV−LED11に近い蛍光体層18で生成された白色光は、図2に示すように、蛍光体層18を通過せずにUV−LED11を透過して、光取り出し部となるプレート12側から放出される。また、その他の白色光は、その多くが反射板19で反射した後、UV−LED11を透過又は透過せずにプレート12側から放出される。
このように、白色光は蛍光体層18のないUV−LED11の裏面から取り出されるため、白色光が蛍光体層を通過する際に散乱・吸収などの損失を受けることがなくなり、輝度などの光出力を効率良く取り出すことができる。とくに、反射板19を設けた場合は、光出力をさらに増加させることが可能となる。
[実施形態2]
図3(a)、(b)は、実施形態2に係わるLEDランプの製造過程を示す概略断面図である。この実施形態2では、実施形態1と同一構造のUV−LEDを用いている。
図3(a)に示すように、UV−LED21を固定するサブマウント22上に、電極となる金属層23を形成するとともに、蛍光体材料を混合した樹脂により蛍光体層24を形成する。この蛍光体層24の一部は金属層23を電気的に分割しており、また蛍光体層24のUV−LED21のp、n電極の位置に対応した部分には切り欠き部25が設けられている。そして、UV−LED21のp、n電極上にハンダ101を盛り付け、切り欠き部25と平面的に一致するように位置合わせして、サブマウント22上にフリップチップマウントする。これによって、UV−LED21のp、n電極は、電気的に分割された金属層23とそれぞれ接続される。なお、UV−LED21のp、n電極と金属層23は熱圧着により接合するようにしてもよい。
次に、図3(b)に示すように、UV−LED21をマウントしたサブマウント22を、金属(Feなど)製のフレーム26に形成されたマウント部26a内に透明接着剤(図示せず)でマウントする。このマウント部26aの内面には反射板27が形成されている。この後、金属層23とフレーム26とを金属のワイヤ28で接続する。ここで、金属層23の一方がサブマウント22の裏面まで形成されている場合は、サブマウント22の裏面とフレーム26のマウント部26aとを導電性を有する接着剤でマウントすることで電気的に接続し、金属層23の他方をワイヤでフレーム26と接続する。
次に、フレーム26のマウント部26a内に、蛍光体含有の溶剤をUV−LED21のサブマウント22とは反対側の面と同じ高さまで注入する。次に、溶剤を高温で蒸発させるか、あるいは硬化させることで蛍光体層29を形成する。そして、図4に示すように、UV−LED21のマウントされた部分全体を、UV吸収材入りの樹脂30によりレンズ形状にモールドすることでLEDランプ20を完成する。
このようにして製造されたLEDランプ20では、UV−LED21から出射したUV光が蛍光体層29に入射し、蛍光体層29で波長変換されて長波長の可視光が発光して、蛍光体内部でRGB混色することで白色光が取り出される。この白色光のうち、UV−LED21に近い蛍光体層29で生成された白色光は、図5に示すように、蛍光体層29を通過せずにUV−LED21を透過して、外部に放出される。また、その他の白色光は、その多くが反射板27で反射した後、UV−LED21を透過又は透過せずに外部へ放出される。
この場合も、白色光は蛍光体層29のない裏面から取り出されるため、白色光が蛍光体層を通過する際に散乱・吸収などの損失を受けることがなくなり、輝度などの光出力を効率良く取り出すことができる。とくに、反射板27を設けた場合は、光出力をさらに増加させることが可能となる。
上述したサブマウント22の表面・蛍光体層間には、可視光に対して高反射率のコーティングを施す。ただし、サブマウント材が可視光に対して透明な場合には不要となる。
また、UV吸収材入りの樹脂30でモールドする前に、反射板27内の蛍光体層29を含むUV−LED21の表面に、UV散乱材やUV反射材をコーティングしてもよい。このほか、UV−LED21の裏面側(基板側)に、膜厚が1/2λ(λはUV発光波長)に設定されたUV反射膜を、金属薄膜や誘電体薄膜、誘電体多層膜などとともにコーティングすることにより、さらに蛍光体層29との結合を高めることができる。これと同様の効果は、例えば樹脂30をレンズ形状にモールドする前に、最表面にUV反射膜やUV反射材をコーティングすることでも達成することができる。ただし、このとき用いるUV反射膜やUV反射材は、可視光に対して透明であることが望ましい。
[実施形態3]
図5(a)、(b)は、実施形態3に係わるLEDランプの製造過程を示す概略構成図である。この実施形態3に係わるLEDランプの基本的な構成は実施形態2とほぼ同じであり、図5では、図3及び図4と同等部分を同一符号で示している。
この実施形態4のUV−LED21は、透明なサブマウント32上にフリップチップマウントされている。マウント部分の構造は図3(a)とほぼ同じであり、サブマウントの表面には実施形態2と同様に電極となる図示しない金属層が電気的に分割した状態で形成されている。
一方、フレーム26のマウント部26aは、その内面に蛍光体層31が均一な厚みで形成されている。この蛍光体層31は、通常の蛍光体塗布法のようにバインダーを用いる手法で作成しても良いし、耐熱性の透明膜が得られるコート材(接着材)に混入して注入し、所定形状の型を入れて内径を成形する手法で作成してもよい。
上記のように構成されたマウント部26aの蛍光体層31上に、UV−LED21を備えたサブマウント32を透明接着剤102でマウントする。その後、サブマウント32の図示しない金属層とフレーム26とを金属のワイヤ28で接続する。次に、フレーム26のマウント部26a内に樹脂33を注入し、キュア(熱硬化)する。さらに、図5(b)に示すように、UV吸収材入りの樹脂34によりレンズ形状にモールドしてLEDランプ35を完成する。
このようにして製造されたLEDランプ35についても、サブマウント32側から放出される白色光は蛍光体層31のない裏面から取り出されるため、白色光が蛍光体層を通過する際に散乱・吸収などの損失を受けることがなくなり、輝度などの光出力を効率良く取り出すことができる。
とくに、実施形態3の構成においては、UV光の放出される方向に形成された蛍光体層31が同じ厚みであり、UV−LED21からのUV光が蛍光体層31内を移動する際の行路長がほぼ同じとなるため、実施形態2の構成に比べて、より均一な発光を得ることができる。
なお、モールドする際に用いる樹脂34には、UV吸収材の代わりにUV反射材、UV散乱材を混入してもよい。
また、UV−LED21の裏面側(基板側)には、UV吸収材、UV散乱材のような溶剤を塗布したり、あるいは膜厚が1/2λに設定された誘電体多層膜等からなるUV反射膜をコーティングすることにより、簡単かつ容易に高効率化を達成することができる。また、UV−LED21の裏面側をレンズ形状(ドーム形状)に加工することにより、さらに高効率化を図ることが可能となる。
[実施形態4]
図6(a)〜(c)は、実施形態4に係わるLEDランプの製造過程を示す概略断面図である。この実施形態においても、光源部となる半導体発光素子としてUV−LEDを用いている。
図6(a)に示すように、透明もしくは導光性のプレート42上に、電極となる金属層43を形成する。次に、図6(b)に示すように、プレート42上の所定位置に、透明接着剤44を介してUV−LED41を固定する。この後、プレート42の金属層43とUV−LED41のp電極45a及びn電極45bをそれぞれ金属のワイヤ46で接続する。
次に、図6(c)に示すように、プレート42と箱形に形成されたケース47とを接合する。ケース47の中央部分には、断面が円錐台形状の蛍光体層48が形成されている。この蛍光体層48の外側には、さらに反射板49が形成されている。一方、ケース47の外周には、電気的な接続を得るための金属層50a、50bが形成されている。この金属層50a、50bは、プレート42とケース47とを接合した最終的な製品形態において、ケース47の側面や裏面と図示しない実装基板との間での電気的な接続を得るためのものである。金属層50a、50bは、UV−LED41のp、n電極に対応するように電気的に分割されており、それぞれ独立して形成されている。
ケース47の金属層50a、50bとプレート42上の金属層43とは、圧着、熱圧着又は溶接によりシーリングすることで接合される。なお、ケース47の内部は真空でもよいし、N、Arのような不活性ガスを充填したり、透明樹脂を充填してもよい。
このようにして製造されたLEDランプ50では、図7に示すように、UV−LED41からの発光がケース47内部の蛍光体層48で可視光に変換され、反射板49で反射された後、UV−LED41を透過して、光取り出し部となるプレート42側から放出される。このとき、導光性のプレート42であれば、プレート面全体が発光することになる。このLEDランプ50においても、プレート42側から放出される白色光は蛍光体層48のない裏面から取り出されるため、白色光が蛍光体層を通過する際に散乱・吸収などの損失を受けることがなくなり、輝度などの光出力を効率良く取り出すことができる。
とくに、実施形態4においては、UV−LED41をフリップチップマウントすることなしに、フリップチップマウントした場合と同様の機能を得ることができる。したがって、フリップチップマウントする場合に比べてLEDランプの作成がより容易なものとなる。
また、ケース47内を真空にしたり、不活性ガスを充填することにより、UV−LED41と蛍光体層48とを非接触とすることができる。この結果、UV−LED41の発熱が直接、蛍光体層48に伝わることがなくなり、蛍光体の温度特性による変換効率の低下を防止することができる。さらに、高温で、とくに多色発光の場合においては、色調の変化が少ないLEDランプを得ることができる。
また、実施形態4のLEDランプ50についても、実際に製造にあたっては、フレームと呼ばれる枠の中に複数のLEDランプを同時に形成し、このフレームから個別に取り出すことで量産することができる。
また、プレート42側とケース47側を接合することでLEDランプ50を完成させる構造であるため、プレート42側の構成を、接合される蛍光体層48の色にかかわらず共通化することができる。さらに、ケース47側とプレート42側をそれぞれ別ラインで製造することができるので、例えばケース47側を蛍光体層48の色ごとにストックしておくことができる。
上記実施形態1〜4においては、半導体発光素子としてUV発光のGaN系LEDを用いた例について説明したが、この他、例えば青色発光のGaN系LEDなどを用いた場合でも同様の効果を得ることができる。
この発明に係わる発光装置において、光源部に用いられる半導体発光素子としては、GaN系LEDのほか、SiC系、BN系もしくはZnSe系のいずれかのグループから選択された半導体からなるLEDを用いることができる。
また、UV発光の半導体LEDを用いた場合、UV発光の中心波長としては、例えば以下に示すものを用いることができる。
(1)活性層がGaNの場合、中心波長は365nm
(2)活性層がInGaNの場合、In組成に応じて中心波長は365〜380nm
(3)AlGaN/InAlGaNの場合、中心波長は340〜380nm
(4)BGaNの場合、中心波長は300〜365nm
また、波長変換部に用いられるR、G、Bの蛍光体としては、例えば以下のものを用いることができる。
青色 (Sr、Ca、Ba、Eu)(subscript:10)(PO(subscript:4))(subscript:6)・Cl(subscript:2)
緑色 3(Ba、Mg、Eu、Mn)0・8Al(subscript:2)0(subscript:3)
赤色 La(subscript:2)0(subscript:2)S:Eu、Sm
また、プレートやサブマウントなどの光取り出し部に用いられるUV吸収材としては、例えば以下のものを用いることができる。
(1)TiO
(2)2−(2−hydroxy−5−methylphenyl)−2Hbenzotriazle
(3)2−(3−tert−butyl−2−hydroxy−5−methylphenyl)−5−chloro−2H−benzotriazle
(4)2−(2−hydroxy−5−tert−octyphenyl)−2H−benzotriazle
(5)ethy12−cyano−3、3−diphenylacrylate
実施形態1に係わるLEDランプの製造過程を示す概略断面図。 実施形態1に係わるLEDランプの発光状態を示す概略断面図。 実施形態2に係わるLEDランプの製造過程を示す概略断面図。 実施形態2に係わるLEDランプの完成状態を示す概略断面図。 実施形態3に係わるLEDランプの製造過程を示す概略構成図。 実施形態4に係わるLEDランプの製造過程を示す概略断面図。 実施形態4に係わるLEDランプの発光状態を示す概略断面図。
符号の説明
10、20、35、50 LEDランプ
11、21、41 UV−LED
12、42 プレート
14、23、43、50 金属層
18、24、31、48 蛍光体層
19、27、49 反射板
22、32 サブマウント
26 フレーム
47 ケース

Claims (4)

  1. 所定の周波数範囲の光を吸収する基板と、
    前記基板の第1の面上に設けられた半導体発光素子と、
    前記基板の第1の面側に形成され、当該半導体発光素子から発光される光を波長の異なる変換光に変換して放出する波長変換部と、
    を備え、前記半導体発光素子から発光された光を前記波長変換部において波長の異なる変換光に変換し、当該変換光を前記基板の第1の面からみて反対側の第2の面側から取り出すとともに、前記波長変換部において波長の異なる変換光に変換されなかった所定の周波数範囲の光を前記基板により吸収するように構成されたことを特徴とする発光装置。
  2. 前記波長変換部から放出された変換光を前記基板側に反射する反射板を前記波長変換部からみて前記半導体発光素子と反対側に設けたことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
  3. 400nm未満の光を吸収する基板と、
    前記基板の第1の面上に設けられた凹部を有するケースと、
    前記基板の第1の面上であって、前記ケースの凹部内に設けられた半導体発光素子と、
    前記ケースの凹部内に形成され、前記半導体発光素子から発光される光を波長の異なる変換光に変換して放出する波長変換部と、
    前記波長変換部からみて前記半導体発光素子と反対側に設けられ、前記波長変換部から放出された変換光を前記基板側に反射する反射板と、
    を備え、前記半導体発光素子から発光された光を前記波長変換部において波長の異なる変換光に変換し、当該変換光のうち前記半導体発光素子近傍で変換された変換光を前記基板の第1の面からみて反対側の第2の面側から取り出すとともに、その他の変換光を前記反射板で反射して前記基板の第2の面側から取り出し、前記波長変換部において波長の異なる変換光に変換されなかった400nm未満の光を前記基板により吸収するように構成されたことを特徴とする発光装置。
  4. 前記半導体発光素子は、UV光又は青色光を放出することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の発光装置。
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