JP5271258B2

JP5271258B2 - 発光装置

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Publication number: JP5271258B2
Application number: JP2009505669A
Authority: JP
Inventors: 秀男永井; 正明鈴木; 忠昭池田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-08-09
Filing date: 2007-08-06
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2027-08-06
Also published as: JP2010500739A; EP2067176B1; US20090302338A1; TWI418053B; EP2067176A1; US7859002B2; WO2008018615A1; TW200822398A

Description

本発明は、発光素子が封止材層で覆われた発光装置に関する。

発光ダイオード（Light Emitting Diode、以下「ＬＥＤ」と称する。）や半導体レーザ等の発光素子は、各種の発光デバイスに使用されている。中でもＬＥＤは、放電や輻射を使った既存光源に比べて小型で高効率であるだけでなく、近年では高光束化も進んできたことから、既存光源に取って代わる可能性がある。また、ＬＥＤは、放電や輻射を使った光源に比べて小型であることから、用途が増えること、取り扱いが容易になること、多様なデザインが期待できることなどの利点があり、付加価値の高い光源である。

更に、ＬＥＤは、反射機能やレンズ機能を有する光学系と組み合わせることで、出射光の放射パターンを制御することができる。また、数ｍｍ角のＬＥＤチップを用いれば、小型の点光源として見なすことが出来るので、光学系も小型にすることができる。

平坦な面に実装されたＬＥＤチップからの放射パターンは、一般的には、ほぼ光軸対称のランバーシャンと呼ばれる広角の放射パターンを示す。放射パターンを制御するには、ＬＥＤチップの周囲に反射機能を有する反射部材や、ＬＥＤチップの上方にレンズ機能を有する凸レンズ（特許文献１参照）を配置すればよい。あるいは、回折格子を用いて放射パターンを制御したり（特許文献２参照）、ＬＥＤチップの一部を覆う遮蔽部材を用いて放射パターンを制御したり（特許文献３参照）する例も提案されている。
特開２００４−１０４０７７号公報特開２００５−１９９８７号公報特開２００５−５１９３号公報

しかし、特許文献１に開示された例では、凸レンズを用いているため、発光装置の小型化、薄型化が困難となる可能性がある。また、特許文献２に開示された例では、回折現象を利用するため、１次回折光以外の高次の回折光が利用されず、発光装置の光取り出し効率が低くなる可能性がある。また、特許文献３に開示された例では、ＬＥＤチップからの出射光の一部が遮蔽部材で遮られるので、発光装置の光取り出し効率が低くなる可能性がある。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、発光装置の小型化、薄型化が容易な上、発光装置の光取り出し効率の低下を防ぐことができる発光装置を提供する。

本発明の第１の発光装置は、基台と、前記基台上に配置された発光素子と、前記基台上に配置された開口凹部を有する反射層を含む発光装置であって、前記発光素子は前記開口凹部の底に配置されており、前記発光素子は第１封止材層で覆われており、前記第１封止材層は第２封止材層により側面を囲まれており、前記第２封止材層の側面と前記開口凹部の凹内壁面が接しており、前記第１封止材層は円柱形状をしており、前記第２封止材層は前記第１封止材層を含む逆円錐台形状をしており、前記第１封止材層の上面と前記第２封止材層の上面と前記反射層の上面は同一面を形成しており、前記第１封止材層の屈折率と前記第２封止材層の屈折率とが異なることを特徴とする。
本発明の第２の発光装置は、基台と、前記基台上に配置された発光素子と、前記基台上に配置された開口凹部を有する反射層を含む発光装置であって、前記発光素子は前記開口凹部の底に配置されており、前記発光素子は第１封止材層で覆われており、前記第１封止材層は第２封止材層により側面を囲まれており、前記第２封止材層の側面と前記開口凹部の凹内壁面が接しており、前記第１封止材層は楕円柱形状をしており、前記第２封止材層は前記第１封止材層を含む逆円錐台形状をしており、前記第１封止材層の上面と前記第２封止材層の上面と前記反射層の上面は同一面を形成しており、前記第１封止材層の屈折率と前記第２封止材層の屈折率とが異なることを特徴とする。

本発明の発光装置によれば、複数の封止材層のそれぞれの屈折率を制御することにより、発光素子からの放射パターンを制御できる。よって、従来のように、凸レンズや回折格子、あるいは遮蔽部材等を必要としないため、発光装置の小型化、薄型化が容易な上、発光装置の光取り出し効率の低下を防ぐことができる。

本発明の発光装置は、基台と、前記基台上に配置された発光素子とを含む。この発光素子は、前記基台上に、例えばフリップチップ接合やワイヤボンディング接合により実装されている。

基台の構成材料は特に限定されず、サファイア，Ｓｉ，ＧａＮ，ＡｌＮ，ＺｎＯ，ＳｉＣ，ＢＮ，ＺｎＳなどの単結晶、Ａｌ₂Ｏ₃，ＡｌＮ，ＢＮ，ＭｇＯ，ＺｎＯ，ＳｉＣ，Ｃ等のセラミックスやこれらの混合物、Ａｌ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ａｕ，Ｗやこれらを含む合金等の金属、エポキシ等の樹脂、無機フィラと樹脂とを含むコンポジット材、ガラス、石英などを使用できる。これらの樹脂、ガラスとしては、例えば、後述する封止材料層を構成する材料として列記しているものが使用できる。

発光素子は、例えば、波長が６００〜６６０ｎｍの赤色光を発する赤色ＬＥＤや、５５０〜６００ｎｍの黄色光を発する黄色ＬＥＤや、波長が５００〜５５０ｎｍの緑色光を発する緑色ＬＥＤや、波長が４２０〜５００ｎｍの青色光を発する青色ＬＥＤや、３８０〜４２０ｎｍの青紫色を発する青紫ＬＥＤ等を使用することができる。また、青色ＬＥＤと例えば黄色蛍光体とにより白色光を発する白色ＬＥＤや、青紫ＬＥＤや紫外ＬＥＤと例えば青色，緑色，赤色蛍光体とにより白色光を発する白色ＬＥＤなど、ＬＥＤと波長変換材とを組み合わせたＬＥＤでもよい。３８０〜７８０ｎｍの可視光域以外にも赤外光（７８０ｎｍ〜２μｍ）を発するＬＥＤや３８０〜２００ｎｍの紫外光を発するＬＥＤにおいても、本発明により放射パターンを制御することが可能である。上記赤色ＬＥＤや上記黄色ＬＥＤとしては、例えばＡｌＩｎＧａＰ系材料を用いたＬＥＤが使用できる。また、上記緑色ＬＥＤや上記青色ＬＥＤや上記青紫ＬＥＤや上記紫外ＬＥＤとしては、例えばＩｎＧａＡｌＮ系材料を用いたＬＥＤが使用できる。赤色〜赤外光としては、ＡｌＧａＡｓ系材料やＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いたＬＥＤが使用できる。エピタキシャル成長で形成する各系の発光素子におけるＬＥＤ材料の元素組合せ比率は、発光波長に応じて適宜調整するものである。なお、基台上に配置される発光素子の個数は特に限定されず、要求される光量に応じて適宜設定すればよい。また、発光素子は、基台上にサブマウント基板を介して配置されていてもよい。発光素子には、化合物半導体材料に限定するものではなく、例えば有機半導体材料、無機半導体材料からなる発光素子を用いることも可能である。

そして、本発明の発光装置は、発光素子を覆う第１封止材層と、この第１封止材層の側面を囲む第２封止材層とを含み、第１封止材層の屈折率と第２封止材層の屈折率とが異なる。本発明の発光装置によれば、第１封止材層の屈折率と第２封止材層の屈折率とを制御することにより、発光素子からの放射パターンを制御できる。本発明の発光装置では、凸レンズや回折格子、あるいは遮蔽部材等がなくても発光素子からの放射パターンを制御できるため、発光装置の小型化、薄型化が容易な上、発光装置の光取り出し効率の低下を防ぐことができる。なお、第２封止材層は、第１封止材層の側面の全てを囲んでいなくても良い。更に放射パターンとして、単峰性のパターン以外に多峰性のパターンを作ることも可能である。この場合、例えば、複数方向に放射パターンが必要となるセンサー用光源に適している。

本発明の発光装置では、例えば第２封止材層の屈折率（ｎ2）を第１封止材層の屈折率（ｎ1）より高くすると、発光素子からの発光の放射角を狭くすることができる。特に、屈折率比（ｎ1／ｎ2）が０．９以下の場合、上記放射角を充分に狭くすることができる。これにより、本発明の発光装置をスポット光などの演出用照明装置に適用することができる。また、例えば第２封止材層の屈折率（ｎ2）を第１封止材層の屈折率（ｎ1）より低くすると、発光素子からの発光の放射角を広くすることができる。特に、屈折率比（ｎ1／ｎ2）が１．１以上の場合、上記放射角を充分に広くすることができる。これにより、本発明の発光装置を室内照明などの一般用照明装置に適用することができる。なお、第１及び第２封止材層の屈折率を上記のように制御するには、例えばそれぞれの層の屈折率が上記関係となるように層の構成材料を選択すればよい。

本発明の発光装置では、第１封止材層が、発光素子からの出射光の光軸に対して非対称に分布していてもよい。異方性のある放射パターンとすることができるからである。ここで、上記「非対称」とは、上記光軸に対して点対称でないことを指す。この場合、本発明の発光装置を、例えば、自動車の前照灯（即ち、対向車の運転手の視界を妨げないように対向車線側の放射方向が歩行者側よりも下向きに設計されている前照灯）などのように、ある特定の方向のみを照らす照明装置に適用することができる。なお、第２封止材層が、発光素子からの出射光の光軸に対して非対称に分布していても同様の効果を発揮させることができる。

第１及び第２封止材層を構成する材料は、特に限定されない。発光素子からの出射光の少なくとも一部が、第１及び第２封止材層のそれぞれを透過することができる限りにおいて、種々の材料を使用できる。例えば、酸化アルミニウム（屈折率：１．６３）、酸化セリウム（屈折率：２．２）、酸化ハフニウム（屈折率：１．９５）、酸化マグネシウム（屈折率：１．７４）、酸化ニオブ（屈折率：２．３３）、酸化タンタル（屈折率：２．１６）、酸化ジルコニウム（屈折率：２．０５）、酸化亜鉛（屈折率：２．１）、酸化チタン（屈折率：２．４）、酸化イットリウム（屈折率：１．８７）、酸化シリコン（屈折率：１．５）、酸化インジウム（屈折率：２）、酸化スズ（屈折率：２）、酸化タングステン（屈折率：２．２）、酸化バナジウム（屈折率：２．０）等の金属酸化物や、窒化シリコン（屈折率：１．９）、窒化ガリウム（屈折率：２．５）、炭化シリコン（屈折率：２．６）、フッ化カルシウム（屈折率：１．４３）、炭酸カルシウム（屈折率：１．５８）、硫酸バリウム（屈折率：１．６４）、硫化銅（屈折率：２．１）、硫化スズ（屈折率：２．０）、硫化亜鉛（屈折率：２．３７）等の無機材料や、ダイアモンド（屈折率：２．４）や、これらの混合物等が使用できる。なお、上記括弧内の屈折率の値は、波長が５５０ｎｍの光に対するそれぞれの材料の屈折率を示す。

上記列挙した材料を用いて第１及び第２封止材層を形成する方法としては、例えばゾルゲル法が例示できる。例えばゾルゲル法で酸化シリコンからなる封止材層を形成する場合は、金属アルコキシド（メチルシリケート、Ｎブチルシリケート等）を加水分解してゾル化した後、このゾルの粘度をエチレングリコール等のアルコール類を用いて所定の値に調整し、これを基台上の所望の箇所に塗布し、２００℃で数十分間乾燥した後、３００℃で２時間程度加熱することによって、酸化シリコンからなる封止材層が得られる。酸化シリコン以外に、例えば酸化チタン等の金属酸化物を使用する場合も同様の方法で封止材層を形成できる。また、ゾルゲル法を使用する場合は、後述するナノ粒子材を併用することもできる。例えば、金属アルコキシドにナノ粒子材を分散させ、その後ゲル化することにより、金属酸化物とナノ粒子材とからなる封止材層が得られる。

第１及び第２封止材層を構成する材料として、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ユリア樹脂、アミド樹脂、イミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリフェニルサルファイド樹脂、液晶ポリマー、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂（ＡＢＳ樹脂）、メタクリル樹脂（ＰＭＭＡ樹脂）、環状オレフィンコポリマー等の樹脂やこれらの混合物、あるいは低融点ガラス等のガラスを使用してもよい。これらの樹脂やガラス等の透光性材料を使用する場合は、これらの透光性材料に電子ビームやイオンビーム（水素イオンビームやヘリウムイオンビームなど）を照射することにより、上記透光性材料の屈折率を高めることができる。

高屈折率のガラス材としては、ＴｅＯ₂、ＧｅＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、ＧａＯ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、Ｙ₂Ｏ₃、Ｌａ₂Ｏ₃、Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、ＴｉＯ₂、Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅等を適宜混合してなるＴｅＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−ＺｎＯ系ガラスを使用することができる。上記ガラスは組成比率を適宜調整することで、２程度の高屈折率を得ることができる。また、上記ガラスの軟化温度は４００℃〜５００℃であり、プレス加工が可能である。

また、これらの透光性材料を母材とし、この母材中に上記列挙した金属酸化物や無機材料からなるナノ粒子材を分散させたコンポジット材を使用することもできる。この場合、上記母材中に分散させる上記ナノ粒子材の量を調整することにより、封止材層の屈折率を調整できる。また、硬化性樹脂を母材とする場合は、未硬化状態の硬化性樹脂に上記ナノ粒子材を分散させると、硬化前における上記硬化性樹脂のチクソ性が向上するため、封止材層を所望の形状に容易に形成することができる。また、樹脂単独で使用する場合に比べて熱伝導性が向上するため、発光素子からの熱を効率良く放熱することができる。

また、第１及び第２封止材層を構成する材料として、上記透光性材料にナノ粒子材を分散させた複合材料を使用してもよい。このナノ粒子材としては、例えば上記列挙した金属酸化物、無機材料等からなる超微粒子が使用でき、封止材である上記透光性材料内における発光波長の４分の１以下の平均粒径を有するものが好適である。ナノ粒子材の平均粒径が上記範囲であれば、充分な透明性を有する封止材層とすることができるからである。なお、上記「平均粒径」とは、例えば走査型電子顕微鏡の観察像から読み取った一次粒子の粒径の平均値（例えば１００個の一次粒子の粒径の平均値）であればよい。特に、上記平均粒径が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であればよく、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下が好ましく、分散性の観点から１ｎｍ以上１０ｎｍ以下がより好ましい。

本発明の発光装置を白色光源として使用する場合は、第１及び第２封止材層の少なくとも一方に、発光素子から発せられた光の一部の波長を変換する波長変換材料を分散させればよい。このような波長変換材料としては、例えば、赤色光を発する赤色蛍光体、黄色光を発する黄色蛍光体、緑色光を発する緑色蛍光体等が使用できる。上記赤色蛍光体としては、例えばニトリドシリケート系Ｓｒ₂Ｓｉ₅Ｎ₈:Ｅｕ²⁺、ニトリドアルミノシリケート系ＣａＡｌＳｉＮ₃:Ｅｕ²⁺、オクソニトリドアルミノシリケート系Ｓｒ₂Ｓｉ₄ＡｌＯＮ₇:Ｅｕ²⁺、ＬＯＳ系Ｌａ₂Ｏ₂Ｓ:Ｅｕ³⁺等を使用できる。上記黄色蛍光体としては、例えば（Ｓｒ、Ｂａ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺、（Ｙ、Ｇｄ）₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺等を使用できる。上記緑色蛍光体としては、例えばＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ²⁺、ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｍｎ²⁺、ＳｒＡｌ₂Ｏ₄:Ｅｕ²⁺、シリケート系（Ｂａ，Ｓｒ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺等を使用できる。また、上記波長変換材料として、ローダミン等の有機色素や燐光体等を使用することもできる。なお、発光素子として、波長が４２０ｎｍ以下の青紫色光や、波長が３８０ｎｍ以下の紫外光を発するＬＥＤを使用する場合は、波長変換材料として、例えば上述した赤色蛍光体及び緑色蛍光体と、青色光を発する青色蛍光体とを併用すればよい。この青色蛍光体としては、ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ²⁺等のアルミン酸塩蛍光体や、Ｂａ₃ＭｇＳｉ₂Ｏ₈：Ｅｕ²⁺等のシリケート蛍光体等が使用できる。

本発明の発光装置は、発光素子から発せられた光を光出射側へ反射する反射層を更に含んでいても良い。光取り出し効率が向上するからである。この場合、反射層の反射表面の材料としては、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｄやこれらの金属を含む合金等の金属、あるいは酸化アルミニウム、酸化セリウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化イットリウム、酸化シリコン、酸化インジウム、酸化スズ、酸化タングステン、酸化バナジウム等の金属酸化物や、窒化シリコン、窒化ガリウム、炭化シリコン、フッ化カルシウム、炭酸カルシウム、硫化銅、硫化スズ、硫化亜鉛、硫酸バリウム等の無機材料やこれらの混合物が使用できる。粒子状の金属酸化物や無機材料を使用する場合、拡散・散乱による反射効果の観点から平均粒径が封止材中での波長よりも大きい０．３〜３μｍのものを使用するのが好ましい。また、これらの金属酸化物や無機材料を２種類以上交互に積層した多層膜による分布ブラッグ反射ミラー（厚さ０．１〜１μｍ）も反射層として有効である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、参照する図面においては、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の符号で示し、重複する説明を省略する場合がある。実施形態においては説明の簡素化のため、屈折率の異なる２種類の封止材層を用いる例を示しており、封止材層の数を更に増やすことも可能である。

図１〜３は、それぞれ本発明の実施形態１〜３に係る発光装置の概略断面図である。

図１に示すように、発光装置１は、基台１０と、基台１０上に配置された発光素子１１と、発光素子１１を覆う第１封止材層１２と、第１封止材層１２の側面を囲む第２封止材層１３とを含む。そして、第２封止材層１３の屈折率が、第１封止材層１２の屈折率より高い。これにより、発光素子１１からの発光の放射角を狭くすることができるため、発光装置１は、スポット光で被写体を浮かび上がらせるような演出に用いる照明装置に適用することができる。

図２に示す発光装置２は、発光素子１１を覆う第１封止材層２０の屈折率が、第１封止材層２０の側面を囲む第２封止材層２１の屈折率より高い。その他は、上述した発光装置１（図１参照）と同様である。これにより、発光素子１１からの発光の放射角を広くすることができるため、発光装置２を室内照明などの一般用照明装置に適用することができる。

図３に示す発光装置３は、第１封止材層２０が、発光素子１１からの出射光の光軸Ｌに対して非対称に分布している。その他は、上述した発光装置２（図２参照）と同様である。これにより、発光素子１１からの出射光を異方性のある放射パターンとすることができる。よって、発光装置３を、例えば、自動車の前照灯（即ち、対向車の運転手の視界を妨げないように対向車線側の放射方向が歩行者側よりも下向きに設計されている前照灯）などのように、ある特定の方向のみを照らす照明装置に適用することができる。また、ビル上方の壁面などに取り付けられる街頭用大型ディスプレイでは、人がいる方向から画像が見えるように、一般的には下方に放射パターンが向けられる。このような異方性のある放射パターンが求められる用途に適用することができる。

以上、本発明の実施形態１〜３に係る発光装置１〜３について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１封止材層の上面が第２封止材層で覆われていてもよい。この場合、第１封止材層上に配置された第２封止材層の厚みが、第１封止材層の幅に対して２０％未満であると、上面を覆う第２封止材層が放射パターンに大きく影響しないため好ましい。反対に積極的に放射パターンに影響を与える場合は、２０％以上が好ましい。発光装置の小型化、薄型化の観点からは、第１封止材層の上面が第２封止材層で覆われていないことが好ましい。なお、第１封止材層と第２封止材層との境界は、基台に対し垂直でなくてもよい。

次に、上述した発光装置１〜３の具体例、及び比較例の発光装置１００（図４参照）について、後述する測定方法により放射パターンの測定を行った。発光装置１００は、封止材層として第１封止材層１２のみを用いたこと以外は、上述した発光装置１（図１参照）と同様である。

（発光装置の構成材料、寸法等）
発光装置１〜３の具体例及び発光装置１００で使用する発光素子１１には、サファイア基板を用いたＧａＮ系ＬＥＤチップ（厚み：０．１ｍｍ、０．３ｍｍ角）を用いた。基台１０としては、アルミナで構成された基材を用いた。上記ＬＥＤチップは、基台１０上に設けたＬＥＤチップへの配電のためのメタル配線パターン（不図示）上の一部に設けた実装部に、Ａｕバンプによりフリップチップ接合されている。また、第１封止材層１２及び第２封止材層２１としては、信越化学製シリコーン樹脂（品番：ＬＰＳ−５５１０）を用いた。第１封止材層１２及び第２封止材層２１は、いずれも波長が５５０ｎｍの光に対する屈折率が１．５であった。また、第２封止材層１３及び第１封止材層２０としては、上記シリコーン樹脂に酸化チタン粒子（平均粒子径：５ｎｍ）を６０体積％の含有率で分散させたコンポジット材を用いた。第２封止材層１３及び第１封止材層２０は、いずれも波長が５５０ｎｍの光に対する屈折率が２．０であった。発光装置１〜３の具体例及び発光装置１００の寸法は、いずれも外径Ｄ1（図１参照）が２ｍｍ、封止材層の厚みＴ1（図１参照）が０．５５ｍｍ、基台１０の厚みＴ2（図１参照）が１ｍｍであった。また、第１封止材層１２，２０は、いずれも直径Ｄ2（図１参照）が０．７ｍｍであった。なお、発光装置３の具体例では、第１封止材層２０の光軸Ｌに対するズレ量Ｇ1（図３参照）が０．２ｍｍであった。

なお、母材となるシリコーン樹脂（屈折率ｎ2＝１．５）と酸化チタン粒子（屈折率ｎ1＝２．４）の混合物に占める酸化チタン粒子の体積比率をＰ1とすると、混合物の屈折率ｎcは、マックスウェル−ガーネットの理論から、以下の式（１）で与えられる。

ｎc²＝ｎ2²×｛ｎ1²＋２ｎ2²＋２Ｐ1（ｎ1²−ｎ2²）｝／｛ｎ1²＋２ｎ2²−Ｐ1（ｎ1²−ｎ2²）｝………（１）
式（１）から、第２封止材層１３，第１封止材層２０の屈折率は、２．０と計算することができる。

なお、発光素子の実装形態は、実装面側にアノード電極とカソード電極を配した発光素子をフリップチップ接合するものに限らない。例えば、上面と下面の一方にアノード電極、もう一方にカソード電極を設けた発光素子において、下面を半田接合、上面をワイヤボンド接合してもよいし、上面にアノード電極とカソード電極を設けた発光素子において、下面を銀ペースト接合、上面の両電極をそれぞれ異なるワイヤボンド接合するなどしてもよく、各種の接合方式が可能である。

（放射パターンの測定方法）
次に、放射パターンの測定方法について図５を参照して説明する。図５は、発光装置１の具体例の放射パターンの測定方法を説明するための模式図である。発光装置１を発光させた状態で、ディテクター５０（浜松ホトニクス製Ｓ９２１９、受光面の直径：１１．３ｍｍ）を用いて発光装置１を中心とする半径１ｍの半円（図５における破線）上の発光強度を測定した。そして、発光素子１１の光軸Ｌに対する放射角θについて、測定した発光強度をプロットした。発光装置２，３の具体例及び発光装置１００についても同様の測定方法で測定した。得られた結果を図６に示す。なお、図６では、それぞれの発光強度のピークを１として規格化している。

図６から分かるように、発光装置１〜３によれば、発光装置１００に対して放射パターンを制御することができた。なお、図６において、発光装置１，２，３，１００の半値幅は、それぞれ９６度，１４８度，１０２度，１２３度であった。

図７，８は、それぞれ本発明の実施形態４，５に係る発光装置の概略断面図である。

図７に示すように、発光装置４は、基台１０上に形成された反射層６０を含み、この反射層６０の凹部内に封止材層が充填されていること以外は、上述した発光装置１（図１参照）と同様である。また、図８に示すように、発光装置５は、基台１０上に形成された反射層６０を含み、この反射層６０の凹部内に封止材層が充填されていること以外は、上述した発光装置２（図２参照）と同様である。

次に、上述した発光装置４，５の具体例、及び比較例の発光装置２００（図９参照）について、上述と同様の測定方法により放射パターンの測定を行った。発光装置２００は、封止材層として第１封止材層１２のみを用いたこと以外は、上述した発光装置４（図７参照）と同様である。発光装置４，５の具体例及び発光装置２００においては、いずれも反射層６０の出射側開口径Ｄ3（図７参照）が２ｍｍ、反射層６０の基台側開口径Ｄ4（図７参照）が１．２ｍｍであった。また、反射層６０の反射表面の構成材料は、ソルベイアドバンストポリマーズ社製のアモデルＡ−４１２２（主成分はポリフタルアミド樹脂で、４４０〜７００ｎｍの光に対して９０％以上の反射率を有する）とした。その他の発光装置の構成材料、寸法等については、上述した発光装置１〜３の具体例及び発光装置１００と同様とした。得られた結果を図１０に示す。なお、図１０では、それぞれの発光強度のピークを１として規格化している。

図１０から分かるように、発光装置４，５によれば、発光装置２００に対して放射パターンを制御することができた。なお、図１０において、発光装置４，５，２００の半値幅は、それぞれ３１度，４８度，３３度であった。

図１１，１２は、それぞれ本発明の実施形態６，７に係る発光装置の概略断面図である。

図１１に示す発光装置６は、第１封止材層２０が、発光素子１１からの出射光の光軸Ｌに対して非対称に分布している。その他は、上述した発光装置５（図８参照）と同様である。また、図１２に示す発光装置７は、第２封止材層２１が、発光素子１１からの出射光の光軸Ｌに対して非対称に分布している。その他は、上述した発光装置５（図８参照）と同様である。

次に、上述した発光装置６，７の具体例について、上述と同様の測定方法により放射パターンの測定を行った。なお、発光装置６の具体例では、第１封止材層２０の光軸Ｌに対するズレ量Ｇ2（図１１参照）が０．２ｍｍであった。また、発光装置７の具体例では、第２封止材層２１の光軸Ｌに対するズレ量Ｇ3（図１２参照）が０．２ｍｍであった。その他の発光装置の構成材料、寸法等については、上述した発光装置５の具体例と同様とした。得られた結果を図１３に示す。なお、図１３では、それぞれの発光強度のピークを１として規格化し、比較として上述した発光装置２００の結果についても示している。

図１３から分かるように、発光装置６，７によれば、発光装置２００に対して放射パターンを制御することができた。なお、図１３において、発光装置６，７の半値幅は、それぞれ５１度，５２度であった。

図１４Ａは、本発明の実施形態８に係る発光装置の概略断面図である。また、図１４Ｂは、図１４Ａの発光装置の封止材層側から見た平面図である。図１４Ａ，Ｂに示す発光装置８は、第１封止材層２０が略楕円柱状に形成されていること以外は、上述した発光装置５（図８参照）と同様である。

次に、上述した発光装置８の具体例について、上述と同様の測定方法により放射パターンの測定を行った。なお、発光装置８の具体例では、第１封止材層２０の長径Ｄ5（図１４Ｂ参照）が１．２ｍｍ、第１封止材層２０の短径Ｄ6（図１４Ｂ参照）が０．７ｍｍであった。その他の発光装置の構成材料、寸法等については、上述した発光装置５の具体例と同様とした。得られた結果を図１５に示す。なお、図１５では、第１封止材層２０の短軸と直交する方向であるＸ方向（図１４Ｂ参照）を光軸とした場合、第１封止材層２０の長軸と直交する方向であるＹ方向（図１４Ｂ参照）を光軸とした場合、及び比較として上述した発光装置２００の結果について、それぞれの発光強度のピークを１として規格化して示している。

図１５から分かるように、発光装置８によれば、発光装置２００に対して放射パターンを制御することができた。なお、図１５において、Ｘ方向における半値幅は５４度、Ｙ方向における半値幅は４２度であった。

図１６Ａは、本発明の実施形態９に係る発光装置の概略断面図である。また、図１６Ｂは、図１６Ａの発光装置における発光素子の拡大図である。

図１６Ａに示すように、発光装置９では、基台１０上に形成された配線７０に、ワイヤ７１を介して発光素子１１が実装されている。

図１６Ｂに示すように、発光素子１１は、ｎ−Ｓｉ等からなるサブマウント基板８０と、サブマウント基板８０上にＳｉＯ₂膜８１を介して形成されたＴｉ/Ｐｔ/Ａｌ高反射配線８２と、Ｔｉ/Ｐｔ/Ａｌ高反射配線８２上にバンプ８３及び電極８４を介して実装されたＬＥＤチップ８５と、ＬＥＤチップ８５を覆って形成された蛍光体層８６とを含む。

ＬＥＤチップ８５は、サブマウント基板８０側から順に、ｐ−ＧａＮ層８５ａ、ＩｎＧａＮ/ＧａＮ量子井戸発光層８５ｂ、ｎ−ＧａＮ層８５ｃ及びＧａＮ基板８５ｄが積層されて形成されている。また、蛍光体層８６には、ＩｎＧａＮ/ＧａＮ量子井戸発光層８５ｂから発せられた光の一部の波長を変換する蛍光体材料が分散されている。その他は、上述した発光装置５（図８参照）と同様である。発光装置９は、蛍光体層８６を有するため、白色光源として使用することができる。

上述の実施形態１〜９では、第１封止材層の横方向の厚みが一定の例を示したが、例えば、横方向の厚みを光出射方向に対して順次狭くしたり、又は順次広くすることで多様な放射パターンを制御することが可能である。

図１７，１８，１９は、それぞれ本発明の実施形態１０，１１，１２に係る発光装置の概略断面図である。

図１７に示す発光装置３０は、アルミナで構成されたカップ状の基台４０上に形成された第１封止材層１２を含み、この第１封止材層１２は、横方向の厚みが光出射方向に対して順次狭くなるように形成されていること以外は、上述した発光装置１（図１参照）と同様である。また、図１８に示す発光装置３１は、カップ状の基台４０上に形成された第１封止材層１２を含み、この第１封止材層１２は、横方向の厚みが光出射方向に対して順次狭くなるように形成されているとともに、第１封止材層１２の側面１２ａは曲面で形成されていること以外は、上述した発光装置１（図１参照）と同様である。さらに、図１９に示す発光装置３２は、基台１０上に形成された第１封止材層１２を含み、この第１封止材層１２は、横方向の厚みが光出射方向に対して順次狭くなるように形成され、第２封止材層１３の側面１３ａもテーパ状に形成され、側面１３ａからも光が出る構造であること以外は、上述した発光装置１（図１参照）と同様である。

次に、上述した発光装置３２の製造工程の一部を説明する。先ず、図２０Ａに示すように、基台１０上に発光素子１１を設置する。次に、図２０Ｂに示すように、凹部４５ａを有する金型４５を基台１０上に配置し、発光素子１１を凹部４５ａ内に配置する。続いて、図２０Ｃに示すように、凹部４５ａ内に第１封止材を充填して固化させる。最後に、図２０Ｄに示すように、基台１０から金型４５を除去することにより、基台１０上に発光素子１１を覆うように第１封止材層１２が形成される。第１封止材層１２は、横方向の厚みが光出射方向に対して順次狭くなるように形成されているので、金型４５の離型性が良好であり、生産性の面で優れた形状であることが分かる。

図２１，２２，２３は、それぞれ本発明の実施形態１３，１４，１５に係る発光装置の概略断面図である。

図２１に示す発光装置３３は、カップ状の基台４０上に形成された第１封止材層１２を含み、この第１封止材層１２は、横方向の厚みが光出射方向に対して順次広くなるように形成されていること以外は、上述した発光装置１（図１参照）と同様である。また、図２２に示す発光装置３４は、カップ状の基台４０上に形成された第１封止材層１２を含み、この第１封止材層１２は、横方向の厚みが光出射方向に対して順次広くなるように形成されているとともに、第１封止材層１２の側面１２ａは曲面で形成されていること以外は、上述した発光装置１（図１参照）と同様である。さらに、図２３に示す発光装置３５は、基台１０上に形成された第１封止材層１２を含み、この第１封止材層１２は、横方向の厚みが光出射方向に対して順次広くなるように形成され、第２封止材層１３の側面１３ａもテーパ状に形成され、側面１３ａからも光が出る構造であること以外は、上述した発光装置１（図１参照）と同様である。

次に、上述した発光装置３４の製造工程の一部を説明する。先ず、図２４Ａに示すように、カップ状の基台４０の内側面に第２封止材層１３を形成し、基台４０の中央部に凹部１４を形成する。凹部１４は、低部から開口部に向けて横方向の寸法が順次大きくなるように形成する。次に、図２４Ｂに示すように、真空コレット４６を用いて発光素子１１を基台４０上に配置する。この際、真空コレット４６と第２封止材層１３との間には空間部１４ａが形成されるので、真空コレット４６の出し入れが容易に行える。図２４Ｃは、真空コレット４６を除去した状態を示す図である。続いて、図２４Ｄに示すように、凹部１４内に第１封止材を充填して固化させて、第１封止材層１２を形成する。第１封止材層１２は、横方向の厚みが光出射方向に対して順次広くなる構造を有することにより、発光素子１１を配置する際の冶具の出し入れをスムーズに行うことができるので、生産性の面で優れた形状であることが分かる。

本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、上記以外の形態としても実施が可能である。本出願に開示された実施形態は一例であって、これらに限定はされない。本発明の範囲は、上述の明細書の記載よりも、添付されている請求の範囲の記載を優先して解釈され、請求の範囲と均等の範囲内での全ての変更は、請求の範囲に含まれるものである。上記実施形態では、発明の本質部分を説明するために、発光装置の光取出し面となる上面が、平坦である例を示したが、上面に凸状又は凹状のレンズや、フレネルレンズを形成して使用できることはいうまでもない。

本発明の発光装置は、例えば、一般照明、演出照明（スポット光、サイン灯等）、自動車用照明（特に前照灯）等に使用される照明装置や、街頭用大型ディスプレイ、プロジェクタ等に使用される表示装置等に有用である。また、小型、薄型化が求められるセンサー用光源としても有用である。

図１は、本発明の実施形態１に係る発光装置の概略断面図である。図２は、本発明の実施形態２に係る発光装置の概略断面図である。図３は、本発明の実施形態３に係る発光装置の概略断面図である。図４は、比較例に係る発光装置の概略断面図である。図５は、発光装置の放射パターンの測定方法を説明するための模式図である。図６は、本発明の実施例及び比較例の発光装置の放射パターンを示すグラフである。図７は、本発明の実施形態４に係る発光装置の概略断面図である。図８は、本発明の実施形態５に係る発光装置の概略断面図である。図９は、比較例に係る発光装置の概略断面図である。図１０は、本発明の実施例及び比較例の発光装置の放射パターンを示すグラフである。図１１は、本発明の実施形態６に係る発光装置の概略断面図である。図１２は、本発明の実施形態７に係る発光装置の概略断面図である。図１３は、本発明の実施例及び比較例の発光装置の放射パターンを示すグラフである。図１４Ａは、本発明の実施形態８に係る発光装置の概略断面図である。図１４Ｂは、図１４Ａの発光装置の封止材層側から見た平面図である。図１５は、本発明の実施例及び比較例の発光装置の放射パターンを示すグラフである。図１６Ａは、本発明の実施形態９に係る発光装置の概略断面図である。図１６Ｂは、図１６Ａの発光装置における発光素子の拡大図である。図１７は、本発明の実施形態１０に係る発光装置の概略断面図である。図１８は、本発明の実施形態１１に係る発光装置の概略断面図である。図１９は、本発明の実施形態１２に係る発光装置の概略断面図である。図２０Ａは、本発明の実施形態１２に係る発光装置の製造工程の一部を示す概略断面図である。図２０Ｂは、本発明の実施形態１２に係る発光装置の製造工程の一部を示す概略断面図である。図２０Ｃは、本発明の実施形態１２に係る発光装置の製造工程の一部を示す概略断面図である。図２０Ｄは、本発明の実施形態１２に係る発光装置の製造工程の一部を示す概略断面図である。図２１は、本発明の実施形態１３に係る発光装置の概略断面図である。図２２は、本発明の実施形態１４に係る発光装置の概略断面図である。図２３は、本発明の実施形態１５に係る発光装置の概略断面図である。図２４Ａは、本発明の実施形態１４に係る発光装置の製造工程の一部を示す概略断面図である。図２４Ｂは、本発明の実施形態１４に係る発光装置の製造工程の一部を示す概略断面図である。図２４Ｃは、本発明の実施形態１４に係る発光装置の製造工程の一部を示す概略断面図である。図２４Ｄは、本発明の実施形態１４に係る発光装置の製造工程の一部を示す概略断面図である。

１，２，３，４，５，６，７，８，９、３０，３１，３２，３３，３４，３５発光装置
１０，４０基台
１１発光素子
１２，２０第１封止材層
１３，２１第２封止材層
１２ａ，１３ａ側面
１４，４５ａ凹部
１４ａ空間部
４５金型
４６真空コレット
５０ディテクター
６０反射層
７０配線
７１ワイヤ
８０サブマウント基板
８１ＳｉＯ₂膜
８２Ｔｉ/Ｐｔ/Ａｌ高反射配線
８３バンプ
８４電極
８５ＬＥＤチップ
８５ａｐ−ＧａＮ層
８５ｂＩｎＧａＮ/ＧａＮ量子井戸発光層
８５ｃｎ−ＧａＮ層
８５ｄＧａＮ基板
８６蛍光体層

Claims

基台と、前記基台上に配置された発光素子と、前記基台上に配置された開口凹部を有する反射層を含む発光装置であって、
前記発光素子は前記開口凹部の底に配置されており、
前記発光素子は第１封止材層で覆われており、前記第１封止材層は第２封止材層により側面を囲まれており、前記第２封止材層の側面と前記開口凹部の凹内壁面が接しており、
前記第１封止材層は円柱形状をしており、前記第２封止材層は前記第１封止材層を含む逆円錐台形状をしており、
前記第１封止材層の上面と前記第２封止材層の上面と前記反射層の上面は同一面を形成しており、
前記第１封止材層の屈折率と前記第２封止材層の屈折率とが異なることを特徴とする発光装置。
前記発光素子の出射光の光軸が、前記円柱形状の第１封止材層の中心軸から外れた位置に配置され、かつ前記逆円錐台形状の第２封止材層の中心軸と一致する位置に配置されている請求項１に記載の発光装置。
前記発光素子の出射光の光軸が、前記円柱形状の第１封止材層の中心軸と一致する位置に配置され、かつ前記逆円錐台形状の第２封止材層の中心軸から外れた位置に配置されている請求項１に記載の発光装置。
基台と、前記基台上に配置された発光素子と、前記基台上に配置された開口凹部を有する反射層を含む発光装置であって、
前記発光素子は前記開口凹部の底に配置されており、
前記発光素子は第１封止材層で覆われており、前記第１封止材層は第２封止材層により側面を囲まれており、前記第２封止材層の側面と前記開口凹部の凹内壁面が接しており、
前記第１封止材層は楕円柱形状をしており、前記第２封止材層は前記第１封止材層を含む逆円錐台形状をしており、
前記第１封止材層の上面と前記第２封止材層の上面と前記反射層の上面は同一面を形成しており、
前記第１封止材層の屈折率と前記第２封止材層の屈折率とが異なることを特徴とする発光装置。
前記第１封止材層、及び前記第２封止材層は、蛍光体を含まない請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光装置。
前記第１封止材層の屈折率をｎ１、前記第２封止材層の屈折率をｎ２としたとき、屈折率比ｎ１／ｎ２が、０．９以下である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光装置。
前記第１封止材層の屈折率をｎ１、前記第２封止材層の屈折率をｎ２としたとき、屈折率比ｎ１／ｎ２が、１．１以上である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光装置。
前記発光素子は、サブマウント基板と、前記サブマウント基板の一方の主面側に形成されたＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップの周りを覆う蛍光体層とを含む請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発光装置。
前記第１封止材層、前記第２封止材層の少なくとも一つは金属アルコキシドから形成した金属酸化物である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発光装置。
前記第１封止材層、前記第２封止材層の少なくとも一つは電子ビーム照射、又はイオンビーム照射した樹脂又はガラス材である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発光装置。
前記第１封止材層、前記第２封止材層の少なくとも一つはＴｅＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−ＺｎＯ系のガラス材である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発光装置。
前記第１封止材層、前記第２封止材層の少なくとも一つは金属酸化物からなるナノ粒子材を分散したコンポジット材である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発光装置。