JP5393796B2

JP5393796B2 - 発光装置

Info

Publication number: JP5393796B2
Application number: JP2011528859A
Authority: JP
Inventors: 宏樹伊藤; 大輔作本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2030-08-27
Also published as: US20120138998A1; JPWO2011024934A1; EP2472613A1; WO2011024934A1; CN102473819A; EP2472613A4; EP2472613B1

Description

本発明は、発光素子を含む発光装置に関するものである。

近年、発光素子を含む光源を有している発光装置の開発が進められている。発光素子を有する発光装置は、消費電力または製品寿命に関して注目されている。この発光素子を有する発光装置は、例えば住宅用照明分野などにおいて、複数の色温度の光を選択的に放射する機能を求められている。

なお、発光装置として、発光素子から発せられる光を波長変換部で特定の波長帯の光に変換して、外部に取り出すものがある（例えば、特開２００４−３４３１４９号公報）。

本発明の一実施形態に係る発光装置は、基板と、前記基板上に設けられている発光素子と、前記基板上に設けられている、前記発光素子を取り囲む枠体と、前記枠体上に支持されているとともに、前記発光素子と間を空けて対向する波長変換部と、を備えている。さらに、発光装置は、前記波長変換部の厚みが、前記波長変換部の端部側から前記波長変換部の中央部側に向けて薄くなっているとともに、前記波長変換部は、前記発光素子と対向する前記波長変換部の下面に凹部が形成されている。

本発明の一実施形態に係る光電変換装置は、基板と、前記基板上に設けられている発光素子と、前記基板上に設けられている。前記発光素子を取り囲む枠体と、前記枠体上に支持されているとともに、前記発光素子と間を空けて対向する波長変換部と、を備えている。さらに、光電変換装置は、前記波長変換部の厚みが、前記波長変換部の端部側から前記波長変換部の中央部側に向けて薄くなっている。

本実施形態に係る発光装置の概観を示す断面斜視図である。本実施形態に係る発光装置の断面図である。図２に示す発光装置の光の進行状態を示す断面図である。一変形例に係る発光装置の断面図である。一変形例に係る発光装置の断面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る発光装置の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されないものである。

＜光電装置の概略構成＞
図１は、本実施形態に係る発光装置１の概観斜視図であって、その一部を断面視している。また、図２は、図１に示す発光装置の断面図である。

本実施形態に係る発光装置１は、基板２と、基板２上に設けられている発光素子３と、基板２上に設けられている発光素子３を取り囲む枠体４と、枠体４上に支持されているとともに、発光素子３と間を空けて対向する波長変換部５と、を含んでいる。なお、発光素子３は、例えば、発光ダイオードであって、半導体を用いたｐｎ接合中の電子と正孔が再結合することによって、外部に向かって光が放出される。

基板２は、絶縁性の基板であって、アルミナまたはムライト等のセラミック材料、あるいはガラスセラミック材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。また、基板２は、金属酸化物微粒子を分散させた高分子樹脂を用いることができる。

基板２は、基板２の内外を電気的に導通する配線導体が形成されている。配線導体は、タングステン、モリブデン、マンガンまたは銅等の導電材料からなる。配線導体は、例えば、タングステン等の粉末に有機溶剤を添加して得た金属ペーストを、基板２となるセラミックグリーンシートに所定パターンで印刷し、複数のセラミックグリーンシートを積層焼成することにより得られる。なお、基板２の内外に露出する配線導体の表面には、酸化防止のためにニッケルまたは金等の鍍金層が被着されている。

また、基板２の上面には、基板２上方に効率良く光を反射させるために、配線導体および鍍金層と間を空けて、アルミ二ウム、銀、金、銅またはプラチナ等の金属反射層を形成する。また、金属反射層の変わりに、白色のセラミック粉末が含有されたシリコーン樹脂等の絶縁性の透明部材を、基板２の上面の発光素子を除く部位に塗布することによって形成することができる。これにより、発光素子３が発する光は、基板２上で拡散反射されるとともに波長変換部５の一部に集中することなく、波長変換部５に入射される。その結果、発光素子３からの光が波長変換部５の特定箇所に集中しにくくすることができ、波長変換部５の特定箇所の変換効率の低下、あるいは波長変換部５の特定箇所の温度上昇による透過率の低下が有効に抑制することができる。

発光素子３は、基板２上に実装される。具体的には、基板２上に形成される配線導体の表面に被着する鍍金層上に、例えばロウ材または半田を介して電気的に接続される。

発光素子３は、例えば３７０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の波長範囲の励起光を発する素子を用いることができる。なお、発光素子３は、中心波長３７０ｎｍ〜４２０ｎｍを発するものであれば特に制限されるものではない。

ここで、発光素子３の発光素子基板表面に、半導体材料からなる発光層を備えている。半導体材料としては、例えば、セレン化亜鉛または窒化ガリウム等の半導体を用いることができる。発光層、例えば、有機金属気相成長法または分子線エピタキシャル成長法等の結晶成長法により形成することができる。

枠体４は、基板２と同一組成のセラミック材料から成り、基板２上面に積層されて一体焼成されている。もしくは、枠体４は、内壁面が反射面となるように、基体２とは別体として形成し、別体の枠体４を基体２上にシリコーン樹脂等の透光性の接着材を介して接着する。

接着材を透光性材料から構成した場合は、発光素子３から直接、接着材に伝搬される光、波長変換部５から発光装置１内に放射されて接着材に伝搬される光が、接着材に入射される。そして、接着材に入射した光は、基板１および枠体４の接着面で光反射が繰り返されながら、一部の光は発光装置１内に放射される。その後、これらの光が波長変換部５内の蛍光体を励起したり、波長変換部５を透過して発光装置１の外部に放射されたりする。仮に、接着材が透光性ではない場合、発光素子３から直接、接着材に伝搬される光、波長変換部５から発光装置１内に放射されて接着材に伝搬される光は、接着材内で吸収されやすく、発光装置１内における光損失が大きくなる。これに対して接着材が透光性の場合は、接着材に入射された光の一部は発光装置１内に放射され、発光装置１の出力光として利用できる。その結果、枠体４を基体２上にシリコーン樹脂等の透光性の接着材を介して接着することにより、接着材による光吸収損失が低下し、発光装置の光出力が向上する。

枠体４は、基板２上の発光素子３を取り囲むように設けられており、その内方には、発光素子３を収容するための円形または四角形の貫通孔４ａが設けられている。なお、枠体４の貫通孔４ａの形状を円形とすると、発光素子３が発光する光を全方向に満遍なく反射させて外部に極めて均一に放出することができる。

また、断面視して枠体４の内壁面は、下部から上部に向かって幅広に傾斜するとともに、枠体４の上端内側には段差４ｂが設けられている。そして、枠体４の傾斜する内壁面には、例えば、タングステン、モリブデン、銅または銀等から成る金属層と、金属層を被覆するニッケルまたは金等から成る鍍金金属層８が形成されている。この鍍金金属層８は、発光素子３の発する光を反射分散させる機能を有する。あるいは、図４に示すように、枠体４をセラミック材料から構成し、かつ枠体４の内壁面に鍍金金属層８を設けない場合は、枠体４の内壁面にセラミック材料から成る反射面を露出させ、発光素子３の発する光を反射分散させることができる。その結果、発光素子３から枠体４によって反射分散される光が、波長変換部５の特定箇所に集中することが抑制されて、波長変換部５に入射される。そして、発光素子３からの光が波長変換部５の特定箇所に集中しにくくすることができ、波長変換部５の特定箇所の変換効率の低下、あるいは波長変換部５の特定箇所の温度上昇による透過率の低下が有効に抑制することができる。

また、枠体４の内壁面の傾斜角度は、基板２の上面に対して例えば５５°以上７０°以下の角度に設定されている。また、鍍金金属層８の表面粗さは、算術平均高さＲａが例えば、１μｍ以上３μｍ以下に設定されている。

枠体４の段差４ｂは、波長変換部５を支持するためのものである。段差４ｂは、枠体４の上部の一部を内側に向けて切り欠いたものであって、波長変換部５の端部を支持することができる。なお、段差４ｂの表面にまで、鍍金金属層８が形成されている。枠体４と波長変換部５との間に鍍金金属層８を介在させることで、波長変換部５に発生する熱が、波長変換部５から樹脂７および鍍金金属層８を介して枠体４に放熱され、波長変換部５の温度上昇を有効に抑制することができる。

図４に示す発光装置は、段差４ｂの内壁面には、鍍金金属層８が形成されており、鍍金金属層８と樹脂７とが接している。そして、枠体４の段差が存在しない箇所に位置する内壁面には鍍金金属層８が設けられていない。これにより、波長変換部５から樹脂７に伝わる熱が、段差４ｂ上に形成された鍍金金属層８から枠体４にすぐに伝わる。そのため、枠体４の内壁面に全てに鍍金金属層８を設けた場合に比べて、枠体４内で囲まれる領域に熱を伝わりにくくすることができ、熱による封止樹脂６の透過率の劣化が抑制されるとともに、枠体４から枠体４の外部に向かって熱を放散しやすくすることができる。

また、段差４ａに形成された鍍金金属層８が樹脂７によって覆われている。鍍金金属層８が樹脂７によって覆われることで、波長変換部５から樹脂７に伝わった熱を効率良く枠体４に伝えることができる。

枠体４で囲まれる領域には、封止樹脂６が設けられている。封止樹脂６は、発光素子３を封止するとともに、発光素子３から発せられる光が透過する機能を備えている。封止樹脂６は、枠体４の内方に発光素子３を収容した状態で、枠体４で囲まれる領域であって、段差４ｂの高さ位置よりも低い位置まで充填される。なお、封止樹脂６は、例えばシリコーン樹脂、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂等の透光性の絶縁樹脂が用いられる。

そして、枠体４で囲まれる領域には、発光素子３を被覆するように封止樹脂６が設けられることによって、封止樹脂６と波長変換部５との間には、隙間が設けられる。隙間には気体が存在しているため、封止樹脂６と気体との屈折率の違いにより、封止樹脂６と隙間との界面において光の進行方向が変更したり、あるいは光が反射したりする。そのため、封止樹脂６から波長変換部５に向かって進行していた光のうち、波長変換部５から封止樹脂６に向かって反射した第１光の一部は、気体と封止樹脂６との界面において反射して、再び波長変換部５に進行する第２光となる。そのときの第２光の進行方向は、波長変換部５から封止樹脂６に向かって進行していた第１光の進行方向と異なるものを含むので、波長変換部５の特定箇所に光が集中するのを低減することができる。

また、図５に示すように、封止樹脂６の上面は、枠体４の内壁面の端部から中央部にかけて下方に凹んだ凹面として形成される。そして、封止樹脂６の端部の上面とその直上に位置する波長変換部５の下面との間の距離は、封止樹脂６の中央部の上面とその直上に位置する波長変換部５の下面との間の距離よりも狭く設定されている。波長変換部５から封止樹脂６に向かって進行する光は、封止樹脂６の上面の形状が凹面に設定されていることで、封止樹脂６の上面において反射しやすくすることができ、波長変換部５の特定箇所に光が集中するのを低減することができるとともに、光取出効率を向上させることができる。

波長変換部５は、発光素子３から発せられる光が内部に入射して、内部に含有される蛍光体が励起されて、波長が変更された光を発するものである。ここで、波長変換部５には、例えばシリコーン樹脂、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂等から成り、その樹脂中に、例えば４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の蛍光を発する青色蛍光体、例えば５００ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の蛍光を発する緑色蛍光体、例えば５４０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の蛍光を発する黄色蛍光体、例えば５９０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の蛍光を発する赤色蛍光体が含有されている。なお、蛍光体は、波長変換部５中に均一に分散している。

波長変換部５は、枠体４上に支持されるとともに、発光素子３と間を空けて対向するように設けられる。波長変換部５の厚みは、波長変換部５の端部側から波長変換部５の中央側に向かって薄くなるように設定されている。そして、波長変換部５の中央部が、発光素子３の直上に位置するように設定されている。

図３は、発光装置の断面図であって、発光素子から発せられる光を示している。なお、図３の矢印は、多くの光の進行方向を示したものである。発光素子３は、波長変換部５の下面の中央部と重なる領域に配置されている。

発光素子３から発せられる光は、図３に示すように、枠体４の内壁面にて反射して、波長変換部５の中央に集中する傾向にある。そのため、発光素子３から発せられる光が集中する波長変換部５の中央の厚みを薄くして、発光素子３から発せられる光によって励起される光の量を調整する。

つまり、発光素子３から発せられる光は、波長変換部５に到達するときは、波長変換部５の端部に比べて波長変換部５の中央に多く集中する。そのため、仮に、波長変換部５の厚みが一様であれば、波長変換部５にて変換される光が、波長変換部５の端部に比べて波長変換部の中央から多く発せられる。かかる場合、波長変換部５中で励起される光の多くが、波長変換部５の中央から多く放射されるため、平面視して波長変換部５の中央と端部で輝度バラツキが大きくなる。一方、本実施形態に係る発光装置１は、波長変換部５の厚みを、波長変換部５の端部側から波長変換部５の中央側に向かって薄くなるように設定することにより、発光素子３から発せられる光によって励起する光の量を、波長変換部５の中央で少なくすることにより、平面視して波長変換部５の中央と端部との輝度バラツキを抑制することができる。

波長変換部５は、発光素子３と対向する波長変換部５の下面に凹部５ａが形成されている。発光素子３から発せられる光は、枠体４の内壁面で反射して、波長変換部５の中央に集まる傾向にあるため、波長変換部５の下面に凹部５ａを形成することにより、波長変換部５に進行する光を包むようにして、波長変換部５の下面にて反射する光の量を低減し、外部量子効率を向上させることができる。凹部５ａの形状は、発光素子３の上方に位置する波長変換部５の中央部を中心とした半円球状に形成されている。波長変換部５に凹部５ａを形成することによって、発光素子３の上面に対して波長変換部５の下面を傾斜させることができ、発光素子３からの光が波長変換部５の下面にて反射されにくくすることができ、発光素子３からの光を波長変換部５内に効率良く入射させることができる。

また、仮に凹部５ａを波長変換部５の下面に形成せず、凹部５ａを波長変換部５の上面に形成した場合は、凹部５ａを波長変換部５の下面に形成した場合と比べると、発光素子３からの光が波長変換部５の下面にて反射されやすいため、波長変換効率を向上させる効果が低くなる。

また、波長変換部５の端部は、枠体４の段差上に位置しており、枠体４によって波長変換部５の端部側面が囲まれている。そのため、発光素子３から波長変換部５の内部に進入した光が、波長変換部５の内部で端部にまで達することがある。その波長変換部５の端部から枠体４に向かって進行する光を枠体４にて反射することで、反射された光を再び波長変換部５内に戻すことができる。その結果、波長変換部５内に再び戻った光を蛍光体にて励起して、発光装置１の光出力を向上させることができる。

また、波長変換部５の端部の厚みは一定に設定されている。ここで、厚みが一定とは、厚みの誤差が０．５μｍ以下のものを含む。波長変換部５の端部の厚みを一定にすることにより、波長変換部５の外周部にて励起される光の量を一様になるように調整することができ、波長変換部５の外周部における輝度ムラを抑制することができる。

ここで、波長変換部５の端部の厚みは、例えば０．７ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定されている。また、波長変換部５の凹部５ａが形成されている領域の厚みは、例えば０．３ｍｍ以上２．６ｍｍ以下に設定されている。そして、波長変換部５の端部の厚みと、波長変換部５の凹部５ａが形成されている領域の厚みとの差は、例えば０．４ｍｍ以上２．７ｍｍ以下に設定されている。この厚みの差が、波長変換部の端部側から波長変換部の中央側に向けて漸次変化する大きさになる。このように、枠体４の段差４ｂ上に位置する波長変換部５の厚みの変化率は、波長変換部５の凹部５ａが形成される箇所の厚みの変化率よりも小さく設定されている。

波長変換部５の凹部５ａの端部位置は、平面視して枠体４の段差４ｂ上に位置するように設定されている。そして、枠体４の段差４ｂ上に波長変換部５の端部が樹脂７を介して固定されている。樹脂７は、波長変換部５の端部から波長変換部５の凹部５ａの端部位置にかけて形成される。なお、樹脂７は、例えばシリコーン樹脂、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂等の透光性の絶縁樹脂が用いられる。

樹脂７が波長変換部５の下面のうち、波長変換部５の端部から波長変換部５の凹部５ａにまで被着することで、樹脂７が被着する面積を大きくし、枠体４と波長変換部５とを強固に接続することができる。その結果、枠体４と波長変換部５の接続強度を向上させることができ、波長変換部５の撓みが抑制される。そして、発光素子３と波長変換部５との間の光学距離が変動するのを効果的に抑制することができる。

本実施形態によれば、発光素子３上に位置する波長変換部５の厚みを、波長変換部５の端部側から波長変換部５の中央部側に向けて薄くすることで、発光素子３から発せられる光によって波長変換部５内で蛍光体を励起する量を、平面視して波長変換部５の全面で略均一になるように調整することができる。その結果、波長変換部５から取り出される光の均一性を向上させることが可能な発光装置１を提供することができる。

なお、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

＜発光装置の製造方法＞
ここで、図１または図２に示す発光装置の製造方法を説明する。

まず、基板２および枠体４を準備する。基板２および枠体４が、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウム等の原料粉末に、有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して混合物を得る。

そして、基板２および枠体４の型枠内に、混合物を充填して乾燥させた後、焼結前の基板２および枠体４を取り出す。

また、タングステンまたはモリブデン等の高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して金属ペーストを得る。そして、取り出した基板２となるセラミックグリーンシートに所定パターンで印刷し、複数のセラミックグリーンシートを積層する。さらに、積層した基板２となるセラミックグリーンシートの上に、枠体４となるセラミックグリーンシートを接続して加圧した状態で一体焼成する。

次に、基板２の内外に露出する配線導体の表面には、配線導体の酸化防止ように鍍金層を形成する。そして、発光素子３を鍍金層上に半田を介して電気的に接続する。

そして、枠体４で囲まれた領域に、例えばシリコーン樹脂を充填して、シリコーン樹脂を硬化させることで、封止樹脂６を形成する。

次に、波長変換部５を準備する。波長変換部５は、未硬化の樹脂に蛍光体を混合して、例えば、ドクターブレード法、ダイコーター法、押し出し法、スピンコート法またはディップ法等のシート成形技術を用いて、作製することができる。例えば、波長変換部５は、未硬化の波長変換部５を型枠に充填し、硬化して取り出すことによって、得ることが出来る。

そして、準備した波長変換部５を枠体４の段差４ｂ上に、樹脂を介して接着することで、発光装置１を作製することができる。

Claims

基板と、
前記基板上に設けられている発光素子と、
前記基板上に設けられている、前記発光素子を取り囲む枠体と、
前記枠体上に支持されているとともに、前記発光素子と間を空けて対向する波長変換部と、を備え、
前記波長変換部の厚みは、前記波長変換部の端部側から前記波長変換部の中央部側に向けて薄くなっているとともに、
前記波長変換部は、前記発光素子と対向する前記波長変換部の下面に凹部が形成されていることを特徴とする発光装置。
請求項１に記載の発光装置であって、
前記波長変換部は、前記発光素子の直上に前記波長変換部の中央部が位置することを特徴とする発光装置。
請求項１に記載の発光装置であって、
断面視して前記枠体で囲まれている領域は、下部から上部に向かって幅が広く設定されているとともに、前記枠体の上端内側には段差が設けられており、平面視して前記凹部の端部位置が前記段差上に位置することを特徴とする発光装置。
請求項３に記載の発光装置であって、
前記枠体の段差と前記波長変換部の端部とが樹脂を介して固定されているとともに、当該樹脂が前記波長変換部の凹部にまで形成されていることを特徴とする発光装置。
請求項１に記載の発光装置であって、
前記枠体で囲まれている領域には、前記発光素子を被覆するように封止樹脂が設けられており、前記封止樹脂と前記波長変換部との間には、隙間が設けられていることを特徴とする発光装置。
請求項１に記載の発光装置であって、
前記発光素子は、前記波長変換部の下面の中央部と重なる領域に配置されていることを特徴とする発光装置。
請求項４に記載の発光装置であって、
前記段差の内壁面には、鍍金金属層が形成されており、前記鍍金金属層と前記樹脂とが接していることを特徴とする発光装置。
請求項７に記載の発光装置であって、
前記鍍金金属層は、前記樹脂によって覆われていることを特徴とする発光装置。