JP2013038215A - 波長変換部材 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光層の厚さの調節が正確かつ容易に行えるうえ、放熱性に優れ、更に、適合するＬＥＤ素子と組み合わせて発光装置の発光色や照度を制御し、発光装置の歩留まりを高めることができる波長変換部材を提供する。
【解決手段】互いに対向して設けられた一対の放熱性透光板と、前記一対の放熱性透光板の間に介在するスペーサと、前記一対の放熱性透光板と前記スペーサとにより閉塞された空間に形成された蛍光体を含有する蛍光層と、を備えているようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ素子を備えた発光装置に用いる波長変換部材に関する。

従来、窒化ガリウム系化合物半導体を用いて青色光又は紫外線を放射するＬＥＤ素子と種々の蛍光体とを組み合わせることにより、白色をはじめとするＬＥＤ素子の発光色とは異なる色の光を発する発光装置が開発されている（特許文献１）。ＬＥＤ素子を用いたこのような発光装置は、小型、省電力、長寿命等の長所があり、表示用光源や照明用光源として広く用いられている。特に近時では高出力、高輝度のＬＥＤ素子が開発されてきており、その用途は益々拡大の一途にある。

このような発光装置は、蛍光体を含有する波長変換部材を備えているが、当該波長変換部材は、例えば、ＬＥＤ素子が実装された基体の凹部内に、ＬＥＤ素子封止用の透明樹脂を充填し硬化させてから、その上に蛍光体が分散した樹脂組成物を注入することにより形成される。

この際、波長変換部材の厚さが変わると発光装置の発光色（色温度）も変化するので、波長変換部材の厚さを制御し管理することは極めて重要である。

また、通常、蛍光体が分散した樹脂組成物は、発光装置の複数個分に相当する量を一時に調製してから、所定量ずつ注入するものであるが、当該樹脂組成物中の蛍光体の分散状態は経時的に変化するので、同じロットの発光装置であっても、発光色の色目や照度には若干のバラツキが生じる。また、ＬＥＤ素子の発光色や照度にもバラツキがあり、このことも最終製品である発光装置の発光色や照度のバラツキの原因となる。しかし、得られた発光装置を検査装置用の光源として用いる場合には、僅かであってもこのようなバラツキがあると検査結果の信頼性が損なわれるのでその影響は甚大である。

更に、このような発光装置に用いられる蛍光体は熱に脆弱であり、蛍光体自らの発熱やＬＥＤ素子からの伝熱によって熱劣化する。そして、ＬＥＤ素子が高出力化すると、その発熱量も増大するため、ＬＥＤ素子の高出力化が進む昨今では、熱劣化による蛍光体の発光効率や輝度の低下の解決も急がれている。

特開２００５−１９１１９７号公報

本発明はかかる問題点に鑑みなされたものであって、蛍光層の厚さの調節が正確かつ容易に行えるうえ、放熱性に優れ、更に、適合するＬＥＤ素子と組み合わせて発光装置の発光色や照度を制御し、発光装置の歩留まりを高めることができる波長変換部材を提供することをその主たる所期課題としたものである。

すなわち本発明に係る波長変換部材は、互いに対向して設けられた一対の放熱性透光板と、前記一対の放熱性透光板の間に介在するスペーサと、前記一対の放熱性透光板と前記スペーサとにより閉塞された空間に形成された蛍光体を含有する蛍光層と、を備えていることを特徴とする。

このようなものであれば、２枚の放熱性透光板間の距離をスペーサにより定めることができるので、その間に形成される蛍光層の厚さを正確かつ容易に制御し管理することができる。このため、発光装置の発光色（色温度）を再現性よく管理することが可能となる。

また、本発明によれば、蛍光層を取り囲む２枚の放熱性透光板とスペーサとを介して、効率的に蛍光層の熱を放出することができるので、前記蛍光層に含まれる蛍光体の発光効率や輝度の低下等の熱劣化を効果的に防ぐことができる。

更に、本発明によれば、予め波長変換部材を作製してから、当該波長変換部材とＬＥＤ素子とを組み合わせて発光装置を組み立てるので、波長と光強度が予め定められた、例えば近紫外線を発する基準光源を使用して波長変換部材の発光色や照度等を測定し、バラツキのある一群の波長変換部材を発光色や照度等に従い分類・管理し、所望の発光色や照度等を有するものを選び出して、適合するＬＥＤ素子と組み合わせて所期の性能を有する発光装置を作製することができる。このため、得られる発光装置の発光色や照度等のバラツキを極力抑えることができる。

前記スペーサは、前記放熱性透光板の少なくともいずれか一方と一体となっていてもよい。このような放熱性透光板は、例えば、凹部が形成されているものであり、その中に蛍光体が分散した樹脂組成物を充填することにより蛍光層を形成することができる。

前記一対の放熱性透光板の一方は、紫外線及び短波長の可視光線を反射してより長波長の可視光線を透過する長波長透過フィルタであることが好ましい。前記一対の放熱性透光板の一方に長波長透過フィルタを用い、発光装置の組み立て後には当該長波長透過フィルタが光射出面側に位置するように波長変換部材を設置することにより、ＬＥＤ素子から発して蛍光体に当たらなかった紫外線や短波長の可視光線を、当該長波長透過フィルタにより蛍光層側に反射して戻し、長波長の可視光線への変換効率を向上させることができる。また、長波長透過フィルタを用いることにより、有害な近紫外光が発光装置外に放射されるのを防ぐことができるとともに、長波長透過フィルタの誘電体多層膜が反射防止コーティングとしても機能するので、長波長の可視光線を効率的に装置外に導出することもできる。

本発明に係る波長変換部材とＬＥＤ素子とを組み合わせて得られた発光装置もまた、本発明の１つである。

本発明に係る発光装置が、前記波長変換部材を支持する基体を備えている場合は、前記スペーサと前記基体とが一体となっていてもよい。

このような構成の本発明によれば、発光装置の発光色（色温度）に影響を与える蛍光層の厚さの調節を高い精度でかつ容易に行うことができる。また、本発明によれば、熱による蛍光体の変化も良好に抑制することができる。更に、本発明によれば、得られた波長変換部材を分類・管理して、適合するＬＥＤ素子と組み合わせて用いることにより、発光装置の発光色や照度を制御し易く、バラツキを抑えて高い歩留まりで発光装置を製造することができる。

本発明の一実施形態に係る発光装置の縦断面図である。 同実施形態に係る発光装置の平面図である。 同実施形態における長波長透過フィルタの透過率及び反射率の概要を示すグラフである。 同実施形態における波長変換部材の製造工程（ａ）〜（ｃ）を示す図である。 同実施形態における波長変換部材の製造工程（ｄ）〜（ｆ）を示す図である。 同実施形態に係る発光装置の製造工程（ａ）〜（ｂ）を示す図である。 同実施形態に係る発光装置の製造工程（ｃ）〜（ｄ）を示す図である。 他の実施形態に係る発光装置の縦断面図である。 他の実施形態に係る発光装置の縦断面図である。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る発光装置１は、図１及び図２に示すように、ＬＥＤ素子３と、ＬＥＤ素子３を封止する封止部材４と、封止部材４の上方に設けられた波長変換部材５とを備えているものであり、ＬＥＤ素子３と封止部材４と波長変換部材５とは基体２内に収容され保持されている。

以下に各部を詳述する。
基体２は、上端面に開口する凹部を有するものであり、例えば、アルミナや窒化アルミニウム等の熱伝導率が高い絶縁材料を成型してなるものが挙げられる。

基体２の凹部の側面には環状をなす突条部２１が形成されており、当該突条部２１の上端面上には波長変換部材５が載置されている。なお、基体２の凹部には、図２に示すように、四隅に角取り孔２２が形成されており、凹部内に波長変換部材５を嵌め込む際にその角部が妨げとならないようにしてある。また、基体２の凹部の側面及び底面を含む内面には、銀、アルミニウム、金等の金属メッキ等が施されることにより高反射率の金属薄膜が形成されており、リフレクタとして機能している。そして、長波長透過フィルタからなる上部放熱性透光板５３で下方向に反射され、蛍光層５２と下部放熱性透光板５１とを透過した紫外線や短波長の可視光線を、当該金属薄膜により、再度、蛍光層５２に向けて反射することができる。

ＬＥＤ素子３は、紫外線や短波長の可視光線を発するものであり、例えば３６０〜４３０ｎｍに放射ピークを有するものである。このようなＬＥＤ素子３は、例えば、サファイア基板や窒化ガリウム基板の上に窒化ガリウム系化合物半導体がｎ型層、発光層及びｐ型層の順に積層してなるものである。

ＬＥＤ素子３は、窒化ガリウム系化合物半導体を下にして基板３１に半田バンプや金バンプ等（図示しない。）を用いてフリップチップ実装されている。なお、ＬＥＤ素子３は基板３１に設けられた配線導体にワイヤボンディングを用いて接続されていてもよい。また、本実施形態においては、複数個（９個）のＬＥＤ素子３が搭載されているが、ＬＥＤ素子３の数はこの限りではなく、目的・用途に応じて適宜変更することができる。

基板３１は、アルミナ等のセラミックスや窒化アルミニウム等の熱伝導率が高い絶縁性材料からなるものであり、基板３１の上面には、ＬＥＤ素子３が電気的に接続されるための、例えば銀パターン等からなる配線導体（図示しない。）が形成されている。この配線導体が基体２内部に形成された配線層（図示しない。）を介して発光装置１の外表面に導出されて外部電気回路基板に接続されることにより、ＬＥＤ素子３と外部電気回路基板とが電気的に接続される。

封止部材４は、ＬＥＤ素子３を封止するためのものであり、ＬＥＤ素子３から封止部材４へ効率良く光を取り出すためには、透光性及び耐熱性に優れるとともに、ＬＥＤ素子３との屈折率差が小さい、例えばシリコーン樹脂等の透明樹脂からなるものであることが好ましい。

波長変換部材５は、下部放熱性透光板５１と上部放熱性透光板５３との間にスペーサＳとともに蛍光層５２が挟まれてなる積層体状のものである。

蛍光層５２は、内部に蛍光体５２１を含有しているものであり、例えば、透光性及び耐熱性に優れた、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、低融点ガラス等からなるマトリックス中に蛍光体５２１が分散しているものが挙げられる。

蛍光層５２が含有する蛍光体５２１としては特に限定されず、例えば、赤色蛍光体、緑色蛍光体、青色蛍光体、黄色蛍光体等が挙げられる。このうち、赤色蛍光体、緑色蛍光体及び青色蛍光体を併用すると、白色光を発する発光装置１を構成することができる。

スペーサＳは、例えば、銅、アルミニウム等の熱伝導率が高い金属からなり、蛍光層５２を形成するための貫通孔Ｓ１が設けられた平板状のものである。

下部放熱性透光板５１は、蛍光層５２の下側に配置されており、例えば、水晶、サファイア、ダイアモンド、窒化アルミニウム等の熱伝導率が高く透光性に優れた材料からなるものである。このような材料からなる下部放熱性透光板５１は、例えば、その表面に銅やアルミニウム等の熱伝導性に優れた金属をライン状や格子状等に蒸着することによって、透光性を担保しながら熱伝導性をより一層向上させることができる。

上部放熱性透光板５３は、紫外線や短波長の可視光線を反射して、長波長の可視光線を選択的に透過する長波長透過フィルタ（ハイパスフィルタ）であり、蛍光層５２の上側に重ねて設けられている。このような上部放熱性透光板５３としては、例えば、図３に示すように、４３０ｎｍ近傍を境界として、光の反射率と透過率とが逆転する誘電体多層膜を備えたものを用いることができる。このような誘電体多層膜は、例えば、ガラス、水晶、サファイア等からなる基板に膜材料を付着させることにより形成される。上部放熱性透光板５３は、いずれの側の面が蛍光層５２に接するように配置されていてもよいが、例えば、基板側の面（誘電体多層膜が形成されていない側の面）が蛍光層５２に接するように上部放熱性透光板５３を配置することにより、上部放熱性透光板５３の誘電体多層膜が反射防止コーティングとしても機能するので、長波長の可視光線を効率的に外部に導出することができる。また、この場合、誘電体多層膜の基板が水晶やサファイア等の熱伝導性に優れた材質からなるものであれば、蛍光層５２（蛍光体５２１）から発した熱を効率的に基体２に伝達して発光装置１外に放出することもできる。更に、上述したように、基板の表面に銅やアルミニウム等の熱伝導性に優れた金属をライン状や格子状等に蒸着することにより、透光性を担保しながら基板の熱伝導性を向上させることができる。しかしながら、例えば、誘電体多層膜の放熱性に着目するならば、誘電体多層膜が形成された側の面が蛍光層５２に接するようにしてもよい。

このような発光装置１では、蛍光体５２１に当たらずに蛍光層５２を通過した紫外線や短波長の可視光線は、上部放熱性透光板５３で反射して戻り、再度、蛍光層５２内を進行する。このため、紫外線や短波長の可視光線が蛍光体５２１に当たる確率が向上するので、より多くの紫外線や短波長の可視光線が長波長の可視光線に変換され、その結果、発光装置１からの発光量が増加する。また、蛍光体５２１が発する長波長の可視光線のうち、ＬＥＤ素子３側に向かって逆進したものは、基板２の凹部内面に形成されたリフレクタ（金属薄膜）で反射し、進行方向を変えて上部放熱性透光板５３に向かい、これを透過して発光装置１外に射出されるので、長波長の可視光線の取り出し効率も向上する。このため、本発光装置１によれば、紫外線や短波長の可視光線を効率的に長波長の可視光線に変換し、更に、変換された可視光線を効率的に発光装置１外に取り出すことができる。

また、封止部材４や蛍光層５２を構成するシリコーン樹脂等は気体透過率が高いが、本実施形態では上部放熱性透光板５３により基体２の凹部内への気体や水分の侵入を抑制することができるので、基体２の凹部内面に形成された金属薄膜の酸化、硫化、塩化等による腐食等を防止することができる。

次に、本実施形態に係る発光装置１の製造方法について、図４〜７を参照して説明する。

本実施形態に係る発光装置１を製造するに際しては、予め、波長変換部材５を作製しておく。

まず、複数個分の下部放熱性透光板５１（又は上部放熱性透光板５３）に相当する大きさの大型基板上に、複数個分のスペーサＳに相当する大きさの多数の貫通孔Ｓ１が設けられた金属板を重ねて配置する（図４（ａ））。ここで、当該スペーサＳにより、波長変換部材５を突条部２１の上端面上に配置した際に、基体２の上端面と上部放熱性透光板５３の上面とが略面一になるように、波長変換部材５の高さが調節される。

次いで、貫通孔Ｓ１に内に、蛍光体５２１が分散した樹脂組成物５２を所定量充填する（図４（ｂ）〜（ｃ））。

その後、スペーサＳ上に複数個分の上部放熱性透光板５３（又は下部放熱性透光板５１）に相当する大きさの大型基板を重ねて配置する（図５（ｄ））。

そして、必要に応じて加熱等して樹脂組成物５２を硬化させることにより、下部放熱性透光板５１と上部放熱性透光板５３との間にスペーサＳとともに蛍光層５２が挟まれてなる波長変換部材５の複数個分が一体となった積層体を得ることができる（図５（ｅ））。

このようにして得られた複数個の波長変換部材５が一体となった積層体を切断して、一個ずつ切り離すことにより、複数個の波長変換部材５を一度に作製することができる（図５（ｆ））。

そして、得られた波長変換部材５を用いて以下のようにして本実施形態に係る発光装置１を組み立てる。

まず、図６（ａ）〜（ｂ）に示すように、基体２の凹部内に、突条部２１の上端面より膨出する程度に若干多めに透明樹脂４を充填する。しかる後、図７（ｃ）〜（ｄ）に示すように、予め作製された波長変換部材５を、突条部２１の上端面上にその周縁部が載置されるように配設する。すると、溢れた透明樹脂４が突条部２１の上端面と波長変換部材５の下面との間に浸み出して、基体２と波長変換部材５とを接着する接着剤として機能する。

このような本実施形態に係る発光装置１によれば、下部及び上部の放熱性透光板５１、５３間の距離がスペーサＳにより定められるので、その間に形成される蛍光層５２の厚さを高い精度で容易に制御し管理することができる。このため、発光装置１の発光色（色温度）も再現性よく管理することが可能となる。

また、本実施形態では、蛍光層５２が、下部及び上部の放熱性透光板５１、５３とスペーサＳとにより閉塞された空間に形成されているので、スペーサＳと下部及び上部の放熱性透光板５１、５３とを介して、蛍光層５２から発した熱を効率的に基体２に伝達し放出することができる。このため、蛍光層５２に含まれる蛍光体５２１の発光効率や輝度の低下等の熱劣化を、効果的に防ぐことができる。

更に、本実施形態では、波長変換部材５を、ＬＥＤ素子３が実装された基体２とは別体として作製してから、それらを組み合わせることにより発光装置１を作製するので、基準光源を使用して波長変換部材５の発光色や照度等を分析し、バラツキのある一群の波長変換部材５を発光色や照度等に従い分類・管理し、所望の発光色や照度等を有するものを選び出して、適合するＬＥＤ素子３と組み合わせることにより、所期の性能を有する発光装置１を得ることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、図８に示すように、スペーサＳが下部又は上部の放熱性透光板５１、５３と一体となっていて、下部又は上部の放熱性透光板５１、５３に凹部が形成されており凹部を囲む側周壁がスペーサＳとして機能してもよい。なお、図８に示す実施形態では、スペーサＳは、下部放熱性透光板５１と一体となっているが、上部放熱性透光板５３と一体となっていてもよい。

また、図９に示すように、スペーサＳが基体２と一体となっていて、基体２凹部の内側周面にスペーサＳとして機能する突条部が形成されていてもよい。更に、基体２は、ＬＥＤ素子３が実装された下部基体２Ａと、波長変換部材５を保持する上部基体２Ｂとに分かれていてもよい。

その他、本発明は上記の各実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない限り、前述した種々の構成の一部又は全部を適宜組み合わせて構成してもよい。

１・・・発光装置
２・・・基体
３・・・ＬＥＤ素子
４・・・封止部材
５・・・波長変換部材
５１・・・下部放熱性透光板
５２・・・蛍光層
５３・・・上部放熱性透光板
Ｓ・・・スペーサ

Claims (5)

1. 互いに対向して設けられた一対の放熱性透光板と、
   前記一対の放熱性透光板の間に介在するスペーサと、
   前記一対の放熱性透光板と前記スペーサとにより閉塞された空間に形成された蛍光体を含有する蛍光層と、を備えていることを特徴とする波長変換部材。
2. 前記スペーサが、前記放熱性透光板の少なくともいずれか一方と一体となっている請求項１記載の波長変換部材。
3. 前記一対の放熱性透光板の一方が、紫外線及び短波長の可視光線を反射してより長波長の可視光線を透過する長波長透過フィルタである請求項１又は２記載の波長変換部材。
4. 請求項１、２又は３記載の波長変換部材と、ＬＥＤ素子と、を備えた発光装置。
5. 前記波長変換部材を支持する基体を備えており、
   前記スペーサと前記基体とが一体となっている請求項４記載の発光装置。