JP2015176960A

JP2015176960A - 発光装置

Info

Publication number: JP2015176960A
Application number: JP2014051247A
Authority: JP
Inventors: 啓治中川; Keiji Nakagawa; 小泉　洋; Hiroshi Koizumi; 洋小泉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2015-10-05
Also published as: TW201535797A; US20150263243A1; CN104916753A

Abstract

【課題】実施形態は、発光色の制御性および光出力を向上させた発光装置を提供する。【解決手段】実施形態に係る発光装置は、第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、前記第１面および前記第２面をつなぐ側面と、を有する発光体と、前記側面に沿って前記発光体の周りに設けられ、前記発光体から放射される１次光により励起され、前記１次光とは異なる波長の２次光を放射する第１蛍光体を含む第１波長変換体と、前記第１面上に設けられた第２波長変換体であって、前記第１面上の少なくとも一部において、前記第１波長変換体を介在させずに設けられ、前記１次光、および、前記第２次光とは異なる波長の別の２次光を放射する第２蛍光体を含む第２波長変換体と、を備える。【選択図】図１

Description

実施形態は、発光装置に関する。

発光ダイオード等の発光体と、発光体から放射される光で励起され、励起光とは異なる波長の光を放射する蛍光体と、を組み合わせた発光装置の開発が進められている。これらの発光装置では、例えば、青色発光ダイオードと、黄色蛍光体、赤色蛍光体もしくは緑色蛍光体と、を組み合わせることにより、白色光源を実現することができる。一方、白色光源は、さまざまな用途に用いられ、その用途毎に異なる演色性が求められる。このため、発光色の制御が容易で、光出力の高い発光装置が必要とされている。

特開２０１１−１５１４１９号公報

実施形態は、発光色の制御性および光出力を向上させた発光装置を提供する。

実施形態に係る発光装置は、第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、前記第１面および前記第２面をつなぐ側面と、を有する発光体と、前記側面に沿って前記発光体の周りに設けられ、前記発光体から放射される１次光により励起され、前記１次光とは異なる波長の２次光を放射する第１蛍光体を含む第１波長変換体と、前記第１面上に設けられた第２波長変換体であって、前記第１面上の少なくとも一部において、前記第１波長変換体を介在させずに設けられ、前記１次光、および、前記第２次光とは異なる波長の別の２次光を放射する第２蛍光体を含む第２波長変換体と、を備える。

第１実施形態に係る発光装置を表す模式断面図。第１実施形態に係る発光装置の動作を模式的に表す部分断面図。第１実施形態に係る発光装置の発光特性を表すグラフ。第１実施形態に係る発光装置の別の発光特性を表すグラフ。第１実施形態の変形例に係る発光装置を表す模式断面図。第１実施形態の別の変形例に係る発光装置を表す模式断面図。第１実施形態の他の変形例に係る発光装置を表す模式断面図。第２実施形態に係る発光装置を表す模式断面図。

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る発光装置１を表す模式断面図である。
図２は、第１実施形態に係る発光装置１の動作を模式的に表す部分断面図である。
図１および図２に示す発光装置１は、発光体１０と、第１波長変換体２０と、第２波長変換体３０と、を備える。

発光体１０は、例えば、窒化ガリウム系半導体を材料とする発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、４３０ｎｍ〜４８０ｎｍの波長範囲に発光スペクトルのピークを有する青色光を放射する。発光体１０は、第１面１０ａと、第１面１０ａとは反対側の第２面１０ｂと、第１面１０ａおよび第２面１０ｂをつなぐ側面１０ｃと、を有する。

第１波長変換体２０は、側面１０ｃに沿って発光体１０の周りに設けられる。波長変換体２０は、第１蛍光体２１を含む。第１蛍光体２１は、発光体１０から放射される１次光により励起され、１次光とは異なる波長の２次光を放射する。第１蛍光体２１から放射される蛍光スペクトルのピーク波長は、発光体１０の発光スペクトルのピーク波長とは異なる。

第２波長変換体３０は、第１面１０ａ上に設けられる。第２波長変換体３０は、第１面上の少なくとも一部において、第１波長変換体２０を介在させずに設けられる。第２波長変換体３０は、第２蛍光体３１を含む。第２蛍光体３１は、発光体１０から放射される１次光、および、第１蛍光体２１から放射される第２次光とは異なる波長の別の２次光を放射する。

以下、図１、図２を参照して、発光装置１を詳細に説明する。
発光体１０は、例えば、第２面１０ａをベース４０に向けてマウントされる。ベース４０は、例えば、発光体１０の放射光を反射する酸化チタン等を含む樹脂、所謂、白樹脂を用いて形成される。ベース４０は、例えば、白樹脂によりモールドされたフレーム４１および４３を含む。

ベース４０の上面４０ａにおける発光体１０をマウントする部分（マウントベッド）は、フレーム４１および４３が露出するように設けられる。マウントベットに露出するフレーム４１、４３の表面は、好ましくは、例えば、銀メッキなどが施され、発光体１０の放射光を反射する。また、ベース４０上には、反射材（以下、リフレクタ４５）が設けられる。リフレクタ４５は、上方に開口を有し、マウントベット上にマウントされる発光体１０を囲むように形成される。リフレクタ４５は、例えば、白樹脂を用いて形成される。これにより、ベース４０の上面４０ａには凹部が形成され、その内面は、発光体１０の放射光を反射する。リフレクタ４５の内面は、例えば、上方に拡開するように形成されることが望ましい。

発光体１０は、ベース４０の上面４０ａにマウントされる。そして、発光体１０の電極と、フレーム４１、４３と、の間に、金属ワイヤ１３、１５がそれぞれボンディングされる。これにより、発光体１０と、フレーム４１、４３と、の間が電気的に接続される。

図１示すように、第１波長変換体２０は、発光体１０と、リフレクタ４５と、の間において、発光体１０の側面１０ｃを覆うように設けられる。ここで、「覆う」とは、「覆うもの」が直接「覆われるもの」に接触する場合に限定される訳ではなく、他の要素を介して覆うことを含む。

第１波長変換体２０は、例えば、蛍光体２１と、散乱体２３と、を分散したシリコーン樹脂である。第１波長変換体２０は、例えば、ディスペンサを用いて、発光体１０と、リフレクタ４５と、の間のスペースを充填するように形成される。

第１蛍光体２１は、例えば、６００ｎｍよりも長い波長範囲に発光ピークを有する。第１蛍光体２１は、例えば、窒化物蛍光体を材料とする赤色もしくは橙色蛍光体である。散乱体２３は、発光体１０の放射光を散乱する。散乱体２３には、例えば、シリカフィラーを用いることができる。

第２波長変換体３０は、例えば、第２蛍光体３１を分散したシリコーン樹脂であり、発光体１０の第１面１０ａ上に形成される。第２波長変換体３０は、例えば、ポッティング法を用いて形成することができる。

図１に示すように、第２波長変換体３０は、第１波長変換体２０を介在させないで、第１面１０ａを覆うように形成することが好ましい。例えば、第１波長変換体２０は、側面１０ｃにつながる第１面１０ａの周辺を覆うように形成しても良いが、第１面１０ａの中央側では、第２波長変換体３０は、第１波長変換体２０を介在させないで、第１面１０ａの少なくとも一部を覆うように形成することが望ましい。

第２波長変換体３０は、例えば、第１蛍光体２１よりも短波長の蛍光を放射する第２蛍光体３１を含むことが望ましい。第２蛍光体３１には、例えば、５００ｎｍ〜６００ｎｍの波長範囲に発光ピークを有する黄色蛍光体または緑色蛍光体、もしくは、その両方を用いる。第２蛍光体３１には、例えば、ＹＡＧ蛍光体もしくは窒化物蛍光体を用いることができる。

図２に示すように、発光体１０の第１面１０ａから放射される１次光Ｌ１は、第２波長変換体３０中を伝播する過程において、その一部が第２蛍光体３１に吸収される。１次光Ｌ１により励起された第２蛍光体３１は、２次光Ｌ２を放射する。このように、発光体１０の第１面１０ａの上方（発光体１０から第２波長変換体３０に向かう方向）には、１次光Ｌ１と、２次光Ｌ２と、が放射される。

一方、発光体１０の側面１０ｃから放射される１次光Ｌ１は、第１波長変換体２０の中を伝播する過程において、第１蛍光体２１に吸収される。１次光Ｌ１により励起された第１蛍光体２１は、２次光Ｌ３を放射する。側面１０ｃから放射される１次光Ｌ１は、横方向に伝播し、リフレクタ４５により反射される。また、第１波長変換体２０の中を伝播する１次光は、散乱体２３により散乱される。このため、１次光Ｌ１の光路長が長くなり、第１蛍光体２１に吸収される割合が大きくなる。

第１波長変換体２０に分散する散乱体２３の密度を高くし、散乱体２３の間のスペースを蛍光体２１が埋めるように形成しても良い。これにより、第１蛍光体２１の励起効率をさらに向上させることができる。また、散乱体２３の密度を高くすることにより、ベース４０の方向に伝播する光を低減できる。これにより、フレーム４１，４３等で吸収される光を抑制することが可能となり、発光装置１の光出力を向上させることができる。

図２に示すように、第２蛍光体３１から放射される２次光Ｌ２は、第１波長変換体２０の方向にも放射され、第１蛍光体２１により吸収される。すなわち、第１蛍光体２１は、１次光Ｌ１および２次光Ｌ２の両方により励起され、別の２次光Ｌ３を放射する。

本実施形態では、第１蛍光体２１を発光体１０の側面側、第２蛍光体３１を発光体１０の上にそれぞれ分離して配置する。これにより、蛍光体間の相互吸収を抑制し、それぞれの波長変換体に含まれる蛍光体を効率良く励起することができる。そして、発光装置１の光出力は、第１蛍光体２１および第２蛍光体３１を混合して配置する場合よりも高くすることができる。

次に、図３（ａ）〜図４（ｂ）を参照して、発光装置１の発光特性を説明する。
図３（ａ）〜図４（ｂ）は、第１実施形態に係る発光装置１の発光特性を表すグラフである。

図３（ａ）は、平均演色評価数Ｒａと、光束と、の関係を表すグラフである。横軸は、平均演色評価数Ｒａである。縦軸は、光束（ルーメン：ｌｍ）である。

図３（ａ）中に示すＥＳ１およびＥＳ２は、実施形態に係る発光装置１のデータである。ＣＳ１は、比較例に係る発光装置のデータである。比較例に係る発光装置では、発光体１０を１つの樹脂層（波長変換体）で覆い、その樹脂層中に赤色蛍光体と、黄色蛍光体と、を混合して分散している。ＥＳ１では、第１波長変換体２０に含まれる第１蛍光体２１（赤色蛍光体）の濃度を２０重量％としている。ＥＳ２では、第１波長変換体２０に含まれる赤色蛍光体の濃度を１５重量％としている。ＣＳ１の波長変換体は、ＥＳ２と同量の蛍光体を含む。そして、図３（ａ）中の各データは、第２蛍光体３１の量を変えたサンプルにおける光束の変化を表している。以下、図３（ｂ）〜図３（ｄ）に示すデータについても同様である。

図３（ａ）に示すように、各データは、Ｒａが大きくなるにつれて光束が減少することを示している。ＥＳ１とＥＳ２との間では、光束に差がないことがわかる。一方、ＥＳ１およびＥＳ２と、ＣＳ１と、を比較すると、同じＲａに対してＥＳ１、ＥＳ２の光束の方が約１３％高くなることがわかる。

図３（ｂ）は、色温度と、光束と、の関係を表すグラフである。横軸は、色温度であり、縦軸は、光束（ルーメン：ｌｍ）である。各データは、色温度が高くなるにつれて光束が減少することを示している。ＥＳ１とＥＳ２との間では、光束に差はない。一方、ＥＳ１およびＥＳ２と、ＣＳ１と、を比較すると、同じ色温度に対してＥＳ１、ＥＳ２の光束の方が約１３％高くなることがわかる。

図３（ｃ）は、平均演色評価数Ｒａと、色温度と、の関係を表すグラフである。横軸は、平均演色評価数Ｒａであり、縦軸は、色温度である。各データは、Ｒａが高くなるにつれて色温度も高くなることを示している。そして、平均演色評価数Ｒａと色温度との関係は、ＥＳ１、ＥＳ２およびＣＳ１のそれぞれにおいて、ほぼ直線的に変化することがわかる。すなわち、第１蛍光体２１と第２蛍光体３１とを別々に配置した場合でも、両者を混合した場合と比べて色温度およびＲａの制御性は維持されることを表している。

図３（ｄ）は、発光の色度（ｘ、ｙ）を表すグラフである。横軸は、色度座標ｘであり、縦軸は、色度座標ｙである。ＥＳ１、ＥＳ２およびＣＳ１のそれぞれにおいて、色度は直線的に変化することがわかる。すなわち、第１蛍光体２１と第２蛍光体３１とを別々に配置した場合と、両者を混合した場合と、の比較において、発光色の制御性は維持されることを表している。

図４（ａ）は、発光の色度（ｘ、ｙ）を表す別のグラフである。横軸は、色度座標ｘであり、縦軸は、色度座標ｙである。
図４（ｂ）は、平均演色評価数Ｒａと、光束と、の関係を表すグラフである。横軸は、平均演色評価数Ｒａである。縦軸は、光束（ルーメン：ｌｍ）である。

図４（ａ）および図４（ｂ）に示すＥＳ３では、第１波長変換体２０に含まれる第１蛍光体（赤色蛍光体）の濃度を３０重量％としている。一方、ＣＳ２の波長変換体は、ＥＳ３と同量の蛍光体を含む。

図４（ａ）に示すように、ＥＳ３において色度は直線的に変化しており、発光色の制御性は維持される。一方、図４（ｂ）に示すように、Ｒａが大きくなるにつれて光束は減少する。また、同じＲａに対してＥＳ３の光束の方がＣＳ１の光束よりも約１５％高くなる。

上記の通り、本実施形態では、第１蛍光体２１と、第２蛍光体３１と、を、発光方向（発光体１０から第２波長変換体に向かう方向）に対して横方向に分離して配置する。これにより、例えば、蛍光体間における相互の光吸収を抑制することができ、それぞれの発光効率を向上させることが可能となる。また、発光体１０の側面側に配置される第１波長変換体に散乱体２３を分散することにより、第１蛍光体の励起効率を向上させることが可能となる。そして、発光装置１では、発光色の制御性を維持しながら、光出力を向上させることができる。また、発光装置１では、第１蛍光体２１と第２蛍光体３１とを分離して配置したにもかかわらず、色ムラ、色割れ等は見られない。すなわち、均一な発光を実現できる。

次に、図５〜図７を参照して、第１実施形態の変形例に係る発光装置２〜４を説明する。以下の説明では、発光装置１と同じ部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。同じまたは類似する構成要素により実現される利点は、発光装置１と同様に実現することができる。

図５は、第１実施形態の変形例に係る発光装置２を表す模式断面図である。発光装置２では、第１波長変換体２０は、第１蛍光体２１を含むが、散乱体２３を含まない。この例では、発光体１０から放射される１次光Ｌ１および第２蛍光体３１から放射される２次光Ｌ２は、リフレクタ４５の内面、および、ベース４０の上面４０ａにより反射されながら第１波長変換体２０の内部を伝播する。これにより、１次光Ｌ１および２次光Ｌ２の第１蛍光体２１に吸収される確率が高くなり、第１蛍光体２１の励起効率を向上させることができる。

図６は、第１実施形態の変形例に係る発光装置３を表す模式断面図である。発光装置３では、発光体１０と、リフレクタ４５と、の間に、発光体１０の側面１０ｃを囲む透明樹脂層５０が設けられる。透明樹脂層５０は、発光体１０の１次光Ｌ１、第２蛍光体３１の２次光Ｌ２および第１蛍光体の２次光Ｌ３を透過し、例えば、シリカフィラーもしくは酸化チタンなどの散乱体５１を含む。

第２波長変換体３０は、発光体１０の第１面１０ａ上に設けられる。第１波長変換体２０は、第２波長変換体３０と、透明樹脂層５０と、の間に、発光体１０を囲むように設けられる。

この例では、発光体１０の側面１０ｃから放射される１次光Ｌ１は、散乱体５１による散乱、および、リフレクタ４５およびベース４０の上面４０ａにおける反射により、第１波長変換体２０に向かって伝播する。第１波長変換体２０に含まれる第１蛍光体２１は、透明樹脂層５０から入射する１次光Ｌ１、および、第２波長変換体３０側から入射する第２蛍光体３１の２次光Ｌ２により効率良く励起される。これにより、発光装置３の光出力を向上させることができる。

図７は、第１実施形態の変形例に係る発光装置４を表す模式断面図である。発光装置４では、ベース６０の上に発光体１０がマウントされる。ベース６０は、フレーム６１、６３と、発光体１０を囲むリフレクタ６５と、を有する。ベース６０およびリフレクタ６５は、発光体１０の放射光（１次光）を反射する材料を含む。

発光体１０は、ベース６０の上面６０ａの上にマウントされる。発光体１０の側面１０ｃと、リフレクタ６５との間には、第１波長変換体２０が設けられる。発光体１０の第１面１０ａの上には第２波長変換体３０が設けられる。

さらに、この例では、第２波長変換体３０およびリフレクタ６５の一部を覆うレンズ６７が設けられる。レンズ６７は、例えば、透明樹脂を用いて形成される。レンズ６７は、発光体１０の１次光と、第１蛍光体２１および第２蛍光体３１から放射される２次光とを集光する。すなわち、レンズ６７を用いることにより、発光装置４の配向特性を制御することができる。

［第２実施形態］
図８は、第２実施形態に係る発光装置５を表す模式断面図である。
発光装置５は、発光体１１０と、その側面１１０ｃを囲む第１波長変換体２０と、発光体１１０の第１面１１０ａの上に設けられた第２波長変換体３０と、を備える。

発光体１１０は、例えば、ｎ形半導体層１０３と、ｐ形半導体層１０５と、発光層１０７と、を含む。発光層１０７は、ｎ形半導体層１０３と、ｐ形半導体層１０５と、の間に設けられる。

発光体１１０の第１面１１０ａとは反対側の第２面上には、樹脂層１４０と、ｐ電極１２０と、ｎ電極１３０と、が設けられる。ｐ電極１２０は、樹脂層１４０を貫通するように設けられ、ｐ形半導体層１０５に電気的に接続される。ｎ電極１３０は、樹脂層１４０を貫通するように設けられ、ｎ形半導体層１０３に電気的に接続される。

発光体１１０では、ｐ電極１２０とｎ電極１３０との間に電圧が印可され、その間を流れる電流により、発光層１０７が発光する。そして、発光層１０７の放射光が１次光として外部に放射される。

第１波長変換体２０は、例えば、樹脂であり、第１の蛍光体２１を含む。第２波長変換体３０は、例えば、第１面１１０ａおよび第１波長変換体２０を覆う樹脂層であり、第２の蛍光体３１を含む。

この例では、発光体１１０の側面１１０ｃから放射される１次光は、第１波長変換体２０の内部を伝播し、第１蛍光体２１を励起する。一方、発光体１１０の第１面から放射される１次光は、第２波長変換体３０の内部を伝播し、第２蛍光体３１を励起する。このように、第１蛍光体２１と、第２蛍光体３１と、を分離して配置した構造では、蛍光体間の相互吸収を抑制し、それぞれを効率的に励起することができる。これにより、発光装置５の発光効率を向上させることができる。

以上、第１実施形態および第２実施形態係る発光装置１〜５について説明したが、実施形態は、これらの例に限定される訳ではない。例えば、第１蛍光体２１および第２蛍光体３１は、それぞれ複数の種類の蛍光体を含んでも良い。例えば、第１蛍光体２１は、赤色蛍光体および橙色蛍光体を含み、第２蛍光体３１は、黄色蛍光体および緑色蛍光体を含むことができる。

また、発光体１０、１１０から放射される１次光は青色光に限らず、例えば、紫外光であっても良い。その場合、第２波長変換体３０は、例えば、青色蛍光体を含むことが望ましい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１〜５・・・発光装置、１０、１１０・・・発光体、１０ａ、１１０ａ・・・第１面、１０ｂ・・・第２面、１０ｃ、１１０ｃ・・・側面、１３、１５・・・金属ワイヤ、２０・・・第１波長変換体、２１・・・第１蛍光体、２３、５１・・・散乱体、３０・・・第２波長変換体、３１・・・第２蛍光体、４０、６０・・・ベース、４０ａ、６０ａ・・・上面、４１、４３、６１、６３・・・フレーム、４５、６５・・・リフレクタ、５０・・・透明樹脂層、６７・・・レンズ、１０３・・・ｎ形半導体層、１０５・・・ｐ形半導体層、１０７・・・発光層、１２０・・・ｐ電極、１３０・・・ｎ電極、１４０・・・樹脂層

Claims

第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、前記第１面および前記第２面をつなぐ側面と、を有する発光体と、
前記側面に沿って前記発光体の周りに設けられ、前記発光体から放射される１次光により励起され、前記１次光とは異なる波長の２次光を放射する第１蛍光体を含む第１波長変換体と、
前記第１面上に設けられた第２波長変換体であって、前記第１面上の少なくとも一部において、前記第１波長変換体を介在させずに設けられ、前記１次光、および、前記第２次光とは異なる波長の別の２次光を放射する第２蛍光体を含む第２波長変換体と、
を備えた発光装置。
前記第１蛍光体から放射される２次光のピーク波長は、前記第２蛍光体から放射される２次光のピーク波長よりも長い請求項１記載の発光装置。
前記第１波長変換体は、前記１次光を散乱する散乱体を含む請求項１または２に記載の発光装置。
前記発光体を囲み、前記１次光を反射する反射材であって、前記発光体から前記第２波長変換体に向かう方向に開口を有する反射材をさらに備え、
前記第２波長変換体は、前記発光体と、前記反射材と、の間に設けられる請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光装置。
前記第２面側に設けられ、前記１次光を反射するベースをさらに備え、
前記発光体は、前記ベース上にマウントされた請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光装置。