JP2016009761A

JP2016009761A - 発光モジュール

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Publication number: JP2016009761A
Application number: JP2014129541A
Authority: JP
Inventors: 大長　久芳; Hisayoshi Daicho; 久芳大長; 杉森　正吾; Shogo Sugimori; 正吾杉森
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2014-06-24
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2016-01-18
Also published as: CN105280801A; FR3022689A1; US20150372198A1; DE102015211398A1; FR3022689B1

Abstract

【課題】発光モジュールの放熱性を向上する新たな技術を提供する。
【解決手段】発光モジュール１０は、半導体発光素子１２と、半導体発光素子１２が発する素子光を波長変換し、素子光と異なる色の変換光を発する光波長変換部材１４と、半導体発光素子と光波長変換部材との間に配置され、素子光を透過させる透過部材１６と、光波長変換部材と透過部材とを接着する透明な接着剤１８と、を備える。透過部材１６は、光波長変換部材１４で生じる熱を外部へ伝達する熱伝導性材料で構成されており、接着剤１８は、厚みが２０μｍ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光モジュールに関する。

従来、発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）、レーザダイオード（Laser Diode：ＬＤ）等の半導体発光素子を用いた半導体発光装置が考案されている。また、半導体発光素子と蛍光体との組合せで白色光源を実現するものも種々考案されている（特許文献１、２参照）。

特開２００８−３０５９３６号公報特開２００９−２８９９７６号公報

ところで、半導体発光素子が発する光が蛍光体でダウンコンバージョンされると、エネルギー変換することに起因するストークスロスの発生が避けられない。蛍光体は、このストークスロスにより発熱し温度が上昇する。特に、半導体発光素子の性能が向上して輝度が高くなると、蛍光体での発熱量が更に増加してしまう。そのため、適切な放熱対策が求められている。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発光モジュールの放熱性を向上する新たな技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の発光モジュールは、半導体発光素子と、半導体発光素子が発する素子光を波長変換し、素子光と異なる色の変換光を発する光波長変換部材と、半導体発光素子と光波長変換部材との間に配置され、素子光を透過させる透過部材と、光波長変換部材と透過部材とを接着する透明な接着剤と、を備える。透過部材は、光波長変換部材で生じる熱を外部へ伝達する熱伝導性材料で構成されており、接着剤は、厚みが２０μｍ以下である。

この態様によると、半導体発光素子が発する素子光を波長変換する際に光波長変換部材で生じる熱を、熱伝導性材料で構成された透過部材を介して外部へ放熱することができる。

透過部材は、光透過率が４０％以上であり、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であってもよい。

半導体発光素子は、紫外光または短波長可視光を発してもよい。このような半導体発光素子を用いても、例えば、ジメチルシリコーンからなる接着剤であれば、接着剤の劣化が低減できる。

半導体発光素子は、レーザダイオードであり、透過部材は、半導体発光素子の光出射部から離間したところに配置されていてもよい。レーザダイオードと透過部材とが離間して配置されているため、レーザダイオードの発振が効率よく行われる。

透過部材は、光波長変換部材の熱伝導率よりも高い材料で構成されていてもよい。これにより、光波長変換部材の熱を透過部材へ効率よく移動させることができる。

本発明によれば、発光モジュールの放熱性を向上できる。

第１の実施の形態に係る発光モジュールの概略構成を示す図である。第２の実施の形態に係る発光モジュールの概略構成を示す図である。第３の実施の形態に係る発光モジュールの概略構成を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述される全ての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

［第１の実施の形態］
（発光モジュール）
図１は、第１の実施の形態に係る発光モジュールの概略構成を示す図である。発光モジュール１０は、半導体発光素子１２と、半導体発光素子１２が発する素子光を波長変換し、素子光と異なる色の変換光を発する光波長変換部材１４と、半導体発光素子１２と光波長変換部材１４との間に配置され、素子光を透過させる透過部材１６と、光波長変換部材１４と透過部材１６とを接着する透明な接着剤１８と、を備える。透過部材１６は、光波長変換部材１４で生じる熱を外部へ伝達する熱伝導性材料で構成されている。

本実施の形態に係る半導体発光素子１２は、実装基板２０に搭載されている。また、実装基板２０の縁部には、半導体発光素子１２や光波長変換部材１４が発する熱を外部へ放熱するヒートシンク２２が設けられている。ヒートシンク２２は、熱伝導率の高いアルミニウムや銅が好適である。

ヒートシンク２２は、透過部材１６の外縁部を保持する挟持部２２ａを有する。ヒートシンク２２は、光波長変換部材１４を囲む上部領域が斜面２２ｂとなるように構成されている。斜面２２ｂ上には、反射膜２４が設けられている。反射膜２４は、光波長変換部材１４から側方へ向かって出射した光を発光モジュール１０の正面（図１の上方）へ向けて反射することで、発光モジュール１０の輝度を向上することができる。反射膜２４としては、アルミニウムや銀等の反射率の高い金属膜、アルミナやチタニア等の拡散反射率の高い白色膜が好適である。

このように、本実施の形態に係る発光モジュール１０は、光波長変換部材１４を熱伝導性の高い透過部材１６上に設置し、光波長変換部材１４の透過部材側の入射面から半導体発光素子１２の素子光が入射し、主として発光モジュール正面の出射面１４ａから光を出射する。その際、半導体発光素子１２から出射された素子光と、光波長変換部材１４で波長変換された変換光と、が混合することで生成された所望の色（例えば白色）の光が発光モジュール１０の正面に照射される。

（半導体発光素子）
半導体発光素子１２は、例えば、紫外線や短波長可視光（近紫外光〜青色光）を発するＩｎＧａＮ系のＬＥＤ素子が用いられる。また、半導体発光素子１２が発する光は、３６５〜４７０ｎｍ（好ましくは３８０〜４３０ｎｍ）の波長域にピーク波長を持つ紫外線または短波長可視光が望ましい。紫外線や短波長可視光を発する発光素子であれば、ＬＥＤ素子以外であってもよく、ＬＤ素子やＥＬ素子であってもよい。また、発光モジュール１０に用いる半導体発光素子１２は、光量や照射範囲を考慮して複数であってもよい。

（光波長変換部材）
光波長変換部材１４は、例えば、（ｉ）粉末状の蛍光体を焼結させた板状の焼結体、（ｉｉ）透明バインダーに粉末蛍光体を高密度充填した蛍光体膜、（ｉｉｉ）蛍光体の単結晶、等の蛍光体層が挙げられる。蛍光体の材料としては、紫外光（紫外線）または短波長可視光で励起され発光する以下の蛍光体が挙げられる。
（１）ＹＡＧ：Ｃｅ^３＋
（２）（Ｃａ_１−ｘＳｒ_ｘ）_７（ＳｉＯ_３）_６Ｃｌ_２：Ｅｕ^２＋
（３）（Ｃａ，Ｓｒ）_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ^２＋
（４）（Ｃａ，Ｓｒ）ＳｉＡｌＮ_３：Ｅｕ^２＋
（５）β−ＳｉＡｌＯＮ
（６）α−ＳｉＡｌＯＮ

また、蛍光体の種類は１種類に限られない。例えば、半導体発光素子１２が紫色ＬＥＤ素子の場合、基本的には、黄色蛍光体と青色蛍光体とを組み合わせるが、照射光に必要な色温度や演色性を考慮して、適宜赤色や緑色の蛍光体を組み合せてもよい。また、半導体発光素子１２として青色ＬＥＤ素子を用いる場合、黄色蛍光体のみであってもよく、あるいは、青色蛍光体の量を黄色蛍光体と比べて相対的に少なくしてもよい。

本実施の形態に係る光波長変換部材１４は、発光モジュール１０の正面側である出射面１４ａの面積Ａ１が、出射面１４ａを囲む側面の面積Ａ２より広くなる形状である。これにより、光波長変換部材１４の側面から出射する光を低減できる。

（透過部材）
透過部材１６は、熱伝導率の高い透明基板が好ましい。ここで、透明とは、可視光の波長域（３８０〜７８０ｎｍ）での吸収が少なく、例えば、光透過率が４０％以上、好ましくは６０％以上、より好ましくは８０％以上のことをいう。また、透過部材１６は、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、好ましくは３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、より好ましくは１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料で構成されているとよい。具体的には、ダイヤモンド、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＭｇＯ、サファイア、ＹＡＧ等の単結晶や多結晶が挙げられる。

前述のように、蛍光体等の光波長変換部材１４での波長変換を利用する半導体発光装置においては、光波長変換部材１４のダウンコンバージョンによるストークスロスの発熱で、光波長変換部材１４の温度が上昇する。一方、光波長変換部材１４は、温度上昇に伴い温度消光が発生する。そこで、半導体発光素子１２が発する素子光を波長変換する際に光波長変換部材１４で生じる熱を、前述のような熱伝導性材料で構成された透過部材１６を介して外部へ放熱することで、発光モジュール１０の放熱性を向上できる。

なお、透過部材１６は、光波長変換部材１４の熱伝導率よりも高い材料で構成されている。これにより、光波長変換部材１４の熱を透過部材１６へ効率よく移動させることができる。

（接着剤）
接着剤１８は、光波長変換部材１４と透過部材１６とを直接に接合するため、または光波長変換部材１４と透過部材１６とを他の部材を介して間接的に接合するために用いられる。接着剤１８としては、接合強度や耐久性等を考慮して適宜選択すればよいが、例えば、ゾル−ゲルシリカガラス、ゾル−ゲルチタニアガラス、ジメチルシリコーン等が挙げられる。また、接着剤１８からなる層の厚みは、例えば、２０μｍ以下、より好ましくは３μｍ以下である。

これにより、接着剤１８として薄い層を形成できるため、光波長変換部材１４から透過部材１６へ熱が移動し易くなる。また、接着剤１８としてジメチルシリコーンを採用することで、半導体発光素子１２が発する光が紫外光または短波長可視光であっても、接着剤の劣化が低減できる。このように、ジメチルシリコーンは、紫外光等による劣化、耐熱性および透過率等の観点からバランスのよい材料である。なお、接着剤を用いずに光波長変換部材１４と透過部材１６とを直接接合してもよい。その方法としては、例えば、常温接合、プラズマ接合、陽極接合等が挙げられる。また、接着剤１８や伝熱部材等を用いて半導体発光素子１２と透過部材１６とを接合してもよい。これにより、半導体発光素子１２で生じた熱も透過部材１６を介して外部へ放熱できる。

（実装基板）
半導体発光素子１２を搭載する実装基板２０としては、金属基板（アルミ基板、銅基板等）、セラミック基板（アルミナ、窒化アルミ等）、樹脂基板（ガラスエポキシ基板等）、リードフレーム、樹脂枠と一体となったリードフレーム、フレキシブル基板（ＦＰＣ）等が挙げられる。基板は、熱伝導性、電気絶縁性、価格等を考慮して選定される。

［第２の実施の形態］
図２は、第２の実施の形態に係る発光モジュールの概略構成を示す図である。なお、第１の実施の形態と同様の構成については同じ符号を付して説明を適宜省略する。発光モジュール３０は、半導体発光素子３２と、半導体発光素子３２が発する素子光を波長変換し、素子光と異なる色の変換光を発する光波長変換部材１４と、半導体発光素子１２と光波長変換部材１４との間に配置され、素子光を透過させる透過部材１６と、光波長変換部材１４と透過部材１６とを接着する透明な接着剤１８と、を備える。

透過部材１６の外縁部は、ヒートシンクを兼ねる筐体３４に保持されている。筐体３４は、熱伝導性が良好で軽量な材質、例えば、アルミニウム、マグネシウム、チタン、鉄、銅、ステンレス、銀、ニッケルなどの金属材料や、熱伝導率の良い充填材を混合した高熱伝導性プラスチック材料が好適である。

第２の実施の形態に係る半導体発光素子３２は、紫外線や短波長可視光（近紫外光〜青色光）を発するＧａＮ系のＬＤ素子が用いられる。半導体発光素子３２が発する光は、３６５〜４７０ｎｍ（好ましくは３８０〜４３０ｎｍ）の波長域にピーク波長を持つ紫外線または短波長可視光が望ましい。また、透過部材１６は、半導体発光素子３２の光出射部３２ａから離間したところに配置されている。

これにより、ＬＤ素子である半導体発光素子３２の光出射部３２ａの正面は、屈折率ｎの小さい空気（ｎ＝１）が存在することになる。つまり、ＬＤ素子を構成するＧａＮ系（ｎ＝２．３〜２．５）等の物質との屈折率差が大きくなり、レーザダイオードの発振が効率よく行われる。

また、第２の実施の形態に係る光波長変換部材１４は、出射面１４ａの周囲の側面１４ｂに反射膜２４が設けられている。反射膜２４は、光波長変換部材１４の内部で生じた変換光のうち、側面１４ｂへ向かう光を発光モジュール３０の正面（図２の上方）へ向けて反射することで、発光モジュール３０の輝度を向上することができる。

このように、半導体発光素子３２としてＬＤ素子を用いた場合、ＬＥＤ素子と比較して素子光の照射領域を絞れるため輝度を向上できる。一方で、光波長変換部材１４の狭い領域に素子光が集中するため、照射領域での発熱が多くなる。そこで、発光モジュール３０は、光波長変換部材１４における熱が透過部材１６を介して筐体３４に伝わるように構成されており、放熱性が向上する。

［第３の実施の形態］
図３は、第３の実施の形態に係る発光モジュールの概略構成を示す図である。なお、第３の実施の形態に係る発光モジュールは、第２の実施の形態に係る発光モジュールにおいてショートパスフィルタを設けた点が特徴である。そのため、第２の実施の形態と同様の構成については同じ符号を付して説明を適宜省略する。

発光モジュール４０の透過部材１６は、光波長変換部材１４と対向する側にショートパスフィルタ４２が形成されている。つまり、光波長変換部材１４は、ショートパスフィルタ４２を含む透過部材１６と接着剤１８で接合されている。通常、光波長変換部材１４での変換光は、半導体発光素子３２の素子光よりも波長が長い。また、蛍光体による変換光は、ランバーシアン（Lambertian）な光であるため、一部の光は半導体発光素子３２の方向へ向かう。そこで、半導体発光素子３２の素子光は透過させ、光波長変換部材１４での変換光は透過させずに反射するショートパスフィルタ４２を用いることで、より輝度の高い発光モジュールを実現できる。

なお、ショートパスフィルタ４２を設ける位置は図３の構成に限られず、光波長変換部材１４の入射側１４ｃに形成されていてもよい。この場合、透過部材１６は、ショートパスフィルタ４２を含む光波長変換部材１４と接着剤１８で接合されていることになる。

以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

１０発光モジュール、１２半導体発光素子、１４光波長変換部材、１４ａ出射面、１４ｂ側面、１４ｃ入射側、１６透過部材、１８接着剤、２０実装基板、２２ヒートシンク、２２ａ挟持部、２２ｂ斜面、２４反射膜、３０発光モジュール、３２半導体発光素子、３２ａ光出射部、３４筐体、４０発光モジュール、４２ショートパスフィルタ。

Claims

半導体発光素子と、
前記半導体発光素子が発する素子光を波長変換し、前記素子光と異なる色の変換光を発する光波長変換部材と、
前記半導体発光素子と前記光波長変換部材との間に配置され、前記素子光を透過させる透過部材と、
前記光波長変換部材と前記透過部材とを接着する透明な接着剤と、を備え、
前記透過部材は、前記光波長変換部材で生じる熱を外部へ伝達する熱伝導性材料で構成されており、
前記接着剤は、厚みが２０μｍ以下であることを特徴とする発光モジュール。
前記透過部材は、光透過率が４０％以上であり、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
前記半導体発光素子は、紫外光または短波長可視光を発することを特徴とする請求項１または２に記載の発光モジュール。
前記半導体発光素子は、レーザダイオードであり、
前記透過部材は、前記半導体発光素子の光出射部から離間したところに配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光モジュール。
透過部材は、前記光波長変換部材の熱伝導率よりも高い材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光モジュール。