JP3863169B2

JP3863169B2 - 発光装置

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Publication number: JP3863169B2
Application number: JP2005290438A
Authority: JP
Inventors: 千里古川; 康一新田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-10-03
Filing date: 2005-10-03
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2019-06-02
Also published as: JP2006041553A

Description

この発明は発光装置に関し、詳しくは半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせた蛍光体発光装置に関する。

近年、ブラウン管や液晶表示パネルなどの既存の表示装置に代わって、半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせた発光装置を光源とする表示装置の開発が進められている。

蛍光体と半導体発光素子とを組み合わせた発光装置としては、例えばＧａＮ系半導体からなる青色の発光ダイオード（ＬＥＤ）と、黄色で発光するＹＡＧ蛍光体とを組み合わせた蛍光体発光装置が知られている。この蛍光体発光装置では、ＬＥＤからの中心波長４５０ｎｍ付近の青色発光と、この発光を受けた蛍光体からの発光（波長５６０ｎｍ付近にピークを持つようなスペクトル分布の発光）とを混色することで白色光（変換光）を取り出している。従来のこの種の蛍光体発光装置では、半導体発光素子の周囲に蛍光体を塗布し、蛍光体層の中に半導体発光素子を埋め込んだ構成となっている。

ところで、蛍光体の内部では波長変換による発光だけでなく、入射光・蛍光発光などの散乱や吸収も発生している。このため、従来のように半導体発光素子を蛍光体層に埋め込み、蛍光体層を通して可視光を取り出すように構成した場合は、変換光が蛍光体層で散乱・吸収されるために、輝度などの光出力が低下するという問題が生じていた。

この発明の目的は、光出力を効率良く取り出すことができる発光装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、所定の周波数範囲の光を反射する基板と、前記基板の第１の面上に設けられた半導体発光素子と、前記基板の第１の面側に形成され、前記半導体発光素子から発光される光を波長の異なる変換光に変換して放出する波長変換部とを備え、前記半導体発光素子から発光された光を前記波長変換部において波長の異なる変換光に変換し、当該変換光を前記基板の第１の面からみて反対側の第２の面側から取り出すように構成された発光装置であって、前記半導体発光素子から発光される光のうち、前記波長変換部において波長の異なる変換光に変換されなかった所定の周波数範囲の光を前記基板により反射することを特徴とする。

上記構成によれば、波長変換部で生成された変換光は波長変換部を透過しないで取り出されるので、変換光が波長変換部を通過する際に散乱・吸収などの損失を受けることがなくなり、輝度などの光出力を効率良く取り出すことができる。

以下、この発明に係わる発光装置をＬＥＤランプに適用した場合の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

［実施形態１］
図１（ａ）〜（ｅ）は、実施形態１に係わるＬＥＤランプの製造過程を示す概略断面図である。

なお実施形態１では、光源部となる半導体発光素子としてＵＶ発光のＧａＮ系ＬＥＤ（以下、ＵＶ−ＬＥＤ）を用いている。また、波長変換部となる蛍光体層としてはＲ、Ｇ、Ｂ各色蛍光体材料を色温度６５００Ｋの白色に合わせて配合し、無機接着剤に混合したものを用いている。

まず、図１（ａ）に示すように、可視光に対し透明なプレート１２上の所定位置にＵＶ−ＬＥＤ１１を配置して、透明接着剤１３で固定する。プレート１２は、ＵＶ吸収材を混合した母材からなり、紫外線を吸収して可視光のみを透過する。プレート１２上のＵＶ−ＬＥＤ１１の周囲には、図１（ｂ）に示すように、上面に電極となるＡｕなどの金属層１４が形成された断面略凹形状のケース部１５が設けられている。そして、図１（ｃ）に示すように、金属層１４と、ＵＶ−ＬＥＤ１１のｐ電極１６ａ及びｎ電極１６ｂとを金属のワイヤ１７で接続する。次に、図１（ｄ）に示すように、ケース部１５の内部に蛍光体材料を混合した無機接着剤（又は樹脂）を隙間なく充填して、蛍光体層１８を形成する。続いて、図１（ｅ）に示すように、ＵＶ−ＬＥＤ１１の発光面側に反射板１９をはめ込み、固定する。なお、図示していないが、光の取り出し部分には集光のためのレンズを形成するなどの処理を施しても良い。

上記図１（ａ）〜（ｅ）の製造過程を経ることでＬＥＤランプ１０が完成する。なお、実際に製造にあたっては、フレームと呼ばれる枠の中に複数のＬＥＤランプを同時に形成し、このフレームから個別に取り出すことで量産することができる。

図１に示すような形状のＬＥＤランプは、一般に表面実装型（ＳＭＤ：ＳｕｒｆａｃｅＭｏｕｎｔｅｄＤｅｖｉｃｅ）ＬＥＤと呼ばれている。このようなＬＥＤランプをアレイ状に配置することにより、表示装置の光源とすることができる。

なお、プレート１２の表面には、ＵＶ散乱材やＵＶ反射材をコーティングしてもよい。また、可視光に対し透明なプレートのほか、導光性を有するプレートを用いてもよい。

このようにして製造されたＬＥＤランプ１０では、ＵＶ−ＬＥＤ１１から出射したＵＶ光が蛍光体層１８に入射して、蛍光体層１８で波長変換されて長波長の可視光が発光し、蛍光体内部でＲＧＢ混色することで白色光が取り出される。この白色光のうち、ＵＶ−ＬＥＤ１１に近い蛍光体層１８で生成された白色光は、図２に示すように、蛍光体層１８を通過せずにＵＶ−ＬＥＤ１１を透過して、光取り出し部となるプレート１２側から放出される。また、その他の白色光は、その多くが反射板１９で反射した後、ＵＶ−ＬＥＤ１１を透過又は透過せずにプレート１２側から放出される。

このように、白色光は蛍光体層１８のないＵＶ−ＬＥＤ１１の裏面から取り出されるため、白色光が蛍光体層を通過する際に散乱・吸収などの損失を受けることがなくなり、輝度などの光出力を効率良く取り出すことができる。とくに、反射板１９を設けた場合は、光出力をさらに増加させることが可能となる。

［実施形態２］
図３（ａ）、（ｂ）は、実施形態２に係わるＬＥＤランプの製造過程を示す概略断面図である。この実施形態２では、実施形態１と同一構造のＵＶ−ＬＥＤを用いている。

図３（ａ）に示すように、ＵＶ−ＬＥＤ２１を固定するサブマウント２２上に、電極となる金属層２３を形成するとともに、蛍光体材料を混合した樹脂により蛍光体層２４を形成する。この蛍光体層２４の一部は金属層２３を電気的に分割しており、また蛍光体層２４のＵＶ−ＬＥＤ２１のｐ、ｎ電極の位置に対応した部分には切り欠き部２５が設けられている。そして、ＵＶ−ＬＥＤ２１のｐ、ｎ電極上にハンダ１０１を盛り付け、切り欠き部２５と平面的に一致するように位置合わせして、サブマウント２２上にフリップチップマウントする。これによって、ＵＶ−ＬＥＤ２１のｐ、ｎ電極は、電気的に分割された金属層２３とそれぞれ接続される。なお、ＵＶ−ＬＥＤ２１のｐ、ｎ電極と金属層２３は熱圧着により接合するようにしてもよい。

次に、図３（ｂ）に示すように、ＵＶ−ＬＥＤ２１をマウントしたサブマウント２２を、金属（Ｆｅなど）製のフレーム２６に形成されたマウント部２６ａ内に透明接着剤（図示せず）でマウントする。このマウント部２６ａの内面には反射板２７が形成されている。この後、金属層２３とフレーム２６とを金属のワイヤ２８で接続する。ここで、金属層２３の一方がサブマウント２２の裏面まで形成されている場合は、サブマウント２２の裏面とフレーム２６のマウント部２６ａとを導電性を有する接着剤でマウントすることで電気的に接続し、金属層２３の他方をワイヤでフレーム２６と接続する。

次に、フレーム２６のマウント部２６ａ内に、蛍光体含有の溶剤をＵＶ−ＬＥＤ２１のサブマウント２２とは反対側の面と同じ高さまで注入する。次に、溶剤を高温で蒸発させるか、あるいは硬化させることで蛍光体層２９を形成する。そして、図４に示すように、ＵＶ−ＬＥＤ２１のマウントされた部分全体を、ＵＶ吸収材入りの樹脂３０によりレンズ形状にモールドすることでＬＥＤランプ２０を完成する。

このようにして製造されたＬＥＤランプ２０では、ＵＶ−ＬＥＤ２１から出射したＵＶ光が蛍光体層２９に入射し、蛍光体層２９で波長変換されて長波長の可視光が発光して、蛍光体内部でＲＧＢ混色することで白色光が取り出される。この白色光のうち、ＵＶ−ＬＥＤ２１に近い蛍光体層２９で生成された白色光は、図５に示すように、蛍光体層２９を通過せずにＵＶ−ＬＥＤ２１を透過して、外部に放出される。また、その他の白色光は、その多くが反射板２７で反射した後、ＵＶ−ＬＥＤ２１を透過又は透過せずに外部へ放出される。

この場合も、白色光は蛍光体層２９のない裏面から取り出されるため、白色光が蛍光体層を通過する際に散乱・吸収などの損失を受けることがなくなり、輝度などの光出力を効率良く取り出すことができる。とくに、反射板２７を設けた場合は、光出力をさらに増加させることが可能となる。

上述したサブマウント２２の表面・蛍光体層間には、可視光に対して高反射率のコーティングを施す。ただし、サブマウント材が可視光に対して透明な場合には不要となる。

また、ＵＶ吸収材入りの樹脂３０でモールドする前に、反射板２７内の蛍光体層２９を含むＵＶ−ＬＥＤ２１の表面に、ＵＶ散乱材やＵＶ反射材をコーティングしてもよい。このほか、ＵＶ−ＬＥＤ２１の裏面側（基板側）に、膜厚が１／２λ（λはＵＶ発光波長）に設定されたＵＶ反射膜を、金属薄膜や誘電体薄膜、誘電体多層膜などとともにコーティングすることにより、さらに蛍光体層２９との結合を高めることができる。これと同様の効果は、例えば樹脂３０をレンズ形状にモールドする前に、最表面にＵＶ反射膜やＵＶ反射材をコーティングすることでも達成することができる。ただし、このとき用いるＵＶ反射膜やＵＶ反射材は、可視光に対して透明であることが望ましい。

［実施形態３］
図５（ａ）、（ｂ）は、実施形態３に係わるＬＥＤランプの製造過程を示す概略構成図である。この実施形態３に係わるＬＥＤランプの基本的な構成は実施形態２とほぼ同じであり、図５では、図３及び図４と同等部分を同一符号で示している。

この実施形態４のＵＶ−ＬＥＤ２１は、透明なサブマウント３２上にフリップチップマウントされている。マウント部分の構造は図３（ａ）とほぼ同じであり、サブマウントの表面には実施形態２と同様に電極となる図示しない金属層が電気的に分割した状態で形成されている。

一方、フレーム２６のマウント部２６ａは、その内面に蛍光体層３１が均一な厚みで形成されている。この蛍光体層３１は、通常の蛍光体塗布法のようにバインダーを用いる手法で作成しても良いし、耐熱性の透明膜が得られるコート材（接着材）に混入して注入し、所定形状の型を入れて内径を成形する手法で作成してもよい。

上記のように構成されたマウント部２６ａの蛍光体層３１上に、ＵＶ−ＬＥＤ２１を備えたサブマウント３２を透明接着剤１０２でマウントする。その後、サブマウント３２の図示しない金属層とフレーム２６とを金属のワイヤ２８で接続する。次に、フレーム２６のマウント部２６ａ内に樹脂３３を注入し、キュア（熱硬化）する。さらに、図５（ｂ）に示すように、ＵＶ吸収材入りの樹脂３４によりレンズ形状にモールドしてＬＥＤランプ３５を完成する。

このようにして製造されたＬＥＤランプ３５についても、サブマウント３２側から放出される白色光は蛍光体層３１のない裏面から取り出されるため、白色光が蛍光体層を通過する際に散乱・吸収などの損失を受けることがなくなり、輝度などの光出力を効率良く取り出すことができる。

とくに、実施形態３の構成においては、ＵＶ光の放出される方向に形成された蛍光体層３１が同じ厚みであり、ＵＶ−ＬＥＤ２１からのＵＶ光が蛍光体層３１内を移動する際の行路長がほぼ同じとなるため、実施形態２の構成に比べて、より均一な発光を得ることができる。

なお、モールドする際に用いる樹脂３４には、ＵＶ吸収材の代わりにＵＶ反射材、ＵＶ散乱材を混入してもよい。

また、ＵＶ−ＬＥＤ２１の裏面側（基板側）には、ＵＶ吸収材、ＵＶ散乱材のような溶剤を塗布したり、あるいは膜厚が１／２λに設定された誘電体多層膜等からなるＵＶ反射膜をコーティングすることにより、簡単かつ容易に高効率化を達成することができる。また、ＵＶ−ＬＥＤ２１の裏面側をレンズ形状（ドーム形状）に加工することにより、さらに高効率化を図ることが可能となる。

［実施形態４］
図６（ａ）〜（ｃ）は、実施形態４に係わるＬＥＤランプの製造過程を示す概略断面図である。この実施形態においても、光源部となる半導体発光素子としてＵＶ−ＬＥＤを用いている。

図６（ａ）に示すように、透明もしくは導光性のプレート４２上に、電極となる金属層４３を形成する。次に、図６（ｂ）に示すように、プレート４２上の所定位置に、透明接着剤４４を介してＵＶ−ＬＥＤ４１を固定する。この後、プレート４２の金属層４３とＵＶ−ＬＥＤ４１のｐ電極４５ａ及びｎ電極４５ｂをそれぞれ金属のワイヤ４６で接続する。

次に、図６（ｃ）に示すように、プレート４２と箱形に形成されたケース４７とを接合する。ケース４７の中央部分には、断面が円錐台形状の蛍光体層４８が形成されている。この蛍光体層４８の外側には、さらに反射板４９が形成されている。一方、ケース４７の外周には、電気的な接続を得るための金属層５０ａ、５０ｂが形成されている。この金属層５０ａ、５０ｂは、プレート４２とケース４７とを接合した最終的な製品形態において、ケース４７の側面や裏面と図示しない実装基板との間での電気的な接続を得るためのものである。金属層５０ａ、５０ｂは、ＵＶ−ＬＥＤ４１のｐ、ｎ電極に対応するように電気的に分割されており、それぞれ独立して形成されている。

ケース４７の金属層５０ａ、５０ｂとプレート４２上の金属層４３とは、圧着、熱圧着又は溶接によりシーリングすることで接合される。なお、ケース４７の内部は真空でもよいし、Ｎ_２、Ａｒのような不活性ガスを充填したり、透明樹脂を充填してもよい。

このようにして製造されたＬＥＤランプ５０では、図７に示すように、ＵＶ−ＬＥＤ４１からの発光がケース４７内部の蛍光体層４８で可視光に変換され、反射板４９で反射された後、ＵＶ−ＬＥＤ４１を透過して、光取り出し部となるプレート４２側から放出される。このとき、導光性のプレート４２であれば、プレート面全体が発光することになる。このＬＥＤランプ５０においても、プレート４２側から放出される白色光は蛍光体層４８のない裏面から取り出されるため、白色光が蛍光体層を通過する際に散乱・吸収などの損失を受けることがなくなり、輝度などの光出力を効率良く取り出すことができる。

とくに、実施形態４においては、ＵＶ−ＬＥＤ４１をフリップチップマウントすることなしに、フリップチップマウントした場合と同様の機能を得ることができる。したがって、フリップチップマウントする場合に比べてＬＥＤランプの作成がより容易なものとなる。

また、ケース４７内を真空にしたり、不活性ガスを充填することにより、ＵＶ−ＬＥＤ４１と蛍光体層４８とを非接触とすることができる。この結果、ＵＶ−ＬＥＤ４１の発熱が直接、蛍光体層４８に伝わることがなくなり、蛍光体の温度特性による変換効率の低下を防止することができる。さらに、高温で、とくに多色発光の場合においては、色調の変化が少ないＬＥＤランプを得ることができる。

また、実施形態４のＬＥＤランプ５０についても、実際に製造にあたっては、フレームと呼ばれる枠の中に複数のＬＥＤランプを同時に形成し、このフレームから個別に取り出すことで量産することができる。

また、プレート４２側とケース４７側を接合することでＬＥＤランプ５０を完成させる構造であるため、プレート４２側の構成を、接合される蛍光体層４８の色にかかわらず共通化することができる。さらに、ケース４７側とプレート４２側をそれぞれ別ラインで製造することができるので、例えばケース４７側を蛍光体層４８の色ごとにストックしておくことができる。

上記実施形態１〜４においては、半導体発光素子としてＵＶ発光のＧａＮ系ＬＥＤを用いた例について説明したが、この他、例えば青色発光のＧａＮ系ＬＥＤなどを用いた場合でも同様の効果を得ることができる。

この発明に係わる発光装置において、光源部に用いられる半導体発光素子としては、ＧａＮ系ＬＥＤのほか、ＳｉＣ系、ＢＮ系もしくはＺｎＳｅ系のいずれかのグループから選択された半導体からなるＬＥＤを用いることができる。

また、ＵＶ発光の半導体ＬＥＤを用いた場合、ＵＶ発光の中心波長としては、例えば以下に示すものを用いることができる。

（１）活性層がＧａＮの場合、中心波長は３６５ｎｍ
（２）活性層がＩｎＧａＮの場合、Ｉｎ組成に応じて中心波長は３６５〜３８０ｎｍ
（３）ＡｌＧａＮ／ＩｎＡｌＧａＮの場合、中心波長は３４０〜３８０ｎｍ
（４）ＢＧａＮの場合、中心波長は３００〜３６５ｎｍ
また、波長変換部に用いられるＲ、Ｇ、Ｂの蛍光体としては、例えば以下のものを用いることができる。

青色（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｅｕ）（ｓｕｂｓｃｒｉｐｔ：１０）（ＰＯ（ｓｕｂｓｃｒｉｐｔ：４））（ｓｕｂｓｃｒｉｐｔ：６）・Ｃｌ（ｓｕｂｓｃｒｉｐｔ：２）
緑色３（Ｂａ、Ｍｇ、Ｅｕ、Ｍｎ）０・８Ａｌ（ｓｕｂｓｃｒｉｐｔ：２）０（ｓｕｂｓｃｒｉｐｔ：３）
赤色Ｌａ（ｓｕｂｓｃｒｉｐｔ：２）０（ｓｕｂｓｃｒｉｐｔ：２）Ｓ：Ｅｕ、Ｓｍ
また、プレートやサブマウントなどの光取り出し部に用いられるＵＶ吸収材としては、例えば以下のものを用いることができる。

（１）ＴｉＯ_２
（２）２−（２−ｈｙｄｒｏｘｙ−５−ｍｅｔｈｙｌｐｈｅｎｙｌ）−２Ｈｂｅｎｚｏｔｒｉａｚｌｅ
（３）２−（３−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌ−２−ｈｙｄｒｏｘｙ−５−ｍｅｔｈｙｌｐｈｅｎｙｌ）−５−ｃｈｌｏｒｏ−２Ｈ−ｂｅｎｚｏｔｒｉａｚｌｅ
（４）２−（２−ｈｙｄｒｏｘｙ−５−ｔｅｒｔ−ｏｃｔｙｐｈｅｎｙｌ）−２Ｈ−ｂｅｎｚｏｔｒｉａｚｌｅ
（５）ｅｔｈｙ１２−ｃｙａｎｏ−３、３−ｄｉｐｈｅｎｙｌａｃｒｙｌａｔｅ

実施形態１に係わるＬＥＤランプの製造過程を示す概略断面図。実施形態１に係わるＬＥＤランプの発光状態を示す概略断面図。実施形態２に係わるＬＥＤランプの製造過程を示す概略断面図。実施形態２に係わるＬＥＤランプの完成状態を示す概略断面図。実施形態３に係わるＬＥＤランプの製造過程を示す概略構成図。実施形態４に係わるＬＥＤランプの製造過程を示す概略断面図。実施形態４に係わるＬＥＤランプの発光状態を示す概略断面図。

符号の説明

１０、２０、３５、５０ＬＥＤランプ
１１、２１、４１ＵＶ−ＬＥＤ
１２、４２プレート
１４、２３、４３、５０金属層
１８、２４、３１、４８蛍光体層
１９、２７、４９反射板
２２、３２サブマウント
２６フレーム
４７ケース

Claims

所定の周波数範囲の光を反射する基板と、
前記基板の第１の面上に設けられた半導体発光素子と、
前記基板の第１の面側に形成され、前記半導体発光素子から発光される光を波長の異なる変換光に変換して放出する波長変換部と、
を備え、前記半導体発光素子から発光された光を前記波長変換部において波長の異なる変換光に変換し、当該変換光を前記基板の第１の面からみて反対側の第２の面側から取り出すように構成された発光装置であって、
前記半導体発光素子から発光される光のうち、前記波長変換部において波長の異なる変換光に変換されなかった所定の周波数範囲の光を前記基板により反射することを特徴とする発光装置。
前記基板の第１の面上に、凹部を有するケースが設けられ、前記凹部内に前記波長変換部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記凹部の開口側端部に、前記波長変換部から放出された変換光を前記基板側に反射する反射板が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
前記半導体発光素子から発光される光が中心波長４００ｎｍ未満の紫外光であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光装置。
前記基板は、４００ｎｍ未満の光を反射することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光装置。
前記所定の周波数範囲は、前記半導体発光素子から発光される光の周波数範囲であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光装置。
前記波長変換部からみて前記半導体発光素子と反対側に、前記波長変換部から放出された変換光を外部に向けて反射する反射板を設けたことを特徴とする請求項１、２、４〜６のいずれか一項に記載の発光装置。
前記基板は、前記変換光に対して透明であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の発光装置。
前記基板は、前記変換光又は可視光に対して透明であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の発光装置。
前記波長変換部が蛍光体層からなることを特徴とする請求項１、３〜１０のいずれか一項に記載の発光装置。