JP5127964B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、発光装置に関する。

近年、青色の発光ダイオード（ＬＥＤ）にＹＡＧ：Ｃｅなどの黄色蛍光体を組合せ、単一のチップで白色光を発する、いわゆる白色ＬＥＤに注目が集まっている。従来、ＬＥＤは赤色、緑色、青色と単色で発光するものであり、白色または中間色を発するためには、単色の波長を発する複数のＬＥＤを用いてそれぞれ駆動しなければならなかった。しかし、現在では、発光ダイオードと、蛍光体とを組合せることにより、上述の煩わしさを排し、簡便な構造によって白色光を得ることができるようになっている。

発光ダイオードを用いたＬＥＤランプは、携帯機器、ＰＣ周辺機器、ＯＡ機器、各種スイッチ、バックライト用光源、および表示板などの各種表示装置に用いられている。これらＬＥＤランプは高効率化が強く望まれており、加えて一般照明用途には高演色化、バックライト用途には高色域化の要請がある。高効率化には、蛍光体の高効率化が必要であり、高演色化あるいは高色域化には、青色の励起光と青色で励起され緑色の発光を示す蛍光体および青色で励起され赤色の発光を示す蛍光体を組み合わせた白色光源が望ましい。

また、高負荷ＬＥＤは駆動により発熱し、蛍光体の温度が１００〜２００℃程度まで上昇することが一般的である。このような温度上昇が起こると蛍光体の発光強度は一般に低下し、いわゆる温度消光が生ずる。このため、特に、高温領域、すなわち高電流範囲で発光効率が低下するという問題がある。

さらに、複数の蛍光体を用いる場合、蛍光体間の再吸収により発光効率が低下するという問題がある。特に、一つのＬＥＤチップ上に、複数の蛍光体を組み合わせることで白色光を得ようとする場合、蛍光体間の距離が近接することでこの問題が顕在化する。

特開２００９−２１２２７５号公報

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、蛍光体間の再吸収を抑制し優れた発光効率を実現する発光装置を提供することにある。

実施の形態の発光装置は、基板と、前記基板上に実装され波長２５０ｎｍ乃至５００ｎｍの光を発する第１の発光素子と、前記第１の発光素子上に形成され緑色蛍光体を含有する第１の蛍光体層とを有する複数の第１の発光部と、前記基板上に実装され波長２５０ｎｍ乃至５００ｎｍの光を発する第２の発光素子と、前記第２の発光素子上に形成され赤色蛍光体を含有する第２の蛍光体層とを有する複数の第２の発光部と、前記基板上の前記第１の発光素子と前記第２の発光素子とのすべての間に実装され波長２５０ｎｍ乃至５００ｎｍの光を発する第３の発光素子と、前記第３の発光素子上に形成され前記緑色蛍光体または前記赤色蛍光体のいずれも含有しない樹脂層とを有するそれぞれが同一の複数の第３の発光部と、を備え、前記第１の蛍光体層および第２の蛍光体層がそれぞれの間に気体を挟んで非接触に分離され、前記第２の発光部を取り囲むように前記第３の発光部が実装され、前記第３の発光部を取り囲むように前記第１の発光部が実装される。

第１の実施の形態の発光装置の模式上面図である。 図１のＡ−Ａ模式断面図である。 第２の実施の形態の発光装置の模式上面図である。 第３の実施の形態の発光装置の模式上面図である。 緑色蛍光体Ｇ１のＸＲＤプロファイルである。 緑色蛍光体Ｇ２のＸＲＤプロファイルである。 赤色蛍光体Ｒ１のＸＲＤプロファイルである。 赤色蛍光体Ｒ２のＸＲＤプロファイルである。

以下、図面を用いて実施の形態を説明する。

なお、本明細書中、緑色蛍光体とは、波長２５０ｎｍ乃至５００ｎｍの光、すなわち、近紫外光もしくは青色光で励起した際、励起光よりも長波長であり、青緑色から黄緑色（以下、総称して緑色とも記載）にわたる領域の発光、すなわち波長４９０ｎｍ〜５５０ｎｍの間にピークを有する発光を示す蛍光体を意味する。

また、本明細書中、赤色蛍光体とは、波長２５０ｎｍ乃至５００ｎｍの光、すなわち、近紫外光もしくは青色光で励起した際、励起光よりも長波長であり、橙色から赤色にわたる領域の発光、すなわち波長５８０ｎｍ〜７００ｎｍ（以下、総称して赤色とも記載）の間にピークを有する発光を示す蛍光体を意味する。

また、本明細書中、黄色蛍光体とは、波長２５０ｎｍ乃至５００ｎｍの光、すなわち、近紫外光もしくは青色光で励起した際、励起光よりも長波長であり、黄色の発光、すなわち波長５５０ｎｍ〜５８０ｎｍの間にピークを有する発光を示す蛍光体を意味する。

（第１の実施の形態）
本実施の形態の発光装置は、基板と、基板上に実装され波長２５０ｎｍ乃至５００ｎｍの光を発する第１の発光素子と、第１の発光素子上に形成され緑色蛍光体を含有する第１の蛍光体層とを有する複数の第１の発光部と、基板上に実装され波長２５０ｎｍ乃至５００ｎｍの光を発する第２の発光素子と、第２の発光素子上に形成され赤色蛍光体を含有する第２の蛍光体層とを有する複数の第２の発光部と、基板上の第１の発光素子と第２の発光素子との間に実装され波長２５０ｎｍ乃至５００ｎｍの光を発する第３の発光素子と、第３の発光素子上に形成され緑色蛍光体または赤色蛍光体のいずれも含有しない樹脂層とを有する第３の発光部と、を備え、第１の蛍光体層および第２の蛍光体層がそれぞれの間に気体を挟んで非接触に分離される。

本実施の形態の発光装置は、異なる波長を発する蛍光体を含有する蛍光体層を離間させることにより、蛍光体層での蛍光の再吸収を簡易な構造で抑制する。よって、高効率かつＬＥＤが高密度で実装される白色発光装置（または白色ＬＥＤ）を実現することが可能である。

図１は、本実施の形態の発光装置の模式上面図である。図２は、図１のＡ−Ａ模式断面図である。

本実施の形態の発光装置は、基板１０上に複数の第１の発光部１２、複数の第２の発光部１４、複数の第３の発光部１６が配置される白色発光装置である。

第１の発光部１２は、基板上に実装される第１の発光素子１２ａと、第１の発光素子１２ａ上に形成され緑色蛍光体を含有する第１の蛍光体層１２ｂとで構成される。また、第２の発光部１４は、基板上に実装される第２の発光素子１４ａと、第２の発光素子１４ａ上に形成され赤色蛍光体を含有する第２の蛍光体層１４ｂとで構成される。そして、第３の発光部１６は、第１の発光素子１２ａと第２の発光素子１４ａとの間に実装される第３の発光素子１６ａと、第３の発光素子１６ａ上に形成される例えばシリコーンの透明樹脂層１６ｂとで構成される。

第１の発光素子１２ａ、第２の発光素子１４ｂ、第３の発光素子１６ｂは、近紫外から青色の光、すなわち、波長２５０ｎｍ乃至５００ｎｍの光を発する。ここでは、同一種類の青色ＬＥＤチップを例として説明する。設計、製造の容易性からはすべて同一種類であることが望ましいが、異種の発光素子であってもかまわない。

各発光素子１２ａ、１４ａ、１６ａは、例えば金のワイヤ２０を介して図示しない配線に接続されている。そして、この配線を介して外部から駆動電流が発光素子１２ａ、１４ａ、１６ａに供給されることにより、発光素子１２ａ、１４ａ、１６ａが励起用の青色光を発生する。

緑色蛍光体および赤色蛍光体は、透明樹脂、例えば、シリコーン樹脂中に分散され蛍光体層を形成する。

本実施の形態では、緑色蛍光体および赤色蛍光体として、いわゆるサイアロン系の蛍光体を適用する。サイアロン系の蛍光体は、高温での発光効率の低下、いわゆる温度消光が小さいため、高密度実装や高出力の発光装置の実現に適している。

本実施の形態のサイアロン系の緑色蛍光体は下記一般式（１）で表わされる組成を有し、赤色蛍光体は下記一般式（２）で表わされる組成を有する。

（Ｍ_１−ｘ１Ｅｕ_ｘ１）_３−ｙ１Ｓｉ_{１３−ｚ１}Ａｌ_３＋ｚ１Ｏ_２＋ｕＮ_２１−ｗ （１）
（上記一般式（１）中、ＭはＩＡ族元素、ＩＩＡ族元素、ＩＩＩＡ族元素、Ａｌを除くＩＩＩＢ族元素、希土類元素、およびＩＶＢ族元素から選択される元素である。ｘ１、ｙ１、ｚ１、ｕ、ｗは、次の関係を満たす。
０＜ｘ１＜１、
−０．１＜ｙ１＜０．３、
−３＜ｚ１≦１、
−３＜ｕ−ｗ≦１.５）

なお、ＭはＳｒ（ストロンチウム）であることが望ましいが、Ｃａ（カルシウム）などの他元素をＭに対して約１０ｍｏｌ％以下の割合で混ぜてもよい。

上記一般式（１）で表わされる組成を有するサイアロン系蛍光体は緑色蛍光体（Ｇ）であり、波長２５０ｎｍ乃至５００ｎｍの光、すなわち、近紫外光もしくは青色光で励起した際、励起光よりも長波長であり、青緑色から黄緑色にわたる領域の発光、すなわち波長４９０〜５８０ｎｍの間にピークを有する発光を示す。

（Ｍ’_１−ｘ２Ｅｕ_ｘ２）_ａ１Ｓｉ_ｂ１ＡｌＯ_ｃ１Ｎ_ｄ１ （２）
（上記一般式（２）中、Ｍ’はＩＡ族元素、ＩＩＡ族元素、ＩＩＩＡ族元素、Ａｌを除くＩＩＩＢ族元素、希土類元素、およびＩＶＢ族元素から選択される元素である。ｘ２、ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１は、次の関係を満たす。
０＜ｘ２＜１、
０．５５＜ａ１＜０．９５
２．０＜ｂ１＜３．９、
０＜ｃ１＜０．６、
４＜ｄ１＜５．７）

上記一般式（２）で表わされる組成を有するサイアロン系蛍光体は赤色蛍光体（Ｒ）であり、波長２５０ｎｍ乃至５００ｎｍの光、すなわち、近紫外光もしくは青色光で励起した際、励起光よりも長波長であり、橙色から赤色にわたる領域の発光、すなわち波長５８０〜７００ｎｍの間にピークを有する発光を示す。

なお、Ｍ’はＳｒ（ストロンチウム）であることが望ましいが、Ｃａ（カルシウム）などの他元素をＭ’に対して約１０ｍｏｌ％以下の割合で混ぜてもよい。

なお、上記一般式（１）で表されるサイアロン系緑色蛍光体の結晶構造は、斜方晶であり、ＣｕＫα特性Ｘ線（波長１．５４０５６Å）を用いたＸ線回折において、図５、６に示すように、３０．５−３０．９°、２５．６−３０．０°、３１．８−３２．２°、３７．２−３７．６°、３７．０−３７．４°、２９．３−２９．７°、３４．０−３４．４°、２１．７―２２．１°、４８．９―４９．３°、４５．７−４６．１°、６２．８−６３．２°、１５．２−１５．６°、６１．３−６１．７°、４０．５−４０．９°、５５．８°−５６．２°の回折角度（２θ）、１５箇所のうち、少なくとも６箇所に同時に回折ピークを示す一成分を含有するものである。図５、図６の評価に用いた組成は表１に示す。

さらに、上記一般式（２）で表されるサイアロン系赤色蛍光体の結晶構造は、斜方晶であり、ＣｕＫα特性Ｘ線（波長１．５４０５６Å）を用いたＸ線回折において、図７、８に示すように、３１．６−３１．８°、３０．９−３１．１°、２４．８５−２５．０５°、３５．２５−３５．４５°、１５．０−１５．２５°、５６．４−５６．６５°、３６．１−３６．２５°、３３．０―３３．２０°、２３．１―２３．２０°、２９．３−２９．６°、２６．９５−２６．１５°の回折角度（２θ）、１１箇所のうち、少なくとも９箇所に同時に回折ピークを示す一成分を含有するものである。図７、図８の評価に用いた組成は表２に示す。

第１の発光素子１２ａは、第１の蛍光体層１２ｂ中の緑色蛍光体を励起するための光源となり、第１の発光部１２からは緑色が発光される。また、第２の発光素子１４ａは、第２の蛍光体層１４ｂ中の赤色蛍光体を励起するための光源となり、第２の発光部１４からは赤色が発光される。そして、第３の発光素子１６ａは青色の光源となり、第３の発光部１６からは青色が発光される。

第１の発光部１２、第２の発光部１４、第３の発光部１６から発せられる緑色光、赤色光、青色光が混合され白色光となる。

例えば、一つの青色ＬＥＤチップ上にサイアロン系の赤色蛍光体層と、サイアロン系の緑色蛍光体との間を離間させずに積層させて発光させる場合、緑色蛍光体層から発せられた光が数％オーダーで赤色蛍光体層で吸収され発光装置の発光効率が低下する。

本実施の形態においては、第１の蛍光体層１２ａおよび第２の蛍光体層１４ａは、それぞれの間に気体を挟んで非接触に分離されている。本実施の形態では、気体は空気である。したがって、第１の蛍光体層１２ａおよび第２の蛍光体層１４ａが間に、散乱、拡散の要因となる樹脂等の固体層を介さず離間されている。このため、それぞれの蛍光体層で発せられる緑色光と赤色光が、他方の蛍光体層に到達する割合が低減され、再吸収を抑制する。特に、緑色発光領域の吸収率の高い赤色蛍光体による緑色光の再吸収を効果的に抑制する。

第３の発光部１６は、第１の発光部１２と第２の発光部１４との間に配置される。この配置により、第１の蛍光体層１２ａと第２の蛍光体層１４ａの離間距離がさらに大きくなる。したがって、再吸収を一層抑制することが可能となる。また、離間部分には青色を発光する第３の発光部１６が配置されるため、白色発光装置としての実装密度を低下させることもない。

本実施の形態によれば、高実装密度で蛍光体間の再吸収を抑制し優れた発光効率を実現する白色発光装置を、簡便な構成で提供することが可能になる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態の発光装置は、第３の発光素子が、すべての第１の発光素子と第２の発光素子との間に実装されること、すなわち、第３の発光部が、すべての第１の発光部と第２の発光部との間に配置されること以外は第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。

図３は、本実施の形態の発光装置の模式上面図である。第３の発光素子が、すべての第１の発光素子と第２の発光素子との間に実装されることにより、第３の発光部１６が、すべての第１の発光部１２と第２の発光部１４との間に配置される。

本実施の形態によれば、すべての第１の蛍光体層１２ａと第２の蛍光体層１４ａの離間距離が大きくなる。したがって、再吸収を一層抑制することが可能となる。また、離間部分には青色を発光する第３の発光部１６が配置されるため、白色発光装置としての実装密度を低下させることもない。

（第３の実施の形態）
本実施の形態の発光装置は、第２の発光部が第３の発光部に取り囲まれ、第３の発光部が第１の発光部で取り囲まれる配置であること以外は、第２の実施の形態と同様である。したがって、第２の実施の形態と重複する内容については、記載を省略する。

図４は、本実施の形態の発光装置の模式上面図である。第２の発光部１４が基板１２の中心近傍に配置される。そして、この第２の発光部１４の周囲を第３の発光部１６が取り囲んでいる。また、第３の発光部１６の周囲を第１の発光部１２が取り囲む配置になっている。

この配置により、第３の発光部１６が、すべての第１の発光部１２と第２の発光部１４との間に配置されることになる。

本実施の形態によれば、第２の実施の形態同様すべての第１の蛍光体層１２ａと第２の蛍光体層１４ａの離間距離が大きくなる。したがって、再吸収を一層抑制することが可能となる。また、離間部分には青色を発光する第３の発光部１６が配置されるため、白色発光装置としての実装密度を低下させることもない。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、各実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもかまわない。

例えば、発光装置に使用する励起光を発生する発光素子は、青色ＬＥＤチップに限らず、紫外領域または青色の発光をする半導体発光素子であれば足りる。例えば、窒化ガリウム系化合物半導体を用いたＬＥＤ等を用いることが可能である。但し、紫外領域の発光をする半導体素子を励起光源として用いる場合には、紫外光を遮断するフィルター機構などを発光装置内に設ける必要がある。

また、青色ＬＥＤチップ上に直接、蛍光体層が形成される場合を例に説明したが、例えば、青色ＬＥＤチップと蛍光体層との間や、蛍光体層の外面に透明樹脂層が設けられる形態であってもかまわない。

また、実施の形態においては、緑色蛍光体および赤色蛍光体にサイアロン系蛍光体を適用する場合を例に説明した。温度消光を抑制する観点からはサイアロン系蛍光体、特に上記一般式（１）、（２）で表される蛍光体を適用することが望ましいが、その他の蛍光体を適用するものであっても構わない。

また、本実施の形態において、例えば、発光装置や白色ＬＥＤの発色を調整するために、第１または第２の蛍光体層に、複数の組成の蛍光体を用いてもかまわない。蛍光体層は複数の蛍光体が混合されて形成されていても、異なる蛍光体を含有する蛍光体層が積層されるものであってもかまわない。

また、第１ないし第３の発光素子の配置パターンは、実施の形態に限られることなく、第３の発光素子が第１および第２の発光素子の間に実装されるのであれば、いかなるパターンを採用することも可能である。

また、第３の発光素子上に形成される樹脂層について、シリコーン透明樹脂を例に説明したが、その他の透明樹脂を適用することも可能である。また、発光装置の発光色を調整するために、樹脂層を、黄色蛍光体を含有する蛍光体層としてもかまわない。

そして、実施の形態の説明においては、発光装置等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる発光装置に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての発光装置は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。

１０ 基板
１２ 第１の発光部
１２ａ 第１の発光素子
１２ｂ 第１の蛍光体層
１４ 第２の発光部
１４ａ 第２の発光素子
１４ｂ 第２の蛍光体層
１６ 第３の発光部
１６ａ 第３の発光素子
１６ｂ 樹脂層層
２０ ワイヤ

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板上に実装され波長２５０ｎｍ乃至５００ｎｍの光を発する第１の発光素子と、前記第１の発光素子上に形成され緑色蛍光体を含有する第１の蛍光体層とを有する複数の第１の発光部と、
   前記基板上に実装され波長２５０ｎｍ乃至５００ｎｍの光を発する第２の発光素子と、前記第２の発光素子上に形成され赤色蛍光体を含有する第２の蛍光体層とを有する複数の第２の発光部と、
   前記基板上の前記第１の発光素子と前記第２の発光素子とのすべての間に実装され波長２５０ｎｍ乃至５００ｎｍの光を発する第３の発光素子と、前記第３の発光素子上に形成され前記緑色蛍光体または前記赤色蛍光体のいずれも含有しない樹脂層とを有するそれぞれが同一の複数の第３の発光部と、を備え、
   前記第１の蛍光体層および第２の蛍光体層がそれぞれの間に気体を挟んで非接触に分離され、
   前記第２の発光部を取り囲むように前記第３の発光部が実装され、
   前記第３の発光部を取り囲むように前記第１の発光部が実装されることを特徴とする発光装置。
2. 前記樹脂層が透明なシリコーン樹脂、または、黄色蛍光体を含有する樹脂であることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記第１、第２および第３の発光素子が同一種類の発光素子であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の発光装置。
4. 前記緑色蛍光体は下記一般式（１）で表わされる組成を有し、前記赤色蛍光体は下記一般式（２）で表わされる組成を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の発光装置。
   （Ｍ_１−ｘ１Ｅｕ_ｘ１）_３−ｙ１Ｓｉ_{１３−ｚ１}Ａｌ_３＋ｚ１Ｏ_２＋ｕＮ_２１−ｗ （１）
   （上記一般式（１）中、ＭはＩＡ族元素、ＩＩＡ族元素、ＩＩＩＡ族元素、Ａｌを除くＩＩＩＢ族元素、希土類元素、およびＩＶＢ族元素から選択される元素である。ｘ１、ｙ１、ｚ１、ｕ、ｗは、次の関係を満たす。
   ０＜ｘ１＜１、
   −０．１＜ｙ１＜０．３、
   −３＜ｚ１≦１、
   −３＜ｕ−ｗ≦１.５）
   （Ｍ’_１−ｘ２Ｅｕ_ｘ２）_ａ１Ｓｉ_ｂ１ＡｌＯ_ｃ１Ｎ_ｄ１ （２）
   （上記一般式（２）中、Ｍ’はＩＡ族元素、ＩＩＡ族元素、ＩＩＩＡ族元素、Ａｌを除くＩＩＩＢ族元素、希土類元素、およびＩＶＢ族元素から選択される元素である。ｘ２、ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１は、次の関係を満たす。
   ０＜ｘ２＜１、
   ０．５５＜ａ１＜０．９５
   ２．０＜ｂ１＜３．９、
   ０＜ｃ１＜０．６、
   ４＜ｄ１＜５．７）