JP2007227433A

JP2007227433A - 発光装置

Info

Publication number: JP2007227433A
Application number: JP2006043662A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Fujii; 俊平藤井
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2007-09-06

Abstract

【課題】基板の凹部に充填された樹脂の劣化を防止することにより、きわめて長い寿命をもつ発光装置を提供する。
【解決手段】凹部１が設けられた基板２と、凹部１の底面に配置された発光素子３と、を有し、凹部１に充填されて凹部１を封止するとともに光を透過させる樹脂５と、発光素子３の発光面を被覆して光を透過させるとともに、樹脂５の屈折率よりも高く発光素子４の屈折率よりも低い屈折率をもつ光を透過させる薄膜４と、を備え、薄膜４には、波長が短い光を波長が長い光に変換する蛍光体６が含まれるようにした。
【選択図】図１

Description

本願発明は、半導体発光素子を用いた発光装置に関するものである。

半導体発光素子を用いた発光装置においては、上側に凹部が設けられた基板と、この凹部の底面に形成された電気回路と、同じく凹部の底面に配置され、電気回路に接続された高い屈折率をもつ半導体からなる発光素子とを有している。

上記凹部には、光を透過させるとともに、発光素子に比べて屈折率が低い樹脂が充填されており、この樹脂によって凹部内が封止されている。さらに、発光素子の発光面が、チタン酸化物からなり光を透過する薄膜により被覆され、この薄膜の屈折率が、樹脂の屈折率より高く設定された発光装置が提案されている（特許文献１）。

上記の構成により、発光素子の発光面に、樹脂より高い屈折率をもつ薄膜を被覆することで、発光素子の屈折率と樹脂の屈折率との差を緩和して、発光素子において発生した光を効率よく外部に導くことにより、光の取出し効率を向上させることができる。
特開２００１−２０３３９３号公報

しかしながら、前記背景技術の特許文献１に記載の発光装置においては、例えば、この発光装置を照明器具に用いるために、発光装置を白色半導体発光ユニットとして構成した際に、その白色半導体発光ユニットの光源としては、青色または近紫外等の短波長域の半導体発光素子が用いられ、しかも、照明器具としての照度を確保するために、高出力で使用されることが多い。

上記短波長域の半導体発光素子を高出力において使用した場合は、半導体発光素子から高い熱エネルギーや光エネルギーが発せられるために、基板の凹部に充填された樹脂が劣化してしまい、その結果、発光装置の寿命が短くなってしまう可能性があった。

本願発明はこのような上記背景技術の課題を解決するものであり、光の取り出し効率を向上させるとともに、樹脂の劣化を防止することにより、高効率かつ長寿命の発光装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願請求項１記載の発明は、凹部が設けられた基板と、凹部の底面に配置された発光素子と、を有し、凹部に充填されて凹部を封止するとともに光を透過させる樹脂と、発光素子の発光面を被覆して光を透過させるとともに、樹脂の屈折率よりも高く発光素子の屈折率よりも低い屈折率をもつ薄膜と、を備え、薄膜には、波長が短い光を波長が長い光に変換する蛍光体が含まれていることを特徴としている。

本願請求項２記載の発明は、上記請求項1記載の発光装置において、薄膜は、少なくともチタン酸化物またはジルコニウム酸化物を含んだシリコン酸化物を含有することを特徴としている。

本願請求項３記載の発明は、上記請求項１または２記載の発光装置において、薄膜には、薄膜の屈折率を高くするフィラーを含有することを特徴としている。

本願請求項４記載の発明は、上記請求項１から３のいずれか１項に記載の発光装置において、薄膜の屈折率と樹脂の屈折率との差が、両者が略同一となる程度にまで小さいことを特徴としている。

本願請求項１記載の発明の発光装置においては、発光素子の発光面に被覆され、樹脂の屈折率よりも高く、かつ発光素子の屈折率よりも低い屈折率をもつ光を透過させる薄膜に蛍光体を含ませることで、発光素子と樹脂との屈折率の差を緩和する薄膜を、発光素子と樹脂との間に設けることにより、発光素子から樹脂に入る光の全反射を抑えて、効率よく光を樹脂内に透過させて取り出すことができる。

また、発光素子から高い熱エネルギーや光エネルギーをもつ短波長域の光が高出力において発光した場合に、上記薄膜に含まれる蛍光体によって、その短波長域の光を熱エネルギーや光エネルギーの低い長波長域の光に変換することにより、樹脂の劣化を防止できるために、高効率かつ長寿命の発光装置を提供することができる。

本願請求項２記載の発明の発光装置においては、特に、上記薄膜を耐熱性かつ耐光性に優れた材料から構成することで、薄膜の劣化をより確実に防止できるために、発光装置の寿命をさらに長くすることができる。

本願請求項３記載の発明の発光装置においては、特に、上記薄膜に高い屈折率をもつフィラーを含有することにより、薄膜の屈折率をより高くできるために、発光素子から発光した光をさらに効率よく取り出すことができる。

本願請求項４記載の発明の発光装置においては、特に、薄膜の屈折率と樹脂の屈折率との差が小さいことにより、薄膜を通過して樹脂に入る光の全反射を防止することができるために、発光素子から発光した光を、きわめて効率よく取り出すことが可能となる。

図１から３は、本願発明の実施形態である発光装置を示している。この発光装置は図１から３に示すように、凹部１が設けられた基板２と、凹部１の底面に配置された発光素子３と、を有し、凹部１に充填されて凹部１を封止するとともに光を透過させる樹脂５と、発光素子３の発光面を被覆して光を透過させるとともに、樹脂５の屈折率よりも高く発光素子４の屈折率よりも低い屈折率をもつ光を透過させる薄膜４と、を備え、薄膜４には、波長が短い光を波長が長い光に変換する蛍光体６が含まれている。

次に、薄膜４は、少なくともチタン酸化物またはジルコニウム酸化物をゾルゲル反応によって取り込んだシリコン酸化物を含有するとともに、この薄膜４には、薄膜４の屈折率を高くするフィラーを含有しており、さらに、薄膜４の屈折率と樹脂５の屈折率との差が、略同一となる程度にまで小さくなっている。

以下、この実施形態の発光装置をより具体的詳細に説明する。図１から３に示すように、この発光装置は、白色光の発光装置として構成されており、まず、発光装置の基板２があり、この基板２は、セラミック材料の他に、有機材料や、無機粒子または無機繊維を含有した有機材料から構成されている。

上記セラミック材料としては、アルミナや窒化アルミニウムやジルコニア、または炭化ケイ素等を成形焼成したものが用いられており、有機材料としては、ポリフェニレンサルファイドやポリフタルアミド等の熱可塑性樹脂や、液晶ポリマー（ＬＣＰ）等のエンジニアリングプラスチック、またはエポキシ樹脂やフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられている。

また、無機粒子や無機繊維の材料としては、ガラスやシリカ、またはアルミナ等を粒子状や繊維状に形成したものが用いられている。

次に、基板２の上部の中央には凹部１が設けられていて、この凹部１の側面は、凹部１の上側が下側より広くなるように傾斜されている。

上記凹部１の底面には電気回路パターン７が形成されており、この電気回路パターン７は、まず凹部１の底面に、銅等の導電性材料をスパッタリング法等により導電性被膜を形成し、その導電性被膜をＹＡＧレーザ等を用いて、回路となる部分と、回路ではない部分との境界領域を除去した後、回路となる部分の導電性被膜に通電しながら、電気メッキ等により通電された導電性被膜を厚膜化することで形成されている。

次に、電気回路パターン７上には、発光源となるＧａＡｌＮ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、またはＳｉＣ等の半導体からなる発光素子３が配置されており、この発光素子３は、波長が４５０ｎｍ以下の短い波長をもつ、近紫外光から青色光までの光を発光するように設定されている。

また、発光素子３は、フリップチップ実装やワイヤボンディング実装等により、電気回路パターン７に電気的に接続されている。

上記発光素子３の発光面である上面および側面には、チタン酸化物やジルコニウム酸化物、またはそれら両者から構成された金属酸化物を含んだシリコン酸化物からなる、耐熱性や耐光性に優れ、かつ屈折率の高い薄膜４が被覆されている。

上記金属酸化物は、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシラン等のシランアルコキシドや、テトラエトキシチタンや、テトライソプロポキシチタンや、テトラプロポキシチタン、またはテトラブトキシチタン等のチタンアルコキシドや、テトラエトキシジルコニウムや、テトライソプロポキシジルコニウムや、テトラプロポキシジルコニウム、またはテトラブトキシジルコニウム等のジルコニウムアルコキシド等のアルコキシドおよびその他の有機基の側鎖を有する金属アルコキシド化合物に、塩酸等の酸やＣａＯやＢａＯ等の塩基からなる加水分解触媒を加えることによって、水分の存在下において加水分解・重縮合反応させて、得ることができる。

このとき、上記金属アルコキシドは反応性が非常に高いために、金属アルコキシドに、アセチルアセトンや酢酸やアセト酢酸エチル、または３、５−ヘプタンジオンからなるキレート剤を２倍モル程度加えることにより合成されたキレート化合物を、主骨格となる、シリコンアルコキシド化合物や、ポリジメチルシロキサン、またはシルセスキオキサン等からなるシリコン系モノマーに反応させている。

上記反応においては水分を要せず、反応は、塩酸や酢酸等の酸と、酸化バリウムや酸化カルシウム等の塩基を用いた、いわゆるゾルゲル反応である。

ここで、金属酸化物の含有量は、８重量％から４０重量％の範囲であり、上記範囲より少ない場合は、薄膜４の屈折率を向上させることができなくなり、上記範囲より多い場合は、薄膜４の均質性に影響を与えるため、好ましくない。

また、薄膜４内には、上記チタンアルコキシドやジルコニウムアルコキシドの加水分解により得られたチタン酸化物やジルコニウム酸化物等からなるフィラーが均一に分散されており、薄膜４の屈折率をより向上させている。上記フィラーの含有量は、８重量％から３０重量％の範囲であり、上記範囲より少ない場合は、薄膜４の屈折率を向上させることができなくなり、上記範囲より多い場合は、薄膜４の均質性に影響を与えるため、好ましくない。

さらに、薄膜４内には、発光素子３から発光された波長が短い光を、波長が長い光に変換する蛍光体６が含まれている。ここで、上述したように発光素子３は、波長が４５０ｎｍ以下の短い波長をもつ、紫外光から青色光までの光を発光するように設定されている。

上記発光素子３に対して用いる蛍光体６としては、例えば、発光素子３が青色光を発光する場合は、（Ｙ、Ｇｄ）₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ等からなる黄色蛍光体、またはＺｎＳ：（Ｃｕ、Ａｌ）や、Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ等からなる赤色蛍光体と、ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：（Ｅｕ、Ｍｎ）等からなる緑色蛍光体とを組み合わせた赤色緑色蛍光体（ＲＧ蛍光体）を用いている。

一方、発光素子３が紫色または近紫外光を発光する場合は、上記赤色蛍光体と緑色蛍光体、およびＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕや、（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ）₁₀（ＰＯ₄）₆Ｃｌ₂：Ｅｕ等からなる青色蛍光体とを組み合わせた、赤色緑色青色蛍光体（ＲＧＢ蛍光体）を用いている。

上記蛍光体６を用いることによって、発光素子３から発光された波長が短い（４５０ｎｍ以下）光を、薄膜４に含まれる蛍光体６により、波長が長い（４５０ｎｍより長い）光に変換することができる。

そして凹部１内には、凹部１内を封止するために、エポキシ樹脂や、メタクリル樹脂（ＰＭＭＡ）に代表されるアクリル樹脂や、ポリカーボネート樹脂や、シクロオレフィンポリマー樹脂や、芳香族系ポリイミド樹脂、または液晶ポリマー樹脂等からなる樹脂５が充填されている。

ここで、上記薄膜４と樹脂５の屈折率は略同一であり、具体的には、薄膜４と樹脂５との屈折率の差が０．０５以下となるように設定されている。また、樹脂５の屈折率を調整する際には、例えば、互いに屈折率が異なるエポキシ樹脂を混合したもの用いられている。

以上の構成において、本願発明の実施形態における発光装置の動作を図１から３を用いて説明する。

基板２の上部の中央に設けられた、凹部１の底面に形成された電気回路パターン７に通電がなされると、この電気回路パターン７上に配置されるとともに、電気回路パターン７に接続された半導体からなる発光素子３より発光する。ここで、発光素子３より発光する光は、近紫外光から青色光までの短い波長（４５０ｎｍ以下）の光である。

次に、発光した光は、発光素子３の発光面に被覆された薄膜４に侵入する。このとき、まず、薄膜４は屈折率が高い材料から構成されていることに加えて、薄膜４内には、上述したチタン酸化物やジルコニウム酸化物等からなる比較的屈折率の高いフィラーが均一に分散され、薄膜４の屈折率をさらに高めている。

このため、発光素子３を構成している屈折率の高い半導体と、薄膜４との屈折率との差を小さくできることから、発光素子３から発光する光の全反射を抑えることが可能となるため、発光素子３から発光する光を効率よく取り出すことができる。

また、薄膜４は、耐熱性かつ耐光性に優れた材料から構成されているために、発光素子３が高出力の場合であっても、発光素子３から発光する光による薄膜４の劣化を防止することができる。

さらに、薄膜４内には、発光素子３から発光された波長が短い（４５０ｎｍ以下）光を、波長が長い（４５０ｎｍより長い）光に変換する蛍光体６が含まれていて、例えば、発光素子３が青色光を発光する場合は、蛍光体６には、黄色蛍光体、または赤色緑色蛍光体（ＲＧ蛍光体）が用いられており、発光素子３が紫色または近紫外光を発光する場合は、蛍光体６には、赤色緑色青色蛍光体（ＲＧＢ蛍光体）が用いられている。このため、薄膜４を通過した光は、常時波長が長い光に変換されている。

次に、薄膜４を通過した光は上記蛍光体６により白色光となって、基板２の凹部１に充填された樹脂５に入るが、ここで、光は薄膜４を通過する際に、薄膜４内に含まれている蛍光体６によって、波長が長い光に変換されているために、発光素子３の出力が高い場合であっても、樹脂５に入る光の熱エネルギーや光エネルギーを低くすることができ、その結果、樹脂５の劣化を防止することができる。

また、上記樹脂５の屈折率は、薄膜４と略同一に設定されているために、薄膜４から出てきた光の全反射を抑えることができるため、薄膜４から出てきた光を効率よく取り出すことができる。そして、樹脂５を通過した光は発光装置の外部に取り出されて、例えば照明等の用途に用いられる。

以上のように本願発明の実施形態によれば、発光素子３と、薄膜４との屈折率の差が小さいことから全反射を抑えることができ、その結果、発光素子３から発光する光を効率よく取り出すことができる。

次に、薄膜４は、耐熱性かつ耐光性に優れた材料から構成することで、薄膜４の劣化を防止して発光装置の寿命を長くすることができる。

また、薄膜４内には、発光素子３から発光された波長が短い光を、波長が長い光に変換する蛍光体６が含まれていることから、薄膜４を通過した光は、常時波長が長い光に変換されているために、樹脂５の劣化を防止して発光装置をさらに長寿命化することができる。

さらに、上記樹脂５の屈折率が薄膜４の屈折率と略同一であるために、全反射を抑えることができ、薄膜４から樹脂５に入る光を効率よく取り出すことができる。

なお、上記本願発明の実施形態においては、基板２の凹部１の底面のみに電気回路パターン７を形成しているが、凹部１の側面にも電気回路パターン７を形成することで、凹部１に樹脂５を充填した後に、例えば、電気回路パターン７と電源との接続を容易に行うことができる。

また、凹部１の側面において、電気回路パターン７が形成されている以外の部分に、反射板を設けることで、薄膜４から出てきた光を、さらに効率よく取り出すことができる。

さらに、樹脂５内に、上述した蛍光体６を含有させることで、波長の長い光への変換効率を、より高めることができ、また、蛍光体６を樹脂５内に均一に分散させる分散剤を含ませることで、上記変換を確実に行うことができる。

そして、図４に示すように、樹脂５の上側に、蛍光体６が含まれた平形の板８を設けるようにすることにより、蛍光体６を樹脂５に含有させた場合と同様の効果を奏することができる。

本願発明の実施形態である発光装置の断面図。同発光装置の斜視図。同発光装置の発光素子と薄膜の拡大断面図。同発光装置において、樹脂の上側に蛍光体を含んだ板を設けた場合の断面図。

符号の説明

１凹部
２基板
３発光素子
４薄膜
５樹脂
６蛍光体

Claims

凹部が設けられた基板と、凹部の底面に配置された発光素子と、を有し、凹部に充填されて凹部を封止するとともに光を透過させる樹脂と、発光素子の発光面を被覆して光を透過させるとともに、樹脂の屈折率よりも高く発光素子の屈折率よりも低い屈折率をもつ光を透過させる薄膜と、を備え、薄膜には、波長が短い光を波長が長い光に変換する蛍光体が含まれていることを特徴とする発光装置。
薄膜は、少なくともチタン酸化物またはジルコニウム酸化物を含んだシリコン酸化物を含有することを特徴とする請求項１記載の発光装置。
薄膜には、薄膜の屈折率を高くするフィラーを含有することを特徴とする請求項１または２記載の発光装置。
薄膜の屈折率と樹脂の屈折率との差が、両者が略同一となる程度にまで小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の発光装置。