JP2009231569A - Ｌｅｄ光源およびその色度調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】色度座標において様々な方向への色度調整を可能とし、簡易的に色度調整可能なＬＥＤ光源を提供すること。
【解決手段】ＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子からの発光の一部を吸収し波長変換して発光する第一の蛍光体と、透明樹脂内に第一の蛍光体を含みＬＥＤ素子の周辺部に配置される封止材とを、中心に凹部を有する反射枠の凹部に配置するLED光源の色度調整方法であって、封止材を硬化した後に、封止材上面に色度調整手段を形成することにより色度調整を行う。また、第二の蛍光体の発光波長は第一の蛍光体の発光波長とは異なり、色度調整手段における第二の蛍光体の透明樹脂に対する重量濃度と、色度調整手段の滴下量を変化させることにより色度調整を行う。
【選択図】図１

Description

本発明はＬＥＤ光源に関し、特にＬＥＤからの発光の一部が蛍光体によって波長変換されるＬＥＤ光源における色度調整に関するものである。

近年、ＬＥＤ光源はその高輝度化などに伴い、様々な製品が開発されている。特に青色ＬＥＤ素子が開発されたことにより実現可能となった白色ＬＥＤ光源においては、ＬＥＤ光源の低消費電力、長寿命という利点も加わり、現在一般証明やインテリアライトなどで使用されている蛍光灯、白熱電球に代わる新たな照明として注目されている。

ここで、一般的な白色ＬＥＤ光源について説明をする。図7は一般的な白色ＬＥＤ光源の断面を示す図面である。図に示すように、LED素子１０１は基板上に配置される。基板は基材１０２上にＬＥＤに電力を供給するための配線導体１０３がパターン形成されたものである。基材１０２としては絶縁性、耐熱性をもったものが望まれ、素材として例えば、ガラスエポキシ、セラミック、ＢＴレジン、シリコーンなどが用いられている。ＬＥＤ素子１０１は基板に実装する際にダイボンドペースト、Ａｇペーストなどを使用して実装する。またＬＥＤ素子１０１と基板の配線導体１０３はボンディングワイヤ１０４を介して外部より電力を供給され、発光するものである。

また、ＬＥＤ素子１０１の周囲にはＬＥＤ素子１０１を保護するための封止樹脂１０６を形成する。封止樹脂１０６としては透光性のあるエポキシ樹脂やシリコーン樹脂が用いられ、その樹脂と混ざった状態で、第一の蛍光体が含まれる。蛍光体はＬＥＤ素子１０１からの発光の一部を吸収し波長変換して発光するものである。また、封止樹脂１０６内にはＬＥＤ素子１０１からの光線を均一に分散させるための散乱材が含まれている場合もある。また、封止樹脂１０６の外側には反射枠１０５を配置する。反射枠１０５はＬＥＤ素子１０１や蛍光体からの発光を効率的に前面に照射させるためのものであり、樹脂、セラミック、金属材料などの内、表面反射率の高いものが用いられる。

ここで、白色ＬＥＤ光源としては、ＬＥＤ素子に青色光を発光する窒化物系化合物半導体を用い、第一の蛍光体にセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系蛍光体を用いるタイプのものが広く知られており、これはＬＥＤ素子からの青色光と蛍光体からの黄色光が混ざり合って擬似白色光を出射するものである。

この様な、ＬＥＤ素子と第一の蛍光体を組み合わせて擬似白色光を出射するＬＥＤ光源において、例えば上述の窒化物化合物半導体とＹＡＧ系蛍光体の組み合わせの場合、青色光と黄色光の比率を一定にしないとＬＥＤ光源毎に色度がばらついてしまう。

ＬＥＤ光源における色度ばらつきの要因としては、封止樹脂量のばらつき、封止樹脂内における蛍光体量、蛍光体分布のばらつき、蛍光体の粒子サイズのばらつき、および、ＬＥＤ素子の発光波長のばらつきなどが考えられる。白色ＬＥＤ光源は、第一の蛍光体に起因する青色〜黄色間のばらつき、およびＬＥＤ素子に起因する青間でのばらつきを持つ。図８に示した色度座標中では、第一の蛍光体に起因する青色〜黄色間のばらつきは、色度ばらつき８０１、およびＬＥＤ素子に起因する青間でのばらつきは、色度ばらつき８０２の方向のばらつきに対応する。

そのようなＬＥＤ光源の色度ばらつきは製造上回避しがたく、均一な色度を持つＬＥＤ光源を作成するために、容易でかつ有効な色度調整方法が望まれている。

そこで、例えば特許文献１によれば、硬化後の透明樹脂層における上部の厚みを研磨や塗布等によって変化させることで、ＬＥＤ素子からの光線の経路を変化させ、色度調整を行う方法が挙げられている。

ここで、特許文献１に記載の従来のＬＥＤ光源について説明をする。図９は特許文献１に記載の従来のＬＥＤ光源の断面を示す図面である。図９に示すようにＬＥＤ素子１０１は、基材１０２と配線導体１０３で構成される基板上に配置され、配線導体１０３とワイヤボンディング１０４を介して電気的に接続される。基板上に配置された反射枠１０５の内部には封止樹脂が充填されており、第一の蛍光体９０１を下部に沈殿させ、上部が透明樹脂９０２のみの状態で封止樹脂を硬化させる。

色度調整の過程において上部の透明樹脂９０２が目的の色度となるまで研磨される。例えば、研磨前の樹脂表面の位置９０３が、研磨後に樹脂表面の位置９０４となるまで研磨されたとすると、ＬＥＤ素子１０１からの光線の経路は変化して、第一の蛍光体にあたる光線の数が増加し、色度座標上では青色から黄色の色補正が実現される。
特開２００４−１８６４８８号公報（４頁、図２）

しかし、前述の従来技術では以下に示す問題点を有していた。特許文献１に記載の従来技術では、図８に示す色度座標において第一の蛍光体に起因する青色〜黄色間の色度ばらつき８０１のみの補正に留まり、色度座標において青色〜黄色間以外の補正ができないため、例えばＬＥＤ素子に起因する青間での色度ばらつき８０２を補正することは難しい。

そこで、本発明では上述した従来技術による問題点を解消し、色度座標において様々な方向への色度調整を可能とし、簡易的に色度調整可能なＬＥＤ光源を提供することを目的とする。

これらの課題を解決するために、本発明によるＬＥＤ光源は、下記に記載の手段を採用する。すなわち、本発明のＬＥＤ光源は、ＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子からの発光の一部を吸収し波長変換して発光する第一の蛍光体と、透明樹脂内に第一の蛍光体を含みＬＥＤ素子の周辺部に配置される封止材とを有するLED光源であって、色度調整を行うために、封止材を硬化した後に、封止材上面に形成する色度調整手段を有することを特徴とする。
また、色度調整手段は、ＬＥＤ素子からの発光の一部を吸収し波長変換して発光する第二の蛍光体を含む透明樹脂から構成されることが好ましい。
さらに、第二の蛍光体の発光波長は第一の蛍光体の発光波長とは異なることが好ましい。

また、本発明によるＬＥＤ光源の色度調整方法は、下記に記載の手段を採用する。すなわち、本発明のＬＥＤ光源の色度調整方法は、ＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子からの発光の一部を吸収し波長変換して発光する第一の蛍光体と、透明樹脂内に第一の蛍光体を含みＬＥＤ素子の周辺部に配置される封止材とを、中心に凹部を有する反射枠の凹部に配置するLED光源の色度調整方法であって、封止材を硬化した後に、封止材上面に色度調整手段を形成することにより色度調整を行うことを特徴とする。
また、色度調整手段は、ＬＥＤ素子からの発光の一部を吸収し波長変換して発光する第二の蛍光体を含む透明樹脂を滴下し、硬化することにより形成することが好ましい。
さらに、第二の蛍光体の発光波長は第一の蛍光体の発光波長とは異なることが好ましい。また、色度調整手段における第二の蛍光体の透明樹脂に対する重量濃度と、色度調整手段の滴下量を変化させることにより色度調整を行うことが好ましい。

本発明によれば、第二の蛍光体は第一の蛍光体の発光波長とは異なることを特徴とする色度調整手段を有することで、色度座標において様々な方向への色度調整を可能とし、簡易的に色度調整可能なＬＥＤ光源を提供することができる。

以下、図面を用いて本発明のＬＥＤ光源について説明する。図１は本発明のＬＥＤ光源の断面を示す図面である。

図１に示すように、ＬＥＤ素子１０１は、基材１０２と配線導体１０３で構成される基板上に配置され、配線導体１０３とワイヤボンディング１０４を介して電気的に接続される。基板上に配置された反射枠１０５の内部には封止樹脂１０６が充填されており、封止樹脂１０６内には第一の蛍光体が存在し、場合によっては散乱材が存在することもある。また、封止樹脂１０６の上部には、第二の蛍光体１０７が透明樹脂１０８に混入された状態で構成される。

図７に示した一般的なＬＥＤ光源との違いは、第二の蛍光体１０７が透明樹脂１０８に混入された状態で封止樹脂１０６上に構成されていることであり、一般的なＬＥＤ光源が持つ色度ばらつきを低減するための色度調整手段１０９となる。

まず、第一の蛍光体と第二の蛍光体の違いについて説明する。図２（ａ）は第一の蛍光体を青色ＬＥＤで励起したときの発光スペクトルである。第一の蛍光体としては、一般的にセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系蛍光体が用いられていて、図２（ａ）に示すように５６０ｎｍ付近に発光ピークを持つ。また、図２（ｂ）は第二の蛍光体を青色ＬＥＤで励起したときの発光スペクトルである。本発明を説明するための実験データでは、第二の蛍光体として、例えばＳｒＳ系蛍光体を選んだ。図２（ｂ）に示すように６１０ｎｍ付近に発光ピークを持ち、ＹＡＧ系蛍光体に対して長波長の発光ピークを持つ。

次に、本発明における色度調整手段１０９の効果について説明する。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明における色度調整手段１０９の効果を表す図面である。色度調整手段１０９における蛍光体の割合が重量濃度でそれぞれ０、３、５％の時に、色度調整手段１０９を０．８４μｌだけ封止樹脂１０６上に滴下した時の本発明のＬＥＤ光源の発光スペクトルを実線で示した。また、色度調整手段１０９を構成する前の一般的なＬＥＤ光源の発光スペクトルを破線で示した。

図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、色度調整手段１０９を構成する前後の発光スペクトルは、全て異なっている。詳細について以下で説明を行う。

まず、図３（ａ）における色度調整手段１０９の蛍光体の重量濃度は０％であり、透明樹脂１０８だけで構成される。図３（ａ）に示すように、色度調整を行うことでＬＥＤ光源の発光スペクトルは、青色ＬＥＤに起因する４５０ｎｍ付近のピーク強度が増加し、ＹＡＧ系蛍光体に起因する５６０ｎｍ付近のピーク強度は減少する。これは、封止樹脂１０６上に滴下した色度調整手段１０９によって、ＬＥＤ素子１０１からの光線の経路が変化して、第一の蛍光体にあたる光線の数が減少することに起因する。

次に、図３（ｂ）における色度調整手段１０９の蛍光体の重量濃度は３％である。色度調整手段１０９の量は０．８４μｌであり、図３（ａ）の色度調整手段１０９の量と変わらないため、単純に第二の蛍光体が混入しているか否かが、図３（ａ）と（ｂ）との違いと
なる。図３（ｂ）に示すように、色度調整を行うことでＬＥＤ光源の発光スペクトルは、青色ＬＥＤに起因する４５０ｎｍ付近のピーク強度が増加し、５６０ｎｍ付近のピーク強度は減少する。青色ＬＥＤに起因する４５０ｎｍ付近のピーク強度の増加は、図３（ａ）に示した増加量よりも小さい。これは青色光が第二の蛍光体によって吸収されたことを示す。

次に、図３（ｃ）における色度調整手段１０９の蛍光体の重量濃度は５％である。図３（ｃ）に示すように、色度調整を行うことでＬＥＤ光源の発光スペクトルは、青色ＬＥＤに起因する４５０ｎｍ付近のピーク強度は減少し、５６０ｎｍ付近のピーク強度も減少する。青色ＬＥＤに起因する４５０ｎｍ付近のピーク強度の減少は、第二の蛍光体の量が多いために、第二の蛍光体による青色光の吸収量は、封止樹脂１０６上に滴下した透明樹脂１０８によって、ＬＥＤ素子１０１からの光線の経路が変化したことによる青色光の増加を上回り、色度調整手段１０９を構成する前の一般的なＬＥＤ光源の青色光の強度よりも小さくなったことを示す。

また、色度調整を行うことによる５６０ｎｍ付近のピークの変化を図面を用いて詳細に説明する。図４は色度調整を行ったあとの５６０ｎｍ付近のピークの形を表す図面である。スペクトル４０１、４０２、４０３は、それぞれ図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の実線のスペクトルに対応し、最大強度を１としてそれぞれ規格化したものである。

図４を見れば明らかなように、色度調整手段１０９における第二の蛍光体濃度が０、３、５％と多くなるにつれて、スペクトル４０１、４０２、４０３のピーク波長は５５７、５６１、５６７ｎｍと長波長側にシフトする。これは、色度調整手段１０９に蛍光体が含まれる場合、５６０ｎｍ付近のスペクトルは第一の蛍光体であるＹＡＧ系蛍光体の発光スペクトルと第二の蛍光体の発光スペクトルの和で表されることによる。つまり、第二の蛍光体濃度が増えた場合には、今回の実験データの場合にはＳｒＳ系蛍光体による６１０ｎｍ付近のピーク強度が増加するので、第二の蛍光体濃度が増加すると、５６０ｎｍ付近のピーク波長が長波長側にシフトする。

つまり、色度調整手段１０９において、封止樹脂１０６上に滴下した透明樹脂１０８によって、ＬＥＤ素子１０１からの光線の経路が変化して青色光は増加し、第二の蛍光体の発光により、６１０ｎｍ付近のピーク強度が増加するので、５６０ｎｍ付近のピーク波長が長波長側にシフトする。その際第二の蛍光体は励起スペクトルに応じた波長の光を吸収する。

このような、色度調整手段１０９を用いることで、LED光源のスペクトルを変化させることができ、簡易的に色度調整可能なＬＥＤ光源を提供することができる。図５は本発明によって可能となる色度座標変化を示す図面である。

図５の縦軸、横軸はそれぞれ色度座標変化Δｙ、Δｘであり、色度調整前のＬＥＤ光源の色度座標変化を原点（Δｙ、Δｘ）＝（０、０）としている。図５に示す色度座標変化５０１、５０２、５０３、５０４、５０５、５０６は、色度調整手段１０９における第二の蛍光体の割合が重量濃度でそれぞれ０、１、２、３、４、５％の時の色度座標変化を示す。

また、色度座標変化が原点から離れるほど、封止樹脂１０６上に滴下した色度調整手段１０９の量が多いことを示す。例えば、色度座標変化５０１は原点に近い方から（−０．００９４、−０．０１５５）、（−０．０１１６、−０．０１９１）、（−０．０１４６、−０．０２４０）、（−０．０１７３、−０．０２８９）、（−０．０２１１、−０．０３５１）という変化を示し、これは色度調整手段１０９の滴下量が０．３６、０．４８、
０．６０、０．７２、０．８４μｌと増加することに対応する。

図５を見れば明らかなように、色度調整手段１０９における第二の蛍光体の重量濃度が変化するにしたがって、色度調整手段１０９の滴下量に対する色度座標変化が様々な傾きを持つことが分かる。例えば色度座標変化５０４の傾きは正であり、色度座標変化５０１の傾きよりも急である。

上記の現象について、図面を用いて説明をする。図６（ａ）（ｂ）は青色光と第二の蛍光体による発光の組み合わせで起こる色度座標変化を示す概略図である。図６（ａ）（ｂ）の色度座標変化６０１は青色光による色度座標変化のベクトルを示し、色度座標変化６０２は第二の蛍光体の発光による色度座標変化がΔｘ軸方向と仮定したときの色度座標変化のベクトルである。色度座標変化６０３は色度座標変化６０１と色度座標変化６０２のベクトルの足し合わせであり、青色光と第二の蛍光体による発光の組み合わせで、どういった色度座標変化が起こるかを示す。このとき、第二の蛍光体による第一の蛍光体の発光の吸収は無視して考えている。

図６（ａ）では青色光による色度座標変化６０１の大きさが、第二の蛍光体発光による色度座標変化６０２の大きさよりも小さく、色度座標変化６０３の傾きは正となる。図６（ｂ）では青色光による色度座標変化６０１の大きさが、第二の蛍光体発光による色度座標変化６０２の大きさよりも小さく、色度座標変化６０３の傾きは負となる。

つまり、青色光による色度座標変化６０１の大きさと、第二の蛍光体発光による色度座標変化６０２の大きさのバランスを変化させることで、様々な傾きの方向への色度座標変化が可能となる。青色光による色度座標変化６０１の大きさと、第二の蛍光体発光による色度座標変化６０２の大きさのバランスは、色度調整手段１０９における第二の蛍光体１０７濃度に依存するため、図５において、第二の蛍光体の重量濃度が変化するにしたがって、色度調整手段１０９の滴下量に対する色度座標変化が様々な傾きを持つ。

このように、第二の蛍光体として第一の蛍光体の発光波長とは異なる発光波長を持つ蛍光体を選び、第二の蛍光体の重量濃度および色度調整手段１０９の滴下量を決定することで、色度座標において様々な方向への色度調整を可能となる。

ここで、図５において、色度座標変化５０５、５０６の傾きは負から正方向への折れ曲がりを見せるが、これは、第二の蛍光体の量が多いために、第二の蛍光体による青色光の吸収量は、封止樹脂１０６上に滴下した透明樹脂１０８によって、ＬＥＤ素子１０１からの光線の経路が変化したことによる青色光の増加を上回り、色度調整手段１０９を構成する前の一般的なＬＥＤ光源の青色光の強度よりも小さくなったことに対応すると考えられる。

このように、色度調整手段１０９における第二の蛍光体１０７濃度を変化させることで、色度座標変化の傾きを変化させることができる。また、色度調整手段１０９の滴下量によって傾きに応じた色度座標変化を達成することができる。これにより、図８に示す色度座標において第一の蛍光体に起因する青色〜黄色間のばらつき８０１のみの補正だけでなく、色度座標において青色〜黄色間以外の補正、例えばＬＥＤ素子に起因する青間でのばらつき８０２を補正することが可能となる。

また、今回は第二の蛍光体として赤色系の蛍光体を用いることで、図８に示す色度座標において、青色〜黄色間のばらつき８０１から赤色方向への色度調整が可能となったが、第二の蛍光体として例えば緑色系の蛍光体を用いることで、青色〜黄色間のばらつき８０１から緑色方向への色度調整も可能となる。

このように目的のLED光源の色度座標変化に応じた、第二の蛍光体の選出、第二の蛍光体の色度調整手段１０９に対する重量濃度の決定を行うことで、安定した色度を持つＬＥＤ光源を提供できる。

上述の各実施形態において、LED素子とは半導体発光装置のことを示し、LED光源とはLED素子等が実装され、パッケージ化された電子部品のことを示すものとする。

本発明のＬＥＤ光源を示す断面図である。 第一の蛍光体と第二の蛍光体を青色ＬＥＤで励起したときの発光スペクトルである。 色度調整前後におけるＬＥＤ光源の発光スペクトルである。 第二の蛍光体重量濃度に対する５６０ｎｍ付近のピーク波長変化を示す図である。 本発明によって可能となる色度座標変化を示す図である。 青色光と第二の蛍光体による発光の組み合わせで起こる色度座標変化を示す概略図である。 一般的なＬＥＤ光源を示す断面図である。 ＬＥＤ光源の持つ色度ばらつきを説明するための色度座標である。 従来のＬＥＤ光源を示す断面図である。

符号の説明

１０１ ＬＥＤ素子
１０２ 基材
１０３ 配線導体
１０４ ワイヤボンディング
１０５ 反射枠
１０６ 封止樹脂
１０７ 第二の蛍光体
１０８ 透明樹脂
１０９ 色度調整手段
４０１、４０２、４０３ ピーク形状
５０１、５０２、５０３、５０４、５０５、５０６ 色度座標変化
６０１、６０２、０３ ベクトル
８０１、８０２ 色度ばらつき
９０１ 第一の蛍光体
９０２ 透明樹脂
９０３、９０４ 樹脂表面の位置

Claims (7)

1. ＬＥＤ素子と、該ＬＥＤ素子からの発光の一部を吸収し波長変換して発光する第一の蛍光体と、透明樹脂内に前記第一の蛍光体を含み前記ＬＥＤ素子の周辺部に配置される封止材とを有するLED光源であって、色度調整を行うために、前記封止材を硬化した後に、前記封止材上面に形成する色度調整手段を有するＬＥＤ光源。
2. 前記色度調整手段は、前記ＬＥＤ素子からの発光の一部を吸収し波長変換して発光する第二の蛍光体を含む透明樹脂から構成されることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ光源。
3. 前記第二の蛍光体の発光波長は前記第一の蛍光体の発光波長とは異なることを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ光源。
4. ＬＥＤ素子と、該ＬＥＤ素子からの発光の一部を吸収し波長変換して発光する第一の蛍光体と、透明樹脂内に前記第一の蛍光体を含み前記ＬＥＤ素子の周辺部に配置される封止材とを、中心に凹部を有する反射枠の凹部に配置するLED光源の色度調整方法であって、前記封止材を硬化した後に、前記封止材上面に色度調整手段を形成することにより色度調整を行うLED光源の色度調整方法。
5. 前記色度調整手段は、前記ＬＥＤ素子からの発光の一部を吸収し波長変換して発光する第二の蛍光体を含む透明樹脂を滴下し、硬化することにより形成することを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤ光源の色度調整方法。
6. 前記第二の蛍光体の発光波長は前記第一の蛍光体の発光波長とは異なることを特徴とする請求項５に記載のＬＥＤ光源の色度調整方法。
7. 前記色度調整手段における前記第二の蛍光体の前記透明樹脂に対する重量濃度と、前記色度調整手段の滴下量を変化させることにより色度調整を行うことを特徴とする請求項５または請求項６に記載のLED光源の色度調整方法。

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