JP2021108384A - 発光装置及び光源 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、青色発光ダイオード素子と、青色光で励起され黄色光を発する黄色蛍光体とを有してなり、有色光を発する有色発光ダイオードランプ知られている(例えば、特許文献1参照)。また、青色に発光する青色発光ダイオードと、青色発光ダイオードからの光を赤色に変換する蛍光体と、によって自動車のテイルランプ及びブレーキランプを形成する証明が知られている(例えば、特許文献2参照)。
本実施形態に係る光源は、前記第1発光装置と、窒化物系半導体である緑色を発光する第2発光素子を持つ第2発光装置と、窒化物系半導体である青色を発光する第3発光素子を持つ第3発光装置と、を備える。
色名と色度座標との関係、光の波長範囲と単色光の色名との関係等は、JIS Z8110に従う。具体的には、380nm〜410nmが紫色、410nm〜455nmが青紫色、455nm〜485nmが青色、485nm〜495nmが青緑色、495nm〜548nmが緑色、548nm〜573nmが黄緑色、573nm〜584nmが黄色、584nm〜610nmが黄赤色、610nm〜780nmが赤色である。
第1発光装置について図面を用いて説明する。図1は、第1実施形態に係る発光装置の一例を示す概略断面図である。図2は、第1実施形態に係る発光装置が発する光の色度座標(CIE1931)を示す色度図である。
第1発光装置101は、可視光の短波長側の光、例えば380nm〜485nmの光を発し、420nm以上480nm以下に第1発光ピーク波長を持つ窒化ガリウム系化合物半導体の第1発光素子11と、第1発光素子11を載置するパッケージ20と、を有する。パッケージ20は第1リード21と第2リード22と固定部23とを有している。パッケージ20は底面と側面を持つ凹部を形成しており、底面は第1リード21、第2リード22が配置されており、第1リード21と第2リード22とを絶縁するために絶縁性の固定部23が配置されている。パッケージ20の凹部の底面に第1発光素子11が載置されている。第1発光素子11は同一面側に正負一対の電極を有しており、フェイスダウン実装され、第1発光素子11と第1リード21及び第2リード22は導電部材30により電気的に接続されている。第1発光素子11は蛍光体60が含有された封止部材50により覆われている。
なお、フェイスダウン実装に代えて、フェイスアップ実装することもできる。フェイスアップ実装の場合は、導電部材30に代えて、ワイヤを用いて第1リード21、第2リード22と接続させてもよい。
第1発光装置101は、CIE1931の色度図において、色度座標がx=0.666、y=0.334である第一の点、色度座標がx=0.643、y=0.334である第二の点、色度座標がx=0.576、y=0.291である第三の点及び色度座標がx=0.737、y=0.263である第四の点について、第一の点及び第二の点を結ぶ第一の直線と、第二の点及び第三の点を結ぶ第二の直線と、第三の点及び第四の点を結ぶ第三の直線と、第四の点及び第一の点を結ぶ色度図の曲線とで囲まれる範囲の光を発する。
このような構成にすることにより、輝度の高い所定の赤色に発光する第1発光装置101を提供することができる。
第1発光素子11は、窒化物系半導体であることが好ましい。耐熱性、耐光性に優れているからである。
ここでは表面実装型を例にとって説明する。
第1発光素子の第1発光ピーク波長は、420nm以上480nm以下の範囲にある。この範囲に第1発光ピーク波長を有する第1発光素子を励起光源として用いることにより、第1発光素子からの光と蛍光体からの光との混色光を発する第1発光装置を構成することが可能となる。
表面実装型のパッケージは第1リードと第2リードと固定部とを有している。パッケージは実装面に対して略垂直方向に光を放出するトップビュー型、実装面に対して略平行方向に光を放出するサイドビュー型が主にあるが、いずれにも本件を使用することができる。
第1リード、第2リードは板状の金属で形成される。ここでは凹部の開口方向から見て第1リード、第2リードは固定部から外側に突出していないが、固定部から外側に突出した構成もとることができる。
固定部は熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂などの樹脂、セラミックスなどの無機物、絶縁物で被覆された金属、などが使用できる。また、固定部の樹脂中などに光反射性材料が含有されていることが好ましい。
導電部材は、第1発光素子をパッケージに固定し、第1発光素子が有する正負一対の電極を第1リード及び第2リードに対して電気的に接続する部材である。導電部材としては、銀、金、パラジウム等の導電性ペーストや、錫−ビスマス系、錫−銅系、錫−銀系、金−錫系等の半田、低融点金属等のろう材を目的に応じて適宜選択して用いることができる。
反射部材は、第1発光素子の側面、並びに、第1リード及び第2リードの上面を覆う。反射部材は第1発光素子と接触する部分において、反射部材は第1発光素子の上面と同一面若しくはそれよりも低く配置することが好ましい。反射部材はパッケージの凹部の側面と接触するように配置されていることが好ましい。反射部材は酸化チタン、チタン酸バリウム等の粒子を直接、若しくは、接着剤等を用いて第1リード上に固定する。
封止部材は電気的絶縁性を有し、第1発光素子と蛍光体から発せられる光を透過可能であり、かつ固化若しくは硬化前は流動性を有する材料であれば、特に限定されるものではない。封止部材としては、例えば、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂、ガラス等が挙げられる。熱硬化性樹脂として、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂等の変性シリコーン樹脂などを挙げることができる。中でも、シリコーン樹脂は、耐熱性や耐光性に優れ、固化後の体積収縮が少ないため、好ましい。
封止部材は1層に限られず、2層、3層等複数層とすることができる。例えば、封止部材は第1発光素子に近い側に第1層を設け、第1発光素子から遠い側に第2層を設け、第1層と第2層との間に界面が存在していてもよい。第1層と第2層とが同じ材料としても良いが、第1層と第2層を異なる材料を用いてもよい。
例えば第1層よりも屈折率の高い第2層を設けることにより第1発光素子から出射された光は第1層と第2層との界面で反射され、第1発光素子からの光が第1層側に戻ってくることにより第1層に含まれる蛍光体に照射される光量を増やすことができる。
また、例えば第1層よりも屈折率の低い第2層を設けることにより第1層に含まれる蛍光体から放出される光を効率良く第1層から第2層に放出することができ、第1発光装置から外部への光取り出し効率を上げることができる。
蛍光体は、第1発光素子からの光を吸収し、異なる波長に発光するものである。ここでは420nm以上480nm以下に第1発光ピーク波長を持つ第1発光素子からの光を吸収し、610nm以上750nm以下に第2発光ピーク波長を持つ蛍光体を少なくとも1種使用する。ここで蛍光体の発光色として、主に赤色を発光する。蛍光体は610nm以上750nm以下に第2発光ピーク波長を持つに過ぎず、610nm以上750nm以下に発光スペクトルを持つものに限定されない。特に610nm以上680nm以下に第2発光ピーク波長を持つものが好ましく、610nm以上650nm以下に第2発光ピーク波長を持つものが更に好ましい。視感度は約555nmをピークに555nmより長波長側にいくに従って視感度が低下するため、赤色領域のうち比較的視感度の高い610nm以上650nmに第2発光ピーク波長を持つ蛍光体を使用することが輝度向上に好ましいからである。
蛍光体は、例えば、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu等のSCASN系蛍光体、CaAlSiN3:Eu等のCASN系蛍光体やCa2Si5N8:Eu、(Sr,Ca)2Si5N8:Eu等のCESN系蛍光体、K2SiF6:MnのKSF蛍光体等を用いることができる。中でも、SCASN系蛍光体とCASN系蛍光体とを少なくとも1種、或いは複数を組み合わせて用いることが好ましい。SCASN蛍光体であっても、SrとCaの比率を変えることにより異なる発光色となるため、発光ピーク波長が5nm以上離れるものを異なる種類の蛍光体とする。
封止部材内に蛍光体をより均一に分散させるために、拡散材を含有することが好ましい。拡散材はシリカ、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化アンチモン、水酸化アルミニウム、硫酸バリウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム、チタン酸バリウム等を使用することができるが、シリカを用いることが好ましい。使用されるシリカの粒径は1〜300μmであってもよく、1〜50μmであることが好ましい。また、使用されるシリカの屈折率は1.46〜1.53であり、封止部材に屈折率1.54〜1.56のシリコーン樹脂を用いることにより、反射効率を高めることができる。拡散材の含有量は封止部材100100重量部に対して、0.1〜10重量部であってもよく、0.8〜2重量部であることが好ましい。
上述した第1発光装置を使用した応用製品として、第1発光装置と、窒化物系半導体である緑色を発光する第2発光素子を持つ第2発光装置と、窒化物系半導体である青色を発光する第3発光素子を持つ第3発光装置と、を備える光源がある。この光源は3in1として光の三原色を光源とするもので、ディスプレイ等に使用される1画素に相当する。
このような光源の色ずれはディスプレイのように直視するものにおいては極めて深刻な問題である。よって光源の色ずれを防止することができる点で極めて有用である。
実施例1〜9の第1発光装置について説明する。図3は、実施例1〜6に係る発光装置の発光スペクトルを示す図である。図4は、実施例1〜6に係る発光装置の発光スペクトルを示す図である。図5は、実施例7〜9に係る発光装置の発光スペクトルを示す図である。図5は400nm〜900nmにおける発光スペクトルを示す。図6は、実施例7〜9に係る発光装置の発光スペクトルを示す図である。図6は400nm〜500nmにおける発光スペクトルを示す。図7は、実施例1〜9に係る発光装置が発する光の色度座標を示す図である。図8は、実施例1〜6に係る発光装置が、周囲温度25℃及び150℃において発する光の色度座標を示す図である。
<実施例1〜6>
実施例1〜6の第1発光装置に使用する第1発光素子として約447nmに第1発光ピーク波長λpを持つ窒化物系半導体発光素子を用いる。また、実施例1〜6の第1発光装置に使用する蛍光体A〜Dとして610nm以上750nm以下に第2発光ピーク波長を持つものを用いる。実施例1〜6の第1発光装置に使用するパッケージとして日亜化学工業株式会社製NJSW172Aを使用し、封止部材としてシリコーン樹脂(信越化学工業社製KJR−9023NW)を使用する。
上記の蛍光体A〜Dを所定の割合で封止部材中に含有し、混合分散した後、更に脱泡することにより蛍光体含有樹脂組成物を得る。蛍光体の含有率は封止部材を100%とした場合の重量基準の百分率である。
このような工程により第1発光装置をそれぞれ作製する。
実施例1〜6の第1発光装置においては拡散材を添加していない。
表2は実施例1〜6の第1発光装置の発光特性を示す。
実施例7〜9の第1発光装置について説明する。実施例7〜9は、実施例6と分散状態、蛍光体C、Dの含有量が異なる以外はほぼ同じである。
実施例7〜9の第1発光装置において使用する蛍光体は、蛍光体C、Dを混合したものを使用する。
実施例7〜9は蛍光体の分散状態が異なる。
実施例8の第1発光装置は、蛍光体C、Dが含有された樹脂組成物を第1発光装置の凹部内に充填し、約6時間静置して蛍光体C、Dを自然に沈降させる。実施例8の発光装置において、蛍光体C、Dの一部は第1発光装置の凹部の底面に沈降しているが、蛍光体C、Dの一部は第1発光装置の凹部の底面に沈降せず樹脂組成物中に分散したままとなっている。
実施例7〜9は主波長をほぼ同一とする。ただし実施例7〜9の分散状態が変わることにより、第1発光装置の色度が変わるため、蛍光体C、Dの含有量を調整している。
また、実施例7〜9の第1発光装置において、封止部材内の蛍光体含有率を確認するため、封止部材の上面と第1発光素子の上面との間を半分に分けて、封止部材の上面側を上部、第1発光素子の上面側を下部としたときの下部に対する上部の蛍光体含有比率を測定する。
表3、表4は実施例7〜9の第1発光装置の発光特性を示す。
実施例10〜16の第1発光装置102について説明する。図9は、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu蛍光体と、CaAlSiN3:Eu蛍光体の粉体反射率を示すスペクトル図である。図10は、実施例10〜16の第1発光装置を示す概略断面図である。
SCASN蛍光体とCASN蛍光体の447nm付近における反射率はCASN蛍光体の方が高い。つまり、SCASN蛍光体の方がCASN蛍光体よりも光を吸収している。赤色の発光領域においてSCASN蛍光体とCASN蛍光体の反射率は変わらないが、400nm〜550nm付近においてSCASN蛍光体とCASN蛍光体の反射率は大きな差がある。この差は発光強度に影響するものである。
表5は実施例10〜16の第1発光装置の発光特性を示す。
また、蛍光体の量が同じであれば、実施例10〜12に比べて実施例13〜15の方が、発光効率として約2.1〜2.6(lm/W)高くなり明るくなっている。これらはSCASNよりも反射率の高いCASNを1層目に配置することで、1層目と2層目との界面で反射された第1発光素子からの青色光を再び1層目に戻すことができ、CASNの発光を増幅させている。CASNよりも反射率が低く光吸収の高いSCASNを2層目に配置することで2層目を透過してしまう青色光を減らすことができる。これにより発光効率を高めることができる。
さらに、実施例15に比べて実施例13の方が、発光効率として4.8(lm/W)高くなり明るくなっている。
20 パッケージ
21 第1リード
22 第2リード
23 固定部
30 導電部材
40 反射部材
50 封止部材
60 蛍光体
101 第1発光装置
Claims (12)
- 発光源として、420nm以上480nm以下に第1発光ピーク波長を持つ第1発光素子と、610nm以上750nm以下に第2発光ピーク波長を持つ少なくとも1種の蛍光体と、を主に含み、
CIE1931の色度図において、色度座標がx=0.666、y=0.334である第一の点、色度座標がx=0.643、y=0.334である第二の点、色度座標がx=0.576、y=0.291である第三の点及び色度座標がx=0.737、y=0.263である第四の点について、第一の点及び第二の点を結ぶ第一の直線と、第二の点及び第三の点を結ぶ第二の直線と、第三の点及び第四の点を結ぶ第三の直線と、第四の点及び第一の点を結ぶ色度図の曲線とで囲まれる範囲の光を発する第1発光装置。 - 前記第1発光装置の発光スペクトルにおいて、前記第2発光ピーク波長の最大強度を1とした場合に、前記第1発光ピーク波長の相対強度が、0.005〜0.02である請求項1に記載の第1発光装置。
- 前記少なくとも1種の蛍光体は、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu蛍光体、CaAlSiN3:Eu蛍光体、K2SiF6:Mn蛍光体、から選択される少なくとも1種である請求項1又は2に記載の第1発光装置。
- 前記少なくとも1種の蛍光体は、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu蛍光体と、CaAlSiN3:Eu蛍光体と、の組合せである請求項1又は2に記載の第1発光装置。
- 前記第1発光装置は、さらに前記第1発光素子の側面を覆う反射部材と、前記第1発光素子の上面を覆い前記蛍光体が含有されている封止部材と、を備える請求項1乃至4のいずれか一項に記載の第1発光装置。
- 前記封止部材は、前記第1発光素子に近い側から遠い側に順に、前記CaAlSiN3:Eu蛍光体が含有された層、前記(Sr,Ca)AlSiN3:Eu蛍光体が含有された層、が配置されている請求項5に記載の第1発光装置。
- 前記封止部材は、前記第1発光素子に近い側から遠い側に順に、前記蛍光体が含有された第1層、前記蛍光体が含有された第2層、が配置されており、前記第1層と第2層との間に界面が存在しており、前記第1層に含まれる前記蛍光体の含有量を100%としたときに、前記第2層に含まれる前記蛍光体の含有量が1%〜60%である請求項5又は6に記載の第1発光装置。
- 前記蛍光体の含有量は、前記封止部材100重量部に対して、45〜80重量部である請求項5に記載の第1発光装置。
- 前記第1発光素子は、窒化物系半導体である請求項1乃至8のいずれか一項に記載の第1発光装置。
- 前記第1発光装置は、さらに前記封止部材上に誘電体多層膜を備える請求項1乃至9のいずれか一項に記載の第1発光装置。
- 前記第1発光装置は、周囲温度25℃における色度座標の第1点と、周囲温度150℃における色度座標の第2点と、の範囲の差がいずれもx=0.010、y=0.010以内である請求項1乃至10のいずれか一項に記載の第1発光装置。
- 前記第1発光装置と、
窒化物系半導体である緑色を発光する第2発光素子を持つ第2発光装置と、
窒化物系半導体である青色を発光する第3発光素子を持つ第3発光装置と、を備える光源。
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