JP4908128B2

JP4908128B2 - 発光装置およびその製造方法

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Publication number: JP4908128B2
Application number: JP2006257269A
Authority: JP
Inventors: 田直美信
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2026-09-22
Also published as: JP2008078468A

Description

本発明は、発光装置およびその製造法に関するものである。

従来の発光装置は、実装基板などの支持体の一部に形成された凹型カップの底面にＬＥＤチップ等の発光素子が搭載されており、さらに、カップ内に充填された透光性部材に蛍光物質を含有させて波長変換部材とし、その波長変換部材が発光素子を被覆して構成されている。このような波長変換材料は、例えばシリコーン樹脂やガラスのような透光性部材の材料中に蛍光物質を含有させた後、発光素子が搭載された凹部内にディスペンサなどで滴下注入し、熱硬化させることにより形成されるのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。

蛍光体の比重は、加熱硬化前の液状樹脂の数倍大きいため、樹脂中の蛍光体のほとんどは、ＬＥＤチップの周辺に密に凝集して沈降してしまう。ＬＥＤチップ表面近傍に位置する蛍光体は、ＬＥＤチップからの光を効率良く吸収するものの、多くの蛍光体は吸収せずに、逆に光を遮り、光のエネルギーを減衰させてしまう。その結果、発光ダイオードの発光出力の低下を引き起こす。小粒径の蛍光体を用いることにより、蛍光体の沈降を抑えることができるものの、小粒径の蛍光体は、大粒径蛍光体に比べ光取り出し効率、光吸収効率が低い。また、小粒径蛍光体が凝集すると光の散乱機構を増加させることになる。

一般に、蛍光体は、粒径が大きいほど光変換効率が高くなる。しかしながら、粒径が大きいほど沈降しやすくなり、蛍光体を均一に分散させた蛍光体層を形成することは困難である。

意図的に蛍光体を沈降させた構造の発光素子もまた、提案されている。（例えば、特許文献２参照）。こうした構造においても、発光に寄与しない蛍光体が多く存在し、それらの蛍光体は光を遮るため、光出力が低下する。また、チップやカップ形状、配線の位置によって、蛍光体の密度分布が異なるため、色むらの問題が生じる。蛍光体の分散性を制御できなければ、発光装置ごとに色度、光出力などの光学特性のばらつきが生じ、発光装置の製造歩留まりが低下する。

さらに、沈降しやすい蛍光体を均一な密度分布で塗布する手法は、未だ確立されていないのが現状である。
特開平７−９９３４５号公報特開２００４−１８６４８８号公報

本発明は、均一な光を高い出力で発する発光装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様にかかる発光装置は、
容器と、
前記容器の底部に配置された発光チップと、
前記発光チップからの光が照射される蛍光体層と
を具備してなる発光装置であって、前記蛍光体層が、蛍光体と、常温溶融塩と、透光性部材とを含んでなるものであることを特徴とするものである。

また、本発明の一態様にかかる発光装置の製造方法は、
容器と、
前記容器の底部に配置された発光チップと、
前記発光チップからの光が照射される蛍光体層と
を具備してなる発光装置の製造方法であって、
前記容器内に前記発光チップを収容する工程と、
蛍光体を常温溶融塩中に溶解または分散させ、前記蛍光体を溶解または分散させた前記常温溶融塩を透光性部材の材料中に溶解または分散させて、蛍光体層原料を調製する工程と、
前記蛍光体層原料を前記容器内の前記発光チップに塗布し、蛍光体層を形成させる工程と、
前記蛍光体層を加熱硬化させる工程とを含んでなることを特徴とするものである。

本発明によれば、均一な光を高い出力で発する発光装置およびその製造方法が提供される。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態にかかる発光装置の断面図である。

図１に示される発光装置は、容器としてのパッケージカップ１の底部にＬＥＤチップ２が配置されてなる発光ダイオードであり、ＬＥＤチップ２の上面には、蛍光体（図示せず）が分散された透光性部材からなる蛍光体層３が配置されている。図１に示された例では、パッケージカップ１の底部の電極（図示せず）とＬＥＤチップ２の上面の電極（図示せず）とがボンディングワイヤー４により接続されている。

なお、図１に示す例においては、蛍光体層３は、ＬＥＤチップ２と同様の厚さで、パッケージカップ１の凹部底にも設けられているが、本発明の態様はこれに限定されるものではない。例えば、蛍光体層３は、図２に示すようにパッケージカップ１の凹部側面まで延びて、配置されてもよい。この場合には、側面の反射板が有効に利用されるといった効果が得られるが、凹部側面に位置する高さは、５００μｍ程度にとどめることが望まれる。またさらに、図３に示すように、蛍光体層３は、ＬＥＤチップ２の上のみに設けることもできる。こうした構造の場合には、蛍光体層の形状がパッケージ構造に依存しない点で有利である。さらにまた、蛍光体層３の上面がパッケージカップ１の上端開口部に近いところに位置するように構成しても良い。

ＬＥＤチップ２としては、蛍光体層３中に含有される蛍光体を励起可能な発光波長の光を発光するものが用いられる。例えば、窒化物半導体を用いることができ、白色系の光を発光させるためには、蛍光体からの発光波長との補色関係を考慮して、ＬＥＤチップの発光波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下に設定することが好ましい。より好ましくは、ＬＥＤチップの発光波長は４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下である。また、紫外光を吸収する蛍光体を用いる場合には、発光波長が４００ｎｍ以下の紫外域の光を発光するＬＥＤチップを用いることもできる。

蛍光体層３は、蛍光体が分散された透光性部材から構成され、透光性部材としては、例えば、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、およびエポキシ樹脂などの各種樹脂を用いることができる。これらは、ＬＥＤチップからの発光の波長や蛍光体からの発光の波長の光の吸収が小さいものから選択されるのが一般的である。必要に応じて、ＬＥＤチップをパッケージに固定するための絶縁性接着剤（例えば、ガラスのような透光性無機部材）を透光性部材として用いることもできる。

蛍光体としては、半導体ＬＥＤチップから発光された光で励起されて発光する様々な種類の蛍光体を利用することができる。本発明では、例えば青色ＬＥＤチップと黄色蛍光体を用いた場合には、白色光を得ることができる。こうした蛍光体に赤色蛍光体や黄緑色蛍光体を混合することもでき、このように複数種類の蛍光体を組み合わせて用いることによって、演色性を向上させることができる。また、蛍光体の種類によって、紫外光のＬＥＤチップを用いることもできる。本発明の実施形態にかかる発光装置は、様々な発光波長を有する任意の蛍光体に適応可能である。

使用し得る蛍光体としては、特に制限されず、目的などに応じて適切に選択されるが、例えば以下のものが挙げられる。
黄色発光が可能な蛍光体としては、例えばＹを含み、かつＣｅあるいはＰｒで付活されたイットリウム・アルミニウムガーネット酸化物蛍光体や、（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕで表わされるユウロピウム賦活アルカリ土類金属シリケート系蛍光体などが挙げられる。

赤色発光が可能な蛍光体としては、例えば（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕで表されるユウロピウム賦活アルカリ土類金属シリケート系蛍光体が挙げられる。Ｓｒの一部をＢａで置換することによって、発光スペクトルが低波長側へシフトし、Ｓｒの一部をＣａで置換することによって、発光スペクトルが長波長側へシフトする。このように組成を変化することで、発光色を連続的に調節することが可能である。または、Ｎを含み、かつＢｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、およびＺｎから選択された少なくとも一つの元素と、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、およびＨｆから選択された少なくとも一つの元素とを含み、希土類元素から選択された少なくとも一つの元素で付活された窒化物蛍光体が挙げられる。ほかには、赤色破断面を有する破断粒子から構成され、赤色領域の発光を行なう（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕで表されるユウロピウム賦活アルカリ土類シリコンナイトライド系蛍光体、規則的な結晶成長形状としてほぼ球形状を有する成長粒子から構成され、赤色領域の発光を行なう（Ｙ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕ）_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕで表されるユウロピウム賦活希土類オキシカルコゲナイト系蛍光体等が挙げられる。

緑色発光が可能なものとしては、例えば、破断面を有する破断粒子から構成され、緑色領域の発光を行なう（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）Ｓｉ_２Ｏ_２Ｎ_２：Ｅｕで表されるユウロピウム賦活アルカリ土類シリコンオキシナイトライド系蛍光体、破断面を有する破断粒子から構成され、緑色領域の発光を行なう（Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕで表されるユウロピウム賦活アルカリ土類マグネシウムシリケート系蛍光体などが挙げられる。

上述したような蛍光体は、単独でも２種類以上を混合して用いてもよい。また、発光チップと組み合わせて任意の色調を得ることができる。例えば、青色を発光する半導体発光素子と、黄色蛍光体とを組み合わせることによって白色光を発光する発光装置が得られる。蛍光体を黄色蛍光体と赤色蛍光体との混合物に変更した場合には、暖色系の白色光となる。

２種類以上の蛍光体を混合調整させることによって、所望の白色系の混色光などを得ることができる。具体的には、発光チップの発光波長に合わせて色度点の異なる蛍光体の量を調整して、含有させることでその蛍光体間と発光チップで結ばれる色度図上の任意の点を発光させることができる。

青色光源による励起強度を考慮すると、上述したような蛍光体のうちでも、黄色蛍光体として、ケイ酸塩化合物、組成式（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕをベースとしたものを用いることが好ましい。その他の種類の黄色蛍光体として例えば、イットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光体、ＹＡＧ：Ｃｅや硫化物などの蛍光体を用いても白色を作製できる。

本発明の実施形態にかかる発光装置における蛍光体層は、蛍光体と、常温溶融塩と、透光性部材とを含んでなる。ここで、常温溶融塩とは、塩であって、常温、例えば２５℃で溶融状態であるものをいう。従って、常温において液体状であるが、溶媒を全く含まない。そしてこの常温溶融塩はイオンのみからなるために、塩を溶媒に溶解した塩溶液とは異なり、高濃度でイオンキャリアを含んでいるという特徴を有する。
このような常温溶融塩のうち、本発明の実施形態にかかる発光装置においては、下記一般式（１）で示されるものが好ましい。
X^＋Ｙ⁻ （１）
（式中、
Ｘ^＋は、イミダゾリウムイオン、ピリジニウムイオン、ホスホニウムイオン、および脂肪族４級アンモニウムイオンからなる群から選択されるカチオンであり、
Ｙ⁻は、テトラフルオロホウ酸イオン、ヘキサフルオロリン酸イオン、ビストリフルオロメチルスルホニルイミド酸イオン、過塩素酸イオン、トリス（トリフルオロメチルスルホニル）炭素酸イオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、トリフルオロ酢酸イオン、カルボン酸イオン、およびハロゲンイオンからなる群から選択されるアニオンである）。

本発明の実施形態においては、前記の蛍光体は、前記の常温溶融塩中に溶解されているか、蛍光体の粒子が前記の常温溶融塩により被覆されていることが好ましい。すなわち、従来の発光装置においては、蛍光体の微粒子が直接透光性部材中に分散されているのが一般的であったが、このような実施形態では、一般に比重が大きい蛍光体が透光性部材中で沈降してしまう傾向にあった。しかし、蛍光体が常温溶融塩に溶解した状態で透光性部材中に分散されるか、蛍光体が常温溶融塩により被覆されている場合には、比重差が緩和され、また常温溶融塩の有する電荷の作用により蛍光体が沈降しにくくなる。さらに常温溶融塩は、常温で液体であるため、蛍光体の分散または溶解が容易であるという利点がある。

本発明の実施態様における蛍光体層を構成する方法は特に限定されない。例えば、蛍光体と、常温溶融塩と、透光性部材とを混合し、撹拌等により分散または溶解させるだけでもよい。このような方法であっても混合物中で、蛍光体表面への常温溶融塩の付着や、蛍光体の常温溶融塩への溶解が起こりえるためである。しかしながら、製造効率や蛍光体層の均一性をより優れたものとするために、まず蛍光体を常温溶融塩に溶解させてから透光性部材に分散させるか、常温溶融塩に蛍光体微粒子を分散させて蛍光体微粒子の表面を常温溶融塩で被覆した後に、透光性部材中に蛍光体と常温溶融塩の混合物を分散させることが好ましい。なお、蛍光体微粒子の表面を常温溶融塩で被覆する場合には、必ずしも蛍光体微粒子の表面が完全に被覆されず、一部が露出していてもよいが、蛍光体層の安定性の観点から、蛍光体微粒子の全表面が常温溶融塩で被覆されていることが好ましい。さらに、蛍光体微粒子を常温溶融塩に分散させたものを透明部材中に分散させる場合、透明部材中に分散された液滴には蛍光体微粒子が複数含まれていてもよい。

蛍光体が常温溶融塩に難溶性である場合、蛍光体は微粒子の状態で蛍光体層中に存在する。このとき、蛍光体微粒子の大きさは、沈降性、光遮蔽効果などの観点から適切に選ばれることが好ましい。適切な微粒子の大きさは、用いられる蛍光体や常温溶融塩の種類や、求められる発光装置の特性などにも依存するが、一般に、ブレーン法により測定された粒径で５〜１００μｍであり、５〜７５μｍであることが好ましい。

蛍光体層中における蛍光体の含有量は、用いられる蛍光体の種類や、求められる発光装置の特性などにより適切に選択される。具体的には、蛍光層を構成する組成物の全重量を基準として５〜８０重量％であることが好ましく、１０〜７５重量％であることがより好ましい。また，常温溶融塩の蛍光体に対するモル比は０．０１〜５０であることが好ましく，０．１〜４０であることがより好ましい．

本発明の実施形態にかかる発光装置は、例えば以下のような方法によって作製される。

まず、常温溶融塩に蛍光体微粒子を所定の濃度で分散させる。蛍光体の粒径は、分級によって予め所定の範囲内に調節しておく。分散をさせる方法は、撹拌、超音波分散など任意の方法を用いることができる。

次いで、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの透光性部材の材料中に蛍光体微粒子を分散させた常温溶融塩を所定の濃度で分散させて、蛍光体層原料を調製する。

一方、常法によりパッケージカップの凹部内にＬＥＤチップ等の半導体発光素子を搭載し、ボンディングワイヤーにより接続しておく。パッケージカップの内側は光を反射するように鏡面仕上げされていてもよい。

その後、蛍光体層原料を加熱して、パッケージカップに搭載されたＬＥＤチップの上面にディスペンサなどで滴下注入して塗布膜を形成する。このとき、ＬＥＤチップあるいはパッケージカップを加熱して、蛍光体層原料の粘度を低下させてもよい。

塗布に当たっては、容器内へ適量を滴下する。蛍光体は、一般に液状樹脂のような透光性部材よりも比重が大きいため、凝集沈降しやすい傾向がある。常温溶融塩含有蛍光体は凝集沈降を抑制する効果を有する。

その後、例えばオーブン内に載置して、８０〜２００℃で３０分〜３時間、透光性部材を加熱固化させる。蛍光体がＬＥＤチップ周辺に凝集すると、光出力の低下が引き起こされてしまう。凝集を防ぐため、滴下後には、直ちに透光性部材を硬化させることが好ましい。これによって、蛍光体は、重なり合うことなく、ＬＥＤチップ周辺に分散される。

加熱固化の条件は、透光性部材の加熱硬化温度に応じて選択することができる。例えばシリコーン樹脂を透光性部材として用いる場合に、８０℃〜２００℃で３０分〜３時間の加熱により固化させることができる。

こうして、本発明の実施形態にかかる発光装置が得られる。

以下、本発明を例を用いて説明すると以下の通りである。

比較例１
蛍光体として、（Ｓｒ_１．８４Ｂａ_０．１２）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕで表わされる組成を有する黄色蛍光体微粒子を用意し、透光性部材原料としては、シリコーン樹脂を用意した。用いた蛍光体微粒子の粒径はブレーン法で測定すると２０μｍ以上４５μｍ以下であった。この蛍光体微粒子をシリコーン樹脂中に４０重量％で分散させて蛍光体層原料を調製した。

一方、ＬＥＤチップとしてはＩｎＧａＮ等からなる発光層を有するＧａＮ系青色ＬＥＤを用意し、パッケージカップの底にマウントした。さらに、ＬＥＤチップの電極とパッケージカップに具備された電極とをボンディングワイヤーにより接続して、発光装置を作製した。

前述の蛍光体層原料を、ディスペンサを用いてＬＥＤチップ上に塗布した。その後、オーブン内に載置し、１５０℃で３時間加熱放置して、比較例の発光装置を完成した。得られた蛍光体層は，蛍光体が沈降していることが観測された。

実施例１
蛍光体として、（Ｓｒ_１．８４Ｂａ_０．１２）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕで表わされる組成を有する黄色蛍光体を用意し、常温溶融塩としては，ビス（トリフルオロメチルスルホニルイミド）酸イミダゾリウムを使用した。透光性部材原料としては、シリコーン樹脂を用意した。用いた蛍光体の粒径をブレーン法により測定すると２０μｍ以上４５μｍ以下であった。
蛍光体とビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド酸イミダゾリウムを混合して均一に１：１のモル比で分散させた後、透光性部材に４０重量%で分散させて蛍光体層原料を調製した。

一方、ＬＥＤチップとしてはＩｎＧａＮ等からなる発光層を有するＧａＮ系青色ＬＥＤを用意し、パッケージカップの底にマウントした。さらに、ＬＥＤチップの電極とパッケージカップに具備された電極とをボンディングワイヤーにより接続して、図１に示す発光装置を作製した。

前述の蛍光体層原料を、ディスペンサを用いてＬＥＤチップ上に塗布した。その後、オーブン内に載置し、１５０℃で３時間加熱放置して、比較例の発光装置を完成した。

実施例１および比較例１の発光装置の出力を、光束測定装置によりそれぞれ測定した。その結果、比較例１の発光装置の出力を１とすると、実施例１の発光装置の出力は、１．９であった。

なお、配光分布測定から、実施例１の発光装置から均一な発光が得られたことが確認された。これに対し、比較例１の発光装置における発光は不均一であった。この比較例１における発光の不均一は蛍光体の沈降に起因するものと考えられる。

実施例２〜４０
さらに、常温溶融塩の種類を変更して発光装置を作製し、出力を調べた。その結果は、表１に示すとおりである。

実施例４１〜８０
次に、実施例１に対して、蛍光体を（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇｄ）_５Ｏ_１２：Ｃｅに変更し、また常温溶融塩を変更した以外は実施例１と同様にして発光装置を作製し、出力を調べた。用いた蛍光体の粒径をブレーン法により測定すると１０μｍ以上３０μｍ以下であった。その結果は、表２に示すとおりである。

実施例８１〜１２０
また、透光性部材原料をエポキシ樹脂に変更し、また常温溶融塩を変更した以外は実施例１と同様にして発光装置を作製し、出力を調べた。その結果は、表３に示すとおりである。

これらの結果から、本発明の実施形態の発光装置は、いずれも高い相対出力で発光することが明らかである。

本発明の一実施形態にかかる発光装置の一例の断面図。本発明の他の実施形態にかかる発光装置の一例の断面図。本発明の他の実施形態にかかる発光装置の一例の断面図。

符号の説明

１パッケージカップ
２ＬＥＤチップ
３蛍光体層
４ボンディングワイヤー
５蛍光体

Claims

容器と、
前記容器の底部に配置された発光チップと、
前記発光チップからの光が照射される蛍光体層と
を具備してなる発光装置であって、前記蛍光体層が、蛍光体と、常温溶融塩と、透光性部材とを含んでなるものであり、
前記蛍光体の微粒子が前記常温溶融塩に被覆された形態で前記透光性部材中に分散されていることを特徴とする発光装置。
前記蛍光体の微粒子の粒径が５〜７５μｍである、請求項１に記載の発光装置。
容器と、
前記容器の底部に配置された発光チップと、
前記発光チップからの光が照射される蛍光体層と
を具備してなる発光装置であって、前記蛍光体層が、蛍光体と、常温溶融塩と、透光性部材とを含んでなるものであり、
前記蛍光体が前記常温溶融塩に溶解した形態で前記透光性部材中に分散されていることを特徴とする発光装置。
前記常温溶融塩が下記一般式（１）で表されるものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光装置：
Ｘ^＋Ｙ⁻ （１）
（式中、
Ｘ^＋は、イミダゾリウムイオン、ピリジニウムイオン、ホスホニウムイオン、および脂肪族４級アンモニウムイオンからなる群から選択されるカチオンであり、
Ｙ⁻は、テトラフルオロホウ酸イオン、ヘキサフルオロリン酸イオン、ビストリフルオロメチルスルホニルイミド酸イオン、過塩素酸イオン、トリス（トリフルオロメチルスルホニル）炭素酸イオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、トリフルオロ酢酸イオン、カルボン酸イオン、およびハロゲンイオンからなる群から選択されるアニオンである）。
容器と、
前記容器の底部に配置された発光チップと、
前記発光チップからの光が照射される蛍光体層と
を具備してなる発光装置の製造方法であって、
前記容器内に前記発光チップを収容する工程と、
蛍光体を常温溶融塩中に溶解または分散させ、前記蛍光体を溶解または分散させた前記常温溶融塩を透光性部材の材料中に溶解または分散させて、蛍光体層原料を調製する工程と、
前記蛍光体層原料を前記容器内の前記発光チップに塗布し、蛍光体層を形成させる工程と、
前記蛍光体層を加熱硬化させる工程と
を含んでなることを特徴とする発光装置の製造方法。