JP6728869B2

JP6728869B2 - 発光装置

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Publication number: JP6728869B2
Application number: JP2016064427A
Authority: JP
Inventors: 矢嶋　孝義; 孝義矢嶋; 伊藤　浩史; 浩史伊藤
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2016-02-25
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2020-07-22
Anticipated expiration: 2036-03-28
Also published as: JP2017152666A

Description

本発明は、発光装置に関する。

従来、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）と蛍光体を備え、白色光を発する発光装置が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。このような発光装置においては、ＬＥＤと蛍光体の合成発光スペクトルが白色光のスペクトルを形成している。

国際公開第２０１２／１０８０６５号国際公開第２０１２／１４４０８７号

しかしながら、蛍光体はその特性上、吸収スペクトルと発光スペクトルの波長域が離れている。このため、励起光の吸収効率を高くするためには、蛍光体の発光スペクトルから離れた発光波長を有する発光素子を励起光源として用いざるを得ない。

このため、発光素子と蛍光体の合成発光スペクトルであって、昼光色等の特に色温度の高い青白い白色のスペクトルにおいては、発光素子の発光波長と蛍光体の発光波長との間に深い窪み（ディップ）が存在する。このような深いディップの存在は、発光装置の発光スペクトルを太陽光（自然光）のスペクトルに近づけることの障害になる。

本発明の目的の一つは、ディップが浅く、太陽光に近い発光スペクトルを有する発光装置を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］〜［７］の発光装置を提供する。

［１］紫又は紫外領域で第１の発光スペクトルの光を出射する第１の発光素子と、青領域で第２の発光スペクトルの光を発する青色蛍光体と、前記第１の発光スペクトルと前記第２の発光スペクトルとによって形成される合成発光スペクトルの、紫又は紫外領域のピーク波長と青領域のピーク波長の間にピーク波長を有する第３の発光スペクトルの光を出射する第２の発光素子と、を有し、前記第２の発光素子が出射する前記第３の発光スペクトルの光は、光通信用信号によって変調される、発光装置。

［２］前記第２の発光素子のピーク波長の前記最も深いディップの底の波長からのずれが２ｎｍ以内である、上記［１］に記載の発光装置。

［３］前記第２の発光素子が、異なる波長を有する複数の発光素子で構成される、上記［１］に記載の発光装置。

［４］前記第１の発光素子を封止する第１の封止材と、前記第２の発光素子を封止する第２の封止材と、をさらに有し、前記蛍光体が、前記第１の封止材に含まれる、上記［１］〜［３］のいずれか１項に記載の発光装置。

［５］前記第１の封止材と前記第２の封止材が接しており、前記第１の封止材の屈折率が、前記第２の封止材の屈折率よりも低い、上記［４］に記載の発光装置。

［６］前記第１の封止材と前記第２の封止材が接しており、前記第１の封止材と前記第２の封止材の一方が環状の平面形状を有する環状封止材であり、他方が前記環状封止材に囲まれた封止材である、上記［４］又は［５］に記載の発光装置。

［７］前記蛍光体は、緑色蛍光体及び赤色蛍光体を更に含み、前記第２の発光素子は、前記ディップとして最も深いディップを形成する、前記第１の発光素子のピークと前記青色蛍光体のピークのピーク波長の間のピーク波長を有する、上記［１］〜［６］のいずれか１項に記載の発光装置。

本発明によれば、ディップが浅く、太陽光に近い発光スペクトルを有する発光装置を提供することができる。

図１（ａ）は実施の形態に係る発光装置の上面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の線分Ａ−Ａにおいて切断された発光装置の垂直断面図である。図２（ａ）、（ｂ）は、第１の発光素子と蛍光体の合成発光スペクトルの例を示す。図３（ａ）は、実施の形態に係る発光装置の変形例の上面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の線分Ｂ−Ｂにおいて切断された発光装置の垂直断面図である。図４（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態に係る発光装置の製造工程を表す垂直断面図である。図５は、パターン形成された第１の封止材を基板に貼り合わせる場合の、貼り合わせ前の第１の封止材を示す斜視図である。図６（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態に係る発光装置の製造工程の変形例を表す垂直断面図である。図７（ａ）は、発光素子と蛍光体の電気信号の周波数に対する応答性の違いを概略的に示すグラフである。図７（ｂ）は、発光素子と蛍光体の応答速度の違いを概略的に示すグラフである。

〔実施の形態〕
（発光装置の構成）
図１（ａ）は、実施の形態に係る発光装置１の上面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の線分Ａ−Ａにおいて切断された発光装置１の垂直断面図である。

発光装置１は、基板１０と、基板１０上に設置された第１の発光素子１１及び第２の発光素子１２と、第１の発光素子１１を封止する第１の封止材１３と、第２の発光素子１２を封止する第２の封止材１４と、第１の封止材１３に含まれる粒子状の蛍光体１５と、を有する。

第１の発光素子１１は、蛍光体１５の励起光源として機能し、第１の発光素子１１の発光色と蛍光体１５の発光色の混色が白色になる。また、蛍光体１５は波長の異なる複数種の蛍光体から構成されてもよい。この場合、第１の発光素子１１として紫外光を発する発光素子が用いられ、複数の蛍光体の発光色の混色が白色になる構成であってもよい。

第２の発光素子１２は、第１の発光素子１１と蛍光体１５の合成発光スペクトルにおける最も深いディップを埋めて、発光装置１の発光スペクトルを太陽光の発光スペクトルに近づけるために用いられる。

このため、第２の発光素子１２は、第１の発光素子１１と蛍光体１５の合成発光スペクトルにおいて最も深いディップを形成する２つのピークのピーク波長（ピークの頂点の波長）の間のピーク波長を有する。そして、第２の発光素子１２のピーク波長の、最も深いディップの底の波長からのずれが、２ｎｍ以内であることが好ましい。

第２の発光素子１２は、異なる波長を有する複数の発光素子で構成されてもよい。この場合、第２の発光素子１２を構成する全ての発光素子のピーク波長が、上記の最も深いディップを形成する２つのピークのピーク波長の間のピーク波長を有する。

図２（ａ）、（ｂ）は、第１の発光素子１１と蛍光体１５の合成発光スペクトルの例を示す。

図２（ａ）は、第１の発光素子１１が発光波長４５０ｎｍの青色ＬＥＤであり、蛍光体１５がＬｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋からなる緑色蛍光体と、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋からなる黄色蛍光体と、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋からなる赤色蛍光体である場合の合成スペクトルである。

図２（ａ）に示される第１の発光素子１１と蛍光体１５の合成発光スペクトルにおける最も深いディップの底（矢印で示される）の波長はおよそ４８１ｎｍである。また、最も深いディップを形成する２つのピークのうちの、短波長側のピーク（第１の発光素子１１の発光スペクトルのピーク）のピーク波長はおよそ４５２ｎｍであり、長波長側のピーク（蛍光体１５の発光スペクトルのピーク）のピーク波長はおよそ５７７ｎｍである。

この場合、ピーク波長が４５２ｎｍより大きく、５７７ｎｍよりも小さい範囲Ｒ内にある発光素子が第２の発光素子１２として用いられ、ピーク波長が４８１ｎｍからのずれが２ｎｍ以内、すなわち４７９ｎｍ以上４８３ｎｍ以下である発光素子が第２の発光素子１２として用いられることが好ましい。また、第２の発光素子１２として、複数の発光波長の異なる発光素子が用いられる場合は、いずれの発光素子のピーク波長も範囲Ｒ内にある。

図２（ｂ）は、第１の発光素子１１が発光波長４０５ｎｍの紫色ＬＥＤであり、蛍光体１５が（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）_１０（ＰＯ_４）Ｃｌ_２：Ｅｕ^２＋からなる青色蛍光体と、（Ｓｉ，Ａｌ）_６（Ｏ，Ｎ）_８：Ｅｕ^２＋からなる緑色蛍光体と、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋からなる赤色蛍光体である場合の合成スペクトルである。

図２（ｂ）に示される第１の発光素子１１と蛍光体１５の合成発光スペクトルにおける最も深いディップの底（矢印で示される）の波長はおよそ４２２ｎｍである。また、最も深いディップを形成する２つのピークのうちの、短波長側のピーク（第１の発光素子１１の発光スペクトルのピーク）のピーク波長はおよそ４０２ｎｍであり、長波長側のピーク（蛍光体１５の発光スペクトルのピーク）のピーク波長はおよそ４５４ｎｍである。

この場合、ピーク波長が４０２ｎｍより大きく、４５４ｎｍよりも小さい範囲Ｒ内にある発光素子が第２の発光素子１２として用いられ、ピーク波長が４２２ｎｍからのずれが２ｎｍ以内、すなわち４２０ｎｍ以上４２４ｎｍ以下である発光素子が第２の発光素子１２として用いられることが好ましい。また、第２の発光素子１２として、複数の発光波長の異なる発光素子が用いられる場合は、いずれの発光素子のピーク波長も範囲Ｒ内にある。

蛍光体１５は、第１の封止材１３と第２の封止材１４の両方に含まれていてもよいが、第２の封止材１４に含まれている場合、第２の発光素子１２の発する光の蛍光体１５による吸収量が増えるため、上述の最も深いディップを埋めるための第２の発光素子１２の発光波長や発光強度の設定が困難になる。このため、蛍光体１５は、第１の封止材１３にのみ含まれることが好ましい。

第１の封止材１３と第２の封止材１４が接している場合、第１の封止材１３の屈折率が、第２の封止材１４の屈折率よりも低いことが好ましい。この場合、光が第２の封止材１４から第１の封止材１３へ透過しにくくなるため、第２の発光素子１２から発せられた光の第１の封止材１３に含まれる蛍光体１５による吸収量を抑えることができる。

基板１０は、例えば、配線基板やリードフレームインサート基板である。

第１の発光素子１１及び第２の発光素子１２は、例えば、チップ基板と、発光層及びそれを挟むクラッド層を含む結晶層とを有するＬＥＤチップである。第１の発光素子１１及び第２の発光素子１２は、結晶層が上方を向いたフェイスアップ型のＬＥＤチップであってもよいし、結晶層が下方を向いたフェイスダウン型のＬＥＤチップであってもよい。また、レーザーダイオード等のＬＥＤチップ以外の発光素子であってもよい。

第１の発光素子１１及び第２の発光素子１２は、基板１０に含まれる配線やリードフレーム等の図示しない導電部材に接続され、その導電部材を介して第１の発光素子１１及び第２の発光素子１２にそれぞれ独立して電源が供給される。

第１の封止樹脂１３及び第２の封止樹脂１４は、例えば、シリコーン系樹脂やエポキシ系樹脂等の透明樹脂からなる。

また、第１の発光素子１１と第２の発光素子１２には、それぞれ独立して電源が供給されるため、それぞれの発光強度を任意に調節することができる。このため、発光装置１の発光スペクトルをより太陽光に近づけることができる。

なお、第１の発光素子１１及び第２の発光素子１２の個数、配置等、第１の封止材１３及び第２の封止材１４の個数、形状、配置等は、特に限定されない。

図１に示される本実施の形態の発光装置の構成例では、第１の封止材１３は環状の平面形状を有する環状封止材であり、第２の封止材１４は環状の第１の封止材１３に囲まれている。

図３（ａ）は、図１に示される発光装置１における第１の発光素子１１と第２の発光素子１２の配置を逆に、かつ第１の封止材１３と第２の封止材１４の配置を逆にした構成を有する発光装置２の上面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の線分Ｂ−Ｂおいて切断された発光装置１の垂直断面図である。

図３に示される本実施の形態の発光装置の構成例では、第２の封止材１４は環状の平面形状を有する環状封止材であり、第１の封止材１３は環状の第２の封止材１４に囲まれている。なお、図３に示される構成に、さらに、第１の封止材１３と同じ材料からなり、第１の発光素子１１を封止する環状の封止材であって、環状の第２の封止材１４を囲む封止材を加えてもよい。さらに、その第１の発光素子１１を封止する環状の封止材を囲むように、第２の封止材１４と同じ材料からなり、第２の発光素子１２を封止する環状の封止材を形成してもよい。このように交互に設けられる第１の発光素子１１を封止する環状の封止材と第２の発光素子１２を封止する環状の封止材の個数は限定されない。

例えば、第２の発光素子１２が異なる波長を有する複数の発光素子で構成される場合は、発光装置２の構成のような複数の第２の発光素子１２が含まれる構成が採用される。

（発光装置の製造工程）
以下に、発光装置１の製造工程の一例を示す。

図４（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態に係る発光装置１の製造工程を表す垂直断面図である。

まず、図４（ａ）に示されるように、基板１０上に第１の発光素子１１及び第２の発光素子１２を設置する。

次に、図４（ｂ）に示されるように、蛍光体１５を含む第１の封止材１３で第１の発光素子１１を封止する。第１の封止材１３は、予めパターン形成された第１の封止材１３を基板１０に貼り合わせる方法や、ポッティングにより形成される。

図５は、パターン形成された第１の封止材１３を基板１０に貼り合わせる場合の、貼り合わせ前の第１の封止材１３を示す斜視図である。第１の封止材１３は、ＰＥＴ等からなるシート状の基材２０上にパターン形成されている。

次に、図４（ｃ）に示されるように、ポッティングにより、第１の封止材１３に囲まれた領域に樹脂を埋め込み、第２の封止材１４を形成する。

図６（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態に係る発光装置１の製造工程の変形例を表す垂直断面図である。この変形例は、図４（ａ）〜（ｃ）に示される製造工程と比較して、第１の封止材１３と第２の封止材１４を形成する順序が逆である。

まず、図６（ａ）に示されるように、基板１０上に第１の発光素子１１及び第２の発光素子１２を設置する。

次に、図６（ｂ）に示されるように、第２の封止材１４で第２の発光素子１２を封止する。第２の封止材１４は、予めパターン形成された第２の封止材１４を基板１０に貼り合わせる方法や、ポッティングにより形成される。

次に、図６（ｃ）に示されるように、第１の発光素子１１の設置領域を取り囲むように環状のダム１６を形成する。ダム１６は、例えば、シリコーン系樹脂やエポキシ系樹脂等の樹脂からなり、酸化チタン等の白色染料を含んでもよい。

次に、図６（ｄ）に示されるように、ポッティングにより、ダム１６と第２の封止材１４の間の領域に蛍光体１５を含む樹脂を埋め込み、第１の封止材１３を形成する。ダム１６の形成は省いてもよいが、ダム１６を形成することにより、ポッティングにより形成される第１の封止材１３の形状の制御が容易になる。

なお、上述の発光装置２を製造する場合には、図４（ａ）〜（ｃ）、図６（ａ）〜（ｄ）に示される工程における第１の発光素子１１と第２の発光素子１２についての工程を逆に、かつ第１の封止材１３と第２の封止材１４についての工程を逆にすればよい。

（発光装置の変形例）
以下、発光装置１を光通信システムの光送信器として用いる例について説明する。

第２の発光素子１２を光通信用の送信部として用いることができる。通信用に高速変調された信号を、例えば、発光装置１の外部の制御部から第２の発光素子１２に送り、その信号に基づいて第２の発光素子１２を発光させて通信を行う。この場合、発光装置１は、照明かつ送受信システムの光送信器として機能する。

この光通信の光検出器（受信部）としては、例えば、Ｓｉフォトダイオードや、スマートフォンに標準で搭載されるカメラ等のイメージセンサーが用いられる。具体的な実施例としては、例えば、発光装置１は店舗において用いられるダウンライトであり、第２の発光素子１２を用いた通信により、顧客の有するスマートフォンに商品情報を送信する。

第１の発光素子１１の発光波長、すなわち蛍光体１５の励起波長が紫又は紫外領域の波長である場合、図２（ｂ）に示されるように、第２の発光素子１２の発光波長は４２０ｎｍ前後と視感度の低い領域にあるため、第２の発光素子１２を用いることにより光強度が変動しても目へのちらつき等の影響はほとんどなく、照明機能への影響を抑えた上で通信用の光信号を重ねることができる。

図７（ａ）は、ＬＥＤチップである発光素子と蛍光体の電気信号の周波数に対する応答性の違いを概略的に示すグラフである。図７（ａ）に示されるように、発光素子が電気信号に対して応答できる限界の周波数よりも、その発光素子の発する光により励起される蛍光体の応答できる限界の周波数の方が低い。すなわち、蛍光体の方が発光素子よりもカットオフ周波数が低い。これは、蛍光体の方が発光素子よりも応答速度が遅く、通信に向かないことを示している。

図７（ｂ）は、ＬＥＤチップである発光素子と蛍光体の応答速度の違いを概略的に示すグラフである。図７（ｂ）に示されるように、蛍光体の波形は、発光素子の波形と比べて電気信号の波形から大きく崩れて光信号のノイズとなるため、通信に向かない。

このような理由から、通信用の第２の発光素子１２の発光に蛍光体の蛍光が混ざると通信の精度が下がるため、蛍光体１５を含まない第２の封止材１４に封止された第２の発光素子１２を通信用に用いることが好ましい。

（実施の形態の効果）
上記の実施の形態によれば、第１の発光素子１１と蛍光体１５の合成発光スペクトルにおける最も深いディップを埋めるための第２の発光素子１２を用いることにより、太陽光に近い発光スペクトルを有する発光装置１を提供することができる。また、第２の発光素子１２を光通信用の送信部として用いることもできる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。

例えば、第１の発光素子１１と蛍光体１５の合成発光スペクトルにおける最も深いディップが、２つの蛍光体１５のピークにより形成されている場合、すなわち、最も短波長側にあるディップ以外のディップが最も深い場合であっても、上記実施の形態を適用することができる。この場合であっても、最も深いディップを埋めることのできる発光波長を有する発光素子が第２の発光素子１２として用いられる。

また、上記の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１発光装置
１０基板
１１第１の発光素子
１２第２の発光素子
１３第１の封止樹脂
１４第２の封止樹脂
１５蛍光体

Claims

紫又は紫外領域で第１の発光スペクトルの光を出射する第１の発光素子と、
青領域で第２の発光スペクトルの光を発する青色蛍光体と、
前記第１の発光スペクトルと前記第２の発光スペクトルとによって形成される合成発光スペクトルの、紫又は紫外領域のピーク波長と青領域のピーク波長の間にピーク波長を有する第３の発光スペクトルの光を出射する第２の発光素子と、を有し、
前記第２の発光素子が出射する前記第３の発光スペクトルの光は、光通信用信号によって変調される、発光装置。
前記第２の発光素子のピーク波長の、前記合成発光スペクトルにおける紫又は紫外領域のピークと青領域のピークの間のディップの底の波長からのずれが２ｎｍ以内である、
請求項１に記載の発光装置。
前記第２の発光素子が、異なる波長を有する複数の発光素子で構成される、
請求項１に記載の発光装置。
前記第１の発光素子を封止する第１の封止材と、
前記第２の発光素子を封止する第２の封止材と、
をさらに有し、
前記蛍光体が、前記第１の封止材に含まれる、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光装置。
前記第１の封止材と前記第２の封止材が接しており、
前記第１の封止材の屈折率が、前記第２の封止材の屈折率よりも低い、
請求項４に記載の発光装置。
前記第１の封止材と前記第２の封止材が接しており、
前記第１の封止材と前記第２の封止材の一方が環状の平面形状を有する環状封止材であり、他方が前記環状封止材に囲まれた封止材である、
請求項４又は５に記載の発光装置。
前記蛍光体は、緑色蛍光体及び赤色蛍光体を更に含む、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光装置。