JP6788375B2 - 発光装置および照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の発光素子を備えた発光装置に関する。

発光装置では、白色光など所望の色の発光を得るために、発光素子と、発光素子からの光の一部を波長変換する蛍光体とを組み合わせたものが多用されている。近年、所定の間隙を開けて、複数の発光素子を面内に一次元あるいは二次元的に配列し、隣合う発光素子の間隙を封止樹脂で充填した発光装置が、照明機器、照明灯具、あるいは舞台演出用の照明などに利用されている。
このような発光装置は、複数の発光素子を個別に点消灯させる機能を有し、街灯のような照明機器に用いた場合、人が歩いている道筋のみを照らすことができ、車両用灯具に用いた場合、対向車や人にまぶしさを与えないために人への照射部のみを暗くすることができる。舞台演出用の照明に用いた場合、一部のみを照らしたり、一部のみを暗くしたりすることができる。そのため、点灯時には均一に照らし、発光素子の一部を消灯する場合は、消灯部分を完全に暗くしたいという要望がある。

しかし、上記発光装置では、発光素子間の距離が大きい場合、投影像には、隣接する発光素子同士の間にわずかな暗部（暗線）が形成されることがある。この暗部の形成を抑制するためには、配列された素子間の距離は小さくする必要がある。一方、配列された素子間の距離を小さくした場合、一部の発光素子を消灯させた時に、点灯している発光素子から消灯させた発光素子に向かって、光が導波し、消灯させた発光素子の側面に到達する。この導波光により、消灯させた発光素子周辺領域から光が放出され、消灯させた発光素子周辺領域が完全な暗部になりにくい。そのため、点灯している発光素子と消灯させた発光素子との境界（カットオフ）が投影像において不明確となってしまう。

特許文献１は、所定の間隙を開けて配列した複数の発光素子を備えた発光装置の技術を開示している。発光素子の側面は、発光層からの発光光の一部を透過させる半透光性を有する半透光膜で覆われている。一つの発光素子の側面の半透光膜は、隣接する他の発光素子から素子間領域を導波した光を反射させて素子間領域から光を取り出させ、かつ導波光の素子側面への到達を防止する。これにより、特許文献１の発光装置は、投影像において、発光素子点灯時には素子間領域の暗線形成を防止し、消灯時にはカットオフを明確にする。

特開２０１５−１７７０２１号公報

しかしながら、特許文献１の発光装置では、個々の発光装置の側面を半透光膜で覆う必要があるため、製造工程が複雑になる。

本発明の目的は、簡素な構成でありながら、複数の発光素子の少なくとも一部が消灯している場合に、点灯している発光素子と消灯している発光素子との境界（カットオフ）を投影像において明確にする発光装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の発光装置は、基板と、基板上に間隙をあけて配列された複数の発光素子と、複数の発光素子の間に充填された光散乱性樹脂と、を備える。複数の発光素子の少なくとも一つの周囲の領域の光散乱性樹脂は、サーモクロミック材料を含む。

本発明によれば、簡素な構成を用いて、個別に点消灯する複数の発光素子の少なくとも一部が消灯している場合に、投影像におけるカットオフを明確にできる。

(ａ）は、全部の発光素子が点灯している場合の一例としての本実施形態の発光装置１の上面構造の概略および光の進路を示す説明図であり、（ｂ）は、図(ａ)のＡ−Ａ´断面構造の概略および光の進路を示す説明図である。 （ａ）は、中央に配置された発光素子が消灯した場合の、図１（ａ）の発光装置の上面構造の概略および光の進路を示す説明図であり、（ｂ）は、図（ａ）のＡ−Ａ´断面構造の概略および光の進路を示す説明図である。 (ａ）は、全部の発光素子が消灯している場合の一例としての本実施形態の発光装置１の上面図であり、（ｂ）は、図(ａ)のＡ−Ａ´断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、全図において、同一機能を有するものは同一の符号をつけ、その繰り返しの説明は省略する。

＜第一実施形態＞
まず、図１および図２を用いて第一実施形態の発光装置１に係る構成の概略および発光素子の側面から発光された光の進路について説明する。

本発明の発光装置１は、基板７０と、基板７０上に互いの側面が間隙ｓをあけるように配列された複数の発光素子１０と、複数の発光素子１０の間に充填された光散乱性樹脂２０と、を備える。複数の発光素子１０の少なくとも一つ（発光素子１１）の周囲の領域の光散乱性樹脂２０は、サーモクロミック材料を含む。

サーモクロミック材料３０は、発光素子１１の点灯時に発光素子１１の熱により到達する温度において、発光素子１１の光に対して透明であり、発光素子１１の消灯時の温度では発光素子１１の光を透過しないものを用いる。

光散乱性樹脂２０は、発光素子１０の光を散乱させる光散乱剤と発光素子１０の光に対して透明であるバインダー樹脂とを混合したものを用いる。

発光素子１０は上面および側面から光を発する素子であり、ＬＥＤ素子、ＥＬ素子等の所望の素子を用いることができる。

このような発光装置１において、すべての発光素子１０が点灯している場合、発光素子１０の上面および側面から光が発せられる。発光素子１０の側面から発せられる光４０は、光散乱性樹脂２０に入射し、その内部で四方八方に散乱される。散乱された光のうち一部は、間隙ｓをあけて隣接する発光素子１０方向に導波する光（導波光）４３となる。導波光４３の一部は光散乱性樹脂２０で散乱され、他の一部は到達した発光素子１０の側面で反射され、いずれも光散乱性樹脂２０上面に向かう光４４となる。点灯時にはサーモクロミック材料３０は光に対して透明性を有するため、側面からの光４０の散乱、導波、反射を阻止しない（図１）。よって、発光装置１の上面全体から光が出射される。
一方、図２(ａ)、（ｂ）のように、一部の発光素子１１を消灯させ、残りの発光素子１０を点灯させた場合、消灯している発光素子１１の周囲のサーモクロミック材料３０は温度が低下し、光を透過しないため、光を透過しない遮光領域３１が形成される（図２）。このため、点灯している発光素子１０からの導波光４３は、遮光領域３１を透過できず、発光素子１１の側面へも到達できない。よって、消灯している発光素子１１およびその周囲のサーモクロミック材料３０から光が上方に出射されないため、投影像における点灯している発光素子１０およびその周囲領域とのカットオフが明確となる。

図１から図３を参照して、さらに、本実施形態の構成について詳しく説明する。

本実施形態の発光装置１は、上述の基板７０と、複数の発光素子１０（１１）と、光散乱性樹脂２０に加えて、基板７０上に設けられた枠材８０と、複数の発光素子１０（１１）の上面および光散乱性樹脂２０の上面に配置された波長変換層６０と、を備える。枠材８０は、最も外側に配列された発光素子１０の周囲に間隔をあけて設けられている。波長変換層６０の側面は枠材８０に覆われている。本実施形態では、すべての発光素子が個々に点消灯することができるように制御された駆動回路に接続されている。また、すべての発光素子１０（１１）の間の間隙ｓにはサーモクロミック材料３０を含有する光散乱性樹脂２０が充填されている。

サーモクロミック材料３０としては、発光素子１０（１１）の熱により発光素子１０（１１）の光の透過率が可逆的に変化する材料を用いる。例えば、発光素子１０（１１）の点灯時の温度では透明性を有して光を透過し、発光素子１０（１１）の消灯時の温度では黒色に着色して光の透過を妨げる材料を用いる。一例としては温度に依存して色を着色から透明（無色）へと変化するロイコ染料（例えば、株式会社記録素材総合研究所のＯＲ−３０やＯＲ−６０等）を用いることができる。
光散乱性樹脂２０に対するサーモクロミック材料３０の濃度は、発光素子１０が点灯時に透明性を有して光を透過し、かつ消灯時に遮光するように設定する。
サーモクロミック材料３０の発光素子１０の点灯時における屈折率は、光散乱性樹脂２０を構成するバインダー樹脂の屈折率と同程度であることが光透過性が高まるため好ましい。

光散乱性樹脂２０の光散乱剤としては、酸化チタン、酸化亜鉛などを用いることができる。バインダー樹脂に対する光散乱剤の含有量は、発光素子１０の側面から出射された光４０を導波させながらその一部を散乱して、光散乱性樹脂２０の上面から均一な分布で出射できるように設定する。
バインダー樹脂としては、透明性および耐熱性を有するものであればよく、例えば、ジメチルシリコーン（信越化学工業（株）製）を用いることができる。バインダー樹脂の屈折率は、波長変換層６０の屈折率と同程度あるいはそれより小さいことが好ましい。これにより、光散乱性樹脂２０の上面からの光を効率よく波長変換層６０に入射させることができる。

発光素子１０（１１）の一例として、所定の波長の青色光を発するＬＥＤ素子を用いる。図２(ａ)の例では、これらの発光素子１０（１１）は、基板７０上に、所定の間隙ｓをあけて、二次元方向に正方マトリックス状（３行×３列）に配置されている。発光素子１０の配列は、目的の配光が得られるように定める。間隔ｓは、発光素子１０と発光素子１０との間の位置の投影像に暗線が生じない距離であって、発光素子１０からの熱が周囲のサーモクロミック材料３０に伝導してその変色温度に到達することにより遮光領域３１が生じる程度の距離が必要である。

波長変換層６０は、複数の発光素子１０（１１）の上面および光散乱性樹脂２０の上面全体を覆っており、波長変換層６０の上面が発光装置１の光取り出し面となる。波長変換層６０は、典型的には、ＹＡＧ系蛍光体、ＳｉＡｌＯＮ系蛍光体などの蛍光体をシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、無機バインダーなどの透光性樹脂に分散させて硬化させた層である。あるいは、蛍光ガラスや蛍光セラミックを用いることも可能である。本実施形態では、ＹＡＧ系蛍光体を使用する。

基板７０は、ＡｌＮ製の基板であり、Ａｕ等の導電性金属で配線パターンが形成されている。発光素子１０（１１）がフェイスアップ型のＬＥＤ素子である場合、発光素子１０（１１）上面の一部に配置される、給電用の電極パッドは、例えば、金製のワイヤー（不図示）を用いて基板７０の配線パターンに接続される。配線パターンおよびワイヤーを介して、個々の発光素子１０（１１）への電流の供給を制御することにより、個々の発光素子１０（１１）の点消灯が制御される。

枠材８０は、光散乱性樹脂２０および波長変換層６０を形成する樹脂を注入する際の注入枠として用いられるが、省略することも可能である。枠材８０の材料としては、セラミック、樹脂等を用いることができる。

次に、すべての発光素子１０（１１）が消灯している場合（図３）、すべての発光素子１０（１１）が点灯している場合（図１）および、一部の発光素子１１が消灯している場合（図２）の本実施形態の発光装置１の各部の動作を説明する。なお、一例として、６５℃以下で黒色に着色し、７０℃以上で透明になるサーモクロミック材料３０を用いて説明する。

すべての発光素子１０（１１）が消灯している場合（図３（ａ）、（ｂ））、光散乱性樹脂２０内のサーモクロミック材料３０は、室温により６５℃より低い温度になるため、黒色を呈する。

すべての発光素子１０（１１）が点灯している場合（図１(ａ)、（ｂ））、発光素子１０（１１）の上面および側面からの光（青色光）５０、４０が発光される。発光による発光素子１０（１１）の熱により、光散乱性樹脂２０に含まれるサーモクロミック材料３０の温度が上昇し、温度が７０℃に達すると、サーモクロミック材料の色は黒色から透明（無色）に変わる。これにより、波長変換層６０へ向かう発光素子１０（１１）の側面からの光４０の透過が阻害されない。
発光素子１０（１１）の上面から発せられる光５０は波長変換層６０に入射し、一部が蛍光体により黄色光に波長変換される。一方、発光素子１０（１１）の側面から発せられる光４０は、光散乱性樹脂２０に入射し、一部が光散乱剤により散乱されながら導波する導波光４３となって、隣り合う発光素子１０（１１）に向かう。光散乱性樹脂２０により散乱された光は、光散乱性樹脂２０内部から波長変換層６０に向かう光４１となる。隣り合う発光素子１０（１１）に到達した光４４はその側面で反射されて波長変換層６０に向かう。発光素子１０（１１）の側面からの光は発光素子１０（１１）の上面からの光５０とともに最終的に波長変換層６０に入射する。
そのため、発光素子１０（１１）の上面および光散乱性樹脂２０の上面からほぼ一様な青色光が波長変換層６０へ入射する。波長変換層６０では、蛍光体により青色光の一部が黄色の蛍光に変換され、変換された黄色蛍光と残りの青色光が混合される。これにより、波長変換層６０の上面から外部へ白色光が出射される。

次に、中央の発光素子１１のみ消灯させた場合（図２(ａ)、（ｂ））、発光素子１１の温度が低下するため、中央の発光素子１１の周囲の光散乱性樹脂２０に含有されているサーモクロミック材料３０の温度が低下し、６５℃以下になるとサーモクロミック材料は黒色に変化する。これにより、中央の発光素子１１の周囲には、黒色に着色しているサーモクロミック材料３０を含有する光散乱性樹脂２０による遮光領域３１が形成される。一方、発光素子１１を囲む発光素子１０は点灯し続けているため、これらの発光素子１０周囲の光散乱性樹脂２０は透明なままであり、側面からの光４０は中央の発光素子１１の側面に向かって光散乱性樹脂２０内を伝搬する導波光４３となる。しかしながら、発光素子１１の周囲には遮光領域３１が形成されているため、導波光４３の遮光領域３１で吸収され、発光素子１１の側面へ到達しない。これにより、発光素子１１の周囲の領域からは光が出射されず、消灯させた発光素子１１およびその周辺領域を完全に消灯させることができる。

本実施形態によれば、複数の発光素子１０の一部（発光素子１１）を消灯させている場合、その周囲領域のサーモクロミック材料３０が黒色に着色し、遮光領域３１を形成することにより、投影像におけるカットオフが明確になる。また、すべての発光素子１０（１１）が点灯している場合には、サーモクロミック材料３０が透明になることにより、光散乱性樹脂２０の上面からの出射される光の量が低減されないため、発光素子１０（１１）の上面および光散乱性樹脂２０の上面からほぼ一様の光を出射することができる。

サーモクロミック材料３０の変色温度は、上記実施形態では６５℃に設定したが、発光素子１０の発熱量および周辺の温度雰囲気などを考慮して決定することが好ましい。また、変色温度はサーモクロミック材料３０の分子構造や配合によって制御することができる。

発光素子１０（１１）は、所定の波長の青色光を発するＬＥＤ素子であれば、フェイスダウン型などを用いてよい。

サーモクロミック材料３０が、光を散乱させる機能をあわせもつ場合は、光散乱剤を兼用させてもよい。

上述の説明では、温度に依存して透過率が変わるサーモクロミック材料３０の場合を説明したが、舞台照明光源に用いるなど、発光装置１の用途によっては、温度に依存して色が変わるサーモクロミック材料３０を使用することもできる。

光散乱性樹脂２０に用いるバインダー樹脂として、高温で透明性を有し、低温で遮光するような、温度に依存して可逆的に透過率が変化する熱応答性高分子樹脂を用いてもよい。この場合、サーモクロミック材料３０を使用せずに、熱応答性高分子樹脂と光散乱剤とを組み合わせたものを光散乱性樹脂２０として用いることができる。

本実施形態では、すべての発光素子１０間の間隙ｓがサーモクロミック材料３０を含む光散乱性樹脂２０で充填されている場合を説明したが、個別に消灯する発光素子１０（１１）が決まっている場合、その発光素子１１の周囲の間隙ｓがサーモクロミック材料３０を含む光散乱性樹脂２０で充填されていればよい。また、本実施形態では、発光素子１０が二次元方向に正方マトリックス状に配列する場合を説明したが、これに限定されず、発光素子１０は、一次元方向に配列していてもよい。

次に本実施形態の発光装置１の製造方法の一例を説明する。

配線パターンが印字されたＡｌＮ製基板７０上に、一辺が３００mmの９個の青色発光素子１０を所定の間隙ｓをあけて二次元方向に正方マトリックス状（３行×３列）になる位置に実装する。

次に、青色発光素子１０の電極パッドとＡｌＮ製基板７０の配線パターンとに金ワイヤーを用いてワイヤーボンディングを行い、発光素子１０と基板７０とを電気的に接続する。

次いで、最も外側に配置されている発光素子１０の周囲に間隔をあけて、枠材８０を配置する。

その後、所定量の散乱剤を含んだ光散乱性樹脂２０に、所定量のサーモクロミック材料３０を均一に分散させた硬化前の樹脂ペーストを用意する。用意した樹脂ペーストを、枠材８０と枠材８０側の発光素子１０の側面との間に注入し、かつ隣接する発光素子１０間の間隙ｓに充填するように注入する。注入した樹脂ペーストを所定の条件（加熱、紫外線照射等）で硬化する。これにより、すべての発光素子１０の間に充填されているサーモクロミック材料３０含有光散乱性樹脂２０を形成する。

次いで、黄色蛍光体を所定の濃度で分散させた、硬化前の透明樹脂（透明樹脂ペースト）を用意し、透明樹脂ペーストをディスペンサ―を用いてすべての青色発光素子１０上面、硬化した光散乱性樹脂２０の上面、および枠材８０の側面を覆うように塗布し、所定の硬化条件（加熱、紫外線照射など）で硬化させ、波長変換層６０を形成する。

上述の製造方法は、すべての発光素子１０間の間隙ｓがサーモクロミック材料を含む光散乱性樹脂２０で充填される場合を説明したが、点消灯する発光素子１０（１１）の周囲の間隙ｓのみをサーモクロミック材料含有光散乱性樹脂２０で充填する場合は、上述の光散乱性樹脂２０を形成する工程おいて、サーモクロミック材料含有樹脂ペーストとは別にサーモクロミック材料を含まない散乱性樹脂ペーストを用意し、点消灯する発光素子１０（１１）の周囲の間隙以外の間隙を、サーモクロミック材料を含まない樹脂ペーストで充填する工程が追加される。

本実施形態の発光装置１は、基板７０をさらに金属基板（例えば、Ｃｕ製）に搭載することができる。この場合、基板７０は金属基板に金属製（例えば、Ａｇ）フィラーを含む接着剤を用いて接着させ、基板７０の配線パターンと金属基板の配線パターンとは金ワイヤーを用いてワイヤーボンディングされる。発光装置１を金属基板に搭載させることにより、発光素子１０の熱を効率よく金属基板に伝導させて、発光素子１０の熱引き効率を高めることができる。

以上説明した本発明の発光装置は、発光アレイ、ＬＥＤアレイなどの光源として、あるいは、一般照明、街路灯、ヘッドランプ、舞台用照明など照明装置の光源として用いることができる。

１・・・発光装置、１０・・・発光素子、２０・・・光散乱性樹脂、３０・・・サーモクロミック材料、６０・・・波長変換層、７０・・・基板、ｓ・・・間隙

Claims (6)

1. 基板と、前記基板上に間隙をあけて配列された複数の発光素子と、前記複数の発光素子の間に充填された光散乱性樹脂と、を備えた発光装置であって、
   前記複数の発光素子のうち少なくとも一つの発光素子である第１の発光素子は、その周囲の領域の前記光散乱性樹脂が、サーモクロミック材料を含み、
   前記サーモクロミック材料は、その温度が変色温度に到達すると光の透過率が可逆的に変化する材料であり、前記第１の発光素子の点灯時に前記第１の発光素子の熱により到達する温度において透明であり、前記第１の発光素子の消灯時の温度では他の前記発光素子から発せられた光を遮光して前記第１の発光素子に到達させないものであり、
   前記複数の発光素子のうちの前記第１の発光素子と、前記第１の発光素子に隣接する第２の発光素子との距離は、前記第１の発光素子および前記第２の発光素子が点灯している場合には、前記第１の発光素子と前記第２の発光素子との間における前記サーモクロミック材料が透明となる温度に達し、前記第１の発光素子および前記第２の発光素子のいずれか一方のみが点灯している場合には、消灯している前記発光素子の周囲の前記サーモクロミック材料が透明となる温度に達せず、点灯している発光素子からの光を遮光する遮光領域を生じる距離であることを特徴とする発光装置。
2. 請求項１のいずれか一つの請求項に記載の発光装置であって、
   前記複数の発光素子および前記光散乱性樹脂の上面に、前記発光素子から発せられた光の少なくとも一部を波長変換する波長変換層が配置されていることを特徴とする発光装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の発光装置であって、
   前記サーモクロミック材料は、前記光を遮光する際の温度では黒色であることを特徴とする発光装置。
4. 請求項１から３のいずれか一つの請求項に記載の発光装置であって、
   前記サーモクロミック材料が含有された前記光散乱性樹脂が周囲に配置された前記発光素子は、個別に消灯可能であることを特徴とする発光装置。
5. 請求項１から４のいずれか一つの請求項に記載の発光装置を用いる照明装置。
6. 基板と、
   前記基板上に間隙をあけて配置され独立して点消灯可能な第１の発光素子および第２の発光素子と、
   前記間隙に位置し、前記第１の発光素子および前記第２の発光素子の側面を覆う光散乱性樹脂と、
   前記第１の発光素子、前記第２の発光素子および前記光散乱性樹脂層の上面を覆う波長変換層と
   を備えた発光装置であって、
   前記光散乱性樹脂は、光の透過率が温度に応じて可逆的に変化するサーモクロミック材料または熱応答性高分子樹脂を含み、前記第１の発光素子および前記第２の発光素子のうち一方が点灯し他方が消灯している場合、点灯している前記発光素子の光を遮光して消灯している前記発光素子に到達させない構成であり、
   前記サーモクロミック材料は、室温においては着色し、前記第１の発光素子および前記第２の発光素子の何れかを点灯させた時に点灯した発光素子の周囲の前記光散乱性樹脂が到達する温度においては、前記着色状態から光透過状態となる変色温度を有する材料であり、
   前記熱応答性高分子樹脂は、低温で遮光し、前記第１の発光素子もしくは前記第２の発光素子の何れかを点灯させた時に点灯した発光素子の周囲の前記光散乱性樹脂が到達する高温においては透明性を有する材料であり、
   前記波長変換層は、蛍光体を透光性樹脂に分散した層、蛍光ガラスもしくは蛍光セラミックからなり、少なくとも前記第１の発光素子および前記第２の発光素子から発せられた光の一部を異なる色の光に変換して上面から外部に出射し、
   前記第１の発光素子と前記第２の発光素子は隣接しており、前記第１の発光素子と前記第２の発光素子との距離は、前記第１の発光素子および前記第２の発光素子が点灯している場合には、前記第１の発光素子と前記第２の発光素子との間における前記サーモクロミック材料が透明となる温度に達し、前記第１の発光素子および前記第２の発光素子のいずれか一方のみが点灯している場合には、消灯している前記発光素子の周囲の前記サーモクロミック材料が透明となる温度に達せず、点灯している発光素子からの光を遮光する遮光領域を生じる距離であることを特徴とする発光装置。

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