JP2006179658A - Light emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、高効率可視発光を実現する、例えば発光ダイオード(LED;Lighting・Emitting・Diode)などの紫外線、青紫、あるいは青色光源を用いた発光装置に関する。 The present invention relates to a light-emitting device that realizes high-efficiency visible light emission, and uses an ultraviolet, blue-violet, or blue light source such as a light-emitting diode (LED).
従来の発光装置においては、紫外線、青色や青紫色の光を発する発光ダイオードとこの発光ダイオードの光を励起光として発光する蛍光変換材料とを組合わせて白色光を得る発光装置が数多く提案されている。例えば、短波長LEDの発光素子からの特定色光を反射凹曲面で反射させた後、外部に放射するように構成し、前記反射凹曲面に、反射する特定色光を変換するための色光変換樹脂膜を膜形成することによって、特定色光が色光変換樹脂膜内を往復透過して色変換させる発光装置がある(例えば、特許文献1参照)。 In conventional light emitting devices, many light emitting devices that obtain white light by combining a light emitting diode that emits ultraviolet, blue, or blue-violet light and a fluorescent conversion material that emits light from the light emitting diode as excitation light have been proposed. Yes. For example, a color light conversion resin film configured to reflect specific color light from a light emitting element of a short wavelength LED on a reflection concave surface and then radiate to the outside, and convert the specific color light reflected on the reflection concave surface There is a light emitting device in which specific color light is reciprocally transmitted through a color light conversion resin film to convert colors by forming a film (see, for example, Patent Document 1).
従来の発光装置では、特に青紫色LEDを光源とした場合、色光変換樹脂膜に入射した青紫色光が色光変換(波長変換)されずにそのまま発光装置の外部発光面から透過する割合が少なくなく、さらに青紫光自体は視感効率が低く発光効率向上への寄与が低いため、結果として高い可視効率が得られないという問題点があった。 In a conventional light emitting device, particularly when a blue-violet LED is used as a light source, the proportion of blue-violet light incident on the color light conversion resin film is not transmitted through the external light emitting surface of the light emitting device as it is without color light conversion (wavelength conversion). Furthermore, the blue-violet light itself has a problem that the visual efficiency is low and the contribution to the improvement of the light emission efficiency is low, and as a result, high visible efficiency cannot be obtained.
さらに、その色光変換されない青紫光は可視光域の中でも短い波長であるためにその光エネルギーが高く、被使用者が長時間その発光装置を利用した照明環境に曝される場合、危険度は低いながらも眼や皮膚などに障害を与えかねないといった生体面への影響も懸念される。 Further, the blue-violet light that is not converted into color light has a high light energy because it has a short wavelength in the visible light range, and the danger is low when the user is exposed to an illumination environment using the light-emitting device for a long time. However, there are also concerns about the effects on the body surface that may damage the eyes and skin.
また、従来の発光装置を照明用途に用いる場合には、主に下向きで(外部発光面を下にして)用いることになるが、LED光源が発熱源となりかつその放熱路を確保できず、LED光源と反射凹曲面との間の空間に熱がこもり結果的にLED光源の周囲温度が上昇してしまいLED光源自体の発光効率が低下するという問題点もあった。 In addition, when a conventional light emitting device is used for illumination, it is mainly used downward (with the external light emitting surface facing down), but the LED light source becomes a heat source and its heat dissipation path cannot be secured, and the LED There is also a problem that heat is accumulated in the space between the light source and the reflective concave curved surface, and as a result, the ambient temperature of the LED light source increases and the luminous efficiency of the LED light source itself decreases.
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、短波長LED光源などの発光源を用いる発光装置において、励起光となるLED光源の直接反射透過光を抑制しつつ、その励起光を効率よく可視光変換させる発光効率の高い発光装置を得るものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems. In a light-emitting device using a light source such as a short-wavelength LED light source, while suppressing direct reflected and transmitted light of the LED light source serving as excitation light, A light emitting device with high luminous efficiency that efficiently converts excitation light into visible light is obtained.
この発明に係る発光装置においては、紫外線、青紫色あるいは青色の発光ダイオードからなる光源部と、前記光源部からの光を励起光として反射的に他の色光に波長変換する反射波長変換部と、波長変換された発光光を装置外部に放射する表面透過材からなる外部発光面を備えた筺体とからなる発光装置において、前記外部発光部もしくはその近傍に、前記反射波長変換部からの反射光を透過的に波長変換して発光する透過波長変換部を配設したものである。 In the light-emitting device according to the present invention, a light source unit composed of ultraviolet light, blue-violet or blue light-emitting diodes, a reflection wavelength conversion unit that reflects the wavelength of light from the light source unit into other color light as excitation light, In a light-emitting device comprising a housing having an external light-emitting surface made of a surface transmitting material that radiates wavelength-converted emitted light to the outside of the device, the reflected light from the reflection wavelength conversion unit is placed on or near the external light-emitting unit. A transmission wavelength conversion unit that emits light by wavelength conversion transparently is disposed.
この発明は、反射波長変換部からの反射光を透過的に波長変換する透過波長変換部を表面透過材からなる外部発光面もしくはその近傍に設けることにより、可視光変換が向上され、高い可視効率を得ることができる。 In this invention, visible light conversion is improved and high visible efficiency is provided by providing a transmission wavelength conversion unit that transparently converts the reflected light from the reflection wavelength conversion unit at or near the external light emitting surface made of a surface transmitting material. Can be obtained.
実施の形態1.
図1は、この発明を実施するための実施の形態1における発光装置の断面図、図2は図1のA−A断面図である。図において、発光装置1の光源部2は、単一あるいは複数のLEDチップ3と、LEDチップ3を封止する封止樹脂4と、LEDチップ3からの光源の配光を制御するための高反射率の反射板5と、LEDチップ3を実装するための実装基板6とから構成される。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a light-emitting device according to Embodiment 1 for carrying out the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. In the figure, the
封止樹脂4は、LEDチップ3からの光源光の取出し効率をあげるため、ベアチップ屈折率と空気屈折率の中間に屈折率を有する、例えばエポキシやシリコーンなどの材料で表面湾曲状などにモールドする。なお、図1で、LEDチップ3を複数まとめて封止樹脂4で封止しているが、単一のLEDチップ3を個別に封止するような構成(図3参照)や、複数の市販のLEDパッケージ(面実装型やリード型)を用いてもよい。
The sealing
発光装置1の筺体7は、内面を凹部7aに形成し、この凹部7a面にLEDチップ3からの光源光を励起光として反射的に波長変換する反射波長変換部8を設ける。この反射波長変換部8は、例えば蛍光体とその蛍光体をバインドする蛍光体バインド材料などから構成されて、凹部7aに加工が施される。このとき、反射波長変換部8へ入射された光源光、あるいは変換された光を効率よく凹部7a面で反射するように、凹部7aの表面を鏡面あるいは拡散状の高反射率部材7bで形成する。
The
そして、この反射波長変換部8には、LEDチップ3の光源波長を青紫光(波長360〜420nm程度)の励起光として、赤、緑、青の発光を行う3種類の蛍光体を用いる。これら3種類の蛍光体を組合わせることで白色発光が実現する。例えば、青:BaMgAl10O17:Eu、緑:BaMgAl10O17:Eu,Mn、赤:La2O2S:Euの蛍光体を用いて構成する。なお、蛍光体はこれらの組み合わせに限定されるものではない。
The
反射波長変換部8は、図5に示すように、蛍光体バインダ9をシリコーンとして、その中に蛍光体10を混入してシート状に形成する。そして、凹部7aの表面に形成する高反射率部材7bを、反射率の高い鏡面状のシートで形成し、その上に上述したシート状の反射波長変換部8を形成する。鏡面状のシートとは、例えば、表面がPETやシリコーン樹脂で被膜された銀、アルミ、あるいは拡散性のシートなどである。このような構成にすることで、波長変換の機能を保ちながら、凹部7aのような湾曲形状にも対応した反射面を形成できる。
As shown in FIG. 5, the reflection
また、反射波長変換部8の形成は、上述したような蛍光体混入シリコーン材料を印刷(転写)もしくは吹き付けによって行うようにしてもよく、凹部7aの表面に直接蛍光体混入バインダの液体を塗布あるいは吹き付けるなどして乾燥や温度を加える方法で形成してもよい。また、凹部7aを上記鏡面シートではなく、筺体表面を蒸着や高反射率の塗布によって高反射面を形成しても良い。
In addition, the reflection
そして、発光装置1の表面(特許請求の範囲でいう外部発光面)には、ガラスやアクリルなどの表面透過材11を設け、この表面透過材11の内側あるいは外側には、LEDチップ3の光源光を励起光として透過的に波長変換できる透過波長変換部12とを設ける。この透過波長変換部12は、反射波長変換部8にて色光変換されずに反射されたLEDチップ3の光源光(V3)を波長変換材料で励起して表面透過材11を介して外部発光を行うとともに、反射波長変換部8で変換された可視域波長(V1)の光を透過的に発光装置1外に外部発光させる。
A
次に、発光装置1の光源部2の配置について説明する。発光装置1の光源部2は、表面透過材11から直接光が透過して発光装置1の外部に出ることがないように、筺体7の凹部7a内の反射波長変換部8を直接照射するように配置する。つまり、光源部2の光源光軸(図1でいうUV1やUV2の光線の軸)を反射波長変換部8へ向けて配置する(図1参照)。
Next, the arrangement of the
次に、反射波長変換部8の膜厚についてであるが、一般的には膜厚調整により、透過波長変換部12における波長変換よりも、反射波長変換部8での波長変換において波長変換効率を高く作用させることができる(図6参照:高効率電光変換化合物半導体開発(21世紀のあかり計画)成果報告書(平成14年度P238)新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)委託研究、金属系材料研究開発センター15年3月)。したがって、反射波長変換部8の膜厚を調整することで、LEDチップ3からの光源光(1次励起光)を反射波長変換部8でまず効率よく波長変換させてその後に透過波長変換部12において可視光変換を行うように構成することができる
Next, with regard to the film thickness of the reflection
また、透過波長変換部12の役割について説明する。図7は反射波長変換部8における励起反射光とそれにより波長変換され発する発光光を示す図であり、図に示すとおり、反射波長変換部8において波長変換されずに反射される励起光の割合は少なくない(光線としては図1のUV2(近紫外)→UV3(近紫外))。その場合、反射波長変換部8で波長変換されなかった励起光はそのまま表面透過材11を透過して外部発光してしまう。そこで、この反射波長変換部8において波長変換されずに反射された励起光を二次的な励起光源として利用して、透過的に波長変換を行う役割を有するものが透過波長変換部12である(光線としては図1のUV2(近紫外)→UV3(近紫外)→V2(可視))。
The role of the
このように構成された発光装置においては、光源部2のLEDチップ3からのLED光源光は、まず反射波長変換部8において可視光変換(波長変換)が行なわれ、反射波長変換部8で可視光変換(波長変換)されなかったLED光源光は、筺体7の表面(外部発光面)に設けた透過的波長変換部12により可視光変換(波長変換)が行なわれた後、可視光として外部に発光される。したがって、全体としてLED放射束(光源励起)に対する装置外部へ放射される光放射束をあげることができ、発光効率のよい可視光(白色)発光装置を得ることができる。さらに、発光装置1から直接発光装置1外へ照射される励起光放射束(波長変換されずに外部に放射されるLED発光光)を低く抑えることができ、使用上生体面に対して安全な発光装置を実現することも可能としている。
In the light emitting device configured as described above, the LED light source light from the
実施の形態2.
また、図1に示すように、光源部2を筺体7の側面側に配置したことは、LEDチップ3からの光源光の照射範囲が筺体7の凹部7aに形成される反射波長変換部8面内にすることを可能とするとともに、LEDチップ3からの発生熱を実装基板6及び筐体7を介して発光装置1の外部へ容易に放出させることができ、LEDチップ3の周囲温度の温度上昇を防ぎ、LEDチップ3自体の励起光発光効率も高く維持するができる。
Further, as shown in FIG. 1, the
また、光源部2を筺体7の側面側(端部側)に配置する方法として、図1のように、筺体7の側面上端部に反射波長変換部8側に傾斜する取付部を形成して光源部2を取り付けてもよい。また、図3のように、光源部2を筺体7の側面側に配置することで光源部2の光源光が反射波長変換部8を直接照射できない場合、光源光を配光制御する射出光反射板13を設けるようにしたり、光源部2の光源光軸を反射波長変換部8へ向けるようにしても良い。なお、この射出光反射板13は、少なくとも反射面を励起波長に対し高い鏡面反射率を有する材料(例えば銀やアルミ)で形成し、それ以外の部分は高反射率となるように形成する。なお、光源部2は、筺体7の両側面側ではなく、筺体7の片側のみであってもよい。また、上記した射出光反射板13を用いれば、筺体7の内面の形状を半球型凹部形状以外にも、例えば長方形などどのような形状であっても上記と同様の効果を奏することができる。
Further, as a method of arranging the
実施の形態3.
上記実施の形態1において、発光装置1の外部発光面に設ける透過波長変換部12は、その膜厚を極端に厚くしたり、透過波長変換部12内の蛍光体の濃度を極端に多くすると反射波長変換部8で可視光に変換された光が、吸収および反射される割合が大きくなってしまう(透過光が少なくなってしまう)。また、透過波長変換部12内のバインダは、その種類により絶対量は異なるが基本的に光を吸収する性質を有しており、その厚みが増加すれば光吸収の割合が増加し、また蛍光体も量が極端に大きいと光の反射の割合が大きくなる。
In the first embodiment, the transmission
そこで、透過波長変換部12の膜厚を反射波長変換部8の膜厚と同等以下の厚みに構成したり、透過波長変換部12内の蛍光体に対するバインダの重量濃度比を反射波長変換部8内の蛍光体に対するバインダの重量濃度比に比較して同等以上であるように構成する。このような構成により、透過波長変換部12内のバインダの厚みを薄くすることで、透過光の光吸収の割合を低くするとともに、その透過波長変換部12内の蛍光体の割合が少なくなる。したがって、反射波長変換部8で可視光に変換された光の透過波長変換部12での透過性を保つことが可能となる。
Therefore, the thickness of the transmission
また、透過波長変換部12の形成方法としては、表面透過材11をアクリル板やガラスで形成し、その表面に転写やスクリーン印刷方法などを用いてドット状や網目状に透過波長変換部12を形成しても良く、また、CVD法により表面透過材11に蛍光体を蒸着して薄膜蛍光体層を形成するようにしても上記と同様の効果を得ることができる。
In addition, as a method for forming the transmission
実施の形態4.
図8は、この発明を実施するための実施の形態4における発光装置を示す発光装置の外部発光面の断面図である。これは、上記実施の形態1の発光装置にて、反射波長変換部8でのLED光源光の変換可視光を効率よく得るとともに、この変換可視光の外部発光の透過性も保つ構成としたものである。その構成は、LEDチップ3からの光源光の発光波長より長い波長の光は透過させるとともに光源光の発光波長より短い波長の光は反射させる波長選択透過反射面14を、外部発光面である表面透過材11の筺体7の内面側に配設し、さらに波長選択透過反射面14の筺体7の内面側に透過波長変換部8を設けるようにしたものである。このような構成の外部発光面とすることにより、表面透過材11に入射する光のうちLEDチップ3の発光波長近辺の光によって、透過波長変換部12の蛍光体が励起されて可視光に変換され、そのまま波長選択透過反射面14を透過して発光装置1の外部発光面へ照射される。さらに、透過波長変換部12内の蛍光体で波長変換されない光は、そのまま波長選択透過反射面14において反射され、一部は筺体7内に戻され反射波長変換部8へ入射されるかあるいは再度透過波長変換部12内で可視光に変換される
FIG. 8 is a cross-sectional view of the external light emitting surface of the light emitting device showing the light emitting device in the fourth embodiment for carrying out the present invention. This is a configuration in which the visible light of the LED light source light in the reflection
したがって、発光装置1内での励起光活用の割合を高めることができるため、発光装置1の発光効率をも高めることができる。
Therefore, since the ratio of utilization of excitation light in the
実施の形態5.
また、図9(a)や図9(b)は上記実施の形態4で示した波長選択透過反射面14を筺体7側から見た平面図であり、波長選択透過反射面14の筺体7の内面側に透過波長変換部12をドット状やメッシュ状に形成したものであり、図9(c)はその断面図である。このような構成にすると、直接波長選択透過反射面14に入射したLEDチップ3の光源光の発光波長付近の光は反射されて反射波長変換部8へ入射されて可視光に変換される。そして、ドット状の透過波長変換部12に入射したLEDチップ3の光源光の発光波長付近の光は、可視光に変換され、そのまま波長選択透過反射面14を透過して発光装置1の外部へ発光される。
9 (a) and 9 (b) are plan views of the wavelength selective transmission /
なお、図9(d)のように、表面透過材11にドット状やメッシュ状の透過波長変換部12をパターンを持って形成し、このパターンの形成されていない部分に波長選択透過反射面14を形成した構成としてもよい。これにより、反射波長変換部8で反射され、表面透過材11に入射する励起光を一部反射し、発光装置1内で再活用しつつ、透過波長変換可能とするため、発光装置の発光効率を向上することができる。
As shown in FIG. 9D, a dot-shaped or mesh-shaped transmission
また、近紫外透過光量が大きい場合には、透過波長変換部12に近紫外域での波長選択性の強い紫外線吸収のフィラーを混入することで、発光装置1の光源部2から照射される全光に対する透過近紫外光の割合を低くする構成としてもよい。
Further, when the near-ultraviolet transmitted light amount is large, all of the light emitted from the
実施の形態6.
また、上記実施の形態1〜5における反射波長変換部8および透過波長変換部12の波長変換層は、白色を作成するRGB蛍光体で形成しているが、例えば粒子径あるいは比重の大きい蛍光材料をベースに反射波長変換部8を形成し、粒子径あるいは比重の小さい蛍光材料をベースに透過波長変換部12を形成することも可能である。このような構成とすることで、各蛍光体の重量比率が大きくて均一な波長変換層とすることが困難であった場合などでも、各波長変換部材8、12で蛍光体混合比を設計すれば、効率よく色むらの少ない白色発光を行う発光装置を得ることができる。
Embodiment 6 FIG.
Moreover, although the wavelength conversion layer of the reflection
また、反射波長変換部8と透過波長変換部12の蛍光体を同一材料のものとして、RGB混合比を変える方法をとったり、あるいは両波長変換部8、12に組み合わせの異なるRGB混合体を混入させたりすることで、発光装置1からの発光光色を意図的に変えることもできる。
Further, the reflection
実施の形態7.
また、反射波長変換部8の膜厚を、LEDチップ3からの光源光の配光分布に従うよう、つまり、反射波長変換部8への光源光の照射照度の変化に対応させて厚みを形成することで、反射波長変換部8の変換部材料の量を少なくしつつ、効率よく波長変換を行うことができる。例えば、図10や図11のように、反射波長変換部8の膜厚を、筺体7の凹部7aの端部よりも光源光の照射密度の高い筺体7の凹部7aの中央部を厚くすることで、波長変換が効率よく行なわれ、コスト的にも安価な発光装置を得ることができる。
Further, the thickness of the reflection
実施の形態8.
図12と図13は、この発明を実施するための実施の形態8における発光装置を示す断面図と図12のC−C断面図であり、反射波長変換部8における波長変換効率を向上させるものである。図において、光源部2からの直接照射量が多くなる反射波長変換部8の表面を凹部8aと凸部8bからなる凹凸形状としたものであって、反射波長変換部8における波長変換可能面積を増加させることができ、LEDチップ3からの光源光の波長変換を効率よく行うことができる。
12 and 13 are a sectional view showing a light emitting device according to an eighth embodiment for carrying out the present invention and a sectional view taken along the line CC in FIG. 12, and improve the wavelength conversion efficiency in the reflection
さらに、反射波長変換部8の表面に形成する凹凸形状の凹部8aと凸部8bとの面積比率を、光源部2からの照射量に応じて部分的に変化させるようしてもよく、効率的でかつコスト的にも安価な発光装置を得ることができる。また、例えば、光源部2からの照射量に応じて部分的に変化させる構成として、光源部2からの光源光線方向に沿って反射波長変換部8の表面に発光装置1の長手方向にストライプ状の凸形状8cを形成する構成でも良い(図14参照)。なお、反射波長変換部8の表面に形成する凹凸形状の凸部の先端は、緩やかな曲面であっても鋭角をもつ形状でも構わない。
Further, the area ratio between the concave and convex concave portions 8a and 8b formed on the surface of the reflection
また、上記実施の形態7および上記本実施の形態8では、反射波長変換部8を対象に説明しているが、膜厚の変化や表面の凹凸形状は透過波長変換部12に施しても構わない。
In the seventh embodiment and the eighth embodiment described above, the reflection
また、上記各実施の形態では、筺体7の凹部7a内面に反射波長変換部8を設けているが、この反射波長変換部8を設けていない発光装置1の筐体7の凹部7a内面部分を、光源部2からの光源光を波長変換する波長変換材料で構成するようにして、筐体7の凹部7a内での波長変換効率を高めて発光効率の高い発光装置を得るようにしてもよい。なお、この波長変換材料は反射波長変換部8や透過波長変換部12と同じ材料であっても構わない。
Moreover, in each said embodiment, although the reflective
実施の形態9.
また、上記実施の形態1〜8に示した発光装置は、同時に複数用いれば、大型の発光装置を実現することも可能である。図15と図16は、発光装置15を複数組み合わせた縦連結の断面図と横連結の断面図であり、図において、複合発光装置筺体16内に複数の発光装置15と給電部17を配設したものである。このような基本構成をもとに、ある程度任意形状の大光束を発する発光装置を得ることもできる。
In addition, when a plurality of the light-emitting devices described in
なお、上記実施の形態1〜9においては、光源部2のLEDチップ3からの放熱性を考慮して、LEDチップ3を実装する実装基板6を、例えばセラミクスやアルミ基板などの放熱性基板を用いて形成したり、筐体7のうち少なくとも実装基盤6の背面と接する部分を、例えばアルミなどの放熱性の材料で構成したり、光源部2を筐体7の側部つまり端部に設置することで、LEDチップ3の発生熱を実装基板6や筐体7を介して筐体7外部へ放出可能な構成としている。したがって、少なくとも、LEDチップ3を連続点灯した際に、LEDチップ3の発生熱による筐体7内部の温度特性が極端に上昇するような状況は避けられ、LEDチップ3自体の発光効率も高い状態に保つことが可能になっている。
In the first to ninth embodiments, in consideration of heat dissipation from the
なお、LEDチップ3は、各変換部の蛍光体を励起して白色変換するための励起光の役割をなすもので、その形態はフェースアップ型/フリップチップ型、小出力型/大出力型の区別を問うものではない。
The
また、上記各実施の形態における構成において、例えば、表面透過材と筺体を密着させ、内部を真空状態、あるいは窒素ガスを封入するなどして、気密性を高める構成にしてもよい。このような構成により、 性のよい長寿命で発光効率の高い発光装置を得ることができる。 Moreover, in the structure in each said embodiment, you may make it the structure which raises airtightness, for example by making a surface permeation | transmission material and a housing closely_contact | adhere and enclosing a vacuum state or nitrogen gas. With such a structure, a light-emitting device with good characteristics and long lifetime and high luminous efficiency can be obtained.
この発明は以上説明したように、発光装置として用いることができ、屋内外の照明装置や乗り物の照明装置、また表示装置用光源としても活用できる利点がある。 As described above, the present invention can be used as a light emitting device, and has an advantage that it can be used as an indoor and outdoor lighting device, a vehicle lighting device, and a light source for a display device.
1 発光装置、2 光源部、3 LEDチップ、4 封止樹脂、5
反射板、6 実装基板、7 筺体、7a 凹部、8 反射波長変換部、9 蛍光体バインダ、10 蛍光体、11 表面透過材(外部発光面)、12 透過波長変換部、13 噴出光反射板、14 波長選択透過反射面、15 発光装置、16 複合発光装置筺体、17 給電部。
DESCRIPTION OF
Reflector, 6 mounting substrate, 7 housing, 7a recess, 8 reflection wavelength converter, 9 phosphor binder, 10 phosphor, 11 surface transmission material (external light emitting surface), 12 transmission wavelength converter, 13 ejected light reflector, 14 wavelength selective transmission / reflection surface, 15 light emitting device, 16 composite light emitting device housing, 17 power feeding unit.
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