JP2007173733A

JP2007173733A - 発光装置

Info

Publication number: JP2007173733A
Application number: JP2005372684A
Authority: JP
Inventors: Kiyoko Kawashima; 淨子川島
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2005-12-26
Filing date: 2005-12-26
Publication date: 2007-07-05

Abstract

【課題】光の指向性に優れ、かつレンズ装着の初期および使用ライフ中においても所定の色温度の発光が得られる発光装置を提供する。
【解決手段】本発明の発光装置は、凹部２が設けられた基体３を有し、凹部２内には発光素子であるＬＥＤチップ４が実装され、蛍光体含有樹脂層１０により封止されている。この発光部の凹部２上に、ＰＣまたはアクリル樹脂等のレンズ部１１が配置されている。そして、蛍光体含有樹脂層１０中の蛍光体の種類や含有量を調整することにより、発光部から発せられた白色光の色度が、所定の色温度から一定の値だけ高温側にずらした色温度に調整されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）ランプ等の発光装置に関する。

発光ダイオードを用いたＬＥＤランプは、液晶ディスプレイ、携帯電話、情報端末等のバックライト、屋内外広告等、多方面への展開が飛躍的に進んでいる。さらに、ＬＥＤランプは長寿命で信頼性が高く、また低消費電力、耐衝撃性、高純度表示色、軽薄短小化の実現等の特徴を有することから、産業用途のみならず一般照明用途への適用も試みられている。このようなＬＥＤランプを各種用途に適用する場合、白色発光を得ることが重要となる。

ＬＥＤランプで白色発光を実現する代表的な方式としては、（１）青、緑および赤の各色に発光する３つのＬＥＤチップを使用する方式、（２）青色発光のＬＥＤチップと黄色光ないし橙色光を発光する黄色系蛍光体とを組み合わせる方式、（３）紫外線発光のＬＥＤチップと青色、緑色および赤色の三色混合蛍光体（以下、ＲＧＢ蛍光体と記す）とを組み合わせる方式、の３つが挙げられる。これらのうち、一般的には（２）の方式が広く実用化されている。（２）の方式においても黄色系蛍光体に加えて赤色光を発光する赤色蛍光体を使用することで、平均演色評価数Ｒａの増加が期待されている。

上記した（２）および（３）の方式を適用したＬＥＤランプとして、基体の凹部（カップ）内にＬＥＤチップを実装するとともに、この凹部内に蛍光体を含有する液状透明樹脂を注入、固化して封止部を形成した構造（表面実装タイプあるいは基板タイプ）のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このようなＬＥＤランプには、必要に応じて、凹部から放射された光が有効に前方に向かうように、光の指向性を調整するためのレンズが設けられる（例えば、特許文献２，特許文献３参照。）。そして、レンズを構成する材料として、光透過率が高くかつ成形による反りがないポリカーボネート（ＰＣ）が用いられている。また、成形性は若干劣るが透光性に優れたアクリル樹脂やシリコーン樹脂も使用されている。
特開２００１−１４８５１６公報特開平１１−１６３４１７号公報特開２００３−２８１９０９公報

しかしながら、このようなＬＥＤランプまたはモジュールにおいては、レンズを装着したことにより発光の色度が変化し、色温度が変化する。また使用ライフ中に大きく発光色度が変化するおそれがあるが、このような色度の変化が考慮されていなかった。

すなわち、レンズを構成するポリカーボネート（ＰＣ）やアクリル樹脂、シリコーン樹脂は、透光性に優れているもののわずかに着色しているため、レンズを装着することにより得られる光の色度が黄色側に移行しやすい。また、ＬＥＤチップから発せられた紫外線または青色光により、レンズを構成するポリカーボネート（ＰＣ）やアクリル樹脂、シリコーン樹脂等の劣化が生じるため、ＬＥＤランプまたはモジュールの使用ライフ中に色度がさらに黄色側に移行するという問題があった。

本発明は、上記したような問題を解決するためになされたものであって、光の指向性に優れ、かつレンズ装着の初期および使用ライフ中においても所定の色温度の発光が得られる発光装置を提供することを目的としている。

請求項１記載の発光装置は、凹部を有する基体と、前記凹部内に配置された発光素子と、前記発光素子から放射された光により励起されて発光する蛍光体を含有し、前記発光素子を覆うように配置された蛍光体含有樹脂層とを有し、所定の色温度の光を放射する発光部と；前記凹部上に配置され、前記発光部から放射された光の放射方向を制御する光制御部と；前記発光部から放射される光の色温度を、前記光制御部を構成する材料と前記所定の色温度のそれぞれに基づいて、前記色温度から高温側にずらして調整するようにした色温度調整手段と；を具備することを特徴とする。

請求項２記載の発光装置は、請求項１記載の発光装置において、前記発光素子が青色光を発する発光素子であり、前記蛍光体が、前記発光素子から発せられた青色光により励起されて黄色光ないし橙色光を発光する黄色系蛍光体を含むことを特徴とする。

なお、本発明における用語の定義および技術的意味は、特に指定しない限り以下の通りである。

基体は、例えば回路パターンやリード端子のような配線部を有する基板と、この基板上に設けられた外部に開口した凹部を有するフレームとから構成されるものである。この凹部内に発光素子が配置され、実装される。なお、基体は、フレームを使用せずに基板上に直接凹部を形成したものであってもよい。

発光素子は、ＬＥＤ素子であり、放射した光で蛍光体を励起して可視光を発光させるものが挙げられる。例えば、青色発光タイプのＬＥＤチップや紫外発光タイプのＬＥＤチップが例示される。ただし、これらに限定されるものではなく、蛍光体を励起して可視光を発光させることが可能な発光素子であれば、発光装置の用途や目的とする発光色等に応じて種々の発光素子を使用することができる。

蛍光体は、例えば、発光素子から放射された青色光により励起されて黄色光ないし橙色光を発光する黄色系蛍光体である。蛍光体含有樹脂層は、そのような蛍光体を透明樹脂に混合し分散させた層であり、発光素子を覆うように基体の凹部内に塗布・充填される。透明樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などを適用することができる。

発光部は、前記した基体と発光素子および蛍光体含有樹脂層を備えたものであり、このような発光部における基体の凹部上に、光制御部が配置される。

光制御部は、前記した発光部から放射された光の放射方向を前方に向けて制御するためのレンズ部であり、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリル樹脂、シリコーン樹脂のような透明樹脂により構成される。光制御部であるレンズ部は、通常、反射面である外側表面が放物面またはその近似曲面を有するなど、光学的に設計された外形・形状を有するが、光学設計から外れるようなものであってもよい。

発光部から放射される光の色温度の調整は、蛍光体含有樹脂層に含有される蛍光体の種類（主波長）や含有量を調整することにより行われる。すなわち、光制御部を構成する材料と所定の色温度とのそれぞれに応じて、色温度のずらし量が設定される。そして、所定の色温度からこのずらし量だけ高温側にずらして設定された色温度を有するように、蛍光体含有樹脂層に配合される蛍光体の種類（主波長）と蛍光体含有量を調整することにより、発光部から発光される光の色度が調整される。

請求項１および２記載の発光装置によれば、光制御部を設けることにより、発光部から放射された光の拡散が抑制され指向性に優れた光が得られるうえに、光制御部の設置による色度の変化を考慮して色温度の調整が行われているので、初期ならびに使用ライフ中においても所定の色温度を有し、優れた発光特性を実現することができる。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の発光装置の第１の実施形態であるＬＥＤランプ１を示す断面図である。この実施形態のＬＥＤランプ１は、凹部２が設けられた基体３を有しており、凹部２内に発光素子であるＬＥＤチップ４が実装されている。

基体３は、例えば、基板５上に電気絶縁層６、回路パターン７およびフレーム８が順に設けられたものであり、凹部２はフレーム８に形成されている。基板５は、例えば、放熱性と剛性を有するアルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）、ガラスエポキシ等の平板から成り、その上に電気絶縁層６を介して、例えばＣｕとＮｉの合金やＡｕ等から成る回路パターン７が形成されている。また、凹部２を有するフレーム８は、例えば、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）等の合成樹脂から構成されている。

ＬＥＤチップ４は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体からなり、印加された電気エネルギーにより青色光を発光するものである。そして、このＬＥＤチップ２の底面電極が一方の電極側の回路パターン７に電気的に接続され、上面電極が他方の電極側の回路パターン７に、金線のようなボンディングワイヤ９を介して接続されている。ＬＥＤチップ４の電極接続構造としては、フリップチップ接続構造を適用することもできる。これらの電極接続構造によれば、ＬＥＤチップ４の前面への光取出し効率が向上する。

このようにＬＥＤチップ４が配置された凹部２内に、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の透明樹脂に蛍光体を混合・分散させた蛍光体含有樹脂が塗布され充填されており、ＬＥＤチップ４はこのような蛍光体含有樹脂層１０により封止されている。

蛍光体としては、例えば、ＬＥＤチップ４から発せられた青色光により励起されて黄色光ないし橙色光を発光する黄色系蛍光体が用いられる。黄色系蛍光体としては、ＲＥ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ蛍光体（ＲＥはＹ、ＧｄおよびＬａから選ばれる少なくとも１種を示す。）等のＹＡＧ蛍光体、ＡＥ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ蛍光体（ＡＥはＳｒ、Ｂａ、Ｃａ等のアルカリ土類元素である。）等の珪酸塩蛍光体が例示される。また、演色性等の向上を図るために、このような黄色系蛍光体とともに、ＬＥＤチップ４から発せられた青色光により励起されて赤色光を発光する赤色蛍光体を含有させてもよい。赤色蛍光体としては、Ｌａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ蛍光体のような酸硫化物蛍光体等が用いられるが、特に限定されるものではない。

このような基体３とその凹部２内に配置されたＬＥＤチップ４および蛍光体含有樹脂層１０により、ＬＥＤランプ１の発光部が構成される。そして、発光部からは、ＬＥＤチップ４から発せられた青色光とその青色光により蛍光体含有樹脂層１０中の蛍光体が励起されて発する黄色光ないし橙色光との混色により、白色光が発せられる。この発光部の凹部２上にレンズ部１１が配置されている。

レンズ部１１は、前記した発光部から発せられた光（白色光）の放射方向を前方に向けて制御し集光するための光制御部であり、放物面またはその近似曲面である湾曲された反射面１１ａを有するなど、光学的に設計された外形・形状を有する。このレンズ部１１は、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリル樹脂、シリコーン樹脂のような透明樹脂から構成されている。

第１の実施形態のＬＥＤランプ１においては、蛍光体含有樹脂層１０中の蛍光体の種類（主波長）や、蛍光体の含有量を調整することにより、発光部から発せられた白色光の色度が、所定の色温度から一定の値だけ高温側にずらされた（高められた）色温度を有している。そして、所定の色温度から高められる色温度の値（ずらし量）は、レンズ部１１を構成する樹脂の種類と、ＬＥＤランプ１として所定する色温度との組合せに対応して設定される。そして、この設定された値だけ所定の色温度から高められた色温度を有するように、蛍光体含有樹脂層に配合される蛍光体の種類（主波長）および含有量等を調整することにより、発光部から発光される白色光の色度が調整される。

なお、発光部から発光される白色光の色温度を高めるためには、(1)黄色系蛍光体等の蛍光体の含有量を低減する方法、(2)使用する黄色系蛍光体の種類（主波長）を変える方法、あるいは(3)混合して使用された黄色系蛍光体と赤色蛍光体との配合比を変える方法、などがあるが、色温度の調整が容易であるので、(3)の方法を採ることが好ましい。

レンズ部１１を構成する樹脂の種類と所定の色温度とに対応して設定される色温度のずらし量は、以下に示す通りである。

本発明の発光装置は、上記したようなＬＥＤランプ１を平面上に複数配置したＬＥＤモジュールとしてもよい。図２は、ＬＥＤランプ１を３行３列のマトリックス状に配置したＬＥＤモジュール２０を示す平面図である。また、図３は、図２に示すＬＥＤモジュール２０のＡ−Ａ線断面図である。

図２および図３に示すＬＥＤモジュール２０は、各ＬＥＤランプ１を構成する基体３が一体に連成されたものである。具体的には、一体に練成された基板５上に電気絶縁層６、回路パターン７、フレーム８が順に形成されており、一体に練成されたフレーム８に９個の凹部２が３行３列のマトリックス状に形成されたものである。そして、これら凹部２内には、それぞれＬＥＤチップ４が実装されるとともに蛍光体含有樹脂層１０が充填されて形成されており、ＬＥＤチップ４はこの蛍光体含有樹脂層１０により封止されている。

さらに、フレーム８上には、光指向制御部であるレンズ部１１が設けられている。このレンズ部１１は、３行３列のマトリックス状に配置された複数のレンズ本体部１１ｂが一体に練成されたものであり、各レンズ本体部１１ｂが凹部２上に配置されている。

このようなＬＥＤモジュール３０についても、各ＬＥＤランプ１の初期ならびに使用ライフ中において所定の色温度などの優れた発光特性を実現することができる。

以上、本発明の発光装置としてのＬＥＤモジュール２０について説明したが、ＬＥＤモジュール２０はこのような例に限られず、本発明の趣旨に反しない限度において、かつ、必要に応じて、適宜その構成を変更することができる。例えば、図２および図３に示すＬＥＤモジュール２０において、光指向制御部であるレンズ部１１は必ずしも一体に連成されたものでなくともよく、各凹部２ごとに設けたものであってもよい。

次に、本発明の実施例について記載する。

実施例１，２、比較例１
図１に構成を示したＬＥＤランプ１を作製した。ＬＥＤチップ４は青色光を発光する発光素子とし、このＬＥＤチップ４を基体３の凹部２内に配置し実装した。そして、黄色系蛍光体と赤色蛍光体をそれぞれシリコーン樹脂中に配合し分散させた蛍光体含有樹脂を、ディスペンサで凹部２内に塗布・充填した後、シリコーン樹脂を硬化させることによって、ＬＥＤランプ１の発光部を形成した。なお、シリコーン樹脂に対する黄色系蛍光体および赤色蛍光体の含有割合を、１１．３重量％および１．３重量％とし、黄色系蛍光体と赤色蛍光体との配合比を変えることにより、発光部から発光される白色光の色温度を調整した。次いで、この発光部の凹部２上に、ポリカーボネート（ＰＣ）から成るレンズ部１１をそれぞれ装着した。

こうして実施例１，２および比較例１で得られた各ＬＥＤランプ１について、発光の色温度を、レンズ部１１を装着する前、レンズ部１１を装着後の初期、および５０００時間動作後のそれぞれについて測定した。色温度の測定は、瞬間分光光度計（大塚電子株式会社製のＭＣＰＤ−７０００）を用いて波長３８０〜７８０ｎｍの発光スペクトルを測定し、測定されたスペクトルのｘ，ｙ値を色温度に換算して求めた。測定結果を表２に示す。

実施例３，４、比較例２
実施例１，２で用いたポリカーボネート（ＰＣ）製のレンズ部１１を、アクリル樹脂製のレンズ部１１に代えてＬＥＤランプ１を作製した。

次いで、得られた各ＬＥＤランプ１について、レンズ部１１を装着する前、レンズ部１１を装着後の初期、および５０００時間動作後のそれぞれについて、発光の色温度を実施例１，２と同様にして測定した。測定結果を表３に示す。

表２および表３に示されるように、実施例１〜４のＬＥＤランプにおいては、レンズ部１１の装着による色度の変化を考慮して発光色度の調整が行われているので、レンズ部１１装着後の初期ならび使用ライフ後において、所定の色温度に近い良好な発光特性を実現することができる。特に、実施例２および４のＬＥＤランプにおいては、５０００時間動作後も所定の色温度の優れた発光が認められる。

本発明の発光装置の第１の実施形態であるＬＥＤランプを示す断面図である。本発明の発光装置の第２の実施形態であるＬＥＤモジュールの一例を示す平面図である。図２におけるＡ−Ａ線断面図である。

符号の説明

１…ＬＥＤランプ、２…凹部、３…基体、４…ＬＥＤチップ、５…基板、６…電気絶縁層、７…回路パターン、８…フレーム、９…ボンディングワイヤ、１０…蛍光体含有樹脂層、１１…レンズ部（１１ａ…反射面、１１ｂ…レンズ本体部）、２０…ＬＥＤモジュール。

Claims

凹部を有する基体と、前記凹部内に配置された発光素子と、前記発光素子から放射された光により励起されて発光する蛍光体を含有し、前記発光素子を覆うように配置された蛍光体含有樹脂層とを有し、所定の色温度の光を放射する発光部と；
前記凹部上に配置され、前記発光部から放射された光の放射方向を制御する光制御部と；
前記発光部から放射される光の色温度を、前記光制御部を構成する材料と前記所定の色温度のそれぞれに基づいて、前記色温度から高温側にずらして調整するようにした色温度調整手段と；
を具備することを特徴とする発光装置。
前記発光素子が青色光を発する発光素子であり、前記蛍光体が、前記発光素子から発せられた青色光により励起されて黄色光ないし橙色光を発光する黄色系蛍光体を含むことを特徴とする請求項１記載の発光装置。