JP2013038115A - 光波長変換ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】高い光の取り出し効率を有する光波長変換ユニットを提供する。
【解決手段】光波長変換ユニット４２において、光波長変換部材４４は、半導体発光素子１２の発光面１２ａ上に配置される。光波長変換部材４４は、半導体発光素子１２から発せられ入射面４４ａから入射した青色光を波長変換して黄色光を発し、出射面４４ｂから出射する。光反射層４６は、光波長変換部材４４の内部に光を反射すべく、光波長変換部材４４の表面のうち入射面４４ａおよび出射面４４ｂ以外の側面４４ｃ上に設けられる。光波長変換部材４４は、側面４４ｃの平均粗さＲａが０．５μｍ以上となるよう、粗面加工が施されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、光波長変換ユニットに関し、特に、入射した光を波長変換して出射する光波長変換部材を備える光波長変換ユニットに関する。

近年、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの半導体発光素子の用途が、車両用前照灯や一般照明など急激に拡大している。このような半導体発光素子を用いて白色光を得る場合は、青色や近紫外線、短波長可視光などの光を発する半導体発光素子の発光面に対向して、これらの光によって励起され、別の波長の光を出射する光波長変換部材が一般的に配置される。このため、半導体発光素子を含む発光装置の輝度を高めるためには、半導体発光素子自体の輝度を高めることだけでなく、光波長変換部材による光の取り出し効率を高めることも極めて重要である。ここで、光の取り出し効率を高めるため入射面または出射面を粗面とした蛍光体含有部材をＬＥＤに対向して配置した照明装置が提案されいる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−１２４１８９号公報

上述の特許文献のように光波長変換部材の出射面を粗面とした場合においても、一部の光はその出射面で光波長変換部材の内部に反射する。このような光の中には、部材内部を進行して部材の側面にまで達し、側面から出射される光が存在する。しかしながら、このように出射面以外の面から光が出射すると出射面から出射する光の量が減少するため、出射面の輝度を高めることが困難となる。

そこで、本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高い光の取り出し効率を有する光波長変換ユニットを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の光波長変換ユニットは、入射面から入射した光を波長変換して出射面から出射する光波長変換部材と、光波長変換部材の内部に光を反射すべく、光波長変換部材の表面のうち入射面および出射面を除く所定面上に設けられた光反射層と、を備える。光波長変換部材は、所定面の平均粗さＲａが０．５以上である。

発明者による研究開発の結果、このように入射面および出射面を除く所定面において、表面をこのような粗面とし、さらにその上に光反射層を設けることで、出射面から出射する光の輝度を高めることができることが判明した。したがってこの態様によれば、当該所定面からの光の出射を回避でき、光波長変換部材からの光の取り出し効率を高めることができる。

出射面上に設けられ、光波長変換部材よりも屈折率の低い低屈折率膜をさらに備えてもよい。このように低屈折率膜を設けることで、低屈折率膜がないときに内部に反射されていた光の一部を外部に出射することが可能となる。このため、これによっても光の取り出し効率を高めることができる。

入射面上に設けられ、光波長変換部材の励起波長の光を透過し、光波長変換部材の蛍光波長の光を反射する光学フィルタをさらに備えてもよい。この態様によれば、出射面などで内部に反射され入射面から出射される光を抑制することができる。このため、これによって出射面から出射する光の量を増やすことができ、光の取り出し効率を高めることができる。

出射面には、高さが１μｍ以下の凹凸が設けられていてもよい。発明者による研究開発の結果、出射面にこのような凹凸を設けることで、所定面を粗くして光反射層を設けることと相俟って出射面の輝度が高まることが判明した。したがってこの態様によっても、光の取り出し効率を高めることができる。

本発明によれば、高い光の取り出し効率を有する光波長変換ユニットを提供することができる。

比較例に係る発光モジュールの構成を示す図である。 実施例１に係る発光モジュールの構成を示す図である。 実施例２に係る発光モジュールの構成を示す図である。 実施例３に係る発光モジュールの構成を示す図である。 実施例４に係る発光モジュールの構成を示す図である。 実施例５に係る発光モジュールの構成を示す図である。 比較例および各実施例による輝度の測定結果、およびシミュレーション結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例について、比較例と比較しながら詳細に説明する。

（比較例）
図１は、比較例に係る発光モジュール１０の構成を示す図である。発光モジュール１０は、半導体発光素子１２、基板１４、および光波長変換部材１８を有する。

半導体発光素子１２は、フリップチップ型のＬＥＤを用いた。半導体発光素子１２は、下面１４ｃをＡｕバンプ２２によって基板１４のパターンにボンディングし固定した。なお、半導体発光素子１２はフリップチップ型に限られないことは勿論であり、例えばフェイスアップ型または垂直チップ型であってもよい。半導体発光素子１２は、青色光を発するものを用いた。なお、半導体発光素子１２として、近紫外線・短波長可視光を発するものを用いてもよい。

基板１４は、ＡｌＮ（窒化アルミ）で形成されたものを用いた。基板１４の上面にＡｕによって電極形状にパターンを設けた。なお、基板１４の材質がＡｌＮに限られないことは勿論であり、アルミナ、シリコン、ムライト、アルミニウム、銅などの他の材質によって形成されてもよい。半導体発光素子１２は、基板１４のパターン上にＡｕバンプ１６を介して実装した。

光波長変換部材１８は、いわゆる発光セラミック、または蛍光セラミックと呼ばれるものであり、紫外光によって励起される蛍光体であるＹＡＧ（Yttrium Alminum Garnet）粉末を用いて作成されたセラミック素地を焼結することにより得ることができる。光波長変換部材１８は、青色光によって励起され黄色光を発する。なお、光波長変換部材１８は、蛍光体粉を透明なバインダと混合した粉体ペーストによって作製されてもよく、蛍光体粉とガラス粉とを混合して加熱することにより作製された蛍光体含有ガラス板であってもよい。

なお、光波長変換部材１８に含まれる蛍光体が、青色光によって励起され黄色光を発するものに限られないことは勿論である。例えば、半導体発光素子１２が近紫外線・短波長可視光を発する場合、光波長変換部材１８は、この光によって励起され黄色光を発する黄色蛍光体と、この光によって励起され青色光を発する青色蛍光体と、を含んでもよい。また、発光モジュール１０から発する光は白色光に限られず、発光モジュール１０は有色光を発するよう設けられてもよい。この場合、発光モジュール１０が発する光の色に合わせて、光波長変換部材１８に含められる蛍光体が適宜決定されてもい。

光波長変換部材１８は、入射面１８ａが半導体発光素子１２の発光面１２ａと略同一形状となるようカットした。光波長変換部材１８は、入射面１８ａを半導体発光素子１２の発光面１２ａに接着剤を用いて固着した。これにより、半導体発光素子１２が発した光は、入射面１８ａから光波長変換部材１８の内部に入射し、出射面１８ｂから外部へと出射する。

比較例では、側面１８ｃは粗面とはせず、平坦な面のままとしたまた、側面１８ｃ上には、アルミニウムの蒸着などによる光反射層も設けなかった。

（実施例１）
図２は、実施例１に係る発光モジュール４０の構成を示す図である。以下、各実施例において同様の個所は同一の符号を付して説明を省略する。発光モジュール４０は、半導体発光素子１２、基板１４、および光波長変換ユニット４２を有する。光波長変換ユニット４２は、光波長変換部材４４および光反射層４６を有する。

光波長変換部材４４は、側面４４ｃに、平均粗さＲａが０．５μｍ以上となるよう粗面加工が施されている以外は、比較例に係る光波長変換部材１８と同様である。光反射層４６は、光波長変換部材４４の内部に光を反射できるよう側面４４ｃ上に設けられている。光反射層４６は、側面４４ｃにアルミニウムを蒸着させることにより形成した。なお、側面４４ｃに銀を蒸着させることにより光反射層４６を形成してもよい。また、光反射層４６は側面４４ｃ以外の面に設けられてもよい。この場合、光反射層４６は、光波長変換部材４４の表面のうち入射面４４ａおよび出射面４４ｂを除く所定面上に設けられる。

（実施例２）
図３は、実施例２に係る発光モジュール６０の構成を示す図である。発光モジュール６０は、半導体発光素子１２、基板１４、光波長変換ユニット４２、および低屈折率膜６２を有する。低屈折率膜６２は、光波長変換部材４４よりも低い屈折率を有するシリコーンによって形成されている。なお、ＹＡＧである光波長変換部材４４は約１．８の屈折率を有し、シリコーンである低屈折率膜６２は約１．４の屈折率を有する。なお、低屈折率膜６２の材質がこれに限定されないことは勿論である。低屈折率膜６２は、均一な厚さを有する。低屈折率膜６２は、光波長変換部材４４の出射面４４ｂ上に配置した。

（実施例３）
図４は、実施例３に係る発光モジュール８０の構成を示す図である。発光モジュール８０は、半導体発光素子１２、基板１４、および光波長変換ユニット８２を有する。光波長変換ユニット８２は、光波長変換部材８４および光反射層４６を有する。光波長変換部材８４は、出射面８４ｂに溝部８４ｄが設けられている以外は、実施例１に係る光波長変換部材４４と同様である。したがって、光波長変換部材８４は、側面８４ｃに、平均粗さＲａが０．５μｍ以上となる粗面加工が施されている。また、光波長変換部材８４の側面８４ｃ上に光反射層４６が設けられている。溝部８４ｄはＶ字状の溝であり、複数の溝部８４ｄが出射面８４ｂ上に隙間無く設けられている。

（実施例４）
図５は、実施例４に係る発光モジュール１００の構成を示す図である。発光モジュール１００は、半導体発光素子１２、基板１４、および光波長変換ユニット１０２を有する。光波長変換ユニット１０２は、光波長変換部材１０４および光反射層４６を有する。光波長変換部材１０４は、出射面８４ｂに、いわゆる「モスアイ」と言われる、高さが１μｍ以下の微細な凹凸部１０４ｄが設けられている。それ以外は、実施例１に係る光波長変換部材４４と同様である。したがって、光波長変換部材１０４は、側面８４ｃに、平均粗さＲａが０．５μｍ以上となる粗面加工が施されている。また、光波長変換部材１０４の側面１０４ｃ上に光反射層４６が設けられている。

（実施例５）
図６は、実施例５に係る発光モジュール１２０の構成を示す図である。発光モジュール１２０は、半導体発光素子１２の発光面１２ａと光波長変換部材４４の入射面４４ａとの間に光学フィルタ１２２が設けられた以外は、実施例３に係る発光モジュール６０と同様に構成される。

光学フィルタ１２２は、光波長変換部材４４の入射面４４ａおよび半導体発光素子１２の発光面１２ａの双方に接着などにより固着されている。光学フィルタ１２２は、光波長変換部材４４の励起波長の光を透過し、光波長変換部材４４の蛍光波長の光を反射する。光波長変換部材４４は青色光によって励起され、黄色光を発する。このため、光学フィルタ１２２は、青色光を透過し、黄色光を反射するよう設けられている。このように光学フィルタ１２２を設けることで、光波長変換部材４４によって黄色光に変換された光のうち半導体発光素子１２に向かう光を再び出射面４４ｂに向けて反射することが可能となる。

図７は、比較例および各実施例による輝度の測定結果、およびシミュレーション結果を示す図である。比較例に比べ、実施例１は輝度が向上していることがわかる。このため、光波長変換部材の側面を粗面として、さらに光反射層を設けることにより光の取り出し効率が高められることが確認された。

なお、シミュレーションでは、比較例と実施例１の構成のみ確認した。光解析ソフトウェアとして、ＳＰＥＯＳ（登録商標）を用いた。シミュレーションでは、比較例に比べ、輝度は約２倍になり、大きな効果が確認された。今後、光波長変換部材の側面の表面粗さなどをさらに最適化することで、光波長変換部材の側面を粗面化しさらに光反射層を設けることによる実際の効果も高めることが可能と考えられる。

実施例２−５も、実施例１からさらに輝度を高められることが確認された。このため、光波長変換部材の出射面上に低屈折率膜を設けること、光波長変換部材の出射面に溝部を設けること、光波長変換部材の出射面上に微細な凹凸部を設けること、および半導体発光素子の発光面と光波長変換部材の入射面との間に光学フィルタを設けることは、光波長変換部材の側面を粗面化して光反射層を設けることと相俟った効果があると考えられる。

本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、各実施形態の各要素を適宜組み合わせたものも、本発明の実施形態として有効である。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を各実施形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうる。

１０ 発光モジュール、 １２ 半導体発光素子、 １２ａ 発光面、 １４ 基板、 １６ Ａｕバンプ、 １８ 光波長変換部材、 １８ａ 入射面、 １８ｂ 出射面、 １８ｃ 側面、 ４０ 発光モジュール、 ４２ 光波長変換ユニット、 ４４ 光波長変換部材、 ４４ａ 入射面、 ４４ｂ 出射面、 ４４ｃ 側面、 ４６ 光反射層、 ６０ 発光モジュール、 ６２ 低屈折率膜、 ８０ 発光モジュール、 ８２ 光波長変換ユニット、 ８４ 光波長変換部材、 ８４ａ 入射面、 ８４ｂ 出射面、 ８４ｃ 側面、 ８４ｄ 溝部、 １００ 発光モジュール、 １０２ 光波長変換ユニット、 １０４ 光波長変換部材、 １０４ａ 入射面、 １０４ｂ 出射面、 １０４ｃ 側面、 １０４ｄ 凹凸部、 １２０ 発光モジュール、 １２２ 光学フィルタ。

Claims (4)

1. 入射面から入射した光を波長変換して出射面から出射する光波長変換部材と、
   前記光波長変換部材の内部に光を反射すべく、前記光波長変換部材の表面のうち前記入射面および前記出射面を除く所定面上に設けられた光反射層と、
   を備え、
   前記光波長変換部材は、前記所定面の平均粗さＲａが０．５μｍ以上であることを特徴とする光波長変換ユニット。
2. 前記出射面上に設けられ、前記光波長変換部材よりも屈折率の低い低屈折率膜をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光波長変換ユニット。
3. 前記入射面上に設けられ、前記光波長変換部材の励起波長の光を透過し、前記光波長変換部材の蛍光波長の光を反射する光学フィルタをさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光波長変換ユニット。
4. 前記出射面には、高さが１μｍ以下の凹凸が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光波長変換ユニット。

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