JP2016029686A

JP2016029686A - 発光装置

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Publication number: JP2016029686A
Application number: JP2014151655A
Authority: JP
Inventors: 仁室伏; Hitoshi Murofushi; 靖晃伊藤; Yasuaki Itou
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2014-07-25
Publication date: 2016-03-03

Abstract

【課題】発光素子と蛍光材料とを組み合わせた発光装置において、高強度の光を取り出す。【解決手段】発光素子２０が設けられた凹部の中に、蛍光材料で構成された粒子が添加された樹脂層である蛍光体含有樹脂層（蛍光層）３０が設けられる。発光素子２０の側方には、蛍光体含有樹脂層３０の代わりに透明樹脂層（透光層）４０がフレームパッケージ１０の凹部全体にわたり形成されている。発光素子２０の側方においては、透明樹脂層４０の上に蛍光体含有樹脂層３０が形成されている。また、透明樹脂層４０の底部におけるフレームパッケージ１０の表面には、散乱層４１が薄く形成されている。散乱層４１によって散乱された成分は、上側に進行し、透明樹脂層４０の上に形成された蛍光体含有樹脂層３０に入射し、その中の蛍光材料に吸収される。【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子と蛍光材料とが組み合わせて用いられる発光装置の構造に関する。

発光装置において、例えば白色光（疑似白色光）を発生させるためには、発光素子と、この発光素子が発する光を吸収し発光素子と異なる波長の光を発する蛍光材料とが組み合わせて用いられる。一般に、蛍光材料は短波長の光を励起光として吸収し、これよりも長波長の光（蛍光）を発するために、発光素子としては、短波長の発光をする青色発光ダイオードが用いられる。蛍光材料は、要求される発色に応じて、様々な種類のものが用いられる。

特許文献１には、このような発光装置の構成が記載されている。この発光装置においては、リード（金属板）の上に発光素子が搭載され、発光素子の外側を囲むように第１の樹脂成形体がリード上に設けられる。発光素子が第１の樹脂成形体で囲まれた内部に、蛍光材料を含有する第２の樹脂成形体が充填されている。あるいは、リードと第１の樹脂成形体が組み合わされて形成されたフレームパッケージ中に凹部が形成され、この凹部中に発光素子が設けられた状態で、第２の樹脂成形体でこの凹部が充填されたと考えることもできる。フレームパッケージの構成は、リードと第１の樹脂成形体の構成によって、適宜設定することができる。

この場合、発光素子が発した光は、フレームパッケージの凹部の内面で反射され、上側に向かって発せられる。また、この光の一部は第２の樹脂成形体中の蛍光材料に吸収され、代わりに、この光よりも長波長の光が蛍光材料から発せられる。このため、この発光装置からは、ＬＥＤが発した短波長の光のうち蛍光材料（第２の樹脂成形体）に吸収されなかった成分と、蛍光材料が発した長波長の光との混合光が発せられる。これによって、白色（疑似白色）の発光が得られる。

特開２００６−１５６７０４号公報

特許文献１に記載の発光装置において、発光強度を高めるためには、発光素子が発する短波長の光と、蛍光材料が発する長波長の光（蛍光）の強度を共に高めることが必要である。このためには、短波長の光を高効率で蛍光材料に吸収させ蛍光を高効率で発すると共に、短波長の光のうち、蛍光材料に吸収されなかった成分も効率的に取り出すことが必要となる。短波長の光を高効率で蛍光材料に吸収させるためには、第２の樹脂成形体中の蛍光材料の濃度を高めることが有効である。

一方、蛍光材料においては、濃度消光という現象が知られている。濃度消光とは、蛍光材料の濃度を高くして励起光の吸収効率を高めた場合には内部量子効率が低下するために、発せられる蛍光の強度が逆に低下する現象である。このため、特許文献１に記載の発光装置においては、第２の樹脂成形体中における蛍光材料の濃度を高めた場合、蛍光（長波長の光）の強度が低下する場合もあった。また、短波長の光が蛍光材料に吸収される点については変わらないため、短波長の光の強度はこの吸収の分だけ低下した。

こうした濃度消光の影響を低減するには、第２の樹脂成形体における蛍光材料の濃度を低くすることが有効である。ただし、蛍光材料の濃度を低下させて高い発光強度の蛍光を得るためには、発光装置全体を大きくすることが必要となった。こうした場合には、光を高効率で取り出すことが困難となった。また、短波長の光は、長波長の光と比べて、第２の樹脂成形体中における蛍光材料以外の成分によって吸収・散乱される割合が大きいため、発光装置全体を大きくした場合には、特に短波長の光の損失が大きくなった。

このため、発光素子と蛍光材料とを組み合わせた発光装置において、高強度の光を取り出すことは困難であった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の発光装置は、発光素子と、前記発光素子が発する光を吸収し前記発光素子が発する光の波長と異なる波長の光を発する蛍光材料が混入され、前記発光素子を覆って形成された蛍光層とが、組み合わされた発光装置であって、前記発光素子の側方かつ前記蛍光層の下側に形成され、前記発光素子が発した光を側方に透過させ、かつ前記蛍光層よりも低い屈折率をもつ透光層と、前記透光層の底部に形成され、前記発光素子が発した光を散乱させる散乱層と、を具備することを特徴とする。
本発明の発光装置において、前記散乱層は、酸化チタン粒子を含んで構成されたことを特徴とする。
本発明の発光装置において、前記透光層は、樹脂材料で構成されたことを特徴とする。
本発明の発光装置において、前記散乱層は、前記酸化チタン粒子が混合されたシリコーン樹脂で形成されたことを特徴とする。
本発明の発光装置は、前記酸化チタン粒子が混合された液状の樹脂材料が、前記発光素子が搭載された面における前記発光素子の周囲に塗布され、前記酸化チタン粒子を前記樹脂材料中で沈殿させた後で前記樹脂材料を硬化させることによって前記透光層及び前記散乱層が形成されたことを特徴とする。
本発明の発光装置において、前記散乱層は、前記発光素子に近い側から遠い側に向かうに従い、高くなるように形成されたことを特徴とする。
本発明の発光装置において、前記透光層は、平面視における前記発光素子の周囲に形成されたことを特徴とする。
本発明の発光装置において、前記発光素子は、フレームパッケージに形成された凹部の底面に設置され、平面視において、前記透光層及び前記散乱層は、前記凹部内における前記発光素子の周囲に形成されたことを特徴とする。
本発明の発光装置において、前記凹部の底面は、前記発光素子に近い側から遠い側に向かうに従い、高くなるように形成されたことを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、発光素子と蛍光材料とを組み合わせた発光装置において、高強度の光を取り出すことができる。

本発明の実施の形態に係る発光装置の構成を示す断面図である。従来の発光装置の構成の一例の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態に係る発光装置の第１の変形例の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態に係る発光装置の第２の変形例の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態となる発光装置につき説明する。図１は、この発光装置１の構成を示す断面図であり、光の大部分は、図中の上側に向かって発せられる。この発光装置においても、特許文献１に記載の発光装置と同様に、フレームパッケージ１０中に設けられた凹部に、発光素子２０が設置される。ここで、フレームパッケージ１０は、図中では一体化されて示されているが、特許文献１に記載の構造と同様に、金属製のリードと樹脂層とが適宜組み合わされて構成される。少なくとも発光素子２０が搭載される箇所は、放熱のために金属製のリードで構成されることが好ましい。この発光装置１においては、平面視における発光素子２０の周囲の構造に特徴を有し、図１においては、この部分の断面が示されている。発光素子２０の周囲のどの方向においても、図１と同様の構造が形成されている。

発光素子２０は、例えば窒化物半導体であるＧａＮで構成され、青色の光（短波長の光）を発する。具体的には、発光素子２０は、例えば、基板上にｎ型ＧａＮ層、活性層（発光層）、ｐ型ＧａＮ層が順次形成され、活性層は多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。

また、発光素子２０が設けられた凹部の中に、蛍光材料で構成された粒子が添加された樹脂層である蛍光体含有樹脂層（蛍光層）３０が設けられる。蛍光体含有樹脂層３０は、特許文献１に記載の技術における第２の樹脂成形体と同様の材料である。蛍光材料としては、例えば青色の光を吸収して主に黄色の発光をするＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋や、主に赤色の発光をするＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋等で構成された微粒子が用いられる。蛍光材料は、発光装置１が発する光の発色に応じて適宜選択される。また、蛍光材料が単一の材料で構成される必要はなく、各種の材料で構成された粒子を適宜混合して用いることもできる。樹脂材料としては、熱硬化性樹脂材料を用いることができる。この場合、蛍光体含有樹脂層３０とされる硬化前の液状の材料を塗布した後に熱処理を行うことによって、蛍光体含有樹脂層３０を形成することができる。なお、蛍光材料で構成された粒子の他に、短波長の光を散乱させ蛍光材料で吸収される確率を高くするために、酸化チタン等で構成された粒子も適宜混入させることができる。

図１における発光素子２０上の蛍光体含有樹脂層３０の厚さＤは、ＬＥＤが発する青色光の蛍光体含有樹脂層３０中における吸収長（図１における黒矢印の長さ）よりも小さく設定される。この吸収長は、青色光（短波長の光）に対する蛍光材料による吸収だけでなく、蛍光体含有樹脂層３０における蛍光材料以外の成分による吸収・散乱によって定まる。このため、発光素子２０の上側には、蛍光体が発した長波長の光と、発光素子２０が発した短波長の光のうち蛍光体含有樹脂層３０で吸収されなかった成分とが発せられる。このように、この発光装置１においては、発光素子２０の上側には、長波長の光と短波長の光との混合光が発せられる。

ただし、この発光装置１においては、発光素子２０の側方には、蛍光体含有樹脂層３０の代わりに透明樹脂層（透光層）４０がフレームパッケージ１０の凹部全体にわたり形成されている。発光素子２０の側方においては、透明樹脂層４０の上に蛍光体含有樹脂層３０が形成されている。また、透明樹脂層４０の底部におけるフレームパッケージ１０の表面には、散乱層４１が薄く形成されている。

ここで、透明樹脂層４０は、少なくとも発光素子２０が発する短波長の光に対して透明な材料で構成され、発光素子２０が発する光の側方への導光層として機能する。ただし、透明樹脂層４０からその上の蛍光体含有樹脂層３０に向かってこの光を透過させるために、透明樹脂層４０の屈折率は蛍光体含有樹脂層３０の屈折率よりも低くされる。また、発光素子２０における半導体層の基板としてサファイア等が用いられる場合には、透明樹脂層４０は、サファイアよりも小さな屈折率をもつことが好ましい。発光素子２０が側方に発した短波長の光は、透明樹脂層４０を通り側方に伝わるが、透明樹脂層４０の上側に設けられた蛍光体含有樹脂層３０側に入射することができる。

透明樹脂層４０も、熱硬化性樹脂で構成することができる。この場合、透明樹脂層４０は、蛍光体含有樹脂層３０を形成する前に、透明樹脂層４０となる液状の樹脂材料をフレームパッケージ１０の凹部に塗布し、その後に硬化処理（加熱等）を行うことによって、形成することができる。

散乱層４１は、フレームパッケージ１０の凹部の底面において薄く形成される。散乱層４１は、発光素子２０が側方に発した光を散乱させることができる。このための散乱体として、例えば酸化チタン粒子、シリカ粒子、アルミナ粒子等が用いられ、こうした散乱体が混合された樹脂材料を散乱層４１として用いることができる。この場合の樹脂材料としても、熱硬化性樹脂材料を用いることができるが、光の透過率が高い必要はない。散乱体となる粒子の平均粒径は、発光素子２０が発する短波長の光の波長が効率的に散乱されるように設定される。散乱層４１には光の透過性は要求されないため、酸化チタン粒子が混合されたシリコーン樹脂層を、透明樹脂層４０、蛍光体含有樹脂層３０と同様にフレームパッケージ１０の凹部の底面に薄く形成することができる。あるいは、硬化処理後に透明樹脂層４０となる液状の樹脂材料に酸化チタン粒子等の散乱体を混合し、この樹脂材料を塗布後に酸化チタン粒子等を沈殿させて散乱層４１とすることもできる。その後にこの樹脂材料を硬化させれば、透明樹脂層４０と散乱層４１の積層構造が同時に得られる。

一方、図２は、従来の構造の発光装置９０の構造を図１に対応して示す。この発光装置９０は特許文献１に記載の構造と同様であり、透明樹脂層４０、散乱層４１が用いられず、図１においてこれらの存在した箇所も蛍光体含有樹脂層３０で占められている。以下では、図１の構造における短波長の光の流れと、図２の構造における短波長の光の流れとを、比較して説明する。

まず、図１の構造、図２の従来の構造において、発光素子２０の上側において短波長の光を吸収する（長波長の光を発する）のは、図１、２における破線で示された領域Ｒ１である。領域Ｒ１においては、短波長の光の全ては吸収されず、領域Ｒ１を上側に透過する短波長の光の成分も存在する。このため、発光素子２０の上側においては、前記の通り、長波長の光と短波長の光との混合光が発せられる。

図１、２において、蛍光体含有樹脂層３０における短波長の光の吸収長は、黒矢印の長さで示されている。図２の構造においては、発光素子２０の側方にも一様に蛍光体含有樹脂層３０が形成されているため、図２の構造においては、発光素子２０の側方で短波長の光を吸収するのは、破線で示された領域Ｒ２である。領域Ｒ１における蛍光体含有樹脂層３０の上下方向における厚さは吸収長よりも薄いのに対し、領域Ｒ２の幅はほぼ吸収長に等しい。このように、図２に示された発光装置９０においては、蛍光体含有樹脂層３０における領域Ｒ１、Ｒ２が短波長の光を吸収し長波長の光を発する領域となり、この領域は、平面視において、発光素子２０が存在する領域とその近傍の領域となる。

一方、図１の構造においては、発光素子２０の側方においては、透明樹脂層４０が形成されており、短波長の光は、図１における白矢印で示されるように、透明樹脂層４０中を吸収されずに外側（左側）に進行する。このため、発光素子２０が発する短波長の光は、図２の構造よりも、より外側（図中左側）に到達する。ただし、散乱層４１によって散乱された成分は、上側に進行し、透明樹脂層４０の上に形成された蛍光体含有樹脂層３０に入射し、その中の蛍光材料に吸収される。このため、図１の構造において、発光素子２０の側方で短波長の光が吸収される領域は、破線で示された領域Ｒ３となる。透明樹脂層４０はフレームパッケージ１０の凹部における発光素子２０が存在する以外の領域全面に形成されているために、図１における領域Ｒ３の水平方向における幅は、図２における領域Ｒ２よりも広くなる。図１に示された発光装置１においては、蛍光体含有樹脂層３０における領域Ｒ１、Ｒ３が長波長の光を発する領域となる。この領域は、平面視において、フレームパッケージ１０の凹部全域となる。このため、図１の構造においては、図２の構造と比べて、短波長の光を吸収し長波長の光を発する領域を広くすることができる。この際、短波長の光の横方向の伝搬は、損失の発生しない透明樹脂層４０によって主に行われるため、短波長の光の損失は小さくなる。透明樹脂層４０の上の蛍光体含有樹脂層３０の厚さが領域Ｒ１における発光素子２０上の蛍光体含有樹脂層３０の厚さと同等であれば、領域Ｒ３における上下方向での短波長の光の損失（吸収）は、領域Ｒ１における上下方向での短波長の光の損失と同等である。

このため、蛍光体含有樹脂層３０における蛍光材料の濃度を、濃度消光が発現しない程度まで低くした状態で、長波長の光の強度を高めることができ、かつ短波長の光のうち蛍光材料（蛍光体含有樹脂層３０）に吸収されない成分の強度も高めることができる。

これに対して、図２の構造で蛍光体含有樹脂層３０における蛍光材料の濃度を低くし、図２の状態において領域Ｒ２を図１の領域Ｒ３と同等になる程度まで蛍光材料の濃度を低くして吸収長を大きくすることによって、同様に濃度消光の影響を低減することができる。しかしながら、この場合には、短波長の光が領域Ｒ２において蛍光体含有樹脂層３０中の蛍光材料以外の成分によって吸収・散乱される割合が高くなる。このため、短波長の光の領域Ｒ２における横方向における損失が大きくなる。また、これに応じて、領域Ｒ１において長波長の光の発光強度を高めるためには、領域Ｒ１における蛍光体含有樹脂層３０を、発光素子２０上で領域Ｒ２の幅と同等に厚くすることが必要となる。このため、短波長の光の領域Ｒ１における上下方向における損失も大きくなる。

すなわち、図１の構造においては、透明樹脂層４０と散乱層４１とによって、発光素子２０の上（領域Ｒ１）における短波長の光の吸収と長波長の光の発光の状況を図２の構造と同様としながら、発光素子２０の側方において短波長の光の吸収と長波長の光の発光が行われる領域を広げている。これによって、発光装置１から発せられる混合光（疑似白色光）の強度を高めることができる。

図１の構造の発光装置１を製造するに際しては、まず、従来の発光装置９０と同様のフレームパッケージ１０中の凹部に発光素子２０を設置し、ワイヤボンディング等を用いてその電気的配線を形成する。その後、散乱層４１、透明樹脂層４０、蛍光体含有樹脂層３０を順次形成することによって、発光装置１を得ることができる。この際、液状とされた透明樹脂層４０、蛍光体含有樹脂層３０の材料を凹部内に塗布、硬化処理を行うことによって、透明樹脂層４０、蛍光体含有樹脂層３０を形成することができる。すなわち、透明樹脂層４０、蛍光体含有樹脂層３０を樹脂材料で構成することによって、上記の発光装置１を容易に製造することができる。

この際、散乱層４１の断面形状を、透明樹脂層４０中の短波長の光を上側へ散乱しやすくなるような形状とすることができる。このためには、散乱層４１が発光素子２０に近い側で低く、発光素子２０から離れた側で高くなる形状とすることが有効である。こうした第１の変形例となる発光装置２においては、図３に示されるように、散乱層４１を発光素子２０に近い側では薄く、発光素子２０から離れた側では厚く形成している。こうした構成は、酸化チタン粒子が混合されたシリコーン樹脂層を散乱層４１とした場合に、その塗布条件の設定によって実現することができる。

あるいは、第２の変形例となる発光装置３においては、図４に示されるように、フレームパッケージ１０の凹部底面を外側で高くなるような形状とし、この底面上に、一様な厚さの散乱層４１を形成することによって、散乱層４１の表面を図３と同様の形状としている。フレームパッケージ１０の凹部底面が樹脂材料で構成される場合にはその成形条件で、フレームパッケージ１０の凹部底面が金属（リード）で構成される場合には、機械加工によって、こうしたフレームパッケージ１０の形状を容易に実現することができる。

また、上記の例では、蛍光層、透光層が熱硬化性の樹脂材料を含んで形成されたが、他の樹脂材料を用いてこれらを構成することもできる。あるいは、これらの層を、樹脂材料を用いずに構成しても、同様の構造を実現できる限りにおいて、同様の効果を奏することは明らかである。散乱層についても、同様である。

また、上記の例では、透光層が塗布によって形成されるため、発光素子が設置された凹部において、平面視における発光素子が設置された箇所以外の全域に透光層や散乱層を容易に形成することができた。しかしながら、凹部内において、透光層を発光素子の周囲の一部に局所的に形成しても、蛍光が発せられる蛍光領域の面積を充分広くできる限りにおいて、上記の構成が有効であることは明らかである。

また、上記の例では、発光素子２０はフレームパッケージに設けられた凹部の底面に設置されたが、こうした形態を具備しない場合でも、蛍光層が発光素子を覆う場合には、発光素子の側方かつ蛍光層の下側に上記の透光層、散乱層を設けることによって、同様の効果を奏することは明らかである。

また、上記の構成においては、青色光を発するＬＥＤ（発光素子）と、青色光を吸収してこれよりも長波長の光を発する蛍光材料が用いられたが、上記の構成は、発光素子、蛍光材料の種類によらずに有効であることは明らかである。この際、蛍光材料が発光素子よりも短波長の光を発する場合においても同様である。ただし、上記の構成は、濃度消光が顕著である蛍光材料が用いられる場合や、大きな発光素子（半導体チップ）、大きなフレームパッケージが用いられる場合において、特に有効である。

１、２、３、９０発光装置
１０フレームパッケージ
２０発光素子
３０蛍光体含有樹脂層（蛍光層）
４０透明樹脂層（透光層）
４１散乱層

Claims

発光素子と、前記発光素子が発する光を吸収し前記発光素子が発する光の波長と異なる波長の光を発する蛍光材料が混入され、前記発光素子を覆って形成された蛍光層とが、組み合わされた発光装置であって、
前記発光素子の側方かつ前記蛍光層の下側に形成され、前記発光素子が発した光を側方に透過させ、かつ前記蛍光層よりも低い屈折率をもつ透光層と、
前記透光層の底部に形成され、前記発光素子が発した光を散乱させる散乱層と、
を具備することを特徴とする発光装置。
前記散乱層は、酸化チタン粒子を含んで構成されたことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記透光層は、樹脂材料で構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
前記散乱層は、前記酸化チタン粒子が混合されたシリコーン樹脂で形成されたことを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
前記酸化チタン粒子が混合された液状の樹脂材料が、前記発光素子が搭載された面における前記発光素子の周囲に塗布され、前記酸化チタン粒子を前記樹脂材料中で沈殿させた後で前記樹脂材料を硬化させることによって前記透光層及び前記散乱層が形成されたことを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
前記散乱層は、前記発光素子に近い側から遠い側に向かうに従い、高くなるように形成されたことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の発光装置。
前記透光層は、平面視における前記発光素子の周囲に形成されたことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の発光装置。
前記発光素子は、フレームパッケージに形成された凹部の底面に設置され、
平面視において、前記透光層及び前記散乱層は、前記凹部内における前記発光素子の周囲に形成されたことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の発光装置。
前記凹部の底面は、前記発光素子に近い側から遠い側に向かうに従い、高くなるように形成されたことを特徴とする請求項８に記載の発光装置。