TWI492419B - 發光裝置 - Google Patents
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Description
本申請案係根據2010年9月7日提出申請之日本專利申請案(申請案號：2010-199983)主張優先權，並併入該案所有內容。
本發明係關於發光裝置。
近年來，於藍色發光二極體(LED)組合YAG：Ce等黃色螢光體，以單一晶片發出白色光之所謂的白色LED受到矚目。從前，LED係紅色、綠色、藍色等發出單色光者，為了發出白色或中間色的光，必須使用發出單色波長的複數個LED而分別驅動。但是在現在，藉由組合發光二極體與螢光體，排除了前述的繁雜，變成可以藉由簡便的構造而得到白色光。
使用發光二極體的LED燈，已被使用於可攜機器、PC周邊機器、OA機器、各種開關、背光用光源，以及顯示板等各種顯示裝置。這些LED燈被強烈期待著高效率化，而且在一般照明用途也在高演色化、LCD TV之背光用途有高色域化的要求。於高效率化，必須要有螢光體的高效率化，於高演色化或者高色域化，則期待組合藍色的激發光與以藍色激發而發出綠色光的螢光體及以藍色激發
而發出紅色光的螢光體而成的白色光源。
此外高功率LED會因驅動而發熱，螢光體的溫度一般會上升到100~200℃程度。引起這樣的溫度上升的話螢光體的發光強度一般會降低，產生所謂的溫度消光。因此，特別在高溫區域，亦即在高電流範圍會有發光效率降低的問題。
進而，使用複數發光體的場合，會有藉由螢光體間的再吸收而使發光效率降低的問題。
實施型態之發光裝置，具有：基板、被實裝於基板的主面，發出波長250nm至500nm的光之發光元件，被形成於此發光元件上，對主面垂直的剖面之外周形狀為直徑r之半圓形，含有下列式(1)之紅色螢光體的紅色螢光體層(M1-x1
Eux1
)a
Sib
AlOc
Nd
(1)(前述式(1)中、元素M為IA族元素、IIA族元素、IIIA族元素、除Al之IIIB族元素、稀土類元素、及IVB族元素所選擇之元素。x1、a、b、c、d分別滿足以下關係：0<x1≦1、0.60<a<0.95、2.0<b<3.9、0.04≦c≦0.6、4<d<5.7)，被形成於前述紅色螢光體層上，對主面垂直的剖面之外周形狀為直徑D的半圓形之透明樹脂的中間層，被形成於此中間層上，對主面垂直的剖面之外周形狀為半圓形，含有綠色螢光體的綠色螢光體層；前述直徑r與前述直徑D之關係滿足下列式(2)：
2.0r(μm)≦D≦(r+1000)(μm) (2)。
以下，用圖面說明實施型態。
本說明書中，所謂紅色螢光體，意味著以波長250nm至500nm的光，亦即以近紫外光或藍色光激發時，比激發光更長波長，由橙色跨至紅色的區域之發光，亦即呈現在波長580nm~700nm(以下，總稱也記載為紅色)之間具有峰值的發光之螢光體。
又，本說明書中，所謂綠色螢光體，意味著波長250nm至500nm的光，亦即以近紫外光或藍色光激發時，比激發光更長波長，由藍綠色跨至黃綠色(以下，總稱也記載為綠色)的區域之發光，亦即呈現在波長490nm~550nm之間具有峰值的發光之螢光體。
此外，本說明書中所謂「白色光」係一般使用於照明裝置的不同波長的光之混合，是包含燈泡色、溫白色、白色、日間白、日光色等的概念。
本實施型態之發光裝置，具有：具實裝發光元件的主面之基板、被實裝於此主面，發出波長250nm至500nm的光之發光元件，被形成於此發光元件上，對主面垂直的剖面之外周形狀為直徑r之半圓形，含有下列式(1)之紅色螢光體的紅色螢光體層
(M1-x1
Eux1
)a
Sib
AlOc
Nd
(1)
(前述式(1)中、元素M為IA族元素、IIA族元素、IIIA族元素、除Al之IIIB族元素、稀土類元素、及IVB族元素所選擇之元素。x1、a、b、c、d分別滿足以下關係：
0<x1≦1、
0.60<a<0.95、
2.0<b<3.9、
0.04≦c≦0.6、
4<d<5.7)，
被形成於前述紅色螢光體層上，對主面垂直的剖面之外周形狀為直徑D的半圓形之透明樹脂的中間層，被形成於此中間層上，對主面垂直的剖面之外周形狀為半圓形，含有綠色螢光體的綠色螢光體層；前述直徑r與前述直徑D之關係滿足下列式(2)：2.0r(μm)≦D≦(r+1000)(μm) (2)。
具有以前述式(1)表示的組成之矽鋁氮氧化合物(Sialon)系螢光體為紅色螢光體(R)，係以波長250nm至500nm的光，亦即以近紫外光或藍色光激發時，比激發光更長波長，由橙色跨至紅色的區域之發光，亦即呈現在波長580nm~700nm之間具有峰值的發光。
接著，此紅色螢光體，溫度消光很小，具有於高溫區域也可得優異的發光效率的優點。另一方面，激發光譜，跨近紫外光之綠色之寬廣範圍，所以在想要與綠色螢光體組合構成白色發光裝置(白色LED)的場合，綠色光之紅色螢光體導致的再吸收會變得顯著，會有發光效率降低或者色偏離產生之虞。
本實施型態的發光裝置，藉由在紅色螢光體層與綠色螢光體層之間設透明樹脂之中間層，同時限定紅色螢光體層與中間層的直徑，抑制矽鋁氮氧化合物(Sialon)系之紅色螢光體導致的綠色光之再吸收，實現提高發光效率，抑制色偏離的白色發光裝置。
圖1係本實施型態的發光裝置之模式剖面圖。此發光裝置10，係發出白色光的白色LED。發光裝置10，具備具有實裝發光元件的主面之基板12。於基板12，例如使用高反射材料。所謂主面，意味著基板上面的平面。
接著作為發出波長250nm至500nm的光之發光元件14，例如，藍色LED晶片被實裝於基板12的主面上。藍色LED晶片，例如透過金之電線16被連接於未圖示的配線。接著，藉由透過此配線使驅動電流由外部被供給至藍色LED晶片，而使藍色LED晶片發生激發用的藍色光。
於發光元件14上，設有半球形狀的由透明樹脂所構成的元件密封透明層18。透明樹脂例如為聚矽氧樹脂。
進而，以覆蓋元件密封透明層18的方式，對主面垂直的剖面之外周形狀為直徑r的半圓狀，形成含有具下列式(1)的組成的紅色螢光體之紅色螢光體層20。
(M1-x1
Eux1
)a
Sib
AlOc
Nd
(1)
(前述式(1)中、元素M為IA族元素、IIA族元素、IIIA族元素、除Al以外之IIIB族元素、稀土類元素、及IVB族元素所選擇之元素。x1、a、b、c、d分別滿足以下關係：0<x1≦1、0.60<a<0.95、2.0<b<3.9、0.04≦c≦0.6、4<d<5.7)
在此，元素M以鍶(Sr)為佳。
紅色螢光體層20，係紅色螢光體分散於例如透明的聚矽氧樹脂中而形成的。紅色螢光體層20，吸收由藍色LED發生的藍色光而變換為紅色光。
進而，在紅色螢光體層20上，被形成對基板12的主面垂直的剖面之外周形狀為直徑D的半圓狀之透明樹脂的中間層22。透明樹脂例如為聚矽氧樹脂。
以覆蓋中間層22的方式，被形成對主面垂直的剖面之外周形狀為半圓狀，含有綠色螢光體的綠色螢光體層24。藉由設中間層22，抑制紅色螢光體層20導致的再吸收。
綠色螢光體層24，係綠色螢光體分散於例如透明的聚矽氧樹脂中而形成的。綠色螢光體層24，吸收由藍色LED發生的藍色光而變換為綠色光。
進而，以覆蓋綠色螢光體層24的方式，形成例如以透明的聚矽氧樹脂形成的外表面透明層(外表面層)26。此外表面透明層26，具有抑制由發光元件14、紅色螢光體層20、綠色螢光體層24所發出的光，在與大氣之界面被全反射的功能。
如以上所述，發光裝置10，具備在發光元件14上被層積為半球狀的紅色螢光體層20、中間透明樹脂層22、綠色螢光體層24。如此，藉由使螢光體層為半球狀，可以使發光強度或色配合的均質性很高的白色光由發光裝置10發出。
接著，紅色螢光體層20的外側直徑r，與中間層22的外側之直徑D的關係，滿足下列式(2)。
2.0r(μm)≦D≦(r+1000)(μm) (2)
又，紅色螢光體層20或中間層22，例如，因為製造上的原因等而容許偏離完全的半球形狀。在此場合，直徑r或直徑D，只要平均對基板12的主面垂直方向的直徑，對基板12的主面平行的方向之直徑而算出即可。
其次，說明發光裝置10的作用。
圖2係顯示具有以前述式(1)所式的組成的矽鋁氮氧化合物(Sialon)系的紅色螢光體之規格化發光強度之圖。橫軸為激發光的波長，縱軸為使監視波長為602nm時之規格化發光強度。
由以峰值波長457nm的藍色LED激發的場合之發光特性評估，在457nm的吸收率求出為87%。由此值與圖2的特性，藉由比例分配，求出525nm的綠色光的吸收率為68%。以下，根據本實施型態的紅色螢光體之綠色光的吸收率β以0.68為代表進行討論。
根據紅色螢光體層20導致的綠色光之再吸收的光束損失，在實際使用上降至5%以下就發光裝置的特性而言是被期待的。以下，為了滿足此條件，使紅色螢光體層20的外側直徑為r時，導出中間層22的外側之直徑D所被要求的關係。
圖3係本實施型態的發光裝置的作用之說明圖。如圖3所示，例如，由綠色螢光體層24中的位置A發出的綠色光，擴展至360度全方位。其中，在圖中，以2根單向箭頭與虛線橢圓所觀念顯示的範圍之光束，亦即，由位置A來看紅色螢光體層20的範圍之光束，成為會被紅色螢光體層20所吸收的光束。
到達紅色螢光體層20的外面的光束L2
對來自綠色螢光體層24的全光束L1
(會被紅色螢光體層20吸收的光束)之比，L2
/L1
以下列式(4)來表示。
L2
/L1
=2π(1-(1-(r/D)2
)-1/2
)/2π=1-(1-(1-(r/D)2
)-1/2
) (4)
綠色光為紅色螢光體層20所再吸收而產生的光束損失γ，在前述的綠色光之紅色螢光體導致的吸收率β(=0.68)時，以前述式(4)表示的L2
/L1
，以綠色光(波長525nm)與紅色光(波長600nm)之視感度差δ
(=0.63)的積來表示。亦即，以下列式(5)來表示。
γ=βδ(1-(1-(1-(r/D)2
)-1/2
)) (5)
圖4係顯示本發明的實施型態之光束損失之圖。橫軸為D/r，縱軸為式(4)所算出的光束損失γ
。以β
=0.68、δ
=0.63來計算。
由圖4可知，為了使光束損失γ
為5%以下，D/r以2.0以上為較佳，2.2以上為更佳。因而，以滿足下列式(6)為較佳。D/r為2.0以上的話，光束損失的飽和傾向變得顯著所以較佳。
2.0r(μm)≦D(μm) (6)
原本，在中間層22變得太厚時，中間層22導致的光的吸收所致之光束損失會顯著化，於紅色螢光體層20與中間層22等之直徑設下制約的效果有消失之虞。代表性的透明樹脂之聚矽氧樹脂之由近紫外到藍色光的透過率，於2000μm之厚度的樹脂板為90%。亦即，吸收率為10%。
亦即，為了把中間層22之激發光或螢光體發光的吸收導致的光束損失抑制在5%以下，中間層22的厚度(D-r)必須要滿足下列式(7)。
(D-r)≦1000(μm) (7)
進而為了抑制中間層22的影響，以(D-r)≦500為較佳，又以(D-r)≦200為更佳。
因而，由式(6)及式(7)，為了使發光裝置的紅色螢光體層20或中間層22導致的吸收損失降低至實際使用上所要求的5%以下，必須要使紅色螢光體層20的外側的直徑r，與中間層22的外側的直徑D滿足下列式(2)。
2.0r(μm)≦D≦(r+1000)(μm) (2)
由以上，本實施型態的發光裝置，使用溫度消光小的紅色螢光體，而且抑制紅色螢光體層導致的綠色光的再吸收，所以實現具有優異的發光效率的發光裝置。
又，於本實施型態之發光裝置，綠色螢光體，以具有下列式(3)所表示的組成為較佳。
(M'1-x2
Eux2
)3-y
Si13-z
Al3+z
O2+u
N21-w
(3)
(前述式(3)中、元素M'為IA族元素、IIA族元素、IIIA族元素、除Al以外之IIIB族元素、稀土類元素、及IVB族元素所選擇之元素。x2、y、z、u、w分別滿足以下關係：
0<x2≦1、
-0.1≦y≦0.15、
-1≦z≦1、
-1<u-w≦1.5)
具有以前述式(3)表示的組成之矽鋁氮氧化合物(Sialon)系螢光體為綠色螢光體(G)，係以波長250nm至500nm的光，亦即以近紫外光或藍色光激發時，比激發光更長波長，由藍綠色跨至黃綠色的區域之發光，亦即呈現在波長490nm~580nm之間具有峰值的發光。
接著，實現溫度消光很小，特別在高溫區域實現優異的發光效率。亦即，可以實現溫度消光特性更為優異的高效率的發光裝置。
又，元素M'以鍶(Sr)為佳。
本實施型態之發光裝置，相對於第1實施型態的發光元件為藍色LED，改採用近紫外LED，以及，除了具有藍色螢光體層以外，與第1實施型態為相同。亦即，對於與第1實施型態重複的內容省略其記載。
圖5係本實施型態的發光裝置之模式剖面圖。此發光裝置20，係發出白色光的白色發光裝置。發光裝置20，係發光元件14發出近紫外光的近紫外LED。此外，在綠色螢光體層24與外表面透明層26之間，進而被形成藍色螢光體層28。
藍色螢光體層28，係藍色螢光體分散於例如透明的聚矽氧樹脂中而形成的。藍色螢光體層28，吸收由近紫外光LED發生的近紫外光而變換為藍色光。
針對前述以外的構成與第1實施型態相同。本實施型態的發光裝置，也與第1實施型態同樣，使用溫度消光小的紅色螢光體，而且抑制紅色螢光體層導致的綠色光的再吸收，實現優異的發光效率。
以上所示之特定實施型態僅為例示，並不用於限制本發明之範疇，實際上此處所描述之發光裝置可以有種種變形，此外，各種省略，替換與變化，只要設備和方法不偏離本發明之精神均屬於本文所述的發明。隨附的請求項與其均等的手段意圖涵蓋本發明的範圍與精神。
例如，產生使用於發光裝置的激發光之發光元件，只要是發出近紫外光或藍色光之半導體發光元件即可。例如，可以使用利用氮化鎵系化合物半導體之LED。
此外，在實施型態以在紅色螢光體層之上直接形成中間層的場合為例進行說明，但例如在紅色螢光體層與中間層之間，形成包含黃色螢光體的黃色螢光體層的構成亦為可能。
此外，雖然希望元件密封透明層或外表面透明層的形成，但其並非必要的構成要素，省略任一方或雙方亦為可能。
進而，成為密封樹脂的基材之黏結劑樹脂，只要在發光元件(激發元件)之峰值波長附近或者比其長波長的區域為實質透明即可，不管其種類都可以使用。作為一般使用的，可以舉出聚矽氧樹脂、環氧樹脂、或具有環氧基的聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)誘導體，或氧雜環丁烷(oxetane)樹脂、或丙烯酸樹脂、或環烯烴(cycloolefin)樹脂、或尿素樹脂、或氟樹脂、或聚醯亞胺樹脂等。
圖6係實施例之白色發光模組的配線圖。將圖1所示的第1實施型態的發光裝置10，如圖6所示連接成為4直列4並列，形成陽極電極60與陰極電極62。
於紅色螢光體，把以下列式(8)的組成式所表示的具有表1的組成的矽鋁氮氧化合物(Sialon)系螢光體適用在分別的實施例。
(Sr1-x1
Eux1
)a
Sib
AlOc
Nd
(8)
於綠色螢光體，把以下列式(9)的組成式所表示的具有表2的組成的矽鋁氮氧化合物(Sialon)系螢光體適用在分別的實施例。
(Sr1-x2
Eux2
)3-y
Si13-z
Al3+z
O2+u
N21-w
(9)
紅色螢光體層的外側之直徑r為105μm，中間層的外側的直徑D為410μm。此r與D，如下列所示，滿足前述式(2)。
2.0r=210(μm)≦D=410(μm)≦r+1000=1105 (μm)
以20mA驅動此白色發光模組，藉由使用積分球之全光束測定求出發光效率。結果顯示於表3。
除了不形成中間層，於紅色螢光體層上直接形成綠色螢光體層以外，以與實施例1~5同樣的方式製造、評估白色發光模組。結果顯示於表3。
除了使中間層的外徑之直徑D為2150μm以外，以與實施例1~5同樣的方式製造、評估白色發光模組。結果顯示於表3。此r與D，如下列所示，不滿足前述式(2)。
2.0r=210(μm)≦D=2150(μm)≧r+1000=1105(μm)
由表3可知，在實施例1~5確認了發光效率的提高。
除了作為綠色螢光體使用附有Eu之活性鹼土類正矽酸鹽螢光體，使紅色螢光體層的外側之直徑r為120μm、中間層的外徑之直徑D為505μm以外，以與實施例1~5同樣的方式製造、評估白色發光模組。結果顯示於表4。此r與D，如下列所示，滿足前述式(2)。
2.0r=240(μm)≦D=505(μm)≦r+1000=1120(μm)
除了不形成中間層，於紅色螢光體層上直接形成綠色螢光體層以外，以與實施例6~10同樣的方式製造、評估白色發光模組。結果顯示於表4。
除了使中間層的外徑之直徑D為2150μm以外，以與實施例6~10同樣的方式製造、評估白色發光模組。結果顯示於表4。此r與D，如下列所示，不滿足前述式(2)。
2.0r=240(μm)≦D=2150(μm)≧r+1000=1120(μm)
由表4可知，在實施例6~10確認了發光效率的提高。
將作為圖5所示的發光元件使用近紫外LED之第2實施型態的發光裝置20，如圖6所示連接成為4直列4並列，形成陽極電極60與陰極電極62。
於紅色螢光體，把以下列式(8)的組成式所表示的具有表1的組成的矽鋁氮氧化合物(Sialon)系螢光體適用在分別的實施例。
(Sr1-x1
Eux1
)a
Sib
AlOc
Nd
(8)
於綠色螢光體，把以下列式(9)的組成式所表示的具有表2的組成的矽鋁氮氧化合物(Sialon)系螢光體適用在分別的實施例。
(Sr1-x2
Eux2
)3-y
Si13-z
Al3+z
O2+u
N21-w
(9)
於藍色螢光體使用了(Sr，Ca，Ba)10
(PO4
)6
Cl2
：Eu2+
。
紅色螢光體層的外側之直徑r為95μm，中間層的外側的直徑D為320μm。此r與D，如下列所示，滿足前述式(2)。
2.0r=190(μm)≦D=320(μm)≦r+1000=1095(μm)
與實施例1~5同樣，以20mA驅動此白色發光模組，藉由使用積分球之全光束測定求出發光效率。結果顯示於表5。
除了不形成中間層，於紅色螢光體層上直接形成綠色螢光體層以外，以與實施例11~15同樣的方式製造、評估白色發光模組。結果顯示於表5。
除了使中間層的外徑之直徑D為1850μm以外，以與實施例11~15同樣的方式製造、評估白色發光模組。結果顯示於表5。此r與D，如下列所示，不滿足前述式(2)。
2.0r=190(μm)≦D=1850(μm)≧r+1000=1095(μm)
由表5可知，在實施例11~15確認了發光效率的提高。
除了作為綠色螢光體使用附有Eu之鹼土類正矽酸鹽螢光體，使紅色螢光體層的外側之直徑r為130μm、中間層的外徑之直徑D為450μm以外，以與實施例11~15同樣的方式製造、評估白色發光模組。結果顯示於表6。此r與D，如下列所示，滿足前述式(2)。
2.0r=260(μm)≦D=450(μm)≦r+1000=1130(μm)
除了不形成中間層，於紅色螢光體層上直接形成綠色螢光體層以外，以與實施例16~20同樣的方式製造、評估白色發光模組。結果顯示於表6。
除了使中間層的外徑之直徑D為2150μm以外，以與實施例16~20同樣的方式製造、評估白色發光模組。結果顯示於表6。此r與D，如下列所示，不滿足前述式(2)。
2.0r=260(μm)≦D=2150(μm)≧r+1000=1130(μm)
由表6可知，在實施例16~20確認了發光效率的提高。
10．．．發光裝置
12．．．基板
14．．．發光元件
16．．．電線
18．．．元件密封透明層
20．．．紅色螢光體層
22．．．中間透明層
24．．．綠色螢光體層
26．．．外表面透明層
28．．．藍色螢光體層
圖1係第1實施型態的發光裝置之模式剖面圖。
圖2係顯示第1實施型態之紅色螢光體的光吸收率之圖。
圖3係顯示第1實施型態的發光裝置的作用之圖。
圖4係顯示第1實施型態的發光裝置的光束損失之圖。
圖5係第2實施型態的發光裝置之模式剖面圖。
圖6係實施例之白色發光模組的配線圖。
10．．．發光裝置
12．．．基板
14．．．發光元件
16．．．電線
18．．．元件密封透明層
20．．．紅色螢光體層
22．．．中間透明層
24．．．綠色螢光體層
26．．．外表面透明層
Claims (9)
- 一種發光裝置，其特徵為具有：基板；被實裝於前述基板的主面，發出波長250nm至500nm的光之發光元件；被形成於前述發光元件上，對前述主面垂直的剖面之外周形狀為直徑r之半圓形，含有下列式(1)之紅色螢光體的紅色螢光體層(M1-x1 Eux1 )a Sib AlOc Nd (1)(前述式(1)中、元素M為IA族元素、IIA族元素、IIIA族元素、除Al以外之IIIB族元素、稀土類元素、及IvB族元素所選擇之元素；x1、a、b、c、d分別滿足以下關係：0<x1≦1、0.60<a<0.95、2.0<b<3.9、0.04≦c≦0.6、4<d<5.7)；被形成於前述紅色螢光體層上，對前述主面垂直的剖面之外周形狀為直徑D的半圓形之透明樹脂的中間層；以及被形成於前述中間層上，對前述主面垂直的剖面之外周形狀為半圓形，含有綠色螢光體的綠色螢光體層；前述直徑r與前述直徑D之關係滿足下列式(2)：2.0r(μm)≦D≦(r+1000)(μm) (2)。
- 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中前述綠色螢光體，具有以下列式(3)表示的組成：(M'1-x2 Eux2 )3-y Si13-z Al3+z O2+u N21-w (3)(前述式(3)中、元素M'為IA族元素、IIA族元素、IIIA族元素、除Al以外之IIIB族元素、稀土類元素、及IVB族元素所選擇的元素；x2、y、z、u、w分別滿足以下關係0<x2≦1、-0.1≦y≦0.15、-1≦z≦1、-1<u-w≦1.5)。
- 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中前述綠色螢光體係附有Eu之活性鹼土類正矽酸鹽螢光體。
- 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中前述發光元件為藍色LED。
- 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中前述透明樹脂為聚矽氧樹脂。
- 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中前述元素M為鍶(Sr)。
- 如申請專利範圍第2項之發光裝置，其中前述元素M'為鍶(Sr)。
- 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中於前述綠色螢光體層上，進而具有以透明樹脂形成的外表面層。
- 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中於前述紅色螢光體層與前述中間層之間，進而具有含黃色螢光體的黃色螢光體層。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |