発光装置およびその製造方法
【課題】発光出力が高く、色むらが小さく、且つ演色性が良好な発光装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】発光装置10は、カップ13が形成された載置部としてのリードフレーム12aと、この載置部のカップ13の底面13aに載置されて所定のピーク波長の光を発する発光素子14と、この発光素子14の表面に吸着して形成されて発光素子14からの光を吸収して発光素子14からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する大粒径蛍光体16の層と、この大粒径蛍光体16よりも粒径が小さく且つ発光素子14からの光を吸収して発光素子14からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する小粒径蛍光体18と、この小粒径蛍光体18が分散して発光素子14および大粒径蛍光体16の層を載置部のカップ13内に封止する封止部材20とを備えている。
【解決手段】発光装置10は、カップ13が形成された載置部としてのリードフレーム12aと、この載置部のカップ13の底面13aに載置されて所定のピーク波長の光を発する発光素子14と、この発光素子14の表面に吸着して形成されて発光素子14からの光を吸収して発光素子14からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する大粒径蛍光体16の層と、この大粒径蛍光体16よりも粒径が小さく且つ発光素子14からの光を吸収して発光素子14からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する小粒径蛍光体18と、この小粒径蛍光体18が分散して発光素子14および大粒径蛍光体16の層を載置部のカップ13内に封止する封止部材20とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、発光装置およびその製造方法に関し、特に、発光素子とこの発光素子からの光によって異なる波長の光を発する蛍光体とを組み合わせた発光装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、近紫外〜青色領域の光を発するLEDのような発光素子と、この発光素子からの光によって異なる波長の光を発する蛍光体とを組み合わせて、白色光を発する発光装置の開発が盛んに行われている。このような白色発光装置は、照明用光源として使用する場合、発光出力(照度)が高く、色むらが小さく、演色性が良好な光を発することが求められている。
【0003】
このような白色発光装置からの光を演色性が良好な白色光にするために、LEDチップからの光によって異なる波長の光を発する2種類の蛍光体を混合した樹脂をLEDチップの周囲に配置させることが提案されている(例えば、特許文献1〜5参照)。また、LEDチップからの光の少なくとも一部を吸収して異なる波長の光を発する大粒径蛍光物質と小粒径蛍光物質を含有する透光性樹脂をLEDチップの周囲に配置し、大粒径蛍光物質をLEDチップの近傍に分布させて色変換層を形成して効率的に色変換を行い、小粒径蛍光物質を色変換層の外側に分布させて色むらを抑制することが提案されている(例えば、特許文献6参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2000−244021号公報(段落番号0010−0020)
【特許文献2】特開2001−127346号公報(段落番号0010−0017)
【特許文献3】特開2003−101081号公報(段落番号0016−0017)
【特許文献4】特開2003−318447号公報(段落番号0005−0025)
【特許文献5】特開2004−152993号公報(段落番号0007−0010)
【特許文献6】国際公開WO02/059982号公報(第4−6頁)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
白色発光装置の輝度を向上させるためには、蛍光体として光変換効率が高い大粒径の蛍光体を使用するのが好ましい。しかし、大粒径の蛍光体を樹脂に混合して樹脂を硬化させると、樹脂が硬化するまでの間に蛍光体が樹脂中で沈降し易いため、樹脂中の場所によって蛍光体の量にばらつきが生じてしまう。そのため、LEDからの光が樹脂中を通過する光路毎に蛍光体によって波長変換される光の量が変わってしまうので、色むらが生じてしまう。
【0006】
また、蛍光体の沈降を防止するために粘度の高い樹脂を使用すると、樹脂中に気泡が混入してしまい、気泡に進入した光が閉じ込められて発光出力が低下する。また、ディスペンサなどを用いて樹脂を塗布する場合、粘度の高い樹脂ではノズルから吐出し難くなるので、樹脂の塗布量を調整し難くなり、色温度を調整し難くなるという問題がある。
【0007】
一方、蛍光体として小粒径の蛍光体を使用すれば、樹脂中の蛍光体の沈降による色むらを防止することができるが、一般に蛍光体の粒経が小さくなると光変換効率が低下するため、作製した白色発光装置の発光出力が低下するという問題が生じる。
【0008】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、発光出力が高く、色むらが小さく、且つ演色性が良好な発光装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する大粒径蛍光体を発光素子の表面に吸着させて大粒径蛍光体の層を形成した後、この大粒径蛍光体よりも粒径が小さく且つ発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する小粒径蛍光体を含む封止部材で発光素子および大粒径蛍光体の層を封止することにより、発光出力が高く、色むらが小さく、且つ演色性が良好な発光装置を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0010】
すなわち、本発明による発光装置の製造方法は、所定のピーク波長の光を発する発光素子と、この発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する大粒径蛍光体と、この大粒径蛍光体よりも粒径が小さく且つ発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する小粒径蛍光体とを用意し、発光素子の表面に大粒径蛍光体を吸着させて大粒径蛍光体の層を形成した後、小粒径蛍光体を含む封止部材によって発光素子および大粒径蛍光体の層を封止することを特徴とする。
【0011】
この発光装置の製造方法において、静電吸着により大粒径蛍光体を発光素子の表面に吸着させるのが好ましい。また、大粒径蛍光体の粒径は、好ましくは10μm以上且つ50μm未満、さらに好ましくは20〜40μmであり、小粒径蛍光体の粒径は、好ましくは1μm以上且つ10μm未満、さらに好ましくは3〜8μmである。さらに、封止部材に小粒径蛍光体を分散させるのが好ましい。
【0012】
また、本発明による発光装置は、凹部が形成された載置部と、この載置部の凹部の底面に載置されて所定のピーク波長の光を発する発光素子と、この発光素子の表面に形成されて発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する大粒径蛍光体の層と、この大粒径蛍光体よりも粒径が小さく且つ発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する小粒径蛍光体と、この小粒径蛍光体が分散して発光素子および大粒径蛍光体の層を載置部の凹部内に封止する封止部材とを備え、小粒径蛍光体の量が大粒径蛍光体と小粒径蛍光体の総量の20質量%以下であり、封止部材の表面から出射された光の相関色温度を封止部材の表面の中心における接平面に対して10〜170°の範囲において10°毎の角度で測定したときの相関色温度の最大値と最小値の差が500K以下であることを特徴とする。相関色温度の最大値と最小値の差が500K以下であれば、様々な方向に均一な白色光を発することができ、照明用光源として使用することができる。
【0013】
この発光装置において、相関色温度の最大値と最小値の差が300K以下であるのが好ましい。相関色温度の最大値と最小値の差が300K以下であれば、色むらをさらに小さくすることができるので、発光装置をスポット照明などにも適用することができる。大粒径蛍光体の粒径は、好ましくは10μm以上且つ50μm未満、さらに好ましくは20〜40μmであり、小粒径蛍光体の粒径は、好ましくは1μm以上且つ10μm未満、さらに好ましくは3〜8μmである。また、この発光装置の平均演色評価数Raが90以上であるのが好ましい。平均演色評価数Raが90以上であれば、発光装置の光を物体に照射した際に目に見える物体の色が、太陽光を物体に照射した際に目に見える物体の色に近くなって、色再現性が良好になり、照明用光源として使用するのに好ましいからである。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、発光出力が高く、色むらが小さく、且つ演色性が良好な発光装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明による発光装置の実施の形態を概略的に示す断面図である。
【図2】図1の発光装置の発光素子を載置した一方のリードフレームのカップの部分を拡大して示す断面図である。
【図3】発光装置に使用する蛍光体の平均粒径と発光装置の相対発光強度との関係を示すグラフである。
【図4】本発明による発光装置の製造方法の実施の形態における大粒径蛍光体の静電吸着工程を説明する概略図である。
【図5】実施例の発光装置のリードフレームのカップ内の構造を説明する概略図である。
【図6】実施例の発光装置の観測角度と相関色温度との関係を示すグラフである。
【図7】比較例1の発光装置のリードフレームのカップ内の構造を説明する概略図である。
【図8】比較例1の発光装置の観測角度と相関色温度との関係を示すグラフである。
【図9】比較例2の発光装置のリードフレームのカップ内の構造を説明する概略図である。
【図10】比較例2の発光装置の観測角度と相関色温度との関係を示すグラフである。
【図11】比較例3の発光装置のリードフレームのカップ内の構造を説明する概略図である。
【図12】比較例3の発光装置の観測角度と相関色温度との関係を示すグラフである。
【図13】相関色温度の観測角度を説明する図である。
【図14】実施例の発光装置の観測角度90°における発光スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、添付図面を参照して、本発明による発光装置およびその製造方法の実施の形態について説明する。
【0017】
図1は、本発明による発光装置の実施の形態を概略的に示す断面図であり、図2は、図1の発光装置の発光素子を載置した一方のリードフレームのカップの部分を拡大して示す断面図である。図1および図2に示すように、本実施の形態の発光装置10は、互いに離間して配置された一対のリードフレーム12aおよび12bと、一方のリードフレーム12aの先端部に形成されたカップ(凹部)13の底面13aに載置された発光素子14と、この発光素子14の表面を覆うように配置された大粒径蛍光体16と、この大粒径蛍光体16を覆うようにリードフレーム12aのカップ13内に充填された小粒径蛍光体18を含む封止部材20と、リードフレーム12a、12bの先端部分を覆う透明のモールド部材24とから構成されている。
【0018】
なお、発光素子14の底面には、(図示しない)一対の電極のうちの一方の電極、例えば、Au−Sn電極が設けられ、発光素子14の上面には、他方の電極、例えば、Au電極が設けられている。発光素子14の底面の電極は、ダイボンディングによって一方のリードフレーム12aのカップ13の底面13aに電気的に接続され、発光素子14の上面の電極は、金線などの導電性ワイヤ22によって他方のリードフレーム12bに電気的に接続されている。
【0019】
発光素子14としては、ピーク波長420〜490nmの青色または青紫などの青色系の可視光を発光し、例えば、窒化ガリウム系半導体結晶からなる青色LEDチップを使用することができる。しかし、本発明による発光装置の発光素子14として使用可能なLEDチップは、青色LEDチップだけでなく、紫外光や近紫外光を発光可能な発光素子でもよい。また、発光素子14としては、通常、0.3〜1mm角程度の略正方形の平面形状のLEDチップを使用することができる。
【0020】
大粒径蛍光体16と小粒径蛍光体18は、同じ材料でもよいし、異なる材料でもよいが、発光素子14との組み合わせによって外部から観察される光が白色光になるような材料であるのが好ましい。また、図3に示すように、蛍光体の平均粒径が大きくなるほど相対発光強度が高くなるので、大粒径蛍光体16の平均粒径が10〜50μm程度であるのが好ましい。また、一般に蛍光体の結晶性が高い方が発光効率が高くなり、結晶性を十分に高めるために必要な熱処理を施すと平均粒径が10μm以上になる。なお、上述したように、通常使用するLEDチップは、0.3〜1mm角程度の略正方形の平面形状のLEDチップであるので、大粒径蛍光体16の粒径が大き過ぎると、LEDチップの表面に数個の大粒径蛍光体16しか配置することができなくなる。そのため、大粒径蛍光体16の平均粒径が50μm以上になると、以下の理由により望ましくない。すなわち、(1)一つ一つの大粒径蛍光体16の発光効率の相違による影響が大きくなって色むらが発生し易くなり、(2)LEDチップの表面を均一に覆うことができないので色むらになり、(3)大粒径蛍光体16同士の隙間が大きくなって、LEDチップの光が大粒径蛍光体16に当たって大粒径蛍光体16から発光する波長変換光と、大粒径蛍光体16の隙間を通過するLEDチップからの光とのコントラストがはっきりし過ぎて色むらになるからである。なお、小粒径蛍光体18の平均粒径は、沈降し難いように1〜10μm程度であるのが好ましい。また、大粒径蛍光体16と小粒径蛍光体18は、例えば、黄色と赤色のように別々の色の光を発する蛍光体が好ましいが、同じ色の光を発する蛍光体でもよい。なお、本発明による発光装置は、白色光を発する発光装置に限らず、あらゆる色の光を発する発光装置に応用することができる。
【0021】
なお、小粒径蛍光体18の量は、大粒径蛍光体16と小粒径蛍光体18の総量の20質量%以下にするのが好ましい。発光装置の発光出力に大きく寄与するのは大粒径蛍光体16であるので、粒径蛍光体18の量が少なくても、発光装置の発光出力に対する影響は非常に少ないため、発光装置の発光出力を高く保持したまま、演色性が良好で色むらが少ない発光装置を製造することができる。
【0022】
リードフレーム12は、銅、銅亜鉛合金、鉄ニッケル合金などの金属からなるのが好ましい。また、封止部材20の材料は、エポキシ樹脂やシリコーン系樹脂などの透光性の樹脂の他、ガラス材料でもよいが、耐熱性、耐紫外線性および作業性の観点からシリコーン系樹脂であるのが好ましい。
【0023】
以上のように構成された本実施の形態の発光装置10は、以下のように製造することができる。
【0024】
まず、(図示しない)ダイボンダによって一方のリードフレーム12aのカップ13の底面13aに発光素子14の一方の面をダイボンディング(接着固定)して、発光素子14の一方の電極を一方のリードフレーム12aに電気的に接続する。このダイボンディングの後、一対のリードフレーム12aおよび12bを(図示しない)ワイヤボンダに移送し、金線などの導電性ワイヤ22によって発光素子14の他方の電極を他方のリードフレーム12bにワイヤボンディングして電気的に接続する。
【0025】
次に、一対のリードフレーム12aおよび12bを静電吸着装置に移送し、リードフレーム12aのカップ13にダイボンディングされた発光素子14の表面に大粒径蛍光体16を静電吸着させて、粒径の大きい蛍光体の波長変換層を発光素子14の表面に均等に形成する。すなわち、図4に示すように、大粒径蛍光体16を金属製トレイ26上に載せ、この金属製トレイ26を金属板28上に配置した後、リードフレーム12aのカップ13の開口部が金属製トレイ26に対向するように金属製トレイ26の上方10mmの位置にリードフレーム12aおよび12bを設置し、リードフレーム12aを配線により接地する。次に、直流電源30により金属板28に−10kVの電圧を印加して、金属板28とリードフレーム12aの間に10kVの電位差を生じさせることにより、金属板28上に配置された金属製トレイ26上の大粒径蛍光体16の粒子を負に帯電させて、正に帯電した発光素子14上に吸着させる。このようにして、静電吸着によって目的の色温度になる厚さまで大粒径蛍光体16の層をカップ13内の発光素子14上に形成する。なお、本実施の形態では発光素子14の表面に大粒径蛍光体16を静電吸着させているが、発光素子14の表面に大粒径蛍光体16を均等な厚さに形成することができれば、静電吸着以外の吸着方法を使用してもよい。
【0026】
次に、一対のリードフレーム12aおよび12bを(図示しない)モールド装置に移送し、このモールド装置のディスペンサによりリードフレーム12aのカップ13内に小粒径蛍光体18および封止部材20を注入する。このようにして小粒径蛍光体18が分散した封止部材20により大粒径蛍光体16が保持される。なお、封止部材20の材料として樹脂を使用する場合に、樹脂中に分散させる蛍光体が小粒径蛍光体18であるため、蛍光体の粒子が沈降し難く、樹脂中の蛍光体の沈降による色むらを防止することができる。
【0027】
最後に、予めモールド部材が注入された(図示しない)モールド型枠の中にリードフレーム12aおよび12bを浸漬した後、型枠を外して樹脂を硬化させると、図1に示すような砲弾型の発光装置を製造することができる。
【実施例】
【0028】
以下、本発明による発光装置およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
【0029】
まず、一方のリードフレーム12aのカップ13内に発光素子14として(活性層の組成がInGaNからなり、発光波長のピークが460nmの)青色LEDチップをダイボンディングした後、ワイヤボンディングした。また、大粒径蛍光体16として、平均粒径(D50)が25μmのSrAl(1+x)Si(4−x)OxN(7−x):Ce(0≦x≦1)と表記されるx=0.45の蛍光体(SrAl1.45Si3.55O0.45N6.55:Ceからなる組成の緑色蛍光体)を用意した。次に、図4に示すように、この大粒径蛍光体16を金属製トレイ26上に載せて、この金属製トレイ26を金属板28上に配置した後、リードフレーム12aのカップ13の開口部が金属製トレイ26に対向するように金属製トレイ16の上方10mmの位置にリードフレーム12aを設置し、リードフレーム12aを配線により接地した。次に、金属板28に−10kVの電圧を印加して、金属板28とリードフレーム12aの間に10kVの電位差を生じさせることにより、金属板28上に配置された金属製トレイ26上の大粒径蛍光体16の粒子を負に帯電させて、正に帯電した青色LEDチップ14上に吸着させた。このようにして、静電吸着によって、目的の色温度にするのに必要な厚さになるまで大粒径蛍光体16の層をカップ13内の青色LEDチップ14上に形成した。
【0030】
また、小粒径蛍光体18として、平均粒径(D50)が7μmのCaAlSiN3:Euからなる組成の赤色蛍光体を用意した。この小粒径蛍光体18とSiO2からなる粒径7nmの沈降防止剤とを粘度350mPa・sのシリコーン樹脂(信越化学工業製のSCR−1011)に混合し、リードフレーム12aのカップ13内に注入して樹脂を硬化させることにより、小粒径蛍光体18が分散した封止部材20で大粒径蛍光体16を封止した。
【0031】
このようにして図5に示すようなカップ13内の構造の発光装置を作製し、この発光装置について演色評価数を測定した。また、色むら(色温度分布)を評価するために、観測角度に対するJIS Z8726に基づいて相関色温度を測定した。すなわち、発光装置から放出される光が見る角度によって異なって見えると、色むらが大きくなるので、観測角度毎の相関色温度を測定して、その最大値と最小値の差(色温度幅)を求めれば、色むらを評価することができる。観測角度に対する相関色温度の測定は、図13に示すように、封止部材20の表面から出射された光の相関色温度を封止部材20の表面の中心における接平面に対して10〜170°の範囲において10°毎の角度で測定することによって行った。なお、相関色温度は、発光装置から1.4〜1.5m離れた位置に配置した検出部に照射された光を光ファイバによって測定装置(浜松ホトニクス製の分光装置PMA−11(C7473−36))に伝送してJIS Z8725に基づいて測定した。
【0032】
その結果、図6および表1に示すように、観測角度90°における相関色温度は約4800K、色温度幅は233Kであり、色むらが非常に小さかった。また、観測角度90°における平均演色評価数Raは90と高い値であり、演色性は良好であり、色再現性が良好であった。また、表2に示すように、特殊演色評価数R9〜R15が60以上になり、太陽光下の物質の色に近くなって好ましく、特に、R9が95と高い値であるので、赤色についての色再現性が良好であり、R15が91と高い値であるので、日本人の肌色についての色再現性が良好であるため、実施例の発光装置は、非常に優れた照明用光源として使用することができる。なお、本実施例の発光装置の観測角度90°における各波長の発光強度の測定結果(発光スペクトル)を図14に示す。
【0033】
【表1】
【0034】
【表2】
【0035】
[比較例1]
小粒径蛍光体18’および18として、平均粒径(D50)が9μmのSrAl1.42Si3.58O0.42N6.58:Ceからなる組成の緑色蛍光体と、平均粒径(D50)が7μmのCaAlSiN3:Euからなる組成の赤色蛍光体を用意し、これらの2種類の小粒径蛍光体を実施例と同様のシリコーン樹脂に混合し、実施例と同様にリードフレーム12aのカップ13内に注入して樹脂を硬化させることにより、2種類の小粒径蛍光体18’および18を含む封止部材20で発光素子14を封止した。
【0036】
このようにして図7に示すようなカップ13内の構造の発光装置を作製し、この発光装置について演色評価数および観測角度に対する相関色温度を測定した。その結果、平均演色評価数Raは92であり、演色性は良好であった。しかし、図8および表1に示すように、観測角度90°における相関色温度は約5150K、色温度幅は875Kであり、色むらが大きかった。
【0037】
[比較例2]
大粒径蛍光体16として平均粒径(D50)が25μmのSrAl1.45Si3.55O0.45N6.55:Ceからなる組成の緑色蛍光体と、小粒径蛍光体18として平均粒径(D50)が7μmのCaAlSiN3:Euからなる組成の赤色蛍光体を用意し、これらの大粒径蛍光体16と小粒径蛍光体18を実施例と同様のシリコーン樹脂に混合し、実施例と同様にリードフレーム12aのカップ13内に注入して樹脂を硬化させることにより、大粒径蛍光体16および小粒径蛍光体18を含む封止部材20で発光素子14を封止した。なお、大粒径蛍光体16は、樹脂の硬化中に沈降していた。
【0038】
このようにして図9に示すようなカップ13内の構造の発光装置を作製し、この発光装置について演色評価数および観測角度に対する相関色温度を測定した。その結果、平均演色評価数Raは90であり、演色性は良好であった。しかし、図10および表1に示すように、観測角度90°における相関色温度は約6700K、色温度幅は2000Kであり、色むらが非常に大きかった。
【0039】
[比較例3]
実施例の大粒径蛍光体16の代わりに、小粒径蛍光体18として平均粒径(D50)が9μmのSrAl1.42Si3.58O0.42N6.58:Ceからなる組成の緑色蛍光体を使用し、実施例の小粒径蛍光体18の代わりに、大粒径蛍光体16として平均粒径(D50)が25μmのCaAlSiN3:Euからなる組成の赤色蛍光体を使用した以外は、実施例と同様の方法により、図11に示すようなカップ13内の構造の発光装置を作製した。
【0040】
このようにして作製した発光装置について、演色評価数および観測角度に対する相関色温度を測定した。その結果、平均演色評価数Raは90であり、演色性は良好であった。しかし、図12および表1に示すように、観測角度90°における相関色温度は約5200K、色温度幅は2400Kであり、色むらが非常に大きかった。
【符号の説明】
【0041】
10 発光装置
12a、12b リードフレーム
13 カップ(凹部)
13a 底面
14 発光素子
16 大粒径蛍光体
18 小粒径蛍光体
20 封止部材
22 導電性ワイヤ
24 モールド部材
26 金属製トレイ
28 金属板
30 直流電源
【技術分野】
【0001】
本発明は、発光装置およびその製造方法に関し、特に、発光素子とこの発光素子からの光によって異なる波長の光を発する蛍光体とを組み合わせた発光装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、近紫外〜青色領域の光を発するLEDのような発光素子と、この発光素子からの光によって異なる波長の光を発する蛍光体とを組み合わせて、白色光を発する発光装置の開発が盛んに行われている。このような白色発光装置は、照明用光源として使用する場合、発光出力(照度)が高く、色むらが小さく、演色性が良好な光を発することが求められている。
【0003】
このような白色発光装置からの光を演色性が良好な白色光にするために、LEDチップからの光によって異なる波長の光を発する2種類の蛍光体を混合した樹脂をLEDチップの周囲に配置させることが提案されている(例えば、特許文献1〜5参照)。また、LEDチップからの光の少なくとも一部を吸収して異なる波長の光を発する大粒径蛍光物質と小粒径蛍光物質を含有する透光性樹脂をLEDチップの周囲に配置し、大粒径蛍光物質をLEDチップの近傍に分布させて色変換層を形成して効率的に色変換を行い、小粒径蛍光物質を色変換層の外側に分布させて色むらを抑制することが提案されている(例えば、特許文献6参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2000−244021号公報(段落番号0010−0020)
【特許文献2】特開2001−127346号公報(段落番号0010−0017)
【特許文献3】特開2003−101081号公報(段落番号0016−0017)
【特許文献4】特開2003−318447号公報(段落番号0005−0025)
【特許文献5】特開2004−152993号公報(段落番号0007−0010)
【特許文献6】国際公開WO02/059982号公報(第4−6頁)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
白色発光装置の輝度を向上させるためには、蛍光体として光変換効率が高い大粒径の蛍光体を使用するのが好ましい。しかし、大粒径の蛍光体を樹脂に混合して樹脂を硬化させると、樹脂が硬化するまでの間に蛍光体が樹脂中で沈降し易いため、樹脂中の場所によって蛍光体の量にばらつきが生じてしまう。そのため、LEDからの光が樹脂中を通過する光路毎に蛍光体によって波長変換される光の量が変わってしまうので、色むらが生じてしまう。
【0006】
また、蛍光体の沈降を防止するために粘度の高い樹脂を使用すると、樹脂中に気泡が混入してしまい、気泡に進入した光が閉じ込められて発光出力が低下する。また、ディスペンサなどを用いて樹脂を塗布する場合、粘度の高い樹脂ではノズルから吐出し難くなるので、樹脂の塗布量を調整し難くなり、色温度を調整し難くなるという問題がある。
【0007】
一方、蛍光体として小粒径の蛍光体を使用すれば、樹脂中の蛍光体の沈降による色むらを防止することができるが、一般に蛍光体の粒経が小さくなると光変換効率が低下するため、作製した白色発光装置の発光出力が低下するという問題が生じる。
【0008】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、発光出力が高く、色むらが小さく、且つ演色性が良好な発光装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する大粒径蛍光体を発光素子の表面に吸着させて大粒径蛍光体の層を形成した後、この大粒径蛍光体よりも粒径が小さく且つ発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する小粒径蛍光体を含む封止部材で発光素子および大粒径蛍光体の層を封止することにより、発光出力が高く、色むらが小さく、且つ演色性が良好な発光装置を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0010】
すなわち、本発明による発光装置の製造方法は、所定のピーク波長の光を発する発光素子と、この発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する大粒径蛍光体と、この大粒径蛍光体よりも粒径が小さく且つ発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する小粒径蛍光体とを用意し、発光素子の表面に大粒径蛍光体を吸着させて大粒径蛍光体の層を形成した後、小粒径蛍光体を含む封止部材によって発光素子および大粒径蛍光体の層を封止することを特徴とする。
【0011】
この発光装置の製造方法において、静電吸着により大粒径蛍光体を発光素子の表面に吸着させるのが好ましい。また、大粒径蛍光体の粒径は、好ましくは10μm以上且つ50μm未満、さらに好ましくは20〜40μmであり、小粒径蛍光体の粒径は、好ましくは1μm以上且つ10μm未満、さらに好ましくは3〜8μmである。さらに、封止部材に小粒径蛍光体を分散させるのが好ましい。
【0012】
また、本発明による発光装置は、凹部が形成された載置部と、この載置部の凹部の底面に載置されて所定のピーク波長の光を発する発光素子と、この発光素子の表面に形成されて発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する大粒径蛍光体の層と、この大粒径蛍光体よりも粒径が小さく且つ発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する小粒径蛍光体と、この小粒径蛍光体が分散して発光素子および大粒径蛍光体の層を載置部の凹部内に封止する封止部材とを備え、小粒径蛍光体の量が大粒径蛍光体と小粒径蛍光体の総量の20質量%以下であり、封止部材の表面から出射された光の相関色温度を封止部材の表面の中心における接平面に対して10〜170°の範囲において10°毎の角度で測定したときの相関色温度の最大値と最小値の差が500K以下であることを特徴とする。相関色温度の最大値と最小値の差が500K以下であれば、様々な方向に均一な白色光を発することができ、照明用光源として使用することができる。
【0013】
この発光装置において、相関色温度の最大値と最小値の差が300K以下であるのが好ましい。相関色温度の最大値と最小値の差が300K以下であれば、色むらをさらに小さくすることができるので、発光装置をスポット照明などにも適用することができる。大粒径蛍光体の粒径は、好ましくは10μm以上且つ50μm未満、さらに好ましくは20〜40μmであり、小粒径蛍光体の粒径は、好ましくは1μm以上且つ10μm未満、さらに好ましくは3〜8μmである。また、この発光装置の平均演色評価数Raが90以上であるのが好ましい。平均演色評価数Raが90以上であれば、発光装置の光を物体に照射した際に目に見える物体の色が、太陽光を物体に照射した際に目に見える物体の色に近くなって、色再現性が良好になり、照明用光源として使用するのに好ましいからである。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、発光出力が高く、色むらが小さく、且つ演色性が良好な発光装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明による発光装置の実施の形態を概略的に示す断面図である。
【図2】図1の発光装置の発光素子を載置した一方のリードフレームのカップの部分を拡大して示す断面図である。
【図3】発光装置に使用する蛍光体の平均粒径と発光装置の相対発光強度との関係を示すグラフである。
【図4】本発明による発光装置の製造方法の実施の形態における大粒径蛍光体の静電吸着工程を説明する概略図である。
【図5】実施例の発光装置のリードフレームのカップ内の構造を説明する概略図である。
【図6】実施例の発光装置の観測角度と相関色温度との関係を示すグラフである。
【図7】比較例1の発光装置のリードフレームのカップ内の構造を説明する概略図である。
【図8】比較例1の発光装置の観測角度と相関色温度との関係を示すグラフである。
【図9】比較例2の発光装置のリードフレームのカップ内の構造を説明する概略図である。
【図10】比較例2の発光装置の観測角度と相関色温度との関係を示すグラフである。
【図11】比較例3の発光装置のリードフレームのカップ内の構造を説明する概略図である。
【図12】比較例3の発光装置の観測角度と相関色温度との関係を示すグラフである。
【図13】相関色温度の観測角度を説明する図である。
【図14】実施例の発光装置の観測角度90°における発光スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、添付図面を参照して、本発明による発光装置およびその製造方法の実施の形態について説明する。
【0017】
図1は、本発明による発光装置の実施の形態を概略的に示す断面図であり、図2は、図1の発光装置の発光素子を載置した一方のリードフレームのカップの部分を拡大して示す断面図である。図1および図2に示すように、本実施の形態の発光装置10は、互いに離間して配置された一対のリードフレーム12aおよび12bと、一方のリードフレーム12aの先端部に形成されたカップ(凹部)13の底面13aに載置された発光素子14と、この発光素子14の表面を覆うように配置された大粒径蛍光体16と、この大粒径蛍光体16を覆うようにリードフレーム12aのカップ13内に充填された小粒径蛍光体18を含む封止部材20と、リードフレーム12a、12bの先端部分を覆う透明のモールド部材24とから構成されている。
【0018】
なお、発光素子14の底面には、(図示しない)一対の電極のうちの一方の電極、例えば、Au−Sn電極が設けられ、発光素子14の上面には、他方の電極、例えば、Au電極が設けられている。発光素子14の底面の電極は、ダイボンディングによって一方のリードフレーム12aのカップ13の底面13aに電気的に接続され、発光素子14の上面の電極は、金線などの導電性ワイヤ22によって他方のリードフレーム12bに電気的に接続されている。
【0019】
発光素子14としては、ピーク波長420〜490nmの青色または青紫などの青色系の可視光を発光し、例えば、窒化ガリウム系半導体結晶からなる青色LEDチップを使用することができる。しかし、本発明による発光装置の発光素子14として使用可能なLEDチップは、青色LEDチップだけでなく、紫外光や近紫外光を発光可能な発光素子でもよい。また、発光素子14としては、通常、0.3〜1mm角程度の略正方形の平面形状のLEDチップを使用することができる。
【0020】
大粒径蛍光体16と小粒径蛍光体18は、同じ材料でもよいし、異なる材料でもよいが、発光素子14との組み合わせによって外部から観察される光が白色光になるような材料であるのが好ましい。また、図3に示すように、蛍光体の平均粒径が大きくなるほど相対発光強度が高くなるので、大粒径蛍光体16の平均粒径が10〜50μm程度であるのが好ましい。また、一般に蛍光体の結晶性が高い方が発光効率が高くなり、結晶性を十分に高めるために必要な熱処理を施すと平均粒径が10μm以上になる。なお、上述したように、通常使用するLEDチップは、0.3〜1mm角程度の略正方形の平面形状のLEDチップであるので、大粒径蛍光体16の粒径が大き過ぎると、LEDチップの表面に数個の大粒径蛍光体16しか配置することができなくなる。そのため、大粒径蛍光体16の平均粒径が50μm以上になると、以下の理由により望ましくない。すなわち、(1)一つ一つの大粒径蛍光体16の発光効率の相違による影響が大きくなって色むらが発生し易くなり、(2)LEDチップの表面を均一に覆うことができないので色むらになり、(3)大粒径蛍光体16同士の隙間が大きくなって、LEDチップの光が大粒径蛍光体16に当たって大粒径蛍光体16から発光する波長変換光と、大粒径蛍光体16の隙間を通過するLEDチップからの光とのコントラストがはっきりし過ぎて色むらになるからである。なお、小粒径蛍光体18の平均粒径は、沈降し難いように1〜10μm程度であるのが好ましい。また、大粒径蛍光体16と小粒径蛍光体18は、例えば、黄色と赤色のように別々の色の光を発する蛍光体が好ましいが、同じ色の光を発する蛍光体でもよい。なお、本発明による発光装置は、白色光を発する発光装置に限らず、あらゆる色の光を発する発光装置に応用することができる。
【0021】
なお、小粒径蛍光体18の量は、大粒径蛍光体16と小粒径蛍光体18の総量の20質量%以下にするのが好ましい。発光装置の発光出力に大きく寄与するのは大粒径蛍光体16であるので、粒径蛍光体18の量が少なくても、発光装置の発光出力に対する影響は非常に少ないため、発光装置の発光出力を高く保持したまま、演色性が良好で色むらが少ない発光装置を製造することができる。
【0022】
リードフレーム12は、銅、銅亜鉛合金、鉄ニッケル合金などの金属からなるのが好ましい。また、封止部材20の材料は、エポキシ樹脂やシリコーン系樹脂などの透光性の樹脂の他、ガラス材料でもよいが、耐熱性、耐紫外線性および作業性の観点からシリコーン系樹脂であるのが好ましい。
【0023】
以上のように構成された本実施の形態の発光装置10は、以下のように製造することができる。
【0024】
まず、(図示しない)ダイボンダによって一方のリードフレーム12aのカップ13の底面13aに発光素子14の一方の面をダイボンディング(接着固定)して、発光素子14の一方の電極を一方のリードフレーム12aに電気的に接続する。このダイボンディングの後、一対のリードフレーム12aおよび12bを(図示しない)ワイヤボンダに移送し、金線などの導電性ワイヤ22によって発光素子14の他方の電極を他方のリードフレーム12bにワイヤボンディングして電気的に接続する。
【0025】
次に、一対のリードフレーム12aおよび12bを静電吸着装置に移送し、リードフレーム12aのカップ13にダイボンディングされた発光素子14の表面に大粒径蛍光体16を静電吸着させて、粒径の大きい蛍光体の波長変換層を発光素子14の表面に均等に形成する。すなわち、図4に示すように、大粒径蛍光体16を金属製トレイ26上に載せ、この金属製トレイ26を金属板28上に配置した後、リードフレーム12aのカップ13の開口部が金属製トレイ26に対向するように金属製トレイ26の上方10mmの位置にリードフレーム12aおよび12bを設置し、リードフレーム12aを配線により接地する。次に、直流電源30により金属板28に−10kVの電圧を印加して、金属板28とリードフレーム12aの間に10kVの電位差を生じさせることにより、金属板28上に配置された金属製トレイ26上の大粒径蛍光体16の粒子を負に帯電させて、正に帯電した発光素子14上に吸着させる。このようにして、静電吸着によって目的の色温度になる厚さまで大粒径蛍光体16の層をカップ13内の発光素子14上に形成する。なお、本実施の形態では発光素子14の表面に大粒径蛍光体16を静電吸着させているが、発光素子14の表面に大粒径蛍光体16を均等な厚さに形成することができれば、静電吸着以外の吸着方法を使用してもよい。
【0026】
次に、一対のリードフレーム12aおよび12bを(図示しない)モールド装置に移送し、このモールド装置のディスペンサによりリードフレーム12aのカップ13内に小粒径蛍光体18および封止部材20を注入する。このようにして小粒径蛍光体18が分散した封止部材20により大粒径蛍光体16が保持される。なお、封止部材20の材料として樹脂を使用する場合に、樹脂中に分散させる蛍光体が小粒径蛍光体18であるため、蛍光体の粒子が沈降し難く、樹脂中の蛍光体の沈降による色むらを防止することができる。
【0027】
最後に、予めモールド部材が注入された(図示しない)モールド型枠の中にリードフレーム12aおよび12bを浸漬した後、型枠を外して樹脂を硬化させると、図1に示すような砲弾型の発光装置を製造することができる。
【実施例】
【0028】
以下、本発明による発光装置およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
【0029】
まず、一方のリードフレーム12aのカップ13内に発光素子14として(活性層の組成がInGaNからなり、発光波長のピークが460nmの)青色LEDチップをダイボンディングした後、ワイヤボンディングした。また、大粒径蛍光体16として、平均粒径(D50)が25μmのSrAl(1+x)Si(4−x)OxN(7−x):Ce(0≦x≦1)と表記されるx=0.45の蛍光体(SrAl1.45Si3.55O0.45N6.55:Ceからなる組成の緑色蛍光体)を用意した。次に、図4に示すように、この大粒径蛍光体16を金属製トレイ26上に載せて、この金属製トレイ26を金属板28上に配置した後、リードフレーム12aのカップ13の開口部が金属製トレイ26に対向するように金属製トレイ16の上方10mmの位置にリードフレーム12aを設置し、リードフレーム12aを配線により接地した。次に、金属板28に−10kVの電圧を印加して、金属板28とリードフレーム12aの間に10kVの電位差を生じさせることにより、金属板28上に配置された金属製トレイ26上の大粒径蛍光体16の粒子を負に帯電させて、正に帯電した青色LEDチップ14上に吸着させた。このようにして、静電吸着によって、目的の色温度にするのに必要な厚さになるまで大粒径蛍光体16の層をカップ13内の青色LEDチップ14上に形成した。
【0030】
また、小粒径蛍光体18として、平均粒径(D50)が7μmのCaAlSiN3:Euからなる組成の赤色蛍光体を用意した。この小粒径蛍光体18とSiO2からなる粒径7nmの沈降防止剤とを粘度350mPa・sのシリコーン樹脂(信越化学工業製のSCR−1011)に混合し、リードフレーム12aのカップ13内に注入して樹脂を硬化させることにより、小粒径蛍光体18が分散した封止部材20で大粒径蛍光体16を封止した。
【0031】
このようにして図5に示すようなカップ13内の構造の発光装置を作製し、この発光装置について演色評価数を測定した。また、色むら(色温度分布)を評価するために、観測角度に対するJIS Z8726に基づいて相関色温度を測定した。すなわち、発光装置から放出される光が見る角度によって異なって見えると、色むらが大きくなるので、観測角度毎の相関色温度を測定して、その最大値と最小値の差(色温度幅)を求めれば、色むらを評価することができる。観測角度に対する相関色温度の測定は、図13に示すように、封止部材20の表面から出射された光の相関色温度を封止部材20の表面の中心における接平面に対して10〜170°の範囲において10°毎の角度で測定することによって行った。なお、相関色温度は、発光装置から1.4〜1.5m離れた位置に配置した検出部に照射された光を光ファイバによって測定装置(浜松ホトニクス製の分光装置PMA−11(C7473−36))に伝送してJIS Z8725に基づいて測定した。
【0032】
その結果、図6および表1に示すように、観測角度90°における相関色温度は約4800K、色温度幅は233Kであり、色むらが非常に小さかった。また、観測角度90°における平均演色評価数Raは90と高い値であり、演色性は良好であり、色再現性が良好であった。また、表2に示すように、特殊演色評価数R9〜R15が60以上になり、太陽光下の物質の色に近くなって好ましく、特に、R9が95と高い値であるので、赤色についての色再現性が良好であり、R15が91と高い値であるので、日本人の肌色についての色再現性が良好であるため、実施例の発光装置は、非常に優れた照明用光源として使用することができる。なお、本実施例の発光装置の観測角度90°における各波長の発光強度の測定結果(発光スペクトル)を図14に示す。
【0033】
【表1】
【0034】
【表2】
【0035】
[比較例1]
小粒径蛍光体18’および18として、平均粒径(D50)が9μmのSrAl1.42Si3.58O0.42N6.58:Ceからなる組成の緑色蛍光体と、平均粒径(D50)が7μmのCaAlSiN3:Euからなる組成の赤色蛍光体を用意し、これらの2種類の小粒径蛍光体を実施例と同様のシリコーン樹脂に混合し、実施例と同様にリードフレーム12aのカップ13内に注入して樹脂を硬化させることにより、2種類の小粒径蛍光体18’および18を含む封止部材20で発光素子14を封止した。
【0036】
このようにして図7に示すようなカップ13内の構造の発光装置を作製し、この発光装置について演色評価数および観測角度に対する相関色温度を測定した。その結果、平均演色評価数Raは92であり、演色性は良好であった。しかし、図8および表1に示すように、観測角度90°における相関色温度は約5150K、色温度幅は875Kであり、色むらが大きかった。
【0037】
[比較例2]
大粒径蛍光体16として平均粒径(D50)が25μmのSrAl1.45Si3.55O0.45N6.55:Ceからなる組成の緑色蛍光体と、小粒径蛍光体18として平均粒径(D50)が7μmのCaAlSiN3:Euからなる組成の赤色蛍光体を用意し、これらの大粒径蛍光体16と小粒径蛍光体18を実施例と同様のシリコーン樹脂に混合し、実施例と同様にリードフレーム12aのカップ13内に注入して樹脂を硬化させることにより、大粒径蛍光体16および小粒径蛍光体18を含む封止部材20で発光素子14を封止した。なお、大粒径蛍光体16は、樹脂の硬化中に沈降していた。
【0038】
このようにして図9に示すようなカップ13内の構造の発光装置を作製し、この発光装置について演色評価数および観測角度に対する相関色温度を測定した。その結果、平均演色評価数Raは90であり、演色性は良好であった。しかし、図10および表1に示すように、観測角度90°における相関色温度は約6700K、色温度幅は2000Kであり、色むらが非常に大きかった。
【0039】
[比較例3]
実施例の大粒径蛍光体16の代わりに、小粒径蛍光体18として平均粒径(D50)が9μmのSrAl1.42Si3.58O0.42N6.58:Ceからなる組成の緑色蛍光体を使用し、実施例の小粒径蛍光体18の代わりに、大粒径蛍光体16として平均粒径(D50)が25μmのCaAlSiN3:Euからなる組成の赤色蛍光体を使用した以外は、実施例と同様の方法により、図11に示すようなカップ13内の構造の発光装置を作製した。
【0040】
このようにして作製した発光装置について、演色評価数および観測角度に対する相関色温度を測定した。その結果、平均演色評価数Raは90であり、演色性は良好であった。しかし、図12および表1に示すように、観測角度90°における相関色温度は約5200K、色温度幅は2400Kであり、色むらが非常に大きかった。
【符号の説明】
【0041】
10 発光装置
12a、12b リードフレーム
13 カップ(凹部)
13a 底面
14 発光素子
16 大粒径蛍光体
18 小粒径蛍光体
20 封止部材
22 導電性ワイヤ
24 モールド部材
26 金属製トレイ
28 金属板
30 直流電源
【特許請求の範囲】
【請求項1】
凹部が形成された載置部と、この載置部の凹部の底面に載置されて所定のピーク波長の光を発する発光素子と、この発光素子の表面に形成されて発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する大粒径蛍光体の層と、この大粒径蛍光体よりも粒径が小さく且つ発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する小粒径蛍光体と、この小粒径蛍光体が分散して発光素子および大粒径蛍光体の層を載置部の凹部内に封止する封止部材とを備え、小粒径蛍光体の量が大粒径蛍光体と小粒径蛍光体の総量の20質量%以下であり、封止部材の表面から出射された光の相関色温度を封止部材の表面の中心における接平面に対して10〜170°の範囲において10°毎の角度で測定したときの相関色温度の最大値と最小値の差が500K以下であることを特徴とする、発光装置。
【請求項2】
前記大粒径蛍光体の粒径が10μm以上且つ50μm未満であり、前記小粒径蛍光体の粒径が1μm以上且つ10μm未満であることを特徴とする、請求項1に記載の発光装置。
【請求項3】
平均演色評価数Raが90以上であることを特徴とする、請求項1または2に記載の発光装置。
【請求項1】
凹部が形成された載置部と、この載置部の凹部の底面に載置されて所定のピーク波長の光を発する発光素子と、この発光素子の表面に形成されて発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する大粒径蛍光体の層と、この大粒径蛍光体よりも粒径が小さく且つ発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する小粒径蛍光体と、この小粒径蛍光体が分散して発光素子および大粒径蛍光体の層を載置部の凹部内に封止する封止部材とを備え、小粒径蛍光体の量が大粒径蛍光体と小粒径蛍光体の総量の20質量%以下であり、封止部材の表面から出射された光の相関色温度を封止部材の表面の中心における接平面に対して10〜170°の範囲において10°毎の角度で測定したときの相関色温度の最大値と最小値の差が500K以下であることを特徴とする、発光装置。
【請求項2】
前記大粒径蛍光体の粒径が10μm以上且つ50μm未満であり、前記小粒径蛍光体の粒径が1μm以上且つ10μm未満であることを特徴とする、請求項1に記載の発光装置。
【請求項3】
平均演色評価数Raが90以上であることを特徴とする、請求項1または2に記載の発光装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【公開番号】特開2010−166065(P2010−166065A)
【公開日】平成22年7月29日(2010.7.29)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−32504(P2010−32504)
【出願日】平成22年2月17日(2010.2.17)
【分割の表示】特願2007−64451(P2007−64451)の分割
【原出願日】平成19年3月14日(2007.3.14)
【出願人】(506334182)DOWAエレクトロニクス株式会社 (336)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成22年7月29日(2010.7.29)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年2月17日(2010.2.17)
【分割の表示】特願2007−64451(P2007−64451)の分割
【原出願日】平成19年3月14日(2007.3.14)
【出願人】(506334182)DOWAエレクトロニクス株式会社 (336)
【Fターム(参考)】
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