JP2018137381A - 発光デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体を含む樹脂が熱により劣化し黒色化するのを抑制することができる発光デバイス及びその製造方法を提供する。【解決手段】パッケージ１０と、パッケージ１０の底部１０ａに配置される、励起光Ｌ１を出射する光源３と、光源３を封止する第１の樹脂層１と、励起光Ｌ１を波長変換する蛍光体４を含み、第１の樹脂層１の上に設けられる第２の樹脂層２と、第１の樹脂層１と第２の樹脂層２の間に設けられる透明放熱部材５とを備えることを特徴としている。【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）やＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）等の励起光源を用いた発光デバイス及びその製造方法に関するものである。

近年、蛍光ランプや白熱灯に代わる次世代の光源として、ＬＥＤやＬＤを用いた発光デバイス等に対する注目が高まってきている。そのような次世代光源の一例として、青色光を出射するＬＥＤと、ＬＥＤからの光の一部を吸収して黄色光に変換する波長変換部材とを組み合わせた発光デバイスが開示されている。この発光デバイスは、ＬＥＤから出射され、波長変換部を透過した青色光と、波長変換部から出射された黄色光との合成光である白色光を発する。特許文献１には、波長変換部の一例として、パッケージ内に、蛍光体を分散させた樹脂が配置された波長変換部が開示されている。

特開２０１５−２２０３３０号公報

本発明者らは、蛍光体を含む樹脂からなる波長変換部を用いた場合、長時間使用すると熱により樹脂が劣化し黒色化して、発光強度が低下するという課題があることを見出した。

本発明の目的は、蛍光体を含む樹脂が熱により劣化し黒色化するのを抑制することができる発光デバイス及びその製造方法を提供することにある。

本発明の発光デバイスは、パッケージと、パッケージの底部に配置される、励起光を出射する光源と、光源を封止する第１の樹脂層と、励起光を波長変換する蛍光体を含み、第１の樹脂層の上に設けられる第２の樹脂層と、第１の樹脂層と第２の樹脂層の間に設けられる透明放熱部材とを備えることを特徴としている。

透明放熱部材は、ガラスまたはセラミックからなることが好ましい。

本発明においては、第１の樹脂層と第２の樹脂層の間における励起光の照射領域を覆うように、透明放熱部材が設けられていることが好ましい。この場合、透明放熱部材の面積は、励起光の照射領域の面積の２倍以上であることが好ましい。

本発明においては、透明放熱部材と、第１の樹脂層及び第２の樹脂層を構成するそれぞれの樹脂との屈折率の差が、０．４以下であることが好ましい。ここで、屈折率は波長５８７ｎｍにおける値を指す。

本発明においては、第２の樹脂層の光出射側にも、別の透明放熱部材が設けられていてもよい。

本発明の第１の製造方法は、上記本発明の発光デバイスを製造する方法であって、パッケージの底部に光源を配置する工程と、光源を第１の樹脂層により封止する工程と、第１の樹脂層の上に、透明放熱部材を配置する工程と、透明放熱部材の上に、第２の樹脂層を形成するための硬化前の樹脂を導入する工程と、硬化前の樹脂を硬化させて、第２の樹脂層を形成する工程とを備えることを特徴としている。

本発明の第２の製造方法は、上記本発明の発光デバイスを製造する方法であって、パッケージの底部に光源を配置する工程と、光源を第１の樹脂層により封止する工程と、第１の樹脂層の上に、透明放熱部材が下方に取り付けられた硬化状態の第２の樹脂層を配置する工程とを備えることを特徴としている。

本発明に係る発光デバイスによれば、蛍光体を含む樹脂が熱により劣化し黒色化するのを抑制することができる。

本発明の第１の実施形態の発光デバイスを示す模式的断面図である。 図１に示す実施形態における透明放熱部材の面積を説明するための模式的断面図である。 本発明の第２の実施形態の発光デバイスを示す模式的断面図である。 本発明の第３の実施形態の発光デバイスを示す模式的断面図である。 本発明の第２の製造方法の実施形態における第２の樹脂層の一例を示す模式的断面図である。 本発明の第２の製造方法の実施形態における第２の樹脂層の他の例を示す模式的断面図である。

以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の発光デバイスを示す模式的断面図である。図１に示すように、本実施形態の発光デバイス２１は、パッケージ１０と、パッケージ１０の底部１０ａに配置される光源３と、パッケージ１０内に設けられる第１の樹脂層１と、パッケージ１０内において第１の樹脂層１の上方に設けられる第２の樹脂層２と、パッケージ１０内において第１の樹脂層１と第２の樹脂層２の間に設けられる透明放熱部材５とを備えている。光源３は、第１の樹脂層１を構成する樹脂１ａによって封止されている。第２の樹脂層２は、蛍光体４を含んでいる。蛍光体４は、粒子の形態で含まれており、第２の樹脂層２を構成する樹脂２ａ中に分散している。パッケージ１０の開口部１０ｂは、蓋材１１により封止されている。

第１の樹脂層１内に設けられた光源３からは、励起光Ｌ１が出射される。励起光Ｌ１は、透明放熱部材５を通り、第２の樹脂層２に出射される。第２の樹脂層２内に設けられた蛍光体４は、励起光Ｌ１を波長変換し、蛍光を出射する。蛍光体４から出射された蛍光と、第２の樹脂層２を透過した励起光Ｌ１との合成光Ｌ２が、蓋材１１を通り発光デバイス２１から出射される。

励起光Ｌ１は、蛍光体４を励起して蛍光を出射させるとともに、その一部は熱エネルギーに変換される。このため、第２の樹脂層２を構成する樹脂２ａは、励起光Ｌ１の照射により加熱される。本発明者らは、この熱により樹脂２ａが劣化し第２の樹脂層２が黒色化して発光強度が低下するという問題があることを見出した。また、この熱により、第２の樹脂層２に含まれる蛍光体４の発光特性も低下する。

本実施形態では、第１の樹脂層１と第２の樹脂層２の間に透明放熱部材５が設けられる。このため、第２の樹脂層２内で生じた熱を拡散することができ、第２の樹脂層２内で局所的に加熱されるのを抑制することができる。特に、励起光Ｌ１のエネルギー分布は通常中心部において高くなっているので、励起光Ｌ１の中心部において発生する熱エネルギーも大きくなる傾向がある。そのため、第１の樹脂層１と第２の樹脂層２の間に透明放熱部材５を設けることにより、励起光Ｌ１の中心部において生じた熱を周辺部に拡散することができる。従って、本実施形態では、第２の樹脂層２が熱により劣化し黒色化するのを抑制することができ、発光強度が低下するのを抑制することができる。透明放熱部材５は、少なくとも周縁部の一部がパッケージ１０に接していることが好ましい。このようにすれば、発生した熱を外部に効率的に放出することができる。

図２は、本実施形態における透明放熱部材５をさらに説明するための模式的断面図である。図２に示すように、本実施形態における透明放熱部材５の面積Ｓ１は、励起光Ｌ１の照射領域の面積Ｓ２より大きくなっている。このため、透明放熱部材５は、第１の樹脂層１と第２の樹脂層２の間における励起光Ｌ１の照射領域を覆うことができる。透明放熱部材５の面積Ｓ１は、励起光Ｌ１の照射領域の面積Ｓ２の１．１倍以上であることが好ましく、１．３倍以上であることがより好ましく、１．５倍以上であることがさらに好ましく、２倍以上であることがなお好ましく、３倍以上であることが特に好ましく、４倍以上であることが最も好ましい。これにより、第２の樹脂層２内で生じた熱をより効果的に拡散することができる。なお、透明放熱部材５は、励起光Ｌ１の照射で生じた第１の樹脂層１内の熱も拡散することができる。

透明放熱部材５の材質は、励起光Ｌ１（さらには蛍光体４から出射する蛍光）を透過し、かつ第１の樹脂層１を構成する樹脂１ａ及び第２の樹脂層２を構成する樹脂２ａより高い熱伝導率を有するものであれば、特に限定されることなく用いることができる。透明放熱部材５の熱伝導率は１Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましく、３Ｗ／ｍＫ以上であることがより好ましく、５Ｗ／ｍＫ以上であることがさらに好ましく、１０Ｗ／ｍＫ以上であることが特に好ましい。このような材料として、ガラス及びセラミックが挙げられる。ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＲＯ（ＲはＭｇ、Ｃａ、ＳｒまたはＢａ）系ガラス、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｒ’_２Ｏ（Ｒ’はＬｉ、ＮａまたはＫ）系ガラスまたはＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＲＯ−Ｒ’_２Ｏ系ガラス等が挙げられる。ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＲＯ系ガラスとしては、例えば日本電気硝子株式会社製の「ＯＡ−１０Ｇ」（熱伝導率１Ｗ／ｍＫ）が好適である。セラミックとしては、高熱伝導性セラミックを用いることができる。高熱伝導性セラミックとしては、例えば、酸化アルミニウム系セラミック、窒化アルミニウム系セラミック、炭化ケイ素系セラミック、窒化ホウ素系セラミック、酸化マグネシウム系セラミック、酸化チタン系セラミック、酸化ニオビウム系セラミック、酸化亜鉛系セラミック、酸化イットリウム系セラミック等が挙げられる。

透明放熱部材５の厚みは、励起光Ｌ１の透過性及び熱伝導性等を考慮して適宜決定することができる。透明放熱部材５の厚みは、例えば、０．００１ｍｍ〜１ｍｍの範囲であることが好ましく、０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲であることがより好ましく、０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲であることがさらに好ましい。

光源３としては、例えば、青色光を励起光Ｌ１として出射するＬＥＤ光源やＬＤ光源等が用いられる。励起光Ｌ１が青色光である場合、例えば、黄色光が蛍光体４から蛍光として出射され、励起光Ｌ１と蛍光の合成光Ｌ２として白色光が出射される。あるいは、励起光Ｌ１が青色光である場合に、蛍光体４として緑色光を出射するものと赤色光を出射するものを混合して使用することにより、励起光Ｌ１と蛍光の合成光Ｌ２として白色光が出射される。

第１の樹脂層１を構成する樹脂１ａとしては、例えば、透光性を有する紫外線硬化性樹脂や熱硬化性樹脂等の硬化性樹脂が用いられる。具体的には、例えば、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、シリコーン系樹脂等を用いることができる。第２の樹脂層２を構成する樹脂２ａも、樹脂１ａと同様のものを用いることができる。

透明放熱部材５と、第１の樹脂層１及び第２の樹脂層２を構成するそれぞれの樹脂１ａ及び２ａとの屈折率の差は、０．４以下であることが好ましく、０．３以下であることがより好ましく、０．２以下であることがさらに好ましい。屈折率の差を小さくすることにより、透明放熱部材５と第１の樹脂層１との界面及び／または透明放熱部材５と第２の樹脂層２との界面における励起光Ｌ１の反射を低減することができ、発光効率及び光の取り出し効率を高めることができる。

第２の樹脂層２に含まれる蛍光体４としては、例えば、量子ドットを用いることができる。量子ドットとしては、ＩＩ−ＶＩ族化合物、及びＩＩＩ−Ｖ族化合物等が挙げられる。ＩＩ−ＶＩ族化合物としては、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ等が挙げられる。ＩＩＩ−Ｖ族化合物としては、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＡｓまたはＩｎＳｂ等が挙げられる。これらの化合物から選択される少なくとも１種、またはこれらのうちの２種以上の複合体を量子ドットとして用いることができる。複合体としては、コアシェル構造のものが挙げられ、例えばＣｄＳｅ粒子表面がＺｎＳによりコーティングされたコアシェル構造のものが挙げられる。

蛍光体４は、量子ドットに限定されるものではなく、例えば、酸化物蛍光体、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体、塩化物蛍光体、酸塩化物蛍光体、硫化物蛍光体、酸硫化物蛍光体、ハロゲン化物蛍光体、カルコゲン化物蛍光体、アルミン酸塩蛍光体、ハロリン酸塩化物蛍光体またはガーネット系化合物蛍光体等の無機蛍光体粒子等を用いてもよい。

パッケージ１０は、例えば、セラミックやガラス等から構成することができる。セラミックとしては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ジルコニア、ムライト等が挙げられる。また、セラミックは、ＬＴＣＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）等のガラスセラミックであってもよい。ＬＴＣＣの具体例としては、酸化チタンや酸化ニオブ等の無機粉末とガラス粉末との焼結体等が挙げられる。ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＲＯ（ＲはＭｇ、Ｃａ、ＳｒまたはＢａ）系ガラス、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｒ’_２Ｏ（Ｒ’はＬｉ、ＮａまたはＫ）系ガラス、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＲＯ−Ｒ’_２Ｏ系ガラス、ＳｎＯ−Ｐ_２Ｏ_５系ガラス、ＴｅＯ_２系ガラスまたはＢｉ_２Ｏ_３系ガラス等が挙げられる。

蓋材１１は、例えば、ガラス等の透明材料から構成することができる。ガラスとしては、パッケージ１０を構成する上記ガラスと同様の材料を用いることができる。

本実施形態においては、第１の樹脂層１と第２の樹脂層２との間に透明放熱部材５が設けられているので、励起光Ｌ１の照射により第２の樹脂層２に生じた熱を透明放熱部材５で拡散することができ、第２の樹脂層２が熱により劣化し黒色化するのを抑制することができる。

本実施形態では、透明放熱部材５が第１の樹脂層１及び第２の樹脂層２と接するように設けられているが、これに限定されるものではなく、透明放熱部材５と第１の樹脂層１との間、及び／または、透明放熱部材５と第２の樹脂層２との間に隙間が形成されていてもよい。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態の発光デバイス２２を示す模式的断面図である。図３に示すように、本実施形態においては、第１の樹脂層１と第２の樹脂層２の間の外側周縁の領域に、透明放熱部材５が設けられていない。そのため、この外側周縁の領域において、第１の樹脂層１と第２の樹脂層２は互いに接するように設けられている。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。

本実施形態においても、第１の樹脂層１と第２の樹脂層２との間に透明放熱部材５が設けられているので、励起光Ｌ１の照射により第２の樹脂層２に生じた熱を透明放熱部材５で拡散することができ、第２の樹脂層２が熱により劣化し黒色化するのを抑制することができる。なお、本実施形態では透明放熱部材５の周縁部がパッケージ１０に接していないが、透明放熱部材５の周縁部まで伝導した熱は、第１の樹脂層１または第２の樹脂層２を伝導してパッケージ１０、さらには外部に放出される。つまり、透明放熱部材５の周縁部がパッケージ１０に接していない場合でも、発生した熱をパッケージ１０の近傍まで伝導するという点で、放熱性を高める効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態の発光デバイス２３を示す模式的断面図である。図４に示すように、本実施形態においては、第２の樹脂層２の光出射側にも、別の透明放熱部材６が設けられている。透明放熱部材６は、透明放熱部材５と同様にして構成することができる。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。

本実施形態では、第２の樹脂層２の光出射側にも、別の透明放熱部材６が設けられているので、励起光Ｌ１の照射により第２の樹脂層２に生じた熱を透明放熱部材５及び６で効果的に拡散することができ、第２の樹脂層２が熱により劣化し黒色化するのをさらに抑制することができる。

本実施形態では、蓋材１１を設けているが、透明放熱部材６を蓋材として機能させ、蓋材１１を設けない構成としてもよい。この場合、透明放熱部材６によりパッケージ１０が封止される。

（第１の製造方法の実施形態）
図１を参照して、第１の製造方法の実施形態を説明する。パッケージ１０を用意し、パッケージ１０の底部１０ａの上に光源３を配置する。次に、硬化前の樹脂１ａをパッケージ１０内に導入し、光源３を樹脂１ａで覆う。次に、樹脂１ａを硬化させて第１の樹脂層１を形成する。

パッケージ１０内の第１の樹脂層１の上に、透明放熱部材５を配置する。このとき、透明放熱部材５の周縁部の少なくとも一部がパッケージ１０の内壁に接するように配置することが好ましい。次に、パッケージ１０内の透明放熱部材５の上に、第２の樹脂層２を形成するための硬化前の樹脂２ａを導入する。硬化前の樹脂２ａには、蛍光体４が分散して含まれている。次に、樹脂２ａを硬化させて第２の樹脂層２を形成する。次に、蓋材１１によりパッケージ１０の開口部１０ｂを封止する。

以上のようにして、本発明の第１の製造方法に従い、第１の実施形態の発光デバイス２１を製造することができる。

（第２の製造方法の実施形態）
図５は、本発明の第２の製造方法の実施形態における第２の樹脂層の一例を示す模式的断面図である。第１の製造方法では、上述のように、パッケージ１０内に硬化前の樹脂２ａを導入し、パッケージ１０内で樹脂２ａを硬化することにより第２の樹脂層２を形成している。第２の製造方法では、図５に示すような透明放熱部材５が下方に取り付けられた硬化状態の第２の樹脂層２を、パッケージ１０内の第１の樹脂層１の上に配置することにより、発光デバイスを製造する。

透明放熱部材５が下方に取り付けられた硬化状態の第２の樹脂層２は、以下のようにして製造することができる。型枠を準備し、型枠の底部に透明放熱部材５を配置し、その上に硬化前の樹脂２ａを注入し、その後樹脂２ａを硬化させて第２の樹脂層２を形成する。このようにして、透明放熱部材５が下方に取り付けられた硬化状態の第２の樹脂層２を得る。

図６は、本発明の第２の製造方法の実施形態における第２の樹脂層の他の例を示す模式的断面図である。図６に示す第２の樹脂層２においては、下方に透明放熱部材５が取り付けられ、上方に別の透明放熱部材６が取り付けられている。図６に示す硬化状態の第２の樹脂層２を、パッケージ１０内の第１の樹脂層１の上に配置することにより、図４に示す発光デバイス２３を製造することができる。

図６に示す硬化状態の第２の樹脂層２は、図５に示す硬化状態の第２の樹脂層２の上記製造方法において、型枠に樹脂２ａを注入した後、その上に透明放熱部材６を配置し、その後樹脂２ａを硬化させることにより製造することができる。

１…第１の樹脂層
１ａ…樹脂
２…第２の樹脂層
２ａ…樹脂
３…光源
４…蛍光体
５…透明放熱部材
６…透明放熱部材
１０…パッケージ
１０ａ…底部
１０ｂ…開口部
１１…蓋材
２１…発光デバイス
２２…発光デバイス
２３…発光デバイス
Ｌ１…励起光
Ｌ２…合成光
Ｓ１…透明放熱部材の面積
Ｓ２…励起光の照射領域の面積

Claims (8)

1. パッケージと、
   前記パッケージの底部に配置される、励起光を出射する光源と、
   前記光源を封止する第１の樹脂層と、
   前記励起光を波長変換する蛍光体を含み、前記第１の樹脂層の上に設けられる第２の樹脂層と、
   前記第１の樹脂層と前記第２の樹脂層の間に設けられる透明放熱部材と、
   を備える、発光デバイス。
2. 前記透明放熱部材がガラスまたはセラミックからなる、請求項１に記載の発光デバイス。
3. 前記第１の樹脂層と前記第２の樹脂層の間における前記励起光の照射領域を覆うように、前記透明放熱部材が設けられている、請求項１または２に記載の発光デバイス。
4. 前記透明放熱部材の面積が、前記照射領域の面積の２倍以上である、請求項３に記載の発光デバイス。
5. 前記透明放熱部材と、前記第１の樹脂層及び前記第２の樹脂層を構成するそれぞれの樹脂との屈折率の差が、０．４以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光デバイス。
6. 前記第２の樹脂層の光出射側にも、別の透明放熱部材が設けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光デバイス。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の発光デバイスを製造する方法であって、
   前記パッケージの前記底部に前記光源を配置する工程と、
   前記光源を前記第１の樹脂層により封止する工程と、
   前記第１の樹脂層の上に、前記透明放熱部材を配置する工程と、
   前記透明放熱部材の上に、前記第２の樹脂層を形成するための硬化前の樹脂を導入する工程と、
   前記硬化前の樹脂を硬化させて、前記第２の樹脂層を形成する工程と、
   を備える、発光デバイスの製造方法。
8. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の発光デバイスを製造する方法であって、
   前記パッケージの前記底部に前記光源を配置する工程と、
   前記光源を前記第１の樹脂層により封止する工程と、
   前記第１の樹脂層の上に、前記透明放熱部材が下方に取り付けられた硬化状態の前記第２の樹脂層を配置する工程と、
   を備える、発光デバイスの製造方法。

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