(57)【要約】【課題】発光面の輝度ムラ、色度ムラの少ない発光モジュールを提供する。【解決手段】発光モジュール１０は、半導体発光素子１８と、半導体発光素子を覆うように配置され、半導体発光素子からの放射光を波長変換する波長変換層２４と、放射光を拡散する拡散材と、を備える。拡散材は、コアシェル構造を有する粒子である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子と、
前記半導体発光素子を覆うように配置され、該半導体発光素子からの放射光を波長変換する波長変換層と、
放射光を拡散する拡散材と、を備え、
前記拡散材は、コアシェル構造を有する粒子であることを特徴とする発光モジュール。
【請求項２】
前記拡散材が内部に分散された光拡散層をさらに備え、
前記波長変換層への放射光の入射側に前記光拡散層が配置されることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
【請求項３】
前記拡散材が内部に分散された光拡散層をさらに備え、
前記波長変換層からの放射光の出射側に前記光拡散層が配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の発光モジュール。
【請求項４】
前記拡散材が中空ガラス粒子であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の発光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子を有する発光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、照明用の灯具として蛍光灯や電球が多く用いられてきた。近年、このような灯具の代替として、消費電力や寿命の観点から発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた白色発光装置が種々開発されている。
【０００３】
一般的な白色ＬＥＤでは、青色発光のＬＥＤチップを使用する。そして、青色光の一部を励起光として黄色光に変換する蛍光体を含む波長変換層を設け、青色光と黄色光とを混色することで擬似白色光を生成している。しかし、この構成では、青色光と黄色光が別々の場所から発光しているため、色度ムラが発生しやすいという問題がある。
【０００４】
特許文献１には、発光素子を被覆する第１の樹脂層と、第１の樹脂層の粘度よりも低い粘度に形成され第１の樹脂層の上側に配設される第２の樹脂層と、を具備する照明装置において、第１の樹脂層に拡散剤または反射剤を含め、第２の樹脂層に蛍光体を含めることが記載されている。これによると、ＬＥＤチップの発光を拡散剤または反射剤により多方向へ拡散させ、蛍光体による黄色光の励起を増やすことで、白色光の色度ムラが低減される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−４３０７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体発光素子は、その内部に電極を有しているが、この電極部分は発光しない。そのため、特許文献１のように樹脂層内に拡散剤または反射剤を含めるだけでは、発光モジュールの発光面に輝度ムラや色度ムラが生じてしまうことがある。
【０００７】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、発光面の輝度ムラ、色度ムラの少ない発光モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様の発光モジュールは、半導体発光素子と、半導体発光素子を覆うように配置され、該半導体発光素子からの放射光を波長変換する波長変換層と、放射光を拡散する拡散材と、を備える。拡散材は、コアシェル構造を有する粒子である。
【０００９】
この態様によると、中空のコアシェル構造を有する粒子を拡散材として使用することで、中実構造の粒子を使用する場合よりも、発光モジュールの発光面における輝度ムラ、色度ムラを小さくすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、発光面の輝度ムラ、色度ムラの少ない発光モジュールが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態に係る発光モジュールの概略断面図である。
【図２】（ａ）は図１の半導体発光素子の概略断面図であり、（ｂ）は半導体発光素子の概略平面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、中実粒子と中空粒子に光線を当てたときの屈折を表す図である。
【図４】一実施形態の複数の変形例について輝度ムラと色度ムラを測定した結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る発光モジュール１０の概略断面図である。基板１２上には、複数対の電極１４（陽極）および電極１６（陰極）が形成されている（図には一対のみを示す）。各電極１４上には、半導体発光素子１８がマウント部材２０により固定されている。発光素子１８と電極１４はマウント部材２０により電気的に導通されており、発光素子１８と電極１６はワイヤー２２により電気的に導通されている。
【００１３】
発光素子１８を覆うように、発光素子１８からの放射光を波長変換する波長変換層２４がさらに設けられる。波長変換層２４は、発光素子１８の光出射面に対する垂直方向の厚みが均一になるように形成される。波長変換層２４は、例えば透明樹脂で構成され、層内には、発光素子１８から発せられた光（例えば青色光）によって励起され補色関係にある光（例えば黄色光）を発する蛍光体が分散されている。
【００１４】
なお、図１には一つの発光素子１８のみが示されているが、実際には、発光モジュールの用途に応じた数および配置で、基板１２上に複数の発光素子１８が配列される。例えば、発光素子は基板上に格子状に配列されてもよいし、千鳥状に配列されてもよい。
【００１５】
基板１２は、導電性を有しないが熱伝導性は高い材料によって形成されることが好ましく、例えば、セラミック基板（窒化アルミニウム基板、アルミナ基板、ムライト基板、ガラスセラミック基板）やガラスエポキシ基板等を用いることができる。なお、電極１４、１６の下に絶縁層を形成すれば、金属基板（好ましくは、アルミニウム、銅、真鍮等の熱伝導率の高い材質）、ＳｉＣ基板、カーボン基板、金属とカーボンの複合基板等を用いることができる。
【００１６】
電極１４および電極１６は、金や銅等の金属材料によって形成された導電層である。
【００１７】
発光素子１８としては、例えば、青色光を発光するＬＥＤ（Light Emitting Diode）やＬＤ（Laser Diode）等を用いることができる。具体例として、ＩｎＧａＮ系の化合物半導体を挙げることができる。ＩｎＧａＮ系の化合物半導体は、Ｉｎの含有量によって発光波長域が変化する。Ｉｎの含有量が多いと発光波長が長波長となり、少ない場合は短波長となる傾向を示すが、ピーク波長が４００ｎｍ付近となる程度にＩｎが含有されたＩｎＧａＮ系の化合物半導体が発光における量子効率が最も高いことが確認されている。
【００１８】
マウント部材２０は、例えば銀ペースト等の導電性接着剤または金錫共晶はんだ等であり、発光素子１８の下面を電極１４に固定し、発光素子１８の下面側電極と基板１２上の電極１４を電気的に接続する。
【００１９】
ワイヤー２２は、金ワイヤー等の導電部材であり、例えば超音波熱圧着等により発光素子１８の上面側電極および電極１６に接合され、両者を電気的に接続する。
【００２０】
波長変換層２４は、例えば、液状またはゲル状のバインダー部材に蛍光体を混入した蛍光体ペーストを作製した後、その蛍光体ペーストを基板１２の上面に板状に塗布し、その後に蛍光体ペーストのバインダー部材を硬化することにより形成される。バインダー部材としては、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、ゾル−ゲルシリカ、アクリル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリエステル樹脂、ノルボルネン樹脂、塩化ビニル樹脂等を使用することができる。
【００２１】
図１では、一つの発光素子１８を覆うように波長変換層２４が設けられているが、蛍光体が分散されたバインダー部材によって複数の発光素子１８を含む基板１２の上面を一体的に封止するように波長変換層２４を設けることが好ましい。
【００２２】
図２（ａ）は、図１の半導体発光素子１８の概略断面図であり、図２（ｂ）は半導体発光素子１８の概略平面図である。透光性の基板３０上に、第１導電型半導体層３２、発光層３４、第２導電型半導体層３６がこの順に積層されている。第２導電型半導体層３６、発光層３４、および第１導電型半導体層３２の一部がエッチングにより除去されて露出した第１導電型半導体層３２の表面に、第１電極４０が形成される。また、第２導電型半導体層３６には第２電極３８が形成される。
【００２３】
図２（ａ）、（ｂ）から分かるように、第１電極４０の部分では発光層３４がエッチングされているため、電極間に電流を印加しても発光しない。このため、半導体発光素子１８を上面から観察したとき、第１電極の部分が周囲より暗くなり、輝度ムラが発生する。また、第１電極の上部では、発光素子の上側に位置する波長変換層に入射する光の量が他の部分よりも少なくなるため、黄色光の生成が少なくなり、色度ムラも発生する。
【００２４】
そこで、本発明の一実施形態では、中空のコアシェル構造を持つ粒子である拡散材（フィラーとも言う）を波長変換層２４内に分散させるようにした。この粒子は、例えばガラス製の微小中空球である。この拡散材が発光素子１８から発せられる光を拡散するので、発光モジュール１０の発光面２８における輝度ムラ、色度ムラを小さくすることができる。
【００２５】
中空のコアシェル構造を有する粒子を拡散材として使用することで、従来の中実構造を有する粒子を使用する場合よりも、光の拡散量を大きくすることができる。これについて、図３を参照して説明する。
【００２６】
図３（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、中実粒子と中空粒子に光線を当てたときの屈折の様子を表している。一般に、光は屈折率の異なる物質の界面で屈折または反射する。粒子の表面では、反射により光の進行方向が変わるとともに、粒子内部に進んだ光は、粒子と空気の界面で屈折する。図３（ａ）に示すように、中実粒子５０では界面の数すなわち屈折回数が二回であるのに対し、図３（ｂ）に示すように、中空粒子は粒子内部に空気を有するので界面の数すなわち屈折回数が四回になるため、光の屈折度合いが大きくなる。したがって、中実粒子よりも光拡散の効果が高い。
【００２７】
図１（ｂ）〜（ｄ）は、本実施形態の変形例を示す。図１（ａ）では、波長変換層２４内にコアシェル粒子が分散されているが、コアシェル粒子が内部に分散された光拡散層２６を波長変換層２４とは別に設けるようにしてもよい。図１（ｂ）は、独立した光拡散層２６を波長変換層２４の入射側（下側）に設けた例を示し、図１（ｃ）は、独立した光拡散層２６を波長変換層２４の出射側（上側）に設けた例を示す。図１（ｄ）に示すように、別個の光拡散層２６ａ、２６ｂを、波長変換層２４の上下すなわち入射側と出射側の両方に設けてもよい。光拡散層を波長変換層とは別個に設けることで、発光面２８における輝度ムラおよび色度ムラをさらに小さくすることができる。
【００２８】
図４は、本実施形態の複数の変形例について輝度ムラと色度ムラを測定した結果を示す。図中の変形例１〜４は、それぞれ図１（ａ）〜（ｄ）に示す構造に対応している。すなわち、変形例１は、波長変換層内にコアシェル粒子を有する構造であり、変形例２は、波長変換層の入射側に光拡散層を設けた構造であり、変形例３は、波長変換層の出射側に光拡散層を設けた構造であり、変形例４は、波長変換層の両側に光拡散層を設けた構造である。比較例として、中実粒子の拡散材を波長変換層内に分散させた構造も記載されている。
【００２９】
比較例、変形例のいずれも、波長変換層内の蛍光体としてＣｅ：ＹＡＧ粉を使用し、波長変換層および光拡散層のバインダーとしてジメチルシリコーンを使用した。拡散材は、比較例では中実のガラス粒子を使用したのに対し、変形例では、ポッターズ・バロッティーニ株式会社から市販されている、中空構造を有し粒子径が５〜３５μｍであるガラス粒子（低アルカリガラス、ソード石灰ガラス、硼珪酸ガラス、硼珪酸ナトリウムガラス）を使用した。図中には、ジメチルシリコーン、ガラス、および中空ガラス粒子内の空気の屈折率が参考として示されている。
【００３０】
輝度ムラおよび色度ムラの測定は、以下のように実施した。まず、図１（ａ）〜（ｄ）に示す構造を有するＬＥＤパッケージを組み立て、アルミダイキャスト製のヒートシンク上に組み付けた。ＬＥＤに７００ｍＡの電流を印加して１５分程度安定化させた後、コニカミノルタ製の二次元色彩色度計を使用して、ＬＥＤパッケージの発光面の輝度、輝度ムラ、色度ムラをそれぞれ測定した。なお、輝度ムラは、ＬＥＤパッケージの発光面の最高輝度と最低輝度の差を表し、色度ムラは、ＬＥＤパッケージの発光面内の色度Ｃｘの最高値と最低値の差を表している。
【００３１】
発光モジュールを車両用灯具に組み込んで路面を照射する場合、輝度ムラは５ｃｄ／ｍｍ２以下であることが好ましい。輝度ムラがこれより大きくなると、路面に配光スジが生じ、夜間長距離運転時の疲労が大きくなるためである。また、色度ムラが０．１以上である場合も、夜間長距離運転時の疲労が大きくなることが分かっている。
【００３２】
図４を参照すると、比較例の構造では、輝度ムラ、色度ムラとも値が大きすぎ、車両用灯具での使用には適していないことが分かる。これに対し、変形例１〜４のいずれの構造であっても、比較例よりも輝度が向上している上に、輝度ムラ、色度ムラが大幅に改善されていることが分かる。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態に係る発光モジュールでは、中空のコアシェル構造を有する粒子を拡散材として使用することで、従来の中実構造の粒子を使用する場合よりも、発光モジュールの発光面における輝度ムラ、色度ムラを小さくすることができる。また、発光面の輝度も高くすることができる。輝度が高いほど、より小型の発光モジュールを採用することが可能になり、それに伴い発光モジュールが組み込まれる照明器具の意匠の自由度も高くなる。
【００３４】
本発明では、中空構造を有し実質的に球形をしていれば、拡散材（フィラー）の材質は特に限定されない。実際、光の散乱の程度は、拡散材の材質よりも粒子径による影響の方が大きく、粒子径が波長付近（１μｍ程度）のときに最大となる。拡散材の材質は、上述した低アルカリガラス、ソーダ石灰ガラス、硼珪酸ガラス、硼珪酸ナトリウムガラスに限られず、粒子径が１００μｍ以下、好ましくは６０μｍ以下、さらに好ましくは３５μｍ以下である、炭酸カルシウム、シリカ、酸化チタン、水酸化アルミニウム、クレー、焼成クレー、珪酸マグネシウム、炭酸マグネシウム、ホワイトカーボン、酸化亜鉛、硫酸バリウムなどの無機フィラーであってもよいし、尿素−ホルマリン樹脂、スチレン−メタクリル酸共重合体、ポリスチレン樹脂等の有機フィラーであってもよい。
【００３５】
本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能である。各図に示す構成は、一例を説明するためのもので、同様な機能を達成できる構成であれば、適宜変更可能であり、同様な効果を得ることができる。
【００３６】
実施の形態では、半導体発光素子から青色光を発し、波長変換層内の蛍光体によって黄色光に変換し、両者を混色することで白色光を生成することを述べたが、他の方法によって白色光を生成してもよい。例えば、半導体発光素子から紫外光を発し、波長変換層内の二種類の蛍光体によってそれぞれ青色光と黄色光に変換し、両者を混色して白色光を生成してもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１８  半導体発光素子、  ２４  波長変換層、  ２６  光拡散層、  ５２  中空粒子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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