(57)【要約】  【課題】  従来のバインダー基材中に蛍光体を分散する波長変換型ＬＥＤにおいては、蛍光体の粒径を、変換効率が低いとされる５μｍ以下としなければ沈殿による光ムラなど不具合を生じ、明るい波長変換型ＬＥＤを実現できないという問題点があった。  【解決手段】  本発明により、青色、または紫外光を発光する励起素子２と、この励起素子からの発光の少なくとも一部を励起波長よりも長い波長に変換する平均粒径Ｄ50が５μｍ以上２０μｍ以下の蛍光体４と、平均粒径Ｄ50の値が蛍光体の平均粒径Ｄ50の１／１０以上である分散剤５と、蛍光体と分散剤とを含有するバインダー基材３とによって発光部１０が構成され、蛍光体と分散剤とを合算した重量が前記バインダー基材の重量の１．５倍（６０％）以下である波長変換型ＬＥＤとすることで、蛍光体のバインダー基材中での沈殿を生じないものとして課題を解決する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
青色、または紫外光を発光する励起素子と、この励起素子からの発光の少なくとも一部を励起波長よりも長い波長に変換する平均粒径Ｄ50が５μｍ以上２０μｍ以下の蛍光体と、平均粒径Ｄ50の値が蛍光体の平均粒径Ｄ50の１／１０以上である分散剤と、前記蛍光体と分散剤とを含有するバインダー基材とによって発光部が構成され、前記蛍光体と前記分散剤とを合算した重量が前記バインダー基材の重量の１．５倍（６０％）以下であることを特徴とする波長変換型ＬＥＤ。
【請求項２】
青色、または紫外光を発光する励起素子と、この励起素子からの発光の少なくとも一部を励起波長よりも長い波長に変換する平均粒径Ｄ50が５μｍ以上２０μｍ以下の蛍光体と、平均粒径Ｄ50の値が蛍光体の平均粒径Ｄ50の１／１００以下である分散剤と、前記蛍光体と分散剤とを含有するバインダー基材とによって発光部が構成され、前記蛍光体と前記分散剤とを合算した重量が前記バインダー基材の重量の半分（５０％）以下であることを特徴とする波長変換型ＬＥＤ。
【請求項３】
前記バインダー基材は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ基を有するポリジメチルシロキサン誘導体、オキセタン樹脂、アクリル樹脂、シクロオレフイン樹脂から選択される、少なくとも１種類の樹脂を含有していることを特徴とする請求項１または請求項２記載の波長変換型ＬＥＤ。
【請求項４】
前記励起素子は、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ、またはＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎの何れかの層を含んでいることを特徴とする請求項１〜請求項３何れかに記載の波長変換型ＬＥＤ。
【請求項５】
前記分散剤は、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、酸化バリウム、酸化チタンの少なくとも１つ以上を含有していることを特徴とする請求項１〜請求項４何れかに記載の波長変換型ＬＥＤ。
【請求項６】
前記蛍光体は、希土類をドープしたＹＡＧ系蛍光体、または、希土類をドープしたチオガレート系蛍光体、または、アルミン基塩、オルトケイ酸塩の少なくとも一方を含有した蛍光体、または、希土類をドープしたバリウム−アルミニウム−マグネシウム系化合物蛍光体、または、硫化物系化合物蛍光体から成ることを特徴とする請求項１〜請求項５何れかに記載の波長変換型ＬＥＤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＬＥＤ（発光ダイオード）に関するものであり、詳細には、例えばＬＥＤチップからの青色の光で黄色の蛍光体を励起させ、青色と黄色との合成色である白色の発光色を得るなど、ＬＥＤチップの本来の発光色とは異なる発光色を得るための波長変換手段が設けられたＬＥＤの構成に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の波長変換型ＬＥＤ９０の構成としては、図３に示すように例えば青色を発光するＬＥＤチップ９１を一方のリードフレーム９２上にマウントし、他方のリードフレーム９３と金ワイヤ９４で配線を行う。そして、前記ＬＥＤチップ９１の周囲を蛍光体９６を含有するエポキシ樹脂９５で封止する。
【０００３】
前記蛍光体９６は、その粒径が平均粒径Ｄ５０が５μｍ以下とされたＹＡＧ：Ｃｅなどに代表されるものである。このようにすることで、ＬＥＤチップ９１からの青色光は、一部はそのままエポキシ樹脂９５を透過し、観視者の目に達するものとなるが、残りの光は蛍光体９６に当接し、黄色光に変換された状態で観視者に達するものとなる。
【０００４】
よって、観視者には青色光と、その補色である黄色光とが同時に達するものとなり、白色光として認識が行われる。尚、前記エポキシ樹脂９５中には、このエポキシ樹脂９５が硬化を行うまでの間の時間に蛍光体９６が比重差により沈殿するのを抑制するための揺変剤９７（チクソトロピック剤）などの適量（例えば１０重量％）が添加される場合もある。
【特許文献１】特表平１１−５００５８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、この種の波長変換型ＬＥＤについての発明者による検討の結果を述べれば、図２に平均粒径Ｄ５０を約１２μｍとしたときの曲線Ｄ１２、約１３μｍとしたときの曲線Ｄ１３、約２４μｍとしたときの曲線Ｄ２４で示すように蛍光体の粒径は大きいほど波長変換効率が高く、少なくとも現在採用されている平均粒径Ｄ５０を５μｍよりも大きく設定したとき、例えば１０μｍ以上などとしたときの方が波長変換型ＬＥＤの高輝度化が図れることが確認された。
【０００６】
しかしながら、実際に試作を行ってみると、上記にも説明したエポキシ樹脂の硬化までの時間に生じる蛍光体の沈降は極度に増すものとなり、従来行われていたような揺変剤のエポキシ樹脂中への添加程度では到底に沈降を防止できず、ほとんどの蛍光体が沈殿してしまう状態となる。従って、青色光と白色光との混合が充分に行われず、波長変換型ＬＥＤからの光に色ムラ、輝度ムラを生じ、実験値通りの高輝度化した波長変換型ＬＥＤが得られないという問題点を生じている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記した従来の課題を解決するための具体的手段として、青色、または紫外光を発光する励起素子と、この励起素子からの発光の少なくとも一部を励起波長よりも長い波長に変換する平均粒径Ｄ50が５μｍ以上２０μｍ以下の蛍光体と、平均粒径Ｄ50の値が蛍光体の平均粒径Ｄ50の１／１０以上である分散剤と、前記蛍光体と分散剤とを含有するバインダー基材とによって発光部が構成され、前記蛍光体と前記分散剤とを合算した重量が前記バインダー基材の重量の１．５倍（６０％）以下であることを特徴とする波長変換型ＬＥＤ、または、青色、または紫外光を発光する励起素子と、この励起素子からの発光の少なくとも一部を励起波長よりも長い波長に変換する平均粒径Ｄ50が５μｍ以上１５μｍ以下の蛍光体と、平均粒径Ｄ50の値が蛍光体の平均粒径Ｄ50の１／１００以下である分散剤と、前記蛍光体と分散剤とを含有するバインダー基材とによって発光部が構成され、前記蛍光体と前記分散剤とを合算した重量が前記バインダー基材の重量の半分（５０％）以下であることを特徴とする波長変換型ＬＥＤを提供することで課題を解決するものである。
【発明の効果】
【０００８】
分散剤を添加することにより、エポキシ樹脂などであるバインダー基材中での蛍光体の沈降を抑制することができる。よって、粒子系の大きな蛍光体を採用した場合にもバインダー基材中での均一な分散が保たれるものとなり、励起素子からの光と、励起された蛍光体からの光との混色の均一性が保たれるものとなり、より高輝度な波長変換型ＬＥＤが実現できるものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
つぎに、本発明を図に示す実施形態に基づいて詳細に説明する、図１に符号１で示すものは本発明に係る波長変換型ＬＥＤであり、この波長変換型ＬＥＤは大別して、発光に関与する発光部１０と、この発光部１０を支持するパッケージ部２０とからで構成されている。
【００１０】
前記パッケージ部２０は、例えば略すり鉢状とした凹部２１ａを有する形状として樹脂部材で形成されたケース２１と、前記凹部２１ａの底面に一面を露出するようにして設けられた一対の引出電極２２とから構成され、前記凹部２１ａ内に発光部１０が設けられるものとされている。今回の説明では、いわゆるチップＬＥＤ型と呼ばれるものについて説明するが、本発明では、蛍光体４、分散剤５を含有するバインダー基材３を注入できる凹部２１ａ中に励起素子２が発光できるように配置してあればどのようなパッケージでもよく、一般的に砲弾型ＬＥＤと呼ばれるパッケージでもよく、また、大電流駆動を前提とした大型チップ用パッケージにおいても本発明の主旨は、何ら影響を受けない。
【００１１】
前記発光部１０は、ＬＥＤチップである励起素子２と、エポキシ樹脂などであるバインダー基材３と、蛍光体４と、分散剤５とから構成されるものであり、先ず、励起素子２は、前記凹部２１ａの底面に露出している引出電極２２の一方に、例えば導電性接着剤やハンダ、Ａｕ−Ｓｎ共晶剤などによりダイマウントされ、他方の引出電極２２とは金ワイヤー６により接続が行われている。その他の励起素子マウント方法としては、励起素子２の片面に両極の電極を形成し、素子を接着剤で固定して、各極に対応する引出電極２２に金ワイヤーで電気的接触を取る方法や、導電性接着剤、ハンダ、Ａｕ−Ｓｎ共晶剤、Ａｕバンプ等により各極に対応する引出電極２２と励起素子２の片面に形成された電極とを電気的接触を取りつつ、素子を固定する方法などが考えられる。
【００１２】
前記励起素子２は、青色若しくは紫外光を含む青色より短波長の光を発光する素子であればどのようなものでもよい。一般的には、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ、または、ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎの何れかの層を含んでいる。また、前記バインダー基材３は、励起素子２および金ワイヤー６、蛍光体４等の物理的、化学的に保護できるようなもので、かつ、可視光を透過するものであればよく、具体的にはエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ基を有するポリジメチルシロキサン誘導体、オキセタン樹脂、アクリル樹脂、シクロオレフイン樹脂から選択される少なくとも１種類の樹脂を含有するものなどが考えられる。
【００１３】
前記蛍光体４は、励起素子２からの光により励起され長波長側にシフトした波長で発光するものであればどのようなものでもよく、例えば、Ａ３Ｂ５Ｏ１２：Ｍ（Ａ：Ｙ，Ｇｄ，Ｌｕ，Ｔｂ等  Ｂ：Ａｌ，Ｇａ  Ｍ：Ｃｅ３＋，Ｔｂ３＋，Ｅｕ３＋，Ｃｒ３＋，Ｎｄ３＋，Ｅｒ３＋等）、希土類元素をドープしたチオガレート系蛍光体、または、ＡＢＯ３：Ｍ（Ａ：Ｙ，Ｇｄ，Ｌｕ，Ｔｂ  Ｂ：Ａｌ，Ｇａ  Ｍ：Ｃｅ３＋，Ｔｂ３＋，Ｅｕ３＋，Ｃｒ３＋，Ｎｄ３＋，Ｅｒ３＋）などのアルミン酸塩、または、（Ｂａ，Ｃａ，Ｅｕ）ｘＳｉｙＯｚ：Ｅｕ２＋などのオルトケイ酸塩の少なくとも１つの組成を含有した蛍光体などが例として挙げられる。
【００１４】
なお、前記励起素子２の発光が青色であり、前記波長変換型ＬＥＤ１としての発光色に白色を望む場合には、励起素子２の発光色である青色に対して補色である黄色を発光色とする蛍光体４を組合わせれば総合の発光色として白色が得られるものとなる。また、励起素子２より発する青色光により緑色及び赤色を発光する各蛍光体を適当に混合させることにより得られる蛍光体４を組み合わせることによっても、白色光が得られる。さらに、励起素子２の発光が紫外光である場合には、励起素子２からの発光色に、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）三原色の蛍光体４を組合わせることで白色光が得られるものとなる。
【００１５】
また、前記分散剤５としては、前記励起素子２からの光に損失を生じないことが好ましく、従って、無色透明、または、光に対して高反射率を有する部材が好ましい。そして、具体的には酸化ケイ素（高反射）、酸化アルミニウム（高反射）、エポキシ系樹脂（透明）、硫酸バリウム（高反射）、炭酸カルシウム（高反射）、酸化バリウム（高反射）、酸化チタン（高反射）などが考えられる。
【００１６】
ここで、発明者による検討の結果では、前記にも説明したように波長変換型ＬＥＤ１において高輝度化を図るときには、蛍光体４の粒径を、平均粒径Ｄ50において、現状の５μｍから大きくすることが好ましい。但し、２０μｍを超えると、いかような手段を講じてもバインダー基材３を硬化させる工程中での蛍光体４の沈殿を防ぐことができないものとなるので、この発明では、蛍光体４の粒径は、平均粒径Ｄ50において、５〜２０μｍの範囲であることが好ましい。
【００１７】
そして、本発明では、前記蛍光体４の沈殿を防ぐ手段として、従来の揺変剤（チクソトロピック剤）の添加に換えて、分散剤５の添加を行うものであり、本発明の基本的な考え方としては、本来が固体である分散剤５の適量を添加することで、蛍光体４間に入り込ませ、バインダー基材３中、即ち、液体中における蛍光体４の移動の自由度を制限し、沈殿を生じ難くしようと図るものである。
【００１８】
よって、発明者は、上記を満足させるための前記分散剤５に対する諸条件について検討を行った。その結果、分散剤５は無色透明であるか、或いは、反射率が高く、分散剤５自体として励起素子２からの光を吸収しないことが必要であり、且つ、前記の状態において分散剤５の粒径は、小さいほど光量の損失が少なくなる傾向にあることが確認された。
【００１９】
しかしながら、分散剤５の粒径を、蛍光体４の粒径の１／１０以下とするときには、添加による蛍光体４の沈殿防止の効果が極端に少なくなることが同時に確認されたので、前記分散剤５の粒径の好ましい範囲は、蛍光体４の粒径よりも小さく、且つ、蛍光体４の粒径の１／１０よりは大きい範囲（望ましくは１／５以上）となる。
【００２０】
そして、前記バインダー基材３に対する添加量であるが、前記蛍光体４は、その種別などにより使用量が大きく異なるものであるので、前記バインダー基材３に対する添加量としては、蛍光体４との合算値として設定した方が実情に良く合致すると考えられる。これは即ち、バインダー基材３に対して蛍光体４の添加量が多い状態では、少ない量の分散剤５の添加で沈殿を防ぐことが可能であると考えられるからである。
【００２１】
このようにして、検討を行ったところ、バインダー基材３に対する蛍光体４と分散剤５との合計の添加量は重量比で２０％以上、６０％以下であることが必要条件であり、これ以下（２０％以下）では沈殿防止の効果が顕著に表れず、これ以上（６０％以上）では蛍光体４と分散剤５との混合物をバインダー基材３中に添加、混合すること自体が困難となる。
【００２２】
ここで、発明者は以上の結果を得る課程において、前記蛍光体４の粒径が、平均粒径Ｄ50において、１５μｍ以下の時に限り、一般的にナノ粒子と呼ばれる平均径が１００ｎｍ以下の分散剤５を用いたときにも、上記と同様に蛍光体４の沈殿を抑制する作用、効果が得られることを見いだした。
【００２３】
このナノ粒子とした分散剤５を採用した場合、ナノ粒子の粒径は可視光の波長よりも小さいので、波長変換型ＬＥＤ１が発光する白色光の領域に対して分散剤５は光学的に無視することができ、例えば部分的な波長の吸収による発光色の色づき、或いは、光量の損失など分散剤５を添加したことにより生じる問題点を最小限にすることができるという利点を生じる。
【実施例１】
【００２４】
ケース２１の凹部２１ａ内の引出電極２２にＧａＮ系の励起素子２を銀ペーストでダイボンドし、金ワイヤー６で配線した。そして、前記凹部２１ａ内に、バインダー基材３であるエポキシ樹脂中に、オルソケイ酸系とした蛍光体４（Ｄ５０：１２μｍ）の２０ｗｔ％と、ＳｉＯ２とした分散剤５（Ｄ５０：５μｍ）の２０ｗｔ％、合計４０ｗｔ％を分散させたものを注入した。
【００２５】
上記の手順により得られた波長変換型ＬＥＤ１の色度座標は（０．３３，０．３５）であり、２０ｍＡ，４Ｖで駆動したときの全光束は１．５５ｌｍであって、輝度ムラ、色ムラも認められず、蛍光体４の粒径を大きくしたことによる高効率の波長変換型ＬＥＤ１が、分散剤５の適量を添加することにより実現可能であることが確認された。
【実施例２】
【００２６】
ケース２１の凹部２１ａ内の引出電極２２にＧａＮ系の励起素子２を銀ペーストでダイボンドし、金ワイヤー６で配線した。そして、前記凹部２１ａ内に、バインダー基材３であるエポキシ樹脂中に、オルソケイ酸系とした蛍光体４（Ｄ５０：１２μｍ）の２１ｗｔ％と、ＳｉＯ２とした分散剤５（平均径：約７ｎｍのナノ粒子）の５ｗｔ％、合計２６ｗｔ％を分散させたものを注入した。
【００２７】
上記の手順により得られた波長変換型ＬＥＤ１の色度座標は（０．３２，０．３４）であり、２０ｍＡ，４Ｖで駆動したときの全光束は１．６４ｌｍであって、輝度ムラ、色ムラも認められず、蛍光体４の粒径を大きくしたことによる高効率の波長変換型ＬＥＤ１が、ナノ粒子とした分散剤５の適量を添加することにより実現可能であることが確認された。
【００２８】
なお、本発明に係わる蛍光体の粒径の測定は、μｍオーダーの粒子の粒径はレーザー回折散乱粒子分布測定法で行い、ｎｍオーダーの粒子の粒径はＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真像から３０００個のサンプルの粒子像の粒径を読み取り、その平均値を算出したものである。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、例えば、パーソナルコンピュータ、携帯電話などの表示器として使用されているカラー液晶表示装置のバックライト、或いは、照明が行われたときの各色を正しく認識するための家庭用、車両用の照明用光源など、白色光源の採用が不可欠な用途に広く適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る波長変換型ＬＥＤの実施形態を示す断面図である。
【図２】蛍光体の粒径と光量との関係を示すグラフである。
【図３】従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…波長変換型ＬＥＤ
２…励起素子
３…バインダー基材
４…蛍光体
５…分散剤
６…金ワイヤー
１０…発光部
２０…パッケージ部
２１…ケース
２１ａ…凹部
２２…引出電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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