(57)【要約】【課題】酸化亜鉛系半導体層を有するＬＥＤチップを発光装置に適用するにあたって、樹脂封止時に生じる酸化亜鉛系半導体層の劣化を抑制する。【解決手段】ＬＥＤランプ１０等の発光装置は、発光層等として酸化亜鉛系半導体層を有するＬＥＤチップ１１と、ＬＥＤチップ１１から放射された光により励起されて可視光を発光する蛍光体２４とを具備する。ＬＥＤチップ１１は実質的にアミン類、カルボン酸類およびオキシム類を放出しないシリコーン樹脂２３で覆われている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化亜鉛系半導体層を有する発光素子と；
前記発光素子を覆うように配置され、実質的にアミン類、カルボン酸類およびオキシム類を放出しないシリコーン樹脂と；
前記発光素子から放射された光により励起されて可視光を発光する蛍光体と；
を具備することを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記シリコーン樹脂は付加反応型シリコーン樹脂であることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
【請求項３】
前記発光素子は紫外光を放射し、かつ前記蛍光体は前記紫外光により励起されて可視光を発光することを特徴とする請求項１または２記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＬＥＤランプ等の発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）を用いたＬＥＤランプは、液晶ディスプレイ、携帯電話、情報端末等のバックライト、屋内外広告等、多方面への展開が飛躍的に進んでいる。さらに、ＬＥＤランプは長寿命で信頼性が高く、また低消費電力、耐衝撃性、高純度表示色、軽薄短小化の実現等の特徴を有することから、産業用途のみならず一般照明用途への適用も検討されている。このようなＬＥＤランプを各種用途に適用する場合、白色発光を得ることが重要となる。
【０００３】
ＬＥＤランプで白色発光を実現する代表的な方式としては、(1)青、緑および赤の各色に発光する3つのＬＥＤチップを使用する方式、(2)青色発光のＬＥＤチップと黄色ないし橙色発光の蛍光体とを組合せる方式、(3)紫外発光のＬＥＤチップと青色、緑色および赤色の三色混合蛍光体（以下、ＲＧＢ蛍光体と記す）とを組合せる方式、の3つが挙げられる。これらのうち、一般的には(2)の方式が広く実用化されている。また、(3)の方式においても、発光効率や発光色の改善等が進められている。
【０００４】
上記した(2)および(3)の方式を適用したＬＥＤランプの構造としては、ＬＥＤチップを装備したカップ型のフレーム内に蛍光体を混合した透明樹脂を流し込み、これを硬化させて蛍光体を含有する透明樹脂層を形成した構造、あるいはＬＥＤチップを装備したカップ型のフレーム内に透明樹脂を流し込んで硬化させた後、この透明樹脂層上に蛍光体シートを配置した構造等が知られている。
【０００５】
上述したようなＬＥＤランプにおいては、発光効率や発光強度等を考慮して、発光層としてＧａＮに代表される窒化物系半導体層を有するＬＥＤチップが多用されているが、ＬＥＤチップ自体が高価であるという難点を有する。このような点に対して、安価な酸化亜鉛系半導体層を発光層として用いたＬＥＤチップを、ＬＥＤランプに適用することが検討されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開2004-356273号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、酸化亜鉛系半導体層を発光層として用いたＬＥＤチップは、ＧａＮ系半導体層等を有するＬＥＤチップに比べて安価であるものの、酸化亜鉛が両性酸化物であることに起因して、酸やアルカリに弱く、また酢酸等にも溶解するというような欠点を有している。このため、例えばＬＥＤチップを樹脂封止するにあたって、封止樹脂の硬化反応時に生じる副生成物で酸化亜鉛系半導体層が劣化し、発光強度や発光効率等が低下しやすいという問題を有している。
【０００７】
本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、発光層として酸化亜鉛系半導体層を有するＬＥＤチップを使用するにあたって、樹脂封止時に生じる酸化亜鉛系半導体層の劣化を抑制し、発光強度や発光効率等の向上を図った発光装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１記載の発光装置は、酸化亜鉛系半導体層を有する発光素子と；前記発光素子を覆うように配置され、実質的にアミン類、カルボン酸類およびオキシム類を放出しないシリコーン樹脂と；前記発光素子から放射された光により励起されて可視光を発光する蛍光体と；を具備することを特徴としている。
【０００９】
上記した請求項１記載の発明において、特に指定しない限り用語の定義および技術的意味は以下の通りである。
【００１０】
発光素子は放射した光で蛍光体を励起して可視光を発光させるものであって、例えば発光層として酸化亜鉛系半導体層を有するものである。発光層を構成する酸化亜鉛系半導体は、ＺｎＯ半導体に限らず、ＺｎＯにＭｇやＣｄ等を添加したものであってもよい。本発明で用いられる発光素子としては、例えば紫外発光タイプのＬＥＤチップや青色発光タイプのＬＥＤチップ等が挙げられる。
【００１１】
また、蛍光体は発光素子から放射された光により励起されて可視光を発光し、この蛍光体から発光される可視光と発光素子から放射される光との混色によって、あるいは蛍光体から発光される可視光または可視光自体の混色によって、発光装置として所望の発光色を得るものである。蛍光体の種類は特に限定されるものではなく、目的とする発光色や発光素子から放射される光等に応じて適宜に選択される。
【００１２】
透明樹脂は発光素子の封止樹脂等として機能するものであり、ここではシリコーン樹脂が用いられる。本発明で用いられるシリコーン樹脂は、実質的にアミン類、カルボン酸類およびオキシム類を放出しないものである。ここで、実質的にアミン類、カルボン酸類およびオキシム類を放出しないシリコーン樹脂とは、その硬化反応に基づく副生成物としてアミン類、カルボン酸類およびオキシム類が発生しないものを意味し、発光層としての酸化亜鉛系半導体層に悪影響を及ぼさないような極微量のアミン類、カルボン酸類およびオキシム類が副次的もしくは派生的に生じるような場合を許容する。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１記載の発光装置によれば、発光素子の発光層等を構成する酸化亜鉛系半導体層の劣化を抑制することができる。従って、安価な酸化亜鉛系半導体層を有する発光素子を適用した発光装置の発光強度や発光効率等を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の発光装置を照明装置等として用いられるＬＥＤランプに適用した一実施形態の構成を示す断面図である。同図に示すＬＥＤランプ１０は、発光素子としてＬＥＤチップ１１を有している。ＬＥＤチップ１１は発光層として酸化亜鉛系半導体層を有するものである。このような酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１の構成例を図２に示す。
【００１５】
図２に示す酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１は、その主要部としてｎ型ＺｎＯ基板１２上にｎ型ＺｎＯからなるｎ型発光層１３とｐ型ＺｎＯからなるｐ型発光層１４とを積層形成した構造を有する。ｐ型発光層１４上には上部電極（ｐ型電極）１５として透光性を有するオーミック電極が形成されている。上部電極１５には、例えばＩＴＯ膜や透光性を有する金属膜等が用いられる。また、ｎ型ＺｎＯ基板１２の下面側には、下部電極（ｎ型電極）１６としてオーミック電極が形成されている。下部電極１６には、例えばＡｌ膜、Ｔｉ膜、Ｎｉ膜等の金属膜が用いられる。
【００１６】
なお、図２に示す酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１は、発光層として酸化亜鉛系半導体層を有するＬＥＤチップの一例を示すものであり、その構造に限定されるものではない。酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１は、発光層として酸化亜鉛系半導体層を有するものであればよく、発光層の構造は下部電極／ｎ型ＺｎＯ基板／ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層／ノンドープＭｇＺｎＯ−ＺｎＯ発光層／ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層／上部電極等であってもよい。
【００１７】
酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１は、発光層を構成するＺｎＯが例えばＧａＮとほぼ同等のバンドギャップを有することから、青色光や紫外光を放射する発光素子として使用することができる。酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１から放射される光の波長は、発光層を構成するＺｎＯに例えばＭｇやＣｄ等を添加してバンドギャップを変化させることで、青色領域から紫外領域の範囲で制御することができる。従って、酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１は青色発光タイプの発光素子や紫外発光タイプの発光素子として用いることができる。特に、酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１は紫外発光タイプの発光素子として有効である。
【００１８】
上述したような酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１は、金属回路１７を有する基板１８上に搭載されている。金属回路１７は酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１の下部電極１６と接続される第１の回路パターン部１７ａと上部電極１５と接続される第２の回路パターン部１７ｂとを有している。酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１は第１の回路パターン部１７ａ上に実装されており、この実装構造に基づいて下部電極１６は第１の回路パターン部１７ａと電気的に接続されている。一方、酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１の上部電極１５は、ボンディングワイヤ１９を介して第２の回路パターン部１７ｂと電気的に接続されている。
【００１９】
酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１を搭載する基板１８としては、放熱性と剛性とを有するＡｌ基板、Ｎｉ基板、ガラスエポキシ基板等が用いられる。なお、基板１８にＡｌ基板やＮｉ基板等の導電性を有する基板を適用する場合には、図１に示すように絶縁層２０を介して金属回路１７が形成される。このような基板１８上には円錐台状の凹部（キャビティ）２１を有する例えば樹脂製のフレーム２２が設けられており、この凹部（キャビティ）２１内に酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１が配置されている。すなわち、酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１はキャビティ２１内に配置され、その周囲はフレーム２２で取り囲まれている。
【００２０】
酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１が配置されたキャビティ２１内には透明樹脂２３が充填、硬化されており、酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１は透明樹脂２３で覆われている。このような酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１を封止する透明樹脂２３には、シリコーン樹脂が用いられる。ここで、封止樹脂として一般的なエポキシ樹脂に比べて、シリコーン樹脂は耐光性や耐熱性に優れることから、発光素子用の封止樹脂として好適である。特に、酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１が紫外発光タイプの場合、エポキシ樹脂ではＵＶ光で劣化して着色するおそれがあるのに対して、シリコーン樹脂は耐ＵＶ特性に優れることから、ＬＥＤランプ１０の発光効率や発光色を長期間にわたって維持することができる。
【００２１】
さらに、透明樹脂２３には硬化反応に基づく副生成物としてアミン類、カルボン酸類およびオキシム類を実質的に発生しないシリコーン樹脂が使用される。このようなシリコーン樹脂を透明樹脂２３に適用することによって、酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１の劣化を抑制することが可能となる。前述したように酸化亜鉛は両性酸化物であるため、透明樹脂２３の硬化過程でアミン類やオキシム類が放出されると、これらによって酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１（ｎ型ＺｎＯ発光層１３やｐ型ＺｎＯ発光層１４等）が劣化する。また、透明樹脂２３の硬化過程で酢酸に代表されるカルボン酸が放出された場合にも、酸化亜鉛の溶解が進行して酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１が劣化する。
【００２２】
このような点に対して、硬化反応に基づく副生成物としてアミン類、カルボン酸類およびオキシム類を実質的に発生しないシリコーン樹脂を透明樹脂２３に適用することによって、酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１の劣化を抑制することができる。従って、酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１が本来有する発光特性（発光波長、発光強度、発光効率等）を安定して維持することが可能となる。ＬＥＤランプ１０は酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１から放射された光で蛍光体を励起して可視光を発光させ、この可視光とＬＥＤチップ１１の光との混色によって、あるいは蛍光体から発光される可視光自体の混色によって、所望の発光色を得るものである。従って、酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１の発光特性を維持することで、ＬＥＤランプ１０としての発光色や発光強度等を安定に保つことが可能となる。
【００２３】
シリコーン樹脂を適用した透明樹脂２３は、シリコーンベースポリマー（ポリオルガノシロキサンポリマー）と硬化剤と必要に応じて充填剤や添加剤等とを均一に分散させたシリコーン樹脂組成物を、ディスペンサ等を用いて酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１が配置されたキャビティ２１内に充填し、これをシリコーンベースポリマーの硬化反応機構に応じた条件で硬化させて形成したものである。ここで、シリコーン樹脂組成物の硬化反応機構としては、有機過酸化物による架橋反応硬化型、縮合反応硬化型、付加反応硬化型等が知られている。これらのうち、付加反応型のシリコーン樹脂組成物は硬化過程でアミン類、カルボン酸類、オキシム類等の副生成物を発生することがない。
【００２４】
このような点から、透明樹脂２３には付加反応型シリコーン樹脂を使用することが好ましい。付加反応型シリコーン樹脂は、付加反応型シリコーンベースポリマーに硬化剤と必要に応じて充填剤や添加剤等を配合して組成物とし、この組成物を常温下または加熱下で硬化させたものである。付加反応型シリコーンベースポリマーには、1分子中のケイ素原子に結合した有機基のうち、少なくとも2個がビニル基であるポリオルガノシロキサンが用いられる。硬化剤としては塩化白金酸や白金オレフィン錯体等の白金系触媒が用いられ、さらに必要に応じてケイ素原子に結合した水素原子を1分子中に2個以上有するポリオルガノハイドロジェンシロキサンが架橋剤として併用される。
【００２５】
また、付加反応型のシリコーン樹脂組成物に配合する充填剤や添加剤等としては、透明性を阻害しないことに加えて、アミン類、カルボン酸類およびオキシム類を放出することがないものが用いられる。このような充填剤や添加剤としてはアルミナやシリカ等を使用することができる。さらに、この実施形態のＬＥＤランプ１０においては、酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１を封止する透明樹脂（この実施形態ではシリコーン樹脂）２３中に蛍光体を分散させることができ、このような蛍光体粉末も添加剤等として適用可能である。
【００２６】
上述したようなシリコーン樹脂からなる透明樹脂２３上には、酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１から放射された光により励起されて可視光を発光する蛍光体を含む蛍光体シート２４が配置されている。蛍光体シート２４は、透明樹脂シート中に所望の発光色を有する蛍光体を分散させることにより作製される。このような蛍光体シート２４は酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１が配置された凹部（キャビティ）２１の開口部を覆うように配置されている。
【００２７】
酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１から放射された光は、蛍光体シート２４を介してＬＥＤランプ１０の発光方向に放出される。従って、酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１から放射された光の一部もしくは全ては、蛍光体シート２４内の蛍光体でより長波長の光に変換された後に、ＬＥＤランプ１０から放出される。このようにして、酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１から放射される光の色と蛍光体の発光色とに基づく色、もしくは蛍光体自体の発光色に基づく色、例えば白色光がＬＥＤランプ１０から放出される。すなわち、所望の発光色を有するＬＥＤランプ１０を構成することができる。
【００２８】
蛍光体シート２４中に含有させる蛍光体は、酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１から放射される光、例えば紫外光や青色光で励起されて可視光を発光するものである。蛍光体の種類は目的とするＬＥＤランプ１０の発光色や励起スペクトル等に応じて適宜に選択されるものであり、特に限定されるものではない。紫外発光タイプの酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１を用いる場合には、励起スペクトルが紫外領域に存在する蛍光体を用いることが好ましい。青色発光タイプの酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１を用いる場合にも同様である。
【００２９】
紫外発光タイプの酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１を使用して白色発光を得る場合には、紫外線励起型のＲＧＢ蛍光体が主として用いられる。このようなＲＧＢ蛍光体における青色発光蛍光体としては、例えばＡＥ10（ＰＯ4）6Ｃｌ12：Ｅｕ蛍光体（ＡＥはＳｒ、Ｂａ、Ｃａ等のアルカリ土類元素である。以下同じ）のようなハロ燐酸塩蛍光体や（Ｂａ，Ｍｇ）Ａｌ10Ｏ17：Ｅｕ蛍光体のようなアルミン酸塩蛍光体等が挙げられる。緑色発光蛍光体としては、例えば（Ｂａ，Ｍｇ）Ａｌ10Ｏ17：Ｅｕ，Ｍｎ蛍光体のようなアルミン酸塩蛍光体が挙げられる。赤色発光蛍光体としては、例えばＬａ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ蛍光体のような酸硫化物蛍光体が挙げられる。
【００３０】
また、青色発光タイプの酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１を使用して白色発光を得る場合には、黄色ないし橙色発光蛍光体が主として用いられる。また、演色性等の向上を図るために、黄色ないし橙色発光蛍光体に加えて赤色発光蛍光体を併用してもよい。黄色ないし橙色発光蛍光体としては、例えばＲＥ3（Ａｌ，Ｇａ）5Ｏ12：Ｃｅ蛍光体（ＲＥはＹ、ＧｄおよびＬａから選ばれる少なくとも1種を示す。以下同じ）のようなＹＡＧ蛍光体、ＡＥ2ＳｉＯ4：Ｅｕ蛍光体のような珪酸塩蛍光体が挙げられる。
【００３１】
さらに、上記したような蛍光体に代えて、組成に応じて種々の発光色が得られる窒化物系蛍光体（例えばＡＥ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ）、酸窒化物系蛍光体（例えばＹ2Ｓｉ3Ｏ3Ｎ4：Ｃｅ）、サイアロン系蛍光体（例えばＡＥx（Ｓｉ，Ａｌ）12（Ｎ，Ｏ）16：Ｅｕ）等を適用してもよい。なお、ＬＥＤランプ１０は白色発光ランプに限られるものではなく、白色以外の発光色を有するＬＥＤランプ１０を構成することも可能である。ＬＥＤランプ１０で白色以外の発光、例えば中間色の発光を得る場合には、目的とする発光色に応じて種々の蛍光体が適宜に使用される。
【００３２】
この実施形態では透明樹脂２３上に蛍光体シート２４を配置した構造について述べたが、蛍光体の配置構造はこれに限られるものではない。例えば、蛍光体は図３に示すように、シリコーン樹脂からなる透明樹脂２３中に直接分散させてもよい。また、図４に示すように、蛍光体を含まないシリコーン樹脂２３ａで酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１をポッティングした後、蛍光体を分散させたシリコーン樹脂２３ｂを充填するようにしてもよい。この逆であってもよい。これらの構成は、蛍光体を分散させた液状シリコーン樹脂組成物を充填、硬化させることで得ることができる。さらに、透明樹脂２３と蛍光体シート２４との間に反射層を設ける等の変形が可能である。このように、蛍光体の配置構造や基本構造以外の構成は特に限定されるものではなく、種々に変形が可能である。
【００３３】
上述したような構成を有するＬＥＤランプ１０は、例えば図５および図６に示すようにマトリクス状に配列され、これによりＬＥＤランプモジュールが構成される。図５および図６は9個のＬＥＤランプ１０を3行3列のマトリクス状に配列したＬＥＤランプモジュールを示している。各酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１は連続パターンを有する金属回路１７上に実装されており、順に直列接続されている。このようなＬＥＤランプモジュールは、液晶表示装置のバックライトから一般照明装置まで種々の用途に適用される。
【００３４】
次に、上述したＬＥＤランプ１０の特性を評価した結果について述べる。まず、酸化亜鉛系ＬＥＤチップ１１として発光波長が350〜370nmのＬＥＤチップを用意し、これを基板１８上に搭載すると共に、付加反応型シリコーン樹脂で封止してＬＥＤランプ（実施例１）を作製した。シリコーン樹脂上にはＲＧＢ蛍光体を含む蛍光体シートを配置した。付加反応型シリコーン樹脂には、東レ・ダウコーニング社製のJCR 6140（商品名）を用いた。一方、本発明との比較例として、熱硬化型エポキシ樹脂（比較例１）および縮合反応型シリコーン樹脂（比較例２）をそれぞれ透明樹脂として用いる以外は、実施例１と同様にしてＬＥＤランプを作製した。
【００３５】
上述した実施例１および比較例１、２による各ＬＥＤランプの光出力を評価した。その結果、実施例１のＬＥＤランプは光出力が維持されたのに対して、比較例１、２による各ＬＥＤランプは白濁し、光出力が低下した。このように、硬化反応時にアミン類、カルボン酸類およびオキシム類を実質的に放出することがない付加反応型シリコーン樹脂で酸化亜鉛系ＬＥＤチップを封止して作製したＬＥＤランプは、酸化亜鉛系ＬＥＤチップの劣化を抑制できることから、発光強度、発光色等を安定に保つことができる。これに対して、透明樹脂に熱硬化型エポキシ樹脂や縮合反応型シリコーン樹脂を適用した比較例１、２の各ＬＥＤランプは、実施例１に比べて発光特性が劣っている。このことから、酸化亜鉛系ＬＥＤチップが透明樹脂の硬化反応時に劣化していることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態によるＬＥＤランプの構成を示す断面図である。
【図２】図１に示すＬＥＤランプに適用した酸化亜鉛系ＬＥＤチップの一構成例を示す断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態によるＬＥＤランプの構成を示す断面図である。
【図４】本発明のさらに他の実施形態によるＬＥＤランプの構成を示す断面図である。
【図５】図１に示すＬＥＤランプを使用して構成した照明装置の構成例を示す平面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０…ＬＥＤランプ、１１…酸化亜鉛系ＬＥＤチップ、１２…ｎ型ＺｎＯ基板、１３…ｎ型ＺｎＯ発光層、１４…ｐ型ＺｎＯ発光層、１７…金属回路、１８…基板、２１…凹部（キャビティ）、２２…フレーム、２３…シリコーン樹脂からなる透明樹脂、２４…蛍光体シート。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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