JP2004235337A - 発光ダイオード - Google Patents
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Abstract
【課題】LEDにおいて、表面における反射光を極力少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を大きく向上させること。
【解決手段】LED11は凸型の半球形状の微細構造6を有する透明エポキシ樹脂2で砲弾形に樹脂封止され、さらに透明エポキシ樹脂2の上にフッ化マグネシウムの層7が形成されている。フッ化マグネシウム7の屈折率は約1.3で、透明エポキシ樹脂2の屈折率約1.5より小さいので、発光素子3を封止している透明エポキシ樹脂2の表面における全反射と反射率が、凸状の半球形状の微細構造6の効果とその上に被覆された低い屈折率のフッ化マグネシウム7の効果とが相俟って大きく減少する。さらに、低い屈折率のフッ化マグネシウム7から空気中へ光が放射される場合にも、透明エポキシ樹脂2から直接空気中へ光が放射される場合に比べて、全反射の割合は減少し反射率も低下する。
【選択図】 図2
【解決手段】LED11は凸型の半球形状の微細構造6を有する透明エポキシ樹脂2で砲弾形に樹脂封止され、さらに透明エポキシ樹脂2の上にフッ化マグネシウムの層7が形成されている。フッ化マグネシウム7の屈折率は約1.3で、透明エポキシ樹脂2の屈折率約1.5より小さいので、発光素子3を封止している透明エポキシ樹脂2の表面における全反射と反射率が、凸状の半球形状の微細構造6の効果とその上に被覆された低い屈折率のフッ化マグネシウム7の効果とが相俟って大きく減少する。さらに、低い屈折率のフッ化マグネシウム7から空気中へ光が放射される場合にも、透明エポキシ樹脂2から直接空気中へ光が放射される場合に比べて、全反射の割合は減少し反射率も低下する。
【選択図】 図2
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂封止型の発光ダイオードにおいて、表面形状等を改良することによって空気中への光の取り出し効率を向上させた発光ダイオードに関するものである。
【0002】
なお、本明細書中においては、LEDチップそのものは「発光素子」と呼び、LEDチップを搭載したパッケージ樹脂またはレンズ系等の光学装置を含む全体を「発光ダイオード」または「LED」と呼ぶこととする。
【0003】
【従来の技術】
【特許文献1】特開2001−203393号公報
【特許文献2】特開2001−298216号公報
従来から、より明るいLEDを得るために、発光素子内部の光の取り出し効率を上げる工夫がなされている。
【0004】
例えば、特許文献1においては、発光素子を透明エポキシ樹脂よりも屈折率の大なる薄膜で被覆し、さらに薄膜表面に凹凸または丸みを帯びた起伏を形成している。これによって、発光素子を形成している屈折率が非常に大きな半導体と透明エポキシ樹脂封止層との屈折率の差を小さくすることができ、半導体内部から外へ出る光について全反射が起こり難くなる。また、一度薄膜へ入った光は表面の凹凸によって再度表面での全反射が起こり難くなっているため、発光素子から出てくる光を有効に外部に導くことができ、光の取り出し効率が改善される。
【0005】
また、特許文献2においては、発光素子全体を蛍光物質を含有する波長変換層で被覆し、この波長変換層の全表面に一様な波形状の凹凸模様を形成し、この凹凸模様の表面を封止樹脂との封止界面とすることによって、波長変換された光をより一層一様に発光させるとともに界面の接合強度が向上する。そして、発光素子の全方位からの出射光を白色に変換して発光させることができ、発光効率を向上させることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光の取り出し効率の問題は、このようなLED内部だけでなく封止樹脂と空気の界面でも起こっている。この問題について、図8を参照して説明する。図8は、従来のランプ型(砲弾形)LEDの全体構造を示す縦断面図である。
図8に示されるように、このランプ型LED51は、1対の金属製のリード55a,55bの一方55aの先端にカップ型の反射鏡55cを設けてその底面に青色発光素子53を2つの電極が上面になるようにマウントし、2つの電極から2本のワイヤ54a,54bで1対のリード55a,55bの先端にそれぞれボンディングして電気的接続をとっている。そして、リード55a,55bの先端部分から青色発光素子53及び2本のワイヤ54a,54bを透明エポキシ樹脂52で砲弾形に封止している。
【0007】
ここで、透明エポキシ樹脂52の屈折率は約1.5であり空気の屈折率は1.0であるため屈折率の差が大きく、透明エポキシ樹脂52と空気の界面(即ち、ランプ型LED51の表面)においてこの屈折率差と界面への入射角で決定される反射率が発生し、その分だけ出射効率が減少する。特に、光線L0で示されるように界面への入射角がスネルの法則で決まる臨界角を超える光は全反射して透明エポキシ樹脂52中を伝播し、この間に吸収損失を受けるので、ランプ型LED51全体としての透明エポキシ樹脂52から空気への光の取り出し効率はかなり低下してしまう。
【0008】
そこで、本発明は、表面における反射光を極力少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を向上させた明るい発光ダイオードを提供することを課題とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明にかかる発光ダイオードは、発光素子と、表面に凸状及び/または凹状の微細構造を有し、前記発光素子を封止している封止樹脂と、前記微細構造を有する部分を被覆し、前記封止樹脂よりも低い屈折率を有する光透過性材料とを具備するものである。
【0010】
物質内から空気中へ光が放射されるときは、スネルの屈折の法則により物質と空気の屈折率の差が小さい方が、即ち物質の屈折率がより小さい方が全反射が起き難く、反射率も小さくなる。また、物質と空気の間により屈折率の小さい物質を挟めば、物質と空気の界面、物質と物質の界面における全反射はより起き難くくなり、反射率も小さくなる。さらに、スネルの法則における臨界角を超えて全反射が生ずる角度で光が界面に達しても、界面に凸状または凹状の微細構造が設けられていると、微細構造に対する光の入射角が臨界角以下になる場合が多い。
【0011】
したがって、上記構成のLEDにおいては、発光素子を封止している封止樹脂の表面における全反射が、凸状及び/または凹状の微細構造の効果とその上に被覆された低い屈折率の光透過性材料の効果とが相俟って大きく減少し、反射率も大きく低下する。さらに、低い屈折率の光透過性材料から空気中へ光が放射される場合にも、封止樹脂から直接空気中へ光が放射される従来の場合に比べて、全反射の割合は減少し、反射率も大きく低下する。これによって、その分だけLEDから空気中への光の取り出し効率が向上することになる。
【0012】
このようにして、表面における反射光を極力少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0013】
請求項2の発明にかかる発光ダイオードは、請求項1の構成において、前記光透過性材料の表面にも凸状及び/または凹状の微細構造を有するものである。
【0014】
これによって、光透過性材料の表面における全反射及び反射率が凸状及び/または凹状の微細構造の効果と低い屈折率の効果とが相俟って、大きく減少する。
したがって、その分だけLEDから空気中への光の取り出し効率がより大きく向上する。
【0015】
このようにして、表面における反射光をさらに少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0016】
請求項3の発明にかかる発光ダイオードは、請求項1または請求項2の構成において、前記凸状及び/または凹状の微細構造は、連続して設けられているものである。
【0017】
凸状及び/または凹状の微細構造が1個ずつ独立して設けられていると、その間の表面(あるいは界面)は平滑になってしまい、全反射が起こる確率が高くなる。そこで、微細構造を連続して設けることによって、内部から放射される光が必ず微細構造に当るようにして全反射が起こる確率を極力低くするとともに反射率も低下させて、その分だけLEDから空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させている。
【0018】
このようにして、表面及び界面における反射光をさらに少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0019】
請求項4の発明にかかる発光ダイオードは、請求項1乃至請求項3のいずれか1つの構成において、前記凸状及び/または凹状の微細構造の大きさは、約0.5μm〜約1mmの範囲内であるものである。
【0020】
発明者が、凸状半球形状の微細構造について光の取り出し効率の微細構造大きさ依存性についてシミュレーションしてみたところ、半球直径1mm程度から取り出し効率向上の効果が表れ、半球直径を小さくして行くにしたがって向上の効果は増大して行き、半球直径1μm程度までは増大した。なおも半球直径を小さくしてみたところ、400nm程度までは取り出し効率向上の効果が維持された。そこで、波長依存性や加工の実現性等も考慮して、約0.5μm〜約1mmの範囲を光の取り出し効率向上の効果が得られる微細構造の大きさの範囲として設定したものである。この範囲の大きさの微細構造であれば、凸状半球形状以外の形状であっても光の取り出し効率向上の効果が得られると考えられる。
【0021】
このようにして、微細構造の大きさをシミュレーションから割り出した範囲内とすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0022】
請求項5の発明にかかる発光ダイオードは、請求項1乃至請求項4のいずれか1つの構成において、前記微細構造の形状は凸状の略半球形状であるものである。
【0023】
上述の如く、凸状半球形状の微細構造について光の取り出し効率の微細構造大きさ依存性についてシミュレーションした結果、約0.5μm〜約1mmの範囲で光の取り出し効率の向上効果が確認され、その最大値は約20%もの取り出し効率の向上となった。このように、実際にシミュレーションした結果大きな取り出し効率の向上が確認された凸状半球形状の微細構造ならば、実際にLEDを作製した場合にも確実に大きな光の取り出し効率の向上効果が得られると考えられる。
【0024】
このようにして、微細構造の形状を凸状の略半球形状とすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を確実に大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0025】
請求項6の発明にかかる発光ダイオードは、請求項2乃至請求項5のいずれか1つの構成において、前記封止樹脂及び前記光透過性材料の上面はそれぞれ巨視的には平坦であり、前記上面に前記凸状及び/または凹状の微細構造を有するものである。
【0026】
即ち、本発明のLEDはランプ型LED(砲弾形LED)のような上部が丸く突出した形状ではなく、表面実装型デバイス(SMD)のように平坦な上面を有するものである。このSMD型LEDは、基板上にマウントされた発光素子を上面が巨視的には平坦になるように樹脂封止し、この上面に凸状及び/または凹状の微細構造を形成し、その上に光透過性材料の層を被覆してその上面にも凸状及び/または凹状の微細構造を形成したものである。したがって、光の取り出し効率を向上させるだけでなく、LEDのサイズ(特に高さ)を小さくできるという作用効果がある。
【0027】
このようにして、封止樹脂及び光透過性材料の上面をそれぞれ巨視的には平坦とすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を向上させるとともに小型化された明るいLEDとなる。
【0028】
請求項7の発明にかかる発光ダイオードは、請求項6の構成において、前記凸状及び/または凹状の微細構造は2種類の大きさからなり、小さい微細構造は中心付近に、大きい微細構造は前記中心付近の周囲に位置しているものである。
【0029】
かかる配置にしたのは、中心付近即ち発光素子の真上付近の封止樹脂及び光透過性材料の上面への光の入射角は非常に小さくなる(上面に対して垂直に近く入射する)ので、小さい微細構造でも反射率は非常に小さくなるのに対して、中心付近の周囲は上面への光の入射角が大きくなって臨界角に近づくので、大きい微細構造を配置することによって、微細構造への光の入射角を小さくして全反射が起こらないようにするためである。
【0030】
なお、大きい微細構造を中心付近の周囲に小さい微細構造を中心付近及び外周に位置させるのは、光透過性材料の上面だけでも良いし、封止樹脂及び光透過性材料の両方の上面をかかる配置にしても良い。
【0031】
このようにして、2種類の大きさの微細構造をそれぞれ適切な位置に配置することによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率をさらに向上させるとともに小型化された明るいLEDとなる。
【0032】
請求項8の発明にかかる発光ダイオードは、請求項1乃至請求項7のいずれか1つの構成において、前記封止樹脂は透明エポキシ樹脂または透明シリコン樹脂であり、前記光透過性材料はフッ化マグネシウムまたはポリテトラフロロエチレンであるものである。
【0033】
透明エポキシ樹脂及び透明シリコン樹脂は、硬化前の流動性・充填性並びに硬化後の透明性・耐候性に優れ、封止樹脂として最も適している。また、フッ化マグネシウム及びポリテトラフロロエチレンは、透明性に優れ屈折率が約1.3〜1.4であり、透明エポキシ樹脂及び透明シリコン樹脂の屈折率約1.5に比べて小さいので光透過性材料として相応しい。
【0034】
このようにして、具体的材料として封止樹脂としては透明エポキシ樹脂または透明シリコン樹脂、光透過性材料としてはフッ化マグネシウムまたはポリテトラフロロエチレンを用いることによって、表面及び界面における反射光を少なくして、発光素子から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させた明るいLEDを実現することができる。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる発光ダイオードの実施の形態について図面を参照して説明する。
【0036】
実施の形態1
まず、本発明にかかるLEDの実施の形態1について、図1を参照して説明する。図1(a)は本発明の実施の形態1にかかるLEDの全体構造を示す縦断面図、(b)はLEDの表面の微細構造を示す部分拡大図である。
【0037】
図1(a)に示されるように、本実施の形態1のLED1は、1対の金属製のリード5a,5bのうち一方のリード5aの先端部分にカップ型の反射鏡5cを設けて、その底面に青色発光素子3を2つの電極が上面になるようにマウントし、2つの電極から2本のワイヤ4a,4bで1対のリード5a,5bの先端にそれぞれボンディングして電気的接続をとっている。そして、リード5a,5bの先端部分から青色発光素子3及び2本のワイヤ4a,4bを透明エポキシ樹脂2で砲弾形に封止している。
【0038】
ここまでの外観上は図8の従来の砲弾形LEDと同様であるが、ここで封止用金型のキャビティ面にエッチングによって半球形状の微細な凹みが一面に付けられている。この結果、図1(b)に示されるように、封止樹脂としての透明エポキシ樹脂2の表面に微細構造としての凸型の半球形状6が一面に形成される。これによって、発光素子3から直接または反射鏡5cで反射されて透明エポキシ樹脂2の表面に入射した光の入射角が巨視的には臨界角を超えていても、凸型の半球形状の微細構造6に入射することによって、後で図3について説明するように、入射角が非常に小さくなって反射率も非常に小さくなり大部分の光が空気中に放射される場合が多くなる。
【0039】
このようにして、本実施の形態1のLED1は、表面における反射光を少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を向上させた明るいLEDとなる。
【0040】
実施の形態2
次に、本発明にかかるLEDの実施の形態2について、図2及び図3を参照して説明する。図2(a)は本発明の実施の形態2にかかるLEDの全体構造を示す縦断面図、(b)はLEDの表面の微細構造を示す部分拡大断面図である。図3は微細構造と光透過性材料による光取り出し効率の向上を示す説明図である。
なお、図1と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【0041】
図2に示されるように、凸型の半球形状の微細構造6を有する透明エポキシ樹脂2で砲弾形に樹脂封止されるところまでは、本実施の形態2のLED11は実施の形態1のLED1と同様である。異なるのは、さらにこの透明エポキシ樹脂2の上に光透過性材料としてのフッ化マグネシウムの層7が形成されていることである。フッ化マグネシウム7の屈折率は約1.3であり、透明エポキシ樹脂2の屈折率約1.5より小さいので、本実施の形態2のLED11は「表面に凸状の微細構造6を有し発光素子3を封止している封止樹脂2と、微細構造6を有する部分を被覆し封止樹脂2よりも低い屈折率を有する光透過性材料7とを具備することを特徴とする」LEDである。
【0042】
物質内から空気中へ光が放射されるときは、スネルの法則により物質と空気の屈折率の差が小さい方が、即ち物質の屈折率がより小さい方が全反射が起き難く反射率もより小さくなる。また、物質2と空気の間により屈折率の小さい物質7を挟めば、物質7と空気の界面、物質2と物質7の界面における全反射はより起き難くくなる。さらに、スネルの法則における臨界角を超えて全反射が生ずる角度で光が界面に達しても、界面に凸状の微細構造6が設けられていると、微細構造6に対する光の入射角が臨界角以下になる場合が多い。
【0043】
したがって、本実施の形態2のLED11においては、発光素子3を封止している透明エポキシ樹脂2の表面における全反射と反射率が、凸状の半球形状の微細構造6の効果とその上に被覆された低い屈折率のフッ化マグネシウム7の効果とが相俟って、大きく減少する。さらに、低い屈折率のフッ化マグネシウム7から空気中へ光が放射される場合にも、透明エポキシ樹脂2から直接空気中へ光が放射される場合に比べて、全反射の割合は減少し反射率も低下する。これによって、その分だけLED11から空気中への光の取り出し効率が向上することになる。
【0044】
この点について、図3を参照してさらに詳しく説明する。破線と実線で示された角度で入射した光は、凸状の半球形状の微細構造6がなく、低い屈折率のフッ化マグネシウム7の層もなかったとしたら、破線で示される全反射光L0のように透明エポキシ樹脂2内に全反射される。しかし、実際には凸状の半球形状の微細構造6が存在するために入射角はほぼ0度に近くなり、実線で示される透過光L1のように透明エポキシ樹脂2とフッ化マグネシウム7の界面を略垂直に透過し、さらにフッ化マグネシウム7の表面でも殆ど反射されることなく空気中に放射される。
【0045】
図3の場合には、フッ化マグネシウム7の層がなく外が空気でも、凸状の半球形状の微細構造6のみによって透過光L1は空気中に放射される。また逆に、凸状の半球形状の微細構造6がなくフッ化マグネシウム7の層のみでも、透明エポキシ樹脂2の屈折率n1≒1.5とフッ化マグネシウム7の屈折率n2≒1.3は近いので、入射光は余り屈折することなく界面を通過してフッ化マグネシウム7の表面から外部放射されるものと考えられる。しかし、凸状の半球形状の微細構造6への入射角がもっと大きい場合には、低屈折率のフッ化マグネシウム7の層による効果と相俟って始めて、入射光の反射率を小さく保って全反射も起こすことなく空気中へ光を放出することができる。
【0046】
このようにして、本実施の形態2のLED11は、微細構造6と低屈折率の光透過性材料7の効果が相俟って、界面及び表面における反射光を極力少なくすることができ、発光素子から空気中への光の取り出し効率を大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0047】
実施の形態3
次に、本発明にかかるLEDの実施の形態3について、図4を参照して説明する。図4(a)は本発明の実施の形態3にかかるLEDの全体構造を示す縦断面図、(b)はLEDの表面の微細構造を示す部分拡大断面図である。なお、図1と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【0048】
図4に示されるように、凸型の半球形状の微細構造6を有する透明エポキシ樹脂2で砲弾形に樹脂封止されるところまでは、本実施の形態3のLED12は実施の形態1のLED1と同様である。異なるのは、さらにこの透明エポキシ樹脂2の上に光透過性材料としてのポリテトラフロロエチレン(以下、「PTFE」とも略する。)13の層が被覆され、その表面にも凸型の半球形状の微細構造14が一面に亘って形成されている点である。
【0049】
これによって、図4(b)に示されるように、破線と実線で示された角度で入射した光は、凸状の半球形状の微細構造6がなく、低い屈折率のPTFE13の層もなかったとしたら、破線で示される全反射光L0のように透明エポキシ樹脂2内に全反射される。しかし、実際には凸状の半球形状の微細構造6が存在するために入射角はほぼ0度に近くなり、実線で示される透過光L1のように透明エポキシ樹脂2とPTFE13の界面を略垂直に透過し、さらにPTFE13の表面に形成された凸状の半球形状の微細構造14に入射して略垂直に透過し、殆ど反射されることなく空気中に放射される。
【0050】
このようにして、本実施の形態3のLED12は、微細構造6と低屈折率の光透過性材料13とさらにその表面に形成された微細構造14の効果が相俟って、界面及び表面における反射光をより少なくすることができ、発光素子から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0051】
実施の形態4
次に、本発明にかかるLEDの実施の形態4について、図5を参照して説明する。図5(a)は本発明の実施の形態4にかかるLEDの全体構造を示す縦断面図、(b)はLEDの表面の微細構造を示す部分拡大断面図である。
【0052】
図5(a)に示されるように、本実施の形態4のLED20は表面実装型の構造を有している。即ち、基板26の表面から裏面まで1対の金属製のリード板25a,25bを回り込ませて、基板26の表面中央に位置するリード板25aの上に青色発光素子3を2つの電極が上面にくるようにマウントし、2つの電極から2本のワイヤ4a,4bをそれぞれリード板25a,25bにボンディングして電気的接続をとっている。リード板25a,25bの表面の大部分と青色発光素子3とワイヤ4a,4bとは、透明エポキシ樹脂21によって略四角錐台形に樹脂封止され、さらに透明エポキシ樹脂21の上面にはフッ化マグネシウム22の層が形成されている。
【0053】
そして、図5(b)に示されるように、透明エポキシ樹脂21の上面及びフッ化マグネシウム22の層の表面には、凸状の半球形状の微細構造23,24がそれぞれ互い違いになるように形成されている。これによって、実施の形態3と同様に、本実施の形態4のLED20は、微細構造23と低屈折率の光透過性材料22とさらにその表面に形成された微細構造24の効果が相俟って、界面及び表面における反射光をより少なくすることができ、発光素子3から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させることができる。
【0054】
のみならず、本実施の形態4のLED20においては、フッ化マグネシウム22の層及び凸状の半球形状の微細構造23,24を上面にのみ設けたため、上面からの出射光量を多くすることができ、配光制御をすることができる。また、表面実装型のLEDとしたことによって、高さをランプ型の1/4〜1/5程度にすることができ、LEDを小型化することができる。
【0055】
実施の形態5
次に、本発明にかかるLEDの実施の形態5について、図6を参照して説明する。図6(a)は本発明の実施の形態5にかかるLEDの上面を示す平面図、(b)は(a)のA−A断面図である。
【0056】
図6(b)に示されるように、本実施の形態5のLED30も表面実装型の構造を有しており、円板形のセラミックス基板35の表面から裏面に回り込むように互いに絶縁された1対の金属膜36a,36bを付けて、セラミックス基板35の表面中央に位置する金属膜36aの上に青色発光素子3を2つの電極が上面にくるようにマウントし、2つの電極から2本のワイヤ4a,4bをそれぞれ金属膜36a,36bにボンディングして電気的接続をとっている。金属膜36a,36bの表面の大部分と青色発光素子3とワイヤ4a,4bとは、透明エポキシ樹脂33によって略円板形に樹脂封止され、さらに透明エポキシ樹脂33の上面にはフッ化マグネシウム31の層が形成されている。
【0057】
そして、透明エポキシ樹脂33の上面及びフッ化マグネシウム31の層の表面には、それぞれ凸状の半球形状の微細構造34,32が間隔を空けずに連続的に形成されている。これらの凸状の半球形状の微細構造32,34はほぼ同じ大きさで、互い違いになるように配置されている。即ち、図6(a)において示されているフッ化マグネシウム31の層の微細構造32と同じ大きさで半球形状の半径分だけずれた下方に透明エポキシ樹脂33の微細構造34が連続的に形成されている。
【0058】
このように、凸状の半球形状の微細構造32,34を連続して設けることによって、発光素子3から放射される光が必ず微細構造32,34に当るようにして全反射が起こる確率を極力低くするとともに反射率も低下させて、その分だけLED30から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させている。また、表面実装型の構造とすることによって高さがランプ型の1/4〜1/5程度になり、LEDを小型化することができる。
【0059】
のみならず、本実施の形態5のLED30においては、凸状の半球形状の微細構造32,34を上面にのみ設けたため、上面からの出射光量を多くすることができ、配光制御をすることができる。
【0060】
実施の形態6
次に、本発明にかかるLEDの実施の形態6について、図7を参照して説明する。図7(a)は本発明の実施の形態6にかかるLEDの上面を示す平面図、(b)は(a)のB−B断面図である。なお、図6と同一の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【0061】
図7(b)に示されるように、透明エポキシ樹脂33によって上面に凸状の半球形状の微細構造34を有する略円板形に樹脂封止されるところまでは、本実施の形態6のLED40は実施の形態5のLED30と同様である。異なるのは、透明エポキシ樹脂33の上に被覆されるフッ化マグネシウム41の層の上面に形成される凸状の半球形状の微細構造が、LED40の中心付近の微細構造42では透明エポキシ樹脂33の微細構造34と同程度の大きさであるが、中心付近の周囲の微細構造43においては半球形状の半径が微細構造42の約4倍程度に大きくなっている点である。
【0062】
かかる構造にしたのは、LED40の中心付近即ち発光素子3の真上付近の透明エポキシ樹脂33及びフッ化マグネシウム41の上面への光の入射角は非常に小さくなる(上面に対して垂直に近く入射する)ので、小さい微細構造42でも反射率は非常に小さくなるのに対して、中心付近の周囲は上面への光の入射角が大きくなって臨界角に近づくので、大きい微細構造43を配置することによって、微細構造43への光の入射角を小さくして全反射が起こらないようにするためである。
【0063】
なお、本実施の形態6においては、小さい微細構造42を中心付近に大きい微細構造43を中心付近の周囲に位置させるのは光透過性材料としてのフッ化マグネシウム41の上面だけとしたが、透明エポキシ樹脂33及びフッ化マグネシウム41の両方の上面をかかる構造にしても良い。
【0064】
このようにして、本実施の形態6のLED40においては、2種類の大きさの微細構造42,43をそれぞれ適切な位置に配置することによって、発光素子3から空気中への光の取り出し効率をさらに向上させるとともに小型化された明るいLEDとなる。
【0065】
上記各実施の形態においては、凸状及び/または凹状の微細構造として凸状の半球形状の微細構造を採用した場合について説明したが、凹状の半球形状や凸状の円錐形状等、その他の形状の微細構造を採用しても良い。また、微細構造の形成方法として封止金型のキャビティ面をエッチングする方法のみを例に挙げたが、その他にも封止金型のキャビティ面にレーザ加工・ドリル加工等を施す方法や、封止樹脂または光透過性材料の層を形成した後にレーザ加工技術によって表面を直接加工する方法等で形成することができる。
【0066】
また、上記各実施の形態においては、封止樹脂として透明エポキシ樹脂を用いた場合について説明したが、他にも透明シリコン樹脂を始めとして、硬化前の流動性・充填性並びに硬化後の透明性・耐候性を有する樹脂であれば、どのような樹脂を用いても構わない。
【0067】
さらに、封止樹脂よりも低い屈折率を有する光透過性材料として、上記実施の形態3のみポリテトラフロロエチレン(PTFE)を用い、他の実施の形態においてはフッ化マグネシウムを用いた場合について説明したが、他の実施の形態においてもPTFEを始めとするその他の封止樹脂よりも低い屈折率を有する材料を用いても良いし、上記実施の形態3においてもフッ化マグネシウムを始めとするその他の封止樹脂よりも低い屈折率を有する材料を用いても良い。
【0068】
また、上記各実施の形態においては、発光素子として青色発光素子3を2つの電極を上にしてワイヤボンディングした場合について説明したが、2つの電極を下にして金バンプ等によりフリップチップ型構造としても良いし、赤色発光素子、緑色発光素子等、その他の種類の発光素子を用いることもできる。
【0069】
発光ダイオードのその他の部分の構成、形状、数量、材質、大きさ、接続関係等についても上記各実施の形態に限定されるものではない。
【0070】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1の発明にかかる発光ダイオードは、発光素子と、表面に凸状及び/または凹状の微細構造を有し、前記発光素子を封止している封止樹脂と、前記微細構造を有する部分を被覆し、前記封止樹脂よりも低い屈折率を有する光透過性材料とを具備するものである。
【0071】
物質内から空気中へ光が放射されるときは、スネルの屈折の法則により物質と空気の屈折率の差が小さい方が、即ち物質の屈折率がより小さい方が全反射が起き難く、反射率も小さくなる。また、物質と空気の間により屈折率の小さい物質を挟めば、物質と空気の界面、物質と物質の界面における全反射はより起き難くくなり、反射率も小さくなる。さらに、スネルの法則における臨界角を超えて全反射が生ずる角度で光が界面に達しても、界面に凸状または凹状の微細構造が設けられていると、微細構造に対する光の入射角が臨界角以下になる場合が多い。
【0072】
したがって、上記構成のLEDにおいては、発光素子を封止している封止樹脂の表面における全反射が、凸状及び/または凹状の微細構造の効果とその上に被覆された低い屈折率の光透過性材料の効果とが相俟って大きく減少し、反射率も大きく低下する。さらに、低い屈折率の光透過性材料から空気中へ光が放射される場合にも、封止樹脂から直接空気中へ光が放射される従来の場合に比べて、全反射の割合は減少し、反射率も大きく低下する。これによって、その分だけLEDから空気中への光の取り出し効率が向上することになる。
【0073】
このようにして、表面における反射光を極力少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0074】
請求項2の発明にかかる発光ダイオードは、請求項1の構成において、前記光透過性材料の表面にも凸状及び/または凹状の微細構造を有するものである。
【0075】
これによって、光透過性材料の表面における全反射及び反射率が凸状及び/または凹状の微細構造の効果と低い屈折率の効果とが相俟って、大きく減少する。したがって、その分だけLEDから空気中への光の取り出し効率がより大きく向上する。
【0076】
このようにして、表面における反射光をさらに少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0077】
請求項3の発明にかかる発光ダイオードは、請求項1または請求項2の構成において、前記凸状及び/または凹状の微細構造は、連続して設けられているものである。
【0078】
凸状及び/または凹状の微細構造が1個ずつ独立して設けられていると、その間の表面(あるいは界面)は平滑になってしまい、全反射が起こる確率が高くなる。そこで、微細構造を連続して設けることによって、内部から放射される光が必ず微細構造に当るようにして全反射が起こる確率を極力低くするとともに反射率も低下させて、その分だけLEDから空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させている。
【0079】
このようにして、表面及び界面における反射光をさらに少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0080】
請求項4の発明にかかる発光ダイオードは、請求項1乃至請求項3のいずれか1つの構成において、前記凸状及び/または凹状の微細構造の大きさは、約0.5μm〜約1mmの範囲内であるものである。
【0081】
発明者が、凸状半球形状の微細構造について光の取り出し効率の微細構造大きさ依存性についてシミュレーションしてみたところ、半球直径1mm程度から取り出し効率向上の効果が表れ、半球直径を小さくして行くにしたがって向上の効果は増大して行き、半球直径1μm程度までは増大した。なおも半球直径を小さくしてみたところ、400nm程度までは取り出し効率向上の効果が維持された。そこで、波長依存性や加工の実現性等も考慮して、約0.5μm〜約1mmの範囲を光の取り出し効率向上の効果が得られる微細構造の大きさの範囲として設定したものである。この範囲の大きさの微細構造であれば、凸状半球形状以外の形状であっても光の取り出し効率向上の効果が得られると考えられる。
【0082】
このようにして、微細構造の大きさをシミュレーションから割り出した範囲内とすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0083】
請求項5の発明にかかる発光ダイオードは、請求項1乃至請求項4のいずれか1つの構成において、前記微細構造の形状は凸状の略半球形状であるものである。
【0084】
上述の如く、凸状半球形状の微細構造について光の取り出し効率の微細構造大きさ依存性についてシミュレーションした結果、約0.5μm〜約1mmの範囲で光の取り出し効率の向上効果が確認され、その最大値は約20%もの取り出し効率の向上となった。このように、実際にシミュレーションした結果大きな取り出し効率の向上が確認された凸状半球形状の微細構造ならば、実際にLEDを作製した場合にも確実に大きな光の取り出し効率の向上効果が得られると考えられる。
【0085】
このようにして、微細構造の形状を凸状の略半球形状とすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を確実に大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0086】
請求項6の発明にかかる発光ダイオードは、請求項2乃至請求項5のいずれか1つの構成において、前記封止樹脂及び前記光透過性材料の上面はそれぞれ巨視的には平坦であり、前記上面に前記凸状及び/または凹状の微細構造を有するものである。
【0087】
即ち、本発明のLEDはランプ型LED(砲弾形LED)のような上部が丸く突出した形状ではなく、表面実装型デバイス(SMD)のように平坦な上面を有するものである。このSMD型LEDは、基板上にマウントされた発光素子を上面が巨視的には平坦になるように樹脂封止し、この上面に凸状及び/または凹状の微細構造を形成し、その上に光透過性材料の層を被覆してその上面にも凸状及び/または凹状の微細構造を形成したものである。したがって、光の取り出し効率を向上させるだけでなく、LEDのサイズ(特に高さ)を小さくできるという作用効果がある。
【0088】
このようにして、封止樹脂及び光透過性材料の上面をそれぞれ巨視的には平坦とすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を向上させるとともに小型化された明るいLEDとなる。
【0089】
請求項7の発明にかかる発光ダイオードは、請求項6の構成において、前記凸状及び/または凹状の微細構造は2種類の大きさからなり、小さい微細構造は中心付近に、大きい微細構造は前記中心付近の周囲に位置しているものである。
【0090】
かかる配置にしたのは、中心付近即ち発光素子の真上付近の封止樹脂及び光透過性材料の上面への光の入射角は非常に小さくなる(上面に対して垂直に近く入射する)ので、小さい微細構造でも反射率は非常に小さくなるのに対して、中心付近の周囲は上面への光の入射角が大きくなって臨界角に近づくので、大きい微細構造を配置することによって、微細構造への光の入射角を小さくして全反射が起こらないようにするためである。
【0091】
このようにして、2種類の大きさの微細構造をそれぞれ適切な位置に配置することによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率をさらに向上させるとともに小型化された明るいLEDとなる。
【0092】
請求項8の発明にかかる発光ダイオードは、請求項1乃至請求項7のいずれか1つの構成において、前記封止樹脂は透明エポキシ樹脂または透明シリコン樹脂であり、前記光透過性材料はフッ化マグネシウムまたはポリテトラフロロエチレンであるものである。
【0093】
透明エポキシ樹脂及び透明シリコン樹脂は、硬化前の流動性・充填性並びに硬化後の透明性・耐候性に優れ、封止樹脂として最も適している。また、フッ化マグネシウム及びポリテトラフロロエチレンは、透明性に優れ屈折率が約1.3〜1.4であり、透明エポキシ樹脂及び透明シリコン樹脂の屈折率約1.5に比べて小さいので光透過性材料として相応しい。
【0094】
このようにして、具体的材料として封止樹脂としては透明エポキシ樹脂または透明シリコン樹脂、光透過性材料としてはフッ化マグネシウムまたはポリテトラフロロエチレンを用いることによって、表面及び界面における反射光を少なくして、発光素子から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させた明るいLEDを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)は本発明の実施の形態1にかかるLEDの全体構造を示す縦断面図、(b)はLEDの表面の微細構造を示す部分拡大図である。
【図2】図2(a)は本発明の実施の形態2にかかるLEDの全体構造を示す縦断面図、(b)はLEDの表面の微細構造を示す部分拡大断面図である。
【図3】図3は微細構造と光透過性材料による光取り出し効率の向上を示す説明図である。
【図4】図4(a)は本発明の実施の形態3にかかるLEDの全体構造を示す縦断面図、(b)はLEDの表面の微細構造を示す部分拡大断面図である。
【図5】図5(a)は本発明の実施の形態4にかかるLEDの全体構造を示す縦断面図、(b)はLEDの表面の微細構造を示す部分拡大断面図である。
【図6】図6(a)は本発明の実施の形態5にかかるLEDの上面を示す平面図、(b)は(a)のA−A断面図である。
【図7】図7(a)は本発明の実施の形態6にかかるLEDの上面を示す平面図、(b)は(a)のB−B断面図である。
【図8】図8は、従来のランプ型(砲弾形)LEDの全体構造を示す縦断面図である。
【符号の説明】
1,11,12,20,30,40 発光ダイオード(LED)
2,21,31,41 封止樹脂
3 発光素子
6,14,23,24,32,34,42,43 微細構造
7,13,22,33 光透過性材料
L0 全反射光
L1 透過光
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂封止型の発光ダイオードにおいて、表面形状等を改良することによって空気中への光の取り出し効率を向上させた発光ダイオードに関するものである。
【0002】
なお、本明細書中においては、LEDチップそのものは「発光素子」と呼び、LEDチップを搭載したパッケージ樹脂またはレンズ系等の光学装置を含む全体を「発光ダイオード」または「LED」と呼ぶこととする。
【0003】
【従来の技術】
【特許文献1】特開2001−203393号公報
【特許文献2】特開2001−298216号公報
従来から、より明るいLEDを得るために、発光素子内部の光の取り出し効率を上げる工夫がなされている。
【0004】
例えば、特許文献1においては、発光素子を透明エポキシ樹脂よりも屈折率の大なる薄膜で被覆し、さらに薄膜表面に凹凸または丸みを帯びた起伏を形成している。これによって、発光素子を形成している屈折率が非常に大きな半導体と透明エポキシ樹脂封止層との屈折率の差を小さくすることができ、半導体内部から外へ出る光について全反射が起こり難くなる。また、一度薄膜へ入った光は表面の凹凸によって再度表面での全反射が起こり難くなっているため、発光素子から出てくる光を有効に外部に導くことができ、光の取り出し効率が改善される。
【0005】
また、特許文献2においては、発光素子全体を蛍光物質を含有する波長変換層で被覆し、この波長変換層の全表面に一様な波形状の凹凸模様を形成し、この凹凸模様の表面を封止樹脂との封止界面とすることによって、波長変換された光をより一層一様に発光させるとともに界面の接合強度が向上する。そして、発光素子の全方位からの出射光を白色に変換して発光させることができ、発光効率を向上させることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光の取り出し効率の問題は、このようなLED内部だけでなく封止樹脂と空気の界面でも起こっている。この問題について、図8を参照して説明する。図8は、従来のランプ型(砲弾形)LEDの全体構造を示す縦断面図である。
図8に示されるように、このランプ型LED51は、1対の金属製のリード55a,55bの一方55aの先端にカップ型の反射鏡55cを設けてその底面に青色発光素子53を2つの電極が上面になるようにマウントし、2つの電極から2本のワイヤ54a,54bで1対のリード55a,55bの先端にそれぞれボンディングして電気的接続をとっている。そして、リード55a,55bの先端部分から青色発光素子53及び2本のワイヤ54a,54bを透明エポキシ樹脂52で砲弾形に封止している。
【0007】
ここで、透明エポキシ樹脂52の屈折率は約1.5であり空気の屈折率は1.0であるため屈折率の差が大きく、透明エポキシ樹脂52と空気の界面(即ち、ランプ型LED51の表面)においてこの屈折率差と界面への入射角で決定される反射率が発生し、その分だけ出射効率が減少する。特に、光線L0で示されるように界面への入射角がスネルの法則で決まる臨界角を超える光は全反射して透明エポキシ樹脂52中を伝播し、この間に吸収損失を受けるので、ランプ型LED51全体としての透明エポキシ樹脂52から空気への光の取り出し効率はかなり低下してしまう。
【0008】
そこで、本発明は、表面における反射光を極力少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を向上させた明るい発光ダイオードを提供することを課題とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明にかかる発光ダイオードは、発光素子と、表面に凸状及び/または凹状の微細構造を有し、前記発光素子を封止している封止樹脂と、前記微細構造を有する部分を被覆し、前記封止樹脂よりも低い屈折率を有する光透過性材料とを具備するものである。
【0010】
物質内から空気中へ光が放射されるときは、スネルの屈折の法則により物質と空気の屈折率の差が小さい方が、即ち物質の屈折率がより小さい方が全反射が起き難く、反射率も小さくなる。また、物質と空気の間により屈折率の小さい物質を挟めば、物質と空気の界面、物質と物質の界面における全反射はより起き難くくなり、反射率も小さくなる。さらに、スネルの法則における臨界角を超えて全反射が生ずる角度で光が界面に達しても、界面に凸状または凹状の微細構造が設けられていると、微細構造に対する光の入射角が臨界角以下になる場合が多い。
【0011】
したがって、上記構成のLEDにおいては、発光素子を封止している封止樹脂の表面における全反射が、凸状及び/または凹状の微細構造の効果とその上に被覆された低い屈折率の光透過性材料の効果とが相俟って大きく減少し、反射率も大きく低下する。さらに、低い屈折率の光透過性材料から空気中へ光が放射される場合にも、封止樹脂から直接空気中へ光が放射される従来の場合に比べて、全反射の割合は減少し、反射率も大きく低下する。これによって、その分だけLEDから空気中への光の取り出し効率が向上することになる。
【0012】
このようにして、表面における反射光を極力少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0013】
請求項2の発明にかかる発光ダイオードは、請求項1の構成において、前記光透過性材料の表面にも凸状及び/または凹状の微細構造を有するものである。
【0014】
これによって、光透過性材料の表面における全反射及び反射率が凸状及び/または凹状の微細構造の効果と低い屈折率の効果とが相俟って、大きく減少する。
したがって、その分だけLEDから空気中への光の取り出し効率がより大きく向上する。
【0015】
このようにして、表面における反射光をさらに少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0016】
請求項3の発明にかかる発光ダイオードは、請求項1または請求項2の構成において、前記凸状及び/または凹状の微細構造は、連続して設けられているものである。
【0017】
凸状及び/または凹状の微細構造が1個ずつ独立して設けられていると、その間の表面(あるいは界面)は平滑になってしまい、全反射が起こる確率が高くなる。そこで、微細構造を連続して設けることによって、内部から放射される光が必ず微細構造に当るようにして全反射が起こる確率を極力低くするとともに反射率も低下させて、その分だけLEDから空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させている。
【0018】
このようにして、表面及び界面における反射光をさらに少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0019】
請求項4の発明にかかる発光ダイオードは、請求項1乃至請求項3のいずれか1つの構成において、前記凸状及び/または凹状の微細構造の大きさは、約0.5μm〜約1mmの範囲内であるものである。
【0020】
発明者が、凸状半球形状の微細構造について光の取り出し効率の微細構造大きさ依存性についてシミュレーションしてみたところ、半球直径1mm程度から取り出し効率向上の効果が表れ、半球直径を小さくして行くにしたがって向上の効果は増大して行き、半球直径1μm程度までは増大した。なおも半球直径を小さくしてみたところ、400nm程度までは取り出し効率向上の効果が維持された。そこで、波長依存性や加工の実現性等も考慮して、約0.5μm〜約1mmの範囲を光の取り出し効率向上の効果が得られる微細構造の大きさの範囲として設定したものである。この範囲の大きさの微細構造であれば、凸状半球形状以外の形状であっても光の取り出し効率向上の効果が得られると考えられる。
【0021】
このようにして、微細構造の大きさをシミュレーションから割り出した範囲内とすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0022】
請求項5の発明にかかる発光ダイオードは、請求項1乃至請求項4のいずれか1つの構成において、前記微細構造の形状は凸状の略半球形状であるものである。
【0023】
上述の如く、凸状半球形状の微細構造について光の取り出し効率の微細構造大きさ依存性についてシミュレーションした結果、約0.5μm〜約1mmの範囲で光の取り出し効率の向上効果が確認され、その最大値は約20%もの取り出し効率の向上となった。このように、実際にシミュレーションした結果大きな取り出し効率の向上が確認された凸状半球形状の微細構造ならば、実際にLEDを作製した場合にも確実に大きな光の取り出し効率の向上効果が得られると考えられる。
【0024】
このようにして、微細構造の形状を凸状の略半球形状とすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を確実に大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0025】
請求項6の発明にかかる発光ダイオードは、請求項2乃至請求項5のいずれか1つの構成において、前記封止樹脂及び前記光透過性材料の上面はそれぞれ巨視的には平坦であり、前記上面に前記凸状及び/または凹状の微細構造を有するものである。
【0026】
即ち、本発明のLEDはランプ型LED(砲弾形LED)のような上部が丸く突出した形状ではなく、表面実装型デバイス(SMD)のように平坦な上面を有するものである。このSMD型LEDは、基板上にマウントされた発光素子を上面が巨視的には平坦になるように樹脂封止し、この上面に凸状及び/または凹状の微細構造を形成し、その上に光透過性材料の層を被覆してその上面にも凸状及び/または凹状の微細構造を形成したものである。したがって、光の取り出し効率を向上させるだけでなく、LEDのサイズ(特に高さ)を小さくできるという作用効果がある。
【0027】
このようにして、封止樹脂及び光透過性材料の上面をそれぞれ巨視的には平坦とすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を向上させるとともに小型化された明るいLEDとなる。
【0028】
請求項7の発明にかかる発光ダイオードは、請求項6の構成において、前記凸状及び/または凹状の微細構造は2種類の大きさからなり、小さい微細構造は中心付近に、大きい微細構造は前記中心付近の周囲に位置しているものである。
【0029】
かかる配置にしたのは、中心付近即ち発光素子の真上付近の封止樹脂及び光透過性材料の上面への光の入射角は非常に小さくなる(上面に対して垂直に近く入射する)ので、小さい微細構造でも反射率は非常に小さくなるのに対して、中心付近の周囲は上面への光の入射角が大きくなって臨界角に近づくので、大きい微細構造を配置することによって、微細構造への光の入射角を小さくして全反射が起こらないようにするためである。
【0030】
なお、大きい微細構造を中心付近の周囲に小さい微細構造を中心付近及び外周に位置させるのは、光透過性材料の上面だけでも良いし、封止樹脂及び光透過性材料の両方の上面をかかる配置にしても良い。
【0031】
このようにして、2種類の大きさの微細構造をそれぞれ適切な位置に配置することによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率をさらに向上させるとともに小型化された明るいLEDとなる。
【0032】
請求項8の発明にかかる発光ダイオードは、請求項1乃至請求項7のいずれか1つの構成において、前記封止樹脂は透明エポキシ樹脂または透明シリコン樹脂であり、前記光透過性材料はフッ化マグネシウムまたはポリテトラフロロエチレンであるものである。
【0033】
透明エポキシ樹脂及び透明シリコン樹脂は、硬化前の流動性・充填性並びに硬化後の透明性・耐候性に優れ、封止樹脂として最も適している。また、フッ化マグネシウム及びポリテトラフロロエチレンは、透明性に優れ屈折率が約1.3〜1.4であり、透明エポキシ樹脂及び透明シリコン樹脂の屈折率約1.5に比べて小さいので光透過性材料として相応しい。
【0034】
このようにして、具体的材料として封止樹脂としては透明エポキシ樹脂または透明シリコン樹脂、光透過性材料としてはフッ化マグネシウムまたはポリテトラフロロエチレンを用いることによって、表面及び界面における反射光を少なくして、発光素子から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させた明るいLEDを実現することができる。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる発光ダイオードの実施の形態について図面を参照して説明する。
【0036】
実施の形態1
まず、本発明にかかるLEDの実施の形態1について、図1を参照して説明する。図1(a)は本発明の実施の形態1にかかるLEDの全体構造を示す縦断面図、(b)はLEDの表面の微細構造を示す部分拡大図である。
【0037】
図1(a)に示されるように、本実施の形態1のLED1は、1対の金属製のリード5a,5bのうち一方のリード5aの先端部分にカップ型の反射鏡5cを設けて、その底面に青色発光素子3を2つの電極が上面になるようにマウントし、2つの電極から2本のワイヤ4a,4bで1対のリード5a,5bの先端にそれぞれボンディングして電気的接続をとっている。そして、リード5a,5bの先端部分から青色発光素子3及び2本のワイヤ4a,4bを透明エポキシ樹脂2で砲弾形に封止している。
【0038】
ここまでの外観上は図8の従来の砲弾形LEDと同様であるが、ここで封止用金型のキャビティ面にエッチングによって半球形状の微細な凹みが一面に付けられている。この結果、図1(b)に示されるように、封止樹脂としての透明エポキシ樹脂2の表面に微細構造としての凸型の半球形状6が一面に形成される。これによって、発光素子3から直接または反射鏡5cで反射されて透明エポキシ樹脂2の表面に入射した光の入射角が巨視的には臨界角を超えていても、凸型の半球形状の微細構造6に入射することによって、後で図3について説明するように、入射角が非常に小さくなって反射率も非常に小さくなり大部分の光が空気中に放射される場合が多くなる。
【0039】
このようにして、本実施の形態1のLED1は、表面における反射光を少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を向上させた明るいLEDとなる。
【0040】
実施の形態2
次に、本発明にかかるLEDの実施の形態2について、図2及び図3を参照して説明する。図2(a)は本発明の実施の形態2にかかるLEDの全体構造を示す縦断面図、(b)はLEDの表面の微細構造を示す部分拡大断面図である。図3は微細構造と光透過性材料による光取り出し効率の向上を示す説明図である。
なお、図1と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【0041】
図2に示されるように、凸型の半球形状の微細構造6を有する透明エポキシ樹脂2で砲弾形に樹脂封止されるところまでは、本実施の形態2のLED11は実施の形態1のLED1と同様である。異なるのは、さらにこの透明エポキシ樹脂2の上に光透過性材料としてのフッ化マグネシウムの層7が形成されていることである。フッ化マグネシウム7の屈折率は約1.3であり、透明エポキシ樹脂2の屈折率約1.5より小さいので、本実施の形態2のLED11は「表面に凸状の微細構造6を有し発光素子3を封止している封止樹脂2と、微細構造6を有する部分を被覆し封止樹脂2よりも低い屈折率を有する光透過性材料7とを具備することを特徴とする」LEDである。
【0042】
物質内から空気中へ光が放射されるときは、スネルの法則により物質と空気の屈折率の差が小さい方が、即ち物質の屈折率がより小さい方が全反射が起き難く反射率もより小さくなる。また、物質2と空気の間により屈折率の小さい物質7を挟めば、物質7と空気の界面、物質2と物質7の界面における全反射はより起き難くくなる。さらに、スネルの法則における臨界角を超えて全反射が生ずる角度で光が界面に達しても、界面に凸状の微細構造6が設けられていると、微細構造6に対する光の入射角が臨界角以下になる場合が多い。
【0043】
したがって、本実施の形態2のLED11においては、発光素子3を封止している透明エポキシ樹脂2の表面における全反射と反射率が、凸状の半球形状の微細構造6の効果とその上に被覆された低い屈折率のフッ化マグネシウム7の効果とが相俟って、大きく減少する。さらに、低い屈折率のフッ化マグネシウム7から空気中へ光が放射される場合にも、透明エポキシ樹脂2から直接空気中へ光が放射される場合に比べて、全反射の割合は減少し反射率も低下する。これによって、その分だけLED11から空気中への光の取り出し効率が向上することになる。
【0044】
この点について、図3を参照してさらに詳しく説明する。破線と実線で示された角度で入射した光は、凸状の半球形状の微細構造6がなく、低い屈折率のフッ化マグネシウム7の層もなかったとしたら、破線で示される全反射光L0のように透明エポキシ樹脂2内に全反射される。しかし、実際には凸状の半球形状の微細構造6が存在するために入射角はほぼ0度に近くなり、実線で示される透過光L1のように透明エポキシ樹脂2とフッ化マグネシウム7の界面を略垂直に透過し、さらにフッ化マグネシウム7の表面でも殆ど反射されることなく空気中に放射される。
【0045】
図3の場合には、フッ化マグネシウム7の層がなく外が空気でも、凸状の半球形状の微細構造6のみによって透過光L1は空気中に放射される。また逆に、凸状の半球形状の微細構造6がなくフッ化マグネシウム7の層のみでも、透明エポキシ樹脂2の屈折率n1≒1.5とフッ化マグネシウム7の屈折率n2≒1.3は近いので、入射光は余り屈折することなく界面を通過してフッ化マグネシウム7の表面から外部放射されるものと考えられる。しかし、凸状の半球形状の微細構造6への入射角がもっと大きい場合には、低屈折率のフッ化マグネシウム7の層による効果と相俟って始めて、入射光の反射率を小さく保って全反射も起こすことなく空気中へ光を放出することができる。
【0046】
このようにして、本実施の形態2のLED11は、微細構造6と低屈折率の光透過性材料7の効果が相俟って、界面及び表面における反射光を極力少なくすることができ、発光素子から空気中への光の取り出し効率を大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0047】
実施の形態3
次に、本発明にかかるLEDの実施の形態3について、図4を参照して説明する。図4(a)は本発明の実施の形態3にかかるLEDの全体構造を示す縦断面図、(b)はLEDの表面の微細構造を示す部分拡大断面図である。なお、図1と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【0048】
図4に示されるように、凸型の半球形状の微細構造6を有する透明エポキシ樹脂2で砲弾形に樹脂封止されるところまでは、本実施の形態3のLED12は実施の形態1のLED1と同様である。異なるのは、さらにこの透明エポキシ樹脂2の上に光透過性材料としてのポリテトラフロロエチレン(以下、「PTFE」とも略する。)13の層が被覆され、その表面にも凸型の半球形状の微細構造14が一面に亘って形成されている点である。
【0049】
これによって、図4(b)に示されるように、破線と実線で示された角度で入射した光は、凸状の半球形状の微細構造6がなく、低い屈折率のPTFE13の層もなかったとしたら、破線で示される全反射光L0のように透明エポキシ樹脂2内に全反射される。しかし、実際には凸状の半球形状の微細構造6が存在するために入射角はほぼ0度に近くなり、実線で示される透過光L1のように透明エポキシ樹脂2とPTFE13の界面を略垂直に透過し、さらにPTFE13の表面に形成された凸状の半球形状の微細構造14に入射して略垂直に透過し、殆ど反射されることなく空気中に放射される。
【0050】
このようにして、本実施の形態3のLED12は、微細構造6と低屈折率の光透過性材料13とさらにその表面に形成された微細構造14の効果が相俟って、界面及び表面における反射光をより少なくすることができ、発光素子から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0051】
実施の形態4
次に、本発明にかかるLEDの実施の形態4について、図5を参照して説明する。図5(a)は本発明の実施の形態4にかかるLEDの全体構造を示す縦断面図、(b)はLEDの表面の微細構造を示す部分拡大断面図である。
【0052】
図5(a)に示されるように、本実施の形態4のLED20は表面実装型の構造を有している。即ち、基板26の表面から裏面まで1対の金属製のリード板25a,25bを回り込ませて、基板26の表面中央に位置するリード板25aの上に青色発光素子3を2つの電極が上面にくるようにマウントし、2つの電極から2本のワイヤ4a,4bをそれぞれリード板25a,25bにボンディングして電気的接続をとっている。リード板25a,25bの表面の大部分と青色発光素子3とワイヤ4a,4bとは、透明エポキシ樹脂21によって略四角錐台形に樹脂封止され、さらに透明エポキシ樹脂21の上面にはフッ化マグネシウム22の層が形成されている。
【0053】
そして、図5(b)に示されるように、透明エポキシ樹脂21の上面及びフッ化マグネシウム22の層の表面には、凸状の半球形状の微細構造23,24がそれぞれ互い違いになるように形成されている。これによって、実施の形態3と同様に、本実施の形態4のLED20は、微細構造23と低屈折率の光透過性材料22とさらにその表面に形成された微細構造24の効果が相俟って、界面及び表面における反射光をより少なくすることができ、発光素子3から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させることができる。
【0054】
のみならず、本実施の形態4のLED20においては、フッ化マグネシウム22の層及び凸状の半球形状の微細構造23,24を上面にのみ設けたため、上面からの出射光量を多くすることができ、配光制御をすることができる。また、表面実装型のLEDとしたことによって、高さをランプ型の1/4〜1/5程度にすることができ、LEDを小型化することができる。
【0055】
実施の形態5
次に、本発明にかかるLEDの実施の形態5について、図6を参照して説明する。図6(a)は本発明の実施の形態5にかかるLEDの上面を示す平面図、(b)は(a)のA−A断面図である。
【0056】
図6(b)に示されるように、本実施の形態5のLED30も表面実装型の構造を有しており、円板形のセラミックス基板35の表面から裏面に回り込むように互いに絶縁された1対の金属膜36a,36bを付けて、セラミックス基板35の表面中央に位置する金属膜36aの上に青色発光素子3を2つの電極が上面にくるようにマウントし、2つの電極から2本のワイヤ4a,4bをそれぞれ金属膜36a,36bにボンディングして電気的接続をとっている。金属膜36a,36bの表面の大部分と青色発光素子3とワイヤ4a,4bとは、透明エポキシ樹脂33によって略円板形に樹脂封止され、さらに透明エポキシ樹脂33の上面にはフッ化マグネシウム31の層が形成されている。
【0057】
そして、透明エポキシ樹脂33の上面及びフッ化マグネシウム31の層の表面には、それぞれ凸状の半球形状の微細構造34,32が間隔を空けずに連続的に形成されている。これらの凸状の半球形状の微細構造32,34はほぼ同じ大きさで、互い違いになるように配置されている。即ち、図6(a)において示されているフッ化マグネシウム31の層の微細構造32と同じ大きさで半球形状の半径分だけずれた下方に透明エポキシ樹脂33の微細構造34が連続的に形成されている。
【0058】
このように、凸状の半球形状の微細構造32,34を連続して設けることによって、発光素子3から放射される光が必ず微細構造32,34に当るようにして全反射が起こる確率を極力低くするとともに反射率も低下させて、その分だけLED30から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させている。また、表面実装型の構造とすることによって高さがランプ型の1/4〜1/5程度になり、LEDを小型化することができる。
【0059】
のみならず、本実施の形態5のLED30においては、凸状の半球形状の微細構造32,34を上面にのみ設けたため、上面からの出射光量を多くすることができ、配光制御をすることができる。
【0060】
実施の形態6
次に、本発明にかかるLEDの実施の形態6について、図7を参照して説明する。図7(a)は本発明の実施の形態6にかかるLEDの上面を示す平面図、(b)は(a)のB−B断面図である。なお、図6と同一の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【0061】
図7(b)に示されるように、透明エポキシ樹脂33によって上面に凸状の半球形状の微細構造34を有する略円板形に樹脂封止されるところまでは、本実施の形態6のLED40は実施の形態5のLED30と同様である。異なるのは、透明エポキシ樹脂33の上に被覆されるフッ化マグネシウム41の層の上面に形成される凸状の半球形状の微細構造が、LED40の中心付近の微細構造42では透明エポキシ樹脂33の微細構造34と同程度の大きさであるが、中心付近の周囲の微細構造43においては半球形状の半径が微細構造42の約4倍程度に大きくなっている点である。
【0062】
かかる構造にしたのは、LED40の中心付近即ち発光素子3の真上付近の透明エポキシ樹脂33及びフッ化マグネシウム41の上面への光の入射角は非常に小さくなる(上面に対して垂直に近く入射する)ので、小さい微細構造42でも反射率は非常に小さくなるのに対して、中心付近の周囲は上面への光の入射角が大きくなって臨界角に近づくので、大きい微細構造43を配置することによって、微細構造43への光の入射角を小さくして全反射が起こらないようにするためである。
【0063】
なお、本実施の形態6においては、小さい微細構造42を中心付近に大きい微細構造43を中心付近の周囲に位置させるのは光透過性材料としてのフッ化マグネシウム41の上面だけとしたが、透明エポキシ樹脂33及びフッ化マグネシウム41の両方の上面をかかる構造にしても良い。
【0064】
このようにして、本実施の形態6のLED40においては、2種類の大きさの微細構造42,43をそれぞれ適切な位置に配置することによって、発光素子3から空気中への光の取り出し効率をさらに向上させるとともに小型化された明るいLEDとなる。
【0065】
上記各実施の形態においては、凸状及び/または凹状の微細構造として凸状の半球形状の微細構造を採用した場合について説明したが、凹状の半球形状や凸状の円錐形状等、その他の形状の微細構造を採用しても良い。また、微細構造の形成方法として封止金型のキャビティ面をエッチングする方法のみを例に挙げたが、その他にも封止金型のキャビティ面にレーザ加工・ドリル加工等を施す方法や、封止樹脂または光透過性材料の層を形成した後にレーザ加工技術によって表面を直接加工する方法等で形成することができる。
【0066】
また、上記各実施の形態においては、封止樹脂として透明エポキシ樹脂を用いた場合について説明したが、他にも透明シリコン樹脂を始めとして、硬化前の流動性・充填性並びに硬化後の透明性・耐候性を有する樹脂であれば、どのような樹脂を用いても構わない。
【0067】
さらに、封止樹脂よりも低い屈折率を有する光透過性材料として、上記実施の形態3のみポリテトラフロロエチレン(PTFE)を用い、他の実施の形態においてはフッ化マグネシウムを用いた場合について説明したが、他の実施の形態においてもPTFEを始めとするその他の封止樹脂よりも低い屈折率を有する材料を用いても良いし、上記実施の形態3においてもフッ化マグネシウムを始めとするその他の封止樹脂よりも低い屈折率を有する材料を用いても良い。
【0068】
また、上記各実施の形態においては、発光素子として青色発光素子3を2つの電極を上にしてワイヤボンディングした場合について説明したが、2つの電極を下にして金バンプ等によりフリップチップ型構造としても良いし、赤色発光素子、緑色発光素子等、その他の種類の発光素子を用いることもできる。
【0069】
発光ダイオードのその他の部分の構成、形状、数量、材質、大きさ、接続関係等についても上記各実施の形態に限定されるものではない。
【0070】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1の発明にかかる発光ダイオードは、発光素子と、表面に凸状及び/または凹状の微細構造を有し、前記発光素子を封止している封止樹脂と、前記微細構造を有する部分を被覆し、前記封止樹脂よりも低い屈折率を有する光透過性材料とを具備するものである。
【0071】
物質内から空気中へ光が放射されるときは、スネルの屈折の法則により物質と空気の屈折率の差が小さい方が、即ち物質の屈折率がより小さい方が全反射が起き難く、反射率も小さくなる。また、物質と空気の間により屈折率の小さい物質を挟めば、物質と空気の界面、物質と物質の界面における全反射はより起き難くくなり、反射率も小さくなる。さらに、スネルの法則における臨界角を超えて全反射が生ずる角度で光が界面に達しても、界面に凸状または凹状の微細構造が設けられていると、微細構造に対する光の入射角が臨界角以下になる場合が多い。
【0072】
したがって、上記構成のLEDにおいては、発光素子を封止している封止樹脂の表面における全反射が、凸状及び/または凹状の微細構造の効果とその上に被覆された低い屈折率の光透過性材料の効果とが相俟って大きく減少し、反射率も大きく低下する。さらに、低い屈折率の光透過性材料から空気中へ光が放射される場合にも、封止樹脂から直接空気中へ光が放射される従来の場合に比べて、全反射の割合は減少し、反射率も大きく低下する。これによって、その分だけLEDから空気中への光の取り出し効率が向上することになる。
【0073】
このようにして、表面における反射光を極力少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0074】
請求項2の発明にかかる発光ダイオードは、請求項1の構成において、前記光透過性材料の表面にも凸状及び/または凹状の微細構造を有するものである。
【0075】
これによって、光透過性材料の表面における全反射及び反射率が凸状及び/または凹状の微細構造の効果と低い屈折率の効果とが相俟って、大きく減少する。したがって、その分だけLEDから空気中への光の取り出し効率がより大きく向上する。
【0076】
このようにして、表面における反射光をさらに少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0077】
請求項3の発明にかかる発光ダイオードは、請求項1または請求項2の構成において、前記凸状及び/または凹状の微細構造は、連続して設けられているものである。
【0078】
凸状及び/または凹状の微細構造が1個ずつ独立して設けられていると、その間の表面(あるいは界面)は平滑になってしまい、全反射が起こる確率が高くなる。そこで、微細構造を連続して設けることによって、内部から放射される光が必ず微細構造に当るようにして全反射が起こる確率を極力低くするとともに反射率も低下させて、その分だけLEDから空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させている。
【0079】
このようにして、表面及び界面における反射光をさらに少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0080】
請求項4の発明にかかる発光ダイオードは、請求項1乃至請求項3のいずれか1つの構成において、前記凸状及び/または凹状の微細構造の大きさは、約0.5μm〜約1mmの範囲内であるものである。
【0081】
発明者が、凸状半球形状の微細構造について光の取り出し効率の微細構造大きさ依存性についてシミュレーションしてみたところ、半球直径1mm程度から取り出し効率向上の効果が表れ、半球直径を小さくして行くにしたがって向上の効果は増大して行き、半球直径1μm程度までは増大した。なおも半球直径を小さくしてみたところ、400nm程度までは取り出し効率向上の効果が維持された。そこで、波長依存性や加工の実現性等も考慮して、約0.5μm〜約1mmの範囲を光の取り出し効率向上の効果が得られる微細構造の大きさの範囲として設定したものである。この範囲の大きさの微細構造であれば、凸状半球形状以外の形状であっても光の取り出し効率向上の効果が得られると考えられる。
【0082】
このようにして、微細構造の大きさをシミュレーションから割り出した範囲内とすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0083】
請求項5の発明にかかる発光ダイオードは、請求項1乃至請求項4のいずれか1つの構成において、前記微細構造の形状は凸状の略半球形状であるものである。
【0084】
上述の如く、凸状半球形状の微細構造について光の取り出し効率の微細構造大きさ依存性についてシミュレーションした結果、約0.5μm〜約1mmの範囲で光の取り出し効率の向上効果が確認され、その最大値は約20%もの取り出し効率の向上となった。このように、実際にシミュレーションした結果大きな取り出し効率の向上が確認された凸状半球形状の微細構造ならば、実際にLEDを作製した場合にも確実に大きな光の取り出し効率の向上効果が得られると考えられる。
【0085】
このようにして、微細構造の形状を凸状の略半球形状とすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を確実に大きく向上させた明るいLEDとなる。
【0086】
請求項6の発明にかかる発光ダイオードは、請求項2乃至請求項5のいずれか1つの構成において、前記封止樹脂及び前記光透過性材料の上面はそれぞれ巨視的には平坦であり、前記上面に前記凸状及び/または凹状の微細構造を有するものである。
【0087】
即ち、本発明のLEDはランプ型LED(砲弾形LED)のような上部が丸く突出した形状ではなく、表面実装型デバイス(SMD)のように平坦な上面を有するものである。このSMD型LEDは、基板上にマウントされた発光素子を上面が巨視的には平坦になるように樹脂封止し、この上面に凸状及び/または凹状の微細構造を形成し、その上に光透過性材料の層を被覆してその上面にも凸状及び/または凹状の微細構造を形成したものである。したがって、光の取り出し効率を向上させるだけでなく、LEDのサイズ(特に高さ)を小さくできるという作用効果がある。
【0088】
このようにして、封止樹脂及び光透過性材料の上面をそれぞれ巨視的には平坦とすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を向上させるとともに小型化された明るいLEDとなる。
【0089】
請求項7の発明にかかる発光ダイオードは、請求項6の構成において、前記凸状及び/または凹状の微細構造は2種類の大きさからなり、小さい微細構造は中心付近に、大きい微細構造は前記中心付近の周囲に位置しているものである。
【0090】
かかる配置にしたのは、中心付近即ち発光素子の真上付近の封止樹脂及び光透過性材料の上面への光の入射角は非常に小さくなる(上面に対して垂直に近く入射する)ので、小さい微細構造でも反射率は非常に小さくなるのに対して、中心付近の周囲は上面への光の入射角が大きくなって臨界角に近づくので、大きい微細構造を配置することによって、微細構造への光の入射角を小さくして全反射が起こらないようにするためである。
【0091】
このようにして、2種類の大きさの微細構造をそれぞれ適切な位置に配置することによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率をさらに向上させるとともに小型化された明るいLEDとなる。
【0092】
請求項8の発明にかかる発光ダイオードは、請求項1乃至請求項7のいずれか1つの構成において、前記封止樹脂は透明エポキシ樹脂または透明シリコン樹脂であり、前記光透過性材料はフッ化マグネシウムまたはポリテトラフロロエチレンであるものである。
【0093】
透明エポキシ樹脂及び透明シリコン樹脂は、硬化前の流動性・充填性並びに硬化後の透明性・耐候性に優れ、封止樹脂として最も適している。また、フッ化マグネシウム及びポリテトラフロロエチレンは、透明性に優れ屈折率が約1.3〜1.4であり、透明エポキシ樹脂及び透明シリコン樹脂の屈折率約1.5に比べて小さいので光透過性材料として相応しい。
【0094】
このようにして、具体的材料として封止樹脂としては透明エポキシ樹脂または透明シリコン樹脂、光透過性材料としてはフッ化マグネシウムまたはポリテトラフロロエチレンを用いることによって、表面及び界面における反射光を少なくして、発光素子から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させた明るいLEDを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)は本発明の実施の形態1にかかるLEDの全体構造を示す縦断面図、(b)はLEDの表面の微細構造を示す部分拡大図である。
【図2】図2(a)は本発明の実施の形態2にかかるLEDの全体構造を示す縦断面図、(b)はLEDの表面の微細構造を示す部分拡大断面図である。
【図3】図3は微細構造と光透過性材料による光取り出し効率の向上を示す説明図である。
【図4】図4(a)は本発明の実施の形態3にかかるLEDの全体構造を示す縦断面図、(b)はLEDの表面の微細構造を示す部分拡大断面図である。
【図5】図5(a)は本発明の実施の形態4にかかるLEDの全体構造を示す縦断面図、(b)はLEDの表面の微細構造を示す部分拡大断面図である。
【図6】図6(a)は本発明の実施の形態5にかかるLEDの上面を示す平面図、(b)は(a)のA−A断面図である。
【図7】図7(a)は本発明の実施の形態6にかかるLEDの上面を示す平面図、(b)は(a)のB−B断面図である。
【図8】図8は、従来のランプ型(砲弾形)LEDの全体構造を示す縦断面図である。
【符号の説明】
1,11,12,20,30,40 発光ダイオード(LED)
2,21,31,41 封止樹脂
3 発光素子
6,14,23,24,32,34,42,43 微細構造
7,13,22,33 光透過性材料
L0 全反射光
L1 透過光
Claims (8)
- 発光素子と、
表面に凸状及び/または凹状の微細構造を有し、前記発光素子を封止している封止樹脂と、
前記微細構造を有する部分を被覆し、前記封止樹脂よりも低い屈折率を有する光透過性材料とを具備することを特徴とする発光ダイオード。 - 前記光透過性材料の表面にも凸状及び/または凹状の微細構造を有することを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード。
- 前記凸状及び/または凹状の微細構造は、連続して設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の発光ダイオード。
- 前記凸状及び/または凹状の微細構造の大きさは、約0.5μm〜約1mmの範囲内であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1つに記載の発光ダイオード。
- 前記微細構造の形状は凸状の略半球形状であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1つに記載の発光ダイオード。
- 前記封止樹脂及び前記光透過性材料の上面はそれぞれ巨視的には平坦であり、前記上面に前記凸状及び/または凹状の微細構造を有することを特徴とする請求項2乃至請求項5のいずれか1つに記載の発光ダイオード。
- 前記凸状及び/または凹状の微細構造は2種類の大きさからなり、小さい微細構造は中心付近に、大きい微細構造は前記中心付近の周囲に位置していることを特徴とする請求項6に記載の発光ダイオード。
- 前記封止樹脂は透明エポキシ樹脂または透明シリコン樹脂であり、前記光透過性材料はフッ化マグネシウムまたはポリテトラフロロエチレンであることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1つに記載の発光ダイオード。
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---|---|
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Cited By (23)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005026302A (ja) * | 2003-06-30 | 2005-01-27 | Shin Etsu Handotai Co Ltd | 発光モジュール |
JP2005251875A (ja) * | 2004-03-02 | 2005-09-15 | Toshiba Corp | 半導体発光装置 |
JP2006108640A (ja) * | 2004-09-09 | 2006-04-20 | Toyoda Gosei Co Ltd | 発光装置 |
WO2006118104A1 (ja) * | 2005-04-26 | 2006-11-09 | Kabushiki Kaisha Toshiba | 白色ledおよびそれを用いたバックライト並びに液晶表示装置 |
KR100665219B1 (ko) | 2005-07-14 | 2007-01-09 | 삼성전기주식회사 | 파장변환형 발광다이오드 패키지 |
JP2007123891A (ja) * | 2005-10-27 | 2007-05-17 | Lg Innotek Co Ltd | 発光ダイオードパッケージ及びその製造方法 |
KR100793333B1 (ko) | 2006-04-21 | 2008-01-11 | 삼성전기주식회사 | 표면실장형 발광 다이오드 소자의 제조방법 |
JP2008010748A (ja) * | 2006-06-30 | 2008-01-17 | Fine Rubber Kenkyusho:Kk | 発光装置およびその製造方法 |
US7405433B2 (en) | 2005-02-22 | 2008-07-29 | Avago Technologies Ecbu Ip Pte Ltd | Semiconductor light emitting device |
JP2008543100A (ja) * | 2005-06-07 | 2008-11-27 | ジーメンス ヴィディーオー オートモーティヴ アクチエンゲゼルシャフト | 発光装置 |
CN100464439C (zh) * | 2006-03-20 | 2009-02-25 | 奇菱科技股份有限公司 | 发光二极管的封装结构与其制造方法 |
KR100900286B1 (ko) * | 2006-12-11 | 2009-05-29 | 엘지전자 주식회사 | 발광 소자 패키지 및 그 제조방법 |
JP2009206459A (ja) * | 2008-02-29 | 2009-09-10 | Sharp Corp | 色変換部材およびそれを用いた発光装置 |
JP2009231510A (ja) * | 2008-03-21 | 2009-10-08 | Toshiba Lighting & Technology Corp | 照明装置 |
JP2011018704A (ja) * | 2009-07-07 | 2011-01-27 | Toyoda Gosei Co Ltd | Ledチップを囲繞する封止部材の表面に微細凹凸を形成する方法、及びこの方法を含むledランプの製造方法 |
JP2011233942A (ja) * | 2011-08-26 | 2011-11-17 | Fine Rubber Kenkyusho:Kk | 発光装置およびその製造方法 |
JP2011529628A (ja) * | 2008-07-29 | 2011-12-08 | オスラム オプト セミコンダクターズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | オプトエレクトロニクス半導体素子 |
JP2012009719A (ja) * | 2010-06-28 | 2012-01-12 | Kyocera Corp | 発光装置および照明装置 |
KR101153578B1 (ko) * | 2010-05-31 | 2012-06-11 | 한국광기술원 | 발광 다이오드 및 이의 제조 방법 |
US20140098533A1 (en) * | 2010-05-28 | 2014-04-10 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Light-emitting device and light-emitting system including the same |
CN103794696A (zh) * | 2012-10-30 | 2014-05-14 | 南京灿华光电设备有限公司 | 一种多层曲面纹路的发光二极管封装结构 |
JP2014157991A (ja) * | 2013-02-18 | 2014-08-28 | Toshiba Corp | 半導体発光装置及びその製造方法 |
CN117878224A (zh) * | 2024-03-12 | 2024-04-12 | 南昌实验室 | Led封装结构、封装方法和无荧光粉的led |
-
2003
- 2003-01-29 JP JP2003020667A patent/JP2004235337A/ja not_active Withdrawn
Cited By (37)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005026302A (ja) * | 2003-06-30 | 2005-01-27 | Shin Etsu Handotai Co Ltd | 発光モジュール |
JP2005251875A (ja) * | 2004-03-02 | 2005-09-15 | Toshiba Corp | 半導体発光装置 |
JP2006108640A (ja) * | 2004-09-09 | 2006-04-20 | Toyoda Gosei Co Ltd | 発光装置 |
US9236537B2 (en) | 2005-02-22 | 2016-01-12 | Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. | Semiconductor light emitting device |
US8778705B2 (en) | 2005-02-22 | 2014-07-15 | Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. | Method of manufacturing light emitting device |
US7405433B2 (en) | 2005-02-22 | 2008-07-29 | Avago Technologies Ecbu Ip Pte Ltd | Semiconductor light emitting device |
WO2006118104A1 (ja) * | 2005-04-26 | 2006-11-09 | Kabushiki Kaisha Toshiba | 白色ledおよびそれを用いたバックライト並びに液晶表示装置 |
US8896004B2 (en) | 2005-04-26 | 2014-11-25 | Kabushiki Kaisha Toshiba | White LED, backlight using the same, and liquid crystal display device |
JPWO2006118104A1 (ja) * | 2005-04-26 | 2008-12-18 | 株式会社東芝 | 白色ledおよびそれを用いたバックライト並びに液晶表示装置 |
JP2008543100A (ja) * | 2005-06-07 | 2008-11-27 | ジーメンス ヴィディーオー オートモーティヴ アクチエンゲゼルシャフト | 発光装置 |
US8283685B2 (en) | 2005-06-07 | 2012-10-09 | Siemens Vdo Automotive Ag | Light-generating arrangement |
KR100665219B1 (ko) | 2005-07-14 | 2007-01-09 | 삼성전기주식회사 | 파장변환형 발광다이오드 패키지 |
US8963188B2 (en) | 2005-10-27 | 2015-02-24 | Lg Innotek Co., Ltd. | Light emitting diode package and method of manufacturing the same |
JP2012253380A (ja) * | 2005-10-27 | 2012-12-20 | Lg Innotek Co Ltd | 発光ダイオードパッケージ |
JP2007123891A (ja) * | 2005-10-27 | 2007-05-17 | Lg Innotek Co Ltd | 発光ダイオードパッケージ及びその製造方法 |
US9012947B2 (en) | 2005-10-27 | 2015-04-21 | Lg Innotek Co., Ltd. | Light emitting diode package and method of manufacturing the same |
US9054283B2 (en) | 2005-10-27 | 2015-06-09 | Lg Innotek Co., Ltd. | Light emitting diode package and method of manufacturing the same |
CN100464439C (zh) * | 2006-03-20 | 2009-02-25 | 奇菱科技股份有限公司 | 发光二极管的封装结构与其制造方法 |
KR100793333B1 (ko) | 2006-04-21 | 2008-01-11 | 삼성전기주식회사 | 표면실장형 발광 다이오드 소자의 제조방법 |
US7696525B2 (en) | 2006-04-21 | 2010-04-13 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Surface mounting device-type light emitting diode |
JP2008010748A (ja) * | 2006-06-30 | 2008-01-17 | Fine Rubber Kenkyusho:Kk | 発光装置およびその製造方法 |
KR100900286B1 (ko) * | 2006-12-11 | 2009-05-29 | 엘지전자 주식회사 | 발광 소자 패키지 및 그 제조방법 |
JP2009206459A (ja) * | 2008-02-29 | 2009-09-10 | Sharp Corp | 色変換部材およびそれを用いた発光装置 |
JP2009231510A (ja) * | 2008-03-21 | 2009-10-08 | Toshiba Lighting & Technology Corp | 照明装置 |
JP2011529628A (ja) * | 2008-07-29 | 2011-12-08 | オスラム オプト セミコンダクターズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | オプトエレクトロニクス半導体素子 |
US9099622B2 (en) | 2008-07-29 | 2015-08-04 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Optoelectronic semiconductor component |
US9831394B2 (en) | 2008-07-29 | 2017-11-28 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Optoelectronic semiconductor component |
US10580941B2 (en) | 2008-07-29 | 2020-03-03 | Osram Oled Gmbh | Optoelectronic semiconductor component |
JP2011018704A (ja) * | 2009-07-07 | 2011-01-27 | Toyoda Gosei Co Ltd | Ledチップを囲繞する封止部材の表面に微細凹凸を形成する方法、及びこの方法を含むledランプの製造方法 |
US20140098533A1 (en) * | 2010-05-28 | 2014-04-10 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Light-emitting device and light-emitting system including the same |
US9157600B2 (en) * | 2010-05-28 | 2015-10-13 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Light-emitting device and light-emitting system including the same |
KR101153578B1 (ko) * | 2010-05-31 | 2012-06-11 | 한국광기술원 | 발광 다이오드 및 이의 제조 방법 |
JP2012009719A (ja) * | 2010-06-28 | 2012-01-12 | Kyocera Corp | 発光装置および照明装置 |
JP2011233942A (ja) * | 2011-08-26 | 2011-11-17 | Fine Rubber Kenkyusho:Kk | 発光装置およびその製造方法 |
CN103794696A (zh) * | 2012-10-30 | 2014-05-14 | 南京灿华光电设备有限公司 | 一种多层曲面纹路的发光二极管封装结构 |
JP2014157991A (ja) * | 2013-02-18 | 2014-08-28 | Toshiba Corp | 半導体発光装置及びその製造方法 |
CN117878224A (zh) * | 2024-03-12 | 2024-04-12 | 南昌实验室 | Led封装结构、封装方法和无荧光粉的led |
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