JP2006135328A - 側面発光型ｌｅｄデバイス及びその製作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】側方に光を出射可能なＬＥＤデバイスを容易に製造可能とする。
【解決手段】ＬＥＤダイ５０４を封入する透明材料の封入剤５０１において、ＬＥＤダイ５０４の上方かつＬＥＤダイ５０４の中心線上に位置する場所に窪みを設け、その窪みに円錐構造体５０２を形成する。ＬＥＤダイ５０４から出射した光のうち、ＬＥＤダイ５０４の中心線を中心とした円錐状の光線束は窪み５０２に入射し、円錐構造体５０２の内部と外部との間の境界面で全反射され、円錐構造体５０２の側方に向かって円錐構造体５０２の外部に出射される。
【選択図】図６

Description

本発明は一般に側面発光型ＬＥＤデバイスに関する。

現在では、コンピュータ・システムやテレビ、そして様々な電子装置に液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）が使用されることは一般化している。液晶ディスプレイは液晶の複屈折特性と、電場による液晶材料の配向能力を利用して作動するものである。より具体的には、液晶材料が表面及び裏面偏光板の間に配置される。ＬＥＤディスプレイの各画素はそれぞれのディスプレイ部分にある液晶を制御し、第一の偏光板を経た光の偏光（偏光の方向）を回転させる。第二の偏光板は、それぞれの画素の状態に応じて回転した偏光状態を持つ光をフィルタリング（検光）する、又は光の透過を許容する。

冷陰極管（ＣＣＦＬ）は従来からバックライト型ＬＣＤに使用されている。図１は、ＬＣＤに使用されている従来のＣＣＦＬ１００を描いたものである。図１から分かるように、ＣＣＦＬ１００は結晶層（液晶層）１０１の端部に配置されている。光線の広がりと光導体１０２の光学特性により、光は小型ディスプレイにおいてはほぼ均一な状態で結晶層１０１を通過することが出来る。しかしながら、ＬＣＤの画面サイズが１４インチ〜２０インチ、又はそれを超えた場合（例えば壁掛けテレビ等）、エッジライト式ＣＣＦＬベースのＬＣＤでは均一な照明を得ることが難しくなる。特には、ＬＣＤパネルの中心部までの光路長が増大することで、光導体１０２を通じた光損失が大きくなるのである。従って大型エッジライト式ＬＣＤの中心部の画質は相対的に低い場合がある。

より最近においては、発光ダイオード（ＬＥＤ）がＬＣＤへと組み込まれるようになった。図２はＬＥＤ２０１をバックライトに用いたＬＣＤ２００を描いたものである。ＬＥＤダイ（放射光を作る個々の半導体デバイス）は非常に高い指向性で光線を放射する。より具体的には、その放射光の強度は回転対称軸において最も強く、軸からの角度が増すに従って相対的に急速に落ちて行く。ＬＥＤダイからの放射光の高い指向性は、ＬＣＤの均一な照明を得る為に適応させなければならない。相対的に均一な照明を得る為に、ＬＥＤ２０１には側面発光デバイスとしての作動が可能なようにパッケージングに改良が施されている。また、ＬＣＤ２００もほぼ均一な照明を得るためにＬＥＤ２０１との間に底部リフレクタ２０２、透明ポリメチルメタクリレート樹脂（ＰＭＭＡ）層２０３及びディフューザ２０４を含んでいる。

ＬＥＤ２０１の側面発光特性は、一般的には特定形状に作られた透明封入構造体を用いることにより得られる。図３は側面発光型ＬＥＤの従来のパッケージング構造３００を描いたものである。パッケージング構造３００は、回転対称軸に比較的深い窪み３０１を含んでいる。窪み３０１によって出来た湾曲部は、回転対称軸を中心とする光の円錐（円錐状に放射する光）に全内部反射（パッケージ構造内で生じる全反射）をもたらしている。実際には、ＬＥＤから放射される光の全内部反射を得るために光学対称軸近辺に要する窪みの傾斜は非常に急峻であり、このような窪みを持つＬＥＤデバイスを量産することは困難である。製造を容易にする為、ＬＥＤデバイスの光学対称軸及びその周囲における急峻な窪みは省略され、小さな半径を有する湾曲部、或いは平坦面にされる。するとこの小さな面へと入射する光は全内部反射しなくなる。他の例においては窪みの傾斜が光学軸付近で小さくされているものがあるが、これでは光の一部が屈折し、全内部反射を生じる代わりにＬＥＤデバイスの光学対称軸からあまり離れない角度でもって窪みの表面から放射されてしまう（ＬＥＤデバイスの光学対称軸にほぼ沿う方向に封入構造体の表面から外に出て行ってしまう）。更に実際の例においては、図４に示したように、光が確実にＬＥＤ４００の側面を通じて放射されることになるように、反射材料４０１が一般的に用いられて窪みがコーティングされている。

周知の側面発光型ＬＥＤには複数の問題がある。例えば、全内部反射に必要とされる光学対称軸付近の急峻な傾斜は、モールドから取り出すのが困難なモールディング形状を作っている。更には、封入材中の窪みを形成する為に使用される金型の先端部にはＬＥＤの製造中に磨耗が生じる。他の例においては、光学軸付近での急峻な傾斜を形成しないで済むように、より緩い傾斜が作られる。屈折による窪み表面からの光の逃げを回避する為に、この窪みの上に反射材料を設けるという追加製造工程が導入されることになる。この材料は封入材の表面から剥がれたり分離したりする可能性がある。更に他の例においては、従来のＬＥＤデバイスの光学対称軸付近の急峻な傾斜により、この窪み中での光の反射はＬＥＤの内表面に対して大きな入射角を持たざるを得ないことから連続内部反射が起き（例えば図３の光線３０２及び３０３を参照）、光がＬＥＤデバイスを出る以前にパッケージ内部で大きな透過損失が生じるのである。

代表的な実施例の幾つかは、側面発光型ＬＥＤデバイス向けの封入材デザインに関するものである。封入材デザインは、ＬＥＤの回転対称軸に対して配置される円錐形の構造体を採用したものであることが望ましい。加えてこの円錐構造体は、封入構造体に形成される比較的小さな窪み中に設けられるものであることが望ましい。封入材の円錐構造体はＬＥＤから出射された光が、回転対称軸から実質的に離れる角度にパッケージから外へ向けられることになるような輪郭を提供するものである。より具体的には、円錐構造体に入射する際の光線の入射角は臨界角よりも大きく、従って円錐構造体中の光線は全内部反射されることになる。光線は円錐構造体の内部を構造体の反対側に向かうように向きを変えられ、封入構造体の側面から放射されるのである。

ＬＥＤデバイスを製作する為の方法の一実施例においては、封入構造体を好適にモールディングすることが含まれる。具体的に説明すると、ＬＥＤダイをリードフレーム又は他の好適な構造体上に搭載する。ＬＥＤダイをリードフレームのリード線と電気的に結合させる。封入材デザインを画定する金属又は他の好適なモールドがＬＥＤダイとフレームの上に配置される。次に射出成形又は他の好適なモールディング技術を用いてＬＥＤダイを囲む透明な封入材を形成する。この透明封入材は、樹脂エポキシ及び他の適正な材料を用いて形成することが出来る。モールド型により画定された封入材は、ＬＥＤダイの上方に円錐構造体を有しており、これが回転対称軸に一致するように配置されている。封入材の円錐構造体の輪郭と屈折率により、ＬＥＤダイから放射され、円錐構造体の表面に入射する光は全内部反射することになる。

図５は代表的な実施例の１つに基づくＬＥＤデバイス５００を描いたものである。ＬＥＤデバイス５００はフレーム又はプリント回路基板５０３とＬＥＤダイ５０４を含んでいる。ＬＥＤダイ５０４は封入材５０１により気密封止されていることが望ましい。封入材５０１は円錐構造体５０２を含んでいる。円錐構造体５０２はＬＥＤダイ５０４の上方に、ＬＥＤダイ５０４の回転対称軸に一致させて配置されている。円錐構造体５０２は封入材５０１の比較的小さな窪み５０５の中に設けられている。

図６は代表的な実施例の１つに基づくＬＥＤデバイス５００の光線追跡図６００を示したものである。わかりやすく図示する為にＬＥＤデバイス５００の右側半分から放射される光線のみを示した。図６から分かるように、光線６０１〜６０４と対称軸（ＬＥＤダイ５０４の中心から延びる法線ベクトルにより画定される）との間の角度は相対的に小さい。光線６０１〜６０４は円錐構造体５０２の表面（円錐構造体５０２の内部と外部との境界面）に入射しており、入射角は臨界角よりも大きい。従って、光線６０１〜６０４は全内部反射を生じている。光線６０１〜６０４は方向を変え、封入材５０１を円錐構造体５０２の反対側から出て行く。従って、元々はＬＥＤデバイス５００の前方に向けてＬＥＤダイ５０４から放射された光の一部分は、ＬＥＤデバイス５００の側部から放射されることになるのである。

また、光線６０５〜６０７は、封入材５０１の円錐構造体のすぐ外側、窪み５０５の中にある面へと入射している。窪み５０５の存在と封入材５０１の屈折率により、光線６０５〜６０７は封入材５０１の表面において向きを変えられる。従って窪み５０５は、ＬＥＤダイ５０４からの光を直接的に放射させることのない（ＬＥＤダイ５０４からの光が殆ど曲げられることなく出射するのを抑制して）広い範囲の角度を作るのである。

図７は代表的な実施例の１つに基づくＬＥＤデバイスの製作ステップを描いたものである。ステップ７０１においては、モールド（型）が用意され、液体の封入材（例えば樹脂エポキシ）がそのモールド中に供給される。ステップ７０２においては、ＬＥＤダイを含むフレーム又はプリント回路基板７１２が封入材中へと挿入される。その後封入材は硬化される。ステップ７０３においては、ＬＥＤデバイスがモールドから取り出され、モールドは次のＬＥＤデバイスの製作に再使用される。他の実施例においては、モールドはＬＥＤデバイス完成品の一部を構成するものであっても良い。更に他の実施例においては、フレーム及びＬＥＤダイを配置する前に液体封入材を供給するのではなく、フレーム及びＬＥＤダイを好適なモールド中に配置してから射出成形、トランスファ成形、又は他の好適な技術を使っても良い。

図８は、代表的な実施例の１つに基づくＬＣＤ装置８００を描いたものである。ＬＣＤ装置８００は従来のＬＣＤに代表的な幾つかの要素を含んでいる。例えば、ＬＣＤ装置８００は、偏光板、液晶材料及び電子制御デバイスを含むパネル層８０１を含む場合がある。ＬＣＤ装置８００は光収束特性を持つ輝度上昇フィルム（ＢＥＦ）層８０２を含んでいる。ＬＣＤ装置８００には、ＬＣＤ装置８００全体にわたってより均一な照明を得る為にディフューザ８０３を使用することが望ましい。ＬＣＤ装置８００は部分的に反射性とすることが出来るＰＭＭＡ層８０４を含んでいる。ＬＣＤ装置８００は更に底部リフレクタ８０５も含んでいる。

ＬＣＤ装置８００は更に、複数のＬＥＤ５００を持つバックライト・モジュール８０６も含んでいる。ＬＥＤ５００の各々は、円錐構造体５０２を含んでいる。よってＬＥＤ５００は側面発光デバイスとして作動するものであり、ＬＣＤ装置８００のサイズが大きくなったとしてもＬＣＤ装置８００全体にわたる照明の均一性が維持されるのである。

サイド照明デザインを採用した従来の液晶ディスプレイを描いた図である。 直接バックライトデザインを採用した従来の液晶ディスプレイを描いた図である。 側面発光型ＬＥＤ用の従来の封入材デザインを描いた図である。 側面発光型ＬＥＤ用の従来の封入デザインを描いた図である。 本発明の一実施の形態に基づくＬＥＤデバイスを描いた図である。 図５に示したＬＥＤデバイスの光線追跡図を示す図である。 本発明の一実施例に基づくＬＥＤデバイスの製作ステップを示す図である。 本発明の一実施例に基づくＬＣＤ装置を描いた図である。

符号の説明

５０１ 封入材
５０２ 円錐構造体
５０４ ＬＥＤダイ
５０５ 窪み

Claims (10)

1. 出力光を生成する為のＬＥＤダイと、
   前記ＬＥＤダイを封入する封入材とを具備し、
   前記封入材が、前記ＬＥＤダイから離れる方向に延びる円錐構造体であって前記ＬＥＤダイの上方に配置された円錐構造体を含み、前記円錐構造体の形状が、前記ＬＥＤダイの対称軸を中心とした円錐状の光線束に全内部反射を生じさせるように形成されることを特徴とする発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス。
2. 前記封入材により、前記ＬＥＤデバイスが側面発光型デバイスとして作動可能であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
3. 前記円錐構造体が、前記封入材の窪み中に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
4. 前記窪みに入射する光が、前記対称軸から離れる方向に反射されるものであることを特徴とする請求項３に記載のＬＥＤデバイス。
5. 前記封入材が、モールドカップ層を含む複数の層を含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
6. 発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスを製作する為の方法であって、
   封入材の形状を画定するモールド型を用意することと、
   前記モールド型中に液体封入材を供給することと、
   ＬＥＤダイを設けることと、
   前記液体封入材を硬化させて前記ＬＥＤダイを封入することとを有し、
   前記硬化した封入材は、前記ＬＥＤダイの上方に配置される円錐構造体であって前記ＬＥＤダイの上方から離れる方向に延びる円錐構造体を含み、前記円錐構造体の形状が、前記ＬＥＤダイの対称軸を中心とした円錐状の光線束に全内部反射を生じさせるように形成されることを特徴とする方法。
7. 前記供給することが、射出成形によって実施されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記供給することが、トランスファ成形処理によって実施されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
9. 前記硬化させて前記ＬＥＤダイを封入することの後に前記モールド型を除去することを更に有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
10. 前記ＬＥＤデバイスの完成時において、前記モールド型が前記硬化した封入材と一体化されることを特徴とする請求項６に記載の方法。

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