JP2009105229A

JP2009105229A - 発光素子部品

Info

Publication number: JP2009105229A
Application number: JP2007275830A
Authority: JP
Inventors: Hideo Saito; 秀夫斎藤
Original assignee: Asahi Kasei Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2007-10-23
Filing date: 2007-10-23
Publication date: 2009-05-14

Abstract

【課題】ディスプレイ用の照明装置に配設したときに、モアレを生じさせることなく光取り出し面からの指向角度を制御できる発光素子部品を提供すること。
【解決手段】本発明の発光素子部品１は、ＬＥＤ素子１２を実装した基板１１と、このＬＥＤ素子１２を封止するように基板１１上に設けられた光透過性樹脂層１４と、を具備し、光透過樹脂層１４は、その光取り出し面１４ａに、不均一な非平面スペックルによって特徴づけられた微細な３次元構造を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は発光素子部品に関し、特に、ディスプレイ用の照明装置に配設したときに、干渉縞（モアレ）を生じさせることなく光取り出し面からの指向角度を制御できる発光素子部品に関する。

発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）は、指向性が強い点光源であり、従来から様々な指向角度を有するＬＥＤ部品が開発されている。表面実装型のＬＥＤ部品の指向角度を制御するための方法としては、例えばドーム型やサイドエミッション型などのように様々なレンズをＬＥＤ素子と組み合わせて光の拡散を制御する方法がある。また、ＬＥＤ素子を封止する透明樹脂中に光を拡散させる拡散材料を含めて光の指向角度を広げる方法もある（特許文献１）。

しかしながら、ＬＥＤ素子にレンズを配設して拡散制御すると、ＬＥＤ部品が厚くなること、サイドエミッション型のような拡散角度を広げるレンズを採用すると、正面の光束が小さくなるなどの問題がある。また、透明樹脂に拡散材料を入れて指向角度を上げると、光取り出し効率が低下する問題がある。

一方で、光取り出し面にマイクロレンズアレイ、プリズム、レンチ形状などの均一な凹凸構造を持つ表面実装型のＬＥＤ素子が開発されている（特許文献２，３）。しかしながら、このようなＬＥＤ素子においては、凹凸構造が均一であるので、ディスプレイ用の照明装置に配設したときに、干渉縞（モアレ）が生じるなどの問題がある。
特開２００５−７９３２９号公報特開２００７−８７９４６号公報特開２００７−２２７９２６号公報

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、ディスプレイ用の照明装置に配設したときに、干渉縞（モアレ）を生じさせることなく光取り出し面からの指向角度を制御できる発光素子部品を提供することを目的とする。

本発明の発光素子部品は、発光素子を実装した基板と、前記発光素子を封止するように前記基板上に設けられた光透過性樹脂層と、を具備し、前記光透過樹脂層は、不均一な非平面スペックルによって特徴づけられた微細な３次元構造を有することを特徴とする。

本発明の発光素子部品においては、前記３次元構造が複数の凹凸形状で構成されており、前記凹凸形状の高さ及びピッチが不規則であることが好ましい。

本発明の発光素子部品においては、前記凹凸形状のアスペクト比が０．０１以上１０以下であり、前記凹凸形状の最大高さと最低高さとの間の差が５０μｍ以下であることが好ましい。

本発明の発光素子部品においては、前記光透過樹脂層における前記凹凸形状の高さのばらつきが５％以上であることが好ましい。

本発明の発光素子部品は、発光素子を実装した基板と、前記発光素子を封止するように前記基板上に設けられた光透過性樹脂層と、を具備し、前記光透過樹脂層は、不均一な非平面スペックルによって特徴づけられた微細な３次元構造を有するので、ディスプレイ用の照明装置に配設したときに、干渉縞（モアレ）を生じさせることなく光取り出し面からの指向角度を制御できる。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子部品の概略構成を示す図である。図１に示す発光素子部品１は、表面実装型の部品であり、基板１１と、基板１１上にワイヤ１３で実装された発光素子であるＬＥＤ素子１２と、ＬＥＤ素子１２を封止するように基板１１上に設けられた光透過性樹脂層１４とから主に構成されている。光透過性樹脂層１４の光取り出し面１４ａには、後述する不均一な非平面スペックルによって特徴づけられた微細な３次元構造が設けられている。なお、図１においては、基板１１が凹部を有しており、その凹部の底面にＬＥＤ素子１２が実装され、凹部を埋めるように光透過性樹脂層１４が設けられている場合について説明しているが、本発明においては、光透過性樹脂層１４の光取り出し面１４ａに、不均一な非平面スペックルによって特徴づけられた微細な３次元構造が設けられていれば、発光素子部品の構造については特に制限はない。

光透過性樹脂層１４を構成する材料としては、エポキシ樹脂やシリコーン硬化樹脂などを挙げることができる。エポキシ樹脂としては、例えば、脂環式エポキシモノマーやグリシジル基を有するエポキシ樹脂が挙げられる。シリコーン硬化樹脂としては、エポキシ基を有する２官能型（Ｄ型）シリコーンレジンや３官能型（Ｔ型）シリコーンレジン、ハイドロシリレーションにより硬化する不飽和炭化水素基とＳｉ−Ｈ結合を有するシリコーン樹脂との組み合わせの２官能型シリコーンレジンや３官能型シリコーンレジンでも良い。これらのエポキシ基やハイドロシリレーションによって硬化するシリコーン樹脂の２官能型シリコーンレジン及び３官能型シリコーンレジンは、それぞれ単独でも良く、２官能型シリコーンレジンと３官能型シリコーンレジンとが混合している化合物でも良い。

光透過性樹脂層１４に微細な３次元構造を作製する方法としては、例えばシリコーン硬化樹脂光透過性樹脂層１４に微細な３次元構造をもつマスタから直接転写しても良く、ＬＥＤ素子１２を封止するエポキシ樹脂やシリコーン硬化樹脂上に透明なＵＶ硬化樹脂層を形成し、このＵＶ硬化樹脂層に３次元構造をもつマスタから転写しても良く、あらかじめＵＶ硬化樹脂で微細構造を賦型したシートをエポキシ樹脂やシリコーン硬化樹脂上に貼り付けても良い。

また、ＬＥＤ素子１２から白色光を出射させるために、光透過性樹脂層１４に黄色、赤色などの蛍光層を設けても良い。この場合、ＬＥＤ素子１２から直接又は反射した光が蛍光層で励起され、励起による蛍光とＬＥＤ素子１２からの光との混色による白色光を、微細な３次元構造を有する表面から出射させることもできる。なお、用いる蛍光層は１色でも複数でも良い。白色光を出射させるためのＬＥＤ素子１２と蛍光層との組み合わせとしては、例えば青色ＬＥＤと黄色の蛍光層との組み合わせ、青色と黄色、及び赤色の蛍光層の組み合わせ、青色ＬＥＤと黄色、緑色の蛍光層との組み合わせなどが挙げられる。

光取り出し面１４ａに設けられている不均一な非平面スペックルによって特徴づけられた微細な３次元構造は、ＬＥＤ素子１２からの光を、異方性又は等方性を持たせて拡散させる複数の凹凸形状である。この複数の凹凸形状は、その高さ及びピッチが不規則である。凹凸形状のアスペクト比が０．０１以上１０以下であり、凹凸形状の最大高さと最低高さとの間の差が５０μｍ以下であることが好ましい。

ここで、アスペクト比は、凹凸の高さを山間のピッチ間距離で割った値である。これらの、凹凸形状の高さ、ピッチ、アスペクト比については、光の拡散方向や拡散範囲により適宜決定することができる。例えば、相対的に広い角度範囲に拡散させる場合には、凹凸形状の高さは、０．１μｍ〜５０μｍ、好ましくは１．０μｍ〜２０μｍであり、凹凸形状のピッチは、０．１μｍ〜５０μｍ、好ましくは０．１μｍ〜２０μｍであり、以下アスペクト比は、０．５〜１０である。また、相対的に狭い角度範囲に拡散させる場合には、凹凸形状の高さは、０．１μｍ〜２０μｍであり、凹凸形状のピッチは、３．０μｍ〜１００μｍであり、アスペクト比は、０．０１〜０．５である。

また、光透過樹脂層１４における凹凸形状の高さのばらつきは、例えば表面粗さ測定装置（ET4000：小坂研究所社製）やレーザー顕微鏡（VK9500：キーエンス社製）により測定することができる。例えば、凹凸面上の任意の点から、任意の方向に断面曲線を測定し、測定した断面曲線のデータから、凹凸高さ、ピッチ、アスペクト比を算出することができる。この測定結果から、断面方向において、所定の間隔内における高さが最大となる位置をｈ１、ｈ２・・・ｈｎとした場合の、各位置における高さのデータｄ（ｈ１）、ｄ（ｈ２）・・・ｄ（ｈｎ）を求める。
次に、得られた高さのデータから、下記式（１）により得られる値
|ｈｎ−ｄ（ｈｎ）ａｖｅ| 式（１）
を１μｍ毎に度数をプロットし、度数分布のデータを得る。具体的には、０〜１μｍ、１〜２μｍ、２〜３μｍ・・・といった階級を設定し、所定の階級内に含まれるデータの個数をカウントすることで、度数分布を求める。
ここで、ｄ（ｈｎ）ａｖｅは、下記式（２）によって求められる、高さの平均値とする。
ｄ（ｈｎ）ａｖｅ＝（ｄ（ｈ１）+ｄ（ｈ２）+,,,,+ｄ（ｈｎ））/ｎ）式（２）
度数分布を正確にするために最低１００点以上の高さデータを測定することが好ましい。
また、ばらつきが５％以上とは、１μｍ以上の階級に属する度数が全体の５％以上となることを言うものとする。効果的にモアレ防止することを考慮すると、ばらつきは、５％以上であることが好ましく、１０％以上がより好ましく、更に好ましくは２０％以上である。

具体的に、凹凸形状としては、図２から図９に示すものが挙げられる。光の拡散性は、例えば、ＬＥＤ素子から発せられる光をゴニオメーターで測定することによって求めることができる。例えば、図２（ａ）は、凹凸形状が等方拡散で光の拡散性が低拡散である場合を示す図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す凹凸形状の断面プロファイルを示す図である。また、図３（ａ）は、凹凸形状が等方拡散で光の拡散性が低拡散である場合を示す図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す凹凸形状の断面プロファイルを示す図である。図４（ａ）は、凹凸形状が等方拡散で光の拡散性が高拡散である場合を示す図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す凹凸形状の断面プロファイルを示す図である。図５（ａ）は、凹凸形状が等方拡散で光の拡散性が高拡散である場合を示す図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す凹凸形状の断面プロファイルを示す図である。図２及び図３は等方拡散の低拡散であるが、図３の形状は図２に比べると、拡散性は広い。また、図６（ａ）は、凹凸形状が異方拡散性を有する形状を示す図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す凹凸形状の高拡散側の断面プロファイルを示す図であり、図６（ｃ）は、図６（ａ）に示す凹凸形状の低拡散側の断面プロファイルを示す図である。図７（ａ）は、図６に比べ、低拡散性の部位が高拡散となっている凹凸形状が異方拡散を示す図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す凹凸形状の高拡散側の断面プロファイルを示す図であり、図７（ｃ）は、図７（ａ）に示す凹凸形状の低拡散側の断面プロファイルを示す図である。図８（ａ）は、凹凸形状が異方拡散で図６及び図７に比べて互いに直交する面内の２軸（Ｘ軸、Ｙ軸）とも高拡散を示す図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す凹凸形状の高拡散側の断面プロファイルを示す図であり、図８（ｃ）は、図８（ａ）に示す凹凸形状の低拡散側の断面プロファイルを示す図である。図９（ａ）は、図８に比べて低拡散側を同じで、高拡散側がより拡散性を有する凹凸形状が異方拡散を示す図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す凹凸形状の高拡散側の断面プロファイルを示す図であり、図９（ｃ）は、図９（ａ）に示す凹凸形状の低拡散側の断面プロファイルを示す図である。

なお、このような凹凸形状は、光透過性樹脂層１４の光取り出し面１４ａに直接形成しても良く、予め凹凸形状を設けたシートを光透過性樹脂層１４の光取り出し面１４ａに貼り付けても良い。

この凹凸形状を直接形成する場合は、次のようにして形成することができる。まず、予め干渉露光によりスペックルパターンを形成したサブマスタ型を作製し、このサブマスタ型に電鋳などの方法で金属を被着してこの金属にスペックルパターンを転写してマスタ型を作製する。光透過性樹脂層に、上記マスタ型を用いて紫外線による腑形を行って光透過性樹脂層の光取り出し面にスペックルパターンを転写する。このサブマスタ型の詳細な製造方法については、特許第３４１３５１９号公報（特許文献４）に開示されている。この内容はすべてここに含めておく。

スペックルパターンの寸法、形状及び方向を調節することにより、拡散角度の範囲を制御することができる。一般に、拡散角度の範囲は、スペックルの平均サイズ及び形状に依存する。スペックルが小さければ角度範囲が広い。また、スペックルが横方向の長円形であれば、角度分布の形は縦方向の長円形となる。このように、所望する指向角度や拡散角度に応じてスペックルパターンを決定することができる。

なお、干渉露光法とは、特定の波長のレーザ光を角度θ、θ’の２つの方向から照射して形成される干渉縞を利用した露光法であり、角度θ、θ’を変化させることで使用するレーザの波長で制限される範囲内で色々なピッチを有する凹凸形状のパターン（スペックルパターン）を得ることができる。干渉露光に使用できるレーザとしては、ＴＥＭ_００モードのレーザに限定され、ＴＥＭ_００モードのレーザ発振できる紫外光レーザとしては、アルゴンレーザ（波長３６４ｎｍ，３５１ｎｍ，３３３ｎｍ）や、ＹＡＧレーザの４倍波（波長２６６ｎｍ）などが挙げられる。

光透過性樹脂層１４の光取り出し面にあらかじめ微細な３次元構造を有するシートを貼り付ける場合は、別の透明樹脂シートにＵＶ硬化樹脂を塗布して、上記記載の方法と同様な方法で微細な３次元構造を転写させた後に硬化させるか、透明樹脂シートが熱可塑性樹脂である場合には、熱成型することによって微細な３次元構造を転写することもできる。

上述したように、光取り出し面１４ａが上記のような凹凸形状を有することにより、光取り出し面からの指向角度を制御することができる。例えば、高拡散性を有する微細な3次元構造を有する発光素子部品を用いれば、輝度ムラを生じさせにくくなり、ディスプレイ用の照明装置に配設したときに、モアレを生じさせることもない。

次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
図２から図９で示された３次元測定図及び断面図は、キーエンス社製レーザー顕微鏡VK-9500を使用して倍率１５０倍で測定した。Ｘ軸、Ｙ軸方向にそれぞれ任意の面で断面を切断して、断面図を作成し、ばらつきを計算したところ、図２から図９で示されている微細な凹凸構造のばらつきは５％以上であった。

（実施例１）
凹部及び配線パターンを持つ窒化アルミニウムのセラミック基板の凹部底面にＬＥＤチップを搭載し、ＬＥＤチップと基板上の配線パターンとをワイヤボンディングにより電気的に接続することによりＬＥＤチップを基板に実装した。次いで、エポキシ基を有するシリコーン硬化樹脂を用いて基板の凹部を充填してＬＥＤチップを封止した。その後、予め上述したようにして作製した図５に示すようなスペックルパターンを持つマスタ型を用いてエポキシ基を有するシリコーン硬化樹脂層の光取り出し面にスペックルパターンを転写した後、硬化させた。このようにしてサイズ４ｍｍ×３ｍｍ、厚さ２ｍｍの実施例の発光素子部品を作製した。

ディスプレイ用の直下型バックライトに上記実施例の発光素子部品を配設して、ディスプレイの表示を目視したところ、輝度むらが見えにくく、モアレが発生していなかったことが確認された。これは、光取り出し面に設けられたスペックルパターンが不均一な微細な３次元構造であるためであると考えられる。

（実施例２）
図６に示すようなスペックルパターンを持つマスタを用いた以外は実施例１と同様にしてサイズ２ｍｍ×１ｍｍ、厚さ１ｍｍの発光素子部品を作製した。ディスプレイ用のサイドエッジ型のバックライトに上記実施例の発光素子部品を配設して、ディスプレイの表示を目視したところ、ディスプレイの中央部のみならず、発光素子部品が取り付けられている面も、輝度ムラが見えにくくなり、モアレが発生していなかったことが確認された。

（比較例）
光取り出し面に均一なマイクロレンズアレイを設けること以外は実施例と同様にして発光素子部品（比較例）を作製した。ディスプレイ用の直下型バックライトに比較例の発光素子部品を配設して、ディスプレイの表示を目視したところ、モアレが発生していたことが確認された。これは、光取り出し面に設けられたマイクロレンズアレイが均一な構造であるためであると考えられる。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態における部材の材質、配置、形状などは例示的なものであり、適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

本発明は、ディスプレイに用いるサイドライト型や直下型のバックライトなどの照光装置に適用することができる。

本発明の実施の形態に係る発光素子部品の概略構成を示す図である。（ａ）は、等方拡散の凹凸形状の例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す凹凸形状の断面プロファイルを示す図である。（ａ）は、等方拡散の凹凸形状の他の例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す凹凸形状の断面プロファイルを示す図である。（ａ）は、等方拡散の凹凸形状の他の例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す凹凸形状の断面プロファイルを示す図である。（ａ）は、等方拡散の凹凸形状の他の例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す凹凸形状の断面プロファイルを示す図である。（ａ）は、異方拡散の凹凸形状の例を示す図であり、（ｂ），（ｃ）は、（ａ）に示す凹凸形状の断面プロファイルを示す図である。（ａ）は、異方拡散の凹凸形状の他の例を示す図であり、（ｂ），（ｃ）は、（ａ）に示す凹凸形状の断面プロファイルを示す図である。（ａ）は、異方拡散の凹凸形状の他の例を示す図であり、（ｂ），（ｃ）は、（ａ）に示す凹凸形状の断面プロファイルを示す図である。（ａ）は、異方拡散の凹凸形状の他の例を示す図であり、（ｂ），（ｃ）は、（ａ）に示す凹凸形状の断面プロファイルを示す図である。

符号の説明

１発光素子部品
１１基板
１２ＬＥＤ素子
１３ワイヤ
１４光透過性樹脂層
１４ａ光取り出し面

Claims

発光素子を実装した基板と、前記発光素子を封止するように前記基板上に設けられた光透過性樹脂層と、を具備し、前記光透過樹脂層は、不均一な非平面スペックルによって特徴づけられた微細な３次元構造を有することを特徴とする発光素子部品。
前記３次元構造が複数の凹凸形状で構成されており、前記凹凸形状の高さ及びピッチが不規則であることを特徴とする請求項１記載の発光素子部品。
前記凹凸形状のアスペクト比が０．０１以上１０以下であり、前記凹凸形状の最大高さと最低高さとの間の差が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の発光素子部品。
前記光透過樹脂層における前記凹凸形状の高さのばらつきが５％以上であることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の発光素子部品。