JP2010003790A

JP2010003790A - 発光ダイオード及びその製造方法

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Publication number: JP2010003790A
Application number: JP2008159920A
Authority: JP
Inventors: Akihito Raikubo; 彰人雷久保; Akihiro Kato; 陽弘加藤
Original assignee: Okaya Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Okaya Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2008-06-19
Filing date: 2008-06-19
Publication date: 2010-01-07

Abstract

【課題】繊維の集合体を構成する繊維の耐熱温度が１２０℃以下であっても、ＬＥＤチップの発熱による繊維の集合体の熱劣化を防止できる発光ダイオードを実現する。
【解決手段】ＬＥＤチップ20と、蛍光体28を担持し、繊維32間に多数の空隙34が形成された不織布30を備え、上記繊維32の耐熱温度が１２０℃以下であるＬＥＤ10であって、上記不織布30に、透光性を有し、耐熱温度が１５０℃より高い材料より成る耐熱性結合剤36を含浸させた。
【選択図】図４

Description

この発明は、発光ダイオードチップ（ＬＥＤチップ）と、該ＬＥＤチップの発光を所定波長の光に変換する波長変換用の蛍光物質を担持して成る繊維の集合体を備えた発光ダイオード（ＬＥＤ）とその製造方法に関する。

出願人は、先に、蛍光体を担持させて成る繊維の集合体をＬＥＤチップ上に配置したＬＥＤ（特開２００６−６００９９）や、蛍光体を担持させて成る繊維の集合体でＬＥＤチップを覆ったＬＥＤ（特開２００６−１４７９２５）を提案した。
図６は、蛍光体を担持させて成る不織布（繊維の集合体）でＬＥＤチップを覆ったＬＥＤを示すものであり、このＬＥＤ60は、絶縁材料より成る基板62上に、ＬＥＤチップ64を接続・固定して成る。
また、上記基板62の表面から側面を経て裏面にまで延設された一対の外部電極66ａ，66ｂが相互に絶縁された状態で形成されている。

上記ＬＥＤチップ64上面の一方の電極（図示せず）は、ボンディングワイヤ68を介して、一方の外部電極66ａに接続されると共に、ＬＥＤチップ64上面の他方の電極（図示せず）は、ボンディングワイヤ68を介して、他方の外部電極66ｂに接続されている。

上記ＬＥＤチップ64及びボンディングワイヤ68は、基板62上に載置された蛍光体70を担持して成るドーム状の繊維の集合体としての不織布72で覆われている。蛍光体70は、上記不織布72を構成する繊維の表面に担持されているものである。
上記ＬＥＤチップ64及び不織布72は、基板62上に配置された所定高さを備えた枠部材74で囲繞されていると共に、該枠部材74内に透光性材料を充填して形成された透光性の蓋部材76によって封止されている。

上記発光ダイオード60にあっては、一対の外部電極66ａ，66ｂを介してＬＥＤチップ64に電圧が印加されると、ＬＥＤチップ64が発光して、上記蛍光体70を励起させる紫外線や可視光等の光が放射される。この光が、ＬＥＤチップ64を覆うドーム状の不織布72に担持された蛍光体70に照射され、所定波長の可視光等の光に波長変換された後、透光性の蓋部材76を透過して外部へ放射されるのである。

上記発光ダイオード60は、ＬＥＤチップ64をドーム状の不織布72で覆い、該不織布72を構成する繊維の表面に蛍光体70を担持せしめたことから、蛍光体70で波長変換される光を、蛍光体70で反射された反射光として取り出すことができる。このため、光の取出し効率が向上し、高輝度化を図ることができるのである。しかも、ＬＥＤチップ64が不織布72で覆われているので、ＬＥＤチップ64から放射されたほぼ全ての光を、蛍光体70を担持した不織布72に照射することができる。
また、上記発光ダイオード60は、単位体積当たりの繊維の表面積が極めて大きい不織布72を構成する繊維の表面に蛍光体70を担持せしめたことから、蛍光体70の量及び表面積を飛躍的に増大させることができるのである。
特開２００６−６００９９特開２００６−１４７９２５

上記した従来のＬＥＤ60にあっては、ＬＥＤ60を長時間駆動させたり、発光輝度を高めるために高電流駆動させた場合には、ＬＥＤチップ70が発熱し、１２０℃にまで達する高温状態となることがあった。
このため、不織布72を構成する繊維の耐熱温度が上記１２０℃以下の場合、ＬＥＤチップ70の発熱により、不織布72の熱劣化を生じることがあった。

この発明は、従来の上記問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、繊維の集合体を構成する繊維の耐熱温度が１２０℃以下であっても、ＬＥＤチップの発熱による繊維の集合体の熱劣化を防止できる発光ダイオードと、該発光ダイオードの製造方法を実現することにある。

上記の目的を達成するため、本発明に係る発光ダイオードは、発光ダイオードチップと、蛍光物質を担持し、繊維間に多数の空隙が形成された繊維の集合体を備え、上記繊維の耐熱温度が１２０℃以下である発光ダイオードであって、上記繊維の集合体に、透光性を有し、耐熱温度が１５０℃より高い材料より成る耐熱性結合剤を含浸させたことを特徴とする。

上記耐熱性結合剤としては、例えば、ゾルゲルガラス又はシリコン樹脂が該当する。
また、上記繊維の集合体としては、多数の繊維が絡み合って形成された不織布を用いるのが好ましい。

また、本発明に係る発光ダイオードの製造方法は、
蛍光物質を担持した繊維の集合体を、液状の耐熱性結合剤中に浸漬した状態で真空雰囲気中に導入して脱気処理を行うことにより、繊維間の空隙内の空気と耐熱性結合剤とを置換させる工程と、
上記液状の耐熱性結合剤を固化させる工程と、
を備えたことを特徴とする。

本発明に係る発光ダイオードは、耐熱温度が１５０℃より高い材料で構成された耐熱性結合剤を繊維の集合体に含浸させたことから、繊維の集合体の耐熱性が向上し、繊維の集合体を構成する繊維の耐熱温度が１２０℃以下であっても、ＬＥＤチップの発熱による繊維の集合体の熱劣化を防止することができる。この結果、繊維の集合体を構成する繊維の材質選択の自由度が向上する。

上記繊維の集合体として、多数の繊維が絡み合って形成された不織布を用いた場合には、単位体積当たりの繊維の表面積が極めて大きいことから、担持する蛍光物質の表面積を極めて大きく確保することができる。

以下、図面に基づき、本発明に係る発光ダイオードの実施形態を説明する。
図１は、本発明に係る発光ダイオード10を示すものであり、この発光ダイオード10は、樹脂等の絶縁材料より成り、孔12が形成された略リング状の枠体14と、第１のリードフレーム16及び第２のリードフレーム18を有している。
第１のリードフレーム16は、上記枠体14の底面14ａの略全面を覆う先端部16ａと、枠体14を貫通して外方へ向かって水平方向に取り出される後端部16ｂを有している。第１のリードフレーム16の先端部16ａの一部は上記孔12内に露出しており、該孔12内に露出した第１のリードフレーム16の先端部16ａに、ＬＥＤチップ20をダイボンドすることにより、第１のリードフレーム16とＬＥＤチップ20底面の一方の電極（図示せず）とを電気的に接続している。

また、第２のリードフレーム18は、上記枠体14を貫通して孔12内に露出する先端部18ａと、枠体14の外方へ向かって水平方向に取り出されている後端部18ｂを有しており、第２のリードフレーム18の先端部18ａと、上記ＬＥＤチップ20上面の他方の電極（図示せず）とをボンディングワイヤ22を介して電気的に接続して成る。
上記ＬＥＤチップ20は、電圧が印加されると、後述する蛍光体を励起する波長の紫外線や青色可視光等の光を発光し、例えば、窒化ガリウム系半導体結晶で構成されている。

上記第１のリードフレーム16の先端部16ａと、第２のリードフレーム18の先端部18ａは、上下方向に所定の間隙を設けて対向配置されることにより、相互に絶縁されている。
また、上記枠体14の孔12内には、シリコン樹脂等より成る透光性のコーティング材24を充填してＬＥＤチップ20を封止して成る。

上記枠体14の上端には、段部26が形成されており、該段部26上に、蛍光体28を担持して成る繊維の集合体としての円盤状の不織布30（図２参照）が載置されている。この結果、上記ＬＥＤチップ20の上方に、蛍光体28を担持した不織布30が配置されることとなる。

上記不織布30は、図３及び図４に示すように、多数の繊維32が立体的に絡み合って形成されるものであり、繊維32間には多数の空隙34（図４参照）が形成されており、また、多数の繊維32が立体的に絡み合っているため、単位体積当たりの繊維32の表面積が極めて大きいものである。蛍光体28は、不織布30を構成する繊維32の表面に被着・担持されているものであり、図５に示すように、繊維32の表面に、蛍光体28の粒子が多数被着されている。
上記の通り、多数の繊維32が絡み合って形成された不織布30は、単位体積当たりの繊維32の表面積が極めて大きいことから、担持する蛍光体28の表面積を極めて大きく確保することができる。
尚、不織布30を構成する繊維32の繊維密度や、不織布30の厚さ、目付等を適宜調整することにより、不織布30を構成する繊維32の総表面積を任意に増減可能である。

上記繊維32は、その耐熱温度がＬＥＤチップ20の発熱温度より低い材料で構成されている。具体的には、上記ＬＥＤチップ20を長時間駆動させたり、発光輝度を高めるために高電流駆動させた場合には、ＬＥＤチップ20は１２０℃にまで達する高温状態となることから、上記繊維32は、その耐熱温度がＬＥＤチップ20の発熱温度である上記１２０℃以下の材料であるポリエチレン、ポリプロピレン等で構成されている。
尚、繊維32の直径は５〜２０μｍ、長さは０．５〜２０mm程度であるが、長さが５０〜１００mm程度の長繊維から成る繊維32を用いることも勿論可能である。
尚、光の透過性の観点から、透光性材料で繊維32を構成するのが好ましい。

本発明にあっては、不織布30の耐熱性を向上させるため、蛍光体28を担持した不織布30に、透光性を有する耐熱性結合剤36を含浸させて成る。この結果、不織布30を構成する繊維32の表面に耐熱性結合剤36が被着されると共に、繊維32間の空隙34にも、耐熱性結合剤36が充填される。図４に示すように、繊維32間の全ての空隙34に耐熱性結合剤36が充填されている。
上記耐熱性結合剤36は、１５０℃より高い材料で構成されており、例えば、耐熱温度が６００℃の無機材料であるゾルゲルガラスや、耐熱温度が３００℃の有機材料であるシリコン樹脂が該当する。而して、耐熱温度が１５０℃より高い材料で構成された耐熱性結合剤36を、蛍光体28を担持した不織布30に含浸させることにより、不織布30の耐熱性が向上し、ＬＥＤチップ20が１２０℃にまで達する高温状態となっても不織布30の熱劣化を防止できるのである。
上記ゾルゲルガラスは、金属アルコキシドや金属アセチルアセトネート、金属カルボキシレート等の金属有機化合物を出発物質として、その加水分解、重合反応を利用して合成されるものであり、溶液状態から出発するため、任意の形状のガラスに成形容易である。
上記ゾルゲルガラス材料は、一般式M(OR)n（M:金属元素、R:アルキル基、ｎ：金属の酸化数）の金属有機化合物、水（加水分解のため）、溶媒としてメタノール、DMF（ヂメチルフォルムアミド）、加水分解・重合反応の調整剤としてアンモニアで構成することができ、このゾルゲルガラス材料を加水分解、重合反応させることにより、ゲル化し、硬いガラス状の無機質膜形成が生じてゾルゲルガラスが形成されるのである。

不織布30に耐熱性結合剤36を含浸させるには、例えば、上記不織布30を液槽内の耐熱性結合剤36中に浸漬した状態で、真空雰囲気中に導入して脱気処理を行い、繊維32間の空隙34内の空気と耐熱性結合剤36とを置換させれば良い。この結果、不織布30を構成する繊維32間の全ての空隙34に、耐熱性結合剤36が充填される。
不織布30に耐熱性結合剤36を充填後、不織布30を所定温度で所定時間加熱して、液状の耐熱性結合剤36を固化させる。

上記蛍光体28は、紫外線や青色可視光等の光の照射を受けると、この光を所定波長の可視光等の光に波長変換するものであり、例えば以下の組成のものを用いることができる。
紫外線を赤色可視光に変換する赤色発光用の蛍光体28として、Ｍ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ（Ｍは、Ｌａ、Ｇｄ、Ｙの何れか１種）、0.5ＭｇＦ_２・3.5ＭｇＯ・ＧｅＯ_２：Ｍｎ、2ＭｇＯ・2ＬｉＯ_２・Ｓｂ_２Ｏ_３：Ｍｎ、Ｙ（Ｐ，Ｖ）Ｏ₄：Ｅｕ、ＹＶＯ₄：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｍｇ）₃（ＰＯ₄）：Ｓｎ、Ｙ_２Ｏ_３：Ｅｕ、ＣａＳｉＯ_３：Ｐｂ，Ｍｎ等がある。
また、紫外線を緑色可視光に変換する緑色発光用の蛍光体28として、ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｅｕ，Ｍｎ、Ｚｎ_２ＳｉＯ₄：Ｍｎ、（Ｃｅ，Ｔｂ，Ｍｎ）ＭｇＡｌ_１１Ｏ_１９、ＬａＰＯ₄：Ｃｅ，Ｔｂ、（Ｃｅ，Ｔｂ）ＭｇＡｌ_１１Ｏ_１９、Ｙ_２ＳｉＯ_５：Ｃｅ，Ｔｂ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ｃｕ，Ａｌ、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ，Ｄｙ、Ｓｒ_４Ａｌ_１４Ｏ_２５：Ｅｕ，Ｄｙ、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｔｂ、Ｙ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｔｂ、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｙ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ等がある。
更に、紫外線を青色可視光に変換する青色発光用の蛍光体28として、(ＳｒＣａＢａ)_５(ＰＯ_４)_３Ｃｌ：Ｅｕ、ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｍｇ）_２Ｐ_２Ｏ₇：Ｅｕ、Ｓｒ_２Ｐ_２Ｏ₇：Ｅｕ、Ｓｒ_２Ｐ_２Ｏ_７：Ｓｎ、Ｓｒ_５（ＰＯ₄）_３Ｃｌ：Ｅｕ、ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｅｕ、ＣａＷＯ₄、ＣａＷＯ₄：Ｐｂ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ｃｌ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ａｌ、(Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ)_１０(ＰＯ_４)_６Ｃｌ_２：Ｅｕ等がある。
また、青色可視光を発光するＬＥＤチップ20を用いて白色光を得る場合等において、ＬＥＤチップ20から放射される青色可視光を緑色可視光に変換する緑色発光用の蛍光体28として、Ｙ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ、Ｃａ_３Ｓｃ_２Ｓｉ_３Ｏ_１２：Ｃｅ、ＳｒＳｉＯＮ：Ｅｕ、β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ等がある。
さらに、青色可視光を発光するＬＥＤチップ20を用いた場合等において、ＬＥＤチップ20から放射される青色可視光を赤色可視光に変換する赤色発光用の蛍光体28として、（Ｓｒ，Ｃａ）Ｓ：Ｅｕ、（Ｃａ，Ｓｒ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、ＣａＳｉＮ_２：Ｅｕ、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ等がある。
上記赤色発光用の蛍光体28、緑色発光用の蛍光体28、青色発光用の蛍光体28を適宜選択・混合して用いることで、種々の色の発色が可能である。
尚、上記蛍光体28は、有機、無機の蛍光染料や、有機、無機の蛍光顔料を含むものである。

本発明の上記ＬＥＤ10にあっては、第１のリードフレーム16及び第２のリードフレーム18を介してＬＥＤチップ20に電圧が印加されると、ＬＥＤチップ20が発光して、上記蛍光体28を励起させる波長の紫外線や青色可視光等の光が放射される。この光が、ＬＥＤチップ20の上方に配置されている不織布30に担持された蛍光体28に照射され、所定波長の可視光等の光に波長変換された後、外部へ放射されるのである。

而して、本発明のＬＥＤ10にあっては、耐熱温度が１５０℃より高い材料で構成された耐熱性結合剤36を不織布30に含浸させたことから、不織布30の耐熱性が向上し、不織布30を構成する繊維32の耐熱温度が１２０℃以下であっても、ＬＥＤチップ20の発熱による不織布30の熱劣化を防止することができる。この結果、不織布30を構成する繊維24の材質選択の自由度が向上する。

上記においては、繊維の集合体として不織布30を用いた場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、多数の繊維を織り込んで形成した織布を用い、該織布を構成する繊維に蛍光体28を担持させても良い。この織布も、不織布30には及ばないものの、単位体積当たりの繊維の表面積が大きいものである。

また、蛍光物質としては、上記した蛍光体28だけでなく、蛍光ガラスや蛍光樹脂等、紫外線や青色可視光等の光の照射を受けた場合に、この光を所定波長の可視光等の光に波長変換する全ての物質を含むものである。
蛍光ガラスは、ガラス材料に蛍光材料を添加して形成される透明体であり、また、蛍光樹脂は、エポキシ樹脂等の樹脂材料に蛍光材料を添加して形成される透明体である。これら蛍光ガラスや蛍光樹脂を粒子状と成し、不織布30に担持させれば良い。

本発明に係る発光ダイオードを模式的に示す断面図である。蛍光体を担持した不織布を模式的に示す斜視図である。蛍光体を担持した不織布を模式的に示す部分拡大図である。蛍光体を担持した不織布を模式的に示す要部拡大図である。蛍光体を担持した不織布を構成する繊維を模式的に示す断面図である。従来の発光ダイオードを模式的に示す断面図である。

符号の説明

10 発光ダイオード
12 孔
14 枠体
16 第１のリードフレーム
18 第２のリードフレーム
20 ＬＥＤチップ
24 コーティング材
28 蛍光体
30 不織布
32 繊維
34 空隙
36 耐熱性結合剤

Claims

発光ダイオードチップと、蛍光物質を担持し、繊維間に多数の空隙が形成された繊維の集合体を備え、上記繊維の耐熱温度が１２０℃以下である発光ダイオードであって、上記繊維の集合体に、透光性を有し、耐熱温度が１５０℃より高い材料より成る耐熱性結合剤を含浸させたことを特徴とする発光ダイオード。
上記耐熱性結合剤が、ゾルゲルガラス又はシリコン樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
上記繊維の集合体が、多数の繊維が絡み合って形成された不織布であることを特徴とする請求項１又は２に記載の蛍光物質担持体。
請求項１に記載の発光ダイオードの製造方法であって、
蛍光物質を担持した繊維の集合体を、液状の耐熱性結合剤中に浸漬した状態で真空雰囲気中に導入して脱気処理を行うことにより、繊維間の空隙内の空気と耐熱性結合剤とを置換させる工程と、
上記液状の耐熱性結合剤を固化させる工程と、
を備えたことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
上記繊維の集合体が、多数の繊維が絡み合って形成された不織布であることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオードの製造方法。