JP2010147244A - 発光装置、および、発光装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な工程で製造することができ、所望の散乱特性を発揮する樹脂を備えた発光装置を提供する。
【解決手段】非相溶な２種類の材料を混合することにより、少なくとも２種類の材料が海島構造に相分離した樹脂原料組成物を得る工程と、樹脂原料組成物をＬＥＤチップ近傍に配置し、該樹脂原料組成物の海島構造を維持したまま硬化させ、封止樹脂を形成する工程とを行い、発光装置を製造する。これにより、材料を混合する工程だけで、散乱中心となる島領域を形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子の光を散乱させる樹脂部を備える発光装置に関する。

ＬＥＤチップからの光の取り出し効率を向上させるため、ＬＥＤチップの周囲を透明樹脂で封止した発光素子が、例えば特許文献１等により知られている。この構造において透明樹脂に金属酸化物結晶粒子を分散させることにより、樹脂の強度を維持しながら透明樹脂の屈折率を高め、光の取り出し効率を向上させ、かつ、光散乱性を付与することが開示されている。

特許文献２には、耐熱性、耐光性、靭性に優れた光学用樹脂を提供するために、重合体粒子を分散させた樹脂組成物が開示されている。

一方、ＬＥＤチップを封止する樹脂層に蛍光体粒子を添加した発光素子が特許文献３、４等に開示されている。蛍光体は、ＬＥＤチップから発せられた光の一部を吸収して励起され、蛍光を発光する。例えば特許文献３に記載のようにＬＥＤチップが青色光を発光し、蛍光体が青色光の補色関係にある黄橙色の蛍光を発光するように構成することにより、青色光と黄橙色蛍光とが混合された白色光を出射する発光装置が得られる。

特許文献４には、蛍光体を含む樹脂中に無機酸化物粒子を添加することで光学特性や作業性を向上させるとの記載がある。例として粒径約10nmのシリカ粒子の場合、粘度調整効果が大きく、粒径数μｍのシリカの場合では、クラック・収縮の抑制効果が得られることが記載されている。更に粒径約1μmの無機酸化物粒子を加えることで散乱効果を高め、屈折率の大きい粒径3〜5nmの粒子を添加することで屈折率向上効果を付与することができ、これらを併用することも可能であると記載されている。
特開２００７−３０８３４５号公報 特開２００７−２６９９９９号公報 特開２００５−１０９４３４号公報 特開２００７−１９４５９号公報

上記特許文献１〜４では、あらかじめ無機材料もしくは有機材料により微小な径の粒子を製造しておく必要があり、製造工程が複雑になるとともにコストアップを招く。

樹脂中に微粒子を分散させる際に、微粒子が凝集して二次粒子を形成したり、微粒子の分散に偏りが生じたり、沈降が生じたりする場合がある。このような場合には、所望の光学特性が得られず、所望の耐熱性や樹脂強度が得られないことがある。

また、特許文献１、３、４に記載のように無機材料の微粒子を添加する場合には、無機材料微粒子の含有量が増すに従い、封止樹脂のヤング率が上がり、剥離やクラックが発生する場合がある。また、ヒートショック時の熱膨張により給電ワイヤーの断線が生じることがある。

本発明の目的は、簡単な工程で製造することができ、所望の散乱特性を発揮する樹脂を備えた発光装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、発光素子と、発光素子から発せられた光が通過する位置に配置された樹脂部とを有する発光装置であって、樹脂部は、非相溶な２種類以上の材料を混合することにより形成された海島構造を含む構成のものが提供される。このように海島構造を形成することにより、海部分と島部分の界面で光が散乱されるため、簡単な工程で製造された封止材でありながら散乱特性を発揮することができる。

海島構造の島部分の形状は、粒状に形成することが光散乱性を高めるため好ましい。海島構造の海部分は、島部分と屈折率が異なるように材料を選択することが望ましい。海島構造の島部分の径は、0.01μｍ以上100μｍ以下であることが好ましい。

海島構造の海部分と島部分を、いずれもポリマー材料から構成することが可能である。例えば、海部分と島部分を構成するポリマー材料は、いずれもシリコーン樹脂である場合、耐久性が向上するため好ましい。海部分と島部分を構成するシリコーン樹脂のうち一方は、側鎖に炭化水素基を導入することができ、これにより非相溶性にすることができる。

海部分および島部分を構成するポリマー材料の一方をシリコーン樹脂とし、他方はシリコーンオイルの構成にすることも可能である。

海部分を構成する樹脂および島部分を構成するポリマー材料のうち一方は主剤であり、他方は前記主剤を硬化させる硬化剤を用いることが可能である。これにより全体が樹脂の封止材を容易に形成できる。

樹脂部には、発光素子からの光により励起され蛍光を発する蛍光体を分散させることが可能である。これにより、色変換機能を有する樹脂部が得られる。

海島構造の海部分および島部分を構成する材料はいずれも可視光に対して透明であることを好ましい。散乱特性を発揮させながら、透過率を維持できるためである。

樹脂部は、発光素子を封止する封止樹脂として用いることが可能である。

また、本発明によれば、以下のような発光装置の製造方法が提供される。すなわち、非相溶な２種類以上の液体材料を混合することにより、少なくとも２種類の材料が海島構造に相分離した組成物を得る工程と、該組成物をＬＥＤチップ近傍に配置し、該組成物の海島構造を維持したまま硬化させ、封止樹脂を形成する工程とを有する発光装置の製造方法である。

非相溶な２種の液体材料としては、例えば、主剤と、該主剤を硬化させる硬化剤を用いることができる。

非相溶な２種の液体材料は、いずれもシリコーン樹脂原料を用いた場合、発光装置の耐久性が向上するため好ましい。非相溶な２種の材料の一方のシリコーン樹脂原料には、側鎖に炭化水素系置換基が導入することができ、これにより非相溶を実現することが容易になる。

非相溶な２種の液体材料としては、シリコーン樹脂原料と、シリコーンオイルを用いることも可能である。

硬化後の海島構造の海部分の樹脂と島部分の樹脂とは、屈折率が異なることが好ましい。

硬化後の前記海島構造の島の径は、0.01μｍ以上100μｍ以下であることが好ましい。

本発明によれば、２つの材料を混合するという簡単な工程で製造することができ、所望の散乱特性を発揮する樹脂を備えた発光装置を提供することができる。

本発明の一実施形態について説明する。

本実施形態の発光装置について図１を用いて説明する。

図１に示すように電極２，３が予め形成されている基板１には、ＬＥＤチップ４が搭載されている。ＬＥＤチップ４の裏面電極は電極２とダイボンディングされ、上面電極は電極３へボンディングワイヤ７により接続されている。発光素子４の周囲にはパッケージ５が配置されている。パッケージ５内には封止材６が充填され、発光素子４を封止している。

封止材６は、海島構造の樹脂組成物で構成され、この構造により光散乱性を有している。海島構造は、非相溶性の２種類の材料が相分離する作用で形成された構造である。すなわち、一方の組成物領域（海）１２が、他方の組成物領域（島）１１により取り囲まれ、ドメイン状になっている。島領域１１の外形は、どのような形状であってもよいが、光散乱性を効果的に発揮させるために粒状であることが好ましい。非相溶性の材料を混合して得るため、球状や楕円球状のものを得やすい。

海領域１２および島領域１１を構成する材料は、いずれもＬＥＤチップ４の出射光に対して透明であることが、透過率を低下させることなく散乱性を付与でき望ましい。

封止材６は、ＬＥＤチップ４を封止する機能を発揮するために、一定の形状を有し、所定の硬度を備えている必要がある。そのため、少なくとも海領域１２は、ポリマー、特に樹脂によって構成することが望ましい。島領域１１を構成する材料は、モノマーやオリゴマーであってもよく、ポリマー、特に樹脂であることが望ましい。また、非相溶性の２種類の材料の重合度（分子量）は、混合時には、低分子（モノマー）であっても、オリゴマーであっても、ポリマーであって、それらの組み合わせであってもよい。

海領域１２を構成する材料は、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、イミド系樹脂等の炭化水素系樹脂やシリコーン樹脂を用いることができる。島領域１１を構成する材料としては、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、イミド系樹脂等の炭化水素系樹脂やシリコーン系樹脂を用いることができる。炭化水素系樹脂原料とシリコーン樹脂原料は、一般的に非相溶であるため、これらの中から選択した材料を用いることにより、海島構造の樹脂を得ることが可能である。

また、島領域１１を構成する材料として、シリコーンオイルを用いることも可能である。

一方シリコーン系樹脂は、熱や光に対する耐久性の観点で優れているため、海領域１２および島領域１１の双方をシリコーン系樹脂により構成することにより、ＬＥＤ発光装置としての耐久性を高めることができるため望ましい。この場合、一方のシリコーン系樹脂原料として、側鎖に炭化水素系置換基を導入した樹脂原料を用いることにより、炭化水素系置換基を導入していないシリコーン系樹脂に対して非相溶性を生じさせることが可能である。これにより、２つのシリコーン系樹脂原料を混合して、海島構造を形成することができるため、海島構造全体がシリコーン系樹脂によって形成され、耐久性に優れた封止材６を得ることができる。

海領域１２を構成する樹脂原料および島領域１１を構成する樹脂原料として、一方は主剤、他方は主剤を硬化させる硬化剤として作用する材料を用いることが可能である。これにより、海島構造を形成しながら、２種類の樹脂原料を硬化させることができるため、簡単な工程で海島構造の封止材６を構成することができる。

なお、混合する非相溶な２種類の原料は、一方が主剤となる樹脂原料で他方が硬化剤となる樹脂原料である場合に限定されない。たとえば、相溶な主剤と硬化剤の混合組成物に、この混合組成物に非相溶な第三の原料を混合することにより、海島構造の原料組成物を得ることも可能である。例えば、主剤および硬化剤はシリコーン系樹脂等の樹脂原料を用い、第三の原料としてシリコーンオイルを用いることが可能である。

封止材６の海領域１２を構成する樹脂は、光散乱性を付与するため島領域１１を構成する材料に対して屈折率が異なるように材料を選択する。海島構造の島部分の径は、0.01μｍ以上100μｍ以下であることが好ましい。

このような構成の発光装置において、ＬＥＤチップ４を出射した光は、封止材６を通過し、外部に出射される。光が封止材６を通過する際に、海領域１２と島領域１１の界面において進行方向を変えながら進行するため、光は拡散され、発光面上の明るさのムラを低減することができる。すなわち、封止材６は海島構造で拡散性を生じるため、従来のように別途製造しておいた微粒子を添加する必要がない。

本実施形態の発光装置の製造方法について説明する。

電極２，３が形成された基板１を用意し、電極２上にＬＥＤチップ４をダイボンディングする。ＬＥＤチップ４の上面電極および電極３にワイヤ７の両端をワイヤボンディングすることにより接続する。ＬＥＤチップ４の周囲にパッケージ５を固定する。

つぎに、あらかじめ選択しておいた非相溶な２種類の原料を混合する。例えば、主剤となる樹脂原料と硬化剤となる樹脂原料とを混合する。両樹脂原料は非相溶であるため相分離し、一方の樹脂原料が海領域、他方の樹脂原料が島領域となった海島構造の原料組成物を形成する。得られた原料組成物をパッケージ５で囲まれたＬＥＤチップ４の周囲の空間に充てんする。次に、加熱や紫外線照射等の所定の硬化処理を施し、原料組成物の海島構造を維持した状態で樹脂を硬化させ、海島構造の封止材６を形成する。

以上により、２種類の原料を混合するという簡単な工程でありながら、光散乱特性を有する封止材６を得ることができる。これにより、ＬＥＤチップ４の出射光が封止材６において拡散されるため、発光面上における中心部と周辺部の明るさ、輝度むらの少ない発光装置を得ることができる。

封止材６は、混合時における樹脂原料が非相溶という条件を満たせば相分離により容易に海島構造を形成でき、しかも微粒子のように分散が偏ることがなく、混合するだけで一様な島領域１１を生じさせることができる。また、島領域１１は、微粒子のように二次粒子を形成しないため、一様な径の島領域１１を形成できる。よって、散乱特性の一様な封止材６を簡単な工程で製造できる。さらに、混合する非相溶な２種類の材料の量を調整することにより、比較的容易に島領域１１の量を調整することができる。

また、本実施形態では、材料混合という簡単な工程で封止材６を形成できるため、別工程で予め製造した微粒子をバインダー樹脂に混合する封止材と比較して、材料選択の自由度が高い。よって、熱膨張係数の近い材料を選択することができ、ヒートショック時の熱膨張によるワイヤ７の断線が生じにくい。また、散乱中心となる島領域１１の量を増加させた場合であってもヤング率が上がりにくく、剥離やクラックが生じにくい。

また、封止材６を構成する樹脂組成物には、図２に示すように、ＬＥＤチップ４からの光により励起され蛍光を発する蛍光体粒子１３を分散させることも可能である。ＬＥＤチップ４から出射された光の一部または全部は、蛍光体により、異なる波長の光（蛍光）に変換すされるため、発光装置の出射光の色をＬＥＤチップ４の出射光とは異なる色にすることができる。このとき、上述のように封止材６は、海島構造による光拡散性能を有するため、均一な明るさと色度を得ることができる。

なお、蛍光体粒子１３を封止材６に分散させる場合、封止材６の島領域１１および海領域１２を構成する材料は、ＬＥＤチップ４の出射光のみならず蛍光体粒子１３の蛍光に対しても透明であることが望ましい。

本実施形態の発光装置は、ＬＥＤランプ、オフィス・家庭内照明装置、店舗照明装置、公共屋外照明装置、自動車・列車・航空機用照明装置、テレビ・携帯電話等の情報機器用の光源装置として用いることができる。

本発明の実施例として、図１の発光装置を製造した。
（実施例１）
実施例１では、非相溶性の２種類の樹脂原料（主剤と硬化剤）を混合して封止材６を形成した。

まず、電極２，３が形成された基板１を用意し、電極２上にＬＥＤチップ４をダイボンディングした。ＬＥＤチップ４の上面電極および電極３にワイヤ７の両端をワイヤボンディングすることにより接続した。ＬＥＤチップ４の周囲にパッケージ５を固定した。

つぎに、主剤としてポリスチレン（シグマアルドリッチジャパン(株)製）０．３７５９、硬化剤としてU-6LPA（新中村化学工業(株)製）０．２５ｇおよびAPT022（新中村化学工業(株)製）０．０６２５ｇ、重合開始剤としてダロキュア1173（チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製）０．０１５６ｇを２５ｍｌのＴＨＦ（テトラヒドロフラン）に溶解した。

得られた樹脂原料組成物をＬＥＤチップ４上に塗布し、室温で溶媒を蒸発させて塗膜を形成した。１２０℃で２分間加熱した後、塗膜に紫外線を照射し、膜を硬化させた。

得られた膜は白濁しており、光拡散性を有していた。得られた膜の表面をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で観察したところ、図３に示すドメイン構造（海島構造）が観察されることが確認された。

（実施例２）
実施例２では、シリコーン樹脂にシリコーンオイルを混合５した樹脂原料組成物を得て、図２の発光装置を製造した。

樹脂原料組成物としては、シリコーン樹脂OE6665A,B（東レ・ダウコーニング(株)製）に、シリコーンオイルKF351(信越化学工業(株)製）を8%混合した。これに、蛍光体粒子１３としてＹＡＧ系蛍光体粒子を８ｗｔ％混合した。ＬＥＤチップ４としては青色光を発光するものを用いた。

得られた樹脂原料組成物をＬＥＤチップ４上に塗布し、室温で溶媒を蒸発させて塗膜を形成した。１５０℃で６０分間加熱した後、塗膜に紫外線を照射し、膜を硬化させた。他の工程は、実施例１と同様にした。

観察用試料として、シリコーンオイルKF351の混合量を7％、11％、13％に変化させた樹脂原料組成物を得て、これをスライドガラス状に塗布し、硬化させた。観察用試料では、蛍光体粒子１３は添加していない。

また、比較例として、KF351を混合せず、シリコーン樹脂OE6665A,Bを樹脂原料組成物として、蛍光体粒子１３を添加し、図２の構造の比較例の発光装置を製造した。また、蛍光体粒子１３を添加しない樹脂原料組成物により、比較例の観察用試料を作製した。

実施例２のシリコーンオイルKF351の混合量7％、11％、13％の観察用試料と比較例の観察用試料について、波長４００〜７００ｎｍの光の透過率を測定した。その結果を図４、図５に示す。実施例２の観察用試料は、照射光波長が長くなるほど透過率が高く、かつ、シリコーンオイルの混合量が増加するほど透過率が低下しており、光が拡散されていることがわかる。また、図６に示すように、観察用試料の樹脂の外観は、光拡散によって白濁していることが確認された。

シリコーンオイルKF351混合量8％の樹脂原料組成物を用いて製造した実施例２の発光装置と、比較例の発光装置を発光させ、その色度を測定した。これらの発光装置は、ＬＥＤチップ４から出射された青色光の一部を蛍光体粒子１３により黄橙色光に変換し、青色光と黄色光とが混合された白色光を出射する。色度の測定結果を表１に示す。実施例２の発光装置は、比較例の発光装置と比較し、発光面内の色のばらつきが小さいことが確認できた。

本実施形態の白色ＬＥＤ装置の断面図および封止材６の拡大説明図。 本実施形態の封止材６に蛍光体粒子１３を分散させた白色ＬＥＤ装置の断面図および封止材６の拡大説明図。 実施例１の封止樹脂のＡＦＭ像。 実施例２で得た封止材の観察用試料の透過率の照射光波長による変化を示すグラフ。 実施例２で得た封止材の観察用試料の透過率をシリコーンオイルの混合量による変化を示すグラフ。 実施例２の封止材の観察用試料の写真。

符号の説明

１…基板、２…電極、３…電極、４…ＬＥＤチップ、５…パッケージ、６…封止材、７…ワイヤ、１１…島領域、１２…海領域、１３…蛍光体粒子。

Claims (19)

1. 発光素子と、当該発光素子から発せられた光が通過する位置に配置された樹脂部とを有し、
   前記樹脂部は、非相溶な２種類以上の材料を混合することにより形成された海島構造を含むことを特徴とする発光装置。
2. 請求項１に記載の発光装置において、前記海島構造の島部分の形状は、粒状であることを特徴とする発光装置。
3. 請求項１または２に記載の発光装置において、前記海島構造の海部分は、島部分と屈折率が異なることを特徴とする発光装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発光装置において、前記海島構造の島部分の径は、0.01μｍ以上100μｍ以下であることを特徴とする発光装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発光装置において、前記海島構造の海部分と島部分は、いずれもポリマー材料からなることを特徴とする発光装置。
6. 請求項５に記載の発光装置において、前記海島構造の海部分と島部分を構成する材料は、いずれもシリコーン樹脂であることを特徴とする発光装置。
7. 請求項６に記載の発光装置において、前記海部分と島部分を構成するシリコーン樹脂のうち一方は、側鎖に炭化水素基をもつことを特徴とする発光装置。
8. 請求項５に記載の発光装置において、前記海部分および島部分を構成する材料の一方はシリコーン樹脂であり、他方はシリコーンオイルであることを特徴とする発光装置。
9. 請求項５ないし８のいずれか１項に記載の発光装置において、前記海部分および島部分を構成するポリマー材料のうち一方は主剤であり、他方は前記主剤を硬化させる硬化剤であることを特徴とする発光装置。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の発光装置において、前記樹脂部は、前記発光素子からの光により励起され蛍光を発する蛍光体を含有することを特徴とする発光装置。
11. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の発光装置において、前記海島構造の海部分および島部分を構成する材料はいずれも可視光に対して透明であることを特徴とする発光装置。
12. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発光装置において、前記樹脂部は、前記発光素子を封止する封止樹脂であることを特徴とする発光装置。
13. 非相溶な２種類以上の液体材料を混合することにより、少なくとも２種類の材料が海島構造に相分離した組成物を得る工程と、
    該組成物をＬＥＤチップ近傍に配置し、該組成物の海島構造を維持したまま硬化させ、封止樹脂を形成する工程とを有する発光装置の製造方法。
14. 請求項１３に記載の発光装置の製造方法において、前記非相溶な２種の液体材料は、樹脂原料であり、一方が主剤、他方が該主剤を硬化させる硬化剤であることを特徴とする発光装置の製造方法。
15. 請求項１３に記載の発光装置の製造方法において、前記非相溶な２種の液体材料は、いずれもシリコーン樹脂原料であることを特徴とする発光装置の製造方法。
16. 請求項１５に記載の発光装置の製造方法において、前記非相溶な２種の液体材料の一方のシリコーン樹脂原料には、側鎖に炭化水素系置換基が導入されていることを特徴とする発光装置の製造方法。
17. 請求項１３に記載の発光装置の製造方法において、前記非相溶な２種の液体材料は、シリコーン樹脂原料と、シリコーンオイルであることを特徴とする発光装置の製造方法。
18. 請求項１３ないし１７のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法において、硬化後の前記海島構造の海部分の樹脂と島部分の樹脂とは、屈折率が異なることを特徴とする発光装置の製造方法。
19. 請求項１３ないし１８のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法において、硬化後の前記海島構造の島の径は、0.01μｍ以上100μｍ以下であることを特徴とする発光装置の製造方法。