JP2011243713A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光素子の上面に設けられた高屈折率層の上面における光取り出し効率を高めると共に、発光素子自体からの光取り出し効率も向上させた発光装置を提供することにある。
【解決手段】 この発光装置における基板２上に実装したＬＥＤ素子４は、封止樹脂６で封止されている。このＬＥＤ素子４の上面にはジメチルシリコーン系の高屈折率材料による高屈折率層８が設けられている。ＬＥＤ素子４はフリップチップにより基板２に実装され、ＬＥＤ素子４と基板２との間にジメチルシリコーン系の高屈折率材料からなるアンダーフィル１０が設けられている。これにより、ＬＥＤ素子４から外部の空気までの間が段階的に屈折率が小さくなると共にＬＥＤ素子４直下の基板２で反射する光により、光取り出し効率の向上を図ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、照明やバックライトなどに使用される発光装置に関するものであり、特に、光取り出し効率を向上させた発光装置に関する。

近年、ＬＥＤ素子等の発光素子を用いた発光装置は、照明、各種機器のバックライト等として使用されており、その使用範囲が更に広がりつつある。そこで、より省電力で明るく発光する発光効率を高めた発光装置が市場から求められるに至っている。このような発光効率の向上に関する要求に対し、従来、発光素子からの光取り出し効率を高めることで対応することが提案されていた。

その一例としては、発光素子をドーム状の第１の封止樹脂で封止すると共にそれを第２の封止樹脂で封止し、発光素子、第１及び第２の封止樹脂の屈折率が、発光素子＞第１の封止樹脂＞第２の封止樹脂＞空気となるように設定した発光装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、発光素子の発光層との屈折率の差が小さい屈折率緩和物質を、集光レンズと発光素子との間のギャップに充填し、光の取り出し効率を向上させた発光素子パッケージも知られている（例えば、特許文献２参照）。

更に、発光素子に厚さが５０μｍ以下の反射防止機能を備えた被覆層を設け、その被覆層の屈折率を発光素子の屈折率より小さく、外側の層よりも大きくしたものも知られている（例えば、特許文献３参照）。

しかしながら、上記従来例は、何れも発光素子上面から照射される光の取り出し効率を向上させることのみを検討しており、発光素子の上面上にある第１の封止樹脂とそれを覆う第２の封止樹脂との界面における光の取り出し効率に関しては全く検討がなされていなかった。このため、第１の封止樹脂と第２の封止樹脂との界面において全反射される光もあり、光の取り出し効率を更に改善する余地を残すことになっていた。

特開平１０−６５２２０号公報 特開２００７−３１１７０７号公報 特開２００８−１１２９５９号公報

本発明が解決しようとする課題は、発光素子の上面に設けられた高屈折率層の上面における光取り出し効率を高めると共に、発光素子自体からの光取り出し効率も向上させた発光装置を提供することにある。

本発明の発光装置は、基板上にフリップチップで発光面が下となるように発光素子を実装し、該発光素子を封止樹脂にて封止して、前記発光素子から空気までの間が、段階的に屈折率が小さくなるように設定した直方体をなす発光装置であって、前記発光素子の上面に高屈折率材料による高屈折率層を設けたことにより界面における全反射領域をなくしたものである。

また、この発光装置における前記発光素子は前記基板にフリップチップにより実装され、前記発光素子と前記基板との間に高屈折率材料からなるアンダーフィルを設けている。

また、この発光装置における前記高屈折率層の厚みは、該高屈折率層上面での全反射領域がなくなる一定値以上に設定されている。更に、この発光装置における前記高屈折率層は前記発光素子の上面を封止し、前記封止樹脂が前記発光素子の側面を封止するものとなっている。

また、この発光装置における前記発光素子の上面はサファイアからなり、前記封止樹脂がエポキシ樹脂またはシリコーン樹脂からなり、前記高屈折率材料はジメチルシリコーン系の高屈折率材料からなる。

また、この発光装置における前記高屈折率層は屈折率１．６５前後の高屈折率材料からなる。更に、この発光装置における前記アンダーフィルは屈折率１．７以上の高屈折率材料からなる。また、この発光装置における前記封止樹脂は、その上面において全反射を発生させる前記発光素子からの光を、側面から外方に照射する高さ又は幅に設定されている。

本発明の発光装置は、基板上に実装された発光素子から外部の空気までの間の屈折率が段階的に小さくなるように、発光素子の上面に高屈折率材料からなる高屈折率層を設けている。このように高屈折率層を設けたことで、発光素子から高屈折率層、封止樹脂及び外側の空気に至る屈折率を段階的に小さく調整して発光素子からの光がそれぞれの界面で全反射されることを防いで、光取り出し効率を高めている。

特に、発光素子のアンダーフィルを高屈折率材料で形成した場合には、発光素子から基板方向に照射された光がほぼ屈折することなくアンダーフィルを通過して基板上面で反射され、上方へ照射される。これにより、光取り出し効率を更に高めることができる。

また、本発明の発光装置では、高屈折率層の厚みを、高屈折率層上面での全反射領域がなくなる一定値以上の厚みに設定している。このため、高屈折率層の上面での全反射がなくなり、高屈折率層からの光取り出し効率を向上させることができる。

図１は本発明の実施例１に係る発光装置を示す断面図である。 図２は本発明に係る屈折率１．６５から屈折率１．７５の材料に光を照射したときの界面での反射率を示すグラフである。 図３は図１に示す実施例１における発光素子と高屈折率層の界面における光取り出し状態を示す断面説明図である。 図４は図５及び図９における発光素子の切断方向を示す発光素子の平面図である。 図５（ａ）は実施例１における発光装置の発光素子と高屈折率層との界面における光取り出し状態を示す図４に示す方向の断面図であり、図５（ｂ）は高屈折率層がない場合の発光素子と封止樹脂との界面における反射状態を示す図４に示す方向の断面図である。 図６は図７及び図１０における発光装置の切断方向を示す発光素子の平面図である。 図７（ａ）は実施例１における発光装置の発光素子と高屈折率層との界面における光取り出し状態を示す図６に示す方向の断面図であり、図７（ｂ）は高屈折率層がない場合の発光素子と封止樹脂との界面における反射状態を示す図６に示す方向の断面図である。 図８は本発明の実施例２に係る発光装置を示す断面図である。 図９（ａ）は実施例２における発光装置の発光素子と高屈折率層との界面、及び高屈折率層の上面における光取り出し状態を示す図４に示す方向の断面図であり、図９（ｂ）は薄膜からなる高屈折率層を設けた場合の高屈折率層の上面における反射状態を示す図４に示す方向の断面図である。 図１０（ａ）は実施例２における発光装置の発光素子と高屈折率層との界面、及び高屈折率層の上面における光取り出し状態を示す図６に示す方向の断面図であり、図１０（ｂ）は薄膜からなる高屈折率層を設けた場合の発光素子と高屈折率層との界面、及び高屈折率層の上面における反射状態を示す図６に示す方向の断面図である。 図１１は封止樹脂の上面で全反射が起きる例を示す発光装置の断面図である。 図１２は封止樹脂の高さを高くして封止樹脂の上面における全反射の発生を防いだ一部変更例を示す発光装置の断面図である。 図１３は封止樹脂の幅を狭くして封止樹脂の上面における全反射の発生を防いだ一部変更例を示す発光装置の断面図である。

図１は本発明の第１の実施形態に係る発光装置を示す断面図である。２は基板であり、セラミックまたは有機材料からなる。４は基板２の上面に実装された発光素子としてのＬＥＤ素子であり、４００〜４６０μｍの波長領域を持つ。このＬＥＤ素子４は、その素子基板がサファイアからなり、屈折率が１．７５となっている。また、このＬＥＤ素子４は基板２の上面にフリップチップにより実装されている。

６はＬＥＤ素子４を封止する封止樹脂であり、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂（屈折率１．４〜１．６）からなる。本実施例における封止樹脂６は屈折率が１．５５となっている。

８はＬＥＤ素子４の上面に設けられた高屈折率層である。この高屈折率層８は、例えばジメチルシリコーン系の高屈折率材料からなるものであり、本実施例では屈折率が１．６５前後のものを使用している。

１０はＬＥＤ素子４をフリップチップ接合するときにＬＥＤ素子４と基板２との間に設けられる補強材としてのアンダーフィルである。このアンダーフィル１０は、高屈折率層８と同じく、ジメチルシリコーン系の高屈折率材料からなるものであり、屈折率が１．７以上のものを使用している。

上記構成からなる発光装置においては、最も有効な発光部位となるＬＥＤ素子４の上方に向かってＬＥＤ素子４、高屈折率層８及び封止樹脂６が並び、その屈折率が１．７５、１．６５、１．５５となり、段階的に小さくなる。このＬＥＤ素子４（屈折率１．７５）と高屈折率層８（屈折率１．６５）との界面における反射率は図２に示すようになり、全反射が起きる臨界角が約７１°となる。

ここで、ＬＥＤ素子４の高さを１５０μｍ、一辺の長さを３５０μｍと設定した場合、図３に示すように、その断面における対角線１２の角度は約６６〜６７°になる。このＬＥＤ素子４の場合、ＬＥＤ素子４と高屈折率層８との界面１４に照射される光は、その入射角が最も大きい場合であっても対角線１２に沿った光となるため、約６７°となる。前述したように、界面１４における全反射が起きる臨界角は約７１°であるため、この界面１４において全反射が起きることはなく、ＬＥＤ素子４から界面１４に向かう光のほとんどは上方に照射されることになる。

また、高屈折率層８（屈折率１．６５）と封止樹脂６（屈折率１．５５）との上方の界面１６においては、それらの屈折率から臨界角が約７０°となる。このような界面１６に対して７０°の臨界角をなす光１８は、界面１４に対して６２°の角度で入射する光２０が屈折することにより形成される。本実施例においては、この光２０から対角線１２に沿った光までが界面１６に対して臨界角（約７０°）を越えた光となる。このため、この光２０から対角線１２に沿った光が界面１６に照射されると、界面１６にて全反射されることになる。本実施例において上記のように臨界角を越えた光は、高屈折率層８の厚みが約２５μｍ以下であると界面１６に照射されて全反射されるため、このように界面１６に臨界角を越えた光が照射されず、全反射が起きない２５μｍ以上に高屈折率層８の厚みを設定すれば、全反射を防いで光取り出し効率を高めることができる。

また、この発光装置では、ＬＥＤ素子４と基板２との間のアンダーフィル１０を、ＬＥＤ素子４とほぼ同じ屈折率（１．７以上）に設定しているので、ＬＥＤ素子４から下方に照射される光をほとんど屈折することなく基板２の上面で反射して上方に照射することができる。これにより、屈折することで各界面１４，１６に対して臨界角をなすように照射されてしまう光をなくし、光取り出し効率をより高めることができる。

本実施例におけるＬＥＤ素子４のように、平面の一辺が３５０μｍの正方形で、高さが１５０μｍとなる直方体の場合、図４に示すような辺と辺との間を切断した断面と、図６に示すような角と角の間を切断した断面では、わずかではあるが断面の対角線の長さと角度が異なり、それぞれ界面１４，１６における全反射の状態が微細に異なる。そこで、以下に各々の断面における光取り出し状態を、高屈折率層８がない場合又は高屈折率層８が薄膜からなる場合と比較することで説明する。

図５（ａ）は前述した本実施例における発光装置を、図４に示すように切断したときの光取り出し状態を示す断面図であり、図５（ｂ）は高屈折率層８がない場合の光取り出し状態を示す断面図である。図５（ａ）に示すように、ＬＥＤ素子４と高屈折率層８との界面１４に対してその臨界角７１°をなす光２２は断面の対角線（約６６〜６７°）よりも下側に傾いているため、界面１４に当たることはなく、全反射は起きない。また、高屈折率層８の上面と封止樹脂６との界面１６に対してその臨界角７０°をなす光１８は、全反射が起きないように高屈折率層８が厚く（本実施例では２５μｍ以上）形成されているため、界面１６に当たらず、高屈折率層８の側面から外方に照射される。このように、この方向の断面においては、界面１４，１６では全反射が起きない。

これに対して、図５（ｂ）に示すように、高屈折率層８を設けていないと、ＬＥＤ素子４の屈折率が１．７５、封止樹脂６の屈折率が１．５５であるため、ＬＥＤ素子４の上面と封止樹脂６との界面２４の臨界角は約６２°となる。このように界面２４に対して６２°の角度をなす光２６は、ＬＥＤ素子４の断面の対角線（約６７°）よりも上側にあるため、界面２４に当たり全反射される。図５（ｂ）に示すように、光２６が界面２４に当たる位置からそれに近い方の界面２４の端部までの間に、全反射する領域Ｒ１が発生することになる。このため、光取り出し効率は大幅に低下する。

また、図７（ａ）は本実施例における発光装置を、図６に示すように切断したときの光取り出し状態を示す断面図であり、図７（ｂ）は高屈折率層８がない場合の光取り出し状態を示す断面図である。図７（ａ）に示すように、平面の対角線方向に切断すると、図５（ａ）に示す場合よりも断面の対角線はより長く且つ傾斜が大きくなる。このため、界面１４に対してその臨界角７１°をなす光２２が界面１４に当たり、そこから近い方の界面１４の端部に至るわずかな部分に全反射する領域Ｒ２が発生する。一方、界面１６に対してその臨界角７０°をなす光１８は、高屈折率層８が全反射を起こさない十分な厚みに設定されているため、全反射することなく高屈折率層８の側面から上方に照射される。このように、界面１４では角部付近でわずかに全反射が起きるが、界面１６では全反射が起きない。

これに対して、図７（ｂ）に示すように、高屈折率層８を設けないと、界面２４に対してその臨界角６２°をなす光２６は、界面２４の中央付近に当たり、そこから端部に至る広い範囲に全反射する領域Ｒ３が発生することになる。このため、光取り出し効率は大幅に低下する。

上記のように、本実施例の発光装置では、界面１４の角部付近のわずかな部分で全反射が起きるが、界面１６で全反射が起きることはなく、高屈折率層８がない場合に比べて光取り出し効率を大幅に向上させることができる。

図８は本発明の第２の実施形態に係る発光装置を示す断面図である。なお、前述した第１の実施形態と同一部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。

図８に示すように、本実施形態における高屈折率層２８は、先の実施形態と同様ジメチルシリコーン系の高屈折率材料からなり、ＬＥＤ素子４の上面の上に厚く形成されて、ＬＥＤ素子４の上面を封止するものとなっている。封止樹脂６は、ＬＥＤ素子４の側面と高屈折率層２８の側面を封止するものとなっている。本実施例における発光装置は、高屈折率層２８の上面にて全反射が起きる厚み以上に高屈折率層２８を厚く形成しているため、高屈折率層２８の上面３２において全反射が起きることがない。以下に、本実施形態の発光装置と薄膜からなる高屈折率層を設けた場合を比較することで光取り出し状態を説明する。

図９（ａ）は上記本実施例における発光装置を、図４に示したように切断したときの光取り出し状態を示す断面図であり、図９（ｂ）は高屈折率層を薄膜で形成した場合の光取り出し状態を示す断面図である。図９（ａ），（ｂ）に示す発光装置は、そのＬＥＤ素子４の大きさが前述した第１実施形態と同一であれば、ＬＥＤ素子４と高屈折率層２８との界面３４、及びＬＥＤ素子４と高屈折率層３０との界面３６における全反射は共に起きない。

一方、図９（ｂ）に示す高屈折率層３０と封止樹脂６との界面３８には、その臨界角７０°をなす光４０が当たり、そこから界面３８の端部までの間に全反射する領域Ｒ４が発生することになる。図９（ａ）に示す高屈折率層２８は、前述した実施例１における高屈折率層８よりも厚く形成されており、図９（ｂ）における全反射が生じる光４０が上面３２に当たって全反射することがない。

また、図１０（ａ），（ｂ）は、図９（ａ），（ｂ）に示す発光装置をそれぞれ図６に示す方向に切断したときの断面図である。図１０（ａ），（ｂ）に示すように、各断面の対角線が図９（ａ），（ｂ）の断面に比べて長く且つ傾斜が大きくなるため、図１０（ａ）に示す発光装置においても、図７（ａ）に示す実施例１と同様に、界面３４に対してその臨界角７１°をなす光４２が界面３４に当たり、そこから近い方の界面３４の端部に至るわずかな部分に全反射する領域Ｒ５が発生する。この全反射する領域Ｒ５は、図１０（ｂ）に示す薄膜からなる高屈折率層３０を設けた場合にも、同様に発生する。

一方、図１０（ｂ）に示すように、界面３８に対してその臨界角７０°をなす光４４は、界面３８の中央付近に当たり、そこから界面３８の端部に至る広い範囲に全反射する領域Ｒ６が発生する。この領域Ｒ６は、高屈折率層３０が薄い程広がることになる。図１０（ａ）に示す発光装置では、前述した図７（ａ）に示す実施例１と同様に、高屈折率層２８の上面３２に対して７０°の角度をなす光４６が高屈折率層２８の側面から外方に照射され、上面３２で全反射が起きることはない。このように、高屈折率層２８，３０の厚みによって、全反射する領域が大きく変わり、本実施例においては高屈折率層２８の厚みが全反射が起きない程厚く設定されているため、全反射が発生せず、光取り出し効率を大幅に高めることができる。

また、図８に示す本実施形態の発光装置においても、ＬＥＤ素子４と基板２との間のアンダーフィル１０に屈折率が１．７以上のジメチルシリコーン系の高屈折率材料を用いているため、屈折率が１．７５の発光素子４とほぼ一様な屈折率となる。このため、ＬＥＤ素子４から基板２に向かう光は、ほぼ屈折せずに直進して基板２の上面で反射されて上方へ照射される。これにより、何回も屈折することで界面に入射する角度がより大きくなって全反射される光の発生を防ぎ、下方に発光した光も有効に利用して光取り出し効率を高めることができる。

上述した第１の実施形態に係る発光装置（図１）及び第２の実施形態に係る発光装置（図８）において、高屈折率層８，２８はＬＥＤ素子４の上面側にのみ設けられている。この高屈折率層８，２８はＬＥＤ素子４の側面にも回り込むように設けても良いが、ＬＥＤ素子４の側面側に設けない方が好ましい。これは、ＬＥＤ素子４の側面に高屈折率層がない場合、図５（ａ）や図９（ａ）に示すように、ＬＥＤ素子４の側面から照射される光が上方向に屈折し、高屈折率層がＬＥＤ素子４の側面側にあると、上方向に屈折する角度が緩くなり、光が横方向に広がってしまうことになる。このため、ＬＥＤ素子４の側面側に高屈折率層を設けない方が、直上方向をより明るくすることができる。

また、上述した第１及び第２の実施形態に係る発光装置は、共に高屈折率層８，２８を設けることで界面１４，１６，３４及び上面３２における全反射を防いでいるが、図１１に示すように、高屈折率層８，２８の側面から上方に向かう光４８に対して、ＬＥＤ素子４の側方に設けられた封止樹脂６の上面５０の端部付近で全反射が起きることがある。このような封止樹脂６の上面５０における全反射は、封止樹脂６の高さ又は幅を調整することで防ぐことができる。

図１２は封止樹脂６の高さを高くすることで上面５０における全反射の発生を防いだ発光装置の一部変更例を示している。この発光装置における封止樹脂６は、高さを高くして、ＬＥＤ素子４と高屈折率層８との界面１４と高屈折率層８の側面等を通過して封止樹脂６の上面５０にて全反射を生じる程浅い角度（大きい入射角）で照射される光４８が、封止樹脂６の側面５２から外方に照射するように構成している。このように構成すると、光４８は上面５０に当たらず、封止樹脂６の側面５２に対して光４８が深い角度（小さい入射角）で照射され、光４８は側面５２にて全反射を起こすことなく斜め上方に向かって照射される。

また、図１３に示すように、封止樹脂６の幅（図中左右方向の寸法）を狭くして、上面５０の光４８が当たる部分を除去することで、光４８が側面５２から外方に照射されるように構成しても、上記と同様に上面５０における全反射を防ぐことができる。

２ 基板
４ ＬＥＤ素子
６ 封止樹脂
８，２８，３０ 高屈折率層
１０ アンダーフィル
１２ 対角線
１４，１６，２４，３４，３６，３８ 界面
１８，２０，２２，２６，４０，４２，４４，４６，４８ 光
３２，５０ 上面
５２ 側面
Ｒ１〜Ｒ６ 領域

Claims (10)

1. 基板上にフリップチップで発光面が下となるように発光素子を実装し、該発光素子を封止樹脂にて封止して、前記発光素子から空気までの間が、段階的に屈折率が小さくなるように設定した直方体をなす発光装置であって、
   前記発光素子の上面に高屈折率材料による高屈折率層を設けたことにより界面における全反射領域がなくなることを特徴とする発光装置。
2. 前記発光素子は前記基板にフリップチップにより実装され、前記発光素子と前記基板との間に高屈折率材料からなるアンダーフィルを設けてなる請求項１に記載の発光装置。
3. 前記高屈折率層の厚みは、該高屈折率層上面での全反射領域がなくなる一定値以上に設定されてなる請求項１に記載の発光装置。
4. 前記高屈折率層は前記発光素子の上面を封止し、前記封止樹脂は前記発光素子の側面を封止してなる請求項１に記載の発光装置。
5. 前記発光素子の上面はサファイアからなり、前記封止樹脂はエポキシ樹脂またはシリコーン樹脂からなる請求項１に記載の発光装置。
6. 前記高屈折率層は屈折率１．６５前後の高屈折率材料からなる請求項１に記載の発光装置。
7. 前記アンダーフィルは屈折率１．７以上の高屈折率材料からなる請求項２記載の発光装置。
8. 前記高屈折率材料はジメチルシリコーン系からなる請求項１又は２に記載の発光装置。
9. 前記封止樹脂は、その上面において全反射を発生させる前記発光素子からの光を、側面から外方に照射する高さに設定されていることを特徴とする請求項３記載の発光装置。
10. 前記封止樹脂は、その上面において全反射を発生させる前記発光素子からの光を、側面から外方に照射する幅に設定されていることを特徴とする請求項３記載の発光装置。

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