JP2020047852A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】応答速度を高め、熱の影響を抑制した発光装置を提供する。【解決手段】本発明の一態様として、平面視で一辺が１００μｍ以下の矩形状に形成された発光素子チップとしてのＬＥＤチップ６と、ＬＥＤチップ６が搭載された基板７と、基板７の表面７ａから突出するように設けられると共に、ＬＥＤチップ６を囲むように設けられた環状の枠体８と、ＬＥＤチップ６からの光により発光する量子ドット１０を含み、ＬＥＤチップ６を覆う封止樹脂９と、を備え、枠体８の熱導電率が、１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、かつ、封止樹脂９は、枠体８に接触するように設けられている発光装置１を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置に関する。

従来より、ＬＥＤチップから発せられた青色光をＹＡＧ系等の蛍光体によって白色光に変換して出射する発光装置が知られている。この発光装置では、蛍光体の応答速度が遅いため高速変調が困難であるという課題があった。また、一般に使用されている蛍光体は直径が数μｍ以上であるため、ＬＥＤチップを１００μｍ以下に小型化した際には、十分に色変換ができない場合があった。

特許文献１では、半導体からなる微細な発光粒子を用いることで、応答速度を改善した発光装置が提案されている。

特開２００１−１１１１１４号公報

ところで、半導体では、一般に、熱がかかると応答速度が変化してしまう。そのため、半導体からなる発光粒子を用いた発光装置では、小型のＬＥＤチップを高密度に集積した場合等において、主にＬＥＤチップで発生する熱の影響によって、応答特性が変化してしまい、意図したタイミングで点灯できなくなるおそれがある。

本発明の目的は、応答速度を高め、熱の影響を抑制した発光装置を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］〜［４］の発光装置を提供する。

［１］平面視で一辺が１００μｍ以下の矩形状に形成された発光素子チップと、前記発光素子チップが搭載された基板と、前記基板の表面から突出するように設けられると共に、前記発光素子チップを囲むように設けられた環状の枠体と、前記発光素子チップからの光により発光する量子ドットを含み、前記発光素子チップを覆う封止樹脂と、を備え、前記枠体の熱導電率が、１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、かつ、前記封止樹脂は、前記枠体に接触するように設けられている、発光装置。

［２］前記封止樹脂は、その表面が、前記枠体の先端と一致するか、あるいは前記枠体の先端よりも低くなるように設けられている、［１］に記載の発光装置。

［３］前記封止樹脂は、その表面でかつ前記枠体の近傍に、凹状に窪んだ凹溝を有する、［１］または［２］に記載の発光装置。

［４］青色光源と、緑色光源と、赤色光源とを有する複数の光源集合体を有し、前記各光源は、それぞれ青色または紫色の光を発光する前記発光素子チップと、前記発光素子チップを囲む前記枠体と、を有し、前記青色光源は、前記発光素子チップを、前記封止樹脂で封止して構成され、前記緑色光源は、前記発光素子チップを、前記発光素子チップからの光により緑色光を発光する量子ドットを含む前記封止樹脂で封止して構成され、前記赤色光源は、前記発光素子チップを、前記発光素子チップからの光により赤色光を発光する量子ドットを含む前記封止樹脂で封止して構成される、［１］乃至［３］の何れか１項に記載の発光装置。

本発明によれば、応答速度を高め、熱の影響を抑制した発光装置を提供することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る発光装置を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は光源集合体の平面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。 発光装置の一変形例を示す平面図である。 図３は、図１の発光装置の応答特性を示すグラフ図である。 図４（ａ），（ｂ）は、光源集合体の一変形例を示す平面図である。 図５は、光源集合体の一変形例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はその（ａ）Ｂ−Ｂ線断面図である。 図６は、光源集合体の一変形例を示す断面図である。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る発光装置を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は光源集合体の平面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。発光装置１は、例えば、ディスプレイ、照明色を変化可能なパネル状の照明、建物の壁面等に文字や映像等の情報を表示する装置、あるいはこれらを組み合わせた用途に用いられるものである。

図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、発光装置１は、青色光源２と、緑色光源３と、赤色光源４とを有する複数の光源集合体５を有し、複数の光源集合体５をマトリクス状に配列して構成されている。各光源集合体５における青色光源２、緑色光源３、及び赤色光源４の強度バランスを調整することで、様々な色の照明を実現したり、あるいは情報や映像を表示したりすることが可能である。

各光源２〜４は、平面視で一辺が５μｍ以上１００μｍ以下の矩形状に形成されたＬＥＤチップ（マイクロＬＥＤチップ）６を有している。本実施の形態では、より高密度な集積を可能とするため、平面視で一辺が２５μｍ以下のＬＥＤチップ６を用いた。なお、ＬＥＤチップ６が一辺５μｍ未満であると、ＬＥＤチップ６が発する光の光強度が小さくなり、ＬＥＤチップ６の発熱量自体も小さくなるので、後述するような放熱性を向上させるための工夫は１チップあたりでは不要となる。

各ＬＥＤチップ６は、共通の基板７の表面７ａに搭載されている。ＬＥＤチップ６としては、青色または紫色の光を発光するものを用いることができる。ここでは、青色光を発するＬＥＤチップ６を用いた。本実施の形態では、発光特性を揃えるために、青色光源２、緑色光源３、及び赤色光源４では、同じ青色光を発するＬＥＤチップ６を用いる。各光源２〜４で同じＬＥＤチップ６を用いることで、部品点数を削減して低コスト化を図ることも可能になる。なお、ＬＥＤチップ６は、本発明の発光素子チップの一態様である。

各ＬＥＤチップ６は、環状の枠体８（印刷用マスク支え枠）に覆われている。枠体８は、平面視で矩形の枠状に形成されており、基板７の表面７ａから突出するように設けられている。本実施の形態では、枠体８は、平面視で縦横に延びる網目状に形成されており、枠体８により区画された平面視で矩形状の空間８ａ内に、ＬＥＤチップ６がそれぞれ配置されている。

なお、本実施の形態では、枠体８を網目状に形成することで、光源集合体５を密集した状態で配置したが、これに限らず、図２に示すように、光源集合体５を離散的に配置してもよい。

図１にもどり、各ＬＥＤチップ６は、封止樹脂９で封止されている。封止樹脂９としては、例えばシリコーン樹脂を用いることができる。青色光源２に用いられる封止樹脂９には、蛍光体や量子ドット等の色変換機能を有する材質は含まれない。他方、緑色光源３及び赤色光源４に用いられる封止樹脂９には、ＬＥＤチップ６からの光により発光する量子ドット１０が含まれている。

緑色光源３は、ＬＥＤチップ６を、ＬＥＤチップ６からの青色光により励起され緑色光を発光する量子ドット１０を含む封止樹脂９で封止して構成されている。赤色光源４は、ＬＥＤチップ６を、ＬＥＤチップ６からの青色光により励起され赤色光を発光する量子ドット１０を含む封止樹脂９で封止して構成されている。

量子ドット１０としては、例えば、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）やインジウムリン系のものを用いることができる。使用する量子ドット１０の粒径を変えることで、発光色を調整することができる。なお、量子ドット１０とは、量子効果があらわれる大きさの半導体粒子をいい、例えばセレン化カドミウムの量子ドット１０は、その平均粒径が１０ｎｍ以下である。ここでは、緑色光源３や赤色光源４に用いる量子ドットの平均粒径を、３０ｎｍ以下とした。

従来の蛍光体に代えて量子ドット１０を用いることで、高周波信号に対する応答性を大幅に向上することが可能になる。各光源２〜４の応答特性は、図３のようになる。図３に示すように、青色光源２（ＬＥＤチップ６のみ）に対して、緑色光源３及び赤色光源４がよく追従しており、良好な応答特性が得られている。

ところで、量子ドット１０では吸収帯と発光帯が近いため、例えば緑色光源３からの緑色光が赤色光源４側に漏れた場合でも、赤色光源４にて量子ドット１０が発光してしまう等の不具合が発生する場合がある。よって、各光源２〜４は、互いに完全に遮光されている必要がある。そこで、本実施の形態では、遮光性を有する材質で枠体８を構成した。

また、枠体８の上側から光が回り込んでしまうことを抑制するため、封止樹脂９を、その表面９ａが枠体８の先端と一致するか、あるいは枠体８の先端よりも低くなるように設けた。なお、枠体８の高さ（基板７からの突出長）は略一定となっている。これにより、光源２〜４からの光が、隣り合う光源２〜４に入射されることが抑制され、意図しない量子ドット１０の発光を抑制することが可能になる。

また、発光装置１をディスプレイ等の用途で用いる場合、緑色光源３及び赤色光源４では、ＬＥＤチップ６からの青色光を完全に緑色光または赤色光に変換する必要があり、量子ドット１０の量を比較的多く設定する必要がある。さらに、現状では量子ドット１０の変換効率は十分に高いとはいえないため、この変換効率を考慮して量子ドット１０の量を多めに設定する必要がある。そのため、緑色光源３及び赤色光源４では、量子ドット１０の使用量が多くなり、発熱による影響も大きくなる傾向がある。その結果、熱の影響によって、応答特性が変化してしまい、意図したタイミングで光源３，４を点灯ができなくなるおそれが生じる。

そこで、本実施の形態では、放熱性を向上するために、枠体８を高熱伝導率の材質で構成した。具体的には、枠体８の熱伝導率は、１Ｗ／Ｋ・ｍ以上であるとよく、１００Ｗ／Ｋ・ｍ以上であることがより好ましい。枠体８へと効率よく熱を逃がすために、封止樹脂９は、枠体８に接触するように設けられる。つまり、封止樹脂９は、枠体８と接触するように、枠体８により区画された空間８ａに充填されている。ＬＥＤチップ６や量子ドット１０から封止樹脂９を介して枠体８に伝わった熱は、枠体８から基板７へと伝わり、例えば基板７に設けられたヒートシンク等（不図示）を介して外部へと放熱される。

このように、本実施の形態では、枠体８は、光源２〜４を互いに遮光する役割と、放熱性を高める役割とを兼ねた部材である。枠体８は、基板７と別体で形成され基板７に接着固定されてもよいし、基板７を彫り込むことで、基板７の一部（彫り込まない部分）を枠体８として用いてもよい。また、基板７上に、印刷により、枠体８を形成してもよい。枠体８としては、例えば、ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）、Ｓｉ、ＢｅＯ、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）等からなるものを用いることができる。ここでは、枠体８により区画された空間８ａの平面視における一辺の長さを１２０μｍ以下とし、枠体８の高さ（基板７からの突出長）を１５μｍ以上２０μｍ以下とした。

封止樹脂９（あるいは量子ドット１０を含む封止樹脂９）を塗布によって各空間８ａに精度よく充填することは困難であるため、封止樹脂９（あるいは量子ドット１０を含む封止樹脂９）は、印刷により形成されることが望ましい。

図示していないが、各光源２〜４の基板７と反対側の面（封止樹脂９の表面９ａ）を覆うように、光源２〜４を保護するための保護層や、外部からの光による反射を抑制する反射抑制層を設けてもよい。保護層や反射抑制層は、例えば印刷によって形成されてもよいし、シート状（フィルム状）に形成されて光源２〜４上に貼付されてもよい。

シート状の保護層または反射抑制層（以下、光学フィルムという）を用いる場合、当該光学フィルムと光源２〜４との接合の信頼性が問題となる。そこで、本実施の形態では、封止樹脂９の表面でかつ枠体８の近傍に、凹状に窪んだ凹溝９ｂを形成した。凹溝９ｂは、枠体８の縁に沿うように環状に（平面視で略矩形状に）形成されている。シートを光源２〜４上（封止樹脂９の表面９ａ）に貼付すると、温度変化に伴って光学フィルムが膨張あるいは収縮し、これに伴って光学フィルムに接着されている封止樹脂９に応力が付与される。この際、凹溝９ｂを形成しておくことで、封止樹脂９がわずかに変形することが許容され、この変形によって応力を緩和して、光学フィルムのはく離を抑制することが可能になる。

本実施の形態では、印刷により封止樹脂９を形成しているが、この印刷のスピードを適宜調整する（速めに設定する）ことで、封止樹脂９の表面９ａにおける縁部を凹ませて、凹溝９ｂを容易に形成することができる。凹溝９ｂの深さは特に限定するものではないが、例えば数μｍ程度である。

（変形例）
例えば、発光装置１をディスプレイとして用いる場合、コントラストを高めるために、枠体８は、黒色に形成されるとよい。また、この場合、図４（ａ）に示すように、枠体８を太く（例えば、平面視におけるＬＥＤチップ６の一辺の長さよりも太く）することで、黒色の領域を広くしてコントラストをより高めるようにしてもよい。

他方、発光装置１を照明として用いる場合、図４（ｂ）に示すように、ＬＥＤチップ６を配置する空間８ａを、光源２〜４の配列方向と垂直な方向が長軸方向となる長方形状とし、各光源２〜４の発光領域を拡げてもよい。この場合、空間８ａの長辺は、平面視におけるＬＥＤチップ６の一辺の長さの２倍以上としてもよい。

また、図５（ａ），（ｂ）に示すように、１つの空間８ａ内に複数（図示例では２つ）のＬＥＤチップ６が設けられていてもよい。さらに、図６に示すように、枠体８とＬＥＤチップ６とを直接接触させることで、より放熱性を高めることもできる。ただし、枠体８とＬＥＤチップ６とを直接接触させる場合製造が困難となるため、容易に製造可能とする観点からは、枠体８とＬＥＤチップ６とは離間していることが望ましいといえる。

また、枠体８とＬＥＤチップ６とを直接接触させた場合は空間８ａが狭くなるため、ＬＥＤチップ６からの光が量子ドット１０により変換されずに外部へと放射されてしまうことを抑制するためには、封止樹脂９の厚さ及び枠体８の高さ（基板７からの突出長）を大きくする必要が生じる。これに対して、枠体８とＬＥＤチップ６とを離間させると、空間８ａが広くなり多くの封止樹脂９や量子ドット１０を充填できるようになるので、封止樹脂９の厚さや枠体８の高さ（つまり光源２〜４の高さ）を低く抑えつつも、ＬＥＤチップ６からの光が量子ドット１０により変換されずに外部へと放射されてしまうことを抑制可能になる。なお、ＬＥＤチップ６上の封止樹脂９の厚さ（ＬＥＤチップ６の上面から封止樹脂９の表面９ａまでの距離）は、フリップチップ（ＦＣチップ）の場合は、ＬＥＤチップ６の高さの２倍以下であることが望ましい。薄膜チップ（Thin Film Chip）の場合はＬＥＤチップ６の高さの２倍以上であることが望ましい。

（本実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本実施の形態に係る発光装置１では、平面視で一辺が１００μｍ以下の矩形状に形成された発光素子チップとしてのＬＥＤチップ６と、ＬＥＤチップ６が搭載された基板７と、基板７の表面７ａから突出するように設けられると共に、ＬＥＤチップ６を囲むように設けられた環状の枠体８と、ＬＥＤチップ６からの光により発光する量子ドット１０を含み、ＬＥＤチップ６を覆う封止樹脂９と、を備え、枠体８の熱導電率が、１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、かつ、封止樹脂９は、枠体８に接触するように設けられている。

発光装置１では、従来の蛍光体に代えて量子ドット１０を用いているため、応答速度を高めることができる。また、枠体８を高熱伝導率とし、かつ、封止樹脂９を枠体８に接触させることで、主にＬＥＤチップ６で生じた熱を効率よく枠体８で回収し、放熱性を高めることが可能になる。その結果、緑色光源３や赤色光源４において、熱の影響によって応答特性が変化してしまうことを抑制でき、意図したタイミングで各光源２〜４を点灯することが可能になる。このように、本実施の形態によれば、応答速度を高め、熱の影響を抑制した発光装置１を実現できる。

また、発光装置１では、各光源２〜４で同じＬＥＤチップ６を用いているため、発光特性や応答特性が一致しやすく、制御や取り扱いが容易である。また、発光装置１は、青色、赤色、緑色の３種のＬＥＤチップを用いた場合と比較して、広いスペクトルの白色光を得ることができるため、照明用途にも好適である。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記の実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。

例えば、上記実施の形態では、発光素子チップとしてＬＥＤチップ６を用いる場合を説明したが、発光素子チップとして、ＬＤ（レーザダイオード）チップを用いてもよい。

また、上記実施の形態では、枠体８を平面視で矩形状に形成したが、枠体８の形状はこれに限定されず、例えば、平面視で円形状や六角形状に形成されていてもよい。

また、上記の実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１ 発光装置
２ 青色光源
３ 緑色光源
４ 赤色光源
５ 光源集合体
６ ＬＥＤチップ（発光素子チップ）
７ 基板
７ａ 表面
８ 枠体
８ａ 空間
９ 封止樹脂
９ａ 表面
９ｂ 凹溝
１０ 量子ドット

Claims (4)

1. 平面視で一辺が１００μｍ以下の矩形状に形成された発光素子チップと、
   前記発光素子チップが搭載された基板と、
   前記基板の表面から突出するように設けられると共に、前記発光素子チップを囲むように設けられた環状の枠体と、
   前記発光素子チップからの光により発光する量子ドットを含み、前記発光素子チップを覆う封止樹脂と、を備え、
   前記枠体の熱導電率が、１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、
   かつ、前記封止樹脂は、前記枠体に接触するように設けられている、
   発光装置。
2. 前記封止樹脂は、その表面が、前記枠体の先端と一致するか、あるいは前記枠体の先端よりも低くなるように設けられている、
   請求項１に記載の発光装置。
3. 前記封止樹脂は、その表面でかつ前記枠体の近傍に、凹状に窪んだ凹溝を有する、
   請求項１または２に記載の発光装置。
4. 青色光源と、緑色光源と、赤色光源とを有する複数の光源集合体を有し、
   前記各光源は、それぞれ青色または紫色の光を発光する前記発光素子チップと、前記発光素子チップを囲む前記枠体と、を有し、
   前記青色光源は、前記発光素子チップを、前記封止樹脂で封止して構成され、
   前記緑色光源は、前記発光素子チップを、前記発光素子チップからの光により緑色光を発光する量子ドットを含む前記封止樹脂で封止して構成され、
   前記赤色光源は、前記発光素子チップを、前記発光素子チップからの光により赤色光を発光する量子ドットを含む前記封止樹脂で封止して構成される、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の発光装置。

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