JP2021158186A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光装置の放熱効果を向上するとともに、視認性を向上する。【解決手段】本実施形態に係る発光装置１０は、長手方向をＸ軸方向とする部材であり、可撓性及び光透過性を有する。光透過性を有する第１基板と、第１基板の一側の面に形成される導体層２３と、導体層に接続される電極を有する複数の発光素子と、光透過性を有し、第１基板に対して、発光素子を保持する樹脂層と、を備え、導体層は、電極との接点を含む第１領域の光透過率が、前記第１領域周囲の第２領域の光透過率よりも大きい。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、発光装置に関する。

光透過性を有する一対の基板と、基板に形成された導体層に接続されるＬＥＤからなる発光素子を複数備える発光装置が開示されている。複数の発光素子は、一対の基板の間に配置され、当該一対の基板の間に充填された樹脂によって、基板に対して保持される。この発光装置は、基板の表裏両面に発光する。

このような発光装置では、光透過性を活かして空間に浮いたように発光させたり、表裏両方向の広い空間に発光させることが可能である。そのため、サイネージ、照明、装飾への展開が期待されている。

しかしながら、光透過性のある基板はそれ自体が透明で屈折率が高いため、発光素子から射出された光の一部が基板自体にも導光されてしまう。そのため、発光装置の側面縁、又は、配線パターンや別の非発光状態の発光素子から望ましくない不要発光が生じたり、発光装置から取り出せる光の光量が低下するという問題があった。

また、光透過性のある基板は薄いだけでなく熱伝導率が低い。そのため、発光素子で発熱した熱を逃がしにくく、結果的に発光素子の光量を低くしたり、光量を賄うために多くの発光素子を発光装置に内装しなければならなかった。

特許第６４３１４８５号

本発明は、光透過性のある基板を用いた発光装置において、基板を導光することで生じる不要発光や光取出効率の低下を抑制し、発光素子の放熱性を高めることを課題とする。

本実施形態に係る発光装置は、光透過性を有する第１基板と、第１基板の一側の面に形成される導体層と、導体層に接続される電極を有する複数の発光素子と、光透過性を有し、第１基板に対して、発光素子を保持する樹脂層と、を備え、導体層は、電極との接点を含む第１領域の光透過率が、第１領域周囲の第２領域の光透過率よりも大きい。

本実施形態に係る発光装置の斜視図である。 発光装置の側面図である。 発光素子の斜視図である。 発光装置の平面図である。 発光素子近傍の回路パターンを拡大して示す図である。 発光装置の製造方法を説明するための図である。 発光装置の製造方法を説明するための図である。 発光装置の製造方法を説明するための図である。 基板及び樹脂層を伝搬する光を模式的に示す図である。 基板及び樹脂層を伝搬する光を模式的に示す図である。 基板及び樹脂層を伝搬する光を模式的に示す図である。 基板の表面処理を説明するための図である。 基板の表面処理を説明するための図である。 発光素子の周囲の温度分布を示す図である。 発光素子の周囲の温度分布を示す図である。 制御部の変形例を示す図である。 制御部の変形例を示す図である。 導体層の変形例を示す図である。 導体層を構成するラインパターンの配列ピッチと、発光素子の周囲の温度分布を示す図である。 導体層の変形例を示す図である。 導体層の変形例を示す図である。 発光装置の変形例を示す図である。 発光装置の変形例を示す図である。 発光装置の使用態様を示す図である。 車両のテールランプを模式的に示す図である。 発光装置の変形例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を用いて説明する。説明には、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなるＸＹＺ座標系を用いる。

＜発光装置の構成＞
図１は、本実施形態に係る発光装置１０の一例を示す斜視図である。発光装置１０は、長手方向をＸ軸方向とする部材であり、可撓性及び光透過性を有する。

図２は、発光装置１０の側面図である。図２に示されるように、発光装置１０は、１組の基板２１，２２、基板２１，２２の間に形成された樹脂層２４、樹脂層２４の内部に配置された複数（例えば８個）の発光素子３０_１〜３０_８を有している。発光素子３０_１〜３０_８は、説明の便宜上、適宜発光素子３０と総称する。

基板２１，２２は、厚さが１０〜１０００μｍのフィルム状の絶縁部材である。本実形態では、基板２１，２２として、厚さ１００μｍのＰＥＴフィルムが用いられる。基板２１，２２は、可視光に対する透過性を有する。基板２１，２２の全光線透過率は、５％以上９５％以下である。なお、全光線透過率とは、日本工業規格ＪＩＳＫ７３７５：２００８に準拠して測定される全光透過率をいう。

基板２１，２２は、可撓性を有し、その曲げ弾性率は、０．１〜３２０ｋｇｆ／ｍｍ^２である。曲げ弾性率は、ＪＩＳ Ｋ７１７１：２０１６に準拠する方法で測定された値である。

基板２１，２２の素材としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンサクシネート（ＰＥＳ）、環状オレフィン系樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド（ＰＩ）などが用いられる。また、基板２１，２２に可撓性を必要としない場合には、基板２１，２２の素材としてガラスや、厚さが１０００μｍ以上の基材を用いることができる。

樹脂層２４は、基板２１と基板２２の間に形成された絶縁体である。樹脂層２４の全光線透過率は、５％以上９５％以下である。樹脂層２４は、基板２１，２２と発光素子３０とを、しっかりと絶縁固着させるとともに、発光装置１０を構成する元素の拡散を抑制して電気的信頼性を確保できる樹脂からなる。

樹脂層２４は、例えば、厚さが５０〜２００μｍであり、エポキシ系の熱硬化性樹脂やポリイミド系の熱硬化性樹脂などからなる。樹脂層２４は、熱硬化性樹脂を主成分とする材料から構成される。樹脂層２４を構成する素材は、必要に応じて他の樹脂成分等を含んでいてもよい。熱硬化性樹脂としては、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、エステル系樹脂、ウレタン系樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ポリイミド等が用いられる。

樹脂層２４は、熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂から構成されていてもよい。熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂、テフロン（登録商標）樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリロニトルブダジエンスチレン樹脂、ポリアミドイミド樹脂等が用いられる。

本実施形態に係る樹脂層２４については、米国特許出願公開明細書US2016/0155913（WO2014156159）にも詳細に開示されている。その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。また、樹脂層２４の機械的損失正接などの物性については、日本国特許出願2018-164946に詳細に開示されている。その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

発光素子３０は、一辺が０．１〜１ｍｍ程度の四角形のＬＥＤ（Light Emitting Diode）チップである。図３に示されるように、発光素子３０は、ベース基板３１、Ｎ型半導体層３２、活性層３３、Ｐ型半導体層３４からなる４層構造のＬＥＤチップである。

ベース基板３１は、Ａｌ２Ｏ３、ＧａＡｓ、Ｓｉ或いはＧａＰ等からなる基板である。ベース基板３１の上面には、当該ベース基板３１と同形状のＮ型半導体層３２が形成されている。そして、Ｎ型半導体層３２の上面には、順に、活性層３３、Ｐ型半導体層３４が積層されている。Ｎ型半導体層３２に積層される活性層３３、及びＰ型半導体層３４は、−Ｙ側かつ−Ｘ側のコーナー部分に切欠きが形成され、切欠きからＮ型半導体層３２の表面が露出している。Ｎ型半導体層とＰ型半導体層の位置が逆になっていてもよい。

Ｎ型半導体層３２の、活性層３３とＰ型半導体層３４から露出する部分には、Ｎ型半導体層３２と電気的に接続される電極パッド３５が形成されている。また、Ｐ型半導体層３４の＋Ｘ側かつ＋Ｙ側のコーナー部分には、Ｐ型半導体層３４と電気的に接続される電極パッド３６が形成されている。電極パッド３５，３６は、銅（Ｃｕ）または金（Ａｕ）などの良導体からなり、上面には、バンプ３７，３８が形成されている。バンプ３７，３８は、半田からなり、半球状に整形されている。半田バンプのかわりに金（Ａｕ）や金合金などの金属バンプを用いてもよい。発光素子３０では、バンプ３７が、カソード電極として機能し、バンプ３８が、アノード電極として機能する。

発光素子３０に設けられるバンプ３７，３８については、米国特許出願公開明細書US2016/0276561（WO/2015/083365）にも詳細に開示されている。その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。また、発光装置におけるバンプ３７，３８と導体層２３と電気的な接続については、日本国特許出願2018-16165に詳細に開示されている。その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

図２に示されるように、１組の基板２１，２２のうち、基板２１の内側面には、厚さが０．０５〜５０μｍの導体層２３が形成されている。発光装置１０では、基板２２の方が、基板２１よりもＸ軸方向の長さが短い。このため、導体層２３の＋Ｘ側端部が露出した状態になっている。発光装置１０では、導体層２３の下面（−Ｚ側の面）は、黒化処理が施されている。

図４は、発光装置１０の平面図である。図４を参照するとわかるように、導体層２３は、基板２１の＋Ｙ側外縁に沿って形成されるＬ字状の回路パターン２３１と、基板２１の−Ｙ側の外縁に沿って配列される複数の四角形の回路パターン２３２〜２３９からなる。回路パターン２３１〜２３９は、銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）などの金属材料からなる。発光装置１０では、回路パターン２３１〜２３９同士の距離は、少なくとも１０００μｍ以下であり、通常は１００μｍ以下である。

図５は、回路パターン２３１，２３２の近傍を拡大して示す図である。図５に示されるように、回路パターン２３１〜２３９は、例えば、銅（Ｃｕ）からなる相互に直交する複数のラインパターンＬＸ，ＬＹから構成されるメッシュパターンである。ラインパターンＬＸ，ＬＹの線幅は５〜９５０μｍである。ラインパターンＬＸ，ＬＹの配列ピッチは１０〜１０００μｍである。また、光透過性を確保するため、ラインパターンが被覆する面積被覆率は５〜９５％である。

導体層２３は、メッシュパターンに限定されるものではなく、ストライプパターンやハニカムパターンなどであってもよい。導体層２３は、全光線透過率が５％以上９５％以下で、かつ、シート抵抗が１００Ω／ｓｑ以下である。

導体層２３を構成する回路パターンについては、米国特許出願公開明細書US2016/0276322（WO/2015/083366）に詳細に開示されている。その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

導体層２３を構成する回路パターン２３１〜２３９には、発光素子３０のバンプ３７，３８が接続される発光素子３０の直下に形成されたランドＰと、ランドＰの周辺に広がる制御部Ｑが設けられている。ランドＰは、発光素子３０の上面（＋Ｚ側の面）に、一部が対向するように設けられたソリッドパターンであり、発光素子３０の電極パッド３５，３６に設けられたバンプ３７，３８が接続される。本実施形態に係る発光装置１０では、ランドＰの面積は、マウント位置精度を考慮して発光素子３０のバンプ３７，３８よりやや大きく形成される。また、制御部Ｑは、ランドＰを含む領域に設けられたソリッドパターンである。制御部Ｑは、発光素子周辺に設けられたソリッドな導体層２３で構成され、導体層２３の遮光性と熱伝導性を活かして本件の課題である導光や放熱による不具合を改善するものである。隣接する回路パターン２３１〜２３９に形成された一対のランドＰおよび制御部Ｑは、回路パターン２３１〜２３９の境界を介して、Ｘ軸方向に隣接するように配置されている。

図５に示されるように、発光素子３０_１は、例えば、回路パターン２３１，２３２の間に配置され、発光素子３０_１のバンプ３７が回路パターン２３１のランドＰに接続され、バンプ３８が回路パターン２３２のランドＰに接続される。ランドＰは発光素子３０の直下に形成されるが、発光素子３０のバンプ３７，３８に対向する必要最小限の面積被覆率とする。このため、発光素子３０_１からＺ軸方向に射出される光は、ランドＰで一部遮光されるものの、発光素子３０の直下でランドＰが形成されていない透過領域を通過して、−Ｚ側外部へも射出される。

図４に示されるように、発光素子３０_１と同様に、他の発光素子３０_２〜３０_８も、回路パターン２３２〜２３９に接続される。具体的には、発光素子３０_２が、回路パターン２３２，２３３にわたって配置される。同様に、発光素子３０_３が、回路パターン２３３，２３４にわたって配置される。発光素子３０_４が、回路パターン２３４，２３５にわたって配置される。発光素子３０_５が、回路パターン２３５，２３６にわたって配置される。発光素子３０_６が、回路パターン２３６，２３７にわたって配置される。発光素子３０_７が、回路パターン２３７，２３８にわたって配置される。発光素子３０_８が、回路パターン２３８，２３９にわたって配置される。これにより、回路パターン２３１〜２３９、及び発光素子３０_１〜３０_８が直列に接続される。発光装置１０では、発光素子３０_１〜３０_８は、０．５ｍｍから２００ｍｍのピッチで配置される。

＜発光装置の製造方法＞
次に、上述した発光装置１０の製造方法について説明する。まず、ＰＥＴからなる透明な基板２１を用意する。そして、図６に示されるように、基板２１の表明全体に、サブトラクト法又はアディティブ法等を用いて、ランドＰ及び制御部Ｑを備える回路パターン２３１〜２３９がパターニングされた導体層２３を形成する。ランドＰ及び制御部Ｑは、図６の丸印に示される位置に設けられている。

次に、図７に示されるように、回路パターン２３１〜２３９を有する導体層２３が形成された基板２１の表面に、熱硬化性を有する樹脂シート２４０を設ける。そして、発光素子３０_１〜３０_８を、樹脂シート２４０の上に配置する。このとき発光素子３０_１〜３０_８のバンプ３７，３８の直下に、回路パターン２３１〜２３９に形成されたランドＰが位置するように、発光素子３０_１〜３０_８が位置決めされる。

次に、図８に示されるように、基板２２を、基板２１の上面側に配置する。そして、基板２１，２２を、真空雰囲気下で加熱・加圧して圧着させる。これにより、まず、発光素子３０に形成されたバンプ３７，３８が、樹脂シート２４０を突き抜けて、当該回路パターン２３１〜２３９に電気的に接続される。そして、樹脂シート２４０が、導体層２３及び基板２１，２２と発光素子３０との間に隙間なく充填される。そして、図２に示されるように、基板２１，２２の間で発光素子３０を保持する樹脂層２４となる。

以上の工程を経て、発光装置１０が完成する。上述のように構成された発光装置１０では、基板２２から露出する回路パターン２３１，２３９に電圧が印加されることで、発光素子３０_１〜３０_８が発光する。

以上説明したように構成される本実施形態に係る発光装置１０では、制御部Ｑによって、基板２１，２２、及び樹脂層２４に対する光の伝搬が抑制される。したがって、発光装置１０の視認性を向上することができる。

図９は、発光素子３０から射出された後に、発光装置１０を構成する基板２１，２２及び樹脂層２４を伝搬する光を模式的に示す図である。基板２１，２２及び樹脂層２４の屈折率は１．３〜１．７であり、空気の屈折率よりも高い。そのため、発光素子３０から射出された光のうち、基板２１，２２に垂直に入射した光か、基板２１，２２に対して臨界角θｃ以下の角度で入射した光しか、発光装置１０の外部へ射出されない。発光素子３０から射出された光のうち、発光装置１０の外部へ射出されなかった光は、基板２１，２２及び樹脂層２４の中を伝搬する。発光装置１０では、基板２１，２２及び樹脂層２４の中を伝搬する伝搬光は、発光素子３０から射出される光のうちの２０％〜５０％程度である。

導体層２３が、透過率の高いメッシュパターンである場合には、基板２１，２２及び樹脂層２４の中を伝搬する伝搬光は、導体層２３を通過する際に殆ど減衰することがなく、基板２１，２２及び樹脂層２４の中で反射を繰り返しながら伝搬して発光装置１０の縁に至り外部に拡散射出される。このため、発光装置１０の外縁が不用に発光してしまう。また、伝搬光が、導体層２３や発光していない発光素子３０に到達したときには、導体層２３が照明されたり、発光していない発光素子３０が、あたかも発光しているように視認されてしまうことがある。

一方、導体層２３が制御部Ｑとして発光素子３０の周辺に形成されたソリッドパターンを有している場合には、図１０に示されるように、導体層２３に入射した伝搬光は、導体層２３を透過できずに多くは吸収され一部は拡散反射あるいは正反射される。これにより、伝搬光は発光素子３０周辺の制御部Ｑで減衰する。したがって、発光装置１０の外縁や、導体層２３や発光していない発光素子３０への伝搬光の伝達が抑制され、不要な発光が低減する。

本実施形態に係る発光装置１０では、図５に示されるように、発光素子３０の周囲にソリッドパターンからなる制御部Ｑが配置される。このため、伝搬光が制御部Ｑによって減衰し、結果的に、導体層２３や発光していない発光素子３０への伝搬光の入射が抑制され、基板２１，２２等の外縁に到達する光の強度が小さくなる。したがって、発光装置１０の不要発光が低減され視認性が向上する。また、制御部Ｑは発光素子３０の周辺に形成されているため、発光素子３０から外部に放出される光に対しては遮光影響を与えない。

伝搬光を減衰させるためには、制御部Ｑがある程度大きいことが必要となる。基板２１，２２及び樹脂層２４の中を伝搬する伝搬光は、図１１に示されるように、主として基板２１，２２と空気層との境界で全反射を繰り返す。基板２１，２２に対する伝搬光の入射角θｘは概ね４５度〜９０度である。また、発光装置が偏平であれば入射角が大きくなるほど伝搬光の強度は小さくなる。そのため、基板２１，２２に沿って伝搬する入射角が９０度となる伝搬光は、その強度が最も小さい。

例えば、円形の制御部Ｑによって、全反射する伝搬光を遮光するためには、制御部Ｑの直径Ｗと遮光される伝搬光の最大入射角θｘは、以下の式（１）で示される。なお、基板２１，２２のうち制御部Ｑから遠い位置にある基板２１，２２の表面までの距離をＤとする。実際には発光素子３０には大きさがあるため正確に式で示すことは困難だが、直径Ｗと遮光効果は比例ではなく、式（１）にあるｔａｎθｘに従って発光素子３０近傍で遮光効果が高い。また、式（１）よりＤを小さくしてもよい。すなわち、基板２１，２２の厚さを薄く設定したり、基板２２にも制御部Ｑを設けて２段で設定してもＤを小さくすることができる。特に基板の厚さに関しては可撓性も含めて１０００μｍ以下、できれば１００μｍ以下であることが望ましい。

Ｗ＝２・Ｄ・ｔａｎθｘ …（１）

例えば、発光装置１０の厚さが約０．３ｍｍで、基板２１．２２及び樹脂層２４の厚さが０．１ｍｍであるとすると、Ｄの値は０．２ｍｍとなる。この場合、入射角θｘが７０度で伝搬する伝搬光を遮光するためには、外径が１．１ｍｍ程度の制御部Ｑが必要になる。また、入射角θｘが８０度で伝搬する伝搬光を遮光するためには、外径が２．３ｍｍ程度の制御部Ｑが必要になる。

以上のように、制御部Ｑを大きくするほど遮光効果は高くなるが、制御部Ｑが視認されやすくなるという問題が生じる。また、入射角θｘが極端に大きい伝搬光は、もともと強度が小さいため、制御部Ｑによる遮光効果は小さい。このため、制御部Ｑの直径Ｗを、２ｍｍを超えて大きくしていっても、遮光効果はさほどあがらない。また、制御部Ｑによる遮光効果は、式（１）にも示した通りに発光素子３０からの距離に依存する。一方、発光装置１０から外部へ発光する光は発光素子３０の直上を通過していく。このため、制御部Ｑは、発光素子３０に対向する開口を有するドーナツ状となる。図５では、制御部ＱをメッシュパターンＬｘ，Ｌｙにあわせて矩形ドーナツ状とし、開口部分に設置されたランドＰとともにＨ字型のソリッドパターンを形成している。また、制御部Ｑの外径を式（１）でθｘが６０〜８０度程度の値（０．７~２．３ｍｍ）とすることで、不要発光を抑制する効果を効率的に発揮させつつ、制御部Ｑを最低限の大きさにして、制御部Ｑを目立たなくすることができる。

そこで、本実施形態に係る発光装置１０では、図５に示されるように、発光素子３０が接続されるランドＰと制御部Ｑの間には、発光素子３０からの光がＺ軸方向へ遮光されることなく射出されるように、開口部が形成されている。

また、制御部Ｑは導体層２３とは別に形成してもよい。例えば、図１２に示されるように、基板２１，２２の表面に制御部Ｑとしての機能を有する遮光パターン２１１を設けてもよい。遮光パターン２１１は、例えば、遮光性のパターンを印刷したり、遮光パッドを貼付したりすることなどにより形成することができる。図では発光装置１０の両表面に制御部Ｑを形成しているが、どちらか片面だけに制御部Ｑを形成してもよい。また、図１３に示されるように、基板２１，２２の表面にサンドブラスト加工や拡散シートパッド貼付によりシボ加工等を行って、基板２１，２２の表面にすりガラスのような凹凸を形成することとしてもよい。シボ加工では、光拡散透過性はあるものの遮光性はないため、発光素子３０の直上に開口を施さなくても発光装置１０の外部に直接出射する光を遮光減衰させる効果は小さい。また、本来導光して外部に取り出せない光がシボにより外部に取り出せるようになるため、発光装置１０の発光効率を向上させることができる。

発光装置１０では、光透過性を有する基板２１，２２の表面や、樹脂層２４の内部において、発光素子３０の周辺の領域に遮光性、光拡散透過性、或いは光拡散反射性のいずれかを有する制御部を設けることで、制御部により基板２１，２２等を伝搬する伝搬光に対して、発光素子３０の周辺領域で伝搬光を吸収遮光したり、伝搬光を拡散透過して取り出したり、あるいは、伝搬光を拡散反射させて発光装置１０の裏面から取り出したりすることができる。これにより、基板２１，２２等の外縁に伝搬する光を抑制することで不要な発光を抑えることができる。

本実施形態に係る発光装置１０では、制御部Ｑの表面が黒化処理されている。したがって、制御部Ｑに入射する伝搬光を効率よく吸収することができる。その結果、導体層２３や発光していない発光素子３０への伝搬光の入射が抑制される。また、基板２１，２２等の外縁に到達する光の強度が小さくなる。したがって、発光装置１０の視認性が向上する。

また、本実施形態に係る発光装置１０では、例えば、図５に示されるように、発光素子３０のバンプ３７，３８が、導体層２３のソリッドパターンからなる制御部Ｑを介して、導体層２３を構成するラインパターンＬＸ，ＬＹに電気的に接続される。制御部Ｑは、発光素子３０の上面よりも十分に大きいため、発光素子３０からの発熱は、ソリッドパターンである制御部Ｑを介して広範囲に伝わり放熱面積が拡がり、発光素子３０の放熱効果が向上する。したがって、発光装置１０の信頼性を向上することができる。また、発光素子３０へ投入するパワーを増加することが可能となる。

図１４は、制御部Ｑのない導体層２３のランドＰに接続された発光素子３０の周囲の温度分布を示す図である。温度分布は、発光素子３０を中心とする温度領域Ｔ１〜Ｔ５によって示される。温度領域Ｔ１は、温度が６０℃以上の領域である。温度領域Ｔ１は、発光素子３０とランドＰにほぼ一致する。温度領域Ｔ２は、温度が５５℃以上で６０℃未満の領域である。温度領域Ｔ３は、温度が５０℃以上で５５℃未満の領域である。温度領域Ｔ４は。温度が４５℃以上で５０℃未満の領域である。温度領域Ｔ５は。温度が４０℃以上で４５℃未満の領域である。

図１４に示される例では、導体層２３の厚さが２μｍ、ラインパターンの線幅が５μｍ、配列ピッチが１００μｍである。基板２１は、ＰＥＴからなり厚さが１００μｍである。樹脂層２４は、厚さが１７０μｍである。発光素子３０は赤色発光のＬＥＤであり、一辺の長さが３００μｍであり、厚さが１００μｍである。バンプ３７，３８の高さは、５０μｍである。発光素子３０には６ｍＡの電流が流れるように給電し、放熱環境温度は２５℃とした。

発光素子３０が点灯して発熱すると、発光素子３０からの熱は、導体層２３、基板２１，２２、及び樹脂層２４に伝わる。基板２１，２２及び樹脂層２４の熱伝導率は、０．１〜０．４Ｗ／ｍＫ程度であるが、導体層２３を構成する銅などの金属の熱伝導率は、１００〜４００Ｗ／ｍＫと比較的大きい。そのため、厚さ０．３ｍｍの基板２１に、厚さ３μｍの導体層２３が形成されている場合には、発光素子３０で発生した熱の９割が導体層２３を伝搬する。このため、透過性を有する発光装置１０では、発光素子３０に対する導体層２３のパターンが放熱効果に強く影響する。

図１４に示されるように、制御部Ｑを介さずに導体層２３に接続された発光素子３０からの熱は、導体層２３を構成するラインパターンのうち、発光素子３０が接続されるランドＰに直接的に接続される３本のラインパターンを介して周囲のラインパターンに伝搬する。そのため、発光素子３０の近傍では、ランドにつながる３本のラインパターンで熱の伝搬が渋滞する。したがって、発光素子３０を中心として、ランドに隣接するメッシュパターン領域で温度領域Ｔ１〜Ｔ５が同心円状に集中し、発光素子３０は６１．４℃まで温度が上昇してしまう。

図１５は、制御部Ｑを介して導体層２３に接続された発光素子３０の周囲の温度分布を示す図である。制御部Ｑは、図９に示されるランドＰの３０倍の大きさである。

図１５に示される例においても、導体層２３の厚さが２μｍ、ラインパターンの線幅が５μｍ、配列ピッチが１００μｍである。基板２１は、ＰＥＴからなり厚さが１００μｍである。樹脂層２４は、厚さが１７０μｍである。発光素子３０は、一辺の長さが３００μｍであり、厚さが１００μｍである。バンプ３７，３８の高さは、５０μｍである。発光素子３０には６ｍＡの電流が流れるように給電し、放熱環境温度は２５℃とした。

図１５に示されるように、発光素子３０からの熱は、まず、制御部Ｑに伝搬し、その後に制御部Ｑの周囲のラインパターンに伝搬する。制御部Ｑは、ソリッドパターンのため熱伝導がよいうえに、複数のラインパターンが周囲に接続されている。そのため、発光素子３０の熱の伝搬が効率よく行われる。したがって、発光素子３０は５２．４℃と低い温度に抑えられている。また、図１４で等温線の込み入っていたランドＰ周辺の領域でも、ソリッドパターンの制御部Ｑがスムーズに熱伝達するため温度勾配が緩やかになり、同心円状の温度勾配は無くなっていることがわかる。

発光素子３０へ投入可能な電力は、発光素子３０の耐熱上限温度によって決まる。そのため、図１５に示されるように、制御部Ｑを用いて放熱効果を向上させることで、図１４に示されるケースと比較して、発光素子３０へ供給するパワーを約２０％程度増加させることができる。このため、発光素子３０を明るく点灯させることが可能となる。

《実施例１》
図１６には、実施例１に係る発光装置１０Ａの一部が拡大して示されている。実施例１に係る発光装置１０Ａとして、厚さ１００μｍでＰＥＴからなる基板２１，２２と、厚さが１７０μｍで、エポキシ性の熱硬化性樹脂からなる樹脂層２４と、一辺が３００μｍｍで厚さが１００μｍの青色に発光する発光素子３０と、を備える発光装置１０を準備した。発光素子３０のバンプ３７、３８の高さは、５０μｍである。また、導体層２３の厚さが２μｍ、ラインパターンの線幅が５０μｍ、配列ピッチが５００μｍである。また、発光素子３０には４ｍＡの電流が流れるように給電し、放熱環境温度は２５℃とした。

導体層２３は、線幅が５０μｍで配列ピッチが０．５ｍｍのラインパターンＬＸ，ＬＹからなるメッシュパターンである。図１６に示されるように、発光素子３０の直下には２つのランドＰが形成され、発光素子３０の周囲の領域には、Ｙ軸方向の大きさが４ｍｍで、Ｘ軸方向の大きさが２ｍｍのソリッドパターンからなる２つの制御部Ｑが形成されている。ランドＰ及び制御部Ｑを含む導体層２３の表面は黒化処理されている。

基板２１，２２や樹脂層２４の外縁は黒塗りなど一切されておらず、基板２１，２２等をそのまま細断した状態になっている。発光装置１０の−Ｘ側の一端には、フレキシブル基板を介して駆動回路が接続されている。

発光装置１０Ａでは、基板２１，２２等の外縁や導体層２３への不要発光がほぼ解消された。具体的には、従来の発光素子３０よりも大きな制御部Ｑがない発光装置と比較して、基板２１，２２等の外縁の不要発光に寄与する伝搬光の９５％を制御部Ｑによって減衰させることができた。

導体層２３は、銅製のため給電に必要な電気伝導特性とは別に完全な遮光体でもある。導体層２３の表面を黒化させることで、基板２１，２２や樹脂層２４を伝搬する光の９０％を反射させることなく吸収することができた。また、導体層２３を黒化することで、導体層２３が目立たなくなり、発光装置の視認性が良好になった。発光装置１０Ａの制御部Ｑの大きさは、式（１）を満たす大きさであるため、入射角θｘが８４度（Ｗ＝４ｍｍとしてθｘを算出）以下の伝搬光に対して減衰効果が発揮された。

また、発光装置１０Ａでは、発光素子３０からの熱に対する放熱性が向上するため、各発光素子３０の発光輝度を増加させることができた。具体的には、発光素子３０へ投入電力を、３０％程度増加させることができた。その結果、発光素子３０の輝度も３０％程度増加した。

《実施例２》
図１７には、実施例２に係る発光装置１０Ｂの一部が拡大して示されている。実施例２に係る発光装置１０Ｂは、制御部Ｑが発光素子３０を中心とする放射状に成形されている点で、発光装置１０Ａと相違している。制御部Ｑを放射状に整形することで、発光素子３０の配列方向の伝搬光の減衰効率を向上しつつ、制御部Ｑを目立たなくすることができた。これにより、発光装置１０Ｂの視認性が向上した。

《実施例３》
図１８には、実施例３に係る発光装置１０Ｃの一部が拡大して示されている。実施例３に係る発光装置１０Ｃは、導体層２３を構成するラインパターンＬＸ，ＬＹの配列ピッチが、発光素子３０の近傍で小さくなっている点で、発光装置１０Ａ，１０Ｂと相違している。

図１８に示されるように、発光素子３０の周辺におけるラインパターンＬＸ，ＬＹのピッチのみを小さくして、ラインパターンＬＸ，ＬＹを密に配置した。具体的には、発光素子３０を中心とする半径１ｍｍまでの円形領域で、ラインパターンＬＸ，ＬＹの配列ピッチを１／４にし、半径１ｍｍの円と半径２ｍｍの円に囲まれる領域でのラインパターンＬＸ，ＬＹの配列ピッチを１／２にした。制御部Ｑは、ラインパターンＬＸ，ＬＹが密に配置されている領域である。これにより、発光素子３０の冷却効率が向上し、発光素子３０に投入する電力を、１０〜２０％程度向上することができた。また、基板２１，２２等の外縁の不要発光を、２０％程度軽減することができた。

発光素子３０の放熱効率や伝搬光の減衰率は、導体層２３を構成するラインパターンの配列ピッチによって異なる。図１９は、導体層２３を構成するラインパターンの配列ピッチと、発光素子３０の周囲の温度分布を示す図である。図１９には、ラインパターンのピッチがそれぞれ３００μｍ、１５０μｍ、１００μｍ、５０μｍの発光装置１０についての温度分布が示されている。図１９に示されるように、ラインパターンの配列ピッチが小さくなるにつれて、最も温度が高い温度領域Ｔ１の面積が小さくなり、他の温度領域Ｔ２，Ｔ３が導体層２３に沿って図面左右に広がっていく様子がわかる。

また、ラインパターンの線幅を変えることなく、配列ピッチを１／２にすると、発光素子３０に供給する電力を、約５％増加させることができることがわかった。また、ラインパターンの配列ピッチを１／４にすると、発光素子３０に供給する電力を、約２０％増加させることができることがわかった。

実施例３に係る発光装置１０Ｃでは、ソリッドパターンが導体層２３に存在しない。そのため、装置の視認性に優れている。具体的には、図１６，図１７に示されるように、ソリッドパターンからなる制御部Ｑが導体層２３に形成されている場合には、制御部Ｑと周囲のメッシュパターンとの透過率の差が大きく、制御部Ｑの外縁が目立つ。しかしながら、図１８に示されるように、発光素子３０の周囲の導体層２３を構成するラインパターンの配列ピッチを密にする場合には、導体層２３に濃淡が違う領域が現れるが、配列ピッチが異なる領域同士の境界は目立ちにくい。また、図１８に示されるように、ラインパターンの配列ピッチを、発光素子３０を中心に段階的に大きくしていくことで、配列ピッチが異なる領域同士の境界をさらに目立ちにくくすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態によって限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、発光素子３０の近傍の領域に制御部Ｑを形成したり、発光素子３０の近傍の領域でラインパターンの配列ピッチを小さくすることにより、発光素子３０近傍の導体層２３の電気伝導性、遮光性、光拡散透過性、反射性、及び熱伝導性等を向上することとした。これに限らず、導体層２３をメッシュパターンではなくて、図２０に示されるように、ソリッドパターンで形成してもよい。発光装置１０の両面に発光させたいが、発光装置自体の透過性を問わない用途ではメッシュパターンである必要はなく、発光素子３０の直上が開口していればよい。この場合には、導体層２３全体が制御層として機能し、発光素子３０から下方（−Ｚ方向）へ射出される光は、回路パターン２３１〜２３９の間のギャップから射出される。また、基板２１，２２や樹脂層２４の内部を伝搬する伝搬光は、導体層２３によって減衰する。

なお、図２０に示されるように、回路パターン２３１〜２３９の間のギャップが、屈曲することなく基板２１の外縁まで延びている場合には、ギャップに沿って伝搬する伝搬光は、導体層２３によって減衰することなく、基板２１，２２等の外縁に到達する。このため、図２１に示されるように、回路パターン２３１〜２３９の間のギャップを、屈曲させることが好ましい。

また、上記実施形態では、発光素子３０の近傍の導体層２３に、制御部Ｑを形成するか、或いは導体層２３をソリッドパターン（図２０参照）とした。この場合に、導体層２３を構成する導体が位置する領域における導体の専有面積の割合を、被覆率として定義する。発光装置１０では、発光素子３０の直下では、被覆率が２０％であり、発光素子３０の周辺では、被覆率が１００％であることが好ましい。発光素子３０の直下の被覆率は、例えば、発光素子３０の上面の面積と、発光素子３０の上面に対向する導体層２３の比である。また、発光素子３０の周辺の被覆率は、発光素子３０の周辺の領域（周辺領域）の面積と、周辺領域に配置される導体の面積の比である。また、発光素子３０から離れた周辺領域以外の領域（離間領域）の被覆率は、離間領域の面積と、離間領域に配置される導体の面積の比である。離間領域での被覆率は１０％であることが好ましい。

発光装置１０において、各領域での被覆率を上述した割合とすることで、発光装置１０の透明性を確保し、基板２１，２２等の外縁の不要発光や、導体層２３の不要照明等を回避するとともに、発光素子３０の放熱性を向上させることができる。これにより、発光装置１０の信頼性及び視認性を向上することができる。

上記実施形態では、図１２に示されるように、基板２１，２２の表面に遮光パターン２１１を設けることとした。これに限らず、基板２１の表面に、遮光印刷や熱拡散フィルム片を設けてもよい。

上記実施形態では、図１３に示されるように、基板２１，２２の表面にシボ加工等を行って、基板２１，２２の表面にすりガラスのような凹凸を形成することとした。これに限らず、基板２１の表面に、スリガラスフィルムを貼り付けてもよい。

上記実施形態では、直列接続された８個の発光素子３０を備える発光装置１０について説明した。これに限らず、発光装置１０は、９個以上或いは７個以下の発光素子を備えていてもよい。発光装置１０は、並列接続された複数個の発光素子３０を備えていてもよい。また、発光装置１０は、直列接続された発光素子３０と並列接続された発光素子３０が混在した複数個の発光素子３０を備えていてもよい。

上記実施形態では、発光素子３０の電極パッド３５，３６にバンプ３７，３８が形成されている場合について説明した。これに限らず、発光素子３０の電極パッド３５，３６には、バンプ３７，３８が形成されていなくてもよい。

上記実施形態では、発光素子３０が、一側の面に一対の電極パッド３５，３６が形成されていることとした。これに限らず、発光素子３０は、一側の面と他側の面に電極パッド備える発光素子であってもよい。この場合には、基板２２にも導体層が形成される。

上記実施形態では、基板２１，２２の間に隙間なく樹脂層２４が形成されている場合について説明した。これに限らず、樹脂層２４は、基板２１，２２の間に部分的に形成されていてもよい。例えば、発光素子の周囲にのみ形成されていてもよい。また、例えば図２２に示されるように、樹脂層２４は、発光素子３０を包囲するスペーサを構成するように形成されていてもよい。

上記実施形態では、発光装置１０が、一対の基板２１，２２及び樹脂層２４を備えている場合について説明した。これに限らず、図２３に示されるように、発光装置１０は、１つの基板２１と発光素子３０を保持する樹脂層２４から構成されていてもよい。

本実施形態に係る発光装置１０は可撓性を有している。このため、例えば図２４に示されるように、曲面ガラス５０１を介して商品などを展示するショーケース５００などの装飾に用いることができる。発光装置１０を曲面ガラス５０１に配置しても、発光装置１０を介して商品の展示が可能である。このため、商品の展示を損なうことなく、発光装置１０を用いたメッセージの表示などを行うことができる。複数の発光装置１０を並べて配置することで、ショーケース５００の大きさに応じた表示が可能となる。ショーケースやショーウィンドの装飾に限らず、発光装置１０は種々の装飾やメッセンジャーとして用いることができる。

本実施形態に係る発光装置１０は、車両のテールランプに用いることができる。光透過性及び可撓性を有する発光装置１０を光源として用いることで、種々の視覚的な効果を実現することができる。図２５は、車両８５０のテールランプ８００について、水平面での樹脂筐体の断面と内部構造を模式的に示す図である。発光装置１０をテールランプ８００の樹脂筐体の内壁面に沿って配置するとともに、発光装置１０の背面にミラー８０１を配置することで、発光装置１０からミラー８０１へ射出された光は、ミラー８０１で反射された後に発光装置１０を透過して、外部へ射出される。これにより、あたかもテールランプ８００の奥方向に発光装置１０とは別の光源があるようなユニットを形成することができる。

発光装置１０において、発光パネルと、フレキシブル配線基板とは同一平面上に配置されない場合がある。とりわけ、車両に搭載される場合は、発光パネルと、配線・回路部分は同一平面に配置されない場合が多い。その際、発光パネルとフレキシブル配線基板との接続部分が、発光パネル平面とは異なる方向に引っ張られたり、発光パネルとフレキシブル配線基板の間の接続部分に繰り返し屈曲応力がかかることを考慮する必要がある。また、車両（vehiecle）搭載用の発光装置の場合、応力と同時に高温・高湿条件が加わることも考慮する必要がある。そのため、応力付加と高温・高湿環境をあわせて評価する必要がある。引っ張り応力に関しては１６Ｎの引っ張り応力射付加に耐え、繰り返し屈曲（振動）に対しては、４Ｎで１０００回の繰り返し屈曲に耐へ、かつ８５℃、８５％条件下で１０００時間後も正常に作動することが、車両搭載用の発光装置の信頼性確保のために求められる。

上記実施形態に係る発光装置１０は、図４に示されるように、発光素子３０が直線上に配置されていることとした。これに限らず、図２６に示されるように、発光素子３０が二次元平面上にマトリクス状に配置されていてもよく、発光素子３０の配置に特別な制約は無い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、発光装置１０の製造法については、米国特許出願公開明細書US2017/0250330（WO/2016/047134）に詳細に開示されている。発光素子がマトリクス状に配置される発光装置については、日本国特許出願2018-164963に詳細に開示されている。それらの内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施しうるものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０，１０Ａ〜１０Ｃ 発光装置
２１，２２ 基板
２３ 導体層
２４ 樹脂層
３０ 発光素子
３１ ベース基板
３２ Ｎ型半導体層
３３ 活性層
３４ Ｐ型半導体層
３５，３６ 電極パッド
３７，３８ バンプ
２１１ 遮光パターン
２３１〜２３９ 回路パターン
２４０ 樹脂シート
５００ ショーケース
５０１ 曲面ガラス
８００ テールランプ
８０１ ミラー
８５０ 車両
Ｈ 開口
Ｐ ランド
Ｑ 制御部
ＦＭ フレーム
ＬＸ，ＬＹ ラインパターン
Ｔ１〜Ｔ３ 温度領域

Claims (12)

1. 発光素子を内装し、光透過性を有する基材で構成された発光装置において、
   光透過性を有し、前記基材を構成する第１基板と、
   前記第１基板に沿って設けられ、電気伝導性、遮光性、光拡散透過性、光拡散反射性、及び熱伝導性のいずれかの物性を有する制御部と、
   一側の面と他側の面の両面が発光する複数の発光素子と、
   複数の前記発光素子を前記第１基板に対して保持する樹脂層と、
   を備え、
   前記制御部の被覆率は、複数の前記発光素子の直下の第1領域よりも、前記発光素子の周辺の第２領域の方が高い発光装置。
2. 発光素子を内装し、光透過性を有する基材で構成された発光装置において、
   光透過性を有し、前記基材を構成する第１基板と、
   前記第１基板に沿って設けられ、電気伝導性、遮光性、光拡散透過性、光拡散反射性、及び熱伝導性のいずれかの物性を有する制御部と、
   一側の面と他側の面の両面が発光する複数の発光素子と、
   複数の前記発光素子を前記第１基板に対して保持する樹脂層と、
   を備え、
   前記制御部の被覆率は、複数の前記発光素子の周辺の第２領域よりも、前記第２領域の外側の第３領域の方が低い発光装置。
3. 前記制御部は、前記第１基板の一側の面に形成される導体層である請求項１又は２に記載の発光装置。
4. 前記導体層の前記第２領域は、ソリッドパターンであり、前記第２領域の外側の第３領域は、メッシュパターンである請求項３に記載の発光装置。
5. 前記導体層はメッシュパターンであり、前記第２領域の開口率は、前記第２領域の外側の第３領域の開口率よりも小さい請求項３に記載の発光装置。
6. 前記導体層は、複数の回路パターンからなり、
   複数の前記発光素子それぞれは、複数の前記回路パターンのうちの２つの前記回路パターンにそれぞれ接続される一対の電極を有する請求項３乃至５のいずれか一項に記載の発光装置。
7. 光透過性を有し、前記樹脂層を介して前記第１基板に対向して配置される第２基板を備える請求項３乃至６のいずれか一項に記載の発光装置。
8. 前記第１基板及び前記第２基板の表面は、シボ加工されている請求項７に記載の発光装置。
9. 前記導体層の表面は、黒化処理されている請求項３乃至８のいずれか一項に記載の発光装置。
10. 前記発光素子は、表裏面が発光する発光ダイオードである請求項３乃至９のいずれか一項に記載の発光装置。
11. 光透過性を有する第１基板と、
    前記第1基板の一側の面に形成され、複数の回路パターンからなる導体層と、
    複数の前記回路パターンのうちの隣接する２つの前記回路パターンにそれぞれ接続される一対の電極を有する複数の前記発光素子と、
    光透過性を有し、前記第１基板に対して、前記発光素子を保持する樹脂層と、
    を備え、
    前記回路パターンは、ソリッドパターンである発光装置。
12. 複数の前記発光素子それぞれが接続される２つの前記回路パターンの境界は、屈曲している請求項１１に記載の発光装置。

Images