JP3065258B2 - 発光装置及びそれを用いた表示装置 - Google Patents

発光装置及びそれを用いた表示装置

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JP3065258B2
JP3065258B2 JP25720596A JP25720596A JP3065258B2 JP 3065258 B2 JP3065258 B2 JP 3065258B2 JP 25720596 A JP25720596 A JP 25720596A JP 25720596 A JP25720596 A JP 25720596A JP 3065258 B2 JP3065258 B2 JP 3065258B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本願発明は、LEDディスプレ
イ、バックライト光源、表示器、信号機、照光式スイッ
チ及び各種インジケータなどに利用される発光装置に係
わり、特にLEDチップからの発光を波長変換して発光
可能な蛍光物質を有する発光装置において、発光方位、
電力変化などによる色調ムラを改善した発光装置及びそ
れを用いた表示装置に関する。
【0002】
【従来技術】発光装置である発光ダイオード(以下、L
EDとも呼ぶ。)は、小型で効率が良く鮮やかな色の発
光をする。また、半導体素子であるため球切れなどの心
配がない。初期駆動特性が優れ、振動やON/OFF点灯の
繰り返しに強いという特徴を有する。そのため各種イン
ジケータや種々の光源として利用されている。しかしな
がら、LEDは優れた単色性ピーク波長を有するが故に
白色系などの発光波長を発光することができない。
【0003】そこで、本願出願人は、青色発光ダイオー
ドと蛍光物質により青色発光ダイオードからの発光を色
変換させて他の色などが発光可能な発光ダイオードとし
て、特開平5−152609号公報、特開平7−993
45号公報などに記載された発光ダイオードを開発し
た。これらの発光ダイオードによって、1種類のLED
チップを用いて白色系など他の発光色を発光させること
ができる。
【0004】具体的には、青色系が発光可能なLEDチ
ップなどをリードフレームの先端に設けられたカップ上
などに配置する。LEDチップは、LEDチップが設け
られたメタルステムやメタルポストとそれぞれ電気的に
接続させる。そして、LEDチップを被覆する樹脂モー
ルド部材中などにLEDチップからの光を吸収し波長変
換する蛍光物質を含有させて形成させてある。この場
合、青色系の発光ダイオードと、その発光を吸収し黄色
系を発光する蛍光物質などとを選択することにより、こ
れらの発光の混色を利用して白色系を発光させることが
できる。
【0005】また、特開平7−99345号公報におい
ては、LEDチップが積載されたカップ縁部の水平面よ
りも低くなるように蛍光物質を充填させることにより蛍
光物質により変換された発光の集光を良くして輝度を高
めることができる。さらに、蛍光物質を励起できる発光
ダイオードを近接して設置しても疑似点灯の起こらない
発光ダイオードとすることができる。このような発光ダ
イオードは、白色系を発光する発光ダイオードとして利
用した場合においても十分な輝度を発光する発光ダイオ
ードとして利用することができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、発光ダ
イオードに用いられるマウント・リード上の反射カップ
内に単にLEDチップ及び蛍光物質を実装しモールド部
材を形成させると、発光ダイオードの発光観測面におい
て僅かながら色むらを生じる場合がある。これは、発光
ダイオードの指向特性を鋭くさせるほど顕著に現れる。
【0007】具体的には、指向特性の狭いものは発光観
測面側から見てLEDチップが配置された中心部が青色
ぽく、その周囲方向にリング状に黄、緑や赤色ぽい部分
が見られる場合がある。人間の色調感覚は、白色におい
て特に敏感である。そのため、わずかな色調差でも赤ぽ
い白、緑色ぽい白、黄色っぽい白等と感じる。
【0008】特に、蛍光物質を有する発光発光ダイオー
ドがモールド部材を有する場合、発光ダイオードを直視
するとモールド部材のレンズ効果により色むらがより顕
著に確認されることとなる。従って、僅かな色むらの違
いが大きな色むらとなって観測される場合がある。この
ような発光観測面を直視することによって生ずる色むら
は、品質上好ましくないばかりでなく表示装置に利用し
たときの表示面における色むらや、光センサーなど精密
機器における誤差を生ずることにもなる。また、定電力
下において色むらが極めて少ない白色系発光ダイオード
を選択してLED表示器などを構成させることもできる
が、歩留まりが極めて低いものとなる。また、発光出力
の変更に伴って発光観測面上の色むらが観測され、表示
面のちらつきとなる場合がある。
【0009】さらに、LEDチップからの光が蛍光物質
によって反射されることや、蛍光物質がLEDチップか
らの光を吸収し新たに等方的に発光することなどにより
発光ダイオードの指向特性を鋭くさせることが難しいと
いう問題をも有する。例えば、蛍光物質を使用しないと
き、全角15゜の発光ダイオードが蛍光物質をマウント
・リードのカップ内に含有させることによって約30゜
に広がる。同様に全角30゜のものが約60゜になって
しまう。そのため鋭い光学系に利用設計することが困難
となる。
【0010】本願発明は上記問題点を解決し発光観測面
における色調むらが極めて少なく、指向角を任意に設計
できる白色系が発光可能な発光装置及びそれを用いた表
示装置とすることにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本願発明は、LEDチッ
プと、該LEDチップからの発光の少なくとも一部を吸
収し波長変換して発光する蛍光物質と、を有する発光装
置であって、前記LEDチップが前記蛍光物質を有する
コーティング部で被覆され配置される収納部と、該収納
部内の前記LEDチップ及び蛍光物質から放出された光
を反射させる反射部と、を有する発光装置であり、前記
LEDチップの発光層が窒化ガリウム系化合物半導体で
あって主発光ピークが400nmから530nm内の発
光波長を有すると共に、前記蛍光物質が(RE1-x
x3(Al1-yGay512:Ceである発光装置で
ある。0≦x<1、0≦y≦1、(但し、REは、Y,
Gd,Laから選択される少なくとも一種の元素であ
る。)
【0012】また、マウント・リードのカップ内部にL
EDチップと、該LEDチップと導電性ワイヤーを用い
て電気的に接続させたインナー・リードと、前記LED
チップからの発光光の少なくとも一部を波長変換させる
蛍光物質を有するコーティング部材と、該コーティング
部材、LEDチップ、導電性ワイヤー及びマウント・リ
ードとインナー・リードの少なくとも一部を被覆するモ
ールド部材と、を有する発光ダイオードであって、前記
カップが蛍光物質及びLEDチップからの混色光を反射
する反射部と、該反射部とは独立し近接して形成されL
EDチップ及びコーティング部が積載される収納部と、
を有する発光ダイオードであり、前記LEDチップが窒
化ガリウム系化合物半導体であって、主発光ピークが4
00nmから530nm内の発光波長を有すると共に、
前記蛍光物質が(RE1-xSmx 3(Al1-yGay5
12:Ceである発光ダイオードである。0≦x<1、0
≦y≦1、(但し、REは、Y,Gd,Laから選択さ
れる少なくとも一種の元素である。)また、前記発光ダ
イオードをマトリックス状に配置したLED表示器と、
該LED表示器と電気的に接続させた駆動回路と、を有
するLED表示装置でもある。
【0013】
【作用】本願発明に設けられた収納部において、LED
チップからの発光と蛍光物質からの発光を十分混色させ
た光をより小さい開口部から放出させると共に反射部に
おいて反射させることによって方位による色ずれなどを
なくすことができる。また、効果的に集光して高度を極
めて高くさせることもできる。
【0014】
【発明の実施の形態】本願発明者は種々の実験の結果、
蛍光物質とLEDチップとを特定の配置とすることによ
り発光観測面における色調むらと指向特性を改善できる
ことを見出し本願発明を成すに到った。
【0015】即ち、本願発明は図3(B)の如くLED
チップ及び蛍光物質を収容させそれぞれの光を混色させ
る収納部と、混色された光を反射させる反射部と、を独
立して設け、それぞれ機能分離させることによって発光
観測面側に見られる色むらと指向特性の向上を改善する
ものである。
【0016】白色系が発光可能な発光装置の例としては
LEDチップからの青色系発光と、ボディーカラーが黄
色であり、その発光によって励起される蛍光物質からの
黄色系発光との混色などによって白色系表現させること
ができる。
【0017】従って、図3(A)の如くLEDチップか
ら放出された発光が蛍光物質に吸収、反射や散乱される
ことによりその光路長に差が生ずると蛍光物質により変
換される光量が異なる。そのため発光観測面状において
部分的にLEDチップからの発光色が強くなったり、蛍
光物質からの発光色が強くなり色調むらが生ずる。ま
た、LEDチップから横方向に出た光は、その光の一部
が斜め方向など蛍光物質が含有されたコーティング部を
長距離通って放出される。LEDチップから横方向に出
た光の行路は、垂直方向に照射された光の行路に比べて
長く、蛍光物質によって他の色に変換される確率が高
い。そのため発光装置を発光観測面側から視認すると周
辺部に色むらを生じてしまうと考えられる。さらに、L
EDチップからの発光光が蛍光物質によって散乱される
ためLEDチップの発光面よりも発光面が大きくなり光
源が擬似的に大きくなったのと等価となる。そのため発
光装置の指向角が広くなってしまうと考えられる。
【0018】本願発明は、LEDチップ及び蛍光物質を
LEDチップから放出される光の光路長差を実質的に低
減させる収納部に収納させることにより混色を促進させ
ると共に疑似光源の発光面積を小さくさせたものであ
る。これにより色調むらや指向性を改善させることがで
きる。
【0019】具体的な発光装置の一例として、チップタ
イプLEDを図2に示す。チップタイプLEDの筐体内
は、窒化ガリウム系半導体を用いたLEDチップが配さ
れる樹脂製筒の収納部とLEDチップからの光を所望の
方向に反射させる反射部とを備えている。樹脂製筒の内
部にはLEDチップをエポキシ樹脂などを用いて固定さ
せてある。導電性ワイヤーとして金線をLEDチップの
各電極と筐体に設けられた各電極とにそれぞれ電気的に
接続させてある。(RE1-xSmx3(Al1-yGay5
12:Ce蛍光体をエポキシ樹脂中に混合分散させたも
のをLEDチップが配された樹脂製筒の収納部に流し込
み硬化形成させる。このような発光装置に電力を供給さ
せることによってLEDチップを発光させる。LEDチ
ップからの発光と、その発光によって励起された蛍光物
質からの発光光との混色により白色系などが発光可能な
発光装置とすることができる。以下、本願発明の構成部
材について詳述する。
【0020】(収納部101、201)本願発明に用い
られる収納部101とは、LEDチップ102及び蛍光
物質を収納させるためのものであり、LEDチップ10
2からの発光とこの発光によって励起された蛍光物質が
発光する光を混色性良く放出させれるものである。即
ち、LEDチップ102が蛍光物質によって変換される
光の行路長差が実質的にない、或いは極めて小さいもの
である。このような行路長差を実質的に低減させるため
収納部は、上部が開口した円柱、円錐状、ドロップ形状
や多角柱形状など種々の形状をとることができる。収納
部101にはLEDチップ102をダイボンダーなどで
積載させ後にノズルなどにより注入される蛍光物質を含
むスリラーなどを収納するのに十分な大きさがあれば良
い。
【0021】また、配置されるLEDチップの大きさや
含有される蛍光物質の種類、含有量や含有分布などによ
ってその大きさや深さなど種々変化させることもでき
る。さらに、収納部の開口部は疑似光源の発光面ともな
るため所望に応じて種々の形状を採ることもできる。
【0022】いずれにしてもLEDチップ102からの
光を反射などさせ行路長差を低減させることなどにより
LEDチップ102と蛍光物質からの光を十分混色させ
られるものである。このような収納部は、光の利用効率
を向上させるため反射部を用いる。反射部は、リードフ
レームのカップを利用して形成させても良いし、別個に
分離して形成させても良い。
【0023】LEDチップ102と収納部101との接
着は熱硬化性樹脂などによって行うことができる。具体
的には、エポキシ樹脂、アクリル樹脂やイミド樹脂など
が挙げられる。LEDチップと収納部との接続部は、L
EDチップから放出された光や紫外線などが蛍光物質な
どによっても反射され収納部内においても特に高密度に
なる。そのため、接続部の樹脂劣化による黄変などによ
り発光効率が低下することが考えられる。このような接
続部の劣化防止のために、紫外線などによる劣化を防
ぐ、或いは紫外線吸収を少なくする目的でガラス、や紫
外線吸収剤を含有させた樹脂などを使用することがより
好ましい。
【0024】また、フェースダウンLEDチップなどに
よりマウント・リードと接着させると共に電気的に接続
させるためにはAg、Cu、Au、カーボン、ITOな
どを利用した導電性ペーストや金属バンプ等を用いるこ
ともできる。さらに、発光装置の光利用効率を向上させ
るためにLEDチップが配置される収納部の表面を鏡面
状とし、表面に反射機能を持たせても良い。この場合の
表面粗さは、0.1S以上0.8S以下が好ましい。こ
のような収納部の材料として具体的には、反射率の高い
銀や金をメッキさせたもの、銅、鉄入り銅、錫入り銅、
アルミ合金、メタライズパターン付きセラミック等が挙
げられる。
【0025】(反射部211、511)反射部211と
は、収納部101から放出されるLEDチップ102と
蛍光物質の混色光を所望の方向に反射させるものであ
る。反射部211は、リードフレームを利用して形成さ
せることもできるし、分離して形成させても良い。ま
た、反射部は、収納部からの混色光を有効に反射される
ため近接して配置されている。
【0026】(蛍光物質)本願発明に用いられる蛍光物
質としては、少なくとも半導体発光層から発光された可
視光で励起されて発光する蛍光物質をいう。窒化ガリウ
ム系化合物半導体を用いたLEDチップ102から発光
した光と、蛍光物質から発光する光が補色関係などにあ
る場合やLEDチップ102からの光とそれによって励
起され発光する蛍光物質の光がそれぞれ光の3原色(赤
色系、緑色系、青色系)に相当する場合、LEDチップ
からの発光と、蛍光物質からの発光と、を混色表示させ
ると白色系の発光色表示を行うことができる。そのため
発光装置の外部には、LEDチップ102からの発光と
蛍光物質からの発光とがモールド部材104を透過する
必要がある。したがって、蛍光物質のバルク層内などに
LEDチップを閉じこめ、蛍光物質層にLEDチップか
らの光が透過する開口部を1乃至2以上有する構成を利
用しても良い。また、蛍光物質の粉体を樹脂や硝子中に
含有させLEDチップからの光が透過する程度に薄く形
成させても良い。蛍光物質と樹脂などとの比率や塗布、
充填量を種々調整すること及び発光素子の発光波長を選
択することにより白色を含め電球色など任意の色調を提
供させることができる。
【0027】さらに、蛍光物質の含有分布は、混色性や
耐久性にも影響する。すなわち、蛍光物質が含有された
コーティング部の表面側からLEDチップに向かって蛍
光物質の分布濃度が高い場合は、外部環境からの水分な
どの影響をより受けにくく水分による劣化を抑制しやす
い。他方、蛍光物質の含有分布をLEDチップからモー
ルド部材表面側に向かって分布濃度が高くなると外部環
境からの水分の影響を受けやすいがLEDチップからの
発熱、照射強度などの影響がより少なく蛍光物質の劣化
を抑制することができる。このような、蛍光物質の分布
は、蛍光物質を含有する部材、形成温度、粘度や蛍光物
質の形状、粒度分布などを調整させることによって種々
形成させることができる。したがって、使用条件などに
より蛍光物質の分布濃度を、種々選択することができ
る。
【0028】半導体発光層によって励起される蛍光物質
は、無機蛍光体、有機蛍光体、蛍光染料、蛍光顔料など
種々のものが挙げられる。具体的な蛍光物質としては、
ペリレン系の誘導体や(RE1-xSmx3(Al1-yGa
y512:Ce(0≦x<1、0≦y≦1、但し、RE
は、Y,Gd,Laからなる群より選択される少なくと
も一種の元素である。)などが挙げられる。蛍光物質と
して特に(RE1-xSmx3(Al1-yGay512:C
eを用いた場合には、LEDチップと接する或いは近接
して配置され放射照度として(Ee)=3W・cm-2
上10W・cm-2以下においても高効率に十分な耐光性
有する発光装置とすることができる。
【0029】(RE1-xSmx3(Al1-yGay
512:Ce蛍光体は、ガーネット構造のため、熱、光
及び水分に強く、励起スペクトルのピークが470nm
付近などにさせることができる。また、発光ピークも5
30nm付近にあり720nmまで裾を引くブロードな
発光スペクトルを持たせることができる。しかも、組成
のAlの一部をGaで置換することで発光波長が短波長
にシフトし、また組成のYの一部をGdで置換すること
で、発光波長が長波長へシフトする。このように組成を
変化することで発光色を連続的に調節することが可能で
ある。したがって、長波長側の強度がGdの組成比で連
続的に変えられるなど窒化物半導体の青色系発光を利用
して白色系発光に変換するための理想条件を備えてい
る。
【0030】また、窒化ガリウム系半導体を用いたLE
Dチップと、セリウムで付活されたイットリウム・アル
ミニウム・ガーネット蛍光体(YAG)に希土類元素の
サマリウム(Sm)を含有させた蛍光体と、を有する発
光装置については、さらに光効率を向上させることもで
きる。
【0031】このような蛍光体は、Y、Gd、Ce、S
m、Al、La及びGaの原料として酸化物、又は高温
で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量
論比で十分に混合して原料を得る。又は、Y、Gd、C
e、Smの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解
液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物
と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合して混合
原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウ
ム等のフッ化物を適量混合して坩堝に詰め、空気中13
50〜1450°Cの温度範囲で2〜5時間焼成して焼
成品を得、次に焼成品を水中でボールミルして、洗浄、
分離、乾燥、最後に篩を通すことで得ることができる。
【0032】(Y1-p-q-rGdpCeqSmr3Al512
蛍光体は、結晶中にGdを含有することにより、特に4
60nm以上の長波長域の励起発光効率を高くすること
ができる。ガドリニウムの含有量の増加により、発光ピ
ーク波長が、530nmから570nmまで長波長に移
動し、全体の発光波長も長波長側にシフトする。赤みの
強い発光色が必要な場合、Gdの置換量を多くすること
で達成できる。一方、Gdが増加すると共に、青色光に
よるの発光輝度は徐々に低下する。したがって、pは
0.8以下であることが好ましく、0.7以下であるこ
とがより好ましい。さらに好ましくは0.6以下であ
る。
【0033】Smを含有する(Y1-p-q-rGdpCeq
r3Al512蛍光体は、Gdの含有量の増加にかか
わらず温度特性の低下が少ない。このようにSmを含有
させることにより、高温度における蛍光体の発光輝度は
大幅に改善される。その改善される程度はGdの含有量
が高くなるほど大きくなる。すなわち、Gdを増加して
蛍光体の発光色調に赤みを付与した組成ほどSmの含有
による温度特性改善に効果的であることが分かった。
(なお、ここでの温度特性とは、450nmの青色光に
よる常温(25°C)における励起発光輝度に対する、
同蛍光体の高温(200°C)における発光輝度の相対
値(%)で表している。)
【0034】Smの含有量は0.0003≦r≦0.0
8の範囲で温度特性が60%以上となり好ましい。この
範囲よりrが小さいと、温度特性改良の効果が小さくな
る。また、この範囲よりrが大きくなると温度特性は逆
に低下してくる。0.0007≦r≦0.02の範囲で
は温度特性は80%以上となり最も好ましい。
【0035】Ceは0.003≦q≦0.2の範囲で相
対発光輝度が70%以上となる。qが0.003以下で
は、Ceによるの励起発光中心の数が減少することで輝
度低下し、逆に、0.2より大きくなると濃度消光が生
ずる。具体的には、(Y0.39Gd0.57Ce0.03
0.013Al512蛍光体等が挙げられる。
【0036】本願発明の発光装置において、蛍光物質
は、2種類以上の蛍光物質を混合させてもよい。即ち、
Al、Ga、Y、La及びGdやSmの含有量が異なる
2種類以上の(RE1-xSmx3(Al1-yGay
512:Ce蛍光体を混合させてRGBの波長成分を増
やすことができる。これに、カラーフィルターを用いる
ことによりフルカラー液晶表示装置用としても利用でき
る。
【0037】(LEDチップ102、502)本願発明
に用いられるLEDチップ102とは、蛍光物質を効率
良く励起できる比較的短波長を効率よく発光可能な窒化
物系化合物半導体などが挙げられる。発光素子であるL
EDチップは、MOCVD法等により基板上にInGa
N等の半導体を発光層として形成させる。半導体の構造
としては、MIS接合、PIN接合やPN接合などを有
するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成の
ものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によっ
て発光波長を種々選択することができる。また、半導体
活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井
戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。
【0038】窒化ガリウム系化合物半導体を使用した場
合、半導体基板にはサファイヤ、スピネル、SiC、S
i、ZnO等の材料が用いられる。結晶性の良い窒化ガ
リウムを形成させるためにはサファイヤ基板を用いるこ
とが好ましい。このサファイヤ基板上にGaN、AlN
等のバッファー層を形成しその上にPN接合を有する窒
化ガリウム半導体を形成させる。窒化ガリウム系半導体
は、不純物をドープしない状態でN型導電性を示す。発
光効率を向上させるなど所望のN型窒化ガリウム半導体
を形成させる場合は、N型ドーパントとしてSi、G
e、Se、Te、C等を適宜導入することが好ましい。
一方、P型窒化ガリウム半導体を形成させる場合は、P
型ドーパンドであるZn、Mg、Be、Ca、Sr、B
a等をドープさせる。
【0039】窒化ガリウム系化合物半導体は、P型ドー
パントをドープしただけではP型化しにくいためP型ド
ーパント導入後に、炉による加熱、低速電子線照射やプ
ラズマ照射等によりアニールすることでP型化させるこ
とが好ましい。エッチングなどによりP型半導体及びN
型半導体の露出面を形成させた後、半導体層上にスパッ
タリング法や真空蒸着法などを用いて所望の形状の各電
極を形成させる。
【0040】次に、形成された半導体ウエハー等をダイ
ヤモンド製の刃先を有するブレードが回転するダイシン
グソーにより直接フルカットするか、又は刃先幅よりも
広い幅の溝を切り込んだ後(ハーフカット)、外力によ
って半導体ウエハーを割る。あるいは、先端のダイヤモ
ンド針が往復直線運動するスクライバーにより半導体ウ
エハーに極めて細いスクライブライン(経線)を例えば
碁盤目状に引いた後、外力によってウエハーを割り半導
体ウエハーからチップ状にカットする。このようにして
窒化ガリウム系化合物半導体であるLEDチップ102
を形成させることができる。
【0041】本願発明の発光装置において白色系を発光
させる場合は、蛍光物質との補色等を考慮して発光素子
の主発光波長は400nm以上530nm以下が好まし
く、420nm以上490nm以下がより好ましい。L
EDチップと蛍光物質との効率をそれぞれより向上させ
るためには、450nm以上475nm以下がさらに好
ましい。本願発明の白色系が発光可能な発光装置の全方
位平均発光スペクトル例を図5に示す。450nm付近
にピークを持つ発光がLEDチップからの発光であり、
570nm付近にピークを持つ発光がLEDチップによ
って励起された蛍光物質の発光である。
【0042】(導電性ワイヤー103、203)導電性
ワイヤー103としては、LEDチップ102の電極と
のオーミック性、機械的接続性、電気伝導性及び熱伝導
性がよいものが求められる。熱伝導度としては0.01
cal/cm2/cm/℃以上が好ましく、より好まし
くは0.5cal/cm2/cm/℃以上である。ま
た、作業性などを考慮して導電性ワイヤーの直径は、好
ましくは、Φ10μm以上、Φ45μm以下である。こ
のような導電性ワイヤーとして具体的には、金、銅、白
金、アルミニウム等の金属及びそれらの合金を用いた導
電性ワイヤーが挙げられる。このような導電性ワイヤー
は、各LEDチップの電極と、インナー・リード及びマ
ウント・リードなどと、をワイヤーボンディング機器に
よって容易に接続させることができる。
【0043】(マウント・リード105)マウント・リ
ード105は、LED102チップを配置させると共に
蛍光物質を収容させる収納部と101、LEDチップ及
び蛍光物質双方の光を反射させる反射部211と、を有
するものである。LEDチップを複数設置しマウント・
リードをLEDチップの共通電極として利用する場合に
おいては、十分な電気伝導性とボンディングワイヤー等
との接続性が求められる。
【0044】マウント・リード105上のカップ内に異
なる発光色を発光するLEDチップを2以上配置すると
共に蛍光物質を利用して多色発光可能な発光装置を形成
させることもできる。具体的には、RGB(赤色系、緑
色系、青色系)がそれぞれ発光可能なLEDチップをマ
ウントリードの反射部に連続した底面に配置させると共
にその底面の中央部下には、さらに凹部が設けられてい
る。その凹部を収納部として利用させることによってR
GBと白色系が発光可能な多色発光装置などとさせるこ
とができる。多色発光装置は、RGBを発光する各LE
Dチップの発光部及び凹部の疑似光源となる発光面が同
じ高さにあっても良い。また、外部量子効率向上のため
に発光波長の短いLEDチップから順に発光部の高さを
高くなるように配置しても良い。この場合、他の発光色
の影響を少なくさせるために蛍光物質を有する疑似光源
の発光部を最も高くすることがより好ましい。このよう
なマウント・リードはインナー・リードともに各種金属
の打ち抜きなどにより容易に形成させることができる。
【0045】マウント・リード105の具体的な電気抵
抗としては300μΩ−cm以下が好ましく、より好ま
しくは、3μΩ−cm以下である。また、マウント・リ
ード105上に複数のLEDチップ102を積置する場
合は、LEDチップ102からの発熱量が多くなるため
熱伝導度がよいことが求められる。具体的には、0.0
1cal/cm2/cm/℃以上が好ましくより好まし
くは 0.5cal/cm2/cm/℃以上である。これ
らの条件を満たす材料としては、鉄、銅、鉄入り銅、錫
入り銅、メタライズパターン付きセラミック等が挙げら
れる。
【0046】(インナー・リード106)インナー・リ
ード106としては、マウント・リード105上に配置
されたLEDチップ102と接続された導電性ワイヤー
103との接続を図るものである。マウント・リード上
に複数のLEDチップを設けた場合は、各導電性ワイヤ
ー同士が接触しないよう配置できる構成とする必要があ
る。具体的には、マウント・リードから離れるに従っ
て、インナー・リードのワイヤーボンディングさせる端
面の面積を大きくすることなどによってマウント・リー
ドからより離れたインナー・リードと接続させる導電性
ワイヤーの接触を防ぐことができる。導電性ワイヤーと
の接続端面の粗さは、密着性を考慮して1.6S以上1
0S以下が好ましい。
【0047】インナー・リード106の先端部を種々の
形状に形成させるためには、あらかじめリードフレーム
の形状を型枠で決めて打ち抜き形成させてもよく、或い
は全てのインナー・リード106を形成させた後にイン
ナー・リード106上部の一部を削ることによって形成
させても良い。さらには、インナー・リード106を打
ち抜き形成後、端面方向から加圧することにより所望の
端面の面積と端面高さを同時に形成させることもでき
る。
【0048】インナー・リード106は、導電性ワイヤ
ーであるボンディングワイヤー等との接続性及び電気伝
導性が良いことが求められる。具体的な電気抵抗として
は、300μΩ−cm以下が好ましく、より好ましくは
3μΩ−cm以下である。これらの条件を満たす材料と
しては、鉄、銅、鉄入り銅、錫入り銅及び銅、金、銀を
メッキしたアルミニウム、鉄、銅等が挙げられる。
【0049】(コーティング部)コーティング部とは、
モールド部材104とは別にマウント・リードの収納部
101内に設けられるものでありLEDチップ102の
発光を変換する蛍光物質或いは蛍光物質が含有される樹
脂や硝子などである。コーティング部の具体的主材料の
一つとしては、有機染料そのものやエポキシ樹脂、ユリ
ア樹脂、シリコーンなどの耐候性に優れた透明樹脂や硝
子などに蛍光物質を含有させたものが好適に用いられ
る。また、コーティング部には、蛍光物質と共に拡散剤
や紫外線吸収剤を含有させても良い。具体的な拡散剤と
しては、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニ
ウム、酸化珪素等が好適に用いられる。
【0050】コーティング部の主原料は、モールド部材
と同じ材料を用いてもよいし、異なる部材としても良
い。コーティング部材を異なる部材で形成させた場合に
おいては、LEDチップや導電性ワイヤーなどにかかる
外部応力や熱応力を緩和させることもできる。また、コ
ーティング部は、収納部内においてLEDチップから放
出される紫外線などが反射され高密度になる。さらに、
蛍光物質によっても反射散乱されコーティング部材が高
密度の紫外線にさらされる場合がある。この場合、紫外
線などによるコーティング部の劣化を防ぐ、或いは紫外
線吸収を少なくする目的でガラスや、紫外線吸収剤を含
有させた樹脂などで形成させても良い。
【0051】(モールド部材104)モールド部材10
4は、発光装置の使用用途に応じてLEDチップ10
2、導電性ワイヤー103、蛍光物質が含有されたコー
ティング部などを外部から保護するために設けることが
できる。モールド部材104は、各種樹脂や硝子などを
用いて形成させることができる。モールド部材を所望の
形状にすることによってLEDチップ102からの発光
を集束させたり拡散させたりするレンズ効果を持たせる
ことができる。従って、モールド部材は複数積層した構
造でもよい。具体的には、凸レンズ形状、凹レンズ形状
さらには、発光観測面から見て楕円形状やそれらを複数
組み合わせた物などが挙げられる。また、LEDチップ
からの光を集光させレンズ形状を採る場合においては、
発光観測面側から見て発光面が拡大されるため光源の色
むらが特に顕著に現れる。従って、本願発明の色むら抑
制の効果が特に大きくなるものである。
【0052】モールド部材104の具体的材料として
は、主としてエポキシ樹脂、ユリア樹脂、シリコーンな
どの耐候性に優れた透明樹脂や硝子などが好適に用いら
れる。また、モールド部材に拡散剤を含有させることに
よってLEDチップからの指向性を緩和させ視野角を増
やすこともできる。拡散剤の具体的材料としては、チタ
ン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪
素等が好適に用いられる。さらに、モールド部材とコー
ティング部とを異なる部材で形成させても良い。具体的
にはコーティング部を蛍光物質が含有された樹脂とし、
モールド部材を硝子等としたものである。これにより、
生産性良くより水分などの影響が少ない発光ダイオード
とすることができる。また、屈折率を考慮してモールド
部材とコーティング部とを同じ部材を用いて形成させる
こともできる。
【0053】(表示装置)本願発明の発光装置をLED
表示器に利用した場合、RGBをそれぞれ発光する発光
ダイオードの組み合わせだけによるLED表示器より
も、より高精細に白色系表示させることができる。すな
わち、各発光ダイオードを組み合わせて白色系などを混
色表示させるためにはRGBの各発光ダイオードをそれ
ぞれ同時に発光せざるを得ない。そのため赤色系、緑色
系、青色系のそれぞれ単色表示した場合に比べて一画素
あたりの表示が大きくなる。したがって、白色系の表示
の場合においてはRGB単色表示と比較して高精細に表
示させることができない。また、白色系の表示は各発光
ダイオードを調節して表示させるため各半導体の温度特
性などを考慮し種々調整しなければならない。さらに、
混色による表示であるが故にLED表示器の視認する方
向や角度によって、RGBの発光ダイオードが部分的に
遮光され表示色が変わる場合もある。
【0054】本願発明の発光装置をRGBの発光ダイオ
ードに加えて利用することにより、より高精細化が可能
となると共に白色系の発光が安定し色むらをなくすこと
もできる。また、RGBの各発光ダイオードともに発光
させることにより輝度を向上させることもできる。
【0055】本願発明の発光装置を用いた表示装置の1
つとして、RGBの各発光ダイオードに加えて白色系発
光装置を1絵素として利用し、標識やマトリクス状など
任意の形状に配置させたLED表示器の概略構成を示
す。LED表示器は、駆動回路である点灯回路などと電
気的に接続させる。駆動回路からの出力パルスによって
種々の画像が表示可能なデイスプレイ等とすることがで
きる。駆動回路としては、入力される表示データを一時
的に記憶させるRAM(Random、Access、
Memory)と、RAMに記憶されるデータから各発
光装置を所定の明るさに点灯させるための階調信号を演
算する階調制御回路と、階調制御回路の出力信号でスイ
ッチングされて、各発光装置を点灯させるドライバーと
を備える。階調制御回路は、RAMに記憶されるデータ
から発光装置の点灯時間を演算してパルス信号を出力す
る。
【0056】白色系の表示を行う場合は、RGB各発光
ダイオードのパルス信号を短くする、パルス高を低くす
る或いは全く点灯させない。他方、それを補償するよう
に白色系発光装置にパルス信号を出力する。これによ
り、LED表示器の白色を表示する。
【0057】したがって、白色系発光装置を所望の輝度
で点灯させるためのパルス信号を演算する階調制御回路
としてCPUを別途備えることが好ましい。階調制御回
路から出力されるパルス信号は、白色系発光装置のドラ
イバーに入力されてドライバをスイッチングさせる。ド
ライバーがオンになると白色系発光装置が点灯され、オ
フになると消灯される。
【0058】また、本願発明の発光装置を用いた別のL
ED表示器を示す。本願発明の白色系発光装置のみを用
い白黒用のLED表示装置とすることもできる。白黒用
のLED表示器は、本願発明の発光装置のみをマトリッ
クス状などに配置し構成することができる。RGBのそ
れぞれの駆動回路の代わりに白色発光可能な発光装置用
駆動回路のみとしてLED表示器を構成させることがで
きる。LED表示器は、駆動回路である点灯回路などと
電気的に接続させる。駆動回路からの出力パルスによっ
て種々の画像が表示可能なデイスプレイ等とすることが
できる。駆動回路としては、入力される表示データを一
時的に記憶させるRAM(Random、Acces
s、Memory)と、RAMに記憶されるデータから
発光装置を所定の明るさに点灯させるための階調信号を
演算する階調制御回路と、階調制御回路の出力信号でス
イッチングされて、発光装置を点灯させるドライバーと
を備える。階調制御回路は、RAMに記憶されるデータ
から発光装置の点灯時間を演算してパルス信号を出力す
る。
【0059】したがって、白黒用のLED表示器はRG
Bのフルカラー表示器と異なり当然回路構成を簡略化で
きると共に高精細化できる。そのため、安価にRGBの
発光ダイオードの特性に伴う色むらなどのないディスプ
レイとすることができるものである。また、消費電力を
3分の1程度に低減させることができるため電池電源と
の接続の場合は、使用時間を延ばすことができる。さら
に、従来の赤色、緑色のみを用いたLED表示器に比べ
人間の目に対する刺激が少なく長時間の使用に適してい
る。さらにまた、RGBが発光可能な発光ダイオードを
用いたフルカラー表示器と本願発明の発光ダイオード4
01を用いた白黒表示器とを並べて配置し種々の情報を
表示させることもできる。この場合、互いの表示器を違
和感なく配置させるために発光ダイオードのモールド部
に同濃度の拡散剤を入れることが好ましい。
【0060】(信号機)本願発明の発光装置を表示装置
の1種である信号機として利用した場合、長時間安定し
て発光させることが可能であると共に発光装置の一部が
消灯しても色むらなどが生じないという特徴がある。本
願発明の発光装置を用いた信号機の概略構成として、導
電性パターンが形成された基板上に白色系発光装置を配
置させる。このような発光装置が直列又は直並列に接続
された発光装置の回路を発光装置群として扱う。発光装
置群を2つ以上用いそれぞれ渦巻き状に発光装置を配置
させる。全ての発光装置が配置されると円状に全面に配
置される。各発光装置及び基板から外部電力と接続させ
る電源コードをそれぞれ、ハンダにより接続させた後、
鉄道用信号用の筐体内に固定させる。
【0061】LED表示器は、遮光部材が付いたアルミ
ダイキャストの筐体内に配置され表面にシリコーンゴム
の充填材で封止されている。筐体の表示面は、白色レン
ズを設けてある。また、LED表示器の電気的配線は、
筐体の裏面からゴムパッキンを通し筐体内を密閉する。
これにより白色系信号機を形成することができる。本願
発明の発光装置を、複数の群に分け中心部から外側に向
け輪を描く渦巻き状などに配置し、並列接続させること
でより信頼性が高い信号機とさせることができる。中心
部から外側に向け輪を描くとは連続的に輪を描くものも
断続的に配置するものをも含む。したがって、LED表
示器の表示面積などにより配置される発光装置の数や発
光装置群の数を種々選択することができる。
【0062】この信号機により、一方の発光装置群や一
部の発光装置が何らかのトラブルにより消灯したとして
も他方の発光装置群や残った発光装置により信号機を円
形状に均一に発光させることが可能となるものである。
また、一部の発光装置の消灯によっても色ずれが生ずる
こともない。渦巻き状に配置してあることから中心部を
密に配置することができ電球発光の信号と何ら違和感な
く駆動させることができる。
【0063】(面状発光光源)本願発明の発光装置を用
いて図7の如く面状発光光源を構成することができる。
具体的には、絶縁層及び導電性パターンが形成されたコ
の字形状の金属基板に設けられた凹部内にLEDチップ
502を固定する。LEDチップと導電性パターンとの
電気的導通を取った後、蛍光物質をエポキシ樹脂と混合
撹拌しLEDチップが積載された金属基板の凹部内に充
填させ発光装置を形成させる。こうして形成された発光
装置は、アクリル性導光板の端面にエポキシ樹脂などで
固定される。導光板504の一方の主面上には、輝度む
ら防止のため白色散乱剤が含有されたフィルム状の反射
層503を配置させてある。同様に、導光板504の裏
面側全面や発光装置が配置されていない端面上にも反射
部材505を設け発光光率を向上させてある。また、発
光主面には混色性向上のために拡散層506を設けても
良い。
【0064】これにより、より混色性が優れLCDのバ
ックライトとして十分な明るさを得られる面状発光光源
とすることができる。液晶表示装置として利用する場合
は、導光板の主面上に不示図の透光性導電性パターンが
形成された硝子基板間に注入された液晶装置を介して配
された偏光板により構成させることができる。以下、本
願発明の実施例について説明するが、本願発明は具体的
実施例のみに限定されるものではないことは言うまでも
ない。
【0065】
【実施例】
(実施例1)発光素子として主発光ピークが470nm
のGaInN半導体を用いた。LEDチップは、洗浄さ
せたサファイヤ基板上にTMG(トリメチルガリウム)
ガス、TMI(トリメチルインジュウム)ガス、窒素ガ
ス及びドーパントガスをキャリアガスと共に流し、MO
CVD法で窒化ガリウム系化合物半導体を成膜させるこ
とにより形成させた。ドーパントガスとしてSiH4
Cp2Mgと、を切り替えることによってN型導電性を
有する窒化ガリウム系半導体とP型導電性を有する窒化
ガリウム系半導体を形成しPN接合を形成させた。(な
お、P型半導体は、成膜後400℃以上でアニールさせ
てある。)
【0066】エッチングによりPN各半導体表面を露出
させた後、スパッタリング法により各電極をそれぞれ形
成させた。こうして出来上がった半導体ウエハーをスク
ライブラインを引いた後、外力により分割させ発光素子
として350μm角のLEDチップを形成させた。
【0067】一方、銀メッキした銅製リードフレームを
打ち抜きにより形成させた。形成されたリードフレーム
は、マウント・リードの先端にカップを有する。さら
に、マウント・リードのカップ内は、LEDチップ及び
蛍光物質を収納する収納部と、収納部の前方に収納部か
ら放出された混色光を反射させる反射部から構成されて
いる。収納部には、LEDチップをエポキシ樹脂でダイ
ボンディングした。LEDチップの各電極とマウント・
リード及びインナー・リードと、をそれぞれ金線でワイ
ヤーボンディングし電気的導通を取った。収納部は直径
600μmであり、深さが200μmの円柱である。ま
た、反射部は収納部の上端部から45度の角度を持って
形成され200μmの高さを持っている。
【0068】他方、蛍光物質は、Y、Gd、Ceの希土
類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈
させた。これを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化ア
ルミニウムと混合して混合原料を得る。これにフラック
スとしてフッ化アンモニウムを混合して坩堝に詰め、空
気中1400°Cの温度で3時間焼成して焼成品を得
た。焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾
燥、最後に篩を通して形成させた。
【0069】形成された(Y0.4Gd0.63Al512
Ce蛍光体80重量部、エポキシ樹脂100重量部をよ
く混合してスリラーとさせた。このスリラーをLEDチ
ップが配置されたマウント・リード上の収納部内に注入
させた。注入後、蛍光物質が含有された樹脂を130℃
約1時間で硬化させた。こうしてLEDチップ上に厚さ
約130μmの蛍光物質が含有されたコーティング部が
形成させた。さらに、LEDチップや蛍光物質を外部応
力、水分及び塵芥などから保護する目的でモールド部材
として透光性エポキシ樹脂を形成させた。モールド部材
は、砲弾型の型枠の中に蛍光物質のコーティング部が形
成されたリードフレームを挿入し透光性エポシキ樹脂を
混入後、150℃5時間にて硬化させた。こうして図1
の如き発光装置である発光ダイオードを形成させた。発
光ダイオードを発光観測正面から視認すると蛍光物質の
ボディーカラーにより収納部表面に当たる中央部が黄色
っぽく着色していた。
【0070】こうして得られた白色系が発光可能な発光
ダイオードの正面から色温度、演色性をそれぞれ測定し
た。色温度8090K、Ra(演色性指数)=87.6
と三波長型蛍光灯に近い性能を示した。また、発光光率
は9.58 lm/wと白色電球並であった。さらに、
測定点を0度から180度まで45度づつ発光装置の中
心上を通るように移動させ各地点における色度点を測定
した。この結果を図7に示す。
【0071】(比較例1)マウント・リードの形状を通
常の直径1mm、深さ約200μmの真円状カップとさ
せた以外は、実施例1と同様にして窒化ガリウム系化合
物半導体であるLEDチップが配置されたカップ内のみ
に蛍光物質として(Y0.4Gd0.63Al5 12:Ce蛍
光体含有樹脂を注入し硬化させた。こうして形成された
発光ダイオードの色度点を実施例1と同様に測定した。
測定結果を図8に示す。
【0072】(実施例2)本願発明の発光ダイオード4
01を図4の如くLED表示器の1つであるディスプレ
イに利用した。実施例1と同様にして形成させた発光ダ
イオード401を銅パターンを形成させたセラミックス
基板上に、16×16のマトリックス状に配置させた。
基板と発光ダイオード401とは自動半田付け装置を用
いて半田付けを行った。次にフェノール樹脂によって形
成された筐体内部に配置し固定させた。遮光部材403
は、筐体402と一体成形させてある。発光ダイオード
の先端部を除いて筐体、発光ダイオード、基板及び遮光
部材の一部をピグメントにより黒色に着色したシリコン
ゴムによって充填させた。その後、常温、72時間でシ
リコンゴムを硬化させLED表示器を形成させた。
【0073】このLED表示器と、入力される表示デー
タを一時的に記憶させるRAM(Random、Acc
ess、Memory)及びRAMに記憶されるデータ
から発光ダイオードを所定の明るさに点灯させるための
階調信号を演算する階調制御回路と階調制御回路の出力
信号でスイッチングされて発光ダイオードを点灯させる
ドライバーとを備えたCPUの駆動手段と、を電気的に
接続させてLED表示装置を構成した。LED表示器を
駆動させ白黒LED表示装置として駆動できることを確
認した。
【0074】
【発明の効果】本願発明の反射部とLEDチップ及び蛍
光物質を収納する収納部とに機能分離した発光装置とす
ることにより各方位による色度のずれが極めて少なく発
光観測面から見て色調ずれがない発光装置とさせること
ができる。
【0075】特に、本願発明の請求項1に記載の構成と
することにより高輝度、長時間の使用においても色ず
れ、発光光率の低下が極めて少ない白色系が発光可能な
発光ダイオードなど種々の発光ダイオードとすることが
できる。
【0076】本願発明の請求項2の構成とすることによ
り、より耐光性及び発光効率の高い発光装置とすること
ができる。
【0077】本願発明の請求項3の構成とすることによ
り、各方位における色調むらを低減できることができる
ことに加えて、発光ダイオードを複数近接して配置した
場合においても他方の発光ダイオードからの光により蛍
光物質が励起され疑似点灯されることを防止させること
ができる。また、近接して視認した場合においても色調
ずれが低減された発光ダイオードとすることができる。
【0078】本願発明の請求項4の構成とすることによ
り、より耐光性及び発光効率の高い発光ダイオードとす
ることができる。
【0079】本願発明の請求項5の構成とすることによ
り、比較的安価で高精細なLED表示装置や視認角度に
よって色むらの少ないLED表示装置とすることができ
る。
【0080】
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本願発明の発光装置例である発光ダイ
オードの模式的断面図である。
【図2】図2は、本願発明の発光装置例であるチップタ
イプLEDの模式的断面図である。
【図3】図3(A)は、比較のために示した発光装置の
部分拡大図であり、図3(B)は、収納部及び反射部を
有する本願発明の発光装置の部分拡大図である。
【図4】図4は、本願発明の発光装置を利用した表示装
置の模式図である。
【図5】図5は、本願発明の発光装置を利用した面状発
光光源の模式的断面図である。
【図6】図6は、本願発明の発光装置の発光スペクトル
例である。
【図7】図7は、本願発明の発光装置の各方位における
色度点の移動を示したグラフである。
【図8】図8は、本願発明と比較のために示した発光装
置の各方位における色度点の移動を示したグラフであ
る。
【符号の説明】
101、201・・・収納部 102、502・・・LEDチップ 103、203・・・導電性ワイヤー 104・・・モールド部材 105・・・マウント・リード 106・・・インナー・リード 211、511・・・反射部 204・・・外部電極 401・・・発光ダイオード 402・・・筐体 403・・・遮光部材 503・・・反射層 504・・・導光板 505・・・反射部材 506・・・拡散層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00 C09K 11/80 G09F 9/33

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】LEDチップと、該LEDチップからの発
    光の少なくとも一部を吸収し波長変換して発光する蛍光
    物質と、を有する発光装置であって、 前記LEDチップが前記蛍光物質を有するコーティング
    部で被覆され配置される収納部と、該収納部内の前記L
    EDチップ及び蛍光物質から放出された光を反射させる
    反射部と、を有することを特徴とする発光装置。
  2. 【請求項2】前記LEDチップの発光層が窒化ガリウム
    系化合物半導体であって主発光ピークが400nmから
    530nm内の発光波長を有すると共に、前記蛍光物質
    が(RE1-xSmx3(Al1-yGay512:Ceであ
    る請求項1記載の発光装置。 0≦x<1、 0≦y≦1、 但し、REは、Y,Gd,Laから選択される少なくと
    も一種の元素である。
  3. 【請求項3】マウント・リードのカップ内部にLEDチ
    ップと、該LEDチップと導電性ワイヤーを用いて電気
    的に接続させたインナー・リードと、前記LEDチップ
    からの発光光の少なくとも一部を波長変換させる蛍光物
    質を有するコーティング部材と、該コーティング部材、
    LEDチップ、導電性ワイヤー及びマウント・リードと
    インナー・リードの少なくとも一部を被覆するモールド
    部材と、を有する発光ダイオードであって、 前記カップが蛍光物質及びLEDチップからの混色光を
    反射する反射部と、該反射部とは独立し近接して形成さ
    れLEDチップ及びコーティング部が積載される収納部
    と、を有することを特徴とする発光ダイオード。
  4. 【請求項4】前記LEDチップが窒化ガリウム系化合物
    半導体であって、主発光ピークが400nmから530
    nm内の発光波長を有すると共に、前記蛍光物質が(R
    1- xSmx3(Al1-yGay512:Ceである請求
    項3記載の発光ダイオード。 0≦x<1、 0≦y≦1、 但し、REは、Y,Gd,Laから選択される少なくと
    も一種の元素である。
  5. 【請求項5】請求項3記載の発光ダイオードをマトリッ
    クス状に配置したLED表示器と、該LED表示器と電
    気的に接続させた駆動回路と、を有するLED表示装
    置。
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