JP4453200B2

JP4453200B2 - チップ型発光装置及びそれを用いた面状発光装置

Info

Publication number: JP4453200B2
Application number: JP2000397399A
Authority: JP
Inventors: 広昭為本
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: JP2002197903A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として液晶バックライト、パネルメーター、表示灯などの面状発光装置に用いるチップ型発光装置と、またそれを用いた面状発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、液晶バックライトなどの光源として、点光源であるＬＥＤチップからの光を面状に発光させる面状発光装置が多用されている。この面状発光装置は、対向する２つの主面を有する導光板の主面以外の一端面から１または２以上のＬＥＤチップからの光を入射して、その導光板の一方の主面全体から光を出射させるように構成される。
【０００３】
つまりこれは図２の断面図に示すように、外枠２５に、第１の主面２１（出射面）と第２の主面２２（反射面）とを有し透過性樹脂からなる導光板２３と、その導光板の主面以外の一端面に対向するように設けられたＬＥＤチップ２６と、導光板の第２の主面側に設けられた反射材２４とを有してなり、ＬＥＤチップからの光を導光板の第１の主面全体から出射させる。また反射材２４はこの外枠２５側の内面全てに沿って設けることもできる。
【０００４】
ＬＥＤチップ２６から出射される光のうち、導光板の第２の主面２２方向へ出る光は、上記反射材２４によって反射されて導光板の第１の主面２１方向へと向かい、面状に効率よく出射される（図中矢印▲１▼参照）。
【０００５】
導光板２３に沿ってほぼ水平方向へと出る光は、外枠２５あるいは外枠の内面全てに沿って設けられた反射材２４等によって反射されて導光板の第１の主面２１方向へと向かい、面状に効率よく出射される（図中矢印▲２▼参照）。またこの導光板に沿ってほぼ水平な光は、導光板中で乱反射する光を均一にして第１の主面方向へと向かわせるので、面状発光の輝度むら解消に好ましいものでもある。
【０００６】
導光板２３の第１の主面２１方向へと出る光は、一部はそのまま第１の主面から面状に出射させることができる（図中矢印▲３▼参照）が、それらの光のうちのほとんどは導光板端面近辺（図中▲４▼部分）に集中し、この部分では局部的に輝度が上昇してしまういわゆるホタル現象が生じる。これは、ＬＥＤチップ２６と導光板２３との距離が近過ぎるために起こるものである。
【０００７】
このホタル現象を解消しＬＥＤチップからの光をより効率よく面状に発光させるために本出願人は、特開平９−１６７８６０号公報における「面状光源」を開発している。これは、同じく図２に基づいて簡単に説明すると、導光板の第２の主面２２側に設けられた反射材２４と、ＬＥＤチップ２６と光学的に接続された導光板端面を介して第１の主面２１上に反射層２８を有する面状発光装置である。すなわち第１の主面表面のうち図中▲４▼部分の上部に相当する面に上記反射層２８を設け、▲４▼部分に集中するＬＥＤチップからの光を反射させて、第２の主面側に設けられた反射材２４へと向かわせ、反射材によって再度反射された光が第１の主面から面状に出射されるという構造である（図中矢印▲５▼参照）。これによって上記ホタル現象を緩和でき、さらに高輝度で均一な面状発光装置とすることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この反射層２８は導光板主面２１上に設けられることから、その上に設けられる液晶等と導光板２３とを合わせた厚みを考慮して、反射層の膜厚を制限する必要がある。また導光板の発光面側に設けられることから、反射層を広くさせ過ぎると面発光光源の光出射面の面積率が低下するので、ＬＥＤチップと対向する導光板端面から計測される反射層の長さも制限する必要がある。
【０００９】
近年、液晶バックライトが搭載される携帯電話やビデオカメラ等の小型化が進む中、それらに利用される面状発光装置も、従来よりもより薄型でより高効率発光なものが望まれている。またそのような電子機器の表示画面は、見ばえすなわち輝度むらも重視される。
【００１０】
本願発明はそのような必要性を満たすべく、従来よりもより薄型でかつ高効率発光が可能で、また上述のようなホタル現象をより簡単に緩和することができ均一な面発光が可能な面状発光装置と、それに用いるチップ型発光装置とを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、発光層が窒化ガリウム系化合物半導体である発光素子が筐体内に載置され、筐体内は透光性樹脂によって充填され、発光素子と対向する筐体の一表面は透光性樹脂が露出しているチップ型発光装置であって、この透光性樹脂露出面は、その面の４辺のうちの一辺から対向するもう一辺へかけてスロープ状に傾斜するように形成されているチップ型発光装置である。
【００１２】
また本願発明は、互いに対向する主面である出射面と反射面とを有する導光板の一端面に、上記記載のチップ型発光装置が設置されている面状発光装置であり、チップ型発光装置が設置されている上記導光板の一端面は、上記透光性樹脂露出面の傾斜と同角度の傾斜面である。また上記透光性樹脂露出面の傾斜の高い側の辺を含む筐体側壁の外面は上記導光板出射面と、傾斜の低い側の辺を含む筐体側壁の外面は上記導光板反射面とそれぞれ連続するように接している。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図１に基づいて本願発明に係る実施の形態について説明する。
【００１４】
まず、本願発明によるチップ型発光装置は、図１の１６に示すように、導光板１３と対向させる面を傾斜させてある。
【００１５】
さらに詳細には図１の拡大図に示すように、筐体１１０内にダイボンド剤１１３を用いて発光素子１７をダイボンディングし、導電性ワイヤ１１４で筐体側の外部電極１１１と接続させる。そしてこの筐体内に透光性樹脂１１５を充填させる。
【００１６】
図１の拡大図に示す傾斜面１１６は、予め形成させた筐体１１０内に透光性樹脂１１５を充填させる際に、発光素子１７と対向する面、すなわち１１６が水平となるように筐体側を斜めに保持して樹脂注入し、そのまま筐体を保持した状態で樹脂を硬化させて形成させる。あるいは直方体型の筐体内に透光性樹脂を充填した後に、発光素子と対向する面の一辺から、対向するもう一辺を含む面に向かってスロープ状にダイサー等によりカッティング、あるいは砥石によりグラインディングして、傾斜を与える。
【００１７】
このような傾斜面とすることで、発光素子１７からの光を出射させる面積を大きくとることができ、従来よりも発光効率の良いチップ型発光装置とすることができる。また発光素子からの光を図示下方向へと導くことができる。また、上記したカッティングやグラインディングによりスロープ状の傾斜面を形成する際に、傾斜面表面に意図的に１〜１００μｍ程度の粗さの加工痕を残すと、この痕により発光素子からの光をあらゆる方向へと拡散させることもできる。
【００１８】
このチップ型発光装置１６を、導光板１３の一端面に設置する。この端面は、チップ型発光装置１６の傾斜面１１６と密着できるよう、１１６の傾斜と同角度の傾斜面を形成させてある。ただしチップ型発光装置と導光板は、１１６の傾斜の高い側の辺を含む筐体側壁の外面が導光板出射面１１と、傾斜の低い側の辺を含む筐体側壁の外面が導光板反射面１２と、それぞれ連続するように密着させて設置する。すなわち導光板端面とチップ型発光装置の傾斜面１１６とが平行になるように設置する。
【００１９】
また上記した傾斜面１１６の高い側の辺を含む筐体側壁の光反射率を、特に傾斜の低い側の辺を含む筐体側壁よりも大きくさせるため、高い側の筐体側壁自体を遮光率の高い素材で形成させるか、あるいは高い側の筐体側壁の内面または外面、または両面に光反射材１１２を設ける。この側壁や光反射材によって、発光素子１７からの光のうちホタル現象の原因となっていた光（図２の▲４▼部分に集中していた光）を反射させて、導光板の反射面１２方向へと向かわせ、反射面で反射された光が導光板出射面１１から面状に出射される（図１矢印▲１▼参照）。もちろんこのような側壁や光反射材を利用しなくとも、このチップ型発光装置の光出射面がスロープ状に傾斜していることだけでこの効果は得られる。
【００２０】
このような構造では、従来のように導光板出射面上に反射層を設けないので、面状発光の発光面積率を大きくすることができ、また導光板上に反射層がない分、より薄型の面状発光装置を提供することができる。
【００２１】
以下、図１に基づいて各部について詳述するが、これに限定するものではない。
（発光素子１７）
発光素子１７は、発光層が窒化ガリウム系化合物半導体である。窒化物系化合物半導体（一般式Ｉｎ_iＧａ_jＡｌ_kＮ、但し、０≦ｉ、０≦ｊ、０≦ｋ、ｉ＋ｊ＋ｋ＝１）としては、ＩｎＧａＮや各種不純物がドープされたＧａＮをはじめ、種々のものがある。この素子は、ＭＯＣＶＤ法等により基板上にＩｎＧａＮやＧａＮ等の半導体を発光層として成長させることにより形成する。半導体の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩ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ヘテロ構造のものが挙げられる。この窒化物半導体層は、そ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で形成した単一量子井戸構造や多量子井戸構造とすることもできる。
（筐体１１０）
筐体１１０は、発光素子からの光を外部に漏らさないために遮光率の高い材料からなること、また外部電極を含むため絶縁性を有する材料からなることが求められる。特に上記した傾斜面１１６の高い側の辺を含む筐体側壁においては、反射率の良いものであることが求められる。具体的材料としては、ガラスエポキシ積層板、ＢＴレジン積層板、セラミックス、液晶ポリマー、ポリイミド等が挙げられる。
【００２２】
この筐体は、金型内に外部電極１１１となる金属片を配置させた後、前記等の材料を注入させインサート形成し、冷却後金型から取り出すことにより形成できる。
（外部電極１１１）
外部電極１１１としては、筐体内に載置された発光素子を筐体外部と電気的に接続させるものであるため、電気伝導性に優れたものが好ましい。具体的材料としては、ニッケル等のメタライズあるいはリン青銅、鉄、銅等の電気良導体を挙げることができる。
（光反射材１１２）
光反射材１１２としては、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリプロピレン樹脂等の樹脂中に反射材としてチタン酸バリウム、酸化アルミニュウム、酸化チタン、酸化珪素、燐酸カルシュウム等を含有させて形成させたフィルム状部材が挙げられる。また、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ等の金属膜を筐体側壁の内面または外面、または両面にメッキ、スパッタリングにより形成させても良い。これら光反射材はシリコン樹脂やエポキシ樹脂等によって筐体側壁に装着することができる。
（ダイボンド剤１１３）
ダイボンド剤１１３は、発光素子を筐体内に載置し固着させるものであり、また発光素子から放出される熱にもその特性を破壊されないものである。具体的材料としては、エポキシ樹脂、Ａｇペースト等が挙げられる。
（導電性ワイヤ１１４）
導電性ワイヤ１１４としては、発光素子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。このような導電性ワイヤとして具体的には、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が挙げられる。
（透光性樹脂１１５）
筐体内に充填する透光性樹脂１１５は、発光素子、導電性ワイヤなどを外部応力から保護するためである。この封止樹脂は、各種樹脂を用いて形成させることができる。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が好適に用いられる。また、封止樹脂に拡散剤を含有させることによって発光素子からの指向性を緩和させ視野角を増やすことができる。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。また、発光素子１７の発光色に応じて封止樹脂に種々の蛍光体を選択して含有させ、任意の発光色のチップ型発光装置とすることができる。
（傾斜面１１６）
傾斜面１１６は、筐体内に透光性封止樹脂を充填させる際に、発光素子と対向する面、すなわち１１６が水平となるように筐体側を斜めに保持して樹脂注入し、そのまま筐体を保持した状態で樹脂を硬化させて形成させる。あるいは直方体型の筐体内に透光性樹脂を充填した後に、発光素子と対向する面の一辺から、対向するもう一辺を含む面に向かってスロープ状にダイサー等によりカッティング、あるいは砥石によりグラインディングして、傾斜を与える。
【００２３】
このような傾斜面とすることで、発光素子１７からの光を出射させる面積を大きくとることができ、従来よりも発光効率の良いチップ型発光装置とすることができる。また発光素子からの光を図示下方向へと導くことができる。また、上記したカッティングやグラインディングによりスロープ状の傾斜面を形成する際に、傾斜面表面に意図的に１〜１００μｍ程度の粗さの加工痕を残すと、この痕により発光素子からの光をあらゆる方向へと拡散させることができる。
（導光板１３）
導光板１３としては、発光素子からの光を効率よく導き面状にさせるものであり、透過率・耐熱性に優れ均一に形成できることが求められる。また、導光板の形状は所望に応じて長方形や多角形等種々の形状とすることができる。具体的な構成材料としては、アクリル樹脂、ポリカーボネイト樹脂、硝子等が挙げられる。導光板の厚みは、板厚が厚いほど光の利用効率が高くなるが、チップ型発光装置の配置や種類等から１０ｍｍ以下が好ましい。また特に、面状発光装置として種々の小型機器等に利用され機器全体の薄型化も望まれる場合には、それら機器に合わせて２ｍｍ以下が好ましい。
【００２４】
導光板の端面にチップ型発光装置１６を密着させて設けることにより、導光板とチップ型発光装置とが光学的に接続されている。また、導光板が四角形であれば主面以外である四方の端面全てにチップ型発光装置を接続してもよい。
【００２５】
ただしチップ型発光装置１６が接続されるこれら端面には、１６の傾斜面１１６と密着できるよう、１１６の傾斜と同角度の傾斜面を形成させる。ただしチップ型発光装置と導光板は、１１６の傾斜の高い側の辺を含む筐体側壁の外面が導光板出射面１１と、傾斜の低い側の辺を含む筐体側壁の外面が導光板反射面１２と、それぞれ連続するように密着させて設置する。すなわち導光板端面とチップ型発光装置の傾斜面１１６とが平行になるように設置する。
【００２６】
さらに、発光素子からの光をより効率よく出射面１１へと導かせるべく、反射面１２のさらに下には反射材１４を設けることができる。この反射材１４は、チップ型発光装置が設けられた端面と対向する端面にも連続させて設けることができる。また、反射面１２や反射材１４に凹凸を形成させることで、発光素子からの光をより効率よく散乱させることができる。
【００２７】
なお本発明において、チップ型発光装置と導光板端面とが光学的に接続されているとは、導光板の端部からチップ型発光装置が発光する光を導入することをいう。具体的には、チップ型発光装置を導光板端面に光透過性樹脂などにより接着させることをいう。
【００２８】
続いて以下、本発明の具体的実施例を説明するが、本発明は以下の実施例に限るということはない。
［実施例］
まず金型内に外部電極となる金属片を配置させた後液晶ポリマーを注入させインサート形成し、冷却後金型から取り出すことによって、発光素子を載置させるための直方体型の筐体を形成する。この筐体は、発光素子からの光を外部へ出射させるための１面（光出射面）を除き、５面から成り立っている。
【００２９】
発光素子は、青色発光層の半導体としてＩｎＧａＮ（発光波長４７０ｎｍ）を使用して構成する。青色を発光する半導体ウエハーは、厚さ４００μｍのサファイヤ基板上にＮ型及びＰ型窒化ガリウム化合物半導体をＭＯＣＶＤ成長法でそれぞれ５μｍ、１μｍ堆積させヘテロ構造のＰ−Ｎ接合を形成するものである。なお、Ｐ型窒化ガリウム半導体は、Ｐ型ドーパントであるＭｇをドープした後アニールして形成させる。
【００３０】
こうしてできたウエハーを３５０μ角にし、発光素子として上記筐体内の光出射面と対向する面上にＡｇペーストを用いて固定させた後、金線を用いて電気的接続を行う。その後この筐体内に透光性封止樹脂としてエポキシ樹脂を充填させ、硬化形成させる。
【００３１】
こうしてできたチップ型発光装置の光出射面の一辺から、対向するもう一辺を含む面に向かってスロープ状にダイサーによりカッティングし、出射面に傾斜を与える。ただし出射面は四辺形のままである。
【００３２】
次に、成形温度を２８０℃に設定してポリカーボネイト樹脂を溶融させながら、射出圧力１０００ｋｇｆ／ｃｍ²、金型温度は１００℃で射出成型する。そして４５秒間冷却した後金型から取り出す。このようにして導光板を形成する。こうして得られた導光板の、チップ型発光装置を設置する端面をダイサーによりカッティングし、上記したチップ型発光装置の光出射面の傾斜と同角度の傾斜を形成させる。ただしその面の形状は上記したチップ型発光装置の光出射面と同形にさせる。また導光板表面には、導光板の出射面及びチップ型発光装置を設置する端面を除いて、反射材を設置する。
【００３３】
こうして形成させたチップ型発光装置と導光板の一端面とを密着させ、光学的に接続させる。ただし、チップ型発光装置の光出射面の傾斜の高い側の辺を含む筐体側壁の外面が導光板出射面と、傾斜の低い側の辺を含む筐体側壁の外面が導光板反射面と、それぞれ連続するように密着させて設ける。
【００３４】
こうして得られた面状発光装置に電力を供給し、面状発光させる。導光板出射面からの発光を観測するが、均一でむらのない面状発光であり、チップ型発光装置近辺にはわずかなホタル現象も観測されない。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるチップ型発光装置を用いて面状発光装置を構成すると、ごく簡単にホタル現象を解消でき、均一でむらのない面状発光とすることができる。また導光板の光出射面上に何等設けないので、その分、より薄型の面状発光装置を提供でき、また光出射面の面積率を大きくすることができる。ゆえにチップ型発光装置からの光をさらに効率よく面状発光させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る面状発光装置の模式的断面図である。また波線円内はその一部分の拡大詳細図である。
【図２】本発明と比較のために示す面状発光装置の模式的断面図である。
【符号の説明】
１１、２１・・・導光板光出射面
１２、２２・・・導光板反射面
１３、２３・・・導光板
１４、２４・・・反射材
２５・・・外枠
１６、２６・・・チップ型発光装置
１７、２７・・・発光素子
２８・・・反射層
１１０・・・筐体
１１１・・・外部電極
１１２・・・光反射材
１１３・・・ダイボンド剤
１１４・・・導電性ワイヤ
１１５・・・透光性樹脂
１１６・・・チップ型発光装置光出射面の傾斜面

Claims

互いに対向する出射面と反射面とを有する導光板の一端面に、筐体内に発光素子が載置され且つ透光性樹脂が充填されたチップ型発光装置を備える面状発光装置であって、
前記チップ型発光装置は、前記導光板の一端面と対向する面が傾斜面となっており、
前記傾斜面の高い側の筐体側壁は、前記導光板の出射面側にあり、
前記傾斜面の低い側の筐体側壁は、前記導光板の反射面側にあり、
前記傾斜面の高い側の筐体側壁の光反射率は、前記傾斜面の低い側の筐体側壁の光反射率よりも大きいことを特徴とする面状発光装置。
前記傾斜面の高い側の筐体側壁の内面及び外面の少なくともいずれか一方に、光反射材を有することを特徴とする請求項１に記載の面状発光装置。
前記導光板の一端面は、前記チップ型発光装置の傾斜面と同角度の傾斜面であることを特徴とする請求項１又は２に記載の面状発光装置。
前記チップ型発光装置と前記導光板は、前記傾斜面の高い側の筐体側壁の外面が前記導光板の出射面と、前記傾斜面の低い側の筐体側壁の外面が前記導光板の反射面と、それぞれ連続するように接していることを特徴とする請求項１乃至３記載の面状発光装置。