JP4491966B2

JP4491966B2 - 発光装置

Info

Publication number: JP4491966B2
Application number: JP2000402133A
Authority: JP
Inventors: 俊雄松下
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2020-12-28
Also published as: JP2002203417A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、点光源である半導体発光素子を利用した発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）から入射される光を導光体の発光面で均一に発光させることが可能で、液晶表示装置のバックライト、パネルメーター、表示灯や面発光スイッチなどに用いられる面状の発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、液晶バックライトなどの光源としては、線状光源である冷陰極線管に代わり点光源である半導体発光素子を用いた光源が使用されており、この点光源からの光を面状に広げて発光させる発光装置が用いられている。この発光装置は、互いに対向する主面を有する導光板の一端面から１又は２以上の光源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。このような発光装置においては、その出射面から均一に光を出力することが重要であり、この均一性を実現するために種々の構造が提案されている。その提案された従来例の発光装置の一例を図３に模式的に示す。図３の発光装置は、略平板状で光を透過させることができる透光性樹脂からなる導光板３０１と、その導光板の端面に対向配置され発光素子が内部に封止されてなる光源３０２と、導光板の一方の主面に設けられ他の主面から光を放出させるように光を反射させる反射体とを有し、それらが支持体３０３によって固定されている。
【０００３】
この図３の発光装置では、導光板の光入射端面に半円柱状の切り欠き３１１を形成することにより、導光板の主面に平行な面方向に均一に光が分散して入光されるように構成し、これにより光源から入力された光が第一の主面から面状に出力される光の均一化を図っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３の従来例の発光装置では、導光板の発光観測面において切り欠き３１１の近傍が極端に明るくなってしまうという問題があった。また、切り欠きによって導光板内に入射される光を分散させて一定の面内均一化は図られているものの、まだ十分ではなかった。
【０００５】
そこで、本発明は上記の問題を解決して、より均一性に優れ、高輝度発光が可能な面状の発光装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明の発光装置は、少なくとも１つの半導体発光素子を有する光源と、該光源と光学的に接続され光源からの光を光入射端面から入射して主面から放出させる導光体とを有する発光装置であって、
前記導光体は、少なくとも２つの主面に反射体を備えた略平板状の第一の導光体と、該第一の導光体と異なる面方向に配された第二の導光体とを有し、前記第一及び第二の導光体の１つの端面が第三の導光体を介して接続されて光学的に一体化されてなり、
前記光源からの光は、前記第一の導光体の光入射端面から入射されて前記第三の導光体を通り、前記第二の導光体の主面から放出されることを特徴とする。
【０００７】
このような構成とすることで、発光観測面である第二の導光体に入射される光を点光源ではなく拡散された光とすることができるので、均一な面状発光の発光装置とすることができる。
【０００８】
また、本発明の発光装置は、第三の導光体に入射される光は、第一の導光体の光入射端面における光よりも広く拡散されていることが好ましい。このような構成とすることで、第二の導光体から放出される発光をより均一な面状とすることができる。
【０００９】
また、本発明の発光装置は、第一の導光体の主面と第二の導光体の主面とが略平行になるよう配されていることが好ましい。このような構成とすることで、省スペースで均一な面状発光が可能な発光装置とすることができる。さらに、第一の導光体が第二の導光体よりも小さい主面を有することが好ましい。これにより、光源を発光観測面の背面に配置させることが可能となるので、更に省スペースの発光装置とすることができる。
【００１０】
また、本発明の発光装置は、第二の導光体は、少なくとも２つの主面から光を放出させることもできる。このようにすることで、第二の導光体の両面から光を視認できるので、様々な形態で利用可能な発光装置とすることができる。
【００１１】
また、本発明の発光装置は、光源からの光によって励起され、可視光を発光可能な蛍光物質が備えられていてもよい。これにより、例えば紫外線などを発する光源を用いても可視光を発光可能になるので、様々な波長の光源にも対応できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、点光源である半導体発光素子を光源とし、この半導体発光素子からの光を透過させる導光体を用いて面状に発光させるものである。特に、本発明は光を透過させる導光体の形状を、単一の平板状ではなく、２つの平板状の導光体が組み合わされた複合形状の導光体とすることを特徴とする。単一の平板ではないが光学的には一体化されているので、光の伝搬については、ひとつの導光体と見なして良い。このような形状とするには、平板状の導光体を折り曲げて形成してもよいし、２つ、あるいは３つの導光板を組み合わせて一体化するよう形成してもよい。以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳述する。
【００１３】
本発明の実施の形態の発光装置は、図１に示すように、半導体発光素子を有する光源１０２と、光源を端面に備えた導光体１０１と、導光体の主面に設けられた反射体とを備えている。導光体１０１は、光源を光入射端面に備えた第一の導光体１０１ａと、光を外部に放出する発光部としての第二の導光体１０１ｂと、第二の導光体と第一の導光体とを光学的に接続させている第三の導光体１０１ｃとから構成されている。光源１０２は、第一の導光体１０１ａの光入射端面と対向するよう備えられており、光は入射部１０５から入射される。
【００１４】
ここで実施の形態における光の伝搬を図２の（ａ）〜（ｃ）に模式的に示す。図２（ａ）は、第一の導光体１０１ａでの光の伝搬を示している。光源からの光は、導光体内に入射されて斜線部のように拡がる。このとき、光をより広く拡散させるために切り欠き等の光拡散部を設けてもよく、また半導体レーザ素子を用いた場合でも、約２０〜３０度程度の広がり角で光は放出されるので、特に何も加工しなくともよい。このように、入射部１０５から点光源として入射された光が第三の導光体に達する時には、点ではなく拡散された光となっていることで、より均一な面状の発光が得られやすくなる。
【００１５】
第一の導光体を通過した光は、図２（ｂ）のように第三の導光体に入射し、屈折されて、第二の導光体に入射される。第二の導光体１０１ｂに入射された光は、図３（ｃ）のように、拡散された状態で入射されている。この第二の導光体の主面を発光観測面とすることで、均一な面状の発光とすることができる。
【００１６】
このように、本実施の形態では、同一面上にない２つ導光体が光学的に接続され、それぞれ発光観測部、光入射部、光拡散部等に機能を分けされていることで、発光観測面からはより均一な光を視認させることができる。略平板状の２つの導光体は、接続部である第三の導光体の形状を変化させることで、任意の角度に配すことができる。第一の導光体からは、２つの主面から光を放出させてもよいし、一方の主面に反射体を設けてもよい。
【００１７】
また、本実施の形態では、第一及び第二の導光体が略平行になるように配されている。光源と接続されている第一の導光体の２つの主面には反射体１０４が設けられているため光は外部に放出されずに、反射を繰り返して第三の導光体へと導かれる。第三の導光体を通って第二の導光体に入射された光は主面から放出される。ここで、第二の導光体の２つの主面のうち、第一の導光体と対向する側の主面に反射体を設けることで、より効率良く光を放出させることができる。このように、２つの略平板状の導光体を用いてもをれを平行に配して重なるようにすることで、比較的薄い導光体を用いても強度を保つことができる。また、第一及び第二の導光体の間には反射体が設けられているので、第一の導光体の不均一な面状の発光が、第二の導光体側から視認されることはなく、略平行に配されていても均一な発光を妨げることはない。
【００１８】
また、本実施の形態の発光装置において、第一の導光体の主面を第二の導光体よりも小さくすることができる。これにより、発光を観測させる第二の導光体の背面に光源を配置させることが可能となる。つまり、第二の主面の端面に光源を配するためのスペースを設ける必要がなくなるので、支持体を発光観測面と同一面上に配さなくてもよく、更に省スペース化できる。
【００１９】
以上に説明したように、本発明の発光装置は、同一の平面上にない導光体を用いて、光源近傍の不均一な発光を有する第一の導光体を反射体で覆い、光源からの光がある程度拡げらてから入射される第二の導光体を発光観測部とすることで、均一な面状発光が可能な発光装置とすることができる。
【００２０】
また、光源からの光によって励起され、可視光を発光可能な蛍光物質を備えることで、様々な波長の光源を用いることができ、任意の発光色を選択することが可能となる。このような蛍光物質は、光源からの光が外部から視認される前に達する位置に備えられていればよく、例えば、光源や導光体、或いは光を放出する第二の導光体の主面に備え留ことができ、これらの全てに備えてもいいし、また、一部に備えるだけでもよい。また、用いる蛍光物質は１種類でもよいし、２種類以上でもよい。以下、本発明に係る発光装置における各構成要素に関する好ましい材料等について説明する。
【００２１】
（導光体）
本発明において導光体に用いられる材料としては、光透過性、成形性に優れたものを用いるのが好ましく、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、非晶性ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂等が挙げられる。これらの導光体用の材料はそれぞれ屈折率が異なるが、第一の導光体と第二の導光体のなす角度等によって、選定することができ、また、光入射端面に切り欠き等を設けることで光の拡散を制御することも可能であるので、如何なる屈折率の材料にも対応できる。導光体には、光源からの光を吸収し、その光に励起されてその波長よりも長い波長の光を発光することが可能な蛍光物質を備えていてもよい。これにより、様々な発光波長の光を発光可能な発光装置とすることができる。導光体の主面には、シボを設けるなどの加工をすることができ、これにより、更に均一な面状発光を得ることができる。
【００２２】
（反射体）
導光体に導入された光源からの光は、導光体内で反射を繰り返すうちに一部は導光体外に放出される。反射体はこの光を吸収せずに再反射するための部位であり、発光観測面である第二の導光体以外の部分、つまり、第一の導光体及び第三の導光体に設ける。第二の導光体には、一方の主面に設けてもよいし、どちらの主面にも設けずに両面から光を放出させるようにすることもできる。材質としては、遮光性が高く、光源から放出される光に対して効率よく反射可能なものであれば種々のものを利用することができ、例えば、酸化チタンや、チタン酸バリウムや酸化アルミニウムなどの拡散剤を含有した樹脂や、アルミニウム箔などの金属や合金からなるシート状や板状、又はテープ状等のものを用いることができる。
【００２３】
（光源）
本発明において、光源としては半導体発光素子を用いるのが好ましく、発光ダイオード（ＬＥＤ）や、半導体レーザ素子（ＬＤ）を用いることができる。特に、ＬＤは光がほぼ等方的に拡がるＬＥＤに比べて指向性が強く、活性層から放出される光が広がり角が垂直方向に±２０度、水平方向に±５〜１０程度であるため、薄い導光体への光利用効率は高くなるので、導光体を薄くする場合に適している。例えば、第一及び第二の導光体を略平行に配する場合は、ＬＥＤの場合は素子の上面及び側面から発光しているため、効率よく光を入射させるには素子の発光面積と同等以上の厚みの導光体を用いる必要があるが、ＬＤは活性層から細く絞った光が放出されるので、素子の厚みより薄くても、活性層の厚さよりも厚い導光体であれば、光は外部に漏れずに効率よく導入させることができるので、薄型化が可能である。
【００２４】
本発明のＬＤに用いる半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、若しくはＩｎＮ、またはこれらの混晶である窒化ガリウム系化合物半導体（Ｉｎ_aＡｌ_bＧａ_1-a-bＮ、０≦ａ、０≦ｂ、ａ＋ｂ＜１）が好ましい。発振される波長は３８０〜４６０ｎｍの近紫外〜可視域のものが好ましい。
【００２５】
窒化物半導体を形成させる基板としてはＣ面、Ｒ面及びＡ面のいずれかを主面とするサファイヤ、スピネル、ＧａＮ系基板のような絶縁性基板や、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、窒化物半導体を成長させることが可能で従来から知られており、窒化物半導体と異なる基板材料を用いることが出来る。好ましい基板としてはサファイア、スピネルが挙げられる。このような異種基板を用いる場合は基板と窒化物半導体層との格子不整合を是正するためにバッファ層を形成することが望ましい。バッファ層としては、低温で形成させた窒化アルミニウムや窒化ガリウムなどで形成させることができる。
【００２６】
バッファ層の上にｎ型層、活性層、ｐ型層を成長させる。まず、ｎ型層としてＳｉドープＡｌＧａＮ層よりなるｎ型コンタクト層、ＩｎＧａＮよりなるクラック防止層、アンドープのＡｌＧａＮとＳｉドープのＧａＮが交互に積層されてなるｎ型クラッド層、アンドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層を順次成長させる。尚、クラック防止層は省略可能である。次に活性層として上記のｎ型層の上にＳｉドープのＩｎＧａＮよりなる障壁層とアンドープのＩｎＧａＮよりなる井戸層を有する多重量子井戸構造の活性層を成長させる。活性層の上にｐ型層として、ＭｇドープのＡｌＧａＮよりなるｐ型電子閉じ込め層、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層、アンドープのＡｌＧａＮとＭｇドープのＧａＮを相互に積層させてなるｐ型クラッド層、ＭｇドープのＡｌＩｎＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を順次積層させる。上記の各層を成長させて得られたウエハを窒素雰囲気中、炉等による加熱、または低速電子線照射やプラズマ照射等によりｐ型層を更に低抵抗化させることができる。
【００２７】
以上のようにして窒化物半導体を成長させ各層を積層させた後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層の表面に絶縁性の保護膜を形成し、反応性イオンエッチング等によりエッチングしてｎ電極を形成させるためのｎ型コンタクト層の表面を露出させる。保護膜としては、ＳｉＯ₂が好ましい。次いで、ストライプ状の導波路領域としてリッジストライプを形成させる。リッジストライプは所定の形状のマスクを用いたフォトリソグラフィ等により得ることができる。次いで、ｎ電極及びｐ電極を形成させてからウエハを分割し、半導体レーザ素子を得ることができる。
【００２８】
（蛍光物質）
本発明に利用可能な蛍光物質は、ＬＤから出力されるレーザ光によってレーザ光よりも長波長の可視光を発光可能な蛍光物質ならば無機蛍光体でも有機蛍光体でもよく、また、発光色は紫色〜赤色までの全ての可視光のものが適用できる。具体的には、無機蛍光体としてはケイ酸塩系蛍光体、リン酸塩系蛍光体、アルミン酸系蛍光体、希土類系蛍光体、酸希土類系蛍光体、硫化亜鉛系蛍光体などが挙げられる。具体的には緑色系発光蛍光体では、Ｙ₂ＳｉＯ₅：Ｃｅ，Ｔｂ、ＭｇＡｌ₁₁Ｏ₁₉：Ｃｅ，Ｔｂ、ＢａＭｇ₂Ａｌ₁₆Ｏ₂₇：Ｍｎ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ａｇ、ＺｎＳ：Ａｕ，Ｃｕ，Ａｌ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、ＳｒＡｌ₂Ｏ₄：Ｅｕ、青色系発光蛍光体では（ＳｒＣａＢａ）₅（ＰＯ₄）₃Ｃｌ：Ｅｕ、（ＢａＣａ）₅（ＰＯ₄）₃Ｃｌ：Ｅｕ、ＢａＭｇ₂Ａｌ₁₆Ｏ₂₇：Ｅｕ、Ｓｒ₅（ＰＯ₄）₃Ｃｌ：Ｅｕ、Ｓｒ₂Ｐ₂Ｏ₇：Ｅｕ、ＺｎＳ：Ａｇ、Ａｌ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ａｌ（ｐｉｇｍｅｎｔｅｄ）、ＺｎＳ：ＡｇＣｌ、ＺｎＳ：ＡｇＣｌ（ｐｉｇｍｅｎｔｅｄ）、赤色系発光蛍光体ではＹ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ、Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ（ｐｉｇｍｅｎｔｅｄ）、Ｙ₂Ｏ₃：Ｅｕ、３．５ＭｇＯ・０．５ＭｇＦ₂・ＧｅＯ₂：Ｍｎ、Ｙ（ＰＶ）Ｏ₄：Ｅｕ、５ＭｇＯ・３Ｌｉ₂Ｏ・Ｓｂ₂Ｏ₅：Ｍｎ、Ｍｇ₂ＴｉＯ₄：Ｍｎ等が挙げられる。比較的発光効率が高いものとしては、緑色系発光蛍光体ではＳｒＡｌ₂Ｏ₄：Ｅｕ、青色系発光蛍光体ではＳｒ₅（ＰＯ₄）₃Ｃｌ：Ｅｕ、赤色系発光蛍光体ではＹ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕが挙げられる。
【００２９】
また、有機蛍光体としては、アミノ基を有する高分子重合体とアルデヒド基と水酸基を有する芳香族化合物との反応生成物からなる高分子配位子と有機化合物配位子とを同時に金属に配位された有機高分子錯体発光体が挙げられ、特に下記一般式（１）及び（２）で表される繰り返し単位の化合物を１０％以上含む有機高分子錯体発光体が好ましい。
【００３０】
【化１】

【００３１】
（式中、Ｘはメチレン基またはフェニル基を表す。ｍは０〜６の内の整数であり、ｎは１００〜５０万の内の整数である。）
あるいは、ベータジケトン基を有する高分子重合体配位子及び有機化合物配位子が金属に配位されてなる有機高分子錯体発光体も好ましく用いることが出来る。特に、下記の一般式（３）〜（８）で表される繰り返し単位を１０％以上含む重合体とβ−ジケトンとの反応生成物である有機高分子錯体発光体が好ましい。
【００３２】
【化２】

【００３３】
（式中、Ｘ’はハロゲン基を表す。ｎ’は１００〜５０万の内の整数である。）
上記の有機蛍光体は、用いる金属化合物及び配位子の組み合わせによって発光波長を変化させることが出来る。
【００３４】
【発明の効果】
本発明のように、２つ以上の導光体を接続して光学的に一体化させ、発光を観測させる導光体と光源からの光をある程度拡散させる導光体とに機能分離させることで、均一な面状発光が可能な発光装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光装置。
【図２】本発明の光の拡散を説明する模式図。
【図３】従来の発光装置。
【符号の簡単な説明】
１０１、３０１・・・導光体
１０１ａ・・・第一の導光体
１０１ｂ・・・第二の導光体
１０１ｃ・・・第三の導光体
１０２、３０２・・・光源
１０３、３０３・・・支持体
１０４、３０４・・・反射体
１０５・・・入射部
３１１・・・切り欠き

Claims

少なくとも１つの半導体発光素子を有する光源と、該光源と光学的に接続され光源からの光を光入射端面から入射して主面から放出させる導光体とを有する発光装置であって、
前記導光体は、略平板状の第一の導光体と、該第一の導光体と重ねて配された略平板状の第二の導光体と、を有し、前記第一及び第二の導光体の１つの端面が第三の導光体を介して接続されて光学的に一体化されてなり、
前記光源からの光は、前記第一の導光体の光入射端面から入射されて前記第三の導光体を通り、前記第二の導光体の主面から放出されることを特徴とする発光装置。
前記第三の導光体に入射される光は、前記第一の導光体の光入射端面における光よりも広く拡散されている請求項１記載の発光装置。
前記第一の導光体は、前記第二の導光体よりも小さい主面を有する請求項１又は請求項２記載の発光装置。
前記光源からの光によって励起され、可視光を発光可能な蛍光物質が備えられている請求項１乃至請求項３記載の発光装置。