JP5392084B2 - 発光ダイオード素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、発光ダイオード素子およびその製造方法に関し、より詳しくは、発光ダイオードチップの光出射面における発光ダイオードチップの出射光の全反射を抑制した発光ダイオード素子およびその製造方法に関する。
発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」という。）は、ｐ型半導体とｎ型半導体とを接合（ｐｎ接合）させたものである。ＬＥＤのカソードに対してアノードに正電圧を印加すると、ｐ型半導体では正孔が形成し、ｎ型半導体では電子が形成し、これらがｐｎ接合部付近で禁制帯を超えて再結合する際に光子が放出されることにより発光する。
ＧａＮ系ＬＥＤは、一般にＭＯＣＶＤ法などによりｐｎ接合を有するＧａＮ系多層膜をサファイア基板上に形成することによって製造される。ところが、前記サファイア基板やＧａＮ系多層膜の表面が平滑であるため、発光した光のうち外部に取り出される光はＧａＮ系多層膜の表面に対して垂直に近い光のみであった。これは、ＧａＮ系多層膜の屈折率が空気の屈折率に比べて大きく、ＧａＮ系多層膜と空気の屈折率差により、発光した光のうちＧａＮ系多層膜の表面に対してある角度以上で斜めに入射した光がこの表面で全反射するためであった。
このため、従来から、ＬＥＤチップから発光した光が光出射面で全反射することを防止するために、例えば、光出射面に酸化チタン蒸着膜などの反射防止膜を形成したＬＥＤ素子（特開平１０−７０３０７号公報（特許文献１）参照）、光出射面を加工して凹凸を付与したＬＥＤ素子（特開平８−１９５５０５号公報（特許文献２）、特開２０００−３４９３３１公報（特許文献３）、特開２００３−１７４１９１公報（特許文献４）参照）、高屈折率の樹脂でＬＥＤチップを封止したＬＥＤ素子（特開平９−１０７１２８公報（特許文献５）参照）などが提案されている。
このように、光出射面での光の全反射を防止することによって光取出効率を高めることは、電気エネルギーから光エネルギーへのエネルギー変換の観点からも重要であり、より光取出効率の高いＬＥＤ素子の開発が求められている。
また、特開２００５−２００６５７号公報（特許文献６）には、ＬＥＤの封止材などの光学材料に用いられる組成物として、結晶性シリカなどの粒子状フィラーを含有する光学材料用組成物が開示され、前記粒子状フィラーの平均粒子径は目的とする光の波長以下であることが好ましいことが開示されている。また、実施例では１０μｍ以下の粒子状フィラーが使用されている。
特開平１０−７０３０７号公報
特開平８−１９５５０５号公報
特開２０００−３４９３３１公報
特開２００３−１７４１９１公報
特開平９−１０７１２８公報
特開２００５−２００６５７号公報
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、発光ダイオードチップ（以下、「ＬＥＤチップ」という。）の光出射面におけるＬＥＤチップの出射光の全反射を抑制し、光取出効率をより高めた発光ダイオード素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、ＬＥＤチップの光出射面に、前記ＬＥＤチップの出射光を透過する材料からなり、特定の平均短径を有する透光性微粒子を特定の厚みとなるように配置することによって、ＬＥＤチップの光出射面におけるＬＥＤチップの出射光の全反射を抑制できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の発光ダイオード素子は、発光ダイオードチップと、該発光ダイオードチップの光出射面上に配置された透光性微粒子を含む透光性微粒子層とを備え、前記透光性微粒子が、前記発光ダイオードチップの出射光を透過する材料からなる微粒子であり、前記透光性微粒子の平均短径が２０〜４０μｍであり、前記透光性微粒子層の厚みが２０〜２００μｍである、ことを特徴とするものである。前記透光性微粒子を構成する前記材料は前記発光ダイオードチップの出射光により蛍光発光しない材料であることが好ましい。
本発明の発光ダイオード素子において、温度２５℃での前記発光ダイオードチップの発光ピーク波長λ０における前記発光ダイオードチップの屈折率ｎ０と前記透光性微粒子の屈折率ｎ１との差の絶対値が下記式（１）：
｜ｎ０−ｎ１｜≦２．５ （１）
で表される条件を満たすことが好ましい。
｜ｎ０−ｎ１｜≦２．５ （１）
で表される条件を満たすことが好ましい。
前記透光性微粒子層は透光性樹脂と該透光性樹脂中に分散した前記透光性微粒子とを含むことが好ましく、温度２５℃での前記発光ダイオードチップの発光ピーク波長λ０における前記透光性微粒子の屈折率ｎ１と前記透光性樹脂の屈折率ｎ２との差の絶対値が下記式（２）：
０．００１≦｜ｎ１−ｎ２｜≦０．０５ （２）
で表される条件を満たすことがより好ましい。
０．００１≦｜ｎ１−ｎ２｜≦０．０５ （２）
で表される条件を満たすことがより好ましい。
本発明の発光ダイオード素子は、前記透光性微粒子層上に、透光性微粒子を含有しない透光性樹脂層をさらに備えることが好ましい。
本発明の発光ダイオード素子の製造方法は、発光ダイオードチップの光出射面上に、前記発光ダイオードチップの出射光を透過する材料からなり、平均短径が２０〜４０μｍの透光性微粒子を配置して、厚みが２０〜２００μｍの透光性微粒子層を形成することを特徴とするものである。前記透光性微粒子を構成する前記材料は前記発光ダイオードチップの出射光により蛍光発光しない材料であることが好ましい。
本発明によれば、ＬＥＤチップの光出射面におけるＬＥＤチップの出射光の全反射を抑制し、発光ダイオード素子（以下、「ＬＥＤ素子」という。）の光取出効率をより高めることが可能となる。
以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。
先ず、本発明のＬＥＤ素子について説明する。本発明のＬＥＤ素子は、ＬＥＤチップと、このＬＥＤチップの光出射面上に配置された透光性微粒子を含む透光性微粒子層とを備えるものであり、前記透光性微粒子が、前記発光ダイオードチップの出射光を透過する材料からなる微粒子であり、前記透光性微粒子の平均短径が２０〜４０μｍであり、前記透光性微粒子層の厚みが２０〜２００μｍである、ことを特徴とするものである。
ここで、「ＬＥＤチップの出射光を透過する材料」とは、ＬＥＤチップの発光ピーク波長λ０における光透過率が９０〜１００％であるものを意味する。また、本発明では「微粒子の平均短径」を、面積が最大となる微粒子断面上の内接円の最大直径の数平均値と定義する。
本発明のＬＥＤ素子において、前記透光性微粒子の平均短径は２０〜４０μｍである。透光性微粒子の平均短径が上記下限未満になると、ＬＥＤ素子の光取出効率は透光性微粒子を使用しない場合に比べて向上することもあるが、透光性微粒子による光の散乱が多くなるために平均短径が上記範囲の透光性微粒子を使用した場合に比べて劣る。他方、上記上限を超えると、ＬＥＤ素子の光取出効率は透光性微粒子を使用しない場合に比べて低下する。また、このような観点から前記透光性微粒子の平均短径は２０〜３０μｍであることが好ましい。
前記透光性微粒子層の厚みは２０〜２００μｍである。透光性微粒子層の厚みが上記下限未満になると光取出効率が低下する。他方、上記上限を超えると透光性微粒子による光の散乱が多くなるために光源が大きくなり、点光源と見なすことができず、後段の光学系の設計が難しくなる。また、このような観点から前記透光性微粒子層の厚みは５０〜１００μｍであることが好ましい。前記透光性微粒子層は、ＬＥＤチップの光出射面のみに形成してもよいし、光出射面および側面を含むＬＥＤチップの全面に形成してもよい。
本発明に用いられるＬＥＤチップは特に制限されず、ＧａＮ系の青色または緑色ＬＥＤチップ、ＧａＰ系の赤色ＬＥＤチップ、ＺｎＯ系青色ＬＥＤチップなどの従来公知のものを使用することができる。
本発明に用いられる透光性微粒子としては、前記ＬＥＤチップの出射光を透過する材料からなり、平均短径が前記範囲内のものであれば特に限定されない。例えば、平均短径が前記上限を超えるものを乳鉢などで粉砕し、平均短径が前記範囲内となるようにふるいなどにより分級したものを本発明にかかる透光性微粒子として使用してもよい。また、光取出効率の観点から、前記透光性微粒子を構成する前記材料としては、前記ＬＥＤチップの出射光により蛍光発光しない材料であることが好ましい。このような透光性微粒子としては、光学ガラスを上述のように粉砕して分級したもの、スプレードライヤーにより造粒したものなどが挙げられる。なお、本発明において、「ＬＥＤチップの出射光により蛍光発光しない材料」とは、ＬＥＤチップの発光ピーク波長λ０の光を照射した場合の励起光の吸収強度に対する総蛍光強度の割合（以下、「蛍光収率」という。）が０〜５％のものを意味する。
また、本発明のＬＥＤ素子では、温度２５℃での前記ＬＥＤチップの発光ピーク波長λ０における前記ＬＥＤチップの屈折率ｎ０と前記透光性微粒子の屈折率ｎ１との差の絶対値が下記式（１）：
｜ｎ０−ｎ１｜≦２．５ （１）
で表される条件を満たすことが好ましく、下記式（１ａ）：
｜ｎ０−ｎ１｜≦１．５ （１ａ）
で表される条件を満たすことがより好ましい。
｜ｎ０−ｎ１｜≦２．５ （１）
で表される条件を満たすことが好ましく、下記式（１ａ）：
｜ｎ０−ｎ１｜≦１．５ （１ａ）
で表される条件を満たすことがより好ましい。
このようなＬＥＤ素子は、前記範囲の平均短径を有する透光性微粒子の中から、使用するＬＥＤチップとの屈折率の差の絶対値が、好ましくは前記式（１）で表される条件を満たすもの、より好ましくは前記式（１ａ）で表される条件を満たすものを選択することにより得ることができる。
前記屈折率の差の絶対値が上記上限を超えるとＬＥＤチップの光出射面においてＬＥＤチップの出射光の全反射が起こり、ＬＥＤ素子の光取出効率が低下する傾向にある。
なお、本発明において、ＬＥＤチップや透光性微粒子などの屈折率は、使用するＬＥＤチップの発光ピーク波長λ０についてマルチ分光ゴニオフォトメータ（例えば、テックワールド社製ＴＰＭ−２５００）を用いて２５℃の環境下で測定した値である。例えば、ＧａＮ系の青色ＬＥＤチップの発光ピーク波長λ０は４７０ｎｍであり、λ０＝４７０ｎｍにおける２５℃での屈折率ｎ０は２．５である。ＧａＰ系の赤色ＬＥＤチップの発光ピーク波長λ０は６３０ｎｍであり、λ０＝６３０ｎｍにおける２５℃での屈折率ｎ０は３．２である。
また、本発明のＬＥＤ素子では、エポキシ樹脂接着剤などの接着剤を用いて前記透光性微粒子をＬＥＤチップの光出射面上に接着して配置してもよい。前記接着剤としては、得られるＬＥＤ素子の光取出効率の低下を防ぐ観点から、温度２５℃および前記ＬＥＤチップの発光ピーク波長λ０において前記透光性微粒子の屈折率と略同一の屈折率を有するものが好ましい。
本発明のＬＥＤ素子において、前記透光性微粒子層は、透光性樹脂とこの透光性樹脂中に分散した前記透光性微粒子とを含むことが好ましい。この透光性微粒子層は、透光性樹脂と透光性微粒子とを含む樹脂組成物をＬＥＤチップの光出射面に塗布するだけで形成することができ、作業の簡略化が可能となる。ここで、「透光性樹脂」とは、ＬＥＤチップの発光ピーク波長λ０における光透過率が９０〜１００％であるものを意味する。
前記透光性微粒子層中の透光性樹脂の含有量は、透光性微粒子１００質量部に対して２０〜８０質量部であることが好ましく、４０〜６０質量部であることがより好ましい。透光性樹脂の含有量が上記下限未満になると流動性が乏しくなり塗布しづらくなり、前記透光性微粒子層が均一にならない傾向にある。他方、上記上限を超えると光取出効率が低下する傾向にある。
前記透光性樹脂としては、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、エピスルフィド系樹脂、チオウレタン系樹脂、アクリル樹脂などが挙げられる。
また、本発明のＬＥＤ素子では、温度２５℃での前記ＬＥＤチップの発光ピーク波長λ０における前記透光性微粒子の屈折率ｎ１と前記透光性樹脂の屈折率ｎ２との差の絶対値が下記式（２）：
０．００１≦｜ｎ１−ｎ２｜≦０．０５ （２）
で表される条件を満たすことが好ましく、下記式（２ａ）：
０．００１≦｜ｎ１−ｎ２｜≦０．０２ （２ａ）
で表される条件を満たすことがより好ましく、下記式（２ｂ）：
０．００１≦｜ｎ１−ｎ２｜≦０．０１ （２ｂ）
で表される条件を満たすことが特に好ましい。
０．００１≦｜ｎ１−ｎ２｜≦０．０５ （２）
で表される条件を満たすことが好ましく、下記式（２ａ）：
０．００１≦｜ｎ１−ｎ２｜≦０．０２ （２ａ）
で表される条件を満たすことがより好ましく、下記式（２ｂ）：
０．００１≦｜ｎ１−ｎ２｜≦０．０１ （２ｂ）
で表される条件を満たすことが特に好ましい。
このようなＬＥＤ素子は、前記透光性樹脂の中から、前記透光性微粒子との屈折率の差の絶対値が、好ましくは前記式（２）で表される条件を満たすもの、より好ましくは前記式（２ａ）で表される条件を満たすもの、特に好ましくは前記式（２ｂ）で表される条件を満たすものを選択することにより得ることができる。
前記屈折率の差の絶対値が上記下限未満になるとＬＥＤチップの光出射面においてＬＥＤチップの出射光の全反射が起こり、ＬＥＤ素子の光取出効率が低下する傾向にある。他方、上記上限を超えると透光性樹脂と透光性微粒子の界面での反射が増えて光取出効率が低下する傾向にある。
さらに、本発明のＬＥＤ素子としては、前記ｎ０とｎ１との差の絶対値が前記式（１）（より好ましくは前記式（１ａ））で表される条件を満たし、且つ、前記ｎ１とｎ２との差の絶対値が前記式（２）（より好ましくは前記式（２ａ）、特に好ましくは前記式（２ｂ））で表される条件を満たすものが特に好ましい。このようなＬＥＤ素子は、透光性微粒子と透光性樹脂による相乗効果によって、より高い光取出効率を示す。
本発明のＬＥＤ素子では、前記透光性微粒子層上に、透光性微粒子を含有しない透光性樹脂層を形成してもよい。前記透光性樹脂層を形成するための透光性樹脂（以下、「透光性樹脂層形成用樹脂」という。）としては、前記透光性微粒子層で例示したものが挙げられる。これらのうち、前記透光性微粒子層が透光性樹脂を含有しない場合には、温度２５℃および前記ＬＥＤチップの発光ピーク波長λ０において前記透光性微粒子の屈折率と略同一の屈折率を有する透光性樹脂を使用することが好ましい。一方、前記透光性微粒子層が透光性樹脂を含有する場合には、前記透光性微粒子層に含まれるものと同じ透光性樹脂を使用することが好ましい。
本発明のＬＥＤ素子のうち、透光性微粒子層が透光性樹脂を含まないものは以下の方法で製造できる。先ず、前記透光性微粒子を適当な溶媒（例えばアルコールなどの有機溶媒）に分散させる。次いで、この透光性微粒子分散液をＬＥＤチップの光出射面に塗布した後、加熱処理などにより溶媒を除去する。これによりＬＥＤチップと透光性微粒子層とを備えたＬＥＤ素子が得られる。その後、必要に応じて前記透光性樹脂を透光性微粒子層上に塗布して透光性樹脂層を形成してもよい。
前記透光性微粒子分散液の微粒子濃度および塗布量は、溶媒除去後の透光性微粒子層の厚みが前記範囲内となるように適宜設定される。前記透光性微粒子分散液は、ＬＥＤチップの光出射面のみに形成してもよいし、光出射面および側面を含むＬＥＤチップの全面に形成してもよい。
一方、透光性微粒子層が透光性樹脂を含むＬＥＤ素子は以下の方法により製造できる。先ず、前記透光性樹脂と前記透光性微粒子とを混合、攪拌して透光性微粒子含有樹脂組成物を調製する。前記透光性樹脂の混合量は前記透光性微粒子５０質量部に対して２０〜８０質量部であることが好ましく、４０〜６０質量部であることがより好ましい。透光性樹脂の混合量が上記下限未満になると流動性が乏しくなり塗布しづらくなる傾向にある。他方、上記上限を超えると光取出効率が低下する傾向にある。
次に、この透光性微粒子含有樹脂組成物をＬＥＤチップの光出射面に塗布した後、エネルギー線照射や加熱処理などにより前記透光性樹脂を硬化させる。これによりＬＥＤチップと透光性微粒子層とを備えたＬＥＤ素子が得られる。その後、必要に応じて前記透光性樹脂を透光性微粒子層上に塗布して透光性樹脂層を形成してもよい。
前記透光性微粒子含有樹脂組成物の塗布量は、硬化後の透光性微粒子層の厚みが前記範囲内となるように適宜設定される。前記透光性微粒子含有樹脂組成物は、ＬＥＤチップの光出射面のみに塗布してもよいし、光出射面および側面を含むＬＥＤチップの全面に形成しても構わない。
本発明のＬＥＤ素子はそのまま点光源として利用することができるが、このＬＥＤ素子を封止して種々のＬＥＤ光源として利用することが可能である。例えば、片面に凹部を設けたフライアイレンズやコリメータレンズなどの光学材料の該凹部に本発明のＬＥＤ素子を封止すると、ＬＥＤ素子の出射光を平行化することができる。従って、前記光学材料に封止された本発明のＬＥＤ素子は平行光線を発するＬＥＤ光源として利用できる。
前記光学材料としては従来公知のＬＥＤ用光学材料を使用することができる。特に、透光性、光学的安定性および経済性の観点から環状オレフィン系樹脂や直鎖オレフィン系樹脂の射出成型材料を使用することが好ましい。前記凹部の形状は、光学材料の屈折率と封止樹脂の屈折率とが略同一である場合には特に限定されないが、屈折率差によって光学材料と封止樹脂との界面でＬＥＤ素子の出射光の全反射が発生する場合にはこれを低減するために前記凹部は半球面状であることが好ましい。
前記封止樹脂としては従来公知のＬＥＤ用封止樹脂を使用することができるが、封止樹脂とＬＥＤ素子との界面でＬＥＤ素子の出射光の全反射を抑制するためには、温度２５℃および前記ＬＥＤチップの発光ピーク波長λ０において前記透光性樹脂の屈折率と略同一の屈折率を有する封止樹脂を使用することが好ましい。
以下、実施例および比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。なお、使用した原材料および得られた発光ダイオード素子の物性は以下の方法により測定した。
＜光透過率＞
厚さ１ｍｍあたりの内部透過率を分光光度計を用いて測定した。
厚さ１ｍｍあたりの内部透過率を分光光度計を用いて測定した。
＜蛍光収率＞
励起光の吸収強度に対する総蛍光強度の割合を蛍光分光光度計を用いて蛍光分光法により測定した。
励起光の吸収強度に対する総蛍光強度の割合を蛍光分光光度計を用いて蛍光分光法により測定した。
＜平均短径＞
走査型電子顕微鏡写真から微粒子１００個の短径を測定し、それらの算術平均値を平均短径とした。
走査型電子顕微鏡写真から微粒子１００個の短径を測定し、それらの算術平均値を平均短径とした。
＜屈折率＞
対象物質をプリズム形状に加工して最小偏角法により測定した。
対象物質をプリズム形状に加工して最小偏角法により測定した。
＜光取出効率＞
ＬＥＤチップ、ＬＥＤ素子およびＬＥＤ光源の全光束をスフィアオプティクス社製ＬＥＤ評価システムＬＣＳシリーズを用いて測定した。ＬＥＤチップには規格電流を流し、所定の波長の光を発光させた。ＬＥＤの光取出効率＝外部量子効率／内部量子効率と定義されるが、同種のＬＥＤチップでは内部量子効率は同等であり、外部量子効率比は全光束比に等しいから、光取出効率比は全光束比に等しいとみなすことができ、これにより光取出効率を評価した。
ＬＥＤチップ、ＬＥＤ素子およびＬＥＤ光源の全光束をスフィアオプティクス社製ＬＥＤ評価システムＬＣＳシリーズを用いて測定した。ＬＥＤチップには規格電流を流し、所定の波長の光を発光させた。ＬＥＤの光取出効率＝外部量子効率／内部量子効率と定義されるが、同種のＬＥＤチップでは内部量子効率は同等であり、外部量子効率比は全光束比に等しいから、光取出効率比は全光束比に等しいとみなすことができ、これにより光取出効率を評価した。
＜強度＞
ＬＥＤチップ、ＬＥＤ素子およびＬＥＤ光源についてテックワールド社製マルチ分光ゴニオフォトメータＴＰＭ−２５００を用いて配光測定を実施し、放射角度分布の最大強度（以下、「強度」という）を求めた。ＬＥＤチップには規格電流を流し、所定の波長の光を発光させた。
ＬＥＤチップ、ＬＥＤ素子およびＬＥＤ光源についてテックワールド社製マルチ分光ゴニオフォトメータＴＰＭ−２５００を用いて配光測定を実施し、放射角度分布の最大強度（以下、「強度」という）を求めた。ＬＥＤチップには規格電流を流し、所定の波長の光を発光させた。
（実施例１）
ＬＥＤチップとして、サファイア基板とこの基板上に形成されたＩｎＧａＮ多層膜（ｐｎ接合）とを備えたもの（昭和電工（株）製、商品名「ＧＵ３５Ｒ４７０Ｔ」、発光ピーク波長：λ０＝４７０ｎｍ（青色）、λ０＝４７０ｎｍにおける屈折率（２５℃）：ｎ０＝２．５、電流規格：直流２０ｍＡ、光出射面の大きさ：３５０μｍ×３５０μｍ）を使用した。
ＬＥＤチップとして、サファイア基板とこの基板上に形成されたＩｎＧａＮ多層膜（ｐｎ接合）とを備えたもの（昭和電工（株）製、商品名「ＧＵ３５Ｒ４７０Ｔ」、発光ピーク波長：λ０＝４７０ｎｍ（青色）、λ０＝４７０ｎｍにおける屈折率（２５℃）：ｎ０＝２．５、電流規格：直流２０ｍＡ、光出射面の大きさ：３５０μｍ×３５０μｍ）を使用した。
透光性微粒子として、光学ガラス（ＨＯＹＡ（株）製、商品名「Ｅ−ＦＥＬ６」）を乳鉢で粉砕してふるいにより分級し、粒径が２０〜４０μｍのガラス粉を採取して使用した。このガラス粉の平均短径は３０μｍであり、λ０＝４７０ｎｍにおける屈折率（２５℃）はｎ１＝１．５４０であり、１ｃｍ当たりの光学損失は０．２％以下であった。また、前記ＬＥＤチップの発光ピーク波長λ０におけるこのガラス粉の光透過率は約１００％であり、蛍光収率は０％であった。
前記ＬＥＤチップを標準基板（ＮＥＣショットコンポーネンツ（株）製、商品名「ＴＯ１８」）上にフェースアップ実装し、このＬＥＤチップの光出射面に、前記ガラス粉を分散したメタノール（ガラス粉濃度：０．５ｇ／ｍｌ）を数回に分けて合計１０μｌ塗布し、８０℃の恒温槽で１時間加熱してメタノールを除去した。これによりＬＥＤチップと透光性微粒子層とを備えたＬＥＤ素子を得た。
このＬＥＤ素子を光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡により観察したところ、前記ＬＥＤチップの光出射面は全て前記ガラス粉で被覆されていることが確認された。被覆されたガラス粉により形成された透光性微粒子層の厚みは５０μｍであり、光出射面上のガラス粉の個数は５０〜１００個の範囲内であった。
得られたＬＥＤ素子の全光束を測定し、これを前記ＬＥＤチップ（ガラス粉で被覆していないもの）の全光束と比較して光取出効率の増減を調べた。その結果、前記ＬＥＤ素子の光取出効率は前記ＬＥＤチップの約１．２倍に増大していることが確認された。また、前記ＬＥＤ素子の強度も前記ＬＥＤチップの約１．２倍に増大していることが確認された。
（実施例２）
透光性樹脂としてλ０＝４７０ｎｍにおける屈折率（２５℃）ｎ２が１．５１８であり、光透過率が９９％であるエポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製、商品名「ＹＸ８０００」）を使用した。このエポキシ樹脂と実施例１に記載のガラス粉（平均短径：３０μｍ、ｎ１＝１．５４０（２５℃））とを質量比１：１で混合、攪拌し、ガラス粉含有エポキシ樹脂組成物を得た。
透光性樹脂としてλ０＝４７０ｎｍにおける屈折率（２５℃）ｎ２が１．５１８であり、光透過率が９９％であるエポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製、商品名「ＹＸ８０００」）を使用した。このエポキシ樹脂と実施例１に記載のガラス粉（平均短径：３０μｍ、ｎ１＝１．５４０（２５℃））とを質量比１：１で混合、攪拌し、ガラス粉含有エポキシ樹脂組成物を得た。
このガラス粉含有エポキシ樹脂組成物を、実施例１に記載の標準基板上にフェースアップ実装したＬＥＤチップ（λ０＝４７０ｎｍ（青色）、ｎ０＝２．５（２５℃））の光出射面およびその周辺に１．５μｌ塗布した。次いで１００℃の恒温槽で２時間加熱してエポキシ樹脂を硬化させ、厚みが５０μｍの透光性微粒子層を形成した。これによりＬＥＤチップと透光性微粒子層とを備えたＬＥＤ素子を得た。
次に、ＬＥＤ素子の出射光を平行化するためのＬＥＤ用コリメータレンズを作製した。脂環族オレフィン樹脂（日本ゼオン（株）製、商品名「ＺＥＯＮＥＸ−４８０Ｒ」、λ０＝４７０ｎｍにおける屈折率（２５℃）：１．５３）を射出成型して、片面が凸曲面であり、その反対側の面が中心部に凹部を有する平面であるＬＥＤ用コリメータレンズを作製した。
このＬＥＤ用コリメータレンズの前記凹部に前記ＬＥＤ素子を配置してエポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製、商品名「ＹＸ８０００」、λ０＝４７０ｎｍにおける屈折率（２５℃）：１．５１８、および光透過率：９９％）を充填し、８０℃の恒温槽で１時間加熱して前記エポキシ樹脂を半硬化させた。その後、１００℃の恒温槽で１時間加熱して前記エポキシ樹脂を完全硬化させ、ＬＥＤ素子を封止した。これによりＬＥＤ素子とコリメータレンズとを備えたＬＥＤ光源を得た。なお、前記脂環族オレフィン樹脂「ＺＥＯＮＥＸ−４８０Ｒ」とエポキシ樹脂「ＹＸ８０００」の屈折率はほぼ同一であり、前記封止によりこれらは光学的に一体化する。このため、ＬＥＤ用コリメータレンズの前記凹部の形状は特に制限されない。
得られたＬＥＤ光源の全光束を測定し、下記の対照用ＬＥＤ光源の全光束と比較して光取出効率の増減を調べた。また、前記ＬＥＤ光源の強度を測定し、下記対照用ＬＥＤ光源と比較した。これらの結果を表１に示す。
＜対照用ＬＥＤ光源＞
実施例１に記載の標準基板上にフェースアップ実装したＬＥＤチップ（λ０＝４７０ｎｍ（青色）、ｎ０＝２．５（２５℃））を前記ＬＥＤ用コリメータレンズの凹部に配置してエポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製、商品名「ＹＸ８０００」、λ０＝４７０ｎｍにおける屈折率（２５℃）：１．５１８、および光透過率：９９％）を充填し、８０℃の恒温槽で１時間加熱して前記エポキシ樹脂を半硬化させた。その後、ＬＥＤチップを封止して、１００℃の恒温槽で１時間加熱して前記エポキシ樹脂を完全硬化させた。これによりＬＥＤチップとコリメータレンズとを備えた対照用ＬＥＤ光源を得た。
実施例１に記載の標準基板上にフェースアップ実装したＬＥＤチップ（λ０＝４７０ｎｍ（青色）、ｎ０＝２．５（２５℃））を前記ＬＥＤ用コリメータレンズの凹部に配置してエポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製、商品名「ＹＸ８０００」、λ０＝４７０ｎｍにおける屈折率（２５℃）：１．５１８、および光透過率：９９％）を充填し、８０℃の恒温槽で１時間加熱して前記エポキシ樹脂を半硬化させた。その後、ＬＥＤチップを封止して、１００℃の恒温槽で１時間加熱して前記エポキシ樹脂を完全硬化させた。これによりＬＥＤチップとコリメータレンズとを備えた対照用ＬＥＤ光源を得た。
（比較例１）
透光性微粒子として、光学ガラス（ＨＯＹＡ（株）製、商品名「Ｅ−ＦＥＬ６」）を乳鉢で粉砕してふるいにより分級し、粒径が２０μｍ未満のガラス粉を採取して使用した。このガラス粉の平均短径は５μｍであり、λ０＝４７０ｎｍにおける屈折率（２５℃）はｎ１＝１．５４０であり、１ｃｍ当たりの光学損失は０．２％以下であった。また、前記ＬＥＤチップの発光ピーク波長λ０におけるこのガラス粉の光透過率は１００％であり、蛍光収率は０％であった。
透光性微粒子として、光学ガラス（ＨＯＹＡ（株）製、商品名「Ｅ−ＦＥＬ６」）を乳鉢で粉砕してふるいにより分級し、粒径が２０μｍ未満のガラス粉を採取して使用した。このガラス粉の平均短径は５μｍであり、λ０＝４７０ｎｍにおける屈折率（２５℃）はｎ１＝１．５４０であり、１ｃｍ当たりの光学損失は０．２％以下であった。また、前記ＬＥＤチップの発光ピーク波長λ０におけるこのガラス粉の光透過率は１００％であり、蛍光収率は０％であった。
このガラス粉を使用した以外は実施例２と同様にしてＬＥＤ光源を作製した。なお、透光性微粒子層の厚みは２０μｍであった。得られたＬＥＤ光源の全光束を測定し、実施例２に記載の対照用ＬＥＤ光源の全光束と比較して光取出効率の増減を調べた。また、前記ＬＥＤ光源の強度を測定し、実施例２に記載の対照用ＬＥＤ光源と比較した。これらの結果を表１に示す。
（比較例２）
透光性微粒子として、光学ガラス（ＨＯＹＡ（株）製、商品名「Ｅ−ＦＥＬ６」）を乳鉢で粉砕してふるいにより分級し、粒径が４０μｍを超えるガラス粉を採取して使用した。このガラス粉の平均短径は５０μｍであり、λ０＝４７０ｎｍにおける屈折率（２５℃）はｎ１＝１．５４０であり、１ｃｍ当たりの光学損失は０．５％以下であった。また、前記ＬＥＤチップの発光ピーク波長λ０におけるこのガラス粉の光透過率は１００％であり、蛍光収率は０％であった。
透光性微粒子として、光学ガラス（ＨＯＹＡ（株）製、商品名「Ｅ−ＦＥＬ６」）を乳鉢で粉砕してふるいにより分級し、粒径が４０μｍを超えるガラス粉を採取して使用した。このガラス粉の平均短径は５０μｍであり、λ０＝４７０ｎｍにおける屈折率（２５℃）はｎ１＝１．５４０であり、１ｃｍ当たりの光学損失は０．５％以下であった。また、前記ＬＥＤチップの発光ピーク波長λ０におけるこのガラス粉の光透過率は１００％であり、蛍光収率は０％であった。
このガラス粉を使用した以外は実施例２と同様にしてＬＥＤ光源を作製した。なお、透光性微粒子層の厚みは５０μｍであった。得られたＬＥＤ光源の全光束を測定し、実施例２に記載の対照用ＬＥＤ光源の全光束と比較して光取出効率の増減を調べた。また、前記ＬＥＤ光源の強度を測定し、実施例２に記載の対照用ＬＥＤ光源と比較した。これらの結果を表１に示す。
表１に示した結果から明らかなように、本発明に係る平均短径が３０μｍのガラス粉で光出射面を被覆した場合（実施例２）には、光出射面を被覆しなかった場合（対照用ＬＥＤ光源）に比べてＬＥＤ光源の強度は１８％、光取出効率は２２％向上した。一方、平均短径が５μｍのガラス粉で被覆した場合（比較例１）は、ＬＥＤ光源の強度および光取出効率は対照用ＬＥＤ光源に比べて向上したものの、実施例２に比べて劣るものであった。また、平均短径が５０μｍのガラス粉で被覆した場合（比較例２）には、ＬＥＤ光源の強度および光取出効率は対照用ＬＥＤ光源に比べて低下した。
（実施例３）
透光性樹脂としてエポキシ樹脂「ＹＸ８０００」の代わりにλ０＝４７０ｎｍにおける屈折率（２５℃）ｎ２が１．５４３であり、光透過率が９９％であるシリコーン樹脂（東レ・ダウコーニング（株）製、商品名「ＯＥ６６６５」）を使用した以外は実施例２と同様にしてＬＥＤ光源を作製した。なお、透光性微粒子層の厚みは５０μｍであった。
透光性樹脂としてエポキシ樹脂「ＹＸ８０００」の代わりにλ０＝４７０ｎｍにおける屈折率（２５℃）ｎ２が１．５４３であり、光透過率が９９％であるシリコーン樹脂（東レ・ダウコーニング（株）製、商品名「ＯＥ６６６５」）を使用した以外は実施例２と同様にしてＬＥＤ光源を作製した。なお、透光性微粒子層の厚みは５０μｍであった。
得られたＬＥＤ光源の全光束を測定し、実施例２に記載の対照用ＬＥＤ光源の全光束と比較して光取出効率の増減を調べた。また、前記ＬＥＤ光源の強度を測定し、実施例２に記載の対照用ＬＥＤ光源と比較した。これらの結果を表２に示す。
表２に示した実施例２と実施例３の結果から明らかなように、ガラス粉と透光性樹脂との屈折率の差が小さくなるにつれて強度および光取出効率がより向上することが確認された。
（参考例１）
透光性微粒子として、光学ガラス（ＨＯＹＡ（株）製、商品名「ＦＣＤ１０」）を乳鉢で粉砕してふるいにより分級し、粒径が２０〜４０μｍのガラス粉を採取して使用した。このガラス粉の平均短径は３０μｍであり、λ０＝４７０ｎｍにおける屈折率（２５℃）はｎ１＝１．４６１であり、１ｃｍ当たりの光学損失は０．５％以下であった。また、前記ＬＥＤチップの発光ピーク波長λ０におけるこのガラス粉の光透過率は１００％であり、蛍光収率は０％であった。
透光性微粒子として、光学ガラス（ＨＯＹＡ（株）製、商品名「ＦＣＤ１０」）を乳鉢で粉砕してふるいにより分級し、粒径が２０〜４０μｍのガラス粉を採取して使用した。このガラス粉の平均短径は３０μｍであり、λ０＝４７０ｎｍにおける屈折率（２５℃）はｎ１＝１．４６１であり、１ｃｍ当たりの光学損失は０．５％以下であった。また、前記ＬＥＤチップの発光ピーク波長λ０におけるこのガラス粉の光透過率は１００％であり、蛍光収率は０％であった。
このガラス粉を使用した以外は実施例２と同様にしてＬＥＤ光源を作製した。なお、透光性微粒子層の厚みは５０μｍであった。得られたＬＥＤ光源の全光束を測定し、実施例２に記載の対照用ＬＥＤ光源の全光束と比較して光取出効率の増減を調べた。また、前記ＬＥＤ光源の強度を測定し、実施例２に記載の対照用ＬＥＤ光源と比較した。これらの結果を表３に示す。
（参考例２）
透光性微粒子として、光学ガラス（ＨＯＹＡ（株）製、商品名「Ｅ−ＦＤ５」）を乳鉢で粉砕してふるいにより分級し、粒径が２０〜４０μｍのガラス粉を採取して使用した。このガラス粉の平均短径は３０μｍであり、λ０＝４７０ｎｍにおける屈折率（２５℃）はｎ１＝１．６９０であり、１ｃｍ当たりの光学損失は０．５％以下であった。また、前記ＬＥＤチップの発光ピーク波長λ０におけるこのガラス粉の光透過率は１００％であり、蛍光収率は０％であった。
透光性微粒子として、光学ガラス（ＨＯＹＡ（株）製、商品名「Ｅ−ＦＤ５」）を乳鉢で粉砕してふるいにより分級し、粒径が２０〜４０μｍのガラス粉を採取して使用した。このガラス粉の平均短径は３０μｍであり、λ０＝４７０ｎｍにおける屈折率（２５℃）はｎ１＝１．６９０であり、１ｃｍ当たりの光学損失は０．５％以下であった。また、前記ＬＥＤチップの発光ピーク波長λ０におけるこのガラス粉の光透過率は１００％であり、蛍光収率は０％であった。
このガラス粉を使用した以外は実施例２と同様にしてＬＥＤ光源を作製した。なお、透光性微粒子層の厚みは５０μｍであった。得られたＬＥＤ光源の全光束を測定し、実施例２に記載の対照用ＬＥＤ光源の全光束と比較して光取出効率の増減を調べた。また、前記ＬＥＤ光源の強度を測定し、実施例２に記載の対照用ＬＥＤ光源と比較した。これらの結果を表３に示す。
以上説明したように、本発明によれば、ＬＥＤチップの光出射面におけるＬＥＤチップの出射光の全反射を抑制することが可能となる。
したがって、本発明のＬＥＤ素子は、光取出効率が高く、照明器具、自動車用ライト、信号機、標識、液晶ディスプレイなどのバックライトなどの高輝度光源として有用である。
Claims (5)
- 発光ダイオードチップと、該発光ダイオードチップの光出射面上に配置された透光性微粒子を含む透光性微粒子層とを備え、
前記透光性微粒子が、前記発光ダイオードチップの出射光を透過する材料からなる微粒子であり、
前記透光性微粒子の平均短径が２０〜４０μｍであり、
前記透光性微粒子層の厚みが２０〜２００μｍであり、
温度２５℃での前記発光ダイオードチップの発光ピーク波長λ ０ における前記発光ダイオードチップの屈折率ｎ ０ と前記透光性微粒子の屈折率ｎ １ との差の絶対値が下記式（１）：
｜ｎ ０ −ｎ １ ｜≦２．５ （１）
で表される条件を満たし、
前記透光性微粒子層が透光性樹脂と該透光性樹脂中に分散した前記透光性微粒子とを含み、
温度２５℃での前記発光ダイオードチップの発光ピーク波長λ ０ における前記透光性微粒子の屈折率ｎ １ と前記透光性樹脂の屈折率ｎ ２ との差の絶対値が下記式（２）：
０．００１≦｜ｎ １ −ｎ ２ ｜≦０．０５ （２）
で表される条件を満たす、
ことを特徴とする発光ダイオード素子。 - 前記透光性微粒子を構成する前記材料が前記発光ダイオードチップの出射光により蛍光発光しない材料であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード素子。
- 前記透光性微粒子層上に、透光性微粒子を含有しない透光性樹脂層をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光ダイオード素子。
- 発光ダイオードチップの光出射面上に、前記発光ダイオードチップの出射光を透過する材料からなり、平均短径が２０〜４０μｍの透光性微粒子配置して、厚みが２０〜２００μｍの透光性微粒子層を形成することを特徴とし、
温度２５℃での前記発光ダイオードチップの発光ピーク波長λ ０ における前記発光ダイオードチップの屈折率ｎ ０ と前記透光性微粒子の屈折率ｎ １ との差の絶対値が下記式（１）：
｜ｎ ０ −ｎ １ ｜≦２．５ （１）
で表される条件を満たし、
前記透光性微粒子層が透光性樹脂と該透光性樹脂中に分散した前記透光性微粒子とを含み、
温度２５℃での前記発光ダイオードチップの発光ピーク波長λ ０ における前記透光性微粒子の屈折率ｎ １ と前記透光性樹脂の屈折率ｎ ２ との差の絶対値が下記式（２）：
０．００１≦｜ｎ １ −ｎ ２ ｜≦０．０５ （２）
で表される条件を満たす、
ことを特徴とする発光ダイオード素子の製造方法。 - 前記透光性微粒子を構成する前記材料が前記発光ダイオードチップの出射光により蛍光発光しない材料であることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード素子の製造方法。
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