JP6947990B2 - 発光装置の製造方法及び発光装置 - Google Patents
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Description
このような用途に用いられる発光装置は、複数の発光素子を備え、それぞれの発光素子を個別に点灯/消灯状態とすることで、所望の配光性を得ることが提案されている(例えば、特許文献1、2)。
(1)透光板の上面と前記上面と反対側の下面とに遮光膜を形成し、
前記遮光膜とともに前記透光板を前記上面から下面又は下面から上面に向かって切断して複数の板状の光学部品を形成し、
側面視において前記光学部品の切断面と前記遮光膜とが列方向に交互に並ぶように前記光学部品の切断面を発光素子の上に固定し、前記発光素子を基板上に列状又は行列状に配列することを含む発光装置の製造方法。
(2)遮光膜が配置された対向する二側面と、遮光膜が配置されていない対向する二側面とを有する板状の光学部品及び
基板上に列状又は行列状に配列された複数の発光素子を備え、
前記光学部品の前記遮光膜が配置された側面と前記遮光膜が配置されていない側面とが、側面視において列に沿って交互に並ぶように、前記光学部品が前記発光素子の上に配置されている発光装置。
本願の一実施形態の発光装置の製造方法は、図1A〜1Fに示すように、
透光板11の上面と、この上面と反対側の下面とに遮光膜12を形成し(図1A)、
遮光膜12とともに透光板11を上面から下面又は下面から上面に向かって切断して複数の板状の光学部品13を形成し(図1B)、
側面視において、光学部品13の切断面11aと遮光膜12とが列方向に交互に並ぶように、光学部品13の切断面11aを発光素子14の上に固定し(図1C)、発光素子14を基板15上に列状又は行列状に配列する(図1D)ことを含む。
このような構成を備えることにより、発光装置全体の輝度の低下を最小限に留めると同時に、隣接する発光面の点灯/消灯間との輝度差が急峻で、かつ所望の配光性を有する発光装置を容易かつ簡便に製造することが可能となる。
このような発光装置の製造方法では、さらに、図2に示すように、側面視(矢印B)において光学部品13の切断面11aと遮光膜12とが行方向に交互に並ぶように、発光素子14を基板15上に行状に配列してもよいし、図1E等に示すように、基板15上であって、発光素子14の側面を光反射性部材16で被覆してもよいし、光学部品13の側面を光反射性部材16で被覆してもよい。
図1Aに示すように、まず、透光板11を準備する。
透光板は、発光素子からの光(例えば、波長320nm〜850nmの範囲の光)の60%以上を透過するものが挙げられ、70%以上の光を透過するものが好ましい。また、板状の部材であるものが好ましく、上面及び上面と反対側の下面を有する板状部材であるものが好ましい。上面及び下面は、平行であることが好ましいが、それらの表面に凹凸が存在していてもよい。本明細書においては、「平行」は、一面に対する他面の傾斜が±10°程度変動することが許容される。
透光板の大きさ、形状及び厚みは、製造しようとする発光装置の大きさ、数等によって適宜設定することができる。例えば、透光板の厚みは、10μm〜1000μmが挙げられ、30μm〜500μmが好ましい。
透光板11には、蛍光体、光拡散材等が含有されていてもよいし、透光板11の上面及び/又は下面に、蛍光体層、光拡散材層等が形成されていてもよい。
蛍光体としては、用いようとする発光素子からの光で励起可能なものであればよい。例えば、セリウムで賦活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体(例えば、Y3(Al,Ga)5O12:Ce)、セリウムで賦活されたルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体(例えば、Lu3(Al,Ga)5O12:Ce)、ユウロピウムおよび/又はクロムで賦活された窒素含有アルミノ珪酸カルシウム系蛍光体(例えば、CaO−Al2O3−SiO2:Eu)、ユウロピウムで賦活されたシリケート系蛍光体(例えば(Sr,Ba)2SiO4:Eu)、βサイアロン系蛍光体(例えば、Si6-zAlzOzN8-z:Eu(0<Z<4.2))、CASN系蛍光体(例えば、CaAlSiN3:Eu)、SCASN系蛍光体(例えば、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu)等の窒化物系蛍光体、マンガンで賦活されたフッ化珪酸カリウム系蛍光体(例えば、K2SiF6:Mn)、硫化物系蛍光体、量子ドット蛍光体などが挙げられる。これらは1種のみ又は2種以上を組み合わせて用いることができる。例えば、これらの蛍光体と、青色発光素子又は紫外線発光素子と組み合わせることにより、所望の発光色の発光装置(例えば白色系の発光装置)を得ることができる。白色に発光可能な発光装置とする場合、蛍光体層に含有される蛍光体の種類、濃度によって白色となるよう調整される。このような蛍光体が透光性材料に含有される場合、蛍光体の濃度を、例えば30%〜80%程度とすることが好ましい。
光拡散材としては、シリカ、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、アエロジル、ガラス、ガラスファイバー又はワラストナイトなどのフィラー、窒化アルミニウム等が挙げられる。
なお、蛍光体を含む透光板は、例えば、蛍光体の焼結体、樹脂、ガラス、無機物等の透光性材料を蛍光体のバインダーとして混合して成形したものであってもよい。
蛍光体層を透光板の上面及び/又は下面に配置する場合、その厚みは、蛍光体層を構成する材料、蛍光体の含有量等によって適宜設定することができる。なかでも、蛍光体層は薄層であることが好ましく、例えば、50μm以下であることが好ましく、40μm以下がより好ましい。
蛍光体層は、上述した材料を用いて、板状に成型し、所望の形状に分割して形成することができる。また、透光板11の一面に印刷、塗工、噴霧等により蛍光体層を形成してもよい。
透光板に蛍光体が含有されているか、蛍光体層がその上又は下面に配置されていることにより、蛍光体と透光板とを一括して発光素子上に載置することができるため、製造工程を簡略化することができる。
遮光膜12は、発光素子からの光を80%以上遮光し得る材料によって形成することが好ましい。
遮光膜12は、例えば、Ti、Cr、Ni、Si、Al、Ag、Au、Pt、Pd等の金属又はその合金、誘電体等によって形成することができる。誘電体は、例えば、任意に酸化膜等からなる下地層の上に、低屈折率層と高屈折率層とを積層させた多層構造とするものが挙げられ、所定の波長光を選択的に反射するようにDBR(分布ブラッグ反射器)膜として構成されているものが挙げられる。具体的には屈折率の異なる膜を、発光素子の波長、蛍光体の波長又はこれらの波長の中間の波長の1/4程度の厚みで交互に積層することにより、所定の波長を高効率に反射させることができる。材料として、Si、Ti、Zr、Nb、Ta、Alからなる群より選択された少なくとも一種の酸化物又は窒化物を含んで形成することができる。
遮光膜は、例えば、スパッタ法、真空蒸着法、原子層堆積法等、当該分野で公知の方法によって形成することができる。
遮光膜の膜厚は、例えば、0.2μm〜5μmが挙げられ、0.5μm〜2μmが好ましい。
図1Bに示すように、上述した遮光膜12が形成された透光板11を、遮光膜12とともに上面から下面又は下面から上面に向かって切断することによって、複数の板状の光学部品13を形成することができる。
ここでの切断は、遮光膜12が形成された透光板11の上面及び/又は下面に対して切断面が垂直になるように行うことが好ましい。本明細書において「垂直」は、±10%以内の傾きが許容される。また、この切断は、平面視において一方向、例えば、透光板の一辺に平行に、複数回行うことが好ましい。さらに、一方向に交差する方向、例えば、直交する方向に、複数回行うことがより好ましい。このような切断によって、上下面に遮光膜を有する透光板の小片(以下「透光片」ということがある)が得られる。また、容易に、平面形状が四角形である透光片を複数得ることができる。
切断された複数の光学部品の大きさ及び形成等は、得ようとする発光装置の形態によって適宜設定することができる。例えば、平面視、一辺が400μm〜1500μmの四角形が挙げられる。
光学部品においては、その上面積及び下面積が同じであってもよいが、上面積が下面積よりも大きくても、小さくてもよい。つまり、この工程での透光板11の切断は、遮光膜が形成された面、つまり透光板の上下面に対して傾斜して行ってもよい。このような切断は、特定の方向への配光を意図する光学部品を製造する場合に利用することができる。ここでの上面積と下面積との面積差は、例えば、上又は下面積の1%〜20%が挙げられる。
まず、発光素子14を複数準備する。
次に、例えば、図1Cに示すように、複数の発光素子14のそれぞれの上に光学部品13を固定する。
光学部品13の発光素子14上への固定は、発光素子14の上面と、光学部品13の切断面11aとが対向するように固定する。言い換えると、光学部品13の遮光膜12が、発光素子14の側面と平行となるように固定する。
光学部品の発光素子への固定と、発光素子の基板への配列は、いずれを先に行ってもよい。つまり、光学部品の発光素子への固定を行った後、発光素子の基板への配列を行うか、又は発光素子の基板への配列を行った後、光学部品の発光素子への固定を行う。ただし、いずれの場合においても、これらの工程の後において得られた発光装置は、側面視において、発光素子14上に固定された光学部品13の切断面11aと遮光膜12とが列方向に交互に並ぶように、発光素子14及び光学部品13とを配列した状態とする。
例えば、図1Dに示すように、発光素子14を一列のみ配置する場合、側面視において、光学部品13の切断面11aと遮光膜12とを列方向に交互に配列する。言い換えると、図1Fに示すように、上面視において、光学部品13の一切断面11a又は一遮光膜12が、列方向に90°回転しながら基板15上に並ぶように、発光素子14を配列する。
また、発光素子14が行列状に配置する場合、図2の矢印A方向からの側面視において、光学部品13の切断面11aと遮光膜12とが列方向に交互に並ぶように、光学部品13を固定した発光素子14を配列する。同時に、図2の矢印B方向からの側面視においても、光学部品13の切断面11aと遮光膜12とが列方向に交互に並ぶように、光学部品13を固定した発光素子14を配列する。言い換えると、図2に示すように、上面視において、行列方向のいずれにおいても、光学部品13の一切断面11a又は一遮光膜12が、列方向に90°回転しながら基板15上に並ぶように、光学部品13を固定した発光素子14を配列する。
これに対して、上述し、かつ図3Cに示すように、遮光膜22が、光学部品21の対向する2側面にのみ配置し、その他の2側面を切断面21aとする場合、それを上面から見ると、発光素子の発光面の遮光膜22の近傍領域28が対向する2側面にのみ配置されるため、その重なる領域29のような、著しく明るさ及び輝度が低い領域の発生を防止することができる。その結果、複数の発光素子が配列された発光装置の全面において、その明るさ及び輝度の低下を極力低減して、本来の明るさ及び輝度を維持することが可能となる。同時に、発光素子の列方向又は行列方向における、隣り合う二方向又は四方向において、遮光することができる。そのため、隣接する発光素子間での光漏れを抑制することが可能となる。これにより、例えば、非発光部と発光部との間の輝度差を急峻にすることができ、所望の配光を得ることができる。このような発光装置は、例えば、自動車用ヘッドライト、特に、配光可変型のヘッドライトに有利に利用することができる。
透光性の接合部材としては、発光素子からの光を60%又は70%以上透過する部材であって、例えば、透光板で例示した樹脂等を用いて形成することができる。接合部材には光拡散材、蛍光体等が含有されていてもよい。接合に用いられる材料は、発光素子の上面と光学部品との間で0μmに近い厚みで配置されることが好ましく、例えば10μm以下、具体的には3μm〜7μm程度で配置されることがより好ましい。また、接合部材は、発光素子の側面の一部又は全部を被覆するように配置されていてもよい。この場合、発光素子の側面から光学部品の下面に亘ってフィレット状に広がるように配置されることが好ましい。
発光素子は、その組成、発光色又は波長、大きさ、個数等、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、青色、緑色の発光素子としては、ZnSe、窒化物系半導体(InXAlYGa1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)、GaPなどの半導体層を用いたもの、赤色の発光素子としては、GaAlAs、AlInGaPなどの半導体層を用いたものが挙げられる。
発光素子は、通常、透光性の支持基板(例えば、サファイア基板)上に、半導体層を積層させて形成される。基板が発光素子の上面側となり、発光素子の主な光取り出し面となる。支持基板は半導体層との接合面に凹凸を有していてもよい。これにより半導体層から出射された光が、基板に当たるときの臨界角を意図的に変えて、基板の外部に光を容易に取り出すことができる。
発光素子においては、支持基板は半導体層の積層後に除去されていてもよい。除去は、例えば、研磨、LLO(レーザ・リフト・オフ)等で行うことができる。支持基板が除去された場合は、支持基板に最も近かった半導体層の表面が発光素子の上面となり、発光素子の主な光取り出し面となる。
発光素子は、同一面側に正負一対の電極を有するものが好ましい。これにより、発光素子を実装基板にフリップチップ実装することができる。そして、一対の電極が形成された面と対向する面が光取り出し面となる。
発光素子の数は、得ようとする発光装置の特性、サイズ等に応じて適宜設定することができる。複数の発光素子は、互いに近接して整列していることが好ましい。発光装置の輝度分布、さらに車両用途として用いること等を考慮すると、隣接する発光素子間の距離は個々の発光素子のサイズ(例えば一辺の長さ)よりも短いものが好ましく、例えば、発光素子自体のサイズの30%程度以下がより好ましく、20%以下がさらに好ましい。具体的には、発光素子の大きさにもよるが、例えば、30μm〜300μmが挙げられ、40μm〜100μmが好ましく、50μm〜80μmがより好ましい。
発光装置の製造方法では、図1Eに示すように、基板15上に搭載された発光素子14の側面の一部又は全部を被覆する光反射性部材16を形成することが好ましい。光反射性部材16は、発光素子14の側面に加えて、光学部品13の側面の一部又は全部を被覆してもよい。なかでも、光反射性部材16は、発光素子14の側面の全部及び光学部品13の側面の全部を被覆することが好ましい。また、光反射性部材16の上面は、光学部品13の上面に対して突出していてもよいが、凹んでいるか、光反射性部材16の上面と光学部品13の上面とが面一であることがより好ましい。
一般に、光出射面となる光学部品の上面から出射された光は、横方向にも広がりを有する。光反射性部材の上面が、光学部品の上面の高さよりも高い場合には、光学部品の上面から出射された光が光反射性部材に当たって反射され、配光のばらつきが生じる。これに対して、光学部品の側面を光反射性部材で覆いつつ、その側面の外周を覆う光反射性部材の高さをそれと同じか、低くすることにより、出射された光の全部を外部に直接取り出すことができる。
光反射性部材は、絶縁材料を用いることが好ましく、例えば、樹脂材料を用いて形成することができる。樹脂材料としては、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、フッ素樹脂の1種以上を含む樹脂又はハイブリッド樹脂が挙げられる。光反射性部材は、これらの樹脂材料に、光反射性物質を含有させることにより形成することができる。光反射性物質としては、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、チタン酸カリウム、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ムライトなどが挙げられる。
光反射性部材は、隣接する透光性部材間の距離によって光の反射量、透過量等を変動させることができるため、反射性物質の含有量は、得ようとする発光装置の特性等によって適宜調整することができる。例えば、光反射性部材の全重量に対して反射性物質の含有量を30wt%以上とし、その厚みを50μm以上又は100μm以上とすることが好ましい。
光反射性部材は、例えば、射出成形、ポッティング成形、樹脂印刷法、トランスファーモールド法、圧縮成形などにより成形することができる。
本願の一実施形態の発光装置は、図1E及び1Fに示すように、遮光膜12が配置された対向する二側面と、遮光膜12が配置されていない対向する二側面とを有する板状の光学部品13及び基板15上に列状又は行列状に配列された複数の発光素子14を備え、光学部品13の遮光膜12が配置された側面と遮光膜12が配置されていない側面とが、側面視において列に沿って交互に並ぶように、光学部品13が発光素子14の上に配置されている。また、基板15上であって発光素子14及び光学部品13の側面を被覆する光反射性部材16を備えている。ここで、遮光膜12が配置されていない側面とは、上述したように、切断面11aを意味する。
例えば、発光装置をヘッドランプ等に組み込んだ際には、不要な光が不要な箇所を照らすことを阻止すること、また、グレア光を回避すること、発光部と非発光部との境界がはっきりしている(見切り性が良い)ことが重要である。
この実施形態の発光装置においては、発光面間の距離を最小限に設定しながら、発光素子から出射され、光学部品に入射した光の横方向及び/又は縦方向への伝播を抑制し、横方向及び/又は縦方向への漏れ光を確実に防止することができる。その結果、発光装置のさらなる小型化を図りながら、発光素子の点灯/消灯間又は発光部(発光素子の光取り出し面)と、非発光部(発光素子間)との輝度差が急峻な高いコントラストを得ることができる。
つまり、図3Cに示すように、上面から見た場合、発光素子の発光面の遮光膜22の近傍領域28が対向する2側面にのみ配置されるため、図3A及び図3Bに示す遮光膜22の近傍領域が重なる領域29のような、著しく明るさ及び輝度が低い領域の発生を防止することができる。その結果、複数の発光素子が配列された発光装置の全面において、その明るさ及び輝度の低下を極力低減して、本来の明るさ及び輝度を維持することが可能となる。同時に、発光素子の列方向又は行列方向における、隣り合う二方向又は四方向において、遮光することができる。特に、行列方向に、上述した発光素子及び光学部品が配列される場合には、その明るさ及び輝度が低下する遮光膜22の近傍領域28の重なる領域29を生じさせることなく、隣接する発光素子の上に配置された光学部品の遮光膜22により、四方向において、点灯する発光素子の光を遮光することができる。そのため、隣接する発光素子間での光漏れを抑制することが可能とり、非発光部と発光部との間の輝度差を急峻にすることができ、所望の配光を得ることができる。
なお、このような発光装置には、例えば、図2に示したように、保護素子等の電子部品17が搭載されてもよい。電子部品17は、例えば、光反射性部材16内に埋設することができる。これにより、発光素子14からの光が電子部品に吸収されたり、電子部品に遮光されたりすることによる光取り出しの低下を防止することができる。
11a 切断面
12 遮光膜
13 光学部品
14 発光素子
15 基板
16 光反射性部材
17 電子部品
21 光学部品
21a 切断面
22 遮光膜
28 近傍領域
29 重なる領域
Claims (9)
- 透光板の上面と前記上面と反対側の下面とに遮光膜を形成し、
前記遮光膜とともに前記透光板を前記上面から下面又は下面から上面に向かって切断して複数の板状の光学部品を形成し、
前記光学部品の切断面を発光素子の上に固定し、側面視において前記光学部品の切断面と前記遮光膜とが列方向に交互に並ぶように前記発光素子を基板上に列状又は行列状に配列することを含む発光装置の製造方法。 - さらに、側面視において前記光学部品の切断面と前記遮光膜とが行方向に交互に並ぶように、前記発光素子を基板上に行状に配列する請求項1に記載の発光装置の製造方法。
- 前記透光板を、前記透光板の上面及び下面に対して垂直に切断する請求項1又は2に記載の発光装置の製造方法。
- さらに、前記基板上であって前記発光素子の側面を光反射性部材で被覆する請求項1から3のいずれか一項に記載の発光装置の製造方法。
- さらに、前記光学部品の側面を前記光反射性部材で被覆する請求項4に記載の発光装置の製造方法。
- 遮光膜が配置された対向する二側面と、遮光膜が配置されていない対向する二側面とを有する板状の光学部品及び
基板上に列状又は行列状に配列された複数の発光素子を備え、
前記光学部品の前記遮光膜が配置された側面と前記遮光膜が配置されていない側面とが、側面視において列に沿って交互に並ぶように、前記光学部品が前記発光素子の上に配置されている発光装置。 - 前記光学部品は、その側面が上下面に垂直である請求項6に記載の発光装置。
- さらに、前記基板上であって前記発光素子の側面を被覆する光反射性部材を備える請求項6又は7に記載の発光装置。
- 前記光反射性部材が、さらに、前記光学部品の側面を被覆する請求項8に記載の発光装置。
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