JPWO2014017108A1 - Led装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、LED素子からの出射光等を反射するための反射層の劣化が少なく、長期間に亘り、効率よく光を取り出すことが可能なLED装置、及びその製造方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、基板と、前記基板上に実装され、かつ特定波長の光を出射するLED素子とを有するLED装置に関する。前記基板のLED素子実装領域外の表面に、無機粒子からなる光拡散粒子とセラミックバインダとを含む反射層を有するものとする。

Description

本発明は、LED装置及びその製造方法に関する。
近年、LED素子の近傍に蛍光体を配置し、LED素子からの光で蛍光体を励起させて白色光を得る白色LED装置が開発されている。このようなLED装置の例には、青色LED素子からの青色光と、青色光を受けて蛍光体が発する黄色の蛍光とを組み合わせて白色光を得るLED装置がある。また、紫外光を出射するLED素子を光源とし、紫外光を受けて蛍光体が発する青色光、緑色光、及び赤色光を混色させて、白色光を得るLED装置もある。
従来のLED装置では、LED素子を実装する基板等が、LED素子の出射光や、蛍光体が発する蛍光を吸収しやすく、光取り出し性が十分でない、との問題があった。そこで、一般的なLED装置には、LED素子の周囲に、光反射率が高いリフレクタが配置されている。このようなリフレクタは、一般的に金属メッキ等から形成されている。
しかし、金属メッキからなるリフレクタは、電気の導通を防ぐため、基板全面に形成することができない。そのため、リフレクタが形成されていない領域では、基板に光が吸収されてしまう、という問題があった。
一方、金属メッキを樹脂層で覆ったリフレクタや(特許文献1)、白色の樹脂層で、金属メッキを覆ったリフレクタも提案されている(特許文献2)。
特開2005−136379号公報 特開2011−23621号公報
しかし、リフレクタ近傍では、光が多重散乱する。そのため、リフレクタが樹脂からなる場合や、特許文献1及び2の技術のように、金属メッキからなるリフレクタ表面を樹脂で被覆した場合には、樹脂が熱や光により劣化し、経時で反射層の光反射性が低下したり、電気が導通してしまう、という問題があった。特に、車載用のヘッドライト等、大光量が必要とされる用途において、樹脂が劣化しやすかった。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものである。すなわち、LED素子からの出射光等を反射するための反射層の劣化が少なく、長期間に亘り、効率よく光を取り出すことが可能なLED装置、及びその製造方法を提供する。
即ち、本発明の第1は、以下のLED装置に関する。
[1]基板と、前記基板上に実装され、かつ特定波長の光を出射するLED素子とを有するLED装置であって、前記基板のLED素子実装領域外の表面に、無機粒子からなる光拡散粒子とセラミックバインダとを含む反射層をさらに有する、LED装置。
[2]前記反射層の厚みが5μm以上200μm以下である、[1]に記載のLED装置。
[3]前記反射層の厚みが5μm以上30μm以下である、[1]に記載のLED装置。
[4]前記基板がキャビティを有し、前記キャビティ内壁面に前記反射層を有する、[1]〜[3]のいずれかに記載のLED装置。
[5]前記反射層及び前記LED素子を被覆する、波長変換層をさらに有し、前記波長変換層は、透明樹脂及び蛍光体粒子を含む、[1]〜[4]のいずれかに記載のLED装置。
[6]前記光拡散粒子は酸化チタン、硫酸バリウム、チタン酸バリウム、窒化ホウ素、酸化亜鉛、及び酸化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種の無機粒子からなる、[1]〜[5]のいずれかに記載のLED装置。
[7]前記セラミックバインダは、3官能シラン化合物及び4官能シラン化合物の重合体であり、かつ3官能シラン化合物及び4官能シラン化合物の重合比率は3:7〜7:3である、[1]〜[6]のいずれかに記載のLED装置。
[8]前記セラミックバインダは、2官能シラン化合物及び3官能シラン化合物の重合体であり、かつ2官能シラン化合物及び3官能シラン化合物の重合比率は1:9〜4:6である、[1]〜[6]のいずれか一項に記載のLED装置。
[9]前記反射層は、平均一次粒径が5〜100nmである金属酸化物微粒子をさらに含む、[1]〜[8]のいずれかに記載のLED装置。
[10]前記金属酸化物微粒子が、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化セリウム、酸化ニオブ、及び酸化亜鉛の群から選ばれる少なくとも1種である、[9]に記載のLED装置。
[11]前記反射層は、Si元素以外の2価以上の金属元素の金属アルコキシドまたは金属キレートの硬化物をさらに含む、[1]〜[10]のいずれかに記載のLED装置。
[12]前記基板がメタル部を有し、前記LED素子実装領域外かつメタル部上に、前記反射層を有する、[1]〜[11]のいずれかに記載のLED装置。
[13]前記基板がメタル部を有し、前記LED素子実装領域外かつメタル部領域外の前記基板の表面に、前記反射層を有する、[1]〜[11]のいずれかに記載のLED装置。
本発明の第2は、以下のLED装置の製造方法に関する。
[14]基板と、前記基板上に実装され、かつ特定波長の光を出射するLED素子と、前記基板のLED素子実装領域外の表面に形成された反射層と、を有するLED装置の製造方法であって、前記LED素子の実装領域をマスクで保護しながら、光拡散粒子及び有機ケイ素化合物を含む反射層形成用組成物を、前記基板表面にスプレー塗布し、前記反射層を形成する工程を含む、LED装置の製造方法。
[15]前記基板がメタル部を有し、前記反射層を形成する工程において、前記LED素子実装領域外かつ前記メタル部上に、前記反射層を形成する、[14]に記載のLED装置の製造方法。
[16]前記基板がメタル部を有し、前記反射層を形成する工程において、前記LED素子の実装領域外かつ前記メタル部領域外の前記基板表面に、前記反射層を形成する、[14]に記載のLED装置の製造方法。
[17]前記基板はキャビティを有し、前記キャビティ内壁に、前記反射層形成用組成物をスプレー塗布する工程を含む、[14]〜[16]のいずれか一項に記載のLED装置の製造方法。
本発明のLED装置では、反射層のバインダをセラミックとし、光拡散粒子を無機粒子とする。そのため、反射層が熱や光等で劣化し難く、長期間に亘り、良好な光取り出し効率を維持できる。
本発明のLED装置の一例を示す概略断面図である。 本発明のLED装置の他の例を示す概略断面図である。 本発明のLED装置の他の例を示す概略断面図である。 本発明のLED装置の他の例を示す概略断面図である。 本発明のLED装置の製造方法において、LED実装領域を保護するマスクの一例を示す上面図である。 本発明のLED装置の製造方法において、反射層形成用組成物を塗布するスプレー装置の一例を示す概略断面図である。 本発明のLED装置の製造方法において、LED実装領域を保護するマスクの他の例を示す上面図である。 図8(a)は、本発明のLED装置の他の例を示す上面図であり、図8(b)は、当該LED装置の概略断面図である。 本発明のLED装置の他の例を示す概略断面図である。 図10は、本発明のLED装置の製造方法における反射層の形成方法を説明するための説明図である。 図11は、本発明のLED装置の製造方法における反射層の形成方法を説明するための説明図である。 図12は、本発明のLED装置の製造方法における反射層の形成方法を説明するための説明図である。
1.LED装置
本発明のLED装置は、LED素子の出射光等を、光取り出し面側に反射する反射層を有するLED装置に関する。本発明のLED装置の構造の例を、図1〜図4の概略断面図、及び図8の上面図(図8(a))及び概略断面図(図8(b))に示す。本発明のLED装置100は、基板1と、基板1に実装されたLED素子2と、基板1のLED素子実装領域外に形成された反射層21と、LED素子2及び反射層21を覆う波長変換層11を有する。
(1)基板について
本発明のLED装置100における基板1は、図3及び図4、及び図8(b)に示されるように、平板状であってもよく、図1及び図2に示されるように、キャビティ(凹部)を有していてもよい。キャビティの形状は特に制限されない。例えば図1及び図2に示されるように円錐台状であってもよく、角錐台状や、円柱状、角柱状等であってもよい。
基板1は、絶縁性及び耐熱性を有することが好ましく、セラミック樹脂や耐熱性樹脂からなることが好ましい。耐熱性樹脂の例には、液晶ポリマー、ポリフェニレンスルフィド、芳香族ナイロン、エポキシ樹脂、硬質シリコーンレジン、ポリフタル酸アミド等が含まれる。
基板1には、無機フィラーが含まれていてもよい。無機フィラーは、酸化チタン、酸化亜鉛、アルミナ、シリカ、チタン酸バリウム、リン酸カルシウム、炭酸カルシウム、ホワイトカーボン、タルク、炭酸マグネシウム、窒化ホウ素、グラスファイバー等でありうる。
例えば図8に示されるように、基板1には、通常メタル部3,3’が配設される。メタル部3,3’は、銀等の金属からなる。メタル部は、外部の電極(不図示)とLED素子2とを電気的に接続する一対の金属電極部(図8において、符号3で示される)でありうる。メタル部3には、LED素子2を取り囲み、かつLED素子2からの光を光取り出し面側に反射する金属反射膜(図8において、符号3’で示される)が含まれてもよい。
(2)LED素子について
LED素子2は、基板1に配設されたメタル部(メタル配線)3と接続されて、基板1上に固定される。
LED素子2は、例えば図1に示されるように、基板1に配設されたメタル部(金属電極部)3と、配線4を介して接続されてもよい。また、図2に示されるように、基板1に配設されたメタル部(金属電極部)3と、突起電極5を介して接続されてもよい。LED素子2が配線4を介してメタル部(金属電極部)3に接続される態様をワイヤボンディング型といい、LED素子2が突起電極5を介してメタル部(金属電極部)3に接続される態様をフリップチップ型という。
LED素子2が出射する光の波長は特に制限されない。LED素子2は、例えば青色光(420nm〜485nm程度の光)を発する素子であってもよく、紫外光を発する素子であってもよい。
LED素子2の構成は、特に制限されない。LED素子2が、青色光を発する素子である場合、LED素子2は、n−GaN系化合物半導体層(クラッド層)と、InGaN系化合物半導体層(発光層)と、p−GaN系化合物半導体層(クラッド層)と、透明電極層との積層体でありうる。LED素子2は、例えば200〜300μm×200〜300μmの発光面を有するものでありうる。またLED素子2の高さは、通常50〜200μm程度である。図1〜4に示されるLED装置100には、基板1に1つのLED素子2のみが配置されているが、基板1に複数のLED素子2が配置されていてもよい。
(3)反射層について
反射層21は、LED素子2からの出射光や、波長変換層11に含まれる蛍光体が発する蛍光を、LED装置100の光取り出し面側に反射する層である。反射層21が配設されることで、LED装置100の光取り出し面から取り出される光量が増加する。
反射層21は、基板1の表面のうち、LED素子2の実装領域以外に形成される。LED素子2の実装領域とは、LED素子2の発光面、及びLED素子2とメタル部(金属電極部)3との接続部をいう。つまり、反射層21は、LED素子2からの光の出射、及びLED素子2とメタル部(金属電極部)3との接続を阻害しない領域に形成される。反射層21は、例えば図3に示されるように、LED素子2の周辺領域のみに形成されてもよい。また例えば図4に示されるように、反射層21は、LED素子2の周辺領域だけでなく、基板1とLED素子2との間に形成されてもよい。反射層21が基板1とLED素子2との間にも形成されると、LED素子2の裏面側に回り込む光を反射層21が反射する。そのため、LED装置100からの光取り出し効率が高まる。
図1及び図2に示されるように、基板1がキャビティを有する場合、キャビティ内壁面6にも、反射層21が形成されることが好ましい。反射層21がキャビティ内壁面6に形成されると、波長変換層11表面に水平な方向に進む光を、反射層21で反射させて、取り出すことができる。
反射層21は、図1に示されるように、LED素子2の実装領域外かつメタル部3上に形成されてもよい。また反射層21は、図8に示されるように、LED素子2の実装領域外かつメタル部領域外;つまりLED素子2の実装領域外であって、メタル部3,3’が形成されていない領域のみに形成されてもよい。具体的には、図8に示されるように、金属電極部3と金属反射膜3’との隙間に反射層21が形成されてもよい。この場合、LED素子2等からの光は、メタル部3,3’及び反射層21によって反射される。また、例えば図9に示されるように、反射層21は基板1のキャビティ内壁面6のみに形成されてもよい。この場合も、LED素子2等からの光は、メタル部(金属電極部)3及び反射層21によって反射される。
従来のLED装置の反射層は、一般的に金属メッキであった。しかし、金属メッキは、電気の導通防止のために、基板全面に形成することができない。そのため、金属メッキを形成していない領域では、基板に光が吸収されてしまうという問題があった。また、光拡散粒子を分散させた樹脂層からなる反射層等も提案されているが、LED素子からの出射光や熱等により劣化しやすい。そのため、LED装置を長期間使用すると、樹脂の劣化により、LED装置からの光取り出し性が低下する場合があった。
これに対し、本発明のLED装置の反射層21は、無機粒子からなる光拡散粒子が、セラミックバインダ(有機ケイ素化合物の硬化物)で結着された層であり;電気が導通しない。つまり、本発明のLED装置では、反射層21を基板1の任意の領域に形成でき、メタル部どうしの隙間等にも形成できる。したがって、LED装置から効率よく光を取り出すことができる。さらに、本発明のLED装置の反射層21は、LED素子2からの熱や光を受けても分解し難い。したがって、反射層21の光反射性が長期に亘って変化することがなく、良好な光取り出し性が長期間維持される。
反射層21の厚みは、5〜200μmであることが好ましい。反射層21の厚みを200μm以下とすることにより、反射層21のクラックを低減することができる。一方、反射層21の厚みを5μm以上とすると、反射層21の光反射性を十分に確保することができ、光取出し効率を高めることができる。また、反射層21の厚みは、5〜30μmとすることもできる。
反射層21の厚みを30μmとしたときの可視光(波長450nm〜700nm)の平均反射率が60%以上であることが好ましく、より好ましくは75%以上である。上記厚みにおける平均反射率が60%以上であると、LED装置からの光取り出し効率が十分に高まりやすい。反射層21の反射率は、分光光度計で測定される。分光光度計の例には、日本分光社製分光光度計V−670等がある。
反射率は、以下のように測定する。標準反射板(ラブスフェア社製 スペクトラロン反射板)を積分球ユニットに設置する。そして、分光光度計にて標準反射板の反射率を測定する。一方、ガラス基板上に厚み30μmの反射層を作製したサンプルを準備する。そして、当該サンプルの反射率を同様に測定し;標準反射板の反射率に対するサンプルの反射率の比率を、反射層の反射率とする。
(3-1)セラミックバインダ
反射層21には、セラミックバインダ(以下、「バインダ」ともいう)が含まれる。セラミックバインダは、(i)ポリシラザンオリゴマーの硬化物、並びに(ii)シラン化合物のモノマーまたはそのオリゴマーの硬化物であるポリシロキサンでありうる。
反射層21に含まれるバインダの量は、反射層全質量に対して、5〜40質量%であることが好ましく、10〜30質量%であることがより好ましい。バインダの量が、5質量%未満であると、膜の強度が十分とならない場合がある。一方、バインダの含有量が40質量%を超えると相対的に光拡散粒子の量が減少する。そのため、反射層の光反射性が十分とならない場合がある。
バインダは(i)一般式(I):(RSiNRで表されるポリシラザンオリゴマーの重合物(硬化物)でありうる。一般式(I)中、R、RおよびRは、それぞれ独立して水素原子またはアルキル基、アリール基、ビニル基、またはシクロアルキル基を表すが、R、R、Rのうち少なくとも1つは水素原子であり、好ましくはすべてが水素原子である。nは1〜60の整数を表す。ポリシラザンオリゴマーの分子形状はいかなる形状であってもよく、例えば、直鎖状または環状であってもよい。
ポリシラザンの硬化物は、上記式(I)で表されるポリシラザンオリゴマーを、必要に応じて反応促進剤、及び溶媒の存在下、加熱、エキシマ光処理、UV光処理すること等で得られる。
バインダは(ii)2官能シラン化合物、3官能シラン化合物、及び/または4官能シラン化合物のモノマーまたはそのオリゴマーの重合体(硬化物)であるポリシロキサンでありうる。
ポリシロキサンは、例えば3官能シラン化合物及び4官能シラン化合物のモノマーまたはそのオリゴマーの重合体でありうる。3官能シラン化合物及び4官能シラン化合物の重合比率は、3:7〜7:3であることが好ましく、4:6〜6:4であることがより好ましい。上記重合比率であると、ポリシロキサンの架橋度が過度に高まらず、反射層にクラックが生じやすくなる。一方で、3官能シラン化合物由来の有機基が多量に残存せず、反射層21が波長変換層11を成膜するための組成物をはじき難く、反射層21と波長変換層11との密着性が高まりやすい。
またポリシロキサンは、2官能シラン化合物及び3官能シラン化合物のモノマーまたはそのオリゴマーの重合体でありうる。2官能シラン化合物及び3官能シラン化合物の重合比率は1:9〜4:6であることが好ましく、1:9〜3:7であることが好ましい。上記比率であると、2官能シラン化合物由来の有機基が多量に残存せず、反射層21が波長変換層11を成膜するための組成物をはじき難く、反射層21と波長変換層11との密着性が高まりやすい。
さらにポリシロキサンは、2官能シラン化合物、3官能シラン化合物、及び4官能シラン化合物のモノマーまたはそのオリゴマーの重合体でありうる。2官能シラン化合物の重合比率は、2官能シラン化合物、3官能シラン化合物、及び4官能シラン化合物の総量(モル)を100とした場合に、3〜30(モル)であることが好ましい。3官能シラン化合物の重合比率は、2官能シラン化合物、3官能シラン化合物、及び4官能シラン化合物の総量(モル)を100とした場合に、40〜80(モル)であることが好ましい。4官能シラン化合物の重合比率は、2官能シラン化合物、3官能シラン化合物、及び4官能シラン化合物の総量(モル)を100とした場合に、10〜30(モル)であることが好ましい。
4官能シラン化合物の例には、下記一般式(II)で表される化合物が含まれる。
Si(OR …(II)
上記一般式(II)中、Rはそれぞれ独立にアルキル基またはフェニル基を表し、好ましくは炭素数1〜5のアルキル基、またはフェニル基を表す。
4官能シラン化合物の具体例には、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、テトラペンチルオキシシラン、テトラフェニルオキシシラン、トリメトキシモノエトキシシラン、ジメトキシジエトキシシラン、トリエトキシモノメトキシシラン、トリメトキシモノプロポキシシラン、モノメトキシトリブトキシシラン、モノメトキシトリペンチルオキシシラン、モノメトキシトリフェニルオキシシラン、ジメトキシジプロポキシシラン、トリプロポキシモノメトキシシラン、トリメトキシモノブトキシシラン、ジメトキシジブトキシシラン、トリエトキシモノプロポキシシラン、ジエトキシジプロポキシシラン、トリブトキシモノプロポキシシラン、ジメトキシモノエトキシモノブトキシシラン、ジエトキシモノメトキシモノブトキシシラン、ジエトキシモノプロポキシモノブトキシシラン、ジプロポキシモノメトキシモノエトキシシラン、ジプロポキシモノメトキシモノブトキシシラン、ジプロポキシモノエトキシモノブトキシシラン、ジブトキシモノメトキシモノエトキシシラン、ジブトキシモノエトキシモノプロポキシシラン、モノメトキシモノエトキシモノプロポキシモノブトキシシランなどのアルコキシシラン、またはアリールオキシシラン等が含まれる。これらの中でもテトラメトキシシラン、テトラエトキシシランが好ましい。
3官能シラン化合物の例には、下記一般式(III)で表される化合物が含まれる。
Si(OR …(III)
上記一般式(III)中、Rは、それぞれ独立にアルキル基またはフェニル基を表し、好ましくは炭素数1〜5のアルキル基、またはフェニル基を表す。また、Rは、水素原子またはアルキル基を表す。
3官能シラン化合物の具体例には、トリメトキシシラン、トリエトキシシラン、トリプロポキシシラン、トリペンチルオキシシラン、トリフェニルオキシシラン、ジメトキシモノエトキシシラン、ジエトキシモノメトキシシラン、ジプロポキシモノメトキシシラン、ジプロポキシモノエトキシシラン、ジペンチルオキシルモノメトキシシラン、ジペンチルオキシモノエトキシシラン、ジペンチルオキシモノプロポキシシラン、ジフェニルオキシルモノメトキシシラン、ジフェニルオキシモノエトキシシラン、ジフェニルオキシモノプロポキシシラン、メトキシエトキシプロポキシシラン、モノプロポキシジメトキシシラン、モノプロポキシジエトキシシラン、モノブトキシジメトキシシラン、モノペンチルオキシジエトキシシラン、モノフェニルオキシジエトキシシラン等のモノヒドロシラン化合物;メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリプロポキシシラン、メチルトリペンチルオキシシラン、メチルモノメトキシジエトキシシラン、メチルモノメトキシジプロポキシシラン、メチルモノメトキシジペンチルオキシシラン、メチルモノメトキシジフェニルオキシシラン、メチルメトキシエトキシプロポキシシラン、メチルモノメトキシモノエトキシモノブトキシシラン等のモノメチルシラン化合物;エチルトリメトキシシラン、エチルトリプロポキシシラン、エチルトリペンチルオキシシラン、エチルトリフェニルオキシシラン、エチルモノメトキシジエトキシシラン、エチルモノメトキシジプロポキシシラン、エチルモノメトキシジペンチルオキシシラン、エチルモノメトキシジフェニルオキシシラン、エチルモノメトキシモノエトキシモノブトキシシラン等のモノエチルシラン化合物;プロピルトリメトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、プロピルトリペンチルオキシシラン、プロピルトリフェニルオキシシラン、プロピルモノメトキシジエトキシシラン、プロピルモノメトキシジプロポキシシラン、プロピルモノメトキシジペンチルオキシシラン、プロピルモノメトキシジフェニルオキシシラン、プロピルメトキシエトキシプロポキシシラン、プロピルモノメトキシモノエトキシモノブトキシシラン等のモノプロピルシラン化合物;ブチルトリメトキシシラン、ブチルトリエトキシシラン、ブチルトリプロポキシシラン、ブチルトリペンチルオキシシラン、ブチルトリフェニルオキシシラン、ブチルモノメトキシジエトキシシラン、ブチルモノメトキシジプロポキシシラン、ブチルモノメトキシジペンチルオキシシラン、ブチルモノメトキシジフェニルオキシシラン、ブチルメトキシエトキシプロポキシシラン、ブチルモノメトキシモノエトキシモノブトキシシラン等のモノブチルシラン化合物が含まれる。
これらの3官能シラン化合物の一般式(III)で表されるRがメチル基であると、反射層21表面の疎水性が低くなる。これにより、波長変換層11を成膜するための組成物が十分に濡れ広がり、波長変換層11と反射層21との密着性が高まる。一般式(III)で表されるRがメチル基である3官能シラン化合物の例には、メチルトリメトキシシラン、及びメチルトリエトキシシランが含まれ、メチルトリメトキシシランであることが特に好ましい。
2官能シラン化合物の例には、下記一般式(IV)で表される化合物が含まれる。
Si(OR (IV)
上記一般式(IV)中、Rはそれぞれ独立にアルキル基またはフェニル基を表し、好ましくは炭素数1〜5のアルキル基、またはフェニル基を表す。また、Rは水素原子またはアルキル基を表す。
2官能のシラン化合物の具体例には、ジメトキシシラン、ジエトキシシラン、ジプロポキシシラン、ジペンチルオキシシラン、ジフェニルオキシシラン、メトキシエトキシシラン、メトキシプロポキシシラン、メトキシペンチルオキシシラン、メトキシフェニルオキシシラン、エトキシプロポキシシラン、エトキシペンチルオキシシラン、エトキシフェニルオキシシラン、メチルジメトキシシラン、メチルメトキシエトキシシラン、メチルジエトキシシラン、メチルメトキシプロポキシシラン、メチルメトキシペンチルオキシシラン、メチルメトキシフェニルオキシシラン、エチルジプロポキシシラン、エチルメトキシプロポキシシラン、エチルジペンチルオキシシラン、エチルジフェニルオキシシラン、プロピルジメトキシシラン、プロピルメトキシエトキシシラン、プロピルエトキシプロポキシシラン、プロピルジエトキシシラン、プロピルジペンチルオキシシラン、プロピルジフェニルオキシシラン、ブチルジメトキシシラン、ブチルメトキシエトキシシラン、ブチルジエトキシシラン、ブチルエトキシプロポキシシシラン、ブチルジプロポキシシラン、ブチルメチルジペンチルオキシシラン、ブチルメチルジフェニルオキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルメトキシエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジメチルジペンチルオキシシラン、ジメチルジフェニルオキシシラン、ジメチルエトキシプロポキシシラン、ジメチルジプロポキシシラン、ジエチルジメトキシシラン、ジエチルメトキシプロポキシシラン、ジエチルジエトキシシラン、ジエチルエトキシプロポキシシラン、ジプロピルジメトキシシラン、ジプロピルジエトキシシラン、ジプロピルジペンチルオキシシラン、ジプロピルジフェニルオキシシラン、ジブチルジメトキシシラン、ジブチルジエトキシシラン、ジブチルジプロポキシシラン、ジブチルメトキシペンチルオキシシラン、ジブチルメトキシフェニルオキシシラン、メチルエチルジメトキシシラン、メチルエチルジエトキシシラン、メチルエチルジプロポキシシラン、メチルエチルジペンチルオキシシラン、メチルエチルジフェニルオキシシラン、メチルプロピルジメトキシシラン、メチルプロピルジエトキシシラン、メチルブチルジメトキシシラン、メチルブチルジエトキシシラン、メチルブチルジプロポキシシラン、メチルエチルエトキシプロポキシシラン、エチルプロピルジメトキシシラン、エチルプロピルメトキシエトキシシラン、ジプロピルジメトキシシラン、ジプロピルメトキシエトキシシラン、プロピルブチルジメトキシシラン、プロピルブチルジエトキシシラン、ジブチルメトキシエトキシシラン、ジブチルメトキシプロポキシシラン、ジブチルエトキシプロポキシシラン等が含まれる。これらの中でもジメトキシシラン、ジエトキシシラン、メチルジメトキシシラン、メチルジエトキシシランが好ましい。
ポリシロキサンは、上記シラン化合物のモノマーまたはそのオリゴマーを、必要に応じて酸触媒、水、及び溶媒の存在下、加熱処理すること等で得られる。
(3-2)光拡散粒子
反射層に含まれる光拡散粒子は、光拡散性の高い無機粒子であれば、特に制限されない。光拡散粒子の全反射率は、80%以上であることが好ましく、さらに好ましくは90%以上である。全反射率は日立ハイテク社製、日立分光光度計U4100により測定できる。
光拡散粒子でありうる無機粒子の例には、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸バリウム(BaTiO)、硫酸バリウム(BaSO)、二酸化チタン(TiO)、窒化ホウ素(BrN)、酸化マグネシウム(MgO)、炭酸カルシウム(CaCO)、酸化アルミニウム(Al)、硫酸バリウム(BaO)、酸化ジルコニウム(ZrO)等が含まれる。好ましい光拡散粒子の例には、酸化チタン、硫酸バリウム、チタン酸バリウム、窒化ホウ素、酸化亜鉛、及び酸化アルミニウムからなる群から選ばれる1種以上が含まれる。これらの粒子は、全反射率が大きく、取り扱い易い。反射層21には、光拡散粒子が1種のみ含まれてもよく、また2種以上が含まれてもよい。
光拡散粒子の平均一次粒径は、100nmより大きく、20μm以下であることが好ましく、100nmより大きく10μm以下であることがより好ましく、さらに好ましくは200nm〜2.5μmである。本発明における平均一次粒径とは、レーザー回折式粒度分布計で測定されるD50の値をいう。レーザー回折式粒度分布測定装置の例には、島津製作所製のレーザー回折式粒度分布測定装置等がある。
反射層21に含まれる光拡散粒子の量は、反射層全質量に対して60〜95質量%であることが好ましく、70〜90質量%であることがより好ましい。光拡散粒子の量が60質量%未満であると、反射層の光反射性が十分とならず、光取り出し効率が高まらない場合がある。一方、光拡散粒子の含有量が95質量%を超えると、相対的にバインダの量が少なくなり、反射層の強度が低くなるおそれがある。
(3-3)金属酸化物微粒子
反射層21には、金属酸化物微粒子が含まれてもよい。反射層21に金属酸化物微粒子が含まれると、反射層21表面に微少な凹凸が生じる。この凹凸により、反射層21と波長変換層11との間に、アンカー効果が生じ、反射層21と波長変換層11との密着性が高まる。また、反射層21に含まれる光拡散粒子同士の隙間が埋まるため、反射層21の強度が高まり、反射層21にクラックが生じ難くなる。
金属酸化物微粒子の種類は、特に制限されないが、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化セリウム、酸化ニオブ、及び酸化亜鉛の群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。特に、膜強度が高くなるとの観点から、酸化ジルコニウム微粒子が含まれることが好ましい。反射層21には、金属酸化物微粒子が1種のみ含まれてもよく、2種以上が含まれてもよい。
金属酸化物微粒子は、表面がシランカップリング剤やチタンカップリング剤で処理されたものであってもよい。金属酸化物微粒子の表面が処理されていると、金属酸化物微粒子が反射層21中に均一に分散されやすくなる。
金属酸化物微粒子の平均一次粒径は5〜100nmであり、好ましくは5〜80nm、より好ましくは5〜50nmである。金属酸化物微粒子の平均一次粒径が100nm以下であると、光拡散粒子同士の隙間に金属酸化物微粒子が入り込みやすくなり、反射層の強度が高まりやすい。また、金属酸化物微粒子の平均一次粒径が5nm以上であると、反射層21表面に適度な凹凸が形成されやすく、前述のアンカー効果が得られやすい。
反射層21に含まれる金属酸化物微粒子の量は、反射層全質量に対して、0.5〜30質量%であることが好ましく、より好ましくは0.5〜20質量%であり、さらに好ましくは1〜10質量%であり、特に好ましくは2〜10質量%である。金属酸化物微粒子の含有量が0.5質量%未満であると、反射層21と波長変換層11との界面におけるアンカー効果や、膜の強度が十分に高まらない。一方、金属酸化物微粒子の含有量が30質量%を超えると、相対的にバインダの量が少なくなり、膜強度が低下するおそれがある。
(3-4)金属アルコキシドまたは金属キレートの硬化物
反射層21には、Si元素以外の2価以上の金属元素の金属アルコキシドまたは金属キレートの硬化物が含まれてもよい。反射層21に金属アルコキシドまたは金属キレートの硬化物が含まれると、反射層21と基板1との密着性が高まる。金属アルコキシドまたは金属キレートに含まれる金属が、基板1の表面の水酸基と、メタロキサン結合を形成するため、反射層21と基板1との密着性が高まる。
反射層21に含まれる、金属アルコキシドまたは金属キレート由来の金属元素(Si元素を除く)の量は、反射層21に含まれるSi元素のモル数に対して、0.5〜20モル%であることが好ましく、より好ましくは1〜10モル%である。金属元素の量が、0.5モル%未満であると、反射層21と基板1との密着性が高まらない。一方、金属アルコキシドまたは金属キレートの硬化物量が多くなると光拡散粒子の量が相対的に減少するため、反射層の光反射性が低下するおそれがある。金属元素の量、及びSi元素の量は、エネルギー分散型X線分光法(EDX)で算出できる。
金属アルコキシドまたは金属キレートに含まれる金属元素の種類は、2価以上の金属元素(Siを除く)であれば特に制限されないが、4族または13族の元素であることが好ましい。すなわち、金属アルコキシドまたは金属キレートは、具体的には、下記の一般式(V)で表される化合物であることが好ましい。
m+m−n (V)
一般式(V)中、Mは4族または13族の金属元素を表し、mはMの価数(3または4)を表す。Xは加水分解性基を表し、nはX基の数(2以上4以下の整数)を表す。ただし、m≧nである。Yは1価の有機基を表す。
一般式(V)において、Mで表される4族または13族の金属元素は、アルミニウム、ジルコニウム、チタンであることが好ましく、ジルコニウムであることが特に好ましい。ジルコニウム元素を含むアルコキシドまたはキレートの硬化物は、一般的なLED素子2の発光波長域(特に青色光(波長420〜485nm))に吸収波長を有さない。そのためジルコニウムのアルコキシドまたはキレートの硬化物に、LED素子2からの光等が吸収され難い。
一般式(V)において、Xで表される加水分解性基は、水で加水分解され、水酸基を生成する基でありうる。加水分解性基の好ましい例には、炭素数が1〜5の低級アルコキシ基、アセトキシ基、ブタノキシム基、クロル基等が含まれる。一般式(V)において、Xで表される基は、全て同一の基であってもよく、異なる基であってもよい。
Xで表される加水分解性基は、前述のように、金属元素が基板1の表面の水酸基等とメタロキサン結合を形成する際に、加水分解される。そのため加水分解後に生成される化合物が中性であり、かつ軽沸である基が好ましい。そこで、Xで表される基は、炭素数1〜5の低級アルコキシ基であることが好ましく、より好ましくはメトキシ基、またはエトキシ基である。
一般式(V)において、Yで表される1価の有機基は、一般的なシランカップリング剤に含まれる1価の有機基でありうる。具体的には、炭素数が1〜1000、好ましくは500以下、より好ましくは100以下、さらに好ましくは40以下、特に好ましくは6以下である脂肪族基、脂環族基、芳香族基、脂環芳香族基でありうる。Yで表される有機基は、脂肪族基、脂環族基、芳香族基、及び脂環芳香族基が連結基を介して結合した基であってもよい。連結基は、O、N、S等の原子またはこれらを含む原子団であってもよい。
Yで表される有機基は、置換基を有してもよい。置換基の例には、F、Cl、Br、I等のハロゲン原子;ビニル基、メタクリロキシ基、アクリロキシ基、スチリル基、メルカプト基、エポキシ基、エポキシシクロヘキシル基、グリシドキシ基、アミノ基、シアノ基、ニトロ基、スルホン酸基、カルボキシ基、ヒドロキシ基、アシル基、アルコキシ基、イミノ基、フェニル基等の有機基が含まれる。
一般式(V)で表される、アルミニウム元素を含む金属アルコキシドまたは金属キレートの具体例には、アルミニウムトリイソプロポキシド、アルミニウムトリn−ブトキシド、アルミニウムトリt−ブトシキド、アルミニウムトリエトキシド等が含まれる。
一般式(V)で表される、ジルコニウム元素を含む金属アルコキシドまたは金属キレートの具体例には、ジルコニウムテトラメトキシド、ジルコニウムテトラエトキシド、ジルコニウムテトラn−プロポキシド、ジルコニウムテトラi−プロポキシド、ジルコニウムテトラn−ブトキシド、ジルコニウムテトラi−ブトキシド、ジルコニウムテトラt−ブトキシド、ジルコニウムジメタクリレートジブトキシド、ジブトキシジルコニウムビス(エチルアセトアセテート)等が含まれる。
一般式(V)で表されるチタン元素を含む金属アルコキシドまたは金属キレートの具体例には、チタンテトライソプロポキシド、チタンテトラn−ブトキシド、チタンテトラi−ブトキシド、チタンメタクリレートトリイソプロポキシド、チタンテトラメトキシプロポキシド、チタンテトラn−プロポキシド、チタンテトラエトキシド、チタンラクテート、チタニウムビス(エチルヘキソキシ)ビス(2−エチル−3−ヒドロキシヘキソキシド)、チタンアセチルアセトネート等が含まれる。
ただし、上記で例示した金属アルコキシドまたは金属キレートは、入手容易な市販の有機金属アルコキシドまたは金属キレートの一部である。科学技術総合研究所発行の「カップリング剤最適利用技術」9章のカップリング剤及び関連製品一覧表に示される金属アルコキシドまたは金属キレートの硬化物も、本発明に適用される。
(4)波長変換層について
本発明のLED装置100には、蛍光体粒子が透明樹脂に分散された波長変換層11が形成されていてもよい。波長変換層11は、通常、LED素子2及び反射層21を覆うように形成される。波長変換層11は、LED素子2が出射する光(励起光)を受けて、蛍光を発する。励起光と蛍光とが混ざることで、LED装置100からの光の色が所望の色となる。例えば、LED素子2からの光が青色であり、波長変換層11に含まれる蛍光体が発する蛍光が黄色であると、LED装置100からの光が白色となる。
波長変換層11に含まれる透明樹脂は、特に制限されず、例えばシリコーン樹脂及びエポキシ樹脂等でありうる。
波長変換層11に含まれる蛍光体粒子は、LED素子2から出射する光により励起されて、LED素子2からの出射光と異なる波長の蛍光を発するものであればよい。例えば、黄色の蛍光を発する蛍光体粒子の例には、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)蛍光体等がある。YAG蛍光体は、青色LED素子から出射される青色光(波長420nm〜485nm)を受けて、黄色の蛍光(波長550nm〜650nm)を発する。
蛍光体粒子は、例えば1)所定の組成を有する混合原料に、フラックス(フッ化アンモニウム等のフッ化物)を適量混合して加圧し、これを成形体とする。2)得られた成形体を坩堝に詰め、空気中で1350〜1450℃の温度範囲で、2〜5時間焼成し、焼結体とすることで得られる。
所定の組成を有する混合原料は、Y、Gd、Ce、Sm、Al、La、Ga等の酸化物、または高温で容易に酸化物となる化合物を、化学両論比で十分に混合して得られる。また、所定の組成を有する混合原料は、1)Y、Gd、Ce、Smの希土類元素を化学両論比で酸に溶解した溶液と、シュウ酸とを混合し、共沈酸化物を得る。2)この共沈酸化物と、酸化アルミニウム、または酸化ガリウムとを混合しても得られる。
蛍光体の種類は、YAG蛍光体に限定されるものではなく、例えばCeを含まない非ガーネット系蛍光体等、他の蛍光体であってもよい。
蛍光体粒子の平均粒径は1μm〜50μmであることが好ましく、10μm以下であることがより好ましい。蛍光体粒子の粒径が大きいほど発光効率(波長変換効率)は高くなる。一方、蛍光体粒子の粒径が大きすぎると、蛍光体粒子と透明樹脂(エポキシ樹脂やシリコーン樹脂)との界面に生じる隙間が大きくなる。これにより、波長変換層の硬化膜の強度が低下したり、LED装置の外部から、LED素子2側にガスが侵入しやすくなる。蛍光体粒子の平均粒径は、例えばコールターカウンター法によって測定することができる。
波長変換層11中に含まれる蛍光体粒子の量は、波長変換層の固形分全質量に対して、一般には5〜15質量%である。波長変換層の厚みは、一般には25μm〜5mmである。
波長変換層11は、透明樹脂に蛍光体粒子を分散させた波長変換層形成用組成物を準備し、これをディスペンサ等で、LED素子2、及び反射層21上に塗布する。その後、この波長変換層形成用組成物を硬化させることで得られる。
2.LED装置の製造方法
本発明のLED装置の製造方法には、(1)LED素子2を実装してから、反射層21を形成する第1の態様(例えば、図1〜図3、及び図8に示されるLED装置を製造する方法)と、(2)LED素子2を実装する前に、反射層21を形成する第2の態様(例えば、図4に示されるLED装置を製造する方法)が含まれる。
(1)第1の態様
LED素子2を実装してから、反射層21を形成する場合、LED装置の製造方法には、以下の3工程が含まれる。
1)基板にLED素子を実装する工程
2)基板上に反射層形成用組成物を塗布し、硬化させる工程
3)反射層及びLED素子を覆うように、波長変換層を形成する工程
本態様では、基板1にLED素子2を実装してから、反射層21を形成する。そのため、LED素子2の発光面上に反射層形成用組成物が付着しないように、反射層形成用組成物を塗布する。このとき、LED素子の発光面だけでなく、基板1のメタル部領域も避けて、反射層形成用組成物を塗布してもよい。
・1)工程
基板1に配設されたメタル部(金属電極部)3と、LED素子2とを接続し、基板1上にLED素子2を固定する。LED素子2とメタル部(金属電極部)3とは、図1に示されるように、配線4を介して接続してもよく、図2に示されるように、突起電極5を介して接続してもよい。
・2)工程
1)工程で実装されたLED素子2の発光面やメタル部3,3’の表面に反射層形成用組成物が付着しないように、反射層形成用組成物を塗布し、硬化させる。反射層形成用組成物の塗布・硬化方法には、以下の2つの方法がある。
(i)LED素子2の発光面やメタル部3,3’を保護しながら、基板1上に反射層形成用組成物を塗布し、硬化させる方法
(ii)LED素子2の発光面やメタル部3,3’を保護せずに、所望の領域にのみ反射層形成用組成物を塗布し、硬化させる方法
上記いずれの方法においても基板1に塗布する反射層形成用組成物には、前述のセラミックバインダの前駆体(有機ケイ素化合物)、光拡散粒子、金属酸化物微粒子、金属アルコキシドまたは金属キレート、溶媒等が含まれる。
(i)の方法では、反射層を形成しない領域;つまりLED素子2の発光面やメタル部3,3’等を保護する。保護方法は、特に制限されず;例えば図5に示されるように、板状マスク41でLED素子2の発光面やメタル部3,3’を覆ってもよい。またLED素子2やメタル部3,3’を覆うように、基板1上にキャップを配置してもよい。
マスク等で所望の領域を保護した後、基板1上に反射層形成用組成物を塗布する。反射層形成用組成物を塗布する手段は特に制限されず、例えばディスペンサー塗布法や、スプレー塗布法でありうる。塗布手段がスプレー塗布であると、薄い厚みで反射層21を形成可能である。また基板1がキャビティを有する場合に、そのキャビティ内壁面6に反射層形成用組成物を塗布しやすい。
基板1に反射層形成用組成物を塗布した後、反射層形成用組成物を乾燥・硬化させる。反射層形成用組成物を乾燥・硬化させる際の温度は、20〜200℃であることが好ましく、より好ましくは25〜150℃である。温度が20℃未満であると、溶媒が十分に揮発しない可能性がある。一方、温度が200℃を超えると、LED素子2に悪影響を及ぼす可能性がある。また、乾燥・硬化時間は、製造効率の面から、0.1〜30分であることが好ましく、より好ましくは0.1〜15分である。有機ケイ素化合物がポリシラザンオリゴマーである場合には、波長170〜230nmの範囲のVUV放射線(例えばエキシマ光)を塗膜に照射して硬化させた後に、さらに加熱硬化を行うことで、より緻密な膜が形成される。反射層形成用組成物の硬化後、板状マスク41やキャップを除去する。
(ii)の方法では、LED素子2の発光面やメタル部3,3’を保護せずに、所望の領域にのみ反射層形成用組成物を塗布する。反射層形成用組成物の塗布手段は、特に制限されず、例えばディスペンサー塗布法や、インクジェット塗布法でありうる。そして、反射層形成用組成物の塗布後、(i)の方法と同様に、反射層形成用組成物を乾燥・硬化させる。
反射層形成用組成物に含まれる有機ケイ素化合物が、ポリシラザンオリゴマーである場合、反射層形成用組成物におけるポリシラザンオリゴマーの濃度は高い方が好ましい。ただし、これらの濃度が高すぎると反射層形成用組成物の保存安定性が低下する。そのため、ポリシラザンオリゴマーの量は、反射層形成用組成物の全質量に対して5〜50質量%であることが好ましい。
また、反射層形成用組成物に含まれる有機ケイ素化合物がシラン化合物のモノマーまたはそのオリゴマーである場合、反射層形成用組成物に含まれるシラン化合物のモノマーまたはそのオリゴマーの量も、反射層形成用組成物の全質量に対して5〜50質量%であることが好ましい。なお、シラン化合物のオリゴマーの調製方法については、後述する。
反射層形成用組成物に含まれる光拡散粒子の量は、反射層形成用組成物の固形分全質量に対して、60〜95質量%であり、さらに好ましくは70〜90質量%である。光拡散粒子の量が60質量%未満であると、得られる反射層21の光反射性が不十分となる場合がある。一方、光拡散粒子の量が95質量%を超えると、得られる反射層21において、バインダ量が相対的に少なくなり、反射層21の強度が低くなる場合がある。
反射層形成用組成物に含まれる金属酸化物微粒子の量は、反射層形成用組成物の固形分全質量に対して、0.5〜30質量%であることが好ましく、より好ましくは0.5〜20質量%であり、さらに好ましくは1〜10質量%である。金属酸化物微粒子の量が30質量%を超えると、得られる反射層21において、バインダ量が相対的に少なくなり、反射層21の強度が低くなる場合がある。
反射層形成用組成物に含まれる金属アルコキシドまたは金属キレートの量は、反射層形成用組成物の固形分全質量に対して1〜30質量%であることが好ましく、より好ましくは1.5〜20質量%、さらに好ましくは1.5〜15質量%である。金属アルコキシドまたは金属キレートの量が1質量%未満であると、得られる反射層21と基板1との密着性が高まり難い。一方、金属アルコキシドまたは金属キレートの硬化物の量が30質量%を超えると、得られる反射層21において、相対的にバインダ成分の量が低下し、強度が低下する場合がある。
反射層形成用組成物に含まれる溶媒は、有機ケイ素化合物を溶解または分散可能なものであれば特に制限はない。例えば水との相溶性に優れた水性溶剤であってもよく、また、水との相溶性が低い非水性溶剤であってもよい。
反射層形成用組成物に含まれる有機ケイ素化合物が、ポリシラザンオリゴマーである場合、溶媒は脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、ハロゲン炭化水素、エーテル類、エステル類でありうる。具体的には、メチルエチルケトン、テトラヒドロフラン、ベンゼン、トルエン、キシレン、ジメチルフルオライド、クロロホルム、四塩化炭素、エチルエーテル、イソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、エチルブチルエーテル等が挙げられる。
一方、反射層形成用組成物に含まれる有機ケイ素化合物がシラン化合物のモノマーまたはそのオリゴマーである場合、溶媒は特に制限されないが、アルコール類が好ましく、特に多価アルコールが好ましい。反射層形成用組成物にアルコールが含まれると、反射層形成用組成物の粘度が高まり、光拡散粒子の沈殿が抑制される。多価アルコールの例には、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール等が含まれ、特にエチレングリコール、プロピレングリコール、1,3−ブタンジオール、または1,4−ブタンジオールであることが好ましい。
反射層形成用組成物に含まれる有機ケイ素化合物がいずれである場合においても、反射層形成用組成物に含まれる溶媒は、沸点が250℃以下であることが好ましい。溶媒の沸点が高すぎると、溶媒の蒸発が遅くなる。
反射層形成用組成物に含まれる溶媒の含有量は、反射層形成用組成物の全質量に対して、1〜15質量%であることが好ましく、より好ましくは1〜10質量%であり、さらに好ましくは3〜10質量%である。
反射層形成用組成物には、有機ケイ素化合物(特にポリシラザンオリゴマー)と共に、反応促進剤が含まれてもよい。反応促進剤は、酸または塩基のいずれであってもよい。反応促進剤の例には、トリエチルアミン、ジエチルアミン、N,N−ジエチルエタノールアミン、N,N−ジメチルエタノールアミン、トリエタノールアミン、及びトリエチルアミン等のアミン;塩酸、シュウ酸、フマル酸、スルホン酸、及び酢酸等の酸;ニッケル、鉄、パラジウム、イリジウム、白金、チタン、アルミニウムを含む金属カルボン酸塩等が含まれる。反応促進剤は、金属カルボン酸塩であることが、特に好ましい。反応促進剤の添加量は、ポリシラザンオリゴマーの質量に対して0.01〜5mol%であることが好ましい。
図6に、反射層形成用組成物を塗布するためのスプレー装置の概略を示す。図6に示す塗布装置200において、反射層形成用組成物220は、塗布液タンク210に供給される。この塗布液タンク210内の反射層形成用組成物220は、圧力をかけられて、連結管230を通じてヘッド240に供給される。ヘッド240に供給された反射層形成用組成物220は、ノズル250から吐出されて、基板1上に塗布される。ノズル250からの反射層形成用組成物220の吐出は、風圧によって行われる。ノズル250の先端に開閉自在な開口部を設けて、この開口部を開閉操作して、吐出作業のオン・オフを制御する構成としてもよい。
上記スプレー装置による反射層形成用組成物の塗布時には、下記(1)〜(6)の操作や条件設定などを行うことが好ましい。
(1)ノズル250の先端部を基板1の直上に配置して反射層形成用組成物220を基板1の真上から噴射する。基板1がキャビティを有する場合には、斜め上方から反射層形成用組成物220を噴射し、噴射後の反射層形成用組成物270をキャビティ内壁面に付着させてもよい。また、反射層形成用組成物220の噴射は、基板1とノズル250とを相対的に移動させながら行ってもよい。
(2)反射層形成用組成物220の噴射量を、組成物の粘度や、反射層の厚みに応じて制御する。同一の条件で塗布をする限り、噴射量を一定とし、単位面積当たりの塗布量を一定とする。反射層形成用組成物220の噴射量の経時的なバラツキは10%以内とし、好ましくは1%以内とする。反射層形成用組成物220の噴射量は、基板1に対するノズル250の相対移動速度と、ノズル250からの噴射圧力などで調整する。一般的には、反射層形成用組成物220の粘度が高い場合に、ノズル250の相対移動速度を遅くして、かつ噴射圧力を高く設定する。ノズルの相対移動速度は通常は約30mm/s〜200mm/sであり;噴射圧力は通常は約0.01MPa〜0.2MPaである。
(3)必要に応じて、ノズル250の温度を調整し、反射層形成用組成物220の噴射時の粘度を調整する。
(4)必要に応じて、基板1の温度調整をする。基板1の温度調整機構は、基板1を載置する移動台(図示せず)に設置することができる。基板1の温度を30〜100℃とすると、反射層形成用組成物220中の有機溶媒を早く揮発させることができ、反射層形成用組成物220が基板1から液だれすることを抑制できる。
(5)塗布装置220の環境雰囲気(温度・湿度)を一定とし、反射層形成用組成物220の噴射を安定させる。特に、反射層形成用組成物200が、ポリシラザンオリゴマーを含む場合、ポリシラザンオリゴマーが吸湿して反射層形成用組成物220自体が固化するおそれがある。そのため、反射層形成用組成物220を噴射する際の湿度を低くすることが好ましい。
(6)反射層形成用組成物220の噴射・塗布作業中に、ノズル250をクリーニングしてもよい。この場合、塗布装置200の近傍に、洗浄液を貯留したクリーニングタンクを設置する。反射層形成用組成物220の噴射の休止中等に、ノズル250の先端部をクリーニングタンク中に浸漬させ、ノズル250の先端部の乾燥を防ぐ。また、噴射・塗布作業の休止中には、反射層形成用組成物220が硬化してノズル250の噴射孔がつまる恐れがある。そのため、ノズル250をクリーニングタンク中に浸漬させるか、噴射・塗布作業の開始時にノズル250をクリーニングすることが好ましい。
(シラン化合物のオリゴマーの調製方法)
前述の反射層形成用組成物に含まれるシラン化合物のオリゴマー(ポリシロキサンオリゴマー)は、以下の方法で調製できる。シラン化合物のモノマーを、酸触媒、水、有機溶媒の存在下で加水分解し、縮合反応させる。シラン化合物のオリゴマーの質量平均分子量は、反応条件(特に反応時間)等で調整する。
反射層形成用組成物に含まれるシラン化合物のオリゴマーの質量平均分子量は、好ましくは1000〜3000であり、より好ましくは1200〜2700であり、さらに好ましくは1500〜2000である。反射層形成用組成物に含まれるシラン化合物のオリゴマーの質量平均分子量が1000未満であると、反射層形成用組成物の粘度が低くなり、反射層形成時に、液はじき等が生じやすくなる。一方、反射層形成用組成物に含まれるシラン化合物のオリゴマーの質量平均分子量が3000を超えると、反射層形成用組成物の粘度が高くなり、均一な膜形成が困難となる場合がある。質量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィーで測定される値(ポリスチレン換算)である。
シラン化合物のオリゴマー調製用の酸触媒は、シラン化合物の加水分解時に触媒として作用するものであればよく、有機酸または無機酸のいずれであってもよい。無機酸の例には、硫酸、リン酸、硝酸、塩酸等が含まれ、リン酸及び硝酸が特に好ましい。また、有機酸の例には、ギ酸、シュウ酸、フマル酸、マレイン酸、氷酢酸、無水酢酸、プロピオン酸、及びn−酪酸など、カルボン酸残基を有する化合物;有機スルホン酸、及び有機スルホン酸のエステル化物(有機硫酸エステル、有機亜硫酸エステル)など、硫黄含有酸残基を有する化合物が含まれる。
シラン化合物のオリゴマー調製用の酸触媒は、下記一般式(VI)で表わされる有機スルホン酸であることが特に好ましい。
−SOH …(VI)
上記一般式(VI)において、R9で表される炭化水素基は、直鎖状、分岐鎖状、環状の飽和もしくは不飽和の炭素数1〜20の炭化水素基である。環状の炭化水素基の例には、フェニル基、ナフチル基、またはアントリル基等の芳香族炭化水素基が含まれ、好ましくはフェニル基である。また、一般式(VI)においてR9で表される炭化水素基は、置換基を有してもよい。置換基の例には、直鎖状、分岐鎖状、または環状の、炭素数1〜20の飽和若しくは不飽和の炭化水素基;フッ素原子等のハロゲン原子;スルホン酸基;カルボキシル基;水酸基;アミノ基;シアノ基等が含まれる。
上記一般式(VI)で表わされる有機スルホン酸は、特にノナフルオロブタンスルホン酸、メタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、またはドデシルベンゼンスルホン酸であることが好ましい。
シラン化合物のオリゴマー調製時に添加する酸触媒の量は、オリゴマー調製液全量に対して1〜1000質量ppmであることが好ましく、より好ましくは5〜800質量ppmである。
シラン化合物のオリゴマー調製時に添加する水の量によって、得られるポリシロキサンの膜質が変化する。したがって、目的とする膜質に応じて、オリゴマー調製時の水添加率を調整することが好ましい。水添加率とは、オリゴマー調製液に含まれるシラン化合物のアルコキシ基またはアリールオキシ基のモル数に対する、添加する水分子のモル数の割合(%)である。水添加率は、50〜200%であることが好ましく、より好ましくは75〜180%である。水添加率を、50%以上とすることで、反射層の膜質が安定する。また200%以下とすることで反射層形成用組成物の保存安定性が良好となる。
シラン化合物のオリゴマー調製時に添加する溶媒の例には、メタノール、エタノール、プロパノール、n−ブタノール等の一価アルコール;メチル−3−メトキシプロピオネート、エチル−3−エトキシプロピオネート等のアルキルカルボン酸エステル;エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ヘキサントリオール等の多価アルコール;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノプロピルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテル等の多価アルコールのモノエーテル類、あるいはこれらのモノアセテート類;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル類;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソアミルケトン等のケトン類;エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジプロピルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル等の多価アルコールの水酸基をすべてアルキルエーテル化した多価アルコールエーテル類;等が含まれる。これらは1種単独で添加してもよく、また2種以上を添加してもよい。
・3)工程について
反射層21及びLED素子2を覆うように、波長変換層11を形成する。波長変換層11は、透明樹脂もしくはその前駆体と、蛍光体粒子とを含有する波長変換層形成用組成物を調製し、これをLED素子2及び反射層21を被覆するように塗布し、硬化させることで得られる。
波長変換層形成用組成物には、透明樹脂もしくはその前駆体と、蛍光体粒子とが含まれる。必要に応じて溶媒や各種添加剤等が含まれてもよい。溶媒は、上記透明樹脂またはその前駆体を溶解させることが可能なものであれば、特に制限はなく、例えばトルエン、キシレンなどの炭化水素類;アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン類;ジエチルエーテル、テトラヒドロフランなどのエーテル類、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチルアセテートなどのエステル類等でありうる。
波長変換層形成用組成物の混合は、例えば、撹拌ミル、ブレード混練撹拌装置、薄膜旋回型分散機等で行うことができる。撹拌条件を調整することで、波長変換層形成用組成物における蛍光体粒子の沈降を抑制することができる。
波長変換層形成用組成物の塗布方法は、特に制限はない。例えばディスペンサ等の一般的な塗布装置により波長変換層形成用組成物を塗布することができる。また、波長変換層形成用組成物の硬化方法や硬化条件は、透明樹脂の種類により適宜選択する。硬化方法の一例として、加熱硬化が挙げられる。
(2)第2の態様
LED素子2を実装する前に、反射層21を形成する場合、LED装置の製造方法には以下の3工程が含まれる。
1)基板の所望の領域に、反射層形成用組成物を塗布し、硬化させる工程
2)基板にLED素子を実装する工程
3)反射層及びLED素子を覆うように、波長変換層を形成する工程
本態様では、基板1上に反射層21を形成してから、LED素子2を実装する。そのため、メタル部(金属電極部)3とLED素子2との接続領域には、反射層形成用組成物が付着しないように、反射層形成用組成物を塗布する。このとき、メタル部3,3’の全領域に反射層形成用組成物が付着しないように、反射層形成用組成物を塗布してもよい。
・1)工程
基板1の所望の領域のみに反射層を形成する方法には、以下の3つの方法がある。
(i)メタル部3,3’の一部領域、もしくは全領域を保護しながら、基板1上に反射層形成用組成物を塗布し、硬化させる方法
(ii)メタル部3,3’を保護せずに、所望の領域にのみ反射層形成用組成物を塗布し、硬化させる方法
(iii)金型を用いて、所望の領域にのみ反射層形成用組成物を付着させ、硬化させる方法
(i)の方法では、反射層を形成しない領域;つまりメタル部3,3’の一部領域、もしくはメタル部3,3’の全領域を保護する。保護方法は特に制限されず;例えば図7に示されるように、保護する領域(図7では、メタル部(金属電極部)3とLED素子2との接続領域8の上部)に板状マスク41を配置してもよい。また、基板1上にメタル部3,3’の一部または全部を保護するキャップを配置してもよい。さらに、メタル部3,3’上にレジストマスクを形成してもよい。
レジストマスクの形成方法を図10(a)及び(b)に示す。まず、メタル部3,3’を有する基板1上にレジスト材料51を塗布する(図10(a))。その後、反射層を形成する部分のレジスト材料51を除去して、反射層を形成しない領域を保護するレジストマスク51’を得る(図10(b))。
レジスト材料51の塗布方法は特に制限されず、例えばスプレー塗布法やディスペンサー塗布法等でありうる。また基板1が平板状であれば、レジスト材料51の塗布をスクリーン印刷で行ってもよい。またレジスト材料51は特に制限されず、例えば一般的なナフトキノンジアジド化合物等のポジ型感光性材料やビスアジド化合物等のネガ型感光性材料等でありうる。一方、レジストの硬化方法は、レジスト材料の種類に応じて適宜選択され、特定波長の光の照射や、加熱処理等でありうる。レジスト材料の除去方法は、レジスト現像液等で溶解除去する方法等でありうる。
レジストマスク51の形成方法は、上記方法に限定されない。例えばディスペンサー塗布法やインクジェット法で、所望の領域にのみレジスト材料51を付着させて、レジストマスク51’を形成してもよい。また、レジストマスクを形成しない領域に板状マスクやキャップ等を配置してから、レジスト材料51を塗布してレジストマスク51’を形成してもよい。
また、レジスト材料の代わりに、ポリビニルアルコール等の水溶性樹脂を用い、マスクを形成してもよい。この場合、水溶性樹脂を、反射層を形成しない部分に水溶性樹脂を塗布して乾燥させる。水溶性樹脂の塗布方法は特に制限されず、例えばディスペンサー塗布法や、インクジェット法等でありうる。また基板1が平板状であれば、スクリーン印刷法でもありうる。
レジストマスク51’等で所望の領域を保護した後、例えば図10(c)に示すように、基板1上に反射層形成用組成物21’を塗布する。反射層形成用組成物21’の塗布手段は特に制限されず、例えばディスペンサー塗布法や、スプレー塗布法でありうる。塗布手段がスプレー塗布であると、薄い厚みで反射層21を形成可能である。また基板1がキャビティを有する場合に、そのキャビティ内壁面6に反射層形成用組成物を塗布しやすい。反射層形成用組成物の組成は、第1の態様と同様でありうる。
基板1に反射層形成用組成物21’を塗布した後、反射層形成用組成物を乾燥・硬化させる。反射層形成用組成物の乾燥・硬化方法は第1の態様と同様でありうる。反射層形成用組成物の硬化後、マスクやキャップを除去することで、所望の領域のみに反射層21が形成される(図10(d))。マスクやキャップの除去方法は、その種類に応じて適宜選択される。例えば、板状マスク41やキャップは、これを除去すればよい。一方、レジストマスク51’は、エッチングにより除去すればよい。エッチング方法は一般的なドライエッチング法、またはウェットエッチング法等でありうる。また、ポリビニルアルコール等の水溶性樹脂は、水で溶解除去する方法等でありうる。
(ii)の方法では、反射層21を形成しない領域を保護せずに反射層形成用組成物を塗布する。反射層形成用組成物の塗布手段は、ディスペンサー塗布法や、インクジェット塗布法でありうる。基板1が平板状であれば、反射層形成用組成物の塗布を、スクリーン印刷法で行ってもよい。そして、反射層形成用組成物の塗布後、(i)の方法と同様に、反射層形成用組成物を乾燥・硬化させる。
(iii)の方法では、金型を用いて所望の領域にのみ反射層形成用組成物を付着させ、硬化させる。具体的には、反射層の形状を有する金型61を準備し、これを基板1上に配置する(図11(a))。そして、金型61内に反射層形成用組成物21’を注入し、反射層形成用組成物を乾燥・硬化させた後(図11(b))、金型61を取り外す(図(11(c))。なお、金型61の取り外し後、必要に応じて、反射層21の不要部分を削り、反射層21の形状を整えてもよい。反射層形成用組成物の乾燥・硬化温度や乾燥・硬化時間は(i)の方法と同様でありうる。
また、基板1のメタル部3,3’が基板1表面から突起している場合には、図12に示されるように、平板状の金型62を用いてもよい。具体的には、平板状の金型62を準備してメタル部3,3’上に配置する。そして、金型61と基板との間に反射層形成用組成物21’を注入し、反射層形成用組成物21’を乾燥・硬化させる。その後、金型61を取り外すことで所望の反射層21が得られる。
金型61及び62は耐溶剤性及び耐熱性を有するものであれば特に制限されず、樹脂、金属、セラミック、ゴム等、いずれの材質からなるものであってもよい。金型61には、離型剤が塗布されていることが好ましい。離型剤は、シリコーン系離型剤やフッ素化合物離型剤等でありうる。
・2)工程
1)工程で形成された反射層2上に、LED素子2を配置する。このとき、反射層2が形成されていない領域のメタル部(金属電極部)3と、LED素子2とを接続し、固定する。LED素子2とメタル部(金属電極部)3とは、図1に示されるように、配線4を介して接続してもよく、図2に示されるように、突起電極5を介して接続してもよい。
・3)工程
反射層21及びLED素子2を覆うように、波長変換層11を形成する。波長変換層11は、透明樹脂もしくはその前駆体と、蛍光体粒子とを含有する波長変換層形成用組成物を調製し、これをLEDチップ2及び反射層21を被覆するように塗布し、硬化させて得られる。波長変換層11の形成方法は、第1の態様の3)工程と同様でありうる。
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。しかしながら、本発明の範囲はこれによって何ら制限を受けない。
(1)パッケージの準備
図1に示される、キャビティを有する基板を準備した。基板は、ポリフタル酸アミド(PPA)樹脂からなるものとした。基板は、3.2mm×2.8mm×1.8mmの直方体に、開口径2.4mm、壁面角度45°、深さ0.85mmの円錐台状のキャビティが形成されたものとした。この基板に、LED素子を実装した。LED素子の外形は、305μm×330μm×100μmとした。また、LED素子のピーク波長は、475nmとした。
(2)波長変換層形成用組成物の準備
シリコーン樹脂(信越シリコーン社製、KER2600)と、黄色蛍光体(根本特殊化学製、YAG 450C205(体積平均粒径 粒径D50 20.5μm))とを混合し、波長変換層形成用組成物を調製した。波長変換層形成用組成物における黄色蛍光体の濃度は、5質量%とした。
(3)LED装置の作製
[比較例1]
前述のパッケージに、波長変換層形成用組成物をディスペンサーによりポッティングし、150℃で2時間静置し、波長変換層を形成した。
[比較例2]
一液型のカチオン硬化型エポキシ樹脂(ファインポリマーズ社製、EpiFine)1g、酸化チタン(石原産業製 タイベークR−820)1g、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート0.25g、及び酸化ケイ素(日本アエロジル社製 アエロジル380)0.05gを混合し、反射層形成用組成物を調製した。
スプレー装置の移動台上に、前述のパッケージを載置した。パッケージ内のLED素子の発光面を、図5に示されるマスク41で保護しながら、基板に反射層形成用組成物をスプレー塗布した。このとき、反射層形成用組成物の吐出圧力は、0.15MPaとした。また、ノズルが基板の一端から他端まで一往復するように、ノズルを移動させた。ノズルの移動速度は70mm/sとした。
反射層形成用組成物を塗布したパッケージを、40℃で1時間、100℃で1時間、さらに150℃で1時間静置し、エポキシ樹脂を硬化させた。その後、波長変換層形成用組成物をパッケージ内にディスペンサーにより、ポッティングし、比較例1と同様に波長変換層を形成した。
[実施例1]
ポリシラザンオリゴマー(ポリシラザン(AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製NN120−20質量%、ジブチルエーテル80質量%))7.0g中に、酸化チタン5.0g(富士チタン工業 TA−100 粒径600nm)を混合して反射層形成用組成物を調製した。この反射層形成用組成物を、比較例2と同様に、基板上に塗布した。このとき、反射層形成用組成物の吐出圧力は、0.1MPaとした。また、ノズルの移動速度は100mm/sとした。その後、150℃で1時間加熱して、反射層を形成した。反射層を形成したパッケージに、波長変換層形成用組成物をパッケージ内にディスペンサーにより、ポッティングし、比較例1と同様に波長変換層を形成した。
[実施例2]
テトラメトキシシラン3.25g、メタノール4.00g、及びアセトン4.00gを混合し、撹拌した。混合液に水5.46g及び濃度60質量%の硝酸水溶液4.7μLを加えた。この混合液をさらに3時間撹拌し、ポリシロキサンオリゴマー溶液を得た。続いてポリシロキサンオリゴマー溶液に、硫酸バリウム12.0g(堺化学工業 BF−10 粒径600nm)、及び1,3−ブタンジオール1gを混合して、反射層形成用組成物を調製した。
この反射層形成用組成物を、比較例2と同様に基板上に塗布した。このとき、反射層形成用組成物の吐出圧力は、0.1MPaとした。また、ノズルの移動速度は100mm/sとした。その後、150℃で1時間加熱して、反射層を形成した。反射層を形成したパッケージに、波長変換層形成用組成物をパッケージ内にディスペンサーにより、ポッティングし、比較例1と同様に波長変換層を形成した。
[実施例3]
テトラメトキシシラン3.25g、メタノール4.00g、及びアセトン4.00gを混合・撹拌した。混合液に水5.46g及び濃度60質量%の硝酸水溶液4.7μLを加えた。この混合液をさらに3時間撹拌し、ポリシロキサンオリゴマー溶液を得た。続いて前記ポリシロキサンオリゴマー溶液に、酸化チタン12.0g(富士チタン工業 TA−100 粒径600nm)、及び1,3−ブタンジオール1gを混合して反射層形成用組成物を調製した。
この反射層形成用組成物を、比較例2と同様に基板上に塗布した。このとき、反射層形成用組成物の吐出圧力は、0.1MPaとした。また、ノズルの移動速度は160mm/sとした。その後、150℃で1時間加熱して、反射層を形成した。反射層を形成したパッケージに、波長変換層形成用組成物をパッケージ内にディスペンサーにより、ポッティングし、比較例1と同様に波長変換層を形成した。
[実施例4]
実施例3と同様に、反射層形成用組成物を調製した。この反射層形成用組成物を、比較例2と同様に基板上に塗布した。このとき、反射層形成用組成物の吐出圧力は、0.1MPaとした。また、ノズルの移動速度は100mm/sとした。その後、150℃で1時間加熱して、反射層を形成した。反射層を形成したパッケージに、波長変換層形成用組成物をパッケージ内にディスペンサーにより、ポッティングし、比較例1と同様に波長変換層を形成した。
[実施例5]
実施例3と同様に、反射層形成用組成物を調製した。この反射層形成用組成物を、比較例2と同様に基板上に塗布した。このとき、反射層形成用組成物の吐出圧力は、0.1MPaとした。また、ノズルの移動速度は70mm/sとした。その後、150℃で1時間加熱して、反射層を形成した。反射層を形成したパッケージに、波長変換層形成用組成物をパッケージ内にディスペンサーにより、ポッティングし、比較例1と同様に波長変換層を形成した。
[実施例6]
メチルトリメトキシシラン0.89g、テトラメトキシシラン2.30g、メタノール4.00g、及びアセトン4.00gを混合・撹拌した。混合液に水5.46g及び濃度60質量%の硝酸水溶液4.7μLを加えた。この混合液をさらに3時間撹拌し、3官能成分:4官能成分(重合比)=3:7のポリシロキサンオリゴマーを含むポリシロキサンオリゴマー溶液を得た。続いて前記ポリシロキサンオリゴマー溶液に、酸化チタン12.0g(富士チタン工業 TA−100 粒径600nm)、及び1,3−ブタンジオール1gを混合して反射層形成用組成物を調製した。
この反射層形成用組成物を、比較例2と同様に基板上に塗布した。このとき、反射層形成用組成物の吐出圧力は、0.1MPaとした。また、ノズルの移動速度は100mm/sとした。その後、150℃で1時間加熱して、反射層を形成した。反射層を形成したパッケージに、波長変換層形成用組成物をパッケージ内にディスペンサーにより、ポッティングし、比較例1と同様に波長変換層を形成した。
[実施例7]
メチルトリメトキシシラン2.10g、テトラメトキシシラン0.98g、メタノール4.00g、及びアセトン4.00gを混合・撹拌した。混合液に水5.46g及び濃度60質量%の硝酸水溶液4.7μLを加えた。この混合液をさらに3時間撹拌し、3官能成分:4官能成分(重合比)=7:3のポリシロキサンオリゴマーを含むポリシロキサンオリゴマー溶液を得た。続いて前記ポリシロキサンオリゴマー溶液に、酸化チタン12.0g(富士チタン工業 TA−100 粒径600nm)、及び1,3−ブタンジオール1gを混合して反射層形成用組成物を調製した。
この反射層形成用組成物を、比較例2と同様に基板上に塗布した。このとき、反射層形成用組成物の吐出圧力は、0.1MPaとした。また、ノズルの移動速度は100mm/sとした。その後、150℃で1時間加熱して、反射層を形成した。反射層を形成したパッケージに、波長変換層形成用組成物をパッケージ内にディスペンサーにより、ポッティングし、比較例1と同様に波長変換層を形成した。
[実施例8]
メチルトリメトキシシラン2.40g、テトラメトキシシラン0.65g、メタノール4.00g、及びアセトン4.00gを混合・撹拌した。混合液に水5.46g及び濃度60質量%の硝酸水溶液4.7μLを加えた。この混合液をさらに3時間撹拌し、3官能成分:4官能成分(重合比)=8:2のポリシロキサンオリゴマーを含むポリシロキサンオリゴマー溶液を得た。続いて前記ポリシロキサンオリゴマー溶液に、酸化チタン12.0g(富士チタン工業 TA−100 粒径600nm)、及び1,3−ブタンジオール1gを混合して反射層形成用組成物を調製した。
この反射層形成用組成物を、比較例2と同様に基板上に塗布した。このとき、反射層形成用組成物の吐出圧力は、0.1MPaとした。また、ノズルの移動速度は100mm/sとした。その後、150℃で1時間加熱して、反射層を形成した。反射層を形成したパッケージに、波長変換層形成用組成物をパッケージ内にディスペンサーにより、ポッティングし、比較例1と同様に波長変換層を形成した。
[実施例9]
メチルトリメトキシシラン1.20g、テトラメトキシシラン1.95g、メタノール4.00g、及びアセトン4.00gを混合・撹拌した。混合液に水5.46g及び濃度60質量%の硝酸水溶液4.7μLを加えた。この混合液をさらに3時間撹拌し、3官能成分:4官能成分(重合比)=4:6のポリシロキサンオリゴマーを含むポリシロキサンオリゴマー溶液を得た。
続いて前記ポリシロキサンオリゴマー溶液に、平均一次粒径が5nmである酸化ジルコニウム(ZrO)の分散液(30質量%メタノール溶液 堺化学株式会社製)2.0g、酸化チタン12.0g(富士チタン工業 TA−100 粒径600nm)、及び1,3−ブタンジオール1gを混合して反射層形成用組成物を調製した。
この反射層形成用組成物を、比較例2と同様に基板上に塗布した。このとき、反射層形成用組成物の吐出圧力は、0.1MPaとした。また、ノズルの移動速度は100mm/sとした。その後、150℃で1時間加熱して、反射層を形成した。反射層を形成したパッケージに、波長変換層形成用組成物をパッケージ内にディスペンサーにより、ポッティングし、比較例1と同様に波長変換層を形成した。
[実施例10]
メチルトリメトキシシラン2.40g、テトラメトキシシラン3.90g、メタノール4.00g、及びアセトン4.00gを混合・撹拌した。混合液に水5.46g及び濃度60質量%の硝酸水溶液4.7μLを加えた。この混合液をさらに3時間撹拌し、3官能成分:4官能成分(重合比)=4:6のポリシロキサンオリゴマーを含むポリシロキサンオリゴマー溶液を得た。
続いて前記ポリシロキサンオリゴマー溶液に、安定化剤としてアセチルアセトン(関東化学社製)をポリシロキサンオリゴマー溶液の全量に対して10質量%添加した。さらにZrキレート溶液(ZC−580(マツモトファインケミカル社製))、平均一次粒径が5nmである酸化ジルコニウム(ZrO)分散液(30質量%メタノール溶液 堺化学株式会社製)3.0g、酸化チタン12.0g(富士チタン工業 TA−100 粒径600nm)、及び1,3−ブタンジオール1gを混合して反射層形成用組成物を調製した。Zrキレート溶液の添加量は、Zrキレートの量が、ポリシロキサンオリゴマー溶液、Zrキレート溶液、及び酸化ジルコニウム分散液の固形分の合計に対して10質量%となる量とした。
この反射層形成用組成物を、比較例2と同様に基板上に塗布した。このとき、反射層形成用組成物の吐出圧力は、0.1MPaとした。また、ノズルの移動速度は100mm/sとした。その後、150℃で1時間加熱して、反射層を形成した。反射層を形成したパッケージに、波長変換層形成用組成物をパッケージ内にディスペンサーにより、ポッティングし、比較例1と同様に波長変換層を形成した。
[実施例11]
メチルトリメトキシシラン2.40g、テトラメトキシシラン3.90g、メタノール4.00g、及びアセトン4.00gを混合・撹拌した。混合液に水5.46g及び濃度60質量%の硝酸水溶液4.7μLを加えた。この混合液をさらに3時間撹拌し、3官能成分:4官能成分(重合比)=4:6のポリシロキサンオリゴマーを含むポリシロキサンオリゴマー溶液を得た。続いて前記ポリシロキサンオリゴマー溶液に、安定化剤としてアセチルアセトン(関東化学社製)をポリシロキサン溶液の全量に対して10質量%添加した。さらに、Alアルコキシド(ALR15GB(高純度化学社製))、平均一次粒径が5nmである酸化ジルコニウム(ZrO)の分散液(30質量%メタノール溶液 堺化学株式会社製)3.0g、酸化チタン12.0g(富士チタン工業 TA−100 粒径600nm)、及び1,3−ブタンジオール1gを混合して混合液を調製した。Alアルコキシドの添加量は、Alアルコキシドの量が、ポリシロキサンオリゴマー溶液、Alアルコキシド、及び酸化ジルコニウム分散液の固形分の合計に対して10質量%となる量とした。
この反射層形成用組成物を、比較例2と同様に基板上に塗布した。このとき、反射層形成用組成物の吐出圧力は、0.1MPaとした。また、ノズルの移動速度は100mm/sとした。その後、150℃で1時間加熱して、反射層を形成した。反射層を形成したパッケージに、波長変換層形成用組成物をパッケージ内にディスペンサーにより、ポッティングし、比較例1と同様に波長変換層を形成した。
[実施例12]
実施例3と同様に反射層形成用組成物を調製した。
この反射層形成用組成物を、比較例2と同様に基板上に塗布した。このとき、反射層形成用組成物の吐出圧力は、0.1MPaとした。また、ノズルの移動速度は180mm/sとした。その後、150℃で1時間加熱して、反射層を形成した。反射層を形成したパッケージに、波長変換層形成用組成物をパッケージ内にディスペンサーにより、ポッティングし、比較例1と同様に波長変換層を形成した。
[実施例13]
実施例3と同様に、反射層形成用組成物を調製した。この反射層形成用組成物を、比較例2と同様に基板上に塗布した。このとき、反射層形成用組成物の吐出圧力は、0.1MPaとした。また、ノズルの移動速度は50mm/sとした。その後、150℃で1時間加熱して、反射層を形成した。反射層を形成したパッケージに、波長変換層形成用組成物をパッケージ内にディスペンサーにより、ポッティングし、比較例1と同様に波長変換層を形成した。
(4)LED装置の評価
比較例1、2、及び実施例1〜13で作製したLED装置について、それぞれ反射層の厚み、全光束値、耐久性試験後の全光束値、劣化率、密着性を以下の方法で評価した。結果を表1に示す。
(4-1)膜厚測定
各LED装置作製途中で、反射層の膜厚をレーザホロゲージ(ミツトヨ社製)で測定した。
(4-2)全光束値の測定
各LED装置の全光束値を、分光放射輝度計(CS−1000A、コニカミノルタセンシング社製)にて測定した。評価は、反射層を形成しない場合(比較例1)のLED装置の測定結果を100とし、相対的に評価した。
(4-3)耐久性試験後の全光束値測定
実施例及び比較例で作製したLED装置について、100℃の恒温槽中で各LED装置を20mAの電流値で発光させた。1000時間発光後、各LED装置について、全光束値を測定した。耐久性試験前後の全光束値を比較し、劣化率を算出した。劣化率は、(1−(耐久性試験後の全光束の相対値/耐久性試験前の全光束の相対値))×100とした。劣化率が15%以上である場合に、LED装置の劣化が生じたと判断した。また、劣化率が10%以上15%未満である場合、LED装置の劣化が殆どなく、実害性は無いが、わずかに反射層にクラック等が発生したと判断した。また、劣化率が10%未満であれば、LED装置の劣化がなく、反射層にクラックも生じなかった、と判断した。
(4-4)密着性測定
実施例及び比較例で作製したLED装置について、ヒートショック試験器(TSA−42EL;エスペック社製)により、ヒートショック試験を行った。試験は、LED装置を、−40℃にて30分保存後、100℃にて30分保存する工程を1サイクルとし、これを3000サイクル行った。試験後のサンプルを光学顕微鏡(オリンパス社製 BX50)で確認し、基板と反射層との界面、及び反射層と波長変換層との界面にそれぞれ剥離が生じたか、確認した。
△・・・実害性はないが、部分的に剥離が生じている
○・・・わずかに剥離が生じている
◎・・・剥離なし
Figure 2014017108
表1に示されるように、バインダが樹脂である反射層を形成した場合(比較例2)、反射層を形成しない場合(比較例1)と比較して、LED装置作製直後には、全光束値が良好であったものの、耐久性試験後には、全光束値が非常に低くなった。耐久性試験により、バインダであるエポキシ樹脂が劣化したためである、と推察される。
一方、反射層のバインダがポリシラザンである場合(実施例1)、及び反射層のバインダがポリシロキサンである場合(実施例2〜11)、LED装置作成直後の全光束値が高いだけでなく、耐久性試験後も全光束値が高かった(劣化率が低かった)。このとき、光拡散粒子が酸化チタンであっても(実施例4)、硫酸バリウムであっても(実施例2)、同様に良好な結果が得られた。
一方、反射層のバインダがポリシロキサンであっても、反射層の膜厚が5μm未満であると(実施例12)、全光束値が多少高まったものの、実施例1〜11と比較して光取り出し効率向上効果は少なかった。ただし、実施例12のLED装置では、耐久性試験(500時間)を行っても、全光束値が低くなり難かった。反射層のバインダがポリシロキサンであるため、反射層が劣化し難かったと推察される。
また、反射層のバインダがポリシロキサンであっても、反射層の膜厚が30μmを超えると(実施例13)、1000時間の耐久性試験中に反射層にクラックが発生した。ただし、500時間の耐久性試験では、反射層にクラックが生じず、全光束値が低くなり難かった。
また、反射層のバインダであるポリシロキサンが、3官能シラン化合物及び4官能シラン化合物の重合体である場合(実施例6〜11)、4官能シラン化合物のみの重合体である場合(実施例2〜5)と比較して、劣化率が小さかった。3官能シラン化合物と4官能シラン化合物との比が、3:7〜7:3である場合(実施例6、7、及び9〜11)に、特に劣化率が低かった。
また、反射層中に酸化ジルコニウム微粒子が含まれる場合(実施例9〜11)に各層の界面での密着性が良好となった。金属酸化物微粒子が含まれることで、反射層と波長変換層との界面にアンカー効果が生じたと推察される。さらに金属アルコキシドまたは金属キレートが含まれる場合(実施例10及び11)には、特に各層の界面での密着性が良好であった。金属アルコキシドまたは金属キレートに含まれる金属が、基板表面の水酸基とメタロキサン結合を形成したことで、密着性が良好になったと推察される。
(5)LED装置の作製
[実施例14]
ジメチルジメトキシシラン0.3g、メチルトリメトキシシラン3.06g、メタノール4.00g、及びアセトン4.00gを混合し、撹拌した。混合液に水5.46g及び濃度60質量%の硝酸水溶液4.7μLを加えた。この混合液をさらに3時間撹拌し、2官能成分と3官能成分との重合比が1:9であるポリシロキサンオリゴマー溶液を得た。続いてポリシロキサンオリゴマー溶液に、酸化チタン12.0g(富士チタン工業 TA−100 粒径600nm)、及び1,3−ブタンジオール1gを混合して反射層形成用組成物を調製した。
この反射層形成用組成物を、比較例2と同様に基板上に塗布した。このとき、反射層形成用組成物の吐出圧力は、0.1MPaとした。また、ノズルの移動速度は160mm/sとした。その後、150℃で1時間加熱して、反射層を形成した。反射層を形成したパッケージに、波長変換層形成用組成物をディスペンサーにより、ポッティングし、比較例1と同様に波長変換層を形成した。
[実施例15]
塗布時のノズルの移動速度を65mm/sとした以外は実施例14と同様にLED装置を作製した。
[実施例16]
塗布時のノズルの移動速度を40mm/sとした以外は実施例14と同様にLED装置を作製した。
[実施例17]
塗布時のノズルの移動速度を30mm/sとした以外は実施例14と同様にLED装置を作製した。
[実施例18]
反射層形成用組成物調製時のジメチルジメトキシシランの量を0.9gとし、メチルトリメトキシシランの量を2.37gに変更した以外は、実施例15と同様にLED装置を作製した。
[実施例19]
反射層形成用組成物調製時のジメチルジメトキシシランの量を1.7gとし、メチルトリメトキシシランの量を2.04gとした以外は、実施例15と同様にLED装置を作製した。
[実施例20]
ジメチルジメトキシシラン0.28g、メチルトリメトキシシラン2.22g、テトラメトキシシラン0.71g、メタノール4.00g、及びアセトン4.00gを混合し、撹拌した。混合液に水5.46g及び濃度60質量%の硝酸水溶液4.7μLを加えた。この混合液をさらに3時間撹拌し、ポリシロキサンオリゴマー溶液を得た。続いてポリシロキサンオリゴマー溶液に、酸化チタン12.0g(富士チタン工業 TA−100 粒径600nm)、及び1,3−ブタンジオール1gを混合して反射層形成用組成物を調製した。
当該反射層形成用組成物を塗布して反射層を成膜した以外は、実施例15と同様にLED装置を作製した。
[実施例21]
ジメチルジメトキシシラン0.3g、メチルトリメトキシシラン3.06g、メタノール4.00g、及びアセトン4.00gを混合・撹拌した。混合液に水5.46g及び濃度60質量%の硝酸水溶液4.7μLを加えた。この混合液をさらに3時間撹拌し、2官能成分:3官能成分(重合比)=1:9のポリシロキサンオリゴマーを含むポリシロキサンオリゴマー溶液を得た。続いて前記ポリシロキサンオリゴマー溶液に、平均一次粒径が5nmである酸化ジルコニウム(ZrO)の分散液(30質量%メタノール溶液 堺化学株式会社製)2.0g、酸化チタン12.0g(富士チタン工業 TA−100 粒径600nm)、及び1,3−ブタンジオール1gを混合して反射層形成用組成物を調製した。
この反射層形成用組成物を、比較例2と同様に基板上に塗布した。このとき、反射層形成用組成物の吐出圧力は、0.1MPaとした。また、ノズルの移動速度は65mm/sとした。その後、150℃で1時間加熱して、反射層を形成した。反射層を形成したパッケージに、波長変換層形成用組成物をパッケージ内にディスペンサーにより、ポッティングし、比較例1と同様に波長変換層を形成した。
[実施例22]
ジメチルジメトキシシラン0.3g、メチルトリメトキシシラン3.06g、メタノール4.00g、及びアセトン4.00gを混合・撹拌した。混合液に水5.46g及び濃度60質量%の硝酸水溶液4.7μLを加えた。この混合液をさらに3時間撹拌し、2官能成分:3官能成分(重合比)=1:9のポリシロキサンオリゴマーを含むポリシロキサンオリゴマー溶液を得た。続いて前記ポリシロキサンオリゴマー溶液に、安定化剤としてアセチルアセトン(関東化学社製)をポリシロキサンオリゴマー溶液の全量に対して10質量%添加した。さらにZrキレート溶液(ZC−580(マツモトファインケミカル社製))、平均一次粒径が5nmである酸化ジルコニウム(ZrO)分散液(30質量%メタノール溶液 堺化学株式会社製)3.0g、酸化チタン12.0g(富士チタン工業 TA−100 粒径600nm)、及び1,3−ブタンジオール1gを混合して反射層形成用組成物を調製した。Zrキレート溶液の添加量は、Zrキレートの量が、ポリシロキサンオリゴマー溶液、Zrキレート溶液、及び酸化ジルコニウム分散液の固形分の合計に対して10質量%となる量とした。
この反射層形成用組成物を、比較例2と同様に基板上に塗布した。このとき、反射層形成用組成物の吐出圧力は、0.1MPaとした。また、ノズルの移動速度は65mm/sとした。その後、150℃で1時間加熱して、反射層を形成した。反射層を形成したパッケージに、波長変換層形成用組成物をパッケージ内にディスペンサーにより、ポッティングし、比較例1と同様に波長変換層を形成した。
[実施例23]
ジメチルジメトキシシラン0.28g、メチルトリメトキシシラン2.22g、テトラメトキシシラン0.71g、メタノール4.00g、及びアセトン4.00gを混合・撹拌した。混合液に水5.46g及び濃度60質量%の硝酸水溶液4.7μLを加えた。この混合液をさらに3時間撹拌し、2官能成分:3官能成分(重合比)=1:9のポリシロキサンオリゴマーを含むポリシロキサンオリゴマー溶液を得た。続いて前記ポリシロキサンオリゴマー溶液に、平均一次粒径が5nmである酸化ジルコニウム(ZrO)の分散液(30質量%メタノール溶液 堺化学株式会社製)2.0g、酸化チタン12.0g(富士チタン工業 TA−100 粒径600nm)、及び1,3−ブタンジオール1gを混合して反射層形成用組成物を調製した。
この反射層形成用組成物を、比較例2と同様に基板上に塗布した。このとき、反射層形成用組成物の吐出圧力は、0.1MPaとした。また、ノズルの移動速度は65mm/sとした。その後、150℃で1時間加熱して、反射層を形成した。反射層を形成したパッケージに、波長変換層形成用組成物をパッケージ内にディスペンサーにより、ポッティングし、比較例1と同様に波長変換層を形成した。
[実施例24]
ジメチルジメトキシシラン0.28g、メチルトリメトキシシラン2.22g、テトラメトキシシラン0.71g、メタノール4.00g、及びアセトン4.00gを混合・撹拌した。混合液に水5.46g及び濃度60質量%の硝酸水溶液4.7μLを加えた。この混合液をさらに3時間撹拌し、2官能成分:3官能成分(重合比)=1:9のポリシロキサンオリゴマーを含むポリシロキサンオリゴマー溶液を得た。続いて前記ポリシロキサンオリゴマー溶液に、安定化剤としてアセチルアセトン(関東化学社製)をポリシロキサンオリゴマー溶液の全量に対して10質量%添加した。さらにZrキレート溶液(ZC−580(マツモトファインケミカル社製))、平均一次粒径が5nmである酸化ジルコニウム(ZrO)分散液(30質量%メタノール溶液 堺化学株式会社製)3.0g、酸化チタン12.0g(富士チタン工業 TA−100 粒径600nm)、及び1,3−ブタンジオール1gを混合して反射層形成用組成物を調製した。Zrキレート溶液の添加量は、Zrキレートの量が、ポリシロキサンオリゴマー溶液、Zrキレート溶液、及び酸化ジルコニウム分散液の固形分の合計に対して10質量%となる量とした。
この反射層形成用組成物を、比較例2と同様に基板上に塗布した。このとき、反射層形成用組成物の吐出圧力は、0.1MPaとした。また、ノズルの移動速度は65mm/sとした。その後、150℃で1時間加熱して、反射層を形成した。反射層を形成したパッケージに、波長変換層形成用組成物をパッケージ内にディスペンサーにより、ポッティングし、比較例1と同様に波長変換層を形成した。
(6)LED装置の評価
実施例14〜20で作製したLED装置について、それぞれ反射層の厚み、全光束値、耐久性試験後の全光束値、劣化率、密着性を実施例1と同様の方法で評価した。結果を表2に示す。
Figure 2014017108
表2に示されるように、ポリシロキサンが、2官能シラン化合物と3官能シラン化合物との重合体である場合(実施例14〜19、21、及び22)や、2官能シラン化合物と3官能シラン化合物と4官能シラン化合物との重合体である場合(実施例20、23、及び24)にも、LED装置作成直後の全光束値が高いだけでなく、耐久性試験後も全光束値が高かった(劣化率が低かった)。
ただし、2官能シラン化合物と3官能シラン化合物との比率が4:6である場合には、若干密着性が劣った。ポリシロキサン中に、2官能シラン化合物由来の有機基が多く含まれるため、基板と反射層との界面、もしくは反射層と波長変換層との界面で、剥離が生じやすかったと推察される。
一方、反射層中に酸化ジルコニウム微粒子、及びジルコニウムキレートが含まれる場合(実施例22及び24)には、各層の界面での密着性が特に良好となった。金属アルコキシドまたは金属キレートに含まれる金属が、基板表面の水酸基とメタロキサン結合を形成したことで、密着性が良好になったと推察される。
本発明のLED装置は、反射層が経時劣化することがないため、その光取り出し効率が、長期間に亘って良好である。したがって、本発明により製造されるLED装置は、大光量が必要とされる自動車用ヘッドライトをはじめ、屋内、屋外で使用される各種照明装置に好適である。
1 基板
2 LED素子
3,3’ メタル部
4 配線
5 突起電極
6 キャビティ内壁面
11 波長変換層
21 反射層
100 LED装置

Claims (17)

  1. 基板と、前記基板上に実装され、かつ特定波長の光を出射するLED素子とを有するLED装置であって、
    前記基板のLED素子実装領域外の表面に、無機粒子からなる光拡散粒子とセラミックバインダとを含む反射層をさらに有する、LED装置。
  2. 前記反射層の厚みが5μm以上200μm以下である、請求項1に記載のLED装置。
  3. 前記反射層の厚みが5μm以上30μm以下である、請求項1に記載のLED装置。
  4. 前記基板がキャビティを有し、前記キャビティ内壁面に前記反射層を有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載のLED装置。
  5. 前記反射層及び前記LED素子を被覆する、波長変換層をさらに有し、
    前記波長変換層は、透明樹脂及び蛍光体粒子を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載のLED装置。
  6. 前記光拡散粒子は酸化チタン、硫酸バリウム、チタン酸バリウム、窒化ホウ素、酸化亜鉛、及び酸化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種の無機粒子からなる、請求項1〜5のいずれか一項に記載のLED装置。
  7. 前記セラミックバインダは、3官能シラン化合物及び4官能シラン化合物の重合体であり、かつ3官能シラン化合物及び4官能シラン化合物の重合比率は3:7〜7:3である、請求項1〜6のいずれか一項に記載のLED装置。
  8. 前記セラミックバインダは、2官能シラン化合物及び3官能シラン化合物の重合体であり、かつ2官能シラン化合物及び3官能シラン化合物の重合比率は1:9〜4:6である、請求項1〜6のいずれか一項に記載のLED装置。
  9. 前記反射層は、平均一次粒径が5〜100nmである金属酸化物微粒子をさらに含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載のLED装置。
  10. 前記金属酸化物微粒子が、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化セリウム、酸化ニオブ、及び酸化亜鉛の群から選ばれる少なくとも1種である、請求項9に記載のLED装置。
  11. 前記反射層は、Si元素以外の2価以上の金属元素の金属アルコキシドまたは金属キレートの硬化物をさらに含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載のLED装置。
  12. 前記基板がメタル部を有し、
    前記LED素子実装領域外かつメタル部上に、前記反射層を有する、請求項1〜11のいずれか一項に記載のLED装置。
  13. 前記基板がメタル部を有し、
    前記LED素子実装領域外かつメタル部領域外の前記基板の表面に、前記反射層を有する、請求項1〜11のいずれか一項に記載のLED装置。
  14. 基板と、前記基板上に実装され、かつ特定波長の光を出射するLED素子と、前記基板のLED素子実装領域外の表面に形成された反射層と、を有するLED装置の製造方法であって、
    前記LED素子の実装領域外の前記基板表面に、光拡散粒子及び有機ケイ素化合物を含む反射層形成用組成物を塗布し、前記反射層を形成する工程を含む、LED装置の製造方法。
  15. 前記基板がメタル部を有し、
    前記反射層を形成する工程において、前記LED素子実装領域外かつ前記メタル部上に、前記反射層を形成する、請求項14に記載のLED装置の製造方法。
  16. 前記基板がメタル部を有し、
    前記反射層を形成する工程において、前記LED素子の実装領域外かつ前記メタル部領域外の前記基板表面に、前記反射層を形成する、請求項14に記載のLED装置の製造方法。
  17. 前記基板はキャビティを有し、
    前記キャビティ内壁面に、前記反射層形成用組成物をスプレー塗布する工程を含む、請求項14〜16のいずれか一項に記載のLED装置の製造方法。
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