KR20230068325A - 광학 소자용 창재, 광학 소자 패키지용 리드, 광학 소자 패키지 및 광학 장치 - Google Patents
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Abstract
광이 투과하는 주표면이, JIS B 0681-2: 2018에서 규정되는 부하 면적률이 10％인 윤곽 곡면의 돌출 골부 공간 체적(Vvv) 및 부하 면적률이 80％인 윤곽 곡면의 돌출 산부 실체 체적(Vmp)의 합계값이, 1.7×104㎛3 이상인 조면인 광학 소자용 창재.
본 발명의 광학 소자용 창재는, 형상 가공을 하기 쉽고, 또한 저비용으로 제조할 수 있는 평판 형상의, 합성 석영 유리로 형성되어 있고, 또한, 평판 형상이어도, 예를 들어 표면 실장형 패키지(SMD PKG)로 밀봉되는 UVC-LED 등의 UV-LED의 창재로서, 광학 소자로부터 발해지는 광, 특히 배광 각을 갖는 광을, 창재를 통과할 때에 효율적으로 집광할 수 있고, 종래의 볼록 형상 등의 렌즈 형상의 창재와 동등한 집광이 가능하고, 또한, 란바아트 반사와 같은, 조사 불균일이 없는 배광으로 할 수도 있다.
본 발명의 광학 소자용 창재는, 형상 가공을 하기 쉽고, 또한 저비용으로 제조할 수 있는 평판 형상의, 합성 석영 유리로 형성되어 있고, 또한, 평판 형상이어도, 예를 들어 표면 실장형 패키지(SMD PKG)로 밀봉되는 UVC-LED 등의 UV-LED의 창재로서, 광학 소자로부터 발해지는 광, 특히 배광 각을 갖는 광을, 창재를 통과할 때에 효율적으로 집광할 수 있고, 종래의 볼록 형상 등의 렌즈 형상의 창재와 동등한 집광이 가능하고, 또한, 란바아트 반사와 같은, 조사 불균일이 없는 배광으로 할 수도 있다.
Description
본 발명은, 광의 배광성의 제어가 요구되는 광학 소자 패키지나 광학 장치에 적합한 광학 소자용 창재 및 광학 소자 패키지용 리드에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 자외선 발광 다이오드 등의 광학 소자를 밀봉한 광학 소자 패키지 및 광학 장치에 관한 것이다.
근년, 코로나 바이러스 등의 바이러스의 불활성화, 물의 살균 용도에 있어서, 자외 영역의 광을 발광할 수 있는 소자, 즉, 자외선 발광 다이오드(UV-LED: Ultra Violet-Light Emitting Diode)가, 수은 램프 등의 환경 규제를 받지만 대체로서 검토되고 있고, 그 중에서도, 심자외(UV-C) 영역의 광을 발광할 수 있는 소자, 즉, 심자외선 발광 다이오드(UVC-LED)가 주목받고 있다. 예를 들어, UV-LED는, 광을, 소자를 형성하는 층을 쌓을 때의 기재가 되는 사파이어 기판 등으로부터 투과시켜서 추출할 수 없기 때문에, 플립 칩 방식으로 실장된다. 그 때문에, 소자는, 배광 각을 가진 광을 발광하는 소자가 되고, 레이저광과 같은 지향성이 높은 광은 되지 않는 경우가 많고, 광의 추출 효율의 향상, 광의 조도 불균일의 해소의 관점에서, 광의 배광성을 제어할 수 있는 방법이 필요해진다.
현 상황, UV-LED에서는, 백색 LED 등에서 일반적으로 사용되는, 수지를 몰드하여 렌즈 형상으로 밀봉하면, 출력이 높은 UV-LED의 경우, 소자가 발광하는 단파장의 광에 의해 수지가 열화되는 문제가 발생한다. 그래서, 단파장의 광 투과율이 좋은 합성 석영을 창재로서 밀봉한, 표면 실장형 패키지(SMD PKG)가, UV-LED의 패키지로서 가장 잘 선택되고, SMD PKG를 기초로 하여, 배광성을 제어하는 것이 고려되고 있다.
예를 들어, 일본 특허 공개 제2019-220507호 공보(특허문헌 1)에는, 자외 영역의 발광 다이오드로부터 발광하는 광의 조도면에 대한 균일성을 얻기 위해서, 복수의 실린드리컬 렌즈를 구비한 발광 장치가 나타나 있다. 또한, 일본 특허 공개 제2020-025089호 공보(특허문헌 2)에는, 결정성 불소 수지와 실리콘 수지를 조합하여 사용하고, 단파장의 광에 대하여 내성이 있는 결정성 불소 수지를, 광이 주로 닿는 부분에 사용하여 광학 부재(렌즈상 부재)를 형성하고, 배광을 제어하면서, 광의 추출 효율을 향상시킨, 심자외 LED 소자를 포함하는 LED 디바이스가 나타나 있다.
그러나, 일본 특허 공개 제2019-220507호 공보(특허문헌 1)에 기재되어 있는 실린드리컬 렌즈를 사용하는 것은, 고도의 광학 계산이 필요하고, 또한, 실린드리컬 렌즈를 사용하면, SMD PKG가, Z 방향(높이 방향)으로 커지는 점에서, 광학 소자를 광학 소자 패키지로 하는 것이나, 광학 소자 패키지를 사용하여 광학 장치(광학 소자 모듈)로 하는 것을 생각한 때에, 광학 소자 패키지나 광학 장치(광학 소자 모듈)이 커져 버리기 때문에, 그것들의 설계에 있어서 불리하다. 또한, 자외 영역의 광을 장기에 걸쳐 안정적으로 추출할 수 있는 창재로서는 합성 석영 유리를 들 수 있지만, 합성 석영 유리를 렌즈 형상으로 가공하는 것은, 비용이 높아진다.
또한, 일본 특허 공개 제2020-025089호 공보(특허문헌 2)에 기재되어 있는, 렌즈상 부재에 결정성 불소 수지를 사용하는 방법은, 자외 영역의 광 투과율 및 자외광에 의한 수지의 열화, 기밀성의 확보 관점에서, LED와 같은 장기에 걸쳐 사용되는 물질에 대해서는, 내구성이 높다고는 하기 어렵다.
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이고, 자외 영역의 광에 대해서도 내구성이 높은 재료인 합성 석영 유리에 의해, 형상 가공을 하기 쉽고, 또한 저비용으로 제조할 수 있는 평판 형상의 광학 소자용 창재 및 광학 소자용 창재를 구비하는 광학 소자 패키지용 리드를 제공하는 것, 특히 배광 각을 갖는 광원으로부터 발해지는 광을, 볼록 형상과 같은 렌즈 형상이 아니어도 효율적으로 집광할 수 있는 평판 형상의 광학 소자용 창재 및 광학 소자용 창재를 구비하는 광학 소자 패키지용 리드를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은, 광학 소자 패키지용 리드를 사용하여 광학 소자를 밀봉한 광학 소자 패키지 및 광학 소자용 창재를 구비하는 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위하여 예의 검토한 결과, 합성 석영 유리로 형성된 창재에 있어서, 광이 투과하는 주표면의 마이크로 형상을, 기하 특성 수단(GPS)에 기초하는 소정의 표면 성상을 갖는 조면으로 함으로써, 형상 가공을 하기 쉽고, 또한 저비용으로 제조할 수 있는 평판 형상의, 합성 석영 유리로 형성된 창재에 의해, 배광 각을 갖는 광을, 효율적으로 집광할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 이루기에 이르렀다.
따라서, 본 발명은, 이하의 광학 소자용 창재, 광학 소자 패키지용 리드, 광학 소자 패키지 및 광학 장치를 제공한다.
1. 광을 발광 또는 수광하는 광학 소자를 수용하는 광학 소자 패키지용, 또는 광을 발광 또는 수광하는 광학 소자를 수용하는 광학 소자 패키지를 구비하는 광학 장치용의 창재이며,
합성 석영 유리로 형성되고,
평판 형상을 갖고 있고,
상기 광이 투과하는 주표면의 편면 또는 양면이, 조면이고,
상기 조면인 주표면에 있어서,
JIS B 0681-2: 2018에서 규정되는 부하 면적률이 10％인 윤곽 곡면의 돌출 골부 공간 체적(Vvv) 및 부하 면적률이 80％인 윤곽 곡면의 돌출 산부 실체 체적(Vmp)의 합계값이, 1.7×104㎛3 이상인 것을 특징으로 하는 광학 소자용 창재.
2. 두께가, 0.1 내지 3mm인 것을 특징으로 하는 1에 기재된 광학 소자용 창재.
3. 상기 조면인 주표면의 표면 조도(Ra)가, 0.1 내지 0.5㎛인 것을 특징으로 하는 1 또는 2에 기재된 광학 소자용 창재.
4. 1 내지 3의 어느 것에 기재된 광학 소자용 창재와, 해당 광학 소자용 창재의 상기 주표면의 한쪽 면의 일부에 적층된 접착제층을 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 소자 패키지용 리드.
5. 상기 접착제층을 구성하는 접착제가, 수지계 접착제 및 금속계 접착제에서 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 4에 기재된 광학 소자 패키지용 리드.
6. 상기 접착제층이, 반경화 상태(B-Stage)인 것을 특징으로 하는 4 또는 5에 기재된 광학 소자 패키지용 리드.
7. 광학 소자와, 해당 광학 소자가 내부에 설치되는 수용 부재와, 1 내지 3의 어느 것에 기재된 광학 소자용 창재와, 접착층을 구비하고,
상기 광이 통과하는 위치에 상기 광학 소자용 창재가 마련되어 있고, 상기 광학 소자가, 상기 수용 부재에 수용되어, 상기 수용 부재와 상기 광학 소자용 창재가 접착층을 통해 접합되어서 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 소자 패키지.
8. 상기 광학 소자가, 파장 220 내지 600nm의 광을 발광하는 발광 소자 또는 수광하는 수광 소자인 것을 특징으로 하는 7에 기재된 광학 소자 패키지.
9. 상기 광학 소자가, 150도 이하의 배광 각을 갖는 광을 발광하는 발광 소자인 것을 특징으로 하는 7 또는 8에 기재된 광학 소자 패키지.
10. 상기 광학 소자가 발광 소자이고, 해당 발광 소자와 상기 광학 소자용 창재의 최단 거리가, 0.5 내지 10mm인 것을 특징으로 하는 7 내지 9의 어느 것에 기재된 광학 소자 패키지.
11. 발광 소자가 내부에 설치된 광학 소자 패키지와, 1 내지 3의 어느 것에 기재된 광학 소자용 창재를 구비하고,
상기 광이 통과하는 위치에, 상기 광학 소자용 창재가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
12. 상기 광학 소자가, 파장 220 내지 600nm의 광을 발광하는 광학 소자 또는 수광하는 수광 소자인 것을 특징으로 하는 11에 기재된 광학 장치.
13. 상기 광학 소자가, 150도 이하의 배광 각을 갖는 광을 발광하는 발광 소자인 것을 특징으로 하는 11 또는 12에 기재된 광학 장치.
14. 상기 광학 소자가 발광 소자이고, 상기 광학 소자 패키지와 상기 광학 소자용 창재의 최단 거리가, 0.5 내지 10mm인 것을 특징으로 하는 11 내지 13의 어느 것에 기재된 광학 장치.
본 발명의 광학 소자용 창재는, 형상 가공이 하기 쉽고, 또한 저비용으로 제조할 수 있는 평판 형상의, 합성 석영 유리로 형성되어 있고 또한 평판 형상이어도, 예를 들어 표면 실장형 패키지(SMD PKG)에서 밀봉되는 UVC-LED 등의 UV-LED의 창재로서, 광학 소자로부터 발해지는 광, 특히 배광 각을 갖는 광을, 창재를 통과 할 때에 효율적으로 집광할 수 있고, 종래의 볼록 형상 등의 렌즈 형상의 창재와 동등한 집광이 가능하고 또한 란바아트 반사와 같은, 조사 불균일이 없는 배광으로 할 수도 있다.
또한, 본 발명의 광학 소자용 창재를 사용한 광학 소자 패키지나 광학 장치라면, 종래의 볼록 형상 등의 렌즈 형상의 창재를 사용한 광학 소자 패키지나 광학 장치보다도, 체적을 작게 할 수 있는 점에서, UV-LED 등을 사용한 광학 소자 패키지나, 광학 장치(광학 소자 모듈)의 콤팩트화, 비용 절감을 기대할 수 있고, 광학 장치(광학 소자 모듈)의 설계의 자유도도 높다.
도 1은, 본 발명의 광학 소자 패키지의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 2는, 실시예 1의 광학 소자 패키지의 배광의 3차원 맵이다.
도 3은, 실시예 2의 광학 소자 패키지의 배광의 3차원 맵이다.
도 4는, 실시예 3의 광학 소자 패키지의 배광의 3차원 맵이다.
도 5는, 비교예 1의 광학 소자 패키지의 배광의 3차원 맵이다.
도 2는, 실시예 1의 광학 소자 패키지의 배광의 3차원 맵이다.
도 3은, 실시예 2의 광학 소자 패키지의 배광의 3차원 맵이다.
도 4는, 실시예 3의 광학 소자 패키지의 배광의 3차원 맵이다.
도 5는, 비교예 1의 광학 소자 패키지의 배광의 3차원 맵이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 광학 소자용 창재는, 광을 발광 또는 수광하는 광학 소자를 수용하는 광학 소자 패키지에 적합하게 사용되고, 광학 소자 패키지의 내부와 외부 사이를 광이 출입하는 부분에 마련되는 창재이다. 광학 소자 패키지에서는, 광학 소자가, 수용 부재에 수용되고, 광학 소자용 창재로 밀봉되어 있다. 또한, 본 발명의 광학 소자용 창재는, 광을 발광 또는 수광하는 광학 소자를 수용하는 광학 소자 패키지를 구비하는 광학 장치에 적합하게 사용되고, 광학 장치의 내부와 외부 사이를 광이 출입하는 부분에 마련되는 창재이다.
본 발명의 광학 소자용 창재는, 합성 석영 유리로 형성된다. 또한, 본 발명의 광학 소자용 창재는, 평판 형상을 갖고 있다. 본 발명에 있어서, 평판 형상은, 볼록면에 의해 집광하는 볼록 렌즈와 같은 형상이 아닌, 예를 들어 광학 소자용 창재의 광이 투과하는 주표면의 양면이, 모두 대략 평면인 것이 바람직하고, 특히 광학 소자용 창재의 광이 투과하는 주표면의 양면이, 대략 평행인 것이 바람직하다. 본 발명의 광학 소자용 창재는, 평판 형상이면, 크기, 두께는, 수용 부재의 크기, 광학 소자용 창재의 기계적 강도, 광학 소자 패키지나 광학 장치로 한 때의 기계적 강도 등을 고려하여 적절히 선택할 수 있다. 또한, 본 발명의 광학 소자용 창재의 두께는, 광학 소자에 대한, 광의 파장 감쇠, 창재의 내측과 외측, 즉, 광학 소자용 패키지의 내부와 외부의 압력 차(예를 들어, 광학 소자용 패키지의 내외의 기압 차)를 고려함으로써, 적절히 선택할 수 있다. 창재의 두께로서 구체적으로는, 바람직하게는 0.1mm 이상, 보다 바람직하게는 0.2mm 이상이고, 바람직하게는 3mm 이하, 보다 바람직하게는 2mm 이하이다.
본 발명에 있어서, 광학 소자용 창재의 광이 투과하는 주표면은, 광을 주표면에서 산란시키기 위해서, 그것들의 편면 또는 양면이 조면으로 되어 있다. 이 조면은, 기하 특성 수단(GPS)에 기초하는 소정의 표면 성상을 갖는 조면으로 되어 있다. 그리고, 본 발명은, 이 소정의 표면 성상이 JIS B 0681-2: 2018에서 규정되는 부하 면적률이 10％인 윤곽 곡면의 돌출 골부 공간 체적(Vvv) 및 부하 면적률이 80％인 윤곽 곡면의 돌출 산부 실체 체적(Vmp)의 합계값이 1.7×104㎛3 이상인 것을 특징으로 하고 있다. 광학 소자용 창재가 이러한 표면 성상을 갖고 있음으로써, 평면이어도, 높은 집광 특성을 갖는 배광 특성이 얻어진다. Vvv와 Vmp의 합계값이 1.7×104㎛3보다 작은 경우, 광학 소자용 창재의 광이 투과하는 주표면의 요철이 크기 때문에, 주표면에 있어서 산란하는 광이 적고, 직선 광으로서 창재를 통과하는 광이 많아지고, 배광 각을 갖는 광을 충분히 집광할 수 없고, 배광 각을 갖는 광으로부터, 란바아트 반사와 같은 집광형의 방사속을 얻는 것이 어렵다. 광학 소자용 창재의 표면 성상은, 3차원 표면 형상 측정기 등에 의해 측정할 수 있다.
본 발명에 있어서, 광학 소자용 창재의 조면인 주표면은, 그 표면 조도(Ra)가 0.1㎛ 이상인 것이 바람직하고, 또한, 0.5㎛ 이하인 것이 바람직하고, 0.4㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 조면인 주표면의 표면 조도(Ra)가 이러한 범위 내에 있으면, 광학 소자용 창재의 주표면에 있어서의 반사 손해가 커짐으로써 미광이 되는 광이 발생하는 문제나, 주표면에 있어서 반사되는 광이 적어지고, 창재를 그대로 투과하는 평행광의 비율이 높아지고, 광을 충분히 집광할 수 없을 가능성을 저감할 수 있다.
본 발명의 광학 소자용 창재는, 합성 석영 유리에 의해 형성되어 있지만, 합성 석영 유리제의 광학 소자용 창재는, 예를 들어 이하와 같은 방법으로 제조할 수 있다. 먼저, 합성 석영 유리 잉곳을 성형, 어닐, 슬라이스 가공, 모따기, 랩핑 등의 기계 가공을 실시함으로써, 기계 가공면이 조면인 기판을 얻는다. 양면이 조면의 광학 소자용 창재를 제조하는 경우에는, 세정 공정을 거쳐, 후술하는 케미컬 에칭(표면 처리) 공정으로 진행할 수 있다. 한편, 편면이 조면의 창재를 제조하는 경우에는, 편면을 더 연마하고, 경면화하여, 세정 공정을 거쳐, 후술하는 케미컬 에칭(표면 처리) 공정으로 진행한다. 또한, 이 조면은 일단, 편면 또는 양면을 경면화한 후, 편면 또는 양면을, 샌드블라스트 가공 등으로, 다시 조면화한 것이어도 된다.
다음으로, 기계 가공에 의해 얻어진 기판에, 케미컬 에칭(표면 처리)을 실시한다. 구체적으로는, 기계 가공에 의해 얻어진 조면을 갖는 기판의 주표면을, 케미컬 에칭함으로써 조면의 표면 성상을 조정한다. 표면 성상은, 에칭액의 종류, 에칭액에 대한 침지 시간을 적절히 선택함으로써 조정할 수 있다. 에칭액은, 불산이나, 버퍼드 불산이 적합하게 사용된다. 에칭액은, 바람직하게는 1질량％ 이상, 보다 바람직하게는 3질량％ 이상, 더욱 바람직하게는 5질량％ 이상으로, 바람직하게는 20질량％ 이하, 보다 바람직하게는 15질량％ 이하의 농도의 것이 적합하게 사용된다. 농도가 상기 범위보다 낮은 경우, 에칭 속도가 느리기 때문에, 소정의 표면 성상을 얻을 때까지 오랜 시간을 요하고, 생산성이 낮아질 가능성이 있다. 한편, 농도가 상기 범위보다 높은 경우, 에칭 속도가 빠르기 때문에, 소정의 표면 성상을 얻기 위한 정밀한 제어를 하기 어려워질 가능성이 있다.
케미컬 에칭은, 처리하는 기판을 에칭액에 침지시키는 방법이어도, 처리하는 기판에, 에칭액을 흘려 보내는 방법이어도 된다. 처리는, 복수매를 한번에 처리하는 배치 처리여도, 1매씩 처리하는 매엽 처리여도 된다. 에칭액에 의한 처리 시간은, 바람직하게는 15분간 이상으로, 바람직하게는 100분간 이하, 보다 바람직하게는 80분간 이하의 범위에서, 적절히 설정된다. 처리 시간이 상기 범위보다 짧은 경우, 소정의 표면 성상을 얻기 위해서는, 고농도의 에칭액을 사용하게 되고, 소정의 표면 성상을 얻기 위한 정밀한 제어를 하기 어려워질 가능성이 있다. 한편, 처리 시간이 상기 범위보다 긴 경우, 용해한 유리 성분이 재부착하여 문제를 일으킬 가능성이 있다. 이 문제는, 특히, 처리하는 기판을 에칭액에 침지시키는 방법에 있어서 현저해질 우려가 있다. 또한, 생산성도 저하될 우려가 있다. 케미컬 에칭 후에는 기판을 린스(수세)하고, 건조시킴으로써 광학 소자용 창재를 얻을 수 있다. 얻어진 광학 소자용 창재의 배광 특성은, 예를 들어 LED 모듈 고니오포토미터(Instrument Systems제, LEDGON) 등을 사용하여 평가할 수 있다.
본 발명의 광학 소자 패키지용 리드는, 광학 소자용 창재와, 광학 소자용 창재의 주표면의 한쪽 면의 일부, 예를 들어 창재가 수용 부재와 접하는 부분인 창재의 주표면의 외주연부에 적층된 접착제층을 구비한다. 광학 소자 패키지용 리드는, UV-LED와 같은 기밀성이 요구되는 광학 소자를 수용하는 광학 소자 패키지의 밀봉에 적합하게 사용된다. 광학 소자 패키지용 리드를 사용하면, 광학 소자와, 광학 소자를 내부에 수용한 수용 부재를 구비하고, 광학 소자 패키지용 리드의 접착제에 의해 창재와 수용 부재가 접착되어서, 광학 소자가 수용 부재의 내부에 기밀 밀봉된 광학 소자 패키지를 구성할 수 있다.
접착제층은, 특별히 제한되는 것은 아니지만, 수지계 접착제 및 금속계 접착제에서 선택되는 적어도 1종의 접착제로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 수지계 접착제는, 수지를 포함하는 페이스트로 구성되어 있고, 특히, 에폭시 수지, 실리콘 수지 등을 포함하는 접착제는, 접착 후(경화 후)에 형성되는 접착층에 3차원 구조의 네트워크가 형성되기 때문에, 합성 석영 유리를 접착하는 것이 가능하고, 또한, 세라믹스나 금속판 등의 많은 재질을 접착하는 것이 가능하다. 수지계 접착제의 예로서는, 자외선 경화형, 실리콘형 등의 접착제 등을 들 수 있고, 이들 접착제로서는, 예를 들어 TB3114((주)쓰리 본드제), KER-3000-M2(신에쯔 가가꾸 고교(주)제) 등을 들 수 있다. 수지계 접착제는, 공지된 방법으로 광학 소자용 창재 상에 도포하여, 접착제층을 형성할 수 있다.
한편, 금속계 접착제의 예로서는, Au-Sn, Zn-Sn 등의 저온 땜납재, 나노은 입자 등의 금속 나노 입자를 사용한 소결 재료나 그것들의 융합체 등을 들 수 있다. 저온 땜납재나 금속 나노 입자를 사용한 소결 재료의 접착제는, 시판품을 사용할 수 있다. 저온 땜납재와 금속 나노 입자의 융합체의 경우에는, 예를 들어 주성분인 평균 1차 입자경이 100nm 이하의 나노은 입자에 대하여, 저온 땜납재로서 알려져 있는 Sn-Bi 땜납, Sn-Zn-Bi 땜납 및 Sn-Zn 땜납으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 혼합하고, 또한, 아연, 지르코늄, 텔루륨, 안티몬 및 인듐으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 금속 원소를 첨가한 접착제를 들 수 있다. 금속계 접착제는, 접착 전(경화 전)에는 페이스트 상태로 되어 있는 접착제를, 디스펜서, 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄 등의 공지된 도포 방법에 의해, 광학 소자용 창재 상에 도포하여, 접착제층을 형성할 수 있다. 접착제층은, 필요에 따라, 예비 가열하여, 반경화 상태(B-Stage)로 할 수 있다.
본 발명의 광학 소자 패키지는, 발광 소자 또는 수광 소자인 광학 소자와, 광학 소자가 내부에 설치되는 수용 부재와, 광학 소자용 창재와, 접착층을 구비한다. 본 발명의 광학 소자 패키지에 있어서, 광학 소자용 창재는, 광이 통과하는 위치에 마련되어 있다. 또한, 광학 소자 패키지에서는, 광학 소자가, 수용 부재에 수용되어서, 수용 부재와 광학 소자용 창재가 접착층을 통해 접합되어서 밀봉되어 있다. 광학 소자 패키지에 있어서, 광학 소자용 창재와 접착층은, 광학 소자 패키지용 리드의 광학 소자용 창재와, 광학 소자 패키지용 리드의 접착제층이 경화하여 형성된 접착층으로 할 수 있다.
본 발명의 광학 소자 패키지에 있어서, 수용 부재는, 일부가 개구되어 있고, 광학 소자가 수용된 후, 수용 부재와 광학 소자용 창재가 접합되고, 수용 부재의 개구부가, 접착층을 통해 광학 소자용 창재로 밀봉되어 있다. 본 발명의 광학 소자 패키지로서, 구체적으로는, 예를 들어 도 1에 도시되는 바와 같은, 광학 소자용 창재(1)와, 광학 소자(4)가 수용된 수용 부재(3) 사이에서, 접착층(2)을 통해 기밀 밀봉한 광학 소자 패키지(10)를 들 수 있다. 또한, 도 1 중, 5는 반사판이다.
수용 부재 내부에 설치되는 광학 소자는, 발광 소자여도, 수광 소자여도 된다. 발광 소자가 발광하는 광의 파장, 수광 소자가 수광하는 광의 파장은, 모두, 220nm 이상인 것이 바람직하고, 또한 600nm 이하인 것이 바람직하다. 발광 소자의 예로서는, 질화알루미늄갈륨(AlGaN)을 사용한 UV-LED(중심 파장이 260 내지 300nm), 청색 발광 소자(파장 440 내지 490nm), 녹색 발광 소자(파장 490 내지 580nm), 황색 발광 소자(파장 550 내지 600nm) 등을 들 수 있고, 특히 면 발광하는 소자가 적합하다.
수용 부재는, 광학 소자용 패키지에 있어서, 광학 소자를 수용하는 부재로서 공지된 것을 사용할 수 있고, 금속, 세라믹스 등의 무기 재료, 또는 고무, 엘라스토머, 수지 등의 유기 재료로 형성된, 광학 소자의 수용부로서의 오목 함몰부를 갖는 것이 적합하게 사용된다. 수용 부재의 사이즈는, 광학 소자의 용도, 수용되는 광학 소자, 창재의 사이즈 등에 의해 적절히 설정된다. 또한, 특히 LED에 있어서 현저하지만, 광학 소자가 발하는 열에 의해, 광학 소자가 고온 상태가 되면, 광학 소자의 발광 효율이 저하되기 때문에, 수용 부재는, 방열성이 좋은 알루미나계 세라믹스, 질화알루미늄계 세라믹스 등으로 형성된 것이나, 그것들에 금이나 구리 등의 금속의 도금 등을 방열 부재로서 형성한 것이 적합하다.
발광 소자로부터 발해지는 광은, 조사 거리가 이격될수록 조도가 저하된다. 또한, 광학 장치(광학 소자 모듈)의 설계에 있어서의 콤팩트화가 요구되는 점에서도 광학 소자, 특히 발광 소자와, 광학 소자용 창재의 최단 거리는, 바람직하게는 0.5mm 이상, 보다 바람직하게는 1mm 이상이고, 바람직하게는 10mm 이하, 보다 바람직하게는 8mm 이하이다.
광학 소자용 패키지의 내부(수용 부재와 창재로 둘러싸인 부분)에는, 광학 소자 이외에, 광학 소자와 광학 소자 패키지의 외부의 전기적인 도통을 위한 리드나 광의 추출 효율을 높이기 위한 리플렉터(반사판) 등의 다른 부재를 마련할 수 있다. 광학 소자용 패키지의 내부에 있어서, 광학 소자 및 다른 부재 이외의 부분은, 진공 상태, 공기나, 불활성 가스(예를 들어, 질소 가스) 등의 기체가 충전된 상태, 투명한 고무, 엘라스토머, 수지 등의 고체가 충전된 상태의 어느 것이어도 되지만, 광학 소자가 발하는 열의 방열성의 관점에서는, 진공 상태 또는 기체가 충전된 상태인 것이 바람직하다.
본 발명의 광학 장치는, 발광 소자 또는 수광 소자인 광학 소자가 내부에 설치된 광학 소자 패키지와, 광학 소자용 창재를 구비한다. 본 발명의 광학 장치에 있어서, 광학 소자용 창재는, 광이 통과하는 위치에 마련되어 있다. 이에 의해, 광학 장치의 배광성을 제어하는 것이 가능하다. 광학 장치로서는, 표면 실장 패키지 등의 광학 소자 패키지를 1개 이상 구비하는 것, 광학 소자 패키지를 2개 이상 구비하고, 그것들이 어레이화되어 있는 것(일반적으로, 광학 소자 모듈이라고 불리는 것) 등을 들 수 있다. 광학 장치로서는, 발광 장치여도, 수광 장치여도 되지만, 특히 광 조사 장치 등의 발광 장치가 적합하다. 발광 장치로서는, 심자외 LED 등의 자외 LED(UV-LED)의 표면 실장 패키지(SMD PKG)가 적합하다.
리플렉터 등을 사용하고 있는 SMD PKG에서는, 발광의 광원이 SMD PKG 내에 1개였다고 해도, 발광하고 있는 광은, 점 발광이 아닌 의사적으로 면 발광으로 되어 있고, 배광 각을 갖는 광이다. 또한, 예를 들어 UV-LED에 있어서 상용되어 있는, 발광 소자가 플립 칩 방식으로 다이 본드되어 있는 경우, 배광 각을 갖는 광으로 되어 있는 점에 추가하여, 종종, 조도 불균일이 발생하고 있다. 광 수지 경화 등, 광을 균일하게 조사하는 것이 요구되는 경우에 있어서는, 이러한 배광 특성을 갖는 광학 소자 패키지를 나열하여, 대면적을 균일 조사하도록 광학 장치를 설계하는 것은 어렵고, 또한, 출력이 약한 광학 소자 패키지의 경우에는, 피조사체까지의 거리를 짧게 해야 한다.
본 발명의 광학 장치와 같이, 광학 소자 패키지에 대하여 광이 통과하는 위치에, 주표면이 소정의 표면 성상을 갖는 조면으로 되어 있는 본 발명의 광학 소자용 창재를 마련함으로써, 작은 출력으로도 조도 불균일을 해소하여 효율적으로 광을 조사하는 것이 가능하게 된다. 본 발명의 광학 장치에 있어서는, 광학 소자용 창재는, 접착되어 있어도 되지만, 접착되어 있지 않아도 되고, 광학 소자용 창재를 고정하는 경우에는, 플랜지 등을 사용하여, 착탈 가능하게 고정할 수도 있다. 또한, 본 발명의 광학 장치에 있어서의 광학 소자 패키지에 사용되고 있는 광학 소자용 창재는, 주표면이 소정의 표면 성상을 갖는 조면으로 되어 있는 본 발명의 광학 소자용 창재여도, 그 이외의 창재여도 된다.
광학 장치(광학 소자 모듈)의 설계에 있어서의 콤팩트화가 요구되는 점에서, 광학 소자 패키지, 특히, 광학 소자가 발광 소자인 광학 소자 패키지와, 광학 소자용 창재의 최단 거리는, 바람직하게는 0.5mm 이상, 보다 바람직하게는 1mm 이상이고, 바람직하게는 10mm 이하, 보다 바람직하게는 8mm 이하이다.
본 발명의 광학 소자용 창재, 광학 소자 패키지용 리드, 광학 소자 패키지 및 광학 장치는, 모두, 파장 400nm 이하의 자외광, 특히 280nm 이하의 심자외광을 발광하는 발광 소자 또는 수광하는 수광 소자 등의 광학 소자에 대하여 특히 효과적이다. 또한, 본 발명의 광학 소자용 창재, 광학 소자 패키지용 리드, 광학 소자 패키지 및 광학 장치는, 모두, 150도 이하의 배광 각을 갖는 광을 발광하는 발광 소자에 대하여 특히 효과적이다.
[실시예]
이하, 실시예 및 비교예를 나타내서 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
슬라이스된 합성 석영 유리 기판을, 유성 운도를 행하는 양면 랩기로 랩을 씌우고, 주표면의 양면이 조면인 두께 0.5mm의 합성 석영 유리 웨이퍼 기판을 얻었다. 다음으로, 얻어진 합성 석영 유리 기판을, 8질량％의 버퍼드 불산에 60분간 침지시켜서, 수세, 건조하여, 평판 형상의 광학 소자용 창재를 얻었다.
얻어진 광학 소자용 창재의 조면인 주표면의 표면 성상을 평가하였다. JIS B 0681-2: 2018에서 규정되는 부하 면적률이 10％인 윤곽 곡면의 돌출 골부 공간 체적(Vvv) 및 부하 면적률이 80％인 윤곽 곡면의 돌출 산부 실체 체적(Vmp)을 백색 간섭계(Zygo Corporation사제, Nexview)를 사용하여 측정하였다. 그 결과, 그것들의 합계값(Vvv+Vmp)은 양쪽 주표면(조면)에서 1.91×104㎛3이었다. 또한, 얻어진 광학 소자용 창재의 조면인 주표면의 표면 조도(Ra)를 측정한 바, 양쪽 주표면에서 0.41㎛였다.
다음으로, 얻어진 광학 소자용 창재의 수용 부재와 접합하는 부분인 주표면의 외주연부에, 선 폭이 0.25mm로 되도록, 금속계 접착제를, 스크린 인쇄에 의해 도포하여 접착제층을 형성하여, 광학 소자 패키지용 리드를 얻었다. 금속계 접착제에는, 은 핵의 평균 1차 입자경이 50nm인 나노은 입자를 주성분으로 하고, 비스무트와, 주석과, 인듐을 포함하는 금속계 접착제를 사용하였다.
다음으로, 초기 배광 각이 120도인, 파장 265nm의 50mW급 UVC-LED 소자(광학 소자)가 내부에 설치된, 질화알루미늄을 기재로 하는 한 변이 3.5mm인 정사각형의 표면 실장형 패키지(SMD PKG) 캐리어(수용 부재)의 상부를, 상기에서 얻어진 광학 소자 패키지용 리드로 밀봉하고, 표면 실장형 패키지(SMD PKG)를 얻었다. SMD PKG 캐리어는, 합성 석영 유리 리드와 접합하는 부분(접착제층과 접하는 면)에 금 도금을 실시한 것을 사용하였다. 얻어진 SMD PKG(광학 소자 패키지) 내의 LED를 점등시켜, LED 모듈 고니오포토미터(Instrument Systems제, LEDGON)를 사용하여 배광 각을 측정한 바, 배광 각은 70도가 되었다. 배광 특성(배광의 3차원 맵)을 도 1에 도시한다. 이 경우, 배광은, LED의 오리지널 배광이었던 배트 윙 배광으로부터, 조사 불균일이 없는 란바아트 반사에 근접하고 있고, 배광 특성이 변화되어 있었다.
[실시예 2]
실시예 1과 마찬가지의 방법으로, 합성 석영 유리 웨이퍼 기판을 얻었다. 다음으로, 얻어진 합성 석영 유리 기판을, 10질량％의 버퍼드 불산에 15분간 침지시켜서, 수세, 건조하여, 평판 형상의 광학 소자용 창재를 얻었다.
얻어진 광학 소자용 창재의 조면인 주표면의 표면 성상을 실시예 1과 마찬가지로 평가하였다. 그 결과, 그것들의 합계값(Vvv+Vmp)은, 양쪽 주표면(조면)에서 7.02×104㎛3이었다. 또한, 얻어진 광학 소자용 창재의 조면인 주표면의 표면 조도(Ra)를 측정한 바, 양쪽 주표면에서 1.02㎛였다.
다음으로, 초기 배광 각이 130도인, 파장 280nm의 50mW급 UVC-LED 소자(광학 소자)가 내부에 설치된, 실시예 1과 마찬가지의 표면 실장형 패키지(SMD PKG) 캐리어(수용 부재)의 상부를, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 얻은 광학 소자 패키지용 리드로 밀봉하여, 표면 실장형 패키지(SMD PKG)를 얻었다. 얻어진 SMD PKG(광학 소자 패키지) 내의 LED를 점등시켜, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로, 배광 각을 측정한 바, 배광 각은 48도가 되었다. 배광 특성(배광의 3차원 맵)을 도 2에 도시한다. 이 경우, 배광은, LED 오리지널의 배트 윙 배광으로부터, 조사 불균일이 없는 란바아트 반사에 실시예 1의 경우보다도 보다 근접하고 있고, 배광 특성이 변화되어 있었다.
[실시예 3]
슬라이스된 합성 석영 유리 기판을, 유성 운도를 행하는 양면 랩기로 랩을 씌우고, 또한, 유성 운동을 행하는 편면 폴리시기로 경면화 가공을 하여, 주표면의 한쪽 면이 조면, 다른 쪽의 면이 경면인 두께 0.8mm의 합성 석영 유리 웨이퍼 기판을 얻었다. 다음으로, 얻어진 합성 석영 유리 기판을, 5질량％의 버퍼드 불산에 30분간 침지시켜서, 수세, 건조하여, 평판 형상의 광학 소자용 창재를 얻었다.
얻어진 광학 소자용 창재의 조면인 주표면의 표면 성상을 실시예 1과 마찬가지로 평가하였다. 그 결과, 그것들의 합계값(Vvv+Vmp)은 한쪽의 주표면(조면)에서 2.05×104㎛3이었다. 또한, 얻어진 광학 소자용 창재의 조면인 주표면의 표면 조도(Ra)를 측정한 바, 한쪽의 주표면(조면)에서 0.39㎛였다.
다음으로, 실시예 1과 마찬가지의 UVC-LED 소자(광학 소자)가 내부에 설치된, 실시예 1과 마찬가지의 표면 실장형 패키지(SMD PKG) 캐리어(수용 부재)의 상부를, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 얻은 광학 소자 패키지용 리드로 밀봉하여, 표면 실장형 패키지(SMD PKG)를 얻었다. 얻어진 SMD PKG(광학 소자 패키지) 내의 LED를 점등시켜, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로, 배광 각을 측정한 바, 배광 각은 60도가 되었다. 배광 특성(배광의 3차원 맵)을 도 3에 도시한다. 이 경우, 배광은, LED의 오리지널 배광이었던 배트 윙 배광으로부터, 조사 불균일이 없는 란바아트 반사에 근접하고 있고, 배광 특성이 변화되어 있었다.
[비교예 1]
실시예 1과 마찬가지의 방법으로, 합성 석영 유리 웨이퍼 기판을 얻었다. 다음으로, 얻어진 합성 석영 유리 기판을, 10질량％의 버퍼드 불산에 180분간 침지시켜서, 수세, 건조하여, 평판 형상의 광학 소자용 창재를 얻었다.
얻어진 광학 소자용 창재의 조면인 주표면의 표면 성상을 실시예 1과 마찬가지로 평가하였다. 그 결과, 그것들의 합계값(Vvv+Vmp)은, 양쪽 주표면(조면)에서 1.38×104㎛3이었다. 또한, 얻어진 광학 소자용 창재의 조면인 주표면의 표면 조도(Ra)를 측정한 바, 양쪽 주표면에서 0.36㎛였다.
다음으로, 실시예 1과 마찬가지의 UVC-LED 소자(광학 소자)가 내부에 설치된, 실시예 1과 마찬가지의 표면 실장형 패키지(SMD PKG) 캐리어(수용 부재)의 상부를, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 얻은 광학 소자 패키지용 리드로 밀봉하여, 표면 실장형 패키지(SMD PKG)를 얻었다. 얻어진 SMD PKG(광학 소자 패키지) 내의 LED를 점등시켜, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로, 배광 각을 측정한 바, 배광 각은 120도인 채였다. 배광 특성(배광의 3차원 맵)을 도 4에 도시한다. 이 경우, 배광은, 플립 칩 방식의 UVC-LED SMD PKG 특유의 배트 윙 배광에 가까운 형인 채로, 배광 특성에 변화는 보이지 않았다.
[실시예 4]
초기 배광 각이 130도인, 파장 285nm의 30mW급 UVC-LED 소자를 수용하는 한 변이 3.5mm인 정사각형의 표면 실장형 패키지(SMD PKG)(닛키소(주)제, VPS-171)가, 3×3열로 배열된 심자외선 LED 모듈에 대하여, SMD PKG의 창재로부터 4mm의 위치에, 실시예 2와 마찬가지의 방법으로 얻은 광학 소자용 창재를 설치하여, 광학 장치(발광 장치)를 구성하였다.
얻어진 광학 장치 내의 LED를 점등시켜, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로, 배광 각을 측정한 바, 배광 각은 48도가 되었다.
1: 광학 소자용 창재
2: 접착층
3: 수용 부재
4: 광학 소자
5: 반사판
10: 광학 소자 패키지
2: 접착층
3: 수용 부재
4: 광학 소자
5: 반사판
10: 광학 소자 패키지
Claims (14)
- 광을 발광 또는 수광하는 광학 소자를 수용하는 광학 소자 패키지용, 또는 광을 발광 또는 수광하는 광학 소자를 수용하는 광학 소자 패키지를 구비하는 광학 장치용의 창재이며,
합성 석영 유리로 형성되고,
평판 형상을 갖고 있고,
상기 광이 투과하는 주표면의 편면 또는 양면이, 조면이고,
상기 조면인 주표면에 있어서,
JIS B 0681-2: 2018에서 규정되는 부하 면적률이 10％인 윤곽 곡면의 돌출 골부 공간 체적(Vvv) 및 부하 면적률이 80％인 윤곽 곡면의 돌출 산부 실체 체적(Vmp)의 합계값이, 1.7×104㎛3 이상인 것을 특징으로 하는 광학 소자용 창재. - 제1항에 있어서, 두께가, 0.1 내지 3mm인 것을 특징으로 하는 광학 소자용 창재.
- 제1항에 있어서, 상기 조면인 주표면의 표면 조도(Ra)가, 0.1 내지 0.5㎛인 것을 특징으로 하는 광학 소자용 창재.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 광학 소자용 창재와, 해당 광학 소자용 창재의 상기 주표면의 한쪽 면의 일부에 적층된 접착제층을 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 소자 패키지용 리드.
- 제4항에 있어서, 상기 접착제층을 구성하는 접착제가, 수지계 접착제 및 금속계 접착제에서 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 광학 소자 패키지용 리드.
- 제4항에 있어서, 상기 접착제층이, 반경화 상태(B-Stage)인 것을 특징으로 하는 광학 소자 패키지용 리드.
- 광학 소자와, 해당 광학 소자가 내부에 설치되는 수용 부재와, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 광학 소자용 창재와, 접착층을 구비하고,
상기 광이 통과하는 위치에 상기 광학 소자용 창재가 마련되어 있고, 상기 광학 소자가, 상기 수용 부재에 수용되어, 상기 수용 부재와 상기 광학 소자용 창재가 접착층을 통해 접합되어서 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 소자 패키지. - 제7항에 있어서, 상기 광학 소자가, 파장 220 내지 600nm의 광을 발광하는 발광 소자 또는 수광하는 수광 소자인 것을 특징으로 하는 광학 소자 패키지.
- 제7항에 있어서, 상기 광학 소자가, 150도 이하의 배광 각을 갖는 광을 발광하는 발광 소자인 것을 특징으로 하는 광학 소자 패키지.
- 제7항에 있어서, 상기 광학 소자가 발광 소자이고, 해당 발광 소자와 상기 광학 소자용 창재의 최단 거리가, 0.5 내지 10mm인 것을 특징으로 하는 광학 소자 패키지.
- 발광 소자가 내부에 설치된 광학 소자 패키지와, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 광학 소자용 창재를 구비하고,
상기 광이 통과하는 위치에, 상기 광학 소자용 창재가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 장치. - 제11항에 있어서, 상기 광학 소자가, 파장 220 내지 600nm의 광을 발광하는 광학 소자 또는 수광하는 수광 소자인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
- 제11항에 있어서, 상기 광학 소자가, 150도 이하의 배광 각을 갖는 광을 발광하는 발광 소자인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
- 제11항에 있어서, 상기 광학 소자가 발광 소자이고, 상기 광학 소자 패키지와 상기 광학 소자용 창재의 최단 거리가, 0.5 내지 10mm인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
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