JP2006303303A - 光学特性制御ｌｅｄデバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、指向特性の調整、色調ムラの改善、光度の適正化等を良好な精度で且つ高温・紫外線環境下に晒されても光学特性の維持が可能な光学特性制御ＬＥＤデバイス及びその製造方法を提供することにある
【解決手段】ＬＥＤチップが透光性樹脂で樹脂封止され、透光性樹脂の光出射面には凹面を有する凹みが設けられている。ＬＥＤチップから発せられて凹面以外の光出射面に至った光の一部は光出射面で屈折して外部（大気中）に出射される。一方、ＬＥＤチップから発せられて凹みの凹面に至った光のうち、凹面の法線との交角（入射角）が臨界角以上のときは、凹面で全反射されて再び透光性樹脂内に戻り、大気中には出射されないことになる。従って、凹みを含む凹み近傍では大気中に出射される光量が制御されることになり、ＬＥＤデバイスの指向特性の調整、色調ムラの改善、光度の適正化等を良好な精度で再現性よく実現することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学特性制御ＬＥＤデバイス及びその製造方法に関するものであり、詳しくは、ＬＥＤデバイスの指向特性の調整、色調ムラの改善、光度の適正化等を可能にするＬＥＤ光学特性制御ＬＥＤデバイス及びその製造方法に関する。

ＬＥＤチップには、半導体ウエハー内及び半導体ウエハーの組成の個体差、活性層形成工程に於ける安定性及び再現性の限界等によって、発光効率や分光特性のバラツキが存在している。またＬＥＤチップは、一辺の長さが０．５ｍｍ程度の６面体（サイコロ状）の寸法・形状をした極めて小さい半導体素子であり、そのため発光光量が少なく、点光源に近い光学特性を有している。

また、ＬＥＤチップが実装されたＬＥＤデバイスは、一般的にはＬＥＤチップを透光性樹脂によって樹脂封止し、ＬＥＤチップから発せられた光を透光性樹脂内を導光させて光出射面から外部（大気中）に出射するようになっている。

ところで、ＬＥＤチップを実装したＬＥＤデバイスを多数個作製した場合、ＬＥＤチップの発光効率の個体差によってＬＥＤデバイスの光出射面からの出射光の光量が夫々異なるものとなり、各ＬＥＤデバイスの相互間に明るさのバラツキが生じることになる。また、ＬＥＤチップの光出射面から出射されてＬＥＤデバイスの光出射面に至る光の光量は、ＬＥＤチップの光出射面からＬＥＤデバイスの光出射面までの光路長によって異なるものとなり、ＬＥＤデバイスの光出射面内に於いて明るさのムラが生じることになる。

このような、各ＬＥＤデバイス相互間の明るさのバラツキ及びＬＥＤデバイスの光出射面内に於ける明るさのムラを制御して上記不具合を解消する方法として、ＬＥＤデバイスの光出射面に遮光性又は半遮光性の塗料によって多数のドットを形成するか、或いは、遮光性又は半遮光性の塗料によって細幅線を網目状に形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、同様にＬＥＤチップを実装したＬＥＤデバイスを多数個作製した場合、ＬＥＤチップの分光特性の個体差によってＬＥＤデバイスの光出射面からの出射光の色調が夫々異なるものとなり、各ＬＥＤデバイスの相互間に色調のバラツキが生じることになる。

このような、各ＬＥＤデバイス相互間の色調バラツキを制御して上記不具合を解消する方法として、ＬＥＤチップを樹脂封止する透光性樹脂を該ＬＥＤチップの発光色と同一の色調に着色し、ＬＥＤデバイスの光出射面に前記透光性樹脂と同一の色調に着色した遮光性又は半遮光性の塗料によって多数のドットを形成するか、或いは、前記透光性樹脂と同一の色調に着色した遮光性又は半遮光性の塗料によって細幅線を網目状に形成することが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００３−２４３７２２号公報 特開２００３−２５８３０９号公報

しかしながら、上記ＬＥＤデバイスの光出射面を形成する透光性樹脂に、遮光性又は半遮光性の塗料によってドットや細幅線を網目状に形成する手法は、以下のような問題点を含んでいる。

まず、遮光性又は半遮光性の塗料によってドットや細幅線を網目状に形成する方法に、例えば、インクジェットによる噴射印刷やスクリーン印刷等が挙げられているが、透光性樹脂表面に塗布された塗料が滲みを生じて遮光精度を低下させるため、高精度で、安定した、再現性の良好な光学特性の制御を実現することは難しい。

また、塗料の耐熱性が塗料を塗布する透光性樹脂よりも劣っており、ＬＥＤデバイス実装時の半田付け熱に対する耐熱性の不足によって、軟化・溶融流動することになる。同様に、塗料に関しては、塗料の耐侯性も塗料を塗布する透光性樹脂よりも劣っており、大気中の紫外線やＬＥＤチップから発せられる短波長領域の光を受けて劣化し、透光性樹脂面から剥がれ落ちる等の不具合により遮光性が損なわれることになる。

更に、塗料を使用することによってＬＥＤデバイスを構成する部材点数が多くなり、製造コストを上昇させる要因となる。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、ＬＥＤデバイスの指向特性の調整、色調ムラの改善、光度の適正化等を良好な精度で且つ高温・紫外線環境下に晒されても特性維持が実現できるＬＥＤデバイスの光学特性制御方法及びＬＥＤデバイスを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、少なくとも１個以上のＬＥＤチップが透光性部材によって封止されたＬＥＤデバイスであって、前記透光性部材の光出射面には凹面を有する凹みが少なくとも１個以上設けられていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記透光性部材は樹脂及びガラスのうちの１つであることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項２において、前記透光性部材には少なくとも１種類以上の蛍光体が混入されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、前記請求項１〜３の光学特性制御ＬＥＤデバイスの製造工程に於いて、
ＬＥＤデバイスの光度、指向特性、色調の項目からなる群の中の少なくとも１つ以上の項目を測定する工程と、
前記ＬＥＤチップを封止した透光性部材の光出射面に少なくとも１個以上の凹みをレーザ光によって形成する工程と、
前記凹みを形成した後に、光度、指向特性、色調の項目からなる群の中の少なくとも１つ以上の項目を測定する工程と、を有することを特徴とするものである。

本発明の光学特性制御ＬＥＤデバイス及びその製造方法は、ＬＥＤデバイスの光出射面にレーザ光によって凹みを設け、該凹み部分が外部に出射しようとする光を阻止する働きをなすことを利用して光度、指向特性、色調を制御しようとするものである。

よって、高熱や紫外線等の厳しい環境下に於いても、凹みを設けた効果が影響受けるものではなく、光学特性を長期間に亘って維持できる信頼性のあるＬＥＤデバイスを実現するものである。

また、塗料を塗布する方法とは異なるため、滲みがなく、光学特性の精度及び再現性の高いＬＥＤデバイスを実現することができる。

また、製造工程に於いて新たな部品を必要とするものではなく、材料費の上昇を伴なわない経済的な手法でもある。

つまり、本発明の光学特性制御ＬＥＤデバイス及びその製造方法は上記効果を奏しながら、ＬＥＤデバイスの指向特性の調整、色調ムラの改善、光度の適正化等を良好な精度で達成できるものである。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図８を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１は本発明に係わる光学特性制御ＬＥＤデバイスの原理図である。ＬＥＤデバイスの光学制御に係わる主な構成要素は、ＬＥＤチップと該ＬＥＤチップを封止する透光性樹脂である。そして、ＬＥＤチップの光出射面と透光性樹脂とは界面を形成し、透光性樹脂の光出射面と外部（大気）も界面を形成している。

この構成に於いて、ＬＥＤチップの光出射面から出射されて透光性樹脂との界面を経て透光性樹脂内に入射し、透光性樹脂の光出射面に向かう光は、透光性樹脂内を導光されて透光性樹脂の光出射面に至り、大気との界面である光出射面で屈折されて大気中に出射される（図中では直線1〜３及び点線４、５で示される光線）。

ところで、透光性樹脂の光出射面に例えば断面略円弧形状の凹面からなる凹みを設けると、凹面は透光性樹脂と大気との界面となり、透光性樹脂の光出射面となる。従って、透光性樹脂の光出射面は凹面とそれ以外の面とで構成されることになる。

そこで、ＬＥＤチップの光出射面から出射されて透光性樹脂の光出射面に至った光の一部は光出射面で屈折されて大気中に出射される（図中では直線1〜３で示される光線）。一方、凹面に至った光のうち、凹面の入射点における界面の法線との交角（入射角）が臨界角以内のときは大気との界面である凹面で屈折されて大気中に放出される（図中では一点鎖線６、７で示される光線）。

ところが、凹面に至った光のうち、凹面の入射点における界面の法線との交角（入射角）が臨界角以上のときは大気との界面である凹面で全反射されて再び透光性樹脂内に戻る。（図中では直線８、９で示される光線）。

従って、透光性樹脂の光出射面に凹みが形成されていないときには大気中に出射していた光線４、５が、凹みが形成されたことによって光線８、９のように内部反射されて大気中に出射されないようになったことになる。つまり、透光性樹脂の光出射面に於いて、凹みを形成することによって凹みを含む凹み近傍から大気中に出射する光量を部分的に抑制することができ、その結果、光出射面から出射される光の指向特性が制御できることになる。

また、透光性樹脂の光出射面全面に、多数の凹みを略等間隔でマトリックス状に設けることにより、指向特性を変えることなくＬＥＤデバイスの出射光量（明るさ）のみを制御することができる。

更に、ＬＥＤデバイスには、ＬＥＤチップから出射された光で蛍光体を励起して波長変換し、波長変換された光とＬＥＤチップから出射された光とを混合することによってＬＥＤチップから出射される光とは異なる色調の光を出射するようにしたものがある。

それは例えば、ＬＥＤチップから出射される光が青色光の場合には、青色光に励起されて青色の補色となる黄色光に波長変換する蛍光体を用いることにより、ＬＥＤチップから出射された青色光が蛍光体を励起することによって波長変換された黄色光と、ＬＥＤチップから出射された青色光との混合によって白色光を作り出すものである。
同様に、ＬＥＤチップから出射される光が青色光であっても、青色光に励起されて緑色光及び赤色光にそれぞれ波長変換する２種類の蛍光体を混合したものを用いることにより、ＬＥＤチップから出射された青色光が蛍光体を励起することによって波長変換された緑色光及び赤色光と、ＬＥＤチップから出射された青色光との混合によって白色光を作り出すものもある。
また、ＬＥＤチップから出射される光が紫外光の場合には、紫外光に励起されて青色光、緑色光及び赤色光にそれぞれ波長変換する３種類の蛍光体を混合したものを用いることにより、ＬＥＤチップから出射された紫外光が蛍光体を励起することによって波長変換された青色光、緑色光及び赤色光の混合によって白色光を作り出すものもある。
つまり、ＬＥＤチップから出射される光の波長と蛍光体とを適宜に組み合わせることによって白色光以外の種々な色調の光を作り出すことができる。

そこで、図２では青色ＬＥＤチップから出射された青色光と、ＬＥＤチップから出射された青色光に励起されて青色の補色となる黄色光に波長変換する蛍光体を用いて白色光を得るＬＥＤデバイスの光学特性制御方法を示している。

青色ＬＥＤを封止する透光性樹脂には青色光に励起されて青色の補色となる黄色光に波長変換する蛍光体が混入され、透光性樹脂の光出射面には断面略円弧形状の凹面からなる凹みを設け、凹面が透光性樹脂と大気との界面となり、透光性樹脂の光出射面となるようにしている。従って、透光性樹脂の光出射面は凹面とそれ以外の面とで構成されることになる。

そこで、ＬＥＤチップの光出射面から出射されてそのまま透光性樹脂の光出射面に至った光の一部は光出射面で屈折されて大気中に出射される（図中では直線1で示される光線）。一方、ＬＥＤチップの光出射面から出射されて蛍光体に至って蛍光体を励起し、波長変換されて蛍光体から放出された黄色光のうち、透光性樹脂の光出射面に至った光は光出射面で屈折されて大気中に出射される（図中では直線２で示される光線）。また、蛍光体から放出された黄色光のうち、凹みの凹面に至った光は凹面の入射点における界面の法線との交角（入射角）が臨界角以上のときは大気との界面である凹面で全反射されて再び透光性樹脂内に戻る（図中では直線３で示される光線）

従って、透光性樹脂の光出射面に凹みが形成されていないときには大気中に出射していた光線４が、凹みが形成されたことによって光線３のように内部反射されて大気中に出射されないようになったことになる。つまり、凹面で全反射された光が蛍光体から放出された黄色光であるため、凹みを形成することによって凹みを含む凹み近傍から大気中に出射する黄色光の光量を部分的に抑制することができ、その結果、ＬＥＤデバイスから出射される光の色調制御を部分的におこなうことができるものである。

この場合、ＬＥＤデバイスからは青色光と黄色光の２種類の光が出射され、この２種類の光を混合して白色の色調の光を得るようになっている。従って、ＬＥＤデバイスの光出射面において、青色光の光量が多くて青色みがかった白色の色調を呈しているときは、その部分に凹みを設けることにて青色光の出射を抑制できる。また反対に黄色光の光量が多くて黄色みがかった白色の色調を呈しているときは、その部分に凹みを設けることにて黄色光の出射を抑制できる。つまり、ＬＥＤデバイスの出射面全面に亘って同一な色調の光を放出するような制御を行なうことができるものである。

なお、凹みは、ＬＥＤデバイスの光出射面の大きさ、透光性樹脂の厚みを考慮して、形状（例えば、ドーム形状、筒形状）、大きさ、深さ、配置する間隔、数量等を適宜設定することによって最良の結果を得ることができる。

ＬＥＤデバイスの光出射面に設ける凹みは、図３で示すようにＬＥＤデバイス１の透光性樹脂の光出射面２にレーザ光３を照射することによって形成するものである。凹み４を形成するレーザの種類はＣＯ_２レーザやエキシマレーザ等の気体レーザ、ＹＡＧレーザ等の固体レーザなどが使用されるが、特にこれらに限定されるものではない。またレーザの出力、照射時間、ビーム径等の照射条件は凹みの大きさ、深さ、作業性等を考慮して適宜設定される。

次に、図４〜図８に於いて具体的な実施形態について説明する。図４及び図５はＬＥＤデバイスの光学特性のうち、指向特性を制御する場合を示しており、図４はＬＥＤデバイスの部分斜視図、図５はＬＥＤデバイスの指向特性である。図４に於いて、ＬＥＤデバイス１の下方には図示しないが複数個の同一発光色のＬＥＤチップを所定の間隔をもってマトリックス状に実装している。そして、光出射面２の一部の領域に複数の凹み４を設けている。

この場合、凹みが設けられた領域は、ＬＥＤチップから出射された光の一部が凹みによって内部反射され、外部に出射されるのを阻害されている。従って、この領域は他の光出射面に比べて出射光量が少ない。図５はこのときの指向特性（実線）を，凹みを設けないときの指向特性（点線）と重ねて示したものである。凹みを設けないときの指向特性は、ＬＥＤチップの光軸Ｘ（指向角０°）に対して対称な指向特性を示しており、明るさも対称的に分布している。それに対し、凹みを設けたときの指向特性は、凹みを設けた方向が凹んだ特性を示しており、明るさの分布が歪んだ特性を有している。このことから、光出射面の適当な部分に凹みを設けることによりＬＥＤデバイスの配向特性を制御できることが検証できた。

図６及び図７はＬＥＤデバイスの光学特性のうち、光度を制御する場合を示しており、図６はＬＥＤデバイスの部分斜視図、図７は光度ランクの最適化を示すものである。図６に於いて、ＬＥＤデバイス１の光出射面２に略均等に凹み４を設けている。

この場合も上記同様に、ＬＥＤチップから出射された光の一部が凹みによって内部反射され、外部に出射されるのを阻害されている。従って、光出射面から出射される光量は光出射面全面に亘って均等に低減されるため、指向特性を変えないで明るさ（光度）のみを制御することができる。

この結果を踏まえ、ＬＥＤデバイス光度制御を行なうことによって、光度選別の同一ランク内に含まれるＬＥＤデバイスの数量を増やし、単ランク指定の出荷に対して出荷数量の確保が容易にできるようになる。例えば、図７に示すように、ＬＥＤデバイスが光度の低い方から順にＡ〜Ｆで表される所定の光度範囲内にランク分けされている場合、例えばＢランクの明るいＬＥＤデバイスに凹みを設けることによって光度をＡランクまで落とし、従来のＡランクのＬＥＤデバイスと混合することによってＡランクのＬＥＤデバイスの数量を増加させることができる。その結果、ＡランクのＬＥＤデバイスの大量の要求に対しても対応することができる。また、Ｅ、ＦランクのＬＥＤデバイスをＤランクの光度まで下げてＤランクのＬＥＤデバイスを多量に確保することも可能である。このように、ＬＥＤデバイスの光度を制御することによって必要なランクの数量を容易に確保することができる。

このように、明るさの制御が容易にできるために在庫の数を減らすことができ、効率的な生産計画の下に無駄の少ない生産が可能となり、製造コストの低減に寄与するものである。

図８はＬＥＤデバイスの光学特性のうち、色調を制御する場合を示しており、ＬＥＤデバイスの部分斜視図である。図８に於いて、ＬＥＤデバイス１は白色ＬＥＤデバイスであり、ＬＥＤデバイス１の下方には図示しないが複数個の青色発光ＬＥＤチップが所定の間隔をもってマトリックス状に実装され、ＬＥＤデバイス１の光出射面２を形成する透光性樹脂には蛍光体が混入されている。

上記白色ＬＥＤデバイス１の光出射面２の中央部は良好な色調の白色光が出射しているが、周辺領域の白色光は黄色みがかった白色光が出射しており、白色ＬＥＤデバイスとしては光出射面内において色調ムラのあるＬＥＤデバイスとなっている。

そこで、ＬＥＤデバイスの光出射面の黄色みがかった白色の色調の光を出射する領域にのみ凹みを設ける。すると、その領域は蛍光体から放出された黄色光が多いため、図２に示すようなメカニズムによって、黄色光の出射を阻害することによって中央部の白色光領域と同様の色調を出射するように色調制御を行なうことができる。

よって、光出射面の全面に亘って色調ムラのない光を出射するＬＥＤデバイスを実現することができる。なお、蛍光体は一種類に限られるものではなく、ＬＥＤチップの発光色やＬＥＤデバイスとして求められる色調等を考慮して２種類以上の蛍光体を使用することも可能である。その場合も、色調を変えたい領域のみに凹みを設けることによってＬＥＤデバイスの色調を制御することができる。

なお、ここまでは、ＬＥＤデバイスの光出射面に凹みを設けることによって、指向特性、光度、色調を個別に制御する方法を説明してきたが、これらは上記のように単独で制御される場合と、任意に組み合わせた複数の光学特性を同時に制御する場合とが考えられる。

ところで、光学特性制御ＬＥＤデバイスの製造工程に於いて、該ＬＥＤデバイスの光出射面に凹みを設ける工程は、まず、ＬＥＤデバイスの光学特性（例えば、光度、指向特性、色調等）を測定し、制御する必要のある項目及びその制御仕様を設定する。次に、制御仕様に基づいてレーザ光で光出射面に凹みを形成する。その後、再度測定して光学特性制御結果を検証する。結果が不十分の場合は再度レーザ光で光出射面に凹みを形成して測定し、光学特性制御結果を検証する。このような過程を繰り返すことによって理想とする特性を得ることができる。なお、多量のＬＥＤデバイスに対して同様の制御仕様が適応できる場合は、レーザ加工の条件出しができれば１つのＬＥＤデバイス対して１回のレーザ加工で求める光学制御が可能となる。

なお、上述の透光性樹脂の替わりに透明ガラスを使用しても同様の作用、効果を齎すものである。

以上説明したように、本発明の光学特性制御ＬＥＤデバイス及びその製造方法は、ＬＥＤデバイスの光出射面の一部または全面にレーザ光による凹みを設けることによって、凹みを含む凹み近傍から出射する光が外部に出射されるのを阻害するようにしたものである。

よって、高熱や紫外線等の厳しい環境下に於いても、凹みを設けた効果が影響受けるものではなく、光学特性を長期間に亘って維持できる信頼性のあるＬＥＤデバイスを実現するものである。

また、塗料を塗布する方法とは異なるため、滲みがなく、光学特性の精度及び再現性の高いＬＥＤデバイスを実現することができる。

また、製造工程に於いて新たな部品を必要とするものではなく、材料費の上昇を伴なわない経済的な手法でもある。

つまり、上記効果を奏しながら、ＬＥＤデバイスの指向特性の調整、色調ムラの改善、光度の適正化等を良好な精度で達成できる光学特性制御ＬＥＤデバイス及びその製造方法を実現することができるものである。

本発明に係わる光学特性制御ＬＥＤデバイスの原理を説明する説明図である。 同じく、本発明に係わる光学特性制御ＬＥＤデバイスの原理を説明する説明図である。 本発明に係わる光学特性制御ＬＥＤデバイスの製造方法を示す概略図である。 本発明に係わる光学特性制御ＬＥＤデバイスの実施形態を示す部分斜視図である。 図４で示す実施形態の指向特性を示すグラフである。 本発明に係わる光学特性制御ＬＥＤデバイスの他の実施形態を示す部分斜視図である。 ＬＥＤデバイスの光度ランクを示す管理図である。 本発明に係わる光学特性制御ＬＥＤデバイスの他の実施形態を示す部分斜視図である。

符号の説明

１ ＬＥＤデバイス
２ 光出射面
３ レーザ光
４ 凹み

Claims (4)

1. 少なくとも１個以上のＬＥＤチップが透光性部材によって封止されたＬＥＤデバイスであって、前記透光性部材の光出射面には凹面を有する凹みが少なくとも１個以上設けられていることを特徴とする光学特性制御ＬＥＤデバイス。
2. 前記透光性部材は樹脂及びガラスのうちの１つであることを特徴とする請求項１に記載の光学特性制御ＬＥＤデバイス。
3. 前記透光性部材には少なくとも１種類以上の蛍光体が混入されていることを特徴とする請求項２に記載の光学特性制御ＬＥＤデバイス。
4. 前記請求項１〜３の光学特性制御ＬＥＤデバイスの製造工程に於いて、
   ＬＥＤデバイスの光度、指向特性、色調の項目からなる群の中の少なくとも１つ以上の項目を測定する工程と、
   前記ＬＥＤチップを封止した透光性部材の光出射面に少なくとも１個以上の凹みをレーザ光によって形成する工程と、
   前記凹みを形成した後に、光度、指向特性、色調の項目からなる群の中の少なくとも１つ以上の項目を測定する工程と、を有することを特徴とする光学特性制御ＬＥＤデバイスの光学特性制御方法。

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