JP5334733B2

JP5334733B2 - 発光装置

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Publication number: JP5334733B2
Application number: JP2009177481A
Authority: JP
Inventors: 和成池田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2029-07-30
Also published as: JP2011035029A

Description

本発明は、発光装置に関する。

従来、発光強度を高めるための構成を備えた発光装置が種々提案されている。例えば、特許文献１に記載された面光源装置は、発光素子用実装基板と、発光素子用実装基板上に設けられた複数の発光素子と、発光素子用実装基板上に設けられ、各発光素子を配置する開口部を有するリフレクター枠体とを備えている。この面光源装置では、発光素子の上方（発光素子用実装基板と反対側の方向）へ光を放射することを目的としているため、発光素子の側方へ放射された光を、リフレクター枠体の開口部を形成する反射面で反射させ、発光素子の上方への指向性を高めている。

特開２００７−１８０５２４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の面光源装置では、上記のように発光素子の側方へ放射された光をリフレクター枠体の反射面によって上方へ反射させているが、一部の光がこの反射面を透過してリフレクター枠体の内部で吸収され、これによって発光強度の低下を招くという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、発光素子の側方へ放射された光の吸収を抑制し、発光装置の発光強度を向上させることができる発光装置を提供することを目的とする。

本発明に係る発光装置は、支持部材と、前記支持部材上に配置された発光素子と、前記支持部材上で前記発光素子の側方に配置された光ガイド部材と、前記発光素子と前記光ガイド部材との間に充填された透光部材と、を備えている。前記光ガイド部材は、前記発光素子と対向する第１の側面と、前記第１の側面の裏側に位置する第２の側面とを有している。前記第２の側面は、前記支持部材側の端部が前記発光素子に近くなるように傾斜している。前記光ガイド部材の屈折率は、前記透光部材の屈折率より大きくなっている。

上記発光装置において、前記光ガイド部材の前記第２の側面は、前記光ガイド部材の屈折率より屈折率の小さい接触体と接していることが好ましい。

また、前記発光素子は、前記透光部材によって被覆されていることが好ましい。

また、前記発光素子は、前記支持部材上に複数配置されていてもよい。

また、前記光ガイド部材は、前記発光素子を取り囲むように形成されていてもよい。

また、前記光ガイド部材は、前記各発光素子をそれぞれ取り囲み、前記第１の側面及び前記第２の側面を有する複数の環状部を備え、隣接する前記環状部のうちの一方の環状部における前記第１の側面と前記第２の側面がそれぞれ、他方の環状部における前記第２の側面と前記第１の側面に重なるように、前記複数の環状部が一体化されていてもよい。

また、前記発光素子は、前記支持部材上に少なくとも１つの列を成して配置されており、前記光ガイド部材は、前記発光素子の配列方向に沿って延びていることが好ましい。さらに、この構成において、隣接する２つの列のうちの一方の列の前記発光素子に対応する前記第１の側面と前記第２の側面がそれぞれ、他方の列の前記発光素子に対応する前記第２の側面と前記第１の側面を成すように、前記光ガイド部材が形成されていることが好ましい。

本発明に係る発光装置によれば、発光素子の側方へ放射された光の吸収を抑制し、発光装置の発光強度を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る発光装置の平面図である。図１及び図３の発光装置のII−II断面図である。本発明の一実施形態に係る発光装置の平面図である。本発明の一実施形態に係る発光装置を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る発光装置を示す断面図である。

以下、本発明に係る発光装置の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係る発光装置１は、平面視矩形状の支持部材３と、支持部材３上に配置された複数の発光素子５と、各発光素子５に接続された複数の電極配線７（７ａ〜７ｆ）と、支持部材３上に設けられた光ガイド部材９及び透光部材１１とを備えている。

支持部材３は、図２に示すように平板形状を有している。また、支持部材３は、電気絶縁性を有する材料で構成されており、例えば、アルミナやガラスセラミックス等のセラミックスで形成されている。

支持部材３と、光ガイド部材９及び透光部材１１との間には、複数（図示例では、６本）の電極配線７（７ａ〜７ｆ）が形成されている。電極配線７ａ〜７ｆは、図１の上下方向に帯状に延び、図１の左右方向に互いに離間した状態で近接して配置されている。電極配線７ａ〜７ｆは、例えば、銀又は銅で形成される。また、電極配線７ａ〜７ｆは、図示しない外部の駆動回路に接続され、後述するように、発光素子５のアノード電極１７とカソード電極１９との間に順方向電圧を印加するようになっている。なお、後述するように、電極配線７ａ〜７ｆのうち電極配線７ｂ，７ｄ，７ｆに、各発光素子５におけるアノード電極１７が接続され、電極配線７ａ〜７ｆのうち電極配線７ａ，７ｃ，７ｅに、各発光素子５におけるカソード電極１９が接続されている。

図１に示すように、複数の発光素子５は、５行５列のマトリクス状に配置されている。図２に示すように、各発光素子５は、サファイア等からなる透光性の結晶成長用基板１３と、結晶成長用基板１３上にｎ型半導体層１５ｎ及びｐ型半導体層１５ｐを順次積層して形成された半導体積層部１５と、ｐ型半導体層１５ｐに接続されたアノード電極１７と、ｎ型半導体層１５ｎに接続されたカソード電極１９とを備えている。

半導体積層部１５は、ｐ型半導体層１５ｐとｎ型半導体層１５ｎとによって形成されるｐｎ接合領域を有しており、後述するように順方向電流が供給されることによってこのｐｎ接合領域が発光するようになっている。ｎ型半導体層１５ｎ及びｐ型半導体層１５ｐは、例えば、ＧａＮ等の半導体をエピタキシャル成長させることによって形成されている。なお、この半導体積層部１５は、所望の発光波長に応じて適宜構成すればよく、例えば、ＧａＡｓ，ＡｌＧａＩｎＰ等のIII−V族化合物半導体によって形成してもよい。

各発光素子５は、いわゆるフリップチップ接続によって、電極配線７に接続されている。より詳細には、図１に示すように、左側から１列目の５個の発光素子５におけるアノード電極１７とカソード電極１９はそれぞれ、電極配線７ｂの左側の周縁部と電極配線７ａの右側の周縁部に接続されている。左側から２列目の５個の発光素子５におけるアノード電極１７とカソード電極１９はそれぞれ、電極配線７ｂの右側の周縁部と電極配線７ｃの左側の周縁部に接続されている。左側から３列目の５個の発光素子５におけるアノード電極１７とカソード電極１９はそれぞれ、電極配線７ｄの左側の周縁部と電極配線７ｃの右側の周縁部に接続されている。左側から４列目の５個の発光素子５におけるアノード電極１７とカソード電極１９はそれぞれ、電極配線７ｄの右側の周縁部と電極配線７ｅの左側の周縁部に接続されている。左側から５列目の５個の発光素子５におけるアノード電極１７とカソード電極１９はそれぞれ、電極配線７ｆの左側の周縁部と電極配線７ｅの右側の周縁部に接続されている。したがって、電極配線７ａ〜７ｆのうちの隣接する２本の電極配線間に、順方向電圧を印加することにより、この２本の電極配線間に接続された各発光素子５に順方向電流を供給可能となっている。

図１及び図２に示すように、光ガイド部材９は、支持部材３との間に電極配線７ａ〜７ｆを挟み込むように支持部材３上に設けられている。また、図１に示すように、この光ガイド部材９は、各発光素子５を取り囲む複数の環状部９ｉを有しており、この複数の環状部９ｉを一体的に形成して構成されている。なお、図１では、説明の便宜上、光ガイド部材９を斑点模様で示している。光ガイド部材９は、後述する透光部材１１より屈折率が大きい材料で形成されており、透光部材１１の形成材料に応じて、例えば、シリコン樹脂、アクリル樹脂、ポリプロピレン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂等の樹脂材料や、光学ガラス等で形成することができる。

光ガイド部材９の各環状部９ｉは、図２に示すように、発光素子５の側方に配置されており、各発光素子５と対向する第１の側面９ａと、第１の側面９ａの裏側に位置する第２の側面９ｂとを有している。なお、本実施形態では、上記のように各発光素子５を取り囲む複数の環状部９ｉが一体的に形成されており、隣接する発光素子５のうちの一方の発光素子５と他方の発光素子５との間の位置で、一方の発光素子５を取り囲む環状部９ｉの第１の側面９ａと第２の側面９ｂがそれぞれ、他方の発光素子５を取り囲む環状部９ｉの第２の側面９ｂと第１の側面９ａに重なるように配置されている。例えば、図２に示す断面では、左側の発光素子５と右側の発光素子５との間の位置で、左側の発光素子５を取り囲む環状部９ｉの第１の側面９ａと第２の側面９ｂがそれぞれ、右側の光ガイド部材９の第２の側面［９ｂ］と第１の側面［９ａ］に重なっている。なお、図２では、右側の発光素子５を取り囲む環状部９ｉにおける第１の側面を［９ａ］、第２の側面を［９ｂ］で示す。

各発光素子５を取り囲む各環状部９ｉにおける第２の側面９ｂ（各環状部９ｉで取り囲まれた発光素子５と対向する第１の側面９ａの裏側に位置する側面）は、支持部材３側の端部が各発光素子５に近くなるように傾斜している。これにより、後述するように、各発光素子５から側方へ放射され光ガイド部材９の内部に入射した光を、この第２の側面９ｂとこれに接する透光部材１１との界面で反射させ、上方へ案内するようになっている。なお、この第２の側面９ｂの傾斜角度は、第２の側面９ｂへの光の入射角度を考慮し、適宜設定すればよい。また、本実施形態における光ガイド部材９の第２の側面９ｂに接する透光部材１１は、本発明における接触体に相当する。

図２に示すように、透光部材１１は、発光素子５を被覆するとともに、発光素子５と光ガイド部材９との間に介在するように支持部材３上に設けられている。本実施形態では、透光部材１１が支持部材３上の全体に形成され、透光部材１１の上面から光ガイド部材９が上方へ突出するように形成されている。なお、図１では、説明の便宜上、透光部材１１を図示していない。透光部材１１は、光ガイド部材９より屈折率が小さい材料で形成されており、光ガイド部材９の形成材料に応じて、例えば、シリコン樹脂、アクリル樹脂、ポリプロピレン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂等の樹脂材料や、光学ガラス等で形成することができる。

以上のように構成された発光装置１は、各電極配線７ａ〜７ｆを、図示しない外部の駆動回路に接続し、電極配線７ａ〜７ｆのうちの隣接する電極配線間に順方向電圧を印加することで、各発光素子５の半導体積層部１５におけるｐｎ接合領域に順方向電流が供給され、このｐｎ接合領域が発光する。このｐｎ接合領域で発生した光は、放射状に全方位に向かって放射される。したがって、図２に示すように、例えば、発光素子５のｐｎ接合領域から上方へ放射された光Ｌｕは、結晶成長用基板１３及び透光部材１１を介して外部空間へ放出される。また、図２に示すように、例えば、発光素子５のｐｎ接合領域から側方へ放射された光Ｌｓ１は、透光部材１１内を伝搬し、光ガイド部材９の第１の側面９ａを透過して光ガイド部材９の内部へ入射し、光ガイド部材９の第２の側面９ｂとこの第２の側面９ｂに接する透光部材１１との界面で反射される。この界面で反射された光（Ｌｓ２）は、光ガイド部材９内を上方へ伝搬し、伝搬方向によっては光ガイド部材９内で反射され、光ガイド部材９から上方へ放出される。

ここで、各発光素子５から発せられる光を、発光素子５の上方へ効率良く放射するために、本実施形態では、発光素子５、光ガイド部材９及び透光部材１１の屈折率が次のように設定されている。

つまり、透光部材１１の屈折率は、発光素子５の屈折率と、発光装置１の外部雰囲気の屈折率との間の値になるように設定されている。こうすることで、透光部材１１の屈折率が、発光素子５の屈折率及び発光装置１の外部雰囲気の屈折率の双方に近い値となる。そのため、発光素子５から透光部材１１へ入射する光の全反射の発生を低減するとともに、透光部材１１から発光装置１の外部雰囲気へ入射する光の全反射の発生を低減することができる。したがって、発光素子５から直接上方へ放射される光の取り出し効率を向上させることができる。なお、発光素子５のｐｎ接合領域から上方へ放射される光は、結晶成長用基板１３を介して発光素子５から放出される。そのため、例えば、結晶成長用基板１３がサファイア（屈折率＝約１．８）で形成され、発光装置１の外部雰囲気が空気（屈折率＝１．０）である場合、透光部材１１をシリコン樹脂（屈折率＝約１．４）で形成するとよい。

また、光ガイド部材９の屈折率は、透光部材１１の屈折率より大きい値になるように設定されている。こうすることで、透光部材１１から光ガイド部材９へ入射する光の全反射が発生し難くなっている。したがって、発光素子５から側方へ放射される光を効率良く光ガイド部材９内へ入射させることができる。一方、光ガイド部材９から透光部材１１へ入射する光は、全反射を起こし易くなっている。したがって、発光素子５から側方へ放射され光ガイド部材９内へ入射した光を、光ガイド部材９の第２の側面９ｂとこの第２の側面９ｂに接する透光部材１１との界面で効率良く反射させ、上方へ案内することができる。よって、各発光素子５から発せられる光を、発光素子５の上方へ効率良く放射することができる。そのため、例えば、上記のように透光部材１１をシリコン樹脂（屈折率＝約１．４）で形成する場合、光ガイド部材９をエポキシ樹脂（屈折率＝約１．６）で形成するとよい。

本実施形態に係る発光装置１によれば、発光素子５の側方に光ガイド部材９が配置され、この光ガイド部材９と発光素子５との間に透光部材１１が介在している。そして、光ガイド部材９の屈折率が、透光部材１１の屈折率より大きくなっている。そのため、発光素子５から側方へ放射され透光部材１１内を伝播する光が、透光部材１１と光ガイド部材９の第１の側面９ａとの界面で全反射を起こし難く、光ガイド部材９の内部へ効率良く入射する。そして、光ガイド部材９の第２の側面９ｂは、支持部材３側の端部が発光素子５に近くなるように傾斜しているため、光ガイド部材９内に入射した光は、光ガイド部材９の第２の側面９ｂとこの第２の側面９ｂに接する透光部材１１との界面で上方へ反射される。このとき、光ガイド部材９の第２の側面９ｂに接している透光部材１１の屈折率は、光ガイド部材９の屈折率より小さいため、光ガイド部材９の第２の側面９ｂとこの第２の側面９ｂに接する透光部材１１との界面で全反射が生じ易く、光ガイド部材９内に入射した光が上方へ効率良く反射される。したがって、発光素子５の側方へ放射された光を効率良く上方へ案内することができるため、発光素子５から放射された光の発光素子５の上方への取り出し効率を向上させることができる。よって、発光装置１の内部での光の吸収を抑制し、発光装置１の発光強度を向上させることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、光ガイド部材９の各環状部９ｉを、図１に示すように平面視円形状に形成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、四角形状、六角形状等の多角形状等、任意の形状に形成してもよい。

また、光ガイド部材９の第２の側面９ｂの形状は、発光素子５の側方へ発せられ第１の側面９ａを透過した光を、光ガイド部材９内で上方へ反射させることができる限り、特に限定されるものではない。上記実施形態では、図２に示すように、断面視でこの第２の側面９ｂが直線状に形成されているが、例えば、凹状に湾曲したり、複数の傾斜面を有するように屈曲して形成されていてもよい。

また、上記実施形態では、図２に示すように、光ガイド部材９の上端面が平坦に形成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、凸レンズ状に形成されていてもよい。

また、上記実施形態の発光装置１では、支持部材３上で発光素子５が５行５列のマトリクス状に配置されているが、これに限定されるものではなく、各行及び各列には任意の数の発光素子５を配置すればよい。また、複数の発光素子５の配置は、マトリクス状に限定されるものではなく、千鳥状に配置してもよいし、１列又は複数列のアレイ状に配置してもよい。

また、上記実施形態では、光ガイド部材９の各環状部９ｉの内側に１個の発光素子５が配置されているが、これに限定されるものではなく、例えば、複数個の発光素子が配置されていてもよい。

また、上記実施形態では、複数の環状部９ｉが一体化されて光ガイド部材９が形成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、複数の環状部９ｉをそれぞれ分離して形成されていてもよい。

また、上記実施形態の発光装置１では、各環状部９ｉによって各発光素子５を取り囲むように光ガイド部材９が形成されているが、光ガイド部材９が各発光素子５の側方に配置されている限り、これに限定されるものではない。例えば、図３に示す発光装置２０のように、発光素子５を図３の上下方向に５列に（図示例では、一列あたり１１個）並べて配置し、光ガイド部材９を発光素子５の配列方向に沿って延びるように形成してもよい。なお、図３では、説明の便宜上、光ガイド部材９を斑点模様で示している。また、図３では、図１に示した発光装置１と同一又は同種の構成要素に同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

また、図３のII−II断面は、図２に示す断面と同じである。図３の発光装置２０では、隣接する２つの列のうちの一方の列の発光素子５と他方の列の発光素子５との間の位置に光ガイド部材９が配置されており、図２に示すように、一方の列の発光素子５（図２では左側の発光素子５）に対応する第１の側面９ａと第２の側面９ｂがそれぞれ、他方の列の発光素子５（図２では右側の発光素子５）に対応する第２の側面［９ｂ］と第１の側面［９ａ］を成すように光ガイド部材９が形成されている。

図３に示す発光装置２０によれば、光ガイド部材９が、発光素子５の配列方向に沿って延びている。これにより、発光素子５の配置間隔を狭くすることができ、発光素子５の配列方向の配置密度を高くすることができる。そのため、発光素子５の配列方向の単位面積あたりの発光強度を高くすることができる。

また、上記実施形態の発光装置１では、発光素子５が支持部材３上に複数個配置されているが、例えば、図４に示すように、発光素子５を１個だけ配置した発光装置３０を構成してもよい。この場合、光ガイド部材９の発光素子５と対向する第１の側面９ａの傾斜角度は特に限定されず、例えば、図４に示すように傾斜していなくてもよい。なお、図４では、図２に示した発光装置１と同一又は同種の構成要素に同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

また、図４に示す発光装置３０において、光ガイド部材９の第２の側面９ｂに接する透光部材１１の領域を除去し、図５に示す発光装置４０を構成してもよい。例えば、図５の発光装置４０を空気雰囲気中に設置した場合、空気の屈折率は約１．０である。そのため、例えば光ガイド部材９をエポキシ樹脂で形成すると、光ガイド部材９の屈折率が約１．６となり、光ガイド部材９の第２の側面９ｂが、光ガイド部材９の屈折率より屈折率の小さい空気と接することとなる。したがって、この場合も、発光素子５から側方へ発せられ光ガイド部材９の第２の側面９ｂと外部空間との界面に入射する光Ｌｓ１の全反射が生じ易く、この入射光Ｌｓ１を上方へ効率良く反射することができる。なお、図５の発光装置４０では、外部空間の空気が本発明における接触体に相当する。

また、図１の発光装置１における光ガイド部材９の各環状部９ｉをそれぞれ分離して形成した場合にも、図５のように光ガイド部材９の第２の側面９ｂに接する透光部材９ｉを除去した構成を適用してもよい。

また、上記実施形態では、発光素子５をフリップチップ接続しているが、これに限定されるものではなく、例えば、ワイヤーボンディングを用いてフェイスアップ実装してもよい。

また、上記実施形態では、発光素子５として発光ダイオードを例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、有機ＥＬ素子等の発光素子を用いてもよい。

１，２０，３０，４０発光装置
３支持部材
５発光素子
７（７ａ〜７ｆ）電極配線
９光ガイド部材
９ａ第１の側面
９ｂ第２の側面
１１透光部材

Claims

支持部材と、
前記支持部材上に配置された発光素子と、
前記支持部材上で前記発光素子の側方に配置された光ガイド部材と、
前記発光素子と前記光ガイド部材との間に充填された透光部材と、
を備え、
前記光ガイド部材は、前記発光素子と対向する第１の側面と、前記第１の側面の裏側に位置する第２の側面とを有し、
前記第２の側面は、前記支持部材側の端部が前記発光素子に近くなるように傾斜し、
前記光ガイド部材の屈折率が、前記透光部材の屈折率より大きいことを特徴とする、発光装置。
前記光ガイド部材の前記第２の側面は、前記光ガイド部材の屈折率より屈折率の小さい接触体と接していることを特徴とする、請求項１に記載の発光装置。
前記発光素子は、前記透光部材によって被覆されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の発光装置。
前記発光素子は、前記支持部材上に複数配置されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の発光装置。
前記光ガイド部材は、前記発光素子を取り囲むように形成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の発光装置。
前記光ガイド部材は、前記各発光素子をそれぞれ取り囲み、前記第１の側面及び前記第２の側面を有する複数の環状部を備え、
隣接する前記環状部のうちの一方の環状部における前記第１の側面と前記第２の側面がそれぞれ、他方の環状部における前記第２の側面と前記第１の側面に重なるように、前記複数の環状部が一体化されていることを特徴とする、請求項４に記載の発光装置。
前記発光素子は、前記支持部材上に少なくとも１つの列を成して配置されており、
前記光ガイド部材は、前記発光素子の配列方向に沿って延びていることを特徴とする、請求項４に記載の発光装置。
隣接する２つの列のうちの一方の列の前記発光素子に対応する前記第１の側面と前記第２の側面がそれぞれ、他方の列の前記発光素子に対応する前記第２の側面と前記第１の側面を成すように、前記光ガイド部材が形成されていることを特徴とする、請求項７に記載の発光装置。