JP7153850B2

JP7153850B2 - 面発光光源

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Publication number: JP7153850B2
Application number: JP2020082318A
Authority: JP
Inventors: 衛今田; 勇作阿地
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2020-05-08
Filing date: 2020-05-08
Publication date: 2022-10-17
Anticipated expiration: 2038-05-31
Also published as: JP2020123752A

Description

本発明は、面発光光源に関する。

発光ダイオード等の発光素子を用いた発光モジュールは、例えば液晶ディスプレイのバックライト等の面発光光源に広く利用されている。例えば、液晶パネルの裏面に面発光光源を配置する直下型の液晶ディスプレイにおいては、面発光光源の薄型化に対する要求が高い。

特開２０１４－１４６７５０号公報

本発明は、薄型化が可能な面発光光源を提供する。

本発明の一態様によれば、発光面となる第１主面と、前記第１主面の反対側の第２主面と、を有する導光板と、前記第２主面側に設けられ、光取り出し面と、側面と、前記光取り出し面の反対側に設けられた電極とを有する発光素子と、前記発光素子の前記光取り出し面と前記側面を覆う蛍光体層と、前記第２主面に設けられる光反射性樹脂層と、前記光反射性樹脂層と対向して設けられ、基材と、前記基材における前記光反射性樹脂層と対向する側の面と反対側の面に設けられる配線と、貫通部とを有する配線基板と、前記貫通部に設けられ、前記配線及び前記発光素子の前記電極と電気的に接続される導電性材料と、を備え、前記光反射性樹脂層は、断面視において、前記第１主面と前記光反射性樹脂層との間に前記発光素子の少なくとも前記光取り出し面と前記蛍光体層とが位置するように設けられ、断面視において、前記貫通部に設けられた前記導電性材料は、前記発光素子の前記側面より内側に位置する発光モジュールを複数備え、前記複数の発光モジュールは、側面同士を隣接させて配列され、前記発光モジュールの前記側面における前記導光板の前記第１主面側に位置する側面は、前記導光板の第１の側面であり、前記発光モジュールの前記側面における前記導光板の前記第２主面側に位置する側面は、前記導光板の前記第１の側面と前記第２主面とを接続する第２の側面を覆う光反射部の側面である記載の面発光光源が提供される。

本発明によれば、薄型化が可能な面発光光源を提供することができる。

実施形態の発光モジュールの模式上面図である。実施形態の発光モジュールの模式断面図である。実施形態の発光モジュールの製造方法を示す模式断面図である。実施形態の発光モジュールの製造方法を示す模式断面図である。実施形態の発光モジュールの製造方法を示す模式断面図である。実施形態の発光モジュールの製造方法を示す模式断面図である。実施形態の発光モジュールにおける蛍光体層の配置パターン例を示す模式平面図である。実施形態の発光モジュールにおける蛍光体層の配置パターン例を示す模式平面図である。他の実施形態の発光モジュールの模式断面図である。さらに他の実施形態の発光モジュールの模式上面図である。図７に示す発光モジュールの一部拡大模式断面図である。実施形態の面発光光源の模式上面図である。実施形態の面発光光源の模式断面図である。

以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。

図１は、実施形態の発光モジュール１の模式上面図である。
図２は、その発光モジュール１の模式断面図である。

発光モジュール１は、導光板１０と、発光素子３０と、蛍光体層２１、２２を備えている。

導光板１０は、発光素子３０が発する光、および蛍光体層２１、２２に含まれる蛍光体が発する光に対する透過性を有し、それら光の入射を受け、第１主面１１から面状に発光する部材である。

導光板１０の材料としては、例えば、アクリル、ポリカーボネート、環状ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル等の熱可塑性樹脂、エポキシ、シリコーン等の熱硬化性樹脂、ガラスなどを用いることができる。なかでも、透明性が高く、安価なポリカーボネートが好ましい。

導光板１０は、発光面となる第１主面１１と、第１主面１１の反対側の第２主面１２と、第２主面１２に設けられた凹部１５とを有する。さらに、導光板１０は、第１主面１１に連なる側面を有する。導光板１０の側面は、発光モジュール１の側面８１を構成している。

凹部１５には、第１の蛍光体層２１が設けられている。発光素子３０は、導光板１０の第２主面１２側で第１の蛍光体層２１に設けられている。凹部１５は、導光板１０に対する発光素子３０の位置決め部として機能することができる。

発光素子３０は、主に光が取り出される主発光面３１と、主発光面３１の反対側に設けられた正負の一対の電極３２を有する。発光素子３０は、例えば、サファイア等の透光性基板と、透光性基板に積層された半導体積層構造とを有する。半導体積層構造は、例えば、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）を含み、青色光を発光することができる。

発光素子３０の主発光面３１が、例えば透光性接着剤によって、第１の蛍光体層２１に接合されている。発光素子３０の側面および電極３２は、凹部１５の外に位置している。

図１に示す例では、第１の蛍光体層２１は平面視で四角形状に形成されている。四角形状の第１の蛍光体層２１が、導光板１０の四角形状に対し４５度回転して配置されている。平面視において、第１の蛍光体層２１が四角形状である場合、第１の蛍光体層２１の側面から出射される光は、四角形状の第１の蛍光体層２１の対角方向よりも各側面の側方に対して輝度が高くなる傾向がある。したがって、第１の蛍光体層２１の各側面が導光板１０の角部と対向し、第１の蛍光体層２１の各角部が導光板１０の各側面と対向するように設けられることで、発光モジュールの面方向において均一な明るさおよび色を得ることができる。

第１の蛍光体層２１は、母材と、母材に分散された蛍光体とを有する。第１の蛍光体層２１の母材の材料として、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ガラスなどを用いることができる。耐光性および成形容易性の観点からは、母材としてシリコーン樹脂が好ましい。

蛍光体は、発光素子３０が発する光によって励起され、発光素子３０が発する光の波長とは異なる波長の光を発する。例えば、蛍光体として、ＹＡＧ蛍光体、βサイアロン蛍光体、ＫＳＦ系蛍光体などを用いることができる。

例えば、青色系の発光をする発光素子３０に対して、黄色系の発光をするＹＡＧ蛍光体を含む第１の蛍光体層２１を用いることができる。第１の蛍光体層２１は、複数種類の蛍光体を含んでいてもよい。例えば、青色系の発光をする発光素子３０に対して、緑色系の発光をするβサイアロン蛍光体と、赤色系の発光をするＫＳＦ系蛍光体とを含む第１の蛍光体層２１を用いることにより、発光モジュール１の色再現範囲を広げることができる。

導光板１０の第２主面１２に、第２の蛍光体層２２が設けられている。第２の蛍光体層２２の材料と第１の蛍光体層２１の材料は同じにすることができる。導光板１０の第２主面１２に設けられた第２の蛍光体層２２は、発光素子３０の側面から出射された光の入射を受けることができる。発光素子３０の側面から出射された光の第２の蛍光体層２２への入射効率を高める観点から、第２の蛍光体層２２は発光素子３０の側面に接していることが好ましい。

導光板１０の第１主面１１には、凹部１６が設けられている。凹部１６には、光学機能部４０が設けられている。光学機能部４０は、第２主面１２に形成された凹部１５に向き合う位置に設けられている。すなわち、光学機能部４０は、凹部１５に設けられた第１の蛍光体層２１、および凹部１５に対して位置決めされた発光素子３０に向き合う位置に設けられている。発光素子３０の光軸と、光学機能部４０の光軸とが略一致することが好ましい。凹部１６の形状は、例えば、逆円錐や逆四角錐、逆六角錐等の逆多角錐形、あるいは、逆円錐台や逆多角錐台等である。

光学機能部４０は、導光板１０の屈折率よりも低い屈折率をもつ透光性樹脂、ガラスまたは空気等であり、導光板１０と光学機能部４０との界面で光を屈折させ、導光板１０の面方向に光を広げるレンズとして機能することができる。

第１の蛍光体層２１の上面に、光散乱剤を含む光散乱層５０が設けられている。光散乱層５０は、発光素子３０の真上方向へ出射された光の一部を散乱させ下方に戻す。これにより、発光モジュール１の発光面である導光板１０の第１主面１１において、発光素子３０の真上付近が他の領域に比べて明るくなりすぎるのを抑えることができる。

導光板１０は、第２主面１２との間に鈍角を形成して第２主面１２に続く傾斜面１４を有する。その傾斜面１４および第２の蛍光体層２２は、光反射性樹脂層６０で覆われている。

光反射性樹脂層６０は、発光素子３０が発する光、第１の蛍光体層２１が発する光、および第２の蛍光体層２２が発する光に対する反射性を有し、例えば、白色の顔料等を含有した樹脂である。特に、光反射性樹脂層６０は、酸化チタンを含有したシリコーン樹脂が好ましい。

発光モジュール１の側面８１において導光板１０の第１主面１１側は、導光板１０の一部である光透過部１３となっている。さらに、発光モジュール１の側面８１は、光反射性樹脂層６０によって構成される光反射部６１を有する。光反射部６１は、光透過部１３よりも第２主面１２側に設けられている。

発光素子３０の電極３２は配線７１と接合されている。光反射性樹脂層６０は、絶縁性であり、発光素子３０の電極３２の側面を覆っている。

光反射性樹脂層６０は、配線基板７０と貼り合わされている。配線基板７０は、絶縁性の基材７５と、その基材７５の裏面に設けられた配線７３と、基材７５を貫通するビア７２とを有する。ビア７２は、配線７１と配線７３とを接続し、発光素子３０の電極３２は、配線７１およびビア７２を通じて、配線７３と電気的に接続されている。

配線基板７０の基材７５としては、例えば、樹脂、セラミックスを用いることができる。配線７１、７３、およびビア７２としては、例えば、銅を用いることができる。

図３Ａ～図３Ｄは、発光モジュール１の製造方法を示す模式断面図である。

まず、図３Ａに示すように、導光板１０を準備する。
導光板１０は、例えば、射出成形、トランスファーモールド、熱転写等で成形することができる。光学機能部４０が設けられる凹部１６と、第１の蛍光体層２１が設けられ、発光素子３０の位置決め部ともなる凹部１５とを一括して金型で成形することで、光学機能部４０と発光素子３０との位置合わせ精度を高くできる。

図３Ｂに示すように、凹部１５の底面には、光散乱層５０が設けられる。光散乱層５０は、例えば、ポッティング、印刷、スプレー等の方法で形成することができる。

凹部１５内における光散乱層５０の上には、図３Ｃに示すように、第１の蛍光体層２１が設けられる。さらに、第１の蛍光体層２１上に発光素子３０が配置される。発光素子３０の主発光面３１が第１の蛍光体層２１に接合される。

さらに、図３Ｄに示すように、導光板１０の第２主面１２に、第２の蛍光体層２２が設けられる。第１の蛍光体層２１および第２の蛍光体層２２は、例えば、ポッティング、印刷、スプレー等の方法で形成することができる。

または、導光板１０の第２主面に第２の蛍光体層２２を形成した後に、発光素子３０を第１の蛍光体層２１に接合してもよい。この場合、第２の蛍光体層２２はパターニングされ、第１の蛍光体層２１上に開口が形成される。その開口内に、発光素子３０が配置される。

その後、導光板１０の第１主面１１側の凹部１６に図２に示す光学機能部４０を設けてもよい。さらに、導光板１０の傾斜面１４、および第２の蛍光体層２２を覆うように、光反射性樹脂層６０が設けられる。

光反射性樹脂層６０の表面には配線７１が形成され、配線７１は発光素子３０の電極３２に接合される。その後、光反射性樹脂層６０に配線基板７０が貼り付けられる。このとき、ビア７２内に充填された導電性材料を加圧と加熱によって溶解させることで、配線７１とビア７２とを接合する。半田リフローのような高温がかかる工程を省略できるため、ポリカーボネートのような熱可塑性であり耐熱性の低い材料であっても導光板１０に用いることができる。

実施形態の発光モジュール１では、導光板１０に発光素子３０を実装するため、導光板１０と発光素子３０との距離を小さくすることができ、発光モジュール１の薄型化が可能となる。

第１の蛍光体層２１および第２の蛍光体層２２は、導光板１０における発光面となる第１主面１１ではなく、その反対側の第２主面１２側に設けられているため、第１の蛍光体層２１および第２の蛍光体層２２で波長変換された光を、導光板１０および光学機能部４０で面方向に拡散させることができ、導光板１０の面内における色ムラを抑制できる。

発光素子３０の主発光面３１上の第１の蛍光体層２１だけであると、特に導光板１０の平面サイズが大きくなった場合には、発光面（第１主面１１）の中央付近では第１の蛍光体層２１の発光色（例えば黄色）の色みが強く、外周側では発光素子３０の発光色（例えば青色）の色みが強くなりやすい。

実施形態によれば、導光板１０の第２主面１２に第２の蛍光体層２２を設けることで、発光素子３０の側面から出射された光の入射を受ける蛍光体領域（波長変換領域）を広く確保でき、導光板１０の面内全体に、蛍光体が発する光と、発光素子３０が発する光とを適切な配分で分布させることができる。これにより、導光板１０の面内における色ムラを抑制できる。

実施形態の発光モジュール１は、例えば、液晶ディスプレイのバックライトに用いることができる。例えば、バックライトが液晶パネルの裏面に配置された直下型の液晶ディスプレイでは、液晶パネルと発光モジュール１との距離が近いため、発光モジュール１の色ムラが液晶ディスプレイの色ムラに影響を及ぼしやすい。そのため、実施形態のような色ムラの少ない発光モジュール１を直下型液晶ディスプレイのバックライトとして用いることで、液晶ディスプレイの色ムラを少なくできる。

第２の蛍光体層２２を導光板１０の第２主面１２の全面に設けると、発光色の面内均一化をしやすい。

または、蛍光体材料の使用量の削減によるコストダウンを図る観点からは、第２の蛍光体層２２は、第２主面１２に部分的に設けてもよい。

図４および図５は、第２主面１２に部分的に設けられた第２の蛍光体層２２の配置パターン例を示す模式平面図である。

図４に示す例では、第１の蛍光体層２１は平面視で四角形状に形成され、導光板１０の第２主面１２も四角形状に形成されている。第２の蛍光体層２２は、第２主面１２の四隅に設けられ、第１の蛍光体層２１の周囲に均等配置されているため、導光板１０の面内における色ムラを抑制できる。

図５に示す例では、第１の蛍光体層２１は平面視で円形状に形成され、導光板１０の第２主面１２は四角形状に形成されている。第２の蛍光体層２２は、第１の蛍光体層２１の周囲に円環状に均等配置されているため、導光板１０の面内における色ムラを抑制できる。

図６は、他の実施形態の発光モジュール２の模式断面図である。前述した発光モジュール１と同じ要素には同じ符号を付し、その説明は省略する。

蛍光体層２３は、導光板１０の第２主面１２に設けられた凹部１５の底面（図６においては上面）、および側面に設けられている。蛍光体層２３は、前述した第１の蛍光体層２１および第２の蛍光体層２２と同じものを用いることができる。

発光素子３０も凹部１５に設けられ、蛍光体層２３に接合している。発光素子３０の主発光面３１および側面は、蛍光体層２３に覆われている。発光素子３０の電極３２は、凹部１５の外に位置し、配線７１に接合されている。

前述した発光モジュール１と異なり、導光板１０の第２主面１２に蛍光体層は設けられていない。第２主面１２には光反射性樹脂層６０が設けられ、光反射性樹脂層６０は、第２主面１２側で蛍光体層２３と発光素子３０を埋設している。

発光モジュール２におけるその他の構成は、前述した発光モジュール１と同じである。

この発光モジュール２においても、導光板１０に発光素子３０を実装するため、導光板１０と発光素子３０との距離を小さくすることができ、発光モジュール２の薄型化が可能となる。発光素子３０を凹部１５に設けることで、図２に示す発光モジュール１よりも薄型化が可能となる。

蛍光体層２３は、導光板１０における発光面となる第１主面１１ではなく、その反対側の第２主面１２側に設けられているため、蛍光体層２３で波長変換された光を、導光板１０および光学機能部４０で面方向に拡散させることができ、導光板１０の面内における色ムラを抑制できる。

また、凹部１５の側面に設けられた蛍光体層２３が、発光素子３０の側面から出射された光の入射を受け、導光板１０の面内全体に、蛍光体が発する光と、発光素子３０が発する光とを適切な配分で分布させることができる。これにより、導光板１０の面内における色ムラを抑制できる。

また、この発光モジュール２は、図２に示す発光モジュール１に比べて蛍光体の使用量を削減できる。

前述した発光モジュール１または発光モジュール２において、１つの導光板１０に複数の凹部１５を設け、１つの導光板１０に複数の発光素子３０を実装してもよい。

図７は、１つの導光板１０に複数の凹部１５を設け、複数の発光素子３０を実装した発光モジュール３の模式上面図である。
図８は、その発光モジュール３の一部拡大模式断面図である。

発光モジュール３は、複数の発光素子３０が、例えばマトリクス状に配列されている。また、隣接する発光素子３０の間に、光反射性樹脂層６０によって構成される光反射部６１を有する。発光モジュール３の発光面において隣接する発光素子３０の間に光透過部１３を設けることで、その発光素子３０同士の間が暗くならず、面方向に均一な明るさおよび色を得ることができる。

また、複数の発光モジュール１（または発光モジュール２）を組み合わせ、より広い発光面積をもつ面発光光源を構成することもできる。

図９は、複数の発光モジュール１により構成された面発光光源１００の模式上面図である。
図１０は、その面発光光源１００における２つの発光モジュール１が隣接した部分の模式断面図である。

発光モジュール１の少なくとも１つの側面８１を他の発光モジュール１の側面８１と接合させて面発光光源を構成することができる。複数の発光モジュール１が、互いの側面８１同士を隣接させて、例えばマトリクス状に配列された面発光光源を構成してもよい。

側面８１における光反射部６１同士が接合され、その光反射部６１よりも発光面（第１主面１１）側で導光板１０の一部である光透過部１３同士が接合されている。面発光光源１００の発光面において隣接する発光モジュール１の境界に光透過部１３を設けることで、その境界が暗くならず、面方向に均一な明るさおよび色を得ることができる。

なお、面発光光源１００は、複数の発光モジュール２または複数の発光モジュール３により構成することもできる。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。本発明の上述した実施形態を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての形態も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

１,２,３…発光モジュール、１０…導光板、１１…第１主面、１２…第２主面、１５…凹部、２１…第１の蛍光体層、２２…第２の蛍光体層、３０…発光素子、４０…光学機能部、６０…光反射性樹脂層、７０…配線基板、１００…面発光光源

Claims

発光面となる第１主面と、前記第１主面の反対側の第２主面と、を有する導光板と、
前記第２主面側に設けられ、光取り出し面と、側面と、前記光取り出し面の反対側に設けられた電極とを有する発光素子と、
前記発光素子の前記光取り出し面と前記側面を覆う蛍光体層と、
前記第２主面に設けられる光反射性樹脂層と、
前記光反射性樹脂層と対向して設けられ、基材と、前記基材における前記光反射性樹脂層と対向する側の面と反対側の面に設けられる配線と、貫通部とを有する配線基板と、
前記貫通部に設けられ、前記配線及び前記発光素子の前記電極と電気的に接続される導電性材料と、
を備え、
前記光反射性樹脂層は、断面視において、前記第１主面と前記光反射性樹脂層との間に前記発光素子の少なくとも前記光取り出し面と前記蛍光体層とが位置するように設けられ、
断面視において、前記貫通部に設けられた前記導電性材料は、前記発光素子の前記側面より内側に位置する発光モジュールを複数備え、
前記複数の発光モジュールは、側面同士を隣接させて配列され、
前記発光モジュールの前記側面における前記導光板の前記第１主面側に位置する側面は、前記導光板の第１の側面であり、
前記発光モジュールの前記側面における前記導光板の前記第２主面側に位置する側面は、前記導光板の前記第１の側面と前記第２主面とを接続する第２の側面を覆う前記光反射性樹脂層の側面である面発光光源。
前記発光モジュールは、断面視において、前記発光素子の前記光取り出し面に向き合う位置に設けられた光学機能部をさらに備えた請求項１に記載の面発光光源。
１つの前記発光モジュールにおける前記導光板の前記第２主面側に複数の前記発光素子が設けられている請求項１または２に記載の面発光光源。