(57)【要約】【課題】明るさのむらを低減させるための部品が不要であり、低コストで均一な明るさを得ることができる発光装置を提供する。【解決手段】この発光装置では、基板１上の４０ｃｍ２の領域に単位面積当たりの個数が略均一であるように第１の電極３と第２の電極５との間に３８万９５００(個/ｃｍ２)の配置密度で接続された１５５８万個の発光ダイオード２を備える。これにより、明るさのむらを約±０.０８％に低減できる。【選択図】図１
2011091201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と第２の電極とを有する基板と、
上記基板上の１０ｃｍ２以上の領域に面積１ｃｍ２当たりの個数が略均一であるように配置されていると共に上記第１の電極と第２の電極との間に接続された複数の発光素子とを備え、
上記基板上の１０ｃｍ２以上の領域における上記発光素子の配置密度が、１００個/ｃｍ２以上であることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発光装置において、
上記基板上の１０ｃｍ２以上の領域における上記発光素子の配置密度が、１２０個/ｃｍ２以上であることを特徴とする発光装置。
【請求項３】
請求項１に記載の発光装置において、
上記基板上の１０ｃｍ２以上の領域における上記発光素子の配置密度が、１１１１個/ｃｍ２以上であることを特徴とする発光装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１つに記載の発光装置において、
上記基板上の上記複数の発光素子が配置される領域の面積が２８ｃｍ２以上であることを特徴とする発光装置。
【請求項５】
第１の電極と第２の電極を有する基板を用意する工程と、
上記基板に最大寸法が１００μｍ以下の複数の発光素子を含んだ溶液を塗布する工程と、
上記第１の電極と第２の電極に電圧を印加して上記発光素子を上記第１,第２の電極によって規定される位置に上記基板上の１０ｃｍ２以上の領域に単位面積当たりの個数が略均一であると共に上記基板上の１０ｃｍ２以上の領域における上記発光素子の配置密度が、１００個/ｃｍ２以上であるように配列させる工程とを備えることを特徴とする発光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、明るさのむらを低減できる発光装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発光ダイオードから入射される光を光束制御部材で屈折させて出射光による明るさのむらを低減させる面光源装置が提案されている(特許文献１(特開２００６−３２１７２号)参照)。また、特許文献２(特開２００３−１９５７９２号)では、複数の発光ダイオードを複数の組に分割し、この複数組の各組毎の発光ダイオードを同一位相でパルス点灯すると共に各組のパルス点灯タイミングをずらすことで、全ての発光ダイオードを同時に点灯する場合の電力不足を回避して、小電力でも明るさのむらを低減可能な面光源装置が提案されている。
【０００３】
ところで、明るさのむらを低減させるために、前者の面光源装置では光束制御部材が必要になり、後者の面光源装置ではパルス発生回路やタイミング発生回路が必要になる。したがって、上記従来の面光源装置では、明るさのむらを低減させるための部品を要するので、コスト上昇を招くという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３２１７２号公報
【特許文献２】特開２００３−１９５７９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、この発明の課題は、明るさのむらを低減させるための部品が不要であり、低コストで均一な明るさを得ることができる発光装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、この発明の発光装置は、第１の電極と第２の電極とを有する基板と、
上記基板上の１０ｃｍ２以上の領域に面積１ｃｍ２当たりの個数が略均一であるように配置されていると共に上記第１の電極と第２の電極との間に接続された複数の発光素子とを備え、
上記基板上の１０ｃｍ２以上の領域における上記発光素子の配置密度が、１００個/ｃｍ２以上であることを特徴としている。
【０００７】
この発明の発光装置によれば、以下に説明するように、明るさのむらを１０％以下にすることができる。ここで、上記明るさのむらとは、上記基板の面積１ｃｍ２の大きさの発光領域に分割したときに、各発光領域の明るさのばらつきを言う。
【０００８】
まず、基板上に複数の発光素子が配置された領域が発光領域となり、一般的にバックライトや照明装置を見るときはこのバックライトや照明装置からおよそ３０ｃｍ離れる。光源からの距離がおよそ３０ｃｍ離れてみる場合、上記発光領域の面積が１０ｃｍ２以上であることにより、人間はこの領域を点光源ではなく面光源として認識し、上記発光領域内での明るさのむらに敏感になる。
【０００９】
そして、３０ｃｍ離れた面光源を見るとき、人間の目は発光領域において１ｃｍ以上のスケールで明るさが変化した場合に、明るさのむらを敏感に検知する。したがって、発光領域における１ｃｍ×１ｃｍのスケール、すなわち上記発光領域における面積１ｃｍ２の明るさを基準にとるのが適切である。一例として、本発明の適用対象としてバックライトや照明装置が考えられるが、一般的に上記バックライトや照明装置を見るときはこのバックライトや照明装置からおよそ３０ｃｍ離れる。
【００１０】
１つの発光素子の明るさばらつきｄＩを、±５０％とすると、発光領域の面積１ｃｍ２に明るさの中間値Ｉ０を持つ発光素子を１つ配置した場合は、上記発光領域の面積１ｃｍ２当たりの明るさＩは、次式(１)で算出される。
Ｉ＝Ｉ０±０.５×Ｉ０                          … (１)
【００１１】
また、発光領域の面積１ｃｍ２ に、明るさの中間値Ｉ０の１/ｎ(ｎは自然数)の明るさをもつ発光素子をｎ個配置した場合には、発光領域の面積１ｃｍ２当たりの明るさＩは、次式(２)で算出される。
Ｉ＝ｎ×(１/ｎ)×Ｉ０±ｎ１／２×(１/ｎ)×０.５×Ｉ０
＝Ｉ０±１/ｎ１／２×０.５×Ｉ０                … (２)
【００１２】
したがって、上式(２)において、ｎ＝１００とすると、
Ｉ＝Ｉ０±０.１×０.５×Ｉ０
＝Ｉ０±０.０５×Ｉ０                        … (３)
【００１３】
上式(３)から、発光領域の面積１ｃｍ２ に、明るさの中間値Ｉ０の１/１００の明るさをもつ発光素子を１００個配置することによって、明るさのむらを±５％以下にできる。ここで、人間の目は、１０％(±５％)を超える明るさのむらを敏感に検知するため、明るさのむらが１０％を超えると不良品となる。これに対し、本発明の発光装置によれば、明るさのむらを低減させるための部品を用いなくても、明るさのむらを１０％以下に低減することができ、低コストで均一な明るさを得ることができる。
【００１４】
なお、上記発光素子の配置密度の上限値は現在の製造上の実質的な限界として１０００００００個／ｃｍ２である。また、上記基板上の領域の面積の上限値は現在の製造上の実質的な限界として１０ｍ×１０ｍである。
【００１５】
また、一実施形態の発光装置は、上記基板上の１０ｃｍ２以上の領域における上記発光素子の配置密度が、１２０個/ｃｍ２以上である。
【００１６】
この実施形態の発光装置によれば、以下で説明するように、複数の発光素子のうちの１つが故障したときにも、明るさのむらを１０％以下にすることができ、歩留まりを向上できる。
【００１７】
まず、基板の発光領域のうちの或る１つの面積１ｃｍ２の領域にｎ個の発光素子を配列した場合を考える。ここで、各発光素子の明るさのばらつきＩｄが５０％であり、上記ｎ個の発光素子のうちのｍ個の発光素子が故障した(発光しない)とする。そして、上記或る１つの面積１ｃｍ２の領域では、故障した発光素子がなく、ｍ＝０であり、ｎ個の発光素子が最も明るくなるようにばらついた場合、上記或る１つの面積１ｃｍ２の領域での明るさＩｍａｘは、上述の式(２)を元にして、次式(４)のように算出される。
Ｉｍａｘ＝Ｉ０＋１/ｎ１／２×０.５×Ｉ０                …  (４)
【００１８】
一方、上記発光領域のうちの別の１つの面積１ｃｍ２の領域では、配列したｎ個の発光素子のうちのｍ個(ｍ＞０)の発光素子が故障し、ｎ個の発光素子が最も暗くなるようにばらついた場合、上記別の１つの面積１ｃｍ２の領域での明るさＩｍｉｎは、上述の式(２)を元にして、次式(５)のように算出される。
Ｉｍｉｎ＝Ｉ０−１/ｎ１／２×０.５×Ｉ０−ｍ×Ｉ０/ｎ    …  (５)
【００１９】
そして、明るさのむらＩｄは、上式(４)で算出されるＩｍａｘから上式(５)で算出されるＩｍｉｎを減算した値をＩ０で除算した値であり、次式(６)で算出される。
Ｉｄ＝(Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ)/Ｉ０
＝{(Ｉ０＋１/ｎ１／２×０.５×Ｉ０)
−(Ｉ０−１/ｎ１／２×０.５×Ｉ０−ｍ×Ｉ０/ｎ)}/Ｉ０
＝１/ｎ１／２＋ｍ/ｎ                                     …  (６)
【００２０】
上式(６)で算出される明るさのむらＩｄを、０.１以下(１０％以下)にするような発光素子密度Ｎ(個/ｃｍ−２)と許される故障個数Ｍとの関係を、図３に示す。図３を参照すれば、発光素子密度素子密度Ｎが１２０(個/ｃｍ２)以上になると、最も暗くばらついた場合に、故障した発光素子があっても良品と判定されるが、１２０個/ｃｍ２未満になると、最も暗くばらついた場合に故障した発光素子があると、不良品となることが分る。
【００２１】
また、一実施形態の発光装置では、上記基板上の１０ｃｍ２以上の領域における上記発光素子の配置密度が、１１１１個/ｃｍ２以上である。
【００２２】
この実施形態の発光装置によれば、基板上に配置される複数の発光素子同士の間隔を、３００μｍ以下にすることができる。発光素子間の間隔が３００μｍ以下になると、多数の発光している発光素子の中で１つの発光していない発光素子があっても、人間の目はこの発光していない発光素子の部分(暗点)を認識しない。よって、発光素子が故障して発光しない発光素子が存在してもその故障した発光した発光素子の近くで発光している他の発光素子によって、暗点が目立たなくなる。
【００２３】
また、一実施形態の発光装置では、上記複数の発光素子が配置される上記基板上の上記領域の面積が２８ｃｍ２以上である。
【００２４】
この実施形態の発光装置によれば、以下で説明するように、放熱性を向上させて、高価な放熱板が不要になる。
【００２５】
まず、図５の特性図に、発光ダイオードの発光部の温度(絶対温度)Ｔｊの逆数を横軸に取り、上記発光ダイオードの寿命時間を縦軸に取った特性を示す。この特性によれば、４００００時間の寿命を得るためには、発光ダイオードの接合温度を１５０℃以下にする必要があることが分る。
【００２６】
次に、図４の特性図に、放熱板のないシートヒーターの消費電力(Ｗ/ｃｍ２)と基板温度上昇(℃)との関係を表す実験結果を示す。一方、上記発光ダイオードの発光部の温度(℃)は、室温(℃)と基板温度上昇(℃)とから、次式(７)で算出される。
(発光部温度)＝(室温)＋(基板温度上昇)＋３０(℃)          … (７)
【００２７】
上式(７)から、発光部の温度を１５０℃以下にするには基板温度上昇を９０℃以下にする必要があることが分る。発光部で発熱しているので、発光部の温度は、通常、基板温度よりも３０℃高くなる。そして、図３の実験結果から、基板温度上昇を９０℃以下にするには、熱に消費される電力を０.２(Ｗ/ｃｍ２)以下にしなければならないことが分る。ここで、電球型ＬＥＤの消費電力は、およそ８(Ｗ)で７０％が熱に変換されるので、熱に消費される電力は、５.６(Ｗ)になる。よって、電球型ＬＥＤと同じ光度を得て、熱に消費される電力を０.２(Ｗ/ｃｍ２)以下にするためには、(５.６Ｗ÷０.２Ｗ/ｃｍ２)＝２８ｃｍ２以上の基板面積が必要になる。
【００２８】
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、第１の電極と第２の電極を有する基板を用意する工程と、
上記基板に最大寸法が１００μｍ以下の複数の発光素子を含んだ溶液を塗布する工程と、
上記第１の電極と第２の電極に電圧を印加して上記発光素子を上記第１,第２の電極によって規定される位置に上記基板上の１０ｃｍ２以上の領域に単位面積当たりの個数が略均一であると共に上記基板上の１０ｃｍ２以上の領域における上記発光素子の配置密度が、１００個/ｃｍ２以上であるように配列させる工程とを備える。
【００２９】
この実施形態の発光装置の製造方法によれば、いわゆる誘電泳動を用いて、最大寸法が１００μｍ以下の微細な発光素子を上記第１,第２の電極によって規定される位置に配置でき、微細な発光素子を略均一に配置できる。
【発明の効果】
【００３０】
この発明の発光装置によれば、明るさのむらを低減させるための部品を用いなくても、明るさのむらを１０％以下に低減することができ、低コストで均一な明るさを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の発光装置の実施形態を示す平面図である。
【図２Ａ】上記実施形態が備える発光素子の一例を示す図である。
【図２Ｂ】上記実施形態が備える発光素子の他の一例を示す図である。
【図３】発光装置における明るさのむらＩｄを、０.１以下(１０％以下)にするような発光素子密度Ｎ(個/ｃｍ−２)と許される故障個数Ｍとの関係を示す図である。
【図４】放熱板のないシートヒーターの消費電力(Ｗ/ｃｍ２)と基板温度上昇(℃)との関係を表す実験結果を示す特性図である。
【図５】発光ダイオードの発光部の温度(絶対温度)Ｔｊの逆数を横軸に取り、上記発光ダイオードの寿命時間を縦軸に取った特性を示す特性図である。
【図６Ａ】棒状構造の発光ダイオードの製造方法の工程図である。
【図６Ｂ】図６Ａに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。
【図６Ｃ】図６Ｂに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。
【図６Ｄ】図６Ｃに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。
【図６Ｅ】図６Ｄに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３３】
図１の平面図に、この発明の発光装置の実施形態を示す。この実施形態の発光装置は、基板１と、上記基板１上に単位面積当たりの個数が略均一であるように配置された複数個の発光ダイオード２とを備える。この実施形態では、上記発光ダイオード２を、図２Ａに示すように、Ｎ型の半導体で作製されたＮ型部２１とＰ型の半導体で作製されたＰ型部２２とが略中央のＰＮ接合面Ｓ１で接合している棒状の発光ダイオードとした。
【００３４】
上記複数個の発光ダイオード２は、行列状に配列されている。この実施形態では、一例として、各発光ダイオード２の長さＬを１０μｍとし、幅Ｗを３μｍとした。また、行方向に隣り合う２つの発光ダイオード２の間の間隔ｄ１を１１μｍとした。また、列方向に隣り合う２つの発光ダイオード２の間の間隔ｄ２を９μｍとした。また、この実施形態では、一例として、上記基板１の上記行方向の寸法を８ｃｍとし、上記基板１の上記列方向の寸法を５ｃｍとした。そして、この実施形態では、一例として、上記行方向の一行の発光ダイオード２の個数を３８００個とし、上記列方向の一列の発光ダイオード２の個数を４１００個とした。したがって、この場合は、上記基板１上に、３８００×４１００＝１５５８万個の発光ダイオード２が行列状に配列される。よって、この場合、上記発光ダイオード２の配置密度は、(１５５８万個/４０ｃｍ２)＝３８万９５００個/ｃｍ２となる。
【００３５】
また、上記基板１には、上記列方向に延在している第１の電極３および第２の電極５が形成されている。図１に示すように、上記第１の電極３と上記第２の電極５とは、予め定められた間隔を隔てて上記行方向に交互に配列されている。上記行方向の一端に配列された一番目の第１の電極３の他端側には、上記列方向に配列された一列目の発光ダイオード２の一端部２Ａが接続され、この一列目の発光ダイオード２の他端部２Ｂが一番目の第２の電極５の一端側に接続されている。また、この一番目の第２の電極５の他端側には、２列目の発光ダイオード２の一端部２Ａが接続され、この２列目の発光ダイオード２の他端部２Ｂは、上記第２の電極５の他端側に隣り合う２番目の第１の電極３の一端側に接続されている。さらに、この２番目の第１の電極３の他端側には３列目の発光ダイオード２の一端部２Ａが接続され、この３列目の発光ダイオード２の他端部２Ｂは、２番目の第２の電極５の一端側に接続されている。以下同様に、４列目以降の発光ダイオード２の端部２Ａ,２Ｂが第１の電極３と第２の電極５との間に接続されている。なお、上記基板１上には、一端部２Ａがアノードであると共に他端部２Ｂがカソードである発光ダイオード２と、一端部２Ａがカソードであると共に他端部２Ｂがアノードである発光ダイオード２とが混在した状態で行列状に配列されている。
【００３６】
この実施形態では、上記第１の電極３と第２の電極５との間に交流電源６による交流電圧が印加され、各発光ダイオード２は交流で駆動される。なお、この交流の周波数は、６０Ｈｚ以上かつ１ＭＨｚ以下であることが好ましい。上記交流電源６の交流周波数を６０Ｈｚ以上とすることで、交流駆動で起こる発光ダイオード２の点滅によるちらつきを抑制できる。また、上記交流電源６の交流周波数を１ＭＨｚ以下にしたので、高周波による配線内での損失を抑制できる。
【００３７】
この実施形態の発光装置によれば、明るさのむらを約±０.０８％以下にすることができる。ここで、上記明るさのむらとは、上記基板１の面積１ｃｍ２の大きさの発光領域に分割したときに、各発光領域の明るさのばらつきを言う。これについて、以下に説明する。
【００３８】
まず、基板１上に複数の発光ダイオード２が配置された領域が発光領域となる。一般的にバックライトや照明装置を見るときはこのバックライトや照明装置からおよそ３０ｃｍ離れる。光源からの距離がおよそ３０ｃｍ離れてみる場合、上記発光領域の面積が１０ｃｍ２以上であることにより、人間はこの領域を点光源ではなく面光源として認識し、上記発光領域内での明るさのむらに敏感になる。
【００３９】
そして、３０ｃｍ離れた面光源を見るとき、人間の目は発光領域において１ｃｍ以上のスケールで明るさが変化した場合に、明さむらを敏感に検知する。したがって、発光領域における１ｃｍ×１ｃｍのスケール、すなわち上記発光領域における面積１ｃｍ２の明るさを基準にとるのが適切である。一例として、本実施形態の適用対象としてバックライトや照明装置が考えられるが、一般的に上記バックライトや照明装置を見るときはこのバックライトや照明装置からおよそ３０ｃｍ離れる。
【００４０】
ここで、１つの発光ダイオードの明るさばらつきｄＩを、±５０％とすると、発光領域の面積１ｃｍ２に明るさの中間値Ｉ０を持つ発光素子を１つ配置した場合は、上記発光領域の面積１ｃｍ２当たりの明るさＩは、次式(１)で算出される。
Ｉ＝Ｉ０±０.５×Ｉ０                          … (１)
【００４１】
次に、上記基板１の発光領域の面積１ｃｍ２ に、明るさの中間値Ｉ０の１/ｎ(ｎは自然数)の明るさをもつ発光ダイオードをｎ個配置した場合には、上記発光領域の面積１ｃｍ２当たりの明るさＩは、次式(２)で算出される。
Ｉ＝ｎ×(１/ｎ)×Ｉ０±ｎ１／２×(１/ｎ)×０.５×Ｉ０
＝Ｉ０±１/ｎ１／２×０.５×Ｉ０                … (２)
【００４２】
この実施形態では、面積１ｃｍ２当たりに、ｎ＝３８万９５００個の発光ダイオード２を配置したので、上記式(２)の右辺第２項(±１/ｎ１／２×０.５×Ｉ０)により、明るさのばらつきＩｄは、次式(３)のように算出される。
Ｉｄ＝±１/(３８９５００)１/２×０.５≒８.０１２×１０−４     …(３)
【００４３】
したがって、明るさのむらを、約±０.０８％に低減できる。なお、上記発光領域の面積１ｃｍ２当たりに、明るさの中間値Ｉ０の１/１００の明るさをもつ発光ダイオードを１００個配置した場合は、上記式(２)の右辺第２項にｎ＝１００を代入することによって、明るさのむらＩｄを±５％にできる。ここで、人間の目は、１０％(±５％)を超える明るさのむらを敏感に検知するため、明るさのむらが１０％を超えると不良品となる。
【００４４】
本実施形態の発光装置によれば、明るさのむらを低減させるための部品を用いなくても、明るさのむらを約０.１６％に低減することができ、低コストで均一な明るさを得ることができる。尚、上記基板１上の１０ｃｍ２以上の領域における上記発光ダイオード２の配置密度を、１００個/ｃｍ２以上にすることによって、明るさのむらを１０％以下にすることができる。
【００４５】
また、この実施形態によれば、基板１の発光領域のうちの或る１つの面積１ｃｍ２の領域に配置されたｎ＝３８万９５００個の発光ダイオード２のうちのｍ＝１０個の発光ダイオード２が故障したときにも明るさのむらを１０％以下の０.１６％にすることができ、歩留まりを向上できる。これについて、以下に説明する。
【００４６】
まず、基板１の発光領域のうちの或る１つの面積１ｃｍ２の領域にｎ個の発光ダイオードを配列した場合を考える。ここで、各発光ダイオードの明るさのばらつきＩｄが５０％であり、上記ｎ個の発光ダイオードのうちのｍ個の発光素子が故障した(発光しない)とする。そして、上記或る１つの面積１ｃｍ２の領域では、故障した発光ダイオードがなく、ｍ＝０であり、ｎ個の発光ダイオードが最も明るくなるようにばらついた場合、上記或る１つの面積１ｃｍ２の領域での明るさＩｍａｘは、上述の式(２)を元にして、次式(４)のように算出される。
Ｉｍａｘ＝Ｉ０＋１/ｎ１／２×０.５×Ｉ０                …  (４)
【００４７】
一方、上記発光領域のうちの別の１つの面積１ｃｍ２の領域では、配列したｎ個の発光ダイオードのうちのｍ個(ｍ＞０)の発光ダイオードが故障し、ｎ個の発光ダイオードが最も暗くなるようにばらついた場合、上記別の１つの面積１ｃｍ２の領域での明るさＩｍｉｎは、上述の式(２)を元にして、次式(５)のように算出される。
Ｉｍｉｎ＝Ｉ０−１/ｎ１／２×０.５×Ｉ０−ｍ×Ｉ０/ｎ    …  (５)
【００４８】
そして、明るさのむらＩｄは、上式(４)で算出されるＩｍａｘから上式(５)で算出されるＩｍｉｎを減算した値をＩ０で除算した値であり、次式(６)で算出される。
Ｉｄ＝(Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ)/Ｉ０
＝{(Ｉ０＋１/ｎ１／２×０.５×Ｉ０)
−(Ｉ０−１/ｎ１／２×０.５×Ｉ０−ｍ×Ｉ０/ｎ)}/Ｉ０
＝１/ｎ１／２＋ｍ/ｎ                                     …  (６)
【００４９】
この実施形態では、或る１つの面積１ｃｍ２の領域に配列したｎ＝３８９５００個の発光ダイオード２のうちのｍ個の発光素子が故障した場合の明るさのむらＩｄは、前述した式(６)により、
Ｉｄ(ｍ)＝１/(３８９５００)１／２＋ｍ/(３８９５００)
＝１.６０２３×１０−３＋ｍ×２.５６７４×１０−６
となり、故障個数ｍ＝１０個の場合の明るさのむらＩｄ(１０)は、
Ｉｄ(１０)＝１.６０２３×１０−３＋１０×２.５６７４×１０−６
≒１.６２８×１０−３
【００５０】
よって、故障個数ｍが１０個でも、明るさのむらが、０.１６％になる。なお、上式(６)で算出される明るさのむらＩｄを、０.１以下(１０％以下)にするような発光ダイオード密度Ｎ(個/ｃｍ−２)と許される故障個数Ｍとの関係を、図３に示す。図３を参照すれば、発光素子密度素子密度Ｎが１２０(個/ｃｍ２)以上になると、最も暗くばらついた場合に、故障した発光ダイオードがあっても良品と判定されるが、１２０個/ｃｍ２未満になると、最も暗くばらついた場合に故障した発光素子があると、不良品となることが分る。したがって、上記基板１上の１０ｃｍ２以上の領域における上記発光ダイオード２の配置密度を、１２０個/ｃｍ２以上にすることによって、複数の発光ダイオード２のうちの１つが故障したときにも、明るさのむらを１０％以下にすることができ、歩留まりを向上できる。
【００５１】
また、この実施形態では、行方向に隣り合う２つの発光ダイオード２の間の間隔ｄ１が１１μｍであり、列方向に隣り合う２つの発光ダイオード２の間の間隔ｄ２が９μｍである。よって、基板１上に配置される発光ダイオード２同士の間隔が３００μｍ以下であるので、多数の発光している発光ダイオード２の中で１つの発光していない発光ダイオード２があっても、人間の目はこの発光していない発光ダイオードの部分(暗点)を認識しない。よって、発光ダイオード２が故障して発光しない発光ダイオード２が存在してもその故障した発光した発光ダイオード２の近くで発光している他の発光ダイオード２によって、暗点が目立たなくなる。
【００５２】
また、この実施形態では、上記複数の発光ダイオード２が配置される上記基板１上の上記複数の発光ダイオード２が配置される領域の面積が、８ｃｍ×５ｃｍ＝４０ｃｍ２であり、２８ｃｍ２以上である。よって、この実施形態の発光装置によれば、放熱性を向上させて、高価な放熱板が不要になる。これについて、以下に説明する。
【００５３】
まず、図５の特性図に、発光ダイオードの発光部の温度(絶対温度)Ｔｊの逆数を横軸に取り、上記発光ダイオードの寿命時間を縦軸に取った特性を示す。この特性によれば、４００００時間の寿命を得るためには、発光ダイオードの接合温度を１５０℃以下にする必要があることが分る。
【００５４】
次に、図４の特性図に、放熱板のないシートヒーターの消費電力(Ｗ/ｃｍ２)と基板温度上昇(℃)との関係を表す実験結果を示す。一方、上記発光ダイオードの発光部の温度(℃)は、室温(℃)と基板温度上昇(℃)とから、次式(７)で算出される。
(発光部温度)＝(室温)＋(基板温度上昇)＋３０(℃)          … (７)
【００５５】
上式(７)から、発光ダイオードの発光部の温度を１５０℃以下にするには基板温度上昇を９０℃以下にする必要があることが分る。上記発光部で発熱しているので、発光部の温度は、通常、基板温度よりも３０℃高くなる。そして、図４の実験結果から、基板温度上昇を９０℃以下にするには、熱に消費される電力を０.２(Ｗ/ｃｍ２)以下にしなければならないことが分る。ここで、電球型ＬＥＤの消費電力は、およそ８(Ｗ)で７０％が熱に変換されるので、熱に消費される電力は、５.６(Ｗ)になる。よって、電球型ＬＥＤと同じ光度を得て、熱に消費される電力を０.２(Ｗ/ｃｍ２)以下にするためには、(５.６Ｗ÷０.２Ｗ/ｃｍ２)＝２８ｃｍ２以上の基板面積が必要になる。
【００５６】
尚、上記実施形態では、上記発光ダイオードの配置密度を、３８９５００(個/ｃｍ２)とし、基板１上に発光ダイオードを配置する領域のサイズを８ｃｍ×５ｃｍとしたが、上記発光ダイオードの配置密度,上記発光ダイオードを配置する領域の基板のサイズは、これに限らないのは勿論である。要は、上記発光ダイオードの配置密度を１００個/ｃｍ２以上とし、上記基板上に発光ダイオードを配置する領域の面積を１０ｃｍ２以上とすればよい。また、上記基板上の１０ｃｍ２以上の領域における上記発光ダイオードの配置密度を、１２０個/ｃｍ２以上であることが好ましい。また、上記基板上の１０ｃｍ２以上の領域における上記発光ダイオードの配置密度が、１１１１個/ｃｍ２以上であることが好ましい。また、上記基板上の上記複数の発光ダイオードが配置される領域の面積が２８ｃｍ２以上であることが好ましい。また、上記実施形態では、上記発光ダイオード２を、図２Ａに示すように、Ｎ型の半導体で作製されたＮ型部２１とＰ型の半導体で作製されたＰ型部２２とが略中央のＰＮ接合面Ｓ１で接合している棒状の発光ダイオードとしたが、図２Ｂに示すように、Ｎ型の半導体で作製された円柱状のコア部３１と、この円柱状のコア部３１の外周面３２を被覆するＰ型の半導体で作製された円筒状のシェル部３３とで構成してもよい。上記円柱状のコア部３１の外周面３２の一部３２Ａが上記シェル部３３から露出している。また、上記円柱状のコア部３１と上記シェル部３３との接合面３５は上記円柱状のコア部３１の周りに同心円状に形成されている。上記シェル部３３から露出したコア部３１の一部３１ＡがカソードＫをなし、上記シェル部３３の端部３３ＡがアノードＡをなす。そして、上記カソードＫ,アノードＡは、第１,第２の電極３,５のいずれかに直接接続される。図２Ｂに示す構成の発光ダイオードは、上記Ｎ型の円柱状のコア部３１とＰ型のシェル部３３との接合面３５をコア部３１の外周面３２に沿って円筒状に形成でき、発光面の増大を図れる。また、上記コア部３１の外周面３２の一部３２ＡがＰ型のシェル部３３から露出しているので、上記コア部３１の外周面３２の一部３２Ａへの電極３,５の接続が容易になる。なお、コア部３１の一端３１Ｂの端面３１Ｃは上記シェル部３３の端部３３Ａから露出していてもよいが、上記シェル部３３の端部３３Ａがコア部３１の一端３１Ｂの端面３１Ｃを被覆する構成としてもよい。また、上記シェル部３３を形成する半導体をＮ型とし、上記コア部３１を形成する半導体をＰ型としてもよい。また、図２Ｂに示す構成では、コア部３１を円柱状としシェル部３３を円筒状としたが、多角柱状のコア部と多角筒状のシェル部としてもよい。例えば、六角柱状のコア部と六角筒状のシェル部としてもよく、四角柱状のコア部と四角筒状のシェル部としてもよく、三角柱状のコア部と三角筒状のシェル部としてもよい。また、楕円柱状のコア部と楕円筒状のシェル部としてもよい。
【００５７】
このようなコア部とシェル部とで構成した棒状構造の発光ダイオードの製造方法の一例を、図６Ａ〜図６Ｅを参照して説明する。
【００５８】
まず、図６Ａに示すように、ｎ型ＧａＮからなる基板７１上に、成長穴７２ａを有するマスク７２を形成する。次に、図６Ｂに示すように、半導体コア形成工程において、マスク７２の成長穴７２ａにより露出した基板７１上に、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)装置を用いて、ｎ型ＧａＮを結晶成長させて棒状の半導体コア７３を形成する。ここで、ｎ型ＧａＮは、六方晶系の結晶成長となり、基板７１表面に対して垂直方向をｃ軸方向にして成長させることにより、六角柱形状の半導体コアが得られる。
【００５９】
次に、図６Ｃに示すように、半導体層形成工程において、棒状の半導体コア７３を覆うように基板７１上の全面にｐ型ＧａＮからなる半導体層７４を形成する。次に、図６Ｄに示すように、露出工程において、リフトオフにより半導体コア７３を覆う半導体層７４ａの部分を除く領域とマスク７２を除去して、棒状の半導体コア７３の基板７１側に基板側の外周面を露出させて露出部分７３ａを形成する。この状態で、上記半導体コア７３の基板７１と反対の側の端面は、半導体層７４ａにより覆われている。この露出工程では、リフトオフを用いたがエッチングにより半導体コアの一部を露出させてもよい。
【００６０】
次に、切り離し工程において、超音波(例えば数１０ＫＨz)を用いて基板７１を基板平面に沿って振動させることにより、基板７１上に立設する半導体コア７３の基板７１側に近い根元を折り曲げるように、半導体層７４ａに覆われた半導体コア７３に対して応力が働いて、図６Ｅに示すように、半導体層７４ａに覆われた半導体コア７３が基板７１から切り離される。こうして、基板７１から切り離なされた微細な棒状構造発光素子７０を製造することができる。この棒状構造の発光ダイオードの製造方法では、棒状構造発光素子７０の直径を１μｍ、長さを１０μｍとしている。
【００６１】
上記発光ダイオードの製造方法では、基板７１と半導体コア７３と半導体層７４ａに、ＧａＮを母材とする半導体を用いたが、ＧａＡｓ,ＡｌＧａＡｓ,ＧａＡｓＰ,ＩｎＧａＮ,ＡｌＧａＮ,ＧａＰ,ＺｎＳｅ,ＡｌＧａＩｎＰなどを母材とする半導体を用いてもよい。また、基板と半導体コアをｎ型とし、半導体層をｐ型としたが、導電型が逆の棒状構造発光ダイオードとしてもよい。また、断面が六角柱の半導体コアを有する棒状構造発光ダイオードの製造方法について説明したが、これに限らず、断面が円形または楕円の棒状であってもよいし、断面が三角形などの他の多角形状の棒状の半導体コアを有する棒状構造発光ダイオードも上述と同様の製造方法で作製できる。また、上記発光ダイオードの製造方法では、棒状構造発光ダイオードの直径を１μｍとし長さを１０μｍのマイクロオーダーサイズとしたが、直径または長さのうちの少なくとも直径が１μｍ未満のナノオーダーサイズの素子としてよい。上記棒状構造発光ダイオードの半導体コアの直径は２０ｎｍ以上かつ１００μｍ以下が好ましく、数ｎｍの棒状構造発光ダイオードに比べて半導体コアの直径のばらつきを抑えることができ、発光面積すなわち発光特性のばらつきを低減でき、歩留まりを向上できる。上記棒状構造発光ダイオードの半導体コアの直径は５００ｎｍ以上かつ１０μｍ以下がより好ましく、発光特性のばらつきを低減できる。
【００６２】
また、上記発光ダイオードの製造方法では、ＭＯＣＶＤ装置を用いて半導体コア７３を結晶成長させたが、ＭＢＥ(分子線エピタキシャル)装置などの他の結晶成長装置を用いて半導体コアを形成してもよい。また、成長穴を有するマスクを用いて半導体コアを基板上に結晶成長させたが、基板上に金属種を配置して、金属種から半導体コアを結晶成長させてもよい。また、上記発光ダイオードの製造方法では、半導体層７４ａに覆われた半導体コア７３を、超音波を用いて基板７１から切り離したが、これに限らず、切断工具を用いて半導体コアを基板から機械的に切り離してもよい。この場合、簡単な方法で基板上に設けられた微細な複数の棒状構造発光素子を短時間で切り離すことができる。
【００６３】
次に、上述の実施形態の発光装置を製造する方法を説明する。この発光装置の製造方法では、まず、表面１Ａに第１の電極３と第２の電極５が形成された基板１を用意する。この基板１は絶縁基板とし、第１,第２の電極３,５は金属電極とする。一例として、印刷技術を利用して絶縁基板１の表面１Ａに所望の電極形状の金属電極３,５を形成することができる。また、絶縁基板１の表面１Ａに金属膜および感光体膜を一様に積層し、この感光体膜を所望の電極パターンに露光・現像し、パターニングされた感光体膜をマスクとして金属膜をエッチングして第１の電極３と第２の電極５を形成することができる。
【００６４】
なお、上記金属電極３,５を作製する金属の材料としては、金、銀、銅、鉄、タングステン、タングステンナイトライド、アルミニウム、タンタルやそれらの合金などを用いることができる。また、絶縁基板１はガラス、セラミック、アルミナ、樹脂のような絶縁体、またはシリコンのような半導体表面にシリコン酸化膜を形成し、表面が絶縁性を有するような基板である。ガラス基板を用いる場合は、表面にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜のような下地絶縁膜を形成するのが望ましい。
【００６５】
また、上記第１の電極３と第２の電極５との間の距離は、発光ダイオード２の長さＬよりもやや短いことが好ましい。一例として、上記距離は、発光ダイオード２の長さＬが１０μｍである場合は、４〜９μｍとすることが望ましい。すなわち、上記距離は、発光ダイオード２の長さＬの４０〜９０％程度、より好ましくは上記長さの６０〜８０％とすることが望ましい。
【００６６】
次に、上記絶縁基板１上に複数の発光ダイオード２を配列する手順を説明する。まず、上記絶縁基板１上に複数の発光ダイオード２を含んだ溶液としてのイソプロピルアルコール(ＩＰＡ)を薄く塗布する。なお、上記溶液としては、ＩＰＡのほかに、エチレングリコール、プロピレングリコール、メタノール、エタノール、アセトン、またはそれらの混合物でもよく、他の有機物からなる液体、水などを用いることができる。ただし、液体を通じて金属電極３,２３間に大きな電流が流れてしまうと、金属電極３,５間に所望の電圧差を印加できなくなってしまう。そのような場合には、金属電極３,５を覆うように、絶縁基板１表面全体に、５ｎｍ〜５０ｎｍ程度の絶縁膜をコーティングすればよい。
【００６７】
上記複数の発光ダイオード２を含むＩＰＡを塗布する厚さは、次に発光ダイオード２を配列する工程で、発光ダイオード２が配列できるよう、液体中で発光ダイオード２が移動できる厚さである。したがって、発光ダイオード２の太さ以上であり、例えば、数μｍ〜数ｍｍである。塗布する厚さは薄すぎると、発光ダイオード２が移動し難くなり、厚すぎると、液体を乾燥する時間が長くなる。好ましくは、１００μｍ〜２ｍｍである。また、ＩＰＡの量に対して、発光ダイオード２の個数は、 １×１０４個／ｃｍ３ 〜 １×１０７個／ｃｍ３ が好ましい。
【００６８】
上記複数の発光ダイオード２を含むＩＰＡを絶縁基板１に塗布するために、上記複数の発光ダイオード２を配列させる金属電極３,５の外周囲に枠(図示せず)を形成し、その枠内に上記複数の発光ダイオード２を含むＩＰＡを所望の厚さになるよう充填するとよい。しかし、上記複数の発光ダイオード２を含むＩＰＡが粘性を有する場合は、枠を必要とせずに、所望の厚さに塗布することが可能である。上記ＩＰＡやエチレングリコール、プロピレングリコール、メタノール、エタノール、アセトン、またはそれらの混合物、或いは、他の有機物からなる液体、または水などの液体は、上記発光ダイオード２の配列工程のためには粘性が低いほど望ましく、また加熱により蒸発しやすい方が望ましい。
【００６９】
次に、金属電極３、５間に電位差を与える。この電位差は、例えば、０．５Ｖもしくは１Ｖの電位差とする。なお、この金属電極３と金属電極５の電位差は、０．１〜１０Ｖを印加することができるが、０．１Ｖ以下では発光ダイオード２の配列姿勢が乱れ始め、１０Ｖ以上では金属電極間の絶縁が問題になり始める。したがって、上記電位差は０．５Ｖ〜５Ｖが好ましく、さらには、０．５Ｖ程度とするのが好ましい。金属電極３に電位ＶＬを与え、金属電極５に上記電位ＶＬよりも高い電位ＶＨ（ＶＬ＜ＶＨ)を与えると、金属電極３には負電荷が誘起され、金属電極５には正電荷が誘起される。この金属電極３,５に上記発光ダイオード２が接近すると、この発光ダイオード２のうち金属電極３に近い側に正電荷が誘起され、金属電極５に近い側に負電荷が誘起される。上記発光ダイオード２に電荷が誘起されるのは静電誘導による。よって、上記発光ダイオード２は、金属電極３、５間に生じる電気力線に沿った姿勢になると共に、各発光ダイオード２に誘起された電荷がほぼ等しいので、電荷による反発力により、ほぼ等間隔に一定方向に規則正しく配列する。このとき、金属電極３、５の表面に絶縁膜がコーティングされていると共に金属電極３、５間に与える電位差が一定(ＤＣ)である場合は、金属電極３、５上にコーティングされた絶縁膜表面に、金属電極３、５の電位と反対極性のイオンが誘起されて溶液中の電界が非常に弱くなってしまう。そのような場合は、金属電極３,５間に交流電圧を印加することが好ましい。これにより、金属電極３、５の電位と反対極性のイオンが誘起されるのを防ぎ、発光ダイオード２を正常に配列することができる。なお、金属電極３,５間に印加する交流電圧の周波数は、１０Ｈｚ〜１ＭＨｚとするのが好ましいが、交流電圧の周波数が１０Ｈｚ未満のときは、発光ダイオード２が激しく振動し、配列が乱される可能性がある。一方、金属電極３,５間に印加する交流電圧の周波数が１ＭＨｚを超える場合は、発光ダイオード２が金属電極３,５に吸着される力が弱くなり、外部の擾乱により配列が乱されることがある。このため、発光ダイオード２の配列の安定のためには、上記交流電圧の周波数を５０Ｈｚ〜１ｋＨｚとすることがより好ましい。さらに、上記交流電圧の波形は、正弦波に限らず、矩形波、三角波、ノコギリ波など、周期的に変動するものであればよい。なお、上記交流電圧の振幅は一例として０．５Ｖ程度とすることが好ましい。
【００７０】
このように、本実施形態では、金属電極３,５間に発生した外部電場により、各発光ダイオード２に電荷を発生させ、電荷の引力により金属電極３,５に発光ダイオード２を吸着させるので、発光ダイオード２の大きさは、液体中で移動可能な大きさであることが必要である。したがって、各発光ダイオード２の大きさ(最大寸法)の許容値は、液体の塗布量(塗布厚さ)により変化する。上記液体の塗布量が少ない場合は、各発光ダイオード２の大きさ(最大寸法)はナノスケールでなければならないが、液体の塗布量が多い場合は、各発光ダイオード２の大きさがミクロンオーダーであってもかまわない。
【００７１】
上記発光ダイオード２が配列を始めてしばらくすると、図１に模式的に示すように、第１の電極３と第２の電極５との間に発光ダイオード２が配列する。各発光ダイオード２は、第１,第２の電極３,５が延在している方向とは垂直な姿勢に整列して上記延在の方向にほぼ等間隔で配列する。一列の各発光ダイオード２に誘起された電荷により発光ダイオード２間に反発力が働いて、発光ダイオード２がほぼ等間隔に並ぶ。
【００７２】
こうして、第１の電極３と第２の電極５との間に、発光ダイオード２を配列させた後、基板１を加熱または一定時間放置することにより、上記溶液の液体を蒸発させて乾燥させ、発光ダイオード２を第１の電極３と第２の電極５との間の電気力線に沿って、等間隔に配列させて固着させる。
【００７３】
以上のように、本実施形態の発光装置の製造方法によれば、発光ダイオード２を、第１の電極３と第２の電極５との間に制御性よく高精度に配列させることが可能となる。また、本実施形態の方法では、各発光ダイオード２の向き(極性)を一方に決めることが困難で、各発光ダイオード２の向き(極性)が一方に揃った状態になるとも限らないが、上述の如く、上記実施形態の発光装置では、前述の如く、交流駆動されるので、各発光ダイオード２の向き(極性)がランダムで混在していてもよい。よって、本実施形態の製造方法は、発光ダイオードの向き(極性)が混在している上記実施形態のような発光装置を製造するのに好適である。また、本実施形態の製造方法では、多数の微細な発光ダイオードを一度に電極間に配列,接続可能になるので、一例として、前述の実施形態の発光装置のように、３８万９５００個の長さＬが１０μｍの発光ダイオード２を配列する場合に適している。なお、本実施形態の発光装置の製造方法では、発光ダイオード２のサイズが１０μｍで発光ダイオード２の個数が３８万９５００個である場合を一例として説明したが、本発明の発光装置の製造方法は、最大寸法が１００μｍ以下の発光ダイオードを配置密度が１００個/ｃｍ２以上で基板上の１０ｃｍ２以上の領域に単位面積当たりの個数が略均一であるように配置する場合に好適である。
【００７４】
なお、ディスプレイ用バックライトや照明装置およびＬＥＤディスプレイに用いる発光装置を、上述の実施形態で説明した発光装置とすることによって、低コストで明るさのむら抑えることができる。また、上記実施形態で説明した各発光ダイオードを作製する半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＳｅ、ＡｌＧａＩｎＰ等の半導体を採用できる。また、上記各発光ダイオードを量子井戸構造を有するものとして発光効率を向上させてもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１  基板
１Ａ  表面
２  発光ダイオード
２Ａ  一端部
２Ｂ  他端部
３  第１の電極
５  第２の電極
６  交流電源
２１  Ｎ型部
２２  Ｐ型部
Ｓ１  ＰＮ接合面
３１  コア部
３２  外周面
３３  シェル部
３３Ａ  端部
３５  接合面
【図１】
2011091201.tif 000003
【図２Ａ】
2011091201.tif 000004
【図２Ｂ】
2011091201.tif 000005
【図３】
2011091201.tif 000006
【図４】
2011091201.tif 000007
【図５】
2011091201.tif 000008
【図６Ａ】
2011091201.tif 000009
【図６Ｂ】
2011091201.tif 000010
【図６Ｃ】
2011091201.tif 000011
【図６Ｄ】
2011091201.tif 000012
【図６Ｅ】
2011091201.tif 000013