(57)【要約】      （修正有）【課題】光の取り出し効率に優れ、かつ、封止層の経年劣化が抑制され信頼性にも優れた発光ダイオード、及び、その製造方法を提供する。【解決手段】基板２０と、当該基板に対して形成された発光部２２と、当該発光部を覆う封止層１０と、当該封止層の構成材料とは異なる別材料で形成され、当該封止層に対するコーティング層１２と、を有し、前記コーティング層の表面に、凹凸の構成周期が５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であり、且つ、アスペクト比が０．８以上のモスアイ構造が構成された、発光ダイオードである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
当該基板に対して形成された発光部と、
当該発光部を覆う封止層と、
当該封止層の構成材料とは異なる別材料で形成され、当該封止層に対するコーティング層と、を有し、
前記コーティング層の表面に、モスアイ構造が形成された、
発光ダイオード。
【請求項２】
前記モスアイ構造が、周期が５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であり、且つ、アスペクト比が０．８以上で形成された凹凸を含む、
請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記凹凸の底部と頂部の幅が、底部＞頂部となる、
請求項２記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記コーティング層が、前記封止層の屈折率以下の屈折率分布を有する、
請求項１乃至３の何れか１項記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記封止層はシリコーン樹脂からなり、前記コーティング層はフッ素樹脂からなる、
請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記コーティング層の表面張力が前記封止層の表面張力よりも低い、
請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記コーティング層にフィラーが分散混合されている、
請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記フィラーが二酸化ケイ素を含んでいる、
請求項７記載の発光ダイオード。
【請求項９】
前記フィラーの平均粒径が３００ｎｍ以下である、
請求項７又は８記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
前記フィラーの屈折率が前記封止層の屈折率以下である、
請求項７乃至９の何れか１項記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
基板と、当該基板に対して形成された発光部と、当該発光部を覆う封止層と、を有する発光ダイオードの当該封止層に対するコーティング層を形成する方法であって、
前記封止層の構成材料とは別材料の溶液を作成し、当該溶液を前記封止層に塗工して硬化をすることにより、表面に凹凸構造を備えた前記コーティング層を形成する、
前記発光ダイオードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードに係り、詳しくは、封止層を保護するコーティング層を有する発光ダイオード、そして、その製造方法に関する。
【０００２】
発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ；ＬＥＤ）は、ｐ型とｎ型半導体の接合によって形成されており、電圧の印加時に電子と正孔の結合によって、半導体のバンドギャップに該当するエネルギーを光の形態に発する発光半導体を利用する素子として知られている。
【０００３】
発光ダイオードは、発熱が少なく、寿命が長く、かつ、高速の応答が可能であるという多様な特性を有し、かつ、既存の電球等よりも小型、軽量化が可能である等の利点を有するために、種々の電気、電子製品に活用されている。 発光ダイオードとして、ＬＥＤチップとカバーとの間にＬＥＤチップを保護するための封止層を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2007-525000公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発光ダイオードの封止層の屈折率は大気の屈折率に比べて非常に大きいため、ＬＥＤからの発光の一部が封止層の表面で全反射され、そして、戻ってきた光がＬＥＤチップ背面の金属反射層によって再度反射されることを繰り返すことによって、従来の発光ダイオードでは、光が熱へと変換されて損失が問題となっていた。さらに、封止層の形成材料として汎用されるシリコーン樹脂は湿度など、発光ダイオードの外部雰囲気に対する抵抗性が十分でなく、封止層の経年劣化によって、発光ダイオードの信頼性が低下するという課題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、光の取り出し効率に優れ、かつ、封止層の経年劣化が抑制され信頼性にも優れた発光ダイオード、及び、その製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明は、基板と、当該基板に対して形成された発光部と、当該発光部を覆う封止層と、当該封止層の構成材料とは異なる別材料で形成され、当該封止層に対するコーティング層と、を有し、前記コーティング層の表面に、例えば、周期が５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であり、且つ、アスペクト比が０．８以上で形成された凹凸を含むモスアイ構造が形成された、発光ダイオードであることを特徴とする。
【０００８】
さらに、他の発明は、基板と、当該基板に対して形成された発光部と、当該発光部を覆う封止層と、を有する発光ダイオードの当該封止層に対するコーティング層を形成する方法であって、前記封止層の構成材料とは別材料の溶液を作成し、当該溶液を前記封止層に塗工して硬化をすることにより、表面に凹凸構造（モスアイ構造）を備えた前記コーティング層を形成する、前記発光ダイオードの製造方法であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光の取り出し効率に優れ、かつ、封止層の経年劣化が抑制され信頼性にも優れた発光ダイオード、及び、その製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る発光ダイオードを示す断面図である。
【図２】図１の発光ダイオードのコーティング層を拡大して示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係る発光ダイオードのパッケージ１を示す断面図である。本実施形態による発光ダイオードは、基板２４と、基板２４の上部にパッケージの外縁に沿って形成されたモールドフレーム１４と、モールドフレーム１４によって囲まれている領域の基板２４上に位置する発光部とを備えている。発光部は、複数のＬＥＤチップ２２の他、リードパターンを含み、さらに、ＬＥＤチップとリードパターンを連結する配線等を備えている。
【００１２】
リードパターンは、電極パターンとしてＬＥＤチップに外部電源を印加する役割を果たす。ＬＥＤチップは、同一の平面上にＮ型電極及びＰ型電極が形成された水平型チップであって、リードパターンの上に実装される。上部にＰ型電極が、下部にＮ型電極が形成された垂直型発光チップの形態を持つことも可能である。
【００１３】
ＬＥＤパッケージ１は、さらに、発光部とモールドフレーム１４との間の空間を満たし、ＬＥＤチップ２２等の発光部を保護するための封止層１０と、モールドフレーム１４内の封止層１０の表面のコーティング層１２を備えている。
【００１４】
コーティング層１２は封止層１０を保護するための耐湿性等の耐候性を有すると共に、封止層１０の屈折率と大気の屈折率との間で屈折率分布を形成して、封止層１０による光の全反射を抑制して光の取り出し効率を高めるための屈折率可変層として機能するものである。
【００１５】
コーティング層１２は、封止層１０とモールドフレーム１４を覆うように形成されており、図示していないが、コーティング層１４は延長されてパッケージ１全体の側面を覆うようにしてもよい。符号１６はレジスト層を示し、符号１８は絶縁層を示す。
【００１６】
コーティング層１２に屈折率分布を形成するための好適な態様は、コーティング層１２の表面を凹凸からなるモスアイ構造にすることである。図２に示すように、コーティング層１２は底面３２上に複数の凹凸３０を有し、この凹凸の好適な形態としては、凹凸３０の構成周期（Ａ）が凹凸の形成限界以上（例えば５０ｎｍ以上）で可視光の上限波長以下（３５０ｎｍ）以下であり、且つ、凹凸の高さ（Ｂ）と凹凸の構成周期（Ａ）との比（Ｂ／Ａ）であるアスペクト比が０．８以上１００以下である。なお、図２において、凹凸を便宜上、円錐状のものとして説明したが、凹凸を６角等の角錐状に図示されてもよい。
【００１７】
凹凸の構成周期が既述の範囲にあることによって、ＬＥＤチップ２２からの発光をコーティング層１２から効率よく取り出すことができる。そして、アスペクト比が既述の範囲内であれば、コーティング層１２に、封止層１０とコーティング層１２との界面での光の全反射を抑制可能な屈折率分布を形成することができる。さらにまた、凸部の底面の幅：Ｄ（５０から３５０ｎｍ）と頂部の幅：Ｃ（１ｎｍから１００ｎｍ）がＤ＞Ｃとなるようにすることによって、光の取り出し効率を向上することができる。
【００１８】
既述の封止層１０内部には蛍光体が分散されている。蛍光体として、緑色蛍光体と赤色蛍光体とがあり、発光部からの光に晒されることによって赤色光及び緑色光が放出される。この時、発光部は青色発光チップであると、青色光と赤色光及び緑色光との混合によって白色光がＬＥＤパッケージから出力される。蛍光体は、酸化物系または窒化物系化合物からなり、例えば、β型シリコーン窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の結晶構造を有する結晶の中で、ユーロピウム（Ｅｕｒｏｐｉｕｍ；Ｅｕ）が固溶された窒化物または酸窒化物の結晶を含む。
【００１９】
封止層１０は透光性を有するシリコーン樹脂から主として形成され、  本実施形態におけるコーティング層１２は、封止層１０に対する保護効果を有し、封止層１０とは別材料の樹脂、例えば、フッ素系樹脂から形成される。フッ素系樹脂としては、フッ素-シロキサングラフトポリマーが例示される。封止層を形成する樹脂としては、例えば、シリコーン（オルガノシロキサン、オルガノポリシロキサン）、フェニルシリコーン、ジメチルシリコーン、有機変性シリコーン等があり、コーティング層を形成する樹脂としては、例えば、ＰＴＦＥ、ＥＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ、ＰＶＤＦ、ＰＣＴＦＥ、ＥＣＴＦＥ等がある。コーティング層１２を封止層１０とは別材料から形成することによって、封止層１０の保護効果を実現することができる。コーティング層１２と封止層１０との密着性を高めるために、コーティング層の表面張力は封止層の表面張力よりも低くなるようにされることが好ましい。
【００２０】
コーティング層１２に既述の凹凸を形成するための手法として、フッ素樹脂を凹凸の構成周期に相当するピッチのナノインプリントモールド内に流し込み、熱硬化により封止層１０上にコーティング層１２の形成するものがある。
【００２１】
他の手法として、フッ素樹脂に、ＳｉＯ２等フィラーを含有させて、封止層上で加熱又は光硬化させるものがある。この手法では、コーティング層が硬化される過程で、溶媒が蒸発される際、フィラーの存在によってコーティング層の表面に凹凸が表出される。この手法によれば、コーティング層を形成する樹脂の塗工溶液を作り、これを封止層上にコーティング、印刷、スピンコートなどの手法により塗布し、熱及び／又はＵＶ等による硬化をするだけで凹凸構造を形成できるという簡便な工程が実現される。
【００２２】
既述の形態の凹凸を得るために、フィラーの平均粒径は、可視光の波長以下、好ましくは３００ｎｍ以下、さらに、好ましくは、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。コーティング層１２におけるフィラーの含有割合は、５重量パーセント以上５０重量パーセントであることが好ましい。フィラーの含有割合が５重量パーセント未満であると、コーティング層１２に既述の形態の凹凸を形成し難く、５０重量パーセントを越えるとコーティング層の剛性が低下して封止層に対する保護が十分でなくなる。
【００２３】
フィラーの屈折率は、封止層の屈折率以下であり、封止層がシリコーン樹脂から形成される場合にはフィラーの屈折率は１．４以下である。フィラーの屈折率は、その材質、粒径、及び、形状によって決まる。
【００２４】
次に、既述の図１に示したＬＥＤパッケージを、コーティング層１２以外を、ＬＥＤチップ２２：幅０．５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、封止層１０：直径１１ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、モールド層１４：幅０．８ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ（材料ＴｉＯ2／Ｓｉｌｉｃｏｎｅ混合材料）から形成し、これにコーティング層を形成する実施例について説明する。
【００２５】
実施例１
フッ素-シロキサングラフトポリマー（富士化成工業株式会社製「ＺＸ−０２２」）をｎブタノールに溶解させ（濃度７０重量パーセント）、これに二酸化ケイ素のフィラー（粒径１０ｎｍ）を２０重量パーセント混合して撹拌したものをコーティング層の塗工液とした。
【００２６】
この塗工液をディスペンサーにより封止層上へ塗布し、電気炉で１００℃、５分間加熱乾燥させた。その後、必要に応じてＵＶ露光機により５００ｍＪ／ｃｍ２ＵＶ照射した。この過程で、塗工液は硬化してコーティング層が形成された。コーティング層の膜厚は、０．１μｍであった。
【００２７】
コーティング層が形成される前の封止層からの全光束（ルーメン）とコーティング層からの全光束とを測定した比較した。その結果、コーティング層からの全光束は１７８８ルーメンであって、封止層からの全光束（１７４８ルーメン）より２．３パーセント増加したことが確認された。
【００２８】
コーティング層の表面を走査型電子顕微鏡（ＪＥＯＬ製）で確認したところ、アスペクト比３から５程度の円錐形状の形態の凹凸が形成されていた。
【００２９】
実施例２
二酸化ケイ素のフィラーの粒径を８０ｎｍとした以外の条件を実施例１と同様にした。コーティング層からの全光速は１７７９ルーメンであって、封止層からの全光束より１．８パーセント増加したことが確認された。そして、コーティング層の表面を電子顕微鏡で確認したところ、ナノ粒子が積み重なり凸型の形態の凹凸が形成されていた。
【００３０】
実施例３
二酸化ケイ素のフィラーの粒径を３μｍとした以外の条件を実施例１と同様にした。コーティング層からの全光速は１６８５ルーメンであって、封止層からの全光束より３．６パーセント低下にとどまったことが確認された。そして、コーティング層の表面を電子顕微鏡で確認したところ、表面凹凸が少なく、白濁色の形態であったものの凹凸が形成されていた。
【００３１】
実施例４
フィラーを用いることなく、フッ素樹脂を凹凸の形成周期に相当するピッチのナノインプリントモールド内に流し込み、熱硬化により封止層１０上にコーティング層１２を形成した。その他は、実施例１と同様にした。全光束の測定結果において、フィラーがないことで屈折率が実施例１より高くなり、全光束（１７５９ルーメン）の封止層からの全光束（１７４８ルーメン）に対する増加率が実施例１よりも低くなったものの（+０．６％）、光束の増加は確認できた。
【００３２】
比較例
コーティング層として、フッ素-シロキサングラフトポリマーのフィルム（膜厚１μｍ）を使用し、これを封止層に熱圧着した。コーティング層にフィラーは含有されていない。コーティング層からの全光速は１７２１ルーメンであって、封止層からの全光束より１．５パーセント低下したことが確認された。
【図１】
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【図２】
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