(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する出射面と反射面とを有し、一端面又は対向する二端面に設けられたＬＥＤ光源から入力される光を、前記出射面から出射させる面発光装置の導光板であって、
前記出射面は、前記端面と略直交する方向に延長するストライプ状の複数の凹部が配列された光拡散パターンを前記導光板の一方の側面から他方の側面に向かって繰り返し有し、
一つの光拡散パターン内において、前記複数の凹部は前記端面と平行な方向の断面形状が異なっており、前記ＬＥＤ光源からの光をそれぞれ異なる方向に光を屈折させることが可能であることを特徴とする面発光装置の導光板。
【請求項２】
前記複数の凹部は、前記断面形状の深さが異なっていることを特徴とする請求項１に記載の面発光装置の導光板。
【請求項３】
前記複数の凹部は、曲面からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光装置の導光板。
【請求項４】
前記端面は、前記ＬＥＤ光源と対向する部位に凹凸を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の面発光装置の導光板。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の面発光装置の導光板と、前記端面に設けられたＬＥＤ光源と、を有する面発光装置。
【請求項６】
前記ＬＥＤ光源は、ＬＥＤ素子と、該ＬＥＤ素子からの発光波長を吸収して異なる波長に変換する蛍光物質との混色光を発光することを特徴とする請求項５に記載の面発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＥＤ光源からの光を発光面全体に広げて出力するための面発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、液晶バックライトなどの光源として、点光源であるＬＥＤチップからの光を面状に発光させる面発光装置が用いられている。この面発光装置は、対向する主面を有する導光板の一端面から１又は２以上の発光ダイオードからの光を入射してその導光板の一方の主面全体から光を出射させるように構成される。
【０００３】
すなわち、図２の斜視図に示すように、第１の主面と第２の主面とを有し透過性樹脂からなる導光板２１と、その導光板２１の端面に対向するように設けられた発光ダイオード２２と、導光板の第２の主面側に設けられた反射体（図示せず）とを有してなり、発光ダイオード２２からの光を導光板２１の一方の主面全体から光を出射させる。出射面には拡散シート２３を設けている。
【０００４】
以上のように構成された面発光装置では、発光ダイオード２２から出力された光が導光板２１を伝播されるにしたがって減少し、発光ダイオードから離れるにしたがって光量が減少するので、反射面である第２の主面に光拡散ドットパターンを形成し均一な面発光を得ようとしている。この光拡散ドットパターンは発光ダイオードから離れるにしたがって、ドットの密度又は各ドットの面積を順次増加させる等により、光拡散ドットが占める面積を順次増加させて発光面内における輝度の均一化を図っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、導光板の反射面に形成する光拡散ドットのみでは、光の拡散が不十分であった。そのため、出射面側に光拡散シートを配置させるなどの方法が用いられたが、そのシートと導光板との間に空気層が介在するため光が吸収されるなどして、輝度が低下しやすいという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、光源から導光板内に入力された光を、効率よく均一に外部に放出させて、均一でかつ発光輝度の高い面発光が可能な面発光装置の導光板を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、本発明に係る面発光装置の導光板は、互いに対向する出射面と反射面を有し、一端面又は対向する二端面に設けられたＬＥＤ光源から入力される光を、出射面から出射させる面発光装置の導光板であって、出射面は、端面と略直交する方向に延長するストライプ状の複数の凹部が配列された光拡散パターンを前記導光板の一方の側面から他方の側面に向かって繰り返し有し、一つの光拡散パターン内において、前記複数の凹部は前記端面と平行な方向の断面形状が異なっており、前記ＬＥＤ光源からの光をそれぞれ異なる方向に光を屈折させることが可能であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項２に記載の面発光装置の導光板は、前記複数の凹部は、前記断面形状の深さが異なっていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項３に記載の面発光装置の導光板は、前記複数の凹部は、曲面からなることを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項４に記載の面発光装置の導光板は、前記端面は、前記ＬＥＤ光源と対向する部位に凹凸を有していることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項５に記載の面発光装置は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の面発光装置の導光板と、前記端面に設けられたＬＥＤ光源と、を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項６に記載の面発光装置は、前記ＬＥＤ光源は、ＬＥＤ素子と、該ＬＥＤ素子からの発光波長を吸収して異なる波長に変換する蛍光物質との混色光を発光することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態の面発光装置について説明する。
【００１４】
本実施の形態の面発光装置の導光板は、ＬＥＤ光源からの光を端面から入力して出射面から出射させる導光板であって、出射面に本発明特有の光拡散パターンを設けることで外部に出射される光を均一に拡散させるものである。具体的には、互いに対向する出射面と反射面を有し、一端面又は対向する二端面に設けられたＬＥＤ光源から入力される光を、出射面から出射させる面発光装置の導光板である。導光板は図１に示すように、出射面は、端面と略直交する方向に延長するストライプ状の凹部１１ｂが複数配列されてなる光拡散パターン１１ａが、一方の側面から他方の側面に向かってほぼ全面に渡って繰り返し形成されてなり、光拡散パターン１１ａは、端面と平行な方向の断面形状が異なる複数のストライプ状の凹部１１ｂからなることを特徴とする。これにより、導光板の出射面から出射される光を拡散することができる。特に、光源からの光が入射される端面に対して端面と平行な方向への光の拡散を良好なものとすることができる。
【００１５】
（光拡散パターン１１ａ）
本実施の形態において、導光板の出射面の光拡散パターン１１ａは、ストライプ状の凹部１１ｂが複数配列されたものであり、図１のように、ストライプ状の凹部を数本単位で一つのパターンとなるように配列されたものである。このような光拡散パターンが、導光板の一方の側面から他方の側面に向かってほぼ全面に渡って繰り返し形成されている。メッシュ状などに２方向に分割されたパターンではなく、ストライプ状のパターンを用いて一定の方向に繰り返し形成させていることで、一定の方向にのみ光を屈折させている。本発明の光拡散パターンは、ＬＥＤ光源が設けられる端面に対して垂直方向に延長するストライプ状の凹部からなっているので、光の拡散方向は端面と平行な方向である。端面に対して垂直な方向へ光は入射されるので、その方向への光の拡散は比較的容易であるが、入射される光と垂直な方向への拡散をより効率よく行うことで、特に光源近傍の輝線の発生を抑制することができる。輝線とは、部分的に輝度が高くなる部位を指し、光源から放射状に見られるもので、メッシュ状の光拡散パターンを設けた場合にも見られる現象である。これは、光を拡散させるときに、光を弱めたい方向にも光を屈折させてしまい、これにより輝線の発生を促している場合があるためである。本発明においては、一定の方向にのみ拡散機能を有する光拡散パターンとしているので、光を弱めたい方向にまで光が拡散しないようにしている。
【００１６】
各光拡散パターンは、隣接する光拡散パターンと接していてもよく、また、離間していてもよい。或いは、一部が重なるような形状でもよい。しかし、光拡散パターンによって光を拡散することを目的とする本発明においては、各光拡散パターンは隣接するパターン同士は接して形成させるのが好ましい。各光拡散パターンの幅（光が入射される端面方向の長さ）は、導光板の大きさや光源の数などによって異なるが、少なくとも２回は繰り返し形成されるような幅が好ましい。ただし、幅の狭い導光板を用いる場合は光拡散パターンの幅は、導光板の幅と同一かそれよりも大きくなってもよい。各光拡散パターン内に形成されるストライプ状の凹部の数は、少なくとも５０以上で、より好ましくは１００以上である。あまり少なすぎると、光拡散効果が少なくなり、また、あまり多すぎると、高低差が得られず、鏡面に近い面となるため好ましくない。有効な光拡散効果を得るためには、上記範囲で形成するのが好ましい。
【００１７】
本発明では、このように所望の形状を有する光拡散パターンが繰り返し形成されることで、光の拡散をより制御しやすくしている。これは、光拡散パターンがある程度の幅を有しており、その幅のなかで均一な輝度としているためである。
【００１８】
（ストライプ状の凹部１１ｂ）
光拡散部を構成しているストライプ状の凹部１１ｂは、ＬＥＤ光源が設けられる端面に対して略垂直な方向に延長するように設けられている。凹部は端面から端面に渡るように設けるのが好ましいが、少なくとも有効発光面内において凹部が設けられていれば光の拡散に何ら悪影響を及ぼさないので、最端部に凹部が設けられていなくてもよい。
【００１９】
各ストライプ状の凹部は、隣接する凹部と接していてもよく、また、離間していてもよい。これは、用いる光源や、導光板の大きさ、厚さなどによって、所望の光拡散が得られるように任意に選択することができる。例えば、隣接する凹部が接していることで、出射面には出射方向に対して垂直な面が少なくなることになり、光の拡散の度合いが大きいものとすることができる。また、隣接する凹部が離間していると、出射方向に対して垂直な面が多くなることになるので、光を広げるのではなく出射面に垂直な方向に効率よく光を出射させることができる。
【００２０】
各ストライプ状の凹部は、同一の光拡散部内において、断面形状が異なるように形成される。ここでいう断面形状は、ＬＥＤ光源が設けられる端面と平行な方向の断面形状である。この断面形状を異なるように設けることで、光の屈折する方向を変化させることができる。これにより、一つの光拡散部内に、異なる方向に光を屈折させることができる凹部を複数有することになる。
【００２１】
ストライプ状の凹部の形状は、断面形状が全て異なるものとすることで、光の拡散を広くすることができる。これにより、均一な面発光が得られ易くなる。異なる断面形状になるようにするには、ストライプ状の凹部の開口部の幅が異なるものでもよく、また、凹部の深さが異なるようにするものでもよい。また、その両方を変えてもよい。より多くにストライプを形成させたい場合は、開口部の幅を一定にしておいて、深さを変えることで凹部の側面の角度を異なるように形成することができる。また、導光板の厚さが薄く、あまり深く加工しにくい場合は、深さを一定にしておいて開口部の幅を変えることで、凹部の側面の角度を異なるものとすることができる。
【００２２】
そのような様々な形状を有するストライプ状の凹部は、ランダムに配列させてもよく、また、規則性を有するように配列させてもよい。
【００２３】
ストライプ状の凹部の断面の形状は断面形状が曲面からなるような形状とするのが好ましい。端面に対して垂直な方向に延長する方向の断面は曲面でなくてもよく、端面に対して平行な方向の断面が曲面からなる形状であればよい。例えば、断面形状が略半円になるような凹部が挙げられ、このような曲面からなる凹部とすることで、光の屈折方向を広くすることができ、より拡散性の良好な光拡散パターンとすることができる。
【００２４】
（導光板１１）
本発明の面発光装置の導光板は、互いに対向する出射面と反射面とを有するものであり、一端面又は対向する二端面にＬＥＤ光源が配置されている。出射面には、本発明特有の光拡散パターンが形成されており、ＬＥＤ光源からの光は導光板の端面から入射されてこの出射面から出射される。導光板は、用途に応じて大きさや形状、厚さ等を選択することができるが、光透過性、成形性に優れたものを用いるのが好ましく、具体的にはアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、非晶性ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂等があげられる。
【００２５】
（金型）
上記のような形状を有する導光板の加工は、射出成形や金型成形などの方法によって行うことができるが、特に出射面の加工については、金型を研削加工などによって加工し、それを用いて射出成形を行うのが好ましい。研削加工はストライプ状の凹部を形成するのに適しており、砥石を用いて容易に精度良く形成させることができる。砥石を用いた研削方法は、図３に示すように、円形の砥石３０を回転させ、砥石３０に接するように載置した金型部材を矢印の方向に移動させることで金型部材の表面を削るものである。表面を加工された金型部材は、所望の大きさに加工して金型として用いることができる。
【００２６】
また、砥石を構成する砥粒としては、用いる金型の材料に適したものや、或いは加工するストライプ状の凸部の高さ（導光板のストライプ状の凹部の深さに対応）に応じて、レジンタイプ又は電着タイプとを使い分けることで、より精度良く効率的に加工することができる。ここで、レジンタイプとは、図３（ｂ）に示すように、ボンドなどの接着部材３４の中に砥粒３３を含有させて焼結させて円盤状に成形した砥石３０であり、電着タイプとは、図３（ｃ）に示すように、導電性の金属からなる円盤を電着用砥石（台金）３５を用い、Ｎｉなどの金属製接着部材３６を用いて砥粒３７を電気的に接着させたものである。
【００２７】
砥粒の具体的な材料としては、アルミナ、ダイヤモンド、ＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）等が挙げられ、それらの粒径は、＃３０〜＃１５００が好ましい。ここで、砥石の粒径は、ＪＩＳ  Ｒ  ６００１に規定されている「研削といし用研磨材の粒度」に基づく種類（＃）で示しており、その数値が小さい程、粒径の大きな砥粒を含有するものである。これらより大きい粒径のものを用いると、単一な平面に研削することが困難であり、また、粒径が小さすぎると、金型に凹凸を形成しにくく、研削加工に要する時間が多くなり手間がかかるので好ましくない。また、大きすぎると凹部の深さに対して幅が広くなるので好ましくない。
【００２８】
また、金型の成型方法としては、レーザ光照射による加工方法を用いてもよい。これは、図４に示すように金型部材４１の表面にレーザ４０から発振されるレーザ光を照射してストライプ状などの所望の形状に加工するものであり、レーザ光の波長、電流値などによって、その深さなどを制御することができる。上記のような研削加工に比べて、摩耗することがないので、同じパターンを数多く形成する場合などに適している。また、このレーザ光照射による加工は、図１に示すような連続するストライプ状の凹部のみならず、図４に示すような断続するストライプ状の凹部を形成することができる。断続させる場合は、直線状に配置された各ストライプの長さや間隔は任意に選択することができ、それらは隣接するストライプと異なるように形成させるのが好ましい。このように、断続するストライプ状凹部とすることで、端面と垂直な方向の断面が異なるパターンになるような光拡散パターンとすることができる。砥石による加工に比べて微細なパターンの調整が容易であり、幅の狭い導光板などに精密に光拡散パターンを形成するのに適している。
【００２９】
また、その他にも、金型の成形方法としては、電鋳により形成することもできる。この方法は、一般的によく用いられる方法であって、図５に示すように、ダミーとなる導光板５１を用意し、これに所望の加工を施す。ダミー導光板５１を図５（ａ）のように支持体５２に固定し、図５（ｂ）のように電鋳用金型部材を充填する。その後、図５（ｃ）のようにダミー導光板を取り外すことで、金型が形成される。この方法は、ダミー導光板として、目的のものと同様の材料を用いることができるため、金型加工する前の段階でストライプ幅等の調整をすることができる。
【００３０】
ＬＥＤ光源が配置される端面は単一な平面でもよく、また、凹凸を有していてもよい。また、反射面にはシボ加工することで、拡散性を向上させることができる。シボは、光の強度に応じてその大きさや形状を選択することができ、均一配列或いはランダム配列などの配列で用いることができる。また、導光板にシボ加工するのではなく、反射面の上に光拡散シートなどを設けて拡散性を向上させてもよい。
【００３１】
また、光を拡散するために、導光板の端面でＬＥＤ光源と対向する部分、すなわちＬＥＤ光源が接合される部分の入射端面を、単一な平面でなく凹凸を設けてもよい。このようにすることで、入射方向をあらかじめ設定することができので、任意の方向に光を屈折させて入射することができる。導光板の端面の凹凸は、凸部、或いは凹部のみでもよく、その形状は三角錐や円錐、或いは三角柱や円柱、若しくは粗面にするなど、任意に選択することができる。
【００３２】
（ＬＥＤ素子）
本発明においてＬＥＤ素子は、同一面側に正負一対の電極を有し且つ側方端面から発光の一部を発光することが可能であれば特に限定されない。また、蛍光物質を用いる場合は、用いる蛍光物質を励起可能な波長を発光できる発光層を有する半導体発光素子を用いることが好ましい。このような半導体発光素子としてＺｎＳｅやＧａＮなど種々の半導体を挙げることができるが、蛍光物質を効率良く励起できる短波長を発光することが可能な窒化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）が好適に挙げられる。半導体の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。
【００３３】
窒化物半導体を使用した場合、半導体用基板にはサファイア、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の材料が好適に用いられる。結晶性の良い窒化物半導体を量産性よく形成させるためにはサファイア基板を用いることが好ましい。このサファイア基板上にＭＯＣＶＤ法などを用いて窒化物半導体を形成させることができる。サファイア基板上にＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡＩＮ等のバッファ層を形成しその上にｐｎ接合を有する窒化物半導体を形成させる。
【００３４】
窒化物半導体を使用したｐｎ接合を有する発光素子例として、バッファ層上に、ｎ型窒化ガリウムで形成した第１のコンタクト層、ｎ型窒化アルミニウム・ガリウムで形成させた第１のクラッド層、窒化インジウム・ガリウムで形成した活性層、ｐ型窒化アルミニウム・ガリウムで形成した第２のクラッド層、ｐ型窒化ガリウムで形成した第２のコンタクト層を順に積層させたダブルへテロ構成などが挙げられる。窒化物半導体は、不純物をドープしない状態でｎ型導電性を示す。発光効率を向上させるなど所望のｎ型窒化物半導体を形成させる場合は、ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を適宜導入することが好ましい。一方、ｐ型窒化物半導体を形成させる場合は、ｐ型ドーパントであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープさせる。窒化物半導体は、ｐ型ドーパントをドープしただけではｐ型化しにくいためｐ型ドーパント導入後に、炉による加熱やプラズマ照射等により低抵抗化させることが好ましい。電極形成後、半導体ウエハーからチップ状にカットさせることで窒化物半導体からなる発光素子を形成させることができる。
【００３５】
本発明の面発光装置において、ＬＥＤ光源として混色光、特に白色系を発光させる場合は、蛍光物質からの発光波長との補色関係や透光性樹脂の劣化等を考慮してＬＥＤ素子の発光波長は４００ｎｍ以上５３０ｎｍ以下が好ましく、４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下がより好ましい。ＬＥＤ素子と蛍光物質との励起、発光効率をそれぞれより向上させるためには、４５０ｎｍ以上４７５ｎｍ以下がさらに好ましい。また、パッケージ上面より下になる封止部として、比較的紫外線により劣化しにくい樹脂や無機物であるガラス等を用いた場合、４００ｎｍより短い紫外線領域或いは可視光の短波長領域を主発光波長とするＬＥＤ素子を用いることもできる。紫外領域の波長を有するＬＥＤ素子を利用する場合は、蛍光物質により変換された発光色のみにより色度が決定されるため、可視光を発光する半導体発光素子を用いた場合に比較して半導体発光素子の波長などのバラツキを吸収することができ量産性を向上させることができる。
【００３６】
ＬＥＤ素子として、４００ｎｍ付近の短波長域を主発光ピークとする紫外線が発光可能なＬＥＤ素子を用いてもよい。この場合は、ＬＥＤ素子に近接する封止部は、比較的紫外線に強い樹脂やガラス等と紫外線を吸収して可視光を発光することが可能な蛍光物質にて構成することが好ましい。このような短波長の光により赤、青、及び緑に蛍光可能な蛍光物質、例えば赤色蛍光体としてＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、青色蛍光体としてＳｒ５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ、及び緑色蛍光体として（ＳｒＥｕ）Ｏ・Ａｌ２Ｏ３を耐紫外線樹脂などに含有させることにより、白色光を得ることができる。このように短波長発光の発光素子を用いる場合、発光素子の基板側は不透光性とするのが好ましい。上記蛍光物質の他、赤色蛍光体として３．５ＭｇＯ・０．５ＭｇＦ２・ＧｅＯ２：Ｍｎ、Ｍｇ６Ａｓ２Ｏ１１：Ｍｎ、Ｇｄ２Ｏ２：Ｅｕ、ＬａＯ２Ｓ：Ｅｕ、青色蛍光体としてＲｅ１０（ＰＯ４）６Ｑ２：Ｅｕ、Ｒｅ１０（ＰＯ４）６Ｑ２：Ｅｕ，Ｍｎ（ただしＲｅはＳｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選択される少なくとも一種、Ｑはハロゲン元素のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉから選択される少なくとも１種）、ＢａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ２７：Ｅｕ等を好適に用いることができる。これらの蛍光物質を用いることにより高輝度に発光可能な白色発光ＬＥＤ光源を得ることができる。
【００３７】
異種の蛍光物質を混合して配置させる場合、各種の蛍光物質の中心粒径及び形状は類似していることが好ましい。これによって各種蛍光物質から発光される光が良好に混色され色ムラを抑制することができる。また、各蛍光物質を混合して用いるのではなく、各封止部の層を薄くした薄膜層の積層体として用いてもよい。各種の蛍光物質による封止部の薄膜層として配置させる場合、それぞれの蛍光物質の紫外光透過率を考慮して、赤色蛍光物質層、緑色蛍光物質層、及び青色蛍光物質層と順に積層させることが好ましい。また、前記薄膜層において下部層から上部層にかけて各層中の蛍光物質の粒径が小さくなるように、各種蛍光物質の中心粒径を青色蛍光物質＞緑色蛍光物質＞赤色蛍光物質とすると、最上層まで良好に紫外光を蛍光物質に透過させ可視光に変換することができ紫外線のもれを防止することができる。そのほか、ストライプ状、格子状、またはトライアングル状となるように各色変換層を素子上に配置させることもできる。このように各層の間に間隔を設けて配置させると混色性が良好となり好ましい。
【００３８】
（蛍光物質）
本発明で用いられる蛍光物質の粒径は、中心粒径が６μｍ〜５０μｍの範囲が好ましく、より好ましくは１５μｍ〜３０μｍであり、このような粒径を有する蛍光物質は光の吸収率及び変換効率が高く且つ励起波長の幅が広い。６μｍより小さく蛍光物質は、比較的凝集体を形成しやすく、液状樹脂中において密になって沈降されるため、光の透過効率を減少させてしまう他、光の吸収率及び変換効率が悪く励起波長の幅も狭い。
【００３９】
ここで本発明において、蛍光物質の粒径とは、体積基準粒度分布曲線により得られる値であり、体積基準粒度分布曲線は、レーザ回折・散乱法により蛍光物質の粒度分布を測定し得られるものである。具体的には、気温２５℃、湿度７０％の環境下において、濃度が０．０５％であるヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液に蛍光物質を分散させ、レーザ回折式粒度分布測定装置（ＳＡＬＤ−２０００Ａ）により、粒径範囲０．０３μｍ〜７００μｍにて測定し得られたものである。本発明において蛍光物質の中心粒径とは、体積基準粒度分布曲線において積算値が５０％のときの粒径値である。この中心粒径値を有する蛍光物質が頻度高く含有されていることが好ましく、頻度値は２０％〜５０％が好ましい。このように粒径のバラツキが小さい蛍光物質を用いることにより、色ムラが抑制され良好なコントラストを有するＬＥＤ光源が得られる。
【００４０】
本実施の形態で用いられる蛍光物質は、窒化物系半導体を発光層とする半導体発光素子から発光された光を励起させて発光できるセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質をベースとしたものである。具体的なイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質としては、ＹＡｌＯ３：Ｃｅ、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ（ＹＡＧ：Ｃｅ）やＹ４Ａｌ２Ｏ９：Ｃｅ、更にはこれらの混合物などが挙げられる。イットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質にＢａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎの少なくとも一種が含有されていてもよい。また、Ｓｉを含有させることによって、結晶成長の反応を抑制し蛍光物質の粒子を揃えることができる。Ｃｅで付活されたイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質は特に広義に解釈するものとし、イットリウムの一部あるいは全体を、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ及びＳｍからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素に置換され、あるいは、アルミニウムの一部あるいは全体をＢａ、Ｔｌ、Ｇａ、Ｉｎの何れが又は両方で置換され蛍光作用を有する蛍光体を含む広い意味に使用する。
【００４１】
更に詳しくは、一般式（ＹzＧｄ1-z）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ（但し、０＜ｚ≦１）で示されるフォトルミネッセンス蛍光体や一般式（Ｒｅ1-aＳｍa）3Ｒｅ‘5Ｏ12：Ｃｅ（但し、０≦ａ＜１、０≦ｂ≦１、Ｒｅは、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｓｃから選択される少なくとも一種、Ｒｅ’は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎから選択される少なくとも一種である。）で示されるフォトルミネッセンス蛍光体である。この蛍光物質は、ガーネット構造のため、熱、光及び水分に強く、励起スペクトルのピークを４５０ｎｍ付近にさせることができる。また、発光ピークも、５８０ｎｍ付近にあり７００ｎｍまですそを引くブロードな発光スペクトルを持つ。
【００４２】
またフォトルミネッセンス蛍光体は、結晶中にＧｄ（ガドリニウム）を含有することにより、４６０ｎｍ以上の長波長域の励起発光効率を高くすることができる。Ｇｄの含有量の増加により、発光ピーク波長が長波長に移動し全体の発光波長も長波長側にシフトする。すなわち、赤みの強い発光色が必要な場合、Ｇｄの置換量を多くすることで達成できる。一方、Ｇｄが増加すると共に、青色光によるフォトルミネッセンスの発光輝度は低下する傾向にある。さらに、所望に応じてＣｅに加えＴｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｅｕらを含有させることもできる。しかも、ガーネット構造を持ったイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体の組成のうち、Ａｌの一部をＧａで置換することで発光波長が短波長側へ、組成のＹの一部をＧｄで置換することで、発光波長が長波長側へシフトすることができる。
【００４３】
Ｙの一部をＧｄで置換する場合、Ｇｄへの置換を１割未満にし、且つＣｅの含有（置換）を０．０３から１．０にすることが好ましい。Ｇｄへの置換が２割未満では緑色成分が大きく赤色成分が少なくなるが、Ｃｅの含有量を増やすことで赤色成分を補え、輝度を低下させることなく所望の色調を得ることができる。このような組成にすると温度特性が良好となり発光ダイオードの信頼性を向上させることができる。また、赤色成分を多く有するように調整されたフォトルミネッセンス蛍光体を使用すると、ピンク等の中間色を発光することが可能なＬＥＤ光源を形成することができる。
【００４４】
このようなフォトルミネッセンス蛍光体は、Ｙ、Ｇｄ、Ａｌ、及びＣｅの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化バリウムやフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して坩堝に詰め、空気中１３５０〜１４５０℃の温度範囲で２〜５時間焼成して焼成品を得、つぎに焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通すことで得ることができる。
【００４５】
本願発明の面発光装置のＬＥＤ光源において、このようなフォトルミネッセンス蛍光体は、２種類以上のセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体や他の蛍光体を混合させてもよい。ＹからＧｄへの置換量が異なる２種類のイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体を混合することにより、容易に所望とする色調の光を容易に実現することができる。
【００４６】
（拡散剤）
本発明において拡散剤は、特に限定されず、チタン酸バリウム、硫酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素、軽質炭酸カルシウム、重質炭酸カルシウム等、種々のものを用いることができる。拡散剤の粒径値は、中心粒径が１．０μｍ以上５μｍ未満であることが好ましく、より好ましくは１．０μｍ以上２．５μｍ未満であり、粒径値を有する拡散剤を用いるとＬＥＤ素子及び蛍光物質からの光を良好に乱反射させ色ムラを抑制することができ好ましい。また、拡散剤が破砕形の場合、透過型電子顕微鏡法により測定される長辺長は１．０μｍ以上３．０μｍ未満が好ましい。透光性部材１００重量部に対して拡散剤の含有量は、０．５重量部以上５重量部以下が好ましい。これにより、ＬＥＤ素子及び蛍光物質からの光の取り出し効率を低下させることなくＬＥＤ光源の光度及び信頼性を向上させることができる。また、発光スペクトルの半値幅を狭めることができ、色純度の高い発光装置が得られる。透光性部材の屈折率は１．４以上１．６５以下が好ましく、拡散剤の屈折率は、透光性部材よりも高いことが好ましい。これにより拡散剤により良好に光が反射散乱され優れた混色性を有するＬＥＤ光源が得られる。
【００４７】
（フィラー）
更に、本発明において、封止部中に蛍光物質に加えてフィラーを含有させても良い。具体的な材料は拡散剤と同様であるが、拡散剤と中心粒径が異なり、本明細書においてフィラーとは中心粒径が５μｍ以上１００μｍ以下のものをいう。このような粒径のフィラーを透光性樹脂中に含有させると、光散乱作用により発光装置の色度バラツキが改善される他、透光性樹脂の耐熱衝撃性を高めることができる。また、フィラーは蛍光物質と類似の粒径及び／又は形状を有することが好ましい。ここで本明細書では、類似の粒径とは、各粒子のそれぞれの中心粒径の差が２０％未満の場合をいい、類似の形状とは、各粒径の真円との近似程度を表す円形度（円形度＝粒子の投影面積に等しい真円の周囲長さ／粒子の投影の周囲長さ）の値の差が２０％未満の場合をいう。このようなフィラーを用いることにより、蛍光物質とフィラーが互いに作用し合い、樹脂中にて蛍光物質を良好に分散させることができ色ムラが抑制される。更に、蛍光物質及びフィラーは、共に中心粒径が１５μｍ〜５０μｍ、より好ましくは２０μｍ〜５０μｍであると好ましく、このように粒径を調整することにより、各粒子間に好ましい間隔を設けて配置させることができる。これにより光の取り出し経路が確保され、フィラー混入による光度低下を抑制しつつ指向特性を改善させることができる。また、このような粒径範囲の蛍光物質及びフィラーを透光性樹脂に含有させ孔版印刷法にて封止部材を形成すると、封止部材硬化後のダイシング工程においてダイシングブレードの目詰まりが回復されドレッサー効果をもたらすことができ量産性が向上される。
【００４８】
（封止部）
ＬＥＤ素子を覆う封止部は、ＬＥＤ素子を保護するだけでなく、上記蛍光物質、拡散剤、フィラーなどを含有させて、ＬＥＤ光源の発光特性を調整する部位として機能しているものである。封止部に蛍光物質を含有させない場合はＬＥＤ素子からの単色光を発光させることができるが、蛍光物質を用いることでＬＥＤ素子からの光と蛍光物質からの光との混色光を有するＬＥＤ光源とすることができる。混色光とすることで、任意の発光波長を有するＬＥＤ光源とすることができ、特に、バックライトなどに用いられる白色系発光が得られ易くなる。また、蛍光物質に加えてフィラー及び拡散剤等を併用することで、均一性に優れた混色光とすることができる。
【００４９】
また、封止部を２層或いは２層以上の多層構造とする場合は、蛍光物質及び拡散剤等は、その両方に含有させることもできるし、どちらか一方にのみ含有させることもできる。どちらか一方に蛍光物質を含有させる場合は、上部層よりも下部層の方に含有させることで、ＬＥＤ素子と蛍光物質とを近傍に配置することができるので、より効率良くＬＥＤ素子からの光を吸収し変換することができるので好ましい。また、蛍光物質を上部層にも含有させる場合は、下部層に含有させた蛍光物質と同じ蛍光物質でもよいし、異なる発光波長の蛍光物質、或いは異なる組成の蛍光物質でもよい。また、異なる蛍光物質を用いる場合は、一方の蛍光物質は、ＬＥＤ素子からの光ではなく、他方の蛍光物質からの発光波長を吸収して異なる波長に変換する蛍光物質を用いてもよい。これにより、ＬＥＤ素子からの光では励起されないような蛍光物質でも用いることができるので、より広い範囲の発光波長の混色光を得ることができる。
【００５０】
以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されるものではない。
【００５１】
【実施例】
［実施例１］
（金型）
本実施例において、導光板を成形するための金型を作成する。金型部材（厚さ３０ｍｍ、外枠外形６５ｍｍ×７５ｍｍ、外枠内径３４ｍｍ×３０ｍｍ）を、研削機に載置する。研削機として、直径２００ｍｍ、幅１０ｍｍの、レジンタイプの砥石（アルミナ製の砥粒（＃４５）使用）を用いる。これを回転数２４００ｒｐｍで回転させて、上記金型部材の表面を研削する。研削後の金型部材をエタノールにて洗浄し、外枠から取り出して３４ｍｍ×３０ｍｍの金型を得る。
【００５２】
（導光板）
上記のようにして得られた金型を用いて導光板の成形を行う。導光板の材料としてアクリルを用い、反射面にはシボ加工が施されるように作製される。導光板の成形は、まず、成形温度を２４０℃に設定してアクリルを溶融させながら射出圧力７００ｋｇｆ／ｃｍ２、金型温度は７０℃で射出成形する。そして、４５秒間冷却した後、金型から取り出して、本発明の導光板を得る。得られた導光板は、幅１０ｍｍの光拡散パターンの中に、ストライプ状の凹部（平均幅約５０μｍ）約２００本が、図１に示すような断面図になるよう形成されたものである。
【００５３】
（ＬＥＤ光源）
ＬＥＤ光源として表面実装型のＬＥＤ素子を形成する。ＬＥＤ素子は、発光層として単色性発光ピークが可視光である４７５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ半導体を有する窒化物半導体素子を用いる。より具体的には、ＬＥＤチップは、洗浄させたサファイア基板上にＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガス、窒素ガス及びドーパントガスをキャリアガスと共に流し、ＭＯＣＶＤ法で窒化物半導体を成膜させることにより形成させることができる。ドーパントガスとしてＳｉＨ４とＣｐ２Ｍｇを切り替えることによってｎ型窒化物半導体やｐ型窒化物半導体となる層を形成させる。
【００５４】
ＬＥＤ素子の構造としては、サファイア基板上に、アンドープの窒化物半導体であるｎ型ＧａＮ層、Ｓｉドープのｎ型電極が形成されｎ型コンタクト層となるＧａＮ層、アンドープの窒化物半導体であるｎ型ＧａＮ層、次に発光層を構成するバリア層となるＧａＮ層、井戸層を構成するＩｎＧａＮ層、バリア層となるＧａＮ層を１セットとしＧａＮ層に挟まれたＩｎＧａＮ層を５層積層させた多重量子井戸構造としてある。発光層上にはＭｇがドープされたｐ型クラッド層としてＡｌＧａＮ層、Ｍｇがドープされたｐ型コンタクト層であるＧａＮ層を順次積層させた構成としてある。（なお、サファイア基板上には低温でＧａＮ層を形成させバッファ層とさせてある。また、ｐ型半導体は、成膜後４００℃以上でアニールさせてある。）
【００５５】
次に、エッチングによりサファイア基板上の窒化物半導体に同一面側で、ｐｎ各コンタクト層表面を露出させる。各コンタクト層上に、スパッタリング法を用いて正負各台座電極をそれぞれ形成させた。なお、ｐ型窒化物半導体上の全面には金属薄膜を透光性電極として形成させた後に、透光性電極の一部に台座電極を形成させてある。出来上がった半導体ウエハーをスクライブラインを引いた後、外力により分割し、半導体積層面側に正負一対の電極を有し且つ側方端面から発光の一部を発光することが可能なＬＥＤ素子を形成する。
【００５６】
次に、正及び負からなる一対のリード電極がインサートされて閉じられた金型内に、パッケージ成形体の下面側にあるゲートから溶融された成形樹脂を流し込み硬化してパッケージを形成する。パッケージは、発光素子を収納可能な凹部を有し、凹部底面から正及び負のリード電極が一方の主面が露出されるように一体成形されている。尚、このパッケージにおいて、正及び負のリード電極のアウタリード部は、パッケージの接合面の両端部でその接合面に沿って内側に折り曲げられてなり、その内側に折り曲げられた部分ではんだ付けされるように構成されている。
【００５７】
次に、中心粒径３μｍの球状プラスチック粒子上にＮｉ薄膜を無電解メッキ法にて形成した後、最外層にＡｕ薄膜を置換メッキ法により形成した導電粒子をシリコーン樹脂に対して導電粒子を５ｖｏｌ％添加し、パッケージの凹部底面を覆うように膜厚が１０μｍ以上２０μｍ以下の範囲となるよう塗布する。次に、パッケージ凹部底面から露出された各リード電極上に、ＬＥＤチップの各電極を対向させ上記の塗布液中に前記ＬＥＤチップの電極形成面及び側方端面の一部が埋没するように載置し、加熱及び加圧を施し導電層を固化すると共に各電極を電気的に接続させる。
【００５８】
次に、蛍光物質は、Ｙ、Ｇｄ、Ａｌ、及びＣｅのそれぞれの酸化物を化学量論比により混合し混合原料を得る。これにフラックスを混合して坩堝に詰め、ボールミル混合機にて２時間混合する。ボールを取り除いた後、弱還元雰囲気中１４００℃〜１６００℃にて６時間焼成し、更に還元雰囲気中１４００℃〜１６００℃にて６時間焼成する。焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通して中心粒径が８μｍである（Ｙ０．８Ｇｄ０．２）２．７５０Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ０．２５０蛍光物質を形成する。
【００５９】
エポキシ樹脂１００重量部に対して、蛍光物質を１５０重量部添加したものを、導電層上面及び前記ＬＥＤチップの側方端面に接して、ＬＥＤ素子の最上面とほぼ同一ラインまでほぼ均一な膜厚にて充填させ、５０℃×２時間、及び１５０℃×４時間熱処理を施し下部封止部を形成する。
【００６０】
次に、シリコーン樹脂１００重量部に対して中心粒径３μｍ、凝集度９３％、吸油量７０ｍｌ／１００ｇである軽質炭酸カルシウムを３重量部含有させ、自転公転ミキサーにて５分間攪拌を行う。次に攪拌処理により生じた熱を冷ますため、３０分間放置し樹脂を定温に戻し安定化させる。こうして得られた混合液を前記パッケージ凹部内に充填させる。最後に、５０℃×２時間、及び１５０℃×４時間熱処理を施す。これによりＬＥＤ光源を得ることができる。
【００６１】
上記のようにして形成されるＬＥＤ光源は、ＬＥＤ素子上面から発光される青色光は前方に向かって出力高く放射され、ＬＥＤ素子の側方端面から発光される光の一部は隣接する下部封止部中に直接入射し、側方端面から発光される光の残りの部分は隣接する導電膜中へと導かれ含有される導電粒子にて反射散乱した後、上方に積層された色変換層へ入射する。これにより、全ての蛍光物質に効率よく励起光を照射することが可能となり、上部封止部からは蛍光物質から発光される黄色光が前方に向かって放射される。これら青色光と黄色光は、前方の光拡散層にて良好に混色され、前方には白色光が現れる。
【００６２】
以上のように本例のＬＥＤ光源では、ＬＥＤ素子の四方八方から発光される光をそれぞれ効率よく利用しているため、光の透過率が高く高出力の光を得ることができる。このようにして得られたＬＥＤ光源は、光度５００ｍｃｄ、光出力４ｍＷである。また、高温保管試験（１００℃）、高温高湿保管試験（８０℃、８５％ＲＨ）、低温保管試験（−４０℃）において、出力の低下はほとんどみられず、高い信頼性を有するといえる。またＣＩＥ色度座標におけるｘ軸方向の色度の３σは０．００６であり、色バラツキが非常に少ないＬＥＤ光源が得られる。
【００６３】
（実装）
上記のようにして得られる導光板を外枠に載置する。次に、この導光板の端面に対向させるようにＬＥＤ光源を配置することで、面発光装置が得られる。
【００６４】
［実施例２］
金型部材の加工をレーザ光照射による方法とし、光拡散パターンの幅が約８ｍｍとする以外は実施例１と同様に行う。用いるレーザは、ＹＡＧレーザであり、発振波長は３５５ｎｍ、電力０．１Ｗの使用条件で加工を行って得られる金型を用いて、導光板を形成し、本発明の面発光装置を得る。
【００６５】
［実施例３］
金型の加工を電鋳を用いて行い、光拡散パターンの幅が約５ｍｍとする以外は実施例１と同様にして導光板を形成し、本発明の面発光装置を得る。
【００６６】
［比較例］
出射面に加工を施していない以外は実施例と同様に行い導光板を得る。得られた導光板を用い、実施例と同様に光源を配置し、外枠に実装して面発光装置を得る。比較例では、出射面の上に拡散シート（（株）きもと製ライトアップ１００ＳＸＥ）を設けた。これにより、光を拡散させることができる。
【００６７】
（発光輝度）
実施例および比較例で得られた面発光装置の輝度の均一性を比較を行う。輝度の均一性の比較は、面発光装置の最大輝度に対する最小輝度の比で比較し、１００％に近い程、輝度の最大値と最小値の差が小さい、すなわち、輝度ムラが少ないことを示す。同一の光源を用いての輝度の均一性は、比較例７０％に対して、実施例１は９０％、実施例２は約８９％であり、実施例３は、約９０％である。比較例では輝線が見られたが実施例ではほとんど観察されず均一な面発光が得られた。また、面発光輝度についても、実施例１乃至実施例３で得られた面発光装置は比較例れ得られた面発光装置より約１２％高い輝度が得られた。
【００６８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明に係る面発光装置は、導光板の出射面に本発明特有の光拡散パターンを形成することで、均一な面発光を得ることができる。また光拡散シートなどを用いず導光板自体を加工しているので、光の損失を少なくすることができ、輝度の高い面発光装置とすることができる。
【００６９】
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る面発光装置の導光板を示す斜視図である。
【図２】  平坦な発光面を有する導光板を備えた面発光装置を示す斜視図である。
【図３】（ａ）本発明に係る導光板の金型の製造方法を示す模式図である。
（ｂ）図３（ａ）のレジンタイプ砥石の断面図である。
（ｃ）図３（ａ）の電着タイプ砥石の断面図である。
【図４】  本発明に係る導光板の金型の製造方法を示す模式図である。
【図５】  本発明に係る導光板の金型の製造方法を示す模式図である。
【符号の説明】
１１、２１・・・導光板
１１ａ・・・光拡散パターン
１１ｂ・・・ストライプ状の凹部
２２・・・ＬＥＤ光源
２３・・・拡散シート
３０・・・砥石
３１、４１・・・金型部材
３２・・・接着剤
３３、３７・・・砥粒
３５・・・電着用砥石
３６・・・電着用接着部材
４０・・・レーザ
５１・・・ダミー導光板
５２・・・支持体
５３・・・電鋳用金型部材
【図１】
0004058956.tif 000002
【図２】
0004058956.tif 000003
【図３】
0004058956.tif 000004
【図４】
0004058956.tif 000005
【図５】
0004058956.tif 000006