JP4671748B2 - 発光装置用配線基板および発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子から発せられる光を利用した発光装置およびこの発光装置に好適に用いられる発光装置用配線基板に関し、特に、電子ディスプレイ用のバックライト電源、あるいは蛍光ランプ等に好適に用いられる発光装置用配線基板および発光装置に関するものである。

半導体材料からなる発光素子（以後、ＬＥＤ発光素子と言う）は、小型で電力効率が良く鮮やかな色の発光をする。ＬＥＤ発光素子は、製品寿命が長い、オン・オフ点灯の繰り返しに強い、消費電力が低い、という優れた特徴を有するため、液晶などのバックライト光源や蛍光ランプ等の照明用光源への応用が期待されている。

ＬＥＤ発光素子の発光装置への応用は、例えば、ＬＥＤ発光素子の光の一部を蛍光体により波長変換し、当該波長変換された光と波長変換されないＬＥＤの光とを混合して放出することにより、ＬＥＤの光と異なる発光色を発光する発光装置として既に製造されている。

具体的には、白色光を発するために、青色を発光するＬＥＤ発光素子表面に青色光を黄色光に変換することができる蛍光体を含む波長変換層を設けた発光装置が提案されている。

例えば、ｎＧａＮ系材料を使った青色ＬＥＤ発光素子上に（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２の組成式で表されるＹＡＧ系蛍光体を含む波長変換層を形成した発光装置では、ＬＥＤ発光素子から青色光が放出され、波長変換層で青色光の一部が黄色光に変化するため、青色と黄色の光が混色して白色を呈する発光装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

このような構成の発光装置の一例を図１に示した。図１によれば、発光装置は、電極２が形成された基板１と、基板１上に中心波長が４７０ｎｍの光を発する半導体材料を具備するＬＥＤ発光素子５と、基板１上に発光素子５を覆うように設けられた、波長変換器Ａを具備し、波長変換器Ａは、透明なマトリックス樹脂４中に蛍光体５ａ、５ｂ、５ｃを含有してなるものである。なお、所望により、発光素子５と波長変換器Ａの側面には、光を反射する反射体６を設け、側面に逃げる光を前方に焦光し、出力光の強度を高めることもできる。

この発光装置では、発光素子５から発する光が蛍光体に照射されると、蛍光体は励起されて可視光を発し、この可視光が出力として利用される。

この構成の発光装置では、ＬＥＤ発光素子と基板の電気的な接続をとるために、基板側の電極材料に、例えば銀や銅、モリブデンなどの金属材料を用いていた。
特開１９９９−２６１１１４号公報

しかしながら、このような電極材料を用いた場合、ＬＥＤ発光素子表面の電極と基板側の電極を接続したとき、基板側電極と基板の色の差による違いから、出力光に発光ムラや色ムラが生じるという問題がある。

本発明の発光装置用配線基板は、発光素子を搭載するための搭載部が形成され前記発光素子から発せられた励起光が反射する基板と、前記搭載部の周囲に位置する前記基板上であって前記搭載部に搭載された発光素子から発せられる励起光が照射される部位に設けられた透明電極と、を具備することを特徴とする。

また、本発明の発光装置用配線基板は、前記透明電極が、酸化インジウム・スズ、または、酸化亜鉛を含有することが望ましい。

また、本発明の発光装置用配線基板は、前記透明電極の全光線透過率が、８０％以上であることが望ましい。

また、本発明の発光装置用配線基板は、前記基板が、白色であることが望ましい。

また、本発明の発光装置用配線基板は、前記基板が、セラミック焼結体であることが望ましい。

本発明の発光装置は、以上説明した発光装置用配線基板の前記搭載部に、発光素子を搭載してなることを特徴とする。

また、本発明の発光装置は、前記透明電極の透過スペクトルのピーク波長と、前記発光素子から発せられる励起光のピーク波長との差が、３０ｎｍ以下であることが望ましい。

また、本発明の発光装置は、前記透明電極の反射スペクトルのピーク波長と、前記透明電極を表面に形成してなる前記基板表面の反射スペクトルのピーク波長との差が、３０ｎｍ以下であることが望ましい。

また、本発明の発光装置は、前記発光装置が、前記発光素子から発する励起光の少なくとも一部を吸収し、可視光を出力光とする波長変換器を備えることが望ましい。

本発明の発光装置用配線基板および発光装置によれば、発光素子から励起光が照射される電極として透明電極を用いることにより、発光素子から発せられた励起光や、発光装置の内側面などで反射した光が透明電極を透過し、この透過した光線が基板面で反射することによって、電極が形成されていない基板表面と、電極が形成された部分とで反射光の色の差が小さくなる。その結果、発光装置の基板と電極の色の差に起因する出力光の色むらを小さくすることができる。

また、本発明の発光装置用配線基板および発光装置によれば、酸化インジウム・スズ、または、酸化亜鉛からなる材料を含有したものを電極材料として用いることで、透明電極としての透明性を維持しながらも、同じ透明性を示す導電材料である酸化スズ、酸化インジウムに比較して電気抵抗を低くすることができるため、電極としての低抵抗な特性を維持しつつ、基板と電極との色調の差を低減でき、出力光の色むら低減に寄与できる。また、発光素子は素子自体の発熱や、素子を固定する基板などの発熱によって、量子効率が低下することが知られている。電極の電気抵抗が高い場合は、電気抵抗に起因する熱の発生により、発光素子の量子効率の低下が懸念される。酸化インジウム・スズまたは、酸化亜鉛を含有した材料を電極材料に用いることによって、電極の電気抵抗に起因する発熱による発光効率の低下を軽減できることで、発光装置としての本来の明るさを一定に維持できる効果がある。また、低抵抗な透明電極材料を用いることによって、発熱の発生を低減できることにより、発光素子と透明電極、基板間の熱膨張係数の差に起因する長期使用時のクラックや剥れ等の発生を防止できる。

また、本発明の発光装置用配線基板および発光装置によれば、透明電極の全光線透過率を８０％以上にすることで、光の透過量が増加し、電極と基板との色の差に加え、明暗の差をも抑制できる。また、８０％以上の光を透過させることで、電極材料による光の吸収を抑えることができ、光取り出し効率の低下を防止できる。

また、本発明の発光装置用配線基板および発光装置によれば、基板の色を白色とすることで、基板表面での光の反射率を、その他の色よりも高くすることができ、基板表面での光の吸収が抑えられることによって、効率よく出力光となって光が取り出されることになる。

また、本発明の発光装置用配線基板および発光装置によれば、基板として、熱や光に対して安定で、しかも、樹脂よりも熱伝導率の高いセラミック焼結体を用いることで、特性劣化が抑制された発光装置用配線基板および発光装置となる。

また、前記透明電極の透過スペクトルのピーク波長と、発光素子から発せられる励起光のピーク波長との差を、３０ｎｍ以下とすることによって、透明電極を透過して電極下面の基板表面に到達する光と、発光素子から発せられる励起光が電極の形成されていない基板表面に達する光の色において、目視で感じるほどの有意な差を格段に小さくすることができる。したがって、透明電極下の基板表面で反射される光と、透明電極以外の基板表面で反射される光の色にも、目視で明確に区別できる色の差がなくなるため、電極形状と基板露出部分の形状の差が、出力光の色に反映されにくくなる効果がある。

また、前記透明電極での反射スペクトルのピーク波長と、透明電極を形成してなる基板表面の反射スペクトルのピーク波長との差を３０ｎｍ以下とすることで、透明電極と基板を構成するそれぞれの面で反射される光線においても、色調の違いを小さくすることができる。

透明電極表面での反射スペクトルは、光の透過によって、もとより少ないものであるが、基板表面での反射スペクトルと、透明電極表面での反射スペクトルのピーク波長との差を３０ｎｍ以下とすることによって、すべての面で反射する光の色調の差を小さくすることができるために、より一層、出力光の色むらを低減することが可能となる。

また、前記発光装置に、発光素子から発する励起光の少なくとも一部を吸収し、可視光を出力光とする波長変換器を設けることによって、発光素子の量子効率に限定されることなく、より高い効率の発光素子を選択できる。より高い量子効率の発光素子を選択し、この発光素子から発せられる励起波長を変換する蛍光体を、あわせて選択することによって、出力光の色を自在にコントロールできる。ここで、蛍光体については、様々な色の蛍光体を任意の量で混合することによって、波長変換された光のスペクトルをコントロールすることができる。すなわち、励起光を波長変換し出力光とする際に、出力光のスペクトルの構成を制御することができることになり、透明電極や基板での反射スペクトルや吸収スペクトルの均一性とともに、より色むらのない出力光を得ることに効果がある。

本発明の発光装置用配線基板および発光装置は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、例えば、平板状の基板１と、この基板１に形成された透明電極３とを具備するものであって、基板１には、発光素子５が搭載される搭載部７が形成されている。基板１に形成された透明電極３は、発光素子５から照射される励起光などの光が当たる部分に形成されている。

なお、本発明で用いる発光素子としては、いわゆるＬＥＤが好適に用いられる。

この発光装置用配線基板９には、透明電極３に電気的に接続された貫通導体１１や、端子電極１３が形成されていてもよい。

この発光装置用配線基板９の搭載部７に例えば、銀粒子とエポキシ樹脂とからなる接着剤１５を介して、発光素子５が搭載され、例えば、図１（ｂ）に示した例では、発光素子５と透明電極３とがワイヤ１７にて電気的に接続されている。

さらに、発光素子５を取り囲み、光を所定の方向に誘導する反射板１９や、発光素子５を覆うように形成された波長変換層２１によって、本発明の発光装置２３が形成されている。

このような発光装置２３では、例えば、ワイヤ１７、透明電極３、貫通導体１１および端子電極１３により、発光素子５に電力を供給することで発光素子５から励起光が発せられ、励起光が、基板１の表面や、透明電極３、反射板１９に照射され、それぞれの部分で反射された励起光あるいは直接、波長変換層２１に到達した励起光が波長変換層２１で波長変換され、出力光となる。

そして、本発明においては、これらの電極のうち、少なくとも、透明電極３が透明であることが重要である。

つまり、このような発光装置においては、発光素子５に電力を供給することで、発光素子５は、光を発し、その光が出力光として利用されるのであるが、この出力光のうち一部は、反射板９や、基板１の表面、あるいは透明電極３に一旦、照射された光が反射したものである。

従来、電極は銀や銅、モリブデン、タングステンなどの材料によって形成され、基板との色調差があった。また、電極を金や銀により被覆することも行われていたが、この場合でも、基板と電極との色調差は著しく大きいものであった。そのため、出力光の一部には、色調差が生じていたのである。

一方、本発明の発光装置では、透明電極３を用いることで、透明電極３が形成された部分における反射光が、基板１の反射光と略同一となるため、出力光の色調差を大幅に軽減することができる。

この透明電極３は、透明、低抵抗であることに加え、電極を薄く形成できることが望ましい。基板１上の透明電極３は、酸化インジウムと酸化スズの化合物または、酸化亜鉛からなる透明電極３で形成することが望ましい。

また、酸化インジウムのみや酸化スズのみの組成であるよりも、電気抵抗が低抵抗であり、かつ透明性を保持しているという点で、酸化インジウムと酸化スズの化合物または、
酸化亜鉛を含有した材料からなることがより望ましい。

また、透明電極３を、酸化インジウムと酸化スズの化合物で形成する場合には、酸化インジウム中への酸化スズの混合比率は、２０質量％以下で透明性と低抵抗を両立させることができ、より望ましくは５〜１０質量％とすることが望ましい。

また、本発明の発光装置２３では、透明電極３の全光線透過率が８０％以上であることが望ましく、光が透明電極を８０％以上の高い透過率で通過することによって、透明電極３が形成されていない基板１の表面に到達する光線と、透明電極３を透過して基板１に到達した光線との間で、スペクトルの差が少なくなるために、基板１の表面に到達する光において、色むらが抑制される効果がある。また、透明電極３による光の吸収を抑えることができ、光取り出し効率の低下を防止できる。

さらに、全光線透過率を上げるためには、透明電極３を形成する際に、より緻密な結晶構造にすることが望ましい。緻密な結晶構造にするための方法として、透明電極３の熱処理温度を上げるなどの方法が考えられる。

また、本発明の発光装置２３では、透明電極３の透過スペクトルのピーク波長と、発光素子から発せられる励起光のピーク波長との差が、３０ｎｍ以下であることが望ましい。すなわち、本発明では、透明電極３を用いることにより、基板１の表面に到達する光において、透明電極３を形成した基板１の表面部分と、それ以外の基板１の表面で電極に覆われていない露出した部分とで、反射光のスペクトルの差が生じることを抑制することができる。つまり、励起光は透明電極３での吸収によるピーク波長の変化を小さくすることで、色調に有意な変化を与えることなく、透明電極３の下地の基板１表面に到達できる。一方、透明電極３に覆われていない基板１表面に到達して反射される励起光は、そのままのピーク波長で、基板１表面に到達する。それゆえ、透明電極３の透過スペクトルのピーク波長と、励起光のピーク波長との間の差を小さくすることで、基板１表面に到達する光に、基板１表面の場所によるスペクトルの変化が小さくなり、ピーク波長の差を３０ｎｍ以下、望ましくは２０ｎｍ以下とすることによって、目視で明確に確認できる色調の差がなくなり、その結果として、照明装置の出力光としての色むらの低減を可能にできる。

また、本発明の発光装置２３は、発光素子５からの励起光や、波長変換層２１で波長変換された光のうち、透明電極３の表面および基板１の表面で反射される光の色むらの低減を意図したものである。そのため、透明電極３の反射スペクトルのピーク波長と、基板１の表面の反射スペクトルのピーク波長との差が、３０ｎｍ以下であることが望ましい。透明電極３の反射スペクトルと、基板１の表面での反射スペクトルの差を３０ｎｍ以以下とすることで、目視で確認できない程度に色むらを抑制できる。反射スペクトルの差が全面で３０ｎｍ以下、望ましくは２０ｎｍ以下とすることによって、この目視による色の差が非常に小さくなり、目視では色むらと認知できず、均一な出力光として認識されることになる。目視での色の違いが確認できる可視光のスペクトルの差は、個人差はあるが、ほぼ３０ｎｍ以上である。

また、本発明の発光装置２３は、透明電極３に覆われた部分の基板１の表面でも、効率よく光を反射させることができるため、基板１の表面は反射率の高いものが望ましく、具体的には、反射率が６０％以上であることが望ましく、特に７０％以上、さらに９０％以上が望ましい。

また、基板１の色調を白とすることで、その他の色、例えば、黒や褐色と比較して、基板表面での光の吸収を防止することができ、効率よく光を反射することによって、出力光の明るさを保つことができる。つまり、白色の基板１を用いた場合には、色むらの低減に加え、光取り出し効率の高い発光装置２３となるのである。

このような白色を呈する基板１としては、例えば、アルミナ質焼結体が例示できる。また、アルミナ質焼結体以外のセラミック焼結体を用いても良いことは言うまでもない。

また、基板１としてセラミック焼結体を用いた場合には、樹脂製の基板１を用いた場合と比較すると、格段に基板１の光や熱に対する耐久力が向上する。

また、本発明の発光装置２３によれば、例えば白色の光を出力光としたい場合、紫外光の励起光を、赤、緑、青の各色に波長変換し、混合することで白色光を出力する構成や、青色の励起光を黄色の蛍光体で波長変換し、励起光と混合して白色光として出力することも可能である。このような励起光の波長変換をするために、本発明の発光装置では、波長変換物質を含有する波長変換層２１を備えていることが望ましい。この波長変換層２１は、例えば、透明樹脂中やガラス中に平均粒径が０．１μｍ以上の蛍光物質や、平均粒径が２０ｎｍ以下の半導体超微粒子を分散させて構成されている。これらの粒子は、例えば、赤色や、緑色、青色、黄色を発するものを所望に応じ、配合して用いられる。

以下に、本発明の重要な構成要素である透明電極３の製造方法について説明する。

この透明電極３は、例えば、蒸着法、スパッタ法などの方法で、透明な導電性の薄膜を形成した後に、フォトリソ法などでパターニングして電極形状に加工することで形成することができる。

フォトリソ法でパターニングした場合には、容易に微細で複雑な配線形状を形成することができ、発光素子５の実装形態に自由度が広がる。また、フォトリソ法は多数個に対して一括でパターニングができるため、量産性の点で有効である。

また、透明電極３の形成には、酸化インジウムと酸化スズの化合物または、酸化亜鉛を含む材料からなる平均粒径が０．５μｍ以下、望ましくは０．１μｍ以下である微粒子を用いた導体ペーストを用いて、印刷法によってパターニングすることもできる。

このとき、導体ペースト中の透明電極材料の粒子径を０．５μｍ以下とすることで、印刷パターンの形状の凹凸を防ぐことができ、熱処理をして電気的導通を取る際に、粒子間でネックの成長を行いやすく、低抵抗化が可能である。また、粒子径を０．１μｍ以下にすることで、より低温で粒子間の接続ができるために、電極としての低抵抗化を可能にできる。また、印刷法によってパターニングすることで、簡便な工程によって電極が形成できるため、歩留りの向上が可能で、安価な工程を実現できる。ＩＴＯペースト（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）に関しては、微粒子分散タイプのほかに、有機インジウム、有機スズなどを原料に用いた熱分解タイプのものでもよく、この場合、粒子分散タイプに比べて粘度調整の自由度が高いために印刷性がよく、また、緻密で透光性の高い膜の作製が可能である。

なお、本発明の発光装置用配線基板９および発光装置２３は、以上説明した例にとどまらず、他の形態を備えていてもよいことはいうまでもなく、例えば、発光素子５と透明電極３とは、フリップチップ接続で電気的接続をとってもよい。

図１の発光装置を作製した。まず、発光素子としてピーク波長が３６５ｎｍの近紫外光を発するＬＥＤ（発光素子）を用意した。

次に、全光線反射率が７０％の白色のアルミナ質焼結体（嵩密度：３．６ｇ／ｃｍ^３）からなる基板の表面に、透明電極を形成した発光装置用配線基板を用意した。この透明電極は、市販のＩＴＯペースト（住友金属鉱山製ＤＸ−４００シリーズ）を用い、製版を用いてスクリーン印刷して、パターニングした後にオーブン中４５０℃で熱処理を行い、ＩＴＯペースト中の溶剤分を揮発させ、またペースト中の粒子を焼結、結晶化して形成した。

この発光装置用配線基板に、アルミ製の枠状の反射部材を取り付け、さらに、発光装置用配線基板の搭載部に、銀粒子フィラーとエポキシ樹脂からなるダイアタッチ用接着剤（京セラケミカル製：ＣＴ２８４Ｒ）を用いて、前述した近紫外光を発するＬＥＤ（発光素子）を搭載した。

そして、この発光素子と透明電極とを金ワイヤにて接続し、反射部材内に透明なシリコーン樹脂（ＧＥ東芝シリコーン製ＸＥ１４−Ｃ０４４７）を充填して、発光素子を被覆し、さらに８０℃で１時間加熱することによってシリコーン樹脂を硬化させて、内部層を形成した。なお、シリコーン樹脂の充填には、ディスペンサーを用いた。

次に、可視域に蛍光スペクトルを有する蛍光体を含有するジメチルシリコーン骨格からなる樹脂を平滑な基板上にディスペンサーにて塗布形成し、加熱硬化させて厚膜フィルムを形成した。この厚膜フィルムを基板上から剥がしてフィルム状の波長変換層とし、この波長変換層を前記内部層の上面に取り付け、本発明の発光装置を得た。

なお、蛍光体は、平均粒径が０．１μｍ以上の蛍光物質として、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃ_ｌ２：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ，Ｍｎ、ＬｉＥｕＷ_２Ｏ_８を用いた。また、平均粒径１０ｎｍ以下の半導体ナノ粒子は、ＩｎＮ、ＡｇＩｎＳ_２、ＣｕＩｎＳ_２、ＣｄＳｅ組成からなるナノ粒子から、適宜選択して用いた。なお、該半導体ナノ粒子は、ホットソープ法にて文献等に記載の方法によって合成した。

また、比較例として、発光素子の出力光や波長変換層での散乱光が反射される基体の表面に、モリブデンによって電極を形成したサンプルを作製した。電極の形成は、アルミナ質絶縁性基体を焼成する際に、モリブデンペーストを塗布し、同時焼成することにより行った。この基体に上に実装する発行素子や実装の形態、波長変換層は実施例と同様とした。

作製した発光装置は、出力光を白色の紙に投影し、目視によって色むらの有無を確認することで評価した。

実施例による発光装置は、白色の紙上において、色むらのない投影光が目視で確認できた。一方、比較例の発光素子は、一部に波打った形状で、電極のパターンを一部反映したかのような色むらが確認された。

（ａ）は、本発明の発光装置用配線基板の断面図であり、（ｂ）は、本発明の発光装置の断面図である。

符号の説明

１・・・基板
３・・・透明電極
５・・・発光素子
７・・・搭載部
９・・・発光装置用配線基板
２１・・・波長変換層
２３・・・発光装置

Claims (9)

1. 発光素子を搭載するための搭載部が形成され前記発光素子から発せられた励起光が反射する基板と、前記搭載部の周囲に位置する前記基板上であって前記搭載部に搭載された発光素子から発せられる励起光が照射される部位に設けられた透明電極と、を具備することを特徴とする発光装置用配線基板。
2. 前記透明電極が、酸化インジウム・スズ、または、酸化亜鉛を含有することを特徴とする請求項１に記載の発光装置用配線基板。
3. 前記透明電極の全光線透過率が、８０％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置用配線基板。
4. 前記基板が、白色であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の発光装置用配線基板。
5. 前記基板が、セラミック焼結体であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の発光装置用配線基板。
6. 請求項１乃至５のうちいずれかに記載の発光装置用配線基板の前記搭載部に、発光素子を搭載してなることを特徴とする発光装置。
7. 前記透明電極の透過スペクトルのピーク波長と、前記発光素子から発せられる励起光のピーク波長との差が、３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の発光装置。
8. 前記透明電極の反射スペクトルのピーク波長と、前記透明電極を表面に形成してなる前記基板表面の反射スペクトルのピーク波長との差が、３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６又は７に記載の発光装置。
9. 前記発光装置が、前記発光素子から発する励起光の少なくとも一部を吸収し、可視光を出力光とする波長変換器を備えることを特徴とする請求項６乃至８のうちいずれかに記載の発光装置。

Images