JP2009231568A - Ｌｅｄ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】LED素子から放射された光を反射することと、電極の役割を兼ねたAgめっき電極膜が使われているLED光源において、Agめっき電極膜の劣化のために輝度が低下してしまい、LED光源の輝度低下が生じてしまう問題において、容易でかつ有効なAgめっき電極膜の劣化防止方法が望まれている。
【解決手段】LED素子から放射された光を反射することと、電極の役割を兼ねたAgめっき電極膜が使われているLED光源において、Agめっき電極膜上にチタン薄膜もしくはチタン酸化物薄膜を形成することで、耐熱性能や耐硫化性能を有するAgめっき電極膜の実現が可能となり、LED光源の長寿命が達成される。
【選択図】図１

Description

本発明はLED光源に関し、特にLED素子の発光を反射する役割を持つAgめっき電極膜の劣化防止に関するものである。

近年、LED光源は高輝度化などに伴い、様々な分野において利用されている。特に青色発光LED素子が開発されたことにより白色LED光源が実現可能となり、LED光源の特徴である低消費電力、長寿命が相まって、一般照明や液晶表示素子のバックライトなどに使用されている。

ここで、一般的なLED光源の断面図を図９に示す。図９においてLED素子９１はAgめっき電極膜９２の上に配置される。Agめっき電極膜９２は基材９３の上に配置される。Agめっき電極膜９２はLED素子９１に電力を供給するための配線の状態にパターン形成されている。基材９３としては絶縁性、耐熱性を有するものが望まれ、例えば、ガラスエポキシ、セラミックス、BTレジン、シリコーンなどが用いられる。LED素子９１をAgめっき電極膜９２上に配置する場合は、ダイボンドペーストなどを使用する。LED素子９１とAgめっき電極膜９２は、ワイヤボンディング９４により電気的に接続されている。ワイヤボンディング９４としてはAu、Alなどが用いられている。LED素子９１はAgめっき電極膜９２、ワイヤボンディング９４を通して外部より電力が供給され、発光する。

また、LED素子９１の周囲にはLED素子９１を保護するための封止樹脂９５が配置されている。封止樹脂９５には透明性のエポキシ樹脂やシリコーン樹脂が用いられ、その樹脂と混ざった形で蛍光体が含まれる。蛍光体はLED素子９１からの発光の一部を吸収し長波長に変換して発光する。また、封止樹脂９５の周りには反射枠９６を配置する。反射枠９６はLED素子９１や蛍光体の発光を効率的に前面に照射するために配置されるもので、反射率の高いものが用いられる。

この様な構成のLED光源において、LED光源を使用し続けていると、種々の部材においてLED素子の発する熱と光による熱劣化や光劣化が生じてしまい、部材の反射率が低下するために、LED光源の初期輝度が低下する問題がある。低下の要因としては、Agめっき電極膜が熱せられたことによるAg粒子の凝集によるAg粒成長である。特にAgめっき電極膜の劣化と輝度の低下の相関関係が強く、Agめっき電極膜の劣化を抑えることが可能となれば、LED光源の輝度低下を防ぐことが可能となる。

そこで、例えば特許文献１によればAgめっき電極膜部分をAg合金薄膜に置き換え、劣化防止性能を持たせ、LEDの輝度低下を防ぐ方法が報告されている。

国際公開第WO０５／３１０１６号パンフレット（２頁）

しかし、前述の従来技術では以下に示す問題を有している。従来技術においてはAg合金ターゲットにより、薄膜をスパッタリング法の薄膜作製技術を用い成膜し、パターン電極や反射膜として利用すると記述している。合金ターゲットは使用の初期段階としばらく使用した段階では選択スパッタリングという問題から、組成比が一定の膜が形成されないことが知られている。またスパッタリング法により、マスクによるパターン電極を作製すると、作製条件によってはマスクの有無の部分の界面において、正常な膜が作製されない場合
がある。

そこで、本発明では輝度劣化の少ない長寿命化を達成したLED光源を提供することを目的とする。

そこで、本発明では、以下に記載の構成を採用する。

本発明のLED光源は、LED素子と、LED素子からの発光の一部を吸収し波長変換して発光する蛍光体と、LED素子の下部にLED素子からの発光を反射するAgめっき電極膜と、透明樹脂内に蛍光体を含む封止材とを備えるLED光源であって、Agめっき電極膜上にチタン薄膜を有することを特徴とする。

また、チタン薄膜がチタン酸化物薄膜であるLED光源であることが好ましい。

また、本発明におけるチタン薄膜は、LED素子がAgめっき電極膜上に配置される前に、Agめっき電極膜上に形成されることが好ましい。

また、本発明におけるチタン薄膜は、元来のAgめっき電極膜の反射率を阻害しないように、より薄いほうが好ましい。

また、本発明におけるチタン薄膜は、Agめっき電極膜上に均一に配置されることが好ましい。

以上の説明のように、本発明のLED光源においては、下記に記載する効果を有する。

LED素子と、LED素子の下部に設けられた電極とLED素子から出射された光を反射する反射板の性能を兼ねるAgめっき電極膜と、LED素子からの発光の一部を吸収し波長変換して発光する蛍光体と、透明樹脂内に蛍光体を含む封止材とを、中心に凹部を有する反射枠の凹部領域に配置するLED光源において、Agめっき電極膜上にチタン薄膜を配置することでAgめっき電極膜の劣化を防ぐことが可能となり、LED光源の輝度低下を防ぐことが可能となる。従って、LED光源の寿命が更に延びることとなり、長寿命化が可能となる。

以下、図面を用いて本発明を利用したLED光源の最適な実施形態を説明する。

図１は本発明のLED光源の実施形態における断面図である。図１におけるLED素子１１はチタン薄膜１２上に配置される。また、LED素子の周囲には波長の一部を吸収し長波長へと変換する蛍光体が均一に混入された封止材１３が配置される。チタン薄膜１２はAgめっき電極膜１４の上に配置される。LED素子１１の下部にLED素子１１からの発光を反射するAgめっき電極膜１４が基材１５の上に配置され、Agめっき電極膜１４はパターン加工などの処理が施される。これらを取り囲むように、反射枠１６が配置される。ここでLED素子１１は全方位に向かって発光するため、LED素子の下部や周囲は反射率が高い部材が用いられる。

また、ワイヤボンディング１７をもちいてLED素子１１とAgめっき電極膜１４とが電気的に接続されている。ワイヤボンディングはチタン薄膜１２を突き抜けてAgめっき電極膜１４と接続される。

また、ワイヤボンディング１７は封止材１３により保護されている。透明樹脂内に蛍光体を含む封止材１３はシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などが使われており、所望の型になるように流し込まれた後、熱硬化により硬化させる。封止材１３に利用できるものは硬さが様々なものがあるが、ワイヤボンディングの切断を防ぐために柔らかいものを利用する場合が多い。

また、蛍光体はLED素子１１からの発光の一部を長波長に変換するものであり、本実施形態においてはセリウムが混入したYAG（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系蛍光体である。この蛍光体が封止材１３に均一に分布するように混ぜ合わせて配置する。

ここで上述の構成のLED光源を作製中に、チタン薄膜１２をAgめっき電極膜１４上に形成することになる。チタン薄膜１２は一般的な薄膜作製方法であるスパッタリング法や電子ビーム蒸着法などを用いる。

ここで、本発明のベースとなる実験事実を図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８に示す。図２のSEM像２１はAgめっき電極膜表面のSEM像であり、SEM像２２は熱処理試験（１６０℃大気中）を行った後のAgめっき電極膜表面のSEM像である。図３のSEM像３１はチタン薄膜を形成したAgめっき電極膜表面のSEM像であり、SEM像３２は熱処理試験（１６０℃大気中）を行った後のチタン薄膜を形成したAgめっき電極膜表面のSEM像である。Agめっき電極膜を熱処理した試料のSEM像２２にはAgめっき電極膜に対して何も処理を行っていない試料のSEM像２１には見られなかった白く細かい粒状のものが多く存在している。これはAgめっき電極膜の表面部分が粒成長したことによるものである。一方、チタン薄膜を形成した後に熱処理工程を経たAgめっき電極膜の試料のSEM像３２にはAgめっき電極膜を熱処理した試料のSEM像２２に見られたAgめっき電極膜の表面部分のAgが粒成長したことによる白く細かい粒状のものが見られない。つまり、LED光源における輝度劣化の要因であるAg粒成長がチタン薄膜を形成したAgめっき電極膜においてAg粒成長を防止することが可能となる。

図４は横軸が波長で縦軸が反射率のグラフであり、Agめっき電極膜とAgめっき電極膜上にチタン薄膜を配置した試料の硫化試験前後における反射率の結果である。反射スペクトル４１はAgめっき電極膜そのものの反射スペクトルであり、反射スペクトル４２は硫化試験後のAgめっき電極膜の反射スペクトルである。反射スペクトル４３はAgめっき電極膜上にチタンを配置した試料の反射スペクトルであり、反射スペクトル４４はAgめっき電極膜状にチタンを配置した試料の硫化試験後の反射スペクトルである。この反射スペクトルの様子を見ると、チタンを配置していない試料においては硫化試験を行うと大幅に反射率が減少してしまうことが分かるが、チタンを配置した試料においてはほとんど反射率が変化していないことがわかる。つまり、チタンを配置することでAgめっき電極膜の劣化が大幅に抑えられることが分かる。

図５は横軸が波長で縦軸が透過率であり、ガラス基板の上にチタン薄膜をスパッタリング法により配置した試料の透過スペクトル測定の結果である。透過スペクトル５１はチタン薄膜そのもののスペクトルであり、透過スペクトル５２は熱処理試験後の透過スペクトルである。熱処理試験を行うことでチタン薄膜が大気中の酸素を取り込み、チタン酸化物薄膜となり透過光強度が強くなるため、透過スペクトルは上昇する。このためチタン薄膜に吸収されていた光が、チタン薄膜がチタン酸化物薄膜になり透明となることで光は吸収されなくなり、透過率が上昇することとなる。

図６は横軸が波長で縦軸が反射率であり、Agめっき電極膜とAgめっき電極膜上にスパッタリング法によりチタン薄膜を配置した試料の熱処理試験（１６０℃大気中）前後の反射スペクトルの図である。Agめっき電極膜の反射スペクトル６３は熱処理試験後には反射スペ
クトル６４に低下するのに比べ、チタン薄膜をAgめっき電極膜上に配置した反射スペクトル６２は熱処理試験後には反射スペクトル６１へと上昇する。これは前述のチタン薄膜層がチタン酸化物薄膜層に変化するために起因する。

図７は横軸が波長で縦軸が反射率であり、Agめっき電極膜とAgめっき電極膜上にスパッタリング法によりチタン薄膜を配置した試料を、熱処理後に硫化試験を行った前後の反射スペクトルの図である。Agめっき電極膜の反射スペクトル７１は硫化試験後には反射スペクトル７２に大幅に低下するのに比べ、チタン薄膜をスパッタリング法により配置した後に熱処理をしたAgめっき電極膜の反射スペクトル７３は硫化試験後には反射スペクトル７４へと若干の減少に抑えられる。

図４、図７の結果より、チタン薄膜もしくはチタン酸化物薄膜をＡｇめっき電極膜状に配置することで、耐食性を持たすことが可能であることが示された。ここで、図８は４５０ｎｍにおける反射率の値を抜き出したものである。４５０ｎｍとした理由としては各種耐食試験を行うと最も劣化の激しい部分が４５０ｎｍであることと、ＬＥＤ素子からの発光波長が４５０ｎｍであることである。グラフ中左より、チタン成膜直後の反射率８１、チタン成膜後熱処理８２、チタン成膜後硫化試験８３、チタン成膜後熱処理その後硫化試験８４と並んでいる。この結果を見ると、チタン薄膜を配置するだけでも高い耐食性を示すことが分かるが、チタン薄膜をチタン酸化物薄膜にすると更に高い反射率と耐食性を有するＡｇめっき電極膜が作製可能であることが分かる。

上述のように、LED素子と、LED素子の下部に設けられた電極と反射板の性能を兼ねるAgめっき電極膜と、LED素子からの発光の一部を吸収し長波長に波長変換して発光する蛍光体と、透明樹脂内に蛍光体を含む封止材とを、中心に凹部を有する反射枠の凹部領域に配置するLED光源において、Agめっき電極膜状にチタン薄膜を配置すると、種々の耐久試験においてAgめっき電極膜の反射率の低下を防止することが可能であることが分かる。さらに熱処理を行うことにより、チタンはチタン酸化物へと変化する。チタン酸化物は透明なために反射率の上昇が見られる。従って、いかなる環境下においても使用されることが想定されるLED光源にとって、チタン薄膜をAgめっき電極膜上に配置することにより、輝度劣化の妨げになるAgめっき電極膜の劣化を防ぐことが可能となるので、長寿命化を達成することが可能となる。

また、本発明の実施形態は生産性の低さが懸念されるような特殊な薄膜作製の実施形態を取る必要がなく、一般的な薄膜の成膜方法であるスパッタリング法や電子ビーム蒸着法により実現可能であるため、量産工程に本実施形態を組み込むことは可能である。

上述の理由から、簡便で一般的な成膜装置を導入することで、本発明の実施形態が実現可能である。

また、チタン薄膜をチタン酸化物薄膜に変化させると反射率が上昇しLED光源の高輝度化に寄与する。チタン薄膜をチタン酸化物薄膜に変化させるために上述のようなLED光源の作製途上に熱処理工程を導入する必要性があるが、一般的なLED光源の作製工程には１６０℃程度で熱処理をする工程が存在するので、チタン薄膜をその工程の前に形成すれば、必ずチタン酸化物薄膜に変化することになる。熱処理工程が存在しない場合でも、３０分ほどの追加工程を加えるだけで、チタン薄膜をチタン酸化物薄膜へと変化させることが可能となる。

本発明の実施形態におけるLED光源の断面図である。 Agめっき電極膜の耐熱試験前後のSEM像である。 本発明の実施形態におけるチタン薄膜をAgめっき電極膜上に配置した試料の、耐熱試験前後のSEM像である。 本発明の実施形態におけるAgめっき電極膜とチタン薄膜を形成したAgめっき電極膜の硫化試験前後における反射率スペクトルの図である。 ガラス基板上にチタン薄膜を形成した、耐熱試験前後の透過スペクトルの図である。 本発明の実施形態におけるAgめっき電極膜とチタン薄膜を形成したAgめっき電極膜の熱処理試験前後における反射率スペクトルの図である。 Agめっき電極膜と本発明の実施形態におけるチタン薄膜を形成したAｇめっき電極膜について耐熱試験をした後に硫化試験を行った試料の硫化試験前後における反射率スペクトルの図である。 チタン成膜直後、熱処理後、硫化試験後および熱処理後に硫化試験を行った試料の４５０ｎｍにおける反射率の図である。 従来のLED光源の断面図である。

符号の説明

１１ LED素子
１２ チタン薄膜
１３ 封止材
１４ Agめっき電極膜
１５ 基材
１６ 反射枠
１７ ワイヤボンディング
２１、２２、３１、３２ SEM像
４１、４２、４３、４４ 反射スペクトル
５１、５２ 透過スペクトル
６１、６２、６３、６４、７１、７２、７３、７４、８１、８２、８３、８４ 反射スペクトル
９１ LED素子
９２ Agめっき電極膜
９３ 基材
９４ ワイヤボンディング
９５ 封止材
９６ 反射枠

Claims (2)

1. LED素子と、該LED素子からの発光の一部を吸収し波長変換して発光する蛍光体と、前記LED素子の下部に前記LED素子からの発光を反射するAgめっき電極膜と、透明樹脂内に前記蛍光体を含む封止材とを備えるLED光源であって、前記Agめっき電極膜上にチタン薄膜を有するLED光源。
2. 前記チタン薄膜がチタン酸化物薄膜であることを特徴とする請求項１に記載のLED光源。