JP2008530793A - 無機発光ダイオードを有する発光装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、一次光を発する少なくとも１つの無機発光ダイオード（ＬＥＤ）１４と、前記ＬＥＤ第１の側において支持していると共に、前記ＬＥＤからの前記一次光の少なくとも一部の波長を変換する発光板１２と、前記発光板からの光を結合導出する光散乱手段とを有する発光装置１０に関する。当該発明は、如何なるかかさばる抽出光学素子をも省略することを可能にし、平坦かつ小型のＬＥＤモジュールの設計を可能にする。本発明は、前記のような発光装置を製造する方法にも関する。

Description

本発明は、少なくとも１つの無機発光ダイオード（ＬＥＤ）を有する発光装置に関する。本発明は、前記のような発光装置の製造方法にも関する。

無機発光ダイオード（ＬＥＤ）又は有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）を有する多くの発光装置の例が存在する。しかしながら、例えば表示器において使用されている有機発光装置は、面積当たりに印加されている電力、従って、面積当たりの発せられるフラックスにおいて制限されている。このことは、高い負荷における当該装置の材料における不具合の仕組みによるものである。他方、無機ＬＥＤは、この点において、有機発光装置よりも優れた特性を有している。これに関連して、本発明は、無機ＬＥＤを使用する発光装置に関する。

現在、発光材料（luminescent material）と組み合わせて青又はＵＶ（Ａ）の無機ＬＥＤを使用することにより（所謂蛍光体変換ＬＥＤ）、白色光を生成する発光装置に関する市場が、存在する。典型的には、青色ＬＥＤチップが、青色放射の少なくとも一部を例えば黄色光に変換する蛍光体によって、コーティングされている又は覆われている。一緒に、変換されていない前記青色光と、前記黄色光とが、白色光を生成する。

光抽出は、これらの発光装置に関する重要な問題である。蛍光体変換ＬＥＤからの光の抽出の古典的な取り組みは、一次抽出光学機器（primary extraction optics）、即ちこれらの反射特性に基づいて光を抽出する光学ドームを必要とする。図１は、前記のような、１つのドーム３４によって覆われた複数のＬＥＤ３２を有する発光装置３０を模式的に示している。

しかしながら、この取り組みの不利な点は、前記発光装置又はＬＥＤモジュールの小型さを犠牲にして、光が抽出されていることにある。このことは、前記のようなドームの中心から遠くにおいて発せられた光が、全反射によって前記ドーム内に捕捉されることができることによるものであり、このため、半球状の前記ドームは、発光面積よりも著しく大きい直径を有さなければならならず（即ち、前記ドームの底（base）の面積は、前記のようなＬＥＤ又は複数のＬＥＤよりも著しく大きい）、このことは、かなりの高さを有するドームを生じる。このことは、特に、１つの単独の光学ドームが複数のＬＥＤを覆うのに使用されているマルチチップＬＥＤモジュールに当てはまる。

更に、前記のような現在の一次抽出光学素子は、限られた光熱安定性（photo-thermal stability）を有しており、使用されるＬＥＤの出力を制限し、従って発光装置のルーメン出力を制限している。

本発明の目的は、これらの問題を克服し、無機ＬＥＤを使用している改善された小型の発光装置を提供することにある。

この目的及び以下の記載から明らかになる他の目的は、添付請求項に記載の発光装置、及び前記のような発光装置の製造方法によって達成される。

本発明の見地によれば、一次光を発する少なくとも１つの無機発光ダイオード（ＬＥＤ）と、前記ＬＥＤからの前記一次光の少なくとも一部の波長を変換する、第１の側において前記ＬＥＤを支持する発光板と、前記発光板からの光を結合導出する光散乱手段とを有する発光装置が提供される。

前記光散乱手段は、そうでない場合には全反射を被るであろう光の抽出を可能にする。前記光散乱手段は、前記発光板の第２の側に設けられた光子ランダム化（randomization）層であっても良く、前記第２の側は、前記第１の側に対向している。代替的には、前記光散乱手段は、前記発光板内に組み込まれた光散乱粒子であっても良い。両方の選択肢が、如何なるかさばる一次抽出光学素子を使用することなく、効率的な光抽出を可能にし、従来技術の抽出光学素子と比べて大幅に減少された高さを有する平坦なレイアウトを提供する。更に、前記ＬＥＤは、保持された光抽出と共に前記発光板の表面のどこにも位置されることができる。従って、前記のような板の面積は、前記ＬＥＤよりも著しく大きくある必要はなく、小型のＬＥＤモジュールの設計を可能にする。また、複数のＬＥＤが、高いパッケージング密度によって前記板上に取り付けられることができ、この結果、小型の高いブライトネスのマルチＬＥＤモジュールを得ることができる。

本発明の他の実施例において、前記発光装置は、更に、前記発光板と前記ＬＥＤとの間に挿置されたダイクロックミラーを有し、該ダイクロックミラーは、一次光を透過し、変換された光を反射するように適応化されている。前記ダイクロックミラーは、前記発光板の前記第１の側（後ろ側）における光損失を防止するという有利な点を提供し、変換された光の全てを前記発光板の前記第２の側（前側又は放出側）に指向する。この結果、効率的な光抽出及び向上されたブライトネスが得られる。

本発明の他の実施例発明において、前記発光装置は、前記発光板の前記のような側壁に配された反射性ミラーを更に有する。これらの反射性ミラーは、光が、前記発光板の前記側壁を介して漏出するのを防止し、これにより、光損失が減少される。前記反射性ミラーは、例えば、ダイクロックミラー又は金属製の反射性ミラーであることができる。

前記発光ダイオードは、青色光及びＵＶ（Ａ）光の一方を発するように適応化されることができる。前者の場合、前記ＬＥＤから前記発光板内に発せられる前記青色光の一部が、例えば、黄色光に変換され、前記青光の一部は、前記散乱手段を介して発せられ、前記黄色に加わり、この結果、白色光を得る。後者の場合、全てのＵＶ（Ａ）光が変換され、前記散乱手段を介して前側から発せられる。

前記発光板は、無機のカプセル化された蛍光体を有することもできる。無機カプセル化された蛍光体の使用は、高い光熱安定性を提供する。このことは、当該装置が、高い温度に耐えることを可能にし、これにより、高い出力のＬＥＤチップの使用を可能にする。高い出力のＬＥＤチップは、当該発光装置の高いルーメン出力に貢献する。このことは、勿論、前記のような板内の残っている材料も、複数の高出力ＬＥＤチップによって生成される負荷に耐えることが可能であることを仮定している。前記のような板は、例えば多結晶質であることができる。前記のような多結晶質の板は、セラミック粉末成形又は焼結による製造も可能にする。

本発明の他の見地によれば、発光装置の製造方法であって、発光板を設けるステップと、少なくとも１つの無機発光ダイオードを前記のような板の第１の側に配するステップと、散乱手段を前記板に設けるステップとを有する方法が、提供される。この方法は、本発明の上述された見地によって得られるものと同様の有利な点を提供する。

本発明のこれら及び他の見地は、本発明の現在好ましい実施例を示している添付図面を参照して、以下で、詳細に記載される。

図２は、本発明の実施例による発光装置１０を示している。発光装置１０は、例えば、照明目的に使用されることができる。発光装置１０は、複数の無機発光ダイオード（ＬＥＤ）１４を支持する発光板１２を有している。従って、板１２は、ＬＥＤ１４のための基板として機能する。

発光板１２は、透明又は半透明であることができ、カプセル化された無機蛍光体による青色又はＵＶ放射の際には、発光する。発光板１２は、好ましくは多結晶である。例えば、モノリシックの発光セラミック又はセラミック蛍光体合成物から作られることができる。代替的には、例えば、組み込まれた発光機能を有するガラスから作られることができる。上述のような板は、前記板が複数の無機ＬＥＤに結合される場合に上昇する高い負荷に耐えることができる。

ＬＥＤ１４は、青色光若しくはＵＶ（Ａ）光、又は放射（「一次光」）を発するＬＥＤであることができる。前記ＬＥＤは、この上に処理されたＩｎＧａＮ材料を備えているサファイアウエハ基板を有することもできる。

発光装置１０は、ＬＥＤ１４を支持している側に対して発光板１２の対向する側に配されている光子ランダム化層１６を更に有している。

光子ランダム化層１６は、光散乱機能を有するサブ波長非周期ランダム化位相（sub wavelength non-periodic randomized topology）を有している。前記位相とは、自身のフィーチャ及び／又は不規則性が、選択された光源から発せられた光の波長よりも小さいという意味において、「サブ波長」である。光子ランダム化層１６は、例えば、板１２上に粒子コーティングを施すことによって、又は板１２上のセラミック又はソルゲルタイプの透明厚膜を型押しすることによって、達成されることができる。

好ましくは、発光装置１０は、更に、発光板１２とＬＥＤ１４との間に挿置されたダイクロックミラー１８、及び発光板１２の側壁に配された反射性ミラー２０を更に有する。ダイクロックミラー１８は、青色又はＵＶ光に対して透過性であると共に、高い波長に対しては反射性のものである。ダイクロックミラー１８は、例えば、薄膜堆積技術を使用して板１２をコーティングすることによって達成されることができる。ＬＥＤ１４は、ダイクロックミラー１８に光学的に結合されている。ＬＥＤ１４と発光板１２上のダイクロックミラー１８との間の前記のような結合は、例えば、前記ミラー/板を、前記ＬＥＤの前記サファイア基板に（これらの基板上のＩｎＧａＮ材料の処理の前若しくは後に）密着接着（contact bonding）することによって、又は、適切な透明粘着剤を使用して前記ＬＥＤを前記ミラー／板に接着剤接着（glue bonding）することによって、達成されることができる。

発光装置１０の動作の際、ＬＥＤ１４から発せられた光は、ダイクロックミラー１８を介して発光板１２に抽出される。前記青又はＵＶ光色は、ダイクロックミラー１８が、上述したように青色又はＵＶにおいて透過性を有しているので、ダイクロックミラー１８による影響は受けない。発光板１２に抽出された光は、次いで、発光板１２の発光材料によって高い波長に変換される。発光板１２の上面に到達する光は、光子ランダム化層１６によって散乱される。前記光の一部は、散乱の後、板１２に結合され、前記光の一部は、散乱されて板１２内に戻る。この層を有さない場合には全反射を被る光が、散乱され、板１２に結合導出される又は散乱して板１２に戻されることに留意されたい。

ＵＶ（Ａ）ＬＥＤの場合、長い波長への全変換が存在し、変換された光の全ては、発光板１２の上面から光子ランダム化層１６を介して発せられる。青色ＬＥＤの場合、当該青色光の一部は、黄色光又は長い波長を有する他の光に変換される。発光板１２の特性は、（変換されていない）青光の一部が、板１２の上面から光子ランダム化層１６を介して漏出し、白色光を生成するために（変換された）黄色光（又は他の長い波長の光）に加わるように、選択される。

上述の何れの場合においても、（光子ランダム化層１６によって板１２内に散乱されて戻る光の一部のような）発光板１２の下面に到来する何らかの変換された光は、ダイクロックミラー１８によって反射され、前記上面及び光子ランダム化層１６に向かって再指向される。従って、発光板１２の下面における光損失は防止され、当該光は、板１２の上面を介して漏出するための２回目の機会を得る。このことは、光出力を増加させると共に、発光装置１０のブライトネス及び効率を向上させる。反射性ミラー２０は、光が発光板１２の側壁から漏出するのを防止し、発光装置１０のブライトネスも増加させる。

本発明による発光装置の代替的な実施例において、光散乱粒子は、発光板１２内に組み込まれることができる。この場合において、光子ランダム化層１６は、省略されることができる。

平坦な光学レイアウトによる当該発明の装置は、保持された光抽出を有しながら板１２の側部から本質的に遠くにＬＥＤ１４を位置させるのを可能にすることに留意されたい。図１に示した従来技術のＬＥＤモジュールと比較して、このことは、（ａ）所与の数のＬＥＤを有する発光装置に対して小さいサイズ及び/又は（ｂ）所与の面積を有する発光装置に対して高いＬＥＤチップパッケージング密度を可能にする。

当業者であれば、本発明は、決して上述の好適実施例に限定されるものではないことが分かるであろう。一方、多くの変更及び変形が、添付請求項の範囲内で可能である。

従来技術による発光装置の側面図である。 本発明の実施例による発光装置の側面図である。

Claims (15)

1. − 一次光を発する少なくとも１つの無機発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
   − 前記ＬＥＤを第１の側において支持していると共に、前記ＬＥＤからの前記一次光の少なくとも一部の波長を変換する発光板と、
   − 前記発光板から光を結合導出する光散乱手段と、
   を有する発光装置。
2. 複数の無機ＬＥＤを有する請求項１に記載の発光装置。
3. 前記光散乱手段は、前記発光板の、前記第１の側に対向する第２の側に設けられている光子ランダム化層である、請求項１に記載の発光装置。
4. 前記光散乱手段は、前記発光板内に組み込まれた光散乱粒子である、請求項１に記載の発光装置。
5. 前記発光板と前記発光ダイオードとの間に組み込まれたダイクロックミラーであって、前記一次光を透過すると共に、変換された光を反射するダイクロックミラーを更に有する、請求項１に記載の発光装置。
6. 前記発光板の側壁に配されている反射性ミラーを更に有する請求項１に記載の発光装置。
7. 前記発光ダイオードは、青色光及びＵＶ（Ａ）光の一方を発する、請求項１に記載の発光装置。
8. 前記発光板は、無機カプセル化された蛍光体を有する、請求項１に記載の発光装置。
9. 前記発光板は多結晶質のものである、請求項１に記載の発光装置。
10. − 発光板を設けるステップと、
    − 少なくとも１つの無機発光ダイオード（ＬＥＤ）を前記のような板の第１の側に配するステップと、
    − 前記発光板に散乱手段を設けるステップと、
    を有する発光装置を製造する方法。
11. 前記発光板に散乱手段を設けるステップが、前記発光板の前記第１の側に対向する第２の側に光子ランダム化層を設けるステップを有する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記発光板に散乱手段を設けるステップが、前記発光板内に光散乱粒子を組み込むステップを有する、請求項１０に記載の方法。
13. 前記発光板と前記発光ダイオードとの間にダイクロックミラーを設けるステップを更に有する、請求項１０に記載の方法。
14. 前記発光板の側壁に反射性ミラーを設けるステップを更に有する、請求項１０に記載の方法。
15. 前記発光板が多結晶質のものであり、前記のような多結晶の板は、セラミック粉末成形又は焼結によって製造される、請求項１０に記載の方法。

Images