ES2148997T5 - Dispositivo emisor de luz y dispositivo de pantalla. - Google Patents
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Abstract
DIODO EMISOR DE LUZ BLANCA QUE COMPRENDE UN COMPONENTE EMISOR DE LUZ QUE UTILIZA UN SEMICONDUCTOR COMO CAPA EMISORA DE LUZ Y UN FOSFORO QUE ABSORBE UNA PARTE DE LUZ EMITIDA POR EL COMPONENTE EMISOR DE LUZ Y EMITE LUZ DE UNA LONGITUD DE ONDA DISTINTA A LA DE LA LUZ ABSORBIDA, EN DONDE LA CAPA EMISORA DE LUZ DEL COMPONENTE EMISOR DE LUZ ES UN SEMICONDUCTOR COMPUESTO DE NITRURO Y EL FOSFORO CONTIENE MATERIAL FLUORESCENTE GRANATE ACTIVADO CON CERIO QUE CONTIENE AL MENOS UN ELEMENTO SELECCIONADO DEL GRUPO FORMADO POR Y, LU, SC, LA, GD Y SM, Y AL MENOS UN ELEMENTO SELECCIONADO DEL GRUPO FORMADO POR AL, GA E IN Y QUE ESTA SUJETO A UN MENOR DETERIORO DE LAS CARACTERISTICAS DE EMISION AUN CUANDO SEA UTILIZADO CON UNA ELEVADA LUMINANCIA DURANTE UN LARGO PERIODO DE TIEMPO.
Description
Dispositivo emisor de luz y dispositivo de
pantalla.
La presente invención se refiere a un diodo
emisor de luz usado en pantallas de LED, fuentes de
retroiluminación, señales de tráfico, señales de ferrocarril,
conmutadores de iluminación, indicadores, etc. Mas particularmente,
se refiere a un dispositivo emisor de luz (LED) que comprende un
fosforescente que convierte la longitud de onda de la luz emitida
por un componente emisor de luz y emite luz, y un dispositivo de
pantalla que usa el dispositivo emisor de luz.
Un diodo emisor de luz es compacto y emite una
luz de color claro con alta eficacia. También carece de problemas
tales como quemado y tiene buenas características de excitación
inicial, gran resistencia a la vibración y durabilidad para
soportar operaciones repetidas de encendido/apagado, dado que es un
elemento semiconductor. Por lo anterior ha sido usado ampliamente
en aplicaciones tales como diferentes indicadores y fuentes de luz.
Recientemente se han desarrollado diodos emisores de luz para
colores RGB (rojo, verde y azul) con ultra alta luminancia y alta
eficiencia, y se han puesto en uso grandes presentaciones de
pantalla de LED que usan estos diodos emisores de luz. La pantalla
de LED puede ser operada con menor energía eléctrica y tienen tan
buenas características como poco peso y larga vida y, por lo tanto,
se espera que se utilicen más ampliamente en el futuro.
Recientemente, se han realizados diversos
intentos para fabricar fuentes de luz blanca mediante el uso de
diodos emisores de luz. Dado que el diodo emisor de luz tiene un
espectro de emisión favorable para generar luz monocromática, la
producción de una fuente de luz blanca requiere disponer tres
componentes emisores de luz roja, verde y azul próximos entre sí,
mientras se difunde y mezcla la luz emitida por los mismos. Cuando
se genera luz blanca con dicha configuración se ha producido el
problema de que no se puede generar luz blanca del tono deseado
debido a variaciones en el tono, luminancia y otros factores del
componente emisor de luz. Asimismo, cuando los componentes emisores
de luz están fabricados de materiales diferentes, la energía
eléctrica requerida para la excitación difiere de un diodo emisor
de luz a otro, haciendo necesario aplicar voltajes diferentes a los
diferentes componentes emisores de luz, lo que conduce a un circuito
excitador complejo. Además, dado que los componentes emisores de
luz son componentes emisores de luz semiconductores, el tono de
color esta sometido a variaciones debido a las diferencias en las
características de temperatura, cambios cronológicos y entorno de
Operación, o pueden originarse irregularidades en el color debido a
la falta de mezclado uniforme de la luz emitida por los componentes
emisores de luz. De dicha forma, los diodos emisores de luz son
eficaces como dispositivos emisores de luz para generar colores
individuales, aunque una fuente de luz satisfactoria capaz de
emitir luz blanca mediante el uso de componentes emisores de luz no
ha sido obtenida hasta la fecha.
Con objeto de resolver dichos problemas, el
presente solicitante desarrolló previamente diodos emisores de luz
que convierten el color de la luz emitida por los componentes
emisores de luz por medio de un material fluorescente revelado en
las patentes japonesas
JP-A-5-152609,
JP-A-7-99345,
JP-A-7-176794 y
JP-A-8-7614. Los
diodos emisores de luz revelados en estas publicaciones son tales
que usando de componentes emisores de luz de un tipo son capaces de
generar luz de color blanco y de otros colores y están constituidos
de la forma siguiente.
El diodo emisor de luz revelado en las
publicaciones anteriores esta fabricado mediante el montaje de un
componente emisor de luz, que tiene un gran salto de energía entre
bandas de la capa emisora de luz, en una copa provista en la punta
de un bastidor conductor y que tiene un material fluorescente que
absorbe la luz emitida por el componente emisor de luz y emite luz
de una longitud de onda diferente de la de la luz absorbida
(conversión de la longitud de onda) contenida en un molde de resina
que cubre el componente emisores de luz.
El diodo emisor de luz revelado como se
describió anteriormente capaz de emitir luz blanca mezclando la luz
de una pluralidad de fuentes puede fabricarse usando un componente
emisor de luz capaz de emitir luz azul y moldeando el componente
emisor de luz con una resina que incluye un material fluorescente
que absorbe la luz emitida por el diodo emisor de luz azul y emite
luz amarillenta.
Sin embargo, los diodos emisores de luz
convencionales tienen problemas tales como la deterioro del material
fluorescente lo que conduce a la desviación del tono del color y el
obscurecimiento del material fluorescente lo que produce una
disminución de la eficacia de la extracción de luz. En la presente
el obscurecimiento se refiere, en el caso de uso de un material
fluorescente inorgánico tal como material fluorescente de (Cd,
Zn)S, por ejemplo, parte de los elementos metálicos que
constituyen el material fluorescente precipitan o cambian sus
propiedades lo que conduce a la coloración, o, en el caso de usar un
material orgánico fluorescente, a coloración debida a la rotura del
doble enlace de la molécula. Especialmente cuando un componente
emisor de luz fabricado de un semiconductor con un gran salto de
energía entre bandas se usa para mejorar la eficacia de la
conversión del material fluorescente (es decir, la energía de luz
emitida por el semiconductor se incrementa y el numero de fotones
que tienen energía por encima de un umbral que puede ser absorbido
por el material fluorescente se incrementa, dando como resultado
que se absorbe mas luz), o la cantidad del consumo del material
fluorescente disminuye (es decir, el material fluorescente es
irradiado con energía relativamente mayor), la energía de la luz
absorbida por el material fluorescente inevitablemente se incrementa
dando como resultado una degradación mas significativa del material
fluorescente. El uso del componente emisor de luz con alta
intensidad de emisión de luz durante un periodo de tiempo prolongado
produce una degradación significativa adicional del material
fluorescente.
Asimismo, el material fluorescente dispuesto en
la vecindad del componente emisor de luz puede ser expuesto a una
alta temperatura de forma tal que se incrementa la temperatura del
componente emisor de luz y el calor transmitido desde el medio
externo (por ejemplo la luz solar en caso de dispositivos usados en
el exterior).
Además, algunos materiales fluorescentes están
sometidos a un deterioro acelerado debido a la combinación de la
humedad introducida desde el exterior o introducida durante el
proceso de producción, la luz y el calor transmitidos desde el
componente emisor de luz.
Cuando se trata de un tinte orgánico de
propiedad iónica, el campo eléctrico de la corriente continua en la
proximidad del chip puede originar electroforesis, que da como
resultado un cambio en el tono de color.
El documento
EP-A-0209942 revela una lámpara de
descarga de vapor de mercurio a baja presión. Esta lámpara tiene un
relleno que comprende mercurio y un gas raro y una capa luminiscente
que comprende un material luminiscente cuya emisión esta
principalmente entre 590 y 630 nm y entre 520 y 565 nm. La luz
emitida por la lámpara de descarga esta en un rango de longitud de
onda que es casi totalmente invisible y tiene que ser transformada
por la capa luminiscente para volverse visible. La lámpara esta
también provista con una capa de absorción que comprende un
aluminato luminiscente activado por cerio trivalente y que tiene una
estructura de cristal de granate.
Esta lámpara no puede ser producida como un
dispositivo simple, pequeño, ligero y de poco coste.
Por lo tanto, un objetivo de la presente
invención es resolver los problemas descritos anteriormente y
suministrar un dispositivo emisor de luz que experimenta solamente
niveles de deterioro extremadamente bajos en la intensidad de la
luz emitida, una eficacia en la emisión de luz y cambio de color
durante uno tiempo de uso prolongado con una alta luminancia.
El solicitante presente completó la presente
invención mediante la investigación basada a la Asunción de que el
dispositivo emisor de luz con un componente emisor de luz y un
material fluorescente debe cumplir los requisitos siguientes para
lograr el objetivo anteriormente mencionado.
- (1)
- El componente emisor de luz debe ser capaz de emitir luz de alta luminancia con característica de emisión de luz que sea estables durante un largo periodo de uso.
- (2)
- El material fluorescente dispuesto en la vecindad del componente emisor de luz de alta luminancia debe mostrar una resistencia excelente a la luz y al calor, de forma que las propiedades del mismo no cambien aún cuando se use durante un periodo de tiempo prolongado mientras que esta expuesto a la luz de alta intensidad emitida por el componente emisor de luz (particularmente el material fluorescente dispuesto en la vecindad del componente emisor de luz esta expuesto a la luz de una intensidad de radiación tan alta como aproximadamente entre 30 y 40 veces la de la luz del sol de acuerdo con una estimación, y se requiere tener mas durabilidad contra una luz como la luz que emite un componente emisor de luz de la mayor luminancia).
- (3)
- Con respecto a la relación con el componente emisor de luz, el material fluorescente debe ser capaz de absorber con alta eficiencia la luz de alta monocromacidad emitida por el componente emisor de luz y emitir luz de una longitud de onda diferente a la de la luz emitida por el componente emisor de luz.
De esta manera, la presente invención provee un
dispositivo emisor de luz de acuerdo con la reivindicación 1.
El semiconductor compuesto de nitruro
(representado genéricamente por la fórmula química y
In_{i}Ga_{j}Al_{k}N, donde 0\leqi, 0\leqj, 0\leqk e
i+j+k=1)) mencionado anteriormente contiene diversos materiales
incluso InGaN y GaN dopados con diversas impurezas.
El fosforescente mencionado anteriormente
contiene diversos materiales definidos en la forma descrita
anteriormente, que incluyen Y_{3}Al_{5}O_{12}; Ce y
Gd_{3}In_{5}O_{12}; Ce.
Dado que el dispositivo emisor de luz de la
presente invención usa el componente emisor de luz fabricado de un
semiconductor compuesto de nitruro capaz de emitir luz con alta
luminancia, el dispositivo emisor de luz es capaz de emitir luz con
alta luminancia. Asimismo, el fosforescente usado en el dispositivo
emisor de luz tiene una excelente resistencia a la luz, de forma
que las propiedades fluorescentes del mismo experimentan menos
cambios aún cuando se usen durante un periodo de tiempo prolongado
mientras está expuesto a luz de alta intensidad. Esto hace posible
reducir la degradación de sus características durante un largo
periodo de uso y reducir el deterioro debido a la luz de alta
intensidad emitida por el componente emisor de luz, así como por
una luz extraña (luz solar que incluye luz ultravioleta, etc.)
durante su uso en el exterior, con lo que se provee un dispositivo
emisor de luz que experimente extremadamente menos cambio de color y
menos descenso de su luminancia. El dispositivo emisor de luz de la
presente invención puede también utilizarse en aplicaciones que
requieran velocidades de respuestas tan altas como 120 ns, por
ejemplo, dado que el fosforescente usado en su interior le permite
brillar solamente durante un corto periodo de tiempo.
En el dispositivo emisor de luz de la presente
invención, el pico de emisión principal del componente emisor de
luz está establecido dentro del rango de 400 nm a 530 nm y la
longitud de onda de emisión principal del fosforescente se
establece de forma que sea mayor que el pico de emisión principal
del componente emisor de luz. Esto hace posible emitir eficazmente
luz blanca.
Además, en el dispositivo emisor de luz de la
presente invención, es preferible que la capa emisora de luz del
componente emisor de luz contenga un semiconductor de nitruro de
galio que contenga In.
Otras características preferentes de las
realizaciones de la presente invención se describen en las
reivindicaciones dependientes.
El dispositivo emisor de luz de acuerdo con una
realización de la presente invención comprende una placa de guía
óptica sustancialmente rectangular suministrada con el componente
emisor de luz montado sobre una cara lateral frontal de la misma y,
a excepción de una superficie principal, las demás están cubiertas
por un material reflector, en el que la luz emitida por el
componente emisor de luz es convertida en luz plana por el
fosforescente y la placa de guía óptica para ser una salida de la
superficie principal de la placa de guía óptica.
En esta realización, el fosforescente está
contenido preferiblemente en un material de revestimiento montado
en dicha cara lateral frontal y en contacto directo con el
componente emisor de luz o está instalado en una superficie
principal de la placa de guía óptica no cubierta por el material
reflector.
El dispositivo de pantalla LED de acuerdo con la
presente invención tiene un dispositivo de pantalla LED que
comprende los dispositivos emisores de luz de la presente invención
dispuestos en una matriz y un circuito excitador que excita el
dispositivo de pantalla LED para presentar los datos introducidos en
el mismo. Dicha configuración hace posible proveer un dispositivo
de pantalla LED de un coste relativamente bajo que es capaz de
presentaciones de alta definición y menos irregularidades en el
color debidas al ángulo de visión.
Generalmente, un material fluorescente que
absorbe luz de una longitud de onda corta y emite luz de una
longitud de onda larga tiene mayor eficiencia que un material
fluorescente que absorbe luz de una longitud de onda alta y emite
luz de una longitud de onda corta. Es preferible usar un componente
emisor de luz que emita luz visible que un componente emisor de luz
que emita luz ultravioleta que degrade la resina (material del
molde, material de revestimiento, etc.). De esta manera, en el
diodo emisor de luz de la presente invención, a objeto de mejorar
la eficacia de la emisión de luz y de asegurar una larga vida, el
pico de emisión principal del componente emisor de luz se establece
dentro de un rango de longitud de onda corta de 400 nm a 530 nm en
la región visible de luz y la longitud de onda de emisión principal
del fosforescente se establece que sea mas larga que el pico
principal de emisión del componente emisor de luz. Con esta
configuración, dado que la luz convertida por el material
fluorescente tiene una longitud de onda mas larga que la de la luz
emitida por el componente emisor de luz, no será absorbida por el
componente emisor de luz incluso cuando el componente emisor de luz
sea irradiado con luz que ha sido reflejada y convertida por el
material fluorescente (dado que la energía de la luz convertida es
menor que el salto de energía entre bandas. De dicha forma, en una
realización de la presente invención, la luz que ha sido reflejada
por el material fluorescente o similar es reflejada por la copa en
la que el componente emisor de luz esta montado, haciendo posible
una eficiencia de emisión más alta.
La Figura 1 es una vista esquemática en sección
de un diodo emisor de luz tipo conductor según la realización de la
presente invención.
La Figura 2 es una vista esquemática en sección
de un diodo emisor de luz tipo punta según una segunda realización
de la presente invención.
La Figura 3A es un gráfico que muestra el
espectro de excitación del material fluorescente de granate activado
por cerio usado en la primera realización de la presente
invención.
La Figura 3B es un gráfico que muestra el
espectro de emisión del material fluorescente de granate activado
por cerio usado en la primera realización de la presente
invención.
La Figura 4 es un gráfico que muestra el
espectro de emisión del diodo emisor de luz de la primera
realización de la presente invención.
La Figura 5A es un gráfico que muestra el
espectro de excitación del material fluorescente de
itrio-aluminio-granate activado con
cerio usado en la segunda realización de la presente invención.
La Figura 5B es un gráfico que muestra el
espectro de emisión del material fluorescente de
itrio-aluminio-granate activado por
cerio usado en la segunda realización de la presente invención.
La Figura 6 muestra el diagrama de cromacidad de
la luz emitida por el diodo emisor de luz de la segunda
realización, donde los puntos A y B indican los colores de la luz
emitida por el componente emisor de luz y los puntos C y D indican
los colores de la luz emitida por los dos tipos de
fosforescente.
La Figura 7 es una vista esquemática en sección
de la fuente de luz plana según otra realización de la presente
invención.
La Figura 8 es una vista esquemática en sección
de otra fuente de luz plana diferente de la de la Figuras 7.
La Figura 9 es una vista seccional esquemática
de otra fuente de luz plana diferente de las mostradas en las
Figuras 7 y 8.
La Figura 10 es un diagrama de bloques de un
dispositivo de pantalla que es una aplicación de la presente
invención.
La Figura 11 es una vista en planta de la unidad
de pantalla LED del dispositivo de pantalla de la Figura 10.
La Figura 12 es una vista en planta del
dispositivo de pantalla LED en el cual un pixel esta constituido por
4 diodos emisores de luz que incluyen el diodo emisor de luz de la
presente invención y los que emiten colores RGB.
La Figura 13A muestra los resultados del ensayo
de vida útil de los diodos emisores de luz del ejemplo 1 y del
ejemplo comparativo 1, que muestra los resultados a 25ºC y la Figura
13B muestra los resultados del ensayo de vida útil de los diodos
emisores de luz del ejemplo 1 y del ejemplo comparativo 1, que
muestra los resultados a 60ºC y 90% de humedad relativa.
La Figura 14A muestra los resultados del ensayo
de alterabilidad a la intemperie en las condiciones climáticas del
ejemplo 9 y del ejemplo comparativo 2 ue muestra el cambio de
relación de retención de luminancia con el tiempo y la Figura 14B
muestra los resultados de alterabilidad a la intemperie en las
condiciones climáticas del ejemplo 9 y del ejemplo comparativo 2
que muestra el cambio del tono de color antes y después del
ensayo.
La Figura 15A muestra los resultados del ensayo
de fiabilidad del ejemplo 9 y del ejemplo comparativo 2 mostrando
la relación entre la retención de luminancia y el tiempo, y la
Figura 15B es un gráfico que muestra la relación entre el tono de
color y el tiempo.
La Figura 16 es un diagrama de cromacidad que
muestra el rango del tono de color que se puede obtener con el
diodo emisor de luz que combina los materiales fluorescentes
mostrados en la Tabla 1 y el LED azul que tiene un pico de la
longitud de onda en 465 nm.
La Figura 17 es un diagrama de cromacidad que
muestra el cambio en el tono de color cuando la concentración del
material fluorescente se cambia en el diodo emisor de luz que
combina los materiales fluorescentes mostrados en la Tabla 1 y el
LED azul con un pico en la longitud de onda de 465 nm.
La Figura 18A muestra el espectro de emisión del
fosforescente (Y0,6Gd0,4)3sAl5O12: Ce del ejemplo 18A.
La Figura 18B muestra el espectro de emisión del
componente emisor de luz del ejemplo 18B con un pico en la longitud
de onda de 460 nm.
La Figura 18C muestra el espectro de emisión del
diodo emisor de luz del ejemplo 2.
La Figura 19A muestra el espectro de emisión del
fosforescente (Y0,2Gd0,3)3Al5O12: Ce del ejemplo 5.
La Figura 19B muestra el espectro de emisión del
componente emisor de luz del ejemplo 5 que tiene una longitud de
onda con un pico de emisión de 450 nm.
La Figura 19C muestra el espectro de emisión del
diodo emisor de luz del ejemplo 5.
La Figura 20A muestra el espectro de emisión del
fosforescente Y3Al5O12: Ce del ejemplo 6.
La Figura 20B muestra el espectro de emisión del
componente emisor de luz del ejemplo 6 que tiene una longitud de
onda con un pico de emisión de 450 nm.
La Figura 20C muestra el espectro de emisión del
diodo emisor de luz del ejemplo 6.
La Figura 21A muestra el espectro de emisión del
fosforescente Y3(Al0,5Ga0,5)5O12: Ce de la séptima
realización de la presente invención.
La Figura 21B muestra el espectro de emisión del
componente emisor de luz del ejemplo 7 que tiene una longitud de
onda con pico de emisión de 450 nm.
La Figura 21C muestra el espectro de emisión del
diodo emisor de luz del ejemplo 7.
La Figura 22A muestra el espectro de emisión del
fosforescente (Y0,8Gd0,2)3Al5O12: Ce del ejemplo 11.
La Figura 22B muestra el espectro de emisión del
fosforescente (Y0,4Gd0,5)3Al5O12: Ce del ejemplo 11.
La Figura 22C muestra el espectro de emisión del
componente emisor de luz del ejemplo 11 que tiene una longitud de
onda con pico de emisión de 470 nm.
La Figura 23 muestra el espectro de emisión del
diodo emisor de luz del ejemplo 11.
Haciendo referencia ahora a los dibujos
adjuntos, se describirán a Continuación las realizaciones
preferentes de la presente invención.
Un diodo emisor de luz 100 de la Figura 1 es un
diodo emisor de luz tipo conductor que tiene una montura conductora
105 y un conductor interno 106, en el que el componente emisor de
luz 102 está instalado sobre una copa 105a de la montura conductora
105, y la copa 105a está rellena con una resina de revestimiento 101
que contiene un fosforescente especificado para cubrir el
componente emisor de luz 102 y está moldeada en resina. Un electrodo
n y un electrodo p del componente emisor de luz 102 están
conectados a la montura conductora 105 y al conductor interno 106,
respectivamente, por medio de hilos 103.
En el diodo emisor de luz constituido como se ha
descrito anteriormente, parte de la luz emitida por el componente
emisor de luz (chip LED) 102 (en adelante denominado luz LED) excita
el fosforescente contenido en la resina de revestimiento 101 para
generar luz fluorescente con una longitud de onda diferente de la de
la luz LED, de forma que la luz fluorescente emitida por el
fosforescente y la luz LED que es emitida sin contribución a la
excitación del fosforescente son mezcladas y emitidas. Como
resultado, el diodo emisor de luz 100 también emite luz con una
longitud de onda diferente de la luz LED emitida por el componente
emisor de luz 102.
La Figura 2 muestra un diodo emisor de luz tipo
chip en la cual el diodo emisor de luz (chip LED) 202 está
instalado en un entrante de una carcasa 204 que está rellena con un
material de revestimiento que contiene un fosforescente
especificado para formar un revestimiento 201. El componente emisor
de luz 202 se fija usando una resina epoxi o similar que contiene
Ag, por ejemplo, y un electrodo n y un electrodo p del componente
emisor de luz 202 están conectados a unos terminales metálicos 205
instalados sobre la carcasa 204 por medio de hilos conductores 203.
En el diodo emisor de luz tipo chip constituido como se ha descrito
anteriormente, de forma similar al diodo emisor de luz tipo
conductor de la Figura 1, la luz fluorescente emitida por el
fosforescente y la luz LED que se transmite sin ser absorbida por el
fosforescente son mezcladas y emitidas, de forma que el diodo
emisor de luz 200 también emite luz con una longitud de onda
diferente de la luz LED emitida por el componente emisor de luz
202.
El diodo emisor de luz que contiene el
fosforescente en la forma descrita anteriormente tiene las
características siguientes.
- 1.
- La luz emitida por el componente emisor de luz (LED) se emite normalmente a través de un electrodo que suministra energía eléctrica al componente emisor de luz. La luz emitida es parcialmente bloqueada por el electrodo formado sobre el componente emisor de luz, dando como resultado una pauta de emisión particular y por lo tanto no es emitida uniformemente en todas las direcciones. Sin embargo, el diodo emisor de luz que contiene el material fluorescente puede emitir luz uniformemente sobre un amplio rango sin formar una pauta de emisión indeseable dado que la luz es emitida después de ser difundida por el material fluorescente.
- 2.
- Aunque la luz emitida por el componente emisor de luz (LED) tiene un pico monocromático, el pico es amplio y tiene una propiedad alta de dar color. Esta característica da como resultado una ventaja indispensable para una aplicación que requiere longitudes de onda de un rango relativamente amplio. La fuente de luz para un escáner de imágenes ópticas, por ejemplo, es deseable que tenga un pico de emisión amplio.
Los diodos emisores de luz de las primera y
segunda realizaciones que se van a describir a continuación tienen
la configuración mostrada en la Figura 1 o en la Figura 2, en la que
un componente emisor de luz que usa un compuesto de nitruro
semiconductor con una energía relativamente alta en la región
visible y un fosforescente particular están combinados y tienen
tales propiedades favorables como la capacidad de emitir luz de alta
luminancia y menor degradación de la eficacia de emisión de luz y
menos cambio de color tras un periodo de uso prolongado.
En general, un material fluorescente que absorbe
luz de una longitud de onda corta y emite luz de una longitud de
onda larga tiene una eficacia mayor que un material fluorescente que
absorbe luz de una longitud de onda larga y emite luz de una
longitud de onda corta y, por lo tanto, es preferible usar un
componente emisor de luz de un compuesto de nitruro semiconductor
que sea capaz de emitir luz azul de una longitud de onda corta. Ni
que decir tiene que es preferible el uso de un componente emisor de
luz con alta luminancia.
Un fosforescente a utilizar en combinación con
el componente emisor de luz de compuesto de nitruro semiconductor
debe tener los siguientes requerimientos:
- 1.
- Una resistencia excelente contra la luz para soportar luz de alta intensidad durante un periodo de tiempo prolongado, porque el material fluorescente se instala en la vecindad de los componentes emisores de luz 102, 202 y esta expuesto a una luz de una intensidad tan alta como aproximadamente 30 a 40 veces la luz del sol.
- 2.
- Capacidad de emitir eficazmente luz en la región del azul para la excitación por medio de los componentes emisores de luz 102, 202. Cuando se usa una mezcla de colores, debe ser capaz de emitir luz azul, no un rayo ultravioleta, con alta eficiencia.
- 3.
- Capacidad de emitir luz desde la región verde a la roja a fin de su mezcla con la luz azul para generar luz blanca.
- 4.
- Buenas características de temperatura apropiadas para su localización en la vecindad de los componentes emisores de luz 102, 202 y la influencia resultante de la diferencia de temperaturas debido al calor generado por el chip cuando esta encendido.
- 5.
- Capacidad para cambiar continuamente el tono de color en cuanto a la proporción de la composición o proporción de mezclado de una pluralidad de materiales fluorescentes.
- 6.
- Capacidad para soportar las condiciones climáticas en el entorno de Operación del diodo emisor de luz.
Realización
1
El diodo emisor de luz de la primera realización
de la presente invención emplea un elemento semiconductor de un
compuesto de nitruro de galio que tiene un gran salto de energía
entre bandas en la capa emisora de luz y es capaz de emitir luz
azul, y un fosforescente granate activado con cerio en combinación.
Con esta configuración, el diodo emisor de luz de la primera
realización podrá emitir luz blanca mezclando la luz azul emitida
por los componentes emisores de luz 102, 202 y la luz amarilla
emitida por el fosforescente excitado por la luz azul.
Dado que el fosforescente granate activado con
cerio que se usa en el diodo emisor de luz de la primera realización
tiene alta resistencia y buen comportamiento en condiciones
climáticas, puede emitir luz con grados extremadamente pequeños de
cambio de color y disminución de la luminancia de la luz emitida aún
cuando sea irradiado por una luz muy intensa emitida por los
componentes emisores de luz 102, 202 situados en la vecindad durante
un periodo de tiempo prolongado.
Los componentes del diodo emisor de luz de la
primera realización se describirán en detalle a Continuación.
El fosforescente usado en el diodo emisor de luz
de la primera realización es un tipo de fosforescente que, cuando
es excitado por la luz visible o rayos ultravioleta emitidos por la
capa emisora de luz semiconductora, emite luz de una longitud de
onda diferente de la de la luz de excitación. El fosforescente es
específicamente un material fluorescente granate activado con cerio
que contiene al menos un elemento seleccionado de entre Y, Lu, Sc,
La, Gd y Sm y al menos un elemento seleccionado de entre Al, Ga e
In. Según la presente invención, el material fluorescente es
preferiblemente material fluorescente de
itrio-aluminio-granate (YAG
fosforescente) activado con cerio, o un material fluorescente
representado por la formula general
(Re1-rSm_{r})3(Al1-sGa_{s})5O12:Ce,
donde 0 \leq r < 1 y 0 \leq s \leq 1, y Re es al menos uno
seleccionado de entre Y y Gd. En el caso de que la luz LED emitida
por el componente emisor de luz emplee el compuesto de nitruro de
galio semiconductor y la luz fluorescente emitida por el
fosforescente tenga un color de cuerpo amarillo estén en la relación
de colores complementarios, puede ser emitida luz blanca mezclando
la luz LED y la luz fluorescente.
En la primera realización, dado que el
fosforescente se usa mezclado con una resina que forma el
revestimiento de resina 101 y el material de revestimiento 201
(detallado a Continuación), el tono de color del diodo emisor de
luz se puede ajustar, incluyendo el color blanco y el color de la
lámpara incandescente controlando la proporción de mezclado con la
resina o la cantidad usada en el relleno la copa 105 o el entrante
de la carcasa 204 según la longitud de onda de la luz emitida por
el componente emisor de luz de nitruro de galio.
La distribución de la concentración del
fosforescente tiene influencia también sobre la mezcla de colores y
su durabilidad. Es decir, cuando la concentración de fosforescente
se incrementa desde la superficie del revestimiento o se moldea
donde el fosforescente esta contenido hacia el componente emisor de
luz, se hace menos probable que se vea afectado por la humedad
externa con lo que se hace más fácil suprimir el deterioro debido a
la humedad. Por otra parte, cuando la concentración de fosforescente
se incrementa desde el componente emisor de luz hacia la superficie
del molde, es más probable que se vea afectado por la humedad
externa, pero menos probable que se vea afectado por el calor y la
radiación del componente emisor de luz, haciendo posible de esta
manera suprimir el deterioro del fosforescente. Dichas
distribuciones de la concentración del fosforescente se puede
conseguir seleccionando o controlando el material que contiene el
fosforescente, que da lugar a la temperatura y viscosidad, y la
configuración y la distribución de partículas del fosforescente.
Usando el fosforescente de la primera
realización, se puede fabricar un diodo emisor de luz con unas
características de emisión excelentes porque el material
fluorescente tiene suficiente resistencia a la luz para operar con
alta eficacia aún cuando esté dispuesto próximo a, o en la vecindad
de los componentes emisores de luz 102, 202 con una intensidad de
radiación (Ee) comprendida entre 3 Wcm-^{2} y 10
Wcm-^{2}.
El fosforescente usado en la primera realización
es, a causa de su estructura de granate, resistente al calor, a la
luz y a la humedad, por lo que es capaz de absorber luz de
excitación con un pico a una longitud de onda próxima a 450 nm,
como se muestra en la Figura 3A. También emite luz de amplio
espectro con un pico próximo a 580 nm, que se desvanece a 700 nm,
como se muestra en la Figura 3B. Además, la eficiencia de la emisión
de luz excitada en la región de las longitudes de onda de 460 nm y
superiores se puede incrementar incluyendo Gd en el cristal del
fosforescente de la primera realización. Cuando se incrementa el
contenido en Gd, la longitud de onda del pico de emisión se
desplaza hacia una longitud de onda mas larga y todo el espectro de
emisión se desplaza hacia longitudes de onda mas largas. Esto
significa que, cuando se requiere la emisión de luz de un color más
rojizo, se puede conseguirse incrementando el grado de sustitución
por Gd. Cuando el contenido Gd se incrementa, la luminancia de la
luz emitida por fotoluminiscencia bajo la luz azul tiende a
disminuir.
Especialmente, cuando parte del Al se sustituye
por Ga en la composición del material fluorescente YAG con una
estructura de granate, la longitud de onda de la luz emitida se
desplaza hacia una longitud de onda mas corta y, cuando parte de Y
se sustituye por GD, la longitud de onda de la luz emitida se
desplaza hacia una longitud de onda mas larga.
La tabla 1 muestra la composición y las
características de emisión de luz del material fluorescente YAG
representado por la formula general
(YGd_{a})3(AlbGab)O:Ce.
\vskip1.000000\baselineskip
Los valores mostrados en la Tabla 1 fueron
medidos excitando el material fluorescente con luz azul de 460 nm.
La luminancia y la eficiencia en la Tabla 1 se dan en valores
relativos a los del material Nº. 1 que se considera 100.
Al sustituir Al por Gd, la proporción está
preferiblemente dentro del rango de Ga:Al = 1:1 a 4:6 y en
consideración de la eficiencia de emisión y longitud de onda de
emisión. Análogamente, al sustituir Y por Gd, la proporción está
preferiblemente dentro entre Y: Gd = 9:1 y 1:9, y más
preferiblemente entre 4:1 y 2:3. Esto se debe a que un grado de
sustitución con Gd por debajo del 20% da lugar a un color del
componente mayor que verde y un componente rojo menor, y a que un
grado de sustitución con Gd por encima del 60% da lugar a un
componente rojo incrementado pero a un rápido descenso de la
luminancia. Cuando la relación Y:Gd entre Y y Gd en el material
fluorescente YAG se establece dentro de 4:1 a 2:3, en particular, un
diodo emisor de luz capaz de emitir luz blanca sustancialmente a lo
largo del lugar de radiación del cuerpo negro se puede hacer usando
un tipo de material fluorescente de
Itrio-aluminio-Granate, dependiendo
de la longitud de onda de emisión del componente emisor de luz.
Cuando la relación Y:Gd de Y y Gd en el material fluorescente YAG se
establece dentro del rango entre 2:3 y 1:4, un diodo emisor de luz
capaz de emitir luz de lámpara incandescente se puede fabricar
aunque su luminancia sea baja. Cuando el contenido (grado de
sustitución) de CE se establece dentro del rango entre 0,003 y 0,2,
la intensidad luminosa relativa del diodo emisor de luz no menor que
el 70% se puede conseguir. Cuando el contenido es menor de 0,003,
la intensidad luminosa disminuye porque el número de centros de
emisión excitados de fotoluminiscencia debida a Ge disminuye y,
cuando el contenido es superior a 0,2 se produce la densidad de
apagado.
Por consiguiente, la longitud de onda de la luz
emitida se puede desplazar a una longitud de onda más corta
sustituyendo parte Y de la composición por Ga. De esta manera, el
color de la luz de emisión se puede cambiar continuamente cambiando
la composición. Asimismo, el material fluorescente es excitado
difícilmente por las líneas de emisión de Hg que tienen longitudes
de onda de 254 nm y 365 nm, pero que es excitado con una eficacia
superior por la luz LED emitida por el componente emisor de luz azul
con una longitud de onda de aproximadamente 450 nm. De esta manera,
el material fluorescente tiene unas características ideales para
convertir la luz azul del componente emisor de luz semiconductor de
nitruro, en luz blanca, de forma tal que la capacidad de cambio
continuo de la longitud de onda de pico cambiando la proporción de
Gd.
Según la primera realización, la eficacia de la
emisión de luz del diodo emisor de luz se puede mejorar más
combinando el componente emisor de luz que emplea un semiconductor
de nitruro de galio y el fosforescente fabricado mediante la
adicción del elemento samario (Sm) de tierra rara a los materiales
fluorescentes de
itrio-aluminio-granate (YAG)
activados con cerio.
El material para fabricar dicho fosforescente se
hace usando óxidos de Y, Gd, Ce, Sm, Al y Ga o compuestos que se
puedan convertir fácilmente en dichos óxidos a alta temperatura, y
el mezclando suficientemente estos materiales en proporciones
estoiquiométricas. Esta mezcla se mezcla con una cantidad apropiada
de un floruro, tal como el floruro de amonio usado como
fluidificante y cocido en un crisol a una temperatura de 1350 a
1450ºC en aire durante 2 a 5 horas. Seguidamente, el material cocido
fue molido por un molido de bolas en agua, lavado, separado, secado
y tamizado para obtener de dicha forma el material deseado.
En el proceso de producción descrito
anteriormente, la mezcla de material se puede hacer también
disolviendo los elementos de tierra rara Y, Gd, Ce y Sm en
proporciones estoiquiométricas en un ácido, coprecipitando la
solución con ácido oxálico y cociendo el coprecipitado para obtener
un óxido del coprecipitado, y seguidamente, mezclándolo con óxido
de aluminio y óxido de galio.
El fosforescente representado por la formula
general
(Y_{1-p-q-r}GdpCe_{q}Sm_{r})_{3}Al_{5}O_{12}
que incluye Sm se puede hacer sujeto a la menor dependencia de la
temperatura independientemente del contenido incrementado de Gd. Es
decir, el fosforescente, cuando contiene Sm, tiene una luminiscencia
de emisión mejorada a mayor temperatura. La amplitud de la mejora
se incrementa a medida que se incrementa el contenido de gadolinio,
la longitud de onda en pico de emisión se desplaza desde 530 nm a
una longitud de onda más larga hasta 570 nm, mientras que todo el
espectro de emisión también se desplaza a longitudes de ondas más
largas. Cuando se necesita luz de sombra roja más fuerte se puede
conseguir incrementando la cantidad de Gd añadida para sustitución.
Cuando el contenido de Gd se incrementa, la luminiscencia de
fotoluminiscencia con luz azul disminuye gradualmente. Por
consiguiente, el valor de p es preferiblemente 0,8 o inferior, o más
preferiblemente 0,7 o inferior. Más preferiblemente es 0,6 o
inferior.
El fosforescente representado por la fórmula
general
(Y_{1-p-q-r}GdpCeqSm_{r})_{3}Al_{5}O_{12}
que incluye Sm se puede sujeto a menos dependencia de la
temperatura independientemente del contenido incrementado de Gd. Es
decir, el fosforescente, cuando contiene Sm, tiene una luminancia de
emisión muy mejorada a altas temperaturas. La amplitud de la mejora
se incrementa a medida que se incrementa el contenido de Ga. Las
características de temperatura se pueden mejorar en gran medida
particularmente mediante la adición de Sm en el caso de material
fluorescente de una composición tal que la sombra roja sea reforzada
incrementando el contenido en Gd porque tiene pobres
características de temperatura. La características de temperaturas
mencionada aquí se mide en cuanto al porcentaje (%) de la
luminancia de emisión del material fluorescente a alta temperatura
(200ºC) respecto de la luminancia de emisión de la luz azul de
excitación con una longitud de onda de 450 nm a la temperatura
normal (25ºC).
La proporción de Sm esta preferiblemente dentro
del rangos de 0,0003 \leq r \leq 0,08 para dar una
característica de temperatura del 60% o superior. El valor de r por
debajo de este rango conduce a un menor efecto de mejora de la
característica de temperatura. Por el contrario, cuando el valor de
r esta por encima de este rango, la característica de temperatura
se deteriora. El rango de 0,0007 \leq r \leq 0,02 para la
proporción de Sm cuando la característica de temperatura se hace
del 80% o superior es mas deseable.
La proporción q de Ce esta preferiblemente en un
rango de 0,003 \leq q \leq 0,2, lo cual hace posible una
luminancia de emisión relativa del 70% o superior. La
luminancia relativa de emisión se refiere a la luminancia de
emisión en porcentaje respecto a la luminancia de emisión de un
material fluorescente en el que q =0,03.
Cuando la proporción q de Ce es 0,003 o inferior
la luminancia disminuye porque el número de centros de emisión
excitados de fotoluminiscencia debido al Ce disminuye y, cuando q es
superior a 0,2, se produce la densidad de apagado. La densidad de
apagado se refiere a la disminución en la intensidad de emisión que
se produce cuando la concentración de un agente de activación
añadido para incrementar la luminancia del material fluorescente se
incrementa mas allá de un nivel optimo.
También se puede usar una mezcla de dos o mas
tipos de fosforescente con una composición de
(Y1__{p}__{q}__{r}Gd_{p}Ceq
Sm_{r})3Al5O12 y contenidos diferentes de Al, Ga, Y yGs o Sm. Esto incrementa los componentes RGB y permite la aplicación, por ejemplo, de un dispositivo de pantalla de cristal liquido a todo color usando un filtro de color.
Sm_{r})3Al5O12 y contenidos diferentes de Al, Ga, Y yGs o Sm. Esto incrementa los componentes RGB y permite la aplicación, por ejemplo, de un dispositivo de pantalla de cristal liquido a todo color usando un filtro de color.
El componente emisor de luz se embebe
preferiblemente en un material de moldeo en la forma mostrada en la
Figura 1 y en la Figura 2. El componente emisor de luz usado en el
diodo emisor de luz de la presente invención es un compuesto de
nitruro de galio semiconductor capaz de excitar eficazmente los
materiales fluorescentes de granate activados con cerio. Lo
componentes emisores de luz 102, 202 que emplean un compuesto
semiconductor de nitruro de galio se fabrican conformando una capa
emisora de luz de nitruro de galio semiconductor, tal como InGaN,
sobre el sustrato en un proceso MOCVD. La estructura del componente
emisor de luz podrá ser una homoestructura, eteroestructura o una
doble eteroestructura que tenga una unión MIS, unión PIN o unión PN.
Se podrá seleccionar diversas longitudes de ondas de emisión en
función del material de la capa semiconductora y de la
cristalinidad de la misma. También se podrá fabricar con una
estructura quántica de un solo pocillo o una estructura quántica de
pocillos múltiples en la que la capa de activación semiconductora
este formada tan fina como pueda producir el efecto quántico. Según
la presente invención, un diodo emisor de luz capaz de emitir con
una luminancia superior sin la deterioro del fosforescente se podrá
fabricar haciendo la capa de activación del componente emisor de
luz según una estructura cuantica de un solo pocillo de InGaN.
Cuando se usa un compuesto semiconductor de
nitruro de galio, se puede usar zafiro, espinela, SiC, Si, ZnO, o
similares como sustrato semiconductor, el uso de sustrato de zafiro
es preferible con objeto de formar nitruro de galio de buena
cristalinidad. Una capa de nitruro de galio semiconductor se forma
sobre el sustrato de zafiro para formar una unión PN por medio de
una capa amortiguadora de GaN, AlN, etc. El semiconductor de
nitruro de galio tiene una conductividad tipo N bajo la condición de
que no este dopado con ninguna impureza, aunque con objeto de
formar un semiconductor de nitruro de galio tipo N con las
propiedades deseadas (concentración de portadora etc.) con una
emisión de luz mejorada como la mencionada, será preferiblemente
dopado con un dopante tipo N tal como Si, Ge, Se, Te, y C. Con
objeto de formar un semiconductor de nitruro de galio tipo P, por
otra parte, es preferible dopar con un dopante tipo P, tal como Zn,
Mg, Be, Ca, Sr, y Ba. Dado que es difícil volver un compuesto de
nitruro de galio semiconductor a simplemente tipo P dopándolo con un
dopante tipo P, es preferible tratar el compuesto de nitruro de
galio semiconductor dopado con un dopante tipo P en un proceso tal
como calentándolo en un horno, irradiándolo con un haz de
electrones de baja velocidad e irradiándolo con plasma para de
dicha forma volverlo al tipo P. Tras exponer la superficies de los
semiconductores de nitruro de galio tipo P y tipo N mediante
grabado químico u otro procedimientos, los electrodos con las formas
deseadas se forman sobre las capas del semiconductor mediante
bombardeo iónico o deposición de vapor.
A continuación, la oblea semiconductora que se
ha conformado se corta en piezas mediante una sierra de dados o se
separan por fuerzas externas tras cortar unos surcos (medios cortes)
que tengan una anchura mayor que la anchura del filo de la
cuchilla. O de otra manera la oblea se corta en chips grabando un
dibujo en rejilla de líneas extremadamente finas sobre la oblea
semiconductora por medio de un grabador con un punzón de diamante
que haga un movimiento en vaivén recto. De dicha forma, se puede
hacer el componente emisor de luz del compuesto semiconductor de
nitruro de galio.
Con objeto de emitir luz blanca con el diodo
emisor de luz de la primera realización, la longitud de onda de la
luz emitida por el componente emisor de luz es preferiblemente de
400 nm a 530 nm, inclusive, en consideración a la relación de color
complementario con el fosforescente y el deterioro de la resina, y
más preferiblemente entre 420 nm y 490 nm, inclusive. Es aún más
preferible que la longitud de onda esté entre 450 nm y 475 nm, con
objeto de mejorar la eficacia de emisión del componente emisor de
luz y del fosforescente. El espectro de emisión del diodo emisor de
luz blanca de la primera realización se muestra en la Figura 4. El
componente emisor de luz representado en dicha Figura es del tipo
conductor mostrado en la Figura 1, que emplea el componente emisor
de luz y el fosforescente de la primera realización que se
describirá más adelante. En la Figura 4 la emisión con un tipo de
aproximadamente 450 nm es la luz emitida por el componente emisor de
luz y la emisión con un tipo de aproximadamente 570 nm es la
emisión fotoluminiscente excitada por el componente emisor de
luz.
La Figura 16 muestra los colores que pueden
representarse por el diodo emisor de luz blanca fabricado mediante
la combinación del material fluorescente mostrado en la Tabla 1 y el
LED azul (componente emisor de luz) con una longitud de onda en
pico de 465 nm. El color de la luz emitida por dicho diodo emisor de
luz blanca se corresponde con un punto de una línea recta que
conecta un punto de cromacidad generada por el LED azul y un punto
de cromacidad generada por el material fluorescente, y de dicha
forma, la región de color blanco amplia (parte sombreada en la
Figura 16) en la parte central del diagrama de cromacidad se podrá
cubrir totalmente usando los materiales fluorescente 1 a 7 de la
Tabla 1. La Figura 17 muestra el cambio en el color de emisión
cuando el contenido de los materiales fluorescente en el diodo
emisor de luz blanca es cambiado. El contenido de los materiales
fluorescente se da en porcentajes en peso respecto a la resina usada
en el material de revestimiento. Como podrá apreciarse en la Figura
17, el color de la luz se aproxima a de los materiales fluorescentes
cuando el contenido del material fluorescente se incrementa y se
aproxima al del LED azul cuando el contenido del material
fluorescente se disminuye.
Según la presente invención, un componente
emisor de luz que no excita el material fluorescente podrá
utilizarse conjuntamente con el componente emisor de luz que emite
luz que excita el material fluorescente. Específicamente, además
del material fluorescente, que es un compuesto de nitruro
semiconductor capaz de excitar el material fluorescente, se
disponen conjuntamente un componente emisor de luz con una capa
emisora de luz fabricada de fosfato de galio, arseniuro de
aluminio-galio, fosfato de
arsenio-galio o fosfato de
aluminio-indio. Con dicha configuración, la luz
emitida por el componente emisor de luz que no excita el material
fluorescente se irradia hacia el exterior sin ser absorbida por el
material fluorescente, fabricándose un diodo emisor de luz que
puede emitir luz roja/blanca.
A continuación se van a describir otros
componentes de los diodos emisores de luz de la Figura 1 y de la
Figura 2.
Los hilos conductores 103, 203 deben tener una
buena conductividad eléctrica, una buena conductibilidad térmica y
una buena conexión mecánica con los electrodos de los componentes
emisores de luz 102, 202. La conductibilidad térmica es
preferiblemente de 0,042 J (0,01 cal)/(s)(cm^{2})(ºC/cm) o
superior y más preferiblemente de 2,09 J (0,5 cal)/(s) (cm^{2})
(ºC/cm) o superior. Para mejorar la viabilidad, el diámetro del
hilo conductor es preferiblemente de 10 a 45 \mum, inclusive.
Incluso cuando se usa el mismo material para el revestimiento que
incluye el material fluorescente y el molde, a causa de la
diferencia del coeficiente de dilatación térmica debido al material
fluorescente contenido en cualquiera de los dos materiales
mencionados anteriormente, el hilo conductor es muy posible que se
rompa en la interfaz. Por dicha razón, el diámetro del hilo
conductor es preferiblemente no menor de 25 \mum y, debido al área
emisora de luz y facilidad de manipulación, preferiblemente dentro
de 35 \mum. El hilo conductor puede ser de un metal como por
ejemplo oro, cobre, platino y aluminio y una aleación de los
mismos. Cuando se utiliza un hilo conductor de dichos material y
configuración, se puede conectar fácilmente a los electrodos de los
componentes emisores de luz, el conductor interno y el conductor de
la montura por medio de un dispositivo de unión de cables o
hilos.
La montura conductora 105 comprende una copa
105a y un conductor 105b, y su superficie tiene un tamaño suficiente
para montar el componente emisor de luz 102 con el dispositivo de
unión de hilos en la copa 105a. En el caso de que una pluralidad de
componentes emisores de luz estén instalados en la copa y se utilice
una montura conductora como electrodo común para el componente
emisor de luz a causa de que materiales de electrodos diferentes se
pueden usar, se requiere una conductividad eléctrica suficiente y
buena conductividad con el hilo de unión y los demás. Cuando el
componente emisor de luz esté instalado en la copa de la montura
conductora y la copa se llene con el material fluorescente, la luz
emitida por el material fluorescente es, incluso si es isotrópico,
reflejada por la copa en una dirección deseada y de dicha forma se
podrá evitar una iluminación errónea debida a la luz de otros
diodos emisores de luz montados en las proximidades. Iluminación
errónea se refiere aquí al fenómeno de que otros diodos
emisores
de luz montados en las proximidades aparezcan como iluminadores a pesar de no estar suministrados con energía.
de luz montados en las proximidades aparezcan como iluminadores a pesar de no estar suministrados con energía.
La unión del componente emisor de luz 102 y la
montura conductora 105 con la copa 105a se puede lograr por medio
de una resina termoplástica, tal como una resina epoxi, una resina
acrílica y una resina de imida. Cuando se usa un componente emisor
de luz orientado hacia abajo (como un tipo de componente emisor de
luz como luz emitida se extrae el lado del sustrato y está
configurado para montar los electrodos opuestos a la copa 105a), se
puede utilizar pasta de Ag, pasta de carbón, unión metálica o
similares para unir y conectar eléctricamente el componente emisor
de luz y la montura conductora al mismo tiempo. Además, con objeto
de mejorar la eficacia en la utilización de la luz del diodo emisor
de luz, la superficie de la copa de la montura conductora sobre la
cual está montado el componente emisor de luz puede estar pulida
especularmente para asignar una función reflectora a la superficie.
En este caso, es preferible una rugosidad de la superficie de 0,1 S
a 0,8 S, inclusive (S es una unidad japonesa según la norma ISO 468
de 1982). La resistencia eléctrica de la montura conductora es
preferiblemente de 300 \mu\Omega-cm y más
preferiblemente dentro de 3 \mu\Omega-cm. Cuando
se monta una pluralidad de componentes emisores de luz sobre la
montura conductora, los componentes emisores de luz generan una
cantidad significativa de calor y, por consiguiente, se requiere una
alta conductividad térmica. Específicamente, la conductividad
térmica es preferiblemente 0,042 J (0,01 cal)/(s) (cm^{2}) (ºC/cm)
o superior y más preferiblemente de 2,09 J (0,5 cal)/(s) (cm^{2})
(ºC/cm) o superior. Los materiales que satisfacen estos requisitos
contienen acero, cobre, acero revestido de cobre, estaño revestido
de cobre y materiales cerámicos metalizados.
El conductor interno 106 está conectado a uno de
los electrodos del componente emisor de luz 102 montado sobre la
montura conductora 105 por medio de un hilo conductor o similar. En
el caso de un diodo emisor de luz en el que una pluralidad de
componentes emisores de luz están instalados sobre la montura
conductora, es necesario disponer una pluralidad de conductores
internos 106 de manera tal que los hilos conductores no se toquen
entre sí. Por ejemplo, el contacto de los hilos conductores entre
sí puede prevenir incrementando el área de la cara terminal donde
el conductor interno se conecta a medida que la distancia desde la
montura conductora se incrementa de forma que el espacio entre los
hilos conductores queda asegurado. La rugosidad superficial de la
cara terminal del conductor interno que conecta con el hilo
conductor es preferiblemente de 1,6 S (S es una unidad Japonesa
según la norma ISO 468 de 1982) a 10 S, inclusive (S es una unidad
Japonesa según la norma ISO 468 de 1982) en consideración a un
contacto próximo.
Con objeto de conformar el conductor interno con
la forma deseada, se puede punzonar por medio de un troquel.
Además, se puede fabricar mediante punzonado para formar un
conductor interno presurizándolo seguidamente sobre la cara
terminal para de dicha forma controlar el área y la altura de la
cara terminal.
Se requiere que el conductor interno tenga una
buena conectividad con los hilos de unión que son hilos conductores
y tienen una buena conductividad eléctrica. Específicamente, es
preferible que la resistencia eléctrica esté dentro de 300
\mu\Omega-cm y más preferiblemente dentro de 3
\mu\Omega-cm. Los materiales que satisfacen
dichos requerimientos contienen hierro, cobre, cobre que contiene
hierro, cobre que contiene zinc, aluminio chapado en plata, cobre u
oro, hierro y cobre.
El material de revestimiento 101 está provisto
en la copa de la montura conductora separado del material de moldeo
104 y, en la primera realización, contiene el fosforescente que
convierte la luz emitida por el componente emisor de luz. El
material de revestimiento puede ser un material transparente con un
buen comportamiento respecto al clima, tal como resina epoxi,
resina de urea y resina de silicio o vidrio. Se puede utilizar un
dispersante conjuntamente con el fosforescente. Como dispersante es
preferible utilizar titanato de bario, oxido de titanio, oxido de
aluminio, dióxido de silicio y similares. Cuando el material
fluorescente se forma mediante bombardeo iónico se puede omitir el
material de revestimiento. En este caso se podrá fabricar un diodo
emisor de luz capaz de mezclar colores mediante el control del
grosor de la película o permitiendo una abertura en la capa de
material fluorescente.
El moldeo 104 tiene la función de proteger el
componente emisor de luz 102, el hilo conductor 103 y el material
de revestimiento 101 que contiene fosforescente contra las
perturbaciones externas. Según la primera realización, es
preferible que el material de moldeo 104 contenga además un
dispersante, que pueda desviar la directividad de la luz del
componente emisor de luz 102, lo que da lugar a un ángulo de visión
incrementado. El material de moldeo 104 tiene la función de una
lente para enfocar o difundir la luz emitida por el componente
emisor de luz. Por consiguiente, se puede fabricar el material de
moldeo 104 con una configuración de lente convexa o lente cóncava,
y puede tener forma elíptica cuando se observe en la dirección del
eje óptico o una combinación de las mismas. Asimismo, el material
de moldeo 104 se puede fabricar con una estructura de capas
múltiples de materiales diferentes laminados. Como material de
moldeo 104 es preferible emplear materiales transparentes con buen
comportamiento en las condiciones climáticas tal como resina de
epoxi, resina de urea, resina de silicio o vidrio. Como dispersante
se puede utilizar titanato de vario, oxido de titanio, oxido de
aluminio, dióxido de silicio y similares. Además del dispersante,
el fosforescente podrá estar contenido en el material del moldeo. A
saber, según la presente invención, el fosforescente puede estar
contenido bien en el material de moldeo o en el material de
revestimiento. Cuando el fosforescente esta contenido en el material
de moldeo, el ángulo división se puede incrementar adicionalmente.
El fosforescente puede estar también contenido tanto en el material
de revestimiento como en el material de moldeo. Además se puede usar
una resina que incluya el fosforescente con el material de
revestimiento mientras que se utilicen vidrios, diferente del
material de revestimiento, como material de moldeo. Esto hace
posible fabricar un diodo emisor de luz que esté menos sometido a
la influencia de la humedad con una buena productividad. El moldeo y
el revestimiento se pueden hacer del mismo material con objeto de
igualar el índice de refracción, en función de la aplicación. Según
la presente invención, la adicción del dispersante y/o de un agente
colorante en el material de moldeo tiene los efectos de enmascarar
el color del material fluorescente oscurecido y de mejorar el
rendimiento del mezclado de colores. Es decir, el material
fluorescente absorbe el componente azul de la luz extraña y emite
luz con lo que da un aspecto verdaderamente coloreado de amarillo.
Sin embargo, el dispersante contenido en el material de moldeo da
un color blanco lechoso al material de moldeo y el agente de
coloración da un color deseado. De esta manera, el color del
material fluorescente no es reconocido por el observador. En el caso
de que el componente emisor de luz emita luz con una longitud de
onda principal de 430 nm o superior, es preferible que este
contenido un elemento absorbedor de la luz ultravioleta que sirva
como estabilizador de la luz.
El diodo emisor de luz de otra realización se
fabrica utilizando un elemento dotado con un compuesto nitruro de
galio semiconductor que tiene un salto de energía entre bandas en la
capa emisora de luz como componente emisor de luz y un material
fluorescente que incluye dos o mas tipos de fosforescente de
composiciones diferentes, o preferiblemente materiales
fluorescentes de
itrio-aluminio-granate activado con
cerio como fosforescente. Con esta configuración se puede fabricar
un diodo emisor de luz que permite dar un tono de color deseado
mediante el control del contenido de dos o mas materiales
fluorescentes incluso cuando la longitud de onda de la luz LED
emitida por el componente emisor de luz se desvíe del valor deseado
debido a variaciones en el proceso de producción. En este caso, el
color de emisión del diodo emisor de luz se puede hacer constante
usando un material fluorescente con una longitud de onda de emisión
relativamente corta para un componente emisor de luz de una
longitud de onda de emisión relativamente corta y usando un material
fluorescente con una longitud de emisión relativamente larga para
un componente emisor de luz con una longitud de onda de emisión
relativamente larga.
En cuanto al material fluorescente, se puede
usar también como fosforescente un material fluorescente
representado por la formula general
(Re1-_{r}Sm_{r})3(Al1-_{s}Ga_{s})5O12:Ce.
Aquí 0 \leq r \leq 1, y Re se selecciona al menos entre Y, Gd
y La. Esta configuración hace posible minimizar la desnaturalización
del material fluorescente aún cuando el material fluorescente esté
expuesto a la luz visible de alta intensidad y alta energía emitida
por el componente emisor de luz durante un largo periodo de tiempo o
cuando se usa bajo condiciones ambientales diversas y, por
consiguiente, se puede hacer un diodo emisor de luz que está
sometido a cambios de color extremadamente insignificante y baja
disminución de la luminancia de emisión y tiene el componente de
emisión deseado de alta luminancia.
Ahora se va a describir en detalle el
fosforescente usado en el componente emisor de luz de la realización
anterior. Esta realización es similar a la primera realización, con
la excepción de que se usan dos o mas tipos de fosforescente de
composiciones diferentes activados con cerio, como se describió
anteriormente, siendo el procedimiento de uso del material
fluorescente básicamente el mismo.
Análogamente al caso de la primera realización,
al diodo emisor de luz se le puede suministrar una alta estabilidad
frente a las condiciones climatologiítas mediante el control de la
distribución del fosforescente (como por ejemplo amortiguando la
concentración con la distancia desde el componente emisor de luz).
Dicha distribución de la concentración del fosforescente se puede
conseguir seleccionando o controlando el material que contiene el
fosforescente, la temperatura y viscosidad de conformación y la
configuración y distribución de las partículas de fosforescente. De
dicha forma, según dicha realización, la distribución de la
concentración del material fluorescente se determina de acuerdo con
las condiciones de operación. Además, según dicha realización, la
eficacia de la emisión de luz se puede incrementar designando la
configuración de los dos o mas tipos de material fluorescente (por
ejemplo, disponiéndolos en el orden de cercanía al componente emisor
de luz) de acuerdo con la luz generada por el componente emisor de
luz.
Con la configuración de esta realización, de
forma similar a la primera realización, el diodo emisor de luz
tiene una alta eficacia y suficiente resistencia a la luz incluso
cuando se dispone próximo a, o en la vecindad del componente emisor
de luz de una relativa alta emisión con una intensidad de radiación
(Ee) dentro del rango de 3 a 10 Wcm-^{2}.
El material fluorescente de
itrio-aluminio-granate activado con
cerio (material fluorescente YAG) usado en esta realización tiene
una estructura de granate similar al caso de la primera realización
y es, por consiguiente, resistente al calor, luz y humedad. La
longitud de onda en pico de excitación del material fluorescente de
itrio-aluminio-granate de dicha
realización puede establecerse en las proximidades de 450 nm en la
forma indicada por la línea continua de la Figura 5A, y la longitud
de onda tipo de emisión se puede establecer en las proximidades de
510 nm, en la forma indicada por la línea continua de la Figura 5B,
mientras que se hace el espectro de emisión tan amplio para cubrir
hasta 700 nm, lo cual hace posible emitir luz verde. La longitud de
onda en pico de excitación de otro material fluorescente de
itrio-aluminio-granate activado con
cerio de dicha realización se puede establecer en las proximidades
de 450 nm, en la forma indicada por la línea de trazos de la Figura
5A y la longitud de onda tipo de emisión se puede establecer en las
proximidades de 600 nm en la forma indicada por la línea de trazos
de la Figura B mientras que se hace el espectro de emisión tan
amplio como para extenderse hasta 750 nm, lo cual hace posible
emitir luz roja.
La longitud de onda de la luz emitida se
desplaza hasta una longitud de onda mas corta mediante la
sustitución de parte de Al, entre los constituyentes del material
fluorescente de YAG con estructura de granate, con Ga, y la
longitud de onda de la luz emitida se desplaza hasta una longitud de
onda mas corta sustituyendo parte de Y con Gd y/o La. La proporción
del sustituyente del Al con Ga es preferiblemente Ga:Al =1:1 a 4:6
en consideración de la eficacia de emisión de luz y la longitud de
onda de emisión. De forma similar, la proporción de sustitución de
Y con Gd y/o La es preferiblemente Y:Gd y/o La=9:1 a 1:9 o mas
preferiblemente Y:Gd y/o La=4:1 a 2:3. La sustitución de menos del
10% da como resultado un incremento del componente verde y una
disminución del componente rojo. Por otra parte, la sustitución del
80% o más incrementa el componente rojo pero disminuye abruptamente
la luminancia.
El material para fabricar dicho fosforescente se
hace usando óxidos de Y, Gd, Ce, La, Al, Sm y Ga o componentes que
se pueden convertir fácilmente en dichos óxidos a altas temperaturas
y mezclando suficientemente dichos materiales en proporciones
estoiquiométricas. O bien, el material de la mezcla se obtiene
disolviendo los elementos de tierra rara Y, Gd, Ce, La, Al, Sm en
proporciones estoiquiométricas en ácido, coprecipitación de la
solución con ácido oxálico y cociendo el coprecipitado para obtener
un oxido del coprecipitado, que es posteriormente mezclado con
oxido de aluminio y oxido de galio. Dicha mezcla se mezcla con una
cantidad apropiada de floruro, tal como floruro de amonio usado
como fluidificante y se cuece en un crisol a una temperatura de
1350 a 1450ºC en aire durante 2 a 5 horas. Posteriormente, el
material cocido se muele en un molino de bolas en agua, se lava, se
separa, se seca y se tamiza para obtener de dicha forma el material
deseado.
En esta realización, los dos o más tipos de
materiales fluorescentes de
itrio-aluminio-granate activado con
cerio de composiciones diferentes pueden ser usados para su mezclado
o dispuestos independientemente (como por ejemplo laminados).
Cuando los dos o más tipos de materiales fluorescentes se mezclan,
la parte convertidora en color se puede conformar de manera
relativamente fácil y de una forma apropiada para su producción en
masa. Cuando los dos o más tipos de material fluorescente se
disponen independientemente, el color se puede ajustar tras
conformarlo mediante la laminación de las capas hasta que se obtiene
un color deseado. Asimismo, cuando se disponen dos o mas tipos de
material fluorescente independientemente, es preferible disponer un
material fluorescente que absorba luz del componente emisor de luz
de una longitud de onda corta próxima al elemento LED y un material
fluorescente que absorba luz de una longitud de onda alejado del
elemento LED. Dicha configuración posibilita una absorción y
emisión eficiente de la luz.
El diodo emisor de luz de esta realización se
fabrica usando dos o más tipos de materiales fluorescentes de
itrio-aluminio-granate de diferentes
composiciones como materiales fluorescentes, en la forma descrita
anteriormente. Esto hace posible fabricar un diodo emisor de luz
capaz de emitir luz de forma eficiente del color deseado. Es decir,
cuando la longitud de onda de la luz emitida por el componente
emisor de luz semiconductor se corresponde con un punto de la línea
recta que conecta el punto A y el punto B del diagrama cromático de
la Figura 6, se puede emitir luz de cualquier color en la región
sombreada encerrada por los puntos A, B, C y D de la Figura 6 que
son los puntos de cromacidad (puntos C y D) de los dos o mas tipos
de materiales fluorescentes de
itrio-aluminio-granate de
composiciones diferentes. Según esta realización, el color se puede
controlar cambiando las composiciones o cantidades de los elementos
LED y de los materiales fluorescentes. En particular, un diodo
emisor de luz de menor variación en la longitud de onda de emisión
se puede fabricar seleccionando los materiales fluorescentes según
la longitud de onda de emisión del elemento LED. Asimismo, un diodo
emisor de luz que incluya componentes RGB con alta luminancia se
puede fabricar seleccionando la longitud de onda de emisión de los
materiales fluorescentes.
Además, dado que el material fluorescente de
itrio-aluminio-granate (YAG) usado
en esta realización tiene una estructura de granate, el diodo
emisor de luz de esta realización puede emitir luz de alta
luminiscencia durante un largo periodo de tiempo. Asimismo, los
diodos emisores de luz de la primera realización y de la presente
realización están dotados con un componente emisor de luz instalado
vía material fluorescente. Asimismo, a causa de que la luz
convertida tiene una longitud de onda mas larga que la de la luz
emitida por el componente emisor de luz, la energía de la luz
convertida es menor que el salto de energía entre bandas del
semiconductor de nitruro y es menos probable que sea absorbida por
la capa de nitruro semiconductor. De dicha forma, aunque la luz
emitida por el material fluorescente esté dirigida también al
elemento LED a causa de la isotropía de emisión, la luz emitida por
el material fluorescente nunca es absorbida por el elemento LED y de
esta manera no disminuirá la eficacia de emisión y del diodo emisor
de luz.
En la figura 7 se muestra una fuente de luz
plana que es otra realización de la presente invención.
En la fuente de luz plana mostrada en la Figura
7, el fosforescente usado en la primera realización esta contenido
en el material de revestimiento 701. Con dicha configuración, la luz
azul emitida por el nitruro de galio semiconductor convierte su
color y es emitida en un estado plano vía una placa de guía óptica
704 y una lamina dispersiva 706.
Específicamente, un componente emisor de luz 702
de la fuente de luz plana de la Figura 7 esta fijado a un sustrato
metálico 703 con una forma de C invertida donde se forma una capa
aislante y un dibujo conductor (no se muestra). Tras conectar
eléctricamente el electrodo del componente emisor de luz y del
dibujo conductor, el fosforescente se mezcla con una resina epoxi y
se aplica dentro del sustrato 703 de metal con forma de C invertida
sobre el cual el componente emisor de luz 702 esta montado. El
componente emisor de luz así asegurado se fija sobre una cara
terminal de la placa guía óptica acrílica 704 por medio de una
resina de epoxi. Una película reflectora 707 que contiene un agente
de difusión blanco se dispone sobre uno de los planos principales
de la placa de guía óptica 704 donde la lamina dispersiva 706 no
esta formada, al objeto de prevenir fluorescencia.
Análogamente, se dispone un reflector 705 sobre
toda la superficie de la parte posterior de la placa de guía óptica
704 y sobre una cara terminal en la cual el componente emisor de luz
no esta dispuesto, con objeto de mejorar la eficacia de emisión de
luz. Con esta configuración, se pueden hacer los diodos emisores de
luz de emisión de luz plana que generen suficiente luminancia para
la luz posterior del LCE.
La aplicación del diodo emisor de luz de emisión
de luz plana a una pantalla de cristal liquido se puede lograr
disponiendo una placa polarizada sobre una plano principal de la
placa de guía óptica 704 vía cristal líquido inyectado entre los
sustratos de vidrio (no representados) sobre los cuales se forma un
dibujo conductor translucido.
Con referencia ahora a la Figura 8 y a la Figura
9, a continuación se va a describir una fuente de luz plana según
otra realización de la presente invención. El dispositivo emisor de
luz mostrado en la Figura 8 esta fabricado con una configuración
tal que la luz azul emitida por el diodo emisor de luz 702 es
convertida en luz blanca por un convertidor de color 701 que
contiene fosforescente y que es emitida en un estado plano vía una
placa de guía óptica 704.
El dispositivo emisor de luz mostrado en la
Figura 9 esta fabricado con una configuración tal que la luz azul
emitida por el componente emisor de luz 702 se vuelve a un estado
plano por medio de la placa de guía óptica 704, posteriormente se
convierte en luz blanca por medio de una lamina dispersiva 706 que
contiene fosforescente formado sobre uno de los planos principales
de la placa de guía óptica 704 para emitir de dicha forma luz
blanca en estado plano. El fosforescente podrá estar o bien
contenido en la lamina dispersiva 706 o formado en una lamina
dispersándolo conjuntamente con una resina de unión sobre la lamina
dispersiva 706. Además, el material de unión que incluye el
fosforescente puede estar conformado en gotas, no en láminas,
directamente sobre la placa de guía óptica 704.
A Continuación se describirá un dispositivo de
pantalla según la presente invención. La Figura 10 es un diagrama
de bloques que muestra la configuración del dispositivo de pantalla
según la presente invención. Como se muestra en la Figura 10, el
dispositivo de pantalla comprende un dispositivo de pantalla de LED
601 y un circuito de excitación 610 que tiene un excitador 602, un
medio de almacenamiento de datos de vídeo 603 y un medio de control
de tono 604. El dispositivo de pantalla de LED 601, que tiene unos
diodos emisores de luz blanca 501 mostrados en la Figura 1 o la
Figura 2 dispuestos en una configuración matricial en una carcasa
504 como se muestra en la Figura 11, se usa como dispositivo de
pantalla de LED monocromática. La carcasa 504 esta provista con un
material de bloqueo de la luz 505 formado integralmente con la
misma.
El circuito de excitación 610 tiene un medio de
almacenamiento de datos de vídeo (RAM) 603 para almacenar
temporalmente los datos de exhibición que son introducidos, un medio
de control de tono 604 que computa y emite las señales de tono para
controlar los diodos emisores de luz individuales del dispositivo de
pantalla de LED para iluminar con el brillo especificado según los
datos leídos de la RAM 603, y el excitador 602 que es conmutado por
las señales suministradas desde el medio de control de tono 604 para
excitar el diodo emisor de luz para iluminar. El circuito de
control de tono 604 recupera los datos de la RAM 603 y computa la
duración de iluminación de los diodos emisores de luz del
dispositivo de pantalla de LED 601, emitiendo posteriormente unas
señales de pulsos para encender y apagar los diodos emisores de luz
del dispositivo de pantalla de LED 601. En el dispositivo de
pantalla constituido como se ha descrito anteriormente, el
dispositivo de pantalla de LED 601 es capaz de exhibir imágenes
según las señales de pulsos introducidas por el circuito de
excitación y tiene las ventajas siguientes.
El dispositivo de pantalla de LED que exhibe con
luz blanca usando los diodos emisores de luz de tres colores, RGB,
es requerido para exhibir controlando al mismo tiempo la salida de
emisión de luz de los diodos emisores de luz R, G y B y
consecuentemente debe controlar los diodos emisores de luz tomando
en cuenta la intensidad de emisión, características de temperatura
y otros factores de los diodos emisores de luz, lo que da lugar a
una configuración complicada del circuito excitador que excita el
dispositivo de pantalla de LED. En el dispositivo de pantalla de la
presente invención, sin embargo, a causa de que el dispositivo de
pantalla de LED 601 esta constituido usando diodos emisores de luz
501 de la presente invención que pueden emitir luz blanca sin usar
los diodos emisores de luz de tres tipos, RGB, no es necesario que
el circuito excitador controle individualmente los diodos emisores
de luz R, G y B, haciendo posible simplificar la configuración del
circuito excitador y la fabricación del dispositivo de pantalla a
bajo coste.
Con el dispositivo de pantalla de LED que exhibe
en luz blanca usando los diodos emisores de luz de tres tipos,
RGB, los tres diodos emisores de luz deben ser iluminados al mismo
tiempo y la luz de los diodos emisores de luz se debe mezclar con
objeto de exhibir luz blanca combinando los tres diodos emisores de
luz RGB para cada pixel, dando como resultado una gran área de
exhibición para cada pixel y haciendo imposible exhibir con alta
definición. El dispositivo de pantalla de LED del dispositivo de
exhibición según la presente invención, por el contrario, puede
exhibir con luz blanca y puede hacerlo con un solo diodo emisor de
luz, siendo de dicha forma capaz de exhibir con luz blanca de alta
definición. Además, con el dispositivo de pantalla de LED que
exhibe mezclando los colores de tres diodos emisores de luz, se da
el caso de exhibir cambios de color debido al bloqueo de algunos de
los diodos emisores de luz RGB en función del Angulo de visión, el
dispositivo de pantalla de LED de la presente invención no tiene
dicho problema.
Como se ha descrito anteriormente, el
dispositivo de pantalla provisto con el dispositivo de pantalla de
LED que emplea el diodo emisor de luz de la presente invención que
es capaz de emitir luz blanca, es capaz de exhibir luz blanca
estable con mayor definición y tiene la ventaja de una menos
irregularidades del color. El dispositivo de pantalla de LED de la
presente invención que es capaz de exhibir con luz blanca también
impone menos estimulación al ojo en comparación con un dispositivo
de pantalla LED convencional que emplea solamente colores verde y
rojo, y es por consiguiente adecuado para su uso durante un largo
periodo de tiempo.
El diodo emisor de luz de la presente invención
se puede usar para constituir un dispositivo de pantalla de LED en
el que un pixel esta constituido por tres diodos emisores de luz RGB
y un diodo emisor de luz de la presente invención, como se muestra
en la Figura 12. Conectando el dispositivo de pantalla de LED y un
circuito de excitación especificado, se puede constituir un
dispositivo de pantalla capaz de exhibir diversas imágenes. El
circuito de excitación de este dispositivo de pantalla tiene,
análogamente al caso de un dispositivo de pantalla monocromático,
un medio de almacenamiento de datos de vídeo (RAM) para almacenar
temporalmente los datos de exhibición introducidos, un circuito de
control de tono que procesa los datos almacenados en la RAM para
computar las señales de tono e iluminar los diodos emisores de luz
con un brillo especificado y un excitador que puede ser conmutado
por una seña de salida del circuito de control de tono que da lugar
a que se iluminen los diodos emisores de luz. El circuito de
excitación se requiere exclusivamente para cada uno de los diodos
emisores de luz RGB y el diodo emisor de luz blanca. El circuito de
control de tono computa la duración de iluminación de los diodos
emisores de luz a partir de los datos almacenados en la RAM y emite
señales de pulsos para encender y apagar los diodos emisores de
luz. Cuando se exhibe con luz blanca, la anchura de las señales de
pulsos para iluminar los diodos emisores de luz RGB se hace mas
corta, o el valor en pico de la señal de pulsos se hace menor o no
se emite en absoluto señal de pulsos alguna. Por otra parte, se
suministra una señal de pulsos al diodo emisor de luz blanca en
compensación de lo anterior, lo cual origina que el dispositivo de
pantalla LED exhiba con luz blanca.
Como se ha descrito anteriormente, el brillo de
exhibición se puede mejorar añadiendo el diodo emisor de luz blanca
a los diodos emisores de luz RGB. Cuando los diodos emisores de luz
RGB se combinan para exhibir luz blanca, uno o dos de los colores
RGB podrá potenciarse dando como resultado la imposibilidad de
exhibir luz blanca pura en función del ángulo de emisión,
solucionándose dicho problema añadiendo el diodo emisor de luz
blanca a dicho dispositivo de pantalla.
Para el circuito de excitación de dicho
dispositivo de pantalla como se ha descrito anteriormente, es
preferible que se provea una CPU aparte como circuito de control de
tono que computa la señal de pulsos para iluminar el diodo emisor
de luz blanca con un brillo especificado. La señal de pulsos emitida
por el circuito de control de tono se suministra al excitador del
diodo emisor de luz blanca para conmutar el excitador. El diodo
emisor de luz blanca se ilumina cuando el excitador esta activado y
se apaga cuando el excitador esta desactivado.
Cuando el diodo emisor de luz de la presente
invención se utiliza como señal de tráfico, es un tipo de
dispositivo de pantalla del que se pueden obtener ventajas tales
como una iluminación estable durante un largo periodo de tiempo sin
desigualdades de color aún cuando parte de los diodos emisores de
luz se apaguen. La señal de trafico que emplea el diodo emisor de
luz de la presente invención tiene una configuración tal que los
diodos emisores de luz blanca están dispuestos sobre un sustrato
sobre el cual esta formado un dibujo conductor. Un circuito de
diodos emisores de luz en el que dichos diodos emisores de luz están
conectados en serie o en paralelo es manipulado como un conjunto de
diodos emisores de luz. Se usan dos o más conjuntos de diodos
emisores de luz, teniendo cada uno los diodos emisores de luz
dispuestos en una configuración en espiral. Cuando todos los diodos
emisores de luz están dispuestos, se disponen sobre todo el área en
una configuración circular. Tras conectar las líneas eléctricas
estañando la conexión de los diodos emisores de luz y el sustrato
con una fuente de energía eléctrica externa, se asegura en un chasis
de una señal de ferrocarril. El dispositivo de pantalla de LED se
coloca en un chasis moldeado en aluminio equipado con un miembro de
bloqueo de luz y se sella sobre la superficie con un llenador de
caucho de silicona. El chasis está dotado con una lente de color
blanco sobre el plano de exhibición del mismo. El cableado eléctrico
del dispositivo de pantalla de LED se pasa a través de una
empaquetadura de caucho situada sobre la parte posterior del chasis
para sellar el interior del chasis del exterior con el interior del
chasis cerrado. De esta manera se hace una señal de luz blanca. Se
puede hacer una señal de mayor fiabilidad dividiendo los diodos
emisores de luz de la presente invención en una pluralidad de
grupos y disponiéndolos en una configuración en espiral que parte de
un centro hacia el exterior mientras que está conectado en
paralelo. La configuración en espiral desde el centro hacia el
exterior puede ser continua o intermitente. De esta manera se puede
seleccionar el número deseado de diodos emisores de luz y el número
deseado de conjuntos de diodos emisores de luz en función del área
de exhibición del dispositivo de pantalla de LED. Esta señal es,
aun cuando uno de los conjuntos de diodos emisores de luz o parte
de los diodos emisores de luz no se iluminan debido algún problema,
capaz de iluminar de forma homogénea en una configuración circular
sin desplazamiento de color por medio de los conjuntos de diodos
emisores de luz restantes o de los diodos emisores de luz
restantes. Debido a de que los diodos emisores de luz están
dispuestos en una configuración en espiral se pueden disponer de
forma más densa cerca
del centro y ser excitados sin impresión diferente alguna con las señales que emplean lámparas de incandescencia.
del centro y ser excitados sin impresión diferente alguna con las señales que emplean lámparas de incandescencia.
Los siguientes ejemplos ilustran adicionalmente
la presente invención en detalle, pero no se deben considerar
limitaciones del ámbito de la misma.
El ejemplo 1 provee un componente emisor de luz
que tiene un pico de emisión en 450 nm y una media anchura de 30 nm
que emplea un semiconductor de GaInN El componente emisor de luz de
la presente invención está fabricando haciendo fluir gas de TMG
(trimetil galio), gas de TMI (trimetil indio), gas de nitrógeno y un
gas dopante conjuntamente junto con un gas portador sobre un
sustrato de zafiro limpio y formando una capa semiconductora de un
compuesto de nitruro de galio en el proceso de MOCVD. Un
semiconductor de nitruro de galio con una conductividad tipo N y un
semiconductor de nitruro de galio con una conductibilidad tipo P se
forman conmutando SiH_{4} y Cp_{2}Mg
(bis(ciclopentadienil) magnesio) como gas dopante. El
elemento de LED del ejemplo 1 tiene una capa de contacto que es un
semiconductor de nitruro de galio con una conductibilidad tipo N, y
una capa amortiguadora que es un semiconductor de nitruro de
galio-aluminio con una conductibilidad tipo P y una
capa de contacto que es un semiconductor de nitruro de galio que
tiene una conductibilidad tipo P, y formado entre la capa de
contacto que tiene una conductibilidad tipo N y la capa
amortiguadora que tiene una conductibilidad tipo P está una capa de
activación no dopada de InGaN de un espesor aproximado de 3 nm para
fabricar una estructura cuántica de un solo pocillo. El sustrato de
zafiro tiene una capa semiconductora de nitruro de galio formada
sobre el mismo bajo a baja temperatura para hacer una
capa amortiguadora. El semiconductor tipo P es cocido a una temperatura de 400ºC o superior tras formar la película.
capa amortiguadora. El semiconductor tipo P es cocido a una temperatura de 400ºC o superior tras formar la película.
Tras exponer las superficies de las capas
semiconductoras tipo P y tipo N mediante ataque químico, se forman
los electrodos n y p por bombardeo iónico. Tras escribir la oblea
semiconductora que ha sido fabricada como se ha descrito
anteriormente, se fabrican los componentes emisores de luz
dividiendo la oblea con una fuerza externa.
El componente emisor de luz fabricado en el
proceso anterior se monta en una copa de una montura conductora que
está fabricada de acero chapado en plata para su unión por troquel
con una resina epoxi. A continuación los electrodos del componente
emisor de luz, la montura conductora y el conductor interno se
conectan eléctricamente mediante hilos conductores con alambre de
oro de 30 \mum de diámetro para hacer un diodo emisor de luz tipo
conductor.
Un fosforescente se fabrica disolviendo los
elementos de tierra rara de Y, Gd y Ce en un ácido en proporciones
estoiquiométricas y coprecipitando la solución con ácido oxálico. El
óxido del coprecipitado obtenido cociendo dicho material se mezcla
con óxido de aluminio para obtener de esta manera la mezcla de
materiales.
La mezcla se mezcla posteriormente con floruro
de amonio usado como fluidificante y se cuece en un crisol a una
temperatura de 1.400ºC en aire durante 3 horas. A continuación, el
material cocido es molido en un molino de bolas en agua, lavado,
separado, secado y tamizado para obtener el material deseado. El
fosforescente fabricado en la forma descrita anteriormente es un
material fluorescente de
itrio-aluminio-granate representado
por la formula general
(Y_{0,8}Gd_{0,2})_{3}Al_{5}O_{12}:Ce donde
aproximadamente el 20% de Y está sustituido por Gd y la relación de
sustitución de Ce es 0,03.
80 partes en peso del material fluorescente con
una composición de
(Y_{0,8}Gd_{0,2})_{3}Al_{5}O_{12}:Ce que ha sido
hecha en el procedimiento anterior y 100 partes en peso de resina de
epoxi se mezclan suficientemente para convertirlos en una lechada.
La lechada se vierte en la copa dispuesta en la montura conductora
sobre la cual está montado el componente emisor de luz. Tras su
vertido, la lechada se cura a 130ºC durante una hora. De esta
manera se forma sobre el componente emisor de luz un revestimiento
que tiene un grosor de 120 \mum y que contiene el fosforescente.
En el ejemplo 1 el revestimiento se forma para contener el
fosforescente en una concentración que se incrementa gradualmente
hacia el componente emisor de luz. La intensidad de irradiación es
de aproximadamente 3,5 W/cm_{^{2}}. El componente emisor de luz y
el fosforescente se moldean con resina epoxi traslúcida al objeto
de protección contra las tensiones extrañas, humedad y polvo. Un
bastidor conductor con una capa de revestimiento de fosforescente
formada sobre el mismo se coloca en un molde con forma de bala y se
mezcla con la resina epoxi traslúcida y, seguidamente, se cura a
150ºC durante 5 horas.
Bajo observación visual del diodo emisor de luz
formado como se ha descrito anteriormente en la dirección normal al
plano de emisión de luz, se ha encontrado que la parte central daba
un color amarillento debido al color del cuerpo de
fosforescente.
Las medidas del punto de cromacidad, temperatura
del color, e índice de aportación de color del diodo emisor de luz
fabricado como se ha descrito anteriormente y capaz de emitir luz
blanca dio valores de (0,302, 0,280) para el punto de cromacidad
(x, y), una temperatura de color de 8080 K y 87,5 para el índice de
producción de color (Ra) que son aproximados a las características
de una lámpara fluorescente de forma de onda 3. La eficacia de
emisión de luz fue de 9,5 lm/W, comparable a la de una lámpara
incandescente. Además en ensayos de vida útil en condiciones de
energización con una corriente de 60 mA a 25ºC, 20 mA a 25ºC y 20 mA
a 60ºC, con 90% de humedad relativa, no se observó cambio alguno
debido al material fluorescente, supuesto que el diodo emisor de
luz no tenía diferencia alguna en su vida útil comparado con un
diodo emisor de luz azul convencional.
Ejemplo Comparativo
1
La formación del diodo emisor de luz y las
pruebas de vida útil se realizaron de la misma forma que en ejemplo
1, excepto por el cambio del fosforescente de
(Y_{0,8}Gd_{0,2})_{3}Al_{5}O_{12}:Ce a
(ZnCd)S:Cu, Al. El diodo emisor de luz que había sido
formado mostró, inmediatamente tras su energización, emisión de luz
blanca pero con baja luminancia. En una prueba de vida útil la
emisión disminuyó hasta cero en aproximadamente 10 horas. El
análisis de la causa del deterioro mostró que el material
fluorescente estaba ennegrecido.
Se supone que este problema lo causó la luz
emitida por el componente emisor de luz y la humedad que se había
depositado sobre el material fluorescente o entrado desde el
exterior llevado por fotolisis para producir zinc coloidal y
precipitarlo sobre la superficie del material fluorescente, dando
como resultado una superficie ennegrecida. Los resultados del
ensayo de vida útil en condiciones de energización con una corriente
de 20 mA a 25ºC y 20 mA a 60ºC, con 90% de humedad relativa se
muestran en la Figura 13 conjuntamente con los resultados del
ejemplo 1. La luminancia se da en términos de valor relativo con
respecto al valor inicial como referencia. En la figura 13, una
línea continua indica el ejemplo 1 y una línea ondulada indica el
ejemplo comparativo 1.
En el ejemplo 2, se fabricó un componente emisor
de luz de la misma forma que en el ejemplo 1 excepto que se
incrementó el contenido de In en el compuesto de nitruro
semiconductor del componente emisor de luz de forma que tuviera un
pico de emisión en 460 nm y se incrementó el contenido de Gd en el
fosforescente del ejemplo 1 para tener una composición
(Y_{0,6}Gd_{0,4})_{3}Al_{5}O_{12}:Ce.
Las medidas del punto de cromacidad, temperatura
de color e índice de aportación de color del diodo emisor de luz
que se hicieron de la manera descrita anteriormente y capaces de
emitir luz blanca, dieron unos valores de (0,375, 0,370) para el
punto de cromacidad (x, y), temperatura de color de 4400 K e índice
de aportación de color (Ra) de 86,0. Las Figuras 18A, 18B y 18C
muestran el espectro de emisión del fosforescente, el componente
emisor de luz y el diodo emisor de luz del ejemplo 2,
respectivamente.
100 piezas de diodos emisores de luz del ejemplo
2 se fabricaron y se tomaron sus intensidades luminosas promedio de
los mismos tras una iluminación de 1000 horas. En términos de
porcentaje del valor de la intensidad luminosa antes del ensayo de
vida útil, el promedio de la intensidad luminosa tras la prueba de
vida útil fue del 98,8%, probando que no existían diferencias en
dichas características.
100 diodos emisores de luz se fabricaron de la
misma forma que en el ejemplo 1, excepto que se añadió Sm a los
elementos de tierra rara Y, Gd y Ce del fosforescente para hacer un
material fluorescente con una composición de
(Y_{0,39}Gd_{0,57}Ce_{0,03}Sm_{0,01})_{3}Al_{5}O_{12}.
Cuando se hizo que los diodos emisores de luz iluminaran a una alta
temperatura de 130ºC, la característica de temperatura promedio fue
de aproximadamente 8% mejor que en el ejemplo 1.
Un dispositivo de pantalla de LED del ejemplo 4
se fabricó con los diodos emisores de luz del ejemplo 1 dispuestos
en una matriz de 16 por 16 sobre un sustrato de material cerámico
sobre el cual se formó un dibujo de cobre como el mostrado en la
Figura 11. En el dispositivo de pantalla de LED del ejemplo 4, el
sustrato sobre el cual se dispusieron los diodos emisores de luz se
situó en un chasis 504 fabricado de resina de fenol y provisto con
un miembro de bloqueo de luz 505 formado integralmente con el mismo.
El chasis, los diodos emisores de luz, el sustrato y parte del
miembro de bloqueo de luz, excepto por las puntas de los diodos
emisores de luz se cubrieron con caucho de silicio 502 coloreado en
negro con un pigmento. El sustrato y los diodos emisores de luz se
soldaron por medio de una máquina de soldadura automática.
El dispositivo de pantalla de LED hecho con la
configuración descrita anteriormente, una RAM que temporalmente
almacena los datos de exhibición introducidos, un circuito de
control de tono que procesa los datos almacenados en la RAM para
computar las señales de tono para iluminar los diodos emisores de
luz con un brillo especificado y un medio excitador que es
conmutado por la señal de salida del circuito de control de tono
para hacer que los diodos emisores de luz iluminados estén
conectados eléctricamente para fabricar un dispositivo de pantalla
de LED. Mediante la excitación del dispositivo de pantalla LED se
verificó que el aparato se puede utilizar como un dispositivo de
pantalla de LED negro y blanco.
El diodo emisor de luz del ejemplo 5 se fabricó
de la misma manera que en el ejemplo 1 con la excepción de que se
utilizó fosforescente representado por la formula general
(Y_{0,2}Gd_{0,8})_{3}Al_{5}O_{12}:Ce. 100 piezas
de diodos emisores de luz del ejemplo 5 se fabricaron y se midieron
varias de sus características.
Las medidas del punto de cromacidad dieron
valores de (0,450, 0,420) de promedio para el punto de cromacidad
(x, y) y se emitió luz de una lámpara incandescente de color. La
Figura 19A, la Figura 19B y la Figura 19C muestran el espectro de
emisión del fosforescente, el componente emisor de luz y el diodo
emisor de luz del ejemplo 5, respectivamente. Aunque los diodos
emisores de luz del ejemplo 5 mostraron una luminancia de
aproximadamente un 40% inferior que la de los diodos emisores de
luz del ejemplo 5, mostraron una buena característica de
comportamiento climático comparable a los del ejemplo 1 en el ensayo
de vida útil.
El diodo emisor de luz del ejemplo 6 se fabricó
de la misma manera que en el ejemplo 1 con la excepción de que se
utilizó fosforescente representado por la formula general
Y_{3}Al_{5}O_{12}:Ce. 100 piezas de diodos emisores de luz
del ejemplo 6 se fabricaron y se midieron varias de sus
características.
Las medidas del punto de cromacidad de la luz
blanca ligeramente amarillo-verdosa comparado con
el ejemplo 1 se emitió. El diodo emisor de luz del ejemplo 6 mostró
una buena característica de comportamiento en condiciones
climáticas similares a las del ejemplo 1 en la prueba de vida útil.
Las Figuras 20A, 20B y 20C muestran el espectro de emisión del
fosforescente, el componente emisor de luz y el diodo emisor de luz
del ejemplo 6, respectivamente.
El diodo emisor de luz del ejemplo 7 se fabricó
de la misma manera que en el ejemplo 1 con la excepción de que se
utilizó fosforescente representado por la formula general
Y_{3}(Al_{0,5}Ga_{0,5})_{5}O_{12}:Ce. 100
piezas de diodos emisores de luz del ejemplo 7 se fabricaron y se
midieron varias de sus características.
Aunque los diodos emisores de luz del ejemplo 7
mostraron una luminancia baja, emitieron luz blanca verdosa y
mostraron unas buenas características de comportamiento de
condiciones climáticas similares a las del ejemplo 1 en la prueba
de vida útil. Las Figuras 21A, 21B y 21C muestran el espectro de
emisión del fosforescente, el componente emisor de luz y el diodo
emisor de luz del ejemplo 7, respectivamente.
El diodo emisor de luz del ejemplo 8 se fabricó
de la misma manera que en el ejemplo 1 con la excepción de que se
utilizó fosforescente representado por la formula general
Gd_{3}(Al_{0,5}Ga_{0,5})_{5}O_{12}:Ce. 100
piezas de diodos emisores de luz del ejemplo 8 se fabricaron y se
midieron varias de sus características.
\newpage
Aunque los diodos emisores de luz del ejemplo 8
mostraron una baja luminancia, mostraron un buen comportamiento en
condiciones climáticas similar al del ejemplo 1 en la prueba de vida
útil.
El diodo emisor de luz del ejemplo 9 es un
dispositivo emisor de luz plana con la configuración mostrada en la
Figura 7.
Un semiconductor de In_{0,05}Ga_{0,95}N con
un pico de emisión en 450 nm se usó como componente emisor de luz.
Los componentes emisores de luz se fabricaron fluyendo gas TMG
(trimetril galio), gas TMI (trimetril indio), gas de nitrógeno y
gas dopante conjuntamente con un gas portador sobre un sustrato de
zafiro limpio formándose una capa semiconductora de un compuesto de
nitruro de galio en un proceso MOCVD. Una capa semiconductora de
nitruro de galio con una conductividad tipo N y una capa
semi-conductora de nitruro de galio con una
conductividad tipo P se formaron conmutando SiH_{4} y Cp_{2}Mg
(bis(ciclopentadienil) magnesio como gas dopante, formándose
de dicha forma una unión PN. Para el componente emisor de luz
semiconductor, se formaron una capa de contacto de un semiconductor
de nitruro de galio con una conductividad tipo N, una capa de
revestimiento de nitruro de galio-aluminio
semiconductor con una conductividad tipo N, una capa de
revestimiento de nitruro de galio-aluminio
semiconductor con una conductividad tipo P y una capa de contacto de
nitruro de galio semiconductor con una conductividad tipo P. Se
formó una capa de activación de InGaN dopado con Zn que hace una
unión doble entre la capa de revestimiento con una conductividad
tipo N y una capa de revestimiento con una conductividad tipo P. Se
suministró una capa amortiguadora sobre el sustrato de zafiro
formando una capa de nitruro de galio semiconductor a baja
temperatura. La capa semiconductora de nitruro tipo P se coció a una
temperatura de 400º o superior tras la formación de la
película.
Tras formar las capas semiconductoras y exponer
las superficies de las capas semiconductoras tipo P y tipo N por
grabado químico, se formaron unos electrodos mediante bombardeo de
electrones. Tras grabar la oblea semiconductora fabricada como se
ha descrito anteriormente los componentes emisores de luz se
hicieron componentes emisores de luz mediante la división de la
oblea con una fuerza externa.
El componente emisor de luz se montó sobre una
montura conductora que tenía una copa en la punta de un bastidor
conductor de cobre chapado en plata, unión por troquel con resina
epoxi. Los electrodos del componente emisor de luz , la montura
conductora y el conductor interno se conectaron eléctricamente por
medio de unión por hilo con hilos de oro de un diámetro de 30
\mum.
El bastidor conductor con el componente emisor
de luz fijado sobre el mismo se colocó en un troquel con forma de
bala y se selló con una resina de epoxi translúcida para su moldeo,
y se curo posteriormente a 150ºC durante 5 horas para formar de
dicha manera un diodo emisor de luz azul. El diodo emisor de luz
azul se conectó a una cara terminal de la placa guía óptica
acrílica puliéndose sus caras terminales. Sobre una superficie y
una cara terminal de la placa acrílica se aplicaron impresiones por
estarcido usando titanato de bario dispersado en un aglutinante
acrílico como reflector del color blanco que se curó
posteriormente.
Se fabricó fosforescente de colores verde y rojo
disolviendo elemento de tierra rara de Y, Gd, Ce y La, en ácido en
proporciones estoiquiométricas y se coprecipitó la solución con
ácido oxálico. Se obtuvo óxido de coprecipitado horneando dicho
material mezclado con óxido de aluminio y óxido de galio para
obtener de dicha forma los materiales de la mezcla respectiva. La
mezcla se mezcló posteriormente con floruro de amonio usado como
fluidificante se coció en un crisol a una temperatura de 1.400ºC en
aire durante tres horas. A continuación el material cocido se molió
en un molino de bolas en agua, se lavó, se separó, se secó y se
tamizó para obtener de dicha forma el material deseado.
120 partes en peso del primer material
fluorescente con una composición de
Y_{3}(Al_{0,6}Ga_{0,4})_{5}O_{12}:Ce y
capaz de emitir luz verde se preparó en la forma descrita
anteriormente y 100 partes en peso de un segundo material
fluorescente con una composición de
(Y_{0,4}Gd_{0,6})_{3}Al_{5}O_{12}:Ce y capaz de
emitir luz roja se preparó en un proceso similar al del primer
material fluorescente siendo suficientemente mezclados con 100
partes en peso de resina de epoxi para formar una disolución. La
disolución se aplicó uniformemente sobre la capa acrílica con un
grosor de 0,5 mm por medio de un multirevestidor y se secó para
formar una capa de material fluorescente a utilizar como material
convertidor de color con un grosor de aproximadamente 30 \mum. La
capa de material fluorescente se cortó con el mismo tamaño de forma
que el plano emisor de luz principal de la placa de guía óptica y
dispuesta sobre la placa de guía óptica para formar de dicha forma
el dispositivo emisor de luz plana. Las mediciones del punto de
cromacidad y del índice de suministro de color del dispositivo
emisor de luz dio unos valores de (0,29, 0,34) para el punto de
cromacidad (x, y) y 92,0 para el índice de suministro de color (Ra)
que son aproximadamente las propiedades de una lámpara fluorescente
de una forma de onda 3 . La eficacia de emisión de luz de 12 lm/W
fue comprable a la de la lámpara incandescente. Además, en ensayos
de comportamiento en condiciones climáticas y de energización con
una corriente de 60 mA a temperatura de laboratorio, 20 mA a
temperatura de laboratorio y 20 mA a 60ºC con 90% de humedad
relativa no se observaron cambios en el material fluorescente.
Ejemplo comparativo
2
La formación del diodo emisor de luz y las
pruebas de comportamiento en condiciones climáticas del mismo se
condujeron de la misma forma que en el ejemplo 9 excepto por el
mezclado de las mismas cantidades de un pigmento fluorescente
orgánico verde (FA-001 de Synleuch Chemisch) y un
pigmento fluorescente orgánico rojo (FA-005 de
Synleuch Chemisch) que son derivados de perileno, en vez del primer
material fluorescente representado por la formula general de
Y_{3}(Al_{0,6}Ga_{0,4})_{5}O_{12}:Ce capaz
de emitir luz verde y el segundo material fluorescente representado
por la formula general de
(Y_{0,4}Gd_{0,6})_{3}Al_{5}O_{12}:Ce capaz de
emitir luz roja del ejemplo 9. Las coordenadas de cromacidad del
diodo emisor de luz del ejemplo comparativo 1 así formado fueron
(x, y) = (0,34, 0,35). Las características de comportamiento en
condiciones climáticas se midieron en un ensayo realizado por
radiación con rayos ultravioletas generados por un arco de carbón
durante 200 horas, representando una radiación equivalente de luz
solar durante un período de un año mientras que se midió la
relación de retención de luminancia y el tono de color varias veces
durante el período de ensayo. En un ensayo de fiabilidad, el
componente emisor de luz se energizó para emitir luz a una
temperatura constante de 70ºC mientras se medía la luminancia y el
tono de color en tiempo diferente. Los resultados se muestran en la
Figura 14 y en la Figura 15 conjuntamente con el ejemplo 9. Como se
aprecia claramente en las Figuras
14 y 15, el componente emisor de luz del ejemplo 9 experimenta menos de deterioro que en el ejemplo comparativo 2.
14 y 15, el componente emisor de luz del ejemplo 9 experimenta menos de deterioro que en el ejemplo comparativo 2.
El diodo emisor de luz del ejemplo 10 es un
diodo emisor de luz tipo conductor.
En el diodo emisor de luz del ejemplo 10, se
utilizó un componente emisor de luz con una capa emisora de luz de
In_{0,05}Ga_{0,95}N con un pico de emisión en 450 nm fabricada
de la misma forma que en el ejemplo 9. El componente emisor de luz
se montó en la copa provista en la punta de una montura conductora
de cobre chapado en plata, mediante unión a troquel con resina de
epoxi. Los electrodos del componente emisor de luz, la montura
conductora y el conductor interno se conectaron eléctricamente
mediante unión por hilo de oro.
El fosforescente se fabricó mezclando un primer
material fluorescente representado por la formula general
Y_{3}(Al_{0,5}Ga_{0,5})_{5}O_{12}:Ce capaz
de emitir luz verde y un segundo material fluorescente representado
por la formula general
(Y_{0,2}Gd_{0,8})_{3}Al_{5}O_{12}:Ce capaz de
emitir luz roja y se preparó como sigue. A saber, los elementos de
tierra rara Y, Gd y Ce se disolvieron en ácido en proporciones
estoiquiométrica y se coprecipitó la solución con ácido oxálico. El
óxido de la coprecipitación obtenido mediante cocción se mezcló con
óxido de aluminio y óxido de galio para obtener de dicha forma los
materiales de las mezclas respectivas. La mezcla se mezcló con
floruro de amonio usado como fluidificante y se coció en un crisol
a una temperatura de 1.400ºC en aire durante 3 horas. A
continuación, el material cocido se molió en un molino de bolas con
agua, se lavó, se separó, se secó y se tamizó para obtener de dicha
forma los materiales fluorescente primero y segundo con la
distribución de partículas especificada.
40 partes en peso del primer material
fluorescente, 40 partes en peso del segundo material fluorescente y
100 partes en peso de resina de epoxi se mezclaron suficientemente
para formar una suspensión. La suspensión se vertió dentro de la
copa provista sobre la montura conductora en la que el componente
emisor de luz se colocó. A continuación la resina, incluido el
fosforescente, se curó a 130ºC durante una hora. De dicha forma se
formó una capa de revestimiento incluyendo el fosforescente con un
grosor de 120 \mum sobre el componente emisor de luz. La
concentración del fosforescente en la capa de revestimiento se
incrementó gradualmente hacia el componente emisor de luz. Además,
el componente emisor de luz y el fosforescente se sellaron mediante
moldeo con una resina de epoxi translúcida al objeto de protección
contra tensiones extrañas, humedad y polvo. Un bastidor conductor
con la capa de revestimiento de fosforescente formada sobre el mismo
se colocó en un troquel con forma de bala y se mezcló con la resina
de epoxi traslucida y posteriormente se curó a 150ºC durante 5
horas. Bajo observación visual del diodo emisor de luz formado en la
forma descrita anteriormente en la dirección normal al plano emisor
de luz se encontró que la parte central suministraba color
amarillento debido al color del cuerpo de fosforescente.
Las mediciones del punto de cromaticidad,
temperatura del color e índice de aportación de color del diodo
emisor de luz del ejemplo 10 fabricado de la forma descrita
anteriormente dio unos valores de (0,32, 0,34) para el punto de
cromacidad (x, y), 89,0 para el índice de aportación de color (Ra) y
una eficacia de emisión de luz de 10 lm/W. Además, en las pruebas
de comportamiento en condiciones climáticas y energización con una
corriente 60 mA a temperatura ambiente, 20 mA a temperatura ambiente
y 20 mA a 60ºC, con 90% de humedad relativa, no se observaron
cambios debido al fosforescente, no mostrando diferencia alguna con
un diodo emisor de luz azul ordinario en las características de vida
útil.
Un semiconductor de In_{0,4}Ga_{0,6}N con un
pico de emisión de 470 nm se usó como elemento LED. Los componentes
emisores de luz se fabricaron fluyendo gas TMG (trimetril galio),
GTMI (trimetril indio), gas de nitrógeno y gas dopante
conjuntamente con un gas portador sobre un sustrato de zafiro limpio
para formar de dicha forma una capa semiconductora de un compuesto
de nitruro de galio en el proceso MOCVD. Una capa semiconductora de
nitruro de galio con una conductibilidad de tipo N y una capa
semiconductora de nitruro de galio con una conductibilidad de P se
formaron conmutando SiH_{4} y Cp_{2}Mg
(bis(ciclopentadietil)magnesio) usado como gas
dopante, para formar de dicha manera una unión PN. Para el elemento
LED, se formaron una capa de contacto de nitruro de galio
semiconductor con una conductibilidad tipo N, una capa de
revestimiento con un semiconductor de nitruro de
galio-aluminio con una conductibilidad tipo P y una
capa de contacto con un semiconductor de nitruro de galio con una
conductibilidad tipo P. Se formó una capa de activación de InGaN no
dopado con un grosor de aproximadamente 3 nm entre la capa de
contacto con una conductibilidad tipo N y una capa de revestimiento
con una conductibilidad tipo P para fabricar de dicha manera una
estructura cuántica de un solo pocillo. Se suministró una capa
amortiguadora sobre el sustrato de zafiro mediante la formación de
una capa semiconductora de nitruro de galio a baja temperatura.
Tras formar las capas y exponer las superficies
de las capas semiconductoras tipo P y tipo N mediante ataque
químico se formaron los electrodos mediante bombardeo iónico. Tras
dibujar la oblea semiconductora fabricada como se ha descrito
anteriormente, se cortaron los componentes emisores de luz de la
oblea con una fuerza externa.
El componente emisor de luz se montó en una copa
en la punta de una montura conductora de cobre chapado en plata
mediante unión por troquel con resina de epoxi. SE conectaron
eléctricamente los electrodos del primer componente emisor de luz,
la montura conductora y la montura interna mediante unión con hilos
de oro de un diámetro de 30 \mum.
El bastidor conductor con el componente emisor
de luz fijado sobre el mismo se colocó en un troquel con forma de
bala y se selló con una resina de epoxi traslúcida para moldeo, que
se curó posteriormente a 150º durante 5 horas, para formar de dicha
manera un diodo emisor de luz azul. El diodo emisor de luz azul se
conectó a una cara terminal de la placa de guía óptica acrílica
puliéndose sus caras terminales. Sobre una superficie y una cara
lateral de la placa acrílica se aplicó una impresión por estarcido
usando titanato de bario dispersado en un aglutinante acrílico como
reflector de color blanco que fue posteriormente curado.
El fosforescente se fabricó mezclando un
material fluorescente representado por la formula general
(Y_{0,8}Gd_{0,2})_{3}
Al_{5}O_{12}:Ce capaz de emitir luz amarilla de una longitud de onda relativamente corta y un material fluorescente representado por la formula general (Y0_{4}Gd0_{6})3Al5O_{12}:Ce capaz de emitir luz amarilla de una longitud de onda relativamente larga preparada con los hilos. Los elementos de tierra rara Y, Gd y Ce se disolvieron en ácidos en proporciones estoiquiométricas y se coprecipito la solución con ácido oxálico. El óxido de la coprecipitación obtenida mediante cocción se mezclo con óxido de aluminio para obtener de dicha forma el material de mezcla. La mezcla se mezclo posteriormente con floruro de amonio usado como fluidificante flux y se coció en un crisol a una temperatura de 1.400ºC en aire durante 3 horas. A Continuación el material cocido se molió con un molino de bolas en agua, se lavo, separo, seco y tamizo.
Al_{5}O_{12}:Ce capaz de emitir luz amarilla de una longitud de onda relativamente corta y un material fluorescente representado por la formula general (Y0_{4}Gd0_{6})3Al5O_{12}:Ce capaz de emitir luz amarilla de una longitud de onda relativamente larga preparada con los hilos. Los elementos de tierra rara Y, Gd y Ce se disolvieron en ácidos en proporciones estoiquiométricas y se coprecipito la solución con ácido oxálico. El óxido de la coprecipitación obtenida mediante cocción se mezclo con óxido de aluminio para obtener de dicha forma el material de mezcla. La mezcla se mezclo posteriormente con floruro de amonio usado como fluidificante flux y se coció en un crisol a una temperatura de 1.400ºC en aire durante 3 horas. A Continuación el material cocido se molió con un molino de bolas en agua, se lavo, separo, seco y tamizo.
100 partes de peso del material fluorescente
amarillo de una longitud de onda relativamente corta y 100 partes
en peso de un material fluorescente amarillo de una longitud de onda
relativamente larga fabricados como se ha mencionado anteriormente
se mezclaron suficientemente con 1000 partes en peso de resina
acrílica y se moldearon por extrusión para de dicha forma formar
una película de material fluorescente para su uso como material
conversor de color de aproximadamente de 180 \mum de grosor. La
película de material fluorescente se corto con el mismo tamaño que
el plano de emisión principal de la placa de guía óptica y se
dispuso sobre la placa de guía óptica para fabricar de dicha forma
un dispositivo emisor de luz. Las mediciones del punto de cromacidad
e índice de aportación de color del dispositivo emisor de luz del
ejemplo 3 fabricado como se ha descrito anteriormente dieron unos
valores de (0,33, 0,34) para el punto de cromacidad (x, y), 88,0
para el índice de suministro de color (Ra) y una eficacia de
emisión de luz de 101 m/W. Las Figuras 22A, 22B y 22C muestran los
espectros de emisión del material fluorescente representado por
(Y0,8Gd0,2)3Al5O_{12}:Ce y un material fluorescente
representado por la formula general (Y0,4Gd0,6)3Al5O12:Ce
usado en el ejemplo 11. La Figura 23 muestra el espectro de emisión
del diodo emisor de luz del ejemplo 11. Tras unos ensayos de vida
útil en condiciones de energización con una corriente de 60 mA a
temperatura ambiente, 20 mA a temperatura ambiente y 20 mA a 60ºC,
con 90% de humedad relativa no se observaron cambios en el material
fluorescente. De forma similar, la cromacidad deseada se pueda
mantener incluso cuando la longitud de onda del componente emisor de
luz se cambia cuando se cambia el contenido del material
fluorescente.
El diodo emisor de luz del ejemplo 12 se fabricó
de la misma manera que en el ejemplo 1 excepto que se usó
fosforescente representado por la formula general
Y3In_{5}O_{12}:Ce. Se fabricaron 100 piezas del diodo emisor de
luz del ejemplo 12. Aunque el diodo emisor de luz del ejemplo 12
mostró una luminancia inferior a la de los diodos emisores de luz
del ejemplo 1, mostró buenas características de comportamiento en
condiciones climáticas comprables a las del ejemplo 1 en el ensayo
de vida útil.
Como se describió anteriormente, el diodo emisor
de luz de la presente invención puede emitir luz de un color
deseado y su eficacia de emisión está sometida a un menos deterioro,
con buenas características de comportamiento en condiciones
climáticas incluso cuando se use con alta luminancia durante un
largo período de tiempo. De dicha forma, la aplicación del diodo
emisor de luz no esta limitada a aparatos electrónicos sino que
puede abrir nuevas aplicaciones incluyendo pantallas para
automóviles, aeroplanos y boyas para puertos, así como para uso en
el exterior como señales e iluminación de vías de comunicación.
Claims (13)
1. Un dispositivo emisor de luz, que comprende
un componente (102) emisor de luz y un fosforescente (101) capaz
de absorber una parte de la luz emitida por el componente emisor de
luz y que emite luz de una longitud de onda diferente a la de la
luz absorbida; en el que dicho componente (102) emisor de luz
comprende un compuesto semiconductor basado en GaN y dicho
fosforescente contiene un material fluorescente de granate según la
formula:
(Y1-rGdr)3Al5O12:Ce,
en la que 0 \leqr \leq 1 en la
que Al puede ser sustituido al menos parcialmente por Ga y/o In,
y
en la que dicho componente (102) emisor de luz
es un diodo emisor de luz (LED) azul y
en el que dicho fosforescente está situado en
contacto directo o indirecto con dicho diodo emisor de luz azul
y
en el que el pico de emisión principal del diodo
emisor de luz se establece dentro del rango entre 400 nm y 530 nm y
la longitud de onda de emisión principal del fosforescente se
establece para que sea más larga que el pico de emisión principal
del componente emisor de luz.
2. Un dispositivo emisor de luz según la
reivindicación 1, en el que el semiconductor compuesto basado en GaN
contiene In.
3. Un dispositivo según una de las
reivindicaciones 1 o 2, en el que el componente (102) emisor de luz
está instalado sobre una copa (105a) de una primera montura
conductora (105), dicha copa (105a) se llena de un material (101)
de revestimiento para cubrir el componente (102) emisor de luz, en
el que el componente (102) emisor de luz tiene dos electrodos, uno
de los cuales está conectado por medio de un hilo (103) conductor a
una segunda montura conductora (106), dicho componente (102) emisor
de luz, dicha copa (105a), dichos materiales de revestimientos
están cubiertos por un material de moldeo, dicha primera montura
conductora y dicha segunda montura conductora (106) están
parcialmente cubiertos por dicho material (104) de moldeo, y en el
que dicho fosforescente puede estar contenido bien en el material
(104) de moldeo o en el material (101) de revestimiento o tanto en
el material (101) de revestimiento como en el material (104) de
moldeo.
4. Un dispositivo según la reivindicación 3, en
el que el material (104) de moldeo es un material transparente tal
como resina de epoxi, resina de urea, resina de sílice o vidrio.
5. Un dispositivo según la reivindicación 3, en
el que el material (101) de revestimiento es un material
transparente tal como resina de epoxi, resina de urea, resina de
sílice o vidrio.
6. Un dispositivo según las reivindicaciones 3 a
5, en el que el material (104) de moldeo es igual que el material
(101) de revestimiento.
7. Un dispositivo según las reivindicaciones 3 a
6, en el que el material (104) de moldeo contiene un dispersante
tal como titanato de bario, óxido de titanio, óxido de aluminio o
dióxido de sílice.
8. Un dispositivo según las reivindicaciones 3 a
7, en el que el material (104) de moldeo (104) contiene un agente
colorante.
9. Un dispositivo según una de las
reivindicaciones 1 a 2, en el que el componente (202) emisor de luz
está montado en el entrante de una carcasa (204) de moldeada, dicha
carcasa se llena de un material (201) de revestimiento para cubrir
el componente (202) emisor de luz, en el que dicho componente (202)
emisor de luz tiene electrodos conectados por medio de hilos (203)
conductores a terminales (205) metálicos instalados en partes
opuestas de dicha carcasa (204), y en el que el material (201) de
revestimiento contiene dicho fosforescente.
10. Un dispositivo según una de las
reivindicaciones 1 a 2, que comprende una placa (704) de guía óptica
sustancialmente rectangular que está provista con un componente
(702) emisor de luz montado sobre una cara lateral anterior de la
misma y, excepto en una superficie principal, está cubierta con un
material reflector (705).
11. Un dispositivo según la reivindicación 10,
en el que dicho fosforescente está contenido en un material (701)
de revestimiento montado sobre dicha cara lateral anterior y en
contacto directo con el componente (702) emisor de luz.
12. Un dispositivo según la reivindicación 10,
en el que el fosforescente (706) esta instalado sobre una superficie
principal de la placa (704) de guía óptica no cubierta con el
material (705) reflector.
13. Un dispositivo de pantalla de LED que
comprende dispositivos según una de las reivindicaciones 1 a 3 y 9
dispuestos en una matriz y un circuito de excitación que excita el
dispositivo de pantalla de LED según los datos de exhibición
introducidos en el mismo.
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