JP2002016295A - 白色光を放出する発光ダイオード - Google Patents

白色光を放出する発光ダイオード

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JP2002016295A
JP2002016295A JP2001125347A JP2001125347A JP2002016295A JP 2002016295 A JP2002016295 A JP 2002016295A JP 2001125347 A JP2001125347 A JP 2001125347A JP 2001125347 A JP2001125347 A JP 2001125347A JP 2002016295 A JP2002016295 A JP 2002016295A
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fluorescence conversion
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Regina Mueller-Mach
ミューラー−マッハ レジーナ
Gerd O Mueller
オー ミューラー ゲルド
Paul S Martin
エス マーティン ポール
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Lumileds LLC
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 青緑色光に対応する４８５〜５１５ナノメー
トル（ｎｍ）の範囲の波長で１次光を放出する、白色発
光ダイオード(ＬＥＤ）を提供する。 【解決手段】 １次光の１部は、６００〜６２０ｎｍの
波長の範囲にある類赤色光に変換される。変換光の１部
が、１次光の変換されない部分と結合し、白色光が生成
される。多数の蛍光変換素子が、ＬＥＤに使用でき、蛍
光体粉末と混合された樹脂、蛍光体粉末と混合されたエ
ポキシ、有機ルミネセンス染料、蛍光変換薄膜及び蛍光
変換基板が含まれる。蛍光変換素子は、樹脂に当った１
次光の１部が類赤色光に変換され、１次光の１部は変換
されずに樹脂を通過する、蛍光体粉末と混合された樹脂
であるのが好ましい。変換されない１次光と変換された
類赤色光は結合して白色光を生成する。ＬＥＤは蛍光変
換樹脂を満たした反射カップ中に取付けられる。ＬＥＤ
は反射カップ内に、正規あるいはフリップチップ形態の
いずれかで取付けられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発光ダイオード装
置に関し、より詳細には、１次の青緑色光を蛍光変換さ
れた類赤色光と結合させることにより白色光を生成する
発光ダイオード装置に関する。
【０００２】
【従来技術】緑色の交通信号灯に用いられる発光ダイオ
ード（ＬＥＤｓ）は、概略４８５ないし５１５ナノメー
トル（ｎｍ）の範囲の波長で青緑光を発光する。波長発
光範囲は、法律によって指定され、この範囲の非常に狭
いサブセットである。これらのＬＥＤｓが製造されたと
きは、放出光が法的に定められた範囲にあるか否かが試
験される。もしこのＬＥＤｓが仕様に適合しなければ、
通常は破棄される。
【０００３】４５０ないし５２０ナノメートル（ｎｍ）
のスペクトル範囲の光を発光する性能のよいＬＥＤｓの
発展に伴い、ＬＥＤの１次発光の１部をより長波長に蛍
光変換することにより白色光を発生するＬＥＤｓの製造
が、実現可能になってきている。１次発光の変換されな
い部分が、より長波長の光と結合して白色光を生成す
る。ＬＥＤが、照明目的のために良好な（すなわち優れ
た演色性能を有する）白色光を生成するためには、１次
発光は例えば４８０ｎｍ未満の波長でなければならな
い。しかしながら、もしＬＥＤが信号あるいは表示の目
的にのみ用いられるのであれば、１次発光は４８０ｎｍ
より長い波長であることができる。４８０ｎｍよりも長
波長の１次発光の蛍光変換でも、直接あるいはその光が
当った拡散スクリーンで見たとき白色に見える光ならば
生成できる。そのようなＬＥＤは、演色性に劣るため照
明の目的には一般的には適さないが、種々の表示や信号
（例えば歩行者交通信号灯）における使用には好適であ
り得る。
【０００４】歩行者交通信号灯は、現在は、ＬＥＤｓを
用いない形式の交通信号灯のみである。歩行者交通信号
灯は、通常は信号用の白熱電球が用いられる。この電球
は比較的早く断線し、しばしば交換しなければならな
い。この目的あるいは他の信号及び／あるいは表示目的
のために、好適な白色光を生成するＬＥＤが提供される
ことが望ましい。ＬＥＤは白熱電球に比べ少ないエネル
ギーしか消費せず、また通常は白熱電球より非常に長い
寿命を有している。その結果、ＬＥＤｓは保守が少なく
てすみ、これらの種類の環境において、白熱電球に比べ
てより経済的な解決ををたらす可能性がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従って、信号及び／あ
るいは表示目的のために好適な、白色光を発光するＬＥ
Ｄへの要求が存在している。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、青緑色に対応
する概略４８５ないし概略５１５ｎｍの波長で１次光を
発光する、白色光発光ダイオード（ＬＥＤ）を提供す
る。１次光の１部は、概略６００ないし概略６２０ｎｍ
の波長の範囲にある類赤色光に変換される。変換された
光の少なくとも１部が、１次光の変換されない部分と結
合し、白色光が生成される。ＬＥＤは、基板及び、その
基板表面上に配置される発光構造体を備える。 発光構
造体は１次光を放出し、１次光は蛍光変換素子上に突き
当って類赤色光を生成させ、その光は青緑色光と結合し
て白色光が生成される。
【０００７】多数の蛍光変換素子が本発明のＬＥＤに好
適に使用でき、それらには蛍光体粉末と混合された樹
脂、蛍光体粉末と混合されたエポキシ、有機ルミネセン
ス染料、蛍光変換薄膜及び蛍光変換基板が含まれる。蛍
光変換素子は、樹脂上に突き当った１次光の１部が類赤
色光に変換され、１次光の１部は変換されずに樹脂を通
過する、蛍光体粉末と混合された樹脂であるのが好まし
い。変換されない１次光と変換された類赤色光は結合し
て白色光を生成する。この実施形態によると、ＬＥＤは
蛍光変換樹脂を満たした反射カップ中に取付けられる。
ＬＥＤは反射カップ内に、正規あるいはフリップチップ
形態のいずれかで取付けられることができる。本発明及
びその変形の他の特徴や利点は、以下の記載、図面、及
び特許請求の範囲により明らかになろう。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の実施形態に
よる発光ダイオード（ＬＥＤ）１の斜視図であって、Ｌ
ＥＤは反射カップの中に取付けられている。本発明のＬ
ＥＤ１は、いかなる特定のＬＥＤ設計にも限定されない
が、一般的には青緑色光である、概略４８５ないし概略
５１５ｎｍの波長範囲の１次光を発光できるものでなけ
ればならない。前述のように、緑色の交通信号灯に用い
るために設計されたＬＥＤｓは青緑色光を生成する。そ
の特別の目的のために設計されたＬＥＤｓは前記の仕様
に適合しないときは通常破棄されるので、そのようなＬ
ＥＤは本発明に従って用いられるのが好ましい。本発明
では、そのようなＬＥＤｓを使用して、照明についての
工業標準に適合するようには一般的に設計されないが、
信号及び／あるいは表示目的には好適である白色光放出
ＬＥＤｓを製造することができる。
【０００９】ＬＥＤ１は、例えば、２つのｎ−ＧａＮ層
３及び４、ＳＱＷあるいはＭＱＷのＧａＩｎＮ層５、ｐ
−ＡｌＧａＮ層６、及びｐ−ＧａＮ層７を備える、発光
構造体２を含む。発光構造体２は、また、ｎ−電極ボン
ドパッド８、ｎ−電極３、ｐ−電極ボンドパッド１１、
及びｐ−電極１２を備える。ｎ−電極３はＧａＮから構
成される。電極ボンドパッド８及び１１は、電源（図示
せず）に接続されたときバイアス電流を供給し、青緑色
であって概略４８５ないし５１５ｎｍの波長範囲の１次
光を、ＬＥＤ１から放出させる。
【００１０】ＬＥＤ１をつくるために用いられる材料
は、図１を参照して先に論じた材料に限定されないこと
に注目されたい。ＬＥＤ１が種々の種類の材料から構成
することができることは、当業者には理解されるであろ
う。前述のように、ＬＥＤ装置が、青緑色であって概略
４８５ないし５１５ｎｍの波長範囲の１次光を放出する
ものとして、本発明により使用される点を除いては、Ｌ
ＥＤ１は如何なる特定の型のＬＥＤに限定されるもので
はない。当業者には、種々のＬＥＤｓがこの目的に適し
ていることが既知であることが理解されであろう。
【００１１】１次発光を発生する発光構造体２は、両方
とも１次発光に対して透過性である、サファイア（Ａｌ
２Ｏ３）あるいは炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板１３のいず
れかの上にエピタキシャル成長させるのが好ましい。図
１に示される実施形態によると、ＬＥＤ１は反射カップ
１６中に、通常「正規」形態と呼ばれる形態で取付けら
れている。反射カップは好ましくは蛍光変換樹脂１７で
満たされる。もしくは、反射カップ１６はエポキシある
いはルミネセンス染料で満たされることもできる。作動
時に、ＬＥＤ１が駆動されたとき、ＬＥＤ１により放出
される１次放射光が蛍光変換樹脂１７に突き当たる。樹
脂１７に突き当った１次放射光の１部は、樹脂１７によ
り類赤色光に変換される。類赤色光の波長は概略６００
ないし概略６２０ｎｍの範囲にある。１次放射光の変換
されない部分は、樹脂を通過し、そして類赤色光と結合
して白色光を生成する。
【００１２】図２は他の実施形態による本発明のＬＥＤ
１の斜視図であって、ＬＥＤ１は反射カップ内に、「フ
リップチップ」取付け形態で取付けられる。従って、Ｌ
ＥＤ１の種々の構成要素については繰り返さない。フリ
ップチップ取付け形態においては、ｐ−電極ボンドパッ
ド１１は、導電材料から構成される反射カップ１６の内
面に導電要素（図示せず）により電気的に接続される。
図１に示される実施形態と同様に、反射カップ１６は好
ましくは蛍光変換樹脂１７で満たされる。もしくは、反
射カップは蛍光変換エポキシあるいは蛍光変換染料で満
たされることもできる。基板１３は透過性であり、また
ｐ−電極１２は反射性であり、発光構造体により発生さ
れた１次発光はｐ−電極１２から反射されて基板１３を
通過し樹脂１７に入る。図１に示される実施形態と同様
に、基板１３は種々の材料で構成されることができ、そ
れらの材料にはサファイア及び炭化ケイ素が含まれ、両
者とも１次発光に対して透過性である。しかしながら、
図１に示される実施形態ではｐ−電極１２は透過性であ
るのに対し、図２に示される実施形態によるとｐ−電極
１２は反射性である。
【００１３】１次光が１つあるいはそれ以上の波長を有
する光を含むことができることに注目されたい。同様
に、１次光による励起に対応して蛍光変換素子から放出
される光は、１つあるいはそれ以上の波長の光を含むこ
とができる。例えば、発光構造体２により発光される１
次光は、スペクトル帯を構成する複数の波長に相当する
ことができる。同じく、樹脂１７により放出される類赤
色光も、スペクトル帯を構成する複数の波長に相当する
ことができる。それらのスペクトル帯における各波長
は、結合して白色光を生成することができる。従って、
個々の波長が本発明の概念及び原理を説明するために本
明細書で論じられているが、当業者には、本明細書で論
じられている励起が、複数の波長あるいはスペクトル帯
の発光により惹き起こされ、また複数の波長あるいはス
ペクトル帯の発光を生じることを理解されるであろう。
従って、「スペクトル帯」の用語は、少なくとも１つの
波長及び潜在的には多数の波長からなる帯域を意味する
ことを意図している。「波長」の用語は、スペクトル帯
のピーク強度での波長を意味することを意図している。
【００１４】蛍光変換樹脂１７は、好ましくは、（Ｓ
ｒ，Ｃａ，Ｂａ）Ｓ：Ｅｕ２＋として化学的に識別され
る蛍光体族から選択される蛍光体を含む樹脂である。こ
の族から選択される１つの蛍光体は、ユウロピウムでド
ープされた硫化ストロンチウムであり、化学的にはＳｒ
Ｓ：Ｅｕ２＋として定義され、６１０ｎｍにピーク発光
を有する。しかしながら、当業者には理解されるよう
に、蛍光変換樹脂１７を製造するために他の蛍光体を混
合することができる。蛍光変換樹脂、染料あるいはエポ
キシではなく、他の型の蛍光変換素子を用いることもで
き、それらには蛍光変換薄膜、蛍光変換基板、あるいは
それらの素子の種々の組合わせが含まれる。この目的に
好適な蛍光変換薄膜及び蛍光変換基板は、全てが１９９
９年９月２７日に出願された、係属中の米国特許出願番
号第０９／４０７，２３１号、第０９／４０７，２２８
号及び第０９／４０５，９３８号に開示されており、こ
れらは本発明の出願人に譲渡されており、参考文献とし
て本明細書にその全体が組み込まれている。
【００１５】これらの出願は、これらの蛍光変換素子が
蛍光変換を行うために用いられる方法を論じている。こ
れらの種々の型の蛍光変換素子を本発明のＬＥＤに従っ
て用い、ＬＥＤの発光する１次の青緑色光の１部を類赤
色光に変換し、この光を１次の青緑色光の変換されない
部分と結合させ白色光を生成するのに使用できる方法
は、当業者には理解できるであろう。そのため、本発明
に従ってこれらの蛍光変換素子が使用できる方法につい
ては、本明細書では論じない。
【００１６】本発明のＬＥＤは、信号及び表示目的のた
めに好適であるが一般的に照明目的には適さない、白色
光を生成する。本発明の１つあるいはそれ以上のＬＥＤ
が、図３に示される拡散要素２５のような拡散要素とと
もに用いられるとき、拡散要素２５のハッシュマーク２
６により示される、拡散要素の表面を粗くした特徴が、
白色光を拡散させ、あるいは広がりをもたせ又は柔らか
味をもたせる。拡散要素２５は、例えば、歩行者用「Ｗ
ＡＬＫ」交通信号灯の艶消し拡散板とすることができ
る。本発明のＬＥＤが種々の型の拡散装置に用いられ
て、有用な機能を提供できる方法は、当業者には理解で
きよう。拡散装置は、簡単には、ＬＥＤを覆う樹脂ドー
ムの前方表面とすることができることに注目されたい。
【００１７】本発明を種々の実施形態に関して記述して
きたが、これは本発明の概念及び原理を説明するためで
あることに注目されたい。本発明はこれらの実施形態に
限定されるものではない。本明細書で論じた実施形態に
ついて、本発明の範囲内で種々の修正が可能であること
は、当業者はに理解されるであろう。例えば、本発明は
ある種の材料で構成されたＬＥＤに関して論じて来た
が、当業者には、本発明がこれらの材料で構成されるＬ
ＥＤに限定されないことは理解さるであろう。また、本
発明は図１及び図２に示される反射カップ取付け形態に
関して詳細に論じて来たが、当業者には、本発明がこれ
らの特定の取付け形態に限定されないことが理解される
であろう。同様に、本発明は、本明細書で論じた蛍光変
換素子にのみ限定されるものではない。当業者には、先
に論じた実施形態の全ての態様に関して、本発明の範囲
を逸脱することなく変更できることが理解されるであろ
う。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＬＥＤが蛍光変換樹脂で満たされた反射カップ
中に配置されている、第１の実施形態による本発明のＬ
ＥＤの斜視図である。
【図２】ＬＥＤが蛍光変換樹脂で満たされた反射カップ
中に、フリップチップ形態で配置されている、第２の実
施形態による本発明のＬＥＤの斜視図である。
【図３】図１及び図２に示される本発明の白色光放出Ｌ
ＥＤに用いて、信号及び／あるいは表示目的に好適な、
完全に拡散した光を放出する装置を得ることができる、
拡散要素の平面図である。
【符号の説明】
１ 発光ダイオード ２ 発光構造体 ３、４ ｎ−ＧａＮ層 ５ ＧａＩｎＮ層 ６ ｐ−ＡｌＧａＮ層 ７ ｐ−ＧａＮ層 ８ ｎ−電極ボンドパッド １１ ｐ−電極ボンドパッド １２ ｐ−電極 １３ 基板 １６ 反射カップ １７ 蛍光変換樹脂
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゲルド オー ミューラー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95132 サン ホセ スウェイガート ロ ード 3491 (72)発明者 ポール エス マーティン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94588 プレザントン フェアオークス ドライヴ 7665 Ｆターム(参考） 4H001 XA16 XA20 XA38 XA56 XA63 YA63 5F041 AA12 AA14 CA40 CA46 DA01 DA36 EE25 FF11

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 白色光を発生するための発光ダイオード
    （ＬＥＤ）装置であって、 駆動されたとき概略４８５ないし概略５１５ナノメート
    ル（ｎｍ）の範囲の少なくとも１つの波長を有する１次
    放射光を放出する発光装置と、 前記発光装置により発生され、それに突き当たる前記１
    次放射光を受光するように配置される蛍光変換素子であ
    って、前記蛍光変換素子に受光された前記１次放射光の
    第１の部分は、前記蛍光変換素子を通過して変換されな
    いまま残り、前記蛍光変換素子に受光された前記１次放
    射光の第２の部分は、前記１次放射光より長波長の光に
    変換され、前記１次放射光の前記第１の部分と前記長波
    長の光が結合して白色光を生成する蛍光変換素子と、を
    備えることを特徴とする発光ダイオード（ＬＥＤ）装
    置。
  2. 【請求項２】 前記長波長の光が概略６００ないし６２
    ０ｎｍの範囲の少なくとも１つの波長を含むことを特徴
    とする請求項１に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）装
    置。
  3. 【請求項３】 反射カップをさらに含み、基板、前記発
    光装置、及び前記蛍光変換素子が前記反射カップ内に配
    置され、前記反射カップが前記ＬＥＤ装置により生成さ
    れた白色光が通過する開口部を有する、ことを特徴とす
    る請求項１に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）装置。
  4. 【請求項４】 前記蛍光変換素子が、蛍光体が混合され
    た樹脂を含み、前記反射カップが、前記基板と前記発光
    装置が実質的に前記樹脂混合物中に没する程度に前記樹
    脂混合物で満たされることを特徴とする請求項３に記載
    の発光ダイオード（ＬＥＤ）装置。
  5. 【請求項５】 前記ＬＥＤ装置が、信号目的に利用され
    ることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード
    （ＬＥＤ）装置。
  6. 【請求項６】 表示目的のための拡散スクリーンをさら
    に含むことを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオー
    ド（ＬＥＤ）装置。
  7. 【請求項７】 前記基板が、前記１次放射光に対して透
    過性であり、前記ＬＥＤ装置が前記反射カップ内に「フ
    リップチップ」取付け形態で取付けられることを特徴と
    する請求項４に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）装置。
  8. 【請求項８】 前記基板が、前記１次放射光に対して不
    透過性であり、前記ＬＥＤ装置が前記反射カップ内に
    「正規」取付け形態で取付けられることを特徴とする請
    求項４に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）装置。
  9. 【請求項９】 前記樹脂が、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）Ｓ：
    Ｅｕ２＋として化学的に識別される蛍光体族から選択さ
    れる蛍光体と混合されることを特徴とする請求項４に記
    載の発光ダイオード（ＬＥＤ）装置。
  10. 【請求項１０】 前記蛍光体が、ＳｒＳ：Ｅｕ２＋とし
    て化学的に定義される、ユウロピウムでドープされた硫
    化ストロンチウムであることを特徴とする請求項９に記
    載の発光ダイオード（ＬＥＤ）装置。
  11. 【請求項１１】 前記蛍光変換素子が、蛍光体が混合さ
    れたエポキシを含み、前記反射カップが、前記基板と前
    記発光装置が実質的に前記エポキシ混合物中に没する程
    度に前記エポキシ混合物で満たされることを特徴とする
    請求項３に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）装置。
  12. 【請求項１２】 前記ＬＥＤ装置が、信号目的に利用さ
    れることを特徴とする請求項１１に記載の発光ダイオー
    ド（ＬＥＤ）装置。
  13. 【請求項１３】 表示目的のための拡散スクリーンをさ
    らに含むことを特徴とする請求項１１に記載の発光ダイ
    オード（ＬＥＤ）装置。
  14. 【請求項１４】 前記基板が、前記１次放射光に対して
    透過性であり、前記ＬＥＤ装置が前記反射カップ内に
    「フリップチップ」取付け形態で取付けられることを特
    徴とする請求項１１に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）
    装置。
  15. 【請求項１５】 前記基板が、前記１次放射光に対して
    不透過性であり、前記ＬＥＤ装置が前記反射カップ内に
    「正規」取付け形態で取付けられることを特徴とする請
    求項４に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）装置。
  16. 【請求項１６】 前記蛍光変換素子が、有機ルミネセン
    ス染料であり、前記反射カップが、前記基板と前記発光
    装置が実質的に前記染料中に没する程度に前記染料で満
    たされることを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオ
    ード（ＬＥＤ）装置。
  17. 【請求項１７】 前記ＬＥＤ装置が、信号目的に利用さ
    れることを特徴とする請求項１６に記載の発光ダイオー
    ド（ＬＥＤ）装置。
  18. 【請求項１８】 前記ＬＥＤ装置が、表示目的のための
    拡散スクリーンとともに用いられることを特徴とする請
    求項１７に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）装置。
  19. 【請求項１９】 前記基板が、前記１次放射光に対して
    透過性であり、前記ＬＥＤ装置が前記反射カップ内に
    「フリップチップ」取付け形態で取付けられることを特
    徴とする請求項１７に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）
    装置。
  20. 【請求項２０】 前記基板が、前記１次放射光に対して
    不透過性であり、前記ＬＥＤ装置が前記反射カップ内に
    「正規」取付け形式で取付けられることを特徴とする請
    求項４に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）装置。
  21. 【請求項２１】 前記蛍光変換素子が、蛍光変換薄膜で
    あることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード
    （ＬＥＤ）装置。
  22. 【請求項２２】 前記蛍光変換素子が、蛍光変換基板で
    あり、前記蛍光変換基板、前記発光装置が前記蛍光変換
    基板上に配置されていることを特徴とする請求項１に記
    載の発光ダイオード（ＬＥＤ）装置。
JP2001125347A 2000-04-24 2001-04-24 白色光を放出する発光ダイオード Abandoned JP2002016295A (ja)

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