JP2003141905A - Ledベースの面状光源 - Google Patents
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Abstract
て、この面状光源によって高い光の収量を達成すると共
にこの面状光源が経済的であるようにすること。 【解決手段】 混色原理を利用するLEDベースの面状
光源であって、面状に配置された紫外線を放射するダイ
オードのビームが、紫外線を吸収する少なくとも1つの
蛍光材料による変換によって、より波長の長い光ビーム
に変換され、この光ビームが青色成分と混合される形式
の、LEDベースの面状光源において、上記の紫外線ダ
イオードのビームは、少なくとも1つの蛍光材料によっ
て吸収され、これに対して前記の青色成分は、青色を放
射する少なくとも1つのLEDによって供給されること
を特徴とする、LEDベースの面状光源を構成する。
Description
る、LEDベースの面状光源に関し、ここでは面状に配
置された紫外線を放射するダイオードのビームが、紫外
線を吸収する少なくとも1つの蛍光材料による変換によ
って、より波長の長い光ビームに変換され、この光ビー
ムが青色成分と混合される。この面状光源は、例えば、
LCDバックライト用の面状光源であり、または例えば
フルカラーで利用でき、高い輝度を有する別の適用に対
する面状光源である。
LEDベースの面状光源が公知であり、ここでは青色L
EDによって、黄色−橙色の蛍光材料による部分的な変
換により、平らに面に白色光が形成される。しかしなが
らこのような単純な補色混合によっては良好な色再現を
得ることはできない。
ンセプトは3色混合である。ここでは混合によって白色
を形成するために赤色−緑色−青色(RGB)の基本色
が使用される。この場合、赤色と緑色を放射する2つの
蛍光材料の部分的な変換のために青色LEDを使用可能
であるか(WO00/33390)、または紫外線を放
射するLEDが使用され、このLEDにより、赤色、緑
色および青色においてそれぞれ放射を有する3つの蛍光
材料が励起される。これについてはWO97/4813
8を参照されたい。例えばライン放射器(Linienemitte
r)はYOB:Ce,Tb(緑色)およびYOS:Eu(赤
色)である。しかしながらここでは高い量子効率(Quan
tenausbeute)を達成できるようにするために比較的波
長の短い放射(紫外線領域<370nm)が必要であ
る。このために紫外線−LEDに対して、極めて高価な
サファイア基板を使用しなければならないことになる。
これに対して安価なSiC基板のベースの紫外線−LE
Dを使用する場合、380〜420nmの領域の放射で
満足しなければならず、これにより緑色および赤色にお
いてライン放射器を使用することが困難ないしは不可能
になってしまう。青色の蛍光材料ではこれにより吸収の
問題が発生してしまう。
の付加的な吸収損失であり、これは赤色および緑色を放
射する蛍光材料の吸収性が広帯域であることによるもの
である。これらがすべて合わさって、光の色ないしは光
の収量を調整する際に大きな制限が発生してしまうので
ある。
項1の上位概念に記載されたフルカラーで利用可能な面
状光源を提供して、この面状光源によって高い光の収量
を達成すると共にこの面状光源が経済的であるようにす
ることである。
り、混色原理を利用する、LEDベースの面状光源であ
って、面状に配置された紫外線を放射するダイオードの
ビームが、紫外線を吸収する少なくとも1つの蛍光材料
による変換によって、より長い波長の光ビームに変換さ
れ、この光ビームが青色成分と混合される形式の、LE
Dベースの面状光源において、上記の紫外線ダイオード
のビームは、少なくとも1つの蛍光材料によって吸収さ
れ、これに対して前記の青色成分は、青色を放射する少
なくとも1つのLEDによって供給されることを特徴と
する、LEDベースの面状光源を構成することによって
解決される。
れている。
9351において記載されている面状光源は、LCDの
バックライトに使用されることが多い。ここでは従来、
光源としてもっぱらコンパクトな蛍光灯が使用される。
これは高い給電電圧を必要とし、また電磁場適合性に問
題を生じさせる。このためにこのランプをLEDに置き
換えることが目標にされるのである。
ラーで利用可能な面状光源が提案され、ここでは面状に
配置された多数の紫外線ダイオードのビームが、蛍光材
料による変換によって、より波長の長い光に変換され
る。ここで紫外線とは300〜420nmの領域のこと
であるとする。紫外線ダイオードのビームは、緑色(有
利にはピーク放射波長が510〜560nmである、例
えばSrAl2O4:Eu2 +またはEu2+ベースのチオ
ガレート(Thiogallate))と、赤色を放射する蛍光材
料(有利にはピーク放射波長が590nm以上690n
mm以下である、例えばSrSi5N8:Eu2+)だけに
より吸収され、これに対して青色成分は(有利にはピー
ク放射波長が430〜490nmである)青色を放射す
るLEDによって供給される。この原理はそれ自体で驚
きに値する。それはこれが一見すると公知の解決手段よ
り格段にコストが高くなるからである。その理由は、よ
り多くのLEDを使用しなければならず、また少なくと
も2つのグループ(紫外線−LEDおよび青色LED)
に分けて駆動制御しなければならないからである。
いのは、青色LEDの価格が紫外線−LEDの価格より
も有利であることと、またいくつかの紫外線−LEDを
節約できることとである。さらに青色LEDと、赤色お
よび緑色の蛍光材料とを空間的に離すことによって巧妙
なことにも、これらのRG蛍光材料による、LEDの青
色ビームの部分的な吸収を回避することができる。した
がってより少ないコストで効率のよい光源を得ることが
できる。これは最終的に殊につぎのような利点に結びつ
く。すなわち紫外線−LEDとして、380nm以下の
放射ピークを有するサファイア基板上の高価な紫外線−
LEDの代わりに、380〜420nmの放射ピークを
有するSiC基板上の安価なGaNベースのLED(有利
にはInおよび/またはAlがドーピングされている)を
使用することができるという利点に結びつくのである。
それは紫外線−LEDの放射スペクトルと、場合によっ
て使用される青色を放射する蛍光材料の吸収スペクトル
とのわずかな重なり合いは、紫外線を青色(>380n
m)に変換する際に悪い結果をもたらすのであるが、こ
の重なり合いは本発明のコンセプトでは何の影響も及ぼ
さないからである。これに対して場合によっては両方と
も同じ活性化剤、例えばEuが使用される赤色ないしは
緑色を放射する蛍光材料に関しては、蛍光材料の吸収曲
線と励起源との間のこのエネルギー間隔(重なり)はも
はや大きな影響を及ぼさない。一般的に示されるのは、
広帯域で放射される蛍光材料では、例えば約490nm
のピーク放射からは吸収の問題はもはや影響を及ぼさな
いことである。したがって本発明のコンセプトは、RG
B混合においてだけ適用できるのではなく、付加的な蛍
光材料の適用も共に含んでいるのである。最後の別の適
用は、白色を放射する従来技術の第1のLEDに相応し
て、青色−黄色−混合の簡単な原理に基づき、白色光源
を形成することである。ここでは青色成分は、複数の青
色LEDの1次放射によって、また黄色成分は、複数の
紫外線−LEDが励起されて有利な蛍光材料により黄色
が放射されることによって供給される。別の適用はさら
に特有の色を有する面状光源を提供することであり、こ
こでこの特有の色は、青色成分と別の成分とを混合する
ことによって形成することができる。ここでも同様に青
色成分は、複数の青色LEDの1次放射によって、また
別の成分は、複数の紫外線−LEDが励起されて有利な
(1つまたは複数の別の)蛍光材料が放射することによ
って供給される。ここでは所望の色は、これらの放射の
混合によって得られる。このような蛍光材料の具体的な
例では、青色−緑色(例えばSr6BP5O2 0:E
u2+,Sr4Al14O25:Eu2+)または緑色−黄
色または黄色(例えばSr2Si5N8:Ce3+,(Sr,
Ba)SiO4:Eu2+)または黄色−橙色(例えばCa2
Si5N8:Eu2+,Ca1.5Al3Si9N16:Eu
2+)においてピーク放射がある。
LEDに直接配置することが可能である。有利には赤色
および緑色を放射する蛍光材料は、紫外線ダイオードか
ら離隔して取り付けられた光導波路または光導波路作用
を有する透明なプレートに載置されるかまたそれに実装
される。それはこの間隔によって、面状の放射のより良
好な均一性が得られるからである。青色を放射するLE
Dの、構成ユニット当たりの個数は、高々紫外線ダイオ
ードの個数に等しい。青色を放射するLEDが面状に配
置される場合、これは紫外線ダイオードの個数にほぼ相
応する(相応して50〜100%である)。
(通例10〜40%)できるのは、青色を放射するこの
LEDがライン状に、紫外線−LEDの取り付けられた
面の周縁部に配置される場合である。この場合にこれら
は、それ自体公知の有利な技術によって、前面を向いた
面の放射に入力結合される。最も簡単なケースでは、た
だ1つのラインを、外枠の側方において紫外線ダイオー
ドのフィールドに並べて配置する。この場合、典型的に
は入力結合は、くさび状(または平らでもよい)の板に
よって行われ、ここでこれは個々の点において異なった
深さのエッチング部を有しており、これにより全体とし
てこの面の均一な輝度が得られるようにする。
状に配置されたLEDが複数の外枠に取り付けられるよ
うにすることも可能である。すなわち最も簡単なケース
では、紫外線ダイオードの面の周縁部と並んで側方に2
つのラインが配置される。直角の面を前提にすると、2
つのラインは互い直角をなすか、またはこれらを向き合
う周縁部に互いに平行に配置することができる。
しく説明する。
ライト用の面状光源2を有するLCD表示装置1が示さ
れている。付加的に設けられる矩形のケーシングは、分
かりやすくするために省略されており、また通例の付加
的なコンポーネント、例えば偏光およびカラーフィルタ
ならびに制御ユニット(例えばTFT)も同様に省略さ
れている。面状光源2は基体4からなり、これには紫外
線ダイオード5のアレイがラスタ状に均一な間隔で配置
されている。基体4の前方にはくさび状とすることの可
能な(くさび形は示されていない)光導波プレート6
が、基体4に離隔されかつ平行に載置されている。プレ
ート6は、側方から入射する光を上方に均一に放射する
出力結合のための手段を有している。くさび状のプレー
トではこれらの結合センタ(Koppelzentrum)をこのプ
レートの表面に均一に分散させることができる。平坦な
平行のプレートでは、このセンタの配置は不均一であ
る。それはこのようにしなければ、プレートの表面にわ
たって均一に分散される青色光の放射を発生させること
はできないからである。プレート6は、紫外線−LED
の方を向いた側に、層7を有しており、これは緑色およ
び赤色の放射を有する2つの蛍光材料の混合物からな
る。ダイオード5の紫外線−ビーム(390nmのピー
ク放射波長を有するInGaN)は、ここではほぼ完全に
赤色および緑色の光に変換される。
似のものからなる)透明のプレート6の周縁部では側方
に、青色を放射するLED8のラインが取り付けられて
おり、その光はプレート6に放射され、プレート6の表
面の結合センタ10(例えばプレートの表側におけるエ
ッチング部またはマイクロプリズムまたは類似のもの)
を通して前方に出力結合される。青色の光は、層7から
の緑色および赤色の光と混ざって白色になる。
動制御(図示しない)され、これにより所望の色位置
(Farbort)に調整ないしは追従制御することができ
る。
2では、有利に使用される緑色を放射する蛍光材料Sr
Al2O4:Eu2+の放射スペクトルおよび反射スペク
トルが示されており、これは524nmに放射ピーク波
長を有している。この反射スペクトルでは、既知の関係
R(%)=100%−A(%)(ここでR=反射および
A=吸収である)に起因する吸収特性も同時に示されて
いる。さらにこの反射スペクトルには、従来技術におい
て典型的に使用される、青色を放射する蛍光材料(BA
Mとして知られているBaMgAl10O17:Eu)の放
射スペクトルも書き込まれている。ここで明らかに識別
できるのは、BAMの青色のビームが緑色の蛍光材料に
よってかなりの程度で吸収されていることである。この
問題は本発明のコンセプトによって完全に回避される。
放射する蛍光材料Sr2Si5N8:Eu2+の放射スペ
クトルと反射スペクトルが示されており、これは623
nmに放射ピーク波長を有する。ここでもこの反射スペ
クトルに、従来技術において典型的に使用される、青色
を放射する蛍光材料(BAM)の放射スペクトルが書き
込まれている。この場合にも青色のビームの部分的な吸
収が赤色の蛍光材料によって発生している。
本発明の面状光源の放射スペクトルが示されており、こ
こでは比較のため、上に示したRGB蛍光材料からなる
既知の蛍光材料混合物による紫外線ビームの変換が示さ
れている(1)。本発明では、青色を放射するLEDの
ラインが、青色の蛍光材料の代わりに使用される
(2)。この装置では、(元々50個の)紫外線−LE
Dの数が10%省略され、効率が30%向上する(吸収
性のメカニズムがなくなるため)。その代わりに(10
個)青色ダイオードの1ラインが使用される。
本発明の面状光源の放射スペクトル(ピーク波長405
nm)が示されており、ここでは比較のため、上に示し
たRGB蛍光材料からなる既知の蛍光材料混合物による
紫外線ビームの変換が示されている(1)。本発明で
は、青色を放射するLED(ピーク波長460nm)の
ラインが入力結合される(2)。この装置は、結果的に
得られるスペクトルが白色の点の近くにあるように調整
される。このためには青色ビームの成分を、緑色および
赤色の成分に比べて格段に多くしなければならない。そ
れは人間の眼の、青色における低い感受性を考慮に入れ
るためである。
ためには、青色の1次ビーム(LED)の少なくとも一
部をそれぞれ吸収する赤色の蛍光材料および緑色の蛍光
材料を完全に意識的に選択する。有利には蛍光材料の少
なくとも1つが、青色の1次ビームをできるかぎり完全
に吸収する。ビーム路における青色ビームの混合を変換
の後はじめて行うことによって、たしかに青色ビームの
吸収は回避される。しかしながら前方に偏向される青色
ビームの一部は、境界面において逆方向に散乱し、した
がって蛍光材料を横断し、そこで少なくとも一部が変換
され、また一部が再び前方に放射される。これにより実
質的に損失される青色ビームのこの部分は、有効なビー
ムに追加されるが、これは赤色の蛍光材料によって、ま
たわずかには緑色の蛍光材料にもよって吸収されること
なしに利用し得ることはなく、またより早期に光源の不
所望の加熱を生じさせるものである。
蛍光材料においても実現可能である。
クトルを示す線図である。
クトルを示す線図である。
来の照明ユニットと比較して示す線図である。
とについて本発明の照明ユニットの放射スペクトルを示
す線図である。
Claims (14)
- 【請求項1】 混色原理を利用するLEDベースの面状
光源であって、 面状に配置された紫外線を放射するダイオード(5)の
ビームが、紫外線を吸収する少なくとも1つの蛍光材料
による変換によって、より波長の長い光ビームに変換さ
れ、 該光ビームが青色成分と混合される形式の、LEDベー
スの面状光源において、 前記の紫外線ダイオード(5)のビームは、少なくとも
1つの蛍光材料(7)によって吸収され、 これに対して前記の青色成分は、青色を放射する少なく
とも1つのLED(8)によって供給されることを特徴
とする、LEDベースの面状光源。 - 【請求項2】 赤色および緑色を放射する蛍光材料
(7)によって前記の紫外線ダイオード(5)のビーム
を吸収し、これによりRGB原理を利用して白色を放射
する光源を提供する、請求項1に記載の面状光源。 - 【請求項3】 黄色を放射する蛍光材料(7)によって
前記の紫外線ダイオード(5)のビームを吸収し、これ
により青色−黄色−混合原理を利用して白色を放射する
光源を提供する、請求項1に記載の面状光源。 - 【請求項4】 1つまたは複数の色を放射する蛍光材料
(7)によって前記の紫外線ダイオード(5)のビーム
を吸収し、これによって色−混合原理を利用して単色を
放射する光源を提供する、請求項1に記載の面状光源。 - 【請求項5】 前記の紫外線を吸収する蛍光材料(7)
は、前記の紫外線ダイオード(5)から離隔して取り付
けられた光導波体または透明のプレート(6)に載置さ
れている、 請求項1に記載の面状光源。 - 【請求項6】 青色を放射するLEDの個数は、高々前
記紫外線ダイオードの個数に等しい、請求項1に記載の
面状光源。 - 【請求項7】 前記の青色を放射するLEDは面状に配
置されている、 請求項1に記載の面状光源。 - 【請求項8】 前記の青色を放射するLEDはライン状
に配置されている、 請求項1に記載の面状光源。 - 【請求項9】 青色を放射するLEDのライン(9)
は、紫外線ダイオードのフィールドと並んで配置されて
いる、 請求項8に記載の面状光源。 - 【請求項10】 青色を放射するLEDの少なくとも2
つのラインは、紫外線ダイオードの面の周縁部と並んで
配置されている、 請求項8に記載の面状光源。 - 【請求項11】 紫外線ダイオードとして、SiC基板
上のGaNベースのLEDが使用される、 請求項1に記載の面状光源。 - 【請求項12】 1次の紫外線放射のピーク波長が30
0〜400nmであり、 青色放射のピーク放射が430〜490nmであり、 緑色および赤色の蛍光材料の2次放射が、510〜56
0nmないしは590〜680nmのピーク波長を有す
る、 請求項1に記載の面状光源。 - 【請求項13】 ビームの青色成分の混合は、紫外線ビ
ームの変換の後はじめて行われる、 請求項1に記載の面状光源。 - 【請求項14】 少なくとも赤色の蛍光材料の吸収スペ
クトルは、少なくとも部分的に青色LEDの放射スペク
トルと重なる、 請求項1に記載の面状光源。
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