JP2004363564A - 蛍光多層を有する発光ダイオード素子 - Google Patents

蛍光多層を有する発光ダイオード素子 Download PDF

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濟 煕 趙
Moon-Sook Jeoung
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Dae-Soo Jeong
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Abstract

【課題】 蛍光多層を有するＬＥＤ素子を提供する。
【解決手段】 励起光を放出する発光ダイオードチップと、前記発光ダイオードチップを多層で覆うように形成され、前記励起光により励起されると各層別に相異なる色を放出する複数の蛍光層から構成される蛍光多層とを備え、前記蛍光多層は、前記発光ダイオードチップに近い層になるほど長い波長の光を放出し、前記発光ダイオードチップから遠い層になるほど短い波長の光を放出するように形成される発光ダイオード素子である。このようなＬＥＤ素子は、光変換効率が向上して、出力される光量が多くなる。
【選択図】図５Ａ

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）素子に係り、さらに詳細には多層で形成された蛍光層を備えることによって光変換効率が向上した発光ダイオード素子に関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）素子は、ＬＥＤチップから放出される紫外（ＵＶ）線または青色光をより長い波長の光に変換することによって、白色光または多様な色の可視光を放出する素子である。例えば、白色光を放出するＬＥＤ素子においては、ＬＥＤチップから放出される紫外線が蛍光物質を励起し、これにより、励起された蛍光物質から光の三原色、すなわち、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の可視光が放出されるか、または黄色（Ｙ）及び青色（Ｂ）の可視光が放出される。この時、蛍光物質から放出される可視光は、蛍光物質の組成によって変わり、このような可視光は組み合わせると人間の目には白色（Ｗ）光に見える。
最近では、ランプ状のＬＥＤ素子から、大面積の基板に高密度で実装が容易なチップ状のＬＥＤ素子に発展している。これにより、ＬＥＤ素子は、ディスプレイ装置をはじめとする各種機器のバックライト用素子や蛍光灯のような電気機器用素子だけでなく、他の信号素子など、様々な異なる分野で広範に使用され、その活用範囲が次第に拡大している。
図１ないし図３には、従来のＬＥＤ素子の３つの例が示されている。図１には、ランプ状のＬＥＤ素子が、また、図２には、チップ状のＬＥＤ素子が示されているが、これらのＬＥＤ素子は、特許文献１に開示されたものである。また、図３に示されるＬＥＤ素子は特許文献２に開示されたものである。
図１に示される従来のランプ状のＬＥＤ素子１０は、マウントリード１１、インナーリード１２及びＬＥＤチップ１３を備えており、この際、ＬＥＤチップ１３は、前記マウントリード１１に形成されたカップ１１ａの内部に設置されている。前記ＬＥＤチップ１３のｎ電極及びｐ電極は、ワイヤ１４によって、マウントリード１１及びインナーリード１２に、各々、電気的に連結されている。前記ＬＥＤチップ１３は、コーティング樹脂に及び蛍光物質の混合物から形成された蛍光層１５で覆われている。そして、マウントリード１１の一部、インナーリード１２の一部、カップ１１ａ、ＬＥＤチップ１３、ワイヤ１４及び蛍光層１５は、透明樹脂１６によって取り囲まれている。
図２に示される従来のチップ状のＬＥＤ素子２０においては、ＬＥＤチップ２３はケーシング２１のホーム（溝）中に設置される。ケーシング２１のホームにコーティング樹脂及び蛍光物質の混合物を充填することによって前記ＬＥＤチップ２３を覆うようにして、蛍光層２５が形成される。前記ＬＥＤチップ２３のｎ電極及びｐ電極は、ワイヤ２４により金属導線２２に電気的に連結されている。
図３に示される従来のＬＥＤ素子３０においては、ＬＥＤチップ３１が、カップ形状のヘッダ３２の内部に設置されており、ヘッダ３２の内壁にはミラー３３が設置されており、このミラー３３によりＬＥＤチップ３１から放出される光が反射する。ヘッダ３２には、ＬＥＤチップ３１を取り囲むように蛍光物質３４が分散されている透明物質３５が充填されており、ヘッダ３２の上部にはガラス板３６が位置して、蛍光物質３４に吸収されていない光が空気中に放出されることを防止する。ＬＥＤチップ３１上にはＳＷＰ（Ｓｈｏｒｔ−Ｗａｖｅ−Ｐａｓｓ）フィルタ３７がさらに設けられており、より短波長の光をより長波長の光に比べて高い効率で透過させる。
このような構成を有する従来のＬＥＤ素子では、ＬＥＤチップから放出された紫外線または青色光が、蛍光層内の蛍光物質を励起させ、これにより、前記蛍光層からさらに長い波長の可視光が放出される。例えば、紫外線ＬＥＤチップを使用して白色（Ｗ）光を放出するＬＥＤ素子では、蛍光層に、紫外線によって励起されて赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）光を各々放出する３種の異なる蛍光物質が混合されるか、または紫外線によって励起されて黄色（Ｙ）及び青色（Ｂ）光を各々放出する２種の異なる蛍光物質が混合される。一方、Ｂ光ＬＥＤチップを使用してＷ光を放出するＬＥＤ素子では、蛍光層に、Ｂ光によって励起されてＲ及びＧ光を各々放出する２種の異なる蛍光物質が混合される。
図４は、Ｒ、Ｇ及びＢ光を放出する蛍光物質Ａ、Ｂ及びＣ各々を２０ｍＡの紫外線で励起させた場合の、前記蛍光物質それぞれの光変換効率を表したグラフである。図４のグラフに示されるように、約４５０ｎｍの波長を有するＢ光を放出する際、Ａ、Ｂ、Ｃ３つの蛍光物質はいずれも約６０％程度の高い光変換効率を表し、約５２０ｎｍの波長を有するＧ光を放出する際には、Ａ、Ｂ、Ｃ３つの蛍光物質はいずれも約４０％またはそれ以上という比較的高い光変換効率を表すことが分かる。しかしながら、約６２０ｎｍの波長を有するＲ光を放出する際には、Ａ、Ｂ、Ｃ３つの蛍光物質がいずれも１５％以下の低い光変換効率しか示さない。
このように、Ｒ光を放出する蛍光物質Ａ，Ｂ，Ｃの光変換効率が特に低いため、従来のＬＥＤ素子においては、全体的な光変換効率が非常に低い値を表すという問題点があった。
これにより、最近では光変換効率がさらに高いＬＥＤ素子を開発しようとする努力が進められている。
米国特許第６,０６９,４４０号明細書 米国特許第５,８１３,７５３号明細書
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するために創出されたものであって、光変換効率が高い、特に多層で形成された蛍光層を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）素子を提供するところにその目的がある。
前記課題を達成するための本発明によるＬＥＤ素子は、励起光を放出するＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップを多層で覆うように形成され、前記励起光により励起されると各層別に相異なる色を放出する複数の蛍光層から構成される蛍光多層とを備え、前記蛍光多層は、前記ＬＥＤチップに近い層になるほど長い波長の光を放出し、前記ＬＥＤチップから遠い層になるほど短い波長の光を放出するように形成されたことを特徴とする。
ここで、前記発光ダイオードチップから放出される励起光は、紫外線であってもよい。
本発明において、前記蛍光多層は、前記ＬＥＤチップ上に形成されて赤色（Ｒ）光を放出する第１蛍光層と、前記第１蛍光層上に積層されて緑色色（Ｇ）光を放出する第２蛍光層と、前記第２蛍光層上に積層されて青色（Ｂ）光を放出する第３蛍光層とを有することが望ましい。この際、前記第１蛍光層は５８０ｎｍ〜７００ｎｍの波長を有する赤色光を放出する蛍光物質を含み、前記第２蛍光層は５００ｎｍ〜５５０ｎｍの波長を有する緑色光を放出する蛍光物質を含み、前記第３蛍光層は４２０ｎｍ〜４８０ｎｍの波長を有する青色光を放出する蛍光物質を含むことが望ましい。
または、本発明において、前記蛍光多層は、前記ＬＥＤチップ上に形成されてＲ光を放出する第１蛍光層と、前記第１蛍光層上に積層されてＧ光及びＢ光を共に放出する第２蛍光層と、よりなることも望ましい。この際、前記第１蛍光層は５８０ｎｍ〜７００ｎｍの波長を有する赤色光を放出する蛍光物質を含み、前記第２蛍光層は５００ｎｍ〜５５０ｎｍの波長を有する緑色光及び４２０ｎｍ〜４８０ｎｍの波長を有する青色光を放出する蛍光物質を含むことが望ましい。
または、本発明において、前記蛍光多層は、前記ＬＥＤチップ上に形成されて黄色（Ｙ）光を放出する第１蛍光層と、前記第１蛍光層上に積層されてＢ光を放出する第２蛍光層を有することも望ましい。この際、前記第１蛍光層は５６０ｎｍ〜５８０ｎｍの波長を有する黄色光を放出する蛍光物質を含む、前記第２蛍光層は４２０ｎｍ〜４８０ｎｍの波長を有する青色光を放出する蛍光物質を含むことが望ましい。
一方、発光ダイオードチップから放出される励起光は、青色光であってもよい。
この場合には、前記蛍光多層は、前記ＬＥＤチップ上に形成されてＲ光を放出する第１蛍光層と、前記第１蛍光層上に積層されてＧ光を放出する第２蛍光層とを有することが望ましい。この際、前記第１蛍光層は５８０ｎｍ〜７００ｎｍの波長を有する赤色光を放出する蛍光物質を含み、前記第２蛍光層は５００ｎｍ〜５５０ｎｍの波長を有する緑色光を放出する蛍光物質を含むことが望ましい。
または、上記場合において、前記蛍光多層は、前記ＬＥＤチップ上に形成されてＲ光を放出する第１蛍光層と、前記第１蛍光層上に積層されてＹ光を放出する第２蛍光層を有することも望ましい。この際、前記第１蛍光層は５８０ｎｍ〜７００ｎｍの波長を有する赤色光を放出する蛍光物質を含み、前記第２蛍光層は５６０ｎｍ〜５８０ｎｍの波長を有する黄色光を放出する蛍光物質を含むことが望ましい。
本発明によれば、蛍光層を多層で形成するものの、最も長い波長の光を放出する蛍光層をＬＥＤチップ上に先に積層し、その上にさらに短い波長の光を放出する蛍光層を順次に積層することによって、最も長い波長の光を放出する蛍光層の光変換効率が高まってＬＥＤ素子の全体的な光変換効率が向上するので出力される光量が多くなる。
発明を実施するための最良の形態および実施例
本発明は、励起光を放出する発光ダイオードチップと、前記発光ダイオードチップを多層で覆うように形成され、前記励起光により励起されると各層別に相異なる色を放出する複数の蛍光層から構成される蛍光多層とを備え、前記蛍光多層は、前記発光ダイオードチップに近い層になるほど長い波長の光を放出し、前記発光ダイオードチップから遠い層になるほど短い波長の光を放出するように形成される発光ダイオード（ＬＥＤ）素子を提供するものである。なお、本明細書において、「多層」とは、２層以上から構成される層を意味するものとする。なお、本発明の特徴は、蛍光層の多層形成及びその積層順序にあるので、その他の構成要件、例えば、本発明のＬＥＤ素子の形状（例えば、ランプ状やチップ状）や大きさなどについては、公知のＬＥＤ素子（特に蛍光変換ＬＥＤ素子）と同様の要件が適用できる。
以下、添付された図面を参照しつつ本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。しかしながら、下記に例示される実施形態は、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明を当業者に十分に説明するために提供されるものである。以下の図面で、同じ参照符号は同じ構成要素を表し、図面上で各構成要素のサイズは、説明の明瞭性及び便宜上、誇張されていることもある。
図５Ａ及び図５Ｂは、各々、ランプ状及びチップ状の、本発明の第１及び第２の実施形態によるＬＥＤ素子の構造を示す断面図である。
図５Ａを参照すれば、ランプ状の本発明の第１の実施形態によるＬＥＤ素子１００は、マウントリード１０１、インナーリード１０２及びＬＥＤチップ１１０を備え、この際、ＬＥＤチップ１１０は、前記マウントリード１０１上に形成されたカップ１０１ａの内部に設置され、約４１０ｎｍ以下の波長を有する紫外線を放出する。すなわち、本実施形態では、後述する蛍光多層１２０の内部に含まれている蛍光物質を励起させるための励起光として紫外線が使われるが、本発明では、励起光は、蛍光層が励起光により励起されると所望の色を放出する光であれば特に制限されず、青色光等の公知の他の波長の光が使用されてもよい。前記紫外線ＬＥＤチップ１１０のｎ電極及びｐ電極は、ワイヤ１０３によって、マウントリード１０１及びインナーリード１０２各々に電気的に連結される。前記ＬＥＤチップ１１０は、蛍光多層１２０により覆われ、この蛍光多層１２０は、３種の蛍光物質から各々形成される第１蛍光層１２１、第２蛍光層１２２及び第３蛍光層１２３から構成される。そして、マウントリード１０１の一部、インナーリード１０２の一部、カップ１０１ａ、ＬＥＤチップ１１０、ワイヤ１０３及び蛍光多層１２０は、エポキシ樹脂のような透明樹脂１０４により取り囲まれる。なお、上記したような構成要素を覆うために使用される樹脂は、透明であれば上記エポキシ樹脂に制限されることなく、公知の透明樹脂が同様にして使用できる。
図５Ｂを参照すれば、チップ状の本発明の第２の実施形態によるＬＥＤ素子２００において、好ましくは紫外線を放出するＬＥＤチップ１１０が、基板１０５上に形成されるケーシング１０６のホーム（溝）内部に設置される。前記ケーシング１０６のホーム内部には３種の蛍光物質が各々含まれている第１、第２及び第３蛍光層１２１,１２２,１２３がそれぞれ形成され、これらは前記ＬＥＤチップ１１０を覆う蛍光多層１２０を構成する。前記ＬＥＤチップ１１０のｎ電極及びｐ電極は、ワイヤ１０３により、前記基板１０５上に形成された金属導線１０７に電気的に連結される。
図５Ａ及び図５Ｂに示されるように、本発明の第１及び第２の実施形態によるＬＥＤ素子１００,２００は、ＬＥＤチップ１１０上に形成された蛍光多層１２０を備える。前記蛍光多層１２０は、第１、第２及び第３蛍光層１２１,１２２,１２３よりなり、これらの蛍光層１２１，１２２，１２３は、紫外線により励起されると相異なる色相の光を放出する蛍光物質、好ましくは、それぞれ、赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光及び青色（Ｂ）光を放出する蛍光物質が含まれている。なお、本実施形態においては、蛍光多層１２０は、３層の蛍光層から構成されているが、積層数は３層に限定されるものではなく、以下に詳述するように２層であってもよく、あるいは４層以上であってもよく、所望の特性などを考慮して、適宜選択される。また、ＬＥＤチップの材質もまた、上記したような紫外線や以下に説明するような青色光を放出するものであれば特に制限されず、公知のものが使用できる。例えば、第１及び第２の実施形態では、紫外線を放出するＬＥＤチップの材質は、特に制限されず、多数の物質が積層された構造のものなど、公知のものが同様にして使用できる。さらに、ＬＥＤチップの大きさなどもまた、特に制限されず、所望の用途によって適宜選択される。
具体的に、蛍光多層が第１〜３蛍光層の３層から構成される際には、前記第１蛍光層１２１は、ＬＥＤチップ１１０上に形成され、３層のうち最も長い波長の光を放出する蛍光物質、即ち、Ｒ光を放出する蛍光物質とエポキシ樹脂及びシリコン樹脂が混合されて形成される。前記Ｒ光を放出する蛍光物質としては、励起光、好ましくは紫外線により励起されて５８０ｎｍ〜７００ｎｍ範囲の波長、より望ましくは６００ｎｍ〜６５０ｎｍ範囲の波長を有する光を放出する蛍光物質が使われることが好ましい。このような蛍光物質としては、上記した特性を有するものであればと特に制限されず、公知の物質が使用できるが、例えば、ＳｒＳ：Ｅｕ２＋、Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、ＹＶＯ：ＥｕまたはＭ（ＷＯ）：Ｅｕ、ＳＭ（この際、Ｍは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｂａ、ＣａまたはＭｇである）が好ましく使用される。これらの蛍光物質は、単独で使用されてもあるいは２種以上の混合物の形態で使用されてもよい。また、Ｒ光を放出する蛍光物質の樹脂への添加量は、特に制限されないが、好ましくは、蛍光物質と樹脂との混合比（質量比）が、１：３〜３：１になるように混合される。なお、上記例においては、蛍光物質を、エポキシ樹脂及びシリコン樹脂と混合した例を記載したが、混合する樹脂は、上記に限定されず、所望の光の放出を妨げるものでなく、またＬＥＤチップを好適に被覆できるものであれば公知の樹脂が使用できる。
前記第２蛍光層１２２は、前記第１蛍光層１２１上に積層され、第１蛍光層が放出する光の波長よりは短くかつ第３蛍光層が放出する光の波長よりは長い波長の光を放出する蛍光物質、即ち、Ｇ光を放出する蛍光物質とエポキシ樹脂及びシリコン樹脂が混合されて形成される。前記Ｇ光を放出する蛍光物質としては、励起光、好ましくは紫外線により励起されて５００ｎｍ〜５５０ｎｍ範囲の波長を有する光を放出する蛍光物質が使われることが好ましい。このような蛍光物質としては、上記した特性を有するものであればと特に制限されず、公知の物質が使用できるが、例えば、ＴＧ（ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｅｕ２＋）または（ＢａＳｒ）ＳｉＯ：ＥｕＭ（この際、Ｍは、Ｈｏ、Ｅｒ、ＣｅまたはＹである）が好ましく使用される。これらの蛍光物質は、単独で使用されてもあるいは２種以上の混合物の形態で使用されてもよい。また、Ｇ光を放出する蛍光物質の樹脂への添加量は、特に制限されないが、好ましくは、蛍光物質と樹脂との混合比（質量比）が、１：３〜３：１になるように混合される。なお、上記例においては、蛍光物質を、エポキシ樹脂及びシリコン樹脂と混合した例を記載したが、混合する樹脂は、上記に限定されず、所望の光の放出を妨げるものでなく、またＬＥＤチップを好適に被覆できるものであれば公知の樹脂が使用できる。
前記第３蛍光層１２３は、前記第２蛍光層１２２上に積層され、３層のうち最も短い波長の光を放出する蛍光物質、即ち、Ｂ光を放出する蛍光物質とエポキシ樹脂及びシリコン樹脂が混合されて形成される。前記Ｂ光を放出する蛍光物質としては、励起光、好ましくは紫外線により励起されて４２０ｎｍ〜４８０ｎｍ範囲の波長を有する光を放出する蛍光物質が使われることが好ましい。このような蛍光物質としては、上記した特性を有するものであればと特に制限されず、公知の物質が使用できるが、例えば、Ｃａ１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ２＋またはＳｒ５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕが好ましく使用される。これらの蛍光物質は、単独で使用されてもあるいは２種以上の混合物の形態で使用されてもよい。また、Ｂ光を放出する蛍光物質の樹脂への添加量は、特に制限されないが、好ましくは、蛍光物質と樹脂との混合比（質量比）が、１：３〜３：１になるように混合される。なお、上記例においては、蛍光物質を、エポキシ樹脂及びシリコン樹脂と混合した例を記載したが、混合する樹脂は、上記に限定されず、所望の光の放出を妨げるものでなく、またＬＥＤチップを好適に被覆できるものであれば公知の樹脂が使用できる。
前記のように構成された本発明の第１及び第２の実施形態によるＬＥＤ素子１００,２００において、前記ＬＥＤチップ１１０から放出された紫外線は、第１、第２及び第３蛍光層１２１,１２２,１２３内に含まれている相異なる種類の蛍光物質を励起させる。これにより、第１、第２及び第３蛍光層１２１,１２２,１２３からＲ光、Ｇ光及びＢ光が各々放出され、このような３つの色相の光が組み合わせられて、人間の目には白色（Ｗ）光として認識される。なお、上記実施形態及び以下の実施形態においては、ＬＥＤ素子はＷ光を放出するものとして説明されるが、本発明のＬＥＤ素子はＷ光を放出するものに限定されるものではなく、蛍光層の構成によって多様な他の色相の可視光を放出できるものである。
特に、本発明の第１及び第２の実施形態によれば、紫外線を蛍光に変換するための蛍光層１２０を多層、すなわち、３層に形成している。この際、最も長い波長の光、すなわち、Ｒ光を放出する第１蛍光層１２１をＬＥＤチップ１１０上に先に積層し、その上にさらに短い波長の光、すなわちＧ光とＢ光とを放出する第２及び第３蛍光層１２２,１２３を順次に積層するものである。このように光変換効率が最も低いＲ光を放出する蛍光物質が含まれている第１蛍光層１２１を紫外線ＬＥＤチップ１１０に最も近い位置に配置することによって、第１蛍光層１２１の光変換効率が相対的に高まり、これにより、ＬＥＤ素子１００,２００の全体的な光変換効率が向上しうる。
一方、第１、第２及び第３蛍光層１２１,１２２,１２３の積層順序を反対にすれば、すなわち、最も短い波長のＢ光を放出する第３蛍光層１２３をＬＥＤチップ１１０上に先に積層し、その上に第２及び第１蛍光層１２２,１２１を順次積層した場合には、Ｒ光を放出する第１蛍光層１２１が紫外線ＬＥＤチップ１１０から最も遠く配置され、ＬＥＤチップ１１０から放出される紫外線が先に第３及び第２蛍光層１２３,１２２に吸収されるので、第１蛍光層１２１での光変換効率が著しく低くなる問題点が生じ、好ましくない。
したがって、本発明では、前記のように最も長い波長のＲ光を放出する第１蛍光層１２１をＬＥＤチップ１１０に最も近く配置し、最も短い波長のＢ光を放出する第３蛍光層１２がＬＥＤチップから最も離れた位置に配置し、Ｇ光を放出する第２蛍光層１２２を前記第１蛍光層１２１と第３蛍光層１２３との間に配置するように、発光ダイオードチップに近い層になるほど長い波長の光を放出し、前記発光ダイオードチップから遠い層になるほど短い波長の光を放出するように蛍光層を形成されることを必須とする。
図６ないし図８には、本発明の第３、第４及び第５の実施形態によるＬＥＤ素子の部分的な構造が示されている。これらの図面には、ＬＥＤチップ及び蛍光多層の構造だけが示されており、他の部分の構成は図５Ａ及び図５Ｂと同じである。すなわち、本発明の第３、第４及び第５の実施形態によるＬＥＤ素子もランプ状またはチップ状の形態をとりうる。
図６に示される本発明の第３の実施形態によるＬＥＤ素子３００は、励起光として４１０ｎｍ以下の波長を有する紫外線を放出するＬＥＤチップ３１０と、前記ＬＥＤチップ３１０を覆うように形成される蛍光多層３２０を備える。本実施形態では、前記蛍光多層３２０は、２層の蛍光層、即ち、第１蛍光層３２１及び第２蛍光層３２２から構成される。
具体的に、前記ＬＥＤチップ３１０上に形成される第１蛍光層３２１は、より長い波長の光を放出する蛍光物質、即ち、Ｒ光を放出する蛍光物質とエポキシ樹脂及びシリコン樹脂が混合されて形成される。前記Ｒ光を放出する蛍光物質の種類、量及び波長範囲、ならびに樹脂の種類及びＬＥＤチップの材質などは、前述した第１及び第２の実施形態と同じである。
前記第１蛍光層３２１上に積層される第２蛍光層３２２は、エポキシ樹脂及びシリコン樹脂に、Ｇ光を放出する蛍光物質とＢ光を放出する蛍光物質とが共に混合されて形成される。前記Ｇ光及びＢ光を放出する蛍光物質それぞれの種類、量及び波長範囲、ならびに樹脂の種類は、前述した第１及び第２の実施形態と同じである。
このように構成された本発明の第３の実施形態によるＬＥＤ素子３００において、前記ＬＥＤチップ３１０から放出された紫外線は、第１蛍光層３２１内に含まれている蛍光物質を励起させてＲ光を放出させ、次に第２蛍光層３２２内に混合された２種の蛍光物質を励起させてＧ光及びＢ光を放出させる。このような３つの色相の光が組み合わせられることによって、人間の目にはＷ光に見える。
前記のように、本発明の第３の実施形態によれば、紫外線を蛍光に変換するための蛍光層３２０を２層で形成している。この際、より長い波長のＲ光を放出する第１蛍光層３２１を紫外線ＬＥＤチップ３１０上に先に積層し、その上により短い波長のＧ光とＢ光とを共に放出する第２蛍光層３２２を積層する。このような蛍光多層３２０の積層構造によっても、前述した第１及び第２の実施形態と同様、光変換効率が高まる効果を得ることができる。これについては後述する図９に示される実験結果を通じて再び説明する。
図７に示される本発明の第４の実施形態によるＬＥＤ素子４００は、励起光として４１０ｎｍ以下の波長を有する紫外線を放出するＬＥＤチップ４１０と、前記ＬＥＤチップ４１０を覆うように形成される蛍光多層４２０とを備える。本実施形態では、前記蛍光多層４２０は、前述した第３の実施形態と同様、２層の蛍光層、即ち、第１蛍光層４２１及び第２蛍光層４２２から構成される。
具体的に、前記紫外線ＬＥＤチップ４１０上に形成される第１蛍光層４２１は、より長い波長の光を放出する蛍光物質、即ち、黄色（Ｙ）光を放出する蛍光物質とエポキシ樹脂及びシリコン樹脂が混合されて形成される。前記Ｙ光を放出する蛍光物質としては、励起光、好ましくは４１０ｎｍ以下の波長を有する紫外線により励起されて５６０ｎｍ〜５８０ｎｍ範囲の波長の光を放出する蛍光物質が使われることが好ましい。このような蛍光物質としては、上記した特性を有するものであればと特に制限されず、公知の物質が使用できるが、例えば、ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）が好ましく使用される。これらの蛍光物質は、単独で使用されてもあるいは２種以上の混合物の形態で使用されてもよい。また、Ｙ光を放出する蛍光物質の樹脂への添加量は、特に制限されないが、好ましくは、蛍光物質と樹脂との混合比（質量比）が、１：３〜３：１になるように混合される。なお、上記例においては、蛍光物質を、エポキシ樹脂及びシリコン樹脂と混合した例を記載したが、混合する樹脂は、上記に限定されず、所望の光の放出を妨げるものでなく、またＬＥＤチップを好適に被覆できるものであれば公知の樹脂が使用できる。また、樹脂の種類及びＬＥＤチップの材質などは、前述した第１及び第２の実施形態と同じである。
前記第１蛍光層４２１上に積層される第２蛍光層４２２は、エポキシ樹脂及びシリコン樹脂にＢ光を放出する蛍光物質が混合されて形成される。前記Ｂ光を放出する蛍光物質の種類、量及び波長範囲、ならびに樹脂の種類などは、前述した第１及び第２の実施形態と同じである。
このように構成された本発明の第４の実施形態によるＬＥＤ素子４００において、前記ＬＥＤチップ４１０から放出された紫外線は、第１蛍光層４２１内に含まれている蛍光物質を励起させてＹ光を放出させ、第２蛍光層４２２内に含まれている蛍光物質を励起させてＢ光を放出させる。このようなＹ光及びＢ光の組み合わせによってもＷ光が形成され、人間の目にはＷ光に見える。
前述したように、本発明の第４の実施形態によれば、紫外線を蛍光に変換するための蛍光層４２０を２層で形成している。この際、より長い波長のＹ光を放出する第１蛍光層４２１を紫外線ＬＥＤチップ４１０上に先に積層し、その上により短い波長のＢ光を放出する第２蛍光層４２２を積層する。このような蛍光多層４２０の積層構造によっても、前述した第１及び第２の実施形態と同様の光変換効率を高める効果を得ることができる。
図８に示される本発明の第５の実施形態によるＬＥＤ素子５００では、励起光として４２０ｎｍ〜４８０ｎｍ範囲の波長を有するＢ光を放出するＬＥＤチップ５１０が使われる。そして、前記Ｂ光のＬＥＤチップ５１０を覆うように形成される蛍光多層５２０は、２層の蛍光層５２１,５２２から構成される。
具体的に、前記Ｂ光を放出するＬＥＤチップ５１０上に形成される第１蛍光層５２１は、最も長い波長の光を放出する蛍光物質、即ち、Ｒ光を放出する蛍光物質とエポキシ樹脂及びシリコン樹脂が混合されて形成される。前記Ｒ光を放出する蛍光物質の種類、量及び波長範囲、ならびに樹脂の種類は、前述した第１及び第２の実施形態と同じである。また、ＬＥＤチップの材質は、上記した特定の波長を有するＢ光を放出するものであれば特に制限されず、多数の物質が積層された構造のものなど、公知のものが使用できる。さらに、ＬＥＤチップの大きさなどもまた、特に制限されず、所望の用途によって適宜選択される。
前記第１蛍光層５２１上に積層される第２蛍光層５２２は、エポキシ樹脂及びシリコン樹脂にＧ光またはＹ光を放出する蛍光物質が混合されて形成される。前記Ｇ光および／またはＹ光、好ましくはＧ光またはＹ光のいずれか一方を放出する蛍光物質の種類、量及び波長範囲、ならびに樹脂の種類は、前述した実施形態と同じである。
このように構成された本発明の第５の実施形態によるＬＥＤ素子５００において、前記ＬＥＤチップ５１０から放出されたＢ光は、第１蛍光層５２１内に含まれている蛍光物質を励起させてＲ光を放出させ、さらに、このＢ光はまた第２蛍光層５２２内に含まれている蛍光物質を励起させてＧ光および／またはＹ光、好ましくはＧ光またはＹ光を放出させる。このように蛍光多層５２０から放出されるＲ光及びＧ光（またはＹ光）とＬＥＤチップ５１０から発生するＢ光とが組み合わせられてＷ光が形成され、人間の目にはＷ光に見える。
前記のように、本発明の第５の実施形態によれば、Ｂ光を蛍光に変換するための蛍光層５２０を２層で形成している。この際、最も長い波長のＲ光を放出する第１蛍光層５２１をＢ光のＬＥＤチップ５１０上に先に積層し、その上にさらに短い波長のＧ光またはＹ光を放出する第２蛍光層５２２を積層する。このようなＢ光のＬＥＤチップ５１０及び蛍光多層５２０の積層構造によっても、前述した実施形態と同様の光変換効率を高める効果を得ることができる。
以下では、前記のような構成を有する本発明によるＬＥＤ素子において、第３の実施形態及び第４の実施形態によるＬＥＤ素子３００及び４００を例として、その効果・性能を調べるための実験を行い、その結果を図９及び図１０を参照して説明する。
図９は、図６に示される本発明の第３の実施形態によるＬＥＤ素子３００の光変換効率を、従来のＬＥＤ素子の光変換効率と比較した（第一実験）グラフであり、図１０は、図７に示される本発明の第４の実施形態によるＬＥＤ素子４００の光変換効率を、従来のＬＥＤ素子の光変換効率と比較した（第二実験）グラフである。
第一実験では、本発明によるＬＥＤ素子としては、図６に示されるのと同様の、Ｒ光を放出する第１蛍光層がまずＬＥＤチップ上に形成され、次にＧ光及びＢ光を共に放出する第２蛍光層が第１蛍光層上に積層される構造を有するものが使われ、また、従来のＬＥＤ素子としては、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光をそれぞれ放出する蛍光物質の混合物を用いて単層で形成されてなる蛍光層を備えたものが使われた。そして、本発明によるＬＥＤ素子には約５ｍＷの紫外線を放出するＬＥＤチップが使われ、従来のＬＥＤ素子には約８ｍＷの紫外線を放出するＬＥＤチップが使われた。このようなＬＥＤ素子の光変換効率を測定した。
前記第一実験の結果を図９に示す。図９に示されるように、従来のＬＥＤ素子では約８ｍＷの紫外線により平均０.５３ｌｍ（２.１ｍＷ）程度のＷ光が出力されるのに比べて、本発明の第３の実施形態によるＬＥＤ素子では約５ｍＷの紫外線により平均０.６８ｌｍ（２.３ｍＷ）程度のＷ光が出力されることが分かる。したがって、従来のＬＥＤ素子の光変換効率が約２６％程度であるのに対して、本発明の第３の実施形態によるＬＥＤ素子の光変換効率は約４６％程度であり、本発明の第３の実施形態によるＬＥＤ素子は、従来のものに比べて光変換効率が非常に高くなることが示される。
第二実験では、本発明によるＬＥＤ素子としては、図７に示されるのと同様の、Ｙ光を放出する第１蛍光層がまずＬＥＤチップ上に形成され、次にＢ光を放出する第２蛍光層が第１蛍光層上に積層される構造を有するものが使われ、また、従来のＬＥＤ素子としては、Ｙ光及びＢ光をそれぞれ放出する蛍光物質の混合物を用いて単層が形成された蛍光層を備えたものが使われた。そして、本発明によるＬＥＤ素子及び従来のＬＥＤ素子に、約５ｍＷの紫外線を放出するＬＥＤチップが使われた。このようなＬＥＤ素子の光変換効率を第一実験と同様の方法に従って測定した。
前記第二実験の結果を図１０に示す。図１０に示されるように、従来のＬＥＤ素子では約５ｍＷの紫外線により平均０.６４９ｌｍ（２.１６ｍＷ）程度のＷ光が出力されるのに比べて、本発明の第４の実施形態によるＬＥＤ素子では約５ｍＷの紫外線により平均０.８８４ｌｍ（３.１５ｍＷ）程度のＷ光が出力されることが分かる。したがって、従来のＬＥＤ素子の光変換効率が約４３％程度であるのに対して、本発明の第４の実施形態によるＬＥＤ素子の光変換効率は約６３％程度であり、本発明の第４の実施形態のＬＥＤ素子は、従来のものに比べて光変換効率が非常に高くなることが示される。
前記実験結果から、光変換効率が最も低いＲ光を放出する第１蛍光層をＬＥＤチップに最も近く配置すれば、ＬＥＤチップから放出される紫外線が第１蛍光層に最も多く吸収され、これにより、第１蛍光層の光変換効率が相対的に高まり、これによって、本発明によるＬＥＤ素子の全体的な光変換効率が従来に比べて高まることが考察される。ゆえに、本発明のＬＥＤ素子は、各蛍光物質の混合物からなる単層を用いた従来のＬＥＤ素子に比べてより高い光変換効率を達成できるものである。
また、上述したように、本発明では、蛍光多層は、ＬＥＤチップ上に最も波長の長い光を放出する蛍光層（第１蛍光層）を設け、その上により波長の短い光を放出する蛍光層を順次積層することを特徴とする。このような構成をとることによって、第１蛍光層の光変換効率が向上でき、これにより、ＬＥＤ素子の全体的な光変換効率もまた向上できる。加えて、ＬＥＤ素子の全体的な光変換効率が向上するので、出力される光量が多くなるのという利点がある。
以上、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明してきたが、本発明の範囲はこれに限定されず、本発明の範囲及び概念を逸脱しない限り、多様な変形及び均等な他の実施形態が可能である。例えば、前述した本発明によるＬＥＤ素子はＷ光を放出するものとして示されて説明されたが、これに限定されず、蛍光層の構成によって多様な色相の可視光を放出することもある。また、本発明は蛍光層の多層形成及びその積層順序に主な特徴があるので、ランプ状やチップ状を含むいかなる形態の蛍光変換ＬＥＤ素子にも適用されうる。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって決定されなければならない。
本発明の蛍光多層を有するＬＥＤ素子は、例えば、ディスプレイ装置をはじめとする各種機器のバックライト用素子や蛍光灯のような電気機器用素子だけでなく、多種の信号素子に利用されうる。
従来のＬＥＤ素子の一例を示す断面図である。 従来のＬＥＤ素子の他の例を示す断面図である。 従来のＬＥＤ素子のさらなる他の例を示す断面図である。 Ｒ、Ｇ、Ｂ光を放出する従来の３種の蛍光物質それぞれの光変換効率を表すグラフである。 本発明の第１の実施形態によるランプ状のＬＥＤ素子の断面図である。 本発明の第２の実施形態によるチップ状のＬＥＤ素子の断面図である。 本発明の第３の実施形態によるＬＥＤ素子の部分断面図である。 本発明の第４の実施形態によるＬＥＤ素子の部分断面図である。 本発明の第５の実施形態によるＬＥＤ素子の部分断面図である。 図６に示される本発明の第３の実施形態によるＬＥＤ素子の光変換効率を従来のＬＥＤ素子の光変換効率と比較して示すグラフである。 図７に示される本発明の第４の実施形態によるＬＥＤ素子の光変換効率を従来のＬＥＤ素子の光変換効率と比較して示すグラフである。
符号の説明
１００ 発光ダイオード素子、
１０１ マウントリード、
１０１ａ カップ、
１０２ インナーリード、
１０３ ワイヤ、
１０４ 透明樹脂、
１１０ ＬＥＤチップ、
１２０ 蛍光多層、
１２１ 第１蛍光層、
１２２ 第２蛍光層、
１２３ 第３蛍光層。

Claims (13)

  1. 励起光を放出する発光ダイオードチップと、
    前記発光ダイオードチップを多層で覆うように形成され、前記励起光により励起されると各層別に相異なる色を放出する複数の蛍光層から構成される蛍光多層とを備え、
    前記蛍光多層は、前記発光ダイオードチップに近い層になるほど長い波長の光を放出し、前記発光ダイオードチップから遠い層になるほど短い波長の光を放出するように形成される発光ダイオード素子。
  2. 前記発光ダイオードチップから放出される励起光は、紫外線である、請求項１に記載の発光ダイオード素子。
  3. 前記蛍光多層は、前記発光ダイオードチップ上に形成されて赤色光を放出する第１蛍光層と、前記第１蛍光層上に積層されて緑色光を放出する第２蛍光層と、前記第２蛍光層上に積層されて青色光を放出する第３蛍光層とを有する、請求項１または２に記載の発光ダイオード素子。
  4. 前記第１蛍光層は５８０ｎｍ〜７００ｎｍの波長を有する赤色光を放出する蛍光物質を含み、前記第２蛍光層は５００ｎｍ〜５５０ｎｍの波長を有する緑色光を放出する蛍光物質を含み、前記第３蛍光層は４２０ｎｍ〜４８０ｎｍの波長を有する青色光を放出する蛍光物質を含む、請求項３に記載の発光ダイオード素子。
  5. 前記蛍光多層は、前記発光ダイオードチップ上に形成されて赤色光を放出する第１蛍光層と、前記第１蛍光層上に積層されて緑色光及び青色光を放出する第２蛍光層とを有する、請求項１または２に記載の発光ダイオード素子。
  6. 前記第１蛍光層は５８０ｎｍ〜７００ｎｍの波長を有する赤色光を放出する蛍光物質を含み、前記第２蛍光層は５００ｎｍ〜５５０ｎｍの波長を有する緑色光及び４２０ｎｍ〜４８０ｎｍの波長を有する青色光を放出する蛍光物質を含む、請求項５に記載の発光ダイオード素子。
  7. 前記蛍光多層は、前記発光ダイオードチップ上に形成されて黄色光を放出する第１蛍光層と、前記第１蛍光層上に積層されて青色光を放出する第２蛍光層とを有する、請求項１または２に記載の発光ダイオード素子。
  8. 前記第１蛍光層は５６０ｎｍ〜５８０ｎｍの波長を有する黄色光を放出する蛍光物質を含む、前記第２蛍光層は４２０ｎｍ〜４８０ｎｍの波長を有する青色光を放出する蛍光物質を含む、請求項７に記載の発光ダイオード素子。
  9. 前記発光ダイオードチップから放出される励起光は、青色光である、請求項１に記載の発光ダイオード素子。
  10. 前記蛍光多層は、前記発光ダイオードチップ上に形成されて赤色光を放出する第１蛍光層と、前記第１蛍光層上に積層されて緑色光を放出する第２蛍光層とを有する、請求項１または９に記載の発光ダイオード素子。
  11. 前記第１蛍光層は５８０ｎｍ〜７００ｎｍの波長を有する赤色光を放出する蛍光物質を含み、前記第２蛍光層は５００ｎｍ〜５５０ｎｍの波長を有する緑色光を放出する蛍光物質を含む、請求項１０に記載の発光ダイオード素子。
  12. 前記蛍光多層は、前記発光ダイオードチップ上に形成されて赤色光を放出する第１蛍光層と、前記第１蛍光層上に積層されて黄色光を放出する第２蛍光層とを有する、請求項１、９または１１に記載の発光ダイオード素子。
  13. 前記第１蛍光層は５８０ｎｍ〜７００ｎｍの波長を有する赤色光を放出する蛍光物質を含み、前記第２蛍光層は５６０ｎｍ〜５８０ｎｍの波長を有する黄色光を放出する蛍光物質を含む、請求項１２に記載の発光ダイオード素子。
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