JP2005268786A - 多数の波長変換機構を使用して合成出力光を放射する装置および方法 - Google Patents

多数の波長変換機構を使用して合成出力光を放射する装置および方法 Download PDF

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Abstract

【課題】より高いカラーレンダリング特性とより均質の色を備えた白色合成光を放射する方法とLEDを提供する。
【解決手段】本発明による合成出力光を放射する装置と方法の1実施例は、多数の波長変換機構を使用して、装置の光源が生成した元の光を波長の長い光に変換し、合成出力光を生成する。装置の波長変換機構のうちの1つは、元の光を第1の変換された光に変換する、光源の蛍光基板である。装置の別の波長変換機構は、光源に光学結合され、元の光を第2の変換された光に変換する波長変換領域である。元の光、第1の変換された光、第2の変換された光は、合成出力光の成分として装置から放射される。
【選択図】図1

Description

白熱灯、ハロゲン灯、蛍光灯などの従来の光源は、最近20年間でそれほど改善されていない。しかし、発光ダイオード(「LED」)は動作効率の点で、交通信号や自動車のテールランプなどの従来の単色照明用に、従来の光源にとって代わるほど改善されてきた。これは、LEDが従来の光源に比べて多くの利点を有するという事実にもよる。これらの利点には、動作寿命が長いこと、電力消費が少ないこと、サイズが小さいことなどが含まれる。
LEDは典型的には単色の半導体光源で、現在はUV青から緑、黄色、赤まで種々な色が使用可能である。単色のLEDは狭帯域放射という特性があるため、「白色」光の用途に直接使用することはできない。白色の合成光を生成するには、単色のLEDの出力光を1つまたは複数の異なる波長の他の光と混合させなければならない。一部の従来のLEDは、LEDが生成した元の光の一部を、異なる波長の長い光に変換する波長変換機構を含む。この波長の長い光と元の光を組み合わせて、白色の合成光を生成する。このようなタイプのLEDのうち1つは、波長変換機構として蛍光基板を伴うLEDダイを使用し、LEDダイの活性層から放射された光を波長の長い光に変換する。たとえば、LEDダイの活性層は、約430nmのピーク波長を有する光を放射するガリウムインジウム窒化物(GaInN)活性層であってもよく、LEDダイの蛍光基板は、GaN活性層から放射された光の一部を、約550nmのピーク波長を有する光へ変換する、酸素、炭素、または窒素の空孔でドープされた窒化ガリウム(GaN)基板であってもよい。
波長変換機構として蛍光基板を使用する従来のLEDに関する問題は、LEDから結果として得られる白色合成光が、例えば可視スペクトルの赤い波長範囲(〜620nmから〜800nmまで)では不足しうることである。このため、これらのLEDは高いカラーレンダリング特性を有しない。
別の問題は、元の光と変換された光がLEDダイ内の異なる位置から放射されるので、元の光と変換された光がよく混合されず、この結果、均質ではない色を有する合成光が生じ得ることである。たとえば、LEDの中心部から放射される合成出力光は、LEDの周囲から放射される光より青く見えることがある。
これらの問題に鑑み、より高いカラーレンダリング特性とより均質の色を備えた白色合成光を放射するLEDと方法とに対するニーズがある。
合成出力光を放射する装置と方法は、多数の波長変換機構を使用して、装置の光源が生成した元の光を波長の長い光に変換し、合成出力光を生成する。装置の波長変換機構のうちの1つは、元の光を第1の変換された光に変換する、光源の蛍光基板である。装置の別の波長変換機構は、光源に光学結合され、元の光を第2の変換された光に変換する波長変換領域である。元の光、第1の変換された光、第2の変換された光は、合成出力光の成分として装置から放射される。
本発明の1実施形態による、合成出力光を放射する装置は、光源と波長変換領域を含む。光源は元の光を放射する。光源は、元の光の一部を第1の変換された光に変換する性質を有する蛍光層を含む。波長変換領域は光源に光学結合され、元の光の一部と第1の変換された光を受光する。波長変換領域は、元の光の一部を第2の変換された光に変換する性質を有する蛍光材を含む。元の光、第1の変換された光、第2の変換された光は、合成出力光の成分である。
合成出力光を放射する方法は、光源内で元の光を生成することと、光源内で元の光の一部を第1の変換された光に変換することと、光源外で元の光の一部を第2の変換された光に変換することと、元の光、第1の変換された光、第2の変換された光を合成出力光の成分として放射することとを含む。
本発明の他の態様および利点は、添付図面と共に次の詳述を読むことによって明らかになるであろう。図面は発明の原理の例として示されるものである。
図1を参照すると、本発明の1実施形態による発光ダイオード(LED)100が示されている。LED100は、多数の波長変換機構を使用して、合成出力光を生成するように設計される。たとえば、LED100が生成する合成出力光は「白色」出力光であってもよい。白色出力光は、LED100が生成した元の光の一部を、波長変換機構を使用して波長の長い光に変換することによって生成される。多数の波長変換機構を使用することにより、たとえば蛍光基板など単一の波長変換機構だけを使用する従来のLEDより色が均一でおよび/またはカラーレンダリング特性の高い合成出力光を生成することができる。
図1に示すように、LED100はリードフレームを装着したLEDである。LED100は、LEDダイ102、リードフレーム104と106、ワイヤ108、ランプ110を含む。LEDダイ102は、LED100の光源として機能する半導体チップである。LEDダイ102は、蛍光基板112、および、蛍光基板上に形成されたいくつかの層を含む。この中には活性層114が含まれる。活性層114は、LEDダイ102の光を生成する層である。本明細書では、この光は、元の光あるいは元の放射された光と呼ぶ場合がある。活性層114から放射された元の光の波長は、LEDダイ102を形成するのに使用される材料に主に依存する。たとえば、LEDダイ102は、活性層114が青い光(ピーク波長が約430nm)を生成するように構成することができる。この光は蛍光を使用して、より低いエネルギの(より長い波長の)光に変換することができる。蛍光基板112上に形成される他の層は、バッファ層、クラッド層、接触層などの、一般のLED内にある層である。このため、これらの層についてここに詳述しない。
LEDダイ102の蛍光基板112は、LED102に含まれる第1の波長変換機構である。蛍光基板112は、LEDダイ102の活性層114から放射された元の光の一部を波長の長い光に変換する。蛍光基板112は、1つまたは複数の不純物でドープされた半導体か絶縁基板であってよい。たとえば、蛍光基板112は、酸素、炭素、または窒素の空孔でドープされた窒化ガリウム(GaN)基板であってもよい。しかし、蛍光基板112は、活性層114から放射された元の光を波長の長い光へ変換する蛍光性を有する任意の基板であってよい。
LEDダイ102はリードフレーム104上に位置する。図示された実施形態では、LEDダイ102が上に位置するリードフレーム104の上面は、平面である。しかし別の実施形態では、リードフレーム104の上面は、LEDダイ102が中に位置するリフレクタカップ(reflector cup、図示せず)、あるいは反射性のくぼんだ領域を含む。LEDダイ102はワイヤ108を介して他のリードフレーム106に電気接続される。図示された本実施形態では、LEDダイ102の蛍光基板112はリードフレーム104に電気接続される。別の実施形態では、LEDダイ102は第2のワイヤ(図示せず)を介してリードフレーム104に電気接続される。第2のワイヤの使用はLEDダイ102のタイプに依存する。リードフレーム104と106は、LEDダイ102を駆動するために必要な電力を提供する。LEDダイ102はランプ110の中に封入される。ランプ110は、LEDダイ102から伝播する光の媒体である。ランプ110はメインセクション116と出力セクション118を含む。本実施形態では、ランプ110の出力セクション118はドーム型で、レンズとして機能する。したがって、LED100から出力光として放射された光は、ランプ110のドーム型の出力セクション118によって集光される。しかし他の実施形態では、ランプ100の出力セクション118は水平方向に平面であってもよい。
LEDダイ102からの光がランプを介して移動し、ランプの出力セクション118から放射されるように、LED100のランプ110は透明な基板で作成される。この基板は透明エポキシなどの任意の透明な材料であってよい。図1に示すように、ランプ110は波長変換領域120を含む。これも光が伝播する媒体である。すなわち、LEDダイ102からの光は波長変換領域120を介して移動することができる。波長変換領域120は蛍光材122を含む。蛍光材122は、LEDダイ102が放射した元の光の一部をより低いエネルギ(より長い波長)の光に変換する性質を有する。領域120の蛍光材122は、LEDダイ102からの元の光の一部を吸収する。これにより蛍光材の原子が励起し、波長の長い光を放射する。波長変換領域120はLED100に含まれる第2の波長変換機構である。
図1に示すように、波長変換領域120はLEDダイ102を囲む。従って、波長変換領域120は、リードフレーム104の上面上でLEDダイ102を囲む。したがって、本実施形態では、LEDダイ102からの光は、LEDダイの活性層114からの元の光であっても、蛍光基板112からの変換された光であっても、波長変換領域120を介して伝播し、出力光としてLED100から放射される。図1では波長変換領域120は均一な厚さを有するものとして示されるが、波長変換領域は不規則な厚さまたは可変的な厚さを有していてもよい。
図示された実施形態では、波長変換領域120に含まれる蛍光材122は、1つまたは複数の無機燐光材またはナノ燐光材を微粒子の形で含む。無機燐光材微粒子の典型的なサイズは1マイクロメートルから50マイクロメートルの範囲であり、ナノ燐光材微粒子の典型的なサイズは1ナノメートルから100ナノメートルの範囲である。たとえば、波長変換領域120の中で使用される蛍光材122は、たとえば青い光などの元の光を赤い光、すなわちピーク波長が光学スペクトルの赤い領域にある光に変換する、ユウロピウムで活性化された硫化ストロンチウム(SrS)であってもよいし、元の光を緑の光、すなわちピーク波長が光学スペクトルの緑の領域にある光に変換する、ユウロピウムで活性化されたストロンチウムチオガレート(SrTG:Eu)であってもよいし、および/または元の光を黄色い光、すなわちピーク波長が光学スペクトルの黄色の領域にある光に変換する、セリウムで活性化されたイットリウムアルミニウムガーネット(YAG:Ce)であってもよい。しかし、燐光体がLEDダイ102の活性層114から放射された元の光によって活性化される限り、ナノ燐光材を含む任意の燐光材または燐光材の組合せを使用することができる。
代替の実施形態では、波長変換領域120の蛍光材122は、1つまたは複数の蛍光性の有機色素、または、蛍光性の有機色素、無機燐光材、ナノ燐光材の任意の組合せを含む。波長変換領域120に含まれる蛍光材122のタイプを選択し、LED100の合成出力光の色成分を強化または補足することができる。したがって、波長変換領域120の蛍光材122は、LEDダイ102の活性層114から放射された元の光を、蛍光基板112によって変換された光のピーク波長とは異なるピーク波長を有する光に変換することができる。言いかえれば、LEDダイ102の活性層114から放射される元の光を、元の光とLEDダイ102の蛍光基板112で変換された光とを組み合わせて合成光を生成した場合には不十分である、可視光スペクトルの領域近くのピーク波長を有する光に変換するように、波長変換領域120の蛍光材122を選択することができる。しかし、LEDダイ102の活性層114から放射される元の光を、蛍光基板112で変換された光と同じピーク波長または実質的に同じピーク波長を有する光に変換するように、波長変換領域120の蛍光材122を選択することもできる。
波長変換領域120を備えたランプ110は、種々の方法を使用して作成することができる。1実施形態では、蛍光材122とエポキシを混合し、ついで、LEDダイ102上に載せて波長変換領域120を形成する。別の実施形態では、蛍光材122と、たとえば透明なプラスチック化合物などの成形化合物と混合し、LEDダイ102上にトランスファ成形して波長変換領域120を形成する。いずれの実施形態でも、トランスファ成形または鋳造などの従来の方法を使用して、ランプ110の残りをLEDダイ102と波長変換領域120の上に形成することができる。
動作においては、LED102は、LEDダイ102の蛍光基板112と、ランプ110の波長変換領域120とを、2つの異なる波長変換機構として使用して、合成出力光を生成する。LED100が活性化される、すなわち、リードフレーム104と106を介して電流がLEDダイ102に注入されると、元の光はLEDダイの活性層114からすべての方向に放射される。これを、図2の経路230、232、234、236、238、240、242の光によって示す。元の光は、たとえば430nmなどの第1の波長でスペクトルピークを有する。蛍光基板112に向かって下方へ放射された元の光の一部が蛍光基板によって波長の長い光に変換される。これを経路244上の光によって示す。この変換された光は、たとえば550nmの第2の波長でスペクトルピークを有する。しかし、蛍光基板112に放射された元の光の一部は、波長の長い光に変換されずに、蛍光基板を介して伝播する。これを経路234と238上の光によって示す。したがって、蛍光基板112から放射された光の一部は、LEDダイ102の活性層114からの元の光である。
LEDダイ102の活性層114からの元の光のうち残りの光は、蛍光基板112を介して伝播せずにLEDダイから放射される。これを経路230、232、240、242の光によって示す。この実施形態では、LEDダイ102はリードフレーム104上のランプ110の波長変換領域120によってカバーされるので、LEDダイから放射された元の光は、蛍光基板112を介して伝播した光も介さずに伝播した光も、波長変換領域の中を移動する。ついで、この元の光の一部は波長変換領域120の蛍光材122によって波長の長い光に変換される。これを経路246、248、250上の光によって示す。この変換された光は、たとえば650nmなどの第3の波長でスペクトルピークを有する。したがって、波長変換領域120から放射された光は経路230と238上の光が示す元の光、および、経路246、248、250上の光が示す波長変換領域120からの変換された光、経路244上の光が示すLEDダイ102の蛍光基板112から変換された光を含む。従って、活性層114からの元の光、LEDダイの蛍光基板112からの変換された光、ランプ110の波長変換領域120からの変換された光が、LED100の合成出力光の成分として放射される。
1実施形態では、波長変換領域120からの変換された光のピーク波長は、LEDダイ102の活性層114から放射された元の光のピーク波長とは異なり、また、LEDダイの蛍光基板112からの変換された光のピーク波長とも異なるため、LED100の合成出力光は、単一の波長変換機構として蛍光基板を使用する従来のLEDの合成出力光より広いスペクトルを有することができる。さらに、波長変換領域120内で蛍光材122として燐光微粒子を使用する場合、燐光粒子は元の光と、蛍光基板112からの変換された光を散乱させ、元の光と変換された光をよりよく混合させるように機能するので、LED100の合成出力光はより均一な色を有する。
次に図3Aと図3Bを参照すると、本発明の1実施形態による、代替の波長変換領域構成を備えたLED300Aと300Bが示されている。これらの図の中で図1と同じ参照数字は、同様な要素を示すものとして使用される。図3AのLED300Aはランプ310Aを含む。ランプ310Aの中では、波長変換領域320AはLEDダイ102とランプの外面の間に位置する。波長変換領域320Aは、LEDダイ102上のリードフレーム104の上面に位置する正方形または四角の箱の構成を有する。したがって、波長変換領域320Aは、リードフレーム104上のLEDダイ102を実質的に囲むように構成される。図3BのLED300Bはランプ310Bを含む。ランプ310Bの中でも、波長変換領域320BはLEDダイ102とランプの外面の間に位置する。しかし、LED300Bの波長変換領域320Bは、LEDダイ102上のリードフレーム104の上面上に位置する半球状のシェルの構成を有する。したがって、波長変換領域320Bもリードフレーム104上のLEDダイ102を実質的に囲むように構成される。波長変換領域320Aを伴うランプ310Aと波長変換領域320Bを伴うランプ310Bは、LEDダイ102上で蛍光材122があってもなくてもよいエポキシ蒸着と、LEDダイ上で蛍光材122があってもなくてもよい成形化合物のトランスファ成形またはエポキシ鋳造との、任意の現実的な組み合わせで製造できる。
次に図4A、図4Bを参照すると、本発明の代替の実施形態による平面波長変換領域を伴うLED400Aと400Bが示されている。図4AのLED400Aはランプ410Aを含む。ランプ410Aの中には、LEDダイ102の上に位置する平面層である波長変換領域420Aがある。蛍光層420Aのサイズは、LEDダイ102と同じであってもよいしまたは、図4Aに示すようにLEDダイ102より大きくてもよい。図4BのLED400Bはランプ410Bを含む。ランプ410Bの中には、LEDダイ上ではなくLEDダイ102上方に位置する平面層である波長変換領域420Bがある。したがって、LEDダイ102と蛍光層420Bの間には、透明材の領域がある。LED400Aの蛍光層420Aと同様に、蛍光層420BのサイズはLEDダイと同じであってもよいし、または大きくてもよい。波長変換領域420Aを伴うランプ410Aと波長変換領域420Bを伴うランプ410Bも、LEDダイ102上で蛍光材122があってもなくてもよいエポキシ蒸着と、LEDダイ上で蛍光材122があってもなくてもよい成形化合物のトランスファ成形またはエポキシ鋳造の任意の現実的な組み合わせによって製造できる。
本発明にしたがって、上記の異なる波長変換領域構成を表面装着LED装置などの他のタイプのLED装置に適用し、多数の波長変換機構を伴う他のタイプのLED装置を製造することができる。さらに、本発明にしたがって、これらの異なる波長変換領域構成を、半導体レーザ装置などの他のタイプの発光装置に適用し、他のタイプの発光装置を製造することもできる。
次に、本発明の1実施形態によって合成出力光を放射する方法について、図5のフロー図を参照して記述する。ブロック502では、光源内で元の光を生成する。光源はLEDダイであってもよい。次にブロック504では、元の光の一部をたとえば光源の蛍光基板によって、光源内で第1の変換された光に変換する。次にブロック506では、元の光の一部をたとえば光源に光学結合された蛍光領域によって、光源外で第2の変換された光に変換する。次にブロック508では、元の光、第1の変換された光、第2の変換された光を、合成出力光のコンポーネントとして放射する。
本発明の特定の実施形態について記述し示したが、本発明は記述および図示された特定の形態または構成に限定されるものではない。本発明の範囲は、付随する請求項およびその等価物によって定義されるものである。
本発明の実施態様の一部を、以下に要約する。
(実施態様1):元の光を放射する光源(102)であって、前記元の光の一部を第1の変換された光に変換する性質を有する蛍光層(112)を含む光源(102)と、
前記光源に光学結合され、前記元の光の一部と前記第1の変換された光を受光する波長変換領域(120、320A、320B、420A、420B)であって、前記元の光の一部を第2の変換された光に変換する性質を有する蛍光材(112)を含み、前記元の光、前記第1の光、前記第2の変換された光は前記合成出力光の成分である、波長変換領域(120、320A、320B、420A、420B)とを備える合成出力光を放射する装置。
(実施態様2):前記光源(102)は発光ダイオードダイであり、前記蛍光層(112)は前記発光ダイオードダイの基板である第1項に記載の装置。
(実施態様3):前記波長変換領域(120、320A、320B、420A、420B)の蛍光材(112)は、蛍光有機色素、無機燐光材、ナノ燐光材のうち少なくとも1つを含む第1または2項に記載の装置。
(実施態様4):前記波長変換領域(120、320A、320B、420A、420B)の蛍光材(112)は、前記波長変換領域を介して伝播する前記元の光と前記第1の変換された光を散乱させるための蛍光微粒子を含む請求項1から3のいずれか一項に記載の装置。
(実施態様5):前記波長変換領域(120、320A、320B、420A、420B)は、前記光源が上に位置する面上で前記光源(102)を実質的に囲むように構成される第1項から4項のいずれか一項に記載の装置。
(実施態様6):光源(102)内で元の光を生成するステップ(502)と、
前記元の光の一部を前記光源内で第1の変換された光に変換するステップ(504)と、
前記元の光の一部を前記光源の外側で第2の変換された光に変換するステップ(506)と、
前記元の光、前記第1の変換された光、前記第2の変換された光を前記合成出力光の成分として放射するステップ(508)とを含む合成出力光を放射する方法。
(実施態様7):前記元の光を生成するステップ(502)は、発光ダイオードダイ(102)の活性層(114)の中で前記元の光を生成するステップを含む第6項に記載の方法。
(実施態様8):前記元の光を前記第1の変換された光に変換するステップ(504)は、前記元の光を前記発光ダイオードダイ(102)の蛍光基板(112)で前記第1の変換された光に変換するステップを含む第7項に記載の方法。
(実施態様9):前記元の光を前記第2の変換された光に変換するステップ(506)は、前記元の光を、前記光源(102)に光学結合された波長変換領域(120、320A、320B、420A、420B)で前記第2の変換された光に変換するステップを含む第6項から8項のいずれか一項に記載の方法。
(実施態様10):前記元の光を前記第2の変換された光に変換するステップ(506)は、蛍光を使用して前記元の光を前記第2の変換された光に変換するステップを含む第9項に記載の方法。
本発明の1実施形態による、2つの波長変換機構を有する発光ダイオード(LED)を示す図である。 LEDの蛍光基板と波長変換領域からの変換された光を含む、図1のLEDの異なる領域からの光を示す図である。 本発明の1実施形態による代替の波長変換領域構成を備えたLEDを示す図である。 本発明の1実施形態による代替の波長変換領域構成を備えたLEDを示す図である。 発明の代替の実施形態による、平面の波長変換領域を備えたLEDを示す図である。 発明の代替の実施形態による、平面の波長変換領域を備えたLEDを示す図である。 本発明の1実施形態による合成出力光を放射する方法のフロー図である。
符号の説明
100 発光ダイオード
102 LEDダイ
104 リードフレーム
106 リードフレーム
108 ワイヤ
110 ランプ
112 蛍光基板
114 活性層
116 メインセクション
118 出力セクション
120 波長変換領域
122 蛍光材
300A LED
300B LED
310A ランプ
310B ランプ
320A 波長変換領域
320B 波長変換領域
400A LED
400B LED
410A ランプ
410B ランプ
420A 波長変換領域
420B 波長変換領域

Claims (1)

  1. 元の光を放射し、前記元の光の一部を第1の変換された光に変換する性質を有する蛍光層を含む光源と、
    前記元の光の一部と前記第1の変換された光を受光するため、前記光源に光学結合され、前記元の光の一部を第2の変換された光に変換する性質を有する蛍光材を含み、前記元の光、前記第1の光、前記第2の変換された光が前記合成出力光の成分となっている、波長変換領域とを備える合成出力光を放射する装置。
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