JP2005537651A - 効率が向上した被覆ｌｅｄ - Google Patents

Abstract

【課題】 ＵＶ又は青色発光ダイオード又はレーザダイオード（ＬＥＤ）及び励起可能蛍光体を含む発光装置を提供する。
【解決手段】 ＬＥＤチップと、チップによって発せられた放射光の少なくとも一部を可視光線に変換するための蛍光蛍光体の均一厚み層で被覆してチップから離して配置されたレンズとを含むＬＥＤ装置。ＬＥＤから離れた位置に蛍光体層を配置すると、装置の効率が向上し、より一定した演色が得られる。レンズの表面積は、ＬＥＤチップの表面積の少なくとも１０倍であることが好ましい。効率を増すために、反射体及びサブマウントも蛍光体で被覆し、内部吸収を更に低減することができる。

Description

本発明は、ＵＶ又は青色発光ダイオード又はレーザダイオード（ＬＥＤ）及び励起可能蛍光体を含む発光装置に関する。より具体的には、本発明は、ＬＥＤの効率が向上するよう設計されたコーティングのために露出した特別の幾何学形状を有する蛍光体被覆ＬＥＤに関する。

現在、「白色ＬＥＤ」という一般照明用ＬＥＤの市場がある。これらの「白色ＬＥＤ」は、知覚する者に対して実質的に白色に見える放射光を発する。最も一般的な白色ＬＥＤは、サファイア上の青色発光ＧａＩｎＮエピタキシャル成長層（単結晶アルミナ）又は単結晶ＳｉＣから成る。青色発光チップは、青色放射光の一部を補色、例えば、黄緑色発光に変換する蛍光体で被覆される。青色の発光と黄緑の発光を併せて、一般的に、約５０００Ｋの相関色温度及び約７０から７５に等しい演色指数Ｒａを有する白色光を発生する。また、ＵＶチップ及び紫外線を可視光に変換するように設計された蛍光体を利用する白色ＬＥＤがある。一般的に、２つ又はそれ以上の蛍光体発光帯域が必要である。

白色蛍光体被覆ＬＥＤは、一般的に、約５０％から７０％のパッケージ効率を有する。パッケージ効率は、発生した全ての放射光が吸収されずにパッケージから逃げた場合に得られる光に対するＬＥＤの実際の光出力の比率と定義される。本明細書で説明する本発明では、１００％に近づくパッケージ効率を実現することができる。

歴史的に、蛍光体被覆ＬＥＤは、一部には、蛍光体分子が全方向に等しく放射する光を発生するために、かなり低いパッケージ効率を有する。この光の一部は、必ずＬＥＤチップ、基板、サブマウント、及びリード構造体に向かう。これらすべての構造的要素は、このような光の一部を吸収する。更に、蛍光体は、一般的に長波長ＵＶ又は青色放射光の完全な吸収性構造体ではないために、ＬＥＤチップ自体によって最初に発せられた励起放射光の一部は、反射されて上述の構造的要素に戻る。さらにＵＶ発光チップの場合、全てのＵＶを吸収してＵＶブリードを回避するために、蛍光体コーティングは、一般的に相対的に厚く、少なくとも５から７粒子厚でなければならない。これによって、更にコーティングの可視反射率が大きくなる。ＬＥＤチップ、サブマウント、反射体、及びリード構造体による放射光の吸収によって損失する光により、パッケージ効率が制限される。

上述のように、一般的なパッケージ効率は、５０％から７０％である。従って、パッケージ効率を１００％近くまで大きくすることができるとすれば、ＬＥＤパッケージの効率を向上させる大きな機会があることになる。例えば、蛍光灯は、やはり蛍光体コーティングを利用するが、主として、蛍光体コーティングによって発生されて蛍光灯内に放射して戻る光が一切の吸収構造体に当たらないために、１００％に近いパッケージ効率を有する。

本発明が対処する別の大きな問題は、蛍光体コーティングの均一性である。上述のパッケージ効率をもたらす現行の設計では、一般的に、青色又はＵＶ発光チップは基板上に装着され、その後に銀被覆の反射器カップ内に置かれる。カップには、蛍光体の粉体が埋設されたシリコーン又はシリコーンエポキシが充填される。蛍光体粒子は、シリコーンスラリ内に不規則に分布しており、戻る散乱光によるパッケージ輝度低減という上述の影響に加えて、蛍光体の相対的厚みは、コーティングの幾何学形状に亘って大きく異なる。この結果、ビームパターンにおいて色分離が発生する。これはまた、コーティングパターン及び厚みが異なるために異なる部位に対して異なる色をもたらし、ＬＥＤ発光パターンにおける望ましくない青色又は黄色リングをもたらす。

蛍光体コーティングの均一性の問題は、米国特許第５，９５９，３１６号で対処されており、そこでは、厚みが不均一な蛍光(fluorescent)又は蛍光(phosphor)体層は、透明スペーサによってＬＥＤチップから分離されている。アセンブリ全体は、その後、透明なカプセル化エポキシ樹脂に埋設される。

従来のＬＥＤパッケージで遭遇する別の問題は、蛍光体の効率が、それがＬＥＤチップの上又はその近くの層に配置された時に下がる点である。これは、蛍光体を温め、その発光特性を変えるチップ残留熱によるものである。従来のＬＥＤパッケージの更に別の欠点は、蛍光体コーティングが不均一に付加されるために、使用される蛍光体の総量が、チップによって発せられる光の効率的な変換に対して必要な量を超えることが多いということである。蛍光体組成物は、相対的に高価であり、この付加的な量により、ＬＥＤの総経費が大幅に大きくなる。

ＬＥＤにおける光損失を最小限に抑える１つの方法は、サブマウント、反射体、及びリード構造体を確実にできるだけ多量の反射材で被覆することである。ほとんどの製造業者は、この手法を実施している。それにも関わらず、ＬＥＤチップ自体、特にＳｉＣ基板を有するチップの場合は、相当量の自己放射光及び蛍光体放射光を吸収する。更に、ＬＥＤ構造体の他の部分、例えばサブマウントは、可視光線及び近紫外線の両方をかなり強力に吸収する。驚くべきことに、銀被覆反射体及びリード構造体要素さえも、これらの放射光の両方を多少吸収する。この吸収のために、そして、放射光の非常に多くが蛍光体コーティングとリード構造体との間で反射するために、被覆面を有する場合でさえも５０％から７０％を超えるパッケージ効率はほとんど実現されていない。

反射器カップにシリコーン内の蛍光体を置く１つの代替手法は、ルミレッズ社のＬＥＤ製品「ＬＵＸＥＯＮ（登録商標）」において実施されている。これらの設計においては、発光ＬＥＤチップは、蛍光体の薄い絶縁保護コーティングで被覆される。この配置により、チップに亘るコーティング厚みの不均一が低減されると共に、ＬＥＤの色の均一性が促進される。しかし、これは、チップとサブマウントが吸収しており、蛍光体コーティングによって発生された放射光の半分以上がこれらの構成要素上に直接反射して戻るために、実際には、ＬＥＤの全体的な効率を低減するであろう。

従って、ＬＥＤのパッケージ効率を７０％を超えるまで、好ましくは、１００％近くに上げることにより、最大光出力を有する蛍光体被覆ＬＥＤを設計することは有利であろう。

更に、均一の蛍光体層及び一定した色収量を有するＵＶ／蛍光体又は青色／蛍光体の白色ＬＥＤを生成し、ＵＶ発光チップの場合は、環境への相当量の紫外線漏れのないＬＥＤを生成することは望ましいであろう。

均一のコーティング厚みを有する蛍光体を付加し、チップからの熱がコーティングに伝達するのを防止するためにこのコーティングをＬＥＤチップから離して配置することにより、蛍光体変換の効率を上げることが更に望ましい。

更に、電流変動によるＬＥＤの色ずれを最小限に抑えることが望ましい。電流変動による色ずれは、蛍光体上の放射フラックス密度が高いために蛍光体被覆ＬＥＤに認められることが多く、これは、特定の活性剤の基底状態を枯渇することによって蛍光体を飽和させる傾向がある。本明細書で説明する本発明では、蛍光体を遠隔に被覆することにより、ＬＥＤチップからの青色フラックス密度（Ｗ）が大幅に低減する。

米国特許第５，９５９，３１６号

１つの態様では、本発明は、ＬＥＤチップと蛍光体被覆面とを含むＬＥＤ照明アセンブリを提供し、この蛍光体被覆面は、ＬＥＤチップの表面積の少なくとも約１０倍の表面積を有する。

第２の態様では、本発明は、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップから隔たった透明レンズに付加された実質的に均一な厚みの蛍光体コーティングとを含むＬＥＤ照明アセンブリを提供する。

第３の態様では、本発明は、ＬＥＤチップを取付け面上に設ける段階と、蛍光体コーティングを透明レンズに付加する段階と、ＬＥＤチップから発せられた光がレンズに伝達されるように、取付け面にレンズを取り付ける段階とを含むＬＥＤ照明アセンブリを形成する方法を提供する。

第４の態様では、本発明は、蛍光体を結合剤及び溶剤に分散させて蛍光体混合物を形成する段階と、蛍光体混合物を透明レンズに付加する段階と、結合剤を硬化させる段階と、レンズをＬＥＤチップを覆って取付け面に取り付ける段階とを含むＬＥＤ照明アセンブリを形成する方法を提供する。

ＬＥＤチップを完全に取り囲み、かつＬＥＤの吸収部分の露出面積の少なくともほぼ１０倍のカバレージカバレージ面積を有する蛍光体コーティングを設けることが好ましい。ほとんどの場合、例えば、蛍光体が半球又は類似の幾何学形状構造上に被覆されるような場合、このような要件は、どの放射光も蛍光体被覆面に当たらずには逃げることができないように、チップの最長辺の少なくとも２倍から３倍の距離だけ、及びチップの周囲で蛍光体被覆面をチップから除去することによって満たされる。発生した又はこのようなコーティングから反射した放射光は、チップやサブマウントなどではなく、コーティングの他の部分に当たる可能性が大きくなる。従って、放射光がＬＥＤのこれらの内部構造によって吸収されるために失われる光が少なくなる。

本発明の実施形態に関して以下で説明する内容は、便宜上ＬＥＤに関するが、本発明は、任意の発光半導体の使用に関することを理解すべきである。図１を参照すると、従来のＬＥＤアセンブリの全体が符号１０で示されている。ＬＥＤアセンブリは、ＬＥＤアセンブリの底面１４に装着されたＬＥＤチップ１２を含む。ＬＥＤチップ１２は、放射光（一般に白色光ＬＥＤにおいてはＵＶ又は青色光）を放出する。透明な材料で作られたレンズ１８は、チップ１２及び底面１４を取り囲む。２つのリード線２０は、チップ１２を電源と接続する。レンズとチップ１２の間の空間を埋めるのは、一般にエポキシ又は他の透明な材料（図示せず）である。エポキシ樹脂内に密接に分散しているのは、チップ１２によって発せられた光の少なくとも一部を吸収して異なる波長に変換する蛍光体粒子（図示せず）である。

このようなＬＥＤの性能は、一部の用途に適切なものとなり得るが、上述の多くの欠点がある。従って、以下に開示する実施形態は、従来のＬＥＤの制限事項の一部を克服しようとするものである。

図２を見ると、本発明の実施形態の断面が示されている。この実施形態では、ＬＥＤパッケージの全体が符号１１０で示されており、サブマウント１１４に装着されたＬＥＤチップ１１２を含み、サブマウント１１４は、反射体１１６上に取り付けられている。本明細書で使用される時、「反射体」とは、ＬＥＤパッケージの底面上の任意の表面だけでなく、ＬＥＤチップを支持することを意味する任意の他の構造体、例えば、放熱板なども含むことを意味する。透明な材料で作られたレンズ１１８は、ＬＥＤチップ１１２、サブマウント１１４、及び反射体１１６を取り囲む。レンズとＬＥＤチップ１１２の間の空間を光学的に埋めるのは、一般的にエポキシ又は他の透明な材料である。蛍光体粒子を含む蛍光体層１２４は、レンズ１１８の外面又は側面上に付加される。コーティングは、蛍光体コーティングが取扱いなどによって変位するのを防止するためにレンズの内面に被覆されることが好ましい。蛍光体コーティングの厚みは、ＬＥＤチップによって放出された放射光の少なくとも一部が異なる波長に変換されるのに十分なものであるべきである。これは、一般的に６μｍから２００μｍの間であり、好ましい厚みは、２０μｍから３０μｍであると考えられる。

ＬＥＤチップ１１２は、任意の従来のＵＶ又は青色光ＬＥＤとすることができる。このようなＬＥＤは、公知のものであり、一般的に、サファイア、アルミナ、又は単結晶ＳｉＣ基板上にエピタキシ成長したＩｎＧａＮ層又はＡｌＧａＮ層から成る。好ましいＬＥＤチップは、２００ｎｍから４８０ｎｍの範囲にある一次放射を有することができる。同様に、蛍光体層１２４は、ＵＶ又は青色放射光を吸収し、単独で又はＬＥＤチップによって放出された放射光と組み合わせて、照明用可視白色光又は近白色光を発生することができる１つ又はそれ以上の適切な蛍光体を含むことができる。本発明で使用される適切な蛍光体には、以下に限定されるものではないが、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₂：Ｃｅ（ＹＡＧ：Ｃｅ）、Ｔｂ₃Ａｌ_4.9Ｏ₁₂：Ｃｅ（ＴＡＧ：Ｃｅ）、及びＳｒ₄Ａｌ₁₄Ｏ₂₅：Ｅｕ（ＳＡＥ）が含まれる。白色光を発生する他の蛍光体も適切である。蛍光体粒子の大きさは極めて重要というものではなく、一例としては、直径約３μｍから３０μｍとすることができる。

レンズ１１８は、蛍光体及びＬＥＤチップによって放出された放射光に対して実質的に透明な任意の材料で作ることができる。従って、放出された放射光の波長により、レンズは、様々な材料を含むことができ、様々な材料には、以下に限定されるものではないが、ガラス、エポキシ樹脂、プラスチック樹脂、熱硬化性樹脂、又は熱可塑性樹脂、又は当業技術で公知の任意の他の種類のＬＥＤカプセル化材料が含まれる。

エポキシ樹脂又は他の充填材内に分散されるのではなく、レンズ１１８の内面上に蛍光体層１２４を付加すると、ＬＥＤ放出量のより均一かつ効率的な変換が実現される。１つの利点は、制御された厚みを有する均一のコーティングを付加することができることである。この１つの恩典は、最小量の蛍光体を使用する最適な変換効率及びＵＶブリード（紫外線カップを使用した場合）制御に対して、コーティング厚みを正確に制御することができることである。これは、従来技術の装置の蛍光体の不均一な分散から生じる色リングの発生なしに均一な光放出を達成する一助となる。別の恩典は、蛍光体がＬＥＤによって発生された熱から離れていることにより、更に変換効率が上がるということである。勿論、蛍光体層は、レンズ材料の内側に配置することができ、又はレンズを覆うように施された別の材料のコーティングを有することもでき、このような配置を本発明では想定している。

以下に限定されるものではないが、蛍光体コーティングは、例えば、スプレーコーティング、ローラコーティング、メニスカス又は浸漬コーティング、スタンピング、スクリーニング、ディスペンシング、ローリング、ブラシ、又はスプレー、又は一様な厚みのコーティングをもたらすことができる任意の他の方法によって付加することができる。蛍光体を付加するための好ましい方法は、噴霧コーティングである。

ＬＥＤハウジングのレンズ及び反射体部分をコーティング処理するための例示的な手法では、結合剤及び溶剤と共に蛍光体粒子をまずかき混ぜてスラリにする。適切な結合剤には、以下に限定されるものではないが、シリコーン、エポキシ、熱可塑性材料、アクリル、ポリイミド、及びその混合物が含まれる。適切な溶剤には、以下に限定されるものではないが、トルエン、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、塩化メチレン、及びアセトンなどの低沸点溶剤が含まれる。スラリ内の各成分の量は、極めて重要というものではないが、レンズに付加しやすいと同時に、ＬＥＤ放射光の効率的な変換が得られるように、蛍光体粒子の十分な濃度を含むスラリを発生するように選択すべきである。例示的なスラリは、重量で約２部の６μｍ蛍光体、１．２部のシリコーン、及び１部のＭＥＫを使用して作ることができる。適切なシリコーンは、「ＧＥ ＸＥ５８４４」である。

次に、スラリをレンズの表面に付加する。次に、被覆レンズを焼くか、又は加熱するか、又は他の方法で溶剤を除去して結合剤を硬化させるように処理することができる。「硬化させる」という用語は、本発明と共に使用される時、結合剤の実際の硬化又は架橋を含むだけではなく、より一般的に、通常は結合剤の凝固又は硬化によって蛍光体粒子が結合剤内で比較的静止状態になる結合剤の任意の化学的及び／又は物理的変化を意味する。

上述のように、スラリは、任意の適切な方法によってレンズに付加することができる。好ましい方法においては、噴霧コーティングによってスラリを付加する。この方法では、適切なエアブラシのリザーバに充填するためにスラリを使用する。次に、加圧スプレーガンを使用してレンズ上にスラリを噴霧し、レンズは、予熱されて溶剤を好ましくは沸騰温度を超えた高温、例えば１１０℃に維持している。パスあたり約１／２秒で行うことができる連続的なパスを行うことによってその部分を噴霧する。スラリは、接触すると乾燥し、均一なコーティングが達成される。３５パスから４０パスにより、厚みが約４層のコーティング（６μｍの大きさの蛍光体粒子を用いて約２０μｍから３０μｍ）をレンズ上に達成する。次に、結合剤を硬化させるためにレンズを焼付けする。ＬＥＤコーティングのこの手法は、一般照明用の任意のＬＥＤに使用することが意図されている。必要に応じて、透明材料の第２のコーティングを追加し、蛍光体を保護するために又は光抽出を助けるために保護膜をもたらすことができる。

蛍光体がスラリ内に埋設されてチップ回りに付加される従来のコーティング方法を凌いで、ＹＡＧ蛍光体を使用した青色ＬＥＤを使用し、光出力の大幅な向上が既に達成されている。明らかに、他にもＬＥＤチップを取り囲むレンズを遠隔にする方法は多くある。これらは、本発明の範囲内と考えられる。

好ましい一実施形態では、レンズは、チップの片側の長さ（Ｌ）の少なくとも約２倍から３倍である半径を有することが好ましい。この配置により、発生された、つまりこのようなレンズに付加されたコーティングから反射した放射光は、吸収されて失われるチップ又は他のコーティングされていない区域ではなく、再度伝達されることになるコーティングの他の部分に恐らく当たるという可能性が大きくなる。

図３に示す第２の実施形態では、ＬＥＤパッケージは、やはり２１０に設けられ、反射体２１６に取り付けられるサブマウント２１４上に装着されたＬＥＤチップ２１２を含む。レンズ２１８は、チップ２１２、サブマウント２１４、反射体２１６を取り囲む。レンズとチップ２１２の間の空間２２２を光学的に埋めるのは、一般的に、エポキシ樹脂又は他の透明な材料である。更に効率を向上させるために、蛍光体粒子を含む蛍光体コーティング２２４をレンズの内面２２６及び反射体２１６の上面に付加する。パッケージ底部と考えることができる反射体の上面に、最初にアルミナやチタニアなどの高誘電性粉体の反射層２４０を被覆することが好ましい。好ましい反射体材は、Ａｌ₂Ｏ₃である。次に、反射体上面の反射層２４０を覆うように、蛍光体コーティング２２４を付加する。反射層２４０の使用は、この表面の蛍光体コーティング２２４を貫通する任意の放射光２４２を反射する役目をする。代替的に、透明レンズ１１８に別々の蛍光体層２２４を被覆する代わりに、蛍光体を透明な半球を含む材料内に密接に分散させてもよい。

反射体２１６の反射層２４０上の蛍光体コーティング２２４は、相対的に厚い、すなわち５層を超える粉体層が好ましく、一方、半球の湾曲上部の蛍光体層は、望ましい色を達成したり、蛍光体層に入射する全ての放射光を吸収するように調整してもよい。一般的に、半球上部の蛍光体層は、青色発光チップの場合は、青色放射光の一部を放射するために、厚みが１層から４層の範囲となる。ＵＶチップの場合は、半球上の蛍光体層は、チップによって発せられたＵＶの少なくとも大半を吸収するために、４層から８層の厚みであるべきである。

図３に示すように、チップ２４２からの放射光は、最初に半球の蛍光体被覆面に当たることなく、半球から出るのが防止される。更に、蛍光体被覆面の総面積が発光チップの表面積よりも遥かに大きく、好ましくは、ＬＥＤチップの吸収部分の露出表面積の少なくとも１０倍である。本明細書で使用される時、ＬＥＤの吸収部分の露出表面積には、ＬＥＤチップの露出表面積並びに反射層及び／又は蛍光体層で覆われていないサブマウントの任意の露出面が含まれる。

このような配置においては、反射して半球に戻る相当量の青色放射光又はＵＶがある可能性があるが、広く散乱しているこの放射光のほとんど全ては、チップ又はサブマウントよりもむしろ蛍光体コーティングの他の部分に当たる。また、蛍光体コーティングによって発生した可視光線の大半は半球内に戻る。また、金属製反射体はなく、また、露出リード構造体もない。この幾何学形状の重要な特徴は、ＬＥＤチップ２１２以外の全てが蛍光体に覆われており、半球の蛍光体表面積の方が遥かに大きく、好ましくは、ＬＥＤの任意の吸収部分の表面積の１０倍を超えるということである。従って、半球に戻る放射光のほとんど全ては、他の蛍光体コーティング区域に当たり、蛍光体によって反射又は吸収されて再度伝達されることになる。本明細書に開示される実施形態は、７０％を上回る、ほとんどの場合は１００％に近づく効率を有するように計算される。

表１においては、この設計の効率がいくつかの標準的ＬＥＤパッケージ幾何学形状と比較されている。これらの比較は、コンピュータによるシミュレーションを用いて行ったものである。コンピュータによるシミュレーションは、以下で説明するフラックスモデルである。全ての放射フラックスが考慮されており、かつ、任意の所定の表面に入射する放射光量がその表面積に比例するように全てが拡散すると仮定する。表１に示すように、上述の幾何学形状では、本質的１００％のパッケージ効率が実現される。

（表１）

図４は、同じ原理で作動する第２の実施形態を示す。ここでは、ＬＥＤチップ３１２を台３１４の上に装着し、この台は、放熱板の役目をする。しかし、ＬＥＤチップ３１２は、成形された球３１８の中心部に設置される。次に、蛍光体層（図示せず）を球３１８の内面３２０に被覆するか又は密着して球内に分散させる。この設計においては、ＬＥＤは、全ての方向に均一に放射光を発する。ここでもまた、蛍光体コーティングによって発生されて散乱して球に戻る青色／ＵＶ及び可視光線のいずれもチップ３１２又は台３１４のいずれかに当たるよりはむしろ、他の蛍光体被覆面に当たる可能性が大きくなることは明らかである。これらの光吸収構造体は、拡散放射光の小さなターゲットである。表１で分るように、パッケージ効率は、この配置の場合は１００％に近い。Ａｌ₂Ｏ₃基板と比較してＳｉＣ基板上の方がＬＥＤ構造体のパッケージ効率が低いのは、ＳｉＣ基板によるＬＥＤ放射光の吸収量の方が多いことによる。

先の実施形態から、蛍光体コーティングの特定の形状は、コーティングから散乱する放射光がチップ又はチップ構造体に当たる可能性がないようにＬＥＤチップをできるだけ完全に取り囲み、かつこのチップから十分な距離（蛍光体被覆面がチップ露出表面積の約１０倍を超える表面積を有するような距離）を置いている限りは重要ではないことが明らかである。本発明は、本明細書で説明する実施形態に限定されるものではなく、全てのこのようなコーティング形状を包含することを意図し、その場合、蛍光体被覆面は、ＬＥＤ吸収部分の露出面積の約１０倍以上の露出面積を有する。従って、蛍光体を被覆するレンズは、半球又は球に限定されず、任意の幾何学形状を含むことができ、蛍光体被覆面の面積は、ＬＥＤの吸収部分の露出面積の約少なくとも１０倍であることが好ましい。

本発明はまた、幾何学形状がそれほど理想的なものではなく、場合によっては１００％のパッケージ効率という利点を完全にもたらさず、それでも被覆面がチップの発光面の少なくとも１０倍であるように成形された遠く離れた蛍光体コーティングという原則を利用するような幾何学形状を包含することを意図している。例えば、図５は、従来のサブマウントＬＥＤの概略図を示す。この配置においては、ＬＥＤチップ４１２及びサブマウント４１４は、反射体カップ４１６内に取り付けられる。蛍光体が反射体とレンズの間の光学媒体内に多少不規則に埋設される従来の設計（先の背景技術で説明済み）とは異なって、蛍光体コーティングは、透明レンズ４１８上の層として付加される。蛍光体コーティングは、チップ４１２から隔ててかつＬＥＤの吸収部分の露出区域の約１０倍を超える表面上にある。明らかに、蛍光体コーティングが付加されるレンズ４１３の表面は、チップの面積の１０倍未満の表面積を有する可能性がある。しかし、アセンブリのパッケージ効率は、チップに当たってかつ吸収される放射光の量の方が多いために相応に小さくなる。ここでもまた、第２のレンズ４３０を保護のために蛍光体被覆レンズを覆うように取り付けることができる。

散乱して蛍光体コーティングから戻るＵＶ又は青色放射光及び可視光線の大部分は、反射体カップ４１６又は他の蛍光体表面に当たる。比較的少量のみが光吸収チップ及びサブマウントに当たる。この設計においては、反射体カップ４１６は、非常に反射性の高い材料、例えば、９５％を超える反射率を有する蒸着及び保護銀被覆又は超微粒子アルミナ又はチタニアのような高純度無機粉体で作られることが重要である。更に、反射体カップ４１６は、蛍光体でコーティングしてもよく、又はしなくてもよい。表１は、面積２７ｍｍ²の蛍光体被覆レンズを利用する銀反射体カップ内のサブマウント上に、１．６ｍｍ²の面積を有する特定ＬＥＤの性能シミュレーション結果を示す。

図６及び図７に示すように、本発明はまた、複数のＬＥＤチップを含むシステムに付加されるような遠隔蛍光体コーティングの概念を開示する。単一の反射性電気的相互接続基板又は他の構造体上に複数の青色又はＵＶ発光ＬＥＤを装着することができる。次に、単一のＬＥＤではなく、ＬＥＤの組全体を取り囲むように蛍光体被覆面が用いられる。その一組のＬＥＤを取り囲むために蛍光体被覆面を単独又は他の反射性の高い表面と組み合わせて使用してもよい。このような構造体の２つの例を図６及び図７に示す。一方は、ダウンライトとして使用することができる粉体モジュール５００である。他方は、多くのＬＥＤが蛍光体コーティングパネルの後に装着されたパネルランプ６００である。蛍光体表面積がＬＥＤ吸収部分の露出面積の好ましくは１０倍であることを条件として、多くのこのような配置を構成することができることは明らかである。

先に詳説したように、実施形態のいずれも、ＬＥＤチップと蛍光体被覆レンズの間にエポキシ樹脂又は他の透明充填材を含むことができる。カプセル材料又は透明充填材の屈折率がダイ及びレンズの屈折率の幾何平均に密接に適合し、好ましくは、この値の約２０％以内、更に好ましくは、約１０％以内である時の方が有効な光抽出を実現することができる。これによって、ランプ内の内部反射量が少なくなる。従って、約１．５の屈折率を有するレンズを伴う約２．７の屈折率を有するＧａＮのＬＥＤチップの場合、充填材は、約２．１からの屈折率を有することが好ましい。約１．７の屈折率を有するサファイアサブマウント上のＧａＮ半導体のような異なる屈折率を備えた２つ又はそれ以上の材料を有するＬＥＤチップの場合、カプセル材料の屈折率は、レンズの幾何平均及び２つの材料のうちの値の高いほうに適合することが好ましい。従って、スピン・オン・ガラス（ＳＯＧ）又は他の高屈折率材料のようなエポキシ樹脂よりも高い屈折率を有するカプセル材料の場合の方が、有効な光抽出を達成することができる。

また、以上の実施形態のいずれにも、得られるＬＥＤパッケージの効率を更に向上させるために１つ又はそれ以上の帯域通過フィルタを装備することができる。従って、一実施形態では、図９に示すように、青色ＬＥＤ光源用レンズは、第１の帯域通過フィルタ７５０を含むように示されている。帯域通過フィルタは、蛍光体層７２４とＬＥＤ（図示せず）の間に配置されている。帯域通過フィルタは、蛍光体層７５４から発せられた光が外方に反射している間に青色ＬＥＤ光源７５２からの入射光が通過することができるように選択される。

図１０に示す実施形態では、紫外線ＬＥＤ光源パッケージ内に２つの帯域通過フィルタが設けられている。この実施形態では、第１の帯域通過フィルタ８５０は、蛍光体層８２４とレンズ８１８に隣接するＬＥＤ光源（図示せず）との間に配置されている。第１の帯域通過フィルタは、蛍光体層８５４から発せられた光を反射すると同時に、ＬＥＤからのＵＶ８５２を透過するように作用する。第２の帯域通過フィルタに８５６は、蛍光体層８５４から発せられた光を透過させると同時に、ＬＥＤ８５２からのＵＶを反射する。この配置により、可視光の伝達を保証すると同時に、パッケージからの潜在的に有害なＵＶの伝達が防止される。

図１１で分るように、放出放射光９５２及び９５４の発光角度、方向、及び強度を制御するために、先の実施形態のいずれにおいても、レンズ９１８の外面にミクロ又はマクロレンズ９６０のアレイを形成することができる。

表１に示す計算結果は、図８に示す線形フラックスモデルに基づくものである。この図は、ＬＥＤパッケージの４つの表面に入射する９つのフラックスを示す。これらのフラックスは、９つの線形方程式で以下に説明されており、各方程式は、対応する数を有するフラックスを説明している。方程式は以下の通りである。

これらの表面は、以下の通りである。
３＝上部蛍光体被覆面
２＝下部蛍光体被覆面
１＝反射体及びサブマウント
０＝青色又はＵＶ発光チップ

青色又はＵＶフラックスを説明する方程式が他に９つある。青色又はＵＶフラックスを説明するこれらの方程式は示されていない。それらは、量子効率Ｑ及びストークスシフト（λｉ／λｌ）を通じて可視光線方程式と結合される。１８個の線形方程式は、１８個の未知数、すなわち、各表面に当たる放射光の相対パワーをもたらし、これらは同時に解かれる。

ｐ値は、１つの表面からの放射光が別の表面に当たることになる確率である。表１に示す計算においては、これらの値は、表面積の比率として取られた。Ｑは、蛍光体の量子効率である。λは、青色又はＵＶチップ放射光の平均波長、又は蛍光体の可視放射の平均波長である。

必要とされる他のパラメータは、異なる材料表面の反射率及び吸光率である。これらは、ハンドブック値から取得するか又は公知の方法を用いて直接測定される。チップの反射率に関する値はないので、これらは、各チップが半導体層及び基板から成ると仮定して計算された。チップに入射する全ての放射光は、直角であり、フリップチップ設計の基板に入射するものと仮定し、回折効果を無視した。従って、２次のオーダーまでのチップの反射率の式は、以下のようになる。
Ｒ＝Ｒ_sub＋（１−Ｒ_sub）²ｅｘｐ（−２ａ_subｔ_sub）Ｒ_act＋（１−Ｒ_sub）²ｅｘｐ（−２ａ_subｔ_sub）（１−Ｒ_act）²ｅｘｐ（−２ａ_actｔ_act）Ｒ_mst．．．
ここで、Ｒ_sub＝基板の反射率、Ｒ_act＝活性層の反射率、ａ_sub＝基板の吸収係数、ａ_act＝活性層の吸収係数、ｔ_sub＝基板の厚み、及び、ｔ_act＝活性層の厚み。

公知の値又は推定値を屈折率、吸収係数、及び厚みに使用した。すなわち、以下のようになる。
Ｒ＝（（ｎ１−ｎ２）²＋ｋ²）／（ｎ１＋ｎ２）²＋ｋ²）
ここで、ｋ＝λａ／２_TTである。

本発明を好ましい実施形態を参照して説明した。明らかに、以上の詳細説明を読んで理解すれば、修正及び変更が想起されるであろう。本発明は、そのような全ての修正及び変更を含むように解釈されるものとする。

従来のＬＥＤパッケージアセンブリの斜視図である。 本発明の第１の実施形態によるＬＥＤアセンブリの断面図である。 本発明の第２の実施形態によるＬＥＤアセンブリの断面図である。 本発明の第３の実施形態によるＬＥＤアセンブリの断面図である。 本発明の第４の実施形態によるＬＥＤアセンブリの断面図である。 本発明の第４の実施形態によるＬＥＤアセンブリの側面斜視図である。 本発明の第４の実施形態によるＬＥＤアセンブリの側面斜視図である。 ＬＥＤアセンブリの様々な表面に入射する放射光のフラックス線を示す、本発明の実施形態によるＬＥＤアセンブリの図である。 帯域通過フィルタを含む青色ＬＥＤ光源のためのレンズの断面図である。 複数の帯域通過フィルタを含む紫外線ＬＥＤのためのレンズの断面図である。 放出された放射光の放射角度、方向、又は強度を制御するためにレンズの外面上に形成されたミクロ又はマクロレンズのアレイを含むレンズの断面図である。

符号の説明

１１０ ＬＥＤパッケージ
１１２ ＬＥＤチップ
１１４ サブマウント
１１６ 反射体
１１８ レンズ
１２４ 蛍光体層

Claims (36)

1. 発光半導体と、
   前記半導体を覆い、それから間隔を空けて配置された透明レンズと、
   前記レンズの内面又は外面内に含まれるか又はそこに被覆された蛍光体層と、
   を含むことを特徴とするＬＥＤ装置。
2. 前記レンズの前記内面は、前記発光半導体の露出表面積の少なくとも１０倍の表面積を有することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
3. 前記発光半導体と前記レンズの間に配置された透明充填材を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
4. 前記透明充填材は、エポキシ、シリコーン、アクリル、熱可塑性材料、ウレタン、ポリイミド、又は屈折率修正マッチング流体又はゲルとすることができる光結合材料であることを特徴とする請求項３に記載のＬＥＤ装置。
5. 前記充填材は、前記発光半導体及び前記レンズ材料の屈折率の幾何平均と密接に適合する屈折率を有することを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤ装置。
6. 前記蛍光体層は、実質的に均一な厚みを有することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
7. 前記蛍光体層は、１つ又はそれ以上の蛍光体と結合剤とを含むスラリで形成されることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
8. 前記蛍光体層は、１つ又はそれ以上の蛍光体と、散乱媒体と、結合剤とを含むスラリで形成されることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
9. 前記スラリは、キャリア溶剤を含むことができ、
   前記結合剤は、透明な屈折率マッチング材料である、
   ことを特徴とする請求項７に記載のＬＥＤ装置。
10. 前記溶剤は、メチルエチルケトンであり、
    前記結合剤は、シリコーン、アクリル、エポキシ、熱可塑性材料、及びポリイミドから成る群から選択される、
    ことを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ装置。
11. 前記蛍光体層は、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₂：Ｃｅ、Ｔｂ₃Ａｌ_4.9Ｏ₁₂：Ｃｅ、Ｓｒ₄Ａｌ₁₄Ｏ₂₅：Ｅｕ、及びその混合物の１つ又はそれ以上を含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
12. 前記発光半導体は、一次放射の範囲が２００〜４８０ｎｍの青色発光ＬＥＤ又はＵＶ発光ＬＥＤであることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
13. 白色光を発することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
14. ７０％又はそれ以上のパッケージ効率を有することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
15. 前記レンズは、球又は半球を含み、
    前記発光半導体は、前記球又は半球の中央に配置される、
    ことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
16. 発光半導体と、
    前記半導体を覆い、該発光半導体の最長辺の長さの少なくとも約２倍の距離によって該発光半導体から離して配置された透明レンズと、
    前記レンズの内面又は外面内に含まれるか又はそこに被覆された蛍光体層と、
    を含むことを特徴とするＬＥＤ装置。
17. 発光半導体と、
    前記発光半導体を支持する反射体と、
    前記半導体及び前記反射体を覆い、該半導体から間隔を空けて配置された透明レンズと、
    前記反射体の少なくとも一部分に被覆され、前記レンズの内面又は外面内に含まれるか又はそこに被覆された均一厚みの蛍光体層と、
    を含むことを特徴とするＬＥＤ装置。
18. 前記蛍光体層と前記反射体の間に配置された反射層を更に含むことを特徴とする請求項１７に記載のＬＥＤ装置。
19. 前記反射層は、高誘電性粉体を含むことを特徴とする請求項１８に記載のＬＥＤ装置。
20. 前記半導体が装着されたサブマウントを更に含み、
    前記サブマウントはまた、前記蛍光体層で被覆される、
    ことを特徴とする請求項１７に記載のＬＥＤ装置。
21. 前記蛍光体層は、６から１００μｍ厚であることを特徴とする請求項１７に記載のＬＥＤ装置。
22. 前記半導体は、２００〜４８０ｎｍの範囲の青色又はＵＶ発光ＬＥＤであることを特徴とする請求項１７に記載のＬＥＤ装置。
23. ７０％又はそれ以上のパッケージ効率を有することを特徴とする請求項１７に記載のＬＥＤ装置。
24. 前記ＬＥＤチップには、前記蛍光体コーティングがないことを特徴とする請求項１７に記載のＬＥＤ装置。
25. 均一の蛍光体コーティングを備えたレンズを有するＬＥＤ装置を形成する方法であって、
    支持体に装着したＬＥＤを準備する段階と、
    前記支持体の上又はその回りに適合する大きさの透明レンズを準備する段階と、
    均一厚みの蛍光体コーティングを前記レンズの表面上に配置する段階と、
    前記ＬＥＤ、マウント、及びレンズを組み付けてＬＥＤ装置を形成する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
26. 前記蛍光体を前記レンズ上に配置する前記段階は、
    蛍光体の粉体と、溶剤と、結合剤とを含むスラリを形成し、
    任意的に、前記レンズを室温を超える温度まで加熱し、
    均一厚みのコーティング層を達成するために、前記レンズ上に前記スラリをスタンプ、スクリーン、ディスペンス、ロール、ブラシ、又はスプレーし、
    永久的なコーティング層を形成するために前記結合剤を硬化させる、
    副段階を含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
27. 前記スラリは、複数のパスを用いる加圧スプレー法を使用して前記レンズ上にスプレーされることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
28. 前記溶剤は、トルエン、メチルエチルケトン、塩化メチレン、及びその混合物から成る群から選択されることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
29. 前記結合剤は、シリコーン、エポキシ、熱可塑性材料、アクリル、ポリイミド、及びその混合物から成る群から選択されることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
30. 前記蛍光体コーティングは、約６から約２００μｍの厚みを有することを特徴とする請求項２５に記載の方法。
31. 反射性電気的相互接続基板上に装着した複数の発光半導体と、
    前記半導体を覆い、該半導体から間隔を空けて配置された透明レンズと、
    前記レンズの内面又は外面内に含まれるか又はそこに被覆された蛍光体層と、
    を含むことを特徴とするＬＥＤ装置。
32. 前記レンズは、光抽出及びチップ保護の向上のために前記発光半導体の屈折率に符合する屈折率を有することを特徴とする請求項３１に記載のＬＥＤ装置。
33. 前記複数の発光半導体は、青色ＬＥＤを含み、
    前記蛍光体層と前記青色ＬＥＤの間で前記レンズ上に配置され、該ＬＥＤの発光波長を通して該蛍光体層の発光波長を反射するように機能する帯域通過光フィルタ、
    を更に含むことを特徴とする請求項３１に記載のＬＥＤ装置。
34. 前記複数の発光半導体は、紫外線ＬＥＤを含み、
    前記蛍光体層と前記青色ＬＥＤの間で前記レンズ上に配置され、該ＬＥＤの発光波長を通して該蛍光体層の発光波長を反射するための第１の帯域通過光フィルタと、
    前記レンズの外面上に配置され、前記蛍光体の発光波長を通して前記ＬＥＤの発光波長を反射するための第２の帯域通過光フィルタと、
    を更に含むことを特徴とする請求項３１に記載のＬＥＤ装置。
35. 前記レンズの前記外面上にミクロ又はマクロレンズのアレイを形成して、放出した放射光の放射角度、方向、又は強度を制御することを特徴とする請求項３１に記載のＬＥＤ装置。
36. 前記レンズは、光の色温度、ＣＩＥ、及びＣＲＩを前記発光半導体を換えることなく容易に調節するために、異なる蛍光体混合又は量を含有する付加的なレンズを取り付けることができるように、ＬＥＤ装置から容易に取外し可能であることを特徴とする請求項３１に記載のＬＥＤ装置。

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