JP2006060238A

JP2006060238A - 蛍光物質を用いて可視及び赤外線波長範囲に波長スペクトルを持つ出力光を生成するデバイス及びその方法。

Info

Publication number: JP2006060238A
Application number: JP2005241439A
Authority: JP
Inventors: Janet Bee Yin Chua; ビーインチュアジャネット; Kok Chin Pan; チンパンコッ; Kee Yean Ng; イーンウンキー; Kheng Leng Tan; レンタンケン; Tajul A Baroky; アロシュバロキータジュル
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2004-08-23
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2006-03-02
Also published as: TW200608603A; US20060038198A1; CN1741293A

Abstract

【課題】可視光アプリケーション及び赤外アプリケーションに対応可能な発光デバイスを提供する。
【解決手段】リードフレーム１０４上に設置されるＬＥＤダイ１０２の周囲に蛍光物質１１８を含む波長シフト領域１１６が形成される。ＬＥＤダイ１０２から出射される光の少なくとも一部は、蛍光物質１１８によって、可視波長範囲及び赤外線波長範囲の中に波長スペクトルを有する出力光へと変換され、出力部１１４を経てＬＥＤ１００の外部に出射される。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光デバイス、特に蛍光物質を用いて可視及び赤外線波長範囲に波長スペクトルを持つ出力光を生成することの可能なデバイスに関する。

既存の発光ダイオード（ＬＥＤ）は、紫外線（ＵＶ）、可視光又は赤外線（ＩＲ）の波長範囲の光を放射することが出来る。これらのＬＥＤは一般に、狭い発光スペクトル（約±１０ｎｍ）を持っている。一例を挙げると、青色ＩｎＧａＮＬＥＤは４７０ｎｍ±１０ｎｍの波長の光を生成する。他の例として、緑色ＩｎＧａＮＬＥＤは５１０ｎｍ±１０ｎｍの波長の光を生成する。更に他の例として、赤色ＡｌＩｎＧａＰＬＥＤは６３０ｎｍ±１０ｎｍの波長の光を生成する。

しかしながら一部のアプリケーションにおいては、白色光を作る為の可視範囲における広い発光スペクトル等、より広い発光スペクトルを提供することが出来るＬＥＤが望まれている。単色ＬＥＤは、その狭帯域発光特性から「白色」光アプリケーションには直接的に用いることが出来ない。白色光は、単色ＬＥＤからの出力光を１種類以上の異なる波長の光と混合することにより作られるのである。単色ＬＥＤを用いて白色光を作る手法としては；（１）個々の赤色、緑色及び青色ＬＥＤを一緒にパッケージングし、これらのＬＥＤの放射する光を組み合わせることで白色光を作る手法；及び（２）ＵＶ、青色又は緑色ＬＥＤに蛍光物質を併用することにより、ＬＥＤの半導体ダイから放射される元の光の一部をより長い波長の光に変換し、これを元のＵＶ、青色又は緑色光と組み合わせることにより白色光を作る手法；の二つが一般的である。

単色ＬＥＤを用いて白色光を作るこれら二つの手法のうち、第一の手法よりも第二の手法が一般に望ましいとされている。赤色、緑色及び青色ＬＥＤはそれぞれに異なる動作電圧条件を持つ半導体ダイを含んでいる為、第一の手法には第二の手法よりも複雑な駆動回路が必要となる。赤色、緑色及び青色ＬＥＤはそれぞれに異なる動作電圧条件を持っていることに加え、各々の動作寿命で別々に劣化して行くものであり、この第一の手法では長期間にわたり色の制御をすることが困難なのである。更に、第二の手法においては単一種類の単色ＬＥＤしか必要としないことから、この手法によればより小型で単純な構造を持ち、製造コストの安いデバイスが可能なのである。

他のアプリケーションにおいては、可視波長範囲とＩＲ波長範囲の両方を部分的に含む広い発光スペクトルを生成するＬＥＤが望まれる場合もある。例えば、ＬＥＤの可視光は画像通信又は視覚効果に利用することが出来、そしてＩＲ光はＩＲデテクタと共に利用することで信号伝送に用いることが出来る。この結果、可視波長範囲及びＩＲ波長範囲の両方において広い範囲の発光スペクトルを持つ出力光を放射するデバイス及び方法が必要とされているのである。

可視波長範囲及び赤外線波長範囲における波長スペクトルを有する出力光を生成する為のデバイス及び方法は、デバイスの光源から放射された元の光の少なくとも一部を、より長い波長の光へと変換する蛍光物質を用いて出力光を生成するものである。光源は、ピーク波長が紫外線−可視波長範囲にある光を生成するように構成される。蛍光物質としては、光源に応じた任意の組み合わせの、赤色、緑色、青色及び黄色の燐光体が含まれる。

本発明の一実施例に基づくデバイスは、元の光を生成する光源と、その元の光を受ける為の、光源と光学的に結合された波長シフト領域とを含んでいる。波長シフト領域は、可視波長範囲及び赤外線波長範囲の波長スペクトルを有する出力光を作る為に、元の光の少なくとも一部を変換光へと変換する波長変換特性を持つ蛍光物質を含んでいる。

本発明の他の実施例に基づくデバイスは、元の光として紫外線及び可視波長範囲にピーク波長を有するものを放射する半導体ダイと、そして元の光を受ける為に光学的に光源と結合された波長シフト領域とを含んでいる。波長シフト領域は、可視波長範囲及び赤外線波長範囲の波長スペクトルを持つ出力光を作る為に、元の光の少なくとも一部を変換光へと変換する波長変換特性を持つ蛍光物質を含んでいる。

本発明の一実施例に基づく出力光を生成する為の方法は、元の光を生成することと、元の光を受光することであって、元の光の少なくとも一部を蛍光発光により変換光へと変換することを含む、受光することと、そして元の光及び変換光を出力光の成分として放射することとを含み、出力光は可視波長範囲及び赤外線波長範囲に波長スペクトルを有する。

本発明の他の態様及び利点は、本発明の原理を例に挙げて描いた添付図を参照すると共に以下の詳細説明を読むことにより明らかとなる。

図１には本発明の一実施例に基づく発光ダイオード（ＬＥＤ）１００が描かれている。ＬＥＤ１００は、可視波長範囲及び赤外線（ＩＲ）波長範囲の両方において広い波長スペクトルを持つ出力光を生成するものである。従って、ＬＥＤ１００の出力光は可視光及びＩＲ光の両方を含んでいる。出力光は、ＬＥＤ１００が生成する元の光の一部を異なる波長の光へと変換するために蛍光物質を用いて生成される。変換された光は元の光の波長スペクトルを変化させ、出力光に所望される波長スペクトルを作り出すものである。出力光は可視光だけではなくＩＲ光も含んでいる為、ＬＥＤ１００は画像コミュニケーション或いは視覚効果といった可視光アプリケーションのみならず、ＩＲ信号伝送等のＩＲアプリケーションにも利用することが出来る。

図１に示したように、ＬＥＤ１００はリードフレーム実装ＬＥＤである。ＬＥＤ１００はＬＥＤダイ１０２、リードフレーム１０４、１０６、ワイヤ１０８及びランプ１１０を含んでいる。ＬＥＤダイ１０２は特定のピーク波長の光を生成する半導体チップである。従って、ＬＥＤダイ１０２はＬＥＤ１００の光源である。ＬＥＤ１００は単一のＬＥＤダイを含んでいるかのように描かれているが、ＬＥＤは、例えば紫外線（ＵＶ）ＬＥＤダイ、可視光ＬＥＤダイをそれぞれ１つづつ含む等、複数のＬＥＤダイを含んでいても良い。ＬＥＤダイ１０２からの光は一般に、狭い波長スペクトル（約±１０ｎｍ）を持っている。ＬＥＤダイ１０２は、紫外線及び可視波長範囲（〜１００−７００ｎｍ）にピーク波長を持つ光を生成するように設計されたものとすることが出来る。例えばＬＥＤダイ１０２は、ＵＶ、青色又は緑色波長範囲にピーク波長を持つ光を生成するＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＮＬＥＤ等、ＧａＮベースのＬＥＤとすることが出来る。他の例としては、ＬＥＤダイ１０２は赤色、橙色又は黄色波長範囲にピーク波長を持つ光を生成するＡｌＩｎＧａＰダイとすることも出来る。

ＬＥＤダイ１０２は、リードフレーム１０４上に設置されており、他方のリードフレーム１０６とはワイヤ１０８で電気的に接続されている。リードフレーム１０４及び１０６はＬＥＤダイ１０２を駆動させる為に必要な電力を供給するものである。ＬＥＤダイ１０２は、ＬＥＤダイ１０２からの光の伝播媒体であるランプ１１０中に封入されている。ランプ１１０は主要部１１２及び出力部１１４を含んでいる。本実施例においては、ランプ１１０の出力部１１４はドーム型をしており、レンズとしての機能を持っている。よってＬＥＤ１００から出力光として放射された光はランプ１１０のドーム型の出力部１１４により収束される。しかしながら他の実施例においては、ランプ１１０の出力部１１４は水平方向（図中の水平方向）に平坦なものとすることも出来る。

ＬＥＤ１００のランプ１１０は、ＬＥＤダイ１０２からの光がランプ中を通って出力部１１４から放射することが出来るように透明エポキシ、シリコーン、ガラス等の透明な物質で出来ている。この実施例においては、ランプ１１０は光伝播媒体でもある波長シフト領域１１６を含んでおり、これは透明物質と蛍光物質１１８の混合物から成る。波長シフト領域１１６中の蛍光物質１１８は、ＬＥＤダイ１０２から放射される元の光の少なくとも一部をより低エネルギー（より長波長）の光へと変換する為に用いられる。元の光の、蛍光物質１１８により変換される量は、ＬＥＤ１００に所望される出力光に応じて変化させることが出来る。例えば、ＬＥＤダイ１０２がＵＶＬＥＤダイであった場合、ＵＶ光が目に有害であり、出力光中にあることが望ましくないことから、元の光のほぼ全てが蛍光物質１１８により変換される場合がある。変換光は、そして非吸収光が存在する場合は、それもランプ１１０の光出力部１１４からの、ＬＥＤ１００の出力光として放射される。

波長シフト領域１１６中の蛍光材料１１８は、一種類以上の無機燐光体、一種類以上の蛍光有機色素、一種類以上のハイブリッド燐光体、一種類以上のナノ燐光体、或いは蛍光有機色素、無機燐光体、ハイブリッド燐光体及びナノ燐光体の任意の組み合わせとすることが出来る。ハイブリッド燐光体は、本願においては、無機燐光体及び有機燐光体又は色素の任意の組み合わせから成る燐光体と定義するものとする。どのような組み合わせであれ、蛍光物質１１８はＬＥＤダイ１０２からの元の光の一部又はほぼ全てを、出力光の波長スペクトルが可視波長範囲及びＩＲ範囲を含むことになるように変換する波長変換特性を持っている。ＬＥＤ１００からの出力光の波長スペクトルは、波長シフト領域１１６中の蛍光物質１１８の波長変換特性と、ＬＥＤダイ１０２が生成する元の光のピーク波長との両方に依存する。よって所望の波長スペクトルを持つ出力光を生成する為には、蛍光物質１１８とＬＥＤダイ１０２の両方に考慮が必要となるのである。

以下は、本発明に基づいて可視波長範囲及びＩＲ波長範囲にわたる広い波長スペクトルを持つ出力光を生成する為に共に用いられるＬＥＤダイ及び蛍光材料の幾つかの例である。本願において可視波長範囲と言った場合、約４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲を意味し、また、ＩＲ波長範囲と言った場合は約７００ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲を意味するものとする。以下の例においては、各ＬＥＤダイに関する色は、ＬＥＤダイが生成する光のピーク波長である（ＬＥＤダイが生成する光のピーク波長によって各ＬＥＤダイの色を定義する）。同様に、各燐光体に係わる色もその燐光体により変換された光のピーク波長である（燐光体により変換された光のピーク波長によって各燐光体の色を定義する）。第一の例は青色ＬＥＤダイ（青色を発するＬＥＤダイ）、そして赤色及び黄色燐光体、赤色及び緑色燐光体、又は赤色、黄色及び緑色燐光体（赤色及び黄色に変換する燐光体、赤色及び緑色に変換する燐光体、又は赤色、黄色及び緑色に変化する燐光体）の蛍光物質である。この組み合わせによれば、４００〜９５０ｎｍ範囲の波長スペクトルを持つ出力光が得られる。第二の例は、赤色ＬＥＤと、蛍光物質として赤色燐光体を使用した場合である。この組み合わせによれば、６００〜１５００ｎｍ範囲の波長スペクトルを持つ出力光が得られる。第三の例は、遠紫外線ＬＥＤと、蛍光物質として赤色、青色及び黄色燐光体、赤色、青色及び緑色燐光体、又は赤色、青色、緑色及び黄色燐光体を使用した場合である。この組み合わせによれば、４００〜８００ｎｍ範囲の波長スペクトルを持つ出力光が得られる。一例として、黄色燐光体はＹＡＧ：Ｃｅ、ＴＡＧ：Ｃｅ、又はＹＡＧ：Ｃｅ，Ｐｒとし、赤色燐光体をＣａＳ：Ｅｕ²⁺，Ｍｎ²⁺、ＳｒＳ：Ｅｕ²⁺、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ａｇ；Ｍｇ₄ＧｅＯ_5.5Ｆ：ＭＮ⁴⁺、ＺｎＳｅ：Ｃｕ、又はＺｎＳｅＳ：Ｃｕ，Ｃｌとし、緑色燐光体をＺｎＳ：Ｃｕ⁺、ＳｒＧａ₂Ｓ₄：Ｅｕ²⁺、ＹＡＧ：Ｃｅ³⁺、又はＢａＳｒＧａ₄Ｓ₇：Ｅｕとし、青色燐光体をＢａＭｇ₂Ａｌ₁₆Ｏ₂₇：Ｅｕとすることが出来る。しかしながら上記物質の代わりに所望の波長変換特性を持ついずれの蛍光物質を利用しても良い。

ランプ１１０の波長シフト領域１１６を図１においては方形の形状として示したが、波長シフト領域は半球体等の他の形状とすることも可能である。更に他の実施例においては、波長シフト領域１１６はＬＥＤダイ１０２と物理的に結合していなくても良い。よってこれらの実施例においては、波長シフト領域１１６はランプ１１０中のいずれか他の場所に配置することも可能である。

図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃにおいては、本発明の実施例に基づく他のランプ構成を持つＬＥＤ２００Ａ、２００Ｂ及び２００Ｃが描かれている。図２ＡのＬＥＤ２００Ａは、ランプ全体を波長シフト領域としたランプ２１０Ａを含んでいる。よってこの構成においては、ランプ２１０Ａ全体が透明物質と燐光物質１１８の混合物で出来ている。図２ＢのＬＥＤ２００Ｂは、ランプの外表面に設けられた波長シフト領域２１６Ｂを有するランプ２１０Ｂを含んでいる。よってこの構成においては、ランプ２１０Ｂ中で蛍光物質１１８の無い領域をまずＬＥＤダイ１０２上に形成し、その後この領域の上から透明物質と蛍光物質１１８の混合物を設けることにより、ランプの波長シフト領域２１６Ｂが形成されている。図２ＣのＬＥＤ２００Ｃは、ＬＥＤダイ１０２上にコーティングされた透明物質と蛍光物質１１８の混合物の薄膜として波長シフト領域２１６Ｃを有するランプ２１０Ｃを含んでいる。よってこの構成においては、ＬＥＤダイ１０２はまず、波長シフト領域２１６Ｃを形成する透明物質と蛍光物質１１８の混合物によりコーティング、即ち覆われ、そして蛍光物質１１８を含まない透明物質をこの波長シフト領域上に形成することによりランプ２１０Ｃの残りの部分が形成される。一例として、ＬＥＤ２００Ｃの波長シフト領域２１６Ｃの厚さは、１０〜６０μとすることが出来る。

他の実施例においては、ＬＥＤダイを配置するＬＥＤのリードフレームが図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ及び図３Ｄに示したようにリフレクタカップを含んでいる。図３Ａ〜図３Ｄは、リフレクタカップ３２２を持つリードフレーム３２０を含むランプの異なる構成を持つＬＥＤ３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ及び３００Ｄを描いたものである。リフレクタカップ３２２はＬＥＤダイ１０２を配置する為の窪ませた領域を持っており、これによりＬＥＤダイが生成した光の一部がリードフレーム３２０から反射され、それぞれのＬＥＤからの有効な出力光として放射されるものである。

上述した異なるランプ構成は、本発明に基づいて他のタイプのＬＥＤを作る上で、表面実装ＬＥＤといった他のタイプのＬＥＤにも適用することが出来る。加えて、これらの異なるランプ構成は、本発明に基づいて半導体レーザーデバイス等の他のタイプの発光デバイスにも適用することが出来る。これらの発光デバイスにおいては、光源は例えばレーザーダイオード等、ＬＥＤダイ以外のいずれのものであっても良い。

本発明の一実施例に基づいて可視波長範囲及びＩＲ波長範囲にある波長スペクトルを持つ出力光を生成する為の方法を、図４を参照しつつ説明する。ブロック４０２においては、元の光が生成される。元の光は、ＵＶＬＥＤダイ、青色ＬＥＤダイ又は赤色ＬＥＤダイ等のＬＥＤダイから生成することが出来る。次にブロック４０４において、元の光が受光され、蛍光物質によって元の光の少なくとも一部が変換光へと変換される。元の光の変換は、赤色、青色、黄色及び緑色燐光体といった一種類以上の燐光体を用いて実施することが出来る。次にブロック４０６において、可視波長範囲及びＩＲ波長範囲に波長スペクトルを有する出力光の一成分として変換光が放射される。

本発明の特定の実施例を説明及び図示して来たが、本発明は図示及び説明した特定の形式及び部品構成に限られたものではない。本発明の範囲は、本願請求項及びこれに相当するものによってのみ定義されるものである。

可視波長範囲及び赤外線（ＩＲ）波長範囲に発光スペクトルを持つ、本発明の一実施例に基づくＬＥＤの図である。異なるランプ構成を持つ、本発明の一実施例に基づくＬＥＤの図である。異なるランプ構成を持つ、本発明の一実施例に基づくＬＥＤの図である。異なるランプ構成を持つ、本発明の一実施例に基づくＬＥＤの図である。リフレクタカップを設けたリードフレームを持つ、本発明の一実施例に基づくＬＥＤの図である。リフレクタカップを設けたリードフレームを持つ、本発明の一実施例に基づくＬＥＤの図である。リフレクタカップを設けたリードフレームを持つ、本発明の一実施例に基づくＬＥＤの図である。リフレクタカップを設けたリードフレームを持つ、本発明の一実施例に基づくＬＥＤの図である。可視波長範囲及びＩＲ波長範囲に波長スペクトルを持つ出力光を生成する為の、本発明の一実施例に基づく方法のフローチャートである。

符号の説明

１０２：光源
１１６；２１０Ａ；２１６Ｂ；２１６Ｃ：波長シフト領域
１１８：蛍光物質

Claims

出力光を放射する為のデバイスであって、元の光を生成する光源と、前記光源と光学的に結合して前記元の光を受光する波長シフト領域とを具備し、前記波長シフト領域が、前記元の光の少なくとも一部を、前記出力光を作る為の変換光へと変換する波長変換特性を持つ蛍光物質を含み、前記出力光が、可視波長範囲及び赤外線波長範囲中の、ある波長スペクトルを有するものであることを特徴とするデバイス。
前記光源が、前記元の光として青色波長範囲にピーク波長を持つものを生成するように構成されており、前記蛍光材料が、赤色、黄色及び緑色燐光体のうち、いずれかの組み合わせを含むものであることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
前記光源が、前記元の光として紫外線波長範囲にピーク波長を持つものを生成するように構成されており、前記蛍光材料が、赤色、青色、黄色及び緑色燐光体のうち、いずれかの組み合わせを含むものであることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
前記光源が、前記元の光として、可視光スペクトル中にある、特定の色の波長範囲内にピーク波長を有するものを生成するように構成されており、前記蛍光材料が、前記変換光として前記特定の色の波長範囲内にピーク波長を持つものを生成することが出来る燐光体を含むものであることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
前記光源が、前記元の光として、赤色の波長範囲にあるピーク波長を持つものを生成するように構成されており、前記蛍光材料が、赤色燐光体を含むものであることを特徴とする請求項４に記載のデバイス。
出力光を生成する為の方法であって、
元の光を生成することと、
前記元の光を受光することであって、前記元の光の少なくとも一部を蛍光物質により変換光へと変換することを含む、受光することと、
前記変換光を前記出力光の一成分として放射することとを有し、
前記出力光が、可視波長範囲及び赤外線波長範囲にある波長スペクトルを有するものであることを特徴とする方法。
前記変換することが、前記元の光の少なくとも一部を、蛍光有機色素、無機燐光体、ハイブリッド燐光体及びナノ燐光体のうちの１つを用いて前記変換光へと変換することを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
前記生成することが、前記元の光として、青色の波長範囲にピーク波長を有する第一の波長スペクトルを有するものを生成することを含み、
前記変換することが、赤色、黄色及び緑色燐光体のうち、任意の組み合わせを用いて、前記元の光の少なくとも一部を前記変換光へと変換することを含むことを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。
前記生成することが、前記元の光として、紫外線波長範囲にピーク波長を有する第一の波長スペクトルを有するものを生成することを含み、
前記変換することが、赤色、青色、黄色及び緑色燐光体のうち、任意の組み合わせを用いて、前記元の光の少なくとも一部を前記変換光へと変換することを含むことを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。
前記生成することが、前記元の光として、特定色の波長範囲にピーク波長を有する第一の波長スペクトルを有するものを生成することを含み、
前記変換することが、前記変換光として前記特定の色の波長範囲内にピーク波長を有するものを生成可能な燐光体を用いて、前記元の光の少なくとも一部を前記変換光へと変換することを含むことを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。