JP2008518423A - 半導体ランプに対する熱伝導性取付け固定具 - Google Patents

Abstract

本発明は、有機発光ダイオード照明器具に係る。当該器具は、熱伝導性取付け部材及び熱伝導性取付け表面を有する熱伝導性取付け固定具を有する有機発光ダイオードランプを有する。熱伝導性取付け部材は、第１の側部及び第２の発光表面上の取付け表面、及び第２の発光表面に近接する薄膜発光構造を有する。薄膜発光構造は、アノード、発光層、及びカソードを有する。熱伝導性取付け表面上において熱伝導性取付け部材は、取付け表面にわたって実質的に連続的な熱接触があるよう、固定される。

Description

本発明は、半導体発光装置の分野、より具体的には、汎用の照明に対して該装置を活用する取付け固定具に係る。

発光装置（ＬＥＤ）は、有機及び無機のいずれも、低減された電力消費量から生じる付随的社会利益を有するより有効な照明に関する展望を与える。ＬＥＤは既存の白熱灯及び蛍光灯を遙かに上回った理論的な効率極限を有するが、依然として温度管理の問題を有する。この見せかけの矛盾（ｓｅｅｍｉｎｇ ｐａｒａｄｏｘ）が存在するのは、既存の電球、特には白熱灯が、廃熱（ｗａｓｔｅ ｅｎｅｒｇｙ）を帯域外放射線として電球から放射される近赤外線波長における光へと実質的に直接変換するためである。対照的に、ＬＥＤ等の半導体照明装置は、廃熱を装置基板の熱励起へと変換する。フィラメントが高温にまで加熱されているという理由によって作動する白熱電球とは対照的に、ＬＥＤは、装置基板が加熱されると効率性を損失し、更には問題を悪化させる。既存のランプが固有の熱遮断機構を有するため、電球によって作り出される熱を管理する手段を有する照明取付け固定具を与える必要は、今まではなかった。このことは、半導体ランプを活用する将来の取付け固定具に対しては当てはまらない。

したがって、熱管理機能を与える半導体ランプに対して向上された取付け固定具は、必要とされる。

本発明によれば、有機発光ダイオード照明器具が与えられる。当該有機発光ダイオード照明器具は：
ａ） 熱伝導性取付け部材を有する有機発光ダイオードランプ、及び、
ｂ） 熱伝導性取付け表面を有する熱伝導性取付け固定具、
を有する。該熱伝導性取付け部材は、第１の側部及び第２の発光表面上の取付け表面と、第２の発光表面に近接する薄膜発光構造とを有し、該薄膜発光構造は、アノード、発光層、及びカソードを有する。該熱伝導性取付け表面上において熱伝導性取付け部材は、取付け表面にわたって実質的に連続的な熱接触があるよう、固定される。

本発明のこれらの及び他の態様、目的、特徴、及び有利点は、以下に記載される望ましい実施例の詳細な説明及び添付の請求項を見て、並びに添付の図面を参照して、より明らかに且つ十分に理解される。

以下に示される本発明の望ましい実施例の詳細な説明において、添付の図面が参照される。

図１を参照すると、典型的な白熱灯は、エジソンねじ込み口金２０に対して機械的に接合される密封エンベロープ５を有する。ガラスフィラメント支持体１５は、エンベロープの底部に対して接合され、導線（図示せず）は、密封エンベロープを介して引き出され、エジソンねじ込み口金に対して取り付けられる。電流は、口金に対して取り付けられた導線を介してフィラメント１０に対して供給される。このランプの基本的な作動原理は、フィラメントが供給される電流によって、黒体放射が可視光範囲において実質的な構成要素を有する温度まで加熱される、ことである。このランプの放射線のスペクトルは、プランクの式、

によって近似して概算され得る。式中、Ｐλ＝波長ｍあたりの面積ｍ^２あたりの出力、ｈ＝プランク定数（６．６２６×１０^−３４Ｊｓ）、ｃ＝光の速度（３×１０^８ｍ／ｓ）、λ＝波長（ｍ）、ｋ＝ボルツマン定数（１．３８×１０^−２３Ｊ／Ｋ）、Ｔ＝温度（Ｋ）である。入力エネルギの約５％のみが可視スペクトルにおいて有用な光として放射されるが、残りのエネルギは、伝導を介して拒絶されるのではなく、依然として電球から放射される。

図２は、典型的な先行技術の有機発光ダイオード／ランプ５５の構造を示す。一連の薄膜層（〜５０ｎｍ）は、基板５０上に蒸着される。かかる層は、カソード２５、電子入射層３０、エミッタ層３５、正孔注入層４０、及びアノード４５である。かかる複数の層は、装置から放射される光を増大するようスタックにおいて用いられ得る。任意的な封入カバー５２は、一連の薄膜層にわたって与えられ得、基板５０に対して固定され得る。あるいは、薄膜封入は、薄膜層を密封するよう用いられ得る。電流は、アノード４５及びカソード２５に対して印加される。電流は、アノードからのホールの形状及びカソードにおける電子の形状において流れる。エミッタ層において接触し且つ再結合するホール及び電子は、光子−光を放射する。黒体放射体と比較すると、この光のスペクトルは狭い。典型的なＯＬＥＤ材料に対して、該スペクトルは、正規分布によって概算され得る。該分布は、一般的には２つのパラメータによって示される。該パラメータは、中心ピークの位置、及び強度がピークの半分である点での分布の幅である。これは、半値幅と称され、典型的にはＯＬＥＤに対して３０ｎｍ、無機ＬＥＤに対しては１５ｎｍである。結果として、目標とされるピーク点外で装置から放射されるエネルギは、大変少ない。光子を放射するよう再結合しない電子及びホールのエネルギは、熱励起−熱として材料へと放出される。この熱は、大変長い波長の赤外線として放出される少量を有して、最初に伝導を介して放出される。装置は、効果的な導電インタフェースを有さない限りその定常温度は非常に高く、効率性の低減及び寿命の短縮に繋がる。

照明取付け固定具における半導体ランプの使用へともたらされるこの新しい問題を解決するよう、本発明は、半導体ランプからの熱伝達を強化する手段を照明取付け固定具へと取り入れる。図３を参照すると、本発明に従って作られた照明器具（ｌｕｍｉｎａｉｒｅ）７５が図示される。照明器具７５は、図２に対して示される、即ち熱伝達ユニット６０に対して着脱可能に加えられるＯＬＥＤランプ５５を有する。熱伝達ユニットは、望ましくは金属を有して作られたスクリーン６５を有して覆われる。該スクリーンはまた、空気の自由循環を可能にする一方で、熱伝達ユニットとの不測の接触に対する保護を与える。スクリーンは、取付け固定具の外観を向上させるよう装飾的であり得るか、あるいは装飾され得る。熱伝達ユニット６５に対してピボット式に固定される取付けブラケット７０は、壁、天井、柱、又は他の固定場所に対して照明器具７５を取り付けるよう与えられる。ＯＬＥＤランプは、ランプ上の接点及び照明器具上での外部電源（図示せず）との接触に対するソケットを介して照明器具に対して電気的に接続され、これは、Ｃｏｋによる２００３年１２月４日発行の米国公開２００３／０２２２５５８において記載される。あるいは、電力は、電池又は他の局所的電力供給を介して与えられ得る。

望ましい一実施例では、熱伝達ユニット６０は、熱伝導性従属層（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ｌａｙｅｒ）７２を有する。 該層は、半導体光源５５からの熱伝導を強化するよう、同一の広がりを有し、且つ取付け表面７４と連続して熱的に接触する。図示される実施例における表面５５は、半導体光源の非放射性側部上に与えられる。半導体照明ランプ５５と連続的な熱接触において、また同一の広がりを有する従属層が無い場合、高温点は、照明ランプ５５において展開され得る。図示される実施例におけるユニット６０は、ランプ５５から熱を引き離す複数の熱伝導フィン６２を備えられる。技術的に既知である通り、半導体ランプの寿命は、ランプが上昇された温度において作動される際に、短縮される。したがって、本発明は２つの利点を与える。即ち、半導体ランプ５５の全体的な温度が低減されること、並びに局所的高温点の展開が妨げられること、であり、それによって、ランプの寿命にわたる光出力均質性が向上される。

図４を参照すると、本発明に従って作られた改善された照明器具７５が示される。同様の参照符号は、前述された部分及び操作を示す。この実施例において、フィン６２は、対流冷却を促進するよう垂直に方向付けられた通過路６３を有する。この配置において、通過路６３を介する加熱された空気の自然な上方向の流れは、フィンの垂直配向によって助けられる。この加熱された空気の自然な流れは、例えばファン８０を有して、フィン６２を介して、あるいはその周囲で、強制対流冷却の追加によって更に促進され得る。強制対流は、いずれの向きにおいても用いられ得る。図４中、熱伝導性従属材料を有して作られた追加層５６は、半導体光源／ランプ５５からの熱の伝達を最適化するよう与えられる。層５６に対する市販のシリコンパッド等である適切な材料は、用いられ得る。半導体光源が照明器具７５へと挿入される際に従属材料は僅かに圧縮され得るため、層５６は、取外し可能な光源に対して優れた熱的接触を確実にする際に特に有用である。

図４中に示されるヒートシンクは、垂直方向に取り付けられるランプ構造を補完するよう垂直に方向を定められたフィンを使用する。他の実施例では、ランプは、水平方向に、あるいは他のいかなる角度においても取り付けられ得る。フィンは、図示される通り、平坦（ｓｍｏｏｔｈ）であり、フィンにおいて斜交開口を有するか、あるいは多種のフィンの深さ又は厚みを有し得る。更に他の実施例では、深さを低減するよう、フィンは、全く用いられ得ない。円筒等の多種の形状を有する、平坦な表面、あるいは節、小塊、又はピンヘッドを有する表面は、空気流又は対流を向上させるよう用いられ得る。ヒートシンクは、多種の材料、例えばランプの熱膨張係数に対して適合される熱膨張係数を有する材料を有して作られ得る。金属が用いられ得、該金属は例えば、Ｃｕ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐｂ、あるいはＡｌＳｉ，ＡｌＳｉＣ又はスチール等の金属合金である。

多種にわたる取付け固定具は、本発明を有して用いられ得る。例えば、懸垂式天井は、典型的には金属グリッドを有して作られ、タイルを支持し、またグリッドをサスペンドするようワイヤハンガーを用いるようにする。図５を参照すると、図示された本発明の他の一実施例において、熱伝達ユニット６０は、ワイヤハンガー９５によってサスペンドされる金属グリッド９０に対して熱的に接続される。この実施例では、熱伝達ユニット６０は、半導体光源５５を適所に保持するデテント６８と、半導体光源５５の突出タブ５８を受け且つ電気コネクタ（図示せず）を有するキャビティ６６とを有する、熱伝導性ソケット（凹部）としての役割を果たす。これは、Ｂｌａｚｅｙによる２００４年４月１日発行の米国公開２００４／００６０９７６において記載される。電気的接続は、既知である通りプラグ及びワイヤを使用して電気グリッドから熱伝導性ソケットまで与えられる。前述された熱放射フィン６２は、与えられ得る。図６中に示される他の一実施例において、熱伝達ユニット６０は、望ましくは金属等の熱伝導性材料を有して作られる、ハンガー９５によって直接サスペンドされる。

取付け固定具はまた、独立型であり得る。図７を参照すると、照明器具７５は、ランプ等の自立型面照明（ａｒｅａ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）装置に対する支持体としての役割も果たす熱伝導性熱伝達ユニット６０を有する。図７中に示される通り、熱伝導性熱伝達ユニット６０は、半導体光源の同一の広がりを有する取付け表面にわたって半導体ランプ５５と実質的に連続して熱的に接触する。熱放散フィンは、熱伝導性熱伝達ユニット６０の後背側部上で用いられ得る。

図８乃至図１０を参照すると、本発明の更なる実施例が図示されている。同様の参照符号は、上述された同様の部分及び操作を示す。図８中の実施例では、カバー５２は、熱伝導性であり、熱伝達ユニット６０に対して固定される。図９中、基板５０は、ユニット６０へと固定され、ユニット６０は、光４８を上方に方向付けるよう反転位置にある。図１０中、熱伝導性材料を有する柔軟層（ｐｌｉａｂｌｅ ｌａｙｅｒ）５３は、封入層５４の上部にわたって与えられる。封入層５４はまた、カバーとして作用する。層５３は望ましくは、封入層５４と熱伝導性熱伝達ユニット６０との間の全ての空隙を満たすよう設計され、それらの間に連続的な熱接触を与えるようにする。

本発明の更なる実施例では、熱伝導性熱伝達ユニット６０は、ペルチェ冷却器及びヒートパイプ等の従来既知である、追加的な能動的又は受動的冷却手段を有し得る。更には、シリコン、熱ペースト、熱接着剤、又は熱グリース等である熱伝導性従属材料は、光エミッタと熱伝達ユニット６０との間の熱伝達を助けるよう基板５０又はカバー５２の間に用いられ得る。更に他の実施例では、熱伝導性材料は、ＯＬＥＤ層４６と封入層５２との間のギャップ内で用いられ得、ＯＬＥＤ装置から出る熱の伝達を向上させる。一般的には、熱伝導性材料は、熱伝導性取付け部材と薄膜発光構造との間に位置決めされ得る。

本発明は特定の望ましい実施例を特に参照して詳細に説明されてきたが、変形及び修正が本発明の趣旨及び範囲内で達成され得る、ことは理解される。

典型的な先行技術の白熱灯を図示する。 先行技術の有機発光ダイオード照明器具の層の図である。 本発明に従って作られた有機発光ダイオード照明器具の一実施例の斜視図である。 本発明に従って作られた有機発光ダイオード照明器具の他の実施例の斜視図である。 本発明に従って作られた有機発光ダイオード照明器具の他の実施例の断面図である。 本発明に従って作られた有機発光ダイオード照明器具の更なる実施例の断面図である。 本発明に従って作られた有機発光ダイオード照明器具の更に他の実施例の斜視図である。 本発明に従って作られた有機発光ダイオード照明器具の更に他の実施例の断面図である。 本発明に従って作られた有機発光ダイオード照明器具の更なる実施例の断面図である。 本発明に従って作られた有機発光ダイオード照明器具の更に他の実施例の断面図である。

Claims (19)

1. 有機発光ダイオード照明器具であって、
   ａ） 熱伝導性取付け部材を有する有機発光ダイオードランプと、
   ｂ） 熱伝導性取付け表面を有する熱伝導性取付け固定具と、
   を有し、
   前記熱伝導性取付け部材は、第１の側部及び第２の発光表面上の取付け表面と、前記第２の発光表面に近接する薄膜発光構造とを有し、前記薄膜発光構造は、アノードと、発光層と、カソードとを有し、
   前記熱伝導性取付け表面上において前記熱伝導性取付け部材は、前記取付け表面にわたって実質的に連続的な熱接触があるよう、固定される、
   有機発光ダイオード照明器具。
2. 前記取付け部材は、前記ランプの基板である、
   請求項１記載の有機発光ダイオード照明器具。
3. 前記薄膜発光構造は、前記発光熱伝導性取付け部材に対して取り付けられる、
   請求項１記載の有機発光ダイオード照明器具。
4. 前記取付け部材は、前記薄膜発光構造のカバーを有する、
   請求項１記載の有機発光ダイオード照明器具。
5. 前記薄膜発光構造は、連続表面を形成する封入層を有する、
   請求項４記載の有機発光ダイオード照明器具。
6. 前記封入層は、前記取付け表面にわたって前記連続的な熱接触に対して適合される、
   請求項５記載の有機発光ダイオード照明器具。
7. 熱伝導性取付け固定具は、複数の熱伝導フィンを有する、
   請求項１記載の有機発光ダイオード照明器具。
8. 前記複数のフィンは、周囲雰囲気に対する対流を利用する、
   請求項７記載の有機発光ダイオード照明器具。
9. ファンは、前記フィンの対流冷却を与えるよう備えられる、
   請求項８記載の有機発光ダイオード照明器具。
10. 前記複数のフィンは、そこを介するガスの流れを可能にするよう通過路を備えられる、
    請求項９記載の有機発光ダイオード照明器具。
11. 前記フィンは、前記通過路が実質的に垂直方向にされるよう方向を定められる、
    請求項１０記載の有機発光ダイオード照明器具。
12. 熱伝導性従属層は、前記熱伝導性取付け部材上の前記取付け表面と前記熱伝導性取付け固定具上の前記取付け表面との間に与えられる、
    請求項１記載の有機発光ダイオード照明器具。
13. 前記熱伝導性従属層は、シリコンと、熱ペーストと、熱接着剤と、熱グリースとのうち１つ又はそれ以上を有する、
    請求項１２記載の有機発光ダイオード照明器具。
14. 前記薄膜発光構造は、１つ又はそれ以上の有機発光ダイオードを有する、
    請求項１記載の有機発光ダイオード照明器具。
15. 前記熱伝導性取付け固定具は、柱頭板天井グリッドを有する、
    請求項１記載の有機発光ダイオード照明器具。
16. ソケットは、光源から熱を伝達し、且つ半導体面照明光源に対して電気的に接続する手段を有する、
    請求項１記載の照明器具。
17. 前記熱伝導性取付け固定具の熱膨張の係数は、熱伝導性取付け部材に適合される、
    請求項１記載の照明器具。
18. 複数のアノード、発光層、及びカソードは、スタックにおいて用いられる、
    請求項１記載の照明器具。
19. 前記熱伝導性取付け固定具は、装飾的要素を有する、
    請求項１記載の照明器具。

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