JP2008521239A - 複合ｌｅｄモジュール - Google Patents

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Abstract

本発明は、第一発光ダイオードユニットと、第一発光ダイオードユニットの上に配置される第二発光ダイオードユニットとを含む、複合マルチカラー発光ダイオード装置を提供する。それによって、２つの異なる波長の電磁放射線を放射し得る複合発光ダイオード装置が達成される。第三発光ダイオードユニットを配置することもさらに可能である。第三発光ダイオードユニットは、第二発光ダイオードユニットの上に配置され得ることによって、３つの発光ダイオードユニットの積層体をもたらし、或いは、第一発光ダイオードユニット上に配置され得ることによって、第一発光ダイオードユニットの頂部上に並ぶ２つの発光ダイオードユニットをもたらす

Description

本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。
一般照明用のＬＥＤモジュール（ＬＥＤランプ、ＬＥＤ照明装置等）は、従来的には、単一のＬＥＤ、又は、二次元に配置されるＬＥＤのシステムである。
ＬＥＤは、明確な波長で単色光を生成する能力によって特徴づけられる。この特性は多くの用途のために有用であるが、白色光の生成を複雑にする。何故ならば、それは、定義上、波長の混合によって構成されるからである。この問題を解決する１つの方法は、波長変換材料をＬＥＤに加えることである。例えば、青色ＬＥＤは、一部の青色光を黄色光に変換する波長変換材料で被覆されている。それによって、変換された黄色光と変換されない青色光との混合として白色光をもたらし得る。しかしながら、そのような白色ＬＥＤは限定的な輝度を有し、よって、高い光出力レベルを必要とする用途における使用には不満足である。
代替的な解決策は、２つ以上の異なる着色ＬＥＤから（即ち、多ＬＥＤから）光を混合することである。そのような多ＬＥＤ構造は、それぞれのＬＥＤ素子の相対的出力を単に調節することによって、色外観の動的な調節ももたらす。
１つのそのような構成が日本国公報０７−０１５０４４号に開示されており、光出力を向上するために、それも異なる着色ＬＥＤユニットを異なる高さに置くことを提案している。しかしながら、単一ＬＥＤの輝度は限定的である。一般照明目的のために、多数のＬＥＤが寄せ集められなければならず、それは照明装置を嵩張らせる。この嵩張りはコンパクト用途のための一般的な問題であり、典型的には、装置の色外観にも問題を起こす。何故ならば、それは均質な色混合をより複雑化するからである。
故に、高輝度、コンパクト性、及び、均質な色混合をもたらす、改良されたＬＥＤの必要がある。
上記必要は請求項１に定められるような本発明によって満足される。本発明の有利な実施態様は添付の従属項に定められる。
故に、本発明の１つの特徴によれば、複合マルチカラー発光ダイオードは、第一発光ダイオードユニットと、第二発光ダイオードユニットとを備える。各発光ダイオードユニットは、上方表面と、下方表面とを有し、その上方表面を通じて第一及び第二波長の光をそれぞれ放射するよう動作する。第二発光ダイオードユニットの下方表面は、第一発光ダイオードユニットの上方表面の上に配置される。換言すれば、第二ダイオードユニットは第一ダイオードユニットの上に配置され、よって、第一発光ダイオードユニットの発光上方表面の一部を占める。それによって、２つのダイオードユニットは、１つのダイオードユニットの空間に配置される。これは有利である。何故ならば、利用可能な空間の最大限に効率的な使用並びにより良好な色混合をもたらすからである。
発光ダイオードユニットは、重なり合って配置される本質的に従来的なＬＥＤユニットである。当該技術分野において既知であるように、ＬＥＤユニットは多くの異なる構造を有し得る。各ＬＥＤユニットは、駆動電圧を提供するために２つの電極を備える。電極はユニットの両側に配置され得るし、或いは、それらはユニットの同一側に並んで配置され得る。故に、電極はユニットの上側又は下側に配置され得る。電極は、典型的には、相互接続回路及び接合ワイヤを通じてそれらのドライバに接続される。
しかしながら、１つの実施態様によれば、第一発光ダイオードユニットの上方表面及び第二発光ダイオードユニットの下方表面は、電気的に相互接続された電極をそれぞれ含む。それによって、第一及び第二のユニットは、別個の相互接続回路又は接合ワイヤなしに直列に接続される。実際には、接合ワイヤの数は限定的であり、その結果、より容易な製造及び増大された発光表面がもたらされる（何故ならば、さもなければ、接合ワイヤはＬＥＤ光路の一部を占めるからである）。それらの電気的及び熱的性能を増大するために、従来的な発光ダイオードのメッキ層に特別な変更を行い得る。この追加的なメッキ配列の１つの部分は、第二ダイオードユニットを第一ダイオードユニット上に取り付けるために使用され得るし、他の電気的に相互接続された部分は、第一ダイオードの上方電極及び第二ダイオードの下方電極を同時に駆動するための接合ワイヤを受容し得る。
本発明に従って、複合ＬＥＤ装置内に第三ＬＥＤユニットを配置することがさらに可能である。１つの実施態様によれば、第三ＬＥＤユニットは第一発光ダイオードユニットの上方表面上に配置される。それによって、２つのＬＥＤは第一ＬＥＤユニット上に並んで配置される。代替的に、他の実施態様によれば、第三ＬＥＤユニットは第二発光ダイオードユニットの上方表面上に配置される。それによって、３つのＬＥＤユニットの積層体がもたらされる。
ＬＥＤユニットは比較的高度の効率を有するが、駆動電流の一部が光の代わりに熱に変換されることを回避することは不可能である。これは熱生成が大きな懸念である高出力ＬＥＤモジュールにおいて特に問題である。従って、１つの実施態様によれば、ＬＥＤは、さらに、第一ダイオードユニットの下方表面と接触するよう配置され且つ第一ダイオードユニットから熱を取り除くよう動作するヒートシンクを含む。ヒートシンクは、例えば、高い熱伝導率及び高い吸熱品質を有する金属から成り得る。
ＬＥＤ構造に依存して、ヒートシンクは第一ＬＥＤユニット以外にも接触し得る。１つの実施態様によれば、ヒートシンクは第二発光ダイオードユニットの下方表面とも接触する。それによって、ヒートシンクは第二ＬＥＤユニットからも直接的に熱を取り除くよう動作する。
従来的なＬＥＤユニットは、光生成Ｐ／Ｎ界面によって定められる二次元構造と考えられ得る。この理解に基づけば、本発明は、本質的に平行に配置されるが三次元とは区別される２つ以上の二次元構造を有する三次元構造と解釈され得る。各ＬＥＤユニットは、典型的には、二次元構造に対して垂直な光路をもたらす。本発明は、第一（底部）ＬＥＤユニット上に配置されるＬＥＤユニットの光路がさもなければ第一ＬＥＤユニットによってもたらされる光路の一部を占める点でも特徴づけられる。本発明の１つの具体的な実施態様は、第二発光表面を備える第二発光ダイオードを支持する第一発光表面を備える第一発光ダイオードを有すると考えられ得る。その場合には、第二発光ダイオードは、第一表面から放射される光が第二表面から放射される光を完全に取り囲むよう配置される。この実施態様は光混合の観点から特に有利である。
本発明は、高度の光混合を備えるコンパクト且つ強力なＬＥＤモジュールをもたらす点で、従来技術のＬＥＤ構造に比べて有利である。例えば、本発明は、例えば、青色ＬＥＤユニット及び黄色ＬＥＤユニットを組み合わせることによって、コンパクト且つ極めて強力な白色ＬＥＤモジュールをもたらし得る。それによって、本発明に従った発光装置は一般照明目的のために有利に使用され得る。
多数の従来的な種類のＬＥＤユニットがある。第一の種類は、一般的には、比較的薄く、２つの電極パッドを正面の発光表面上に支持する。反対側の後側表面は、典型的には、高い熱伝導率をもたらすよう設計される。従来的なＬＥＤ構造において、この後側表面は、典型的には、支持基板又はヒートシンクに面する。本発明によれば、この後側表面は、代替的に、他のＬＥＤユニットに面し得る。これらのＬＥＤユニットは、典型的には、その平面寸法よりの少なくとも２倍小さい厚さを有する。
第二の種類のＬＥＤユニットは第一の種類に類似するが、その代わりに背面に配置される両方の電極を有する。これは発光の観点から有利である。何故ならば、ユニットの発光表面は接合ワイヤ等によって遮断されないからである。
第三の種類のＬＥＤユニットは、典型的には、上記の種類よりも少し厚く、各側に１つの電極パッドを支持する。換言すれば、１つの電極パッドが正面、発光表面に配置され、他の電極パッドが反対側の後側表面に配置される。
本発明に従った複合ＬＥＤモジュールを構築するために如何なる種類のＬＥＤユニットも使用し得る。薄い種類のＬＥＤユニットは、好ましくは、それらの電気的及び熱的性能を増大するために変更される。それに対する他のＬＥＤユニットの従来的な取付けを促進するために、例えば、追加的な金属メッキを頂部表面に加え得る。（接合ワイヤパッドのような）取り付けられるＬＥＤユニットの電気的相互接続のために、メッキ構造を追加することも可能である。
しかしながら、頂部表面に対する如何なる変更もなしに、従来的なＬＥＤユニットを使用してＬＥＤ積層体を構築することも可能である。例えば、２つのＬＥＤユニット間に中間的な従来的な色素付着材料を使用してＬＥＤユニットを取り付け得る。
ＬＥＤ積層体がもたらされるや否や、残余の電気的相互接続をモジュールに割り当てるために従来的なワイヤ接合プロセスを使用し得る。しかしながら、処理ステップの順序は特定ではない。例えば、第一ＬＥＤユニットのワイヤ接合は、第二ＬＥＤユニット取り付ける前に配置され得る。そのような場合には、半導体実装から既知であるように、前に行われた相互接続が再溶解するのを防止しながら次の相互接続を構築するために、異なる種類のはんだ材料を使用し得る。
ＬＥＤユニットを他のＬＥＤユニットに取り付ける１つの従来的な方法は、色素付着材料を使用することである。色素付着材料は２つのＬＥＤユニット間に塗布されなければならず、相互接続を構築するために熱処理が行われなければならない。色素付着材料は、例えば、はんだ材料、銀充填エポキシ、又は、銀充填ガラス材料であり得る。
実際には、ＬＥＤユニットを他のＬＥＤユニットに取り付けることは、典型的には、ＬＥＤユニットを従来的な基板に取り付けるよりも余り複雑ではない。一般的には、ＬＥＤユニットを従来的な基板に取り付けるときには、基板材料に比べＬＥＤ材料には熱膨張係数（ＣＴＥ）に実質的な差がある。ＬＥＤユニットを駆動するときには、熱がＬＥＤ内に発生し、取付け表面に応力負荷をもたらす。ＬＥＤユニットを他のＬＥＤユニットに取り付けるときには、それぞれの材料はより類似するＣＴＥを概ね有する。それによって、応力負荷によって誘発される温度は、典型的には、ＬＥＤ／基板界面におけるよりもＬＥＤ／ＬＥＤ界面においてより低い。その結果、ＣＴＥ不一致の故に従来的な相互接続における使用には適さない薄い脆弱な高い伝熱性の色素付着材料を使用することが可能である。
それぞれのＬＥＤユニットを温度制御された方法で駆動することによって、応力負荷をさらに低減し得る。例えば、第一ＬＥＤユニットの温度は、その電気的駆動電流から決定され得るし、第二ＬＥＤユニットの温度は、第二ＬＥＤユニットの電気的駆動電流を制御することによって、第一ＬＥＤの温度に自動的に従うようになされ得る。
好適実施態様の詳細な記載が添付の例示的な図面を参照して今やもたらされる。
図１は、２つの代替的な複合ＬＥＤを例証しており、１００は二色の青色１０１及び黄色１０２複合ＬＥＤであり、１１０は三色の赤色１０３、緑色１０４、及び、青色１０５複合ＬＥＤである。
代替的な実施態様では、図２に例証されるように、複合ＬＥＤ２００は、ヒートシンク２０４を備え、ＬＥＤユニット２０１，２０２，２０３がヒートシンク上に配置されている。ヒートシンク２０４は、動作中にＬＥＤからの熱を除去する働きをする。
複合ＬＥＤは多くの用途における使用のために有利である。例えば、図３に示されているように、８×１配列の複合ＬＥＤがラインランプ３００内に配置され得る。スポットランプ４００の形態の代替的な構造が図４に例証され、３×３配列の複合ＬＥＤ４０１を支持している。
１つの実施態様によれば、図５に例証されるように、複合ＬＥＤ５０１は、反射器５０２を備えて配置され得る。そのような構成において、複合ＬＥＤは、さらに、封入材料５０３内に封入されている。反射器は、例えば、アルミニウムから成り得るし、キャビティを定め、複合ＬＥＤから放射される光はキャビティ内で混合され且つ集束される。１つの設計によれば、キャビティは開放であり、よって、光モジュールを取り囲む環境と直接的に連絡する。他の設計によれば、図６に例証されるように、キャビティは、代わりに、コリメータ６０４を形成し且つ放射光に対して平行化効果を有する透明な誘電体で充填される。コリメータ６０４を除き、図６に例証される複合ＬＥＤは図５に例証されるものと類似し、それぞれの部分は対応する５の代わりに６で開始する参照番号で表示されている。コリメータ６０４は、所望の平行化効果に依存するレンズ形状を有する。具体的には、コリメータは（コリメータ６０４によって例証されるような）レンズ形状の外表面を有し得るし、或いは、それは平坦な外表面（図示せず）を有し得る。
反射器は、一般的に、複合ＬＥＤから放射される光を集束し且つ混合する働きをする。さらに１つの実施態様によれば、多数の複合ＬＥＤ７０１が、共通の封入層７０３の背後で共通の反射器７０２内に配置される。図６に例証される実施態様と類似して、複合ＬＥＤはコリメータを選択的に備え得る。
図８は、緑色ＬＥＤユニット８０２の上に配置された青色ＬＥＤユニット８０３を有する二色複合ＬＥＤの概略的な断面図である。装置はヒートシンク８０１の上に配置され、それは伝熱性のスペーサ８０６によってヒートシンクから分離されている。ヒートシンク８０１上の下方の緑色ＬＥＤユニット８０２の配置は、従来的な単一ＬＥＤユニットに類似している。従来的なＬＥＤ構造と一致して、駆動電圧をもたらすために、接合ワイヤ８０４がＬＥＤユニットに取り付けられている。
上方の青色ＬＥＤユニット８０３は、従来的な色素付着材料８０５によって、下方の緑色ＬＥＤユニット８０２に取り付けられ、色素付着材料は２つのＬＥＤユニットを固定する働きをする。下方のＬＥＤ上への上方のＬＥＤの取付けは簡単である。具体的には、ヒートシンク又は基板上のＬＥＤユニットの適用と対照的に、上方のＬＥＤユニットの適用は、上方及び下方のＬＥＤユニットの間の熱膨張係数の如何なる実質的な差をも考慮する必要がない。基本的には、ＬＥＤユニットは、全て同一の一般的な構造を有し、よって、温度変化に対しても本質的に同一に挙動する。これは、典型的には、例えば、ヒートシンク上に取り付けられるＬＥＤユニットには当て嵌まらない。
図９は、ヒートシンク９０１上の底部に配置された緑色ＬＥＤユニット９０２を有する三色複合ＬＥＤの概略的な斜視図を例証している。青色ＬＥＤユニット９０３及び赤色ＬＥＤユニット９０４が、緑色ＬＥＤ９０２上で並んで配置されている。緑色及び青色ＬＥＤユニットは、両方とも、ユニットの上側に配置されたそれぞれの接触パッドを有するのに対し、赤色ＬＥＤユニットは、上側の上に配置された１つの接触パッドと、下側の上に配置された１つの接触パッドとを有する。よって、青色ＬＥＤユニット９０３は緑色ＬＥＤユニット９０２から電気的に分離されて配置されているのに対し、赤色ＬＥＤユニット９０４は、その下方接触パッドが緑色ＬＥＤユニット９０２の上方接触パッドの１つと直接的に接触した状態で配置されている。それによって、２つの接合ワイヤ９１０及び９１２のみを使用して、緑色及び赤色ＬＥＤユニットを直列に駆動することが可能である。青色ＬＥＤユニットは、接合ワイヤ９１１及び９１３を使用して、従来的な方法で駆動される。実際には、接合ワイヤの総数は６つから４つに削減され、それによって、製造の複雑性を低減し、装置の有効光放射地域を増大する。
図１０は、さらに１つの実施態様の上面図及び断面図を例証しており、基板１００１上に並んで配置された青色ＬＥＤユニット１００３及び緑色ＬＥＤユニット１００２を有する。それぞれの青色及び緑色ＬＥＤユニットは、それらの上に積層された赤色及び黄色ＬＥＤユニット１００４，１００６，１００５，１００７をさらに有し、よって、並んで配置された２つの積層体を形成し、互いの上に積層された３つのＬＥＤユニットを有する。この実施態様によれば、緑色及び青色ＬＥＤユニットは、上側に配置されたそれらの接触パッドをそれぞれ有するのに対し、赤色及び黄色ＬＥＤユニットは、上側の上に配置されたそれらの接触パッドと、下側の上に配置されたそれらの接触パッドを有する。それによって、各積層体は、各２つの接合ワイヤのみを使用して駆動され得る。これは光効率の観点から特に有利な配置をもたらす。
さらに１つの実施態様が図１１に例証されており、そこでは、緑色ＬＥＤユニット１１０１がヒートシンク１１０５上に配置され、青色ＬＥＤユニット１１０２を支持している。緑色ＬＥＤユニットの接触パッドは、両方とも、頂部側に設けられているのに対し、青色ＬＥＤユニットの接触パッドは、両方とも、緑色ＬＥＤユニットの接触パッドと整列された下方側に設けられている。それによって、２つのＬＥＤユニットは、同一の接触パッドを有効に使用することができ、よって、２つの接合ワイヤ１１０４のみを必要とする。
図１２は、青色ＬＥＤユニット１２０１及び赤色ＬＥＤユニット１２０２を有する複合ＬＥＤ１２００の展開図を例証している。
要約すると、本発明は、第一発光ダイオードユニット８０２と、第一発光ダイオードユニット８０２の上に配置される第二発光ダイオードユニット８０３とを含む、複合マルチカラー発光ダイオード装置８００を提供する。それによって、２つの異なる波長の電磁放射線を放射し得る複合発光ダイオード装置が達成される。第三発光ダイオードユニットを配置することもさらに可能である。第三発光ダイオードユニットは、第二発光ダイオードユニットの上に配置され得ることによって、３つの発光ダイオードユニットの積層体をもたらし、或いは、第一発光ダイオードユニット上に配置され得ることによって、第一発光ダイオードユニットの頂部上に並ぶ２つの発光ダイオードユニットをもたらす。
互いに積層された２つ及び３つのＬＥＤユニットを有する本発明に従ったＬＥＤモジュールを示す上面図及び断面図である。 ヒートシンクの上に積層された３つのＬＥＤユニットを有する本発明に従ったＬＥＤモジュールを示す断面図である。 ラインランプのための光源を形成する、列に配置された８つのＬＥＤモジュールを示す概略図である。 スポットランプのための光源を形成する、３×３配列に配置された９つのＬＥＤモジュールを示す概略図である。 誘電性封入体を有する、ＬＥＤから放射される光の反射、混合、及び、集束のための反射器を有するＬＥＤモジュールを示す概略図である。 さらにコリメータと共に配置される図５に類似する構造を示す概略図である。 反射器内に配置されるＬＥＤモジュールの配列を有する照明モジュールを示す断面図である。 複合発光ダイオードユニットを示す断面図であり、色素付着材料がダイオードユニットに取り付けるために使用される。 本発明に従ったＬＥＤモジュールから発光される光を示す斜視図である。 並んで配置された３つのＬＥＤユニットから成る２つの積層体を有する装置を示す上面図及び側面図である。 第一発光ダイオードユニット上に配置された混合された電極／はんだパッドを使用して第一発光ダイオードユニットの上に積層された第二発光ダイオードユニットを示す断面図である。 上方発光ダイオードユニットの強化された取付けをもたらすメッキ構造を示す斜視図である。 上方発光ダイオードユニットの強化された取付けをもたらすメッキ構造を示す断面図である。
符号の説明
１００ 二色複合ＬＥＤ
１０１ 青色
１０２ 黄色
１０３ 赤色
１０４ 緑色
１０５ 青色
１１０ 三色複合ＬＥＤ
２００ 複合ＬＥＤ
２０１ ＬＥＤ素子
２０２ ＬＥＤ素子
２０３ ＬＥＤ素子
２０４ ヒートシンク
３００ ラインランプ (line lamp)
４００ スポットランプ (spot lamp)
４０１ 複合ＬＥＤ
５０１ 複合ＬＥＤ
５０２ 反射器
５０３ 封入材料
６０４ コリメータ
７０１ ＬＥＤ
７０２ 反射器
７０３ 封入層
８００ 複合マルチカラー発光ダイオード装置
８０１ ヒートシンク
８０２ 緑色ＬＥＤユニット
８０３ 青色ＬＥＤユニット
８０４ 接合ワイヤ
８０５ 色素付着材料
８０６ スペーサ
９０１ ヒートシンク
９０２ 緑色ＬＥＤユニット
９０３ 青色ＬＥＤユニット
９０４ 赤色ＬＥＤユニット
９１０ 接合ワイヤ
９１１ 接合ワイヤ
９１２ 接合ワイヤ
９１３ 接合ワイヤ
１００１ 基板
１００２ 青色ＬＥＤユニット
１００３ 緑色ＬＥＤユニット
１００４ 赤色ＬＥＤユニット
１００５ 黄色ＬＥＤユニット
１００６ 赤色ＬＥＤユニット
１００７ 黄色ＬＥＤユニット
１１０１ 緑色ＬＥＤユニット
１１０２ 青色ＬＥＤユニット
１１０４ 接合ワイヤ
１１０５ ヒートシンク
１２００ 複合ＬＥＤユニット
１２０１ 青色ＬＥＤユニット
１２０２ 赤色ＬＥＤユニット
１２１０ はんだパッド

Claims (9)

  1. 第一発光ダイオードユニットと、第二発光ダイオードユニットとを含む複合マルチカラー発光ダイオードであって、
    各発光ダイオードユニットは、上方表面と、下方表面とを有し、その上方表面を通じて第一及び第二波長の光をそれぞれ放射するよう動作し、前記第二発光ダイオードユニットの下方表面は、前記第一発光ダイオードユニットの上方表面の上に配置される、複合マルチカラー発光ダイオード。
  2. 前記第一発光ダイオードユニットの前記上方表面及び前記第二発光ダイオードユニットの前記下方表面は、それぞれの発光ダイオードユニットを横断する駆動電流をもたらすよう動作する電気的に相互接続された電極を含むことによって、前記第一発光ダイオードユニットは前記第二発光ダイオードユニットと直列に電気的に接続される、請求項１に記載の複合マルチカラー発光ダイオード。
  3. 上方表面と下方表面とを有し、且つ、その上方表面を通じて第三波長の光を放射するよう動作する、第三発光ダイオードユニットをさらに含む、請求項１に記載の複合マルチカラー発光ダイオード。
  4. 前記第三発光ダイオードユニットの前記下方表面は、前記第一発光ダイオードユニットの前記上方表面の上に配置される、請求項３に記載の複合マルチカラー発光ダイオード。
  5. 前記第三発光ダイオードユニットの前記下方表面は、前記第二発光ダイオードユニットの前記上方表面の上に配置される、請求項３に記載の複合マルチカラー発光ダイオード。
  6. 前記第一発光ダイオードユニットの前記下方表面と接触するよう配置され、且つ、前記第一発光ダイオードユニットから熱を取り除くよう動作するヒートシンクをさらに含む、請求項１に記載の複合マルチカラー発光ダイオード。
  7. 前記ヒートシンクは、前記第二発光ダイオードユニットの前記下方表面とさらに接触することによって、前記第二発光ダイオードユニットから直接的に熱を取り除くよう動作する、請求項６に記載の複合マルチカラー発光ダイオード。
  8. 前記発光ダイオードユニットからの光を反射するよう配置される反射器をさらに含む、請求項１に記載の複合マルチカラー発光ダイオード。
  9. 前記第一発光ダイオードユニットは、はんだパッドを含み、前記第二発光ダイオードユニットは前記はんだパッド上に取り付けられる、請求項１に記載の複合マルチカラー発光ダイオード。
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