JP2008533713A - 発光ダイオード - Google Patents
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Abstract
【課題】 LEDに良好な光放射特性を与える。
【解決手段】 本発明のLEDは、基盤体(10)を含む。基盤体(10)は、発光素子(12)を担持する。発光素子(12)の光放射方向に導光体(22)が設けてある。この導光体は、回折を起こす複数の導光素子(26)からなるグループを複数含んでおり、これらグループ群がLEDの光放射角を決定する。
選択図 【図1】
【解決手段】 本発明のLEDは、基盤体(10)を含む。基盤体(10)は、発光素子(12)を担持する。発光素子(12)の光放射方向に導光体(22)が設けてある。この導光体は、回折を起こす複数の導光素子(26)からなるグループを複数含んでおり、これらグループ群がLEDの光放射角を決定する。
選択図 【図1】
Description
本発明は、発光ダイオード（以下、LEDと記載する）に関するものである。
LEDは、様々な装置に使用されており、今日では広範囲の用途がある。使用する材料によって、LEDは、可視領域のみならず、非可視領域中のいろいろな色の光を発生する。このLEDには、その光放射方向を決める導光体が関与する。LEDの光放射角は、大抵プラスチック材料製の導光体によって決定される。公知の導光体は、レンズ等の屈折素子（屈折性導光素子）である。LEDから放射された光を屈折性導光素子によって屈折させると、光の放射特性を良く修正することができない。とりわけ、ビームを良く集光させることできない。具体的に言えば、屈折素子とはレンズのことで、これは常にレンズ縁収差（marginal
aberrations）を起こすので、個々のレンズが小型化されているときは集光誤差が増大する。というのは、一個の大きなレンズよりも多数の小型レンズの方がより多数の縁を含むからである。
aberrations）を起こすので、個々のレンズが小型化されているときは集光誤差が増大する。というのは、一個の大きなレンズよりも多数の小型レンズの方がより多数の縁を含むからである。
本発明の目的は、LEDに良好な光放射特性を与えることである。
前記目的は、本発明に基づき、請求項1に確定するLEDによって達成される。
本発明のLEDは、LEDチップ等の発光素子を担持する基盤体を含む。その発光素子の光放射方向に導光体が配置される。本発明の導光体は、回折性導光素子を含む。光を回折させる導光素子を設けることには、光損失なく且つ簡単にLEDの光放射角を設定できるという利点がある。本発明が提示するように、回折性導光素子を設けることによって、光放射特性を良好に矯正することができる。とりわけ、良好なビームの集光を実現することができる。屈折素子とは対照的に、回折性導光素子にはレンズ縁収差が全く無いので、良好な光放射特性をもたせながら、各回折導光素子の小型化が可能で、これを本発明が実現する。
所望の光放射方向若しくは放射角を設定するための導光素子の構成は、当該導光素子に相応する構成を回析格子に与えることよって得られる。ここで、回析格子の回析レベルはフラウンホーファー回析法則を使って決定することができる。
導光素子は、導光体の表面に配列することが好ましい。その表面とは、発光素子に対面する表面又はその反対側の表面でよい。さらに、反射体又はそれと類似のもの（反射体等）を発光素子と導光体との間に配置することが可能である。ただし、その際、導光素子を設けた面がその反射体等へ向くようにする。
この場合の好ましい例として、導光体の表面に硬化型ラッカーを使用して、導光素子を作製するのがよい。この目的上、例えば、リソグラフィー法によって、回析格子のネガを形成する成形手段を使うことが好ましい。単一の成形手段を使用して、複数の導光素子を複製することができることが好ましい。そうするために、成形手段とよりも導光体とより強く結合する硬化型ラッカーを使用することが好ましい。こうして、成形手段を除去すると正確な表面パターンが形成されることが保証される。
かかる導光素子の作製に特に好ましい方法及び適した材料はEP05003358.8に記載されている。
11グラムの1H、1H、2H、2H-ペルフルオロ オクチル アクリレート（1H,1H,2H,2H-perfluorooctyleacrylate）を、8グラムのジプロピレングリコールジアクリラーテ（dipropyleneglycoldiacrylate）、チバ スペジアリターテンケミエ ランパルシャイム GmbH
（Ciba Spezialitatenchemie Lamparsheim GmbH）から販売されているイルガキュア819（Irgacure819、登録商標）0.1グラム、及びイルガキュア184（Irgacure184、登録商標）0.2グラムと混合したものである。この混合物60マイクロリットルを、2センチメートル四方のニッケル被膜上に塗布した。その表面を、散乱中心（scatteringcenters）付き成形ボデーから成るネガ形状でパターン化した。その後、厚さ１がミリメートルで大きさが１センチメートル四方のPMMA製の小板を、ニッケル板上の混合物表面に貼った。その後、かかる前記混合物を間に挟んだニッケル板上のサンドイッチを、従来の水銀ランプから出る紫外線に2秒間曝した。次いで、硬化した成形合成物の付着した基板をネガ鋳型から取り外した。
（Ciba Spezialitatenchemie Lamparsheim GmbH）から販売されているイルガキュア819（Irgacure819、登録商標）0.1グラム、及びイルガキュア184（Irgacure184、登録商標）0.2グラムと混合したものである。この混合物60マイクロリットルを、2センチメートル四方のニッケル被膜上に塗布した。その表面を、散乱中心（scatteringcenters）付き成形ボデーから成るネガ形状でパターン化した。その後、厚さ１がミリメートルで大きさが１センチメートル四方のPMMA製の小板を、ニッケル板上の混合物表面に貼った。その後、かかる前記混合物を間に挟んだニッケル板上のサンドイッチを、従来の水銀ランプから出る紫外線に2秒間曝した。次いで、硬化した成形合成物の付着した基板をネガ鋳型から取り外した。
導光体表面上の個々の導光素子の正確な位置を確定し得るためには、導光素子を備えた表面は平坦であることが好ましい。
好適には、スペクトル光に分離した集光光束を生ずる回折素子として個々の導光素子が作用するように、個々の導光素子を形成することが好ましい。この目的から、個々の導光素子は、表層の構造が波形断面のものを含むものとし、その波形間のピッチを偏向すべき波長の関数となるように選択することが好ましい。個々の導光素子は、いろいろと異なる回析格子を有することが好ましい。特に、個々の導光素子を配置するに際し、ほとんどの場合、少なくとも2つの隣接した光束を重ね合わせることにより単色光及び又は白色光が生成されるように図ることが好ましい。ここで言う単色光とはその波長範囲が±100
nmのもの、特に±50 nmのものを指す。本発明の提示に基づいてかかる導光素子を提供することにより、特に殆どの場合に用いられる単色光及び又は白色光で収束光を生成することができる。
nmのもの、特に±50 nmのものを指す。本発明の提示に基づいてかかる導光素子を提供することにより、特に殆どの場合に用いられる単色光及び又は白色光で収束光を生成することができる。
導光素子の表面のこの構成によって、ディスプレイ表面から出る光の放射方向をさらに調節することが可能である。この事実を活用するためには、表面素子上に設けた回析格子をフラウンホーファー回析法則に従って仕様修正しなければならない。その調節可能な範囲はディスプレイに対して0乃至90°である。
導光素子の構造若しくはパターンの構成の仕方あるいは選び方に応じて、放射光の色温度を調節することも可能である。3000K乃至10,000Kの範囲内で色温度を調節可能にすることが好ましい。
特に、回折性表面素子を備えたディスプレイ表面の本構成ゆえに、スペクトル分離は起きないか若しくは実質上低減される。さらに、十分な光増幅が確実に得られる一方、エネルギー消費は低い。
この回折性導光素子は、0.04mm2乃至10,000mm2、特に0.04mm2乃至500mm2の大きさをもつことが好ましい。これほど小さな表面を用意するので、複数個の表面素子をモバイル用ディスプレイ等の非常に小さいフラット・スクリーンにでも設けることが可能である。この場合、個々の導光素子間の距離は0乃至100mmの範囲にあること、特に0乃至50mmの範囲、最適には0乃至15mmの範囲にあることが好ましい。とりわけ、導光素子はゼロより大きい相互間距離をもつことが好ましい。この相互間距離は少なくとも1mmであること、特に少なくとも3mmであることが好ましい。こうすることの利点は、結合させるべき光をより多くすべき領域では導光素子間距離を小さくすることが出来、他方、結合させるべき光をより少なくすべき領域ではより大きな素子間距離を設けることが出来る点である。これによって、光度分布の高い一様性を達成することができる。さらに、製造上、導光素子は常に或る相互距離離して配列する方がより容易である。例えば硬化型ラッカーを成形素子あるいはネガと組み合わせるなどして導光素子を製作する場合、導光素子を離間させると、ラッカー・ウェブの発生等によって引き起こされる表面素子の境界の崩壊を回避することができる。さらに、個々の導光素子を離間することにより、表層構造が隣接することによって引き起こされる屈折の発生若しくは回析の崩壊を確実に回避することが出来る。
本発明の好適な実施例に示すように、個々の導光素子は高さ又は振幅については同一の表層構造をもっているので、個々の導光素子の回折性能は同一である。数パーセントの製造上の変動は生じうるが、それは回折性能に僅かな影響しか及ぼさない。
表層構造が異なっていても、振幅は一定であり波長のみが変わるように個々の導光素子を形成することが特に好ましい。表層構造が正弦波形である必要はないが、一般的に（表層構造の）隆起部は表層構造の型ごとに総て同一の高さをもつが、相互間距離は同一ではなくいろいろである。その結果、光源から放射された光は、個々の表面素子ごとに異なった回折を受ける。このことから言えることは、素子の高さを変化させるよりも素子間の距離を変化させる方がより簡単であり、特段に有利である。
異なる表層構造を備えた複数の導光素子が一つの導光素子グループをなすことが好ましい。そうするに当たり、一つの導光素子グループが実質上単色光及び又は白色光を放射するように異なる表層構造のものを選択するのである。そのための表層構造の型、具体的に言うと当該表層構造によって引き起こされる光の波長をどのように変化させるかは、光源から放射される光の波長の範囲に応じて決定する。
一つの導光素子グループは、表層構造の異なる少なくとも二つの導光素子を含むことが好ましい。かかる導光素子グループは、それぞれ表層構造の異なる少なくとも4個の導光素子、特に６個の導光素子、を含むことが好ましい。
本発明の好ましい実施例に示すように、個々の導光素子は高さ又は振幅については同一表層構造をもっているので、個々の導光素子の回折性能は同一である。数パーセントの製造上の変動は生じうるが、それは回折性能に僅かな影響しか及ぼさない。
個々の導光素子を形成するに際し、表層構造が異なっていても、振幅は一定で波長のみが変わるようにすることが特に好ましい。表層構造が正弦波形である必要はないが、一般的に表層構造の隆起部は表層構造の型ごとに総て同一の高さをもつが、相互間距離は同一でなくいろいろである。その結果、光源から放射された光は個々の表面素子ごとに異なった回折を受ける。このことから言えることは、素子の高さを変化させるよりも素子間の距離を変化させる方がより簡単であり、特段に有利である。
導光素子は、導光素子をグループ化して配置することが好ましく、例えばそれらグループは、好ましくは550nmの同一振幅をもち、異なる表層構造をもつ6個の導光素子からなるものであってよい。一つの導光素子グループに属する個々の導光素子は、それぞれ例えば490nm、503nm、517nm、530nm、575nmおよび620nmの波長をもっている。とりわけ、回折性導光素子は、正弦波形の表層構造をもっている。導光素子個々の間隔は、1乃至100mmの範囲、特に1乃至50mmの範囲、最適には1乃至15mmの範囲内にあることが好ましい。
以下に添付図面を参照しながら好適な実施例を通して本発明を詳述する。
各LEDは、LEDチップ等の発光素子12を担持する基盤体10を含む。この基盤体は、発光素子12を冷却するための熱伝導体14を含み得る。接続線16は、発光素子12を陰極18および陽極20に連結する。光放射方向に、即ち、図1で上向きに、導光体22が設けてある。導光体22は、基盤体10に固定されている。回折性導光素子の集合26のグループ(図2参照)を導光体22の頂部面24上に配置する。
本発明に基づいて設けた回折性導光素子の集合26のグループ群は、LEDの放射角を決定する役目を果たす。このグループ群は、頂部面24上で同心円状に配置してもよい。互いに相応する形に形成されて配置された導光素子を使用して、小さな放射角を実現することができる。
導光素子の集合26の各グループは、複数の導光素子30を含む。図４に示す実施例では、導光素子の集合26の一グループは6個の導光素子30を含み、それらは間に隙間を挟んで互に一定距離離されて配置されている。各導光素子30は、それぞれ異なる表層構造をもっており、その結果、一つの発光素子グループは実質上単色又は白色光を放射するように構成してある。
波長の異なる光を結合するため、表層構造の異なるいろいろの導光素子30を設けることが好ましい。例えば、図３に示す実施例におけるように、これら導光素子30は、異なる表層構造28を備えたいろいろの導光素子30とすればよい。図4では、個々に異なる導光素子30に1乃至6の番号を付けてある。図４で、同じ番号を付けた導光素子30は同じ表層構造をもっている。図４で番号1乃至6を付けた導光素子30が反復パターンをなすように配置してある。
単一な表面素子の表層構造28は、正弦波形をもつことが好ましい。その振幅は550nmであることが好ましい。異なる形状に設計された6個の導光素子30は、同一の振幅をもっている。各導光素子30は、例えば490nm、503nm、517nm、530nm、575nmおよび620nmの波長を持っている。導光素子30間距離は、1乃至100mmの範囲内にあることが好ましく、特に1乃至50mmの範囲内にあることが好ましく、1乃至15mmの範囲内にあることが最も好ましい。
Claims (8)
- 基盤体(10)と、
基盤体(10)により担持される発光素子(12)と、
発光素子(12)の光放射方向に配列された導光体(22)とを含み、該導光体(22)が回折性導光素子(30)を含むことを特徴とする発光ダイオード。 - 請求項１に記載の発光ダイオードにおいて、前記導光体(22)の表面(24)上に前記導光素子(30)が配列されていることを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項2に記載の発光ダイオードにおいて、前記導光素子(30)が前記表面(24)に貼られた硬化型ラッカーで作製されていることを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項1乃至3のいずれかに記載の発光ダイオードにおいて、前記発光ダイオードの光放射角が固定されるように前記導光素子(30)が配列され及び又は構成されていることを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項1乃至4のいずれかに記載の発光ダイオードにおいて、前記導光素子(30)がすべて一定振幅の表層構造を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項1乃至5のいずれかに記載の発光ダイオードにおいて、前記導光素子(30)が0.04乃至500mm2の範囲内の大きさ、特に0.04乃至10,000mm2の範囲内の大きさを有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項1乃至6のいずれかに記載の発光ダイオードにおいて、導光素子(30)が相互間距離として1乃至100mm、とりわけ1乃至50mm、最も好ましくは1乃至15mmを有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項1乃至7のいずれかに記載の発光ダイオードにおいて、複数の、好ましくは２個の、とりわけ少なくとも4個の、そして、最も好ましくは少なくとも6個の導光素子(30)が導光素子の集合(26)の一グループに含まれており、該導光素子グループの集合(26)グループが単色及び又は白色光を放射することを特徴とする発光ダイオード。
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