JP2010509752A - 反射エッジを備える波長変換要素 - Google Patents

Abstract

発光ダイオード２と、発光ダイオード２によって発される光の少なくとも一部を受け取るように配されている自立波長変換要素３とを有している発光装置１が、提供される。前記波長変換要素は、平坦な光受け取り表面４と、光出力表面５と、横方向のエッジ表面６とを有しており、横方向のエッジ表面６には、反射材料７が設けられている。この反射エッジ表面は、当該装置から出る光の均一性を向上させ、当該装置は、大量生産に適している。

Description

本発明は、発光ダイオード及び前記発光ダイオードによって発される光の少なくとも一部を受け取る自立（self-supporting）波長変換要素を有する発光装置と、このような波長変換要素と、このような要素及び装置の製造方法とに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）を有する半導体発光装置は、現在利用可能な最も効率的かつ堅牢な光源の一つである。照明は、白色光源を、特に、高い演色性の白色光源を必要とする。放射線源としてＬＥＤを使用することにより白色発光システムを作るための さまざまな試みが、なされている。

白色光を得る一つの方法は、青色ＬＥＤを使用すると共に、発された青色光の一部を蛍光体を介して黄色光（約５８０ｎｍの波長スペクトル）に変換することである。黄色光が、目の赤色及び緑受容体を刺激するので、青色光及び黄色光の結果として生じる混合が、白色の外観を与える。

典型的には、このことは、蛍光体含有材料、即ち波長変換材料を、前記ＬＥＤによって発される光の一部が前記蛍光体によって吸収されると共に、吸収された前記光の波長とは異なる波長の光として発せられるように、前記ＬＥＤ上に配することによってなされる。

しかしながら、このような配置に関連した１つの問題は、提供される光の色の均一性である。前記ＬＥＤのエッジから、前記ＬＥＤから傾斜した角度で発される光は順方向において発された光と同じだけの、波長変換材料の厚さを通過しない。従って、典型的には、前記波長変換材料の前記横方向の側部を通って出ている光の変換の度合いは、前記波長変換材料の前面を通って出ている前記光の場合よりも、低い。従って、光の青色のリングが、ＬＥＤの周りに見える。

前記発光装置の周りにおける青色のリングの形成を防止する１つの取り組みは、国際特許出願公開第２００６／０４８０６４号パンフレットに開示されている。この参考文献は色変換材料によって囲まれているＬＥＤチップを有するＬＥＤの配置を記載しており、前記色変換材料は、前記ＬＥＤの上部及び前記横方向の側部に配されている。リフレクタが、前記色変換材料を横方向に囲んでいる。前記ＬＥＤチップと前記リフレクターとの間の最大距離は、０．５ｍｍである。前記ＬＥＤの前記側部において発される光は、前記レフレクタによって反射され、これによって、この光が白色光に変わることができるようになる。

国際特許出願公開第２００６／０４８０６４号パンフレットにおける前記発光素子に関する１つの不利な点は、このような装置の製造が、難しく、時間がかかり、かつ、高価であることにある。前記色変換材料の特定の物理的形状は、これが前記発光ダイオードのそれぞれに対してその場で形成されなければならないことを意味しており、従って、このような装置の大量生産を拘束している。

このように、青色のリングの形成を生じる光の結合導出を防止し、従って高い色均一性を有する光を供給する代替的な発光装置であって、製造が容易かつ安価であり、これによりこのような発光装置の大量生産を可能にする当該発光装置を提供する必要性が、従来技術において存在している。

本発明の１つの目的は、少なくとも部分的に上述の必要性にかなうと共に、高い色均一性を有する光を発する発光装置であって、特に、当該発光装置の周りの青色のリングの形成を生じる光の結合導出が防止される、発光装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、製造が容易かつ安価な発光装置であって、これにより、このような発光装置の大量生産を可能にする発光装置を提供することにある。

本発明のこれらの及び他の目的は、添付の請求の範囲による発光装置と当該発光装置の製造方法とによって達成される。

このように、第１の見地において、本発明は、発光ダイオードと前記発光ダイオードによって発される光の少なくとも一部を受け取るように配されている自立波長変換要素とを有する発光装置に関する。

前記波長変換要素は、これを介して前記ＬＥＤからの光が受け取られる平坦な受け取り表面と、前記波長変換要素によって受け取られた光がこれを介して前記波長変換要素から出ることができる出力表面と、横方向のエッジ表面とを有する。前記エッジ表面は、反射材料を備えている。

本発明の装置において、傾斜した角度において前記ＬＥＤによって発されると共に前記波長変換要素によって受け取られる光は、前記横方向のエッジを通って前記波長変換要素を出ることができないが、反射材料上で反射され、最終的には前記出力表面を介して前記波長変換要素から出るであろう。従って、前記ＬＥＤの周りにおける青色のリングの形成を生じ得るエッジ効果は防止され、色均一性が向上される。

自立波長変換要素の使用は、当該装置の製造を容易にする。前記自立波長変換要素は、まとめて大量生産されることができ、前記横方向のエッジ上に反射型材料を完備しており、次いで後の段階で、本発明の発光装置を形成するための前記発光ダイオード上に配されることができる。前記平坦な受け取り表面は、例えば、窪み等のような、本質的な構造上の変形がこの表面において必要ではないので、前記自立変換要素が製造されやすいことをもたらす。

本発明の実施例において、前記波長変換要素は、平面プレートでもよい。

前記受け取り表面及び前記出力表面の両方が平坦である、平面プレート形の自立波長変換要素自体は、製造しやすく、従って、本発明の発光装置の大量生産を容易にする。

本発明の実施例において、前記波長変換要素は、無機波長変換材料を有する。

無機波長変換材料は、温度、酸化及び光の安定性（特に紫外光／青色光の安定性）を有する。従って、これらは、熱、酸素及び／又は光にさらされる場合、あまり劣化しない。更に、無機波長変換材料は、高い屈折率を有しており、前記波長変換材料内への光の結合導入を増大させる。

本発明の実施例において、前記波長変換要素は、無機担体内に分配されている波長変換材料を有する。

セラミック又はガラス材料のような、無機担体材料は、温度、酸化及び放射線安定性を有する。従って、これらは、熱、酸素及び／又は光にさらされた場合、あまり劣化しない。更に、無機担体材料は、高い屈折率を有しており、前記波長変換要素内への光の結合導入を増大させる。

動作中、高出力のＬＥＤは、熱及び光の強度の両方に関して、多くのエネルギーを放散する。従って、上述のような波長変換材料及び／又は担体材料が光熱的に安定である（例えば、無機のものである）であることが、所望のこのような強力ＬＥＤに関連している。好適な実施例において、前記担体および前記波長変換材料は、無機のものである。

本発明の実施例において、前記反射材料は、貴金属及び準貴金属からなる群から選択されることができる。

良好な反射特性に加えて、貴金属および準貴金属は、高温における安定性を有しており、酸化の傾向が低く、拡散率が低い障壁を形成し、前記波長変換材料を周囲の環境から保護する。

本発明の実施例において、前記波長変換要素は、結合層によって前記発光ダイオード上に配される。

前記発光ダイオードに前記波長変換要素を結合することによって、前記ＬＥＤからの光の抽出と前記波長変換要素内への結合導入が向上されることができると同時に、剛性の構造が、得られる。前記ＬＥＤ上に前記波長変換要素を配する方法は、前記接合材料を接着剤として使用することにより容易にされることができる。

第２の見地において、本発明は、波長変換要素を製造する方法であって、一般に、光受け取り表面、光出力表面及び横方向のエッジ表面を有する波長変換要素を設けるステップと、反射材料を前記横方向のエッジ表面に配するステップとを有する方法に関する。

波長変換要素は、自立式のものであり、従って、前もって製造され、後で発光装置を形成するために発光ダイオード上に配されることができる。このことは、本発明の前記発光装置の大量生産を容易にする。

本発明の方法の実施例において、前記自立波長変換要素は、めっき阻止組成物（plating-inhibitory composition）によって波長変換材料を有するウェハの表面をコーティングし、前記ウェハを複数の波長変換要素に分割することによって提供される。その後、前記反射材料が、前記波長変換要素の前記横方向のエッジ上に表面上にめっきされる。

前記波長変換要素の前記横方向のエッジ表面は、前記めっき阻止組成物によって覆われていないため、これらのエッジ表面は、反射材料でめっきされることができる一方で、前記受け取り表面及び出力表面は、阻止コーティングのため、めっきされない。この方法により、当該製造方法のステップのいくつかは、この後に、複数の波長変換要素に分割される単一のウェハ上で実行されることができる。

第３の見地において、本発明は、反射材料を前記横方向のエッジ表面に配している、上述のような波長変換要素自体に関する。

第４の見地において、本発明は、発光装置の製造に関する。前記方法は、ＬＥＤ設け、この後、受け取り表面と出力表面と反射材料を備えている横方向のエッジ表面とを持っている自立波長変換要素を、前記波長変換要素の前記光受け取り表面が前記ＬＥＤから発された光を受け取るように前記ＬＥＤ上に配するステップを有している。

前記自立波長変換要素が前もって製造されることができ、別々の手順において前記ＬＥＤ上に配置されることができるので、前記装置は容易に製造されることができる。

本発明による発光装置を図示している模式図である。 本発明による発光装置を製造する方法のフローチャートを示している。

本発明のこれら及び他の見地は、以下に記載される実施例を参照して、明らかになり、説明されるであろう。

本発明は、ＬＥＤ及び自立波長変換要素を有する発光装置と、前記自立波長変換要素自体と、このような装置及びこのような要素の製造のための方法とに関する。

本発明による発光装置１の一実施例が、図１に示されている。発光装置１は、ＬＥＤ２と波長変換要素３とを有している。波長変換要素３は、光受け取り表面４と、対向している光出力表面５と、反射材料７を備えている横方向のエッジ表面６を有する。

前記反射材料は、セラミックの前記波長変換要素の横方向のエッジ表面上にエッジミラーを形成している。

波長変換要素３はＬＥＤ２によって発される前記光の少なくとも一部を受け取り、受け取られた前記光の少なくとも一部をより長い波長の光に変換するように配されている。前記波長変換要素自体が、本発明の特に熟考されている見地を形成している。

好ましくは、ＬＥＤ２は青色発光ＬＥＤであり、前記波長変換要素は、青色光を吸収する一方で、黄色光を発するように適応化されている。変換されていない青色ＬＥＤの放出と黄色変換された光とが組み合わされた放出は、白色の印象を与える。

波長変換要素３は、前記波長変換要素を構成している又は担体材料内に分布されている（例えば、分散されている）波長変換材料を有している。

好ましくは、前記波長変換材料は、無機波長変換材料である。例は、これに限定されるものではないが、ＹＡＧ-ＣＥ、ＹＡＧ（Ｇｄ）―ＣＥ、Ｓｒ―ＳｉＮＯ：Ｅｕ又は（ＢａＳｒ）ＳｉＮ：Ｅｕ系（酸素窒化物）ベースの材料及びこれらの２以上の何らかの組合せを含む。

セラミック波長変換要素における使用に適している他の種類の波長変換材料は、一般式Ｅａ_ｘＳｉ_ｙＮ_{２／３ｘ＋４／３ｙ}：Ｅｕ_ｚＯ_ａＸ_ｂのユ−ロピウム（ＩＩ）活性ハロゲノ−オキソニトリドケイ酸塩である少なくとも１つの蛍光体を有している蛍光材料であり、ここで、１≦ｘ≦２，３≦ｙ≦７， ０．０００１＜ｚ≦０．０９）０．００５＜ａ≦０．０５，０．０１＜ｂ≦０．３であり、Ｅａは、カルシウム、バリウムおよびストロンチウムの群から選択される少なくとも１つのアルカリ土類金属であり、Ｘは、フッ素、塩素、臭素及びヨウ素の群から選択される少なくとも１つのハロゲンである。

本願明細書において使用されている「波長変換」なる語は、第１の波長の光を吸収し、第２の、より長い波長の光の放出を生じる材料又は要素をいう。光を吸収すると、前記材料内の電子が、より高いエネルギー準位に励起される。前記より高いエネルギー準位からの緩和により、余分なエネルギーが、吸収された波長よりも長い波長を有する光の形態において前記材料から放出される。従って、前記語は、蛍光及び蛍光波長変換の両方に関する。

本発明の実施例において、前記波長変換要素は、セラミック波長変換要素である。このようなセラミック要素は、例えば、通常の圧縮及び焼結の方法によって、セラミックになるように、圧縮され高温で焼結された無機波長変換材料から、準備されることができる。次いで、前記セラミック材料は、適切な厚みを得るためにひかれる（grinded）及び研磨されることができる。

代替的な実施例において、前記波長変換材料は、例えば、ガラスのような無機担体材料内に、例えば、分散されている、分布されている無機担体材料を含む。

更に他の代替的な実施例において、前記波長変換材料は、例えば、ポリマのような、有機担体材料内に、例えば、分散されている、分布されている波長変換材料を含むみ得る。好適なポリマは、例えばエポキシ又はシリコーン樹脂を含む光学的に透明なものである。

多くの熱を放散する高出力ＬＥＤの場合、好ましくは、担体及び／又は前記波長変換材料が無機性のものであり、より好ましくは、両方が無機性のものである。従って、セラミックの波長変換要素が、好まれる。

前記反射材料が前記波長変換要素の前記横方向のエッジ表面に設けられている場合、光は前記エッジ表面から逃げることができない。その代わりに、前記エッジへの入射光は、反射されて前記波長変換要素内に戻り、前記光の向上された変換を可能にし、前記波長変換要素の前記光出力表面を通る結合導出が後続する。このように、前記発光装置の周りにおける可視的な青色のリングの形成が、防止される。

前記セラミックの波長変換要素の前記横方向のエッジ表面に設けられている反射材料は、選択された何らかの反射材料であっても良く、典型的には、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｉｒ等又はこれらの組み合わせ及び合金のような、貴金属又は準貴金属のような、金属であっても良い。

波長変換要素３は、結合材料８によって発光ダイオード２に結合され、要素３をダイオード２に確実に取り付けて光学的に結合する。

好ましくは、前記結合材料は、光安定性、特に、紫外線／青色安定性（波長＜５００ｎｍ）があり、熱安定性も有している。

更に、前記結合層は、好ましくは、少なくとも前記ＬＥＤによって発される光に対して光学的に透明又は半透明である。

良好な光結合のために、前記屈折率は、例えば、１．５乃至１．８のように、１．３乃至２の範囲内にあるべきである。

結合材料の例は、シラン、ポリマ及び低温溶融ガラス材料を含む。

本発明の発光装置の製造のための例示的な方法が、図２に示されており、図２は、本発明による発光装置の製造のための方法であって、後述するステップを有している方法を示している。

当該方法の第１の部分において、セラミックの波長変換要素が、設けられる。この第１の部分自体が、本発明の特に熟考された見地を形成している。

当該方法の第２の部分において、セラミックの波長変換要素は、ＬＥＤ上に配される。この第２の部分自体が、本発明の特に熟考された見地を形成している。

当該方法の前記第１の部分において、波長変換要素が設けられ、反射材料が、前記横方向のエッジ表面上に配される。

典型的には、前記反射材料は、例えば、無電解（自己触媒の）めっきのような、めっきによって、前記横方向のエッジ表面上に配置される。

図２の前記フローチャートに示されている例示的な方法によれば、前記波長変換要素を設ける方法は、波長変換材料を有しているウェハ（即ち大きな板）を設けることによって始まる。

次いで、前記ウェハは担体上に接着され、この後、前記ウェハは、所望の厚さへと任意に機械的に処理される（ひく、研磨する）。

次いで、前記ウェハの前記表面は、単層又は多層を前記表面上に形成するめっき阻止合成物（反シーディング合成物）によってコーティングされ、後の段階において、めっきシーディングが前記ウェハの前記表面に付着するのを防止し、従って、この表面上のめっきを防止する。

前記めっき阻止合成物は、例えばＳＡＭ（単一層を自動位置あわせした）、シラン又はポリマを形成している合成物であっても良い。

（水溶性であるか又は有機性の）溶媒中に溶かされているポリマは、典型的には、前記溶媒の蒸着の後に閉じられた層を形成し、有機溶剤中シラン／ＳＡＭは、前記ウェハの表面の活性基と反応する又は物理的に結合する。

めっき阻止合成物として適切な他の合成物は、当業者に知られている。

前記ウェハは、次いで、複数のセラミックの波長変換要素に分割される（小立方体にされる）。各要素は前記ウェハの前記前面および背面から出ている前面及び背面を有しており、前記担体は、前記ウェハの前面又は背面のいずれかと、横方向のエッジ表面とにまだ残っている。前記ウェハの前記横方向のエッジ表面は、前記ウェハがより小さい要素に分割される際に形成される。従って、前記横方向のエッジ表面は前記めっき阻止合成物にさらされなかったのに対し、前記要素の前記正面または背面は前記反シーディング溶液にさらされた（前記正面および背面の前記他の一つは前記担体によって保護されている）。

前記ウェハは、機械的な切断、レーザ切断、鋸で切る、及びせん断等によって分割されることができる。

任意には、前記要素は、前記上述の小立方化のステップの後、清浄化され、乾燥されることができる。

その後、前記反射材料は、無電解（自己触媒の）めっきによって、前記セラミックの波長変換要素上の前記横方向のエッジ表面上に配される。

めっきされるべき前記波長変換要素は、シード溶液にされらされる。

前記シード溶液は、シード材料を含んでいる。１つの一般に使用されるシード材料は、Ｐｄである。他のシード材料は、当業者に知られている。

前記要素は、例えば、ディッピング、ソーキング及び噴霧によって、前記シード溶液にさらされることができる。

このシード溶液は、これらが前記めっき阻止（反シーディング）合成物にさらされていないので、前記セラミックの波長変換要素の前記横方向のエッジ表面にのみ付着する。更に、前記シード溶液は、無電解めっきが発生するのに必要である。

前記セラミックの波長変換要素は、その後、無電解めっき溶液にさらされる。

前記要素は、例えば、ディッピング、ソーキングおよび噴霧によって、前記無電解めっき溶液にさらされることができる。

前記無電解めっき溶液は、典型的には、例えば塩類（例えば、硫酸塩類）として、金属イオンの形態において前記表面上にめっきされるべきである金属（貴金属又は準貴金属）を有する。

前記シードされた表面と接触している場合、前記金属イオンは、前記表面上の薄膜として金属に還元される。

前記無電解めっき溶液の詳細な組成は、表面をめっきされるべき前記金属と前記ウェハ材料とに依存するものであり、当業者にとっては明らかなものである。

前記無電解めっき溶液の反射材料は、前記セラミックの波長変換要素の前記横方向のエッジ表面上にエッジミラーを形成する。

この後、前記担体材料及び前記めっき阻止合成物は、典型的には有機溶剤を使用することによって、前記波長変換要素から取り除かれる。

得られる波長変換要素は、光受け取り表面と、対向する光出力表面と、反射材料を備えている前記横方向のエッジ表面とを有している。

本発明の方法から得られる前記波長変換要素の前記光受け取り表面は、これに限定されるわけではないが、平面でもよい。例えば、前記波長変換要素の前記受け取り表面は、窪み、好ましくは、前記発光ダイオードの発光面（上部）を収容するのに十分大きい領域を持っている窪みを有しており、この結果、典型的には、前記波長変換要素の前記受け取り面は、前記要素が配されるべき前記発光ダイオードの側部を少なくとも部分的に下って延在することができる。他の形状も、可能である。

前記発光ダイオードを製造する方法の第２の部分において、例えば上述の方法又は他の何らかの方法によって製造されたような、前記波長変換要素が、ＬＥＤ上に配される。

このことは、上述の方法の直後にされることができる。代替的には、上述の製造された波長変換要素は、ＬＥＤ上にこれらを配する前に、しばらく保管されている。

前記波長変換要素は、前記要素の前記ＬＥＤによって発される光を受け取る機能を最大にするように、前記要素の受け取り表面が前記ＬＥＤの発光表面に面するように、前記ＬＥＤ上に配される。

典型的には、前記要素は、当業者に一般的に知られているように、結合層によって前記ＬＥＤ上に配される。

本発明は、添付図面及び上述の説明において詳述されたが、このような図及び説明は、説明のため又は例示的なものであり、限定的に考えられるべきではなく、即ち本発明は、開示された実施例に限定されるものではない。

開示された実施例に対する他の変形が、添付図面、上述の開示及び添付請求項の研究から、前記請求項における本発明の実施において、当業者によって理解され、もたらされることができる。例えば、本発明は、青色ＬＥＤの使用に限定されているものではない。加えて、異なる色および波長の組合せによる他の種類のＬＥＤが、使用されることもできる。

更に、前記波長変換要素は、特定のＬＥＤ種類への適用に限定されているものではなく、利用可能な全ての種類のＬＥＤに適用されることができる。

波長変換材料を有するウェハから前記波長変換要素を製造する前記方法は、特定のウェハの厚さまたはサイズによって制限されているものではなく、様々な用途に対して変化することができる。

更に、２つ以上のＬＥＤからの光を変換するために、１つの波長変換要素が、いくつかの発光ダイオード上に配されることができる。

Claims (11)

1. 発光ダイオードと、前記発光ダイオードから発された光の少なくとも一部を受け取る自立波長変換要素とを有する発光装置であって、前記自立波長変換要素は、平坦な光受け取り表面と、光出力表面と、横方向のエッジ表面とを有しており、前記横方向のエッジ表面には、反射材料が設けられている、発光装置。
2. 前記波長変換要素が平面プレートである、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記波長変換要素が無機波長変換材料を有している、請求項１又は２に記載の発光装置。
4. 前記波長変換要素が無機担体内に分布されている波長変換材料を有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光装置。
5. 前記反射材料が、貴金属及び準貴金属からなる群から選択されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光装置。
6. 前記波長変換要素が、結合層によって前記発光ダイオード上に配されている、請求項１乃至５の何れか一項に記載の発光装置。
7. 平坦な光受け取り表面と、光出力表面と、横方向のエッジ表面とを有する自立波長変換要素を設けるステップと、
   前記横方向のエッジ表面上に反射型材料を配するステップと、
   を有する自立波長変換要素を製造する方法。
8. 自立波長変換要素が、
   波長変換材料を有するウェハの表面を、めっき阻止合成物によってコーティングするステップと、
   前記ウェハを複数の波長変換要素に分割するステップであって、前記反射材料が、前記波長変換要素の前記横方向のエッジ表面上にめっきされる、ステップと、
   によって設けられる、請求項７に記載の方法。
9. 平坦な光受け取り表面と、光出力表面と、横方向のエッジ表面とを有している自立波長変換要素であって、前記横方向のエッジ表面には、反射材料が設けられている、自立波長変換要素。
10. 発光ダイオードを設けるステップと、
    請求項９に記載の自立波長変換要素又は請求項７若しくは８に記載の方法によって得られる自立波長変換要素を、セラミックの前記波長変換要素の前記光受け取り表面が前記発光ダイオードから発される光を受け取るように、前記発光ダイオード上に配するステップと、
    を有する、発光装置を製造する方法。
11. 前記セラミックの波長変換要素が結合層によって前記発光ダイオードに結合されている、請求項１０に記載の発光装置を製造する方法。

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