JP2012129568A

JP2012129568A - 異なるサイズの光散乱粒子を用いた発光デバイスのパッケージ

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Publication number: JP2012129568A
Application number: JP2012083671A
Authority: JP
Inventors: Arpan Chakraborty; チャクラボルティアルパン
Original assignee: Cree Inc
Current assignee: Wolfspeed Inc
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2012-07-05
Also published as: JP2009054995A; JP5091023B2; US20090050911A1; DE102008029318A1; US11114594B2

Abstract

【課題】優れた色均一性と改良された空間的色混合度を示す発光デバイスを提供すること。
【解決手段】発光体を少なくとも部分的に取り囲む、異なるサイズの光散乱粒子を備え、デバイスの空間的色混合度と色均一性を改良する輻射発光デバイスを提供する。複数のサイズの光散乱粒子が、単一の、または複数チップの多色の発光体パッケージを少なくとも部分的に取り囲むための媒質中に分散されている。異なるサイズの光散乱粒子は、発光する輻射の中のそれぞれ対応する波長範囲と相互作用する。このようにして、複数の波長範囲または副範囲に渡って発光する輻射は効率よく散乱されて、出力ビームにおける空間的に不均一な色パターンを除去する（または意図的に作る)ことが出来る。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光デバイスに関し、より詳細には、単一チップ又は複数チップのパッケージ内の白色発光ダイオード及び多色発光ダイオードに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は電気エネルギーを光に変える固体デバイスであり、一般には、反対極性にドープされた層に挟まれた、半導体材料の１つ又は複数の活性層を備える。一般に、ワイヤボンドによってドープされた層の両端間にバイアスが印加され、その結果正孔と電子が活性層に注入され、そこで再結合が起こり光を放出する。光は、活性層およびＬＥＤの全ての面から放出される。通常の高効率ＬＥＤは、ＬＥＤパッケージに取り付けられ、透明な媒質で封止されたＬＥＤチップを備える。ＬＥＤから効率的に光を引き出すことが高効率ＬＥＤの作製において主要な関心事である。

ＬＥＤは、色々な色の光を放出するように作製することが出来る。しかしながら、従来のＬＥＤは、活性層から白色光を放出することは出来ない。ＬＥＤを黄色の蛍光剤、ポリマーまたは染料で取り囲むことによって、青色ＬＥＤからの光を白色光に変換してきた。典型的な蛍光剤は、セリウムがドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｃｅ：ＹＡＧ）である（非特許文献１および特許文献１参照）。取り囲んでいる蛍光剤材料は、ＬＥＤの青色光のいくらかのエネルギーを「ダウンコンバート」する、すなわち光の波長を増大させ、その結果、青色を黄色に変える。青色光のいくらかは変換されることなく蛍光剤を通過するが、光の一部は黄色にダウンコンバートされる。ＬＥＤは、青色光と黄色光の両方を放出し、これらは組み合わされて白色光を提供することになる。別の方法としては、紫または紫外光を放出するＬＥＤからの光が、ＬＥＤを多色性の蛍光剤または染料で取り囲むことによって白色光に変換されてきた。

明細書を通して、２つの異なる重要な角度について言及することに注意されたい。第１の角度は、図ｌａのθ_vとして例示されている視野角（ｖｉｅｗｉｎｇａｎｇｌｅ）である。視野角は、この場合は半円球の封止体の中心を通って、封止体の平坦な端面に垂直な光軸から計られる。視野角が０度（０°）とは、封止体からの出力光が、光源の正反対側の、封止体の外側の点、すなわち、軸上（ｏｎ−ａｘｉｓ）の点で見られる（測定される）ことを指す。観測者に対してデバイスが傾斜すると、視野角は増大する。９０度（９０°）の視野角とは、光軸に垂直で、封止体の平坦な端面と同一平面である角度で、すなわち直接側面から出力光が測定されることを指す。

言及される第２の角度は、図ｌａのθ_eで示される放出角（ｅｍｉｓｓｉｏｎａｎｇｌｅ）である。放出角は、視野角と同じ光軸を共有する。放出角は、光源から発した後、光線が封止体内を最初に伝播する、光軸からの角度である。最初に光軸に沿って光源から伝播する光線は（例えば、光線Ｒ₁は）、放出角が０°である。図示したように光線θ_eは約４０度（４０°）である。放出角は最初に伝播する方向が光軸からずれるに従って増大する。２つの角度の間の重要な相違点は、所与の視野角での出力分布は封止体内で起こる散乱事象によって影響されるが、放出角は、封止体内で材料と相互作用する前の、光源から最初に発する光の方向を記述するものである点である。

米国特許第５９５９３１６号明細書

Nichia Corp., white LED, Part No.NSPW300BS, NSPW312BS, etc.

スピンコーティング、すプレーコーティング、静電堆積（ＥＳＤ）、および電気泳動析出（ＥＰＤ）を含む、様々なＬＥＤのコーティングプロセスが検討されてきた。スピンコーティング又はスプレーコーティングのようなプロセスは、蛍光剤堆積中にバインダー材料を用いるが、他のプロセスでは、蛍光剤粒子／粉末を安定化させるために堆積の直後にバインダーを付加することを必要とする。

ＬＥＤ上に蛍光剤を導入するというＬＥＤパッケージングの通常のタイプは「カップ内の小滴（ｇｌｏｂ−ｉｎ−ａ−ｃｕｐ）」法として知られる。ＬＥＤチップはカップ状の凹みの底面に配置され、（例えば、シリコーンやエポキシのような封止体中に分散された蛍光剤粒子等の）蛍光剤を含む材料が、カップ内へ注入されてカップを充填し、ＬＥＤを取り囲み封止する。次に、封止体材料はＬＥＤの周りで固まるように硬化される。しかしながらこのパッケージングは、パッケージに関する異なる視野角で発光の色温度が大きく変化するようなＬＥＤパッケージをもたらす。この色の変化は、光が変換材料を通過する経路長の差を含む、多くの要因によって引き起こされる。蛍光剤を含むマトリクス材がＬＥＤが配置されるカップの「縁（ｒｉｍ）」を越えて延在するパッケージにおいては、この問題は深刻になる可能性があり、変換された発光が（例えば、光軸からの角度が９０度という）大きな視野角の側面へ放出されるのが支配的となる結果になる。その結果、ＬＥＤパッケージによって放出された白色光が不均一となり、色または強度が異なる、バンド（ｂａｎｄ）または斑点（ｐａｔｃｈ）を持つようになる。

ＬＥＤをパッケージング又はコーティングする別の方法には、電気泳動析出のような方法を用いてＬＥＤの表面上に蛍光剤粒子を直接結合させる方法が含まれる。このプロセスは、静電荷を用いて、電荷を帯びたＬＥＤチップの表面へ蛍光剤粒子を誘引する。この方法は、視野角の関数としての色均一性を改良する結果になるが、その改良の１つの理由は、変換された光と変換されない光の光源が空間的に同一点の近くであるということである。例えば、黄色変換材料によって変換される青色発光ＬＥＤは、変換材料とＬＥＤとが空間的に同一点に近いので、ほぼ一様な白色光光源を提供することが出来る。この方法は、大量生産の現場においては、多くのＬＥＤに渡って静電荷を制御することが困難であるために矛盾を呈することがある。

これらの矛盾に対処して、発光の色温度の空間的一様性を改良するためのよく知られた方法は、光散乱粒子を用いて、出て行く光線の経路をランダムにすることである。図ｌａ及びｌｂは、この方法を用いた発光デバイス１００を示している。図１ａは、よく知られたデバイスの、図１ｂに示した切断線ｌａに沿った断面図を示している。光源１０２が、基板１０４上に配置される。ダウンコンバート材料（ｄｏｗｎｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌ）の層１０６が、光源１０２を覆う。反射器１０８が基板１０４上の光源１０２の周りに配置され、光源１０２が反射器１０８と基板１０４によって画定された空洞の中に収められる。半球型の封止体１１０が、光源１０２の上に配置される。封止体１１０は、例えば、エポキシ接着剤を用いて光源１０２上に取り付けてもよいが、他の取付方法を用いてもよい。光散乱粒子１１２は封止体１１０の全体に渡って配置される。

光線Ｒ１−Ｒ４は、光源１０２から放出した典型的なフォトンの経路をモデル化したものである。図示のように、Ｒｌは、発光して、ダウンコンバート材料１０６を長さ（ｌ₁）の経路で通り、そこでは、この光が波長変換を受ける確率が存在する。フォトンがダウンコンバートされる（すなわち、吸収され再放出される）確率は、フォトンがダウンコンバート材料１０６を通過する距離とともに増加することは注意すべきことである。それ故、ダウンコンバート材料１０６をより長い距離（ｌ₂）で通過するＲ２は、ダウンコンバートされる機会がより高い。ということは、ダウンコンバート層の形状に依存して、ダウンコンバート層１０６を通過する際にダウンコンバージョンを受ける光の割合は、光源１０２からの放出角の関数である。光散乱粒子が無ければ、発光スペクトルは顕著なパターンを示し、しばしば人の目にも感じられる程度の、色温度および強度の変動を持つ光点を作り出すことになる。そのような不均一性があると、発光デバイスはある種の応用には不適切になってしまう。

ダウンコンバート材料ｌ０６を通過した後、光は封止体１１０の中に入る。封止体１１０の全体に渡って分散している光散乱粒子ｌｌ２は、発光した後の各フォトンの向きを変えて、フォトンが封止体１１０を出る点をランダムにするように設計されている。これは、空間的色温度の均一性を改良する効果を有する。例えば、Ｒ１は光散乱粒子と衝突して、方向を変え、図に示すように放出する。Ｒ１は、散乱粒子が存在しなかった場合とは異なる点で封止体１１０を出る。Ｒ３は、多重散乱を受ける。Ｒ２とＲ４は妨げられることなく封止体を通過する。このように、光散乱粒子は、フォトンを最初の放出角から切り離して、発光するフォトンが封止体１１０を出る点を（或る程度）ランダムにする。

特定のスペクトル成分を持つ光を放出するためには、複数チップを有するＬＥＤパッケージを用いることが知られている。色々な色を有する複数チップが同じパッケージ内で用いられるのがしばしばである。例えば、赤色チップ、緑色チップ、および青色チップが組み合わされて白色光パッケージ（固体ＲＧＢ）を形成するために用いられる。ユニット当たり１つの赤色チップ、１つの青色チップおよび２つの緑色チップを備える固体ＲＧＧＢのような、他の複数チップもよく用いられる。複数チップ・デバイスと結びつけて蛍光剤変換層が用いられてもよい。例えば、高い演色評価数（ＣｏｌｏｒＲｅｎｄｅｒｉｎｇＩｎｄｅｘ）を要する用途に用いられる蛍光剤変換（ｐｈｏｓｐｈｏｒｃｏｎｖｅｒｔｅｄ）ＲＧＢが１例である。別のよく知られたデバイスは、蛍光剤変換白色ＬＥＤと固体赤色チップとを備える。蛍光剤変換色付きチップ（ｐｈｏｓｐｈｏｒｃｏｎｖｅｒｔｅｄｃｏｌｏｒｅｄｃｈｉｐ）と固体チップとの他の組み合わせも複数チップＬＥＤパッケージにおいて知られている。

発光デバイスの実施形態は、あるスペクトラルの輻射（ｒａｄｉａｔｉｏｎ）を発光する少なくとも１つの発光体を備える。第１のサイズを有する第１の複数の散乱粒子が、前記少なくとも１つの発光体を少なくとも部分的に取り囲み、第２のサイズを有する第２の複数の散乱粒子が、前記少なくとも１つの発光体を少なくとも部分的に取り囲む。前記発光体から放出される輻射のそれぞれの部分が、前記第１および第２の複数の散乱粒子と相互作用する。

発光デバイスの実施形態は、少なくとも１つの発光体を備える。封止体が、前記発光体から放出した光の実質的にすべてが前記封止体を通過するように配置される。複数の散乱粒子が、前記封止体の全体に渡って配置される。この複数の散乱粒子は、少なくとも２種類の異なるサイズの粒子を備える。

封止体の実施形態は、第１の屈折率を有し、前記封止体の形状を画定する第１の材料を備える。第２の屈折率を有し、微粒子（ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ）特性を有する第２の材料が、前記第１の材料内に分散している。第３の屈折率を有し、微粒子特性を有する第３の材料が、前記第１の材料内に分散している。

封止体の別の実施形態は、前記封止体の形状を画定する第１の材料を備える。微粒子特性を有する第２の材料が、前記第１の材料の中に分散していて、前記第２の材料は、ある平均サイズを有する粒子を含んでいる。微粒子特性を有する第３の材料が、前記第１の材料の中に分散していて、前記第３の材料は、前記第２の材料の中の粒子の平均サイズとは異なる平均サイズを有する粒子を含んでいる。

従来の技術の発光デバイスの断面図である。図ｌａに示すよく知られた発光デバイスの平面図である。本発明の実施形態による発光デバイスの断面図である。本発明の実施形態による発光デバイスの断面図である。本発明の実施形態による発光デバイスの断面図である。本発明の実施形態による発光デバイスの断面図である。本発明の実施形態による発光デバイスの断面図である。本発明の実施形態による発光デバイスの断面図である。複数チップ発光体パッケージの平面図である。本発明の実施形態による発光デバイスの断面図である。本発明の実施形態による複数チップ発光体パッケージの断面図である。白色チップＬＥＤとともに用いられる色々な光散乱粒子の組み合わせの実験結果を示すグラフである。

本発明の実施形態は、改良された輻射を発光するデバイスを提供するものであり、より詳細には、多色パッケージにおいて、優れた色均一性と改良された空間的色混合度（ｓｐａｔｉａｌｃｏｌｏｒｍｉｘｉｎｇ）を示す発光デバイスを提供するものである。実施形態は特に、単一チップまたは複数チップ用途の白色発光ダイオード(ＬＥＤ)および種々の多色ＬＥＤパッケージとともに用いるのに好適である。他のＬＥＤデバイスと同様に、デバイスにバイアス電圧が印加されると、デバイスの活性領域における放射性再結合の結果により発光する。時には光点（ｌｉｇｈｔｓｐｏｔ）と呼ばれるＬＥＤの出力を設計することがしばしば望まれる。応用分野によっては、高い程度の色温度の均一性を有する光点が要求され、多色パッケージにおいては良好な空間的色混合度が要求される。デバイスは、カスタマイズされたパターンを持つ光点を出力するように設計される場合もある。ここで論じられるデバイスの多くは、可視光スペクトル領域で輻射を放出するように設計されるが、デバイスによっては赤外、紫外、またはその他の領域で輻射を放出するものでもよい。「光」という用語を便宜上用いているが、そうでないと明確に述べられていない限り、可視スペクトルの外側の領域または副領域（ｓｕｂ−ｒａｎｇｅ）での発光を除外するものと考えてはならない。

ある実施形態は、異なるサイズおよび／または異なる屈折率を有する光散乱粒子（ＬＳＰ)を用いて色温度の一様性と空間的色混合度を改良するものである。通常は、材料が異なると粒子サイズと屈折率の両方が変化する。ＬＳＰは発光体を少なくとも部分的に取り囲み、発光した光の実質的にすべてを散乱する。ＬＳＰは以下に論じるように色々な場所に配置されてもよい。

所与の波長範囲における光と粒子との相互作用の仕方は、材料の粒子サイズと(屈折率によって示される)屈折に関する性質の両方の帰結である。異なるサイズの粒子を用いることによって、複数の副領域の光を散乱することが出来る。これは、複数のよく定義された波長範囲に渡って発光するデバイスにとって特に有用である。ＬＳＰは、光源から放出された最初の経路からずらせることによって放出した光をランダム化するように機能し、視野角の全ての範囲に渡って改良された色温度均一性と色混合度を提供する。同様に、ＬＳＰは特別な用途のために、わざと不均一な色温度分布を作り出すように構成することも出来る。この文脈では、ＬＳＰが光を散乱する３つの仕方が一般的に存在する。それは反射、屈折、及び回折である。

反射とは、異なる屈折率を有する媒質間の境界で、光が発生した媒質内へ戻るように光の方向を変化させることである。媒質中を伝播する光が異なる屈折率を有する他の材料との境界に達すると、光がその媒質中へ進路を戻される。ＬＳＰの場合には、光が粒子にぶつかる場所に応じて、光はもと来た方向へ、または側面の角度へ偏向される。最終的には放出される光を散乱させるために、側面への散乱が望ましい。それは、吸収性材料の方に後方反射(後方散乱)される光の量が減るからである。

光はまた屈折によっても散乱される。屈折は、位相速度(すなわち、媒質中を波が伝播する速さ)の変化に起因した光の方向の変化である。この文脈では、光が１つの媒質から、異なる屈折率を有する他の媒質中へ伝播するときに屈折が生じる。ある実施形態では、光は、光が媒質の全体に渡って分散したＬＳＰと相互作用をする場所である封止体の媒質内へ放出される。光がＬＳＰの中へ入ると、速さが変わり、その結果方向が変わる、すなわち散乱される。

光はまた、回折によっても散乱される。回折は、光の波動的な性質に起因して物体または開口の周りで光が曲げられることである。光がＬＳＰのような物体の近くを通ると、光が物体の周りで曲げられて、物体に近づくもともとの経路からずれる。大きな物体であると曲げられる効果はほとんど感知できない。しかしながら、物体のサイズが入射光の波長に近づくと、現象は顕著になる。この文脈では、ＬＳＰのサイズが入射光の波長の半分に近づくと、実際に物体にぶつかる光の量の約５倍の光が曲げられる。このように、適当なサイズのＬＳＰでは、粒子の周りの回折面積が粒子の直径の約５倍にまで増加する。この回折断面積の増大を利用するためには、特定の波長範囲または副領域を有する光に対してＬＳＰのサイズが注意深く選ばれなければならない。

層、領域、または基板等の要素が別の要素の「上に」あると言及されるとき、その要素は、他の要素の上に直接に存在する場合もあれば、介在要素が存在する場合もあることが理解されるだろう。さらに、「内部」、「外部」、「上部（ｕｐｐｅｒ）」、「上に（ａｂｏｖｅ）」、「下部（ｌｏｗｅｒ）」、「下に（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「の下へ（ｂｅｌｏｗ）」等の相対的用語は、本明細書では、ある層または別の領域の関係を記述するために用いられる。これらの用語は、図に描かれている方向付けに加えて、デバイスの異なる方向付けも包含することが意図されているものと理解されよう。

「第１の」、「第２の」などの用語は、本明細書では色々な要素、部品、領域、層および／または区画を記述するために用いられているが、これらの要素、部品、領域、層および／または区画はこれらの用語によって制限されるものではない。これらの用語は、１ある要素、部品、領域、層、区画または特徴を別のものと区別するためだけに用いられている。従って、第１の要素、部品、領域、層、区画または特徴は、本発明の教示から逸脱することなく、第２の要素、部品、領域、層、区画または特徴と言及することができたものである。

本出願では、「層」と「複数の層」という用語は相互互換的に用いられていることに注意されたい。当業者は、材料の単一の「層」は、実際には材料のいくつかの個別の層を備える場合があることを理解するだろう。同様に、材料の「複数の層」は、機能的には単一の層と考えてもよい。言い換えると、「層」という用語は材料の均一な層を指しているのではない。単一の「層」は、副層（ｓｕｂ−ｌａｙｅｒ）内で局在した色々な散乱材料の濃度および成分を含んでもよい。これらの副層は単一の形成プロセスで形成されてもよいし、複数のプロセスで形成されてもよい。別段のさだめがない限り、ある要素が材料の「層」または「複数の層」を備えていると記述することによって、請求項に具体化された本発明の技術範囲を制限しようとするものではない。

本発明の実施形態は、本明細書では本発明の理想化された実施形態の概略図である断面図を参照して記述される。それ故に、例えば製造技術および／または公差の結果として、図示の形状から変化することが予期される。本発明の実施形態は、本明細書に示した領域または粒子の特定の形状に制限されているものと考えるべきものではなく、例えば、製造技術からくる形状のずれを含むべきものである。例えば、長方形として示された領域は、一般的には通常の製造公差によって円形の又は湾曲した形体を有するものである。このように、図示された領域は本質的に概略的であり、その形状は領域または粒子の正確な形状を示そうとするものではなく、本発明の技術範囲を制限しようとするものでもない。

図２は、本発明による発光デバイス２００の実施形態を示す。発光体２０２は、例えば基板またはプリント回路基板の表面２０４上に配置される。発光体２０２は、ＬＥＤ、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）または別の種類の発光デバイスであってよい。発光体２０２は単一領域または複数の副領域の波長を含むことができる光スペクトルを放出する。この特定の実施形態では、第１および第２のサイズを有するＬＳＰ２０６及び２０８が、封止体２１０の全体に渡って分散され、発光体２０２を少なくとも部分的に取り囲む。ＬＳＰは、以下に詳しく論じるように、発光体の周りの他の媒質中に配置されてもよい。

発光体２０２はあるスペクトラルの光を放出する。光線Ｌ１−Ｌ３は光のいくらかがＬＳＰ２０６及び２０８と相互作用する様子をモデル化したものである。スペクトルの第１の部分は光線Ｌ３によって示されるように、主に第１のサイズの粒子２０６によって影響を受ける。スペクトルの第２の部分は光線Ｌ２によって示されるように、主に第２のサイズの粒子２０８によって影響を受ける。放出された光のいくらかは、光線Ｌｌによって示されるように両方のサイズの粒子２０６及び２０８によって影響される。ＬＳＰ材料は、発光体２０２からのスペクトルの特性とデバイス２００からの所望の出力に基づいて選択するべきである。

この実施形態では、封止体２１０は少なくとも３つの異なる材料を備える。媒質２１２は、封止体２１０の形状を与える。封止体２１０の好適な形状は、曲面と平面を有する半球である。しかしながら、平坦形状または平凸形状等の多くの他の封止体形状を用いることも出来る。媒質２１２は、透明エポキシ、シリコーン、ガラス、プラスチック、またはその他の透明媒質等の熱的、光学的に硬化可能な材料を含む。ＬＳＰ２０６及び２０８は媒質２１２の全体に渡って分散されている。

散乱粒子２０６及び２０８は、以下の物質を含む、多くの異なる材料を含むことができる。
シリカゲル;
酸化亜鉛(ＺｎＯ);
酸化イットリウム(Ｙ₂０₃);
二酸化チタン(Ｔｉ０₂);
硫化バリウム(ＢａＳ０₄);
アルミナ(Ａｌ₂０₃);
溶融石英(Ｓｉ０₂);
ヒュームドシリカ(Ｓｉ０₂);
窒化アルミニウム；
ガラス玉；
二酸化ジルコニウム(Ｚｒ０₂);
炭化珪素(ＳｉＣ);
酸化タンタル(Ｔａ０₅);
窒化珪素(Ｓｉ₃Ｎ₄);
酸化ニオブ(Ｎｂ₂０₅);
窒化ホウ素(ＢＮ);または
蛍光剤粒子(例えば、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＢＯＳＥ)
列挙しなかった他の材料を用いてもよい。特定の散乱効果を実現するために、材料の色々な組み合わせ、または同じ材料の異なる形状の組み合わせを用いてもよい。例えば、１つの実施形態では、第１の複数のＬＳＰがアルミナを含み、第２の複数のＬＳＰが二酸化チタンを含んでもよい。別の例示的な実施形態では、第１の複数のＬＳＰはルチル型二酸化チタンを含み、一方、第２の複数のＬＳＰはアナタース型二酸化チタンを含んでもよい。発光デバイス２００は２つの異なるサイズのＬＳＰだけを含むことを特徴としているが、所望の出力を実現するために、より多くのサイズを用いることも出来る。

これらのＬＳＰ２０６と２０８は、周囲の媒質２１２に比べて大きな屈折率を持ち、材料間で大きな屈折率差を生じさせなければならない。屈折率差は屈折を引き起こすので、周囲の媒質２１２に比べて小さな屈折率を持つＬＳＰ材料を用いることも出来る。ＬＳＰ２０６と２０８は媒質２１２中に局在した不均一性を生み出し、それが光を直線の経路からずらすことになる。

光が１つ以上の散乱粒子２０６と２０８に付き当たると、媒質２１２と粒子２０６及び２０８との間の屈折率差によって光が屈折し、異なる方向へ伝播するようになる。屈折率差が大きいと、入射フォトンのより顕著な方向変換が起こる。この理由により、大きな屈折率を持つ材料が、シリコーンやエポキシのような媒質中ではうまく作用する。光散乱材料を選択するときの他の考慮すべきことは、材料の光吸収である。大きな粒子は、封止体２００から出る前に、パッケージ内の光をより多く後方散乱するので、デバイスの全光出力を減少させる。それ故、好適な散乱粒子材料は、媒質に比べて大きな屈折率を持ち、かつ、封止体２１０を伝播する光の波長と同程度の粒子サイズを持つことである。ＬＳＰの理想的な組み合わせは、所与のスペクトルに対して前方および側方散乱効果を最大にしつつ、後方散乱と吸収にに起因する光損失を最小にするものである。

本願に記載したように、ＬＳＰ２０６と２０８の色々の成分パーセントを用いることが出来る。用いる材料に応じて、ＬＳＰ２０６と２０８は、体積濃度で０．０１％から０．２％までの濃度範囲にあるのが通常である。他の濃度を用いることも出来る。しかしながら、吸収に起因する損失が散乱粒子の濃度とともに増加する。このように、ＬＳＰの濃度は、許容損失値（ａｃｃｅｐｔａｂｌｅｌｏｓｓｆｉｇｕｒｅ）を維持するように選ばれるべきである。

図３は、本発明による発光デバイス３００の他の実施形態を示す。発光体３０２は表面３０４上に配置されている。同様に表面３０４上に配置され、発光体３０２を部分的に取り囲んでいるのは、たとえば蛍光剤層のような波長変換材料３０６の層である。この変換層３０６は発光体３０２によって放出された光と相互作用し、その一部をダウンコンバートし、発光体３０２のそれとは異なる出力スペクトルを作り出す。多くのダウンコンバージョン・プロセスが従来からよく知られている。この実施形態では、２つの異なるサイズのＬＳＰ２０８と２１０が、波長変換層３０６の全体に渡って分散している。この図には示していないが、デバイス３００は、封止体またはレンズ素子によって部分的に取り囲まれていてもよい。これらの要素は、その中に埋め込まれている更なるＬＳＰを含んでもよいし、含まなくてもよい。

図３に示したデバイス３００は、２つの離散的なスペクトルを示す。第１のスペクトルは、発光体３０２から直接放出されるものである。第２のスペクトルは、ダウンコンバージョン・プロセスの結果としてデバイス３００から放出されるものである。１つのよく知られた発光体構成は、青色領域に光を放出する発光体を用いる。青色光が変換材料を通過すると、その一部がダウンコンバートされて黄色光になる。２つの副スペクトルは、組み合わさって、白色光の放出となる。この特定の実施形態では、青色と黄色の副スペクトルに対応する２つの異なるサイズのＬＳＰが存在する。ＬＳＰは、両方の波長範囲に対して大きな散乱効果を生じ、全出力分布に渡ってよりよい空間的色混合度を生じるように選ぶことが出来る。

図４は、本発明による発光デバイス４００の他の実施形態を示す。発光体４０２は、表面４０４上に配置される。レンズ素子４０６は、発光体４０２の上に配置され、発光体４０２からの光の一部が、レンズ素子４０６と相互作用をして、その形を成形され又は他の方法で変えられる。例えば光は、コリメートされたビームに成形されるか、またはデバイス４００の外の特定の点に集光されてもよい。この実施形態では、レンズ素子は、平凹（ｐｌａｎｏ−ｃｏｎｃａｖｅ）構造を備える。この構成は一例にすぎず、光ビームは、レンズ素子として多くの異なる構造および材料を用いることにより、多様に変形することが出来る。

デバイス４００においては、レンズ素子４０６の全体に渡って分散している２つの異なるサイズのＬＳＰ４０８と４１０が存在する。上に論じたのと同様に、ＬＳＰ４０８と４１０は発光体４０２の異なる副スペクトルと相互作用して光を散乱し、視野角の全範囲に渡って出力の色の均一性を改良する。

図５は、本発明による封止体５００の実施形態を示す。封止体５００は、図２に示したデバイス２００と同様の発光体と共に用いることができる。３つの異なるサイズのＬＳＰ５０２、５０４及び５０６が封止体媒質５０８の全体に渡って分散している。封止体５００は、単一発光体または複数発光体のパッケージと一緒に用いられて、少なくとも３つの異なる副スペクトルに渡る光を散乱し、よりよい空間的色混合度を提供することができる。異なるサイズの追加のＬＳＰを、追加の波長範囲に渡って散乱させるために加えてもよい。

図６は、本発明による発光デバイス６００の実施形態を示す。発光体６０２は、蛍光剤層のような波長変換層６０４によって少なくとも部分的に被覆される。第１の波長範囲を持つ光は発光体６０２から放出され、変換層６０４を通り、その一部は第２の波長範囲を持つ光に変換される。

２つの光線Ｐ１とＰ２は、デバイス６００内を伝わる光の２つの例示的な光路をモデル化して示している。光線Ｐ１は第１の領域内の波長をもち、Ｐ２の波長は第２の領域内にある。光線Ｐ１は発光体６０２から放出され、変換されることなく変換層６０４を通過する。光線Ｐ１は封止体６０６内へ伝播し、そこで封止体媒質６１２の全体に渡って分散されているＬＳＰ６０８と６１０と相互作用する確率を持つ。光線Ｐ１はＬＳＰ６０８と相互作用して、初期の経路から外れる。光線Ｐ２は放出されて、変換層６０４内でダウンコンバートされる。光線Ｐ２はそこで封止体６０６内へ入り、そこでＬＳＰ６１０と相互作用して、初期の経路から外れる。２つの異なるサイズのＬＳＰ６０８と６１０を含めることは、両方の波長の副範囲からの光の経路の無秩序化を増大させるものである。

図７は本発明の発光デバイス７００の実施形態を示す。デバイス７００は共通の表面７０６上に配置された複数の発光体７０２と７０４を備える。発光体７０２と７０４は同じ色であっても別々の色であってもよい。１つの構成の可能性としては、緑色発光体と青色発光体を含むものである。これらの発光体の波長範囲は、良好な色混合度が達成されれば、組み合わされて白色光を放つことが出来る。他の構成は赤色発光体と白色発光体を含むものであろう。このような組み合わせは、やや赤みがかった又はオレンジ色の色調を持つ「暖かい」白色光を放つために用いることが出来る。赤・緑・青パッケージ(ＲＧＢ)または赤・緑・緑・青(ＲＧＧＢ)パッケージのような他の組み合わせを用いることも出来る。色々なほかの色の発光体の組み合わせも可能である。ある種の応用分野では、優れた演色評価数（「ＣＲＩ」）を持つデバイスを作るために用いることのできる色の組み合わせを選択することが望まれる。優れたＣＲＩを持つ光源は、光景の中の色の詳細が重要であるような光景を照明するために有用である。

封止体７０８が発光体７０２と７０４上に配置され、それを少なくとも部分的に取り囲んでいる。複数のサイズのＬＳＰ７１０と７１２が、封止体媒質７１４の全体に渡って分散されている。多色の実施形態では、発光体７０２と７０４が異なる位置で、封止体７０８に関して中心から外れて配置されているので、両光源から放出された光を効率よく散乱して、光点に色パターンが現れないようにすることが重要である。大抵の封止体またはレンズ素子の形状のために、中心から外れて配置された発光体は、良好な空間的色混合度を達成するためにより多くの散乱が必要である。この実施形態では、発光体７０２と７０４は２つの異なる色の光を放つ。発光体７０２から生じる光線は、小さいほうのサイズを持つＬＳＰ７１２とより効率よく相互作用をする。一方、発光体７０４からの光線は、図示のように、より大きなサイズを持つＬＳＰ７１０でより大きく散乱される。図７に示したように、ＬＳＰ７１０と７１２は、媒質７１４の全体に渡って均一に分散されていてもよいし、または図９を参照して以下に論じるように、媒質７１４中に不均一に分散していてもよい。

図８は、表面８０２上に或るパターンで配置された３つの白色発光体(Ｗ)と３つの赤色発光体(Ｒ)を備える発光体チップパッケージ８００の実施形態を示す。各発光体は表面８０２から全方向に放出するが、発光体の位置のために、散乱体のような無秩序化機構がない場合には、出力光点にはっきりとした色パターンを作り出すであろう。出力における色の不均一な分布を補償するために、ＬＳＰ（図示せず）が、少なくとも部分的に発光体を取り囲んでいる媒質中に不均一に分散されていてもよい。或るサイズのＬＳＰが、特定の波長の光がより多く伝播しそうな領域に集中していてもよい。

図９は、本発明による封止体９００の実施形態である。封止体９００は単一の発光体パッケージまたは複数の発光体パッケージと一緒に用いることが出来る。或る構成では、特定のサイズのＬＳＰを或る領域に集中させ、対応する発光体の位置におそらく起因してその領域に集中する色の光の散乱を増加させることが有利である。不均一混合体は、媒質を通して全体に一様ではなく分布した複数の異なるサイズのＬＳＰを含んでいる。異なるサイズのＬＳＰ９０２と９０４の不均一混合体は、出力光点の特定の色パターンを修正するために用いることが出来る。封止体９００に示された構成は単に例示的なものであり、ＬＳＰの１つの可能な不均一混合体を示している。これは、何か特定の発光体構成に対応するものではない。不均一混合体のいくつかの実施形態は、空間的な色混合度を改良するために機能する。他の実施形態は、光点においてカスタマイズされた出力パターンを作り出すために機能する。

図１０は本発明による複数チップ多色発光体パッケージ１０００の実施形態を示す。複数発光体チップ１００２、１００４、１００６は、基板またはＰＣＢのような共通の表面１００８上に配置される。パッケージ１０００は少なくとも２つの異なる色を持つチップを備えている。例えば図１０では、各チップは異なるスペクトルを放出する。チップ１００２、１００４、１００６は図示のように個別に封止されている。封止体１０１０、１０１２、１０１４のそれぞれは、封止体媒質の全体に渡って分散されたＬＳＰ１０１６を含んでいる。異なるサイズのＬＳＰ１０１６が各チップによって放出された明確なスペクトルを効率よく散乱するために用いられる。

各封止体内のＬＳＰ１０１６は、それが取り囲むチップに対して有効な散乱効果を達成するように、その特性に基づいて選択される。例えば、発光体１００２は比較的大きなＬＳＰ１０１６を持つ封止体１０１０によって取り囲まれている。発光体１００４を取り囲んでいる封止体１０１２は比較的小さなＬＳＰ１０１６を含んでいる。発光体１００６は２つの異なるサイズのＬＳＰ１０１６を含むことを特徴とする封止体１０１４に対応している。図１０に示した構成は単に例示的なものである。多くの異なる組み合わせが可能である。

異なる発光体１００２、１００４、１００６の周りで別々にＬＳＰ１０１６をグループ化することによって、各発光体のスペクトルを調整することができる。そして、これらの副スペクトルが組み合わされて、良好な空間的色混合度を持つ高度に調整されたスペクトルを放出することができる。異なるサイズを持つＬＳＰ１０１６は封止体以外の構造の中で発光体の周りでグループ化されてもよい。例えば、上に論じたように、ＬＳＰは変換層またはレンズ素子の全体に渡って分散されていてもよい。

図１１は、公称は同じ色の光に対して、３種類選んだＬＳＰに関する実験結果のグラフである。この場合の光源は６４５０Ｋ(冷白色域（ｃｏｏｌｗｈｉｔｅｒａｎｇｅ）内)という相関色温度を持つ光を放出する。グラフはケルビン単位で示した相関色温度(ＣＣＴ)を−９０°から９０°までの視野角の関数θとして示す。

ＬＳＰの１つの選択は、サブミクロン領域の直径を持つアルミナ粒子(体積濃度０．１％)を含む。ＣＣＴは約５１００Ｋから６４００Ｋまでに渡り、封止体の中心軸付近(すなわち０°）で高い値のＣＣＴが現れる。このように出力のＣＣＴは約１３００Ｋに渡って分布する。

ＬＳＰのもう１つの選択は、ｌ−２μｍ領域の直径をもつアルミナ粒子(体積濃度０．０７５%)を含む。出力は約５６００Ｋから６２００Ｋまでに渡り、変化幅は約６００Ｋである。高い視野角で２つの大きなこぶが現れ、中程度の角度にて放出される色調に比べるとより高い視野角ではより青色の強い色調の光が放出されることを示している。６００ＫというＣＣＴの変動幅は比較的良好であるが、視野角の全領域にわたっての分布は滑らかではない。

ＬＳＰのもう１つの選択は、２つの異なるサイズの粒子の混合を含む。組み合わせはサブミクロン・アルミナ粒子(体積濃度０．１４％)と１−２μｍ領域のアルミナ粒子(体積濃度０．０８％)の両方を含むものである。出力ＣＣＴは約５７００Ｋから６１００Ｋまでに渡り、変動幅は約４００Ｋである。ＣＣＴの分布は高い角度で小さなこぶを持つが、視野角の全範囲に渡って比較的滑らかであることも注目すべきである。このように、複数のサイズのＬＳＰを用いて、より一様な色温度分布が達成され、封止体内で良好な色混合度を示す。

本発明はいくつかの好適な構成を参照して詳しく記述されたが、他の変形も可能である。それ故、本発明の精神と技術範囲は上記の形態だけに制限されるべきではない。

Claims

あるスペクトルの輻射を発光する少なくとも１つの発光体と、
前記少なくとも１つの発光体を少なくとも部分的に取り囲んでいる、第１のサイズを有する第１の複数の散乱粒子と、
前記少なくとも１つの発光体を少なくとも部分的に取り囲んでいる、第２のサイズを有する第２の複数の散乱粒子と
を備え、
前記発光体から発光する輻射の各部分が、前記第１および第２の複数の散乱粒子と相互作用することを特徴とする発光デバイス。
前記発光デバイスが少なくとも３つの異なるサイズの散乱粒子を備えるように、追加の複数の散乱粒子を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
前記第１の複数の散乱粒子は、第１の波長範囲内に放出される輻射と相互作用し、
前記第２の複数の散乱粒子は、第２の波長範囲内に放出される輻射と相互作用することを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
複数の発光体を更に備え、
前記発光体のそれぞれは、それぞれのスペクトルの輻射を放出することを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
前記第１および第２の複数の散乱粒子は、放出された輻射の実質的にすべてが通過するように構成された封止体内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
前記第１および第２の複数の散乱粒子は、前記少なくとも１つの発光体を少なくとも部分的に取り囲む波長変換層内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
前記第１の複数の散乱粒子は、アルミナ粒子を含み、
前記アルミナ粒子は、約１−２μｍの範囲の直径を有し、前記少なくとも１つの発光体を取り囲んでいる媒質内に体積濃度が約０．０８％で分散していることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
前記第２の複数の散乱粒子は、サブミクロン・アルミナ粒子を含み、
前記サブミクロン・アルミナ粒子は、約１μｍ未満の直径を有し、前記媒質内に体積濃度が約０．１４％で分散していることを特徴とする請求項７に記載の発光デバイス。
封止体であって、
第１の屈折率を有し、前記封止体の形状を画定する第１の材料と、
第２の屈折率を有し、前記第１の材料内に分散した、微粒子特性を有する第２の材料と、
第３の屈折率を有し、前記第１の材料内に分散した、微粒子特性を有する第３の材料と
を備えることを特徴とする封止体。
前記第２および前記第３の材料は、前記第１の材料の中で不均一に混ざっていることを特徴とする請求項９に記載の封止体。