JP2012510716A - Ｌｅｄ組立体 - Google Patents

Abstract

ＬＥＤチップ１０と、蛍光体層１２と、フィルタ層１４とを有する発光ダイオード（ＬＥＤ）組立体であって、前記ＬＥＤチップ１０から放射される約400nm乃至500nm、好ましくは約420nm乃至490nmの波長を持つ光線が、前記フィルタ層１４における垂線に対するそれらの放射角度に依存して、少なくとも部分的に反射されるようにして、前記フィルタ層１４が形成される発光ダイオード（ＬＥＤ）組立体が提供される。本発明のＬＥＤ組立体により、ＬＥＤ組立体の効率の低下なしに黄色のリングの問題を解決するＬＥＤ組立体を提供することが可能である。

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）組立体の分野に関する。詳しくは、本発明は、増強発光蛍光体変換ＬＥＤ照明組立体（ｐｃＬＥＤ）に関する。このような組立体は、多くの場合、白色光を供給するのに用いられる。

白色光放射ＬＥＤは、一般に、ＬＥＤの青色放射によって刺激されて黄色光を放射する蛍光体層と組み合わされる青色放射ＬＥＤを有し、黄色放射と青色放射との組み合わせが、白色光を供給する。０°の放射角度を備えるＬＥＤチップの表面に対して垂直な又は蛍光体層の表面に対して垂直な垂直方向の場合は、青色放射ＬＥＤによって放射される光線の蛍光体層における経路長は、蛍光体層の厚さと等しい。放射角度を増大させる場合、青色光線の経路長は増大する。従って、０°の放射角度を備える光線の場合は、増大放射角度を備える光線の場合と比べて、蛍光体層による吸収青色光線の割合が低い。蛍光体層によって放射される変換光は、常に、角度分布にわたってランバーティアンを持つことから、ＬＥＤによって放射される白色光は、約０°の放射角度を備える垂直放射に対してより高い相関色温度を持つ。一般に、蛍光体層は、Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ (YAG:Ce)である。このようなYAG:Ce蛍光体層の場合には、放射光は、放射角度が増大するにつれて黄色っぽくなり、黄色のリングとして知覚される。黄色のリングの問題を解決するため、蛍光体層の散乱能を増大させること、及び／又は蛍光体層の上に散乱層を付加することが知られている。両方の場合に、黄色のリングの問題の低減は、ＬＥＤの効率の低下をもたらす。なぜなら、散乱は、光の損失をもたらす光の反射を伴うからである。とりわけ、ダウンコンバートされる蛍光体放射の散乱は、付随反射損失を伴う反射をもたらす。

本発明の目的は、ＬＥＤ組立体の効率の低下を伴わずに上述の黄色のリングの問題を解決する発光ダイオード（ＬＥＤ）組立体を提供することである。

本発明による発光ダイオード（ＬＥＤ）組立体は、ＬＥＤチップと、蛍光体層と、フィルタ層とを有し、前記フィルタ層は、前記ＬＥＤチップから放射される約400nm乃至500nm、好ましくは約420nm乃至490nmの波長を持つ光線が、前記フィルタ層における垂線に対するそれらの放射角度に依存して、少なくとも部分的に反射されるようにして、形成される。

前記ＬＥＤチップは、好ましくは、青色放射ＬＥＤである。前記蛍光体層は、好ましくは、Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ (YAG:Ce)である。前記フィルタ層は、好ましくは、誘電体フィルタ層である。このフィルタ層は、大きな放射角度、好ましくは前記フィルタの垂線に対して３０°と９０°との間の放射角度の場合は、前記ＬＥＤチップによって放射される光線の完全透過を、可視範囲内ではそれらの波長に関係なく、実現する。より小さな放射角度、好ましくは前記フィルタ層の垂線に対して０°と３０°との間の放射角度の場合は、約400nm乃至500nmの波長を持つ光線の部分的な反射が供給される。約400nm乃至500nmの波長を持つ光線は、前記ＬＥＤチップによって放射される青色光線である。前記ＬＥＤチップによって放射される前記青色光線の、前記フィルタ層における垂線に対するそれらの放射角度に依存する前記部分的な反射は、ＬＥＤによって放射される光の効率の低下なしに、角度にわたって一様な放射を実現する。前記フィルタ層における垂線は、前記フィルタ層の平面に対して垂直な軸に沿っている。

前記ＬＥＤチップによって放射される一様な白色光のためには、前記ＬＥＤチップからの直接的に放射される光と、前記蛍光体層からの変換光との放射強度比が、全ての角度の下で一定でなければならない。通常、前記ＬＥＤによって放射される光は、小さな放射角度、好ましくは前記フィルタ層における垂線に対して約０°乃至３０°の放射角度の領域において棍棒状形状を供給する。しかしながら、前記ＬＥＤチップによって放射される黄色光は、通常、約０°乃至９０°の全放射角度にわたってボール状形状を供給する。従って、特により大きな放射角度において、好ましくは３０°と９０°との間に、黄色光に対する青色光の割合が減る領域がある。これらの角度の下での放射が、黄色のリングの問題を引き起こす。約０°乃至３０°の小さな放射角度の前記青色光の或る一定の量の反射により、前記青色光と前記黄色光とが０°から９０°までの全放射角度にわたって同じ割合を持つように、前記青色光の前記棍棒状形状をボール状形状に変えることが可能である。従って、全放射角度にわたって黄色光と青色光との重ね合わせが得られ、故に、黄色のリングの問題なしに、全放射角度にわたって、前記ＬＥＤ組立体によって、一様な白色光が放射される。

好ましくは、前記フィルタ層は、前記フィルタ層における垂線に対して約０°乃至３０°の、好ましくは約０°乃至２０°の放射角度を持つ光線を反射する。反射される光線は、約400nm乃至500nmの、好ましくは約420nm乃至490nmの波長を持つ、前記ＬＥＤチップの放射光の青色光線である。

本発明の好ましい実施例においては、前記ＬＥＤチップによって放射される光線の約１０％乃至５０％、好ましくは約１５％乃至３０％が、それらの放射角度に依存して、前記フィルタ層によって反射される。反射される光線は、約400nm乃至500nmの、好ましくは約420nm乃至490nmの波長を持つ、前記ＬＥＤチップの放射光の青色光線である。従って、前記フィルタ層における垂線に対して約０°乃至４０°の、好ましくは約０°乃至３０°の放射角度を持つ、前記ＬＥＤによって放射される前記青色光線の約１０％乃至５０％、好ましくは１５％乃至４０％が、反射される。約０°乃至４０°の、好ましくは約０°乃至３０°の放射角度を持つ、前記ＬＥＤによって放射される前記青色光線の残りは、反射なしに前記フィルタ層を通過する。

前記フィルタ層は、好ましくは、低屈折率材料と高屈折率材料とが交互に重なる誘電体層コーティングを有する。交互の低屈折率材料及び高屈折率材料は、前記ＬＥＤチップによって放射される前記青色光のきちんと方向づけられた反射が達成され得るようにして、選ばれ得る。

前記誘電体コーティング層の前記材料は、400nmと800nmとの間の波長に対して、1.6乃至3の範囲内の前記高屈折率材料の屈折率と、1.2乃至1.8の範囲内の前記低屈折率材料の屈折率とを持ち、透明である。前記屈折率材料の吸収係数は、480nmより大きい波長に対しては0.00001未満であり、400nmより大きい波長に対しては0.003未満である。高屈折率材料としては、好ましくは、Nb₂O₅（酸化ニオブ）が用いられ、低屈折率材料としては、好ましくは、SiO₂（酸化ケイ素）が用いられる。

好ましくは、前記フィルタ層は、９層の前記高屈折率材料と９層の前記低屈折率材料とを有する。前記層は、スパッタリング又は化学蒸着のような薄膜蒸着技術によって付され得る。

本発明の好ましい実施例によれば、前記フィルタ層は、前記ＬＥＤチップと前記蛍光体層との間に配設される。従って、前記フィルタ層は、前記ＬＥＤチップの上に配置され、前記蛍光体層は、前記フィルタ層の上に配置される。

本発明の別の実施例によれば、前記蛍光体層は、前記ＬＥＤチップの上に配設され、前記フィルタ層は、前記蛍光体層の上に配設される。

更に、本発明の他の実施例によれば、ＬＥＤ組立体に、第１蛍光体層と第２蛍光体層とを設けることが可能であり、前記フィルタ層は、前記第１蛍光体層と前記第２蛍光体層との間に配設される。好ましくは、前記第１蛍光体層は、前記ＬＥＤチップの上に配置される。

前記蛍光体層は、透明なマトリックス材料に埋め込まれる蛍光体粉末及び／又はLumiramicプレートを含み得る。前記Lumiramicプレートは、Ce (III)をドープしたイットリウム ガドリニウムガーネット（Y, GdAG:Ce）多結晶セラミックプレートである。5000Kの相関色温度の範囲内の白色光を生成するために、このようなLumiramicプレートを青色光放射ＬＥＤチップと組み合わせることは、非常に有利である。Lumiramicセラミック色変換プレートの散乱及び光抽出手段は、信頼性が高く、効率的な白色ｐｃＬＥＤの製造を可能にする。最終的なＬＥＤ組み立ての前の前記Lumiramicプレートの光学特性の測定は、前記ＬＥＤの所望の白色点の正確なターゲッティングを備えるピックアンドプレースパッケージングを可能にする。

好ましくは、前記ＬＥＤ組立体は、前記フィルタ層のための基板として機能する透明なガラスプレートを供給し得る。従って、前記フィルタ層は、前記ＬＥＤチップ又は前記蛍光体層に直接付される必要がない。前記フィルタ層は、前記透明なガラスプレートに容易に付されることができ、前記フィルタ層を前記ガラスプレートに付した後、それは、前記ＬＥＤ組立体に配設される。

本発明の好ましい実施例によれば、前記フィルタ層は、750nm乃至950nmの、好ましくは約800nm乃至900nmの全厚を持つ。

更に、本発明の実施例によれば、前記蛍光体層は、約80μm乃至150μmの、好ましくは約100μm乃至130μmの厚さを持つ。

更に、前記高屈折率材料の層は、好ましくは、厚さにおいて、5nmから約70nmまで一様でなく、前記低屈折率材料の層は、好ましくは、厚さにおいて、約20nmから約300nmまで一様でない。

下記の実施例を参照して、本発明のこれら及び他の態様を説明し、明らかにする。

本発明による発光ダイオード組立体の第１実施例の概略図である。 ＬＥＤチップによって放射される光の放射角度及び波長に依存する本発明のフィルタ層の透過率を示すグラフである。 白色ＬＥＤ組立体の均一色空間（CIE 1976）における垂直放射における色座標に対する色座標の幾何学的距離を示すグラフである。 本発明による発光ダイオード組立体の第２実施例の概略図である。 本発明による発光ダイオード組立体の第３実施例の概略図である。

図１は、ＬＥＤチップ１０と、蛍光体層１２と、フィルタ層１４とを備える本発明による発光ダイオード（ＬＥＤ）組立体の第１実施例を示している。ＬＥＤチップ１０、蛍光体層１２及びフィルタ１４は、好ましくは、半円形ハウジング１６によって覆われ、半円形ハウジング１６は、それの内壁部に付される反射コーティングを持ち得る。約400nm乃至500nmの波長を持つ青色光を放射するＬＥＤチップ１０は、ＬＥＤ組立体の底部１８に配置される。ＬＥＤチップ１０の上には、蛍光体層１２が配置される。蛍光体層１２は、約570nm乃至590nmの波長を持つ黄色光を放射する。蛍光体層１２は、透明なマトリックス材料に埋め込まれる蛍光体粉末及び／又はLumiramicプレートを含み得る。蛍光体層１２の厚さは、約100μm乃至120μmである。蛍光体層１２の上には、フィルタ層１４が配置される。フィルタ層１２は、Nb₂O₅及びSiO₂のような低屈折率材料及び高屈折率材料が交互に重なる誘電体層コーティングを有する。

図２は、ＬＥＤチップ１０によって放射される光の放射角度及び波長に依存する本発明のフィルタ層１４の透過率を示すグラフを示している。このグラフに示されているフィルタ層１４は、以下の表１に示されている層構成を持つ。

グラフに示されている異なる線は、異なる放射角度０°、２６°、４０°及び７７°である。見て分かるように、４０°及び７７°のような大きな放射角度の場合は、光線は、その波長に関係なく、全く反射又は吸収なしに、フィルタ層１４を通過することができる。この放射角度においては、放射光線、特に、青色放射光線の透過率は、約１００％である。０°及び２６°のような小さな放射角度の場合は、400nm乃至500nmの波長を持つ青色光線は、完全には、フィルタ層を通過することができない。この放射角度においては、放射光線の透過率は、約８０％である。青色光線の約２０％は、フィルタ層１４によって反射される。約520nm乃至650nmの波長を持つ、蛍光体層１２の黄色光線は、放射角度に関係なく、完全に、フィルタ層を通過することができる。従って、フィルタ層１４は、青色放射光線の一部だけを反射する。ＬＥＤチップ１０によって放射される青色光線の、フィルタ層１４における垂線に対するそれらの放射角度に依存する部分的な反射は、ＬＥＤチップ１０によって放射される光の効率の低下なしに、角度にわたって一様な放射を実現する。なぜなら、フィルタ層において反射される青色光は、蛍光体層によって吸収され、蛍光体放射に変換されるからである。

フィルタ層１４はまた、以下の表２に示されている層構成を持ち得る。

図３は、放射光線の放射角度に依存する本発明のフィルタ層を持たない白色ＬＥＤ組立体（実線）及び放射光線の放射角度に依存する本発明のフィルタ層を持つ白色ＬＥＤ組立体（破線）の均一色空間（CIE 1976）における垂直放射における色座標に対する色座標の幾何学的距離を示している。グラフを見て分かるように、本発明のフィルタ層１４によって、光線の放射角度に関係なく、ＬＥＤ組立体によって放射される光線のほぼ一定の色を得ることが可能である。

図４は、本発明による発光ダイオード組立体の第２実施例の概略図を示している。この実施例においては、フィルタ層１４は、ＬＥＤチップ１０と蛍光体層１２との間に配設される。

図５は、本発明による発光ダイオード組立体の第３実施例の概略図を示しており、ＬＥＤ組立体は、第１蛍光体層１２と第２蛍光体層２０とを有する。フィルタ層１４は、第１蛍光体層１２と第２蛍光体層２０との間に配設され、第１蛍光体層１２は、ＬＥＤチップ１０の上に配置される。

図面及び上記の説明において本発明を詳細に図示及び説明しているが、このような図示及び説明は、説明的なもの又は例示的なものとみなされるべきであり、限定するものとみなされるべきではなく、本発明は、開示されている実施例に限定されない。

請求項に記載の発明を実施する当業者は、図面、明細及び添付の請求項の研究から、開示されている実施例に対する他の変形を、理解し、達成し得る。請求項において、「有する」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形表記は、複数性を除外しない。単に、特定の手段が、相互に異なる従属請求項において引用されているという事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように用いられることができないことを示すものではない。請求項におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されてはならない。

Claims (14)

1. ＬＥＤチップと、
   蛍光体層と、
   フィルタ層とを有するＬＥＤ組立体であって、前記ＬＥＤチップから放射される約400nm乃至500nm、好ましくは約420nm乃至490nmの波長を持つ光線が、前記フィルタ層における垂線に対するそれらの放射角度に依存して、少なくとも部分的に反射されるようにして、前記フィルタ層が形成されるＬＥＤ組立体。
2. 前記フィルタ層が、前記フィルタ層において垂線に対して約０°乃至３０°、好ましくは約０°乃至２０°の放射角度を持つ前記光線を反射する請求項１に記載のＬＥＤ組立体。
3. 前記ＬＥＤチップによって放射される前記光線の約１０％乃至５０％、好ましくは１５％乃至３０％が、前記フィルタにおける垂線に対するそれらの放射角度に依存して、反射される請求項１に記載のＬＥＤ組立体。
4. 前記フィルタ層が、低屈折率材料と高屈折率材料とが交互に重なる誘電体層コーティングを有する請求項１に記載のＬＥＤ組立体。
5. 前記誘電体コーティング層の前記材料は、400nmと800nmとの間の波長に対して、1.6乃至3の範囲内の前記高屈折率材料の屈折率と、1.2乃至1.8の範囲内の前記低屈折率材料の屈折率とを持ち、透明である請求項４に記載のＬＥＤ組立体。
6. ９層の前記高屈折率材料と９層の前記低屈折率材料とが設けられる請求項４に記載のＬＥＤ組立体。
7. 前記フィルタ層が、前記ＬＥＤチップと前記蛍光体層との間に配設される請求項１に記載のＬＥＤ組立体。
8. 前記蛍光体層が、前記ＬＥＤチップの上に配設され、前記フィルタ層が、前記蛍光体層の上に配設される請求項１に記載のＬＥＤ組立体。
9. 前記ＬＥＤ組立体が、第１蛍光体層と第２蛍光体層とを有し、前記フィルタ層が、前記第１蛍光体層と前記第２蛍光体層との間に配設される請求項１に記載のＬＥＤ組立体。
10. 前記蛍光体層が、透明なマトリックス材料に埋め込まれる蛍光体粉末及び／又はLumiramicプレートを有する請求項１に記載のＬＥＤ組立体。
11. 前記フィルタ層のための基板として透明なガラスプレートが設けられる請求項１に記載のＬＥＤ組立体。
12. 前記フィルタ層が、750nm乃至950nm、好ましくは800nm乃至900nmの全厚を持つ請求項１に記載のＬＥＤ組立体。
13. 前記蛍光体層が、約80μm乃至150μm、好ましくは約100μm乃至130μmの厚さを持つ請求項１に記載のＬＥＤ組立体。
14. 前記高屈折率材料の前記層が、厚さにおいて、5nmから約70nmまで一様でなく、前記低屈折率材料の前記層が、厚さにおいて、約20nmから約300nmまで一様でない請求項４に記載のＬＥＤ組立体。

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