JP2016500471A - 量子ドットガラス格納プレートを備えるｌｅｄ照明デバイス - Google Patents
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Abstract
チップオンボード（ＣＯＢ）発光ダイオード（ＬＥＤ）光源；光源被包材；量子ドット分散型色変換媒体；及び量子ドットガラス格納プレートを備える、照明デバイスを提供する。ＣＯＢ ＬＥＤ光源は少なくとも１つのＬＥＤを備え、光源被包材キャビティを画成し、このキャビティ内には光源被包材がＬＥＤを覆うように分散されている。量子ドットガラス格納プレートは、光源被包材キャビティを覆うように位置決めされ、量子ドット分散型色変換媒体を内包する。分散型色変換媒体は量子ドット構造を備え、量子ドットガラス格納プレート内における照明デバイスの放射範囲全体に亘って２次元に分散される。
Description
本出願は、２０１３年３月１４日出願の米国特許出願第１３／８２８１６９号及び２０１２年１１月３０日出願の米国仮特許出願第６１／７３１５３０号（ＳＰ１２−３７０Ｐ）に対する優先権を主張する。
本開示は、発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）照明デバイスに関し、より詳細には、梱包されたチップオンボード（ｃｈｉｐ−ｏｎ−ｂｏａｒｄ：ＣＯＢ）ＬＥＤアレイに関する。
初めに図１を参照すると、高輝度ＬＥＤ照明デバイス、即ち１０００ルーメンに近い又は１０００ルーメンを超える光源は、典型的には、例えば金属クラッドプリント基板２０に固定された２次元アレイに構成される、かなりの数の青色ＬＥＤ１０を必要とする。多くの場合、ダイオードアレイは、シリコーン被包材１５内に分散された色変換蛍光体３０で被覆される。このタイプの、及びその他のタイプのＣＯＢ ＬＥＤアレイは、形状、光出力及び電気的駆動要件に関して規格化されてきており、恐らく新規の照明の標準となり得る。
本開示の主題によると、チップオンボード（ＣＯＢ）発光ダイオード（ＬＥＤ）光源、光源被包材、量子ドット分散型色変換媒体、及び量子ドットガラス格納プレートを備える、照明デバイスが提供される。ＣＯＢ ＬＥＤ光源は少なくとも１つのＬＥＤを備え、光源被包材キャビティを画成し、このキャビティ内には光源被包材がＬＥＤを覆うように分散されている。量子ドットガラス格納プレートは、光源被包材キャビティを覆うように位置決めされ、量子ドット分散型色変換媒体を内包する。この分散型色変換媒体は、量子ドット構造を備え、量子ドットガラス格納プレート内における照明デバイスの放射範囲全体に亘って２次元に分散される。
本開示の量子ドットガラス格納プレートは、追加の製造プロセス制御をもたらすため有益である。具体的にはこのプレートは、対応するＬＥＤアレイとは別個に試験でき、また所望の色出力を達成するために、適切なプレート‐アレイのペアリングを実施できる。これは、変換媒体が、ＬＥＤアレイを被包するために使用されるシリコーン内のスラリーとして提供される場合には当てはまらないが、本開示の実施形態は、シリコーン内のスラリーとして提供される変換媒体を使用することも考慮する。
色変換媒体を担持したガラス格納プレートは、ＬＥＤアレイのワイヤボンドのすぐ上側に位置する。熱伝導体として劣っている空気ではなく、純粋なシリコーンを用いてＬＥＤを取り囲むことができる。これは即ち、ＬＥＤの上側のシリコーンの厚さを、ワイヤボンドの外形の変動が極めて小さいまま、ワイヤボンドの高さ、即ち約５０マイクロメートルまで減少させることができることを意味する。この構造は多数の用途において有益である。まず、色変換媒体それ自体が、媒体をシリコーン内に分散させた場合よりも高い温度に耐えることができる。更に、ＬＥＤの上側のシリコーン層の厚さが、例えば約７５０マイクロメートルから約５０マイクロメートルに大幅に減少するため、梱包されたＬＥＤのヒートシンクに熱を伝達する能力が大幅に改善される。ワイヤボンドは厚さ要件をもはや設定しないため、フリップチップＬＥＤアレイを用いれば更なる厚さの減少が可能であると考えられる。恐らく初めは直感に反するであろうが、量子ドットが生成する熱のための熱放散経路は、ＬＥＤ自体を通過する。量子ドットガラス格納プレートのガラスは、量子ドットをシリコーン及びＬＥＤから分離するため、熱伝導の観点からすると、格納プレートのガラスを可能な限り薄く作製することが好ましい。また注目すべきことは、量子ドットガラス格納プレートに含まれる量子ドット媒体は典型的には約１００マイクロメートル以下程度の厚さしか必要なく、これにより量子ドットからＬＥＤアレイへの熱経路の長さが更に減少することである。
本開示の一実施形態によると、量子ドットガラス格納プレートはガラスフレームを備え、量子ドット構造はガラスフレームの内部容積内に含まれる。この実施形態のいくつかの例を図２〜４に示し、これらについては以下で更に詳細に説明する。
本開示の別の実施形態によると、光源被包材は一次分散型色変換媒体を含み、量子ドットガラス格納プレートの色変換媒体は、照明デバイスの追加の放射領域を画成し、この一次分散型色変換媒体によって画成された放射領域は、量子ドットガラス格納プレートによって画成された追加の放射領域と空間的に合同であるがスペクトル的には異なる。この実施形態の一例を図２に示し、これについては以下で更に詳細に説明する。
本開示の更に別の実施形態によると、照明デバイスは、一次分散型蛍光体色変換媒体を含む一次ガラス格納プレートを含み、量子ドットガラス格納プレートの色変換媒体は、照明デバイスの追加の放射領域を画成し、この分散型蛍光体色変換媒体によって画成された放射領域は、量子ドットプレートによって画成された追加の放射領域と空間的に合同であるがスペクトル的には異なる。この実施形態の一例を図３に示し、これについては以下で更に詳細に説明する。
本開示の追加の実施形態によると、ＣＯＢ ＬＥＤ光源はヒートシンク骨組みを備え、光源被包材はいずれの分散型色変換媒体を含まず、光源被包材はシリコーンを含み、量子ドットガラス格納プレートは、光源被包材キャビティを覆うように位置決めされ、光源被包材は、ＬＥＤを被包するために、及び量子ドットガラス格納プレートの分散型色変換媒体から光源被包材を通ってヒートシンク骨組みまで延在する被包材熱伝導経路ＴＰＥを画成するために十分な厚さでＬＥＤ全体に亘って分散され、光源被包材の厚さは、熱伝導経路ＴＰＥが、光源被包材を通って約１００マイクロメートル未満だけ延在するような厚さである。この実施形態の一例を図４に示し、これについては以下で更に詳細に説明する。
本開示の具体的な実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面と併せて読むと最もよく理解できる。なお図面では、類似の構造を類似の参照番号で示す。
図２〜４は、ＣＯＢ ＬＥＤ照明デバイス１００、１００’、１００”を示し、これらは少なくとも１つのＬＥＤ１１０、光源被包材１２０、量子ドット色変換媒体５０、量子ドットガラス格納プレート４０、及び例えば金属クラッドプリント回路基板２０の形態のヒートシンク骨組みを備える。量子ドット分散型色変換媒体５０は、量子ドットガラス格納プレート４０内におけるＬＥＤ照明デバイスの放射範囲全体に亘って２次元に分散され、また、ＬＥＤの放射スペクトルを長い又は短い波長に変換するよう構成された量子ドット構造を備える。
図２〜４の構成を具体的に参照すると、量子ドットガラス格納プレート４０は、対向する密閉ガラスパネル４０ａ、４０ｂの間に画成された内部容積を備えるガラス格納フレームの形態で存在し、上記内部容積は、量子ドット分散型色変換媒体５０を内包するためのものであることに留意する。上記対向する密閉ガラスパネルは、１つのキャビティガラス４０ａ及び１つの密閉ガラス４０ｂを備える。密閉ガラス４０ｂは典型的には、例えばＣｏｒｎｉｎｇ社から入手可能であるＥＡＧＬＥ ＸＧ（登録商標）ディスプレイガラスの極めて薄い（典型的には１００マイクロメートル）バージョンであるＷｉｌｌｏｗ等の、比較的薄い（約１００マイクロメートル）ディスプレイグレードのガラスである。例えば微細機械加工、レーザ補助機械加工若しくはミリング、レーザアブレーション、エッチング又はこれらの組合せを含む、いずれの従来の又は今なお開発中のガラス成形又はガラス機械加工技術によっても、キャビティガラス４０ａに好適なキャビティを設けることができる。その後密閉ガラス４０ｂの下側に、スパッタリングを施したガラスを堆積させることができ、レーザを用いて、キャビティ内で量子ドットを静止させたまま、密閉ガラス４０ｂの周縁をキャビティガラスに接着できる。
ある一連の考慮対象の実施形態によると、上述の量子ドットを内包するための密閉ガラスパネルは、融点が比較的低い（即ち低Ｔｇ）ガラス密閉用ストリップを、密閉ガラス、キャビティガラス又はこれら両方の密閉表面の周縁部分に沿って設けることによって構成してよい。このようにして、キャビティガラス及び密閉ガラスは、接合構成となると、ガラス密閉ストリップと協働して、量子ドットを内包する内部容積を画成する。ガラス密閉ストリップは、例えばスパッタリングターゲットからのスパッタリングによる物理蒸着によって堆積させてよい。
集束させたレーザビームを用いて、ガラス基板材料に隣接する低融点ガラス密閉ストリップを局所的に溶融させ、密閉界面を形成できる。あるアプローチでは、キャビティガラス又は密閉ガラスを通してレーザを集束させ、位置に関してスキャンして、ガラス密閉ストリップ並びにキャビティガラス及び密閉ガラスの隣接部分を局所的に加熱できる。ガラス密閉ストリップの局所的溶融を実施するために、ガラス密閉ストリップは好ましくは、レーザ加工波長において少なくとも約１５％の吸収性を示す。キャビティガラス及び密閉ガラスは典型的には、レーザ加工波長において透過性（例えば少なくとも５０％、７０％、８０％又は９０％透過性）を示す。
代替実施形態では、パターン形成されたガラス密閉ストリップを形成する代わりに、密閉（低融点）ガラスのブランケット層を、密閉ガラスの表面の略全体に亘って形成できる。キャビティガラス／密閉ガラス層／密閉ガラスを備える組立構造を上述のように組み立てることができ、レーザを用いて、２つの基板の間の密閉界面を局所的に画成できる。
レーザ５００は、密閉を実施するためにいずれの好適な出力も有することができる。例示的なレーザは、３５５ｎｍレーザ等のＵＶレーザであり、これは一般的なディスプレイガラスの透過性範囲内である。好適なレーザ用電力は、約５Ｗ〜約６．１５Ｗであってよい。レーザの並進移動速度（即ち密閉速度）は、約１ｍｍ／秒〜１００ｍｍ／秒の範囲であってよく、例えば１、２、５、１０、２０、５０又は１００ｍｍ／秒であってよい。レーザスポットサイズ（直径）は、約０．５〜１ｍｍであってよい。
密閉領域の幅はレーザスポットサイズに比例してよく、これは約０．１〜２ｍｍ、例えば０．１、０．２、０．５、１、１．５又は２ｍｍであってよい。ガラス密閉層の全体の厚さは、約１００ｎｍ〜１０マイクロメートルの範囲であってよい。様々な実施形態では、層の厚さは１０マイクロメートル未満、例えば１０、５、２、１、０．５又は０．２マイクロメートル未満であってよい。例示的なガラス密閉層の厚さは、０．１、０．２、０．５、１、２、５又は１０マイクロメートルを含む。
本開示の様々な実施形態では、ガラス密閉ストリップの材料は透明及び／又は半透明であり、比較的薄く、不浸透性であり、「素地（ｇｒｅｅｎ）」であり、密閉材料と隣接するガラス基板との間の大きなＣＴＥの差に適応できる十分な密閉強度を有する気密封止を低温で形成するよう構成される。更に、密閉ストリップの材料がフィラー、バインダ及び／又は有機添加物を含まないことを保障できると好ましい場合がある。密閉材料を形成するために使用される低融点ガラス材料は、ガラス粉体又は粉砕したガラスから形成してもしなくてもよい。
一般に、好適な密閉材料は、低Ｔｇガラス及び好適な反応性を有する酸化銅又は酸化スズを含む。ガラス密閉材料は、リン酸ガラス、ホウ酸ガラス、テルライトガラス、カルコゲナイドガラスといった低Ｔｇ材料から形成できる。本明細書で定義するように、低Ｔｇガラス材料は、４００℃未満、例えば３５０℃、３００℃、２５０℃又は２００℃未満のガラス転移温度を有する。例示的なホウ酸ガラス及びリン酸ガラスとしては、リン酸スズ、フルオロリン酸スズ、フルオロホウ酸スズが挙げられる。スパッタリングターゲットはこのようなガラス材料か、又は代替物としてその前駆体を含むことができる。例示的な酸化銅及び酸化スズは、ＣｕＯ、ＳｎＯであり、これらはこれらの材料の圧縮粉体を含むスパッタリングターゲットから形成できる。
任意に、ガラス密閉組成物は、タングステン、セリウム、ニオビウムを含むがこれらに限定されない１つ又は複数のドーパントを含むことができる。このようなドーパントが含まれている場合、これらドーパントは例えばガラス層の光学特性に影響をおよぼすことができ、またガラス層によるレーザ放射の吸収を制御するために使用できる。例えばセリアをドープすることにより、レーザ加工波長における低Ｔｇガラスバリアの吸収性を上昇させることができる。
例示的なフルオロリン酸スズガラス組成物は、対応する三元系状態図において、組成物ＳｎＯ、ＳｎＦ２、Ｐ２Ｏ５それぞれに関して表すことができる。好適なフルオロリン酸スズガラスは、ＳｎＯを２０〜１００ｍｏｌ％、ＳｎＦ２を０〜５０ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５を０〜３０ｍｏｌ％含む。このようなフルオロリン酸スズガラス組成物は任意に、ＷＯ３を０〜１０ｍｏｌ％、ＣｅＯ２を０〜１０ｍｏｌ％、及び／又はＮｂ２Ｏ５を０〜５ｍｏｌ％含んでよい。
例えば、ガラス密閉層の形成に好適なドープされたフルオロリン酸スズ開始材料の組成は、ＳｎＯを３５〜５０ｍｏｌ％、ＳｎＦ２を３０〜４０ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５を１５〜２５ｍｏｌ％、並びにＷＯ３、ＣｅＯ２及び／又はＮｂ２Ｏ５等のドーパント酸化物を１．５〜３ｍｏｌ％含む。
特定の一実施形態によるフルオロリン酸スズガラス組成物は、ＳｎＯを約３８．７ｍｏｌ％、ＳｎＦ２を３９．６ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５を１９．９ｍｏｌ％、Ｎｂ２Ｏ５を１．８ｍｏｌ％含む、ニオビウムでドープされた酸化スズ／フルオロリン酸スズ／五酸化リンガラスである。このようなガラス層を形成するために使用できるスパッタリングターゲットは、原子モル％で表すと、Ｓｎを２３．０４％、Ｆを１５．３６％、Ｐを１２．１６％、Ｏを４８．３８％、Ｎｂを１．０６％含んでよい。
代替実施形態によるリン酸スズガラス組成物は、Ｓｎを約２７％、Ｐを１３％、Ｏを６０％含み、これらは、原子モル％でＳｎを約２７％、Ｐを１３％、Ｏを６０％含むスパッタリングターゲットに由来するものであってよい。本明細書で開示される様々なガラス組成物は、堆積層の組成物又はソーススパッタリングターゲットの組成物を表してよいことは理解されるだろう。
フルオロリン酸スズガラス組成物と同様に、例示的なフルオロホウ酸スズガラス組成物は、ＳｎＯ、ＳｎＦ２、Ｂ２Ｏ３の各三元系状態図組成として表すことができる。好適なフルオロホウ酸スズガラス組成物は、ＳｎＯを２０〜１００ｍｏｌ％、ＳｎＦ２を０〜５０ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３を０〜３０ｍｏｌ％含む。このようなフルオロホウ酸スズガラス組成物は任意に、ＷＯ３を０〜１０ｍｏｌ％、ＣｅＯ２を０〜１０ｍｏｌ％、及び／又はＮｂ２Ｏ５を０〜５ｍｏｌ％含んでよい。
好適な低Ｔｇガラス組成物及びこれらの材料からガラス密閉層を形成するために使用される方法の追加の態様は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５０８９４４６号明細書、米国特許出願第１１／２０７６９１号明細書、米国特許出願第１１／５４４２６２号明細書、米国特許出願第１１／８２０８５５号明細書、米国特許出願第１２／０７２７８４号明細書、米国特許出願第１２／３６２０６３号明細書、米国特許出願第１２／７６３５４１号明細書、米国特許出願第１２／８７９５７８号明細書に開示されている。
本明細書に開示されている以外に、光源被包材１２０、量子ドット分散型色変換媒体５０、量子ドットガラス格納プレート４０及びヒートシンク骨組み２０のために選択される特定の材料は：ＬＥＤ照明デバイスにおける色変換蛍光体の使用に主に関する米国特許出願公開特許第２０１２／０１０７６２２号明細書；ＬＥＤに基づく単色及び白色光源を提供するための光変換用コロイド性ドープ半導体ナノ結晶の使用に関する米国特許出願公開第２０１２／０１７５５８８号明細書；下側に配置された１つ又は複数のＬＥＤチップ又は他の光源と、光源全体に亘って配置されたナノ粒子の１つ又は複数の群を有する層とが組み込まれた発光デバイスに関する米国特許第７７２３７４４号明細書等の参考文献から得られる。ナノ粒子は、下側の光源が放射した光と、レベルが異なる再放出された光とをある程度吸収する。ナノ粒子のタイプ及び相対濃度を変化させることにより、異なる放射スペクトルを達成できる。
図２のＣＯＢ ＬＥＤ光源１００を参照すると、光源被包材１２０は、量子ドットガラス格納プレートの色変換媒体５０が照明デバイス１００の追加の放射領域を画成するように、一次分散型色変換媒体３０を備えてよいと考えられる。一次分散型色変換媒体によって画成された放射領域は、量子ドットガラス格納プレートによって画成された追加の放射領域と空間的に合同であるがスペクトル的には異なる。例えば限定するものではないが、量子ドットガラス格納プレート４０によって画成された放射領域の放射スペクトルは、シリコーン光源被包材の一次分散型蛍光体色変換媒体３０によって画成された放射領域の放射スペクトルに、光学的な暖かみを付加するよう構成できる。赤色量子ドットの場合、量子ドットは比較的狭い放射帯域を有するため、ＩＲへの移行の問題を回避でき、これによって良好な電力効率を維持できる。特定の色の量子ドットプレートを選択する代わりに、含まれる量子ドットのサイズを調整することで所望の色を得ることも考えられる。また、様々な量子ドットサイズを混合することで、例えば白色等の特定の色を得ることも考えられる。
図３、４に示す実施形態では、光源被包材１２０はいずれの分散型色変換媒体も含まない。しかしながら図３の実施形態では、量子ドットガラス格納プレート４０は、一次ガラス格納プレート１４０上に配置され、従ってＬＥＤ照明デバイス１００’の追加の放射領域を画成する。より具体的には、一次ガラス格納プレート１４０は、一次分散型色変換媒体１３０を備え、一次ガラス格納プレート１４０の分散型色変換媒体１３０によって画成された放射領域は、量子ドットプレート４０の量子ドット分散型色変換媒体５０によって画成された追加の放射領域と空間的に合同であるがスペクトル的には異なる。このようにして、量子ドットプレート４０によって画成された放射領域の放射スペクトルは、一次ガラス格納プレート１４０の分散型色変換媒体１３０によって画成された放射領域の放射スペクトルに、光学的な暖かみを付加するよう適合させることができる。例えば、一次ガラス格納プレート１４０の分散型色変換媒体１３０がＬＥＤ１１０からの青色光を黄色に変換する場合、量子ドットプレートの量子ドットは、黄色光のうちのある程度及び漏出する青色光を赤色に変換することによって暖かみを付加するよう適合させることができ、１つの利点は、ＩＲへの低下によって光が浪費される赤色蛍光体の場合とは異なり、赤色量子ドットが比較的狭い放射帯域を有することである。
一次ガラス格納プレート１４０は、追加の量子ドットガラス格納プレート、色変換媒体を内包するための内部容積を備えるガラス格納フレーム、色変換が分散されたガラス格納マトリクス、又は色変換媒体を内包するために好適な他のいずれの実質的に平坦な構造のガラス部材、容器若しくは組立体として提供してよい。製造にあたって、シリコーン結合層１３５を一次ガラス格納プレート１４０と量子ドットガラス格納プレート４０との間に設けることができ、これにより、一次ガラス格納プレート１４０と量子ドットガラス格納プレート４０とを別個に製造し、その後で結合できる。
図３、４を参照して、光源１００’、１００”を、ガラス熱伝導経路ＴＰＧ及び被包材熱伝導経路ＴＰＥを備えるものとして説明できる。量子ドットガラス格納プレート４０は、ガラス熱伝導経路ＴＰＧを画成し、これは量子ドット分散型色変換媒体５０から量子ドットガラス格納プレート４０を通ってヒートシンク骨組み２０まで延在する。光源被包材１２０は、ワイヤボンド及び他の任意のＬＥＤハードウェアを含むＬＥＤ１１０を被包するために十分な厚さで、ＬＥＤ１１０のアレイ全体に亘って分散され、被包材熱伝導経路ＴＰＥを画成し、これは、量子ドット分散型色変換媒体５０から光源被包材１２０を通ってヒートシンク骨組み２０まで延在する。
上述のように、本開示は、ＬＥＤ照明デバイスの色変換層から熱をより効率的に除去できる手段、及び色変換層においてより大きな絶対温度上昇を可能とする手段を提供する。これらの因子両方により、デバイスの１つ又は複数のＬＥＤをより強力に駆動でき、全体の光出力を上昇させることができる。この目的のために、光源被包材１２０の厚さは好ましくは、熱伝導経路ＴＰＥが光源被包材１２０を通って約１００マイクロメートル未満だけ延在するように適合される。より好ましくは、光源被包材の厚さは、熱伝導経路ＴＰＥが光源被包材１２０を通って約５０マイクロメートル未満だけ延在するように適合できることも考えられる。
この構造の熱的性能は、熱経路ＴＰＧ、ＴＰＥの熱抵抗に関して表すことができ、これらは共に図３、４に概略的に図示されている。実際の寸法に関して、ＴＰＥがＴＰＧよりも短いことを主な理由として、相対的に垂直である熱経路ＴＰＥが優勢である。図３、４の比較的薄いガラス被包材マトリクス設計により、相当なＬＥＤ電力においても蛍光体の温度上昇が低減され、これによりＬＥＤをより高い電力で駆動してより多くの光を生成できる。この利点は主に、量子ドットガラス格納プレート４０の外形が薄いこと、及びＬＥＤ１１０の上側の被包材層１２０の厚さが削減されていることによるものである。熱抵抗に関しては、光源被包材１２０の厚さを、熱伝導経路ＴＰＥが光源被包材１２０を通して約１５℃／Ｗ未満の熱抵抗を受けるように適合できることが考えられる。
熱伝導経路ＴＰＥ、ＴＰＧに関して、熱の流れＨ（ワット）は関連する温度勾配に比例し、一次元ｘにおいて上記温度勾配はｄＴ／ｄｘであることを留意する。数学的には：
であり、ここでｋは材料の熱伝導率、Ａは熱が流れる厚さｄｘの無限小スラブの断面積である。熱の流れが断熱性の熱経路内の一次元に制限されている場合、等式１の解は単純に：
となり、ここでＲｔｈは熱抵抗として定義され、Ｌは熱経路の長さである。
図１に示すようなＬＥＤ照明デバイスの構成に関して、ＣＯＢアレイ内の熱の流れは、蛍光体から薄型（厚さ〜５マイクロメートルの）ＧａＮ ＬＥＤ及び下側のサファイア基板を通ってヒートシンクまで垂直である。このアレイは一次元の熱の流れとしてモデリングでき、また上述の等式（２）を用いて熱抵抗を計算できる。１０００ルーメンのアレイが約１０ワットの電気入力を必要とし、そのうち約５ワットがＬＥＤにおいて熱として放散されるという仮定の下で考えると、残りの５ワットが青色光として放射される。色変換プロセスでは、約１．３ワットが蛍光体において熱として失われ、約３．７ワットが全体の光出力として残る。梱包内で最も高温の平面は、蛍光体の表面である。このアレイは直列の２つの熱抵抗としてモデリングでき、即ち第１の熱抵抗としてシリコーン内蛍光体を、そして第２の熱抵抗としてサファイアＬＥＤ基板を用いることができる。ＧａＮフィルムは、その熱抵抗を無視できる程度に薄い。
熱モデルの関連する仕様を以下の表に示す。
サファイアの熱伝導率は、７０℃において１７．３５ワット／ｍ・Ｋであるため、面積３６ｍｍ２、厚さ０．１２５ｍｍのサファイアの熱抵抗（等式（２））は、Ｒｓ＝０．２℃／ワットである。熱負荷はフィルム全体に分散されるため、蛍光体層の温度上昇は更に複雑である。青色光は、吸収及び散乱によって、ランベルト・ベールの法則に従って指数関数的に減衰すると予想され、従って関連する熱負荷も同様の分散を有することになる。厚さｔ＝０．７５７ｍｍの蛍光体層において９０％が吸収されると仮定すると、吸収深さｄは約０．３２８５ｍｍとなる。最も高温の平面の温度は、蛍光体内で生成される合計１．３ワットが、以下の式：
（ここでｔ＝０．７５７ｍｍ、ｄ＝０．３２８５ｍｍであり、等価厚ｔｅｑ＝０．２４４ｍｍとなる）によって与えられる等価厚を通って流れると仮定して推定できる。シリコーン内蛍光体の熱伝導率をシリコーンと同一の０．２２ワット／ｍ・Ｋと仮定すると、蛍光体層の熱抵抗はＲｐ＝３０．８℃／ワットとなり、これはサファイアの熱抵抗の約６０倍大きい。
これらのデータを用いて、ＧａＮ ＬＥＤ及び蛍光体フィルムの温度上昇を推定できる。１２．８Ｗ（１２．２ボルト×１．０５アンペア）の電気入力を与えると、８．１ワットをサファイアを通して流すことができ、１．６６ワットが蛍光体において放散される。ヒートシンク温度が８５℃と仮定すると、ＬＥＤ及び蛍光体平面の温度はそれぞれ８７℃、１３８℃となり、これらを、図２のＬＥＤ照明デバイスを表す同様にモデリングされたデータと容易に比較できる。サファイアの熱抵抗は上記と同一の０．２０℃／ワットであり、厚さ〜１５０マイクロメートルのガラス内蛍光体（ＰｉＧ）フィルム内で生成された１．６６ワットは薄いシリコーンフィルムを通って流れる。このフィルムは、ガラス内蛍光体（ＰｉＧ）フィルムからＧａＮヒートシンクへの熱の流れに対する熱抵抗を最小化するために可能な限り薄くするべきであり、またＬＥＤワイヤボンドを除去するには厚さ５０マイクロメートルで十分であると考えられる。０．２２℃／ｍ・ワットのシリコーン熱伝導率、及び上記と同一のＬＥＤの総面積３６ｍｍ２を用いると、垂直経路の熱抵抗は６．３℃／ワットとなる。
従って、上記と同一の１．６６ワットのガラス内蛍光体（ＰｉＧ）フィルム内での熱放散による蛍光体の温度上昇は１０℃であり、図２の構成は図１の構成に比べて蛍光体の温度を大幅に低減していることが分かる。これらの結果を以下の表にまとめる。
図３、４の照明デバイス構成に関しても同様の結果が予想される。
本開示の主題について特定の実施形態を参照しながら詳細に説明してきたが、本明細書に開示されている様々な詳細は、本明細書に添付された各図面に特定の要素が示されている場合であっても、これらの詳細が本明細書に記載の様々な実施形態に必須の構成部品である要素に関していることを示唆するものと捉えられるべきではない。むしろ、本明細書に添付された請求項のみを、本開示の幅及びこれに対応する本明細書に記載の様々な発明の範囲を提示するものとして捉えるべきである。更に、添付の請求項に定義された本発明の範囲から逸脱することなく、修正及び変形が可能であることは明らかであろう。より具体的には、本明細書では、本開示のいくつかの態様を好ましいものとして又は特に有利なものとして同定しているが、本開示はこれらの態様に必ずしも限定されるものではないと考えられる。
なお、本開示の構成部品が、特定の特性を実現できるように又は特定の様式で機能するように特定の方法で「構成される（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ）」、という本明細書中の記述は、構造に関する記述であり、意図される使用法に関する記述とは対照的なものである。より具体的には、本明細書中における、構成部品が「構成される（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ）」様式に関する言及は、この構成部品に存在する物理的条件を示しており、従ってこの構成部品の構造的な特徴を定義する記述として捉えられるべきものである。なお、本明細書中における、「少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」の構成部品、要素等という記述の使用は、冠詞「ａ」又は「ａｎ」が代わりに使用されている場合には単一の構成部品、要素等に限定されるという推察を発生させるものではないことにも留意されたい。
なお、「好ましくは（ｐｒｅｆｅｒａｂｌｙ）」、「通常（ｃｏｍｍｏｎｌｙ）」、及び「典型的には（ｔｙｐｉｃａｌｌｙ）」といった用語を本明細書中で用いる場合、これらの用語は、請求される発明の範囲を制限するため、又は請求された発明の構造若しくは機能にとって特定の特徴が必須である、本質的である、若しくは重要であることを示唆するために用いられるものではないことに留意する。むしろこれらの用語は、本開示の実施形態の特定の態様を同定すること、又は本開示の特定の実施形態において用いても用いなくてもよい代替の若しくは追加の特徴を強調することを単に意図したものである。
なお、本発明の説明及び定義を目的として、用語「約（ａｂｏｕｔ）」及び「おおよそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」は、いずれの定量的比較、値、測定又はその他の表現にも付随し得る、不可避的な不確実さの程度を表現するために本明細書で用いられる。これらの用語は、本明細書中において、件の主題の基本機能を変化させることなく定量的な表現が規定の基準から変化し得る程度を表現するために使用されることもある。
なお、１つ又は複数の以下の請求項は、移行句として用語「ここで（ｗｈｅｒｅｉｎ）」を用いる。本発明の定義を目的として、この用語は、構造の一連の特徴の記述を導入するために用いる制約のない移行句として請求項に導入され、より一般的に使用される制約のない前置きの用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」と同じように解釈されるべきであることに留意されたい。
１０ 青色ＬＥＤ
１５ シリコーン被包材
２０ 金属クラッドプリント基板、ヒートシンク骨組み
３０ 色変換蛍光体、一次分散型光変換媒体
４０ 量子ドットガラス格納プレート
４０ａ キャビティガラス
４０ｂ 密閉ガラス
５０ 量子ドット分散型色変換媒体
１００ ＣＯＢ ＬＥＤ照明デバイス
１００’ ＣＯＢ ＬＥＤ照明デバイス
１００” ＣＯＢ ＬＥＤ照明デバイス
１１０ ＬＥＤ
１２０ 光源被包材
１３０ 一次分散型色変換媒体
１３５ シリコーン結合層
１４０ 一次ガラス格納プレート
５００ レーザ
１５ シリコーン被包材
２０ 金属クラッドプリント基板、ヒートシンク骨組み
３０ 色変換蛍光体、一次分散型光変換媒体
４０ 量子ドットガラス格納プレート
４０ａ キャビティガラス
４０ｂ 密閉ガラス
５０ 量子ドット分散型色変換媒体
１００ ＣＯＢ ＬＥＤ照明デバイス
１００’ ＣＯＢ ＬＥＤ照明デバイス
１００” ＣＯＢ ＬＥＤ照明デバイス
１１０ ＬＥＤ
１２０ 光源被包材
１３０ 一次分散型色変換媒体
１３５ シリコーン結合層
１４０ 一次ガラス格納プレート
５００ レーザ
これらのデータを用いて、ＧａＮ ＬＥＤ及び蛍光体フィルムの温度上昇を推定できる。１２．８Ｗ（１２．２ボルト×１．０５アンペア）の電気入力を与えると、８．１ワットをサファイアを通して流すことができ、１．６６ワットが蛍光体において放散される。ヒートシンク温度が８５℃と仮定すると、ＬＥＤ及び蛍光体平面の温度はそれぞれ８７℃、１３８℃となり、これらを、図２のＬＥＤ照明デバイスを表す同様にモデリングされたデータと容易に比較できる。サファイアの熱抵抗は上記と同一の０．２０℃／ワットであり、厚さ〜１５０マイクロメートルのガラス内蛍光体（ＰｉＧ）フィルム内で生成された１．６６ワットは薄いシリコーンフィルムを通って流れる。このフィルムは、ガラス内蛍光体（ＰｉＧ）フィルムからＧａＮヒートシンクへの熱の流れに対する熱抵抗を最小化するために可能な限り薄くするべきであり、またＬＥＤワイヤボンドを除去するには厚さ５０マイクロメートルで十分であると考えられる。０．２２ワット／ｍ・Ｋのシリコーン熱伝導率、及び上記と同一のＬＥＤの総面積３６ｍｍ２を用いると、垂直経路の熱抵抗は６．３℃／ワットとなる。
Claims (5)
- チップオンボード（ＣＯＢ）発光ダイオード（ＬＥＤ）光源；
光源被包材；
量子ドット分散型色変換媒体；及び
量子ドットガラス格納プレート
を備える、照明デバイスであって、
前記ＣＯＢ ＬＥＤ光源は、少なくとも１つのＬＥＤを備え、光源被包材キャビティを画成し、前記キャビティ内には前記光源被包材が前記ＬＥＤを覆うように分散され、
前記量子ドットガラス格納プレートは、前記光源被包材キャビティを覆うように位置決めされ、前記分散型色変換媒体を内包し、
前記分散型色変換媒体は、量子ドット構造を備え、前記量子ドットガラス格納プレート内における前記照明デバイスの放射範囲全体に亘って２次元に分散される、照明デバイス。 - 前記光源被包材は一次分散型色変換媒体を含み、
前記量子ドットガラス格納プレートの前記色変換媒体は、前記照明デバイスの追加の放射領域を画成し、
前記一次分散型色変換媒体によって画成された前記放射領域は、前記量子ドットガラス格納プレートによって画成された前記追加の放射領域と空間的に合同であるがスペクトル的には異なり、
前記光源被包材はシリコーンを含み、
前記一次分散型色変換媒体は蛍光体を含む、請求項１に記載の照明デバイス。 - 前記照明デバイスは、一次分散型色変換媒体を含む一次ガラス格納プレートを備え、
前記量子ドットガラス格納プレートの前記色変換媒体は、前記照明デバイスの追加の放射領域を画成し、
前記分散型色変換媒体によって画成された前記放射領域は、前記量子ドットプレートによって画成された前記追加の放射領域と空間的に合同であるがスペクトル的には異なる、請求項１に記載の照明デバイス。 - 前記一次ガラス格納プレートは、ガラスマトリクス又はガラスフレームを備え、
前記一次分散型色変換媒体は、前記ガラスマトリクス又はフレーム内に分散された蛍光体を含み、
前記ガラスマトリクス又はフレームの内部容積内には、量子ドット構造が内包される、請求項３に記載の照明デバイス。 - 前記一次ガラス格納プレートは、特定の色を得るために混合された様々な量子ドットサイズを含む、請求項３に記載の照明デバイス。
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