JP2017183356A - 発光ダイオード及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、長時間の使用時にも外部に放射される紫外線の減少を抑制することができる発光ダイオード及び装置を提供することを目的とする。【解決手段】ＬＥＤ１は、パッケージ部３と、パッケージ部３の表面の一部に配置され入射した紫外線によって活性化する光触媒部７と、パッケージ部３に配置され２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長の紫外線を出射するＬＥＤチップ５とを備えている。ＬＥＤチップ５から出射される紫外線の一部は光触媒部７に入射し、ＬＥＤチップ５から出射される紫外線の他の一部は光触媒部７に入射することなく、パッケージ部３の外部に放射される。【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード及び装置に関する。

波長２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下での紫外線は、ＤＮＡやＲＮＡの塩基を二量体化することにより、複製機能を阻害することで微生物を死滅させることができる。このため、この波長域での紫外線は、殺菌光源として用いられている。また、この波長域での紫外線は、有機分子や各種ガスなどの計測光源としても用いられる。紫外線光源としては従来水銀ランプが広く用いられているが近年、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）チップの出力向上は目覚ましく、実用化可能な製品が上市されている。ＬＥＤチップは、水銀ランプと異なり、水銀を用いない環境に優しい光源であること、割れることで人体を切傷するガラスの使用量が極端に少ないことなどの特長を有している。このため、ＬＥＤチップは、水、空気、物質表面などの殺菌用光源として積極的に用いられ始めている。例えば、特許文献１には、深紫外ＬＥＤを複数並べ、集光させることで殺菌する紫外線殺菌装置が開示されている。

国際公開第２０１４／０６８９１３号

ＬＥＤからの発光を紫外線照射光源として長期間用いる場合には、ＬＥＤのパッケージへの汚れを抑制する必要がある。ＬＥＤのパッケージが汚れると、ＬＥＤからの発光が汚れに吸収され、ＬＥＤの外部に放射される紫外線が減少してしまう。

本発明は、長時間の使用時にも外部に放射される紫外線の減少を抑制することができる発光ダイオード及び装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様による発光ダイオードは、パッケージ部と、前記パッケージ部の表面の一部に配置され、入射した紫外線によって活性化する光触媒部と、前記パッケージ部に配置され、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長の紫外線を出射し、出射する前記紫外線の一部を前記光触媒部に入射し、出射する前記紫外線の他の一部を前記光触媒部に入射することなく前記パッケージ部の外部に放射する発光ダイオードチップとを備えることを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の一態様による装置は、上記本発明の一態様による発光ダイオードを備えることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、長時間の使用時にも外部に放射される紫外線の減少を抑制することができる。

本発明の一実施形態による発光ダイオード１の概略構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態の構造例１による発光ダイオード１の概略構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態の構造例２による発光ダイオード１の概略構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態の構造例３による発光ダイオード１の概略構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態による発光ダイオード１に用いられる基板の構造例を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、本実施形態）について図１から図５を用いて説明する。

＜ＬＥＤ＞
本実施形態による発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、以下、「ＬＥＤ」と略記する場合がある）１は、パッケージ部３と、パッケージ部３の表面の一部に配置され入射した紫外線によって活性化する光触媒部７と、パッケージ部３に配置され２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長の紫外線を出射する発光ダイオードチップ５とを備えている。ＬＥＤチップ５から出射される紫外線の一部は光触媒部７に入射し、ＬＥＤチップ５から出射される紫外線の他の一部は光触媒部７に入射することなく、パッケージ部３の外部に放射される。本実施形態によるＬＥＤ１は、３つの光触媒部７を備えているが、光触媒部７の個数は３つに限らず、１つ、２つまたは４つ以上でもよい。

本実施形態によるＬＥＤ１によれば、パッケージ部３の一部に光触媒部７を配置したことで、パッケージ部３表面への汚れの付着を防止し、長時間の使用時にも、外部に放射される紫外線の減少を抑制することが可能となる。

また、本実施形態のＬＥＤ１は、ＬＥＤチップ５と後述の光取り出し部３３との間に樹脂９を有している。樹脂９は、ＬＥＤチップ５を配置するためにパッケージ部３に設けられた空間部３５を充填して設けられている。これにより、ＬＥＤチップ５と、ＬＥＤ１が設けられている外部との屈折率差を緩和することが可能となり、ＬＥＤ１の光取り出し効率を向上させることができる。このため、樹脂９は、ＬＥＤ１に設けられていることが好ましい。

＜ＬＥＤチップ＞
ＬＥＤチップ５は、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の紫外線を照射することが出来ればその形態は限られない。例えば、ＬＥＤチップ５は、Ｎ型電極とＰ型電極とが基板同一方向に配置された、電流を横方向に流す横型素子であっても、Ｎ型電極とＰ型電極とが基板を介して逆方向上に別々に配置された、電流を縦方向に流す縦型素子であっても良い。

本実施形態におけるＬＥＤチップ５は、例えば基板（不図示）と、この基板上にＮ型ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ発光層およびｐ−ＧａＮが積層された積層薄膜（不図示）とを有している。積層薄膜の一部は除去されており、積層薄膜が除去されて露出したＮ型ＡｌＧａＮ上にＮ型電極（不図示）が配置され、ｐ−ＧａＮ上にＰ型電極（不図示）が配置されている。ＬＥＤチップ５は、このように基板と基板上に形成された積層薄膜と、積層薄膜を構成するＮ型ＡｌＧａＮに電気的に接続されたＮ型電極と、この積層薄膜を構成するｐ−ＧａＮに電気的に接続されたＰ型電極とを備える構造を有している。

発光出力の高いＬＥＤチップ５を実現するために、基板は、欠陥密度が小さい薄膜を上層に成長させることが可能な材料で形成されている。基板は、例えばサファイアまたは窒化物半導体を用いて形成されることが好ましい。

ＬＥＤチップ５の発光は殺菌が可能な波長２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下が好ましく、ＤＮＡの吸収率の高い波長２５０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下がより好ましく、波長２５５ｎｍ以上２７０ｎｍ以下がより好ましい。

＜パッケージ部＞
ＬＥＤチップ５を配置するパッケージ部３の構造は、特に限定されないが、光触媒部７を担持しやすいことからガラス、樹脂またはプラスチックなどでＬＥＤチップ５を覆う構造が好ましい。基板と空気との界面におけるＬＥＤチップ５から出射する紫外線の透過率を向上させる観点から、ＬＥＤチップ５と、パッケージ部３を形成するガラスとの間に樹脂９が配置されている構造がより好ましい。ＬＥＤチップ５から出射する紫外線がパッケージ部３と空気との界面で反射することを抑制する観点から、パッケージ部３は、表面に凹凸を有していることがより好ましい。

本実施形態におけるパッケージ部３は、ＬＥＤチップ５を配置可能な構造を有している。パッケージ部３は、パッケージ部３の内部に接合基板１０及びＬＥＤチップ５を収納出来る、断面が凹字形状の空間部３５（キャビティ構造）を有していることが好ましい。接合基板１０は例えばサブマウントである。ＬＥＤチップ５をパッケージ部３に配置する方法としては、接着剤（不図示）を用いて実装する方法が一例として挙げられるが特にこれには限定されない。接着剤は、導電性でも絶縁性でも何ら構わないが、熱伝導性を向上させるため、銀等の導電性材料を高含有率で有することが特に好ましい。

パッケージ部３の材料としては、樹脂材料、セラミック材料または金属材料が一例として挙げられるが、特にこれらには限定されない。パッケージ部３はその他に、樹脂パッケージと金属部材の組み合わせや、セラミック材料と金属材料の組み合わせ等も適用可能である。

また、パッケージ部３は、ガラスで形成された光取り出し部３３を有している。光取り出し部３３は平板形状を有している。光触媒部７は、光取り出し部３３の外表面の一部に配置される。これにより、ＬＥＤ１は、ＬＥＤチップ５が出射する紫外線を光触媒部７に効率的に照射することが可能となり、さらに長時間使用時に外部に放射される紫外線の減少を抑制することが可能となる。

光取り出し部３３は、例えば外表面に凹凸形状を有している。光触媒部７は、凹凸形状の凹部３３０に配置されている。これにより、光触媒部７が使用中に剥がれることを抑制することができる。

パッケージ部３は、側部３１１と、ＬＥＤチップ５が配置される底部３１３とが設けられた支持部３１を有している。側部３１１の上方には、光取り出し部３３が設けられている。ＬＥＤチップ５が収納される空間部３５は、光取り出し部３３、側部３１１および底部３１３によって画定された領域である。

＜光触媒部＞
本実施形態における光触媒部７は、波長２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の光を吸収して光励起し、有機物等と接触することで酸化することのできる物質で形成されていれば特に限定されない。光触媒部７は、強い酸化効果を有し、安定かつ安全なＴｉＯ_２で形成されていることが好ましい。光触媒部７は、量子効果により光触媒効果を最大限に引き出すため、粒径０．３μｍ以下の微粉末のＴｉＯ_２を用いて形成されていることがより好ましい。

光触媒部７を用いることで抑制される汚染物は、特に限定されないが、例えば油分、タバコのヤニ、苔、海藻及び汚泥などが挙げられる。また、ＬＥＤ１は、光触媒部７を用いることでカルキ臭や有機ハロゲン化合物等の異臭物の脱臭を行う効果も得られる。

ＬＥＤ１は、ＬＥＤチップ５の発光の一部を光触媒部７に入射させ、他の一部を光触媒部７に入射することなくパッケージ部３の外部へ放射する。このため、光触媒部７は、パッケージ部３の光取り出し部３３上に部分的に分散して配置されていることが好ましい。ＬＥＤチップ５の発光を効率良くパッケージ部３の外部へ放射させるため、光触媒部７は、ストライプ状、格子状あるいはドット状に光取り出し部３３の表面に配置されていることがより好ましい。ＬＥＤチップ５の基板側から紫外線が放射される場合には、この紫外線は基板の垂線上に最も集中する。このため、ＬＥＤチップ５が出射する紫外線のパッケージ部３の外部への放射量を増やすために、基板の垂線上には光触媒部７を配置しない構造がより好ましい。

＜発光ダイオードの他の構造例＞
次に、ＬＥＤ１の他の構造例１から３について図２から図４を用いて説明する。他の構造例１から３によるそれぞれのＬＥＤ１は、パッケージ部３の構造が異なる点を除いて、図１に示すＬＥＤ１と同様の構造を有している。このため、他の構造例１から３によるＬＥＤ１について、図１に示すＬＥＤ１と異なる点を説明する。

図２に示すように、構造例１によるＬＥＤ１に備えられたパッケージ部３は、半球状に形成された光取り出し部３４を有している。光取り出し部３４は、光取り出し部３３と同様の材料で形成されている。光取り出し部３４は、曲面状の表面に光触媒部７が配置されている。光取り出し部３４の外表面には例えば凹凸が形成されており、光触媒部７は凹部３３０に配置されている。これにより、構造例２によるＬＥＤ１は、光取り出し部３３の曲面状の表面に設けられた光触媒部７が使用中に剥がれることを抑制することができる。また、半球状に形成された光取り出し部３４を用いることで、光取り出し部３４の内部での光の反射を抑制し、ＬＥＤ１の発光出力を向上させることが可能となる。

図３に示すように、構造例２によるＬＥＤ１に備えられたパッケージ部３は、光取り出し部３３と同じ材料で形成された側部３１２が設けられた支持部３２を有している。パッケージ部３は、支持部３２の側部３１２の形成材料が異なる点を除いて、図１に示すＬＥＤ１に備えられたパッケージ部３と同様の形状を有している。側部３１２は、ＬＥＤチップ５が出射する紫外線を透過できる材料であれば、光取り出し部３３と同じ材料で形成されていなくてもよい。

光触媒部７は、側部３１２の外表面に配置されている。側部３１２の外表面には例えば凹凸が形成されており、光触媒部７は凹部３３１に配置されている。これにより、構造例３によるＬＥＤ１は、側部３１２に設けられた光触媒部７が使用中に剥がれることを抑制することができる。またこれにより、ＬＥＤ１の上面から外部に放射される光を低減させることなく、光触媒部７によりＬＥＤ１の表面への汚れの付着を防止することが可能となる。

図４に示すように、構造例３によるＬＥＤ１に備えられたパッケージ部３は、光取り出し部を有していないものの、図１に示すパッケージ部３の支持部３１と同様の形状の支持部３１を有している。構造例３における支持部３１は、図１に示すＬＥＤ１の支持部３１と同様の材料で形成されている。構造例３によるＬＥＤ１は、空間部３５に樹脂を有していない。なお、構造例３によるＬＥＤ１は、空間部３５に樹脂を有していてもよい。

光触媒部７は、側部３１１の内表面の一部に配置されている。すなわち、光触媒部７は、ＬＥＤチップ５が配置される空間部３５を画定する側部３１１の表面に配置されている。側部３１１の内表面には、凹凸が形成されていないものの、光触媒部７は、パッケージ部３の外部に直接接していないため、使用中に風雨や水流・空気の流れにより剥がれることが抑制される。なお、パッケージ部３は、側部３１１の内表面に凹凸を有し、光触媒部７が凹部に配置されていてもよい。構造例３では、光取り出し部を別途設けないことで、安価なＬＥＤ１を実現することが可能となる。

＜基板の他の構造例＞
次に、基板の他の構造例について図５を用いて説明する。
図５（ａ）に示すように、ＬＥＤ１（図５（ａ）では不図示）は、ＬＥＤチップ５が実装された接合基板１０が設けられたプリント回路基板１１を有していてもよい。また、ＬＥＤチップ５が実装されたプリント回路基板１１の実装面には、光触媒部７が設けられていてもよい。

図５（ｂ）に示すように、ＬＥＤ１（図５（ｂ）では不図示）は、ＬＥＤチップ５が直接実装されたプリント回路基板１１を有していてもよい。また、ＬＥＤチップ５が実装されたプリント回路基板１１の実装面には、光触媒部７が設けられていてもよい。

＜装置＞
本発明のＬＥＤは、紫外線ランプが用いられている既存のすべての装置に適用・置換可能である。

本発明のＬＥＤは、例えば、医療・ライフサイエンス分野、環境分野、産業・工業分野、生活・家電分野、農業分野、その他分野の装置に適用可能である。本発明の紫外線照射装置は、薬品や化学物質の合成・分解装置、液体・気体・固体（容器、食品、医療機器等）殺菌装置、半導体等の洗浄装置、フィルム・ガラス・金属等の表面改質装置、半導体・ＦＰＤ・ＰＣＢ・その他電子品製造用の露光装置、印刷・コーティング装置、接着・シール装置、フィルム・パターン・モックアップ等の転写・成形装置、紙幣・傷・血液・化学物質等の測定・検査装置に適用可能である。液体殺菌装置の例としては、冷蔵庫内の自動製氷装置・製氷皿及び貯氷容器・製氷機用の給水タンク、冷凍庫、製氷機、加湿器、除湿器、ウォーターサーバの冷水タンク・温水タンク・流路配管、据置型浄水器、携帯型浄水器、給水器、給湯器、排水処理装置、ディスポーザ、便器の排水トラップ、洗濯機、透析用水殺菌モジュール、腹膜透析のコネクタ殺菌器、災害用貯水システム等が挙げられるがこの限りではない。気体殺菌装置の例としては、空気清浄器、エアコン、天井扇、床面用や寝具用の掃除機、布団乾燥機、靴乾燥機、洗濯機、衣類乾燥機、室内殺菌灯、保管庫の換気システム、靴箱、タンス等が挙げられるがこの限りではない。固体殺菌装置（表面殺菌装置を含む）の例としては、真空パック器、ベルトコンベヤ、医科用・歯科用・床屋用・美容院用のハンドツール殺菌装置、歯ブラシ、歯ブラシ入れ、箸箱、化粧ポーチ、排水溝のふた、便器の局部洗浄器、便器フタ等が挙げられるがこの限りではない。

上記の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

１ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
３ パッケージ部
５ 発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ
７ 光触媒部
９ 樹脂
１０ 接合基板
１１ プリント回路基板
３１，３２ 支持部
３３，３４ 光取り出し部
３５ 空間部
３１１，３１２ 側部
３１３ 底部
３３０，３３１ 凹部

Claims (7)

1. パッケージ部と、
   前記パッケージ部の表面の一部に配置され、入射した紫外線によって活性化する光触媒部と、
   前記パッケージ部に配置され、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長の紫外線を出射し、出射する前記紫外線の一部を前記光触媒部に入射し、出射する前記紫外線の他の一部を前記光触媒部に入射することなく前記パッケージ部の外部に放射する発光ダイオードチップと
   を備える発光ダイオード。
2. 前記パッケージ部はガラスで形成された光取り出し部を有し、
   前記光触媒部は前記光取り出し部の一部に配置される
   請求項１記載の発光ダイオード。
3. 前記光取り出し部は凹凸形状を有し、
   前記光触媒部は前記凹凸形状の凹部に配置される
   請求項２記載の発光ダイオード。
4. 前記パッケージ部は、内表面の一部に前記光触媒部が配置される側部と、前記発光ダイオードチップが配置される底部とが設けられた支持部を有する
   請求項２または請求項３に記載の発光ダイオード。
5. 前記発光ダイオードチップと前記光取り出し部との間に樹脂をさらに有する
   請求項２から請求項４の何れか一項に記載の発光ダイオード。
6. 前記発光ダイオードチップは基板を有し、
   前記基板はサファイアまたは窒化物半導体で形成されている
   請求項１から請求項５の何れか一項に記載の発光ダイオード。
7. 請求項１から請求項６の何れか一項に記載の発光ダイオードを備える装置。

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