JP4574842B2 - 光源及び光源提供方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は発光ダイオードに関し、より具体的にはそこから発する光に観測される色の制御に関する。
【０００２】
【従来技術】
発光ダイオード（ＬＥＤ）はよく知られた作りの固体照明装置である。ＬＥＤは代表的には照明装置、表示装置又はディスプレイとして利用される。従来から、光スペクトルの赤色部の光を発するＬＥＤが最も効率的である。赤色ＬＥＤから発される光の波長を、様々な不純物をダイオードにドーピングすることにより変化させることは可能であった。しかしながら、この技術によると、装置の効率が著しく低下してしまう。可視スペクトルの範囲全体にわたる光の効率的な放射が提供されることが望まれている為に、その波長依存性の効率がＬＥＤの利便性を損なっていた。
最近、スペクトルの青色部で最も効率的に作用する新しいタイプのＬＥＤが開発された。可視スペクトルの長波長端にある赤色光とは違い、青色光は可視スペクトルの短波長端に位置する。放射される青色光が相対的に短波長であることにより、青色ＬＥＤから発された光をシフトすることが可能となる。これは、蛍光物質により短波長光が吸収され、より長い波長の光として再放射されるというプロセスにより実現される。
【０００３】
図１は、例えば日亜化学工業株式会社（東京）が製造する白色ＬＥＤランプのように青色ＬＥＤから作成された従来技術による白色ＬＥＤ（１００）を示したものである。青色光を放射する窒化ガリウム（ＧａＮ）ダイ（１１０）がリフレクタカップリードフレーム（１２０）中に取り付けられ、ワイヤボンディングされている。ダイ（１１０）にはリード線（１５０、１６０）を介して電力が供給される。セリウム活性化ＹＡＧ（イットリウム−アルミニウム−ガーネット；以下Ｃｅ：ＹＡＧと称する）蛍光体の小塊（１３０）がＬＥＤダイ（１１０）上に置かれる。そしてその上に通常の透明エポキシレンズ（１４０）を成形する。Ｃｅ：ＹＡＧは黄緑色の光を再放射し、吸収されなかった幾分かの元の青色光も層（１３０）を通過する。これらが結合されて「白色」光が放射されているように知覚される。
【０００４】
青色ダイに蛍光体層を加えることにより、様々な波長の効率的な発光源を実現できる。しかしながら、この技術も万能ではない。蛍光体層の追加により、更なるステップをＬＥＤの製造工程に追加しなければならない。顧客の要求に迅速に応えるには、各色異なる蛍光体層を設けた様々な種類のＬＥＤを在庫として持たなければならないのである。
【０００５】
更に、ＬＥＤの商業利用においては多くの場合、ダイ毎の発光波長のばらつきは低く抑えられていることが必要である。この蛍光体層技術は、放射される光の波長はダイ毎に大きく異なることもままあり、結果としてこの方法で作られたＬＥＤの歩留まりを低下させてしまう。加えて、無機蛍光材料が利用される為に、そのプロセスは本質的に非効率的となる。これは、無機蛍光体が、表面から光を再放射する固体粒子から構成されている為である。この再放射された光は、層中の他の発光粒子により遮断されてしまい、これにより最終的にレンズを通過して放射される光の量が少なくなるのである。
【０００６】
従って、色シフト技術が発光ダイオード素子の効率性を限定してしまい、多くのアプリケーションにおけるこれらの素子の活用を阻んでいることがわかる。
よって、可視スペクトルの広い範囲にわたる効率的な発光ダイオードを製造することが可能な技術に対するニーズは、未だ満たされていないのである。
【０００７】
【発明の概要】
可視スペクトルの広い範囲にわたる効率的な発光ダイオードを製作する為の方法及び装置について説明する。蛍光染料を含有するレンズが、リフレクタカップ中に配置した短波長光（例：青色）発光ダイ上にモールド成形される。蛍光染料は、ダイオードから放射される光の少なくとも一部を吸収し、そして第二のより長い波長の光を再放射する。レンズ領域中で第二の波長の光の再放射の殆どを発生する部分の広がりを制御する為レンズ中の染料の濃度を変えることが出来る。これにより、レンズの残りの部分が従来のレンズと同じ方法で光を集束することが出来る。
【０００８】
レンズから放射される光の色は、レンズに添加する蛍光染料の数や種類、そしてそれらの相対的な濃度によって容易に、そして一貫性を持って調整することが出来る。加えてレンズは製造工程の最終ステップで形成される。ＬＥＤの色はどの染料がレンズに添加されたかによって決まる為、レンズをつけていないＬＥＤのストックを持つことにより、在庫を減らすことが出来る。そして、特定の色のＬＥＤが要求された場合にレンズを処方し、レンズをつけていない在庫の基体上に形成すれば良いのである。
更に、レンズの追加はＬＥＤの製造における通常のステップである。従って、色の異なるＬＥＤを作成する際に追加ステップを必要としない。作成するＬＥＤの色を制御する為に、幾つかの利用可能な蛍光染料を含むレンズエポキシの１つを単に選択すれば良いのである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、添付の図を参照しつつ以下の説明を読むことにより、容易に理解することが出来る。図中、同じ構造要素には同じ符号を付した。
本発明の実施例を、図１−図２を参照しつつ以下に説明する。本明細書におけるこれらの図に関する記述の詳細は説明目的のものであり、本発明はこれらの限られた実施態様の範囲を越えるものである。
【００１０】
図２は、本発明の一実施例に基づいて作成された、発光染料を含有するレンズ（２４０）を有する発光ダイオード（２００）を描いた図である。青色光を放射する窒化ガリウム（ＧａＮ）のダイ（１１０）がリフレクタカップリードフレーム（１２０）中に取り付けられ、ワイヤボンディングされている。電力はリード線（１５０、１６０）を介してダイ（１１０）へと供給される。ＬＥＤダイ（１１０）の上には蛍光染料を含むエポキシレンズ（２４０）が成形される。蛍光染料はダイ（１１０）から放射された青色光を吸収し、より長い波長の光を再放射する。実施態様によっては、幾分かの吸収されなかった元の青色光がレンズ（２４０）を通過するようになっていても良い。
【００１１】
従って本発明の実施例においては、図１のように別個の無機質蛍光体層（１３０）を付加するのではなく、図２に示すように有機蛍光染料が、レンズ（２４０）成形で用いられるエポキシに添加されているのである。緑、オレンジ、黄及び赤の光を作る為に様々な染料を効果的に用いることが出来た。加えて、「白色」光を作る為には染料を組み合わせて用いた。ＬＥＤ固有のの波長の単一性の為に、ドーピング等のような従来の色シフト技術では白色光を作り得なかった点に留意が必要である。また、以下にも示すが、本発明により、工場では単一の短波長（例：３８０ｎｍ）のＬＥＤダイのみを製造しておき、その後所望のＬＥＤ色とするように組み立てれば良くなる。
【００１２】
蛍光層をダイとレンズとの間に付加する手法と異なり、蛍光染料をレンズにドーピングするということは直観的に行われるものではない。これは蛍光染料の機能が、１つの波長の光の吸収と、他の波長の光の放射である為である。しかしながら、レンズの機能は光を集束することである。一般通念では発光機構はレンズとは別個のものであるべきこととされている。染料がレンズ全体にわたって分布している場合、レンズの外表面近傍で放射される光は、レンズを出るのが早すぎてしまう為に適正に集束されないことが考えられる。
【００１３】
しかしながら、実験結果によると、光はレンズ全体を通して均一に放射されないことがわかった。むしろ、図２のレンズ（２４０）中の領域（２３０）で示すように、光のほとんどはＬＥＤダイのそばで放射されている。レンズ（２４０）の光発生領域（２３０）の大きさはレンズ中の染料の濃度を調整することにより変えることが出来る。染料の濃度が濃いほど吸収長は短くなる。光発生領域はＬＥＤダイ（１１０）付近に集中している為、ダイから放射された光はレンズ（２４０）の実質的な部分を通過しなければならない。よって、レンズ（２４０）への染料の添加がレンズ（２４０）の光の集束を妨げるようなことはない。
【００１４】
様々な種類の蛍光材料をレンズ（２４０）に添加することが出来る。例えば、米国フロリダ州フォートローダーデール市のＬａｍｂｄａ Ｐｈｙｓｉｋ、Ｉｎｃ．、から出されている以下の染料を４７０ｎｍの青色ＧａＮ ＬＥＤで励起する。
Ｃｏｕｍａｒｉｎ６（非常に良好な緑、非常に効率的）
Ｆｌｕｏｒｌ７ＧＡ（黄緑、非常に効率的）
ＤＯＣＩ（緑、短い減衰長）
Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ１１０（黄、非常に効率的）
ＤＣＭ（オレンジ、効率的）
ＤＣＭ ｓｐｅｃｉａｌ（オレンジがかった赤、効率的）
Ｐｙｒｉｄｉｎｅ１（赤、効率悪い）
Ｐｙｒｉｄｉｎｅ２（深紅、効率悪い）
【００１５】
その他の利用可能の蛍光材料としては、米国マサチューセッツ州デンバー市のＯｓｒａｍ Ｓｙｌｖａｎｉａ、Ｉｎｃ．、の以下の蛍光物質が含まれる。
Ｔｙｐｅ１３３０ Ａｇ：ＺｎＳ（青）
Ｔｙｐｅ１２６１ ＣｕＡｕＡｌ：ＺｎＳ（緑）
Ｔｙｐｅ１２６０ ＣｕＡｌ：ＺｎＳ（緑）
Ｔｙｐｅ２３６ Ｍｇ４（Ｆ）ＧｅＯ５：Ｍｎ（赤）
Ｔｙｐｅ２５１ Ｃｅ：ＹＡＧ（黄緑）
【００１６】
更に他にも米国オレゴン州ユージン市のＭｏｌｅｃｕｌａｒ Ｐｒｏｂｅｓ Ｉｎｃ．、の染料も適切な染料である。これらの染料は多重転移有機染料である。ストークスシフト（色から色へのシフト）は各染料とも小さいが、幾つかの染料を用いれば、色のシフトを何倍かにすることが出来る。４８８ｎｍ−６０５ｎｍ、４８８ｎｍ−６４５ｎｍ、そして４８８ｎｍ−６８５ｎｍのタイプのものを試験したが、４７０ｎｍのＧａＮ ＬＥＤに用いて良好な結果が得られた。
【００１７】
有機染料の利用は、無機材料を利用するよりも効率的であると考えることが出来る。無機染料が粉末であるのに対し、有機染料は液体である。粉末粒子は他の粒子が放射した光を遮断してしまう可能性がある。液体の場合、このようなことはそれ程問題とはならない。
【００１８】
レンズを作成する為に用いる材料については、ＬＥＤレンズを作る為に一般に利用されている材料のいずれでも好適である。しかしながら、特に適しているのは、ソーラーコレクタに用いられているような紫外線安定ポリマーと染料の組み合わせである。一例としてはＬＩＳＡ（例えばＬｉｃｈｔ ＳＡｍｍｅｌｄｎｄすなわち集光）プラスティックがあげられる。ＬＩＳＡ製品は米国ペンシルバニア州ピッツバーグ市のＢａｙｅｒ社のプラスティックである。更に、米国ノースカロライナ州Ｃｈａｒｏｌｅｔｔｅ市のＢＡＳＦ Ｃｏｒｐ．からは、劣化しないＬｕｍｏｇｅｎが出されている。
【００１９】
蛍光染料をＬＥＤのレンズに入れることに付随して多くの利益が提供される。レンズに添加する蛍光染料の数と種類、及びそれらの相対的濃度を選択することにより、レンズから放射される光の色を容易に一貫して調節することが出来る。更に、レンズは製造工程の最終ステップにおいて形成される。ＬＥＤの色は、どの染料をレンズへ添加したかにより決定する為に、レンズをつけていないＬＥＤの在庫を維持することで在庫を少なくすることが出来る。そして特定の色のＬＥＤが要求された場合にレンズを処方してレンズの付いていない在庫基体につければ良いのである。
【００２０】
更に、レンズを付加するというステップは、ＬＥＤ製造における通常のステップである。従って、異なる色のＬＥＤを製造する上で、追加ステップを必要としないのである。幾つかある使用可能の蛍光染料を含有するレンズエポキシの中から１つを選択することによって、製作しているＬＥＤの色を簡単に調整することができるのである。
【００２１】
波長を変える為にダイにドーピングする手法に比べて優れている他の点は、この手法が安定した色を提供するところにある。発光を長波長側に変える為に欠陥を添加した青色ＬＥＤは、熱せられると青に向かって戻ってしまう傾向がある。この熱変化は波長を変える為に蛍光染料が利用された場合には発生しない。
【００２２】
レンズ中における発光染料の利用は、様々な色のＬＥＤを製造する為の方法として、相対的に効率的であることが判明した。赤色ＬＥＤが最も効率的である。赤色ＬＥＤはダイをドーピングすることにより緑色に変化させることが出来る。しかしながら、赤から緑に変えて行くと、ＬＥＤの効率は低下する。緑にする為のドーピングを施した赤又は青色ＬＥＤは非常に非効率的である。蛍光染料色シフト法を通じて到達し得る緑色光の効率は、緑色光を放射させる為に赤又は青色ＬＥＤにドーピングを行なうことにより達し得る効率よりも著しく高くすることが可能である。
【００２３】
加えて、多くのＬＥＤの商業利用においては、ダイ毎の発光波長のばらつきが小さいことが要求される。この蛍光染料をレンズに添加する技術は、放射される光の波長のダイ毎のばらつきを低減せしめ、この方法により製造されたＬＥＤの歩留まりを効果的に向上させるものである。
【００２４】
上記の説明はＬＥＤに関連して記述したが、その他の光源（レーザーダイオード等）にも本発明を用いることが出来るのは言うまでもない。更に、上記の説明は、青色発光体に関連して記述したが、その他の波長の光を放射する発光体にも本技術の適用が可能であることは言うまでもない。
【００２５】
本発明の多くの特徴及び利点をこの記述により明らかとしたが、そのような本発明の特徴及び利点は全て添付請求項に含まれるものである。更に、多くの変更及び改変が当業者に容易に生じることは明らかである為、本発明は図示及び記述した特定の構造及び作用に限定されることを意図したものではない。よって、全ての該当する変更及び同等の態様は、本発明の範囲に入るものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】発光ダイと透明レンズとの間に蛍光体層を有する従来技術による発光ダイオードを描いた図である。
【図２】本発明の一実施例に基づいて作成された蛍光染料を含有するレンズを有する発光ダイオードを描いた図である。
【符号の説明】
１１０ ダイ
１２０ リフレクタカップリードフレーム
１５０，１６０ リード線
２００ 発光ダイオード
２３０ 光発生領域
２４０ レンズ

Claims (3)

1. 光源であって、第一の波長の光を放射する発光体と、前記光源から放射される光を集束する為のレンズとを含み、該レンズが前記第一の波長の光を吸収し、第二の波長の光を再放射する蛍光材料と、
   前記第二の波長の光を吸収し、第三の波長の光を再放射する第二の蛍光材料を含むことを特徴とする光源。
2. 光源を提供するための方法であって、第一の波長の光を発光体から放射するステップと、レンズを用いて前記発光体から放射された光を集束するステップとを含み、前記レンズが、前記第一の波長の光を吸収し、第二の波長の光を再放射する為の蛍光材料を含み、
   第二の蛍光材料が、前記第二の波長の光を吸収し、第三の波長の光を再放射するステップを含む光源提供方法。
3. 第一の波長の光を放射する為の発光手段と、前記光源から放射される光を集束するための集束手段とを含み、該集束手段が前記第一の波長の光を吸収し、第二の波長の光を再放射する為の蛍光手段を含有しており、
   前記第二の波長の光を吸収し、第三の波長の光を再放射する為の第二の蛍光手段を含む光源。

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