JP5480158B2 - ハイブリッド上部反射器を備える側面放射装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板に配設され、散乱反射器に面する少なくとも１つの発光ダイオードを有し、前記散乱反射器が、前記基板から或る距離をおいて配置され、前記基板の延在部に沿って延在する側面放射発光装置に関する。

大きなバックライトパネル用の、効率的な高輝度光源としては、カラーＬＥＤ及び蛍光体変換高出力ＬＥＤが魅力的である。しかしながら、携帯電話、ＰＤＡなどのような携帯用表示装置のための薄いバックライトなどの或る特定の用途においては、薄い側面放射発光装置を光源として用いるのが望ましい。

側面放射発光装置は、Ｋｉｍ、その他の人による米国特許出願公開第US 2006/0208269 A1号に記載されている。米国特許出願公開第US 2006/0208269 A1号は、基板の上且つ反射面の下に配設される発光ダイオードであって、前記反射面が、前記発光ダイオードからの光が全内部反射によって前記装置の側部の方へ反射されるように設計される発光ダイオードを記載している。前記反射面を通過した光、即ち、前記反射面において全内部反射されない光を、散乱させ、前記反射面を通して後方反射するため、前記発光ダイオードとは反対側の、前記反射面の後ろに、散乱材料が配設される。

しかしながら、上記の装置が適切に動作するためには、前記反射面は、下から来る光が全内部反射によって前記側部へ反射されるように傾けられなければならない。従って、前記基板から前記反射面までの距離は、前記側部に向けて漸増しなければならない。これは、前記装置の全体的な厚さを増す。更に、光が前記散乱材料を上面を通って出るのを防止するために、前記散乱材料は、かなりの厚さを持つ必要があり、このことも、前記装置の全体的な厚さを増し得る。

従って、当業界には、上面を通して光を放射しない薄い側面放射装置のニーズがある。

本発明の目的は、この問題を少なくとも部分的に解決し、容易に製造され得る、厚さが薄く、上面を通して光を放射しない側面放射装置を提供することにある。

従って、第１の態様においては、本発明は、基板に配設され、本質的に不透明な反射器に面する少なくとも１つの発光ダイオードを有し、前記反射器が、前記基板から或る距離をおいて配置され、前記基板の延在部に沿って延在する側面放射発光装置を提供する。前記反射器は、本質的に不透明な鏡面反射素子及び散乱素子であって、それらに入射するいかなる入射角からの光も反射及び散乱されるような本質的に不透明な鏡面反射素子及び散乱素子を有する。

前記ＬＥＤによって放射される光は、前記反射器に入射し、入射角と無関係に、散乱及び反射されるであろう。前記反射器、即ち、前記鏡面反射素子は、本質的に不透明であることから、実質的な量の光は、前記反射器を通って前記装置を出ないであろう。従って、前記装置を出る光は、全て、前記基板と前記反射器との間の前記開口部において前記装置を出なければならない。更に、前記反射器は本質的に不透明であることから、前記反射器の前記散乱素子は所望の散乱動作を達成するのに過不足のない厚さにされ得る。前記散乱動作は、前記装置において角度再分配を生じさせ、光が前記装置を出る可能性を高める。従って、散乱反射器は、鏡面反射体より光抽出を増加させるであろう。

前記散乱反射器は、前記基板に面する散乱層と、前記散乱層の上に配設される反射層とを有し、前記散乱層は、前記基板に面する粗面を呈し、前記透過性固体材料の屈折率と異なる屈折率を持つ。この実施例においては、前記散乱層は、透明な材料から成り得る。前記基板と前記反射器との間の透過性固体材料は、前記ＬＥＤからのより効率的な光抽出をもたらす。なぜなら、高い屈折率のＬＥＤ材料から、より高い屈折率の固体層へ反射される光は少ないからである。更に、固体ボディによって、前記ＬＥＤの界面における全内部反射の臨界角は大きくなり、前記ＬＥＤからの光抽出を増大させる。

前記粗面の粗さは、一般に、1nmから1000nmまでの範囲内である。前記散乱層の上に前記反射層が配設される場合、前記反射器に遭遇する光は前記散乱層を２度通過するであろう。これにより、同じ散乱度を達成する際に、上に前記反射器がない散乱層と比べて、前記散乱層の厚さは、大幅に減らされ得る。これは、前記装置の全体的な厚さを減らすのに役立つ。

一般に、例えば前記透過性固体材料を所望の厚さまで研削することから、粗面は既に存在する。この後は、単に、前記散乱層の上に前記鏡面反射素子を接着しなければならないだけであり、接着剤は前記散乱層として機能する。

好ましい実施例においては、前記散乱層は、前記透過性固体材料の屈折率より低い屈折率を持つ。

或る角度分布を持つ光が高い屈折率の材料から低い屈折率の材料への界面を通過する場合、前記低い屈折率の材料においては、前記角度分布は大きくなる。従って、この通過により、良好な散乱動作が実施される。反射された前記光が、前記高い屈折率の材料内へ戻る場合、それは、著しくより多く拡散する。

本発明の実施例においては、前記透過性材料は、波長変換材料を含み得る。

前記基板と前記反射器との間に波長変換材料が配設される場合、前記ＬＥＤによって放射される光は、波長変換を受けるであろう。出力される光の色は、前記装置の寸法を大きくせずに、又は前記装置に外部素子を加えずに、ユーザのニーズに合わせて調整され得る。更に、前記波長変換材料は、前記光に散乱効果を与え得る。このことは、前記装置における散乱の利点を高める。

本発明の実施例においては、前記反射器は、前記基板に対して本質的に平行に配設され得る。前記散乱反射器の散乱効果により、前記反射器は、前記放射される光の大部分を、前記基板と前記反射器との間の前記開口部を通して前記装置を出るようにさせながら、薄い装置を与えるよう、前記基板に対して平行に配設され得る。

ここで、本発明の現在好ましい実施例を示す添付図面を参照して、本発明のこの及び他の態様をより詳細に説明する。

本発明の装置の一実施例を断面図で概略的に図示する。

本発明の側面放射発光装置１００の第１実施例は、図１において概略的に図示されており、本願明細書では「ＬＥＤ」とも示される発光ダイオード１０１と、ＬＥＤ１０１が配設される基板１０２とを有する。この図面には示されていないが、当業界における従来の通りに、装置内には、ＬＥＤのための駆動回路も存在する。基板１０２の、ＬＥＤ１０１が配設される面の上には反射器１０３が配設される。従って、ＬＥＤ１０１は、反射器１０３に面する。

この実施例においては、基板１０２と、反射器１０３とが、本質的に平行であるように図示されているが、下の記載から分かるであろうように、このことは、本発明の全ての実施例に必須なことではない。

基板１０２及び反射器１０３は、各々、それらの間に配置される光伝搬領域１１５の下限及び上限を形成する。光伝搬領域１１５は、空（真空）であってもよく、又はガス、液体若しくはゲルで満たされてもよく、又は透過性固体材料１０６であって、ＬＥＤによって放射される光がその中で伝搬する透過性固体材料１０６で満たされてもよい。

装置は、光伝搬部１１５の少なくとも１つの横方向縁端部において、基板と反射器との間に、少なくとも１つの横方向開口部１１４を持ち、ＬＥＤ１０１によって放射され、光伝搬領域１１５内を伝搬する光は、前記開口部を通って装置１００から出て行き得る。

発光ダイオード１０１は、基板１０２上に配設される。ＬＥＤ１０１からの光は、一般に、低拡散又は半球形パターンの放射のようなかなりの角拡散を有し、一般に、基板の表面から垂直である主発光方向を持ち、所謂上部放射型ＬＥＤである。しかしながら、本発明の装置においては、他のタイプのＬＥＤも用いられ得る。

本願において用いられている「発光ダイオード」という用語、本願明細書における略記「ＬＥＤ」は、当業者に既知のあらゆるタイプの発光ダイオード又はレーザ放射ダイオードを指し、無機ベースのＬＥＤ、小有機分子ベースのＬＥＤ（ｓｍＯＬＥＤ）及びポリマベースのＬＥＤ（ｐｏｌｙＬＥＤ）を含むが、これらに限定されない。更に、より細い、調節可能な光円錐内に光を放射するフォトニック・バンドギャップ・ＬＥＤも用いられ得る。本発明における使用に適したＬＥＤによって放射される光は、一般に、ＵＶ光から可視光までの波長範囲内の光である。可視光の場合は、発光は、紫色から赤色までのあらゆる色の発光であり得る。本発明の装置においては、一般に、青色光放射ＬＥＤが用いられる。

基板１０２は、ＬＥＤ１０１の支持体であり、多層構造のものであってもよい。基板１０２は、一般に、ＬＥＤによって放射される光に対して反射性である層を有する。反射層は、電極機能と反射機能とを兼ね備えるＬＥＤ１０１の反射性背面であってもよく、又は別の層であってもよい。反射層は、一般に、Ag又はAlなどの金属を含む。

本発明の一般的範囲によれば、反射器１０３は、本質的に不透明である。更に、前記反射器は、反射器に入射する光を、本質的に、光が反射器においてどんな入射角を持つかを問わず、反射し、散乱させる。

ＬＥＤ１０１によって放射される光は、少なくとも反射器１０３の方へ向けられている光成分を持って、放射され、反射器に遭遇すると、光伝搬領域内へ後方反射されるが、この反射後には、散乱され、即ち、かなり大きな角拡散を持ち、光伝搬において入射光方向からのかなりのずれを持つ。一般に、反射器１０３における反射後の角拡散は、半球拡散に近い。この大きな拡散により、光が、最終的に、横方向開口部１１４を通って装置を出る可能性は高い。散乱再分配は、導波層においても、例えば、その中に幾らかの散乱粒子を有することによって、行われ得る。

反射器における反射率は、一般に、Ｒ＞約９０％のようなＲ＞約８０％の範囲内である。

反射器において、これらの高い反射及び散乱特性を得るため、反射器は、本質的に不透明な鏡面反射素子及び散乱素子を有する。反射器に入射する、いかなる入射角からの光も、反射される前に、又は反射されるのと同時に、散乱されるため、散乱及び反射される。反射性素子は不透明であることから、本質的に、光が、上面を通って装置から外へ漏れることはない。更に、反射性素子は不透明であることから、散乱素子は、所望の散乱を供給するのに過不足のない最小限に抑えられ得る。散乱素子は、後方散乱により反射にも寄与し得る。反射器は、反射器の製造中に用いられる基板を含む幾つかの層を含み得る。

図１の実施例の反射器１０３については、下でより詳細に説明する。

ＬＥＤ１０１は、基板１０２と反射器１０３との間の領域内へ光を放射する。本願明細書では、この領域を光伝搬領域１１５と示す。この光伝搬領域１１５の目的は、ＬＥＤ１０１からの光を横方向開口部１１４に導くことである。この光伝搬領域においては、光は、反射面間であちこちに反射され、最終的に、横方向開口部１１４を通って装置を出るであろう。

光伝搬領域は、好ましくは、無視できないほどの光を吸収しないように、装置のＬＥＤによって放射される波長の光に対して本質的に透明である。

光伝搬領域１１５は、例えば空気などの任意のガスが充填された、若しくは他の例においては真空の開口空隙であってもよく、又は液体、ゲル若しくは固体材料のものであってもよい。固体光伝搬領域１１５用に適した固体材料の例は、アルミナ、ガラス、石英ガラス、サファイア及びYAGなどの固体無機材料、並びにシリコーン、フルオロポリマ、ポリオレフィン又は他のポリマを含むが、これらに限定されない。固体光伝搬領域１１５は、前記領域において均一の光分布を得るために、更に、付加的な量の散乱材料を含み得る。

本発明の実施例においては、固体光伝搬領域１１５は、光伝搬領域１１５内に分布するように配設される波長変換材料１０７を含んでもよく、又は波長変換材料から形成されてもよいが、必ずしもそうでなくてもよい。従って、光伝搬領域１１５を出る光のかなりの部分は、波長変換材料１０７の影響を受けているであろう。

波長変換材料１０７は、或る波長又は波長帯の光を吸収すると、異なる変換された波長又は波長帯の光を放射する材料である。一般に、変換された波長は、より長い波長の方へシフトされている。従来、このような材料は、一般に、蛍光性且つ／又は燐光性の材料である。このような波長変換材料の多くは、当業者に知られており、或る一般に用いられている化合物群は、「蛍光体」の名で通る。

波長変換材料は、例えば、セラミックの固体材料であってもよく、又は担体ポリマなどの接着剤材料に埋め込まれてもよい。

波長変換材料１０７は、ＬＥＤによって放射される光の少なくとも一部を吸収するようにＬＥＤ１０１に適合させられる。従って、波長変換材料の選択は、ＬＥＤの選択に依存する。波長変換材料は、例えば、青色光を部分的に緑色／黄色光に変換し得る。これは、混ざり合って白色光になる。しかしながら、例えば、青色光を完全に緑色光、黄色光若しくは赤色光に変換する、又はＵＶ光を可視光に変換する他の波長変換材料も用いられ得る。

この実施例においては、光伝搬領域１１５は、上記のように固体材料を有し、オプションとして、波長変換材料を有する。

反射器１０３は、光伝搬領域１１５に面する散乱層１０８と、散乱層の上に配設される反射層１０９とを有する。この実施例においては、散乱層１０８は、光伝搬領域に面する粗面１１１を持ち、散乱層１０８の屈折率は、光伝搬領域１１５の屈折率より低い。このような低い屈折率の材料の例は、キセロゲル、エーロゲル、フルオロポリマ、シリコーン、ケイ酸塩、ナノ多孔質ケイ酸塩及び低い屈折率のゾルゲル材料を含むが、これらに限定されない。前記低い屈折率の材料は、光伝搬領域に反射器を接着する接着剤として機能し得る。一般に、固体光伝搬領域は、1.8乃至2.1の屈折率を持つ。従って、約1.5未満の屈折率を備える低い屈折率の材料が好ましい。別の実施例においては、散乱層の屈折率は、光伝搬領域の屈折率より高い。

粗面１１１は、この面を通過する光がかなりの程度まで散乱されるような粗さを呈する。散乱された光は、その後、反射面１０９において反射され、次いで、横方向出射開口部１１１４の方への伝送のための光伝搬領域１１５に入る前に、もう一度、散乱層を通過するであろう。

本発明の装置においては、一般的なＬＥＤのダイサイズは、約1×1mmであるが、より小さな又はより大きな寸法も用いられ得る。光伝搬領域の一般的な厚さは、10μmから2mmまでのような約10μmから数mmまでの範囲内であり、例えば50μmから500μmまでの範囲内であり、一般に約300μmである。

当業者には、本発明が、決して、上記の好ましい実施例に限定されないことは分かるであろう。逆に、添付の請求項の範囲内で多くの修正及び変更が可能である。例えば、図面においては、基板及び反射器が光伝搬領域の横方向縁端部と一致する横方向縁端部を持つように図示されている。しかしながら、基板及び反射器のうちの少なくとも一方の横方向縁端部が光伝搬領域の外にあることもあり得る。

要約すると、基板に配設され、散乱反射器に面する少なくとも１つの発光ダイオードを有し、前記散乱反射器が、前記基板から或る距離をおいて配置され、前記基板の延在部に沿って延在する側面放射発光装置が提供される。前記反射器は、前記基板に面する散乱層と、前記散乱層の上に配設される反射層とを有し、前記散乱層は、前記基板に面する粗面を呈し、前記透過性固体材料の屈折率と異なる屈折率を呈する。

前記反射器の散乱動作は、前記装置において角度再分配を生じさせ、光が前記反射器と前記基板との間の横方向開口部を通って前記装置を出る可能性を高め、不透明部は、光が、上面を通して放射されることを防止する。

本発明の発光装置は、例えば、自動車のヘッドライト又は一般的なＬＥＤスポット照明のために用いられ得るようなＬＥＤコリメータ構成、平面光ガイド発光体を含む光ガイド用途において、又は表示装置内のバックライト用途のために、例えば、ＬＥＤ照明の領域内で用いられ得る。しかしながら、使用領域は、上記のものに限定されない。

Claims (6)

1. 基板に配設され、散乱反射器に面する少なくとも１つの発光ダイオードを有し、前記散乱反射器が、前記基板から或る距離をおいて配置され、前記基板の延在部に沿って延在し、前記基板と前記散乱反射器との間に透過性固体材料が配設される側面放射発光装置であって、
   前記散乱反射器が、前記基板に面する散乱層と、前記散乱層の上に配設される反射層とを有し、前記散乱層が、前記基板に面する粗面を呈し、前記透過性固体材料の屈折率と異なる屈折率を呈し、前記粗面が、前記透過性固体材料を所望の厚さまで研削する際に形成され、前記散乱層が、研削された前記透過性固体材料に前記反射層を接着する接着剤から成る側面放射発光装置。
2. 前記散乱層が、前記透過性固体材料の屈折率より低い屈折率を持つ請求項１に記載の発光装置。
3. 前記散乱層が、前記透過性固体材料の屈折率より高い屈折率を持つ請求項１に記載の発光装置。
4. 前記透過性固体材料が波長変換材料を有する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光装置。
5. 前記反射層が、前記散乱層に面する鏡面を有する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光装置。
6. 前記散乱反射器が、前記基板に対して平行に配設される請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発光装置。

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