JP5797907B2 - 発光ダイオード素子 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）素子に関する。

ＬＥＤ素子は、ＬＥＤチップから放出される紫外線または青色光をさらに長い波長の可視光に転換することによって、白色光または多様な色の可視光を放出する機能として、最近注目されている素子である。例えば、白色ＬＥＤ素子においては、ＬＥＤチップから放出される紫外線が蛍光物質を励起し、それにより、蛍光物質から光の三原色、すなわち、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の可視光が放出されるか、または黄色（Ｙ）及び青色（Ｂ）の可視光が放出される。この時、蛍光物質から放出される可視光の色は、蛍光物質の組成によって変わり、このような可視光は、互いに結合して人間の目には白色光として見られる。

図１は、従来のランプ形態のＬＥＤ素子の断面図である。このようなＬＥＤ素子は、特許文献１にも開示されている。

図１に示すランプ形態のＬＥＤ素子１０は、マウントリード１１とインナーリード１２とを備えており、ＬＥＤチップ１４は、前記マウントリード１１の上部に形成された反射カップ２０の内部に設置されている。前記ＬＥＤチップ１４のｎ電極及びｐ電極は、ワイヤー１５によりマウントリード１１及びインナーリード１２それぞれに電気的に連結されている。前記ＬＥＤチップ１４は、透明材料に蛍光物質が混合された蛍光層１６により覆われている。そして、前記構成要素は、モールド部１７により囲まれている。前記反射カップ２０は、可視光線の高反射のためにＡｇ、Ａｌでコーティングされる。

図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃは、反射カップ内の蛍光物質の配置を簡略に示す図面である。

図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、反射カップ２０の底にはＬＥＤチップ１４が配置され、反射カップ２０内には蛍光物質２２が透明材料２４と共に分布している。まず、図２Ａは、反射カップ２０内で透明材料（コーティング樹脂またはポリマー）２４内に溶解した蛍光物質２２の分布を示す。ＬＥＤから放出された光は、蛍光物質２２を励起して蛍光を放出し、この蛍光の一部は、ＬＥＤチップ１４の表面に衝突して再吸収される。したがって、発光効率が低下しうる。

図２Ｂは、ＬＥＤチップ１４の表面に蛍光物質２２が分布されている。この場合、蛍光物質２２からの蛍光が、ＬＥＤチップ１４と衝突する確率が図２Ａと比較して高まり、したがって、発光効率が低下する。

図２Ｃは、蛍光物質２２がＬＥＤチップ１４から離れた位置に存在する場合を示す図面である。この場合、蛍光は、直接ＬＥＤチップ１４と衝突する確率が低まるが、この場合であっても発光効率が十分とは言い難い。
米国特許第６，０６９，４４０号明細書

本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであって、蛍光がＬＥＤチップと衝突する確率を低めることによって、発光効率を向上させたＬＥＤ素子を提供するところにその目的がある。

前記目的を達成するために、本発明の拡散反射面を備えたＬＥＤ素子は、光を放出する発光ダイオードチップと、前記発光ダイオードチップが底に配置され、傾斜面及び前記発光ダイオードチップを取り囲む底面が光を拡散的に反射する拡散反射面である反射カップと、前記反射カップ内に存在し、前記発光ダイオードチップから放出される光を可視光に転換する光転換物質と、を備えることを特徴とする。

前記拡散反射面の表面は、粗く加工されることが好ましく、また、前記拡散反射面で入射する光の入射角と関係なく、前記拡散反射面から反射する光の反射角度が大きくなるに従って、前記傾斜面で反射する光量が減少することが好ましい。

前記光転換物質は、前記発光ダイオードチップからの光により励起されて可視光を放出する蛍光物質でありうる。

前記蛍光物質は、前記発光ダイオードチップから離れて前記反射カップの上部に蛍光層として形成されることが好ましい。

また、前記蛍光物質は、前記発光ダイオードチップの最大長以上に前記発光ダイオードチップから離れて配置されうる。

本発明の一形態によれば、前記蛍光物質は、複数の可視光を形成する複数の蛍光物質であり、前記複数の蛍光物質は、前記反射カップの上部で互いに混合される。

本発明の他の形態によれば、前記蛍光物質は、複数の可視光を形成する複数の蛍光物質であり、前記複数の蛍光物質は、反射カップの上部で複数の層に積層される。

一方、前記蛍光物質の上部に凸部がさらに形成されることが好ましい。

前記凸部は、半球状であることが好ましい。

前記ＬＥＤチップは、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系の半導体化合物から形成されることが好ましい。

本発明に係るＬＥＤ素子によれば、反射カップの反射面を粗く加工することにより、容易に光抽出効率を向上させうる。また、蛍光物質を反射カップの上部に配置することによって、光抽出効率を向上させ得る。したがって、ＬＥＤ素子の全体的な光転換効率が向上するため、出力される光量が増加する。

以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。しかし、下記に例示される実施形態は、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明を、この技術分野で当業者に十分に説明するために提供されるものである。以下の図面で同じ参照符号は同じ構成要素を示し、図面上で各構成要素の大きさは、説明の明瞭性及び便宜のために誇張されているものもある。

図３は、本発明の原理を説明する図面である。図３に示すように、反射カップ４０の内面の底に発光体であるＬＥＤチップ１４が設置されている。

また、前記反射カップ４０の傾斜面を含む内面（図３中、４０ａ）は、鏡面のように光を正反射するものではなく、入射された光に対して拡散的に光を反射するものであり、このような内面を拡散反射面と呼ぶ。好ましくは前記傾斜面が粗く加工されている拡散反射面である。前記粗く加工された傾斜面は、例えば、金属表面をサンドブラスティングした粗い表面でありうる。

反射カップ４０には、透光性物質４６が満たされており、その上部には、光を受けて、波長の長い可視光線を放出する光転換物質が形成されている。前記光転換物質は、複数の可視光を放出する複数の蛍光物質２２であるか、または量子ドットであってもよい。好ましくは複数の可視光を放出する蛍光物質である。

さらに、前記蛍光物質２２は、好ましくは層をなし、この蛍光層は、所定距離、好ましくは発光ダイオードチップの最大長以上、ＬＥＤチップ１４の上部から離れて位置することが好ましい。なお、ここでいう発光ダイオードチップの最大長とは、チップの縦、横、高さのうち、最も長いものの長さを指す。このように蛍光層がＬＥＤチップ１４から離れることによって、蛍光が直接ＬＥＤチップ１４の表面に衝突する確率が低下するため、好ましい。

前記蛍光層は、複数の蛍光物質２２が混合され、複数の可視光を形成しうる。また、前記蛍光層は、複数の蛍光物質が複数の層に積層された構造でありうる。

前記透光性物質４６は、ＬＥＤチップ１４からの光が透過できる物質、例えば、エポキシ樹脂、シリコン、またはＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）から構成されうる。

前記ＬＥＤチップ１４は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系の半導体化合物から形成されることが好ましい。

前記ＬＥＤチップ１４からの光を受けた蛍光物質２２が放出した蛍光のうち、光線２は、ＬＥＤチップ１４の表面と衝突し、光線の約５０％はＬＥＤチップ１４で吸収される。光線１、光線２及び光線３は、反射カップ４０の傾斜面で所定角度で入射され、拡散光として反射する。この時、拡散光の一部のみがＬＥＤチップ１４と衝突し、大部分は外部へ放出される。したがって、蛍光が反射してＬＥＤチップ１４と衝突する確率が低下する。

前記拡散光の強度は、入射角と関係なく、傾斜面の垂直に対する角度によって次の式（１）のようにコサイン関数に比例する。

ここで、Ｉ_ｒは、反射光の強度を示し、θは、傾斜面に対する垂直面からの角度を示す。

前記拡散反射面は、好ましくは反射カップ４０の反射面をサンドブラスティングして得られ、また、ナノサイズのＡｇ、Ａｌをスプレーして得られる。

図４は、反射カップの内面が鏡面または拡散反射面である場合の光反射の関係を示すグラフである。図４に示すように、銀（Ａｇ）コーティングの反射面で光の入射角が４０゜である時、鏡面の場合、反射角４０゜で光の強度が１０^４μＷと高く表された。しかし、サンドブラスティングした拡散反射面である場合、反射角が４０゜で光強度が１０^２μＷであった。また、他の角度では、拡散反射面での光の強度が反射面での光強度より２オーダー高かった。一方で、反射角４０゜での光の強度が、サンドブラスティングした拡散反射面であっても、最も高かった。このように、サンドブラスティングした拡散反射面は、乱反射の性質と鏡面の正反射の性質とを共に有していることがわかった。

図５Ａないし図５Ｄは、本発明に係る拡散反射面が形成された反射カップを備えたＬＥＤ素子と、従来の鏡面が形成された反射カップを備えたＬＥＤ素子との光線追跡実験の４つのケースを示す図面である。

図５Ａ及び図５Ｂは、蛍光物質２２が反射カップ４０の内部に分布したものを示し、図５Ｃ及び図５Ｄは、蛍光物質２２が反射カップ４０の上部の層に形成されたものを示す。そして、図５Ａ及び図５Ｃは、鏡面４０ｂが形成された反射カップ４０であり、図５Ｂ及び図５Ｄは、拡散反射面４０ａが形成された反射カップ４０である。

図６は、光線追跡シミュレーションの結果を示す表である。ここで、蛍光光源（波長５５０ｎｍ）は、均一に分布されたシリンダ型の光源（１００μｍの厚さを有する）であった。図６、７において封合エポキシの屈折率ｎ_{ｅｐｏｘｙ}＝１．６、蛍光物質２２の屈折率ｎ_{ｐｈｏｓｐｈｏｒ}＝１．８２、反射カップ表面の反射率Ｒ_{Ａｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ}＝９５％、ＬＥＤチップ１４の反射率Ｒ_{ＬＥＤ ｃｈｉｐ}＝５０％、ＬＥＤチップ１４の厚さが１００μｍであり、ＬＥＤチップの大きさが３００μｍ×３００μｍである（図７を参照）。図６は、ＬＥＤチップから傾斜面までの長さｂの変化、反射カップ高さｈの変化、傾斜面の傾斜角θによる光抽出効率を示す。

図８は、反射カップ４０の高さによる光抽出効率を示すグラフである。図６及び図８を共に参照すれば、ｈ＝１ｍｍ、θ＝４５゜、ｂ＝１５０μｍで、蛍光物質が上部の層に形成される場合、蛍光物質が内部に存在する場合に比べて光抽出効率が高かった。また、反射カップ４０の表面が鏡面である場合に比べて、拡散反射面である場合、光抽出効率が向上したことが分かる。このような光抽出効率の向上は、ＬＥＤチップ１４での光の再吸収確率が低下したためである。

図９は、反射カップ内の反射面の種類（鏡面、または拡散反射面）及び蛍光物質の位置（内部に分布または上部の層に形成）による光転換効率を示す表である。ここで、光転換効率は、蛍光物質での光転換量として、ＬＥＤチップからの光量が減少した量を計算した結果である。

図９に示すように、ＵＶ（Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）ＬＥＤで青色蛍光物質を励起させる場合、反射面が鏡面で蛍光物質が上部の層に形成された場合、反射面が鏡面で蛍光物質が内部に分布する場合より、光転換効率が８．９％向上し、反射面が拡散反射面で蛍光物質が上部の層に形成された場合、反射面が鏡面で蛍光物質が内部に分布する場合より、光転換効率が１８．３％向上した。青色ＬＥＤで黄色蛍光物質を励起させる場合も、蛍光物質が表面の層に形成され、反射面が拡散反射面である場合に光転換効率が向上することを分かった。

図１０は、本発明によって拡散反射面が形成された反射カップ４０上に凸部が形成されることによる光抽出効率の変化を表したグラフである。図１０での光線追跡シミュレーションの結果、反射カップ４０の表面が平坦な場合より、凸状である場合に光抽出効率が向上することが分かる。

本発明は、図面を参照して実施形態を参考に説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるということが理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって決定されねばならない。

本発明は、発光ダイオードに関連した技術分野に好適に適用され得る。

従来のランプ形態のＬＥＤ素子の断面図である。 反射カップ内の蛍光物質の配置を簡略に示す図面であ。 反射カップ内の蛍光物質の配置を簡略に示す図面である。 反射カップ内の蛍光物質の配置を簡略に示す図面である。 本発明の原理を説明する図面である。 反射カップの表面での鏡面及び拡散反射面での光反射を示すグラフである。 本発明に係る拡散反射面が形成された反射カップを備えたＬＥＤ素子と、従来の鏡面が形成された反射カップを備えたＬＥＤ素子との光線追跡実験に使用されたケースを示す図面である。 本発明に係る拡散反射面が形成された反射カップを備えたＬＥＤ素子と、従来の鏡面が形成された反射カップを備えたＬＥＤ素子との光線追跡実験に使用されたケースを示す図面である。 本発明に係る拡散反射面が形成された反射カップを備えたＬＥＤ素子と、従来の鏡面が形成された反射カップを備えたＬＥＤ素子との光線追跡実験に使用されたケースを示す図面である。 本発明に係る拡散反射面が形成された反射カップを備えたＬＥＤ素子と、従来の鏡面が形成された反射カップを備えたＬＥＤ素子との光線追跡実験に使用されたケースを示す図面である。 光線追跡シミュレーションの結果を示す表である。 図６のシミュレーションに使用された反応カップ及びチップの大きさを説明する図面である。 反射カップの高さによる光抽出効率を示すグラフである。 反射カップ内の反射面及び蛍光物質の位置による光転換効率を示す表である。 拡散反射面が形成された反射カップ上に凸部が形成されることによる光抽出効率の変化を示すグラフである。

１、２、３ 光線、
１０ ＬＥＤ素子、
１１ マウントリード、
１２ インナーリード、
１４ ＬＥＤチップ、
１５ ワイヤー、
１６ 蛍光層、
１７ モールド部、
２０、４０ 反射カップ、
２２ 蛍光物質、
２４ 透明材料、
４０ａ 拡散反射面、
４０ｂ 鏡面、
４６ 透光性物質。

Claims (5)

1. 光を放出する発光ダイオードチップと、
   前記発光ダイオードチップが、長さ（図７の符号ａ＋２ｂ）が４００〜６００μｍの底面に配置され、傾斜角（図７の符号θ）が４５〜６０°の傾斜面を有し、この際、前記傾斜面及び底面が前記発光ダイオードチップを取り囲み、実質的にすべての底面及び傾斜面から光を拡散的に反射する、高さ（図７の符号ｈ）が１．０〜２．５ｍｍの反射カップと、
   前記反射カップ内に存在し、前記発光ダイオードチップから放出される光を可視光に転換する光転換物質と、
   を備え、
   前記光転換物質は、前記発光ダイオードチップから放出される光により励起されて可視光を放出する蛍光物質であり、
   前記蛍光物質は、前記発光ダイオードチップから離れて前記反射カップの上部に蛍光層として形成されており、
   前記蛍光層は、前記発光ダイオードチップの最大長以上の垂直距離で前記発光ダイオードチップから離れており、
   さらに、前記反射カップの表面に、半球状の凸部を有し、前記凸部の底面が前記蛍光層の上面と同サイズを有して前記蛍光層に接することを特徴とする発光ダイオード素子。
2. 前記拡散反射面の表面は、粗く加工されていることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード素子。
3. 前記蛍光物質は、複数の可視光を形成する複数の蛍光物質であり、
   前記複数の蛍光物質は、互いに混合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光ダイオード素子。
4. 前記蛍光物質は、複数の可視光を形成する複数の蛍光物質であり、
   前記複数の蛍光物質は、複数の層に積層されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光ダイオード素子。
5. 前記発光ダイオードチップは、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系の半導体化合物から形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光ダイオード素子。

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