JP6646536B2 - 光散乱層を有するｌｅｄ組立体 - Google Patents
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Description
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）組立体の分野に関する。詳細には、本発明は、発光の一様性を向上させた蛍光体変換ＬＥＤ照明組立体（ｐｃＬＥＤ）に関する。このような組立体は、多くの場合、白色光を供給するのに用いられる。
白色発光ＬＥＤは、一般に、青色発光ＬＥＤであって、ＬＥＤの青色発光によって励起されて黄色／赤色光を発する蛍光体層と組み合わされた青色発光ＬＥＤを有し、黄色／赤色発光及び青色発光の組み合わせが白色光を供給する。０°の放射角度を持つ、ＬＥＤチップの表面に対して垂直な、又は蛍光体層の表面に対して垂直な法線方向の場合は、青色発光ＬＥＤによって発せられる光線の蛍光体層における（散乱されない）直線経路長は、蛍光体層の厚さと等しい。大きな放射角度の場合、青色光線の直線経路長は増大する。従って、０°の放射角度を持つ光線の場合の、蛍光体層によって吸収される青色光線の割合は、大きな放射角度を持つ光線の場合と比べて低い。蛍光体層によって発せられる変換光は、必ず、ほぼランバート角度分布を持つことから、ＬＥＤによって発せられる白色光は、約０乃至３０°の放射角度を持つ、法線放射のまわりの小さな放射角度に対して、ＬＥＤによって発せられる青色光をより多く含み、より高い相関色温度をもたらす。一般に、蛍光体層は、Y3Al5O12:Ce3+(YAG:Ce)である。このようなYAG:Ce蛍光体層の場合には、発せられる光は、放射角度が大きくなるにつれて黄色っぽくなり、黄色リングとして知覚される。黄色リングの問題を解決するために、蛍光体層の散乱能力を高めること、及び／又は蛍光体層の上に散乱層を付加することが知られている。両方の場合に、黄色リングの問題の減少は、ＬＥＤの効率の低下をもたらす。なぜなら、散乱が、光損失をもたらす光反射を伴うからである。とりわけ、ダウンコンバート蛍光体発光の散乱は、反射損失を伴う反射をもたらす。
例えば、欧州特許出願09175903においては、高屈折率材料及び低屈折率材料の交互の層を有するフィルタ層が差し込まれている。
しかしながら、依然として、上述の不利な点を更に解決し、ＬＥＤ組立体のより一様なエミッタンスプロファイル(emittance profile)を供給するための、ＬＥＤ組立体の更なる改善の継続的なニーズがある。
本発明の目的は、ＬＥＤの一様なエミッタンスプロファイルを更に改善するＬＥＤ組立体を提供することである。
この目的は、本発明の請求項１に記載のＬＥＤ組立体によって達成される。従って、ＬＥＤチップ、蛍光体層、フィルタ層、及び前記ＬＥＤチップによって発せられる光の経路中の、前記蛍光体層と前記フィルタ層との間に設けられる光散乱層を有するＬＥＤ組立体であって、
− 前記光散乱層と、前記光散乱層に隣接する前記フィルタ層の材料との間の屈折率における差Δnが、Δn≧0.2、好ましくは、Δn≧0.3であり、
− 前記光散乱層と、前記ＬＥＤの方向に前記光散乱層に隣接する層の材料との間の屈折率における差Δnが、Δn≧0.2、好ましくは、Δn≧0.3であり、
− 前記光散乱層の厚さDと、前記光散乱層の屈折率nとの積が、1900nm≧n*D≧400nmであるＬＥＤ組立体が提供される。
− 前記光散乱層と、前記光散乱層に隣接する前記フィルタ層の材料との間の屈折率における差Δnが、Δn≧0.2、好ましくは、Δn≧0.3であり、
− 前記光散乱層と、前記ＬＥＤの方向に前記光散乱層に隣接する層の材料との間の屈折率における差Δnが、Δn≧0.2、好ましくは、Δn≧0.3であり、
− 前記光散乱層の厚さDと、前記光散乱層の屈折率nとの積が、1900nm≧n*D≧400nmであるＬＥＤ組立体が提供される。
本発明によるＬＥＤチップは、好ましくは、青色発光ＬＥＤであるが、これは、限定するものではない。
前記ＬＥＤの方向に前記光散乱層に隣接する層は、本発明の幾つかのアプリケーションにおいては、蛍光体層であり得るが、他のアプリケーションにおいては、この層は、例えば、蛍光体層と前記光散乱層との間に設けられるガラス層であり得る。
本発明による蛍光体層は、好ましくは、前記ＬＥＤチップからの光を吸収する、１つ以上の赤色乃至緑色発光材料を有する。好ましい蛍光体層材料は、例えば、Lu1.5Y1.5Al5O12:Ce3+(LuYAG:Ce)であるが、これは、限定するものではなく、当業者に知られている任意の適切な材料が、用いられ得る。
本発明による「フィルタ層」という用語は、好ましくは、誘電体フィルタ層を有する。好ましくは、前記フィルタ層は、前記ＬＥＤチップから発せられる、約400nm乃至500nmの、好ましくは、約420nm乃至490nmの波長を持つ光線が、前記フィルタ層における法線に対するそれらの放射角度に依存して少なくとも部分的に反射されるようにして、形成される。前記フィルタ層は、幾つかの副層を含んでもよく（後でより詳細に記載するように、実際に、これは、本発明の１つの好ましい実施例である）、故に、この文脈における「層」という用語は、この層が１つの材料だけから成るという意味に限定するよう意図したものではないことに注意されたい。好ましくは、前記フィルタ層は、ここで参照により盛り込まれる欧州特許出願09175903に記載されている層から選ばれる。特に、前記フィルタ層が、交互の低屈折率材料及び高屈折率材料の誘電体層コーティングを有することは好ましい。
「光散乱層」という用語は、特に、入射光を散乱させることが可能であり、それにもかかわらず、良好な透明度を持つ層を意味する、且つ／又は含む。好ましくは、光は、前記散乱層の、隣接する前記変換層及び前記フィルタ層との境界面でだけ、これらの境界面における屈折によって、散乱される。
このようなＬＥＤ組立体は、本発明の範囲内の広範囲のアプリケーションに対して、
− 前記光散乱層を用いることで、角度一様性にわたって望ましい色のためのパッケージ効率が高められるという利点、
− より広範囲の表面粗さの前記変換層又は基板層が用いられ得るという利点、及び
− 前記ＬＥＤ組立体が、改善された色ターゲッティング能力を示すという利点のうちの少なくとも１つを持つことが明らかになった。
− 前記光散乱層を用いることで、角度一様性にわたって望ましい色のためのパッケージ効率が高められるという利点、
− より広範囲の表面粗さの前記変換層又は基板層が用いられ得るという利点、及び
− 前記ＬＥＤ組立体が、改善された色ターゲッティング能力を示すという利点のうちの少なくとも１つを持つことが明らかになった。
本発明の好ましい実施例によれば、前記光散乱層の厚さDと、前記光散乱層の屈折率nとの積は、1600nm≧n*D≧900nmであり、より好ましくは、1400nm≧n*D≧1000nmであり、最も好ましくは、1200nm≧n*D≧1100nmである。これは、実際には、前記光散乱層の能力を更に高めることが明らかになった。
しかしながら、（前記光散乱層として選ばれる材料に依存する）ほとんどのアプリケーションの場合、前記光散乱層の厚さDは、（屈折率に関係なく）800nm≧D≧300nmであるのが好ましいかもしれない。より厚い厚さは、前記光散乱層の製造プロセスにおける問題をもたらすかもしれず、より薄い厚さは、性能の劇的な低下をもたらすかもしれない。より好ましくは、前記光散乱層の厚さDは、700nm≧D≧400nmであり、より好ましくは、600nm≧D≧500nmである。
本発明の好ましい実施例によれば、前記光散乱層の材料は、基本的に、無機酸化物を有するグループから選ばれ、好ましくは、ZrO2、Y2O3、Ta2O5、Nb2O5、SiO2、TiO2、Al2O3、HfO2又はそれらの混合物を有するグループから選ばれる。実際には、これらの材料が優れているということは、それらの透明度及び望ましい屈折率により、実証済みである。
「基本的に」という用語は、特に、≧95%を、好ましくは、≧97%を、最も好ましくは、≧99%wt-%を意味する。しかしながら、幾つかのアプリケーションにおいては、バルク組成内に微量の添加物も存在し得る。これらの添加物は、遷移金属元素も含み、これは、前記層の専用光吸収特性を導入するために付され得る。
本発明は、更に、本発明によるＬＥＤ組立体を有するシステムであって、
オフィス照明システム、
家庭用アプリケーションシステム、
店舗照明システム、
家庭用照明システム、
アクセント照明システム、
スポット照明システム、
劇場照明システム、
光ファイバアプリケーションシステム、
投影システム、
自己照明ディスプレイシステム、
画素化ディスプレイシステム、
セグメント化ディスプレイシステム、
警告標識システム、
医療用照明アプリケーションシステム、
インジケータサインシステム、
装飾用照明システム、
携帯用システム、
自動車用アプリケーション、及び
温室照明システムといったアプリケーションのうちの１つ以上において用いられるシステムに関する。
オフィス照明システム、
家庭用アプリケーションシステム、
店舗照明システム、
家庭用照明システム、
アクセント照明システム、
スポット照明システム、
劇場照明システム、
光ファイバアプリケーションシステム、
投影システム、
自己照明ディスプレイシステム、
画素化ディスプレイシステム、
セグメント化ディスプレイシステム、
警告標識システム、
医療用照明アプリケーションシステム、
インジケータサインシステム、
装飾用照明システム、
携帯用システム、
自動車用アプリケーション、及び
温室照明システムといったアプリケーションのうちの１つ以上において用いられるシステムに関する。
上記の構成要素だけでなく、請求項記載の構成要素及び記載されている実施例において本発明に従って用いられる構成要素も、それらのサイズ、形状、材料選択及び技術概念に関して、如何なる特例も受けず、故に、関連分野において既知の選択基準が、制約なしに適用され得る。
本発明に従う、本発明のＬＥＤ組立体の幾つかの実施例及び例を例示的に示す、下位クレーム、図、並びに各々の図及び例の以下の説明において、本発明の対象の、更なる詳細、特徴、特性及び利点を開示する。
図１は、本発明の或る実施例によるＬＥＤ組立体１の概略的な断面図を示している。ＬＥＤ組立体１は、ＬＥＤチップ１０（好ましくは青色ＬＥＤ）であって、ＬＥＤチップ１０の上に、蛍光体層１２、光散乱層１６及びフィルタ層１４が設けられるＬＥＤチップ１０から成る。
例Ｉ
例Ｉ
本発明は、以下の例Ｉによって更に理解されるだろう。例Ｉは、単に説明のためのものにすぎず、拘束力はない。例Ｉによれば、表Ｉに従って、蛍光体層の上に、光散乱層及び（幾つかの副層から成る）フィルタ層が設けられた。
比較例として、光散乱層のない同様の組立体が用いられた。図２は、例Ｉに従う組立体（直線）及び或る比較例（破線）の０°における透過率を波長に対して示している。本発明の組立体が、幾つかの「ナッジ(nudge)」及び「エッジ(edge)」を示すことをはっきり見ることができ、これは、改善された散乱特性を示している。図３は、異なる角度の、例Ｉに従うＬＥＤ組立体の幾つかの透過スペクトルを示している。ここでも、本発明の組立体の改善された特性をはっきり見ることができる。
例ＩＩ
例ＩＩ
第２の本発明の組立体は、表ＩＩにおいて規定されているような構成で、例Ｉと同様の方法で作成された。
図４は、異なる角度の、例ＩＩに従うＬＥＤ組立体の幾つかの透過スペクトルを示しており、（図３と同様に）はっきりと、改善されたエミッタンスプロファイルが示されている。図５は、例ＩＩに従う組立体及び光散乱層のない比較例の色点変化（ＣＩＥ １７９６）を放射角度の関数として表す図を示している（温白色ＬＥＤ、ＣＣＴ＝２７００Ｋ）。本発明の例の変化はずっと小さいことをはっきり見ることができる。
例ＩＩＩ
例ＩＩＩ
第３の本発明の組立体は、表ＩＩＩにおいて規定されているような構成で、例Ｉ及びＩＩと同様の方法で作成された。
図６は、例ＩＩＩに従う組立体（直線）及び光散乱層のない比較例（破線）の０°における透過率を波長に対して示している。本発明の組立体が、幾つかの「ナッジ」及び「エッジ」を示すことをはっきり見ることができ、これは、改善された散乱特性を示している。
例ＩＶ
例ＩＶ
第４の本発明の組立体は、以下の構成で作成された。170μmのガラス基板が、Ra=190nmの表面を生成するよう、片側において、サンドブラストを掛けられた。蛍光体粉末層が、シリコーンマトリックスにおいてガラス基板の上に堆積され、フィルタ層と一緒に散乱層が、ガラス基板の反対側に堆積された。例ＩＶの構成の詳細については、表ＩＶを参照されたい。
図７は、例ＩＶに従う組立体（直線）及び光散乱層のない比較例（破線）の０°における透過率を波長に対して示している。本発明の組立体が、幾つかの「ナッジ」及び「エッジ」を示すことをはっきり見ることができ、これは、改善された散乱特性を示している。
例Ｖ
例Ｖ
第５の本発明の組立体は、表Ｖにおいて規定されているような構成で、例Ｉ乃至ＩＶと同様の方法で作成された。
図８は、例Ｖに従う組立体（直線）及び光散乱層のない比較例（破線）の０°における透過率を波長に対して示している。本発明の組立体が、幾つかの「ナッジ」及び「エッジ」を示すことをはっきり見ることができ、これは、改善された散乱特性を示している。
例ＶＩ
例ＶＩ
第６の本発明の組立体は、表ＶＩにおいて規定されているような構成で、例Ｉ乃至Ｖと同様の方法で作成された。
図９は、例ＶＩに従う組立体（直線）及び光散乱層のない比較例（破線）の０°における透過率を波長に対して示している。本発明の組立体が、幾つかの「ナッジ」及び「エッジ」を示すことをはっきり見ることができ、これは、改善された散乱特性を示している。
例ＶＩＩ
例ＶＩＩ
第７の本発明の組立体は、表ＶＩＩにおいて規定されているような構成で、例Ｉ乃至ＶＩと同様の方法で作成された。
図１０は、例ＶＩＩに従う組立体（直線）及び光散乱層のない比較例（破線）の０°における透過率を波長に対して示している。本発明の組立体が、幾つかの「ナッジ」及び「エッジ」を示すことをはっきり見ることができ、これは、改善された散乱特性を示している。
例ＶＩＩＩ
例ＶＩＩＩ
第８の本発明の組立体は、表ＶＩＩＩにおいて規定されているような構成で、例Ｉ乃至ＶＩＩと同様の方法で作成された。
図１１は、例ＶＩＩＩに従う組立体（直線）及び光散乱層のない比較例（破線）の０°における透過率を波長に対して示している。本発明の組立体が、幾つかの「ナッジ」及び「エッジ」を示すことをはっきり見ることができ、これは、改善された散乱特性を示している。
例ＩＸ
例ＩＸ
第９の本発明の組立体は、表ＩＸにおいて規定されているような構成で、例ＩＩと同様の方法で作成された。
図１２は、例ＩＸに従う組立体（直線）及び光散乱層のない比較例（破線）の０°における透過率を波長に対して示している。本発明の組立体が、幾つかの「ナッジ」及び「エッジ」を示すことをはっきり見ることができ、これは、改善された散乱特性を示している。
上記の詳細な実施例における要素及び特徴の特定の組み合わせは、例示的なものでしかなく、これらの教示の、参照により盛り込まれている特許／出願における他の教示との交換及び置き換えも、明らかに考えられる。当業者は理解するだろうように、ここに記載されているものの、請求項記載の本発明の範囲及び精神から逸脱しない変形例、修正例及び他の実施例は、当業者には思い付き得る。従って、上記の説明は、ほんの一例としての説明であって、限定することを目的とはしていない。請求項において、「有する」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形表記は、複数の存在を除外しない。特定の手段が、相互に異なる従属請求項において引用されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように使用されることができないと示すものではない。本発明の範囲は、以下の請求項において規定され、それと等しい。更に、明細書及び請求項において用いられている参照符号は、請求項に記載の本発明の範囲を限定しない。
表Ｉ：例Ｉの構成
表ＩＩ：例ＩＩの構成
表ＩＩＩ：例ＩＩＩの構成
表ＩＶ：例ＩＶの構成
表Ｖ：例Ｖの構成
表ＶＩ：例ＶＩの構成
表ＶＩＩ：例ＶＩＩの構成
表ＶＩＩＩ：例ＶＩＩＩの構成
表ＩＸ：例ＩＸの構成
表Ｉ：例Ｉの構成
Claims (7)
- ＬＥＤチップ、
蛍光体層、
フィルタ層であり、当該フィルタ層における法線に対する放射角度に依存して、前記ＬＥＤチップから発せられる光を少なくとも部分的に反射するように構成されたフィルタ層、及び
前記ＬＥＤチップによって発せられる光の経路中の、前記蛍光体層と前記フィルタ層との間に設けられる光散乱層
を有し、
前記光散乱層は、前記光散乱層に隣接する前記フィルタ層の部分の材料の屈折率よりも0.2以上高い屈折率を有し、
前記光散乱層は、前記ＬＥＤチップの方向に前記光散乱層に隣接する層の材料の屈折率よりも0.2以上高い屈折率を有し、
前記光散乱層の厚さDと、前記光散乱層の屈折率nとの積が、1400nm≧n*D≧400nmであり、
前記光散乱層の厚さDが、800nm≧D≧300nmである、
ＬＥＤ組立体。 - 1400nm≧n*D≧1000nmである請求項１に記載のＬＥＤ組立体。
- 1200nm≧n*D≧1100nmである請求項１に記載のＬＥＤ組立体。
- 前記光散乱層の材料が、無機酸化物を有するグループから選択されている請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＬＥＤ組立体。
- 前記光散乱層の材料が、ZrO 2 、Y 2 O 3 、Ta 2 O 5 、Nb 2 O 5 、TiO 2 、Al 2 O 3 、HfO 2 又はそれらの混合物を有するグループから選択されている請求項４に記載のＬＥＤ組立体。
- 前記フィルタ層が、交互の低屈折率材料及び高屈折率材料の誘電体層コーティングを有する請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＬＥＤ組立体。
- 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＬＥＤ組立体を有するシステムであって、
オフィス照明システム、
家庭用アプリケーションシステム、
店舗照明システム、
家庭用照明システム、
アクセント照明システム、
スポット照明システム、
劇場照明システム、
光ファイバアプリケーションシステム、
投影システム、
自己照明ディスプレイシステム、
画素化ディスプレイシステム、
セグメント化ディスプレイシステム、
警告標識システム、
医療用照明アプリケーションシステム、
インジケータサインシステム、
装飾用照明システム、
携帯用システム、
自動車用アプリケーション、及び
温室照明システムといったアプリケーションのうちの１つ以上において用いられるシステム。
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