(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のピーク波長を有する第１の光を放出することができる半導体発光素子と、
前記第１の光を吸収することができ、かつ、前記第１のピーク波長より長い第２のピーク波長を有する第２の光を放出することができる第１の波長変換物質を含む第１の蛍光物質層と、
前記第２のピーク波長より長い第３のピーク波長を有する第３の光を放出することができる第２の波長変換物質を含み、前記半導体発光素子に隣接して配置された第２の蛍光物質層と、
を備え、
前記第１の蛍光物質層が、前記半導体発光素子上の少なくとも第１の部分に配置され、
前記第２の蛍光物質層が、前記半導体発光素子上の少なくとも第２の部分に配置され、
前記第２の蛍光物質層が、前記半導体発光素子上の複数の個別領域に配置され、
前記第１の蛍光物質層が、更に、前記第２の蛍光物質層上に重なるように構成される、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記複数の個別領域が、格子模様を形成することを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１のピーク波長が青色であり、
前記第２のピーク波長が緑色であり、
前記第３のピーク波長が赤色である、
ことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記第１のピーク波長が青色であり、
前記第２のピーク波長が黄色であり、
前記第３のピーク波長が赤色である、
ことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１の波長変換物質が、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ≦０．１、０＜ａ≦０．２、及び０＜ｂ≦０．１である（Ｌｕ1-x-y-a-bＹxＧｄy）3（Ａｌ1-zＧａz）5Ｏ12：Ｃｅa3+Ｐｒb3+と、Ｌｕ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+と、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+と、ａ＝０．００２〜０．２、ｂ＝０．０〜０．２５、ｃ＝０．０〜０．２５、ｘ＝１．５〜２．５、ｙ＝１．５〜２．５、ｚ＝１．５〜２．５である（Ｓｒ1-a-bＣａbＢａc）ＳｉxＮyＯz：Ｅｕa2+と、ＳｒＳｉ2Ｎ2Ｏ2：Ｅｕ2+と、（Ｓｒ1-u-v-xＭｇuＣａvＢａx）（Ｇａ2-y-zＡｌyＩｎzＳ4）：Ｅｕ2+と、ＳｒＧａ2Ｓ4：Ｅｕ2+と、Ｓｒ1-xＢａxＳｉＯ4：Ｅｕ2+との群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記第２の波長変換物質が、０＜ｘ≦１である（Ｃａ1-xＳｒx）Ｓ：Ｅｕ2+と、ＣａＳ：Ｅｕ2+と、ＳｒＳ：Ｅｕ2+と、０≦ａ＜５、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｚ≦１である（Ｓｒ1-x-yＢａxＣａy）2-zＳｉ5-aＡｌaＮ8-aＯa：Ｅｕz2+と、Ｓｒ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+との群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１の蛍光物質層及び前記第２の蛍光物質層の少なくとも１つが、波長変換物質ではない第２の物質を含み、前記第２の物質が、樹脂、シリコン、及びシリカの群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
第４のピーク波長を有する第４の光を放出することができる第３の波長変換物質を含む第３の蛍光物質層をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記第１のピーク波長がＵＶであり、
前記第２のピーク波長が青色であり、
前記第３のピーク波長が赤色であり、
前記第４のピーク波長が緑色である、
ことを特徴とする、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１の蛍光物質層が、ある量の第２の波長変換物質からなることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換型半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む半導体発光素子は、現在入手できる最も効率の良い光源の１つである。可視スペクトルの全域で作動できる高輝度発光素子の製造者が現在注目している材料系として、特にIII族窒化物材料とも呼ばれるガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の二元合金、三元合金、及び四元合金といった、III−Ｖ族半導体が挙げられる。典型的には、III族窒化物発光素子は、異なる組成及び添加物濃度の半導体層のスタックを、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）、又は他のエピタキシャル技術によって、サファイア、シリコン・カーバイド、III族窒化物、又は他の適当な基板上にエピタキシャル成長させることにより製造される。サファイアは、広く市販されており、取扱いが比較的容易なため、成長基板として用いられることが多い。成長基板上に成長したスタックは、典型的には、例えばＳｉを添加した、基板上に形成される１つ又はそれ以上のｎ型層と、該ｎ型層又は複数のｎ型層の上に形成される発光領域すなわち活性領域と、例えばＭｇを添加した、該活性領域の上に形成される１つ又はそれ以上のｐ型層とを含む。III族窒化物発光素子は、緑色光を通して効率良くＵＶを放出する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
蛍光体などの蛍光物質を用いて、発光ダイオードによって放出された光の色を変換する照明システムが提案されてきた。
【０００４】
青色ＬＥＤの一次放出光を黄色の蛍光体によって放出された光と混合させる二色型照明システムが、米国特許第５，９９８，９２５号に記載される。Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+蛍光体がIII族窒化物ＬＥＤ上を覆い、該ＬＥＤから放出された青色光の一部が、該蛍光体によって黄色光に変換される。ＬＥＤからの青色光の他の部分は、蛍光体を透過する。このように、このシステムは、ＬＥＤから放出される青色光と、蛍光体から放出される黄色光との両方を放出する。青色発光帯及び黄色発光帯の混合光は、約７５から約８０までの間のＣＲＩと約６０００Ｋから約８０００Ｋまでの範囲の色温度ＴＣとを持つ白色光として、見るものに認識される。
【０００５】
しかしながら、二色アプローチに基づく白色ＬＥＤは、赤色成分がないことに起因する低質な演色のため、汎用照明の限定された範囲にしか用いることができない。
赤色の不足を補償する照明システムが、図１に示され、米国特許第６，３５１，０６９号により詳細に記載される。図１のＬＥＤ３４は、良好な演色をもたらす照明を提供するために、色に関してバランスのとれた白色光出力を生成するように設計される。ＬＥＤ３４は、リフレクタ・カップ状リード・フレーム１４上に位置決めされ、リード線１６及び１８に電気的に連結された窒化ガリウム（ＧａＮ）ダイ１２を含む。リード線１６及び１８は、励起電力をＧａＮダイ１２に供給する。ＧａＮダイ１２は、一般に、正方形の形状にすることができる。好ましい実施形態においては、ＧａＮダイ１２は、光スペクトルの青色領域内にある４７０ｎｍのピーク波長を有する一次光、すなわち青色光を放出するように作られる。ＧａＮダイ１２は、透明材料で作られたスペーサ層３６で覆われる。この透明材料は、透明エポキシ又はガラスとすることができる。
【０００６】
スペーサ層３６に隣接しているのは、蛍光層３８である。蛍光層３８には、蛍光物質２２と、第２の蛍光物質４０とが含まれる。蛍光物質２２は、一次光を吸収して、第１のピーク波長を持つ二次光を放出する特性を有し、一方、蛍光物質４０は、一次光を吸収して、第２のピーク波長を持つ二次光を放出する特性を有する。蛍光物質２２によって放出される二次光は、可視スペクトルの黄色領域に中心を持つ高帯域スペクトル分布を有することが望ましい。しかしながら、蛍光物質４０によって放出される二次光は、可視スペクトルの赤色領域に強度のあるスペクトル分布を有する。従って、一次光と蛍光物質２２及び４０によって放出された二次光とが混合されると、他の色に加えて、赤色が多く含まれる白色光が生じる。二次光のピーク波長は、一次光のピーク波長に加えて、蛍光物質２２及び４０の組成によって決まる。
【０００７】
２つの蛍光物質を含む層３８は、「樹脂ペーストを用いて結合させられた２つの蛍光物質を含む」蛍光体−樹脂混合物である。蛍光体−樹脂混合物は、「封止層上に堆積して、該封止層を均一に覆う蛍光層を形成する。次いで、堆積した蛍光体−樹脂混合物は、ゲル化、すなわち部分的に硬化させることができる」。このように、米国特許第６，３５１，０６９号の赤色不足を補償するシステムでは、２つの蛍光物質は、混合されて、ついで樹脂層内に分散させられる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態によれば、波長変換型半導体発光素子は、第１の波長変換物質及び第２の波長変換物質を含む。第１の波長変換物質は、第２の波長変換物質によって放出される光より短い波長を有する光を放出する。幾つかの実施形態においては、第１及び第２の波長変換物質は、素子によって放出される混合された可視光の等価輝度、演色指数、及び色域のうちの１つ又はそれ以上を最大にするように配置される。幾つかの実施形態においては、第１及び第２の波長変換物質は、互いに直接隣接して発光素子上に堆積させられる。幾つかの実施形態においては、第１及び第２の波長変換物質は、個別層として堆積されられる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来技術である赤色の不足を補償する照明システムを示す。
【図２】Ｓｒ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+の励起スペクトルと、幾つかの蛍光体の発光スペクトルとを示す。
【図３】蛍光体の相互作用を最小にするように個別の蛍光体層を使用した本発明の実施形態を示す。
【図４】蛍光体の相互作用を最小にするように個別の蛍光体層を使用した本発明の実施形態を示す。
【図５】蛍光体の相互作用を最小にするように個別の蛍光体層を使用した本発明の実施形態を示す。
【図６】蛍光体の相互作用を最小にするように個別の蛍光体層を使用した本発明の実施形態を示す。
【図７】青色発光ダイオードとＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+蛍光体とＣａＳ：Ｅｕ2+蛍光体とを含むシステムのシミュレーション・スペクトルと実験から得た２つのスペクトルとを示す。
【図８】本発明の実施形態に係るディスプレイを示す。
【図９】図８の装置に使用されたＬＥＤと蛍光体との組み合わせの例を示す。
【図１０】図８の装置に使用されたＬＥＤと蛍光体との組み合わせの例を示す。
【図１１】図８の装置に使用されたＬＥＤと蛍光体との組み合わせの例を示す。
【図１２】図８の装置に使用されたＬＥＤと蛍光体との組み合わせの例を示す。
【図１３】図８の装置に使用されたＬＥＤと蛍光体との組み合わせの例を示す。
【図１４】Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+蛍光体及びＣａＳ：Ｅｕ2+蛍光体の励起スペクトル及び発光スペクトルを示す。
【図１５】青色発光ダイオードとＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+蛍光体とＳｒ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+蛍光体とを含むシステムの実験から得られた２つのスペクトルを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態にしたがって、半導体発光素子と組み合わされた蛍光体などの多波長変換材料を含むシステムが開示される。以下の説明では、「混合」光又は「合成」光は、半導体発光素子によって放出された光と、システム内のすべての蛍光体によって放出された光とが結合された光を指す。
【００１１】
幾つかの実施形態においては、青色発光ダイオードが、黄色又は緑色発光蛍光体及び赤色発光蛍光体と組み合わされる。適切な黄色又は緑色発光蛍光体の例として、例えばＬｕ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+及びＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+を含む（Ｌｕ1-x-y-a-bＹxＧｄy）3（Ａｌ1-zＧａz）5Ｏ12：Ｃｅa3+Ｐｒb3+（ここで、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ≦０．１、０＜ａ≦０．２、０＜ｂ≦０．１）と、例えばＳｒＳｉ2Ｎ2Ｏ2：Ｅｕ2+を含む（Ｓｒ1-a-bＣａbＢａc）ＳｉxＮyＯz：Ｅｕa2+（ここで、ａ＝０．００２〜０．２、ｂ＝０．０〜０．２５、ｃ＝０．０〜０．２５、ｘ＝１．５〜２．５、ｙ＝１．５〜２．５、ｚ＝１．５〜２．５）と、例えばＳｒＧａ2Ｓ4：Ｅｕ2+を含む（Ｓｒ1-u-v-xＭｇuＣａvＢａx）（Ｇａ2-y-zＡｌyＩｎzＳ4）：Ｅｕ2+と、Ｓｒ1-xＢａxＳｉＯ4：Ｅｕ2+とが挙げられる。適切な赤色発光蛍光体の例として、例えばＣａＳ：Ｅｕ2+及びＳｒＳ：Ｅｕ2+を含む（Ｃａ1-xＳｒx）Ｓ：Ｅｕ2+（ここで、０＜ｘ≦１）と、例えばＳｒ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+を含む（Ｓｒ1-x-yＢａxＣａy）2-zＳｉ5-aＡｌaＮ8-aＯa：Ｅｕz2+（ここで、０≦ａ＜５、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦１）とが挙げられる。
【００１２】
幾つかの実施形態においては、紫外線発光ダイオードが、青色発光蛍光体、黄色又は緑色発光蛍光体、及び赤色発光蛍光体と組み合わされる。適切な黄色又は緑色発光蛍光体、及び適切な赤色発光蛍光体の例は、上記されている。適切な青色蛍光発光体の例として、例えばＭｇＳｒＳｉＯ4が挙げられる。
以下に記載される実施形態は、２つの蛍光体と組み合わされた青色ＬＥＤと、３つの蛍光体と組み合わされた紫外線ＬＥＤとに言及しているが、より多くの又はより少ない蛍光体と、他の光を放出するＬＥＤとを用いることができることが理解される。
【００１３】
上記の蛍光体の幾つかの励起スペクトル及び発光スペクトルが、図２に示される。図２において、スペクトルａはＳｒ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+の励起スペクトルであり、スペクトルｂはＳｒ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+の発光スペクトルであり、スペクトルｃはＭｇＳｒＳｉＯ4の発光スペクトルであり、スペクトルｄはＳｒ1-xＢａxＳｉＯ4：Ｅｕ2+の発光スペクトルであり、スペクトルｅはＳｒＧａ2Ｓ4：Ｅｕ2+の発光スペクトルであり、スペクトルｆはＳｒＳｉ2Ｎ2Ｏ2：Ｅｕ2+の発光スペクトルである。
【００１４】
本発明者らは、幾つかの蛍光体を混合させると、混合された蛍光体間の相互作用が素子の効率及びスペクトルに悪影響を及ぼす場合があることを発見した。したがって、組み合わせる蛍光体に応じて、図３から図６を用いて後述するように蛍光体を別々の個別層として堆積させることにより、素子の性能を改善することができる。好ましい蛍光体の配置が、図１のような蛍光体の混合物であるか又は図３から図６のような個別層であるかは、蛍光体の励起スペクトル及び発光スペクトル並びに用途によって決まることになる。３つの用途、すなわち、ＬＥＤ上に直接堆積した蛍光体を持つ照明装置と、ＬＥＤから間隔を空けて配置された蛍光体を持つディスプレイと、ＬＥＤから間隔を空けて配置された蛍光体を持つ照明装置とが、以下に説明される。照明装置の場合は、蛍光体の配置は、ＣＲＩ又はＲａとして与えられる演色指数を最大にするように選択することができる。ディスプレイ装置の場合は、蛍光体の配置は、該装置に用いられるフィルタについての色域を最大にするように選択することができる。照明装置においてもディスプレイ装置においても、等価輝度を最大にすることが望ましい。等価輝度は、所与のスペクトルについてできる最大効率であり、ルーメン／Ｗで表される。
【００１５】
図１及び図３から図６までは、図１においては混合物として、図３から図６においては個別層としてＬＥＤ上に直接堆積させた蛍光体を持つ、第１の用途である照明装置を示すものである。照明装置においては、蛍光体の配置は、等価輝度及び演色指数を最大にするように選択される。蛍光体の具体的な組合せについて、図１及び図３から図６までの異なる蛍光体配置のうちのどれが適切であるかについての判断が、２つの例、すなわち、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+蛍光体及びＳｒ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+蛍光体を持つ素子と、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+蛍光体及びＣａＳ：Ｅｕ2+蛍光体を持つ素子とに即して説明される。
【００１６】
第１の例においては、青色発光ダイオードが、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+蛍光体及びＳｒ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+蛍光体と組み合わされる。図２は、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+及びＳｒ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+の励起スペクトル及び発光スペクトルを示す。このシステムによって放出される結合光の１次近似では、青色発光ダイオードのスペクトルと２つの蛍光体のスペクトルとが加えられる。Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+及びＳｒ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+の発光スペクトルは、どちらの蛍光体も、例えば約６００ｎｍの橙色波長で強く発光することを示す。橙色波長での発光スペクトルの重なりは、混合光の見え方を赤から離れてより短い波長方向へシフトさせる。このシフトは、混合光の演色に悪影響を与えることがある。
【００１７】
さらに、図２は、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+の発光スペクトルが、Ｓｒ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+の励起スペクトルと重なることを示す。結果として、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+蛍光体からの発光の一部がＳｒ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+蛍光体によって消費され、混合光における緑色／黄色光の量が減少することになる。さらに、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+によって放出された光のＳｒ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+による吸収が、より短い橙色波長方向への混合光のシフトを招く。どちらの作用も、混合光の演色に悪影響を与えることがある。
【００１８】
緑色／黄色発光蛍光体によって放出された光の赤色発光蛍光体による吸収は、緑色／黄色発光体と赤色発光体とを個別領域に分けることによって減少させることができる。図３から図６までは、緑色／黄色発光蛍光体によって放出された光の赤色発光蛍光体による吸収を減少させるように赤色発光蛍光体及び緑色／黄色発光蛍光体を堆積させた素子の実施形態を示す。
【００１９】
図３に示された素子においては、半導体発光素子１をリフレクタ・カップ２内に堆積させる。緑色／黄色蛍光体５は、樹脂、シリコン、又は他の透明材料と混合されて、リフレクタ・カップ２の一方の側に堆積させられ、一方、赤色蛍光体を含む他の何らかの蛍光体４は、樹脂、シリコン、又は他の透明材料と混合されて、スラリ５がスラリ４とほとんど混ざらないようにリフレクタ・カップ２の他方の側に堆積させられる。幾つかの実施形態においては、スラリ状の透明材料の粘度は、蛍光体４が蛍光体５と混ざらないように選択される。緑色／黄色蛍光体５及び他の何らかの蛍光体４は、混ざって同一のスラリになるのではなく互いに隣接するので、緑色／黄色蛍光体５によって放出された光は、スラリ４内の何らかの赤色発光蛍光体によって吸収される可能性が低い。
【００２０】
図４に示される素子においては、緑色／黄色発光蛍光体５及び他の蛍光体４を、個別層としてＬＥＤ１上に堆積させる。何らかの赤色発光蛍光体を含む蛍光体層４は、ＬＥＤ１の最も近くに堆積させられる。次に、緑色／黄色発光蛍光体５は、蛍光体層４の上に堆積させられる。蛍光体層４及び５は、任意の透明層６によって分離させることができる。蛍光体層４及び５は、樹脂又は他の透明材料のスラリとして堆積させるか、例えば電子ビーム蒸着法、熱蒸着法、高周波スパッタリング、化学気相成長法、又は原子層エピタキシー法によって薄膜として堆積させるか、又は、例えばスクリーン印刷、米国特許第６，６５０，０４４号に記載されるステンシル、若しくは米国特許第６，５７６，４８８号に記載される電気泳動析出法によってＬＥＤ１上にコンフォーマル層として堆積させることができる。薄膜は、米国特許第６，６９６，７０３号により詳細に記載される。米国特許第６，６９６，７０３号と米国特許第６，６５０，０４４号と米国特許第６，５７６，４８８号の各々は、引用によりここに組み入れられる。典型的には単一の大きな蛍光体粒子として機能する薄膜とは対照的に、コンフォーマル層の蛍光体は、一般に、多数の蛍光体粒子として機能する。さらに、薄膜は、典型的には、蛍光体以外の物質を含まない。コンフォーマル層は、多くの場合、例えばシリカなどの、蛍光体以外の物質を含む。
【００２１】
幾つかの実施形態においては、１つ又はそれ以上のダイクロイック・フィルタが素子内に含まれる。ＬＥＤ１によって放出された光は通すが、蛍光体４及び５によって放出された光は反射するように設計されたダイクロイック・フィルタを、ＬＥＤ１と蛍光体層４との間に挟むことができる。緑色／黄色発光蛍光体５と赤色発光蛍光体４との間の層６は、該赤色発光蛍光体４及びＬＥＤ１によって放出された光を通すように設計されたダイクロイック・フィルタとし、緑色／黄色発光蛍光体５によって放出された光を反射することができる。ダイクロイック・フィルタは、蛍光体層４及び５によってＬＥＤ１内に後方散乱される放射の量を減少させ、その放射を吸収することができる。
【００２２】
図５に示される素子においては、緑色／黄色発光蛍光体５及び他の蛍光体４を、ＬＥＤ１上の複数の微小領域に堆積させる。異なる領域によって、格子模様などのパターンが形成されることになる。ＬＥＤによって放出された青色光が蛍光体によって放出された緑色光及び赤色光と混合して白色光になる場合のように、ＬＥＤ１からの光が変換されずに放出されることになる場合には、非変換光の量は、蛍光体領域４及び５の厚みを調節するか、又は、覆われないＬＥＤ１の領域を残すか若しくは該ＬＥＤ１によって放出された光を変換しない任意の透明材料７によって覆われるＬＥＤ１の領域を残すことによって、制御することができる。図５に示されるような異なる発光体層のパターンは、第１の蛍光体層を電気泳動析出法によって堆積させ、その層を従来のリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いてパターニングし、次いで、第２の蛍光体層を電気泳動析出法によって堆積させることによって形成することができる。代替的には、蛍光体層のパターンは、スクリーン印刷又はインク・ジェット印刷によって堆積させることができる。幾つかの実施形態においては、蛍光体層のパターンは、個々の蛍光体混合物４及び５を、微生物学で用いられる透明なプラスチック・マイクロプレートのウェルに分注することによって形成することができる。次に、蛍光体で満たされたマイクロプレートは、ＬＥＤ１上に配置される。蛍光体で満たされたマイクロプレートは、ＬＥＤ１とは別に形成することができる。
【００２３】
図６に示された素子においては、何らかの赤色発光蛍光体を含む蛍光体４の複数の微小領域が、ＬＥＤ１の表面上に形成される。緑色／黄色発光蛍光体５の層が、蛍光体４の複数の領域上に堆積させられる。
【００２４】
図３から図６までに示される実施形態の各々は、上述の吸収の問題を軽減することができる。いずれの場合にも、ＬＥＤ１によって放出された光は、最初に赤色発光蛍光体に入射するか、又は、別々の領域の赤色発光蛍光体及び緑色／黄色発光蛍光体に入射する。このように、図３から図６までに示される配置は、緑色／黄色発光蛍光体から放出された光が赤色発光蛍光体によって吸収される確率を低下させる。
【００２５】
図３から図６までに示されるように蛍光体を分離することによって、青色ＬＥＤと、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+蛍光体と、Ｓｒ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+蛍光体とを含む照明システムの演色が著しく改善する。図１５は、図１に示されるような混合型蛍光体配置（曲線ａ）と、図４に示されるような層状蛍光体配置（曲線ｂ）とにおける、青色ＬＥＤとＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+蛍光体とＳｒ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+蛍光体からの混合光のスペクトルを示す。いずれの蛍光体配置も、層状配置については２９６、及び、混合型配置については３４３という高等価輝度を有するが、層状配置は、混合型配置の場合の７５と比較して、８７という著しく高い演色指数を示す。
【００２６】
幾つかの実施形態においては、青色ＬＥＤがＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+蛍光体及びＣａＳ：Ｅｕ2+蛍光体と組み合わされる場合の第２の照明システムの例に示されるように、緑色／黄色発光蛍光体と赤色発光蛍光体とを分離しても、素子の性能は向上しない。図１４は、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+及びＣａＳ：Ｅｕ2+の励起スペクトル及び発光スペクトルを示す。最も左の実線は、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+の励起スペクトルである。中央の実線は、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+の発光スペクトルである。破線は、ＣａＳ：Ｅｕ2+の励起スペクトルである。最も右の実線は、ＣａＳ：Ｅｕ2+の発光スペクトルである。図７は、青色ＬＥＤとＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+蛍光体とＣａＳ：Ｅｕ2+蛍光体とを含むシステムからの合成光の３つのスペクトルを示す。曲線ａは、発光ダイオード及び２つの蛍光体の発光スペクトルの重ね合わせによって計算されたシミュレーション・スペクトルである。曲線ｂは、図１に示されるように２つの蛍光体を単一層内に混合することによって形成される素子からの観測スペクトルである。曲線ｃは、図４に示されるような２つの個別の蛍光体層を含む素子からの観測スペクトルである。蛍光体を層状にすることによって、素子の等価輝度が低下する。層状の素子は、演色指数が９６であり、等価輝度が２６５である。混合型素子は、Ｒａが９１であり、等価輝度が３００である。したがって、蛍光体を層状にしても演色がそれほど向上せず、素子の等価輝度は減少する。結果として、蛍光体を混合することが好ましい。
【００２７】
多くの要因が、多数の蛍光体を混合させるのが最も良いのか、又は個別層として形成するのが最も良いのかを左右することになる。２つの蛍光体の屈折率の差と、該２つの蛍光体の粒子サイズの差が、緑色／黄色蛍光体からの発光の赤色蛍光体による吸収性に影響を与える。２つの物質間の屈折率の段差が大きくなるにつれて、該２つの物質間の界面への入射光が吸収されるより反射されるようになる可能性も高くなる。このように、２つの蛍光体の屈折率が大きく異なる場合は、緑色／黄色蛍光体によって放出された光は、赤色蛍光体に入射すると、吸収されるよりもむしろ散乱されやすい。さらに、赤色発光蛍光体の放射スペクトルの位置は、２つの蛍光体を混合すべきかどうかを左右する場合がある。上述のように、緑色／黄色発光蛍光体と赤色発光蛍光体との間の相互作用は、システムからの合成光の赤色成分をより短い橙色波長方向へシフトし、演色の低下をもたらす。赤色発光蛍光体のピーク波長が長くなるにつれて、システムは、演色に影響を与えることなく、より短波長方向へ赤色のシフトを許容できるようになる。同様に、緑色／黄色発光蛍光体の発光スペクトルと赤色発光蛍光体の励起スペクトルと間の重なりは、２つの発光体を混合すべきかどうかを左右することになる。その重なりが大きければ大きいほど、緑色／黄色発光蛍光体からの発光量のより多くが、赤色発光蛍光体によって吸収されやすくなる。したがって、重なりが大きければ大きいほど、システムの性能は、蛍光体を分離することによって変化させやすくなる。
【００２８】
幾つかの実施形態においては、蛍光体は個別層に分離されるが、例えば少量の赤色発光蛍光体を、緑色／黄色発光蛍光体層に含ませることができる。緑色／黄色発光蛍光体層内における少量の赤色発光蛍光体の存在により、合成光の演色を向上させることができる。
【００２９】
図８は、第２の用途であり、１つ又はそれ以上のＬＥＤから間隔を空けて配置された蛍光体を備えるディスプレイ装置を示す。図８に示される装置は、２００３年１０月３日に出願され、発明の名称を「ＬＣＤ Ｂａｃｋｌｉｇｈｔ Ｕｓｉｎｇ Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ａｒｒａｙ ＬＥＤｓ」とし、引用によりここに組み入れられる米国出願連続番号第１０／６７８，５４１号に、より詳細に説明される。
図８は、ＬＣＤディスプレイの側面図である。ＬＥＤのアレイ２４が、バックライト２６の後部パネル上に取り付けられる。バックライト２６は、拡散カバー・プレート４０で覆われる。拡散体４０は、例えばアクリル又はガラスで作られ、光を拡散するように粗い表面を持つ。代替的に、拡散体４０は、アクリル又はガラスのシートと共に、光散乱粒子を備えることもできる。多くの種類の拡散体が知られており、バックライト２６で用いることができる。バックライト２６の光出力が、拡散体がなくても十分に拡散される場合は、拡散体４０の代わりに透明プレートを用いることができる。例えば３Ｍによって製造される、例えばＢｒｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｆｉｌｍ及びＤｕａｌ Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｆｉｌｍといった、輝度又は効率を増加させるための付加的なフィルム（図示せず）を、拡散体の上面のＬＣＤ直前に用いてもよい。
【００３０】
バックライト２６の後面及び側壁は、高反射性材料で覆われる。後面に白色拡散反射フィルム（例えば、日本のＴｏｒａｙ社によって製造されるＥ６０Ｌ）を用い、側壁に鏡面反射材料（例えば、ドイツのＡｌａｎｏｄ社によって製造されるＭｉｒｏ材料）を用いて良好な結果が得られたが、他の構成も同様に機能する。用いられる材料は、好ましくは９０％より大きい高反射係数を有するべきであろう。こういった高反射材料を用いることによって、高い再利用率が達成される。このことは、こうしたフィルムは、第１の光路では用いることができず、第２又は第３の光路の間にＬＣＤの出力に寄与するように再利用される必要がある光を反射するため、上述のようにＢｒｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｆｉｌｍが用いられるときには特に重要である。
【００３１】
ＬＣＤパネル１４は、バックライト２６の前に設置される。ＬＣＤパネル１４は、第１の偏光フィルタと、液晶層の選択範囲を横切って電界を生成するための薄膜トランジスタ・アレイと、液晶層と、ＲＧＢカラー・フィルタ・アレイと、第２の偏光フィルタとを有する従来型のＬＣＤとすることができる。カラー・フィルタ・アレイは、赤色と、緑色と、青色のサブピクセルを有する。ＬＣＤパネル１４とバックライト２６との間には、輝度増強フィルム（ＢＥＦ）又は偏光回復フィルム（ＤＢＥＦ）などの付加的なフィルムを用いることができる。
【００３２】
ＬＥＤ２６は、一般に、青色又は紫外線放射ＬＥＤである。図１のように混合されるか、又は図３から図６までのように層状にされる多数の蛍光体を含むことができる蛍光体層３９が、ＬＥＤ２６上に直接ではなく、カバー・プレート４０上に形成される。幾つかの実施形態においては、異なる蛍光体層が、カバー・プレート４０の異なる表面に形成される。カバー・プレート４０は、蛍光体によって行われる拡散の量に応じて、拡散体としてもしなくてもよい。バックライト２６に用いられるフィルムの反射率が高いことによって、蛍光体からバックライト２６の後部に放出される光はＬＥＤチップに入る光と比べて再利用率が高いため、蛍光体層３９をＬＥＤ２６から離して配置することは好ましいことである。再利用率に加えて、蛍光体は、ＬＥＤ近くの高温に耐える必要も、ＬＥＤと化学的に適合するものである必要もなく、利用できる適当な蛍光体の数が増加し、装置の効率及び寿命が改善される可能性がある。青色バックライトは、異なる種類のカラー・フィルタと共に広範囲の異なるディスプレイに用いることができあり、特定のＬＣＤに適合させるためには、蛍光体層の厚みと蛍光体の濃度とを最適化するだけでよいので、物流的な観点からも、この解決法は注目されるものである。
図８に示されるディスプレイ装置においては、蛍光体配置は、等価輝度及び色域を最大にするように選択される。
【００３３】
図９、図１０、図１１、図１２、及び図１３は、青色発光ダイオードと組み合わされる幾つかの蛍光体組成の性能を示す。図９から図１３までの各々においては、曲線ａは、真の白色光と考えられるプランク軌跡を表し、曲線ｂは、ＣＩＥチャートを表す。曲線ｃは、図８の装置のＲＧＢピクセル・フィルタ内のフィルタを用いて可能になる色域を示す。点ｄは、ＬＥＤ及び蛍光体によって放出される混合光の色を表す。曲線ｅは、ＮＴＳＣ規格で要求される色域を表す。点ｆは、赤色フィルタ、青色フィルタ、及び緑色フィルタの各々によってフィルタをかけられた後の光の色を表す。点ｇは、フィルタをかける前の合成光のスペクトルを示す。曲線ｈ、ｉ、及びｊは、図８のＲＧＢピクセル・フィルタの青色フィルタ、緑色フィルタ、及び赤色フィルタの性能を示す。曲線ｋは、ＬＥＤと蛍光体との組み合わせによって放出される合成光を示す。曲線ｌは、曲線ｈで表された青色フィルタを通過した後の合成光を示す。曲線ｍは、曲線ｉで表された緑色フィルタを通過した後の合成光を示す。曲線ｎは、曲線ｊで表された赤色フィルタを通過した後の合成光を示す。
【００３４】
図９に示される装置においては、例えば４５５ｎｍの光を放出する青色ＬＥＤが、単一の蛍光体であるＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+と組み合わされる。図９に示される装置は、等価輝度２９９で作動し、ＮＴＳＣ規格の色域の範囲の６２％となる色域を有する。
【００３５】
図１０に示される装置においては、赤色発光蛍光体であるＳｒＳ：Ｅｕ2+が図９の装置に追加される。ＳｒＳ：Ｅｕ2+の追加は、装置の性能にそれほど影響を与えない。図１０に示される装置は、等価輝度２９１で作動し、ＮＴＳＣ規格の色域の範囲の６２％となる色域を有する。
【００３６】
図１１に示される装置は、青色発光ダイオードをＳｒＧａ2Ｓ4：Ｅｕ2+及びＣａＳ：Ｅｕ2+と組み合わせるものである。この装置は、優れた色域（ＮＴＳＣの８６％）を示すが、２００という低質の等価輝度である。この場合は、図１に示されるように蛍光体を混合するのではなく、図３から図６に示されるように個別の蛍光体領域を形成することが好ましい。
【００３７】
図１２に示される装置においては、図１１の装置のＣａＳ：Ｅｕ2+がＳｒＳ：Ｅｕ2+に置き代えられる。この装置は、優れた色域（ＮＴＳＣの７３％）と優れた等価輝度（２９８）とを示す。この場合は、図１に示されるように蛍光体を混合するのではなく、図３から図６に示されるように個別の蛍光体領域を形成することが好ましい。
【００３８】
図１３に示される装置は、青色発光ダイオードをＳｒ1-xＢａxＳｉＯ4：Ｅｕ2+及びＳｒ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+と組み合わせるものである。この装置は、ＮＴＳＣの７２％の色域と、２４１の等価輝度とを有する。
【００３９】
第３の用途においては、照明装置は、１つ又はそれ以上のＬＥＤから間隔を空けて配置された蛍光体を含む。こうした装置の一例は、図８に示された装置からＬＣＤ１４を省いたものである。こうした実施形態においては、蛍光体配置は、等価輝度及び演色指数を最大にするように選択される。第１の用途において上述されたような蛍光体の組合せが適切であろう。
【００４０】
本発明を詳細に説明してきたが、当業者であれば、本開示を前提として、本明細書で説明された発明概念の精神から逸脱することなく、本発明に対して修正を行うことができることを理解するであろう。したがって、本発明の範囲が、例示され、説明された特定の実施形態に制限されることを意図するものではない。
【符号の説明】
【００４１】
１：半導体発光素子
２：リフレクタ・カップ
４、５：蛍光体
６：層
７：透明材料
１４：ＬＣＤ
２４：ＬＥＤアレイ
２６：バックライト
３９：蛍光体層
４０：カバー・プレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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