(57)【要約】  発光装置は、青色光を発生させるように動作可能な、少なくとも１つの発光素子、典型的にはＬＥＤ、及び波長変換コンポーネントを含む。波長変換コンポーネントは、光透過型又は光反射型とすることが可能で、前記青色光の少なくとも一部を吸収して、異なる色の光を放出するように動作可能な少なくとも２つの蛍光体材料を含み、そして、装置の放出製品は、ＬＥＤ（単数又は複数）及び蛍光体材料によって生成される組み合わされた光を含む。蛍光体材料は、コンポーネントの表面上に重なり合わないエリアのパターンとして構成される。
2013538011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光装置であって、
青色光を発生させるように動作可能な少なくとも１つの発光素子と、少なくとも２つの蛍光体材料を含む波長変換コンポーネントを含み、
前記蛍光体材料が、少なくとも一部の前記青色光を吸収し、異なる色の光を放出するように動作可能であり、
前記装置の放出製品が、前記少なくとも１つの発光素子及び前記蛍光体材料によって生成された、組み合わされた光を含み、
前記蛍光体材料が、前記コンポーネントの表面上に実質的に重なり合わないエリアのパターンとして設けられる、発光装置。
【請求項２】
蛍光体材料エリアの重なりの総面積が、０．１％未満である、請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
蛍光体材料エリアが、いかなる蛍光体材料も含まない領域によって分離される、請求項１に記載の発光装置。
【請求項４】
前記蛍光体エリアを分離している領域が、光透過型、光遮断型及び光反射型からなる群から選択される、請求項３に記載の発光装置。
【請求項５】
前記蛍光体エリアを分離している領域が、約０．５mm未満である、請求項２に記載の発光装置。
【請求項６】
前記蛍光体材料エリアが、約５mm未満の寸法を有する、請求項１に記載の発光装置。
【請求項７】
近隣の蛍光体材料エリアが、互いに隣接するように構成される、請求項１に記載の発光装置。
【請求項８】
前記波長変換コンポーネントが、前記少なくとも１つの発光素子から少なくとも５mmの距離に配置される、請求項１に記載の発光装置。
【請求項９】
前記波長変換コンポーネントが、前記蛍光体材料エリアのパターンが少なくとも１つの層として設けられた光透過性基板を含む、請求項１に記載の発光装置。
【請求項１０】
少なくとも前記蛍光体材料によって生成された光の波長に対して反射型であるように構成され、少なくとも１つの発光素子によって生成された光に対して実質的に透過性のある波長選択式の反射フィルタを、更に含む、請求項９に記載の発光装置。
【請求項１１】
前記波長選択式の反射フィルタが、それぞれの蛍光体材料と関連したそれぞれの反射フィルタを含み、
第１の蛍光体材料と関連した前記反射フィルタが、少なくとも前記第１の蛍光体材料によって生成された光の波長に対して反射型であるように構成され、前記少なくとも１つの発光素子によって生成された光に対して実質的に透過性があり、
第２の蛍光体材料と関連した前記反射フィルタが、少なくとも前記第２の蛍光体材料によって生成された光の波長に対して反射型であるように構成され、前記少なくとも１つの発光素子によって生成された光に対して実質的に透過性がある、請求項１０に記載の発光装置。
【請求項１２】
前記反射フィルタが、前記光透過性基板と蛍光体材料エリアの間に配置される、請求項１０に記載の発光装置。
【請求項１３】
前記蛍光体材料エリアのパターンが、スクリーン印刷、インクジェット式印刷、凸版印刷、グラビア印刷及びフレキソ印刷からなる群から選択される方法を使用して、前記基板に設けられる、請求項９に記載の発光装置。
【請求項１４】
前記光透過性基板が、アクリル、ポリカーボネート、エポキシ、シリコーン及びガラスからなる群から選択される、請求項９に記載の発光装置。
【請求項１５】
前記波長変換コンポーネントが、前記蛍光体材料エリアのパターンが少なくとも１つの層として設けられた光反射面を含む、請求項１に記載の発光装置。
【請求項１６】
前記蛍光体材料エリアのパターンが、スクリーン印刷、インクジェット式印刷、凸版印刷、グラビア印刷及びフレキソ印刷からなる群から選択される方法を使用して、前記光反射面に設けられる、請求項１５に記載の発光装置。
【請求項１７】
光反射面が、少なくとも０．９の反射率を有する、請求項１６に記載の発光装置。
【請求項１８】
前記光反射面が、銀、アルミニウム、クロム、光反射ポリマー、光反射紙、光反射塗料及び光反射金属からなる群から選択される、請求項１６に記載の発光装置。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの発光素子が、波長帯３８０nmから４８０nmでピーク波長を有する青色光を発生させるために動作可能なＬＥＤを含む、請求項１に記載の発光装置。
【請求項２０】
実質的に重なり合わないエリアのパターンとして構成された少なくとも２つの蛍光体材料をその表面上に含む、発光素子によって生成された光の波長を変換するための波長変換コンポーネント。
【請求項２１】
蛍光体材料エリアの重なりの総面積が、０．１％未満である、請求項２０に記載の波長変換コンポーネント。
【請求項２２】
近隣の蛍光体材料エリアが、いかなる蛍光体材料も含まない領域によって分離される、請求項２０に記載の波長変換コンポーネント。
【請求項２３】
前記近隣の蛍光体エリアを分離している領域が、光透過型、光遮断型及び光反射型からなる群から選択される、請求項２２に記載の波長変換コンポーネント。
【請求項２４】
前記近隣の蛍光体エリアを分離している領域が、約０．５mm未満である、請求項２２に記載の波長変換コンポーネント。
【請求項２５】
前記蛍光体材料エリアが、約５mm未満の寸法を有する、請求項２０に記載の波長変換コンポーネント。
【請求項２６】
近隣の蛍光体材料エリアが、互いに隣接するように構成される、請求項２０に記載の波長変換コンポーネント。
【請求項２７】
前記蛍光体材料エリアのパターンが少なくとも１つの層として設けられた光透過性基板を含む、請求項２０に記載の波長変換コンポーネント。
【請求項２８】
少なくとも前記蛍光体材料によって生成された光の波長に対して反射型であるように構成され、少なくとも１つの発光素子によって生成された光に対して実質的に透過性のある波長選択式の反射フィルタを更に含む、請求項２７に記載の波長変換コンポーネント。
【請求項２９】
前記波長選択式の反射フィルタが、それぞれの蛍光体材料と関連したそれぞれの反射フィルタを含み、
第１の蛍光体材料と関連した前記反射フィルタが、少なくとも前記第１の蛍光体材料によって生成された光の波長に対して反射型であるように構成され、前記少なくとも１つの発光素子によって生成された光に対して実質的に透過性があり、
第２の蛍光体材料と関連した前記反射フィルタが、前記第２の蛍光体材料によって生成された光の波長に対して少なくとも反射型であるように構成され、前記少なくとも１つの発光素子によって生成された光に対して実質的に透過性がある、請求項２８に記載の波長変換コンポーネント。
【請求項３０】
前記波長選択式の反射フィルタが、前記光透過性基板と蛍光体材料エリアの間に配置される、請求項２８に記載の波長変換コンポーネント。
【請求項３１】
前記蛍光体材料エリアのパターンが、スクリーン印刷、インクジェット式印刷、凸版印刷、グラビア印刷及びフレキソ印刷からなる群から選択される方法を使用して、前記基板に設けられる、請求項２７に記載の波長変換コンポーネント。
【請求項３２】
前記光透過性基板が、アクリル、ポリカーボネート、エポキシ、シリコーン及びガラスからなる群から選択される、請求項２７に記載の波長変換コンポーネント。
【請求項３３】
前記蛍光体材料エリアのパターンが少なくとも１つの層として設けられた光反射面を含む、請求項２０に記載の波長変換コンポーネント。
【請求項３４】
前記蛍光体材料エリアのパターンが、スクリーン印刷、インクジェット式印刷、凸版印刷、グラビア印刷及びフレキソ印刷からなる群から選択される方法を使用して、前記光反射面に設けられる、請求項３３に記載の波長変換コンポーネント。
【請求項３５】
光反射面が、少なくとも０．９の反射率を有する、請求項３３に記載の波長変換コンポーネント。
【請求項３６】
前記光反射面が、銀、アルミニウム、クロム、光反射ポリマー、光反射紙、光反射塗料及び光反射金属からなる群から選択される、請求項３３に記載の波長変換コンポーネント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権主張
本出願は、Xianglong Yuanらによる、「SOLID-STATE LIGHT EMITTING DEVICES WITH PHOTOLUMINESCENCE WAVELENGTH CONVERSION」の題名で、２０１０年９月２８日に出願された、U.S. Patent Application No.12/892,754の優先権の利益を主張するものであり、その内容が、本明細書に参照として組み込まれる。
【０００２】
背景技術
１．発明の分野
本発明は、フォトルミネッセンス波長変換を備える固体発光装置に関する。詳細には、限定されるものではないが、ＬＥＤ（単数又は複数）に対して離れて配置された２つ以上の蛍光体材料を励起するために使用されるＬＥＤ（発光ダイオード）に基づく白色発光装置に関する。本発明は、更に、固体発光素子によって発生した光の色（波長）を変換するための波長変換コンポーネントに関する。
【０００３】
２．関連技術の説明
白色光を放出するＬＥＤ（「白色ＬＥＤ」）は、従来技術において公知で、比較的最近の技術革新である。電磁スペクトルの青／紫外部分で放出をするＬＥＤが開発されるまで、ＬＥＤに基づく白色光源を開発することは実用的にならなかった。例えば、US 5,998,925で教示されるように、白色ＬＥＤは、ＬＥＤによって放出された一部の放射を吸収し、異なる色（波長）の放射を再放出する１つ以上の蛍光体材料、すなわち、フォトルミネセント材料を含む。通常、ＬＥＤチップ又はダイが青色光を発生し、蛍光体（単数又は複数）が青色光のある割合を吸収し、黄色光、又は、緑色光と赤色光、緑色光と黄色光、緑色光と橙色光、若しくは、黄色光と赤色光の組み合わせを再放出する。蛍光体に吸収されない、ＬＥＤによって発生した青色光の一部は、蛍光体によって放出された光と組み合わされ、人間の目にほとんど白色であるように見える光を提供する。
【０００４】
長い予測動作寿命（＞５０，０００時間）及び高い発光効率（ワット当たり７０ルーメン以上）のため、従来の蛍光、小型蛍光及び白熱光源と入れ替わって、高輝度の白色ＬＥＤの使用の度合が高まっている。
【０００５】
通常、蛍光体材料の混合物は、ＬＥＤダイの光放出面上の単一の層として提供される。代替として、ＬＥＤダイを覆うそれぞれの層として、異なる蛍光体材料が提供されることがある。
【０００６】
Liに対するUnited States patent application US 2008/02118992 A1で開示されているように、ＬＥＤダイに対して離れて配置された光学コンポーネントの上に層として蛍光体材料を提供するか、又は、光学コンポーネントに蛍光体材料を含ませることも公知である。
【０００７】
本発明の目的は、公知の装置の限界を少なくとも部分的に克服する発光装置を提供することにある。
【０００８】
発明の概要
本発明の実施形態は、典型的にはＬＥＤである１つ以上の固体発光素子を含む固体発光装置に関する。この発光素子は、青色光によって励起可能な蛍光体材料を少なくとも２つ含むフォトルミネッセンス波長変換コンポーネントを励起するために使用される青色光を発生させるように動作可能である。本発明によると、蛍光体材料は、異なる蛍光体材料のエリアの重なりがほとんど又は全くないエリアのパターンとして提供される。本発明者らは、異なる蛍光体材料が単一層内での混合物として提供されるか、又は、重なり合う別々の層として提供される装置とは対照的に、異なる蛍光体材料の任意の重なりの最小化が、装置の量子効率を増加させることができ、このような装置によって発生する光のＣＲＩ（演色評価数）を改善できるということを発見した。異なる蛍光体材料を分離する、つまり重なり合わせないことが、１つの蛍光体材料によって発生し、以下「蛍光体間の吸収」と称される他の蛍光体材料によって吸収されるより高いエネルギー（より短い波長）の光を減少させると考えられる。更に、異なる蛍光体材料を物理的に分離することによって、複数の蛍光体材料エリアの相対的な面積及び／又は厚みによって放出製品の色が主に決定されるため、複数の蛍光体材料エリアの比率を変えることによって、放出製品の色の調整が可能になる。対照的に、蛍光体材料の混合物からなる装置では、放出製品の色を変化させるためには、新しい蛍光体材料の混合物の調製が必要である。
【０００９】
本発明によると、発光装置は、青色光を発生させるように動作可能な少なくとも１つの発光素子及び少なくとも２つの蛍光体材料を含む波長変換コンポーネントを含み、蛍光体材料は、少なくとも一部の前記青色光を吸収し、異なる色の光を放出するように動作可能で、装置の放出製品は、少なくとも１つの発光素子及び蛍光体材料によって発生した、組み合わされた光を含み、そして、蛍光体材料は、コンポーネントの表面上に実質的に重なり合わないエリアのパターンとして提供される。蛍光体材料エリアの重なりを防止するために、蛍光体材料エリアは、蛍光体材料を収容していない領域、又は間隙によって、分離することができる。領域又は間隙は、光透過型、光反射型又は光遮断型とすることができる。それらが光透過型であるところでは、間隙は、青色光及び蛍光体が発生させた光のコンポーネントからの放出を可能にする窓として機能する。発光素子によって発生した青色光が、蛍光体から過大に光を発生させることを防止するために、蛍光体エリアを分離している領域又は間隙は、約０．５mm（≒１０００分の１０インチ又は１０mil）未満で、典型的には０．０５mmのオーダである。他の配置では、蛍光体材料エリアを、互いに隣接するか又は僅かに重なり合うように構成することができる。本特許出願との関連で、僅かに重ね合わせるとは、蛍光体材料エリアの重なりの総面積が、重なり合わない蛍光体材料エリアの総面積より非常に少ないことを意味する。蛍光体間の吸収を最小にするために、重なりのエリアは、できる限り小さいことが好ましく、典型的には総面積の０．１％未満である。
【００１０】
蛍光体材料エリアのパターンは、例えば、異なる蛍光体材料の帯又は線のパターン、円形、楕円形、正方形、長方形、三角形、六角形とすることが可能なピクセルのパターン、又は、例えば長方形若しくは正方形のエリアのタイル（tailing）のような幾何学的なエリアのタイルといった、規則的と不規則の双方のパターンを含むことができる。青色光及び蛍光体によって発生した光の視覚的な混合を確実にするとともに、均一な色放出製品を提供するために、蛍光体材料エリアは、好ましくは、約２mm未満の少なくとも１つの寸法を有する。例えば、一つの配置では、蛍光体材料のパターンは、約５mm未満の幅の、交互の蛍光体材料の帯又は線を含む。別の配置では、蛍光体材料のパターンは、第１の蛍光体材料の円形のドット又はピクセルのパターンであって、第２の蛍光体材料がピクセルの間のエリアを充填しているパターンを含む。波長変換コンポーネントの異なる領域から異なる光の色を発生させるために、蛍光体材料エリアのサイズ及び／又は相対的面積は、波長変換コンポーネントにわたって変化することができる。このような方法でパターンを構成することによって、パターンが、装置の放出製品の色の角度変化を減少させるために使用可能となることが想定される。例えば、白色発光装置のために、入射青色光の強度が最も大きい波長変換コンポーネントの領域、多くの場合中央の領域に、赤色放出蛍光体材料を黄色放出蛍光体材料より比較的多く提供することが想定される。一実施例では、赤色蛍光体材料エリアのサイズは、コンポーネントの中央に向かってより大きくすることができ、中央の領域から離れてサイズを減少させることができる。
【００１１】
発光素子から波長変換コンポーネントへの熱伝達を減少させることによって、蛍光体材料の熱劣化を低減させるために、波長変換コンポーネントは、有利には発光素子（単数又は複数）から少なくとも５mm離れたところに配置されて、好ましくは空隙によってそこから分離される。
【００１２】
波長変換コンポーネントは、光透過性とすることができ、コンポーネントを透過する光の少なくとも一部の波長を変換するように構成可能である。一つの配置では、波長変換コンポーネントは、表面上に蛍光体材料のパターンが少なくとも１つの層として設けられた光透過性基板を含む。蛍光体材料による青色光の散乱の等方性及びフォトルミネセンスプロセスの等方性のため、青色光のある割合及び蛍光体によって発生した光の約半分が、発光素子の方向へ戻って、波長変換コンポーネントから放出される。装置からの光放出を最大にするために、後方に散乱した青色光及び蛍光体に変換された光は、コンポーネントを透過して放出製品に寄与するために、波長変換コンポーネントに戻るよう再方向付けされるべきである。したがって、装置は、有利には、後方散乱された光を波長変換コンポーネントの方向へ再方向付けするように構成された、発光素子及び波長変換コンポーネントを取り囲む光反射チャンバを更に含む。光反射チャンバは、光反射金属面又は光反射ポリマー面を含むことができる。光反射面は、ミラー状（非拡散性）又はランバート状（拡散性）の反射面を含むことができる。
【００１３】
蛍光体間の吸収を更に減少させるために、１つの蛍光体材料によって発光素子の方向へ戻るように発生した、蛍光体に変換された光が、光反射チャンバによってもう１つの蛍光体材料のエリアに戻るよう再方向付けされるのを防止するように、波長変換コンポーネントは構成可能である。例えば、一つの配置では、装置は、２つの蛍光体材料によって発生した光の波長に対して少なくとも反射型であるように構成され、少なくとも１つの発光素子によって発生した光に対して透過性のある波長選択式の反射フィルタを含む。動作中、波長反射フィルタは、蛍光体に変換された光の、波長変換コンポーネントからの、発光素子に向かう方向への放出を防止する。その結果、蛍光体に変換された光が反射され、その光を発生させた蛍光体材料エリアに戻るために、蛍光体間の吸収を実質的に排除する。別の配置では、第１の蛍光体材料と関連した反射フィルタが、少なくとも第１の蛍光体材料によって発生する光の波長に対して反射型であるように構成され、少なくとも１つの発光素子によって発生した光に対して実質的に透過性があり、そして、第２の蛍光体材料と関連した反射フィルタが、少なくとも第２の蛍光体材料によって発生する光の波長に対して反射型であるように構成され、少なくとも１つの発光素子によって発生した光に対して実質的に透過性がある、それぞれの蛍光体材料エリアと関連したそれぞれの反射フィルタを、波長選択式の反射フィルタは含む。光透過性基板内での光の反射から生じ得る蛍光体間の吸収を最小にするために、波長選択式のフィルタは、好ましくは、光透過性基板と蛍光体材料エリアの間に配置される。製造の簡略化のために、光透過性基板の面に波長選択式のフィルタを提供し、続いて、波長選択式のフィルタに蛍光体材料エリアのパターンを堆積させることができる。波長選択式のフィルタは、例えば誘電体の複数の層を含んだ多層構造又はグレーティング型の構造を含むことができる。
【００１４】
一つの配置では、蛍光体材料のパターンは、スクリーン印刷によって基板に提供される。代替として、インクジェット式、凸版、グラビア又はフレキソ印刷といった、他の披着法を使用して、基板に蛍光体材料のパターンを適用することができる。光透過性基板は、アクリル、ポリカーボネート、エポキシ若しくはシリコーンのような光透過性ポリマー又はガラスを含むことができる。
【００１５】
代替として、波長変換コンポーネントは、光反射型とすることができ、コンポーネントが反射した光の少なくとも一部の波長を変換するように構成可能である。そのような波長変換コンポーネントは、蛍光体材料のパターンが少なくとも１つの層として設けられた光反射面を含む。蛍光体材料のパターンは、例えば印刷、スクリーン印刷又はインクジェット式印刷によって、光反射基板に提供可能である。光放出を最大にするために、光反射面は、できるだけ高い反射率を有し、好ましくは、少なくとも０．９である。光反射面は、例えば銀、アルミニウム又はクロムのような、光反射金属を含むことができる。代替として、光反射面は、光反射ポリマー、光反射紙又は光反射塗料を含むことができる。
【００１６】
好ましくは、少なくとも１つの発光素子は、波長帯３８０nmから４８０nm、典型的には約４４０nmから約４５０nmのピーク波長を有する青色光を発生させるために動作可能なＬＥＤのような、固体発光素子を含む。
【００１７】
本発明の別の態様によれば、発光素子によって発生した少なくとも一部の光の波長を変換するための、固体発光装置用の波長変換コンポーネントは、発光素子の表面上に、実質的に重なり合わないエリアのパターンとして構成された少なくとも２つの蛍光体材料のパターンを含む。近隣の蛍光体材料エリアの重なりを防止するために、近隣の蛍光体材料エリアは、蛍光体材料を収容していない領域、又は間隙によって、分離することができる。好ましくは、近隣の蛍光体エリアを分離している領域又は間隙は、０．５mm（≒０．０１インチ）未満で、典型的には０．０５mm（０．００１インチ又は１０mil）のオーダとなり得る。代替的な構成では、近隣の蛍光体材料エリアは、互いに隣接することができる。
【００１８】
均一な色の放出製品を確保するために、蛍光体材料エリアは、好ましくは、約５mm未満の少なくとも１つの寸法を有する。
【００１９】
一つの配置では、波長変換コンポーネントは、光透過性であり、その上に蛍光体材料のパターンが少なくとも１つの層として設けられた光透過性基板を含む。１つの蛍光体材料によって発生した光の、もう１つの蛍光体材料による吸収を防止するために、波長変換コンポーネントは、２つの蛍光体材料によって発生した光の波長に対して少なくとも反射型であるように構成され、発光素子によって発生した光の波長に対して実質的に透過性がある、波長選択式反射フィルタを更に含むことができる。一つの配置では、第１の蛍光体材料と関連した反射フィルタが、少なくとも第１の蛍光体材料によって発生する光の波長に対して反射型であるように構成され、発光素子によって発生した光の波長に対して実質的に透過性があり、そして、少なくとも第２の蛍光体材料と関連した反射フィルタが、第２の蛍光体材料によって発生する光の波長に対して反射型であるように構成され、発光素子によって発生した光の波長に対して実質的に透過性がある、それぞれの蛍光体材料と関連したそれぞれの反射フィルタを、波長選択式の反射フィルタは含む。蛍光体間の吸収を最小にするために、波長選択式のフィルタは、光透過性基板と蛍光体材料エリアの間に配置することができる。波長選択式のフィルタは、多層膜誘電体反射鏡又はグレーティング型の構造を含むことができる。光透過性基板は、アクリル、ポリカーボネート、エポキシ、シリコーン又はガラスを含むことができる。
【００２０】
代替的な構成では、波長変換コンポーネントは、光反射型であり、その上に蛍光体材料のパターンが少なくとも１つの層として設けられた光反射面を含む。好ましくは、光反射面は、良く反射し、少なくとも０．９の反射率を有する。光反射面は、銀、アルミニウム若しくはクロムなどの、反射金属、光反射ポリマー、光反射紙又は光反射塗料を含むことができる。
【００２１】
好都合に、蛍光体材料のパターンは、印刷、スクリーン印刷、インクジェット式印刷又は他の被着法によって波長変換コンポーネントに設けられる。
【００２２】
蛍光体材料は、好ましくは、例えばオルトケイ酸塩、窒化物、硫酸塩、オキシ窒化物、オキシ硫酸塩又はガーネット（ＹＡＧ）などの無機材料を含み、材料は２μmから６０μm、特に１０μmから２０μmの範囲の粒度を有する。
【００２３】
本発明がより良く理解されるように、ここで、本発明の実施形態による固体発光装置が、ほんの一例として、添付図面を参照にして説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態によるＬＥＤに基づく発光装置の概略図である。
【図２】図１の発光装置で用いるフォトルミネッセンス波長変換コンポーネントの概略平面図及び側面図である。
【図３】図１の発光装置で用いる別のフォトルミネッセンス波長変換コンポーネントの概略平面図及び側面図である。
【図４】図１の発光装置で用いる、更なるフォトルミネッセンス波長変換コンポーネントの概略平面図である。
【図５（ａ）】フォトルミネッセンス波長変換コンポーネントを製造する方法を示した概略図である。
【図５（ｂ）】フォトルミネッセンス波長変換コンポーネントを製造する方法を示した概略図である。
【図５（ｃ）】フォトルミネッセンス波長変換コンポーネントを製造する方法を示した概略図である。
【図５（ｄ）】フォトルミネッセンス波長変換コンポーネントを製造する方法を示した概略図である。
【図６】公知の発光装置の動作原理を示した概略図である。
【図７】図１の発光装置の動作原理を示した概略図である。
【図８】（ａ）本発明による発光装置及び（ｂ）図６の公知の発光装置の、波長に対する相対強度のグラフである。
【図９】図１の発光装置で用いる、本発明の更に別の実施形態によるフォトルミネッセンス波長変換コンポーネントの概略図である。
【図１０】図１の発光装置で用いる、本発明の更に別の実施形態によるフォトルミネッセンス波長変換コンポーネントの概略図である。
【図１１】本発明の更なる実施形態によるＬＥＤに基づく発光装置の概略図である。
【図１２】図１１の発光装置の動作原理を示した概略図である。
【図１３】図１１の発光装置で用いる、本発明の別の実施形態によるフォトルミネッセンス波長変換コンポーネントの概略図である。
【００２５】
発明の詳細な説明
本発明の実施形態は、典型的にはＬＥＤである、１つ以上の固体発光素子を含む発光装置を目的とし、この発光素子は、少なくとも２つの青色光励起可能な蛍光体材料を備えた、フォトルミネッセンス波長変換コンポーネントを励起するために使用される青色光を発生させるために、動作可能である。本発明者らが見いだした実質的に重なり合わない領域のパターンが、改善された量子効率及びＣＲＩをもたらすことができるように、蛍光体材料は、好ましくは、波長変換コンポーネントの表面に設けられる。１つの蛍光体材料によって発生し、もう１つの蛍光体材料に吸収されるより短い波長（より高エネルギー）の光の削減によって、改善された量子効率がもたらされると考えられる。本明細書の全体にわたって、同一の参照番号は、同一の部分を示すために使用される。
【００２６】
図１は、本発明の実施形態によるＬＥＤに基づく白色発光装置１０の概略図を示す。装置１０は、青色光を放出しているＬＥＤ１２及びＬＥＤに対して離れて配置されたフォトルミネッセンス波長変換コンポーネント１４を含む。示されるように、波長変換コンポーネント１４は、１つの面に少なくとも２つの蛍光体材料１８、２０のパターンを有している光透過性基板（窓）１６を含むことができる。光透過性窓１６は、例えばポリカーボネート、アクリル、シリコーン若しくはエポキシといったポリマー材料、又は、石英ガラスなどのガラスといった、任意の光透過性材料を含むことができる。典型的には、光透過性窓１６は平面、多くの場合円盤であるが、所期の用途に応じて、正方形、長方形又は他の形状とすることができる。光透過性窓１６が円盤状である場合には、直径は通常約１cmと約１５cmの間で、面積０．８cm2と１８０cm2の間の開口となり得る。代替的な実施形態では、光透過性窓１６が、例えば凸面、凹面又はフレネルレンズなどの、選択された方向に光を向ける光学コンポーネントを含むことが想定される。ＬＥＤ１２から波長変換コンポーネント１４までの熱伝達、特に蛍光体材料への熱伝達を減少させるために、波長変換コンポーネントは、好ましくは、ＬＥＤに対して離れて配置、つまり、物理的に少なくとも５mmの距離で隔てられる。典型的には、波長変換コンポーネントは、空隙によってＬＥＤから分離される。
【００２７】
青色ＬＥＤ１２は、波長帯３８０nmから４８０nm（典型的には４４０nmから４５０nm）でピーク波長λ１を有する青色光２２を発生させるために動作可能なＧａＮ系（窒化ガリウム系）ＬＥＤを含むことができる。青色ＬＥＤ１２は、波長変換コンポーネント１４を青色光２２で照射するように構成され、その結果、青色光のある割合が、蛍光体材料１８、２０によって吸収され、蛍光体材料が、これに応じて、通常は温白色発光装置用の赤色光及び黄色光である、それぞれ異なる波長λ２、λ３の光２４、２６を放出する。白色に見えるように構成される装置１０の放出製品２８は、ＬＥＤによって放出される組み合わされた光２２及び蛍光体材料１８、２０それぞれによって発生した光２４、２６を含む。
【００２８】
図１に示されるように、装置は、後方散乱した光を波長変換コンポーネント１４の方へ再方向付けするために、さらに、ＬＥＤ１２及び波長変換コンポーネント１４を取り囲む光反射チャンバ３０ことができる。波長変換コンポーネント１４によって後方散乱したＬＥＤ１２によって発生した光２２、及び、蛍光体材料によって発生した蛍光体によって発生した（フォトルミネッセンス）光２６、２８を方向付けるように、光反射チャンバは、構成される。
【００２９】
図２は、本発明の実施形態によるフォトルミネッセンス波長変換コンポーネント１４の概略平面図及び側面図を示す。この例示的な実施形態では、蛍光体材料１８、２０は、それぞれ幅ｗ１及びｗ２の一連の平行な重なり合わない交互の帯又は線を含むエリアのパターンとして構成される。それぞれの蛍光体材料の帯は、それぞれ厚さｔ１、ｔ２の蛍光体材料の均一な厚みの層を含む。蛍光体材料の厚みが蛍光体エリアによって発生する光の色を決定することはいうまでもない。典型的には、緑色光又は黄色光放出材料を含む蛍光体材料のエリア２０は、厚さｔ１の赤色光放出蛍光体材料を含む蛍光体材料のエリア１８より大きな厚みｔ２を有する。例示的な実施形態では、ｔ２は、ｔ１の約１．５倍である。示されるように、異なる蛍光体材料の帯は、幅ｗ３の狭い間隙３０で分離することができる。更に説明されるように、間隙３０は、印刷の間に生じる蛍光体エリアの重なりを防止する。間隙３０は、また、ＬＥＤによって発生した光２２のある割合の透過を可能にする。図２に示されるように、異なる蛍光体材料エリア間の間隙３０は、物理的な空間を含むことができるが、他の実施形態では、間隙が、いかなる蛍光体材料も含まない光透過性媒体などの領域を含むことができる。
【００３０】
温白色（ＣＣＴ≒３０００Ｋ）を発生させるための波長変換コンポーネント１４の例は、赤色光（λ２、ピーク波長≒６３０nm）放出窒化物系蛍光体材料１８及び黄色光（λ３、ピーク波長≒５５０nm）放出ＹＡＧ材料２０の交互の帯のパターンを有する直径２．５インチ（６４mm）の光透過性円盤を含む。典型的には、蛍光体材料エリアは、ｔ１≒６０μm及びｔ２≒１００μmの厚みを有する。光透過性バインダ（Star Technology U.V. cure acrylic adhesive UVA4103）に対する蛍光体材料の重量負荷は、赤色窒化物系及び黄色ＹＡＧ蛍光体材料それぞれで、約１．２：１及び約２．８：１である。温白色光を発生させるために、赤色及び黄色蛍光体材料が波長変換コンポーネントの表面積（開口）の≒４４％及び≒５６％をそれぞれ覆うように、パターンは構成される。青色２２及び蛍光体が発生させた光２４、２６の視覚的な混合を確実にし、均一色の放出製品２８を提供するために、帯は、できるだけ狭く、典型的には、約２mm未満の幅を有する。例えば、一実施形態では、蛍光体材料の帯のパターンは、ｗ１＝４３．５mil（１．１１mm）、ｗ２＝５５．５mil（１．４２mm）及びｗ３＝０．５mil（０．０１mm）の寸法である。
【００３１】
更に、代替的な実施形態では、蛍光体エリア（帯）が互いに隣接するように構成可能であることが想定される。
【００３２】
図３は、本発明の別の実施形態による波長変換コンポーネント１４の概略平面図及び側面図を示す。この例示的な実施形態では、蛍光体材料１８、２０は、幅ｗ及び長さがそれぞれｌ１、ｌ２の長方形エリアのアレイを含むパターンとして構成される。示されるように、長方形エリアは、幅ｗ３の狭い間隙３０によって分離することができる。異なる蛍光体材料エリアの面積Ａ１、Ａ２の比率、すなわちＡ１：Ａ２（ｌ１．ｗ：ｌ２．ｗ）によって、このようなコンポーネント１４により発生する放出製品２８の色が選択できるのはいうまでもない。更に、以前に説明したように、それぞれの蛍光体材料エリアによって発生する光の色は、エリアの厚みｔ１、ｔ２にも依存する。均一色の放出製品２８を確保するために、蛍光体材料エリアは、通常、少なくとも１つの寸法が約２mm未満となる（ｗ＜２mm及び／又は（ｌ１，ｌ２）＜２mm）。
【００３３】
図４は、本発明の更なる実施形態による波長変換コンポーネント１４の概略平面図である。この例示的な実施形態では、第２蛍光体材料２０が円形エリアの間に充填された、第１蛍光体材料１８の円形エリア又はドットの正方形アレイとして、蛍光体材料のパターンは構成される。示されるように、幅ｗ３の狭い間隙３０を、それぞれの円形の蛍光体エリア１８と取り囲んでいる蛍光体材料との間に設けることができる。ここでもまた、均一色の放出製品２８を確保するために、円形の蛍光体材料エリア１８は、典型的には、約２mm未満の直径φ及び約２mm未満の円形のエリア間の最大離隔距離ｓを有する。一つの配置では、蛍光体材料のドット１８が、直径φ＝７５mil（≒１．９mm）を有し、赤色蛍光体材料１８及び黄色蛍光体材料２０の面積割合が≒４４％及び≒５６％となるように構成される。
【００３４】
説明をした蛍光体材料の様々なパターンは例示的なだけであり、他のパターンが本発明の範囲内であることはいうまでもない。例えば、蛍光体材料のパターンは、円形、卵形、正方形、三角形、ひし形又は六角形の蛍光体エリアの、規則的又は不規則なパターンを含むことができる。
【００３５】
蛍光体材料１８、２０は粉末状で、Star TechnologyのU.V. curable acrylic adhesive UVA4103などのポリマー材料（例えば、熱又はＵ．Ｖ．硬化性シリコーン、アクリル又はエポキシ材料）、又は、例えばNazdarのU.V. curable litho clear overprint PSLC-294（登録商標）などのクリアインクといった、光透過性バインダ材料３２と、公知の割合で十分に混合される。蛍光体／バインダ混合物は、均一な厚さの１つ以上の層として、窓１６の面に適用される。好ましい実施形態では、混合物は、スクリーン印刷によって光透過性窓に適用され、層の厚さｔがスクリーンのメッシュサイズ及び印刷パスの回数によって制御される。図５（ａ）から図５（ｄ）は、波長変換コンポーネントを製造する方法の例を示した概略図である。図５（ａ）に示されるように、蛍光体エリア２０は、第１スクリーンを使用してスクリーン印刷される。スクリーンは変えられ、続いて、第２スクリーンを使用して、蛍光体エリア２０の間に、他の蛍光体エリア１８が印刷される（図５（ｂ））。続いて、第１スクリーンが使用され、最初のものを覆う蛍光体エリア２０の更なる層が印刷される（図５（ｃ））。最後に、第２スクリーンが使用され、最初のものを覆う蛍光体エリア１８の更なる層が印刷される（図５（ｄ））。蛍光体エリアの必要な厚みｔに応じて、印刷パスの回数が決定される。
【００３６】
当業者に公知であるように、蛍光体混合物は、インクジェット式、凸版、グラビア又はフレキソ印刷などの他の印刷方法を使用して適用することができ、同様に、他の堆積技術を使用することができる。
【００３７】
蛍光体材料は、例えば、一般組成Ａ３Ｓｉ（Ｏ，Ｄ）５又はＡ２Ｓｉ（Ｏ，Ｄ）４のケイ酸塩系蛍光体のような無機又は有機蛍光体（Ｓｉがシリコン、Ｏが酸素であり、Ａがストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、マグネシウム（Ｍｇ）又はカルシウム（Ｃａ）を含み、そして、Ｄが塩素（Ｃｌ）、フッ素（Ｆ）、窒素（Ｎ）又は硫黄（Ｓ）を含む）を、含むことができる。ケイ酸塩系蛍光体の例は、米国特許の（Intematix Corp.に与えられた）US 7,575,697「Europium activated silicate-based green phosphor」、（Intematix Corp.に与えられた）US 7,601,276「Two phase silicate-based yellow phosphor」、（Intematix Corp.に与えられた）US 7,601,276「Silicate-based orange phosphor」及び（Intematix Corp.に与えられた）US 7,311,858「Silicate-based yellow-green phosphor」に開示される。蛍光体はまた、同一出願人による同時係属中の特許出願US2006/0158090「Aluminate-based green phosphor」及び（Intematix Corp.に与えられた）特許US 7,390,437「Aluminate-based blue phosphor」に教示されるようなアルミン酸塩系材料、同時係属中の出願US2008/0111472「Aluminum-silicate orange-red phosphor」に教示されるようなアルミニウム―ケイ酸塩蛍光体又は２００９年１２月７日に出願された、同一出願人による同時係属中の米国特許出願12/632,550に教示されるような窒化物系赤色蛍光体材料を、含むことができる。蛍光体材料は、本明細書中に説明された例に限定されることはなく、窒化物及び／又は硫酸塩蛍光体材料、オキシ窒化物並びにオキシ硫酸塩蛍光体、又は、ガーネット材料（ＹＡＧ）といった、任意の蛍光体材料を含み得ることはいうまでもない。
【００３８】
蛍光体材料は、粒度１０μmから２０μmで、典型的には１５μmのオーダの粒子を含む。蛍光体材料は、それらをパターン化するために用いられる被着法に応じて、大きさ２μmから６０μmの粒子を含むことができる。
【００３９】
本発明の装置の動作を説明する前に、図６を参照して、公知の発光装置の動作を説明する。図６は、波長変換コンポーネント１４が単一の層に２つの蛍光体材料１８、２０の混合物を含むＬＥＤベースの発光装置の概略図を示す。動作中、ＬＥＤ１２からの波長λ１の青色光２２は、蛍光体材料の粒子にぶつかるまで、光透過性バインダ３２によって透過される。平均で１０００のうち僅か１の光子と蛍光体材料粒子との相互作用が、吸収及びフォトルミネッセンス光の発生をもたらすと考えられる。大多数、９９．９％のオーダの光子と蛍光体粒子との相互作用は、光子の散乱をもたらす。散乱プロセスの等方性により、平均して、半分の散乱光子が、ＬＥＤの方向へ戻る。典型的には、総入射青色光の約１０％が、ＬＥＤの方向へ戻って、波長変換コンポーネントから散乱及び放出されることを、試験は示す。白色発光装置のために、典型的には、総入射青色光の約５％が窓から放出されて放出製品に寄与することができるように、蛍光体材料の量が選択される。入射光２２の大多数、約８５％が、蛍光体材料によって吸収され、フォトルミネッセンス光２４、２６として再放出されるように、装置は構成される。フォトルミネッセンスの等方性により、蛍光体材料によって発生する光２４、２６の約半分は、ＬＥＤの方向へ放出される。結果として、最大ですべての光の約４０％が、波長λ２、λ３の光２４、２６として放出可能で、放出製品２８に寄与するが、最大ですべての光の約４０％が、波長λ２、λ３の光２４、２６として、ＬＥＤの方向へ戻って、放出されることになる。典型的には、ＬＥＤへ向かって放出される光は、装置の全体的な効率を増加させるために、光反射チャンバ（図示せず）によって再方向付けされる。
【００４０】
ＬＥＤからより高いエネルギー（より短い波長）の光２２を吸収している蛍光体材料１８、２０によって発生した光フォトルミネッセンス光（つまり、黄色光２６（λ３）及び赤色光２４（λ２）への青色光２２（λ１）の変換）と同様に、より長い波長（λ２）を放出している蛍光体材料１８もまた、他の蛍光体材料２０により発生するより高いエネルギー（より短い波長）の光（λ３）を吸収することによって励起可能であることを、本発明者らは認識した。この蛍光体間の吸収は、赤色光２４に変換された黄色光２６の割合３４（λ３→λ２）に結びつく。フォトルミネッセンスプロセスが常にエネルギー喪失（ストークス喪失）をもたらすので、この更なる波長変換はエネルギー喪失及び量子効率の減少をもたらす。
【００４１】
図１の装置の動作を示した概略図である図７を参照して、本発明による発光装置１０の動作を、ここで説明する。本発明の装置の動作は、図６の動作と類似しているが、２つの蛍光体材料１８、２０のそれぞれのエリアへの物理的な分離のため、すぐ近くに隣接した蛍光体材料エリアの間での蛍光体間の吸収を事実上排除する。しかしながら、上記で説明したように、蛍光体が発生させた光２４、２６の約半分は蛍光体波長変換コンポーネント１４からＬＥＤ１２の方向へ放出されて、続いて、光反射チャンバ３０によって波長変換コンポーネント１４の方へ戻るように再方向付けされる。平均して、約半分（実際の割合は蛍光体エリアの面積比率Ａ１：Ａ２に関連する）の蛍光体が発生させたより高いエネルギー（より短い波長）の光２４が、光反射チャンバ３０によって反射された後に、より長い波長（より低いエネルギー）の蛍光体材料２０を収容している蛍光体材料エリアに入射し、蛍光体間の吸収を引き起こす可能性がある。しかしながら、蛍光体材料をそれぞれのエリアにパターン化することによって、図６の公知の装置と比較して、蛍光体間の吸収の可能性を約半分に減少させたことが認識される。
【００４２】
図８は、（ａ）蛍光体材料のパターンを備えた本発明による発光装置及び（ｂ）同じ蛍光体材料の混合物を備えた発光装置で測定された放出スペクトル（強度対波長）３８、４０を示す。両方の装置は、ターゲット色Ｃ.Ｉ.Ｅ.（０．４３７、０．４０４）を有する温白色光（ＣＣＴ≒３０００Ｋ）を発生させるように設計される。波長変換コンポーネントは、蛍光体材料が１つの面に設けられた直径２．５インチのポリカーボネート円盤（２０milのLexan（登録商標）8010）を含む。本発明の装置のために、蛍光体材料は、赤色蛍光体材料の重量比率２１．５％に対して黄色蛍光体材料の重量比率７８．５％と対応した、ｗ１＝４３．５mil（１．１１mm）、ｗ２＝５５．５mil（１．４２mm）及びｗ３＝０．５mil（０．０１mm）の寸法の、交互の帯（図２）のパターンを含む。比較すると、蛍光体材料の混合物を含む装置では、赤色蛍光体材料の重量比率１２．２％に対して黄色蛍光体材料の重量比率８７．８％で、蛍光体材料が混合され、蛍光体材料混合物がポリカーボネート円盤にスクリーン印刷される。
【００４３】
図８のスペクトルから見てとれるように、本発明によって蛍光体材料をパターン化することは、黄色蛍光体材料のより低い割合（８７．５％の代わりに７８．５％）で、同じ色の放出製品を実質的に発生させる。これは、蛍光体材料を分離することで、赤色蛍光体材料によって吸収される黄色光の割合を減少させるという考えと一致している。所与の色放出製品のために、本発明により蛍光体材料をパターン化することが、ＣＲＩ（演色評価数）を増加させることができるということを、本発明者らは、更に発見した−表１。更に、本発明による装置及び波長変換コンポーネントは、より高い発光効率を示す。
【００４４】
【表１】
2013538011.tif 000003
【００４５】
ＬＥＤに対して離れて蛍光体材料を配置することは、多くの利益、すなわち蛍光体材料の熱劣化の低減を提供する。加えて、蛍光体材料がＬＥＤダイの光放出面に直接接触して設けられる装置と比較して、蛍光体材料を離れて提供することは、ＬＥＤダイによる後方散乱された光の吸収を減少させる。その上、蛍光体材料を離れて配置することは、典型的には少なくとも１桁小さいオーダの面積を有するＬＥＤダイの光放出面に蛍光体を直接適用することと比較して、蛍光体材料をより大きい面積に設けることができるので、より一貫した色及び／又はＣＣＴの光を発生させることを可能にする。
【００４６】
図９に示されるように、更なる光透過性波長変換コンポーネントでは、光透過性基板１６と蛍光体材料１８、２０の層の間に配置された波長選択式の反射フィルタ４２を備えることが想定される。反射フィルタ４２は、例えば蛍光体材料１８、２０によって発生した少なくとも波長λ２、λ３の光を含む光を反射するが、ＬＥＤ１２によって発生した波長λ１の光の透過を可能する反射波長帯を有するように構成されたダイクロイックミラー又はグレーティングミラーのような、多層フィルタ構造を含むことができる。すぐ近くに隣接した蛍光体材料エリアの間での蛍光体間の吸収を排除するために、蛍光体領域間の間隙３０は、光反射又は光遮断材料４４によって充填することができる。動作中、反射フィルタ４２は、ＬＥＤへ向かう方向への波長変換コンポーネントからの蛍光体に変換された光２４、２６の放出を防止する。その結果、蛍光体に変換された光が光を最初に発生させた蛍光体材料エリアに反射されて戻るので、蛍光体間の吸収が実質的に排除される。更に、蛍光体材料エリア間の光反射又は光遮断領域４４が、近隣の蛍光体材料エリアとすぐ近くに隣接した蛍光体材料エリアの領域で生じている蛍光体間の吸収を排除できることはいうまでもない。一つの実施例では、材料４４は、スクリーン印刷可能なインク、例えば光反射インクを含むことができ、このインクは、蛍光体材料エリアの印刷過程の一部として印刷することができる。代替として、それは、それぞれの蛍光体材料を受けるための凹部を画定するために使用可能な、光反射金属を含むことができる。
【００４７】
図１０は、それぞれの蛍光体材料エリア１８、２０がそれぞれの波長選択式反射フィルタ領域４２ａ、４２ｂを覆った、更なる光透過性波長変換コンポーネント１４を示す。この実施形態では、ＬＥＤ１２によって発生する波長λ１の光の透過を可能にするが、蛍光体材料１８によって発生する少なくとも波長λ２の光を反射する反射波長帯を有するように、光反射フィルタエリア４２ａは構成される。反対に、ＬＥＤ１２によって発生する波長λ１の光の透過を可能にするが、蛍光体材料２０によって発生する少なくとも波長λ３の光を反射する反射特性を有するように、光反射フィルタエリア４２ｂは構成される。それぞれの反射フィルタ４２ａ、４２ｂを各々の蛍光体材料エリアに提供する利点は、各々のフィルタが、フィルタの製造を容易にする、より狭い反射波長帯を有することができるということである。
【００４８】
図１１は、本発明の更なる実施形態によるＬＥＤに基づく白色発光装置１０の概略図を示す。この実施形態では、波長変換コンポーネント１４は、光反射型で、蛍光体材料１８、２０のパターンが適用された光反射面４６を含む。示されるように、光反射面４６は放物面を含むことができるが、平面、凸面及び凹面といった任意の面を含むことができる。装置からの光放出を最大にするために、光反射面は、できる限り反射性があり、好ましくは、少なくとも０．９の反射率を有する。光反射面は、銀、アルミニウム、クロムなどの、研摩された金属面、光反射ポリマー、光反射紙又は光反射塗料を含むことができる。放熱を助けるために、光反射面は、好ましくは熱伝導性である。
【００４９】
図１１の発光装置の動作は、図１２に示されるが、図７の装置と類似しているため、詳細には説明しない。しかしながら、平均して最大で半分のＬＥＤ光が、蛍光体変換層を２回通過することになるので、光透過性波長変換コンポーネント（図１）の配置と比較して、蛍光体変換層１８、２０の厚みが最大で半分、すなわちｔ／２となり得ることが認識されるべきである。光反射面上に蛍光体材料を設けることの結果として、潜在的に最大で５０％の蛍光体材料の使用量の削減とともに、放出製品の同じ色を達成できる。
【００５０】
図１３は、本発明による更なる光反射型波長変換コンポーネントの概略図である。すぐ近くに隣接した蛍光体材料エリアの間での蛍光体間の吸収を排除するために、蛍光体領域間の間隙３０は、光透過又は光遮断材料４４で充填される。
【００５１】
本発明による発光装置は、説明された例示的な実施形態に限定されず、本発明の範囲内で変形形態を製作できることはいうまでもない。例えば、ＬＥＤに基づく発光装置に関連して本発明を説明したが、本発明は固体レーザー及びレーザーダイオードを含む他の固体発光素子に基づく装置にも適用する。
【図１】
2013538011.tif 000004
【図２】
2013538011.tif 000005
【図３】
2013538011.tif 000006
【図４】
2013538011.tif 000007
【図５（ａ）】
2013538011.tif 000008
【図５（ｂ）】
2013538011.tif 000009
【図５（ｃ）】
2013538011.tif 000010
【図５（ｄ）】
2013538011.tif 000011
【図６】
2013538011.tif 000012
【図７】
2013538011.tif 000013
【図８】
2013538011.tif 000014
【図９】
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【図１０】
2013538011.tif 000016
【図１１】
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【図１２】
2013538011.tif 000018
【図１３】
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【国際調査報告】
2013538011.tif 000020