(57)【要約】  第１のピーク波長を有する第１の光を発することができる発光ダイオードが、提供される。前記発光ダイオードは、前記発光ダイオード上に蛍光体層を備えており、前記蛍光体層は、前記第１の光を吸収して、第２のピーク波長を有する第２の光を発することができる。前記蛍光体層は、前記第１のピーク波長を有する光が、前記蛍光体層により吸収されることなく、前記孔を通って出ることを可能にするように位置決めされている孔のパターンを含んでおり、前記孔は、前記第１のピークの波長を有する光が、前記第２のピーク波長を有する光よりも多く、前記孔の領域において前記蛍光体を出るのを容易にするように配されている。
2013504867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のピーク波長を有する少なくとも１つの第１の光を発する発光ダイオードと、
前記発光ダイオードの上にある蛍光体層であって、前記第１の光を吸収し第２のピーク波長の光を発する少なくとも１つの第２の光を発することができる蛍光体層と、
を有する装置であって、
前記蛍光体層は、前記第１のピーク波長を有する光が、前記蛍光体層により吸収されることなく孔を通って出ることを可能にするように位置決めされている前記孔のパターンを含んでおり、
前記孔は、前記第１のピーク波長を有する光が、前記第２のピーク波長を有する光よりもより多く前記孔の領域において前記蛍光体を出ることを容易にするように位置決めされている、
装置。
【請求項２】
前記蛍光体がエポキシ内で結合される蛍光体粉体を有している、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記蛍光体がスラリー内のシリコンと組み合わされる蛍光体粉体を有する、請求項１に記載の前記装置。
【請求項４】
前記蛍光体が、前記ＬＥＤに静的に結合されている蛍光体粒子を含んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記蛍光体が蛍光体セラミック板である、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記孔が、レーザーを使用して生成される、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記孔が穿孔により生成される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記孔が成形の間に生成される、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記パターンは、前記ＬＥＤの中央よりも、前記ＬＥＤの側部に沿って孔を多く含んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記蛍光体は、前記ＬＥＤの中央において、より厚く、前記パターンは、前記ＬＥＤの側部に沿ってよりも前記ＬＥＤの中央に多くの孔を含んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記孔が、特定の地域において、望まれる第１の光の量に依存して変化される直径を含んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記孔の戦略的な配置が分光光度計の結果により決定される、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記孔の戦略的な配置が、色彩計の結果により決定される、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記孔の戦略的な配置が前記光出力の写真により決定される、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
第１のピーク波長を有する少なくとも１つの第１の光を発することができる発光ダイオードと、
前記発光ダイオード上にある蛍光体層であって、前記第１の光を吸収して、第２のピーク波長を有する少なくとも１つの光を発することができる蛍光体層と、
を有する装置であって、
前記蛍光体層は、前記第１のピーク波長を有する前記第１の光が前記蛍光体層により吸収されることなく前記孔を通って出ることを可能にするための孔のパターンを含んでおり、
前記孔は、直径を有しており、前記直径及び前記孔の配置は、前記孔を通って前記蛍光体を出る第１のピーク波長を有する前記第１の光の量を増大させるように、配され大きさを変更される、
装置。
【請求項１６】
発光ダイオードから発される光の色を分析するステップであって、ｉ）第１のピーク波長を有する前記発光ダイオードからの第１の光を吸収し、ｉｉ）第２のピーク波長を有する少なくとも１つの第２の光を発することができる蛍光体を含んでいる、ステップと、
この分析のステップから、少なくとも一部の前記蛍光体にわたって前記蛍光体を出る第１の光及び第２の光の量を計算するステップと、
第１の波長を有する前記第１の光が、前記蛍光体により吸収される代わりに孔を通過することを可能にすることによって、前記蛍光体を出る第１の波長を有する前記第１の光の量を増大させるように前記蛍光体内に孔を配するステップと、
を有する方法。
【請求項１７】
前記孔は、前記計算のステップの結果に依存して変化する直径を有している、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記分析のステップが、前記発光ダイオード全体の前記光出力を測定するために分光光度計を使用するステップを含んでいる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記分析のステップが、前記発光ダイオード全体の光のｘｙｚ座標を測定するために色彩計を使用するステップを含んでいる、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、より詳細には、白色光を生成するために、ＬＥＤにより発される一次光を１つ以上の他の周波数の光に変換するために蛍光体を利用している蛍光体変換ＬＥＤ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
青色又は紫外（紫外線）光を発する効率的なＬＥＤの発展により、前記ＬＥＤの一次放出の一部をより長い波長へ蛍光体変換することによって、白色光を生成するＬＥＤを製造することが、可能になっている。前記ＬＥＤの一次放出のより長い波長への変換は、一般に、一次放出の下方変換と称される。前記一次放出の変換されない部分は、前記より長い波長の光と組み合わさり、白色光を生成する。白色光を生成するＬＥＤは、シグナリング及び／又はより他の照明目的のために便利である。参照によって本願明細書に組み込まれたものとする米国特許第７，１８３，５７７号は、蛍光体変換ＬＥＤの例を記載している。
【０００３】
ＬＥＤに蛍光体を設けるための多くの異なる仕方が存在し、これに限定されるわけではないが、ＬＥＤが設けられているリフレクタカップを充填するために使用されるエポキシ内への蛍光体を配置を含む。前記蛍光体は、前記エポキシを硬化させる前に前記エポキシと混合される粉体の形態である。この蛍光体粉体を含んでいる未硬化エポキシスラリーは、次いで、前記ＬＥＤ上に堆積し、この後、硬化する。同様に、前記蛍光体粉体は、スラリーを生成するためにシリコンと組み合わされることができ、前記スラリーは、前記ＬＥＤ上に蛍光体層を生成するために使用される。前記ＬＥＤが帯電されると共に前記蛍光体粉体が静的に前記ＬＥＤに付着する静的な帯電方法も、存在する。ＬＥＤに蛍光体を設けるための更に最近の仕方は、前記ＬＥＤに付着するセラミック蛍光体板を使用することである。このように蛍光体を設けることの全てにおいて、前記蛍光体中の粒子は、前記蛍光体を保持している媒体全体にわたって、典型的にはランダムに配向されて散在している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
青色ＬＥＤと共に使用するための普及している蛍光体は、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体（約２％のセリウムをドープされている、イットリウム、アルミニウム、ガーネット）である。この例の多くにおいてＹＡＧ型の蛍光体を参照するが、本願における如何なるものも、ＹＡＧ型の蛍光体の使用に限定されるものではないことが理解される。ＹＡＧは、単位立方体あたりに８つの原子を有する立方結晶の形態をとっている。１つの原子は、イットリウム原子である。ＹＡＧは、セリウムをドープされており（即ち２％）、これは、イットリウムの２％がセリウムと置換されていることを意味する。セリウムの特性は、青色のフォトンを吸収することにある。ＬＥＤにより発される青色のフォトンは、セリウム原子に当たった場合、セリウム原子の電子をより高い電子軌道に押し込む。前記電子が落ちて戻るので、セリウム原子は、典型的には黄緑色の波長のフォトンを発する。ＬＥＤから発される青色光と蛍光体から発される黄緑色光との組み合わせは、白色光を生成する。
【０００５】
何らかの媒体全体にわたる前記蛍光体粒子のランダムな散在は、前記ＬＥＤから発される青色光の一部は蛍光体粒子に当たり、一部は当たらないことを意味する。この結果として、一部の変換されていない青色光は、一部の変換された一部の黄緑色光と一緒に前記蛍光体から発される。前記青色光及び黄緑色光の組み合わせは、白色光を生成する。前記蛍光体の不均一さのため、このことは、前記蛍光体層内部で長い距離を進行する青色光の光線が、より短い経路を有する光の波よりも多く変換される傾向にあることを意味する。従って、変換された光に対する青色光の割合を制御することは、困難であり、前記変換された光は、不均一であると共に、典型的には、中央（前記蛍光体を通る平均自由行程が典型的には短い）においてかなり青色を有するＬＥＤ光出力をもたらす。このことは、結果として、前記エッジ（前記平均自由行程が長い）におけるかなりの黄色光をもたらす。
【０００６】
従って、これらの問題及び不利な点を克服する蛍光体変換ＬＥＤに対する要求が、存在する。
【０００７】
本発明は、従来技術のＬＥＤの有利な点を保持すると共に、現在利用可能なＬＥＤにおいては見出されない新しい有利な点を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、照射を前記蛍光体に制限することによって、前記ＬＥＤからの光の選択された波長の出力を最大化する。このことは、より多くの光が前記蛍光体に当たらないと共に前記蛍光体との衝突から生じる光が少ないことが望まれる領域において、前記蛍光体に孔を設けることにより実施される。従って、前記孔は、光の所望の波長の放出を容易にする所望のパターンにおいて、蛍光体内に配される。
【０００９】
本発明の好ましい実施例によれば、均一の白色光を発することができる発光ダイオードが、青色光が、黄緑色光が多過ぎる領域において、変換されずに出ることを可能にするために、前記蛍光体に孔を付加することによって、作られる。
【００１０】
本発明の他の好ましい実施例において、前記孔は、角度をつけられ、前記ＬＥＤの放射の調整を可能にする。このようにして、前記青色光の平均自由行程が長い領域において、前記青色光の一部は、これらの領域における黄緑色光の量を減少させる孔を通って自由に出ることができる。
【００１１】
本発明の更なる好ましい実施例において、前記孔の直径は、より多くの青色光が出るのを可能にするために変化される。
【００１２】
本発明の好ましい実施例の他の見地において、前記ＬＥＤから発される光は、孔の配置がＬＥＤの良好な全体的に知覚される色を提供する領域を決定するために、分析される。これは、写真を撮ることによって、又は分光光度計又は波長を測定する若しくは色を決定する何らかの他の手段を使用することによって、視覚的になされることができる。
【００１３】
前記好ましい実施例の孔の配置は、レーザーを使用して、成形によって、又は穿孔等によって、実施化されることができる。
【００１４】
従って、本発明の目的は、好ましい波長の光の出口を可能にするために前記蛍光体内に配される孔のパターンを有するＬＥＤを提供することにある。
【００１５】
本発明の他の目的は、好ましい波長の光の出口を可能にするために可変的な幅の孔を有するＬＥＤを提供することにある。
【００１６】
本発明の他の目的は、光の平均自由行程が典型的には最も長いＬＥＤのエッジにおける孔の量を増大させることによって、改良された白色ＬＥＤを提供することにある。
【００１７】
本発明の別の目的は、ＬＥＤの様々な構造に関する孔のパターンを提供することにある。
【００１８】
本発明の他の目的は、前記ＬＥＤの現在の光出力を検出し、前記蛍光体の衝突から生じる光の波長が多過ぎる領域において、前記蛍光体内に孔を配する方法を提供することにある。
【００１９】
他の目的及び有利な点は、本願の明細書、添付の図面及び添付の請求項から明らかになるであろう。
【００２０】
本発明のより完全な理解のために、以下の図面が参照される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】青色及び黄緑色光の光線が蛍光体粒子とのランダムな衝突により発されている、従来技術によるＬＥＤを示している。
【図２】前記蛍光体から出る更なる変換されていない青色光を有することが望ましい領域に孔が付加されているＬＥＤを示している。
【図３】ドーム形の蛍光体媒体を通る孔の付加による他のＬＥＤを示している。
【図４】ＬＥＤ構造の上面図を示している。
【図５】孔のパターンの一例を示している。
【図６】中央における（孔が少ない）過剰な青色と前記エッジにおける（孔が多い）過剰な黄緑色とを補償する孔のパターンの他の例を示している。
【図７】ＬＥＤアセンブリの明確なカプセル化レンズ内に含まれている本発明の実施例によるＬＥＤを示している。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、従来技術による蛍光体コーティングされているＬＥＤ１の斜視図である。このＬＥＤにおいて、基板は、１０として示されている。ＬＥＤ２は、典型的には基板１０（好ましくは、サファイアである）上で成長する又は基板１０上に配されるが、他の材料が、発光ダイオード２を作るために使用されることができ、本発明は、本願の明細書に記載されている材料に限定されるものではない。ＬＥＤ２は、例えば、２つのｎＧａＮ層、ＧａＩｎＮ層、ｐＡｌＧａＮ層及びｐＧａＮ層から成ることができる。本発明の譲受人に譲渡されている米国特許第７、１８３、５７７号は、ＬＥＤ構造を記載しており、これは、当業者に知られている。本発明のＬＥＤは、何らかの特定の種類又は構造に限定されないことに留意されたい。当業者であれば、様々な既知のＬＥＤが本発明と一緒に使用するのに適していることを理解するであろう。本発明を記載するために、当該ＬＥＤは、添付の図面において構造２として示されている。
【００２３】
蛍光体層３が、ＬＥＤ２上に設けられている。前記蛍光体粉体は、好ましくは、セリウムをドープされたイットリウム―アルミニウム―ガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅとも称される）である。当業者であれば、本発明が、何らかの特定の種類の蛍光体の使用に限定されるものではないことも理解するであろう。当業者であれば、このために適した他の種類の蛍光体が存在することを理解するであろう。
【００２４】
動作の間、発光構造２は、蛍光体のドーパントを励起することなく蛍光体３を通過する場合に発される一次の青色の変換されていない放射４を生成する。発光構造３は、一次の青色放射が前記ドーパントにより吸収される場合に形成される黄緑色放射５も生成し、前記ドーパント内の電子のエネルギレベルを上げ、この後、黄緑色光を発するように落ちさせる。前記蛍光体内のドーパントの全体量は、このドーパントの濃度によって、及び前記蛍光体の厚さによって決定される。前記蛍光体内のドーパントの空間分布は、幾らかの精度によって、制御されることができる。このために使用される技術は、当業者によく知られている。当業者であれば、前記蛍光体内の発光しているドーパントの量と前記ドーパントの空間分布とが、幾らか制御されることができるという態様も理解するであろう。
【００２５】
前記一次光が、２つ以上の波長を有しても良い光であることに留意する。同様に、前記一次光による励起に応じて発される光は、２つ以上の波長の光を含み得る。例えば、蛍光体３により発された青色光は、スペクトル帯域を形成している複数の波長に対応し得る。このスペクトル帯域における波長は、変換されていない一次光と組み合わさり、白色光を生成することができる。従って、個々の波長が、本発明の概念を説明するためのために本願明細書において、議論されているが、本願明細書において、議論されている励起は、結果として、発される複数の波長（又はスペクトル帯域）をもたらすことができると理解されるであろう。この場合、前記スペクトル帯域の波長は、白色光を生成すように組み合わされることができる。従って、「スペクトルバンド」なる語は、少なくとも１つの波長の帯域と、潜在的に多くの波長の帯域とを意味するものであり、「波長」なる語は、スペクトル帯域のピークの輝度の波長を意味するものであり。
【００２６】
図１から分かるように、光線４及び５がとる経路は、セリウム原子に当たる光線の可能性を増大させるか又は減少させるかのいずれかである。前記蛍光体の典型的な厚さは、５０ミクロン―２５０ミクロンのオーダにある。前記光が通過しなければならない蛍光体の厚さが大きいほど、結果として、前記光がセリウム原子に当たる可能性は高くなる。光線５から分かるように、光線５は、ＬＥＤ２から角度を有して指向される。ＬＥＤ２からの光線の始まりと、破線１１により示されている蛍光体３からの光線の射出との間の距離は、光線４が蛍光体３を出る前に進行しなければならない距離よりも大きい。従って、光線４は青色光線であり、光線５が黄緑色光線であるという傾向にある。この構造の結果は、典型的には、前記ＬＥＤに対して垂直に進行する光線が青色光線である傾向であり、或る角度において、進行する光線が黄緑色光線である傾向にあることである。このことは、結果として、当該光の中央において、より青色、前記エッジにおいて、より黄緑色の色合いを有するＬＥＤをもたらす。
【００２７】
図２は、本発明の好ましい実施例を示している。図２において、孔６が、蛍光体３内に作られている。これらの孔６によって、より青色光が前記蛍光体の原子に当たらずに射出することが可能になる。これらの孔は、過剰な黄緑色光の生成があまり最適でない白色の出力をもたらす前記蛍光体内の如何なる場所にも位置されることができる。これらの孔６は、レーザーアブレーション、穿孔、成形等のような、様々な方法によって、なされることができる。孔６の適正量とこれらの関連するパターンとは、予め計算される、又はカラーメーター若しくは分光光度計のような、モニタリングシステムによって、その場でなされることができる。
【００２８】
本発明の好ましい実施例において、当該孔の位置決め及び直径は、おそらく、様々な角における前記ＬＥＤの色の変化の分析の後に実施されることができる。様々な角からＬＥＤを見た場合、目には、異なる色が見えることがあり、例えば、前記ＬＥＤに対して垂直に見た場合には、目には青色が見え、前記ＬＥＤのエッジに沿って見た場合には、目には黄色が見え得る。戦略的な孔の配置を決定するために使用されることができる１つの方法は、過剰な黄緑色光がある場所を決定するために、ＬＥＤを単に壁に対して点灯させ、これについての何らかの種類の写真をとることである。典型的には、目は、中央及び側部における青色を見るであろう。他の方法は、分光光度計に取り付けられたゴニオメータを使用することである。前記分光光度計は、前記ＬＥＤ上を移動され、前記ＬＥＤから発されるフォトンを測定し、前記フォトンの波長に対する輝度の測定値を与える。これらの測定値は、孔の配置を決定するために使用されることができる。代替的な方法は、異なる色のｘｙｚ座標を測定するための色彩計を使用することである。色彩計装置は、当該光を赤色、緑色及び青色に分け、どのような組み合わせの色が或る領域に発されているかを決定するために前記赤色、緑色及び青色の比を見る。ひとたび、これらの測定値が得られると、孔の適当な配置又は直径が決定されることができる。
【００２９】
図３は、中央でより厚い蛍光体層３を有するＬＥＤ構造を示している。この図から分かるように、ＬＥＤ２に対して垂直に直接的に進行する光線は、ＬＥＤ２に対して角度を有して進行する光よりも、進行するべき距離が長くあり得る。このような場合、より多くの孔６が、セリウム原子への衝突の高い確率を補償するために前記ＬＥＤの中央に向かって必要とされ得る。前記蛍光体の孔を戦略的に配置することによって、前記光の色は、必要とされている正確な位置において、改善されることができる。前記孔の大きさは、或る領域において蛍光体を通る変換されていない光がより多い又はより少ないことを可能にするために変化されることができることにも留意するべきである。
【００３０】
図４は、本発明の一実施例によるＬＥＤの構造の上面図を示している。この実施例において、孔は、より多くの青色光が前記中央を通るのを可能にするために、前記蛍光体の中央においてＬＥＤにわたるマトリックスの形式で配されている。前記蛍光体の側部では、孔は少なく、前記蛍光体が前記中央において厚いという事実に起因し得る。
【００３１】
図５は、ＬＥＤ構造の上面図において孔の他のパターンを示している。このパターンは、前記蛍光体の前記中央から必要とされる青色光は多く、前記側部沿い必要とされり青色光は少ないという状況を解決するためのものである。
【００３２】
図６は、ＬＥＤ構造の上面図において孔の他のパターンを示している。このパターンにおいて、前記蛍光体の前記中央から必要とされる青色光は少なく、前記蛍光体の側部において必要とされる青色光は多い。これは、典型的には、前記側部におけるよりも前記中央において厚い蛍光体よりもむしろ、前記蛍光体が薄膜形状をとっている状況において、使用される。
【００３３】
図７は、透明レンズ７内にカプセル化されている記本発明の好ましい実施例を示している。
【００３４】
本発明は特定の実施例を参照して記載されたが、当業者であれば、本発明がこれらの実施例に限定されるものではないことを理解するであろう。当業者であれば、上述の実施例に対する様々な変形が、本発明の範囲内でなされることができることを理解するであろう。上述のように、本発明は、ＬＥＤ装置において使用されている材料に限定されるものではない。当業者であれば、本明細書において、明白に述べられていない限り、本発明が、前記ＬＥＤ装置の層又は構成要素が形成される順序に関して制限されないことも理解するであろう。当業者であれば、前記蛍光体の幾何学的配置又はコンフィギュレーションは、何らかの特定の配置に限定されるものではないことも理解するであろう。
【００３５】
例えば、上述の態様における単一の蛍光体の使用以外にも、むしろ、自身に当たる青色又は紫外の一次放射に応じて異なる色の光を各々発する複数の蛍光体の薄膜セグメントが、共通の表面上に堆積されることもできる。例えば、薄い薄膜セグメントの異なるコンフィギュレーションは、例えば、市松模様の形態における前記蛍光体上に配されることができる。各セグメントから発されている光の色に依存して、孔の配置は、各セグメントに対して異なり得る。当業者であれば、蛍光体層及びセグメントの様々な他のコンフィギュレーションが、どのように前記光の色を最適化するために戦略的な孔の配置を有するＬＥＤに組み込まれることができることを理解するであろう。
【００３６】
更に、白色光が本発明のＬＥＤ装置により生成される必要はないことにも留意されたい。当業者であれば、他の色の光を生成するＬＥＤ装置を得るために、蛍光体が本発明の原理によって製造され利用される態様を理解するであろう。例えば、当業者であれば、本明細書に与えられている記述を見て、前記青色又は紫外線の一次放出を全体的に吸収することによって、緑色の光を生成する蛍光体をどのように得ることができるかを理解するであろう。
【００３７】
当業者であれば、示された実施例に対する様々な変化及び変形が、本発明の精神を逸脱することなく、なされることが分かるであろう。このような全ての変更及び変形は、添付の請求項によって、守られるものである。
【図１】
2013504867.tif 000003
【図２】
2013504867.tif 000004
【図３】
2013504867.tif 000005
【図４】
2013504867.tif 000006
【図５】
2013504867.tif 000007
【図６】
2013504867.tif 000008
【図７】
2013504867.tif 000009
【国際調査報告】
2013504867.tif 000010
2013504867.tif 000011
2013504867.tif 000012