(57)【要約】  本発明は、第１面と、該第１面の反対側の第２面とを備え、屈折率n1を持つ基板層を有するLEDであり、前記第１面上に発光手段が設けられ、前記第２面上に粒子のアレイが配設されるLEDであって、前記第２面上の前記粒子間の屈折率整合手段が、n2≧n1-0.5且つn2≦n1+3である屈折率n2を持ち、前記屈折率整合手段の充填高さが、前記粒子のアレイの最大高さより低いことを特徴とするLEDに関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面と、該第１面の反対側の第２面とを備え、屈折率n1を持つ基板層を有するLEDであり、前記第１面上に発光手段が設けられ、前記第２面上に粒子のアレイが配設されるLEDであって、前記第２面上の屈折率整合手段が、n2≧n1-0.5且つn2≦n1+3である屈折率n2を持ち、前記屈折率整合手段の充填高さが、前記粒子のアレイの最大高さより低いことを特徴とするLED。
【請求項２】
前記屈折率整合手段の前記屈折率n2が、≧1.0且つ≦4である請求項１に記載のLED。
【請求項３】
前記粒子のアレイの体積充填率が、≧50%且つ≦90%であり、且つ／又は前記屈折率整合手段が、該屈折率整合手段の≧30%且つ≦100%が前記粒子のアレイの高さの≧20%且つ≦80%まで該粒子のアレイを埋めるようにして設けられる請求項１又は２に記載のLED。
【請求項４】
前記屈折率整合手段が、≧380nm乃至≦700nmの波長範囲において、≧0cm-1且つ≦1000cm-1の吸収作用を持つ請求項１乃至３のいずれか一項に記載のLED。
【請求項５】
前記屈折率整合手段が流体を有し、硬化前の前記流体の動粘度が、好ましくは≧300cSt乃至≦500cSt、より好ましくは≧350cSt乃至≦450cStであり、且つ／又は590nmにおける前記屈折率が、好ましくは≧1.40乃至≦1.74、より好ましくは≧1.51乃至≦1.63である請求項１乃至４のいずれか一項に記載のLED。
【請求項６】
前記屈折率整合手段が、（屈折率整合粒子とも呼ばれる）小さな粒子を有し、前記屈折率整合粒子の中位径が、≧1nm且つ≦50nmである請求項１乃至５のいずれか一項に記載のLED。
【請求項７】
前記屈折率整合手段が、好ましくは≧1.0且つ≦3.5の屈折率を備える、有機ポリマ、無機ポリマ、≧1.0且つ≦3.5の屈折率を備える無機材料、シリコーン、ガラス、若しくはその混合物を有するグループから選択される材料を備える粒子及び／又は流体を有する請求項１乃至６のいずれか一項に記載のLED。
【請求項８】
前記粒子のアレイが、前記粒子の≧70%乃至≦100%が前記基板上に一層アレイを形成するようにして設けられる請求項１乃至７のいずれか一項に記載のLED。
【請求項９】
前記粒子のアレイを形成する粒子が、≧50nm且つ≦1000μmである平均直径を持つ請求項１乃至８のいずれか一項に記載のLED。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載のLEDを有するシステムであって、以下のアプリケーション、即ち、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、照光表示システム、ピクセルで構成されたディスプレイシステム、セグメントに分けられた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、インジケータ標示システム、及び装飾用照明システムである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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、LEDの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日のLEDにおいては、通常、基板であって、該基板の（「第１面」とも呼ばれる）面上に発光手段が設けられる基板が供給される。この発光手段が、（例えば適当な金属イオンの蛍光発光により）光を発し、次いで、前記光は、基板を通過した後に放射される。
【０００３】
しかしながら、発光手段において発せられる光は、通常、方向づけられておらず、即ち、前記光は、様々な方向に発せられる。それ故、基板の、発光手段が配置される第１面の反対側に位置する（「第２面」とも呼ばれる）面における全反射のために或る程度の量の光が失われる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
それ故、本発明の目的は、表面の第２面における全反射のための光のロスが減らされるLEDを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は、第１面と、該第１面の反対側の第２面とを備え、屈折率n1を持つ基板層を有するLEDであり、前記第１面上に発光手段が設けられ、前記第２面上に粒子のアレイが配設されるLEDであって、前記第２面上の屈折率整合手段が、n2≧n1-0.5且つn2≦n1+3である屈折率n2を持ち、前記屈折率整合手段の充填高さ(filling height)が、前記粒子のアレイの最大高さより低いことを特徴とするLEDによって達成される。
【０００６】
前記屈折率整合手段及び前記粒子のアレイの相互作用のため、全反射によるロスの量は減らされる。本発明によるLEDを用いる幾つかのアプリケーションにおいては、光放射率が２０％高められ得る。
【０００７】
前記表面の前記第２面上の粒子の配列自体は、当業界では既知であり、例えば、国際特許出願公開公報第2003061028号から既知であることに注意されたい。
【０００８】
「前記屈折率整合手段の充填高さが、前記粒子のアレイの最大高さより低い」という表現は、詳細には、該屈折率整合手段によって完全には全粒子が被覆されず、且つ／又は囲まれないようにして、前記基板層上に該屈折率整合手段が積み重ねられる、又は充填されることを意味する。
【０００９】
好ましくは、前記屈折率n2は、n2≧n1-0.2且つn2≦n1+2.5であり、より好ましくはn2≧n1-0.2且つn2≦n1+2である。
【００１０】
本発明の好ましい実施例によれば、前記屈折率整合手段の前記屈折率n2は、≧1.0且つ≦4である。好ましくは、前記屈折率整合手段の前記屈折率n2は、≧1.3且つ≦3.7であり、最も好ましくは、前記屈折率整合手段の前記屈折率n2は、≧1.5且つ≦3.5である。
【００１１】
本発明の好ましい実施例によれば、前記屈折率整合手段は、該屈折率整合手段の≧90%且つ≦100%が、前記粒子のアレイの高さの≧20%且つ≦80%まで該粒子のアレイを埋めるようにして設けられる。
【００１２】
前記粒子のアレイは、前記屈折率整合手段で完全には埋められない方が好ましい。充填剤（即ち、屈折率整合手段）がない場合には、前記基板における全反射のためのロスがあるであろう。他方、前記粒子のアレイの全高まで前記屈折率整合手段が充填される場合には、該屈折率整合手段（空気界面）における全反射が光を発光層の方へ向け直すことから、粒子層からの適切な放射力がないであろう。
【００１３】
それ故、前記屈折率整合手段の≧30%且つ≦100%が、前記粒子のアレイの高さの≧20%且つ≦80%まで該粒子のアレイを埋めるのが好ましい。この文脈において、「前記粒子のアレイの高さの≧20%且つ≦80%まで前記屈折率整合手段を充填する、又は積み重ねる」という表現は、２つの隣接粒子間の各点において、該屈折率整合手段の高さが、この点における、前記基板と、隣接粒子の２つの頂部のラインとの距離の≧20%且つ≦80%であるというようにして理解されたい。
【００１４】
より好ましくは、前記屈折率整合手段の≧50%且つ≦100%、更により好ましくは≧70%且つ≦100%、最も好ましくは≧90%且つ≦100%が、前記粒子のアレイの高さの≧20%且つ≦80%まで該粒子のアレイを埋める。
【００１５】
好ましくは、前記屈折率整合手段の≧90%、より好ましくは≧95%、最も好ましくは≧99%且つ≦100%が、前記粒子のアレイの高さの≧20%且つ≦80%、より好ましくは≧25%且つ≦75%、最も好ましくは≧30%且つ≦60%まで該粒子アレイを埋める。
【００１６】
本発明の好ましい実施例によれば、前記粒子のアレイの体積充填率(volume filling)は≧50%且つ≦90%である。
【００１７】
本発明によれば、前記粒子のアレイの前記体積充填率は、以下の方法で測定される。
−  前記LEDの一箇所又は数箇所のいずれかにおいて、（例えば該LEDを割ることによって）該LEDの横断切断(cross sectional cut)がなされる。割られる縁端部の長さは、体積の近似のために表面積／ｓを用いるために、粒子の平均寸法の2000%以上であるのが好ましい。
−  前記基板層から最も遠い前記粒子の前記頂部が、ラインを形成するよう相互に接続される。
−  このラインと、前記基板層の上縁／上面との間の領域Aが計算される。
−  次いで、粒子及び／又は屈折率整合手段によって埋められる前記領域A内の部分領域PAが計算される。
【００１８】
その場合、前記粒子のアレイの前記体積充填率は、
【数１】
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である。
【００１９】
前記領域A及びPAの測定は、例えば、光学顕微鏡法又は任意の他の適当なイメージングシステムを介して行なわれ得る。他の例においては及び／又は更に、充填材及び粒子の体積測定量(volumetric amounts)を決定するのに、X線蛍光分析又はこの分野において当業者には既知の他の適当な方法が用いられ得る。
【００２０】
本願発明者は、非常に注意深く前記体積充填率及び前記光のロスを持つ問題を研究し、以下の結論に達した。
【００２１】
体積充填が全くない場合には、前記基板層の前記縁及び／又は上面における全反射のために大量の光が失われるであろう。前記基板のエスケープコーン(escape cone)の外への光は、基板と粒子との接触面でしか、粒子の散乱層に入ることは出来ない。しかしながら、前記体積充填率が高すぎる場合には、充填物の上縁における全反射が光を前記発光層の方へ向け直すことから、前記粒子層からの適切な放射力がないであろう。
【００２２】
それ故、前記粒子層の前記体積充填率は、≧50%且つ≦90%であるのが好ましい。より好ましくは、前記粒子層の前記体積充填率は、≧60%且つ≦85%であり、最も好ましくは≧70%且つ≦80%である。
【００２３】
本発明の好ましい実施例によれば、前記屈折率整合手段は、≧380乃至≦700nmの波長範囲において、≧0cm-1%且つ≦1000cm-1の吸収作用を持つ。こうすることによって、前記屈折率整合手段による更なるロスは制限される。前記屈折率整合手段は、好ましくは、≧380乃至≦700nmの波長範囲において、≧0cm-1且つ≦100cm-1の吸収作用を持ち、最も好ましくは、≧380乃至≦700nmの波長範囲において、≧0cm-1且つ≦1cm-1の吸収作用を持つ。
【００２４】
本発明の好ましい実施例によれば、前記屈折率整合手段は、流体を有する。好ましくは、前記流体は、少なくとも１つのシリコン材料を有する。更に、前記流体の硬化前の動粘度は、≧300cSt乃至≦500cStであるのが好ましく、より好ましくは≧350cSt乃至≦450cStである。590nmにおける前記屈折率が、≧1.40乃至≦1.74であるのも好ましく、より好ましくは≧1.51乃至≦1.63である。400nmと700nmとの間の吸収率は、好ましくは、≧0乃至≦0.1cm-1である。
【００２５】
前記屈折率整合手段又は該屈折率整合手段のうちの１つとして流体が用いられる場合には、該流体は、前記LEDの製造中に硬化されるのが好ましい。前記硬化は、好ましくは、60℃で１時間行なわれる。好ましくは、硬化後の(ASTM D-2240に従って検査される)前記流体のショア硬度は、≧30乃至≦40であり、より好ましくは≧33乃至≦37である。更に、前記硬化後の体積収縮は、≧0%乃至≦6%であるのが好ましく、より好ましくは、≧0%乃至≦4%である。
【００２６】
好ましくは、前記流体は、回転成形及び／又はドロップ成形(drop-casting)及び／又はドクターブレード(doctor blading)によって前記基板上に塗布される。これらの方法が最も適していることが分かった。好ましくは、前記流体は、塗布後、温度、露光又は化学反応によって硬化される。
【００２７】
本発明の好ましい実施例によれば、前記屈折率整合手段は、（屈折率整合粒子とも呼ばれる）小さな粒子を有し、それによって、前記屈折率整合粒子の直径は、≧1nm且つ≦50nmである。好ましくは、前記屈折率整合粒子の前記直径は、≧5nm且つ≦30nmであり、該屈折率整合粒子の最も好ましい直径は、≧10nm且つ≦20nmである。大きな粒子に対する前記屈折率整合粒子の（体積）比Rpは、好ましくは0.1≦Rp≦2の範囲内にあり、より好ましくは0.2≦Rp≦1.5の範囲内にあり、最も好ましくは0.3≦Rp≦1の範囲内にある。
【００２８】
本発明の別の好ましい実施例によれば、前記屈折率整合手段は、粒子及び流体を有する。幾つかのアプリケーションにおいては、これは、前記LEDの光放射率の著しい増大ももたらす。
【００２９】
本発明の好ましい実施例によれば、前記屈折率整合手段は、好ましくは≧1.0且つ≦3.5の屈折率を備える、有機ポリマ、無機ポリマ、好ましくは≧1.0且つ≦3.5の屈折率を備える（金属の酸化物及び／若しくはフッ化物及び／若しくは燐酸塩及び／若しくは窒化物及び／若しくはケイ酸塩）から選択される無機材料、エポキシ、ポリマ、シリコーン、ガラス、若しくはその混合物を有するグループから選択される材料を備える粒子並びに／又は流体を有する。実際には、これらの材料が最も効率的であることが分かった。
【００３０】
本発明の好ましい実施例によれば、前記粒子のアレイは、前記粒子の≧70%乃至≦100%が前記基板上に一層アレイを形成するようにして設けられる。前記屈折率整合手段と一緒のこの配列が最も効率的であることが分かった。より好ましくは、前記粒子の≧80%、最も好ましくは≧90%乃至≦100%が、前記基板上に一層アレイを形成する。
【００３１】
本発明の好ましい実施例によれば、前記粒子のアレイを形成する前記粒子は、≧40nm且つ≦1000μmである平均直径を持つ。好ましくは、前記粒子の前記平均直径は、≧100且つ≦400μmである。最も好ましくは、平均粒子直径は、≧1000nm且つ≦300μmである。実際にはこれが最も効果的であることが分かった。好ましくは、前記粒子の前記平均直径は、≧100且つ≦400nmである。最も好ましくは、平均粒子直径は、≧120nm且つ≦300nmである。実際にはこれが最も効果的であることが分かった。
【００３２】
本発明によるLEDは、様々なシステムにおいて用いられることができ、システムは、とりわけ、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、照光表示システム(self-lit display systems)、ピクセルで構成されたディスプレイシステム、セグメントに分けられた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、インジケータ標示システム(indicator sign systems)及び装飾用照明システムである。
【００３３】
上記の構成要素、並びに請求項に記載されている構成要素、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ている構成要素は、該構成要素の大きさ、形状、材料選択及び技術概念に関して、関連分野において既知の選択基準が制限なしに適用され得るように、如何なる特別な除外もなされない。
【００３４】
例示的なようにして、本発明によるLEDの幾つかの好ましい実施例を示す各々の図の以下の説明及び下位クレームにおいて、本発明の対象の更なる詳細、特徴及び利点を開示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
図１及び２は、本発明の第１及び第２実施例によるLEDの非常に概略的な部分断面図を示している。両実施例において、LEDは、通常、ガラス基板である基板１０と、該基板１０上に配設される粒子のアレイ２０とを有する。例示目的のため、図１及び２の両方で粒子のアレイは同一である。図３は、体積充填率を測定するのに用いられる領域Aを示しており、前記領域Aは、粒子の頂部を接続するラインと、基板層の上縁／上面との間の領域である。より良い理解のために、図１及び２においても、粒子の頂部を接続するラインが示されている。示されている実施例においては、（略々）一層の粒子しかないことに注意されたい。しかしながら、本発明は、二層以上の粒子がある場合にも適用可能である。この場合には、領域Aを計算するのに用いられるラインは、基板層から最も遠い粒子の頂部を相互接続することによって構成されるであろう。
【００３６】
図１は、流体の形態の屈折率整合手段３０が基板上に育成されている第１実施例を示している。見て分かるように、図１の実施例の体積充填率は略々85%である。好ましくは、屈折率整合手段３０の材料は、好ましくは≧1.0且つ≦3.5の屈折率を備える、有機ポリマ、無機ポリマ、≧1.0且つ≦3.5の屈折率を備える無機材料、シリコーン、ガラス、又はその混合物を有するグループから選択される。
【００３７】
図１を見て分かるように、屈折率整合手段は、屈折率整合手段の≧90%且つ≦100%が、粒子のアレイの高さの≧20%且つ≦80%まで粒子のアレイを埋めるようにして設けられる。（２つの粒子は基板からより遠く離して配置されることから）粒子のアレイの高さは一様でないが、屈折率整合手段の充填高さは常に≧20%且つ≦80%である。
【００３８】
基板１０と、屈折率整合手段３０と、粒子のアレイ２０とを通る光の通路は、矢印で示されている。図１を見て分かるように、光は、基板に当たり、次いで、屈折率整合手段内へ導かれ、そこから粒子内へ導かれ、次いで、放射される。屈折率整合手段がない場合、点線で示されているような全反射が起こるであろう。従って、屈折率整合手段は、LEDによって発せられる光の量を増大させる。
【００３９】
図２は、粒子の形態の屈折率整合手段４０が基板１０上に設けられる本発明の第２実施例を示している。粒子の直径は≧1nm且つ≦50nmである。図２に示されているような実施例の体積充填率は、略々50%である。これらの屈折率整合粒子もまた、LEDによって発せられる光の量を増大させるのに役立つ。
【００４０】
図２を見て分かるように、屈折率整合手段は、屈折率整合手段の≧90%且つ≦100%が、粒子のアレイの高さの≧20%且つ≦80%まで粒子のアレイを埋めるようにして設けられる。（２つの粒子は基板からより遠く離して配置されることから）粒子のアレイの高さは一様でないが、屈折率整合手段の充填高さは常に≧20%且つ≦80%である。
【００４１】
本発明の別の好ましい実施例によれば、粒子を有する屈折率整合手段も、流体を有する屈折率整合手段もあり得ることに注意されたい。幾つかのアプリケーションにおいては、これもまた、LEDの光放射率の著しい増大をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１実施例によるLEDの非常に概略的な部分断面図を示す。
【図２】本発明の第２実施例によるLEDの非常に概略的な部分断面図を示す。
【図３】第１及び第２実施例の領域Aを図示する非常に概略的な断面図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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2008503891.tif 000008
2008503891.tif 000009