(57)【要約】  ＬＥＤアレイシステムは、基板１０６上に配されている少なくとも１つのＬＥＤパッケージ１０４であって、駆動電圧をＬＥＤパッケージ１０４に供給する手段を備えているＬＥＤパッケージ１０４を有する。ＬＥＤパッケージ１０４は、支持層１１２内に浸漬されており、少なくとも１つのＬＥＤパッケージ１０４は、基板１０６の表面に本質的に平行な光の放出のために、側部発光ＬＥＤパッケージを有しており、当該システムは、支持層１１２から発された光を反射する／散乱する少なくとも１つの外結合構造１１６を有していることを特徴とする。
2010527144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に配されている少なくとも１つのＬＥＤパッケージであって、前記ＬＥＤパッケージに駆動電圧を供給する手段を備えていると共に、支持層内に浸漬されている少なくとも１つのＬＥＤパッケージを含んでいるＬＥＤアレイシステムであって、前記少なくとも１つのＬＥＤパッケージが、前記基板の表面に本質的に平行な光の放出のために、側部発光ＬＥＤパッケージを有しており、当該システムが前記支持層から発せられた光を反射する／散乱する少なくとも１つの外結合構造を有している、ＬＥＤアレイシステム。
【請求項２】
上部層が、前記上部層と前記基板との間に前記支持層を挟むように配されている、請求項１に記載のＬＥＤアレイシステム。
【請求項３】
前記基板及び前記上部層はガラスでできており、前記支持層はＰＶＢ又は樹脂でできている、請求項２に記載のＬＥＤアレイシステム。
【請求項４】
前記外結合構造は、前記支持層に面している前記上部層の表面上に配されている、請求項１乃至３の何れか一項に記載のＬＥＤアレイシステム。
【請求項５】
前記外結合構造は、前記支持層に面している前記基板の表面上に配されている、請求項１乃至４の何れか一項に記載のＬＥＤアレイシステム。
【請求項６】
前記外結合構造は、スクリーン印刷されている、請求項１乃至５の何れか一項に記載のＬＥＤアレイシステム。
【請求項７】
前記外結合構造は、発光性インク、発光性ダイを含んでいるポリマ粒子、ＴｉＯ２コーティングされている雲母剥片のような干渉顔料、ＺｒＯ２のような高屈折率酸化物、Ｆｅ２Ｏ３のような有色顔料、光互変性材料、中空球のような閉じた孔を有する粒子若しくは類似の材料、又はこれらの組み合わせから成るグループから選択されたものである、請求項１乃至６の何れか一項に記載のＬＥＤアレイシステム。
【請求項８】
前記ＬＥＤパッケージの発光面と前記支持層とは、空気間隙によって分離されるように配されている、請求項１乃至７の何れか一項に記載のＬＥＤアレイシステム。
【請求項９】
前記ＬＥＤパッケージの上の透明なキャップが、前記空気間隙を提供するように配されている、請求項８に記載のＬＥＤアレイシステム。
【請求項１０】
前記透明なキャップが、ＰＭＭＡ、ガラス又はセラミック材料を含有している、請求項９に記載のＬＥＤアレイシステム。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか一項に記載のＬＥＤアレイシステムを含んでいる、照明システム。
【請求項１２】
請求項１乃至１０の何れか一項に記載のＬＥＤアレイシステムを製造する方法であって、
−  基板上の側部発光ＬＥＤパッケージを含むＬＥＤパッケージであって、前記ＬＥＤパッケージに駆動電圧を供給する手段を備えているＬＥＤパッケージを配するステップと、
−  前記外結合構造を当該システム内に配するステップと、
−  前記ＬＥＤパッケージ上にポリマの支持層を設けるステップと、
−  このスタックを加熱する一方で、圧力を印加し、従って、前記ＬＥＤパッケージを前記支持層内に浸漬するステップと、
を有する方法。
【請求項１３】
上部層が、前記支持層を前記上部層と前記基板との間に挟むように配されている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
透明なキャップが、前記ＬＥＤパッケージの発光面と前記支持層との間に空気間隙を作るように配されている、請求項１２又は１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス様の材料内に組み込まれる発光ダイオード（ＬＥＤ）パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス内に組み込まれている発光ダイオード（ＬＥＤ）パッケージを有する発光要素が、現在、設計上のために作製されている。これらの要素において、二次元のＬＥＤアレイは、ポリマ（通常、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）により積層されている２枚のガラス板の間に挟まれている。前記ＬＥＤパッケージは、この上部に導体のパターンが前記ＬＥＤパッケージのための電流を供給するために設けられている１つのガラス板に固定されている。上述の構成は、この構成に耐久性を与えているので、有益であり、この結果、使用分野は増大している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ガラス様の媒体内に完全に浸漬されている（immersed）ＬＥＤに関して存在する問題は、全反射（total internal reflection:ＴＩＲ）が、ガラス表面と周囲の空気との間の界面において生じることである。このため、臨界角よりも大きい角度を有する光は、ガラス／空気界面において全反射され、この結果、約４１％の光学的効率を生じる。全反射された光は、（複数の内部反射の後に）ガラス／ＰＶＢ／ガラスシステム内に吸収される。更なる問題は、ＬＥＤパッケージのブライトネスが高い（１―１０ ＭＣｄ／ｍ２）ことであり、この結果、例えば、ＬＥＤパッケージを組み込んでいるガラス壁は、複数のまばゆい照明源による視覚的な快適さが低い。更に、商業的に入手可能な上部発光ＬＥＤパッケージは、典型的には非常に厚く（＞０．８ｍｍ）、従って、前記ＰＶＢ層は厚いものである必要がある。このことは、増大された費用をもたらし、ＰＶＢの光学特性により、前記ガラス構造の褐色がかった色に寄与している。大きいガラスのスタック内で隔離されているＬＥＤの場合、全反射された光の全ては、最終的に吸収される。更に、比較的高いＬＥＤパッケージ密度（例えば＞０．５ｃｍ−２）において、全反射される光は、隣接しているパッケージにおいて散乱し得て、予測不可能な光の外結合に至る。
【０００４】
本発明は、従来技術のシステムにおける上述の不利な点を軽減することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、添付の請求項１によるＬＥＤアレイシステムの提供によって上述の問題を軽減することを目的としている。
【０００６】
当該ＬＥＤアレイシステムは、少なくとも１つのＬＥＤパッケージが、基板の表面に本質的に平行な光の放出のための、側部発光ＬＥＤパッケージを有しており、当該システムは、前記支持層から発される光を反射する／散乱する少なくとも１つの外結合構造を有していることを特徴としている。
【０００７】
本発明のＬＥＤアレイシステムは、光を効果的に外結合し、従って、従来のシステムと比較して、光学効率を増大させる。外結合構造の使用は、仮想光源を効果的に形成し、（高いブライトネスの少数のＬＥＤパッケージから生じる）光の仮想光源の大きいアレイにわたる分配を容易にすることによって、悩ましい高いブライトネスを低減する便利な仕方である。側部発光ＬＥＤパッケージの使用は、これらが上部発光ＬＥＤパッケージよりも薄いので、前記支持層内の材料の必要な量を減少する。このことは、費用を減少すると共に、前記ＬＥＤアレイシステムの視覚的な外観を改善する。更に、外結合構造の使用は、特定のアプリケーションに対して容易に適応化されている多用途で柔軟なシステムを提供する。
【０００８】
１つ以上の実施例において、上部層は、前記上部層と前記基板との間に前記支持層を挟む仕方において配されることもできる。この上部層は、ＬＥＤアレイシステムの寿命を増大するために、損傷に対する保護として働いても良い。結果として生じる透明な照明器具は、視覚的に魅力的であり、本発明のシステムは、透明な表面に発光要素を組み込むことを可能にする。
【０００９】
前記基板と前記上部層とはガラスで作られていても良く、前記支持層は、ＰＶＢ又は樹脂でできていても良い。ガラスと、ＰＶＢ又は樹脂との組み合わせは、合わせガラスの分野において、よく知られている。
【００１０】
１つ以上の実施例において、前記外結合構造は、前記支持層に面している前記上部層の表面に配されることができる。この配置は、前記ＬＥＤアレイシステムの効率的な生産を達成することを可能にする。前記外結合構造は、前記支持層に面している前記基板の表面に配されることもできる。この表面上の外結合構造の配置は、前記外結合構造の配置から生じる潜在的な汚染が前記ＬＥＤの結合に影響を及ぼさないので、処理／製造の利点を有する。
【００１１】
前記外結合構造は、スクリーン印刷されることもでき、スクリーン印刷された構造の使用は、製造速度及び生産コストの観点から有利である。
【００１２】
前記外結合構造に対する幾つかの代替的なものがあり、これらに限定されるわけではないが、発光性インク、発光性ダイを含んでいるポリマ粒子、干渉顔料（例えば、ＴｉＯ２コーティングされた雲母剥片）、高屈折率酸化物（例えば、ＺｒＯ２）、有色顔料（例えば、Ｆｅ２Ｏ３）、光互変性材料、閉じられた孔を有する粒子（例えば、中空球）若しくは何らかの同様の材料、又はこれらの組み合わせからなるグループを含んでいる。適切な仕方で光を拡散する、反射する、屈折する及び／又は吸収して再発光することができる材料も使用されることができるので、前記外結合構造の構成に対する代替的なものは、多数存在する。外結合構造の分布は、例えば、表面にわたって均一な光分布を生成するように配されることができる。代替的には、これらは、パターン（例えば、ロゴ）及び或る形状等を形成するように配されることができる。
【００１３】
１つ以上の実施例において、細い空気間隙が、前記ＬＥＤパッケージの発光面と前記支持層との間に形成される。前記空気間隙のため前記ＬＥＤパッケージの発光面とガラス／ＰＶＢ環境との間の前記空気間隙により、全ての光は、ＴＩＲによって、ガラス／ＰＶＢ／ガラススタック内に捕捉され、このことは、光の外結合が、より高い度合いに制御されることができることを意味する。前記空気間隙は、前記ＬＥＤパッケージ上に透明なキャップを設けることにより形成されることもできる。前記キャップは、更に、ＰＭＭＡ、ガラス又はセラミック材料で形成されることができる。
【００１４】
前記ＬＥＤアレイシステムは、照明システム内に組み込まれても良い。
【００１５】
上述の記載によるＬＥＤアレイシステムを製造するための方法は、
−  側部発光ＬＥＤパッケージを有するＬＥＤパッケージを、前記ＬＥＤパッケージに駆動電圧を供給するための手段を備えている基板上に配するステップと、
−  前記システムの外結合構造を配するステップと、
−  前記ＬＥＤパッケージ上にわたってポリマの支持層を設けるステップと、
−  このスタックを加熱する一方で、圧力を印加して前記ＬＥＤパッケージをポリマ媒体内に浸漬するステップと、
を有する。
【００１６】
当該方法は、前記ＬＥＤパッケージの発光面と前記支持層との間に空気間隙作るように透明なキャップを配するステップ、及び／又は上部層を前記支持層を前記上部層と前記基板との間に挟むように配するステップを有する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】上部発光ＬＥＤパッケージを使用している既知の照明システムの模式的な断面図である。
【図２】本発明の第１実施例の模式的な断面図である。
【図３】本発明の第２の実施例の模式的な断面図である。
【図４】図２及び３の実施例に組み込まれている側部発光ＬＥＤパッケージにより発される光の典型的な分布を示している図である。
【図５】本発明の第３実施例の模式的な断面図である。
【図６】棚に対する本発明のシステムの適用の模式的な断面図である。
【図７】分離壁／装飾壁に対する本発明のシステムの適用の模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、ランバート上部発光ＬＥＤパッケージ４が、ガラスプレート基板６上に配されている従来技術のシステム２の一部を模式的に示している。透明導体８は、上部発光ＬＥＤパッケージ４に電流を供給しており、基板６上に設けられている。上部発光ＬＥＤパッケージ４は、基板６と上部ガラス板１０との間に挟まれ、ポリマ１２（一般に、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）に浸漬されており、ポリマ１２は、ガラス板６、１０を一緒に保持する粘着力も提供している。ＰＶＢの屈折率は、このガラスの屈折率と同様であり、後述されるべき計算においては、１．５０に設定される。挟まれている当該システムのおおよその高さ（Ｈ）は、一般に約７‐８ｍｍである。当該システムは、一般に、空気１４によって囲まれている。矢印Ａは、ＬＥＤ４から出ている光を示しており、矢印Ａ'は、全反射を経験している光を示している。
【００１９】
光効率η、即ち、上部ガラス表面１０を出る光の量を部発光ＬＥＤパッケージ４から発される光の全体の量によって割ったものは、従来技術のシステム２に関して低い。ＬＥＤパッケージがポリマ／ガラススタック内に浸漬されている場合に予想される低い光学効率は、以下の方程式１を使用して非常に容易に算出されることができる。
【数１】
2010527144.tif 000003
ここで、
2010527144.tif 000004
である。
【００２０】
ｎ〜１．５０の屈折率の場合、当該光の約６０％は、ランバーティアン発光ＬＥＤのためのシステム内に吸収される。所謂エスケープコーン（α＜αｃ）内の光のみが、従来技術のシステム２から発された束に寄与している。ほとんどのＬＥＤパッケージは、広い（ほぼランバート）ビームを生成し、高屈折率媒体に組み込まれる場合、損失が大きい。
【００２１】
上述の状況において、発された束は、２πの空間角にわたって発されている。しかしながら、照明の目的のために、グレアは容認できない。この状況において、グレアは、好ましい放射円錐の外側へ発される光に対応しており、当該図において２ψによって規定されている。一般的なガイドは、前記照明システムの輝度を、角度ψ＞６０度に対して５００‐１０００ｃｄ／ｍ２未満に保持することである。５ｍｍ２の表面から１０ ｌｍを生成する典型的なＬＥＤパッケージの場合、半球全体にわたる輝度は、式２を使用して算出されるように〜１Ｍｃｄ／ｍ２である。
【数２】
2010527144.tif 000005
ここで、
2010527144.tif 000006
である。
【００２２】
説明のため、本明細書において使用されている側部発光ＬＥＤパッケージ１０４；２０４の定義は、側部発光ＬＥＤパッケージの（複数の）発光平面１５０；２５０が、ＬＥＤアレイシステムの（複数の）出口平面１６０；２６０に、本質的に及び実質的に垂直であることである（図２及び３）。
【００２３】
以下に記載される図２及び３に示されているＬＥＤアレイシステム内に組み込まれている側部発光ＬＥＤパッケージ１０４；２０４により発される光の典型的な角度分布は、図４に示されており、ゼロ方向は、図２に示されている観察者から見て、側部発光ＬＥＤパッケージ１０４；２０４の発光表面１５０；２５０に平行であると共に、当該システムの出口平面１６０；２６０に垂直である方向に対応している。図４には、図２の観察者の側に向かって発される光のみが表されている。ＡＤにより示されている面積は、直接的に側部発光ＬＥＤパッケージ１０４；２０４からシステムを出る光の量に対応しており、ＡＴにより示されている面積は、外結合構造１１６；２１６から発される光の全体量を示している。直接光ＡＤは、全体量ＡＴの小さい部分のみを構成しており、一般に、グレアを生じるのに十分大きいものではないことは、明白である。このブライトネスが更に高い場合でさえも、全ての光は、観察者の水平線（０度に対応している）よりも下に分布されていることに留意されたい。
【００２４】
図２及び図３は、本発明のシステムの、第１及び２の実施例の模式図を示している。両システムは、ガラスの２つの層、即ち基板層１０６；２０６及び上部層１１０；２１０を有しており、基板層１０６；１０６及び上部層１１０；２１０はポリビニルブチラールの中間支持層１１２；２１２を挟んでいる。側部発光ＬＥＤパッケージ１０４；２０４は、基板層１０６；２０６上に配されており、電力は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）又はFドープＳｎＯ２でできている透明伝導体によって、各ＬＥＤパッケージに供給されている。代替的には、薄い非透明導体（例えば、Ｃｕ導体）が、或る用途において使用されることができる。導体の構成は、図２及び３に示されていない。矢印１１４；２１４は、ＩＯ、即ち側部発光ＬＥＤパッケージ１０４；２０４の発光面（光生成側部）１５０；２５０に垂直に発される光の方向を示している。ほとんどの側部発光ＬＥＤパッケージ１０４；２０４は、（図２及び３における破線の矢印により示されているような）ランバート分布によって光を発するにもかかわらず、側部発光ＬＥＤパッケージの場合の（ＩＯ及び矢印１１４；２１４により示されている）発せられた光の主方向は、基板層１０６；２０６に平行である。
【００２５】
発光性材料（例えば、ＹＡＧ：Ｃｅ）、白色顔料（例えば、ＴｉＯ２）、類似の材料又はこれらの組み合わせからできているスクリーン印刷されている外結合構造１１６；２１６は、前記ガラス層の何れかの内側（即ち前記支持層に面している）表面に配されている。レイトレーシング技術を使用することによって、発せられる光全体の８５％が、ガラス／ＰＶＢ構造による全反射（ＴＩＲ）によって導かれることが確認された。外結合構造１１６；２１６がない場合、この光は、最終的に熱に変換され（吸収され）、従って、本質的に役立たないであろう。本発明の概念によるシステムにおいて、側部発光ＬＥＤパッケージ１０４；２０４により発されると共に、ＴＩＲにより捕捉される光は、最終的に、外結合構造１１６；２１６に遭遇し、当該システムを出る。特に、単一のＬＥＤパッケージから発される光全体は、上述された関連する利点を伴って、幾つかの外結合構造に分配されることに留意されたい。
【００２６】
側部発光ＬＥＤパッケージ１０４；２０４及び外結合構造１１６；２１６の位置は、相互に関係づけられる必要がないことに留意されたい。側部発光ＬＥＤパッケージ１０４；２０４が当該光を提供し、外結合構造１１６；２１６の形状、大きさ、形態及び分布が、当該システムの視覚的な外観を決定する。
【００２７】
図５は、本発明の第３の実施例を示している。この実施例において、キャップ３１８は、側部発光ＬＥＤパッケージ３０４の発光面３５０と支持層３１２との間に細い空気間隙３２０を作るために、各側部発光ＬＥＤパッケージ３０４上に配されている。この構成は、全ての光がＴＩＲによってガラス／ＰＶＢ／ガラススタック内に捕捉されることをもたらし、光の外結合は、より高い度合いに制御されることができることを意味する。キャップ３１８は、幾つかの異なる仕方において、様々な透明材料（例えば、ＰＭＭＡ、ガラス又はセラミック）により構成されることができる。空気間隙３２０は、一般的に、非常に薄く、１０―１００μｍのオーダである。
【００２８】
図６は、本発明のシステムが使用されている棚システムの概略を示している。側部発光ＬＥＤパッケージ４０４の発光面４５０が壁４２０に面しているので、直接光が見物人に到達する危険はなく、即ちグレアは取り除かれている。
【００２９】
図７は、本発明のシステムが使用されている装飾的な壁を示している。図７によるシステムは、両側に光を発する。
【００３０】
上述の用途は、仮想光源を作るための本発明の使用を示しているものであり、前記仮想光源に関して、前記外結合構造の全面積は、元々のＬＥＤパッケージの面積よりも、非常に（数桁の規模で）大きい。このようにして、当該システムのブライトネスは、劇的に減少される（式２参照）。
【００３１】
本発明のシステムは、非常に用途が広く、２、３の更なる実施例が続く。例えば、一方又は両方のガラス層（１０６、１１０；２０６、２１０；３０６、３１０）上の白色ドットのスクリーン印刷されたパターンは、光の外結合に効果的である。しかしながら、他の光学構造（例えば、屈折要素）も想定されることができる。均一な光を発している壁は、当該ＬＥＤアレイの配置（六角形又は四角形等）、前記ドットの大きさ及び当該光学構造の密度の適当な選択により設計されることができる。側部発光ＬＥＤパッケージ１０４；２０４；３０４；４０４は、（蛍光体変換された）白色若しくは有色（ＲＧＢＡ）であっても良く、又は様々なＬＥＤの色の混合であっても良い。前記ドットのパターンは、前記ガラス表面の全体にわたって印刷されることができ、又はガラス層１０６、１１０；２０６、２１０；３０６、３１０の一部のみに印刷されることもできる。前記ＬＥＤパッケージ位置と前記ドットパターンとの間の重なりの必要性はない。
【００３２】
観察者が当該システム（例えば、図２参照）の２つの側部のうちの一方に向かって見ている場合、ＬＥＤパッケージ１０４から直接的に到来する光と、外結合構造１１６から到来する（間接的な）光とから成る光分布が、算出されることができる。ここで、間接的な光のみが目に到達する複数の用途が提案されることができる。この間接的な光は、（前記ＬＥＤパッケージの発光表面と比較して）非常に大きい表面から到来し、受け入れられる／必要なレベルに向けて容易に調整されることができるブライトネスを有する。
【００３３】
当該システムは、白色又は有色の光を生成するための蛍光体パターンと組み合わせられる青色（又は、近紫外）発光ＬＥＤパッケージを有していても良い。当該光のＣＣＴ（相関色温度）を調整するために、蛍光体（例えばＹＡＧ：Ｃｅ）及び白色顔料（例えば、ＴｉＯ２）の混合物が使用されることができる。外結合構造１１６；２１６；３１６は、規則的な白色ドットパターン（又は蛍光体パターン）に限定されるものではない。更に、白色（蛍光体含有）ストライプが利用されることができ、仮想的な２次元光源を生じる。外結合構造１１６；２１６；３１６は、一般に、ガラス層の、従って当該システムの両方の方向に光を発する。光放出を一方の側のみに制限するために、外結合構造１１６；２１６；３１６は、上部の同じパターンに後続する白色反射層を有するガラス層１０６、１１０；２０６、２１０；３０６、３１０の表面上の金属パターンによって作られても良い。
【００３４】
外結合構造１１６；２１６；３１６は、前記支持層内に、等しく良好に配される／分配される／分散されることができ、一例は、光の波長の１０‐１００倍の直径を有する小さい球体であり、前記ＰＶＢとは異なる屈折率を有している。前記球体は、Ｍｉｅ散乱を生じ、従って、当該システムから光を外結合する。前記支持層内部の散乱粒子のエマルジョンの制御は、均一であるか又はパターン化されている照明を可能にする。
【００３５】
上述された本発明は、一般に、分離壁、装飾的な壁、棚及び照明システムに関する。
【図１】
2010527144.tif 000007
【図２】
2010527144.tif 000008
【図３】
2010527144.tif 000009
【図４】
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【図５】
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【図６】
2010527144.tif 000012
【図７】
2010527144.tif 000013
【国際調査報告】
2010527144.tif 000014
2010527144.tif 000015
2010527144.tif 000016