(57)【要約】  当該装置は、リフレクタと、リフレクタ上に配されている波長変換材料とを含んでいる。バックライトは、前記リフレクタと照明されるべき表面（例えば、、ＬＣＤ表示パネル）との間に配される。前記バックライトは、光源及び導波路を含んでいる。前記導波路は、前記光源からの大部分の光を前記リフレクタに向かって指向する。前記光の少なくとも一部は、前記波長変換材料によって変換され、前記リフレクタによって反射され、前記照明されるべき表面に入射する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リフレクタと、
前記リフレクタ上に配されている波長変換材料と、
照明されるべき表面と、
前記リフレクタと前記照明されるべき表面との間に配されていると共に、光源及び導波路を有しているバックライトであって、前記導波路は、前記光源からの大部分の光を前記リフレクタに向かって指向する、バックライトと、
を有する装置。
【請求項２】
前記導波路は、固体の、透明な材料であり、
前記光源は、発光ダイオードであり、
前記発光ダイオードは、前記導波路のエッジの近くの前記透明な材料内に形成される開口内に位置決めされている、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記導波路は、前記照明されるべき表面に最も近い前記透明な材料の表面上に形成されるフィーチャを有しており、前記フィーチャは、光を前記リフレクタに向かって指向する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記導波路は、固体の、透明な材料であり、
前記光源は、発光ダイオードであり、前記発光ダイオードは、前記導波路の縁の近くに位置決めされている、
請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記導波路は、反射性の側部によって囲まれていると共に空気を充填されているボリュームを有しており、
前記光源は、発光ダイオードであり、
前記発光ダイオードは、前記照明されるべき表面に最も近い前記導波路の境界の近くに位置決めされている、
請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記発光ダイオードが前記リフレクタに向かって光を発するように位置決めされている、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記波長変換材料は、複数の領域内の前記リフレクタ上に配されており、隣接する領域は、波長変換材料が配されていない前記リフレクタの領域によって分離されている、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記光源は、半導体構造を有する発光ダイオードを有しており、前記半導体構造と前記照明されるべき表面ｘとの間には波長変換材料が位置決めされていない、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記光源が発光ダイオードを有しており、前記発光ダイオードは、
ｎ型領域とｐ型領域との間に配されている発光層を有するＩＩＩ族窒化物半導体構造と、
前記半導体構造上に位置決めされているリフレクタと、
を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記リフレクタが熱伝導性である、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記光源が青色光を発し、前記波長変換材料は、青色光を吸収して緑色光を発する少なくとも１つの蛍光体と、青色光を吸収して赤色光を発する少なくとも１つの蛍光体とを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
青色光を吸収して緑色光を発する前記少なくとも１つの蛍光体と、青色光を吸収して赤色光を発する前記少なくとも１つの蛍光体とが混合されて、単一の、均一な層内の前記リフレクタ上に配されている、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
青色光を吸収して緑色光を発する前記少なくとも１つの蛍光体と、青色光を吸収して赤色光を発する前記少なくとも１つの蛍光体とが、分離した層として前記リフレクタ上に配されている、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記光源が、青色光を発し、前記波長変換材料が、青色光を吸収して黄色光を発する少なくとも１つの蛍光体を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記照明されるべき表面が液晶ディスプレイである、請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明装置に関し、より詳細には、光源から離間されている波長変換材料を備える照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）のような半導体発光装置は、現在利用可能な最も効率的な光源の一つである。前記可視スペクトルにわたる動作をすることができる高輝度ＬＥＤの製造において現在興味がある材料システムは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体であって、特に、ガリウム、アルミニウム、インジウム及び窒素の二元、三元及び四元合金（ＩＩＩ族窒化物材料とも称される）、及びガリウム、アルミニウム、インジウム、ヒ素及びリンの二元、三元の及び四元合金を含む。しばしば、ＩＩＩ族窒化物装置は、サファイア（シリコンカーバイド）上にエピタキシャル成長され、又は、ＩＩＩ族窒化物基板及びＩＩＩ族リン化物装置は、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）又は他のエピタキシャル技術によってヒ化ガリウム上にエピタキシャル成長される。しばしば、ｎ型領域が前記基板上に堆積され、次いで、発光又は活性領域がｎ型領域上に堆積され、次いで、ｐ型領域が前記活性領域上に堆積される。前記層の順は、前記ｐ型領域が前記基板に隣接するように、反転されることもできる。
【０００３】
半導体発光装置の１つの将来性のある使用は、液晶表示器（ＬＣＤ）のような、一般的な照明及び表示装置のためのバックライトに関してである。ＬＣＤは、通常、携帯電話、パーソナル携帯情報機器（ＰＤＡ）、携帯用の音楽プレーヤ、ラップトップコンピュータ、デスクトップ型モニタ及びテレビジョン用途において使用されている。本発明の一実施例は、１つ以上のＬＥＤを使用することができるバックライトを必要とする、カラー又はモノクロの、透過性ＬＣＤを取扱う。前記ＬＥＤは、インコヒーレントな光を発するという点において、ＬＥＤはレーザダイオードから区別される。
【０００４】
図１に示されているバックライトは、本願明細書に引用したものとする米国特許第７，０５２，１５２号に記載されている。ＬＥＤ２４のアレイは、バックライト２６の後方パネル上に配されている。後方パネル４８及びバックライト２６の側壁４６は、高い反射性の材料によって覆われている。ＬＣＤパネル１４は、バックライト２６の前方に配される。ＬＣＤパネル１４は、第１の偏光フィルタ、前記ＬＣＤ層の選択された領域にわたる電場を生じさせる薄薄膜トランジスタアレイ、ＬＣＤ層、ＲＧＢカラーフィルタのアレイ及び第２の偏光フィルタを有する、従来のＬＣＤであることができる。カラーフィルタのアレイは、赤、緑及び青色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、輝度強化フィルム（ＢＥＦ）又は偏光回復フィルム（ＤＢＥＦ）のような、更なる薄膜が使用されることができる。
【０００５】
色変換蛍光物質層３９は、カバープレート４０上に配される。蛍光体層３９は、均一の層であり、１つ以上の異なる種類の蛍光体から成る。好ましくは、緑及び赤い蛍光体が使用されるが、黄色蛍光体（ＹＡＧ）も、同様に使用されることができる。層３９は、スプレー塗装、スクリーン印刷又は電気泳動的な堆積によって設けられることができ、又は、均一な密度の粒子を備える薄膜又は薄膜全体にわたって分配される発光性染料を備える前記薄膜であっても良い。単一の蛍光物質層に代わるものとして、１つの種類の蛍光体が、板４０を覆うように設けられる一方で、他の蛍光体が、前記バックライトの後方パネル４８に設けられる。後方パネル４８上の蛍光体は、均一のコーティングとしてではなく、ドットパターンとして設けられることもできる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、前記光源から離間されている波長変換材料を備える照明装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、装置は、前記リフレクタ上に配されているリフレクタ及び波長変換材料を含んでいる。バックライトは、照明されるべき表面（例えば、液晶表示器）と前記リフレクタとの間に配されている。このバックライトは、光源及び導波路を含む。前記導波路は、前記光源からの光の大部分を前記リフレクタに向かって指向するように構成される。少なくとも一部の前記光は、前記波長変換材料によって変換され、前記リフレクタによって反射され、照明されるべき前記表面上に入射する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】半導体ＬＥＤのアレイによるバックライトによって照明される表示装置の断面図である。
【図２】本発明の実施例による照明装置の断面図である。
【図３】透明な導波路内の開口に位置決めされている側部発光ＬＥＤを示している。
【図４】側部発光ＬＥＤの一例を示している。
【図５】側部発光ＬＥＤの一例を示している。
【図６】波長変換材料によってリフレクタに向かって光を指向するように構成されるバックライトを示している。
【図７】リフレクタ上に配されている波長変換材料を示している。
【図８】リフレクタ上に配されている波長変換材料を示している。
【図９】本発明の実施例による照明装置の断面図である。
【図１０】前記エッジに沿って位置決めされているＬＥＤを備える透明な導波路の上面図である。
【図１１】透明な導波路のエッジに沿って配されているＬＥＤを示している。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図２は、本発明の実施例による照明装置を示している。光は、導波路５０によって供給されている。１つの適切なバックライトは、幾つかのＬＥＤにより提供される光を混合する導波路５０として機能する透明材料の部分である。前記導波路は、例えば、アクリル（例えば、ＰＭＭＡ）、硬いシリコーン、成形プラスチック、ポリカーボネート又は他の何らかの適切な材料であっても良い。図１０は、エッジ５０Ａに沿って位置決めされているＬＥＤ９０を備える導波路５０の一例の上面図である。図１１は、導波路５０のエッジ５０ａ上のＬＥＤ９０を示している。反射性部材９２は、ＬＥＤ９０からの光を導波路５０内に指向することができる。ＬＥＤ９０は、ドームレンズ９４を含んでいる。
【００１０】
前記ＬＥＤは、代替的には、前記導波路の開口に配されることができる。前記開口は、前記透明な導波路のエッジの近くに位置決めされることができる。このようなバックライトの一例は、図３において示されており、本願明細書に引用したものとする米国特許第２００９―００４５４２０号に記載されている。マウント２２上に取り付けられる側部発光ＬＥＤ１０は、固体の、透明な導波路材料３６の部分の開口に配される。導波路部３６は、より大きい導波路３０のスロット４２内に位置決めされている。
【００１１】
前記ＬＥＤは、装置の、上部からよりもむしろ、側部から、光の大部分を発する。適切な装置の一例は、図４に示されており、本願明細書に引用したものとする米国特許第６，９７４，２２９号に更に詳細に記載されている。ＬＥＤ４４上のレンズ２１は、上部内に発される光が、表面２３上に入射すると共に前記レンズから屈折して出るように、表面２５上で全反射されるように設計されている。セクション４１内に発される光も、前記装置の外に屈折する。レンズ２１は、フレーム４３に取り付けられる。導線２７は、ＬＥＤ４４に電気的に接続されている。
【００１２】
適切な側部発光装置の他の例は、図５に示されている。図５の当該装置は、図４の装置よりもかなり薄い（即ち短い）ものであっても良い。図５の装置は、最初に、サファイア、ＳｉＣ又はＧａＮ（図５において図示略）のような、成長基板上に、ｎ型領域６０、発光又は活性領域６２、及びｐ型領域６４を成長させることによって形成される。ｐ型領域６４及び発光領域６２の一部は、下にあるｎ型領域６０の一部を露出させるようにエッチングされる。次いで、反射性であり得る金属電極（例えば、銀、アルミニウム又は合金）が、露出されたｎ型及びｐ型領域上に形成される。前記ダイオードが順バイアスをかけられる場合、発光領域６２は、ＩＩＩ族窒化物活性層の組成物によって決定される波長において発光する。このようなＬＥＤの形成は、よく知られている。
【００１３】
次いで、半導体ＬＥＤは、フリップチップとしてマウント７０上に取り付けられている。マウント７０は、例えば、セラミック、アルミニウム又はシリコンのような、如何なる適切な材料であっても良い。マウント７０は、相互接続（例えば、金又ははんだであり得る）を介して前記半導体構造上の金属電極にはんだ付けされる又は超音波溶接される金属電極を含んでいる。例えば、超音波溶接又は他の何らかの適切な接合によって、前記電極自体が接続されることができる場合、相互接続は、省略されることができる。半導体層（６０、６２及び６４）とマウント７０との間の複数の金属層（前記半導体上の電極、前記マウント上の電極及び相互接続を含む）は、構造６６（ｎ型領域６０に接続されている）及び６８（ｐ型領域６４に接続されている）と共に、図５に示されている。マウント７０は、力学的な支持として振る舞い、前記ＬＥＤチップ及び電源上のｎ型電極とｐ型電極との間の電気的インタフェースを提供し、ヒートシンクを提供する。適切なマウントは、よく知られている。
【００１４】
前記ＬＥＤの厚さを減少する、及び光が前記成長基板によって吸収されるのを防止するために、前記成長基板は、例えば、エッチング、化学的・機械的研磨、又はレーザー溶融のような、当該成長基板に適切な方法によって除去され、レーザーが、ＩＩＩ族窒化物構造及び成長基板の界面を加熱し、前記ＩＩＩ族窒化物構造の一部を溶融させ、前記基板を前記半導体構造からリリースする。一実施例において、前記成長基板の除去は、前記ＬＥＤのアレイがサブマウントウェハ上に取り付けられた後に、前記ＬＥＤ／サブマウントが（例えば、鋸で切ることによって）単体化される前に実施される。
【００１５】
前記成長基板が除去された後、幾つかの実施例において、残存しているＩＩＩ族窒化物構造は、（例えば、フォトニック結晶によって）パターニングされる若しくは粗くされる、及び／又は薄くされる。反射薄膜７４は、前記半導体構造上に形成される。この反射薄膜７４は、鏡面性である又は拡散性であることができる。鏡面リフレクタは、有機又は無機層から形成された分布ブラッグリフレクタ（ＤＢＲ）であることができる。この鏡面リフレクタは、更にアルミニウム又は他の反射金属の層又はＤＢＲ及び金属の組み合わせであることができる。拡散リフレクタは、粗くされた表面又は拡散材料（例えば、適切な白色塗料）上に堆積される金属によって形成されることができる。当該側部発光の効率は、透明な導波層又は反射粒子又は粗くされた／プリズム表面を組み込んでいる散乱層のように、反射層７４とｎ型領域６０との間にオプションの層７２を付加することによって向上されることができる。蛍光体のような波長変換層は、更に、ｎ型領域６０とリフレクタ７４との間に配されることもできる。
【００１６】
一実施例において、マウント７０は約３８０ミクロンの厚さを有し、前記半導体層は約５ミクロンの組み合わせられた厚さを有する、オプションの層７２は約２００ミクロンの厚さを有し、反射薄膜７４は約１５０ミクロンの厚さを有し、この結果、前記マウントを加えた前記ＬＥＤの厚さは、１ｍｍ未満である。勿論、前記ＬＥＤは、より厚くされることができる。前記ＬＥＤの両側の長さは、典型的には１ｍｍよりも短く、前記ＬＥＤは、しばしば、正方形であるが、如何なる形状であっても良い。
【００１７】
図２に戻り、照明されるべき表面は、導波路５０一方の側に配されている。以下の実施例は、照明されるべき表面としてＬＣＤパネル１４の例を使用しているが、本発明はＬＣＤディスプレイに限定されるものではなく、前記照明されるべき表面は、如何なる表面であっても良く、一般的な照明用途の場合には、簡単な透明カバーを含んでいる。ＬＣＤ層１４は、第１の偏光フィルタ、前記ＬＣＤ層の選択された領域にわたって電場を生じさせるための薄い薄膜トランジスタアレイ、ＬＣＤ層、ＲＧＢカラーフィルタアレイ及び第２の偏光フィルタを有する、従来のＬＣＤであっても良い。前記カラーフィルタアレイは、赤、緑及び青色のサブピクセルを有する。ＬＣＤパネル１４と導波路５０との間に、更なるよく知られている薄膜（例えば、輝度強化薄膜又は偏光回復薄膜）が使用されることができると共に、均一性を改善するために、拡散要素も使用されることができる。
【００１８】
リフレクタ５２は、導波路５０の一方の側に配される。空隙が、リフレクタ５２と導波路５０の間に示されているように設けられることができる。リフレクタ５２は、例えば、３Ｍ社から入手可能な強調された鏡面リフレクタ（ＥＳＲ）薄膜のような、反射薄膜、又は、反射材料（例えば、反射性金属、コーティング又はペイント）によって被覆されている剛性材料（例えば、プラスチック）、又はダイクロックスタックであっても良い。前記リフレクタは、幾つかの実施例において、前記装置の両側（即ち照明されるべき表面１４及びリフレクタ５２）からの光が望まれる照明用途のために、幾らか漏出させるように部分的に透明である。
【００１９】
蛍光体のような波長変換材料５４は、バックライト５０に最も近いリフレクタ５２の側部に配されている。例えば、青色光を発するＬＥＤと組み合わせられる場合、波長変換材料５４は、１つ又は複数の黄色発光蛍光体、１つ以上の赤色発光蛍光体と１つ以上の緑色発光蛍光体との混合物、又は分離した層として形成されている１つ以上の赤色発光蛍光体と１つ以上の緑色発光蛍光体であっても良い。紫外光を発するＬＥＤと組み合わせられた場合、青色発光蛍光体が付加されることができる。異なる色の光を発する更なる蛍光体が、前記組み合わせられた波長変換された及び変換されていない光の所望の色特性を達成するために付加されることができる。幾つかの実施例において、当該装置において使用される全ての前記波長変換材料は、リフレクタ５２上に配されており、この結果、如何なる波長変換材料も照明されるべき表面と光源との間に配されない。波長変換材料５４は、薄いガラス層内に埋め込まれても良く、反射性を有して被覆されていても良い。
【００２０】
前記導波路は、前記ＬＥＤからの光を波長変換層５４に向かって指向するように構成され、少なくとも一部の前記光は、波長変換される。例えば、図６において示されている装置において、マウント７８上に取り付けられていると共に導波内の開口７６内に位置決めされている側部発光ＬＥＤ７７と固体の透明な前記導波路とを含む上述の導波路において、フィーチャ７９は、ＬＥＤ７７からの光を、ＬＣＤ１４から離れてリフレクタ５２上の波長変換材料５４に向かって指向するための前記透明な導波路の上部に形成される。空隙が、導波路５０と波長変換層５４との間に設けられることができる。波長変換された光は、リフレクタ５２によって反射され、変換されていない光と混合し、ＬＣＤ１４上に入射する。更なる拡散要素及び／又は輝度強化フィルムは、導波路５０とＬＣＤ１４との間に位置されることができる。
【００２１】
リフレクタ５２上の波長変換材料５４の量は、前記ＬＥＤからの波長変換された光及び波長変換されていない光の組み合わせの色点を調整するように調整されることができる。図７及び８は、２つのリフレクタ５２上に配されている波長変換材料５４を示している。前記波長変換材料は、例えば、リフレクタ５２上に、スクリーン印刷される、スプレー塗装される、又はステンシル印刷されることができる。粉末蛍光体は、シリコーン又はエポキシのような、結合剤によって混合されることができる。波長変換材料の複数の領域は、隣接する領域間に間隔を有してリフレクタ５２上に配される。図７の装置において、波長変換材料５４の前記領域間の間隔はより小さく、従って、より多くの光が前記波長変換材料によって変換され、変換された及び変換されていない光の組み合わせは、変換されていない青色光をより少なく有する。図８の装置において、波長変換材料５４の領域間の間隔は大きく、従って、より少ない光が前記波長変換材料によって変換され、変換された及び変換されていない光の組み合わせは、変換されていない青色光をより多く有する。
【００２２】
図９は、遠隔波長変換材料がリフレクタ上に配されている、照明装置の代替的な実施例を示している。バックライト８０は導波路８２を含んでおり、固体の、透明な材料又は開いた箱であることができる。導波路８２の側部８４は、反射性にされることができる。１つ以上のＬＥＤ８６は、照明されるべき表面（図９におけるＬＣＤ１４）に最も近い導波路８２の表面上に位置される。ＬＥＤ８６は、前記ＬＥＤの上部からの光の大部分を、リフレクタ５２上に配されている波長変換材料５４に向かって発する。少なくとも一部の光は、前記波長変換材料によって変換され、変換されていない光と混合し、リフレクタ５２によって反射され、ＬＣＤ１４に入射する。
【００２３】
図１に示されている装置において、前記バックライトは、ＬＣＤ１４に向かって、前方に光を指向する。全ての前記波長変換材料を前記バックライトの後ろ側に位置決めすることは、結果として、おそらく波長変換された光の量が不十分となる、又は光が、波長変換されるべき前記バックライトの後方に向かって反射される場合には前記装置の効率を低下させる。これに対して、図２、６及び９に示されている装置において、前記バックライトは、前記ＬＥＤからの光を、照明されるべき表面に向かって前方にというよりはむしろ、前記波長変換材料に向かって指向する。
【００２４】
波長変換材料が上述のリフレクタ上に配されている照明装置は、幾つかの効果を有することができる。最初に、前記波長変換材料が前記ＬＥＤから離れて間隔をおかれているので、波長変換材料の効率は、前記ＬＥＤからの熱によって減少されない。更に、前記リフレクタが熱伝導性である場合、如何なる熱も、上部に前記波長変換材料が配されている前記リフレクタによって、前記波長変換材料から遠くへと効率的に伝導されることができる。更に、前記波長変換材料による吸収は、光が前記波長変換材料を通過する装置と比較して減少されることができる。なぜならば、変換された光は、前記波長変換層によるより短い距離を進行し得るからである。
【００２５】
本発明を詳細に記載したが、当業者であれば、本開示を与えられると、本願明細書において記載されている本発明の概念の精神を逸脱することなく、本発明に対する変形がなされることができると理解するであろう。従って、本発明の範囲は、示されて記載されている特定の実施例に限定されるものではない。
【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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【国際調査報告】
2012525674.tif 000014
2012525674.tif 000015
2012525674.tif 000016