JP2015144261A - Solid-state light emitting device with photoluminescence wavelength conversion - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、フォトルミネセンス波長変換を使用して、典型的にはＬＥＤ（発光ダイオード）である固体発光体によって生成される光を所望される色の光に変換する、固体発光デバイスに関する。 Embodiments of the present invention use photoluminescence wavelength conversion to convert light generated by a solid state light emitter, typically an LED (light emitting diode), into light of the desired color. About.
白色発光ＬＥＤ（「白色ＬＥＤ」）は、当該技術分野で既知であり、比較的最近の技術革新である。それらの長い稼動寿命（＞５０，０００時間）及び高い発光効率（１ワット当たり７０ルーメン以上）のために、従来の蛍光、コンパクト蛍光、及び白熱灯の光源の代わりに高輝度の白色ＬＥＤがますます使用されるようになっている。 White light emitting LEDs (“white LEDs”) are known in the art and are a relatively recent innovation. Due to their long service life (> 50,000 hours) and high luminous efficiency (above 70 lumens per watt), high-intensity white LEDs are substituted for traditional fluorescent, compact fluorescent, and incandescent light sources Increasingly used.
電磁スペクトル中の青色／紫外線部分において発光するＬＥＤが開発されるまでは、ＬＥＤに基づく白色光源の開発は実際的ではなかった。例えば、米国特許第５，９９８，９２５号に教示されるように、白色ＬＥＤは、ＬＥＤによって放出される放射線の一部分を吸収して、異なる色（波長）の放射線を再放出する、１つ以上のフォトルミネセント材料（例えば、蛍光体材料）を含む。典型的には、ＬＥＤチップ又はダイは青色光を生成し、蛍光体はその青色光の一部（百分率）を吸収して、黄色光、又は緑色と赤色、緑色と黄色、緑色と橙色、若しくは黄色と赤色の組み合わせを再び放出する。ＬＥＤによって生成された青色光のうち、蛍光体によって吸収されなかった部分は、蛍光体が放出した光と組み合わされ、人の目にほぼ白色に見える光を提供する。 Until the development of LEDs that emit light in the blue / ultraviolet part of the electromagnetic spectrum, the development of white light sources based on LEDs has not been practical. For example, as taught in US Pat. No. 5,998,925, a white LED absorbs a portion of the radiation emitted by the LED and re-emits different colors (wavelengths) of radiation. Photoluminescent materials (eg, phosphor materials). Typically, the LED chip or die generates blue light and the phosphor absorbs a portion (percentage) of the blue light to produce yellow light, or green and red, green and yellow, green and orange, or Release the combination of yellow and red again. Of the blue light generated by the LED, the portion not absorbed by the phosphor is combined with the light emitted by the phosphor to provide light that appears to be almost white to the human eye.
ＬＥＤ光によって生成される正確な色は、それが、蛍光体が放出する光の量（及び波長）と残りの青色光の量（及び波長）との組み合わせであり、それにより結果として得られる光の色が決まるため、蛍光体材料によって放出される光の量に高く依存する。したがって、白色光を生成することを意図した蛍光体に基づくＬＥＤデバイスは、蛍光体材料の量が不十分である蛍光体に基づくＬＥＤデバイスでは白色に見える光を生成することができないため、正確に機能するためには十分な量の蛍光体が必要となる。 The exact color produced by the LED light is a combination of the amount of light (and wavelength) emitted by the phosphor and the amount of remaining blue light (and wavelength), thereby resulting light Is highly dependent on the amount of light emitted by the phosphor material. Therefore, a phosphor-based LED device intended to produce white light cannot accurately produce light that appears white in a phosphor-based LED device with an insufficient amount of phosphor material. A sufficient amount of phosphor is required to function.
問題は、蛍光体材料が、比較的高価であり、したがって、蛍光体に基づくＬＥＤデバイスの生産コストの大部分を占めていることである。典型的には、ＬＥＤ照明の蛍光体材料は、シリコーン又はエポキシ材料といった光透過性材料と混合され、この混合物がＬＥＤダイの発光表面に直接適用される。これは、結果として、ＬＥＤダイ上に直接配置される蛍光体材料の、小さな設置面積の層をもたらすが、それでもなお生産コストがかかる理由は、１つには蛍光体材料のコストが非常に高いことである。 The problem is that phosphor materials are relatively expensive and therefore account for the majority of the production costs of phosphor-based LED devices. Typically, the phosphor material for LED lighting is mixed with a light transmissive material, such as silicone or epoxy material, and this mixture is applied directly to the light emitting surface of the LED die. This results in a small footprint layer of phosphor material that is placed directly on the LED die, which is still expensive to produce, partly because of the very high cost of the phosphor material That is.
Ｌｉに対する米国特許出願第ＵＳ ２００８／０２１８９９２ Ａ１号に開示されるように、ＬＥＤダイに対して物理的に遠隔に位置付けられた光学コンポーネント上の層として蛍光体材料を提供すること、又はその中に蛍光体材料を組み込むこともまた、知られている。これは、典型的に、前述の段落に記載されたアプローチよりも、より大きな設置面積を有する蛍光体材料の層をもたらす。そのより大きな寸法のため、そのような「遠隔蛍光体」ＬＥＤデバイスを製造するには、通常、はるかに多くの量の蛍光体が必要とされる。結果として、そのような遠隔蛍光体ＬＥＤデバイスに必要とされるより多くの量の蛍光体材料を提供するために、それに対応してコストもまた高くなる。例えば、米国特許第７，９３７，８６５号は、ＬＥＤからの青色光を使用して、発光サイネージ表面上の蛍光体材料を励起して、所望される色の光を生成する、固体発光サインを教示する。デバイスがその意図される照明機能に適切な色を生成するためには、通常、発光サイネージ表面全体を埋めるように大量の蛍光体材料が存在する必要がある。 Providing the phosphor material as a layer on or in an optical component physically located remotely relative to the LED die, as disclosed in US patent application US 2008/0218992 A1 to Li Incorporating phosphor materials is also known. This typically results in a layer of phosphor material having a larger footprint than the approach described in the previous paragraph. Because of its larger dimensions, a much larger amount of phosphor is usually required to produce such a “remote phosphor” LED device. As a result, in order to provide the greater amount of phosphor material required for such remote phosphor LED devices, the costs are correspondingly higher. For example, U.S. Pat. No. 7,937,865 uses a blue light from an LED to excite a phosphor material on a light emitting signage surface to produce a light of the desired color. Teach. In order for a device to produce a color that is appropriate for its intended lighting function, a large amount of phosphor material typically needs to be present to fill the entire light-emitting signage surface.
したがって、先行技術のアプローチで必要とされる大量のフォトルミネセント材料（例えば、蛍光体材料）を必要とすることなく、デバイスの所望される色特性を維持するＬＥＤ照明装置を実装する改善されたアプローチが必要とされている。 Thus, an improved implementation of an LED lighting device that maintains the desired color characteristics of the device without the need for large amounts of photoluminescent material (eg, phosphor material) required by prior art approaches. An approach is needed.
既知のデバイスの制限を少なくとも部分的に克服する、発光デバイス、発光サイン、フォトルミネセンス波長変換コンポーネント、及びフォトルミネセンスサイネージ表面を提供することが、本発明のいくつかの実施形態の目的である。 It is an object of some embodiments of the present invention to provide light emitting devices, light emitting signatures, photoluminescent wavelength conversion components, and photoluminescent signage surfaces that at least partially overcome known device limitations. .
本発明の実施形態は、青色光励起性フォトルミネセンス（例えば、蛍光体材料）の粒子と光反射材料（本明細書において、「光散乱材料」とも称される）の粒子との混合物を含有する、フォトルミネ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、典型的には青色の励起光を生成するように動作可能な、典型的にはＬＥＤである固体発光体のアレイを備える、固体発光デバイスに関する。蛍光体材料とともに光反射材料の粒子を含むことにより、蛍光体材料によるフォトルミネセンス光の生成を増加させることができる。フォトルミネセンス光の生成の増加は、光反射材料が、光子と蛍光体材料の粒子との衝突の可能性を増加させることによりもたらされると考えられる。いくつかの実施形態において、光反射材料を含むことにより、可能性として、一定の発光産物の色及び光度に関して、蛍光体材料の使用量を３３％から最大５０％まで減少させることができる。 Embodiments of the invention contain a mixture of particles of blue light excitable photoluminescence (eg, phosphor material) and particles of light reflecting material (also referred to herein as “light scattering material”). Solid-state light emission comprising an array of solid-state emitters, typically LEDs, which are used to excite the photoluminescence wavelength converting component, and are typically operable to produce blue excitation light Regarding devices. By including the particles of the light reflecting material together with the phosphor material, the generation of photoluminescence light by the phosphor material can be increased. It is believed that the increased production of photoluminescent light is brought about by the light reflecting material increasing the likelihood of collisions between photons and phosphor material particles. In some embodiments, inclusion of a light reflecting material can potentially reduce the usage of phosphor material from 33% up to 50% for certain luminescent product colors and luminosities.
ある実施形態の一態様によると、発光デバイスは、光透過性回路基板、光透過性回路基板の第１の面に載置され、そこに電気的に接続される、固体発光体の第１のアレイ、並びに少なくとも１つのフォトルミネセンス材料の粒子と光反射材料の粒子との混合物を含むフォトルミネセンス波長変換コンポーネント、を備える。固体発光体を光透過性回路基板上に載置する利点は、これにより、回路基板の前面及び背面、並びに回路基板の縁部からの発光を可能にし、結果として、デバイスが、概して全方向性の放出特性を有するようになることである。このような放出特性は、白熱電球の代わりとしての使用が意図されるデバイスに望ましい。いくつかの態様において、デバイスは、光透過性回路基板の第２の面に載置され、そこに電気的に接続される、固体発光体の第２のアレイを更に備える。典型的に、発光体は、回路基板の反対の面に載置され、それらの主要な放出方向が逆向きに配向される。 According to one aspect of an embodiment, the light emitting device is a light transmissive circuit board, the first of the solid state light emitters mounted on and electrically connected to the first surface of the light transmissive circuit board. An array and a photoluminescence wavelength converting component comprising a mixture of particles of at least one photoluminescent material and particles of light reflecting material. The advantage of mounting a solid state light emitter on a light transmissive circuit board thereby allows light emission from the front and back of the circuit board and the edge of the circuit board, resulting in the device being generally omnidirectional. It has a release characteristic. Such emission characteristics are desirable for devices intended for use as an alternative to incandescent bulbs. In some aspects, the device further comprises a second array of solid state light emitters mounted on and electrically connected to the second side of the light transmissive circuit board. Typically, the light emitters are mounted on the opposite side of the circuit board and their main emission direction is oriented in the opposite direction.
発光体のアレイによって生成される熱の放散を助けるために、光透過性回路基板は、有利なことに、更に熱伝導性である。熱伝導性回路基板は、波長変換コンポーネントが、発光体のアレイ又はそれぞれのアレイに直接適用され、それを覆う、少なくとも１つのフォトルミネセンス及び光散乱材料の封入体を含む場合に、特に有利である。機械的強度を増加させるために、回路基板は、発光体が上に載置され、それ自体が光透過性層上に支持される、熱伝導性光透過性層を有する積層構造を備え得る。いくつかの実施形態において、光透過性回路基板の少なくとも一部は、光透過性酸化マグネシウム、サファイア、酸化アルミニウム、石英ガラス、窒化アルミニウム、又はダイヤモンドを含む。発光体によって生成される熱を放散することと同様に、回路基板はまた、発光体を動作させるための電力を提供するために使用される。いくつかの実施形態において、基板は、基板の面に提供される導電性トラックのパターンから構成される電気回路を更に備える。このようなトラックは、例えば、銅、金、銀、又は他の良好な導電材料から構成され得る。他の実施形態では、導電性トラックは、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）等といった、光透過性導電性材料を含むことが想定される。 To help dissipate the heat generated by the array of light emitters, the light transmissive circuit board is advantageously more thermally conductive. Thermally conductive circuit boards are particularly advantageous when the wavelength converting component includes at least one photoluminescent and light scattering material enclosure applied directly to and covering the array of light emitters or each. is there. To increase mechanical strength, the circuit board may comprise a laminated structure having a thermally conductive light transmissive layer on which the light emitter is mounted and which is itself supported on the light transmissive layer. In some embodiments, at least a portion of the light transmissive circuit board comprises light transmissive magnesium oxide, sapphire, aluminum oxide, quartz glass, aluminum nitride, or diamond. Similar to dissipating the heat generated by the light emitter, the circuit board is also used to provide power to operate the light emitter. In some embodiments, the substrate further comprises an electrical circuit comprised of a pattern of conductive tracks provided on the surface of the substrate. Such a track may be composed of, for example, copper, gold, silver, or other good conductive material. In other embodiments, it is envisioned that the conductive track comprises a light transmissive conductive material, such as indium tin oxide (ITO).
フォトルミネセンスコンポーネントは、固体発光体のアレイ又はそれぞれのアレイに直接適用される、フォトルミネセンス材料と光反射材料の粒子との混合物を含み得る。典型的に、このような配設において、フォトルミネセンスコンポーネントは、固体発光体のアレイを覆う封入体の形態にある。 The photoluminescent component can include an array of solid state light emitters or a mixture of particles of photoluminescent material and light reflecting material applied directly to each array. Typically, in such an arrangement, the photoluminescent component is in the form of an enclosure that covers an array of solid state light emitters.
他の実施形態において、及び発光体のアレイから蛍光体材料への熱の伝達を低減させるために、フォトルミネセンスコンポーネントは、固体発光体のアレイ又はそれぞれのアレイとは別個であり、それに対して遠隔に位置付けられる。本出願において、「遠隔」及び「遠隔に」とは、例えば、空隙又は光透過性媒体により物理的に分離されることを意味する。これは、波長変換コンポーネントがデバイスの必須部分であり、蛍光体材料が固体発光体と直接接触している配設とは、対照的である。遠隔蛍光体配設では、蛍光体材料は、発光体のアレイの発光表面の面積よりもはるかに大きな面積にわたって分布される。このような配設は、より均質な色の光の生成を確実にする。蛍光体材料を固体発光体から分離することにより、蛍光体材料への熱の伝達を低減し、蛍光体材料の熱劣化を低減し、波長変換コンポーネントの表面は、有利なことに、固体発光体のアレイから少なくとも５ｍｍの距離に位置付けることができる。このような態様において、波長変換コンポーネントは、フォトルミネセンス材料と光反射材料との混合物が少なくとも１つの層として上に提供される、光透過性基板を備え得る。別の配設において、波長変換コンポーネントは、蛍光体と光反射材料との混合物がその体積全体に均一に分布された、光透過性基板を備える。好ましくは、光透過性基板は、ポリカーボネート、アクリル、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ナイロン、ＨＤＰＥ（高密度ポリプロピレン）、ポリエチレン、ＰＥＴ（ポリテレフテート（polyterephthate））、又はＰＯＭ（ポリオキシメチレン）を含む、熱可塑性材料を含む。あるいは、それは、エポキシ、シリコーン、又はガラスを含み得る。いくつかの実施形態において、フォトルミネセンスコンポーネントは、発光体のアレイがコンポーネントの軸に沿って位置付けられた、実質的に円筒形の管を備える。このようなコンポーネントは、好ましくは、射出成形の押出によって製造される。蛍光体と光反射材料との混合物が、層から構成される場合、それは、スクリーン印刷によって基板の表面に適用され得る。あるいは、混合物は、インクジェット印刷、スピンコーティング、又はドクターブレーディングによって、基板上に堆積されてもよい。コンポーネントが押出によって製造される場合、蛍光体／光反射材料は、共押出され得る。 In other embodiments, and to reduce heat transfer from the array of phosphors to the phosphor material, the photoluminescent component is separate from or separate from the array of solid phosphors or each array Located remotely. In this application, “remote” and “remotely” means physically separated by, for example, a void or a light transmissive medium. This is in contrast to an arrangement where the wavelength converting component is an integral part of the device and the phosphor material is in direct contact with the solid state light emitter. In a remote phosphor arrangement, the phosphor material is distributed over an area that is much larger than the area of the light emitting surface of the array of light emitters. Such an arrangement ensures the production of more homogeneous color light. Separating the phosphor material from the solid light emitter reduces heat transfer to the phosphor material, reduces thermal degradation of the phosphor material, and the surface of the wavelength converting component advantageously has a solid light emitter At a distance of at least 5 mm from the array. In such aspects, the wavelength converting component may comprise a light transmissive substrate on which a mixture of photoluminescent material and light reflective material is provided as at least one layer. In another arrangement, the wavelength converting component comprises a light transmissive substrate in which a mixture of phosphor and light reflecting material is evenly distributed throughout its volume. Preferably, the light transmissive substrate comprises polycarbonate, acrylic, PVC (polyvinyl chloride), nylon, HDPE (high density polypropylene), polyethylene, PET (polyterephthate), or POM (polyoxymethylene). , Including thermoplastic materials. Alternatively, it can include epoxy, silicone, or glass. In some embodiments, the photoluminescent component comprises a substantially cylindrical tube with an array of light emitters positioned along the axis of the component. Such components are preferably manufactured by injection molding extrusion. If the mixture of phosphor and light reflecting material is composed of layers, it can be applied to the surface of the substrate by screen printing. Alternatively, the mixture may be deposited on the substrate by ink jet printing, spin coating, or doctor blading. If the component is made by extrusion, the phosphor / light reflecting material can be co-extruded.
いくつかの実施形態において、波長変換コンポーネント内で利用される光反射／散乱材料は、粒子が、より長い波長の青色励起光を、蛍光体材料によって生成されるより短い波長の光を散乱させるよりも相対的に多く散乱させるように選択される、粒径を有する。例えば、光反射粒子の寸法は、粒子が、青色光を、少なくとも１つの蛍光体材料によって生成される光を散乱させるよりも相対的に少なくとも２倍散乱させるように、選択され得る。これは、波長変換層から放出される青色光のより高い割合が散乱されることを確実にし、それによって、光子が蛍光体材料粒子と相互作用する可能性を増加させ、結果として、フォトルミネセント光の生成をもたらす。同時に、蛍光体が生成した光は、通過することができ、散乱される可能性はより低くなる。フォトルミネセンスにより生成された光と比較して、光反射材料の粒子が励起光を散乱する程度は、粒径に依存する。例えば、励起光が、青色光を含み、フォトルミネセンス光が、緑色〜黄色の光を含む場合、光反射材料は、有利なことに、０．０１μｍ〜１０μｍの範囲の粒径を有する。より具体的には、光反射材料は、０．０１μｍ〜１μｍの範囲、より好ましくは、０．１μｍ〜１μｍの範囲の粒径を有する。 In some embodiments, the light reflecting / scattering material utilized within the wavelength converting component causes the particles to scatter the longer wavelength blue excitation light and the shorter wavelength light produced by the phosphor material. Also have a particle size chosen to scatter relatively much. For example, the size of the light reflecting particle can be selected such that the particle scatters blue light at least twice as much as it scatters the light produced by the at least one phosphor material. This ensures that a higher percentage of the blue light emitted from the wavelength conversion layer is scattered, thereby increasing the likelihood that photons will interact with the phosphor material particles, and as a result, photoluminescent. Causes the generation of light. At the same time, the light produced by the phosphor can pass through and is less likely to be scattered. The degree to which the light-reflecting material particles scatter excitation light compared to the light generated by photoluminescence depends on the particle size. For example, if the excitation light includes blue light and the photoluminescence light includes green to yellow light, the light reflecting material advantageously has a particle size in the range of 0.01 μm to 10 μm. More specifically, the light reflecting material has a particle size in the range of 0.01 μm to 1 μm, more preferably in the range of 0.1 μm to 1 μm.
好ましくは、少なくとも１つのフォトルミネセンス材料に対する光反射材料の重量充填百分率は、０．０１％〜１０％、０．０１％〜１％、０．１％〜１％、及び０．５％〜１％の範囲である。 Preferably, the weight filling percentage of the light reflecting material to the at least one photoluminescent material is 0.01% to 10%, 0.01% to 1%, 0.1% to 1%, and 0.5% to The range is 1%.
蛍光体材料は、いくつかの実施形態において、好ましくは、２μｍ〜６０μｍの範囲、及び典型的には１０μｍ〜２０μｍの範囲の粒径を有する。いくつかの実施形態において、光反射材料の粒径が、蛍光体材料の粒径よりも、好ましくは、少なくとも１０倍小さいことが有利であると考えられる。 The phosphor material, in some embodiments, preferably has a particle size in the range of 2 μm to 60 μm, and typically in the range of 10 μm to 20 μm. In some embodiments, it may be advantageous that the particle size of the light reflecting material is preferably at least 10 times smaller than the particle size of the phosphor material.
「オフ状態」の波長変換コンポーネントの外見を改善するために、発光デバイスは、フォトルミネセンス波長変換コンポーネントに隣接する光拡散層を更に備えてもよい。典型的に、光拡散層は、オブザーバとフォトルミネセンス波長変換材料との間に位置付けられる。蛍光体と一体化した光反射粒子と同様に、光拡散層は、固体発光体によって生成される励起光を、少なくとも１つのフォトルミネセンス材料によって生成される光よりも相対的に多く散乱させるような粒径を有する、光反射材料の粒子を含み得る。このような実施形態では、光反射材料は、１００ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲の粒径を有する。 In order to improve the appearance of the “off-state” wavelength conversion component, the light emitting device may further comprise a light diffusing layer adjacent to the photoluminescence wavelength conversion component. Typically, the light diffusing layer is positioned between the observer and the photoluminescence wavelength converting material. Similar to the light reflecting particles integrated with the phosphor, the light diffusing layer scatters the excitation light generated by the solid state light emitter relatively more than the light generated by the at least one photoluminescent material. May comprise particles of light reflecting material having a uniform particle size. In such an embodiment, the light reflecting material has a particle size in the range of 100 nm to 150 nm.
いくつかの実施形態において、固体発光体は、波長範囲４４０ｎｍ〜４８０ｎｍにピーク波長を有する青色光を生成するように動作可能なＬＥＤを備える。あるいは、固体発光体は、レーザー又はレーザーダイオードを備え得る。 In some embodiments, the solid state light emitter comprises an LED operable to produce blue light having a peak wavelength in the wavelength range of 440 nm to 480 nm. Alternatively, the solid state light emitter may comprise a laser or a laser diode.
本発明をよりよく理解するために、例示のみの目的で、添付の図面を参照して、本発明の実施形態による固体発光デバイス及びサインを説明する。
本発明の実施形態は、青色光励起性蛍光体材料等のフォトルミネセンス材料の粒子を含有する波長変換コンポーネントを励起するために使用される励起光（典型的には青色光）を生成するように動作可能な、典型的にはＬＥＤである複数の固体発光体を備える発光デバイスを目的とする。加えて、波長変換コンポーネントは、蛍光体材料によるフォトルミネセンス光の生成を強化するために、混合物の形態で蛍光体材料と一体化した、光反射材料（本明細書において「光散乱材料」とも称される）の粒子を含む。この強化された光の生成は、光反射材料が励起光子と蛍光体材料の粒子との衝突数を増加させることにより、もたらされると考えられる。最終的な結果は、選択された放出色で発光デバイスが使用する蛍光体材料の量の減少である。 Embodiments of the present invention generate excitation light (typically blue light) that is used to excite a wavelength converting component that contains particles of a photoluminescent material, such as a blue light excitable phosphor material. It is intended for a light emitting device comprising a plurality of solid state light emitters that are operable, typically LEDs. In addition, the wavelength converting component is also referred to as a light reflective material (referred to herein as a “light scattering material”) integrated with the phosphor material in the form of a mixture to enhance the production of photoluminescent light by the phosphor material. Particles). This enhanced light generation is believed to be brought about by the light reflecting material increasing the number of collisions between the excitation photons and the phosphor material particles. The net result is a reduction in the amount of phosphor material used by the light emitting device with the selected emission color.
例示のみを目的とし、具体的に蛍光体材料として具現化されるフォトルミネセンス材料に関して、以下に説明する。しかしながら、本発明は、蛍光体材料又は量子ドットのいずれかのような任意のタイプのフォトルミネセンス材料に適用され得る。量子ドットは、特定の波長又は波長範囲の光を放出するように放射エネルギーによって励起され得る、３つ全ての空間次元において拘束されている励起子を有する物質（例えば半導体）の一部である。この点を踏まえて、本発明は、この点を踏まえて主張されない限り、蛍光体を基本とする波長変換コンポーネントに限定されるものではない。加えて、本特許明細書全体を通じて、同様の参照番号は、同様の部分を指して使用される。 For the purposes of illustration only, a photoluminescent material that is specifically embodied as a phosphor material is described below. However, the present invention can be applied to any type of photoluminescent material, such as either a phosphor material or a quantum dot. A quantum dot is a part of a material (eg, a semiconductor) having excitons that are constrained in all three spatial dimensions that can be excited by radiant energy to emit light of a particular wavelength or wavelength range. In light of this point, the present invention is not limited to phosphor-based wavelength conversion components unless claimed in light of this point. In addition, like reference numerals are used throughout the patent specification to refer to like parts.
図１は、本発明の実施形態によるＬＥＤに基づく白色発光デバイス１０の概略図を示す。デバイス１０は、青色発光ＬＥＤ １２及びＬＥＤに対して遠隔に位置付けられるフォトルミネセンス波長変換コンポーネント１４を備える。示されるように、波長変換コンポーネント１４は、少なくとも１つの面に蛍光体変換層１８を有する、光透過性窓（基板）１６を備え得る。蛍光体変換層１８は、青色光励起性蛍光体材料の粒子２０、光反射材料の粒子２２、及び光透過性結合材料２４の混合物を含む。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、若しくはエポキシ等のポリマー材料、又は石英ガラス等のガラスといった、任意の光透過性材料を含み得る。典型的に、製造の容易さのため、光透過性窓１６は、平面であり、円盤型の形状であることが多いが、意図される用途に応じて、正方形、長方形、又は他の形状であってもよい。光透過性窓が円盤形状である場合、いくつかの実施形態では、直径は、約１ｃｍ〜１０ｃｍであり得、これは、０．８ｃｍ２〜８０ｃｍ２の面積の光学的開口である。代替的な実施形態において、光透過性窓１６は、凸面又は凸レンズ等、光を選択された方向へと誘導する、光学的コンポーネントを備え得る。ＬＥＤ １２から波長変換コンポーネント１４へ、特に蛍光体材料への熱の伝達を低減するために、波長変換コンポーネントは、ＬＥＤに対して遠隔に、少なくとも５ｍｍの距離Ｌで物理的に離れて位置付けられる。本発明の実施形態は、発光体から蛍光体材料への熱の伝達を低減するために、波長変換コンポーネント、及びより重要なことには蛍光体材料が、ＬＥＤに対して遠隔に提供される、デバイスに関する。本出願の文脈において、遠隔とは、例えば、空隙又は光透過性媒体によって、物理的に分離されることを意味する。遠隔蛍光体デバイスでは、蛍光体材料が、ＬＥＤの発光表面の面積（例えば、０．０３ｃｍ２）よりも、より広い面積（例えば、０．８ｃｍ２〜８０ｃｍ２）にわたって分布されることが理解されるであろう。典型的に、蛍光体材料は、ＬＥＤの発光面積の少なくとも５０倍、典型的には１００倍の面積にわたって分布される。
FIG. 1 shows a schematic diagram of an LED-based white
青色ＬＥＤ １２は、波長範囲４４０ｎｍ〜４８０ｎｍ（典型的には４６５ｎｍ）にピーク波長λ１を有する青色光２６を生成するように動作可能な、ＧａＮに基づく（窒化ガリウムに基づく）ＬＥＤを含み得る。青色ＬＥＤ １２は、青色励起光２６を波長変換コンポーネント１４に照射するように構成され、そこで、ある割合が蛍光体材料２０によって吸収され、それに応じて、典型的に冷白色発光デバイスでは黄色〜緑色である、異なる波長λ２の光２８を放出する。白色に見えるように構成されるデバイス１０の発光産物３０は、ＬＥＤによって放出された組み合わされた光２６と、蛍光体材料２０によって生成された光２８とを含む。
粉末形態である蛍光体材料２０及び光反射材料２２は、ポリマー材料（例えば、熱若しくはＵＶ硬化性のシリコーン若しくはエポキシ材料）又は例えばＮａｚｄａｒ’ｓ（登録商標）ＵＶ硬化性リトクリアオーバープリントＰＳＬＣ−２９４等のクリアインクといった、光透過性バインダ材料２４と、既知の割合で十分に混合される。この混合物は、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は印刷パスの回数によって調整される。当業者には明らかなように、蛍光体／反射材料の混合物は、混合物を、表面上に、インクジェット印刷、スピンコーティング、又はスキージ等のブレードを使用して掃引（例えば、ドクターブレーディング）することを含む、他の方法を使用して適用され得る。
The
更なる実施形態において、蛍光体と光反射材料との混合物を、光透過性窓の中に組み込むことが想定される。例えば、蛍光体と光反射材料との混合物を、光透過性ポリマーと混合し、このポリマー／蛍光体混合物を押出又は射出成形して、蛍光体及び光反射材料がコンポーネントの体積全体に均一に分布された波長変換コンポーネント１４を形成することができる。
In a further embodiment, it is envisioned that a mixture of phosphor and light reflecting material is incorporated into the light transmissive window. For example, a mixture of phosphor and light reflecting material is mixed with a light transmissive polymer and the polymer / phosphor mixture is extruded or injection molded so that the phosphor and light reflecting material are evenly distributed throughout the volume of the component.
蛍光体材料をＬＥＤに対して遠隔に位置付けることにより、蛍光体材料の熱劣化の低減等、多数の利点がもたらされる。加えて、蛍光体材料がＬＥＤダイの発光表面に直接接触して提供されるデバイスと比較して、蛍光体材料を遠隔に提供することにより、ＬＥＤダイによる後方散乱光の吸収が低減される。更には、蛍光体を遠隔に位置付けることにより、蛍光体をＬＥＤダイの発光表面に直接適用することと比較して、蛍光体材料が、はるかに大きな面積にわたって提供されるため、より一貫した色及び／又はＣＣＴの光の生成が可能となる。 Positioning the phosphor material remotely with respect to the LED provides a number of advantages, such as reducing thermal degradation of the phosphor material. In addition, the absorption of backscattered light by the LED die is reduced by providing the phosphor material remotely as compared to devices where the phosphor material is provided in direct contact with the light emitting surface of the LED die. Furthermore, by positioning the phosphor remotely, the phosphor material is provided over a much larger area compared to applying the phosphor directly to the light emitting surface of the LED die, thus providing a more consistent color and It is possible to generate CCT light.
蛍光体材料は、例えば、一般組成式がＡ３Ｓｉ（Ｏ，Ｄ）５又はＡ２Ｓｉ（Ｏ，Ｄ）４であるケイ酸塩に基づく蛍光体等の無機又は有機蛍光体を含み得、式中、Ｓｉはケイ素であり、Ｏは酸素であり、Ａはストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、又はカルシウムを含み、Ｄは塩素（Ｃｌ）、フッ素（Ｆ）、窒素（Ｎ）、又は硫黄（Ｓ）を含む。ケイ酸塩に基づく蛍光体の例は、米国特許第ＵＳ ７，５７５，６９７号「Ｅｕｒｏｐｉｕｍ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｓｉｌｉｃａｔｅ−ｂａｓｅｄ ｇｒｅｅｎ ｐｈｏｓｐｈｏｒ」（Ｉｎｔｅｍａｔｉｘ Ｃｏｒｐ．に譲渡）、同第ＵＳ ７，６０１，２７６号「Ｔｗｏ ｐｈａｓｅ ｓｉｌｉｃａｔｅ−ｂａｓｅｄ ｙｅｌｌｏｗ ｐｈｏｓｐｈｏｒ」（Ｉｎｔｅｍａｔｉｘ Ｃｏｒｐ．に譲渡）、同第ＵＳ ７，６０１，２７６号「Ｓｉｌｉｃａｔｅ−ｂａｓｅｄ ｏｒａｎｇｅ ｐｈｏｓｐｈｏｒ」（Ｉｎｔｅｍａｔｉｘ Ｃｏｒｐ．に譲渡）、及び同第ＵＳ ７，３１１，８５８号「Ｓｉｌｉｃａｔｅ−ｂａｓｅｄ ｙｅｌｌｏｗ−ｇｒｅｅｎ ｐｈｏｓｐｈｏｒ」（Ｉｎｔｅｍａｔｉｘ Ｃｏｒｐ．に譲渡）に開示される。蛍光体はまた、同時係属中の特許出願第ＵＳ２００６／０１５８０９０号「Ａｌｕｍｉｎａｔｅ−ｂａｓｅｄ ｇｒｅｅｎ ｐｈｏｓｐｈｏｒ」及び特許第ＵＳ ７，３９０，４３７号「Ａｌｕｍｉｎａｔｅ−ｂａｓｅｄ ｂｌｕｅ ｐｈｏｓｐｈｏｒ」（Ｉｎｔｅｍａｔｉｘ Ｃｏｒｐ．に譲渡）に教示されるもの等のアルミン酸塩に基づく材料、同時係属中の第ＵＳ２００８／０１１１４７２号「Ａｌｕｍｉｎｕｍ−ｓｉｌｉｃａｔｅ ｏｒａｎｇｅ−ｒｅｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒ」に教示されるようなケイ酸アルミニウム蛍光体、又は米国特許第８，２７４，２１５号に教示されるもの等の窒化物に基づく赤色蛍光体材料を含み得る。蛍光体材料が、本明細書に記載の例に限定されるものではなく、窒化物及び／若しくは硫酸塩蛍光体材料、オキシ窒化物及びオキシ硫酸塩蛍光体、又はガーネット材料（ＹＡＧ）を含む、任意の蛍光体材料を含み得ることが、理解されるであろう。 The phosphor material may include, for example, an inorganic or organic phosphor, such as a silicate-based phosphor having a general composition formula of A 3 Si (O, D) 5 or A 2 Si (O, D) 4 , In the formula, Si is silicon, O is oxygen, A contains strontium (Sr), barium (Ba), magnesium (Mg), or calcium, D represents chlorine (Cl), fluorine (F), nitrogen (N) or sulfur (S) is included. Examples of silicate-based phosphors are described in US Pat. No. 7,575,697 “Europeum activated silicate-based green phosphor” (assigned to Intematix Corp.), US Pat. No. 7,601,276 “Two phase”. "Silicate-based yellow phosphor" (assigned to Intematix Corp.), US 7,601,276 "Silicate-based orange phosphor" (assigned to Intematix Corp.), and US 7,311,858 "Silicate" -Based yellow-green phosphor "(assigned to Intematix Corp.). The phosphors are also taught in co-pending patent application US 2006/0158090 “Aluminate-based green phosphor” and patent US 7,390,437 “Aluminate-based blue phosphor” (assigned to Intematix Corp.). Materials based on aluminates, such as those disclosed in co-pending US 2008/0111472 “Aluminum-silicate orange-red phosphor”, or US Pat. No. 8,274,215 Red phosphor materials based on nitrides such as those taught in The phosphor material is not limited to the examples described herein, and includes nitride and / or sulfate phosphor materials, oxynitride and oxysulfate phosphors, or garnet materials (YAG). It will be understood that any phosphor material may be included.
蛍光体材料は、通常は直径が１０μｍ〜２０μｍ、及び典型的には約１５μｍの球状形状である、粒子を含む。蛍光体材料は、２μｍ〜６０μｍの寸法の粒子を含み得る。 The phosphor material includes particles that are usually spherical in shape with a diameter of 10 μm to 20 μm, and typically about 15 μm. The phosphor material may include particles having a size of 2 μm to 60 μm.
光反射材料２２は、典型的には０．９又はそれ以上の高反射率を有する粉末材料を含む。光反射材料の粒径は、典型的には０．１μｍ〜１０μｍの範囲であり、好ましい実施形態では０．１μｍ〜１０μｍの範囲内である。蛍光体材料に対する光反射材料の重量充填百分率は、０．１％〜１０％の範囲であり、好ましい実施形態では１〜２％の範囲である。光反射材料の例としては、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）、及びそれらの組み合わせが挙げられる。光反射材料はまた、典型的にはＴｉＯ２である高度に光反射性の材料の粒子を既に含んでいる、例えばＮｏｒｃｏｔｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＩｎｃのスーパーホワイトインクＧＮ−０２７ＳＡ等の白色インクを含み得る。
The
本発明のデバイスの動作について説明する前に、既知の発光デバイスの動作を、図２を参照して説明し、これは、蛍光体波長変換を用いる冷白色ＬＥＤに基づく発光デバイスの概略図を示す。本発明のデバイスと共通して、既知のデバイスには、光透過性バインダ２４の体積全体に均一に分布される蛍光体材料粒子２０を含む、波長変換コンポーネント１８が含まれる。本発明のデバイスとは異なり、既知のデバイスは、光反射材料の粒子を含まない。動作中、ＬＥＤからの青色光２６は、蛍光体材料の粒子に衝突するまで光透過性バインダ２４を透過する。平均すると、光子と蛍光体材料粒子の相互作用のわずか１０，０００分の１が、フォトルミネセンス光の吸収及び生成につながると考えられる。蛍光体粒子と光子の相互作用の大半すなわち約９９．９９％が、光子の散乱につながる。散乱プロセスの等方性の性質のため、平均して、散乱された光子の半分が、ＬＥＤに向かって戻る方向となる。典型的には、合計入射青色光の約１０％が散乱され、波長変換コンポーネントからＬＥＤに向かって戻る方向に放出されることが、試験で示されている。冷白色発光デバイスでは、入射青色光の合計の約１０％が窓を通じて放出され、発光産物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。入射光の大半、すなわち約８０％は、蛍光体材料によって吸収され、フォトルミネセンス光２８として再放出される。フォトルミネセンス光の生成の等方性の性質のため、蛍光体材料によって生成される光２８の約半分が、ＬＥＤに向かう方向に放出されることになる。結果として、合計入射光の最大（↑）約４０％が、波長λ２の光２８として放出され、発光産物３０に寄与することになり、一方で、合計入射光の最大（↑）約４０％が、ＬＥＤに向かって戻る方向の波長λ２の光２８として放出されることになる。典型的には、ＬＥＤに向かって放出された光は、デバイスの総合効率を増すために反射板（図示せず）によって方向転換される。
Before describing the operation of the device of the present invention, the operation of a known light-emitting device is described with reference to FIG. 2, which shows a schematic diagram of a light-emitting device based on a cold white LED using phosphor wavelength conversion. . In common with the device of the present invention, known devices include a
本発明のいくつかの実施形態による冷白色発光デバイス１０の動作を、ここで、図３を参照して説明し、これは、図１のデバイスの動作の概略図を示す。本発明のデバイスの動作は、図２のものに類似であるが、追加として、光反射／散乱材料の粒子による（波長λ１及びλ２の）光の反射又は散乱が含まれる。蛍光体材料とともに光反射材料の粒子を含むことにより、所与の色の発光産物を生成するために必要な蛍光体材料の量を、例えば、最大３３％低減することができる。光反射材料の粒子は、光子が蛍光体材料の粒子に衝突する可能性を増加させ、したがって、所与の色の発光産物に必要とされる蛍光体材料が少ない。
The operation of the cold white
図４は、◆−０％、黒四角−０．４％、黒三角−１．１％、及び●−２％の重量充填百分率の光反射材料に対する、本発明のいくつかの実施形態による発光デバイスについての色度ＣＩＥ ｘに対する光度のプロットである。このデータは、バインダ材料がＮａｚｄａｒ’ｓ（登録商標）ＵＶ硬化性リトクリアオーバープリントＰＳＬＣ−２９４を含み、蛍光体材料が１５μｍの平均粒径を有するＩｎｔｅｍａｔｉｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの蛍光体ＥＹ４４５３を含む、スクリーン印刷された蛍光体変換層に関する。蛍光体材料対クリアインクの比率は、重量比で２：１である。光反射材料は、Ｎｏｒｃｏｔｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＩｎｃのスーパーホワイトインクＧＮ−０２７ＳＡを含む。光反射材料の充填率に関する数字は、スーパーホワイトインク対クリアインクの重量百分率を指す。各データポイントに関連づけられる小さい参照番号は、蛍光体の層を形成するために用いられた印刷パス回数「ｎ」を示す。印刷パスの回数は、蛍光体層１８の厚さ及び蛍光体の数に正比例することが理解されるであろう。楕円３２、３４、３６、３８は、実質的に同じ光度及びＣＩＥ ｘ値を有する発光産物に関するデータポイントをまとめるために使用されている。例えば、楕円３２は、ｉ）光反射材料を用いない３回の印刷パス、及びｉｉ）充填率２％の光反射材料を用いる２回の印刷パスを含む蛍光体変換層１８に関して、類似した光度及び色の発光産物が生産され得ることを示している。これらのデータは、重量充填率２％の光反射材料を含めることによって、約３３％少ない蛍光体材料を含む蛍光体変換層１８を用いて、同じ色及び光度の光を生成することが可能であることを示している。楕円３４は、ｉ）光反射材料を用いない４回の印刷パス、及びｉｉ）充填率０．４％の光反射材料を用いる３回の印刷パスを含む蛍光体変換層に関して、同じ光度及び色の発光産物が生産されることを示している。これらのデータは、この実施形態については、重量充填率０．４％の光反射材料を含めることによって、約２５％少ない蛍光体を含む蛍光体変換層を用いて、同じ光の色及び光度を生成することが可能であることを示している。楕円３６は、ｉ）光反射材料を用いない４回の印刷パス、及びｉｉ）充填率１．１％の光反射材料を用いる３回の印刷パスを含む、蛍光体変換層に関して、同じ光度及び色の発光産物が生産されることを示している。これらのデータは、重量充填率１．１％の光反射材料を含めることによって、約２５％少ない蛍光体を含む蛍光体変換層を用いて、同じ光の色及び光度を生成することが可能であることを示している。楕円３８は、ｉ）重量充填率０．４％の光反射材料を用いる４回の印刷パス、及びｉｉ）重量充填率２％の光反射材料を用いる３回の印刷パスを含む、蛍光体変換層に関して、同じ光度及び色の発光産物が生産されることを示している。これらのデータは、重量充填率０．４％の光反射材料を含めることによって、約２５％少ない蛍光体を含む蛍光体変換層を用いて、同じ光の色及び光度を生成することが可能であることを示している。ポイント４０（ｎ＝４、１．充填率１％）及び４２（ｎ＝４、充填率２％）は、飽和点が存在することを示唆しており、それを超えると、光反射材料の充填率の増加は色にほとんど影響を及ぼさずに光度の減少をもたらす。
FIG. 4 illustrates light emission according to some embodiments of the present invention for light-reflective materials with weight-fill percentages of ◆ -0%, black squares -0.4%, black triangles -1.1%, and ● -2%. FIG. 4 is a plot of luminous intensity versus chromaticity CIE x for a device. This data is screen printed, where the binder material includes Nazdar's® UV curable lithoclear overprint PSLC-294, and the phosphor material includes Intematix Corporation phosphor EY4453 having an average particle size of 15 μm. The present invention relates to a phosphor conversion layer. The ratio of phosphor material to clear ink is 2: 1 by weight. The light reflecting material includes Norcote International Inc's Super White Ink GN-027SA. The numbers for the fill factor of the light reflecting material refer to the weight percentage of super white ink versus clear ink. The small reference number associated with each data point indicates the number of printing passes “n” used to form the phosphor layer. It will be appreciated that the number of printing passes is directly proportional to the thickness of the
図５は、本発明の別の実施形態によるＬＥＤに基づく白色発光デバイス１０の概略図である。この実施形態において、光透過性基板１６は、導光板（導波管）として構成され、蛍光体変換層１８は、基板の１つの面、すなわち発光面にわたって提供される。典型的には、基板１６は、実質的に平面であり、用途に応じて、円盤形状、正方形、長方形、又は他の形状であり得る。基板が円盤形状である場合、直径は、典型的に、約２０ｃｍ２〜約７００ｃｍ２の面積の発光面に対応して、約５ｃｍ〜３０ｃｍである。基板が正方形又は長方形の形状である場合、側面は、典型的に、約８０ｃｍ２〜約５０００ｃｍ２の発光面に対応して、５ｃｍ〜４０ｃｍであり得る。基板１６の非発光面（図では下面）上には、デバイスの後部からの光の放出を防ぐために、光反射材料の層４４が提供され得る。反射材料４４は、クロム等の金属コーティング、又はプラスチック材料若しくは紙等の光沢のある白色の材料を含み得る。基板の縁部から放出される光を最小限に抑えるために、基板の縁部には、好ましくは、光反射表面（示されない）が含まれる。１つ以上の青色ＬＥＤ １２は、青色光２６を基板１６の１つ以上の縁部に連結させるように構成される。動作中、基板１６に連結された光２６は、内部全反射によって、基板１６の体積全体にわたって誘導される。臨界角よりも高い角度で基板の発光面に衝突する光２６は、その面を通って蛍光体波長変換層１８に放出されることになる。デバイスの動作は、図３を参照して説明したものと同じである。図５に示されるように、発光表面から離れる方向に放出される、蛍光体が生成した光４６は、基板１６に再び入り得、光反射層４４によって反射されることによって、最終的に発光面を通じて放出されることになる。デバイスから放出される最終的な照射産物３０は、ＬＥＤによって生成された青色光２６と、蛍光体波長変換層１８によって生成された波長変換光２８の組み合わせである。
FIG. 5 is a schematic diagram of an LED-based white
図６は、光透過性基板１６が、導光板（導波管）として構成される、代替的なＬＥＤに基づく白色発光デバイス１０の概略図である。この実施形態では、蛍光体変換層１８は、発光面の反対側の基板の面に提供され、光反射層４４は、蛍光体変換層１８全体にわたって提供される。
FIG. 6 is a schematic diagram of an alternative LED-based white
図７は、本発明の更なる実施形態によるＬＥＤに基づく白色発光デバイス１０の概略図を示す。この実施形態において、波長変換コンポーネント１４は、光反射性であり、蛍光体変換層１８が上に適用された光反射表面４８を備える。示されるように、光反射表面４８は、放物面を含み得るが、平面、凸面、及び凹面を含む、任意の表面を含み得る。デバイスからの発光を最大化するために、光反射表面は、可能な限り反射性であり、好ましくは、少なくとも０．９の反射率を有する。光反射表面は、銀、アルミニウム、クロム等の研磨金属表面、光反射ポリマー、光反射紙、又は光反射塗料を含み得る。熱の放散を助けるために、光反射表面は、好ましくは、熱伝導性である。
FIG. 7 shows a schematic diagram of an LED-based white
図７の発光デバイスの動作は、図８に記載され、これは、図３のものに類似であるため、詳細には記載されない。しかしながら、ＬＥＤ光２６のうち平均して最大半分が、蛍光体変換層を２回通って移動することになるため、蛍光体変換層１８の厚さは、光透過性波長コンポーネントを有する配設（図１及び５）と比較して、最大で半分、すなわち、ｔ／２であり得る。蛍光体材料を光反射表面に提供する結果として、蛍光体材料の使用量を最大約５０％更に低減させる可能性を有しながら、同じ色の発光産物が達成され得る。図６の実施形態は、動作に関しては、図７のものに類似であり、光透過性基板１６が、ＬＥＤ光２６を蛍光体変換層１８へと導くために使用されている。
The operation of the light emitting device of FIG. 7 is described in FIG. 8, which is similar to that of FIG. 3 and will not be described in detail. However, on average, up to half of the
本発明は、発光デバイスに関連して記載されているが、本発明の原理はまた、同時係属中の米国特許第７，９３７，８６５号に記載のもの等、フォトルミネセンス波長変換を利用して所望される色の発光を生成する、固体発光サイネージにも適用することができ、この内容は、それを参照することにより本明細書に組み込まれる。このような発光サインでは、波長変換コンポーネント１４を、フォトルミネセンスサイネージ表面として使用して、所望の色のサイネージ情報を生成することができることが理解されるであろう。蛍光体材料と光反射材料との混合物は、光透過性基板上に画像、写真、文字、数字、デバイス、パターン、又は他のサイネージ情報を画定するパターンとして構成され得る。あるいは、例えば、チャネルレタリングに必要とされるように、サイネージ表面、すなわち光透過性基板の形状は、サイネージ情報を画定するように構成され得る。本発明は、サイネージ表面の面積が、数百平方センチメートルであり、蛍光体材料を、最小で１００ｃｍ２（１０ｃｍ×１０ｃｍ）、より典型的には数百、又は数千平方センチメートルにわたって分布させる必要がある場合に、特に有利である。
Although the present invention has been described in connection with light emitting devices, the principles of the present invention also utilize photoluminescence wavelength conversion, such as that described in co-pending US Pat. No. 7,937,865. It can also be applied to solid state light emitting signage that produces light of the desired color, the contents of which are hereby incorporated by reference. It will be appreciated that in such luminescent signatures, the
サインは、バックライトで光を当てることができる、すなわち、ＬＥＤは、例えばライトボックス内でサイネージ表面の後ろに位置付けられ、サイネージ表面がライトボックスの開放部に重なって提供される。典型的には、サイネージ表面は、ＬＥＤから少なくとも約５ｍｍの距離に位置する。あるいは、サインは、エッジライトで光を当てることができ、光透過性基板は、導光板として構成され、蛍光体材料と光反射材料との混合物は、導光板の発光面の少なくとも一部に提供される。 The sign can be illuminated with a backlight, i.e. the LED is positioned behind the signage surface, e.g. in a light box, and the signage surface is provided overlapping the opening of the light box. Typically, the signage surface is located at a distance of at least about 5 mm from the LED. Alternatively, the sign can be illuminated with edge light, the light transmissive substrate is configured as a light guide plate, and the mixture of phosphor material and light reflective material is provided on at least a portion of the light emitting surface of the light guide plate Is done.
いくつかの実施形態において、光反射材料は、二酸化チタン（ＴｉＯ２）を含むが、これは、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の他の材料を含んでもよい。いくつかの実施形態において、光反射材料は、１μｍ〜５０μｍの範囲、好ましくは、１０μｍ〜２０μｍの範囲の平均粒径を有する。 In some embodiments, the light reflecting material comprises titanium dioxide (TiO 2 ), which is barium sulfate (BaSO 4 ), magnesium oxide (MgO), silicon dioxide (SiO 2 ), or aluminum oxide (Al Other materials such as 2 O 3 ) may also be included. In some embodiments, the light reflective material has an average particle size in the range of 1 μm to 50 μm, preferably in the range of 10 μm to 20 μm.
いくつかの実施形態において、波長変換コンポーネント内で利用される光反射／散乱材料は、粒子が、励起（典型的には青色）光を、フォトルミネセンス（蛍光体）材料（複数可）によって生成される光を散乱させるよりも、相対的に多く散乱させるように選択される、粒径を有する。例えば、光反射粒子の寸法は、粒子が、励起光を、少なくとも１つの蛍光体材料によって生成される光を散乱させるよりも、相対的に少なくとも２倍多く散乱させるように、選択され得る。これは、青色励起光のより高い割合が散乱されることを確実にし、光子が蛍光体材料粒子と相互作用する可能性を増加させ、結果として、フォトルミネセンス光の生成をもたらす。同時に、蛍光体が生成した光は、通過することができ、散乱される可能性はより低くなる。 In some embodiments, the light reflecting / scattering material utilized within the wavelength converting component is such that the particles generate excitation (typically blue) light by the photoluminescent (phosphor) material (s). Having a particle size selected to scatter relatively much more than the scattered light. For example, the size of the light-reflecting particle can be selected such that the particle scatters the excitation light at least twice as much as it scatters the light produced by the at least one phosphor material. This ensures that a higher percentage of blue excitation light is scattered, increasing the likelihood that photons will interact with the phosphor material particles, resulting in the generation of photoluminescent light. At the same time, the light produced by the phosphor can pass through and is less likely to be scattered.
このアプローチは、青色光子が、蛍光体材料粒子と相互作用する可能性を更に増加させ得るため、選択された発光色を生成するのに必要な蛍光体材料がより少ない。この配設はまた、波長変換コンポーネント／デバイスの発光効率も増加させ得る。青色（４００ｎｍ〜４８０ｎｍ）励起光を用いるいくつかの実施形態において、光反射材料は、約１５０ｎｍ未満の平均粒径を有し、典型的には、１００ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲の平均粒径を有する。 This approach can further increase the likelihood that blue photons will interact with the phosphor material particles, thus requiring less phosphor material to produce the selected emission color. This arrangement may also increase the luminous efficiency of the wavelength converting component / device. In some embodiments using blue (400 nm to 480 nm) excitation light, the light reflecting material has an average particle size of less than about 150 nm, and typically has an average particle size in the range of 100 nm to 150 nm.
光反射／散乱材料（すなわち、青色光を優先的に散乱させるため）は、蛍光体材料と同じ材料層に埋め込まれる。 The light reflecting / scattering material (ie to preferentially scatter blue light) is embedded in the same material layer as the phosphor material.
あるいは、光反射／散乱材料は、蛍光体材料を有する層に隣接するか、又はその付近の別個の層に設置されてもよい。例えば、本発明のいくつかの実施形態により、また図９に示されるように、波長変換コンポーネント１３６は、順に、光透過性基板１４２、光反射粒子を含有する光反射層１４４、及び１つ以上の蛍光体（フォトルミネセンス）と光反射材料との混合物を含有する波長変換層１４６を備える。図９に見られるように、波長変換コンポーネント１３６は、動作中、波長変換層１４６がＬＥＤに面するように構成される。本発明のいくつかの実施形態によると、波長変換コンポーネント１３６は、順に、光透過性基板１４２、光反射粒子を含有する光反射層１４４、及び１つ以上の蛍光体（フォトルミネセンス）材料を含有する波長変換層１４６を備える。
Alternatively, the light reflecting / scattering material may be placed in a separate layer adjacent to or near the layer having the phosphor material. For example, according to some embodiments of the present invention and as shown in FIG. 9, the
光透過性基板１４２は、波長範囲３８０ｎｍ〜７４０ｎｍの光に実質的に透過性である任意の材料であり得、ポリカーボネート若しくはアクリル等の光透過性ポリマー、又はホウケイ酸塩ガラス等のガラスを含み得る。基板１４２は、いくつかの実施形態において、直径がφ＝６２ｍｍであり、厚さがｔ１、典型的には０．５ｍｍ〜３ｍｍである、平面円板を含む。他の実施形態では、基板は、例えばドーム形又は円筒形のような形状の凹面又は凸面等の他の外形を備え得る。
The
光拡散層１４４は、好ましくは二酸化チタン（ＴｉＯ２）である光反射材料の均一な厚さの層を含む。代替的な配設では、光反射材料は、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、又は可能な限り高い反射率、典型的には０．９以上の反射率を有する粉末材料を含み得る。光反射材料の粉末は、光透過性液体バインダ材料と十分に混合されて、懸濁液を形成し、結果として得られる混合物は、好ましくは、スクリーン印刷によって、基板１４２の面に堆積され、基板の全面を被覆する厚さｔ２（典型的には１０μｍ〜７５μｍの範囲）の均一な層を形成する。光拡散層１４４中の単位面積当たりの光回折材料の量は、典型的に、１０μｇ．ｃｍ−２〜５ｍｇ．ｃｍ−２の範囲内である。
The
スクリーン印刷は、光拡散層１４４を堆積するための好ましい方法であるが、例えば、これは、スロットダイコーティング、スピンコーティング、ローラーコーティング、ドローダウンコーティング、又はドクターブレーディング等の他の技術を使用して堆積することもできる。バインダ材料は、ポリマー樹脂、モノマー樹脂、又はアクリル、エポキシ（ポリエポキシド）、シリコーン、若しくはフッ化ポリマーのような硬化性液体ポリマーを含み得る。バインダ材料が、その硬化した状態で、実質的に、蛍光体材料（複数可）及びＬＥＤによって生成される全ての波長の光に対して透過性であり、好ましくは、可視スペクトル（３８０ｎｍ〜８００ｎｍ）にわたって少なくとも０．９の透過率を有することが、重要である。バインダ材料はＵＶ硬化性であることが好ましいが、熱硬化性のもの、溶剤に基づくもの、又はそれらの組み合わせであってもよい。ＵＶ硬化性又は熱硬化性のバインダは、溶剤に基づく材料と異なり、重合中に「脱ガス」しないので、好ましい場合がある。一配設において、光回折材料の平均粒径は、５μｍ〜１５μｍの範囲であるが、上述のように、ナノメートル範囲（ｎｍ）であってもよく、有利には、１００ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲である。液体バインダに対する光反射材料の重量充填百分率は、典型的に、７％〜３５％である。
Screen printing is the preferred method for depositing the
波長変換層１４６は、いかなる介在層又は空隙も介さずに、直接接触による光拡散層１４４に堆積される。粉末形状である蛍光体材料は、液体の光透過性バインダ材料と既知の割合で十分に混合されて、懸濁液を形成し、結果として得られる蛍光体組成物、すなわち「蛍光体インク」は、反射層１４４に直接堆積される。波長変換層はスクリーン印刷によって堆積するのが好ましいが、スロットダイコーティング、スピンコーティング、又はドクターブレーディングのような他の堆積手法を使用してもよい。波長変換層１４６と反射層１４４との間の光インターフェースを排除し、層間の光の透過を最大にするために、好ましくは、同じ液体バインダ材料、すなわち、ポリマー樹脂、モノマー樹脂、アクリル、エポキシ、シリコーン、又はフッ化ポリマー等が、両方の層を製造するために使用される。
The
本発明による蛍光体波長変換コンポーネント１３６の更なる例を、図１０に図示する。図９の波長変換コンポーネントと共通して、このコンポーネントは、光透過性基板１４２、光拡散層１４４、及び波長変換層１４６を備える。本発明によると、光拡散層１４４及び波長変換層１４６は、互いに直接接触して堆積される。この場合も、動作中、波長変換層１４６がＬＥＤに面するように波長変換コンポーネントが構成されるように、コンポーネントが構成される。
A further example of a phosphor
動作中、ＬＥＤによって生成される青色励起光１２８は、蛍光体材料の粒子に衝突するまで、波長変換層１４６を通って移動する。平均すると、光子と蛍光体材料粒子との相互作用のわずか１０，０００分の１が、フォトルミネセンス光１３８の吸収及び生成をもたらすと考えられる。蛍光体粒子と光子の相互作用の大半すなわち約９９．９９％が、光子の散乱につながる。散乱プロセスの等方性の性質のために、平均すると、光子の約半分が、ＬＥＤに向かって戻る方向に散乱される。典型的には、合計入射青色光１２８の約１０％が散乱され、波長変換コンポーネント１３６からＬＥＤに向かって戻る方向に放出されることが、試験で示されている。冷白色発光デバイスでは、蛍光体材料の量は、合計入射青色光の約１０％が波長変換コンポーネントから放出され、発光産物１４０に寄与することができるように、選択される。入射光の大半、すなわち約８０％は、蛍光体材料によって吸収され、フォトルミネセンス光１３８として再放出される。フォトルミネセンス光の生成の等方性の性質のため、蛍光体材料によって生成される光１３８の約半分が、ＬＥＤに向かう方向に放出される。結果として、合計入射光の最大約４０％のみが波長λ２の光１３８として放出され、発光産物１３８に寄与することになり、合計入射光の残り（最大約４０％）が、ＬＥＤに向かって戻る方向の波長λ２の光１３８として放出されることになる。波長変換コンポーネント１３６からＬＥＤに向かって放出される光は、反射チャンバの光反射表面によって方向転換されて、発光産物に寄与し、デバイスの全体的な効率を増加させる。
In operation, the
光反射材料の粒子から構成される光拡散層１４４の追加により、選択された色の発光を生成するために必要な蛍光体材料の量を実質的に低減することができる。拡散層１４４は、光子が、光を波長変換層１４６に反射して戻すことによってフォトルミネセンス光の生成をもたらす可能性を増加させる。波長変換層と直接接触する反射層を含むことにより、所与の色の発光産物を生成するために必要な蛍光体材料の量を、例えば、いくつかの実施形態では最大４０％低減することができる。
The addition of a
したがって、光拡散層が、ＬＥＤによって生成される青色光を、蛍光体材料によって生成される光を散乱するよりも多く、選択的に散乱するように、光拡散層を構成することが想定される。このような光拡散層は、波長変換層から放出される青色光のより高い割合が、光反射材料によって散乱され、波長変換層に戻るように方向付け、光子が蛍光体材料粒子と相互作用する可能性を増加させ、結果として、フォトルミネセンス光の生成をもたらすことを確実にする。同時に、蛍光体が生成した光は拡散層を通過することができ、散乱される可能性はより低くなる。拡散層は、青色光子が蛍光体材料粒子と相互作用する可能性を増加させるため、選択された発光色を生成するのに必要な蛍光体材料がより少ない。 It is therefore envisaged that the light diffusing layer is configured such that the light diffusing layer selectively scatters the blue light produced by the LED more than the light produced by the phosphor material. . Such a light diffusing layer directs a higher percentage of blue light emitted from the wavelength converting layer to be scattered by the light reflecting material and back to the wavelength converting layer, and photons interact with the phosphor material particles. Ensuring that the possibility is increased, resulting in the production of photoluminescent light. At the same time, the light produced by the phosphor can pass through the diffusion layer and is less likely to be scattered. The diffusion layer increases the likelihood that blue photons will interact with the phosphor material particles, so less phosphor material is needed to produce the selected emission color.
加えて、このような配設はまた、波長変換コンポーネント／デバイスの発光効率を増加させ得る。光散乱材料の平均粒径を適切に選択することによって、光拡散層が、他の色、すなわち緑色及び赤色よりも容易に、青色光を散乱するように、光拡散層を構成することが可能である。図１１は、赤色、緑色、及び青色に関する、ＴｉＯ２の平均粒径（ｎｍ）に対する相対光散乱率のプロットを示す。図１１に見られるように、１００ｎｍ〜１５０ｎｍの平均粒径を有するＴｉＯ２粒子は、青色光（４５０ｎｍ〜４８０ｎｍ）を散乱する傾向が、緑色光（５１０ｎｍ〜５５０ｎｍ）又は赤色光（６３０ｎｍ〜７４０ｎｍ）を散乱するよりも２倍を上回って高い。例えば、１００ｎｍの平均粒径を有するＴｉＯ２粒子は、青色光を、緑色又は赤色の光を散乱するよりもほぼ３倍（２．９＝０．９７／０．３３）多く、散乱するであろう。２００ｎｍの平均粒径を有するＴｉＯ２粒子に関しては、これらは、青色光を、緑色又は赤色光を散乱する２倍（２．３＝１．６／０．７）多く散乱するであろう。本発明のいくつかの実施形態によると、光回折粒子の寸法は、好ましくは、粒子が、青色光を、蛍光体材料（複数可）によって生成される光の相対的に少なくとも２倍散乱するように、選択される。蛍光体材料によって生成される波長の光と比較して、ＬＥＤによって生成される波長に対応する光を優先的に散乱する、光反射粒子から構成される光反射層を含む波長変換コンポーネントの概念は、それ自体が発明と見なされる。 In addition, such an arrangement can also increase the luminous efficiency of the wavelength converting component / device. By appropriately selecting the average particle size of the light scattering material, the light diffusion layer can be configured to scatter blue light more easily than other colors, ie green and red It is. FIG. 11 shows a plot of relative light scattering rate against average particle size (nm) of TiO 2 for red, green, and blue. As can be seen in FIG. 11, TiO 2 particles having an average particle size of 100 nm to 150 nm tend to scatter blue light (450 nm to 480 nm), but green light (510 nm to 550 nm) or red light (630 nm to 740 nm). 2 times higher than scattered. For example, TiO 2 particles with an average particle size of 100 nm will scatter blue light approximately 3 times (2.9 = 0.97 / 0.33) more than scattering green or red light. Let's go. For TiO 2 particles with an average particle size of 200 nm, these will scatter blue light twice as much (2.3 = 1.6 / 0.7) as it scatters green or red light. According to some embodiments of the invention, the size of the light diffracting particles is preferably such that the particles scatter blue light at least twice as much as the light produced by the phosphor material (s). Is selected. The concept of a wavelength converting component comprising a light reflecting layer composed of light reflecting particles that preferentially scatters light corresponding to the wavelength generated by the LED compared to light of the wavelength generated by the phosphor material is Itself is considered an invention.
したがって、光反射／散乱材料は、蛍光体材料を含む層に隣接するか、又はその付近の別個の層で具現化され得る。光反射／散乱材料を蛍光体材料と同じ層に混合する代わりに、及び／又はそれに加えて、別個の光反射層を使用してもよい。同じか又は異なる反射材料のいずれも、蛍光体材料と混合される光反射材料とは別個の光反射層に使用することができる。 Thus, the light reflecting / scattering material can be embodied in a separate layer adjacent to or near the layer containing the phosphor material. Instead of and / or in addition to mixing the light reflecting / scattering material in the same layer as the phosphor material, a separate light reflecting layer may be used. Either the same or different reflective material can be used in the light reflective layer separate from the light reflective material mixed with the phosphor material.
本明細書に開示されている発明の概念は、任意の好適な形を包含する波長変換コンポーネントに適用され得る。例えば、白熱電球の代わりに固体電球が示される図１２及び１３に図示されるＬＥＤ照明デバイス２００を考察する。
The inventive concepts disclosed herein can be applied to wavelength conversion components, including any suitable form. For example, consider the
ＬＥＤ照明デバイス２００は、ねじ込み口金２０６を含む照明基部２０４を備える。ねじ込み口金２０６は、標準的なエジソンねじ込み口金として実装される、標準的な電球ソケットに嵌合するように構成される。エンベロープ２０８は、ＬＥＤ照明デバイス２００の上部の周囲に延在し得る。エンベロープ２０８は、ＬＥＤ照明デバイス２００の保護及び／又は拡散特性を提供する、光透過性材料（例えば、ガラス又はプラスチック）である。
The
ＬＥＤ照明デバイス２００は、照明基部２０４から延在する、伸長したドーム形状を有する波長変換コンポーネント２０２を備える。青色ＬＥＤデバイス１２は、照明基部２０４の上表面、波長変換コンポーネント２０２の下に存在する。波長変換コンポーネント２０２の三次元の性質は、ＬＥＤ １２の周囲及び上の容積を包囲する、比較的大きな形状を作出する。照明デバイス２００内の波長変換コンポーネント２０２に三次元形状を使用することにより、照明デバイス２００によって放出される光に形を与える能力等、特定の機能的利点を可能にする。
The
しかしながら、波長変換コンポーネント２０２のこれらのタイプの三次元形状は、比較的大きい体積の波長変換コンポーネントにも相当し、これは、十分な量の蛍光体材料を投入する必要がある。先行技術のアプローチでは、したがって、このような波長変換コンポーネント２０２を製造するために、非常に多くの量の蛍光体材料が必要となる。本発明の実施形態を用いて、このような波長変換コンポーネント２０２を製造するために必要とされる蛍光体の量を低減することができる。具体的には、波長変換コンポーネント２０２は、蛍光体と反射材料との混合物を含む。波長変換コンポーネント２０２内の反射材料は、光を散乱する性質を有するため、これにより、波長変換コンポーネント２０２に必要な蛍光体材料の量が低減される。
However, these types of three-dimensional shapes of the
いくつかの実施形態において、波長変換コンポーネント２０２を製造するために必要とされる蛍光体材料の量を低減するために、光拡散層（示されない）が、波長変換コンポーネント２０２に追加されてもよい（蛍光体と混合された反射材料に加えて、及び／又はその代わりに）。青色光を散乱する可能性が高くなるように選択される光散乱粒子等の任意の好適な材料を、光反射材料に利用してもよい。
In some embodiments, a light diffusing layer (not shown) may be added to the
したがって、ＬＥＤに基づく照明デバイス及び／又は波長変換コンポーネントを実装するための改善されたアプローチについて記載しており、これは、このようなデバイス及びコンポーネントの製造に必要なフォトルミネセント材料の量を低減させる。 Thus, an improved approach for implementing LED-based lighting devices and / or wavelength converting components is described, which reduces the amount of photoluminescent material required to manufacture such devices and components. Let
全方向性のＬＥＤに基づく発光デバイス
例えば白熱灯（電球）のエネルギー効率のよい代替品といった、多数の用途に、実質的に全方向性の放出特性が必要である。このようなランプは、多数の形態で利用可能であり、標準的には、文字及び数字の組み合わせで言及されることが多い。電球の文字表記は、典型的には、汎用（Ａ、マッシュルーム形）、高ワット数汎用（ＰＳ−洋ナシ形）、装飾用（Ｂ−キャンドル形、ＣＡ−ツイストキャンドル形、ＢＡ−先端が曲がったキャンドル形、Ｆ−炎形、Ｐ−豪華な丸形、Ｇ−地球形）、反射板（Ｒ）、放物面のアルミメッキ反射板（ＰＡＲ）、及び多面反射板（ＭＲ）といった、その電球のタイプの特定の形状を指す。番号表記は、しばしば８分の１インチ単位でランプの直径を示すことにより、ランプの大きさを指す。したがって、Ａ−１９型のランプとは、形が「Ａ」という文字で言及され、直径が最大２と８分の３インチである、汎用ランプ（電球）を指す。最も一般的に使用される家庭用「電球」は、Ａ−１９エンベロープを有し、米国では一般にＥ２６ねじ込み口金とともに販売される、ランプである。
Light-emitting devices based on omnidirectional LEDs For many applications, such as energy efficient alternatives to incandescent lamps (bulbs), substantially omnidirectional emission characteristics are required. Such lamps are available in a number of forms and are typically often referred to as a combination of letters and numbers. The light bulbs are typically written in general (A, mushroom), high wattage (PS-pear), decorative (B-candle, CA-twisted candle, BA-bends) Candle-shaped, F-flame, P-gorgeous round, G-earth), reflector (R), parabolic aluminized reflector (PAR), and multi-surface reflector (MR) Refers to a specific shape of the type of light bulb. Numbering refers to lamp size, often by indicating the lamp diameter in 1/8 inch increments. Accordingly, A-19 type lamp refers to a general purpose lamp (bulb) that is referred to by the letter “A” and has a maximum diameter of 2 and 3/8 inches. The most commonly used household “bulb” is a lamp that has an A-19 envelope and is commonly sold in the US with an E26 screw cap.
正確な仕様を提供して基準を定義する様々な標準規格及び取締機関が存在し、製造業者がこれらの標準的な参照表記を使用して照明製品にラベル付けを行うことが認められている。ランプの物理的な寸法に関しては、ＡＮＳＩが、必要な寸法及び形状を概説する仕様書（ＡＮＳＩ Ｃ７８．２０−２００３）を提供しており、それによって、製造業者がそのランプをＡ−１９型のランプとして許容範囲でラベル付けすることが認められている。ランプの物理的寸法の他に、ランプの性能及び機能性に言及した、追加の仕様書及び基準も存在する。例えば、米国では、ＵＳ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ａｇｅｎｃｙ（ＥＰＡ）が、ＵＳ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ（ＤＯＥ）とともに、性能の仕様書を公布しており、それに従って、ランプを、例えば、電力使用量要件、最小光出力要件、配光要件、及び寿命を特定した、「ＥＮＥＲＧＹ ＳＴＡＲ」に準拠した製品として表記することができる。 There are various standards and regulatory bodies that provide accurate specifications and define standards, and manufacturers are allowed to label lighting products using these standard reference notations. Regarding the physical dimensions of the lamp, ANSI provides a specification (ANSI C78.20-2003) outlining the required dimensions and shape, so that the manufacturer can replace the lamp with the A-19 type. It is permissible to label the lamp as acceptable. In addition to the physical dimensions of the lamp, there are additional specifications and standards that refer to the performance and functionality of the lamp. For example, in the United States, the US Environmental Protection Agency (EPA), along with the US Department of Energy (DOE), has promulgated performance specifications and accordingly lamps, for example, power usage requirements, minimum light output requirements The product can be described as a product conforming to “ENERGY STAR”, which specifies light distribution requirements and lifetime.
例えば、ＥＮＥＲＧＹ ＳＴＡＲ仕様書の配光基準に関して、ＬＥＤに基づく代替ランプがＥｎｅｒｇｙ ＳｔａｒによってＡ−１９の代替品として認められるためには、それは、２７０度にわたる一様な（＋／−２０％）発光及び２７０度を超える最低５％の発光を示す必要がある。ＬＥＤに基づくデバイスに伴う問題は、ＬＥＤが、本質的に、典型的には９０度未満の比較的狭い配光を有することである。 For example, with respect to the light distribution standards of the ENERGY STAR specification, in order for an LED-based alternative lamp to be recognized as an alternative to A-19 by Energy Star, it has a uniform (+/− 20%) emission over 270 degrees And a minimum 5% emission above 270 degrees. The problem with LED-based devices is that LEDs essentially have a relatively narrow light distribution, typically less than 90 degrees.
本発明の実施形態による全方向性のＬＥＤに基づく発光デバイス３００を、ここで、図１４を参照して説明し、これは、デバイスのＡ−Ａを通る断面側面図及び部分的な切り取り図を示す。発光デバイス３００は、青色放出（４６５ｎｍ）非パッケージ化ＬＥＤチップ（ダイ）３２０のアレイが１つの面に直接載置された光透過性回路基板（基板）３１０を備える。図示される実施形態において、回路基板３１０は、平面であり、ＬＥＤチップ３２０が基板の長さに沿った線形のアレイとして構成される、伸長した形状（ストリップ）を有する。記載されるように、デバイス３００がエネルギー効率のよい電球の一部として使用される場合には、デバイスの外見及び放出特性が、従来的な白熱電球のフィラメントにより近似しているため、伸長したアレイが好ましい可能性がある。用途に応じて、回路基板は、例えば、正方形又は円形である等、他の形態を備えてもよく、ＬＥＤチップは、例えば他のアレイ又は構成として構成される。ＬＥＤチップ３２０は、回路基板３１０に直接載置され、パッケージ化されていない。このようなパッケージ化は、そうでなければ回路基板に向かって戻る方向の光の放出を遮断する。
An omnidirectional LED-based
回路基板３１０は、少なくとも半透明であり、好ましくは、５０％以上の可視光に透過性である、任意の光透過性材料を含み得る。したがって、回路基板は、ガラス、又はポリプロピレン、シリコーン、若しくはアクリルといったプラスチック材料を含み得る。ＬＥＤチップ３２０によって生成される熱の放散を助けるために、回路基板３１０は、光透過性であるだけでなく、有利なことに、熱伝導性でもある。好適な光透過性熱伝導性材料の例には、酸化マグネシウム、サファイア、酸化アルミニウム、石英ガラス、窒化アルミニウム、及びダイヤモンドが挙げられる。熱伝導性回路基板の透過率は、回路基板を薄くすることによって増加され得る。機械的強度を増加させるために、回路基板は、熱伝導性層がガラス又はプラスチック材料等の光透過性支持体に載置された、積層構造を備え得る。
The
回路基板３１０は、ＬＥＤチップ３２０に電気的に接続するために所望される回路構成で構成される、導電性トラック３３０を更に備える。図示されるように、ＬＥＤチップ３２０は、ストリングとして直列に接続されるが、他の回路構成が使用されてもよいことが理解されるであろう。導電性トラック３３０は、典型的に、銅、銀、若しくは他の金属、又はインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）等の透明な電気伝導体を含む。図示されるように、ＬＥＤチップ３２０は、ボンドワイヤ３４０を使用して、導電性トラック３３０に電気的に接続される。他の実施形態において、ＬＥＤチップは、表面載置可能又はフリップチップデバイスを含み得る。ＬＥＤチップ３２０は、ハンダ付け、熱伝導性接着剤、又は当業者には明らかであろう他の固定方法によって回路基板に載置され得る。光透過性回路基板３１０が、熱伝導性材料を含む場合、ＬＥＤチップ３２０は、回路基板と熱通信する状態で有利に載置される。酸化ベリリウム等の放熱化合物を使用して、ＬＥＤチップを回路基板に熱的に結合するのを助けることができる。
The
発光デバイス３００は、封入層の形態でＬＥＤチップ３２０に直接適用される、少なくとも１つのフォトルミネセンス材料と光反射材料の粒子との混合物を含む、フォトルミネセンス波長変換コンポーネント３５０を更に備える。典型的に、少なくとも１つのフォトルミネセンス材料は、黄色〜緑色の放出蛍光体材料を含む。デバイスによって生成される光のＣＲＩ（演色評価数）を高めるために、フォトルミネセンス波長変換コンポーネントは、橙色〜赤色の放出蛍光体を含み得る。代替的な実施形態において、デバイスは、デバイスの発光産物を増加させる赤色放出ＬＥＤチップを備え得る。均一な放出色を助けるために、赤色放出ＬＥＤを、更に、フォトルミネセンス波長変換コンポーネントで覆ってもよい。
The
動作中、ＬＥＤチップ３２０によって生成される青色励起光は、フォトルミネセンス材料を励起して、典型的には色が黄色〜緑色のより長い波長のフォトルミネセンス光を生成する。色が白色に見えるデバイスの発光産物は、組み合わさったフォトルミネセンス光と変換されていない青色ＬＥＤ光を含む。前述のように、フォトルミネセンス光生成プロセスは、等方性であるため、蛍光体の光は、全ての方向に等しく生成され、回路基板に向かう方向に放出される光は、回路基板を通過し、デバイスの後方から放出され得る。同様に、光反射粒子による光散乱の等方性の性質のため、変換されていない青色励起光もまた、回路基板に向かう方向に散乱されることになり、これもまた、回路基板を通過し、デバイスの後方から放出され得る。光透過性回路基板（基板）の使用により、概して全方向性の放出特性の達成が可能となる。対照的に、ＬＥＤチップが従来的な非透過性（典型的には反射性）回路基板にパッケージ化又は載置されるデバイスでは、放出特性は、常に１８０度未満である。前述のように、光反射材料の粒子を蛍光体とともに組み込むことにより、所与の発光産物の色を生成するのに必要な蛍光体の量が低減される。
In operation, the blue excitation light generated by the
図１５ａ及び１５ｂは、それぞれ、図１４の発光デバイスを用いるＬＥＤに基づくランプ（電球）４００のＢ−Ｂを通る部分的な断面側面図及び部分的な切り取り平面図を図示する。ランプ４００は、白熱灯Ａ−１９電球のエネルギー効率のよい代替品となることを意図し、ＥＮＥＲＧＹ ＳＴＡＲ要件に準拠する放出特性を有する、すなわち、これは、２７０度にわたる均一な（＋／−２０％）発光及び２７０度を超える最低５％の発光を有する。
FIGS. 15a and 15b illustrate a partial cross-sectional side view and a partial cut-away plan view through BB of an LED-based
ランプ４００は、いくつかの実施形態において、北アメリカで使用される、１１０Ｖ（ｒ．ｍ．ｓ．）のＡＣ（６０Ｈｚ）電源で動作するように構成される。ランプ４００は、概して円錐形の熱伝導体４１０を備える。本体４１０の外側表面は、概して、錐体の錐台、すなわち、その頂部（頂点）が基部に平行な平面で切断された錐体（すなわち、円錐台形）に似ている。本体４１０は、例えば、アルミニウム（≒２５０Ｗｍ−１Ｋ−１）、アルミニウム合金、マグネシウム合金、ポリマー、例えばエポキシ等の金属負荷プラスチック材料といった、高熱伝導性（典型的には、≧１５０Ｗｍ−１Ｋ−１、好ましくは、≧２００Ｗｍ−１Ｋ−１）を有する材料でできている。便利なことに、本体４１０は、金属合金を含む場合にはダイキャスティングするか、又はそれが金属負荷ポリマーを含む場合には例えば射出成形によって成形することができる。
The
図１５ａに図示されるように、本体４１０は、本体４１０の外側曲面の周囲に円周方向に間隔をあけて複数の緯度方向に延在する熱放射フィン（脈）４２０を更に備え得る。このランプは従来の白熱灯Ａ−１９電球の代替となることを意図するため、ランプの寸法は、ランプが従来の照明器具に適合することを可能にする、ＡＮＳＩ標準に準拠することを確実にするように選択される。本体４１０は、ランプを動作させるための整流器又は他の駆動回路を収容するために、切断された頂部から本体に延在する同軸の円筒形空洞部（示されない）を更に備え得る。本体４１０は、本体の基部から延在する、円錐台形の光反射台座部分４３０を更に備え得る。台座部分４３０は、本体４１０の必須部分として、又は別個のコンポーネントとして形成され得る。それが別個のコンポーネントとして製造される場合、台座は、熱通信する状態で、本体に載置される。
As shown in FIG. 15 a, the
ランプ４００は、ランプが、標準的な電灯照明のねじ込みソケットを使用して、電源に直接接続されることを可能にする、Ｅ２６コネクタ基部（Ｅｄｉｓｏｎねじ込みランプ基部）４４０を更に備える。意図される用途に応じて、例えば、英国、アイルランド、オーストラリア、ニュージーランド、及び英連邦の種々の地域で一般的に使用される二重接点差し込みコネクタ（すなわち、Ｂ２２ｄ又はＢＣ）、又はヨーロッパで使用されるＥ２７ねじ込み口金（Ｅｄｉｓｏｎねじ込みランプ基部）等の他のコネクタ基部が使用され得ることが理解されるであろう。コネクタ基部４４０は、本体４１０の切断された頂部に載置される。
The
ランプ４００は、本体４１０の基部に載置される、光透過性エンベロープ又はカバー４５０を更に備え得る。カバー４５０は、ガラス、又はポリカーボネート、アクリル、ＰＥＴ、若しくはＰＶＣ等の光透過性ポリマーを含み得る。カバーは、更に、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の光拡散（散乱）材料の層を組み込むか、又はそれを有し得る。
The
ランプ４００は、図１４に図示されるものといった、４つの全方向性のＬＥＤに基づく発光デバイス３００ａ〜３００ｄを更に備える。デバイス３００ａ〜３００ｄのそれぞれは、その回路基板３１０が概して電球４００の軸４６０に平行な方向に伸びて、配向される。デバイス３００ａ〜３００ｄは、台座４３０の周囲に均等に円周方向に間隔が空いており、各デバイス３００ａ〜３００ｄの熱伝導性回路基板３１０ａ〜３１０ｄの第１の端部が、台座４３０の円錐表面のスロットに載置されている。各デバイスの熱伝導性回路３１０の第１の端部は、熱伝導性台座４３０と熱通信する状態で載置され、ＬＥＤチップ３２０によって生成された熱の、回路基板から台座、そして本体４１０への伝導を可能にする。デバイス３００ａ〜３００ｄを動作するための電力は、各スロット内の電気コネクタ（示されない）によって提供され得る。図１５ａに示されるように、各発光デバイス３００ａ〜３００ｄは、ランプ４００の軸４６０に対して約３０度の角度で台座４３０に載置され、円錐形の配設形態で構成される。
The
発光デバイス３００の数及び構成は、ランプ４００の必要とされる放出特性及び／又は用途に応じて多様であり得ることが理解されるであろう。例えば、図１６ａ及び１６ｂは、それぞれ、本発明の更なる実施形態によるＬＥＤに基づくランプ４００のＣ−Ｃを通る側の部分的な断面側面図及び平面図を図示する。図１５ａ及び１５ｂの実施形態のように、ランプは、Ａ−１９電球のエネルギー効率のよい代替品となることを意図し、ＥＮＥＲＧＹ ＳＴＡＲ要件に準拠する放出特性を有する。
It will be appreciated that the number and configuration of light emitting
本質的に、図１６ａ及び１６ｂのランプは、図１５ａ及び１５ｂのものと同じであり、同様の参照番号は、同様の部分を指して使用される。この実施形態では、４つの発光デバイス３００ａ〜３００ｄが、ジグザグのパターンで構成され（図１６ａ）、これはランプの直径に沿って流れるように構成される（図１６ｂ）。外側の２つの発光デバイス３００ａ、３００ｄの回路基板３１０ａ、３１０ｄの第１の端部は、それぞれの熱伝導性カラム４７０ａ、４７０ｂの第１の端部と熱通信する状態で取り付けられる。各カラム４７０ａ、４７０ｂの第２の端部は、台座４３０の円錐表面と熱通信する状態で載置される。発光デバイス３００ａ、３００ｄから本体４１０へ熱を伝導するための熱伝導路を提供することと同様に、熱伝導性カラム４７０ａ、４７０ｂは、更に、発光デバイスに電力を提供することができる。発光デバイス３００ａ、３００ｄの第２の端部は、台座４３０の上部表面（切断された頂部）に隣接して、台座４３０の円錐表面のスロットに載置される。内側の２つの発光デバイス３００ｂ、３００ｃの回路基板３１０の第１の端部は、発光デバイス３００ａ、３００ｄのそれぞれのものの第２の端部に隣接する、台座４３０の上部表面のスロットに載置される。内側の２つの発光デバイス３００ｂ、３００ｃは、それらの第２の端部が、ランプ軸４６０に頂部が位置して接触し、熱伝導性キャップ４８０により熱通信する状態で接合されるように、構成される。
Essentially, the lamps of FIGS. 16a and 16b are the same as those of FIGS. 15a and 15b, and like reference numerals are used to refer to like parts. In this embodiment, the four light emitting
図１７ａ〜１７ｃは、それぞれ、本発明の更なる実施形態によるＬＥＤに基づくランプ４００のＤ−Ｄを通る部分的な断面側面図、Ｅ−Ｅを通る部分的断面側面図、及び平面図を図示する。図１５及び１６のように、このランプは、白熱灯Ａ−１９電球のエネルギー効率のよい代替品となることを意図し、ＥＮＥＲＧＹ ＳＴＡＲ要件に準拠した放出特性を有する。
17a-17c illustrate a partial cross-sectional side view through DD, a partial cross-sectional side view through EE, and a plan view, respectively, of an LED-based
この実施形態では、ランプ４００は、回路基板３１０がランプの直径に沿って延在して配向される、単一の発光デバイス３００を備える。デバイスの回路基板３１０の下面（すなわち、ＬＥＤチップを含有しない面）は、円錐台形の台座４３０の上部表面（切断された頂部）から延在する、熱伝導性支持部材４９０と熱通信する状態で載置される。回路基板３１０から支持部材への熱伝導を最大化するために、部材４９０は、示されるように、実質的に回路基板の長さに延在し得る。他の実施形態において、支持部材は、例えば、１つ以上の支柱といった、他の構造を備えてもよい。ＬＥＤチップを動作させるための電力は、支持部の内部にある通路を通る導線（示されない）によって提供され得る。発光を助けるために、支持部材は、熱伝導性光透過性材料を含み得る。
In this embodiment, the
図１８は、本発明の実施形態による多方向性のＬＥＤに基づく発光デバイス５００のＦ−Ｆを通る断面側面図及び部分的な切り取り平面図を示す。本質的に、発光デバイス５００は、図１４ｎのものと同じであり、同様の参照番号は、同様の部分を指して使用される。この実施形態では、ＬＥＤチップ３２０ａ、３２０ｂのそれぞれの線形アレイは、光透過性回路基板３１０の反対側の面に提供される。ＬＥＤチップ３２０ａ、３２０ｂのそれぞれのアレイは、少なくとも１つのフォトルミネセンス材料と光反射材料の粒子との混合物を含む、それぞれのフォトルミネセンス波長変換コンポーネント３５０ａ、３５０ｂによって直接封入される。ＬＥＤチップ３２０ａ、３２０ｂは、示されるように、各ＬＥＤチップが、回路基板３１０の反対側の面で、対応するＬＥＤチップに逆向きに対向する、すなわち、製造公差の範囲内で、一方の面上の各ＬＥＤチップが、反対の面上の対応するＬＥＤチップと同じ位置になるように載置され得る。あるいは、反対の面上のＬＥＤチップ３２０ａ、３２０ｂのアレイは、オフセットされ得る。基部（すなわち、回路基板と接触している表面）を通じて発光するＬＥＤチップについては、このような構成は、回路基板の反対側の面のＬＥＤチップによる光の吸収を低減させることによって、デバイスからの発光を増加させることができる。発光デバイス５００の動作は、図１４のものと同じである。
FIG. 18 shows a cross-sectional side view and partial cutaway plan view through FF of a
本発明の実施形態による代替的な多方向性のＬＥＤに基づく発光デバイス６００を、ここで、図１９ａ、１９ｂを参照して説明し、これらは、それぞれ、デバイス６００のＧ−Ｇを通る分解斜視図及び断面側面図を示す。この実施形態では、発光デバイス６００は、図２０に図示されるＬＥＤに基づくライトエンジン６１０、及び遠隔フォトルミネセンス波長変換コンポーネント６２０という２つの部分を備える。
An alternative multi-directional LED-based
図２０は、フォトルミネセンス波長変換コンポーネント３５０を含まないことを除き、図１４の発光デバイス３００と同じである、ＬＥＤ形ライトエンジン６１０の概略図及び平面図を示す。同様の参照番号は、デバイス６００及び３００の同様の部分を指して使用される。したがって、ライトエンジン６１０は、回路基板の上に載置され、そこに接続される、非パッケージ化青色放出ＬＥＤチップ３２０のアレイを有する、光透過性回路基板３１０を備える。図示されるように、回路基板３１０は、伸長した形態であり、ＬＥＤチップ３２０は、回路基板の長さに沿って線形アレイとして構成される。用途に応じて、回路基板は、例えば、正方形又は円形である等、他の形態を備えてもよく、ＬＥＤチップは、例えば他のアレイ又は構成として構成される。回路基板３１０は、好ましくは、光透過性及び熱伝導性の両方である材料を含み、例えば、酸化マグネシウム、サファイア、酸化アルミニウム、石英ガラス、窒化アルミニウム、又はダイヤモンドを含み得る。
FIG. 20 shows a schematic and plan view of an
図１９ａ及び１９ｂを参照すると、多方向性のＬＥＤに基づく発光デバイス６００は、ライトエンジン６１０及び遠隔フォトルミネセンス波長変換コンポーネント６２０を備える。図に示されるように、フォトルミネセンス波長変換コンポーネント６２０は、ライトエンジン６１０がコンポーネントの孔内に載置される、管状コンポーネントを備え得る。コンポーネント６２０の壁部は、ライトエンジン６１０を包囲することが理解されるであろう。波長変換コンポーネントは、コンポーネント全体に均一に分布される、少なくとも１つのフォトルミネセンス材料と光反射材料の粒子との混合物を組み込む。典型的には、少なくとも１つのフォトルミネセンス材料は、黄色〜緑色発光蛍光体材料を備え、更に、ＣＲＩを増加させる及び／又はデバイスの発光産物の色温度を低減するために橙色〜赤色放出蛍光体を含み得る。代替的な実施形態において、フォトルミネセンス材料と光反射材料の粒子との混合物は、波長変換コンポーネント６２０上に別個の層を含み得る。好ましくは、波長変換コンポーネント６２０は、ポリカーボネート、アクリル、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ナイロン、ＨＤＰＥ（高密度ポリプロピレン）、ポリエチレン、ＰＥＴ（ポリテレフテート）、又はＰＯＭ（ポリオキシメチレン）を含む、光透過性熱可塑性材料を使用して、成形又は射出成形によって製造される。
Referring to FIGS. 19a and 19b, a multi-directional LED-based
コンポーネントの端部からの発光を防止するために、デバイスは、コンポーネントの開放端部を被覆する端部キャップ６３０、６４０を更に備え得る。キャップ６３０、６４０は、光反射材料又はコンポーネント６２０と同じ材料を含み得、フォトルミネセンス材料と光反射材料の粒子との混合物を含む。示されるように、一方のキャップ６３０（図では上方のキャップ）は、コンポーネントの開放部を完全に覆うが、他方のキャップ６４０（図では下方のキャップ）には、ライトエンジン６１０の回路基板３１０が通過する開口部６５０（通過路）が含まれる。
To prevent light emission from the end of the component, the device may further comprise
図２１は、図１９の発光デバイス６００を用いたＬＥＤに基づくランプ（電球）４００の部分的な断面側面図を図示する。ランプ４００は、白熱灯Ａ−１９電球のエネルギー効率のよい代替品となることを意図し、ＥＮＥＲＧＹ ＳＴＡＲ要件に準拠する放出特性を有する、すなわち、これは、２７０度にわたる均一な（＋／−２０％）発光及び２７０度を超える最低５％の発光を有する。
FIG. 21 illustrates a partial cross-sectional side view of an LED-based
本質的に、図２１のランプは、図１５、１６、及び１７のものと同じであり、同様の参照番号は同様の部分を指して使用される。この実施形態では、ランプ４００は、３つの発光デバイス６００ａ、６００ｂ、及び６００ｃを備え、これらのそれぞれは、ランプの軸４６０に平行な方向に配向される。各発光デバイス６００ａ〜６００ｃの回路基板３１０の第１の端部は、円錐形の台座４３０の上方の平面（切断された頂部）と熱通信する状態で載置され、デバイスは、ランプの軸に沿って見た場合に正三角形として構成される。
In essence, the lamp of FIG. 21 is the same as that of FIGS. 15, 16, and 17, and like reference numerals are used to refer to like parts. In this embodiment, the
本発明による発光デバイスは、記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、変化形が、本発明の範囲内でなされ得ることが理解されるであろう。例えば、本発明を、ＬＥＤ系発光デバイスに関して記載してきたが、本発明はまた、固体レーザー及びレーザーダイオードを含む、他の固体発光体に基づくデバイスにも適用される。 It will be understood that the light emitting device according to the invention is not limited to the exemplary embodiments described, but variations can be made within the scope of the invention. For example, although the present invention has been described with respect to LED-based light emitting devices, the present invention also applies to other solid state light emitter based devices, including solid state lasers and laser diodes.
Claims (17)
光透過性回路基板と、
前記光透過性回路基板の第１の面に載置され、そこに電気的に接続される、励起光を生成するように動作可能な固体発光体の第１のアレイと、
少なくとも１つのフォトルミネセンス材料の粒子と光反射材料の粒子との混合物を含む、フォトルミネセンス波長変換コンポーネントであって、動作中、前記第１のアレイの固体発光体によって生成される前記励起光の一部分が、前記フォトルミネセンス波長変換コンポーネントを通じて放出されて、最終的な可視発光産物に寄与するように構成される、フォトルミネセンス波長変換コンポーネントと、を備える、発光デバイス。 A light emitting device,
A light transmissive circuit board;
A first array of solid state light emitters operable to generate excitation light mounted on and electrically connected to a first surface of the light transmissive circuit board;
A photoluminescence wavelength converting component comprising a mixture of particles of at least one photoluminescent material and particles of light reflecting material, wherein in operation the excitation light generated by the solid state light emitter of the first array A photoluminescent wavelength converting component, wherein a portion of the photoluminescent wavelength converting component is configured to be emitted through the photoluminescent wavelength converting component and contribute to a final visible luminescent product.
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