JP5710126B2 - Ｌｅｄ照明装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ＬＥＤを用いた照明装置に関し、更に詳しくは、照明装置から離れても照度の低下が少ないＬＥＤを用いた照明装置に関するものである。
ＬＥＤを用いた照明装置については多く知られている（例えば、特許文献１〜２）。また、汎用の照明装置の代替品とするべく、外観を汎用の照明装置に模し、またＬＥＤの光透過に磨りガラス状の光拡散による面発光も知られている（例えば、非特許文献１〜２）。
これらＬＥＤを用いた照明装置代替品は、汎用の照明装置に比べ、熱を持たない、電力消費量が少ない、寿命が長い等の特長がある反面、複数のＬＥＤを並置しても点照明の集合体のため照度が充分でないという問題点があった。そして、照度を充分に確保するために更に多くのＬＥＤを並置し面照明にすると、照明装置全体として高価になりコスト的に問題が生じる場合があった。
それに加え、より大きな問題点として、更に多くのＬＥＤを並置した場合ＬＥＤの発熱が問題になり、放熱を考慮しなければ熱破壊や照度が急激に落ちてしまうという問題点もあった。
そのため、ＬＥＤを用いた照明装置は多くの特長を有するものの、上記した大きな問題点のために、汎用の照明装置の完全な代替品としては使用できるものではなく、従って一般的な照明装置としては支障なく使用することができなかった。
省エネルギー、長寿命等環境特性等の要求は、近年ますます高くなってきている。しかしながら、照明装置からの距離が離れた場所及び角度がずれた場所での照度が不十分なため、ＬＥＤを用いた照明装置については汎用のものにはなっておらず、更なる改善の余地があった。
本発明は上記背景技術に鑑みてなされたものであり、その課題は、発熱を抑え、電力消費量が少ない、寿命が長い等のＬＥＤの特長を生かしつつ、ＬＥＤから離れても照度が急激に落ちてしまうことがなく、ＬＥＤの照射方向から角度的にずれても照度が急激に落ちてしまうことのない「複数のＬＥＤ構造体が並置された照明装置」を提供することにある。
本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、個々のＬＥＤの前方に光拡散効果を有する光透過体を設けると、設けないものと比較して、遠くまで照度が落ちず、また斜めの方向でも照度が落ちないことを見出した。そして、このような光透過体が設けられたＬＥＤ構造体を複数個並置することによって、汎用の照明装置を代替するものになり得ることを確認し本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、並置された複数のＬＥＤ構造体と、これら複数のＬＥＤ構造体を包囲する硫化亜鉛（ZnS-Ａｇ）化合物を拡散配置した光透過体を有する照明装置であって、該ＬＥＤ構造体が、それぞれのＬＥＤの前方に「光拡散効果を有する光透過体」が設けられているものであることを特徴とする照明装置を提供するものである。
また、本発明は、上記硫化亜鉛（ZnS-Ａｇ）化合物を拡散配置した光透過体ＬＥＤ構造体において、硫化亜鉛（ZnS-Ａｇ）化合物を拡散配置した光透過体がＬＥＤ構造体の基板バッファー層までを包囲し且つ接続のボンディングワイアーの上面までを包囲する、「光拡散効果を有する光屈折体」を有しているものである上記の照明装置を提供するものである。
また、本発明は、上記光照明装置が、極めて薄く且つ、内部に配置している個々のＬＥＤの輪郭が目視で識別できない程度に面発光が可能な上記の照明装置を提供するものである。
また、本発明は、上記照明装置の中央から、光の照射される方向に１ｍの距離を隔てて存在する平面上の照度において、上記照明装置の中央を通り、上記照明装置から直角に伸びた直線が該平面となす角が１０°の地点の照度が、上記照明装置の中央を通る直線と該平面のなす角が９０°の地点（照明装置の中央から該平面に垂直に下した地点）の照度の１／３以上である上記の照明装置を提供するものである。
本発明によれば、発熱が小さく効率的で、電力消費量が少ないため発電に必要な天然資源を削減でき、ＣＯ２の排出削減が可能で環境に優しく、寿命が長い等のＬＥＤの特長を発揮しつつ、照明装置用としてはＬＥＤの欠点であった、ＬＥＤから距離が離れると急激に照度が落ちてしまい、ＬＥＤの照射方向から角度的にずれると急激に照度が落ちてしまうという点発光の問題点を解決したＬＥＤ面発光照明装置を提供することができる。
また、硫化亜鉛（ZnS-Ａｇ）化合物を拡散配置した光透過体包囲した複数のＬＥＤ構造体を並置することによって、汎用の照明装置と光学的には殆ど性能に差がない照明装置を提供できる。すなわち、ＬＥＤ構造体若しくは照明装置から距離が離れても汎用の照明装置と同程度に照度が落ちず、ＬＥＤ構造体若しくは照明装置の照射方向から角度的にずれても汎用の照明装置と同程度に照度が落ちない。そのため、光学的に、使用上、汎用の照明装置と同様の輝度を持ち、照明装置の代替として通用する薄型の照明装置を提供することができる。
以下、本発明について説明するが、本発明は、以下の具体的形態に限定されるものではなく、技術的思想の範囲内で任意に変形することができる。
本発明の照明装置は、複数のＬＥＤ構造体が並置されており、個々のＬＥＤ構造体は、そのＬＥＤの前方に「光拡散効果を有する光透過体」（以下、括弧内を「光透過体」と略記する）が設けられた構造を有している。
図１は、ＬＥＤ構造体１の断面形状の代表的な例を示している。ＬＥＤ構造体１は、図１のｐ電極の１の照射方向（以下、「前方」と略記することもある）から８の基板までを包囲する光透過体１１が設けられている。光透過体１１は、「ＬＥＤから距離が離れても照度が落ちない」、「ＬＥＤの照射方向から角度がずれても照度が落ちない」という本発明の上記効果を得るために設けられる。光透過体１１は、以下の方法によって製造された。
光透過体１１は、フラックスとしてＢａＣl，ＭｇＣｌ，ＮａＣｌ等の適切なハロゲン化物をドープした硫化亜鉛（ZnS-Ａｇ）が活性化剤としての硫化銀Ａｇ２Ｓ、と混合され混合物を構成する。
混合物は摂氏１２５０度において２時間加熱し加熱炉から取り出した焼成物は残留フラックスを水洗により除去し乾燥後分級粉砕し粒子を概略一定にする。この段階ではまだ光透過体としては不活性である。
乾燥後分級粉砕し粒子を概略一定にされた材料を硫化亜鉛（ZnS-Ａｇ）などとともに加熱炉において摂氏７３０度で８時間３０分程度加熱し取り出した焼成物を分級粉砕し２０ミクロンから４０ミクロンの粒子とし、稀酢酸水で洗浄し脱イオン水で水洗いし活性化し活性化された粒子と透明バインダーとしての熱硬化型シリコン樹脂またはＵＶ硬化型の樹脂と混合され光透過体として実用化に供される。混合比率は７％から１５％程度の活性化された粒子とバインダーの混合物として光透過体となる。
ＬＥＤ照明装置を構成する光透過体１１は、図２のように、複数のＬＥＤ１３を包含するように配置されその前方にＬＥＤの波長変換剤が設けられている。
ＬＥＤ１３は、光透過体１１は初期の焼成に際し活性化剤を選択することにより効率よくＵＶ−ＬＥＤもしくは青色ＬＥＤの何れのものにも対応でき、また、複数種類のＬＥＤを用いることもできる。
ＬＥＤ構造体において、ＬＥＤ１３と光透過体１１の位置関係は特に限定はないが、複数のＬＥＤ１３とＬＥＤ１３との間隔はＬＥＤ１３の光照射面の２の断面の幅の５倍以上の間隔をあけて配置され、ＬＥＤ１３の発光している点とＬＥＤ１３の発光している点とのあいだの光透過体１１によって点光源が光拡散効果によって面発光できることになり、「ＬＥＤから距離が離れても照度が落ちない」、「ＬＥＤの照射方向から角度的にずれても照度が落ちない」という本発明の効果が得るのである。
ＬＥＤ１３の発光強度は４付近にあり光透過体１１と複数のＬＥＤ１３のあいだを図２より図４にした場合より効果が表れる、発光強度の最大値は４にあるためＬＥＤ同士のあいだに溝を作り溝の深さをＬＥＤの基板面９よりｐ電極面の厚さの３倍以上の溝を作った１６の場合、ＬＥＤ１３を１４に配置した場合より効果が得れる。
本発明の照明装置の形状は特に限定はなく、平面状のもで、平たい（高さの極低い）円柱状、角柱状等何れでもよい。
以下に、実施例及び比較例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限りこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例１
汎用の照明装置４０型蛍光灯具と、同じ輝度を有するため、図４で示したような配置で、３１個のＬＥＤ１３を１４のアルミ基板上に均一に並置した。ＬＥＤ１３としては、1ミリ角の３５０ｍＡチップ青色ＬＥＤを２１７ｍＡの電流で使用した。すなわち、1ミリ角のＬＥＤ１３を5ミリ間隔に直列に取り付け、それを光拡散効果を有する光透過体１１で包囲し、定電流回路と整流ダイオードを介して商用電源に接続できるようにボンディングワイアー等で電気的に配線をした。消費電力は同じ形状の照明装置の約１／２であった。また、寿命は１０倍以上あるはずである。
汎用の照明装置４０型蛍光灯具と、同じ輝度を有するため、図４で示したような配置で、３１個のＬＥＤ１３を１４のアルミ基板上に均一に並置した。ＬＥＤ１３としては、1ミリ角の３５０ｍＡチップ青色ＬＥＤを２１７ｍＡの電流で使用した。すなわち、1ミリ角のＬＥＤ１３を5ミリ間隔に直列に取り付け、それを光拡散効果を有する光透過体１１で包囲し、定電流回路と整流ダイオードを介して商用電源に接続できるようにボンディングワイアー等で電気的に配線をした。消費電力は同じ形状の照明装置の約１／２であった。また、寿命は１０倍以上あるはずである。
光拡散効果を有する光透過体１１としての拡散剤は第１の加熱材料（ZnS:Mn,Ａｇ）として以下に準備される、塩化物を含む適当な量の硫化亜鉛（ZnS-Ａｇ）、主要な活性剤として（ZnSとの重量比で）の０．１％の硫酸マンガン（MnSO4）と、０，０１５％の塩化ハフニウムＨｆＣｌ４、０．５％の酸化亜鉛（ZnO）、３％の塩化バリウム（BaCl2）、３％の塩化マグネシウム（MgCl2）、０．０１２％の塩化イリジウム（IrCl）、０．０２％の硫酸銀（Ａｇ2ＳＯ４）と０．３７％の酸化ガリウムＧａ２Ｏ３、２８％の硫黄及び２％の塩化ナトリウムと一緒に混ぜ合わされる。
混ぜ合わされた材料は高温反応炉において１２５０℃で２時間加熱される。
混ぜ合わされた材料は高温反応炉において１２５０℃で２時間加熱される。
第２段階焼成物質は第１の加熱反応された焼成物質に１％の硫酸亜鉛ＺｎＳＯ４・７Ｈ２Ｏ、と０．５％の塩化バリウム（BaCl2）、と１．５％の塩化ナトリウムと２％の塩化マグネシウム（MgCl2）、と３％の硫酸マンガン（ＭｎＳＯ４）と０．５％のガリウムＧａ２Ｏ３、と２．５％の硫黄とを添加して、アルミナ坩堝に装填し、アルミナの蓋で覆い、窒素気流中７３０℃で８時間３０分熱して立方晶系の結晶が得られる。
このステップは残りの６方結晶ＺｎＳを立法結晶ＺｎＳに変え、立法結晶ＺｎＳは大部分は活性光拡散材料である。灼熱した後、蓋付きのるつぼは加熱炉から取り除かれて室温まで冷却され、材料は一緒に混合されて脱イオン（ＤＩ）水を用いて洗浄された。２つ又は３つのＤＩ水が洗浄した後、未反応のＺｎＯ及びいくらかの取り入れられていない酸化銅を除去するために、材料は酢酸で洗浄された。酸で洗浄された材料は、少なくとも２回、ＤＩ水で再度洗浄され、次に残滓の大部分を光拡散材料から除去するためにＫＣＮで再度洗浄される。洗浄の後、光拡散粒子はＫＣＮ洗浄の前に光拡散粒子が有したダークグレイの実体色から明るい実体色に変化する。
このステップは残りの６方結晶ＺｎＳを立法結晶ＺｎＳに変え、立法結晶ＺｎＳは大部分は活性光拡散材料である。灼熱した後、蓋付きのるつぼは加熱炉から取り除かれて室温まで冷却され、材料は一緒に混合されて脱イオン（ＤＩ）水を用いて洗浄された。２つ又は３つのＤＩ水が洗浄した後、未反応のＺｎＯ及びいくらかの取り入れられていない酸化銅を除去するために、材料は酢酸で洗浄された。酸で洗浄された材料は、少なくとも２回、ＤＩ水で再度洗浄され、次に残滓の大部分を光拡散材料から除去するためにＫＣＮで再度洗浄される。洗浄の後、光拡散粒子はＫＣＮ洗浄の前に光拡散粒子が有したダークグレイの実体色から明るい実体色に変化する。
このようにして光拡散粒子は分級粉砕し２０ミクロンから４０ミクロンの粒子と乾燥後分級粉砕し粒子を概略一定にされ、透明バインダーとしての熱硬化型シリコン樹脂と混合され光透過体として実用化に供される。混合比率は８％から１０％程度の活性化された光拡散粒子とバインダーの混合物として光透過体となる。
図５において、実施例１で得られた照明装置の中央２１から、光の照射される方向に１ｍの距離を隔てて存在する１７上の照度を測定した。上記照明装置から直角に伸びた直線１７が該平面角が９０°の地点の照度を測定した。
また、照明装置の１７から２０よりに１０度きざみに１８の方向に１０度まで測定した。
輝度の測定は、トプコン製輝度計を使用して行った。
また、照明装置の１７から２０よりに１０度きざみに１８の方向に１０度まで測定した。
輝度の測定は、トプコン製輝度計を使用して行った。
比較例１
実施例１において、光透過体１１を１５にした以外は実施例１と同様にして照明装置を得た。すなわち、光拡散効果を持つ光透過体を使用せず透明バインダーを使用した以外は実施例１と同様にして照明装置を得て、同様に照度を測定した。結果を表３に示す。
実施例１において、光透過体１１を１５にした以外は実施例１と同様にして照明装置を得た。すなわち、光拡散効果を持つ光透過体を使用せず透明バインダーを使用した以外は実施例１と同様にして照明装置を得て、同様に照度を測定した。結果を表３に示す。
表１に各地点の照度を示す。全ての表中の単位は「ｃｄ／ｍ２」である。また、表１に、輝度が図５のどの角度であるかを示した。表１中の条件は、条件Ａは図３の光透過体を使用しない場合、条件Ｂは光拡散効果を持つ光透過体を使用し図４のＬＥＤ間の基板１６の溝をつけた状態、条件Ｃは図２のＬＥＤ間の基板１６の溝のない平面の状態。
表２に表１をグラフにし縦軸に輝度（ｃｄ／ｍ２）、横軸に図５の発光面２１より１ｍの間隔と面に鉛直を９０度、発光面に平行に１ｍの間隔を持たせた０までの折れ線グラフで、光拡散効果を持たない光透過体を使用した条件Ａに比較し図４の条件Ｂが視野角、輝度ともに優れた結果である、また、条件ＣはＬＥＤ間の基板１６の溝をつけた状態に比較し輝度が劣ることはｎ−p接合面の発光をＬＥＤ間の基板１６の溝をつけたことの効果と考える。
本発明のＬＥＤを用いた照明装置は、発熱が少なく、電力消費量が少ない、寿命が長い等のＬＥＤの特長をそのまま保持しつつ、ＬＥＤから離れても照度が落ちない、ＬＥＤの照射方向から角度的にずれても照度が落ちないという、ＬＥＤを用いた照明装置の欠点が解消されているため、汎用の照明装置に取って代わるものであるのみならず、面発光の面照明装置で厚み方向は３ｍｍないし５ｍｍと薄く製造可能で、照明が用いられるあらゆる分野に広く利用されるものである。
１ ｐ電極
２ ｐ層
３ ｐ層
４ ｐｎ接合層
５ ｎ層
６ ｎ層
７ ｎ電極
８ バッファ層
９ サファイア基板など
１０ 波長変換層（イットリウム等蛍光層）
１１ 光拡散効果を持つ光透過体
１２ ボンディングワイアー（電極間接続）
１３ ＬＥＤ
１４ ＬＥＤ構造体取り付け基板
１５ 一般的な光透過体
１６ 光屈折体の実質的焦点距離
１７ 発光面から９０度の方向
１８ 発光面方向に４０度の角度
１９ 発光面より１ｍの地点
２０ 平面照明装置（照明板）発光面
２１ 測定ポイント
２ ｐ層
３ ｐ層
４ ｐｎ接合層
５ ｎ層
６ ｎ層
７ ｎ電極
８ バッファ層
９ サファイア基板など
１０ 波長変換層（イットリウム等蛍光層）
１１ 光拡散効果を持つ光透過体
１２ ボンディングワイアー（電極間接続）
１３ ＬＥＤ
１４ ＬＥＤ構造体取り付け基板
１５ 一般的な光透過体
１６ 光屈折体の実質的焦点距離
１７ 発光面から９０度の方向
１８ 発光面方向に４０度の角度
１９ 発光面より１ｍの地点
２０ 平面照明装置（照明板）発光面
２１ 測定ポイント
Claims (2)
- 所定の基板上に並置された複数のＬＥＤ構造体を包囲する硫化亜鉛化合物（ＺｎＳ−Ａｇ）を拡散配置した光透過体を有する面発光を行う照明装置に利用される光透過体を生成する方法であって、
塩化物を含む硫化亜鉛と、主要な活性剤としての０．１％の硫酸マンガンと、０．０１５％の塩化ハフニウムと、０．５％の酸化亜鉛と、３％の塩化バリウムと、３％の塩化マグネシウムと、０．０１２％の塩化イリジウムと、０．０２％の硫酸銀と、０．３７％の酸化ガリウムと、２８％の硫黄と、２％の塩化ナトリウムと、を混合して、当該混合物を１２５０℃で２時間加熱した後、焼成物から残留フラックスを水洗により除去して、乾燥後、分級粉砕して粒子を一定にし、
当該一定にした粒子に、１％の硫化亜鉛と、０．５％の塩化バリウムと、１．５％の塩化ナトリウムと、２％の塩化マグネシウムと、３％の硫酸マンガンと、０．５％のガリウムと、２．５％の硫黄と、を加えて、窒素気流中７３０℃で８時間３０分熱した後再度分級粉砕し、脱イオン水で洗浄した後、酢酸で洗浄して、再度脱イオン水で洗浄した後、さらにＫＣＮで洗浄することで活性化した粒子を生成し、
前記活性化した粒子と熱硬化型シリコンとを、混合比率が８％から１０％になるように混合する、
光透過体生成方法。 - 所定の基板上に並置された複数のＬＥＤ構造体と、これら複数のＬＥＤ構造体を包囲する硫化亜鉛化合物（ＺｎＳ−Ａｇ）を拡散配置した光透過体を有する面発光を行う照明装置であって、
前記光透過体は、フラックスとしての塩化物を含む硫化亜鉛と、主要な活性剤としての０．１％の硫酸マンガンと、０．０１５％の塩化ハフニウムと、０．５％の酸化亜鉛と、３％の塩化バリウムと、３％の塩化マグネシウムと、０．０１２％の塩化イリジウムと、０．０２％の硫酸銀と、０．３７％の酸化ガリウムと、２８％の硫黄と、２％の塩化ナトリウムと、を混合して、１２５０℃で２時間加熱した後、焼成物から残留フラックスを水洗により除去して、乾燥後、分級粉砕することで粒子を一定にし、当該一定にした粒子に、１％の硫化亜鉛と、０．５％の塩化バリウムと、１．５％の塩化ナトリウムと、２％の塩化マグネシウムと、３％の硫酸マンガンと、０．５％のガリウムと、２．５％の硫黄と、を加えて、窒素気流中７３０℃で８時間３０分熱した後再度分級粉砕し、脱イオン水で洗浄した後、酢酸で洗浄して、再度脱イオン水で洗浄した後、さらにＫＣＮで洗浄することで生成した、活性化した粒子と、熱硬化型シリコン樹脂と、を混合比率が８％から１０％になるように混合した混合物である、
照明装置。
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