コンパクトな色可変光源としてのシングルチップＬＥＤ
本発明は、１つの高抵抗性基板上に形成された複数個のＬＥＤのアレイを有する色可変発光デバイスであって、前記アレイは、それぞれ第１、第２及び第３の色を供給するように構成される少なくとも１個のＬＥＤの第１、第２及び第３の組を有する、デバイスに関する。これらの組のうちの少なくとも１つの組は、独立してアドレス可能である。さらに、アレイ内の各ＬＥＤは、回路への別個の接続を持ち、これらの組のうちの少なくとも１つの組は、該回路を介して直列に相互接続される少なくとも２個のＬＥＤを有する。斯くして、例えば同一の組内の別個のＬＥＤ間の全ての接続は、前記回路を介してなされ得る。これはまた、アレイ内の非常に高密度のＬＥＤのパッキングを可能にする。なぜなら、アレイの異なるＬＥＤ間の相互接続が、該アレイに配設される必要が無いからである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つの高抵抗性基板上に形成された発光ダイオードの色可変アレイであって、少なくとも１個の発光ダイオードの組を少なくとも２組有し、各組は異なる色の光を発する、発光ダイオードの色可変アレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード(light-emitting diode (LED))は、光源として従来のライトバルブの魅力的な代替となってきている。ＬＥＤは、ストップテールランプ等の自動車用途、屋外標識及び交通標識においてライトバルブに取って代わってきている。ＬＥＤは、屋内照明及びステージ照明用の普通のライトバルブにも取って代わり始めている。
【０００３】
ＬＥＤを用いるライティングシステムは、寿命がはるかに長い、より堅牢である、より低い動作温度、低電圧の電源条件等の標準的な光源を越える多くの利点を持つ。
【０００４】
例えば白色光を供給するＬＥＤライティングシステムは、典型的には、異なる色の複数のＬＥＤを用い、これら異なる色が、白色光又はその他の色の光を得るために混合される。
【０００５】
良好な色混合を得るためには、異なる色のＬＥＤを互いに近接させることが有利である。
【０００６】
さらに、白色光の色温度等ライティングデバイスにより発生される色を容易に制御できることが有利である。
【０００７】
米国特許第6 547 249号が、１つの高抵抗性基板上に形成された複数個の個別ＬＥＤのアレイを開示している。
【０００８】
アレイ内の全てのＬＥＤは相互接続されている。そのようにして、複数のＬＥＤが互いに近接している。米国特許第6 547 249号はまた、アレイ内のいくつかのＬＥＤが、これらＬＥＤにより生成される光の色を変えるために蛍光体により覆われているアレイを開示している。これは、所定の色を持つＬＥＤアレイを製造する可能性を提供する。
【０００９】
しかしながら、斯かるアレイの色は不変であり、アレイの蛍光体の厚さの僅かな違いでさえ色の違いにつながり、斯くして、斯かるアレイの大きなビニング範囲(large binning range)につながる。
【００１０】
斯くして、良好な色混合特性を持ち且つ個々のＬＥＤアレイ間で一定した色を備えるコンパクトなＬＥＤベースのライティングシステムを依然必要としている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の１つの目的は、上述の課題を解消するＬＥＤベースのライティングシステムに対する手段を提供することにある。斯くして、本発明は、１つの高抵抗性基板上に形成された複数個のＬＥＤのアレイを有する色可変発光デバイスを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記アレイは、第１の色の光を供給するように構成される少なくとも１個のＬＥＤの第１の組、第２の色の光を供給するように構成される少なくとも１個のＬＥＤの第２の組、及び第３の色の光を供給するように構成される少なくとも１個のＬＥＤの第３の組を有する。前記アレイはまた、第４及び第５の色等のさらなる色の光をそれぞれ供給する少なくとも１個のＬＥＤの第４の組及び第５の組等のさらなる組を有してもよい。
【００１３】
前記アレイは、回路を備えるサブマウント上に配設され、該ＬＥＤのアレイは、該回路に接続される。
【００１４】
本発明のデバイスにおいては、前記アレイ内の各ＬＥＤが、前記回路への別個の接続を持ち、前記第１、第２又は第３の組のうちの少なくとも１つの組が、前記回路を介して直列に相互接続される少なくとも２個のＬＥＤを有する。
【００１５】
さらに、本願発明のデバイスにおける前記回路は、前記第１、第２及び第３の組のうちの少なくとも１つの組を独立してアドレスするための外部コネクタを有する。
【００１６】
本発明によるアレイのＬＥＤは全て同一の基板上に形成され、該基板上に位置する。これは、サブマウント上に載置される個別ＬＥＤダイのアレイと区別されるべきである。
【００１７】
数個の個別にサブマウントされたＬＥＤのアレイを形成するのではなく、数個のＬＥＤのアレイを１つの高抵抗性基板上に形成することにより、ダイオードのより密度の高いパッキングが可能であり、高い光束が、斯かる小領域のアレイにより発生され得る。斯くして、本発明の発光デバイスに基づく照明システムは小さくすることができる。なぜなら、発光領域の平均輝度が高いからである。
【００１８】
さらに、小領域を持つ異なる色のＬＥＤを有するアレイの場合に有利である。なぜなら、異なる色の光を混合することにより所望の色の光を達成するための色混合が、アレイが小領域であることにより改善されるからである。これは、異なる色を放つ放射源が互いに近接して位置する距離にあるからである。
【００１９】
前記アレイは、少なくとも１つの色の光束が他の２つの色と独立して制御され得る、少なくとも３つの色の光を供給する。これは、アレイ内のＬＥＤの高密度のパッキングの可能性と相まって、良好な色混合による可変の色を提供することを可能にする。
【００２０】
本発明のアレイにおいては、前記少なくとも１個のＬＥＤの組のうちの少なくとも１つの組が、少なくとも２個のＬＥＤを有し、斯かる２個以上のＬＥＤの組におけるＬＥＤは、直列に相互接続される。
【００２１】
組におけるＬＥＤを直列に接続することにより、駆動電流、ゆえに、光出力が、並列配置に反して、当該組における全てのＬＥＤに対して一定となる。並列配置の場合、１個のＬＥＤの抵抗の小さなずれが、組における全てのＬＥＤを通る電流の変化につながり、これは、当該組における個々のＬＥＤ間に非常に大きな光出力のずれをもたらす可能性がある。さらに、前記アレイの各ＬＥＤは、前記回路への別個の接続を持ち、斯くして、例えば同一の組内の別個のＬＥＤ間の全ての接続が、前記回路を介してなされ得る。これはまた、アレイ内の非常に高密度のＬＥＤのパッキングを可能にする。なぜなら、アレイの異なるＬＥＤ間の相互接続が、該アレイに配設される必要が無いからである。
【００２２】
アレイ内のＬＥＤの異なる組を独立してアドレス可能にするため、前記回路は、外部コネクタを有し、ＬＥＤ駆動ユニットが、斯かる独立したアドレシングのため該外部コネクタに接続されることができる。本発明によるデバイスにおいては、前記回路が、互いに電気的に絶縁されたいくつかの別個の部分を有してもよい。前記回路の斯かる異なる部分は、アレイ内のＬＥＤの異なる組に独立して接続し、これら異なる組を独立してアドレスするために用いられ得る。本発明の実施例においては、前記サブマウントが、マルチレイヤサブマウントであり、前記回路の異なる部分が、前記マルチレイヤサブマウントの異なる層に配設される。
【００２３】
例えば、ＬＥＤの異なる組に接続される前記回路の異なる部分は、前記サブマウントの異なる層に配設されてもよい。これは、回路のパターニングを容易にする。なぜなら、アレイのＬＥＤの異なる組を駆動する回路の異なる部分が、異なる層に配設され得るからである。斯くして、回路の異なる部分の交点の数が最小に押さえられる。本発明の実施例においては、前記アレイの全てのＬＥＤが同じ色の光を放つ。マルチカラーアレイを得るために、前記第１の組のＬＥＤは、該ダイオードにより放たれる光を供給される前記第１の色の光に変換するように構成される第１の波長変換化合物を備える。さらに、前記第２の組のＬＥＤは、該ダイオードにより放たれる光を供給される前記第２の色の光に変換するように構成される第２の波長変換化合物を備える。一例は、全てのダイオードが青色光を放ち、供給される前記第１の色は（青色から波長変換された）緑色であり、供給される前記第２の色は(青色から波長変換された)赤色である場合である。本発明の他の実施例においては、前記第３の組のＬＥＤも、該ダイオードにより放たれる光を供給される前記第３の色の光に変換するように構成される第３の波長変換化合物を備える。一例は、全てのダイオードが紫外光又は近紫外光を放ち、供給される前記第１の色は（紫外線から波長変換された）緑色であり、供給される前記第２の色は(紫外線から波長変換された)赤色であり、供給される前記第３の色は（紫外線から波長変換された）青色である。
【００２４】
特定の固有の色(intrinsic color)の特定のＬＥＤからの放射（波長分布及び／又は輝度）は、ＬＥＤの温度及び／又はＬＥＤを駆動する電流密度に大きく依存する。これは、例えば白色光を生成することが可能なＬＥＤアレイにおいて問題を提起する。なぜなら、デバイスの温度又はデバイスを介す電流の小さな変化が、放射光の色の変化につながるからである。
【００２５】
適切な波長変換化合物を用いることにより、最も温度に安定したＬＥＤが使用されることができ、この場合、固有の色は、所望の色に変換されることができる。
【００２６】
また、紫外光から緑色光までのスペクトル域で放射する最も効率のよいタイプのＬＥＤが、波長変換化合物を励起し(pump)、できればデバイスの最も短い波長を持つ原色を出すために用いられることができる。
【００２７】
本発明での使用に適した波長変換化合物は、好ましくは、本質的に温度に依存しない。所望の波長変換化合物は、所望のＬＥＤの上部に直接堆積されてもよい。代替的に、波長変換化合物は、アレイ上に配設された層の領域に具備されてもよい。この領域は、所望のＬＥＤを少なくとも部分的に覆う。
【００２８】
斯くして、本発明は、１つの高抵抗性基板上に形成された複数個のＬＥＤのアレイを有する色可変発光デバイスであって、前記アレイは、それぞれ第１、第２及び第３の色を供給するように構成される少なくとも１個のＬＥＤの第１、第２及び第３の組を有する、デバイスに関する。これらの組のうちの少なくとも１つの組は、独立してアドレス可能である。さらに、アレイ内の各ＬＥＤは、回路への別個の接続を持ち、これらの組のうちの少なくとも１つの組は、該回路を介して直列に相互接続される少なくとも２個のＬＥＤを有する。例えば同一の組内の別個のＬＥＤ間の全ての接続は、前記回路を介してなされ得る。これはまた、アレイ内の非常に高密度のＬＥＤのパッキングを可能にする。なぜなら、アレイの異なるＬＥＤ間の相互接続が、該アレイに配設される必要が無いからである。
【００２９】
本発明を、添付の図面を参照する好ましい実施例の詳細な説明においてさらに述べる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１に示される本発明の例示的な実施例は、１つの基板上に３×３の正方形で形成された９つの部分から成るＬＥＤアレイ１を有する。
【００３１】
前記アレイは、ＬＥＤの３つの個別の組に分けられる。１個のＬＥＤの１組２は青色光を供給し、４個のＬＥＤの１組３は赤色光を供給し、４個のＬＥＤの１組４は緑色光を供給する。
【００３２】
これら３つの組は、ＬＥＤドライバユニット６に別個に接続される。ＬＥＤドライバユニット６は、青色用の個別接続７（カソードへの）及び１７（アノードへの）、緑色用の個別接続８（カソードへの）及び１８（アノードへの）、並びに赤色用の個別接続９（カソードへの）及び１９（アノードへの）を通じてこれら３つの別個の組を介す電圧及び／又は電流を独立して制御することができる。代替的には、ＬＥＤのこれら組のアノード又はカソードの何れかは、ＬＥＤドライバユニット及びＬＥＤアレイ間で電気的に絶縁された接続が４つしかないように接続される。
【００３３】
斯くして、図１のアレイは、青色の組、緑色の組及び赤色の組それぞれのカラーポイントにより規定される色空間内の任意の色の光を供給することができるＲＧＢユニットを構築する。これら色が異なる組を介す電流を独立して制御することにより、アレイの全体的な色(total color)は可変である。
【００３４】
前記アレイは、前記３つの組に個別に接続する回路を備えるサブマウント５上に配置される。
【００３５】
前記回路は、図２に概略的に示され、前記３つの組が、当該回路の互いに絶縁された異なる部分に別個に接続されていることを示している。青色ＬＥＤ２は、そのために指定された前記回路の部分２１に接続され、緑色ＬＥＤ３は、そのために指定された前記回路の部分２２に接続され、赤色ＬＥＤ４は、そのために指定された前記回路の部分２３に接続される。
【００３６】
図３に示されるように、３組の回路は、マルチレイヤサブマウントの３つの異なる層に配設されてもよい。すなわち、"赤色"回路２１は第１の層３１に配設され、"緑色"回路２２は第２の層３２に配設され、"青色"回路２３は第３の層３３に配設される。
【００３７】
しかしながら、１組のＬＥＤ用の回路が、１つの相互接続層に位置を制限される必要は無い。複数の相互接続層が、これら相互接続層間でマルチレイヤサブマウントの１つ以上の層を介す電気バイアを用いることにより、特定の色のＬＥＤの組のために用いられてもよい。ある構造において、このことは、相互接続層の数を減らすため、斯くして、マルチレイヤサブマウントの厚さを減らすために有利であり、これにより、サブマウントの熱抵抗を減らすことができる。典型的には、本発明のマルチフォールドＬＥＤアレイ(multifold LED-array)は、全て同一の基板上に形成され、当該共通基板によって１つの一体部分をなす、多数の能動素子（ＬＥＤ）を有する。斯くして、アレイ内の全てのＬＥＤは同じ色の光を放つ。
【００３８】
適切な基板は、例えばサファイア(sapphire)、シリコンカーバイド(silicon carbide)又は窒化ガリウム(gallium nitride)等の高抵抗性の基板を含む。ＬＥＤは、基板上にＬＥＤを形成するために必要とされる半導体層を化学気相成長法(CVD)、分子線エピタキシ(molecular beam epitaxy: MBE)又はその他適切な方法により成長させることにより該基板上に形成されてもよい。さらに、基板は、好ましくは、低光吸収性の基板である。
【００３９】
適切なＬＥＤの例は、GaN、AlGaN、InGaN及びAlInGaNダイオードを含むが、これらに限定されない。
【００４０】
アレイの各ＬＥＤ素子は、好ましくは、当該素子のアノード及びカソードから（実質的に同じ色又は波長変換された色を放つ）ＬＥＤの組の素子の直列接続を設ける相互接続回路への接続の組を持つ。好ましくは、これら素子（ＬＥＤ）は、アノード及びカソードへのコネクタが、光伝搬側と反対側の、ＬＥＤアレイの同じ側に配設されるように形成される。斯くして、ＬＥＤアレイを駆動するための回路は全て、放出光を何ら遮らない、該アレイの一方の側に配置されることができる。
【００４１】
図１に示されるアレイは、９個の能動素子（ＬＥＤ）を有する。しかしながら、１つの基板上に形成され且つ任意の幾何学的構造の、より多い又はより少ない数のＬＥＤのアレイも、添付請求の範囲により包含される。さらに、能動素子の幾何学形状及び数が図１に示されるものと異なってもよいというだけでなく、個々の素子の大きさも、例えば種々の色の色混合及び必要とされる光束の寄与(contribution)を同時に最適化するためにマルチフォールドＬＥＤアレイ内で異なってもよい。本発明のマルチフォールドＬＥＤアレイでは、全てのＬＥＤが本質的に同じ色の光を放つ。マルチカラーアレイを提供するため、アレイのＬＥＤにより放たれる光、すなわち、固有の色が、該マルチカラーアレイの異なる色に変換されなければならない。
【００４２】
波長変換化合物、すなわち、蛍光体(phosphor)は、ある波長又はある波長幅の光を吸収し、異なる波長又は波長幅の光を放つ発光化合物(luminescent compound)である。多くのそのような発光化合物は当業者に知られている。用語「発光化合物」は、燐光性化合物(phosphorescent compound)及び蛍光性化合物(fluorescent compound)の両方を意味する。
【００４３】
斯かる波長変換化合物が、固有の色をマルチカラーアレイの異なる色に変換するために用いられてもよい。
【００４４】
本願明細書で用いられる用語「固有の色」は、ＬＥＤにより直接放たれる色を意味し、当業者に知られているように、基板上にＬＥＤを形成するために用いられる材料に依存する。
【００４５】
図１に示されるアレイ内のＬＥＤの３つの異なる色は、いくつかの方法で実現され得る。
【００４６】
例えば、紫外光又は近紫外光を放つ能動素子（ＬＥＤ）の場合、青色チャネルは、青色の組の素子に紫外線を青色に変換する化合物を設けることにより形成される。結果として、緑色チャネル及び赤色チャネルは、それぞれ、緑色の組の素子に紫外線を緑色に変換する化合物を設けることにより、及び赤色の組の素子に紫外線を赤色に変換する化合物を設けることにより形成される。
【００４７】
能動素子（ＬＥＤ）が青色光を放つような他の場合、青色チャネルに波長変換化合物は設けられず、結果として、緑色チャネル及び赤色チャネルは、それぞれ、緑色の組の素子に青色を緑色に変換する化合物を設けることにより、及び赤色の組の素子に青色を赤色に変換する化合物を設けることにより形成される。３０００Ｋの色温度の白色光を発生する、固有の青色チャネル並びに波長変換された緑色及び赤色チャネルを備えるこの実施例によるＲＧＢアレイからの波長スペクトルが、図４に示されている。
【００４８】
上述した青色を緑色に変換する化合物、青色を赤色に変換する化合物、紫外線を青色に変換する化合物、紫外線を緑色に変換する化合物及び紫外線を赤色に変換する化合物のような波長変換化合物、並びにその他の波長変換化合物は、当業者に知られている。
【００４９】
図１のアレイは、ＲＧＢアレイである。しかしながら、本発明は、マルチカラーアレイを形成するために青色、緑色及び赤色の組み合わせを用いることに限定されない。他の色及び色の組み合わせ、例えば、シアン、緑色及び赤色、シアン、黄色及び赤色、並びに青色、黄色及び赤色等の３色の組み合わせ、白色、緑色及び赤色、並びに白色、黄色及び赤色等の、例えば黄色の蛍光体層を介した青色の漏えいを許容することによる白色を含む色の組み合わせ、又は白色、青色、緑色及び赤色、並びに青色、シアン、緑色及び赤色等の４色の組み合わせもまた、本発明のデバイスで用いられてもよい。
【００５０】
好ましくは、本発明のアレイのＬＥＤの固有の色は、紫外色、近紫外色又は青色である。なぜなら、低波長の光は容易により高い波長の光に変換され得るからである。設けられる色のうちの一つは、黒体軌跡の全てのカラーポイントを生成できるように、琥珀色−赤色のスペクトル域内にあることが好ましい。
【００５１】
青色光を赤色光に変換する蛍光性材料の例は、SrS:Eu、Sr2Si5N8:Eu、CaS:Eu、Ca2Si5N8:Eu、(Sr1-xCax)S:Eu及び(Sr1-xCax)2Si5N8:Eu(x=0〜1)により形成される群から選択される材料を含む。適切な発光材料(luminescent material)は、相対的に高い安定性を示すSr2Si5N8:Euである。さらに、Sr2Si5N8:Euは、硫化物の使用を避けた発光材料である。SrS:Euは、略々６１０ｎｍのピーク波長を持ち、Sr2Si5N8:Euは、略々６２０ｎｍのピーク波長を持ち、CaS:Euは、略々６５５ｎｍのピーク波長を持ち、Ca2Si5N8:Euは、略々６１０ｎｍのピーク波長を持つ。
【００５２】
青色光を緑色光に変換する蛍光性材料の例は、(Ba1-xSrx)2SiO4:Eu (x=0〜1、好ましくは、x=0.5)、SrGa2S4:Eu、Lu3Al5O12:Ce及びSrSi2N2O2:Euにより形成される群から選択される材料を含む。安定性の面で、Lu3Al5O12:Ce及びSrSi2N2O2:Euが非常に適した発光材料である。さらに、Lu3Al5O12:Ce及びSrSi2N2O2:Euの発光材料は、硫化物の使用を避けている。(Ba0.5Sr0.5)2SiO4:Euは、略々５２３ｎｍのピーク波長を持ち、SrGa2S4:Euは、略々５３５ｎｍのピーク波長を持ち、Lu3Al5O12:Ceは、略々５１５ｎｍ及び５４５ｎｍにおいてピーク波長を持ち、SrSi2N2O2:Euは、略々５４１ｎｍのピーク波長を持つ。
【００５３】
適切な黄色／琥珀色を放つ発光材料の例は、化学式におけるx及びyの値に依存して５６０〜５９０ｎｍの範囲でピーク波長を持つ(Y1-xGdx)3(Al1-yGay)5O12:Ce (x及びyは好ましくは0〜0.5の範囲である。)である。
【００５４】
さまざまな色の光を供給する上述したような波長変換化合物の使用は、異なる固有の色を持つＬＥＤを用いた場合と比べてさまざまな利点がある。
【００５５】
例えば、琥珀色−赤色光を放つ広く用いられているAlInGaPダイオードの波長範囲は、温度に敏感である。斯くして、斯かるダイオードを有するアレイの演色評価指数は、温度とともに大きく変化する。さらに、AlInGaP材料は温度に敏感であり、高温に耐えることができない。例えば、AlInGaPダイオードの２５℃から１００℃への温度の上昇は、当該ダイオードからの発光出力(luminous output)を略々１／２に減少する。
【００５６】
斯くして、波長幅及びデグラデーション(degradation)の両方に関して温度に安定的である波長変換化合物を用いることにより、混合放出光の選択されたカラーポイントは、温度にほとんど依存しないか、又は依存しない。なぜなら、動作範囲の温度において熱的消失(thermal quenching)のほとんどない蛍光体が利用でき、全ての色が、同一タイプのＬＥＤにより直接又は波長変換化合物を介して生成されるからである。
【００５７】
波長変換化合物は、当該波長変換化合物がその光を変換することになるＬＥＤ素子と光学的接触するように配設されることが好ましい。
【００５８】
波長変換化合物は、ＬＥＤアレイの所望の能動素子上に直接堆積されてもよい。堆積(deposition)のための種々の方法が当業者に既知であり、化合物のディスペンシング(dispensing)、吹き付け(spraying)、スクリーン印刷及び電気泳動析出(electrophoretic deposition)を含む。
【００５９】
さらに、波長変換化合物を含む予め成形されたプレートレットのモザイク(mosaic of pre-shaped platelets)が、ＬＥＤアレイ上に載置され、該ＬＥＤアレイに光学的に接続されてもよい。この場合、波長変換化合物は、光学ポリマ、ゾルゲルガラス又は低温溶融ガラス等の光学マトリクス内に埋設される。代替的には、蛍光体は、セラミックプレートレットとして、ＬＥＤと該セラミックプレートレットとが適切な光学的相互接続を持つように適用される。
【００６０】
波長変換化合物は、例えば、より高い動作温度に耐えるようにゾルゲルマトリクス内に沈着されてもよい。
【００６１】
壁が、波長変換化合物が堆積され得るような凹部(well)を設けるために、アレイの各能動素子の周りにリソグラフで製造されてもよい。斯かる凹部は、隣接するＬＥＤ間のクロストークを防止するようにしてもよい。
【００６２】
他の場合においては、波長変換化合物が、アレイの上部に配設されるフィルム上に配設されてもよい。斯かるフィルムは、シリコン等のポリマフィルムであってもよい。代替的に、波長変換化合物は、ＬＥＤアレイの上部に配設されるガラスプレート又は半透明若しくは透明セラミックプレート上に配設されてもよい。波長変換化合物がフィルム又はプレートとＬＥＤアレイとの間に位置するように該フィルム又はプレートが載置されることが好ましい。
【００６３】
図１及び２に示される実施例では、３つの色の組は全て独立してアドレス可能である。これは、３つの供給される色により規定される色空間内の色を自由に選択することを可能にする。しかしながら、本発明によれば、１つの色の組のみが独立してアドレス可能であり、他の２つ又はそれ以上の色の組は一緒にアドレスされるようにしてもよい。斯かる場合、アレイにより供給される色は、独立してアドレス可能な色の組のカラーポイント及び一定の比率で駆動される２つ以上の色の組のカラーポイントにより決定される色空間内のラインに沿って選択され得る。独立した色に対する２つのリンクされた色の相対的寄与率(relative contribution)を変えることにより、このライン上の任意のカラーポイントが得られる。本発明のアレイは、回路を備えるサブマウント上に配設される。適切なサブマウント材料は、シリコン及びAlN等の電気絶縁材料を含むが、これらに限定されない。
【００６４】
酸化シリコン(silicon oxide)等の電気絶縁層が、ＬＥＤ及び導線又は相互接続をさらに絶縁するために設けられてもよい。
【００６５】
サブマウント材料は、ＬＥＤから遠くに熱を拡散且つ伝導させるように高い熱伝導性であることが好ましい。サブマウントは、相対的に低い熱膨張係数(CTE)を持つことが好ましい。これは、サブマウント上への信頼でき且つ堅牢なＬＥＤの載置を可能にするようにＬＥＤの熱膨張係数に取り組むものである。サブマウントは、さらなるヒートスプレッダ、ヒートコンダクタ、熱輸送ユニット又はヒートシンクへの良好な熱的接続を持つように載置されることが好ましい。アルミニウム若しくは銅等の金属、又はアルミニウムシリコンカーバイド(aluminum silicon carbide)等の合成物(composite)が好ましい。
【００６６】
サブマウントは、マルチフォールドＬＥＤアレイの各ＬＥＤが回路への別個の接続を持つことができるように該回路を備える。回路は、限定されるものではないが、アルミニウム、鉛、タングステン、モリブデン若しくは銅等の金属等の導電材料のパターン、又は非金属の導電材料のパターンを有する。回路はさらに、アレイの能動素子への接続に適したコネクタを有する。斯かるコネクタは、サブマウントの表面に配設されてもよい。
【００６７】
各ＬＥＤへの又は各ＬＥＤからの全ての接続は、前記回路を介してなされる。同一の色の組におけるＬＥＤ間等の、アレイ内のＬＥＤ間の相互接続も前記回路を介してなされる。斯くして、アレイ自体の設計に斯かる相互接続を含める必要は無い。なぜなら、これは、アレイのレイアウトを問わずサブマウント内の回路により容易に対処されるからである。
【００６８】
これはまた、アレイ内のＬＥＤの非常に密度の高いパッキングを可能にする。なぜなら、アレイの異なるＬＥＤ間の相互接続が、該アレイ内に配設される必要が無いからである。
【００６９】
回路の設計は、該回路に接続されるべきマルチフォールドＬＥＤアレイの設計に依存するであろう。
【００７０】
図３に示されるように、回路の別個の部分が、マルチレイヤサブマウントの別個の層に配設されてもよい。これは、回路のパターニングを容易にする。なぜなら、回路の異なる部分間の横断は全て別個の層でなされ、斯くして、サブマウント材料により互いに絶縁されるからである。
【００７１】
マルチレイヤサブマウントは、酸化アルミニウム(aluminum oxide)、窒化アルミニウム(aluminum nitride)又は酸化ベリリウム(beryllium oxide)等の電気的絶縁セラミック層からなってもよい。
【００７２】
１組の各ＬＥＤを直列に接続することにより、駆動電流は、例えば１Ａ未満の合理的に低いレベルに保たれる。これは、熱放散に起因する導線の大きな電気損失をもたらすことなく相対的に小さな断面の該導線を用いることを可能にする。
【００７３】
例えば１０個のＬＥＤ素子が並列接続され、個々のＬＥＤ素子が１Ａの最大電流により駆動されるような場合、電源が１０Ａの電流を送り出さなければならず、このために大きな断面の導線が必要とされるであろう。パルス幅変調(PWM)がＬＥＤを駆動する好ましい方法であるところ、十分に高い変調周波数のパルス幅変調で斯かる大電流を送り出すことは、非常に厳しい処理(task)である。
【００７４】
上述の好ましい実施例の説明は、例示目的にすぎず、本発明の範囲を限定することは意図されていない。上述の実施例に対するさまざまな修正及び変形が、当業者にとって明らかであろう。例えば、本発明は、本発明の多数の発光デバイスを有するライティングデバイスに関する。さらに、他の波長変換化合物、基板材料等のアレイの構成要素のさまざまな変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】図１は、３×３方陣で配設された９個の能動素子（４個は赤色の光を供給し、４個は緑色の光を供給し、１個は青色の光を供給する）のマルチフォールドＬＥＤを有する本発明の９つの部分から成るアレイを示す。
【図２】図２は、図１のアレイ用の回路の例を示す。
【図３】図３は、図１のデバイスのIII−III線に沿った断面を示し、赤色チャネル用の回路が相互接続層３１に配設され、緑色チャネル用の回路が相互接続層３２に配設され、青色チャネル用の回路が相互接続層３３に配設されるように回路がマルチレイヤサブマウント内に配設されていて、能動ＬＥＤ素子及び相互接続層間の相互接続はマルチレイヤサブマウントの層を介す電気バイアにより設けられている。
【図４】図４は、本発明の３０００Ｋの白色を放つＲＧＢアレイのスペクトルの例を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つの高抵抗性基板上に形成された発光ダイオードの色可変アレイであって、少なくとも１個の発光ダイオードの組を少なくとも２組有し、各組は異なる色の光を発する、発光ダイオードの色可変アレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード(light-emitting diode (LED))は、光源として従来のライトバルブの魅力的な代替となってきている。ＬＥＤは、ストップテールランプ等の自動車用途、屋外標識及び交通標識においてライトバルブに取って代わってきている。ＬＥＤは、屋内照明及びステージ照明用の普通のライトバルブにも取って代わり始めている。
【０００３】
ＬＥＤを用いるライティングシステムは、寿命がはるかに長い、より堅牢である、より低い動作温度、低電圧の電源条件等の標準的な光源を越える多くの利点を持つ。
【０００４】
例えば白色光を供給するＬＥＤライティングシステムは、典型的には、異なる色の複数のＬＥＤを用い、これら異なる色が、白色光又はその他の色の光を得るために混合される。
【０００５】
良好な色混合を得るためには、異なる色のＬＥＤを互いに近接させることが有利である。
【０００６】
さらに、白色光の色温度等ライティングデバイスにより発生される色を容易に制御できることが有利である。
【０００７】
米国特許第6 547 249号が、１つの高抵抗性基板上に形成された複数個の個別ＬＥＤのアレイを開示している。
【０００８】
アレイ内の全てのＬＥＤは相互接続されている。そのようにして、複数のＬＥＤが互いに近接している。米国特許第6 547 249号はまた、アレイ内のいくつかのＬＥＤが、これらＬＥＤにより生成される光の色を変えるために蛍光体により覆われているアレイを開示している。これは、所定の色を持つＬＥＤアレイを製造する可能性を提供する。
【０００９】
しかしながら、斯かるアレイの色は不変であり、アレイの蛍光体の厚さの僅かな違いでさえ色の違いにつながり、斯くして、斯かるアレイの大きなビニング範囲(large binning range)につながる。
【００１０】
斯くして、良好な色混合特性を持ち且つ個々のＬＥＤアレイ間で一定した色を備えるコンパクトなＬＥＤベースのライティングシステムを依然必要としている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の１つの目的は、上述の課題を解消するＬＥＤベースのライティングシステムに対する手段を提供することにある。斯くして、本発明は、１つの高抵抗性基板上に形成された複数個のＬＥＤのアレイを有する色可変発光デバイスを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記アレイは、第１の色の光を供給するように構成される少なくとも１個のＬＥＤの第１の組、第２の色の光を供給するように構成される少なくとも１個のＬＥＤの第２の組、及び第３の色の光を供給するように構成される少なくとも１個のＬＥＤの第３の組を有する。前記アレイはまた、第４及び第５の色等のさらなる色の光をそれぞれ供給する少なくとも１個のＬＥＤの第４の組及び第５の組等のさらなる組を有してもよい。
【００１３】
前記アレイは、回路を備えるサブマウント上に配設され、該ＬＥＤのアレイは、該回路に接続される。
【００１４】
本発明のデバイスにおいては、前記アレイ内の各ＬＥＤが、前記回路への別個の接続を持ち、前記第１、第２又は第３の組のうちの少なくとも１つの組が、前記回路を介して直列に相互接続される少なくとも２個のＬＥＤを有する。
【００１５】
さらに、本願発明のデバイスにおける前記回路は、前記第１、第２及び第３の組のうちの少なくとも１つの組を独立してアドレスするための外部コネクタを有する。
【００１６】
本発明によるアレイのＬＥＤは全て同一の基板上に形成され、該基板上に位置する。これは、サブマウント上に載置される個別ＬＥＤダイのアレイと区別されるべきである。
【００１７】
数個の個別にサブマウントされたＬＥＤのアレイを形成するのではなく、数個のＬＥＤのアレイを１つの高抵抗性基板上に形成することにより、ダイオードのより密度の高いパッキングが可能であり、高い光束が、斯かる小領域のアレイにより発生され得る。斯くして、本発明の発光デバイスに基づく照明システムは小さくすることができる。なぜなら、発光領域の平均輝度が高いからである。
【００１８】
さらに、小領域を持つ異なる色のＬＥＤを有するアレイの場合に有利である。なぜなら、異なる色の光を混合することにより所望の色の光を達成するための色混合が、アレイが小領域であることにより改善されるからである。これは、異なる色を放つ放射源が互いに近接して位置する距離にあるからである。
【００１９】
前記アレイは、少なくとも１つの色の光束が他の２つの色と独立して制御され得る、少なくとも３つの色の光を供給する。これは、アレイ内のＬＥＤの高密度のパッキングの可能性と相まって、良好な色混合による可変の色を提供することを可能にする。
【００２０】
本発明のアレイにおいては、前記少なくとも１個のＬＥＤの組のうちの少なくとも１つの組が、少なくとも２個のＬＥＤを有し、斯かる２個以上のＬＥＤの組におけるＬＥＤは、直列に相互接続される。
【００２１】
組におけるＬＥＤを直列に接続することにより、駆動電流、ゆえに、光出力が、並列配置に反して、当該組における全てのＬＥＤに対して一定となる。並列配置の場合、１個のＬＥＤの抵抗の小さなずれが、組における全てのＬＥＤを通る電流の変化につながり、これは、当該組における個々のＬＥＤ間に非常に大きな光出力のずれをもたらす可能性がある。さらに、前記アレイの各ＬＥＤは、前記回路への別個の接続を持ち、斯くして、例えば同一の組内の別個のＬＥＤ間の全ての接続が、前記回路を介してなされ得る。これはまた、アレイ内の非常に高密度のＬＥＤのパッキングを可能にする。なぜなら、アレイの異なるＬＥＤ間の相互接続が、該アレイに配設される必要が無いからである。
【００２２】
アレイ内のＬＥＤの異なる組を独立してアドレス可能にするため、前記回路は、外部コネクタを有し、ＬＥＤ駆動ユニットが、斯かる独立したアドレシングのため該外部コネクタに接続されることができる。本発明によるデバイスにおいては、前記回路が、互いに電気的に絶縁されたいくつかの別個の部分を有してもよい。前記回路の斯かる異なる部分は、アレイ内のＬＥＤの異なる組に独立して接続し、これら異なる組を独立してアドレスするために用いられ得る。本発明の実施例においては、前記サブマウントが、マルチレイヤサブマウントであり、前記回路の異なる部分が、前記マルチレイヤサブマウントの異なる層に配設される。
【００２３】
例えば、ＬＥＤの異なる組に接続される前記回路の異なる部分は、前記サブマウントの異なる層に配設されてもよい。これは、回路のパターニングを容易にする。なぜなら、アレイのＬＥＤの異なる組を駆動する回路の異なる部分が、異なる層に配設され得るからである。斯くして、回路の異なる部分の交点の数が最小に押さえられる。本発明の実施例においては、前記アレイの全てのＬＥＤが同じ色の光を放つ。マルチカラーアレイを得るために、前記第１の組のＬＥＤは、該ダイオードにより放たれる光を供給される前記第１の色の光に変換するように構成される第１の波長変換化合物を備える。さらに、前記第２の組のＬＥＤは、該ダイオードにより放たれる光を供給される前記第２の色の光に変換するように構成される第２の波長変換化合物を備える。一例は、全てのダイオードが青色光を放ち、供給される前記第１の色は（青色から波長変換された）緑色であり、供給される前記第２の色は(青色から波長変換された)赤色である場合である。本発明の他の実施例においては、前記第３の組のＬＥＤも、該ダイオードにより放たれる光を供給される前記第３の色の光に変換するように構成される第３の波長変換化合物を備える。一例は、全てのダイオードが紫外光又は近紫外光を放ち、供給される前記第１の色は（紫外線から波長変換された）緑色であり、供給される前記第２の色は(紫外線から波長変換された)赤色であり、供給される前記第３の色は（紫外線から波長変換された）青色である。
【００２４】
特定の固有の色(intrinsic color)の特定のＬＥＤからの放射（波長分布及び／又は輝度）は、ＬＥＤの温度及び／又はＬＥＤを駆動する電流密度に大きく依存する。これは、例えば白色光を生成することが可能なＬＥＤアレイにおいて問題を提起する。なぜなら、デバイスの温度又はデバイスを介す電流の小さな変化が、放射光の色の変化につながるからである。
【００２５】
適切な波長変換化合物を用いることにより、最も温度に安定したＬＥＤが使用されることができ、この場合、固有の色は、所望の色に変換されることができる。
【００２６】
また、紫外光から緑色光までのスペクトル域で放射する最も効率のよいタイプのＬＥＤが、波長変換化合物を励起し(pump)、できればデバイスの最も短い波長を持つ原色を出すために用いられることができる。
【００２７】
本発明での使用に適した波長変換化合物は、好ましくは、本質的に温度に依存しない。所望の波長変換化合物は、所望のＬＥＤの上部に直接堆積されてもよい。代替的に、波長変換化合物は、アレイ上に配設された層の領域に具備されてもよい。この領域は、所望のＬＥＤを少なくとも部分的に覆う。
【００２８】
斯くして、本発明は、１つの高抵抗性基板上に形成された複数個のＬＥＤのアレイを有する色可変発光デバイスであって、前記アレイは、それぞれ第１、第２及び第３の色を供給するように構成される少なくとも１個のＬＥＤの第１、第２及び第３の組を有する、デバイスに関する。これらの組のうちの少なくとも１つの組は、独立してアドレス可能である。さらに、アレイ内の各ＬＥＤは、回路への別個の接続を持ち、これらの組のうちの少なくとも１つの組は、該回路を介して直列に相互接続される少なくとも２個のＬＥＤを有する。例えば同一の組内の別個のＬＥＤ間の全ての接続は、前記回路を介してなされ得る。これはまた、アレイ内の非常に高密度のＬＥＤのパッキングを可能にする。なぜなら、アレイの異なるＬＥＤ間の相互接続が、該アレイに配設される必要が無いからである。
【００２９】
本発明を、添付の図面を参照する好ましい実施例の詳細な説明においてさらに述べる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１に示される本発明の例示的な実施例は、１つの基板上に３×３の正方形で形成された９つの部分から成るＬＥＤアレイ１を有する。
【００３１】
前記アレイは、ＬＥＤの３つの個別の組に分けられる。１個のＬＥＤの１組２は青色光を供給し、４個のＬＥＤの１組３は赤色光を供給し、４個のＬＥＤの１組４は緑色光を供給する。
【００３２】
これら３つの組は、ＬＥＤドライバユニット６に別個に接続される。ＬＥＤドライバユニット６は、青色用の個別接続７（カソードへの）及び１７（アノードへの）、緑色用の個別接続８（カソードへの）及び１８（アノードへの）、並びに赤色用の個別接続９（カソードへの）及び１９（アノードへの）を通じてこれら３つの別個の組を介す電圧及び／又は電流を独立して制御することができる。代替的には、ＬＥＤのこれら組のアノード又はカソードの何れかは、ＬＥＤドライバユニット及びＬＥＤアレイ間で電気的に絶縁された接続が４つしかないように接続される。
【００３３】
斯くして、図１のアレイは、青色の組、緑色の組及び赤色の組それぞれのカラーポイントにより規定される色空間内の任意の色の光を供給することができるＲＧＢユニットを構築する。これら色が異なる組を介す電流を独立して制御することにより、アレイの全体的な色(total color)は可変である。
【００３４】
前記アレイは、前記３つの組に個別に接続する回路を備えるサブマウント５上に配置される。
【００３５】
前記回路は、図２に概略的に示され、前記３つの組が、当該回路の互いに絶縁された異なる部分に別個に接続されていることを示している。青色ＬＥＤ２は、そのために指定された前記回路の部分２１に接続され、緑色ＬＥＤ３は、そのために指定された前記回路の部分２２に接続され、赤色ＬＥＤ４は、そのために指定された前記回路の部分２３に接続される。
【００３６】
図３に示されるように、３組の回路は、マルチレイヤサブマウントの３つの異なる層に配設されてもよい。すなわち、"赤色"回路２１は第１の層３１に配設され、"緑色"回路２２は第２の層３２に配設され、"青色"回路２３は第３の層３３に配設される。
【００３７】
しかしながら、１組のＬＥＤ用の回路が、１つの相互接続層に位置を制限される必要は無い。複数の相互接続層が、これら相互接続層間でマルチレイヤサブマウントの１つ以上の層を介す電気バイアを用いることにより、特定の色のＬＥＤの組のために用いられてもよい。ある構造において、このことは、相互接続層の数を減らすため、斯くして、マルチレイヤサブマウントの厚さを減らすために有利であり、これにより、サブマウントの熱抵抗を減らすことができる。典型的には、本発明のマルチフォールドＬＥＤアレイ(multifold LED-array)は、全て同一の基板上に形成され、当該共通基板によって１つの一体部分をなす、多数の能動素子（ＬＥＤ）を有する。斯くして、アレイ内の全てのＬＥＤは同じ色の光を放つ。
【００３８】
適切な基板は、例えばサファイア(sapphire)、シリコンカーバイド(silicon carbide)又は窒化ガリウム(gallium nitride)等の高抵抗性の基板を含む。ＬＥＤは、基板上にＬＥＤを形成するために必要とされる半導体層を化学気相成長法(CVD)、分子線エピタキシ(molecular beam epitaxy: MBE)又はその他適切な方法により成長させることにより該基板上に形成されてもよい。さらに、基板は、好ましくは、低光吸収性の基板である。
【００３９】
適切なＬＥＤの例は、GaN、AlGaN、InGaN及びAlInGaNダイオードを含むが、これらに限定されない。
【００４０】
アレイの各ＬＥＤ素子は、好ましくは、当該素子のアノード及びカソードから（実質的に同じ色又は波長変換された色を放つ）ＬＥＤの組の素子の直列接続を設ける相互接続回路への接続の組を持つ。好ましくは、これら素子（ＬＥＤ）は、アノード及びカソードへのコネクタが、光伝搬側と反対側の、ＬＥＤアレイの同じ側に配設されるように形成される。斯くして、ＬＥＤアレイを駆動するための回路は全て、放出光を何ら遮らない、該アレイの一方の側に配置されることができる。
【００４１】
図１に示されるアレイは、９個の能動素子（ＬＥＤ）を有する。しかしながら、１つの基板上に形成され且つ任意の幾何学的構造の、より多い又はより少ない数のＬＥＤのアレイも、添付請求の範囲により包含される。さらに、能動素子の幾何学形状及び数が図１に示されるものと異なってもよいというだけでなく、個々の素子の大きさも、例えば種々の色の色混合及び必要とされる光束の寄与(contribution)を同時に最適化するためにマルチフォールドＬＥＤアレイ内で異なってもよい。本発明のマルチフォールドＬＥＤアレイでは、全てのＬＥＤが本質的に同じ色の光を放つ。マルチカラーアレイを提供するため、アレイのＬＥＤにより放たれる光、すなわち、固有の色が、該マルチカラーアレイの異なる色に変換されなければならない。
【００４２】
波長変換化合物、すなわち、蛍光体(phosphor)は、ある波長又はある波長幅の光を吸収し、異なる波長又は波長幅の光を放つ発光化合物(luminescent compound)である。多くのそのような発光化合物は当業者に知られている。用語「発光化合物」は、燐光性化合物(phosphorescent compound)及び蛍光性化合物(fluorescent compound)の両方を意味する。
【００４３】
斯かる波長変換化合物が、固有の色をマルチカラーアレイの異なる色に変換するために用いられてもよい。
【００４４】
本願明細書で用いられる用語「固有の色」は、ＬＥＤにより直接放たれる色を意味し、当業者に知られているように、基板上にＬＥＤを形成するために用いられる材料に依存する。
【００４５】
図１に示されるアレイ内のＬＥＤの３つの異なる色は、いくつかの方法で実現され得る。
【００４６】
例えば、紫外光又は近紫外光を放つ能動素子（ＬＥＤ）の場合、青色チャネルは、青色の組の素子に紫外線を青色に変換する化合物を設けることにより形成される。結果として、緑色チャネル及び赤色チャネルは、それぞれ、緑色の組の素子に紫外線を緑色に変換する化合物を設けることにより、及び赤色の組の素子に紫外線を赤色に変換する化合物を設けることにより形成される。
【００４７】
能動素子（ＬＥＤ）が青色光を放つような他の場合、青色チャネルに波長変換化合物は設けられず、結果として、緑色チャネル及び赤色チャネルは、それぞれ、緑色の組の素子に青色を緑色に変換する化合物を設けることにより、及び赤色の組の素子に青色を赤色に変換する化合物を設けることにより形成される。３０００Ｋの色温度の白色光を発生する、固有の青色チャネル並びに波長変換された緑色及び赤色チャネルを備えるこの実施例によるＲＧＢアレイからの波長スペクトルが、図４に示されている。
【００４８】
上述した青色を緑色に変換する化合物、青色を赤色に変換する化合物、紫外線を青色に変換する化合物、紫外線を緑色に変換する化合物及び紫外線を赤色に変換する化合物のような波長変換化合物、並びにその他の波長変換化合物は、当業者に知られている。
【００４９】
図１のアレイは、ＲＧＢアレイである。しかしながら、本発明は、マルチカラーアレイを形成するために青色、緑色及び赤色の組み合わせを用いることに限定されない。他の色及び色の組み合わせ、例えば、シアン、緑色及び赤色、シアン、黄色及び赤色、並びに青色、黄色及び赤色等の３色の組み合わせ、白色、緑色及び赤色、並びに白色、黄色及び赤色等の、例えば黄色の蛍光体層を介した青色の漏えいを許容することによる白色を含む色の組み合わせ、又は白色、青色、緑色及び赤色、並びに青色、シアン、緑色及び赤色等の４色の組み合わせもまた、本発明のデバイスで用いられてもよい。
【００５０】
好ましくは、本発明のアレイのＬＥＤの固有の色は、紫外色、近紫外色又は青色である。なぜなら、低波長の光は容易により高い波長の光に変換され得るからである。設けられる色のうちの一つは、黒体軌跡の全てのカラーポイントを生成できるように、琥珀色−赤色のスペクトル域内にあることが好ましい。
【００５１】
青色光を赤色光に変換する蛍光性材料の例は、SrS:Eu、Sr2Si5N8:Eu、CaS:Eu、Ca2Si5N8:Eu、(Sr1-xCax)S:Eu及び(Sr1-xCax)2Si5N8:Eu(x=0〜1)により形成される群から選択される材料を含む。適切な発光材料(luminescent material)は、相対的に高い安定性を示すSr2Si5N8:Euである。さらに、Sr2Si5N8:Euは、硫化物の使用を避けた発光材料である。SrS:Euは、略々６１０ｎｍのピーク波長を持ち、Sr2Si5N8:Euは、略々６２０ｎｍのピーク波長を持ち、CaS:Euは、略々６５５ｎｍのピーク波長を持ち、Ca2Si5N8:Euは、略々６１０ｎｍのピーク波長を持つ。
【００５２】
青色光を緑色光に変換する蛍光性材料の例は、(Ba1-xSrx)2SiO4:Eu (x=0〜1、好ましくは、x=0.5)、SrGa2S4:Eu、Lu3Al5O12:Ce及びSrSi2N2O2:Euにより形成される群から選択される材料を含む。安定性の面で、Lu3Al5O12:Ce及びSrSi2N2O2:Euが非常に適した発光材料である。さらに、Lu3Al5O12:Ce及びSrSi2N2O2:Euの発光材料は、硫化物の使用を避けている。(Ba0.5Sr0.5)2SiO4:Euは、略々５２３ｎｍのピーク波長を持ち、SrGa2S4:Euは、略々５３５ｎｍのピーク波長を持ち、Lu3Al5O12:Ceは、略々５１５ｎｍ及び５４５ｎｍにおいてピーク波長を持ち、SrSi2N2O2:Euは、略々５４１ｎｍのピーク波長を持つ。
【００５３】
適切な黄色／琥珀色を放つ発光材料の例は、化学式におけるx及びyの値に依存して５６０〜５９０ｎｍの範囲でピーク波長を持つ(Y1-xGdx)3(Al1-yGay)5O12:Ce (x及びyは好ましくは0〜0.5の範囲である。)である。
【００５４】
さまざまな色の光を供給する上述したような波長変換化合物の使用は、異なる固有の色を持つＬＥＤを用いた場合と比べてさまざまな利点がある。
【００５５】
例えば、琥珀色−赤色光を放つ広く用いられているAlInGaPダイオードの波長範囲は、温度に敏感である。斯くして、斯かるダイオードを有するアレイの演色評価指数は、温度とともに大きく変化する。さらに、AlInGaP材料は温度に敏感であり、高温に耐えることができない。例えば、AlInGaPダイオードの２５℃から１００℃への温度の上昇は、当該ダイオードからの発光出力(luminous output)を略々１／２に減少する。
【００５６】
斯くして、波長幅及びデグラデーション(degradation)の両方に関して温度に安定的である波長変換化合物を用いることにより、混合放出光の選択されたカラーポイントは、温度にほとんど依存しないか、又は依存しない。なぜなら、動作範囲の温度において熱的消失(thermal quenching)のほとんどない蛍光体が利用でき、全ての色が、同一タイプのＬＥＤにより直接又は波長変換化合物を介して生成されるからである。
【００５７】
波長変換化合物は、当該波長変換化合物がその光を変換することになるＬＥＤ素子と光学的接触するように配設されることが好ましい。
【００５８】
波長変換化合物は、ＬＥＤアレイの所望の能動素子上に直接堆積されてもよい。堆積(deposition)のための種々の方法が当業者に既知であり、化合物のディスペンシング(dispensing)、吹き付け(spraying)、スクリーン印刷及び電気泳動析出(electrophoretic deposition)を含む。
【００５９】
さらに、波長変換化合物を含む予め成形されたプレートレットのモザイク(mosaic of pre-shaped platelets)が、ＬＥＤアレイ上に載置され、該ＬＥＤアレイに光学的に接続されてもよい。この場合、波長変換化合物は、光学ポリマ、ゾルゲルガラス又は低温溶融ガラス等の光学マトリクス内に埋設される。代替的には、蛍光体は、セラミックプレートレットとして、ＬＥＤと該セラミックプレートレットとが適切な光学的相互接続を持つように適用される。
【００６０】
波長変換化合物は、例えば、より高い動作温度に耐えるようにゾルゲルマトリクス内に沈着されてもよい。
【００６１】
壁が、波長変換化合物が堆積され得るような凹部(well)を設けるために、アレイの各能動素子の周りにリソグラフで製造されてもよい。斯かる凹部は、隣接するＬＥＤ間のクロストークを防止するようにしてもよい。
【００６２】
他の場合においては、波長変換化合物が、アレイの上部に配設されるフィルム上に配設されてもよい。斯かるフィルムは、シリコン等のポリマフィルムであってもよい。代替的に、波長変換化合物は、ＬＥＤアレイの上部に配設されるガラスプレート又は半透明若しくは透明セラミックプレート上に配設されてもよい。波長変換化合物がフィルム又はプレートとＬＥＤアレイとの間に位置するように該フィルム又はプレートが載置されることが好ましい。
【００６３】
図１及び２に示される実施例では、３つの色の組は全て独立してアドレス可能である。これは、３つの供給される色により規定される色空間内の色を自由に選択することを可能にする。しかしながら、本発明によれば、１つの色の組のみが独立してアドレス可能であり、他の２つ又はそれ以上の色の組は一緒にアドレスされるようにしてもよい。斯かる場合、アレイにより供給される色は、独立してアドレス可能な色の組のカラーポイント及び一定の比率で駆動される２つ以上の色の組のカラーポイントにより決定される色空間内のラインに沿って選択され得る。独立した色に対する２つのリンクされた色の相対的寄与率(relative contribution)を変えることにより、このライン上の任意のカラーポイントが得られる。本発明のアレイは、回路を備えるサブマウント上に配設される。適切なサブマウント材料は、シリコン及びAlN等の電気絶縁材料を含むが、これらに限定されない。
【００６４】
酸化シリコン(silicon oxide)等の電気絶縁層が、ＬＥＤ及び導線又は相互接続をさらに絶縁するために設けられてもよい。
【００６５】
サブマウント材料は、ＬＥＤから遠くに熱を拡散且つ伝導させるように高い熱伝導性であることが好ましい。サブマウントは、相対的に低い熱膨張係数(CTE)を持つことが好ましい。これは、サブマウント上への信頼でき且つ堅牢なＬＥＤの載置を可能にするようにＬＥＤの熱膨張係数に取り組むものである。サブマウントは、さらなるヒートスプレッダ、ヒートコンダクタ、熱輸送ユニット又はヒートシンクへの良好な熱的接続を持つように載置されることが好ましい。アルミニウム若しくは銅等の金属、又はアルミニウムシリコンカーバイド(aluminum silicon carbide)等の合成物(composite)が好ましい。
【００６６】
サブマウントは、マルチフォールドＬＥＤアレイの各ＬＥＤが回路への別個の接続を持つことができるように該回路を備える。回路は、限定されるものではないが、アルミニウム、鉛、タングステン、モリブデン若しくは銅等の金属等の導電材料のパターン、又は非金属の導電材料のパターンを有する。回路はさらに、アレイの能動素子への接続に適したコネクタを有する。斯かるコネクタは、サブマウントの表面に配設されてもよい。
【００６７】
各ＬＥＤへの又は各ＬＥＤからの全ての接続は、前記回路を介してなされる。同一の色の組におけるＬＥＤ間等の、アレイ内のＬＥＤ間の相互接続も前記回路を介してなされる。斯くして、アレイ自体の設計に斯かる相互接続を含める必要は無い。なぜなら、これは、アレイのレイアウトを問わずサブマウント内の回路により容易に対処されるからである。
【００６８】
これはまた、アレイ内のＬＥＤの非常に密度の高いパッキングを可能にする。なぜなら、アレイの異なるＬＥＤ間の相互接続が、該アレイ内に配設される必要が無いからである。
【００６９】
回路の設計は、該回路に接続されるべきマルチフォールドＬＥＤアレイの設計に依存するであろう。
【００７０】
図３に示されるように、回路の別個の部分が、マルチレイヤサブマウントの別個の層に配設されてもよい。これは、回路のパターニングを容易にする。なぜなら、回路の異なる部分間の横断は全て別個の層でなされ、斯くして、サブマウント材料により互いに絶縁されるからである。
【００７１】
マルチレイヤサブマウントは、酸化アルミニウム(aluminum oxide)、窒化アルミニウム(aluminum nitride)又は酸化ベリリウム(beryllium oxide)等の電気的絶縁セラミック層からなってもよい。
【００７２】
１組の各ＬＥＤを直列に接続することにより、駆動電流は、例えば１Ａ未満の合理的に低いレベルに保たれる。これは、熱放散に起因する導線の大きな電気損失をもたらすことなく相対的に小さな断面の該導線を用いることを可能にする。
【００７３】
例えば１０個のＬＥＤ素子が並列接続され、個々のＬＥＤ素子が１Ａの最大電流により駆動されるような場合、電源が１０Ａの電流を送り出さなければならず、このために大きな断面の導線が必要とされるであろう。パルス幅変調(PWM)がＬＥＤを駆動する好ましい方法であるところ、十分に高い変調周波数のパルス幅変調で斯かる大電流を送り出すことは、非常に厳しい処理(task)である。
【００７４】
上述の好ましい実施例の説明は、例示目的にすぎず、本発明の範囲を限定することは意図されていない。上述の実施例に対するさまざまな修正及び変形が、当業者にとって明らかであろう。例えば、本発明は、本発明の多数の発光デバイスを有するライティングデバイスに関する。さらに、他の波長変換化合物、基板材料等のアレイの構成要素のさまざまな変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】図１は、３×３方陣で配設された９個の能動素子（４個は赤色の光を供給し、４個は緑色の光を供給し、１個は青色の光を供給する）のマルチフォールドＬＥＤを有する本発明の９つの部分から成るアレイを示す。
【図２】図２は、図１のアレイ用の回路の例を示す。
【図３】図３は、図１のデバイスのIII−III線に沿った断面を示し、赤色チャネル用の回路が相互接続層３１に配設され、緑色チャネル用の回路が相互接続層３２に配設され、青色チャネル用の回路が相互接続層３３に配設されるように回路がマルチレイヤサブマウント内に配設されていて、能動ＬＥＤ素子及び相互接続層間の相互接続はマルチレイヤサブマウントの層を介す電気バイアにより設けられている。
【図４】図４は、本発明の３０００Ｋの白色を放つＲＧＢアレイのスペクトルの例を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの高抵抗性基板上に形成された複数個の発光ダイオードのアレイであって、第１の色の光を供給するように構成される少なくとも１個の発光ダイオードの第１の組、第２の色の光を供給するように構成される少なくとも１個の発光ダイオードの第２の組、及び第３の色の光を供給するように構成される少なくとも１個の発光ダイオードの第３の組を少なくとも有するアレイ、及び
前記アレイが配設されるサブマウントであって、前記発光ダイオードのアレイが接続される回路を備えるサブマウントを有する色可変発光デバイスにおいて、
前記アレイ内の各発光ダイオードが、前記回路への別個の接続を持ち、
前記組のうちの少なくとも１つの組は、前記回路を介して直列に相互接続される少なくとも２個の発光ダイオードを有し、
前記回路は、前記少なくとも第１、第２及び第３の組のうちの少なくとも１つの組を独立してアドレスするための外部コネクタを有することを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記回路は、第１の部分及び第２の部分を有し、前記第１の部分は、独立してアドレス可能な前記発光ダイオードの組に接続され、前記第２の部分と電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記サブマウントは、マルチレイヤサブマウントであり、前記回路は、前記サブマウントの第１の層に一部配設され、前記サブマウントの第２の層に一部配設されることを特徴とする請求項１又は２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記回路の前記第１の部分は、前記サブマウントの第１の層に配設され、前記回路の前記第２の部分は、前記サブマウントの第２の層に配設されることを特徴とする請求項２又は３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記第１の組の前記発光ダイオードは、該ダイオードにより放たれる光を供給される前記第１の色の光に変換するように構成される第１の波長変換化合物を備え、前記第２の組の前記発光ダイオードは、該ダイオードにより放たれる光を供給される前記第２の色の光に変換するように構成される第２の波長変換化合物を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記発光ダイオードにより放たれる光は青色光であり、供給される前記第１の色は緑色であり、供給される前記第２の色は赤色であることを特徴とする請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記第３の組の前記発光ダイオードは、該ダイオードにより放たれる光を供給される前記第３の色の光に変換するように構成される第３の波長変換化合物を備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項８】
前記発光ダイオードにより放たれる光は紫外光であり、供給される前記第１の色は緑色であり、供給される前記第２の色は赤色であり、供給される前記第３の色は青色であることを特徴とする請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記波長変換化合物は、前記発光ダイオード上に堆積されることを特徴とする請求項５乃至８の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記波長変換化合物は、前記アレイ上に配設される層の領域に配設され、前記領域は、前記発光ダイオードの少なくとも一部を覆うことを特徴とする請求項５乃至８の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項１】
１つの高抵抗性基板上に形成された複数個の発光ダイオードのアレイであって、第１の色の光を供給するように構成される少なくとも１個の発光ダイオードの第１の組、第２の色の光を供給するように構成される少なくとも１個の発光ダイオードの第２の組、及び第３の色の光を供給するように構成される少なくとも１個の発光ダイオードの第３の組を少なくとも有するアレイ、及び
前記アレイが配設されるサブマウントであって、前記発光ダイオードのアレイが接続される回路を備えるサブマウントを有する色可変発光デバイスにおいて、
前記アレイ内の各発光ダイオードが、前記回路への別個の接続を持ち、
前記組のうちの少なくとも１つの組は、前記回路を介して直列に相互接続される少なくとも２個の発光ダイオードを有し、
前記回路は、前記少なくとも第１、第２及び第３の組のうちの少なくとも１つの組を独立してアドレスするための外部コネクタを有することを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記回路は、第１の部分及び第２の部分を有し、前記第１の部分は、独立してアドレス可能な前記発光ダイオードの組に接続され、前記第２の部分と電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記サブマウントは、マルチレイヤサブマウントであり、前記回路は、前記サブマウントの第１の層に一部配設され、前記サブマウントの第２の層に一部配設されることを特徴とする請求項１又は２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記回路の前記第１の部分は、前記サブマウントの第１の層に配設され、前記回路の前記第２の部分は、前記サブマウントの第２の層に配設されることを特徴とする請求項２又は３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記第１の組の前記発光ダイオードは、該ダイオードにより放たれる光を供給される前記第１の色の光に変換するように構成される第１の波長変換化合物を備え、前記第２の組の前記発光ダイオードは、該ダイオードにより放たれる光を供給される前記第２の色の光に変換するように構成される第２の波長変換化合物を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記発光ダイオードにより放たれる光は青色光であり、供給される前記第１の色は緑色であり、供給される前記第２の色は赤色であることを特徴とする請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記第３の組の前記発光ダイオードは、該ダイオードにより放たれる光を供給される前記第３の色の光に変換するように構成される第３の波長変換化合物を備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項８】
前記発光ダイオードにより放たれる光は紫外光であり、供給される前記第１の色は緑色であり、供給される前記第２の色は赤色であり、供給される前記第３の色は青色であることを特徴とする請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記波長変換化合物は、前記発光ダイオード上に堆積されることを特徴とする請求項５乃至８の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記波長変換化合物は、前記アレイ上に配設される層の領域に配設され、前記領域は、前記発光ダイオードの少なくとも一部を覆うことを特徴とする請求項５乃至８の何れか一項に記載のデバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２００８−５２３５８３（Ｐ２００８−５２３５８３Ａ）
【公表日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５４３９５２（Ｐ２００７−５４３９５２）
【出願日】平成１７年１１月２８日（２００５．１１．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００５／０５３９２８
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０６１７２８
【国際公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【出願人】（５９００００２４８）コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ (12,071)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月２８日（２００５．１１．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００５／０５３９２８
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０６１７２８
【国際公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【出願人】（５９００００２４８）コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ (12,071)
【Ｆターム（参考）】
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