DE69838164T2 - Uv/blau emittierende led-leuchtstoff-vorrichtung mit erhöhter lichtleistung - Google Patents

Uv/blau emittierende led-leuchtstoff-vorrichtung mit erhöhter lichtleistung Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Licht emittierende Anordnungen mit einer UV/Blau Licht emittierenden Diode (LED) und einem mit UV/Blau-anregbaren, sichtbares Licht emittierenden Leuchtstoff. Licht emittierende Anordnungen dieser Art sind in Japanese Kokai Nr. 5-152609 und WO 97/48138 im Namen der Anmelderin offenbart.
  • Durch die Einführung von UV- und blaues Licht emittierenden Dioden (LEDs) mit epitaxialen Strukturen auf GaN-Basis bot sich zum ersten Mal die Möglichkeit, durch Auftragen von lumineszierenden Leuchtstoffmaterialien auf der Oberseite der LED, welche das UV- oder das blaue Licht zum Teil in eine längere Wellenlänge umwandeln, z.B. gelbes Licht, wie im Fall des Blau absorbierenden und Gelb emittierenden Y3A15O12:Ce Leuchtstoffes, wie von Nichia Chemical Company beschrieben, weißes Licht aus einer LED zu erzeugen.
  • Unter dem Begriff „UV/Blau LED", wie hier verwendet, wird eine in dem UV-Bereich oder in dem Blau-Bereich oder aber sowohl in dem UV- als auch in dem Blau-Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittierende LED verstanden. Licht emittierende Dioden werden zum Beispiel in US 5 557 115 von Rohm Co. Ltd. und JP 09027642 von Clarion Co. Ltd. erörtert.
  • Eine erfolgreiche Implementierung einer solchen Anordnung ist selbstverständlich von der effektiven Umwandlung von UV/blauem Licht in sichtbares Licht der gewünschten Wellenlänge und der nachfolgenden, effektiven Extraktion des erzeugten, sichtbaren Lichts aus der Anordnung abhängig.
  • Jedoch absorbieren in solchen Anordnungen die Leuchtstoffe das Licht von der LED nur zum Teil. Das nicht absorbierte Licht wird teilweise von den Leuchtstoffteilchen zurück in die Richtung der LED reflektiert und teilweise durch die Leuchtstoffschicht geleitet, wobei in beiden Fällen der sichtbare Lichtstrom reduziert wird.
  • Darüber hinaus kann von dem Leuchtstoff emittiertes, sichtbares Licht die Anordnung in Folge innerer Reflexion und/oder Absorption an verschiedenen Stellen innerhalb der Bauelementstruktur möglicherweise nie verlassen.
  • AUFGABEN UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Infolgedessen liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, diese effektive Umwandlung und Extraktion von Licht aus einer UV/Blau LED-Leuchtstoffanordnung zu verbessern.
  • Weiterhin liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, die spektrale Verteilung des von einer solchen Anordnung emittierten Lichts zu modifizieren.
  • Außerdem liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, auf die Winkelemission des von einer solchen Anordnung emittierten, sichtbaren Lichts einzuwirken.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Licht emittierende UV/Blau LED/Leuchtstoffanordnung zur Lichtanwendung und/oder zu Displayzwecken mit einer LED auf GaN-Basis und einer Leuchtstoffschicht auf der Oberseite (Licht emittierenden Hauptfläche) der LED dadurch gekennzeichnet, dass ein dielektrischer Spiegel auf der Oberseite der LED, zwischen der LED und der Leuchtstoffschicht, angeordnet ist, der das Licht von der LED, welche das Leuchtstoffmaterial anregen soll, durchlässt und das von dem Leuchtstoffmaterial erzeugte Licht reflektiert. Ein solcher Spiegel wird hier als Kurzwellendurchlassfilter (SWP) bezeichnet.
  • Solches reflektierte Licht kann dann (entweder direkt oder durch Streuung durch die Leuchtstoffkörner) durch eine Leuchtstoffschicht geleitet werden, um zu dem Gesamtlichtstrom der Anordnung wesentlich beizutragen.
  • In einem weiteren Aspekt der Erfindung sind eine oder mehrere zusätzliche, dielektrische Spiegel auf der Oberseite der Leuchtstoffschicht angeordnet.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel befindet sich ein zweites SWP-Filter auf der Oberseite (Betrachtungsseite) der Leuchtstoffschicht, was in einem höheren Lichtstrom in Vorwärtsrichtung sowie der Entfernung eines unerwünschten Teils, zum Beispiel eines Endes einer langen Wellenlänge, des Emissionsspektrums des Leuchtstoffes resultiert.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist ein Langwellendurchlassfilter (LWP) auf der Oberseite der Leuchtstoffschicht angeordnet, wodurch sich eine Reflexion des Lichts mit kurzer Wellenlänge von der LED zur Anregung des Leuchtstoffes ergibt und die Absorption eines solchen Lichts mit kurzer Wellenlänge somit durch den Leuchtstoff vergrößert und folglich die Emission von Licht mit längerer Wellenlänge von dem Leuchtstoff erhöht wird. Überdies verhindert ein solches SWP-Filter, dass möglicherweise schädliches UV-Licht die Anordnung verlässt.
  • Um einen maximalen Vorteil von dem SWP-Filter auf der Betrachtungsseite der Leuchtstoffschicht zu erzielen, muss die Grenzwellenlänge des Filters an das Emissionsspektrum des Leuchtstoffes angepasst werden, während die Grenzwellenlänge des LWP-Filters an das Emissionsspektrum der LED anzupassen ist.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Bandpass-(BP)-Filter auf der Oberseite der Leuchtstoffschicht angeordnet, wobei ein solches BP-Filter einen Durchlassbereich aufweist, der den Kurzwellen- und Langwellenbegrenzungen der einzelnen SWP- und LWP-Filter entspricht; damit werden die Vorteile des SWP- und LWP-Filters in einer einzelnen Anordnung kombiniert.
  • Solche Licht emittierenden Anordnungen sind sowohl zur Lichtanwendung als auch zu Displayzwecken geeignet. Es kann zum Beispiel eine Vollfarbenanzeige vorgesehen werden, indem ein zweidimensionales Array solcher Anordnungen verwendet wird, welches entweder weißes Licht oder Farblicht emittiert. Es kann ein zugeordnetes Array aus Farbfiltern verwendet werden, um weißes Licht in Farblicht umzuwandeln oder die Farbreinheit von Farblicht zu verbessern.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 – ein Schemaschaltbild einer, sichtbares Licht emittierenden Anordnung der Erfindung mit einer UV/Blau-LED, einer Leuchtstoffschicht sowie einem zwischen diesen angeordneten SWP-Filter;
  • 2 – eine detaillierte Ansicht eines oberen Teils einer Licht emittierenden Anordnung der in 1 dargestellten Art, wobei ein SWP-Filter auf der Oberseite der Leuchtstoffschicht zusätzlich zu der darunter liegenden SWP-Schicht angeordnet ist;
  • 3 – eine detaillierte Ansicht eines oberen Teils einer Licht emittierenden Anordnung der in 1 dargestellten Art, wobei ein LWP-Filter auf der Oberseite der Leuchtstoffschicht zusätzlich zu dem darunter liegenden SWP-Filter angeordnet ist; sowie
  • 4 – eine detaillierte Ansicht eines oberen Teils einer Licht emittierenden Anordnung der in 1 dargestellten Art, wobei ein BP-Filter auf der Oberseite der Leuchtstoffschicht zusätzlich zu dem darunter liegenden SWP-Filter angeordnet ist.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Licht emittierenden Anordnung 10 der Erfindung mit einem Substrat 12, einer Kontaktschicht/Wärmeableiter 14, einem Spiegel 15, einer UV/Blau-emittierenden LED 16, einem SWP-Filter 30 auf der Oberseite der LED sowie einer mit UV/Blau-anregbaren, sichtbares Licht emittierenden Leuchtstoffschicht 32 auf der Oberseite der SWP-Schicht 30. Eine Kunststofflinse 34 schließt die Anordnung ab.
  • Die in den Licht emittierenden Anordnungen der Erfindung verwendeten UV/Blau-LEDs gleichen von der Struktur her diesen sichtbarer LEDs nach dem Stand der Technik, welche typischerweise auf der Basis von GaAs und Legierungen desselben vorgesehen werden. Jedoch basieren solche UV/Blau-LEDs statt auf GaAs und Legierungen desselben auf GaN und Legierungen desselben.
  • Solche Anordnungen sind epitaxiale Mehrschichtstrukturen mit mindestens einem unteren, n-leitenden GaN-Substrat 18, einer unteren, n-leitenden Begrenzungsschicht 19 mit breitem Bandabstand, einer aktiven Schicht 20, einer oberen, p-leitenden Begrenzungsschicht 22 mit breitem Bandabstand, einer Injektions-/Fensterschicht 24 mit breitem Bandabstand sowie unteren und oberen ohmschen Kontakten, von denen einer, Kontakt 26, dargestellt ist.
  • Solche LEDs können eine oder mehrere zusätzliche Schichten, wie z.B. Führungsschichten und Pufferschichten, umfassen. Darüber hinaus kann die Injektions-/Fensterschicht selbst durch eine Mehrschichtstruktur mit einem gradierten Bandabstand dargestellt sein.
  • Eine nähere Beschreibung solcher LEDs auf GaN-Basis kann aus WO 97/48138 ersehen werden.
  • Zwischen der Kontakt-/Wärmeableitschicht 14 und der LED 16 ist ein Spiegel 15 angeordnet, dessen Funktion es ist, UV/Blau-Licht von dem aktiven Bereich 20 zurück zu der Oberseite 25 der LED zu reflektieren. Vorzugsweise handelt es sich bei diesem Spiegel um einen Typ, welcher imstande ist, eine Winkelneuverteilung des Lichts zu der Oberseite hin vorzunehmen, wobei ein Beispiel der Wellenspiegel darstellt.
  • Auf der Oberseite 25 der LED befindet sich eine Schicht eines SWP-Filters 30, auf deren Oberseite eine Leuchtstoffschicht 32 angeordnet ist. Durch die Filterschicht 30 wird kurzwelliges Licht (UV und/oder blau), welches von der aktiven Schicht 22 der LED 16 emittiert wird, was durch den welligen Pfeil in 1 gekennzeichnet ist, zu der Leuchtstoffschicht 32 geleitet.
  • Das Produkt der Leuchtstoffkorndichte und -korngröße sollte groß genug sein, um sicherzustellen, dass der Großteil des UV- und/oder blauen Lichts von der LED durch den Leuchtstoff in sichtbares Licht umgewandelt wird. Sichtbares Licht, welches von der Leuchtstoffschicht 32 in Gegenrichtung emittiert wird, wird, wie durch die geraden Pfeile gekennzeichnet, von der Filterschicht 30 in Vorwärtsrichtung reflektiert, um die Anordnung zu verlassen.
  • Die bevorzugten SWP-Filter sind dielektrische Mehrschichtstapel mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex und mit vorzugsweise mindestens 12 Schichten, von denen die meisten vom so genannten Viertelwellentyp sind. Solche SWP-Filter wurden in US 4 634 926 , 4 647 812 und 4 882 617 von Vriens et al für verschiedene Anordnungen, insbesondere TV-Projektionsröhren, beschrieben. Diese Filter können auf einen Einfarben-(zum Beispiel roten, grünen oder blauen)Leuchtstoff, welcher, wie bei Leuchtstoffen üblich, Breitband- oder Multiline-Licht emittiert, optimiert werden, können jedoch ebenfalls zum Einsatz bei einer Mischung aus verschiedene Farben emittierenden Leuchtstoffkörnern ausgeführt sein, um zum Beispiel eine gute Farbwiedergabe zu erreichen.
  • Kunststofflinse 34 hat eine kuppelförmige Oberseite und wesentlich größere Abmessungen als diese der LED/Leuchtstoffanordnung. Dieses resultiert in einer Linse-Luft-Zwischenschicht, welche wesentlich weiter von dem Bereich weg liegt, in dem das sichtbare Licht erzeugt wird, sowie in wesentlich kleineren Lichteinfallswinkeln zu der Normalen auf der Linse-Luft-Zwischenschicht. Diese kleineren Winkel führen wiederum zu einer besseren Transmission des Lichts durch diese Zwischenschicht und zu einer wesentlich engeren Winkelverteilung des emittierten Lichts.
  • Die in 1 dargestellte UV-LED/Leuchtstoffanordnung, mit oder ohne Kuppel, kann allein oder zusammen mit anderen solchen Anordnungen verwendet werden. Zum Beispiel können solche Anordnungen in 1- oder 2-dimensionalen Arrays eingesetzt werden. Des Weiteren kann man auch einen LED-Stapel vorsehen, welcher in einer Richtung, zum Beispiel in Richtung y (senkrecht zu der Ebene der Figur) wesentlich länger als in der anderen Richtung (Richtung x) ist. Eine solche längliche Anordnung kann allein oder in einem Array, zum Beispiel in Verbindung mit einer transparenten Platte als UV-Hintergrundbeleuchtung für eine der von Vriens in US 4 822 144 beschriebenen LCD-Anordnungen verwendet werden.
  • Von einer solchen länglichen LED mit zum Beispiel einem Längen-Breiten-Verhältnis von 2 oder mehr wird erwartet, dass diese eine effektivere Lichtgewinnung und Wärmeleitfähigkeit als eine LED der gleichen Fläche mit einem Verhältnis von nahezu Eins aufweist.
  • 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der LED/Leuchtstoffanordnung der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel gleicht dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, mit der Ausnahme, dass zusätzlich zu einem SWP-Filter 38 zwischen der LED 36 und der Leuchtstoffschicht 40 ein weiteres SWP-Filter 42 auf der Oberseite (Betrachtungsseite) der Leuchtstoffschicht 40 angeordnet ist.
  • Dieses SWP-Filter 42 besitzt andere Funktionen als das in dem vorherigen Ausführungsbeispiel beschriebene SWP-Filter 38. Die Funktionen dieses SWP-Filters sind: (1) Licht zu langer Wellenlängen zu reflektieren und (2) einen Teil des Lichts der unerwünschten Wellenlängen zu reflektieren. Ohne das Filter tritt das letztgenannte Licht sowohl in kleinen als auch großen Winkeln zu der Normalen (mit der so genannten Lambertschen oder Kosinusverteilung) in Luft aus. Mit dem Filter wird das Weitwinkellicht von dem Filter reflektiert und danach mehrfach gestreut, winkelneuverteilt und von der Leuchtstoffschicht 40 und dem Filter 38 zu dem Filter 42 rückreflektiert. Ein signifikanter Teil dieses Lichts kann dann in kleinen Winkeln zu der Normalen auf der Oberfläche in Luft austreten. Das Gesamtergebnis ist eine engere Winkelverteilung mit einer Verstärkung der Lichtstärke in Vorwärtsrichtung bis zu einem Faktor 2 und darüber hinaus eine gesättigtere (d.h. reinere) Farbe. Bei Anwendungen, bei welchen ein mehr gerichteter Lichtstrahl erforderlich ist, zum Beispiel bei optischen Systemen mit einem relativ kleinen Auffangwinkel, ist dieses ein Vorteil. Gesättigtere Farben verbessern die Sichtbarkeit. Bei Anwendungen wie z.B. Verkehrsampeln können beide Vorteile von Bedeutung sein. Für eine andere Anwendung, Fernsehen über Projektoren, wird das Funktionieren dieser Kurzwellen-Durchlassinterferenzfilter in Verbindung mit einer Leuchtstoffschicht von Vriens et al in Philips Technical Review, Band 44, Nr. 7, 1989, erläutert.
  • 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 3 ist die gleiche wie 2, mit der Ausnahme, dass ein Langwellendurchlass-(LWP)-Filter 50 auf der Oberseite der Leuchtstoffschicht 48 positioniert ist.
  • Die bevorzugten LWP-Filter sind dielektrische Mehrschichtstapel mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex, welche zum Beispiel durch Aufdampfung oder Sputtern vorgesehen werden können.
  • Die Funktionen des LWP-Filters sind: (1) UV-Licht, welches nicht von den Leuchtstoffkörnern absorbiert wird, für eine andere Absorptionsgelegenheit zu dem Leuchtstoff zu reflektieren, und (2) sichtbares, von dem Leuchtstoff emittiertes Licht durchzulassen. Ferner bietet die Reflexion von UV-Licht einen Schutz für die Betrachter. Das Gesamtergebnis ist ein effektiverer Einsatz von sowohl dem UV- als auch dem sichtbaren Licht sowie ein besserer UV-Schutz.
  • 4 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches die Vorteile der vorherigen Ausführungsbeispiele durch Verwendung eines BP-Filters 58 auf der Oberseite der Leuchtstoffschicht 56 in Kombination mit dem SWP-Filter 54 auf der unteren Fläche vereinigt. Auf der Kurzwellenlängenseite des Durchlassbereichs weist dieses BP-Filter die Charakteristiken des LWP-Filters auf, d.h. es reflektiert UV- und/oder blaues Licht und überträgt sichtbares Licht längerer Wellenlängen. Auf der Langwellenseite weist es die Charakteristiken des SWP-Filters auf, d.h. es reflektiert sichtbares Licht zu langer Wellenlängen in sämtlichen Winkeln und reflektiert sichtbares Licht kurzer Wellenlängen in großen Winkeln. Um die separaten Funktionen zu zeigen, ist BP-Filter 58 in 4 als zwei Unterschichten 58a und 58b abgebildet, welche jeweils die Kurzwellen- und Langwellenseiten des Durchlassbereichs schematisch darstellen.
  • In der Praxis sind die bevorzugten Bandpassfilter durch dielektrische Mehrschichtstapel mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex mit vorzugsweise mindestens 12 Schichten bei einer geringfügig anderen Dickenverteilung als dieser des SWP-Filters dargestellt.
  • Es sei erwähnt, dass, damit die verschiedenen, hier beschriebenen Filter auf die gewünschte Weise arbeiten, diese auf einer glatten, ebenen Oberfläche ausgebildet werden sollten, und dass die Körnigkeit der meisten Leuchtstoffschichten diese für einen solchen Zweck ungeeignet macht. Somit wird vorausgesetzt, dass die Filterschichten auf der Leuchtstoffschicht ein transparentes Substrat, wie z.B. eine Glasscheibe, umfassen. Solche Glasscheiben haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie UV-absorbierend sind. Vorzugsweise werden die Filterschichten auf einer Glasscheibe in umgekehrter Reihenfolge aufgebracht, und die Kombination kann dann umgekehrt auf der Leuchtstoffschicht platziert werden. Alternativ kann ein Substrat für die Filter vorgesehen werden, indem die Leuchtstoffkörper in eine Matrix mit einer glatten Oberseite eingebettet werden oder eine einzelne Kristallschicht in der Leuchtstoffzusammensetzung ausgebildet wird.
  • Die Erfindung wurde notwendigerweise in Bezug auf eine begrenzte Anzahl Ausführungsbeispiele und Variationen derselben beschrieben. Weitere Ausführungsbeispiele und Variationen von Ausführungsbeispielen liegen für Fachkundige auf der Hand und sind als unter den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallend gedacht.

Claims (13)

  1. Sichtbares Licht emittierende Anordnung (10) mit einer UV/Blau Licht emittierenden Diode (16) mit einem Substrat (18), welches die untere Fläche der LED bildet, einer Schicht eines ersten Kurzwellendurchlassfilters (30) unmittelbar auf der Oberseite (25) der LED (16) sowie einer Schicht eines mit UV/Blau-anregbaren, sichtbares Licht emittierenden Leuchtstoffs (32) unmittelbar auf der Oberseite des SWP-Filters (30);
  2. Sichtbares Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei eine Schicht eines zweiten Kurzwellendurchlassfilters (42) auf der Oberseite der Leuchtstoffschicht (40) angeordnet ist.
  3. Sichtbares Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei eine Schicht eines Langwellendurchlassfilters (50) auf der Oberseite der Leuchtstoffschicht (56) angeordnet ist.
  4. Sichtbares Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei ein Bandpassfilter (58a, 58b) auf der Oberseite der Leuchtstoffschicht (56) angeordnet ist.
  5. Sichtbares Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei das SWP-Filter (30) eine Mehrschichtstruktur aus Materialien mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex ist.
  6. Sichtbares Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 2, wobei das zweite SWP-Filter (42) eine Mehrschichtstruktur aus Materialien mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex ist.
  7. Sichtbares Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 3, wobei das LWP-Filter (50) eine Mehrschichtstruktur aus Materialien mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex ist.
  8. Sichtbares Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 4, wobei das BP-Filter (58a, 58b) eine Mehrschichtstruktur aus Materialien mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex ist.
  9. Sichtbares Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Anordnung von einer transparenten Hülle (34) umschlossen ist.
  10. Sichtbares Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1 mit einer, eine kuppelförmige Oberseite aufweisenden Kunststofflinse (34).
  11. Sichtbares Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die LED in einer Richtung senkrecht zu der Oberseite der LED länglich ist.
  12. Sichtbares Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei ein Winkelneuverteilungsspiegel (15) auf der unteren Fläche der LED (16) angeordnet ist.
  13. Array aus sichtbares Licht emittierenden Anordnungen der in Anspruch 1 beanspruchten Art.
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