JP2013517601A - 光源温度管理用の透明熱伝導性高分子複合材 - Google Patents

Abstract

発光装置が提供される。発光装置は、光透過性外囲器と、ヒートシンクと熱的に連通した光源と、ヒートシンクと熱的に連通し、光透過性外囲器に隣接するような方向に延びる複数のヒート・フィンとを備える。複数のヒート・フィンは、カーボンナノチューブ充填高分子複合材を含む。
【選択図】図４

Description

本例示的実施形態は、照射（ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）デバイスに関し、特に、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む照射デバイスに関する。しかし、本例示的実施形態は、他の同様の用途にも適用できることを理解されたい。
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１０年１月１２日に出願された米国特許仮出願第６１／２９４，２３１号の利益を主張する。２０１０年１月１２日に出願された米国特許仮出願第６１／２９４，２３１号の全体を引用によりここに組み入れる。

白熱ランプ及びハロゲン・ランプは、従来、全方向性、無指向性及び指向性の光源として、特に住居用、サービス業（ｈｏｓｐｉｔａｌｉｔｙ）及び小売店用の照明（ｌｉｇｈｔｉｎｇ）用途で用いられている。全方向性ランプは、ランプから１メートルより遠くに離れた遠方場において、角度に対して実質的に一様な強度分布を与えるよう意図されており、デスク・ランプ、テーブル・ランプ、装飾ランプ、シャンデリア、天井灯、及び全方向で一様な光の分布が望まれるその他の用途などの様々な用途がある。

近年、白熱ランプ及びハロゲン・ランプのような従来の光源よりもエネルギー効率が高い光源への市場需要がある。コンパクト型蛍光灯（ＣＦＬ）は、白熱ランプ及びハロゲン・ランプ（〜１０−２５ＬＰＷ、１−５ｋＨｒ）と比べて高効率（〜５０−６０ＬＰＷ）及び長寿命（〜５−１０ｋＨｒ）であることに基づいて、色の質、起動時間、調光能力及び取得費用で劣るにもかかわらず、過去１０年間にわたって安定して市場シェアを獲得してきた。ＬＥＤ及びＯＬＥＤは共に、無指向性光源用の選択肢の光源として開発されているとはいえ、ＬＥＤなどの固体光源は、より最近では高効率の全方向性光源及び指向性光源用の主要な選択肢に発展している。高効率の無指向性照明用の光源の選択肢は、用途次第であり、様々であり得る。

図１を参照して、白熱ランプ、又はより一般的には全方向性照射を生じることが意図される任意のランプによって生成される照射の空間分布を記述するために本明細書において用いられる座標系を説明する。座標系は、球面座標系タイプであり、図１においては白熱ランプＬを基準として説明される。遠方場の照射分布を記述する目的で、ランプＬは、例えば白熱フィラメントの位置と一致するものとすることができる、点Ｌ０に位置するものとみなすことができる。地理学の技術分野で従来採用される球面座標の表記法を使用して、照射方向を仰角即ち緯度座標θ及び方位角即ち経度座標φによって記述することができる。しかし、地理学の技術分野の慣習から逸脱して、本明細書において用いられる仰角即ち緯度座標θは、［０°，１８０°］の範囲を採用し、θ＝０°が「地理的北」即ち「Ｎ」に対応する。このことは、θ＝０°の方向に沿った照射が順方向の光に対応することを可能にするので、好都合である。北方向即ちθ＝０°の方向は、本明細書において、光軸とも呼ばれる。この表記法を用いると、θ＝１８０°は「地理的南」即ち「Ｓ」に対応し、又は、照射の文脈においては、逆方向の光に対応する。仰角即ち緯度θ＝９０°は、「地理的赤道」に対応し、又は照射の文脈では、横方向の光に対応する。

引き続き図１を参照すると、任意の所与の仰角即ち緯度θ₀に対して、方位角即ち経度座標φも定めることができ、それはどこでも仰角即ち緯度θ₀と直交する。方位角即ち経度座標φは、地理的表記法に従って［０°，３６０°］の範囲を有する。

正確に北又は南において、即ち、θ＝０°又はθ＝１８０°において（言い換えると、光軸沿いで）、方位角即ち経度座標は意味を持たず、又は、おそらくより正確には、縮退すると考えることができることが理解されよう。別の「特別な」座標はθ＝９０°であり、これは、光源を含む（又はより正確には、遠方場の計算のための光源の公称位置、例えば図１に示される説明例における点Ｌ０を含む）、光軸を横断する平面を定める。

実際には、経度の全範囲φ＝［０°，３６０°］にわたって一様な光強度を達成することは、単純に光源を光軸の周りに（即ちθ＝０°軸の周りに）回転対称に構築すればよいので、典型的には難しいことではない。例えば、白熱ランプＬは、座標中心Ｌ０に位置決めされた白熱フィラメントを適宜使用することができ、これは実質的に全方向性の光を発するように設計することができ、従ってどの緯度についても方位角θに関して一様な照射分布がもたらされる。

しかし、仰角即ち緯度座標θに関して理想的な全方向性照射を達成することは、一般には現実的でない。例えば、ランプＬは、標準的な「エジソン口金」ランプ取付具の中に嵌るように構築され、このような目的で、白熱ランプＬは、ねじ付きエジソン口金ＥＢを含み、これは、数字が口金ＥＢ上のねじの巻きの外径をミリメートルで表した、例えばＥ２５、Ｅ２６又はＥ２７とすることができる。エジソン口金ＥＢ（又は、より一般には、光源の「後ろ」に位置する何らかの電源入力系統）は、光源位置Ｌ０の「後ろ」の光軸上に位置し、それゆえ後方への照射を遮断し（即ち、南緯度に沿った、即ち、θ＝１８０°に沿った照射を遮断し）、そのため、白熱ランプＬは、緯度座標θに関して理想的な全方向性の光をもたらすことができない。

それでもなお、米国エネルギー省及び米国環境保護庁により公布されたエネルギースター基準で指定されるような、緯度範囲θ＝［０°，１３５°］にわたって±２０％以内の一様な照射をもたらす商用の白熱ランプは、容易に構築される。これは、全方向性ランプについての許容できる照射分布の一様性であると一般に考えられるが、とはいえ、この範囲をさらに例えば±１０％以内の一様性で緯度範囲［０°，１５０°］まで拡張することにはある程度の関心が存在する。このような、広い緯度範囲（例えば、約θ＝［０°，１２０°］又はより好ましくは約θ＝［０°，１３５°］又はさらにより好ましくは約θ＝［０°，１５０°］）にわたって実質的な一様性を有するランプは、一様性の範囲が［０°，１８０°］には満たないけれども、当技術分野において一般に全方向性ランプであるとみなされる。同様に、指向性ランプは、その光の少なくとも８０％を、光源を中心とする球の全４πステラジアンのうちの７５％を包含する、０度から１２０度までの範囲内に有するものとして定義される。無指向性ランプは、指向性ランプ及び全方向性ランプのどちらの要件にも合致しない。

白熱ランプ及びハロゲン・ランプと比べて、発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス等の固体照明技術は、元来、強い指向性を有する。例えば、ＬＥＤデバイスは、封入型も封入されていないものも、典型的には、θ＝［０°，９０°］の範囲内でｃｏｓ（θ）と共に変化する強度を有し、θ＞９０°でゼロ強度を有する、指向性ランバート空間強度分布で発光する。半導体レーザは、元来、さらに指向性が強く、実際、本質的にθ＝０°の周りの狭い円錐に限定された前向きの光のビームとして記述できる分布で発光する。

一般的な照射用途における全方向性ランプについての別の検討事項は、色の質である。白色ランプの場合、所望の色温度の白色光（例えば、所望の色温度が、用途、地域的嗜好又は他の個別化された選択に依存する、「冷たい」白色光又は「温かい」白色光）を演色することが望ましい。生成される白色光の演色はまた、発せられる光の「白さ」の質の基準と考えることができる、高い演色評価数（ＣＲＩ）を有するべきである。ここでもまた、白熱ランプ及びハロゲン・ランプは、固体照明よりも有利である。白熱フィラメントは、例えば、良好な色温度及びＣＲＩ特性を与えるように構築することができるが、他方、ＬＥＤデバイスは、元来、ほぼ単色の光（例えば、赤、黄、緑、等）を生成する。「白色」蛍光体コーティングをＬＥＤ上に組み入れることにより、白色光の演色を近似することは可能であるが、それでも演色は、一般に、白熱ランプ及びハロゲン・ランプに比べて、色温度及びＣＲＩにおいて劣る。

固体照射に伴うさらに別の課題は、電子回路及びヒートシンクといった補助部品の必要性である。ＬＥＤデバイスは非常に温度に敏感であるので、放熱（ｈｅａｔ ｓｉｎｋｉｎｇ）が必要である。動作の安定性及びシステム全体の信頼性を保つために、ＬＥＤデバイスの適正な温度管理が必要とされる。典型的には、このことは、比較的大量の放熱性材料（即ち、ヒートシンク）を、ＬＥＤデバイスに接触させるか又はそれ以外の方法で良好に熱的接触させて配置することにより対処される。ヒートシンクによって占められる空間は、照射を遮断し、それゆえ全方向性ＬＥＤ型ランプを作り出す能力をさらに制限する。ヒートシンクは、ランプから離れたところに熱を放出するために、大きな体積及び表面積を有することが好ましい。しかし、こうした配置は、全方向性光源にとっては問題があり、なぜなら、角度範囲のうちの大きな部分（例えば、約θ＝［０°，１３５°］又はより好ましくは約θ＝［０°，１５０°］）は光の出力に充てられ、そのことが、利用可能な体積及び表面積を制限するからである。オンボード電子回路の必要性が、設計をさらに複雑にする。典型的には、これらの問題は、角度範囲と放熱との間のトレードオフを受け入れることで解決される（例えば、一様な光出力の範囲を減らしてθ＝［０°，９０°］にいくぶん近付け、かつ、ヒートシンクを半球形の要素に近付ける）。あるいは、ヒートシンクを放熱器としてではなく熱伝導経路として構成し、電子回路及び放熱器又は熱散逸部をランプ取付具から離して設置することができる。こうした配置の例が特許文献１に示されており、これは、光源と、光源を駆動するために必須の電子回路及び放熱要素とを含むカスタム取付具とを備えた、ダウンライトを開示する。特許文献１のランプは「ダウンライト」であり、光をθ〜［０°，９０°］又はそれより狭い緯度範囲にわたって出力する（この場合、「北」方向は「下向き」、即ち、天井から遠ざかる方向である）。

これらの課題にもかかわらず、ＬＥＤに基づく一体型全方向性光源を構築する試みがなされている。これは、固体照明が在来の光源に対して示す利点、例えば、より低いエネルギー消費、より長い寿命、改善された頑丈さ、より小さなサイズ、及びより高速なスイッチ動作などのためである。しかし、ＬＥＤは、在来の光源よりも精密な、電流及び熱の管理の制御を必要とする。ＬＥＤの温度は、効率的な光の生成、耐用寿命にわたっての光束の維持、及び高い信頼性を保証するために、低く保たれるべきであることが知られている。熱を十分に素早く取り除くことができない場合、ＬＥＤは過熱し、その効率及び耐用期間の妨げになる。従来技術の熱管理の解決法では、必須のヒート・フィンの体積、質量及び表面積が大きいので、その結果得られる一体式ＬＥＤランプは、望ましくないほど大きな質量及びサイズを有すると同時に、光強度分布の一様性に乏しい。

従来技術のＬＥＤランプの熱管理のための材料であるアルミニウムの熱伝導率は、合金及び加工プロセスに応じて、約８０−１８０Ｗ／ｍ・Ｋである。高分子の熱伝導率を高めることができるのであれば、高分子を熱管理材料として使用することでＬＥＤ代替ランプの重量及び費用を削減することが可能となる。近年、ＬＥＤ用途において熱伝導率及びシステム全体の性能を改善する努力の一環として、種々の高分子複合材料が開発されている。良好な熱伝導率（２５Ｗ／ｍ・Ｋまで）及び良好な熱変形温度（ＨＤＴ）と加工性とを兼ね備えた熱伝導性高分子充填複合材が導入されている。しかし、複合材は透明ではなく、そのためランプからの照射を遮断することになる。あるいは、タッチ・スクリーンでの使用のために、透明な導電性高分子充填複合材薄膜が開発されている。しかし、これらの材料は、電気的性質に焦点を合わせたものであり、一般に高い熱伝導率を提供しない。

特開２００４−１８６１０９号公報 米国特許第７，０９４，３６７号明細書 米国特許第７，４７９，５１６号明細書

本開示は、今までの光学的に不透明な高分子の比較的高い熱伝導率を光透過性高分子に与え、光透過性高分子の設計をＬＥＤ又はＯＬＥＤランプ又は照明システムに組み入れることにより、ＬＥＤ及びＯＬＥＤランプ及び照明システムにおける温度管理の重量、サイズ及び費用の問題を解決する一方で、同時に光の遮断を回避することに向けられる。これは、ＬＥＤ照明、熱伝達（ヒートシンク）、反射器オプション、及び冷却オプションを統合する、オール・イン・ワンの解決法を作り出すこと含むことができる。特に、本開示は、一体式ＬＥＤ型全方向性光源における熱伝達の最適化に向けられる。一体式光源は、一般に、幹線給電から電力を受けて光を作り出し、照射パターンに配光するために必要とされる全ての機能を提供する、ランプ又は照明システムである。一体式光源は、典型的には、電気的ドライバと、電気を光に変換するＬＥＤ又はＯＬＥＤ光エンジンと、光を有用なパターンに配光する光学構成要素系と、廃熱をドライバ及び光エンジンから除去してその熱を周囲環境に散逸させる熱管理構成要素系とから構成される。ヒートシンクの性能は、材質と、形状と、対流及び周囲への輻射についての熱伝達係数との関数である。一般には、フィンのような拡張された表面を追加することによってヒートシンクの表面積を増大することで、ヒートシンクの熱的性能は改善される。しかし、大抵のＬＥＤ及びＯＬＥＤ用途におけるヒートシンクの目的は、光エンジン及びドライバの可能な限り低い温度を提供することであるので、ヒートシンクは非常に広い表面積を提供することが通常望ましい。好ましいヒートシンク設計によって占められる空間は、好ましい光学系によって必要とされる空間と干渉することがあり、従って、照射を遮断することになり、それゆえランプ又は照明システムの照射の潜在能力を制限することになる。従って、最適な熱エネルギー散逸／散布器には、高い熱伝導率と共に、散逸／散布表面が光源から放射される光を遮断しないことを保証するために光学的な透明性または半透明性を組み入れなければならない。

実施形態は、本明細書において説明的な例として開示される。本開示の１つの態様によると、発光装置が提供される。発光装置は、光透過性外囲器と、ヒートシンクに熱的に連通する光源と、ヒートシンクに熱的に連通し、光透過性外囲器に隣接するような方向に延びる複数のヒート・フィンとを含む。複数のヒート・フィンは、カーボンナノチューブ充填高分子複合材を含む。

別の態様によると、基部に取り付けられたＬＥＤ光源と、ＬＥＤ光源からの光を拡散及び伝達するように構成された光透過性拡散器と、基部に熱的に連通する１つ又はそれ以上の熱伝導性ヒート・フィンとを含む発光デバイスが提供される。ヒート・フィンは、カーボンナノチューブ充填高分子複合材を含む熱伝導性材料を含む。

さらに別の実施形態において、発光デバイスが提供される。発光デバイスは、第１の電極が上に形成された１つ又はそれ以上の有機発光素子を有する基板と、１つ又はそれ以上の導電層と、第１の電極の上に配置された１つ又はそれ以上の有機発光層と、発光層の上に位置する第２の電極と、第２の電極の上に位置し、基板に固定された封入カバーとを含む。基板及びカバーのうち少なくとも１つは、カーボンナノチューブ充填高分子複合材から構成される。

本発明は、様々な構成要素及び構成要素の配置、並びに、様々なプロセス動作及びプロセス動作の配置の形態をとることができる。図面は、実施形態の例示のみを目的とするものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。

本明細書において照射分布を記述するために用いられる座標系を、従来の白熱電球を基準にして示す図である。 平面状ＬＥＤ型ランバート光源及び球形拡散器を用いた全方向性ＬＥＤ型ランプの側面図である。 従来の白熱ランプ用ソケットへの装着を可能にするエジソン口金をさらに含む、図２のランプの原理を用いた２つの例示的なＬＥＤ型ランプの側面図である。 実質的に図３のランプに類似するがフィンをさらに含む、改装用ＬＥＤ型電球の側面透視図である。 従来技術の全方向性白熱ランプ用ＬＥＤ代替ランプを示す図である。 従来技術の指向性白熱ランプ用ＬＥＤ代替ランプを示す図である。 一般に用いられる材料の熱伝導率の表を示す図である。 カーボンナノチューブの熱伝導率を温度Ｋの関数として示すグラフである。 カーボンナノチューブ（実線）に関する熱伝導率を、拘束されたグラファイト単層（一点鎖線）及びＡＡグラファイトの底面（点線）と比較して、２００Ｋと４００Ｋとの間の温度において示すグラフである。 本開示の態様による、有機発光デバイスを示す図である。

本開示は、今までの光学的に不透明な高分子の比較的高い熱伝導率を光透過性高分子に与え、光透過性高分子の設計をＬＥＤ又はＯＬＥＤのランプ又は照明システムに組み入れることにより、ＬＥＤ及びＯＬＥＤランプ及び照明システムにおける温度管理の重量、サイズ及び費用の問題を解決する一方で、同時に光の遮断を回避することに向けられる。この解決法は、比較的低密度の高熱伝導性カーボンナノチューブを充填した高分子複合材を利用し、複合高分子の熱伝導率がアルミニウムの熱伝導率に匹敵するようにすると同時に光透過性が透明ガラスの光透過性に匹敵するようにして、その結果、複合高分子をヒート・フィン及び熱伝導性光学要素として用いることができるようにする。

図２を参照すると、ＬＥＤ型ランプは、平面状ＬＥＤ型ランバート光源８及び光透過性の球形外囲器１０を、汎用白熱電球を代替する全方向性照射パターンを提供するＬＥＤランプにおいて用いることができる構成で、含む。しかし、指向性又は無指向性の照射パターンのような他の照射パターンを提供する特定の実施形態においては、他の形状が好ましい場合がある。平面状ＬＥＤ型ランバート光源８は、拡散器１０が引き上げて外され、平面状ＬＥＤ型ランバート光源８が視野内に傾けられている図２の部分的分解図において、最も良く見える。平面状ＬＥＤ型ランバート光源８は、１つ又はそれ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス１２及び１４を含む。しかし、この開示は、単にＬＥＤを用いた使用だけではなく、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）も同様にカバーすることを認識されたい。

図示された光透過性外囲器１０は、実質的に中空であり、光を拡散する球形表面を有する。幾つかの実施形態において、球形外囲器１０はガラスで構成されるが、プラスチックなどの別の光透過性材料を含む拡散器も考えられる。外囲器１０の表面は、種々の方法で、例えば、光の拡散を促す艶消し又は他の質感処理、ある種の白熱電球のガラス球上の光拡散コーティングとして用いられる種類のソフトホワイト拡散コーティング（米国ニューヨーク州、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能）のような光拡散コーティングでの被覆、ガラス、プラスチック又は他の拡散器材料への光散乱性粒子の埋め込み、又はこれらの種々の組み合わせ等で、光拡散性にすることができる。

ＬＥＤ型ランバート光源８は、１つ又は複数の光源（ＬＥＤ）１２及び１４を含むことができる。レーザＬＥＤデバイスをランプに組み込むこともまた考えられる。

ＬＥＤランプの効率は、その経時的な光束維持率及び耐久信頼性により定義される耐用寿命により定量化される。白熱ランプ及びハロゲン・ランプが典型的には〜１０００乃至５０００時間の範囲の寿命を有する一方で、ＬＥＤランプは、＞２５，０００時間、おそらくは１００，０００時間又はそれ以上まで可能である。

光子の生成元の半導体材料におけるｐ−ｎ接合の温度は、ＬＥＤランプの寿命を決定する重要な要因である。長いランプ寿命は、約１００℃又はそれ以下の接合温度において達成され、一方、極度に短い寿命は、約１５０℃又はそれ以上で生じ、中間の温度において寿命は推移的に変化する。２００９年頃の典型的な高輝度ＬＥＤ（〜１ワット、〜５０−１００ルーメン、〜１×１平方ミリメートル）の半導体材料において散逸する電力密度は、約１００ワット／ｃｍ²である。比較すると、セラミック金属ハロゲン化物（ＣＭＨ）放電管のセラミック外囲器内で散逸する電力は、約２０−４０Ｗ／ｃｍ²である。ＣＭＨランプにおけるセラミックは、その最も高温の熱点において約１２００−１４００Ｋで作動するのに対し、ＬＥＤデバイスの半導体材料は、ＣＭＨセラミックの２倍を超える電力密度を有するのにもかかわらず、約４００Ｋ以下で作動させるべきである。ランプ内の熱点と電力がそこに散逸されなければならない周囲との間の温度差は、ＣＭＨランプの場合は約１０００Ｋであるが、ＬＥＤランプについては約１００Ｋでしかない。従って、熱管理は、ＬＥＤランプの場合、典型的なＨＩＤランプよりも１０倍の桁で有効でなければならない。

ＬＥＤ型ランバート光源８は、電気的であるとともに放熱することができる基部１８に取り付けられる。ＬＥＤデバイスは、回路基板１６、随意的にはメタルコア・プリント回路基板（ＭＣＰＣＢ）の上に、平面配向で取り付けられる。基部１８は、ＭＣＰＣＢの支持部を提供し、かつ、熱伝導性である（放熱する）。ヒートシンクを設計する場合に、受動的に冷却される熱回路における制限的な熱インピーダンスは、典型的には、周囲空気への対流及び輻射インピーダンス（即ち、周囲空気への熱の散逸）である。両方のインピーダンス共、一般にヒートシンクの表面積に比例する。代替ランプ用途の場合、ＬＥＤランプは、置き換えられる在来のエジソン式白熱ランプと同じスペース内に嵌め込まれなければならず、周囲空気に露出される表面積の利用可能な量に対する一定の制限が存在する。従って、周囲空気への熱の散逸のためには、この利用可能な表面積を可能な限り多く使用することが有利である。

ここで図３を参照すると、一体式発光装置として構成されるこの設計の構成要素が示される。図３のＬＥＤ型ランプは、従来の白熱ランプのエジソン口金式電気コネクタの直接的な代替品とすべく形成されたエジソン型ねじ付き口金式電気コネクタ３０を含む。（別の種類の電気コネクタ、例えば、ヨーロッパで白熱電球用にときおり用いられる種類の差込み口金などを用いることも考えられる）。図３のランプは、球形又は回転楕円体形の拡散器３２と、それぞれの球形拡散器３２の底部の接線方向に配置されたそれぞれの平面状ＬＥＤ型光源３６とを含む。ＬＥＤ型光源３６は、球形又は回転楕円体形の拡散器３２に対して接線方向に構成され、ＬＥＤデバイス４０を含む。図３において、ＬＥＤ型光源３６は、少数のＬＥＤデバイス４０（２つが図示されている）を含み、球形拡散器３２と結合された、実質的にランバート配光の光強度分布をもたらす。

引き続き図３を参照すると、電子的ドライバ４４が、平面ＬＥＤ光源３６と、エジソン口金電気コネクタ３０との間に、図４に示されるように挟み込まれる。電子的ドライバ４４は、放熱性材料で作られた各口金の残りの部分（即ち、各口金の、それぞれの電子回路で占められていない部分）と共に、ランプ基部５０に収容される。電子的ドライバ４４は、それ自体で十分に、エジソン口金式電気コネクタ３０において受け取った交流電力（例えば、米国の住宅及び商業地域でエジソン式ランプ・ソケットにおいて従来的に利用可能なタイプの交流１１０ボルト、又はヨーロッパの住宅及び商業地域でエジソン式ランプ・ソケットにおいて従来的に利用可能なタイプの交流２２０ボルト）を、ＬＥＤ型光源３６を駆動するのに適したフォーマットの形に変換する。（別のタイプの電気コネクタ、例えば、ヨーロッパで白熱電球用にときおり用いられるタイプの差込み口金などを用いることも考えられる）。

基部５０は、大きな電子回路容積を収容するために、かつ、十分な放熱をもたらすために、大きくすることが望まれるが、基部は、遮断角を最小化するように、即ち、上限で３０°まで、光を遮られずに保持するように、構築されることもまた望ましい。これら異なった要件は、それぞれの基部５０においてＬＥＤ型光源とほぼ同じ大きさにされたＬＥＤ型光源区画３６用の小さな受入領域を用いること、及び、所望の遮断角より小さい角度を付けた側部（円錐台形）を有することにより、適合される。基部の角度付き側部は、電子回路を収容するのに十分に大きい直径ｄ_baseの円筒形の基部部分に角度付き側部が交わることを可能にするのに十分な距離にわたって、ＬＥＤ型光源から延びる。

図３及び図４のランプの外形は、拡散器３２、基部５０及びエジソン式ねじ付き口金電気コネクタ３０によって定められ、エジソン式白熱電球の形態と類似の形態（即ち、外形）を有するように構成されることが有利であることが理解されるであろう。拡散器３２は、白熱電球の「球」に概略的に対応する部分を定め、角度付き側部５４を含む基部５０は、エジソン式白熱電球の基部領域とある程度類似し、エジソン式ねじ付き口金電気コネクタ３０は、エジソン式電気コネクタ規格に準拠する。

ヒートシンク基部の角度は、広い角度（例えば、少なくとも１５０°）までの一様な光分布の維持に役立つ。カットオフ角度が＞３０°の場合、方位角（ランプの頂部から底部）において一様な遠方場の強度分布を有することは、ほとんど不可能になる。また、カットオフ角度が＜１５°と狭すぎる場合、ランプの残余部分に、電子回路及びランプ口金を収容するための十分な余地が存在しないことになる。２０−３０°の最適な角度が、光分布の一様性を保ち、同時にランプ内の実際的な要素のための空間を残すのに望ましい。このＬＥＤランプは、０°（ランプ上方）から１５０°（ランプ下方）まで、望ましくは１５５°まで、一様な出力を提供する。これは在来のＡ１９白熱電球の優れた代替品である。

図４に示されるように、複数の熱輻射フィン６０を、基部５０と熱的に連通した状態で含むことができる。従って、図４のランプは、図示されたエジソン式電気コネクタ３０（又は一体式発光装置に組み入れられる差込みコネクタ若しくは他のタイプの電気コネクタ）を、嵌合する照明取付具（図示せず）の受け口に接続することにより、照明取付具に装着されるように適合された、一体式発光装置である。図４の一体式発光装置は、放熱用又は電子回路駆動用の照明取付け具に依存しない、自己完結型の全方向性発光装置である。従って、図４の一体式発光装置は、例えば、改装用（ｒｅｔｒｏｆｉｔ）電球として好適である。フィン６０は、基部５０から空気又は他の周囲環境への輻射熱伝達を高める。本質的に、基部５０のヒートシンクは、球形拡散器３２上に伸びるフィン６０を含む延長部を含み、ＬＥＤ型照明ユニット３６’のＬＥＤチップにより生成される熱の、周囲への輻射及び対流をさらに強化する。フィン６０は、球形拡散器１４に隣接してランプの北極θ＝０°に向かって経度方向に延びる。フィン６０は、エジソン式白熱電球の所望の外形に一致するよう形作られる。設計は、Ａ−１９電球についてのＡＮＳＥのアウトラインに適合するＬＥＤ型光源を提供することが有利である。ＬＥＤの外球は、光透過部及び熱散逸表面という二重の目的で機能する。フィン６０は、角度付き側部５４及び５６において基部と結合する。

図４のヒート・フィン６０は、アルミニウム若しくはステンレス鋼、又は、許容できる高い熱伝導率を有する別の金属若しくは合金から構成することができる。ヒート・フィン６０は、素地金属の自然な色を有していてもよく、又は、熱の放射を高めるために黒色若しくは別の色で塗装若しくは被覆されてもよく、又は、可視光の反射を高めるために白若しくは別の明るい色で塗装若しくは被覆されてもよい。しかし、金属製のヒート・フィンは、ヒート・フィンによる光の吸収及び拡散に起因する光分布パターンへの悪影響を小さくするために、サイズを最小化するか、又は光源に対して位置決めしなければならない。ランプのサイズ及び形状についての規定された制限を有する一体式代替ランプの用途においては、ヒート・フィンのサイズ、形状及び位置についてのそのような制約は、望ましくない光出力の減少及び光分布の歪みを生じさせるか、又はヒート・フィンがＬＥＤ又はＯＬＥＤ光源にもたらす冷却の低減を生じさせるかのいずれかである。全方向性白熱ランプを置き換えることが意図された一体式ＬＥＤランプの場合、従来技術の実施形態において選択されてきた妥協案は、図５ａ及び図５ｂに描かれるように、光出力の分布の角度範囲を厳しく制限するものである。全方向性白熱ランプ用途のための大抵のＬＥＤ代替ランプの場合、図５ａに描かれるように、光分布は好ましい分布の全４πステラジアンの約１／２しかカバーせず、一方、残りの１／２の角度範囲はヒート・フィン６０により遮断される。指向性の白熱ランプ及びハロゲン・ランプ用途のための大抵のＬＥＤ代替ランプの場合、図５ｂに例示されるように、ヒート・フィン６０に歪められずに光分布を発することができるよう、ヒート・フィン６０は、全４πステラジアンの約１／２から排除される。

１つの実施形態によると、図４のヒート・フィン６０は、熱伝導性材料で構築され、より好ましくは熱伝導性カーボンナノチューブ複合材で構築される。カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、円筒形のナノ構造を有する、炭素の同素体である。一般に、カーボンナノチューブは、典型的には円周内にわずか数個の原子が存在する、細長い管状体である。単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）並びに多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）が共に知られている。ＭＷＮＴは、グラファイト層を囲む中心の細管を有するのに対し、ＳＷＮＴは１つの細管のみを有し、グラファイト層を有さない。ＣＮＴは、望ましい強度、重量及び導電率を有する。ＣＮＴは、銅又は金よりも良好に熱及び電気を伝導し、鋼の１００倍の引張強度を有し、重量はわずか１／６である。ＣＮＴの熱伝導率の範囲は、室温又は若干高い温度で典型的には１０００−６０００Ｗ／ｍ・Ｋであり、より低い温度では更に１桁ほど大きくなり得る。しかし、カーボンナノチューブは、ホスト材料中での分散性及び凝集性に乏しく、これがＣＮＴを複合材料中で使用することを難しくしている。引用によりここに組み込まれる特許文献２及び特許文献３は、ポリ（メタクリル酸メチル）、ナイロン、ポリエチレン、エポキシ樹脂、ポリイソプレン、ＳＢＳゴム、ポリジシクロペンタジエン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ（フェニレンスルフィド）、ポリ（フェニレンオキシド）、シリコーン、ポリケトン、及び熱可塑性プラスチック等のホスト高分子マトリックス中にＣＮＴを分散させるための幾つかの共通の手法を記載しており、これは、高分子とカーボンナノチューブとの溶液混合、音波処理と溶融加工との組み合わせ、溶融ブレンディング、ナノチューブの存在下での現場重合を含む。

ＣＮＴをホスト高分子マトリックス中に分散させる別の手法は、ＳＷＣＮＴの長繊維を製織して、高熱伝導率カーボンナノチューブの連続構造を形成する布にすることを含む。上で紹介したように、ＳＷＮＴは、直径約１ナノメートル、長さ数マイクロメートルの寸法の独特な一次元伝導体である。長繊維ＳＷＣＮＴは、Ｅｉｋｏｓ，Ｉｎｃ．等から商業的に入手できる。ＳＷＮＴが層状構造で透明高分子マトリックス内に埋め込まれ、どの布の中の各々のＳＷＣＮＴの繊維／糸も、下にある布と同じ糸の上に完全に位置するようにされるならば、ＳＷＣＮＴ布の多重層を９０−９５％の開口部を伴って製造することができる。この構成は、実質的に透明な高熱伝導率高分子−ＣＮＴ複合材を提供する。ＣＮＴ布は透明でないかもしれないが、布の体積分率が低いこと、及び、布が垂直に整列していることにより、高分子を直角方向から見たとき、及び直角から大きく外れた角度から見たときに、十分な透明性がもたらされる。

本明細書において開示されるカーボンナノチューブ複合材は、熱伝導性であり、ランプの照射パターンを歪ませないように又は減少させないように透明である。カーボンナノチューブの配合量が約２−１０重量％のときに、熱伝導率（ｋ）は、約１０−１０００Ｗ／ｍ・Ｋの間、より好ましくは約２０−３００Ｗ／ｍ・Ｋの間であり、少なくとも約９０％の可視光透過率、より好ましくは少なくとも９５％の可視光透過率を有する。図６に示されるように、可能なカーボンナノチューブ充填高分子の熱特性は、一般のヒートシンクに対して非常に改善され、金属の熱特性にほぼ匹敵する。ここに全体を引用により組み入れられるＢｅｒｂｅｒらは、図７ａ及び図７ｂに示されるように、種々のカーボンナノチューブ複合材の特性をグラフに示した。図７ａは、ＣＮＴの熱伝導率を温度Ｋの関数として表す。表示されているように、ＣＮＴは、１００Ｋで最大の伝導率（３７０００Ｗ／ｍ・Ｋ）に達し、それから伝導率は徐々に減少する。室温では、伝導率は約６６００Ｗ／ｍ・Ｋである。図７ｂは、カーボンナノチューブ（実線）に関する熱伝導率を、拘束されたグラファイト単層（一点鎖線）及びＡＡグラファイトの底面（点線）と比較して、２００Ｋと４００Ｋとの間の温度で示す。計算値（黒三角）が、グラファイトについて、実験データ（白丸）、（白菱形）及び（白四角）と比較される。グラフは、孤立したナノチューブが、仮想の孤立したグラフェン単層と極めて似た熱輸送挙動を示すことを例証する。

ＣＮＴ複合材の電気特性は、ナノチューブの質量分率（％）に強く依存する。引用によりここに組み入れられる特許文献３は、電気的用途のための伝導率レベルを教示する。特許文献３は、静電気散逸及び静電遮蔽といった電気的用途のための、高分子への極めて少量の重量％（０．０３）のＳＷＮＴの配合量を開示し、ＥＭＩ遮蔽のためには３重量％のＳＷＮＴ配合量が適切であることを開示する。従って、ホスト高分子の好ましい物理的性質及び加工性は、ナノ複合材の中で最小限にしか損なわれないであろう。

カーボンナノチューブ高分子複合材における熱伝導率の関係は、次式のように予想される。

ここで、ｋ_compositeは、複合材の合成熱伝導率であり、１０−１０００Ｗ／ｍ・Ｋであると予想される。ｋ_cntは、用いられるカーボンナノチューブの熱伝導率である。ｋ_prmは、用いられる高分子マトリックスの熱伝導率である。ＷＴ％ＣＮＴは、複合材中のカーボンナノチューブの配合重量百分率であり、２−１０％であると予想される。ＷＴ％ＰＭＲは、複合材中の高分子マトリックスの配合重量百分率である。複合材の透明度は、次式のように、〜９５％と期待される。

ここで、ＣＮＴの吸光度は〜１００％であり、高分子マトリックスの吸光度は〜０％であるので、高分子の吸光度は次式のようになる。

一般に、カーボンナノチューブは、高分子ホスト中でランダムに配向する。しかし、引用により全体をここに組み入れる２０１０年４月２日出願の米国特許＿（ＧＥ２４４６７１）において開示されるように、高い熱伝導率のカーボンナノチューブ充填高分子複合材を、カーボンナノチューブを熱伝導性材料の面に平行な選択された配向に合わせて偏らせたＣＮＴ層として形成することも考えられる。こうした配向により、「層貫通」熱伝導率と比べて、横方向の熱伝導率を高めることができる。さらにカーボンナノチューブを熱伝導性材料の面に平行な選択された配向に合わせて偏らせた場合には、テンソルはさらなる成分を有することになり、選択された配向が説明された熱流の方向に平行である場合には、最終的な輻射的／対流的な放熱の効率をさらに高めることができる。このカーボンナノチューブの選択的配向を達成する１つの方法は、噴霧塗装の際に電場Ｅを印加することによる方法である。より一般的には、噴霧塗装の際に外部エネルギー場が印加されることで、高分子ホスト中に配置されるカーボンナノチューブに非ランダムな配向が与えられる。カーボンナノチューブの選択的配向を達成する別の方法によれば、ペイント塗りを用いてヒートシンク体上に熱伝導性層が配置され、ペイント・ストロークは、カーボンナノチューブを好ましい配向に合わせて機械的に偏らせるように、好ましい配向に沿って描かれる。

本開示の別の態様によると、高熱伝導率カーボンナノチューブ充填高分子複合材は、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）と共に用いられる。図８は、底部発光型ＯＬＥＤアーキテクチャを示す。図８は簡単な構成のみを示すが、一般にＯＬＥＤデバイスは、基板上に形成されたアノード８４と、アノード８４の上に位置する正孔注入層などの１つ又はそれ以上の導電層８６と、１つ又はそれ以上の有機発光層８８と、電子輸送層９０と、カソード９２とを含む１つ又はそれ以上のＯＬＥＤ発光素子を有する、基板８０を含む。ＯＬＥＤデバイスは、発光素子がカソードを覆うカバーを通して発光することが意図されるトップエミッション型とすることもでき、及び／又は、発光素子が基板を通して発光するように意図されるボトムエミッション型とすることもできる。従って、ボトムエミッション型ＯＬＥＤデバイスの場合には、基板８２及びアノード層８４はおおむね透明でなければならず、トップエミッション型ＯＬＥＤデバイスの場合には、カバー及び第２のカソード９２はおおむね透明でなければならない。ＯＬＥＤは、効率的な高輝度ディスプレイを作り出すことができるが、発光材料は高温で用いられると急速に劣化するので、ディスプレイの動作中に生成される熱がディスプレイの寿命を制限することがある。従って、本実施形態により、カーボンナノチューブ充填高分子複合材を、前面及び／又は後面の熱拡散及び散逸面を作る基板及び／又はカバーとして実装することができる。

例示的実施形態を、好ましい実施形態を参照しながら説明してきた。明らかに、上述の詳細な説明を読んで理解すれば他者は変形及び改造を思い付くであろう。例示的実施形態は、全てのそうした変形及び改造が添付の特許請求の範囲又はその均等の範囲内にある限り、それらを含むものとして解釈されることが意図される。

８、３６：平面状ＬＥＤ型光源
１０：外囲器
１２、１４、４０：ＬＥＤデバイス
１６：回路基板
１８、５０：基部
３０：エジソン式ねじ付き口金電気コネクタ
３２：拡散器
４０：ＬＥＤデバイス
４４：電子的ドライバ
５４、５６：角度付き側部
６０：ヒート・フィン
８２：基板
８４：アノード
８６：導電層
８８：有機発光層
９０：電子輸送層
９２：カソード

Claims (20)

1. 光透過性外囲器と、
   ヒートシンクに熱的に連通した光源と、
   前記ヒートシンクに熱的に連通し、前記光透過性外囲器に隣接するような方向に延びた複数のヒート・フィンとを備え、前記複数のヒート・フィンは、カーボンナノチューブ充填高分子複合材を含むことを特徴とする、発光装置。
2. 前記装置の熱伝導率は、約１０−１０００Ｗ／ｍ・Ｋの間であることを特徴とする、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記ヒートシンクは、約２０−３０°の間の角度を含むことを特徴とする、請求項１に記載の発光装置。
4. 前記装置の熱伝導率は、約２０−３００Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とする、請求項１に記載の発光装置。
5. 前記ヒート・フィンは、少なくとも約９０％の透過率を有することを特徴とする、請求項１に記載の発光装置。
6. 前記カーボンナノチューブの配合量は、約２−１０重量％の間であることを特徴とする、請求項１に記載の発光装置。
7. 前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）であることを特徴とする、請求項１に記載の発光装置。
8. 前記カーボンナノチューブ充填高分子複合材は、単層カーボンナノチューブの長繊維で製織された布を含むことを特徴とする、請求項７に記載の発光装置。
9. 前記ナノチューブ充填高分子複合材は、単層カーボンナノチューブで製織された布の多重層を含むことを特徴とする、請求項８に記載の発光装置。
10. 前記単層カーボンナノチューブは、透明高分子マトリックス内の前記多重層に埋め込まれ、各々の単層ナノチューブ繊維が、下に位置する布と同じナノチューブの繊維の上に位置するようにされたことを特徴とする、請求項９に記載の発光装置。
11. 前記少なくとも１つの光源は、ＬＥＤ及びＯＬＥＤのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の発光装置。
12. 基部に取り付けられたＬＥＤ光源と、
    前記ＬＥＤ光源からの光を拡散及び伝達するように構成された光透過性拡散器と、
    前記基部に熱的に連通する１つ又はそれ以上の熱伝導性ヒート・フィンと
    を備え、前記ヒート・フィンは、カーボンナノチューブ充填高分子複合材を含む熱伝導性材料を含むことを特徴とする、発光デバイス。
13. 前記基部は、ヒートシンクを含み、前記フィンは、前記拡散器の上に延びたことを特徴とする、請求項１２に記載の発光デバイス。
14. 前記カーボンナノチューブ充填高分子複合材は、溶液混合、音波処理、溶融加工、溶融ブレンディング、現場重合、及び布への製織のうちの１つ又はそれ以上によって高分子ホストマトリックス中に分散されたカーボンナノチューブを含むことを特徴とする、請求項１２に記載の発光デバイス。
15. 前記カーボンナノチューブ充填高分子複合材は、約１０−１０００Ｗ／ｍ・Ｋの間の熱伝導率を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の発光デバイス。
16. 前記カーボンナノチューブ充填高分子複合材は、少なくとも約９０％の可視光透過率を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の発光デバイス。
17. 前記カーボンナノチューブは、熱伝導性材料の面に平行な配向に合わせて偏らされたことを特徴とする、請求項１２に記載の発光デバイス。
18. 前記カーボンナノチューブは、さらに、熱流の方向に平行な配向に合わせて偏らされたことを特徴とする、請求項１７に記載の発光デバイス。
19. 第１の電極が上に形成された１つ又はそれ以上の有機発光素子を有する基板と、
    １つ又はそれ以上の導電層と、
    前記第１の電極の上に配置された１つ又はそれ以上の有機発光層と、
    前記発光層の上に位置する第２の電極と、
    前記第２の電極の上に位置し、前記基板に固定された封入カバーと
    を備え、前記基板及び前記カバーのうち少なくとも１つは、カーボンナノチューブ充填高分子複合材から構成されたことを特徴とする、発光デバイス。
20. 前記カバー及び前記基板のうち少なくとも１つは、実質的に透明であることを特徴とする、請求項１９に記載の発光デバイス。

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