JP2008537002A - 赤色光を放射するセラミック・ルミネッセンス・コンバータから成る照明システム - Google Patents

赤色光を放射するセラミック・ルミネッセンス・コンバータから成る照明システム Download PDF

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Abstract

真の演色性と、適切な光抽出効率と、光透過性とを兼ね備えた白色光を発生する照明システムを提供すること、および琥珀色から赤色の光を発生する照明システムを提供すること。光放射源と、この光放射源によって放射された光の一部を吸収し、吸収される光の波長とは異なる波長を放射する能力がある少なくとも1つ以上の蛍光体から成るモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータとから成り、当該の少なくとも1つ以上の蛍光体はユーロピウム(III)で活性化された(YY-xXEx)2-z:Eu1-a3Aa)zの組成を持つ希土類金属三二酸化物であって、REはガドリニウム、スカンジウム、およびルテニウムのグループから選択され、Aはビスマス、アンチモン、ディスプロシウム、サマリウム、ツリウム、およびエルビウムのグループから選択された元素、かつ0≦x<1、0.0010≦ｚ≦0.2、0≦a<1である照明システムは、特に光放射源としての発光ダイオードを組み合わせることにより、高い発光強度と演色性を備えた光源を提供することができる。本発明はまた、ユーロピウム(III)で活性化された一般式(Y1-xREx)2-zO3:Eu1-aAa)zの組成を持ち、REはガドリニウム、スカンジウム、およびルテニウムのグループから選択され、Aはビスマス、アンチモン、ディスプロシウム、サマリウム、ツリウム、およびエルビウムのグループから選択された元素、かつ0≦x<1、0.0010≦ｚ≦0.2、0≦a<1である希土類金属三二酸化物でから成り、琥珀色から赤色の光を発生するモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータにも関する。

Description

本発明は、一般的には、光放射源とセラミック・ルミネッセンス・コンバータとから成る照明システムに関する。また、本発明は、そのような照明システムで使用されるセラミック・ルミネッセンス・コンバータにも関する。本発明は特に、ルミネッセント・ダウン・コンバージョン（波長下方変換）と紫外線または青色光放射源に基づく追加のカラー混合とによる、白色光を含む特定の色の光を発生させるためのセラミック・ルミネッセンス・コンバータに関する。
現在、光放射源としての可視光発光ダイオードから成る光放射照明システムは、丈夫、コンパクト、軽量、高効率、長寿命、そして低電圧な白色またはカラーの照明が要求されるあらゆる種類の用途で単一または集合体で使用されている。
そのような用途としてはとりわけ、携帯電話機、デジタルカメラ、および携帯型コンピュータのような民生用製品の小型LCDディスプレイの照明が、顕著である。その他の用途としては、コンピュータ・モニタ、ステレオ受信機、CDプレーヤ、VCR等の製品で使用されるステータス・インジケータも含まれる。インジケータは、航空機、船舶、自動車等の計器盤のようなシステムでも広範囲に使用されている。
それぞれが選択可能な数百または数千のLED素子の配列から成る多色の可視光発光ダイオード・アレイは、フルカラー・ビデオ・ウォールや高輝度・大面積の屋外テレビ・スクリーンのような大面積ディスプレイ・システムで使用されている。琥珀色、赤色、および青色の発光ダイオードは、交通信号やビルの照明等の光源として使用されるケースが増えている。
しかし、一般的な可視光発光ダイオードは、通常歩留まりが低く、バッチが変わると均一な光放射特性を持つ素子を製造することが難しいとされている。LEDは、1つのバッチ内の1枚のウェハー内で発光波長が大きく変動することがある。また、動作時には駆動電流や温度のような動作条件によって波長や発光強度が大きく変動することがある。
したがって、可視光発光ダイオードの配列で白色光を発生させる場合、可視光発光ダイオードの色調や強度の変化、およびその他の要因によって望ましい色調を持った白色光が発生できないという問題があった。
紫外線(UV)を発生する発光ダイオードの波長を、蛍光体から成るルミネッセント材料を用いて電磁波スペクトルの青色の領域に変換することによって白色光や有色光を発生できることは、公知である。
蛍光体で変換された「白色」LEDシステムは特に黄色と青色の光を混合させる2色性の(BY)アプローチに基づいていたが、この場合は出力光の黄色の2次成分は黄色の蛍光体によって、また青色成分は青色蛍光体または青色LEDの１次放射光によって生成される。
同様に、白色照明システムは3色性(RGB)、すなわち赤色、緑色、および青色の3色を混合させる方法に基づいており、この場合は赤と緑の成分は蛍光体によって生成され、青色成分は青色発光ダイオードの1次放射光によって生成される。
発光ダイオード技術における最近の進歩により、近紫外から青色の波長領域で動作する極めて高効率な発光ダイオードが実現されている。現在では蛍光体変換により様々な色および白色の光を発生するデバイスが市場に提供され、従来から広く使用されている白熱灯や蛍光灯に挑戦している。
US20040233664 A1は、多波長の光を再利用した照明システムを開示している。この照明システムは、光再利用空間の内部に光源と波長変換層とを含んでいる。光源は、発光ダイオードまたは半導体レーザーである。波長変換層は、粉末状の蛍光材、量子ドット材料、ルミネッセント・ドーパント材料またはそのような材料を複数混合させた材料から構成されている。粉末状の蛍光体は、一般にランタニド元素のイオン、またはその代替としてクロム、チタン、バナジウム、コバルトまたはネオジウムのようなイオンがドープされた光学的無機材料が使用される。
通常、先行技術である蛍光体変換による発光素子は、その上にLEDを持つ半導体チップが1つまたはそれ以上の変換蛍光体が埋め込まれた色素粒子を持つエピタキシー樹脂の波長変換層によって覆われているという構成を使用している。これらの蛍光体粒子は、LEDによって放射された紫外線(UV)または青色の光を上述のように白色または有色の光に変換する。
米国特許第20040233664 A-1号 米国特許第6677262号
しかし、多くの問題があったために広くは採用されなかった微結晶蛍光体粉末から成る先行技術による照明システムにおいては、以下のような問題があった。
第一の問題は、均一な厚さを持つ波長変換層の形成が難しいことである。色の均一性は、厚さが均一であることを要求するため、色の均一性を保証することも難しくなる。層の厚さが厚い領域では、薄い領域とは異なった色調を持つ白色光が生成される。
第二は、色素粒子から成る波長変換層の光学的特性が、層形成のために用いられる材料に強く依存するという問題である。
その大きさが可視光の波長よりはるかに小さく、透過性のホスト材料に分散されている粒子を含む波長変換層は、光の散乱現象が少ないため透過性が高いか半透明性を呈する。その大きさが可視光の波長と同程度かそれより大きい粒子を含む波長変換層は、一般に光を強く散乱させる。そのような材料は、特に反射性が強く、光の抽出効率を低下させる。
第三に、波長変換層が部分的に反射性を持つ場合、その層は、入射する光の少なくとも一部分を透過させることができるように十分薄くすることが望ましい。しかし、薄い層の中では粒子は塊状となり易いために均等に粒子が分布している均一な層を形成することは難しいという問題がある。
本発明の目的は、真の演色性と、適切な光抽出効率と、光透過性とを兼ね備えた白色光を発生する照明システムを提供することにある。
本発明のもう1つの目的は、琥珀色から赤色の光を発生する照明システムを提供することである。
したがって本発明の1つの局面によれば、本発明は、光放射源と、光放射源によって放射された光の一部を吸収し、吸収される光の波長とは異なる波長を放射する能力がある少なくとも1つ以上の蛍光体から成るモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータとから成り、当該の少なくとも1つ以上の蛍光体はユーロピウム(III)で活性化された(Y1-xREx)2-yO3:Eu1-aAa)の組成を持つ希土類金属三二酸化物であって、REはガドリニウム、スカンジウム、およびルテニウムの前記グループから選択され、Aはビスマス、アンチモン、ディスプロシウム、サマリウム、ツリウム、およびエルビウムの前記グループから選択された元素、かつ0≦x<1、0.0010≦ｚ≦0.2、0≦a<1である照明システムを提供する。
ユーロピウムの活性化因子を持つイットリウム酸化物から成る蛍光体色素は、蛍光体変換されたLEDの色と安定性の基準を満たすことは従来も知られていたが、この材料で製造できる粒子のサイズを制御することが難しいために、この蛍光体を他の材料に均質に付着させることが極めて困難であるという問題があった。本発明によるモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータは、多結晶酸化物蛍光体色素に対して同等の性能を与える一方で付着性の問題がない。
また、モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータは、透明であるため、光の伝達を妨げることがなく、透過光の散乱も極めて小さい。
モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータは、機械加工性がよく均一な厚さの層を容易に形成できるため、色変換効果は表面全体にわたって同じであり、従来技術によるデバイスよりはるかに均一な複合光の発生が可能である。
当該の光放射源は、発光ダイオードであることが望ましい。
本発明の実施例では、一般式(Y1-xREx)2-yO3:Eu1-aAa)zで表される組成を持ち、REはガドリニウム、スカンジウム、およびルテニウムの前記グループから選択され、Aはビスマス、アンチモン、ディスプロシウム、サマリウム、ツリウム、およびエルビウムの前記グループから選択された元素、かつ0≦x<1、0.0010≦ｚ≦0.2、0≦a<1である、琥珀色から赤色の光を放射する蛍光体が、モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータとして発光ダイオードと組み合わせて使用されており、その結果として蛍光体変換による光放射素子は琥珀色から赤色の光を高い強度で放出する。
望ましい実施例においては、インタフェース層は、アルミナセラミック材料Al2O3、TiO2、およびイットリアY2O3のグループから選択された材料で構成される。
別の実施例においては、インタフェース層はガラスで構成される。
本発明の1つの実施例によれば、当該モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータを第一のルミネッセンス・コンバータ要素とし、さらに1つまたはそれ以上のルミネッセンス・コンバータ要素を組み合わせた構成とすることも可能である。
第二のルミネッセンス・コンバータ要素は、発光材料として樹脂接着された第二の蛍光体色素から成るコーティング層とすることも可能である。
本発明による赤色光を放射するモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータが、緑色の光を発生する蛍光体、たとえば、BaMgAl10O17:Eu,Mn,Zn2GeO4:Mnまたはそれに類似した材料、および青色の光を発生する蛍光体、たとえば、BaMgAl10O17:Eu,(Sr,Ca,Ba)5(PO4)3またはそれに類似した材料のような追加のルミネッセンス・コンバータと組み合わせて使用された場合、結果として構成された発光素子は、白色または中間色を高い強度で放出することができる。
これらの発光素子のいずれにおいても、追加のルミネッセンス・コンバータとして(Sr1-x-yCaxBay)2Si5N8:Eu (0≦x≦1、0≦y≦1)、または(Sr1-x-yCaxBay)2Si5-xAlxN8-x:Eu (0≦x≦1、0≦y≦1)、および(Sr1-xCax)S:Eu (0≦x≦1)等の第二の赤色光発生蛍光体を追加することができる。
本発明の別の局面によれば、光放射源によって放射された光の一部を吸収し、吸収された光とは異なる波長の光を放射できる少なくとも1つ以上の蛍光体から成り、当該の少なくとも1つ以上の蛍光体はユーロピウム(III)で活性化された(Y1-xREx)2-yO3:Eu1-aAa)の組成を持つ希土類金属三二酸化物であって、REはガドリニウム、スカンジウム、およびルテニウムの前記グループから選択され、Aはビスマス、アンチモン、ディスプロシウム、サマリウム、ツリウム、およびエルビウムの前記グループから選択された元素、かつ0≦x<1、0.0010≦ｚ≦0.2、0≦a<1であるモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータが提供される。
透光性、および／または透過性、高密度性、小表面積性等は、すべてモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータの多結晶蛍光体色素よりも優れた属性である。
そのようなコンバータは、電磁波スペクトルの紫外線(UV)から青色光の波長領域での光放射のように高エネルギーの放出に適しているために効率的であるというだけではない。効率が高い理由は、このコンバータが高エネルギー放射光入力の波長変換器であると同時に光エネルギーの良好な伝達器であるということにもある。さもなければ、光は材料に吸収され、全体の変換効率は低下するであろう。
モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータ
本発明は、放電ランプ、蛍光灯、LED、レーザー・ダイオード、OLEDおよびX線管を含むがこれらに限定されない１次光放射源を含む照明システムの構成において使用される、ユーロピウム(III)で活性化された(Y1-xREx)2-yO3:Eu1-aAa)の組成を持ち、ここでREは、ガドリニウム、スカンジウム、およびルテニウムの前記グループから選択され、Aは、ビスマス、アンチモン、ディスプロシウム、サマリウム、ツリウム、およびエルビウムの前記グループから選択された元素、かつ0≦x<1、0.0010≦ｚ≦0.2、0≦a<1である希土類金属三二酸化物から成るモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータ(CLC)に焦点を合わせている。ここで用いている用語「放射(Radiation)」は、電磁波スペクトルのUV（紫外線）、IR（赤外線）および可視光の波長領域における光放射をすべて包含するものとする。
一般に、モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータとは、高エネルギーの電磁的光粒子によって刺激された場合に可視光または近可視光スペクトラム領域で電磁波を放射するセラミック素子のことである。
モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータは、その典型的なマイクロ構造に特徴がある。モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータのマイクロ構造は、多結晶構造、すなわち隠微晶質、微晶質、またはナノ結晶の不規則な集合体である。結晶は、互いに密接して成長し、グレインの境界を共有するようになる。顕微鏡的には、モノリシック・セラミックは等方性を持つように見えるが、多結晶のマイクロ構造を持つことは、SEM(走査型電子顕微鏡)によって容易に確認することができる。
モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータは、最終的にはセラミックの光散乱特性を変化させる結晶のグレイン境界で第二の相を含む場合がある。第二の相の材質は、結晶質かまたはガラス質となるだろう。
そのモノリシック多結晶マイクロ構造によりセラミック・ルミネッセンス・コンバータは、透明であるか、または少なくとも光の吸収が小さく高い光透過性を持っている。
ユーロピウムで活性化された三二酸化物蛍光体から成るCLC
本発明によるモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータは、ユーロピウム(III)で活性化された、一般式(Y1-xREx)2-yO3:Eu1-aAa)zの組成を持つ希土類金属三二酸化物であって、REはガドリニウム、スカンジウム、およびルテニウムの前記グループから選択され、Aはビスマス、アンチモン、ディスプロシウム、サマリウム、ツリウム、およびエルビウムまたはその組み合わせの前記グループから選択された元素、かつ0≦x<1、0.0010≦ｚ≦0.2、0≦a<1である蛍光材で構成される。Xの値とその範囲はゼロから1まで、またzの範囲は0.001から0.2までである。
そのようなモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータは、高度な物理的完全性を有しており、その性質は、材料の機械加工性、構造化、および研磨の容易性を高めることにより光の抽出性を改良し光ガイドの効果を持たせるのに有効である。
琥珀色から赤色の光を放射する新しいモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータは、照明システムの中で使用するための理想的な要求条件、たとえば以下の条件を満たしている。
琥珀色から赤色の光強度が強い
量子効率が高い
短波長および長波長の紫外線(UV)刺激の両方に感度がある
長寿命と寿命期間全体にわたる長期安定性
一般式(Y1-xREx)2-yO3:Eu1-aAa)の組成を持ち、REはガドリニウム、スカンジウム、およびルテニウムの前記グループから選択され、Aは、ビスマス、アンチモン、ディスプロシウム、サマリウム、ツリウム、およびエルビウムの前記グループから選択された元素、かつ0≦x<1、0.0010≦ｚ≦0.2、0≦a<1である蛍光体は、琥珀色から赤色の光を放射する、非常に効率が高い蛍光体である。
蛍光体材料のクラスは、ユーロピウム(III)で活性化されたイットリウム、またはイイトリウムとガドリニウム、スカンジウム、およびルテニウムまたはその組み合わせのグループから選択された希土類金属との合金の三二酸化物から成る蛍光材である。
この蛍光材は、ホスト格子とドーパント・イオンから構成される。ホスト格子は、専門家の間ではC-構造として知られており、すべてのカチオン(陽イオン)が酸素によって8面体構造的に囲まれている基本的なCaF2結晶構造から派生した結晶構造を持っている。
ドーパントであるユーロピウムは、単独、またはビスマス、アンチモン、ディスプロシウム、サマリウム、ツリウム、およびエルビウム、またはその組み合わせのグループから選択された共同活性化材との組み合わせで使用される。
ユーロピウム(III)単独、または共同活性化材との組み合わせのzの割合は、0.01<z<0.2の範囲に入ることが望ましい。この割合zが低すぎる場合は、ユーロピウム(III)カチオンによるフォトルミネッセンスの励起された光放射センターが減少し、一方、この割合zが0.2より大きい場合は濃度の低下が発生するため、光の強度が減少する。濃度の低下は蛍光材料の発光強度を高めるために、追加された活性剤の濃度が最適なレベル以下に低下した時にあたり、光放射強度の減少をもたらす。
これらのユーロピウム(III)で活性化されたイットリウム希土類金属の三二酸化物蛍光体は、電磁波スペクトラムの可視光領域よりも高エネルギー側の波長領域でより強く発光強度に影響する。
特に、本発明によるモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータは、250nmから290nmまでの波長の紫外線(UV)放射によって励起されるが、また、同じ組成の粉末色素蛍光体とは対照的に、380nmから420nmまでのUVAから青色の光を放射する素子によって放射された光によっても高い効率で励起される（図6参照）。図6で示されるような鋭い励起バンドは、これらがEu(III)のf-f遷移による吸収ピークであることを証明している。
赤色光を放射するモノリシック・セラミック蛍光体コンバータは、長波長紫外線と短波長化視光(380nm〜420nm)との間に位置しているため、この波長領域内の波長を持つ光は琥珀色から赤色の光に変換される。
そのため、モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータの蛍光体材料は、1次光放射源としての窒化物半導体による発光ダイオードからの長波長紫外線(UVA)または青色の光との組み合わせとして使用されるのに理想的な特性を持っている。
Y2O3:Euから成るモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータの仕様
Figure 2008537002
Y2O3:Euの組成を持つ蛍光体から成るモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータの光放射の主ピークは、可視光の琥珀色の波長領域にある611nm付近に位置する。
人間の目の感度スペクトラムにより、611nmでのEu(III)からの光放射の等価光強度は比較的強いが、カラー・ポイントは1931 CIE色度ダイアグラムの赤の領域に留まっている。この効果と、新しいモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータは他の波長の吸収が極めて小さいという事実との組み合わせにより、モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータから成り、蛍光体で変換された光を放射する素子の総合発光効率は、粉末蛍光体色素から成る素子よりも高めることが可能である。
モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータの製造方法
本発明によるモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータは、最初のステップで発光性のマイクロ結晶蛍光体粉末材料を用意し、第二のステップでマイクロ結晶材料を静水圧でペレット状に圧縮し、このペレットを光学的に透明となるまで十分な時間加熱し、焼結させることによって製造することができる。
本発明のマイクロ結晶蛍光体粉末の製造方法は、特に限定されず、本発明による蛍光体を提供可能な他の方法でも製造することができる。
本発明による蛍光体を製造する望ましいプロセスは、液体沈殿法と呼ばれる方法である。この方法では、溶解性の蛍光前駆体(phosphor precursor)を含む溶液を化学的に処理して蛍光体粒子または蛍光前駆体粒子を沈殿させる。次にこれらの粒子を通常高温で焼成して蛍光体粉末を製造する。
たとえば有効な製造方法として、水溶性の希土類塩と尿素の水溶液を、初期尿素濃度を最高50g/literとし、少なくとも80℃の温度に維持しながら尿素の濃度をモニターし、この初期濃度を維持するよう尿素を追加することにより基本となる希土類炭酸塩を生成させ、さらにこの希土類炭酸塩を燃やして希土類酸化物を生成するという米国特許US6677262がある。
ユーロピウム(III)で活性化された、一般式(Y1-xREx)2-yO3:Eu1-aAa)zの組成を持つイットリウム希土類金属三二酸化物であって、REはガドリニウム、スカンジウム、およびルテニウムの前記グループから選択され、Aはビスマス、アンチモン、ディスプロシウム、サマリウム、ツリウム、およびエルビウムまたはその組み合わせの前記グループから選択された元素、かつ0≦x<1、0.0010≦ｚ≦0.2、0≦a<1である一連の化合物をこの方法で製造することができる。
特別な実施例においては、ユーロピウム(III)で活性化されたイットリウム三二酸化物の琥珀色から赤色の光を放射する粒子が、単分散の蛍光体粉末として以下の技術で作成される。40リッターのガラス内張り容器に脱イオン化された0.5M YCl3水溶液1.35リッター、Eu(NO3)3*6H2O 33.46g、尿素1.4625kgは、十分に攪拌される間に、水に溶解する。さらに最終的に容積が30リッターとなるまで水を追加する。この水溶液を加熱して沸騰させ、最初の濁りが生じた後さらに2時間加熱する。次に沈殿物をファンネル（じょうご状のもの）で集め塩素を除去する。結果として得られる前駆体粉末は、平均の大きさが、250nmの球状粒子である。この蛍光体色素を粉末X線回折(Cu, Kα線)で分析した結果、望ましい結晶構造を持つ目的とした酸化物が形成されていることが分かった。
そのような蛍光体粉末材料は、固体製法によっても得ることができる。このプロセスの場合、蛍光体前駆材料は別途用意され、固体の状態で混合され、前駆体が反応を起こして蛍光体材料の粉末を形成するように加熱される。
また、別の方法では、蛍光体粉末粒子前駆体または蛍光体粒子は、スラリー(粉末状の固体と液体の混合物)状に分散され、次にこのスラリーは吹き付け乾燥により液体が蒸発させられる。続いて、この吹き付け乾燥された粉末は、高温で焼結され、結晶化されて微結晶蛍光体粉末が生成される。燃やされた粉末は、次に軽く粉砕され、製粉されて望ましい粒子サイズの蛍光体粉末が得られる。
これらの方法で得られたきめ細かい微結晶蛍光体粉末は、本発明によるモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータを製造するために使用される。この目的のために、適当な蛍光体粉末には非常に高い圧力が加えられる。この場合、加熱しながら高圧をかける方法と、高圧処理の後で別に熱処理を行う方法のいずれかが用いられる。
特に望ましいのは、高温静水圧処理、またはさもなければ低温静水圧処理に続いて焼結処理を行うことである。低温静水圧処理と焼結処理の後に高温静水圧処理を行うという組み合わせも可能である。
グレインの成長を制御し、残留気孔を取り除くためには緻密化プロセスを注意深く管理することが必要である。
蛍光体材料の加圧および熱処理により、容易に切断でき、機械加工が可能で、現在の金属組織処理法により研磨が可能なモノリシック・セラミック体が生成される。このモノリシック多結晶セラミック材料は、幅1mmまたはそれ以下のウェハー状に切断することができる。さらにこのセラミック・ウェハーは、表面を滑らかにし、表面の粗さに起因する散漫散乱を防止するために研磨することが望ましい。
透明でモノリシックなユーロピウム(III)で活性化されたイットリウム・セラミック・ルミネッセンス・コンバータを製造するための特別な実施例においては、きめ細かい蛍光体粉末が、最初に周知のセラミック技術により素地(不燃性のgreen body)に加工される。この粉末は瑪瑙乳鉢の中で結合剤10%（水中に5%のポリビニール・アルコール）を用いてさらに粉砕される。これは、次に網目が500μmのふるいにかけられた後、粉末成形機に続いて低温静水圧プレス機で3200barの圧力を加えることにより素地(green body)に固められる。
このセラミック素地(不燃性の)を真空中1700℃で焼結すると、透明なモノリシック・セラミックスが生成される。光出力強度は、アルゴン気流中で、かつ若干低い温度で行う追加のアニール処理により改善することができる。室温まで温度を下げた後、得られた酸化物セラミックスはウェハーに切断される。これらのウェハーは、最終的に透明なセラミックスを得るために表面が研磨される。
CLCのマイクロ構造の特徴は、微結晶の統計的な粒状構造を持ち、グレイン境界ネットワークを形成していることである。
琥珀色から赤色の光を放射するCLCで構成された蛍光体波長変換方式による照明システム
本発明の1つの局面によれば、光放射源と、光放射源によって放射された光の一部を吸収し、吸収される光の波長とは異なる波長を放射する能力がある少なくとも1つ以上の蛍光体から成るモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータとから成り、当該の少なくとも1つ以上の蛍光体は、ユーロピウム(III)で活性化された(Y1-xREx)2-yO3:Eu1-aAa)zの組成を持つ希土類金属三二酸化物であって、REは、ガドリニウム、スカンジウム、およびルテニウムの前記グループから選択され、Aは、ビスマス、アンチモン、ディスプロシウム、サマリウム、ツリウム、およびエルビウムの前記グループから選択された元素、かつ0≦x<1、0.0010≦ｚ≦0.2、0≦a<1である照明システムが提供される。
現在のモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータは、広範囲な照明システムでの利用が検討されているが、本発明は、特に半導体光放出素子または電気的刺激に応答して光を放射するその他の素子であることが望ましい光放射源から成る照明システムに関するものであり、それに応用することを目指している。半導体光放出素子には、発光ダイオード(LED)、発光ポリマー(LEP)、有機発光素子(OLED)、ポリマー発光素子(PLED)等がある。
発光ダイオードまたは発光ダイオードの配列、およびユーロピウム(III)で活性化された(Y1-xREx)2-yO3:Eu1-aAa)の組成を持つ希土類金属三二酸化物であって、REは、ガドリニウム、スカンジウム、およびルテニウムの前記グループから選択され、Aは、ビスマス、アンチモン、ディスプロシウム、サマリウム、ツリウム、およびエルビウムの前記グループから選択された元素、かつ0≦x<1、0.0010≦ｚ≦0.2、0≦a<1であるモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータを含む照明システムのいかなる構成も、本発明では他の周知の蛍光体を追加することが好ましく、この組み合わせにより前述のように紫外線(UV)または青色の1次光を放射するLEDによって照射された時に白色または特定の色の光を発生させることができる。
モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータと発光ダイオードまたは発光ダイオードの配列を組み合わせた蛍光体変換発光素子の構成には、表面実装型LEDだけでなくリードフレーム実装型LEDも使用することもできる。
発光ダイオードとモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータから成るそのような蛍光体変換発光素子の1実施例の詳細な構造を図1に示し、ここでこの構造について説明する。
図1は、モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータと組み合わせたリードフレーム実装型発光ダイオードの概略図である。
反射カップ3の内側に置かれた発光ダイオード1は、立方体の形をした小さなチップであり、チップの上面と底面には電極5から電源が供給される。チップの底面電極は、導電性接着剤で負電極に接続され、チップの上面電極は、ボンディング・ワイヤ4で正電極に接続されている。
板状のモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータ2は、図のように反射カップに取り付けられており、発光ダイオードから放射された光のほとんどは、平板の表面にほぼ垂直な角度で平板に入射する。そのため、発光ダイオードから平板方向ではない方向に放射された光を反射させて平板に入射させるように、発光ダイオードの周囲に反射面が、配置されている。
動作時には、LEDチップに加えられた電力が、チップを活性化する。活性化された時、チップは、1次光、たとえば紫外線(UV)または青色の可視光を放射する。放射された1次光の一部は、セラミック・ルミネッセンス・コンバータに完全にまたは部分的に吸収される。次にセラミック・ルミネッセンス・コンバータは、2次光、すなわち1次光の吸収に応じて波長変換された、十分に広い帯域と長い波長を持つ、基本的には琥珀色から赤色の光を放射する。発光ダイオードから放射された1次光のうち、吸収されずに残された光は、2次光と一緒にセラミック・ルミネッセンス・コンバータを通過して外部へ放射される。
反射鏡は、吸収されなかった1次光と2次光を出力光と同じ方向に導く。従って、この出力光は、チップから放出された1次光と発光層から放射された2次光が混合した複合光である。
本発明による照明システムの出力光の色温度またはカラー・ポイントは、スペクトル分布と1次光と比較した2次光の強度とに依存して変化する。
第一に、1次光の色温度またはカラー・ポイントは、発光ダイオードの適切な選択によって変えることができる。
第二に、2次光の色温度またはカラー・ポイントは、セラミック・ルミネッセンス・コンバータの特殊な蛍光体の組成を適切に選択することによって変えることができる。
複数のルミネッセンス・コンバータ素子を使用できることに注意すべきである。たとえば、紫外線(UV)を放射するLEDを用いる場合、2つの蛍光体を使用することにより観測者が出力光を白色であると認識するような光源を提供することができる。この場合、第二のモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータが追加される。さもなければ層のコーティングまたはエミッタ・パッケージとして樹脂で接着されたルミネッセンス・コンバータが、追加される。
図2は、2つのルミネッセンス・コンバータを持つ、リードフレーム型発光ダイオードの概略図である。反射カップ3の内部に置かれた発光ダイオード素子1は、シリコンまたはエポキシ樹脂のような透過性のポリマー材料で作られた樹脂パッケージ6に封入されている。この樹脂パッケージは、全体に分散して多結晶性のルミネッセンス・コンバージョン材を含んでいる。ルミネッセンス・コンバージョン材として、蛍光体や発光染料のようなルミネッセント材を1種類またはそれ以上を混合させて使用することができる。本発明による琥珀色から赤色の光を放射するモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータが、樹脂パッケージの上部に取り付けられている。
発光ダイオードは、しばしばサファイアのような絶縁基板上に両方の電極を素子の同じ面上に配置した形で作成されることがある。そのような素子の場合、エピタキシー・アップ素子として知られるように電極を通して光が抽出されるか、またはフリップチップ素子として知られるように電極と反対側の素子表面を通して光が抽出されるかのどちらかである。図3は、モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータから成る固体照明システムの構造の概略を示している。この場合、発光ダイオード・チップは、熱伝道性の基板7の上にフリップチップ(裏返し)で実装されており、チップの両方の電極は、ボンディング・ワイヤを用いずにそれぞれのリード電極に接続されている。本発明による、琥珀色から赤色の光を放射するモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバーが、LEDチップの上部に接着されている。
樹脂コーティングが、発光ダイオードと、第二の多結晶ルミネッセンス・コンバージョン材を内部に分散させたモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータとの外周に形成されている。
動作時には、発光ダイオードによって放射された光は、モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータで波長が変換され、第二のルミネッセンス・コンバータの波長変換された光と混合されて白色光または可視光が出力される。
図4は、フリップチップで実装された発光ダイオードから放射された光が通過する経路上に本発明によるモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータを配置した構造を持つ赤色ランプの断面構造図である。
図5は、ボード上に実装された複数のLEDとモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータを組み合わせてRGBのディスプレイまたは光源として使用する場合のデバイスの断面構造を示す。
モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータとLED基板を接続するための屈折率が一致したインタフェース層を用いた蛍光体波長変換型発光素子
層境界での全反射による損失を抑えるためには、発光ダイオードの基板とモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータの間の接着層で屈折率を整合させることが重要である。熱膨張係数の大きな違いにより（イットリアの8.1*10-6K-1に対してサファイア基板の5-6.7*10-6K-1）一般的な方法による焼結接合プロセスは使用できない。これに代わる方法は、グラファイト(黒鉛)のボックス内で材料を高速で加熱する高速熱処理炉(RTP: Rapid Thermal Processor、つまりハロゲン・ランプ・オーブン)を使用する方法である。極端な加熱速度(>10K/sec)により熱平衡状態に達することがないため、メカニカルな応力が最小化され、結果としてクラックのない焼結接合を行うことができる。
接合は、一般的なゾル-ゲル法で準備された中間のAl2O3、TiO2、またはY2O3層を介しても実現することができる。このAl2O3、TiO2、またはY2O3の中間層を形成するために、エチレングリコールメチルエーテル、トルエン、またはエーテルのような溶媒中のアルミナ、チタン、またはイットリウム・イソプロポキシドのようなアルミナ、チタン、またはイットリウム・アルコラートの溶液が用いられる。この溶液は、モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータか、または発光ダイオードの基板、またはその両方を被覆するために用いられる。次にこれら2つの素子が接続され、中間層が結晶化される。
さらに、基板とモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータの間に高屈折率ガラス用ガラス材（たとえば、Schott LaSF 1.8/3.5）を挿入し、熱処理を行うことにより中間ガラス層を接着材として使用することも可能である。
白色光を放射する蛍光体波長変換型発光素子
本発明の1つの局面によれば、光放射源（できれば発光ダイオードが望ましい）と、琥珀色から赤色の光を放射する本発明によつモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータとから成る照明システムの出力光には「白い」光のように見えるスペクトル分布を持たせることができる。
最も一般的な従来技術である白色蛍光体変換型LEDは、青色発光ダイオードを青色放射光の一部を補色、つまり黄色から琥珀色の光に変換する蛍光体で被覆した構造である。青色と黄色の光が合成されて白色光が生成される。
紫外線(UV)を放射するチップと紫外線を可視光に変換するように設計された蛍光体とを用いた白色LEDも公知である。典型的には、白色光を生成するためには3つまたはそれ以上の蛍光放射バンドが要求される。
青色CLCを用いた白色LED
（青色発光ダイオードを用いた2色性の蛍光体変換型白色発光素子）
本発明による白色発光照明システムの第一の実施例において、発光素子は、モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータのルミネッセント材を、青色発光ダイオードから放射された青色光が電磁波スペクトラムの琥珀色の領域にある補色波長領域に変換されるように選択することにより、2色性の白色光を生成することができる。
特に、光放射のピークが390nmから480nmにある青色LEDを用いると、良好な結果が得られる。本発明によるユーロピウム(III)で活性化されたイットリウム希土類三二酸化物の励起スペクトラム(図6)を考慮することにより、最適な結果は395nmと467nmで得られることが分かる。
琥珀色の光は、(Y1-xREx)2-yO3:Eu1-aAa)zの組成を持つ希土類金属の三二酸化物であって、REは、ガドリニウム、スカンジウム、およびルテニウムの前記グループから選択され、Aは、ビスマス、アンチモン、ディスプロシウム、サマリウム、ツリウム、およびエルビウムの前記グループから選択された元素、かつ0≦x<1、0.0010≦ｚ≦0.2、0≦a<1である、ユーロピウム(III)で活性化されたモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータの蛍光体材料によって生成される。
動作時には、LEDによって放射された1次の青色光の一部は、活性化イオンに影響を与えることなくモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータを透過する。
LEDによって放射された青色の1次光の他の部分は、ルミネッセンス・コンバータの活性化イオンに影響を与え、これによって琥珀色から赤色の光を放出させる。従って、Al、In、Ga、N系の発光ダイオードによって放射された青色光の一部は、琥珀色の波長領域、つまり結果として青色に対して補色の関係になる波長領域に変換される。人間の観測者は、青色の1次光と、琥珀色から赤色の2次光の組み合わせを白色光と認識する。
（青色発光ダイオードを用いた3色性の蛍光体変換型白色発光素子）
第二の実施例では、青色LEDと、ユーロピウム(III)で活性化された希土類金属の三二酸化物から成り、琥珀色から赤色の光を放射するモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータ、および樹脂で接着された封入層に混入され、これにより可視白色光の全スペクトラム領域をカバーする追加の赤色、黄色または緑色の広波長域光放射蛍光体色素を用いることによって、より高い演色性を持つ白色光が、生成される。
使用可能な第二の蛍光体とそれらの光学的特性を次の表2に示す。
Figure 2008537002
発光材は、2つの蛍光体、たとえば本発明による琥珀色から赤色の光を発生するモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータ、および(Ba1-xSrx)2SiO4:Eu（0≦x≦1）の組成を持つグループから選択され、樹脂で接着された封入層の内部にSrGa2S4:EuとSrSi2N2O2:Euを含む緑色蛍光体で構成することができる。
別の発光材は、3つの蛍光体、たとえば琥珀色から赤色の光を発生するモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータ、(Ca1-xSrx)S:Eu（0≦x≦1）の組成を持つグループから選択され、樹脂で接着された封入層の内部に(Sr1-x-ｙBaxCay)2Si5-aAlaN8-aO8:Eu（0≦a<5、0<x≦1、0≦y≦1）を含む赤色蛍光体、および(Ba1-xSrx) 2Si4:Eu（0≦x≦1）の組成を持つグループから選択され、樹脂で接着された封入層の内部にSrGa2S4:EuとSrSi2N2O2:Euを含む黄色から緑色の蛍光体で構成することができる。
動作時には、LEDチップから放射された青色の1次光の一部が、ルミネッセンス・コンバータ内の活性化イオンに作用することにより、活性化イオンが、琥珀色から赤色の光を放射する。発光ダイオードから放射された青色光の一部が、琥珀色のスペクトル領域にシフトされる。
LEDチップから放射された青色の1次光の他の一部は、モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータを通過して樹脂被覆層内の発光材によって緑色のスペクトル領域にシフトされる。
さらにチップから放射された青色の1次光の別の一部は、モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータと発光被覆層を何の変更も受けずに通過する。
人間の観測者は、青色の1次光、モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータからの琥珀色の2次光、および黄色から緑色を発生する蛍光体からの2次光の3つが混合された光を白色として認識する。
この白色光の色調(hue：CIE色度ダイアグラム内のカラー・ポイント)は、混合される蛍光体の種類や濃度を選ぶことにより適切に調整することができる。
紫外線(UV)CLCを用いた白色LED
（紫外線(UV)発光ダイオードを用いた2色性の蛍光体変換型白色発光素子）
別の実施例においては、本発明による白色光照明システムは紫外線(UV)発光ダイオードから放射された紫外線が補色の波長領域に変換され2色性の白色光を生成するような発光材を選択することにより、より有利に製造することができる。
特に、その光放射強度のピークが390nmから480nmの波長領域にある紫外線(UV)放射LEDを用いることにより、良好な結果が得られる。本発明によれば、ユーロピウム(III)で活性化されたイットリウム希土類三二酸化物の励起スペクトラムを考慮することにより、最適点は395nmであり、次の最適点は467nmにあることが分かる。
この実施例においては、発光材を使用することにより青色だけでなく琥珀色も生成することができる。琥珀色の光は、ユーロピウム(III)で活性化されたイットリウム希土類金属酸化物蛍光体から成るモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータを用いることにより発生することができる。また、青色の光は、BaMgAl10O17:Eu、Ba5SiO4(Cl, Br)6:Eu、CaLn2S4:Ce（Lnはランタン金属）、および(Sr,Ba,Ca)5(PO4)3Cl:Euのグループから選択され、樹脂接着層に含まれる青色蛍光体から成る発光材を用いることによって発生することができる。
LEDチップから放射された1次光の一部がモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータ内の活性化イオンに作用することにより活性化イオンが琥珀色の光を放射する。
1次光の他の一部は、モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータを通過して樹脂被覆層内の発光材によって青色のスペクトル領域にシフトされる。人間の観測者は、青色と琥珀色の2次光の組み合わせを白色光として認識する。
（紫外線(UV)発光ダイオードを用いた3色性の蛍光体変換型白色発光素子）
青色および緑色の広い波長域を持つ蛍光体、紫外線(UV)発光ダイオード、および琥珀色から赤色の光を放射するモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータを用いることにより、全スペクトラム領域をカバーし、より高い演色性を持つ白色光の発生が可能である。
前記の発光材は、琥珀色から赤色の光を発生するユーリピウム(III)で活性化されたイットリウム希土類三二酸化物から成るモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータ(CLC)、BaMgAl10O17:Eu、Ba5SiO4(Cl, Br)6:Eu、CaLn2S4:Ce（Lnはランタン金属）、および(Sr,Ba,Ca)5(PO4)3Cl:Euのグループから選択された青色蛍光体、および(Ba1-xSrx) 2Si4:Eu（0≦x≦1）、SrGa2S4:EuおよびSrSi2N2O2:Euのグループから選択された黄色から緑色の蛍光体の3種類の蛍光体の組み合わせとすることができる。
この場合、発生される白色光の色調(hue：CIE色度ダイアグラム内のカラー・ポイント)は、混合される蛍光体の種類や濃度を選ぶことにより適切に調整することができる。
琥珀色から赤色の光を発生する蛍光体変換型発光素子
本発明の別の局面によれば、光放射源と赤色の光を発生するモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータとから成る照明システムの出力光は、琥珀色から赤色の波長領域をカバーするスペクトル分布を持っている。
たとえば長波長紫外線(UVA)LEDまたは青色LEDのようなUVAまたは青色の1次光放射源で励起するための琥珀色から赤色の発光材としては、ユーロピウム(III)で活性化された、一般式(Y1-xREx)2-yO3:Eu1-aAa)の組成を持つイットリウム希土類金属三二酸化物であって、REは、ガドリニウム、スカンジウム、およびルテニウムの前記グループから選択され、Aは、ビスマス、アンチモン、ディスプロシウム、サマリウム、ツリウム、およびエルビウムまたはその組み合わせの前記グループから選択された元素、かつ0≦x<1、0.0010≦ｚ≦0.2、0≦a<1である蛍光材から成るモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータが特に適している。
これによって、電磁波スペクトラムの琥珀色から赤色の波長領域で発光する蛍光体変換型発光素子を実現することができる。
この場合、その光放射強度のピークが390nmから480nmの波長領域にある紫外線(UV)LEDを用いることにより、特に良好な結果が得られる。ユーロピウム(III)で活性化されたイットリウム希土類三二酸化物の励起スペクトラムを考慮することにより、最適な結果は395nmと467nmで得られることが分かる。
別の実施例においては、光放射源として青色発光ダイオードを選び、本発明によるモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータによってこの青色光を完全に単色の琥珀色から赤色の光に変換することにより、琥珀色から赤色の光を放射する照明システムをより有利に製造することが可能である。
LED-CLCシステムの出力光の色は、モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータの厚さに非常に敏感である。コンバータの厚さが厚い場合、1次光である青色LEDの光がコンバータに深く浸透する。この場合、LEDとCLCが組み合わされたシステムは、モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータの琥珀色から赤色の2次光が強くなるため琥珀色から赤色の光を発生するように見える。従って、モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータの厚さは、システムの出力光の色を左右する重要な要素となる。
発光ダイオードから放射された光の経路内に本発明によるセラミック・ルミネッセンス・コンバータを配置した、リードフレーム構造の白色LEDランプの概略側面図である。 発光ダイオードから放射された光の経路内に本発明によるセラミック・ルミネッセンス・コンバータを配置した、リードフレーム構造の2色性白色LEDランプの概略側面図である。 発光ダイオードから放射された光の経路内に本発明によるセラミック・ルミネッセンス・コンバータを配置した、フリップチップ構造の3色性白色LEDランプの概略側面図である。 発光ダイオードから放射された光の経路内に本発明によるセラミック・ルミネッセンス・コンバータを配置した、フリップチップ構造の2色性緑色LEDランプの概略側面図である。 発光ダイオードから放射された光の経路内に本発明によるセラミック・ルミネッセンス・コンバータを配置した、フリップチップ構造のRGBディスプレイの概略側面図である。 本発明によるセラミック・ルミネッセンス・コンバータの励起パターンを、Y2O3:Euから成る多結晶蛍光体色素の励起パターンと比較した図面である。 本発明によるセラミック・ルミネッセンス・コンバータの光放射パターンを、Y2O3:Euから成る多結晶蛍光体色素の光放射パターンと比較した図面である。
符号の説明
1 発光ダイオード(LED)
2 モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータ
3 反射面
4 ワイヤボンド
5 電極
6 蛍光体被覆
7 リードフレーム

Claims (9)

  1. 光放射源と、この光放射源によって放射された光の一部を吸収し、吸収される光の波長とは異なる波長を放射する能力がある少なくとも1つ以上の蛍光体から成るモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータとから成り、当該少なくとも1つ以上の蛍光体が、ユーロピウム(III)で活性化された(Y1-xREx)2-yO3:Eu1-aAa)zの組成を持つ希土類金属三二酸化物であって、REが、ガドリニウム、スカンジウム、およびルテニウムのグループから選択され、Aが、ビスマス、アンチモン、ディスプロシウム、サマリウム、ツリウム、およびエルビウムのグループから選択された元素、かつ0≦x<1、0.0010≦ｚ≦0.2、0≦a<1である照明システム。
  2. 当該光放射源が、発光ダイオードである、請求項１に記載の照明システム。
  3. 当該発光ダイオードに付着されたインタフェース層と当該モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータとから成る、請求項２に記載の照明システム。
  4. 前記インタフェース層が、Al2O3、TiO2、およびイットリアY2O3のグループから選択されたセラミック材料である請求項３に記載の照明システム。
  5. 前記インタフェース層が、ガラスから成る請求項４に記載の照明システム。
  6. 当該モノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータが、第一のルミネッセンス・コンバータ要素であり、さらに1つまたはそれ以上の第二のコンバータ要素から成る請求項１に記載の照明システム。
  7. 前記第二のルミネッセンス・コンバータ要素が、樹脂で接合された蛍光体色素から成るコーティングである請求項３に記載の照明システム。
  8. 前記第二のルミネッセンス・コンバータ要素が、第二の蛍光体から成る第二のモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータ要素である請求項３に記載の照明システム。
  9. 前記光放射源によって放射される光の一部を吸収し、吸収される光の波長とは異なる波長を放射する能力がある少なくとも1つ以上の蛍光体から成り、当該の少なくとも1つ以上の蛍光体が、ユーロピウム(III)で活性化された(Y1-xREx)2-yO3:Eu1-aAa)の組成を持つ希土類金属三二酸化物であって、REが、ガドリニウム、スカンジウム、およびルテニウムの前記グループから選択され、Aが、ビスマス、アンチモン、ディスプロシウム、サマリウム、ツリウム、およびエルビウムの前記グループから選択された元素、かつ0≦x<1、0.0010≦ｚ≦0.2、0≦a<1であるモノリシック・セラミック・ルミネッセンス・コンバータ。
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