JP2009540558A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

放射源2と、発光物質4を含む無機層3と、散乱粒子6を含む散乱層5と、を有する発光装置1が開示されている。散乱層5は、放射源2及び無機層3の間に位置される、前記無機層がセラミック材料から構成される。

Description

本発明は、放射源、発光物質を含む無機層、及び散乱粒子を含む散乱層を有する発光装置に関する。前記散乱層は、前記放射源及び前記無機層の間に位置される。

白色光は、例えば、黄色蛍光体を用いて、ＬＥＤ（発光ダイオード）などの青色光源の部分的な変換によって得ることが可能である。ＬＥＤによって放射される青色光は、蛍光体を励起させ、蛍光体に黄色光を放射させる。ＬＥＤによって放射される青色光は、蛍光体によって放射される黄色光と混合され、見る人は、青色及び黄色光の混合を白色光として知覚する。

ＬＥＤは、青色光を不等方向的に放射する、すなわち光は方向に依存し、蛍光体は光を等方向的に、すなわち全ての方向へ放射する。混合された光において、等方向的な放射パターンと不等方向的な光の混合は、不均一な分布になり、通常、放射における青いリングとして見られ得る。

強く散乱させる蛍光体粉末層を用いる代わりに、透明な蛍光体部材において蛍光体を埋め込むことによって、相当な効率の増加が達成され得る。しかし、供給光の一部のみが、蛍光体部材によって変換されるので、放射パターンへの光源の寄与が常に存在する。

蛍光体部材（半透明物質につながる、完全には密度を濃くされていない部材物質）において特定の散乱を残すことによって、又はカプセル材料（若しくはレンズ）において特定の散乱を導入することによって、補正が実行される。

散乱を制御するために蛍光体部材における多孔性を制御することは、取り扱いがより困難である、より薄いプレートにつながり得る。更に、散乱特性が再現可能に制御され得るかについては不確かである。

カプセル材料において特定の散乱を導入することは、変換された光及び供給光の両方を散乱させることであり、効率性利得の低減につながる。更に、カプセル材料における散乱は、より大きい光源につながり得、多くの関連する応用例に対して望ましくない。将来の製品において、このカプセル材料がなお使用されるかについても確かではない。

米国特許第6,791,259号は、均一化された光を得る目的を有する白色固体状態ランプを開示する。米国特許第6,791,259号のランプは、放射源、発光物質、及び前記放射源と前記発光物質との間に配置される放射散乱材料を有する。発光物質は、充填された蛍光体粒子層、又は、例えばエポキシ又はシリコーンなどのポリマーカプセル化材料において蛍光体粒子の分散を含む。したがって、発光材料は、蛍光体粒子のみの形態での、又は有機マトリクスにおける蛍光体粒子の分散の形態ので、強く散乱させる層である。この強く散乱させる層は、装置の低効率、及び、装置の色点の困難な制御につながる（〜10μmの全体層厚さのうちの1μmの変動は、色点のかなりの変化につながる）。

したがって、不均一な光分布、低効率、及び／又は困難な色点制御の欠点に見舞われない発光装置、特に蛍光体変換ＬＥＤに関する継続的な需要が存在する。

本発明の目的の１つは、不均一な光分布、低効率、及び／又は困難な色点制御の上述の欠点を克服する発光装置を提供することである。

この目的は、発光装置であって、放射源と、発光物質を含む無機層と、散乱粒子を含む散乱層と、を有し、前記散乱層は、前記放射源及び前記無機層の間に位置され、前記無機層がセラミック材料から構成される、発光装置によって達成される。

本発明に従う発光装置によって、透明又は半透明のセラミック部材が、散乱光学的接着材料を用いてＬＥＤへ接着され、驚くべき高均一性を有する放射パターンが得られる。

散乱粒子は、好ましくは、SiO₂で被膜されたTiO₂粒子であり、散乱層が、シリコーン材料を含み得る。散乱層は、前記無機層を前記放射層へ結合させるので、したがって、散乱光学的接着材料として呼ばれ得る。

前記セラミック材料が透明であり得る。代替的に、前記セラミック材料は、例えば、ミー散乱により半透明であり得る。前記セラミック材料がプレートレットの形態であり得る。

前記放射源が、青色光を放射するＬＥＤであり得る。

前記発光物質は、好ましくは、黄色光を放射する蛍光体であり、例えば、セリウムがドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット、又はマンガンがドープされた硫化亜鉛などである。

本発明は、上述の発光装置を含む表示装置にも関する。

本発明につながる研究結果において、蛍光体変換ＬＥＤからの不均一な配光を避ける一方で、装置の高効率を維持する１つの手法が、驚くほどに発見された。

蛍光体変換ＬＥＤの放射パターンは、放射における青色のリングとして見える、ＬＥＤからの非ランバート成分を含み得る。このことは、装置の性能を減じるので、装置の不所望な特徴である。

本発明に従うと、この問題は、蛍光体をセラミック層に組み込み、且つＬＥＤ及びセラミック層の間における光学的ボンディグにおいて散乱粒子を導入することによって、解決される。

図１を参照すると、本発明に従う発光装置（１）は、放射源（２）、セラミック材料からなり且つ発光物質（４）を含む無機層（３）、及び散乱粒子（６）を含む散乱層（５）、を有する。散乱層（５）は、放射源（２）及び無機層（３）の間に位置される。

「セラミック層からなる」という表現により、無機層が、本質的にセラミック材料から構成されることを意味される。しかし、「セラミック材料からなる」無機層は、このことにも拘らず、例えば不純物により100％のセラミックではないかもしれない。

放射源は、好ましくは、420nm乃至490nmの波長範囲における青色光を放射するＬＥＤである。

無機のセラミック層は、通常、自己支持層、好ましくはプレートレットの形態である。しかし、セラミック層の他の幾何学的形状も、本発明の範囲に含まれる。

セラミック層は、粉末蛍光体を、蛍光体粒子の表面が軟化し融解し始めるまで高圧で加熱することによって形成され得る。部分的に溶融された粒子は、互いに粘着して、粒子の強固な塊を形成する。何の光学的不連続性も有さない単一の大きい蛍光体粒子として光学的に振る舞う薄い膜とは異なり、セラミック層は、堅く詰められた個々の蛍光体粒子として振る舞い、これにより、異なる蛍光体粒子間の界面において小さい光学的不連続性が存在されるようにされる。したがって、セラミック層は、光学的に、ほとんど均一であり、セラミック層を形成する蛍光体材料と同一の屈折率を有する。コンフォーマルな蛍光体層又は樹脂などの透明材料に配置される蛍光体層とは異なり、セラミック層は、通常、蛍光体自体以外に何の結合材料（例えば有機樹脂又はエポキシ）も必要とせず、これにより、個々の蛍光体粒子間における異なる屈折率の空間又は材料も非常に僅かにしか存在しないようにされる。結果として、セラミック層は、コンフォーマルな蛍光体層と異なり、透明又は半透明である。

セラミック層へ形成され得る蛍光体の例は、アルミニウムガーネット蛍光体を含み、それらは、以下の一般式、例えば、黄色−緑色領域の光を放射するLu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺及びY₃Al₅O₁₂:Ce³⁺などの0<x<1、0<y<1、0<z<0.1、0<a<0.2及び0<b<0.1を用いて表わされる(Lu_1-x-y-a-bY_xGd_y)₃(Al_1-zGa_z)₅O₁₂:Ce_aPr_b、並びに赤色領域の光を放射するSr₂Si₅N₈:Eu²⁺などの0<a<5、0<x<1、0<y<1及び0<z<1を用いて表わされる(Sr_1-x-yBa_xCa_y)_2-zSi_5-aAl_aN_8-aO_a:Eu_z ²⁺を有する。適切なY₃Al₅O₁₂:Ce³⁺セラミック層は、Baikowski International Corporation of Charlotte, N. C.から購入され得る。例えばSrSi₂N₂O₂:Eu²⁺などを含む(Sr_1-a-bCa_bBa_c)Si_xN_yO_z:Eu_a ²⁺(a=0.002-0.2、b=0.0-0.25、c=0.0-0.25、x=1.5-2.5、y=1.5-2.5、z=1.5-2.5)、例えばSrGa₂S₄:Eu²⁺;Sr_1-xBa_xSiO₄:Eu²⁺などを含む(Sr_1-u-v-xMg_uCa_vBa_x)(Ga_2-y-zAl_yIn_zS₄):Eu²⁺、並びに、例えばCaS:Eu²⁺及びSrS:Eu²⁺.を含む0<x<1を用いて表わされる(Ca_1-xSr_x)S:Eu²⁺、を含む他の緑色、黄色、及び赤色を放射する蛍光体も、適切であり得る。

上述のように、セラミック層は、完全に透明（全く散乱しない）又は半透明であり得る。この目的に関して、セラミック本体は、９０％を超えるセラミック密度を有し、特に少なくとも９５％乃至９７％、特にほとんど１００％を有する。セラミック層は、1μm乃至100μmを含んだ範囲のグレインサイズを有する結晶子を有し得る。グレインサイズは、セラミックの微細構造の結晶子の等価的直径である。グレインサイズは、好ましくは10μm乃至50μmである。このグレインサイズは、効果的な発光変換を可能にする。

セラミック層が半透明である場合、セラミック層は、前面方向へ限られた量のミー散乱を含む。このことは、少量の小さい「異質」粒子（異なる屈折率）又は空孔を含むことによって達成される。特定の散乱は、非立方格子構造を有する物質から作製されるセラミックに関しても観測される。代替態様は、Al₂O₃マトリックスにおいてYAG:Ce³⁺グレイン（蛍光体粒子）を組み込むことであり得る。

ミー理論、別名ロレンツ−ミー理論は、球体粒子による電磁気放射の散乱の完全な数学物理的理論である。ミー散乱は、波長に対する直径の全ての可能な比率を含む。ミー理論は、無限に延在する平面波によって照射される、均一、等方性、且つ光学的に線形な物質を仮定する。

本発明において使用されるべき好ましいセラミック層は、いわゆるＬＵＭＩＲＡＭＩＣプレートレットであり、本文書において参考文献として組み込まれる公開公報番号第2004/0145308号及び第2005/0269582号を有する米国特許において詳細に説明されている。セラミック層における散乱の欠如、又は非常に限定的な量の散乱は、より優れたバッテリ効率及び良好な色制御が達成され得る（〜100μmまでの1μm変動は、10μmにおける1μm、すなわち一般的な蛍光体粉末厚さよりもかなり小さい）ので、非常に有利である。

セラミック層における発光材料（４）は、好ましくは、蛍光体、又は蛍光体の混合を有する。適切な発光材料（４）の例は、希土金属を部分的にドープされたアルミン酸塩のガーネット又はケイ酸塩などの基材である。青色発光ＬＥＤに関して、発光材料（４）は、好ましくは、（多）結晶セリウムがドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（YAG:Ce³⁺又はY₃Al₅O₁₂:Ce³⁺）、又はマンガンがドープされた硫化亜鉛(ZnS:Mn²⁺)などの、黄色放射蛍光体を含む。代替的に、YAG:Ce³⁺は、発光セラミックを生じさせるために、Al₂O₃と共焼結され得る。蛍光体は、好ましくは、セラミック層において均一に分散される。

散乱層（５）は、例えば、エポキシ又はシリコーンなどを含み得る。散乱層（５）は、様々な幾何学的形状を有し得、放射源とセラミック層との間における、接着剤、いわゆる光学的接着剤として機能する。

散乱層（５）に組み込まれる散乱粒子（６）は、好ましくは、SiO₂が被膜されたTiO₂粒子である。SiO₂を用いたTiO₂粒子の被膜は、光触媒的に活性であるでTiO₂表面がこの場合有機マトリックスから遮断され、したがってマトリックス材料の急速な劣化を防ぐので、非常に有利である。SiO₂が被膜されたTiO₂粒子が好ましいものの、例えば。ZrO₂などの高屈折率を有する他の粒子も散乱粒子として使用され得る。

小さい、すなわち数十ナノメーターの、散乱粒子（６）を使用することによって、散乱は、ミー型（前方散乱）になり、システム効率の低減へは導かない。適切には、粒子サイズは、50nmより小さい。散乱粒子（６）は、散乱層に組み込まれるのに適し、且つ所望な散乱効果を提供するいずれかの幾何学的形状であり得る。散乱粒子（６）は、好ましくは、散乱層（５）において本質的に均一に分散される。

本発明による発光装置（１）において、散乱層（５）は、好ましくは、放射源（２）の上部表面全体を本質的に覆い、そしてセラミック層（３）は、好ましくは、散乱層（５）の上部表面全体を本質的に覆うことが好ましい。

セラミックプレートを組み合わせ、且つ光学接着剤において散乱粒子を使用する本発明に従う発光装置（１）は、均一な発光及び高効率を有する蛍光体変換ＬＥＤを入手するという長年の切実な必要性に対する解決策を提供する。

本発明に従う発光装置を製造する適切な工程は、以下の非制限的な例において説明される。
例：
1グラムのSiO₂が被膜されたTiO₂ナノ粒子が、5グラムのシリコーンジェルと混合される。少量の前記材料が、供給（dispensing)を用いてＬＥＤへ塗布される。ＬＵＭＩＲＡＭＩＣプレートレットが、ピックアンドプレース装置を用いて前記供給へ配置される。シリコーンジェルの硬化の後に、半球体がダイの上に配置され、（クリアな）カプセル材料で充填される。光学接着剤（すなわち、シリコーンジェルにおけるSiO₂が被膜されたTiO₂ナノ粒子）の厚さは、ピックアンドプレース装置によって制御され得る。過量の材料は、ダイから流れ出得、ＬＵＭＩＲＡＭＩＣプレートの下の空間を充填する（量は、供給される量によって制御される）。

図１は、本発明に従う発光装置の概略的側面断面図を表す。

Claims (12)

1. 発光装置であって、
   −放射源と、
   −発光物質を含む無機層と、
   −散乱粒子を含む散乱層と、
   を有し、前記散乱層が前記放射源及び前記無機層の間に位置される、発光装置において、前記無機層がセラミック材料から構成されることを特徴とする、発光装置。
2. 請求項１に記載の発光装置であって、前記散乱粒子が、SiO₂で被膜されたTiO₂粒子である、発光装置。
3. 請求項１又は２に記載の発光装置であって、前記散乱層が、シリコーン材料を含む、発光装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の発光装置であって、前記セラミック材料が透明である、発光装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の発光装置であって、前記セラミック材料が半透明である、発光装置。
6. 請求項５に記載の発光装置であって、ミー散乱により半透明である、発光装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか一項に記載の発光装置であって、前記セラミック材料がプレートレットの形態である、発光装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか一項に記載の発光装置であって、前記放射源が、青色光を放射するＬＥＤである、発光装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか一項に記載の発光装置であって、前記発光物質が黄色光を放射する蛍光体である、発光装置。
10. 請求項９に記載の発光装置であって、前記蛍光体が、セリウムがドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット、又はマンガンがドープされた硫化亜鉛である、発光装置。
11. 請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の発光装置であって、前記散乱層が前記無機層を前記放射源に結合させる、発光装置。
12. 請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の発光装置を含む表示装置。

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