JP2010509764A - モノリシックセラミック発光変換体を含む照明システム - Google Patents

モノリシックセラミック発光変換体を含む照明システム Download PDF

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Abstract

本発明は、放射源、及び、前記放射源によって発された光の一部を吸収しそして当該吸収された光の波長とは異なる波長の光を発することが可能である少なくとも1つの第1蛍光体及び少なくとも1つの第2蛍光体を含む複合発光材料を有する複合モノリシックセラミック発光変換体を含む照明システムに関する。本発明は、複合モノリシックセラミック発光変換体、及びこのような複合モノリシックセラミック発光変換体を製造する方法にも関する。

Description

本発明は、放射源、及び、前記放射源によって発された光の一部を吸収しそして当該吸収された光の一部とは異なる波長の光を発することが可能である少なくとも1つの蛍光体を含むモノリシックセラミック発光変換体を含む照明システムに関する。好ましくは、前記放射源は、発光ダイオードである。
当業分野において、蛍光体を含む発光材料を用いて、電磁気スペクトルの紫外線から青の領域で発光する発光ダイオードの色を変換することによって、可視光、白色、又は着色光照明が提供されることは知られている。
このような蛍光体変換「白色」LEDシステムは、特に、二色(BY)アプローチ、すなわち黄色及び青色を混合することに基づき、この場合、出力光の黄色の二次成分は黄色蛍光体により提供され得、青色成分は、蛍光体により又は青色LEDの一次発光によって提供され得る。
そうでない場合、白色照明システムは、三色(RGB)アプローチ、すなわち3色を混合する、すなわち赤、緑及び青を混合することに基づき、この場合、赤及び緑成分は、蛍光体及び青色発光LEDの一次発光の青色成分によって提供され得る。
発光ダイオード技術における近年の発達が近紫外線から青色領域において発光する非常に効率的な発光ダイオードをもたらしたので、現在、様々な着色又は白色発光蛍光体変換発光ダイオードが、市場に存在し、従来型の白熱電球及び蛍光灯に迫っている。
従来型の蛍光体変換発光ダイオードは、通常、青色発光LEDを有する半導体チップが1つ以上の蛍光体の蛍光体粒子粉末を含むエポキシ樹脂の層によって覆われる設計を活用する。
より近年のアプローチにおいて、半導体チップは、電気泳動沈着技術(EPD)によって沈着される1つ以上の蛍光体の粒子の層によって覆われる。このような技術は、樹脂接合蛍光体層より薄い蛍光体層を提供する。このことは、より良好な色度制御及び改善された輝度を可能にする。
しかし、蛍光体粒子粉末を含む従来の照明システムにおける問題は、このシステムが、複数の欠点を有するので、多くの応用例に関して使用され得ないことである。
第1に、均一厚さの蛍光体粒子層の沈着が困難である。蛍光体粒子は、塊になる傾向があり、したがって、既知のグレインサイズの粒子を有する均一な蛍光体層を設けることは困難である。色均一性は均一層厚さを必要とするので、色均一性は保証するのが困難である。
第2に、従来型の蛍光体粒子は、LEDによって発される光の多くの部分をチップへ後方散乱させる蛍光体層へ伝達され、チップは比較的吸収型であるので、低い光抽出効率を生じさせる。
国際特許出願公報第2006/087660号は、放射源、及び、前記放射源によって発された光の一部を吸収しそして当該吸収された光の波長とは異なる波長の光を発することが可能である少なくとも1つの蛍光体を含むモノリシックセラミック発光変換体を含む照明システムであって、更に、1つ以上の第2発光変換体要素を含み、第2発光変換体が、蛍光体を含む被膜である、又は、第2発光変換体要素が、第2蛍光体を含む第2モノリシックセラミック発光変換体である、照明システムを開示する。
モノリシックセラミック発光変換体は、透明又は半透明であり得る。したがって、これらは、光の透過を妨げず、後方散乱は最小である。
しかし、国際特許出願公報第2006/087660号に開示される発光変換体が装置においていかに又はどこに配置されているかにかかわらず、第1蛍光体粒子の大部分は、LEDチップに近接して位置され、第2蛍光体粒子の前にLEDチップからの入射光を受け取る。したがって、モノリシックセラミック発光変換体を含むこれらの装置であっても、それらの表面にわたる色温度は変動し得る。
したがって、本発明の目的は、改善された均一性の発光の色を、蛍光体変換発光ダイオードに与えることである。
したがって、本発明は、放射源、及び、前記放射源によって発された光の一部を吸収しそして当該吸収された光の波長とは異なる波長の光を発することが可能である少なくとも1つの第1蛍光体及び少なくとも1つの第2蛍光体を含む複合発光材料を有する複合モノリシックセラミック発光変換体を含む照明システムを提供する。
本発明に従う照明システムは、放射源によって発された光と複数の蛍光体を含む複合モノリシックセラミック発光変換体によって発された光との混合を介した光を発し得る。したがって、発された光は、色にのみ変化を有し、このことは、人間の目には知覚されるものではなく、強度においてわずかな及漸次的な変化のみを有する。
本発明の特に好ましい実施例に従うと、放射源は発光ダイオードである。このような照明システムは、蛍光体変換発光ダイオード(pcLED)として知られている。このようであるので、複合モノリシックセラミック発光変換体は、様々な幾何寸法の蛍光体変換発光ダイオードの製造を大いに簡素化する。従来型の粉末蛍光体の解決法と比較されると、本発明は、より高いパッケージ効率、より高い輝度、ピックアンドプレース組み立て方式、及びpcLEDにおける改善された色点制御を含む、有利な点も示す。
本発明の一つの変更態様に従うと、複合モノリシックセラミック発光材料は、粒子−粒子複合材料である。粒子−粒子複合材料を含む複合モノリシックセラミック発光変換体は、複数の蛍光体材料の均一な空間分布を有する小型単一要素として形成され得る。蛍光体変換発光ダイオード(pcLED)の白色点及び演色性が装置における蛍光体グレインの空間分布に極端に敏感であるので、色度制御は大幅に改善される。結果として、このようなpcLEDの不良品発生率は、蛍光体の適切な混合が容易に制御されるので、非常に低い。
本発明の別の態様に従うと、複合発光材料は、積層された多層複合材料である。複合材料は、少なくとも第1及び第2成分層を含み、これらは繰り返される。異なる蛍光体材料の接合セラミック処理が可能でない場合、積層された多層複合材料は、粒子−粒子複合材料の有用な代替物である。
本発明の特に好ましい実施例は、第1セラミックグレインが緑色発光蛍光体材料によって形成され、第2セラミックグレインが赤色発光蛍光体材料によって形成される、複合モノリシックセラミック発光変換体である。この実施例は、前記第1蛍光体が、一般的式AeSi2N2O2:Euの、緑色発光の、ユーロピウム(II)がドープされたアルカリ土類オキソニトリドシリケート蛍光体であり、前記第2蛍光体が、一般的式Ae2Si5N8:Euの、赤色発光の、ユーロピウム(II)がドープされたアルカリ土類ニトリドシリケート蛍光体である場合に特に有用であり、その理由は、開示される、このようなセラミック発光変換体の製造方法の容易な方法が存在するからである。
別の有用な代替例は、前記第1蛍光体が黄色発光蛍光体であり、前記第2蛍光体が青色発光蛍光体である、複合モノリシックセラミック発光変換体である。紫外線発光ダイオードと組み合わせると、発光は白色にもなる。
本発明は、放射源によって発された光の一部を吸収しそして当該吸収された光の波長とは異なる波長の光を発することが可能である少なくとも1つの第1蛍光体及び少なくとも1つの第2蛍光体を含む複合発光材料を有する複合モノリシックセラミック発光変換体にも関する。複合モノリシックセラミック発光変換体は、蛍光体材料のそれぞれに関して個別の構成に関する必要性を除外し、より大いに向上された光混合特性を提供する。複合モノリシックセラミック発光変換体は、均一な厚さに容易に機械加工され、これにより、色変換効果は表面にわたり同一であり、従来の装置よりもより均一な合成光を提供する。
当業者に知られるように、LED製造業者は、光学的変動及び不正確な加工制御に悩まされている。LED製造業者は、現在、例えば、波長及び/又は輝度強度などのいずれかの数の測定される光学的出力特性によりLEDダイを「瓶詰め(binning)」することによって、そして、例えば、CIEx及びy色座標、相関化色温度(CCT)及び/又は放射光束などのいずれかの数の測定される光学的出力特性によりLEDダイを再瓶詰めすることによって、処理変動性に対処している。
本発明の有利な点は、複合モノリシックセラミック発光変換体が、個別に瓶詰めされる、すなわち、光変換特性に従いグループ化及び記憶され得ることである。それぞれの光変換特性に基づきモノリシックセラミック発光変換体をグループ化及び記憶することによって、所望な光変換特性を有する発光変換要素が所望な光を生成するように容易に位置決め及びLEDダイと一致され得るので、蛍光体変換発光ダイオードの製造は、大いに簡素化され得る。
本発明の別の態様に従うと、放射源によって発された光の一部を吸収しそして当該吸収された光の波長とは異なる波長の光を発することが可能である少なくとも1つの第1蛍光体及び少なくとも1つの第2蛍光体を含む複合発光材料を有する複合モノリシックセラミック発光変換体を、(i)第1蛍光体材料の前駆体を、第2蛍光体材料及び前記第2蛍光体材料の前駆体の群から選択された第2材料と混合して、粉末混合体を準備するステップと、(ii)前記粉末混合体を詰めて予備成形物へ形成するステップと、(iii)前記予備成形物の混合体を共焼結させるステップと、によって、製造する方法が提供される。
予備成形物セラミック要素を共焼結する処理は、焼結において向上された寸法制御を与え、加工費用を低減させる。
本発明に従う方法の一つの有用な変更態様において、前駆体の材料が緑色(非焼結)セラミック蛍光体粉末である。この方法により、第1及び第2蛍光体材料は合成及び集約され、第1及び第2蛍光体間の化学反応が抑えられることを保証するような手法で、固体複合材料を形成する。
本発明に従う方法のこの態様の特に好ましい実施例に従うと、第1蛍光体は、前記第1蛍光体が、一般的式AeSi2N2O2:Euの、緑色発光の、ユーロピウム(II)がドープされたアルカリ土類オキソニトリドシリケート蛍光体であり、前記第2蛍光体が、一般的式Ae2Si5N8:Euの、赤色発光の、ユーロピウム(II)がドープされたアルカリ土類ニトリドシリケート蛍光体であり、前記第1蛍光体の前記前駆体及び前記第2蛍光体の前記前駆体が、アルカリ土類金属及びユーロピウムの混合酸化物Ae:OE並びに窒化シリコンSi3N4.を含む。
これら及び他の目的、特徴及び有利な点は、以下の詳細な説明、図面の説明、添付の請求項及び図面から明らかである。
図1は、発光ダイオードフリップチップ構造によって発される光の経路に位置される、本発明の複合モノリシックセラミック発光変換体を含む白色LEDランプの概略的側面図を示す。 図2は、特定の実施例に従うセラミック発光変換体の放射スペクトルを示す。
本発明は、一次放射源を含む照明システムのいずれかの構成において、複数の蛍光体、少なくとも1つの第1蛍光体及び少なくとも1つの第2蛍光体、を含む発光材料を有する複合モノリシックセラミック発光変換体(CLC)に焦点を当てる。本文書で使用される、「放射」という用語は、電磁気スペクトルの紫外線、赤外線及び可視領域における放射を含む。
一般的に、セラミック発光変換体は、高エネルギ電磁気フォトンによって励起された場合に、可視光又は近可視光スペクトルにおける電磁気放射を発するセラミックである。
モノリシックセラミック発光変換体は、典型的なマイクロ構造を特徴とするセラミック部材である。モノリシックセラミック発光変換体のマイクロ構造は、多結晶、すなわち隠微晶質性(cryptocrystalline)、微結晶性(microcrystalline)、又はナノ結晶性(nanocrystalline)の結晶の不規則礫岩である。製造において、結晶は、密着し、グレイン境界を共有するように成長される。微視的には、モノリシックセラミックは等方性のようであるが、多結晶マイクロ構造は、SEM(scanning electron microscopy)によって容易に検出され得る。
モノリシック多結晶マイクロ構造により、モノリシックセラミック発光変換体は透明である、又は低光吸収を有する少なくとも高光学的半透明性を有する。
本発明に従うモノリシックセラミック発光変換体は、複合材料構成において少なくとも1つの第1及び少なくとも1つの第2蛍光体(又は3若しくは4つの)を含み、それぞれ自身の放射特性を有する。
本発明は、様々な蛍光体材料を用いて作用し得る。蛍光体材料は、通常、青色から近紫外線領域の電磁気スペクトル(300〜475mm)における励起波長及び可視波長領域における放射波長を好ましくは有する、複合材料の無機物である。複数の蛍光体材料の複合材料は、例えば、赤色及び緑色発光蛍光体又は青色及び黄色発光蛍光体の混合体など、見る者によって知覚される所望な色バランスを達成するために公式化される。広い放射帯域を有する蛍光体材料は、高い演色性指数を有する蛍光体複合材料に関して有用である。約300〜475mmの範囲の光を可視範囲におけるより長い波長へ変換するこのような蛍光体は、当業分野においてよく知られている。
複合モノリシックセラミック発光変換体の準備に関して、固体モノリシック複合材料のマイクロ構造がそれぞれの対応する発光特性を維持する蛍光体グレインを特徴とすることを保証するように複合材料を形成するために、複数の蛍光体材料が、組み合わせられ集約されることが、特に重要な点である。
この点を達成するために、個別の構成材料が、個々の結晶面を保持するために互いに本質的に反応してはならず、この理由は、いずれかの相互作用が所望な発光特性を著しく消出させてしまい得るからである。
複合材料構成において複数の蛍光体を含む複合モノリシックセラミック発光変換体を製造する方法の第1変更態様において、複合発光材料の成分は、粒子−粒子複合材料構成として提供される。
このような粒子−粒子複合材料は、2つの方法に従い準備された。各方法は、(i)第1蛍光体材料の前駆体と、第2蛍光体材料及び前記第2蛍光体材料の前駆体の群から選択された第2材料との粉末混合体を準備ステップと、(ii)混合体を粉末圧縮をし及び予備成形物へ形成するステップと、(iii)前記予備成形物の混合体を共焼結させるステップと、を必要とする。
明らかであるように、第1及び第2蛍光体材料の相対的量は、複合材料の最終特性に影響するように選択され得、所望な応用例に応じて広く変化を持たせられ得る。
第1の方法において、粒子−粒子複合材料は、第1蛍光体の少なくとも一つの前駆体材料の粒子を第2蛍光体材料と混合することによって製造される。
第1の方法の一つの実施例において、第1蛍光体材料の前駆体は、「グリーン」セラミック材料として設けられる。「グリーン」は、この文脈において、燃やされたが、まだ焼結されていないセラミック材料を参照する。
「グリーン」セラミック材料は、理論密度より低い密度を有し、通常、理論密度の65%より低い。また、通常、0.1〜10μmの範囲のグレインサイズを有する。
第1蛍光体材料のこの「グリーン」前駆体材料は、予備焼結粗大グレインサイズ(約1.0〜50マイクロンの粒子サイズ)の第2蛍光体材料と組み合わせられる。第1蛍光体材料は、好ましくは、第2蛍光体との比較においてより低い焼結温度を有するのである。蛍光体の分離した焼結作業は、相構成分離を維持させるのに役立ち、したがって、構成物間の相互作用の可能性を低減する。
2つの材料が標準ボール粉砕技術を用いて混合されるが、当業分野における適切な結果を有する他の方法も、使用され得る。
十分に混合されると、混合体は、予備成形物に形成される。固体複合材料予備成形物は、削り(chip)及び割れ(crack)に耐え、予成形を可能にするために、十分な強度及び頑丈さを呈するべきである。
予備成形物は、この場合、第1蛍光体材料の焼結に関して適用される温度及び雰囲気に関する焼結条件の下で焼結される。焼結処置は、透明材料を形成するように、セラミックを理論密度にほぼ凝縮するために所望な時間において施される。これらのパラメータは、構成蛍光体材料の相互作用をもたらすことなく、最小の空孔率及び最大密度を保証する。
特に好ましいのは、熱間等静圧圧縮成形{ねつかん とう せいあつ あっしゅく せいけい}処置、そうでなければ、焼結の後の冷間等静圧圧縮成形処置である。冷間等静圧圧縮成形処置及び熱間等静圧圧縮成形{ねつかん とう せいあつ あっしゅく せいけい}処置の後の焼結の組み合わせも適用され得る。
グレイン成長を制御するため及び残留空孔を除去するために、凝縮化処理の注意深い監視が必要である。
複合モノリシックセラミック発光変換体は、粒子の表面が粒子の接触点において強固な接合及び首部(neck)を形成し始めるまで、第1ドープ粉末蛍光体及び第2ドープ粉末蛍光体を高温に加熱することによって形成される。焼結において、部分的に結合された粒子は、更なる首部成長により空孔を更に低減させる剛性の塊を形成する。グレイン境界は、特定のグレインが他のグレインを使用して成長するように形成され及び移動する。この段階は、空孔が隔離される(閉空孔)まで、空隙チャネルが接続される(開空孔)間継続する。最後の焼結段階において、空孔は、閉じられ、完全な凝縮化が達成されるまで、グレイン境界に沿ってゆっくり除去される。
蛍光体材料の成形及び焼結処置は、現在のセラミック工程によって容易に切断及び機械加工される複合モノリシックセラミック部材を生じさせる。好ましくは、複合モノリシックセラミック発光変換体は、平滑な表面を得るため、及び表面荒さによって生じられる拡散的散乱を防ぐために研磨される。
従来技術と比較した特に有利な効果は、粒子−粒子複合材料を有する本発明に従うモノリシックセラミック発光変換体を用いて得られ、この場合、粗大グレインの赤色発光蛍光体の粒子の表面が緑色蛍光体の細かいグレイン粒子の層を用いて覆われる。この発光複合材料において、光混合は特に向上させられる。
この特定の実施例に従うと、複合モノリシックセラミック発光変換体は、第1蛍光体材料として70〜90wt%の緑色発光SrSi2N2O2:Euを、第2蛍光体材料として10〜90wt%の赤色発光(Ba,Sr)2Si5N8:Euから本質的に構成される組成を有する。
第1緑色発光蛍光体材料SrSi2N2O2:Euの前駆体材料の準備は、二価金属のストロンチウム及びユーロピウムSrO:Eの混合酸化物の準備から開始する。
二価金属の混合酸化物SrO:Eを準備するために、アルカリ土類金属及びユーロピウム(III)の高純度の硝酸塩、炭酸塩、シュウ酸塩及び酢酸塩が、25〜30mlの脱イオン化水において撹拌することによって分解される。
溶液は、水が蒸発するまでホットプレートにおいて加熱される間撹拌され、組成に応じて白色又は黄色のペーストを生じさせる。
固形物が120℃で一晩(12時間)乾燥させられる。生じる固形物は、細かく磨り潰され、高純度のアルミナるつぼに置かれる。るつぼは、炭含有のつぼに入れられ、その後管かまどへ入れられ、その後、数時間窒素/水素を流しながらパージされる。かまどのパラメータは、1100℃へ10℃/分であり、その後、1100℃で4時間置き、その後、かまどは止められ、室温へ冷やされる。
その後、二価混合金属酸化物は、所定の比率で、窒化シリコンSi3N4及び酸化シリコンSi02、更に、フラックスと混合される。
混合体は、高純度アルミナるつぼに置かれる。るつぼは、炭含有のつぼに入れられ、その後管かまどへ入れられ、数時間窒素/水素を流しながらパージされる。かまどのパラメータは、1200℃へ10℃/分であり、その後、1200℃で4時間置き、その後、かまどはゆっくり室温へ冷やすようにされる。
標本は、緑色発光SrSi2O2N2:Euに関して「グリーン」非焼結超精細前駆体材料を準備するために1300℃での第2焼きなましステップが実行される前に、もう一度、細かく磨り潰される。
赤色発光蛍光体材料(Ba,Sr)2Si5N8:Euの粗大なグレインの予備焼結された第2粉末材料の準備は、二価金属の(Sr,Ba)O:Euの混合酸化物の準備から開始する。
二価金属の(Sr,Ba)O:Euの混合酸化物は、所定の比率で、窒化シリコンSi3N4,及び炭素と混合される。混合体は、高純度の炭化シリコンるつぼに置かれる。るつぼは、炭含有のつぼに入れられ、その後管かまどへ入れられ、その後、数時間窒素/水素を流しながらパージされる。かまどのパラメータは、1450℃へ10℃/minであり、その後、1450℃で4時間置き、その後、かまどはゆっくり室温へ冷やされる。標本は、1500℃での第2焼きなましステップが実行される前に、もう一度、細かく磨り潰される。(Ba,Sr)2Si5N8:Euの焼結粗大グレインセラミック粉末は、2〜8μmの平均グレインサイズを有する。
複合モノリシックセラミック発光変換体を準備するために、第1蛍光体材料の超精細サブミクロン前駆体材料及び粗大グレイン焼結第2蛍光体材料は、湿式粉砕によって混合される。
粉末混合体は、その後、約100℃で空気乾燥される。混合体は、セラミックディスクへ一軸圧縮され、その後、更に、冷等方圧縮(3.2kbar)を用いて更に圧縮される。予備成形物部材は、1550℃で2〜12時間H2/N2(5/95)雰囲気で焼結される。
一般的に、焼結は、還元性雰囲気で実行される。窒素雰囲気、窒素/水素雰囲気、アンモニア雰囲気、及びアルゴンなどの不活性ガス雰囲気は、還元性雰囲気の例として与えられる。
室温へまで冷却された後で、得られた複合モノリシックセラミックは、ディスクへと切断された。これらのディスクは、セラミックマトリクスにおいて、緑色発光SrSi2N2O2:Eu及び赤色発光(Ba,Sr)2Si5N8:Eu蛍光体グレインを含む最終半透明複合モノリシックセラミック発光変換体を得るために、研磨及び磨かれた。半透明複合モノリシックセラミック発光変換体は、複合材料の発光特性に負性に影響を与えない(Ba,Sr,Eu)Si7N10材料によって形成される少量のセラミックグレインも含み得る。
この特別な実施例のセラミック発光変換体は、1000:1の大きさでグレイン境界ネットワークを形成する結晶の統計的粒状構造を特徴とする。セラミックは、理論密度の少なくとも97%の密度を呈する。標本の密度は、残る空孔を除去するために、窒素雰囲気(温度範囲:1500-1780°C、圧力範囲:2000〜30000PSI(138〜2.070bar)でセラミックの後焼きなましによって更に向上され得る。
上述の処理方法を使用して、蛍光体材料は、発光特性を維持することが可能である。この結果は、対応する特性の特定の低減が、複合材料を形成するために材料を共焼結する場合に予期され得ることにおいて、極めて予期されないことである。しかし、発光特性において何の著しい損失も発生しない。
粒子−粒子複合材料を含む複合モノリシックセラミック発光変換体を製造する第2の方法において、第1蛍光体の前駆体材料及び第2蛍光体の前駆体材料が更なる処理に関して混合される。
本発明に従う複合モノリシックセラミック発光変換体を準備するこの第2の方法は、第1及び第2蛍光体が、関連する化学的組成であり、第1及び第2蛍光体の前駆体が一緒になると反応され得る場合に、有用である。
例として、アルカリ土類ニトリドシリケートホストマトリクスにおけるユーロピウム(II)を含む赤色蛍光体と、上述の第1実施例の密接に関連されたアルカリ土類オキソニトリドシリケートホストマトリクスにおけるユーロピウム(II)を含む緑色蛍光体とが、窒化シリコンを、酸化ストロンチウムと、及び/又はマグネシウム、カリウム、ストロンチウム及びバリウムの酸化物から選択された別のアルカリ土類金属酸化物と反応させることによって、式:
4AeO:Eu+3Si3N4→Ae2Si5N8:Eu+2AeSi2O2N2:Eu
に従い、同時に準備され得る。
このような組成の開始粉末は、適切な量で両方の蛍光体の前駆体成分の混合体を形成することによって作成され得る。適切な量とは、カチオン(cation)の所望な相対的比率を含む最終透明部材を生じさせる、相対的な濃度を意味される。
SrSi2O2N2:Eu/Sr2Si5N8:Eu複合材料のワンステップ合成法に関して、SrO:Eu(2%)が、Si3N4と、乾燥雰囲気で、SrO:Eu:Si3N4=1.5:1の分子比率を用いて混合され、そして1550℃で4時間H2/N2(5/95)の気流において燃やされる。生じる粉末は、その後、窒化ホウ素被膜グラファイトダイにおいて、真空において2時間100Mpa、1550℃で熱圧縮される。熱圧縮した後で、セラミックはT=1200〜1400℃で窒素下において後焼きなましをされる。
このような条件下における焼結処置は、複合材料構成において2つの異なる蛍光体Sr2Si5N8:Eu及びSrSi2O2N2:Euの結晶塊を生成するために、固体前駆体相間における反応を生じさせる。
前記粒子−粒子複合材料とは別に、発光材料の成分は、多層構成の積層状複合材料をも形成し得る。
積層状複合材料において、第1層は第1蛍光体材料の蛍光体粒子を含み、第2層は第2蛍光体材料の蛍光体粒子を含む。
ドクターブレード技術を用いたテープキャスティングは、セラミック積層多層複合材料の製造において広く使用されている。この処理において、溶媒、結合材、及び可塑剤からなる液系におけるセラミック蛍光体粉末の懸濁が、移動担体表面において投じられる。スラリー(Slurry)は、担体表面が支持テーブルに沿って進むにつれて、スラリーを制御された厚さ及び幅に「処理(doctor)」するブレードのナイフの下を通過する。溶媒が蒸発する場合、セラミック粒子は、連続的なシートで、担体から剥がされ得る比較的に濃密な柔軟性フィルムへ集結される。シートは、あるサイズへ切断され、第2材料のシートと交互に適切な順序で積み重ねられ、固体複合材料ラミネートを形成するために積層される。ラミネートは、有機結合材を分解し除去しそして蛍光体粒子を焼結するために焼かれ、これにより、濃密な複合モノリシックセラミック発光変換体を形成する。
構造的均一性及び完全性に加えて、本発明の積層多層複合材料は、非常に広範囲の許容可能値において詳細に制御可能である物理的特性を提供する。したがって、最終的な製品の特性は、組み込みに関して選択される薄膜の組成、厚さ、及び特性に単純に依存する。
本発明の特定の実施例において、焼結された複合モノリシックセラミック発光変換体を後成形することが有用であり得、このことは、セラミック材料に関してよく知られている慣習的な工程を用いて行われ得る。例えば、複合モノリシックセラミック発光変換体の上部表面を粗面化することは、例えば、セラミック発光変換体が高い屈折率を有する場合に特に、光のアウトカップリングを向上させるために変換光を散乱させるのに有用であり得る。
本発明の第2の態様に従うと、放射源、及び、前記放射源によって発された光の一部を吸収しそして当該吸収された光の波長とは異なる波長の光を発することが可能である少なくとも1つの第1蛍光体及び少なくとも1つの第2蛍光体を含む複合発光材料を有する複合モノリシックセラミック発光変換体を含む照明システムが提供される。
放射源は、好ましくは、半導体光学放射エミッタ及び電気的励起に応答して光学的放射を発するその他の素子を含む。半導体光学的放射エミッタは、発光ダイオード(LED)チップ、発光ポリマ(LEP)、レーザダイオード(LD)、有機発光ダイオード(OLED)、ポリマ発光ダイオード(PLED)などを含む。更に、水銀低及び高圧放電ランプ、硫黄放電ランプ、及び分子放射に基づく放電ランプなどの放電ランプ及び蛍光灯ランプにおいて、並びにX線管において見受けられるような放射放出源も、本発明の発光変換体と放射源として使用するために検討される。
本発明の好ましい実施例において、放射源は発光ダイオードである。
発光ダイオード又は発光ダイオードのアレイ及び複数の発光体を有する複合モノリシックセラミック発光変換体を含む照明システムのいずれかの構成が、上述のように一次紫外線又は青色光を発するLEDによって放射される場合に特定の色又は白色光を得るために、本発明において検討される。
複合モノリシックセラミック発光変換体を発光ダイオード又は発光ダイオードのアレイへ接合するのに有用な可能な構成は、エピタキシ成長素子及びフリップチップ素子を含む。
放射源及び複合モノリシックセラミック発光変換体を含むこのような照明システムの一つの実施例の詳細な構造は、以下に詳細に説明される。
図1は、複合モノリシックセラミック発光変換体2を含む固体状態照明システム1の特定の構造を概略的に例示し、この場合、LEDダイ4は、基板6にフリップチップ構成でパッケージされ、両方の電極5は、ボンドワイヤを用いることなく対応するリード部に接触する。LEDダイは、上下反対にひっくり返されており、熱伝導基板へ接合されている。モノリシックセラミック発光変換体は、ディスクとして構成されており、発光ダイオードから発される光の大半がディスクの表面に対してほぼ直角である角度でディスクへ入射するように配置される。これを達成するために、反射器3は、ディスクへ向かう方向へ発光ダイオードから放射される光を反射するために、発光ダイオードの周囲に設けられる。
図1は特定のLED構造を例示しているが、本発明は、LEDダイのいずれの特定の構造からも独立している。例えば、LEDにおける基板及び半導体層の数並びに活性領域の詳細な構造は変更され得る。加えて、LEDダイは、「フリップチップ」型構造を有するように例示され、すなわち両電極5がLEDダイ1の同一の側に位置される。しかし、所望である場合、両電極5がダイの対向する側にあるなどの、他の種類のLEDダイ構造も本発明と使用され得る。
発光変換体は、発光変換体とLEDダイとの間において、例えばエポキシ、シリコーンなどの高温光学的透明樹脂材料の透明ボンディング層7を配置することなどによって、LEDダイ2へ固定され得る。キュアされる場合、ボンディング層7は、LEDダイへ発光変換体を保持する。
そうでない場合、軟化点ガラスが、いずれかのLEDダイへ直接複合モノリシックセラミック発光変換体をボンディングする場合に、有用である。材料は、ガラスの軟化点より上にLEDダイ及び複合モノリシックセラミック発光変換体の温度を上昇させ、材料を一緒に押圧するために圧力をかけることによって、ボンディングされ得る。
動作において、電力は、ダイを活性化させるためにダイへ印加される。活性化される場合、ダイは、例えば青色光などの一次光を放射する。放射一次光の一部は、セラミック発光変換体によって完全に又は一部吸収される。その後、セラミック発光変換体は、二次光、すなわち、一次光の吸収に応答してより長いピーク波長を有する変換光を放射する。放射一次光の残りの未吸収部分は、二次光とともに、セラミック発光変換体を通じて透過される。
反射器は、出力光として一般的な方向へ未吸収光及び二次光を方向付ける。したがって、出力光は、ダイから放射される一次光及び蛍光体層から放射される二次光から構成される。
本発明に従う照明システムの出力光の色温度又は色点は、スペクトル分布、及び一次光と比較した二次光の強度に依存して変化し得る。
第1に、一次光の色温度又は色点は、発光ダイオードの適切な選択によって変化し得る。
第2に、二次光の色温度又は色点は、複合モノリシックセラミック発光変換体における蛍光体組成の適切な選択によって変化し得る。
複合材料における厚さ及び相対的な蛍光体含有も、複合モノリシックセラミック発光変換体へ入射する一次光の所望なパーセンテージを変換するために設定され得る。
発光ダイオード及び蛍光体の発光波長に依存して、2つの(複数の)蛍光体の及び発光要素の色点によって形成される色三角形(多角形)における色度図においての任意の点の発光が提供され得る。
本発明の一つの態様に従うと、照明システムの出力光は、スペクトル分布が「白色」光であるように見えるように、スペクトル分布を有し得る。
「白色光」という用語は、通常の観察者が「白色」と考え得る見た目を生じさせるように人間の目における赤、緑及び青センサを刺激する光を指す。このような光は、赤色(通常、温白色として呼ばれる)に又は青色(通常、冷白色と呼ばれる)にバイアスされ得る。このような光は、100までの演色性指数を有し得る。特に好ましいのは、色度図における黒体線上に位置される色度を有する白色領域光である。
本発明に従う白色発光照明システムの第1実施例において、装置は、青色発光ダイオードによって発される青色放射が、温白色光を形成するために、補完的な赤色及び緑色の波長範囲へ変換されるように発光材料を選択することによって有利に製造され得る。
この実施例において、ダイオードは、青色発光ダイオード又は紫色発光ダイオードから選択され、蛍光体粒子の第1の種類は、ダイオードからの光による励起により赤色光を発することが可能であり、第2の種類の蛍光体粒子は、ダイオードからの光による励起により緑色光を発することが可能である。このような実施例において、発光ダイオードは、したがって、(a)蛍光体層を(吸収されずに)通過するダイオードから放射される光と、(b)蛍光体吸収されるダイオード発光のダウンコンバージョンから生じる赤色光と、(c)蛍光体吸収されるダイオード発光のダウンコンバージョンから生じる緑色光と、により、複数の波長成分を有する光を放射する。結果は、白色光を放射する発光ダイオードである。
本発明の好ましい実施例において、緑色及び赤色光は、一般的式Ae2Si5N8:Euの赤色発光(590〜650nm)蛍光体と、一般的式AeSi2N2O2:Euの緑色(500〜560nm)蛍光体とを含む複合モノリシックセラミック発光変換体の蛍光体材料を用いて生成され、ここで、Aeはカリウム、バリウム及びストロンチウムの群から選択される少なくとも一つのアルカリ土類金属である。
特に良好な結果は、放射最大値が380〜480nmにある青色発光ダイオードを用いて達成される。最適値は、ユーロピウム(II)活性蛍光体の励起スペクトルを特に考慮して、445〜468nmにあることが分かっている。
本発明に従う白色発光照明システムは、1.0×1.0×0.1mmの寸法を有する、本発明に従う磨かれた複合モノリシックセラミック発光変換体を、458nmで発光する1W(Al,In,Ga)NのLEDに装着することによって特に好ましく実施化され得る。
図2は、460nmで最大放射を有する青色LEDと組み合わせたSr2Si5N8:Eu及びSr2Si2N2O2:Euを含む複合モノリシックセラミック発光変換体を有するpcLEDの放射スペクトルを示す。相関化された色温度CCTは、4200Kとして、演色性指数はRa=80〜92(R9<60)として測定された。
関連付けられる色点は、座標x=0.377及びy=0.392を有する。
YAG:Ceを含む従来の照明システムによって発される白色出力光のスペクトル分布と比較される場合、スペクトル分布における明確な差は、可視スペクトルの赤色領域にあるピーク波長のシフトである。したがって、照明システムによって生成される白色出力光は、従来技術によって生成される出力光と比較される場合、赤色のかなりの追加の量を有する。
別の実施例において、蛍光体組成は、3つの異なる種類の蛍光体粒子(第1の種類の蛍光体粒子、第2の種類の蛍光体粒子、及び第3の種類の蛍光体粒子)を含む。一つの実施例において、ダイオードは紫外線ダイオードであり、第1の種類の蛍光体粒子は励起により赤色光を放射することが可能であり、第2の種類の蛍光体粒子は励起により緑色光を放射することが可能であり、第3の種類の蛍光体粒子は励起により青色光を放射することが可能である。このような実施例において、発光装置は、したがって、(a)セラミック発光変換体を(吸収されずに)通過する紫外線光と、(b)蛍光体吸収される光のダウンコンバージョンから生じる赤色光と、(c)蛍光体吸収される光のダウンコンバージョンから生じる緑色光と、(d)蛍光体吸収される光のダウンコンバージョンから生じる青色光と、により、複数の波長成分を有する光を放射する。結果は、白色光を放射する発光ダイオードである。
白色光装置の更に別の実施例において、装置は、紫外線ダイオードと、2つの異なる種類の蛍光体粒子(第1の種類の蛍光体粒子、及び第2の種類の蛍光体粒子)を含む蛍光体組成とを含む。一つのこのような実施例において、第1の種類の蛍光体粒子は、第1の種類の蛍光体粒子は励起により黄色光を放射することが可能であり、第2の種類の蛍光体粒子は励起により青色光を放射することが可能である。このような実施例において、発光装置は、したがって、(a)発光変換体を(吸収されずに)通過する紫外線光と、(b)蛍光体吸収される光のダウンコンバージョンから生じる黄色光と、(c)蛍光体吸収される光のダウンコンバージョンから生じる青色光と、により、複数の波長成分を有する光を放射する。結果は、白色光を放射する発光ダイオードである。
本発明の代替的な実施例に従うと、例えば「黄色から赤色」などに色付けされたように見えるようにされるスペクトル分布を有する出力光を放射する照明システムが提供される。
上述の特別な実施例の蛍光体以外に、蛍光体組成において使用されるのに適した一般の蛍光体粒子は、赤色放射に関してSrS:Eu2+、CaS:Eu2+、CaS:Eu2+、Mn2+、(Zn,Cd)S:Ag+、Mg4GeO5.5F:Mn4+、Y2O2S:Eu2+、ZnS:Mn2+、CaAlSiN3:Eu、及び更に、上述されるような励起により可視スペクトルの赤色領域における放射スペクトルを有する蛍光体材料から選択される材料を含む。緑色放射に関して、蛍光体組成において使用されるのにも適した一般的な蛍光体粒子は、(Ba,Sr)2SiO4:Eu2+、SrGa2S4:Eu2+、ZnS:Cu、Alから選択される材料、並びに上述されるような励起により可視スペクトルの緑色領域における放射スペクトルを有する他の蛍光体材料、を含む。特定の実施例において、青色発光蛍光体粒子は、赤色及び緑色発光蛍光体に加えて、蛍光体組成に含まれ得、適した青色発光蛍光体粒子は、例えば、BaMg2Al16O27:Eu2+、Mg、又は上述されるような励起により可視スペクトルの青色領域における放射スペクトルを有する他の蛍光体材料、を含む。別の実施例において、蛍光体組成は、励起により黄色光を生成するように選択されるある種類の蛍光体粒子を含む。黄色放射に関して、蛍光体組成において使用されるのにも適した一般的な蛍光体粒子は、(Y,Gd)3Al5O12:Ce、Pr及び上述されるような励起により可視スペクトルの黄色領域における放射スペクトルを有する他の蛍光体材料、から選択される材料を含む。
本発明は、説明の目的に関する特定の実施例と組み合わせて例示されているが、本発明は、それらには制限されない。様々な変更態様及び修正態様が、本発明の範囲から逸脱することなく実施され得る。例えば、複合モノリシックセラミック発光変換体は、引用される蛍光体以外の蛍光体材料から製造され得る。いかなる従来の蛍光体材料も、これらの蛍光体の代わりに用いられ得る。したがって、添付の請求項の精神及び範囲は、上述の説明に制限されるべきでない。

Claims (11)

  1. 放射源、及び、前記放射源によって発された光の一部を吸収しそして当該吸収された光の波長とは異なる波長の光を発することが可能である少なくとも1つの第1蛍光体及び少なくとも1つの第2蛍光体を含む複合発光材料を有する複合モノリシックセラミック発光変換体を含む照明システム。
  2. 請求項1に記載の照明システムであって、前記放射源が発光ダイオードである、照明システム。
  3. 請求項1に記載の照明システムであって、前記複合発光材料が粒子−粒子複合材料である、照明システム。
  4. 請求項1に記載の照明システムであって、前記複合発光材料が、積層された多層複合材料である、照明システム。
  5. 請求項1に記載の照明システムであって、前記第1蛍光体が緑色発光蛍光体であり、前記第2蛍光体が赤色発光蛍光体である、照明システム。
  6. 請求項5に記載の照明システムであって、前記緑色発光蛍光体が、一般的式AeSi2N2O2:Euの、ユーロピウム(II)がドープされたアルカリ土類オキソニトリドシリケート蛍光体であり、赤色発光蛍光体が、一般的式Ae2Si5N8:Euの、ユーロピウム(II)がドープされたアルカリ土類ニトリドシリケート蛍光体である、照明システム。
  7. 請求項1に記載の照明システムであって、前記第1蛍光体が黄色発光蛍光体であり、前記第2蛍光体が青色発光蛍光体である、照明システム。
  8. 放射源によって発された光の一部を吸収しそして当該吸収された光の波長とは異なる波長の光を発することが可能である少なくとも1つの第1蛍光体及び少なくとも1つの第2蛍光体を含む複合発光材料を有する複合モノリシックセラミック発光変換体。
  9. 放射源によって発された光の一部を吸収しそして当該吸収された光の波長とは異なる波長の光を発することが可能である少なくとも1つの第1蛍光体及び少なくとも1つの第2蛍光体を含む複合発光材料を有する複合モノリシックセラミック発光変換体を、
    (i)第1蛍光体材料の前駆体を、第2蛍光体材料及び前記第2蛍光体材料の前駆体の群から選択された第2材料と混合して、粉末混合体を準備するステップと、
    (ii)前記粉末混合体を圧縮して予備成形物へ形成するステップと、
    (iii)前記予備成形物の混合体を共焼結させるステップと、
    によって、製造する方法。
  10. 請求項9に記載の方法であって、前記前駆体の材料がグリーン(非焼結)セラミック蛍光体粉末である、方法。
  11. 請求項9に記載の方法であって、前記第1蛍光体が、一般的式AeSi2N2O2:Euの、緑色発光の、ユーロピウム(II)がドープされたアルカリ土類オキソニトリドシリケート蛍光体であり、前記第2蛍光体が、一般的式Ae2Si5N8:Euの、赤色発光の、ユーロピウム(II)がドープされたアルカリ土類ニトリドシリケート蛍光体であり、前記第1蛍光体の前記前駆体及び前記第2蛍光体の前記前駆体が、アルカリ土類金属及びユーロピウムの混合酸化物AeO:Eu並びに窒化シリコンSi3N4.を含む、方法。
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