JP2010521805A - 低熱膨張係数を有する化合物を含む照明システム - Google Patents

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Abstract

本発明は、照明システムに存在する更なる材料の熱膨張を補償するために、低又は負の熱膨張係数を有する材料を含む照明システムに関する。

Description

本発明は、発光装置のための新規な材料に関し、特にLEDに関する新規な材料の分野に関する。
蛍光体変換発光ダイオード(ｐｃＬＥＤ)は、通常(AlInGa)Nから作製される青色又は紫外線光発光ダイと通常シリコーン懸架体としてチップに堆積される少なくとも１つの蛍光層とに基づく。
白色光を放射するために、通常、(In、Ga)NのＬＥＤは、黄色−オレンジ色蛍光体（例えば、YAG:Ce）によって、又は黄色及び赤色の発光蛍光体を含む二成分蛍光体混合体によって、白色発光ＬＥＤへ改造される。
暖色白色ＬＥＤを得るために、現在、代替的な第２の解決法が採用されており、この場合、用いられる蛍光体は、例えば(Ca、Sr)S:Eu、CaAlSiN3:Eu又は(Ba、Sr、Ca)2Si5N8:Euなどの共有結合格子においてEu2+を含む赤色発光材料と混合したYAG:Ceである。
特に、蛍光体変換ＬＥＤの信頼性は、これらの照明システムの産業化において重要な課題である。
本発明の目的は、上述の欠点を克服することが少なくとも部分的に可能であり、広範囲の応用例において特に使用可能であり、更に、高い信頼性の蛍光体変換ＬＥＤの加工及び／又は設定を特に可能にする、照明システムを提供することである。
この目的は、本発明の請求項１に記載の照明システムによって解決される。すなわち、-2×10-6/K以上及び2×10-6/K以下の熱膨張係数αを有する合成材料を含む、特にＬＥＤである、照明システムが提供される。
このような材料は、本発明における広範囲な応用例に関して、以下の有利な点のうちの少なくとも１つを有することが示された。
−この合成材料を使用すると、合成材料内のクラック及び／又は応力のより少ない（低い）発生可能性により、本発明における広範囲の応用例に関して、ＬＥＤの動作寿命が大いに増加され得る。
−より少ない（低い）熱膨張により、ＬＥＤは、本発明における広範囲の応用例に関してより小型に作製され得る。
−広範囲な応用例に関して、ＬＥＤにおける蛍光材料間の接触も増加され得る。
本発明に従う照明システムは、同時に及び／又は代替的に使用され得るいくつかのビルドアップを有し得、それぞれが、本発明の好ましい実施例を表わすことを特記されるべきである。
−合成材料は、青色放射ダイに配置され得、更なる蛍光体材料（例えば、黄色−オレンジ色蛍光体及び赤色放射蛍光体などであるが、これらに制限されない）が、合成材料内に埋め込まれ得る。
−合成材料内の１つ以上の材料も、蛍光体材料の少なくともいくつか（又は特定の部分）が省略され得るように、蛍光体材料として作用し得る。
−合成材料は、青色放射ダイの周りに及び／又は覆う、マトリクス状の、ゲル状の、及び／又はガラス状の形態で存在し得るが、本発明の代替的な実施例に従うと、合成材料は、例えば、セラミックなどの、固体の形態でも存在し得る。
本発明の好ましい実施例に従うと、照明システムは、-1×10-6/K以上及び1×10-6/K以下の、より好ましくは-0.5×10-6/K以上及び0.5×10-6/K以下の、熱膨張係数αを有する合成材料を含む。
このことは、本発明における広範囲の応用例に関して更に向上された特徴を有する材料を生じさせることが示されている。
本発明の好ましい実施例に従うと、合成材料が、0×10-6/K以下の熱膨張係数αを有する少なくとも１つの第１材料を含む。
こうすることによって、合成材料に関する所望な熱膨張率が、本発明における広範囲の応用例に関して、容易に及び効率的に設定され得ることが実際に分かっている。
本発明の好ましい実施例に従うと、第１材料が酸化物材料である。
本発明の好ましい実施例に従うと、第１材料が2.75eV以上のバンドギャップを有する。
このことは、本発明における広範囲の応用例に関して更に向上された特徴を有する材料を生じさせることが示されている。
本発明の好ましい実施例に従うと、第１材料が500K以上及び2000K以下のデバイ温度を有する。
このことは、本発明における広範囲の応用例に関して更に向上された特徴を有する材料を生じさせることが示されている。
好ましくは、第１材料は、700K以上及び1700K以下の、より好ましくは100K以上及び1500K以下の、デバイ温度を有する。
本発明の好ましい実施例に従うと、第１材料が、
Sc、Y、La、Gd、Luの希土類金属又はこれらの混合物の群から選択されたMを有し、xが0以上及び3以下である、M2W3-xMoxO12、
Li、Na、K、Rb、Cs又はこれらの混合物の群から選択されたAと、並びにSc、Y、La、Gd、Luの希土類金属又はこれらの混合物の群から選択されたMとを有し、xが0以上及び2以下である、AMW2-xMoxO8、
Ca、Sr、Ba又はこれらの混合物の群から選択されたXと、Nb、Ta又はこれらの混合物の群から選択されたYと、Sc、Y、La、Gd、Luの希土類金属又はこれらの混合物の群から選択されたMとを有し、xが0以上及び1以下である、XYMW1-xMoxO8、
PbTiO3、
ZrW2O8、
AlPO4-17（例えば、参照として完全に組み込まれる「Chem. Mater.、10(7)、2013-2019、1998」などに記載されるゼオライトである）、又は
これらの混合物、
を含む群から選択された材料を含む。
これらの材料は、本発明における広範囲の応用例に関してこの材料自体が実用的であることを示している。
好ましい実施例に従うと、第１材料は、紫外線又は青色放射波長領域において少なくとも一部を吸収することが可能であり、420nm以上及び800nm以下の間における波長領域において可視光を放射する蛍光材料を含む。
好ましい実施例に従うと第１材料は、
Sc、Y、La、Gd、Luの希土類金属又はこれらの混合物の群から選択されたMを有し、xが0以上及び3以下であり、REがEu、Pr、Sm、Dy又はこれらの混合物から選択された、M2W3-xMoxO12:RE、
Li、Na、K、Rb、Cs又はこれらの混合物の群から選択されたAと、並びにSc、Y、La、Gd、Luの希土類金属又はこれらの混合物の群から選択されたMとを有し、xが0以上及び2以下であり、REがEu、Pr、Sm、Dy又はこれらの混合物から選択された、AMW2-xMoxO8:RE、
Ca、Sr、Ba又はこれらの混合物の群から選択されたXと、Nb、Ta又はこれらの混合物の群から選択されたYと、Sc、Y、La、Gd、Luの希土類金属又はこれらの混合物の群から選択されたMとを有し、xが0以上及び1以下であり、REがEu、Pr、Sm、Dy又はこれらの混合物から選択された、XYMW1-xMoxO8:RE、又は
これらの混合物、
を含む群から選択された蛍光材料を含む。
本発明の好ましい実施例に従うと、ドーピングレベルは、0.001%以上及び100%以下、好ましくは25％以下である。
このことは、本発明における広範囲の応用例に関して更に向上された特徴を有する材料を生じさせることが示されている。好ましくは、ドーピングレベルは、0.1%以上及び10%以下、より好ましくは1%以上及び5％以下である。
好ましくは、少なくとも第１材料は、粉末として提供される。
少なくとも第１の材料が少なくとも部分的に粉末として提供される場合、粉末が、2.5μm以上及び25μm以下の、好ましくは15μm以下の、d50を有することが特に好ましい。このことは、本発明における広範囲の応用例に関して有利であることが示されている。
本発明の好ましい実施例に従うと、合成材料は、シリコーン、ガラス、ポリマ、樹脂又はこれらの混合物を含む群から選択された少なくとも１つの第２マトリクス材料を含む。
本発明の好ましい実施例に従うと、（重量／重量での）第１材料と第２材料との比率が0.1:1以上及び10:1以下、好ましくは0.3:1以上及び3:1以下、である。
本発明の好ましい実施例に従うと、照明システムは、合成材料の熱膨張係数が青色放射ダイの熱膨張係数と一致される青色放射ダイを含む。
「一致される」という用語は、特に、青色放射ダイ及び合成材料が、特に同一の熱膨張係数を有すること、及び／又は、青色放射ダイ及び合成材料の熱膨張係数が10%以下、好ましくは5%だけ相違することを含む。こうすることによって、２つの成分は、本発明における広範囲の応用例に関して非常に密に接触し得、そして、大動作電流を可能にするＬＥＤダイの優れた冷却へ導く。
他方で、「一致される」という用語は、特に、合成材料が負の熱膨張係数を有するが、青色放射ダイ及び合成材料の熱膨張係数が、本質的に同一の絶対値を有する、又は10%以下、好ましくは5%だけ相違することを含む。こうすることによって、ダイの膨張は、合成材料によって「補償され得」、このことは、本発明における広範囲の応用例に関してより小型な照明システムを構築することを可能にさせる。
本発明は、更に、6×10-6/K以下の熱膨張係数αを有する少なくとも１つの材料を含む、特にＬＥＤである、照明システムに関する。
このような材料は、本発明における広範囲な応用例に関して、以下の有利な点のうちの少なくとも１つを有することが示された。
−このような材料を使用すると、合成材料内のクラック及び／又は応力のより少ない（低い）発生可能性により、本発明における広範囲の応用例に関して、ＬＥＤの動作寿命が大いに増加され得る。
−より少ない（低い）熱膨張により、ＬＥＤは、本発明における広範囲の応用例に関してより小型に作製され得る。本発明の好ましい実施例によると、前記材料の熱膨張係数は、青色放射ダイの熱膨張を少なくとも一部釣り合わせるように、選択される。
−広範囲な応用例に関して、ＬＥＤにおける蛍光材料間の光学的接触も増加され得る。
−広範囲な応用例に関して、前記材料により、青色放射ダイからの熱消散が大いに増加され得、このことは、更に、ＬＥＤの動作寿命を増加させる。
−ＬＥＤが基板又は基板型構造に装着及び／又は設けられる場合に、広範囲な応用例に関して、前記第１材料とＬＥＤとの熱膨張が基板の熱膨張へ一致されることが特に可能であり、このことは、実際に、本発明の好ましい実施例である。
本発明の更なる実施例に従うと、照明システムは、4×10-6/K以下の熱膨張係数α、好ましくは2×10-6/K以下のα、最も好ましくは0×10-6/K以下のαを有する少なくとも１つの材料を含む。
本発明の好ましい実施例に従うと、前記材料が酸化物材料である。
本発明の好ましい実施例に従うと、前記材料が2.75eV以上のバンドギャップを有する。
このことは、本発明における広範囲の応用例に関して更に向上された特徴を有する材料を生じさせることが示されている。
本発明の好ましい実施例に従うと、前記材料が500K以上及び2000K以下のデバイ温度を有する。
好ましくは、前記材料は、700K以上及び1700K以下の、より好ましくは100K以上及び1500K以下の、デバイ温度を有する。
本発明の好ましい実施例に従うと、前記材料が、
Sc、Y、La、Gd、Luの希土類金属又はこれらの混合物の群から選択されたMを有し、xが0以上及び3以下である、M2W3-xMoxO12、
Li、Na、K、Rb、Cs又はこれらの混合物の群から選択されたAと、並びにSc、Y、La、Gd、Luの希土類金属又はこれらの混合物の群から選択されたMとを有し、xが0以上及び2以下である、AMW2-xMoxO8、
Ca、Sr、Ba又はこれらの混合物の群から選択されたXと、Nb、Ta又はこれらの混合物の群から選択されたYと、Sc、Y、La、Gd、Luの希土類金属又はこれらの混合物の群から選択されたMとを有し、xが0以上及び1以下である、XYMW1-xMoxO8、
PbTiO3、
ZrW2O8、
AlPO4-17（例えば、参照として完全に組み込まれる「Chem Mater.、10(7)、2013-2019、1998」などに記載されるゼオライトである）、又は
これらの混合物、
を含む群から選択された材料を含む。
これらの材料は、本発明における広範囲の応用例に関してこの材料自体が実用的であることを示している。
好ましい実施例に従うと、前記材料は、紫外線又は青色放射波長領域において少なくとも一部を吸収することが可能であり、420nm以上及び800Ｙ以下の間における波長領域において可視光を放射する蛍光材料を含む。
好ましい実施例に従うと前記材料は、
Sc、Y、La、Gd、Luの希土類金属又はこれらの混合物の群から選択されたMを有し、xが0以上及び3以下であり、REがEu、Pr、Sm、Dy又はこれらの混合物から選択された、M2W3-xMoxO12:RE、
Li、Na、K、Rb、Cs又はこれらの混合物の群から選択されたAと、並びにSc、Y、La、Gd、Luの希土類金属又はこれらの混合物の群から選択されたMとを有し、xが0以上及び2以下であり、REがEu、Pr、Sm、Dy又はこれらの混合物から選択された、AMW2-xMoxO8:RE、
Ca、Sr、Ba又はこれらの混合物の群から選択されたXと、Nb、Ta又はこれらの混合物の群から選択されたYと、Sc、Y、La、Gd、Luの希土類金属又はこれらの混合物の群から選択されたMとを有し、xが0以上及び1以下であり、REがEu、Pr、Sm、Dy又はこれらの混合物から選択された、XYMW1-xMoxO8:RE、又は
これらの混合物、
を含む群から選択された蛍光材料を含む。
本発明の好ましい実施例に従うと、ドーピングレベルは、0.001%以上及び100%以下、好ましくは25％以下である。
このことは、本発明における広範囲の応用例に関して更に向上された特徴を有する材料を生じさせることが示されている。好ましくは、ドーピングレベルは、0.1%以上及び10%以下、より好ましくは1%以上及び5％以下である。
本発明の好ましい実施例に従うと、照明システムは、前記材料の熱膨張係数が青色放射ダイの熱膨張係数と一致される青色放射ダイを含む。
「一致される」という用語は、特に、青色放射ダイ及び前記材料が、特に同一の熱膨張係数を有すること、及び／又は、青色放射ダイ及び材料の熱膨張係数が10%以下、好ましくは5%だけ相違することを含む。こうすることによって、２つの成分は、本発明における広範囲の応用例に関して非常に密に接触し得、そして、大動作電流を可能にするＬＥＤダイの優れた冷却へ導く。
他方で、「一致される」という用語は、特に、材料が負の熱膨張係数を有するが、青色放射ダイ及び材料の熱膨張係数が、本質的に同一の絶対値を有する、又は10%以下、好ましくは5%だけ相違することを含む。こうすることによって、ダイの膨張は、前記材料によって「補償され得」、このことは、本発明における広範囲の応用例に関してより小型な照明システムを構築することを可能にさせる。
好ましくは、少なくとも１つの材料は、粉末及び／又はセラミック材料として提供される。
少なくとも第１の材料が少なくとも部分的に粉末として提供される場合、粉末が、2.5μm以上及び25μm以下の、好ましくは15μm以下の、d50を有することが特に好ましい。このことは、本発明における広範囲の応用例に関して有利であることが示されている。
本発明の好ましい実施例に従うと、合成材料は、シリコーン、ガラス、ポリマ、樹脂又はこれらの混合物を含む群から選択された少なくとも１つの第２マトリクス材料を含む。
本発明の好ましい実施例に従うと、（重量／重量での）第１材料と第２材料との比率が0.1:1以上及び10:1以下、好ましくは0.3:1以上及び3:1以下、である。
「セラミック材料」という用語は、本発明の意味において、制御された量の細孔を有する又は細孔の無い結晶性又は多結晶性小型材料又は合成材料を特に意味する及び／又は含む。
「多結晶性材料」という用語は、本発明の意味において、80%より多い単一の結晶領域からなる90%より多い主構成物の体積密度を有する材料であって、各領域が直径に関して0.5μmより大きく、異なる結晶方位を有する、材料を特に意味する及び／又は含む。単一の結晶領域は、アモルファス若しくはガラス状の材料により、又は追加的な結晶性構成物により、結合され得る。
好ましい実施例に従うと、少なくとも１つの材料は、理論密度の90%以上及び100%以下の密度を有する。このことは、少なくとも１つのセラミック材料の発光特性が増加され得るので、本発明における広範囲の応用例に関して有利であることが示されている。
より好ましくは、少なくとも１つの材料が、理論密度の97%以上及び100%以下の、更に好ましくは98%以上及び100%以下の、より更に好ましくは98.5%以上及び100%以下の、最も好ましくは99%以上及び100%以下の密度を有する。
本発明の好ましい実施例に従うと、少なくとも１つのセラミック材料の表面の表面ラフネスRMS（最も高い表面特徴と最も深い表面特徴との間の差の幾何学的平均として測定される、平面の平面度の乱れ）は、0.001μm以上及び5μm以下である。
本発明のある実施例に従うと、少なくとも１つのセラミック材料の表面の表面ラフネスは0.005μm以上及び0.8μm以下であり、本発明のある実施例に従うと、0.01μm以上及び0.5μm以下であり、本発明のある実施例に従うと、0.02μm以上及び0.2μm以下であり、本発明のある実施例に従うと、0.03μm以上及び0.15μm以下である。
本発明の好ましい実施例に従うと、少なくとも１つのセラミック材料の特定の表面領域は10-7m2/g以上及び0.1m2/g以下である。
本発明に従う照明システムは、以下の応用例：
−オフィス照明システム、
−家庭応用例システム、
−店舗照明システム、
−住宅照明システム、
−アクセント照明システム、
−スポット照明システム、
−劇場照明システム、
−光ファイバー応用例システム、
−投影システム、
−自己点灯表示システム、
−画素型表示システム、
−セグメント型表示システム、
−警告標識システム、
−医療照明応用例システム、
−指示標識システム、
−装飾照明システム、
−携帯型システム、
−自動車応用例、
−温室照明システム、及び
−センサにおける応用例、
のうちの１つ又は複数において使用され得る。
上述のコンポーネント、並びに請求項に記載のコンポーネント及び記載される実施例に従い使用されるべきコンポーネントは、サイズ、形状、材料選択及び技術的概念に関していかなる特別な例外に従うことはなく、したがって、関連する分野において知られる選択規準が制限無く適用され得るようにされる。
本発明の目的の追加的な詳細、特徴、特性及び有利な点は、従属項、図面、及び以下の対応する図面及び例の説明において開示され、これらは、例示的な形式で、本発明に従う発光装置において使用する少なくとも１つのセラミック材料のいくつかの実施例及び例、並びに本発明に従う発光装置のいくつかの実施例及び例を示す。
図１は、本発明の第１の実施例に従うＬＥＤの構造の概略的部分側面図を示す。 図２は、本発明の第２の実施例に従うＬＥＤの構造の概略的部分側面図を示す。 図３は、本発明の第３の実施例に従うＬＥＤの構造の概略的部分側面図を示す。 図４は、本発明の例１に従うＬＥＤの放射スペクトルを示す。
図１は、本発明の第１の実施例に従うＬＥＤの構造の概略的部分側面図を示す。
この実施例において、ＬＥＤ１は、ミラー４０が挿入されるＬＥＤ本体６０を含む。（例えば、InGaN又はいずれかの他の適切な材料からなる）青色放射ダイ２０は、ミラー４０内に堆積され、そして、合成材料によって囲まれ、この合成材料は、第２材料１０ｂに（上述されるように）埋め込まれる低又は負の熱膨張係数を有する第１材料１０ａを含み、この第２材料１０ｂは、シリコーン及びＰＭＭＡなどから作製され得る。
第１材料１０ａは、更に、発光性であり、したがって、暖色系白色ＬＥＤを達成するために、ダイ２０によって放射される光の一部を変換するように作用する。第１材料１０ａは、このことを達成するために、均一でなくあり得るが、それ自体で（上述されるように）いくつかの材料を含む。
図２は、本発明の第２の実施例に従うＬＥＤの構造の概略的部分側面図を示す。この実施例は、図１の実施例とは、第１材料１０ａが発光性ではないが、むしろ、変換蛍光体３０が更に存在することにおいて相違する。この蛍光体材料３０は、当業分野において知られるいずれかの材料から選択され得る。この蛍光体材料３０は、均一である必要はなく、同様に、いくつかの材料がマトリクス１０ｂに存在し得ることは明らかである。
図３は、本発明の第３の実施例に従うＬＥＤの構造の概略的部分側面図を示す。この実施例において、ダイ２０は、上述されるように低熱膨張係数を有する材料１０により囲まれている。ＬＥＤ及びセラミック材料が同一の熱膨張を有するので、２つのコンポーネントは、非常に密に接触し得、これにより、大動作電流を可能にするＬＥＤダイの優れた冷却へ導く。
本発明は更に、以下の例１によって理解され得る。
例１
この例において、０に近い熱膨張係数を有するセラミック合成材料によって囲まれるダイを含むＬＥＤが作製された。合成材料は、セリウムがドーピングされたガーネット、すなわち(Y、Gd、Lu)3Al5O12:Ce、Pr及びユーロピウムがドーピングされたタングステン酸塩又はモリブデン酸塩、すなわちLiLaW2O8:Euから構成される。ＬＥＤのスペクトルは図４に示される。
上述の実施例における要素及び特徴の特定の組み合わせは、例示的なもののみであり、本文書及び参照として組み込まれた特許／出願公報における他の教示とこれらの教示の交換及び置換も、明示的に考慮され得る。当業者は、上述の実施例の変更態様、修正態様、及び他の態様が、添付の請求の範囲から逸脱することなく、当業者にとってなされ得ることを理解し得る。したがって、上述の記載は、例示のみであって、本発明を制限するものとして意図とされない。本発明の範囲は、以下の請求項及びその同等なものにおいて規定される。更に、発明の詳細な説明及び請求項において使用される参照符号は、請求される本発明の範囲を制限しない。

Claims (10)

  1. -2×10-6/K以上及び2×10-6/K以下の熱膨張係数αを有する合成材料を含む、特にＬＥＤである、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、前記合成材料が、0×10-6/K以下の熱膨張係数αを有する少なくとも１つの第１材料を含む、照明システム。
  3. 請求項１又は２に記載のシステムであって、前記合成材料が、シリコーン、ガラス、ポリマ、樹脂又はこれらの混合物を含む群から選択された少なくとも１つの第２マトリクス材料を含む、照明システム。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の照明システムであって、（重量／重量での）前記第１材料と前記第２材料との比率が0.1:1以上及び10:1以下である、照明システム。
  5. 6×10-6/K以下の熱膨張係数αを有する少なくとも１つの材料を含む、特にＬＥＤ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、前記材料が酸化物材料である、照明システム。
  7. 請求項５又は６に記載の照明システムであって、前記材料が2.75eV以上のバンドギャップを有する、照明システム。
  8. 請求項５乃至７のいずれか一項に記載の照明システムであって、前記材料が500K以上及び2000K以下のデバイ温度を有する、照明システム。
  9. 請求項５乃至８のいずれか一項に記載の照明システムであって、前記材料が、
    Sc、Y、La、Gd、Luの希土類金属又はこれらの混合物の群から選択されたMを有し、xが0以上及び3以下である、M2W3-xMoxO12、
    Li、Na、K、Rb、Cs又はこれらの混合物の群から選択されたAと、並びにSc、Y、La、Gd、Luの希土類金属又はこれらの混合物の群から選択されたMと、を有し、xが0以上及び2以下である、AMW2-xMoxO8、
    Ca、Sr、Ba又はこれらの混合物の群から選択されたXと、Nb、Ta又はこれらの混合物の群から選択されたYと、Sc、Y、La、Gd、Luの希土類金属又はこれらの混合物の群から選択されたMと、を有し、xが0以上及び1以下である、XYMW1-xMoxO8、
    PbTiO3、
    ZrW2O8、
    AlPO4-17、又は
    これらの混合物、
    を含む群から選択された材料を含む、照明システム。
  10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の照明システムを含む、システムであって、以下の応用例：
    −オフィス照明システム、
    −家庭応用例システム、
    −店舗照明システム、
    −住宅照明システム、
    −アクセント照明システム、
    −スポット照明システム、
    −劇場照明システム、
    −光ファイバー応用例システム、
    −投影システム、
    −自己点灯表示システム、
    −画素型表示システム、
    −セグメント型表示システム、
    −警告標識システム、
    −医療照明応用例システム、
    −指示標識システム、
    −装飾照明システム、
    −携帯型システム、
    −自動車応用例、
    −温室照明システム、及び
    −センサにおける応用例、
    のうちの１つ又は複数において使用される、システム。
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