JP2011082479A - 白色発光装置、白色発光装置の製造方法および応用 - Google Patents

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Abstract

【課題】2種類のみの蛍光体が使用される、白色発光装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】白色発光装置1は、紫外(UV)発光ダイオード(LED)チップ101と第1の蛍光体と第2の蛍光体とから構成され、UV LEDチップ101は、第1の放射を発生し、第1の蛍光体は、Zn(C粉末から構成され且つ第1の放射によって励起されて第2の放射を発生し、第2の蛍光体は、第1の放射および/または第2の放射によって励起されて第3の放射を発生する。第3の放射は、その後、第1の放射および/または第2の放射と混合されて白色光を発生する。
【選択図】図1

Description

本発明は、発光装置およびその発光装置の製造方法を提供する。特に、本発明は、白色発光装置およびその白色発光装置の製造方法を提供する。
白色光は、多数の色から構成される混合光である。ヒトの眼によって白色光として感知される光は、少なくとも2つの波長の混合光から構成される。例えば、ヒトの眼が、赤色、青色および緑色の光に同時に曝される、または青色および黄色の光を同時に知覚すると、その眼は白色光を知覚する。従って、白色発光ダイオード(LED)は、この原理に従って作製され得る。
白色LEDは、世界中で最も重要でかつ価値のある製品の一つである。従来の白熱電球と比較して、白色LEDは、小さい寸法、熱放射のない発光、低い電力消費、長寿命、良好な反応速度といった利点を有し、白熱電球が従来、克服することが困難であった多数の問題に対する解決策を提供する。
従って、欧州、米国及び日本といった先進国は、エネルギーの節約及び環境保護の共通の観点に基づいて、21世紀における新たな光源として白色LEDを使用する。台湾において、白熱電球の4分の1と全ての蛍光灯が白色LEDによって置き換えられるとすると、原子力発電所の年間発電量にほぼ等しい約110億キロワット・時間の電力が、1年あたり節約され得る。この観点において、白色LEDの開発から得られる利益は、驚くべきものであることは明らかである。そのため、欧州、米国及び日本といった先進国は、白色LEDの開発に多くのマンパワーを投入している。従来の発光装置は、次の10年のうちに白色LEDに置き換えられると予測される。
2つの波長光を混合した白色LEDの製造方法が、日亜化学工業株式会社によって、最初に開発された。この方法において、イットリウムアルミニウムガーネット蛍光体層が、460nmの主要発光波長を有する青色LED上に成膜され、その後、イットリウムアルミニウムガーネット蛍光体が、青色LEDによって励起され、青色光の補色光である555nmの主要波長を有する黄色光を生じる。補色光、即ち黄色、及び青色光は、目的の白色光を得るために、レンズの原理によって混合される。
前述の製造方法の特許が日亜化学工業株式会社によって保有されているので、照明産業における多くの人員が、三波長光を開発するのに投入される。青色、緑色および赤色光の三原色蛍光体が、無機UV LEDチップによって提供されるUV光によって励起されて三波長光を生じる。生じた三原色光の比率が適切であれば、その後、それらの混合光は、白色光となるだろう。しかしながら、同時に蛍光を生じるように様々な蛍光体を励起するための必要条件は、選択された励起光源が蛍光によって吸収されなければならないこと、励起光に対する吸収係数の違いが蛍光体間で過度とならないこと、および蛍光体の光子変換の量子効率がまた、可能な限り類似すべきであること、である。明らかに、適切な蛍光材料の種類は著しく限定される。困難な材料の選択に加えて、3つの(又はそれより多い)蛍光体を使用するための混色の式は、混色の原理に基づき、二次以上の非線形方程式である。言い換えると、その色変換率は、2次元以上であり、それゆえ、白色光を得るために三原色蛍光体の比率を調節することは、技術上、より困難である。
この観点において、本発明は、目的の白色光を提供するために、2種類のみの蛍光体が使用される、白色発光装置および白色発光装置の製造方法を提供する。
本発明の目的は、第1の放射を発生するための紫外(UV)発光ダイオード(LED)チップと、Zn(C粉末から構成され且つ第1の放射によって励起されて第1の放射の一部を第1の放射よりも長波長を有する第2の放射へと変換する第1の蛍光体と、第1の放射および/または第2の放射によって励起されて第3の放射を発生する第2の蛍光体と、から構成され、該第3の放射は、その後、第1の放射および/または第2の放射と混合されて白色光を発生する、白色発光装置を提供することである。
本発明の他の目的は、前述の白色発光装置を製造するための方法を提供することであり、該製造方法は、以下の工程:第1の放射を発するためのUV LEDチップを準備する工程と;第1の蛍光体と第2の蛍光体とを準備する工程と;該第1の蛍光体と該第2の蛍光体とを混合する工程と;を備え、該第1の蛍光体は、Zn(C粉末から構成され且つ該第1の放射によって励起されて第2の放射を発生し;該第2の蛍光体は、該第1の放射および/または該第2の放射によって励起されて第3の放射を発生し;該第3の放射は、該第1の放射および/または該第2の放射と混合されて白色光を発生する。
本発明の上記の目的、特徴および利点は、いくつかの実施形態とともに以下の段落においてさらに説明される。
本発明に係る一実施形態の発光装置を示す図である。 UV光によって励起された(SrBaEu)SiO粉末の発光スペクトルを示す図である。 本発明に係る、UV光によって励起された、有機金属錯体Zn(C粉末の発光スペクトルを示す図である。 CIE色度座標を示す図である。
以下、図を参照しながら、発明のいくつかの実施形態を具体的に説明する。しかしながら、本発明は、本発明の精神から逸脱することなく他の実施形態において具現化されてよく、本明細書において説明される実施形態に限定されるべきではない。さらに、図における各要素および領域の寸法は、明確化のため、誇張されて実際の寸法どおりに描かれていなくてもよい。
本発明の白色発光装置は、第1の放射を発生するためのUV LEDチップと、Zn(C粉末から構成され且つ第1の放射によって励起されて、第1の放射の一部を第1の放射より長波長を有する第2の放射へと変換する第1の蛍光体と、第1の放射および/または第2の放射によって励起されて第3の放射を発生する第2の蛍光体と、から構成され、第3の放射は、その後、第1の放射および/または第2の放射と混合されて白色光を発生する。
UV LEDチップによって提供される第1の放射は、第1の蛍光体を励起して第2の放射を発生し得る任意のUV光であってよい。例えば、第1の放射は、約350nm〜約430nmの波長を有するUV光であってよい。
第1の蛍光体が第1の放射によって励起されると発生する第2の放射は、約300nm〜約600nmの波長を有する青色光である。本発明のある実施形態において、第2の放射の主要波長は約440nmである。
第3の放射は、第1の放射および/または第2の放射と混合されて目的の白色光を発生し得る任意の黄色光であってよい。本発明のある実施形態において、第3の放射は、第2の蛍光体が第2の放射によって励起されると発生し、約500nm〜約700nmの波長を有する。第3の放射の主要波長は、約570nmである。
さらに、本発明の発光装置のある実施形態において、提供された白色光の相関色温度は、約6000K〜約7500Kである。
本発明において有用な第2の蛍光体は、第1の放射または第2の放射によって励起されて第3の放射を発生し得る任意の蛍光体であってよく、該第3の放射は、第1の放射または第2の放射と混合されて白色光を発生し得る。概して、第2の蛍光体は、(i)Be,Mg,Ca,SrおよびBaからなる群から選択される一つ又は複数の元素と、(ii)C,Si,Ge,Sn,Ti,ZrおよびHfからなる群から選択される一つまたは複数の元素と、(iii)発光効率を改善するための(ユウロピウム(Eu)といった)希土類元素から選択される活性化剤と、から構成される。例えば、第2の蛍光体は、一般式、MSiO:RまたはMSi(OCl):R(式中、MはCa,SrおよびBaからなる群から選択される一つ又は複数のII族元素であり、RはEuイオンである)で表されてよいが、これに限定されるものではない。例えば、第2の蛍光体は、(SrBa)SiO:Eu2+または(SrBa)Si(OCl):Eu2+であってよく、(SrBa)SiO:Eu2+は、本発明のいくつかの実施形態において使用される。
第1の蛍光体と第2の蛍光体との混合重量比は、目的の白色光を得るように任意に調節されてよい。概して、第1の蛍光体と第2の蛍光体との混合重量比は、約1:2〜約1:6である。本発明のある実施形態において、第1の蛍光体と第2の蛍光体との混合重量比は、約1:4である。結果として得られる蛍光体混合物は、例えば、約0.25:1の重量比率でシリカゲルと混合され、結果として得られる混合物は、蛍光体層103をもたらす。
以下、図1を参照しながら、さらに本発明の白色発光装置を説明する。
図1は、ホルダ10と、UV LEDチップ101と、蛍光体層103と、パッケージ層16と、から構成される白色発光装置1を示す。蛍光体層103は、適切な比率で第1の蛍光体と第2の蛍光体とを混合し、その後、結果として得られる混合物を封入樹脂材料と混合することによって形成される。ホルダ10は、収容スペースSを有し、一方、UV LEDチップ101は、収容スペースS中に載置される。蛍光体層103が、収容スペースSに充填され、一方、UV LEDチップ101は、蛍光体層103によって覆われる。蛍光体層103は、図に限定されず、蛍光体層103は、UV LEDチップ101上にコンフォーマルに形成されてもよい。さらに、UV LEDチップ101は、UV LEDチップ101に対し電力を供給するために、ホルダ10に電気的に接続された第1の電極12と第2の電極14とを有する。パッケージ層16は、蛍光体層103と、ホルダ10の一部とを覆う。例えば、パッケージ層16の材料は、エポキシ樹脂であってよい。
本発明はまた、前述の白色発光装置を製造するための方法を提供する。この方法は、第1の放射を発生するためのUV LEDチップを準備する工程と、有機金属錯体Zn(C 粉末である第1の蛍光体を準備する工程と、第2の蛍光体を準備する工程と、第1の蛍光体と第2の蛍光体とを混合する工程と、から構成される。第1の蛍光体は、第1の放射によって励起されて第2の放射を発生し、第2の蛍光体は、第1の放射および/または第2の放射によって励起されて第3の放射を発生し、第3の放射は、第1の放射および/または第2の放射と混合されて白色光を発生する。第1の蛍光体、第2の蛍光体およびUV LEDチップの特徴および選択条件は、上述されている。
本発明の第1の蛍光体は、水熱法、固相・気相焼結法、ゾルゲル法、直接反応法、又は有機金属熱分解法といった任意の適切な方法によって準備されてよい。一つの実施形態において、第1の蛍光体は、水熱法によって準備される。水熱法は、媒体として水を使用し、反応が進行するように適切な温度を適用することによって密閉反応器中に圧力を生じる。まず、反応物と水とが密閉反応器中に置かれる。反応器を閉じて密閉した後に、加熱して反応を進行させるために加熱炉に載置する。使用される温度は、通常、約130℃〜約250℃の範囲である。水熱法の一つの利点は、高温焼結することなく結晶粉末が入手され得、それゆえ、研磨工程が省かれてよく、それによって生じる不純物も排除され得ることである。結果として得られる粉末の粒子寸法は、通常、約数マイクロメートルから約数十ナノメートルであり、結果として得られる粉末は、通常、良好な結晶性、低凝集性、高純度、狭い粒度分布および殆どの場合において制御可能なトポロジーといった利点を有する。
同様に、前述の適切な公知の方法は、本発明の第2の蛍光体を準備するためにも使用され得る。例えば、ケイ酸塩型蛍光体は、以下のような固相焼結法によって準備され得る。まず、(BaCO,SrCOといった)炭酸塩が、二酸化ケイ素および(活性化剤を提供するために、EuClといった)任意の金属塩化物と混合される。その後、高温焼結工程が実施され、即ち、結果として得られる混合物がるつぼ中に置かれて、炭酸塩を溶解する温度まで加熱される。続いて、還元ガスがるつぼに導入されて、より高温へと加熱される。結果として得られる製造物は、そのるつぼと共に、(酢酸溶液といった)溶液中に置かれ、その後、乾燥されて、目的の蛍光体粉末が得られる。
本発明の白色発光装置は、任意の適切な方法で製造されてよい。例えば、図1を再度参照すると、第1の電極12と第2の電極14とを介してホルダ10に電気的に接続されたUV LEDチップ101は、ホルダ10の収容スペースS中に固定され、その後、第1の蛍光体と第2の蛍光体とを含む混合物が、蛍光体層103として、収容スペースS中に充填される。パッケージ層16は、その後、任意の適切な封入法および(エポキシ樹脂といった)封入材料を使用することによって形成され、図1に示される白色LED1がこれらの工程によって得られる。詳細な工程は、以下の実施形態において説明される。
本発明は、具体的な実施例を用いて更に説明されるだろう。
(実施例)
(蛍光体の製造)
第1の蛍光体は、以下の工程によって製造された。まず、約0.6gのイミダゾール(IMZ)化合物、約1.151gの硝酸亜鉛水和物(Zn(NO)2.4HO)および80mlのジメチルホルムアミド(DMF)が密閉反応器中に置かれた。次に、第1の蛍光体を作製するために、約5℃/分の昇温速度で約130℃まで温度が上昇する水熱法が実施された。続いて、その温度は約24時間維持されて、その後自然に室温にまで降下された。続いて、乾燥工程が実施された。続いて、先ず、溶剤が除去されて、有機金属錯体Zn(C結晶を生じ、結果として得られる結晶は、その後、乾燥のために24時間85℃のオーブン中に真空条件下で置かれて、有機金属錯体Zn(C 粉末が得られた。
(発光スペクトルの測定)
約350nm〜約430nmの主要波長を有するUV LEDチップが、(SrBa)SiO:Eu2+粉末および有機金属錯体Zn(C粉末それぞれを励起するための励起源として使用された。結果として得られる発光スペクトルは、図2Aおよび図2Bにそれぞれ示される。図を参照すると、UV LEDチップによって励起された第1の蛍光体は、青色の蛍光を発生し得、一方、UV LEDチップによって励起された第2の蛍光体は、黄色の蛍光を発生し得る。図3に示すように、前述の発光スペクトルのデータは、国際照明委員会(CIE)によって1931年に制定されたCIE色度座標図の公式を介して蛍光体のCIE色度座標へと変換された。ここで、数字30は、UV LEDチップのCIE色度座標を示し、数字32は、第1の蛍光体のCIE色度座標を示し、数字34は、第2の蛍光体のCIE色度座標を示す。
(発光装置の製造)
図1に示す白色発光装置1は、約350nm〜約430nmの主要波長を有するUV LEDチップ101を使用した。ここで使用された蛍光体層103は、以下の工程によって製造された。まず、有機金属錯体Zn(C粉末が、約4:1の重量比で(SrBaEu)SiO粉末と混合された。結果として得られた混合物は、その後、シリカゲルと混合された。そして、エポキシ樹脂がパッケージ層16の材料として使用された。
ホルダ10は、回路基板に接続された。通電試験が実施されて、それによって得られた色温度およびCIE色度座標が表1に記録され、その座標位置に対し数字36として図4中に印付けられた。
表1と図3におけるCIE色度座標36とから、本発明の白色発光装置は、実際に白色光源を提供し得ることが分かる。
上述したように、本発明の発色発光装置は、効果的に白色光源を提供することができる。たった2つの蛍光体が本発明において使用されるので、費用はより安く、白色光を得るための蛍光体の比率の調整技術が遙かに容易である。
上述の開示は、本発明の詳細な技術内容および特徴に関する。当該分野の当業者は、それらの特徴から逸脱することなく、既述の発明の開示および示唆に基づいて様々な改変および置換を推し進めることができる。それでもなお、そのような改変および置換は、上述の説明においては充分開示されていないが、それらは実質的に添付する以下の請求項の範囲に含まれる。
本出願は、2009年10月5日に出願された台湾特許出願第098133708号に基づく優先権を主張し、当該出願の開示は、その全体が本明細書に援用される。
1 白色発光装置
10 ホルダ
101 紫外発光ダイオード(UV LED)
103 蛍光体層
12 第1の電極
14 第2の電極
16 パッケージ層
S 収容スペース
30,32,34,36 CIE色度座標

Claims (20)

  1. 第1の放射を発生するための紫外(UV)発光ダイオード(LED)チップと、
    Zn(C粉末から構成され、前記第1の放射によって励起されて、該第1の放射の一部を、該第1の放射より長波長を有する第2の放射へと変換する第1の蛍光体と、
    前記第1の放射および/または前記第2の放射によって励起されて第3の放射を発生する第2の蛍光体と、
    から構成され、
    前記第3の放射が、前記第1の放射および/または前記第2の放射と混合されて白色光を発生する、ことを特徴とする白色発光装置。
  2. 前記第2の蛍光体が、Be,Mg,Ca,SrおよびBaからなる群から選択される少なくとも1つの元素と、C,Si,Ge,Sn,Ti,ZrおよびHfからなる群から選択される少なくとも1つの元素と、希土類元素から選択される一つの活性化剤と、から構成される、ことを特徴とする請求項1に記載の白色発光装置。
  3. 前記活性化剤が、ユウロピウム(Eu)イオンである、ことを特徴とする請求項2に記載の白色発光装置。
  4. 前記第2の蛍光体が、一般式、MSiO:RまたはMSi(OCl):Rで表され、式中、MはCa,SrおよびBaからなる群から選択される少なくとも1つのII族元素であり、RはEuイオンである、ことを特徴とする請求項2に記載の白色発光装置。
  5. 前記第2の蛍光体は、(SrBa)SiO:Eu2+または(SrBa)Si(OCl):Eu2+である、ことを特徴とする請求項4に記載の白色発光装置。
  6. 前記第1の蛍光体と前記第2の蛍光体との重量比が約1:2〜約1:6である、ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の白色発光装置。
  7. 前記第1の蛍光体と前記第2の蛍光体との重量比が約1:4である、ことを特徴とする請求項6に記載の白色発光装置。
  8. 前記白色光の色温度が約6000K〜約7500Kである、ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の白色発光装置。
  9. 前記第1の放射の波長が約350nm〜約430nmであり、前記第2の放射の波長が約300nm〜約600nmである、ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の白色発光装置。
  10. 前記第1の放射の波長が約350nm〜約430nmであり、前記第2の放射の波長が約440nmである、ことを特徴とする請求項9に記載の白色発光装置。
  11. 前記第2の蛍光体は前記第2の放射によって励起され、前記第3の放射の波長は約500nm〜約700nmである、ことを特徴とする請求項9に記載の白色発光装置。
  12. 収容スペースを有するホルダをさらに備え、前記UV LEDチップが該収容スペースに載置される、ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の白色発光装置。
  13. 前記第1の蛍光体および前記第2の蛍光体は、前記収容スペース内に充填され、前記UV LEDチップは、該第1の蛍光体および該第2の蛍光体によって覆われる、ことを特徴とする請求項12に記載の白色発光装置。
  14. 前記第2の蛍光体は、一般式、MSiO:RまたはMSi(OCl):Rで表され、式中、Mは、Ca,SrおよびBaからなる群から選択される少なくとも1つのII族元素であり、RはEuイオンである、ことを特徴とする請求項13に記載の白色発光装置。
  15. 前記第1の蛍光体および前記第2の蛍光体は、前記UV LEDチップの発光面上に、コンフォーマルに形成される、ことを特徴とする請求項12に記載の白色発光装置。
  16. 前記UV LEDチップが、個々に前記ホルダに電気的に接続された2つの電極を有する、ことを特徴とする請求項12に記載の白色発光装置。
  17. 第1の放射を発生するためのUV LEDチップを準備する工程と、
    第1の蛍光体と第2の蛍光体とを準備する工程と、
    該第1の蛍光体と該第2の蛍光体とを混合する工程と、
    を備え、
    前記第1の蛍光体は、Zn(C粉末から構成され、かつ前記第1の放射によって励起されて第2の放射を発生し、
    前記第2の蛍光体は、前記第1の放射および/または前記第2の放射によって励起されて第3の放射を発生し、
    該第3の放射は、前記第1の放射および/または前記第2の放射と混合されて白色光を発生する、
    ことを特徴とする白色発光装置の製造方法。
  18. 前記Zn(C粉末は、水熱法によって製造される、ことを特徴とする請求項17に記載の方法。
  19. 前記水熱法が、約130℃〜約250℃の温度下で、密閉反応器中で実施される、ことを特徴とする請求項18に記載の方法。
  20. 前記第2の蛍光体は、化学合成法、固相・気相焼結法、ゾルゲル法、直接反応法および有機金属熱分解法からなる群から選択される方法によって製造される、ことを特徴とする請求項17に記載の方法。
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