JP2012527763A - Ｌｅｄのための光散乱及び変換板 - Google Patents

Abstract

本発明は、非変換の散乱層と薄い変換層とを有する光散乱及び変換板を持つ照明システムに関する。散乱と変換とを分離することによって、当該照明システムの特性は、大いに向上されることができる。

Description

本発明は、発光装置のための新規な発光材料及び化合物に向けられており、特に、ＬＥＤの分野に向けられている。

近年、幾つかの新規な技術及び構成が、ＬＥＤのために開発されており、これらの間で、セラミック変換板及び層が、導入されている。この点に関しては、例えば、参照によって組み込まれる米国特許第２００４／１４５ ３０８号が参照される。

しかしながら、良好な発光及び散乱特性を示す変換板及び層に対する継続的な必要性が、依然として存在する。

本発明の目的は、広範囲の用途において使用可能である照明システムであって、特に、最適化された発光効率及び演色性を備える電球色（warm white）ｐｃＬＥＤの作製を可能にする照明システムを提供することにある。

この目的は、本発明の添付の請求項１に記載の照明システムによって解決される。従って、
ａ）散乱特性及び非変換特性を有する第１の層と、
ｂ）変換特性を有する第２の層と、
を有する少なくとも１つの光散乱及び変換板を有する照明システムであって、
前記第１の層の厚さＡ及び前記第２の厚さＢは、
Ａ≧３＊Ｂ
を満たす、照明システムが、提案される。

好ましくは、Ａ及びＢは、Ａ ≧ ４＊Ｂを満たし、より好ましくは、Ａ ≧ ７＊Ｂを満たす。

「層」及び／又は「板」なる語は、特に、１つの寸法（即ち高さ）において、他の寸法（即ち幅及び長さ）の何れかの４０％以下において延在する、更に好ましくは２０％以下において延在する、最も好ましくは１０％以下において延在する物体を意味している及び／又は含んでいる。

「散乱」なる語は、特に、光の伝搬方向の変化を意味している及び／又は含んでいる。

「変換」なる語は、特に、光の吸収及び他の波長領域における発光の物理的な過程を意味している及び／又は含んでおり、前記光の吸収及び他の波長領域における発光は、例えば、少なくとも１つの基底状態及び少なくとも１つの励起状態を含むと共に、配位座標図（configurational coordinate diagram）の関数として吸収及び発光の中心のポテンシャルエネルギー曲線を示す配位座標図によって記述されることができる放射遷移による。

「非変換特性」なる語は、特に、透過される全ての光のうちの、９５％以上が、更に好ましくは９７％以上が、更に好ましくは９８％以上が、最も好ましくは９８％以上が、変換されることなしに前記プレートを通過することを意味している及び／又は含んでいる。

このような照明システムは、本発明における広範囲の用途に関して、
− 本発明の基礎をなしている基本的な思想のうちの１つの驚くべき結果、即ち散乱と変換との分離は、殆どの用途に関して、共に、放出プロファイルの角度の安定性を有する良好な前方放出が見出されることができることにある。
− 当該照明システムの全体的な構成は、簡単に小さく保持されることができる。
− 照明システムの寿命が、改善された熱放散特性及び改善された化学的安定性のために、かなり延長される。
− 更なる機能層が、１つの層上に設けられるだけで、更に高価な他の層に損傷を与えるリスクを取り除くことができる。
という利点の少なくとも１つを有することが分かっている。

好ましい実施例によれば、前記第２の層は、一次光源と前記第１の層との間の光路内にある。

前記一次光源は、殆どの用途において、青色ＬＥＤであるが、従来技術において当業者に当該分野において知られている如何なる装置も、使用されることができる。

好ましい実施例によれば、前記第１の層及び／又は第２の層は、本質的に、セラミック材料から作られる。

「本質的に」なる語は、本発明の意味において、特に、９０（質量）％以上、更に好ましくは９５（質量）％以上、更に好ましくは９８（質量）％以上、最も好ましくは９９（質量）％以上を意味する。

「セラミック材料」なる語は、本発明の意味において、特に、制御された量の孔を有する又は孔のない（pore free）結晶又は多結晶の小型の材料又は複合物材料であることを意味している及び／又は含んでいる。

「多結晶材料」なる語は、本発明の意味において、特に、主要な成分の９０パーセントより大きいボリューム密度を有する材料を意味している及び／又は含んでおり、８０パーセントよりも大きい単結晶領域から成り、各領域は、直径が０．５μｍよりも大きく、異なる結晶方位を有する。単結晶領域は、アモルファスで又はガラス質の材料によって、又は、付加的な結晶成分によって接続されることができる。

好ましい実施例によれば、前記セラミック材料は、０．００５ｍｍ^３以上、かつ、８ｍｍ^３以下の、更に好ましくは、０．０３のｍｍ^３以上、かつ、１ｍｍ^３以下の、更に好ましくは、０．０８のｍｍ^３以上、かつ、０．１８ｍｍ^３以下のボリュームを有する。

好ましい実施例によれば、前記セラミック材料は、理論的密度の９０％以上、かつ、１００％以下の密度を有する。このことは、少なくとも１つの前記セラミック材料の発光特性が向上されることができるので、本発明における広範囲の用途のために有利であることが分かっている。

更に好ましくは、前記セラミック材料は、理論的密度の９７％以上、かつ、１００％以下の密度を有しており、更に好ましくは、９８％以上、かつ、１００％以下、更により好ましくは、９８．５％以上、かつ、１００％以下、最も好ましくは、９９．０％以上、かつ、１００％以下の密度を有している。

本発明の好ましい実施例によれば、前記セラミック材料の表面の表面粗さＲＭＳ（表面の平面の中断。最も高い表面のフィーチャと最も深い表面のフィーチャとの間の差の幾何平均として測定される。）は、０．００１μｍ以上、かつ、１μｍ以下である。

本発明の一実施例によれば、前記少なくとも１つのセラミック材料の表面の表面粗さは、０．００５μｍ以上、かつ、０．８μｍ以下であり、本発明の一実施例によれば０．０１μｍ以上、かつ、０．５μｍ以下であり、本発明の一実施例によれば０．０２μｍ以上、かつ、０．２μｍ以下であり、本発明の一実施例によれば０．０３μｍ以上、かつ、０．１５μｍ以下である。

本発明の好適な実施例によれば、前記セラミック材料の特定の表面積は、１０^―７ｍ^２／ｇ以上、かつ、０．１ｍ^２／ｇ以下である。

好ましい実施例によれば、前記第２の層の厚さＢは、５μｍ以上、かつ、８０μｍ以下である。このことは、本発明の範囲における多くの用途に関して有利であることが分かっている。こうすることによって、パッキングの効率が大いに向上される一方で、光散乱及び変換板の側部発光が、大いに低減されることができるからである。

好ましくは、前記第２の層の厚さＢは、１０μｍ以上、かつ、５０μｍ以下である。

好ましい実施例によれば、前記第１の層の厚さＡは、５０μｍ以上、かつ、１０００μｍ以下である。このことは、有利であることが分かっている。こうすることによって、多くの用途に関して、前記光散乱及び変換板の発光プロファイルの均一性及び散乱フィーチャが、大いに向上されることができるからである。

好ましくは、前記第１の層の厚さＡは、１００μｍ以上、かつ、３００μｍ以下である。

好ましい実施例によれば、前記第１の層の散乱係数は、０よりも大きく、かつ、１００ｃｍ^−１以下である。

この散乱係数ｓは、式

（ａは、当該層の吸収係数）
に従って、厚さＡを備える薄い層の反射率Ｒ_０及び／又は透過率Ｔ_０の測定によって決定される。

ａ＝０の場合には、この式は、単純に、

となる。

好ましくは、前記第１の層の散乱係数は、１００ｃｍ^−１以上、かつ、５００ｃｍ^−１以下である。

好ましい実施例によれば、前記第１の層の平均屈折率ｎは、１．３以上、かつ、２．５以下である。

好ましい実施例によれば、前記第１の層及び前記第２の層の屈折率間の屈折率の差Δ_ｎは、０．０３以上、かつ、１以下である。このことは、一次光源からの光と多くの用途のための前記第２の層からの変換された光とを混合するのに有利であることが分かっている。好ましくは、Δ_ｎは、０．３以上、かつ、０．５以下である。

好ましい実施例によれば、前記第１の層は、本質的に、ガラス、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、ＲＥ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（ＲＥ＝希土類元素）、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｎＳ、ＡｌＯＮ、ＡｌＰＯＮ、ＡｌＮ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＳｉＣ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４又はこれらの混合物を含むグループから選択される材料から作られる。

好ましい実施例によれば、前記第２の層は、本質的に、ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝３、かつ、０．０９≦ｅ≦０．２４のＬｕ_ｂＹ_ｃＧｄ_ｄＣｅ_ｅＡｌ_５Ｏ_１２、０≦ｕ＜０．２、０＜ｖ＜０．０５、０≦ｘ＜１、０．００１≦ｙ≦０．０１、０．００２≦ｙ≦０．０４、Ｍ＝Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ又はこれらの混合物のＣａ_{１―ｘ―ｙ―ｚ―０．５ｕ}ＭｘＳｉ_{１＋ｕ―ｖ―ｚ}Ａｌ_{１―ｕ＋ｖ＋ｚ}Ｎ_３―ｖＯ_ｖ：Ｅｕ_ｙ、Ｃｅ_ｚを有するグループから選択される材料から作られる。

好ましい実施例によれば、当該板は、前記１の層と前記第２の層との間に設けられると共に、本質的に接着材（好ましくは、シリコーン接着剤）から作られる第３の層を有している。

本発明は、更に、光散乱及び変換板を生産する方法であって、
ａ）第１の層及び第２の層を設けるステップであって、これにより前記第２の層の厚さが、所望のものよりも大きい、ステップと、
ｂ）前記第１の層及び前記第２の層を接続するステップであって、オプションとして、前記第１の層と前記第２の層との間に設けられると共に、本質的に接着材から作られる第３の層の使用によって接続するステップと、
ｃ）例えば、研削によって、前記第２の層の厚さを機械的に減少するステップと、
を有する方法に関する。

こうすることによって、多くの用途に関して、本発明による光散乱及び変換板が、前記第２の層の小さい厚みの場合でさえも、容易に、かつ、効果的に（effectfully）作られることができる。

本発明による照明システムは、幅広い種類のシステム及び／又は用途において有用であり得て、これらの中に、
− オフィス照明システム、
− 家庭用途システム
− 店舗照明システム、
− 家庭照明システム、
− 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、
− ファイバーオプティックス用途システム、
− 投影システム、
− 自己発光（self-lit）表示器システム、
− ピクセル化された表示器システム、
− 分割された表示器システム、
− 警告標識システム、
− 医学的な照明用途システム、
− 指標標識システム、
− 装飾的な照明システム、
− 携帯型システム、
− 自動車用途、及び
− 温室照明システム
の１つ以上がある。

上述した構成要素、添付請求項に記載の構成要素、並びに上述の実施例における本発明によって使用される構成要素は、関連する分野において知られている選択基準が、制限を伴うことなく適用されることができるように、大きさ、形状、材料選択及び技術的な概念に関する何らかの特別な例外の影響を受けるものではない。

本発明の目的の更なる詳細、フィーチャ、特性及び有利な点は、添付の従属請求項に記載されており、添付図面とそれぞれの図及び例に関する以下の記載とは、例示的な様式におけるものであり、本発明による照明システムにおける使用のための発光材料の幾つかの実施例及び例、並びに本発明による照明システムの幾つかの実施例及び例を示している。

本発明の一実施例による照明システムの非常に模式的な構成を示している。 図１の光散乱及び変換板の詳細な非常に模式的な図を示している。 本発明の例Ｉによる光散乱及び変換板の詳細の写真を示している。 本発明の実施例ＩＩによる光散乱及び変換板の詳細の写真を示している。 本発明の実施例Ｉ及びＩＩと比較例とによる２つのＬＥＤの空間放射パターンを示している。 本発明の実施例Ｉ及びＩＩと比較例とによる２つのＬＥＤの発光スペクトルを示している。 本発明の実施例Ｉ及びＩＩと比較例とによる２つのＬＥＤのプランク軌跡を示しているＣＩＥ １９３１色度図を示している。

図１は、本発明の一実施例による照明システムの非常に模式的な構成図を示している。図１の大部分は、従来技術であって当業者に知られているので、簡単に記載されるのみである。図１の照明システムは、単に例示的なものであり、当業者であれば、自由に（at lib）異なる部分を使用する又は交換することができる。

照明システム１は、この上に光散乱及び変換板１０が設けられている薄膜チップ青色ＬＥＤ２０を有しており、両方とも、レンズによって覆われている。

図２は、図１の光散乱及び変換板の詳細な非常に模式的な図を示している。板１０は、第１の層１２（厚さＡ有する）と、第２の層１４（厚さＢを有する）と、これらの間のシリコン(silicon)接着剤層１６とを有する。図２は、非常に模式的なものであり、大部分の用途において、実際の寸法は、かなり異なる。板１０は、第２の層１２が青色チップＬＥＤ２０と第２の層１４との間の光路内にあるように、照明システム１内に設けられることに留意されたい。

この発明は、以下の実施例Ｉ及びＩＩによって更に理解され、実施例Ｉ及びＩＩは、単に例示的な仕方において、本発明の幾つかの照明システムを示している。

当該例において、Ｙ_２．８８Ｃｅ_{０．０１２}Ａｌ_５Ｏ_１２層（即ち第２の層１４）は、３００μｍの厚さまでの焼結の後（after sintering to 300μm）１．１ｍｍの厚いウェハから両側から研磨された。更に、結晶Ａｌ_２Ｏ_３の９９．９８パーセントの質量密度を有する１ｍｍ厚さの多結晶Ａｌ_２Ｏ_３層（ＰＣＡ、第１の層１２）は、１５０μｍまで研磨された。次いで、前記第１の層は、シリコーン（silicone）層（信越化学工業株式会社のＫＪＲ―９２２２Ａ及びＫＪＲ―９２２２Ａ、混合比１：１）によってコーティングされ、前記第２の層が取り付けられ、前記シリコーン層は、１時間にわたって１００℃の温度において硬化され、２時間にわたって１５０℃の温度において硬化される。

この接着の後に、第２の層１４は、更に、それぞれ、１７μｍの厚さ（例Ｉ）及び３０μｍの厚さ（例ＩＩ）まで研磨された。

次いで、両方の板が０．９９×０．９９のｍｍ^２にダイシングされ、約４５０ｎｍにおいて発光する青色ＴＦＦＣＬＥＤ上に取り付けられ、レンズを取り付けられた。ＬＥＤのパッケージングが、Ｌｕｍｉｒａｍｉｃ蛍光変換ＬＥＤに対するのと同様になされた。

更に、比較例Ｉは、当該発明の例になぞらえて行なわれた。この比較例において、前記第２の層は、１２０μｍの厚さに設定され、Ｙ_{２．８４２}Ｇｄ_０．１５Ｃｅ_{０．００８}Ａｌ_５Ｏ_１２（即ち、より高い厚さに整合するためのより低いＣｅｒｉｕｍ含有量）から作られる。
図３は、本発明の例Ｉによる光散乱及び変換板の詳細の写真を示している。前記光散乱及び変換板は、２０５μｍの全体的な厚さを有しており、これにより、前記第１の層は、約１４０μｍの厚さであり、前記第２の層は、約３０μｍの厚さであり、前記シリコン層は、約３５μｍの厚さである。

図４は、本発明の実施例ＩＩによる光散乱及び変換板の詳細の写真を示している。たまたま、前記光散乱及び変換板は、やはり２０５μｍの全体的な厚さを有しているが、ここで、前記第１の層は、約１４６μｍの厚さであり、前記第２の層は、１７μｍの厚さであり、前記シリコン層は、約４２μｍの厚さである。

図５は、本発明の実施例Ｉ及びＩＩと比較例とによる２つのＬＥＤの空間放射パターンを示している。当該比較例のＬｕｍｉｒａｍｉｃ変換板の表面からの放出のために、大きい放出角度における放射束は、本発明の例Ｉ及び例ＩＩの変換板によってＬＥＤによって発される大きい角度における束と比較してより高い。

図６は、本発明の実施例Ｉ及びＩＩと比較例とによる２つのＬＥＤの放出スペクトルを示している。比較例（１２０μｍ）に関して、全体の変換強度は低く、発された青色光のピークは、変換された光の最大値よりも非常に大きい。３０μｍの例の場合、両方ピークはおよそ等しく、前記光散乱及び変換板の高い有効性を示している。

図７は、本発明の実施例Ｉ及びＩＩと比較例とによる２つのＬＥＤのプランク軌跡及び色点を示しているＣＩＥ１９３１色度図を示している。本発明による散乱及び発光板のために、約４０００Ｋの低い色温度が、この３０μｍの例によって実現されているのに対し、変換層１２の大きさ（即ち１７μｍ）の小さい変化が、約１００００Ｋまでの色温度の劇的な上昇をもたらしていることが分かる。厚さ及びセリウム濃度の変化は、１００００Ｋよりも高く、かつ、４０００Ｋ以下範囲の色温度の白色ＬＥＤの生成を利用可能にする。

上述の実施例における要素及びフィーチャの特定の組み合わせは、単に例示的なものであり、この特許／出願及び参照として本明細書に組み込まれている特許／出願のこれらの教示と他の教示との交換及び置換も、明確に考察されることができる。当業者であれば認識することができるように、本明細書に記載されていることの変化、変形及び他の実施化は、添付請求項に記載の本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、当業者に見出されることができる。従って、上述の記載は、単に一例によるものであり、限定的なものとみなされてはならない。「有する」という語は、請求項に記載されていない構成要素又はステップの存在を排除するものではなく、単数形の構成要素は、複数のこのような構成要素を排除するものではない。特定の手段が、相互に異なる従属請求項において引用されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように使用されることができないと示すものではない。この本発明の範囲は、添付の請求項及びこれらに対する均等な範囲に規定される。更に、本明細書及び添付請求項において使用されている符号は、添付請求項に記載の本発明の範囲を限定するものではない。

Claims (10)

1. ａ）散乱特性と本質的に非変換特性とを有する第１の層、及び
   ｂ）変換特性を有する第２の層、
   を有する少なくとも１つの散乱及び変換板を有する、照明システムであって、
   前記第１の層の厚さＡ及び前記第２の層の厚さＢは、
   Ａ≧３＊Ｂ
   を満たす、照明システム。
2. 前記第２の層は、一次光源と前記第１の層との間の光路内にある、請求項１に記載の照明システム。
3. 前記第１の及び／又は第２の層は、本質的にセラミック材料から作られる、請求項１又は２に記載の照明システム。
4. 前記第２の層の厚さＢは、５μｍ以上、かつ、８０μｍ以下である、請求項１又は２に記載の照明システム。
5. 前記第１の層の厚さＡは、５０μｍ以上、かつ、１０００μｍ以下である、請求項１又は２に記載の照明システム。
6. 前記第１の層Ａの散乱係数は、０ｃｍ^―１よりも大きく、かつ、１０００ｃｍ^―１以下である、請求項１又は２に記載の照明システム。
7. 前記第１の層及び前記第２の層の屈折率間の屈折率の差Δ_ｎは、０．０３以上、かつ、１以下である、請求項１又は２に記載の照明システム。
8. 前記板は、前記第１の層と前記第２の層との間に設けられると共に本質的に接着材から作られる第３の層を有している、請求項１又は２に記載の照明システム。
9. 請求項１又は２に記載の光散乱及び変換板を生成する方法であって、
   （ａ）第１の層及び第２の層を設けるステップであって、前記第２の層の厚さは、所望のものより大きい、ステップと、
   （ｂ）前記１の層及び第２の層を、オションとして第１の層と第２の層との間に設けられていると共に本質的に接着材から作られる第３の層を使用することによって、接続するステップと、
   （ｃ）例えば、研磨によって、前記第２の層の厚さを機械的に減少するステップと、
   を有する方法。
10. 請求項１又は２に記載の照明システムを有するシステムであって、
    − オフィス照明システム、
    − 家庭用途システム
    − 店舗照明システム、
    − 家庭照明システム、
    − 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、
    − ファイバーオプティックス用途システム、
    − 投影システム、
    − 自己発光表示器システム、
    − ピクセル化された表示器システム、
    − 分割された表示器システム、
    − 警告標識システム、
    − 医学的な照明用途システム、
    − 指標標識システム、
    − 装飾的な照明システム、
    − 携帯型システム、
    − 自動車用途、及び
    − 温室照明システム
    の少なくとも１つにおいて使用されるシステム。

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