JP2019508893A - Ledシステム - Google Patents

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Abstract

LEDシステムは、揮発性有機化合物(VOC)の存在に対して敏感な一つ以上の素子を含む密封内部空間を備え、その内部空間内に、少なくとも二種の異なるゼオライトの組み合わせを備えるVOC除去用ゲッター組成物が存在する。

Description

本発明は、揮発性有機化合物(VOC,volatile organic compound)除去用ゲッター組成物を含むLEDシステムに係る。
LEDは、電子と正孔の再結合を用いて光子を発生させる一部半導体物質の光学特性を利用する光電デバイスであることが知られている。所謂pn接合を得るための電子用のn型ドーパントを含む領域と正孔用のp型ドーパントを含む領域という二つの領域から電子と正孔が再結合領域に注入される。
LEDの発光は、半導体物質によって、及び/又は一種以上の発光物質(蛍光体(燐光体))によって定められ、それら各々は可視スペクトルの明確に定められた領域内で発光し、多様な色がそれら物質の適切な組み合わせによって得られる。例えば、赤色LEDと緑色LEDと青色LEDを組み合わせることによって白色光を得ることができ、また、単一の青色/UV LEDを用いて、より長い波長で再発光する隣接の蛍光体(燐光体)を励起して、蛍光体(燐光体)を有する単一のLEDが黄色等の適切な色スペクトルを呈するようにすることができ、また、黄色及び赤色がLEDからの青色発光と組み合わさって、白色光を与える。
本質的に、LEDは半導体物質の薄いシート(「ダイ」と称されることが多い)で構成され、その薄いシートの上に蛍光体(燐光体)が分布し、薄いシートは、電力供給及び熱分散用の適切な構造体に接続される。
次いで、ダイがポリマー封止材によって保護されて、そのシステムはLEDパッケージとしてよく知られている。
本発明の目的において、LEDシステムとの用語は、従来の基板に取り付けられポリマー樹脂で封止された単純なLEDパッケージ、及び、LEDパッケージ及び追加の構成要素(ヒートシンク、反射体、拡散体、バルブ、外部エンベロープ等)で構成された照明デバイスとの両方を含むものである。
こうしたLEDシステムの共通の特徴はその気密性であり、つまり、システムが外部環境に対する直接的な開口や経路を有さないことであるが、これは、本出願人の名義による特許文献1の開示とは異なる。
LEDシステムは、従来の光源よりも増強された発光及び長い寿命を有するが、封止物質及び/又は他の物質(接着剤(特にエポキシ系接着剤)、シーリング物質、フィラー、はんだペースト、残留溶媒、コーティング、ガスケット等)によって放出され得る揮発性有機汚染物質の存在による性能劣化及び顕著な信頼性の問題を有し得る。こうした内部汚染源に加えて、VOCは浸透によって外部環境からもLEDシステム内に入り得る。
気密LEDシステムでは動作温度が比較的高くなり、最も一般的なシステム及び構成では、60℃から120℃の範囲である。
こうした動作条件では、動作中に発生するVOCがシステム内部にトラップされるか、その放出速度が非常に遅く、結果として、気密LEDシステム内に拡散して、封止材の変色や透明性の低下を生じさせ、光束に関する性能劣化や、色ずれをもたらす。
こうした問題を解消するため、LED製造業者はVOC放出物質の使用を最大限回避しようとしているが、これはLEDシステムの設計及び製造における制約をもたらし、例えば、特定の種類のPCB(printed circuit board,プリント回路板)を使用することによって製造が極めて高価になり得る。更に、LEDの寿命全体にわたってこうした物質の侵入及び放出を完全に回避することはできないので、在庫として保管されていて実際の使用前であっても徐々に劣化する。
VOCの悪影響及び劣化メカニズムについての更なる詳細は、非特許文献1に載っている。
特許文献2には、電子デバイスにおいてVOC汚染物質に対処するための解決策が記載されていて、脱酸素剤と共に使用される有害有機蒸気除去用の適切な物質としてのゼオライトの使用が記載されている。一方、特許文献3にも同様に、VOC等の有害物質の除去用の適切な物質としてのゼオライトの使用が開示されている。また、特許文献4には、酸素、水及び他の汚染物質の除去用のゼオライトを含む集積ゲッターを備える密封LEDシステムが開示されているが、VOCについては特に言及されていない。
LEDシステム内部における最も一般的なVOC汚染物質は、トルエン、ベンゼン、キシレン、ヘプテン、ヘプタン、ドデカン、ウンデカン、これらのアルキル(例えば、メチル)誘導体、シラノール類及びこれらのアルキル誘導体、エーテル類、ケトン類、アルデヒド類、アミン類である。
国際公開第2016/181293号 米国特許出願公開第2004/0127358号明細書 国際公開第2016/154156号 米国特許出願公開第2005/0230691号明細書 国際公開第2015/053706号 欧州特許第1851783号明細書 欧州特許第2408942号明細書 米国特許第6169361号明細書 国際公開第2007/066372号 国際公開第2008/148781号 欧州特許第1595930号明細書
Vossloh-Schwabe、"Chemical Incompatibilities affecting LEDS"、[online]、インターネット〈URL: https://www.vossloh-schwabe.com/fileadmin/user_upload/Download/Produkte/Chemical_Incompatibility_EN.pdf〉
本発明の目的は、上記問題を解決して、LEDシステムにおけるVOC除去用の改善された解決策を提供することができるLEDシステムを提供することであり、その第一態様において、LEDシステムは密封内部空間を備え、その内部空間内には揮発性有機化合物(VOC)除去用ゲッター組成物が存在し、そのVOC除去用ゲッター組成物はゼオライト物質組み合わせを備え、そのゼオライト物質組み合わせの一成分は、MFI(mordenite framework inverted,モルデナイトフレームワークインバーテッド)、フォージャサイト13X、モルデナイトのうち一種以上から選択され、そのゼオライト物質組み合わせは、4質量%から25質量%の量でLTA(Linde type A,リンデタイプA)ゼオライトを含む。
好ましくは、そのVOC除去用ゲッター組成物の複数種のゼオライト量は以下の式で与えられる:
(MFI)+(フォージャサイト13X)+(モルデナイト)+(LTA)
ここで、x、y、z、dは、VOC除去用ゲッター組成物中のゼオライト種の質量%であり、
・ xは0から80であり、
・ yは0から90であり、
・ zは0から60であり、
・ dは4から25であり、
・ x+y+z+dは100である。
上記定義及び式は、LED内部空間内の他の化合物/物質の存在を除外するものではなく、従って、これらの範囲は、上記他の種類のゼオライトに対するLTAゼオライトの質量比(本発明の目的及び効果のためにはその存在が必須である)と、ゼオライト物質組み合わせ中の他の種類のゼオライトの質量比を定めるものである点を強調しておくので理解されたい。
本発明者は、本発明に係るゲッター物質が、特許文献2に記載されているようなゼオライトの一般的使用よりもVOCに対して高い容量を有することを見出した。
本発明の目的にとって、好ましくは、ゼオライトは、700m/gよりも大きな表面積と、4オングストローム以上の細孔寸法とを有する。
ゼオライトの平均サイズは、好ましくは200μm未満であり、更に好ましくは100μm未満である。非球形粉末の場合、サイズとは、最大の粒子寸法のことを称し、その値が平均値の決定に用いられる。また、粒子の90%が1μm以下のサイズを有する分布(X90<1μm)を有するゼオライトとして定義されるサブミクロン寸法のゼオライトが使用可能であるが、これに関する複雑性の増大と高いコストによって性能改善が相殺される。
単位自由内部空間当たりのゲッター組成物の量は、好ましくは0.04mg/cmから0.60mg/cmであり、より好ましくは0.06mg/cmから0.40mg/cmである。自由内部空間は、成分/物質が存在しない密封LEDシステムの内部空間、つまり、真空に保たれている又は適切なガスやガス混合物で充填されたLEDシステムの部分として定義される。
特許文献5に記載されているように、本発明のゲッター解決策と共に使用して、VOC酸化化合物をLEDシステムに挿入することが有用となり得る。
適切な物質を用いてVOCを酸化させるのに二つのメカニズムが利用可能である。一方の場合、VOC酸化化合物が酸素分配剤であり、LEDシステム内の高温によってもVOCが酸化する。この場合、好ましい酸素放出組成物は、MgO、MgZn(x+yの和=1)、CaO、ZnO、Li、NaCO:1.5H、NaBO:nHO、KMnO、Ca(MnOのうち一種以上から選択される。
他方のVOC酸化メカニズムは、物質自体の表面上でのVOCの反応を促進する酸化物を使用するものである。この場合、好ましい酸化物質は、CuO、ZnO、MgO、LiO、TiO、MnO、PdOである。両場合において有用なVOC酸化化合物の量は、LEDシステムの単位自由内部空間当たり0.05mg/cmから2.0mg/cmであり、好ましくは0.15mg/cmから1.5mg/cmである。
追加の酸化化合物(酸素分配剤、又は表面反応メカニズムでの酸化物である)とのVOCの反応は水を発生させるので、0.03mg/cmから1.5mg/cmの有用な量のCaOも存在する。
代替実施形態では、本発明に係るゲッターシステムは、水素放出物質と共に用いられる。その水素放出物質は、単位自由内部空間当たり0.05mg/cmから1.0mg/cmの量で存在し、好ましくはLiH、NaH、MgH、CaH、LiAlH、LiBH、NaAlH、TiH、ZrH、YH、ZrCr(2−x)Mn(xは0から2)、LaNi(5−y)Al(6+z)、LaNi(5−y)Sn(6+z)(yは0から0.25、zは0から0.5)、及びこれらの準化学量論的化合物から選択される。
この種の解決策の利点は、水素放出物質から放出可能な水素の高熱伝導性の観点においてLEDシステムの熱分散が改善される点である。また、この種の解決策は、VOC酸化化合物が同時に存在することを除外する。VOC酸化化合物と水素放出化合物という二つの解決策は、二つの異なる効果を達成するものであり、異なる状況において選択的に用いられる。即ち、第一の場合では、LEDシステムにおけるVOC発生/浸透の過渡性及び急増の可能性に対処するのに有用なVOC除去の相乗効果が存在し、一方、第二の解決策は熱伝導性を改善し、対処すべき想定されるVOC発生が一定であるか又は少なくとも特定の閾値未満である場合に最も有用に採用される。
これら両追加物質は任意選択的に存在するものであり、本発明に係るLEDシステムの主な利点はLEDシステムの内部空間内に存在するVOCの効果的な除去を保証して、変色及び透明性の低下による照明性能劣化を防止する点であるので、本発明に係るLEDシステムはVOC除去用ゲッター組成物のみを使用することができるものであることに留意されたい。
本発明に係るLEDシステムに関する他の利点は、時間に対してVOCが完全に存在しないことやVOC放出及びVOC浸透のメカニズムを気にせずに、用いられる物質を選択できることの自由度によって与えられるものであり、システムがより信頼性のあるものとなり、製造が簡単且つ安価になる。特に、一部のLEDシステムでは、シラノール類やシロキサン類等の特定の化合物が、使用物質から放出され得て、その性能に悪影響を有し得る。
例えば、LEDレーザーパッケージ(レーザーダイオードパッケージとも称される)では、シロキサン類、例えば、揮発性メチルシロキサン類、ヘキサメチルジシロキサン、ヒドロキシトリメチルシラン、ヘキサメチルシクロトリシロキサン、オクタメチルシクロテトラシロキサン、デカメチルシクロペンタシロキサン、ドデカメチルシクロヘキサシロキサン、他の低分子量シロキサン類(1000原子質量単位未満の分子量)等が望ましくなく、本発明のゲッター物質の採用が、汚染を低レベルに保つためのそれらの除去に有用である。
ゲッター物質の適切な構成は粉末状、例えば容器内で圧縮された粉末状である。このような構成の例は当業者には広く知られていて、例えば、本出願人の名義による特許文献6及び特許文献7に載っており、それらの教示は参照として本願に組み込まれる。代替実施形態では、ゲッター物質粉末を、20質量%から80質量%の有用な量の保持助剤として機能する無機物質と共に容器内で混合及び圧縮し得て、好ましくはその無機物質は、Cu合金、Sn合金、カオリナイト粘土、モンモリロナイト粘土のうち一種以上の物質から選択される。他の適切な幾何学的構成は特許文献8に記載されており、この場合、酸素分配解決策についてのみ言及されているが、そのような構成は本発明においても有用に採用可能である。
代わりに、ゲッター物質を独立型(又は自立型)の圧縮粉末状で使用することができる。この場合、好ましい形状はピル又はタブレット(錠剤)であり、この場合の更なる詳細は特許文献7に載っている。この構成の代替実施形態では、50質量%よりも多い量、好ましくは60質量%から90質量%の量で存在する無機マトリクスによってゲッター粉末が保持される。好ましくは、保持マトリクス用の適切な無機物質は、Cu合金、Sn合金、カオリナイト粘土、モンモリロナイト粘土のうち一種以上から選択される。
ゲッター物質用の他の好ましい構成は、適切なポリマーマトリクス中に分散した粉末状、又はガス透過性ポリマーエンベロープ中に含まれた粉末状である。好ましいマトリクス及びポリマーエンベロープ物質は、高密度ポリエチレン(HDPE,high density polyethylene)、低密度ポリエチレン(LDPE,low density polyethylene)、ポリプロピレン(PP,polypropylene)、ポリスチレン(PS,polystyrene)、ポリエチレンテレフタレート(PET,polyethylene terephthalate)、ポリ塩化ビニル(PVC,polyvinyl chloride)から選択される。ゲッター物質構成用のこの種の解決策は既知であり、例えば、本出願人の名義による特許文献9及び特許文献10に記載されている。
代わりに、活性組成物を適切な支持片、好ましくは金属片上に適用することができる。好ましい実施形態では、本出願人の名義による特許文献11に記載されているように、活性組成物は、ポリマーマトリクス、例えばポリエステルエポキシ樹脂、エポキシアクリル樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、シロキサンマトリクス、シリコーングリース、ポリイミド、ポリイミド樹脂、好ましくはシリコーン系樹脂中に分散され、支持体上に堆積及び接着される。
一般的に言って、本発明は、粉末が使用されることを想定しているが、適切な化学剤(バインダー)によって、又は適切な硬化処理、例えば焼結等の熱処理によって、適切に分散及び結合させることでも有利に使用可能である。
任意選択的で相互排他的なVOC酸化化合物又はH分配物質が本発明に係るLEDシステム内に存在している場合、そうした化合物や物質をゲッター組成物と混合することができるし、又は、LEDシステムの異なる部分/領域に別々に配置することができる。
本発明は特定のLEDシステムに限定されるものではなく、特に、本発明に係るLEDシステムデバイスは主に二種類あり、一つ目はランプ等の発光デバイスであり、二つ目は、レーザーダイオードシステム及びパッケージ等の光駆動デバイスである。
以下の非限定的な例を参照して本発明を更に例示するが、その例では、表1に詳述されている組成の圧縮粉末混合物を含む金属リングのサンプルのトルエン吸着の相対的性能を評価していて、本発明に従って作製されたサンプルS1((MFI)20+(フォージャサイト13X)45+(モルデナイト)20+(LTA)15)を基準として用いる。
1mbarの一定圧力で室温に保たれたトルエンに対する吸着容量をマイクロバランス(微量天秤)によって測定して、特性評価試験を行ったが、この試験は、本発明に含まれるサンプル(S1〜S3)と本発明に含まれない三つの比較例(C1〜C3)に対して行われた。
Figure 2019508893
表1において、匹敵との用語は、基準S1に対して容量の差が±7.5%であることを示し、劣るとの用語は、S1に対して10%から30%低い容量を示し、かなり劣るとの用語は、S1に対して30%以上低い容量を示す。
本発明に係る組成物S1〜S3が匹敵する容量を有する一方で、三つ全ての比較例C1〜C3は、本発明の範囲外の質量%のLTAゼオライトを有し、C1及びC3では多く、C2では少なく、全体的なトルエン除去容量に関して性能が劣る。
本発明の目的は、上記問題を解決して、LEDシステムにおけるVOC除去用の改善された解決策を提供することができるLEDシステムを提供することであり、その第一態様において、LEDシステムは密封内部空間を備え、その内部空間内には酸素放出組成物と、揮発性有機化合物(VOC)除去用ゲッター組成物が存在し、そのVOC除去用ゲッター組成物はゼオライト物質組み合わせを備え、そのゼオライト物質組み合わせの一成分は、MFI(mordenite framework inverted,モルデナイトフレームワークインバーテッド)、フォージャサイト13X、モルデナイトのうち一種以上から選択され、そのゼオライト物質組み合わせは、4質量%から25質量%の量でLTA(Linde type A,リンデタイプA)ゼオライトを含む。
これら両追加物質は任意選択的に存在するものであり、本発明に係るLEDシステムの主な利点はLEDシステムの内部空間内に存在するVOCの効果的な除去を保証して、変色及び透明性の低下による照明性能劣化を防止する点であるので、本発明に係るLEDシステムはVOC除去用ゲッター組成物に加えて、それら追加物質のうち一方のみを使用するものであることに留意されたい。
互排他的なVOC酸化化合物又はH分配物質をゲッター組成物と混合することができるし、又は、LEDシステムの異なる部分/領域に別々に配置することができる。

Claims (17)

  1. ゼオライト物質組み合わせを備える揮発性有機化合物除去用ゲッター組成物を含む密封内部空間を備えるLEDシステムであって、前記ゼオライト物質組み合わせの一成分がMFI(モルデナイトフレームワークインバーテッド)とフォージャサイト13Xとモルデナイトとのうち一種以上から選択され、前記ゼオライト物質組み合わせがLTA(リンデタイプA)ゼオライトを含み、前記LTAゼオライトが4質量%から25質量%の量で含まれていることを特徴とするLEDシステム。
  2. 前記揮発性有機化合物除去用ゲッター組成物中の複数種のゼオライトの量が式
    (MFI)+(フォージャサイト13X)+(モルデナイト)+(LTA)
    によって与えられ、
    x、y、z、dが前記揮発性有機化合物除去用ゲッター組成物中のゼオライト種の質量%であり、
    xが0から80であり、
    yが0から90であり、
    zが0から60であり、
    dが4から25であり、
    x+y+z+dが100である、請求項1に記載のLEDシステム。
  3. 単位自由内部空間当たりの前記揮発性有機化合物除去用ゲッター組成物の量が0.04mg/cmから0.60mg/cm、好ましくは0.06mg/cmから0.40mg/cmである、請求項1又は2に記載のLEDシステム。
  4. 前記揮発性有機化合物除去用ゲッター組成物のゼオライトが、700m/gよりも大きな表面積と、4オングストローム以上の細孔寸法とを有する、請求項1から3のいずれか一項に記載のLEDシステム。
  5. 前記揮発性有機化合物除去用ゲッター組成物がシラノール類及び/又はシロキサン類を除去する、請求項1から4のいずれか一項に記載のLEDシステム。
  6. 前記揮発性有機化合物除去用ゲッター組成物に加えて、揮発性有機化合物酸化化合物が前記密封内部空間内に存在する、請求項1から5のいずれか一項に記載のLEDシステム。
  7. 前記揮発性有機化合物酸化化合物が、MgO、MgZn(x+yの和=1)、CaO、ZnO、Li、NaCO:1.5H、NaBO:nHO、KMnO、及びCa(MnOのうち一種以上から選択された酸素放出組成物である、請求項6に記載のLEDシステム。
  8. 前記揮発性有機化合物酸化化合物が、CuO、ZnO、MgO、LiO、TiO、MnO、及びPdOのうち一種以上から選択され且つ揮発性有機化合物と直接反応する酸化物であるか又は該酸化物を含む、請求項6又は7に記載のLEDシステム。
  9. 単位自由内部空間当たりの前記揮発性有機化合物酸化化合物の量が0.05mg/cmから2.0mg/cm、好ましくは0.15mg/cmから1.50mg/cmである、請求項6から8のいずれか一項に記載のLEDシステム。
  10. 単位自由内部空間当たり0.03mg/cmから1.5mg/cmの量のCaOが更に存在する、請求項6から9のいずれか一項に記載のLEDシステム。
  11. 前記揮発性有機化合物除去用ゲッター組成物が、200μm未満、好ましくは100μm未満の平均粒子サイズを有する粉末である、請求項1から10のいずれか一項に記載のLEDシステム。
  12. 前記揮発性有機化合物除去用ゲッター組成物に加えて、水素放出組成物が前記密封内部空間内に存在する、請求項1から5のいずれか一項に記載のLEDシステム。
  13. 前記水素放出組成物が、LiH、NaH、MgH、CaH、LiAlH、LiBH、NaAlH、TiH、ZrH、YH、ZrCr(2−x)Mn(xは0から2)、LaNi(5−y)Al(6+z)、LaNi(5−y)Sn(6+z)(yは0から0.25、zは0から0.5)、及びこれらの準化学量論的化合物から選択されている、請求項12に記載のLEDシステム。
  14. 前記水素放出組成物の量が単位自由内部空間当たり0.05mg/cmから1.0mg/cmである、請求項12又は13に記載のLEDシステム。
  15. 前記揮発性有機化合物除去用ゲッター組成物が粉末であり、
    前記粉末が金属容器内に圧縮され、該金属容器が20質量%から80質量%の量の保持無機助剤を任意選択的に含み、該保持無機助剤が好ましくはCu合金、Sn合金、カオリナイト粘土、及びモンモリロナイト粘土のうち一種以上から選択され、又は、
    前記粉末が独立型ピル又はタブレットに圧縮され、該独立型ピル又はタブレットが20質量%から80質量%の量の保持無機助剤を任意選択的に含み、該保持無機助剤が好ましくはCu合金、Sn合金、カオリナイト粘土、及びモンモリロナイト粘土のうち一種以上から選択され、又は、
    前記粉末が無機マトリクスによって保持され、前記無機マトリクスの量が50質量%よりも高く、好ましくは60質量%から90質量%であり、前記無機マトリクスが好ましくはCu合金、Sn合金、カオリナイト粘土、及びモンモリロナイト粘土のうち一種以上から選択され、又は、
    前記粉末がガス透過性ポリマーエンベロープ内に含まれ、前記ガス透過性ポリマーエンベロープが好ましくは高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、及びポリ塩化ビニル(PVC)のうち一種以上で作製され、又は、
    前記粉末が有機マトリクス中に分散し、該有機マトリクスが好ましくはポリエステルエポキシ樹脂、エポキシアクリル樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、シロキサンマトリクス、シリコーングリース、ポリイミド、ポリアミド樹脂、及びシリコーン系樹脂から選択されている、請求項1から14のいずれか一項に記載のLEDシステム。
  16. 前記揮発性有機化合物除去用ゲッター組成物が、請求項6から9のいずれか一項に記載の揮発性有機化合物酸化化合物、又は請求項12から14のいずれか一項に記載の水素放出組成物と混合されている、請求項15に記載のLEDシステム。
  17. 発光デバイス又は光駆動デバイスである請求項1から16のいずれか一項に記載のLEDシステム。
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