JP4621421B2 - Ｌｅｄおよび発光変換体を有する光源、および発光変換体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一次ビームを送出するための少なくとも１つのＬＥＤと、一次ビームを二次ビームに変換するための少なくとも１つの光材料を備える少なくとも１つの発光変換体とを有する光源に関する。

前記形式の光源は、ＤＥ１９６３８６６７Ａ１から公知である。この光源は発光変換ＬＥＤと称される。光源のＬＥＤ（Light Emitting Diode）はアクティブ層として例えばガリウムインジウム窒化物（ＧａＩｎＮ）からなる半導体層を有する。この層を電気的に制御することにより、この層から第１の波長領域の一次ビームが送出される。ＬＥＤは例えば「青色」光を発光する。一次ビームの最大強度は約４５０ｎｍにある。一次ビームは発光体によって二次ビームに変換される。この発光体は例えばＣｅｒのドープされたイットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ、Ｙ_３Ａ_ｌ５Ｏ_１２：Ｃｅ）である。発光体は一次ビームを吸収し、第２の波長領域の二次ビームを送出する。発光体は「黄色」光を放出し、その最大強度はＣｅｒの濃度に依存する。

発光体は粉体粒子の形態でエポキシ樹脂または低融解性の無機ガラス内に埋め込まれている。エポキシ樹脂またはガラスは粉体粒子のマトリクスとして用いられる。粉体粒子はエポキシ樹脂またはガラスと共に発光変換体を形成する。発光変換体は例えばＬＥＤのプレートまたは層である。

エポキシ樹脂およびガラスは一次ビームと二次ビームに対して少なくとも部分的に透明である。このことは、一次ビームと二次ビームはエポキシ樹脂およびガラスを通過できることを意味する。ＹＡＧ：Ｃｅを有する発光変換体を、ＧａＩｎＮを有するＬＥＤと組み合わせた場合、黄色ビームと青色ビームが発光変換体を通過する。その結果、光源から白色ビームが発生する。

発光体の屈折率が周囲のマトリクスと比較して比較的に高く、発光体の粉体粒子には粒径があるから、粉体粒子はそれぞれのマトリクスで発光変換にだけ用いられるのではない。粉体粒子は散乱センタとしても機能する。このことは、発光体の粉体粒子で一次ビームと二次ビームが散乱されることを意味する。青色一次ビームと黄色二次ビームは無方向で発光変換体を去る。一次ビームと二次ビームは均質に混合される。このことにより均質な色印象が生じる。

公知の光源のＬＥＤは青色ビームの他に、比較的強度の高い紫外線ビームも放射する。このビームはエポキシ樹脂に光誘導性の化学反応を引き起こす。エポキシ樹脂は光化学的に安定ではない。光誘導性の化学反応では反応生成物が発生し、この反応生成物は一次ビームおよび二次ビームに対するエポキシ樹脂の透過性を減少させる。その結果、光源の動作時間が増大すると光源の光出力が減少する。光出力は、ＬＥＤの半導体材料からの光子抽出、発光体による発光変換効率、および一次ビームと二次ビームの発光変換体からの出力結合効率から生じる。発光変換体が一次ビームと二次ビームに対して不透明になればなるほど、光出力は低下する。

ＤＥ１９９２８０５３には、シリコンケーシングまたはセラミック部材により取り囲まされたＬＥＤが記載されている。ここで発光体パウダーは異成分としてカバーに埋め込むことができる。

ＤＥ１９９６３８０５に記載されたＬＥＤのチップは、周波数変化のための非線形結晶にも、発光体ＹＡＧ：Ｃｅのような通常の変換素子にも前置されている。

ＷＯ０２／０５７１９８にはＹＡＧ：Ｎｄのようんは透明セラミックの製造方法が記載されているがこのセラミックにはネオジムをドープすることができない。この種のセラミックは固体レーザとして使用される。
ＤＥ１９６３８６６７Ａ１ ＤＥ１９９３８０５３ ＤＥ１９９６３８０５ ＷＯ０２／０５７１９８

本発明の課題は、請求項１の上位概念記載のＬＥＤを有する光源において、従来技術と比較して比較的長い動作フェーズにわたり高い光出力を有するように構成することである。

この課題は、請求項１の構成によって解決される。有利な実施形態は従属請求項に記載されている。この課題を解決するために、一次ビームを送出するための少なくとも１つのＬＥＤと、一次ビームを二次ビームに変換するための少なくとも１つの発光体を備える少なくとも１つの発光変換体とを有する光源において、光源は発光変換体を有し、この発光変換体は多結晶セラミック体であり、この多結晶セラミック体は個々の微結晶からまとめて焼成されているように構成される。この微結晶は選択されたベース材料からなる。微結晶の一部、またはセラミック体全体はドープ物質により活性化され、この活性化されたベース材料は発光体として作用する。例えばベース材料はＹＡＧであり、活性化されたベース材料はＹＡＧ：Ｃｅである。すなわちＣｅのドーピングにより活性化されたＹＡＧである。

本発明のさらなる課題は、請求項１７の上位概念による光源の発光変換体の製造方法を提供することである。この課題を解決するため、請求項１７の特徴的方法ステップを有する光源の発光変換体の製造方法が記載されている。

とりわけこのステップは：
ａ）多結晶セラミック体をセラミックベース材料から作製し、
ｂ）セラミック体の少なくとも一部にドープ物質をドーピングし、これによりセラミック体の前記一部が擬似的に発光体を形成するようにするステップを含む。

一次ビームを二次ビームに変換するために、ＬＥＤと発光変換体は光学的に相互に結合される。このことは、発光変換体がＬＥＤからの一次ビームの出射側に位置決めされていることを意味する。

ここでセラミック体は完全に発光体として作用することもできる。このことはセラミック体がドープ物質により変更されることにより行われる。しかし有利には一部だけ、とりわけＬＥＤの位置を基準にしてセラミック体の前面領域または後面領域をセラミックベース材料により形成すると有利である。なぜならドープ物質により活性化されるからである。この場合、ドープ物質の濃度はセラミック体の表面から内部に向かって、とりわけ指数的に減少する。

セラミック体には、ただ１つの発光体を含むことができる。しかし複数の発光体がセラミック体の中に存在しても良い。とりわけドーピング（例えばＣｅ）は１つの色を送出し、第２のまたは別のドーピング（例えばＥｕ，Ｎｄ，ＴｂまたはＥｒまたはＰｒ単独または相互の組合せ、またはＣｅとの組合せ）は第２の色を送出する。第１のドーピングは前面に、第２のドーピングは後面に、または前面にチェス盤状のゾーンで分散させることができる。このようにして任意の混合色を形成することができる。種々の発光体を、同じ波長領域の一次ビームにより、または一次スペクトルの広い種々の波長領域の一次ビームにより励起することができる。励起された発光体はそれぞれ相互に波長領域の異なる二次ビームを放射する。種々異なる放射波長を有する二次ビームは光源の混合光を形成する。場合によっては一次ビームの変換されなかった残余、とりわけ青色または緑色と共に混合色を形成する。

高い光出力のためには、セラミック体が一次ビームおよび／または二次ビームに対して透明および／または透過性であると有利である。このために有利な構成でセラミック体は９０％以上、とりわけ少なくとも９５％から９７％、とりわけほぼ１００％のセラミック密度を有する。９０％のセラミック密度からセラミック体は二次ビームに対して十分に透明となる。これはこのビームがセラミック体を通過することができることを意味する。このためにセラミック体は所定の波長の二次ビームに対して６０％以上の透過性を有する。有利な実施形態では、二次ビームおよび／または一次ビームはセラミック体の中の散乱センタで散乱し、一部は多重散乱し、セラミック体を通過する。散乱センタとしてとりわけ異物微結晶がある。

有利な構成でセラミック体は、１μｍ（これを含む）から１００μｍ（これを含む）までの領域の粒径を有する微結晶を有する。粒径は、セラミックはミクロ構造の微結晶の等価的直径である。この粒径により効率的に発光変換が可能である。さらにベース材料のセラミック粒子および／または発光体のセラミック粒子が散乱センタとして機能することができ、適切に選定された微細孔が選択された理論密度に相応して形成される。

発光体として例えばアルミン酸塩、ガーネット、またはケイ酸塩がある。これらは部分的に希土類元素によりドープされる。有利な構成では発光体は、Ｃｅｒのドープされたイットリウム−アルミニウム−ガーネットである。イットリウム−アルミニウム−ガーネットはＣｅｒのドーピングにより活性化される。Ｃｅｒはアクティベータとして機能する。結果として黄色放射する発光体が得られる。ここでこの発光体の最大放射位置はＣｅｒ濃度に依存する。

セラミック体は容積全体でＣｅｒによりまたは他のドープ物質（アクティベータ）によりドープすることができる。しかしセラミック体が部分的にだけドーピングを有することも考えられる。例えばセラミック体の表面領域だけをドープすることができる。実施例ではこの表面領域に、ドーピングされた領域とドーピングされない領域が存在する。セラミック体は例えば、ＬＥＤに向いた前面と、これとは反対の後面と、側面とを有する平行六面体である。

ＬＥＤは任意の半導体材料を一次ビームの放射のために有することができる。ＬＥＤは例えば、３７０ｎｍから４００ｎｍの領域から放射するＵＶ−ＬＥＤである。有利な構成では、ＬＥＤはガリウムインジウム窒化物および／またはガリウム窒化物の群から選択された半導体材料を有する。この半導体材料は電気的に制御する際に比較的みじかい（青色）一次ビーム（例えば４００ｎｍから４８０ｎｍ）を放射する。この一次ビームはとりわけ上記の発光体を励起するのに適する。とりわけ有利にはこのようなＬＥＤと、Ｃｅｒのドープされたイットリウム−アルミニウム−ガーネットからなるセラミック体との組合せが適する。この組合せにより白色放射する発光変換ＬＥＤが得られる。

別の実施例では、セラミック体に多数のＬＥＤが配属されている。セラミック体は例えばプレートであり、多数のＬＥＤにより照射される。散乱センタ、とりわけ孔部を有するセラミック体を使用する場合には、９３％から９８％の理論密度に相応して、比較的に大きな面積にわたって均質な色印象を有する扁平な光源が得られる。

セラミック体はＬＥＤから間隔をおくことができる。すなわちＬＥＤから離して配置することができる。セラミック体とＬＥＤはこの場合、相互に比較的大きな間隔をおいて配置される。この間隔は例えば数ｍｍである。しかしセラミック体はＬＥＤ近傍に配置することもできる。このために有利な構成では、セラミック体のベース材料が同時にＬＥＤの支持体（基板）である。このことは、ＬＥＤがセラミック体上に間接的に、または直接配置されていることを意味する。これはＴ字形に構成されたセラミック体の場合である。セラミック体のＴの両腕が基板を形成する。一方、Ｔの胴は発光変換体を形成する。ＬＥＤを配置するためのさらなる基板は不要である。

有利な構成では、ＬＥＤとセラミック体との間に、ＬＥＤとセラミック体を固定的に接続するための接合層が存在する。接合層はとりわけ接着剤を有する。接着剤によってＬＥＤとセラミック体との間の物質結合が得られる。有利には接着剤は十分に光安定性の材料からなる。これの意味するのは、接着剤に紫外線光が照射されても、影響の残る光誘導性の化学反応が生じないということである。この化学反応はエポキシ樹脂と同様に反応生成物を発生させ、これが一次ビームの発光変換体への伝達効率を悪化させることがある。しかし接合層が数μｍであれば、一次ビームの波長に対する接着剤の透過性は反応し生物が存在しても僅かしか変化しない。

別の構成ではセラミック体が少なくとも１つの光学素子を、一次ビームのビーム路および／または二次ビームのビーム路を調整するために有する。有利には光学素子はセラミック体の少なくとも１つの表面部分に配置される。例えば光学素子は粗化された、または研磨された表面部分である。

特に有利には光学素子はレンズである。このレンズは凹面または凸面に成型することができる。このようにして表面部分は一次ビームおよび二次ビームに対してフォーカシングまたはデフォーカシング作用することができる。

別の構成では光学素子は、一次ビームおよび／または二次ビームを散乱する少なくとも１つの散乱センタである。散乱センタは例えばセラミック体のベース材料から形成される。例えば光学素子はセラミック体の粗化された表面である。

とりわけ散乱センタは、酸化アルミニウム、酸化チタン、イットリウム−アルミニウム−ガーネットの群および／または酸化イットリウムから選択された物質を有する。ここで有利にはこれらの物質はセラミック体の表面部分に配置されている。有利には前記物質は散乱センタとして、例えば層としてセラミック体の容積に含まれる。

発光変換体を製造するための本発明の方法の構成では、ドーピングのためにセラミック体とドープ物質の溶液との関係付けが実行される。例えばイットリウム−アルミニウム−ガーネットからなるセラミック体にＣｅｒ（ＩＩＩ）イオンを含む（アルコール性または水性）溶液が塗布される。セラミック体とドープ物質とが関係付けられた後、とりわけ温度処理が実行される。このことによりドーピングが行われる。例えばアニーリングが１５００℃の温度で実行される。拡散によりＣｅｒがイットリウム−アルミニウム−ガーネットに埋め込まれる。

とりわけ関係付けのために、遠心分離法、浸漬法および／または滴下法の群から選択された被覆方法が実行される。この化学的被覆法（化学的溶液デポジット、ＣＳＤ）の結果、ドープ物質の溶液がセラミック体の表面部分に薄膜となる。

ドーピングにより比較的大きな層厚を達成するため、セラミックベース材料からなるセラミック体とドープ物質の溶液との関係付けおよび／または温度処理が有利には複数回実行される。

この方法により、とりわけフォトリソグラムから公知の方法により、構造化された発光変換体を得ることができる。発光変換体の活性化された表面部分と活性化されない表面部分とが並置される。

発光変換体を製造するために、酸化アルミニウム、イットリウム−アルミニウム−ガーネットの群および／または酸化イットリウムから選択されたベース材料のセラミック体が使用される。

前記方法とは択一的に、すでにドープされたセラミック原材料を発光変換体に焼成することができる。

まとめると本発明は以下の重要な利点を有する：ＬＥＤとセラミック透明発光変換体とを有する光源は高い光出力を特徴とする。発光変換体は熱的および光化学的に安定である。従って高い光出力が光源の比較的に長い動作の際にも維持される。発光変換体は光学素子、例えばレンズまたは散乱センタを有する。

図１の光源１は白色光を放射する発光変換ＬＥＤである。この発光変換ＬＥＤは、ＬＥＤ２と発光変換体３からなる。ＬＥＤ２は半導体材料としてＧａＩｎＮを有する。ＬＥＤ２は一次ビーム４として約４５０ｎｍに最大強度を有する青色光を発光する。

発光変換体３は、理論密度の約９５％のセラミック密度を有する多結晶セラミック体である。セラミック体３はセラミック粒子、すなわち微結晶からなり、この微結晶は平均で１０μｍから２０μｍの粒径を有する（直径に等価と理解されたい）。セラミック体３のベース材料はイットリウム−アルミニウム−ガーネットである。ベース材料は活性化のためにＣｅが均質にドーピングされる。Ｃｅのドーピングされたセラミックベース材料は依然として、発光体として機能し、ＬＥＤ２の一次ビーム４を二次ビーム５に変換する。発光体から放射された二次ビーム４は、Ｃｅの濃度に依存する最大強度を黄色スペクトル領域に有する。発光変換体３は二次ビーム５に対して約８０％の透過率を有する。

発光変換体は一次ビームに対しても二次ビームに対しても透明である。一次ビームの一部だけが発光体により二次ビームに変換される。一次ビームと二次ビームとは発光変換体３を通過し、観察者には白色光として現れる。

発光変換体３はＬＥＤ２の支持体６として機能する。ＬＥＤ２と発光変換体３とは直接重ねて配置することができる（図１）。

これとは択一的に、ＬＥＤ２と発光変換体３との間に接合層７を配置することができる。接合層７は接着剤８を有する。図２参照。ＬＥＤ２と発光変換体３とは相互に接着されている。この構成を製造するために、例えばＬＥＤ２は補助基板にエピタキシャルに析出される。その後、補助基板が除去され、ＬＥＤ２と発光変換体３は接着剤８により接合される。

別の実施形態では、発光変換体３はＬＥＤ２の支持体６として機能しない。ＬＥＤ２と発光変換体３とは相互に数ｍｍの間隔をおいて配置されている（図３）。

発光変換体３はとりわけ少なくとも１つの光学素子１０を、一次ビーム４のビーム路と二次ビーム５のビーム路を調整するために有する。この光学素子１０はここでは、均等に分布された多数の散乱センタからなる。散乱センタはベース材料自体により、孔部として発光変換体３の容積中に形成される。図３参照。

図４には、支持体１７からなる発光変換体３が示されている。この支持体はベース微結晶（例えばＹＡＧ）だけを含み、その後面（ＬＥＤを基準にして）は数ｍｍの深さの層１６を有する。この層１６はＣｅのドーピングにより活性化されており、そこではＹＡＧ：Ｃｅが発光体として作用する。一般的に、Ｃｅの濃度は内側に向かってこれが作用しなくなるまで強く減少する。

散乱センタとしてベース材料の微結晶（ベース微結晶）と化合した異物微結晶が考えられる。これは例えばＹＡＧ：ＣｅないしＹＡＧ中のＡｌ_２Ｏ_３、とりわけ有利にはＹＡＧ：ＣｅないしＹＡＧ中の酸化イットリウムである。例えば１つまたは複数のゾーン１５が異物微結晶の比較的高い濃度を有する。これは図５に点により示されている。

別の実施形態によれば、発光変換体３はレンズ１４を有する。このために発光変換体３の表面部分１１はコンベックス（図６）またはコンカーブ（図７）に成型されている。

別の実施形態では、ＬＥＤと発光変換体とは統合体２０であり、例えばアーム２１と胴２２によりＴ字状またはＬ字状に構成されている。このアームはそれ自体公知のように（例えばＧＢ２３２５０８０）セラミック基板として用いられ、アーム２１の領域２６はエピタキシャルに被覆されているか、またはＬＥＤがその上に載置されている。これによりアームはＬＥＤのビーム形成体として用いられる。このビームは、外から反射器２３によって、または内から表面２４での全反射によって胴に導かれる。その結果、胴２２に存在する適切にドープされた層２５は発光変換に作用する。

発光変換体を製造するため、セラミック体がイットリウム−アルミニウム−ガーネットから作製され、これにＣｅｒがドープされる。このためにセラミック体は、０．５Ｍ、Ｃｅｒ（ＩＩＩ）硝酸塩と１．０Ｍエチレングリコールのエタノール溶液により５回、ディップコーティング（沈漬法）される。各被覆後に短い温度処理が実行される（４００℃で約５分）。最後に１５００℃で２時間、アニーリングされる。その際にＣｅｒはイットリウム−アルミニウム−ガーネットに拡散する。このようにしてセラミック体に発光体を備える層が形成される。

別の実施形態では、発光体を備える層がフォトリソグラフ法を使用して構造化される。

光源の発光変換体を製造するための方法は次の方法ステップを有する：
・多結晶セラミック体をセラミックベース材料から作製し、
・このセラミック体にドープ物質をドープし、これによりセラミック体は発光体として作用するようにする。このことはドープ物質または相応の化学的前駆物質をセラミック体に、とりわけセラミック体の一部にだけ塗布し、続いて熱処理によってセラミック体に拡散させることにより行う。塗布する量、選択された温度および処理時間に応じて、ドープ物質は異なる深さでセラミック体に入り込む。有利にはドープ物質はしばしば平行六面体であるセラミック体の片側にだけ塗布される。２つの対向する側にドープ物質を塗布することもできる。

択一的にセラミック体をドープ物質で塩浴させることができる。例えばＣｅのドーピングを塩化セリウム浴で、そこに１０から７０時間とすることのできる比較的長時間おくことで実行する。この場合、拡散はすべての側から行われる。

特に有利な拡散センタは孔部である。この孔部は大きさおよび数に応じて異なって作用する。孔部量および大きさに対する尺度はとりわけ密度である。密度が低ければ低いほど、散乱センタとして作用する孔部の数は多くなる。理論密度の９０％以下では散乱特性が強すぎる。良好な結果は、理論密度の９３％から９７％により達成される。

光源を形成するＬＥＤと発光変換体との種々の構成を断面で示す。

光源を形成するＬＥＤと発光変換体との種々の構成を断面で示す。

光源を形成するＬＥＤと発光変換体との種々の構成を断面で示す。

発光変換体を断面で示す。

発光変換体を断面で示す。

種々異なる表面部分を有する発光変換体を示す。

種々異なる表面部分を有する発光変換体を示す。

ＬＥＤと発光変換体との統合的実施形態を示す。

符号の説明

１ 光源
２ ＬＥＤ
３ 発光変換体
４ 一次ビーム
５ 二次ビーム
６ 支持体
７ 接合層
８ 接着剤
１０ 光学素子

Claims (13)

1. 一次ビーム（４）を送出するための少なくとも１つのＬＥＤ（２）と、
   一次ビーム（４）を二次ビーム（５）に変換するための少なくとも１つの発光変換体（３）と
   を有する形式の光源（１）において、
   発光変換体は多結晶セラミック体であり、
   該多結晶セラミック体自体は部分的にまたは全体で発光体として作用し、
   セラミック体を形成するベース材料の少なくとも一部はドープ物質により活性化されており、
   前記セラミック体（３）は一次ビーム（４）および／または二次ビーム（５）に対して透明であり、
   前記セラミック体（３）は所定の波長の二次ビームに対して６０％以上の透過率を有し、
   前記セラミック体（３）は微結晶から成り、該微結晶は１μｍ（これを含む）から１００μｍ（これを含む）の領域の平均等価直径を有し、
   前記セラミック体（３）は、一次ビーム（４）のビーム路および／または二次ビーム（５）のビーム路を調整するための光学素子（１０）を有し、
   該光学素子（１０）は、一次ビーム（４）および／または二次ビーム（５）を散乱する少なくとも１つの素子であり、
   前記光学素子は複数の散乱センタから形成されており、
   前記光学素子の散乱センタは、セラミック体内部の孔部からなるか、または
   前記光学素子の散乱センタは、酸化アルミニウム、酸化チタン、イットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）の群および／または酸化イットリウムから選択された物質からなり、
   当該物質はセラミック体の表面部分に散乱センタとして配置されている、
   ことを特徴とする光源。
2. セラミック体（３）は９０％以上、有利には少なくとも９５％のセラミック密度を有する、請求項１記載の光源。
3. 前記微結晶は１０から５０μｍの平均等価直径を有する、請求項１記載の光源。
4. 発光体は、セリウムのドープされたイットリウム−アルミニウム−ガーネットである、請求項１記載の光源。
5. ＬＥＤ（２）は、ＧａＩｎＮおよび／またはＧａＮの群から選択された半導体材料を有する、請求項１記載の光源。
6. セラミック体（３）には複数のＬＥＤが配属されている、請求項１記載の光源。
7. セラミック体（３）はＬＥＤ（２）の支持体（６）である、請求項１記載の光源。
8. ＬＥＤ（２）とセラミック体（３）との間には、ＬＥＤ（２）とセラミック体（３）とを固定的に結合するための接合層（７）が配置されている、請求項１記載の光源。
9. 接合層（７）は接着剤（８）を有する、請求項８記載の光源。
10. 発光変換体はレンズ（１４）として構成されている、請求項１記載の光源。
11. 散乱センタのために、ＹＡＧからなる微結晶中の酸化イットリウムが使用される、請求項１記載の光源。
12. 請求項１から１１までのいずれか１項記載の光源の発光変換体の製造方法において、
    ａ）多結晶セラミック体をセラミックベース材料から作製し、
    ｂ）セラミック体にドープ物質をドーピングし、これによりセラミック体を発光体として作用させ、
    ドープ物質または相応の化学的前駆物質をセラミック体、とりわけセラミック体の一部にだけ塗布し、引き続き比較的高い温度により熱処理することによりセラミック体へ拡散させる、ことを特徴とする製造方法。
13. 塗布のために、遠心分離法、浸漬法および／または滴下法の群から選択された被覆方法を実行する、請求項１２記載の方法。

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