JP4639351B2 - 波長変換注入成形材 - Google Patents

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Description

本発明は、特許請求項１記載の波長変換注入成形材に関する。
本発明は特に青色または近紫外スペクトル領域の波長により励起するための黄色もしくは黄緑色を放射するガーネット−発光物質顔料粉末混合物に関する。注入成形材としては特に発光物質顔料粉末混合物を含有する注入樹脂マトリックスであり、光源としては特に発光ダイオード（ＬＥＤ）が、発光物質顔料粉末混合物もしくは注入成形材と関連して設けられている。
ＷＯ９８／０５０７８号から光源用の発光物質およびこれに付随して用いられる光源が公知である。ここでは発光物質として構造Ａ3Ｂ5Ｏ12：Ｄを有するガーネットが使用されており、その際、第一成分は種々の希土類金属の少なくとも１種からなり、成分Ｂは元素Ａｌ、ＧａまたはＩｎの１種からなる。ドーパントＤはセリウム（Ｃｅ）である。
ＷＯ９７／５０１３２号から類似の発光物質が公知であり、この場合、ドーパントとしてＣｅもしくはテルビウム（Ｔｂ）を使用している。Ｃｅは黄色のスペクトル領域で放射し、その一方でＴｂは緑色のスペクトル領域で放射する。いずれの場合にも発光物質を青色に放射する光源と組み合わせて白色の混合色を得るために使用される。
ＷＯ９８／１２７５７号によれば前記刊行物から公知の発光物質と透明な注型マトリックスとをベースとする波長変換注入成形材が公知である。該文献の開示内容をここで引用する。
例えばその開示内容が特に注入成形材の組成とその製造方法に関して同様にこの記載の内容を引用しているＷＯ９７／５０１３２号によれば、白色の混合光を得る際に、白色光の色温度および色度点は、発光物質の組成、その粒径およびその濃度を適切に選択することにより変化することが公知である。しかし生じた白色光の色調（ＣＩＥ色度図の色度点ＸおよびＹ）をこれらのパラメータに基づいて最適化することは、比較的高いコストによって可能であるのみである。このことは特に、座標ＣＩＥＸ＝０．３３およびＣＩＥＹ＝０．３３に存在する、いわゆる無彩色点もしくは「等エネルギー点(equal energy point)」にとって重要である。
さらにスペクトル中の赤色の割合がいっそう高いことにより、なお良好な演色性に関して発光物質を最適化するためには費用がかかる。
最後に、発光物質の吸収最大値に関して、光エミッタの放射のピーク値に対して発光物質を最適化することは困難である。
ＷＯ９８／０５０７８号明細書 ＷＯ９８／１２７５７号明細書 ＷＯ９７／５０１３２号明細書
従って本発明の課題は、最適化パラメータに基づいて迅速かつ容易に製造することができ、かつこれに付随して用いられる波長変換注入成形材ならびにこれに付随して用いられる光源のために適切な、冒頭に記載した種類の発光物質顔料粉末混合物を提供することである。
前記課題は本発明により請求項１に記載した特徴部により解決される。本発明の有利な変法および実施態様は従属請求項に記載されている。
本発明によれば特に有利にはその放射が短波長の光学スペクトル領域、特に青色スペクトル領域または近紫外スペクトル領域に存在する光源のために、複数の発光物質を含有する発光物質顔料粉末混合物を使用する。これらの発光物質は有利にはセリウムでドーピングされたガーネット構造Ａ3Ｂ5Ｏ12を有しており、その際、第一成分ＡはＹ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、ＳｍおよびＴｂからなる群の少なくとも１種の元素であり、かつ第二成分Ｂは、元素アルミニウム、ガリウムまたはインジウムの少なくとも１つである。
記載の発光物質の製造および作用様式は冒頭に記載した刊行物に記載されている。この場合、テルビウム（Ｔｂ）は、約４００ｎｍ〜５００ｎｍのスペクトル領域で励起する際に主格子の成分として、つまりガーネットの第一成分Ａの成分として黄色に発光する発光物質のために適切であり、そのドーパントはセリウムである点が特に注目に値する。テルビウムはかつてセリウム以外に緑色のスペクトル領域における発光のための活性剤として提案されていた。テルビウムをガーネットの第一成分Ａの主成分として単独で、もしくは少なくとも１種の別の上記で提案した希土類金属と一緒に使用することが可能である。
構造
（Ｔｂ1-x-yＳＥxＣｅy）3（Ａｌ、Ｇａ）5Ｏ12
のガーネットは特に有利であり、この場合、ＳＥ＝Ｙ、Ｇａ、Ｌａ、Ｓｍおよび／またはＬｕであり、０≦ｘ≦０．５−ｙであり、０＜ｙ＜０．１が該当する。
第二成分（Ｂ）として少なくとも１種の元素ＡｌまたはＧａを使用する。第二成分Ｂは付加的にＩｎを含有していてもよい。活性剤はセリウムである。
これらの発光物質は４２０ｎｍ〜４９０ｎｍの領域の波長を有する電磁放射線を吸収し、従って青色の光源、特に半導体ＬＥＤの発光により励起させることができる。４３０ｎｍ〜４８０ｎｍの領域の放出最大値で青色の光を発光するＧａＮベースもしくはＩｎＧａＮベースのＬＥＤ−半導体チップが好適である。
本発明の範囲でＧａＮベースもしくはＩｎＧａＮベースの発光ダイオードチップとは基本的に、その放射発光帯域がＧａＮ、ＩｎＧａＮおよび／または類似の窒化物ならびにこれらをベースとする混晶、例えばＧａ（Ａｌ、Ｉｎ）Ｎを有する発光ダイオードチップと解釈する。
このような発光ダイオードチップは例えばShuji Nakamura, Gerhard Fasol, The Blue Laser Diode, Springer Verlag Berlin Heidelberg 1997, p. 209ffから公知である。
前記の発光物質は青色光により励起され、かつそれ自体は波長が５００ｎｍを越えた領域にシフトした光を発光する。セリウムにより活性化したＴｂ−ガーネット−発光物質の場合、放出最大値は約５５０ｎｍである。
上記の発光物質は４２０〜４９０ｎｍの領域で吸収し、かつ青色の光源の放射線により励起させることができる。その放出最大値が４３０〜４７０ｎｍである青色光を発光するＬＥＤ−チップを用いると良好な結果が得られる。Ｔｂ−ガーネット：Ｃｅ−発光物質の放出最大値は約５５０ｎｍである。
この発光物質は、青色光を放射するＬＥＤチップとＴｂ−ガーネット−含有発光物質を有する発光物質混合物との組合せに基づいた白色光を発光するＬＥＤ−素子で使用するために特に適切であり、これはＬＥＤチップの発光の一部を吸収することにより励起し、かつその発光はＬＥＤの残りの放射線と混色して白色光を発生する。
青色光を発光するＬＥＤチップとしてＧａ（Ｉｎ）Ｎ−ＬＥＤチップが特に適切であるが、しかし４２０〜４９０ｎｍの領域の発光を有する青色ＬＥＤを得るためのそれぞれのその他の方法もまた適切である。特に主要な発光領域として４３０〜４７０ｎｍの領域が推奨される。というのもここでその効率が最大だからである。
希土類金属の種類および量の選択により、発光物質混合物の吸収バンドおよび発光バンドの微妙な調整が可能である。発光ダイオードと関連して上記のＴｂ−ガーネット−発光物質の場合、特に０．２５≦ｘ≦０．５−ｙの間のｘの範囲が適切である。
特に有利なｙの範囲は０．０２＜ｙ＜０．０６である。
構造
（ＴｂxＳＥ1-x-yＣｅy）3（Ａｌ、Ｇａ）5Ｏ12
のガーネットは発光物質成分として好適であることが判明し、この場合、ＳＥ＝Ｙ、Ｇｄ、Ｌａおよび／またはＬｕであり、０≦ｘ≦０．０２、特にｘ＝０．０１であり、０＜ｙ＜０．１が該当する。しばしばｙは０．０１〜０．０５の範囲にある。
一般に主格子中で少量のＴｂは特に公知のセリウム活性化された発光物質の特性を改善するために役立ち、その一方で比較的大量のＴｂの添加は、特にセリウムで活性化される公知の発光物質の発光の波長をシフトさせるために適切に使用することができる。従ってＴｂの高い割合は特に５０００Ｋ未満の低い色温度を有する白色ＬＥＤのために好適である。
ガリウム−窒化物ベースもしくはインジウム−ガリウム−窒化物ベースで、４３０〜４８０ｎｍの領域の放出最大値を有する青色発光ＬＥＤを、文献に詳細に記載されているＹＡＧ：Ｃｅのタイプの発光物質の励起のために使用することは公知である。このような発光物質は例えばOsram社から商品名L175で市販されている。元素イットリウム（Ｙ）が部分的に、または完全に上記の希土類の１種と置換されているその他の発光物質が公知である。
本発明による発光物質混合物のために適切な発光物質の場合、イットリウム−原子は大部分テルビウムと置換されている。該発光物質は例えば組成［Ｙ0.29Ｔｂ0.67Ｃｅ0.04］3Ａｌ5Ｏ5を有しており、これは以下ではＴｂ６７％を有するＬ１７５／Ｔｂと呼ぶ。
本発明によれば、種々の組成を有し、ひいては青色光に対する種々の吸収最大値を有する着色発光物質粉末を混合することにより発光物質顔料粉末混合物の色調および色度点を予測することができる。このことは例えば発光物質Ｌ１７５（純粋なＹＡＧ：Ｃｅ）を、イットリウムが部分的にまたは完全にテルビウムと置換されている前記の種類の発光物質（Ｌ１７５／Ｔｂ、Ｔｂ＞０％）と混合することにより達成することができる。混合比は１：１：であってもよい。しかしＹＡＧ：Ｃｅの代わりにその他の発光物質またはこれらの発光物質を変形したその他の発光物質を使用することができ、その際、付加的に混合比を変更することができる。
本発明の特別な利点は、粉末形で存在している発光物質を問題なく混合することができ、ひいては比較的容易な方法でＣＩＥ色度図上の目的色度点を適切に調整できることである。従って色度図上で純粋なＹＡＧ：Ｃｅのようなガーネット構造および使用されるＬＥＤの色度点から出発して直線の束を表すことができ、これらの直線のうちの１つが目的色度点の選択された座標を通過する。ＬＥＤチップと発光物質顔料粉末混合物との組合せにより、個々の色度点により得られる色度点直線はその傾きを容易に変更することができる。従ってＬＥＤおよびその得られる色度点直線が正確に色度点図上で座標Ｘ＝０．３３およびＹ＝０．３３の無彩色点を通過する波長変換発光物質を有する光源装置が容易に得られる。この無彩色点が純粋な白色を定義する。さらに得られる色スペクトルを、例えば赤色割合がより高いスペクトルへとシフトさせることが可能であり、これは一般に、例えば比較的高いＬ１７５／Ｔｂ割合によってより良好な演色性につながる。
本発明によればさらに、生じた放射線にとって少なくとも部分的に透明な注入成形材、有利にはプラスチック、特に有利にはエポキシド、シリコーンもしくはアクリレートの注入樹脂またはこれらの樹脂の混合物中に、あるいはその他の適切な放射線透過性材料、例えば無機ガラス中に本発明による発光物質顔料粉末混合物を分散させることが考慮される。このために本発明による発光物質顔料粉末混合物は有利には注入樹脂およびその他の元素を有する顔料粉末混合物としてＷＯ９８／１２７５７号に開示されている方法により製造することができる。
さらに本発明によれば、放射線源が光学スペクトルの青色領域もしくはＵＶ領域の放射線を発光し、かつこの放射線が部分的に、もしくは完全に本発明による発光物質顔料粉末混合物によってより波長の長い放射線へと変換される発光物質顔料粉末混合物に付随して用いられる光源装置が考慮され、この場合、部分的に変換すると、変換された放射線は放射線源から放射された放射線と混合されて白色の混合光が生じる。
もちろん単一の発光物質を有するのみのこのような光源装置は同様にＷＯ９８／１２７５７号から公知である。
本発明を以下で実施例に基づいて図面の図１および図２と関連させながら詳細に説明する。図面では
図１は、種々の発光物質および本発明による発光物質顔料粉末混合物の色度点直線を有する色度点のグラフを示し、かつ
図２は、本発明による光源装置の実施例の横断面の略図を示す。
図１によれば、横座標にＣＩＥ色度図の色度点の座標Ｘを、および縦座標に色度点座標Ｙを有している色度点のグラフが記載されている。
これは例えばＷＯ９７／５０１３２号に記載されている白色の混合光を発生させるための光源装置が基本となっている。
例えば青色スペクトル領域で発光し、かつその色度点Ｃが相応して色度点グラフにおいてＸ＝約０．１４であり、かつＹ＝０．０２であるＩｎＧａＮベースのＬＥＤチップを使用する。色度点Ｃを有するＬＥＤの青色光と、例えば透明な注入樹脂中に埋め込まれた発光物質の放出される光とを混色する場合、種々の色度点直線が生じる。
例えば純粋なＹＡＧ：Ｃｅを発光物質として使用する場合、色度点直線１が生じる。Ｙが部分的にまたは主としてテルビウムにより置換されている発光物質を使用する場合、色度点直線１の下を通過する色度点直線が生じる。座標Ａで６７％（上記の別の式による）のＴｂ含有率を有する発光物質を使用すると、グラフ中に記入された色度点直線２が生じる。
直線１は色度点座標Ｘ＝０．３３およびＹ＝０．３３にある無彩色点の上を、および直線２はその下を通過する。色直線１および２を有する両方の発光物質を１：１の比率で混合し、かつ透明な注入樹脂中に埋め込むと（これは以下に開示する図２による実施例と比較する）、図１のグラフが示すように、色度点直線３が生じ、これは色度点図の無彩色点もしくは白色点を正確に通過する。
同じような方法で、種々の発光物質を有利にはガーネット構造と混合することにより、ＣＩＥ色度図の種々の所望の座標を通過する色度点曲線が得られる。
発光物質粉末混合物は有利には相応して最適化された注入樹脂中に埋め込まれており、その際、特に発光物質粉末の粒径を最適化することができる。このような波長変換注入成形材の製造方法は、ＷＯ９８／１２７５７号に記載されている。
図２で概略図により記載されている特に有利な光源装置の実施態様の場合、ＧａＮもしくはＩｎＧａＮベースの発光ダイオードチップ１０が放射線非透過性の発光ダイオード−ベースケーシング２０の切欠部１１中に配置されており、これは有利にはプラスチック製である。
発光ダイオードベースケーシング２０には電気的な接続線または接続端子２１、２２が通っており、これらを介してチップ１０の電気的な接続がケーシングから案内されている。
切欠部１１の内壁１２はチップ１０から送出される光および発光物質混合物から放射される光のためのリフレクタを形成し、かつ該光をチップ１０の主放射方向１３へと屈折させる。
切欠部１１は注入成形材１４により充填されており、該注入成形材は透明な注入樹脂マトリックス１５、有利にはエポキシド注入樹脂またはアクリレート樹脂（例えばポリメチルメタクリレート）またはこれらの樹脂の混合物を有しており、この中へ本発明による発光物質粉末１６が埋め込まれている。
発光物質粉末混合物は有利には粒径≦２０μｍおよび平均粒径ｄ50≦５μｍを有する発光物質顔料を有している。
注入樹脂１５および発光物質顔料１６以外に、注入成形材１４中にはさらに有利にはチキソトロピー剤、無機拡散体、疎水化剤および／または粘着剤が含有されている。
実施例は例えば白色光を放射する発光ダイオード素子であり、この場合、注入成形材１４中で着色剤粉末Ｌ１７５（ＹＡＧ：Ｃｅ）およびＬ１７５／Ｔｂ（Ｔｂ６７％を有する）が、１：１の混合比で含有されており、かつ放射される混合光の色度点は図１中に記載されたグラフの直線３上にある。
上記の実施例に基づいた本発明の記載は、記載の特徴に本発明を限定するものではないことは自明である。光源として発光ダイオードチップもしくはレーザーダイオードチップからなる半導体以外に特にポリマーＬＥＤも考えられる。同様に、純粋なＹＡＧ：Ｃｅ以外にＹの代わりにＬｕ、Ｓｃ、Ｌａ、ＧｄならびにＳｍの割合も有する発光物質粉末もまた本発明の範囲に該当する。さらにテルビウム割合が上記の発光物質式の場合よりも少ないガーネットも加入される。
本発明による発光物質顔料粉末混合物およびこれに付随して用いられる注入成形材は基本的にＷＯ９７／５０１３２号およびＷＯ９８／１２７５７号に開示されている発光ダイオード素子の構成全てにおいて使用することができる。
種々の発光物質および本発明による発光物質顔料粉末混合物の色度点直線のグラフを示す図。 本発明による光源装置の実施例の略図を示す図。
符号の説明
１０ 発光ダイオードチップ、 １１ 切欠部、 １２ 内壁、 １３ 放射方向、 １４ 注入成形材、 １５ 注入樹脂マトリックス、 １６ 発光物質粉末、 ２０ ベースケーシング、 ２１、２２ 接続線

Claims (14)

  1. 放射線源により励起するための発光物質混合物を有する波長変換注入成形材であり、その際、該発光物質混合物はＣｅで活性化されたガーネット構造Ａ3Ｂ5Ｏ12を有する少なくとも１種の発光物質を含有し、その際、第二成分Ｂは元素Ａｌ、ＧａまたはＩｎの少なくとも１つを有し、かつ該発光物質混合物は透明プラスチック中に混合されている波長変換注入成形材において、
    − 第一成分ＡはＹ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、ＳｍおよびＴｂからなる群の元素を少なくとも１種含有し、かつ少なくとも部分的に主格子の成分としてのＴｂにより占められており、かつ
    − 発光物質混合物は相互に混合された複数の発光物質を含有し、かつ前記発光物質混合物は４００〜５００ｎｍの波長領域の放射線により励起可能である
    ことを特徴とする、波長変換注入成形材。
  2. 発光物質混合物がＣｅで活性化されたガーネット構造Ａ3Ｂ5Ｏ12を有する少なくとも１種の別の発光物質を含有し、その際、
    − 第一成分ＡはＹ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、ＧｄおよびＳｍからなる群の元素を少なくとも１種含有し、かつ
    − 第二成分Ｂは元素Ａｌ、ＧａまたはＩｎの少なくとも１種の元素を含有する、
    請求項１記載の注入成形材。
  3. 発光物質混合物が構造Ｙ3（Ａｌ、Ｇａ）5Ｏ12：Ｃｅのガーネットおよび構造（Ｔｂ1-x-yＳＥxＣｅy）3（Ａｌ、Ｇａ）5Ｏ12のガーネットを含有し、その際、ＳＥ＝Ｙ、Ｇｄ、Ｌａおよび／またはＬｕであり、０≦ｘ≦０．５−ｙであり、０＜ｙ＜０．１である、請求項１または２記載の注入成形材。
  4. 透明プラスチックが注入樹脂を含有し、かつ発光物質混合物が無機発光物質顔料粉末混合物として注入樹脂中に分散している、請求項１から３までのいずれか１項記載の注入成形材。
  5. 発光物質顔料が２０μｍ以下の粒径および５μｍ以下の平均粒径ｄ50を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の注入成形材。
  6. 透明プラスチックおよび発光物質混合物以外にさらにチキソトロピー剤、無機拡散体、疎水化剤および／または粘着剤を含有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の注入成形材。
  7. 発光物質混合物が４２０〜４９０ｎｍの波長領域の放射線により励起可能である、請求項１から６までのいずれか１項記載の注入成形材。
  8. 前記透明プラスチックは、エポキシ注入樹脂、シリコーン注入樹脂、アクリレート注入樹脂及びこれら樹脂の混合物であることを特徴とする、請求項１記載の注入成形材。
  9. 前記発光物質混合物は、構造（Ｔｂ 1-x-y ＳＥ x Ｃｅ y ） 3 （Ａｌ、Ｇａ） 5 Ｏ 12 のガーネットを含有し、その際、ＳＥ＝Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｓｍおよび／またはＬｕであり、０≦ｘ≦０．５−ｙであり、０＜ｙ＜０．１であることを特徴とする、請求項１記載の注入成形材。
  10. 第一成分Ａは、Ｔｂを少なくとも１ｍｏｌ％の濃度で含有することを特徴とする、請求項１記載の注入成形材。
  11. 第一成分Ａは、Ｔｂを少なくとも５０ｍｏｌ％の濃度で含有することを特徴とする、請求項１記載の注入成形材。
  12. 発光物質混合物は、互いに異なる吸収最大値を有する発光物質を有することを特徴とする、請求項１記載の注入成形材。
  13. 放射線源により励起するための発光物質混合物を有する波長変換注入成形材であり、その際、該発光物質混合物はＣｅで活性化されたガーネット構造Ａ 3 Ｂ 5 Ｏ 12 を有する少なくとも１種の発光物質を含有し、その際、第二成分Ｂは元素Ａｌ、ＧａまたはＩｎの少なくとも１つを有し、かつ該発光物質混合物は無機ガラス中に混合されている波長変換注入成形材において、
    − 第一成分ＡはＹ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、ＳｍおよびＴｂからなる群の元素を少なくとも１種含有し、かつ少なくとも部分的に主格子の成分としてのＴｂにより占められており、かつ
    − 発光物質混合物は相互に混合された複数の発光物質を含有し、かつ
    − 前記発光物質混合物は４００〜５００ｎｍの波長領域の放射線により励起可能である
    ことを特徴とする、波長変換注入成形材。
  14. 放射線源が請求項１から１３までのいずれか１項記載の注入成形材を有する、光源装置。
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