JP5306992B2 - 白色光を作る蛍光照明 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に蛍光体変換半導体発光デバイスに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む半導体発光デバイスは、現在入手可能なデバイスの中で最も効率的な光源である。使用されているＬＥＤは、可視スペクトルの全域で動作することが可能である。ＬＥＤは、III-Ｖ族半導体、特に、ガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の二元、三元、及び四元合金（III族窒化物材料とも呼ばれる）を含む半導体を使用して生産することができる。

ＬＥＤは、例えば照明（lighting）、ムード照明、広告照明等のような種々の照明（illumination）システムに広く使用されている。良好な照明効果を得るために、ＵＶ-ＬＥＤから放出された光が蛍光材料によって変換されるＵＶ-ＬＥＤを使用した照明システムが提唱されている。

青色-ＵＶ光は、他の可視光の色に対してより高い光子エネルギ、即ち、より短い波長を有しているから、このような光はより長い波長を有する光を発生させるように容易に変換することができる。当分野においては、ルミネセンスとして知られるプロセスを使用して、第１ピーク波長を有する光（「第１の光」）をより長いピーク波長を有する光（「第２／第３の光」）に変換できることが公知である。ルミネセンスプロセスは、第２の光を放出するフォトルミネセント（光励起性発光）材料（蛍光体とも呼ばれる）による第１の光の吸収を含む。これによって材料の原子が励起され、第２の光が放出される。ピーク波長及びその周りの波長帯を、単に波長と呼ぶ。第２の光の波長は、フォトルミネセント材料に依存する。特定のピーク波長を有する二次光が得られるように、フォトルミネセント材料のタイプを選択することができる。

ＬＥＤを使用する照明システムのカラーレンダリングインデックス（color-rendering index：ＣＲＩ）を改善するために、二色照明システムが提唱されている。このシステムでは、青色ＬＥＤの一次放出と、例えば黄色蛍光体のようなフォトルミネセント材料から放出される光とを混合する。フォトルミネセント材料として、例えばＹ₃Ａl₅Ｏ₁₂：Ｃe³⁺蛍光体が使用される。ＬＥＤから放出された青色光の一部分は、蛍光体によって黄色光に変換される。ＬＥＤからの青色光の別の部分は、蛍光体を透過する。従って、このシステムはＬＥＤから放出される青色光と、蛍光体から放出される黄色光の両方を放出する。観測者は、青色及び黄色放出帯の混合を白色光として知覚する。知覚された光は、70乃至80のＣＲＩと、約5000Ｋから約8000Ｋまでの範囲の色温度を有している。

それにも拘わらず、多くの照明応用では80より小さいＣＲＩを受入れない。例えば、ビジネス照明、ムード照明等では、赤色成分の欠如によってもたらされるＣＲＩの貧弱さの故に、二色法に基づく白色光ＬＥＤを使用できないことが多い。例えば、一般的な照明に使用されているような5000Ｋより低い色温度の場合、二色性青色-黄色ＬＥＤ照明システムを用いるとＣＲＩは70より低くなる。

高い相関色温度（ＣＣＴ）（即ち、ＣＣＴ＜6000）においてもＣＲＩを更に改善するために、第１波長変換材料及び第２波長変換材料が設けられている波長変換式半導体発光デバイスが提唱されている。光源のＣＣＴは、1960年からＣＩＥ（国際照明委員会）ｕ-ｖ系における光源のカラーポイントまで最小の距離を有する上記温度を有するプランクのエミッタ（Planckian Emitter）の色座標に従うものと理解することができる。

第１波長変換材料（蛍光材料）は、第２波長変換材料が放出する光より短い波長を有する光を放出する。第１及び第２波長変換材料は、発光デバイス上に堆積させることができる。しかしながら、公知のデバイスにおいては、第１及び第２波長変換材料が混合されて光の強い後方散乱及び損失をもたらすので効力が貧弱になる。更に、第２波長変換材料が第１波長変換材料から放出される光だけによって励起されることが多い。また更に、所望の相関色温度（ＣＣＴ）の調整が極めて貧弱である。

従って、本発明の目的は、高いＣＲＩを有する白色光を放出する照明システムを提供することである。本発明の別の目的は、高い効力、明確に限定された色温度、及び良好な照明特性を有する照明システムを提供することである。本発明の別の目的は、暖かい白色光放出を有する、即ちＣＣＴ＜6000Ｋを有するＬＥＤ照明を提供することである。本発明の別の目的は、照明システムのＣＣＴの調整を可能にすることである。

これらの、及び他の目的は、本発明による発光システムによって解決される。本発光システムは、少なくとも第１波長スペクトルの第１の光を放出することができる放射源と、第１の光を少なくとも部分的に吸収して第２波長スペクトルを有する第２の光を放出することができる第１蛍光材料と、第１の光を少なくとも部分的に吸収して第３波長スペクトルを有する第３の光を放出することができる第２蛍光材料とを含み、第１または第２蛍光材料の一方は単結晶（モノクリスタル）材料の密度の97％より大きい密度を有する多結晶（ポリクリスタル）セラミックであり、関連する他方の蛍光材料は100ｎｍ＜ｄ_50%＜50μｍの中央値粒子を有する蛍光体粉末である。

第２蛍光材料は、同一の組成を有する単結晶材料の密度の97％より大きい密度を有する多結晶セラミックであることができる。

単結晶材料は、全サンプルの結晶格子がサンプルの周縁まで連続し、歪んでおらず且つ切断されておらず、粒界を有していない結晶性固相であると理解することができる。その密度は100％である。

多結晶体は、クリスタライトとして知られるより小さい複数の結晶から成り立つことができる。多結晶体の密度は、孔、ガラス相、または外因相の数によって定義することができる。「多結晶材料」という用語は、主成分要素の90％より大きい体積密度を有する材料であり、80％より大きい単結晶（single crystal）ドメインからなり、各ドメインが0.5μｍより大きい直径であって異なる結晶配向を有するものと理解することができる。単結晶ドメインは、非晶質またはガラス質材料によって、または別の結晶質組成によって連結することができる。

蛍光体粉末は、単結晶及び多結晶からなることができる。同一の組成を有する単結晶材料の密度の97％より大きい密度を有する多結晶セラミックと、蛍光体粉末との組合せが、高い機械的安定性を呈し、同時に良好なＣＲＩを呈することを見出した。

高密度材料は、セラミックとして理解することができる。それは、理論的密度の≧95％乃至≦100％を有することができる。従って、セラミックは、より低密度の材料に比して大幅に改善された機械的及び光学的特性を呈する。セラミック材料は、好ましくは理論的密度の≧97％乃至≦100％、より好ましくは≧98％乃至≦100％を有している。

放射源は短い波長を、好ましくは例えば約330ｎｍ乃至約470ｎｍのようなＵＶＡ乃至青色スペクトル領域を有する光を放出するＬＥＤであることができる。高エネルギ光を放出する他の放射源も可能である。蛍光材料は、放射源からの光を完全に、または部分的に吸収し、赤色を十分な割合で含んでいる第２蛍光材料を使用することによって、それを十分に広い帯域内の他のスペクトル領域で再放出する。所望の白色の色温度及びＣＲＩを有する総合的な放出が形成される。

第１の光の波長を変換する第１蛍光材料は、セリウムをドープした多結晶セラミックボディであることができる。セラミックは、例えば、セリウムをドープしたＹＡＧ：Ｃe（0.5％）ガーネットであることができる。この第１蛍光材料は、黄色‐緑色スペクトル内の光を放出することができる。この第１蛍光材料は、第１の光によって励起することができる。例えば、（Ｌｕ_1-x-yＹ_xＧｄ_y）_3-a-b（Ａｌ_1-m-nＧａ_mＳｃ_n）₅Ｏ₁₂：Ｃｅ_aＰｒ_bなる一般式（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦0.5、0.001≦ａ≦0.02、0.001≦ｂ≦0.005、０≦ｍ≦0.5、及び０≦ｎ≦0.5）の緑色‐黄色放出セリウム‐プラセオジム活性化ルテチウム‐イットリウム‐アルミニウム‐ガリウム‐スカンジウムガーネット蛍光体を使用することができる。例えば、このガーネット材料は、（Ｌｕ_0.2Ｙ_0.8）_2.994（Ａｌ_4.95Ｓｃ_0.05）Ｏ₁₂：Ｃｅ_0.006、または（Ｙ_0.9Ｇｄ_0.1）_2.994Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ_0.006の好ましい組成を有することができる。これらの例は、例えば（Ｙ_0.9Ｇｄ_0.1）_2.994Ａｌ_5.01Ｏ_12.015：Ｃｅ_0.006のような理想的ガーネット化学量から逸脱した組成を含むこともできる。最も好ましいのは、理想的化学量からの逸脱を呈する組成が単一相であることである。上例は、ホウ酸塩、酸化ケイ素、ケイ酸塩、アルカリ土類化合物、フッ化物、または窒化アルミニウムまたは窒化シリコンのような窒化物のような、焼結用フラックスの使用まで遡ることができる付加的な化合物を有する組成を含むこともできる。これらの付加的な化合物は、セラミックガーネット粒子内に溶解することも、または粒界相のような二次相として存在することもできる。

第２蛍光材料は、例えば、赤色を放出するユウロピウム活性化蛍光体のような赤色放出蛍光体であることができる。第２蛍光材料は、（Ｃａ_1-x-yＳｒ_x）Ｓ：Ｅｕ_y（但し、０≦ｘ≦１、0.0003≦ｙ≦0.01）、（Ｂａ_1-x-yＳｒ_xＣａ_y）_2-zＳｉ_5-aＡｌ_aＮ_8-aＯ_a：Ｅｕ_z（但し、０≦ｘ≦0.5、０≦ｙ≦0.8、0.0025≦ｚ≦0.05、０≦ａ≦１）、または（Ｃａ_1-x-yＳｒ_xＭｇ_y）_1-zＳｉ_1-aＡｌ_1+aＮ_3-aＯ_a：Ｅｕ_z（但し、０≦ｘ≦0.5、０≦ｙ≦0.2、0.003≦ｚ≦0.05、０≦ａ≦0.02）のグループから選択することができる。好ましくは、ユウロピウム活性化カルシウムアルミニウムシリコン窒化物の組成Ｃａ_0.98Ｓｉ_0.985Ａｌ_1.015Ｎ_2.99Ｏ_0.01：Ｅｕ_0.02を使用するが、これは、高い量子効率で近ＵＶ（400ｎｍ）から青色−緑色（500ｎｍ）に励起可能な高色度赤色蛍光体である。この蛍光体を一次ＬＥＤ光のルミネセント変換のために最適使用するには、例えば関連発光デバイスの効力、色の表示、及び寿命を達成するように光物理特性を変更する必要がある。ユウロピウム活性化カルシウムアルミニウムシリコン窒化物の色度及び量子効率は、カルシウムをＢa、Ｓr、Ｍgを含むリストからの二価金属イオンに置換し、格子内のＮ／Ｏ及びＡl／Ｓi比を変えることによって変更することができる。最も好ましいのは、赤色放出ユウロピウム活性化カルシウムアルミニウムシリコン窒化物材料を、塩化アンモニウムまたは塩化ナトリウムのような付加されたハロゲン化物フラックスと共焼成することによって生産することである。ハロゲン化物フラックスは、蛍光体の所要焼成温度を引き下げ、材料の光出力を大幅に改善する。殆どの残留フラックスは焼成後に洗い流すことができるが、少量が格子内に取込まれてルミネセンス特性を劣化させることなくＣa_0.98Ｓi_0.985Ａl_1.015Ｎ_2.99Ｏ_0.01：Ｅu_0.02Cl_x（但し、ｘ≦0.0015）、またはＣa_0.96Ｎa_0.02ＳiＡlＮ_2.98Ｏ_0.02：Ｅu_0.02Cl_x（但し、ｘ≦0.0015）なる調合をもたらすことができる。

実施の形態によれば、第２蛍光材料は、少なくとも１つの特別層内において第１蛍光材料から分離することができる。この特別層は、第１波長スペクトルを放出する放射源と第２波長スペクトルを放出する第１蛍光材料との間、または第２波長スペクトルを放出する第１蛍光材料のトップ上の何れかに位置決めすることができる。第２蛍光材料は、蛍光材料の表面上の少なくとも１つの凹所、好ましくは２つより多くの凹所内に配置することもできる。これらの凹所は、放射源の前面に位置する第１蛍光材料の、または放射源の前面に位置する第２蛍光材料の何れかの第１の表面内に配置することができる。これにより、第３波長スペクトルを有する第３の光が、主に第１の光によって励起されるようになる。これらの凹所は、ピット、溝、窪み、空洞、凹み等であることができる。凹所は、放射源に面している表面とは反対側の表面上に配列することができる。凹所は、仕切り内に配列することができる。

第１蛍光材料は少なくとも１つの平坦な表面を有することができ、第２蛍光材料はこの平坦な表面上に第２ルミネセント層を形成する。好ましくは、この第２蛍光層は光を散乱させる。第１及び第２の光の波長を変換する第２蛍光材料は、凹所内に配置することができる。第２蛍光材料は、第１蛍光材料の表面上に堆積させることも、または球、蓄積体、クラスタ、ビーズ、立方体等として凹所内に配置することもできる。

第２蛍光材料を、分離した層内に、または凹所内に配置することによって、第１蛍光材料から放出された第２の光の吸収が最小限に留まる。第１蛍光材料からの光は、第２蛍光材料によって最小の再吸収を受けた後に放出される。更に、第１の光が第２蛍光材料を励起し、第１ルミネセント材料から放出された光が第２ルミネセント材料を透過しないように、第２蛍光材料を放射源の直近に配置する。

カラーレンダリングインデックス（ＣＲＩ）として表される白色光放射源のレンダリング照明色の品質は、実施の形態による照明システムによって改善すべきである。ＣＲＩが100であることは、光源から放出された光が黒体源（即ち、380ｎｍから780ｎｍまでの可視スペクトル範囲におけるＣＣＴ＜5000Ｋの場合の白熱光灯またはハロゲン灯）からの光と同一であること、またはＣＩＥ Pub 13.3（ＣＩＥ 13.3 : 1995、光源のカラーレンダリング特性を測定し、規定する方法）に定義されている‘太陽状’スペクトルと同一であることを表している。

層の厚み、凹所のサイズ及び寸法を選択することによって、ＣＣＴ及びＣＲＩを調整することができる。例えば、少なくとも２つの凹所間の距離を0.1−１ｍｍに、好ましくは0.5ｍｍに選択することができる。凹所は、第１蛍光材料の表面内に櫛状に形成することができる。各凹所の深さは、第１蛍光材料の厚みの少なくとも半分であることができる。凹所の深さを20μｍとすることが好ましい。少なくとも１つの多結晶蛍光材料の厚みＤは、50μｍ＜Ｄ＜850μｍ、好ましくは80μｍ＜Ｄ＜250μｍである。櫛状凹所は、第１蛍光材料の表面上にピラミッドにより形成することができる。ピラミッドの頂上は截頭する。

実施の形態によれば、第２蛍光材料は、第１の光、第２の光、及び第３の光の組成が6000Ｋより低い、好ましいことには5000Ｋより低い相関色温度において80より高いカラーレンダリングインデックスを有するように、第１蛍光材料の少なくとも１つの表面に配置することができる。

例えば、第１ルミネセント材料の少なくとも１つの表面上に配置された第２蛍光材料によって形成される層の散乱係数ｓは、30ｃｍ^-1＜ｓ＜1000ｃｍ^-1の範囲内である。この層は、中央値直径ｄ_50%が0.5μｍ＜ｄ_50%＜20μｍである蛍光体粒子からなることができる。別の例では、少なくとも１つの凹所の深さは、第１蛍光材料の厚みの少なくとも半分、好ましくは20μｍであることができる。これにより、第２蛍光材料は放射源の直近に配置され、第１ルミネセント材料からの光は、第２蛍光材料による干渉を受けずに放射され得る。第２蛍光材料をＬＥＤ光源によって直接励起可能にするために、実施の形態では15°乃至160°の、好ましくは90°の開き角を有する少なくとも１つの凹所を設けてある。

本発明の別の面は、上述した発光システムを含む照明デバイスである。

本発明のさらなる面は、第１蛍光材料の表面内に凹所を形成するステップと、形成された凹所内に第２蛍光材料を堆積させるステップと、第１蛍光材料を放射源上に取付けるステップとを含む発光システムの製造方法である。このようにして、上述した照明システムが作られる。

本発明の別の面は、第２蛍光材料を有するバインダ材料を有する箔を形成するステップと、上記第２蛍光材料を有する箔を第１ルミネセント材料を有する放射源上に堆積させるステップとを含む、第１蛍光材料を有する発光システムの製造方法である。このようにして、上述した照明システムが作られる。箔は、１乃至20重量％の粉末蛍光体（ｄ_50%＝５μｍ）を、結合キャリア材料としての高粘弾性ポリマーゲル内に分散させることによって作ることができる。結合材料の例は、熱可塑性プラスチック、熱硬化性プラスチック、樹脂、バインダ、ベースポリマー、モノマー、複合材料、及びシリコン化合物を含む。溶媒添加物を使用して、箔生産に必要な粘度及び硬化特性を調整することができる。箔は、成形（モールディング）、鋳込み（キャスティング）、押出し、プルトルージョン、機械加工、熱成形、及びプラスチック溶接のようなプロセスを通して形成することができる。箔は、第２蛍光材料上に堆積させる前に、所要サイズに形成することができる。

本発明のこれらの、及び他の面は、以下の添付図面に基づく詳細な説明から明白になるであろう。

図１は、実施の形態による照明システム１の側面図である。システム１は、例えば青色発光ＬＥＤであることができる放射源２を含むことができる。ＬＥＤ ２の表面上には、第１蛍光材料４が配列されている。第１蛍光材料４は平坦な表面を有しており、この表面上に第２蛍光材料８が堆積されている。第１蛍光材料４は、単結晶材料の密度の97％より大きい密度を有する多結晶セラミックであることが好ましい。第２蛍光材料８は、粉末であることが好ましい。この粉末は100ｎｍ＜ｄ_50%＜50μｍの中央値粒子サイズｄ_50%を有することができる。この粉末は、ダスティング、静電ダスティング、またはいわゆるフォトタッキープロセスによって、第１蛍光材料の表面上に付着させることができる。また第２蛍光材料８を、蛍光体を有するバインダ材料からなる箔にし、第２蛍光材料を有するこの箔を上記第１ルミネセント材料を有する放射源上に付着させることも可能である。

図２は、実施の形態による照明システムの斜視図である。システム１は、例えばＵＶ‐ＬＥＤ ２であることができる放射源を含むことができる。ＬＥＤ ２の表面上には、第１蛍光材料４が配置されている。第１蛍光材料４は凹所６を有し、凹所６の中には第２蛍光材料８が堆積されている。

使用されている蛍光材料４、８は、蛍光灯及び発光ダイオードによって作られるような紫外光、青色発光ダイオードにおけるような可視光に感応することができる。放射源は、蛍光材料４、８を励起することができる波長を有する光を放出する必要がある。これらは放電灯、及び発光ダイオード及びレーザダイオードのような青色及びＵＶ発光半導体デバイスであることができる。

放射源は半導体光放射エミッタ、及び電気的な励起に応答して光放射を放出する他のデバイスを含む。半導体光放射エミッタは、発光ダイオードＬＥＤチップ、発光ポリマー（ＬＥＰ）、有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）、ポリマー発光デバイス（ＰＬＥＤ）等を含む。

更に、低及び高圧水銀放電灯、硫黄放電灯、及び分子ラジエータに基づく放電灯のような放電灯及び蛍光灯に見出される発光要素も放射源として使用することを意図している。特に、放出最大値が400ｎｍ乃至480ｎｍに位置する青色ＬＥＤ２を用いると、良好な結果が得られる。特に使用される蛍光材料４、８の励起スペクトルを考慮すると、最適範囲が440ｎｍ乃至460ｎｍ、及び438ｎｍ乃至456ｎｍに位置することを見出した。

第１蛍光材料４は、緑色／黄色放出ガーネットであることができる。例えば、白色光を必要とする応用には、Ｃe³⁺（好ましくは、0.15％）をドープしたＹ₃Ａl₅Ｏ₁₂が有用である。普通のＹ₃Ａl₅Ｏ₁₂：Ｃe³⁺の狭い励起スペクトルは、ＬＥＤ ２の放出と第１蛍光材料４の放出との間の組合されたスペクトルにギャップをもたらす。励起スペクトルを広げることによって、スペクトルギャップを少なくとも部分的に充填することができる波長の光を放出するＬＥＤ ２の使用が可能なり、これはデバイスが放出する複合光のカラーレンダリングへの好ましい効果を潜在的に有している。以上の第１の実施の形態の説明においては、特にガーネットホストＹ₃Ａl₅Ｏ₁₂に関して説明したが、（Ｌu_1-x-yＹ_xＧd_y）_3-a-b（Ａl_1-m-nＧa_mＳc_n）₅Ｏ₁₂：Ｃe_aＰr_bなる一般式（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦0.5、0.001≦ａ≦0.02、0.001≦ｂ≦0.005、０≦ｍ≦0.5、及び０≦ｎ≦0.5）を有するガーネット蛍光材料も使用できることを理解されたい。このクラスの蛍光材料は、立方晶系ガーネット結晶の活性化されたルミネセンスに基づいている。ガーネットは、結晶化学式Ａ₃Ｂ₅Ｘ₁₂を有する材料のクラスである。Ａ原子はＹ、Ｇd、Ｌu、Ｔb、Ｙb、Ｌa、Ｃa、Ｓrからなるグループから選択することができ、Ｂ原子はＡl、Ｍg、Ｓc、Ｂ、Ｇa、Ｓi、Ｇe、Ｉnからなるグループから選択することができ、Ｘ原子はＯ、Ｎ、Ｆ、Ｓからなるグループから選択することができる。Ａ原子の一部は、Ｃe、Ｐr、Ｓm、Ｅu、Ｄy、Ｈo、Ｅr、Ｔmからなるグループから選択されたドーピング原子によって置換することができる。ドーピング濃度は、Ａ原子に対して0.01−10モル％の範囲内、最も好ましくは0.1−２モル％の範囲内であることができる。

第２蛍光材料８は、赤色放出蛍光体であることができる。適当な赤色放出蛍光体の例はＣa_1-x-yＳr_xＡlＳiＮ₃：Ｅu_y、またはＳr_2-xＳi₅Ｎ₈：Ｅu_x（但し、0.005＜ｘ＜0.05）、またはＳr_2-yＳi_5-xＡl_xＮ_8-xＯ_x：Ｅu_y（但し、０＜ｘ＜２、0.005＜ｙ＜0.05）、またはＢa_2-x-yＳr_xＳi₅Ｎ₈：Ｅu_y（但し、０＜ｘ＜１、0.005＜ｙ＜0.05）を含む。

ＬＥＤ ２から放出された光は、第１蛍光材料４及び第２蛍光材料８の両方によってその波長が変換される。ＬＥＤ ２から放出された青色光は、第１蛍光材料４及び第２蛍光材料８によって放出される緑色光及び赤色光と混合され、白色光が作られる。この白色光のＣＣＴ及びＣＲＩは、第１蛍光材料４及び第２蛍光材料８の設計を制御することによって制御することができる。

蛍光材料４、８のパターンは、例えば、機械研削及び鋸引き技術、普通のリトグラフィ及びエッチング技術を使用して第１蛍光材料４の層内に凹所を設け、例えば、電気泳動堆積によって第２蛍光材料８を堆積させて形成することができる。代替として、蛍光材料のパターン及び層を、スクリーン印刷またはインクジェット印刷またはダスティング、静電ダスティング、またはいわゆるフォトタッキープロセスによって堆積させることができる。最終的に、第１蛍光材料４及び第２蛍光材料８のパッケージをＬＥＤ ２上に配置することができる。

実施の形態によれば、第２蛍光材料８は、第１蛍光材料４の凹所６内に堆積させることができる。凹所６は、ピット、溝、窪み、空洞、凹みとして形成することができる。図２に示すように、凹所は、第１蛍光材料の長さに沿う互いに平行な溝に配列される。

実施の形態による別の配列を図３に示す。図３から明らかなように、凹所６は凹みとして配列され、これらの凹みは第１蛍光材料４の表面全体に均等に分布している。凹所６は底を有しており、つまり、止まり穴として形成することができる。凹所６の底上の止まり穴は、第２蛍光材料８を堆積させるために使用することができる。

図４に、凹所６を断面で示す。第２蛍光材料８は、凹所６の止まり穴１０内に堆積される。止まり穴１０は、凹所６の底面上に位置している。角αは、45°乃至170°、好ましくは90°である。サイズＥは170μｍであることが好ましい。凹所６及び止まり穴１０の深さは180μｍであることが好ましい。総合厚みＤは350μｍであることが好ましい。２つの凹所６の間の距離は0.5ｍｍであることが好ましい。

凹所のサイズ及び寸法を調整することによって、ＣＣＴを調整することができる。例えば、少なくとも２つの凹所の間の距離を0.1−１ｍｍに、好ましくは0.5ｍｍに選択することができる。凹所は、第１蛍光材料の表面内に櫛状に形成することができる。各凹所の深さは180μｍとすることができ、第１蛍光材料の厚みは350μｍとすることができる。櫛状凹所は、第１蛍光材料の表面上にピラミッドにより形成することができる。ピラミッドの頂上は截頭（cut-off）することができる。

実施の形態によれば、第２蛍光材料は、第１の光、第２の光、及び第３の光の組成が6000Ｋより低い、好ましいことには5000Ｋより低い相関色温度において80より高いカラーレンダリングインデックスを有するように、第１蛍光材料の表面の少なくとも１つの凹所内に配置することができる。

例えば、少なくとも１つの凹所の深さを、第１蛍光材料の厚みの少なくとも半分にすることができる。このようにすることによって、第２蛍光材料は放射源の直近に配置される。第３の光は、第１蛍光材料による干渉を受けることなく光の方向内に放射することができる。更に、第２の光は、第２蛍光材料による干渉を受けることなく光の方向内に放射することができる。

第３の光を光方向内に自由放射可能にするために、実施の形態には、45°乃至120°、好ましくは90°の開き角を有する少なくとも１つの凹所が設けられている。凹所６内に第２蛍光材料８を図示のように配置すると、第１蛍光材料４から放出された光は少量しか吸収されない。更に、第２蛍光材料は、ＬＥＤ ２からの光が第２蛍光材料８を励起するようにＬＥＤ ２の直近に配置される。第１蛍光材料４内のピラミッド状に形成された開口によって、第２蛍光材料から放出された光は歪みを生ずることなく光の方向に放出され得るようになる。図４から明らかなように、凹所は櫛形であることができる。各凹所はピラミッド形であることができる。第１蛍光材料４上に平らな表面が得られるように、ピラミッドの頂上は截頭することができる。

図５−７は、放出及び吸収スペクトルを示している。これらの図には、ＬＥＤ ２の正規化された放出スペクトル（１２）、第１蛍光材料４の正規化された放出スペクトル（１４）、及び第２蛍光材料８の正規化された放出スペクトル（１６）が示されている。更に、第１蛍光材料４の吸収スペクトル（ｋ）（１８）、及び第２蛍光材料８の吸収スペクトル（２０）も示されている。

図５は、第２蛍光材料８ Ｃa_1-xＳr_xＡlＳiＮ₃：Ｅu（但し、０＜ｘ＜１）の放出スペクトル１６、及び第１蛍光材料４としてのＹＡＧ：Ｃe（0.3％）ガーネットからの放出スペクトル１４を示している。第２蛍光材料８ Ｃa_1-xＳr_xＡlＳiＮ₃：Ｅu（但し、０＜ｘ＜１）の吸収スペクトル２０、及び第１蛍光材料４としてのＹＡＧ：Ｃe（0.3％）ガーネットの吸収スペクトル１８も示されている。

図６は、第２蛍光材料８ Ｓr_2-yＳi_5-xＡl_xＮ_8-xＯ_x：Ｅu_y（但し、０＜ｘ＜２、0.005＜ｙ＜0.05）の放出スペクトル１６、及び第１蛍光材料４としてのＹＡＧ：Ｃe（0.2％）ガーネットからの放出スペクトル１４を示している。第２蛍光材料８ Ｓr_2-yＳi_5-xＡl_xＮ_8-xＯ_x：Ｅu_y（但し、０＜ｘ＜２、0.005＜ｙ＜0.05）の吸収スペクトル２０、及び第１蛍光材料４としてのＹＡＧ：Ｃe（0.2％）ガーネットの吸収スペクトル１８も示されている。

図７は、第２蛍光材料８ Ｓr_2-xＳi₅Ｎ₈：Ｅu_x（但し、0.005＜ｘ＜0.05）の放出スペクトル１６、及び第１蛍光材料４としてのＹＡＧ：Ｃe（0.5％）ガーネットからの放出スペクトル１４を示している。第２蛍光材料８ Ｓr_2-xＳi₅Ｎ₈：Ｅu_x（但し、0.005＜ｘ＜0.05）の吸収スペクトル２０、及び第１蛍光材料４としてのＹＡＧ：Ｃe（0.5％）ガーネットの吸収スペクトル１８も示されている。

図８は、実施の形態による照明システム１の放出スペクトルを示してしる。グラフ２２は、図２に示したような照明システムの放出スペクトルを表している。グラフ２６は、図１に示したような照明システムの放出スペクトルを表している。最後に、グラフ２４は、第２蛍光材料８がＬＥＤ ２と第１蛍光材料４との間にサンドウィッチされているような照明システムの放出スペクトルを表している。

本発明の凹所の配列及び堆積は、6000Ｋより低い、好ましいことに5000Ｋより低い色温度において80以上のＣＲＩを有する白色光を作り出す。

照明システムの第１実施形態の側面図である。 照明システムの第２実施形態の斜視図である。 照明システムの第３実施形態の斜視図である。 照明システムの実施形態の断面図である。 実施の形態による照明システムの要素の放出及び吸収スペクトルを示す図である。 実施の形態による照明システムの要素の別の放出及び吸収スペクトルを示す図である。 実施の形態による照明システムの要素の別の放出及び吸収スペクトルを示す図である。 実施の形態による照明システムの異なる構成のための放出スペクトルを示す図である。

符号の説明

１ 照明システム
２ 放射源
４ 第１蛍光材料
６ 凹所
８ 第２蛍光材料
１０ 止まり穴

Claims (15)

1. 発光システムであって、
   少なくとも第１波長スペクトルを有する第１の光を放出することができる放射源と、
   上記放射源の前面に配置されており、上記第１の光を少なくとも部分的に吸収して第２波長スペクトルを有する第２の光を放出することができる第１蛍光材料と、
   上記第１蛍光材料の第１の表面内に設けられている少なくとも１つの凹所と、
   上記少なくとも１つの凹所内に配置されており、上記第１の光を少なくとも部分的に吸収して第３波長スペクトルを有する第３の光を放出することができる第２蛍光材料と、を含み、
   第１蛍光材料は、単結晶材料の密度の97％より大きい密度を有する多結晶セラミックであり、
   第２蛍光材料は100ｎｍ＜ｄ_50%＜50μｍの中央値粒子サイズを有する蛍光体粉末であり、
   上記少なくとも１つの凹所は、Ｖ形、又はピラミッド形又は頂上が截頭されたピラミッド形に形成され、15°乃至160°の開き角度を有する、ことを特徴とする発光システム。
2. 上記第２蛍光材料は、
   Ａ）第１波長を放出する上記放射源と、第２波長スペクトルを放出する上記第１蛍光材料との間、または、
   Ｂ）第２波長スペクトルを放出する上記第１蛍光材料の上、
   の位置のうちの１つに層として配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発光システム。
3. 上記凹所は、上記凹所の頂部が止まり穴であり、上記第２蛍光材料は、上記止まり穴内に堆積されており、上記開き角度は45°乃至160°であることを特徴とする請求項１に記載の発光システム。
4. 上記少なくとも１つの凹所の深さは、上記第１蛍光材料の厚みの少なくとも半分であることを特徴とする請求項１に記載の発光システム。
5. 上記第１蛍光材料の厚みＤは、50μｍ＜Ｄ＜850μｍであることを特徴とする請求項１に記載の発光システム。
6. 上記第２蛍光材料は、上記第１の光、上記第２の光、及び上記第３の光の組成が6000Ｋより低い、好ましいことには5000Ｋより低い相関色温度ＣＣＴにおいて80より高いカラーレンダリングインデックスを有するように、上記第１蛍光材料と共に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の発光システム。
7. 上記第１蛍光材料は上記放射源の表面に配置されており、上記凹所は上記放射源とは反対側の上記第１蛍光材料の表面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発光システム。
8. 上記少なくとも１つの凹所は、90°の開き角度を有していることを特徴とする請求項１に記載の発光システム。
9. ２つの上記凹所間の距離は、0.1−１ｍｍ、好ましくは0.5ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の発光システム。
10. 上記第１蛍光材料は、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦0.5、0.001≦a≦0.02、0.001≦ｂ≦0.005、０≦ｍ≦0.5、及び０≦ｎ≦0.5として、（Ｌｕ_1-x-yＹ_xＧｄ_y）_3-a-b（Ａｌ_1-m-nＧａ_mＳｃ_n）₅Ｏ₁₂：Ｃｅ_aＰｒ_bなる式を有する蛍光体からなることを特徴とする請求項１に記載の発光システム。
11. 上記第２蛍光材料は、
    Ａ）０≦ｘ≦１、0.0003≦ｙ≦0.1として、（Ｃａ_1-x-yＳｒ_x）Ｓ：Ｅｕ_y、
    Ｂ）０≦ｘ≦0.5、０≦ｙ≦0.8、0.0025≦ｚ≦0.05、０≦ａ≦１として、（Ｂａ_1-x-yＳｒ_xＣａ_y）_2-zＳｉ_5-aＡｌ_aＮ_8-aＯ_a：Ｅｕ_z、または、
    Ｃ）０≦ｘ≦0.5、０≦ｙ≦0.2、0.003≦ｚ≦0.05、０≦ａ≦0.02として、（Ｃａ_1-x-yＳｒ_xＭｇ_y）_1-zＳｉ_1-aＡｌ_1+aＮ_3-aＯ_a：Ｅｕ_z、
    のグループから選択することができることを特徴とする請求項１に記載の発光システム。
12. 請求項１に記載の発光システムを含むことを特徴とする照明デバイス。
13. 発光システムを製造する方法であって、
    第１蛍光材料の表面内に複数の凹所を形成するステップと、
    上記形成された凹所内に第２蛍光材料を配置するステップと、
    上記第１蛍光材料を放射源上に取付けるステップと、
    を含み、上記凹所は、Ｖ形、又はピラミッド形又は頂上が截頭されたピラミッド形に形成され、15°乃至160°の開き角度を有することを特徴とする方法。
14. 第１蛍光材料を有する発光システムを製造する方法であって、
    第２蛍光材料を有するバインダ材料を用いて箔を形成し、上記第２蛍光材料を有する箔を、上記第１蛍光材料を有する放射源上に堆積させるステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. １乃至20重量％の粉末蛍光体（ｄ_50%＝５μｍ）を、熱可塑性プラスチック、熱硬化性プラスチック、樹脂、バインダ、ベースポリマー、モノマー、複合材料、及びシリコン化合物を含むバインディングキャリア材料として高粘弾性ポリマーゲル内に分散させるステップと、モールディング、キャスティング、押し出し成形、引き抜き成形、機械加工、熱成形、及びプラスチック溶接のようなプロセスにより上記箔を形成するステップを更に含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。

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