JP5624616B2 - オキシオルトシリケート発光体を有する発光物質を用いる発光装置 - Google Patents
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Description
本発明は、無機ケイ酸塩ベースの発光物質（ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｓｉｌｉｃａｔｅ−ｂａｓｅｄ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ）を放射変換体として用いる発光装置に関するものである。この発光装置は、紫外光（ＵＶ）放射又は青色光などの高エネルギーの一次放射（ｐｒｉｍａｒｙ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）を長波長の可視放射に変換する放射変換体（ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）として使用することができる発光物質を用いることによって、有色又は白色の光を放出することができる。特に、このような変換発光物質を含む発光装置は、特に改善された温度依存性の発光効率又は量子効率、及び、生成された光の放出に寄与する発光物質のより長い寿命を有することを特徴とする。特に、発生する放射負荷及び大気湿度とその他の環境的要因に対する発光体（ｌｕｍｉｎｏｐｈｏｒｅ）の高い安定性が達成される。
発光装置（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ；ＬＥＤ）は、色実現が可能であり、例えば、表示灯、電光板及びディスプレイ用に広く使用されている。また、白色光は、一般の照明用にも使用可能である。このような発光装置は、効率が高く、寿命が長く、環境にやさしいので、それを使用する分野が継続的に増加している。
より多く利用されるように、白色光を含む色実現のための多様な方法が開発されており、一般に、発光ダイオードの周囲に発光物質を配置し、発光ダイオードから放出された光と発光物質によって変換された光との組み合わせによって白色光を実現する技術が使用されている。
例えば、ユーロピウム（ｅｕｒｏｐｉｕｍ）―典型的にはＳｒ３ＳｉＯ５のような活性アルカリ土類金属オキシオルトシリケート：Ｅｕとしては、有色又は白色の光を放出するＬＥＤに使用されるものが知られており、このような化合物中のストロンチウム元素の全部又は一部を他のアルカリ土類金属イオンに置換することが可能である。
しかし、このような公知の発光物質は、使用条件下において寿命が比較的短いという短所を有する。これは、特に、ユーロピウム―ドーピングアルカリ土類金属オキシオルトシリケート（ｅｕｒｏｐｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ａｌｋａｌｉｎｅ ｅａｒｔｈ ｍｅｔａｌ ｏｘｙｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）の高い湿度敏感性のためである。
したがって、開示された発光体の技術的適用を完全に阻害したり、少なくとも相当程度に制限するおそれのある致命的な短所を低減させる方法が求められている。
本発明では、このような要求及びその他の要求に対処するものであり、本発明の例示的な実施例は、改善された性質、特に、大気湿度に対して非常に高い安定性を有する化学的に変形されたオキシオルトシリケート発光物質を有する発光装置を提供する。
本発明の付加的な特徴は、以下の説明において提示され、部分的には説明から明らかになるか、又は本発明の実施によって理解され得る。
本発明の他の様態と特徴及び長所は、下記の詳細な説明と、本発明を実施するために考慮された最善の方式を含む多数の特定の実施例及び実現例を示す図面によって明らかになる。また、本発明は、その他の実施例を含むことができ、本発明の多くの詳細事項は、本発明の趣旨と範囲を逸脱しない範囲内で多様な明白な点で変更可能である。したがって、図面と説明は、制限的なものではなく、例示的なものとみなされなければならない。
本発明の各実施例は発光装置を開示する。発光装置は発光ダイオードを含む。また、発光装置は、発光ダイオードの周囲に配置され、発光ダイオードから放出された光の少なくとも一部を吸収する発光物質を含む。発光ダイオードから放出される光は、吸収光の波長とは異なる波長を有する。発光物質は、発光を起こすＥｕ２＋活性に対する格子ベースとして、アルカリ土類金属オキシオルトシリケートと稀土類金属オキシオルトシリケートとの間の混合相を形成するためのＥｕ２＋ドーピングシリケート発光体を含む。
上述した一般的な説明と下記の詳細な説明は、いずれも例示的なもので、かつ、説明を助けるためのものであって、請求項に記載された本発明に対するより深い説明を提供するためのものである。
本発明の例示的な実施例によると、改善された性質、特に、大気湿度に対して非常に高い安定性を有する化学的に変形されたオキシオルトシリケート発光物質を有する発光装置を提供することができる。
以下では、化学的に変形されたオキシオルトシリケート発光物質を含む発光物質を用いる発光装置を説明する。以下の説明では、本発明の完全な理解のために説明を補助する目的で多数の具体的な詳細事項を提示する。しかし、これら具体的な詳細事項がなくても、又は同等の配列により本発明が実施可能であることは、当該技術分野の当業者にとって明らかである。また、公知の構造及び装置は、本発明を不必要に曖昧にすることを防止するためにブロックダイヤグラムの形式で図示される。
図１は、本発明の一実施例に係る発光装置１００を説明するための断面図である。図１は、少なくとも一つの発光ダイオードと発光物質とが組み合わされたチップ型パッケージを示す。
図１を参照すると、基板１の両側にそれぞれ電極５を形成してもよい。一方の電極５の上には、一次光（ｐｒｉｍａｒｙ ｌｉｇｈｔ）を放出する発光ダイオード６を実装してもよい。発光ダイオード６は、銀（Ａｇ）ペーストなどの導電性ペースト９を通して電極５に実装され、導電性ワイヤ２を介して他方の電極に電気的に接続されてもよい。
発光ダイオード６は、紫外光又は青色光を放出してもよく、窒化ガリウムベースの化合物半導体から生成することができる。特に、発光ダイオード６は青色の光を放出してもよい。
発光物質３は、発光ダイオード６の上面及び側面の一部に配置されてもよい。そして、発光ダイオード６は、例えば、硬化性樹脂で形成されたモールディング部材１０で封止されてもよい。発光物質３は、発光ダイオード６の付近に配置されてもよいが、構成によっていかなる位置にも配置可能である。また、発光物質３は、モールディング部材１０内に均一に分布させることができる。
発光物質３は、発光ダイオード６の周囲に配置され、発光ダイオードから放出された光の少なくとも一部を吸収したり、吸収光とは異なる波長の光を放出することができる。発光物質３は、アルカリ土類金属オキシオルトシリケートと稀土類金属オキシオルトシリケートとの間の固溶体、いわゆる混合相が、発光を起こすＥｕ２＋活性に対する格子ベースとして使用されるＥｕ２＋―ドーピング発光体を有するケイ酸塩発光物質である。以下では、発光物質３について詳細に説明する。
発光ダイオード６は、電極５を介して外部電源に電気的に接続してもよく、その結果、発光ダイオード６から一次光を放出することができる。発光物質３は、放出された一次光の少なくとも一部を吸収し、一次光に比べて長波長である二次光を放出してもよい。これによって、発光ダイオード６から放出された一次光のうち変換されていない一次光と発光物質３によって放出された二次光とを互いに混合することができ、このような混合光を発光装置の外部に放出することができる。このような混合光により、所望の色の光、例えば、白色光が実現される。
発光装置１００は、２個以上の発光ダイオードを含んでもよい。これら発光ダイオードは、互いに同一又は互いに異なる波長の光を放出してもよい。例えば、発光装置１００は、紫外光又は青色光を放出できる互いに同一又は互いに異なる発光ダイオードを含んでもよい。また、発光装置１００は、蛍光体の発光ピーク波長より長波長の光を放出できる発光ダイオード、例えば、赤色の発光ダイオードを含んでもよい。このような長波長発光ダイオードは、発光装置１００の演色性（ｃｏｌｏｒ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｉｎｄｅｘ）を向上させるために用いられてもよい。また、発光装置１００は、発光物質３以外の他の蛍光体をさらに含んでもよい。他の蛍光体は、特に限定されるものではなく、オルトシリケート蛍光体、ＹＡＧベースの蛍光体又はチオガレート蛍光体などを含む。その結果、発光ダイオード６及び蛍光体の適切な選択により、ユーザーが所望する色の光を容易に実現することができる。
図２は、本発明の他の実施例に係る発光装置２００を説明するための断面図である。図２は、リフレクタ２１を備える典型的なトップ型パッケージを示す。
図２を参照すると、発光装置２００は、上述した発光装置１００と類似した構造を有し、基板１の上にリフレクタ２１が追加されてもよい。発光ダイオード６は、リフレクタ２１内に実装されてもよい。リフレクタ２１は、発光ダイオード６から放出された光を反射させ、特定の画角内の輝度を増加させる。
一方、発光物質３は、図１を参照して説明したように、発光ダイオード６の周囲に配置され、発光ダイオードから放出された光の少なくとも一部を吸収し、吸収光とは異なる波長の光を放出する。発光物質３は、リフレクタ２１内で発光ダイオード６の上にドッティング（ｂｅ ｄｏｔｔｅｄ）されたり、硬化性樹脂モールディング部材１０内に均一に分布させてもよい。以下、発光物質３について詳細に説明する。
また、発光装置２００は、図１を参照して説明したように、放出波長が互いに同一又は互いに異なる２個以上の発光ダイオードを含んでもよく、発光物質３以外の多様な蛍光体をさらに含んでもよい。
一部の実施例において、図１及び図２に示した各発光装置１００、２００は、熱導電性に優れた金属性材料の基板１、例えば、メタルＰＣＢ（ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ）を含むことができる。このような基板は、発光ダイオード６で生成された熱を容易に放出する。また、基板１としては、各リード端子を含むリードフレームを使用してもよい。このようなリードフレームは、発光ダイオードを封止するモールディング部材１０によって取り囲まれて支持されてもよい。
図２に示したように、基板１とリフレクタ２１とは互いに異なる材質で形成されてもよいが、これに限定されるものではない。例えば、基板１とリフレクタ２１とは同一の材質で形成することもできる。各リード端子を有するリードフレームをＰＰＡなどのプラスチックでインサートモールディング（ｉｎｓｅｒｔ−ｍｏｌｄｅｄ）し、基板１とリフレクタ２１とを共に形成することができる。その後、各リード端子を折り曲げることによって電極５が形成される。
図３は、本発明の更に他の実施例に係る発光装置３００を説明するための断面図である。発光装置３００は、一般的に発光ダイオードランプとして知られている。
図３を参照すると、発光装置３００は、一対のリード電極３１、３２を含み、一方のリード電極３１の上端部にカップ状のカップ部３３が形成されている。カップ部３３内に少なくとも一つの発光ダイオード６を導電性接着剤９を介して実装し、導電性ワイヤ２を介して他方のリード電極３２に電気的に接続されてもよい。複数の発光ダイオードがカップ部３３内に実装される場合、各発光ダイオードは、互いに同一又は互いに異なる波長の光を放出してもよい。
一方、発光ダイオード６の周囲に発光物質３を配置してもよい。図１を参照して説明したように、発光物質３は、発光ダイオード６の周囲に配置され、発光ダイオードから放出された光の少なくとも一部を吸収し、吸収光とは異なる波長の光を放出する。発光物質３は、カップ部３３内で発光ダイオード６の上にドッティングしたり、カップ部３３の内部に形成された硬化性樹脂モールディング部材３４内に均一に分布させることができる。以下では、発光物質３について詳細に説明する。
モールディング部材１０は、発光ダイオード６と発光物質とを封止し、また、一対のリード電極３１、３２の各部分を封止する。モールディング部材１０は、例えば、エポキシ又はシリコンで形成されてもよい。
発光装置３００は、一対のリード電極３１、３２を有するものとして提供てもよい。しかし、発光装置３００は、より多くの対のリード電極を含んでもよい。
図４は、本発明の更に他の実施例に係る発光装置４００を説明するための断面図である。図４は、高出力用の発光ダイオードパッケージを示す。
図４を参照すると、発光装置４００は、ハウジング４３内に収納されたヒートシンク４１を含む。ヒートシンク４１の底面は外部に露出される。各リード電極４４は、ハウジング４３内に露出されてもよく、ハウジングを通して外部に延長されてもよい。ヒートシンク４１の上面に少なくとも一つの発光ダイオード６を導電性接着剤９を介して実装し、導電性ワイヤを介して各リード電極４４のうちの一つに電気的に接続してもよい。また、他の導電性ワイヤが各リード電極４４のうち他の一つとヒートシンク４１とを接続し、その結果、発光ダイオード６を２つのリード電極４４にそれぞれ電気的に接続することができる。
一部の実施例において、ヒートシンク４１の上の発光ダイオード６の周囲には発光物質３を配置してもよい。発光物質３は、図１を参照して説明したように、発光ダイオード６の周囲に配置され、発光ダイオードから放出された光の少なくとも一部を吸収し、吸収光とは異なる波長の光を放出してもよい。発光物質３は、ヒートシンク４１の上で発光ダイオード６の上にドッティングされたり、発光ダイオードを覆うモールディング部材（図示せず）内に均一に分布されてもよい。以下では、発光物質３について詳細に説明する。
図５は、本発明の更に他の実施例に係る発光装置５００を説明するための断面図である。
図５を参照すると、発光装置５００は、ハウジング５３と、ハウジングに結合され、互いに絶縁された複数のヒートシンク５１、５２とを含む。各ヒートシンク５１、５２の上にそれぞれ各発光ダイオード６、７を導電性接着剤９を介して実装し、導電性ワイヤ（図示せず）を介して各リード電極５４に電気的に接続してもよい。各リード電極５４は、ハウジング内で外部に延長されてもよい。図面では、２つのリード電極５４を示したが、より多くの数のリード電極を設けてもよい。
例えば、発光物質３が各発光ダイオード６、７のうち少なくとも一つの周囲に、図４を参照して説明したように配置される。以下では、発光物質３について詳細に説明する。
本発明の各実施例において、発光ダイオード６を導電性接着剤９を介して基板１又はヒートシンクに実装し、一つの導電性ワイヤを介して電極又はリード電極に電気的に接続できるように考慮されている。当該技術分野における当業者であれば、このような各実施例において、発光ダイオード６は「シングルボンドダイ（ｓｉｎｇｌｅ−ｂｏｎｄ ｄｉｅ）」、すなわち、その上側部及び下側部にそれぞれ電極を有する場合に限定されると理解することができる。発光ダイオード６が上側部に２つの電極を有する「２ボンドダイ（ｔｗｏ−ｂｏｎｄ ｄｉｅ）」である場合、発光ダイオード６は、２つの導電性ワイヤによってそれぞれ各電極又は各リード電極に電気的に接続される。この場合、接着剤は導電性である必要はない。
本発明の各実施例において、発光ダイオード６は、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎベースの化合物半導体で形成された発光ダイオードであってもよい。
発光ダイオード６は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に単一の活性領域を有し、例えば、ダブルヘテロ構造、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造の発光ダイオードであってもよい。
例えば、発光ダイオード６は、単一基板上に互いに隔離された複数の発光セルを含んでもよい。各発光セルはそれぞれ活性領域を備えており、これら発光セルは、交流電源下で直接駆動できるように配線を介して電気的に直列及び／又は並列に接続されてもよい。このような交流用の発光ダイオードは、単一基板上に互いに接続されたブリッジ整流器と各発光セルの直列アレイとを形成することによって、又は単一基板上に互いに逆並列に接続された各発光セルの直列アレイを形成することによって、外部の直流―交流変換器がなくても交流電源に接続して駆動することができる。交流用発光ダイオードは、複数の発光セルを配線を介して直列に接続されるので、動作電圧を家庭用電源の電圧、例えば、１１０Ｖ又は２２０Ｖの電圧に上昇させることができる。このように、家庭用電源によって動作可能な発光装置を提供することができる。
一部の実施例において、発光物質３は、発光ダイオード６と発光ダイオードが実装される基板１又はヒートシンクとの間に配置されてもよく、接着剤９の内部に分布させてもよい。このような発光物質３は、発光ダイオード６から下方に放出された光の少なくとも一部を吸収し、異なる波長の光を放出する。
以上では、発光装置のいくつかの構造について説明したが、本発明はこれら構造に限定されることはなく、発光ダイオードの種類、電気的接続方法、要求される光の画角及び発光装置の使用目的などに応じてその構造を多様に変形させてもよい。
以下、本発明の各実施例に使用される発光物質３について説明する。
本発明に係る発光物質の群は、Ｅｕ２＋―ドーピングケイ酸塩発光体を含むが、アルカリ土類金属オキシオルトシリケートと稀土類金属オキシオルトシリケートとの間の固溶体、いわゆる混合相が格子ベースとして使用される。２つの異なるオキシオルトシリケート類型間の固溶体の形成は、特定の濃度限界内で可能であり、検出された特徴により、（１−ｘ）ＭＩＩ ３ＳｉＯ５・ｘＳＥ２ＳｉＯ５と表記される。
前記一般的な構造式において、ＭＩＩは、望ましくはＳｒのアルカリ土類金属イオンであり、他のアルカリ土類金属イオン又はマグネシウム、カルシウム、バリウム、銅、亜鉛及びマンガン元素からなる群より選ばれる２価金属イオンであってもよいが、これらイオンは、一般的に、ストロンチウムに加えて、互いに定量混合されて用いられてもよい。ただし、バリウムの場合には、ストロンチウムを完全に置換することが可能である。一方、ストロンチウムに加えて添加される他の２価金属イオンの比率は最大０．５であってもよい。
化学式に使用された記号ＳＥは稀土類金属を示し、イットリウム、ランタン及びいわゆるランタン族元素、すなわち、原子番号５８から７１の元素の３価金属イオンであるが、望ましくは、イットリウム、ランタン、ガドリニウム及びルテチウムの相応する各イオンである。これらイオンは、別個の成分又は互いの混合物として基材（ｍａｔｒｉｘ）の中に添加されてもよい。
また、ユーロピウムとは別に、そして、このドーピング元素に加えて、原理的にサマリウム及びイットリウムなどの２価稀土類金属イオン、又はセリウムイオン（Ｃｅ３＋）などの特定の３価稀土類金属イオンが活性剤として使用される。
発光性質及び安定性を最適化する目的で、本発明に係る発光物質の組成物に関して追加的な変形が可能である。したがって、必要であれば、例えば、シリコンをゲルマニウムに、及び／又はアルミニウム、ガリウム、ホウ素又はリンに置換することが可能であるが、電荷均衡を維持するための適切な措置を取らなければならない。これは、例えば、リチウム、ナトリウム又はカリウムなどの１価陽イオン、又はフッ素、塩素、臭素又はヨウ素などの陰イオンを本発明に係る格子ベース内に追加的に添加することを含んでもよい。
望ましい実施例において、本発明に係る発光物質は、化学式（１−ｘ）（Ｓｒ３−ａ−ｂ−ｚＢａａＣａｂＭＩＩ ｃＥｕｚ）ＳｉＯ５・ｘＳＥ２ＳｉＯ５を有するが、ここで、ＭＩＩ＝Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ及び／又はＭｎであり、ＳＥ＝Ｙ、Ｌａ、Ｇｄ及び／又はＬｕ及び／又は原子番号５８から７１のランタン族からなる群より選ばれる他の元素で、モル比率として、ｘ≦０．２、特にｘ≦０．１であり、０≦ａ≦３、０≦ｂ≦０．０５、０≦ｃ≦０．０５及びｚ≦０．２５である。
本発明の例示的な実施例によると、アルカリ土類金属及び稀土類金属オキシオルトシリケートは、特定の濃度範囲内で、固溶体、すなわち、互いの結晶混合相を形成し、このような格子ベースのＥｕ２＋活性により、非常に高い湿度安定性を有する効率的な発光物質になる。固溶体の形成のための濃度範囲は、最大１５モル％の稀土類金属オキシオルトシリケートに達する。
高エネルギー放射で励起すると、本発明に係る発光物質は、それらの特定の化学的組成によってスペクトルの可視部分、望ましくは５６０から６２０ｎｍの範囲内で放射する。Ｅｕ２＋発光に対する励起は、２２０ｎｍの紫外光範囲から５５０ｎｍの可視範囲まで延長されるが、これは、本発明の発光体が緑色励起放射でも励起され、効率的な黄色及びオレンジ色又は赤色の発光を示すことができることを意味する。
本発明に係る発光物質の生成は、望ましくは、出発物質（ｓｔａｒｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）として使用されるアルカリ土類金属及び稀土類金属炭酸塩又は相応する酸化物とコルロイダルＳｉＯ２との間の多段階の高温固相反応に基づいて行われるが、反応を促進し、生成された発光体の粒子サイズ分布を調節するために、一定量のフラックス又はＮＨ４Ｃｌなどのミネラル化添加剤、あるいは特定のアルカリ金属又はアルカリ土類金属フッ化物を反応混合物に添加してもよい。これら出発物質は、完全に混合された後、非活性又は還元雰囲気中で１３００から１７００℃の温度で１から４８時間焼成される。選択的に、発光物質の性質を最適化するための主な焼成工程も、異なる温度範囲で複数の焼成段階を経てもよい。焼成工程が終了した後、サンプルは常温まで冷却され、例えば、フラックス残留物の除去、表面欠陥の最小化又は粒子サイズ分布の精密な調整を目的とする適切な後処理工程を経る。
コロイダルシリカの代わりに、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を、使用されるアルカリ土類金属及び稀土類金属化合物の反応のための反応体として使用してもよい。まず、それぞれの個別のアルカリ土類金属又は稀土類金属オキシオルトシリケート成分を互いに分離して生成した後、目的に合う温度範囲で繰り返し熱処理することによって固溶体の形成を確実にすることも可能である。
以下では、本発明に係る発光物質の生成に対する詳細な情報を複数の実施例を参照して記載する。
実施例１は、まず、本発明の発光物質の長所を評価する基準物質とみなされる（Ｓｒ２．９５Ｂａ０．０１Ｅｕ０．０４）ＳｉＯ５組成を有するストロンチウムオキシオルトシリケート発光物質の生成を説明する。
発光物質の生成のために、ＳｒＣＯ３ ２１７．７５ｇ、ＢａＣＯ３ ０．９９ｇ、Ｅｕ２Ｏ３ ３．５２ｇ、ＳｉＯ２ ３１．５４ｇ及びＮＨ４Ｃｌ ２．６８ｇが完全に混合された後、形成ガス雰囲気中で１３５０℃で４時間焼成される。焼成工程が終了した後、焼成された物質はミリング（ｍｉｌｌｉｎｇ）で均質化され、続いて、再び少なくとも５％の水素濃度を有する還元Ｎ２／Ｈ２雰囲気中で２時間１３５０℃で熱処理される。冷却された焼成物質の後処理は、ミリング、洗浄工程の実行及び最終生成物の乾燥及びふるい分けを含む。
実施例２は、０．９９・（Ｓｒ２．９５Ｂａ０．０１Ｅｕ０．０４）ＳｉＯ５・０．０１・Ｙ２ＳｉＯ５組成を有する本発明に係る発光物質の生成を説明している。この発光物質は、実施例１に記載された焼成条件を維持しながら、次の出発物質及び量が使用されて生成される：ＳｒＣＯ３ ２１５．５８ｇ、ＢａＣＯ３ ０．９８ｇ、Ｙ２Ｏ３ １．１３ｇ、Ｅｕ２Ｏ３ ３．４７ｇ、ＳｉＯ２ ３１．５４ｇ及びＮＨ４Ｃｌ ２．６８ｇ。
実施例３では、０．９５・（Ｓｒ２．８８７５Ｂａ０．０１Ｃｕ０．００２５Ｅｕ０．１０）ＳｉＯ５・０．０５・Ｇｄ２ＳｉＯ５組成を有する本発明に係る発光物質の生成で、ＳｒＣＯ３ ２０２．４８ｇ、ＢａＣＯ３ ０．９４ｇ、ＣｕＯ ０．０９４ｇ、Ｇｄ２Ｏ３ ９．０６ｇ、Ｅｕ２Ｏ ３８．３６ｇ及びＳｉＯ２ ３０．９４ｇが出発物質として使用され、これにＮＨ４Ｃｌ ４．０ｇがフラックスとして添加される。完全に均質化された後、出発混合物は、高温炉に配置されたコランダム（ｃｏｒｕｎｄｕｍ）るつぼに移される。ここで、固体混合物には、１２００℃で１０時間維持される第１の段階、１５５０℃で５時間維持される第２の段階及び１３５０℃で維持される第３の段階を有する焼成が実行され、最後の段階での維持時間は２時間である。焼成は、１５５０℃に到するまでは純粋窒素中で行われ、１５５０℃段階の間は２０％の水素を有するＮ２／Ｈ２混合ガス中で行われ、その後は、形成ガス（５％水素）中で行われ、１３５０℃の焼成段階が終了した後、急速に冷却される。発光物質のサンプルの後処理は、実施例１に記載された方式で行われる。
実施例４に係る変形体の生成は、まず、変形されたストロンチウムオキシオルトシリケート及び稀土類金属オキシオルトシリケートを互いに別途に生成した後、別途の生成段階で固溶体の形成を行うことを含む。生成された発光物質は、０．９９５・（Ｓｒ２．４９８Ｂａ０．４５Ｃａ０．００２Ｅｕ０．０５）ＳｉＯ５・０．００５・Ｌａ２ＳｉＯ５組成を有する。
（Ｓｒ２．４９８Ｂａ０．４５Ｃａ０．００２Ｅｕ０．０５）ＳｉＯ５成分の合成は、次の量を用いて実施例１と類似した形態で行われる：ＳｒＣＯ３ １８４．３９ｇ、ＢａＣＯ３ ４４．４０ｇ、ＣａＦ２ ０．０７８ｇ、Ｅｕ２Ｏ ３３．９６ｇ及びＳｉＯ２ ３１．５４ｇ。一方、必要なランタンオキシオルトシリケートＬａ２ＳｉＯ５は、Ｌａ２Ｏ３ ３２５．８１ｇ、ＳｉＯ２ ５５．２ｇ及びＮＨ４Ｃｌ ２．６８ｇを用いて一つの焼成工程で生成することができ、完全に混合された出発物質は、形成ガス中で１３８０℃の温度で６時間焼成される。
本発明に係る発光物質の生成のために、組成において、生成された（Ｓｒ２．４９８Ｂａ０．４５Ｃａ０．００２Ｅｕ０．０５）ＳｉＯ５成分１９７．２３ｇ及びＬａ２ＳｉＯ５ ０．９６ｇが徹底的な混合工程を経て、続いて、窒素―水素（５％）気流中で１１５０℃で６時間加熱される。
図６は、その生成過程が実施例１から４で説明された発光物質のＸ線回折ダイヤグラムを示す。それらは、原則として先行文献で公知となったＳｒ３ＳｉＯ５の反射を共通して有するが、回折角度は、実行された格子置換のために純粋なＳｒ３ＳｉＯ５相に比べて少しだけ移動し得る。単斜晶系ＳＥ２ＳｉＯ５相で生じる反射の存在は、いずれのダイヤグラムでも検出されない。そのような反射は、実際にストロンチウムオキシオルトシリケートと対応する稀土類金属オキシオルトシリケートとの間の固溶体の形成に対して言及された濃度範囲外でのみ発生し得る。
表１は、実施例２に記載した生成方法と類似した形態で生成される本発明に係る追加的な発光物質の格子定数を示す。発光体の格子定数は互いに非常に類似している。発光物質の格子ベースとして使用されるオキシオルトシリケート固溶体におけるＳＥ２ＳｉＯ５の比較的少ない比率を考慮すると、格子定数の偏差に対して明らかな傾向を検出することはできない。
表２において、異なるオキシオルトシリケート格子間の固溶体形成の表れは、リストに記載された本発明に係る発光物質の各発光パラメータから明らかである。例えば、ＳＥ２ＳｉＯ５の比率増加によって表れ得る放出スペクトルの色座標及び半値幅の規則的な移動は、固溶体形成の確実な表れである。一方で、イットリウムオキシオルトシリケート又はガドリニウムオキシオルトシリケートを組み込み、他方で、ランタンオキシオルトシリケートを組み込むことで差が発生する。これは、各稀土類元素のイオン半径が異なることに起因するものと判断される。
本発明の発光物質の発光効率及びその温度依存性は、公知のＳｒ３ＳｉＯ５：Ｅｕ発光物質に比べて改善されていることを示す。
表２に記載された各結果は、それらの生成方法に基づいて、比較的又はやや高い発光効率を有する発光物質が生成されることを示す。図７は、本発明の実施例１から４に係る発光物質の放出スペクトルを共に示している。
物質の湿度安定性を評価するために、当該発光物質の各サンプルは条件化されたチャンバで温度８５℃及び相対湿度８５％で７日間貯蔵される。その後、各発光体を１５０℃で乾燥させた後、発光効率の比較測定が行われる。そのような検査の典型的な結果を表３に示す。
データから見ると、Ｓｒ３ＳｉＯ５：Ｅｕ構造の公知の発光物質及び基準とするために生成された（Ｓｒ２．９５Ｂａ０．０１Ｅｕ０．０４）ＳｉＯ５発光物質は、いずれも加湿過程の終了後、もとの発光効率の約７０％のみを有する。これに比べて、アルカリ土類金属オキシオルトシリケート及び稀土類金属オキシオルトシリケートを含む混合相格子ベースを有する本発明のユーロピウム―ドーピングオキシオルトシリケート発光物質は、非常に向上した湿度耐性を有する。８５℃／８５％の湿度（Ｈ）雰囲気中で７日間貯蔵された後、９０％以上の発光効率、最適化されたサンプルの場合は９５％以上の発光効率が依然として示される。
本発明の各実施例に係る発光装置は、紫外光又は可視光線領域の光を発生させる発光ダイオードを含む。発光物質は、発光ダイオードの周囲に配置され、発光ダイオードから放出された光の少なくとも一部を吸収し、吸収光とは異なる波長の光を放出することができる。また、発光装置は、オキシオルトシリケート発光物質が発光を起こすＥｕ２＋活性に対する格子ベースとして形成される場合、アルカリ土類金属オキシオルトシリケートと稀土類金属オキシオルトシリケートとの間の固溶体、いわゆる混合相を用いることができる。このような固溶体の形成は、固体状の基材の安定性と、大気湿度及び他の環境的要因に対する当該発光体の実質的に改善された耐性をもたらす。本実施例で、本発明の発光物質の寿命及びそれから製造された発光装置の寿命を恒久的に向上させることができる。
前記発光物質は、化学式（１−ｘ）ＭＩＩ ３ＳｉＯ５・ｘＳＥ２ＳｉＯ５：Ｅｕで表わすことができる。
本発明に係る発光物質の群は、Ｅｕ２＋―ドーピングケイ酸塩発光体を含むが、このために、アルカリ土類金属オキシオルトシリケートと稀土類金属オキシオルトシリケートとの間の固溶体、いわゆる混合相が格子ベースとして用いられる。２つの異なるオキシオルトシリケート類型間の固溶体の形成は、特定の濃度範囲内において可能であり、検出された特徴によると、（１−ｘ）ＭＩＩ ３ＳｉＯ５・ｘＳＥ２ＳｉＯ５で表わされる。
前記一般的な化学構造式において、ＭＩＩは、望ましくはＳｒのアルカリ土類金属イオンであり、又は他のアルカリ土類金属イオン又はマグネシウム、カルシウム、バリウム、銅、亜鉛及びマンガン元素からなる群より選ばれる２価金属イオンであってもよいが、これらイオンは、一般的に、ストロンチウムに加えて、互いに定量混合されて用いられてもよい。ただし、バリウムの場合は、ストロンチウムを完全に置換することが可能である。一方、ストロンチウムに加えて添加される他の２価金属イオンの比率は最大０．５であってもよい。
化学式に使用された記号ＳＥは、稀土類金属を示し、イットリウム、ランタン及びいわゆるランタン族元素、すなわち、原子番号５８から７１の元素の３価金属イオンを示すが、望ましくは、イットリウム、ランタン、ガドリニウム及びルテチウムの対応する各イオンを示す。これらイオンは、個別の成分又は互いの混合物として基材内に含有されてもよい。
ユーロピウムとは別に、及び、このドーピング元素に加えて、原理的に、サマリウム又はイットリウムなどの２価稀土類金属イオン、又はセリウムイオン（Ｃｅ３＋）などの特定３価稀土類金属イオンも活性剤として用いることができる。
発光性及び安定した挙動を最適化する目的で、発光物質の組成物の場合は追加的な変形が可能である。したがって、必要であれば、例えば、シリコンがゲルマニウムに、及び／又はアルミニウム、ガリウム、ホウ素又はリンに置換可能であるが、最後に言及されたケースでは、電荷均衡を維持するための適切な措置を取らなければならない。これは、例えば、リチウム、ナトリウム又はカリウムなどの１価陽イオン又はフッ素、塩素、臭素又はヨウ素などの陰イオンを本発明に係る格子ベース内に追加的に含有させてもよい。
望ましい実施例において、本発明に係る発光物質は、化学式（１−ｘ）（Ｓｒ３−ａ−ｂ−ｚＢａａＣａｂＭＩＩ ｃＥｕｚ）ＳｉＯ５・ｘＳＥ２ＳｉＯ５を有するが、ここで、ＭＩＩ＝Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ及び／又はＭｎであり、ＳＥ＝Ｙ、Ｌａ、Ｇｄ及び／又はＬｕ及び／又は原子番号５８から７１のランタン族からなる群より選ばれる他の元素であり、ｘ≦０．２、特にｘ≦０．１であり、０≦ａ≦３、０≦ｂ≦０．０５、０≦ｃ≦０．０５及びｚ≦０．２５のモル比率である。
アルカリ土類金属オキシオルトシリケート及び稀土類金属オキシオルトシリケートは、各自の陽イオンの性質と電荷に関して互いに異なるだけでなく、実質的に異なる結晶構造を有する。この理由は、アルカリ土類金属化合物が空間群Ｐ４／ｎｃｃを有する正方晶系格子を形成する一方、稀土類金属オキシオルトシリケートは空間群Ｐ２／ｃ及びＢ２／ｂを有する単斜晶系に結晶化されるためである。
化合物の２つの類は、稀土類金属活性剤でドーピングするのに適したホスト格子として知られている。アルカリ土類金属オキシオルトシリケートは、記載したように、望ましくは２価イオン、例えば、Ｅｕ２＋イオンでドーピングされる一方、３価稀土類金属イオン、例えば、Ｅｕ３＋又はＣｅ３＋活性剤が当然に稀土類金属オキシオルトシリケート格子ベース内に含まれる。このような文脈において、発光物質Ｙ２ＳｉＯ５：Ｃｅは、この類の発光物質の特に知られた代表的な例として言及され、イオン化又は紫外光により励起されるとき、効果的な方式で可視スペクトルの青色領域から放出し、その結果、特にＸ線探知機、電子ビームチューブ又はＰＤＰディスプレイに用いることができる。
本発明によると、アルカリ土類金属及び稀土類金属オキシオルトシリケートは、特定の濃度範囲内で、固溶体、すなわち、互いの結晶混合相を形成し、このような格子ベースのＥｕ２＋活性により、非常に高い湿度安定性を有する効率的な発光物質になる。固溶体を形成するための濃度範囲は、最大１５モル％の稀土類金属オキシオルトシリケートに達する。
高エネルギー放射で励起すると、本発明に係る発光物質は、それらの特定の化学的組成によってスペクトルの可視部分、望ましくは５６０から６２０ｎｍの範囲内で放射する。Ｅｕ２＋発光に対する励起は、２２０ｎｍの紫外光範囲から５５０ｎｍの可視範囲まで延長されるが、これは、本発明の発光体が緑色励起放射によっても励起され、効率的な黄色及びオレンジ色又は赤色の発光を示すことができることを意味する。強力かつ技術的に利用可能な発光過程は、電子ビーム、Ｘ線ビーム又はガンマ放射と共に、発光物質の発光時にも発生し得る。このような発光性質のため、発光物質は、紫外光、青色又は緑色の放射を、望ましくは黄色、オレンジ色又は赤色のスペクトル範囲で放出される長波長の可視光線に変換させる放射変換体として用いることができる。したがって、発光物質は、例えば、陰極管及びその他の映像システム（例えば、走査レーザービームシステム）、Ｘ線映像コンバータ、蛍光ランプ、有色又は白色の光を放出する発光装置、太陽電池又は温室シート及びガラス板など多くの技術装置において、放射変換体として単独又は青色、緑色、黄色及び／又は赤色の光を放出する他の発光物質と共に用いることができる。
本発明に係る発光装置は、発光ダイオードと発光物質との組み合わせによって白色光又は所望の色の光を実現してもよい。例えば、発光ダイオードから放出された光と発光物質から放出された光との混合により、白色光又は所望の色の光を実現してもよい。また、前記発光物質以外の他の発光物質が追加され、所望の色の光を実現してもよい。
発光物質は、発光ダイオードの側面、上面及び下面のうち少なくともいずれか一面に配置されてもよい。また、発光体は、接着剤又はモールディング部材に混合されて発光ダイオードの周囲に配置されてもよい。
一方、発光ダイオード及び発光物質は、一つのパッケージ内に結合されてもよい。これに加えて、パッケージ内に他の発光ダイオードを結合してもよい。他の発光ダイオードは、前記発光ダイオードと同一又は異なる波長の光を放出するものでもよい。例えば、発光物質の発光ピーク波長より長波長の光を放出してもよい。
パッケージは、印刷回路基板又はリードフレームのような発光ダイオードが実装される基板を含む。これに加えて、パッケージは、発光ダイオードから放出された光を反射するリフレクタをさらに含んでもよい。この場合、発光ダイオードはリフレクタ内に実装される。
また、発光装置は、基板の上で発光ダイオードを封止するモールディング部材をさらに含んでもよい。発光物質は、モールディング部材内に分布されてもよいが、これに限定されることはない。
また、パッケージはヒートシンクを含んでもよく、発光ダイオードはヒートシンクの上に実装されてもよい。
一方、本発明の各実施例において、発光ダイオードは、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎベースの化合物半導体で形成された発光ダイオードであってもよい。
発光ダイオードは、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に単一の活性領域を有する、例えば、ダブルヘテロ構造、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造の発光ダイオードであってもよい。
また、発光ダイオードは、単一の基板の上に互いに隔離された複数の発光セルを備えてもよい。各発光セルは、それぞれ活性領域を備えており、これら発光セルは、交流電源下で直接駆動できるように配線を介して電気的に直列及び／又は並列に接続されてもよい。このような交流用発光ダイオードは、単一の基板の上に互いに接続されたブリッジ整流器と各発光セルの直列アレイとを形成することによって、又は、単一の基板の上に互いに逆並列に接続された各発光セルの直列アレイを形成することによって、外部の直流―交流変換器がなくても交流電源に接続して駆動することができる。
当該技術分野の当業者にとって、本発明の趣旨又は範囲を逸脱しない範囲で多様な修正と変更が可能であることは明らかであろう。したがって、添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲に属する本発明の修正及び変更は本発明に含まれることを明らかにしておく。
Claims (19)
- 発光ダイオード；及び
前記発光ダイオードの周囲に配置され、前記発光ダイオードから放出された光の少なくとも一部を吸収し、吸収光とは異なる波長の光を放出する発光物質を含み、
前記発光物質は、アルカリ土類金属オキシオルトシリケートと稀土類金属オキシオルトシリケートとの間の混合相形態の固溶体が発光を起こすＥｕ２＋活性に対する格子ベースとして用いられるＥｕ２＋―ドーピングケイ酸塩発光体を含み、
前記発光体は、化学式（１−ｘ）Ｍ ＩＩ ３ ＳｉＯ ５ ・ｘＳＥ ２ ＳｉＯ ５ ：Ｅｕで表わされ、
ここで、前記Ｍ ＩＩ は、２価金属イオンを示し、ストロンチウムイオン及びバリウムイオンからなる群より選ばれる少なくとも一つを含み、前記ＳＥは稀土類金属を示すことを特徴とする発光装置。 - 前記ＭＩＩは、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）及びマンガン（Ｍｎ）からなる群より選ばれる少なくとも一つの２価金属イオンをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の発光装置。
- 前記発光体において、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）及びマンガン（Ｍｎ）からなる群より選ばれる少なくとも一つの２価金属イオンの比率は最大０．５であることを特徴とする、請求項２に記載の発光装置。
- 前記稀土類金属は、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）及び原子番号５８から７１のランタン族からなる群より選ばれる少なくとも一つの３価金属イオンを含む、請求項１に記載の発光装置。
- 前記稀土類金属は、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、ガドリニウム（Ｇｄ）及びルテチウム（Ｒｕ）元素からなる群より選ばれる少なくとも一つの３価金属イオンを含む、請求項１に記載の発光装置。
- 前記発光体は、活性剤として、ユーロピウム（Ｅｕ）に加えて、２価稀土類金属イオン又は３価稀土類金属イオンをさらに含む、請求項１に記載の発光装置。
- 前記２価稀土類金属イオン活性剤は、サマリウム又はイットリウムイオンである、請求項６に記載の発光装置。
- 前記３価稀土類金属イオン活性剤は、セリウムイオン（Ｃｅ３＋）である、請求項６に記載の発光装置。
- 発光ダイオード；及び
前記発光ダイオードの周囲に配置され、前記発光ダイオードから放出された光の少なくとも一部を吸収し、吸収光とは異なる波長の光を放出する発光物質を含み、
前記発光物質は、アルカリ土類金属オキシオルトシリケートと稀土類金属オキシオルトシリケートとの間の混合相形態の固溶体が発光を起こすＥｕ ２＋ 活性に対する格子ベースとして用いられるＥｕ ２＋ ―ドーピングケイ酸塩発光体を含み、
前記発光体は、化学式（１−ｘ）（Ｓｒ３−ａ−ｂ−ｚＢａａＣａｂＭＩＩ ｃＥｕｚ）ＳｉＯ５・ｘＳＥ２ＳｉＯ５で表わされ、
ここで、前記ＭＩＩは、マグネシウム（Ｍｇ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）及びマンガン（Ｍｎ）からなる群より選ばれる少なくとも一つで、
前記ＳＥは、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）及び原子番号５８から７１のランタン族からなる群より選ばれる元素で、
ｘ≦０．２、
０≦ａ≦３、０≦ｂ≦０．０５、０≦ｃ≦０．０５及び
ｚ≦０．２５であることを特徴とする発光装置。 - ｘ≦０．１である、請求項９に記載の発光装置。
- 前記発光ダイオードから放出された光と前記発光物質から放出された光との混合によって白色光又は所望の色の光が実現される、請求項１又は請求項９に記載の発光装置。
- 前記発光物質は、略５６０ｎｍから略６２０ｎｍの間に発光ピーク波長を有する光を放出する、請求項１又は請求項９に記載の発光装置。
- 前記発光ダイオード及び前記発光物質は一つのパッケージ内に形成されている、請求項１又は請求項９に記載の発光装置。
- 前記パッケージ内に形成された他の発光ダイオードをさらに含み、前記他の発光ダイオードは、前記発光物質の発光ピーク波長より長波長の光を放出する、請求項１３に記載の発光装置。
- 前記パッケージは基板を含み、
前記発光ダイオードは前記基板の上に実装される、請求項１３に記載の発光装置。 - 前記基板は印刷回路基板又はリードフレームを含む、請求項１５に記載の発光装置。
- 前記基板の上で前記発光ダイオードを封止するモールディング部材をさらに含み、
前記発光物質は前記モールディング部材内に分布されている、請求項１６に記載の発光装置。 - 前記パッケージはヒートシンクを含み、
前記発光ダイオードは前記ヒートシンクの上に実装される、請求項１３に記載の発光装置。 - 前記発光ダイオードは、複数の発光セルを有する発光ダイオードである、請求項１又は請求項９に記載の発光装置。
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