JP5662413B2 - 有機及び無機フォスファを含むフォスファ強化光源のための発光変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、フォスファ強化（ｐｈｏｓｐｈｏｒ ｅｎｈａｎｃｅｄ）光源のための発光変換装置に関する。本発明はさらに、発光素子及び発光変換装置を含む、フォスファ強化光源に関する。

フォスファ強化光源自体は知られており、実質的に全ての種類の光源に使用されている。フォスファ強化光源は、発光素子及び発光材料を含む。前記発光材料は前記発光素子からの発光の少なくとも一部をより長波長の光へと変換するように構成される。

よく知られたフォスファ強化光源は例えば、水銀蒸気放電ランプが挙げられる。ここで光は水銀蒸気の存在下で放電により生じ紫外線を発光する。前記紫外線発光の少なくとも一部が発光材料に吸収され、長波長の光に変換され続いて前記発光材料から発光される。かかる水銀蒸気放電ランプは、例えば、放電が生じる放電管を含む。前記発光材料は通常前記発光管の内側に適用され、放電による紫外線放射は前記放電管を通過する必要はなく、前記放電管の内部で例えば可視光に変換される。

代わりに、フォスファ強化光源は、発光素子として半導体発光素子を含むことができる。かかる半導体発光素子は、例えば、発光ダイオード、又はレーザーダイオード、又は有機発光ダイオードが挙げられる。半導体発光素子による光は通常、中心波長の周りに配置する比較的狭いスペクトルを持つ。前記スペクトルの幅は、例えば、前記発光の全幅半値（またＦＷＨＭとして参照される）として定義される。この値は、半導体発光素子による発光の最大発光強度の半分で測定される発光ピーク幅である。半導体発光素子の通常の発光スペクトルのＦＷＨＭは３０ｎｍ未満であり、通常人間の目には単一色として認識される。半導体発光素子の色を変換するためには、発光材料が添加されて、フォスファ強化光源を生成する。前記発光材料は、例えば、前記半導体発光素子のダイ上に層として適用され得る。又は例えば「リモート・フォスファ」として知られる配置であるが、発光材料を、前記半導体発光素子と一定の距離をおいて設けられるマトリックス中に分散することができる。前記発光材料はまた、異なる発光材料の混合物であってよく、これらはそれぞれ異なる色を生成し、それらの混合光は、例えば特定の色温度を持つ白色を生成する。さらに、前記発光材料は半導体発光素子に添加して、前記半導体発光素子の演色特性を改良することができる。というのは通常前記発光材料の発光特性は比較的広い光スペクトルを持つからである。

最近、有機発光材料などの新規な発光材料が、特に既知の無機発光材料（白色光源中の「赤」寄与を与えるために使用される）の代わりにフォスファ強化光源に使用されてきている。「赤」寄与を与える既知の無機発光材料は比較的効率が悪い。というのはそれらの持つ広いＦＷＨＭと深赤領域（赤外）への発光による。要求される色温度を持つ白色を生成するために十分な「赤」寄与を確保するためには、比較的多量の「赤」寄与発光材料が必要とされる。従って、要求される多量の「赤」寄与発光材料は、コストを上げる結果となり、またフォスファ強化光源の光源からの比較的高い光強度の発光を必要とするという結果となる。従って、より効率的発光材料が必要とされ、特に、フォスファ強化光源による発光への「赤」寄与を与える発光材料が求められる。従って、有機発光材料がフォスファ強化光源に導入され、既知発光材料と混合されてより効率的な光変換装置を得ることができる。

有機発光材料を前記発光混合物中に含むかかるフォスファ強化光源はＵＳ特許出願２００６／０２１４５７８及び２００６／０２２０５３１に開示されている。これらの特許出願には、半導体発光装置であって、パッケージ部材、前記パッケージ部材中に設けられる発光素子及び波長変換体が含まれる。前記波長変換体は発光素子からの光を吸収し、波長変換された光を発光する。波長変換体は無機蛍光材料及び有機蛍光材料を含む。

なお、これら特許出願に開示された発光材料の混合物の光変換効率はさらなる改良が必要である。

本発明の課題は、改良された効率を有する発光変換装置を提供することである。

本発明の第一の側面によれば、前記課題はフォスファ強化光源のための発光変換装置により達成され、前記発光変換装置は：
前記フォスファ強化光源の光源により発光される励起光の少なくとも一部を吸収し、かつ前記吸収された励起光の少なくとも一部を、前記励起光に比較してより長波長を持つ第一の発光へ変換するように構成される第一の発光材料を含み、前記発光変換装置がさらに、
第二の発光材料を含み、前記第二の発光材料は有機発光材料を含み、前記第一の発光材料により発光される前記第一の発光の少なくとも一部を吸収し、かつ前記吸収された第一の発光の少なくとも一部を、前記第一の発光に比較してより長波長を持つ第二の発光へ変換するように構成される。

本発明による発光変換装置の効果は、本発明による２ステップの光変換は、比較的小さなストークスシフトを持つ（赤発光）有機発光材料の使用を可能にする、ということである。いかなる理論にも縛られるものではなく、本発明者は、この比較的小さなストークスシフトは、前記有機発光材料による発光スペクトルを比較的狭く維持する、ということを見出した。通常、前記第二の発光は比較的長波長であり、通常は前記フォスファ強化光源による発光への「赤」寄与を表す。この「赤」寄与は、好ましくは、実質的な線発光というよりはむしろある幅を持つ発光スペクトルを持ち、従って、前記フォスファ強化光源の良好な演色特性を持つものである。しかしながら、「赤」寄与の発光スペクトルのＦＷＨＭは、赤外光を過度に含まないように制限されるべきである。というのは、これにより使用されない赤外線を発光する結果となり、前記フォスファ強化光源の効率を低下させる結果となるからである。発明者は、有機発光材料のストークスシフトを低減することで、前記第二の発光のスペクトル幅が限定され、十分な「赤」寄与が得られて良好な演色性を持ち、さらにスペクトル中に赤外線は実質的に全く発光されない、ということを見出した。従って、効率が改善されることとなる。

一般的に、２ステップ変換は効率の点からみて好ましくはない。発光材料による光の変換による損失は、それぞれの変換からのストークス損失、及びそれぞれの変換に用いる発光材料の量子効率による損失の組み合わせによる。２ステップの光変換による長波長光の生成は、１ステップよりも効率が低いように思える。というのは、効率は、それぞれ個々の発光材料の量子効率の積により減少するからである。しかし最近開発された有機発光材料は、緑色として認識される光スペクトルで又はその近くで比較的効率的な吸収を持つ。さらに、前記最近開発された有機発光材料は、量子効率９０％以上で、赤色光として認識される光スペクトルの部分に発光する。このことは、この有機発光材料により吸収される緑の光子の９０％以上が長波長の光子へ変換されることを意味する。比較的小さなストークスシフトと、高い吸収及び量子効率の組み合わせにより、これらの有機発光材料が、かかる２ステップの光変換システムで効率的に使用でき、かつ前記フォスファ強化光源の全体としての効率を改善することができる。

有機発光材料を使用する既知のフォスファ強化光源は、有機発光材料を含み、これは前記発光素子による光（通常、青色又はＵＶ光発光ダイオード）で励起されるように構成される。これは、有機発光材料について通常比較的大きいストークスシフトを伴い、既知の有機発光材料により比較的広い発光スペクトルとなり、従って赤外線を相当量含むものである。さらに、比較的大きなストークスシフトを要求する光変換体は、比較的に低い量子効率を持ち、従って既知の有機発光材料の全体としての効率はいまだ比較的に小さいものである。このことは、発光材料が赤色を発光する場合に特にそうである。本発明による発光変換装置においては、比較的小さなストークスシフトが用いられ、その結果、比較的狭い発光スペクトルを与え、設計者に次のように有機発光材料を選択することを可能にする。即ち、十分な「赤」寄与を与えて良好な演色性を生成し、かつ赤外線の発光を防止して比較的高い量子効率を持つように、である。従って、本発明の発光変換装置は２ステップの光変換を含むが、光変換の全体としての効率は改良されることとなる。

高量子効率を持つ有機発光材料を使用することのさらなる利点は、前記フォスファ強化光源により発光される光の要求される色温度を生成するための十分な「赤」寄与を与えるための発光材料の量が、比較的少ないということである。発光材料は比較的高価であり、比較的高吸収性及び高量子効率を持つかかる発光材料を使用することは、必要とされる発光材料がより少なくなるということから、さらなるコスト低減に結びつく。フォスファ強化光源当たりのコスト低減は数としてはそれほど大きいものではないが、このコスト低減は、商業的には非常に関係がある。

発光素子は、既定のスペクトルを持つ励起光を発光するすべての光源であり得る。例えば低圧放電ランプ、高圧放電ランプ、白熱ランプ、半導体発光素子、又は前記励起光を発光するさらなる発光材料も含まれる。

この文脈で、特定の色の光、例えば、赤色又は緑色は通常、既定のスペクトルを持つ光を含む。特定の既定のスペクトルは、前記特定の色として認識される中心波長の周りに特定のバンド幅を持つ光寄与を含むことができる。既定のスペクトルはまた、複数の狭いスペクトルからなっていてもよく、これらの中心波長は、前記複数の狭いスペクトルの認識される色の波長として定義されてよい。この文脈で、既定の色の光はまた、紫外光及び赤外光などの非可視光を含んでいてよい。用語「基本色（ｐｒｉｍａｒｙ ｃｏｌｏｒ）」とは、通常、混合されて実質的にすべての色を生成できる光について使用される。基本色には、例えば、赤、緑、青、黄、アンバー及びマゼンタが挙げられる。特定の色の光はまた、青及びアンバ又は青、黄及び赤又は青、緑及び赤などの基本色の混合を含むことができる。前記特定の色は、例えば、赤、緑及び青色光の特定の組み合わせからなっていてもよい。特定の色の光はまた白色を含み、かつ、通常特定の色温度を持つ白色として指示される異なるタイプの白色を含む。特定の色を生成するために用いられる基本色の数は変更され得る。

前記発光変換装置のひとつの実施態様において、前記第一の発光及び第二の発光の間の波長差は、１５０ナノメータ未満であり、及び／又は前記第一の光及び第二の光の波長差は１００ナノメータ未満である。本発明者は、ストークスシフトが１５０ナノメータ未満、又はより好ましくは１００ナノメータ未満で光を変換する有機発光材料を用いると、発光スペクトルが狭く維持され、有機発光材料の赤外線の寄与を制限でき、良好な効率を保証することができることを、見出した。かかる発光変換装置において、前記第一の発光材料は、例えば、前記励起光を青色光に変換し、かつ前記第二の発光材料が、例えば、前記青色光を黄色光に変換する。前記青色光及び黄色光の組み合わせを選択することで、前記フォスファ強化光源から発光される光が実質的に白色となる結果となる。または、前記発光素子は、好ましくは青色光である励起光を発光することができる。前記励起光のほんの一部分が前記第一の発光材料により吸収され緑色光に変換される。前記青色の残りは直接前記フォスファ強化光源により変換されずに発光され、かつフォスファ強化光源から発光される色へ寄与する。従って、前記第一の発光材料により発光される緑色光の部分が、前記第二の発光材料により吸収され、赤色光へと変換される。緑色光の残りは変換されることなく、前記フォスファ強化光源により発光され、青色光及び赤色光と共に、前記フォスファ強化光源により発光される光の色に寄与する。第一の発光材料及び第二の発光材料の特定の量をそれぞれ選択することで、前記励起光、第一の発光及び第二の発光の個々の寄与を決めることができ、前記フォスファ強化光源により発光される光の色を決めることができる。

前記発光変換装置のひとつの実施態様において、前記第一の発光材料は無機発光材料を含む。この実施態様の利益は、広い範囲の無機発光材料が知られており多くの応用に使用されている、ということである。しばしばこれらの発光材料、放電管の内側や発光ダイオードの近くでも厳しい環境にも比較的容易に耐えることができ、従って、有機発光材料を、前記発光素子により発光される高強度及び高密度光束から保護するために使用され得る。

発光変換装置のひとつの実施態様において、前記第一の発光材料及び第二の発光材料は発光材料のスタック内で発光材料の層を形成する。前記第一の発光材料及び第二の発光材料は、例えば、類似の溶媒により混合されてもされなくてもよい。従って、前記層構造は次の利点を与える。即ち、前記特定の発光材料に最適な製造工程において、異なる発光材料が生成され得る、ということである。例えば、有機発光材料は溶解性でありしばしば特定の粘度を有する液体を生成する。かかる液体は、例えば、よく知られたスピンコーティング技術により容易に実質的に均一な層として担体の上に適用することができる。前記第一の発光材料は溶解性ではない場合もあり、その場合第一の発光材料の層は、選択された第一の発光材料に適した他の技術を用いて生成させることができる。

前記発光変換装置のひとつの実施態様において、保護層が前記第二の発光材料上に、前記第二の発光材料を保護するために設けられる。かかる保護層は、例えば、第二の発光材料がフォスファ強化光源又は発光ダイオード装置の外側壁上に適用される場合に、第二の発光材料を環境の影響から保護する。又は、前記保護層は、例えば、第二の発光材料を引っ掻き傷から保護することができる。引っ掻き傷は、操作中のフォスファ強化光源の不均一な外観を生成することから防止されるべきである。

発光変換装置のひとつの実施態様において、前記発光変換装置は発光材料の混合物を含み、発光材料の混合物は前記第一の発光材料及び前記第二の発光材料を含む。この実施態様の利点は、前記第一の発光材料と第二の発光材料は一回の製造ステップで前記フォスファ強化光源に適用することができる、ということである。さらに、前記第一の発光材料は無機発光材料であり、前記発光材料混合物において散乱性材料としての機能も果たすことができる。かかる層において、光はしばしば、例えば内部反射により閉じ込められる。この閉じ込められた光の一部は、しばしば再吸収され、従って前記発光変換装置の変換効率を減少させる損失となる。しかし、散乱材料はまた、好ましくないある種の光の消失も表している。前記第一の発光材料となる無機発光材料を、前記第二の発光材料となる有機発光材料とを一種類の発光材料混合物とすることで、前記無機発光材料は散乱材料として作用し、前記発光材料内で生成される光の抽出を改良することができる。さらに、発光材料の混合物を使用する場合のさらなり利点は以下の点である。即ち、フォスファ強化光源の外観は、発光材料の混合物により決まり、スタック構造での場合のように上部の発光材料の外観では決まるものではない、という点である。これは、前記フォスファ強化光源の外観をより自然なものにし、消費者の混乱を低減させる。

発光変換装置のひとつの実施態様において、前記発光変換装置は、リモート・フォスファ構造である発光素子から離れた位置に設けられる。リモート・フォスファ構造により、前記発光素子に対する前記発光材料の位置は次のように決められる。即ち、前記発光材料を、前記発光素子の高熱又は高光束密度が通ることを防止して前記発光材料の変換効率及び寿命を維持及び／又は改善するように、決められる。さらに、リモート・フォスファ構造を用いる利点は次の点である。即ち、発光材料の選択範囲が広くなるということである。というのは、多くの既知の発光材料は、放電ランプ放電管の内部環境、及び発光材料が半導体発光素子に直接適用される際の高温度などの激しい環境に耐えることができないからである。特に有機発光材料は、比較的高光束密度及び高温度に敏感である。リモート・フォスファ構造を用いることで、前記第二の発光材料としての広い範囲の有機発光材料の使用が可能となる。

前記発光変換装置のひとつの実施態様において、前記第二の発光材料は：ルモゲンＦ材料（例えば０８３（黄色）、１７０（黄色）、２４０（オレンジ）、３０５（赤）、８５０（緑））などのペリレン誘導体、ジフルオロ−ボラインダセン誘導体（ＢＯＤＩＰＹ）、フルオレセイン色素、フルエレン誘導体、クマリン色素、キサンテン色素、ピロメテン−ＢＦ２（Ｐ−ＢＦ２）錯体、スチルベン誘導体、ローダミン色素、ペリレンカルボキシミド色素、及びポリフェニレンビニレン（ＰＰＶ）、ポリフェニル誘導体などのルミネセントポリマを含む群から選択される。

前記第一の発光材料は、例えば、次の無機発光材料及び／又はそれらの混合物であって、紫外線又は青色光を吸収するものである：
（Ｌｕ_{１−ｘ−ｙ−ａ−ｂ}Ｙ_ｘＧｄ_ｙ）_３（Ａｌ_{１−ｚ−ｕ}Ｇａ_ｚＳｉ_ｕ）_５Ｏ_１２−ｕＮ_ｕ：Ｃｅ_ａＰｒ_ｂ、ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦０．１、０≦ｕ≦０．２、０＜ａ≦０．２及び０＜ｂ≦０．１であり、例えばＬｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋及びＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋を含み、
（Ｓｒ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｃａ_ｂＢａ_ｃ）Ｓｉ_ｘＮ_ｙＯ_ｚ：Ｅｕ_ａ ^２＋、ここでａ＝０．００２−０．２、ｂ＝０．０〜０．２５、ｃ＝０．０〜１．０、ｘ＝１．５〜２．５、ｙ＝０．６７〜２．５、ｚ＝１．５〜４であり、例えばＳｒＳｉ_２Ｎ_２Ｏ_２：Ｅｕ^２＋及びＢａＳｉ_２Ｎ_０．６７Ｏ_４：Ｅｕ^２＋を含み、
（Ｓｒ_{１−ｕ−ｖ−ｘ}Ｍｇ_ｕＣａ_ｖＢａ_ｘ）（Ｇａ_{２−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｙＩｎ_ｚＳ_４）：Ｅｕ^２＋であり、例えば、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２＋を含み、
（Ｓｒ_１−ｘＢａ_ｘ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ、ここで０＜ｘ≦１であり、例えばＢａＳｒＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋を含み、
（Ｃａ_{１−ｘ−ｙ−ａ−ｂ}Ｙ_ｘＬｕ_ｙ）_３（Ｓｃ_１−ｚＡｌ_ｚ）２（Ｓｉ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘ＋ｙ）_３Ｏ_１２：Ｃｅ_ａＰｒ_ｂ、ここで０≦ｘ≦ｌ、０≦ｙ≦ｌ、０＜ｚ≦ｌ、０≦ｕ≦０．２、０＜ａ≦０．２及び０＜ｂ≦０．１であり、例えばＣａ_３Ｓｃ_２Ｓｉ_３Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋を含む。

本発明の第二の側面によれば、本発明の課題は、励起光を発光する発光素子と、本発明による発光変換装置を含むフォスファ強化光源により達成される。

本発明のフォスファ強化光源のひとつの実施態様においては、発光素子は半導体発光素子を含む。上で説明したように、半導体発光素子は、例えば、発光ダイオード又はレーザダイオード、又は有機発光ダイオードであり得る。この実施態様の利点は、半導体発光素子を用いることで、前記フォスファ強化光源が、高光出力を持ちつつ非常にコンパクトとなる、ということである。さらに、広い範囲の半導体発光素子は青色発光して、既定の色を持つ出力光を生成するために、前記フォスファ強化光源の光出力に直接寄与しかつこれと混合されることができる。従って、ＵＶから可視光への追加の光変換は省略でき、従ってフォスファ強化光源の効率を改善することができる。

前記フォスファ強化光源のひとつの実施態様において、前記発光素子は放電ランプの放電を含む。従来の放電ランプと比較してこの実施態様の利点は、従来利用可能な高演色性ランプ（例えばカラー９０ランプ）と比較して効率を犠牲にすることなく、演色性（特に赤色の）が改善される点である。さらに、放電ランプの外側上にホスファの種々の混合物を結合させることで、ランプを製造後に、色温度及び演色性を選択することを容易にする。

フォスファ強化光源のひとつの実施態様において、前記発光素子は基本色青を含む励起光を発光するように構成される。放電ランプでも新タイプの放電が開発され（分子放電ランプとして知られている）、放電ランプの発光の少なくとも一部が可視光であり、通常青色を発光する。青色光を用いる場合の利点は、前記第一の発光材料のために用いられない励起光の可視光部分は、前記第一の発光材料又は第二の発光材料を介して長波長の光に変換されることなく前記フォスファ強化光源による可視光へ直接寄与する、ということである。励起光の変換部分を必要としないことはさらに、フォスファ強化光源の効率を上げることとなる。励起光は、例えば、青色光の可視光であってよく、これは緑色光を発光する第一の発光材料及び赤色光を発光する第二の発光材料と共に使用して、適切な混合比率で、既定の色温度を有する白色光を得ることができる。

本発明のフォスファ強化光源のひとつの実施態様において、発光素子は放電ランプの放電を含み、前記放電ランプはガスタイト式に放電管を含み、放電空間はガス充填を含み、かつ前記放電空間内に放電を維持するための放電手段を含み、操作中励起光を発光させる。ここで前記第二の発光材料が前記放電から離れた面の前記放電管の壁の一方の側に適用される。一般的に、放電ランプの放電管の内側は、充填ガスの存在及び放電管壁近くの放電の存在による比較的激しい環境を持つ。また、発光材料が放電ランプと共に適用される場合、前記発光材料はこれまでは、放電管の内側に面する放電管の壁の側に適用されてきた。この配置の理由は、前記放電が紫外光を生成し、発光材料により可視光に変換されるからである。紫外光を放電管に通過させるために、前記放電管は石英又は他のＵＶ透明性材料で製作しなければならず、放電管を高価なものにしていた。放電管内で紫外光から可視光に変換させることで、放電管の壁のみが可視光に対して透明である必要があり、これにより放電管のコストを大きく下げることとなる。このために、発光材料の混合物を含む既知放電ランプは、前記放電に面する放電管の壁に発光材料が適用される。有機発光材料を用いて「赤」寄与の効率を改善することは、既知の光源では適切でない。というのは有機発光材料は今日において、放電管の内部のような過激な環境には耐えられないからである。従って、有機発光材料の既知の応用は文献上通常、半導体発光素子へ限定されている。しかし本発明による発光変換装置においては、有機発光材料を含む第二の発光材料は、前記第一の発光を用いて励起されるものであり、これは通常可視光である。従って、本発明の配置による前記第二の発光材料を用いることで、第二の発光材料は容易に放電管の外側に適用され、それにより放電管の激しい環境に晒す必要はない。そこで、放電管からはなれるように面する放電管の壁の側に前記第二の発光材料を適用することで、又は言い換えると、放電管の外側に第二の発光材料を適用することで、放電管内部で生成され例えば第一の発光が放電管を通って通過し、前記第二の発光材料に集光され、この第一の発光の一部を吸収し、第二の発光を生成する。これは非常に効率的になされることができることから、放電管の外側に有機発光材料を適用するは、効率的な「赤」寄与を与える結果となる。青色及び緑色寄与は、既知の発光材料を、放電管内部に設けることで生成させる。「赤」寄与（通常は例えばＹＯＸ）を与える標準的発光材料は除去され（又は部分的に除去され）、第二の発光材料と交換される。前記第二の発光材料は、有機発光材料を含み、放電管の外側に設けられ、放電管によって発光された緑色光の部分を吸収するか、又は放電管から発光する青色光の部分を吸収する。

本発明のフォスファ強化光源のひとつの実施態様において、発光素子は放電ランプを含み、前記放電ランプは、放電管をガスタイト式で含み、放電空間は、充填ガスを含み、前記放電空間内で操作中放電を維持するための放電手段を含み、励起光を発光するために前記放電ランプはさらに、前記放電管を囲む外管を含み、前記第二の発光材料が前記外管の壁上に設けられる。前記外管は前記第二の発光材料及び放電管の距離を増加させることができ、従って前記第二の発光材料がさらに低温度で操作されるようになる。さらに、前記第二の発光材料を前記外管の内側に適用することにより、前記第二の発光材料を引っ掻き傷に対して保護し、さらに前記第二の発光材料が設けられる位置での特定に環境を持つようにすることができる。例えば、放電管及び外管の間の空間は、前記外管に設けられた発光材料の酸化防止のために無酸素環境とすることができる。また、激しい環境に耐えることが知られている青色及び緑色光発光フォスファを放電管内部に適用することで、好ましい効率を達成し、かつフォスファ強化光源の前記放電管がＵＶ透過性材料から作られる必要をなくす。

フォスファ強化光源のひとつの実施態様においては、前記第二の発光材料は、放電管からはなれるように面する外管の壁の側上に設けられる。この配置の利点は、前記第二の発光材料の温度がさらに低減されることである。

本発明のこれまでの及び他の側面は、以下説明される実施態様を参照して明らかとなり、理解されるであろう。

図１Ａは、本発明による発光変換装置を示す。 図１Ｂは、本発明による発光変換装置を示す。 図２Ａは、本発明のよる、半導体発光素子及び発光変換装置を含むフォスファ強化光源の実施態様のひとつを示す。 図２Ｂは、本発明のよる、半導体発光素子及び発光変換装置を含むフォスファ強化光源の実施態様のひとつを示す。 図３Ａは、発光素子が放電ランプの放電からなる、放電ランプを構成するフォスファ強化光源の実施態様のひとつを示す。 図３Ｂは、発光素子が放電ランプの放電からなる、放電ランプを構成するフォスファ強化光源の実施態様のひとつを示す。 図４Ａは、有機発光材料の励起スペクトル、及び緑色発光無機発光材料ＹＡＧの発光スペクトルを示す。 図４Ｂは、有機発光材料の励起及び発光スペクトルを示す。 図５Ａは、フォスファ強化光源の発光スペクトルを示す。ここで半導体発光素子から青色励起光、前記第一の発光材料からの緑色第一の発光、及び前記有機発光材料からの赤色際二の発光を示す。 図５Ｂは、無機の第一の発光材料ＹＡＧ及び有機の第二の発光材料を含む放電ランプの発光スペクトルを示す。 図は模式的である、寸法的に正確に描かれているものではない。特に明確にするために、いくつかの寸法は強く誇張されている。図中の類似のコンポーネントは可能な限り同じ参照番号が付されている。

図１Ａ及び１Ｂは本発明による発光変換装置１０、１２を示す。発光変換装置１０、１２は２つの異なる発光材料からなり、第一の発光材料２０及び第二の発光材料３０であり、第二の発光材料３０は有機発光材料３０を含む。前記第一の発光材料２０は、前記発光変換装置１０、１２に集光される励起光ｈｖ０の少なくとも一部の光を吸収するように構成される。前記第一の発光材料で吸収される光の少なくとも一部は続いて、より長波長ｈｖ１を持つ第一の発光に変換され、前記第一の発光材料２０により発光される。前記励起光ｈｖ０の吸収されない部分は、例えば、前記発光変換装置１０、１２を通過し、前記第一の発光材料２０及び前記第二の発光材料３０により発光される光と混合することを介して、前記発光変換装置１０、１２により発光される全光へ寄与することができる。前記第二の発光材料３０は、前記第一の発光ｈｖ１の少なくとも一部を吸収するように構成され、前記吸収された第一の発光ｈｖ１を、前記第一の発光課長ｈｖ１と比較してより長波長ｈｖ２を持つ第二の発光へ変換させる。従って、前記第一の発光ｈｖ１は前記第二の発光材料３０を励起するために用いられる。前記第二の発光材料３０は、有機発光材料３０である。

上記記載において、集光の一部分は発光材料により吸収され、続いて前記吸収された光の一部をさらにより長波長の光に変換する。吸収された前記集光の一部及び続くより長波長へ変換されたさらなる部分は通常異なる。集光のどの程度が吸収されるかは、例えば、前記励起光で照射される特定の発光材料の濃度に依存する。吸収された光のどの程度が続いて変換されるかについては、前記発光材料の量子効率に通常依存し、従ってそれぞれの発光材料により変化する。従って、発光材料の濃度を変更することにより、励起光ｈｖ０、第一の発光ｈｖ１及び第二の発光ｈｖ２の前記発光変換装置１０、１２による全体の発光に対する寄与は決められ、これにより前記発光変換装置１０、１２による発光に全体としての色を決定する。

本発明者は、本発明による２ステップ光変換は有機発光材料３０による発光の比較的小さいストークスシフトを生じることを見出した。実験から、この比較的小さなストークスシフトは、有機発光材料３０によるｈｖ２の発光スペクトルについて比較的狭く維持される、ということが見出された。通常、前記第二の発光ｈｖ２は比較的長波長であり通常フォスファ強化光源１００、１０２、１０４（図２及び図３参照）による発光の「赤」寄与を表す。この「赤」寄与は好ましくは、発光スペクトルｈｖ２が実質的線発光よりも広い幅を持ち、フォスファ強化光源１００、１０２、１０４の良好な演色性を保証するものである。しかし、通常「赤」寄与はあまり多くの赤外線を含むものであってはならない。というのはこの使用されない赤外光を発光することは前記フォスファ強化光源１００、１０２、１０４の発光効率を減少させることとなるからである。有機発光材料３０のストークスシフトを減少させることで、前記第二の発光３０のスペクトル幅は限定され、十分な「赤」寄与が得られることとなり、スペクトルに赤外光が実質的に含まれないことから、良好な演色性を得ることができる。従って、効率が改善されることとなる。

図１Ａは、発光変換装置１０が前記第一の発光材料２０及び第二の発光材料３０のスタックが発光材料の別々の層に設けられる実施態様が示される。従って、発光材料２０、３０の層スタック５０は、それぞれの特定の発光材料２０、３０として最適な材料が製造過程で担体（図示されていない）へ適用される。一般的に、無機及び有機発光材料の両方が混合されて発光材料１０、１２を生成する場合には、これらの異なる材料は、例えば同じ溶媒中で混合されることはかならずしも必要ではない。または、異なる発光材料２０、３０の熱抵抗性はあまりに相違することからこれらを単純に混合することを難しい。従って、層スタック５０は、個々の発光材料２０、３０をそれらの最適な製造工程を用いて適用されることとなる。

図１Ｂは、発光変換装置１２であって、発光材料５２の混合物からなる発光変換装置を示す。さらにこれはマトリックス５２として示されている。図１Ｂに示されるようにマトリックス５２は第一の発光材料２０及び第二の発光材料３０の混合物を含む。かかる構造において、複数の発光材料の混合物は同時に適用されることで、発光変換装置１２を製造する際に必要とされる工程を減少することができる。さらに、マトリックス５２の使用は、無機発光材料、例えば第一の発光材料２０を分散材料として使用することを可能とし、これにより前記マトリックス５２からの光の脱結合及び吸収を改良することができる。一般的に光はマトリックス５２などの材料の透明層に閉じ込められ得る。この光閉じ込めは通常、全内部反射に基づき、比較的効率的であることからこれはしばしば導光体（ｌｉｇｈｔ ｇｕｉｄｅ）で使用される。しかし、光がマトリックス５２に閉じ込められる場合、閉じ込められた光の一部は前記マトリックス５２内で吸収損失により失われる。これは前記発光変換装置１０、１２の効率をかなり減少させる。散乱体又は光抽出構造を追加することはまた、もちろん使用され得る。しかしかかる散乱体を追加することは前記システムにいくらかの損失を与え従って全体の効率を減少させ得る。例えば、無機発光材料の結晶、例えば前記第一の発光材料２０の結晶を前記マトリックス５２に混合することで、光の抽出が前記マトリックス５２に追加材料することなく改善される。

発光変換装置１０、１２は、図１Ａ及び１Ｂに示されるように、前記発光素子４０、４２上に直接適用され得る（図２及び図３参照）。又はリモート・フォスファ構造が設けられるように、発光素子４０、４２からある距離を置いて適用されてもよい。このリモート・フォスファ構造はよく知られており以下の利点を提供する。即ち、発光材料の温度が、操作中に、前記発光素子４０、４２上に直接設けられる場合に比べて、より低温度に維持されるということである。このリモート・フォスファ構造のさらなる利点は、該距離のためにリモート・フォスファを通る光束は通常小さいということである。高温度及び高光束が前記発光材料を通ることは、前記発光材料の光分解を加速する恐れがある。従って、リモート・フォスファ構造を用いることで、広い範囲の発光材料が、前記フォスファ強化光源１００、１０２、１０４のための前記発光変換装置１９、１２に適用可能となる。

図２Ａ及び２Ｂはフォスファ強化光源１００であって、半導体発光素子４０及び本発明による発光変換装置１０を含むものが示される。図２Ａは、組み立てられたフォスファ強化光源１００を示し、図２Ｂはその個々のエレメント２０、３０、４０、６０を示す。半導体発光素子４０上に、第一の発光材料２０は、前記半導体発光素子４０から発光される励起光ｈｖ０の少なくとも一部分を第一の発光ｈｖ１へ変換するように構成される。続いて、前記第一の発光材料２０の上に、第二の発光材料３０が、前記第一の発光ｈｖ１の少なくとも一部を第二の発光ｈｖ２へ変換するように構成されている。全ての励起光ｈｖ０も全ての第一の発光ｈｖ１も変換されるものではないことから、フォスファ強化光源１００の発光は通常、励起光ｈｖ０、前記第一に発光ｈｖ１及び前記第二の発光ｈｖ２が含まれる。さらに、光形状化エレメント６０が前記第二の発光材料３０の上に設けられて、前記フォスファ強化光源１００による発光を形状化してもよい。

好ましくは、励起光ｈｖ０は青色であり、これは前記フォスファ強化光源１００からの白色発光の青寄与に寄与するものである。または、前記半導体発光素子４０は紫外光ｈｖ０を発光してもよく、これは例えば青色及び黄色へ変換されて白色を生成する。かかる構成において、前記光形状化エレメント６０は、ＵＶ−ブロック材料からなるか、又はＵＶブロック層（図示されていない）を含み、紫外光が前記フォスファ強化光源１００からの発光を防止する。励起光ｈｖ０が紫外光の場合、発光変換装置１０、１２は、例えば３つの異なる色の光が前記集光紫外光ｈｖ０から生成され得る追加の発光材料を含むことができる。追加の発光材料は、例えば、紫外光を青色光へ変換し、前記第一の発光材料２０が、例えば、紫外光を緑色光へ変換し、及び前記第二の発光材料３０が、例えば紫外光を赤色光へ変換することができる。

図２Ａ及び図２Ｂに示される配置において、発光変換装置１０は実質的に前記半導体発光素子４０に直接付設される。これは図２Ａ及び図２Ｂに示されるようなリモート・フォスファ構造を表すものではない。前記第一の発光材料２０及び第二の発光材料３０が操作中比較的加熱され、操作中比較的高光束に晒される。このことは、この配置に適する発光材料の選択を明らかに制限するものである。また、もちろん、発光変換装置１０は、自己支持エレメント上に配置されてよい。例えばリモート・フォスファ構造において、半導体発光素子４０からある距離をおいて設けられる。例えば、半導体発光素子４０は反射カップ（図示されていない）中に設けられることができ、前記反射カップ中のどこかに、前記半導体発光素子４０からある距離離れて設けられる図１Ａ又は図１Ｂのいずれかによる発光変換装置１０、１２を含む。また、発光変換装置１０、１２はコリメータ図示されていない）に設けられるか又はその一部であってよく、前記コリメータは半導体発光素子４０の光を平行化する。

さらに、図２Ａ及び図２Ｂで示される配置において、前記発光変換装置１０は、異なる発光材料２０、３０のスタック５０（図１Ａ参照）を含む。この異なる発光材料のスタック５０は、もちろん、図１Ｂで示した異なる発光材料の混合物を含むマトリックス５２と置換可能である。

図３Ａ及び図３Ｂは、フォスファ強化光源１０２、１０４の実施態様を示し、放電ランプ１０２、１０４を含み、前記発光素子４２は前記放電ランプ１０２、１０４の放電４２からなる。
フォスファ強化光源１０２、１０４はさらに本発明による発光変換装置１０、１２を含む。放電ランプ１０２、１０４は放電管１１０を含み、これは放電空間１２０をガスタイト式に閉じ込める。放電管１１０は充填ガスを含み、操作中、前記放電空間１２０において放電４２を維持するための放電手段１３０を含む。操作中、前記放電４２からの励起光ｈｖ０は、例えば、前記放電管１１０の充填ガスに依存する。図３Ａに示される実施態様において、前記第一の発光材料２０は、前記放電４２に面する前記放電管１１０の壁１１４上の放電管の内側に適用される。この配置の利点は次の点である。即ち、励起光ｈｖ０が紫外光である場合、前記第一の発光材料２０はこの紫外光ｈｖ０を第一の発光ｈｖ１、好ましくは前記放電管１１０を容易に通過することができる可視光ｈｖ１に変換する、ということである。第二の発光材料３０は、放電管１１０の外側に適用され、従って、放電４２から離れて面する放電管１１０の壁１１２に適用される。従って、前記第二の発光材料３０は、前記放電管１１０の内部の激しい環境に晒されず、前記第一の発光材料２０に比較してより低温に晒されることとなる。なお、第二の発光材料３０は前記第一の発光ｈｖ１（現在の場合は可視光ｈｖ１）を吸収するように構成されていることから、紫外光ｈｖ０は放電管１１０から発光されることは必要ではなく、従って放電管１１０は石英マトリックス他のＵＶ透過性材料から製造される必要がなく、放電管１１０の製造コストを制限する。高ＣＲＩを持つ既知放電ランプで「赤」寄与を与える発光材料は比較的効率が低いが、一方「青」寄与発光材料及び「緑」寄与発光材料は良好な効率を持つことから、高量子効率を持つ有機発光材料を第二の発光材料３０として放電管の外側で使用することは、高ＣＲＩ放電ランプ１０２、１０４の効率をかなり増加させる。

図３Ａに示される実施態様において、放電ランプ１０２の一部のみが示され、電極１３０としての少なくとも２つの放電手段１３０のひとつのみが示される。さらに、図３Ａで示される実施態様の左部分では追加の層１５０を持ち、これは前記第二の発光材料３０の上に適用され、前記第二の発光材料３０を保護するための保護層１５０である。かかる保護層１５０は、例えば、前記第二の発光材料３０を、フォスファ強化光源１０２の外側に影響を与える環境から保護する。例えば前記第二の発光材料３０を引っ掻き傷から保護することである。留意すべきは、かかる保護層１５０が必要な場合、保護層１５０は前記第二の発光材料３０全てをカバーするように適用されるということであり、この場合図３Ａで示される実施態様の右側をもカバーされる。

又は、実施態様３Ａ及び図３Ｂの発光材料３０は、前記第一及び第二の発光材料の混合物３０であってよく、第三の発光材料２０が放電管１１０の内部壁１１４上に設けられる。この第三の発光材料２０は、例えばその発光の一部が前記第一の発光材料で吸収されより長波長の光へ変換される。続いて、前記第一の発光材料からの発光の一部が前記混合物３０を含む第二の発光材料で吸収されより長波長の光へと変換される。かかる３ステップ変換は、例えば、図５Ｂに示される。

図３Ｂに示される実施態様において、フォスファ強化光源１０４はさらに前記放電管１１０を囲む外管１４０を含む。第二の発光材料３０は、前記外管１４０の壁に配置される。図３Ｂに示される構成において、前記第二の発光材料３０及び放電管１１０との距離はさらに増加され、通常前記第二の発光材料３０の温度をさらに低減する。第二の発光物質３０は、例えば前記外管１４０の内側に適用され得る。また同じく放電管１１０に面する前記外管１４０の壁１４２の側に適用され得る。この配置において、図３Ｂで示されるように、外管１４０は、前記第二の発光材料のために特定の環境を生成するために使用され得る。例えば無酸素環境であり、これにより前記第二の発光材料の酸化分解を防止する。又は前記外管１４０及び放電管１１０の間の空間は、真空であってよい。これにより放電管１１０から第二の発光材料３０への熱伝達を防止する。

また前記第二の発光材料３０は外管１４０（図示されていない）の外側に適用されてもよい。同じく放電管１１０から離れるように面する外管１４０の外側壁に適用されてもよい。かかる配置で、保護層１５０（図３Ａ）がまた、第二の発光材料３０を保護するために前記第二の発光材料３０の上に適用されてよい。

外管１４０を用いるさらなる利点は以下の点である。即ち、前記フォスファ強化光源１０４の色の変更が、前記外管１４０を異なる発光材料又は発光材料の異なる混合物を持つ外管１４０と単純に交換することで容易に可能となる、という点である。

図４Ａは、第二の発光材料３０の励起スペクトルｈｖ２を示し、これはＦ３０５として既知の有機材料３０である。また、第一の発光材料２０の第一の発光スペクトルｈｖ１を示す。これはＹＡＧ発光緑色光として既知の無機発光材料である。図４Ａから明らかなように、第二の発光材料３０の吸収ピークは第一の発光ｈｖ１の発光ピークと実質的に偶然重なる。従って、Ｆ３０５として既知の有機発光材料を用いることで、第一の発光ｈｖ１の部分を効率的に吸収し、前記吸収された第一の発光ｈｖ１の一部を第二の発光ｈｖ２へ変換することができる。

図４Ｂは、Ｆ３０５として既知の有機発光材料３０である第二の発光材料３０の励起スペクトルｈｖｅ２及び前記第二の発光スペクトルｈｖ２を共に示す。該スペクトルから、Ｆ３０５として既知の有機発光材料３０の光変換の際のストークスシフトは通常１００ナノメータ未満であることが明らかである。さらに明らかなことは、前記第二の発光ｈｖ２のスペクトルは広すぎず、有機発光材料３０の「赤」寄与のために良好な演色性を与える結果となること、さらに赤外光を実質的に全く発光しないこと、である。

図５は、フォスファ強化光源１００（図２参照）の発光スペクトルを示す。半導体発光素子４０からの青励起光、前記第一の発光材料２０からの緑色光ｈｖ１、及び有機発光材料３０からの第二の赤色光ｈｖ２を含む。第一の発光材料２０はまた、ＹＡＧとして既知の発光材料であり、励起光ｈｖ０を吸収し、該励起光ｈｖ０を第一の発光ｈｖ１へ緑色光として変換する。続いて前記第一の発光ｈｖ１は前記第二の発光材料３０に吸収され第二の発光ｈｖ２へと変換される。図５の２つのスペクトルの差は、発光変換装置１０、１２の前記第一の発光材料２０及び第二の発光材料の濃度の違いによる。さらに以下の点が明らかである。即ち、半導体発光素子４０により発光される励起光ｈｖ０は通常比較的狭いスペクトルを持ち、一方前記第一の発光ｈｖ１及び第二の発光ｈｖ２は部分的に重なる広いスペクトルを持つということである。この比較的広いスペクトルは通常、フォスファ強化光源１００による良好な演色性が可能となる。

図５Ｂは、無機発光材料ＹＡＧ及び有機発光材料を含む放電ランプ１０２、１０４の発光スペクトルを示す。放電管１１０の内部へ追加されたフォスファ混合物（テキスト８６５に示される）が、放電管からの紫外放射光を変換して、前記放電管１１０から青色光ｈｖ０を発光させる（図３Ａ及び図３Ｂ参照）。前記追加のフォスファにより発行された青色光ｈｖ０は続いて前記第一の発光材料３０（ＹＡＧ：Ｃｅ）により吸収される。前記ＹＡＧ：Ｃｅは続いて青色光ｈｖ０の一部を緑色光ｈｖ１へ変換して緑色光ｈｖ１を発光する。この緑色光ｈｖ１の一部がさらにルモゲンＦ３０５で吸収されさらなる赤色光ｈｖ２発光を生成する。従ってこれは実際には３ステップ光変換である。

留意すべきは、これまで説明された実施態様は、本発明を説明するためであり、限定するためではないということである。当業者であれば、添付の特許請求の範囲から離れることなく多くの他の実施態様を設計することができるはずである。

特許請求の範囲において、括弧内のすべての参照符号は特許請求の範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。「含む」なる用語及びその関連する用語は、請求項中で記載された要素マトリックスステップ以外の要素マトリックスステップを除外するものではない。「ひとつの」なる用語はそれにより先行された要素が複数の場合を除外するものではない。本発明は、いくつかの別々の要素を含むハードウェア手段により実施され得る。いくつかの手段が列記された装置発明の請求項に関して、これらの手段のひとつのハードウェア、及びハードウェアと同等物により実施され得る。ある手段が相互に異なる従属請求項に記載されているということは単なる事実であり、これらの手段の組み合わせが本発明の利点を奏しないということではない。

Claims (14)

1. フォスファ強化光源のための発光変換装置であり、前記発光変換装置は：
   前記フォスファ強化光源の発光素子により発光される励起光の少なくとも一部を吸収し、前記吸収した励起光の少なくとも一部を、前記励起光と比較してより長波長を含む第一の発光へ変換するように構成される第一の発光材料を含み、前記発光変換装置がさらに、
   有機発光材料を有する第二の発光材料であって、前記第一の発光材料から発光される前記第一の発光の少なくとも一部を吸収し、前記吸収した第一の発光の少なくとも一部を、前記第一の発光と比較してより長波長を含む第二の発光へ変換するように構成される第二の発光材料を含み、
   前記第一の発光及び前記第二の発光の波長の差が１００ナノメータ未満であり、前記第二の発光材料は赤色発光有機発光材料である、発光変換装置。
2. 請求項１に記載の発光変換装置であり、前記第一の発光材料が無機発光材料を含む、発光変換装置。
3. 請求項１又は２のいずれか一項に記載の発光変換装置であり、前記第一の発光材料及び第二の発光材料が、発光材料のスタック中に発光材料の層を構成する、発光変換装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光変換装置であり、保護層が前記第二の発光材料の上に適用され、前記第二の発光材料を保護する、発光変換装置。
5. 当該発光変換装置は発光材料の混合物を含み、前記発光材料の混合物は前記第一の発光材料及び前記第二の発光材料の両方を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光変換装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発光変換装置であり、前記第二の発光材料が：ペリレン誘導体、ジフルオロ−ボラインダセン誘導体（ＢＯＤＩＰＹ）、フルオレセイン色素、フルエレン誘導体、クマリン色素、キサンテン色素、ピロメテン−ＢＦ２（Ｐ−ＢＦ２）錯体、スチルベン誘導体、ローダミン色素、ペリレンカルボキシミド色素及びポリフェニレンビニレン（ＰＰＶ）又はポリフェニル誘導体を含むルミネセントポリマを含む群から選択される、発光変換装置。
7. 励起光を発光する発光素子と、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発光変換装置を含む、フォスファ強化光源。
8. 前記発光変換装置が、前記発光素子から距離をおいて配置される、請求項７に記載の発光変換装置。
9. 請求項７に記載のフォスファ強化光源であり、前記発光素子が半導体発光素子を含む、フォスファ強化光源。
10. 請求校７に記載のフォスファ強化光源であり、前記発光素子が放電ランプの放電を含む、フォスファ強化光源。
11. 請求項８乃至１０のいずれか一項に記載のフォスファ強化光源であり、前記発光素子が青色基本色を含む励起光を発光するように構成される、フォスファ強化光源。
12. 請求項１０又は１１のいずれか一項に記載のフォスファ強化光源であり、前記発光素子が前記放電ランプの前記放電を含み、前記放電ランプが放電管を含み、前記放電管はガスタイト式に放電空間を閉じ込め、前記放放電空間が充填ガスを含み、且つ前記励起光を発光するために、操作中に前記放電空間に放電を維持するために放電手段を含み、前記第二の発光材料が、前記放電から離れた面の前記放電管の壁の一方の側に適用される、フォスファ強化光源。
13. 請求項１０又は１１のいずれか一項に記載のフォスファ強化光源であり、前記発光素子が放電ランプを含み、前記放電ランプが放電管を含み、前記放電管はガスタイト式に放電空間を閉じ込め、前記放電空間が充填ガスを含み、且つ前記励起光を発光するために、操作中に前記放電空間に放電を維持するために放電手段を含み、前記放電ランプがさらに前記放電管を囲む外管を含み、前記第二の発光材料が、前記外管の壁の一方の側に適用される、フォスファ強化光源。
14. 請求項１３に記載のフォスファ強化光源であり、前記第二の発光材料が、前記放電管に面する前記外管の壁に適用される、フォスファ強化光源。

Images