JP5832654B2 - 蛍光体を有する光源及び前記光源を有する照明ユニット - Google Patents

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Description

本発明は、請求項1の上位概念に記載の光源、特に変換型LEDに関する。この種の変換型LEDは特に一般照明用に適している。
先行技術
US-B 7 489 073から、蛍光体として変性された通常のオルトケイ酸塩を使用する変換型LEDは公知である。
安定な緑色蛍光体、特に520〜540nmに最大発光を示す安定な緑色蛍光体は、ほとんど提供されていない。これは、変換型LEDをディスプレーバックライトで使用することを困難にし、高CRI−LED又は暖白色LEDの最適化を制限している。今までは、この分野のために緑色蛍光体として主としてオルトケイ酸塩が製品中で使用されていた。これは確かに部分的に高い量子効率を有するが、LED中での不十分な劣化挙動を示す。
US-B 7, 489, 073からは、AE2-x-aRExEuaSiO4-xx(AE=Sr、Ba、Ca、Mg;RE=希土類、特にY及び/又はLa)の組成を有する窒化物−オルトケイ酸塩が公知である。EA又はAEもここではアルカリ土類金属元素を表す。YN及び/又はLaNの組込によって、スペクトル位置が赤方偏移し、大抵は蛍光体の量子効率の改善が達成される。この蛍光体のLED劣化挙動は、ここに記載された製造方法によって、慣用のオルトケイ酸塩又は他の緑色Sion蛍光体、例えばBa3Si6122:Euの場合よりも明らかに良好である。
多くの適用にとって、例えばLCDバックライトにとって、湿った環境でかつ比較的高い温度での安定性はいまだに最適ではない。
発明の開示
本発明の課題は、高い効率及び安定性を達成することができる請求項1の上位概念に記載の光源を提供することである。他の課題は、LCDバックライト用の光源を作成することである。
上記課題は、請求項1に示された特徴部により解決される。
特に好ましい実施態様は、従属形式請求項に記載されている。
本発明によって新規種類の窒化物系蛍光体が提供される。これには、青色又は青緑色〜黄色に発光する蛍光体が該当し、この蛍光体は特に、典型的なUV−LED及び青色LEDの発光領域で励起可能であり、かつ同時にLEDにおいて極めて高い安定性を示す。この蛍光体は、特に良好な演色性を有するLEDにおいて、LCDバックライト用LEDにおいて、カラーオンデマンドLEDにおいて又は白色OLEDにおいて適用することができる。レーザーリモートフォスファー装置(LARP)又はLEDリモートフォスファー装置で使用することもできる。
半導体を基礎とする白色光源、例えばLED、LARP及びLERPは、特にLCDバックライトにおいて次第に重要性を増している。特に、低い色温度及び良好な演色性と同時に高い効率を有する暖白色LEDの需要は増している。
この蛍光体は、一連の要件:化学的影響、例えば酸素、湿分、注型材料との相互作用に対して、並びに放射線に対して極めて高い安定性を満たさなければならない。上昇するシステム温度で安定な色度座標を保証するために、更に、僅かな温度消光挙動を有する蛍光体が必要である。
この種の蛍光体は、白色LED及びカラーオンデマンドLEDにおいて使用される。
この種の蛍光体の励起は、好ましくはUVでの短波長の放射線で及び短波長の青色で、特に360〜480nmで起こる。
本発明は、窒化物−オルトケイ酸塩の系列の蛍光体の提供に基づく。
この蛍光体の場合にSiO2の不足が、高められた量子効率を引き起こすことが明らかになった。従って、AE2-x-aRExEuaSi1-y4-x-2yx(AE=Sr、Ba、Ca、Mg;RE=La、Lu、Dy、Ybの群から単独で又は組み合わせて選択される希土類、xは、好ましくは0.002〜0.02であり、aは、好ましくは0.01〜0.2である)の安定化された窒化物−オルトケイ酸塩についての出発材料混合物の組成が生じる。SiO2不足について基準となる添え字yは0<y≦0.1の範囲内、好ましくは0.002≦y≦0.02の範囲内にある。安定化された窒化物−オルトケイ酸塩のここに記載された製造方法において、更に好ましくは1実施態様の場合に、Si34とRE23の出発物質の側が拡大される。
AE2-x-aRExEuaSi1-y4-x-2yxの調製のために、AECO3、SiO2、REN及びEu23か、又はAECO3、SiO2、Si34、RE23及びEu23が出発物質として必要とされる。更に、特にフッ化物及び塩化物、例えばAECl2、AEF2、更にはNH4Cl/NH4F、H3BO3、LiF及び氷晶石、並びにそれらの組合せも融剤として使用することができる。
意外にも、La、Lu、Dy、Ybの群から単独で又は組合せで選択された全く特別なREを有する安定化された窒化物−オルトケイ酸塩のタイプの蛍光体は、半導体−光源のために特に重要な、高電流作動での良好な効率の特性及び安定な劣化挙動を最適に満たすことが示された。このことは、特に、LCDバックライト用の光源の場合の要求について該当する。他の要求は、一次光源としてレーザーを放射する際の安定性である。
LCDバックライトは、多くの工業分野において次第に重要になっている。特に、バックライトの平坦な構造の需要が増している。この需要は現在では半導体光源、例えばLEDバックライトだけが満たすことができる。更に、同時に演色性、寿命及び効率に関する部材の要求は絶え間なく高まっている。
例えば十分に大きな色空間を有するバックライト用の白色LEDを製造するために、十分に狭帯域の緑色蛍光体及び赤色蛍光体を使用することが必要である。
この蛍光体は、高い寿命及び効率を保証するための一連の要件:化学的影響、例えば酸素、湿分、注型材料との相互作用に対して、並びに放射線に対して高い安定性を満たさなければならない。上昇するシステム温度で安定な色度座標を保証するために、更に、LEDの作動温度で僅かな温度消光挙動を有する蛍光体が必要である。特に、十分な化学的安定性を有する狭帯域の緑色蛍光体は、現在市場で商業的に入手できない。
バックライト用の今までのLEDは、一般に
1. 比較的長波長のLEDと黄色蛍光体との組合せか、
2. 青色LEDと、広帯域の緑色蛍光体と、赤色蛍光体との組合せか、又は
3. 青色LEDと、狭帯域の緑色蛍光体、好ましくはオルトケイ酸塩と、赤色蛍光体との組合せにより達成される。
第1の解決策は有効であるが、極めて小さな色空間をカバーできるだけである。第2の解決策は、同様に、広帯域の緑色放射により狭いRGB色空間のために利用できるにすぎない。第3の解決策は、確かに原則として>85%のNTSCにとって適しているが、使用される緑色蛍光体(オルトケイ酸塩)に基づいて著しいLED劣化現象ひいては効率の損失並びに色度座標の偏移を示す、それというのもオルトケイ酸塩は化学的に十分に安定性ではないためである。この略語のNTSC(National Television System Committee)は、この場合、高い価値のテレビ規格に関している。
本発明による解決策は、初めて、十分に大きなNTSC色空間(≧85%)に及ぶ十分に安定でかつ効率的なバックライトにとって適している。この解決策は、青色発光LEDと、新規種類の狭帯域の黄緑色に発光する、式AE2-x-aRExEuaSiO4xの窒化物−オルトケイ酸塩蛍光体、殊に、特に式AE2-x-aRExEuaSi1-y4-x-2yxの安定化された化学量論的不足量の窒化物−オルトケイ酸塩と、式AEAlSiN3:Eu2+の狭帯域の赤色の窒化物アルミノケイ酸塩蛍光体との組合せからなる。
両方の蛍光体のタイプは同様に安定でありかつ同様に効率的であるので、不所望な色度座標の偏移を引き起こさない。この開発は、半導体に基づく光源に関する、特にNTSCに適合する機器のバックライト用の適用のためのマイルストーンである。
この関連で、特にREを、Lu、Dy、Ybの単独又は組み合わせから選択することが有効であることが実証された、それというのもこれらは必要な高電流−効率を提供することができるためである。
特に好ましい光源は、10〜30μmの範囲内の粒径d50を有する変性されたオルトケイ酸塩を使用する。この比較的粗大な粒子は微細な粒子と比較して、僅かな散乱特性及びそれと関連した、励起光源の範囲内の極めて良好な吸収に基づいて特に効果的であることが判明した。変性されたオルトケイ酸塩の他の好ましいパラメータは値b80であり、この値は、狭い粒径分布を保証するために≦1.5の範囲内にあるのが好ましく、これは同様に効率及び散乱特性を改善する。小さな値b80=(d90−d10)/d50、つまり極めて狭い粒径分布によって、これにより生じる散乱はほぼ一定に保たれる。これは、例えばLEDでの色度座標の調節のために重要である。1.5より大きなb80を有する極めて広い粒径分布の場合、この散乱は、粒径の割合に応じて極めて多様であり、ひいてはこれにより生じる色度座標も多様である。
REで安定化されている化学量論的に不足のオルトケイ酸塩が特に好ましいことが判明した。この場合、SiO2割合が特に重要である。REN安定化されたオルトケイ酸塩を使用する光源の長時間安定性は、化学量論的量の相違の程度に応じて、少なくとも20%〜50%を遥かに超えるまで改善される。Mを基準とするREの割合yは、好ましくは0.2〜5%の範囲内にあるのが好ましいが、適用分野に応じてこの割合を更に上回ることもできるが、10%を上回るのは好ましくない。良好な結果は、y=0.25〜1%で達成される。
変性されたオルトケイ酸塩のタイプの蛍光体は好ましくは注型樹脂中に埋め込まれていて、LED上に設けられるか、又はLEDもしくはレーザーダイオードのセラミックとして前方に配置されている(LERP及びLARP適用)。
注型樹脂を使用する場合、これはチップレベルコンバージョン(chip level conversion)、沈積又はバルクキャスティングによってLED上に適用することができる。この場合、好ましくは充填材料は注型樹脂に対して1〜50質量%の割合で使用される。充填材料は好ましくはSiO2、特に3〜7μmの粒径d50を有するSiO2である。他の成分は、特にシリコーンである。
この蛍光体は緑色に発光し、式AE(2-x-y)RExEuySiO(4-x)x又はAE(2-x-y)RExEuySi(1-s)(4-2s-x)xを有する。AEはBa、Sr、Caから単独で又は組み合わせて選択され、REはLu、La、Dy、Ybから単独で又は組み合わせて選択され、その際、0<x<0.1並びに0<y<0.2である。この種の蛍光体の特別な価値は、この蛍光体が極めて狭帯域で発光するため、RGB型の3色に発光するLEDを用いる、競合する極めて費用のかかる解決策を代替できる点にある。基本的に、更に一次光源としての半導体光源の著しく負荷がかかる環境においてもこれらの要求を満たすために、極めて僅かな蛍光体が狭帯域であれば十分である。この種の蛍光体は、以後、NOS、窒化物−オルトケイ酸塩と称され、窒化物添加物RENを基礎とする希土類REを用いた変性は、希土類REを用いたドーピングとして表され、例えばNOS:REと表される。
付加的な赤色に発光する好ましい蛍光体は、Calsin:Eu、特に式AE(1-z)EuzAlSiN(3-0.67t)tの変性された蛍光体であり、その際、0<z<0.1及び0<t<0.1、AEは、Ca、Srから単独で又は組み合わせて選択される。この組合せの特別な価値は、この蛍光体が、前記の新規種類の緑色に発光する蛍光体と同様に、狭帯域で発光する点にある。従って、LCDバックライト用の技術的解決策が提供され、この解決策は、RGB型の3色に発光するLEDを用いる極めて費用のかかる解決策に代替できる。基本的に、更に一次光源としての半導体光源の著しく負荷がかかる環境においてもこれらの要求を満たすために、極めて僅かな蛍光体が狭帯域であれば十分である。狭帯域とは、ここでは、緑色及び赤色に発光する両方の蛍光体が最大95nmのFWHMを有することを意味する。
LCD解決策の際の特別な課題は、この場合に使用される緑色及び赤色のカラーフィルタへの適合である。ここで使用される通常の緑色に発光する蛍光体は、540nmにピーク波長を有し、あまり融通性がない。従って、高い色域を達成することが困難である、それというのも、通常のカラーフィルタは515〜535nmの緑色の最大値に適合されているためである。通常のオルトケイ酸塩を使用する場合には、このピーク発光を適切にこの窓領域に置くことができるが、やがて高い運転温度に基づき色ずれが生じ、色均等性に不満が残る。
本発明による照明ユニットは、光源の他に、625〜655nmの範囲内に最大値を有する少なくとも1つのカラーフィルタを有する。好ましくは、515〜535nmの間に最大値を有する緑色領域用の第2のカラーフィルタが使用される。特に、435〜455nmの間に最大値を有する青色カラーフィルタと、515〜535nmの間に最大値を有する緑色カラーフィルタと、625〜655nmの最大値を有する赤色カラーフィルタの、3種のカラーフィルタを用いた解決策が好ましい。
ここで、変性されたオルトケイ酸塩のタイプの新規種類の緑色に発光する蛍光体は、本質的により良好に適合されていてかつ特に十分に狭帯域である。新規種類の蛍光体のFWHMは、一般に60〜90nmであり、これと類似のことをこれに適合するCalsin蛍光体も示す。この変性された蛍光体の発光のピークは、適切な組成によって515〜535に可変に設定でき、それによりこの発光ピークは通常のカラーフィルタに最適に合わせられる。430〜460nmのピーク発光を有する適切な青色半導体一次光源、LED又はレーザーダイオードと、510〜540nmの範囲内にピーク発光を有する変性された緑色に発光する窒化物−オルトケイ酸塩による一次光の部分的な変換と、場合により変性された、赤色に発光する蛍光体のAEAlSiN3:Euによる一次光の部分的な変換との組合せは、通常のカラーフィルタを使用した場合であっても、高い色域及び高い明度を示す。この効率は、耐久年数にわたって一定に高いままである。
注型樹脂中でこれらの蛍光体と一緒に使用される適した充填材料は、室温で、光に対してほぼ透明であるSiO2である。別の選択肢はAl23である。従って、この場合に室温での明度の損失は生じない。高められた運転温度の場合に、充填材料と注型樹脂との間の屈折率の差異が生じ、それにより散乱が強くなる。それにより、運転温度に達した場合に、色ずれが最小化され、かつ色均等性が改善される。
注型樹脂の代わりに、他の媒体のシリコーン又はガラスを使用することもできる。この蛍光体又はこの混合物は、場合によりチップに直接適用されるか又はチップから距離を置いて例えばガラス又はセラミックのプレート中に適用することができる。
選択される色空間及びその際に適用されるカラーフィルタに応じて、他の希土類金属も使用できるか、又はYb、Dy、La又はLuに対する添加物として使用することもできる。これは、特にHo、Er及びTmに当てはまる。
適用に応じて、Euの他に他の付活金属を使用することもできる。好ましい他の選択肢は、Ce又はMnである。これらは、特にEuの他に共ドーパントとしても使用することができる。一般にこの割合は、Euの他の付活剤Dに関して好ましくは最大30%である。
NOS:Laは化学的に極めて安定であるが、この効率は極めて高い順方向電流でLED中で減少する。周囲温度が高まればそれだけ、意外にもこの不利な効果が低下する。それに対して、NOS:Lu、NOS:Yb及びNOS:Dyは、いくらか低い化学的安定性を示すが、高い順方向電流で効率の極めて良好な不変性を示す。
RENの安定化する作用は、NOS:REに関して既に0.025%の僅かな濃度で生じ、この安定化効果は、NOS:REに関して少なくとも0.25%の濃度まで維持される。
付活化の好ましい濃度は、本質的にAE及びREであるMを基準として、2〜10%である。
本発明の本質的な特徴を連番で列挙した形で以下に示す:
1. 光学スペクトル領域の短波長領域の放射線を420〜480nmの波長領域で発光する一次放射源を備え、この放射線が少なくとも第1の蛍光体によって完全に又は部分的により長波長の、可視スペクトル領域の二次放射線に変換され、前記第1の蛍光体は、M2SiO4:Dの構造から誘導される窒化物系に変性されたオルトケイ酸塩(NOS)の種類に由来する光源において、前記蛍光体は、成分Mとして主としてEA=Sr、Ba、Ca又はMgの群を単独で又は組合せて有し、付活化するドーパントDは少なくともEuからなり、かつMの一部分を置き換え、かつSiO2の割合は不足量で導入されているため、変性された化学量論的に不足量のオルトケイ酸塩が存在し、前記オルトケイ酸塩はRE及びNで安定化されたオルトケイ酸塩であり、REは希土類金属であり、この出発材料−化学量論的組成は、式EA2-x-aRExEuaSi1-y4-x-2yxに相当し、REはLa又はLu又はDy又はYbから単独で又は組み合わせて選択され、前記NOSの半値幅FWHMは最大で90nmであることを特徴とする光源。
2. Euの割合aは、a=0.01〜0.20であることを特徴とする、前記1に記載の光源。
3. EAは、Sr及び/又はBaを少なくとも66mol%含有し、特に最大5mol%のCaの割合及び特に最大30mol%のMgの割合を有し、EAは、好ましくはSr/Ba=0.3〜2.3のSrとBaとの混合物であり、好ましくはSr/Ba=0.8〜1.2のSrとBaとの混合物であり、特に好ましくはSr/Ba=0.9〜1.1のSrとBaとの混合物であることを特徴とする、前記1に記載の光源。
4. 割合xは、0.002〜0.02であることを特徴とする、前記1に記載の光源。
5. 前記不足量の基準となる添え字yは、0<y≦0.1、特に0.002≦y≦0.02の範囲内にあることを特徴とする、前記1に記載の光源。
6. 前記一次放射源は、440〜470nmの波長領域の青色の放射線を発光し、前記放射線は、前記第1の蛍光体によって部分的に、特に510〜540nmの領域のピーク発光を有する可視スペクトル領域の第2の緑色の放射線に変換されることを特徴とする、前記1に記載の光源。
7. 前記一次放射源として、InGaN又はInGaAlPを基礎とする発光ダイオードを使用することを特徴とする、前記6に記載の光源。
8. 一次放射線の一部がさらに他の蛍光体によってより長波長の放射線に変換され、少なくとも1つの蛍光体は最大で90nmのFWHMを有することを特徴とする、前記6に記載の光源。
9. 前記第2の蛍光体が前記光源の前方に配置されていて、前記第2の蛍光体は赤色に発光し、かつ特にAEAlSiN3:Euの種類に由来し、AEはCa及び/又はSrから単独で又は組み合わせて選択されることを特徴とする、前記8に記載の光源。
10. 一次放射線を発光するチップと、前記チップの前方に配置された少なくとも1つの蛍光体を有する層とを備え、前記蛍光体は前記チップの前記一次放射線の少なくとも一部を二次放射線に変換し、かつM2SiO4:Dの構造から誘導される窒化物系に変性されたオルトケイ酸塩(NOS)の種類に由来する、変換型LEDにおいて、前記蛍光体は成分Mとして、主としてEA=Sr、Ba、Ca又はMgの群を単独又は組み合わせて有し、付活化するドーパントDは、少なくともEuからなり、かつMの一部分を置き換え、かつSiO2は不足量で導入されているため、変性された化学量論的に不足量のオルトケイ酸塩が存在し、前記オルトケイ酸塩は、RE及びNで安定化されたオルトケイ酸塩であり、REは希土類金属であり、この出発材料−化学量論的組成は、式EA2-x-aRExEuaSi1-y4-x-2yxに相当し、REはLa又はLu又はDy又はYbから単独で又は組み合わせて選択され、前記NOSの半値幅FWHMは最大で90nmであることを特徴とする、変換型LED。
11. 他の蛍光体として、変性されたCaAlSiN3:Euを使用することを特徴とする、前記10に記載の変換型LED。
12. 前記蛍光体を有する層は、注型樹脂、シリコーン又はガラスであることを特徴とする、前記10に記載の変換型LED。
13. 前記蛍光体を有する層は、注型樹脂であり、他の充填剤としてSiO2が使用されていることを特徴とする、前記10に記載の変換型LED。
14. LCDバックライト用の照明ユニットであって、前記1から9のいずれか1つに記載の光源又は前記10から13のいずれか1つに記載の変換型LEDが、少なくとも1つ、特に2つ、好ましくは3つのカラーフィルタと一緒に使用され、光源とカラーフィルタは、予め定義された色空間を少なくとも85%カバーするように相互に調整されていて、前記色空間は特にNTSCである、LCDバックライト用の照明ユニット。
15. LCDバックライト用の照明ユニットであって、前記1から9のいずれか1つに記載の光源又は前記10から13のいずれか1つに記載の変換型LEDが、625〜655nmの領域に最大値を有する赤色スペクトル領域用の少なくとも1つのカラーフィルタと一緒に、好ましくは515〜535nmの領域に最大値を有する緑色スペクトル領域用のカラーフィルタと一緒に、特に好ましくは435〜455nmの間の最大値を有する青色スペクトル領域用のフィルタと一緒に使用されている、LCDバックライト用の照明ユニット。
次に、本発明を複数の実施例を用いて詳細に説明する。
変換型LEDを表す。 離れて設置された蛍光体混合物を有するLEDモジュールを表す。 (Sr,Ba)2Si1-y4-x-2yx:Eu,Lu型の緑色蛍光体と、アルミノニトリドシリケートのCaAlSiN3:Eu2+型の赤色蛍光体との混合物を有する、LCDバックライトLEDの発光スペクトルを表す。 色空間NTSCと、図3のLEDによりカバーされた色空間との比較を表す。 色空間NTSCと比べた、多様にドーピングされたLEDによりカバーされた色空間の比較を示す。 低電流条件及び高電流条件でLEDの稼動時の多様な蛍光体の効率を示す。 化学的安定性を試す苛酷な条件下での、LuドープされたNOSの1000時間後の効率損失率を示す。 化学的安定性を試す苛酷な条件下での、YbドープされたNOSの1000時間後の効率損失率を示す。 化学的安定性を試す苛酷な条件下での、DyドープされたNOSの1000時間後の効率損失率を示す。 化学的安定性を試す苛酷な条件下での、LaドープされたNOSの1000時間後の効率損失率を示す。 化学的安定性を試す苛酷な条件下での、僅かにLaドープされたNOSの1000時間後の効率損失率を示す。 NTSCを含めた、多様な色空間の図を示す。 蛍光体を備えたランプの図を示す。 色度座標の安定化に関するSiO2の影響の図を示す。
発明の好ましい実施形態
図1は、自体公知のように、RGBに基づく白色光用の変換型LEDの構造を示す。この光源は、InGaN型の、ピーク発光波長435〜455nmの、例えば445nmのピーク波長の、青色に発光するチップ1を備えた半導体構成素子であり、このチップ1は光不透過性の基体ハウジング8内の凹部9の領域に埋め込まれている。このチップ1は、ボンディングワイヤ14によって第1の接続端子3と接続され、かつ第2の電気的接続端子2に直接接続されている。この凹部9は、注型コンパウンド5で充填されていて、前記注型コンパウンドは主成分としてシリコーン(60〜90質量%)及び蛍光体6(約15〜40質量%)を有する。第1の蛍光体は、緑色に発光する窒化物−オルトケイ酸塩の蛍光体AE2-x-aRExEuaSi1-y4-x-2yx(式中、AEはBa,Srであり、REはLuである)である。他の実施例は、次の元素の少なくとも1つを使用する:AE=Ba,Sr,Ca,Mg及びRE=Dy,Yb,La。更に、第2の蛍光体として、赤色に発光する蛍光体、例えばアルミノニトリドシリケート又はCalsinが使用される。この凹所は壁部17を有し、この壁部は、チップ1からの一次放射線及び蛍光体6からの二次放射線用のリフレクタとして用いられる。他の蛍光体の具体的実施例は、白色の作成のために、Cu又は酸素で変性されたCaAlSiN3:Eu又は(Ca,Sr)AlSiN3:Euである。
基本的に、分散体として、薄膜等として、LED上に直接に、又は自体公知のように、LEDの前方に別個に配置されたキャリア上への蛍光体混合物の使用が可能である。
照明ユニットは、更に、LEDの前方に配置されている、緑色カラーフィルタ45、赤色カラーフィルタ46及び場合により青色カラーフィルタ47を有している。
図2は、基体プレート21上に複数個のLED24を備えたこの種のモジュール20を示す。その上方に、側壁22及びカバープレート12を備えたハウジングが取り付けられている。蛍光体混合物は、この場合には、層25として、側壁にも、特に、透明なカバープレート23にも塗布されている。
他の適切な光源は、蛍光ランプ又は高圧放電ランプであり、この場合、新規蛍光体は一次放射線の変換のために、単独で又は他の蛍光体と組み合わせて用いることができる。これらの蛍光体は、通常では、ランプのバルブの壁部に設けられている。
図3は、2種の蛍光体を基礎とする変換されたLCDバックライトLEDのスペクトルを示す。この励起は、448nmのピーク波長(青色)を有する一次発光するLEDにより行われる。横軸には波長がnmで示され、縦軸には相対発光強度が示されている。導入された第1の蛍光体は、CaAlSiN3:Eu型の赤色蛍光体であり、第2の蛍光体は、化学量論的組成(Ba,Sr)2-x-aLuxEuaSi1-y4-x-2yx(式中、x=0.005、a=0.08及びy=0.0075)の本発明による緑色蛍光体である。
新規種類の化学量論的に不足量の蛍光体の製造は、次のように行われる:
出発材料混合物1〜4と同様の出発物質を、好ましくは適切な融剤と一緒に、秤量しかつ均質化する。引き続き、この出発物質混合物を、還元雰囲気下で(特にN2又はAr又はN2/H2又はAr/H2の混合物中で)1000℃〜1500℃の温度で数時間焼成する。その後で、第2の焼成を、還元雰囲気下で(特にN2又はAr又はN2/H2又はAr/H2の混合物中で)同様に800℃〜1400℃の温度で行うことができる。この合成は適切な炉、例えば管状炉又は室炉中で実施される。
a) 比較例/出発材料混合物1(先行技術):
SrCO3 73.5g、BaCO3 98.1g、SiO2 31.1g及びEu23 7.2g;
b) 比較例/出発材料混合物2(先行技術):
SrCO3 73.3g、BaCO3 97.9g、SiO2 31.1g、LaN 0.4g及びEu23 7.2g;
c) 実施例/出発材料混合物3:
SrCO3 73.4g、BaCO3 98.0g、SiO2 30.8g、Si34 0.1g、La23 0.4g及びEu23 7.2g;
d) 実施例/出発材料混合物4:
SrCO3 73.3g、BaCO3 98.0g、SiO2 30.9g、LaN 0.4g及びEu23 7.2g;
比較例2の場合のように、既にランタン及び窒素の組込によって、既に比較的高温で及び湿った環境でLED安定性の明らかな改善が確認される。しかしながら多様な適用にとって、例えばLCDバックライト用には、この安定性はいまだに最適とはいえない。
実施例3及び4によるここに記載された、SiO2に関して相応する不足量を有する新たな化学量論的組成は、特に湿った環境及び比較的高い温度で、明らかに改善されたLED安定性を生じさせる。図5では、4つの異なる出発材料混合物について、温度45℃でかつ空気湿度95%でのLED安定性が示されている。縦軸として相対変換率が示され、横軸は分で示す時間である。実施例3及び4は、互いにほぼ同じ値であり、これらの2つは比較例1及び2よりかなり優れていることが示されている。
460nmでの励起の場合の実施例3及び4による新規種類の蛍光体の相対量子効率QE460は、比較例2の場合よりも3%高い。
式AE2-x-aRExEuaSi1-y4-x-2yxの示された窒化物−オルトケイ酸塩の製造は、一般に、出発物質としてAECO3、SiO2、REN及びEu23又はAECO3、SiO2、Si34、(RE)23及びEu23から行われる。後者において、好ましくは三価の酸化物が形成される場合、希土類は(RE)23として使用される。好ましくは複酸化物として存在する希土類酸化物、例えばTbは通常ではIII/IV複酸化物のTb47として存在する希土類酸化物の場合、この複酸化物が好ましくは使用される。更に、REN又はRE酸化物の代わりに、Si34との関連で、In、Y又はScが窒化物として又は酸化物とSi34との組合せとして使用することもできる。
更に、特にフッ化物及び塩化物、例えばAECl2又はRECl2、AEF2又はRECl2、更にはNH4Cl/NH4F、H3BO3、LiF及び氷晶石、並びにそれらの組合せも融剤として使用することができる。
出発材料混合物1〜15と同様の出発物質を、適切な融剤と一緒に、秤量しかつ均質化する。引き続き、この出発物質混合物を、還元雰囲気下で(例えばN2又はAr又はN2/H2又はAr/H2の混合物中で)1000℃〜1500℃の温度で数時間焼成する。その後に、第2の焼成を、同様に還元雰囲気下で(例えばN2又はAr又はN2/H2又はAr/H2の混合物中で)800℃〜1400℃の温度で行うことができる。この合成は適切な炉、例えば管状炉又は室炉中で実施される。
出発材料混合物1:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、La23 0.5g及びEu23 7.0g
出発材料混合物2:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Pr611 0.4g及びEu23 7.0g
出発材料混合物3:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Nd23 0.4g及びEu23 7.0g
出発材料混合物4:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Sm23 0.4g及びEu23 7.0g
出発材料混合物5:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Gd23 0.4g及びEu23 7.0g
出発材料混合物6:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Tb47 0.5g及びEu23 7.0g
出発材料混合物7:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Dy23 0.5g及びEu23 7.0g
出発材料混合物8:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Ho23 0.5g及びEu23 7.0g
出発材料混合物9:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Er23 0.5g及びEu23 7.0g
出発材料混合物10:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Tm23 0.5g及びEu23 7.0g
出発材料混合物11:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Yb23 0.5g及びEu23 7.0g
出発材料混合物12:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Lu23 0.5g及びEu23 7.0g
出発材料混合物13:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Y23 0.4g及びEu23 7.0g
出発材料混合物14:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Sc23 0.2g及びEu23 7.0g
出発材料混合物15:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、In23 0.4g及びEu23 7.0g
次の表1中に、SiO2不足量あり及びなしのLa/Nドープの実施例に関するスペクトル特性が示されている。
Figure 0005832654
他の実施例のスペクトルデータが、次の表2に記載されている。
Figure 0005832654
NTSC色空間と比較した所属する色空間を有する白色LED(図2の構造を有する)の実施例が図4に示されている。青色成分は、この場合、LEDのピーク発光波長448nmの一次放射線により提供され、緑色成分は、式(Ba0.9575Sr0.9575Lu0.005Eu0.08)Si0.99253.980.005の変性された窒化物−オルトケイ酸塩に基づく二次放射線により提供され、赤色成分は、式CaAlSiN3:Eu2+の赤色ニトリドアルミノシリケートに基づく二次放射線により提供される。所属するスペクトルが図3に示されている。
≧85%の十分に大きなNTSC色空間をカバーするために、蛍光体の色度座標を、適切なAE−RE比によって適合させる必要がある。この良好な適合は、安定化されたNOSの特別な利点である。次に、図3により、安定化された窒化物−オルトケイ酸塩中での相対的なBa/Sr含有率による色度座標の依存性を例示的に示し、この場合、色度座標軸u′及びv′が横軸及び縦軸で記載されている。それに伴ってNTSC色空間の大きさの影響が現れる、図5参照。最大の色空間は、Sr/Ba相対比1:1(曲線(2))で達成され、曲線(3)による比1.1:0.9もまだ許容できる結果を示す。
新規の緑色の窒化物−オルトケイ酸塩蛍光体は、一般に慣用の緑色オルトケイ酸塩と比べてより高い化学的安定性を示し、この場合、この安定化の程度及び低い電流及び高い電流の場合の蛍光体の効率は、RENによる「ドーピング」に依存する。ドーピングとは、この場合、少量での添加を意味する。
高電流効率及び低電流効率についての式(Ba0.9575Sr0.9575RE0.005Eu0.08)Si0.99253.980.005の窒化物−オルトケイ酸塩の実施例は、図6に示されている。高電流作動は、この場合、典型的には500mAを意味し、一般的には最低で200mA〜700mAを意味する。低電流作動は、典型的には50mAを意味し、一般的には最低で30mA〜150mAを意味する。ここでは、Lu及びYbがREドーピングとして最良の結果を示す。比較例のオルトケイ酸塩は、RENドーピングなしのオルトケイ酸塩としてBaSrSiO4:Euを意味し、他の蛍光体は、RENで安定化された同じタイプの蛍光体であり、この場合、REはそれぞれ記載された元素を意味する。Lu及びYbの添加は、純粋なオルトケイ酸塩に高電流適性において少なくとも同等であり、色度座標の適合の付加的利点を伴う。
式AE2-x-aRExEuaSiO4x(US7489073参照)又はAE2-x-aRExEuaSi1-y4-x-2yxの示された窒化物−オルトケイ酸塩の製造は、典型的には出発物質としてのAECO3、SiO2、REN及びEu23又はAECO3、SiO2、Si34、(RE)23及びEu23から行われる。後者において、好ましくは三価の酸化物が形成される場合、希土類は(RE)23として使用される。好ましくは複酸化物として存在する希土類酸化物、例えばTbは通常ではIII/IV複酸化物のTb47として存在する希土類酸化物の場合、この複酸化物が好ましくは使用される。
更に、特にフッ化物及び塩化物、例えばAECl2又はRECl2、AEF2又はRECl2、更にはNH4Cl/NH4F、H3BO3、LiF及び氷晶石、並びにそれらの組合せも融剤として使用することができる。
出発材料混合物1〜12と同様の出発物質を、適切な融剤と一緒に、秤量しかつ均質化する。引き続き、この出発物質混合物を、還元雰囲気下で(例えばN2又はAr又はN2/H2又はAr/H2の混合物中で)1000℃〜1500℃の温度で数時間焼成する。その後に、第2の焼成を、同様に還元雰囲気下で(例えばでN2又はAr又はN2/H2又はAr/H2の混合物中で)800℃〜1400℃の温度で行うことができる。この合成は適切な炉、例えば管状炉又は室炉中で実施される。
出発材料混合物1:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、La23 0.5g及びEu23 7.0g
出発材料混合物2:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Pr611 0.4g及びEu23 7.0g
出発材料混合物3:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Nd23 0.4g及びEu23 7.0g
出発材料混合物4:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Sm23 0.4g及びEu23 7.0g
出発材料混合物5:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Gd23 0.4g及びEu23 7.0g
出発材料混合物6:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Tb47 0.5g及びEu23 7.0g
出発材料混合物7:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Dy23 0.5g及びEu23 7.0g
出発材料混合物8:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Ho23 0.5g及びEu23 7.0g
出発材料混合物9:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Er23 0.5g及びEu23 7.0g
出発材料混合物10:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Tm23 0.5g及びEu23 7.0g
出発材料混合物11:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Yb23 0.5g及びEu23 7.0g
出発材料混合物12:
SrCO3 69.9g、BaCO3 93.3g、SiO2 29.3g、Si34 0.1g、Lu23 0.5g及びEu23 7.0g
この場合、式AE2-x-aRExEuaSi1-y4-x-2yxの窒化物−オルトケイ酸塩蛍光体の3つのバリエーションが劣化安定性と効率との組合せた考察においてその挙動に基づいて好ましい。この2つの観点は、LCDバックライト用の照明ユニットのために同等に重要である。
1. 構造AE2-x-aLuxEuaSi1-y4-x-2yxの窒化物−オルトケイ酸塩は、市販のオルトケイ酸塩と比較してより高い化学的安定性を有し(これについては図7参照)、低い電流でも高いLED電流でも同等の効率を示す(これについては図6参照)。ベンチマークとして、RENなしであるが同じ組成の通常のオルトケイ酸塩が選択されている。この示されたNOS:Luは、447nmでの青色一次励起のもとでの(Ba0.9575Sr0.9575Lu0.005Eu0.08)Si0.99253.980.005である。
2. 構造AE2-x-aYbxEuaSi1-y4-x-2yxの窒化物−オルトケイ酸塩は、慣用のオルトケイ酸塩と比較してLED中でより高い化学的安定性を有し(これについては図8参照)、低い電流でも高いLED電流でも同等の効率を示す(これについては図6参照)。この示されたNOS:Ybは、448nmでの青色一次励起のもとでの(Ba0.9575Sr0.9575Yb0.005Eu0.08)Si0.99253.980.005である。
3. 構造AE2-x-aDyxEuaSi1-y4-x-2yxの窒化物−オルトケイ酸塩は、慣用のオルトケイ酸塩と比較してLED中でより高い化学的安定性を有し(これについては図9参照)、低い電流でも同等の効率を示し、高いLED電流でもほとんど同等の効率を示す(これについては図6参照)。この示されたNOS:Dyは、447nmでの青色一次励起のもとで(Ba0.9575Sr0.9575Dy0.005Eu0.08)Si0.99253.980.005である。
上記の蛍光体の組合せの特徴は、極めて良好な劣化安定性及び効率で、NTSC色空間の少なくとも85%のカバーを実現することを可能にする。
高い化学的安定性の要求が課せられる適用にとって、好ましくは、慣用のオルトケイ酸塩と比べてLED中での極めて高い化学的安定性を示す構造AE2-x-aLaxEuaSi1-y4-x-2yxの窒化物−オルトケイ酸塩を使用することができ(これについては、異なるLa割合での図10及び11を参照)、低い作動電流で同等の効率(図6を参照)。図10で示されたNOS:Laは、447nmの青色一次励起のもとで(Ba0.9575Sr0.9575La0.005Eu0.08)Si0.99253.980.005である。図11では、La割合は0.0025である。
最後に、図12は、現在使用されている異なる色空間の比較を示す。この場合、NTSCは、一般に定義された最大の色空間の1つである。従って、この色空間は複数の技術的解決策で表すことは困難である。1つの技術的解決策によるこの色空間の重複が大きくなればそれだけ、それにより、より多くの色を例えばテレビ画面に表すことができる。
この85%のNTSCの概念は、相応する光源を用いて、つまりLED(青色)と2種の蛍光体(赤色及び緑色)との組合せを用いて、赤色及び緑色のフィルタによるフィルタリングの後に、面積的にこの色空間の85%をカバーできることを意味する。このように大きな色空間にとって、並外れた狭帯域の、好ましくは70nm以下のFWHMを有する蛍光体が必要である。従って、NTSC色空間の実現のために、最も多くの蛍光体、特に例えばガーネット又は変性されたガーネットを使用することはできない。例えば、LuAGAG:Ceは狭帯域性に欠けるため、極めて小さな色空間のsRGB(図12に図示)にとって使用できるが、NTSC色空間にとっては使用することができない。
意外にも、REがLu、Dy、La又はYbとして又はこれらの組合せから選択される場合に、選択された変性された窒化物−オルトケイ酸塩によってのみ、この確実な実現が達成される。
図13は、バルブ91と2つの電極92とを備えた蛍光ランプ90を示す。この蛍光ランプは、水銀を有する通常の充填材と、式EA2-x-aRExEuaSi1-y4-x-2yxの出発材料−化学量論組成を有するNOS蛍光体を含めた蛍光体層93とを有する。
図14は、温度を関数として、色度座標の安定性に関して、注型材料中での充填材としてのSiO2の影響を示す。10質量%のSiO2の割合で、示された実施例において、x軸に関する色度座標の偏移は、25℃〜145℃の温度領域で、0.001未満に保たれる。y軸は、安定化に劣っているが、ここでもSiO2は好ましい影響を示す。特に5〜15%の範囲内のSiO2の割合が推奨される。注型材料の他の成分は、ほぼシリコーンと蛍光体である。

Claims (21)

  1. 少なくとも1つのカラーフィルタと、
    学スペクトル領域の短波長領域の放射線を420〜480nmの波長領域で発光する一次放射源を有する光源と、
    少なくとも1種の第1の蛍光体とを備え、前記第1の蛍光体は前記放射線完全に又は部分的により長波長の、可視スペクトル領域の二次放射線に変換
    記第1の蛍光体は、M2SiO4:Dの構造から誘導される窒化物系に変性されたオルトケイ酸塩(NOS)の種類に由来する、LCDバックライト用の照明ユニットにおいて、
    記蛍光体は、成分Mとして主としてEA=Sr、Ba、Ca又はMgの群を単独で又は組合せて有し、
    活化するドーパントDは少なくともEuからなり、かつMの一部分を置き換え、かつ
    iO2の割合は不足量で導入されているため、変性された化学量論的に不足量のオルトケイ酸塩が存在し、前記オルトケイ酸塩は希土類金属のRE及びNで安定化されたオルトケイ酸塩であり、この出発材料−化学量論的組成は、式EA2-x-aRExEuaSi1-y4-x-2yxに相当し、REはLa又はLu又はDy又はYbから単独で又は組み合わせて選択され、
    記NOSの半値幅FWHMは最大で90nmであり、
    Euの割合aは、a=0.01〜0.20であり、
    割合xは、0.002〜0.02であり、かつ
    前記不足量の基準となる添え字yは、0<y≦0.1の範囲内にあることを特徴とするLCDバックライト用の照明ユニット
  2. EAは、Sr及び/又はBaを少なくとも66mol%含有することを特徴とする、請求項1に記載の照明ユニット。
  3. Caの割合は最大5mol%であることを特徴とする、請求項2に記載の照明ユニット。
  4. Mgの割合は最大30mol%であることを特徴とする、請求項2に記載の照明ユニット。
  5. EAは、Sr/Ba=0.3〜2.3のSrとBaとの混合物であることを特徴とする、請求項2に記載の照明ユニット。
  6. EAは、Sr/Ba=0.8〜1.2のSrとBaとの混合物であることを特徴とする、請求項2に記載の照明ユニット。
  7. EAは、Sr/Ba=0.9〜1.1のSrとBaとの混合物であることを特徴とする、請求項2に記載の照明ユニット。
  8. 前記不足量の基準となる添え字yは、0.002≦y≦0.02の範囲内にあることを特徴とする、請求項1に記載の照明ユニット
  9. 前記一次放射源は、440〜470nmの波長領域の青色の放射線を発光し、前記放射線は、前記第1の蛍光体によって部分的に可視スペクトル領域の第2の緑色の放射線に変換されることを特徴とする、請求項1に記載の照明ユニット
  10. 前記第2の緑色の放射線は、510〜540nmの領域のピーク発光を有することを特徴とする、請求項9に記載の照明ユニット。
  11. 前記一次放射源として、InGaN又はInGaAlPを基礎とする発光ダイオードを使用することを特徴とする、請求項に記載の照明ユニット
  12. 一次放射線の一部がさらに他の蛍光体によってより長波長の放射線に変換され、少なくとも1つの蛍光体は最大で90nmのFWHMを有することを特徴とする、請求項に記載の照明ユニット
  13. 第2の蛍光体が前記光源の前方に配置されていて、前記第2の蛍光体は赤色に発光ることを特徴とする、請求項12に記載の照明ユニット
  14. 記第2の蛍光体は、AEAlSiN 3 :Euの種類に由来し、AEはCa及び/又はSrから単独で又は組み合わせて選択されることを特徴とする、請求項13に記載の照明ユニット。
  15. 請求項1に記載の照明ユニットであって、前記第1の蛍光体は前記一次放射源の前方に配置された層中に存在し、前記層は前記一次放射源の前記放射線の少なくとも一部を二次放射線に変換する、請求項1に記載の照明ユニット。
  16. 他の蛍光体として、変性されたCaAlSiN3:Euを使用することを特徴とする、請求項15に記載の照明ユニット
  17. 前記蛍光体を有する層は、注型樹脂、シリコーン又はガラスであることを特徴とする、請求項15に記載の照明ユニット
  18. 前記蛍光体を有する層は、注型樹脂であり、前記注型樹脂に更に充填剤としてSiO2添加されていることを特徴とする、請求項15に記載の照明ユニット
  19. 前記光源は、3つのカラーフィルタと一緒に使用され、光源とカラーフィルタは、予め定義された色空間を少なくとも85%カバーするように相互に調整されている、請求項1に記載の照明ユニット。
  20. 前記色空間はNTSCである、請求項19に記載の照明ユニット。
  21. 前記源は、625〜655nmの領域に最大値を有する赤色スペクトル領域用の少なくとも1つのカラーフィルタと515〜535nmの領域に最大値を有する緑色スペクトル領域用のカラーフィルタと435〜455nmの間の最大値を有する青色スペクトル領域用のフィルタと一緒に使用される、請求項1に記載の照明ユニット。
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