JP6193596B2 - Ｌｅｄ用広帯域誘電体反射器 - Google Patents
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Description
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）用の全誘電体反射器に関し、詳細には、反射性と電気絶縁性の両方を提供する白色発光デバイス内のＬＥＤ用広帯域、無指向性、多層、全誘電体反射器に関する。
Ｓｈｕｍの名において２０１１年８月４日に公開された米国特許出願第２０１１／０１８６８７４号で開示され、図１に示されたような従来の白色発光デバイスは、電気回路２に取り付けられるかまたは電気回路２によって取り囲まれた、青色またはＵＶを発するＬＥＤ１を含み、電気回路２は外部電源に電気接続してＬＥＤ１に電力を供給する。例えば銀の金属反射層３は、ＬＥＤパッケージによって屈折または反射される任意の迷光を所望の方向に戻して反射するために、シリコン基板４の上に配置される。したがって、電気回路２と金属反射層３の間を電気絶縁するために絶縁層６も必要である。Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２などの窒化物または酸化物が、ブレークスルー電圧に関する法的要求事項に応じて、約２μｍから６μｍの厚さになる絶縁層６にしばしば使用される。通常、ＬＥＤ１は透過性エポキシ樹脂７の中に浸され、発光エポキシ樹脂７はＬＥＤから発した光を広域スペクトル白色光に変換するための光変換染料、例えば蛍光体を含む。残念ながら、銀の反射層３は特に高温および高湿度にさらされると、徐々に環境的に不安定になり変色し、このことは発光デバイスの有効寿命を著しく減少させる。
ＬＥＤによって発した光の特定の波長を蛍光体材料を介して戻して反射し、波長変換を最大化するための狭帯域誘電体反射器の使用は、２００４年１２月２１にＳｕらに発行された米国特許第６，８３３，５６５号に開示されたが、広帯域白色光の吸収／反射および電気絶縁の問題は対処されていない。
本発明の目的は、反射性と電気絶縁性の両方を提供するために広帯域、無指向性、多層、誘電体反射器が使用される白色発光ＬＥＤデバイスを提供することにより、従来技術の短所を克服することである。
したがって、本発明は、
基板、
第１の波長で発光するためのＬＥＤ、
外部電源からＬＥＤに電力を供給するための電気回路、
第１の波長で発した光を、第１の波長の光と合成されて広帯域光源を形成する少なくとも第２の波長の光に変換するためにＬＥＤを覆う波長変換材料、および
電気接続用の電気絶縁性と広帯域光源用の反射性の両方を提供する、基板とＬＥＤの間の高インデックス材料層と低インデックス材料層が交互になる多層誘電体構造
を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスであって、
多層誘電体構造は、少なくとも１５０ｎｍの帯域幅にわたって広帯域光源の少なくとも９０％を反射する広帯域反射器である。
基板、
第１の波長で発光するためのＬＥＤ、
外部電源からＬＥＤに電力を供給するための電気回路、
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電気接続用の電気絶縁性と広帯域光源用の反射性の両方を提供する、基板とＬＥＤの間の高インデックス材料層と低インデックス材料層が交互になる多層誘電体構造
を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスであって、
多層誘電体構造は、少なくとも１５０ｎｍの帯域幅にわたって広帯域光源の少なくとも９０％を反射する広帯域反射器である。
理想的には、多層誘電体構造は、電気絶縁性および熱伝導性を基板に提供する、第１の厚さをもつＬＥＤの下方の第１の領域、ならびに、電気絶縁性および光に対する反射性を提供する、ＬＥＤを囲む第１の厚さより厚い第２の厚さをもつ第２の領域を有する。
本発明は、その好ましい実施形態を表す添付図面を参照して、より詳細に記載される。
図２を参照すると、本発明は、通常、シリコンもしくは他の何らかの半導体材料、ガラス（例えばシリカ）、または好ましい実施形態では金属の広帯域反射材料、例えばアルミニウムから形成された基板１２を含む、１１で全体的に示された広帯域、例えば白色の発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスに関する。１つまたは複数のＬＥＤチップ１３、例えばＩｎＧａＮから作られた青色ＬＥＤは、通常青色または紫外（ＵＶ）の範囲の第１の狭帯域波長範囲、例えば５０ｎｍで光を生成するために基板１２に取り付けられる。好ましくは導電性酸化物層、例えばインジウム・スズ酸化物内でパターン形成された導電性トレースの形状の電気回路１４は、ＬＥＤ１３のまわりに形成され、外部電源および外部制御源に電気接続されて、電力ならびに他の制御機能および監視機能をＬＥＤ１３に提供する。
好ましい実施形態では、ＬＥＤ１３および電気回路１４は、透過性密封材料１６、例えばシリコーンに封入され、透過性密封材料１６はＬＥＤ１３および電気回路１４を保護する。さらに、密封材料は電気回路１４を構成する電気接点および電線を絶縁し密封する。エポキシ樹脂、ガラス、スピンオンガラス、プラスチック、ポリマ、金属、または半導体材料などの他のタイプの材料を使用することができる。
好ましい実施形態では、密封材料１６はポリマを含み、ポリマはＬＥＤ１３のまわりの内部領域を満たし密封するために流体の状態で始まる。次いで、密封材料１６は硬化して実質的に安定した状態を形成する。密封材料１６は、好ましくは光透過性であるか、または特定の要件に応じて、選択的に透明および／もしくは半透明であり得る。加えて、密封材料１６は硬化すると実質的に不活性になり、低い吸収能力しかもたず、ＬＥＤ１１によって生成された電磁放射のかなりの部分がそれを通って横断することが可能になる。
白色光の生成は、ＬＥＤ１１から１つまたは複数の異なる波長変換材料、例えば蛍光体を含む媒体を通して、図２で実線として示された最初の波長で光を伝えること、図２で破線として示された、合成されて白色を形成する光の異なる波長、例えば色を作成することを含む。好ましい実施形態では、波長変換は、波長変換材料によって吸収された電磁放射を変換する材料によって提供される。特定の実施形態では、波長変換材料１６は、ＬＥＤ１３の一次放射によって励起され、少なくとも第２の波長、ならびに、場合によっては第３および第４の波長の電磁放射を発する。
好ましい実施形態では、波長変換材料は密封材料１６の中に組み込まれ、それによってＬＥＤ１１を５つの面で囲み覆う。使用の際には、ＬＥＤ１１からの光の断片は、ストークス偏移を受け、短い波長から長い波長に変換されて、別々の色のいくつかの異なる蛍光体材料が密封材料１６内に提供された場合、放射スペクトルは、好ましくは１５０ｎｍを超えるまで、より好ましくは２００ｎｍを超えるまで、さらに好ましくは２５０ｎｍを超えるまでさらに広げられ、所与のＬＥＤの演色評価数（ＣＲＩ）の値を効果的に高める。
例として、本発明による蛍光体ベースの白色ＬＥＤデバイス１１は、蛍光体コーティングされたエポキシ樹脂１６の内部にカプセル化ＩｎＧａＮ青色ＬＥＤ１３を含み、蛍光体は、セリウム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｃｅ３＋：ＹＡＧ）などの一般的な黄色蛍光体材料である。元の青色光（４２０ｎｍ〜４９０ｎｍ）の一部が、変換された黄色光（５５０ｎｍ〜６００ｎｍ）と合成されて白色光として現れる。
白色ＬＥＤデバイス１１は、緑色の光を発する銅およびアルミニウム添加硫化亜鉛（ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ）とともに、赤色および青色の光を発する高効率ユーロピウムベースの蛍光体の混合物を取り込む密封材料１６を備えた、３５０ｎｍから４００ｎｍの範囲内のＵＶ光を生成する近紫外（ＮＵＶ）ＬＥＤ１１を使用して形成することもできる。当技術分野で知られているように、生成された赤色（６２０ｎｍから７００ｎｍ）、緑色（４９０ｎｍから５７０ｎｍ）および青色（４２０ｎｍから４９０ｎｍ）の光は、合成されて白色光を形成する。
他の実施形態では、密封材料１６は他の波長調節材料で添加または処理することができ、光の元の波長を光の１つまたは複数の新しい波長に、選択的にフィルタリングするか、分散するか、または影響を及ぼす。例として、密封材料１６は金属、金属酸化物、誘電体、もしくは半導体材料、および／またはこれらの材料の組合せで処理して、元の波長を、白色光を生成する、より広い、例えば１５０ｎｍ以上の全帯域幅をもつ光の１つまたは複数の異なる波長に変換することができる。
代替の実施形態では、蛍光体粒子は、ＬＥＤ１３またはＬＥＤデバイス１１の上に配置することができる。蛍光体粒子は、上記の任意の波長変換材料、または当技術分野で知られている他の材料を含むことができる。通常、蛍光体粒子は、約０．１ミクロンと約５０ミクロンの間に分散された平均粒径の微粒子サイズをもつ場合がある。いくつかの実施形態では、蛍光体粒子の粒子サイズの分散は、約０．５ミクロンと約４０ミクロンの間の有効径でピークをもつ単峰性である。他の実施形態では、蛍光体粒子の粒子サイズの分散は、２つの直径で局所的なピークをもつ二峰性、３つの直径で局所的なピークをもつ三峰性、または４つ以上の有効径で局所的なピークをもつ多峰性である。
特定の実施形態では、実体は、（Ｙ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｓｃ，Ｌｕ，Ｌａ）３（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）５Ｏ１２：Ｃｅ３＋、ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｅｕ２＋、ＳｒＳ：Ｅｕ２＋、およびＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳｅ、またはＣｄＴｅを含むコロイド量子ドット薄膜から選択された蛍光体または蛍光体混合物を含む。他の実施形態では、デバイスは、実質的に赤色および／または緑色の光を発することができる蛍光体を含む場合がある。さまざまな実施形態では、蛍光体材料の量は青色ＬＥＤデバイスのカラー・バランスに基づいて選択される。
絶縁層６と金属反射層３の両方を交換するために、本発明は、例えば１５０ｎｍより大きい、好ましくは２００ｎｍより大きい、より好ましくは２５０ｎｍより大きい広帯域の反射器、および電気回路１４と基板１２の間を電気絶縁するように設計された、それぞれ高インデックス層１８と低インデックス層１９が交互になる多層誘電体スタック１７を利用する。理想的には、誘電体スタック１７は可視スペクトル内の光の少なくとも９０％を反射するが、ある程度小さい帯域幅は、本発明の範囲内、例えば４００ｎｍから６８０ｎｍ（２４０ｎｍ幅）および４４０ｎｍから６４０ｎｍ（２００ｎｍ幅）である。
通常、低インデックス層１９はＳｉＯ２からなり、高インデックス層１８はＴａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、およびＴｉＯ２のうちの１つまたは複数からなる。しかしながら、高インデックス層１８と低インデックス層１９の両方のための他の材料は本発明の範囲内である。
第１の実施形態では、誘電体スタック１７は４つまたは５つのセクションからなり、各セクションは、帯域幅内に小さな重なりがあるように、おおよそ同じ距離、例えば７５ｎｍから１２５ｎｍ毎に他の中心波長から離れて間隔をあけた中心波長
例えば、誘電体スタック１７の第１のセクションは、高インデックス材料と低インデックス材料が交互の８個から２０個の層からなり、各層は
誘電体スタック１７の第２のセクションは、高インデックス材料と低インデックス材料が交互の８個から２０個の層からなり、各層は
誘電体スタック１７の第３のセクションは、高インデックス材料と低インデックス材料が交互の８個から２０個の層からなり、各層は
誘電体スタック１７の第４のセクションは、高インデックス材料と低インデックス材料が交互の８個から２０個の層からなり、各層は
図３は、シリコン基板１２をもつが、いかなる密封材料１６ももたない、すなわち入射角ゼロで空中に発光するＬＥＤデバイス１１についての反射率対波長のグラフである。中心波長
本発明の代替の実施形態では、誘電体スタック１７は、２０個から５０個の異なるセクション、例えば、高インデックス層と低インデックス層が交互の１つだけまたは２つのペアから形成することができ、各ペアは、中心波長によって画定された比較的狭い帯域幅、例えば１０ｎｍから２５ｎｍを反射するように適合される。したがって、誘電体スタック１７は、３５０ｎｍ、３６０ｎｍ、３７０ｎｍ、．．．８２０ｎｍ、８３０ｎｍ、および８４０ｎｍ、またはその一部の小さいサブセットを中心とする反射帯域幅について４分の１の波長のペアを含むことができる。各層の光学的な厚さは、４で割った中心波長
前述の設計は、通常、薄膜設計ソフトウェアを使用して最適化される。市販の薄膜設計ソフトウェアの例は、「Ｅｓｃｅｎｔｉａｌ Ｍｃｌｅｏｄ」、Ｆｉｌｍｓｔａｒｅ、ＴｆＣａｌｃ、Ｏｐｔｉｌａｙｅｒである。必要な層の数は、高インデックス材料と低インデックス材料の間の屈折率の差に依存する。差が大きいほど、必要な層は少ない。
誘電体スタック１７の全高は、２μｍから２０μｍの範囲、好ましくは２．５μｍから１５μｍの範囲、最も好ましくは７μｍと１２μｍの間であり得るし、０°と９０°の間の入射角で４００ｎｍから６８０ｎｍの光に、９０％を超える反射率、好ましくは９２．５％を超える反射率を提供する。
図４から図６ａにおける前述の設計のうちのどれも上述したソフトウェアを使用して最適化されなかった、すなわち最終設計は、中心波長のちょうど４分の１の波長である光学的な幅をもつ層の単なるスタックではない。しかしながら、図７から先に示される設計は「最適化」されている。
図６ａで示されたように、入射角は、誘電体スタック１７の反射率全体の中の一因子の働きをする。シリコン基板１２をもつが密封材料１６をもたないＬＥＤデバイス１１の前述の例について、可視スペクトル内のいくつかの波長およびさまざまな入射角で反射率は５％減少し、少しの波長および入射角で反射率は１０％から１５％以上減少する。図６ｂで示されたように、スパイクは最適化によって削除することができ、大小の入射角での反射率の減少はかなり小さくなり、すべての角度および４００ｎｍと６７５ｎｍの間の波長で９５％を超える反射率を提供する。
空気（１．０）より大きい屈折率、例えば１．５をもつ密封材料１６がＬＥＤデバイス１１に含まれると、入射角（ＡＯＩ）対反射率のグラフである図７で示されたように、ある特定の入射角、例えば４５°から６５°で反射率が明確に減少する。反射率における劇的な減少の主な理由は、前述の角度での光の偏光したｓ成分とｐ成分の分割における増加である。ある特定の角度、すなわちブルースター角で、ｓ偏光は反射されるがｐ偏光のすべては伝達され、ＬＥＤデバイス１１の場合、基板１２の吸収により失われるか、またはＬＥＤデバイス１１の背面の外に伝達される。
図８を参照すると、ブルースター現象の結果として、可視スペクトル（４００ｎｍから６５０ｎｍ）の端から端まで、かつ０°から９０°の入射角範囲を超える、前述の実施形態のうちのいずれかによる誘電体スタック１７の平均反射は、銀の９７．９％およびアルミニウムの９１．９％と比べて、おおよそ９３％に減少する。
耐久性を犠牲にしない前述の問題に対する解決策が図９で示され、ＬＥＤデバイス１１と同じ構成要素をすべて有するＬＥＤデバイス２１は、誘電体スタック１７と従来の基板材料２４の間に、例えばアルミニウムからなる耐久性のある金属反射層２３をもつ基板２２も含む。金属反射層２３は１０ｎｍから５００ｎｍだけ薄くなることができるが、実際的には、反射層２３はＬＥＤデバイス２１の厚さ要件に応じて、通常３５ｎｍと１２０ｎｍの間であり、理想的には５０ｎｍと７０ｎｍの間である。
図１０を参照すると、ＬＥＤデバイス３１が示され、基板３２全体は反射性金属材料、理想的にはアルミニウムからなって、必要な反射性を追加し、ならびに熱放散を増加させる。材料は１００Ｗ／ｍＫより大きい熱伝導率をもつが、２００Ｗ／ｍＫより大きい熱伝導率をもつ材料、例えばＡｌ ｋ＝２５０Ｗ／ｍＫがより好ましい。その他の構成要素のすべて、すなわちＬＥＤ１３、電気回路１４、密封材料１６、および誘電体スタック１７は、図２および図９と同じである。図１１は、結合した誘電体スタック／金属反射器の最低反射率がどのように９３％を超えるかを示し、図１２は、結合反射器の平均反射率が可視スペクトル全体にわたって９８．５％を超えることを示し、これは銀の反射器または誘電体スタック１７のどちらよりも大きい。
結合反射器の別の利点は、反射性能を過度に犠牲にすることなくセクション毎の層の数を削減することにより、誘電体スタック１７の厚さを実質的に３μｍと６μｍの間に削減できることである。誘電体スタック１７の全体の厚さは、２μｍから２０μｍの範囲、好ましくは２．５μｍから１２μｍの範囲、最も好ましくは３μｍと８μｍの間になることができ、９０％を超える反射率、好ましくは９５％を超える反射率、最も好ましくは９７％を超える反射率を、０°と９０°の間の入射角で２５０ｎｍを超える、例えば４００ｎｍから６８０ｎｍの帯域幅をもつ光に提供する。
誘電体スタック１７を通じて低い熱抵抗値がＬＥＤ１３から離れて熱放散を増加させるために必要な場合、誘電体スタック１７の厚さを削減することが重要になり得る。下記の表は、異なる厚さをもつ反射器スタック１７について平均反射率を比較する。平均反射率は、０°〜８５°の角度範囲および４００ｎｍから６８０ｎｍの波長範囲にわたって計算された。
図１３ａおよび図１３ｂを参照すると、標準の実施形態で問題が発生し、それにより、ある特定の波長、例えば６００ｎｍから７５０ｎｍについて、高い入射角、例えば＞４５°で、「レッドクリフ」と記載できる入射角を伴う角度偏移を識別することに起因して、反射が実質的に減少する。
一般に、誘電体スタック１７に伴う上記で識別された問題は、厚さを増加させ、コーティングの角度依存をより長く効率的に「赤方偏移」させ、特定の用途向けに波長の重要度を減らすことによって、容易に対処することができる。しかしながら、熱を考慮すると、多層誘電体スタック１７の上部のＬＥＤ１３のマウントがそれを通して基板、例えば４、１２または３２に熱を放散することが必要になるので、誘電体スタック１７の厚さは増加させるべきでない。開発に尽力している間、より厚い誘電体スタック１７は優れた光学性能を提供したが、薄膜全体にわたって熱輸送が不十分だったので、事実上この用途には使用できない。
図１４を参照すると、本発明のＬＥＤデバイス４１の代替の実施形態の主要な特徴は、誘電体スタックを少なくとも２つの領域またはセグメントに分割することである。第１のセグメント４７ａは、電気絶縁の理由、および残りのコーティングを含む無指向性のミラーに必要な残りの光学性能のために、例えば３．５ｕｍより大きい、好ましくは約４ｕｍ以上の第１の大きな厚さで、ＬＥＤ１３および電気回路１４を囲む。コーティング全体の厚さは、構造の熱性能によって制限された１３ｕｍまでなることができる。コーティング全体の上の厚さは１３ｕｍより厚くすることさえできるが、法外な費用がかかるはずである。
ＬＥＤ１３の下方の第２のセグメント４７ｂは、フォトリソグラフィまたは他の適切な処理でパターン形成されて、ＬＥＤ１３が基板１２／２２／３２から適切な距離に位置することが可能になるように、第２のより薄い厚さをもち、その結果電気絶縁性が維持され、誘電体スタックの増加した厚さの熱インパクトが、例えば１ｕｍと３ｕｍの間、好ましくは約２ｕｍに最小化される。
通常のＬＥＤは、約１６０ｕｍの（三角形をしている）高さがあり、密封材料１６で浸され、したがって第２の厚い領域４７ｂによって覆い隠されたダイオードの量は、通常１％（２＋ｕｍ／１６０ｕｍ）より小さい。
Claims (15)
- 基板と、
第１の波長で光を発するためのＬＥＤと、
外部電源から前記ＬＥＤに電力を供給するための電気回路と、
前記第１の波長で発した前記光を、前記第１の波長で発した前記光と合成されて広帯域光源を形成する少なくとも第２の波長の光に変換するために前記ＬＥＤを覆う波長変換材料と、
前記電気回路用の電気絶縁性と前記広帯域光源用の反射性の両方を提供する、前記基板と前記ＬＥＤの間の高インデックス材料層と低インデックス材料層が交互になる多層誘電体構造と
を含む、発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスであって、
前記多層誘電体構造が、少なくとも１５０ｎｍの帯域幅にわたって前記広帯域光源の少なくとも９０％を反射する広帯域反射器であり、および
前記多層誘電体構造が、
電気絶縁性および熱伝導性を前記基板に提供する、第１の厚さをもつ、前記ＬＥＤの下方の第１の領域と、
電気絶縁性および前記光に対する反射性を提供する、前記ＬＥＤを囲む前記第１の厚さより厚い第２の厚さをもつ第２の領域と
を有する、
発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス。 - 前記多層誘電体構造が、２．５μｍから１５μｍの厚さをもつ、請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
- 前記第１の領域が１μｍと３μｍの間の厚さである、請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
- 前記第２の領域が３．５μｍと１３μｍの間の厚さである、請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
- 前記広帯域反射器が、４００ｎｍから６８０ｎｍの範囲にわたって光の少なくとも９０％を反射する、請求項１から４のいずれか１項に記載のＬＥＤデバイス。
- 前記第１の波長と前記第２の波長が合成されて白色光を形成する、請求項１から５のいずれか１項に記載のＬＥＤデバイス。
- 前記波長変換材料が、前記第１の波長で発した前記光を前記第２の波長および第３の波長の光に変換するための複数の異なる材料を含み、前記第２の波長および第３の波長が前記第１の波長と合成されて白色光を形成する、請求項１から６のいずれか１項に記載のＬＥＤデバイス。
- 前記多層誘電体構造が複数のセクションを含み、各セクションが、それぞれ７５ｎｍから１２５ｎｍまでの中心波長によって画定される、異なる帯域幅を反射するためのものであって、各セクションが複数の交互になる高インデックス層と低インデックス層を含み、各層が前記中心波長の約４分の１の光学的な幅をもつ、請求項１から７のいずれか１項に記載のＬＥＤデバイス。
- 前記多層誘電体構造が高インデックス材料層と低インデックス材料層の複数のペアを含み、各ペアが、中心波長によって画定される、５ｎｍから１５ｎｍの異なる帯域幅を反射するためのものであって、各層が前記中心波長の約４分の１の光学的な幅をもつ、請求項１から７のいずれか１項に記載のＬＥＤデバイス。
- 前記波長変換材料が分散された密封材料をさらに含み、前記密封材料が前記第１の波長と前記第２の波長に対して透過性を有する、請求項１から９のいずれか１項に記載のＬＥＤデバイス。
- 前記密封材料が、シリコーン、エポキシ樹脂、ガラス、プラスチック、またはポリマの１つまたは複数の材料を含む、請求項１０に記載のＬＥＤデバイス。
- 前記基板が反射性金属材料の層を含み、前記反射性金属層および前記多層誘電体構造が４００ｎｍと６８０ｎｍの間の波長の光に対して９５％を超える反射率を提供する、請求項１から１１のいずれか１項に記載のＬＥＤデバイス。
- 前記反射性金属材料が２００Ｗ／ｍＫより大きい熱伝導率をもつ、請求項１２に記載のＬＥＤデバイス。
- 前記基板がアルミニウムを含む、請求項１、１２または１３に記載のＬＥＤデバイス。
- 前記基板が２００Ｗ／ｍＫより大きい熱伝導率をもつ反射性金属材料を含む、請求項１から１１のいずれか１項に記載のＬＥＤデバイス。
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