JP7291800B2 - Ｌｅｄフィラメント及びｌｅｄフィラメント電球 - Google Patents

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Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１９年３月１８に出願された「ＰＨＯＴＯＬＵＭＩＮＥＳＣＥＮＣＥ ＬＡＹＥＲ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥ」と題する米国仮出願第６２／８２０，２４９号、２０１９年４月９日に出願された「ＬＥＤ－ＦＩＬＡＭＥＮＴＳ ＡＮＤ ＬＥＤ－ＦＩＬＡＭＥＮＴ ＬＡＭＰＳ」と題する米国仮出願第６２／８３１，６９９号、及び２０１９年８月１３日に出願された「ＬＥＤ－ＦＩＬＡＭＥＮＴＳ ＡＮＤ ＬＥＤ－ＦＩＬＡＭＥＮＴ ＬＡＭＰＳ」と題する米国実用特許出願第１６／５４０，０１９号の優先権の利益を主張し、それらの各々の全体が参照として本明細書に組み込まれている。
（発明の分野）
本発明の実施形態は、ＬＥＤフィラメント及びＬＥＤフィラメント電球を対象としている。より具体的には、本発明は、排他的ではないが、少なくとも８０の平均演色評価数ＣＲＩ Ｒａを有する光を生成するＬＥＤフィラメント及びＬＥＤフィラメント電球に関する。
白色発光ＬＥＤ（「白色ＬＥＤ」）は、ＬＥＤによって発せられた青色光の一部分を吸収し、異なる色（波長）の光を再放射する１つ以上のフォトルミネッセンス材料（典型的には無機蛍光体物質）を含む。蛍光体物質によって吸収されないＬＥＤによって生成された青色光の部分は、蛍光体によって放出された光と組み合わされることにより、色が白であるように目に見える光がもたらされる。それらの長い動作寿命（＞５０，０００時間）及び高い発光効率（１００ｌｍ／Ｗ以上）により、白色ＬＥＤは、従来の蛍光灯、コンパクト蛍光灯、及び白熱電球を代用するために急速に使用されている。
近年、従来の白熱電球のフィラメントに視覚的外観が類似するＬＥＤフィラメントを備えるＬＥＤフィラメント電球が開発されている。通常、２インチ（５２ｍｍ）長のＬＥＤフィラメントは、光透過性ガラス基材の１つの表面上に装着された低出力ＬＥＤチップのアレイ（複数）を有するＣＯＧ（Ｃｈｉｐ－Ｏｎ－Ｇｌａｓｓ）デバイスを備える。光透過性基材の前面及び背面は、シリコーンなどの蛍光体を含浸させた封止剤でコーティングされている。通常、蛍光体は、暖白色光を生成するための緑色発光蛍光体と赤色発光蛍光体との混合物を含み、フィラメントによって生成された光の平均演色評価数（ＣＲＩ Ｒａ）を増加させる。フィラメントが前方向及び後方向に同じ色の光を生成することを確実にするために、同じ蛍光体を含浸させた封止剤が基材の両面に塗布されている。
例えば、Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎ４＋（ＫＳＦ）、Ｋ２ＴｉＦ６：Ｍｎ４＋（ＫＴＦ）、及びＫ２ＧｅＦ６：Ｍｎ４＋（ＫＧＦ）などのマンガン活性化フッ化物蛍光体のような狭帯域赤色蛍光体は、非常に狭い赤色スペクトル（主要輝線スペクトルに対して１０ｎｍ未満の全幅半値）を有し、これが、高輝度（ＣＡＳＮ－ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕなどのユーロピウム活性化赤色窒化物蛍光体材料のような広帯域赤色蛍光体よりも約２５％明るい）及び一般的な照明用途における高ＣＲＩ Ｒａを得るのに非常に望ましいものにしている。マンガン活性化フッ化物フォトルミネッセンス材料が非常に望ましいが、ＬＥＤフィラメントにおける使用で課題になる欠点がある。例えば、マンガン活性化フッ化物蛍光体の吸収能力は、現在ＬＥＤフィラメントで使用されているユーロピウム活性化赤色窒化物蛍光体材料の吸収能力よりも実質的に低い（通常は約１０分の１）。したがって、同じ目標色点を達成するために、マンガン活性化フッ化物蛍光体の使用量は、通常は、対応するユーロピウム活性化赤色窒化物蛍光体の使用量よりも５～２０倍大きくなり得る。蛍光体の使用量の増加は、マンガン活性化フッ化物蛍光体が、ユーロピウム活性化赤色窒化物蛍光体よりも著しく高価（少なくとも５倍以上高価）であるため、製造コストを大幅に増加させる。更に、パッケージ化されたＬＥＤと比較すると、フィラメントの各側に等量の蛍光体が必要とされるため、このことが、マンガン活性化フッ化物フォトルミネッセンス物質の使用量を２倍にする。より多い使用量及びより高いコストの結果として、狭帯域マンガン活性化フッ化物赤色蛍光体の使用は、ＬＥＤフィラメントにとって極めて高価である。
本発明の実施形態は、ＬＥＤフィラメント及びＬＥＤフィラメント電球に関する改善に関し、特に、限定するものではないが、マンガン活性化フッ化物フォトルミネッセンス材料の青色吸収効率を改善する革新的な蛍光体包装構造体を通して、輝度及びＣＲＩ ＲＡを損なうことなく、ＬＥＤフィラメントの製造コストを低減することに関する。
本発明のいくつかの実施形態は、ＬＥＤフィラメントに関し、これらは、大部分（例えば、合計の少なくとも７０％）の光をその上にＬＥＤチップが装着されている基材の前面から離れる前方方向に生成し、少ない割合の光を基材の裏面から離れる後方方向に生成するように構成されている。より具体的には、基材及びＬＥＤチップは、基材の前面側（から放射する）上の青色ＬＥＤチップによって生成された全青色励起光の割合が、反対側の裏面側（から放射する）よりも大幅に大きい（例えば、合計の少なくとも７０％）ように構成されている。このような構成が、高い輝度の狭帯域赤色蛍光体を基材の前面上でのみ使用し、マンガン活性化フッ化物蛍光体を除く安価な赤色蛍光体（広帯域赤色フォトルミネッセンス材料とも称される「非マンガン活性化フッ化物フォトルミネッセンス材料」）を基材の裏面で使用することを可能にし、同時に、依然として狭帯域マンガン活性化フッ化物を両方の面に使用するという優れた輝度効果の実質的にほとんどを提供するが、半分の量だけの（５０重量％）の狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料の量を使用することを可能にしている。このことは、前方方向と後方方向に均一な色の放出を確実にするために基材の前面と裏面に同じフォトルミネッセンス材料を使用する既知のＬＥＤフィラメントと対比されるべきである。本発明によれば、ＬＥＤフィラメントは、例えば、（ｉ）部分的に光透過性な基材、（ｉｉ）底面（ベース）から基材に向かって後方／下向きの方向よりも、上面から前方／上向きの方向により多くの光を生成するＬＥＤチップ、（ｉｉｉ）１つ以上のＬＥＤチップのベース上に反射体又は部分的反射体を提供することと、又はこれらの組み合わせを用いることで上のように構成され得る。本発明は、少なくとも部分的に光透過性の基材を使用するＬＥＤフィラメントにおいて特に有用性を見出している。
いくつかの実施形態では、ＬＥＤフィラメントは、ＬＥＤチップのアレイを基材の前面に有する部分透光性基材と、基材の前面及びＬＥＤチップのアレイ上に配置され、かつそれを覆う、狭帯域の赤色フォトルミネッセンス材料及び第１の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料と、基材の反対側の裏面を覆う第２の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料と、を含み、裏面には、狭帯域フォトルミネッセンス材料が少量（５重量％未満）しか存在しないか、又はまったく存在しない。狭帯域及び広帯域赤色フォトルミネッセンス材料は、典型的には、異なる結晶構造を有し、すなわち、前面を覆う赤色フォトルミネッセンス材料は、裏面を覆う赤色フォトルミネッセンス材料の結晶構造とは異なる結晶構造を有する。一実施形態では、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料は、マンガン活性化フッ化物フォトルミネッセンス材料（例えば、ＫＳＦ）を含み、広帯域赤色フォトルミネッセンス材料は、希土類活性化赤色フォトルミネッセンス材料、例えば、ＣＡＳＮを含む。本明細書において、「広帯域赤色フォトルミネッセンス材料」及び「非マンガン活性化フッ化物フォトルミネッセンス材料」は、結晶構造がマンガン活性化フッ化物赤色フォトルミネッセンス材料の結晶構造でない赤色フォトルミネッセンス材料を意味し、例えば、赤色発光窒化物系蛍光体、グループＩＩＡ／ＩＩＢのセレン化物硫化物、又はケイ酸塩系フォトルミネッセンス（蛍光体）材料を含む、例えば、希土類活性化赤色フォトルミネッセンス材料が挙げられる。
一実施形態によれば、ＬＥＤフィラメントは、部分的に光透過性の基材と、基材の前面に装着されたＬＥＤチップのアレイと、第１の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料と、ＬＥＤチップのアレイ及び基材の前面を覆う第１の狭帯域マンガン活性化フッ化物赤色フォトルミネッセンス材料と、基材の裏面を覆う第２の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料と、を含む。本発明者らは、基材の前面のみに狭帯域マンガン活性化フッ化物赤色フォトルミネッセンスを提供し、より安価な第２の広帯域フォトルミネッセンス材料を基材の裏面上に提供することによって、実質的に同じ輝度増加効果を提供するが、マンガン活性化フッ化物フォトルミネッセンス材料の量を半分のみ（重量で５０％）使用することを発見した。実施形態において、ＬＥＤフィラメントは、基材の裏面上に、狭帯域マンガン活性化フッ化物赤色フォトルミネッセンス材料を含まない（すなわち０重量％）か、又は基材の裏面上の赤色フォトルミネッセンス材料含有量の総量において最大で５重量％の第２の狭帯域マンガン活性化フッ化物赤色フォトルミネッセンス材料を基材の裏面上に含むことができる。
実施形態において、基材は、２％～７０％、３０％～５０％、及び１０％～３０％のうちの少なくとも１つの透過率を有する。実施形態において、ＬＥＤチップによって生成された青色光の総量の少なくとも７０％、少なくとも８０％、及び少なくとも９０％のうちの少なくとも１つが基材の前面側にある。本発明の実施形態では、基材は、部分的にのみ光透過性であり、及び／又はＬＥＤチップは、それらのベースを覆う反射体を有するため、青色ＬＥＤチップによって生成された全青色励起光のより大きな割合が、基材の裏面側よりも基材の前面側（から放出する）にある。このことは、基材が、青色励起光の一定割合のみを通過させ、残りの部分を反射させることを可能にし、結果として、基材の前面側の青色励起光の割合が大きくなることから、基材がＬＥＤチップが前方方向（すなわち、基材の前面から離れて）及び後方方向に（すなわち、基材の前面に向けて）に等しい量の青色励起光を生成するときにも当てはまることが理解されよう。基材の対向する面上の全青色励起光の割合の差によって、基材の裏面上において、より安価な広帯域赤色フォトルミネッセンス材料（例えば、ＣＡＳＮ）を使用することを可能にしており、それによって、輝度を増大させつつコストを大幅に低減することを可能にしている。
ＬＥＤフィラメントは、単層構造を含むことができ、単層構造は、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料と、第１の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料との混合物を含む層を含んでいる。狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料の使用量を更に低減するために、層は、例えば、酸化亜鉛、二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化マグネシウム、硫酸バリウム、酸化アルミニウム、及びこれらの組み合わせなどの光散乱材料の粒子を更に含むことができる。単一層構造は、異なるフォトルミネッセンス材料が同じ層に含まれることから、より堅牢であり得、また製造の容易さを向上させることができる。このことは、製造コスト及び製造時間を低減することができ、また、単層構造の形成に関与する工程が少ないため、製造中のエラーを根絶するのに役立ち得る。
代替的に、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料の青色吸収効率を更に改善するために、ＬＥＤフィラメントは、二層構造を含むことができ、そこでは狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料が、広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料とは別個の層に位置し、この別個の層は、例えば、実質的にコンフォーマルコーティング層の形態でＬＥＤチップの上部に配置されている。このような実施形態では、ＬＥＤフィラメントは、ＬＥＤチップのアレイに配置された第１の狭帯域赤色フォトルミネッセンス材を含む第１の層と、第１の層に配置された第１の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料を含む第２の層と、を含むことができる。実施形態において、第１の層は、少なくともＬＥＤチップのうちの少なくとも１つの主発光面上に均一な厚さの層（フィルム）を含むことができ、つまり、ＬＥＤフィラメントは、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料を含有するＣＳＰ（チップスケールパッケージ）ＬＥＤを含む。第１の層は、コンフォーマルコーティング層の形態のＬＥＤチップの全ての発光面上に均一な厚さ層を含むことができる。狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料の使用量を更に低減するために、第１の層は、例えば、酸化亜鉛、二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化マグネシウム、硫酸バリウム、酸化アルミニウム、及びこれらの組み合わせなどの光散乱材料の粒子を更に含むことができる。本発明者らは、単層構造を含むＬＥＤフィラメントと比較して、二層構造は、マンガン活性化フッ化物赤色フォトルミネッセンス材料の使用において、重量の低減で最大８０％の大幅な更なる低減を提供することができることを発見した。マンガン活性化フッ化物赤色フォトルミネッセンス材料を前面と裏面の両方に有する既知のＬＥＤフィラメントと比較して、二層構造は、マンガン活性化フッ化物赤色フォトルミネッセンス材料の使用量で９０％の重量低減を提供することができる。ＬＥＤチップのアレイ上に配置されたそれぞれの層内に狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料を提供することによって、ＬＥＤチップに直近に近接した狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料の濃度を増加させ、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料の青色吸収効率を改善し、それによって狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料の使用量を低減する。
第１の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料が、第１の広帯域赤色フォトルミネッセンス材料を含む実施形態では、第１の狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料と第１の広帯域赤色フォトルミネッセンス材料の総量に対する第１の広帯域赤色フォトルミネッセンス材料の含有量比は、少なくとも２０重量％、少なくとも３０重量％、少なくとも４０重量％、及び約２０重量％～６０重量％未満の範囲内のうちの少なくとも１つである。
マンガン活性化フッ化物赤色フォトルミネッセンス材料などの狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料は、６３０ｎｍ～６３３ｎｍの範囲のピーク発光波長を有することができ、Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎ４＋（ＫＳＦ）、Ｋ２ＧｅＦ６：Ｍｎ４＋（ＫＧＦ）、及びＫ２ＴｉＦ６：Ｍｎ４＋（ＫＴＦ）のうちの少なくとも１つを含み得る。
第１の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料、及び第２の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料のうちの少なくとも１つが、希土類活性化赤色フォトルミネッセンス材料を含むことができる。希土類活性化赤色フォトルミネッセンス材料は、６２０ｎｍ～６５０ｎｍの範囲のピーク発光波長を有することができ、一般組成式ＡＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋（式中、Ａが、Ｃａ、Ｓｒ又はＢａのうちの少なくとも１つである）を有する、窒化物系蛍光体材料と、一般組成式（Ｃａ１－ｘＳｒｘ）（Ｓｅ１－ｙＳｙ）：Ｅｕ２＋（式中、０≦ｘ≦１かつ０＜ｙ≦１である）を有する、硫化物系蛍光体材料と、一般組成式（Ｂａ１－ｘＳｒｘ）３ＳｉＯ５：Ｅｕ２＋（式中、０≦ｘ≦１である）を有する、ケイ酸塩系蛍光体材料と、のうちの少なくとも１つを含むことができる。
実施形態において、第１の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料は、第１の広帯域緑色フォトルミネッセンス材料を含み、第２の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料は、第２の広帯域緑色フォトルミネッセンス材料を含む。第１の広帯域緑色フォトルミネッセンス材料は、５３０ｎｍ～５５０ｎｍの範囲のピーク発光波長を有することができ、一方で、第２の広帯域緑色フォトルミネッセンス材料は、５２０ｎｍ～５４０ｎｍの範囲のピーク発光波長を有することができる。第１及び／又は第２の広帯域緑色フォトルミネッセンス材料は、一般組成式（Ｌｕ１－ｘＹｘ）３（Ａｌ１－ｙＧａｙ）５Ｏ１２：Ｃｅ（式中、０≦ｘ≦１かつ０≦ｙ≦１である）を有する、セリウム活性ガーネット蛍光体を含むことができる。
部分的光透過性基材は、アルミナ、シリカ、酸化マグネシウム、サファイア、石英ガラス、ダイヤモンド、酸化ケイ素、及びこれらの混合物からなる群から選択される材料を含み得る。
ＬＥＤフィラメントは、２７００Ｋ～６５００Ｋの相関色温度を有する白色光を生成するように動作可能であることができる。ＬＥＤフィラメントは、少なくとも８０の、任意選択で少なくとも９０の平均演色評価数ＣＲＩ Ｒａを有する白色光を生成するように動作可能であり得る。
更なる実施形態によれば、ＬＥＤフィラメントは、部分的光透過性基材と、基材の前面に装着されたＬＥＤチップのアレイと、ＬＥＤチップのアレイ及び基材の前面を覆う、広帯域緑色フォトルミネッセンス材料、広帯域赤色フォトルミネッセンス材料、及び狭帯域マンガン活性フッ化物赤色フォトルミネッセンス材料と、を含み、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料と広帯域赤色フォトルミネッセンス材料の総量に対する広帯域赤色フォトルミネッセンス材料の含有量比は、少なくとも２０重量％である。実施形態では、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料と広帯域赤色フォトルミネッセンス材料の総量に対する広帯域赤色フォトルミネッセンス材料の含有量比は、少なくとも３０重量％、及び少なくとも４０重量％のうちの少なくとも１つである。
実施形態では、ＬＥＤフィラメントは、ＬＥＤチップのアレイ上に配置された狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料を有する第１の層と、第１の層上に配置された広帯域緑色フォトルミネッセンス材料を有する第２の層と、を含むことができ、広帯域赤色フォトルミネッセンス材料は、第１の層及び第２の層のうちの少なくとも１つにある。
更なる実施形態では、ＬＥＤフィラメントは、基材の前面及び裏面上に二層構造である、いわゆる「両面二層」構造を含むことができる。
一実施形態によれば、ＬＥＤフィラメントは、部分的な光透過性基材と、基材の前面にあるＬＥＤチップのアレイと、ＬＥＤチップのアレイ上に配置された第１の狭帯域マンガン活性化フッ化物赤色フォトルミネッセンス材料を含む第１のフォトルミネッセンス層と、第１のフォトルミネッセンス層上に配置された第１の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料を含む第２のフォトルミネッセンス層と、を備える。
実施形態では、ＬＥＤフィラメントは、基材の裏面を覆う第２の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料を含み得る。他の実施形態では、ＬＥＤフィラメントは、基材の裏面上に配置された第２の狭帯域マンガン活性化フッ化物赤色フォトルミネッセンス材料を含む第３のフォトルミネッセンス層と、第３のフォトルミネッセンス層上に配置された第２の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料を含む第４のフォトルミネッセンス層と、含み得る。実施形態において、第１の層は、少なくともＬＥＤチップのうちの少なくとも１つの主発光面上に均一な厚さの層（フィルム）を含むことができ、つまり、ＬＥＤフィラメントは、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料を含有するＣＳＰ（チップスケールパッケージ）ＬＥＤを含み得る。第１の層は、コンフォーマルコーティング層の形態のＬＥＤチップの全ての発光面上に均一な厚さ層を含むことができる。狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料の使用量を低減するために、第１のフォトルミネッセンス層及び第３のフォトルミネッセンス層のうちの少なくとも１つは、酸化亜鉛、二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化マグネシウム、硫酸バリウム、酸化アルミニウム、及びこれらの組み合わせを含む群から選択される光散乱材料の粒子を更に含む。本発明者らは、このような両面二層構造は、狭帯域及び広帯域赤色フォトルミネッセンス材料を基材の前面及び裏面に含む既知のＬＥＤフィラメントと比較して、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料の使用量を、大幅に低減（１００％の透過率を有する基材において重量で８０％程度）することができることを発見した。このような実施形態では、基材は、２０％～１００％の範囲の透過率を有し得る。
更なる実施形態によれば、ＬＥＤフィラメントは、部分的な光透過性基材と、基材の前面にあるＬＥＤチップのアレイと、ＬＥＤチップのアレイ及び基材の前面を覆う第１の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料及び狭帯域マンガン活性化フッ化物赤色フォトルミネッセンス材料と、基材の裏面を覆う第２の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料と、を含み、ＬＥＤチップによって生成された全青色光の少なくとも７０％が基材の前面側にある。
本発明の一態様によれば、ＬＥＤフィラメント電球は、光透過性エンベロープと、本明細書に記載される少なくとも１つのＬＥＤフィラメントと、を備える。
本発明のこれらの、及び他の態様及び特徴は、添付の図面と併せて本発明の特定の実施形態の以下の説明を考察することで、当業者には明らかとなるであろう。
本発明の実施形態による４つのＬＥＤフィラメントＡシリーズ（Ａ１９）電球の部分断面Ａ－Ａ側の側面図及び平面図をそれぞれ例解する。 本発明の実施形態による４つのＬＥＤフィラメントＡシリーズ（Ａ１９）電球の部分断面Ａ－Ａ側の側面図及び平面図をそれぞれ例解する。 図１Ａ及び図１Ｂの電球で使用するための本発明の実施形態による、単層ＬＥＤフィラメントの断面Ｂ－Ｂ側の概略図、部分切欠き平面、及び断面Ｃ－Ｃ端面の概略図をそれぞれ例解する。 図１Ａ及び図１Ｂの電球で使用するための本発明の実施形態による、単層ＬＥＤフィラメントの断面Ｂ－Ｂ側の概略図、部分切欠き平面、及び断面Ｃ－Ｃ端面の概略図をそれぞれ例解する。 図１Ａ及び図１Ｂの電球で使用するための本発明の実施形態による、単層ＬＥＤフィラメントの断面Ｂ－Ｂ側の概略図、部分切欠き平面、及び断面Ｃ－Ｃ端面の概略図をそれぞれ例解する。 それぞれ、前方向及び後方向の放出特性を示すＬＥＤチップの概略図と、基材の前面側及び裏面側に存在する青色励起光の分布を示すＬＥＤチップ及び基材の概略分解図である。 それぞれ、前方向及び後方向の放出特性を示すＬＥＤチップの概略図と、基材の前面側及び裏面側に存在する青色励起光の分布を示すＬＥＤチップ及び基材の概略分解図である。 本発明の実施形態による二層ＬＥＤフィラメントの概略断面端面図である。 本発明の実施形態による二層ＬＥＤフィラメントの概略断面端面図である。 本発明の実施形態による両面二層ＬＥＤフィラメントの概略断面端面図である。 本発明の実施形態による両面二層ＬＥＤフィラメントの概略断面端面図である。 本発明の実施形態による、ＬＥＤフィラメントの概略断面端面図である。
当業者が本発明を実施することを可能にするように、本発明の実施形態が、本発明の例解的な実施例として提供される図面を参照して、ここで詳細に説明される。特に、以下の図面及び実施例は、本発明の範囲を単一の実施形態に限定することを意図するものではなく、説明又は例解される要素の一部又は全ての交換によって他の実施形態が可能である。更に、本発明のある要素が、既知の構成要素を使用して部分的に又は完全に実装され得る場合、本発明の理解に必要であるこのような既知の構成要素のそれらの部分のみが説明され、このような既知の構成要素の他の部分の詳細な説明は、本発明を曖昧にしないように省略される。本明細書において、単数形の構成要素を示す実施形態は限定的であると見なされるべきではなく、むしろ、本発明は、複数の同じ構成要素を含む他の実施形態を包含することを意図しており、その逆もまた同様である。更に、出願人は、そのように明示的に記載されていない限り、本明細書又は特許請求の範囲のいずれの用語についても意図しない。更に、本発明は、例解によって本明細書において言及される既知の構成要素に対する、現在及び将来の既知の等価物を包含する。図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の実施形態に従って形成された、ＬＥＤフィラメントＡシリーズ電球（バルブ）１００のＡ－Ａを通る部分断面側面図、及び部分切断面図をそれぞれ例解する。ＬＥＤフィラメント電球（バルブ）１００は、伝統的なＡ１９白熱電球のためのエネルギー効率的な代替となることが意図されており、２７００ＫのＣＣＴ（相関色温度）及び少なくとも８０の一般的な演色評価数ＣＲＩ Ｒａを有する５５０ｌｍの光を生成するように構成されることができる。ＬＥＤフィラメント電球は、定格が名目上４Ｗに設定されている。知られているように、Ａシリーズ電球は最も一般的な電球タイプであり、Ａ１９電球は、その最も広い点で幅が２ ３／８インチ（１９／８インチ）で、長さが約４ ３／８インチである。
ＬＥＤフィラメント電球１００は、コネクタベース１０２と、光透過性エンベロープ１０４と、ＬＥＤフィラメント支持体１０６と、４つのＬＥＤフィラメント１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄと、を備える。
いくつかの実施形態では、ＬＥＤフィラメント電球１００は、北米で使用される１１０Ｖ（ｒ．ｍ．ｓ．）交流（６０Ｈｚ）電源で動作するように構成され得る。例えば、かつ例解されるように、ＬＥＤフィラメント電球１００は、Ｅ２６（φ２６ｍｍ）コネクタベース（エジソンねじ式電球ベース）１０２を備えることができ、標準電気照明用スクリューソケットを使用して、主電源に電球を直接接続することを可能にしている。意図される用途に応じて、例えば、英国、アイルランド、オーストラリア、ニュージーランド、及び他の様々な英連邦地域で一般的に使用されるようなダブルコンタクトバヨネットコネクタ（すなわち、Ｂ２２ｄ若しくはＢＣ）、又はＥ２７（φ２７ｍｍ）ねじベース（エジソンねじ電球ベース）などの他のコネクタベースが使用され得ることが理解されるであろう。コネクタベース１０２は、ＬＥＤフィラメント電球を動作させるための整流器又は他の駆動回路（図示せず）を収容することができる。
光透過性エンベロープ１０４は、コネクタ１０２に取り付けられている。光透過性エンベロープ１０４及びＬＥＤフィラメント支持体１０６は、ガラスを含むことができる。エンベロープ１０４は、気密封止された容積１１０を画定し、その中にＬＥＤフィラメント１０８ａ～１０８ｄが位置している。エンベローブ１０４は、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の粒子などの光拡散性（散乱）材料の層を追加的に組み込むか、又は含むことができる。
線形（ストリップ状又は細長い）形状であるＬＥＤフィラメント１０８ａ～１０８ｄは、それらの伸長方向が、電球１００の軸１１２に対して概ね平行であるように配向されている。本実施形態では、ＬＥＤフィラメント１０８ａ～１０８ｄは、ガラスフィラメント支持体１０６の周りで均等に円周方向に間隔を空けている（図１Ｂ）が、他の実施形態では、ＬＥＤフィラメントは、ガラス支持体の周りで均等に間隔を空けられなくてもよいことが理解されるであろう。コネクタベース１０２に対して遠位にある各ＬＥＤフィラメント１０８ａ～１０８ｄの第１の端部上の第１の電気接点１１４ａ～１１４ｄは、ＬＥＤフィラメント支持体１０６の軸をコネクタベース１０２まで通過する第１の導電性ワイヤ１１６に電気的、かつ機械的に接続されている。コネクタベース１０２の近位にある各ＬＥＤフィラメント１０８ａ～１０８ｄの第２の端部上の第２の電気接点１１８ａ～１１８ｄは、ＬＥＤフィラメント支持体１０６のベース部分１２２を通過してコネクタベース１０２に達する第２の導電性ワイヤ１２０に電気的及び機械的に接続されている。例解されるように、ＬＥＤフィラメント１０８ａ～１０８ｄは、電気的に並列に接続することができる。
ここで、本発明の実施形態によるＬＥＤフィラメントを、それぞれ、単層ＬＥＤフィラメント２０８の線Ｂ－Ｂを通る断面側面図、部分切欠き平面、及び断面Ｃ－Ｃの端面図を示す図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃを参照して説明する。本明細書全体を通して、図面番号が先行する同様の参照番号が、同様の部品を示すために使用されている。ＬＥＤフィラメント２０８は、前（第１）面２２８に直接装着された青色発光（４６５ｎｍ）未パッケージ化ＬＥＤチップ（ダイ）２２６のアレイ（複数）を有する部分的光透過性基材２２４を備える。通常、各ＬＥＤフィラメントは、約０．７～１Ｗの総公称電力を有する。
基材２２４は、導電性ワイヤ１１６、１２０（図１Ａ）のうちの対応する１つに電気的に接続するために、基材２２４の第１及び第２の端部において、前面２２８の上にそれぞれの電気接点２１４、２１８を更に備えることができ、ＬＥＤフィラメントを動作させるための電力を提供する。電気接点２１４、２１８は、銅、銀、若しくは他の金属、又は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの透明な電気導体を含み得る。実施形態では、例解される基材２２４は、平面状であり、ＬＥＤチップ２２６が直線状アレイ（ストリング）として構成され、基材の長さ（伸長方向）に沿って等しく離間された細長い形状（ストリップ）を有して示されている。図２Ａ及び図２Ｂに示されるように、ＬＥＤチップ２２６は、ストリングの隣接するＬＥＤチップの間のボンドワイヤ２３０、及び基材の遠位端にあるＬＥＤチップとそれらの対応する電気接点２１４、２１８との間のワイヤボンド２３２によって、直列で電気的に接続されることができる。
ＬＥＤフィラメント２０８がエネルギー効率性バルブの一部として使用される場合、デバイスの外観及び発光特性が白熱電球の従来のフィラメントとより近く類似しているため、細長い構成が、通常は好ましい。ＬＥＤチップ２２６は、パッケージ化されておらず、基材２２４上に直接装着されたＬＥＤチップの底面に面するそれらの上部面及び下部（ベース）面の両方からの光を発することに留意されたい。
本発明によれば、光透過性基材２２４は、部分的に光透過性であり、好ましくは２％～７０％（反射率９８％～３０％）の可視光に対する透過率を有する任意の材料を含むことができる。基材は、ガラス、セラミック材料、又はポリプロピレン、シリコーン、又はアクリルなどのプラスチック材料を含み得る。典型的には、実施形態では、光透過性基材は、約４０％の透過率を有するアルミナからなる多孔質セラミック基材を含む。ＬＥＤチップ２２６によって生成される熱の放散を補助するために、基材２２４は、光透過性であることができるだけでなく、ＬＥＤチップによって発生する熱の放散を補助するために熱伝導性であることもできる。好適な光透過性の熱伝導性材料の例としては、酸化マグネシウム、サファイア、酸化アルミニウム、石英ガラス、及びダイヤモンドが挙げられる。基材を薄くすることにより、熱伝導性基材の透過率を高めることができる。機械的強度を高めるために、基材は、ガラス又はプラスチック材料などの光透過性支持体上に装着された熱伝導層を有する積層構造を含むことができる。熱放散を更に補助するために、ガラスエンベローブ１０４（図１Ａ）内の容積１１０（図１Ａ）は、好ましくはヘリウム、水素、又はこれらの混合物などの熱伝導性ガスで充填されている。
本発明の実施形態によれば、ＬＥＤフィラメント２０８は、基材２２４のＬＥＤチップ２２６及び前面２２８に塗布され、それを覆う第１のフォトルミネッセンス波長変換材料２３６と、基材２２４の第２の裏（対向）面２３４に塗布され、それを覆う第２の異なるフォトルミネッセンス波長変換材料２３８と、を更に含む。第１のフォトルミネッセンス波長変換材料２３６は、ＬＥＤチップ２２６に直接塗布され、封止層の形態で基材の前面を覆う。
本発明によれば、第１のフォトルミネッセンス波長変換材料２３６は、５２０ｎｍ～５６０ｎｍ（好ましくは５４０ｎｍ～５４５ｎｍ）の範囲のピーク発光波長を有する第１の広帯域緑色フォトルミネッセンス材料と、６２０ｎｍ～６５０ｎｍの範囲のピーク発光波長を有する第１の広帯域赤色フォトルミネッセンス材料と、通常はマンガン活性化フッ化物蛍光体である狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料と、の混合物を含む。まとめて、第１の広帯域緑色及び赤色のフォトルミネッセンス材料は、第１の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料と称される。本実施形態では、狭帯域赤色及び広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料の両方が、単一層内で混合物として提供されるため、ＬＥＤフィラメントは、「単層」構造化フィラメントと称される。
第２のフォトルミネッセンス波長変換材料２３８は、５２０ｎｍ～５６０ｎｍ（好ましくは５２０ｎｍ～５４０ｎｍ）の範囲のピーク発光波長を有する第２の広帯域緑色フォトルミネッセンス材料と、６２０ｎｍ～６５０ｎｍの範囲のピーク発光波長を有する第２の広帯域赤色（非マンガン活性化フッ化物）フォトルミネッセンス材料と、のみの混合物を含む。まとめて、第２の広帯域の緑色及び赤色のフォトルミネッセンス材料は、第２の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料と称される。
対照的に、既知のＬＥＤフィラメントでは、同じフォトルミネッセンス材料組成物（狭帯域及び広帯域赤色フォトルミネッセンス材料）が、フィラメントの前面及び裏面の上に提供されている。好適な広帯域緑色フォトルミネッセンス材料、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料及び広帯域赤色フォトルミネッセンス材料を以下に説明する。
図２Ａ及び図２Ｂに例解される実施形態では、第１のフォトルミネッセンス変換材料２３６及び第２のフォトルミネッセンス変換材料２３８は、広帯域の緑色及び赤色のフォトルミネッセンス材料の混合物を含む単一層として構成される。
動作中、ＬＥＤチップ２１０によって生成された青色励起光は、緑色発光及び赤色発光のフォトルミネッセンス材料を励起して緑色及び赤色の光を生成する。白色に見えるＬＥＤフィラメント２０８の発光生成物は、組み合わされたフォトルミネッセンス光及び未変換の青色ＬＥＤ光を含む。フォトルミネッセンス光生成プロセスは等方性であることから、蛍光体光は全方向で等しく生成され、基材２２４に向かう方向に放射された光は、基材を通過してＬＥＤフィラメント２０８の後部から放出され得る。部分的に光透過性の基材２２４を使用することにより、ＬＥＤフィラメントが、光が基材の前面２２８及び裏面２３４の両方から離れる方向で放出される発光特性を達成することを可能にすることが理解されるであろう。更に、光散乱材料の粒子が蛍光体材料と組み合わせられることができ、所与の発光製品の色を生成するために必要とされる蛍光体の量を低減することができる。
図３Ａは、前方／上方３４０及び後方／下方３４２の方向でのその発光特性を示すＬＥＤチップ３２６の概略図であり、図３Ｂは、基材３２４の対向する側３２８及び３３４上での青色励起光の分布を示すＬＥＤチップ３２６及び部分透光性基材３２４の概略分解図である。
図３Ａを参照し、青色ＬＥＤチップ３２６が、その上面３４４及びそのベース３４６から等量の青色光を放射すると仮定すると、ＬＥＤチップによって生成された全青色光の５０％は、基材の前面から離れる前方方向３４０に放射され、ＬＥＤチップによって生成された全青色光の５０％が基材の前面に向かって後方方向３４２に放射される。図３Ｂを参照し、部分透光性基材３２４が４０％の透過率及び６０％の反射率を有すると仮定すると、青色光３４２の４０％のみが（すなわち、青色ＬＥＤチップ３４６によって生成された全青色光の２０％）が基材３２４を通過し、基材３２４の裏面側３３４から放射する３４６。青色光３４２の残りの６０％（すなわち、青色ＬＥＤチップによって生成された全青色光の３０％）は、基材３２４によって前方方向に反射され基材の前面側３２８から放射する。正味効果は、青色ＬＥＤチップ３４８によって生成された全青色光の約８０％が、基材の前面側（から放射し）にあり、青色ＬＥＤチップ３４８によって生成された全青色光の２０％のみが、基材の裏面側（から放射し）にあることが理解されるであろう。明らかに、フォトルミネッセンス材料が存在する場合、これらの図は、フォトルミネッセンス材料による青色光の散乱により変化し得る。上述したように、基材の前面側に存在する青色ＬＥＤチップによって生成される青色励起光の合計の割合を反対側の裏面側よりもかなり大きく（典型的には少なくとも７０％）なるように構成することにより、より高い輝度のマンガン活性化フッ化物蛍光体を基材の前面側のみに使用し、より安価な非マンガン活性化フッ化物蛍光体を基材の裏面上に使用することを可能にし、同時に、依然として輝度効果の増加の実質的なほとんどをもたらすが、マンガン活性化フッ化物フォトルミネッセンス材料の量の半分のみ（５０重量％）を使用することを可能にしている。表１は、基材の前面側及び裏面側にある全青色励起光の割合及びＬＥＤフィラメントの相対的全体輝度に対する、基材透過率／反射率の影響を示している。データは、各青色ＬＥＤチップが前方方向及び後方方向に等しい量の青色励起光を生成すると仮定している。全体的な相対輝度は、基材の前面及び裏面上にＣＡＳＮを有する既知のＬＥＤフィラメントに対して相対的である。比較のために、基材の両面にＫＳＦを有するＬＥＤフィラメントの相対輝度は１２０％であるが、本発明のＬＥＤフィラメントよりも２倍のＫＳＦの量を使用することが理解されるであろう。
Figure 0007291800000001
図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の実施形態による二層ＬＥＤフィラメント４０８の概略断面端面図である。これらの実施形態では、ＬＥＤチップを覆う第１のフォトルミネッセンス波長変換材料４３６は、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料、及び第１の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料をそれぞれ含む第１のフォトルミネッセンス層４５０及び第２のフォトルミネッセンス層４５２を含む「二層」構造を備える。図４Ａ及び図４Ｂに例解されるように、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料を収容する第１のフォトルミネッセンス層４５０は、ＬＥＤチップ４２６上に配置されて、それを覆い、第１の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料（すなわち、第１の広帯域緑色、及び第１の広帯域赤色フォトルミネッセンス材料）を収容する第２のフォトルミネッセンス層４５２は、第１のフォトルミネッセンス層４５０上に配置され、それを覆う（すなわち、第１のフォトルミネッセンス層４５０は、第２のフォトルミネッセンス層よりもＬＥＤチップに近接している）。
図４Ａの二層ＬＥＤフィラメントは、第１のフォトルミネッセンス層４５０をＬＥＤチップ４２６上に最初に堆積し、次いで、第２のフォトルミネッセンス層４５２を第１のフォトルミネッセンス層４５０の上に堆積することによって製造され得る。例解されるように、第１のフォトルミネッセンス層４５０は、概して半円形のプロファイルの断面を有することができる。
図４Ｂの二層ＬＥＤフィラメントでは、第１のフォトルミネッセンス層４５０は、個別のＬＥＤチップの発光面に適用されている均一な厚さのコーティング層を含む。発光面上に発光体の均一な厚さ（フィルム）を有するＬＥＤチップは、多くの場合、ＣＳＰ（チップスケールパッケージ）ＬＥＤと称される。図４Ｂに例解されるように、ＬＥＤチップ４２６は、上面発光面及び４つの側面発光面に適用された均一な厚さの層を有し、コンフォーマルコーティングの形態にある。実施形態（図示せず）において、ＬＥＤチップ４２６は、主（上面）発光面のみに適用される均一な厚さの第１のフォトルミネッセンス層４５０を有する。二層ＬＥＤフィラメントは、最初に第１のフォトルミネッセンス層４５０を少なくとも個別のＬＥＤチップ４２６の主発光面に適用することによって、例えば、狭帯域の赤色フォトルミネッセンス材料を含む均一な厚さ（典型的には２０μｍ～３００μｍ）のフォトルミネッセンスフィルムを使用して製造することができる。次に、ＬＥＤチップ４２６が基材４２４の上に装着され、第２のフォトルミネッセンス層４５２が、基材及びＬＥＤチップを覆うように堆積される。図４Ａの二層ＬＥＤフィラメントと比較して、全ての狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料をＬＥＤチップに可能な限り近くに集中させ、層内の物理的位置に関わらず、全ての狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料が実質的に同じ励起光フォトン密度への曝露を受けることを確実にするので、均一な厚さのコーティング層が好ましくなり得る。このような配設は、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料の使用量の低減を最大化することができる。
本発明者らは、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料をそれぞれの個別の層４５０（二層構造）として提供することにより、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料の使用量を狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料及び広帯域緑色フォトルミネッセンス材料が単層内に混合物を構成するＬＥＤフィラメント（図２Ｃ）と比較して、更に大幅に（更に最大８０重量％の低減）低減することを発見した。更に、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料が基材の両面に設けられている既知のＬＥＤフィラメントと比較して、二層構造化ＬＥＤフィラメントは、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料の使用量を最大で９０重量％低減する。
この使用量の低減の理由は、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料と広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料との混合物を含む単一のフォトルミネッセンス層をフォトルミネッセンス材料２３６が含むＬＥＤフィラメント（図２Ｃ）において、フォトルミネッセンス材料が青色励起光に等しく露光されているからであると考えられる。狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料、特に、マンガン活性化フッ化物フォトルミネッセンス材料は、広帯域緑色フォトルミネッセンス材料よりもはるかに低い青色光吸収能力を有するため、十分な青色光を必要とされる赤色発光に変換するために大量の狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料が必要である。対照的に、図４Ａ及び図４ＢのＬＥＤフィラメント４０８では、その別個のそれぞれの層４５０内の狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料は、青色励起光に個別に曝され、そのため、より多くの青色励起光が狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料によって吸収されることができ、残りの青色励起光は、広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料を収容する第２のフォトルミネッセンス層４５２に透過することができる。有利なことに、この構造では、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料は、緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料と競合することなく、青色励起光をより効果的に赤色の発光に変換することができる。したがって、目標色点を達成するために必要とされる狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料の量（使用量）は、フォトルミネッセンス材料の混合物を含む単層を含むＬＥＤフィラメントと比較して低減することができる。
図５Ａ～図５Ｂは、本発明の実施形態による両面二層ＬＥＤフィラメントの概略断面端面図である。これらの実施形態では、基材の前面及び裏面を覆う第１のフォトルミネッセンス波長変換材料５３６及び第２のフォトルミネッセンス波長変換材料５３８の両方は、「二層」構造を含む。基材の前面上で、ＬＥＤチップを覆う第１のフォトルミネッセンス材料５３６は、第１の狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料、及び第１の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料をそれぞれ含有する第１のフォトルミネッセンス層５５０及び第２のフォトルミネッセンス層５５２を含む。例解されるように、第１の狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料を収容する第１のフォトルミネッセンス層５５０は、ＬＥＤチップ５２６上に配置されて、それを覆い、第１の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料を収容する第２のフォトルミネッセンス層５５２は、第１のフォトルミネッセンス層５５０上に配置され、それを覆う（すなわち、第１のフォトルミネッセンス層５５０は、第２のフォトルミネッセンス層よりもＬＥＤチップに近接している）。基材の裏面上で、基材５２４の裏面を覆う第２のフォトルミネッセンス材料５３８は、第２の狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料、及び第２の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料をそれぞれ含有する第３のフォトルミネッセンス層５５４及び第４のフォトルミネッセンス層５５６を含む。例解されるように、第２の狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料を収容する第３のフォトルミネッセンス層５５４は、ＬＥＤチップ５２６に対応する基材の一部の上に配置されて、それを覆い、第２の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料を収容する第４のフォトルミネッセンス層５５６は、第３のフォトルミネッセンス層５５４上に配置され、それを覆う（すなわち、第３のフォトルミネッセンス層５５４は、第４のフォトルミネッセンス層よりも基材の裏面に近接している）。
図５Ａの二層両面ＬＥＤフィラメントは、第１のフォトルミネッセンス層５５０をＬＥＤチップ５２６上に最初に堆積し、次いで、第２のフォトルミネッセンス層５５２を第１のフォトルミネッセンス層５５０の上に堆積することによって製造され得る。例解されるように、第１のフォトルミネッセンス層５５０は、概して半円形のプロファイルの断面を有することができる。第３のフォトルミネッセンス層５５４は、例えばストリップとしてＬＥＤチップ５２６に対応する基材の裏面上に堆積され、次いで、第４のフォトルミネッセンス層５５６は、第３のフォトルミネッセンス層５５４上に堆積され、それを覆う。例解されるように、第３のフォトルミネッセンス層５５４は、概して半円形のプロファイルの断面を有することができる。
ＣＳＰ ＬＥＤを含むＬＥＤフィラメントである図５Ｂの二層両面ＬＥＤフィラメントでは、第１のフォトルミネッセンス層５５０は、個別のＬＥＤチップの少なくとも主発光面に適用された均一な厚さの層を含む。図５Ｂに例解されるように、ＬＥＤチップ５２６は、上面発光面及び４つの側面発光面に適用された均一な厚さの層を有し、コンフォーマルコーティングの形態にある。実施形態（図示せず）において、ＬＥＤチップ５２６は、主（上面）発光面のみに適用される均一な厚さの第１のフォトルミネッセンス層５５０を有する。二層ＬＥＤフィラメントは、最初に第１のフォトルミネッセンス層５５０を少なくとも個別のＬＥＤチップ５２６の主発光面に適用することによって、例えば、狭帯域の赤色フォトルミネッセンス材料を含む均一な厚さ（典型的に２０μｍ～３００μｍ）のフォトルミネッセンスフィルムを使用して製造することができる。次に、ＬＥＤチップ５２６が基材５２４の上に装着され、第２のフォトルミネッセンス層５５２が、基材及びＬＥＤチップを覆うように堆積される。第３のフォトルミネッセンス層５５４は、例えば、ストリップとしてＬＥＤチップ５２６に対応する基材の裏面上に堆積され、次いで、第４のフォトルミネッセンス層５５６は、第３のフォトルミネッセンス層５５４上に堆積され、それを覆う。
本発明者らは、両面二層構造を有するＬＥＤフィラメントが、狭帯域フォトルミネッセンス材料及び広帯域赤色フォトルミネッセンス材料を前面及び裏面に含む既知のＬＥＤフィラメントと比較して、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料の使用量を実質的に低減（１００％の透過率を有する基材で８０重量％程度の低減）することができることを発見した。
図６は、本発明の実施形態による、ＬＥＤフィラメントの概略断面端面図である。この実施形態では、ＬＥＤチップ６２４のうちの１つ以上は、そのベース上に反射体６６０を有している。反射体６６０は、ＬＥＤチップのベースからの青色発光を低減し、そのような光を前方方向／上向き方向に反射させる。反射体は、１００％の光反射性、又は部分的な光反射性であり得る。本発明は、本明細書に開示される他の実施形態がまた、ＬＥＤチップのベース上に反射体を含み得ることが理解されるであろう。
本発明の様々な実施形態では、フォトルミネッセンス材料の使用を低減するために、特に狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料の使用を更に低減するために、ＬＥＤフィラメントは、光散乱材料の粒子、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、又はこれらの混合物の粒子などを更に含むことができる。光散乱材料の粒子は、フォトルミネッセンス材料のいずれかとの混合物として、及び／又はフォトルミネッセンス材料層と接触する別個の層に提供することができる。好ましくは、光散乱材料の粒子は狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料と共に組み込まれ、狭帯域赤色フォトルミネッセンス使用量を更に低減する。例えば、単層構造化ＬＥＤフィラメントに対して、光散乱材料の粒子は、第１の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料と狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料の混合物の一部として、第１のフォトルミネッセンス波長変換材料２３６内に組み込むことができる（図２Ｃ）。二層構造化ＬＥＤフィラメントの場合、光散乱材料の粒子は、第１のフォトルミネッセンス層４５０内に狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料との混合物として組み込むことができる（図４）。両面二層ＬＥＤフィラメントの場合、光散乱材料の粒子は、第１のフォトルミネッセンス層５５０及び／又は第３のフォトルミネッセンス層５５４内の狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料との混合物として組み込むことができる（図５）。
代替的に及び／又は加えて、光散乱材料の粒子は、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料を含有する層と接触する別個の層内に提供され得、狭帯域赤色フォトルミネッセンスの使用量を更に低減する。
光散乱材料の粒子をフォトルミネッセンス材料と共に含有することにより、ＬＥＤ生成の励起光のフォトルミネッセンス材料の粒子との衝突数を増加させ、フォトルミネッセンス材料の使用量を減少させるフォトルミネッセンス発光を向上させる。平均で１０，０００回のうち、わずか１回の光子のフォトルミネッセンス材料との相互作用で、フォトルミネッセンス光の吸収及び生成がもたらされると考えられている。フォトルミネッセンス材料粒子との光子の相互作用の大部分（約９９．９９％）は、光子の散乱をもたらす。光散乱材料を含めることにより、衝突数が増加することから、フォトルミネッセンス光生成の可能性が増加し、このことが、選択された発光強度を生成するためのフォトルミネッセンス材料の使用量を減少させる。
広帯域緑色フォトルミネッセンス材料
本明細書では、広帯域緑色フォトルミネッセンス材料とは、約５２０ｎｍ～約５６０ｎｍの範囲のピーク発光波長（λｐｅ）を有する光を生成する材料を指し、これは可視スペクトルの黄色／緑色から緑色領域にある。好ましくは、緑色フォトルミネッセンス材料は、広い発光特性を有し、好ましくは、約５０ｎｍ～約１２０ｎｍのＦＷＨＭ（半値全幅）を有する。緑色のフォトルミネッセンス材料は、任意のフォトルミネッセンス材料を、例えば、ガーネットベースの無機蛍光体材料、ケイ酸塩蛍光体材料、及び酸窒化物蛍光体材料などを含み得る。好適な緑色蛍光体の例を、表２に示す。
いくつかの実施形態では、緑色フォトルミネッセンス材料は、一般組成式Ｙ３（Ａｌ１－ｙＧａｙ）５Ｏ１２：Ｃｅ（ＹＡＧ）（式中、０＜ｙ＜１である）の、例えば、ピーク発光波長が５２０ｎｍ～５４３ｎｍの範囲にあり、かつ、ＦＷＨＭが約１２０ｎｍのＩｎｔｅｍａｔｉｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｆｒｅｍｏｎｔ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，ＵＳＡから入手可能なＹＡＧシリーズ蛍光体などのセリウム活性イットリウムアルミニウムガーネット蛍光体を含む。本明細書において、ＹＡＧ＃の表記は、蛍光体タイプ「ＹＡＧ」系蛍光体に、ナノメートル（＃）でのピーク発光波長がその後に続くものを表している。例えば、ＹＡＧ５３５は、５３５ｎｍのピーク発光波長を有するＹＡＧ蛍光体を示す。緑色フォトルミネッセンス材料は、一般組成式（Ｙ，Ｂａ）３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅ（ＹＡＧ）の、例えば、Ｉｎｔｅｍａｔｉｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｆｒｅｍｏｎｔ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，ＵＳＡから入手可能なＧＮＹＡＧシリーズ蛍光体などのセリウム活性イットリウムアルミニウムガーネット蛍光体を含み得る。いくつかの実施形態では、緑色フォトルミネッセンス材料は、一般組成式Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ（ＧＡＬ）のアルミン酸塩（ＬｕＡＧ）蛍光体を含むことができる。そのような蛍光体の例としては、例えば、ピーク発光波長が５１６ｎｍ～５６０ｎｍ、かつＦＷＨＭが約１２０ｎｍのＩｎｔｅｍａｔｉｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｆｒｅｍｏｎｔ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，ＵＳＡから入手可能なＧａｌシリーズの蛍光体が挙げられる。本明細書において、表記ＧＡＬ＃は、蛍光体タイプ（ＧＡＬ）「ＬｕＡＧ」系蛍光体にナノメートル（＃）のピーク発光波長がその後に続くものを表している。例えば、ＧＡＬ５２０は、５２０ｎｍのピーク発光波長を有するＧＡＬ蛍光体を示す。好適な緑色蛍光体の例を、表２に示す。
緑色ケイ酸塩蛍光体の例としては、一般組成式（Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕの、例えば、ピーク発光波長が５０７ｎｍ～５７０ｎｍの範囲にあり、かつＦＷＨＭが約７０ｎｍ～約８０ｎｍのＩｎｔｅｍａｔｉｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｆｒｅｍｏｎｔ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，ＵＳＡから入手可能なＧ、ＥＧ、Ｙ及びＥＹシリーズなどのユーロピウム活性化オルト－ケイ酸塩蛍光体が挙げられる。好適な緑色蛍光体の例を、表２に示す。
いくつかの実施形態では、緑色蛍光体は、その全体が本明細書に組み込まれている「Ｇｒｅｅｎ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ（Ｏｘｙ）Ｎｉｔｒｉｄｅ－Ｂａｓｅｄ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｓ Ａｎｄ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｔｈｅ Ｓａｍｅ」と題する米国特許第８，６７９，３６７号に教示されている緑色発光窒化物蛍光体を含むことができる。そのような緑色発光酸窒化物（ＯＮ）蛍光体は、一般組成式Ｅｕ２＋：Ｍ２＋Ｓｉ４ＡｌＯｘＮ（７－２ｘ／３）（式中、０．１≦ｘ≦１．０であり、Ｍ２＋は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、及びＺｎからなる群から選択される１つ以上の二価金属である）を有することができる。本明細書において、ＯＮ＃の表記は、蛍光体タイプ「酸窒化物」に、ナノメートル（＃）でのピーク発光波長（λｐｅ）がその後に続くものを表している。例えば、ＯＮ４９５は、４９５ｎｍのピーク発光波長を有する緑色酸窒化物蛍光体を示す。
Figure 0007291800000002
赤色フォトルミネッセンス材料
狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料
本明細書において、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料は、励起光による刺激に応答して、６１０ｎｍ～６５５ｎｍの範囲のピーク発光波長を有する光を生成するフォトルミネッセンス材料を指し、すなわち、可視スペクトルの赤色領域内の光であり、約５ｎｍ～約５０ｎｍ（約５０ｎｍ未満）の半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する狭い発光特性を有する。上述のように、狭帯域赤色フォトルミネッセンスは、ＬＥＤチップが装着される基材の前面の上に配置され、それを覆うマンガン活性化フッ化物赤色フォトルミネッセンス材料を含むことができる。狭帯域赤色マンガン活性化フッ化物フォトルミネッセンス材料の一例は、マンガン活性化カリウムヘキサフルオロシリケート蛍光体（ＫＳＦ）、Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎ４＋（ＫＳＦ）である。このようなＫＳＦ蛍光体の例は、約６３２ｎｍのピーク発光波長を有するＩｎｔｅｍａｔｉｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｆｒｅｍｏｎｔ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，ＵＳＡから入手可能なＮＲ６９３１ ＫＳＦ蛍光体である。他のマンガン活性化蛍光体としては、Ｋ２ＧｅＦ６：Ｍｎ４＋（ＫＧＦ）及びＫ２ＴｉＦ６：Ｍｎ４＋（ＫＴＦ）が挙げられる。
広帯域赤色フォトルミネッセンス材料
本明細書において、広帯域赤色フォトルミネッセンス材料（非マンガン活性化フッ化物赤色フォトルミネッセンス材料とも称される）は、励起光による刺激に応答して、６００ｎｍ～６４０ｎｍの範囲のピーク発光波長を有する光を生成するフォトルミネッセンス材料を指し、すなわち、可視スペクトルの橙色から赤色への領域内の光であり、約５０ｎｍを上回る半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する広い発光特性を有する。上述のように、広帯域赤色フォトルミネッセンスは、希土類活性化赤色フォトルミネッセンス材料を含むことができる。広帯域赤色フォトルミネッセンス材料（非マンガン活性化フッ化物赤色フォトルミネッセンス材料）は、結晶構造が、例えば、希土類活性化赤色フォトルミネッセンス材料などのように、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料（マンガン活性化フッ化物フォトルミネッセンス材料）の結晶構造ではない赤色フォトルミネッセンス材料を示し、青色光によって励起可能であり、ピーク発光波長λｐが約６００ｎｍ～約６４０ｎｍの範囲にある光を発するように動作可能な、任意のこのような赤色フォトルミネッセンス材料を含むことができる。希土類活性化赤色フォトルミネッセンス材料としては、例えば、ユーロピウム活性化シリコン窒化物系蛍光体、α－ＳｉＡｌＯＮ，グループＩＩＡ／ＩＩＢセレン化物硫化物系蛍光体又はケイ酸塩系蛍光体を挙げることができる。好適な赤色蛍光体の例を表３に示す。
いくつかの実施形態では、ユーロピウム活性化シリコン窒化物系蛍光体は、一般式ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋のカルシウムアルミニウムケイ素窒化物蛍光体（ＣＡＳＮ）を含む。ＣＡＳＮ蛍光体は、ストロンチウム（Ｓｒ）、一般式（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋などの他の元素でドープすることができる。本明細書において、ＣＡＳＮ＃の表記は、蛍光体タイプ「ＣＡＳＮ」に、ナノメートル（＃）でのピーク発光波長（λｐｅ）がその後に続くものを表している。例えば、ＣＡＳＮ６２５は、６２５ｎｍのピーク発光波長を有する赤色ＣＡＳＮ蛍光体を示す。
一実施形態では、希土類活性化赤色蛍光体は、その全体が本明細書に組み込まれている「Ｒｅｄ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｎｉｔｒｉｄｅ－Ｂａｓｅｄ Ｃａｌｃｉｕｍ－Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｓ」と題する米国特許第８，５９７，５４５号に教示されているような赤色発光蛍光体を含むことができる。このような赤色発光蛍光体は、化学式ＭａＳｒｂＳｉｃＡｌｄＮｅＥｕｆ（式中、ＭはＣａであり、０．１≦ａ≦０．４であり、１．５＜ｂ＜２．５であり、４．０≦ｃ≦５．０であり、０．１≦ｄ≦０．１５であり、７．５＜ｅ＜８．５及び０＜ｆ＜０．１であり、ａ＋ｂ＋ｆ＞２＋ｄ／ｖであり、ｖは、Ｍの価数である）で表される窒化物系組成物を含む。
代替的に、希土類活性化赤色蛍光体は、その全体が本明細書に組み込まれている「Ｒｅｄ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｎｉｔｒｉｄｅ－Ｂａｓｅｄ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｓ」と題する米国特許第８，６６３，５０２号に教示されているような赤色発光窒化物蛍光体を含むことができる。そのような赤色発光蛍光体は、化学式Ｍ（ｘ／ｖ）Ｍ’２Ｓｉ５－ｘＡｌｘＮ８：ＲＥ（式中、Ｍは、原子価ｖを有する少なくとも１つの一価、二価又は三価の金属であり、Ｍ’は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、及びＺｎのうちの少なくとも１つであり、ＲＥは、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｔｂ、Ｐｒ、及びＭｎのうちの少なくとも１つであり、ｘは０．１≦ｘ＜０．４を満たし、赤色発光蛍光体は、Ｍ’２Ｓｉ５Ｎ８：ＲＥの一般的な結晶構造を有し、Ａｌは、一般的な結晶構造内のＳｉを代用し、Ｍは、実質的に格子間で一般的な結晶構造内に位置している）によって表される窒化物系組成物を含む。そのような蛍光体の一例は、約６１０ｎｍのピーク発光波長を有するＩｎｔｅｍａｔｉｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｆｒｅｍｏｎｔ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，ＵＳＡから入手可能なＸＲ６１０赤色窒化物蛍光体である。
希土類活性化赤色蛍光体はまた、グループＩＩＡ／ＩＩＢのセレン化硫化物系蛍光体も含むことができる。グループＩＩＡ／ＩＩＢのセレン化物硫化物系蛍光体材料の第１の例は、組成式ＭＳｅ１－ｘＳｘ：Ｅｕ（式中、Ｍは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＺｎのうちの少なくとも１つであり、０＜×＜１．０である）を有する。この蛍光体材料の具体例は、ＣＳＳ蛍光体（ＣａＳｅ１－ｘＳｘ：Ｅｕ）である。ＣＳＳ蛍光体の詳細は、２０１６年９月３０日に出願された同時係属中の米国特許出願公開第２０１７／０１４５３０９号に提供されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。米国特許出願公開第２０１７／０１４５３０９号に記載されているＣＳＳ赤色蛍光体が、本発明で使用されることができる。ＣＳＳ蛍光体の発光ピーク波長は、組成物中のＳ／Ｓｅ比を変更することによって６００ｎｍ～６５０ｎｍの間で調整されることができ、ＦＷＨＭが、約４８ｎｍ～約６０ｎｍの範囲の狭帯域赤色発光スペクトルを示す（より長いピーク発光波長は、通常、より大きいＦＷＨＭ値を有する）。本明細書において、ＣＳＳ＃の表記は、蛍光体タイプ「ＣＳＳ」に、ナノメートルでのピーク発光波長（＃）がその後に続くものを表している。例えば、ＣＳＳ６１５は、６１５ｎｍのピーク発光波長を有するＣＳＳ蛍光体を示す。
いつかの実施形態では、希土類活性化赤色蛍光体は、その全体が本明細書に組み込まれている「Ｓｉｌｉｃａｔｅ－Ｂａｓｅｄ Ｏｒａｎｇｅ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｓ」と題する米国特許第７，６５５，１５６号に教示されているような橙色発光ケイ酸塩系蛍光体を含むことができる。このような橙色発光ケイ酸塩系蛍光体は、一般組成式（Ｓｒ１－ｘＭｘ）ｙＥｕｚＳｉＯ５（式中、０＜ｘ≦０．５、２．６≦ｙ≦３．３、０．００１≦ｚ≦０．５であり、Ｍは、Ｂａ、Ｍｇ、Ｃａ、及びＺｎからなる群から選択される１つ以上の二価金属である）を有することができる。本明細書において、Ｏ＃の表記は、蛍光体タイプ「橙色ケイ酸塩」に、ナノメートル（＃）でのピーク発光波長（λｐｅ）がその後に続くものを表している。例えば、Ｏ６００は、６００ｎｍのピーク発光波長を有する橙色ケイ酸塩系蛍光体を示す。
Figure 0007291800000003
命名法
本明細書では、以下の命名法を使用してＬＥＤフィラメントを示しており、Ｃｏｍ＃は、基材の前面及び裏面に同じフォトルミネッセンス材料を有する比較用ＬＥＤフィラメントを示しており、Ｄｅｖ．＃は、本発明の実施形態によるＬＥＤフィラメント（デバイス）を示しており、狭帯域赤色（マンガン活性化フッ化物）フォトルミネッセンス材料を基材の前面に有し、広帯域赤色フォトルミネッセンス材料を基材の裏面に有している。
実験データ－単層構造ＬＥＤフィラメント
比較用ＬＥＤフィラメント（Ｃｏｍ．１及びＣｏｍ．２）及び本発明による単層ＬＥＤフィラメント（Ｄｅｖ．１）は、前面に装着された、主波長λｄ＝４５６ｎｍである２４個の直列に接続された１０２５（１０ミル×２５ミル）の青色ＬＥＤチップを有し、透過率≒４０％を有する５２ｍｍ×１．５ｍｍの多孔質シリカ基材を各々備えている。各ＬＥＤフィラメントは公称電力０．７Ｗのデバイスであり、２７００Ｋの目標相関色温度（ＣＣＴ）及び９０の目標一般色レンダリングインデックスＣＲＩ Ｒａを有する白色光を生成することが意図されている。
試験デバイスで使用されるフォトルミネッセンス材料（蛍光体）は、Ｉｎｔｅｍａｔｉｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製のＫＳＦ蛍光体（Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎ４＋）、ＣＡＳＮ蛍光体（Ｃａ１－ｘＳｒｘＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ λｐｅ≒６４０ｎｍ）、緑色ＹＡＧ蛍光体（Ｉｎｔｅｍａｔｉｘ ＮＹＡＧ４１５６－（Ｙ，Ｂａ）３－ｘ（Ａｌ１－ｙＧａｙ）５Ｏ１２：Ｃｅｘ Ｐｅａｋ発光波長λｐｅ＝５５０ｎｍ）及び緑色ＬｕＡＧ蛍光体（Ｉｎｔｅｍａｔｉｘ ＧＡＬ５３５－Ｌｕ３－ｘ（Ａｌ１－ｙＧａｙ）５Ｏ１２：Ｃｅｘ λｐｅ≒５３５ｎｍ）である。
赤色及び緑色の蛍光体をフェニルシリコーン中で混合し、混合物を基材の前面及び裏面の上に分注した。
表４は、比較用ＬＥＤフィラメントＣｏｍ．１及びＣｏｍ．２並びに本発明によるＬＥＤフィラメントＤｅｖ．１の蛍光体組成物を表にしている。
表４から分かるように、蛍光体組成物の観点から、比較用ＬＥＤフィラメントＣｏｍ．１は、基材の前面と裏面の上に同じ蛍光体組成物を含み、７重量％のＣＡＳＮ６４０と９３重量％のＧＡＬ５３５の混合物を含む。比較用のＬＥＤフィラメントＣｏｍ．２は、基材の前面と裏面の上に同じ蛍光体組成物を含み、６０重量％のＫＳＦと４０重量％のＹＡＧ５５０の混合物を含む。本発明によるＬＥＤフィラメントＤｅｖ．１は、５６重量％のＫＳＦ、４重量％のＣＡＳＮ６１５、及び４０重量％のＹＡＧ５５０の混合物を基材の前面に含み、７重量％のＣＡＳＮと９３重量％のＧＡＬ５３５の混合物を基材の裏面に含む。
Figure 0007291800000004
表５は、ＬＥＤフィラメントＣｏｍ．１、Ｃｏｍ．２及びＤｅｖ．１の測定した光学性能を表にしている。表５から分かるように、Ｄｅｖ．１によって生成されたフラックスは、２２．２ｌｍで、基材の前面と裏面の両方にＣＡＳＮを使用するＬＥＤフィラメントＣｏｍ．１よりも大きくなっている（１９％明るい輝度）。一方で、ＬＥＤフィラメントＣｏｍ．２は、ＬＥＤフィラメントＣｏｍ．１よりも３３．５ｌｍより大きい（２６％明るい輝度）フラックスを生成しており、このＬＥＤフィラメントは、Ｄｅｖ．１の２倍量のＫＳＦ（狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料）を使用している。ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．１は、ＣＡＳＮの代わりにＫＳＦ（狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料）を使用した場合に可能な輝度ゲインの９４％（１１９／１２６）を達成するが、ＫＳＦの量を半分（５０重量％）だけしか使用していないことが理解される。このことは、少なくとも部分的には、Ｄｅｖ．１で使用されている部分的に光透過性の基材の存在によって達成されている。したがって、本発明は、ＬＥＤフィラメント及びＬＥＤフィラメント電球に関する改善を開示し、具体的には、限定するものではないが、輝度及びＣＲＩ Ｒａを損なうことなく、ＬＥＤフィラメントの製造コストを低減することを開示する。
Figure 0007291800000005
実験データ－二層構造ＬＥＤフィラメント
上述のように、二層構造ＬＥＤフィラメント（図４Ａ及び図４Ｂ）は、単層構造ＬＥＤフィラメント（図２Ｃ）と比較して、狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料の使用量を著しく低減することができる。Ｄｅｖ．２は、本発明による単一層のＬＥＤフィラメントであり、Ｄｅｖ．２及びＤｅｖ．３は、本発明による二層ＬＥＤフィラメント（図４Ａ）である。
Ｄｅｖ．２及びＤｅｖ．３は、前面に装着された、主波長λｄ＝４５６ｎｍである２４個の直列に接続された７１４（７ミル×１４ミル）の青色ＬＥＤチップを有し、透過率≒４０％を有する３８ｍｍ×１．５ｍｍの多孔質シリカ基材を各々備えている。各ＬＥＤフィラメントは、公称１５０ｌｍ（１Ｗ）のデバイスであり、２７００Ｋの目標相関色温度（ＣＣＴ）及び９０の目標一般色レンダリングインデックスＣＲＩ Ｒａを有する白色光を生成することが意図されている。これらのＬＥＤフィラメントのうちの３つを使用して、４５０ｌｍのＬＥＤフィラメント電球を提供することができることが理解されるであろう。
試験デバイスで使用されるフォトルミネッセンス材料（蛍光体）は、Ｉｎｔｅｍａｔｉｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製のＫＳＦ蛍光体（Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎ４＋）、ＣＡＳＮ蛍光体（Ｃａ１－ｘＳｒｘＡｌＳｉＮ３：Ｅｕλｐｅ≒６１５ｎｍ、６３１ｎｍ及び６４０ｎｍ）、及び緑色ＹＡＧ蛍光体（Ｉｎｔｅｍａｔｉｘ ＧＹＡＧ４１５６及びＧＹＡＧ５４３－（Ｙ，Ｂａ）３－ｘ（Ａｌ１－ｙＧａｙ）５Ｏ１２：Ｃｅｘ Ｐｅａｋ発光波長λｐｅ＝５４３ｎｍ及び５５０ｎｍ）である。
単層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．２用に赤色及び緑色の蛍光体をフェニルシリコーン中で混合し、混合物を基材の前面及び裏面の上に分注した。
２層のＬＥＤフィラメントＤｅｖ．３については、ＫＳＦをフェニルシリコーンと混合し、混合物をストリップ（第１の層）として、ＬＥＤチップを覆う基材の前面の上に分注した。緑色蛍光体及びＣＡＳＮをフェニルシリコーン中で混合し、混合物を基材の前面の第１の層上の第２の層として分注した。裏面には、緑色蛍光体及びＣＡＳＮをフェニルシリコーン中で混合し、混合物を基材の裏面の上に分注した。
表６は、単層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．２と二層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．３の蛍光体組成を表にしている。表６から分かるように、蛍光体組成に関して、単層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．２は、基材の前面に、７４重量％のＫＳＦ、２．２重量％のＣＡＳＮ６１５、及び２３．８重量％のＹＡＧ５４３の混合物を含み、基材の裏面に、５重量％のＣＡＳＮ（１．４重量％ＣＡＳＮ６３１＋３．６重量％ＣＡＳＮ６５０）及び９５重量％ＹＡＧ５５０の混合物を含む。表６から分かるように、蛍光体組成に関して、二層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．３は、基材の前面上に、ＫＳＦ（前面の総蛍光体含有量の１７．０重量％）のみを含む第１の層と、７．８重量％のＣＡＳＮ６１５と７５．２重量％のＹＡＧ５４３の混合物を含む第２の層と、を含み、基材の裏面上に、５重量％のＣＡＳＮ（１．４重量％のＣＡＳＮ６３１＋３．６重量％のＣＡＳＮ６５０）と９５重量％のＹＡＧ５５０の混合物を含む。Ｄｅｖ．３は、基材の裏面に５重量％のＣＡＳＮ（１．４重量％のＣＡＳＮ６３１＋３．６重量％のＣＡＳＮ６５０）と９５重量％のＹＡＧ５５０の混合物を含む。
Figure 0007291800000006
表７Ａ及び７Ｂは、単層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．２及び二層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．３の蛍光体量（使用量）を表にしている。表７Ａ及び７Ｂの蛍光体重量値（重量）は、単層のＬＥＤフィラメントＤｅｖ．１のＫＳＦの重量に対して正規化された正規化蛍光体重量である。
Figure 0007291800000007
Figure 0007291800000008
表８は、ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．２（単層）及びＤｅｖ．３（二層）の測定された光学性能を表にしている。データは、駆動電流ＩＦ＝１５ｍＡ及び駆動電圧ＶＦ＝６８．７Ｖに対するものであり、フィラメントが熱安定性（高温）に到達した時点の３分後である。表８から分かるように、ＬＥＤフィラメントによって生成された光の色点は、単層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．２の９０．５と比較して、９３．１である二層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．３の平均ＣＲＩ Ｒａと非常に類似している。更に、二層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．３によって生成されるフラックスは、単層のＬＥＤフィラメントＤｅｖ．２によって生成されたフラックスより４．７ｌｍ大きく（３．０％明るい（Ｂｒは輝度を表す））なっている。最も有意には、表８から分かるように、２つのＬＥＤフィラメントは、単層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．２と比較して、非常に類似した光放射を生成し、二層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．３は、表７Ａ及び７Ｂから分かるように、重量で８０％少ないＫＳＦ（１．００００と比較して０．２０４４）を使用している。二層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．３は、単層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．２と比較して、より多くのＣＡＳＮ（前面の重量増加で２１２％（０．０３０２に対して０．０９４２）、裏面の重量増加で８４％（０．０５２４に対して０．０９６３））及びＹＡＧ（前面の重量増加で１８２％（０．３２１９に対して０．９０７０）、裏面の重量増加で８４％（１．９３１３に対して１．０４９２））を使用しているが、二層構造は、ＫＳＦと比較してＣＡＳＮ（ＫＳＦのコストの約１／５）とＹＡＧ（ＫＳＦのコストの約１／１００～１／１５０）のコストの大きな違いにより、単層構造と比較して依然として大幅なコスト削減をもたらす。ＣＡＳＮ及びＹＡＧ使用量の増加の理由は、第２の蛍光体層に到達する青色励起光が少ないため、赤色及び緑色を生成して目標色を得るために、より多くのＣＡＳＮ及びＹＡＧ蛍光体が必要とされることであると考えられる。
上述のように、ＫＳＦ使用量の低減は、ＬＥＤチップと接触する（隣接する）別個の層内にＫＳＦを位置させる結果である。ＫＳＦ使用量のこの低減の理由は、ＫＳＦ（マンガン活性化フッ化物フォトルミネッセンス材料）、ＣＡＳＮ及びＹＡＧの混合物を含む単一のフォトルミネッセンス層を備える単層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．２において、様々なフォトルミネッセンス材料が青色励起光に等しい露出を有することであると考えられる。ＫＳＦは、ＹＡＧ及びＣＡＳＮ材料よりもはるかに低い青色光吸収能力を有するため、必要な赤色発光に十分な青色光を変換するために、より多量のＫＳＦが必要となる。対照的に、二層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．３では、別個の対応する第１の層のＫＳＦ（マンガン活性化フッ化物フォトルミネッセンス材料）は、ＹＡＧ及びＣＡＳＮとの競合なしに青色励起光に個別に曝露され、したがって、より多くの青色励起光がＫＳＦによって吸収され得る。ＫＳＦは、青色励起光を赤色発光により効果的に変換することができるので、目標色点を達成するために必要とされるＫＳＦ（狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料）の量（使用量）は、フォトルミネッセンス材料の混合物を含む単層を含むＬＥＤフィラメントと比較して低減され得る。
表７Ａに更に記載されるように、ＫＳＦ（狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料）の総量に対するＣＡＳＮ（広帯域赤色フォトルミネッセンス材料）と、二層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．３内のＣＡＳＮとの含有量比は、約３０重量％を上回る。
Figure 0007291800000009
Ｄｅｖ．４は、本発明による更なる二層ＬＥＤフィラメントであり、２７００Ｋの目標相関色温度（ＣＣＴ）、かつ９０の目標平均演色評価数ＣＲＩ Ｒａの白色光を生成することを意図とした公称２５０ｌｍ（１．５Ｗ）のデバイスである。１０００ １ｍのＬＥＤフィラメント電球を提供するために、これらのＬＥＤフィラメントのうちの４つが、例えば、図１Ａ及び図１Ｂの実施形態を使用して、使用され得ることが理解されるであろう。ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．４は、透過率が約４０％の５２ｍｍ×３．０ｍｍの多孔質シリカ基材で構成され、前面に装着された、主波長λｄ＝４５４ｎｍである２５個の直列に接続された７１４（８ミル×２７ミル）の青色ＬＥＤチップを有している。ＬＥＤフィラメント
表９は、二層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．４の蛍光体組成を表にしている。表９から分かるように、蛍光体組成に関して、二層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．４は、基材の前面上に、ＫＳＦのみ（前面の全蛍光体含有量の２３．１重量％）を含む第１の層、及び７．５重量％のＣＡＳＮ６１５と６９．４重量％のＹＡＧ５４３の混合物を含む第２の層を含む。基材の裏面上に、９．１重量％のＣＡＳＮ６１５と９０．９重量％のＹＡＧ５３５の混合物を含む。
Figure 0007291800000010
 表１０Ａ及び１０Ｂは、二層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．４の蛍光体量（ｍｇ）を表にしている。表１０Ａ及び１０Ｂの蛍光体の重量値（重量）は、同じフォトルミネッセンス材料を使用する単層ＬＥＤフィラメントのＫＳＦの重量に正規化された正規化蛍光体重量である。表１０Ａから分かるように、二層構造のＬＥＤフィラメントは、単層構造のＬＥＤフィラメントと比較してＫＳＦの使用量を約８０重量％（１．００００に対して０．１９５６）、かつ前面と裏面にＫＳＦを含む既知のＬＥＤフィラメントと比較して約９０重量％低減する。表１０Ａから更に注目されるように、二層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．４におけるＫＳＦ（狭帯域赤色フォトルミネッセンス材料）とＣＡＳＮの合計に対するＣＡＳＮ（広帯域赤色フォトルミネッセンス材料）の含有量比は約２５重量％である。
Figure 0007291800000011
Figure 0007291800000012
表１１は、二層ＬＥＤフィラメントＤｅｖ．４の測定された光学性能を表にしている。データは、フィラメントをオンに切り替えた直後（瞬間的又はコールド測定と称される）、及びフィラメントが約３分間の動作の期間後に熱安定性に達した後の（ホット測定と称される）測定値を含む。試験データは、二層構造化ＬＥＤフィラメントが、９０を超えるＣＲＩ Ｒａを有し、かつ、８０のみのＣＲＩ Ｒａを有する既知のＬＥＤフィラメントよりも大きい（５％～１０％）光学性能を有するＬＥＤフィラメントの製造を可能にすることを示した。
Figure 0007291800000013
本発明の実施形態は、ＬＥＤフィラメント及びＬＥＤフィラメント電球に関する改善を開示し、具体的には、限定するものではないが、輝度及びＣＲＩ Ｒａを損なうことなく、ＬＥＤフィラメントの製造コストを低減することに関する。

Claims (14)

  1. ＬＥＤフィラメントであって、
    少なくとも部分的に光透過性の基材と、
    前記基材の前面にあるＬＥＤチップのアレイと、
    前記ＬＥＤチップのアレイに配置された、第１の狭帯域マンガン活性化フッ化物赤色フォトルミネッセンス材料を含む第１の層と、
    前記第１の層に配置された、第１の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料を含む第２の層と、
    前記基材の裏面を覆う第２の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料を含む第３の層と、
    を含み、
    前記基材の前記裏面上に、狭帯域マンガン活性化フッ化物赤色フォトルミネッセンス材料を含まないか、又は前記基材の前記裏面上の赤色フォトルミネッセンス材料含有量の総量において最大で５重量％の第２の狭帯域マンガン活性化フッ化物赤色フォトルミネッセンス材料を前記基材の前記裏面上に含む、ＬＥＤフィラメント。
  2. 前記基材が、２％～７０％、３０％～５０％、１０％～３０％、及び２０％～１００％のうちの少なくとも１つの透過率を有する、請求項１に記載のＬＥＤフィラメント。
  3. 前記第１の層が、前記ＬＥＤチップの少なくとも１つにおいて少なくとも主発光面に均一な厚さの層を含む、又は、前記ＬＥＤチップの少なくとも１つにおいて各発光面に均一な厚さの層を含む、請求項１に記載のＬＥＤフィラメント。
  4. 前記第１の層、前記第２の層、及び前記第３の層の少なくとも１つが、光散乱材料の粒子を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載のＬＥＤフィラメント。
  5. 前記第１の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料が、第１の広帯域赤色フォトルミネッセンス材料を含み、前記第１の狭帯域マンガン活性化フッ化物赤色フォトルミネッセンス材料及び前記第１の広帯域赤色フォトルミネッセンス材料の総量に対する前記第１の広帯域赤色フォトルミネッセンス材料の含有量比が、少なくとも２０重量％、少なくとも３０重量％、少なくとも４０重量％、及び、２０重量％から６０重量％未満までの少なくとも１つである、請求項１～４のいずれか一項に記載のＬＥＤフィラメント。
  6. 前記第１及び第２の狭帯域マンガン活性化フッ化物赤色フォトルミネッセンス材料のうちの少なくとも１つが、Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎ４＋、Ｋ２ＧｅＦ６：Ｍｎ４＋、及びＫ２ＴｉＦ６：Ｍｎ４＋のうちの少なくとも１つである、請求項１～５のいずれか一項に記載のＬＥＤフィラメント。
  7. 前記第１の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料、及び前記第２の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料のうちの少なくとも１つが、希土類活性化赤色フォトルミネッセンス材料を含む、請求項１～６のいずれか一項に記載のＬＥＤフィラメント。
  8. 前記希土類活性化赤色フォトルミネッセンス材料が、一般組成式ＡＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋（式中、Ａが、Ｃａ、Ｓｒ又はＢａのうちの少なくとも１つである）を有する、窒化物系蛍光体材料と、一般組成式（Ｃａ１－ｘＳｒｘ）（Ｓｅ１－ｙＳｙ）：Ｅｕ２＋（式中、０≦ｘ≦１かつ０＜ｙ≦１である）を有する、硫化物系蛍光体材料と、一般組成式（Ｂａ１－ｘＳｒｘ）３ＳｉＯ５：Ｅｕ２＋（式中、０≦ｘ≦１である）を有する、ケイ酸塩系蛍光体材料と、のうちの少なくとも１つである、請求項７に記載のＬＥＤフィラメント。
  9. 前記少なくとも部分的に光透過性の基材が、アルミナ、シリカ、酸化マグネシウム、サファイア、石英ガラス、ダイヤモンド、酸化ケイ素、及びこれらの混合物からなる群から選択される材料を含む、請求項１～８のいずれか一項に記載のＬＥＤフィラメント。
  10. 前記第１の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料が第１の広帯域の赤色フォトルミネッセンス材料を含み、前記第２の広帯域の緑色から赤色のフォトルミネッセンス材料が第２の広帯域の赤色フォトルミネッセンス材料を含み、前記第１の広帯域の赤色フォトルミネッセンス材料のピーク発光波長は、前記第２の広帯域の赤色フォトルミネッセンス材料のピーク発光波長とは異なる、請求項１～９のいずれか一項に記載のＬＥＤフィラメント。
  11. 前記第１の広帯域の赤色フォトルミネッセンス材料の前記ピーク発光波長は、
    前記第２の広帯域の赤色フォトルミネッセンス材料、及び／又は、
    前記第１の狭帯域マンガン活性化フッ化物赤色フォトルミネッセンス材料
    のピーク発光波長よりも短い、請求項１０に記載のＬＥＤフィラメント。
  12. 前記第１の広帯域の赤色フォトルミネッセンス材料の前記ピーク発光波長が約６１５ｎｍである、及び／又は、
    前記第２の広帯域の赤色フォトルミネッセンス材料の前記ピーク発光波長が約６３０ｎｍから約６５０ｎｍまでである、
    請求項１１に記載のＬＥＤフィラメント。
  13. 前記ＬＥＤフィラメントが少なくとも１５０ｌｍ／Ｗの発光効率を有する、
    請求項１～１２のいずれか一項に記載のＬＥＤフィラメント。
  14. 前記第１の層、前記第２の層、及び前記第３の層の少なくとも１つと接触する光散乱材料の粒子の別個の層を含む、請求項１～１３のいずれか一項に記載のＬＥＤフィラメント。
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