JP2008506001A - 白色発光ダイオードシステムのための波長シフト組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】発光材料組成物、特に白色発光ダイオードシステムの性能改善のために特別に調製された組成物を提供する。
【解決手段】特別な高性能波長シフト型イットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）蛍光体組成物を見出して考案する。更に、これらの組成物は、協調特性を有するバルク媒体中に適正に分配された時に、全く独特かつ有用な特性を有する新しい媒体を形成する。特に、特別な蛍光体は、高エネルギ光子入力で刺激された時に二重ピークスペクトル出力を有するように考案される。二重活性剤処方は、指定された比率の簡単な操作が蛍光体発光体組合せの色温度出力の調整の柔軟性を可能にするように作り出される。好ましい粒子サイズ及び密度で調製された時に性能改善が観察される。最後に、これらの蛍光体を他の特別な結合剤材料と組み合わせて、光が高強度青色ダイオード半導体から放射される十分に設計された光相互作用断面を有するコロイド媒体を形成し、特別に高性能の波長シフト組成物を見出して考案する。更に、これらの組成物は、協調特性を有するバルク媒体中に適正に分配された時に、全く独特かつ有用な特性を有する新しい媒体を形成する。特に、特別な蛍光体は、高エネルギ光子入力で刺激された時に二重ピークスペクトル出力を有するように考案される。二重活性剤処方は、指定された比率の簡単な操作が蛍光体発光体組合せの色温度出力の調整の柔軟性を可能にするように作り出される。好ましい粒子サイズ及び密度で調製された時に性能改善が観察される。最後に、これらの蛍光体を他の特別な結合剤材料と組み合わせて、十分に設計された光相互作用断面を有するコロイド媒体を形成し、それによって高強度青色ダイオード半導体から発せられた光は、高い効率でスペクトルの正確に望ましい部分においてちょうど十分な波長シフトを受けることになり、他のシステムに見られない白色ＬＥＤを形成する。
【選択図】図４

Description

以下の発明の開示は、全体的には発光材料組成物に関し、より詳細には、白色発光ダイオードシステムの性能改善のために特別に調製された組成物に関する。

光科学の当業者は、白色光発光ダイオードＬＥＤを模擬するためのいくつかの技術をすぐに挙げるであろう。ＬＥＤの本質的特性は、ＬＥＤが比較的狭帯域で発光することを要求し、白色光は、定義上広い光学スペクトル帯域であるので、「模擬する」と明記される。今日まで、商業的に実現可能であるような十分な量及び効率でダイオード接合において白色光を真に生成する本当の「広帯域」ＬＥＤ発光体は存在しない。むしろ、複数の狭帯域の個々の光源からの光を混合するために用いるいくつかの構成が存在する。例えば、赤色、緑色、及び青色発光ダイオードチップを非常に近接して組み合わせる場合があると考えられる。各々の関連輝度が同様であり、かつシステムを十分に遠くから離れて見て、それによって眼が個々のチップを区別しない場合、それは、白色ＬＥＤに見えることになる。このようなシステムには多くの困難が見出されており、これらは、現在好ましいものではない。これらは、とりわけ、不十分な色温度均衡、不適切な演色評価数、及び複合的なマクロパッケージ問題を抱えている。

最近になって高輝度青色発光ダイオードを通じて可能になった非常に有用な代替物は、以下の方法で達成される。高輝度青色ＬＥＤが基板上に置かれる。蛍光体のコーティング又はスラリは、半導体チップの上部に付加される。この特別な蛍光体は、チップによって発する青色光によって刺激される。刺激されると、刺激光よりも少ないエネルギ（より長い波長）であるが蛍光体は発光する。青色光によって刺激されて黄色光を発する蛍光体は、「白色」ＬＥＤを形成するのに用いられている。ぴったりの蛍光体のコーティングを得ることは容易ではない。相互作用断面は、青色光のどのくらいの量が黄色に変換されるかを決めるものである。ちょうど適正な量の青色光をちょうど適正な量の黄色光と混合することが望ましいので、蛍光体コーティングの厚み及び密度は、相互作用断面に大きな影響を及ぼす。蛍光体粒子の性質はまた、相互作用断面及び散乱特性に影響を与える。特に、蛍光体粒子サイズ及び形状は、相互作用特性を変化させる。特に半導体チップ及びＬＥＤ素子パッケージ化に特有の幾何学形状のために、通常用いる技術は、とりわけ角度均一性に問題を呈している。更に、単に黄色及び青色光を混合することでは、正確には真の広帯域をもたらさない。例えば、これらの構成の一部は、「冷たい」外観、又は暖色、すなわち、赤色帯域に近い色を欠く白色に難がある。これらの白色ＬＥＤを意味する傾向にある演色を特徴付けるために用いる測定基準は、完全に望ましいものとは言えない。

例えば、このような構成は、波長約４５５ｎｍの青色発光ＬＥＤと、約５７０ｎｍでそのピーク２次放射を有し、スペクトル半値幅が約１４０ｎｍに等しいセリウムドープＹＡＧ、すなわち、イットリウム−アルミニウム−ガーネットのような黄色発光蛍光体とを一般的に用いる。これは、約８０００°Ｋの色温度及び約７０の低ＣＲＩをもたらすものである。
品質の良い色測定基準を備えた高性能白色ＬＥＤに達するために、多くの興味深いシステムも設計されている。これらは、以下に限定はしないが、本発明に最も密接に関係している以下の特許に教示されている発明を含む。

米国特許第５，９９８，９２５号は、ＹＡＧベースの蛍光体を使用して窒化物半導体から発光された青色光を黄色光に変換するシステムを説明している。
当業技術のシステム及び発明は、特定の目標及び目的を達成するために設計され、これらの一部には顕著なものがあるが、これらの発明は、現在可能な新しい方法にそれらを使用することを妨げる限界を有している。当業技術の発明は、本明細書で以下に教示する本発明の利点及び目的を達成するのに用いられず、また、用いることができない。

米国特許第５，９９８，９２５号

ここで、Ａｂｒａｍｏｖ、Ｖ．Ｓ．他の発光材料の組成物、より正確には光の波長をシフトするように作動するものを含む白色発光照明システムの発明を説明する。これらの組成物の主な機能は、色温度及び演色評価数特性の改善を有する白色光システムを提供することである。それは、新しい組成物で達成することができる色温度及び演色評価数を提供しないシステムである従来技術の方法及び装置とは対照的である。

本明細書で以下に教示するシステムは、従来の白色ＬＥＤシステムの欠点を排除するものである。注意深い設計及び応用により、改善した波長シフト機構を使用して好ましい測定基準を有する白色ＬＥＤを形成する。例えば、ここで教示するＬＥＤは、２，５００Ｋから１１，０００Ｋの色温度を有することができる。更に、これらは、効率の改善により高出力を有する。更に、呈示する技術は、製造の簡素化を可能にし、コスト低減が伴っている。

高性能材料組成物、すなわち、蛍光体の部類は、広帯域ＬＥＤシステムで見られる属性及び目的とよく一致して協調することが見出されている。蛍光体のこれらの部類は、「ＹＡＧ蛍光体」として特性付けることができる。より具体的には、これらは、二重活性剤を有するＹＡＧ蛍光体である。更に、これらの蛍光体組成物は、特別な媒体又は「結合剤」内で適正に調製されて適正に分配された時に、同様の白色ＬＥＤ設計では見られない優れた性能特性を有する。特に、上述の組成物は、精密かつ制御可能にスペクトル中に位置する２つの１次ピークを有するスペクトルを生成することになる。最良の高輝度ＬＥＤ半導体、すなわち、青色ダイオードの発光波長に鑑みて、スペクトルは、協調して標準比色分析技術によって測定されるような好ましい白色スペクトルを生成する。

本発明の主な目的は、２次放射に用いるための新しい組成物を提供することである。
本発明の目的は、青色又はＵＶ発光ダイオードの波長をシフトアップするための蛍光体組成物を提供することである。
更に別の目的は、白色発光の改善ために好ましい発光特性を有する特別に調合した組成物を提供することである。

好ましい実施形態の詳細な説明及び添付の図面を参照して理解を深めることができる。図示の実施形態は、本発明を実施するための特定の方法であり、可能な全ての方法を含むものではない。従って、特許請求の範囲によって示す本開示の精神及び範囲から逸脱せず、かつ特定の実施例として本明細書に現れていない実施形態が存在する場合がある。多数の代替バージョンが可能であることは認められるであろう。
これらの本発明の上記及び他の特徴、態様、並びに利点は、以下の説明、特許請求の範囲、及び図面に関して理解が深まるであろう。

本発明の好ましい実施形態の各々によれば、白色スペクトル出力を形成するために高エネルギＬＥＤの波長シフトのための組成物が提供される。説明する実施形態の各々は、組成物及び装置を含むこと、並びに１つの好ましい実施形態の組成物及び装置は、別の実施形態の組成物及び装置と異なる場合があることは認められるであろう。
ダイオード半導体及び独特の蛍光体に基づく広帯域発光光源は、本発明に対する基礎を形成する。特に、ＹＡＧベース蛍光体は、高エネルギ発光ダイオードと組み合わされる。ダイオード、すなわち、半導体チップは、電気的、機械的、及び光学的支持体を有する基板に取り付けられる。半導体チップ上には、少なくとも部分的に蛍光体粒子から成る材料を付加し、チップの上にコーティングを形成する。半導体から発光された光の一部分は、蛍光体と相互作用し、それを高エネルギ状態に励起する。蛍光体は、この励起状態に留まらず、むしろ、放射性及び非放射性エネルギ遷移を通じて基底状態に減衰して戻る。より長い波長での再発光は、蛍光体エネルギ減衰の自然な部分として発生する。これらのより長い波長は、スペクトル内の異なる色として感知される。いくつかの色を一緒に混合することにより、白色出現システムを作り出すことができる。

白色ＬＥＤを生成するために、特別な種類の蛍光体が必要である。多くの種類の蛍光体が様々な色を発光するために通常用いられるが、一般的な蛍光体は、これらが容易に励起されないのでダイオードシステムには用いることができない。一般的な蛍光体は、これらがこれらの処方された色で再発光することになるエネルギでこれらを十分にポンピングするために高エネルギ電子入力を必要とする。ＬＥＤに対しては、光子入力によってポンピングされる蛍光体が必要である。これらは、その再発光波長がポンプ波長に非常に近いので、極めて特別であり高効率である。

この方式で反応する１つの特別な部類の蛍光体は、ＹＡＧベース蛍光体である。イットリウム−アルミニウム−ガーネット、すなわち、ＹＡＧは、一部の高効率蛍光体の基礎を形成する材料である。ＹＡＧ蛍光体は、光子入力により、特に正確に又は約４５０ナノメートルの波長を有する青色光によりポンピングすることができる。これらの蛍光体は、約５５０ナノメートルでスペクトルの黄色部分において光を再放射することになる。

ダイオードで放出された青色光の全てが黄色光に変換されるわけではない。青色光の一部が吸収及び再発光されずにコーティングを通過する時に変換が起こることになる限定的かつ有限の確率が存在する。これは設計によるものである。観察者が素子から光を見ると、青色光及び黄色光が同時に見える。青色光は、蛍光体相互作用がなかったチップからの直接の光であり、黄色光は、蛍光体再発光作用からのものである。ヒトの観察者に対して、これは「白っぽく」見える傾向にある。蛍光体の密度が大きすぎる場合、素子出力は殆ど黄色になり、不十分な量の青色になることになる。蛍光体が少なすぎる場合、出力光は、過度に青色になることになる。
いずれの場合も、光は、「冷たい」外観、すなわち、青みがかった白色を有する白色のように見える。これは、赤色、すなわち、暖色の不足を考慮すると容易に理解される。青色発光チップ及びＹＡＧベース蛍光体に基づく白色ＬＥＤシステムは、低い色温度の光出力を有する傾向にある。これは、必ずしも望ましいものではない。

これらの素子の色温度を改善する試みが為されてきた。蛍光体の化学的性質を調節することにより、再発光スペクトルをより長い波長の方へシフトさせることができる。特に、蛍光体組成物中のガドリニウムに対するイットリウムの比率操作することにより、再発光曲線のピークは、より長い波長の方へ僅かに移動され、それによってより暖い白色光出力を生成する。大きなシフトは不可能なので、このソリューションは、暖い色調を有する白色光を生成するには効果がない。
代わりに、ＹＡＧ蛍光体は、第２の活性剤成分を付加することによって操作することができる。当業技術のＹＡＧ蛍光体は、一般的にセリウムで活性化される。スペクトルの黄色部分におけるピーク発光は、セリウム活性剤に起因するものである。スペクトルの赤色部分の発光ピークを刺激するために、第２の活性化元素を付加することができる。

この目的のために、セリウム及びプラセオジムである２つの活性剤のＹＡＧ蛍光体を最初にここに呈示する。セリウム及びプラセオジムの両方を通じて活性化されたＹＡＧ蛍光体は、極めて独特のスペクトル出力を含む。スペクトルは、約６１０ナノメートルでプラセオジムに起因する赤色ピークを含む。見た時には、赤色−黄色−青色の組合せは「白色」に見える。それは、従来のＹＡＧ蛍光体の冷白色のようなものではなく、むしろより暖かくより快いものである。付加されたプラセオジムは、青色発光体からより多くのエネルギをスペクトルの赤色部分のより暖いより長い波長に結合する。このようにして、単なるガドリニウムの操作、すなわち、黄色スペクトルシフトで達成できないより暖い色温度を達成することができる。

これをより十分に認めるためには、図１のスペクトルに注意を向ける必要がある。図１は、第１の活性剤がセリウムであり、第２の活性剤がプラセオジムである二重の活性剤を有するＹＡＧ蛍光体と併せて青色発光半導体からのスペクトル出力を示している。放射エネルギ１は、波長２に対してプロットされている。スペクトルは、窒化物半導体チップの自然発光波長に起因する４５０ナノメートルでスペクトルの青色領域内に第１のピーク３を有する。これは、波長シフト媒体をそれと相互作用しないで通過する光を表している。第２のピーク４は、スペクトルの黄色／緑色領域内の約５５５ナノメートルに現れる。このピークは、セリウムによる蛍光体活性化に起因する。約６１０ナノメートルにおける第３のスペクトルピーク５は、第２の活性剤プラセオジムの結果である。更に、スペクトルの赤色部分には、一部の第２のスペクトル活動６（小さなピーク）が観察される。

比較のために、図２は、セリウムによってのみ活性化され、青色窒化物ダイオードでポンピングされたＹＡＧ蛍光体である従来技術のスペクトルを示している。スペクトルは、半導体放射に直接起因する青色光のピーク２１を含む。第２のピークは、蛍光体構成成分の化学的比率の調節の結果、範囲２２に関して可動である。プロットには、明らかに、赤色領域２３、すなわち、６２０ナノメートルよりも大きい波長で殆ど又は全く活動がない。

図３は、説明した青色発光ダイオード及び二重活性化蛍光体の組合せによって表すことができる色を示す色度図である。三角形は、これらの原理に従って作られ、実際に実験室で測定された様々な実験的素子を示している。
発光体チップの正確な性質がスペクトル出力に影響を与えることになるということが認識されるであろう。青色発光チップの中心波長が約４５０ナノメートルであるのが好ましいが、これらの蛍光体は、約４１０から約４５０ｎｍの範囲の波長の光によって十分に刺激されることになる。二重活性剤蛍光体をこのような半導体発光体と組み合わせると、発光体は、蛍光体を光子的にポンピングし、黄色及び赤色成分の両方を有する２次放射を引き起こして好ましい白色ダイオードを形成する。当業技術の現在の状態に鑑みて、この波長範囲内で放射するように作動可能なダイオード半導体は、主としてタイプＩｎＧａＡｌＮの窒化物半導体として特性付けられる。

最も好ましいバージョンでは、蛍光体は、Ｇｄ_ZＹ_3-X-Y-ZＣｅ_XＰｒ_YＧａ₃Ａｌ₂Ｏ₁₂として表すことができ、式中、ｘ＝．００１−．１５、ｙ＝．０００１−０．０５、及びｚ＝．１−２．０である。好ましいレベルの強度を得るためには、適正な比率で活性剤を設定することが有用である。セリウムがプラセオジムの量の３倍から１０倍の量で存在すると、赤色ピークは、均衡した白色出力を生成するのに必要なエネルギ量を含有する。このような構成は、約５７５ｎｍ＝±５０ｎｍで第１のスペクトルピークを有するスペクトルをもたらすことになり、第２のスペクトルピークは、６３０＝±３０ｎｍにある。

これらの新しい蛍光体から最良の結果を得るために、これらは、蛍光体粒子及びソフトゲルから成る懸濁媒体中で用いる必要がある。ゲルは、加熱結合を助長し、更に、膨張における機械的緩和をもたらす。これは、例示的なシステムを示す図４を参照すると、更に容易に理解することができる。反射鏡４２を有するプラスチックレンズ／カバー要素４１が、基部４３に固定されている。窒化物半導体ダイオード４４は、ゲル材料５及びそこに分散された蛍光体粒子６から成る媒体の下に位置する。一部の蛍光体は、平均粒子が一辺約２ミクロン又はそれ未満の微細粉末で用いられるが、これらの新しく設計された蛍光体は、それらが大きな粒子の状態に形成された時により良く機能する。蛍光体形成工程においては、結晶が大きいままで残るように粉砕が達成される。平均では、一辺が１０ミクロンほどの大きさになる。このようにして、好ましい断面及び分散特性が観察される。更に、蛍光体に対するゲルの高比率が好ましいことが実験を通して見出されている。ゲルが蛍光体に対して重量で７０％混合されると、好ましい相互作用断面がもたらされ、より均衡した白色出力を生じる。他の有用なバージョンは、９０％ゲル及び１０％蛍光体を使用して波長シフトアマルガムを形成するものを含む。分散問題がそれほど重要でない一部のバージョンでは、蛍光体粒子は、一辺の平均サイズが約２．５ミクロンを有するより微細粉末に粉砕することができる。

ゲルと蛍光体の間の屈折率比も、最良バージョンに調整することができる。蛍光体の屈折率は、その成分を変えることにより、特にガドリニウムに対するイットリウムの濃度を変えることにより調節され、約１．９から２．０の蛍光指数を生じる。ゲルは、約１．４から１．７の屈折率で調製することができる。ｎ_蛍光体：ｎ_ゲルの比が減少すると、強度は減少に従う。最高性能のバージョンでは、この比率は、好ましくは１．１から１．４である。

この時点で、色温度調整可能性及び分散特性の改善された好ましい広帯域白色発光システムを達成する方法が十分に認められるであろう。本発明者は、明確かつ簡明な言語により、かつ本発明者によって予想される最良のモードを含むそのある一定の好ましいバージョンを参照してかなり詳細に説明したが、他のバージョンも可能である。従って、本発明の精神及び範囲は、本明細書に含まれる好ましいバージョンの説明によって限定されるのではなく、むしろ特許請求の範囲によって限定されるべきである。

極めて独特の発光特性を示すスペクトル図である。 従来の手法におけるスペクトルの差を示す従来技術の図である。 サンプルデータからプロットした一般的軌跡を示す色度図である。 材料分布に対するソリューション及び協調する元素との関係を示す図である。

符号の説明

４１ プラスチックレンズ／カバー要素
４２ 反射鏡
４４ 窒化物半導体ダイオード

Claims (15)

1. 二重活性剤を含むことを特徴とするイットリウム−アルミニウム−ガーネットＹＡＧ蛍光体材料組成物。
2. 約．３から約．４８ミクロンのスペクトル範囲で光を放射するように配置された半導体発光ダイオードと組み合わせたことを特徴とする請求項１に記載の蛍光体組成物。
3. 前記半導体発光ダイオードは、窒化物ベースの半導体であることを特徴とする請求項２に記載の蛍光体組成物。
4. 前記二重活性剤は、Ｃｅ及びＰｒであることを特徴とする請求項３に記載の蛍光体組成物。
5. 化学式：Ｇｄ_ZＹ_3-X-Y-ZＣｅ_XＰｒ_YＧａ₃Ａｌ₂Ｏ₁₂によって表されることを特徴とする請求項４に記載の蛍光体組成物。
6. ｘ＝．００１−．１５、
   ｙ＝．０００１−０．０５、及び
   ｚ＝．１−２．０、
   であることを特徴とする請求項５に記載の蛍光体組成物。
7. 前記活性剤は、比Ｃｅ：Ｐｒが約３〜１０の間で提供されることを特徴とする請求項６に記載の蛍光体組成物。
8. シリコンゲルの結晶粒子懸濁コロイド組成物として調製されることを特徴とする請求項４に記載の蛍光体。
9. 前記粒子の平均サイズは、一辺が１０ミクロンよりも大きいことを特徴とする請求項８に記載の蛍光体組成物。
10. 組成物全体が、約３０％の蛍光体及び７０％のゲルを含むことを特徴とする請求項９に記載の蛍光体組成物。
11. 前記蛍光体粒子は、２．５ミクロン以上の平均粒径であることを特徴とする請求項８に記載の蛍光体組成物。
12. 前記蛍光体及び前記ゲルの各々は、関連の屈折率を有し、屈折率の比ｎ_蛍光体：ｎ_ゲルは、約１．１−１．４の間であることを特徴とする請求項８に記載の蛍光体組成物。
13. 約５７５ｎｍ＝±５０ｎｍで第１のスペクトルピークを有し、
    第２のスペクトルピークは、６３０＝±３０ｎｍにある、
    ことを特徴とする請求項１に記載の蛍光体組成物。
14. 前記第１のスペクトルピークは、広帯域を有するとして特徴付けられ、
    前記第２のスペクトルピークは、前記第１のピークよりも著しく小さい狭帯域を有するとして特徴付けられる、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の蛍光体組成物。
15. 発光ダイオードが、４５５±１０ｎｍのスペクトル範囲で光を放射するように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の蛍光体組成物。

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