JP5670745B2 - Ｌｅｄ用の光学セラミックにおける、制御された多孔による光の散乱 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも1つの発光ダイオードと、少なくとも1つの波長変換物質を有する少なくとも1つの多孔性のセラミックエレメントとを有する発光デバイスに関し、前記セラミックエレメントは、前記発光ダイオードからの光を受光するために配置されている。本発明は、当該発光デバイスの製造方法、及び多孔性セラミックエレメントの製造方法にも関する。

発光ダイオード（LED）を有する半導体発光デバイスは、現在利用可能な最も効率の良い、強力な光源の1つである。照明は白色の光源、特に高い演色性がある白色光源を必要とする。照射源としてLEDを用いた白色光を発する照明システムを作るために、さまざまな試みが成されてきた。

白色光を得る1つの方法は、青色LEDを使用し、発された光の一部を、例えば改質されたYAG：Ce系蛍光体などの波長変換材を介して、（約580 nmの波長スペクトルの）黄色光に変換することである。黄色光は、目の赤色及び緑色のレセプタを刺激するので、結果として生じる青色光及び黄色光の混合光は、白色の外観を与える。

通常これは、LED上に蛍光体含有材、即ち、LEDによって発された光の一部が蛍光体によって吸収され、吸収された光とは異なる波長の光として発される波長変換物質をアレンジすることによって行われる。

しかしながら、斯様な構成に付随する1つの問題は、形成された光の色の均一性である。波長変換物質の変換度は、活性体コンテンツ（例えばYAG：CeのCe）と、セラミックエレメントを通過して進む青色光の光路長とによって制御される。この光路長は、波長変換物質の厚みと、散乱性とに依存している。通常、セラミックエレメントは、青色光を端の方へと導く。この向きでは、光路長は、光が垂直方向に現出するよりも、非常に長いので、より高い変換率が得られ、これは、より大きな角度で見た場合、いわゆる「黄色のリング」の形成を結果として生じる。

黄色のリングの形成の問題を解決するため、及び均一な色効果を得るために、散乱特性が、セラミックエレメントに導入されなければならない。

国際特許公開公報WO 2006/097876は、多結晶セラミック構造の蛍光体の使用と、同蛍光体を具備し、蛍光体粒子の複合構造が、多結晶セラミック・アルミナを有するマトリックス内に埋め込まれたLEDを有する発光素子の使用と、を説明している。

国際特許公開公報WO 2006/097876は、色の均一性が、光散乱を導く孔と、第2の相とを導入することによって実現される、と述べている。多孔率は1％を超えてはならず、孔のサイズは、例えば300nm未満、好ましくは50nm以下に、小さく保たれなければならない。

セラミックでは、多孔性は、従来、安定で完全に高密度なセラミック体の形成を回避するために、プロセスの中間段階で、焼結を止めることによって得られる。斯様なプロセスに固有なのであるが、小さな温度差が、色変換度、従って色の均一性に帰結する大きな密度変動（及び多孔率の変動）を生じさせることがあり得るので、多孔率の特定のレベルの制御は困難である。斯様なセラミックエレメントは、大量生産には不適当である。

これ故、デバイス周辺での黄色のリングの形成を回避し、製造の際、所望する多孔率を実現するための、より制御された、強固なプロセスが可能である、大量生産を可能にする、容易で安価な発光デバイスを提供するニーズが、従来技術において存在する。

本発明の1つの目的は、少なくとも部分的に上述のニーズを満たし、特に、発光デバイスの周囲に現れる黄色のリングの形成を生じる光の出射が回避される、高い色均一性を有する光を発する発光デバイスを提供することである。

本発明の別の目的は、製造が容易で、安価であり、これにより大量生産を可能にする、斯様な発光デバイスを提供することである。

本発明のこれらの目的及び他の目的は、添付の請求項による発光デバイスと、当該デバイスの製造方法とによって実現される。

したがって、第1の態様では、本発明は、少なくとも1個の発光ダイオードと、少なくとも1つの多孔性セラミックエレメントとを有する発光デバイスに関する。多孔性のセラミックエレメントは、少なくとも1つの波長変換物質を有し、（複数の）発光ダイオードからの光を受光するよう配置される。当該セラミックエレメントは、2μmから10μmまでの平均孔径をもつ。

本発明のデバイスでは、LEDによって斜角で発された光が、多孔性セラミックエレメントに入り、当該エレメントに形成された孔によって散乱される。孔は散乱中心として機能し、結果として、青色の一次照射光と黄色の二次照射光とが均一に混合される。これ故、均一な色効果が得られ、デバイスの端に生じる黄色のリングの形成が回避される。

2μmから10μmまでの平均孔径の範囲が、所望の散乱効果を提供し、これによって結果として均一な発光を生じる。この平均孔径範囲が有する別の長所は、制御された多孔が、製造工程の焼結ステージの間に得られることができる点である。通常、これはクリチカルなステップである。何故ならば、説明された範囲の直径よりも小さな孔を、焼結の後にセラミック体が維持するのは困難だからである。

本発明の実施例では、セラミックエレメントは、5μmから10μmの平均粒径をもつセラミック粒子から形成される。

上述の粒径をもっているセラミック粒子から形成されるセラミックエレメントでは、平均孔径は、好ましくは2μmを超える。これは、焼結の際の孔の維持が、約2μm未満の孔は維持するのが難しいので、困難で面倒であるという事実に起因する。他方、平均直径が10μmを超える場合、大部分の光は後方へと、すなわち（複数の）発光ダイオードの方へと散乱し、光の出力効率が低下する。

これゆえ、本発明による2μmから10μmの平均孔径は、実現された色の均一性と、後方散乱に起因して低下する光効率との間の妥協点を提供する。

上述の平均直径範囲の孔によって得られた散乱効果は、角度に対する色の均一性及び発光効力が依然として十分である、青色光から黄色光への強化された変換を結果として生じる。

好ましくは、前記セラミックエレメントの孔径は、2μmから5μmである。この範囲内であれば、後方散乱に起因する光損失が、更に減じられる。

本発明の一実施例では、セラミックエレメントの多孔率は、体積で1.5%から5％である。この範囲内の多孔率は製造の際に容易に得られ、最終ステージでの焼結の間も一定に留まる。更に、1.5％から5％の多孔率の間隔（範囲）は、所望する散乱を生じ、発光デバイスの周囲に現れる黄色のリングの防止になる。

第2の態様において、本発明は、発光デバイスを製造する方法に関する。当該方法は、
a) 少なくとも1つの波長変換物質をもつセラミック粒子、及び2μmから10μmの直径を有する重合体粒子を有するスラリを設けるステップと、
b) セラミック体を前記スラリから形成するステップと、
c) 2μmから10μmの平均孔径をもつ多孔性セラミックエレメントを形成するために、前記重合体粒子を前記セラミック体から除去するステップと、
d) 前記多孔性セラミックエレメントを、少なくとも1個の発光ダイオードからの光を受光するために、配置するステップと、を含んでいる。

本発明による方法は、実行するのが容易で、安価でもあり、これによって、発光デバイスの大量生産を可能にする。

本発明による方法に伴う重要な長所は、焼結セラミック体の多孔率を制御することによって、所望の散乱を目標とする点である。したがって、制御された多孔率は、部分的な焼結を使用する必要性を回避する、最終ステージの焼結によって実現されることができる。

本発明による方法は、多孔率（及び散乱特性）を、必要とされる量へと正確に操舵することを可能にする。

本発明の実施例では、セラミック粒子は、5μmから10μmの平均粒径をもつ。

本発明の好ましい実施例では、重合体粒子は、セラミックエレメント内に、基本的に同じ平均直径をもつ孔を形成するよう、2μmから5μmの平均孔径をもつ。この範囲内では、より少ない光が、後方散乱に起因して失われるに過ぎない。

実施例では、重合体粒子は、例えばポリスチレン又はポリアクリレートを有する。斯様なポリマは、容易に分散されることができ、熱処理にて完全に除去可能である。

上記の方法において、重合体粒子は、前記（生の）セラミック体を1000℃までの温度で熱処理を受けさせることによって除去される。これにより、重合体粒子及び結合材は、あるとしても、セラミック体から除去される。

ステップc）で得られた多孔性セラミックエレメントは、次に、1000℃を上回る温度で熱処理を受け、安定で、2μmから10μmまでの平均孔径をもつ、最大まで密度を高められた多孔性セラミックエレメントが形成される。このプロセス・ステージの間、セラミック粒子が一緒に融着されるよう、混合物が焼結される。よって、2μmから10μmまでの平均孔径をもつ孔を有し、強く、最大まで密度を高められた最終的なセラミックエレメントが、これにより形成される。

このように、本発明は、所望する多孔率を実現するための非常に強力なプロセスを提供しており、この結果、焼結セラミック蛍光体内で、調節された散乱レベルが実現されることができる。

第3の態様において、本発明は、
− 少なくとも1つの波長変換物質をもつセラミック粒子、及び2μmから10μmの直径を有する重合体粒子を有するスラリを設けるステップと、
− セラミック体を前記スラリから形成するステップと、
− 2μmから10μmの平均孔径をもつ多孔性セラミックエレメントを形成するために、前記重合体粒子を前記セラミック体から除去するステップと、を含んでいるセラミックエレメントの製造に関する。

斯様なセラミックエレメントは、前もって製造されることができ、発光デバイスを形成するために、後ほど、発光ダイオード上に配置されることができる。これは、本発明の発光デバイスの大量生産を容易にする。

本発明のこれらの態様及び他の態様が、これ以降説明される（複数の）実施例を参照して、明らかになり、解明されることであろう。

本発明による発光デバイスを例示している概観図を示す。 従来のセラミックエレメントを有する発光デバイスに対する、観察角度を関数とした、色座標v'の偏移を示す。 多孔性のセラミックエレメントを有する本発明の発光デバイスに対する、観察角度を関数とした、色座標v'の偏移を示す。 本発明によって発光デバイスを製造する方法を例示する。 本発明による製造方法に従ってはいない焼結の後の、セラミックエレメントの微細構造を例示する。 本発明による製造方法に従った焼結の後の、セラミックエレメントの微細構造を例示する。 重合体粒子の濃度に応じたセラミック多孔性エレメントの多孔率を例示する。 重合体粒子の濃度に応じたセラミック多孔性エレメントの透過率を例示する。

本発明は、少なくとも1個の発光ダイオードと、少なくとも1つの波長変換物質を有する少なくとも1つの多孔性セラミックエレメントとを有する発光デバイスに関する。本発明は、当該発光デバイス及び当該多孔性セラミックエレメントの製造方法にも関する。

本発明による発光デバイス100の一実施例が、図1に例示されている。発光デバイス100は、少なくとも1個の発光ダイオード101と、少なくとも1個の多孔性のセラミックエレメント102とを有する。当該多孔性セラミックエレメント102は、発光ダイオード101からの光を受光するよう配置されている。セラミックエレメント102は、2μmから10μmの平均孔径を特徴とする、セラミックの微細構造をもっている。

多孔性セラミックエレメント102は、（複数の）発光ダイオード101によって発された光を受光し、この光をより長い波長の光へと変換する。

多孔性セラミックエレメント102は、波長変換エレメントとして機能し、独立した部品である。斯様な独立した部品であるセラミックエレメントは、バルクで大量生産されることができ、当該エレメントに有する孔を完備しており、次に後のステージで、本発明の発光デバイスに配置される。更にまた、当該セラミックエレメントは、温度、酸化、及び照射光に対して安定であり、熱、酸素、及び/又は光に晒された場合でも劣化することはない。本発明のセラミックエレメントは、波長変換エレメントへの光の結合を増大させる高屈折率をもっている。

通常、多孔性のセラミックエレメントは、基本的に半透明である。

好ましくは、LED 101は青色光を発しているLEDであり、セラミックエレメント102は、青色光を吸収し、黄色光を発光するよう適応されている。変換されてはいない青色LEDの光と、黄色に変換された光とが混合された光は、白色効果を与える。

セラミック体内で孔103と接触すると、光は（図1の矢印で例示される）種々異なる方向へと散乱され、新しく作られた光104は、多孔性セラミックエレメント103内にある波長変換物質によって均一な色効果が得られるよう、効率的に変換された。

本発明の実施例では、セラミックエレメントは、5μmから10μmの平均粒径をもつセラミック粒子から形成される。

孔103の平均直径は、したがって、2μmから10μmの範囲の中になければならない。孔があまりに小さい場合、即ち約2μm未満である場合、セラミックエレメントが安定なままであること、即ち、高温での焼結が行われる製造工程の最終ステージの間に孔を保持することは困難である。2μm以下の平均直径を有する孔は、このステージの間に、消えてしまう可能性がある。

しかしながら、孔103があまりに大きいと、即ち、10μmよりも大きい場合、LED 101によって発された光は逆方向、即ち（複数の）発光ダイオード101の方向に散乱される可能性があり、結果として光の損失と、デバイスの効率の低下とを生じる。

したがって、孔の数及びサイズを増加させることによって実現される色の均一性と、後方散乱に起因して低下する光効率との間で妥協点を見いだすことが基本である。

上で説明した2μmから10μmの目標平均孔径範囲は、この問題を解決し、製造の間、セラミックエレメント内で孔を維持すると共に、散乱にも最適である。したがって、図2に例示されている黄色のリングの形成も防止される。

多孔性のセラミックエレメントを有する発光デバイスは、ほぼ一定の色座標値v'を、観察する角度にわたって提供する（図2b）が、従来のセラミックエレメントを有する発光デバイスは、大きな観察角度では、より高いv'をもつことを特徴とする（色が、より黄色がかったようにみえる）。

本発明による発光デバイスの多孔性セラミックエレメントは、セラミックを製造する手順の間、正確に調節され制御されることができる。

好ましい実施例では、多孔性のセラミックエレメントの平均孔径は、2μmから5μmである。この範囲内では、後方散乱に起因して失われる光は少ない。

本発明の実施例では、セラミックエレメントの多孔率は、1.5％から5％の間にある。この範囲内の多孔率は製造の際に容易に得られることができ、最終ステージの焼結の間も一定に留まる。更にまた、1.5％から5％の多孔率の間隔（範囲）は、結果として所望する散乱性を生じ、発光デバイスの周囲に現れる黄色のリングの防止となる。

本願明細書で使用しているように、「多孔率」という用語は、孔によって占められる部分の総体積の割合を表している無次元数として規定される。

本発明のセラミックエレメントは、従来技術でこれまで使用されているどのような波長変換物質を有してもよい。通常、Ce^3＋でドーピングした、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（YAG、基本分子式：Y₃Al₅O₁₂）タイプの蛍光体が用いられている。好ましくは、波長変換物質は、無機の波長変換物質である。例にはYAG：Ce（YAG（Gd））：Ce（基本分子式：（Y，Gd）₃Al₅O₁₂）、LuAG：Ce（基本分子式：Lu₃Al₅O₁₂）、Sr-SiNO：Eu（酸化窒化物蛍光体）、又は（BaSr）SiN：Eu（窒素化合物蛍光体）ベースの材料、及びこれらの2つ以上のものとのどのような組合せも含むが、これらに限定されることはない。

実施例では、セラミックエレメントは、複数の波長変換物質を有する。

本願明細書で使われている「波長変換物質」という用語は、第1の波長をもつ光を吸収し、より長い第2の波長をもつ光の発光を生じる材料を指す。光の吸収が発生すると、材料内の電子が、より高いエネルギ・レベルへと励起される。より高いエネルギ・レベルからの緩和があると、過剰なエネルギが、吸収された波長よりも、より長い波長をもつ光の形態で材料から放出される。よって、この用語は、蛍光波長変換及び発光波長変換の両方に関する。

本発明は、
a) 少なくとも1つの波長変換物質をもつセラミック粒子、及び2μmから10μmの直径を有する重合体粒子を有するスラリを設けるステップと、
b) セラミック体を前記スラリから形成するステップと、
c) 2μmから10μmの平均孔径をもつ多孔性セラミックエレメントを形成するために、前記重合体粒子を前記セラミック体から除去するステップと、
d) 前記多孔性セラミックエレメントを、少なくとも1個の発光ダイオードからの光を受光するために、配置するステップと、を含んだ、発光デバイスの製造方法にも関する。

本発明では、前記スラリは、波長変換物質であるセラミック粒子と、2μmから10μmの平均直径をもつ重合体粒子と、必要な場合、他の何らかの適切な物質、例えば結合剤、分散剤、泡止め剤、離型剤、及び/又は可塑剤と、を混合することによって提供される。セラミック粒子の平均サイズは、通常5μmから10μmである。

これまでに説明したように、多孔性のセラミックエレメント内で、所望する散乱効果を可能にし、製造の際にデバイスの多孔率が制御されることを可能にするので、2μmから10μmの範囲内にある平均孔径が好まれる。製造工程の中間ステージで焼結を止める従来の方法は、特定の多孔率のレベルの制御、又は特定の平均孔径の制御を可能にすることはない。これは、焼成の間の僅かな温度差が、色の均一性に関連をもつ、多孔率の大きなバリエーションを生じることがあり得るという事実に起因する。例えば焼結温度を低下させることによる部分的な焼結は、主として産業焼結炉に対する温度勾配に起因して、試料の焼結バッチ中の多孔率の大きなバリエーションに至ることがあり得、単一の試料上でさえ、大きなバリエーションにつながることがある。

2μmから5μmの平均直径をもつ重合体粒子が、本発明の特に好ましい実施例を形成する。

本発明の実施例では、重合体粒子はポリスチレン又はポリアクリレートを有するが、しかし、本発明が、これらに限定されることはない。水又は有機溶剤中で懸濁されるどのようなポリマも、本発明で用いられることができる。

セラミック体が、この後、最初に重合体粒子を有するセラミックのスラリを粒状化することによって形成され、次に、セラミック体、即ちセラミックの波長変換物質を有するウェーハを形成する。斯様なセラミック・ウェーハを形成するどのような従来の方法、例えば押圧、スリップ鋳造、テープ鋳造、ローラープレス、押し出し、又は注入成形も、用いられることができる。

オプションで、セラミック・ウェーハは、セラミック体内に留まっている何らかの液体を除去するために乾燥させてもよい。

重合体粒子は、この後、（生の）セラミック体に熱処理を受けさせることによって除去される。重合体粒子を「除去する」という用語は、重合体粒子が熱処理の結果として分解される、又は酸化されることを意味する。よって、重合体粒子は、開孔部を当該粒子のあった場所に残して、セラミック体から基本的に消える。

図3に例示するように、セラミック体、即ち重合体粒子301を有するセラミック・ウェーハ300は、多孔性のセラミックエレメント302が形成されるよう、熱処理を受ける。多孔性セラミックエレメント302は、2μmから10μmの平均孔径を有する孔303を有している。これらの孔は、熱処理の後も残る。

通常、この熱処理は、使用されるポリマの分解温度又は酸化温度に応じて、1000℃までの温度、好ましくは500℃までの温度で実施される。このステップの間、重合体粒子301、及び上述のプロセスで加えられたいかなる結合材も、セラミック体300から除去されて、2μmから10μm、通常2μmから5μmの平均孔径をもつ孔303を形成する。

本発明による方法は、ステップ c）の後に、前記多孔性セラミックエレメントに、1000℃を超える温度で熱処理を受けさせる追加のステップを、通常有する。この熱処理があると、波長変換物質を有する、強く、最大まで高密度化された多孔性セラミックエレメントが形成される。通常、この熱処理は、1000℃を上回る温度、例えばYAG：Ceに対しては1600℃と1700℃との間の温度で実施される。このプロセス・ステップの間、セラミック粒子が一緒に融着されるよう、セラミック体が焼結され、これによって、強く、最大値まで密度が高められた最終的な多孔性セラミックエレメントを形成する。第2の熱処理、即ち焼結は、例えば空気中で、又は窒素雰囲気中で、又は他のどのような適切な焼結雰囲気中で実施されてもよい。

図4は、重合体粒子を用いない従来の焼結（図4a）と比較した、本発明の方法に従うセラミックエレメント（図4b）の微細構造の違いを例示している。図4bから分かるように、孔は、焼結ステップの後も残っている。

この後、ウェーハは、所望の厚みに研磨され、複数の多孔性セラミックエレメントへと、さいの目に切断も行われる。

当該多孔性セラミックエレメントは、次に、少なくとも1個の発光デバイス上に配置される。即ち、（複数の）発光ダイオードからの光を受光するために配置される。これは、上述のステップa）乃至ステップ c） の直後に行われる。代替的には、生成された多孔性セラミックエレメントは、LED上にこれらエレメントを配置する前に、しばらく保存される。

図5a及び図5bを参照すると、多孔性セラミックエレメントの多孔率、及び、よって同エレメントの透過率は、加えられた重合体粒子の量に依存している。図5a及び図5bは、多孔率が正確に調整されており、使われたテンプレートの量に対する計量レシピによって制御されていることを示している。

波長変換エレメントは、広く当業者に知られているように、通常接着層によってLEDからの光を受光するよう配置されている。本発明の更なる態様では、セラミックエレメントの製造のための方法が提案されており、斯様な方法は、
a) 少なくとも1つの波長変換物質をもつセラミック粒子、及び2μmから10μmの直径を有する重合体粒子を有するスラリを設けるステップと、
b) セラミック体を前記スラリから形成するステップと、
c) 2μmから10μmの平均孔径をもつ多孔性セラミックエレメントを形成するために、前記重合体粒子を前記セラミック体から除去するステップと、を含んでいる。

要約すると、本発明は、少なくとも1個の発光ダイオードと、（複数の）発光ダイオードからの光を受光するために配置された、少なくとも１個の多孔性セラミックエレメントとを有する発光デバイスに関する。本発明は、当該発光デバイスの製造方法、及び当該多孔性のセラミックエレメントの製造方法にも関する。

本発明が図及び前述の説明で例示され、詳細に説明された一方、斯様な例示及び説明は、例示的又は典型的であるとみなされ、拘束するものではなく、本発明は開示された実施例に限定されることはない。

開示された実施例に対する他のバリエーションが、図、開示物、及び添付の請求項の学習から、請求された本発明を実施する際に、当業者によって理解され、遂行されることができる。例えば、本発明は、青色LEDの使用に限定されることはない。加えて、種々異なる色及び波長の組合せを有する他のタイプのLEDが使われてもよい。

加えて、波長変換エレメントは、特定のタイプのLEDのアプリケーションに限定されることはなく、利用可能な全ての種類のLEDに適用されることができる。

波長変換物質を有するウェーハから波長変換エレメントを製造する方法は、特定のウェーハ厚、又はウェーハのサイズによって限定されることはなく、種々異なるアプリケーションに対して異なることができる。

更に、複数のLEDからの光を変換するために、単波長の変換エレメントが、複数の発光ダイオード上に配置されてもよい。

Claims (8)

1. 多孔性セラミックエレメントの製造のための方法であって、
   少なくとも1つの波長変換物質のセラミック粒子、及び2μmから10μmの直径を有する重合体粒子を有するスラリを設けるステップと、
   セラミック体を前記スラリから形成するステップと、
   2μmから10μmの平均孔径をもつ前記多孔性セラミックエレメントを形成するために、前記重合体粒子の分解又は酸化をもたらす熱処理を前記セラミック体に受けさせることによって、前記重合体粒子を、前記セラミック体から除去するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記セラミック粒子が、5μmから10μmの平均粒径をもつ、請求項１に記載の方法。
3. 前記重合体粒子が、2μmから5μmの平均直径をもつ、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記重合体粒子が、ポリスチレン又はポリアクリレートを有する、請求項１乃至３の何れか一項に記載の方法。
5. 前記熱処理が、1000℃までの温度で実施される、請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法。
6. 前記熱処理が、500℃までの温度で実施される、請求項５に記載の方法。
7. 前記重合体粒子を除去するステップの後、前記多孔性セラミックエレメントに、1000℃を超えた温度で熱処理を受けさせるステップを更に含む、請求項１乃至６の何れか一項に記載の方法。
8. 発光デバイスの製造のための方法であって、
   請求項１乃至７の何れか一項に記載の方法に従って多孔性セラミックエレメントを設けるステップを含み、
   前記多孔性セラミックエレメントを、少なくとも1つの発光ダイオードからの光を受光するよう、配置するステップを更に含む、方法。

Images