JP2010512014A - 照明デバイス、とりわけ発光セラミックを有する照明デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、たとえば青色ＬＥＤとされる能動層１１であって、第１の発光セラミック変換層１２により覆われており、かつ第２の発光セラミック変換層１３により一部が覆われている能動層１１を含む、照明デバイス１０に関するものである。第１および第２の変換層１２、１３は、能動層１１により発せられた一次光子λ_pを、それとは異なるより長い波長λ_１、λ_２の光子に変換する。第２の変換層１３の相対的な大きさを調整することにより、照明デバイス１０の色点を調整することができる。

Description

本発明は、能動発光層と、その能動発光層により発せられた光の波長を変換する少なくとも２つの変換層とを含む、照明デバイスに関するものである。

１つまたは複数の発光セラミック（ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｃｅｒａｍｉｃｓ）により覆われた発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む照明デバイスが、米国特許出願公開ＵＳ２００５／０２６９５８２Ａ１号に開示されている。この文献には、上記のようなデバイスであって、ＬＥＤにより発せられた光が第１および第２の発光セラミックを順次通過し、それらの発光セラミックによって一部の光がより長い波長へと変換され、そのより長い波長が当該デバイスの最終的な出射スペクトルに加えられるようなデバイスの、いくつかの設計態様が記載されている。したがって、綿密な手順により発光セラミックの組成を変化させることにより、この出射スペクトルを調整することができる。

上記の状況に基づき、本発明の１つの目的は、照明デバイスの代替設計を提供することであり、とりわけ、デバイスの出射スペクトルを、単純かつ再現性の高い手段により調整できることが望ましい。さらに、５０００Ｋよりも低い色温度と、高い演色評価数とを有する白色の出射光が、特に好ましい。

上記の目的は、請求項１に記載の照明デバイスにより達成することができる。好ましい実施形態は、従属請求項に開示されている。

本発明に係る照明デバイスは、以下の要素を含んでいる。
− 一次光子からなる光を発するための能動層。この能動層は、通常、第１の種類のエネルギー、たとえば電流または電圧により供給されるエネルギーを、光エネルギーに変換する。この能動層の発光は、典型的には、対応の波長（たとえばそのスペクトルがピークを有する波長）によって特徴付けられることの多い、特徴スペクトルを有している。
− 能動層により発せられた一次光子を異なる波長に変換するための、第１および第２の変換層。これは、第１の変換層が、一次光子を、より長い第１の波長の光子に変換することを意味する。同様に、第２の変換層は、一次光子および／または上記の第１の波長の光子を、上記の変換後の波長よりも長い波長であって上記の第１の波長とは異なる、第２の波長の光子に変換する。ここで、これらの変換は、典型的には多くの波長を包含するスペクトルを生成するが、その場合、「第１の」および「第２の」波長とは、それらのスペクトルの特徴値（たとえばそれらのスペクトルのピークまたは重心）を指す点に留意されたい。さらに、当該照明デバイスは、かかる第１および第２の変換層を少なくとも１つ含むべきものであり、したがってオプションとして２つより多くの変換層を有していてもよい。

この照明デバイスはさらに、一次光の一部が、上記の第２の変換層を通過することなく、（有用な光として）当該照明デバイスから出射することを可能とするように設計されている。第１の変換層に関しては、類似の条件は必須ではない（ただし禁止されてもいない）。このことは、いくつかの実施形態では、能動層の一次光のすべてが、照明デバイスから出射可能となるには第１の変換層を通過しなくてはならないことを意味する。ここで、「第１の」および「第２の」変換層という指定は、単に説明時の参照用の指定であって、何ら構成上、機能上、その他の前提または限定を示唆するものではない点に留意されたい。

照明デバイスから出射可能となるには能動層により発せられた一次光のすべてが存在するすべての変換層を通過しなくてはならないような照明デバイスに対し、上記で説明した照明デバイスは、出射光全体の中に、第２の変換層を通過しなかった一次光、すなわち第２の変換層による影響を受けていない一次光を、何割か含む。出射光のこの部分の割合は、照明デバイスの幾何学的な設計により調整することができる。かかる調整は、通常、たとえば変換層の化学組成や光学的厚さ（ここでいう光学的厚さは、伝播光の平均光路長により特徴付けられる）の調整と比較して、より容易であり、よりロバスト性が高く、かつより再現性が高い。

本発明の１つの好ましい実施形態によれば、第１および／または第２の変換層は、発光セラミックの変換物質を含むものとされる。最も好ましくは、両方の変換層は、一次光子を、より長く互いに異なる波長に変換するため、異なる組成の発光セラミックを含むものとされる。発光セラミックの変換物質は、機械的なハンドリング性が極めて良好であり、たとえば所望の形状および厚さに切断することができるという利点を有する。

第１および／または第２の変換層は、好ましくは、Y₃Al₅O₁₂:Ce (YAG:Ce)、Lu₃Al₅O₁₂:Ce (LuAG:Ce)、Ca-SiAlON:Eu［＝ (Ca_1-x-y-zSr_xBa_yMg_z)_1-nAl_1-a-c+bB_aGa_cSi_1-bN_3-bO_b:Eu_n、ただし 0 ≦ x, y, z ≦ 1、x+y+z ＜ 1、0 ≦ a ≦ 1、0 ＜ b ≦ 1、0 ≦ c ≦ 1、0 ＜ n ≦ 1］、 Ca-SiAlON:Ce［＝(Ca_1-x-y-zSr_xBa_yMg_z)_1-n Al_1-a-c+b+nB_aGa_cSi_1-b-nN_3-bO_b:Ce_n、ただし0 ≦ x, y, z ≦ 1 かつx+y+z ＜ 1、0 ≦ a ≦ 1、0 ＜ b ≦ 1、0 ≦ c ≦ 1、0 ＜ n ≦ 1、a+c-b-n ＜ 1］、CaS:Eu、SrS:Eu、BaS:Eu、Ca₂SiO₄:Eu、Ba₂SiO₄:Eu、Sr₂SiO₄:Eu、Ca₂Si₅N₈:Eu、Ba₂Si₅N₈:Eu、Sr₂Si₅N₈:Eu、SrSi₂O₂N₂:Euの物質からなる群であって、１つまたは複数の適切な置換因子との上記物質の固溶体、たとえば(Y,Gd)₃Al₅O₁₂:Ceまたは (Ca,Mg,Sr)(Al,B,Ga)SiN₃:Euを含み、かつ、アイソステリックなサブユニットの置換（たとえばBa₂Si_5-xAl_xN_8-xO_x:Euにおいて、たとえばSiN⁺に対してAlO⁺）を含む群から、発光および材料特性を調整するべく選択された材料を含むものとされる。これらおよび他の適切な発光セラミックに関するさらなる情報は、米国特許出願公開ＵＳ２００５／０２６９５８２Ａ１号および国際公開ＷＯ２００６／０９７８６８号に見出すことができる。これらの文献の内容は、参照により本明細書に組み込まれているものとする。ここで与えられる組成量はすべて、原子比を指すものである。

Euの含有率ｎが０＜ｎ＜０．００２（原子比）の範囲内にある組成に関しては、とりわけ高い演色評価数（ＣＲＩ）とＲ９値とを伴う（Ｒｉ値は、国際照明委員会（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ；ＣＩＥ）の定義に従う演色評価数を指す）、とりわけ高い色温度を実現することができる。

能動層は、原則として、所望の一次光を発するための任意の設計、構造および組成を有するものとすることができる。すなわち、能動層はたとえば、共鳴キャビティ発光ダイオード、レーザーダイオード、あるいは垂直キャビティ表面発光レーザーであってもよい。好ましくは、能動層は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むものとされる。

１つの好ましい実施形態では、能動層により発せられる一次光は、５００ｎｍよりも短い波長を有する光（すなわち青色または紫外（ＵＶ）光）から実質的になるものとされる。能動層により発せられる光強度の好ましくは５０％を超える量、最も好ましくは７０％を超える量が、かかる波長からなるものとされる。かかる短い波長を有する一次光からスタートすることにより、依然として可視光の範囲内にあるような、より長い波長への変換が可能となる。したがって、照明デバイスの相関色温度を、比較的広い範囲に亘って調整することができる。

オプションとして、当該照明デバイスは、全体として、５０００Ｋよりも低い相関色温度（ＣＣＴ）を持つ白色光の発光スペクトルを有するものとされる。高効率の白色光源は、多くの用途で必要とされている。したがって、本発明が提案する照明デバイスの設計がこれらの特徴の実現を可能とすることは、顕著な利点である。

全般的に、能動層、第１の変換層、および第２の変換層の構成は、多くの異なる構成態様とすることができる（図面を参照して説明する例を参照）。１つの好ましい設計群では、第１の変換層は、能動層の発光表面を完全に覆うものとされる。ここで、「発光表面」との用語は、能動層の表面の一部分であって、照明デバイスの出力に寄与する一次光が、能動層からの最終的な出射にあたって通過する部分を指すものとする。能動層は通常、あらゆる方向に等方的に光を発するが、（定義により）発光表面から出射しない光は、損失されるか、能動層内へと戻るように反射される。したがって、第１の変換層がこの発光表面を完全に覆う場合には、このことは能動層により発せられたすべての光子がそこを通過しなくてはならないことを示唆し、その際、典型的には、これらの光子の何割かのみがより長い波長の光子へと変換され、残りの割合分は影響を受けずに第１の変換層から出射する。しかしながら、本発明は、すべての一次光子が第１の変換層内で変換を受ける形態も包含する。

上記の設計群と好適に組合せ可能である別のオプションの設計群では、第２の変換層が、第１の変換層の発光表面の一部および／または能動層の発光表面の一部を覆うものとされる。ここでも、「発光表面」との用語は、上記と類似の意味で用いられている。第１の変換層および／または能動層の発光表面を覆う割合は、好ましくは１０％から９０％、最も好ましくは２０％から３０％の範囲内とされる。覆われる発光表面面積の割合を選択することにより、照明デバイスの全体の発光スペクトルを、望みどおりに容易に調整することができる。

本発明の別の実施形態では、第２の変換層の発光波長が、第１の変換層の発光波長よりも長い波長とされる。ここで、変換層の「発光波長」とは、一次光子に曝された際におけるその層の発光スペクトルの特徴値として規定され、とりわけ（通常存在する）スペクトルの発光ピークの波長として規定される。第２の変換層が第１の変換層よりも長い発光波長を有する場合には、原理上、（通常の）能動層の一次光だけでなく、第１の変換層により発せられる光も変換することができる。

本発明に係る１つの照明デバイスの概略上面図 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図 異なる複数の観察角度につき、図１に示したような照明デバイスの発光スペクトルを示した図 異なる複数の照明デバイスについて測定された、特徴データを示した表 図４に列挙された照明デバイスの、色座標（ＣＩＥ１９３１）を図解した図

本発明の上記およびその他の側面は、以下で説明される実施形態を参照することにより明らかとなる。これらの実施形態は、添付の図面により補助されながら、例として説明される。図中における類似の参照番号は、同一または類似の要素を指す。

白色発光ダイオードは、通常、一次的なＵＶまたは青色光を白色光に変換する蛍光体（すなわち発光材料）を用いた、加法混色によって作製される。青色光を緑色または赤色のスペクトル範囲に変換するためには、たとえば、YAG:Ce蛍光体を用いる方法が知られている。この組合せは、黒体ラインに近くにおいて、４５００Ｋよりも高い相関色温度（ＣＣＴ）（のみ）の実現を可能とする。この場合、演色評価数は、色温度と共に増加する。

低い色温度と良好な演色とを有するＬＥＤを作製するため、たとえば以下のような赤色発光蛍光体が、追加的に用いられる。
− CaS:Eu
− Ca-SiAlON:Eu = (Ca_1-x-y-zSr_xBa_yMg_z)_1-nAl_1-a-c+bB_aGa_cSi_1-bN_3-bO_b:Eu_n、ただし 0 ≦ x, y, z ≦ 1 、x+y+z ＜ 1、0 ≦ a ≦ 1、0 ＜ b ≦1、0 ≦ c ≦ 1、a+c-b ＜ 1、0 ＜ n ≦ 1
− Ca-SiAlON:Ce = (Ca_1-x-y-zSr_xBa_yMg_z)_1-n Al_1-a-c+b+nB_aGa_cSi_1-b-nN_3-bO_b:Ce_n、ただし 0 ≦ x, y, z ≦1、x+y+z ＜ 1、0 ≦ a ≦ 1、0 ＜ b ≦ 1、0 ≦ c ≦ 1、0 ＜ n ≦ 1、a+c-b-n ＜ 1
− BSSNE = EA_2-zSi_5-aAl_aN_8-bO_b:Eu_z 、ただし 0 ＜ a ≦ 4、0 ＜ b ≦ 4、0 ＜ z ≦ 0.2、かつEAはアルカリ土類金属群Ca、Sr、Baのうちの少なくとも１つ

実際には、１つより多くの蛍光体材料を粉体状で適用することは、極めて難しく、結果として低い効率と色温度調整の悪化とを招くことが分かっている。セラミック蛍光体部品を、粉体状の第２の蛍光体と共に用いることも好ましくない。なぜならば、蛍光体粉末はバインダー（通常はシリコーン）を含んでおり、このバインダーが、より高い温度において劣化および退色し、したがってデバイスの効率を低下させる可能性があるためである。さらに、これらのアプローチでは、粉体層の厚さの調整が難しいので、色点の適切な調整が困難である。そのため、５０００Ｋ未満の相関色温度、良好な演色（たとえばＲａ≧８０の演色評価数）、精確な色点調整、および高い効率を有するような、蛍光体変換型の照明デバイスが求められている。

上記の問題に対処するため、ここでは、異なる発光特性を有する第１および第２の発光セラミック変換層を用いて変換される、一次的な青色またはＵＶ光を発する能動層を使用し、これらの変換層のうちの少なくとも１つ（以下では定義により第２の変換層）が、能動層を一部のみ覆うようになすことを提案する。

この全般的な原則の１つの具体的な実施形態が、図面により示されている。図１および図２は、対応の照明デバイス１０の、１つの可能な幾何学設計を概略的に示している。このデバイス１０は、以下の要素を含んでいる。
− 波長λ_pの一次光子を発する能動層１１。波長λ_pは、典型的には≦４８０ｎｍである。この能動層１１は１つの固有のブロックとして描かれているが、専用のサブ構造を含んでいてもよい。とりわけ、この能動層１１は、隣接する（ｎ，ｐ）導体領域（図示せず）を伴って２つの電極間に挟まれた発光する半導体層を含む、青色発光ＬＥＤにより実現されてもよい。かかる青色ＬＥＤに使用可能な典型的な材料としては、たとえば、ｐ−ｎ接合を形成するためＭＯＶＰＥ処理により処理された、窒化インジウムガリウムアルミニウム層が挙げられる。所望の一次発光波長を生成するため、かかる材料系内におけるバンドギャップエネルギーが、組成により調整される（O.B. Shchekinほか、Appl. Phys. Lett. 89、071109（２００６年）、「High performance thin-film flip-chip InGaN-GaN light emitting diodes（高性能薄膜フリップチップ型InGaN-GaN発光ダイオード）」）。
能動層１１は、何らかのキャリア材料すなわち基板１４（たとえば薄いシリコンウェハまたは熱伝導性セラミック）上に、積層されてもよい。上面の「発光表面」を除く能動層１１のすべての表面は、一次光の損失を最低限に抑えるため、反射性コーティングを有していてもよい。
− 能動層１１の発光表面を完全に覆い、能動層により発せられた波長λ_pの一次光子を、より長い波長λ_１の光子に変換することのできる、第１の発光セラミック変換層１２。しかしながら、一次光子λ_pの一部は、影響を受けずに第１の変換層１２を通過することができる。図示の例における第１の変換層１２は、幅Ｂが約１ｍｍであるような正方形状をしている。この層１２の材料例としては、YAG:Ceが挙げられる。
− 第１の変換層１２の上面に積層されているが、第１の変換層１２の表面の一部のみを覆う、第２の発光セラミック変換層１３。第２の変換層１３は、能動層１１により発せられた波長λ_pの一次光子を、より長い波長λ_２（典型的には赤色スペクトル範囲内の波長）の光子に変換する。λ_２は通常λ_１よりも長いので、第２の変換層１３は、オプションとして、第１の変換層１２により発せられた光子λ_１をも、より長い波長λ_２に変換することも可能である。
この第２の発光セラミック変換層１３に適した１つの材料は、Ca-SiAlON:Euであり、これは入射光をほぼ完全に赤色光に変換する。第２の変換層１３は、典型的には、第１の変換層１２の表面積の約２５％を覆い、第１および第２の変換層１２および１３の典型的な厚さは、約１００μｍである。
接触するすべての表面は、好ましくは、典型的な厚さが約５μｍであり屈折率が１．３よりも大きい、シリコンのような透明な光学カップリング層を用いて貼り合わされる。

上記で説明した設計は、２００°Ｃを超える動作温度においてさえも安定な、（シリコーンバインダーを用いない）発光セラミック変換層材料のみを使って作製された、ウォームホワイト色の蛍光体変換ＬＥＤを実現する。この設計のさらなる１つの利点は、赤色に変換される光の割合が、本質的に、赤色光を発する第２の変換層１３の大きさにより決定される点である。この層の大きさは、数μｍの精度で極めて精確に決めることができるので、赤色光の割合、したがって照明デバイス１０全体の色点を、高い精度で調整することができる。

図３は、上記で説明したような照明デバイスに関し、異なる複数の観察角度α（図２参照）で観測された、波長（横軸）に依存する規格化放射輝度（縦軸）を示した図である。デバイス構成のその他のパラメータは、以下のとおりである。
− 能動層：青色ＬＥＤ
− 第１の発光セラミック変換層：YAG:Ce
− 第２の発光セラミック変換層：表面の２５％を覆うCa-SiAlON:Eu
− 動作電流：３５０ｍＡ
− 発光光束：３９．２ルーメン
− ＣＣＴ：３６１８Ｋ
− 演色評価数：Ｒａ＝８４
− 黒体ラインからの距離［ＣＩＥ１９６０色座標系］：Ｄｕｖ＝０．００９
− 色点［ＣＩＥ１９３１］：ｘ＝０．４０８１、ｙ＝０．４１４
− ルーメン等価数：ＬＥ＝３０６ルーメン／Ｗ

この図は、２つの発光セラミック層の放射の間の関係は、観察角度αにはわずかしか依存しないことを示している。

図４は、（３５０ｍＡのＬＥＤ動作電流において測定された）３つの異なる照明デバイスの特徴データを示した表である。３つの異なる照明デバイスとは、具体的には以下の３種類である。
− YAG:Ce発光セラミックのみによって覆われた青色ＬＥＤを有するデバイス（２列目）
− YAG:Ce発光セラミックによって覆われた青色ＬＥＤを有し、さらにその面積の２５％がCa-SiAlON:Eu発光セラミックを伴うデバイス（３列目）
− YAG:Ce発光セラミックによって覆われた青色ＬＥＤを有し、さらにその面積の５０％がCa-SiAlON:Eu発光セラミックを伴うデバイス（最後の列）

記号Ｒａ、Ｒ１、・・・Ｒ１４は、国際照明委員会（ＣＩＥ）の定義に従う演色評価数を示している。記号Ｗは、発せられた光の光学的パワー、すなわち発せられたルーメン単位の光束とルーメン等価数との比を示している。

図５は、上記の表の色点データ（４４０３Ｋ、３６１８Ｋ、２８５７Ｋに対応するデータ点）と、より高い電流１０００ｍＡにおいて測定されたデータ（４５０５Ｋ、３７００Ｋ、２９１８Ｋに対応するデータ点）とを、色度図内で示している。この図は、第２の発光セラミック変換層の（相対）面積を適切に選択することにより、色点が黒体ラインＢＢＬに向かって選択的にシフトさせられることを、非常によく示している。黒体ラインと交わる点は、第１の変換プレートの厚さと、Ca-SiAlON:Euセラミックのスペクトル発光特性とによって決まる。

上記で説明した照明デバイスは、当然ながら、多くの態様で変更可能である。すなわち、上記で述べたのと異なる材料を用いてもよいし、対応の各層は、他の形状および相対寸法を有していてもよい。さらに、１つより多くの能動層および／または２つより多くの発光セラミック変換層を用いることも可能である。

最後に、本願において、「含む」または「備える」との語は、他の要素または工程の存在を排除するものではなく、「１つの」との語は、複数の存在を排除するものではなく、単一のプロセッサその他のユニットが、複数の手段の機能を満足し得ることを指摘しておく。本発明の思想は、新規な特徴事項の各々すべて、およびかかる特徴事項の組合せの各々すべてに内在するものである。さらに、請求項中の参照符号は、それら請求項が規定する技術的範囲を限定するものと捉えられるべきではない。

Claims (11)

1. 一次光子を発するための能動層と、
   前記一次光子を、より長い第１の波長の光子に変換する第１の変換層と、
   前記一次光子および／または前記第１の波長の光子を、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光子に変換する第２の変換層とを備えた照明デバイスであって、
   前記一次光子の一部が、前記第２の変換層を通過することなく当該照明デバイスから出射することが可能とされていることを特徴とする照明デバイス。
2. 前記第１の変換層が、発光セラミックを含んでいることを特徴とする請求項１記載の照明デバイス。
3. 前記第２の変換層が、発光セラミックを含んでいることを特徴とする請求項１記載の照明デバイス。
4. 前記第１の変換層および／または前記第２の変換層が、Y₃Al₅O₁₂:Ce (YAG:Ce)、Ca-SiAlON:Eu、Ca-SiAlON:Ce、CaS:Eu、SrS:Eu、BaS:Eu、Ca₂SiO₄:Eu、Ba₂SiO₄:Eu、Sr₂SiO₄:Eu、Ca₂Si₅N₈:Eu、Ba₂Si₅N₈:Eu、Sr₂Si₅N₈:Eu、SrSi₂O₂N₂:Euの物質からなる群であって、１つまたは複数の適切な置換因子との前記物質の固溶体、とりわけ(Y,Gd)₃Al₅O₁₂:Ceまたは (Ca,Mg,Sr)(Al,B,Ga)SiN₃:Euを含み、アイソステリックなサブユニットの置換（とりわけSiN⁺に対してAlO⁺）を含む群から、選択された材料を含んでいることを特徴とする請求項１記載の照明デバイス。
5. Euの含有率ｎが、０＜ｎ＜０．００２の範囲内にあることを特徴とする請求項１記載の照明デバイス。
6. 前記能動層が、発光ダイオードを含んでいることを特徴とする請求項１記載の照明デバイス。
7. 実質的にすべての一次光子が、５００ｎｍよりも短い波長を有していることを特徴とする請求項１記載の照明デバイス。
8. ５０００Ｋよりも低い相関色温度を持つ白色光の発光スペクトルを有することを特徴とする請求項１記載の照明デバイス。
9. 前記第１の変換層が、前記能動層の発光表面を完全に覆っていることを特徴とする請求項１記載の照明デバイス。
10. 前記第２の変換層が、前記第１の変換層および／または前記能動層の発光表面の一部であって、好ましくは１０％から９０％、最も好ましくは２０％から３０％である一部を覆っていることを特徴とする請求項１記載の照明デバイス。
11. 前記第２の変換層の発光波長が、前記第１の変換層の発光波長よりも長いことを特徴とする請求項１記載の照明デバイス。

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