JP2014096562A - 波長変換材料、波長変換ゲル及び発光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】励起光をより低い色温度を有する暖かい白色光に変換するのに適している、波長変換材料を含む波長変換ゲルを提供する。
【解決手段】波長変換材料１２０は半導体材料で作られる。波長変換材料１２０は、３００nmと４９０nmとの間の波長域を有する励起光Ｌ１を吸収し、励起光Ｌ１を４５０nmと７５０nmとの間の波長域を有する放射光Ｅ１に変換する。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長変換材料、波長変換ゲル及び発光デバイスに関し、特に、半導体材料で作られた波長変換材料、波長変換ゲル及び波長変換材料を用いた発光デバイスに関する。

近年、発光ダイオードの発光効率が向上し続けているため、発光ダイオードの白色発光要素は、例えば、スキャナーの光源、液晶ディスプレイスクリーンの背面光源、照明器具等の応用分野で、従来の蛍光灯及び白熱電球に徐々に取って代る傾向を示している。現在、単一チップの白色発光ダイオードの共通技術は、青色光と黄色光との混合により白色光を生じるように、黄色蛍光粉末を励起するため、４４０nmと４６０nmとの間の発光波長域を有する青色発光ダイオードチップを用いる。上述の方法は、簡単なプロセス及び低コストの利点を有するけれども、（４０００Kから６０００Kの範囲の色温度を有する）結果として生じる白色光の演色評価数（CRI）は、（４０００Kより低い色温度を有する）従来の暖かい白色光の演色評価数から、なお、少し離れている。

本発明は、半導体材料で作られた波長変換材料を提供する。

本発明は、上述の波長変換材料を含む波長変換ゲルを提供し、励起光をより低い色温度を有する暖かい白色光に変換するのに適している。

本発明は、好ましい演色評価数（CRI）を有する発光デバイスを提供する。

本発明は、半導体材料で作られた波長変換材料を提供する。波長変換材料は、３００nmと４９０nmとの間の波長域を有する励起光を吸収し、励起光を４５０nmと７５０nmとの間の波長域を有する放射光に変換するのに適している。

本発明の実施態様では、波長変換材料の化学式は、(Al_xGa_1-x)_yIn_{1- y}Pであり、0≦ｘ≦0.7及び0≦ｙ≦0.7である。

本発明の実施態様では、放射光の波長域は、５７０nmと７５０nmとの間である。

本発明は、さらに、封入にかわと複数の波長変換材料と、を含む波長変換ゲルを提供する。波長変換材料は、半導体材料で作られ、封入にかわ内に分散される。各波長変換材料は、３００nmと４９０nmとの間の波長域を有する励起光を吸収し、励起光を４５０nmと７５０nmとの間の波長域を有する放射光に変換するのに適している。

本発明の実施態様では、波長変換ゲルは、封入にかわ内に分散される複数の黄色蛍光材料を、さらに、含み、各黄色蛍光材料の放射光の波長域は５００nmと５７０nmとの間である。

本発明の実施態様では、各黄色蛍光材料は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光粉末、テルビウム・アルミニウム・ガーネット蛍光粉末、ルテチウム・アルミニウム・ガーネット蛍光粉末、ケイ酸蛍光粉末又は窒化物蛍光粉末を含む。

本発明の実施態様では、各波長変換材料の粒子のサイズは、１ミクロンから１００ミクロンの範囲である。

本発明の実施態様では、各波長変換材料の化学式は、(Al_xGa_1-x)_yIn_{1- y}Pであり、0≦ｘ≦0.7及び0≦ｙ≦0.7である。

本発明は、さらに、発光要素と少なくとも1つの波長変換材料とを含む発光デバイスを提供する。発光要素は、３００nmと４９０nmとの間の波長域を有する励起光を発光する。波長変換材料は、発光要素の上に配置され、半導体材料で作られ、各波長変換材料は、励起光を吸収し、励起光を４５０nmと７５０nmとの間の波長域を有する放射光に変換する。

本発明の実施態様では、波長変換材料は粉末の形であり、波長変換材料の粒子のサイズは、１ミクロンから１００ミクロンの範囲である。

本発明の実施態様では、発光要素は、基板、第１の型の半導体層、第２の型の半導体層、発光層、第１の電極及び第２の電極を含む。第１の型の半導体層、発光層及び第２の型の半導体層は、基板の上面に順次、積み重ねられ、第１の電極及び第２の電極は、それぞれ、第１の型の半導体層及び第２の型の半導体層の上に配置される。波長変換材料は上面と反対側の基板の下面を覆い、波長変換材料は、シートの波長変換材料である。

本発明の実施態様では、発光要素はシーラントを、さらに、含み、少なくとも1つの波長変換材料は複数の波長変換材料を含み、シーラントは、発光要素及び複数の波長変換材料を覆う。

本発明の実施態様では、発光要素は、シーラント内に分散した複数の黄色蛍光材料を、さらに、含み、各黄色蛍光材料は、励起光により励起され、５００nmと５７０nmとの間の波長域を有する蛍光を発光する。

本発明の実施態様では、発光要素は、窒化ガリウム（GaN）ベースの発光ダイオードチップである。

本発明の実施態様では、発光デバイスは、封入にかわを、さらに、含み、少なくとも1つの波長変換材料は複数の波長変換材料を含み、封入にかわは、波長変換ゲルを確定するように、複数の波長変換材料と混ざる。

本発明の実施態様では、発光デバイスは、発光要素を覆い、波長変換ゲルと発光要素との間に配置された、透明層を、さらに、含む。

本発明の実施態様では、透明層の屈折率は、１．０から２．０の範囲であり、透明層は、空気層又は無機材料で作られたフィルム層である。

本発明の実施態様では、発光デバイスは、透明層と波長変換ゲルとの間に配置した黄色蛍光接着層を、さらに、含み、黄色蛍光接着層は、励起光により、５００nmと５７０nmとの間の波長域を有する蛍光を発光する。

本発明の実施態様では、波長変換材料の化学式は、(Al_xGa_1-x)_yIn_{1- y}Pであり、0≦ｘ≦0.7及び0≦ｙ≦0.7である。

前述により、本発明では、半導体材料で作られた波長変換材料は、発光要素から発光された励起光を吸収し放射光を生じる。従って、黄色蛍光粉末から発光された黄色光と青色光との混合により白色光を生じる従来の方法と比較して、本発明の励起光及び放射光は混合することができ、好ましい演色評価数を有するより低い色温度の暖かい白色光を生じることができる。

本発明の一実施形態による発光デバイスを例示する概略断面図である。 本発明の別の実施形態による発光デバイスを例示する概略断面図である。 本発明のさらに別の実施形態による発光デバイスを例示する概略断面図である。 本発明のなお別の実施形態による発光デバイスを例示する概略断面図である。 本発明のなお、さらに別の実施形態による発光デバイスを例示する概略断面図である。

図１は、本発明の一実施形態による発光デバイスを例示する概略断面図である。図１を参照するに、本実施形態では、発光デバイス１００ａは、発光要素１１０及び少なくとも１つの波長変換材料１２０（図１は複数存在することを示す。）を含む。発光要素１１０は、３００nmと４９０nmとの間の波長域を有する励起光L１を発光するのに適している。特に、波長変換材料１２０は発光要素１１０の上に配置され、波長変換材料１２０は半導体材料で作られ、各波長変換材料１２０は、励起光L１を吸収し、励起光L１を４５０nmと７５０nmとの間の波長域を有する放射光E１に変換するのに適している。ここで、波長域は主要な波長（λｄ）を表す。

さらに具体的に言うと、本実施形態の発光要素１１０は、窒化ガリウムベース（GaN）の発光ダイオードチップである。ここで、波長変換材料１２０の化学式は、(Al_xGa_1-x)_yIn_{1- y}Pであり、0≦ｘ≦0.7及び0≦ｙ≦0.7である。放射光E１の波長域は、５７０nmと７５０nmとの間であるのが望ましい。各波長変換材料１２０の粒子のサイズは、１ミクロンから１００ミクロンの範囲であるのが、もっと望ましい。また、本実施形態の発光デバイス１００ａは、さらに、シーラント１３０ａを含み、シーラント１３０ａは発光要素１１０及び波長変換材料１２０を覆う。ここで、シーラント１３０ａは無機材料で作られ、シーラント１３０ａの屈折率は１．３から２．０の範囲である。

発光要素１１０が３００nmと４９０nmとの間の波長域を有する励起光L１を発光する時に、波長変換材料１２０は、発光要素１１０から発光される励起光L１を吸収し、４５０nmと７５０nmとの間の波長域を有する放射光E１を発光する。ここで、放射光E１の波帯は、従来の黄色蛍光粉末と比較して、赤の帯域にもっとより近い。それ故に、半導体材料で作られた波長変換材料１２０から発光される放射光E１を、励起光L１と共に混合することにより、より低い色温度を有する暖かい白色光を作ることができる。従って、本実施形態の発光デバイス１００ａは、従来の白色発光ダイオードと比較して、もっと好ましい演色評価数を有することができる。

以下の実施形態は、要素の表記法及び内容の部分を前述の実施形態から用い、同一の表記は同一又は類似の要素を表すために用い、同一の技術内容の記載を省略する。省略部分に関する記載は前述の実施形態を参照することができ、従って、本明細書では繰り返さない。

図２は、本発明の別の実施形態による発光デバイスを例示する概略断面図である。図２を参照するに、本実施形態の発光デバイス１００ｂは、図１に例示する発光デバイス１００ａに類似し、２つの実施形態の主要な差異は単に以下のようである。すなわち、本実施形態の発光デバイス１００ｂは、シーラント１３０ａ内に分散した複数の黄色蛍光材料１４０をさらに含み、各黄色蛍光材料１４０は、発光要素１１０から発光される励起光L１により励起され、５００nmと５７０nmとの間の波長域を有する蛍光E２を発光する。ここで、各黄色蛍光材料は、例えば、イットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光粉末、テルビウム・アルミニウム・ガーネット蛍光粉末、ルテチウム・アルミニウム・ガーネット蛍光粉末、ケイ酸蛍光粉末又は窒化物蛍光粉末である。

発光要素１１０が３００nmと４９０nmとの間の波長域を有する励起光L１を発光する時に、波長変換材料１２０は、発光要素１１０から発光される励起光L１を吸収し、４５０nmと７５０nmとの間の波長域を有する放射光E１を発光する。同時に、黄色蛍光材料１４０も、発光要素１１０から発光される励起光L１を吸収し、５００nmと５７０nmとの間の波長域を有する蛍光E２を発光する。それ故に、半導体材料で作られた波長変換材料１２０から発光される放射光E１を、黄色蛍光材料１４０から発光される蛍光E２と共に混合することにより、より低い色温度を有する暖かい白色光を作ることができる。従って、本実施形態の発光デバイス１００ｂは、従来の白色発光ダイオードと比較して、もっと好ましい演色評価数を有することができる。

図３は、本発明のさらに別の実施形態による発光デバイスを例示する概略断面図である。図３を参照するに、本実施形態の発光デバイス１００ｃは、図１に例示する発光デバイス１００ａに類似し、２つの実施形態の主要な差異は単に以下のようである。すなわち、本実施形態の発光デバイス１００ｃは、封入にかわ１３０ｃをさらに含み、封入にかわ１３０ｃは、波長変換ゲルＷを確定するように、波長変換材料１２０と混ざる。その上、本実施形態の発光デバイス１００ｃは、発光要素１１０を覆い、波長変換ゲルＷと発光要素１１０との間に配置される透明層１５０をさらに含み、透明層１５０は、例えば、空気層又は無機材料で作られたフィルム層であり、透明層１５０の屈折率は、例えば、１．０から２．０の範囲である。言い換えれば、本実施形態の封入にかわ１３０ｃは発光要素１１０を覆わないで、その代わりに、透明層１５０が発光要素１１０を完全に覆う。その結果、波長変換材料１２０は発光要素１１０から離れ、波長変換材料１２０は発光要素１１０により発生する熱により影響を受けず、それにより、波長変換材料１２０の変換効率は、熱により低減されず、従って、本実施形態の発光デバイス１００ｃの色温度及び演色評価数は、一定のままであり得る。

図４は、本発明のなお別の実施形態による発光デバイスを例示する概略断面図である。図４を参照するに、本実施形態の発光デバイス１００ｄは、図３に示す発光デバイス１００ｃに類似し、２つの実施形態の主要な差異は単に以下のようである。すなわち、本実施形態の発光デバイス１００ｄは、透明層１５０と波長変換ゲルＷとの間に配置した黄色蛍光接着層１６０をさらに含み、黄色蛍光接着層１６０は、励起光L１を吸収し、５００nmと５７０nmとの間の波長域を有する蛍光E３を発光する。

発光要素１１０が３００nmと４９０nmとの間の波長域を有する励起光L１を発光する時に、黄色蛍光接着層１６０は、発光要素１１０から発光される励起光L１を吸収し、５００nmと５７０nmとの間の波長域を有する蛍光E３を発光する。波長変換材料１２０は、黄色蛍光接着層１６０を貫通した励起光L１及び蛍光E３を吸収し、４５０nmと７５０nmとの間の波長域を有する放射光E１を発光する。従って、半導体材料で作られた波長変換材料１２０から発光される放射光E１と、黄色蛍光接着層１６０から発光される蛍光E３と、励起光L１と、を、一緒に混ぜることにより、より低い色温度の暖かい白色光を作ることができる。従って、本実施形態の発光デバイス１００ｄは、従来の白色発光ダイオードと比較して、もっと好ましい演色評価数を有することができる。

図５は、本発明のなお、さらに別の実施形態による発光デバイスを例示する概略断面図である。図５を参照するに、本実施形態の発光デバイス１００ｅの発光要素１１０ｅは、基板１１１、第１の型の半導体層１１２、第２の型の半導体層１１３、発光層１１４、第１の電極１１５及び第２の電極１１６から作られている。第１の型の半導体層１１２、発光層１１４及び第２の型の半導体層１１３は、基板１１１の上面１１１ａに順次、積み重ねられ、第１の電極１１５及び第２の電極１１６は、それぞれ、第１の型の半導体層１１２及び第２の型の半導体層１１３の上に配置される。発光要素１１０ｅは、フリップチップ発光要素であり、３００nmと４９０nmとの間の波長域を有する励起光L２を発光するのに適している。特に、波長変換材料１２０ｅは上面１１１ａと反対側の基板１１１の下面１１１ｂを覆い、波長変換材料１２０ｅは半導体材料で作られ、波長変換材料１２０ｅは、ほぼシートの波長変換材料である。

本実施形態の波長変換材料１２０ｅは、励起光L２を吸収し、励起光L２を４５０nmと７５０nmとの間の波長域を有する放射光Ｅ４に変換するのに適しているため、半導体材料で作られた波長変換材料１２０ｅから発光された放射光Ｅ４を、励起光L２と混ぜることにより、より低い色温度の暖かい白色光を作ることができる。従って、本実施形態の発光デバイス１００ｅは、従来の白色発光ダイオードと比較して、もっと好ましい演色評価数を有することができる。

要約すれば、本発明では、半導体材料で作られた波長変換材料は、発光要素から発光された励起光を吸収し放射光を生じる。従って、黄色蛍光粉末から発光された黄色光と青色光との混合により白色光を生じる従来の方法と比較して、本発明の励起光及び放射光は混合することができ、好ましい演色評価数を有するより低い色温度の暖かい白色光を生じることができる。

本発明は、波長変換材料、波長変換ゲル及び、半導体材料で作られ、好ましい演色評価数を有する発光デバイスに関する。

１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ 発光デバイス
１１０、１１０ｅ 発光要素
１１１ 基板
１１１ａ 上面
１１１ｂ 下面
１１２ 第１の型の半導体層
１１３ 第２の型の半導体層
１１４ 発光層
１１５ 第１の電極
１１６ 第２の電極
１２０ 波長変換材料
１３０ａ シーラント
１３０ｃ 封入にかわ
１４０ 黄色蛍光材料
１５０ 透明層
１６０ 黄色蛍光接着層
E１、E４ 放射光
E２、E３ 蛍光
L１、L２ 励起光
Ｗ 波長変換ゲル

Claims (19)

1. 半導体材料で作られた波長変換材料であって、
   該波長変換材料は、３００nmと４９０nmとの間の波長域を有する励起光を吸収するのに適しており、
   該励起光は、４５０nmと７５０nmとの間の波長域を有する放射光に変換される、波長変換材料。
2. 前記波長変換材料の化学式は、(Al_xGa_1-x)_yIn_{1- y}Pであり、0≦ｘ≦0.7及び0≦ｙ≦0.7である、請求項１に記載の波長変換材料。
3. 前記放射光の波長域は、５７０nmと７５０nmとの間である、請求項１に記載の波長変換材料。
4. 波長変換ゲルであって、
   封入にかわと、
   半導体材料で作られ、前記封入にかわ内に分散される、複数の波長変換材料と、を含み、
   各波長変換材料は、３００nmと４９０nmとの間の波長域を有する励起光を吸収するのに適しており、
   該励起光は、４５０nmと７５０nmとの間の波長域を有する放射光に変換される、波長変換ゲル。
5. 前記封入にかわ内に分散される複数の黄色蛍光材料を、さらに、含み、
   各黄色蛍光材料の放射光の波長域は５００nmと５７０nmとの間である、請求項４に記載の波長変換ゲル。
6. 各黄色蛍光材料は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光粉末、テルビウム・アルミニウム・ガーネット蛍光粉末、ルテチウム・アルミニウム・ガーネット蛍光粉末、ケイ酸蛍光粉末又は窒化物蛍光粉末を含む、請求項５に記載の波長変換ゲル。
7. 各波長変換材料の粒子のサイズは、１ミクロンから１００ミクロンの範囲である、請求項４に記載の波長変換ゲル。
8. 各波長変換材料の化学式は、(Al_xGa_1-x)_yIn_{1- y}Pであり、0≦ｘ≦0.7及び0≦ｙ≦0.7である、請求項４に記載の波長変換ゲル。
9. 発光デバイスであって、
   ３００nmと４９０nmとの間の波長域を有する励起光を発光する発光要素と、
   該発光要素の上に配置され、半導体材料で作られた、少なくとも1つの波長変換材料と、を含み、
   各波長変換材料は、前記励起光を吸収し、前記励起光を４５０nmと７５０nmとの間の波長域を有する放射光に変換する、発光デバイス。
10. 前記波長変換材料は粉末の形であり、前記波長変換材料の粒子のサイズは、１ミクロンから１００ミクロンの範囲である、請求項９に記載の発光デバイス。
11. 前記発光要素は、基板、第１の型の半導体層、第２の型の半導体層、発光層、第１の電極及び第２の電極を含み、
    前記第１の型の半導体層、前記発光層及び前記第２の型の半導体層は、前記基板の上面に順次、積み重ねられ、
    前記第１の電極及び前記第２の電極は、それぞれ、前記第１の型の半導体層及び前記第２の型の半導体層の上に配置され、
    前記波長変換材料は前記上面と反対側の前記基板の下面を覆い、
    前記波長変換材料は、シートの波長変換材料である、請求項９に記載の発光デバイス。
12. シーラントを、さらに、含み、
    前記少なくとも1つの波長変換材料は複数の波長変換材料を含み、
    前記シーラントは、前記発光要素及び前記複数の波長変換材料を覆う、請求項１０に記載の発光デバイス。
13. 前記シーラント内に分散した複数の黄色蛍光材料を、さらに、含み、
    各黄色蛍光材料は、前記励起光により励起され、５００nmと５７０nmとの間の波長域を有する蛍光を発光する、請求項１２に記載の発光デバイス。
14. 前記発光要素は、窒化ガリウムベースの発光ダイオードチップである、請求項９に記載の発光デバイス。
15. 封入にかわを、さらに、含み、
    前記少なくとも1つの波長変換材料は複数の波長変換材料を含み、
    前記封入にかわは、波長変換ゲルを確定するように、前記複数の波長変換材料と混ざる、請求項１０に記載の発光デバイス。
16. 前記発光要素を覆い、前記波長変換ゲルと前記発光要素との間に配置された、透明層を、さらに、含む、請求項１５に記載の発光デバイス。
17. 前記透明層の屈折率は、１．０から２．０の範囲であり、前記透明層は、空気層又は無機材料で作られたフィルム層である、請求項１６に記載の発光デバイス。
18. 前記透明層と前記波長変換ゲルとの間に配置した黄色蛍光接着層を、さらに、含み、
    該黄色蛍光接着層は、前記励起光により、５００nmと５７０nmとの間の波長域を有する蛍光を発光する、請求項１６に記載の発光デバイス。
19. 前記波長変換材料の化学式は、(Al_xGa_1-x)_yIn_{1- y}Pであり、0≦ｘ≦0.7及び0≦ｙ≦0.7である、請求項９に記載の発光デバイス。