説明

発光媒体を備えた発光デバイス、発光デバイスを有する対応する照明システム、及び、対応する発光媒体

本発明は、高演色をもつ発光デバイス1であって、青色光及び/又は紫外線10の赤色光、黄色光及び/又は緑色光への波長変換のための発光媒体を備えた波長変換部材2と、前記発光媒体に送り込むように設けられた、青色光10及び/又は紫外線を放射する光源3とを有し、前記発光媒体は、本質的に、Ce3+イオンが添加された固体状ホスト材料の主相をもつ。本発明によれば、前記ホスト材料は、更なるレアアース材料Lnのイオンを有し、前記ホスト材料は、Ce3+イオンでの5d-4f放射の放射エネルギが前記更なるレアアース材料Lnの高い4fn状態への吸収エネルギよりもエネルギ的に高くなるように選択され、波長変換された光の光放射は、前記更なるレアアース材料のイオンの範囲内の原子内の4fn -4fn遷移によりもたらされる。本発明は、更に、発光デバイスを有する対応する照明システム、及び、対応する発光媒体に関する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、青色光及び/又は紫外線の赤色光、黄色光及び/又は緑色光への波長変換(色変換)のための発光媒体を備えた波長変換部材と、前記発光媒体に送り込む(pump)ように設けられた、青色光及び/又は紫外線を放射する光源とを有し、前記発光媒体が、詳細には、Ce3+イオンが添加された固体状ホスト物質の主相をもつ、発光デバイス、詳細にはLEDの分野に関する。本発明は、更に、少なくとも1つの発光デバイスを有する対応する照明システム、及び、対応する発光媒体に関する。
【背景技術】
【0002】
光源と波長変換のための発光媒体を備えた波長変換部材とを有する発光デバイスは、例えば、青色光及び/又は紫外線を放射する発光ダイオード(LED)と、白色光を生成するために前記LEDの光経路において青色光及び/又は紫外線を黄色光及び/又は緑色光に部分的に変換するための蛍光媒体を有する波長変換部材とを有する発光デバイスとして知られている。前記発光媒体は、詳細には(Mg, Ca, Sr)S、又は、Y3Al5O12:Ce(YAG)若しくは(Gd1-XYX)3(Al1-yGay)5O12:Ce(YAGaG:Ce)のようなCe3+が添加されたガーネットのグループからの、Ce3+イオンが添加された硫化物の主相をもつ。
【0003】
更に、高演色(high colour rendering)であるが低輝度をもつ追加のEu2+広帯域エミッタに基づく"赤強調型LED"として形成された発光デバイスが知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の目的は、強調されたルーメン領域及び改良された演色をもつ発光デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
この目的は、請求項1による、高演色をもつ発光デバイスで達成される。
【0006】
ホスト材料は、更なるレアアース材料(Ln:ランタニド)のイオンを有し、ホスト材料は、Ce3+イオンでの5d-4f放射の放射エネルギが前記更なるレアアース材料Lnの高い4fn状態へのエネルギ吸収よりもエネルギ的に高くなるように選択され、波長変換された光の光放射は、前記更なるレアアース材料のイオンの範囲内の原子内の4fn -4fn遷移によりもたらされる。Ce3+イオンは、活性化因子として機能するレアアース材料の更なるイオンの感作物質(sensitizer)として機能し、これにより、ホスト材料は、Ce3+ f1基底状態及び最も低い緩和励起された5d状態をもたらす(放射)エネルギの差が、エネルギが移されたLn3+イオンの、放射プロセスに含まれる、基底状態と励起された4f励起状態との間のエネルギ差よりも大きくなるように選択される。発光デバイスは、青色光及び/又は紫外線の黄色光、緑色光及び/又は赤色光への波長変換(色変換)のための発光媒体を備えた波長変換部材を有し、前記発光媒体は、本質的に、Ce3+イオンが添加された固体状ホスト材料の主相をもつ。ポンピングスキームは、追加のルミネッセンス発光が生ずる、更なるレアアース材料の三価のイオンの高い4fn状態へのエネルギ伝達、及び、Ce3+イオンにおける4f-5d遷移を含む。
【0007】
本発明によれば、"高演色"という用語は、70に等しいか又はそれよりも高い演色評価数(CRI;colour rendering index)をもつ発光デバイスに関する(CRI≧70)。
【0008】
光源は、詳細には、発光ダイオード(LED)、レーザ又は放電ランプであり、発光媒体は、青色光及び/又は紫外線の一部の波長を、白色光を生成するために固体状ホスト材料の主相によりもたらされた黄色光、緑色光及び/又は赤色光、並びに、更なるレアアース材料のイオンの範囲内の4fn -4fn遷移によりもたらされた赤色光成分に変換するための媒体である。青色光及び/又は紫外線の波長は、好ましくは、300nm〜480nmのスペクトル領域内にある。
【0009】
適切な発光媒体は、Ceが添加された固体状ホスト材料を作成し、約150nm〜約700nmの波長領域内の生ずる発光媒体の励起スペクトル、反射スペクトル及び放射スペクトルを測定することにより見出され得る。
【0010】
本発明のホスト材料に関して、"本質的に"という用語は、利得媒体のホスト材料の≧95%、好ましくは≧98%、及び、最も好ましくは≧99.5%が所望の構造及び/又は組成をもつことを意味する。
【0011】
"主相"という用語は、例えばセラミック加工の間に追加され得る添加物との前述された材料の混合から生ずる、他の相が存在し得ることを意味する。これらの添加物は、幾つかの化学的に異なる種類の組成であり、特にフラックス(flux)として従来から知られた斯様な種類を含み得る、最終材料全体又はその部分に取り込まれ得る。
【0012】
本発明の好ましい実施形態によれば、更なる三価のレアアースイオンは、例えば放射光の強調された赤色成分をもつ、異なる色度の光を放射する発光デバイスを設計するために、Pr3+,Sm3+,Tb3+,Dy3+又はこれらの混合である。ポンピングスキームは、以下のステップを含む。
a)Ce3+ + hν → (Ce3+)* (Ce3+イオンでの4f-5d光学吸収)
b)(Ce3+)* + Ln3+ → Ce3+ + (Ln3+)* (エネルギ伝達);
c)(Ln3+)* → Ln3+ + hν (Ln3+イオンでの発光)
ここで、更なる三価のレアアースイオンLn3+は、Pr3+,Sm3+,Tb3+,Dy3+である。波長変換された光の光放射をもたらす[Xe]4fn - [Xe]4fn遷移は、電気双極子禁制である(例えば、Tb3+5D4 - 7F5遷移)。
【0013】
本発明の好ましい実施形態によれば、発光媒体は、0.01%mol〜5%molの範囲内のCe3+イオンのドーパント濃度と、このCe3+イオンのドーパント濃度の0.5〜50倍である更なるレアアースイオンの濃度とをもつ。
【0014】
本発明の他の好ましい実施形態によれば、発光媒体は、以下の材料から選択される。(Lu1-a-bCeaLnb)3(Al1-x-yGaxScy)5O12 (0.0≦a≦0.1;0.0≦b≦0.6;0.0≦x≦0.5;0.0≦y≦0.5)
発光媒体は、好ましくは、0.0≦a≦0.1;0.0≦b≦0.6を伴う(Lu1-a-bCeaTbb)3AlGa4O12である。
【0015】
本発明の他の好ましい実施形態によれば、発光媒体は、以下の材料から選択される。
Ca1-x-y-a-bMgaSrb(Cex/2Lny/2Na(x+y)/2)S (0.0≦a<1.0;0.0≦b<1.0;a+b<1;0.0≦x<0.05;0.0≦y<0.05)
【0016】
本発明の他の好ましい実施形態によれば、発光媒体は、以下の材料から選択される。
(Y1-x-a-bGdxCeaLnb)2SiO5 (0.0≦a≦0.1;0.0≦b≦0.1;0.0≦x≦1.0;0.0≦y≦1.0)
【0017】
本発明の他の好ましい実施形態によれば、発光媒体は、以下の材料から選択される。
(Y1-a-bCeaLnb)3(Al1-x-yGaxScy)5O12 (0.0≦a≦0.1;0.0≦b≦0.1;0.0≦x≦0.5;0.0≦y≦0.5)
発光媒体は、好ましくは、0.0≦a≦0.1;0.0≦b≦0.6を伴う、(Y1-a-bCeaTbb)3AlGa4O12である。
【0018】
本発明の他の好ましい実施形態によれば、発光媒体は、以下の材料から選択される。
Gd1-a-bCeaTbbBO3 (0.0≦a≦0.1;0.0≦b≦0.6)
【0019】
本発明の好ましい実施形態によれば、発光媒体は、粉末、セラミック又は単結晶材料である。粉末は、発光スクリーンとして形成される波長変換部材を形成するために用いられる。
【0020】
粉末及び/又はセラミック材料として形成された発光媒体の組成は、以下のステップを有する。硝酸エステルを水に溶かすステップ、生ずる溶液をinpissatするステップ、900℃〜1200℃のCO雰囲気下で最初の混合物の焼成を行うステップ、1500℃〜1700℃のCO雰囲気下で更なる焼成を行うステップ、及び、ブレーク(braking)/製粉し、特に36ミクロンの開口をもつこし器で粉末をふるい分けする。生ずる粉末は、約5ミクロン(5μm)の平均粒子サイズをもつ。以下のステップは、セラミック材料を生成するために用いられる。製粉された粉末が乾燥され、プレスされ、そして、所望の形状のセラミック成形体を形成するために一軸又は静圧圧力にさらされる。
【0021】
本発明は、更に、少なくとも1つの前述した発光デバイスを有する照明システムに関し、本システムは、以下のアプリケーションの1又はそれ以上において用いられる。
−スポットライトシステム
−ファイバ光学アプリケーションシステム
−投射システム
−自己発光ディスプレイシステム
−ピクセル化されたディスプレイシステム
−セグメント化されたディスプレイシステム
−警告標識システム
−医療用照明アプリケーションシステム
−インジケータサインシステム
−ポータブルシステム
−LEDシステム
−放射線検出器
−自動車用アプリケーション
【0022】
本発明の他の目的は、強調されたルーメン領域と改良された演色とをもつ発光デバイスに適合した発光媒体を提供することにある。
【0023】
この目的は、請求項11の発光媒体で達成される。青色光及び/又は紫外線の黄色光、緑色光及び/又は赤色光への波長変換のための発光媒体は、本質的に、Ce3+イオンが添加され、更なるレアアース材料Lnのイオンを有する固体状ホスト材料の主相をもち、ホスト材料は、Ce3+イオンでの5d-4f放射の放射エネルギが前記更なるレアアース材料の高い4fn状態への吸収エネルギよりもエネルギ的に高くなるように選択される。
【0024】
本発明の好ましい実施形態によれば、更なるレアアース材料Lnのイオンは、Pr3+,Sm3+,Tb3+,Dy3+又はこれらの混合である。
【0025】
本発明の好ましい実施形態によれば、ホスト材料は、0.01%mol〜5%molの範囲内のCe3+イオンのドーパント濃度と、このCe3+イオンのドーパント濃度の0.5〜50倍である更なるレアアースイオンの濃度とをもつ。
【0026】
本発明の他の好ましい実施形態によれば、発光媒体は、以下の材料から選択される。(Lu1-a-bCeaLnb)3(Al1-x-yGaxScy)5O12 (0.0≦a≦0.1;0.0≦b≦0.6;0.0≦x≦0.5;0.0≦y≦0.5)
発光媒体は、好ましくは、0.0≦a≦0.1;0.0≦b≦0.6を伴う(Lu1-a-bCeaTbb)3AlGa4O12である。
【0027】
本発明の他の好ましい実施形態によれば、発光媒体は、以下の材料から選択される。
Ca1-x-y-a-bMgaSrb(Cex/2Lny/2Na(x+y)/2)S (0.0≦a<1.0;0.0≦b<1.0;a+b<1;0.0≦x<0.05;0.0≦y<0.05)
【0028】
本発明の他の好ましい実施形態によれば、発光媒体は、以下の材料から選択される。
(Y1-x-a-bGdxCeaLnb)2SiO5 (0.0≦a≦0.1;0.0≦b≦0.1;0.0≦x≦1.0;0.0≦y≦1.0)
【0029】
本発明の他の好ましい実施形態によれば、発光媒体は、以下の材料から選択される。
(Y1-a-bCeaLnb)3(Al1-x-yGaxScy)5O12 (0.0≦a≦0.1;0.0≦b≦0.6;0.0≦x≦0.5;0.0≦y≦0.5)
発光媒体は、好ましくは、0.0≦a≦0.1;0.0≦b≦0.6を伴う、(Y1-a-bCeaTbb)3AlGa4O12である。
【0030】
本発明の他の好ましい実施形態によれば、発光媒体は、以下の材料から選択される。
Gd1-a-bCeaTbbBO3 (0.0≦a≦0.1;0.0≦b≦0.6)
【0031】
前述した組成、並びに、請求項に記載された組成、及び、述べられた実施形態において本発明に応じて用いられるべき組成は、これらのサイズ、形状、材料の選択及び技術的概念に対する如何なる特別な例外に影響されるものではなく、当業者により知られた選択基準が制限されることなく適用され得る。
【0032】
本発明の目的の追加の詳細、特徴、特性及び利点は、従属請求項、図面及び各図面の以下の説明、並びに、例の態様で本発明の発光デバイスの一実施形態及び例を示す例において開示される。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】本発明の一実施形態の発光デバイスの一例の上面図である。
【図2】発光媒体の好ましい実施形態の励起スキームを示す。
【図3】発光媒体の好ましい実施形態の放射、励起及び反射スペクトルを示す。
【図4】発光媒体の他の好ましい実施形態の放射スペクトルを示す。
【発明を実施するための形態】
【0034】
図1は、波長変換部材2と前記部材2の発光媒体に光学的に送り込む(pump)ように構成された光源3とを有する発光デバイス1を示している。光源3は、300nm〜480nmのスペクトル波長領域の光を放射する発光ダイオード(LED)として形成される。発光デバイス1は、光学デバイス4を更に有する。波長変換部材2及び光学デバイス4は、光源3の光経路5中に設けられ、光学デバイス4は、光源3と波長変換部材2との間に設けられた、集光レンズ6とコリメーション及びビーム形成のための他の光学要素7とを有する。光経路5は主軸8をもつ。追加の光学要素9は、光源3により放射された光10(図2)に対して波長変換部材2の背後に配置される。
【0035】
波長変換部材2は、レアアースイオンが添加された固体状ホスト材料を有する発光媒体を有する。
【0036】
光源3は、青色光及び/又は紫外線10を放射する。光源3により放射された青色光及び/又は紫外線10は、青色光及び/又は紫外線10と波長変換部材2を出た赤色、黄色及び/又は緑色ルミネッセンス光12とを含む白色光11を生成するために波長変換部材2に送り込むために用いられる。発光デバイス1は、長手方向に送り込まれる発光デバイス1として構成され、生ずる白色光11は、送り込む光10の光経路7の主軸8に対して並べられる。
【0037】
図1において示された発光デバイス1は、非干渉性の光を放射する発光デバイスである。このデバイスの発光媒体は、分散発光媒体、好ましくは不透明な分散発光媒体である。
【0038】
図2は、発光媒体の一実施形態の励起スキームを示している。左側には2つの4f状態13,14が示され、Ce3+イオンの最も低い5dエネルギ帯15が示される。
【0039】
発光媒体には、光源3により放射された青色光及び/又は紫外線10が送り込まれる。発光媒体は、Ce3+イオンにおける双極子許容4f-5d遷移(矢印13)を介して青色光及び/又は紫外線の照射線を吸収する。励起されたCe3+イオンは、そのエネルギ(矢印14)をTb3+イオンの高いレージング(lasing)状態(又は代わりに他の更なるレアアースイオンのレージング状態)に伝達し、そして、高いレージング状態(Tb3+5D4状態)と低いレージング状態(Tb3+7F5状態)との間の遷移(矢印14)、それに続く基底状態(矢印16)への遷移を介して約543nmの波長をもつ所望の光11を放射する。
【0040】
図3は、発光媒体GdBO3:Ce,Tbの放射スペクトル17、励起スペクトル18及び反射スペクトル19を示している。この発光媒体は、青色光及び/又は紫外線の赤色光、黄色光及び/又は緑色光への波長変換のための本発明の好ましい実施形態である。
【0041】
励起スペクトル18は、Ce3+イオンでの双極子許容4f-5d遷移(矢印13)を介しての300nm〜480nmのスペクトル領域における青色光及び/又は紫外線の放射線の所望の吸収に対応する300〜400nmのスペクトル波長範囲において広い構造を示している。
【0042】
放射スペクトル17は、人間の目に対する全色域を生成する緑色光、黄色光及び赤色光に対応する480nm〜630nmのスペクトル波長範囲において顕著な構造を示している。最大放射強度をもつ波長は、λmax=543であり、カラーポイントパラメータは、x=0.319,y=0.610であり、高ルーメン相当のLE=512lm/Wに達する。
【0043】
図4は、発光媒体の2つの他の好ましい実施形態の放射スペクトル、即ち、Lu3AlGa4O12:Ce,Tb20の放射スペクトル及びY3AlGa4O12:Ce,Tb21の放射スペクトルを示している。これらのサンプルは、Ceイオンだけが吸収を示す波長である442nmでレーザダイオードにより励起された。しかしながら、これらのスペクトルは、非常に弱いCeバックグラウンド放射に対するTb放射により支配され、これは、CeからTbへのエネルギ伝達が効果的に生じることを証明する。レーザダイオードからの強い信号を抑制するために、442nmのノッチフィルタが、スペクトロメータ入口スリットの前に置かれた。これは、図4における422nmの周りの構造をもたらす。
【0044】
開示された実施形態に対する他のバリエーションは、図面、開示及び特許請求の範囲の研究から、当業者により理解され実現され得る。請求項において、"有する"という用語は、他の要素又はステップを除外するものではなく、単数表記は、複数を除外するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に用いられ得ないことを示すものではない。請求項中の如何なる参照符号も、その範囲を限定するものとして考慮されるべきではない。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
高演色をもつ発光デバイスであって、
青色光及び/又は紫外線の赤色光、黄色光及び/又は緑色光への波長変換のための発光媒体を備えた波長変換部材と、
前記発光媒体に送り込むように設けられた、青色光及び/又は紫外線を放射する光源とを有し、
前記発光媒体は、本質的に、Ce3+イオンが添加され、更なるレアアース材料Lnのイオンを有する固体状ホスト材料の主相をもち、
前記ホスト材料は、Ce3+イオンでの5d-4f放射の放射エネルギが前記更なるレアアース材料Lnの高い4fn状態への吸収エネルギよりもエネルギ的に高くなるように選択され、
波長変換された光の光放射は、前記更なるレアアース材料のイオンの範囲内の原子内の4fn -4fn遷移によりもたらされる、発光デバイス。
【請求項2】
前記更なるレアアース材料Lnのイオンは、Pr3+,Sm3+,Tb3+,Dy3+又はこれらの混合である、請求項1に記載の発光デバイス。
【請求項3】
前記発光媒体は、0.01%mol〜5%molの範囲内のCe3+イオンのドーパント濃度と、前記Ce3+イオンのドーパント濃度の0.5〜50倍である更なるレアアースイオンの濃度とをもつ、請求項1に記載の発光デバイス。
【請求項4】
前記発光媒体は、(Lu1-a-bCeaLnb)3(Al1-x-yGaxScy)5O12 (0.0≦a≦0.1;0.0≦b≦0.6;0.0≦x≦0.5;0.0≦y≦0.5)の材料から選択される、請求項1に記載の発光デバイス。
【請求項5】
前記発光媒体は、Ca1-x-y-a-bMgaSrb(Cex/2Lny/2Na(x+y)/2)S (0.0≦a<1.0;0.0≦b<1.0;a+b<1;0.0≦x<0.05;0.0≦y<0.05)の材料から選択される、請求項1に記載の発光デバイス。
【請求項6】
前記発光媒体は、(Y1-x-a-bGdxCeaLnb)2SiO5 (0.0≦a≦0.1;0.0≦b≦0.1;0.0≦x≦1.0;0.0≦y≦1.0)の材料から選択される、請求項1に記載の発光デバイス。
【請求項7】
前記発光媒体は、(Y1-a-bCeaLnb)3(Al1-x-yGaxScy)5O12 (0.0≦a≦0.1;0.0≦b≦0.6;0.0≦x≦0.5;0.0≦y≦0.5)の材料から選択される、請求項1に記載の発光デバイス。
【請求項8】
前記発光媒体は、Gd1-a-bCeaTbbBO3 (0.0≦a≦0.1;0.0≦b≦0.6)の材料から選択される、請求項1に記載の発光デバイス。
【請求項9】
前記発光媒体は、粉末、セラミック又は単結晶材料である、請求項1に記載の発光デバイス。
【請求項10】
請求項1〜9のうちいずれか一項に記載された発光デバイスを少なくとも1つ有する照明システムであって、
当該システムは、
−スポットライトシステム
−ファイバ光学アプリケーションシステム
−投射システム
−自己発光ディスプレイシステム
−ピクセル化されたディスプレイシステム
−セグメント化されたディスプレイシステム
−警告標識システム
−医療用照明アプリケーションシステム
−インジケータサインシステム
−ポータブルシステム
−放射線検出器
−自動車用アプリケーション
のうち1又はそれ以上において用いられる、照明システム。
【請求項11】
青色光及び/又は紫外線の赤色光、黄色光及び/又は緑色光への波長変換のための発光媒体であって、
当該媒体は、本質的に、Ce3+イオンが添加され、更なるレアアース材料Lnのイオンを有する固体状ホスト材料の主相をもち、
前記ホスト材料は、Ce3+イオンでの5d-4f放射の放射エネルギが前記更なるレアアース材料の高い4fn状態への吸収エネルギよりもエネルギ的に高くなるように選択される、発光媒体。
【請求項12】
前記更なるレアアース材料Lnのイオンは、Pr3+,Sm3+,Tb3+,Dy3+又はこれらの混合である、請求項11に記載の発光媒体。
【請求項13】
当該発光媒体は、
− (Lu1-a-bCeaLnb)3(Al1-x-yGaxScy)5O12 (0.0≦a≦0.1;0.0≦b≦0.6;0.0≦x≦0.5;0.0≦y≦0.5)
− Ca1-x-y-a-bMgaSrb(Cex/2Lny/2Na(x+y)/2)S (0.0≦a<1.0;0.0≦b<1.0;a+b<1;0.0≦x<0.05;0.0≦y<0.05)
− (Y1-x-a-bGdxCeaLnb)2SiO5 (0.0≦a≦0.1;0.0≦b≦0.1;0.0≦x≦1.0;0.0≦y≦1.0)
− (Y1-a-bCeaLnb)3(Al1-x-yGaxScy)5O12 (0.0≦a≦0.1;0.0≦b≦0.6;0.0≦x≦0.5;0.0≦y≦0.5)
− Gd1-a-bCeaTbbBO3 (0.0≦a≦0.1;0.0≦b≦0.6)
から選択される、請求項11に記載の発光媒体。
【請求項14】
青色光及び/又は紫外線を放射する、前記発光媒体に送り込むように設けられた光源を有する発光デバイスにおいて用いられる、請求項11に記載の発光媒体。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公表番号】特表2012−521651(P2012−521651A)
【公表日】平成24年9月13日(2012.9.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−501438(P2012−501438)
【出願日】平成22年3月16日(2010.3.16)
【国際出願番号】PCT/IB2010/051124
【国際公開番号】WO2010/109372
【国際公開日】平成22年9月30日(2010.9.30)
【出願人】(590000248)コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ (12,071)
【Fターム(参考)】