JP2013514656A - 光源および波長変換構成要素を含む照明デバイス - Google Patents
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Abstract
本発明は、光源（２）と、ポリマーと混合された蛍光体を含む波長変換構成要素（７）を含む照明（１）デバイスに関する。該蛍光体は、一部の禁制電子遷移によって励起される金属イオン付活剤を含む。蛍光体およびポリマーは、それらの屈折率の差が０．１未満であるように選択される。この選択によって、波長変換構成要素（７）の散乱は最小に維持される。特定のＭｎ（IV）活性フッ化物化合物と、特定のフッ素含有ポリマーを含む蛍光体を使用すると、興味深い波長変換構成要素（７）が得られる。
【選択図】図２
【選択図】図２
Description
本発明は、第１の波長で光を放射するように配置された光源、および第１の波長の光の少なくとも一部を第２の波長の光に変換するように配置された波長変換構成要素を含む照明デバイスに関し、構成要素は一部の禁制電子遷移によって励起される金属イオン付活剤を含む蛍光体を含み、前記蛍光体はポリマーと混合される。本発明は、該照明デバイスの使用に適切な波長変換構成要素だけではなく、波長変換構成要素の製造方法にも関する。
冒頭段落に記載されたタイプの照明デバイスは、米国特許公開第２０１０／００９６９７４−Ａ１号から既知である。この書類には、波長変換構成要素として動作するカプセル材を含む、ＬＥＤを含むデバイスが記載されている。前記カプセル材が適切なプラスチックまたはガラスのシェルとして形成され、その中で粒子形態の蛍光体または蛍光体混合物が分散する。前記蛍光体（混合物）は、電磁スペクトルの一部の放射エネルギーを吸収し、および電磁スペクトルの別の部分の放射エネルギーを放出するルミネッセント材料として動作する。このように、ＬＥＤによって放射された第１の波長を持つ光（の一部）が、別の（第２の）波長を持つ光に変換される。
本発明者らは、一部の禁制吸収帯によって励起されるべき、金属イオン付活剤を持つ蛍光体が、適切な波長の光との相互作用を制限することを見い出した。特に、該禁制吸収帯は、ホスト格子に遷移金属イオン付活剤を持つ蛍光体で見い出された。これらの金属では、特定のｄ−ｄ電子遷移が禁じられる。該蛍光体は、適切な波長を持つ光と相互作用すると、比較的低い吸光を示す。それにもかかわらず、変換構成要素によって、第１の波長を持つ光の比較的長い相互作用経路を使用することで、第１の波長で十分な光変換ができる。実際には、この解決手段は比較的厚い構成要素を伴う。しかしながら、長い相互作用経路は、ほとんどの場合に、好ましくない散乱損失を増加させてしまう。
本発明は、上述の課題および／または他の課題を軽減し、または少なくとも減少させることを目的とする。本発明は、特に、光源と、一部の禁制吸収によって励起される金属イオン付活剤を含む蛍光体を含む、効率的な波長変換構成要素を含む安価な照明デバイスを提供することを目的とする。特に変換構成要素の散乱損失は比較的小さい。本発明の別の目的は、照明デバイスに使用することに適切であるばかりではなく、該波長変換構成要素の製造に適切な、望ましいタイプの効率的な波長変換構成要素を提供することである。
これらの目的および／または他の目的は、照明デバイスによって達成され、該照明デバイスは、１）第１の波長で光を放射するように配置された光源と、２）第１の波長の光の少なくとも一部を第２の波長の光に変換するように配置された波長変換構成要素を含み、該構成要素は一部の禁制電子遷移によって励起される金属イオン付活剤を含む蛍光体を含み、前記蛍光体はポリマーと混合され、蛍光体およびポリマーは、それらの屈折率の差が０．１未満であるように選択される。
本発明は、蛍光体の１つと非常に良く一致する屈折率を持つポリマーに、蛍光体を混合することによって、変換構成要素の好ましくない散乱を著しく低減できるという、本発明者らによって得られた知見に基づく。実際には、屈折率の差を、０．１未満にすれば、散乱を著しく低減させることができる。好ましくは蛍光体の屈折率とポリマーの屈折率との差は、０．０５未満であり、より好ましくは０．０３未満である。所望のタイプの最善の照明デバイスの屈折率の差は０．０２未満である。通常は、屈折率の差が小さくなるほど、波長変換構成要素の散乱損失が小さくなることを意味する。
本発明に至る実験で、本発明者らは、さらに、望ましい蛍光体の単一の結晶、または十分に緻密なセラミックの使用は、特にそれらが立方−従って等方性の−構造である場合には、非常に有望であることを理解した。該材料は高透明なので、低散乱、またはまったく散乱しない。しかしながら、単一の結晶だけではなく、十分に緻密なセラミックを処理することも、温度の制約によって、非常に費用がかかり、すなわち単純に実現可能とは思われない。
原理上は、本発明は、第１の波長を持つ光を放射する光源と、（部分的に）この光の波長を変換するための蛍光体とを含む、すべての種類の照明デバイス、例えばＴＬ管などで機能する。しかしながら、実際には本発明は、光源として一つ以上のＬＥＤを含む照明デバイスで有利に適用できることが示される。
発明された照明デバイスの波長変換構成要素は、単一の蛍光体だけではなく、複数の蛍光体を含むことができる。２以上の蛍光体が使用される場合には、それらの少なくとも一つは、一部の禁制遷移によって励起される金属イオン付活剤を含むべきである。複数の蛍光体は、白色光を放出する照明デバイスを設計する場合に特に役に立つ。
本発明による照明デバイスの実施形態の１つでは、蛍光体は、Ｍｎ（IV）活性フッ化物化合物を含む。通常は結晶である、このタイプの蛍光体では、Ｍｎ（IV）遷移金属イオンが結晶のホスト格子の特定の配位サイトに位置する。ここでＭｎ（IV）遷移金属イオンは、一部の禁制ｄ−ｄ遷移によって励起される付活剤として機能する。ほとんどの場合、フッ化物ベースのホスト格子を持つ蛍光体は、比較的小さい屈折率を示す。適切に選択されたポリマー材料の組み合わせでは、屈折率が良好に一致できるので、屈折率の差は比較的小さく、すなわち０．１未満である。Ｍｎ（IV）化合物は、電磁スペクトルの赤色領域に興味深い放射線パターン示し、および、さらにスペクトルの青色領域で比較的良好な励起性を持つので、Ｍｎ（IV）活性フッ化物化合物は、Ｃｒ（III）またはＥｕ（III）活性結晶蛍光体化合物などの他の既知の蛍光体化合物を覆うことが好ましい。
本発明の照明デバイスの別の実施形態では、Ｍｎ（IV）活性フッ化物化合物は、Ｋ2ＳｉＦ6：Ｍｎ（IV）およびＮａ3Ｌｉ3Ａｌ2Ｆ12：Ｍｎ（IV）の少なくとも一つを含む。当該技術分野における当業者であれば、これらの結晶の化合物中の少量の化学元素が、他の元素によって置換され得ることを理解できる。これは、開始材料中の不純物、またはこれらの化合物の特性を調整するための慎重な選択によって発生する。これらのタイプの化合物は、他の蛍光体化合物との組み合わせで、高演色（Ｒa8＞８０および正のＲ9）で相関色温度＜３０００Ｋの温白色スペクトルを持つ、比較的安価な照明デバイスを製造できるので興味深い。他の蛍光体化合物は、電磁スペクトルの黄色から緑色を放出するべきである。Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：ＣｅまたはＬｕ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ（あるいはそれらの既知の変形形態）は、該他の蛍光体化合物としてよい候補である。
発明された照明デバイスのさらに別の実施形態では、ポリマーは、フッ素含有ポリマーである。このタイプのポリマーは、一部の禁制電子遷移によって励起される、金属イオン付活剤を持つ蛍光体と混合すると非常に有利に使用できる。特に、Ｋ2ＳｉＦ6：Ｍｎ（IV）およびＮａ3Ｌｉ3Ａｌ2Ｆ12：Ｍｎ（IV）タイプの化合物などのＭｎ（IV）活性フッ化物化合物を含む蛍光体は、照明デバイスの波長変換構成要素において非常に有利に適用できる。これらの蛍光体とポリマーの屈折率は非常によく一致する。上述された有機ポリマーと混合された、上述された蛍光体を含む波長変換構成要素は、きわめて透明なので、予想外に低い散乱を示す。
発明された照明デバイスのさらなる実施形態では、ポリマーは、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンおよびフッ化ビニリデンの少なくとも２つを含むコポリマーである。説明されるように、２つのフッ素ポリマーを適切な組み合わせで使用することによって、結果として生じるコポリマーの屈折率は、所望の値、特にポリマーと混合されるべき蛍光体化合物の屈折率の値に、適切に調節できる。この観点からさらにより好ましくは、本発明の照明デバイスのポリマーは、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンおよびフッ化ビニリデンのコポリマーである。当業者であれば、いかなる独創的な活動をすることもなく、所望の屈折率を持つコポリマーを設計するために、これらの３つのフッ素ポリマー前駆体の適切な量を選択できる。
本発明の照明デバイスのまたさらなる実施形態では、ポリマー中の蛍光体の量の範囲は１０体積％〜２０体積％である。実験によって、蛍光体の量が１０体積％未満の場合には、十分な変換効率を得るために、変換構成要素は比較的厚く（＞２ｍｍ）設計される必要があることが示された。ポリマー中の蛍光体の量が２０体積％を超えると変換構成要素の厚さは０．１ｍｍ未満になり、構成要素のハンドリングが実際には困難になる。ポリマー中の蛍光体の最適量の範囲は１３体積％〜１７体積％である。これらの量を使用することによって、変換構成要素を、厚さと吸収効率の最適な組み合わせで製造できる。
発明された照明デバイスの興味深い実施形態の特徴は、少なくとも２つの光源含むこと、および、波長変換構成要素が光源から離れて配置されることを示す。この実施形態の照明デバイスは、２つ以上の波長変換構成要素を含むことができる。一般的に、本発明は、波長変換構成要素が、通常はＬＥＤである光源に隣接する照明デバイスに適用できる。該デバイスでは、波長変換構成要素はＬＥＤと直接に接しており、および光学レンズを形成する形状である。しかしながら本発明は、波長変換構成要素が光源（ＬＥＤ）の周辺にある照明デバイスにも適用できる。該デバイスでは、変換構成要素は光学レンズの外側の層に存在でき、レンズはＬＥＤと直接接している。しかしながら、本発明は、非常に有利に、複数のＬＥＤを持つ照明デバイスに適用でき、ここでは変換構成要素はこれらのＬＥＤから離れて配置される。この状態では、変換構成要素は、好ましくは板の形状であり、および光源から離れて位置する。
本発明は、照明デバイスでの使用に適切な波長変換構成要素にも関する。より具体的には、本発明の該構成要素は、一部の禁制電子遷移によって励起される金属イオン付活剤を含む蛍光体を含み、前記蛍光体はポリマーと混合され、蛍光体とポリマーは、それらの屈折率の差が０．１未満であるように選択される。前記蛍光体は、好ましくはＭｎ（IV）活性フッ化物化合物を含み、一層好ましくはＫ2ＳｉＦ6：Ｍｎ（IV）とＮａ3Ｌｉ3Ａｌ2Ｆ12：Ｍｎ（IV）の少なくとも一つの化合物を含む。蛍光体は、蛍光体の安定性を増加させるために、コーティングを含んでもよい。好ましくは、コーティング材料は、フッ化カルシウムなどの、水への溶解度が低いフッ化物から実質的になる。前記ポリマーは、無機ポリマーであってもよいが、有機ポリマーが好ましい。フッ素含有ポリマー、特にテトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンおよびフッ化ビニリデンの少なくとも２つを含むコポリマーは非常に有用である。波長変換構成要素は、光学構成要素として、特にレンズまたは板としての形状にできる。
さらに、本発明は、波長変換構成要素の製造方法に関する。この発明された方法の特徴は、蛍光体がポリマーと混合され、その後に、混合物が波長変換構成要素の形状にされることを含む。従来技術の方法に反して、蛍光体および（プレ）ポリマーは、混合後に「その場（ｉｎ ｓｉｔｕ）」で硬化されない。本発明によれば、蛍光体とすでに硬化したポリマーの混合物は、好ましくは、押し出し、または混練によって調製される。変換構成要素の成形は、好ましくは、ホットプレスまたは射出成形によって実施される。この方法によって製造された構成要素は、照明デバイスにおいて非常に有益に適用できる。
本発明のこれらのおよび他の態様は、本明細書に後述される実施形態を参照することによって、明らかになり、解明されるであろう。
図面は概略図であって、正確な縮尺ではないことを強調しておく。異なる図では、同一の構成要素は同一の参照番号で示される。
図１は、本発明の照明デバイス１の第１の実施形態の断面を示す。前記照明デバイス１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）によって具現される光源２を含む。異なるタイプのＬＥＤを使用できるが、５００ｎｍ以下の波長を持つ光を放射することができるＬＥＤを採用することが好ましい。本発明のデバイスでは、ＧａＩｎＮ型のＬＥＤが使用され、これは最大波長４５０ｎｍを持つ光を放射できる。前記光源２は、電源リード線４の部分３上に位置し、それは、さらに電源リード線５とともに、ＬＥＤに光放射をさせる電流を流すように配置される。この放射は、ＬＥＤから離れる方向を示す矢印によって示される。電源リード線４、５は、ＬＥＤに直接接続されている細い導線６を含む。
光源２は、光学レンズの形状を持つ波長変換構成要素７によってカプセル化される。変換構成要素７は、主に有機ポリマーから構成される。蛍光体を、このポリマーと混合した。前記蛍光体は、一部の禁制電子遷移によって励起される、金属イオン付活剤を含む。この状態では、Ｍｎ（IV）活性フッ化物化合物、より具体的には化合物Ｎａ3Ｌｉ3Ａｌ2Ｆ12：Ｍｎ（IV）が蛍光体として使用された。ポリマーを含むフッ素は、蛍光体のためのマトリックスとして使用された。より詳細には、使用されたポリマーは、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、およびフッ化ビニリデン（Ｄｙｎｅｏｎ（登録商標）２２１ＧＺ）のコポリマーであった。
蛍光体およびポリマーの両方の特定の選択によって、変換構成要素の両方の成分の屈折率の差は、０．０３未満になった。より正確には、蛍光体材料の屈折率は１．３４０であると測定されたが、ポリマー材料の屈折率を１．３６３の値に適合させた。両方の成分の屈折率の小さな差（０．０２３）によって、構成要素が１０ｍｍ（長さ）、５ｍｍ（断面）の比較的大きな寸法を有している場合であっても、変換構成要素の散乱がほとんど、または、まったく観察されない。このため、４５０ｎｍの青色放射の効率的な吸収が可能になり、そしてそれは波長変換構成要素によって、最大波長６５０ｎｍを持つ放射に変換される。
本発明の照明デバイス１の説明される第１の実施形態では、波長変換構成要素が光源２（本明細書ではＬＥＤ）の近端に位置する。実際、光源２は蛍光体材料によって直接囲まれている。代替形態として、光学レンズ形状の変換構成要素７を準備することも可能であり、その中では、蛍光体は、光源２に隣接していないが光源２の周辺に位置する。この状態では、蛍光体は光源１から少し離れた層８の中に集中する。この実施形態では、層８は、波長変換構成要素として機能する。発明された照明デバイスのこの代替実施形態では、レンズの他の部分（外側層８）には、実質的に蛍光体が無い。完全なレンズは、蛍光体と整合するポリマー材料からなり得る。実質的に蛍光体が存在しないレンズの一部を、本発明の範囲から逸脱することなく、別のポリマー材料から構成することも可能である。しかしながら、層８は、本発明によって定められた屈折率を持つポリマーを含むべきである。
第１の実施形態の別の代替形態では、波長変換構成要素７は、好ましくは、電磁スペクトルの黄色から緑色で放射する追加の蛍光体を含むことができる。Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ（III）またはＬｕ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ（III）（あるいはこれらの既知の変形形態）は、該追加の蛍光体化合物としてよい候補である。これらのタイプの蛍光体混合物を持つ波長変換構成要素は、高演色（Ｒa8＞８０および正のＲ9）で相関色温度＜３０００Ｋの温白色スペクトルを持つ比較的安価な照明デバイスを、該混合物で製造できるので興味深い。
図２は、本発明の照明デバイス１の第２の実施形態の断面を示す。デバイス１は、複数の光源２（さらにＬＥＤで具現される）を含み、断面には五つだけが示されている。これらのＬＥＤは同一または異なる波長を放射できる。放射の方向は、小さい矢印によって示される。電源リード線および／または接続線（図示せず）を介して光源２が活性化されると、放射光は、本明細書では板部として形成される、変換構成要素７を通って照明デバイス１を出る。板状の変換構成要素７を通過する間に、入射放射線（の一部）は異なる波長を持つ放射に変化する。このデバイスでは、前記光学板は（変換される）放射に対して透明である基板９に取り付けられる。側壁部１０および底壁部１１は反射手段を備えるので、大部分の生成された放射は、波長変換構成要素７を介して照明デバイス１を出る。異なる波長の放射線を放出するＬＥＤが使用される場合には、照明デバイス１内で色混合ができる。該デバイスでは、波長変換構成要素７を積み重ねて適用することが有用であり、該個々の構成要素は、異なるＬＥＤで放出される異なる波長に対して選択される。
波長変換構成要素７は、ポリマーおよび一部の禁制電子遷移によって励起される金属イオン付活剤を含む蛍光体を含む。より正確には、蛍光体は、Ｍｎ（IV）活性フッ化物化合物、より詳細には化合物Ｋ2ＳｉＦ6：Ｍｎ（IV）を含む。ポリマーは、有機ポリマーのクラスから選択されたフッ素含有ポリマーである。より正確には、ポリマーは、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンおよびフッ化ビニリデン（Ｄｙｎｅｏｎ（登録商標）ＴＨＶ２０３０ＧＺ）の少なくとも２つを含むコポリマーである。前述された蛍光体は、コポリマーに約１５体積％の蛍光体で開始して、示されたポリマーと混合された。蛍光体とポリマー材料は、それらの屈折率の差が０．１未満であるように選択された。より正確には、蛍光体材料の屈折率は１．３４０に決定され、ポリマー材料の屈折率は１．３５０値に合致させた。両方の成分の屈折率の差が小さい（０．０１０）ので、板状の構成要素が比較的厚い（約２ｍｍ）場合であっても、変換構成要素では散乱がほとんど、または、まったく観察されない。
本発明の波長変換構成要素は、発明された方法にしたがって、製造され、成形される。第１に、蛍光体とポリマーとの良好な組み合わせが決定された。これは、特に、両方の物質間の屈折率の差が小さい（０．１未満、好ましくは０．０５未満、および一層好ましくは０．０２未満）であることを意味する。その後に特定の容量の蛍光体材料とポリマー材料を混合し、および、２００℃未満の温度で押し出し、または、混練する。この温度よりも高いと、蛍光体材料が分解する可能性がある。ポリマー中の蛍光体の量は、１０体積％から２０体積％の範囲である。両方の成分を混合後に、ホットプレスまたは射出成形によって、波長変換構成要素を光学レンズまたは光学板として成形する。構成要素の寸法は、その用途によって異なる。
本発明は、図面および前述の記載を参照して、詳細に図示され、説明されたが、該図面および記載は、説明の便宜のためであり、すなわち例示的であり、制限的ではない。本発明は、開示された実施形態に限定されるわけではない。開示された実施形態に対する他の変形形態は、図面、明細書、および添付の特許請求の範囲の検討から、特許請求の範囲に記載されている発明を実施できる当該技術分野における当業者によって、理解され、実施できる。
特許請求の範囲では、用語「を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は他の構成要素または工程を排除せず、および不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、複数を排除しない。特定の手段が、相互に異なる従属請求項に記載されていることによって、これらの手段の組み合わせが、有利な点を有するために使用することができないことを意味しない。特許請求の範囲に記載されている、いかなる参照記号も本発明の範囲を限定するものと解釈してはならない。
Claims (14)
- 第１の波長で光を放射するように配置された光源と、
前記第１の波長の光の少なくとも一部を第２の波長の光に変換するように配置された波長変換構成要素であって、一部の禁制電子遷移によって励起される金属イオン付活剤を含有する蛍光体を含む前記構成要素と、
を含む照明デバイスであって、
前記蛍光体はポリマーと混合され、
前記蛍光体および前記ポリマーは、それらの屈折率の差が０．１未満であるように選択される照明デバイス。 - 請求項１に記載の照明デバイスにおいて、
前記蛍光体は、Ｍｎ（IV）活性フッ化物化合物を含む照明デバイス。 - 請求項２に記載の照明デバイスにおいて、
前記Ｍｎ（IV）活性フッ化物化合物は、Ｋ2ＳｉＦ6：Ｍｎ（IV）およびＮａ3Ｌｉ3Ａｌ2Ｆ12：Ｍｎ（IV）の少なくとも一つを含む照明デバイス。 - 請求項１、２および３のいずれか一項に記載の照明デバイスにおいて、
前記ポリマーはフッ素含有ポリマーである照明デバイス。 - 請求項４に記載の照明デバイスにおいて、
前記ポリマーは、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンおよびフッ化ビニリデンの少なくとも２つを含むコポリマーである照明デバイス。 - 請求項５に記載の照明デバイスにおいて、
前記ポリマーは、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンおよびフッ化ビニリデンのコポリマーである照明デバイス。 - 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の照明デバイスにおいて、
前記ポリマー中の蛍光体の量は１０体積％から２０体積％の間である照明デバイス。 - 請求項１に記載の照明デバイスにおいて、
前記デバイスは、少なくとも２つの光源を含み、前記波長変換構成要素は、前記光源から離れて配置される照明デバイス。 - 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の照明デバイスに使用するために適切な波長変換構成要素。
- 請求項９に記載の波長変換構成要素において、
前記構成要素の形状は光学レンズである波長変換構成要素。 - 請求項９に記載の波長変換構成要素において、
前記構成要素の形状は光学板である波長変換構成要素。 - 請求項９に記載の波長変換構成要素を製造する方法であって、
前記蛍光体は、前記有機ポリマーと混合され、その後に、前記混合物は前記構成要素の形状にされる方法。 - 請求項１２に記載の方法において、
前記蛍光体および前記有機ポリマーは、押し出しおよび混練の１つによって混合される方法。 - 請求項１２に記載の方法において、
前記混合物は、ホットプレスおよび射出成形の１つによって形成される方法。
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