JP2014521206A - 変換素子の製造方法、及び、変換素子 - Google Patents

Abstract

本発明は、光デバイス及び／又は光電デバイス（２０）用の変換素子（１０）の製造方法に関する。本発明の方法は、ａ）発光物質（４；４ａ）もしくはこの発光物質（４；４ａ）を含む材料（３ａ）を、発光物質を含まない透明かつ均質なガラス材料（２ａ）の面に塗布し、ガラス材料（２ａ）の軟化温度を上回る高い温度（Ｔ１）での熱処理（ＴＢ１）を行って、発光物質（４；４ａ）がガラス材料（２ａ）内へ沈降する程度にガラス材料（２ａ）を軟化させるステップと、ｂ）沈降した発光物質（４；４ａ）とともにガラス材料（２ａ）を冷却するステップとを含む。

Description

本発明は、変換素子の製造方法、及び、変換素子に関する。変換素子は、光デバイスもしくは光電デバイスに接続されて用いられ、デバイスから放出される電磁放射のスペクトルひいては認識される色印象を変化させることができる。変換素子は、デバイスから放出される電磁放射がこの変換素子を通るように、例えば発光半導体チップなどのデバイスの前方に挿入される。この場合、変換素子内の発光物質によって色座標及び色温度が調整される。

従来、変換素子の製造時には、母材と発光物質とが相互に混合されている。母材として、従来は、発光物質の懸濁されたシリコーンが使用されている。懸濁液は、薄膜層として例えばスクリーン印刷によって塗布される。ただし、シリコーンは熱伝導性が低く、発光デバイスの動作中に生じる熱を充分に放出できないため、発光物質が高い熱負荷にさらされ、効率の損失が生じる。

母材としてガラスを用いると、ガラスの熱伝導性はシリコーンに比べて平均で係数１０程度大きいので、熱伝導性が改善され、これにより発光物質の動作中の加熱の程度が弱まり、効率が増大するという利点が得られる。ただし、他方で、ガラスを母材として用いる場合、発光物質粒子の埋め込みに高温が必要となり、そのために当該プロセスで発光物質が損なわれ、同様に効率の持続的な損失が生じるという問題がある。

独国公開第１０２００８０２１４３８号明細書には、ガラス母材を用いた変換素子の製造方法が記載されている。ここでは、ガラスと発光物質との粉末混合物が混合され、濃縮され、焼結される。焼結プロセスでは比較的高い温度（軟化温度を上回る１５０℃程度の温度）が使用される。

本発明の課題は、変換素子、並びに、変換素子の製造方法において、変換素子の光学特性を改善し、特に、発光材料になるべく損傷を与えずに、ガラス材料を変換素子用の母材として使用できるようにすることである。母材としてシリコーンを含む市販の変換素子とは異なり、変換素子の動作中、改善された熱伝導性が達成されることが望ましい。

この課題は、請求項１記載の変換素子の製造方法、並びに、請求項１１記載の変換素子により解決される。請求項１記載の変換素子の製造方法では、発光物質はシリコーンではなくガラス材料に導入される。これは、シリコーンに比べてガラスが特に高い熱伝導性を有することが保証されているからである。特に発光物質は製造方法の開始時に母材（ここではガラス）と混合される。このようにすると、発光物質と母材とから成る材料混合物（独国公開第１０２００８０２１４３８号明細書の粉末もしくはその溶融物）を熱処理にかけずに済む。これに代えて、ガラス材料を、コンパクトな形態で、すなわち、選択的に予成形された基板として、又は、軟化したガラス物質として使用することもできる。軟化したガラス材料には発光物質が後から導入される。

ガラス粒子及び発光物質粒子から成る材料混合物が、その溶融及びガラス化のために、直接に熱処理ステップにかけられる場合には、発光物質がきわめて大きな（高温及び／又は長時間の）熱負荷に曝される。本明細書の基礎とする考察によれば、ガラス物質が既に一体形のガラスボディとして存在する場合、ガラス粒子の共融により気孔の少ないガラス物質が生じてしまうほどの熱入力は起こらないはずである。したがって、本発明によれば、発光物質は製造開始時にガラス物質と混合されるのではなく、最初は、発光物質を含まないガラス材料を使用し、一方面（例えば前面）のみを発光物質もしくは発光物質を含む材料によって被覆する。つまり、ガラス材料内への発光物質の導入は、事後的に、高温での沈降によって行われる。ただし、この場合、（独国公開第１０２００８０２１４３８号明細書の焼結プロセスとは異なり）ガラスは発光物質が表面内へ沈降する程度まで加熱されるのみである。気孔の少ない変換素子を得るのに必要な温度は、通常圧力（１０１３ｍｂａｒ）の同じプロセス条件（同じ時間）では焼結プロセスの温度よりも低い。よって、ガラスはさらに加熱可能な固体のガラス基板として、又は、（プレス型もしくは成形型に入った）既に加熱済の軟化したガラス物質として準備される。

発光物質もしくは発光物質を含む層は、まず、ガラス層もしくはガラス基板の外側（例えば上面）に塗布され、後から沈降によって均質なガラス材料内へ導入される。独国公開第１０２００８０２１４３８号明細書に記載されている焼結プロセスに比べて温度が低いため、製造時の発光物質の損傷のおそれは小さくなる。これにより、変換素子内のシリコーンに対する代替物質としてのガラス材料の利用可能性は高まる。

ガラス材料は発光物質もしくは発光物質を含む層を塗布するための支持体を形成するだけでなく、変換素子そのものに対する本来の基本材料としても用いられる。なぜなら、発光物質が沈降によって直接にガラス材料内へ導入されるからである。沈降過程は、地球引力を利用して及び／又は機械的プレス力により及び／又は過圧により、熱処理中のそのつどの熱作用に関連して、支援乃至促進される。この場合、透明なガラス基板は軟化温度を超えて加熱される。完成した変換素子は、母材として用いられるガラス材料に後に沈降される、種々の発光物質もしくは種々の発光物質の混合物から成る発光物質粒子を含む。

ガラス材料は室温での熱処理の実行前に準備され、上部に塗布される発光物質を含む層とともに加熱される。このときガラス物質は改めて軟化されるが、この軟化は発光物質が沈降するまでにとどめられる。

これに代えて、ガラス材料の熱処理を、加熱されて軟化したガラス材料の表面に発光物質が塗布される前に開始することもできる。ガラスが例えばガラス粉末もしくはその溶融物から製造される場合、発光物質によるコーティングは形成された気孔の少ないガラスボディが冷却されてから行われる。また、代替的に、発光物質のコーティング及び発光物質の沈降を、軟化温度を上回る温度で（場合により機械的プレスもしくは過圧印加により支援して）冷却過程中にも行うことができる。ＩＳＯ７８８４−３によれば、軟化温度は粘度η＝１０^７．６ｄＰａ・ｓで定義されている。ここで説明している代替手段は、ガラス成形、コーティング、沈降を組み合わせて１つのプロセスとしたものであり、それ以外の場合に必要となるガラス軟化のための加熱を省略できる。同様に、例えばプレーンパラレル薄膜ガラス、超薄膜ガラス、レンズ（凹レンズ、凸レンズ等）状もしくは円筒状などの、成形品として完成したガラスボディもしくは市販されているガラスボディを、変換素子の製造に用いることもできる。ここで、ガラスボディは発光物質によってコーティングされ、発光物質がガラス面に沈降する程度だけ加熱される。

発光物質もしくは発光物質を含む材料をガラス材料の表面に塗布する時点は、熱処理過程前または熱処理過程中に選定できる。その時間順序はフレキシブルであり、発光物質の塗布方法、及び、発光物質を含む材料の組成に応じて定められる。発光物質を含む材料が例えば印刷可能な（例えばスクリーン印刷やステンシル印刷などが可能な）ペーストである場合、このペーストは、通常、発光物質粒子に加えて溶剤及びバインダを含む。この場合には、ガラス基板のコーティングは、溶剤の気化とバインダの焼却とが加熱過程中に生じるように、有利には加熱前に行われる。発光物質を含む材料は、スプレー塗布、刷毛塗布、描画塗布、静電堆積その他の手段によってガラス上へ塗布される。発光物質を含む材料は、発光物質を有機溶剤（例えばイソプロパノール）に懸濁した状態で含む。

ガラスとして、透明な軟性ガラスもしくは硬性ガラス、すなわち、ＵＶ−ＶＩＳ領域に高い透過性を有し、固有色を殆ど有さないガラスを使用できる。また、低融点ガラスを使用することもできる。軟性ガラスとして、例えば、ショット社製のＤ２６３Ｔなる名称で薄膜ガラスとして市販されているホウケイ酸ガラスが好適である。ガラスの選択に応じて熱処理時に保持される温度又は少なくとも短時間維持される最大温度は８０℃から１５００℃の範囲にある。有利には、８００℃を下回る温度でガラス面内へ発光物質を沈降させることができるよう、軟化温度が７４０℃以下のガラスが使用される（場合により機械的圧力もしくは過圧の印加が補助手段として利用される）。例えば、軟化温度が６００℃から９５０℃の硬化ガラスもしくは軟性ガラスを使用できる。低融点ガラスが使用される場合、温度負荷が著しく低下する。

本発明の実施形態によれば、さらに、ガラス材料から成る別の層が塗布される。このガラス材料は有利にはステップａで発光物質がコーティングされたガラス材料と同じである。ただし、異なる材料組成を有する別のガラス材料（例えば薄膜ガラスもしくは超薄膜ガラス）を使用してもよい。積層体は、ステップｃからステップｅで、有利には第２の熱処理によって製造される。

上述した実施形態によるステップｃからステップｅの実行は、特に、２つの異なる発光物質もしくは２種の発光物質が沈降によってガラス材料内に導入される場合に行われる。この場合、第１の発光物質はステップａで処理されたガラス材料内へ導入され、これに対して第２の発光物質は上記ガラス材料から成る別の層（例えば薄膜ガラスもしくは超薄膜ガラスの形態の第２のガラス基板）内へ導入される。これにより、双方の発光物質は沈降後に空間的に相互に分離される。積層体の形態の複数の部分層は、それぞれ、種類の異なる発光物質及び／又は濃度の異なる発光物質の設けられたガラス材料から成る。変換素子の層厚さの方向で見ると、第１の発光物質の最大濃度の位置と第２の発光物質の最大濃度の位置とは、例えば後から設けられた薄膜ガラスもしくは超薄膜ガラスの厚さに相当する距離だけ相互に離れる。

これに代えて、第２の発光物質を別個のステップでガラス材料の他方側の面（先に発光物質によって処理された面とは反対側の面）に塗布することもできる。また、種々の発光物質を１つの層内に混合して存在させてもよい。別の実施形態として、別個に製造された２つの変換素子を、発光物質を含む面で、相互に接合することもできる。

以下に、幾つかの実施例を、図を参照しながら説明する。

本発明の方法で使用されるガラスの第１の成形過程を示す図である。 本発明の方法で使用されるガラスの第２の成形過程を示す図である。 本発明の方法で使用されるガラスの第３の成形過程を示す図である。 本発明の方法で使用されるガラスの第４の成形過程を示す図である。 本発明の変換素子の製造方法の実施例の第１のステップを示す図である。 本発明の変換素子の製造方法の実施例の第２のステップを示す図である。 本発明の変換素子の製造方法の実施例の第３のステップを示す図である。 本発明の変換素子の製造方法の実施例の第４のステップを示す図である。 本発明の変換素子の製造方法の実施例の第５のステップを示す図である。 本発明の変換素子の製造方法の実施例の第６のステップを示す図である。 本発明の変換素子の製造方法の実施例の第７のステップを示す図である。 本発明の変換素子の製造方法の実施例の第８のステップを示す図である。 本発明の変換素子の製造方法の実施例の第９のステップを示す図である。 変換素子と少なくとも１つの光デバイスもしくは光電デバイスとを含む装置の第１の実施例を示す図である。 変換素子と少なくとも１つの光デバイスもしくは光電デバイスとを含む装置の第２の実施例を示す図である。 変換素子と少なくとも１つの光デバイスもしくは光電デバイスとを含む装置の第３の実施例を示す図である。 １つの変換素子と少なくとも１つの光デバイスもしくは光電デバイスとを含む装置の第４の実施例を示す図である。 １つの変換素子と少なくとも１つの光デバイスもしくは光電デバイスとを含む装置の第５の実施例を示す図である。

本発明の変換素子の製造方法の実行に際しては、まず、発光物質を含まないガラス材料が使用される。これは例えば図１Ａ−図１Ｄに示されている。図１Ａによれば、ガラス材料２ａは予成形された固体のガラス基板１の形態で使用される。ガラス基板１は特には層厚さ１．０ｍｍ未満の薄膜ガラスもしくは超薄膜ガラス７であり、有利には５μｍから１００μｍの範囲の厚さ、特に有利には５μｍから５０μｍの範囲の厚さを有する。

図１Ｂによれば、こうしたガラス基板のための支持体として、加熱すなわちガラス物質２を軟化させて成形を行うための型２２が使用される。図１Ａのガラス基板１もしくは図１Ｂのガラス物質２の上面１Ａには、発光物質もしくは発光物質を含む材料が、有利には加熱前に塗布される。これに代えて、型を、分離剤としても機能する発光物質によってコーティングしてもよい。ガラスは軟化すると表面張力のために収縮するので、熱処理中にプレス型２３によって成形を行うことができる。これに代えて、冷却過程中にのみ成形を行ってもよい。

図１Ｂには、支持体として用いられる型２２のほか、２つの別様のプレス型２３が示されている。これら２つのプレス型のうち一方のプレス型２３は冷却過程での成形に用いられる。つまり、型２２に対して押しつけられることにより、沈降した発光物質を含む軟化したガラスの外形（型２２の凹部に相応する形状）が冷却中に形成され維持される。型２２とプレス型２３とは双方とも発光物質によってコーティングされ、特に発光物質をガラスの両面で沈降させることができる。対して、一方の面を第２の粒子、例えばセラミック粒子でコーティングしてこの粒子を同様に沈降させ、これにより後の光散乱を生じさせてもよい。セラミック粒子の光屈折率は、ガラスの光屈折率と有利には０．１以上異なる。図１Ｂで型により成形されるガラス材料２ａは厚いガラスであってもよい。ただし、これを成形するには、有利には、図１Ｂの上方の凹部を有するプレス型２３が用いられる。この場合、型２２の凹部とプレス型２３の凹部とが共に用いられて冷却中のガラスボディの形状を定める。薄膜ガラスもしくは超薄膜ガラスのガラス基板の場合は、型２２の凹部があれば充分である。このケースでは有利には図１Ｂの下方の凹部を有さないプレス型２３のみが使用される。

完全に成形されたガラス基板に代えて、型２２にガラス溶融物を充填することにより、こうしたガラス溶融物を成形に用いることもできる。この場合、ガラスは典型的には１０^２ｄＰａ・ｓから１０^４ｄＰａ・ｓの範囲の粘度ηを有する。ここで、発光物質によってコーティングされるガラス物質２は、プレーンパラレルな層である必要はなく、図１Ｃのごとく、レンズ状の（冷却もしくは加熱された）ガラスボディとなるよう、相応の形状を有する型２２内に設けられてもよい。

レンズ状構造もしくは別様の湾曲構造を有するガラスボディの湾曲面１Ａに発光物質を導入するため、図１Ｄに示されているように、下部型２２と上部プレス型２３との複数部分から成る装置を使用することができる。このとき、上部プレス型２３は、熱処理の実行中少なくとも時間的に、有利には少なくとも冷却過程において、下部型２２に対して押しつけられ、これによりガラス材料２ａが冷えていくときに所望の成形がなされることが保証される。上部プレス型２３が下部型２２に押し合わされていなければ、湾曲面１Ａに対して発光物質を塗布可能である。

図１Ａから図１Ｄのいずれか又はそれ以外の方式で準備されたガラス材料２ａは、本発明の方法の出発材料をなしており、均質かつコンパクトかつ一体形で発光物質を含まず、（通常透明で）最大限気孔の少ないガラス材料となっている。独国公開第１０２００８０２１４３８号明細書に記載されている焼結プロセスとは異なり、ここでは、気孔の少ない状態でガラスが既に存在しており、発光物質がその表面に沈降する程度に軟化されるのみである。この軟化は、通常、焼結プロセスよりも低い温度で行われる。なぜなら、発光物質粒子は粘度を高める作用を有し、粉末粒子間に閉じ込められた空気が高温のもとで又は意図的に負圧をかけることではじめて放出されるからである。

気孔率もしくはポーラス率は変換素子の放射特性にとって重要な定数である。同じ光色を得るには、ポーラス率の増大につれて変換素子の厚さが増大するようにする。これにより所定の面に対して増幅された放射が（例えば「黄色環」として）生じ、所定の角度にわたって不均等な光分布が発生する。ここで説明している方法の利点は、発光物質が表面のみに沈降してそこに集中して存在することである。つまり、垂直方向（層厚さの方向）で不均等な分布が発生する。当該面は有利にはチップに近い側に位置するので、発光物質は最大限チップに近い位置に来る。したがって、沈降した発光物質が存在する領域は、均等な分散を有する焼結部分よりも小さい。発光物質として、ガーネット系化合物（例えばＹＡＧ：ＣｅやＬｕＡＧなど）、窒化物、ＳｉＯＮｅ及び／又はオルトシリケートなどを使用可能であり、これにより種々の色座標を調整できる。ここで説明している変換素子は、他の光色を有する積層体としてのセラミック変換素子と組み合わせて使用することもできる。その場合も、ガラス変換素子のうち発光物質の濃度の高い側の面がチップすなわちセラミックに近くなるように配置される（つまりセラミックはチップとガラス変換素子との間に配置される）。当該構成では、ガラス変換素子とセラミック変換素子とが（ＴＢ２と同様の）さらなる熱処理を用いて相互に直接に接合される。各変換素子は、直接にチップ上に又はチップに対して距離を置いて（遠隔発光体として）取り付けることができ、部分変換のためにも全変換のためにも用いることができる。各変換素子は、通例のごとく、シリコーンもしくは低融点ガラスもしくはゾルゲル法によってチップ上もしくは相互に固定される。後述する方法ステップを実行するためのガラスは、選択的に、加熱を経た状態のガラスボディとして、又は、予成形されていて最初冷えているガラスボディとして生じる。

図２Ａによれば、発光物質を含む材料３ａから成る層３がガラス物質の面１Ａに塗布される。このガラス物質は例えば平坦なプレーンパラレルのガラス基板１（図１Ａ，図１Ｂ）であるか、又は、その他の形状、例えばレンズ状（図１Ｃ，図１Ｄ）又は円筒状（図７）に成形されたガラスボディであってよい。同様に、図２Ａ−図２Ｉで基板１として使用されるガラス物質は、予め加熱されたガラス物質、特に、軟化温度を超えて加熱されるが液体状にまではなっていないガラス物質２ａである（図１Ｃ，図１Ｄ）。以下では、わかりやすくするために、種々に考えられるガラス物質２ａの形状を区別せず、ガラス基板１と称することにする。他の全ての図と同様、寸法比、特に層厚さは概略的にしか示されておらず、縮尺通りではない。

図２Ｂによれば、熱処理ＴＢ１がガラス材料２ａの軟化温度を上回る温度Ｔ１で実行される。最大温度Ｔ１は熱処理ＴＢ１の期間の一部のみにおいて達成されればよい。熱処理ＴＢ１は、発光物質４から成る層３又は発光物質を含む材料３ａから成る層３の塗布後に実行されるが、発光物質を含む材料の塗布中もしくは塗布前に開始されてもよい。熱処理ＴＢ１が塗布前もしくは塗布中に開始される場合、有利には、発光物質粉末のみを別の添加物なしでガラス材料２ａに塗布することができる。

図２Ａ，図２Ｂで塗布される層３は、懸濁液もしくは溶液中の固体粒子の形態で発光物質４を含む。ここでの発光物質４は、１種類の発光物質のみを含んでもいてもよいし、種々の色座標を形成するために複数種類の発光物質４ａ，４ｂを含んでいてもよい。後のステップで新たに発光物質が塗布される場合（図２Ｆ）には、図２Ａ，図２Ｂでは有利に唯一の種類の発光物質４すなわち発光物質４ａのみが塗布される。

図２Ｃには、熱処理ＴＢ１中の発光物質４の沈降が示されている。発光物質４，４ａを含む材料３ａの層３から、発光物質粒子が徐々にガラス基板１もしくは加熱されたガラス材料２の表面へ沈降する。重力によって生じるこの沈降は、例えば図１Ｄのプレス型２３を用いた機械的プレスにより支援乃至促進可能である。発光物質の沈降（図２Ｃでは下方へ向かう矢印によって示されている）により、ガラス基板１もしくはガラス材料２ａの物質に発光物質４が混合される。

図２Ｄには、ガラス基板１内の発光物質４の分布が概略的に示されている。有利には、発光物質の量の大部分がガラス材料２ａの上面１Ａもしくはその近傍に集中しており、つまり不均等な分布となっている。この場合、ガラス基板１の層厚さにおける発光物質濃度の勾配１１は、上面１Ａへ向かって大きくなっている。発光物質４ａの濃度は、上面１Ａもしくはそのすぐ下方に局所的最大値を有する。

その後、図２Ｅの実施例では、第２の発光物質を含む第２のガラス材料が設けられる。ただし、この場合、図２Ｄで処理されたガラス基板１は、（冷却後）それ自体では既に完成しており、１つまたは複数の光電デバイスもしくは光電半導体チップを組み込むことのできる変換素子１０である。

図２Ｄの変換素子１０はまずさらなる処理ステップにかけられる。例えば、反対側の面１Ｂに第２の発光物質４（例えば、図２Ａで塗布された発光物質とは異なる発光物質４ｂ）が塗布され、面１Ｂからの第２の熱処理により、ガラス基板１への沈降が開始される。発光物質４ｂの塗布及び沈降のために、図２Ｄの変換素子１０は回転され、これにより面１Ｂが上向きとなるようにする。

図２Ｅから図２Ｈに示されている代替実施例によれば、（図２Ｅで）第２のガラス材料２ａから成る層厚さｄ５の層５が上面１Ａへ被着され、（図２Ｆで）層５の露出面５Ａが、同様に、発光物質を含む材料から成る別の層６で被覆される。特にこの場合の発光物質は、先行の図２Ａのステップで塗布された発光物質とは異なる発光物質４，４ｂである。このように異なる発光物質４，４ｂから成る別の層によって被覆された層５は例えば薄膜ガラスもしくは超薄膜ガラス７であってよく、その層厚さは１．０ｍｍ未満、有利には５μｍから１００μｍ、特に有利には５μｍから５０μｍである。続いて図２Ｇで第２の熱処理ＴＢ２が、上記異なる発光物質４ｂをガラス層５内へ沈降させるために温度Ｔ２で行われる。このことは図２Ｇの下向きの矢印で示されている。

このように、図２Ｈに概略的に示されている変換素子１０は、最初に処理されたガラス基板１の上方に、発光物質を含むガラスから成る部分層１ａ（同じもしくは異なる基本材料及び発光物質の部分層）を含む。実際には、当初のガラス基板１と当該部分層１ａとは変換素子１０の一体のガラス層へと溶融されている。ただし、図２Ｈ以降では、変換素子１０の内部の発光物質濃度のプロフィルを区別するために、発光物質を含むガラスから成るガラス基板１もしくは下方部分層１と、異なる発光物質を含むガラスから成る上方部分層１ａとの初期の界面を分離線で示すことにする。図２Ｈの変換素子１０は、第１の発光物質が変換素子の層厚さの方向で見て２つの部分層１，１ａでの所定の位置に集中した積層体を形成している。有利には、上方部分層１ａは下方部分層１もしくは当初のガラス基板１よりも薄いので、第１の発光物質の濃度は、面１Ｂの側より面１Ａの側のほうが密である。図２Ｄによれば、最初に塗布された発光物質粒子４ａの濃度は、面１Ａ（上方部分層１ａに対する後の界面）までの距離が小さくなるにつれて、勾配１１で示されているように増大し、図２Ｈによれば、沈降した別の発光物質４ｂの濃度が、露出面１Ａまでの距離が小さくなるにつれて、勾配１１’で示されているように増大する。したがって、変換素子１０の部分層１，１ａが相互に溶融していれば、部分層間の初期の界面がほぼ第１の発光物質４ａの最大濃度位置となる。対して、第２の発光物質４ｂの最大濃度位置は、変換素子１０の面１Ａ、すなわち、（図２Ｅで）先に被着された層５の初期の表面５Ａに存在する。このように、図２Ｈで得られる変換素子１０では、第１の発光物質４ａ及び第２の発光物質４ｂが空間的に相互に分離される。

ただし、これに代えて、発光物質４をそれぞれ表面から沈降によって導入することにより別々に製造された２つの変換素子を相互に接合してもよい。２つの変換素子は特には発光物質を含む２つの面で相互に固定される。これにより、図２Ｉに示されているように、部分層１内の第１の発光物質４，４ａの濃度と部分層１ａ内の第２の発光物質４，４ｂの濃度とが２つの部分層１，１ａ間の界面へ向かって増大するように組み合わされた変換素子が得られる。

図３から図７には、少なくとも１つの光デバイス及び／又は光電デバイス２０、特に半導体チップ１９と共に組み込まれた変換素子１０の実施例が示されている。図２Ｈの上面１Ａは第２の発光物質４ｂの濃度が最大となる面であるが、図３によればデバイス２０と接続されている。反対側の面１Ｂからは第１の発光物質４ａの濃度がデバイス２０へ近づくにつれて増大している。変換素子１０はガラス基板１（薄膜ガラス７）のみから成る。この場合、発光物質を含むガラスから成る部分層１ａは省略されており、ここでの変換素子１０は図２Ｄの変換素子１０に対応する。部分層１ａが設けられる場合、有利には、この部分層１ａは薄膜ガラスもしくは超薄膜ガラス７である。最初に処理されるガラス基板１（又はそこから形成されるガラス層）は薄膜ガラスでなくてもよい。

特には、基板１は、図４に示されているように、光学レンズ１５として構成され、後方に湾曲面１Ｂを有することもできる。図４では、第１，第２の発光物質４ａ，４ｂの濃度がデバイス２０へ向かう勾配１１，１１’を有する様子が示されている。なお、図３と同様に、部分層１ａ（薄膜ガラス７）を省略することもできる。

図５には、ガラス基板１とデバイス２０との間にセラミック変換層１７を有する装置２１の実施例が示されている。セラミック変換層１７はガラス基板とは異なる発光物質を含む。セラミック変換層はガラス基板より高い熱伝導性を有しているが、所定の色もしくは所定のスペクトル領域に対する発光物質しか導入できないという欠点を有する。セラミック変換層は５０μｍから３００μｍの層厚さ、有利には１００μｍから２００μｍの層厚さ、又は、（例えば５０μｍより大きく）１００μｍ未満の層厚さを有してもよい。ガラス基板１は薄膜ガラスもしくは超薄膜ガラス（本明細書で上述した範囲の層厚さを有するガラス）であると有利であるが、より厚いプレーンパラレルガラス（２ｍｍまでの層厚さを有するガラス）、又は、光学素子として成形されたガラス（図４の形状もしくはその他の形状を有するガラス）であってもよい。

図６には、変換素子１０が光電デバイス２０もしくは半導体チップ１９から所定の間隔Ａを置いて配置される実施例が示されている。変換素子１０は例えば図３の変換素子と同様に構成される。つまり、ここでの変換素子１０は、それぞれ半導体チップ１９に向かって増大する発光物質濃度を有する２つの部分層１，１ａを含む。増大する発光物質濃度は、図６では、各部分層１，１ａの下方のハッチング領域によって示されている（図４で濃度勾配が矢印１１，１１’によって示されているのとは異なる）。２つの部分層１，１ａはそれぞれ薄膜ガラスもしくは超薄膜ガラス７（本明細書で上述した範囲の層厚さを有するガラス）であってよい。有利には、少なくとも下方部分層１ａは薄膜ガラスもしくは超薄膜ガラスである。変換素子１０はリフレクタを有してもよいし、又は、半導体チップ１９から間隔Ａを置いて配置されてもよい。また、変換素子１０は、全ての発光物質４ａ，４ｂが半導体チップ１９に近い面１Ａに最大発光物質濃度を有するように構成できる。相応に、部分層１ａを省略して、これによる垂直方向での発光物質４ａ，４ｂの最大濃度の差はなくすこともできる。

図７には、変換素子１０が管球状のガラスボディ８として構成された実施例が示されている。ガラスボディ８では、発光物質４の（ハッチングで示されている）最大濃度を有する面１Ａが凹状に成形され、これにより中空室９が形成されている。反対側の、発光物質の少ない側の面１Ｂは外側へ向かって凸状に形成され、さらに（化学的及び／又は機械的に）粗面化されるか又は光散乱層１６によって被覆される。光散乱層１６は、他の全ての実施例の変換素子１０、特に図２Ｄ，図２Ｈ及び図３−図６の変換素子１０にも設けることができる。図７では、支持体１８上に、選択的に、それぞれ電磁放射を放出する１つもしくは複数の半導体チップ１９もしくはデバイス２０が配置される。複数のデバイス２０が設けられる場合、粗面化によってもしくは光散乱層１６を用いて、放射特性の改善が達成される。変換素子１０は光電デバイス２０から間隔を置いて配置されるが、この場合、ガラス材料へ導入された発光物質４が最大発光物質濃度を有する面１Ａが光電デバイス２０に面するように配置される。これに代えて、図６，図７で、第１の変換素子を１つもしくは複数のチップの直接上方に実装し、第２の変換素子、特に別の発光物質を含む変換素子を（図示のごとく）そこから間隔を置いて配置してもよい。

本願で提案される変換素子に対して、硬化ガラスもしくは軟性ガラスもしくは（特には鉛フリーの）低融点ガラスを使用することができる。変換素子がチップ上に固定される場合、又は、セラミック変換素子と組み合わされて使用される場合、有利には、２０℃−３００℃の範囲で、熱膨張係数α＝６×１０^−６／Ｋから２０×１０^−６／Ｋ、理想的には熱膨張係数α＝８×１０^−６／Ｋから１２×１０^−６／Ｋのガラスが用いられる。沈降された発光物質と近い光屈折率を有するガラス（例えばガーネット系化合物で屈折率ｎＤ＝約１．８のガラス）を使用すれば、光デバイスの効率をさらに向上させることができる。変換素子は、発光物質を含まないシリコーン層もしくは低融点ガラスから成る層を介して、又は、ゾルゲル法によって、デバイスに固定される。

これに代えて、ガラス材料として、（６５０℃から９５０℃までの軟化温度を有する）軟性ガラスもしくは硬化ガラスに代えて、（約４００℃から６００℃の軟化温度を有する）鉛フリーの低融点ガラスが使用される場合、このガラスは、主成分として、亜鉛を含むホウ酸ガラスもしくは亜鉛ビスマスホウ酸ガラスもしくはアルミニウム亜鉛リン酸ガラスもしくはアルカリリン酸ガラスを含む。同様に、例えばショット社のＰ−ＰＫ５３など、Ｔｇが通常最大で５５０℃のいわゆる低Ｔｇガラスを使用することもできる。硬化ガラスもしくは軟性ガラスもしくは低融点ガラスに沈降される発光物質としては、例えばガーネット系化合物（例えばＹＡＧ：Ｃｅ，ＬｕＡＧなど）、窒化物、ＳｉＯＮ及び／又はオルトシリケートなどを使用できる。さらに、複数の種々の発光物質を相互に組み合わせて用い、これにより２つ以上の異なる２次スペクトルもしくは色座標を形成してもよい。このためには、第１の発光物質を変換素子１０の第１の部分層に導入し、第２の発光物質を変換素子１０の第２の部分層に導入することができる。

本発明によれば、後から行われる発光物質の導入により、特に、ガラスもしくはガラス材料の層厚さの方向で発光物質の不均等な分布が生じる。変換素子１０の面１Ａ，１Ｂに対して平行な方向では、発光物質の分布は均等である。これに代えて、こうした横方向で発光物質分布を不均等にしてもよい。ただしこのためには図２Ａ−図２Ｆで発光物質をガラス材料の表面に不均等に塗布する必要がある。横方向の発光物質分布を適切に選択することにより、放射特性を意図的に制御することができる。付加的な手段もしくは代替手段として、図２Ｄ，図２Ｈもしくは図３−図７の変換素子の面１Ａを粗面化するか又はこれに散乱層を設けることができる。このようにすればデバイスから間隔を置いて配置された球状もしくは半球状の変換素子の放射特性を改善できる。これにより、例えば複数の（特にそれぞれ光色の異なる）デバイスを備えたレトロフィット型ランプにおいて、変換素子の下方に均等な色分布を形成することができる。

Claims (15)

1. 光デバイス及び／又は光電デバイス（２０）用の変換素子（１０）の製造方法であって、該方法は、少なくとも、
   ａ）発光物質（４；４ａ）もしくは該発光物質（４；４ａ）を含む材料（３ａ）を、発光物質を含まない透明かつ均質なガラス材料（２ａ）の面（１Ａ）に塗布し、前記ガラス材料（２ａ）の軟化温度（Ｔｗ）を上回る高い温度（Ｔ１）での熱処理（ＴＢ１）を行って、前記発光物質（４；４ａ）が前記ガラス材料（２ａ）内へ沈降する程度に前記ガラス材料（２ａ）を軟化させるステップと、
   ｂ）沈降した前記発光物質（４；４ａ）とともに前記ガラス材料（２ａ）を冷却するステップと
   を含む
   ことを特徴とする方法。
2. スプレー塗布もしくは刷毛塗布もしくは描画塗布もしくは静電堆積もしくはペースト層の印刷その他の手法によって、前記発光物質（４；４ａ）もしくは該発光物質（４；４ａ）を含む材料（３ａ）を、前記ガラス材料（２ａ）の面（１Ａ）に直接に塗布するか、又は、分離剤として前記ガラス材料（２ａ）を成形するための所定の型（２２）もしくはプレス型（２３）に塗布する、請求項１記載の方法。
3. コンパクトかつ一体形で気孔の少ないガラス層としての前記ガラス材料（２ａ）を、前記発光物質（４；４ａ）もしくは該発光物質（４；４ａ）を含む材料（３ａ）によって被覆し、前記熱処理（ＴＢ１）にかける、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記コンパクトかつ一体形で気孔の少ないガラス層を、未加熱の状態で準備し、前記熱処理（ＴＢ１）によって軟化させる、請求項３記載の方法。
5. まず、前記ガラス材料（２ａ）を予成形された固体のガラス基板（１）として準備し、前記熱処理（ＴＢ１）を行う前に、前記発光物質（４；４ａ）もしくは該発光物質（４；４ａ）を含む材料（３ａ）によって被覆する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記発光物質（４；４ａ）が軟化した前記ガラス材料（２ａ）又は少なくとも加熱された前記ガラス材料（２ａ）に塗布される前に、前記ガラス材料（２ａ）の前記熱処理（ＴＢ１）を開始する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記ガラス材料（２ａ）の冷却中及び／又は冷却後に、さらに、
   ｃ）前記ステップａ）で処理されたガラス材料（２ａ）上に、別のガラス材料（２ａ）から成る層（５）を設けるステップと、
   ｄ）別の発光物質（４；４ｂ）もしくは該別の発光物質（４；４ｂ）を含む層（６）を、前記別のガラス材料（２ａ）から成る層（５）のうち前記ステップａ）で処理されたガラス材料（２ａ）から遠い側の面（５Ａ）に塗布するステップと、
   ｅ）高温（Ｔ２）での沈降により、前記別の発光物質（４；４ｂ）を、前記別のガラス材料（２ａ）から成る層（５）のうち前記ステップａ）で処理されたガラス材料（２ａ）から遠い側の面（５Ａ）に導入するステップと
   を行う、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記別のガラス材料（２ａ）を、前記ステップａ）で処理されたガラス材料（２ａ）のうち前記発光物質（４；４ａ）によって既に被覆された面に塗布し、前記ステップｄ）及び前記ステップｅ）において、前記ステップａ）で処理されたガラス材料（２ａ）に塗布されたものとは異なる発光物質（４；４ｂ）を用いる、請求項７記載の方法。
9. 前記ガラス材料（２ａ）の冷却中及び／又は冷却後に、さらに、
   ｃ）別の発光物質（４；４ｂ）もしくは該別の発光物質（４；４ｂ）を含む層（６）を、前記ステップａ）で処理されたガラス材料（２ａ）の反対側の面（１Ｂ）に塗布するステップと、
   ｄ）高温（Ｔ２）での沈降により、前記別の発光物質（４；４ｂ）を前記反対側の面（１Ｂ）へ導入するステップと
   を行う、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
10. 前記ステップａ）もしくは前記ステップｃ）において使用されるガラス材料（２ａ）は、５μｍから１０００μｍの間、有利には５μｍから５００μｍの間のガラス厚さを有するプレーンパラレルの薄膜ガラスもしくは超薄膜ガラスであるか、又は、所定の側に中空室（９）を有する管球状のガラスボディ（８）であるか、又は、レンズである、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
11. 光デバイス及び／又は光電デバイス（２０）用の変換素子（１０）であって、
    該変換素子（１０）は、少なくとも、層状もしくは他の形状に成形された透明なガラス基板（１）を含み、
    前記ガラス基板（１）は、少なくとも１つの平坦なもしくは湾曲した第１の面（１Ａ）と、該第１の面（１Ａ）とは反対側の少なくとも１つの平坦なもしくは湾曲した第２の面（１Ｂ）とを有しており、該２つの面の間で前記ガラス基板（１）が一定の層厚さもしくは変化する層厚さ（ｄ１０）を有しており、
    前記変換素子（１０）は、発光物質（４；４ａ，４ｂ）を含むガラス材料（２ａ）から形成されており、
    前記発光物質（４；４ａ，４ｂ）は前記変換素子（１０）の層厚さ（ｄ１０）の方向で不均等に分布しており、
    前記発光物質（４；４ａ，４ｂ）の濃度は、前記２つの面（１Ａ，１Ｂ）のうち前記第１の面（１Ａ）に局所的極大値を有し、反対側の前記第２の面（１Ｂ）へ向かう方向で低下している
    ことを特徴とする変換素子。
12. 前記変換素子（１０）は、前記ガラス基板（１）のうち反対側の前記第２の面（１Ｂ）で粗面化されているかもしくはマット化されているかもしくは散乱層（１６）によって被覆されている、請求項１１記載の変換素子。
13. 前記変換素子（１０）の前記ガラス材料（２ａ）は、２つの異なる発光物質（４；４ａ，４ｂ）を含み、そのうち
    第１の発光物質（４ａ）は、前記変換素子（１０）の層厚さの方向で見て前記２つの面（１Ａ，１Ｂ）間の第１の位置に集中しており、対して、
    第２の発光物質（４ｂ）は、主に前記変換素子（１０）の前記２つの面（１Ａ，１Ｂ）のうち前記第１の面（１Ａ）に集中しているか、又は、前記層厚さの方向で見て前記第１の面（１Ａ）と前記第１の位置との間にある第２の位置に集中している、
    請求項１１もしくは１２記載の変換素子。
14. 前記ガラス基板（１）の前記第１の面（１Ａ）は平坦に又は凹状に成形されており、前記第１の面（１Ａ）から前記第２の発光物質（４ｂ）が最大濃度を有する位置までの距離は、前記変換素子（１０）の層厚さ（ｄ１０）の方向で測定して、１．０ｍｍ未満であり、有利には２００μｍ未満である、請求項１３記載の変換素子。
15. 前記変換素子（１０）は、前記発光物質（４；４ａ）の濃度が局所的極大値を有する面（１Ａ）で、セラミック変換層（１７）に、又は、光デバイス及び／又は光電デバイス（２０）、例えば半導体チップ（１９）に、実装、例えば接着されている、請求項１１から１４までのいずれか１項記載の変換素子。

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