JP2018519626A - 白色光照明用のｌｅｄ照明ユニット、材料、および光学部品 - Google Patents

Abstract

材料および同材料から成る光学部品は、白色光照明を得るかまたは近似する、１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として利用する照明ユニットなどの照明ユニットに使用するのに適している。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して、照明システムおよび関連する技術に関する。特に、本発明は、白色光照明を得るかまたは近似する照明ユニット（個別の例としては、１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として利用する照明ユニットが挙げられる）に使用するのに適した材料および光学部品に関する。

ＬＥＤランプ（時には「バルブ」と称される）は、非限定的に、より長い耐用年数、高いエネルギー効率、および予熱時間を必要としない十分な輝度など、通常の白熱ランプおよび蛍光ランプを超える各種の利点をもたらす。当該分野で知られているように、ＬＥＤ（本明細書では有機ＬＥＤすなわちＯＬＥＤを包含しうる）は、電気エネルギーを可視光（約４００〜７５０ｎｍの波長）を含む電磁放射に変換する固体半導体素子である。ＬＥＤは、一般に、ｐ−ｎ接合を作り出すように不純物がドープされた半導電性材料のチップ（ダイ）を備える。ＬＥＤチップは、アノードおよびカソードに電気的に接続され、それらは全てパッケージ内に実装されることが多い。ＬＥＤは、白熱ランプまたは蛍光ランプなどの他のランプよりも、指向性が強い可視光を狭いビームで放出するので、通常、自動車、陳列、安全／緊急用の照明、および指向性のエリア照明などの用途に利用されている。しかし、ＬＥＤ技術の進展によって、以前は白熱ランプおよび蛍光ランプが役割を担ってきた全方向性の照明用途など、他のタイプの照明源を通常用いていた照明用途において、高効率なＬＥＤ式照明システムが広範に使用されるようになっている。結果として、居住環境、商業環境および都市環境のエリア照明用途にＬＥＤが益々使用されている。

図１は、エリア照明の用途に適したＬＥＤ式照明ユニットの非限定的な製品例を表している。照明ユニット（以下では、ランプ）１０は、ほぼ全方向性の照明性能をもたらすように構成された、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｍａｒｔ（商標）ＬＥＤバルブまたはランプ（ＡＮＳＩ Ａ１９タイプ）として表されている。各種の他の構成のＬＥＤ式照明ユニットも知られている。図１に表すように、ランプ１０は、透明または半透明のカバーまたは筐体１２と、エジソン型のねじ込み式ベースコネクタ１４と、筐体１２とコネクタ１４との間のハウジングまたはベース１６と、放射および対流による周辺環境への熱伝達を向上させる放熱フィン１８とを備える。

複数のＬＥＤ素子を備えるＬＥＤアレイであることが多いＬＥＤ式光源が、一般に、ベース１６に隣接して筐体１２の下端に配置されている。例えば、緑色、青色、赤色などの狭い波長帯域の可視光をＬＥＤ素子が放出するので、ＬＥＤランプでは、異なるＬＥＤ素子の組合せが、平均的な人の目により白色と知覚される照明を含む各種の光色を生成するように組み合わされることが多い（またはより一般に、ＬＥＤが蛍光物質と組み合わされる）。ＬＥＤ素子は、ベース１６に実装されるかベース内にある、支持体に実装されうる。ＬＥＤ素子は、例えば、ＬＥＤ素子からの可視光の抽出効率を向上させる屈折率整合材料から成ることが多い保護カバーによって、支持体上にカプセル化されうる。非限定的な例として、図２は、印刷回路基板（ＰＣＢ）２６に実装されたＬＥＤチップ２４を封入する光学的に透明または半透明の封体部の役割を果たすドーム２２を備えるタイプのＬＥＤ素子２０を部分的に表している。また、蛍光物質が、ＬＥＤにより発生した光以外の色の光を放出するために使用されうる。このために、ドーム２２の内面には、蛍光物質成分を含むコーティング２８が施されうる。この場合、ＬＥＤチップ２４により放出された電磁放射（例えば、青色可視光、紫外線（ＵＶ）放射、または近可視紫外線（ＮＵＶ）放射）が蛍光物質成分により吸収され、蛍光物質成分を励起させて、ドーム２２を通って放出される可視光を生成することができる。代わりに、ＬＥＤチップ２４は、コーティングによりＰＣＢ２６上にカプセル化されてもよく、かようなコーティングは、ＬＥＤ蛍光物質とＬＥＤエピタキシャル（ｅｐｉ）ウェハまたはダイの製作との統合が望ましい実施形態では、任意選択的に蛍光物質成分を含んでもよい。

ほぼ全方向性の様式で可視光を放出するようにランプ１０の性能を促進するために、筐体１２は、図１では実質的に球状または楕円状の形状で表されている。ほぼ全方向性の照明性能をさらに促進するために、筐体１２は、光拡散体として機能しうる材料で形成されうる。非限定的な例として、筐体１２は、内部反射体（不図示）が間に配置されうる半球状の一対の拡散体を備える組立体でもよく、同組立体を含んでもよく、それによって、ＬＥＤ素子により発生した可視光が筐体１２の内部に導かれ、発生した光の一部分が、反射体によってベース１６に近い方の半球状の拡散体内に反射され、反射した光が同拡散体を通ってランプ１０の周囲の環境に分散するようになっている。発生した光の残りは、反射体の開口を通過し、第２の半球状の拡散体に入り、通過した光は、同拡散体を通ってランプ１０の周囲の環境に分散する。拡散体の生成に通常用いられる材料としては、可視光の屈折を促進し、それにより白色反射の出現を実現するために、充填材、例えば酸化チタン（ＴｉＯ₂）を一般に含みうる、ポリアミド（ナイロン）、ポリカーボネート（ＰＣ）、および／またはポリプロピレン（ＰＰ）が挙げられうる。筐体１２の内面には、例えば、蛍光物質成分を含むコーティングなどのコーティング（不図示）が施されうる。

上でも述べたように、白色光照明を実現する現在の手法は、平均的な人の目により白色と知覚される分光分布を作り出すために、異なる色の光を発生させるＬＥＤの組合せを含む。例えば、赤色、緑色および青色のＬＥＤを互いに近接して配置し、それらの出力を適切に調整することによって、得られる光は白色に見える。上で述べたように、別の手法は、特定の蛍光物質とＬＥＤの組合せを伴う。非限定的な例として、特定の黄色蛍光物質コーティング（例えば、セリウム（ＩＩＩ）をドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ；Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺）またはルテチウム・アルミニウム・ガーネット（ＬｕＡＧ；Ｌｕ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺）蛍光物質）が、蛍光物質コーティングの出力の大部分が黄色に見えることによって、ＬＥＤにより放出された短波長（例えば、約４５０〜４７０ナノメートルの青色光波長）を、緑色から赤色の光にわたる放出が生じるように変化させることができる。ＬＥＤにより生成された残りの青色光との組合せによって、ＬＥＤ／コーティングの組合せにより生成された可視光の色は白色に見える。「青色ＬＥＤ」および「黄色蛍光物質」（および特定のケースでは「緑色蛍光物質」）とのかような組合せは、平均的な人の目に白色と知覚される光を発生させるために、例えば、ＣａＡｌＳｉＮ₃ベースの（ＣＡＳＮ）蛍光物質などの「赤色蛍光物質」とさらに組み合わせることができる。

異なるＬＥＤ素子および／または蛍光物質の組合せの使用は、白色光効果をもたらすＬＥＤランプの可能性を促進するために利用することができるが、ランプにより発生した白色光の品質を評価するときに追加の要因が一般に考慮される。例として、光源の忠実度の目安、すなわち、基準の（理想または自然の）光源と比べて光源がどの程度忠実であるかの目安として使用される所望の色調指数を実現するために、特定の用途に使用されるランプの可視光出力を調整することが望ましいことが多い。自然の屋外光は、ＣＲＩが１００と考慮される一方で、ＣＲＩが８０以上であることは、事務所などの一般用途では、色の強度を十分に最大化するものと一般に考慮される。ＬＥＤ式ランプについて考慮される別の指数は、彩度指数（ＣＳＩ）であり、それは、色を鮮明かつ容易に区別できるようにする光の可能性を示す統計指数である。白色光照明が望ましい特定の用途では、例えば、知覚的に目立つ色ズレ（色忠実度指数ＣＦＩにより統計的に示される）を避けるかまたは最小化するためにゼロ未満のＣＳＩ値などの低いＣＳＩレベルが好ましいことが多い一方で、白色光照明の用途では、ある程度のレベルの彩度が望ましい効果を有しうる特定の状況がある。

国際公開第２０１６／０５７６０４号

本発明は、ゼロ以上のＣＳＩ値を実現しながらも白色光照明を得るかまたは近似する照明ユニットに使用するのに適した、ＬＥＤ式照明ユニットおよび光学部品およびそれらの材料を提供する。

本発明の一態様によると、ＬＥＤ式照明ユニットは、青色光を発生させるＬＥＤ式光源と、青色光が通過する、光学部品および光学部品上の蛍光物質コーティングとを含む。蛍光物質コーティングは、少なくとも黄色蛍光物質および赤色蛍光物質を含む。蛍光物質コーティングが青色光により照らされることによって、黄色蛍光物質は、黄色光を含む放出が生じるように青色光の少なくとも一部分を変化させ、赤色蛍光物質は、赤色光を放出し、黄色光、赤色光、および、青色光の非変化部分は、組み合わさって、平均的な人の目により白色と知覚され、かつ約ゼロ以上のＣＳＩ値により特徴づけられる可視光を生成する。

本発明の追加の態様は、Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物またはＮｄ³⁺イオンを含む酸化フッ化ネオジム化合物の利用および生成を含み、Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物または酸化フッ化ネオジム化合物は、光学部品のうち青色光が通過する少なくとも一部分を形成する材料に取り入れられる。Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物または酸化フッ化ネオジム化合物は、光学部品を通過する青色光の光散乱をそれぞれ最小化または促進するために、および、約ゼロ以上のＣＳＩ値を維持または付与しながら黄色光の一部分をフィルタリングするために、光学部品の材料との屈折率の整合または不整合を促進できる。

上述した照明ユニット、光学部品、および材料の技術的効果は、１つ以上のＬＥＤ式光源を使用して、平均的な人の目により白色と知覚されうる可視光を生成し、かつその光のＣＳＩを促進して特定の照明効果を促進する、性能を含むことが好ましい。

本発明の他の態様および利点は、以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。

本発明の非限定的な実施形態による、蛍光物質を含む光学部品の恩恵を受けうるタイプのＬＥＤ式照明ユニットを表している。 例えば、図１に表したタイプのＬＥＤ式照明ユニットに使用できるタイプのＬＥＤ素子の断片的な断面図を表している。 平均的な人の目により白色と知覚され、かつゼロ未満のＣＳＩにより特徴づけられる光を生成するために、青色ＬＥＤならびに黄色蛍光物質および赤色蛍光物質の組合せを利用するＬＥＤ式ランプの分光分布を表すグラフである。 平均的な人の目により白色と知覚され、かつ約ゼロのＣＳＩにより特徴づけられる光を生成するために、青色ＬＥＤならびに黄色蛍光物質および赤色蛍光物質の改良された組合せを利用するＬＥＤ式ランプの分光分布を表すグラフである。 緑色から青色の範囲の波長について、図４のＬＥＤ式ランプにより実現される、図３のＬＥＤ式ランプよりも高いＣＳＩ値を明示する２つの表を含む。 酸化ネオジム、フッ化ネオジム、および酸化フッ化ネオジム化合物の吸収を比較するグラフである。 酸化フッ化ネオジム化合物を生成するために実施されうる異なるプロセスの工程を表すフロー図を含む。 酸化フッ化ネオジム化合物を生成するために実施されうる異なるプロセスの工程を表すフロー図を含む。 酸化フッ化ネオジム化合物を生成するために実施されうる異なるプロセスの工程を表すフロー図を含む。

以下の解説は、例えば、青色ＬＥＤ、黄色蛍光物質、赤色蛍光物質などの、個別の色の蛍光物質およびＬＥＤについて言及する。蛍光物質およびＬＥＤならびにそれらが発生する光に関する、かかる用語の使用および定義は、ＬＥＤまたは蛍光物質の出力が、可視光スペクトルのその個別の色について理解されうるよりも広いまたは狭い波長範囲を包含しうるとの理解によって、平均的な人の目により知覚される、ＬＥＤまたは蛍光物質の電磁放射の主要な色を指すものと理解されたい。さらに、用語「白色光」および「白色光照明」は、平均的な人の目により白色と知覚される光を指すものと理解されたい。「ＬＥＤ式」ランプおよび照明ユニットは、ＬＥＤを光源として含む照明器具を指すために使用される。以下の解説では、図１に表したＬＥＤ式照明ユニット１０および図２に表したＬＥＤ素子２０も具体的に参照する。しかし、各種の他の構成の照明ユニットおよびＬＥＤ素子も本発明の範囲内であることを理解されたい。

本発明は、白色光照明を得るかまたは近似し、かつ一般に約ゼロ以上の比較的高いＣＳＩ（彩度指数）値を実現する照明ユニットに使用するのに適した、ＬＥＤ式ランプおよび光学部品およびそれらの材料を提供する。本明細書において、光学部品とは、照明効果をもたらすように可視光が通過できる少なくとも一部分を有する物品である。本発明の非限定的ではあるが好ましい態様によると、図１に表したＬＥＤ式照明ユニット１０は、白色光照明を実現することを意図しており、このために、ＬＥＤチップ２４は、その放出が青色可視光（「青色光」）を含む短波長ＬＥＤであり、青色光の一部分を吸収する特定の蛍光物質を含む蛍光物質成分と組み合わせて使用され、蛍光物質の少なくとも１つを励起させて、ドーム２２を通って放出される可視光を生成する。代わりにまたは加えて、ＬＥＤチップ２４は、コーティングで印刷回路基板（ＰＣＢ）２６上にカプセル化されてもよく、かようなコーティングは、ＬＥＤ蛍光物質とＬＥＤエピタキシャル（ｅｐｉ）ウェハまたはダイの製作との統合が望ましい実施形態では、任意選択的に蛍光物質成分の全てまたは一部を含んでもよい。代わりにまたは加えて、蛍光物質成分の全てまたは一部を図１の照明ユニット１０の筐体／拡散体１２に組み込めることを予測することができる。以下の解説では、照明効果をもたらすように光を意図的に通過させる、ＬＥＤ素子のドームおよびカプセル材、照明ユニットの筐体／拡散体、ならびに他の光学部品を光学部品と総称する。

ＬＥＤチップ２４として使用できる短波長ＬＥＤの非限定的な例としては、約４５０〜４７０ナノメートルの波長を含む波長範囲を発生させるＬＥＤが挙げられ、非限定的ではあるが特有の例としてＩｎＧａＮ ＬＥＤが挙げられる。

本発明により使用できる蛍光物質成分の非限定的な例としては、少なくとも１つの黄色蛍光物質および少なくとも１つの赤色蛍光物質が含まれ、それらは、単一のコーティング中に一緒に存在してもよく、複数のコーティング中に一緒にまたは別々に存在してもよい。黄色蛍光物質の非限定的な例としては、セリウム（ＩＩＩ）をドープした、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ；Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺）、ルテチウム・アルミニウム・ガーネット（ＬｕＡＧ；Ｌｕ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺）、Ｔｂ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺、およびＣａＧａ₂Ｓ₄：Ｅｕ²⁺の蛍光物質が挙げられ、それらは、ＬＥＤ素子２０により放出された青色光（例えば、約４００〜約４７０ｎｍの範囲内の波長を放出する）を、主に黄色光である黄色蛍光物質コーティングの出力によって緑色から赤色の光（例えば、約５１０〜約６５０ｎｍの波長）にわたりうるが、黄色光（例えば、約５００〜約６００ｎｍの波長）を含む放出が生じるように変化させることができる。よって、ＬＥＤ素子２０および蛍光物質成分の黄色蛍光物質は、青色にシフトした黄色（ＢＳＹ）と称する効果を実現する。

赤色蛍光物質の非限定的な例としては、赤色窒化物蛍光物質が挙げられ、それらの非限定的な例は、ＣａＡｌＳｉＮ₃ベースの（ＣＡＳＮ）蛍光物質であり、赤色光を放出し、約５７０〜約７００ｎｍの波長を含みうる。ＬＥＤ素子２０により生成された残りの青色光と組み合わさると、ＬＥＤ素子２０により生成されたか、または照明ユニット１０により少なくとも生成された可視光の色は、平均的な人の目に白色と知覚される。本発明の好ましい態様によると、白色光は、約ゼロ以上のＣＳＩ値により特徴づけられ、このことは、識別できれば、白色光を構成する個々の波長帯域（単色光）が鮮明であり容易に区別できることを統計的に示している。ある程度の彩度レベルの白色光照明が望ましい効果を有するであろう状況としては、商品陳列、および居住環境、商業環境および都市環境における各種のエリア照明の用途、例えば、ＧＥ Ｌｉｇｈｔｉｎｇから市販されている白熱バルブのｒｅｖｅａｌ（商標）製品群を利用できる用途が挙げられる。

図３は、平均的な人の目により白色と知覚される光を生成するために青色ＬＥＤ素子ならびに黄色蛍光物質および赤色蛍光物質の組合せを利用した「標準的な」ＬＥＤ式ランプの分光分布（ＳＰＤ）をプロットしたグラフを含む。ＬＥＤ素子は、「青色ポンプ」ＬＥＤ（例えば、約４５０ｎｍ）を含むパッケージであった。黄色蛍光物質はＹＡＧ、赤色蛍光物質は窒化物ベースのＣａＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕであった。黄色蛍光物質は、ＬＥＤ素子により放出された青色光を、黄色光を含む放出（すなわち、ＢＳＹ組合せ）が生じるように変化させる役割を果たした。黄色蛍光物質および赤色蛍光物質は、ＬＥＤパッケージに直接適用されたか、またはパッケージから離れて配置された「リモート」コーティングとして適用された。ランプにより放出された可視光（「組合せ」）は、ＣＣＴ（相関色温度）が２７００Ｋである温白色光であり、ゼロ未満のＣＳＩ、具体的には、知覚的に目立つ色ズレがないことを示す比較的高い色忠実度指数（ＣＦＩ）に対応するマイナス１６のＣＳＩにより特徴づけられた。

図４は、同一の青色ＬＥＤ素子ならびに図３のデータを生成するために使用されたのと同じ黄色蛍光物質および赤色蛍光物質を利用した「改良された」ＬＥＤ式ランプのＳＰＤを表す同様のグラフである。しかし、図３のＳＰＤを生成するために使用されたものと比べて、黄色蛍光物質と赤色蛍光物質の相対量が改良された。ランプにより放出された可視光（「組合せ」）は、温白色光（約２９００ＫのＣＣＴ）であったが、約ゼロのＣＳＩ値により特徴づけられた。高いＣＳＩ値は、図３の「組合せ」可視光と比べて、白色光の低いピークと、約５３０ｎｍを超える波長、特に約５５０〜６１０ｎｍの波長範囲にわたる、白色光の低いレベルとに関連すると結論付けられた。グラフに示すように、この範囲を超える白色光は、白色光に関してプロットした曲線において、青色放出ピークと黄色放出ピークの間に、特に、約４６０〜５８０ｎｍの波長範囲にわたり、特定される「屈曲点」（すなわち、合成スペクトルの変曲点）を伴う。本例では、合成スペクトルの変曲点が、約５００ｎｍと約５５０ｎｍの間に現れている。加えて、図４にプロットしたデータは、黄色光のピーク波長および赤色光のピーク波長のシフトを示しており、各ピークが、図３にプロットしたデータよりも短い波長にあることにより特徴づけられた。

また、高いＣＳＩ値は、図３および図４の白色光を構成する個々の波長帯域（単色光）のＣＳＩ値を報告する、図５のデータにより示されていると考えられる。図５のデータは、緑色光、青色〜緑色光、および青色光に対応する波長が、図３の「標準的な」ランプよりも図４の「改良された」ランプで相当長かったことを明示しており、それらの波長が、人の目に知覚できるならば、より鮮明かつ容易に区別できるであろうことを示している。

これらの結果から、ゼロ以上のＣＳＩ値を実現するためには、黄色光と赤色光をそれぞれ発生させるために使用される黄色蛍光物質と赤色蛍光物質の比率を意図的に制御することによって、ＢＳＹ効果により生成される黄色光と赤色蛍光物質により生成される赤色光との比率を制御しなければならないと考えられる。図５のデータに基づくと、この比率（黄色：赤色の蛍光物質）の好適な範囲が、検討中のデザインに関する目標色座標に応じて、スペクトル重みで約１：２〜約２：１となると考えられる。この範囲は、ＢＳＹ赤色蛍光物質組合せをＬＥＤ素子が利用する場合に、特に適切かつ有効であると考えられ、本明細書では、ＢＳＹ赤色蛍光物質組合せは、青色ＬＥＤ素子により放出された青色光の一部分を変化させることにより黄色光を発生させる黄色蛍光物質と組み合わせて使用される赤色蛍光物質を指す。

図５のデータに基づいて、高いＣＳＩ値を実現する、ＢＳＹ赤色蛍光物質組合せにおける黄色蛍光物質と赤色蛍光物質の相対量は、そうでなければ、緑色光、青色〜緑色光、および／または青色光を含む波長の放出を促進するために利用されうる、添加化合物を補償することもできると、さらに結論付けられた。かような望ましい照明効果の特筆すべき例が、前述の白熱バルブのｒｅｖｅａｌ（商標）製品群によって実現され、それらは、特定の光の波長をフィルタリングする、特に、黄色光の波長をフィルタリングする可能性という点で、酸化ネオジム（Ｎｄ₂Ｏ₃）をドープしたガラスから成る外側ジャケットを有するように生成される。かような既知の白熱ランプの外側ジャケットに酸化ネオジムを含有することによって、白熱バルブにより生成される白色光の外観および分光分布が選択的に改良され、それによって、緑色光、青色〜緑色光、および／または青色光の知覚できる増加を実現する役割が果たされる。図５に示される緑色、青色〜緑色光、および青色光の波長のＣＳＩが向上することによって、いくらかの同様の効果が、図４の「改良された」ランプによって実現すると考えられる。その結果、ＬＥＤ式照明ユニットによって望ましい照明効果を促進するために酸化ネオジムまたは別のネオジム系化合物が使用されうる用途では、例えば、ＬＥＤチップ２４のドーム２２に、またはＬＥＤチップ２４のカプセル材に、または照明ユニット１０の筐体／拡散体１２に酸化ネオジムを取り入れることによって、そうでなければ、例えば約ゼロ以上の、比較的高いＣＳＩ値を実現するように黄色蛍光物質および赤色蛍光物質の量を適切に調整することによって、かような効果を実現するために必要となる酸化ネオジムの量を低減または省略できることがある。

ＢＳＹ赤色蛍光物質組合せにおける黄色蛍光物質および赤色蛍光物質の量を調整することに加えて、図４および図５に関して説明したように、凡そゼロ以上のＣＳＩ値により特徴づけられる白色光を発生させるためにＬＥＤ素子または照明ユニットに取り入れるのによく適したものとして、ネオジム系化合物が特定されている。特に、例えば、白熱バルブのｒｅｖｅａｌ（商標）製品群によって実現されるのと同様の望ましい照明効果に寄与しながらも高いＣＳＩ値を得るために、酸化フッ化ネオジム化合物によりＢＳＹ赤色蛍光物質組合せを補完できる方法で酸化ネオジム（Ｎｄ₂Ｏ₃）とフッ化ネオジム（ＮｄＦ₃）の相対量が制御される、酸化フッ化ネオジムを利用することができる。色フィルタ効果をもたらすために、特に、黄色光の波長範囲、例えば、約５６０〜約６００ナノメートルの波長の可視光をフィルタリングするには、Ｎｄ³⁺イオン源を含むＮｄ−Ｆ化合物およびＮｄ−Ｘ−Ｆ化合物が有効であると判断されている。本明細書において、「Ｎｄ−Ｆ」化合物とは、ＮｄおよびＦを含む化合物である。Ｎｄ−Ｘ−Ｆ化合物とは、Ｎｄ、Ｆ、およびＸを含む化合物であり、ここで、Ｘは、例として、酸素、窒素、硫黄、塩素など、ネオジムとの化合物を成す少なくとも１つの元素であるか、または、例として、Ｎａ、Ｋ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、およびＹ、またはかような元素の組合せの金属元素など、フッ素との化合物を成す（Ｎｄ以外の）少なくとも１つの金属元素である。Ｎｄ−Ｘ−Ｆ化合物の一例はＮｄＯ_xＦ_yであり、ここで、ｘは０から１．５未満であり、ｙは約０．１から３であり、ｘおよびｙは、Ｎｄが３価となるように選ばれる。ｘが０である極端な状態ではｙ＝３であり、化合物はＮｄＦ₃となる。別の実施形態が、ｘが１、ｙが１の場合であり、ＮｄＯＦをもたらす。本開示の実施形態に用いうるいくつかの種類のネオジム化合物としては、２０１５年１月６日に出願された共有される国際出願ＰＣＴ／ＣＮ２０１５／０７０１９１（ＧＥ事件番号２７４９４６）および２０１４年１０月８日に出願された共有される国際出願ＰＣＴ／ＣＮ２０１４／０８８１１６（ＧＥ事件番号２７５４４１）に説明されている、Ｎｄ−Ｍ−Ｆ、Ｎｄ−Ｘ−ＦおよびＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物が挙げられ、両方の出願は、参照により本明細書に組み込まれる。

図６は、酸化ネオジム（Ｎｄ₂Ｏ₃）、フッ化ネオジム（ＮｄＦ₃）および酸化フッ化ネオジム（ＮｄＯ_xＦ_y）について観察された光透過を表すグラフである。グラフは、特に、例えば、約５５０〜約６１０ｎｍの範囲にわたる、黄色光波長をフィルタリングする可能性という点で、それらの光透過の類似性を明示している。図６は、Ｎｄ₂Ｏ₃、ＮｄＦ₃、およびＮｄＯＦ（約１：１のモル比のＮｄＦ₃とＮｄ₂Ｏ₃）の吸収ピークが互いにわずかにシフトしていたことと、ＮｄＦ₃とＮｄＯＦの両方が黄色〜橙色領域（ほぼ５６０〜５９０ｎｍの波長）においてＮｄ₂Ｏ₃よりも高い吸収を示したこととを明示している。さらに、ＮｄＦ₃は、青色〜緑色領域（ほぼ５００〜５２０ｎｍの波長）および赤色領域（ほぼ７２０〜７５０ｎｍの波長）において著しく高い吸収を示した。図６からは、ＮｄＯＦが、青色〜緑色および赤色領域においてＮｄＦ₃に付随する吸収度合を伴わないが、黄色〜橙色領域の波長を吸収する可能性などの優れた特性の組合せをもたらすことが結論付けられた。

白色光を発生させるためにＢＳＹ赤色蛍光物質組合せを使用し、かつ上述したようなＮｄＯＦ（Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物）を含む光学部品をさらに使用するＬＥＤ素子または照明ユニットにおいて、ゼロ以上のＣＳＩ値を実現するために、可視光領域において、上で解説したような高いＣＳＩ値ならびにＣＲＩおよびＲ９スコア（深い赤色の色調指数）の潜在的な減少およびＣＣＴの潜在的な減少に対応するＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物の吸収領域を決定するために、Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物中のＮｄＦ₃とＮｄ₂Ｏ₃の濃度比を制御できると考えられる。よって、評価されたＮｄＯＦにより望ましい色フィルタ効果を実現できると考えられるが、少なくとも０．１％、最大で約９９％のＮｄＦ₃を含む（残りが本質的にまたは全てＮｄ₂Ｏ₃である）Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物を生じるようにＮｄ−Ｆ化合物がドープされたＮｄ−Ｏ化合物により十分な効果を実現できると考えられる。かようなＮｄ−Ｏ−Ｆ（すなわち、ＮｄＯ_xＦ_y）化合物を生成するために用いることができるプロセスは、図７および図８に概略的に描写する２つの「湿潤」プロセスと、図９に概略的に描写する「乾燥」プロセスとを含む。図７において、ＨＣｌなどのハロゲン化水素酸（ＨＸ）に酸化ネオジムが溶かされうる。次いで、沈殿物を形成するためにＨＦ酸が添加されうる。沈殿物は、水などの溶剤により洗浄され、次いで、ＮｄＯ_xＦ_yなどのＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物を形成するために実質的に乾燥されうる。図８において、ＨＣｌなどのハロゲン化水素酸（ＨＸ）に酸化ネオジムが溶かされうる。沈殿物を形成するために炭化水素アンモニウム（ＮＨ₄ＨＣＯ₃）などのアルカリ塩が添加されうる。沈殿物は、任意選択的に高分子沈殿剤がある状態で、フッ化水素酸により処理または転換されうる。洗浄および乾燥の後に、ＮｄＯ_xＦ_yなどのＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物が得られうる。図９において、ＮｄＯ_xＦ_yなどのＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物を提供するために、酸化ネオジムが、不活性ガス（Ａｒなど）による保護の下に置かれ、有効温度（Ｔ）で指定期間（ｔ）にわたりフッ素ガス（または、ＯＦ₂などの他のフッ素含有酸化剤ガス）により処理されうる。

本発明の特定の態様によると、マトリックス材料中にＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物を含み、かつ光学部品を形成するために使用される複合材料が、複合材料の成分、マトリックス材料の成分、ならびに複合材料中のＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物の成分および量に応じて、たとえあるとしてもわずかな光散乱（拡散）効果を有することがあり、または通過する光に相当な光散乱を生じさせることがある。例として、好ましい複合材料は、Ｎｄ³⁺イオン源としてＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物を含む無機粒子材料が分散している高分子マトリックス材料を含む。Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物は、粒子材料中のドーパントとして、または任意選択的に、他の材料の離散粒子と組み合わさって粒子材料を構成しうる離散粒子として存在しうる。Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物（例えば、一部または全てがＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物から成る）の離散粒子を含む粒子材料および／またはＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物がドープされた離散粒子は、複合材料を通過する可視光に低ヘイズ（低拡散率）光学効果を付与するのに十分な、粒子と高分子マトリックス材料の屈折率の整合（すなわち、それらの屈折率の差を最小化する）を促進するために、高分子マトリックス材料と組み合わされうる。代わりに、粒子材料は、複合材料を通過する可視光に光学的拡散効果を付与するために粒子材料と高分子マトリックス材料の間の屈折率の不整合を実現する（すなわち、それらの屈折率の差を増加させる）ために、高分子マトリックス材料の屈折率とは十分に異なる屈折率を有するように、酸化フッ化ネオジム化合物（例えば、一部または全てがＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物から成る）の離散粒子単独で構成されうる、および／またはＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物（例えば、一部または全てがＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物から成る）の離散粒子と、少なくとも１つの他の異なる材料から成る離散粒子とのブレンドで構成されうる。

複合材料の光散乱効果を調整するこの可能性をふまえて、Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物を含む複合材料から成る光学部品は、図２のＬＥＤ素子２０のドーム２２またはカプセル材を形成するために使用される場合などに色フィルタ効果をもたらしうるか、または、図１の照明ユニット１０の筐体／拡散体１２を形成するために使用される場合などに、加えて光散乱効果をもたらしうる。Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物中のＮｄＦ₃とＮｄ₂Ｏ₃の濃度比によって、散乱損失を最小化するために特定の高分子マトリックス材料との屈折率整合に適した低い屈折率をもたらすことができる、約５８９ｎｍの波長でＮｄＦ₃の屈折率（約１．６）からＮｄ₂Ｏ₃の屈折率（約１．８０）にわたる、Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物の屈折率が決定される。Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物を含む複合材料から成る光学部品の光散乱効果は、他の材料と組み合わせてＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物を使用することによって、例えば、ペロブスカイト構造をＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物でドープすることによって、さらに調整されうる。Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物でドープされうるペロブスカイト構造材料の非限定的な例としては、Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物よりも低い屈折率を有する少なくとも１つの構成成分、例えば、Ｎａ、Ｋ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、およびＹの金属フッ化物を含む材料が挙げられる。かような「ホスト」化合物は、可視光領域においてＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物よりも低い屈折率を有し、それらの非限定的な例としては、５８９ｎｍの波長でＮａＦ（ｎ＝１．３２）、ＫＦ（ｎ＝１．３６）、ＡｌＦ₃（ｎ＝１．３６）、ＭｇＦ₂（ｎ＝１．３８）、ＬｉＦ（ｎ＝１．３９）、ＣａＦ₂（ｎ＝１．４４）、ＳｒＦ₂（ｎ＝１．４４）、ＢａＦ₂（ｎ＝１．４８）、およびＹＦ₃（ｎ＝１．５０）が挙げられる。高屈折率のＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物でドープすることによって、得られるドープされたペロブスカイト構造化合物は、ホストの屈折率（例えば、ＭｇＦ₂の場合１．３８）とＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物の屈折率との間の屈折率を有する。

一般に、マトリックス材料の屈折率と粒子材料の屈折率とが可視光領域において互いに０．１以内である場合に、最小レベルの光散乱による低ヘイズ（低拡散率）光学効果が実現されると言われている。高分子マトリックス材料としてポリカーボネート（ＰＣ）またはポリスチレン（ＰＳ）を用いる光学部品の単独の無機粒子材料としてＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物が使用される場合、Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物の屈折率（約１．６０から約１．８０）ならびにＰＣおよびＰＳの屈折率（約１．５８６）は、光が部品を通過するときに最小レベルの光散乱が起きるようなものである。Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物のうち０．１以内の屈折率を有するポリマーの別の例は、フッ素をドープしたポリエステル（屈折率約１．６０７）である。この点に関して、高分子マトリックス材料は、低ヘイズ（低拡散率）光学効果を実現するように、Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物と同様の屈折率を有することに基づいて選ばれる。

可視光領域においてＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物とは０．１を超えて異なる屈折率を有する他のポリマーと整合する屈折率は、粒子材料の改良により実現することができる。例えば、Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物は、可視光領域においてＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物とは０．１を超えて異なる屈折率を高分子マトリックス材料が有する光学部品において最小レベルの光散乱を実現する有効屈折率を生じるために、例えば、アクリル（例えば、ポリメチルメタクリレート；ＰＭＭＡ）、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）、シリコーンなどの１つ以上の他の材料と組み合わせて使用することができる。非限定的な例として、金属フッ化物および／または金属酸化物から成る粒子は、Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物の屈折率と金属フッ化物および／または金属酸化物の屈折率との間の屈折率を有するように、Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物でドープすることができる。好適な金属フッ化物および金属酸化物の非限定的な例としては、ＮａＦ（屈折率約１．３２）およびＭｇＦ₂（屈折率約１．３８）が挙げられる。Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物と金属フッ化物および／または金属酸化物との適切な比率を選択することによって、粒子材料の屈折率は、ＬＥＤパッケージに多く利用される、ＰＭＭＡ（約１．４９）、フッ化ポリビニリデン（約１．４２）、またはメチル型シリコーン（約１．４１）の屈折率と整合できるか、またはほぼ整合できるように調整することができる。

著しいレベルの光散乱による光学的拡散効果は、光学部品のマトリックス材料の屈折率と粒子材料の屈折率との差が可視光領域において０．１を超えると実現されると言われている。一例として、Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物は、例えば、ＰＭＭＡ、ＰＶＤＦ、またはシリコーンなどの高分子マトリックス材料がＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物とは十分に異なる屈折率を有する光学部品において単独の無機粒子材料として使用することができる。別の例として、金属酸化物およびＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物を含むペロブスカイト構造材料から成る粒子材料を使用することができる。かようなペロブスカイト構造材料としては、Ｃａ、Ｂａ、Ａｌ、Ｙ、Ｖ、Ｇｄ、およびＳｒのうちの少なくとも２つの酸化物を含む材料が挙げられ、それらの材料は、ＰＣ、ＰＳ、ＰＭＭＡ、ＰＶＤＦ、またはシリコーンなどの高分子マトリックス材料と組み合わせて使用されるときに、それらの材料により望ましい色フィルタ効果および光散乱を実現できるように１．７超の屈折率を示しうる。

屈折率の不整合の増加は、Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物の粒子と他の材料の粒子との組合せによっても実現することができ、それらの特筆すべき例としては、ルチル酸化チタン（ＴｉＯ₂；屈折率約２．７４）などの金属酸化物およびＮｄ−Ｏ化合物（Ｎｄ₂Ｏ₃など）または他のネオジム含有金属酸化物（Ｎｄを含むペロブスカイト構造材料など）が挙げられる。この手法によって、Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物の粒子は、主としてまたは単独で色フィルタ効果を担うことができ、第２の粒子は、主としてまたは単独で著しいレベルの光散乱の実現を担うことができる。

可視光スペクトルにおいてＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物によりもたらされる可視光吸収から生じる色フィルタ効果は、５６０〜約６００ナノメートルの範囲内の黄色光波長に関してＮｄ−Ｏ化合物（Ｎｄ₂Ｏ₃など）よりも優れると言われている。Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物は、例えば、ＰＣ、ＰＳ、ＰＭＭＡ、ＰＶＤＦ、シリコーン、およびポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの各種の標準的な光学グレード透明プラスチックに非常に近い屈折率を有することによって、Ｎｄ−Ｏ化合物を超えるさらなる利点を有し、屈折率の不整合に起因する散乱による光学損失とＮｄイオン吸収とを良好に均衡させることができる。黄色光波長をフィルタリングすることによって、白色ＬＥＤ素子のアレイにより放出される光は、黄色光波長のフィルタリングによる緑色光と赤色光の分離によって色効果の向上を実現するように調節することができる。ＣＳＩの増加に加えて、かような効果は、ＬＥＤ素子により発生した白色光のＣＲＩ（色調指数）を増加させることによって、および／または、例えば、白熱バルブのｒｅｖｅａｌ（商標）製品群により実現される望ましい照明効果と同様の、白色軌跡により近い色位置を可能にすることによって、促進することができる。

光学部品を形成するために使用される複合材料中のＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物の体積量および粒子サイズは、複合材料の色フィルタ効果に影響を及ぼすと言われている。加えて、複合材料中の任意の第２の材料の相対量および粒子サイズは、色フィルタ効果に影響を及ぼす。一般に、標準的な光学グレード透明プラスチック（例えば、ＰＣ、ＰＳ、ＰＭＭＡ、ＰＶＤＦ、シリコーン、またはＰＥＴ）から成る複合材料は、所望のフィルタ効果を実現するために、少なくとも０．１体積百分率、より好ましくは約１〜約２０体積百分率のＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物を含むべきであると考えられる。存在するならば、任意の第２の材料（例えば、ＴｉＯ₂、Ｎｄ含有化合物、ＮｄＦ₃よりも高い屈折率を有するペロブスカイト構造材料など）は、光拡散体に望まれる散乱プロファイルに応じて、最大で２０体積百分率、より好ましくは約０．０１〜約２体積百分率の量で存在しうる。複合材料中の好ましい粒子合計使用量が、少なくとも０．０１〜最大で約２０体積百分率、より好ましくは約０．０１〜約２体積百分率となると考えられる。さらに、粒子材料の好適な粒子サイズは、最大で約５０マイクロメートル、好ましくは約０．５〜約５マイクロメートルであると考えられる。これらの使用量および粒子サイズでは、マトリックス材料が前述の標準的な光学グレード透明プラスチックのうちの１つである複合材料は、小さな粒子サイズおよび多くの使用量では困難となる場合があるが、一般に広範な各種の形状に簡単に成形することができる。

本発明が特定の実施形態に関して記述されてきたが、当業者により他の形態を採用できることは明らかである。最後に、添付の請求項は、上で解説した検討により示されたように、本発明と関連すると考えられる特定の態様を記載しているが、それらの態様は、必ずしも本発明の範囲に対する限定としての役割をなすものではない。

１０ 照明ユニット、ランプ
１２ カバー、筐体、拡散体
１４ ベースコネクタ
１６ ハウジング、ベース
１８ 放熱フィン
２０ ＬＥＤ素子
２２ ドーム
２４ ＬＥＤチップ
２６ 印刷回路基板
２８ コーティング

Claims (15)

1. ＬＥＤ式照明ユニット（１０）であって、
   青色光を発生させるＬＥＤ式光源（２０）と、
   前記青色光が通過する光学部品であり、蛍光物質ブレンドを含む光学部品と
   を備え、
   前記蛍光物質ブレンドは、少なくとも黄色蛍光物質および赤色蛍光物質を含み、前記黄色蛍光物質は、前記蛍光物質コーティング（２８）が前記青色光により励起されることによって、黄色光を含む放出が生じるように前記青色光の少なくとも一部分を変化させ、前記赤色蛍光物質は、赤色光を放出し、
   前記黄色光、前記赤色光、および、前記青色光の非変化部分は、組み合わさって、平均的な人の目により白色光として知覚され、かつ約ゼロ以上のＣＳＩ値により特徴づけられる可視光を生成する、ＬＥＤ式照明ユニット（１０）。
2. 前記蛍光物質ブレンドは、前記光学部品のコーティング（２８）として存在する、請求項１に記載のＬＥＤ式照明ユニット（１０）。
3. 前記可視光は、前記青色光、前記黄色光、前記赤色光、および前記白色光のそれぞれに対応する曲線およびピークを含む分光分布により特徴づけられ、前記白色光の前記ピークの強度は、前記黄色光の前記ピークおよび前記赤色光の前記ピークの強度よりも低い、請求項１に記載のＬＥＤ式照明ユニット（１０）。
4. 前記白色光の前記ピークは、約５３０ｎｍ超の波長にある、
   請求項３に記載のＬＥＤ式照明ユニット（１０）。
5. 前記白色光の前記ピークは、約５５０ｎｍから約６１０ｎｍの波長範囲内にある、
   請求項３に記載のＬＥＤ式照明ユニット（１０）。
6. 前記白色光の前記分光分布の前記曲線は、前記青色光の前記ピークと前記黄色光の前記ピークとの間の波長にある変曲点を含む、請求項３に記載のＬＥＤ式照明ユニット（１０）。
7. 前記光学部品の少なくとも一部分が、高分子材料および無機粒子材料を含む複合材料を含み、前記無機粒子材料はＮｄ−Ｏ−Ｆ化合物を含む、請求項１に記載のＬＥＤ式照明ユニット（１０）。
8. 前記Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物は、形式上、約０．１〜約９９モルパーセントのＮｄＦ₃を含み、残りが本質的にＮｄ₂Ｏ₃である、請求項７に記載のＬＥＤ式照明ユニット（１０）。
9. 前記Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物はＮｄＯＦである、請求項７に記載のＬＥＤ式照明ユニット（１０）。
10. 前記Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物と前記高分子材料は、前記可視光領域において互いに０．１以内の屈折率を有する、請求項７に記載のＬＥＤ式照明ユニット（１０）。
11. 前記Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物と前記高分子材料は、前記可視光領域において互いに０．１を超えて異なる屈折率を有する、請求項７に記載のＬＥＤ式照明ユニット（１０）。
12. 前記光学部品は、前記ＬＥＤ式光源（２０）の筐体（１２）またはドーム（２２）またはカプセル材である、請求項１に記載のＬＥＤ式照明ユニット（１０）。
13. 前記光学部品は、前記照明ユニット（１０）の拡散体である、請求項１に記載のＬＥＤ式照明ユニット（１０）。
14. ＬＥＤ式照明ユニット（１０）であって、
    青色光を発生させるＬＥＤ式光源（２０）と、
    前記青色光が通過する光学部品であり、蛍光物質ブレンドを含み、前記ＬＥＤ式光源（２０）の筐体（１２）またはドーム（２２）またはカプセル材である光学部品と
    を備え、
    前記蛍光物質ブレンドは、少なくとも黄色蛍光物質および赤色蛍光物質を含み、前記黄色蛍光物質は、前記蛍光物質コーティング（２８）が前記青色光により励起されることによって、黄色光を含む放出が生じるように前記青色光の少なくとも一部分を変化させ、前記赤色蛍光物質は、赤色光を放出し、
    前記光学部品の少なくとも一部分は、Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物を含む無機粒子材料を含み、
    前記黄色光、前記赤色光、および、前記青色光の非変化部分は、組み合わさって、平均的な人の目により白色光として知覚され、かつ約ゼロ以上のＣＳＩ値により特徴づけられる可視光を生成する、ＬＥＤ式照明ユニット（１０）。
15. ＬＥＤ式照明ユニット（１０）であって、
    青色光を発生させるＬＥＤ式光源（２０）と、
    前記青色光が通過する光学部品であり、蛍光物質ブレンドを含み、前記照明ユニット（１０）の拡散体である光学部品と、を備え、
    前記蛍光物質ブレンドは、少なくとも黄色蛍光物質および赤色蛍光物質を含み、前記黄色蛍光物質は、前記蛍光物質コーティング（２８）が前記青色光により励起されることによって、黄色光を含む放出が生じるように前記青色光の少なくとも一部分を変化させ、前記赤色蛍光物質は、赤色光を放出し、
    前記光学部品の少なくとも一部分は、Ｎｄ−Ｏ−Ｆ化合物を含む無機粒子材料を含み、
    前記黄色光、前記赤色光、および、前記青色光の非変化部分は、組み合わさって、平均的な人の目により白色光として知覚され、かつ約ゼロ以上のＣＳＩ値により特徴づけられる可視光を生成する、ＬＥＤ式照明ユニット（１０）。