JP4976857B2 - 放射線源および蛍光材料を有する照明システム - Google Patents

放射線源および蛍光材料を有する照明システム Download PDF

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Description

本発明は、全般に、放射線源と、蛍光体を含む蛍光材料とを有する照明システムに関する。また本発明は、そのような照明システムに使用される蛍光体に関する。
特に本発明は、照明システムと、発光下位変換、および紫外線または青色放射線を放射する放射線源をベースとする追加の色混合によって、白色光を含む特定の色の光を発生させる蛍光体を含む蛍光材料とに関する。放射線源としては、特に発光ダイオードが使用される。
近年、放射線源として発光ダイオードを使用した、白色発光照明システムの製作のため、各種試行が行われている。赤、緑および青の発光ダイオードの配列によって白色光を形成する場合、発光ダイオードの階調変化、輝度および他の因子によって、所望の階調の白色光を形成することができないという問題が生じる。
これらの問題を解消するため、過去に開発された各種照明システムが存在するが、これらのシステムでは、蛍光体を含む蛍光材料によって、発光ダイオードにより放射される光の色が変換され、可視白色光照明が提供される。
既存の白色光照明システムでは、特に3色（RGB）手法、すなわち主として赤、緑および青の3色を混合する方法、または、第2の簡単な解決策としての、黄色と青色を混合する2色（BY）手法、のいずれかに基づいており、前者の場合、出力光の後者成分は、蛍光体またはLEDの一次放射によって提供され、後者の場合、出力光の黄色二次成分は、黄色蛍光体によって提供され、青の成分は、蛍光体もしくは青のLEDの一次放射によって提供される。
特に、2色手法は、例えば米国特許第5,998,925号に示されており、この方法では、InGaN半導体の青色発光ダイオードが、Y3Al5O12：Ce（YAG−Ce3+）蛍光体と組み合わせて使用される。YAG−Ce3+蛍光体は、InGaN LEDにコーティングされ、LEDから放射される青色光の一部は、蛍光体によって黄色光に変換される。LEDからの青色光の別の部分は、蛍光体を透過する。従って、このシステムでは、LEDから放射される青色光と、蛍光体から放射される黄色光の両方が放射される。青色と黄色の放射バンドの混合光は、CRIが通常70代の値で、色温度Tcが約6000Kから約8000Kの範囲にあり、観者には白色光として認識される。
米国特許第5,998,925号によるLEDについては、「白色」出力光は、真演色に関しては好ましくない色バランスを有する。
真演色の場合、示性数は、演色指数（CRI）である。演色指数（CRI）指標は、黒体発光体の演色に対する照明システムの演色の相対指標である。照明システムによって照射される一組の試験色の色座標が、黒体発光体によって放射される同じ試験色の座標と等しい場合、CRIは、100になる。
通常、色は、人間の視覚環境に各種情報を提供する役割を果たし、路上またはトンネル内の車の運転者によって視覚される視覚情報の中で、色は、特に大きな役割を果たす。例えば、トンネル内で白と黄色でマーキングされた車線を識別することは、車線変更が可能かどうかを把握する上で、極めて重要である。しかしながら、低CRIのランプで照射される路上およびトンネル内では、路面にマーキングされた白と黄色の車線を識別することは難しい。
また、色識別の際に重要なことは、表面色の赤を赤として認識することである。特に赤は、危険、禁止、停止および消火活動など、重要な意味を持つ符号である。従って、安全性の観点から視覚環境を改善する上で重要なことは、赤い表面を目立たせる照明である。
前述の2色放射型のB−Y系の光源をそのような状況で使用した場合、可視光（647−700nm範囲）の赤領域のスペクトルの欠如によって、危険の指標として重要な色である赤が、目立たなくなり得るという問題が生じる。照射された赤い物体は、出力白色光における赤の欠如のため、均衡のとれた色特性を有する白色光の下での色強度に比べて、色強度が低下して見える。
2つの放射バンド：590乃至630の赤、および420乃至480nmの青を有する（B−Y）方式による2色系ランプスペクトルを用いることにより、改善された効率および有意に改善された演色機能を得ることが可能となる。これらの波長は、色を定義する際に使用されるCIE三刺激関数のピークに近い。
残念ながら今までのところ、590から630nmの範囲に放射ピーク波長を有し、十分に効率的で安定な赤の放射蛍光体は、知られていない。
米国特許第5,998,925号明細書
従って、近UVから青色範囲の放射線源によって励起され、可視黄色乃至赤色の範囲で放射することが可能な、新たな蛍光体を得ることに関する要望がある。
また照明システムには、一般的な用途における好ましい特性として、経済的なコストでの高い輝度が要求される。
本発明では、放射線源と、該放射線源から放射される光の一部を吸収して、吸収された光とは異なる波長の光を放射することが可能な、少なくとも一つの蛍光体を含む蛍光材料とを有する照明システムであって、前記少なくとも一つの蛍光体は、一般式が(RE1-z)2-aEAaSi4N6+aC1-a：Cezのセリウム活性化炭化物系窒化珪素であり、ここで0≦a＜1、0＜z≦0.2で、EAは、カルシウム、ストロンチウムおよびバリウムの群から選定される少なくとも一つのアルカリ土類金属であり、REは、イットリウム、ガドリニウムおよびルテチウムの群から選定される少なくとも一つの希土類金属であることを特徴とする照明システムが提供される。
本発明による照明システムは、色について均衡のとれた複合白色出力光を提供することができる。特に、複合白色出力光では、従来のランプに比べて、赤色範囲において大きな放射が得られる。この特徴は、真演色が必要となる用途に使用される装置にとって、理想的である。
本発明のそのような用途には、交通信号、街灯、オートメーション工場の安全灯および照明、ならびに車両および道路用の信号灯が含まれる。
特に、発光ダイオードは、放射線源として好適である。
本発明の第1の態様では、白色光照明システムは、放射線源としての、420から480nmの範囲にピーク放射波長を有する青色発光ダイオードと、少なくとも一つの蛍光体を含む蛍光材料とを有する。蛍光体は、一般式が、(RE1-z)2-aEAaSi4N6+aC1-a：Cezで表されるセリウム活性化炭化物系窒化珪素であり、ここで0≦a＜1、0＜z≦0.2、EAは、カルシウム、バリウムおよびストロンチウムの群から選定される少なくとも一つのアルカリ土類金属であり、REは、イットリウム、ガドリニウムおよびルテチウムの群から選定される少なくとも一つの希土類金属である。
そのような照明システムは、作動の際に白色光を提供する。LEDによって放射される青色光は、蛍光体を励起させ、蛍光体によって黄色光が放射される。LEDによって放射される青色光は、蛍光体を透過し、蛍光体によって放射される黄色光と混合される。観者には、青と黄色の光の混合が白色光として認識される。
重要なことは、セリウム活性化炭化物系窒化珪素型の黄色乃至赤色の蛍光体では、バンド幅が十分に広く、これらの蛍光体が、全スペクトル領域にわたって十分な放射割合を有することである。
本発明のある実施例では、放射線源として、420から480nmの範囲にピーク放射波長を有する青色発光ダイオードと、蛍光材料とを有する白色光照明システムが提供され、蛍光材料は、一般式が(RE1-z)2-aEAaSi4N6+aC1-a：Cezで表されるセリウム活性化炭化物系窒化珪素と、少なくとも一つの第2の蛍光体とを含み、ここで0≦a＜1、0＜z≦0.2で、REは、イットリウム、ガドリニウムおよびルテチウムの群から選定される少なくとも一つの希土類金属である。
蛍光材料が、セリウム活性化炭化物系窒化珪素型の蛍光体、および少なくとも一つの第2の蛍光体の蛍光体混合物を有する場合、本発明による白色光照明システムの演色は、さらに向上する。
特に、蛍光材料は、一般式が(RE1-z)2-aEAaSi4N6+aC1-a：Cezで表されるセリウム活性化炭化物系窒化珪素と、赤の蛍光体とを含む、蛍光体混合物である。ここで0≦a＜1、0＜z≦0.2で、REは、イットリウム、ガドリニウムおよびルテチウムの群から選定される少なくとも一つの希土類金属である。
そのような赤の蛍光体は、Eu(II)活性化蛍光体の群、0≦x≦1 としたとき、(Ca1-xSrx)S：Euの群、および0≦a＜5、0＜x≦1、0≦y≦1、0＜z≦1 としたとき、(Sr1-x-yBaxCay)2-zSi5-aAlaN8-a：Euzの群、から選定される。
蛍光材料は、一般式が(RE1-z)2-aEAaSi4N6+aC1-a：Cezで表されるセリウム活性化炭化物系窒化珪素と、緑の蛍光体とを有する蛍光体混合物であっても良く、ここで0≦a＜1、0＜z≦0.2で、REは、イットリウム、ガドリニウムおよびルテチウムの群から選定される少なくとも一つの希土類金属である。そのような緑の蛍光体は、0≦x≦1としたとき、(Ba1-xSrx)2SiO4：Eu 、SrGa2S4：EuおよびSrSi2N2O2：Euを含む群から選定される。
LEDの青色光と、本発明によるセリウム活性化炭化物系窒化珪素型蛍光体の黄色乃至赤色の光とによって得られる、そのような追加蛍光体を有する蛍光材料の放射スペクトルは、適当な波長を有し、必要な色温度において高品質で良好な演色の白色光が得られる。
本発明の別の実施例では、白色光照明システムが提供され、前記放射線源は、ピーク放射波長が200から420nmのUV範囲の放射を示す発光ダイオードから選定され、前記蛍光材料は、少なくとも一つの蛍光体であって、一般式が(RE1-z)2-aEAaSi4N6+aC1-a：Cezのセリウム活性化炭化物系窒化珪素と、第2の蛍光体とを有し、ここで0≦a＜1、0＜z≦0.2で、EAは、カルシウム、ストロンチウムおよびバリウムの群から選定される少なくとも一つのアルカリ土類金属であり、REは、イットリウム、ガドリニウムおよびルテチウムの群から選定される少なくとも一つの希土類金属である。
特に、蛍光材料は、白色光放射蛍光体混合物を有し、この混合物は、一般式が(RE1-z)2-aEAaSi4N6+aC1-a：Cezで表されるセリウム活性化炭化物系窒化珪素と、青色発光体とを有する。ここで、0≦a＜1、0＜z≦0.2で、REは、イットリウム、ガドリニウムおよびルテチウムの群から選定される少なくとも一つの希土類金属である。
そのような青色蛍光体は、BaMgAl10O17：Eu、Ba5SiO4(Cl，Br)6：Eu、CaLn2S4：Ceおよび(Sr，Ba，Ca)5(PO4)3Cl：Euを含む群から選定されても良い。
本発明の第2の態様では、赤乃至黄色光を提供する照明システムが提供される。本発明の用途には、車両および交通用の安全灯ならびに信号灯が含まれる。
黄色乃至赤色光の照明システムは、特に好ましい。放射線源は、ピーク放射波長が400から480nmの範囲の放射を示す青色発光ダイオードから選定され、蛍光材料は、少なくとも一つの蛍光体を有し、この蛍光体は、一般式が、(RE1-z)2-aEAaSi4N6+aC1-a：Cezで表されるセリウム活性化炭化物系窒化珪素である。ここで、0≦a＜1、0＜z≦0.2で、EAは、カルシウム、バリウムおよびストロンチウムの群から選定される少なくとも一つのアルカリ土類金属であり、REは、イットリウム、ガドリニウムおよびルテチウムの群から選定される少なくとも一つの希土類金属である。
また、黄色乃至赤色光の照明システムにおいて、放射線源は、ピーク放射波長が200から420nmのUV範囲の放射を示す発光ダイオードから選定され、蛍光材料は、少なくとも一つの蛍光体を有し、この蛍光体は、一般式が(RE1-z)2-aEAaSi4N6+aC1-a：Cezで表されるセリウム活性化炭化物系窒化珪素を有し、ここで、0≦a＜1、0＜z≦0.2で、EAは、カルシウム、バリウムおよびストロンチウムの群から選定される少なくとも一つのアルカリ土類金属であり、REは、イットリウム、ガドリニウムおよびルテチウムの群から選定される少なくとも一つの希土類金属である。
本発明の別の態様では、放射線源によって放射される光の一部を吸収して、吸収された光とは異なる波長の光を放射することが可能な蛍光体であって、当該蛍光体は、一般式が(RE1-z)2-aEAaSi4N6+aC1-a：Cezのセリウム活性化炭化物系窒化珪素であり、ここで0≦a＜1、0＜z≦0.2で、EAは、カルシウム、ストロンチウムおよびバリウムの群から選定される少なくとも一つのアルカリ土類金属であり、REは、イットリウム、ガドリニウムおよびルテチウムの群から選定される少なくとも一つの希土類金属であることを特徴とする蛍光体が提供される。
蛍光材料は、例えば200nmから420nmの波長を有するUV-A放射線によって励起されるが、約400から480nmの波長を有する青色発光ダイオードにより放射される青色光によって、より高い効率で励起される。従って、蛍光材料は、窒化物半導体発光成分の青色光を白色光に変換する場合、理想的な特性を示す。
これらの蛍光体は、ブロードな幅のエミッタであり、可視放射がブロードなため、可視放射が支配的となる80nmの波長範囲は存在しない。セリウム活性化炭化物系窒化珪素蛍光体は、赤色から黄色の可視スペクトル範囲においてブロードな幅の極めて大きな光を放射する。全体の変換効率は、90％に達する。
蛍光体の追加の重要な特徴としては、1）通常の装置作動温度（例えば80℃）での発光の熱冷却に対する耐性、2）装置の製作時に使用される被覆樹脂と妨害反応が生じないこと、3）可視スペクトル内でのデッド吸収を最小限に抑制する、適当な吸収プロファイル、4）装置の作動寿命までの時間的に安定な発光出力、5）蛍光体励起および放射特性の組成による制御性が挙げられる。
また、これらのセリウム活性化炭化物系窒化珪素型蛍光体は、プラセオジミウム、および共活性剤としてのカチオン混合物を含む他のカチオンを有しても良い。特に、低濃度のプラセオジミウムおよびサマリウムの群から選定された共活性剤カチオンを有する、これらの炭化物系窒化珪素組成物は、特に好ましい。そのような組成物は、可視スペクトルの赤色の領域において、極めて鋭い放射を示すためである。
特に、本発明は、特定の蛍光体組成物Y2Si4N6C：5％Ceに関し、これは、80から90％の高い量子効率を示し、370mから470nmの範囲において、60から80％の高い吸収性を示し、約590nmでピーク波長を有する放射スペクトルを有し、室温から100℃までの熱衝撃によって、10％未満の低い発光ルーメン出力損失を示す。
450nm近傍の青色スペクトルと、580nm近傍の黄色スペクトルとの混合によって、2色系放射方式の真演色の最適化に関して、最も効果的な白色光源が得られるため、特定の蛍光体組成物Y2Si4N6C：5％Ceは、特に好ましい。
これらの蛍光体は、アルミニウム、スカンジウム、イットリウム、ランタン、ガドリニウム、ルテチウムのような元素のフッ化物およびオルトリン酸塩、アルミニウム、イットリウムおよびランタンの酸化物、ならびにアルミニウムの窒化物の群から選定されたコーティングを有しても良い。
本発明は、これに限られないが放電ランプ、蛍光ランプ、LED、LDおよびX線管等の放射線源を有する照明システム内に、蛍光体として設置されたセリウム活性化炭化物系窒化珪素に関するものである。本願において、「放射線」という用語は、電磁スペクトルのUV、IRおよび可視領域にある放射線を包含する。
本発明の蛍光体は、広い範囲の照明に使用されるが、本願では、特にUVおよび青色発光ダイオードのような発光ダイオードへの適用について特に説明する。
本発明による蛍光材料は、セリウム活性化炭化物系窒化珪素を有する。蛍光体は、一般式が(RE1-z)2-aEAaSi4N6+aC1-a：Cezで表され、ここで、0≦a＜1、0＜z≦0.2で、REは、イットリウム、ガドリニウムおよびルテチウムの群から選定される少なくとも一つの希土類金属であり、EAは、カルシウム、ストロンチウムおよびバリウムの群から選定される少なくとも一つのアルカリ土類金属である。この蛍光体材料は、炭化物置換窒化珪素の活性発光技術に基づいている。
0≦a＜1、0＜z≦0.2としたとき、一般式(RE1-z)2-aEAaSi4N6+aC1-a：Cezで表される蛍光体は、主成分であるシリコンと窒素のホスト格子を有する。またこの蛍光体は、炭素（−IV）を有する。ホスト格子は、三次元ネットワークに、(N−Si−N−)および（C−Si−N−）単位からなる構造を有し、シリコンは、窒素および炭素によって四面体状に取り囲まれている。
ホスト格子内への炭素の組み込みにより、共有結合および配位子場***の割合が高まる。その結果、基本的な窒化珪素格子に比べて、励起および放射バンドが長波長側にシフトする。
希土類金属、アルカリ土類金属、cer(III) およびプラセオジミウム(III)等の金属イオンは、三次元ネットワーク内に組み込まれる。希土類金属は、イットリウム、ガドリニウム、ルテチウムから選定され、アルカリ土類金属は、カルシウム、ストロンチウムおよびバリウムから選定されることが好ましい。
これらの物質のホスト格子は、例えばイットリウム炭化物系窒化珪素Y2Si4N6C のような、4つの元素（2つのカチオン）を含む炭化物系窒化珪素であっても良く、または例えば、5以上の元素を含むイットリウムカルシウム炭化物系窒化珪素Y1.8Ca0.2Si4N6.2C0.8もしくは(Y，Gd，Lu)2Si4N6Cであっても良い。
特に、基本ホスト格子内の2価のアルカリ土類金属を、2価の希土類金属イオンに置換しても良い。
アルカリ土類金属EAを希土類金属REに置換する割合は、0.2：0.8から0.8：0.2の範囲であることが好ましい。
同様に、希土類金属は、相互に置換することも可能である。
炭化物系窒化珪素ホストにおいて希土類金属イオンを置換すると、セリウム放射のスペクトル位置がずれ、色の範囲が形成される。初期の方法では、ホスト格子内のイットリウムイオンの一部が、他の希土類金属に置換されることが知られている。ガドリニウムのようなイオン径の大きなものへの置換により、赤色のシフトが生じ、ルテチウムのようなイオン径の小さなものへの置換により、青色のシフトが生じる。
これは、より赤色の強い光を放射することが必要な場合、Gdに置換する量を増大することにより、これが達成されることを意味する。しかしながら、Gd量が増大すると、青色光の下での光ルミネッセンスによって放射される光の輝度は、減少する傾向にある。そのため、希土類金属としては、イットリウムが好ましい。
Ceの比zは、0.003＜z＜0.2の範囲であることが好ましい。
Ceの比zが0.003以下の場合、Ceによる光ルミネッセンスの励起放射中心の数が減少するため、輝度が低下する。zが0.2よりも大きい場合、密度緩和が生じる。密度緩和とは、蛍光材料の輝度の向上のために添加した活性化剤の濃度が、最適レベルを超えてしまい、放射強度が低下することを意味する。
セリウム活性化炭化物系窒化珪素内のセリウムの一部を、共活性化剤としてのプラセオジミウムに置換すると、セリウム活性化炭化物系窒化珪素蛍光体からの可視スペクトルの黄色領域に略集中する、通常のブロードな幅の二次電子放射ではなく、プラセオジミウムによって、可視スペクトルの赤色領域に集中する二次放射が生じる。共活性化剤としてのプラセオジミウムの量は、特定の用途での白色出力光に必要な赤色の量に応じて変化させることができる。
セリウム活性化炭化物系窒化珪素蛍光体は、スペクトルの可視領域に比べて、電磁スペクトルのより多くのエネルギー部分に応答する。
特に、本発明による蛍光体は、例えば200乃至420nmの波長を有するUV放射線によって励起されることに、特に適している。ただし本発明による蛍光体は、波長400乃至480nmの青色放射成分によって放射されるLED光に比べて、より高い効率で励起される。従って、本蛍光材料は、窒化物半導体の発光成分の青色光を白色光に変換する上で、理想的な特性を有する。
本発明のセリウム活性化炭化物系窒化珪素蛍光体を製作する方法は、特に限定されず、これは、セリウム活性化炭化物系窒化珪素蛍光材料を提供する金属成分の混合物を熱処理することよって製作しても良い。
例えば、Y2Si4N6C：5％Ceで表される一つの好適な成分は、開始材料として、イットリウム金属、炭素、シリコンジイミドおよびフッ化セリウム（III）を、モル比Y：Si：N：C：Ceが2：4：6：1：0.05となるように秤量し、その後これを熱処理する方法によって製作される。
使用する開始材料は、99.9％以上の高純度で、微細粒子状であり、平均粒径は1μｍ以下であることが好ましい。
第1の段階では、開始材料（すなわちアルカリ土類金属ハロゲン化物、セリウムハロゲン化物のようなセリウム化合物、アルカリ金属ハロゲン化物、および希土類金属）は、ボールミル処理法、V型混合法、撹拌法等の従来の各種混合法のいずれかを利用した、乾式および／または湿式処理によって十分に混合される。
得られた混合物をアルミナるつぼ、タングステンボート等の耐熱容器内に設置し、次に、電気炉で加熱する。熱処理に好適な温度は、1600から1800℃である。
熱処理環境は、特に限定されないが、例えば、熱処理は、窒素およびアルゴン等の不活性ガスに、水素を0.1から10体積％の割合で含む還元雰囲気下で実施することが好ましい。熱処理時間は、容器内の混合物の量、熱処理温度および生成物を炉から取り出すときの温度などの、各種条件によって定められるが、一般には10から14時間の範囲である。
上記方法によって得られる蛍光材料は、例えばボールミル、ジェッミル等を用いてミル処理される。また、洗浄および分別を実施しても良い。得られる蛍光体粒子の結晶性を高めるため、再熱処理が実施されても良い。
熱処理後に、粉末を粉末Ｘ線回折法（Cu、kα線）により分析した結果、全ての化合物が形成されていることが確認された。図3には、Y2Si4N6C：5％CeのX線回折データを示す。
セリウム活性化炭化物系窒化珪素型の各蛍光体は、電磁スペクトルのUVAまたは青色の範囲の放射線によって励起された際に、黄色乃至赤色の蛍光を発する。
本明細書に添付の図4には、Y2Si4N6C：5％Ceの励起および放射スペクトルが示されている。
波長355nmの放射線で励起された際、これらの炭化物系窒化珪素蛍光体では、ブロードな幅の放射が生じ、590nmの波長でピークとなり、700nmまで放射が続くことがわかる。
また励起スペクトルから、これらのセリウム活性化ルテチウムアルミニウムガーネット蛍光体は、約254nmおよび約460nmの波長の放射線によって、効果的に励起されることがわかる。
セリウム活性化炭化物系窒化珪素Y2Si4N6C：5％Ceの調製のため、前駆体材料として、43.9g（0.494モル）のY金属、99.8（1.0モル）のSi(NH2)2、25.8g（2.15モル）のC、および5.1g（0.026モル）のCeF3を、不活性（窒素）雰囲気下で十分に混合する。
混合後に、粉末をH2／N2=5／95の雰囲気で、1700℃で12時間熱処理する。次に、得られた発光材料をミル処理し、水およびエタノールで洗浄し、乾燥後ふるい分けする。黄色い粉末が得られ、これは、UVおよび青色の励起の下、590nmで効果的なルミネッセンス性を示した。色点は、x=0.496で、y=0.483である。ルーメン相当では、330lm／Wである。
Y2Si4N6C：5％Ceは、炭化物系窒化珪素構造のため、熱、光および水分に対して耐性があり、図4に示すように、波長430nm近傍にピークを有する励起光を吸収することができる。また図4に示すように、これは、ブロードなスペクトルの光を放射し、ピークは、590nm近傍にあり、700nmまで続いている。
本発明によるセリウム活性化炭化物系窒化珪素型蛍光体は、アルミニウム、スカンジウム、イットリウム、ランタン、ガドリニウムおよびルテチウム元素のフッ化物とオルトリン酸塩、アルミニウム、イットリウムおよびランタンの酸化物ならびにアルミニウムの窒化物によって構成される群から選定される、1または2以上の化合物を含む、薄くて均一な保護層でコーティングされることが好ましい。
保護層の厚さは、通常0.001から0.2gmの範囲にあり、保護層が極めて薄いため、放射線源の放射線は、実質的にエネルギー損失を生じずに、これを透過することができる。蛍光体粒子上のこれらの材料のコーティングは、例えば気相からの成膜、あるいは湿式コーティング処理によって設置される。
また本発明は、放射線源と、蛍光材料とを有する照明システムに関し、蛍光材料は、一般式が(RE1-z)2-aEAaSi4N6+aC1-a：Cezで表される、少なくとも一つのセリウム活性化炭化物系窒化珪素を含み、ここで0≦a＜1、0＜z≦0.2で、EAは、カルシウム、ストロンチウム、およびバリウムから選定されるアルカリ土類金属の少なくとも一つであり、REは、イットリウム、ガドリニウムおよびルテチウムの群から選定される少なくとも一つの希土類金属である。
放射線源には、半導体光放射エミッタ、および電気的な励起に応じて光放射線を放射する他の装置が含まれる。半導体光放射線エミッタには、発光ダイオードLEDチップ、発光高分子（LEP）、有機発光装置（OLED）、高分子発光装置（PLED）等が含まれる。
また、水銀低圧および高圧放電ランプ、硫黄放電ランプならびに分子発光体をベースとする放電ランプ等の放電ランプや蛍光ランプに見られるような発光部品を、本願の新しい蛍光体組成と組み合わせて、放射線源として使用しても良い。
本発明の好適実施例では、放射線源は、発光ダイオードである。
本発明では、LEDおよびセリウム活性化炭化物系窒化珪素蛍光体組成物を有する照明システムのいかなる構成も可能であり、他の従来の蛍光体を添加して、これと組み合わせることにより、前述のように、一次UVまたは青色光を放射するLEDによって照射された際に、特定の色または白色が得られるようにしても良い。
以下、図1に示すような、放射線源および蛍光材料を有するそのような照明システムの一実施例の詳細な構成を説明する。
図1には、蛍光材料を含むコーティングが設置されたチップ型の発光ダイオードの概略図を示す。装置は、放射線源としてチップ型の発光ダイオード（LED）1を有する。発光ダイオードは、反射キャップリードフレーム2内に設置されている。チップ1は、ボンドワイヤ7を介して第1の端子6に接続され、第2の電気端子6には直接接続されている。反射キャップの窪みには、コーティング材料が充填され、この材料は、本発明による蛍光材料を含んでおり、反射キャップ内に埋設されたコーティング層を形成する。蛍光体は、別々にまたは混合物として設置される。
通常コーティング材料は、高分子を含み、この高分子は、蛍光体または蛍光体混合物を取り囲む。これらの実施例では、蛍光体または蛍光体混合物は、包囲材料に対して高い安定性を示す。高分子は、顕著な光散乱を抑制するため、光学的に透明であることが好ましい。LEDランプを製作するLED分野において、多くの高分子が知られている。
ある実施例では、高分子は、エポキシおよびシリコーン樹脂からなる群から選択される。蛍光体混合物に、高分子前駆体の液体を添加することにより、包囲化を行うことができる。例えば、蛍光体混合物は、粒子粉末であっても良い。蛍光体粒子を高分子前駆体液中に導入することにより、スラリー（すなわち、粒子サスペンション）が形成される。重合化の際、蛍光体混合物は、包囲化によって、位置が固定される。ある実施例では、蛍光材料とLEDチップの両方が高分子に取り囲まれる。
特徴的なことは、透明コーティング材料が、光拡散粒子、いわゆる拡散体を含んでいることである。そのような拡散体の例は、特にCaF2、TiO2、SiO2、CaCO3、BaSO4のような鉱物フィラー、または他の有機顔料である。これらの材料は、前述の樹脂に、単純な方法で添加される。
作動の際には、チップに電力が供給され、チップが活性化される。チップが活性化されると、チップは、一次光、例えば青色光を放射する。放射された一次光の一部は、完全にあるいは一部が、コーティング層内の蛍光材料によって吸収される。次に蛍光材料は、一次光の吸収に応じて、二次光、すなわちより長いピーク波長を有し、十分にブロードな幅の（特に赤の部分が顕著な）一次黄色光を有する変換光を放射する。一次放射光の残りの未吸収部分は、二次光とともに蛍光層を通って透過する。包囲物は、未吸収一次光および二次光を、出力光として一般的な方向に誘導する。従って、出力光は、チップから放射された一次光と、蛍光層から放射された二次光との複合光となる。
各種温度での黒体に対応する色点は、黒体点（BBL）によって示される。黒体から放射される光の色は、白であると仮定されおり、通常のランプには、白色光が好ましいため、通常の場合、発光ランプの発光材料から放射される光の色点は、BBL上かBBL近傍であることが好ましい。図2には、図5、6および7に示す放射スペクトルを有する白色光放射LEDに対応するBBLを強調して示した、3つの色温度点を有するBBL部分が示されている。
本発明による照明システムの出力光の色温度または色点は、一次光に対する二次光のスペクトル分布および強度に応じて変化する。
まず、一次光の色点および色温度は、適当な発光ダイオードの選択によって変化させることができる。
次に、二次光の色点および色温度は、発光材料中の蛍光体種類、蛍光体粒子サイズ、および蛍光体濃度の適当な選定によって変化させることができる。また、これらの調整は、発光材料中に蛍光体混合物を使用することが可能となる点で有意である。これにより、所望の色調を、より正確に設定することが可能となる。
本発明のある態様では、出力光は、「白色」光が生じるスペクトル分布を有しても良い。
第1の実施例では、本発明による白色発光照明システムは、2色系白色光を形成するため、青色発光ダイオードによって放射される青色放射線が、補完的な波長範囲の光に変換されるように発光材料を選定して、製作することができる点で有意である。この場合、セリウム活性化炭化物系窒化珪素蛍光体を含む発光材料によって、黄色光が生成される。また、この照明システムの演色を改良するため、第2の赤色蛍光材料を追加して使用することも可能である。
400乃至480nmで最大放射が得られる青色LEDを用いた場合、特に良好な結果が得られる。セリウム活性化炭化物系窒化珪素の励起スペクトルを考慮すると、445乃至465nmで放射が得られる場合に、最適であることが示されている。
本発明による白色発光照明システムは、無機発光材料と混合して使用することが特に好ましい。
発光変換包囲体または層を形成するために、シリコン樹脂を有するY2Si4N6C：5％Ceが使用される。
462nmのInGaN発光ダイオードによって放射される青色放射線の一部は、無機発光材料Y2Si4N6C：5％Ceによって、黄色スペクトル領域にシフトされ、すなわち青色に対して補完的な色である波長範囲にシフトされる。観察者は、青色の一次光と黄色放射蛍光体の二次光との組み合わせを、白色光として認識する。
この場合、形成される白色光の色調（CIE色度図内の色点）は、表2に示すように、蛍光体の混合種類および濃度の適当な選定によって、変化させることができる。
Figure 0004976857
 前記白色光照明装置は、実質的に、図2のCIE色度図の黒体点での色座標を有する。
図5、6および7には、462nmで一次放射を示す青色発光InGaNチップと、蛍光材料としてのY2Si4N6C：5％Ceとを有する、そのような照明システムの放射スペクトルを示す。チップと蛍光材料とによって、質の高い白色感を伝達する全スペクトルが形成される。異なるコーティング膜厚での対応する色点は、色温度Tc=2960K、CRI76で、x=0.454、y=0.433；色温度Tc=3720K、CRI84で、x=0.382、y=0.349；色温度Tc=5490K、CRI80で、x=0.332、y=0.290である。
清水らの従来のLED（図8）によって生じる白色出力光のスペクトル分布と比較すると、ピーク波長が可視光の赤色領域にシフトしており、スペクトル分布に明らかな差異が認められる。このように、本照明システムによって生じる白色出力光は、清水らの従来のLEDによって生じる出力光に比べて、追加された赤色を有する。
第2の実施例では、本発明による白色発光照明システムは、多色系白色光を形成するため、青色発光ダイオードによって放射される青色放射線が、補完的な波長範囲に変換されるように発光材料を選定して、製作することができる点で有意である。この場合、セリウム活性化炭化物系窒化珪素と、第2の蛍光体とを含む蛍光体混合物を有する発光材料によって、黄色が形成される。
全スペクトル範囲を網羅する赤および緑のブロード幅のエミッタ蛍光体に、青色発光LEDと、黄色乃至赤色を放射するセリウム活性化炭化物系窒化珪素蛍光体とを組み合わせて使用することにより、高い演色の白色光放射を得ることができる。
有益な第2の蛍光体と、その光学特性を表2にまとめて示す。
Figure 0004976857
 発光材料は、2つの発光体、すなわち、黄色乃至赤色のセリウム活性化炭化物系窒化珪素蛍光体と、(Ca1-xSrx)S：Eu、ここで0≦x≦1、(Sr1-x-yBaxCay)2-xSi5-aAlaN8-aOa：Euz、ここで0≦a＜5、0＜x≦1、0≦y≦1、0＜z≦0.2、の群から選定された赤色の蛍光体とを混合しても良い。
発光材料は、2つの発光体、すなわち、黄色乃至赤色のセリウム活性化炭化物系窒化珪素蛍光体と、(Ba1-xSrx)2SiO4：Eu、ここで0≦x≦1、SrGa2S4：EuおよびSrSi2N2O2：Euからなる群から選定された緑色の蛍光体とを混合しても良い。
発光材料は、3つの発光体、すなわち、黄色乃至赤色のセリウム活性化炭化物系窒化珪素蛍光体と、(Ca1-xSrx)S：Eu、ここで0≦x≦1、(Sr1-x-yBaxCay)2-xSi5-aAlaN8-aOa：Euz、ここで0≦a＜5、0＜x≦1、0≦y≦1、0＜z≦0.2、の群から選定された赤色の蛍光体と、(Ba1-xSrx)2SiO4：Eu、ここで0≦x≦1、SrGa2S4：EuおよびSrSi2N2O2：Euを含む群から選定された緑色の蛍光体と、を混合しても良い。
一例を挙げると、本発明による白色発光照明システムは、3つの蛍光体の混合物を含む無機発光材料と、発光変換包囲体または層の形成に使用されるシリコン樹脂とを混合することによって、製作することが特に好ましい。第1の蛍光体（1）は、黄色放射炭化物系窒化珪素Y2Si4N6C：5％Ceであり、第2の蛍光体（2）は、赤色放射CaS：Euであり、第3の蛍光体（3）は、SrSi2N2O2：Eu型の緑色放射蛍光体である。
462nmのInGaN発光ダイオードによって放射される青色放射線の一部は、無機発光材料Y2Si4N6C：5％Ceによって、黄色スペクトル領域にシフトされ、すなわち青色に対して補完的な色である波長範囲にシフトされる。462nmのInGaN発光ダイオードによって放射される青色放射線の別の部分は、無機発光材料CaS：Euによって、赤色スペクトル領域にシフトされる。462nmのInGaN発光ダイオードによって放射される青色放射線のさらに別の部分は、無機発光材料SrSi2N2O2：Euによって、緑色のスペクトル領域にシフトされる。観察者は、青色の一次光と、蛍光体混合物の多色系の二次光との組み合わせを白色光として認識する。
この場合、このようにして形成される白色光の色調（CIE色度図内の色点）は、蛍光体の混合種類および濃度の適当な選定によって、変化させることができる。
第3の実施例では、本発明による白色発光照明システムは、2色系白色光を形成するため、UV線放射ダイオードによって放射されるUV放射線が、補完的な波長範囲に変換されるように発光材料を選定して、製作することができる点で有意である。この場合、発光材料によって、黄色および青色光が形成される。黄色光は、セリウム活性化炭化物系窒化珪素蛍光体を含む発光材料によって形成される。青色光は、BaMgAl10O17：Eu、Ba5SiO4(Cl，Br)6：Eu、CaLn2S4：Ceおよび(Sr，Ba，Ca)5(PO4)3Cl：Euを含む群から選定される青色蛍光体を含む発光材料によって形成される。
最大放射が300乃至420nmにあるUVA発光ダイオードと組み合わせて使用した際に、特に良好な結果が得られる。炭化物系窒化珪素の励起スペクトルを考慮すると、最大放射が365nmである場合に、最適な結果が得られることが見出されている。
第4の実施例では、本発明による白色発光照明システムは、例えば、追加の青、緑および赤の色トライアドのような多色系白色光を形成するため、UV放射ダイオードによって放射されるUV放射線が、補完的な波長範囲に変換されるように発光材料を選定して、製作することができる点で有意である。
この場合、黄色乃至赤色、緑色および青色の光が、発光材料によって形成される。
また、照明システムの演色を改善するため、第2の赤色蛍光材料を追加で使用することも可能である。
全スペクトル範囲を網羅する青色および緑色のブロードな幅のエミッタ蛍光体を、UV放射LEDおよび黄色乃至赤色放射セリウム活性化炭化物系窒化珪素蛍光体とともに使用して、高い演色の白色放射線を得ることも可能である。
発光材料は、3つの蛍光体、すなわち、黄色乃至赤色のセリウム活性化炭化物系窒化珪素蛍光体、BaMgAl10O17：Eu、Ba5SiO4(Cl，Br)6：Eu、CaLn2S4：Ceおよび(Sr，Ba，Ca)5(PO4)3Cl：Euを含む群から選定される青色蛍光体、ならびに(Ba1-xSrx)2SiO4：Eu、ここで0≦x≦1、SrGa2S4：EuおよびSrSi2N2O2：Euを含む群から選定される緑色蛍光体、を混合しても良い。
この場合、このようにして形成される白色光の色調（CIE色度図内の色点）は、蛍光体の混合種類および濃度の適当な選定によって変化させることができる。
本発明のさらに別の態様では、照明システムは、「黄色乃至赤色」光に見えるスペクトル分布を有する出力光を放射しても良い。
蛍光体としてセリウム活性化炭化物系窒化珪素を含む蛍光材料は、例えばUVA放射LEDまたは青色放射LED等の一次UVAまたは青色放射線源によって励起される黄色成分として、特に好ましい。
これにより、電磁スペクトルの黄色乃至赤色領域出放射する照明システムを得ることが可能になる。
第5の実施例では、本発明による黄色発光照明システムは、2色系黄色光を形成するため、青色発光ダイオードによって放射される青色放射線が、補完的な波長範囲に変換されるように発光材料を選定して、製作することができる点で有意である。
この場合、黄色光は、セリウム活性化炭化物系窒化珪素蛍光体を含む発光材料によって形成される。
最大放射が400乃至480nmにある青色LEDを使用した場合、特に良好な結果が得られる。炭化物系窒化珪素の励起スペクトルを考慮すると、最大放射が445乃至465nmにある場合に、最適な結果が得られることが見出されている。
本発明による黄色発光照明システムは、十分な量の無機発光材料Y2Si4N6C：5％Ceと、発光変換包囲体または層の形成に使用されるシリコン樹脂とを混合することによって製作されることが特に好ましい。462nmのInGaN発光ダイオードによって放射される青色放射線の一部は、無機発光材料Y2Si4N6C：5％Ceによって、黄色スペクトル領域に、すなわち青色に対して補完的な色である波長範囲にシフトされる。観察者には、青色の一次光と、十分な量の黄色放射蛍光体の二次光との組み合わせが黄色光に見える。
蛍光体層が厚く、十分な黄色セリウム活性化炭化物系窒化珪素蛍光体を含む場合、LED蛍光体システムの色出力は、蛍光体層の厚さに極めて敏感であり、青色LED光の僅かの部分しか、厚い蛍光体層を通過することはできない。その後、蛍光体の黄色乃至赤色の二次光が支配的になるため、一体化LED蛍光体システムは、黄色乃至赤色に見える。従って、蛍光体層の厚さは、システムの色出力に影響を及ぼす重要な変数である。
この場合、このように形成される黄色光の色調（CIE色度図内の色点）は、蛍光体の混合種類および濃度の適当な選定によって、変化させることができる。
第6の実施例では、本発明による白色発光照明システムは、UV放射ダイオードによって放射されるUV放射線が、単色系の黄色乃至赤色光に完全に変換されるように発光材料を選定して、製作することができる点で有意である。この場合、黄色乃至赤色光は、発光材料によって形成される。
本発明による黄色発光照明システムは、無機発光材料Y2Si4N6C：5％Ceと、発光変換包囲体または層の製作に使用されるシリコン樹脂とを混合して製作することが特に好ましい。462nmのInGaN発光ダイオードによって放射される青色放射線の一部は、無機発光材料Y2Si4N6C：5％Ceによって、黄色スペクトル領域にシフトする。観察者には、UVA一次放射線と、黄色放射蛍光体の二次光の組み合わせが、黄色光として認識される。
この場合、このようにして形成される白色光の色調（CIE色度図内の色点）は、蛍光体の混合種類および濃度の適当な選定によって、変化させることができる。
LED構造部によって放射される光の光路に設置された本発明の蛍光体を有する、2色系白色LEDランプの概略図である。 460nmの青色LEDと、色変換器としてのY2Si4N6C：5％Ceとを有する白色LEDの放射線の、Tc=2960K（CRT=76）での国際照明委員会（CIE）の色度図における座標を示す図である。 Cu Kα放射線による、Y2Si4N6C：5％CeのXRDパターンを示す図である。 Y2Si4N6C：5％Ceの励起および放射スペクトルを示す図である。 460nmの青色LEDと、色変換器としてのY2Si4N6C：5％Ceとを有する白色LEDの、Tc=2960K（CRI=76）での放射スペクトルを示す図である。 460nmの青色LEDと、色変換器としてのY2Si4N6C：5％Ceとを有する白色LEDの、Tc=3720K（CRI=84）での放射スペクトルを示す図である。 460nmの青色LEDと、色変換器としてのY2Si4N6C：5％Ceとを有する白色LEDの、Tc=5490K（CRI=80）での放射スペクトルを示す図である。 462nmのInGaNダイオードと、黄色蛍光体としての(Y1-xGdx)3(Al1-yGay)5O12：Ceとを有する市販の白色LEDの放射スペクトルを示す図である。

Claims (15)

  1. 放射線源と、該放射線源から放射される光の一部を吸収して、吸収された光とは異なる波長の光を放射することが可能な、少なくとも一つの蛍光体を含む蛍光材料とを有する照明システムであって、
    前記少なくとも一つの蛍光体は、一般式が(RE1-z)2-aEAaSi4N6+aC1-a：Cezのセリウム活性化炭化物系窒化珪素であり、ここで0≦a＜1、0＜z≦0.2で、EAは、カルシウム、ストロンチウムおよびバリウムの群から選定される少なくとも一つのアルカリ土類金属であり、REは、イットリウム、ガドリニウムおよびルテチウムの群から選定される少なくとも一つの希土類金属であることを特徴とする照明システム。
  2. 前記放射線源は、発光ダイオードであることを特徴とする請求項1に記載の照明システム。
  3. 前記放射線源は、ピーク放射波長が400から480nmの範囲の放射を示す発光ダイオードから選定され、
    前記蛍光材料は、一般式が(RE1-z)2-aEAaSi4N6+aC1-a：Cezのセリウム活性化炭化物系窒化珪素を含み、ここで0≦a＜1、0＜z≦0.2で、EAは、カルシウム、ストロンチウムおよびバリウムの群から選定される少なくとも一つのアルカリ土類金属であり、REは、イットリウム、ガドリニウムおよびルテチウムの群から選定される少なくとも一つの希土類金属であることを特徴とする請求項1に記載の照明システム。
  4. 前記放射線源は、ピーク放射波長が400から480nmの範囲の放射を示す発光ダイオードから選定され、
    前記蛍光材料は、一般式が(RE1-z)2-aEAaSi4N6+aC1-a：Cezのセリウム活性化炭化物系窒化珪素と、第2の蛍光体とを含み、ここで0≦a＜1、0＜z≦0.2で、EAは、カルシウム、ストロンチウムおよびバリウムの群から選定される少なくとも一つのアルカリ土類金属であり、REは、イットリウム、ガドリニウムおよびルテチウムの群から選定される少なくとも一つの希土類金属であることを特徴とする請求項1に記載の照明システム。
  5. 前記第2の蛍光体は、0≦x≦1 として、(Ca1-xSrx)S：Eu、および0≦a＜5、0＜x≦1、0≦y≦1、0＜z≦0.2として、(Sr1-x-yBaxCay)2-zSi5-aAlaN8-aOa：Euz、の群から選定される、赤色蛍光体であることを特徴とする請求項4に記載の照明システム。
  6. 前記第2の蛍光体は、0≦x≦1 として、(Ba1-xSrx)2SiO4：Eu、SrGa2S4：EuおよびSrSi2N2O2：Eu、を含む群から選定される、緑色蛍光体であることを特徴とする請求項4に記載の照明システム。
  7. 前記放射線源は、ピーク放射波長が200から420nmのUV範囲の放射を示す発光ダイオードから選定され、
    前記蛍光材料は、一般式が(RE1-z)2-aEAaSi4N6+aC1-a：Cezのセリウム活性化炭化物系窒化珪素を含み、ここで0≦a＜1、0＜z≦0.2で、EAは、カルシウム、ストロンチウムおよびバリウムの群から選定される少なくとも一つのアルカリ土類金属であり、REは、イットリウム、ガドリニウムおよびルテチウムの群から選定される少なくとも一つの希土類金属であることを特徴とする請求項1に記載の照明システム。
  8. 前記放射線源は、ピーク放射波長が200から420nmのUV範囲の放射を示す発光ダイオードから選定され、
    前記蛍光材料は、一般式が(RE1-z)2-aEAaSi4N6+aC1-a：Cezのセリウム活性化炭化物系窒化珪素と、第2の蛍光体とを含み、ここで0≦a＜1、0＜z≦0.2で、EAは、カルシウム、ストロンチウムおよびバリウムの群から選定される少なくとも一つのアルカリ土類金属であり、REは、イットリウム、ガドリニウムおよびルテチウムの群から選定される少なくとも一つの希土類金属であることを特徴とする請求項1に記載の照明システム。
  9. 前記第2の蛍光体は、BaMgAl10O17：Eu、Ba5SiO4(Cl，Br)6：Eu、CaLn2S4：Ce、および(Sr，Ba，Ca)5(PO4)3Cl：Euの群から選定される、青色蛍光体であることを特徴とする請求項8に記載の照明システム。
  10. 前記第2の蛍光体は、0≦x≦1 として、(Ca1-xSrx)S：Eu、および0≦a＜5、0＜x≦1、0≦y≦1、0＜z≦0.2として、(Sr1-x-yBaxCay)2-zSi5-aAlaN8-aOa：Euz、の群から選定される、赤色蛍光体であることを特徴とする請求項8に記載の照明システム。
  11. 前記第2の蛍光体は、0≦x≦1 として、(Ba1-xSrx)2SiO4：Eu、SrGa2S4：Eu、およびSrSi2N2O2：Euを含む群から選定される、緑色蛍光体であることを特徴とする請求項8に記載の照明システム。
  12. 放射線源によって放射される光の一部を吸収して、吸収された光とは異なる波長の光を放射することが可能な蛍光体であって、
    当該蛍光体は、一般式が(RE1-z)2-aEAaSi4N6+aC1-a：Cezのセリウム活性化炭化物系窒化珪素であり、ここで0≦a＜1、0＜z≦0.2で、EAは、カルシウム、ストロンチウムおよびバリウムの群から選定される少なくとも一つのアルカリ土類金属であり、REは、イットリウム、ガドリニウムおよびルテチウムの群から選定される少なくとも一つの希土類金属であることを特徴とする蛍光体。
  13. さらに、プラセオジミウムおよびサマリウムの群から選定された共活性化剤を有することを特徴とする請求項12に記載の蛍光体。
  14. 当該蛍光体は、一般式がY2Si4N6C：5％Ceのセリウム活性化炭化物系窒化珪素であることを特徴とする請求項12に記載の蛍光体。
  15. 当該蛍光体は、アルミニウム、スカンジウム、イットリウム、ランタン、ガドリニウムおよびルテチウム元素のフッ化物とオルトリン酸塩、アルミニウム、イットリウムおよびランタンの酸化物、ならびにアルミニウムの窒化物の群から選定されたコーティングを有することを特徴とする請求項12に記載の蛍光体。
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