JP6545679B2 - 発光コーティングおよびデバイス - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年８月５日出願の米国特許出願第６１／８６２２７９号（その内容はその全体が参照により本明細書に組み込まれる）に基づく優先権の特典を主張する。
本開示は、発光コーティングおよびデバイスに関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）に基づいて白色光を発生する電界発光ランプまたはデバイスは、種々の実施形態が知られている。一実施形態は、一般に蛍光体と呼ばれる変換発光体の使用に基づく。他の実施形態では量子ドットが利用される。ＬＥＤの一次発光の一部（主に約４６０ｎｍの波長領域の青色）を蛍光体により吸収し、より長い波長の二次放射として再発光させることが可能である。発光波長は、一般的には、５００ｎｍ（緑色）から６３０ｎｍ（赤色）までさまざまである。補色の発光を伴う蛍光体を利用すれば、付加的に白色の発光を実現することが可能である。
しかしながら、温白色光（２７００〜３５００Ｋ）を発生するためには、赤色蛍光体を黄色蛍光体と組み合わせて使用しなければならない。赤色蛍光体は発光がブロードであり、しかも赤色蛍光体は発光効率が比較的低いので、従来の解決策では、演色性が不十分であり、放射エネルギー（放射パワー）の利用効率が低く、しかも技術的に複雑な構成となる。
本開示は、一般的には、照明に関し、より特定的には、高い効率および高い演色性を有するＬＥＤ、ＬＥＤランプ、および電界発光デバイスに関する。
いくつかの実施形態は、高い効率および高い演色性を有する照明用のＬＥＤモジュールを提供する。例示的な実施形態は、黄色蛍光体基材上に堆積可能な赤色蛍光体を組み込むことにより、第２の蛍光色を追加して発光光の色空間を広げ、青色、黄色、および赤色の寄与の好適な混合による発光色の調整を可能にする。
いくつかの実施形態は、入力波長を出力波長に変換する波長変換プレートなどの構成体を提供する。波長変換プレートは、第１のマトリックス全体に分布した第１の蛍光体粒子を含む第１の蛍光体層と、第２のマトリックス全体に分布した第２の蛍光体粒子を含む第２の蛍光体層と、を含み、第２の蛍光体層は、第１の蛍光体層と物理的に接触した状態にあり、かつ第２のマトリックスは、シロキサンもしくはシルセスキオキサンホスト材料、シルセスキオキサン−シリケートホスト材料、ゾルゲルホスト材料、またはアルカリ／シリケート水ガラスホスト材料を含む。
そのほかの実施形態は、可視スペクトル域にピーク波長を有する一次光を発するように適合化させた少なくとも１つの発光ダイオードと、第１のマトリックス全体に分布した第１の蛍光体粒子を含む第１の蛍光体層と第２のマトリックス全体に分布した第２の蛍光体粒子を含む第２の蛍光体層とを有する多層構造体と、を有する照明デバイスを提供する。第２の蛍光体層は、第１の蛍光体層と物理的に接触した状態にあり、かつ第２のマトリックスは、シロキサンもしくはシルセスキオキサンホスト材料、シルセスキオキサン−シリケートホスト材料、ゾルゲルホスト材料、またはアルカリ／シリケート水ガラスホスト材料を含む。
さらなる実施形態は、可視スペクトル域にピーク波長を有する一次光を発するように適合化された少なくとも１つの発光ダイオードと、第１のマトリックス全体に分布した黄色発光蛍光体粒子を含む第１の蛍光体層と第２のマトリックス全体に分布した赤色発光蛍光体粒子を含んで第１の蛍光体層に接触した第２の蛍光体層と有する多層構造体と、を有する照明デバイスを提供する。第２のマトリックスは、シロキサンもしくはシルセスキオキサンホスト材料、シルセスキオキサン−シリケートホスト材料、ゾルゲルホスト材料、またはアルカリ／シリケート水ガラスホスト材料を含み、第２の蛍光体層は、セラミック酸化物前駆体を含まない。
また、種々の実施形態は、第１の蛍光体材料と第２の蛍光体材料とを組み合わせる方法を含む。この方法は、第１の蛍光体材料を提供する工程と、第１の蛍光体材料とホストマトリックスとを組み合わせて第１の蛍光体混合物を形成する工程と、第１の蛍光体混合物を１つ以上のあらかじめ決められた温度で硬化させる工程と、硬化した第１の蛍光体混合物を第２の蛍光体材料を有する基材上に堆積する工程と、を有してなる。
特許請求された主題事項のさらなる特徴および利点は、以下の詳細な説明に示されるので、部分的には、その説明から当業者であればすぐに分かるか、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、さらには添付の図面を含めて、本明細書に記載の特許請求された主題事項を実施することにより分かるであろう。
本開示の種々の実施形態の以上の一般的な説明および以下の詳細な説明は両方とも、特許請求された主題事項の性質および特徴が理解されるように全体像または枠組みを提供することが意図されていることを理解すべきである。添付の図面は、本開示がさらに理解されるように含まれており、本明細書に組み込まれてその一部を構成する。図面は、種々の実施形態を例示しており、説明と合わせて、特許請求された主題事項の原理、機能、および変形形態を説明する役割を果たす。
これらの図面は、例示を目的として提供されており、本明細書に開示され検討されている実施形態は、図示された構成および手段に限定されるものではないことを理解されたい。
図１は、眼の応答で畳み込んだ種々の色点を示す色度プロットである。 図２Ａは、例示的な実施形態に係るシルセスキオキサンホスト材料の図解図である。 図２Ｂは、例示的な実施形態に係るシルセスキオキサンホスト材料の図解図である。 図２Ｃは、例示的な実施形態に係るシルセスキオキサンホスト材料の図解図である。 図２Ｄは、例示的な実施形態に係るシルセスキオキサンホスト材料の図解図である。 図２Ｅは、例示的な実施形態に係るシルセスキオキサンホスト材料の図解図である。 図２Ｆは、例示的な実施形態に係るシルセスキオキサンホスト材料の図解図である。 図３は、いくつかの実施形態に係る例示的な硬化プロセスの図解図である。 図４Ａは、実施形態から形成される例示的なコーティングの絵図を提供する。 図４Ｂは、実施形態から形成される例示的なコーティングの絵図を提供する。 図４Ｃは、実施形態から形成される例示的なコーティングの絵図を提供する。 図５は、いくつかの実施形態から形成される例示的なコーティングの絵図である。 図６は、いくつかの実施形態から形成される例示的なコーティングの絵図である。 図７は、本開示の一実施形態と下側黄色蛍光体基材との比較を例示している。 図８は、他の実施形態の図解図である。 図９は、特定の実施形態を用いて眼の応答で畳み込んだ種々の色点を示す色度プロットである。 図１０は、量子効率対温度のプロットである。 図１１は、いくつかの実施形態に係る表面実装パッケージの白色光ＬＥＤの図解図である。 図１２は、実施形態に係る表面実装パッケージの白色光ＬＥＤの他の図解図である。 図１３Ａは、いくつかの実施形態に係る波長変換プレートを有する発光デバイスの図解図である。 図１３Ｂは、いくつかの実施形態に係る波長変換プレートを有する発光デバイスの図解図である。
この説明は、例示および理解を目的として特定例を含みうるが、これらは、範囲を限定するものとしてではなく、特定の実施形態に含まれうるおよび／または特定の実施形態を例示しうる特徴を説明するものとして、解釈されるべきである。
発光コーティングおよびデバイスの種々の実施形態について図面を参照して説明する。理解を容易にするために、図面では同じ要素に同じ数字表示を与えた。
また、とくに明記されていないかぎり、「頂部」、「底部」、「外向き」、「内向き」などの用語は、便宜語であり、限定語とみなされないものとする。それに加えて、ある群が一群の要素のうちの少なくとも１つおよびそれらの組合せを含むと記載されている場合は常に、その群は、単独または相互の組合せのいずれかで、挙げられたそれらの要素のうちの任意の数の要素を含みうるか、それらより本質的になりうるか、またはそれらよりなりうる。
同様に、ある群が一群の要素のうちの少なくとも１つまたはそれらの組合せよりなると記載されている場合は常に、その群は、単独または相互の組合せのいずれかで、挙げられたそれらの要素のうちの任意の数の要素よりなりうる。とくに明記されていないかぎり、値の範囲は、挙げられている場合、その範囲の上限および下限の両方を含む。本明細書で用いられる場合、とくに明記されていないかぎり、名詞は、「少なくとも１つ」または「１つ以上」の対象を指す。
当業者であれば、本発明の有益な結果が得られる状態を維持しつつ、記載の実施形態に多くの変更を加えうることは分かるであろう。また、記載の特徴のいくつかを選択することにより、他の特徴を用いることなく、本開示の所望の利点のいくつかを得ることが可能であることは明らかであろう。したがって、多くの変更および適合化が可能であり、特定の状況下ではそれが望ましいことさえありうるとともに、それは本発明の一部となることは、当業者であれば分かるであろう。それゆえ、以下の説明は、本開示を限定するものとしてではなく、本開示の原理を例示するものとして提供される。
当業者であれば、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載の例示的な実施形態に多くの変更を加えうることは分かるであろう。それゆえ、説明は、与えられた実施例に限定することが意図されたものではなく、そのように解釈されるべきものでもないので、添付の特許請求の範囲およびその均等物により与えられた全保護範囲が認められるべきである。それに加えて、本開示の特徴のいくつかを使用して、対応して他の特徴を使用しないでもすむようにすることが可能である。したがって、代表的または例示的な実施形態の以上の説明は、本開示の原理の例示を目的として提供されたものであり、その限定を目的としたものではないので、その変更およびその並替えを含みうる。
ＬＥＤ系デバイスでは、一般的には、約５６０ｎｍの黄色発光Ｃｅ／ＹＡＧ蛍光体と組み合わせて、約４６０ｎｍのＧａＮ系青色ＬＥＤ発光体が利用される。図１は、眼の応答で畳み込んだ種々の色点を示す色度プロットである。図１を参照すると、透過青色光と黄色蛍光との組合せにより、一般的には、白色１０を生成可能であることが分かる。この組合せ色の特性分析値は、色点と呼ばれ、眼の応答で畳み込んだ三刺激値図上にｘ−ｙ点として例示される。赤色１２、緑色１４、および青色１６の純色未満で提供する場合、それぞれの色の相対強度を変化させることにより、三角形１８内の任意の位置に色を生成することが可能である。４６０ｎｍ（青色）および５６０ｎｍ（緑色／黄色）の２つの波長のみを用いると、一般的には、２点を結ぶ線に拘束されるので、得られる色はかなり制限される。たとえば、白熱電球からの発光光に近い白色光を生成するためには、赤色光源が必要である。それゆえ、本開示の実施形態では、望ましい白色発光１０を達成するために赤色発光蛍光体源が組み込まれる。
しかしながら、赤色発光蛍光体を組み込むと、赤色蛍光体の熱安定性および赤色蛍光体と利用可能な高い量子効率の赤色蛍光体材料のホストとの反応性に起因する難題を生じる。いくつかの実施形態は、一般的には、ＬＥＤ照明構造体および電界発光デバイスに適合可能な赤色発光蛍光体の製造に関する。そのような赤色発光蛍光体の例示的な製造プロセスは、以下に記載されており、いくつか例を挙げると、焼結セラミック、ガラスセラミック、シリコーン／蛍光体ブレンド、および薄型ガラス／蛍光体複合体の製造に利用可能である。また、「ＬＥＤ蛍光体用のホウ酸ビスマスガラス封入材」という名称で２０１３年３月２８日に出願された同時係属の米国特許出願第１３／８５２，０４８号明細書（その全体が参照により本明細書に組み込まれる）には、そのほかの例示的なプロセスが記載されている。
本開示の例示的な実施形態は、黄色蛍光体基材上に堆積可能な赤色蛍光体を組み込むことにより、第３の蛍光色を追加して発光光の色空間を広げ、青色、黄色、および赤色の寄与の好適な混合による発光色の調整を可能にする。従来的には、赤色発光蛍光体源を組み込むと、赤色蛍光体および／または量子ドット材料の熱安定性ならびにホスト材料との反応性に起因する難題を生じた。ホストおよびホスト材料という用語は、本明細書では交換可能に用いられており、そのような使用により、本明細書に添付された特許請求の範囲を限定するべきでないことに留意すべきである。たとえば、そのような従来の方法では、デバイス中の材料が、環境またはホストと化学反応を起こして、高温で量子効率の損失をもたらしうるので、得られるデバイスの劣化の問題が増大しうる。それゆえ、例示的な赤色蛍光体プロセスは、ロバストであるとともに、下側黄色蛍光体（ＹＡＧ）基材の形成に用いられるプロセスと適合可能であるべきである。
量子効率に実質的な影響を及ぼすことなく黄色蛍光体含有材料上にコーティングとして適用可能なホストを用いて、赤色発光蛍光体源を使用することが可能である。使用可能な例示的な赤色蛍光体としては、（ＳｒＢａＭｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ、Ｍ（ＡｌＳｉ）Ｎ３：Ｅｕ（式中、Ｍは、Ｃａ、Ｓｒ、またはＢａである）、ＣａＳ：Ｅｕ、さらには他の好適な赤色蛍光体が挙げられるが、これらに限定されるものではない。例示的な蛍光体はまた、それぞれの変換波長に従って、酸化物蛍光体、硫化物蛍光体、窒化物蛍光体を含みうる。たとえば、例示的な蛍光体としては、β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ，Ｒｅ系の黄色発光蛍光体、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ，Ｒｅなどのシリケート系緑色発光蛍光体、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ）（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）２（Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ）４：Ｅｕ，Ｒｅなどの硫化物系緑色発光蛍光体、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）ＡｌＳｉＮｘ：Ｅｕ，Ｒｅ（１≦ｘ≦５）などの窒化物系赤色発光蛍光体、または（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）（Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ）：Ｅｕ，Ｒｅなどの硫化物系赤色発光蛍光体が挙げられうる（式中、Ｒｅは、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、およびＩのいずれか１つでありうる）。
赤色蛍光体材料に対する例示的なホストとしては、シルセスキオキサンホストが挙げられうる。シルセスキオキサンまたはシロキサンは、一般式ＲＳｉＯ３／２（式中、Ｒは、Ｓｉ−Ｃ結合を介してシリカに結合された有機基（またはＨ）を表す）を有する材料である。図２Ａ〜２Ｆに例示されるように、限定されるものではないが、ランダム構造２２、ラダー構造２４、ケージ構造２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、および部分ケージ構造２８を含めて、きわめて多数のシルセスキオキサンホスト構造が存在する。いくつかの実施形態では、シルセスキオキサンホストはまた、追加のシリケート官能基を有しうる。
赤色蛍光体材料は、１〜１０重量％の範囲内で例示的なシリケート−メチルシロキサンポリマーに添加されてスラリーを生成しうる。いくつかの実施形態では、赤色蛍光体の充填率または濃度は、約１重量％〜約３０重量％の範囲内、たとえば、１、２、５、１０、１５、２０、または３０パーセントでありうる。シリケート−メチルシロキサンポリマーは、一般的には、シリケート−シルセスキオキサンがあらかじめ重合されたものであるので、基材上に適用して硬化させることにより、シルセスキオキサンが図２Ａ〜２Ｆに例示される構造を有しうるシリケート−シルセスキオキサンを形成することが可能である。たとえば、いくつかの実施形態では、メチルシロキサンは、硬化時にラダーシルセスキオキサンを形成する。さらに、プレポリマーの段階で、例示的な赤色蛍光体材料を例示的なシリケート−メチルシロキサンポリマーに添加することが可能である。
図３は、本開示のいくつかの実施形態に係る例示的な硬化プロセスの図解図である。図３を参照すると、例示的なシリケート−メチルシロキサンポリマーは、より高い温度で縮合可能な複数のシラノール（Ｓｉ−ＯＨ）を有する第１の構造３０を含みうるが、これに限定されるものではない。ポリマーは、たとえば、約２４０℃〜３００℃で硬化されると、部分縮合構造３２を生じる。次いで、ポリマーは、Ｎ２中約４２５℃で縮合構造３４に達しうる。これには、依然として、Ｓｉ−Ｒ基が縮合網状構造中に存在する。他の実施形態では、硬化が空気中で行われると、ＳｉＲ基のいくつかは、シラノールに変換されうる。たとえば、Ｓｉ−Ｒ基をＳｉ−ＯＨに変換するために、空気中、より高い温度、たとえば、４２５℃超でポリマー材料を硬化させうるか、または酸素プラズマ処理によりメチルの部分酸化を起こして他の縮合構造３６を生成しうる。そのような例では、約６００℃でメチルの完全酸化を起こしうる。
シリケート−シルセスキオキサンは、たとえば、スピン塗布、スプレー塗布、ディップ塗布、スクリーン印刷、または所望により、シリケート−シルセスキオキサン層の厚さを制御可能で、下側基材に適合可能で、かつ縮合構造が得られるように硬化可能な他の好適な堆積方法により、黄色蛍光体材料を有する基材上に堆積可能である。
本明細書に記載の例示的なコーティングは、約５０ｍＪ／ｍ２未満の低表面エネルギーコーティングを提供可能である。いくつかの実施形態では、堆積されたコーティングは、４０ｍＪ／ｍ２未満、さらには３０ｍＪ／ｍ２未満の低表面エネルギーを有しうる。一実施形態では、約３４ｍＪ／ｍ２の低表面エネルギーコーティングが提供される。他の実施形態では、堆積された赤色蛍光体コーティングの上に、硬化前、蛍光体材料をなんら含まないシリケートまたはシリケート−シルセスキオキサンのコーティングを施して、キャッピング層を形成することが可能である。
図４Ａ〜４Ｃは、以上に記載の方法により形成された赤色蛍光体材料を含有する例示的なコーティングの絵図を提供する。図４Ａを参照すると、４６０ｎｍのＬＥＤ励起光源による例示的な蛍光は、空気中４３０℃で１時間加熱されたシルセスキオキサンホスト中約１０重量％の充填率の赤色Ｅｕ−窒化物蛍光体を有する状態で例示されている。図４Ｂを参照すると、約４６０ｎｍのＬＥＤ励起光源による例示的な蛍光は、シルセスキオキサンホスト中１０重量％の充填率の赤色（ＳｒＣａＭｇ）ＳｉＯ４：Ｅｕ蛍光体を有する状態で例示されている。スラリーを形成し、約１〜４μｍの厚さにスピン塗布し、次いで空気中４３０℃で１時間加熱した。図４Ｃを参照すると、約４６０ｎｍのＬＥＤ励起光源による例示的な蛍光は、空気中約４３０℃で１時間加熱されたシルセスキオキサンホスト中１０重量％の充填率の赤色ＣａＳ：Ｅｕ蛍光体を有する状態で例示されている。例示されるように、図４Ａ〜４Ｃに示されるサンプルは、それぞれ、所望の色点の蛍光を呈する。
本明細書に記載の実施例ではシルセスキオキサンホストが参照されているが、さまざまなホスト材料を利用することが可能である。たとえば、他の例示的なホストは、限定されるものではないが、アルカリ／シリカ水ガラスでありうる。このアルカリ／シリカ水ガラスホストは、たとえば、ＳｉＯ２／Ｒ２Ｏ（式中、Ｒは、１〜２０のさまざまな比を有するアルカリを表す）の７〜８重量％シリケート水溶液を含みうる。当然ながら、他の選択肢として、たとえば、８〜２０重量％、２０〜３０重量％、３０重量％超で、他のシリケート水溶液を利用することが可能である。図５は、以上に記載の方法から形成された赤色蛍光体材料を含有する例示的なコーティングの絵図を提供する。図５を参照すると、約４６０ｎｍのＬＥＤ励起光源による例示的な蛍光は、空気中約４３０℃で１時間加熱されたアルカリ／シリカ水ガラスホスト中約１０重量％の充填率の赤色Ｅｕ−窒化物蛍光体を有する状態で例示されている。例示されるように、図５に示されたサンプルは、適切な色点の蛍光を呈する。
さらに他の例示的なホストは、限定されるものではないが、ゾルゲルでありうる。例示的なゾル−ゲルホストは、テトラエチルオルトシリケート、水、酸、およびアルコールの混合物を用いて調製可能である。当然ながら、他のゾル−ゲルも同様に利用可能である。いくつかの実施形態では、酸性、中性、または塩基性の条件下で水を添加することにより、アルコキシドをアルコールに溶解させて加水分解することが可能である。加水分解によりアルコキシド配位子をヒドロキシルに置き換え、続いてヒドロキシル基が関与する縮合反応によりＳｉ−Ｏ−Ｓｉを含むポリマーを生成することが可能である。この例示的反応を利用して重合プロセスを介してより大きいケイ素含有分子を構築することによりＳｉＯ２を形成し、そして高温熱硬化に付して反応を終了させることが可能である。赤色蛍光体材料、たとえば、（ＳｒＢａＭｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ、Ｍ（ＡｌＳｉ）Ｎ３：Ｅｕ（式中、Ｍは、Ｃａ、Ｓｒ、またはＢａである）、ＣａＳ：Ｅｕ、さらには他の好適な赤色蛍光体は、たとえば、約１０重量％でホストマトリックスに充填可能である。次いで、このスラリーを、黄色蛍光体材料を有する下側基材上に、約１μｍの厚さで、たとえば、スピン塗布、スプレー塗布、ディップ塗布、スクリーン印刷、または他の形で堆積することが可能である。いくつかの実施形態では、例示的な赤色蛍光体粉末、たとえば、（ＳｒＢａＭｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ、Ｍ（ＡｌＳｉ）Ｎ３：Ｅｕ（式中、Ｍは、Ｃａ、Ｓｒ、またはＢａである）、ＣａＳ：Ｅｕ、さらには他の好適な赤色蛍光体を、例示的なシリケート水溶液に添加することにより、スラリーを形成することが可能である。次いで、このスラリーを、黄色蛍光体材料を有する下側基材上に、約１μｍの厚さで、たとえば、スピン塗布、スプレー塗布、ディップ塗布、スクリーン印刷、または他の形で堆積することが可能である。他の実施形態では、堆積された赤色蛍光体コーティングの上にシリケートコーティングを提供してキャッピング層を形成し、次いで、空気中約４３０℃で１時間加熱して熱処理を終了することが可能である。他の実施形態では、あらかじめ重合されたゾル−ゲル混合物を堆積された赤色蛍光体コーティングの上に提供してキャッピング層を形成し、次いで、空気中約４３０℃で１時間加熱して熱処理を終了することが可能である。図６は、以上に記載したように形成された赤色蛍光体材料を含有する例示的なコーティングの絵図を提供する。図６を参照すると、約４６０ｎｍのＬＥＤ励起光源による例示的な蛍光は、空気中約４１０℃〜４３０℃で１時間加熱されたゾル−ゲル由来ホスト中約１０重量％の充填率の赤色Ｅｕ−窒化物蛍光体を有する状態で例示されている。例示されるように、図６に示されたサンプルは、所望の色点の蛍光を呈する。
図７は、本開示の一実施形態と下側黄色蛍光体基材との比較を例示している。図７を参照すると、シルセスキオキサンホストを有する赤色ＣａＳ：Ｅｕ蛍光体は、スクリーン印刷された黄色蛍光体ガラスターゲット７０上にスピン塗布され、そしてそのようなコーティング７２を有していない黄色蛍光体（フリット中Ｃｅ／ＹＡＧ）ガラスターゲットと比較された。図８は、本開示の他の実施形態の図解図である。図８を参照すると、赤色ＣａＳ：Ｅｕ蛍光体は、ガラス（フリット中Ｃｅ／ＹＡＧ）基材中の下側黄色蛍光体上にコーティングされた。約４６０ｎｍのＬＥＤ励起光源による例示的な蛍光は、所望の発光バンドで温白色光を生成する状態で例示されている。
量子ドットに関して、この材料は、１０ｎｍ以下の直径を有する発光体であり、量子閉込め効果を呈する。量子ドットは、狭い波長域に典型的な蛍光体よりも強い光を発生する。励起電子が伝導帯から価電子帯に移動すると、量子ドットの発光を生じる。量子ドットのサイズが小さくなるほど、より短い波長を有する光を発する。それゆえ、所望の波長範囲を有する光は、いくつかの実施形態では、量子ドットのサイズを調整することにより得られうる。例示的な量子ドットは、半導体ナノ結晶、たとえば、限定されるものではないが、Ｓｉナノ結晶、第ＩＩ〜ＶＩ族化合物半導体ナノ結晶、第ＩＩＩ〜Ｖ族化合物半導体ナノ結晶、または第ＩＶ〜ＶＩ族化合物半導体ナノ結晶でありうる。本実施形態では、量子ドットは、単独でまたはそれらの混合物で使用可能である。第ＩＩ〜ＶＩ族化合物半導体ナノ結晶としては、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＣｄＳｅＳ、ＣｄＳｅＴｅ、ＣｄＳＴｅ、ＺｎＳｅＳ、ＺｎＳｅＴｅ、ＺｎＳＴｅ、ＨｇＳｅＳ、ＨｇＳｅＴｅ、ＨｇＳＴｅ、ＣｄＺｎＳ、ＣｄＺｎＳｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＣｄＨｇＳ、ＣｄＨｇＳｅ、ＣｄＨｇＴｅ、ＨｇＺｎＳ、ＨｇＺｎＳｅ、ＨｇＺｎＴｅ、ＣｄＺｎＳｅＳ、ＣｄＺｎＳｅＴｅ，ＣｄＺｎＳＴｅ、ＣｄＨｇＳｅＳ、ＣｄＨｇＳｅＴｅ、ＣｄＨｇＳＴｅ、ＨｇＺｎＳｅＳ、ＨｇＺｎＳｅＴｅ、またはＨｇＺｎＳＴｅが挙げられるが、これらに限定されるものではない。さらに、第ＩＩＩ〜Ｖ族化合物半導体ナノ結晶としては、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＮＰ、ＧａＮＡａ、ＧａＰＡｓ、ＡｌＮＰ、ＡｌＮＡｓ、ＡｌＰＡｓ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＰＡｓ、ＧａＡｌＰ、ＧａＡｌＮＡｓ、ＧａＡｌＰＡｓ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＩｎＡｌＮＰ、ＩｎＡｌＮＡｓ、またはＩｎＡｌＰＡｓが挙げられるが、これらに限定されるものではない。さらに、第ＩＶ〜ＶＩ族化合物半導体ナノ結晶としては、ＳｂＴｅが挙げられるが、これに限定されるものではない。
図１１は、表面実装パッケージの白色光ＬＥＤの図解図である。図１１を参照すると、いくつかの実施形態では、１つ以上の蛍光体または量子ドットは、ガラス材料またはガラスフリット材料（たとえば、下側デバイス、層、または材料を封止するために使用される材料）と混合されて、蛍光体ガラスまたは量子ドットの混合物を形成可能である。次いで、この混合物は、容器内のＬＥＤ１１０（たとえば、ＧａＮまたはＩｎＧａＮのＬＥＤ）に適用可能である。図１１は、ＬＥＤ１１０、ワイヤーボンド１１２、蛍光体および／または量子ドット粒子１１４を包囲するホスト材料１１６（たとえば、シリコーンまたは他の好適なホスト材料）中の蛍光体粒子１１４、基材１１８、および例示的なＬＥＤのパッケージ１２０を表している。パッケージ１２０は、基材１１８、エポキシ樹脂レンズ１２４、および蛍光体または量子ドットの混合物を含有するための、ＬＥＤ１１０を保護するための、かつパッケージから光を反射させるためのプラスチックまたはセラミックスで作製された容器またはカップ１２２を含む。いくつかの実施形態では、赤色蛍光体材料は、以上で考察したように混合され、下側ホスト材料１１６および蛍光体粒子１１４の構成体上に適用され、そして硬化されて、赤色蛍光体材料を含有する層１２６を形成可能である。他の実施形態では、キャッピング層（図示せず）もまた、赤色蛍光体材料を含有する層１２６に近接して適用可能である。
図１２は、表面実装パッケージの白色光ＬＥＤの他の図解図である。図１２を参照すると、蛍光体および／または量子ドット１１４は、ガラスまたはホスト材料１１６と混合されて、蛍光体−ガラスまたは量子ドットの混合物を形成し、これは、焼成されて、内部に埋め込まれた蛍光体／量子ドットを有するガラスシート１２１を生成する。パッケージ１２０は、ＬＥＤ１１０、ワイヤーボンド１１２、およびパッケージ基材１１８、さらにはプラスチック材料またはセラミック材料から作製された容器またはカップ１２２を含む。蛍光体および／または量子ドットを含有するガラス混合物１１４、１１６は、スクリーン印刷、スプレー塗布、スピン塗布などにより基材に適用され、続いて焼成されて、基材１１８およびパッケージを覆う緻密ガラス層を生成可能である。焼成蛍光体含有混合物はガラスであるので、カバーレンズは必要でないかもしれない。赤色蛍光体材料は、以上で考察したように混合され、ガラスシート１２１（すなわち、蛍光体含有ガラス混合物１１４、１１６）上に適用され、そして硬化されて赤色蛍光体材料を含有する層１２６を形成可能である。他の実施形態では、キャッピング層（図示せず）もまた、赤色蛍光体材料を含有する層１２６に近接して適用可能である。
図１３Ａは、本開示のいくつかの実施形態に係る波長変換プレートを有する発光デバイスの図解図である。図１３Ａを参照すると、発光デバイス１３０は、以上で考察したように混合され、適用され、そして硬化された、赤色蛍光体または量子ドットを含有する材料の１つ以上の層が塗布された下側ＹＡＧ基材を有する例示的な波長変換プレート１３２を有する状態で例示されている。キャッピング層（図示せず）もまた、赤色蛍光体または量子ドットを含有する材料の１つ以上の層に近接して適用可能である。量子ドットまたは蛍光体がプレート１３２の波長変換層に含まれる場合、入射励起光は変換されて、波長変換光（反射光または他の形態の光）を発生する。図示されていないが、波長変換プレート１３２は、誘電体層、ナノパターン、および金属層をも含みうる。発光デバイス１３０は、フレーム１３４により支持された発光素子１３３を含み、この発光素子１３３は、フレーム１３４上に形成されてワイヤー１４０または他の好適な手段により発光素子１３３に電気接続された電極１３９を有する。発光素子１３３は、好適な材料１３５により封止可能である。示された実施形態では、波長変換プレート１３２は、反射構成で配設されることにより、光を変換してデバイス１３０の反射部１３７内に送るように例示されている。波長変換プレート１３２はまた、図１３Ｂに例示されるように、発光デバイス１３０の上におよび／またはそれを取り囲むように位置しうる。発光素子１３３は、ＬＥＤ、レーザーダイオードなど（たとえば、４２０〜４８０ｎｍの青色光を発するＧａＮ系ＬＥＤ）でありうる。例示的な封止材料は、限定されるものではないが、エポキシ系、シリコン系、アクリル系のポリマー、ガラス、カーボネート系のポリマー、またはそれらの混合物でありうる。
種々の実施形態では、下側ＹＡＧ基材に対する封入材料としてＢｉ含有ホウ酸塩ガラスを使用することが可能である。ある場合には、粉末状のガラスと蛍光体（または複数の異なる蛍光体粉末）との混合物を、好適な有機バインダー（たとえば、テルピネオール、エチルセルロースなど）、分散剤、界面活性剤、および／または溶媒とブレンドすることが可能である。この封入材料、この場合はフリットペーストまたは混合物は、薄型ガラス基材上に堆積可能である。基材の例としては、融合プロセスまたは他の好適なプロセスを介して製造された高Ｎａ含有率のアルミノシリケートガラスが挙げられるが、これに限定されるものではない。次いで、基材／フリット集合体を約３５０℃で焼成して、ペーストから有機成分をバーンオフし、その後、続いて約５００〜５５０℃に加熱して、フリットを十分に透明な状態に焼結することが可能である。第１の温度では、一般的には、有機媒体が追い出され、その温度は、たとえば、有機媒体の沸点によりまたは蒸気圧データを用いて決定可能であり、そして大気圧または真空下で実施可能である。蛍光体／フリットガラス混合物を固結または焼成して緻密ガラスにするために用いられる第２のより高い温度は、蛍光体／フリットガラス混合物が適用される基材の軟化温度が、蛍光体／フリットガラス混合物の固結温度または焼成温度よりも約１００℃高いのであれば、フリット材料により決定可能である。いくつかの実施形態では、バインダーは、焼結前にガラス組成物から完全にまたは実質的に除去可能である。このように、バインダーのバーンアウトが起こる温度を焼結温度未満にすることが可能である。さらなる実施形態では、焼結ガラス中の蛍光体の充填率は、約１重量％〜約３０重量％の範囲内、たとえば、１、２、５、１０、１５、２０、または３０パーセントでありうる。Ｂｉの還元を回避するために、空気中ではなくＯ２富化雰囲気中で焼結を行うことが可能である。
他の実施形態では、同時係属の米国特許出願第１３／８５２，０４８号明細書（その全体が参照により本明細書に組み込まれる）に記載のテープキャスト手順により、自立性フリット／蛍光体膜を作製することが可能である。いくつかの実施形態では、蛍光体は、１〜１０ｎｍの範囲内の粒子サイズを有する量子ドットを含みうる。この蛍光体／フリットガラス混合物は、ＬＥＤデバイスのアクティブ平面上にまたはそれに近接して層として適用可能である。蛍光体／フリットガラス混合物中の蛍光体粉末の量は、所望の量になるように変更可能である。固結した蛍光体含有フリット層の最終的厚さは、蛍光体／フリットガラス混合物を複数回堆積することにより増加可能である。種々の実施形態では、蛍光体粉末は、ガラス全体に均一に分布させることが可能である。さらなる実施形態では、蛍光体粉末の分布は、ガラス内に局在化させることが可能である。すなわち、ガラス層の自由表面の一方または両方に局在化させることが可能である。
蛍光体−フリットガラス混合物の例示的な組成物は、Ｂｉ２Ｏ３と少なくとも３０ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３と含むガラスと、少なくとも１種の蛍光体と、を含むものであり、これは、層が、Ｂｉ２Ｏ３とＢ２Ｏ３とを含むフリットと、少なくとも１種の蛍光体と、を含む焼成混合物であり、かつ層がＰｂフリーである用途で、利用されうる。他の実施形態は、モルパーセントで、１０〜３０％のＢｉ２Ｏ３、０％超のＮａ２Ｏ、１５〜５０％のＺｎＯ、ＺｎＦ２、またはそれらの組合せ、３０〜５５％のＢ２Ｏ３、０〜３％のＳｉＯ２、０〜１％のＷＯ３、０〜１２％のＢａＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、またはそれらの組合せを含むガラス組成物を含む。いくつかのガラス組成物は、少なくとも１％のＮａ２Ｏを含むことが可能であり、かつ１５〜５０％のＺｎＯを含むことが可能である。他の実施形態では、ガラス組成物は、ｍｏｌパーセントで、１２〜２０％のＢｉ２Ｏ３、５〜１２％のＮａ２Ｏ、２０〜３０％のＺｎＯ、３８〜５２％のＢ２Ｏ３、０〜３％のＳｉＯ２、０〜１％のＷＯ３、１〜１２％のＢａＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、またはそれらの組合せを含む。いくつかの実施形態では、ガラス組成物は、１４〜１６％のＢｉ２Ｏ３、５〜１１％のＮａ２Ｏ、２２〜２７％のＺｎＯ、４０〜５１％のＢ２Ｏ３、０〜３％のＳｉＯ２、０〜１％のＷＯ３、１〜１１％のＢａＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、またはそれらの組合せを含む。そのほかの実施形態では、ガラス組成物は、モルパーセントで、１０〜３０％のＢｉ２Ｏ３、０〜２０％のＭ２Ｏ（式中、Ｍは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ、またはそれらの組合せである）、０〜２０％のＲＯ（式中、Ｒは、Ｍｇ、Ｃａ Ｓｒ、Ｂａ、またはそれらの組合せである）、１５〜５０％のＺｎＯ、ＺｎＦ２、またはそれらの組合せ、０〜５％のＡｌ２Ｏ３、０〜５％のＰ２Ｏ５、および３０〜５５％のＢ２Ｏ３を含む。そのほかの例示的な組成物は、同時係属の米国特許出願第１３／８５２，０４８号明細書（その全体が参照により本明細書に組み込まれる）に記載されている。
下側黄色蛍光体（ＹＡＧ）基材は、ガラス基材を含みうる。ガラス基材は、約５ｍｍ以下、たとえば、４ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍ、０．５ｍｍ以下の厚さを有しうる。ガラス基材は、薄型可撓性ガラス基材でありうる。いくつかの実施形態では、担体基材は、層を作製した後でガラス層を除去可能なテープまたは基材を含みうる。ガラス層は、作製後に担体から除去して他の表面に装着可能であり、次いでそのまま焼成可能である。ガラス層は、約５ｍｍ以下、たとえば、４ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍ、０．５ｍｍ、０．４ｍｍ、０．３ｍｍ、０．２ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０９ｍｍ、０．０８ｍｍ、０．０７ｍｍ、０．０６ｍｍ、または０．０５ｍｍ以下の厚さを有しうる。いくつかの実施形態では、ガラス層は、約０．０１ｍｍ〜約１ｍｍ、たとえば、０．０１ｍｍ〜０．２ｍｍの厚さを有する。
ガラス層は、基材上にまたは単独で存在し、たとえば、ウエハサイズのプロセスなどの製造プロセスで、たとえば、６インチ×６インチ、さらにはそれ以上のサイズのプロセスで、ＬＥＤライトを作製するために使用可能である。ガラス層上に複数のＬＥＤを作製し、作製後に単一のＬＥＤに分離可能である。こうして例示的な赤色蛍光体層と組み合わせた蛍光体／フリットガラス層を有するデバイスは、シリコーンを封止材料として使用したときよりも熱的にロバストであり、かつ蛍光体／フリットガラス層は、より良好な化学的安定性および環境安定性を有する。
いくつかの実施形態では、赤色蛍光体材料を含有する層は、セラミック酸化物前駆体（たとえば、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、および／またはバナジウムなどの種々の金属の化合物、さらには溶液への溶解、加水分解し、続いて比較的低い温度および比較的速い反応速度での熱分解により、セラミック酸化物コーティングを形成可能なホウ素やリンなどの種々の非金属の化合物）を含まないことに留意すべきである。
いくつかの実施形態は、充填剤、たとえば、限定されるものではないが、さまざまなモルフォロジーの種々の無機および有機の充填剤、たとえば、限定されるものではないが、粉末、粒子、フレーク、マイクロバルーンなどを含みうる。無機充填剤の例としては、合成および天然の材料、たとえば、種々の金属および非金属の酸化物、窒化物、ホウ化物、および炭化物、たとえば、ガラス、アルミナ、シリカ、二酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステン、および酸化ルテニウム、チタネート、たとえば、チタン酸カリウムおよびチタン酸バリウム、ニオベート、たとえば、ニオブ酸リチウムおよびニオブ酸鉛、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、沈降珪藻土、ケイ酸アルミニウム、または他のシリケート、顔料、蛍光体、金属、たとえば、銀、アルミニウム、および銅、ウォラストナイト、雲母、カオリン、クレー、タルクなどが挙げられる。また、いくつかの有機材料、たとえば、セルロース、ポリアミド、フェノール樹脂なども使用可能である。好ましい充填剤としては、蛍光体、たとえば、限定されるものではないが、スルフィド、セレニド、およびスルホセレニド、たとえば、硫化亜鉛および硫化カドミウム、オキシフルオリド、酸素ドミナント蛍光体、たとえば、ボレート、アルミネート、ガレート、シリケートなど、ならびにハロゲン化物蛍光体、たとえば、アルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ土類ハロゲン化物およびオキシハロゲン化物が挙げられる。例示的な蛍光体化合物はまた、アクチベーター、たとえば、限定されるものではないが、マンガン、銀、銅、ハロゲン化物などでドープ可能である。好適な蛍光体は、変換波長に基づいて、酸化物蛍光体、硫化物蛍光体、および窒化物蛍光体でありうる。たとえば、蛍光体としては、β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ，Ｒｅ系の黄色発光（たとえば、約５７０ｎｍ〜約５９０ｎｍ）蛍光体、シリケート系緑色発光（たとえば、約４９５ｎｍ〜約５７０ｎｍ）蛍光体、たとえば、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ，Ｒｅ、または硫化物系緑色発光（たとえば、約４９５ｎｍ〜約５７０ｎｍ）蛍光体、たとえば、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ）（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）２（Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ）４：Ｅｕ，Ｒｅ、窒化物系赤色発光（たとえば、約６２０ｎｍ〜約７４０ｎｍ）蛍光体、たとえば、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）ＡｌＳｉＮｘ：Ｅｕ，Ｒｅ（１≦ｘ≦５）、または硫化物系赤色発光（たとえば、約６２０ｎｍ〜約７４０ｎｍ）蛍光体、たとえば、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）（Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ）：Ｅｕ，Ｒｅ（式中、Ｒｅは、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、およびＩのいずれか１つでありうる）が挙げられうる。好ましくは赤色蛍光体としては、（ＳｒＢａＭｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ、Ｍ（ＡｌＳｉ）Ｎ３：Ｅｕ（式中、Ｍは、Ｃａ、Ｓｒ、またはＢａである）、ＣａＳ：Ｅｕ、さらには他の好適な赤色蛍光体が挙げられるが、これらに限定されるものではない。以上の蛍光体充填剤の粒子サイズおよび形状は、充填剤のタイプ、所望のコーティング厚さなどの因子に依存して、さまざまでありうる。蛍光体充填剤の量もまた、たとえば、最終コーティングに望まれる特性に依存して、広い範囲にわたりさまざまでありうる。
他の材料もまた、コーティング組成物中に存在可能である。たとえば、より良好な接着性が得られるように充填剤の表面を改質する材料、たとえば、いくつか例を挙げると、シラン、グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、メルカプトプロピルトリメトキシシラン、およびビニルトリアセトキシシランを使用可能である。いくつかの実施形態では、懸濁化剤もまた、コーティング組成物に添加可能である。
本開示のいくつかの実施形態は、入力波長を出力波長に変換する波長変換プレートを提供する。波長変換プレートは、第１のマトリックス全体に分布した第１の蛍光体粒子を含む第１の蛍光体層と、第２のマトリックス全体に分布した第２の蛍光体粒子を含む第２の蛍光体層と、を含みうる。そのほかの実施形態では、第１の蛍光体粒子は黄色発光蛍光体粒子であり、かつ第２の蛍光体粒子は赤色発光蛍光体粒子である。他の実施形態では、第２の蛍光体層はセラミック酸化物前駆体を含まない。第２の蛍光体層は、第１の蛍光体層と物理的に接触した状態にあり、かつ第２のマトリックスは、シルセスキオキサンホスト材料、ゾルゲルホスト材料、またはアルカリ／シリケート水ガラスホスト材料を含む。種々の実施形態では、出力波長は、第２のマトリックス中の第２の蛍光体粒子の充填率、第２の蛍光体層の厚さ、第１のマトリックス中の第１の蛍光体粒子の充填率、第１の蛍光体層の厚さ、およびそれらの組合せの関数として決定可能である。一実施形態では、波長プレートの複合体厚さは、約１００〜５００マイクロメートルである。例示的な第２の蛍光体粒子としては、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）ＡｌＳｉＮｘ：Ｅｕ，Ｒｅ（１≦ｘ≦５）粒子、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）（Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ）：Ｅｕ，Ｒｅ粒子（式中、Ｒｅは、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、およびＩのいずれか１つである）、（ＳｒＢａＭｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ粒子、Ｍ（ＡｌＳｉ）Ｎ３：Ｅｕ粒子（式中、Ｍは、Ｃａ、Ｓｒ、またはＢａである）、ＣａＳ：Ｅｕ粒子、およびそれらの組合せが挙げられるが、これらに限定されるものではない。例示的な第１の蛍光体粒子としては、セリウムドープイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）および他の好適な黄色蛍光体が挙げられるが、これらに限定されるものではない。さらなる実施形態では、第１の蛍光体層、第２の蛍光体層、または第１および第２の蛍光体層は、量子ドットを含む。例示的な量子ドットは、第ＩＩ〜ＶＩ族化合物半導体ナノ結晶、第ＩＩＩ〜Ｖ族化合物半導体ナノ結晶、第ＩＶ〜ＶＩ族化合物半導体ナノ結晶、またはそれらの組合せを含みうる。いくつかの実施形態では、第２の蛍光体層は、第１の蛍光体層上に、スピン塗布、スプレー塗布、ディップ塗布、またはスクリーン印刷可能である。第２のマトリックス中の第２の蛍光体粒子の例示的な分布は、約１重量％〜約３０重量％の範囲内である。他の実施形態では、波長変換プレートは、第２の蛍光体層の上にキャッピング層を有し、キャッピング層は、いかなる蛍光体粒子も実質的に欠失している。例示的な第２の蛍光体層は、約５０ｍＪ／ｍ２未満の低表面エネルギーを有しうる。いくつかの実施形態では、堆積層は、約４０ｍＪ／ｍ２未満、さらには約３０ｍＪ／ｍ２未満の低表面エネルギーを有しうる。好ましい実施形態は、約３４ｍＪ／ｍ２の低表面エネルギーコーティングを提供する。
本開示のそのほかの実施形態は、可視スペクトル域にピーク波長を有する一次光を発するように適合化された少なくとも１つの発光ダイオードと、多層構造体と、を有する照明デバイスを含む。多層構造体は、第１のマトリックス全体に分布した第１の蛍光体粒子を含む第１の蛍光体層と、第２のマトリックス全体に分布した第２の蛍光体粒子を含む第２の蛍光体層と、を含み、第２の蛍光体層は、第１の蛍光体層と物理的に接触した状態にあり、かつ第２のマトリックスは、シルセスキオキサンホスト材料、ゾルゲルホスト材料、またはアルカリ／シリケート水ガラスホスト材料を含む。いくつかの実施形態では、第１の蛍光体粒子は黄色発光蛍光体粒子であり、かつ第２の蛍光体粒子は赤色発光蛍光体粒子である。他の実施形態では、第２の蛍光体層はセラミック酸化物前駆体を含まない。種々の実施形態では、出力波長は、第２のマトリックス中の第２の蛍光体粒子の充填率、第２の蛍光体層の厚さ、第１のマトリックス中の第１の蛍光体粒子の充填率、第１の蛍光体層の厚さ、およびそれらの組合せの関数として決定可能である。例示的な第２の蛍光体粒子としては、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）ＡｌＳｉＮｘ：Ｅｕ，Ｒｅ（１≦ｘ≦５）粒子、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）（Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ）：Ｅｕ，Ｒｅ粒子（式中、Ｒｅは、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、およびＩのいずれか１つである）、（ＳｒＢａＭｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ粒子、Ｍ（ＡｌＳｉ）Ｎ３：Ｅｕ粒子（式中、Ｍは、Ｃａ、Ｓｒ、またはＢａである）、ＣａＳ：Ｅｕ粒子、およびそれらの組合せが挙げられるが、これらに限定されるものではない。例示的な第１の蛍光体粒子としては、セリウムドープイットリウムアルミニウムガーネット（Ｃｅ：ＹＡＧ）および他の好適な黄色蛍光体が挙げられるが、これらに限定されるものではない。さらなる実施形態では、第１の蛍光体層、第２の蛍光体層、または第１および第２の蛍光体層は、量子ドットを含む。例示的な量子ドットは、第ＩＩ〜ＶＩ族化合物半導体ナノ結晶、第ＩＩＩ〜Ｖ族化合物半導体ナノ結晶、第ＩＶ〜ＶＩ族化合物半導体ナノ結晶、またはそれらの組合せを含みうる。いくつかの実施形態では、第２の蛍光体層は、第１の蛍光体層上に、スピン塗布、スプレー塗布、ディップ塗布、またはスクリーン印刷可能である。第２のマトリックス中の第２の蛍光体粒子の例示的な分布は、約１重量％〜約３０重量％の範囲内である。いくつかの実施形態では、多層構造は、少なくとも１つの発光ダイオードに近接してまたはその上に位置決めされ、他の実施形態では、多層構造は、少なくとも１つの発光ダイオードからの入射光を反射および変換する。他の実施形態では、多層構造は、第２の蛍光体層の上にキャッピング層を含み、キャッピング層は、いかなる蛍光体粒子も実質的に欠失している。例示的な第２の蛍光体層は、約５０ｍＪ／ｍ２未満の低表面エネルギーを有しうる。いくつかの実施形態では、堆積層は、約４０ｍＪ／ｍ２未満、さらには約３０ｍＪ／ｍ２未満の低表面エネルギーを有しうる。好ましい実施形態は、約３４ｍＪ／ｍ２の低表面エネルギーコーティングを提供する。
本開示のさらなる実施形態は、可視スペクトル域にピーク波長を有する一次光を発するように適合化された少なくとも１つの発光ダイオードと、多層構造体と、を有する照明デバイスを含む。多層構造は、第１のマトリックス全体に分布した黄色発光蛍光体粒子を含む第１の蛍光体層と、第１の蛍光体層に接触して、第２のマトリックス全体に分布した赤色発光蛍光体粒子を含む第２の蛍光体層と、を含み、第２のマトリックスは、シルセスキオキサンホスト材料、ゾルゲルホスト材料、またはアルカリ／シリケート水ガラスホスト材料を含み、第２の蛍光体層は、セラミック酸化物前駆体を含まない。種々の実施形態では、出力波長は、第２のマトリックス中の第２の蛍光体粒子の充填率、第２の蛍光体層の厚さ、第１のマトリックス中の第１の蛍光体粒子の充填率、第１の蛍光体層の厚さ、およびそれらの組合せの関数として決定可能である。例示的な第２の蛍光体粒子としては、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）ＡｌＳｉＮｘ：Ｅｕ，Ｒｅ（１≦ｘ≦５）粒子、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）（Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ）：Ｅｕ，Ｒｅ粒子（式中、Ｒｅは、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、およびＩのいずれか１つである）、（ＳｒＢａＭｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ粒子、Ｍ（ＡｌＳｉ）Ｎ３：Ｅｕ粒子（式中、Ｍは、Ｃａ、Ｓｒ、またはＢａである）、ＣａＳ：Ｅｕ粒子、およびそれらの組合せが挙げられるが、これらに限定されるものではない。例示的な第１の蛍光体粒子としては、セリウムドープイットリウムアルミニウムガーネット（Ｃｅ：ＹＡＧ）および他の好適な黄色蛍光体が挙げられるが、これらに限定されるものではない。さらなる実施形態では、第１の蛍光体層、第２の蛍光体層、または第１および第２の蛍光体層は、量子ドットを含む。例示的な量子ドットは、第ＩＩ〜ＶＩ族化合物半導体ナノ結晶、第ＩＩＩ〜Ｖ族化合物半導体ナノ結晶、第ＩＶ〜ＶＩ族化合物半導体ナノ結晶、またはそれらの組合せを含みうる。いくつかの実施形態では、第２の蛍光体層は、第１の蛍光体層上に、スピン塗布、スプレー塗布、ディップ塗布、またはスクリーン印刷可能である。第２のマトリックス中の第２の蛍光体粒子の例示的な分布は、約１重量％〜約３０重量％の範囲内である。いくつかの実施形態では、多層構造は、少なくとも１つの発光ダイオードに近接してまたはその上に位置決めされ、他の実施形態では、多層構造は、少なくとも１つの発光ダイオードからの入射光を反射および変換する。他の実施形態では、多層構造は、第２の蛍光体層の上にキャッピング層を含み、キャッピング層は、いかなる蛍光体粒子も実質的に欠失している。例示的な第２の蛍光体層は、約５０ｍＪ／ｍ２未満の低表面エネルギーを有しうる。いくつかの実施形態では、堆積層は、約４０ｍＪ／ｍ２未満、さらには約３０ｍＪ／ｍ２未満の低表面エネルギーを有しうる。好ましい実施形態は、約３４ｍＪ／ｍ２の低表面エネルギーコーティングを提供する。
本開示のいくつかの実施形態は、第１の蛍光体材料と第２の蛍光体材料とを組み合わせる方法を提供する。この方法は、第１の蛍光体材料を提供する工程と、第１の蛍光体材料とホストマトリックスとを組み合わせて第１の蛍光体混合物を形成する工程と、第１の蛍光体混合物を１つ以上のあらかじめ決められた温度で硬化させる工程と、硬化した第１の蛍光体混合物を第２の蛍光体材料を有する基材上に堆積する工程と、を含む。いくつかの実施形態では、堆積工程は、スピン塗布、スプレー塗布、ディップ塗布、またはスクリーン印刷を含む。他の実施形態では、第１の蛍光体材料は赤色発光蛍光体粒子を含み、かつ第２の蛍光体材料は黄色発光蛍光体粒子を含む。ホストマトリックスは、シルセスキオキサンホスト材料、ゾルゲルホスト材料、またはアルカリ／シリケート水ガラスホスト材料を含みうる。他の実施形態では、第１の蛍光体混合物は、セラミック酸化物前駆体を含まない。例示的な第１の蛍光体材料としては、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）ＡｌＳｉＮｘ：Ｅｕ，Ｒｅ（１≦ｘ≦５）粒子、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）（Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ）：Ｅｕ，Ｒｅ粒子（式中、Ｒｅは、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、およびＩのいずれか１つである）、（ＳｒＢａＭｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ粒子、Ｍ（ＡｌＳｉ）Ｎ３：Ｅｕ粒子（式中、Ｍは、Ｃａ、Ｓｒ、またはＢａである）、ＣａＳ：Ｅｕ粒子、およびそれらの組合せが挙げられるが、これらに限定されるものではない。例示的な第２の蛍光体粒子としては、セリウムドープイットリウムアルミニウムガーネット（Ｃｅ：ＹＡＧ）および他の好適な黄色蛍光体が挙げられるが、これらに限定されるものではない。他の実施形態では、本方法は、第１の蛍光体材料上にキャッピング層を堆積する工程を含み、キャッピング層は、第１の蛍光体材料を実質的に欠失しているホストマトリックスを含む。例示的な堆積された第１の蛍光体混合物は、約５０ｍＪ／ｍ２未満の低表面エネルギーを有しうる。いくつかの実施形態では、堆積された第１の蛍光体混合物は、約４０ｍＪ／ｍ２未満、さらには約３０ｍＪ／ｍ２未満の低表面エネルギーを有しうる。好ましい実施形態は、約３４ｍＪ／ｍ２の低表面エネルギーコーティングを提供する。
実験
第１の実験では、１０重量％の充填率の赤色蛍光体材料を有する状態で、例示的なシリケート−メチルシロキサンポリマー（たとえば、ガラス樹脂上にスピン塗布された５１２Ｂ、約１０％ポリマー、＜２ｃＰ、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ）を生成した。粘度を増加させるために、ＩＰＡ、水などの追加の溶媒を添加した。スピン塗布機を１０００ｒｐｍで３０秒間使用して、この混合物を下側基材上にスピン塗布した。ホストを急速乾燥し、粘度に起因して表面上に大きい蛍光体粒子（１０μｍ超）が維持されたので、基材上のコーティング均一性は不十分であることが観測された。さらに、色変化は、ほとんどまたはまったく観測されなかった。
第２の実験では、粘度を増加させるために０．１〜１％のエチレングリコール（またはグリセロール）を有し、かつ１０重量％の充填率の赤色蛍光体材料を有する状態で、他のシリケート−メチルシロキサンポリマーを生成した。スピン塗布機を１０００ｒｐｍで３０秒間使用して、この混合物を下側基材上にスピン塗布した。コーティング均一性は、第１の実験よりも改良されたが、表面上に大きい蛍光体粒子（１０μｍ超）が依然として維持されることが観測された。また、空気中４３０℃で後続の硬化プロセスを１時間行ったところ、色変化が観測された。
第３の実験では、ＨａｒｄＳｉｌ ＡＭ硬化性ポリシルセスキオキサンＴ樹脂ポリマーを入手し（固形分１９〜２１％、粘度５〜１５ｃＳｔ、動粘度約４〜１４ｃＰ）、１０重量％の赤色蛍光体材料を混合導入した。スピン塗布機を１０００ｒｐｍで３５秒間使用して、この混合物を下側基材上にスピン塗布し、次いで、あらかじめ決められた熱スケジュールに従って硬化させた。すなわち、５０℃で構造体を硬化させ、次いで、４０℃／分の速度で２４０℃まで温度を上昇させることにより、構造体を０．５時間硬化させた。次いで、５℃／分で４３０℃まで温度を上昇させることにより、構造体を１時間硬化させた。次いで、５℃／分の速度で６０℃まで温度を低下させた。スピン塗布機を１０００ｒｐｍで３５秒間使用して、混合物の２回目のコーティングを基材上にスピン塗布した。次いで、この２回目のコーティング上にＨａｒｄＳｉｌ ＡＭ硬化性ポリシルセスキオキサンＴ樹脂ポリマーキャップ層をキャッピング層としてスピン塗布し、同一の熱スケジュールに従って複合体を硬化させた。この複合体の量子効率（ＱＥ）を測定したところ、８５％超であったことから、硬化スケジュールおよびシルセスキオキサンポリマーとの相互作用による赤色蛍光体材料の劣化はなかったことが示唆される。この複合体に関する色点情報を取得して、図９にプロットした。図９は、本開示の特定の実施形態を用いて眼の応答で畳み込んだ種々の色点を示す色度プロットまたは色テーブルである。図９を参照すると、ＹＡＧ：Ｃｅの色点９０が５７０ｎｍに位置し、一方、シルセスキオキサンホストでＨａｒｄＳｉｌ ＡＭ樹脂を有するＹＡＧ上の赤色の実施形態は、他の色点９２を提供することが分かる。５１２Ｂホストを有するＹＡＧ基材を覆い、第３の実験に記載したように処理された赤色蛍光体材料のいくつかの実施形態は、例示的な色点９４を呈する。色点９４の移動、すなわち、発光または変換の白色光の変更は、フィルム厚さおよび／またはＥｕＮ充填率さらには下側基材中のＹＡＧ含有率の関数として、赤色蛍光体材料を追加したりまたは除去したりすることにより達成可能である。また、この第３の複合体のコーティング均一性は、第１および第２の実験よりも改良されたが、表面上に大きい蛍光体粒子（１０μｍ超）が依然として維持されることが観測された。硬化プロセスでは色変化は観測されなかった。
追加の実験でＱＥデータも作成した。これらの測定では、例示的なＱＥ測定系の絞りを約２．２ｍｍ×０．５ｍｍのスポットサイズに拡大した。これにより、ＹＡＧテープキャストサンプルは、１０２．２％（９６％に補正）と測定された。表１は、下側黄色蛍光体基材上にＥｕ／Ｎシルセスキオキサンを層状にスピン塗布した赤色蛍光体材料を、空気中約４３０℃で１時間硬化させたいくつかの実施形態のＱＥ測定結果のリストを提供する。
Figure 0006545679
Figure 0006545679
図１０は、量子効率対温度のプロットである。図１０を参照すると、赤色蛍光体粉末は、シルセスキオキサンホスト中に提供され、以上に記載したようにスピン塗布された。この実験では、硬化条件は、室温、約２５０℃、４３０℃、および６００℃、空気中１時間であった。例示されるように、ＱＥは、４３０℃の変曲点から６００℃まで顕著に減少したが、４３０℃未満では実質的に同一の状態を維持した。それゆえ、本開示の実施形態の熱安定性に関して、約４３０℃まで、有意な変化は観測されなかった。また、蛍光体材料とホスト材料との反応性は、生じないことが観測されたが、ホストの配合に利用した分散剤に関しては、いくらかの反応性が観測された。
さらなる実験では、ＨａｒｄＳｉｌ ＡＭ硬化性ポリシルセスキオキサンＴ樹脂ポリマーを入手し（固形分１９〜２１％、粘度５〜１５ｃＳｔ、動粘度約４〜１４ｃＰ）、量子ドットを混合導入した。例示的な量子ドット材料（ＣｄＳｅ−Ｚｎシェルを有するＱＳＰ６５０ｎｍ、ただし、これに限定されるものではない）をポリマーホストに添加して、ホスト中の量子ドット濃度を１５〜６２ｍｇ／ｍｌとした。スピン塗布機を１０００ｒｐｍで１０秒間使用して、この混合物を下側基材上にスピン塗布し、次いで、この第２のコーティング上にＨａｒｄＳｉｌ ＡＭ硬化性ポリシルセスキオキサンＴ樹脂ポリマーキャップ層をキャッピング層としてスピン塗布した。次いで、この複合体をあらかじめ決められた熱スケジュールに従って硬化させた。すなわち、構造体を１２０℃で硬化させ、次いで２４０℃で硬化させた。次いで、５℃／分で４３０℃まで温度を上昇させ、それにより、構造体を１時間硬化させた。次いで、５℃／分の速度で６０℃まで温度は低下させた。他の一連のサンプルでは、例示的な量子ドット材料（ＣｄＳｅ−Ｚｎシェルを有するＱＳＰ６５０ｎｍ、ただし、これに限定されるものではない）をポリマーホストに添加して、ホスト中の量子ドット濃度を１５〜６２ｍｇ／ｍｌとした。スピン塗布機を１０００ｒｐｍで１０秒間使用して、この混合物を下側基材上にスピン塗布した。キャッピング層を追加しなかった。入手したままのＱＳＰ６５０粉末のＱＥは５０％であった（製造業者による）。また、硬化温度を上昇させた場合、これらの複合体のそれぞれのＱＥは、２６〜３５％であることが見いだされた。
この説明は多くの特定例を含みうるが、これらは、その範囲を限定するものと解釈されるべきでなく、特定の実施形態に特有でありうる特徴を説明するものと解釈されるべきである。個別の実施形態との関連でこれまで説明してきた特定の特徴はまた、単一実施形態で組み合わせて実現することも可能である。反対に、単一実施形態との関連で説明される種々の特徴はまた、複数の実施形態で個別にまたは任意の好適な部分的組合せで実現することも可能である。さらに、特定の組合せで作用するものとして特徴を以上に説明しうるが、さらには、最初にそのように特許請求しうるが、特許請求された組合せから１つ以上の特徴を場合によっては削除することが可能であり、特許請求された組合せは、部分的組合せまたは部分的組合せの変形を対象としうる。
同様に、図面または図には操作が特定の順序で示されているが、示された特定の順でもしくは時系列順に、そのような操作を行う必要があると理解すべきではなく、また、望ましい結果を達成するために、例示された操作をすべて行う必要があると理解すべきでもない。特定の状況下では、マルチタスク処理およびパラレル処理が有利なこともある。
図１〜１３に例示された種々の構成および実施形態により示されるように、発光コーティングおよびデバイスの種々の実施形態を説明してきた。
本開示の好ましい実施形態を説明してきたが、記載の実施形態は、単なる例示にすぎず、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲、均等物がすべて認められる場合は、当業者が精査することにより自然に思いつく多くの変更形態および修正形態によってのみ規定されるべきであることを理解されたい。

Claims (14)

  1. 第１のマトリックス中に分布した第１の蛍光体粒子を含む第１の蛍光体層と、
    第２のマトリックス中に分布した第２の蛍光体粒子を含む第２の蛍光体層と、
    を含む波長変換プレートにおいて、
    前記第２の蛍光体層が前記第１の蛍光体層と物理的に接触した状態にあり、かつ
    前記第２のマトリックスが、ラダー構造、ケージ構造、または部分ケージ構造を有する、シルセスキオキサンホスト材料を含むことを特徴とする波長変換プレート。
  2. 前記第１の蛍光体粒子が黄色発光蛍光体粒子を含み、かつ前記第２の蛍光体粒子が赤色発光蛍光体粒子を含むことを特徴とする請求項１に記載の波長変換プレート。
  3. 前記第２の蛍光体層がセラミック酸化物前駆体を含まないことを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換プレート。
  4. 出力波長が、前記第２のマトリックス中の前記第２の蛍光体粒子の充填率、前記第２の蛍光体層の厚さ、前記第１のマトリックス中の前記第１の蛍光体粒子の充填率、前記第１の蛍光体層の厚さ、およびそれらの組合せの少なくともの１つの関数として決定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長変換プレート。
  5. 波長プレートの厚さが約１００〜５００マイクロメートルであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の波長変換プレート。
  6. 前記第２の蛍光体粒子が、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）ＡｌＳｉＮｘ：Ｅｕ，Ｒｅ（１≦ｘ≦５）粒子、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）（Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ）：Ｅｕ，Ｒｅ粒子（式中、Ｒｅは、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、およびＩのいずれか１つである）、（ＳｒＢａＭｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ粒子、Ｍ（ＡｌＳｉ）Ｎ３：Ｅｕ粒子（式中、Ｍは、Ｃａ、Ｓｒ、またはＢａである）、ＣａＳ：Ｅｕ粒子、およびそれらの組合せからなる群から選択され、かつ前記第１の蛍光体粒子がＣｅ：ＹＡＧを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長変換プレート。
  7. 前記第１および第２の蛍光体層の少なくとも１つが、第ＩＩ〜ＶＩ族化合物半導体ナノ結晶、第ＩＩＩ〜Ｖ族化合物半導体ナノ結晶、第ＩＶ〜ＶＩ族化合物半導体ナノ結晶、またはそれらの組合せを含む量子ドットを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長変換プレート。
  8. 前記第２の蛍光体粒子が、約１重量％〜約３０重量％の充填率で前記第２のマトリックス中に分布していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長変換プレート。
  9. 前記第２の蛍光体層の上にキャッピング層をさらに含み、前記キャッピング層が蛍光体粒子を実質的に欠失していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長変換プレート。
  10. 前記第２の蛍光体層が、約５０ｍＪ／ｍ２未満、約４０ｍＪ／ｍ２未満、または約３０ｍＪ／ｍ２未満の表面エネルギーを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長変換プレート。
  11. 第１の蛍光体材料と第２の蛍光体材料とを組み合わせる方法において、
    前記第１の蛍光体材料を提供する工程と、
    前記第１の蛍光体材料とホストマトリックスとを組み合わせて第１の蛍光体混合物を形成する工程であって、前記ホストマトリックスが、ラダー構造、ケージ構造、または部分ケージ構造を有する、シルセスキオキサンホスト材料を含む、工程と、
    前記第１の蛍光体混合物を１つ以上のあらかじめ決められた温度で硬化させる工程と、
    前記第２の蛍光体材料を有する基材上に前記硬化した第１の蛍光体混合物を堆積する工程と、
    を有してなることを特徴とする方法。
  12. 前記堆積する工程が、スピン塗布、スプレー塗布、ディップ塗布、またはスクリーン印刷を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  13. 前記第１の蛍光体混合物がセラミック酸化物前駆体を含まないことを特徴とする請求項１１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記第１の蛍光体材料が、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）ＡｌＳｉＮｘ：Ｅｕ，Ｒｅ（１≦ｘ≦５）粒子、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）（Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ）：Ｅｕ，Ｒｅ粒子（式中、Ｒｅは、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、およびＩのいずれか１つでありうる）、（ＳｒＢａＭｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ粒子、Ｍ（ＡｌＳｉ）Ｎ３：Ｅｕ粒子（式中、Ｍは、Ｃａ、Ｓｒ、またはＢａである）、ＣａＳ：Ｅｕ粒子、およびそれらの組合せからなる群から選択され、前記第２の蛍光体材料がＣｅ：ＹＡＧを含み、かつ前記第１および第２の蛍光体層の少なくとも１つが、第ＩＩ〜ＶＩ族化合物半導体ナノ結晶、第ＩＩＩ〜Ｖ族化合物半導体ナノ結晶、第ＩＶ〜ＶＩ族化合物半導体ナノ結晶、またはそれらの組合せを含む量子ドットを含むことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
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