(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクリーン印刷用フォトルミネッセント組成物であって、
紫外線硬化性の光透過性液体バインダー中に少なくとも一つの蛍光体材料の粒子の懸濁液を含み、前記少なくとも一つの蛍光体材料が波長３８０nm〜４８０nmの青色光によって励起可能であり、前記バインダーの材料に対する前記少なくとも一つの蛍光体材料の重量添加量が４０％〜７５％の範囲であり、前記少なくとも一つの蛍光体材料が１０μｍ〜２０μｍの平均粒径を有する、フォトルミネッセント組成物。
【請求項２】
前記バインダーが０．５Pa・s〜５Pa・sの粘度を有する、請求項１記載の組成物。
【請求項３】
前記バインダーが１Pa・s〜２．５Pa・sの粘度を有する、請求項１記載の組成物。
【請求項４】
前記バインダーがポリマー樹脂、モノマー樹脂、アクリル、シリコーンおよびフッ素化ポリマーからなる群より選択される、請求項１記載の組成物。
【請求項５】
前記バインダーが硬化状態で３００％〜５００％の範囲の弾性を有する、請求項１記載の組成物。
【請求項６】
前記少なくとも一つの蛍光体材料が１５μｍの平均粒径を有する、請求項１記載の組成物。
【請求項７】
前記少なくとも一つの蛍光体材料がケイ酸塩蛍光体、オルトケイ酸塩蛍光体、窒化物蛍光体、オキシ窒化物蛍光体、硫酸塩蛍光体、オキシ硫酸塩蛍光体、およびガーネット（ＹＡＧ）蛍光体からなる群より選択される、請求項１記載の組成物。
【請求項８】
前記液体バインダー中に懸濁された光反射材料の粒子をさらに含む、請求項１記載の組成物。
【請求項９】
前記光反射材料が酸化マグネシウム、二酸化チタン、硫酸バリウムおよびそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項８記載の組成物。
【請求項１０】
前記光反射材料が０．１μｍ〜１０μｍの粒径を有する、請求項９記載の組成物。
【請求項１１】
前記光反射材料が０．１μｍ〜１μｍの粒径を有する、請求項９記載の組成物。
【請求項１２】
前記蛍光体材料に対する前記光反射材料の重量パーセント添加量が０．０１％〜１０％の範囲である、請求項９記載の組成物。
【請求項１３】
前記蛍光体材料に対する前記光反射材料の重量パーセント添加量が０．０１％〜１％の範囲である、請求項９記載の組成物。
【請求項１４】
前記蛍光体材料に対する前記光反射材料の重量パーセント添加量が０．１％〜１％の範囲である、請求項９記載の組成物。
【請求項１５】
前記蛍光体材料に対する前記光反射材料の重量パーセント添加量が０．５％〜１％の範囲である、請求項１０記載の組成物。
【請求項１６】
請求項１〜１５に記載の組成物の少なくとも一つの層をその表面上に堆積した基材を含む、固体発光装置のためのフォトルミネッセンス波長変換コンポーネント。
【請求項１７】
前記組成物が少なくとも０．８cm2〜１８０cm2の面積にわたって提供される、請求項１６記載のコンポーネント。
【請求項１８】
前記基材が光透過性である、請求項１６記載のコンポーネント。
【請求項１９】
前記基材と硬化状態の前記バインダーとが、互いに０．０２以内の屈折率を有する、請求項１８記載のコンポーネント。
【請求項２０】
前記基材が導光路として構成され、前記組成物が前記導光路の発光面の少なくとも一部分上に提供される、請求項１８記載のコンポーネント。
【請求項２１】
前記基材がアクリル、ポリカーボネート、シリコーンおよびガラスからなる群より選択される、請求項２０記載のコンポーネント。
【請求項２２】
前記基材が光反射面を含む、請求項１６記載のコンポーネント。
【請求項２３】
前記光反射面が銀である、請求項２２記載のコンポーネント。
【請求項２４】
前記光反射面がアルミニウムである、請求項２２記載のコンポーネント。
【請求項２５】
前記光反射面がクロムである、請求項２２記載のコンポーネント。
【請求項２６】
前記光反射面が光反射ポリマーである、請求項２２記載のコンポーネント。
【請求項２７】
前記光反射面が光反射紙である、請求項２２記載のコンポーネント。
【請求項２８】
前記光反射面が光反射塗装または光反射金属である、請求項２２記載のコンポーネント。
【請求項２９】
前記組成物が、同一サイズのドットの疑似ランダム配列を含む一次確率パターンとして印刷される、請求項１６記載のコンポーネント。
【請求項３０】
前記組成物が、多様なサイズのドットの疑似ランダム配列を含む二次確率パターンとして印刷される、請求項１６記載のコンポーネント。
【請求項３１】
組成物が、多様なサイズのドットの規則的配列を含むハーフトーンパターンとして印刷される、請求項１６記載のコンポーネント。
【請求項３２】
固体発光装置のためのフォトルミネッセンス波長変換コンポーネントを製造するための方法であって、コンポーネントが波長３８０nm〜４８０nmの青色光によって励起可能な蛍光体材料の層を有する基材を含み：
ａ）青色光励起可能蛍光体材料と紫外線硬化性の光透過性バインダーとを混合する工程であって、バインダー材料に対する少なくとも一つの蛍光体材料の重量添加量が４０％〜７５％の範囲であり、前記少なくとも一つの蛍光体材料が１０μｍ〜２０μｍの平均粒径を有する、工程と、
ｂ）基材の少なくとも一部分にわたって層として組成物をスクリーン印刷する工程と、
ｃ）前記光透過性バインダーを少なくとも部分的に硬化する工程と
を含む方法。
【請求項３３】
前記基材が熱可塑性プラスチック材料を含み、前記基材を加熱して前記コンポーネントを選択した形状に形成する工程をさらに含む、請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
前記組成物の印刷中に前記層の厚さを選択的に変えて、前記コンポーネントを選択した形状に形成した後に結果として生じる組成物層が均一な厚さであるようにする工程をさらに含む、請求項３３記載の方法。
【請求項３５】
前記バインダーが硬化状態で３００％〜５００％の弾性を有する、請求項３３記載の方法。
【請求項３６】
請求項３２〜３５に記載の方法に従い製造されたコンポーネント。
【請求項３７】
紫外線硬化性の光透過性液体バインダー中に少なくとも一つの蛍光体材料の粒子の懸濁液を含み、前記蛍光体材料が波長３８０nm〜４８０nmの青色光によって励起可能であり、前記バインダーが硬化状態で３００％〜５００％の弾性を有する、スクリーン印刷用フォトルミネッセント組成物。
【請求項３８】
波長３８０nm〜４８０nmの青色光を生成するように動作可能な少なくとも一つの固体発光体と、請求項１６〜３１に記載のコンポーネントとを含む、発光装置。
【請求項３９】
請求項１〜１５に記載の組成物の少なくとも一つの層をその面上に印刷した基材を含む、フォトルミネッセンス発光サイネージ面。
【請求項４０】
前記組成物が少なくとも１００cm2の面積にわたって提供される、請求項３９記載のサイネージ面。
【請求項４１】
前記基材が光透過性であり、アクリル、ポリカーボネート、シリコーンおよびガラスからなる群より選択される、請求項３９記載のサイネージ面。
【請求項４２】
波長３８０nm〜４８０nmの青色光を生成するように動作可能な少なくとも一つの固体発光体と、請求項３９〜４１に記載のサイネージ面とを含む、発光サイン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本出願は、明細書および図面が参照により本明細書に組み入れられる、Yuanらによる「Solid-State Light Emitting Devices and Signage with Photoluminescence Wavelength Conversion and Photoluminescent Compositions Therefor」と題された２０１１年１１月３０日出願の米国特許出願第１３／３０８，０６６号およびYuanらによる「Solid-State Light Emitting Devices and Signage with Photoluminescence Wavelength Conversion and Photoluminescent Compositions Therefor」と題された２０１０年１２月２日出願の米国仮特許出願第６１／４１９，０９９号の優先権の利益を主張する。
【０００２】
発明の背景
１．  発明の分野
本発明は、フォトルミネッセンス波長変換、より詳細には、そのためのフォトルミネッセント組成物を備える固体発光装置およびサイネージに関する。とりわけ、非限定的ではあるが、本発明は、ＬＥＤ系（発光ダイオード系）装置およびサイネージに関連する。本発明は、さらに、固体発光装置および発光サイネージ用フォトルミネッセンスサイネージ面のためのフォトルミネッセンス波長変換コンポーネントを製造する方法に関連する。
【０００３】
２．  関連技術の説明
白色発光ＬＥＤ（「白色ＬＥＤ」）は公知であり、比較的最近の発明である。電磁スペクトルの青色／紫外部分で発光するＬＥＤが開発されるまで、ＬＥＤ系白色光源の開発は実用的にならなかった。例として、米国特許第５，９９８，９２５号で教示されるように、白色ＬＥＤは、ＬＥＤによって発光される放射の一部を吸収し、異なる色（波長）の光を再発光する一つ以上の蛍光体材料、換言すれば、フォトルミネッセント材料を包含する。通常、ＬＥＤチップまたはダイは青色光を生成し、蛍光体はあるパーセンテージの青色光を吸収し、黄色光または緑色と赤色光との、緑色と黄色光との、緑色と橙色光との、もしくは黄色と赤色光との組み合わせを再発光する。ＬＥＤによって生成された青色光の、蛍光体材料によって吸収されない一部と、蛍光体によって発光された光とが組み合わされ、ほとんど白色の色として人の目に見える光を提供する。
【０００４】
長い動作寿命（５０，０００時間超）および高い発光効率（７０ルーメン毎ワット以上）に起因して、高輝度白色ＬＥＤは、従来の蛍光、小型蛍光および白熱光源に取って代わり、ますます使用されるようになっている。
【０００５】
通常、蛍光体材料は、シリコーンまたはエポキシ材料と混合され、混合物がＬＥＤダイの発光面に塗布される。Ｌｉへの米国特許出願第２００８／０２１８９９２Ａ１に開示されているように、ＬＥＤダイから離れて位置する光学的コンポーネント上に層として蛍光体材料を提供することまたは光学的コンポーネント内に蛍光体材料を組み入れることも公知である。
【０００６】
Ｌｉらへの米国特許出願第２００７／０２４０３４６Ａ１号には、ＬＥＤからの青色光を使用して発光サイネージ面上の蛍光体材料を励起し、所望の光の色を生成する固体発光サインが教示されている。
【０００７】
本発明の目的は、公知の装置の限定を少なくとも部分的に克服する、フォトルミネッセンス波長変換を備える固体発光装置およびサイネージのためのフォトルミネッセント組成物を提供することにある。
【０００８】
発明の概要
本発明の実施態様は、波長３８０nm〜４８０nmの青色光によって励起可能な一つ以上の蛍光体材料を含有するフォトルミネッセント組成物に関連する。本発明に従い、フォトルミネッセント組成物を、印刷、とりわけ、スクリーン印刷、活版印刷、グラビア印刷、フレキソ印刷またはパッド印刷により、均一な厚さの一つ以上の層として基材上に堆積させることができる。
【０００９】
本発明によると、フォトルミネッセント組成物は、光透過性液体バインダー中に少なくとも一つの蛍光体材料の粒子の懸濁液を含み、少なくとも一つの蛍光体材料が波長３８０nm〜４８０nmの青色光によって励起可能であり、バインダー材料に対する少なくとも一つの蛍光体材料の重量添加量が４０％〜７５％の範囲である。
【００１０】
フォトルミネッセント組成物はスクリーン印刷可能に構成されることができ、バインダーは０．５Pa・s〜５Pa・s（パスカル秒＝１kg・m-1・ｓ-1）の範囲の粘度を有する。好ましくは、バインダーは、およそ１Pa・s（１０００cps（センチポアズ））〜２．５Pa・sの粘度を有する。
【００１１】
あるいは、フォトルミネッセント組成物は、インクジェット印刷可能に構成され、０．００４Pa・s〜０．０２０Pa・sの粘度を持つことができる。インクジェット印刷は、印刷される組成物の微細パターンを可能にすることができる。
【００１２】
他の配置では、フォトルミネッセント組成物は、グラビアまたはフレキソ印刷可能に構成され、０．０５Pa・s〜５Pa・sの粘度を持つことができる。グラビアおよびフレキソ印刷の具体的な利益は、印刷される組成物の分量が版またはドラムのキャビティのサイズによって決定されるため、印刷層の厚さおよび均一性の正確な制御が可能なことである。
【００１３】
さらなる配置では、フォトルミネッセント組成物は、活版印刷可能で、５０Pa・s〜１５０Pa・sの粘度を持つことができる。
【００１４】
もう一つの配置では、フォトルミネッセント組成物は、パッド印刷可能であることができる。組成物が印刷される基材が非平面である場合、例として、基材が湾曲レンズまたはドーム状のカバーを含む場合、パッド印刷は有益であることができる。
【００１５】
バインダーは、紫外線硬化性、熱硬化性、溶媒系またはそれらの組み合わせであることができる。バインダーは、ポリマー樹脂；モノマー樹脂、アクリルまたはシリコーンを含むことができる。バインダーは、フッ素化ポリマーを含むことにより、湿気を吸収して蛍光体材料の劣化を低減することができる。好ましくは、バインダーは、波長４００nm〜７５０nmの光に対して少なくとも０．９の透過率を有する。有利には、光透過性基材上への組成物の印刷を意図する場合、硬化状態で基材の屈折率と実質的に一致する屈折率を有するように選択する。そのような屈折率の一致は、基材とフォトルミネッセント組成物の層との間の界面における光の屈折を低減する。通常、バインダーの屈折率は、およそ１．４８よりも大きく、有利には、基材のそれと０．０２以内で一致する。好ましくは、バインダーは、硬化状態で３００％〜５００％の範囲の弾性を有する。
【００１６】
少なくとも一つの蛍光体材料は、１μｍ〜６０μｍの範囲の平均粒径を有することができ、好ましい粒径範囲は組成物の堆積のために意図された印刷技術に依存する。例として、スクリーン印刷可能な蛍光体組成物の場合、平均粒子は、好ましくは、１０μｍ〜２０μｍの範囲であり、より好ましくは、およそ１５μｍである。対照的に、インクジェット印刷可能な組成物は、一般的に、最小粒径、通常最大５μｍを要する。少なくとも一つの蛍光体材料は、好ましくは、ケイ酸塩蛍光体；オルトケイ酸塩蛍光体；窒化物蛍光体；オキシ窒化物蛍光体；硫酸塩蛍光体、オキシ硫酸塩蛍光体、ガーネット（ＹＡＧ）蛍光体またはそれらの組み合わせを含む。
【００１７】
本発明者らは、液体バインダー中に光反射材料の粒子をさらに懸濁することで、フォトルミネッセント組成物によるフォトルミネッセンス光の生成を増加できることを発見した。フォトルミネッセンス生成光の増加は、光子と蛍光体材料の粒子との衝突確率を増加させる光反射材料の粒子によってもたらされると考えられる。初期の試験結果は、組成物によって生成される所与の光の色および強度のために光反射材料を包含することが潜在的に蛍光体材料の使用量を３３％以上低減できることを示している。そのような蛍光体材料の使用量の低減は、大きい面積にわたって組成物を要する用途、例えば、数百、さらには数千平方センチメートルの面に組成物を提供することがあるサイネージ用途に特に有意である。光反射材料は、可能な限り高い反射率、好ましくは、少なくとも０．９を有する。光反射材料は、好ましくは、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）またはそれらの混合物の粒子を含む。通常、光反射材料は、０．１μｍ〜２０μｍの範囲、好ましくは、０．５μｍ〜２μｍの範囲の粒径を有する。蛍光体材料に対する光反射材料の重量パーセント添加量は、０．０１％〜１０％の範囲、好ましくは、０．０１％〜１％の範囲、より好ましくは、０．１％〜１％または０．５％〜１％の範囲であることができる。
【００１８】
本発明のもう一つの態様によると、固体発光装置のための波長変換コンポーネントは、本発明のフォトルミネッセント組成物の少なくとも一つの層をその面上に印刷させた基材を含む。通常、一般の照明に使用される固体発光装置の場合、少なくとも０．８cm2〜１８０cm2の面積にわたってフォトルミネッセント組成物が提供される。
【００１９】
波長変換コンポーネントは、光透過性であり、コンポーネントを通って透過する光の少なくとも一部の波長を変換するように構成されることができる。一つの配置では、波長変換コンポーネントは、フォトルミネッセント組成物が少なくとも一つの層としてその上に提供される光透過性基材を含む。あるいは、光透過性基材は、導光路として構成され、フォトルミネッセント組成物が導光路の発光面の少なくとも一部分上に提供されることができる。光透過性基材とフォトルミネッセント組成物の層との界面において屈折する光を低減するために、基材と硬化状態のバインダーとは、互いの差が０．０２以内の屈折率を有する。光透過性基材は、アクリルポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート、シリコーンまたはガラスを含むことができる。
【００２０】
あるいは、波長変換コンポーネントは、光反射性であり、コンポーネントによって反射された光の少なくとも一部の波長を変換するように構成されることができる。そのような波長変換コンポーネントの一つは、フォトルミネッセント組成物が少なくとも一つの層としてその上に提供される光反射面を含む。光反射基材は、任意の光反射面を含むことができ、好ましくは、少なくとも０．９の反射率を有する。光反射面は、研磨金属面、例えば、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）；光反射ポリマー、光反射紙または光反射塗料を含むことができる。
【００２１】
一つ以上の青色光励起可能蛍光体材料を含有するフォトルミネッセント組成物を印刷することによって固体発光装置または固体発光装置のためのフォトルミネッセンス波長変換コンポーネントを製造するコンセプトは、それ自体に進歩性があると考えられる。それゆえに、本発明のさらなる態様に従い、固体発光装置のためのフォトルミネッセンス波長変換コンポーネントは：波長３８０nm〜４８０nmの青色光によって励起可能なフォトルミネッセント組成物の層をその面上に有する基材を含み、組成物がスクリーン印刷；インクジェット印刷；活版印刷、グラビア印刷；フレキソ印刷またはパッド印刷を使用して基材上に堆積される。好ましくは、組成物は、光透過性液体バインダー中に少なくとも一つの青色光励起可能蛍光体材料の粒子の懸濁液を含み、バインダー材料に対する少なくとも一つの蛍光体材料の重量添加量が４０％〜７５％の範囲である。
【００２２】
組成物を印刷して、基材の発光面全体を覆うことができる。あるいは、基材の発光面の少なくとも一部分を覆うパターンとして組成物を印刷することができる。一つの配置では、組成物は、実質的に同一サイズのドットの疑似ランダム配列を含む一次確率パターンとして印刷される。確率パターンを使用することの具体的な利益は、二つ以上の層を印刷するときまたは複数の異なる組成物の印刷を要する場合、位置合わせの課題を大いに排除できることにある。加えて、ドットが同一サイズであるため、ドットサイズがスクリーンメッシュ孔のサイズに対応することができる場合、一次確率パターンは、特にスクリーン印刷に適している。あるいは、組成物は、多様なサイズのドットの疑似ランダム配列を含む二次確率パターンとして印刷されることができる。なおもさらなる配置では、組成物は、多様なサイズのドットの規則的配列を含むハーフトーンパターンとして印刷されることができる。
【００２３】
フォトルミネッセント組成物は、光透過性または光反射性の基材上にパターンとして印刷されることができる。
【００２４】
本発明のもう一つの態様に従い、固体発光装置のためのフォトルミネッセンス波長変換コンポーネントを製作するための方法であって、コンポーネントが波長３８０nm〜４８０nmの青色光によって励起可能な蛍光体材料の層を有する基材を含み：ａ）バインダー材料に対する少なくとも一つの蛍光体材料の重量添加量が４０％〜７５％の範囲である、青色光励起可能蛍光体材料の粒子と光透過性バインダーとを混合する工程と；ｂ）基材の少なくとも一部分にわたる層として組成物を印刷する工程と；ｃ）光透過性バインダーを少なくとも部分的に硬化する工程とを含む。組成物がその上に印刷される基材の面が実質的に平面である場合、組成物は、スクリーン印刷；インクジェット印刷；活版印刷、グラビア印刷またはフレキソ印刷により印刷されることができる。基材表面が湾曲している場合、組成物は、弾性的に変形可能な印刷パッドを使用したパッド印刷により印刷されることができる。
【００２５】
一部の用途では、基材を、平面よりはむしろ、例えば、例としてドーム状または半球状シェルの形状にすることが望ましいことがある。そのようなコンポーネントを製作するためには、基材は、好ましくは、組成物が印刷される実質的に平面な面を有する熱可塑性プラスチック材料を含む。方法は、基材を加熱してコンポーネントを選択した形状に形成する工程をさらに含む。完成したコンポーネントの組成物の層を確実に均一な厚さにするため、方法は、組成物の印刷中に層の厚さを選択的に変えて、コンポーネントを選択した形状に形成した後に結果として生じる組成物層が実質的に均一な厚さであるようにする工程をさらに含む。基材の形成中にフォトルミネッセント組成物の層が基材から分離（剥離）することを防ぐために、バインダーは、有利には、硬化状態で３００％〜５００％の弾性を有する。波長変換コンポーネントを製作するそのような方法は、それ自体に進歩性があると考えられる。
【００２６】
本発明のなおもさらなる態様によると、フォトルミネッセント組成物は、光透過性液体バインダー中に少なくとも一つの蛍光体材料の粒子の懸濁液を含み、蛍光体材料が波長３８０nm〜４８０nmの青色光によって励起可能であり、バインダーが硬化状態で３００％〜５００％の弾性を有する。
【００２７】
本発明のなおももう一つの態様によると、発光装置は、本発明の種々の態様に従い、青色光を生成するように動作可能な少なくとも一つの固体発光体、通常、ＬＥＤと、波長変換コンポーネントとを含む。
【００２８】
固体発光装置に対して本発明の種々の態様を示したが、本発明のフォトルミネッセント組成物は、フォトルミネッセント波長変換コンポーネントがフォトルミネッセンス発光サイネージ面を構成する、固体発光サイネージへの用途がさらに見出される。本発明のもう一つの態様によると、サイネージ面は、本発明のフォトルミネッセント組成物の少なくとも一つの層がその面上に印刷された面を有する基材を含む。組成物は、画像、写真、文字、数字、装置、パターンまたは他のサイネージ情報を画定するパターンとして構成されることができる。あるいは、例として、チャネルレタリングのために必要であるように、サイネージ面の形状と基材は、サイネージ情報を画定するように構成されることができる。通常、基材は、光透過性であり、バックライトまたはエッジライトで照らすことができる。基材は、アクリル、ポリカーボネート、エポキシ、シリコーンまたはガラスを含むことができる。サイネージ面をバックライトで照らす場合、換言すれば、コンポーネントを通って通過するある割合の青色光が蛍光体材料によって異なる色の光に変換されるように光透過性窓として構成されるサイネージ面の後方に一つ以上の固体発光体が位置する場合、サイネージ面は、好ましくは、発光体から少なくとも５mmの距離に位置する。あるいは、サインをエッジライトで照らす場合、基材は、導光路として構成され、フォトルミネッセント組成物が導光路の発光面の少なくとも一部分上に印刷される。通常、基材は平面であり、光を基材の一つ以上の端部から導光路内に結合することができる。
【００２９】
サイネージ用途では、発光面は、多くの場合、照明用途のそれよりもはるかに大きく、組成物は、通常、少なくとも１００cm2の面積にわたって提供される。
【００３０】
本発明のなおももう一つの態様に従い、発光サインは、本発明に従った、青色光を生成するように動作可能な少なくとも一つの固体発光体と、サイネージ面とを含む。
【００３１】
本発明をよりよく理解するために、添付図面を参照して、例としてのみ、以降に本発明の実施態様に従ったフォトルミネッセント組成物、固体発光装置、フォトルミネッセンス波長変換コンポーネントおよび発光サイネージを記載する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施態様に従った、光透過性フォトルミネッセンス波長変換コンポーネントを備えるＬＥＤ系発光装置の概略図である。
【図２】光反射材料の重量パーセント添加量が異なる、本発明に従ったＬＥＤ系発光装置の発光強度対色度ＣＩＥｘのグラフである。
【図３】本発明の実施態様に従った、導光路として構成された光透過性フォトルミネッセンス波長変換コンポーネントを備えるＬＥＤ系発光装置の概略図である。
【図４】本発明のもう一つの実施態様に従った、導光路として構成された光透過性フォトルミネッセンス波長変換コンポーネントを備えるＬＥＤ系発光装置の概略図である。
【図５】本発明の実施態様に従った、光反射フォトルミネッセンス波長変換コンポーネントを備えるＬＥＤ系発光装置の概略図である。
【図６ａ】ＡＭ（振幅調節（amplitude modulated））ハーフトーンスクリーニング系の印刷された蛍光体インクパターンである。
【図６ｂ】一次確率またはＦＭ（頻度調節（frequency modulated））スクリーニング系の印刷された蛍光体インクパターンである。
【図７ａ】ドーム状のフォトルミネッセンス波長変換コンポーネントを製造する方法を図示する概略図である。
【図７ｂ】ドーム状のフォトルミネッセンス波長変換コンポーネントを製造する方法を図示する概略図である。
【図７ｃ】ドーム状のフォトルミネッセンス波長変換コンポーネントを製造する方法を図示する概略図である。
【図７ｄ】ドーム状のフォトルミネッセンス波長変換コンポーネントを製造する方法を図示する概略図である。
【図７ｅ】ドーム状のフォトルミネッセンス波長変換コンポーネントを製造する方法を図示する概略図である。
【００３３】
発明の詳細な説明
本発明の実施態様は、固体発光装置および発光サイネージのためのフォトルミネッセンス波長変換コンポーネントに使用するフォトルミネッセント組成物に関連する。とりわけ、非限定的ではあるが、本発明は、印刷により堆積できるフォトルミネッセント組成物に関する。固体発光装置のためのフォトルミネッセンス波長変換コンポーネントを製造するためにフォトルミネッセント組成物を印刷するコンセプトは、それ自体に進歩性があると考えられる。フォトルミネッセント組成物が好ましくは印刷可能であるため、それらは本明細書では簡潔にするために「蛍光体インク」と呼ぶ。しかしながら、この用語の使用が印刷可能なフォトルミネッセント組成物についての本発明を制限せず、他の方法、例えば、例として、吹き付け、スピンコーティング、スリットコーティング、ディッピングまたはブレード、例えば、スキージ（例えば、ドクターブレード）を使用する基材の表面にわたる蛍光体インクのスイーピングによって蛍光体インクを堆積できることが理解される。
【００３４】
本特許明細書全体を通じて、同じ部品を示すために同じ符番が使用される。
【００３５】
図１は、本発明の実施態様に従ったＬＥＤ系白色発光装置１０の概略図である。装置１０は、青色発光ＬＥＤ（青色ＬＥＤ）１２およびＬＥＤ１２から離れて位置する光透過性フォトルミネッセンス波長変換コンポーネント１４を含む。波長変換コンポーネント１４は、フォトルミネッセンス波長変換層の構成要素となる蛍光体インク１８の一つ以上の層を少なくとも一つの面上に有する光透過性基材（窓）１６を含むことができる。蛍光体インク１８は、光透過性バインダー材料２０と、その容積の至るところに均質的に分布させた青色光励起可能蛍光体材料２２の粒子とを含む。図１に示すように、蛍光体インク１８は、任意で、その容積の至るところに均質的に分布させた光反性材料２４の粒子をさらに含むことができる。波長変換層１８の物理的保護を提供するために、図１に示すように、波長変換層１８がＬＥＤに面するように波長変換コンポーネント１４を構成することが好ましい。
【００３６】
基材１６は、任意の光透過性材料、例えば、ポリマー材料、例として、アクリルポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）もしくはポリカーボネートまたはガラス、例えば、石英ガラスもしくはホウケイ酸ガラス、例えば、Pyrex（PyrexはCorning Incの商標名）を含むことができる。光透過性材料は、光学的品質のシリコーンまたはエポキシも含むことができる。基材１６は、平面、例えば、円形ディスクであることができるが、意図された用途に応じて、正方形、長方形または他の形状であることができる。基材がディスク状の場合、直径はおよそ１cm〜１５３cm（６インチ）、開口の面積は０．８cm2〜１８４cm2であることができる。代替実施態様では、基材１６は、非平面であることができ、他の幾何学形状、例えば、球状またはドーム状のシェル、一部分が円筒状の面または選択された方向に光を向ける光学的コンポーネント、例えば、凸または凹レンズを含む。ＬＥＤ１２から波長変換コンポーネント１４への熱移動、とりわけ、蛍光体材料への熱移動を低減するために、波長変換コンポーネントを少なくとも５mmの距離ＬだけＬＥＤから離れて位置させ、換言すれば、ＬＥＤから物理的に分離させる。ＬＥＤから離れて波長変換コンポーネント１４を位置させることにより、多々の利益、つまり、蛍光体材料の熱劣化の低減が提供される。また、蛍光体材料がＬＥＤダイの発光面に直接接触して提供される装置と比較して、ＬＥＤから離して蛍光体材料を提供することは、ＬＥＤダイによる後方散乱光の吸収を低減する。さらに、蛍光体材料を離れて位置させることは、ＬＥＤダイの発光面に直接蛍光体を提供することと比較して、はるかに大きい面積にわたって蛍光体材料が提供されるため、より一貫した色および／またはＣＣＴの光の生成を可能にする。
【００３７】
青色ＬＥＤ１２は、波長範囲３８０nm〜４８０nm（通常、４４０nm〜４５０nm）にピーク波長λ１を有する青色光２６を生成するように動作可能であるＧａＮ系（窒化ガリウム系）ＬＥＤを含むことができる。青色ＬＥＤ１２は、波長変換コンポーネント１４に青色光２６を照射するように構成され、ある割合の青色光が蛍光体材料２２によって吸収され、それに応じて、通常、冷白色発光装置においては黄緑色である、異なる波長λ２の光２８を発光する。白色に見えるように構成された、装置１０の発光生成物３０は、ＬＥＤによって発光された組み合わせられた光２６と、蛍光体材料２０によって生成された光２８とを含む。
【００３８】
粉末形態である蛍光体材料２２および光反射材料２４を、公知の割合で液体バインダー材料２０と完全に混合して懸濁液を形成し、結果として生じる蛍光体インクを基材１６上に堆積させ、実質的に均一な厚さの層を形成させる。好ましい実施態様では、蛍光体インクをスクリーン印刷により基材１６上に堆積させ、層の厚さｔを印刷パス数によって制御する。さらに記載するように、蛍光体インクをインクジェット、活版、グラビア、フレキソまたはパッド印刷を包含する他の印刷方法を使用して塗布することができる。
【００３９】
蛍光体材料は、無機または有機蛍光体、例えば、例として、一般組成Ａ３Ｓｉ（Ｏ，Ｄ）５またはＡ２Ｓｉ（Ｏ，Ｄ）４のケイ酸塩系蛍光体を含むことができ、Ｓｉがシリコンであり、Ｏが酸素であり、Ａがストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、マグネシウム（Ｍｇ）またはカルシウム（Ｃａ）を含み、Ｄが塩素（Ｃｌ）、フッ素（Ｆ）、窒素（Ｎ）または硫黄（Ｓ）を含む。ケイ酸塩系蛍光体の例は、米国特許第７，５７５，６９７Ｂ２号「Silicate-based green phosphors」（Intematix Corp.に譲渡）、米国特許７，６０１，２７６Ｂ２号「Two phase silicate-based yellow phosphors」（Intematix Corp.に譲渡）、米国特許７，６５５，１５６Ｂ２号「Silicate-based orange phosphors」（Intematix Corp.に譲渡）、米国特許７，３１１，８５８Ｂ２号「Silicate-based yellow-green phosphors」（Intematix Corp.に譲渡）に開示されている。蛍光体は、例えば、本発明者らの同時係属中の米国特許出願第２００６／０１５８０９０Ａ１号「Novel aluminate-based green phosphors」および米国特許第７，３９０，４３７Ｂ２号「Aluminate-based blue phosphors」（Intematix Corp.に譲渡）に教示されているようなアルミネート系材料、同時係属中の米国特許出願第２００８／０１１１４７２Ａ１号「Aluminum-silicate orange-red phosphor」に教示されているようなケイ酸アルミニウム蛍光体または、例えば、本発明者らの同時係属中の米国特許出願第２００９／０２８３７２１Ａ１号「Nitride-based red phosphors」および国際特許出願である国際公開公報第２０１０／０７４９６３Ａ１号「Nitride-based red-emitting in RGB (red-green-blue) lighting systems」に教示されているような窒化物系赤色蛍光体材料を含むこともできる。蛍光体材料は、記載する例に限定されず、窒化物および／または硫酸塩蛍光体材料、オキシ窒化物およびオキシ硫酸塩蛍光体またはガーネット材料（ＹＡＧ）を包含する任意の蛍光体材料を含むことができることが理解される。
【００４０】
蛍光体材料は、１０μｍ〜２０μｍ、通常１５μｍオーダーの平均粒径を持つ粒子を含む。蛍光体材料は、蛍光体インクの堆積に使用するように意図された技術に部分的に応じて、２μｍ〜６０μｍのサイズの粒子を含むことができる。
【００４１】
光反射材料２２は、可能な限り高い反射率、通常、０．９以上の反射率を持つ粉末材料を含む。光反射材料の粒径は、通常、０．１μｍ〜１０μｍの範囲であり、好ましい実施態様では、０．１μｍ〜１０μｍの範囲内である。蛍光体材料に対する光反射材料の重量パーセント添加量は、０．１％〜１０％の範囲であり、好ましい実施態様では、１％〜２％の範囲である。光反射材料の例は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）および硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）を包含する。光反射材料は、白色インク、例えば、例として、より高い光反射材料、通常、ＴｉＯ２の粒子（最大でおよそ４２重量％）を既に包含している、Norcote International Incの超白色インクGN-027SAも含むことができる。
【００４２】
動作中、ＬＥＤからの青色光２６は、蛍光体材料２２の粒子に衝突するまで、バインダー材料２０を通過する。平均して１０００回に１回程度という少ない、光子と蛍光体材料粒子との相互作用が、結果としてフォトルミネッセンス光２８の吸収および生成をもたらすと考えられる。光子と蛍光体粒子との相互作用の大部分、およそ９９．９％は、結果として光子の散乱をもたらす。散乱プロセスの等方性に起因して、平均して光子の半分がＬＥＤに向かう後ろ方向に散乱する。試験は、通常、全入射青色光２６のおよそ１０％が散乱して波長変換コンポーネント１４からＬＥＤに向かう後ろ方向に発光されることを示している。冷白色発光装置の場合、蛍光体材料の量は、全入射青色光の約１０％を窓から発光させて発光生成物３０に寄与するように選択される。入射光の大部分、約８０％は、蛍光体材料によって吸収され、フォトルミネッセンス光２８として再発光される。フォトルミネッセンス光生成の等方性に起因して、蛍光体材料によって生成された光２８の約半分がＬＥＤに向かう方向に発光される。結果として、全入射光の最大でおよそ４０％のみが波長λ２の光２８として発光されて発光生成物３０に寄与し、全入射光の残り（最大でおよそ４０％）がＬＥＤに向かう後ろ方向に波長λ２の光２８として発光される。通常、波長変換コンポーネントからＬＥＤに向かって発光される光は、光反射チャンバ（図示せず）によって再び向けられ、発光生成物に寄与し、装置の全体的な能率を増加する。
【００４３】
本発明者らは、光反射材料２４の粒子の包含が光子を散乱する回数を増加し、それにより、結果として光子がフォトルミネッセンス光の生成をもたらす確率を増加させることを発見した。予備試験は、蛍光体インク内に蛍光体材料とともに光反射材料の粒子を包含することにより、所与の色の発光生成物の生成に要する蛍光体材料の量を最大３３％低減できることを示している。光反射材料の粒子は、光子が蛍光体材料の粒子に衝突する確率を増加し、したがって、所与の色の発光生成物のために要する蛍光体材料はより少ないと考えられる。
【００４４】
図２は、本発明に従った発光装置の発光強度対色度ＣＩＥｘのグラフであり、光反射材料の重量パーセント添加量が◆−０％、■−０．４％、▲−１．１％および●−２％である。データは、スクリーン印刷された波長変換層１８のものであり、バインダー材料２０がNazdar（登録商標）の紫外線硬化性リソクリアオーバープリントPSLC-294を含み、蛍光体材料がIntematix Corp.の平均粒径１５μｍを持つ黄色（５６５nm）ケイ酸塩蛍光体EY4453を含む。バインダー材料２０に対する蛍光体材料２２の比率は、重量比で２：１の割合である。光反射材料２４は、Norcote International Incの超白色インクGN-027SAを含む。光反射材料の添加量の数は、全蛍光体インク組成物（バインダー材料＋蛍光体材料）に対する超白色インク２４の重量パーセントを指す。各データ点に関連付けられたより小さい符番は、波長変換層１８の形成に使用する印刷パス数「ｎ」を示す。波長変換層１８の厚さｔが印刷パス数に比例することが理解される。楕円３２、３４、３６、３８を使用して、実質的に同一の強度およびＣＩＥｘ値を有する発光生成物のデータ点をグループ化する。例として、楕円３２は、ａ）光反射材料なしの印刷パス数３と、ｂ）光反射材料の添加量が２％である印刷パス数２とから構成される波長変換層１８の場合、同様の強度および色の発光生成物を生み出すことができることを示す。これらのデータは、重量添加量が２％の光反射材料２４の包含によって、およそ３３％少ない蛍光体材料を含む蛍光体インクで同一の色および強度の光を生成可能であることを示す。楕円３４は、ａ）光反射材料なしの印刷パス数４と、ｂ）光反射材料の添加量が０．４％である印刷パス数３とから構成される波長変換層１８の場合、同一の強度および色の発光生成物を生み出すことを示す。これらのデータは、重量添加量が０．４％の光反射材料２４の包含によって、およそ２５％少ない蛍光体材料を含む蛍光体インクで同一の色および強度の光を生み出すことができることを示す。楕円３６は、ａ）光反射材料なしの印刷パス数４と、ｂ）光反射材料の添加量が１．１％である印刷パス数３とから構成される波長変換層１８の場合、同一の強度および色の発光生成物を生み出すことを示す。これらのデータは、重量添加量が１．１％の光反射材料の包含によって、およそ２５％少ない蛍光体を含む蛍光体インクで同一の色および強度の光を生み出すことができることを示す。楕円３８は、ａ）光反射材料の重量添加量が０．４％である印刷パス数４と、ｂ）光反射材料の重量添加量が２％である印刷パス数３とから構成される波長変換層１８の場合、同一の強度および色の発光生成物を生み出すことを示す。これらのデータは、重量添加量が０．４％の光反射材料の包含によって、およそ２５％少ない蛍光体を含む蛍光体インクで同一の色および強度の光を生み出すことができることを示す。点４０（ｎ＝４、１．１％添加）および点４２（ｎ＝４、２％添加）は、それを超えると、添加する光反射材料の増加が結果として発光強度の低下をもたらし、色への効果が小さい、飽和点が存在することを示唆している。
【００４５】
図３は、本発明のもう一つの実施態様に従ったＬＥＤ系白色発光装置１０の概略図である。この実施態様では、光透過性基材１６は、導光路（導波路）として構成されており、波長変換層１８が基材の発光面にわたって提供（印刷）される。通常、基材１６は、実質的に平面であり、用途に応じて、ディスク状、正方形、長方形または他の形状であることができる。基材がディスク状の場合、およそ２０cm2〜およそ７００cm2の発光面の面積に対応して、直径は、通常、およそ５cm〜３０cmであることができる。基材の形態が正方形または長方形の場合、およそ８０cm2〜およそ５０００cm2の発光面に対応して、辺は、通常、およそ５cm〜４０cmであることができる。基材１６の非発光面（図示された下面）上に、光反射材料４４の層を提供して、装置の背面からの発光を防ぐことができる。光反射材料４４は、金属コーティング、例えば、クロムまたは光沢のある白色材料、例えば、プラスチック材料、塗料もしくは紙を含むことができる。基材の端部から発光される光を最小限にするために、基材の端部は、好ましくは、光反射面（図示せず）を包含する。一つ以上の青色ＬＥＤ１２は、青色光２６を基材１６の一つ以上の端部内に結合するように構成される。動作中、基材１６内に結合された光２６は、全反射によって基材１６の容積全体の至るところに導かれる。臨界角を超える角度で基材の発光面に衝突する光２６は、面を通って、蛍光体波長変換層１８へと放出される。装置の動作は、図１を参照して記載したものと同一である。図３に示すように、発光面から遠い方向に発光された蛍光体生成光４６は、基材１６に再び入ることができ、最終的には、光反射層４４によって反射して発光面を通って発光される。装置によって発光された発光生成物３０は、ＬＥＤによって生成された青色光２６と、蛍光体波長変換層１８によって生成された波長変換光２８との組み合わせである。
【００４６】
図４は、光透過性基材１６が導光路として構成される、代替的なＬＥＤ系白色発光装置１０の概略図である。この実施態様では、発光面の反対側である基材の面上に蛍光体変換層１８が提供され、蛍光体変換層１８にわたって光反射層４４が提供される。
【００４７】
図５に、本発明のさらなる実施態様に従ったＬＥＤ系白色発光装置１０の概略図を示す。この実施態様では、波長変換コンポーネント１４は、光反射性であり、コンポーネントによって反射された光の色を変換するように構成される。波長変換コンポーネント１４は、コンポーネントの光反射面上に提供された波長変換層１８を有する光反射基材４８を含む。示されるように、光反射基材４８は、放物面を含むことができるが、平面、半球状、部分円筒状、凸および凹状の表面を包含する任意の表面を含むことができる。装置からの発光を最大限にするために、光反射面は、可能な限り反射性であり、好ましくは、少なくとも０．９の反射率を有する。光反射面は、研磨金属面、例えば、銀、アルミニウム、クロム；光反射ポリマー、光反射紙または光反射コーティング、例えば、光反射塗料を包含する面を含むことができる。放熱に役立てるために、光反射面を熱伝導性にすることもできる。
【００４８】
図５の発光装置の動作は、図１のそれと同様であるため詳細には記載しない。しかしながら、ＬＥＤ生成光２６のうち平均して最大半分が波長変換層１８を２回通って進むため、光透過性波長変換コンポーネントを備える配置（図１）と比較して、波長変換層１８の厚さを最大半分（≒ｔ／２）にできることが理解される。光反射面上に蛍光体材料を提供する結果として、潜在的に蛍光体材料の使用量を最大５０％さらに低減させながら、同一の色の発光生成物を実現できる。
【００４９】
基材（光透過性または光反射性）上に蛍光体インクの層を印刷することによって固体発光装置のためのフォトルミネッセンス波長変換コンポーネントを製造するコンセプトは、それ自体に進歩性があると考えられる。波長変換コンポーネントがその全体の面にわたって均一な色の発光を確実に生み出すために、基材の発光面全体を覆う一つ以上の均一な厚さの層として波長変換層１８を印刷することができる。他の実施態様では、基材の面の一部分または全体を覆うパターンとして蛍光体インクを印刷することができる。例として、一連の並行線、規則的パターン、例えば、格子パターンまたは不規則パターンとして蛍光体インクを印刷することができる。
【００５０】
他の用途においては、段階的または徐々に変化するパターンとして蛍光体インクを印刷することがさらに構想される。そのような徐々に変化するパターンを使用して、基材にわたる発光の色のばらつきを補正することができる。例として、均一な蛍光体変換層を持つ円形波長変換コンポーネントを備える白色発光装置の場合、コンポーネントの周辺から発光される光と比較して、コンポーネントの中心から発光される光は比較的高い割合の青色光を有することができることが発見された。その結果、そのような装置の発光生成物は、黄白色のハロー（halo）に囲まれた中心において青白色となることができる。端部と比較して基材の中心に比較的多い蛍光体インクを印刷することにより、そのようなハローを少なくとも部分的に低減することができると考えられる。より多くの蛍光体インクを基材の選択された領域上に、ａ）そのような領域により多くの蛍光体インク層を選択的に印刷すること、またはｂ）好ましくは、徐々に変化するパターンとして蛍光体インクを印刷し、そのような領域において基材の単位面積当たりのより大きい割合を蛍光体インクが覆うことによって、提供することができる。図６ａおよび６ｂは、それぞれ、ＡＭ（振幅調節）ハーフトーンスクリーニングおよび一次確率またはＦＭ（頻度調節）スクリーニング系の徐々に変化する印刷された蛍光体インクパターンを示す。図６ａでは、蛍光体インクは、規則的に間隔をあけた多様なサイズのドットの配列として印刷される。ドットの振幅（サイズ）が調節される（変わる）一方、ドットの頻度（間隔）が固定されたままであるため、そのようなパターンをＡＭハーフトーンスクリーニングと呼ぶ。図６ｂでは、ドットの頻度（密度）が変わる同一サイズの蛍光体ドットの疑似ランダム配列を含む一次確率パターンとして蛍光体インクを印刷する。ハーフトーンパターンと比較して、一次確率パターンは、ドットサイズが固定されているため、より容易に印刷でき、ドットサイズがスクリーンのメッシュサイズに対応することができるため、スクリーン印刷に好ましい。加えて、確率パターンは、複数の印刷パスまたは二つ以上の蛍光体インクを含むパターンの印刷を要する場合、そのようなランダムパターンは位置合わせの課題からの影響が低いため、好ましい。ドットの頻度および振幅の両方を調節する二次確率スクリーニングを使用して蛍光体インクを印刷することがさらに構想される。
【００５１】
図７ａ〜図７ｅに、形状のある（すなわち、非平面）波長変換コンポーネント１４、例えば、半球状、放物状または円筒状のコンポーネントを製造する方法を図示する。波長変換コンポーネント１４は、光透過性（図１）または光反射性（図５）であることができる。いずれのコンポーネントでも、蛍光体インクがその上に堆積される基材１６、４８は、熱形成可能な材料、通常、熱可塑性プラスチックポリマー材料、例えば、アクリルポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）またはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）を含む。ポリカーボネートを使用することもできるが、バインダー材料が従来のインク系であり、それらが剥離の問題を呈することがあるため、蛍光体インクにとっては好ましくない。アクリルおよびＰＥＴは、強力な接着力および容易に熱形成できる能力に起因して、好ましい基材材料である。蛍光体インクの堆積をたやすく可能にするために、少なくとも蛍光体インクが堆積される基材の面は、実質的に平面（図７ａ）であることが好ましい。基材上に蛍光体インクを印刷、通常、スクリーン印刷して、実質的に均一な厚さの層（図７ｂ）を形成する。示すように、基材の面全体を覆うパターンまたは層として蛍光体インクを印刷することができる。モールドまたは型５０（図７ｃおよび７ｄ）を使用して、例として、真空および熱成形により基材を選択した形状に形成する。冷却後、完成した波長変換コンポーネント１４をモールドから取り外す（図７ｅ）。
【００５２】
そのようなコンポーネント上に蛍光体インクを印刷するとき、それが成形プロセス中に生じることがある波長変換層の厚さの局所的な変化の原因となることが考慮される。そのような予期される変化は、最終的な波長変換コンポーネントで最も変形する基材の領域に比例的に厚い層の蛍光体インクを印刷し、基材の変形がより小さいまたは結果として波長変換層の圧縮がもたらされる領域に比例的に薄い層を印刷することによって補正することができる。このようにして、一貫したおよび予想可能な厚さの波長変換層を有する複雑な形状の波長変換コンポーネントの製作が可能になる。
【００５３】
蛍光体インク
記載するように、本発明に従った蛍光体インクは、少なくとも一つの蛍光体材料２２が添加され、任意で、光反射材料２４の粒子を包含することができる光透過性バインダー材料２０をさらに含む。
【００５４】
波長変換コンポーネントによって生み出される発光生成物の色は、波長変換層における単位面積当たりの蛍光体材料の分量に応じる。単位面積当たりの蛍光体材料の分量は、波長変換層の厚さおよびバインダーに対する蛍光体材料の重量添加量に依存することが理解される。発光生成物が白色であるか、発光生成物が高い飽和色を有する（すなわち、発光生成物が実質的にすべてのフォトルミネッセンス生成光を含む）用途では、波長変換層における単位面積当たりの蛍光体材料の分量は、通常、１０〜４０mg・cm-2である。そのような波長変換層の印刷を最低限の工程数によって可能にするために、蛍光体インクは、好ましくは、選択した印刷（堆積）方法に好適なように、バインダー材料に対して高い固体添加量の蛍光体材料を有する。あるいは、より低い固体添加量の蛍光体材料を持つ蛍光体インクを使用することができるが、その場合、複数の層を堆積させて選択された変換発光生成物色を実現することが要求される。
【００５５】
多くの用途、とりわけ、発光生成物が白色光を含む用途では、蛍光体インクがＬＥＤからのある割合の青色光を通過させることが必要となる。概して、白色光および冷色には、発光生成物における青色光コンポーネントとして、直接ＬＥＤからの元々の青色光を使用する。それゆえに、波長変換層は、必要である割合のフォトルミネッセンス光を生成するのみならず、適切な割合の青色光を通過させるようにも構成されなければならない。冷白色光の場合、通過する青色光の割合は、発光生成物の色温度に応じて、約１０％〜３０％である（暖色光にはより低い割合の青色光を使用する）。通過する青色光の量の制御も、蛍光体インク内の蛍光体材料の固体添加量および波長変換層の厚さｔに応じる。通過モードでは、蛍光体インクは、青色光のディフューザーとして機能し、色の調合を助ける。
【００５６】
赤色発光ＬＥＤ（赤色ＬＥＤ）は、暖色および暖白色光の赤色コンポーネントを生成する非常に効率的かつ低コストの手段となることができる。一般照明、ＬＥＤバックライト、輸送および特に高いＣＲＩ（演色評価数）を有する白色光を要する用途を包含する一部の用途の場合、波長変換コンポーネントの励起に使用する光源に青色ＬＥＤと組み合わせた赤色ＬＥＤの使用が望ましいことがある。そのような装置では、蛍光体インクは、赤色光も通過させなければならない。赤色光が蛍光体材料によって変換されないため、蛍光体インクは、最大透過率の赤色光（通常、少なくとも６０％）を有するべきである。動作中、青色通過光が青色コンポーネントに使用され、インク中の緑色および黄色蛍光体が中間範囲の色に使用され、赤色ＬＥＤ通過光が赤色コンポーネントとして使用される。
【００５７】
蛍光体インク用バインダー材料
通常、バインダー材料２０は、硬化性液体ポリマー、例えば、ポリマー樹脂、モノマー樹脂、アクリル−ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、エポキシ（ポリエポキシド）、シリコーンまたはフッ素化ポリマーを含む。バインダー材料２０は、硬化状態で蛍光体材料２４およびＬＥＤ１２によって生成されたすべての波長の光に透過性であり、好ましくは、可視スペクトル（３８０〜８００nm）にわたって少なくとも０．９の透過率を有することが重要である。バインダー材料２０は、好ましくは、紫外線硬化性であるが、熱硬化性、溶媒系またはそれらの組み合わせであることができる。紫外線または熱硬化性バインダーは、溶媒系材料とは異なり、重合中に「ガス発生」しないため、好ましいことができる。溶媒が蒸発すると、組成物の容積および粘度が変化し、結果としてより高濃度の蛍光体材料がもたらされ、装置の発光生成物の色に影響を及ぼす。紫外線硬化性ポリマーでは、堆積完了後に層を重合および凝固させるために紫外線硬化を使用する堆積プロセス中、粘度および固体比率はより安定している。加えて、蛍光体インクのスクリーン印刷の場合、必要である層の厚さを実現するために多くの場合マルチプルパス印刷を要するため、事実上印刷後すぐに次の層の印刷に先立って各層を硬化できるため、紫外線硬化性バインダーの使用が好ましい。
【００５８】
蛍光体材料に光透過性の懸濁媒体を提供するほか、バインダーは、蛍光体材料の性能を損なうことがある湿気や空気から蛍光体材料を保護する、保護カプセルとしても機能する。蛍光体材料の密封シーリングを高めるために、バインダー材料は、ポリイミド、フッ素化プラスチック材料またはシリコーンを含むことができる。バインダーの密封特性に加えて、湿気や空気に対する基材の浸透性も考慮されるべきである。最適性能のために、光透過性基材は、ガラス、一つ以上の光透過性無機密封層を包含する多層構造または水や空気に対して低浸透性を持つプラスチック材料を含む。したがって、基材とバインダー材料とは、組み合わされて、印刷プロセス中に保護された蛍光体層を作り出す。また、保護層を、基材上または波長変換層上に印刷、積層、さもなければ堆積して蛍光体材料の保護を最大限にすることができる。
【００５９】
基材１６、４８が実質的な平面であるか、波長変換層の印刷後に基材が控えめにのみ再形成される用途の場合、バインダー材料２０は、低弾性（すなわち、弾性限界１００％以下）を有することができる。蛍光体インク印刷後に基材を再形成し、より複雑な形状（例えば、ドーム状、皿状、半球状、球状シェルなど、図７ａ〜７ｅ参照）の波長変換コンポーネントを作り出すことを意図する場合、バインダー材料２０は、好ましくは、３００％〜５００％の弾性限界を持つ弾性を有する。
【００６０】
フォトルミネッセンス波長コンポーネントが光透過性である場合、バインダー材料（硬化状態）の屈折率と光透過性基材の屈折率とを実際上可能な限り厳密に一致させて、基材と波長変換層との界面における光の屈折を最小限にすることが望ましい。表１に、種々の基材材料の屈折率の値を示す。好ましいバインダー材料は、屈折率ｎ＝１．４８を有する紫外線硬化性アクリル接着剤である。アクリル、シリカ、パイレックスおよびシリコーン基材と併せて使用されるとき、屈折率をおよそ±０．０２以内で一致させる。好ましくは、バインダー材料は、１．４６〜１．５９の範囲の屈折率を有する。
【００６１】
【表１】
0006008865.tif 000002
【００６２】
印刷可能な蛍光体インク
蛍光体インク堆積のための使用に意図された印刷方法は、必要とされるバインダー材料の特性、通常、粘度、バインダーに対する蛍光体材料の重量添加量および、存在する場合、蛍光体／光反射材料の添加量／粒径に影響を及ぼす。例として、蛍光体インクの粘度が高すぎる場合、インクを印刷することは不可能である。逆に、粘度が低すぎる場合、蛍光体材料は、印刷中に凝集する傾向があり、結果として印刷層に蛍光体材料の塊をもたらすことがある。
【００６３】
蛍光体インクの粘度は、主として、バインダー材料の粘度および蛍光体／光反射材料の重量添加量によって決定される。蛍光体インクの初期形成中に希釈剤を使用して、必要とされる粘度を実現し、印刷中の蛍光体インクを「希釈する」ことができる。しかしながら、蛍光体インクによって生成される光の色を決定するのは、粘度ではなく、蛍光体材料の含有量（添加量）および層の厚さであるため、希釈して固体添加量を維持するときには注意しなければならない。
【００６４】
粘度のほか、バインダー材料の表面張力が蛍光体インク性能に影響を及ぼすことがある。例として、蛍光体インクの表面張力が高すぎる場合、印刷中に気泡が形成され、結果として質の悪い層形成がもたらされることがある。気泡は、表面張力が低い蛍光体インクにも形成されることがあり、蛍光体インクに消泡剤を追加的に加えることが好ましい。
【００６５】
【表２】
0006008865.tif 000003
【００６６】
スクリーン印刷用蛍光体インク
スクリーン印刷の場合、バインダー材料は、好ましくは、０．１〜５Pa・s（１００〜５０００cps）の範囲の粘度を有し、好ましくは、およそ１Pa・s〜２．５Pa・s（１０００〜２５００cps）の粘度を有する。堆積させる波長変換層における単位面積当たりに必要である蛍光体材料の分量を実現するために必要となる印刷パス数を低減するために、バインダーに対する蛍光体材料の重量添加量は、可能な限り高く、好ましくは、蛍光体材料の密度に応じて、４０％〜７５％の範囲である。重量添加量がおよそ７５％を超えると、蛍光体インクの強力な粘着力、接着力を確実にして印刷性を維持することが難しい場合があることが見出された。重量添加量がおよそ４０％未満の場合、単位面積当たりに必要である蛍光体材料の実現には５回以上の印刷パスが必要となることが見出された。本発明の蛍光体インクでは、バインダー材料に対する蛍光体材料の重量添加量は、従来のスクリーン印刷用インクの顔料の重量添加量よりもはるかに高い。蛍光体材料の平均粒径がおよそ１５μｍであるときに、効率的な光変換を実現できることが発見された。
【００６７】
グラビアおよびフレキソ印刷用蛍光体インク
グラビアおよびフレキソ印刷の両方において、孔またはキャビティのパターンを持つ版またはドラムは、塗布工程中にインクで満たされる。版またはドラムは、その後、基材上を転がり、キャビティのサイズによって制御される分量のインクを版から基材に移す。フレキソ印刷は、一般的に、ポリマー版を使用し、グラビア印刷は、一般的に、より長い生産工程に好適な金属版を使用する。波長変換層製作のためのグラビアおよびフレキソ印刷の具体的な効果は、各々が単一パスにおいて比較的高い容積の蛍光体インクを堆積できることである。加えて、インクの容積がキャビティの容積によって決定されるため、堆積される蛍光体インクの分量も正確に制御される。グラビアおよびフレキソ印刷の場合、蛍光体インクは、好ましくは、０．０５〜０．５Pa・s（５０〜５００cps）の範囲の粘度を有する。
【００６８】
インクジェット印刷用蛍光体インク
インクジェット印刷の場合、蛍光体インクが非常に低い粘度、通常、０．００４〜０．０２０Pa・s（４〜２０cps）の範囲、好ましくは、およそ０．０１４Pa・s（１４cps）の粘度を有し、バインダーに対する蛍光体材料の重量添加量がおよそ２５％であることが好ましい（表２）。最大で１００μｍのノズルを持つ圧電インクジェットプリンターでの動作の場合、蛍光体／光反射材料は、およそ１０μｍを下回る平均粒径を有する。インクジェット印刷可能な蛍光体インクは、カスタム用途および少量生産に好ましいことがある。インクジェット印刷中、上昇させた温度（最大１００℃）を使用して蛍光体インクの粘度を低減することが構想される。
【００６９】
従来のインクジェット印刷のインク顔料と比較して、より大きい蛍光体材料の粒径は、結果として蛍光体インク内での蛍光体材料の沈降をもたらす。蛍光体材料の沈降を低減するために、再循環システムを持つインクジェットプリンター、例えば、例として、Spectra Incによるデュアルポートのプリントヘッドを持つインクジェットプリンターを使用して、蛍光体インクを連続的に循環させ、それにより、印刷中に一貫した固体添加量を維持することが想定される。これは、非常に小さい面積の蛍光体インクの印刷を要する場合、特に重要であることができる。
【００７０】
また、インクジェット印刷のための蛍光体インクは、立体および／または静電分散の両方のためのバインダー材料内の蛍光体材料の均一な分散に役立つように、蛍光体とバインダー材料との間の表面張力を低くするための界面活性剤をさらに包含すことができる。
【００７１】
パッド印刷用蛍光体インク
パッド印刷は、形状のある（すなわち、非平面）基材、例えば、例として、キーボードキー、ゴルフボールおよびペン軸への印刷によく確立された技術である。公知のように、多くの場合にシリコーンゴムで作られる弾性的に変形可能なパッドを使用して、印刷版から基材にインクを移動させる。パッドは、形態が丸形の「丸形パッド」、バー状の「バーパッド」または他の形状、例えば、「ローフパッド」と称される正方形または長方形であることができる。蛍光体インクのパッド印刷は、特に、基材が単純な形状の表面、例えば、例として、一部分が円筒状、皿状またはドーム状を有する場合に好ましい。
【００７２】
調合した蛍光体インク
ここまでは、蛍光体インクを単一の蛍光体材料を包含するものとして記載した。そのような単一の蛍光体インクは、飽和色の生成を要する場合に特に有効である。選択された発光生成物の色は、異なる単一の蛍光体インクの複数の層またはパターン、例として、ドットパターンを印刷することによって達成されることができる。
【００７３】
さらなる実施態様では、蛍光体インクは、選択された発光生成物の色を生成するための異なる発光特質を有する二つ以上の蛍光体材料の調合物を含むことができる。蛍光体材料を異なる比率で調合することにより、異なる目標発光色を実現できる。調合した蛍光体インクは、一貫した比率の色を提供することができ、マルチパス印刷の必要性を排除することにより印刷を簡素化する。それゆえに、単一の波長変換層のために、調合した蛍光体インクは、吹き付け、スピンコーティング、スリットコーティングまたはディッピングのようなコーティングプロセスに特に好適である。
【００７４】
フォトルミネッセンス波長変換を備える発光サイネージ
本発明の蛍光体インクを固体発光装置のための波長変換コンポーネントに対して記載したが、本発明は、他の用途に応用することもできる。とりわけ、本発明に従った蛍光体インクは、フォトルミネッセンス波長変換を使用して選択された色の光を生成する発光サイン、例えば、例として、明細書が参照として本明細書に組み入れられる、Ｌｉらへの同時係属中の米国特許出願第２００７／０２４０３４６Ａ１号に教示されているようなものに特に好適である。
【００７５】
そのような発光サインにおいて、波長変換コンポーネント１４をフォトルミネッセンスサイネージ面として使用して、所望の光の色のサイネージ情報を生成できることが理解される。蛍光体インクは、光透過性基材上に画像、写真、文字、数字、装置、パターンまたは他のサイネージ情報を画定するパターンとして構成されることができる。あるいは、例として、チャネルレタリングのために必要であるように、光透過性基材であるサイネージ面の形状は、サイネージ情報を画定するように構成されることができる。蛍光体インクは、発光サイネージ面の面積が数百平方センチメートルであり、最小限の面積で１００cm2（１０cm×１０cm）以上、より通常では、数百、さらには数千平方センチメートルにわたって蛍光体材料を分布させることを要する場合のサイネージ用途では、特に有利である。そのような用途の場合、蛍光体インクへの光反射材料の包含は、蛍光体材料使用量の有意な節減および製造コストの実質的な低減を提供することができる。
【００７６】
サインは、バックライトで照らされることができ、換言すれば、ＬＥＤが、例として、ライトボックス内のサイネージ面の後方に位置し、サイネージ面がライトボックス開口部を覆うように提供される。通常、サイネージ面は、ＬＥＤから少なくとも５mmの距離に位置する。あるいは、サインは、エッジライトで照らされることができ、光透過性サイネージ面が導光路として構成され、蛍光体材料と光反射材料との混合物が導光路の発光面の少なくとも一部分上に提供されることができる。
【００７７】
本発明が記載した例示的な実施態様に限定されず、本発明の範囲内で変形態様をつくることができることが理解される。例として、ＬＥＤ系発光装置およびサイネージに対して本発明を記載したが、固体レーザおよびレーザダイオードを包含する他の固体発光体系装置にも応用する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ−７ｅ】
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