(57)【要約】  本発明は、発光素子であって、特に、550nm以上1000nm以下の波長範囲における光に関して10%以上且つ85%以下の透過性を有するSiAlON材料を含むＬＥＤである、発光素子に関する。
2009510757.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子であって、特に、550nm以上1000nm以下の波長範囲における光に関して10%以上且つ85%以下の大気における垂直入射率に関する透過性を有するSiAlON材料を含むＬＥＤである、発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の発光素子であって、前記SiAlON材料が、570nm以上且つ640nm以下の最大波長を有する黄色−琥珀色可視範囲における発光帯を有する、発光素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の発光素子であって、前記SiAlON材料が、50nm以上且つ180nm以下の半値幅を有する黄色−琥珀色範囲における発光帯を有する、発光素子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の発光素子であって、前記SiAlON材料が、95％以上且つ100％以下の理論密度を有する、発光素子。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の発光素子であって、前記SiAlON材料の黄色−琥珀色可視範囲における発光帯における最大値及び／又は半値幅のシフトが、50℃以上且つ150℃以下の全体温度範囲において0nm以上且つ20nm以下である、発光素子。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の発光素子であって、前記SiAlON材料が、主成分として、2≦m≦4、0.001≦n≦2及び0.01≦x≦0.20であるような一般式(Ca1-x,Eux)m/2Si12-(m+n)Alm+nOnN16-nに従う、ユーロピウムドープのCa-α-SiAlONを含む、発光素子。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか一項に記載の発光素子であって、前記SiAlON材料のガラス相比率が、2%以上且つ5%以下である、発光素子。
【請求項８】
焼結ステップを含む、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の発光素子に関するSiAlON材料を生成する方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、SiAlON前駆体物質を焼結前に50％以上且つ70％以下の理論密度へ圧縮するステップを更に有する、方法。
【請求項１０】
請求項１ないし７のいずれか一項に記載の発光素子、及び／又は請求項８又は９に記載の方法に従い生成されるSiAlON材料、を含むシステムであって、当該システムが、以下の応用例：
−オフィス照明システム、
−家事用応用システム、
−店舗照明システム、
−家庭照明システム、
−アクセント照明システム、
−スポット照明システム、
−劇場照明システム、
−光ファイバ応用システム、
−投影システム、
−自発光表示システム、
−ピクセル表示システム、
−セグメント化表示システム、
−警告標識システム、
−医療照明応用システム、
−インジケータ標示システム、
−装飾照明システム、
−携帯型システム、
−自動車応用例、及び
−温室照明システム、
のうちの1つ又は複数において使用される、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子、特にＬＥＤの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
母材としてケイ酸塩、リン酸塩（例えば、リン灰石）及びアルミン酸塩を、この母材へ活性化材料として加えられる遷移材料又は希土類金属とともに、含む蛍光体は、広く知られる。青色ＬＥＤが、特に、近年実用的になって来ているので、このような青色ＬＥＤを活用した白色光源の開発は、活発的に追及されている。白色ＬＥＤは既存の白色光源よりも低い電力消費及び長い使用可能寿命を有することを期待されているので、液晶パネルのバックライト、室内照明器具、自動車のパネルのバックライト、及び投影装置における光源などの応用例に対して開発が進展している。
【０００３】
現在のＬＥＤにおいて、α−SiAlONが、その優れた材料及び温度特性により、エミッタ材料として益々広く使用されている。しかし、今までのところ、発光スペクトル及び温度ルミネッセンスクエンチ特性は、特定の応用例に関して、特にＬＥＤが自動車のバックライトなどの自動車応用例において使用されるべき場合に、なお改善されるべきであることが、問題であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、改善された特性を有するSiAlON材料を含む発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は、本発明の請求項１に記載の発光素子によって解決される。これに従うと、発光素子であって、特に、550nm以上1000nm以下の波長範囲における光に関して10%以上且つ85%以下の大気における垂直入射率に関する透過性を有するSiAlON材料を含むＬＥＤが提供される。
【０００６】
このようなSiAlON材料を使用する場合、発光素子の特徴は、大抵の応用例において（以下に特定の応用例に関して説明されるように）大いに改善され得る。
【０００７】
好ましくは、垂直入射率に関する透過性は、大気において、550nm以上1000nm以下の波長範囲における光に関して20%以上且つ80%以下であり、更に好ましくは、30%以上且つ75%以下であり、最も好ましくは、550nm以上1000nm以下の波長範囲における光に関して40%以上且つ70%以下である。
【０００８】
好ましくは、垂直入射率に関する透過性は、大気において、650nm以上800nm以下の波長範囲における光に関して、10%以上且つ85%以下であり、更に好ましくは20%以上且つ80%以下であり、最も好ましくは30%以上且つ75%以下である。
【０００９】
「SiAlON材料」という用語は、特に以下の材料、すなわち、x=m/vであり、ＭはLi、Mg、Ca、Y、Sc、Ce、Pr、Nf、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu又はこれらの混合物を含む群から好ましくは選択される金属であるような、
Mxv+Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n
及び、セラミック処理において添加され得る添加材を含むこれらの材料の混合物を有する及び／又は含む。これらの添加材は、完全に又は部分的に最終材料へ組み込まれ得、この場合、これらの添加材は、いくつかの化学的に異なる種の合成物（微妙に異なる成分のガラス状マトリックスに埋め込まれるSiAlON結晶）でもあり得、特に、溶剤などの従来技術に関して知られるような種を含み得る。適切な溶剤は、アルカリ土類、又はアルカリ金属酸化物、及びフッ化物、並びにSiO2などを含む。
【００１０】
「透過性」という用語は、本発明の意味においては、特に、材料によって吸収され得ない、波長の入射光の10%、好ましくは20%以上、より好ましくは30%以上、最も好ましくは40%且つ85%以下が、（任意の角度で）大気中における垂直入射率に関するサンプルにおいて伝わることを意味する。この波長は、好ましくは、550nm以上1000nm以下の範囲にある。
【００１１】
本発明に従う好ましい実施例に従うと、SiAlON材料は、570nm以上且つ640nm以下の最大値を有する黄色−琥珀色可視波長範囲における発光帯を有する。このことは、改善された特徴を有する発光素子を構築することを可能にする。好ましくは、SiAlON材料は、580nm以上且つ620nm以下、より好ましくは590nm以上且つ610nm以下、の最大値を有する黄色−琥珀色可視光波長範囲における発光帯を有する。
【００１２】
本発明に従う好ましい実施例に従うと、SiAlON材料は、50nm以上且つ180nm以下の半値幅(half-width)を有する黄色−琥珀色可視光波長範囲における発光帯を有する。このことは、発光素子を更に改善させる鋭い発光帯になる。好ましくは、SiAlON材料は、60nm以上且つ130nm以下の半値幅を有する黄色−琥珀色可視光波長範囲における発光帯を有する。
【００１３】
本発明に従う好ましい実施例に従うと、SiAlON材料は、95％以上且つ100％以下の理論密度を有する。こうすることにより、SiAlON材料は、少ない密度を有する材料と比較して、大幅に改善された機械的及び光学的特性を示す。好ましくは、SiAlON材料は、97％以上且つ100％以下、より好ましくは98％以上且つ100％以下、の理論密度を有する。
【００１４】
本発明に従う好ましい実施例に従うと、SiAlON材料は、多結晶材料である。
【００１５】
「多結晶材料」という用語は、本発明の意味においては、特に、80％以上の単結晶領域からなる、90％より多い主成分の容積密度を有する材料を意味し、各領域は直径0.5μmより大きく且つ異なる結晶方位を有する。単結晶領域は、アモルファス状若しくはガラス状材料によって、又は追加的な結晶構成物によって、結合され得る。
【００１６】
本発明に従う好ましい実施例に従うと、SiAlON材料はセラミック材料である。
【００１７】
「セラミック材料」という用語は、本発明の意味においては、特に、管理された量の細孔を有する又は細孔の無い、単結晶又は多結晶成型材料又は合成材料を意味する。
【００１８】
好ましくは、セラミック材料の厚さDは、30μm≦D≦5000μm、好ましくは60μm≦D≦2000μm、最も好ましくは80μm≦D≦1000μmである。このことは、実際において最も適していると示していた。
【００１９】
本発明に従う好ましい実施例に従うと、SiAlON材料の黄色−琥珀色可視光波長範囲における発光帯における最大値及び／又は半値幅のシフトが、50℃以上且つ150℃以下の全体温度範囲において0nm以上且つ20nm以下である。こうすることにより、発光素子は、動作時において、例えば自動車内で使用される場合に、一定の挙動を示す。
【００２０】
好ましくは、SiAlON材料の黄色−琥珀色可視光波長範囲における発光帯における最大値及び／又は半値幅のシフトが、0℃以上且つ200℃以下、最も好ましくは-40℃以上且つ250℃以下、の全体温度範囲において0nm以上且つ20nm以下である。
【００２１】
好ましくは、SiAlON材料の黄色−琥珀色可視光波長範囲における発光帯における最大値及び／又は半値幅のシフトが、50℃以上且つ150℃以下、より好ましくは0℃以上且つ200℃以下、最も好ましくは-40℃以上且つ250℃以下、の全体温度範囲において2nm以上且つ18nm以下である。好ましくは、SiAlON材料の黄色−琥珀色可視光波長範囲における発光帯における最大値及び／又は半値幅のシフトが、50℃以上且つ150℃以下、より好ましくは0℃以上且つ200℃以下、最も好ましくは-40℃以上且つ250℃以下、の全体温度範囲において4nm以上且つ15nm以下である。
【００２２】
本発明に従う好ましい実施例に従うと、SiAlON材料が、主成分として、2≦m≦4、0.001≦n≦2及び0.01≦x≦0.20であるような一般式(Ca1-x,Eux)m/2Si12-(m+n)Alm+nOnN16-nに従う、ユーロピウムドープのCa-α-SiAlONを含む。より好ましいのは、2.5≦m≦3.5、0.01≦n≦1及び0.015≦x≦0.15である組成である。最も好ましいのは、2.75≦m≦3.25、0.05≦n≦0.5及び0.015≦x≦0.1である組成である。
【００２３】
大抵の応用例において、低酸素の含有量及びドーピングレベルが、材料のルミネッセンス性能を増加させることに繋がることが分かっている。
【００２４】
「主成分」という用語は、特に、SiAlON材料の95％以上、好ましくは97％以上、また最も好ましくは99％が、この材料から構成されることを意味する。しかし、特定の応用例において、微量の添加物は、バルクの組成においても存在し得る。これらの添加物は、特に、溶剤などの従来技術に関して知られるような種を含む。適切な溶剤は、アルカリ土類、又はアルカリ金属酸化物、及びフッ化物、SiO2並びにこれらの混合物などを含む。
【００２５】
本発明に従う好ましい実施例に従うと、SiAlON材料のガラス相比率が、2%以上且つ5%以下であり、より好ましくは3%以上且つ4%以下である。このようなガラス相比率を有する材料は、本発明に関して有利且つ所望である改善された特性を示すことが実際に示されている。
【００２６】
「ガラス相」という用語は、本発明の意味においては、特に、走査電子顕微鏡又は透過電子顕微鏡によって検出され得る、非結晶粒界相を意味する。
【００２７】
本発明に従う好ましい実施例に従うと、SiAlON材料の表面の表面粗さRMS（最も高い及び最も深い表面特徴の間における差の幾何学的平均として測定される、表面の平面性の乱れ）は、0.001μm以上且つ100μm以下である。本発明のある実施例に従うと、SiAlON材料の表面の表面粗さは、0.01μm以上且つ10μm以下であり、本発明の別の実施例に従うと、0.1μm以上且つ5μm以下であり、本発明の更に別の実施例に従うと、0.15μm以上且つ3μm以下であり、本発明のより更に別の実施例に従うと、0.2μm以上且つ2μm以下である。
【００２８】
本発明に従う好ましい実施例に従うと、SiAlON材料構造の特定の表面領域は、10-7m2/g以上且つ1m2/g以下である。
【００２９】
本発明は、焼結（sintering）ステップを含む、本発明に従う発光素子に関するSiAlON材料を生成する方法にも更に関する。
【００３０】
「焼結ステップ」という用語は、本発明の意味においては、特に、焼結される材料の主成分の液体状態に達することなく、一軸性又は等方性の圧力を印加することと組み合わせられ得る、熱の影響下における前駆体の緻密化を意味する。
【００３１】
本発明に従う好ましい実施例に従うと、焼結ステップは、無加圧、好ましくは減圧又は不活性雰囲気下にある。
【００３２】
本発明に従う好ましい実施例に従うと、前記方法は、SiAlON前駆体物質を焼結前に50％以上且つ70％以下、好ましくは55％以上且つ60％以下の理論密度へ圧縮するステップを更に有する。このことは、本発明に従い記載される大抵のSiAlON材料に関して焼結ステップを改善することが実際に示されている。
【００３３】
本発明に従う好ましい実施例に従うと、本発明に従う発光素子に関するSiAlON材料を生成する方法は、
(a)SiAlON材料に関する前駆体材料を混合するステップと、
(b)揮発性材料（炭酸塩が使用される場合、CO2など）を除去するために、好ましくは1300℃以上且つ1700℃以下の温度で、前駆体材料を焼く（乾燥させる）任意追加的なステップと、
(c)任意追加的な粉にする及び洗浄をするステップと、
(d)第１の圧縮ステップ、好ましくは、所望の形状（例えばロッド又はペレット形状）の鋳型を含む適切な粉末成型具を使用した10ｋN以上での一軸性圧縮ステップ、及び／又は好ましくは3000bar以上且つ3500bar以下での冷等方圧縮ステップと、
(e)1500℃以上且つ2200℃以下での無加圧焼結ステップと、
(f)温圧縮ステップ、好ましくは、好ましくは100bar以上且つ2500bar以下、且つ好ましくは1500℃以上且つ2000℃以下での温等方圧縮ステップ、及び／又は好ましくは100bar以上且つ2500bar以下、且つ好ましくは1500℃以上且つ2000℃以下での温一軸性圧縮ステップと、
(g)任意追加的な、不活性雰囲気又は大気下での1000℃以上且つ1700℃以下での後焼きなましステップと、
を含む。
【００３４】
この方法に従うと、大抵の所望の材料組成に関して、この生成方法は、本発明において使用される最良のSiAlON材料を生成していた。
【００３５】
本発明に従う発光素子、及び本発明に従い生成されるSiAlON材料は、広範囲のシステム及び／又は応用例、とりわけ、以下の応用例：
−オフィス照明システム、
−家事用応用システム、
−店舗照明システム、
−家庭照明システム、
−アクセント照明システム、
−スポット照明システム、
−劇場照明システム、
−光ファイバ応用システム、
−投影システム、
−自発光表示システム、
−ピクセル表示システム、
−セグメント化表示システム、
−警告標識システム、
−医療照明応用システム、
−インジケータ標示システム、
−装飾照明システム、
−携帯型システム、
−自動車応用例、及び
−温室照明システム、
のうちの1つ又は複数において有用であり得る。
【００３６】
上述の構成要素、請求項に記載される構成要素及び説明される実施例における本発明に従い使用されるべき構成要素は、サイズ、形状、材料の選択及び技術的概念に関して、いかなる特別な例外にも従わず、したがって、関連する分野において知られる選択基準は制限されることなく適用され得る。
【００３７】
本発明の目的の追加的な詳細、特徴及び有利な点は、従属項、図面、並びに対応する図面及び例の以下の説明において開示され、これらは、例示的な形式で、本発明に従う発光素子において使用するSiAlON材料の好ましい実施例を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
例１：
図１ないし３は、以下のようにして生成されたCa0,75Si8,625Al3,375O1,375N14,625:Eu0,25(例１)を言及し、すなわち：
Ca0,75Si8,625Al3,375O1,375N14,625:Eu0,25は、0.751gのCaCO3(Alfa  Aesar、Karlsruhe、Germany)、1.383gのAlN (Nanoamor、Los  Alamos、NM、USA)、アモルファス4.234gのSi3N4(Alfa  Aesar)及び440mgのEu2O3(Alfa  Aesar)から合成された。これらの粉末は、磁器製すり鉢において混合され、モリブデンるつぼに満たされ、そしてフォーミングガス雰囲気において1500℃で4時間乾燥された。この粉末は、不純物を除去するために洗浄された。
【００３９】
得られた粉末は、ミルにかけられ、そしてペレットに圧縮され、3200barで冷等方圧縮され、フォーミングガス雰囲気下において4時間焼結された。生じるペレットは、閉細孔を表し、その後、99％以上の理論密度を有する高密度セラミックスを得るために、2000bar及び1750℃で温等方圧縮される。
【００４０】
図１は、本発明の例１に従うSiAlON材料のＬＥＤの、20℃及び100℃環境温度での、発光スペクトルを示す。SiAlON材料の発光最高値は、両方のスペクトルにおいて605nm前後であり、またこの例に従うSiAlON材料に関する発光最高値と同様に半値幅におけるシフトは5nm未満であることが、明確に確認され得る。
【００４１】
図２は、1500℃での乾燥後におけるセラミック前駆体粉末のＸ線回折図を示し、図３は、1700℃での乾燥後におけるセラミックペレットのＸ線回折図を示す。図２において、AlNは不純物として存在し、このことは、アスタリスク「＊」で印し付けられるいくつかの帯を生じさせる一方で、乾燥後におけるペレット（図３）は、本質的に純粋である。
【００４２】
上述の詳細な実施例における要素及び特徴の特定の組合せは、例示的のみであり、これらの教示を、本文書及び参照として組み込まれた特許／出願における他の教示と交換及び置換することも、明示的に考慮される。当業者は、本文書に記載の変形態様、修正態様、及び他の実施例が、請求項に記載される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく当業者に考えが及び得ることを認識し得る。したがって、上述の説明は、例示を目的とするのみであり、制限するようには意図されていない。本発明の範囲は、以下の請求項及び相当するものに規定されている。更に、説明及び請求項において使用される参照符号は、請求項に記載される本発明の範囲を制限しない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、本発明に従う例１に従うSiAlON材料のＬＥＤの、20℃及び100℃環境温度での、発光スペクトルを示す。
【図２】図２は、1500℃での乾燥後におけるセラミック前駆体粉末のＸ線回折図を示す。
【図３】図３は、1700℃での乾燥後におけるセラミックペレットのＸ線回折図を示す。
【図１】
2009510757.tif 000003
【図２】
2009510757.tif 000004
【図３】
2009510757.tif 000005
【国際調査報告】
2009510757.tif 000006
2009510757.tif 000007
2009510757.tif 000008