(57)【要約】  発光変換型ＬＥＤは、ガラス中に埋め込まれている蛍光体を使用する。この場合、ガラスは有利に少なくとも１．７の屈折率で、高屈折率である。
2008541465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線を発するチップ（２）を有し、前記チップは電気的端子（３，４）と接続されていてかつ、少なくとも１つの基体（６）とキャップ（８）とを有するケーシングにより取り囲まれていて、前記チップ（２）は前記基体（６）上に、特に前記基体の凹設部（５）内に設置され、かつチップの一次放射線が変換エレメントによって少なくとも部分的に長波長放射線に変換される発光変換型ＬＥＤにおいて、前記キャップ（８）はガラス状の物体によって形成されていて、前記変換材料はガラス状の物体中に含まれていて、前記ガラス状の物体の屈折率は１．６より高く、有利に少なくともｎ＝１．７であることを特徴とする、発光変換型ＬＥＤ。
【請求項２】
ガラス状の物体は、クラウンガラス又はフリントガラスにより形成されることを特徴とする、請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項３】
ガラス状の物体は、バライトフリント、ホウ素クラウン又はランタンクラウンガラスにより形成されることを特徴とする、請求項２記載のＬＥＤ。
【請求項４】
蛍光体は、ガーネット型又はオキシ窒化物型の高安定性蛍光体であることを特徴とする、請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項５】
ガラス状の物体は、十分に酸化鉛不含であることを特徴とする、請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項６】
ガラス状の物体は、ビスマス含有のホウ酸塩ガラスをベースとすることを特徴とする、請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項７】
ガラス状の物体は、リン酸塩ガラスをベースとすることを特徴とする、請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項８】
ガラス状の物体は、主成分がＡｌ2Ｏ3であるガラスをベースとすることを特徴とする、請求項４記載のＬＥＤ。
【請求項９】
ガラス状の物体は、少なくともｎ≧１．６、特にｎ≧１．７の屈折率を実現するために十分な量で、イオンのＰｂ2+、Ｂｉ3+、Ｂａ2+、Ｌｉ+及びＴｉ4+の少なくとも１種を含有することを特徴とする、請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか１項記載の発光変換型ＬＥＤの製造方法において、製造の間に次の方法工程：
ａ）  蛍光体粉末とガラス粉末との混合物を、特に空気の封入を最小化するために圧縮して、前記ガラスの軟化点付近の温度で焼結させる工程
を使用することを特徴とする、発光変換型ＬＥＤの製造方法。
【請求項１１】
請求項１から９までのいずれか１項記載の発光変換型ＬＥＤの製造方法において、製造の間に次の方法工程：
ａ）  ガラス、又は適当な前駆体材料からなり、その中に懸濁している蛍光体粉末を有する液状溶融物を製造する工程；
ｂ）  前記液状溶融物を噴霧する工程
を使用することを特徴とする、発光変換型ＬＥＤの製造方法。
【請求項１２】
請求項１から９までのいずれか１項記載の発光変換型ＬＥＤの製造方法において、製造の間に次の方法工程：
ａ）  蛍光体及び場合によるガラス粉末、結合剤及び他の添加剤からなる定義された厚さの層をガラス基板上に製造する工程；
ｂ）  場合により、所望の層厚に達するまで前記工程ａ）を繰り返す工程；
ｃ）  ガラスの軟化点付近の温度で焼結させる工程
を使用することを特徴とする、発光変換型ＬＥＤの製造方法。
【請求項１３】
請求項１から９までのいずれか１項記載の発光変換型ＬＥＤの製造方法において、製造の間に次の方法工程：
ａ）  粒子からなる蛍光体層を基板上に、特にチップ上に直接適用する工程；
ｂ）  気相からガラス又はガラス前駆体を蛍光体粒子間の間隙中へ堆積させる工程
を使用することを特徴とする、発光変換型ＬＥＤの製造方法。
【請求項１４】
請求項１から９までのいずれか１項記載の発光変換型ＬＥＤの製造方法において、製造の間に次の方法工程；
ａ）  ガラスからなる液状溶融物を製造する工程；
ｂ）  前記ガラス溶融物から蛍光体粒子を析出させる工程
を使用することを特徴とする、発光変換型ＬＥＤの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の上位概念に記載の発光変換型ＬＥＤに関する。ここではとりわけ、高い変換効率を有するＬＥＤが取り扱われる。
【０００２】
従来の技術
US-A 2003/025449からは、蛍光体がガラス含有材料からなる周囲環境中に埋め込まれている発光変換型ＬＥＤが既に公知である。これは、特に短波長の一次放射線をＵＶスペクトル領域又は青色スペクトル領域で発するチップの場合に、通常の樹脂又はシリコーンよりも高い安定性を有する。この場合、ガラス、ガラスセラミック又は石英ガラスが適しているとみなされる。
【０００３】
US-A 6 417 019からは、蛍光体の変換のために少なくとも１．５の、有利に２．１より高いできる限り高い屈折率を有する周囲環境を利用することは公知である。ただしこれについての具体的な実現化は記載されていない。
【０００４】
発明の開示
本発明の課題は、請求項１記載の上位概念に記載の、高い変換効率を有する発光変換型ＬＥＤを提供することである。
【０００５】
前記課題は、請求項１の特徴部に記載の構成により解決される。引用形式請求項には殊に有利な実施態様が示されている。
【０００６】
本発明は、異なる材料の屈折率に関する急激な変化によるＬＥＤ中での損失を最小限にするという思想に基づく。この蛍光体は通常では周囲を取り囲む材料中に埋め込まれる。前記蛍光体の粉末粒子上で、一次放射線及び二次放射線は散乱され、それにより散乱損失が生じる。この周囲を取り囲む材料はチップも取り囲み、これはＬＥＤから光線を放射するための光路である。公知の被覆材料はエポキシ樹脂、シリコーン並びにこの２種の材料のハイブリッドである。これらの材料の屈折率は、通常のガラス材料と同じように、一般にｎ＝１．４〜１．６である。
【０００７】
１．６より高い、有利に少なくともｎ＝１．７のできる限り高い屈折率を有するガラスの適切な使用により、これに関連する損失を低減できる。さらに、この材料は、４００〜７５０ｎｍの領域で良好な透明度を有するのが有利である。
【０００８】
屈折率の急激な変化及び蛍光体上での散乱による損失を最小限にするために、一方でガラスの屈折率は蛍光体の屈折率とできる限り近いのが好ましい。ガラス−蛍光体−コンバーター複合体中での半導体チップからの青色光の放射効率を最大限にするために、このコンバーターの屈折率は、他方で半導体チップの屈折率にできる限り近いことが好ましい。蛍光体ＹＡＧ：Ｃｅと、ＩｎＧａＮ型の青色発光する半導体ＬＥＤとの例示的な場合に、これらの屈折率はほぼｎ＝１．８及びｎ＝２．２である。
【０００９】
他の境界条件は、もちろん、前記チップの発光波長が、発光のために蛍光体を励起し、かつ被覆材料がその一次発光も蛍光体の二次発光もできる限り吸収されないために適していることである。
【００１０】
従って、前記蛍光体を高い屈折率のガラスで取り囲むことが基本的な必要条件である。多くの蛍光体は１．７〜２以上の屈折率を有する。この場合、蛍光体はできる限り高い屈折率の媒体中に埋め込まれるのが好ましい。従って、蛍光体の粒子上での散乱及び屈折率の急激な変化及び全反射による損失、ひいては蛍光体粒子中での吸収によるより高い損失を最小限にすることができる。
【００１１】
公知の被覆材料、例えばエポキシ樹脂、シリコーン又はこれらの２種の材料のハイブリッドと比較したガラスの他の利点は、その高い温度安定性であり、これは特に１４０℃を明らかに超える「接合」温度を有するいわゆる高効率ＬＥＤのために重要である。
【００１２】
特に、ガーネット蛍光体は、この種の手法のために適している：それというのも、一方で前記蛍光体はいずれにせよ高い屈折率（ほぼｎ＝２）を有し、他方で前記蛍光体をガラス中に埋め込む場合に生じることがある高い加工温度に対して安定であるためである。いくつかのオキシ窒化物系蛍光体も、このために特に良好に適している。
【００１３】
ナノ蛍光体との関連でのガラスマトリックスの使用は特に有利である、それというのもガラスの透明度はこの場合に完全に又は少なくとも大部分は維持されるためである。ナノ蛍光体は、明らかに１μｍを下回る、特に１０〜５００ｎｍの平均粒径を有する蛍光体である。
【００１４】
この蛍光体をガラスの粒子の形に取り囲み、かつ引き続きガラス又はポリマー中に分散させることができる。しかしながら、この蛍光体をガラス中に直接分散させ、引き続き変形により所望の形にすることもできる。この蛍光体粒子をガラス溶融物中で直接合成することもできる。場合により、所望の表面又は形状を得るために、引き続く例えば研磨による表面処理も有利である。ガラス中での蛍光体粒子の分散は、例えば蛍光体と粉砕されたガラス粉末との混合物を加熱することにより行われる。この溶融は、例えばマッフル炉中でのＰｔからなる坩堝中で、ガラス状の物体が生じる温度までで行われる。引き続き、この坩堝を水浴中で急冷し、冷却されたガラス体を坩堝から取り出す。この場合、所定の温度から初めて、つまりガラス成分が部分的に溶融し始めてから初めて、透明なガラス状の物体が生じる。
【００１５】
蛍光体−ガラス−複合コンバーターの製造のために、多様な方法が可能である：
第１の方法：蛍光体粉末とガラス粉末と、並びに場合により蛍光体粒子をより良好に分散させるための他の添加物との混合物を、前記ガラスの軟化温度付近の温度で焼結。特に、空気の封入を最小化するために、前記混合物を予め圧縮することができる。この方法を用いて、蛍光体粒子とガラスとの間に反応が行われかつガラスの粘度が著しく低下し、蛍光体がガラス中で堆積するように温度が高くない場合に、ガラス中での蛍光体の比較的均一な分布を達成することができる。冷却速度はガラスの種類に依存し、かつ場合によりガラスの結晶化を避けるために急速に行うことができる。冷却のために、前記ガラスを型内に流し込み、場合により直ぐに又は引き続き圧縮することができる。この方法は、同時に光学特性を達成するために良好に使用することができる。例えばレンズを成形することができる。通常では、この場合、蛍光体粒子のアグロメレーションは確実に回避される。この蛍光体粒子は、この方法を用いてガラスによって緻密に取り囲まれる。
【００１６】
第２の方法：ガラス又は適当な前駆材料又は前駆体材料からなる液状溶融物を、その中に懸濁された蛍光体粉末と一緒に噴霧。噴霧及びそれにより生じる膨張の際に急速な冷却が生じ、ガラス被覆により取り囲まれた蛍光体が形成される。これを引き続き緻密なガラス上の物体に焼結することができる。
【００１７】
第３の方法：蛍光体及び場合によるガラス粉末並びに結合剤及び他の添加剤からなる所定の厚さの層を、ガラス基板上で、引き続きガラスと蛍光体との間の化学反応がまだ生じない温度で焼結させることにより製造する。この場合に、薄い層が形成され、この層中で蛍光体はガラスマトリックスにより緻密に取り囲まれている。上記の層は、所望の層厚が達成されるまで繰り返すことができる。殊に、特別に成形された、例えば平坦な、さらにポリシングされた基板を使用することができる。この方法は、前記コンバーターの形状、特に平坦性を、蛍光体の導入の前に十分に規定することができるという利点を有する、それというのもこの形状は蛍光体の導入によりあまり影響を受けないためである。それにより、廉価な標準基板又は少なくとも標準技術をこの成形のために使用することができる。他の利点は、蛍光体が一方の側で基板中へ侵入して、反対側は十分に損傷されないままでありかつ当初の特性を十分に維持し、特に封入なしでガラス基板の高い機械的安定性を維持していることである。ガラス／蛍光体層のガラス基板上での焼結は有利に片側からのエネルギー供給によって行うことができる。このために、慣用の加熱法の他に、電磁放射線による照射も考えられる。特にレーザー（例えばＣＯ2レーザー）又はマイクロ波発信器を用いた片側の加熱が考えられる。
【００１８】
第４の方法：蛍光体層を基板上に、有利に半導体基板上に直接適用し、蛍光体粒子間の間隙中へガラス又は適当なガラス前駆体を気相から堆積させる。気相からのガラスの製造は周知である。
【００１９】
第５の方法：蛍光体粒子の合成をガラス溶融物中で行う。Ｙ2Ｏ3−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2−ＣｅＯ2ガラス溶融物からＹＡＧ：Ｃｅ結晶を析出させることは公知である（S. Tanabe (Graduate School of Human and Environmental Sciences, Kyoto University, Kyoto, Japan): "Glass ceramic phosphors for solid-state lighting", 79. Glastechnische Tagung, Wuerzburg, Mai 2005参照）。この方法は、ナノメートル領域及びサブミクロン領域でガラス中に分散された蛍光体粒子を製造するために特に有利に使用することができる、それというのも、蛍光体粒子のアグロメレーションは効果的に抑制されるためである。
【００２０】
基本的に一般に１．６、特に１．７以上の高い屈折率を有するガラスが適している。特にバライトクラウンガラス、ランタンクラウンガラス、及び重フリントガラスが適している。高い屈折率は、特別のイオンの組み込みによって達成され、Ｐｂ2+、Ｂｉ3+、Ｂａ2+、Ｌｉ+及びＴｉ4+が良好に適している。
【００２１】
Ｐｂの利点は、例えば低い加工温度及び失透の傾向が低いことである。典型的な鉛ガラスは、ＰｂＯ  １５〜３０％、Ｎａ2Ｏ及び／又はＫ2Ｏ  ３〜７％、ＳｉＯ2残りである。このガラスは、低い軟化温度（約３００〜５００℃）、高い熱膨張係数、約ｎ＝１．８の高い屈折率及び３００〜３０００ｎｍの領域内での良好な透過性を有する。典型的な加工温度は、この場合７２０〜８８０℃である。
【００２２】
鉛を含有しない高い屈折率のガラスの種類の場合に、特にビスマス含有のホウ酸塩ガラス及びリン酸塩ガラスが適していて、これは低い加工温度の他に、２．０〜２．３前後の高い屈折率も有する。
【００２３】
特に、この種のガラスは、最終的にそれ自体特に良好に光学特性の造形に直接、例えばレンズ特性を有するドームとして成形することができる。
【００２４】
図面の簡単な説明
次に、複数の実施例に基づき本発明について詳しく説明する。図面の簡単な説明：
図１は、白色光の光源（ＬＥＤ）として用いられる半導体デバイスを示す。
【００２５】
図２は、方法１により製造された蛍光体−ガラス−複合材料のＲＥＭ写真を示す。
【００２６】
図３は、方法３により製造された蛍光体−ガラス−複合材料のＲＥＭ写真を示す。
【００２７】
図４は、ＬＥＤの他の実施例を示す。
【００２８】
本発明の有利な実施形態
白色ＬＥＤをＩｎＧａＮチップと共に使用するために、例えばUS 5 998 925に記載されたのと類似の構造を使用する。白色光のためのこの種の光源の構造は、図１に詳細に示されている。この光源は、第１の及び第２の電気的端子２，３を備えた、ピーク発光波長４６０ｎｍのＩｎＧａＮタイプの半導体デバイス（チップ１）であり、前記半導体デバイスは光不透過性の基体ケーシング８中の凹設部９の範囲内に埋め込まれている。端子の一方３は、ボンディングワイヤ１４を介してチップ１と接続している。この凹設部は壁部１７を有し、この壁部はチップ１の青色の一次放射線のためのリフレクタとして利用される。この凹設部９は注型材料５で充填されていて、前記注型材料５は成分としてガラスと蛍光体顔料とを含有する。この蛍光体顔料は、例えばＹＡＧ：Ｃｅを含む複数の顔料からなる混合物である。これとは別のものはＴｂＡＧ：Ｃｅである。この製造は方法１又は２によって行う。
【００２９】
図２中のＲＥＭ写真は、固体の蛍光体−ガラス複合体の研磨した横断面を示す。この製造は、方法１により、より詳しくは、ガラス粉末と蛍光体粉末との集中的な混合及び引き続く１０００℃で１時間の焼結により行った。
【００３０】
このＲＥＭ写真は、第１にガーネット蛍光体が空隙なしでガラスによって密に取り囲まれていることを示し、第２にガラス中にＹＡＧ粒子が溶解することなしでガラス中でのＹＡＧ粒子の高い密度を達成することができ、かつこれは異なる形状及び粒度の蛍光体粒子に対して可能であることを示す。この画像は一例にすぎず、ガラス中のＹＡＧ粒子の密度、蛍光体粒子の粒度、粒度分布又は粒子形状に関して制限するものではない。これらは一般に自由に選択しかつ構造に依存して最適化することができる。
【００３１】
図３のＲＥＭ写真は、方法３により製造される蛍光体−ガラス−複合材料コンバーターを示す。この方法を用いて、高い蛍光体含有量を有する極めて薄い層を製造できることが認識できる。この場合でも、蛍光体粒子は空隙なしにガラスによって緻密に取り囲まれている。特にガラス中に気泡は含まれていない。
【００３２】
他の実施態様は、チップの前方に適切に製造されたガラスプレートが配置されているＬＥＤである。図４の場合には、この光源は、第１の及び第２の電気的端子２，３を備えた、ピーク発光波長４６０ｎｍのＩｎＧａＮタイプの半導体デバイス（チップ１）が示され、前記半導体デバイスは光不透過性の基体ケーシング８中の凹設部９の範囲内に埋め込まれている。端子の一方３は、ボンディングワイヤ１４を介してチップ１と接続している。この凹設部は壁部１７を有し、この壁部はチップ１の青色の一次放射線のためのリフレクタとして利用される。この凹設部９は注型材料５で充填されていて、前記注型材料は主成分として浸漬液を含有する。この前方には、方法３又は４のいずれかの方法により、下側にＹＡＧ：Ｃｅを含めた顔料を備えるように製造されたガラスプレート８が配置されている。
【００３３】
マトリックスとして、低い軟化温度を有しかつ軟化温度で粘度の変化が比較的僅かな高屈折率のガラスが有利である。所定の温度から蛍光体層がガラスプレート内へ拡散して入り込み、この蛍光体層は機械的にもはや除去できない。
【００３４】
気泡の封入を抑制するために、ガラス粉末は加工の前に熱処理にさらすのが有利である。これとは別の方法は、溶融プロセスを少なくとも１２００℃の温度に上昇させることである。極めて良好な均質化のために、１４００〜１５００℃の温度が推奨される。典型的な均質化法及び清澄法は、
−  熱的清澄：温度を１５９０℃まで上昇；
−  機械的撹拌又は超音波；
−  付加的ガスを槽底部内に導入；
−  意図的に大きな気泡を作成することによる化学的清澄；典型的な清澄剤はこの場合Ｎａ2ＳＯ4；この場合少なくとも１３００℃の温度で実施するのが好ましい。一般に、できる限り僅かな温度上昇が必要な方法を適用するのが常に好ましい。
【００３５】
特に適したガラスの例は、ランタンクラウン、ランタン重フリント、バライト重フリント並びに、特にランタンフリント及びバライトフリントである。
【００３６】
次の表１は２つの具体的実施例を示す。この組成はパーセントで記載される。
【００３７】
第１の実施例は次のようである：ＹＡＧ：Ｃｅ粉末（ｄ50約２μｍ）及びショット（Schott 8532）ガラス粉末を、質量比１：３で遠心力回転ミキサー中で３０００ｒｐｍで混合する。この混合物を白金坩堝中で３０分間７８０℃で空気中で加熱し、次いで水浴中で室温に急冷する。黄色の物体色を有するガラス体が形成される。この表面を平坦に研磨する。
【００３８】
第２の実施例は次のようである：ＹＡＧ：Ｃｅ粉末（ｄ50約２μｍ）及びビスマス−ホウ酸塩−ガラス粉末（Ｂｉ2Ｏ3  ３０％）を、質量比１：３で遠心力回転ミキサー中で３０００ｒｐｍで混合する。この混合物を白金坩堝中で３０分間７００℃で空気中で加熱し、次いで水浴中で室温に急冷する。この表面を平坦に研磨する。
【００３９】
第３の実施例  ＹＡＧ：Ｃｅ粉末（ｄ50約６μｍ）及びショット（Schott 8532）ガラス粉末を、質量比１：３で遠心力回転ミキサー中で２７００ｒｐｍで混合する。この混合物をエタノール中に懸濁させる。それにより、ショット（Schott 8532）ガラスからなる薄い平坦なガラス小片を被覆する。エタノールを５０℃で空気中で蒸発させる。被覆されたガラス小片を、Ｐｔ坩堝中で７８０℃で３０分間空気中で加熱し、引き続きゆっくりと室温に冷却する。横断面のＲＥＭ写真を図３に示す。
【００４０】
【表１】
2008541465.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】白色光の光源（ＬＥＤ）として用いられる半導体デバイスを示す。
【図２】方法１により製造された蛍光体−ガラス−複合材料のＲＥＭ写真を示す。
【図３】方法３により製造された蛍光体−ガラス−複合材料のＲＥＭ写真を示す。
【図４】ＬＥＤの他の実施例を示す。
【図１】
2008541465.tif 000004
【図２】
2008541465.tif 000005
【図３】
2008541465.tif 000006
【図４】
2008541465.tif 000007
【国際調査報告】
2008541465.tif 000008
2008541465.tif 000009
2008541465.tif 000010
2008541465.tif 000011
2008541465.tif 000012
2008541465.tif 000013