(57)【要約】  本発明は、波長を変換する変換材料（４）と、変換材料（４）が導入されているマトリックス材料（３）と、マトリックス材料（３）及び変換材料（４）が直接配置されている基板（２）とを備える変換エレメント（１００）に関する。マトリックス材料（３）は、下記群：水ガラス、金属ホスフェート、リン酸アルミニウム、リン酸一アルミニウム、修飾リン酸一アルミニウム、アルコキシテトラメトキシシラン、テトラエチルオルトシリケート、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、チタンアルコキシド、シリカゾル、金属アルコキシド、メタロキサン、金属アルコキサンから選択される１以上の縮合ゾルゲル材料を含む。変換エレメント（１００）は、レーザ光源（１）のビーム経路に配置されており、且つレーザ光源（１）に対して機械的に不動な状態で載置されており、レーザ光源（１）は、その放射線が変換エレメント（１００）に対して動的となるように配置されている。【選択図】  図１
2020511686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長を変換する変換材料（４）と、
前記変換材料（４）が導入されているマトリックス材料（３）と、
前記マトリックス材料（３）及び前記変換材料（４）が直接配置されている基板（２）とを備える変換エレメント（１００）であって、
前記マトリックス材料（３）は、下記群：
水ガラス、金属ホスフェート、リン酸アルミニウム、リン酸一アルミニウム、修飾リン酸一アルミニウム、アルコキシテトラメトキシシラン、テトラエチルオルトシリケート、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、チタンアルコキシド、シリカゾル、金属アルコキシド、メタロキサン、および金属アルコキサン
から選択される１以上の縮合ゾルゲル材料を含み、
前記変換エレメント（１００）は、レーザ光源（１）のビーム経路に配置されており、
前記変換エレメント（１００）は、レーザ光源（１）に対して機械的に不動な状態で載置されており、
前記レーザ光源（１）は、その放射が、前記変換エレメント（１００）に対して動的となるように配置されている、変換エレメント（１００）。
【請求項２】
前記マトリックス材料（３）はリン酸アルミニウム、リン酸一アルミニウム、修飾リン酸一アルミニウム又は水ガラスを含み、
前記変換材料（４）は、レーザ光源（１）の放射線を吸収することができ、且つこの放射線を少なくとも部分的に異なる波長の放射線に変換することができ、前記変換エレメント（１００）はサファイア基板（２）上にデポジットされたものであり、前記基板（２）は前記変換材料（４）により放出又は吸収される放射線のビーム経路に配置されている、請求項１に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項３】
前記変換材料（４）及び前記マトリックス材料（３）は、それぞれ無機的に形成されたものである、請求項１または２に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項４】
前記マトリックス材料（３）は、縮合ゾルゲルを１０〜６５体積％又は５〜４０重量％の割合で含み、前記変換材料に対する屈折差は０．２超である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項５】
前記レーザ光源（１）の放射線は、主波長４３０ｎｍ〜４７０ｎｍの放射線を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項６】
前記マトリックス材料（３）は、シリコーン及び／又はエポキシを含まない、請求項１〜５のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項７】
前記マトリックス材料（３）は、リン酸アルミニウム、リン酸一アルミニウム又は修飾リン酸一アルミニウムからなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項８】
前記マトリックス材料（３）は、水ガラス及び化学硬化剤からなる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項９】
前記マトリックス材料（３）は、少なくともリチウム水ガラス、ナトリウム水ガラス、カリウム水ガラス又はこれらの混合物を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項１０】
前記変換材料（４）は、前記レーザ光源（１）の放射線を吸収でき、且つこれをより長波長の異なる放射線に変換し、放出することのできる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項１１】
前記変換材料（４）は、前記レーザ光源（１）の放射線を完全に吸収し、これをより長波長の異なる波長で放出することのできる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項１２】
、前記変換エレメント（１００）から出る総放射線が、前記レーザ光源の放射線と変換された放射線とで構成されるように、前記変換材料（４）は前記レーザ光源（１）の放射線を部分的に吸収することのできる、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項１３】
前記レーザ光源（１）の放射は、その動作中に、透過性基板を経由して前記変換エレメントに衝突する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項１４】
前記変換材料（４）は、下記群：
ガーネット、オルトシリケート、ニトリドシリケート
から選択される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項１５】
最大層厚４０μｍの層として形成されている、請求項１〜１４いずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項１６】
作動中に放射線を発するレーザ光源（１）と、
基板（２）とマトリックス材料（３）との間に配置された二色性積層体を備えた、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）と
を備えた、オプトエレクトロニクス部品であって、
前記レーザ光源（１）の放射線の少なくとも一部が前記基板及び前記二色性積層体を透過し、前記変換材料（４）が透過した放射をより長波長の異なる放射線に変換し、変換された放射線が前記二色性積層体で反射される、オプトエレクトロニクス部品。
【請求項１７】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）の製造方法であって、
Ａ）マトリックス材料（３）を提供する工程と、
Ｂ）波長を変換する無機の変換材料（４）を前記マトリックス材料（３）に導入する工程であって、前記マトリックス材料（３）は、縮合された、１５０℃〜４００℃の温度でゾルゲル法にて製造されたものであり、前記マトリックス材料（３）は下記群：
水ガラス、リン酸一アルミニウム、修飾リン酸一アルミニウム、金属ホスフェート、リン酸アルミニウム、アルコキシテトラメトキシシラン、テトラエチルオルトシリケート、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、チタンアルコキシド、シリカゾル、金属アルコキシド、メタロキサン、金属アルコキサン
から選択されたものである工程と、
Ｃ）前記マトリックス材料及び前記変換材料を基板に直接適用する工程と
を含む、製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は変換エレメントに関する。本発明は更にオプトエレクトロニクス部品に関する。本発明は更に変換エレメントの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆるＬＡＲＰ（レーザ賦活リモート蛍光体）には高輝度値を達成することが必須である。更に重要なことは、小スポットの拡大［即ち、励起レーザビームの照明領域（励起領域）に対する変換放射の照明領域（例えば、最大の１／ｅ2値）をどの程度まで増加するか］、照明領域と非照明領域とのコントラスト（例えば配向可変スポットライト）、変換体表面及びビーム角度に亘る色の均一性、効率、及び／又は（例えば部品の長寿命を保証するために湿度、放射線、温度、化学的影響等に対する）安定性である。
【０００３】
本明細書に記載の「ＬＡＲＰへの応用」とは、１以上のレーザビームを含むレーザ光源を使用して、光源として使用可能な変換エレメントを作成することを意味する。これは、レーザ光の一部が残存することによって全発光に寄与する可能性を排除しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、ＬＡＲＰへの応用に適した、特にＬＡＲＰへの応用において安定な、変換エレメント、即ち高輝度な変換エレメントを提供することにある。本発明の更なる目的は、ＬＡＲＰへの応用に適したオプトエレクトロニクス部品を提供することにある。本発明の更なる目的は、安定な変換エレメントを製造するための変換エレメントの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
これらの目的は独立請求項１の変換エレメントによって達成される。本発明の有利な実施形態及び更なる展開は従属請求項の主題である。更に、これら目的は請求項１６のオプトエレクトロニクス部品及び請求項１７の変換エレメントの製造方法によって達成される。
【０００６】
一以上の実施形態において、本変換エレメントは１又は１以上の波長変換機能を有する変換材料を備える。本変換エレメントは１以上のマトリックス材料を備える。この１以上の変換材料はマトリックス材料に導入又は埋入される。本変換エレメントは基板を有する。この１以上のマトリックス材料と１以上の変換材料は基板上に、特に直接配置される。ここで「直接」とは、マトリックス材料及び／又は変換材料と基板との間に更なる層又は素子が配置されていないことを意味する。言い換えれば、本変換エレメントは接着剤なしに基板に結合させることができる。従って、本変換エレメントは、他の接着材を介して基板に結合していない。この基板は、例えば基材のコーティングを形成するような他層を有してもよい。このコーティングは二色性を有するように形成することができる。追加的に或いは代替的に、本基板は反射防止コーティングを有することができる。
【０００７】
このマトリックス材料は、次の群：水ガラス、金属ホスフェート、リン酸アルミニウム、リン酸一アルミニウム、修飾リン酸アルミニウム、アルコキシテトラメトキシシラン、テトラエチルオルトシリケート、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、チタンアルコキシド、シリカゾル、金属アルコキシド、メタロキサン、金属アルコキサンから選択される１以上の縮合ゾルゲル材料を含むか、或いはそれのみからなる。本変換エレメントはレーザ又は光源のビーム経路に配置される。
【０００８】
本変換エレメントは、レーザ光源又は光源に対して機械的に不動な状態で載置することができる。ここで「機械的に不動な状態で」とは特に、変換エレメントとレーザ光源との相対的空間位置が変化しないことを意味する。このレーザ光源は、変換エレメントに対して空間的に変化しない方向に１以上のレーザビームを含むことができる。或いは、本レーザ光源は好ましくは一次ビームガイド光学素子を含み、ビームの方向を変化可能な１以上のレーザビームを有することができる。ビームの方向の変更は各種異なる技法により達成できる。例えば、これにはＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）素子又はピエゾドライブだけでなく多角形ミラー／回転ロールが含まれる。しかし、「ボイスコイルアクチュエータ」等のＣＤやブルーレイプレーヤに利用される通常の技術も利用することができる。一般に、全ての技法は一次光学素子と共に変換体に亘ってレーザビームをスキャンさせることができるよう利用できる。この変換体は、伝達的構成又反射的構成として利用することもできる。前述の変換体素子は、ＬＡＲＰシステムをスキャンするシステムにおける、特にＡＭ（自動化）のフィールドにおける技法と共に利用することができることが特に有利である。これらシステムの詳細を以下に記す。
【０００９】
この偏向は、ミラー及び／又はレンズ等の１以上の光学素子の動きにより好ましくは又は限定的に起こる。
【００１０】
特に、レーザ光源は、その放射が変換エレメントに対して動的になるように配置される。
【００１１】
本発明者らは、本明細書記載の変換エレメントをＬＡＲＰアセンブリで使用すると、シリコーンやエポキシド等の有機マトリックス材料を備える従来の変換エレメントと比較して、放熱、放射線及び温度に対する安定性が向上することを見出した。
【００１２】
マトリックス材料中に変換材料を多量に含む非常に薄い層を製造することができる。本変換エレメントは高い光散乱を示すことができ、好ましくは無機材料のみから構成される。本変換材料およびマトリックス材料は光透過性の基板に配置されることが好ましい。言い換えれば、本マトリックス材料には本変換材料を高濃度に充填することができ、非常に薄い層として形成される。更に、本変換エレメントは本材料の層中の孔及び屈折率差において散乱を示すことができる。本マトリックス材料は本変換材料と共に特に層として形成され、基板に直接適用できる。即ち、有機接着剤層や無機接着剤層を追加することなく適用できる。
【００１３】
従来知られているＬＡＲＰへの応用向けの変換エレメントには、スポットの拡大及び／又は低コントラストの問題点ある。しかし、これらパラメータは、例えばヘッドライトにおける変換エレメントの使用等の自動車向けの応用、特に「グレアフリーＨＢ」としても知られるＡＤＢ（advanced driving beam、即ち、配向可変ヘッドランプ）システム向けの応用には非常に重要である。これらシステムは、上述のビーム方向偏向技術の一つを利用して実現可能である。ここでは、変換エレメント全体を１以上のレーザビームでスキャンする。これは１次元又は２次元で行われる。この結果として生じる変換光の局所分布は、二次光学部品により離れた場にイメージ化される。レーザドライバとレーザビーム偏向素子を同期させることにより、スイッチオフ及び／又はレーザ（従って、ある領域での変換光分布も）を暗くすることを含め、狙った光分布の制御が可能である。これは、他のロードユーザー（対向車、先行車等）をフェードアウトするのに利用できる。これらがヘッドライトの視界から消えると、直ぐに、脱グレアゾーンが再度完全に照らされる。特に垂直方向と水平方向の脱グレア領域における性能を向上させるためには、スポットライトの拡大とコントラストの問題とを最適化する必要がある。本発明で達成する有利な点を示す実例と測定データを、対応する図面に示す。法規制については、良く知られているＥＣＥ−Ｒ  １２３基準、例えばヘッドライトにおける変換エレメントの使用を参照されたい。
【００１４】
また、すれちがい灯（dimmed headlights）やフォグライト等の他の光分布は、ＥＣＥ−Ｒ  １９及びＥＣＥ−Ｒ  １１２の法的要件を満たすために垂直方向に十分なシャープさとコントラストが必要である。
【００１５】
一以上の実施形態によれば、本変換エレメントは波長変換機能を有する１以上の変換材料を備える。この変換材料は、第１主波長（及び適用可能であれば周囲の分光範囲）を有する放射線を吸収し、好ましくは第１主波長より大きい第２主波長（及び適用可能であれば周囲の分光範囲）を有する放射線に変換する。この主波長は当業者には知られているため、この点は詳細に説明しない。波長変換性を有する無機材料は、変換材料として好ましく使用できる。例えば、ガーネット、オルトシリケート及び／又はニトリドシリケート等の良く知られている蛍光体は変換材料に適している。変換材料の材料としては次の例が挙げられる。
（Ｙ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｌｕ）３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅ３＋
（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ，Ｍｇ）２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ２＋
（Ｃａ，Ｓｒ）８Ｍｇ（ＳｉＯ４）４Ｃｌ２：Ｅｕ２＋
（Ｓｒ，Ｂａ，Ｌｎ）２Ｓｉ（Ｏ，Ｎ）４：Ｅｕ２＋（Ｌｎ：ランタニドの１以上の元素）
（Ｓｒ，Ｂａ）Ｓｉ２Ｎ２Ｏ２：Ｅｕ２＋
（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋
（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋
（Ｓｒ，Ｃａ）Ｓ：Ｅｕ２＋
（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ）２（Ｓｉ，Ａｌ）５（Ｎ，Ｏ）８：Ｅｕ２＋
（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ）３ＳｉＯ５：Ｅｕ２＋
α−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ２＋
β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ２＋
Ｃａ（５−δ）Ａｌ（４−２δ）Ｓｉ（８＋２δ）Ｎ１８Ｏ：Ｅｕ２＋  及び
他の蛍光体、量子ドット等の発光材料、有機染料又は発光ガラス。
【００１６】
一以上の実施形態によれば、本変換材料及び／又はマトリックス材料は、ドクターブレード法、スクリーン印刷、孔版印刷、分散、スプレ―コーティング、スピンコーティング、電気泳動デポジション又はこれら異なる方法の組み合わせによって基板上に設けることができる。
【００１７】
一以上の実施形態によれば、本変換エレメントは基板を備える。この基板は透光性又は透明に形成することができる。本記載および後述において、内部透過度が９０％超、好ましくは９５％超、特に好ましくは９９％超、特に一次放射線（レーザ）の波長範囲内であれば、基板は透明であることを意味する。ここで内部透過度とは、表面での反射（フレスネル反射）のない透過を意味する。
【００１８】
また、この基板は反射的になるように形成することができる。好ましくは、特に一次放射線及び／又は二次放射線の波長範囲内で反射率が０．９５〜１である。
【００１９】
下記群から選択される材料を基板として用いることができる：サファイア、セラミック、ガラス、ガラス様材料、ガラスセラミック、他の光透過性又は透光性材料。また、この基板は次の材料を含むことができる：酸化アルミニウム、多結晶酸化アルミニウム、セラミック、アルミニウム、銅、金属、塗布コーティング系（例えば銀又は二色性コーティング）を有する高反射アルミニウム、又はこれらの組み合わせ。反射材（reflective）が形成された基板は、いわゆる反射ＬＡＲＰ及び透過ＬＡＲＰ用の透明基板に適している。
【００２０】
一以上の実施形態によれば、本基板の熱伝導度は高く、０．２Ｗ／（ｍ＊Ｋ）超、好ましくは０．５Ｗ／（ｍ＊Ｋ）以上、特に好ましくは０．７Ｗ／（ｍ＊Ｋ）以上又は１．０Ｗ／（ｍ＊Ｋ）以上である。更にこの基板は水分、放射線及び／又は温度に対して優れた抵抗性を有することができ、自動車への応用には特に有利である。例えばこの基板は、例えば８５℃、相対湿度８５％、１０００時間以上における湿度試験後、透過性及び反射性に目立った変化を示さない。特に、「目立った変化がない」とは、第１及び／又は第２の波長領域において変化が観測されないか、或いは５％以下の劣化を意味する。同様のことは、１８０℃以上、好ましくは２００℃以上で１時間以上、好ましくは５時間以上、理想的には１０時間以上における長期温度抵抗性、更には放射線抵抗性に対しても適用される。ダイヤモンドの熱伝導度は約２３００Ｗ／ｍ＊Ｋである。サファイアの熱伝導度は約４０Ｗ／ｍ＊Ｋである。両者共、透明材料に非常に好適である。ガラスの熱伝導度は約０．７５Ｗ／ｍ＊Ｋであり、材料に依存する。
【００２１】
本基板は構造化することができる。例えば、基板は、構造化サファイア基板であってもよいし、基板表面に形成された１以上のマイクロレンズとして形成してもよい。本基板は表面に光子結晶格子を備えることができる。これは、特に光インカップリング及び／又はデカップリングに対して有利であり、効率を上げる。一方、アングル発光特性や単一方向又は数方向のビーム形成の改善が達成され得る。基板表面は粗化、サンドブラスト処理、研削、研磨又はエッチングにより調整することができる。
【００２２】
本基板はコーティングを備える。このコーティングは、例えば光デカップリングを増強するための散乱層を備えることができる。
【００２３】
一以上の実施形態によれば、本変換エレメントはコーティングを備える。このコーティングはマトリックス材料に従属する。このコーティングは封止とも称される。封止とは、水分等の環境的影響に対する保護を意図している。
【００２４】
本基板は、二色性又は干渉性のコーティング等の機能性コーティングを備えることができる。これらコーティングは、ある波長範囲を透過又は反射する等の反射防止性やフィルタ性を有することができる。いわゆる透過ＬＡＲＰへの応用においては、二色性コーティングを用いることが好ましく、これはレーザ光源からの発光の殆どを透過し、変換材料の発光の殆どを反射する。二色性コーティング又は積層体が基板とマトリックス材料の間に配置され、基板側からのレーザビームによる励起が起こるとすれば有利である。このように、励起レーザビームの透過が増加され、基板方向において放出又は散乱した変換光の大部分が前方に再度反射されるため、更に高い効率が達成される。
【００２５】
この二色性コーティングは、マトリックス材料を含む層に対向するサファイア側に設けることができる。通常、システムにおける放射線の波長依存性変化及び方向依存性変化に対する干渉を利用する目的で、二色性コーティングは屈折率の異なる複数の薄層からなる。ここで、二色性コーティングの主な機能は二つある。一つは、入ってくるレーザ放射の高い透過を保証することであり、もう一つは変換エレメントから来る変換光の高い反射を保証することである。より多くの光が所望の頂上半球（top hemisphere）で使われることになり得るため、どちらの効果も、インバータシステムの効率と有効性を増加させる。この機能は当業者に知られているので、ここでは詳細に説明しない。
【００２６】
上記の代わりに、または上記に加えて、上述の二色性コーティングは、基板の任意の更なる外面及び／又は端面及び／又は基板から離れて対向する変換エレメントの面に配置することができる。この基板は他の構造を有することができる。例えば、基板は構造化されてもよい。
【００２７】
一以上の実施形態によれば、本変換材料はレーザ光源の放射線を吸収し、これをより長波長の異なる放射線に変換し、これを放出することができる。
【００２８】
この変換材料はレーザ光源の放射線、特に１以上のレーザビームを完全に吸収することができ、これをより長波長の異なる放射線として放出することができる。言い換えれば、いわゆる完全変換が起こり、レーザ光源の放射線の寄与は、生じる総放射線に対してゼロ或いは５％未満までとなる。
【００２９】
また、本変換材料はレーザ光源の放射線を部分的に吸収することができ、変換エレメントから出る総放射線がレーザ放射線と変換放射線とで構成される。これは部分コンバージョンとも称される。総放射線は白色光となり得る。
【００３０】
一以上の実施形態によれば、マトリックス材料中の変換材料の含有割合は５０重量％超、好ましくは６０重量％超、更に好ましくは６５重量％超又は７０重量％超又は７５重量％超又は８０重量％超又は８５重量％超又は９０重量％超又は９５重量％超である。マトリックス材料中の変換材料の体積分率は、例えば１０又は２０体積％超、好ましくは３０体積％超、より好ましくは３５体積％超又は４０体積％超又は４５体積％超又は５０体積％超又は５５体積％超又は６０体積％超又は６５体積％超又は７０体積％超又は７５体積％超とすることができる。例えば体積分率は４０体積％〜８５体積％であり、質量分率は６０重量％〜９０重量％である。こうすることで、非常に薄く形成され、高濃度の変換材料を含む変換エレメントが提供できる。変換エレメントにおけるマトリックス材料の割合は、例えば最大７０体積％、好ましくは最大６５体積％、更に好ましくは最大６０体積％又は最大５５体積％又は最大５０体積％又は最大４５体積％又は最大４０体積％又は最大３５体積％又は最大３０体積％又は最大２５体積％又は最大２０体積％又は最大１５体積％又は最大１０体積％又は５最大体積％である。これを例えば変換エレメント中のマトリックス材料の重量分率とすると、最大６０重量％、好ましくは最大５５重量％、より好ましくは最大５０重量％又は最大４５重量％又は最大４０重量％又は最大３５重量％又は最大３０重量％又は最大２５重量％又は最大２０重量％又は最大１５重量％又は最大１０重量％又は最大５重量％に相当する。例えばマトリックスの体積分率は１０体積％〜６５体積％であり、質量分率は５重量％〜４０重量％である。
【００３１】
一以上の実施形態によれば、本変換エレメントのマトリックス材料の有孔率は０．１体積％超又は１体積％超又は２体積％超又は５体積％超又は１０体積％超、好ましくは１５体積％超、より好ましくは２０体積％超又は２５体積％超又は３０体積％超又は３５体積％超又は４０体積％超又は４５体積％超又は５０体積％超である。
【００３２】
一以上の実施形態によれば、縮合ゾルゲルのマトリックス材料中の変換材料の割合は１０〜６５体積％又は５〜４０重量％である。上記の代わりに、または上記に加えて、変換材料に対する屈折差は０．２超である。
【００３３】
一以上の実施形態によれば、本変換エレメントは有機染料等の有機変換材料、或いは量子ドットも含むことができる。
【００３４】
一以上の実施形態によれば、本変換素子は光散乱性粒子やフィラーを含む。この光散乱性粒子やフィラーは例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、二酸化チタン、二酸化ケイ素、二酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、他のセラミックと、ガラス粒子、金属酸化物又は他の無機粒子であってもよい。この光散乱性粒子やフィラーは、例えば球状、ロッド状又は円板状の種々の形状を有することができる。ここで、粒径は数ナノメーターから数十マイクロメーターとすることができる。粒子がより小さければ、コーティングの際の懸濁液の粘度の調整に使うことができる。粒子が大きければ、コンパクトな変換エレメントの作成に、及び／又は放熱、湿度耐性又は厚みの均一性の改善に寄与することができる。この散乱は異なっていてもよい、及び／又は機械的安定性が改善されてもよい。
【００３５】
一以上の実施形態によれば、本変換エレメントは光散乱性粒子又はフィラーを含む。この光散乱性粒子又はフィラーとして、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、硫酸バリウム、窒化ホウ素、酸化マグネシウム、二酸化チタン、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ＹＡＧ、オルトシリケート、酸化亜鉛又は二酸化ジルコニウム、またＡｌＯＮ、ＳｉＡｌＯＮ或いはこれらの組み合わせ又は誘導体、他のセラミック又はガラス粒子、金属酸化物又は他の無機粒子を挙げることができる。この光散乱性粒子又はフィラーは、例えば球状、ロッド状又は円板状の異なる形状を有し、粒径は数ナノメーターから数十マイクロメーターの範囲内であり得る。
【００３６】
一以上の実施形態によれば、本変換エレメントは添加剤を含む。添加剤は、例えばシペルネート等のシリカやアエロジルであり得る。このように、懸濁液の粘度は調節でき、液体固体各成分の比を調節することができる。
【００３７】
一以上の実施形態によれば、本変換エレメントは数層から製造することができる。これらの層の層厚、緻密度、マトリックス材料、変換材料、散乱体及び／又はフィラーは異なっていてもよい。
【００３８】
一以上の実施形態によれば、本変換エレメントはマトリックス材料を含む。この変換材料はマトリックス材料に添加され、好ましくは分散される。この変換材料はマトリックス材料中に均一に分散することができる。また、この変換材料は、マトリックス材料において濃度勾配、例えばマトリックス材料中のレーザ光源から離れる方向へ、変換材料の濃度増加を伴うことができる。例えば、大き目の粒子は基板に近いところに配置され、小さ目の粒子は変換エレメントの表面（即ち、基板から離れて対抗する面）に配置することができる。これにより、バック散乱、特に青色光が減少する、即ちレーザビームからの発光を低減することができる。
【００３９】
一以上の実施形態によれば、本変換材料及び／又はマトリックス材料はそれぞれ無機材料からなる。この変換材料は好ましくは、変換体材料としての有機染料を含まない。好ましくは、このマトリックス材料は有機材料を含まない。
【００４０】
一以上の実施形態によれば、本マトリックス材料は１以上のゾルゲル材料を含むか、それのみからなる。本記載、および後述において、「ゾルゲル材料」とは、ゾルゲルプロセスにより製造された材料を意味する。ゾルゲルプロセスは、コロイド性分散液（いわゆるゾル）から無機材料又はハイブリッドポリマー材料を製造するための方法である。出発物質は前駆体材料とも呼ばれる。第１の基本的反応において、溶液中の出発物質から微粒子を生成する。更なる特別なゾルプロセスによって、粉体、ファイバー、層又はエアロゲルを製造することができる。ゾルゲルプロセスに必須の基本的なプロセスは、前駆体材料の加水分解と、加水分解によって製造された反応性種の間の縮合である。ゾルゲルプロセスは当業者には十分よく知られているので、ここで詳細に説明しない。
【００４１】
ゾルゲル材料は縮合可能である。これはこのゾルゲル材料が縮合により製造されることを意味する。
【００４２】
一以上の実施形態によれば、このゾルゲル材料は下記群から選択されるものである。水ガラス、リン酸一アルミニウム、修飾リン酸アルミニウム、金属ホスフェート、リン酸アルミニウム、アルコキシテトラメトキシシラン、テトラエチルオルトシリケート、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、チタンアルコキシド、シリカゾル、金属アルコキシド、メタロキサン、金属アルコキサン。
【００４３】
一以上の実施形態によれば、本マトリックス材料は、リン酸アルミニウム、リン酸一アルミニウム又は修飾リン酸一アルミニウムからなる。また、本マトリックス材料は、水ガラス、又は水ガラス＋化学硬化剤からなる。水ガラスは、ガラス質（即ちアモルファス）で水溶性のナトリウム、カリウム及び／又はリチウムのシリケートであって、メルトや水溶液を固化したものと定義される。従って、水ガラスは特に多孔性等の性質に関して通常のガラスとは異なる。
【００４４】
本マトリックス材料は、少なくともリチウム水ガラス、ナトリウム水ガラス、カリウム水ガラス又はこれらの混合物からなるか、或いはこれらアルカリ水ガラスを含む。本発明者らは、リチウム水ガラスとカリウム水ガラスとを組み合わせた場合に、マトリックス材料として特に優れた性質が得られることを見出した。リチウム水ガラスとカリウム水ガラスの比は１：３〜３：１が好ましい。特に、リチウム水ガラスとカリウム水ガラスの比は１：３、１：１又は３：１であり、好ましくは１：１である。
【００４５】
例えばアルカリ水ガラスのモジュールは１．５〜５、好ましくは２．５〜４．５とすることができる。
【００４６】
一以上の実施形態によれば、本マトリックス材料は水ガラスおよび化学硬化剤からなる。この結果、産物である炭酸アルカリ以外に更なる副生成物が生じる。リン酸系硬化剤の場合、副生成物はリン酸アルカリであろう。
【００４７】
一以上の実施形態によれば、本マトリックス材料は有機材料を含まない。本マトリックス材料はシリコーン及び／又はエポキシを含まないことが好ましい。シリコーンやエポキシドは青色光の下で分解することから、このことは有利である。ＬＡＲＰへの応用においてよく見られるように、シリコーンやエポキシドは、特に高温及び放射密度の高い青色光や短波長光の影響下で分解する。従って、シリコーン及び／又はエポキシが含まれるならば、本マトリックス材料は不可逆的に分解し得る。これは、スキャニングＬＡＲＰにおいて光偏向素子の不具合をもたらすため特に重要であり、その結果、スポットが数倍過剰に存在する変換体の部分において平均青色出力密度が上昇する。
【００４８】
一以上の実施形態によれば、本マトリックス材料はリン酸アルミニウム、リン酸一アルミニウムまたは修飾リン酸一アルミニウム、若しくは水ガラスを含み、本変換材料はレーザ光源の放射線を吸収することができ、且つこの放射線を少なくとも部分的に異なる波長の放射線に変換することができ、本変換エレメントはサファイア基板上にデポジットされたものであり、この基板は変換材料により放出又は吸収された放射線のビーム経路又はレーザ放射線のビーム経路に配置される。
【００４９】
一以上の実施形態によれば、本マトリックス材料は追加的に化学硬化剤を含む。化学硬化剤（好ましくはホスフェート）を添加し、例えば水ガラスでは１５０℃〜３５０℃でマトリックス材料を硬化することにより、湿度に対して非常に安定な変換エレメントを製造することができる。特に、この変換エレメントは、８５℃、相対湿度８５％で１０００時間の試験期間の湿度試験において高い安定性を有することが示された。リン酸アルミニウム、リン酸一アルミニウム又は修飾リン酸一アルミニウムには化学硬化剤が添加されないことが好ましい。
【００５０】
本明細書に開示するリン酸アルミニウム、リン酸一アルミニウム又は修飾リン酸一アルミニウムは、好ましくはＰに対するＡｌのモル比が１：３〜１：１．５であり、特に３００℃〜４００℃で硬化する。この溶液は更に元素又は化合物、好ましくは最大１ｍｏｌ％のアルカリ化合物及びハロゲン化合物を含むことができる。
【００５１】
本発明者らは、水ガラス又はリン酸アルミニウム又はリン酸一アルミニウム又は修飾リン酸一アルミニウムを用いた場合、アルコキシシラン（ＴＥＯＳ）、アルコキシド、アルコキサン等の有機マトリックス材料又は有機ゾルゲル材料に比べ、低温で硬化可能で長期間安定な無機マトリックス材料から変換エレメントを製造可能であることを見出した。低温での硬化は、基板又は封止材や、例えば二色性コーティング等の他のコーティングのダメージを防ぐ観点から有利である。埋め込みプロセスにおける蛍光体の永久又は継続的なダメージも防止されるか、又は最小限となる。有機又は部分有機ゾルゲル材料の使用も可能であるが、これが好ましくないのは、このような低温では化学反応が完結しないためである。これにより変換素子の不安定性につながる可能性があり、その場合、寿命が短くなる。
【００５２】
一以上の実施形態によれば、本レーザ光源は、主波長が４１０〜４９０ｎｍ、好ましくは４３０〜４７０ｎｍ、特に好ましくは４４０〜４６０ｎｍである１以上のレーザビームを備える。また、２以上のレーザビーム、例えば６個のレーザビームはレーザ光源を形成することができ、変換体上に平行な積層体として共にガイドされる。波長が同一又は異なる１以上のレーザをレーザ光源として使用できる。
【００５３】
一以上の実施形態によれば、このレーザビームは青色スペクトル範囲の波長を含む。また、ＵＶ、緑色、黄色、橙色、赤色の各スペクトルの範囲から選択される波長等の他の波長も使用できる。
【００５４】
１以上の単純な実施形態によれば、作動中レーザ光源の放射線は変換エレメントに直接衝突する。言い換えれば、レーザ光源と変換エレメントの間に更なる層、素子、レンズ又は光学素子は配置されていない。しかし、通常、特に複数のレーザダイオードを用いる場合、第１の光学システムを利用してレーザ光をプレコリメートし、場合によってビームコンバイナで結合し、更にビーム経路を形成する。使用／設置スペースにもよるが、この第１の光学システム（optics）は、レンズ、レンズ積層体／アレイ等の通常の素子全て、或いは反射性光学素子を含むことができる。屈折性光学素子を使用することもできる。二色性ミラーを使用することもできる。これは複数の層から形成することができ、例えば、二酸化チタン層と二酸化ケイ素層との交互配列とすることができる。
【００５５】
更に、このシステムは変換体素子に対する反射性ＬＡＲＰとしても、透過性ＬＡＲＰとしても使用できる。反射性ＬＡＲＰとは、透過性ＬＡＲＰと異なり、レーザが変換媒体のレーザ放射の入口側とは反対の方向に出て行かず、そこで反射されてレーザ放射の元の入口側からも出ていくシステムを意味する。
【００５６】
一以上の実施形態によれば、本変換エレメントは層として形成され、部分コンバージョンのための最大層厚は７０μｍ、好ましくは最大６０μｍ、より好ましくは最大５０μｍ又は最大４５μｍ又は最大４０μｍ又は最大３５μｍ又は最大３０μｍ又は最大２５μｍ又は最大２０μｍである。フルコンバージョンのためには、形成される本変換エレメントの最大層厚は１５０μｍ、好ましくは最大１３０μｍ、より好ましくは最大１１０μｍ又は最大９０μｍ又は最大８０μｍ又は最大７０μｍ又は最大６０μｍ又は最大５０μｍ又は最大４０μｍである。
【００５７】
例えば、本変換エレメントの硬化後の層厚は１０〜３０μｍである。利点としては、本変換材料で発生する熱を容易に放散でき、スポットの拡大を最小限に抑えることができる。
【００５８】
本発明はまた、オプトエレクトロニクス部品に関する。このオプトエレクトロニクス部品は、本明細書に開示される変換エレメントを備えることが好ましい。本変換エレメントの定義と規格は全て本オプトエレクトロニクス部品にも適用され、逆も同様である。
【００５９】
一以上の実施形態によれば、この部品は、作動中に放射線を発するレーザ光源と、レーザ光源が発する放射線を少なくとも部分的に、より長波長の異なる放射線に変換する変換エレメントと、レーザ光源と変換エレメントの間に配置され、変換エレメントが発する放射線を少なくとも部分的に反射し、レーザ光源が発する放射線を透過する積層体とを備える。この変換エレメントは、二色性コーティングを備えることができる基板を備える。この二色性コーティングは、レーザ光源の光を主として垂直或いはほぼ垂直な入射角で伝達させることができる一方、例えばレーザ光が変換エレメントで後方散乱されて異なる角度で二色性ミラーに衝突する際に、より大きな角度で部分的に反射する。
【００６０】
この積層体は二酸化チタン及び二酸化ケイ素の各層から形成することができ、好ましくは交互配置される。この積層体はレーザ光源と変換エレメントの間に配置される。従って、変換エレメントが発する放射線は積層体により反射され、レーザ光源が発する放射線は積層体を通過することができる。また、この積層体はタンタル（Ｖ）酸化物及び二酸化ケイ素の各層から構成することができる。
【００６１】
一以上の実施形態によれば、このレーザ光源の放射が動的又は静的となるように変換エレメントに配置される。
【００６２】
一以上の実施形態によれば、このレーザ光源の放射は作動中に透過性基板を通して本変換エレメントに衝突する。
【００６３】
本発明はまた、オプトエレクトロニクス部品に関する。変換エレメントについて決められた規格及びその製造は全て本オプトエレクトロニクス部品にも適用され、逆も同様である。
【００６４】
一以上の実施形態によれば、このオプトエレクトロニクス部品は、
作動中に放射線を発するレーザ光源、および
基板（２）とマトリックス材料（３）との間に配置された二色性積層体を備える本明細書記載の変換エレメントを備え、
レーザ光源（１）の放射線の少なくとも一部が基板及び二色性積層体を透過し、変換材料（４）が透過放射線をより長波長の異なる放射線に変換し、変換された放射線が二色性積層体で反射される。
【００６５】
本発明はまた、変換エレメントの製造方法に関する。本明細書に記載の方法は、好ましくは本明細書に記載の変換エレメントの製造に利用される。本変換エレメントの定義と規格は全て本変換エレメントの製造方法にも適用され、逆も同様である。
【００６６】
一以上の実施形態において、この変換エレメントの製造方法は次の工程を含む。
Ａ）マトリックス材料を提供する工程と、
Ｂ）波長を変換する無機の変換材料を前記マトリックス材料の導入する工程であって、前記マトリックス材料は、縮合された、１５０℃〜４００℃の温度のゾルゲル法でで製造又は架橋されたものであり、前記マトリックス材料は下記群：水ガラス、金属ホスフェート、リン酸アルミニウム、リン酸一アルミニウム、アルコキシテトラメトキシシラン、テトラエチルオルトシリケート、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、チタンアルコキシド、シリカゾル、金属アルコキシド、メタロキサン、金属アルコキサンから選択されるものであり、
Ｃ）前記マトリックス材料及び変換材料を基板に直接適用する工程を含む。この基板は、前記マトリックス材料又は変換材料に直接配置された二色性コーティングを備えることができる。
【００６７】
本明細書記載の変換エレメントを用いて、より小さい発光スポットを作ることができる。これにより、照明の当たる表面と照明の当たらない表面とのより良いコントラストが実現する。これは、例えば、セラミック変換体と比べて低減された、散乱放射線又は照明表面周囲のハローやコロナ環境によって観察することができる。
【００６８】
これら有利な点は、特に自動車分野用のいわゆるスキャンニングＬＡＲＰシステムに応用することができる。更に、本明細書記載の変換エレメントは、セラミック変換体と比べて、より高い輝度を有することができる。他の変換エレメントを用いるとスポットの拡大が悪化しがちなので、意図しないハローやコロナ効果を避けるためには、追加的な開口によって変換エレメントの光領域を決定しなければならない。本発明によれば、スポットの拡大が小さいため、開口を省くことが可能であり、コスト削減につながる。
【００６９】
更に、熱放散が良好であるため、特に高いエネルギー密度及び／又は温度の部品にとっては効率上昇につながる。これにより変換材料の温度が低下し、通常は０．５Ｗ／（ｍ＊Ｋ）未満という非常に低い熱伝導率を有する有機マトリックス材料と比べて、本変換材料は熱的にクエンチされる。最大の作動性能及び／又は温度は、変換材料のいわゆる「熱ロールオーバー」が発生する以前、或いは変換エレメントが不可逆的なダメージを受ける前に向上することができる。
【００７０】
熱ロールオーバーは次のように発生する。
１．（例えば青色から黄色への変換時のストークス熱によって、量子効率が１００％未満であることによる損失によって、又は吸収によって）変換エレメントの作動中に発熱する。
２．高温において、大部分の変換材料が熱クエンチを受ける。即ち、温度が上がると量子効率が下がる。
３．熱クエンチによって、更に熱が発生し、更なる熱クエンチに繋がる。
４．レーザパワー（励起）の増加にもかかわらず、総放射線又は変換放射線が上昇し続けることなくむしろ低下する場合、熱ロールオーバーが発生する。
【００７１】
一以上の実施形態によれば、基板とマトリックス材料及び／又は変換材料との間に接着層が配置されない。言い換えれば、マトリックス材料は、変換材料と共に基板（上）に直接敷設又は結合することができる。例えば、基板上に直接コーティングすることができる。これに比べ、セラミック変換体は貼り付けなければならないが、接着剤の熱伝導率と最大熱弾性は低いことが多い。
【００７２】
本明細書記載の変換材料の製造は、基板に貼り付ける必要があるセラミック変換体、特に異なる無機変換材料類を一工程（スプレーコーティング又はドクターブレード法等）で生産する場合と比べて、安価である。これは、複数の素子を同時に処理することは、個々のセラミック変換体を貼り付ける場合と比較して、より容易且つ安価であることを意味する。更に、異なる変換材料（例えば、ドーパントやＡｌ／Ｇａ比やＬｕ／Ｙ比が異なるガーネット）又は変換材料の混合物を本明細書記載の変換素子に使用することができる。従って、本明細書記載の変換材料は、総放射線の色ロケーション（color location）や演色評価数（ＣＲＩ）を設定することに関して、セラミック変換体よりも柔軟度が高い。
【００７３】
一以上の実施形態によれば、本変換エレメントはヘッドライト等の自動車分野で使用することができる。また、本変換エレメントは、例えば投影装置、内視鏡又はステージ照明にも使用できる。
【００７４】
本変換エレメントはサファイアウエーハ上のコンポジットとして製造することができる。サファイアウエーハをコーティングした後、例えば切り出して（sawing）、素子を分離することができる。このようなプロセスは、均一性、収率を向上させ、且つプロセスコストを低減することができる。
【００７５】
一以上の実施形態によれば、２以上の変換材料をマトリックス材料に埋め込む。これにより、色ロケーションや演色評価数（ＣＲＩ）を調節することができる。例えば、緑色光変換材料と赤色光変換材料を組み合わせると、暖かみのある白色光が得られる。色ロケーションが変化すると、例えば雨、雪又は霧の際、ヘッドライトの視程又は車輛内の視程を変化させることができる。
【００７６】
一以上の実施形態によれば、本変換材料の平均粒子径は１〜２５μｍ、特に２〜１５μｍ、好ましくは３〜９μｍである。
【００７７】
一以上の実施形態によれば、本変換エレメントは賦活剤又はドーパントにより活性化される。ドーパント濃度は０．１％〜１０％、例えば（Ｙ０．９７Ｃｅ０．０３）３Ａｌ５Ｏ１２で３％とすることができる。ドーパントとして例えばランタニド又は希土類が使用可能であるが、ガーネット蛍光体には特にＣｅが使用される。
【００７８】
一以上の実施形態によれば、本変換エレメントはホールを含まない。ホールの存在は、変換や散乱なしに青色光を透過する細孔や他のホール等の変換エレメント中の不均質性を意味する。これは、例えば変換材料の粒子サイズ、ドーパント濃度、フィラーや散乱性粒子の添加、追加（好ましく無機）材料による細孔やホールの充填により影響を受ける可能性がある。コリメートされたレーザ光が本変換エレメントにより散乱又は変換される場合には、これは特に重要となる。
【００７９】
更なる利点、有利な実施形態及び更なる展開は、図面を参照して記載する以下の実施形態から得られる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】図１Ａ〜２Ｆはそれぞれ一実施形態に従う変換エレメントを示す。
【図２−１】図１Ａ〜２Ｆはそれぞれ一実施形態に従う変換エレメントを示す。
【図２−２】図１Ａ〜２Ｆはそれぞれ一実施形態に従う変換エレメントを示す。
【図２−３】図１Ａ〜２Ｆはそれぞれ一実施形態に従う変換エレメントを示す。
【図３−１】図３Ａ〜３Ｉはそれぞれ一実施形態に従う変換エレメントの電子顕微鏡像である。
【図３−２】図３Ａ〜３Ｉはそれぞれ一実施形態に従う変換エレメントの電子顕微鏡像である。
【図３−３】図３Ａ〜３Ｉはそれぞれ一実施形態に従う変換エレメントの電子顕微鏡像である。
【図３−４】図３Ａ〜３Ｉはそれぞれ一実施形態に従う変換エレメントの電子顕微鏡像である。
【図３−５】図３Ａ〜３Ｉはそれぞれ一実施形態に従う変換エレメントの電子顕微鏡像である。
【図３−６】図３Ａ〜３Ｉはそれぞれ一実施形態に従う変換エレメントの電子顕微鏡像である。
【図３−７】図３Ａ〜３Ｉはそれぞれ一実施形態に従う変換エレメントの電子顕微鏡像である。
【図４−１】図４Ａ〜５Ｂは一実施形態及び比較例の輝度を示す。
【図４−２】図４Ａ〜５Ｂは一実施形態及び比較例の輝度を示す。
【図５】図４Ａ〜５Ｂは一実施形態及び比較例の輝度を示す。
【発明を実施するための形態】
【００８１】
例示的な実施形態と図面において、同一の、同様の、又は同様の機能構成の部材は同じ参照番号で示す。描出された要素およびそれらの互いの大きさの関係は実際の縮尺には従わない。むしろ、層、部品、装置、領域等の個々の要素は、より良い表現及び／又はより良い理解のために、誇張して大きく示すこともある。
【００８２】
例えば、図１Ａ及び１Ｂは基板２を示し、ここでは基板は、マトリックス材料３を有する層より薄い。しかし、基板２の好ましい層厚（約５００μｍ）は、マトリックス材料３を有する層の層厚（約２５μｍ）よりも大きい。
【００８３】
図１は、一実施形態による変換エレメント１００の概略断面図である。変換エレメント１００はマトリックス材料３が配置された基板２を備える。マトリックス材料３中、変換材料４は波長を変換するように設けられている。この実例において、変換材料４はマトリックス材料３に均一に分布している。図１Ｂは、濃度勾配又は粒径勾配を利用したマトリックス材料３中の変換材料４の分布を示す。変換材料４の大きめの粒子は基板２に向かって配置され、小さめの粒子は基板１の反対側に向かって配置される。マトリックス材料３は例えば、水ガラス又はリン酸一アルミニウム又は修飾リン酸一アルミニウムであってもよい。ＹＡＧ：Ｃｅ等のガーネットを変換材料４として用いることができる。
【００８４】
図２Ａ〜２Ｄは、ＬＡＲＰ配置に配置された、一実施形態の変換エレメント１００の側面図である。このレーザ変換エレメントの占めるサイズは数センチメートルとなり得る。
【００８５】
図２Ａは、一次放射線、即ち第１の放射線５を発するよう配置されたレーザ光源１を示す。この第１放射線５は直接基板２に衝突し、この基板は例えばサファイアであり、透過的に形成されている。このマトリックス材料３と変換材料４は基板２に属している。変換材料４は一次放射線５を吸収し、二次放射線６を発する。変換エレメント１００はフルコンバージョン又は部分コンバージョンを行うために設計することができる。変換エレメント１００はこの実施形態又は他の例示的実施形態において接着剤を使用しないことが好ましい。
【００８６】
図２Ｂの変換エレメントは、反射性となるように形成された基板２を示している。基板２は、変換材料４が埋め込まれたマトリックス材料３の主面に亘り延在し、更にマトリックス材料３の側面まで延在する。レーザ光源１からの一次放射線５はマトリックス材料３に直接衝突し、変換材料４によって異なる波長の放射線に変換され、基板２で反射される。レーザ光源１はヒートシンク８の上面に配置することができる。レーザ光源１及びマトリックス材料３と基板２はキャリア７上に配置することができる。キャリア７は例えば、プリント回路基板であり得る。ここで、レーザビーム５は変換エレメント１００に対して垂直、及び／又はある角度で照射することができる。
【００８７】
図２Ａ及び２Ｂの実施形態において、本変換エレメントは、レーザ光源に対し機械的に不動に載置される。レーザ光源１のレーザビームは、変換エレメント１００の表面のスキャン又は移動を可能とする。これは、レーザビームが動いた時に、レーザ光源１が変換エレメント１００に対し機械的に不動であることを排除しない。
【００８８】
図２Ｃは、基板２へのある角度におけるレーザ光源１及びマトリックス材料３の配置を示す。図２Ｄの変換エレメントにも同様に適応される。図２Ｄの変換エレメントにおいて、レーザ光源１は光ガイドに取り込まれる。マトリックス材料３及び基板２は前述の実施形態と同様に設計することができる。図２Ｃにおいて、レーザ光源１と、マトリックス材料３を有する基板２は共通のキャリアには配置されていない。一次放射線５は図２Ｃに示すように基板２又はマトリックス材料３に自由走行的に衝突するか、或いは図２Ｄに示すように光ガイドを経由して衝突する。この基板２は透過性に形成される。反射性基板２の場合、放射線はレーザビーム５から離れて対向し、最初にマトリックス材料３に衝突する。
【００８９】
レーザ光源１と変換エレメント１００の間にレンズやコリメータ等の光学素子を配置することができる（図２Ｆ参照）。
【００９０】
図２Ｅは基本的に図２Ａの実施形態に対応する。図２Ａとは異なり、図２Ｅは基板２の一部として二色性コーティング２１及び／又は反射防止コーティング２２を備える。二色性コーティング２１はマトリックス材料３に直接配置される。反射防止コーティング２２はマトリックス材料３から離れた基板２の側に配置される。
【００９１】
図３Ａ〜３Ｉは、それぞれ変換エレメント１００の走査電子顕微鏡像を示す。
【００９２】
図３Ａは、領域Ｉと印したマトリックス材料３として水ガラスを有する変換エレメント１００の側面の電子顕微鏡像を示す。変換エレメント１００はヘッドライトとして使用できる。カリウム水ガラスを化学硬化剤（例えばリン酸アルミニウム等）と共にマトリックス材料３として使用する。化学的硬化はイオン交換により行い、この場合カリウムイオンをアルミニウムイオンで置換する。これは、アルミニウムイオンがシリケートネットワークに取り込まれて、湿度耐性を向上させることを意味する。リン酸カリウムが副生成物となる。
【００９３】
変換材料４は特にＹＡＧａＧ：Ｃｅ等のガーネットであり、黄色光のスペクトル範囲の放射線をもたらす、微粒子状に形成されたものである。画像で領域ＩＩと印される基板２はサファイアであり、特に二酸化ケイ素と二酸化チタンの二色性／干渉性の積層体を有する（ここでは電子顕微鏡像に示さない）。特にこの積層体の厚みは約３μｍである。特に、基板２の層厚は約５００μｍである。水ガラス及び変換材料の層厚は約２５μｍである。この水ガラスと変換材料の層の右には空気層が配置される（領域ＩＩＩと印される）。Ｄは作用距離、Ｕは高電圧、Ｖは倍率を表す。
【００９４】
カリウム水ガラス及び水に対する変換材料４及び化学硬化剤の比（重量パーセント）は１：０．９重量％である。即ち懸濁液中の５２．５重量％は固体粒子である。硬化剤を考慮しなければ、カリウム水ガラス及び水に対する変換材料の比（重量パーセント）は１：１．０３重量％である。即ち懸濁液中の４９．２重量％又は１５．３体積％は変換材料である。硬化剤と水を考慮しない場合、硬化後のカリウム水ガラスに対する変換材料の比は１：０．２５重量％、即ち変換エレメント１００中８０重量％が変換材料４である。これは、変換エレメント１００での変換材料４の体積比が約５５％、マトリックス材料３の比が約４５体積％又は２０重量％に相当する。
【００９５】
図３Ｂは、図３Ａに示す電子顕微鏡像の上面図に相当する。
【００９６】
図３Ｃでも、変換エレメント１００のマトリックス材料３として水ガラスを用いた。カリウム水ガラス懸濁液を溶液とし、リン酸アルミニウムを化学硬化剤として、ガーネット蛍光体ＹＡＧａＧ：Ｃｅを変換材料４として用いた。場合によっては懸濁液を水で希釈した。懸濁液中の液体成分に対する固体成分の質量比は１：２〜１：０．５、特に１：１〜１：０．８で変化し、好ましくは１：０．５である。この懸濁液を、ウエットコーティングの層厚を１０μｍ〜１５０μｍ、特に２０μｍ〜１００μｍ、特に好ましくは３０μｍ〜８０μｍとなるよう、例えばドクターブレード法で基板２に塗布した。続いて被覆された基板２を乾燥し、１５０℃〜３５０℃の温度で硬化した。図３Ａに示すような電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を撮像した。乾燥及び３５０℃での硬化後、コーティング厚さは約３０μｍである。この変換エレメント１００は、ヘッドライト等の通常の冷白色への応用には既に高すぎる変換度を示している。自動車のヘッドライトへの応用としては、適切な色ロケーションを達成するために、コーティングをより薄くすることが可能である。
【００９７】
小さい粒子径と高い賦活剤濃度の変換材料を用いることにより、乾燥・硬化後の層厚がわずか１０μｍ〜２０μｍの層を作ることができる。このような変換エレメント１００は、熱放散とスポット拡大の点で有利である。図３Ｃの電子顕微鏡像は左から右に空気層（領域Ｉ）、基板２（領域ＩＩ）、マトリックス材料３及び変換材料４（領域ＩＩＩ）及び空気層（領域ＩＶ）を示す。
【００９８】
図３Ｄは異なる水ガラスの混合物をマトリックス材料３として使用した場合の電子顕微鏡像の一例を表す。ここでは、カリウム水ガラスとリチウム水ガラスの混合物（溶液）とガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）の懸濁液を用いた。この溶液は任意で水で希釈することができる。水ガラスの質量比は１〜９９重量％リチウム水ガラス及び９９〜１重量％カリウム水ガラスであり、特に１０〜９０重量％リチウム水ガラス及び９０〜１０重量％カリウム水ガラス、特に好ましくは２５〜７５重量％リチウム水ガラス及び７５〜２５重量％カリウム水ガラス、特に好ましくは４０〜６０重量％リチウム水ガラス及び６０〜４０重量％カリウム水ガラスである。このサンプルにおいては、質量比は５０重量％カリウム水ガラスに対して５０重量％リチウム水ガラスであった。懸濁液中の固体成分と液体成分の質量比は１：１〜１：０．１で変化し、好ましくは１：０．６〜１：０２、特に１：０．４〜１：０．３である。このサンプルにおいて比は１：０．３６であった。コーティングと温度処理は図３Ｃの例を模して行う。図３Ｄは、１５０℃で硬化したサンプルの電子顕微鏡像を示す。このサンプルは、８５℃、相対湿度８５％での１０００時間試験において安定である。硬化後のマトリックス材料（３）の比はわずか約１０重量％又は約１５体積％であり、変換材料（４）の充填度が高い変換エレメント１００が得られる。
【００９９】
図３Ｅ及び３Ｆは、カリウム水ガラスと硬化剤とをマトリックス材料３として使用した場合の電子顕微鏡像の上面像及び側面像を示す。マトリックス材料３は高効率の変換エレメント１００を提供するのに非常に適している。この構造は、通常の蛍光ガラス（phosphor in glass、ＰｉＧ）に比べ非常に多孔質である。
【０１００】
図３Ｇは、リン酸アルミニウムをマトリックス材料３として用いる場合の電子顕微鏡像を表す。ここでは、溶液としての修飾リン酸一アルミニウムと、ガーネット（ＹＡＧａＧ：Ｃｅ）との懸濁液を用いた。懸濁液中の液体成分に対する固体成分の質量比は１：２〜１：０．５、特に好ましくは１：１．５〜１：０．９、特に好ましくは１：１．３〜１：１である。この懸濁液は、ウエットコーティングの層厚を１０μｍ〜１５０μｍ、特に２０μｍ〜１００μｍ、特に好ましくは３０μｍ〜８０μｍとなるよう、例えばドクターブレード法で基板に塗布した。続いて基板を乾燥し、３００℃〜４００℃の温度で硬化した。乾燥と３５０℃での硬化後の層厚は約３５μｍで、マトリックス含有量は約６０体積％又は約３０重量％である。マトリックス含有量が高いため、蛍光粒子間のギャップがより埋められる結果、マトリックスとしての水ガラスの実例に比べ空隙率が低く、表面がより閉鎖される。マトリックスの屈折率は約１．５で、埋め込まれた変換材料の屈折率は約１．８であることから、屈折差が大きくなり、細孔の存在によって更に強化される。この結果、散乱が大きくなることにより、照明の当たる表面の明暗コントラストに好影響を与える。水ガラスを用いる場合、材料間の屈折差は同様であるものの、空隙率が高いため、各層の散乱がかえって強くなる。従って、リン酸アルミニウムマトリックスを有する各層よりも、高い輝度と共に、ビーム幅が小さくなり、明暗コントラストが向上する。
【０１０１】
図３Ａ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｆ、３Ｇ及び３Ｉの電子顕微鏡ＳＥＭ像は、変換エレメント１００の切断側面を示す。
【０１０２】
図３Ｈ及び３Ｉは、リン酸アルミニウムマトリックスの例示的な実施形態の上面及び側面の電子顕微鏡像を示す。このマトリックス材料を用いると、非常に効率が高い変換エレメント１００を提供することができる。優れた結合／分離が達成できる。更に、このマトリックス材料の構造は多孔質であるが、より緻密な構造に製造することも可能である。従って、この変換エレメントはウエーハのサイズに関してコスト効率的に製造することができる。次にこれらエレメントは、例えばダイアモンドソーを利用してより小サイズの変換エレメントに切断される。切り出し時のエッジの欠けや割れ防ぐには、層の接着と層の安定性の高さが要求される。
【０１０３】
図４Ａは、水ガラスをマトリックス材料３とした実施形態による、いわゆる静的ＬＡＲＰ部品の空間分解輝度を示す。ここで静的測定とは、変換エレメント１００上を動くレーザ光源１のビーム無しに、レーザ光源１を変換エレメント１００に向けることを意味する。レーザビームの青色励起は約５０μｍ×２５０μｍ（１／ｅ２）である。この領域は最大値の１／ｅ２以内の強度範囲を含む。青色インプットパワーを約０．６６Ｗに設定する。変換体温度は８０℃である。基板２は二色性コーティング又は二色性積層体を有するサファイア基板であり、反対側に反射防止コーティングを有することができる。像の幅は約１ｍｍである。これら測定結果は、マトリックス材料３である水ガラス中の変換材料４に対する発光スポットが、セラミック変換体に対する発光スポットより小さいことを意味している（図４Ｂ）。
【０１０４】
図４Ｃは、水ガラスをマトリックス材料３として、Ｌｍａｘが約１１０Ｍｃｄ／ｍ２である実施形態による動的ＬＡＲＰ部品の各輝度を示す。動的とは、レーザビームが変換エレメント１００をスキャンすること、即ち変換エレメント１００上を動くことを意味する。スキャン周波数は１３３Ｈｚである。約５０μｍ×２５０μｍ（１／ｅ２）の青色励起が起きる。青色インプットパワーは約１．６Ｗであり、変換体温度は８０℃である。基板２は、当該基板と変換エレメントとの間に配置される二色性積層体を有するサファイア基板である。基板の反対側（レーザ対向側）に、本基板は反射防止コーティング層を有する。スキャン像の幅は約９．５ｍｍである。
【０１０５】
図４Ｄは、基板の二色性層にシリコーンで接着したセラミック変換体を用いた比較例を示す。図４Ｃ及び図４Ｄとの比較から、本発明による変換エレメント１００は変換エレメントのビーム幅も非常に小さいことで明暗コントラストが良好なため、優れた光学的性質を有することが分ける。これは、自動車への応用にとって特に重要である。
【０１０６】
図５Ａでは、動的ＬＡＲＰとして形成した実施形態によるレーザビーム１−１、従来のセラミック変換体１−２及び変換エレメント１−３について、相対輝度（ａ．Ｕ．（任意単位））を距離ｄ（μｍ）の関数として表す。スキャン周波数は１３３Ｈｚである。青色励起スポットは約５０μｍ×２５０μｍ（１／ｅ２）である。青色インプットパワーは約１．６Ｗであり、変換体温度は８０℃である。用いた基板は、二色性積層体と反射防止コーティングを有するサファイア基板であった。図５Ａは、従来のセラミック変換体と比較した、水ガラスをマトリックス材料とした変換エレメント１００の利点を示す。相当の輝度において発光は明らかに小さい、即ちスポット拡大が低減される。これは、ハロー／コロナ／散乱光があまり発生しないことによって、より良い明暗コントラストが得られることを意味する。水ガラスを用いた変換エレメント１００の１／ｅ２幅は２５０μｍで、セラミック変換体では５７５μｍである。
【０１０７】
図５Ｂは、動的ＬＡＲＰ部品としての実施形態による従来のセラミック変換体１−１及び変換エレメント１−２についての輝度曲線Ｌ（ｃｄ／ｍ２）を示す。スキャン周波数、青色励起スポット、パワー、変換体温度及び基板は図５Ａのスペックが同様に適用される。ここでもまた、水ガラスをマトリックス材料とした変換エレメント１００は、従来のセラミック変換体より小さい半値幅を示す。本実施形態の変換エレメントのピークは、従来のセラミック変換体のピークより高い。これは輝度がより高いことを意味する。更に、本実施形態の変換エレメントのスポット拡大は小さい。ここで、ピーク強度に対するピークから１ｍｍの距離における強度の比をもってコントラストを表すと、水ガラスで約１：９５、従来のセラミックで約１：３０である。本実施形態の変換エレメントの強度はセラミックと比較して、ピークからの距離の増加に対してより速く減少する。この結果、本実施形態の変換エレメントにおいてハロー／コロナ／散乱光が少なくなり、明暗コントラストが良好となる。
【０１０８】
図面と共に記載した例示的な実施形態とそれらの特徴は、更なる例示的実施形態に従い相互に組み合わせることが、仮にこのような組み合わせが明瞭に図示されていなくても、可能である。更に、図面と共に記載した例示的な実施形態は、明細書全体に記載された付加的及び代替的な特徴を備えることができる。
【０１０９】
本発明は、例示的実施形態に関連する記載によって限定されない。むしろ、本発明は、任意の新しい特徴および当該特徴の任意の組合せ、特に特許請求の範囲内の特徴の任意の組合せを含み、これはそれらの特徴または組合せ自体が特許請求の範囲または例示的実施形態において明示的に述べられていない場合であってもである。
【０１１０】
本願は、ドイツ特許出願１０  ２０１７  １０４  １２８．１に対する優先権を主張するものであり、ここに開示される内容を本願の一部を構成するものとして援用する。
【符号の説明】
【０１１１】
１０００  オプトエレクトロニクス部品
１００  変換エレメント
１  レーザ光源又は光源
２  基板
３  マトリックス材料
４  変換材料
５  一次放射線又はレーザ光源が発する放射線
６  二次放射線又は変換エレメントが発する放射線
７  担体
８  ヒートシンク
９  光学素子
２１  二色性コーティング
２２  反射防止コーティング
【図１】
2020511686.tif 000003
【図２−１】
2020511686.tif 000004
【図２−２】
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【図２−３】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図３−３】
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【図３−４】
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【図３−５】
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【図３−６】
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【図３−７】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年10月3日(2019.10.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長を変換する変換材料（４）と、
前記変換材料（４）が導入されているマトリックス材料（３）と、
前記マトリックス材料（３）及び前記変換材料（４）が直接配置されている基板（２）とを備える変換エレメント（１００）であって、
前記マトリックス材料（３）は、下記群：
水ガラス、金属ホスフェート、リン酸アルミニウム、リン酸一アルミニウム、修飾リン酸一アルミニウム、アルコキシテトラメトキシシラン、テトラエチルオルトシリケート、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、チタンアルコキシド、シリカゾル、金属アルコキシド、メタロキサン、および金属アルコキサン
から選択される１以上の縮合ゾルゲル材料を含み、
前記変換エレメント（１００）は、レーザ光源（１）のビーム経路に配置されており、
前記変換エレメント（１００）は、レーザ光源（１）に対して機械的に不動な状態で載置されており、
前記レーザ光源（１）は、その放射が、前記変換エレメント（１００）に対して動的となるように配置されている、変換エレメント（１００）。
【請求項２】
前記マトリックス材料（３）はリン酸アルミニウム、リン酸一アルミニウム、修飾リン酸一アルミニウム又は水ガラスを含み、
前記変換材料（４）は、レーザ光源（１）の放射線を吸収することができ、且つこの放射線を少なくとも部分的に異なる波長の放射線に変換することができ、前記変換エレメント（１００）はサファイア基板（２）上にデポジットされたものであり、前記基板（２）は前記変換材料（４）により放出又は吸収される放射線のビーム経路に配置されている、請求項１に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項３】
前記変換材料（４）及び前記マトリックス材料（３）は、それぞれ無機的に形成されたものである、請求項１または２に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項４】
前記マトリックス材料（３）は、縮合ゾルゲルを１０〜６５体積％又は５〜４０重量％の割合で含み、前記変換材料に対する屈折差は０．２超である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項５】
前記レーザ光源（１）の放射線は、主波長４３０ｎｍ〜４７０ｎｍの放射線を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項６】
前記マトリックス材料（３）は、シリコーン及び／又はエポキシを含まない、請求項１〜５のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項７】
前記マトリックス材料（３）は、リン酸アルミニウム、リン酸一アルミニウム又は修飾リン酸一アルミニウムからなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項８】
前記マトリックス材料（３）は、水ガラス及び化学硬化剤からなる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項９】
前記マトリックス材料（３）は、少なくともリチウム水ガラス、ナトリウム水ガラス、カリウム水ガラス又はこれらの混合物を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項１０】
前記変換材料（４）は、前記レーザ光源（１）の放射線を吸収でき、且つこれをより長波長の異なる放射線に変換し、放出することのできる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項１１】
前記変換材料（４）は、前記レーザ光源（１）の放射線を完全に吸収し、これをより長波長の異なる波長で放出することのできる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項１２】
、前記変換エレメント（１００）から出る総放射線が、前記レーザ光源の放射線と変換された放射線とで構成されるように、前記変換材料（４）は前記レーザ光源（１）の放射線を部分的に吸収することのできる、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項１３】
前記レーザ光源（１）の放射は、その動作中に、透過性基板を経由して前記変換エレメントに衝突する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項１４】
前記変換材料（４）は、下記群：
ガーネット、オルトシリケート、ニトリドシリケート
から選択される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項１５】
最大層厚４０μｍの層として形成されている、請求項１〜１４いずれか一項に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項１６】
作動中に放射線を発するレーザ光源（１）と、
基板（２）とマトリックス材料（３）との間に配置された二色性積層体を備えた、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）と
を備えた、オプトエレクトロニクス部品であって、
前記レーザ光源（１）の放射線の少なくとも一部が前記基板及び前記二色性積層体を透過し、前記変換材料（４）が透過した放射をより長波長の異なる放射線に変換し、変換された放射線が前記二色性積層体で反射される、オプトエレクトロニクス部品。
【請求項１７】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の変換エレメント（１００）の製造方法であって、
Ａ）マトリックス材料（３）を提供する工程と、
Ｂ）波長を変換する無機の変換材料（４）を前記マトリックス材料（３）に導入する工程であって、前記マトリックス材料（３）は、縮合された、１５０℃〜４００℃の温度でゾルゲル法にて製造されたものであり、前記マトリックス材料（３）は下記群：
水ガラス、リン酸一アルミニウム、修飾リン酸一アルミニウム、金属ホスフェート、リン酸アルミニウム、アルコキシテトラメトキシシラン、テトラエチルオルトシリケート、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、チタンアルコキシド、シリカゾル、金属アルコキシド、メタロキサン、金属アルコキサン
から選択されたものである工程と、
Ｃ）前記マトリックス材料及び前記変換材料を基板に直接適用する工程と
を含む、製造方法。
【請求項１８】
前記マトリックス材料（３）の有孔率が０．１体積％超である、請求項１〜１５のいずれか一項記載の変換エレメント（１００）。
【請求項１９】
波長を変換する変換材料（４）と、
前記変換材料（４）が導入されているマトリックス材料（３）と、
前記マトリックス材料（３）及び前記変換材料（４）が直接配置されている基板（２）とを備える変換エレメント（１００）であって、
前記マトリックス材料（３）は、１以上の縮合ゾルゲル材料を含み、且つ有孔率が０．１体積％超である、変換エレメント（１００）。
【請求項２０】
前記１以上の縮合ゾルゲル材料は、下記群：
金属ホスフェート、リン酸アルミニウム、リン酸一アルミニウム、修飾リン酸一アルミニウム、チタンアルコキシド、金属アルコキシド、メタロキサン、および金属アルコキサン
から選択されるものを含む、請求項１９に記載の変換エレメント（１００）。
【請求項２１】
作動中に放射を発するレーザ光源（１）と、
請求項１９に記載の変換エレメント（１００）と
を備えた、オプトエレクトロニクス部品であって、
前記レーザ光源（１）の放射の少なくとも一部が前記基板（２）を透過し、前記変換材料（４）が透過した放射をより長波長の異なる放射に変換する、オプトエレクトロニクス部品。
【国際調査報告】
2020511686.tif 000017
2020511686.tif 000018
2020511686.tif 000019
2020511686.tif 000020