JP2017527114A - 白熱様減光発光ダイオード - Google Patents

Abstract

青色または近ＵＶ放出半導体デバイス、黄緑色蛍光体、および赤色蛍光体を含む蛍光体変換発光ダイオードは、白色光出力の相関色温度が輝度の減少とともに減少するという点で白熱様減光挙動を示す。１つの態様では、発光デバイスは、青色光を放出するＬＥＯと、ＬＥＤにより放出された青色光によって励起され、応答して緑色または帯緑黄色光を放出する第１の蛍光体と、ＬＥＤにより放出された青色光によって励起され、応答して赤色光を放出する第２の蛍光体とを含む。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年８月１１日に出願された「Ｉｎｃａｎｄｅｓｃｅｎｔ−Ｌｉｋｅ Ｄｉｍｍｉｎｇ ＬＥＤ」という名称の米国特許仮出願第６２／０３６，１０３号の優先権の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、一般に、蛍光体変換発光ダイオードに関し、より一般的には、出力パワーが駆動電力の減少によって減少するとき白熱光源と同様の減光挙動を示す蛍光体変換発光ダイオードに関する。

半導体発光ダイオードおよびレーザダイオード（どちらも本明細書では全般的にＬＥＤと呼ぶ）の占める一般照明市場のシェアが増大しているが、それらの採用は、それらが取って代わる光源と比較してそれらの性能の差によって妨げられることがある。例えば、特に家庭照明分野のユーザは、電球への電力が減少するとき、暗くなるのみならずまた色がより低い色温度の「より暖かい」白色にシフトする白熱電球の減光挙動を経験することに慣れており好んでいる。この挙動は、白熱（一般に、タングステンフィラメント）電球の典型であるだけでなく、物理学の放射法則にも関連づけられており、それゆえに、自然な減光と考えることができる。フィラメントを通る電流を抑えることによって電球の白熱したフィラメントの温度を低下させると、光出力が変化するだけでなく、放出される光のスペクトルも変化する。色温度が低下する。ＬＥＤおよび蛍光体変換ＬＥＤは、一般に、このように挙動しない。

ユーザが望む自然な白熱様減光（ＩＬＤ）挙動をもつＬＥＤ光源を生成しようとする試みは、例えば、白色ＬＥＤと共に赤色放出ＬＥＤを使用することによってその挙動をＬＥＤランプまたは照明器具に入れるように設計することを必要とした。ランプまたは照明器具からの合計パワーが減らされるとき赤色ＬＥＤへの電力を増加させて、ランプまたは照明器具が減光するにつれて光出力は赤色にシフトされる。これらのデバイスは、一般に、駆動電子機器回路への少なくとも３つの電気接触部を必要とする。この手法は、駆動電子機器回路に複雑さとコストとを加える。同様に、蛍光性でコンパクトな蛍光ランプでＩＬＤ挙動を達成しようとする早期の試みは、やはり、一般に、複雑な駆動回路を必要とした。

１つの態様では、発光デバイスは、青色光を放出するＬＥＤと、ＬＥＤにより放出された青色光によって励起され、応答して緑色または帯緑黄色光を放出する第１の蛍光体と、ＬＥＤにより放出された青色光によって励起され、応答して赤色光を放出する第２の蛍光体とを含む。第２の蛍光体は、ＬＥＤからの（吸収した）励起パワーに対して一定またはほぼ一定である発光効率を有する。ＬＥＤ、第１の蛍光体、および第２の蛍光体からの放出が結合して、ある相関色温度を有する白色光出力を供給する。第１の蛍光体からの放出パワーは、ＬＥＤからの放出パワーとともに直線的にまたはほぼ直線的に増加する。ＬＥＤからの放出パワーが増加するにつれて、第２の蛍光体からの放出パワーは飽和し、第２の蛍光体は青色光の増加分を透過し（レーザ物理学では基底状態涸渇またはブリーチングとして知られている効果）、それによって、発光デバイスからの出力パワーが増加するにつれて白色光出力の相関色温度が上昇する。
別の態様では、発光デバイスは、青色または近ＵＶ光を放出するＬＥＤと、ＬＥＤにより放出された光によっておよび／またはＬＥＤにより励起された別の蛍光体によって放出された光によって励起され、応答して緑色または帯緑黄色光を放出する第１の蛍光体と、ＬＥＤにより放出された光によって、第１の蛍光体によって放出された光によって、および／またはＬＥＤにより励起された別の蛍光体によって放出された光によって励起され、応答して赤色光を放出する第２の蛍光体とを含む。第２の蛍光体は、（吸収した）励起パワーに対して一定またはほぼ一定である発光効率を有する。第１の蛍光体からの放出パワーは、ＬＥＤからの放出パワーとともに直線的にまたはほぼ直線的に増加する。ＬＥＤからの放出パワーが増加するとき、第２の蛍光体からの放出パワーは、基底状態涸渇に起因して飽和し、第２の蛍光体は、それに当たる光の増加分を透過し、それによって、発光デバイスからの出力パワーが増加するにつれて発光デバイスからの白色光出力の相関色温度を上昇させる。

別の態様では、発光デバイスを動作させる方法が、一定またはほぼ一定の出力パワーを維持しながらデバイスから白色光出力の相関色温度を変更する。発光デバイスは、ＬＥＤと、各々がある振幅とあるデューティファクタとを有する一連の電流パルスの状態で駆動電流をＬＥＤに供給するＬＥＤドライバとを含む。ＬＥＤは、一連の電流パルスに対応する一連の青色または近ＵＶ光パルスを放出する。発光デバイスは、ＬＥＤにより放出された光によっておよび／またはＬＥＤにより励起された別の蛍光体によって放出された光によって励起され、応答して緑色または帯緑黄色光を放出する第１の蛍光体と、ＬＥＤにより放出された光によって、第１の蛍光体によって放出された光によって、および／またはＬＥＤにより励起された別の蛍光体によって放出された光によって励起され、応答して赤色光を放出する第２の蛍光体とをさらに含む。第２の蛍光体は、（吸収した）励起パワーに対して一定またはほぼ一定である発光効率を有する。第１の蛍光体からの放出パワーは、ＬＥＤに供給される駆動電流の電流パルス振幅とともに直線的にまたはほぼ直線的に増加する。ＬＥＤに供給される駆動電流の電流パルス振幅が増加するにつれて、第２の蛍光体からの放出パワーは、基底状態涸渇に起因して飽和し、第２の蛍光体は、それに当たる光の増加分を透過する。

方法は、電流パルス振幅およびデューティファクタを同時に変更して、発光デバイスからの一定またはほぼ一定の白色光出力パワーを維持しながら白色光の相関色温度を変更するステップを含む。
本発明のこれらおよび他の実施形態、特徴、および利点は、最初に簡単に説明する添付図面とともに本発明の以下のより詳細な説明を参照すると、当業者にはより明らかになるであろう。

例示の蛍光体変換ＬＥＤの概略図である。 例示の蛍光体変換ＬＥＤの概略図である。 ＩＬＤ蛍光体変換ＬＥＤにおける高いポンプパワーでの枯渇性赤色蛍光体のブリーチングを示すプロットである。 ６つの異なる駆動電力で駆動されたＩＬＤ蛍光体変換ＬＥＤからの白色出力の場所をプロットした色度図である。 図３Ａにプロットされた場所のＩＬＤ蛍光体変換ＬＥＤ白色出力の追加の特性を要約した表である。 図３Ａのプロットの基をなす２つのＩＬＤ蛍光体変換ＬＥＤ出力スペクトルを示す図である。

以下の詳細な説明は、同一の参照番号が異なる図の全体にわたって同様の要素を指す図面を参照しながら読まれるべきである。必ずしも原寸に比例していない図面は、選択された実施形態を示しており、本発明の範囲を限定するものではない。詳細な説明は、例として、限定としてではなく、本発明の原理を示している。この説明は、明らかに、当業者が本発明を作製し使用できるようにし、本発明を実行する最良の形態であると現在考えられるものを含む本発明のいくつかの実施形態、適応形態、変形形態、変更形態、および使用法を説明する。本明細書および添付の特許請求の範囲で使用する場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明確にそうでないと示さない限り、複数の指示対象を含む。

本明細書は、駆動電流が変更されたときスペクトルを変化させ、駆動電流が低減される場合、白熱ランプによく似ている自然な減光（ＮＤ）を示す蛍光体変換ＬＥＤを開示する。有利には、これらは、単純な２端子電気デバイスとすることができる。これらのデバイスでは、青色または近紫外（近ＵＶ）放出ＬＥＤからの一次放出が、２つ以上の蛍光体（例えば、緑色または帯緑色／黄色蛍光体と赤色蛍光体と）を励起し、それに応答して、二次放出を生成する。これらの二次放出と蛍光体によって吸収されなかった残りの一次放出との和が、正常色覚を有する人間によって白色光として知覚される。この白色光の相関色温度（ＣＣＴ）は、ＬＥＤへの駆動電力の減少とともに、それゆえに、蛍光体変換ＬＥＤからの合計光出力の減少とともに低下する。

１つの手法では、蛍光体変換ＬＥＤは、赤色放出蛍光体と共に緑色または帯緑色／黄色放出蛍光体を含む。緑色または帯緑色／黄色蛍光体の放出効率（すなわち、放出の量子収率）は、蛍光体変換ＬＥＤの正常動作範囲にわたって青色または近ＵＶ ＬＥＤからの励起パワーに依存せず、緑色または帯緑色／黄色蛍光体からの放出パワーは、蛍光体変換ＬＥＤの正常動作範囲にわたって青色または近ＵＶ ＬＥＤからの励起パワーとともに増加する（例えば、直線的にまたはほぼ直線的に）。しかしながら、赤色蛍光体の放出効率は、蛍光体変換ＬＥＤの正常動作範囲にわたって青色または近ＵＶ ＬＥＤからの励起パワーの増加とともに低下することがある。その結果、赤色蛍光体からの放出パワーは、最初は、励起パワーの増加とともに増加するが、次いで、蛍光体変換ＬＥＤの正常動作範囲の上端で水平になる（飽和する）。その結果として、蛍光体変換ＬＥＤからの合計光出力は、青色または近ＵＶ ＬＥＤへの駆動電力が増加するにつれて青色にシフトし、青色または近ＵＶ ＬＥＤへの駆動電力が減少するにつれて赤色にシフトする。

より高い励起での赤色蛍光体の効率の低下は、例えば、赤色蛍光体を部分的にクエンチするように高いポンプパワーで始まる非放射緩和過程から、またはより高いポンプパワーにおいて重要性が高まる何か他の損失機構からもたらされ得る。この手法の欠点は、駆動電力が増加するとともに電気を光に変換する際の蛍光体変換ＬＥＤの総合効率が低下することである。それゆえに、この手法は疎んじられる。

本明細書が注目する好ましい手法では、蛍光体変換ＬＥＤは、再度、赤色放出蛍光体と共に緑色または帯緑色／黄色放出蛍光体を含む。この変形では、緑色または帯緑色／黄色蛍光体と赤色蛍光体の両方の放出効率は、蛍光体変換ＬＥＤの正常動作範囲にわたって青色または近ＵＶ ＬＥＤからの励起パワーに依存しない。緑色または帯緑色／黄色蛍光体からの放出パワーは、蛍光体変換ＬＥＤの正常動作範囲にわたって青色または近ＵＶ ＬＥＤからの励起パワーとともに増加する（例えば、直線的にまたはほぼ直線的に）。しかしながら、赤色放出蛍光体は、蛍光体変換ＬＥＤの正常動作範囲にわたる励起パワーの増加とともにＬＥＤからの一次放出に対して（または別の蛍光体によって励起される場合、その他の蛍光体からの放出に対して）ますます透明になる。この理由は、赤色放出蛍光体が長い放出寿命（例えば、≧１０^-5秒、≧１０^-4秒、≧１０^-3秒、≧１０^-2秒）を有し、それが、より高いポンプパワーでは赤色蛍光体の基底電子状態の涸渇（蛍光体の可逆ブリーチング）を引き起こすからである。その結果、赤色蛍光体からの放出パワーは、最初は、励起パワーの増加とともに増加するが、次いで、蛍光体変換ＬＥＤの正常動作範囲の上端で水平になる（飽和する）。赤色蛍光体の効率は一定のままであるので、駆動の増加に伴うパワー出力の全体的な減少はない。事実上、量子効率は一定のままであるが、しかしながら、量子欠損（例えば、青色フォトンと赤色フォトンとの間のエネルギーの差）を考慮に入れると、パワー効率は明るさとともに上昇し、それは、白熱ランプに原理的に非常に似ているが、白熱ランプにおけるよりも数値的にそれほど顕著でない。

その結果として、蛍光体変換ＬＥＤからの合計光出力は、青色または近ＵＶ ＬＥＤへの駆動電力が増加するにつれて青色にシフトし、青色または近ＵＶ ＬＥＤに駆動電力が減少するにつれて赤色にシフトする。特に、励起青色または近ＵＶ ＬＥＤの放出と２つの蛍光体の放出とを組み合わせて、例えば、青色または近ＵＶ ＬＥＤへの低い駆動電力で、すなわち、低い光出力で、温白色（例えば、約３０００ＫのＣＣＴ）出力に整合させることができる。青色または近ＵＶ ＬＥＤからの吸収されない一次放出の増加分が、一次（青色）成分におよび／または緑色または帯緑色／黄色蛍光体の励起に加わり、青色または近ＵＶ ＬＥＤへの駆動の増加とともにより高いＣＣＴに蛍光体変換ＬＥＤの全体的放出スペクトルをシフトさせる。対応して、青色または近ＵＶ ＬＥＤからの吸収されない一次放出の減少分は、ＬＥＤへの駆動の減少とともにより低いＣＣＴに蛍光体変換ＬＥＤの全体的放出スペクトルをシフトさせる。このようにして、蛍光体変換ＬＥＤは、より高い電力入力で、本質的に一定のパワー効率（ワット光／ワット電気）を伴い、発光効率（ルーメン／ワット）の上昇を伴うＩＬＤ挙動を示す。

そのような蛍光体変換ＬＥＤは照明用に個別に使用することができ、または２つ以上のそのような蛍光体変換ＬＥＤが共通パッケージまたはランプに配置されてもよい。以下でさらに詳しく述べるように、ＩＬＤ挙動は、直流またはパルス電流駆動ＬＥＤによって示され得る。

半導体発光ダイオードまたはレーザダイオードは、例えば、約３８０ナノメートルと約４６０ナノメートルとの間に、例えば、近ＵＶの約３９０ナノメートルまたは青色の約４４５ナノメートルに放出ピークをもつ光を放出する市販のＩＩＩ−窒化物（例えば、ＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）デバイスとすることができる。別の材料系で構築された任意の好適な青色または近ＵＶ発光ダイオードまたはレーザダイオードを使用することもできる。本明細書で開示するようなＩＬＤ蛍光体変換ＬＥＤで利用される青色または近ＵＶ発光ダイオードの正常動作出力照射量（パワー／面積）範囲は、例えば、０から約５０ミリワット／ミリメートル²、０から約１００ミリワット／ミリメートル²、０から約５００ミリワット／ミリメートル²、０から約１ワット／ミリメートル²、または０から＞１ワット／ミリメートル²とすることができる。本明細書で開示するようなＩＬＤ蛍光体変換ＬＥＤで利用される青色または近ＵＶレーザダイオードの正常動作出力照射量範囲は、例えば、０から約５００ミリワット／ミリメートル²、０から約１ワット／ミリメートル²、０から約１．５ワット／ミリメートル²、または０から約２ワット／ミリメートル²（ＨＢまたは高輝度ＬＤと一般に呼ばれるもの）、または０から１ワット／ミリメートル²超とすることができる。

好ましくは、枯渇性赤色蛍光体は、青色または近ＵＶ一次放出が放出されるＬＥＤの表面にまたはＬＥＤの表面の近くに配設された層またはスラブに配置される。図１Ａの例示の蛍光体変換ＬＥＤ１００に示すように、緑色または黄緑色蛍光体（ＹＧ）は、赤色蛍光体（Ｒ）と、ＬＥＤ１１０上にまたはその近くに配設された単層１０５において混合されてもよい。代替として、図１Ｂの例示の蛍光体変換ＬＥＤ１２０に示すように、赤色蛍光体（Ｒ）は、ＬＥＤ１１０上にまたはその近くに配設された第１の層またはスラブ１２５に配置され、緑色または黄緑色蛍光体は、ＬＥＤから隔たった第１の層の反対側で第１の層上にまたはその近くに配設された別個の第２の層またはスラブ１３０に配置されてもよい。蛍光体は、例えば、例えばシリコーン、アクリル、またはエポキシなどの有機バインダ中の蛍光体粒子として（すなわち、粉末として）分散させることができ、ちょうど説明したような層に配置することができる。蛍光体層の実効屈折率に合わされた追加の散乱粒子および／またはナノ粒子が、同様に、蛍光体変換ＬＥＤの性能を最適化するためにバインダに分散されてもよい。代替として、光散乱をほとんど示さない光学的に均質な蛍光体層を使用することが望ましいことがある。蛍光体の高い製造温度は通常これを排除する。枯渇性蛍光体の場合には、それを光学的に均質な多結晶スラブで使用することがさらに一層望ましいが、決して必須ではない。非常に低い温度で製作できる新しい種類のブリーチ可能な蛍光体が利用可能になるとき、最適な光学配置が実現可能になり得る。ＬＥＤに関して蛍光体材料の任意の他の好適な配置を使用することもできる。多くのパッケージ変形が、蛍光体の多くの様々な配置で使用されてもよい。

一般に、緑色または黄緑色蛍光体は、ＬＥＤからの青色または近ＵＶ放出によってあるいはＬＥＤからの青色または近ＵＶ光によって励起された蛍光体からの放出によって励起されるように、ならびにＬＥＤからの残留青色光、またはＬＥＤからの光（例えば、近ＵＶ）によって励起された蛍光体からの青色放出、および赤色蛍光体からの赤色放出と混合された後に良好な白色で高いＣＲＩ（例えば、Ｒａ、Ｒ９）値の放出を行うように選択される。好適な緑色または黄緑色蛍光体は、例えば、ＹＡＧ：Ｃｅ³⁺（ＹＡＧホスト材料にドープされたＣｅ³⁺発光中心）、ＬｕＡＧ：Ｃｅ³⁺、ＣａＳｃ₂Ｏ₄：Ｃｅ³⁺、他のＣｅ³⁺ドープ材料、（Ｂａ，Ｓｒ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺、他のＥｕ²⁺ドープ材料、他の無機緑色または黄緑色蛍光体、有機発光材料、あるいは量子ドットを含むことができる。

一般に、基底状態枯渇性赤色蛍光体は、さらに、ＬＥＤからの青色または近ＵＶ放出によってあるいはＬＥＤからの青色または近ＵＶ光によって励起された蛍光体からの放出によって励起されるように、ならびにＬＥＤからの残留青色光、またはＬＥＤからの光（例えば、近ＵＶ）によって励起された蛍光体からの青色放出、および黄緑色蛍光体からの放出と混合された後に良好な白色で高いＣＲＩ（例えば、Ｒａ、Ｒ９）値の放出を行うように選択される。さらに考慮すべきことはスペクトルの発光等価性である。これらの蛍光体変換ＬＥＤによって示される減光挙動は、一般に、ワット／ワット単位の追加損失がない。しかしながら、主観的判断は、目の感度、すなわち、ルーメン／ワットに基づく。過度に赤色を選ぶと、赤色蛍光体は、必要であるよりも多くｌｍ／Ｗまたは発光効率を低下させることがある。

好適な基底状態−枯渇性赤色蛍光体発光中心は、例えば、４ｆ−４ｆ遷移をもつ希土類イオン、例えば、Ｅｕ³⁺、Ｐｒ³⁺、およびＳｍ³⁺などと、３ｄ−３ｄ遷移をもつ遷移金属イオン、例えば、Ｍｎ⁴⁺などとを含むことができる。これらの発光中心は、任意の好適なホスト材料中に組み込むことができる。一般に、放出波長は、発光中心のホスト材料にある程度まで依存するが、大きなシフトを示さない。
好適な赤色蛍光体は、例えば、式Ａ_x［ＭＦ_y］：Ｍｎ⁴⁺を満たす蛍光体を含むことができ、ここで、Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、ＮＲ４、またはそれらの組合せであり、Ｍは、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｂｉ、Ｇｄ、またはそれらの組合せであり、Ｒは、Ｈ、低級アルキル、またはそれらの組合せであり、ｘは、［ＭＦ_y］イオンの電荷の絶対値であり、ｙは、５、６、または７である。例えば、蛍光体は、Ｋ₂［ＳｉＦ₆］：Ｍｎ⁴⁺であるか、またはＫ₂［ＳｉＦ₆］：Ｍｎ⁴⁺を含むことができる。これらの蛍光体を準備する方法は、米国特許第８，７１０，８４７号に開示されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

他の好適な枯渇性赤色蛍光体は、例えば、式Ｋ₂［Ｍ_1-aＭｎ⁴⁺ _aＦ₆］を満たす蛍光体を含むことができ、ここで、Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎのうちの少なくとも１つであり、０＜ａ＜０．２である。これらの蛍光体を準備する方法は、米国特許出願公開第２０１５／０００８４６３号に開示されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
さらなる他の好適な赤色蛍光体は、例えば、ＳｒＡｌ₁₄Ｏ₂₅：Ｍｎ⁴⁺、ＢａＴｉＦ₆：Ｍｎ⁴⁺、およびＮａ₂ＴｉＦ₆：Ｍｎ⁴⁺を含むことができる。
枯渇性赤色発光体を選ぶための最も厳格な基準は、発光中心の励起スペクトルとすることができ、発光中心の励起スペクトルは、一般に、ホストごとにあまり変化しない。Ｅｕ³⁺が、例えば、好適な発光スペクトル、好適な放出減衰時間を有し、ＡｌＩｎＧａＮ ＬＥＤによって励起可能であるホストを見いだすことは困難であり得る。しかしながら、Ｍｎ⁴⁺は、青色ＬＥＤに非常によく整合する。

上記のように、白熱様減光蛍光体変換ＬＥＤのための青色または近紫外ポンプは、適切な波長で放出する発光ダイオードまたはレーザダイオードとすることができる。例えば、発光ダイオードが利用される場合、ブリーチ可能な赤色蛍光体は、一般に、例えば、約１ミリ秒から約１０ミリ秒の放出寿命を有することができる。レーザダイオードによって到達可能な照射レベルは発光ダイオードによって到達可能な照射レベルよりも高く、そこで、レーザダイオードが利用される場合、赤色蛍光体は、より短い放出寿命を有し、蛍光体変換ＬＥＤのＩＬＤ挙動を発生する基底状態涸渇およびブリーチングを依然として示すことができる。例えば、レーザ励起では、赤色蛍光体放出寿命は、例えば、５０マイクロ秒という低さ、または１マイクロ秒という低さとすることができる。

青色または近ＵＶ発光ダイオード、緑色または黄緑色蛍光体、および基底状態枯渇性赤色蛍光体を含むＩＬＤ蛍光体変換ＬＥＤでは、一般に、緑色または黄緑色発光中心の濃度は、例えば、約２×１０¹⁸／センチメートル³から約８×１０²⁰／センチメートル³、例えば、約５×１０¹⁹／センチメートル³である。一般に、赤色発光中心の濃度は、例えば、約５×１０¹⁸／センチメートル³から約５×１０²⁰／センチメートル³、例えば、約３×１０¹⁹／センチメートル³である。枯渇性赤色発光中心がＭｎ⁴⁺（例えば、Ｋ₂［ＳｉＦ₆］：Ｍｎ⁴⁺における）である場合、その濃度は、例えば、約０．１％から約６．５％（それが置き換わるイオンの割合）とすることができ、それは、約８×１０¹⁸／センチメートル³から約５．２×１０²⁰／センチメートル³のＭｎ⁴⁺濃度範囲に対応する。緑色または黄緑色蛍光体がＣｅ³⁺（例えば、ＹＡＧ：Ｃｅ³⁺における）である場合、その濃度は、例えば、０．６％から約６％とすることができ、それは、約８×１０¹⁹／センチメートル³から約８×１０²⁰／センチメートル³のＣｅ³⁺濃度範囲に対応する。

赤色蛍光体の基底状態涸渇の開始が生じるＬＥＤポンプパワーは、赤色蛍光体発光中心の吸収断面積および濃度と、ポンプ−ＬＥＤおよび黄緑色蛍光体との関係での赤色蛍光体の幾何学的配置とに依存する。両方の蛍光体の粒子サイズ分布およびそれらの相対的位置付け（混合または層化）も減光挙動に影響を及ぼす。計算結果を提示する図２、図３Ａ〜図３Ｂ、および図４に関して以下で説明する例示のＩＬＤ蛍光体変換ＬＥＤ性能は、ＬＥＤ上に配設された赤色蛍光体の光学的に均質なスラブまたは層と、赤色蛍光体層に混合された、または第２の光学的に均質なスラブまたは層の状態で赤色蛍光体層上に配設された黄緑色蛍光体とを仮定している。

枯渇性赤色蛍光体発光中心の濃度は、蛍光体変換ＬＥＤがＩＬＤ挙動を示すように意図される所望の出力範囲に応じて調整することができる。一般に、赤色蛍光体の基底状態涸渇は、赤色蛍光体からの放出（フォトン／秒）が赤色蛍光体発光中心放出寿命で割られた赤色蛍光体発光中心の濃度に近づくにつれて著しくなる（放出寿命が長いほど、送り出すことができるフォトンは少なくてよい）。
評価の基準として、３×１０²⁰Ｍｎ⁴⁺／センチメートル³の原子濃度をもつ基底状態枯渇性Ｋ₂ＳｉＦ₆：Ｍｎ⁴⁺の層からどれだけの赤色光を発生させることができるかを見積もることは興味深い。Ｍｎ⁴⁺は約９ミリ秒の減衰時間を有するので、各イオンは最大約１００フォトン／秒を放出することができる。これにより、合計約３×１０²⁰フォトンが１ｃｍ²面積および１００μｍ厚さのスラブから放出される。光子エネルギーは約２電子ボルトであり、そこで、これは、約１００ワットに、または任意面積では１００ワット／センチメートル²に、または１ミリメートル²の放出面積を有する一般的な高輝度チップからの１ワットに変換する。この推定は任意に高い励起照射量に対して有効である。最低の励起照射量を推定することは一層困難であるが、４００ワット／センチメートル²超は高い量子効率をもつサンプルでは良好な一次値である。

上記のように、本明細書で開示するようなＩＬＤ蛍光体変換ＬＥＤにおける発光ダイオードまたはレーザダイオードは、直流で駆動することができる。直流駆動の下で、ＣＣＴはドライブ電流の関数になることになる。駆動電流が増加するにつれて、青色または近ＵＶ出力は増加することになり、枯渇性赤色蛍光体はブリーチすることになり、白色出力のＣＣＴは上昇することになる。

代替として、本明細書で開示するようなＩＬＤ蛍光体変換ＬＥＤにおける発光ダイオードまたはレーザダイオードは、ピーク電圧Ｖ_p、Ｔ_onのパルスオン時間、および繰返し周波数１／Ｔ_periodをもつ一連のパルスによってパルス電流モードで駆動することができる。一般に、パルスオン時間は、安定で予測可能な動作を生成するために枯渇性赤色蛍光体の放出寿命よりも長くなるように選択される。パルス電流駆動の下で、ＣＣＴは、例えば、直流駆動の下におけるように瞬間駆動電流を変更することによって、または一定の瞬間電流でデューティファクタＴ_on／Ｔ_periodを変更する（この場合には、デューティファクタの増加とともにＣＣＴが上昇する）ことによって調整することができる。これらのパルス駆動方式の両方において、ＣＣＴは、合計光出力が増加するにつれて上昇する（ＩＬＤ挙動）。

ＣＣＴは、パルス電流駆動の下で、瞬間駆動電流およびデューティファクタを一緒に変更することによっても調整することができる。この方式は、同時に、瞬間駆動電流（電流パルス振幅）を増加させ、およびデューティファクタを減少させることによって、または同時に、瞬間駆動電流を減少させ、およびデューティファクタを増加させることによって一定の（時間平均した）合計光出力パワーでＣＣＴを変化させるために使用することができる。一般に、ＬＥＤからの同じ時間平均合計出力パワーの状態で、直流（または高デューティファクタパルス駆動）から低デューティファクタパルス駆動に移動すると、ＣＣＴはより高い温度にシフトする。これが、同じ時間平均出力パワーに達するために、低いデューティファクタパルスでは、高いデューティファクタパルスよりも高い瞬間電流が送出されなければならない理由である。ＬＥＤからの結果として生じる青色または近ＵＶパルスは、高いデューティファクタにおけるよりも低いデューティファクタにおいて高い瞬間照射量を有し、このため、高いデューティファクタよりも低いデューティファクタにおいて枯渇性赤色蛍光体をより効果的にブリーチする。一例として、枯渇性赤色蛍光体（例えば、Ｋ₂［ＳｉＦ₆］：Ｍｎ⁴⁺）を含むデバイスを２５ヘルツの繰返し率で２０ミリ秒のパルス（１／２デューティファクタ）により駆動すると、赤色蛍光体の瞬間励起は、ブリーチ範囲にあることができる。対照的に、同じ合計出力パワーでの直流駆動の下で、赤色蛍光体の瞬間励起は著しいブリーチングの開始より下にあり得る。

図２のプロットは、約４５０ナノメートルにピーク波長がある青色光を放出するＧａＮ発光ダイオードと、発光ダイオード上に配設されたＫ₂［ＳｉＦ₆］：Ｍｎ⁴蛍光体材料の１００μｍ厚の層（例えば、図１Ｂにおけるような）とを含むＩＬＤの蛍光体変換ＬＥＤにおける高いポンプパワーでの枯渇性赤色蛍光体のブリーチングを示す。蛍光体層中のＭｎ⁴の濃度は、約１×１０²⁰／センチメートル³である。横軸は、蛍光体層中に放出された青色照射量の尺度である。縦軸は、赤色蛍光体層によって吸収された青色パワーの相対量の尺度である（発光ダイオードによって蛍光体層中に放出された青色パワー−蛍光体層を透過した青色パワー）／（発光ダイオードによって蛍光体層中に放出された青色パワー）。曲線２００が示すように、低い青色照射量では、青色光のすべてが蛍光体層に吸収されるが、より高い青色照射量では、赤色蛍光体がブリーチし始め、青色光が赤色蛍光体層を透過する。青色照射量が、高輝度青色発光ダイオードの表面において一般的な照射量である約１００ワット／センチメートル²に近づくとき、著しいブリーチングが生じる。曲線２００は、枯渇性赤色発光中心の濃度の変化とともに横軸に沿ってシフトする。（濃度が増加するにつれて、曲線２００は右にシフトする。）
図３ＡはＣＩＥ色度図を示す。色度図の外側の湾曲した境界３００は単色軌跡である。曲線３１０はプランク軌跡（Ｐｌａｎｃｋｉａｎ ｌｏｃｕｓ）であり、プランク軌跡は、白熱黒体の温度が変化したとき、白熱黒体の色が取ることになる色度図を通る経路である。一定のＣＣＴの線３１５は黒体軌跡を横切る。

三角形３２０Ａ〜三角形３２０Ｆは、高電力での約４６００Ｋから低電力での約２２００Ｋにわたる６つの異なるＣＣＴ値をもたらす６つの異なる駆動電力で駆動されたＩＬＤ蛍光体変換ＬＥＤからの白色出力の場所をプロットしている。ＩＬＤ蛍光体変換ＬＥＤは、約４５０ナノメートルにピーク波長がある青色光を放出するＧａＮ発光ダイオードと、発光ダイオード上に配設されたＫ₂［ＳｉＦ₆］：Ｍｎ⁴赤色蛍光体材料の２５０μｍ厚の層（例えば、図１Ｂにおけるような）と、黄緑色ＹＡＧ：Ｃｅ³⁺蛍光体材料とを含む。ＹＡＧ：Ｃｅ³⁺蛍光体は、赤色蛍光体層中に混合するか、または約１００μｍの厚さを有する第２の層の状態で赤色蛍光体層上に配設することができる。Ｍｎ⁴の濃度は、約１．６×１０²⁰／センチメートル³である。Ｃｅ³⁺の濃度は、約３．５×１０²⁰／センチメートル³である。三角形３２５は、ＹＡＧ：Ｃｅ³⁺蛍光体からの黄緑色出力の場所をプロットしている。

図３Ａに示すように、ＩＬＤ蛍光体変換ＬＥＤの出力が減光するとき、白色出力のＣＣＴは、プランク軌跡に近接しておよび一般に平行に、一般に左から右に（より高いＣＣＴからより低いＣＣＴに）色度図を通る経路３３０に従う。結果として、正常色覚をもつ人間の観察者は、白熱電球と同様に減光するデバイスを観察することになる。図３Ｂの表は、図３Ａの色度図に示されている６つの場所でのＩＬＤ蛍光体変換ＬＥＤからの白色出力に関する追加情報を提供する。ＲａおよびＲ９は演色評価数である。８０を超えるＲａおよび６０を超えるＲ９は、一般に、良好であると考えられる。ｄｕ’ｖ’は、それぞれのＣＣＴのプランキアン（Ｐｌａｎｃｋｉａｎ）からの偏差である。図示する例では、ＲＡは８０よりも大きく、Ｒ９は、６０よりも大きく、または７０よりも大きく、または７５よりも大きく、ｄｕ’ｖ’は、デバイスの正常動作パワー範囲の全体にわたって約０．０６５０以下である。

図４は、図３Ａのプロットの基をなすＩＬＤ蛍光体変換ＬＥＤ出力スペクトルのうちの２つを示す。スペクトルは、（様々な）青色ポンプの吸収されない部分である青色ピークに対して正規化されており、青色発光ダイオード放出、ＹＡＣ：Ｃｅ³⁺放出、およびＫ₂ＳｉＦ₆：Ｍｎ²⁺放出の場所を示している。スペクトル４００は三角形３２０Ｃ（３２５０ＫのＣＣＴ）に対応し、スペクトル４０５は図３Ａの三角形３２０Ｆ（２２００ＫのＣＣＴ）対応する。

本開示は、例示であり、限定ではない。さらなる変更は、本開示に照らして当業者には明らかであり、添付の特許請求の範囲の範囲内にあるように意図される。例えば、レーザダイオードは、２つの（またはそれより多い）蛍光体混合物、または枯渇性赤色蛍光体を含む蛍光体層のスタックを遠隔で励起するために使用されてもよい。蛍光体によって透過された残留青色光は、反射され、蛍光体放出と混合され得る。

Claims (23)

1. 青色光を放出するＬＥＤと、
   前記ＬＥＤにより放出された前記青色光によって励起され、応答して緑色または帯緑黄色光を放出する第１の蛍光体と、
   前記ＬＥＤにより放出された前記青色光によって励起され、応答して赤色光を放出する第２の蛍光体であり、前記ＬＥＤからの励起パワーに対して一定またはほぼ一定である発光効率を有する、第２の蛍光体と
   を含む発光デバイスであって、
   前記ＬＥＤ、前記第１の蛍光体、および前記第２の蛍光体からの前記放出が結合して、ある相関色温度を有する白色光出力を供給し、
   前記第１の蛍光体からの放出パワーが、前記ＬＥＤからの放出パワーとともに直線的にまたはほぼ直線的に増加し、
   前記ＬＥＤからの放出パワーが増加するにつれて、前記第２の蛍光体からの放出パワーが飽和し、前記第２の蛍光体が前記青色光の増加分を透過し、それによって、前記発光デバイスからの出力パワーが増加するにつれて前記白色光出力の前記相関色温度が上昇する、発光デバイス。
2. 前記ＬＥＤからの励起パワーが増加するにつれて、前記白色光出力の前記相関色温度が、約２５００Ｋ以下から約４５００Ｋ以上まで上昇する、請求項１に記載の発光デバイス。
3. 前記第２の蛍光体からの前記赤色放出が、約１０^-4秒以上の放出寿命を有する発光中心からのものである、請求項１に記載の発光デバイス。
4. 前記放出寿命が約１０^-3秒以上である、請求項３に記載の発光デバイス。
5. 前記赤色発光中心がＭｎ⁴⁺イオンである、請求項４に記載の発光デバイス。
6. 前記ＬＥＤが、ＩＩＩ−窒化物発光ダイオードであり、
   前記第１の蛍光体が、ＹＡＧ：Ｃｅ³⁺であるかまたはＹＡＧ：Ｃｅ³⁺を含み、
   前記第２の蛍光体が、Ｋ₂ＳｉＦ₆：Ｍｎ⁴⁺であるかまたはＫ₂ＳｉＦ₆：Ｍｎ⁴⁺を含む、請求項１に記載の発光デバイス。
7. 請求項１に記載の発光デバイスを動作させる方法であって、
   直流で前記ＬＥＤを駆動するステップと、
   前記直流を変更して、前記発光デバイスからの前記放出パワーおよび前記白色光の前記色相関温度を変更するステップと
   を含む、方法。
8. 請求項１に記載の発光デバイスを動作させる方法であって、
   あるデューティファクタを有する電流パルストレインで前記ＬＥＤを駆動するステップと、
   前記デューティファクタを変更して、前記ＬＥＤからの前記放出パワーおよび前記白色光の前記色相関温度を変更するステップと
   を含む、方法。
9. 前記パルストレインの各パルスが、前記第２の蛍光体の放出寿命よりも長い持続時間を有する、請求項８に記載の方法。
10. ある相関色温度を有する白色光を出力する発光デバイスであって、前記発光デバイスが、
    青色または近ＵＶ光を放出するＬＥＤと、
    前記ＬＥＤにより放出された前記光によっておよび／または前記ＬＥＤにより励起された別の蛍光体によって放出された光によって励起され、応答して緑色または帯緑黄色光を放出する第１の蛍光体と、
    前記ＬＥＤにより放出された前記光によって、前記第１の蛍光体によって放出された前記光によって、および／または前記ＬＥＤにより励起された別の蛍光体によって放出された光によって励起され、応答して赤色光を放出する第２の蛍光体であり、励起パワーに対して一定またはほぼ一定である発光効率を有する、第２の蛍光体と
    を含み、
    前記第１の蛍光体からの放出パワーが、前記ＬＥＤからの放出パワーとともに直線的にまたはほぼ直線的に増加し、
    前記ＬＥＤからの放出パワーが増加するにつれて、前記第２の蛍光体からの放出パワーが飽和し、前記第２の蛍光体が、それに当たる前記光の増加分を透過し、それによって、前記発光デバイスからの出力パワーが増加するにつれて前記白色光の前記相関色温度が上昇する、発光デバイス。
11. 前記ＬＥＤからの励起パワーが増加するにつれて、前記白色光出力の前記相関色温度が、約２５００Ｋ以下から約４５００Ｋ以上まで上昇する、請求項１０に記載の発光デバイス。
12. 前記第２の蛍光体からの前記赤色放出が、約１０^-5秒以上の放出寿命を有する発光中心からのものである、請求項１０に記載の発光デバイス。
13. 前記放出寿命が約１０^-4秒以上である、請求項１２に記載の発光デバイス。
14. 前記赤色発光中心がＭｎ⁴⁺イオンである、請求項１３に記載の発光デバイス。
15. 前記ＬＥＤが、ＩＩＩ−窒化物発光ダイオードであり、
    前記第１の蛍光体が、ＹＡＧ：Ｃｅ³⁺であるかまたはＹＡＧ：Ｃｅ³⁺を含み、
    前記第２の蛍光体が、Ｋ₂ＳｉＦ₆：Ｍｎ⁴⁺であるかまたはＫ₂ＳｉＦ₆：Ｍｎ⁴⁺を含む、請求項１０に記載の発光デバイス。
16. 請求項１０に記載の発光デバイスを動作させる方法であって、
    直流で前記ＬＥＤを駆動するステップと、
    前記直流を変更して、前記発光デバイスからの前記放出パワーおよび前記白色光の前記色相関温度を変更するステップと
    を含む、方法。
17. 請求項１０に記載の発光デバイスを動作させる方法であって、
    あるデューティファクタを有する電流パルストレインで前記ＬＥＤを駆動するステップと、
    前記デューティファクタを変更して、前記ＬＥＤからの前記放出パワーおよび前記白色光の前記色相関温度を変更するステップと
    を含む、方法。
18. 前記パルストレインの各パルスが、前記第２の蛍光体の放出寿命よりも長い持続時間を有する、請求項１７に記載の方法。
19. ある相関色温度を有する白色光を出力する発光デバイスを動作させる方法であって、
    前記発光デバイスが、
    ＬＥＤと、
    あるデューティファクタを有する一連の電流パルスで駆動電流を前記ＬＥＤに供給するＬＥＤドライバであり、各電流パルスがある振幅を有し、前記ＬＥＤが、応答して、対応する一連の青色または近ＵＶ光パルス放出する、ＬＥＤドライバと、
    前記ＬＥＤにより放出された前記光によっておよび／または前記ＬＥＤにより励起された別の蛍光体によって放出された光によって励起され、応答して帯緑黄色光を放出する第１の蛍光体と、
    前記ＬＥＤにより放出された前記光によって、前記第１の蛍光体によって放出された前記光によって、および／または前記ＬＥＤにより励起された別の蛍光体によって放出された光によって励起され、応答して赤色光を放出する第２の蛍光体であり、励起パワーに対して一定またはほぼ一定である発光効率を有する、第２の蛍光体と
    を含み、
    前記第１の蛍光体からの放出パワーが、前記ＬＥＤに供給される前記駆動電流の前記電流パルス振幅とともに直線的にまたはほぼ直線的に増加し、
    前記ＬＥＤに供給される前記駆動電流の前記電流パルス振幅が増加するにつれて、前記第２の蛍光体からの放出パワーが飽和し、前記第２の蛍光体が、それに当たる前記光の増加分を透過し、
    前記方法が、前記電流パルス振幅および前記デューティファクタを同時に変更して、前記発光デバイスからの一定またはほぼ一定の白色光出力パワーを維持しながら前記白色光の前記相関色温度を変更するステップ
    を含む、方法。
20. 前記第２の蛍光体からの前記赤色放出が、約１０^-5秒以上の放出寿命を有するブリーチ可能な発光中心からのものである、請求項１９に記載の方法。
21. 前記放出寿命が約１０^-3秒以上である、請求項１９に記載の方法。
22. 前記ブリーチ可能な赤色発光中心が、Ｍｎ⁴⁺、Ｅｕ³⁺、Ｔｂ³⁺、またはＰｒ³⁺イオンである、請求項２０に記載の方法。
23. 前記ＬＥＤが、ＩＩＩ−窒化物発光ダイオードであり、
    前記第１の蛍光体が、ＹＡＧ：Ｃｅ³⁺であるかまたはＹＡＧ：Ｃｅ³⁺を含み、
    前記第２の蛍光体が、Ｋ₂ＳｉＦ₆：Ｍｎ⁴⁺であるかまたはＫ₂ＳｉＦ₆：Ｍｎ⁴⁺を含む、請求項１９に記載の発光デバイス。

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