JP2006521011A - 残光効果を有するルミネセンス変換ｌｅｄ及びその使用並びに作動方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、一次放射（４）を放出するための少なくとも１つのLED（２）と、一次放射を二次放射（５）に変換するための少なくとも１つの発光物質（６）とを有する光源（１）に関する。この光源は、二次放射（５）が室温において、二次放射のルミネセンス強度が50％だけ減少する減衰時間が１秒を超えることを特徴とする。発光物質は残光効果を示す。LEDのスイッチオフ後及び従って発光物質の励起終了後、発光物質はかなり長い時間にわたって二次放射を放出する。この光源はLEDのスイッチオフの時間を越えて見ることができる。減衰時間は数分ないし数時間の大きさが好ましい。この光源は例えば避難路の照明に使用される。

Description

本発明は、一次放射を放出するための少なくとも１つのLEDと一次放射を二次放射に変換するための少なくとも１つの発光物質を有する光源に関する。さらに、その光源の使用及び適切な作動方法が開示される。
[背景技術]

上述の種類の光源は例えば独国特許第19638667 C2号明細書から知られている。この光源はルミネセンス変換LEDといわれる。この光源のLED（発光ダイオード）は、活性層として例えばガリウム・インジウム・窒化物（GaInN）からなる半導体層を有する。電気的操作によってこの層から、第１の波長領域からなる一次放射が放出される。LEDは「青色の」光を放射する。一次放射の最大強さは約450nmにある。一次放射は発光物質を用いて二次放射に変換される。発光物質は例えばセリウムでドープされた又は活性化されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（YAG：Ce、Y₃Al₅O₁₂：Ce）である。発光物質は一次放射を吸収し、第２の波長領域からなる二次放射を放出する。発光物質はセリウムの濃度に関係した最大強度を有する「黄色の」ルミネセンス光を放射する。

発光物質は粉末粒子の形でエポキシ樹脂または低融点の無機ガラス中に埋め込まれている。エポキシ樹脂ないしガラスは、粉末粒子のマトリックスとして用いられる。LEDがスイッチオンされている場合には、粉末粒子の発光物質は二次放射の放出（ルミネセンス）のために励起される。LEDがスイッチオフされると直ちに、一次放射及びその結果としての二次放射も放出されない。光源の光は消える。この光源が消えるのはLEDのスイッチオフとほぼ同時である。

しかしながら安全性の理由から、停電の場合にも光源がなお比較的長い時間にわたって光を放射することが望ましいことがあり得る。

さらに、独国特許出願公開第19930174号明細書から、特定のデューティ・ファクターの制光によりLEDを作動させることは既に知られている。この技術はパルス幅変調（PWM）として知られている。その場合通例せいぜいのところ1：100以下のデューティ・サイクルのみが可能である。

それ故本発明の課題は、停電の場合にも比較的長時間にわたって光を放射するルミネセンス変換LEDを提供することにある。本発明の他の課題は、省エネルギーのLED及びできるだけ寿命の長いLEDを提供することにある。

これらの課題を解決するため、一次放射を放出するための少なくとも１つのLED及び一次放射を二次放射に変換するための少なくとも１つの発光物質を有する光源が提示される。この光源は、二次放射が室温において、二次放射のルミネセンス強度がもはや人間の目で知覚し得なくなるまでに、少なくとも0.1秒、好ましくは少なくとも１秒、の減衰時間を有することを特徴とする。その場合室温とは、約10℃〜約30℃の範囲の温度、特に約20℃の温度を意味する。

本発明による光源は、停電後またはLEDの電力供給のサイクリックな運転の中断後も光を放出する。このことは、発光物質の二次放射が比較的長い減衰時間を有することによって達成される。この光源の発光物質は「残光効果」において特色づけられる。LEDのスイッチオフ後、従って発光物質の励起が終了した後も、発光物質はかなり長い時間にわたって二次放射を放出する。光源はLEDのスイッチオフの時点を越えても目に見える。このことは、二次放射を検出するための任意の装置に対して有効である。特にこのことは人間の目に対して有効である。かなり長時間にわたる光源の可視性は視覚の順応によってさらに強化される。

減衰時間は数分から数時間に至る値であるのが好ましい。特に二次放射のそのような長い減衰時間によって、光源は非常用照明として使用することができる。非常用照明は、例えば照明のための「通常の」光源が故障した任意の空間の照明に用いられる。この空間は例えば避難路の一部である。この光源を使用することによって、避難路を停電の場合でも指示することができる。

特別な構成に従えば、異なる減衰時間を有する複数の発光物質が用いられる。先に述べたように、ただ１つの発光物質は複数の放射状態を持つことが可能である。これらの状態に由来する二次放射は、各ルミネセンスの波長範囲に関して互いに異なることができる。これらの二次放射がさらに異なる減衰時間を持っている場合には、LEDのスイッチオフ後、光源から放出された光の色は時間と共に変化する。それ故複数の発光物質、しかも二次放射の減衰時間が異なることが顕著で、ただ同じ波長範囲で放射する発光物質を使用するのが有利である。それによって、LEDの電力供給が中断したときも光源から放出される光の色はほとんど変わらない。光源の光の色は近似的に同じにとどまる。

１つ又は複数の発光物質は、ただ１つのLEDによって二次放射を放出するため励起され得る。特有の一次放射を有するLEDによって、対応する二次放射を放出するため各発光物質が個々に励起されるようにすることも可能である。

光源は、所属の発光物質を有するただ１つのLEDを備えることができる。特に、所属の発光物質を有する複数のLEDがアレイの形に配置されることも可能である。その場合それぞれ同じLED・発光物質の組合せが使用され得る。アレイが異なるLED・発光物質の組合せから組み立てられることも可能である。

発光物質として、各任意の発光物質で、二次放射のルミネセンス強度の対応して長い減衰時間を有するものが考えられ得る。発光物質は有機または無機の発光物質であってよい。特殊な構成においては、発光物質は酸化物発光物質、アルミン酸塩発光物質及び硫化物発光物質の少なくとも１つから選ばれる。これらの無機発光物質はそれぞれ１つのドーパント又は複数のドーパントを使用して活性化される。ドーパント（種類及び濃度）に関係して、発光物質のそれぞれ異なる光物理学的挙動が生じる。１つのドーパントないし複数のドーパントは、例えば二次放射の放出の波長領域並びに減衰時間を制御する。

特殊な構成においては、アルミン酸塩発光物質は、ユーロピウム（Eu²⁺、Eu³⁺）及びジスプロシウム（Dr³⁺）の群から選ばれた少なくとも１つのドーパントを有するアルカリ土類アルミン酸塩を含む。アルカリ土類アルミン酸塩は例えばSrAl₂O₄：Eu²⁺、Dy³⁺、CaAl₂O₄：Eu²⁺、Dy³⁺、SrAl₁₄O₂₅：Eu²⁺、Dy³⁺の群から選ばれた形式的組成を含む。形式的組成SrAl₂O₄：Eu²⁺、Dy³⁺（ユーロピウム及びジスプロシウムのドーパント）を含む発光物質は、例えば450nmの広帯域の一次放射による励起後緑色の二次放射を放出する。この発光物質は200分後なお10％の残光を示す。他の挙げられた発光物質は、青色の二次放射（CaAl₂O₄：Eu²⁺、Dy³⁺）及び青緑色の二次放射（SrAl₁₄O₂₅：Eu²⁺、Dy³⁺）を放出する。

特殊な構成においては、硫化物発光物質は銅（Cu⁺）及び銀（Ag⁺）の群から選ばれた少なくとも１つのドーパントを有する硫化亜鉛（ZnS）を含む。この発光物質の形式的組成は例えばZnS：Ag⁺、Cu⁺となっている。この発光物質は緑色の二次放射を放出する。

他の構成においては、酸化物発光物質はユーロピウム（Eu²⁺、Eu³⁺）、マグネシウム（Mg²⁺）及びチタン（Ti⁴⁺）の群から選ばれた少なくとも１つのドーパントを含むイットリウムオキシ硫化物を含む。この発光物質の形式的組成は例えばY₂O₂S：Eu³⁺、Mg²⁺、Ti⁴⁺となっている。この発光物質は赤色の二次放射を放出する。

特に好ましい実施形態においては、燐光を発する発光物質を有するLUCOLED（Luminescence Conversion LED（ルミネセンス変換LED））が、少なくとも50msのオフ時間をもって、適切なデューティ・ファクターによる制光によって作動せしめられる。その際通例一方では、デューティ・サイクルが少なくとも1：1000、さらに1：10000まで又は又はもっと低く選ばれることによって、特に省エネルギーのLEDが実現され得る。従来のLＵＣＯＬＥＤは人間の目へのフリッカー効果のため、最高でも1：100のデューティ・サイクルを使用することを強いられている。しかしながら、適切な貯蔵発光物質の使用は、この閾値をさらに下げるという有利な可能性を提供する。

他方において、他の特に好ましい実施形態においては、オン時間及びオフ時間が明らかにより長く選ばれることによって寿命の長いLEDが実現され得る。通常知られている値は両相（オン相及びオフ相）に対し５msであり、50％のデューティ・サイクルに相応する。貯蔵発光物質の使用は、同じデューティ・サイクルにおいて相の著しく長い周期、たとえば両相に対し少なくとも50ms、を使用するという有利な可能性を提供する。その際、オン相の長さは単位時間あたりのスイッチング動作の数より重要性は小さい。全体として、現在可能な長いオフ相に基づいて、スイッチング動作の数の極めて顕著な減少が得られる。それによって、スイッチのスイッチングロスが著しく減少する。この負担の減少は寿命を増大させる。

複数の実施例及びそれに属する図に基づいて、本発明を以下に詳細に説明する。なお図は概略的であり、実寸通りに描かれたものではない。
［発明の好ましい実施態様］

図１における光源１はLED２とルミネセンス変換体３とからなる。ルミネセンス変換体３はエポキシ樹脂からなり、その中に発光物質６からなる粉末粒子が含まれている。エポキシ樹脂は粉末粒子に対するマトリックスを形成する。粉末粒子の平均的な粒子の大きさは10〜20μmである。

活性層としてLED２はガリウム・インジウム・窒化物からなる半導体層を含む。電気的操作によって、LEDは約450nmに強度最大値を有する青色光（一次放射４）を放射する。

発光物質６は、ユーロピウムとジスプロシウムでドープされたストロンチウム・アルミン酸塩である。この発光物質６の形式的組成はSrAl₂O₄：Eu²⁺、Dy³⁺である。この発光物質６は450nmに広い吸収帯を示す。LED２の一次放射４は発光物質６によって吸収され、二次放射５に変換される。二次放射５の放出は緑色である。発光物質６は室温において、一次放射４を放出したLED２のスイッチオフ後200分も約10％の残光を示す。このことは、二次放射５が、二次放射５のルミネセンス強度が50％だけ減少するまでに１秒をはるかに超える減衰時間を有することを意味する。

図１に示すように一次放射４の一部分は、発光物質６によって吸収されることなくルミネセンス変換体３を貫通する。しかし一部分は吸収される。その結果として、LED２の作動中光源１の光は一次放射４の青色放射と二次放射５の緑色放射との混合が生じる。LED２のスイッチオフ後、光源１はさらに発光物質６の二次放射５の緑色放射のみを放出する。

以上に代わる構成においては、一次放射４の強度と発光物質６の量が互いに調整され、LED２の電気的作動中も一次放射４がルミネセンス変換体３をほとんど貫通しないようにされる。光源１はLED２の電気的作動中もLED２のスイッチオフ後も二次放射５の緑色放射を放出する。

他の実施例によれば、ルミネセンス変換体３は、形式的組成として、CaAl₂O₄：Eu²⁺、Dy³⁺（青色ルミネセンス）、SrAl₂O₄：Eu²⁺、Dy³⁺（緑色ルミネセンス）及びY₂O₂S：Eu³⁺、Mg²⁺、Ti⁴⁺（赤色ルミネセンス）を有する発光物質の混合を含む。この発光物質６は二次放射５の異なる減衰時間で特色づけられる。異なる減衰時間に基づいて、LED２のスイッチオフ後、光源１の時間と共に色の変化する光が生ずる。

省エネルギーのLEDとしての実施形態においては、貯蔵発光物質を備えたLUCOLEDがPMWを用いて、少なくとも50ms、好ましくは200msのスイッチオフ持続時間でもって作動せしめられる。その場合依然として放射する光源の印象を可能にするために、人間の目の慣性に基づいて、１：1000のデューティ・サイクル、貯蔵発光物質及びその減衰時間に応じてその上さらに1：10000のデューティ・サイクル又はもっと高いもので十分である。具体的には、ストロンチウム・アルミン酸塩又はイットリウムオキシ硫化物を使用した1：5000のデューティ・ファクターのLUCOLEDが用いられ得る。全体としてこの場合発光物質の選択に応じてデューティ・ファクターは1：2〜1：10000にすることが可能である。例えば図２及び図３に示されるようなデューティ・ファクターを使用することができる。

寿命の長い、また費用のかからないLEDを実現する他の実施形態においては、貯蔵発光物質を備えたLUCOLEDが、PWMを用いて貯蔵発光物質及びその減衰時間に応じて1：1〜1：10のデューティ・ファクターが使用されるように作動せしめられ、その際、オン相が少なくとも20ms（好ましくは50msより小）、オフ相が少なくとも50ms、好ましくは200msより大の値を持つことによって所属のスイッチの負担は僅かとなる。それによってスイッチの寿命が長くなる（概して２倍）か、又はその代わりに負担が僅かであることに基づいて貯蔵発光物質なし（その代わりに短い減衰時間を持った通常の発光物質）と同じ寿命を得るのに安価なスイッチを使用することができる。具体的には硫化亜鉛を用いて50％のデューティ・サイクル（デューティ・ファクター 1：2）を使用することができる。このデューティ・ファクターは、電子工学で通常のようにV＝tp/Tと定義され、tpはパルス継続時間、Tはパルス周期である。Tはパルス継続時間とオフ時間との和を意味する。

周期的な電流制御の駆動回路に対しては、制光において既に知られているような通常の技術を使用することができ、独国特許出願公開第19930174号明細書のほか、米国特許出願公開第5907569号明細書又は独国特許出願公開第4005776号明細書を参照されたい。

原則的にはPWM駆動にたいしてはすべての具体的に挙げられた貯蔵発光物質、特に上述のようなストロンチウム・アルミン酸塩又は他のアルミン酸塩又は酸化物又は硫化物が適している。これらの発光物質の多くは生得的に、その光強度が通常の蛍光発光物質におけると似て最初著しく低下するが、次いでトラッピング・プロセスに基づいて長く持続する残りの燐光が観察され、この燐光は数分から数時間にわたってなお人間の目により知覚される。目の感度のゆえにこの残留燐光はかわることなくなお良好に知覚可能である。ルミネセンス強度が元の強度の千分の一に低下するまでの減衰時間が少なくとも0.1ｓの大きさの発光物質、特に好ましくはルミネセンス強度が50％だけ減少する減衰時間が１秒を超えるような発光物質が特によく適している。

燐光を発する発光物質の持続的な放射を保証するため、燐光を発する発光物質の「再充電」又は「再生」を達成するべく、相サイクルの間に持続的な作動の相を挿入することが適切であることが判明した。これらの相の持続時間及び頻度は具体的に使用される発光物質に関係している。この作動様式は図４に概略が示されている。

300〜400nmの範囲の紫外線によって個有に又は特に良好に励起可能な発光物質をとりわけ用いることができる。その利点は、可視光線に対し紫外線の場合には急速な充電可能性である。

適切な貯蔵発光物質の例は次のとおりである。
SrAl₂O₄：Eu、Dy
Sr₄Al₁₄O₂₅：Eu、RE（RE＝希土類元素）
Ca₂Al₂SiO₇：Ce
CaYAl₃O₇：Ce
Ca₂Al₂SiO₇：Mn、Ce
CaAl₂O₄：Eu、Nd
CaAl₂O₄：Tb、Ce
CaAl₂O₄：Mn、Ce
MgSiO₃：Mn、Eu、Dy

ルミネセンス変換LEDの形の光源の断面図を示す。 省エネルギーのLEDの典型的なデューティ・サイクルの線図を示す。 長い寿命を有するLEDの典型的なデューティ・サイクルの線図を示す。 間歇的に動作するLEDの典型的なデューティ・サイクルの線図を示す。

符号の説明

１ 光源
２ LED
３ ルミネセンス変換体
４ 一次放射
５ 二次放射
６ 発光物質

Claims (12)

1. 一次放射（４）を放出するための少なくとも１つのLED（２）と、一次放射（４）を二次放射（５）に変換するための少なくとも１つの発光物質（６）とを有する光源（１）において、二次放射（５）が室温において、二次放射（５）のルミネセンス強度がもはや人間の目で知覚できなくなるまでに、少なくとも0.1ｓの減衰時間を有することを特徴とする光源。
2. 異なる減衰時間を有する複数の発光物質（６）が用いられることを特徴とする請求項１記載の光源。
3. 発光物質（６）が、酸化物発光物質、アルミン酸塩発光物質及び硫化物発光物質の少なくとも１つから選ばれることを特徴とする請求項１又は２記載の光源。
4. アルミン酸塩発光物質が、ユーロピウム及びジスプロシウムから選ばれた少なくとも１つのドーパントを有するアルカリ土類アルミン酸塩を含むことを特徴とする請求項３記載の光源。
5. 硫化物発光物質が銅及び銀から選ばれた少なくとも１つのドーパントを有する硫化亜鉛を含むことを特徴とする請求項３記載の光源。
6. 発光物質がユーロピウム、マグネシウム及びチタンから選ばれた少なくとも１つのドーパントを有するイットリウムオキシ硫化物を含むことを特徴とする請求項３記載の光源。
7. ルミネセンス強度が元の強度の千分の一に低下するまでの減衰時間が少なくとも0.1ｓの大きさであり、特にルミネセンス強度が50％だけ減少する減衰時間が１秒を超えることを特徴とする請求項１記載の光源。
8. 光源が所定のデューティ・ファクターで周期的に作動せしめられ、その際オフ時間が少なくとも50msの大きさであることを特徴とする請求項１記載の光源の作動方法。
9. オフ時間が少なくとも200msの大きさであることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. パルス持続時間とパルス周期との間のデューティ・ファクターが1：2〜1：10000の範囲にあることを特徴とする請求項７記載の方法。
11. 連続的作動相と周期的作動相とが交互に現われることによって、光源が断続的に作動せしめられることを特徴とする請求項７記載の方法。
12. 非常照明として使用されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の記載の光源の使用方法。

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