JP2004161841A

JP2004161841A - 蛍光体およびそれを含む照明装置と表示装置

Info

Publication number: JP2004161841A
Application number: JP2002327973A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Morioka; 達也森岡
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】光変換効率の低下を抑制し得る蛍光体を実現し、さらにその蛍光体を含む照明装置と表示装置を提供する。
【解決手段】蛍光体は、媒質（１０４）中に分散された第１種類の粒子（１００、１０１、１０２）と第２種類の粒子（１０３）を含み、第１種類の粒子（１００、１０１、１０２）は励起光を吸収してその励起光と異なる波長の蛍光を放射するとともに、励起光に対してレイリー散乱を生じさせる粒子径を有し、第２種類の粒子（１０３）は励起光に対してミー散乱を生じさせる粒子径を有している。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの励起光を吸収してその励起光の波長を変換して様々な色を発光する半導体微粒子（ナノ結晶）を含む蛍光体に関し、特に励起光量から蛍光量への光変換効率や色度（色ずれに対する）特性の良好な蛍光体およびその蛍光体を含む照明装置と表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の粒子径を励起子ボーア半径程度（数ｎｍ程度）に小さくすれば、量子サイズ効果が生じて、その半導体粒子のバンドギャップが増大することが知られている。このようなバンドギャップの変化を利用すべく、半導体微粒子（ナノ結晶）を含む蛍光体の開発が試みられている。特に、半導体ナノ結晶では、量子効果に起因する非線形効果による高い光変換効率が期待されている。
【０００３】
そして、半導体微粒子を含む蛍光体およびそのような蛍光体を含む表示装置や照明装置の例が、特許文献１の特開平１１−３４０５１６公報に開示されている。すなわち、この特許文献１においては、蛍光体に含まれる微粒子材料として、励起光を吸収して赤色および緑色を発光し得るＺｎＣｄＳｅ混晶と青色を発光し得るＺｎＳｅ結晶とが教示されている。また、その特許文献１には、それらの半導体ナノ結晶を適当な割合で樹脂中に分散させた蛍光体が窒化物系半導体発光素子からの励起光で励起される照明装置および表示装置が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３４０５１６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、半導体ナノ結晶を含む蛍光体の光学特性を励起光の散乱に関連して詳細に調べたところ、光変換効率が蛍光体中の粒子構造に依存して顕著に変動することを見出した。
【０００６】
本発明者が見出したこのような課題に鑑み、本発明は光変換効率の低下を抑制し得る蛍光体を実現し、さらにその蛍光体を含む照明装置と表示装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの態様による蛍光体は、媒質中に分散された第１種類の粒子と第２種類の粒子を含み、第１種類の粒子は励起光を吸収してその励起光と異なる波長の蛍光を放射するとともに、励起光に対してレイリー散乱を生じさせる粒子径を有し、第２種類の粒子は励起光に対してミー散乱を生じさせる粒子径を有することを特徴としている。
【０００８】
本発明のもう一つの態様による蛍光体は、媒質中に分散された第１種類の粒子と第２種類の粒子を含み、第１種類の粒子は励起光を吸収してその励起光と異なる波長の蛍光を放射するとともに、励起光の波長より小さい粒子径を有し、第２種類の粒子は励起光の波長より大きい粒子径を有することを特徴としている。
【０００９】
なお、第２種類の粒子も、励起光を吸収してその励起光と異なる波長の蛍光を放射することが好ましい。また、蛍光体は、第１種類の粒子と第２種類の粒子との分散割合が互いに異なる複数の層を含む積層構造を有し得る。
【００１０】
そのような蛍光体とその励起用の光源とを含むことにより、低消費電力の照明装置を得ることができる。また、そのような蛍光体と、その励起用の光源と、その光源からの励起光の強度および蛍光体からの放射光の強度の少なくとも一方を制御する光制御手段とを含むことにより、低消費電力の表示装置を得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明者が蛍光体の光学特性を詳細に調べたところ、ナノ結晶の半導体粒子を含む蛍光体において、レイリー散乱の発生が光変換効率に対して問題を生じることが見いだされた。
【００１２】
（実施形態１）
図１から図３を参照しつつ、本発明の実施形態１による蛍光体が以下に説明される。なお、本願の図面において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表わしている。また、図面における長さ、厚さ、幅などの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表わしてはいない。
【００１３】
図１の模式的な断面図に示された実施形態１による蛍光体においては、粒子径がそれぞれ５ｎｍ、６ｎｍ、１３ｎｍのＩｎＮ粒子１００、１０１、１０２と粒子径１μｍの石英ガラス粒子１０３が、アクリル樹脂１０４中に分散させられている。このような蛍光体へ励起光として波長４００ｎｍの紫外光を照射すれば、その励起光を吸収したＩｎＮ粒子１００、１０１、１０２からそれぞれ青、緑、赤の蛍光が放射される。これは、径の小さなＩｎＮ粒子ほど大きなバンドギャップを有するので、それらのバンドギャップに対応した色の蛍光が放射されることによる。
【００１４】
図２においては、励起光が蛍光体中のＩｎＮ粒子に照射された場合に、そのＩｎＮ粒子による励起光の散乱分布とそのＩｎＮ粒子からの蛍光放射分布が模式的に図解されている。すなわち、図２において、ＩｎＮ粒子１００に照射される励起光が破線の矢印で示され、ＩｎＮ粒子で散乱された散乱励起光が太線の矢印で示され、そしてＩｎＮ粒子から放射される蛍光が細線の矢印で示されている。
【００１５】
この図に示されているように、励起光の１部はＩｎＮ粒子１００で吸収されて、そのＩｎＮ粒子によって光波長が変換された蛍光が粒子周りに放射される。またＩｎＮ粒子１００に吸収されない励起光成分は、ＩｎＮ粒子表面で散乱される。ここで、ＩｎＮ粒子１００の粒子径は励起光の波長に比べて小さいので、励起光はそのＩｎＮ粒子でレイリー散乱され、四方に散乱される。
【００１６】
このように四方に散乱された励起光のうちで、元の励起光の伝播方向（前方散乱方向）に対して逆方向（後方散乱方向）に散乱された励起光は、その後方散乱方向に存在するＩｎＮ粒子に照射される。しかしながら、後方散乱方向に存在するＩｎＮ粒子においては、既に光源側からの励起光が照射されているので、既に電子と正孔が発生している。したがって、後方散乱方向に存在するＩｎＮ粒子においては、既に生じている電子と正孔の飽和によって、後方散乱された励起光の吸収がほとんど生じない。その結果、ほとんどの後方散乱励起光がＩｎＮ粒子を透過してしまうので、それらの後方散乱光が励起光の損失成分となり、光変換効率の低下を生じてしまう。
【００１７】
さらに、レイリー散乱の特性として、四方への散乱強度は照射される光波長の４乗の逆数に比例する。したがって、可視光の波長範囲内の蛍光を放射させるために必要とされる短波長の励起光が散乱され易く、蛍光体が蛍光を放射すべき表面側に近いＩｎＮ粒子に励起光が到達しにくい。また、レイリー散乱においては、励起光が照射された粒子から放射される波長の異なる（例えば青、緑、赤の）蛍光に関する散乱強度が互いに異なるので、蛍光体表面に到達する各波長の蛍光強度が異なり、色度ずれ（色ずれ）が発生してしまう。
【００１８】
他方、図３においては、励起光が粒子径１μｍの石英ガラス粒子に照射された場合に、そのガラス粒子による励起光の散乱分布が模式的に図解されている。すなわち、図３において、石英ガラス粒子１０３に照射される励起光が破線の矢印で示され、そのガラス粒子で散乱された散乱励起光が太線の矢印で示されている。
【００１９】
この図に示されているように、石英ガラス粒子１０３の粒径は励起光の波長に比べて大きいので、励起光はこのガラス粒子でミー散乱されて、励起光の伝播方向（前方散乱方向）に強く散乱される。また、ミー散乱の特性として、レイリー散乱におけるような散乱強度の波長依存性はない。
【００２０】
したがって、蛍光体中で励起光を吸収して各色を発光するＩｎＮ粒子１００、１０１、１０２と励起光を単に散乱させる石英ガラス粒子１０３とをそれぞれ分散させることにより、ＩｎＮ粒子のみが分散している場合に発生するレイリー散乱の効果を抑制することができる。このことにより、蛍光体中で励起光を前方散乱方向へより多く散乱させることができ、光変換効率と色度を良好にすることができる。
【００２１】
なお、励起光を主に前方散乱させる光散乱粒子の材質としては、無機材系ではサファイアや水晶など、有機材系ではポリイミド、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、シリコーン系樹脂など、金属系では金や銀など、さらに酸化物系ではＺｒＯ_２やＴａ_２Ｏ_５などを用いることができる。また、蛍光体中の蛍光粒子もＩｎＮ粒子に限られず、Ｓｉ粒子などの他の半導体粒子を用いることもできる。
【００２２】
（実施形態２）
図４の模式的な断面図は、本発明の実施形態２による蛍光体を図解している。この蛍光体においては、粒子径がそれぞれ５ｎｍ、６ｎｍ、１３ｎｍのＩｎＮ粒子１００、１０１、１０２と粒子径１μｍのＩｎ_０．４６Ｇａ_０．５４Ｎ粒子３００とが、アクリル樹脂１０４中に分散させられている。このような蛍光体に励起光として波長４００ｎｍの紫外光を照射すれば、その励起光を吸収した蛍光体中のＩｎＮ粒子１００、１０１、１０２からそれぞれの粒子径に応じた青、緑、赤の蛍光が放射される。
【００２３】
ここで、実施形態１と同様に、本実施形態２においてもＩｎＮ粒子の粒子径は励起光の波長に比べて小さいので、ＩｎＮ粒子に吸収されなかった励起光はそのＩｎＮ粒子によるレイリー散乱によって四方に散乱される。他方、粒子径１μｍのＩｎ_０．４６Ｇａ_０．５４Ｎ粒子３００の粒径は励起光の波長に比べて大きいので、励起光はＩｎ_０．４６Ｇａ_０．５４Ｎ粒子でミー散乱されてその励起光の伝播方向（前方散乱方向）に強く散乱される。
【００２４】
したがって、励起光を吸収して各色を発光するＩｎＮ粒子１００、１０１、１０２と励起光を散乱するＩｎ_０．４６Ｇａ_０．５４Ｎ粒子３００とを蛍光体中に分散させることにより、ＩｎＮ粒子のみを含む場合に生じるレイリー散乱の効果を抑制することができる。このことにより、蛍光体中で励起光を前方散乱方向へより多く散乱させることができ、光変換効率と色度を良好にすることができる。
【００２５】
さらに、Ｉｎ_０．４６Ｇａ_０．５４Ｎ粒子３００に照射された励起光の１部はそのＩｎ_０．４６Ｇａ_０．５４Ｎ粒子で吸収され、その粒子から青色の螢光が放射され得る。このことから、本実施形態２の蛍光体においては、レイリー散乱を生じやすい青色発光する粒径の小さなＩｎＮ粒子１００を減らして、その代わりに青色発光する粒径の大きなＩｎ_０．４６Ｇａ_０．５４Ｎ粒子３００を増やすことができる。
【００２６】
なお、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ粒子３００では、Ｉｎ組成比を調整することにより、そのバンドギャップを制御することができる。例えば、Ｉｎ組成比を大きくすればバンドギャップが狭くなるので、その粒子から放射される蛍光は長波長化する。すなわち、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ粒子のＩｎ組成比を変化させることにより、その粒子から青色以外の所望の波長の蛍光を得ることができる。
【００２７】
したがって、蛍光体中に所望の色を発光するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ粒子３００を含有させることによって、光変換効率に影響しやすい小さな粒径のＩｎＮ粒子１００、１０１、１０２の含有割合を変えることなく、様々な色の色度を調整することもできる。
【００２８】
（実施形態３）
図５の模式的な断面図は、本発明の実施形態３による蛍光体を図解している。この蛍光体においては、粒子径が５ｎｍ、６ｎｍ、１３ｎｍのＩｎＮ粒子１００、１０１、１０２と粒子径１μｍの石英ガラス粒子１０３とがそれらの含有割合が互いに異なるようにアクリル樹脂１０４中に分散された複数の層４００、４００１を含む積層構造が形成されている。そして、この積層構造からなる蛍光体に励起光として波長４００ｎｍの紫外光を照射することによって、蛍光体中で励起光を吸収したそれぞれの粒径のＩｎＮ粒子１００、１０１、１０２から青、緑、赤の蛍光が放射される。
【００２９】
このように、蛍光体中で励起光を吸収して各色を発光するＩｎＮ粒子１００、１０１、１０２と励起光を散乱する石英ガラス粒子１０３をそれぞれ分散させることにより、第１の実施形態の場合と同様に、本実施形態３においてもＩｎＮ粒子のみを含む場合に発生する励起光のレイリー散乱を抑制することができる。したがって、蛍光体中で励起光を前方散乱方向へより多く散乱させることができ、光変換効率と色度を良好にすることができる。
【００３０】
さらに、本実施形態３においては、励起光源に近い側の蛍光体層４００に含まれる石英ガラス粒子１０３が、励起光源に遠い側の蛍光体層４０１に含まれる石英ガラス粒子に比べて高密度にされている。こうすることによって、励起光源に近い側の蛍光体層４００では、励起光源に遠い側の蛍光体層４０１に比べて、励起光に対するミー散乱の効果が大きくなる（レイリー散乱の効果が小さくなる）。逆に、励起光源に遠い側の蛍光体層４０１では、励起光に関するレイリー散乱の効果が大きくなる（ミー散乱の効果が小さくなる）。
【００３１】
すなわち、蛍光体層４００において、励起光は蛍光体層４０１のある前方向（励起光の伝播方向）に散乱されやすくなる。他方、蛍光体層４０１では、励起光はその蛍光体層４０１内に均一に散乱されやすくなる。このように、本実施形態３では、蛍光体層４００、４０１内における励起光の散乱状態を個別に制御することができ、蛍光体中において蛍光放射する表面側に近い領域で励起光分布を大きくかつ均一にすることができる。
【００３２】
（実施形態４）
図６と図７の模式的な斜視図に図解されているような本発明の実施形態４による照明装置においては、前述の実施形態による蛍光体が利用される。なお、図６は、図７の照明装置の一部分を示している。
【００３３】
図６において、ＧａＮ系半導体レーザ５００から放射された波長４００ｎｍの励起光が円柱状のアクリル樹脂からなる第１の導光体５０１内に入射させられる。第１の導光体５０１の両端面のうちで半導体レーザ５００が結合されていない側の端面には、酸化シリコンからなる反射膜５０８が形成されている。また、第１の導光体５０１の円柱面の１部（スリット）領域を除いた周面にはアルミニウムの金属反射膜５０２が形成されている。
【００３４】
第１の導光体５０１に入射した励起光は、アルミニウムの金属反射膜５０２に設けられたスリット領域から放射される。これによって、半導体レーザ５００から放射された点光源が線状光源に変換される。
【００３５】
そして、図７に示されているように、第１の導光体５０１の円筒面に形成された金属反射膜５０２のスリット領域を第２の導光体５０３に結合させることによって、第１の導光体５０２から放射される光が第２の導光体５０３内に入射される。この第２の導光体５０３の底面は、第１の導光体５０１から入射した光の伝播方向に対して弓状の形状をしており、さらにこの底面の全面にアルミニウムからなる金属反射膜５０４が設けられている。すなわち、第１の導光体５０１からの励起光は、第２の導光体５０３内を伝播しながら、その１部はこの弓状の金属反射膜５０４で反射されて、第２の導光体の上方向に放射される。こうして、第１の導光体から入射された線状光源が面状光源に変換される。
【００３６】
なお、第２の導光体５０３の上面上には、蛍光体層５０６から放射された光がその第２の導光体の方向に後方散乱されることによって生じる光損失を防ぐために、励起光を透過するが蛍光体から放射される螢光を上方向に反射する光学特性を有する光学膜（たとえば干渉フィルタ）５０５が形成されている。このような光学膜の膜構造は、励起光に対して吸収がない酸化シリコンや酸化アルミナなどの誘電体膜を用いて、その膜中での光の多重干渉の原理を用いた一般的な光学膜の設計手法に基づいて設定することができる。
【００３７】
光学膜５０５の上面上の少なくとも１部領域には、前述の実施形態で得られた赤色、緑色、青色を発光する粒子と励起光を散乱する粒子が含まれた蛍光体層５０６が積層されている。この蛍光体層に励起光が照射され、各色を発光する粒子から放射された螢光が混色されることによって白色の蛍光が上方空間に放射される。
【００３８】
蛍光体５０６の上面上の少なくとも一部領域には、人間の目に対する安全性に関する観点から、コヒーレントな励起光が空間に放射されるのを防ぎ、かつ白色光が空間に放射されるような光学特性を有する光学膜５０７が形成されている。この光学膜５０７の膜構造は、白色光に対して吸収がない酸化シリコンや酸化アルミナなどの誘電体膜を用いて、その膜中での光の多重干渉の原理を用いた一般的な光学膜の設計手法に基づいて設定することができる。
【００３９】
前述の実施形態で得られた光変換効率の良好な蛍光体を本実施形態４の照明装置に利用することによって、従来と同じ放射光量を得る場合に励起光の光量を低減することができ、低消費電力の照明装置を実現することができる。なお、照明装置の形態としては、導光体を使用せずに励起光が直接に蛍光体に照射されるような構造を有していてもよい。
【００４０】
（実施形態５）
図８と図９の模式的断面図に図解されているような本発明の第５の実施形態による表示装置においても、前述の実施形態による蛍光体が利用される。
【００４１】
図８に示されているように、ＧａＮ系半導体ダイオード６００から放射された波長４００ｎｍの励起光が、各画素に対応してピクセル状に配置されている赤色、緑色、青色を発光する蛍光体６０１、６０２、６０３に照射される。
【００４２】
各蛍光体の上面上には、この蛍光体から放射された光強度を制御するように偏光板に挟まれたアクティブマトリクス駆動型ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を含む液晶光変調素子６０４が設けられている。なお、蛍光体から放射される光強度の制御手段としては、蛍光体から放射される光を光電界吸収効果で吸収する手段を用いることもできる。
【００４３】
液晶光変調素子６０４の上面上の少なくとも一部領域には、人間の目に対する安全性への観点から、コヒーレントな励起光が空間に放射されるのを防ぎかつ蛍光体から放射された光が上方空間に放射されるような光学特性を有する光学膜６０５が形成されている。
【００４４】
この光学膜６０５の膜構造は、蛍光体から放射される光に対して吸収がない酸化シリコン、酸化アルミナなどの誘電体膜を用いて、その膜中での光の多重干渉の原理を用いた一般的な光学膜の設計手法に基づいて設定することができる。
【００４５】
図９は、本実施形態５における他の表示装置を示している。この表示装置においては、各画素としてピクセル状に配置されていて赤色、緑色、青色を発光する蛍光体６０１、６０２、６０３に対応して、波長４００ｎｍの励起光を放射するＧａＮ系半導体レーザ７００がそれぞれ配置されている。これらの半導体レーザ７００には、それぞれの半導体レーザから放射される励起光量を独立に駆動制御するための駆動回路７０１が接続されている。こうして励起光量を制御することにより、各画素の蛍光体から放射される螢光の強度が制御され得る。
【００４６】
さらに、蛍光体６０１、６０２、６０３の少なくとも一部領域上には、図８の場合と同様に光学膜６０５が形成されている。
【００４７】
前述の実施形態で得られた光変換効率の良好な蛍光体を本実施形態５の表示装置に利用することによって、従来と同じ放射光量を得る場合に励起光の光量を低減することができ、低消費電力の表示装置を実現することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、励起光のレイリー散乱を生じる粒径を有しかつその励起光を吸収して様々な色の蛍光を放射する半導体粒子と励起光のミー散乱を生じる粒径を有する粒子とを適当な媒体中に分散させることにより、光変換効率および色度（色ずれに対する）特性が良好な蛍光体を得ることができる。
【００４９】
また、そのような蛍光体を照明装置および表示装置に利用することによって、低消費電力の照明装置および表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１による蛍光体の構造を示す模式的な断面図である。
【図２】蛍光体中のＩｎＮ粒子によりレイリー散乱された励起光およびその粒子から放射された蛍光の分散状態を示す模式的な断面図である。
【図３】蛍光体中の石英ガラス粒子によりミー散乱された励起光の分散状態を示す模式的な断面図である。
【図４】本発明の実施形態２による蛍光体の構造を示す模式的な断面図である。
【図５】本発明の実施形態３による蛍光体の構造を示す模式的な断面図である。
【図６】本発明の実施形態４による照明装置における導光体部を示す模式的な斜視図である。
【図７】本発明の実施形態４による照明装置を示す模式的な斜視図である。
【図８】本発明の実施形態５による表示装置の一例を示す模式的な断面図である。
【図９】本発明の実施形態５による表示装置の他の例を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１００粒径５ｎｍのＩｎＮ粒子、１０１粒径６ｎｍのＩｎＮ粒子、１０２粒径１３ｎｍのＩｎＮ粒子、１０３石英ガラス粒子、１０４アクリル樹脂からなる分散媒体、５００ＧａＮ系半導体レーザ、５０１第１の導光体、５０２金属反射膜、５０３第２の導光体、５０４金属反射膜、５０５光学膜、５０６蛍光体層、５０７光学膜、５０８酸化珪素の反射膜、６００ＧａＮ系半導体ダイオード、６０１赤色発光蛍光体、６０２緑色発光蛍光体、６０３青色発光蛍光体、６０４液晶光変調素子、６０５光学膜、７００ＧａＮ系半導体レーザ、７０１駆動回路。

Claims

媒質中に分散された第１種類の粒子と第２種類の粒子を含む蛍光体であって、
前記第１種類の粒子は励起光を吸収してその励起光と異なる波長の蛍光を放射するとともに、前記励起光に対してレイリー散乱を生じさせる粒子径を有し、
前記第２種類の粒子は前記励起光に対してミー散乱を生じさせる粒子径を有することを特徴とする蛍光体。
媒質中に分散された第１種類の粒子と第２種類の粒子を含む蛍光体であって、
前記第１種類の粒子は励起光を吸収してその励起光と異なる波長の蛍光を放射するとともに、前記励起光の波長より小さい粒子径を有し、
前記第２種類の粒子は前記励起光の波長より大きい粒子径を有することを特徴とする蛍光体。
前記第２種類の粒子も前記励起光を吸収してその励起光と異なる波長の蛍光を放射することを特徴とする請求項１または２に記載の蛍光体。
前記蛍光体は前記第１種類の粒子と前記前記第２種類の粒子との分散割合が互いに異なる複数の層を含む積層構造を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の蛍光体。
請求項１から４のいずれかに記載の蛍光体とその蛍光体を励起する光源とを含むことを特徴とする照明装置。
請求項１から４のいずれかに記載の蛍光体と、その蛍光体を励起する光源と、前記蛍光体に照射される励起光の強度および前記蛍光体から放射される蛍光の強度の少なくとも１方を制御する光制御手段とを含むことを特徴とする表示装置。