JP2006114900A - 量子ドットと非量子蛍光材料を使って出力光を放射するためのデバイス及び方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高いＣＲＩの広スペクトルカラー出力光を放射するデバイス及び方法を提供する。
【解決手段】出力光を放射するデバイス及び方法は、量子ドット（１１９）及び非量子蛍光材料（１１８）を利用して、デバイスの光源から放射される元の光の少なくとも一部をより高波長の光に変換することで出力光のカラー特性を変化させる。デバイスは白色光のような広スペクトルカラー光を生成するのに使用される。
【選択図】図１
【解決手段】出力光を放射するデバイス及び方法は、量子ドット（１１９）及び非量子蛍光材料（１１８）を利用して、デバイスの光源から放射される元の光の少なくとも一部をより高波長の光に変換することで出力光のカラー特性を変化させる。デバイスは白色光のような広スペクトルカラー光を生成するのに使用される。
【選択図】図１
Description
既存の発光ダイオード（ＬＥＤ）は紫外線（ＵＶ）、可視光、又は赤外線（ＩＲ）の波長帯で発光することが出来る。これらのＬＥＤは一般に狭い発光スペクトル（約±１０ｎｍ）を持っている。一例をあげると、ＩｎＧａＮ系青色ＬＥＤは、４７０ｎｍ±１０ｎｍの波長を持つ光を生成することができる。他の例をあげると、ＩｎＧａＮ系緑色ＬＥＤは、５１０ｎｍ±１０ｎｍの波長を持つ光を生成することが出来る。他の例をあげると、ＡｌＩｎＧａＰ系赤色ＬＥＤは６３０ｎｍ±１０ｎｍの波長を持つ光を生成することが出来る。
しかしながら用途によっては、例えば白色光等、所望の色の光を生成する為により広い発光スペクトルを持つＬＥＤの使用が必要な場合がある。単色ＬＥＤは狭帯域放射特性を持っていることから、これらを直接的に利用して広スペクトルのカラー光を作ることが出来ない。広スペクトルのカラー光を生成するには、単色ＬＥＤの出力光を１種類以上の異なる波長の他の光と混ぜなければならない。これは１つ以上の蛍光材料を単色ＬＥＤのランプ中へと導入し、元の光の一部を蛍光材料に通すことにより、より長い波長の光へと変換することで実施することが出来る。元の光と変換光の組み合わせにより広スペクトルのカラー色が生成され、これがＬＥＤから出力光として放射するものである。広スペクトルのカラー色を生成するＬＥＤの製作に最も一般的に使用されている蛍光材料は、ガーネット系燐光体、ケイ酸塩系燐光体、オルトケイ酸塩系燐光体、硫化物系燐光体、チオガレート系燐光体、及び窒化物系燐光体等の燐光体から成る蛍光粒子である。これらの燐光体粒子は、代表的にはＬＥＤのランプを形成する透明材料中に混合されており、ＬＥＤの半導体ダイから放射された元の光はＬＥＤのランプ中で変換されて所望の出力光が生成されるのである。
広いスペクトルのカラー出力光を生成する為に燐光体粒子を利用する場合の問題点は、出力光の演色指数（ＣＲＩ）が低くなってしまうという点であり、これは６５程度まで低くなる可能性がある。これは出力光の光スペクトルを調べることで容易に明らかになることであるが、このスペクトルは一般に様々な波長において大きなギャップ又は谷を含んでいる。
この問題を鑑みると、高いＣＲＩの広スペクトルカラー出力光を放射するデバイス及び方法が必要とされているのである。
出力光を放射する為のデバイス及び方法は、量子ドットと非量子蛍光材料の両方を利用してデバイスの光源から放射される元の光の少なくとも一部をより長い波長の光へと変換することにより、出力光のカラー特性を変化させるというものである。このデバイスは、例えば白色光等の広スペクトルカラー光を生成する為に用いることが出来る。
本発明の一実施例に基づく出力光を放射する為のデバイスは、元の光を放射する光源と、元の光を受けることが出来るように光源へと光学的に結合した波長シフト領域とを含んでいる。波長シフト領域は、元の光の一部を第一の変換光へと変換する少なくとも一種類の量子ドットを含んでいる。波長シフト領域は更に、元の光の一部を第二の変換光へと変換する非量子蛍光材料も含んでいる。第一の変換光及び第二の変換光は出力光の成分である。
本発明の一実施例に基づいて出力光を放射する為の方法は、元の光を生成するステップと、元の光を受け、元の光の一部を少なくとも一種類の量子ドットを用いて第一の変換光へと、そして元の光の一部を非量子蛍光材料を用いて第二の変換光へと変換するステップと、そして第一の変換光と第二の変換光を出力光の成分として放射するステップとを含んでいる。
本発明の他の態様及び利点は、本発明の原理を例示により描いた添付図を参照しつつ以下の詳細説明を読むことにより明らかとなる。
図１を参照すると、本発明の一実施例に基づく発光ダイオード（ＬＥＤ）１００が描かれている。ＬＥＤ１００は、例えば「白色光」のような広いスペクトルのカラー出力光を高い演色指数（ＣＲＩ）で生成するように設計されている。広スペクトルカラー出力光は、異なる種類の光輝性材料を用いてＬＥＤ１００が生成する元の光の一部をより長い波長の光へと変換することにより生成される。異なる種類の光輝性材料の利用は、広スペクトルカラー光の生成に一種類の光輝性材料しか使用しなかった場合に存在していた波長欠如を埋め合わせるものであり、これによりＣＲＩが改善されるのである。
図１に示したように、ＬＥＤ１００はリードフレーム型ＬＥＤである。ＬＥＤ１００はＬＥＤダイ１０２、リードフレーム１０４及び１０６、ワイヤ１０８及びランプ１１０を含んでいる。ＬＥＤダイ１０２は特定のピーク波長を持つ光を生成する半導体チップである。よってＬＥＤダイ１０２はＬＥＤ１００の光源である。図１においては、ＬＥＤ１００は単一のＬＥＤダイを含んでいるように描かれているが、ＬＥＤは複数のＬＥＤダイを含むものであっても良い。ＬＥＤダイ１０２は紫外線、青色又は緑色波長帯にピーク波長を持つ光を生成するように設計することが出来る。ＬＥＤダイ１０２はリードフレーム１０４上に配置されており、ワイヤ１０８を介して他方のリードフレーム１０６へと電気的に接続されている。リードフレーム１０４及び１０６はＬＥＤダイ１０２の駆動に必要な電力を供給するものである。ＬＥＤダイ１０２はランプ１１０中に封入されており、このランプはＬＥＤダイ１０２からの光を伝搬する媒体である。ランプ１１０は主要部分１１２と出力部分１１４を含んでいる。本実施例においては、ランプ１１０の出力部分１１４はドーム型であり、レンズの役割を果たしている。よってＬＥＤ１００から出力光として放射された光は、ランプ１１０のドーム型出力部分１１４により収束されるものである。しかしながら、他の実施例においては、ランプ１１０の出力部分１１４は水平な平面とすることも出来る。
ＬＥＤ１００のランプ１１０は透明なホストマトリックスから成り、ＬＥＤダイ１０２からの光はランプを透過し、ランプの出力部分１１４から放射されることが出来る。ホストマトリックスはポリマー（モノマー等の液体又は半固体前駆物質から形成されたもの）、エポキシ、シリコーン、ガラス、又はシリコーンとエポキシとの複合物とすることが出来る。本実施例においては、ランプ１１０は、ホストマトリックスと２種類の光輝性材料（非量子蛍光材料１１８及び量子ドット１１９を含む）から成る波長シフト領域１１６（光を伝搬する為の媒体でもある）を含んでいる。波長シフト領域１１６に含まれる非量子蛍光材料１１８は、ガーネット系燐光体、ケイ酸塩系燐光体、オルトケイ酸塩系燐光体、チオガレート系燐光体、硫化物系燐光体、及び窒化物系燐光体等の一種類以上の非量子燐光体とすることが出来る。非量子燐光体はシリカコーティングを施した、或いは施していない燐光体粒子とすることが出来る。燐光体粒子にシリカコーティングを施した場合、燐光体粒子をホストマトリックスと混合してランプ１１０の波長シフト領域１１６を形成する際に、燐光体粒子のクラスタ化、又は集塊が生じにくくなる。燐光体粒子のクラスタ化、又は集塊は、不均一なカラー分布を持つ出力光を発するＬＥＤを作ってしまう原因となり得る。
シリカコーティングは、燐光体粒子を焼きなまして不純物を除去するアニール処理を行うことにより合成された燐光体粒子に施すことが出来る。燐光体粒子はシリカパウダと混合され、約２００℃の炉で加熱される。加熱されることにより燐光体粒子に薄いシリカのコーティングが形成される。燐光体粒子上にコーティングされるシリカの量は、燐光体粒子の約１％である。代わりにシリカコーティングは加熱せずに燐光体粒子上に形成することも出来る。燐光体粒子にシリカパウダを加え、ファンデルワールス力により燐光体粒子上にシリカコーティングが形成されるようにすることも出来る。
波長シフト領域１１６中に含まれる非量子蛍光材料１１８は、代わりに一種類以上の有機色素、又は非量子燐光体と有機色素とのあらゆる組み合わせとしても良い。
波長シフト領域１１６中に含まれる、半導体ナノ結晶としても知られる量子ドット１１９は、人工的に作られた電子及び正孔を閉じ込める手段である。量子ドットの代表的な寸法は、数ナノメートルから数ミクロン範囲である。量子ドットは、光を吸収し、異なる波長の光を再放射するという、燐光体粒子に似た光輝特性を持っている。しかしながら、量子ドットから放射された光のカラー特性は量子ドットのサイズ及び量子ドットの化学組成によるものであり、燐光体粒子のように化学組成のみによるものとは異なる。量子ドットはＬＥＤ光源（例えばＬＥＤダイ１０２）から放射される光の少なくとも一部分のエネルギーよりも小さいバンドギャップにより特性付けられる。
波長シフト領域１１６中に含まれる量子ドット１１９は、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＰｏ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＰｏ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ、ＰｂＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、及びＣｄ（Ｓ1-xＳｅx）から成る量子ドット、或いはＢａＴｉＯ3、ＰｂＺｒＯ3、ＰｂＺｒZＴｉ1-zＯ3、ＢａxＳｒ1-xＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、ＬａＭｎＯ3、ＣａＭｎＯ3、Ｌａ1-xＣａxＭｎＯ3から成る金属酸化物グループから成るものとすることが出来る。波長シフト領域１１６は化学組成とサイズに関して少なくとも一種類以上の量子ドットを含む。波長シフト領域１１６に含まれる量子ドットの種類は、非量子蛍光材料１１８の欠如波長に部分的に依存する。例えば、非量子蛍光材料１１８の生成する出力光が６００ｎｍ付近の波長を欠いていた場合、６００ｎｍ付近の変換光を生成することが出来る特定種類の量子ドットを選択して、波長の欠如を補完して出力光のＣＲＩを増強することが出来る。波長シフト領域１１６に含まれる量子ドット１１９は、ホストマトリックスに親和性を持つ材料でコーティングしたものでも、コーティングしていないものでも良い。このコーティングがある場合、量子ドット１１９は集塊又は凝集に対して不動態化され、量子ドット間のファンデルワールス結合力を克服することが出来る。
量子ドット１１９のコーティングは（ａ）有機キャップ、（ｂ）シェル、又は（ｃ）Ｓｉナノ結晶等のガラス材料から成るキャップとすることが出来る。有機キャップは、高いｐＨのＣｄ2+で不動態化されていることが望ましい量子ドット上にＡｇ2Ｓ及びＣｄ（ＯＨ）2を用いて形成することが出来る。次に量子ドットの表面へと色素を付着させることにより、量子ドットの表面改質が行われる。一例として、ＣｄＳｅ界面活性剤は不安定であり、Ｓｅ+及びＣｄ2+を順次塗布したものに代えることが出来る（これによりシード（量子ドット）を大きくすることが出来る）。Ｃｄ2+が多く含まれる表面の場合、その表面をＰｈ−Ｓｅ-で処理することが出来、有機コーティングは表面に共有結合することになる。このように分子粒子を分離することを「キャップする」と言うものとする。キャップ分子として知られているタイプのものには、ミッシェル液（フェンドラー）、ＴｉＯ終端（Ｓベース）（Ｗｅｌｌｅｒ−Ｈａｍｂｕｒｇ）、リン酸終端（Ｂｅｒｗａｎｄｉ−ＭＩＴ）、窒素終端（ピリジン、ピラジン）及びデンドロンキャップ（複鎖リガンド）（Ｐｅｎｇ）が含まれる。
シェルは内側コア材料（量子ドット）上のコーティングである。一般に、シェルを形成するコーティング材料は酸化物、又は硫化物ベースとすることが出来る。シェル／コアの例としては、ＴｉＯ2／Ｃｄｓ、ＺｎＯ／ＣｄＳｅ、ＺｎＳ／Ｃｄｓ及びＳｎＯ2／ＣｄＳｅが挙げられる。ＣｄＳｅコアの場合、ＣｄＳｅの効率を劇的に向上させるＺｎＳ、ＺｎＳｅ（セレン化物ベース）又はＣｄＳでもコーティングすることが出来る。
波長シフト領域１１６又はランプ１１０全体は、領域全体に分散させた分散剤又は拡散粒子を含んでいても良い。拡散粒子は、ＬＥＤダイ１０２、非量子蛍光材料１１８及び量子ドット１１９から放射される異なる波長の光を拡散し、最終的に得られる出力光の色の均一性を高めるように働く。拡散粒子はシリカ、二酸化珪素、酸化アルミニウム、チタン酸バリウム、及び／又は酸化チタンとすることが出来る。波長シフト領域１１６又はランプ１１０全体は、更に接着促進剤及び／又は紫外線（ＵＶ）抑制剤を含むものであっても良い。
波長シフト領域１１６に含まれる非量子蛍光材料１１８は、ＬＥＤダイ１０２から放射された元の光の一部を吸収し、この光により非量子蛍光材料の原子が励起してより長い波長の光が放射される。同様に、量子ドット１１９もＬＥＤダイ１０２から放射された元の光の一部を吸収し、この光により量子ドットが励起してより長い波長の光を放射する。量子ドット１１９から放射された光の波長は、量子ドットのサイズに依存する。一実施例においては、非量子蛍光材料１１８から放射された光と量子ドット１１９から放射された光とがＬＥＤダイ１０２から放射されて吸収されなかった光と合成されて広スペクトルカラー光が作られ、これがランプ１１０の光出力部分１１４からＬＥＤ１００の出力光として放射されるものである。他の実施例においては、ＬＥＤダイ１０２から放射された光の実質的に全てが非量子蛍光材料１１８及び量子ドット１１９によって吸収及び変換される。よってこの実施例においては、非量子蛍光材料１１８と量子ドット１１９により変換された光のみがＬＥＤ１００の出力光としてランプ１１０の光出力部分１１４から放射されるものである。
非量子蛍光材料１１８及び量子ドット１１９から放射された光の組み合わせにより、非量子蛍光材料１１８のみ、或いは量子ドット１１９のみを使用して放射された光よりも高いＣＲＩを持つ広スペクトルカラー光を作ることが出来る。ＬＥＤ１００の広スペクトルカラー光は、１つ以上の異なるＬＥＤダイを使用することにより；１つ以上の異なる非量子蛍光材料を使用することにより；１つ以上の異なる種類の量子ドットを使用することにより；及び／又は異なるサイズの量子ドットを使用することにより；調節することが出来る。更に、ＬＥＤ１００の広スペクトルカラー出力光は、シリカコーティングを施した、又は施していない燐光体粒子の非量子蛍光材料を用いることにより；コーティングを施した、又は施していない量子ドットを用いることにより；及び／又は異なる種類のコーティングを量子ドットに用いることにより；調節することが出来る。また、波長シフト領域１１６中に含まれる非量子蛍光材料１１８と量子ドット１１９の比率は所望の色特性を持つ出力光を生成する為に調節することが出来る。
図１に示したランプ１１０の波長シフト領域１１６は方形であるが、波長シフト領域は図３Ａに示した半球形等、他の形状とすることも可能である。更に他の実施例においては、波長シフト領域１１６は物理的にＬＥＤダイ１０２と結合していなくても良い。従ってこのような実施例においては、波長シフト領域１１６はランプ１１０のどこか別の場所に配置することも出来るのである。
図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃにおいては、本発明の実施例に基づいた異なるランプ構成を持つＬＥＤ２００Ａ、２００Ｂ及び２００Ｃが描かれている。図２ＡのＬＥＤ２００Ａは、ランプ全体を波長シフト領域としたランプ２１０Ａを含んでいる。従ってこの構成においては、ランプ２１０Ａ全体がホストマトリックス、非量子蛍光材料１１８及び量子ドット１１９の混合物から成るものである。図２ＢのＬＥＤ２００Ｂは、波長シフト領域２１６Ｂがランプの外表面に設けられたランプ２１０Ｂを含むものである。よってこの構成においては、ランプ２１０Ｂの非量子蛍光材料１１８及び量子ドット１１９を含まない領域がまずＬＥＤダイ１０２の上に形成され、その後ホストマトリックス及び光輝性材料の混合物がこの領域上に置かれ、ランプの波長シフト領域２１６Ｂが形成される。図２ＣのＬＥＤ２００Ｃは、波長シフト領域２１６ＣをＬＥＤダイ１０２上にコーティングされたホストマトリックス１１７、非量子蛍光材料１１８及び量子ドット１１９の混合物の薄膜としたランプ２１０Ｃを含んでいる。よってこの構成においては、まず、ホストマトリックス１１７、非量子蛍光材料１１８及び量子ドット１１９の混合物によりＬＥＤダイ１０２をコーティング、即ち被覆することにより波長シフト領域２１６Ｃが形成され、その後、光輝性材料を含まない透明物質を波長シフト領域上に設けることによりランプ２１０Ｃの残りの部分が形成される。一例として、ＬＥＤ２００Ｃの波長シフト領域２１６Ｃの厚さは、ＬＥＤダイ１０２の放射特性に応じて１０〜６０ミクロンとすることが出来る。
他の実施例においては、ＬＥＤダイを配置するＬＥＤのリードフレームが図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ及び図３Ｄに示されるようにリフレクタカップを含んでいる。図３Ａ〜図３Ｄは、リフレクタカップ３２２を持つリードフレーム３２０を含む、異なるランプ構成を持ったＬＥＤ３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ及び３００Ｄを示したものである。リフレクタカップ３２２はＬＥＤダイ１０２を配置すべき窪み領域を提供しており、ＬＥＤダイが生成した光の一部がそれぞれのＬＥＤからの有用な出力光としてリードフレーム３２０から反射されることになるようにしたものである。
上述した異なるランプ構成は、本発明に基づく非量子蛍光材料１１８及び量子ドット１１９を含む他のタイプのＬＥＤを製作する為に、表面実装型ＬＥＤ等、他のタイプのＬＥＤにも適用することが出来るものである。更にこれらの異なるランプ構成は、本発明に基づく他のタイプの発光デバイスを製作する為に、半導体レーザーデバイス等の他のタイプの発光デバイスにも適用することが出来る。これらの発光デバイスにおいては、光源はレーザーダイオード等、ＬＥＤダイ以外のいずれの光源であっても良い。
本発明の一実施例に基づいて出力光を生成する方法について、図４を参照しながら説明する。ブロック４０２においては、元の光が生成される。元の光は１つ以上のＬＥＤダイを含む光源により生成することが出来る。次のブロック４０４においては、元の光が受信され、その一部が少なくとも１種類の量子ドットにより第一の変換光へと変換される。更にブロック４０４においては、元の光の一部が非量子蛍光材料により第二の変換光に変換される。次にブロック４０６においては、第一の変換光と第二の変換光が出力光の成分として放射される。出力光は更に、量子ドット又は非量子蛍光材料によって変換されなかった元の光の一部を含んでいても良い。
本発明の特定の実施例を説明及び図示して来たが、本発明は説明及び図示した特定の形態又は構成に限定されるものではない。本発明の範囲は、本願請求項又はこれに準じるものによって定義されるものである。
１０２ 光源
１１６；２１０Ａ；２１６Ｂ、２１６Ｃ 波長シフト領域
１１８ 非量子蛍光材料
１１９ 量子ドット
１１６；２１０Ａ；２１６Ｂ、２１６Ｃ 波長シフト領域
１１８ 非量子蛍光材料
１１９ 量子ドット
Claims (10)
- 出力光を放射するデバイスであって、
元の光を放射する光源と、
前記光源に光学的に結合して前記元の光を受ける波長シフト領域であって、前記波長シフト領域が、前記元の光の一部を第一の変換光へと変換する少なくとも一種類の量子ドットを含んでおり、前記波長シフト領域が前記元の光の一部を第二の変換光へと変換する非量子蛍光材料を更に含んでおり、前記第一の変換光と前記第二の変換光が前記出力光の成分である、波長シフト領域と、
を備えることを特徴とする出力光を放射するデバイス。 - 前記非量子蛍光材料は燐光体粒子であることを特徴とする請求項１に記載の出力光を放射するデバイス。
- 前記燐光体粒子はシリカコーティングを有することを特徴とする請求項２に記載の出力光を放射するデバイス。
- 前記量子ドットは、選択された材料のコーティングを有することを特徴とする請求項１、２又は３に記載のデバイス。
- 前記量子ドットのコーティングは、有機キャップ、量子ドットシェル又はガラス材料から成るキャップであることを特徴とする請求項４に記載のデバイス。
- 出力光を放射する為の方法であって、
元の光を生成することと、
少なくとも一種類の量子ドットを使って前記元の光の一部を第一の変換光へと変換することと、非量子蛍光材料を使って前記元の光の一部を第二の変換光へと変換することと、を含む前記元の光を受けることと、
前記第一の変換光と前記第二の変換光を前記出力光の成分として放射することと、
を備えることを特徴とする方法。 - 前記非量子蛍光材料は燐光体粒子であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
- 前記燐光体粒子はシリカコーティングを有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
- 前記量子ドットは選択された材料のコーティングを有することを特徴とする請求項６、７又は８に記載の方法。
- 前記量子ドットの前記コーティングは、有機キャップ、量子ドットシェル又はガラス材料から成るキャップであることを特徴とする請求項９に記載の方法。
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