JP2006233064A - 光波長変換膜とそれを含む照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストで簡便に製造できかつ種々の用途に使用し得る光波長変換膜とそれを含む照明装置を提供する。
【解決手段】 受けた光の波長を異なる波長の光に変換して放射する光波長変換膜であって、その光波長変換膜はＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜を含み、そのＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜はその化学的骨格構造に少なくとも炭素とシリコンとを含んでおり、そのＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜は可視光に比べて短い波長を含む第１の光を受けてその第１の光を可視光範囲内の波長を含む第２の光に変換して放射する。なお、Ｓｉ系有機・無機ハイブリッド膜の化学的骨格構造は、酸素と窒素の少なくとも一方をさらに含むことができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は光波長変換膜とそれを含む照明装置に関し、特に、低コストで簡便に製造できかつ種々の用途に使用し得る光波長変換膜とそれを含む照明装置に関する。

今日では、エネルギ変換効率に優れかつ小型である発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）を白色光源や照明装置として利用することが進められており、既に実用化されている例もある。

しかし、ＬＥＤチップまたはＬＤチップはその発光層のエネルギバンドギャップに対応した光を放射するので、広い波長範囲を含む白色光を放射することはできず、特定波長範囲内に偏在した光を放射するのが一般的である。したがって、ＬＥＤまたはＬＤを白色光源として利用するためには、発光チップから放射される特定波長範囲内の光を白色化して利用しなければならい。

たとえば、ＬＥＤを利用した白色光源の一例として、ＲＧＢ合成ＬＥＤがある。これは、赤色（Ｒ）発光チップ、緑色（Ｇ）発光チップ、および青色（Ｂ）発光チップを一組として樹脂封止して一つの白色ＬＥＤにしたものである。このような３原色光の発光チップを含むＬＥＤは、高い純度の白色光を放射することができ、演色性に優れている。しかし、ＲＧＢのそれぞれの発光チップは、異なる化合物半導体材料を利用して作製され、それぞれに適した駆動電圧を印加するために、複雑なドライブ回路を必要とする。

そこで、特許文献１の特許第３５０３１３９号公報は、青色発光チップとその発光を受けて黄色に発光する蛍光材料とを組み合わせた白色ＬＥＤを開示している。すなわち、この白色ＬＥＤでは、青色光とその補色関係にある黄色光との混色によって白色光を得ている。したがって、この白色ＬＥＤからの光には赤色の波長領域において光強度が弱く、演色性が十分とはいえない。また、利用し得る蛍光材料は、Ｙ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍなどの希土類元素を含み、それらは比較的高価な希少元素である。

他方、今日では、強力な紫外光を放射し得る種々の光源が開発されている。そのような紫外光源として、たとえばＧａＮ系のＬＥＤやＬＤ、水銀放電管、気体レーザ装置、固体レーザ装置などが利用可能である。そして、これらの紫外光源は、一般に白熱灯に比べて電気エネルギを光エネルギに変換する効率が遥かに高い。

しかし、紫外光は人間の目で認識することができないし、目に対して有害でもある。そこで、紫外光を可視光に変換して利用する場合、従来では一般に蛍光材料が利用されている。しかし、従来の一般的で安価な蛍光材料は、青みがかった光を放射するものが多い。そして、フルカラーの表示が可能な白色光を放射し得る蛍光材料には、希少元素で高価な希土類元素が含められることが多い。

ところで、近年では、種々の技術分野で利用し得る材料として期待される有機・無機ハイブリッド材料が注目されている（非特許文献１の第３３回応用物理学会スクールＢ、「有機デバイスとその発展の最前線：パート１材料編」、２００３年９月２日発行、第３３−４５頁、中條善樹著「有機―無機ハイブリッド材料の可能性」（JSAP Catalog Number: AP031333）参照）。ここで、有機・無機ハイブリッドとは、有機材料と無機材料の組み合わせを意味する。ただし、従来から知られているコンポジット（複合）材のような単なる混合物とは区別して、その混ざり合いがナノオーダまたは分子オーダのものを特に有機・無機ハイブリッドと呼ぶことが提案されている。

そのような有機・無機ハイブリッド材料には、有機ポリマまたは無機物のいずれか一方の単独では得られない種々の物理的または化学的特性が期待され得る。例えば、プラスチックのように柔軟でありながら機械的強度、耐熱性、耐候性などに優れている有機・無機ハイブリッド材料が期待され得る。そして、本発明者は、有機・無機ハイブリッド材料が特殊な光学的特性をも有するのではないかと期待した。

有機・無機ハイブリッド材料に含まれる無機成分の最も代表的な例として、シリカを用いることができる。この場合、シリカゲルをいくら細かく粉砕しようとしても、分子レベルまで粉砕することは不可能である。ところが、ゾル・ゲル法を利用することによって、分子的分散が可能になる。より具体的には、ゾル・ゲル法は、シリケートの加水分解とそれに続くシラノール基の縮合反応を含んでいる。したがって、そのようなゾル・ゲル反応に有機高分子を共存させることによって、有機ポリマとシリカゲルが分子的に分散した有機・無機ハイブリッド材料を合成することができる。

図１０はそのような有機ポリマとシリカゲルが分子的に分散した有機・無機ハイブリッド材料の一例を概念的に図解しており、シリカ（ＳｉＯ₂）の母相中に有機ポリマ（Ｐｏｌｙｍｅｒ）分子が分散している状態を示している。
特許第３５０３１３９号公報 第３３回応用物理学会スクールＢ、「有機デバイスとその発展の最前線：パート１材料編」、２００３年９月２日発行、第３３−４５頁

上述のようにゾル・ゲル法を利用して形成された有機・無機ハイブリッド材料では、シリカ分子とポリマ分子との間が水素結合で維持されている。図１１は、そのようにシリカ分子とポリマ分子との間が水素結合で維持されている有機・無機ハイブリッド材料の化学的構造の一例を図解している。この図１１において、矢印が水素結合を表している。

周知のように、水素結合は通常の共有結合に比べて弱い結合である。したがって、ゾル・ゲル法による有機・無機ハイブリッド材料は、柔軟性を有するとしても、例えば十分に高い強度を有することが困難であると考えられる。また、そのような有機・無機ハイブリッド材料中の水素結合は大気中の水蒸気や酸素と反応し得るので、そのハイブリッド材料は経時的に劣化する可能性がある。

さらに、ゾル・ゲル法は液体中で行われるので、半導体電子装置や有機電子装置などの表面上に直接的にゾル・ゲル法を適用して有機・無機ハイブリッド膜などを形成することが困難である。また、ゾル・ゲル法による有機・無機ハイブリッド膜を被膜として形成する場合、一般には、得られた有機・無機ハイブリッド材料を下地上に塗布することによって被膜を形成する。その場合、ガラスや高分子フィルムなどの基板表面と有機・無機ハイブリッド材料との界面において、十分に強固な接合性を得ることが容易ではない。また、被膜を塗布法によって形成する場合、その膜厚をナノオーダで制御することが困難である。

上述のような先行技術における蛍光材料および有機・無機ハイブリッド材料の状況に鑑み、本発明は、低コストで簡便に製造できかつ種々の用途に使用し得る光波長変換膜とそれを含む照明装置を提供することを目的としている。

本発明の一つの態様によれば、受けた光の波長を異なる波長の光に変換して放射する光波長変換膜はＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜を含み、そのＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜はその化学的骨格構造に少なくとも炭素とシリコンとを含んでおり、そして、そのＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜は可視光に比べて短い波長を含む第１の光を受けて可視光範囲内の波長を含む第２の光に変換して放射することを特徴としている。なお、そのＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜の化学的骨格構造は、酸素と窒素の少なくとも一方をさらに含むことができる。

そのような光波長変換膜は、第２の光として、緑色の波長領域内にピーク強度を有する光を放射し得る。また、緑色の波長領域内にピーク強度を有する第２の光は、そのピーク強度の波長に比べて短い波長領域と長い波長領域に光強度の裾領域を含むことによって、全体として白色光として認識され得る。第２の光は、青色の波長領域内にピーク強度を有することも可能で、赤色の波長領域内にピーク強度を有することも可能である。

Ｓｉ系有機・無機ハイブリッド膜は、そこへの入射光から変換されて放射される可視光における波長分布を調整するためのドーパントをさらに含むことができる。そのようなドーパントとしてたとえばボロンを利用することができ、その場合には第２の光が赤色の波長領域内にピーク強度を有し得る。

本発明のもう一つの態様によれば、上述のような光波長変換膜を含む照明装置は、可視光に比べて短い波長を含む第１の光を放射する光源と、その第１の光を受けて可視光範囲内の波長を含む第２の光を放射するように配置された上述のＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜とを含むことを特徴としている。

その光源は、発光ダイオード、半導体レーザ素子、放電管、固体レーザ装置、および気体レーザ装置のいずれかを含むことができる。Ｓｉ系有機・無機ハイブリッド膜は、その光源の光放射面に接して形成され得る。他方、Ｓｉ系有機・無機ハイブリッド膜は、光源の光放射面に比べて大面積の平面または曲面を有することもできる。Ｓｉ系有機・無機ハイブリッド膜が第１の光を受け入れる前段部および第２の光を放射する後段部の少なくともいずれか一方において、光を導く光学部品をさらに含むこともできる。上述のような照明装置は、表示装置のバックライトとして好ましく用いることもできる。

本発明によれば、種々の用途に使用し得る光波長変換膜とそれを含む照明装置を低コストでかつ簡便に提供することが可能となる。

まず、一般に有機化合物は、高温に加熱された場合には、その分子が分解する方向に反応が進むのが通常であると考えられている。しかし、本発明者は、Ｓｉを含む有機化合物（以下、「有機Ｓｉ化合物」とも称す）の蒸気を高温のフィラメントに向けて導入することによって、分解反応とともに合成反応が生じて、Ｓｉ系有機・無機ハイブリッド膜が合成され得ることを見出した。なお、このような高温フィラメントの作用によって生じる合成反応は、以後、本願明細書において「加熱合成」とも略称される。また、本発明者は、そのようにして得られた有機・無機ハイブリッド膜が光波長変換機能を有することをも見出した。

そのようなＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜の加熱合成の化学的機構は必ずしも明らかではないが、次のような機構を推測することができる。すなわち、有機Ｓｉ化合物は、高温フィラメントとの相互作用による分解反応によって、ラジカルを生成すると考えられる。そして、これらのラジカル同士が反応して安定なＣ−Ｓｉ結合を形成することによって、Ｓｉ系有機・無機ハイブリッド膜が合成され得ると推測される。

なお、モノマを重合させてポリマを合成する通常の場合には、重合開始剤が必要である。本発明におけるＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜の合成の場合には、高温フィラメントとの相互作用で生じた水素ラジカルやＳｉＨ_n（ｎ＝１，２，３）、ＣＨ_n（ｎ＝１，２，３）のラジカルが重合開始剤に類似の作用を生じていると推測することができる。

有機Ｓｉ化合物としては、アルキルシラン、アルコキシシラン、アミノシランなどを用いることができる。アルキルシランの例としてはモノメチルシラン、ジメチルシラン、トリメチルシラン、テトラメチルシランなどを好ましく用いることができ、アルコキシシランの例としてはテトラエトシキシラン、ジメチルジメトキシシランなどを好ましく用いることができ、そしてアミノシランの例としてはトリスジメチルアミノシランなどを好ましく用いることができる。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１における加熱合成によるＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜の形成に利用し得る成膜装置を模式的なブロック図で図解している。この成膜装置は、ガス導入口１ａと排気口１ｂとを有する反応容器１を備えている。反応容器１内には、加熱フィラメント２とそれに対面する基体または基板３を支持するための台４が設けられている。そして、フィラメント２は反応容器１外の電源５に接続されている。図１から分かるように、本実施形態１の加熱合成においては、極めて簡略で低コストの成膜装置によって、Ｓｉ系有機・無機ハイブリッド膜を形成することができる。

図１の成膜装置を用いてＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜を加熱合成する具体例として、シリコン単結晶ウエハの基板３が配置された反応容器１内に、１０ｓｃｃｍのジメチルシランガスと３６４Ｐａのスチレン蒸気との混合ガスが導入された。このとき、反応容器１内は、１３３００Ｐａの圧力に設定された。そして、Ｗフィラメント２を１８００℃に加熱したところ、約５分の短時間に急激な合成反応が生じて、シリコン基板３上にＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜が形成された。なお、得られたＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜についてＸ線回折によって結晶性が調べられたが、その膜の結晶性を表すようなＸ線回折は観測されなかった。すなわち、本発明では非晶質のＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜が形成されると考えられる。

図２のグラフにおける曲線ＰＬ−１は、本実施形態１で得られたＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜のＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外分光法）における赤外吸収を示している。このグラフの横軸は吸収光の波数（ｃｍ^−１）を表し、縦軸は光吸収（任意単位）を表している。なお、曲線ＰＬ−１に関する縦軸の絶対値は特別な意味を有さず、その曲線の縦軸方向における相対的変化のみが吸収率変化の意味を有している。そして、グラフ中の曲線における山の部分は赤外吸収の大きな波数部分であって、特定の化学結合に対応した吸収を生じている。このグラフ中に例示された代表的な化学結合例から分かるように、得られたＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜は、Ｓｉ−Ｃ結合、Ｓｉ−ＣＨ_n（ｎ＝１，２，３）結合などを含んでいる。したがって、このハイブリッド膜の化学的構造としては、原料ガスの組成から考えて、非晶質状態の骨格構造にＣとＳｉを含み、それらの浮遊結合手（ダングリングボンド）はＨによって終端（ターミネート）されていると考えられる（すなわち、Ｓｉ−Ｈ結合およびＣ−Ｈ結合をも含む）。

図３のグラフにおける曲線ＰＬ−１は、本実施形態１で得られたＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜のＰＬ（フォトルミネッセンス）特性を示している。このグラフの横軸はＰＬ光の波長（ｎｍ）を表し、縦軸はＰＬ強度（任意単位）を表している。なお、このＰＬ特性の測定には、Ｈｅ−Ｃｄレーザ装置からの波長３２５ｎｍの紫外光が照射された。このグラフから分かるように、得られたＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜のＰＬ光は波長５１０ｎｍにおいてピーク強度を有しているが、広い裾野の波長領域をも含んでいるので、少し緑がかっているがほぼ白色のＰＬ光を放射する特性を有している。

すなわち、本実施形態１のＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜は、紫外光を可視光に変換する波長変換機能を有することが分かった。そして、このように広い波長領域を含む白色のＰＬ光を放射することは、そのハイブリッド膜がその化学的構造に対応して種々のエネルギレベルの化学的結合を含んでいることを示唆していると考えられる。

また、本実施形態１によるＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜は、数ヶ月間にわたって大気中に放置されたが、そのＰＬ発光特性はほとんど変化しなかった。このことは、図１１に示されているような水素結合で維持されている従来の有機・無機ハイブリッド材料に比べて、本実施形態１によるＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜は化学的に非常に安定な膜であることを示唆していると考えられる。

（実施形態２）
実施形態１に類似して、実施形態２においても、図１の成膜装置を用いてＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜が加熱合成された。しかし、本実施形態２においては、シリコン単結晶ウエハの基板３が配置された反応容器１内に、１０ｓｃｃｍのＮ₂ガスと３９４Ｐａのトリスジメチルアミノシラン蒸気との混合ガスが導入された。このとき、反応容器１内は、１６６Ｐａの圧力に設定された。そして、Ｗフィラメント２を２０００℃に加熱したところ、約５分の短時間に急激な合成反応が生じて、シリコン基板３上にＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜が形成された。

図２のグラフにおける曲線ＰＬ−２は、本実施形態２で得られたＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜のＦＴＩＲにおける赤外吸収率を示している。このグラフ中に例示された代表的な化学結合例から分かるように、得られたＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜は、Ｓｉ−Ｃ結合、Ｓｉ−Ｎ結合、Ｓｉ−Ｏ結合、Ｓｉ−ＣＨ_n（ｎ＝１，２，３）結合などを含んでいる。なお、Ｓｉ−Ｏ結合はＳｉ−ＣＨ₂とほぼ同じ位置に吸収ピークを有しており、それは反応室１内に残留していた酸素に起因していると考えられる。すなわち、このハイブリッド膜の化学的構造としては、非晶質状態の骨格構造にＣ−Ｓｉ結合、Ｓｉ−Ｎ結合、およびＳｉ−Ｏ結合を含み、それらの浮遊結合手（ダングリングボンド）はＨによって終端（ターミネート）されていると考えられる（すなわち、Ｓｉ−Ｈ結合、Ｃ−Ｈ結合、Ｎ−Ｈ結合、およびＯ−Ｈ結合をも含む）。

図３のグラフにおける曲線ＰＬ−２は、実施形態１の場合に類似して、本実施形態２で得られたＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜のＰＬ特性を示している。すなわち、本実施形態２のＰＬ特性の測定においても、Ｈｅ−Ｃｄレーザ装置からの波長３２５ｎｍの紫外光が照射された。このグラフから分かるように、得られたＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜のＰＬ光は波長４４０ｎｍにおいてピーク強度を有するとともに、比較的広い裾野の波長領域をも含んでいる。すなわち、本実施形態１のＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜も、紫外光を可視光に変換する波長変換機能を有している。そして、このように比較的広い波長領域を含むＰＬ光を放射することは、本実施形態２のハイブリッド膜もその化学的構造に対応して種々のエネルギレベルの化学的結合を含んでいることを示唆していると考えられる。しかし、この実施形態２におけるＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜のＰＬ光は、その短い波長４４０ｎｍにおけるピーク強度に基づいて青みがかった光として感知される。

また、本実施形態２によるＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜も、数ヶ月間にわたって大気中に放置されたが、そのＰＬ発光特性はほとんど変化しなかった。このことは、図１１に示されているような水素結合で維持されている従来の有機・無機ハイブリッド材料に比べて、本実施形態２によるＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜も化学的に非常に安定な膜であることを示唆していると考えられる。

（実施形態３）
実施形態１および２に類似して、実施形態３においても、図１の成膜装置を用いてＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜が加熱合成された。しかし、本実施形態３においては、シリコン単結晶ウエハの基板３が配置された反応容器１内に、１０ｓｃｃｍのモノメチルシランガス、１０ｓｃｃｍのＮ₂ガス、および１０ｓｃｃｍのＨ₂ガスに６．７Ｐａのトリメトキシボロン蒸気を含めたの混合ガスが導入された。このとき、反応容器１内は、１３．３Ｐａの圧力に設定された。そして、Ｗフィラメント２を２０００℃に加熱したところ、約１０分間の合成反応によって、シリコン基板３上にＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜が形成された。

図２のグラフにおける曲線ＰＬ−３は、本実施形態３で得られたＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜のＦＴＩＲにおける赤外吸収率を示している。このグラフ中に例示された代表的な化学結合例から分かるように、得られたＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜は、Ｓｉ−Ｃ結合、Ｓｉ−Ｏ結合などを含んでいる。すなわち、このハイブリッド膜の化学的構造としても、非晶質状態の骨格構造にＣ−Ｓｉ結合およびＳｉ−Ｏ結合を含み、それらの浮遊結合手（ダングリングボンド）はＨによって終端（ターミネート）されていると考えられる（すなわち、Ｓｉ−Ｈ結合、Ｃ−Ｈ結合、およびＯ−Ｈ結合をも含む）。

図３のグラフにおける曲線ＰＬ−３は、実施形態１および２の場合に類似して、本実施形態３で得られたＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜のＰＬ特性を示している。すなわち、本実施形態３のＰＬ特性の測定においても、Ｈｅ−Ｃｄレーザ装置からの波長３２５ｎｍの紫外光が照射された。このグラフから分かるように、得られたＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜のＰＬ光は波長６００ｎｍにおいてピーク強度を有するとともに、非常に広い裾野の波長領域をも含んでいる。すなわち、本実施形態３のＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜も、紫外光を可視光に変換する波長変換機能を有している。そして、このように非常に広い波長領域を含むＰＬ光を放射することは、本実施形態３のハイブリッド膜もその化学的構造に対応して種々のエネルギレベルの化学的結合を含んでいることを示唆していると考えられる。しかし、この実施形態３におけるＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜のＰＬ光は、その長い波長６００ｎｍにおけるピーク強度に基づいて赤みがかった光として感知される。

また、本実施形態３によるＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜も、数ヶ月間にわたって大気中に放置されたが、そのＰＬ発光特性はほとんど変化しなかった。このことは、図１１に示されているような水素結合で維持されている従来の有機・無機ハイブリッド材料に比べて、本実施形態３によるＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜も化学的に非常に安定な膜であることを示唆していると考えられる。

なお、上述のような種々の実施形態におけるＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜おいて注目すべき点は、Ｗフィラメントを１８００℃または２０００℃もの高温に加熱しても、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム基板のような有機フィルム基板上にも形成可能なことである。すなわち、図１の成膜装置中で基板３としてＰＥＴフィルムを用いた場合でも、短時間の合成反応中にそのＰＥＴフィルム基板３が熱変形していなかったということである。この場合に、基板支持台４はステンレス鋼で形成されており、何ら冷却手段は講じられていなかった。ＰＥＴフィルムは（非晶質度約９５％のフィルムで）約７５℃の低いガラス転移温度を有しているが、そのような低いガラス転移温度を有する有機フィルム上に形成されうるＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜は、工業的に非常に有用であると考えられる。もちろん、本発明における加熱合成によるＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜は、ガラス転移温度の低い有機フィルム上に成膜できるのであるから、石英ガラス、パイレックス（登録商標）、ソーダガラスなどのガラス基板上にも成膜可能であることは言うまでもない。

以上のような種々の実施形態において例示されたように、本発明によれば、少なくともＣとＳｉを含みさらにＯおよび／またはＮをも含み得る非晶質のＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜を簡便かつ低コストで形成することができる。そして、そのようなＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜は、ＦＴＩＲやＰＬ測定の結果から、その化学的骨格構造に少なくともＣとＳｉを含みさらにＯおよび／またはＮをも含み得ると考えられる。

図４は、一例として、Ｃ、Ｓｉ、およびＯを骨格構造に含むＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜中の原子配列を模式的な立体的ネットワークで表している。この図において、左下がり傾斜のハッチングが施された丸印はＳｉ原子を表し、右下がり傾斜のハッチングの施された丸印はＯ原子を表し、クロスハッチが施された丸印はＣ原子を表し、そして白丸印はＨ原子を表している。すなわち、Ｓｉ系有機・無機ハイブリッド膜中において、Ｃ、Ｓｉ、およびＯの原子は共有結合によって骨格構造となるネットワークを形成し、それらの原子のダングリングボンドはＨ原子によってターミネートされていると考えられる。このような化学構造は、図１１に示されているように水素結合を介して有機分子と無機分子が互いに分散しているような従来の有機・無機ハイブリッド材料の構造と全く異なっていることが理解されよう。

（実施形態４）
実施形態４においては、実施形態１から３において得られる光波長変換膜が白色照明装置に利用される。すなわち、図５の模式的な側面図において、本発明による光波長変換膜を利用して作製される白色照明装置の一例が示されている。この白色照明装置は、リードワイヤ１０ａから電力が供給される紫外発光ＬＥＤ（またはＬＤ）１０を含んでいる。そして、そのＬＥＤ１０の紫外光放射面上に、本発明によって得られる光波長変換膜１１が形成される。そのようなＬＥＤ１０の紫外光放射面は、たとえばＬＥＤチップを封止した樹脂の表面であり得る。前述のように、本発明による光波長変換膜は耐熱性の低い有機材料上にも形成することができるので、そのような封止樹脂表面上にも形成し得ることは言うまでもない。

すなわち、図５の照明装置においては、ＬＥＤ１０から放射される紫外光が光波長変換膜１１によって可視光１２に変換されて放射される。その場合に、光波長変換膜１１として実施形態１の光波長変換膜のみを形成した場合には、その単層膜によって少し緑がかった白色光が得られる。他方、光波長変換膜１１として実施形態１から３の光波長変換膜を積層した場合には、青色、緑色、および赤色の領域にピーク強度を有する３色光が混合した演色性の高い白色光が得られる。なお、望まれる場合には、光波長変換膜１１上に光拡散膜が重ねられてもよいことは言うまでもない。

図６の模式的な断面図において、本発明による光波長変換膜を利用して作製される白色照明装置の他の例が示されている。この白色照明装置は、端子２０ａからコイルフィラメント２０ｂに電力が供給される紫外発光放電管２０を含んでいる。そのような紫外発光放電管として、たとえば水銀放電管を利用することができる。その放電管２０の紫外光放射面（通常はガラス管の表面）上に、本発明によって得られる光波長変換膜２１が形成される。

すなわち、図６の照明装置においても、放電管２０から放射される紫外光が光波長変換膜２１によって可視光２２に変換されて放射される。その場合にも、光波長変換膜２１として実施形態１の光波長変換膜のみを形成した場合には、その単層膜によって少し緑がかった白色光が得られる。他方、光波長変換膜２１として実施形態１から３の光波長変換膜を積層した場合には、青色、緑色、および赤色の領域にピーク強度を有する３色光が混合した演色性の高い白色光が得られる。また、望まれる場合には、光波長変換膜２１上に光拡散膜が重ねられてもよいことは言うまでもない。さらに、その光拡散膜の代わりに、ガラス放電管２０の表面が磨りガラス状にされてもよい。本発明による光波長変換膜はどのような形状の表面にも接合性よく形成することが可能であり、磨りガラスの微細凹凸面上にも密着性よく形成することができる。

なお、以上の例では紫外発光の半導体発光デバイスと放電管へ本発明の光波長変換膜を適用した白色照明装置が説明されたが、その他の紫外発光する固体レーザ装置や気体レーザ装置の紫外光放射面上に本発明の光波長変換膜を適用して白色照明装置を作製するも可能であることは言うまでもない。

（実施形態５）
実施形態５においても、実施形態１から３において得られる光波長変換膜が白色照明装置に利用される。すなわち、図７の模式的な側面図において、本発明による光波長変換膜を利用して作製される白色照明装置のさらに他の例が示されている。この白色照明装置は、アレイ状に配列された複数の紫外発光ＬＥＤ（またはＬＤ）３０を含んでいる。そして、そのアレイ状のＬＥＤ３０に対面して、たとえばガラス基板（またはアクリル基板など）３１の一主面上に、本発明によって得られる光波長変換膜３２が形成される。そして、望まれる場合には、ガラス基板３１の他方主面上に光拡散膜３３が形成される。なお、そのような光拡散膜３３は、光波長変換膜３２に積層されてもよいことは言うまでもない。

図７の照明装置においても、アレイ状の紫外発光ＬＥＤ（またはＬＤ）３０から放射される紫外光３４が光波長変換膜３２によって可視光に変換されて、光拡散膜３３を介しては可視光３５として放射される。その場合にも、光波長変換膜３２として実施形態１の光波長変換膜のみを形成した場合には、その単層膜によって少し緑がかった白色光が得られる。他方、光波長変換膜３２として実施形態１から３の光波長変換膜を積層した場合には、青色、緑色、および赤色の領域にピーク強度を有する３色光が混合した演色性の高い白色光が得られる。

なお、アレイ状のＬＥＤの代わりに複数の紫外光放電管を配列してもよく、紫外光を放射する複数の固体レーザ装置や気体レーザ装置を配列してもよいことは言うまでもない。また、ガラス基板（またはアクリル基板など）３１は平面基板である必要はなく、望まれる場合には、任意の曲面の基板であってもよい。すなわち、本発明の光波長変換膜はどのような曲面上にも良好な接合性で形成することができる。さらに、光拡散膜３３の代わりに、ガラス基板（またはアクリル基板など）３１の表面が磨りガラス状にされてもよい。図７に示されているような照明装置では、光波長変換膜３２自体が可視光の面状発光源として作用するので、観察者はその後方に配置された複数の紫外光源３０を認識することなく、均一な面状発光照明装置として感知し得ることとなる。

（実施形態６）
実施形態６においても、実施形態１から３において得られる光波長変換膜が白色照明装置に利用される。すなわち、図８の模式的な側面図（または断面図）において、本発明による光波長変換膜を利用して作製される白色照明装置のさらに他の例が示されている。この白色照明装置は、ガラス（またはアクリルなど）からなる概略矩形状の導光板４２を含んでいる。この導光板４２の外周の一側面に沿って複数の紫外発光ＬＥＤ（またはＬＤ）４０がライン状に配列されており、その側面には本発明の光波長変換膜４３が形成されている。導光板４２の他の側面および底面は、Ａｇ膜やＡｌ膜のような反射性の金属膜４５が形成されている。さらに、望まれる場合には、導光板４２の上面に光拡散膜４６が形成されている。このような照明装置において、ＬＥＤ４０から放射された紫外光４１は光波長変換膜４３によって可視光４４に変換され、導光板４２によって導光された後に、光拡散膜４６を介して可視光４７として放射される。その場合にも、光波長変換膜４３として実施形態１の光波長変換膜のみを形成した場合には、その単層膜によって少し緑がかった白色光が得られる。他方、光波長変換膜４３として実施形態１から３の光波長変換膜を積層した場合には、青色、緑色、および赤色の領域にピーク強度を有する３色光が混合した演色性の高い白色光が得られる。

なお、ライン状に配列された複数のＬＥＤの代わりに、細長い紫外光放電管を導光板４２の側面に沿って配列してもよく、紫外光を放射する複数の固体レーザ装置や気体レーザ装置を導光板４２の側面に沿って配列してもよいことは言うまでもない。また、光拡散膜４６の代わりに、導光板４２の上面が磨りガラス状にされてもよい。さらに、光波長変換膜４３は、導光板４２の側面ではなくて、その上面に形成されてもよいことは言うまでもない。その場合に、光波長変換膜４２と光拡散膜４６を積層することも可能である。

図８に示されているような白色照明装置は、厚さの小さな面状光源として形成され得るので、たとえば液晶表示装置のバックライトとして好ましく用いられ得るものである。

図９の模式的な側面図（または断面図）は、図８の照明装置の一部を変更した照明装置を示している。すなわち、図９と図８において、同一の参照番号は同一部分または相当部分を示している。この図９の照明装置においては、導光板４２の一側面に沿って、ガラス（またはアクリルなど）からなる円柱状（または角柱状）の導光柱５１が配置されている。導光柱５１の外周の大部分はＡｇ膜やＡｌ膜のような反射性の金属膜５２で覆われており、その反射性の金属膜５２はライン状の開口５２ａを含んでいる。導光柱５１の少なくとも一方端部に紫外光を放射するＬＤ５０、または固体レーザ装置、気体レーザ装置などが配置される。

ＬＤから導光柱５１内に注入された紫外光は、ライン状開口５２ａおよび光波長変換膜４３を介して、可視光４４として導光板４２内に導入される。この図９に示されているような照明装置は、強力な単一の紫外光源５０を用いて面状の白色光源に変換する場合に好ましく、このような面状照明装置も液晶のバックライトとして好ましく利用され得る。

以上のように、本発明によれば、低コストで簡便に製造することができかつ種々の用途に使用し得る光波長変換膜とそれを含む照明装置を提供することができる。

本発明によるＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜の形成方法に利用し得る成膜装置の一例を示す模式的ブロック図である。 本発明によって得られたＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜のＦＴＩＲにおける赤外吸収率を示すグラフである。 本発明によって得られたＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜のＰＬ特性を示すグラフである。 本発明によって得られるＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜の化学的構造の一例を示すモデル図である。 本発明によって得られる光波長変換膜を利用した白色照明装置の一例を示す模式的な側面図である。 本発明によって得られる光波長変換膜を利用した白色照明装置の他の例を示す模式的な断面図である。 本発明によって得られる光波長変換膜を利用した白色照明装置のさらに他の例を示す模式的な側面図である。 本発明によって得られる光波長変換膜を利用した白色照明装置のさらに他の例を示す模式的な側面図である。 本発明によって得られる光波長変換膜を利用した白色照明装置のさらに他の例を示す模式的な側面図である。 従来のＳｉ系有機・無機ハイブリッド材料における有機分子の分散状況の一例を示す模式図である。 従来のＳｉ系有機・無機ハイブリッド材料において有機分子とシリカとの間の水素結合を含む化学式の一例を示す図である。

符号の説明

１ 反応容器、１ａ ガス導入口、１ｂ 排気口、２ 加熱フィラメント、３ 基板、４ 支持台、５ 加熱フィラメント用電源、１０ 紫外発光ＬＥＤまたはＬＤ、１０ａ 端子、１１ 光波長変換膜、１２ 可視光、２０ 紫外光放電管、２０ａ 端子、２０ｂ コイルフィラメント、２１ 光波長変換膜、２２ 可視光、３０ 紫外発光ＬＥＤまたはＬＤ、３１ ガラスまたはアクリルなどの基板、３２ 光波長変換膜、３３ 光拡散膜、３４ 紫外光、３５ 可視光、４０ 紫外発光ＬＥＤまたはＬＤ、４１ 紫外光、４２ 導光板、４３ 光波長変換膜、４４ 可視光、４５ 反射性金属膜、４６ 光拡散膜、４７ 可視光、５０ 紫外発光ＬＤ、５１ 柱状導光体、５２ 反射性金属膜、５２ａ ライン状開口。

Claims (14)

1. 受けた光の波長を異なる波長の光に変換して放射する光波長変換膜であって、
   前記光波長変換膜はＳｉ系有機・無機ハイブリッド膜を含み、そのハイブリッド膜は化学的骨格構造に少なくとも炭素とシリコンとを含んでおり、
   前記Ｓｉ系有機・無機ハイブリッド膜は、可視光に比べて短い波長を含む第１の光を受けて、前記第１の光を可視光範囲内の波長を含む第２の光に変換して放射することを特徴とする光波長変換膜。
2. 前記化学的骨格構造に、酸素と窒素の少なくとも一方をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光波長変換膜。
3. 前記第２の光は、緑色の波長領域内にピーク強度を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光波長変換膜。
4. 前記第２の光は、前記ピーク強度の波長に比べて短い波長領域と長い波長領域に光強度の裾領域を含み、全体として白色光として認識され得ることを特徴とする請求項３に記載の光波長変換膜。
5. 前記第２の光は、青色の波長領域内にピーク強度を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光波長変換膜。
6. 前記第２の光は、赤色の波長領域内にピーク強度を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光波長変換膜。
7. 前記Ｓｉ系有機・無機ハイブリッド膜は、前記第１の光から変換される前記第２の光における波長分布を調整するためのドーパントをさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光波長変換膜。
8. 前記ドーパントはボロンであることを特徴とする請求項７に記載の光波長変換膜。
9. 請求項１または２の光波長変換膜を含む照明装置であって、
   前記第１の光を放射する光源と、
   前記第１の光を受けて前記第２の光を放射するように配置された前記Ｓｉ系有機・無機ハイブリッド膜とを含むことを特徴とする照明装置。
10. 前記光源は、発光ダイオード、半導体レーザ素子、放電管、固体レーザ装置、および気体レーザ装置のいずれかを含むことを特徴とする請求項９に記載の照明装置。
11. 前記Ｓｉ系有機・無機ハイブリッド膜は、前記光源の光放射面に接して形成されていることを特徴とする請求項９または１０に記載の照明装置。
12. 前記Ｓｉ系有機・無機ハイブリッド膜は、前記光源の光放射面に比べて大面積の平面または曲面を有することを特徴とする請求項９または１０に記載の照明装置。
13. 前記Ｓｉ系有機・無機ハイブリッド膜が前記第１の光を受け入れる前段部および前記第２の光を放射する後段部の少なくともいずれか一方において、光を導く光学部品をさらに含むことを特徴とする請求項９または１０に記載の照明装置。
14. 前記照明装置は表示装置のバックライトとして組み込まれていることを特徴とする請求項９から１３のいずれかに記載の照明装置。

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