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Description
発光ダイオード(LED)は、従来の光源、例えば白熱ランプおよび蛍光源に変わる魅力的な候補手段である。LEDは、従来の光源よりも変換率が高く、また耐用年数も長い。残念ながら、LEDが発する光のスペクトルバンドは比較的狭い。よって、任意の色を有する光源を形成するために、通常、複数のLEDを有する複合光源(compound light source)を用いる。例えば、特定の色に一致すると知覚される発光をもたらすLEDベースの光源を、赤色、緑色および青色に発光するLEDからの光を合わせることによって構築することができる。様々な色の強さの比によって、人間の観察者により感知される光の色が決められる。
従来の照射システムに代えて用いるためには、人間の観察者に「白色」に見える光を生成するLEDベースの光源が必要とされる。原理的には、白色に見える光源を、上述のように、狭いスペクトルバンドの3つの光源から構築することができる。実際、多くの異なるスペクトルの組合せを利用して、人間の観察者が直接的に見た場合に白色に見える光源が提供されている。この場合、白色光源が、帯域の狭い3つのLEDから構築されていることを考慮に入れられたい。人間の観察者に対しては、その光は白色に見えるし、使用者がその光を直接的に見た時に、白熱ランプのような従来の光源と同様に見えるようにその光を生成させることができる。しかし、これらの2つの光源を使用して色付きの対象物からなるシーンを照射した場合、その結果には顕著な違いが出る。光源が照射するシーンで観察される色を、シーンを白熱灯または太陽光で照射した時に観察される色に一致するように再現させるためには、「白色」の光源は、約400〜600nmの可視波長にわたるほぼ一定のスペクトルを有していなければならない。帯域の狭いLED源は、この特性を有していない。
LEDを利用して広域スペクトルの光源を提供する1つの方法では、LEDの光を、より長い波長を広域のスペクトルで有する光に変換するリン光体を利用する。例えば、赤色の波長の広い領域にわたる光を発するリン光体に、狭いUVスペクトルを生成するLEDからのUVを照射することができる。そして、リン光体によって生成された赤色光を、白色光源の一成分として使用する。いくつかのリン光体を組み合わせることによって、そのリン光体の光変換効率が十分に高ければ、原理的には、白熱ランプの代替品として適した広域スペクトルの白色光源が形成される。
残念なことに、ランプの設計においては、選択すべきリン光体からの任意の組を利用することはできない。従来のリン光体の中では、十分な光変換効率を有するものの数は限られている。このようなリン光体の発光スペクトルは容易には変化しない。さらに、このようなスペクトルは、波長の関数として発光される光は一定でないという点において、理想的とはいえない。よって、いくつかのリン光体を組み合わせたとしても、最適な白色光源は得られない。
「量子ドット」(Quantum dot、QD)リン光体は、粒子の寸法に依存する発光スペクトルを有するリン光体であるので、適切な寸法の粒子を利用することによって、所定の波長に光を変換するために使用することができる。量子ドットは、半導体のナノメートルサイズの結晶である。粒子の寸法を小さくすると、粒子は、材料のバンドギャップが粒子寸法に依存する寸法に達する。その結果、発光スペクトルは、粒子寸法が小さくなるほどより短い波長へとシフトするようになる。例えば、CdSe量子ドットは、可視領域のスペクトル内で様々な波長で発光する。その場合、発光波長は粒子寸法のみによって決まり、よって、粒子寸法を制御することによって、所望の発光波長を有するリン光体を構築することができる。
残念なことに、任意の量子ドットリン光体の発光スペクトルは極めて狭い。さらに、このようなリン光体の変換効率は、従来のリン光体よりも極めて低い。よって、所望のスペクトル形状を有するリン光体化合物を提供するためには、極めて多数の量子ドットリン光体を使用しなければならず、そうなると、低コストの白熱灯もしくは蛍光灯に代えてこの手法の実施するのは非実用的である。さらに、光変換効率が低いことによって、リン光体を機能させるために、より高出力のUV LEDを使用しなくてはならないので、コストの削減が妨げられてしまう。
本発明は、リン光体組成物およびこれを利用した光源を包含する。リン光体化合物は、第1および第2のリン光体を含む。第1のリン光体は、第1の寸法を有する第1のリン光体粒子を含み、この第1のリン光体粒子は、励起波長の光を、波長の関数として変動する光の強度によって特徴付けられる第1のスペクトルを有する光に変換し、この第1のスペクトルは、第1のリン光体粒子の寸法には実質的には関係ない。第2のリン光体は、第2の寸法を有するQDリン光体の粒子を含み、このQDリン光体の粒子は、励起波長の光を、波長の関数として変動する光の強度によって特徴付けられるQDリン光体スペクトルを有する光に変換する。一態様では、第1のリン光体粒子は第1の化学組成物の粒子を含み、第2のリン光体粒子は第2の化学組成物のリン光体を含む。第1および第2の化学組成は、具体的な用途に応じて同じであってもよいし異なっていてもよい。一態様では、第1のリン光体粒子およびQDリン光体粒子は、所定の濃度の比で存在し、その比、第1のリン光体粒子の種類およびQDリン光体粒子の種類は、QDリン光体スペクトルおよび第1のスペクトルを含む組み合わせられたスペクトルが、波長の関数として、QDリン光体スペクトルまたは第1のスペクトルのどちらか一方よりも均一な強度を有するように選択される。一態様では、第1のリン光体粒子は、ガーネット、硫化物、チオメタレート、シリケート、酸化物、酸窒化物、窒化物およびセレン化物をベースとしたリン光体を含む群から選択される。一態様では、第1のリン光体粒子は、希土類元素でドープされている。一態様では、QDリン光体の粒子は、CdS、CdSe、CdTe、CdPo、ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnPo、MgS、MgSe、MgTe、PbSe、PbS、PbTe、HgS、HgSe、HgTe、Cd(S1−xSex)、BaTiO3、PbZrO3、PbZrzTi1−zO3、BaxSr1−xTiO3、SrTiO3、LaMnO3、CaMnO3およびLa1−xCaxMnO3を含む。
本発明による光源は、励起波長の励起光を発する励起光源およびリン光体の層を含む。第1のリン光体は、第1の寸法を有する第1のリン光体粒子を含み、この第1の燐粒子は、励起波長の光を、光強度が波長の関数として変化することによって特徴付けられる第1のスペクトルを有する光に変換し、この第1のスペクトルは、実質的に第1のリン光体粒子の寸法に依存しない。第2のリン光体は、第2の寸法を有するQDリン光体の粒子を含み、このQDリン光体の粒子は、励起波長の光を、光強度が波長の関数として変化することによって特徴付けられるQDリン光体スペクトルを有する光に変換する。一態様では、第1のリン光体粒子は第1の化学組成の粒子を含み、第2のリン光体粒子は第2の化学組成の粒子を含む。第1および第2の化学組成は、特定の用途に応じて同じであってもよいし異なっていてもよい。一態様では、第1のリン光体粒子およびQDリン光体粒子は、所定の濃度の比で存在し、この比、第1のリン光体粒子およびQDリン光体粒子は、組み合わせられたスペクトルが、QDリン光体スペクトルおよび第1のスペクトルを含み、かつ波長の関数として、QDリン光体スペクトルもしくは第1のスペクトルよりも均一な強度を有するように選択される。一態様では、第1のリン光体粒子は、ガーネット、硫化物、チオメタレート、シリケート、酸化物、酸窒化物、窒化物およびセレン化物をベースとしたリン光体を含む群から選択される。一態様では、第1のリン光体粒子は、希土類元素でドープされている。一態様では、QDリン光体の粒子は、CdS、CdSe、CdTe、CdPo、ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnPo、MgS、MgSe、MgTe、PbSe、PbS、PbTe、HgS、HgSe、HgTe、Cd(S1−xSex)、BaTiO3、PbZrO3、PbZrzTi1−zO3、BaxSr1−xTiO3、SrTiO3、LaMnO3、CaMnO3およびLa1−xCaxMnO3を含む。一態様では、励起光源は、LEDを含む。一態様では、LEDは、200〜480nmの波長を有する光を発する。
本明細書での議論においては、従来のリン光体粒子は、適切な波長の電磁放射によって粒子が励起された時に粒子から発せられる光が、粒子の寸法とは実質的に無関係であるスペクトル、つまり粒子の化学的組成のみに依存するスペクトルを有しているリン光体光または蛍光材料の粒子として定義される。この議論においては、粒子寸法が2ミクロンから1ミクロンへ変化した場合、光学領域でのスペクトル中の優勢な(突出した)線の波長のシフトが30nm未満であれば、スペクトルは実質的に粒子寸法に無関係であるといえる。一般に、このような粒子は、電磁放射スペクトルの光学部分での発光に対して約1ミクロンより大きな直径を有している。一方、QDリン光体粒子は、粒子が適切な波長の電磁放射によって励起された時に粒子から発せられる光が、リン光体光または蛍光の材料の粒子であって、粒子寸法およびリン光体光もしくは蛍光材料の化学組成に依存するスペクトルを有するようなものとして定義される。一般に、粒子の寸法は、具体的なリン光体によって決まる。例えば、CdSe/ZnSのQDリン光体の直径は、2〜10nmの範囲にある。
本発明では、従来のリン光体およびQDのリン光体のもつ最良の特性の利点が得られるリン光体組成を提供する複合リン光体を利用する。QDリン光体によって、従来のリン光体のスペクトルを拡大させる方法は、図1および2を参照するとより簡単に理解することができる。これらの図は、青色LEDからの光によって励起される本発明によるリン光体の個々のリン光体成分によって生成されるスペクトルを示す。この例では、赤色および橙色で発光する2つの従来のリン光体21および22が、青色光20によって励起されている。従来のリン光体からのスペクトルは、参照符号23〜25で示す多数のQDリン光体によって増補され、これにより、図2に示すスペクトル26が提供され、このスペクトル26は、従来のリン光体の単独の各スペクトルと比較して極めて広いものである。一般に、従来のリン光体は、ガーネットをベースとしたリン光体、硫化物、チオメタレート、酸化物、酸窒化物、窒化物およびシリケートをベースとしたリン光体である。特定のリン光体は、適切な広範なスペクトルを提供しながらも、最も効果的な変換光システムをもたらすように選択される。一般に、従来のリン光体は、QDリン光体よりも高い変換効率を有する領域で使用される。このような従来のリン光体が光を発しないもしくはQDリン光体がより高い変換効率をもたらす領域において、所望の出力スペクトルを有するQDリン光体を利用する。
QDリン光体は当分野で知られており、よって、ここで詳細には説明しない。本明細書における議論においては、QDリン光体は、CdS、CdSe、CdTe、CdPo、ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnPo、MgS、MgSe、MgTe、PbSe、PbS、PbTe、HgS、HgSe、HgTe、Cd(S1−xSex)からなっていることが望ましい。さらに、QDリン光体は、金属酸化物、例えば、BaTiO3、PbZrO3、PbZrzTi1−zO3、BaxSr1−xTiO3、SrTiO3、LaMnO3、CaMnO3およびLa1−xCaxMnO3を含む。さらに、多数のQDリン光体が、216 River Street Suite 200, Troy, NY 12180を拠点に事業経営しているEvident Technologiesから販売されていることにも留意されたい。
本発明による光源の一態様では、リン光体粒子は、透明エポキシのようなマトリックス中に分散されている。ここで図3を参照すると、本発明の一態様によるリン光体層を利用した光源100の断面図が示されている。光源100は、本発明のリン光体組成物の層を利用して、励起LED105からの光を変換する。波長変換層107は、LEDによって発せられた光の行路に沿って設けられている。LED105からの放射光の一部は、波長変換層107によって吸収され、白熱光源により近い合わせられたスペクトルを有する放射光を再射出する。
この態様では、まず、空洞が形成されている基板101上に、接着層102を使用してLED105を取り付ける。電気的接続部103を、LED105の端子の1つから端子112へと形成する。第2の電力接続部を、LEDの底部から端子113を介して形成する。空洞は、光学的に透明な封止材106および透明のエポキシマトリックス中に懸濁もしくは分散されているリン光体粒子の第2の層107を含んでおり、これにより、波長の変換がもたらされる。
本発明の一態様では、個々のリン光体粒子は、2つの機能を有する材料で被覆されている。第1には、従来のリン光体材料は、湿気に敏感であるものが多い。よって、粒子を湿気から保護するために、耐湿被覆材料を使用する。第2に、従来のリン光体粒子およびQDリン光体粒子はいずれも凝集する傾向がある。これによって、比較的大きな粒子が形成されてしまい、このような凝集粒子は、光を散乱させ、またエポキシマトリックス内でのリン光体粒子の均一性を損なう。このような凝集は、粒子が懸濁されるマトリックスに対して親和性のある被覆材料により、QD粒子間のファンデルワールス結合力を克服することによって減少する。
QDリン光体のための被覆工程の多くは当分野で公知である。量子ドットへの被覆は、(a)有機キャップ、(b)シェルまたは(c)ガラス材料からなるキャップであってよい。有機キャップは、高いpHでCd2+で保護されていて(passivated)よいAg2SおよびCd(OH)2を使用して量子ドット上に形成することができる。量子ドットの表面改質は、量子ドットの表面に染料を付着させることによって行う。例えば、CdSe表面界面活性剤は不安定であり、シード(核)量子ドットをより大きくするよう成長することができるSe+およびCd2+の連続的な添加に代えることができる。Cd2+含有量の多い表面に対しては、表面をPh−Se−で処理することができ、有機被覆物を表面に共有結合させる。このように分子状粒子を分離させることを「キャップする(capped)」と呼ぶ。分子のキャッピングの公知の種類は、ミシェル液(Michelle liquid)、TiO末端、リン酸塩末端、窒素末端(ピリジン、ピラジン)およびデンドロンキャップ(複数鎖リガンド)を含む。
本発明の一態様では、QDリン光体粒子が、このQDリン光体粒子よりも大きな従来のリン光体粒子の外側に被覆されている複合リン光体粒子を利用する。この態様では、所望の組合せスペクトルがもたらされるように適正な濃度の比で様々なQD粒子で被覆された従来のリン光体のコア粒子を含む機能拡張リン光体粒子を形成することによってリン光体を組み合わせる。一態様では、従来のリン光体粒子の直径は10ミクロン未満であり、その場合、機能拡張された粒子は、従来のリン光体粒子の寸法に応じて5〜30ミクロン未満になっている。機能拡張されたリン光体粒子の寸法は小さいので、この機能強化リン光体粒子によって引き起こされる光の散乱量が低減される。このような分散は、励起光の一部を取り除き、リン光体により変換された光源の効率を低下させるものである。
本発明によるリン光体粒子の断面図である図4を参照されたい。リン光体粒子10は、好ましくは、短波長の光を照射すると広いスペクトルの光を発する従来のリン光体から形成されている中心粒子11を含む。粒子11は、参照符号12で示した量子ドット(QD)リン光体粒子で被覆されている。QD粒子の寸法は、QD粒子から発せられた光が従来のリン光体粒子11のスペクトルを補強して、QD粒子または従来のリン光体粒子のどちらかによって得られるものよりも理想に近いスペクトルをもたらすように選択される。従来のリン光体粒子は、湿気からの保護を提供する材料13の層で任意に被覆される。
QDリン光体粒子も、QD粒子の互いの親和性を低減させる層15で被覆されていていよい。そのような層によって、複合粒子が互いに付着することおよびQD粒子が凝集体を形成することが防止される。被覆層13および15は、粒子11および粒子12が互いに引き合うように構成することもできる。
一般に、散乱によって失われる励起光または変換光の量を減らすことによって、光変換プロセスの効率が改善される。散乱量は、粒子直径が、散乱される光の波長に比して小さい場合に著しく減少する。本発明の一態様では、リン光体は、約200〜480nmの波長の青色光によって励起される。この態様では、従来のリン光体粒子の直径は、10ミクロン未満である。QDリン光体粒子は、さらにこの直径より小さい。これにより、励起光に対する散乱損失が低減し、よって、光変換プロセスの効率が改善される。
本発明の様々な変更は、当分野において上記説明および添付の図面から明らかである。つまり、本発明は、特許請求の範囲によってしか制限されるべきではない。
Claims (20)
- 第1のリン光体(11)であって、第1の寸法を有する第1のリン光体(11)の粒子からなり、該第1のリン光体(11)の粒子が、励起波長の光を、光強度が波長の関数として変化することを特徴とする第1のスペクトルを有する光へと変換し、該第1のスペクトルが、該第1のリン光体(11)の粒子の寸法に依存しない、第1のリン光体(11)と、
第2のリン光体(12)であって、第2の寸法を有するQDリン光体の粒子からなり、該QDリン光体の粒子が、前記励起波長の光を、光強度が波長の関数として変化することを特徴とするQDリン光体スペクトルを有する光に変換する、第2のリン光体(12)と
からなり
前記第1のリン光体の粒子のそれぞれの外側に、前記QDリン光体の粒子が被覆されている、リン光体組成物(10)。 - 前記第1のリン光体(11)の粒子が、第1の化学組成を有する粒子からなり、前記第2のリン光体(12)の粒子が、第2の化学組成を有するリン光体からなる、請求項1に記載のリン光体組成物(10)。
- 前記第1の化学組成が、前記第2の化学組成とは異なる、請求項2に記載のリン光体組成物(10)。
- 前記第1の化学組成が、前記第2の化学組成と同じである、請求項2に記載のリン光体組成物(10)。
- 前記第1のリン光体(11)の粒子および前記QDリン光体の粒子が、所定の濃度の比で存在しており、該比、前記第1のリン光体(11)の粒子、および前記QDリン光体の粒子が、前記QDリン光体のスペクトルと前記第1のスペクトルとを含む合わせられたスペクトルが、波長の関数として、前記QDリン光体のスペクトルまたは前記第1のスペクトルよりも均一な強度を有するように選択される、請求項1から4のいずれか1項に記載のリン光体組成物(10)。
- 前記合わせられたスペクトルが、白色光として知覚される、請求項5に記載のリン光体組成物(10)。
- 前記第1のリン光体(11)の粒子が、ガーネット、硫化物、チオメタレート、シリケート、酸化物、酸窒化物、窒化物およびセレン化物ベースのリン光体からなる群から選択される粒子からなる、請求項1から6のいずれか1項に記載のリン光体組成物(10)。
- 前記第1のリン光体(11)の粒子が、希土類元素でドープされている、請求項7に記載のリン光体組成物(10)。
- 前記QDリン光体の前記粒子が、CdS、CdSe、CdTe、CdPo、ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnPo、MgS、MgSe、MgTe、PbSe、PbS、PbTe、HgS、HgSe、HgTe、Cd(S1−xSex)、BaTiO3、PbZrO3、PbZrzTi1−zO3、BaxSr1−xTiO3、SrTiO3、LaMnO3、CaMnO3およびLa1−xCaxMnO3を含む、請求項1から8のいずれか1項に記載のリン光体組成物(10)。
- 前記第1のリン光体の粒子及び前記QDリン光体の粒子がそれぞれ、被覆材料で被覆されている、請求項1に記載のリン光体組成物(10)。
- 励起波長の励起光を発する励起光源(105)と、
第1のリン光体(11)であって、第1の寸法を有する第1のリン光体(11)の粒子からなり、該第1のリン光体(11)の粒子が、励起波長の光を、光強度が波長の関数として変化することを特徴とする第1のスペクトルを有する光に変換し、前記第1のスペクトルが、前記第1のリン光体(11)の粒子の寸法とは無関係である、第1のリン光体(11)、および
第2のリン光体(12)であって、第2の寸法を有するQDリン光体の粒子からなり、該QDリン光体の粒子が、前記励起波長の光を、光強度が波長の関数として変化することを特徴とする光に変換する、第2のリン光体(12)
を含み、前記第1のリン光体の粒子のそれぞれの外側に前記QDリン光体の粒子が被覆されているリン光体の層(107)と
を含む光源(100)。 - 第1のリン光体(11)の粒子が、第1の化学組成の粒子なり、第2のリン光体(12)の粒子が、第2の化学組成のリン光体からなる、請求項11に記載の光源(100)。
- 前記第1の化学組成が、前記第2の化学組成とは異なる、請求項12に記載の光源(100)。
- 前記第1の化学組成が、前記第2の化学組成と同じである、請求項12に記載の光源(100)。
- 前記第1のリン光体(11)の粒子および前記QDリン光体の粒子が、所定の濃度の比で存在し、該比、前記第1のリン光体(11)の粒子、およびQDリン光体の粒子が、前記QDリン光体のスペクトルおよび前記第1のスペクトルを含む合わせられたスペクトルが、波長の関数として、QDリン光体のスペクトルまたは第1のスペクトルより均一な強度を有するように選択される、請求項11から14のいずれか1項に記載の光源(100)。
- 前記合わせられたスペクトルが、白色光として知覚される、請求項15に記載の光源(100)。
- 前記第1のリン光体(11)の粒子が、ガーネット、硫化物、チオメタレート、シリケート、酸化物、酸窒化物、窒化物およびセレン化物ベースのリン光体からなる群から選択される粒子からなる、請求項11から16のいずれか1項に記載の光源(100)。
- 前記第1のリン光体(11)の粒子が、希土類元素でドープされている、請求項17に記載の光源(100)。
- 前記QDリン光体の前記粒子が、CdS、CdSe、CdTe、CdPo、ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnPo、MgS、MgSe、MgTe、PbSe、PbS、PbTe、HgS、HgSe、HgTe、Cd(S1−xSex)、BaTiO3、PbZrO3、PbZrzTi1−zO3、BaxSr1−xTiO3、SrTiO3、LaMnO3、CaMnO3およびLa1−xCaxMnO3を含む、請求項11から18のいずれか1項に光源(100)。
- 前記合わせられたスペクトルが、前記励起光の一部をさらに含む、請求項16に記載の光源(100)。
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