JP2008521211A - 二次元ナノ周期構造体を有する薄膜蛍光体を備えるled装置 - Google Patents
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Abstract
本発明によるLED装置は、LEDと、基板上に蛍光薄膜が積層されており、前記蛍光薄膜の前面方向に二次元ナノ周期構造体が形成されている蛍光薄膜/基板積層体とを含み、前記蛍光薄膜の消滅係数(extinction coefficient)が10−3以下であることを特徴とする。従来のLEDに比べて、発光効率及び輝度に非常に優れており、蛍光体の使用量が少なく、且つスラリーを使用しないため、光学的な均一性と製造コストの節減という効果を有する。
【選択図】
図8
【選択図】
図8
Description
本発明は、発光ダイオード(LED)装置に関し、さらに詳しくは、発光効率及び輝度に非常に優れたLED装置に関する。
1990年代半ばに入り、窒化物半導体材料としてInGaNを用いたLEDが開発された後、白色LEDは、半導体照明の時代を開いた。このような白色LEDは、白熱電球(一般的な60W型電球)に比べて寿命が長く、小型化が可能であり、低電圧で駆動するという長所がある。この長所に基づき、近年、家庭用蛍光灯、総天然色ディスプレイ(LCDバックライト)など、広範囲な分野への応用が本格化されている。
前記白色LEDを製造する標準的な方法としては、3色のLED(赤色、緑色、青色LED)を使用する方法があるが、製造コストが高く、駆動回路が複雑で製品の体積が大きくなる。また、3色のLEDの温度特性が相互に異なるため、最終製品の光学的特性及び信頼性に悪影響を及ぼすおそれがある。
これによって、450nmの波長を有するInGaN系青色LEDに、黄色蛍光体または緑色と赤色との混合蛍光体を組み合わせて白色を具現する方法が開発されている。前記白色を発光する原理は以下の通りである。まず、青色LEDから発生する青色光の一部が、前記蛍光体を励起させて黄緑色の蛍光を発生させ、前記青色と黄緑色とが合成されて白色を発光させる。図1には、YAG:Ce蛍光パウダーを使用した従来の白色LED装置の概略的な断面図を示す。図1に示すように、前記白色LED装置は、YAG:Ce黄色蛍光パウダーをLEDに適用することで製造されるが、演色評価数(color rendering index:CRI)が低いことから太陽光に近い白色光が得られにくいものの、発光効率に比較的優れているという長所がある。
一方、最近では、白色LED装置の演色評価数の改善のために、青色LEDと黄色蛍光体との組み合わせの代わりに、紫外線/紫色LEDと3色(青色、緑色、赤色)を組み合わせ、太陽光に近い白色が発光できる白色LED装置の開発に取組んでいる。図2は、3色混合蛍光パウダーを用いた白色LED装置の概略的な断面図を示す。図2を参照すると、3色混合蛍光体を紫色LEDまたは紫外線LEDが発する420nm以下の光で励起させて白色を具現するため、前記白色LED装置の演色評価数が大きく改善するのみならず、蛍光体の割合が調節されるので、色度の調節が容易であるという長所がある。
前記のように、白色LED装置を具現するためには、必然的に青色LEDまたは紫外線/紫色LEDに励起される蛍光体が求められるが、従来使用されていた蛍光体は、パウダー型であるため、励起光源と、これにより蛍光体が励起されて発生する光とが、前記パウダーにより散乱または消失する割合が大きくなり、これにより輝度が低くなるという問題を引き起こしている。また、前記蛍光体をLEDに適用するためには、スラリー状で使用しなければならないが、スラリー状の蛍光パウダーは、物理的、化学的な均一性に劣る。さらに、前記蛍光体の一部は発光に関与するが、他の一部は散乱とスクリーン効果(screen effect)により、発光に関与しない。その上、蛍光体の使用量が多くなるため、少なからず製造コストが上昇することになる。
一方、前記蛍光体を薄膜状に製造すると、物理/化学的な均一性が向上し、基板への接着力に優れ、ガス発生が最小化し、蛍光体の使用量が減少する。蛍光薄膜から発生した光の殆どが全反射(total internal reflection)または光導波路効果(light piping effect)によって前記薄膜から外へ出られず、前記構造体の光効率及び輝度が致命的に低下する。その上、蛍光薄膜の結晶性及び透明度が低くなる場合には、前記全反射または光導波路効果による光の損失以外にも、光が蛍光薄膜の内部で消失し、そのため前記構造体の発光効率はさらに低下する。これらの問題のため、従来薄膜状の蛍光体はLED装置の製造に用いられてこなかった。
従って、本発明が達成しようとする技術的課題は、物理的、化学的な均一性に優れた蛍光薄膜を使用しながらも、従来のLED装置より発光効率及び輝度に非常に優れたLED装置を提供することである。
本発明は、前記技術的課題を達成するために、発光ダイオード(LED)と、LED上に形成された積層体とを備え、前記積層体は基板と基板上に積層された蛍光薄膜からなり、前記蛍光薄膜は前記薄膜の前面方向に二次元ナノ周期構造体が形成され、消滅係数(extinction coefficient)が10−3以下であるLED装置を提供する。
本発明によるLED装置は、従来の蛍光パウダーを用いるLED装置に比べて、発光効率及び輝度に非常に優れている。また、本発明によるLED装置は均一性に優れる蛍光体を使用するため従来のLED装置と比較した場合、発光均一性の向上を示す。更に、本発明によるLED装置は、スラリーを使用せず、従来のLED装置より少量の蛍光体を使用するため、製造コストを節減することができる。
上記及び他の事項における本発明の特徴及び他の利点に関して、より明確に理解するために、添付した図面と併せて以下に詳しく説明する。
本発明によるLED装置の二次元ナノ周期構造体を有する蛍光薄膜(以下、ナノ周期蛍光薄膜という。)は、光を前面方向に抽出するに適した屈折面、散乱面及び反射面を有することから、励起光または発生光が蛍光薄膜の内部で消失する割合を大幅に減少させ、さらには蛍光薄膜の消滅係数を低くすることによって、全体として輝度及び発光効率を大幅に増加させ得ることを特徴とする。
図3は、平面蛍光薄膜から発生する光の放出経路を示す。多くの蛍光薄膜は、光学的屈折率(refractive index)の値が高いため、蛍光薄膜の内部から発生した光のほとんどが、全反射(total internal reflection)または光導波路効果(light piping effect)によって、蛍光薄膜の内部に閉じ込められ、外へ出られなくなる。従って、図3に示すように、相当量の光が、蛍光薄膜の面と空気との界面から全反射し、蛍光薄膜内に閉じ込められるか、蛍光薄膜を構成する物質に吸収され消えてしまう。
これを定量的に説明するために、古典光学の原理を、蛍光薄膜からLED装置前面へ発せられる光量の計算に適用することができる。下記の式1は、古典光学法則によるものであって、平面蛍光薄膜から出る光をランバーシャン(Lambertian)形態の光と仮定し、基板9の方向に発せられる光は、反射しないと仮定する時に成立する。
(式中、ηexternal lightは、外光効率であり、nphosphorは、蛍光体の屈折率である。)
前記外光効率は、蛍光薄膜から放出される光のうち、空気中に出る光の量(%)を意味するが、式1によると、外光効率は、蛍光薄膜の屈折率に反比例し、結果として屈折率の値が大きくなると、発光効率は、大きく減少することが分かる。
前記外光効率は、蛍光薄膜から放出される光のうち、空気中に出る光の量(%)を意味するが、式1によると、外光効率は、蛍光薄膜の屈折率に反比例し、結果として屈折率の値が大きくなると、発光効率は、大きく減少することが分かる。
多くの蛍光薄膜は、ガラスの屈折率の値である1.5以下の値を有さない。例えば、ZnSに代表される硫化物系の蛍光体の場合、屈折率の値が2.4であり、窒化物系のGaNの場合は、2.1であり、酸化物系のY2O3の場合は、1.8であり、YAG系の場合は、1.817である。
下記の表1には、式1を利用して、蛍光薄膜の屈折率による外光効率を示す。
表1を参照すると、平面蛍光薄膜の一種である場合、前面に放出される光の量は、4〜11.1%程度の水準であり、残りの殆どは、薄膜に閉じ込められるか、薄膜内から消えてしまうため、光放出効率が非常に低くなる。
具体的には、Y2O3:Eu平面蛍光薄膜は、Y2O3:Eu蛍光パウダーの37%の発光量であることが知られている。前記Y2O3:Eu平面蛍光薄膜の屈折率は、1.8であり、前記表1を参照すると、前記Y2O3:Eu平面蛍光薄膜の外光効率は、約7.7%であることが分かる。即ち、これは、前記平面蛍光薄膜から発生した光のうち7.7%ほどの光のみが蛍光体から外部に放出され、残りの光(>90%)は、いろいろな原因により消失するということを意味する。結局、平面蛍光薄膜は、その発光効率を10倍以上にも向上させ得る余地があり、前記平面蛍光薄膜の発光効率を3倍以上に増加させることができるなら、従来の蛍光パウダーの発光効率より優れた蛍光薄膜を製造できることが分かる。
本発明に使用される前記ナノ周期蛍光薄膜の消滅係数(extinction coefficient)は、10−3以下であることが望ましいが、前記消滅係数とは、蛍光薄膜の透明度を決める変数であって、蛍光体を構成する物質の吸光度と関わり、前記薄膜の結晶性または相(phase)によって変わるかもしれない。前記消滅係数が10−3を超えると、蛍光薄膜の透明度が低下し、前記薄膜から発生した光は、前記蛍光薄膜を構成する物質による吸収量が増加する。また、全反射または光導波路効果による消滅の外に、さらに望ましくない光の消滅が引き起こされる。
本発明において、前記消滅係数と誘電定数(dielectric constant)との関係は、下記の式2で表すことができる。
(式中、εは、誘電定数であり、nは、屈折率であり、kは、消滅係数である)
前記消滅係数が大きくなるほど蛍光薄膜内で消滅する光の量が増加し、前記消滅係数が0の理想的な場合には、前記蛍光薄膜が完全に透明であると言える。このような消滅係数は、前記蛍光薄膜の製造条件によって変えることができる。一般に、前記薄膜を形成した後に、後処理の温度を調節することによって変えることができる。前記後処理は、特に制限されるものではなくて、例えば、急速熱アニーリング(Rapid Thermal Anealing)を用いることができる。通常、アニーリングの温度が高いほど結晶性が良くなり、消滅係数を低くすることができる。前記アニーリングの温度は、500〜800℃であることが望ましい。前記温度範囲でアニーリングをすると、蛍光薄膜の消滅係数を10−3以下に調節することができ、もし800℃を超えて行われても、消滅係数の減少量がほとんど減少しない。また、温度が高すぎることも、好ましくない。
前記消滅係数が大きくなるほど蛍光薄膜内で消滅する光の量が増加し、前記消滅係数が0の理想的な場合には、前記蛍光薄膜が完全に透明であると言える。このような消滅係数は、前記蛍光薄膜の製造条件によって変えることができる。一般に、前記薄膜を形成した後に、後処理の温度を調節することによって変えることができる。前記後処理は、特に制限されるものではなくて、例えば、急速熱アニーリング(Rapid Thermal Anealing)を用いることができる。通常、アニーリングの温度が高いほど結晶性が良くなり、消滅係数を低くすることができる。前記アニーリングの温度は、500〜800℃であることが望ましい。前記温度範囲でアニーリングをすると、蛍光薄膜の消滅係数を10−3以下に調節することができ、もし800℃を超えて行われても、消滅係数の減少量がほとんど減少しない。また、温度が高すぎることも、好ましくない。
本発明によるLED装置に使用されるナノ周期蛍光薄膜10は、光を前面方向へ抽出するのに適した屈折面、散乱面及び反射面を有し、前記平面蛍光薄膜の内部に閉じ込められ消失する励起光または発生光を、ブラッグ散乱モードにより前面方向に放出されるようにする。従って、前記蛍光薄膜10をLEDの前面に接着すると、全反射または光導波路効果による光損失を抑制し、蛍光パウダーを使用したLED装置よりも高い輝度及び発光効率を有するLED装置を提供することができる。
図4(a)は、本発明に使用されるナノ周期蛍光薄膜10が、光を前面方向に抽出する原理を示し、図4(b)は、前記ナノ周期蛍光薄膜10の平面図を示す。図4(a)及び(b)を参照すると、前記ナノ周期蛍光薄膜10の内部から発生した光は、蛍光薄膜と空気面との間に形成されている可視光線の波長範囲の二次元ナノ周期構造体により強いブラッグ(Bragg)散乱をおこし、そして前面方向に抽出される。本発明において、前記二次元ナノ周期構造体は、一種の格子(grating)の役割を果たす。
本発明において、前記二次元ナノ周期構造体によるブラッグ散乱に起因する光抽出のメカニズムは、前記ナノ構造の形状よりは、ナノ構造の高さや周期に依存する。即ち、ナノ構造の高さまたは周期が可視光線の波長領域の近くである場合、可視光線の抽出効果が極大化する。これは、前記波長領域のナノ構造が、格子の役目を果たすことを示唆する。
本発明の一実施形態によると、前記二次元ナノ周期構造体の周期は、200〜5000nmの範囲であり、さらに望ましくは、200〜1000nmの範囲内である。前記周期が200nm未満であると、ブラッグ散乱による光抽出効果が微弱であり、一方5000nmを超えると、例えば、その周期が可視光線周期の5倍を越えると、前記ナノ構造が、前記可視光線に対して格子の役目を果たすことができず、ブラッグ散乱による光抽出効果が得られ難い。このように、本発明において、ブラッグ散乱による光抽出効果が、前記二次元ナノ周期構造体の周期に依存するということは、有限差分時間領域(Finite−Difference Time−Domain:FDTD)コンピュータシミュレーション法により確認することができる。前記FDTDコンピュータシミュレーション法は、マクスウェル(Maxwell)方程式を時間の関数で解ける方法であって、前記薄膜構造体から出て行く光の量が的確に計算できる正確な予測法である。前記FDTDコンピュータシミュレーションの結果によると、200nmの周期から光抽出効果が発生し、500nmまで光抽出効果が増加し、500nm以上では光抽出効果が飽和し、3000nm近傍で徐々に減少し、5000nmを超えると、光抽出効果はほとんど消えることとなる。
一方、前記二次元ナノ周期構造体の高さは、10nm〜5000nmである。前記高さが10nm未満であると、ブラッグ散乱による光抽出効果が微弱である。また、その高さが5000nmを超えると、製造が非常に困難であるのに対し、このような高さの変数による光抽出効果がほとんどないため、望ましくない。このような前記ナノ周期構造体の高さの変数による光抽出効果の変化は、前記FDTDコンピュータシミュレーションにより実験的に確認することができる。
本発明による前記二次元ナノ周期構造体の形状は、特に制限されるものではなく、例えば、球形、円筒状、直方体状または三角柱状であって、陰刻または陽刻されている3次元立体構造であってもよい。
前記二次元ナノ周期構造体は、レーザーホログラム方式を含む一般の露光法を用いて製作することが可能であり、マスクの種類によって球形、円筒状、直方体状、三角柱状などを含む、如何なる3次元立体構造の製作も可能である。
また、本発明によるナノ周期蛍光薄膜10を見下ろした時の陽刻部分と陰刻部分との表面積の割合が重要な要素になるが、これは、前記二次元ナノ周期構造体が形成されたことを示す尺度になるものであって、前記二次元ナノ周期構造体の陽刻部分の陰刻部分に対する表面積の割合は、10〜90%範囲内にある時、前記二次元ナノ周期構造体は光学的に有効である。前記表面積の割合が10%未満であるか90%を超えると、前記二次元ナノ周期構造体のナノ周期性がほとんど失われ、前記可視光線に対して格子の役目を果たすことができず、ブラッグ散乱による光抽出効果が得られ難い。
また、古典光学の理論によると、二次元ナノ周期構造体を持たない蛍光薄膜(例えば、平面蛍光薄膜)と空気との界面において、導光効果により、前記蛍光薄膜の表面と平行に進行する光のウエーブベクトル(wave vector)Kphosphorと空気中に放出される光のウエーブベクトルKairとは、下記の式3a及び式3bで表される。
(式中、nphosphorは、平面蛍光薄膜の屈折率であり、nairは、空気の屈折率であり、λは、光の波長である。)
一方、前記ナノ周期蛍光薄膜10の導光効果による光のウエーブベクトルkeff及びブラッグ散乱は、下記の式4a及び式4bで表される。
一方、前記ナノ周期蛍光薄膜10の導光効果による光のウエーブベクトルkeff及びブラッグ散乱は、下記の式4a及び式4bで表される。
(式中、m、nは、整数であり、Λx、Λyは、それぞれx軸及びy軸上のナノ周期構造体の周期である。)
式4a及び式4bから、導かれる光のウエーブベクトルが、空気中への発光のウエーブベクトルより小さい場合のみ、前記導かれる光を空気中に抽出できるということが分かり、このような効果を得るためには、前記neffとΛ値とが適切な範囲内でなければならない。前記neff値は、前記二次元ナノ周期構造体の陽刻部分に対する陰刻部分の表面積の割合に依存する値である。前記陽刻部分と陰刻部分との表面積の割合が1:1である場合が最も望ましく、この場合には、neffは、前記空気の屈折率(nair)と前記蛍光薄膜の屈折率(nphosphor)との中間値を有するはずである。
式4a及び式4bから、導かれる光のウエーブベクトルが、空気中への発光のウエーブベクトルより小さい場合のみ、前記導かれる光を空気中に抽出できるということが分かり、このような効果を得るためには、前記neffとΛ値とが適切な範囲内でなければならない。前記neff値は、前記二次元ナノ周期構造体の陽刻部分に対する陰刻部分の表面積の割合に依存する値である。前記陽刻部分と陰刻部分との表面積の割合が1:1である場合が最も望ましく、この場合には、neffは、前記空気の屈折率(nair)と前記蛍光薄膜の屈折率(nphosphor)との中間値を有するはずである。
前記二次元ナノ周期構造体による効率向上の幅の正確な値を予測するための、FDTDコンピュータシミュレーションの概略的な構造を図5に示す。
図5を参照すると、ナノ周期蛍光薄膜10と空気層との界面の上に、第1検出面12を置き、前記第1検出面12に対向するように、第2検出面13を基板9の下に置き、この二つの検出面を通る光の量を時間経過によって累進的に計算した。コンピューターの容量によって計算できる3次元構造の寸法を制限し、前記構造体は、前後左右の4方を完全反射体で囲まれていると仮定した。前記FDTDコンピュータシミュレーションにより、平面蛍光薄膜から検出面へ出る光の量を1と仮定し、本発明に使用されるナノ周期蛍光薄膜10から抽出された光の量を計算した。
上述したように、屈折率の値が高ければ高いほど蛍光薄膜に閉じ込められる光の量が多くなるため、本発明では、屈折率の値が最小である蛍光体のうちの一つであるY2O3蛍光体をモデルとして使用した。Y2O3:Eu蛍光薄膜の屈折率の値は、1.8である。特に、白色LED用蛍光体として幅広く使用される黄色YAG:Ce蛍光体やシリケイト(Silicate)類蛍光体または3色(赤色、緑色及び青色)混合蛍光体の殆どが、前記Y2O3:Eu蛍光体よりも屈折率の値が大きい。上述したように、屈折率が大きくなるにつれ、発光効率は低下する。従って、本発明によるナノ周期蛍光薄膜10を使用する必要性は絶えず発生する。
以下、前記ナノ周期蛍光薄膜10をLED4、6に適用し、LED装置を製造する方法について説明する。本発明によるLED装置は、UV LEDを励起光源として使用し、赤色、青色または緑色の蛍光体をそれぞれ蛍光薄膜として使用する赤色、青色または緑色LED装置だけではなく、青色LED装置とYAG蛍光体膜または赤色及び緑色の蛍光薄膜を使用する白色LED装置は勿論、RGB蛍光薄膜を使用する白色LED装置も含む。
即ち、本発明によるLED装置は、420〜480nm波長帯域のInGaN青色LEDと、450〜800nm波長帯域の発光スペクトルを有する黄色蛍光体からなるナノ周期蛍光薄膜14とを含む白色LED装置であってもよい。前記黄色蛍光体の例として、当業界で通常使用されるものであれば、特に制限されず、特にYAG:Ce系列蛍光体、Ca−a−SiAlON:Eu系列蛍光体、及びSr2SiO4:Eu系列蛍光体であってもよい。
また、本発明によるLED装置は、420〜480nm波長帯域のInGaN青色LEDと、450〜650nm波長帯域の発光スペクトルを有する緑色蛍光体からなるナノ周期蛍光薄膜と、550〜800nm波長帯域の発光スペクトルを有する赤色蛍光体からなるナノ周期蛍光薄膜とを含む白色LED装置であってもよい。混合蛍光体を用いた前記LED装置は、単に黄色蛍光体を使用した場合より高い演色評価数を有する。前記緑色及び赤色蛍光体も当業界で通常使用されるものであれば、特に制限されず、例えば前記緑色蛍光体は、SrGa2S4:Eu系列蛍光体であり、前記赤色蛍光体は、SrS:Eu系列蛍光体またはSr2Si5N8:Eu系列蛍光体であってもよい。
また、本発明によるLED装置は、350〜420nm波長帯域のUV LEDと、400〜600nm波長帯域の発光スペクトルを有する青色蛍光体からなるナノ周期蛍光薄膜と、450〜650nm波長帯域の発光スペクトルを有する緑色蛍光体からなるナノ周期蛍光薄膜及び550〜800nm波長帯域の発光スペクトルを有する赤色蛍光体からなるナノ周期蛍光薄膜とを含む白色LED装置であってもよい。前記RGB蛍光体も当業界で通常使用されるものであれば、特に制限されない。例えば、前記青色蛍光体は、ZnS:Ag系列蛍光体、BAM:Eu系列蛍光体、またはホロフォスフェイト(Holophosphate):Eu系列蛍光体であってもよく、前記緑色蛍光体は、ZnS:CuAl系列蛍光体、Zn2GeO4:Mn系列蛍光体、LaPO4:Eu系列蛍光体またはCeMgAl11O19:Tb系列蛍光体であってもよく、前記赤色蛍光体は、Gd2O2S:Eu系列蛍光体またはY2O2S:Eu系列蛍光体であってもよい。
また、他の実施形態によると、本発明によるLED装置は、350〜420nm波長帯域のUV LEDと、400〜600nm波長帯域の光と500〜700nm波長帯域との光を同時に放出する白色蛍光体からなるナノ周期蛍光薄膜とを含む白色LED装置であってもよい。前記白色蛍光体は、当業界で通常使用されるものであれば、特に制限されないが、例えば、Sr3MgSi2O8:Eu、Mn系列蛍光体であってもよい。
前記ナノ周期蛍光薄膜及び基板の積層体(以下、積層体という。)10のLEDへの接着又は適用は、前記LED装置の光効率に大きい影響を及ぼす。図6(a)に示すように、前記積層体はLEDの上部に直接接着してもよい。図6(b)に示すように、より多い光を前面方向に転換させるために、前記積層体を前記反射面まで延ばして形成してもよい。図6(c)に示すように、前記積層体を反射コップの上に接着してもよい。図6(a)及び図6(b)に示す直接接着された構造は、図6(c)で示す構造より優れた発光効率を示す。その理由は、図6(c)に示す構造のような、前記LEDと前記積層体との分離は、LEDに空気との直接的接触をもたらすため、全反射及び光導波路効果がさらに大きくなることによる。一方、図6(a)及び図6(b)に示す前記直接接着された構造の場合には、前記LEDを前記積層体と直接接着するために、有機結合剤または無機結合剤を使用することができる。この場合、前記結合剤の屈折率と下部のLEDとの屈折率とが一致するとき、前記屈折率の差による全反射及び光導波路効果が消える。従って、図6(a)及び(b)で示される前記LEDの発光効率は、図6(c)のように、界面が空気である構造の場合より上昇させることができる。現在使用されている青色及び紫色LEDは、GaN系材料であるため、屈折率が概ね2.0以下の値を有さない。従って、LEDから発生する光の相当量は、LED内部に閉じ込められるため、前記結合剤の屈折率を前記LEDの屈折率と一致させることが必要である。本発明において、当業界で通常使用されるものであれば、如何なる有機結合剤または無機結合剤でも使用可能であるが、屈折率が高い無機結合剤であることが望ましい。このような無機結合剤は、当業界で通常使用されるものであって、紫外線または青色可視光線の吸収率が低いものであれば、特に制限されない。例えば、前記積層体とLEDとの接着は、TiO2ゾル(屈折率2.3)またはITOゾル(屈折率2.0)を、前記LED上にナノ単位の薄膜状にコーティングした後、前記積層体を前記LEDに積層し、得られた構造体を500℃以下の温度で穏やかに焼成することにより行われる。前記ITOゾルの場合、紫外線を少し吸収するものの、ナノ単位の薄膜に形成した場合には、その吸収率が無視できるほどであるため、結合剤として使用するのに何ら問題がない。
本発明によるLED装置の長所は、平面蛍光薄膜を使用することから生じる問題点と、LEDの製作において、別途の追加的な工程を設けることなく前記LED自体から生じる光損失の問題が解決できることにある。前記図6(a)及び図6(b)に示すような構造に最も重要な要件は、前記LED4、6の屈折率と、二次元ナノ周期構造体を有する前記蛍光薄膜10が積層されている基板の屈折率及び前記LEDと前記基板との間に介在される結合剤の屈折率とをできるだけ一致させることである。前記LEDと前記基板と前記結合剤との各屈折率の差が、各々他の2つに対して0.4以下であることが望ましいが、前記基板9に使用される材質は、当業界で通常使用されるものであれば、特に制限されない。前記基板9は、屈折率が高く、消滅係数を低くするために500℃以上に加熱する時、前記温度に耐えられるようなサファイア基板(屈折率1.76)を使用することが望ましく、できるだけ前記基板下部のLED及び前記結合剤の屈折率と同一であるか、高い屈折率を有する材料を使用することが最も望ましい。従って、本発明で使用される前記結合剤及び前記基板の屈折率は、1.4以上であり、LED、結合剤及び基板が同一の屈折率を有することが重要である。
図7には、本発明の一実施形態によって、二次元ナノ周期構造体を有する3波長(赤色、緑色及び青色:以下、RGBという。)蛍光薄膜15をUV LEDに適用した白色LEDの断面図を示す。前記3波長(RGB)の白色LED装置は、各色薄膜構成要素の厚さを調節することにより高演色評価数を実現することができ、前記RGB薄膜それぞれの厚さを合わせて約300〜1000nmになるよう調節することが望ましい。前記RGB薄膜の積層の順は、特に制限されるものではないが、各薄膜の吸収スペクトルと発光スペクトルとを考慮して、青色蛍光体の薄膜を最下層とし、その上に緑色蛍光体の薄膜を積層し、赤色蛍光体の薄膜を最上層とすることが望ましい。また、前記RGB薄膜それぞれは、屈折率に差があってもよいが、それぞれの屈折率を一致させることが望ましい。屈折率に差がある場合には、最下層の薄膜は最も低い屈折率を持つもので、上層に行くほど屈折率が高くなるよう調節することが、全反射及び光道破路を抑制する上で望ましい。
図8は、本発明による蛍光薄膜の製造の手順の概略図を示す。図8を参照して、本発明による蛍光薄膜の製造方法を説明すると、以下の通りである。
まず、石英基板またはサファイア基板9に、マスクとして使用するSi薄膜をプラズマ化学気相成長法( plasma enhanced chemical vapor deposition:PECVD)により、約20〜100nmの厚さで形成した後、前記Si薄膜上に、ポジティブフォトレジスト18をスピンコートする。その次に、フォトレジストをレーザー干渉露光方法により90゜回転しながら2回露光させて二次元ナノ構造のパターンを作り、前記パターンを溶媒で現像し、フォトレジストの不要な部分を除去する。次に、マスクとしての前記フォトレジストパターンを通じて、前記Siマスクをドライエッチングして、二次元ナノ周期体を形成する。最後に、前記基盤は、マスクとしての前記二次元ナノ周期体を有するSiマスクを使用してドライエッチングされ、基板上に二次元ナノ周期体を形成する。前記製造過程のうち、フォトレジストをネガティブ型に変える場合は、二次元周期の陰刻ナノホール構造体を製造することができる。前記陽刻または陰刻部のいずれも、二次元ナノ周期構造体を成す場合、光抽出に使用することができる。最後に、前記二次元ナノ構造体が形成された基板上に蛍光体を蒸着し、二次元ナノ周期蛍光薄膜を製造する。この段階では、前記二次元ナノ周期構造体上に、様々な種類の蛍光膜を様々な薄膜製造方法により製造することができる。
例えば、硫化物系蛍光薄膜の場合、スパッタリング蒸着(Sputtering deposition)または原子層成長法(Atomic Layer Deposition)を、容易に二次元蛍光薄膜を製作するために用いることができる。酸化物系蛍光薄膜の場合には、レーザーアブレーション蒸着法(Laser ablation deposition)、電子ビーム蒸着法(e‐beam deposition)または他の蒸着法を、二次元蛍光薄膜を製作するために用いることができ、また、窒化物系蛍光薄膜の場合には、化学気相蒸着法(chemical vapor deposition)を、二次元蛍光薄膜を製作するために用いることができる。前記基板上に形成されている前記ナノ周期パターンが、陰刻であるか陽刻であるかに関らず、その周期が200nm以上であれば、前記ナノ周期パターン上に成長させるナノ周期蛍光薄膜の周期も200nm以上となる。
一方、前記の製造方法と異なり、本発明で使用されるナノ周期蛍光薄膜10の下部面は、平面であってもよい。この場合には、単に蛍光体を平面の薄膜に製造した後、前記蛍光薄膜をエッチングすることによって、二次元ナノ構造を形成するか、前記蛍光薄膜の上部に、前記蛍光薄膜とは別の材質からなる二次元ナノ周期構造体22を形成することによって、前記二次元ナノ周期構造体がブラッグ散乱を起こすよう調節することもできる。図9(a)は、蛍光薄膜をエッチングして二次元ナノ周期構造体を形成させた生成物を示し、図9(b)は、前記蛍光体とは別の材質で二次元ナノ周期構造体22を形成させた生成物を示す。前記ナノ周期蛍光薄膜10の下部面を平面状にすることは、蛍光薄膜を積層する基板の屈折率が蛍光薄膜の屈折率よりも低い場合に有用である。その理由は、前記ナノ周期蛍光薄膜の下部面と前記基板との界面とが平面であり、前記基板の屈折率が前記ナノ周期蛍光薄膜の屈折率よりも低い場合には、本発明によるLED装置の後面方向(即ち、基板方向)に進行する光が前記基板と前記ナノ周期蛍光薄膜間での屈折率の差により全反射されることによって、再び前記LED装置の前面方向に放出され得るため、前記LED装置の発光効率をさらに向上させることができるからである。前記二次元ナノ周期構造体22は、その材質に適したもの、例えば、可視光線に対して透明な材質であれば、特に制限されない。例えば、TiO2、ITOまたはSiNxを使用して平面薄膜を形成した後、マスクを用いてウエットエッチングまたはドライエッチングすることによって、二次元ナノ周期構造体22を形成することができる。前記二次元ナノ周期構造体の材質は、屈折率が、下部の蛍光薄膜の屈折率より高いものを使用することが、全反射及び光導波路効果を除去する上で望ましいが、具体的には前記二次元ナノ周期構造体の屈折率が1.8〜2.5の間であることが望ましい。
以下、望ましい実施例を挙げて、本発明をさらに詳しく説明するが、本発明は、これに制限されるものではない。
(実施例1)
1−(1)二次元ナノ周期型蛍光薄膜の製造
厚さ5mmの石英基板に、マスクとして使用するSi薄膜をプラズマ化学気相法 (plasma enhanced chemical vapor deposition:PECVD)により、約20nmで蒸着した。次に、前記Si薄膜の上に、ポジティブフォトレジストとしてSPR508−A(Shipley社製)をスピンコートして厚さ90nmのフォトレジスト膜を成膜した後、前記フォトレジスト膜をCd−Heレーザーを使用した干渉露光方法により90゜回転しながら2回露光させ、二次元ナノ周期のパターンを製造した。続いて、現像液としてAZ301(Shipley社製)を使用して前記パターンを現像することによって、フォトレジスト膜の不要な部分を除去した。塩素ガスを用いたドライエッチングにより該Siマスクをエッチングし、周期200nmの二次元ナノ周期のSiマスクを形成した。次に、CF4ガスを用いて前記石英基板をドライエッチングし、塩素ガスを用いて上部の前記Siマスクを除去することによって、前記石英基板上に、二次元ナノ周期体を形成した。こうして形成された前記二次元ナノ周期構造体は、周期200nm、高さ約200nmを有する。その次に、エネルギーが1.3J/cm2の248nmKrFエキシマレーザーを用いてY2O3:Eu蛍光薄膜をレーザーアブレーション法により、前記二次元ナノ周期石英基板上に蒸着した。前記蛍光薄膜の蒸着の厚さは、約800nmであり、高さ(H2)は、約200nmであったが、前記二次元ナノ周期蛍光薄膜の高さ(H2)は、前記二次元ナノ周期石英基板の高さ(h1)と一致した。最後に、前記蛍光薄膜を、急速熱アニーリング(Rapid Thermal Anealing)法により、窒素雰囲気下で、500℃の温度で2分間処理した。
(実施例1)
1−(1)二次元ナノ周期型蛍光薄膜の製造
厚さ5mmの石英基板に、マスクとして使用するSi薄膜をプラズマ化学気相法 (plasma enhanced chemical vapor deposition:PECVD)により、約20nmで蒸着した。次に、前記Si薄膜の上に、ポジティブフォトレジストとしてSPR508−A(Shipley社製)をスピンコートして厚さ90nmのフォトレジスト膜を成膜した後、前記フォトレジスト膜をCd−Heレーザーを使用した干渉露光方法により90゜回転しながら2回露光させ、二次元ナノ周期のパターンを製造した。続いて、現像液としてAZ301(Shipley社製)を使用して前記パターンを現像することによって、フォトレジスト膜の不要な部分を除去した。塩素ガスを用いたドライエッチングにより該Siマスクをエッチングし、周期200nmの二次元ナノ周期のSiマスクを形成した。次に、CF4ガスを用いて前記石英基板をドライエッチングし、塩素ガスを用いて上部の前記Siマスクを除去することによって、前記石英基板上に、二次元ナノ周期体を形成した。こうして形成された前記二次元ナノ周期構造体は、周期200nm、高さ約200nmを有する。その次に、エネルギーが1.3J/cm2の248nmKrFエキシマレーザーを用いてY2O3:Eu蛍光薄膜をレーザーアブレーション法により、前記二次元ナノ周期石英基板上に蒸着した。前記蛍光薄膜の蒸着の厚さは、約800nmであり、高さ(H2)は、約200nmであったが、前記二次元ナノ周期蛍光薄膜の高さ(H2)は、前記二次元ナノ周期石英基板の高さ(h1)と一致した。最後に、前記蛍光薄膜を、急速熱アニーリング(Rapid Thermal Anealing)法により、窒素雰囲気下で、500℃の温度で2分間処理した。
1−(2)赤色LED装置の製造
前記で製造された二次元ナノ周期蛍光薄膜が積層されている基板を、反射板まで延ばして、350〜420nm波長帯域のUV LEDの上に直接接着することによって、赤色LED装置を製造した。前記接着には、屈折率1.5のアクリル系結合剤を使用した。
前記で製造された二次元ナノ周期蛍光薄膜が積層されている基板を、反射板まで延ばして、350〜420nm波長帯域のUV LEDの上に直接接着することによって、赤色LED装置を製造した。前記接着には、屈折率1.5のアクリル系結合剤を使用した。
(実施例2)
蛍光薄膜の二次元ナノ周期構造体の周期が300nmであることを除いて、前記実施例1と同様の方法により赤色LED装置を製造した。
蛍光薄膜の二次元ナノ周期構造体の周期が300nmであることを除いて、前記実施例1と同様の方法により赤色LED装置を製造した。
(実施例3)
蛍光薄膜の二次元ナノ周期構造体の周期が400nmであることを除いて、前記実施例1と同様の方法により赤色LED装置を製造した。
蛍光薄膜の二次元ナノ周期構造体の周期が400nmであることを除いて、前記実施例1と同様の方法により赤色LED装置を製造した。
(実施例4)
蛍光薄膜の二次元ナノ周期構造体の周期が500nmであることを除いて、前記実施例1と同様の方法により赤色LED装置を製造した。
蛍光薄膜の二次元ナノ周期構造体の周期が500nmであることを除いて、前記実施例1と同様の方法により赤色LED装置を製造した。
(実施例5)
蛍光薄膜の二次元ナノ周期構造体の周期が600nmであることを除いて、前記実施例1と同様の方法により赤色LED装置を製造した。
蛍光薄膜の二次元ナノ周期構造体の周期が600nmであることを除いて、前記実施例1と同様の方法により赤色LED装置を製造した。
(実施例6)
蛍光薄膜の二次元ナノ周期構造体の周期が700nmであることを除いて、前記実施例1と同様の方法により赤色LED装置を製造した。
蛍光薄膜の二次元ナノ周期構造体の周期が700nmであることを除いて、前記実施例1と同様の方法により赤色LED装置を製造した。
(実施例7)
アニーリング温度を600℃にしたことを除いて、前記実施例1と同様の方法により赤色LED装置を製造した。
アニーリング温度を600℃にしたことを除いて、前記実施例1と同様の方法により赤色LED装置を製造した。
(実施例8)
アニーリング温度を700℃にしたことを除いて、前記実施例1と同様の方法により赤色LED装置を製造した。
アニーリング温度を700℃にしたことを除いて、前記実施例1と同様の方法により赤色LED装置を製造した。
(比較例1)
石英基板上に二次元ナノ周期構造体を形成せず、アニーリングをしないことを除いて、前記実施例1と同様の方法により赤色LED装置を製造した。
石英基板上に二次元ナノ周期構造体を形成せず、アニーリングをしないことを除いて、前記実施例1と同様の方法により赤色LED装置を製造した。
(実験例1)
消滅係数の測定
消滅係数は、K−MAC model Spectra Thick2000を使用して測定し、実施例1、7、8及び比較例1によって製造された蛍光薄膜/基板積層体それぞれに対して、前記蛍光薄膜と空気との界面及び前記蛍光薄膜と前記基板との界面から反射される2つのビームに対する干渉効果を含む反射スペクトル分析を測定した。その結果を下記の表2に示す。
消滅係数の測定
消滅係数は、K−MAC model Spectra Thick2000を使用して測定し、実施例1、7、8及び比較例1によって製造された蛍光薄膜/基板積層体それぞれに対して、前記蛍光薄膜と空気との界面及び前記蛍光薄膜と前記基板との界面から反射される2つのビームに対する干渉効果を含む反射スペクトル分析を測定した。その結果を下記の表2に示す。
表2を参照すると、比較例1の場合には、消滅係数が1×10−2であって、相当大きい値を有するのに対し、本発明の実施例によると、消滅係数が10−3以上大きくならず、前記蛍光薄膜内での吸収により消滅する量を大幅に減少させ得ることが確認できた。
(実験例2)
FDTDコンピュータシミュレーションテスト
前記実施例1〜6及び比較例1によって製造された前記蛍光薄膜/基板積層体のそれぞれに対して、ナノ構造の周期の変化によって前記蛍光薄膜の前面方向(第1検出面)及び基板面(第2検出面)に光が抽出される割合を、図5に示すような構造体に対するFDTDコンピュータシミュレーションを使用して測定し、比較例1で製造した積層体において得られた値との相対値の倍数を図10に示し、その前面方向への発光量に対する値を表2に示す。ここで使用された計算のための変数は、次の通りである。
FDTDコンピュータシミュレーションテスト
前記実施例1〜6及び比較例1によって製造された前記蛍光薄膜/基板積層体のそれぞれに対して、ナノ構造の周期の変化によって前記蛍光薄膜の前面方向(第1検出面)及び基板面(第2検出面)に光が抽出される割合を、図5に示すような構造体に対するFDTDコンピュータシミュレーションを使用して測定し、比較例1で製造した積層体において得られた値との相対値の倍数を図10に示し、その前面方向への発光量に対する値を表2に示す。ここで使用された計算のための変数は、次の通りである。
基板のナノ周期構造体の高さ(h1):200nm、
ナノ周期蛍光薄膜の厚さ(T):800nm、
ナノ周期構造体の周期(Λ):200、300、400、500、600、700nm、
基板のナノ周期構造体の直径(d1):0.3L、
ナノ周期蛍光薄膜のナノ周期構造体の直径(d2):0.6L、
ナノ周期蛍光薄膜のナノ周期構造体の高さ(h2):200nm
ナノ周期蛍光薄膜の厚さ(T):800nm、
ナノ周期構造体の周期(Λ):200、300、400、500、600、700nm、
基板のナノ周期構造体の直径(d1):0.3L、
ナノ周期蛍光薄膜のナノ周期構造体の直径(d2):0.6L、
ナノ周期蛍光薄膜のナノ周期構造体の高さ(h2):200nm
表3から分かるように、本発明で使用されるナノ周期蛍光薄膜の発光効率は、比較例1で製造されたナノ周期蛍光薄膜のものに比べて最高6.5倍まで上昇する。
(実験例3)
電子顕微鏡による観察
実施例4によって製造された二次元ナノ周期構造体が形成された基板に対する走査電子顕微鏡写真(SEM写真)を図11に示す。図11(a)は、平面写真であり、図11(b)は、側面写真である。図11(a)及び図11(b)から明らかなように、高い均一性で周期的に陽刻されている円筒状ナノ構造が、前記基板の上部に形成されていることが確認できた。図12(a)及び図12(b)は、比較例1により製造された前記蛍光薄膜の平面SEM写真及び側面SEM写真であり、図12(c)及び図12(d)は、実施例1により製造された前記ナノ周期蛍光薄膜の平面SEM写真及び側面SEM写真である。図12(a)〜(d)から、実際に形成されている二次元ナノ周期構造体が、図4に概略的に示す構造とほぼ一致することが確認できた。
電子顕微鏡による観察
実施例4によって製造された二次元ナノ周期構造体が形成された基板に対する走査電子顕微鏡写真(SEM写真)を図11に示す。図11(a)は、平面写真であり、図11(b)は、側面写真である。図11(a)及び図11(b)から明らかなように、高い均一性で周期的に陽刻されている円筒状ナノ構造が、前記基板の上部に形成されていることが確認できた。図12(a)及び図12(b)は、比較例1により製造された前記蛍光薄膜の平面SEM写真及び側面SEM写真であり、図12(c)及び図12(d)は、実施例1により製造された前記ナノ周期蛍光薄膜の平面SEM写真及び側面SEM写真である。図12(a)〜(d)から、実際に形成されている二次元ナノ周期構造体が、図4に概略的に示す構造とほぼ一致することが確認できた。
(実験例4)
発光スペクトルの測定
実施例1〜6及び比較例1によって製造された基板/薄膜蛍光積層体を備える基板の発光スペクトルを、UV LED(254nm)を励起光源として用いて、実施例1〜6において製造された前記積層体の発光スペクトルの面積を測定することで、発光効率を試験し、その測定した値を比較例1で製造された積層体において得られた値を基準とした倍数としてその結果を表3に示す。一方、図13は、前記実施例4、5及び比較例1によって製造された積層体の発光スペクトルを示す。図13に見られるように、前記二次元ナノ周期蛍光薄膜の発光効率は、平面蛍光薄膜に比べて、約6倍向上し、このような実験値は、FDTDコンピュータシミュレーション法で予測した理論値とほぼ一致する。
発光スペクトルの測定
実施例1〜6及び比較例1によって製造された基板/薄膜蛍光積層体を備える基板の発光スペクトルを、UV LED(254nm)を励起光源として用いて、実施例1〜6において製造された前記積層体の発光スペクトルの面積を測定することで、発光効率を試験し、その測定した値を比較例1で製造された積層体において得られた値を基準とした倍数としてその結果を表3に示す。一方、図13は、前記実施例4、5及び比較例1によって製造された積層体の発光スペクトルを示す。図13に見られるように、前記二次元ナノ周期蛍光薄膜の発光効率は、平面蛍光薄膜に比べて、約6倍向上し、このような実験値は、FDTDコンピュータシミュレーション法で予測した理論値とほぼ一致する。
(実施例9)
1−(1)二次元ナノ周期型蛍光薄膜の製造
厚さ5mm、屈折率1.76のサファイア基板に、エネルギーが1.3J/cm2の248nm KrFエキシマレーザーを用いて、YAG:Ce蛍光薄膜を、レーザーアブレーション法により、約5000nmの厚さに蒸着した。次に、前記蛍光薄膜の上に、屈折率2.05のSiNx薄膜をPECVD法により500nmで形成した後、前記蛍光薄膜/SiNx薄膜上に、マスクとして使用するSi薄膜をPECVDにより約20nmの厚さになるように形成した。次に、前記Si薄膜の上に、ポジティブフォトレジストとしてSPR508−A(Shipley社製)をスピンコートし、厚さ90nmのフォトレジスト膜を成膜した後、前記フォトレジスト膜をCd−Heレーザーを使用した干渉露光方法で90゜回転しながら2回露光させ、周期600nmの二次元ナノ周期のパターンを製造した。続いて、現像液としてAZ301(Shipley社製)を使用して前記パターンを現像することによって、前記フォトレジスト膜の不要な部分を除去し、塩素ガスを用いたドライエッチングにより該Siマスクをエッチングし、周期200nmの二次元ナノ周期のSiマスクを形成した。最後に、CF4ガスを用いてSiNx基板をドライエッチングし、塩素ガスを用いて上部のSiマスクを除去することによって、前記SiNx基板の上部に、周期600nm、高さ約400nmの二次元ナノ周期構造体を形成し、それによって前記SiNx二次元ナノ周期構造体及び前記蛍光薄膜及び前記基板からなる積層体を製造した。
1−(1)二次元ナノ周期型蛍光薄膜の製造
厚さ5mm、屈折率1.76のサファイア基板に、エネルギーが1.3J/cm2の248nm KrFエキシマレーザーを用いて、YAG:Ce蛍光薄膜を、レーザーアブレーション法により、約5000nmの厚さに蒸着した。次に、前記蛍光薄膜の上に、屈折率2.05のSiNx薄膜をPECVD法により500nmで形成した後、前記蛍光薄膜/SiNx薄膜上に、マスクとして使用するSi薄膜をPECVDにより約20nmの厚さになるように形成した。次に、前記Si薄膜の上に、ポジティブフォトレジストとしてSPR508−A(Shipley社製)をスピンコートし、厚さ90nmのフォトレジスト膜を成膜した後、前記フォトレジスト膜をCd−Heレーザーを使用した干渉露光方法で90゜回転しながら2回露光させ、周期600nmの二次元ナノ周期のパターンを製造した。続いて、現像液としてAZ301(Shipley社製)を使用して前記パターンを現像することによって、前記フォトレジスト膜の不要な部分を除去し、塩素ガスを用いたドライエッチングにより該Siマスクをエッチングし、周期200nmの二次元ナノ周期のSiマスクを形成した。最後に、CF4ガスを用いてSiNx基板をドライエッチングし、塩素ガスを用いて上部のSiマスクを除去することによって、前記SiNx基板の上部に、周期600nm、高さ約400nmの二次元ナノ周期構造体を形成し、それによって前記SiNx二次元ナノ周期構造体及び前記蛍光薄膜及び前記基板からなる積層体を製造した。
1−(2)白色LED装置の製造
前記SiNx二次元ナノ周期構造体及び前記蛍光薄膜及び前記基板からなる積層体を、反射板部分までに延ばして470nm波長帯域の青色LEDの上に、直接接着することによって、白色LED装置を製造した。前記接着には、屈折率1.5のアクリル系結合剤を使用した。
前記SiNx二次元ナノ周期構造体及び前記蛍光薄膜及び前記基板からなる積層体を、反射板部分までに延ばして470nm波長帯域の青色LEDの上に、直接接着することによって、白色LED装置を製造した。前記接着には、屈折率1.5のアクリル系結合剤を使用した。
(比較例2)
固相合成法により合成したYAG:Ce蛍光パウダーをアクリル系結合剤に分散させることによりスラリーを得、前記スラリーを470nm青色LEDの上部に塗布することによって、図1に示すようなパウダー型白色LED装置を製造した。
固相合成法により合成したYAG:Ce蛍光パウダーをアクリル系結合剤に分散させることによりスラリーを得、前記スラリーを470nm青色LEDの上部に塗布することによって、図1に示すようなパウダー型白色LED装置を製造した。
(実験例5)
実施例9及び比較例2によって製造された白色LED装置の発光特性を、同一の駆動電圧及び電流(3.5V、500mA)下で比較した。前記白色LED装置の前記発光スペクトルを図14に示す。実施例9で製造された白色LED装置から発生される光の量を、比較例2で製造された白色LED装置から発生される光の量と比較し、相対的な割合を表5に示す。図14及び表5から明らかなように、本発明による白色LED装置の発光強度が、比較例2によって製造された白色LED装置の発光強度より優れていることが確認できた。
実施例9及び比較例2によって製造された白色LED装置の発光特性を、同一の駆動電圧及び電流(3.5V、500mA)下で比較した。前記白色LED装置の前記発光スペクトルを図14に示す。実施例9で製造された白色LED装置から発生される光の量を、比較例2で製造された白色LED装置から発生される光の量と比較し、相対的な割合を表5に示す。図14及び表5から明らかなように、本発明による白色LED装置の発光強度が、比較例2によって製造された白色LED装置の発光強度より優れていることが確認できた。
9
上述したように、本発明によるLED装置は、蛍光パウダーを用いた従来のLED装置に比べて、発光効率及び輝度に優れており、また、本発明によるLED装置は従来のLED装置に比べて発光均一性も優れている。本発明によるLED装置は、従来のLED装置の輝度が低いという問題点を改善しており、家庭用蛍光灯、総天然色ディスプレイ(LCDバックライト)などの様々な分野に使用することができる。
なし
Claims (17)
- 発光ダイオード(LED)と、
前記LED上に形成された積層体とを備え、該積層体は、基板と前記基板上に積層された蛍光薄膜とからなるLED装置において、
前記蛍光薄膜は前記蛍光薄膜の前面方向に形成された二次元ナノ周期構造体を有し、前記蛍光薄膜は10−3以下の消滅係数(extinction coefficient)を有することを特徴とするLED装置。 - 前記二次元ナノ周期構造体は、200nm〜5000nmの周期を有することを特徴とする請求項1に記載のLED装置。
- 前記二次元ナノ周期構造体は、10nm〜5000nmの高さを有することを特徴とする請求項1に記載のLED装置。
- 前記二次元ナノ周期構造体は、球形、円筒状、直方体状、または三角柱状に、陰刻または陽刻されていることを特徴とする請求項1に記載のLED装置。
- 前記陽刻された部分の前記陰刻された部分に対する表面積の割合は、10〜90%の範囲であることを特徴とする請求項1に記載のLED装置。
- 前記蛍光薄膜は、平面状の底面を有することを特徴とする請求項1に記載のLED装置。
- 前記二次元ナノ周期構造体は、1.8〜2.5の間の屈折率を有し、前記蛍光薄膜の屈折率と同一またはそれ以上の屈折率を有する透明材料からなっており、蛍光薄膜の上面に形成されていることを特徴とする請求項1または請求項6に記載のLED装置。
- 前記LEDは、420〜480nmの波長帯域を有するInGaN青色LEDであり、前記蛍光薄膜は、450〜800nmの波長帯域の発光スペクトルを示す黄色蛍光体からなり、前記LED装置は、白色光を発することを特徴とする請求項1に記載のLED装置。
- 前記黄色蛍光体は、YAG:Ce系列蛍光体、Ca−a−SiAlON:Eu系列蛍光体、またはSr2SiO4:Eu系列蛍光体であることを特徴とする請求項8に記載のLED装置。
- 前記LEDは、420〜480nmの波長帯域を有するInGaN青色LEDであり、前記蛍光薄膜は、450〜650nmの波長帯域の発光スペクトルを示す緑色蛍光体からなる二次元ナノ周期薄膜と、550〜800nmの波長帯域の発光スペクトルを示す赤色蛍光体からなる二次元ナノ周期薄膜とを含み、前記2つの薄膜は互いに積層されており、前記LED装置は、白色光を発することを特徴とする請求項1に記載のLED装置。
- 前記緑色蛍光体は、SrGa2S4:Eu系列蛍光体であり、前記赤色蛍光体は、SrS:Eu系列蛍光体またはSr2Si5N8:Eu系列蛍光体であることを特徴とする請求項10に記載のLED装置。
- 前記LEDは、350〜420nmの波長帯域有するUV LEDであり、前記蛍光薄膜は、400〜600nmの波長帯域の発光スペクトルを示す青色蛍光体からなる二次元ナノ周期蛍光薄膜と、450〜650nmの波長帯域の発光スペクトルを示す緑色蛍光体からなる二次元ナノ周期蛍光薄膜と、550〜800nm波長帯域の発光スペクトルを示す赤色蛍光体からなる二次元ナノ周期蛍光薄膜とを含み、前記3つの薄膜は互いに積層されており、前記LED装置は、白色光を発することを特徴とする請求項1に記載のLED装置。
- 前記青色蛍光体は、ZnS:Ag系列蛍光体、BAM:Eu系列蛍光体、またはホロフォスフェイト:Eu系列蛍光体であり、前記緑色蛍光体は、ZnS:CuAl系列蛍光体、Zn2GeO4:Mn系列蛍光体、LaPO4:Eu系列蛍光体またはCeMgAl11O19:Tb系列蛍光体であり、前記赤色蛍光体は、Gd2O2S:Eu系列蛍光体またはY2O2S:Eu系列蛍光体であることを特徴とする請求項12に記載のLED装置。
- 前記LEDは、350〜420nmの波長帯域を有するUV LEDであり、前記蛍光薄膜は、400〜600nmの波長帯域を有する青色光と500〜700nmの波長帯域を有する光を同時に発する白色蛍光体からなる二次元ナノ周期薄膜であり、前記LED装置は、白色光を発することを特徴とする請求項1に記載のLED装置。
- 前記白色蛍光体は、Sr3MgSi2O8:Eu、Mn系列蛍光体であることを特徴とする請求項14に記載のLED装置。
- 1.4以上の屈折率を有する透明結合剤をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のLED装置。
- 前記LED、前記基板及び前記二次元ナノ周期構造体の各屈折率の差が、0.4以下であることを特徴とする請求項1に記載のLED装置。
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