JP2012109334A

JP2012109334A - 発光装置

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Publication number: JP2012109334A
Application number: JP2010255603A
Authority: JP
Inventors: Hisayoshi Fujikawa; 久喜藤川; Atsushi Miura; 篤志三浦; Daisuke Inoue; 大介井上
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2010-11-16
Filing date: 2010-11-16
Publication date: 2012-06-07

Abstract

【課題】蛍光体による波長変換効率を向上させた発光装置
【解決手段】発光装置１００は、上に開口を有する筐体１０、筐体１０の内部の底に配置されたＵＶ−ＬＥＤ２０、紫外光を可視光へ変換する蛍光体３０、金属のホールアレイ３を有する。蛍光体３０が変換した後の可視光の代表値である波長λに基づき、金属のホールアレイ３の周期構造を決定する。即ち金属のホールアレイ３は金属膜であって、格子点にその中心を有する多数の円で示される多数の孔部３ｈを有する。孔部３ｈの直径φは、励起光の波長λよりも小さいことが望ましい。更には、孔部３ｈの直径φは、励起光の波長λの１／２よりも小さいことが望ましい。隣り合う孔部３ｈの中心の間隔（周期）は、蛍光体により変換された得るべき可視光の代表波長λ程度、即ちλ／２以上２λ以下とすると良い。
【選択図】図５

Description

本発明は、光源と、光源の発する光、例えば、紫外光や青色光などの短波長光を励起光として、蛍光体により他の帯域の可視光に変換する発光装置に関する。

図１７は、従来の発光装置９００の構成を示す断面図である。
発光装置９００には、上側に開口を有する筐体１０の内部の底に例えば紫外光を発する発光ダイオード（ＵＶ−ＬＥＤ）２０が配置され、それは例えば紫外光を緑色光に変換する蛍光体３０で覆われている。蛍光体３０には、例えば樹脂その他の分散媒体に、実質的な蛍光物質を分散させたものが用いられている。蛍光体３０の上部は、樹脂４０で封止して、発光装置９００が構成される。

本発明で用いる微小孔その他の周期構造を有する金属膜と、その表面プラズモンについては例えば非特許文献１に記載されている。

特開２００７−１６５２８４特開２００６−２５９０６４

Ｃ．ＧｅｎｅｔａｎｄＴ．Ｗ．Ｅｂｂｅｓｅｎ，"ＬｉｇｈｔｉｎＴｉｎｙＨｏｌｅｓ，"Ｎａｔｕｒｅ４４５，３９−４６（２００７）

図１７の発光装置９００においては、ＵＶ−ＬＥＤ２０の発する紫外光を全て蛍光体３０で変換することは困難である。このため、紫外光の変換効率が高いとは言えない。また、紫外光が外部に漏れないようにするには、樹脂４０にフィルタ機能を持たせたり、或いは外側にフィルタを配置する必要があった。

ここで本発明者らは金属表面のプラズモンの効果を、光源と蛍光体とを有する発光装置に適用することを着想した。
プラズモンの効果の利用方法としては、貴金属の微粒子やナノロッド表面に検査対象となる蛍光体等を少量付着させ、当該検査対象のラマン散乱分析や蛍光分析において、検出信号であるラマン分光や蛍光の強度を増強させる方法が知られている。
発光素子や光学デバイスにおいてプラズモンの効果を利用したものについて、各々特許文献を挙げる。
特許文献１には、粒径が不均一な、金属微粒子を含有する光散乱層を、発光層の光取り出し側に設けたエレクトロルミネッサンス素子が開示されている。
特許文献２には、ガラスと金から成る反射素子において、当該ガラスと金の界面が微小な凹凸の周期構造となっている、例えば、正方格子又は三角格子のような二次元格子配列で当該周期構造を設けたものが開示されている。

本発明者らは蛍光体を有する発光装置において、微小な孔を有する金属膜や、微小な縞状の金属ドットの集合から成る金属膜を介して光を取り出すことで、後述する極めて有利な効果が得られることを見出し、本発明を完成させた。

本発明の特徴は、金属膜が、反射膜としての作用と、金属による表面プラズモンとのカプリング及びデカプリングによる光取り出しの作用とを生ぜしめることにある。
即ち、請求項１に係る発明は、可視光を出力する発光装置において、励起光を出力する光源と、光源の発する第１の波長帯域の励起光を入力して、励起光を第２の波長帯域の可視光に変換する蛍光体と、蛍光体に対して、光源の配置されている側と反対側の励起光の進行方向の側に配置され、金属から成る膜において金属の存在しない微小部分、又は、金属でない面状体の上に形成された金属から成る微小部分が、平面上２次元方向に周期的に配列された周期構造を有したプラズモンを生成する波長選択板とを有し、波長選択板は、励起光を反射させ、蛍光体により変換された可視光を透過させる特性を有することを特徴とする発光装置である。

励起光は、可視光より波長が短い光とする。励起光には紫外光、青紫光、青色光などの短波長可視光を用いることができる。勿論、紫外光より波長の短い光を用いても良い。微小部分の形状は、円形、楕円形、正方形、長方形、その他の多角形とすることができる。微小部分の厚さは、２０〜５００ｎｍが良い。面上２次元方向は、一般的には、直交する２方向を言うが、斜交する２方向であっても良い。すなわち、平行四辺形（菱形を含む）の格子点に孔や金属ドットなどの微小部分が存在するものであっても良い。

また、金属の存在しない微小部分は、金属から成る膜に形成された島状の孔で形成することができる。すなわち、面状の金属膜において、２次元方向に周期的に金属が欠落した部分を微小部分とすることができる。この場合に、励起光を波長選択板により反射させるためには、微小部分の幅は、励起光の波長よりも小さい、望ましくは、励起光の波長の１／２より小さくする。微小部分の幅とは、微小部分が円状であれば直径を、正方形であれば１辺の長さ、矩形状であれば長辺の長さを言うものとする。微小部分が、それ以外の形状の場合には、微小部分の幅とは、微小部分に外接する円の直径、微小部分に外接する正方形の１辺の長さ、微小部分に外接する矩形の長辺の長さを言うものとする。また、微小部分の配列周期は、可視光により、波長選択板上に形成された金属に生成されるプラズモンによる共鳴を効率良く生じる周期とする。すなわち、可視光はプラズモン共鳴により金属に吸収され、プラズモンが基底状態に緩和することにより、可視光が再発光されて、この可視光が波長選択板の光出力面側から外部に出力される。

また、金属から成る微小部分は、面状体の上に形成された島状のドットで形成することができる。すなわち、金属ではない面状体の上に、２次元方向に周期的に形成された金属ドットを微小部分とすることができる。この場合には、隣接する２つの微小部分の間隔は、励起光を波長選択板により反射させるために、励起光の波長よりも狭くする。望ましくは、その間隔は、励起光の波長の１／２よりも狭くする。また、微小部分の配列周期は、可視光により、波長選択板上に形成された金属に生成されるプラズモンによる共鳴を効率良く生じる周期とする。すなわち、可視光はプラズモン共鳴により金属に吸収され、プラズモンが基底状態に緩和することにより、可視光が再発光されて、この可視光が波長選択板の光出力面側から外部に出力される。

また、金属には、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、及びクロム（Ｃｒ）から成る群のうち少なくとも１種、又は、これらの群のなかから任意に選択された元素の合金を用いることができる。

また、本発明の発光装置の構造として、次の構造を採用することができる。本発明は、上方に開口を有し、底面及び側面が反射面となる配設空間の形成された筐体を有し、光源は紫外光を発する発光ダイオードであって、配設空間の底面に配置され、蛍光体は発光ダイオードを覆うように、配設空間に配置され、波長選択板は、開口に設けられた発光装置とすることができる。

また、本発明の他の発光装置の構造として、次の構造を採用することができる。本発明は、透明板を有し、光源は、透明板の裏面に形成され、蛍光体は、透明板の表面に形成され、波長選択板は、蛍光体の可視光を出力する側に配設されている発光装置とすることができる。
この発光装置において、光源は、有機ＥＬから成る面状体とすることができる。

本発明は、金属から成る膜において金属の存在しない微小部分、又は、金属でない面状体の上に形成された金属から成る微小部分が、平面上２次元方向に周期的に配列された周期構造を有したプラズモンを生成する波長選択板を有していることが特徴である。この構造の波長選択板は、波長選択板に入射する光によるプラズモンの励起と、プラズモンの消滅による再発光とにより、透過特性に波長選択性を持たせることができる。光源から蛍光体に向けて放射された励起光のうち、可視光に変換されずに蛍光体を通過した励起光は、波長選択板により蛍光体に向けて反射される。この励起光の反射光が蛍光体に再度、入射することで、可視光に変換される機会が増加する。これにより、励起光から可視光への変換効率が増加する。また、波長選択板により蛍光体に向けて反射された励起光のうちで、可視光に変換さずに蛍光体を通過した光を、再度、蛍光体及び波長選択板の方向に向けて反射させる反射部材を設けることで、可視光に変換されない励起光を、蛍光体中に多数回、往復させることができる。これにより、蛍光体内部での、励起光の可視光への変換効率を向上させることができる。蛍光体により励起光から変換された可視光は、波長選択板を透過し、外部に放出されるので、発光装置の光取出効率が向上する。

波長選択板の作用は、以下の通りである。蛍光体において、励起光は、波長が１．２倍乃至３倍程度の可視光に変換されるとする。金属から成る面状の膜に、励起光の波長より小さい直径の、複数個の孔（金属の存在しない微小部分）を面上２次元方向に周期的に設けると、光源の発する励起光も、蛍光体によって変換された可視光も、微小径の孔を直接には透過することができない。具体的には、例えば円形の孔の半径をｒとすると、４ｒを超える波長の光はほぼ全く透過しない（非特許文献１）。

しかし、金属から成る膜では、可視光の波長帯域に対して表面プラズモン共鳴を生じ、励起光の波長帯域においては、プラズモン共鳴は生じない。可視光が、多数の孔が２次元配列された金属から成る膜に照射されると、カプリング（エネルギー変換）により、金属の誘電率と２次元配列の周期に対応した波長の可視光が金属の膜表面で表面プラズモンに変換される。この表面プラズモンが、近い位置にある微小径の孔を介して金属膜の反対側表面に伝搬可能である。当該金属膜の反対側表面に伝搬した表面プラズモンは、デカプリング（エネルギー変換）により、再び光に変換される。

この効果は、可視光の波長帯域において、誘電率の虚部が実部より大きな値となる金属において顕著である。つまり可視光でプラズモン共鳴波長を持つ金属が好ましい。具体例としては、金属には、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、及びクロム（Ｃｒ）から成る群のうち少なくとも１種、又は、これらの群のなかから任意に選択された元素の合金を用いることができる。

表面プラズモンは、金属からな成る膜において金属を有しない孔である微小部分や、金属でない面状体の上に形成された金属から成る微小部分（金属ドット）が、多数２次元配列された周期構造を形成することで、カプリング／デカプリング可能な光の波長帯域を決定できる。金属ドットが２次元周期的に配列された構造の場合には、金属膜に孔が２次元周期的に配列された場合と、相反関係にあり、金属ドットがない部分が後者の孔の機能を、金属ドットが後者の金属膜の機能を果たす。このことから、金属ドットを２次元周期的に配列した場合にも、本件発明が適用できることが理解される。

例えば蛍光体により変換された後の可視光の帯域、或いはそのピーク波長又は中心波長に対応するように、周期構造の周期を決定すると良い。
周期構造は任意であるが、正方格子又は三角格子が配列が容易である。その周期は、蛍光体で変換された後の可視光のピーク波長の１／２倍以上２倍以下とすると、共鳴する表面プラズモンの波数ベクトルを調整しやすい。
上述した通り、金属膜に孔が形成されたり、面上体に金属ドットが形成された波長選択板は、励起光に対しては反射板として作用し、蛍光体で波長変換されずに光源から波長選択板に直接達した励起光は蛍光体側へ反射されるので、蛍光体で波長変換される確率が高くなる。よって、蛍光体における励起光から可視光への波長変換効率が格段に向上する。本発明により、励起光を紫外光として、紫外光を発する発光ダイオードを光源とし、蛍光体で可視光に変換する発光装置の光取り出し効率が極めて大きくなる。

本発明の具体的な実施例１に係る発光装置の構成図。実施例１の発光装置のホールアレイを示した平面図。本発明の具体的な実施例２に係る発光装置の構成図。実施例１の発光装置の金属のドットアレイを示した平面図。本発明の具体的な実施例３に係る発光装置の構成図。本発明の具体的な実施例４に係る発光装置の構成図。実施例４の波長変換器のホールアレイを示した平面図。比較例に係る波長変換器の構成を示す断面図。実施例４の波長変換器と比較例の波長変換器における、蛍光体により変換された光のスペクトルを示す測定図。本発明の具体的な実施例５に係る発光装置において使用された蛍光体の化学式を示す説明図。本発明の具体的な実施例６に係る発光装置において使用された蛍光体の化学式を示す説明図。本発明の具体的な実施例７に係る発光装置において使用された蛍光体の化学式を示す説明図。実施例５の波長変換器と比較例の波長変換器における、蛍光体により変換された光のスペクトルを示す測定図。実施例６の波長変換器と比較例の波長変換器における、蛍光体により変換された光のスペクトルを示す測定図。実施例７の波長変換器と比較例の波長変換器における、蛍光体により変換された光のスペクトルを示す測定図。本発明の具体的な実施例８に係る発光装置の構成図。比較例及び従来例の発光装置の構成図。本発明の具体的な実施例９に係る発光装置の構成図。本発明の具体的な実施例１０に係る発光装置の金属のドットアレイを示した平面図。

以下、本発明を具体例に基づき説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例に係る発光装置の構成図である。この例は、微小部分を金属から成る膜において金属の存在しない孔とした例である。光源１と、蛍光体２と、波長選択板である金属のホールアレイ３が、光源１から放射される励起光５の進行方向の順に配置されている。すなわち、ホールアレイ３は、蛍光体２の光源１とは反対側の励起光５の進行方向側に設けられている。図１においては、蛍光体２と金属のホールアレイ３はいずれも板状に構成され、光源１の光軸方向に配置されている。金属のホールアレイ３は、例えば図２に示されるように、平面上に、２次元周期構造を有する。図２に示した通り、金属のホールアレイ３は、直交するｏ−ｘｙ座標系の格子点にその中心を有する多数の円で示される孔部３ｈ（微小部分）を有する。孔部３ｈの直径φは、光源１の発光する励起光５の波長λよりも小さいことが望ましい。更には、孔部３ｈの直径φは、励起光５のピーク波長、又は、励起光の波長帯域の中間波長などの波長代表値である波長λの１／２よりも小さいことが望ましい。隣り合う孔部３ｈの中心間の間隔Ｌ（微小部分の配列周期）は、蛍光体２により変換された可視光のピーク波長、又は、得るべき可視光の波長帯域の中間波長などの代表波長λ程度、即ちλ／２以上２λ以下とすると良い。

尚、金属のホールアレイ３は、孔を有する金属膜のみとして示しているが、薄膜である金属膜を保持するため、ガラスその他の透光性の基板（面状体）の表面に形成するとその製造が容易である。この場合、金属のホールアレイ３は、金属膜を透光性基板に形成した後に孔部３ｈを形成しても良い。孔部３ｈの形成方法は、マスクを用いたエッチング、集束イオンビームによる加工、その他任意の周知の技術を用いることができる。

図３は、本発明の具体的な実施例２に係る発光装置の構成図である。この例は、微小部分を、金属でない面状体の上に形成された島状の金属ドットで構成した例である。光源１と、蛍光体２と、金属ドットを多数２次元周期的に配列した波長選択板であるドットアレイ４は、励起光５の進行方向の順に配置されている。図３においては、蛍光体２と金属のドットアレイ４はいずれも板状に構成され、光源１の光軸方向に沿って配置されている。ドットアレイ４は、島状の金属ドット４ｆの集合体を保持するため、金属ドット４ｆがガラスその他の透光性の基板（面状体）に形成されたものである。ドットアレイ４は例えば図４に示されるような面上、２次元周期構造を有する。図４に示した通り、ドットアレイ４は、格子点にその中心を有する多数の円で示される多数の微小な島状の金属ドット４ｆの２次元方向の周期的配列構造から成る。隣接する金属ドット４ｆの間隔Ｄ、すなわち、金属が存在しない領域の幅は、光源１の発光する励起光５の波長λよりも小さいことが望ましい。更には、この間隔Ｄは、励起光５のピーク波長、又は、励起光の波長帯域の中間波長などの波長代表値である波長λの１／２よりも小さいことが望ましい。隣り合う金属ドット４ｆの中心の間隔Ｌ（微小部分の配列周期）は、蛍光体２により変換された可視光のピーク波長、又は、得るべき可視光の波長帯域の中間波長などの代表波長λ程度、即ちλ／２以上２λ以下とすると良い。

金属のドットアレイ４は、上述の通り、薄膜である微小な島状の金属ドット４ｆの集合体を保持するため、ガラスその他の透光性の基板（面状体）に形成するとその製造が容易である。この場合、微小な島状の金属ドット４ｆの集合体は例えばレジストを用いたリフトオフによるエッチングにより形成することができる。金属ドット４ｆの集合体を設ける部分に孔を形成したレジストマスクを基板上に形成し、そのレジストマスクの全面に金属を蒸着した後、微小な島状の金属ドット４ｆのみを残して他の金属をレジストマスクと供に剥離させる。このようにして、実施例２に係る発光装置を構成することができる。

図５は、本発明の具体的な実施例３に係る発光装置１００の断面図である。発光装置１００は、上に開口を有する筐体１０、筐体１０の有する凹部の配設空間６の底面６ａに配置されたＵＶ−ＬＥＤ２０、紫外光を可視光へ変換する蛍光体３０、波長選択板である金属のホールアレイ３又は金属のドットアレイ４とを有する。筐体１０は、凹部の配設空間６を有しており、配設空間６の底面６ａ、側面６ｂには、アルミニウム膜７が蒸着されており、反射面が形成されている。また、配設空間６の底面６ａと側面６ｂに沿って、ＬＥＤ２０を載置したカップ状金属フレームが設けられていても良い。この金属フレームが反射膜を形成する。

励起光と、蛍光体３０が変換した後の可視光の代表値である波長λに基づき、上述の通り金属のホールアレイ３又は金属のドットアレイ４の周期構造を決定すると良い。図５では、説明上、必要最小限の構成を示したが、任意の公知の付属物を付加しても良い。例えば、金属のホールアレイ３又は金属のドットアレイ４を覆うように、その上から樹脂封止しても良い。

上述の本発明の効果を、以下のように確かめた。図６は、本発明の具体的な実施例４に係る発光装置のうちの波長変換器１１０の構成を示す断面図である。図６の波長変換器１１０は、図１の蛍光体２と波長選択板である金属のホールアレイ３による波長変換効率を評価するためのものである。また、図６の波長変換器１１０に光源１を組み合わせると本発明の発光装置が構成できる。図７は当該金属のホールアレイ３の具体的な形状を示した平面図である。また、図８は、図６で金属のホールアレイ３を省いた比較例の波長変換器９１０の構成を示す断面図である。

即ち、図６に示す通り、石英ガラス基板１１の表面に、銀膜を２００ｎｍの厚さに蒸着した。この銀膜を、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて加工し、５００ｎｍ周期の格子点状に、直径１５０ｎｍの孔部１３ｈを多数設け、孔部１３ｈを有する銀ホールアレイ１３を形成した。孔部１３ｈの配置は図７に示す通りである。孔部１３ｈの直径φが１５０ｎｍ、隣接する孔部１３ｈ間の間隔Ｌ（配列周期）は、５００ｎｍである。孔部１３ｈは縦４０個、横４０個の１６００個形成した。次に、銀ホールアレイ１３の上に、アルミニウムのキノリノール錯体（Ａｌｑ３）を４００ｎｍ真空蒸着して蛍光体層１２を形成した。この際、銀ホールアレイ１３の孔部１３ｈは一部埋まるが、完全には埋まらなかった。こうして銀ホールアレイ１３と蛍光体層１２を有する波長変換器１１０を形成した。

比較例として、図８に示すように、石英ガラス基板１１の表面に、直接Ａｌｑ３を４００ｎｍ真空蒸着して蛍光体層１２を形成した波長変換器９１０を形成した。すなわち、比較例は、実施例４に対して、銀ホールアレイ１３を有しない点のみ異なる。

実施例に係る、図６の波長変換器１１０の、蛍光体層１２側からピーク波長が３６５ｎｍのＵＶ−ＬＥＤを用いて紫外光から成る励起光５を照射し、図６の石英ガラス基板１１側から取り出される光のスペクトルを測定した。スペクトルを図９に示す。４７０ｎｍ以上、７００ｎｍ以下の可視光が得られているのが分かる。また、半値幅としては、５００ｎｍ以上、６２０ｎｍ以下の帯域の可視光が得られている。極めて強い可視光が得られ、且つ、紫外光の割合は極めて小さかった。当該スペクトルにおいて可視光は波長５４０ｎｍ付近にピークを持ち、半値全幅は約１２０ｎｍであった。同じく紫外光は、波長３６５ｎｍにピークを有し、当該ピークの強度は可視光の波長５４０ｎｍのピークよりも低く、半値全幅は約５ｎｍであった。

一方、比較例に係る図８の波長変換器９１０の蛍光体層１２側から同じ紫外光の励起光５を照射し、図８の石英ガラス基板１１側から取り出される光のスペクトルを測定した。このスペクトルも図９に合わせて示す。図８の波長変換器９１０の可視光の強度は、図６の波長変換器１１０の可視光の強度の１／４程度と極めて小さかった。当該スペクトルにおいて可視光は波長５４０ｎｍ付近にピークを持っていた。同じく紫外光は、波長３６５ｎｍにピークを有するようであるがその強度は測定不能なほど強かった。即ち、紫外光がほとんど変換されずに図８の波長変換器９１０を透過していた。可視光の最大強度について、本件発明のホールアレイ３を用いた波長変換器は、ホールアレイを用いない比較例の波長変換器に比べて、４倍以上の強度を有していることが分かる。また、紫外光の透過強度については、本件発明のホールアレイ３を用いた波長変換器は、ホールアレイを用いない比較例の波長変換器に比べて、遥かに小さいことが分かる。

次に、蛍光体層１２の蛍光体材料を、実施例、比較例ともに、図１０に示す化学式で表される青色用の有機色素であるピレンアダマンタンにして、実施例４と同様な比較実験を行った。その結果を、図１３に示す。銀ホールアレイ１３の孔部１３ｈの直径φは１５０ｍ、孔部１３ｈの間隔Ｌ（周期）は、３００ｎｍとした。励起光の波長、強度、金属膜の厚さ、孔部１３ｈの配列形状、数は実施例４と同一である。図１３から分かるように、４１０ｎｍ以上、５６０ｎｍ以下の青色領域の可視光が得られているのが分かる。また、半値幅としては、４３０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下の帯域の可視光が得られている。極めて強い可視光が得られ、且つ、紫外光の割合は小さかった。当該スペクトルにおいて可視光は波長４５７ｎｍ付近にピークを持ち、半値全幅は約７０ｎｍであった。紫外光は、波長３７８ｎｍにピークを有し、当該ピークの強度は可視光の波長４５７ｎｍのピークよりも低く、半値全幅は約１４ｎｍであった。

一方、比較例に係る図８の波長変換器９１０の蛍光体層１２側から同じ紫外光を照射し、図８の石英ガラス基板１１側から取り出される光のスペクトルを測定した。このスペクトルも図１３に合わせて示す。図８の波長変換器９１０の可視光の強度は、ピーク波長の４５７ｎｍにおいて、図６の波長変換器１１０の可視光の強度の１／３程度と極めて小さかった。当該スペクトルにおいて、可視光の強度は、波長が長くなるに連れて減少し、ピークを有していない。紫外光は、波長３６５ｎｍにピークを有するようであるがその強度は測定不能なほど強かった。即ち、紫外光がほとんど変換されずに図８の波長変換器９１０を透過していた。可視光の最大強度について、本件発明のホールアレイ３を用いた波長変換器は、ホールアレイを用いない比較例の波長変換器に比べて、３倍以上の強度を有していることが分かる。また、紫外光の透過強度については、本件発明のホールアレイ３を用いた波長変換器は、ホールアレイを用いない比較例の波長変換器に比べて、遥かに小さいことが分かる。

次に、蛍光体層１２の蛍光体材料を、実施例、比較例ともに、図１１に示す化学式で表されるアルミキノリノール錯体に１％のジメチル化キナクリドンを混合した緑色用の有機色素として、実施例４と同様な比較実験を行った。その結果を、図１４に示す。銀ホールアレイ１３の孔部１３ｈの直径φは１５０ｍ、孔部１３ｈの間隔Ｌ（周期）は、３３０ｎｍとした。励起光の波長、強度、金属膜の厚さ、孔部１３ｈの配列形状、数は実施例４と同一である。図１４から分かるように、５１４ｎｍ以上、６３６ｎｍ以下の緑色領域の可視光が得られているのが分かる。また、半値幅としては、５２９ｎｍ以上、５７１ｎｍ以下の帯域の可視光が得られている。極めて強い可視光が得られ、且つ、紫外光の割合は極めて小さかった。当該スペクトルにおいて可視光は波長５４３ｎｍ付近にピークを持ち、半値全幅は約４２ｎｍであった。紫外光は、波長３７１ｎｍにピークを有し、当該ピークの強度は可視光のピーク波長５４３ｎｍでのピークよりも遥かに低く、半値全幅は約１４ｎｍであった。

一方、比較例に係る図８の波長変換器９１０の蛍光体層１２側から同じ紫外光を照射し、図８の石英ガラス基板１１側から取り出される光を評価した。このスペクトルも図１４に合わせて示す。図８の波長変換器９１０の可視光の強度は、ピーク波長の５４３ｎｍにおいて、図６の波長変換器１１０の可視光の強度の１／５程度と極めて小さかった。紫外光は、波長３６５ｎｍにピークを有するようであるがその強度は測定不能なほど強かった。即ち、紫外光がほとんど変換されずに図８の波長変換器９１０を透過していた。可視光の最大強度について、本件発明のホールアレイ３を用いた波長変換器は、ホールアレイを用いない比較例の波長変換器に比べて、５倍以上の強度を有していることが分かる。また、紫外光の透過強度については、本件発明のホールアレイ３を用いた波長変換器は、ホールアレイを用いない比較例の波長変換器に比べて、遥かに小さいことが分かる。

次に、蛍光体層１２の蛍光体材料を、実施例、比較例ともに、図１２に示す化学式で表されるアルミキノリノール錯体に１％のＤＣＪＴＢ色素を混合した赤色用の有機色素として、実施例４と同様な比較実験を行った。その結果を、図１５に示す。銀ホールアレイ１３の孔部１３ｈの直径φは１５０ｍ、孔部１３ｈの間隔Ｌ（周期）は、３８０ｎｍとした。励起光の波長、強度、金属膜の厚さ、孔部１３ｈの配列形状、数は実施例４と同一である。図１６から分かるように、５５７ｎｍ以上、７５０ｎｍ以下の赤色領域の可視光が得られているのが分かる。また、半値幅としては、５８６ｎｍ以上、６７９ｎｍ以下の帯域の可視光が得られている。スペクトルにおいて可視光は波長６２１ｎｍ付近にピークを持ち、半値全幅は約９３ｎｍであった。紫外光は、波長３７８ｎｍにピークを有し、当該ピークの強度は可視光のピーク波長６２１ｎｍでのピークよりもやや大きく、半値全幅は約１４ｎｍであった。

一方、比較例に係る図８の波長変換器９１０の蛍光体層１２側から同じ紫外光を照射し、図８の石英ガラス基板１１側から取り出される光のスペクトルを測定した。このスペクトルも図１５に合わせて示す。図８の波長変換器９１０の可視光の強度は、ピーク波長の５４３ｎｍにおいて、図６の波長変換器１１０の可視光の強度の１／４程度と極めて小さかった。紫外光は、波長３６５ｎｍにピークを有するようであるがその強度は測定不能なほど強かった。即ち、紫外光がほとんど変換されずに図８の波長変換器９１０を透過していた。可視光の最大強度について、本件発明のホールアレイ３を用いた波長変換器は、ホールアレイを用いない比較例の波長変換器に比べて、４倍以上の強度を有していることが分かる。また、紫外光の透過強度については、本件発明のホールアレイ３を用いた波長変換器は、ホールアレイを用いない比較例の波長変換器に比べて、遥かに小さいことが分かる。

図１６は本発明の具体的な実施例８に係る発光装置１２０の構成を示す断面図である。図１６の発光装置１２０は図５の発光装置１００をより具体化したものであり、図５の金属のホールアレイ３を、銀ホールアレイ１３を上面に形成した石英ガラス基板１１に置き換え、樹脂４０により封止したものである。銀ホールアレイ１３を有する石英ガラス基板１１が波長選択板を構成している。

図１６の発光装置１２０は次のように形成した。まず、ＵＶ−ＬＥＤ２０を筐体１０の有する配置空間６の底面６ａに配置し、アルミニウムのキノリノール錯体（Ａｌｑ３）から成る蛍光体３０でＵＶ−ＬＥＤ２０を覆った。なお、配置空間６の底面６ａ、側面６ｂには、図５と同様にアルミニウム膜による反射膜が形成されている。次に、実施例４で用いた方法で、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて、５００ｎｍ周期の格子点状に、直径１５０ｍの孔部１３ｈを多数有する銀ホールアレイ１３を形成した石英ガラス基板１１を形成し、筐体１０の開口１０ａを覆った。この際、銀ホールアレイ１３は蛍光体３０に接しないようにした。即ち、蛍光体３０には石英ガラス基板１１の銀ホールアレイ１３が形成されていない側が相対した。銀ホールアレイ１３の酸化を防ぐため、銀ホールアレイ１３を、その上方から樹脂４０により封止した。比較のため、銀ホールアレイ１３を形成した石英ガラス基板１１を設けないで、蛍光体３０をその上方から樹脂４０で直接封止した図１７の発光装置９００を形成した。

ＵＶ−ＬＥＤ２０を駆動させてピーク波長が３６５ｎｍの紫外光を発したところ、図１６の発光装置１２０は蛍光体により変換された、強い可視光が得られた。一方、図１７の発光装置９００は、可視光の強度は数分の１であり、且つ紫外光がほとんど変換されずに放出された。また、紫外光（励起光）の漏れは、実施例の装置では非常に小さく、比較例の装置では、非常に大きかった。

次に、本発明の具体的な実施例９に係る発光装置１３０の構成を図１８に示す。上記の全ての実施例と同一機能を有する部分には、同一符号が付されている。本実施例は、光源に有機ＥＬ６０を用いたことを特徴としている。透明なガラス基板７０（透明板）の裏面７０ｂに有機ＥＬ６０が設けられている。有機ＥＬ６０は箱状の筐体７１に覆われており、筐体７１の内面は、アルミニウム膜７２が蒸着されており、有機ＥＬ６０の発光する励起光のうち、ホールアレイ１３により反射された励起光は、アルミニウム膜７２により光取出面側に反射される。アルミニウム膜７２で反射された励起光は、再度、蛍光体３０に入射する。ガラス基板７０の表面７０ａには、蛍光体３０が設けられている。蛍光体３０の上面には、ホールアレイ１３とガラス基板８０とが設けられている。ホールアレイ１３とガラス基板８０とにより波長選択板が構成されている。

有機ＥＬ６０は、ガラス基板７０側にＩＴＯから成る透明電極６１が形成され、裏面側にアルミニウム電極６２が形成されている。有機ＥＬ６０は、高効率の青色光を励起光として発光する。この有機ＥＬ６０は、箱状の筐体７１とガラス基板７０とによって、不活性ガス中で、筐体７１とガラス基板７０とで形成される空間に封止される。

ホールアレイ１３は、実施例４、実施例８と同様な方法により、ガラス基板８０の面上に形成されている。ただし、金属には、アニミニウムを用いた。すなわち、ガラス基板７０上に、アルミニウムを１５０ｎｍの厚さに形成した。次に、ホトレジストを塗布して、電子線描画装置を用いて、直径φを１６０ｎｍとする円形部を、間隔Ｌを３２０ｎｍとして、格子状に２次元配列した形状に露光し現像した。その後、マスクで覆われていない円形部を、反応性ドライエッチングにより除去して、残されたマスクを溶剤により除去した。このようにして、アルミニウム膜に、図７に示すように、孔部１３ｈが格子状に２次元配列したホールアレイ１３を形成した。

蛍光体３０は、ホールアレイ１３の上に塗布される。蛍光体３０は、厚さ３００〜５００ｎｍのクマリンドープのＡｌｑ３膜から成る有機蛍光体膜である。ホールアレイ１３と蛍光体３０とが形成されたガラス基板８０が、有機ＥＬ６０を有するガラス基板７０の表面７０ａに接着剤により接合される。このようにして、本実施例の発光装置１３０を製造することができる。

上記の有機ＥＬ６０だけを用いて、有機ＥＬ６０を１０mA/cm²の電流密度で駆動すると、ピーク波長が４６０ｎｍの青色発光が得られ、正面において、３３０cd/cm²の輝度が得られた。この時の発光パターンは、ランバーシアンに近いものであった。

実施例９の発光装置１３０の有機ＥＬ６０を、１０mA/cm²の電流密度で駆動して、ガラス基板８０の光取出面８０ａがら放出された光のスペクトルと可視光の強度を測定した。取出光は、ピーク波長５２０ｎｍの緑色の可視光であり、正面において１８０cd/cm²の輝度が得られた。このように、実施例９の発光装置１３０では、高効率に、青緑から緑色への波長変換が実現されたことが分かる。また、この時の取出光の発光パターンは、ランバーシアンより正面方向の輝度が増加していた。このように、ホールアレイ１３は、取出光の放射指向性を正面方向（垂直方向）に変化させる機能を有していることが分かる。

上記実施例では銀ホールアレイ１３を形成する例を示したが、図１９に示す銀ドットアレイ１４を用いても同様の効果が得られる。銀ドットアレイ１４は、厚さを５０ｎｍ、直径φを２５０ｎｍとする円盤状の銀から成る微小な島状の金属ドット１４ｆを、周期Ｌを３５０ｎｍとして、正方格子状に配列させた集合体から成る。銀ドットアレイ１４の作製方法は任意であるが、リフトオフにより形成すると簡便である。即ち、石英ガラス基板等の透光性基板に、直径２５０ｎｍの多数の孔を形成したレジストマスクを形成して、例えば銀膜を５０ｎｍ厚で全面に形成した後、孔を有するレジストマスクを剥離させると、レジストマスクの孔に当たる部分の銀膜のみが石英ガラス基板に残り、他の部分はレジストマスク共々除去できる。

また、本発明の発光装置は、表示画面の各ピクセル毎に、光源の点灯を制御できるものとすることで、ディスプレイとすることが可能である。また、蛍光体を、Ｒ、Ｇ、Ｂ、又は、これらの補色などの光の３原色を発光する蛍光体を、画面の各ピクセル毎に形成して、カラーディスプレイとすることも可能である。

１００、１２０、１３０：発光装置
１１０：波長変換器
１：光源
２、３０：蛍光体
３、１３：ホールアレイ
３ｈ、１３ｈ：孔部
４、１４：ドットアレイ
４ｆ、１４ｆ：金属ドット
５：励起光
６：配設空間
７：アルミニウム膜
１０、７１：筐体
２０：紫外線発光ダイオード
４０：樹脂
１１：石英ガラス基板
１２：蛍光体層

Claims

励起光を可視光に変換し、その可視光を出力する発光装置において、
前記励起光を出力する光源と、
前記光源の発する第１の波長帯域の前記励起光を入力して、前記励起光を第２の波長帯域の前記可視光に変換する蛍光体と、
前記蛍光体に対して、前記光源の配置されている側と反対側の前記励起光の進行方向の側に配置され、金属から成る膜において金属の存在しない微小部分、又は、金属でない面状体の上に形成された金属から成る微小部分が、平面上２次元方向に周期的に配列された周期構造を有し、前記可視光により前記金属にプラズモンが生成される波長選択板とを有し、
前記波長選択板は、前記励起光を反射させ、前記蛍光体により変換された前記可視光を透過させる特性を有することを特徴とする発光装置。
金属の存在しない前記微小部分は、前記金属から成る前記膜に形成された島状の孔であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
金属から成る前記微小部分は、前記面状体の上に形成された島状のドットであることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記金属は、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、及びクロム（Ｃｒ）から成る群のうち少なくとも１種、又は、これらの群のなかから任意に選択された元素の合金から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の発光装置。
上方に開口を有し、底面及び側面が反射面となる配設空間の形成された筐体を有し、
前記光源は紫外光を発する発光ダイオードであって、前記配設空間の底面に配置され、
前記蛍光体は前記発光ダイオードを覆うように、前記配設空間に配置され、
前記波長選択板は、前記開口に設けられたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の発光装置。
透明板を有し、
前記光源は、前記透明板の裏面に形成され、
前記蛍光体は、前記透明板の表面に形成され、
前記波長選択板は、前記蛍光体の前記可視光を出力する側に配設されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の発光装置。
前記光源は、有機ＥＬから成る面状体であることを特徴とする請求項６に記載の発光装置。