JP2013518932A - 規定色放射を有する照明デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2010年1月28日に出願され、「Light source with prescribed colour emission」と題する、特許文献1、および2010年1月28日に出願され、「Phosphor-nanoparticle combination」と題する、特許文献2の優先権を主張し、その両方が参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
用語「コア材料」は、コアが作られる半導体材料のことを言う。材料は、II-VI、III-V、IV-VI、またはI-III-VI2半導体またはそれらの組合せであってよい。例えば、シード/コア材料は、CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnO、GaAs、GaP、GaAs、GaSb、HgS、HgSe、HgTe、InAs、InP、InSb、AlAs、AlP、AlSb、Cu2S、Cu2Se、CuInS2、CuInSe2、Cu2(ZnSn)S4、Cu2(InGa)S4、それらの合金およびそれらの混合物から選択することができる。
(1)無視できる再吸収(同じ色および異なる色の両方)。SNP変換層内の再吸収は、赤色吸収が低いので、(QD変換層における再吸収と比較して)著しく減少する。一般に、再吸収は、エネルギーの損失をもたらす。例えば、典型的な0.8のQYを仮定する。単一の再吸収イベントにおいて、QYは、0.8x0.8=0.64に減少する。2回のそのようなイベントにおいて、QYは、0.83=0.51にさらに減少する。この損失は、SNP変換層においては避けられる。したがって、効率が改善される。再吸収は赤方偏移ももたらし、赤方偏移もそのようなSNP変換層において避けられる。無視できる再吸収の態様は、1つの色自体(例えば、赤からより赤い色)にのみ存在するのではなく、緑色放射SNPまたは蛍光体にも存在する。すなわち、QD変換層では、赤色QDが緑色放射を再吸収し、効率の減少および色偏移をもたらすこととなる。SNP変換層では、この再吸収が最小化される。同一の色および異なる色両方の再吸収を避ける機能は、密度が高いか低いかに関わらず、SNP層の独特の特徴である。
(2)青色励起から赤色放射への、エネルギーの非常に効率的な「集中」。SNP変換層は、スペクトル的な意味で、本質的に「光学的アンテナ」の役割を果たす。SNP変換層は、青色および強い赤色フォトルミネセンス(PL)で非常に高い吸収を有し、最小の赤色再吸収を伴うので、SNP変換層は、通常のQD変換層よりもこの役割をはるかに効率的に行う。上記(1)項を参照されたい。
(3)FRET回避または最小化。通常のQD変換層では、FRETの典型的な長さの規模は、約10nmであり、1/R6の依存性を有し、ここで、Rは2つのQD粒子間の距離である。例えば、初期放射QYが0.8である場合、QYは、単一のFRETプロセス後に0.64に減少する。FRETは赤方偏移ももたらすが、赤方偏移はSNP層では避けられる。密度が高いSNP変換層(SNP間の距離が短く、例えば0〜50nm)は、その独特の特性のため、密度が高いQD層で通例遭遇されるFRETに関連する、損失および欠陥を避けることになる。例示的には、本発明の変換層内でSNPに適用される「密度が高い」とは、ホストマトリックス中に分散された、約85%のSNPおよび約15%のリガンドを含みうる。
(a)AR赤色は、455nmにおける吸収と580〜700nmの間の波長範囲での最大の吸収との比である。すなわち、AR赤色 = (吸収455nm/最大(吸収580〜700nm)
(b)AR緑色は、455nmにおける吸収と520〜580nmの間の波長範囲での最大の吸収との比である。すなわち、AR緑色 = (吸収455nm/最大(吸収520〜580nm)
(c )ODは、455nmで測定された。
(d)PL赤方偏移は、低OD(<0.1)においてトルエン中で測定されたCWLと、サンプル用に測定されたCWLの間の、ナノメートル単位の差である。
(e)リガンドは、定義中に与えられたリストから選択することができる。
(f)ポリマーは、定義中に与えられたリストから選択することができる。
(g)好適な光学特性および機械特性を有するシリコーンは、様々な民間の供給業者から選択することができる。
(a)AR緑色は、455nmにおける吸収と520〜580nmの間の波長範囲での最大の吸収との比である。すなわち、AR緑色 = (吸収405nm/最大(吸収520〜580nm)
(b)ODは、405nmで測定された。
(c)PL赤方偏移は、低OD(<0.1)においてトルエン中で測定されたCWLと、サンプル用に測定されたCWLの間の、ナノメートル単位の差である。
(d)リガンドは、定義中に与えられたリストから選択することができる。
(e)ポリマーは、定義中に与えられたリストから選択することができる。
(f)好適な光学特性および機械特性を有するシリコーンは、様々な民間の供給業者から選択することができる。
(a)AR緑色は、405nmにおける吸収と520〜580nmの間の波長範囲での最大の吸収との比である。すなわち、AR緑色 = (吸収405nm/最大(吸収520〜580nm)
(b)AR赤色は、455nmにおける吸収と580〜680nmの間の波長範囲での最大の吸収との比である。すなわち、AR赤色 = (吸収455nm/最大(吸収580〜680nm)
(C)ODは、580〜680nmで放射するナノ粒子に関して455nmで、520〜580nmで放射するナノ粒子に関して405nmで測定された。
(d)PL赤方偏移は、低OD(<0.1)においてトルエン中で測定されたCWLと、サンプル用に測定されたCWLの間の、ナノメートル単位の差である。
(e)リガンドは、定義中に与えられたリストから選択することができる。
(f)ポリマーは、定義中に与えられたリストから選択することができる。
(g)好適な光学特性および機械特性を有するシリコーンは、様々な民間の供給業者から選択することができる。
(実施例1:ポリマーホスト内にRSNP変換層を有し赤色光を提供する照明デバイス)
RSNPを、非特許文献2に記載の手順と同様の手順にしたがって合成した。第1のステップにおいて、3.8nmの直径を有するCdSeコアを合成した。第2のステップにおいて、CdSeコアをシードとして使用して、赤色放射CdSe/CdS RSNPを合成した。結果として得られるRSNPを、トルエン溶液内で測定したとき、33x7nmの寸法を有し、放射最大値が635nmで、30nmのFWHMであった。
1.3mgのRSNPを1mlのトルエンに溶解し、RSNPをポリマー内で10分撹拌した後、5mgのBaSO4粒子を溶液に加え、さらに15分間撹拌するという変更を施した、実施例1内の手順を使用して、拡散性RSNP変換層を調製した。結果として得られた膜は、光学的な放射を増大し、必要な方向への光の抽出を増加する拡散性の性質を有した。
シリコーンRTV内RSNP層を次のように調製した。1gのRTV615A(Momentive、22 Corporate Woods Boulevard、Albany, NY 12211 米国)を、0.1gのRTV615Bとともに10分間撹拌した。27x5.5nmの全体寸法を有し635nmで放射する、1.5mgのCdSe/CdS RSNPを250μlのトルエン中に溶解した。RSNP溶液を、撹拌しながらシリコーン混合物に加え、気泡が残らなくなるまで真空にした。次いで溶液をガラス基板上に堆積し、別のガラス基板を使用してサンドイッチした。600μm厚のスペーサを、2つのガラス基板間に配置し、所望の膜厚を得た。次いでサンドイッチ構造を、ホットプレート上に150℃で15分間置き、その後、溶液は固体になった。測定された膜厚は600μmだった。
密なRSNP層を次のように調製した。635nmで放射する、35x5.4nm CdSe/CdS RSNPの、トルエン中の、1:4の重量/体積(mg/μL)比を有する溶液を、最初に調製した。20μLの溶液を、ソーダ石灰ガラス基板上にドロップキャストし、2000rpmでのスピンコーティングで広げた。堆積した膜を測定したところ、455nmで0.51の吸収ODおよび360nmで0.9のODを有した。厚さは、表面形状測定装置により測定したところ、0.510μmであった。図13Aは、このRSNP層の、吸収(点線)およびPL(実線)スペクトルを示す。最大放射は、633nmにおける、33nmのFWHMを有するものである。吸収ODは、360nmで0.96、455nmで0.5、540nmで0.035および600〜750nmで0.025であり、後者は、455nmで、ODの20分の1未満である。
薄く密にスピンコーティングしたRSNP変換層を有し緑色光を提供する照明デバイス)
密なRSNP層を次のように調製した。緑色放射、20x3.5nm CdSe/CdS RSNPの、トルエン中で1:5の重量/体積(mg/μL)比を有する溶液を調製した。RSNPを含む20μLの溶液を、ソーダ石灰ガラス基板上にドロップキャストし、2000rpmでのスピンコーティングで広げた。堆積した膜を測定したところ、455nmで0.07の吸収OD、および表面形状測定装置により測定したところ、230nmの厚さを有した。図13Bは、このRSNP層の、吸収(点線)およびPL(実線)スペクトルを示す。最大放射は、540における、33nmのFWHMを有するものである。吸収ODは、360nmで0.165および540nmで0.008であり、後者は、360nmで、ODの20分の1未満である。
2つのRSNP層のサンプルを、散乱体を有するPVB用に上で記載した方法を使用して調製した(実施例2)。RSNP層CL14Aは、0.5gのPVB内に挿入した10mgの赤色放射RSNPおよび25mgのBaSO4を有した。RSNP層CL14Bは、0.5gのPVB内に挿入した20mgの赤色放射RSNPおよび25mgのBaSO4を有した。2つのサンプルのそれぞれは、190μm厚であり、42mmの直径を有した。
使用したSNPは、3.9nmの直径のCdSeコアおよび8.9nmの全体直径を有する、非ロッド形状のCdSe\CdZnS SNPであった。0.5grのPVBを、4mlのトルエンに溶解した。2mgrのSNPを1mlのトルエンに溶解した。SNP溶液を、撹拌しながらポリマー混合物に加えた。10分の撹拌後、混合物は、光沢ある輝きを有した。次いで、混合物をパターン容器に移し、パターン容器を乾燥器内に入れ、15時間真空にして、その後混合物は固体となった。最終的な膜厚は、190μmであった。図16は、この膜の、吸収(点線)およびPLスペクトルを示す。CWLは626nmにあり、FWHMは33nmである。455における吸収と600〜700nm範囲内の最大の吸収との吸収比は、1:6(0.156から0.026)である。SNP層を、図5Aに示すように、照明デバイスに組み込んだ。360nmで、UV LEDを使用して、このRSNP層を照射し、626nmで、赤色で光出力を実現した(図示せず)。
302 曲線
304 曲線
410 ドナー
420 アクセプタ
430 矢印
440 RSNP
450 RSNP
460 コア間距離
500a 照明デバイス
500b 照明デバイス
502a SNP層
502b SNP層
504a 光源
504b 光源
600a 照明デバイス
600b 照明デバイス
602a SNP層
602b SNP層
604a 混色光源
604b 光源
700 照明デバイス
704 スペーサ層
706 SNP変換層
708 封止層
710 伝達可能光学素子
712 レンズ
714 反射素子
800 照明デバイス
802 SNP層
804 LED放射チップ
806 光学フィルタ
810 伝達可能光学素子
812 レンズ
814 反射素子
820 短波長
822 より長い波長光
900 照明デバイス
902 光学素子
904 LED
906 追加の層
1002a LED
1002b LED
1004a 導波路アセンブリ
1004b 導波路アセンブリ
1006a SNP層
1006b SNP層
1008b 上部面
1008a 底部
1010a 光抽出層
1010b 光抽出層
1012a 縁部
1012b 縁部
Claims (54)
- 光源が第1の波長の光を放射する照明デバイス内で使用するための光学的変換層であって、580〜700nmの範囲内の中央放射波長(CWL)を有する半導体ナノ粒子のうちの少なくとも1種を備える変換層において、450nmで0.07と2の間の光学濃度(OD)を有し、455nmでの吸収と560〜700nmの範囲内の吸収の最大値との吸収比(AR)が3.5:1より大きく、前記第1の波長の前記光の少なくとも一部を前記第1の波長よりも長い第2の波長の光に変換するために使用され得ることを特徴とする、変換層。
- 前記ナノ粒子がシード型ナノ粒子(SNP)である、請求項1に記載の変換層。
- 前記シード型ナノ粒子がナノロッドシード型粒子(RSNP)である、請求項2に記載の変換層。
- 前記ARが7:1より大きい、請求項1に記載の変換層。
- 455nmでの吸収と520〜580nmの波長範囲内の吸収の最大値との間のARが6:1より大きいことをさらに特徴とする、請求項1に記載の変換層。
- 約5nmより小さいフォトルミネセンス(PL)偏移を有し、前記PL偏移が、トルエン中でOD < 0.1で測定されるCWLと前記変換層内で測定されるCWLの間の差を表すことをさらに特徴とする、請求項1に記載の変換層。
- いかなるSNP表面にも結合されない、少なくとも1つの過剰な有機リガンドをさらに備える、請求項1に記載の変換層。
- 前記層が約2μmより薄い、請求項1に記載の変換層。
- 前記層が約0.1μmと約2μmの間の厚さを有する、請求項1に記載の変換層。
- 前記半導体がII-VI、III-V IV- VIおよびIII-VI2半導体からなる群から選択される、請求項1から9のいずれか一項に記載の変換層。
- 前記SNPまたはRSNPが、CdSe/CdS、CdSeS/CdS、ZnSe/CdS、ZnCdSe/CdS、CdSe/CdZnS、CdTe/CdS、InP/ZnSe、InP/CdS、InP/ZnSおよびCuInS2/ZnSからなる群から選択される材料を有するコア/シェル構造を有する、請求項2または3に記載の変換層。
- 前記SNPまたはRSNPが、CdSe/CdS/ZnS、CdSe/CdZnS/ZnS、ZnSe/CdS/ZnS、InP/ZnSe/ZnS、InP/CdS/ZnSおよびInP/CdZnS/ZnSからなる群から選択される材料を有するコア/ダブルシェル構造を有する、請求項2または3に記載の変換層。
- 前記ナノ粒子を組み込むホスト材料をさらに備える、請求項1から3のいずれか一項に記載の変換層。
- 前記ホスト材料がポリマーまたはシリコーンである、請求項13に記載の変換層。
- 前記層が約5000μmより薄い、請求項14に記載の変換層。
- 前記層が約50μmより薄い、請求項14に記載の変換層。
- 前記層が約0.2μmと約5μmの間の厚さを有する、請求項14に記載の変換層。
- ナノ粒子のうちの前記少なくとも1種が複数の種類を含み、各種類が前記第1の波長よりも長い、異なる波長の光への変換を実施する、請求項1から3のいずれか一項に記載の変換層。
- 光源が第1の波長の光を放射する照明デバイス内で使用するための光学的変換層であって、520〜580nmの範囲内の中央放射波長(CWL)を有する半導体ナノ粒子のうちの少なくとも1種を備える変換層において、405nmで0.05と2の間の光学濃度(OD)を有し、405nmでの吸収と520〜600nmの範囲内の吸収の最大値との吸収比(AR)が3.5:1より大きく、前記第1の波長の前記光の少なくとも一部を前記第1の波長よりも長い第2の波長の光に変換するために使用され得ることを特徴とする、変換層。
- 前記ナノ粒子がシード型ナノ粒子(SNP)である、請求項19に記載の変換層。
- 前記シード型ナノ粒子がナノロッドシード型粒子(RSNP)である、請求項20に記載の変換層。
- 前記ARが7:1より大きい、請求項19に記載の変換層。
- 約5nmより小さいフォトルミネセンス(PL)偏移を有し、前記PL偏移が、トルエン中でOD < 0.1で測定されるCWLと前記変換層内で測定されるCWLの間の差を表すことをさらに特徴とする、請求項19に記載の変換層。
- いかなるSNP表面にも結合されない、少なくとも1つの過剰な有機リガンドをさらに備える、請求項19に記載の変換層。
- 前記層が約5μmより薄い、請求項19に記載の変換層。
- 前記層が約0.1μmと約5μmの間の厚さを有する、請求項19に記載の変換層。
- 前記半導体がII-VI、III-V IV-VIおよびI-III-VI2半導体からなる群から選択される、請求項19から24のいずれか一項に記載の変換層。
- 前記SNPまたはRSNPが、CdSe/CdS、ZnSe/CdS、CdSe/CdZnS、CdTe/CdS、InP/ZnSe、InP/CdS、InP/ZnSおよびCuInS2/ZnSからなる群から選択される材料を有するコア/シェル構造を有する、請求項20または21に記載の変換層。
- 前記SNPまたはRSNPが、CdSe/CdS/ZnS、CdSe/CdZnS/ZnS、ZnSe/CdS/ZnS、InP/ZnSe/ZnS、InP/CdS/ZnSおよびInP/CdZnS/ZnSからなる群から選択される材料を有するコア/ダブルシェル構造を有する、請求項20または21に記載の変換層。
- 前記ナノ粒子を組み込むホスト材料をさらに備える、請求項20から22のいずれか一項に記載の変換層。
- 前記ホスト材料がポリマーまたはシリコーンである、請求項30に記載の変換層。
- 前記層が約5000μmより薄い、請求項31に記載の変換層。
- 前記層が約50μmより薄い、請求項31に記載の変換層。
- 前記層が約0.2μmと約5μmの間の厚さを有する、請求項31に記載の変換層。
- 光源が第1の波長の光を放射する照明デバイス内で使用するための光学的変換層であって、520〜700nmの範囲内のそれぞれ異なる中央放射波長を有する半導体ナノ粒子のうちの少なくとも2つの異なる種を備える変換層において、405nmで0.07と2.5の間の光学濃度を有し、405nmでの吸収と520〜700nmの範囲内の吸収の最大値との吸収比が3:1より大きく、前記第1の波長の前記光の少なくとも一部を前記第1の波長よりも長い他の波長の光に変換するために使用され得ることを特徴とする、変換層。
- 請求項1から3のいずれか一項に記載の光学的変換層を備える照明デバイス。
- 請求項19から21のいずれか一項に記載の光学的変換層を備える照明デバイス。
- 請求項35に記載の光学的変換層を備える照明デバイス。
- 前記変換層が第1の波長の前記光源光の変換されない部分を通過させるようになされる、請求項36に記載の照明デバイス。
- (a)第1の波長の光源光を放射する光源と、
(b)580〜700nmの範囲内の中央放射波長を有する半導体ナノ粒子のうちの少なくとも1種を備える変換層であって、455nmで0.07と2の間の光学濃度を有し、455nmでの吸収と560〜700nmの範囲内の吸収の最大値との吸収比が3.5:1より大きく、前記第1の波長の前記光の少なくとも一部を前記第1の波長よりも長い第2の波長の光に変換するために使用されることを特徴とする変換層とを備える、照明デバイス。 - 前記ナノ粒子がシード型ナノ粒子である、請求項40に記載の照明デバイス。
- 前記シード型ナノ粒子がナノロッドシード型粒子である、請求項41に記載の照明デバイス。
- 前記光源が少なくとも1つの発光ダイオードであり、前記変換層が前記照明デバイスの光出力を増大し、CCT < 10000Kを有しCRI > 70を有する白色光を提供する、請求項40に記載の照明デバイス。
- 前記光源が少なくとも1つの発光ダイオードであり、前記変換層が前記照明デバイスの光出力を増大し、CCT < 4500Kを有しCRI > 80を有する白色光を提供する、請求項40に記載の照明デバイス。
- (a)第1の波長の光源光を放射する光源と、
(b)520〜580nmの範囲内の中央放射波長を有する半導体ナノ粒子のうちの少なくとも1種を備える変換層であって、405nmで0.05と2の間の光学濃度を有し、405nmでの吸収と520〜600nmの範囲内の吸収の最大値との吸収比が3.5:1より大きく、前記第1の波長の前記光の少なくとも一部を前記第1の波長よりも長い第2の波長の光に変換するために使用されることを特徴とする変換層とを備える、照明デバイス。 - 前記ナノ粒子がシード型ナノ粒子である、請求項45に記載の照明デバイス。
- 前記シード型ナノ粒子がナノロッドシード型粒子である、請求項46に記載の照明デバイス。
- 前記光源が少なくとも1つの発光ダイオード(LED)であり、前記変換層が前記照明デバイスの光出力を増大し、CCT < 10000Kを有しCRI > 70を有する白色光を提供する、請求項45に記載の照明デバイス。
- 前記光源が少なくとも1つの発光ダイオード(LED)であり、前記変換層が前記照明デバイスの光出力を増大し、CCT < 4500Kを有しCRI > 80を有する白色光を提供する、請求項45に記載の照明デバイス。
- (a)第1の波長の光源光を放射する光源と、
(b)520〜700nmの範囲内のそれぞれ異なる中央放射波長を有する半導体ナノ粒子のうちの少なくとも2つの異なる種を備える変換層であって、455nmで0.07と2.5の間の光学濃度を有し、405nmでの吸収と520〜700nmの範囲内の吸収の最大値との吸収比が3:1より大きく、前記第1の波長の前記光の少なくとも一部を前記第1の波長よりも長い他の波長の光に変換するために使用されることを特徴とする変換層とを備える、照明デバイス。 - 前記ナノ粒子がシード型ナノ粒子である、請求項50に記載の照明デバイス。
- 前記シード型ナノ粒子がナノロッドシード型粒子である、請求項51に記載の照明デバイス。
- 前記光源が少なくとも1つの発光ダイオードであり、前記変換層が前記照明デバイスの光出力を増大し、CCT < 10000Kを有しCRI > 70を有する白色光を提供する、請求項50に記載の照明デバイス。
- 前記光源が少なくとも1つの発光ダイオードであり、前記変換層が前記照明デバイスの光出力を増大し、CCT < 4500Kを有しCRI > 80を有する白色光を提供する、請求項50に記載の照明デバイス。
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