JP2015019025A - 光電子デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】UC(アップコンバージョン)光の割合が大きい光を出射する光電子デバイスを提供する。
【解決手段】光電子デバイス1は、透明ガラス11により封止され三重項−三重項消滅過程により入射光をアップコンバージョンする光UC部としてのイオン液体10と、発光素子としてのLEDチップ3と、光UC部の中心側領域からの出射光を光UC部の方へ反射する中心部ミラー12と、中心部ミラー12から光UC部を通過して来た反射光を光UC部の周辺側領域へ向けて反射する周辺部ミラー13とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】光電子デバイス1は、透明ガラス11により封止され三重項−三重項消滅過程により入射光をアップコンバージョンする光UC部としてのイオン液体10と、発光素子としてのLEDチップ3と、光UC部の中心側領域からの出射光を光UC部の方へ反射する中心部ミラー12と、中心部ミラー12から光UC部を通過して来た反射光を光UC部の周辺側領域へ向けて反射する周辺部ミラー13とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、入射光を、その波長より短い波長の光に変換して、出射する光アップコンバージョン(以下、アップコンバージョンを適宜、「UC(Up-Conversion)」と略記する)を利用する光電子デバイスに関する。
光UC材料の使用例として、太陽電池と組み合わせる光発電装置が知られている。
このような光発電装置では、光UC材料は、太陽電池を素通りして来た赤外光を可視光にアップコンバージョンして、該可視光を太陽電池の方へ戻して、太陽電池に通すことにより、太陽電池の電気変換効率を高めている。なお、本明細書において、「光」には、可視光だけでなく、可視光外の赤外光や紫外光も含むものとする。
従来の光UC材料は、多光子吸収に基づいてアップコンバージョンを行う希土類元素であるので、非常に高い励起強度が必要となり、また、可視光励起の波長変換効率が非常に低いなどの問題がある。この問題は、希土類元素から成る光UC材料の商品化上の支障となっている。
一方、希土類元素に代わる光UC材料として、例えば、有機光増感分子と有機発光分子とを含み、三重項−三重項消滅(Triplet-Triplet Annihilation:TTA)過程により光UCを行う有機分子が知られている(例:特許文献1)。この光UC材料の主要な利点は、非コヒーレントで、低い強度の光で励起しても、光UCが可能であることである。
光UC有機分子は、媒体液(溶媒液又は分散媒液)中で有機分子同士がエネルギーのやり取りをするために、拡散運動又は相互衝突を行うことが必要とされる。そこで、媒体液として、トルエン又はベンゼン等の揮発性有機溶媒が用いられる(例:特許文献2)。
しかしながら、揮発性有機溶媒は、可燃性・毒性・揮発性などの問題をもつ。そこで、これに対処して、光増感分子及び発光分子を溶解又は分散する媒体としてイオン液体が開発されている(例:特許文献3)。
三重項−三重項消滅過程によりアップコンバージョンする現在の光UC材料は、入射光の約10%しかアップコンバージョンせず、残りの約90%は、アップコンバージョンされないまま素通りしている。光UC材料を光電子デバイスとして使用する例は知られていないが、もし、光UC材料を発光素子と組み合わせて光電子デバイスに装備する場合、光電子デバイスのアップコンバージョン率の増大が望まれる。
本発明の目的は、アップコンバージョン光の割合が大きい光を出射することができる光電子デバイスを提供することである。
本発明の光電子デバイスは、透明封止部により平板状に封止され三重項−三重項消滅過程により入射光をアップコンバージョンする光アップコンバージョン部と、光軸が前記光アップコンバージョン部における中心側領域の中心を通るように配置され、前記光アップコンバージョン部の前記中心側領域に向けて光を出射する発光素子と、前記発光素子から前記光アップコンバージョン部の前記中心側領域を通過した光を、前記光軸から遠ざかる向きで前記光アップコンバージョン部に向けて反射する第1反射部と、前記第1反射部により反射されて前記光アップコンバージョン部を通過した光を、前記光アップコンバージョン部における周辺側領域に向けて反射する第2反射部とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、発光素子の発光光は、光アップコンバージョン部の中心側領域を通過して、第1反射部に入射し、次に、第1反射部において反射されて、光アップコンバージョン部を通過して、第2反射部に入射する。光は、さらに、第2反射部において反射されて、光アップコンバージョン部の周辺側領域を通過して、光電子デバイスから出射される。すなわち、発光素子の発光光は、光電子デバイスから出射される前に、光アップコンバージョン部を少なくとも3回通過することになる。
光アップコンバージョン部は、通過光のうち、未アップコンバージョンの光を所定の割合でアップコンバージョンする。したがって、発光素子の発光光が、光電子デバイスから出射するまでに、光アップコンバージョン部を3回通過することにより、発光素子の発光光が光アップコンバージョン部によりアップコンバージョンされる確率が高まる。この結果、アップコンバージョン光の割合が大きい光を出射することができる。
本発明において、前記第1反射部は、前記光アップコンバージョン部によるアップコンバージョン済みの光は透過し、未アップコンバージョンの光は反射するダイクロイックミラーであることが好ましい。
この構成によれば、発光素子の発光光のうち、光アップコンバージョン部の最初の通過でアップコンバージョンした光は、第1反射部としてのダイクロイックミラーにおいて反射されることなく、そのまま、ダイクロイックミラーを通過する。この結果、アップコンバージョン済みの光が、光アップコンバージョン部を通過する際に、一部が光アップコンバージョン部に吸収されることが抑制されて、光電子デバイスから出射するアップコンバージョン光の量を増大することができる。
本発明において、前記透明封止部は、前記発光素子からの光の入射部がコリメータレンズ形状に形成されていることが好ましい。
この構成によれば、透明封止部は、発光素子からの光の入射部のコリメータレンズ形状により、発光素子の発光光を光アップコンバージョン部の中心側領域に的確に向けることができる。
本発明において、前記透明封止部は、前記発光素子からの光の入射部が凹形状に形成され、前記発光素子の発光部は、前記透明封止部の前記凹形状の内側に挿入されていることが好ましい。
この構成によれば、発光素子の発光部と光アップコンバージョン部との経路長が減少して、光の損失が減少するとともに、光軸方向の寸法減少による光電子デバイスの小型化が図られる。
[第1実施形態]
図1及び図2を参照して、本発明の第1実施形態としての光電子デバイス1について説明する。説明の便宜上、図1の上下方向を光電子デバイス1の上下方向として光電子デバイス1の構造を説明する。なお、この上下方向は、光電子デバイス1の現実の使用における上下方向を限定するものではない。
図1及び図2を参照して、本発明の第1実施形態としての光電子デバイス1について説明する。説明の便宜上、図1の上下方向を光電子デバイス1の上下方向として光電子デバイス1の構造を説明する。なお、この上下方向は、光電子デバイス1の現実の使用における上下方向を限定するものではない。
光電子デバイス1は、基板2、LED(Light Emitting Diode:発光ダイオード)チップ3、環状枠4及びUCユニット5の各素子を、中心線を一致させて有している。該中心線は、光電子デバイス1の光軸8に一致する。
基板2は、薄板状であり、表面に所定の配線が蒸着されている。LEDチップ3の発光部は、AlInGaNやAlInGaPなどIII−V族化合物半導体から成り、電流印加によって、半導体のバンドギャップに応じた波長で発光する。
LEDチップ3は基板2の上面に固定される。LEDチップ3は、基板2の配線から電力を供給されて、発光光を上側のUCユニット5の方へ出射する。
図2において、UCユニット5は、UCイオン液体10を円形平板状の容積部内に封止する透明ガラス11を備える。UCイオン液体10内には、所定の有機光増感分子と有機発光分子とが溶解又は分散されている。この結果、有機光増感分子と有機発光分子とは、UCイオン液体10内で拡散運動又は相互衝突を行って、三重項−三重項消滅過程(TTA過程)により光UCを行う。
図1及び図2において、光電子デバイス1は、上側(光電子デバイス1の光出射側)から見て、円形、正方形又は矩形になっている。これに応じて、UCイオン液体10の充填部も、上側から見て円形、正方形又は矩形になる。UCユニット5は、光軸8に対する放射方向(直角方向)に光軸8に近い方から中心領域、中間領域及び周辺領域に区分される。
中心部ミラー12、周辺部ミラー13及び側部ミラー14は、金属蒸着により透明ガラス11の外面(上面)、内面(下面)及び側面にそれぞれ形成される。透明ガラス11の外面は、UCユニット5の中心領域及び中間領域に相当する範囲では中心部ミラー12により被覆され、UCユニット5の周辺領域に相当する範囲では、中心部ミラー12により被覆されることなく周辺露出面18として露出している。中心部ミラー12は、光軸8に対する放射方向に光軸8に近い部位ほど、UCイオン液体10までの距離を減少させた傾斜面に形成されている。
透明ガラス11の内面は、UCユニット5の中間領域及び周辺領域に相当する範囲では周辺部ミラー13により被覆され、UCユニット5の中心領域に相当する範囲では、周辺部ミラー13により被覆されることなくコリメータレンズ部19として露出している。
周辺部ミラー13に被覆されている透明ガラス11の内面の部分は、光軸8に対する放射方向において光軸8に近い部位ほど、UCイオン液体10までの距離を増大させた湾曲状傾斜面に形成されている。コリメータレンズ部19は、下方へ凸の湾曲面に形成されている。側部ミラー14は、透明ガラス11の側面周部全体を被覆している。
光電子デバイス1の作用について説明する。図1においてL1〜L7は、光電子デバイス1における光を進行順に示している。LEDチップ3の発光光としてのL1は、例えば赤外光又は赤色可視光である。UCイオン液体10が、LEDチップ3の発光光をアップコンバージョンすることにより生成するUC光は、例えば青色可視光又は紫外光である。
L1は、LEDチップ3から出射される光である。L2は、L1がコリメータレンズ部19に入射した後の光である。L3は、L2がUCイオン液体10を通過した後の光である。L4は、L3が中心部ミラー12に反射した後の光である。
L5は、L4がUCイオン液体10を通過した後の光である。L6は、L5が周辺部ミラー13に反射した後の光である。L7は、L6がUCイオン液体10を通過した後の光である。
L1〜L7について詳細に説明する。なお、以降、光軸8に対するL1〜L7の傾斜角とは、光軸8に対するL1〜L7の鋭角側及び鈍角側の交角のうち、鋭角側の交角の絶対値と定義する。
LEDチップ3の発光部は、LEDチップ3の上面にあり、コリメータレンズ部19の焦点にほぼ位置する。L1は、LEDチップ3の発光部から出射して、コリメータレンズ部19に入射する。L1は、コリメータレンズ部19に入射後、L2となって、UCイオン液体10の方へ進む。光軸8に対するL2の傾斜角は光軸8に対するL1の傾斜角より小となる。
L2は、UCイオン液体10の中心領域に入射する。UCイオン液体10は、L2からL3を生成し、L3は、UCイオン液体10の中心領域から中心部ミラー12の方へ出射される。
L3には2種類の光が含まれる。2種類のうちの1つは、L2がUCイオン液体10によりアップコンバージョンされたアップコンバージョン済みの光としてのUC(アップコンバージョン)光、すなわち波長λがL2の波長λa(=L1の波長)より短い波長λb(λb<λa)となったUC光である。もう1つは、L2がアップコンバージョンされることなくUCイオン液体10を素通りして、波長がλaのままの未アップコンバージョンの光としての未UC光である。
以降、UCイオン液体10による光のUC率が10%であると仮定して、説明する。このUC率によると、おおよそのエネルギー比換算で、L3のうち10%が波長λ=λbのUC光であり、90%が波長λ=λaの未UC光となる。
中心部ミラー12は、L3をUCイオン液体10の方へ反射し、L3の反射光としてのL4が、UCイオン液体10の方へ戻る。中心部ミラー12の反射面の形状は、L4が、コリメータレンズ部19ではなく、周辺部ミラー13の方へ向かうように、設定される。
L4は、UCイオン液体10において、L2が通過した中心領域に対して外側に隣接する環状中間部を通過して、L5となる。L5は、UCイオン液体10から周辺部ミラー13の方へ出射する。
L4のうち、波長λ=λbのUC光は、UCイオン液体10を素通りし、波長λ=λaの光の10%はUCイオン液体10によりアップコンバージョンされ、波長λ=λaの光の90%はUCイオン液体10を素通りする。この結果、おおよそのエネルギー比換算で、L5のうち、19%が波長λ=λbのUC光となり、81%(=0.9×0.9)が波長λ=λaの未UC光となる。
周辺部ミラー13は、UCイオン液体10からのL5をUCイオン液体10の方へ反射する。周辺部ミラー13によるL6の反射光としてのL6は、UCイオン液体10において、L4が通過した環状中間部に対して外側に隣接する周辺部を通過するように、周辺部ミラー13の反射面の形状が設定される。L6がUCイオン液体10に入射して生成されたL7は、イオン液体10から出射後、光軸8に対してほぼ平行にUCユニット5の周辺露出面18に向かい、周辺露出面18から出射する。
L7のうち、波長λ=λbのUC光は、UCイオン液体10を素通りし、波長λ=λaの光の10%はUCイオン液体10によりアップコンバージョンされ、波長λ=λaの光の90%はUCイオン液体10を素通りする。この結果、おおよそのエネルギー比換算で、L7のうち27%が波長λ=λbのUC光となり、73%(=0.9×0.9×0.9)が波長λ=λaの未UC光となる。
側部ミラー14は、UCユニット5の側部から外へ出射しようとする光をUCユニット5の内側に反射する。これにより、光が光電子デバイス1の側方から出射することが防止されるとともに、光電子デバイス1の光出射面としての周辺露出面18からの出射光の減少が抑制される。
このように、光電子デバイス1は、LEDチップ3の発光光を、UCイオン液体10に3回通過させてから、出射するので、光電子デバイス1の出射光のうち、UC光の占める率が増大する。また、LEDチップ3の発光光の各通過におけるUCイオン液体10における通過範囲は、光軸8に近い方から中心領域(L2の通過部)、環状中間部(L4の通過部)及び周辺部(L6の通過部)と、光軸8に対して半径方向に異なる範囲になる。これにより、通過範囲の重なりに因るUC率の低下が抑制される。
[第2実施形態]
図3を参照して、第2実施形態の光電子デバイス31について説明する。光電子デバイス31において、光電子デバイス1(図1)の各要素と同一の要素については、光電子デバイス1の要素に付けた符号で指示して、その説明は省略し、光電子デバイス1との相違点を中心に説明する。
図3を参照して、第2実施形態の光電子デバイス31について説明する。光電子デバイス31において、光電子デバイス1(図1)の各要素と同一の要素については、光電子デバイス1の要素に付けた符号で指示して、その説明は省略し、光電子デバイス1との相違点を中心に説明する。
光電子デバイス31は、光電子デバイス1のUCユニット5の代わりに、UCユニット35を備えている。UCユニット5とUCユニット35との相違点は、UCユニット35が、UCユニット5の中心部ミラー12の代わりに、ダイクロイックミラー42を有している点である。UCユニット35におけるダイクロイックミラー42の位置は、UCユニット5における中心部ミラー12の位置と同一である。また、ダイクロイックミラー42の形状及び寸法(厚さを除く)は、中心部ミラー12の形状及び寸法と同一である。
ダイクロイックミラー42は、UCイオン液体10からのL3のうち、未UC光のみをL4として反射し、UC光は透過させて、L11として光電子デバイス31から出射する。これにより、光電子デバイス31は、中心領域のダイクロイックミラー42の範囲からL11を出射し、周辺部の周辺露出面18の範囲からL7を出射することになる。
UCイオン液体10は、基本的には、入射光のうち未UC光のみをアップコンバージョンして、UC光に変換し、入射光のうちのUC光は素通りさせることになっている。しかしながら、素通りのUC光のうち、幾分かはUCイオン液体10に吸収されてしまい、UC光の損失につながる。光電子デバイス31は、UCイオン液体10からのL3のうち、UC光は、ダイクロイックミラー42から出射するので、UC光がUCイオン液体10を通過することに伴って減少することが抑制される。これにより、光電子デバイス31からのUC光の出射量が増大する。
[第3実施形態]
図4を参照して、第3実施形態の光電子デバイス51について説明する。光電子デバイス51において、光電子デバイス1(図1)の各要素と同一の要素については、光電子デバイス1の要素に付けた符号で指示して、その説明は省略し、光電子デバイス1との相違点を中心に説明する。
図4を参照して、第3実施形態の光電子デバイス51について説明する。光電子デバイス51において、光電子デバイス1(図1)の各要素と同一の要素については、光電子デバイス1の要素に付けた符号で指示して、その説明は省略し、光電子デバイス1との相違点を中心に説明する。
光電子デバイス51は、光電子デバイス1の環状枠4及びUCユニット5の代わりに、環状枠54及びUCユニット55を備えている。UCユニット5とUCユニット55との相違点は、UCユニット55が、UCユニット5のコリメータレンズ部19を有する代わりに、凹部69を有している点である。
LEDチップ3は、発光部を含む上端部が凹部69内に挿入されている。凹部69の凹形状は、UCユニット55においてUCイオン液体10に入射するL2が、図1のUCユニット5においてUCイオン液体10に入射するL2とほぼ同一の分布となるように、設定される。
光電子デバイス51では、前述の光電子デバイス1,31に比して、LEDチップ3からの発光光のうち、UCユニット55に入射することなく、周辺部ミラー13の下側へ向かってしまう光を減少させることができる。この結果、L2の光量が増大して、光電子デバイス51から最終的に出射されるUC光の量が増大する。
光電子デバイス51では、また、LEDチップ3の発光部からUCイオン液体10までのL1の経路長の短縮により、UCユニット55に入射した光がUCイオン液体10に到達するまでの損失が減少する。この結果、光電子デバイス51から出射するUC光の光量が光電子デバイス1に比して増大する。
光電子デバイス51では、さらに、UCユニット55がコリメータレンズ部19を有さないことにより、UCユニット5より厚さが薄くなる。また、LEDチップ3の上端部がUCユニット55の凹部69内に挿入されることにより、環状枠54の高さも光電子デバイス1の環状枠4の高さより減少する。この結果、光電子デバイス51の全体の厚さが減少する。
本発明を実施形態について説明した。実施形態の透明ガラス11は、光アップコンバージョン部を封止する透明封止部の一例である。UCイオン液体10は、透明封止部により平板状に封止され三重項−三重項消滅過程により入射光をアップコンバージョンする光アップコンバージョン部の一例である。LEDチップ3は、光軸が光アップコンバージョン部における中心側領域の中心を通るように配置され、光アップコンバージョン部の中心側領域に向けて光を出射する発光素子の一例である。
中心部ミラー12及びダイクロイックミラー42は、発光素子から光アップコンバージョン部の中心側領域を通過した光を光軸から遠ざかる向きで光アップコンバージョン部の方へ反射する第1反射部の一例である。周辺部ミラー13は、第1反射部により反射されて光アップコンバージョン部を通過した光を光アップコンバージョン部における周辺側領域に向けて反射する第2反射部の一例である。
L1〜L7に含まれる光のうち、波長λがLEDチップ3の発光光の波長に等しい波長λaの光は、未アップコンバージョンの光(未UC光)の一例である。L1〜L7に含まれる光のうち、LEDチップ3の発光光のアップコンバージョンにより波長λaを波長λbに変換された光は、アップコンバージョン済みの光(UC光)の一例である。コリメータレンズ部19は、透明封止部における発光素子からの光の入射部のコリメータレンズ形状の一例である。凹部69は、透明封止部において発光素子からの光の凹形状の入射部の一例である。
実施形態の光電子デバイス1等では、LEDチップ3の発光光は、赤外光又は赤色可視光として説明した。発光光の他の例として、有機光増感分子の材料の選択により、黄色や緑等の他の色の可視光に選定することもできる。
実施形態の光電子デバイス1等では、UCイオン液体10がLEDチップ3の発光光をアップコンバージョンすることにより生成するUC光は、LEDチップ3の赤外又は赤色可視光の発光光に対して、青色可視光又は紫外光として説明した。UC光の他の例として、有機発光分子の材料の選択により黄色や緑の可視光にすることもできる。
実施形態では、透明封止部として透明ガラス11が用いられているが、透明ガラスに代えて透明樹脂を用いることもできる。実施形態では、発光素子としてLEDが用いられているが、LEDに代えて、LD(レーザーダイオード)を用いることもできる。
実施形態では、LEDチップ3の発光光が、中心部ミラー12(又はダイクロイックミラー42)及び周辺部ミラー13間の行き来によりUCイオン液体10を3回通過することになっているが、4回以上通過させて、光電子デバイス1の発光光のアップコンバージョン率をさらに高めることができる。
光電子デバイス1の発光光を、UCイオン液体10に4回以上通過させる場合の構造としては、例えば、光軸8に対して直角方向のUCユニット5等の寸法を増大する。これにより、L7は、L3と同様に、中心部ミラー12により周辺部ミラー13の方へ反射される。
又は、周辺部ミラー13の内周縁を光軸8の方へ延長して、コリメータレンズ部19の径を減少させる。これにより、光軸8に対するL2の広がり角が減少して、L3,L5の反射点位置が光軸8の方へ移動し、L7も中心部ミラー12に当たり、周辺露出面18から外へ出射されることなく、周辺部ミラー13の方へ反射される。
図4の第3実施形態の光電子デバイス51は、図1の光電子デバイス1と同様に、中心部ミラー12を装備する。しかしながら、光電子デバイス51は、中心部ミラー12に代えて、図3の第2実施形態の光電子デバイス31が有するダイクロイックミラー42を装備することもできる。
1,31,51・・・光電子デバイス、3・・・LEDチップ(発光素子)、5,35,55・・・UCユニット、8・・・光軸、10・・・UCイオン液体(光アップコンバージョン部)、11・・・透明ガラス(透明封止部)、12・・・中心部ミラー(第1反射部)、13・・・周辺部ミラー(第2反射部)、19・・・コリメータレンズ部、42・・・ダイクロイックミラー(第1反射部)、69・・・凹部(凹形状)。
Claims (4)
- 透明封止部により平板状に封止され三重項−三重項消滅過程により入射光をアップコンバージョンする光アップコンバージョン部と、
光軸が前記光アップコンバージョン部における中心側領域の中心を通るように配置され、前記光アップコンバージョン部の前記中心側領域に向けて光を出射する発光素子と、
前記発光素子から前記光アップコンバージョン部の前記中心側領域を通過した光を、前記光軸から遠ざかる向きで前記光アップコンバージョン部に向けて反射する第1反射部と、
前記第1反射部により反射されて前記光アップコンバージョン部を通過した光を、前記光アップコンバージョン部における周辺側領域に向けて反射する第2反射部とを備えることを特徴とする光電子デバイス。 - 請求項1記載の光電子デバイスにおいて、
前記第1反射部は、前記光アップコンバージョン部によるアップコンバージョン済みの光は透過し、未アップコンバージョンの光は反射するダイクロイックミラーであることを特徴とする光電子デバイス。 - 請求項1又は2記載の光電子デバイスにおいて、
前記透明封止部は、前記発光素子からの光の入射部がコリメータレンズ形状に形成されていることを特徴とする光電子デバイス。 - 請求項1又は2記載の光電子デバイスにおいて、
前記透明封止部は、前記発光素子からの光の入射部が凹形状に形成され、
前記発光素子の発光部は、前記透明封止部の前記凹形状の内側に挿入されていることを特徴とする光電子デバイス。
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Cited By (1)
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KR20200022875A (ko) * | 2018-08-24 | 2020-03-04 | 주식회사 루멘스 | 발광소자 패키지, 투광 플레이트 바디 및 발광소자 패키지 제조 방법 |
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Cited By (2)
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KR20200022875A (ko) * | 2018-08-24 | 2020-03-04 | 주식회사 루멘스 | 발광소자 패키지, 투광 플레이트 바디 및 발광소자 패키지 제조 방법 |
KR102561725B1 (ko) * | 2018-08-24 | 2023-08-02 | 주식회사 루멘스 | 발광소자 패키지, 투광 플레이트 바디 및 발광소자 패키지 제조 방법 |
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