JP2017005163A - 波長変換部材及び発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長変換部材に混入する蛍光物質や量子ドットの量を少なくすることができ、しかも、発光効率を向上させることができる波長変換部材及び発光装置を提供する。
【解決手段】波長変換部材１０は、例えば平板状に形成された透明性を有する無機結晶体１２中に粒径がｎｍオーダーの蛍光体粒子１４が分散されて構成されている。無機結晶体１２は、完全表面結晶化ガラス１６であることが好ましい。蛍光体粒子１４は、量子ドット１８であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長変換部材及び発光装置に関し、例えばフラットパネルディスプレイの光源装置等に用いて好適な波長変換部材及び発光装置に関する。

一般に、液晶表示装置等のフラットパネルディスプレイ（以下、ＦＰＤと記す）のバックライト等に用いられる光源装置の方式には、直下方式と、導光板の側面方向に光源を配置したエッジライト方式とがある。このうち、エッジライト方式は、ＦＰＤの裏面に設置された導光板と、導光板の側面に設置された光源としての複数のＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）とを有する（特許文献１参照）。

また、上述のエッジライト方式は、波長変換部材の設置位置に応じて、フィルム方式とロッド方式とに分けられる。

フィルム方式は、ＦＰＤと導光板との間に、ＦＰＤ全面にわたる１つのフィルム状の波長変換部材が設置される。この場合、ＬＥＤからの励起光（青色光）が導光板を介して波長変換部材に入射し、該波長変換部材にて青赤緑の三原色を含む光（以下、白色光と記す）に変換されてＦＰＤに入射される。

ロッド方式は、ＬＥＤと導光板との間に、ＦＰＤの側面にわたる１つのロッド状の波長変換部材が設置される。この場合、ＬＥＤからの励起光（青色光）が波長変換部材に入射し、該波長変換部材にて白色光に変換される。白色光は導光板を介してＦＰＤに入射される。

波長変換部材は、従来、以下のようにして作製している。すなわち、蛍光物質又は量子ドットを紫外線硬化性の樹脂に混練し、得られた混合物をガラス管等の容器に入れて容器の片側を封止したのち、紫外線を照射して樹脂を硬化させることで所定の粘度を有するレジン状の波長変換部材を作製している（特許文献２参照）。

特開２０１５−３５５０４号公報 特開２０１４−２２５３７９号公報

ところで、フィルム方式は、ＦＰＤ全面にわたって波長変換部材を設置する必要があるため、波長変換部材に混入する蛍光物質や量子ドットの量が多くなり、製造コストが高くなるという問題がある。

ロッド方式は、波長変換部材のサイズがフィルム方式よりも大幅に小さくなるため、波長変換部材に混入する蛍光物質や量子ドットの量を少なくすることができる。しかし、波長変換部材のうち、ＬＥＤからの励起光が照射されない部分が多くなるため、発光効率が悪くなるという問題がある。

そこで、ＬＥＤ上に直接波長変換部材を設置するオンチップ方式が考えられるが、量子ドットを使用した場合、ＬＥＤが発する熱で寿命が短くなり、実用に供することができないという問題がある。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、波長変換部材に混入する蛍光物質や量子ドットの量を少なくすることができ、しかも、発光効率を向上させることができる波長変換部材及び発光装置を提供することを目的とする。

［１］ 第１の本発明に係る波長変換部材は、透明性を有する無機結晶体中に粒径がｎｍオーダーの蛍光体粒子が分散されていることを特徴とする。

［２］ 第１の本発明において、前記無機結晶体が完全表面結晶化ガラスであることが好ましい。

［３］ 第１の本発明において、前記蛍光体粒子が量子ドットであることが好ましい。

［４］ この場合、各材料毎に形成された前記量子ドットの粒径が、各材料毎にそれぞれ一定範囲に制御されていることが好ましい。

［５］ 第１の本発明において、前記蛍光体粒子が金属クラスターであることが好ましい。

［６］ 第１の本発明において、前記波長変換部材が複数枚積層されていてもよい。

［７］ 第２の本発明に係る発光装置は、上述した第１の本発明に係る波長変換部材と、光源である発光素子とを有し、前記波長変換部材が前記発光素子の光出射面に近接して配置されていることを特徴とする。

［８］ 第２の本発明において、前記発光素子の周囲に設置され、前記発光素子からの光を前方に反射する反射板をさらに有し、前記波長変換部材は、前記反射板に設置されて、前記発光素子の光出射面に対向して配置されていてもよい。

以上説明したように、本発明に係る波長変換部材及び発光装置によれば、波長変換部材に混入する蛍光物質や量子ドットの量を少なくすることができ、しかも、発光効率を向上させることができる。

本実施の形態に係る波長変換部材を模式的に示す一部省略断面図である。 本実施の形態に係る波長変換部材の使用例を示す説明図である。 図３Ａは複数の波長変換部材を積層した第１の例を示す断面図であり、図３Ｂは同じく第２の例を示す断面図であり、図３Ｃは同じく第３の例を示す断面図である。 図４Ａは本実施の形態に係る発光装置を上面から見て示す平面図であり、図４Ｂは図４ＡにおけるＩＶＢ−ＩＶＢ線上の断面図である。 本実施の形態に係る発光装置をＦＰＤに適用した例を示す説明図である。

以下、本発明に係る波長変換部材及び発光装置の実施の形態例を図１〜図５を参照しながら説明する。なお、本明細書において「〜」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味として使用される。

本実施の形態に係る波長変換部材１０は、図１に示すように、例えば平板状に形成された透明性を有する無機結晶体１２中に粒径がｎｍオーダーの蛍光体粒子１４が分散されて構成されている。図１等の図面では、蛍光体粒子１４の形状、大きさ等を誇張して示してある。

無機結晶体１２は、完全表面結晶化ガラス１６であることが好ましい。完全表面結晶化ガラス１６とは、ガラス表面に結晶核が発生し、その後、結晶成長を経て、最終的に結晶ドメインの成長が対向方向へ衝突するまで進行する現象（完全表面結晶化）により得られた多結晶セラミックス材料をいう（応用物理第８３巻第７号（２０１４）「完全表面結晶化による透明結晶化ガラスの創製」５６０頁〜５６１頁参照）。完全表面結晶化ガラス１６の材料としては、例えばＳｒ₂ＴｉＳｉ₂Ｏ₈が好ましい。

蛍光体粒子１４は、量子ドット１８であることが好ましい。量子ドット１８は、特許文献１にも記載されているように、長径１ｎｍ〜１００ｎｍ程度の粒子であり、離散的なエネルギー準位を有している。量子ドット１８のエネルギー状態はその大きさに依存するので、サイズを変えることにより自由に発光波長を選択することが可能となる。また、量子ドット１８の発光光はスペクトル幅が狭い。このような急峻なピークの光を組み合わせることにより色域が拡大する。従って、蛍光体粒子１４として量子ドット１８を用いることにより、容易に色域を拡大することが可能となる。さらに、量子ドット１８は応答性が高く、光源の光を効率良く利用することが可能となる。加えて、量子ドット１８は安定性も高い。

量子ドット１８は、例えばＣｄＺｎＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＳｅ、ＣｄＳｅＳ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅＴｅ、ＺｎＳｎＰ₂、ＩｎＰ、ＺｎＳｅ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｓ、ＺｎＴｅ、ＩｎＡｓＰ、ＣｕＩｎのうち、いずれか１つ又は複数である。

そして、無機結晶体１２に含める量子ドット１８は、図２に示すように、光源としての発光素子２２（ＬＥＤチップやレーザダイオード等）から出射される励起光２４（例えば青色光）を赤色光に波長変換する赤色用量子ドット１８Ｒと、励起光２４を緑色光に波長変換する緑色用量子ドット１８Ｇである。これにより、波長変換部材１０からは、発光素子２２からの励起光２４と、赤色用量子ドット１８Ｒの波長変換による赤色光と、緑色用量子ドット１８Ｇの波長変換による緑色光とが混ざって白色光２６が出射することとなる。

赤色用量子ドット１８Ｒの材料と緑色用量子ドット１８Ｇの材料は同じでもよいし、異なっていてもよい。この場合、各材料毎に形成された量子ドット１８の粒径が、各材料毎にそれぞれ一定範囲に制御されていることが好ましい。具体的には、赤色用量子ドット１８Ｒの粒径は、励起光２４を赤色光に波長変換する範囲に制御され、緑色用量子ドット１８Ｇの粒径は、励起光２４を緑色光に波長変換する範囲に制御されていることが好ましい。

また、複数の波長変換部材を積層して１つの波長変換部材を構成してもよい。例えば図３Ａ〜図３Ｃに示すように、第１波長変換部材１０Ａと第２波長変換部材１０Ｂとを積層して１つの波長変換部材１０を構成する。この場合、図３Ａに示すように、第１波長変換部材１０Ａのみに赤色用量子ドット１８Ｒを含ませ、第２波長変換部材１０Ｂのみに緑色用量子ドット１８Ｇを含ませてもよいし、図３Ｂに示すように、第１波長変換部材１０Ａのみに緑色用量子ドット１８Ｇを含ませ、第２波長変換部材１０Ｂのみに赤色用量子ドット１８Ｒを含ませてもよい。もちろん、図３Ｃに示すように、第１波長変換部材１０Ａ及び第２波長変換部材１０Ｂにそれぞれ赤色用量子ドット１８Ｒと緑色用量子ドット１８Ｇとを含ませてもよい。図３Ａ〜図３Ｃでは、２つの波長変換部材を積層して１つの波長変換部材を構成した例を示したが、もちろん、３つ以上の波長変換部材を積層して１つの波長変換部材を構成してもよい。

ここで、波長変換部材１０の製造方法について説明する。

先ず、原料（ＳｒＣＯ₃、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂）を適量秤量及び混合した後、白金るつぼ中にて高温で溶融して前駆体ガラスを得る。溶融状態の前駆体ガラスに量子ドット１８の原料を混合した後、プレス急冷して板状の前駆体ガラスを作製する。その後、板状の前駆体ガラスを電気炉中で熱処理する。急冷後の前駆体ガラスを熱処理することによって前駆体ガラスが結晶化する。その後、室温まで冷却することによって、非晶質ＳｉＯ₂のナノ粒子に取り込まれるかたちで量子ドット１８が形成される。本実施の形態に係る波長変換部材１０、すなわち、無機結晶体１２が完全表面結晶化ガラス１６で、該無機結晶体１２中に粒径がｎｍオーダーの量子ドット１８が分散された波長変換部材１０を得る。

このとき、結晶化時の冷却条件、例えば熱処理の段階から室温まで冷却する際の冷却速度を変えることで、量子ドット１８のサイズを制御する。すなわち、加える赤色用量子ドット１８Ｒの原料及び緑色用量子ドット１８Ｇの原料の組み合わせに応じて、冷却速度を変えることで、赤色用量子ドット１８Ｒを、励起光を赤色光に変換するサイズにすると共に、緑色用量子ドット１８Ｇを、励起光を緑色光に変換するサイズにする。従って、加える赤色用量子ドット１８Ｒの原料及び緑色用量子ドット１８Ｇの原料の選定にあたっては、一律の冷却速度で、赤色用量子ドット１８Ｒと緑色用量子ドット１８Ｇとなる組み合わせを把握しておくことが好ましい。

もちろん、複数の波長変換部材１０を積層して１つの波長変換部材１０を構成する場合は、一方の前駆体ガラスに例えば赤色用量子ドット１８Ｒの原料のみを混入し、他方の前駆体ガラスに緑色用量子ドット１８Ｇの原料のみを混入させることも可能になる。そのため、各前駆体ガラスの結晶化後の冷却においては、それぞれ異なる冷却速度で冷却することが可能となる。これは、量子ドット１８の原料の選択性の幅を広げることができることにもつながる。

上述した本実施の形態に係る波長変換部材１０においては、広い色域を表示することができるＦＰＤの製造コストを安価にすることができる。

すなわち、従来、ＬＥＤチップを光源としたＦＰＤにおいて、蛍光物質の代わりに量子ドットを使用すれば、スペクトル幅が狭い三原色が得られるため、広い色域のＦＰＤが得られることは知られていたが、光源が発する熱で量子ドット１８の寿命が短くなり、実用には供することができなかった。この場合、上述したフィルム方式やロッド方式のように、ＦＰＤ全面にわたる１つのフィルム状の波長変換部材に量子ドットを混ぜたり、ＦＰＤの側面にわたる１つのロッド状の波長変換部材に量子ドットを混ぜることで、上記の問題はなくなるが、量子ドットの使用量が増え、コストが高価格化し、普及には至っていない。

しかし、本実施の形態に係る波長変換部材１０においては、材料が全て無機材料であることと、量子ドット１８が完全表面結晶化ガラス１６の中に封じ込められることから、光源の熱によって寿命が短くなることが抑制される。その結果、量子ドット１８が混入された波長変換部材１０を発光素子２２（例えばＬＥＤチップの発光素子）に接触あるいは近接して配置することができ、量子ドット１８の使用量も少なくすることができるため、コストの低減化に有利となる。

また、通常のＬＥＤチップでは、発光素子から放出された光は乱反射した後に封止樹脂の界面から外部に放出されるため、屈折率の違いで全反射が起こり光の取り出し効率が低い。これを改善するため表面にモスアイ構造を形成する等が行われている。

しかし、本実施の形態に係る波長変換部材１０においては、無機結晶体１２として、完全表面結晶化ガラス１６を用いている。この完全表面結晶化ガラス１６は、所定の方向に配向することが知られているので、この配向の向きで界面に対しほぼ直角に光が放出されるため、表面にモスアイ構造を設置しなくても光の取り出し効率が高い。

上述の例では、蛍光体粒子１４として量子ドット１８を使用した例を示したが、その他、蛍光体粒子１４として金属クラスターを用いるようにしてもよい。金属クラスターは、数個〜数１０個の金属原子から構成された粒子であり、上述した量子ドット１８に類似した光学特性を有する。すなわち、電子がナノメートル以下の空間に閉じ込められているため、金属クラスターのサイズに依存した固有の吸光、発光特性を示す。従って、赤色用金属クラスター、緑色用金属クラスターも実現可能である。金属クラスターとしては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等のクラスターが挙げられる。

次に、本実施の形態に係る発光装置１００について図４Ａ及び図４Ｂを参照しながら説明する。

本実施の形態に係る発光装置１００は、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、上述した波長変換部材１０と、光源である発光素子２２（例えばＬＥＤチップの発光素子）とを有する。波長変換部材１０は、発光素子２２の光出射面１０２（図４Ｂ参照）に近接して配置されている。

具体的には、発光装置１００は、発光素子２２からの光１０４を前方に反射する反射板１０６が発光素子２２の周囲に設置されている。ここで、前方とは発光素子２２からの光１０４が出射する方向を指す。

反射板１０６は、上面から見て枠状を有し、前方に向かって開口面積が徐々に広がる形状を有する。

そして、波長変換部材１０は、反射板１０６の開口を閉塞し、且つ、発光素子２２の光出射面１０２に対向して配置される。この場合、図４Ｂに示すように、発光素子２２の光出射面１０２から離間した位置に配置してもよいし、図示しないが、発光素子２２の光出射面１０２に接触した位置に配置してもよい。

特に、波長変換部材１０を発光素子２２の光出射面１０２に接触して設置する場合には、波長変換部材１０が主に結晶で構成されているため、発光素子２２からの放熱を促進する効果も期待できる。

上述した本実施の形態に係る発光装置１００においては、広い色域を表示することができるＦＰＤの製造コストを安価にすることができる。

すなわち、本実施の形態に係る発光装置１００をＦＰＤ１１０に適用する場合、図５に示すように、ＦＰＤ１１０の導光板１１２の側面に沿って複数の発光装置１００を配列すればよい。このとき、各発光装置１００にそれぞれ波長変換部材１０（図４Ａ及び図４Ｂ参照）が設置されているため、導光板１１２と表示パネル１１４との間にフィルム状の波長変換部材を設置したり、導光板１１２の側面にロッド状の波長変換部材を設置する必要がない。これは、蛍光体粒子１４の使用量を少なくすることができることにつながり、ＦＰＤ１１０の製造コストの低減を図ることができる。その結果、蛍光体粒子１４として高価ではあるが発光特性が優れた量子ドット１８や金属クラスターを使用しても製造コストの低減化を実現することができるため、ＦＰＤ１１０の発光効率の向上にもつながる。

なお、本発明に係る波長変換部材及び発光装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…波長変換部材 １２…無機結晶体
１４…蛍光体粒子 １６…完全表面結晶化ガラス
１８…量子ドット ２２…発光素子
２４…励起光 ２６…白色光
１００…発光装置 １０２…光出射面
１０４…光 １０６…反射板
１１０…ＦＰＤ １１２…導光板
１１４…表示パネル

Claims (8)

1. 透明性を有する無機結晶体中に粒径がｎｍオーダーの蛍光体粒子が分散された波長変換部材。
2. 請求項１記載の波長変換部材において、
   前記無機結晶体が完全表面結晶化ガラスであることを特徴とする波長変換部材。
3. 請求項１又は２記載の波長変換部材において、
   前記蛍光体粒子が量子ドットであることを特徴とする波長変換部材。
4. 請求項３記載の波長変換部材において、
   各材料毎に形成された前記量子ドットの粒径が、各材料毎にそれぞれ一定範囲に制御されていることを特徴とする波長変換部材。
5. 請求項１又は２記載の波長変換部材において、
   前記蛍光体粒子が金属クラスターであることを特徴とする波長変換部材。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の波長変換部材において、
   前記波長変換部材が複数枚積層されていることを特徴とする波長変換部材。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の波長変換部材と、
   光源である発光素子とを有し、
   前記波長変換部材が前記発光素子の光出射面に近接して配置されていることを特徴とする発光装置。
8. 請求項７記載の発光装置において、
   前記発光素子の周囲に設置され、前記発光素子からの光を前方に反射する反射板をさらに有し、
   前記波長変換部材は、前記反射板に設置されて、前記発光素子の光出射面に対向して配置されていることを特徴とする発光装置。

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