JP2019176105A - Light-emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光装置に関する。 The present invention relates to a light emitting device.
ナノアンテナにおける局在表面プラズモン共鳴で生じる表面格子共鳴を利用した種々の技術が知られている。例えば、特許文献１には、蛍光体と蛍光体の極近傍に配置されるナノアンテナとを有する照明装置において、ナノアンテナにおける局在表面プラズモン共鳴により生じる表面格子共鳴を支援するナノアンテナ配置技術が記載されている。特許文献１に記載される照明装置は、ナノアンテナにおける局在表面プラズモン共鳴で生じる表面格子共鳴により、蛍光体の変換効率を向上させることができるので、蛍光体の厚さを薄くすることができる。 Various techniques using surface lattice resonance generated by localized surface plasmon resonance in a nano antenna are known. For example, Patent Document 1 discloses a nano-antenna placement technique that supports surface lattice resonance caused by localized surface plasmon resonance in a nano-antenna in a lighting device having a phosphor and a nano-antenna placed in the immediate vicinity of the phosphor. Are listed. The illumination device described in Patent Document 1 can improve the conversion efficiency of the phosphor by surface lattice resonance generated by localized surface plasmon resonance in the nano antenna, so that the thickness of the phosphor can be reduced. .
また、特許文献２には、複数のナノアンテナを有する第１の周期的なアンテナアレイが第１波長変換層内に配置され、複数のナノアンテナを有する第２の周期的なアンテナアレイが第２波長変換層内に配置される照明装置が記載される。特許文献２に記載される照明装置は、第１波長変換層及び第２波長変換層の双方にアンテナアレイが配置されるので、第１波長変換層及び第２波長変換層の双方の変換効率を向上させることができる。 In Patent Document 2, a first periodic antenna array having a plurality of nano antennas is arranged in a first wavelength conversion layer, and a second periodic antenna array having a plurality of nano antennas is second. An illumination device is described that is disposed within the wavelength conversion layer. In the illumination device described in Patent Document 2, since the antenna arrays are arranged in both the first wavelength conversion layer and the second wavelength conversion layer, the conversion efficiencies of both the first wavelength conversion layer and the second wavelength conversion layer are improved. Can be improved.
また、特許文献３には、励起光が入射する入射面に平行な所定の第１方向の長さと、入射面に平行かつ第１方向に垂直な第２方向の長さとが異なる複数のナノアンテナと、励起光とは異なる波長の光を発する波長変換層とを備える光学装置が記載される。特許文献３に記載される光学装置は、入射面に平行な面内の直交する２方向のナノアンテナの長さを相違させることで、出射する光の偏光方向を制御できるので、所望の偏光成分の変換効率を高くすることができる。 Patent Document 3 discloses a plurality of nanoantennas having different lengths in a predetermined first direction parallel to an incident surface on which excitation light is incident and lengths in a second direction parallel to the incident surface and perpendicular to the first direction. And a wavelength conversion layer that emits light having a wavelength different from that of the excitation light. The optical device described in Patent Document 3 can control the polarization direction of emitted light by making the lengths of two orthogonal nanoantennas in a plane parallel to the incident surface different from each other. The conversion efficiency can be increased.
また、特許文献４には、金属層と、金属層の上方に設けられ、所定の周期で配列された線状体と、金属層の上方に設けられ、複数のナノアンテナ及び誘電体部を含み、金属層の法線方向に離間して配置されたナノ構造体とを有する電場増強素子が記載される。特許文献４に記載される電場増強素子は、線状体による伝搬表面プラズモンによって、ナノ構造体のナノアンテナの並ぶ方向に沿う方向の電場が与えられて、ナノアンテナの周辺に強い局在表面プラズモンを発生させ高い電場増強度の領域が形成される。 Patent Document 4 includes a metal layer, a linear body provided above the metal layer and arranged in a predetermined cycle, and provided above the metal layer, and includes a plurality of nano antennas and a dielectric part. An electric field enhancing device is described having nanostructures spaced apart in the normal direction of the metal layer. The electric field enhancing element described in Patent Document 4 is provided with a strong localized surface plasmon around the nanoantenna because the electric field in the direction along the direction in which the nanoantennas of the nanostructure are arranged is given by the propagation surface plasmon by the linear body And a region with a high electric field enhancement intensity is formed.
特許文献１〜４に記載される技術により、ナノアンテナにおける局在表面プラズモン共鳴で生じる表面格子共鳴を利用した技術の種々の課題が解決される。しかしながら、ナノアンテナにおける局在表面プラズモン共鳴で生じる表面格子共鳴を利用した発光装置において、発光装置から垂直に指向特性を持つ光が出射されるが、一方、回折現象を用いているがゆえに大きなサイドローブをもち、光源のムラとなる。 The techniques described in Patent Documents 1 to 4 solve various problems of the technique using surface lattice resonance generated by localized surface plasmon resonance in a nano antenna. However, in a light emitting device using surface lattice resonance generated by localized surface plasmon resonance in a nanoantenna, light having a directivity characteristic is emitted from the light emitting device, but on the other hand, it has a large side because it uses a diffraction phenomenon. It has a lobe and causes unevenness of the light source.
そこで、一実施形態では、ナノアンテナにおける局在表面プラズモン共鳴を利用した発光装置から出射される出射光の指向特性を向上可能な技術を提供することを目的とする。 Therefore, an object of one embodiment is to provide a technique capable of improving the directivity characteristics of emitted light emitted from a light emitting device using localized surface plasmon resonance in a nano antenna.
上記目的を達成するために、実施形態に係る発光装置は、一次光を放射する発光素子と、発光素子の上部に配置された基材と、一次光を波長変換して一次光と波長が異なる二次光を出射する波長変換材料と、二次光の入射による局在表面プラズモン共鳴によって電場を発生させ、且つ、電場によって波長変換材料から出射される二次光の指向特性を変更するように、波長変換材料に近接して基材上に配置された複数のナノアンテナと、を有し、複数のナノアンテナのそれぞれは、基材上において、平面視で重なって配置される複数の金属材、及び、複数の金属材の間に配置される誘電体を含む。 In order to achieve the above object, a light-emitting device according to an embodiment has a light-emitting element that emits primary light, a base material disposed on the light-emitting element, and a wavelength of the primary light that is different from the wavelength of the primary light. A wavelength conversion material that emits secondary light, and an electric field generated by localized surface plasmon resonance caused by the incidence of the secondary light, and a directivity characteristic of the secondary light emitted from the wavelength conversion material by the electric field is changed. A plurality of nano-antennas disposed on the base material in proximity to the wavelength conversion material, and each of the plurality of nano-antennas is disposed on the base material so as to overlap each other in plan view And a dielectric disposed between the plurality of metal materials.
さらに、実施形態に係る発光装置では、二次光の指向特性は、高くなるように変更されることが好ましい。 Furthermore, in the light emitting device according to the embodiment, it is preferable that the directivity characteristic of the secondary light is changed to be high.
さらに、実施形態に係る発光装置では、ナノアンテナは、複数の金属材の配置間隔が二次光の１／４波長よりも大きく且つ二次光の３／４波長よりも小さくなるように形成されることが好ましい。 Furthermore, in the light emitting device according to the embodiment, the nano antenna is formed such that the arrangement interval of the plurality of metal materials is larger than the quarter wavelength of the secondary light and smaller than the third wavelength of the secondary light. It is preferable.
さらに、実施形態に係る発光装置では、複数の金属材の配置間隔は、二次光の１／２波長に等しいことが好ましい。 Furthermore, in the light emitting device according to the embodiment, it is preferable that the arrangement interval of the plurality of metal materials is equal to ½ wavelength of the secondary light.
さらに、実施形態に係る発光装置では、誘電体の屈折率は、波長変換材料の屈折率の０．７５倍よりも大きく且つ１．２５倍よりも小さい値であることが好ましい。 Furthermore, in the light emitting device according to the embodiment, it is preferable that the refractive index of the dielectric is a value larger than 0.75 times and smaller than 1.25 times the refractive index of the wavelength conversion material.
さらに、実施形態に係る発光装置では、誘電体は、波長変換層を形成する材料と同一の材料により形成されることが好ましい。 Furthermore, in the light emitting device according to the embodiment, the dielectric is preferably formed of the same material as that for forming the wavelength conversion layer.
さらに、実施形態に係る発光装置では、波長変換材料の少なくとも一部は、表面プラズモン共鳴が発生する領域に配置されることが好ましい。 Furthermore, in the light emitting device according to the embodiment, it is preferable that at least a part of the wavelength conversion material is disposed in a region where surface plasmon resonance occurs.
一実施形態では、ナノアンテナにおける局在表面プラズモン共鳴を利用した発光装置から出射される出射光の指向特性を向上させることができる。 In one embodiment, the directivity characteristics of outgoing light emitted from a light emitting device using localized surface plasmon resonance in a nano antenna can be improved.
以下、図面を参照しつつ、実施形態に係る発光装置について説明する。ただし、実施形態は図面又は以下に記載される実施形態には限定されないことを理解されたい。 Hereinafter, a light emitting device according to an embodiment will be described with reference to the drawings. However, it should be understood that the embodiments are not limited to the drawings or the embodiments described below.
（実施形態に係る発光装置の概要）
実施形態に係る発光装置は、波長変換材料を含有する波長変換層の内部に重なるように交互に積層された金属材と誘電体と有し、波長変換層の内部に格子状に配置されたナノアンテナを有する。実施形態に係る発光装置が有するナノアンテナは、誘電体を介して隣接する金属材の間の配置間隔が金属材に入射した二次光が放射方向に出射される長さになる配置、すなわちエンドファイア配置になるように形成される。実施形態に係る発光装置は、金属材がエンドファイア配置になるように配置されたナノアンテナを有するので、指向特性が高い光を出射できる。
(Outline of Light Emitting Device According to Embodiment)
The light-emitting device according to the embodiment includes a metal material and a dielectric that are alternately stacked so as to overlap the inside of the wavelength conversion layer containing the wavelength conversion material, and the nano-structures arranged in a lattice shape inside the wavelength conversion layer Has an antenna. The nanoantenna included in the light emitting device according to the embodiment has an arrangement in which the arrangement interval between the adjacent metal materials via the dielectric is such that the secondary light incident on the metal material is emitted in the radial direction, that is, the end It is formed to be a fire arrangement. Since the light emitting device according to the embodiment includes the nano antenna arranged so that the metal material is in an endfire arrangement, the light emitting device can emit light with high directivity.
（ナノアンテナによる蛍光体の変換効率の向上について）
実施形態に係る発光装置について説明する前に、ナノアンテナを蛍光体に近接配置することにより蛍光体の変換効率が向上する原理について簡単に説明する。
(Improvement of phosphor conversion efficiency by nano antenna)
Before describing the light emitting device according to the embodiment, the principle of improving the conversion efficiency of the phosphor by arranging the nano antenna close to the phosphor will be briefly described.
入射光がナノアンテに入射すると、ナノアンテナの周囲に配置される蛍光体等の誘電体との界面に分極電荷が生じる。ナノアンテナの伝導電子は、分極電荷を打ち消すために、ナノアンテナ誘電体との界面に生じた分極電荷に向かって移動して、ナノアンテナの表面に分極が生じる。ナノアンテナは、伝導電子の移動により分極が生じることで、表面に局所的な電界が生じて、入射光と共鳴する。ナノアンテナと入射光の共鳴は、ナノアンテナの表面電流波、すなわち表面分極波である表面プラズモンを励起するため、局在表面プラズモン共鳴とも称される。 When incident light enters the nanoante, polarization charges are generated at the interface with a dielectric such as a phosphor disposed around the nanoantenna. In order to cancel the polarization charge, the conduction electrons of the nanoantenna move toward the polarization charge generated at the interface with the nanoantenna dielectric, and polarization occurs on the surface of the nanoantenna. The nanoantenna resonates with incident light by generating a local electric field on the surface due to polarization caused by movement of conduction electrons. The resonance between the nanoantenna and the incident light is also referred to as localized surface plasmon resonance because it excites a surface current wave of the nanoantenna, that is, a surface plasmon that is a surface polarization wave.
局在表面プラズモン共鳴が発生することにより、ナノアンテナに接する誘電体表面の近傍に強い電場が発生する。ナノアンテナに接する誘電体表面の近傍に強い電場が発生することで、ナノアンテナに接する誘電体表面の近傍に局所的な電場の閉じ込め現象が生じて、共振器が形成される。形成される共振器の内部における蛍光体の発光速度γcabは、共振器のＱ値がＱであり、入射光の波長がλであり、共振器の体積がＶであり、共振器中の屈折率がｎであり、蛍光体の自然発光速度がγfreeであるとき、パーセル効果により以下の式（１）で示される。 The occurrence of localized surface plasmon resonance generates a strong electric field in the vicinity of the dielectric surface in contact with the nanoantenna. When a strong electric field is generated in the vicinity of the dielectric surface in contact with the nanoantenna, a local electric field confinement phenomenon occurs in the vicinity of the dielectric surface in contact with the nanoantenna, thereby forming a resonator. The emission speed γ cab of the phosphor inside the formed resonator is such that the Q value of the resonator is Q, the wavelength of incident light is λ, the volume of the resonator is V, and the refraction in the resonator is When the rate is n and the spontaneous emission rate of the phosphor is γ free, it is expressed by the following formula (1) due to the Purcell effect.
式（１）は、局在表面プラズモン共鳴の発生による電場が強くなり、ナノアンテナに接する誘電体表面の近傍に形成される共振器体積が小さくなると、蛍光体の発光速度γcabが速くなり、蛍光体の変換効率が向上する。 Equation (1) shows that when the electric field due to the occurrence of localized surface plasmon resonance becomes stronger and the resonator volume formed in the vicinity of the dielectric surface in contact with the nanoantenna becomes smaller, the emission rate γ cab of the phosphor becomes faster, The conversion efficiency of the phosphor is improved.
（実施形態に係る発光装置の構造及び機能）
図１は実施形態に係る発光装置の斜視図であり、図２は図１に示す発光装置のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。
(Structure and function of light emitting device according to embodiment)
FIG. 1 is a perspective view of a light emitting device according to an embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the light emitting device shown in FIG.
発光装置１は、実装基板１０と、回路基板１１と、ＬＥＤ１２と、反射部材１３と、基材１４と、波長変換層１５、複数のナノアンテナ１６とを有する。 The light emitting device 1 includes a mounting substrate 10, a circuit substrate 11, an LED 12, a reflecting member 13, a base material 14, a wavelength conversion layer 15, and a plurality of nano antennas 16.
実装基板１０は、一例として略正方形の形状を有し、その上面の中央にＬＥＤ１２が実装される実装領域を有する金属基板である。実装基板１０は、ＬＥＤ１２から発生した熱を放熱させる放熱基板としても機能するため、例えば、耐熱性及び放熱性に優れたアルミニウムで構成される。ただし、実装基板１０の材質は、耐熱性と放熱性に優れたものであれば、例えば銅等の別の金属でもよい。 The mounting substrate 10 has a substantially square shape as an example, and is a metal substrate having a mounting region in which the LED 12 is mounted at the center of the upper surface thereof. Since the mounting substrate 10 also functions as a heat dissipation substrate that dissipates heat generated from the LEDs 12, the mounting substrate 10 is made of, for example, aluminum having excellent heat resistance and heat dissipation. However, the material of the mounting substrate 10 may be another metal such as copper as long as it is excellent in heat resistance and heat dissipation.
回路基板１１は、一例として、実装基板１０と同じ大きさの略正方形の形状を有し、その中心部に略矩形の開口部を有する。回路基板１１は、その下面が例えば接着シートにより実装基板１０の上に貼り付けられて固定される。回路基板１１の上面には、不図示の配線パターンが形成されている。また、回路基板１１の上面で対角に位置する２つの角部には、発光装置１を外部電源に接続するための接続電極が形成されている。発光装置１は、接続電極が不図示の外部電源に接続されて電圧が印加されることによって、発光する。また、回路基板１１の上面には、開口部の外周部分及び接続電極を除いて配線パターンを覆う白色レジストが形成されている。 As an example, the circuit board 11 has a substantially square shape having the same size as the mounting board 10, and has a substantially rectangular opening at the center thereof. The lower surface of the circuit board 11 is fixed on the mounting board 10 by an adhesive sheet, for example. A wiring pattern (not shown) is formed on the upper surface of the circuit board 11. In addition, connection electrodes for connecting the light emitting device 1 to an external power source are formed at two corners located diagonally on the upper surface of the circuit board 11. The light emitting device 1 emits light when a connection electrode is connected to an external power source (not shown) and a voltage is applied thereto. In addition, a white resist is formed on the upper surface of the circuit board 11 to cover the wiring pattern except for the outer peripheral portion of the opening and the connection electrode.
ＬＥＤ１２は、発光素子の一例であり、例えば発光波長帯域が４５０ｎｍ程度の青色光を発光する略正方形の青色ＬＥＤである。ＬＥＤ１２の下面は、例えば透明な絶縁性の接着剤等により、実装基板１０の実装領域の上面に固定される。また、ＬＥＤ１２は上面に一対の素子電極を有し、ＬＥＤ１２の素子電極は、ワイヤ１７により回路基板１１に形成される配線パターンに電気的に接続される。ＬＥＤ１２から放射される光は、一次光とも称される。 The LED 12 is an example of a light emitting element, and is, for example, a substantially square blue LED that emits blue light having an emission wavelength band of about 450 nm. The lower surface of the LED 12 is fixed to the upper surface of the mounting region of the mounting substrate 10 with, for example, a transparent insulating adhesive. The LED 12 has a pair of element electrodes on the upper surface, and the element electrodes of the LED 12 are electrically connected to a wiring pattern formed on the circuit board 11 by wires 17. The light emitted from the LED 12 is also referred to as primary light.
反射部材１３は、白色の部材であり、例えばシリコーン樹脂に酸化チタンやアルミナ等の反射性微粒子を混練し熱硬化させた部材であり、ＬＥＤ１２から出射した光を上方に配置される基材１４に向けて反射する。反射部材１３の底面は回路基板１１と接し、反射部材１３の上面は基材１４の裏面の外縁と接する。 The reflective member 13 is a white member, for example, a member obtained by kneading reflective fine particles such as titanium oxide and alumina in a silicone resin and thermosetting the light, and the light emitted from the LED 12 is applied to the base material 14 disposed above. Reflect toward you. The bottom surface of the reflecting member 13 is in contact with the circuit board 11, and the top surface of the reflecting member 13 is in contact with the outer edge of the back surface of the base material 14.
基材１４は、石英ガラス等の可視光を透過する部材で形成され、実装基板１０と同じ大きさの略正方形の形状を有する。基材１４は、下面の外縁が例えば接着シートにより反射部材１３の上面に貼り付けられて固定される。 The base material 14 is formed of a member that transmits visible light, such as quartz glass, and has a substantially square shape having the same size as the mounting substrate 10. The base material 14 is fixed by attaching the outer edge of the lower surface to the upper surface of the reflecting member 13 with an adhesive sheet, for example.
波長変換層１５は、例えばエポキシ樹脂又はシリコーン樹脂等の無色かつ透明な樹脂で形成され、ＬＥＤ１２から入射される一次光を吸収してその波長を変換して一次光と波長が異なる二次光を出射する蛍光体１５０を含有する。例えば、ＬＥＤ１２が青色ＬＥＤである場合には、波長変換層１５は、例えば、（ＢａＳｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋等の緑色蛍光体を含有してもよく、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋等の赤色蛍光体を含有してもよい。波長変換層１５が緑色蛍光体を含有することで、発光装置１は、ＬＥＤ１２から出射される青色光が緑色蛍光体を励起させることで放射される緑色光を出射する。また、波長変換層１５が赤色蛍光体を含有することで、発光装置１は、ＬＥＤ１２から出射される青色光が赤色蛍光体を励起させることで放射される赤色光を出射する。蛍光体１５０は、波長変換材料の一例であり、ナノアンテナ１６と近接配置される。 The wavelength conversion layer 15 is formed of a colorless and transparent resin such as an epoxy resin or a silicone resin, for example, absorbs the primary light incident from the LED 12 and converts its wavelength to generate secondary light having a wavelength different from that of the primary light. The phosphor 150 to be emitted is contained. For example, when the LED 12 is a blue LED, the wavelength conversion layer 15 may contain a green phosphor such as (BaSr) 2 SiO 4 : Eu 2+ and red fluorescence such as CaAlSiN 3 : Eu 2+. It may contain a body. When the wavelength conversion layer 15 contains the green phosphor, the light emitting device 1 emits the green light emitted when the blue light emitted from the LED 12 excites the green phosphor. Moreover, since the wavelength conversion layer 15 contains a red phosphor, the light-emitting device 1 emits red light emitted when the blue light emitted from the LED 12 excites the red phosphor. The phosphor 150 is an example of a wavelength conversion material, and is disposed close to the nanoantenna 16.
ナノアンテナ１６は、第１金属材１６１と、第２金属材１６２と、誘電体１６３とを有し、基材１４の表面に平行な方向に格子状に配置される。 The nanoantenna 16 includes a first metal material 161, a second metal material 162, and a dielectric 163, and is arranged in a lattice shape in a direction parallel to the surface of the base material 14.
図３は、発光装置１において、ナノアンテナ１６が配置された基材１４の平面図である。図３において、一点鎖線は、第１軸Ａ１、第２軸Ａ２及び第３軸Ａ３を示す。 FIG. 3 is a plan view of the base material 14 on which the nano antenna 16 is arranged in the light emitting device 1. In FIG. 3, the alternate long and short dash line indicates the first axis A1, the second axis A2, and the third axis A3.
ナノアンテナ１６は、ナノアンテナ１６のそれぞれは、基材１４の表面に六方格子状に配置される。六方格子状の配置では、隣接する３つのナノアンテナ１６で正三角形が形成される。図３において、第１軸Ａ１は右下方向から左上方向に延伸する軸であり、第２軸Ａ２は左下方向から右上方向に延伸する軸であり、第３軸Ａ３は真下方向から真上方向に延伸する軸である。第１軸Ａ１、第２軸Ａ２及び第３軸Ａ３は、何れも原点に位置するナノアンテナを通過すると共に、互いの軸がなす角は６０°である。また、第１軸Ａ１、第２軸Ａ２及び第３軸Ａ３は、何れも原点に位置するナノアンテナに近接して正六角形を形成するナノアンテナ１６の対向する位置に配置される２つのナノアンテナを通過する。 Each of the nano antennas 16 is arranged on the surface of the base material 14 in a hexagonal lattice shape. In the hexagonal lattice arrangement, an equilateral triangle is formed by three adjacent nano antennas 16. In FIG. 3, the first axis A1 is an axis extending from the lower right direction to the upper left direction, the second axis A2 is an axis extending from the lower left direction to the upper right direction, and the third axis A3 is the upper direction from the lower right direction. It is the axis | shaft extended | stretched. The first axis A1, the second axis A2, and the third axis A3 all pass through the nanoantenna located at the origin, and the angle between the axes is 60 °. In addition, the first axis A1, the second axis A2, and the third axis A3 are two nanoantennas arranged at positions opposed to the nanoantenna 16 that forms a regular hexagon in the vicinity of the nanoantenna located at the origin. Pass through.
ナノアンテナ１６は、隣接するナノアンテナ１６の間の配置間隔ｄは、二次光の波長をλと同一の値である。ナノアンテナ１６の間の配置間隔ｄが規定される方向は、図３において二点鎖線で示され、第１軸Ａ１、第２軸Ａ２及び第３軸Ａ３のなす角を二等分した方向である。 In the nanoantenna 16, the arrangement interval d between adjacent nanoantennas 16 has the same value as the wavelength of the secondary light λ. The direction in which the arrangement interval d between the nanoantennas 16 is defined is indicated by a two-dot chain line in FIG. 3, and is a direction obtained by equally dividing the angle formed by the first axis A1, the second axis A2, and the third axis A3. is there.
第１金属材１６１及び第２金属材１６２は、例えば金、銀、銅、プラチナ及びパラジウム等の貴金属で形成され、円柱状の形状を有し、二次光の入射に応じて表面プラズモン共鳴を発生する部材である。第１金属材１６１及び第２金属材１６２は、基材１４上において、平面視で重なって配置される。複数の金属材第１金属材１６１及び第２金属材１６２が表面プラズモン共鳴を発生する領域には、蛍光体１５０の少なくとも一部が配置される。また、第１金属材１６１及び第２金属材１６２は、ニッケル及びアルミニウム等の金属で形成されてもよく、クロム等の接着部材と、貴金属、ニッケル及びアルミニウム等の金属で形成されるアンテナ部材とを重畳して形成してもよい。第１金属材１６１及び第２金属材１６２の長さ等の幾何学的構造は、ナノアンテナ１６の空間的配置及びナノアンテナ１６を形成する材料に依存する。ナノアンテナ１６の幾何学的構造は、光学シミュレーションを実行することで決定される。 The first metal material 161 and the second metal material 162 are formed of a noble metal such as gold, silver, copper, platinum, and palladium, for example, have a cylindrical shape, and perform surface plasmon resonance in response to incident secondary light. It is a generated member. The first metal material 161 and the second metal material 162 are arranged on the base material 14 so as to overlap in plan view. At least a part of the phosphor 150 is disposed in a region where the plurality of metal materials first metal material 161 and second metal material 162 generate surface plasmon resonance. The first metal material 161 and the second metal material 162 may be formed of a metal such as nickel and aluminum, an adhesive member such as chrome, and an antenna member formed of a noble metal, such as nickel and aluminum. May be formed to overlap each other. The geometric structure such as the length of the first metal material 161 and the second metal material 162 depends on the spatial arrangement of the nanoantennas 16 and the material forming the nanoantennas 16. The geometric structure of the nanoantenna 16 is determined by performing an optical simulation.
誘電体１６３は、例えば薄膜形成が容易なエポキシ樹脂又はシリコーン樹脂等の無色かつ透明な樹脂で形成される。誘電体１６３を形成する材料は、波長変換層１５の屈折率と誘電体１６３の屈折率との差Δｎが０．２５より小さくなるように選択される。波長変換層１５の屈折率と誘電体１６３の屈折率との差Δｎが０．２５以上になると、波長変換層１５を伝搬する光の波面と誘電体１６３を伝搬する光の波面とのズレΔｎｄが、二次光の波長λの（１／４）波長以上になるため、光学特性が悪化する。なお、波長変換層１５の屈折率と誘電体１６３の屈折率との差Δｎは、０．１より小さくすることが好ましい。 The dielectric 163 is formed of a colorless and transparent resin such as an epoxy resin or a silicone resin that can be easily formed into a thin film. The material forming the dielectric 163 is selected so that the difference Δn between the refractive index of the wavelength conversion layer 15 and the refractive index of the dielectric 163 is smaller than 0.25. When the difference Δn between the refractive index of the wavelength conversion layer 15 and the refractive index of the dielectric 163 is 0.25 or more, the deviation Δnd between the wavefront of light propagating through the wavelength conversion layer 15 and the wavefront of light propagating through the dielectric 163. However, since it becomes more than (1/4) wavelength of the wavelength λ of the secondary light, the optical characteristics are deteriorated. The difference Δn between the refractive index of the wavelength conversion layer 15 and the refractive index of the dielectric 163 is preferably smaller than 0.1.
誘電体１６３は、誘電体１６３を介して隣接する第１金属材１６１と第２金属材１６２との間の配置間隔が第１金属材１６１及び第２金属材１６２に入射した二次光が放射方向に出射する距離になるような厚さを有する。誘電体１６３の厚さは、誘電体１６３の放射方向の高さである。誘電体１６３の厚さを第１金属材１６１及び第２金属材１６２に入射した二次光が放射方向に出射する厚さにすることで、第１金属材１６１と第２金属材１６２との間の配置はエンドファイア配置になる。 The dielectric 163 emits secondary light incident on the first metal material 161 and the second metal material 162 because the arrangement interval between the first metal material 161 and the second metal material 162 adjacent to each other through the dielectric 163 is radiated. The thickness is such that the distance is emitted in the direction. The thickness of the dielectric 163 is the height of the dielectric 163 in the radial direction. The thickness of the dielectric 163 is set so that the secondary light incident on the first metal material 161 and the second metal material 162 is emitted in the radial direction, so that the first metal material 161 and the second metal material 162 The arrangement between them is the endfire arrangement.
図４は、エンドファイア配置される１／２波長ダイポールアンテナを示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing a half-wave dipole antenna arranged in an endfire.
エンドファイア配置される１／２波長ダイポールアンテナ２００は、Ｚ方向に延伸する棒状の第１アンテナ２０１と、第１アンテナ２０１と同一の長さを有し、Ｚ方向に延伸する棒状の第２アンテナ２０２とを有する。第１アンテナ２０１は、第１アンテナ２０１及び第２アンテナ２０２が並ぶ方向であるＸ方向、すなわちエンドファイア方向に電波を放射するように配置される。具体的には、１／２波長ダイポールアンテナ２００は、第１アンテナ２０１に＋Ｚ方向に電流が流れ、第２アンテナ２０２に−Ｚ方向に電流が流れるように、第１アンテナ２０１と第２アンテナ２０２との間の配置間隔ｄが決定される。すなわち、１／２波長ダイポールアンテナ２００は、第１アンテナ２０１及び第２アンテナ２０２に反対方向の電流が流れるように、第１アンテナ２０１と第２アンテナ２０２との間の離隔距離ｄを決定することでエンドファイア配置が実現される。第１アンテナ２０１と第２アンテナ２０２との間の配置間隔ｄは、例えば光学シミュレーションを実行して、第１アンテナ２０１及び第２アンテナ２０２に＋Ｚ方向に電流が流れるように決定される。 The half-wave dipole antenna 200 arranged in the endfire has a rod-shaped first antenna 201 extending in the Z direction and a rod-shaped second antenna having the same length as the first antenna 201 and extending in the Z direction. 202. The first antenna 201 is disposed so as to radiate radio waves in the X direction, that is, the endfire direction, in which the first antenna 201 and the second antenna 202 are arranged. Specifically, the half-wavelength dipole antenna 200 includes a first antenna 201 and a second antenna 202 such that a current flows through the first antenna 201 in the + Z direction and a current flows through the second antenna 202 in the −Z direction. Is determined. That is, the half-wave dipole antenna 200 determines the separation distance d between the first antenna 201 and the second antenna 202 so that currents in opposite directions flow through the first antenna 201 and the second antenna 202. End fire placement is realized. The arrangement interval d between the first antenna 201 and the second antenna 202 is determined so that a current flows in the + Z direction through the first antenna 201 and the second antenna 202, for example, by executing an optical simulation.
誘電体１６３の厚さは、１／２波長ダイポールアンテナ２００において第１アンテナ２０１と第２アンテナ２０２との間の配置間隔ｄを決定する方法と同様の方法で決定される。すなわち、誘電体１６３の厚さは、蛍光体１５０から出射される二次光の入射に応じて第１金属材１６１及び第２金属材１６２に表面プラズモン共鳴が発生するときに流れる電流が互いに反対方向に流れるエンドファイア配置になるように決定される。誘電体１６３の厚さにより規定される第１金属材１６１と第２金属材１６２との間の配置間隔は、二次光の波長λに対して、（１／４）λよりも長く且つ（３／４）λよりも短い範囲である。第１金属材１６１と第２金属材１６２との間の配置間隔は、好ましくは、二次光の波長λの半分の長さ（１／２）λである。誘電体１６３の厚さは、第１金属材１６１及び第２金属材１６２の長さ等の幾何学的構造と同様に、光学シミュレーションを実行することで決定される。 The thickness of the dielectric 163 is determined by a method similar to the method of determining the arrangement interval d between the first antenna 201 and the second antenna 202 in the half-wavelength dipole antenna 200. That is, the thickness of the dielectric 163 is such that the currents flowing when surface plasmon resonance occurs in the first metal material 161 and the second metal material 162 in response to the incidence of secondary light emitted from the phosphor 150 are opposite to each other. It is determined to be an endfire arrangement that flows in the direction. The arrangement interval between the first metal material 161 and the second metal material 162 defined by the thickness of the dielectric 163 is longer than (1/4) λ with respect to the wavelength λ of the secondary light and ( 3/4) The range is shorter than λ. The arrangement interval between the first metal material 161 and the second metal material 162 is preferably a length (1/2) λ that is half the wavelength λ of the secondary light. The thickness of the dielectric 163 is determined by executing an optical simulation in the same manner as the geometric structure such as the length of the first metal material 161 and the second metal material 162.
（実施形態に係る発光装置の製造工程）
図５は、発光装置１の製造工程を示す図である。図５（ａ）は第１工程を示し、図５（ｂ）は第２工程を示し、図５（ｃ）は第３工程を示し、図５（ｄ）は第４工程を示し、図５（ｅ）は第５工程を示し、図５（ｆ）は第６工程を示し、図５（ｇ）は第７工程を示す。
(Manufacturing process of light emitting device according to embodiment)
FIG. 5 is a diagram illustrating a manufacturing process of the light emitting device 1. 5 (a) shows the first step, FIG. 5 (b) shows the second step, FIG. 5 (c) shows the third step, FIG. 5 (d) shows the fourth step, and FIG. (E) shows a 5th process, FIG.5 (f) shows a 6th process, FIG.5 (g) shows a 7th process.
まず、第１工程において、レジスト１８は、基材１４の表面に塗布される。次いで、第２工程において、レジスト１８は、ナノアンテナ１６が配置される領域が除去されるようにパターニングされる。次いで、第３工程において、パターニングされたレジスト１８の上方から第１金属材１６１の材料である金属材１９が積層される。次いで、第４工程において、パターニングされたレジスト１８の上方から誘電体１６３の材料である誘電体２０が積層される。次いで、第５工程において、パターニングされたレジスト１８の上方から第２金属材１６２の材料である金属材２１が積層される。次いで、第６工程において、レジスト１８は、基材１４の表面から除去される。次いで、第７工程において、波長変換層１５は、基材１４の表面に塗布される。そして、表面に波長変換層１５が塗布された基材１４は、実装基板１０〜反射部材１３が一体化されたＬＥＤパッケージと裏面が接着されて、発光装置１が形成される。 First, in the first step, the resist 18 is applied to the surface of the base material 14. Next, in a second step, the resist 18 is patterned so that the region where the nanoantenna 16 is disposed is removed. Next, in a third step, a metal material 19 that is a material of the first metal material 161 is laminated from above the patterned resist 18. Next, in a fourth step, a dielectric 20 that is a material of the dielectric 163 is laminated from above the patterned resist 18. Next, in a fifth step, the metal material 21 that is the material of the second metal material 162 is laminated from above the patterned resist 18. Next, in a sixth step, the resist 18 is removed from the surface of the substrate 14. Next, in the seventh step, the wavelength conversion layer 15 is applied to the surface of the substrate 14. And the base material 14 by which the wavelength conversion layer 15 was apply | coated to the surface adhere | attaches the LED package with which the mounting substrate 10-the reflection member 13 was integrated, and a back surface, and the light-emitting device 1 is formed.
（実施形態に係る発光装置の作用効果）
実施形態に係る発光装置は、金属材がエンドファイア配置になるように配置されたナノアンテナを有するので、金属材が配列される方向であるエンドファイア方向に向けて指向特性が高い光を出射できる。
(Operational effect of the light emitting device according to the embodiment)
Since the light-emitting device according to the embodiment includes nano-antennas arranged so that the metal material is in an endfire arrangement, light with high directivity can be emitted toward the endfire direction, which is the direction in which the metal materials are arranged. .
また、実施形態に係る発光装置は、蛍光体の少なくとも一部は、金属材による表面プラズモン共鳴が発生する領域に配置されるので、蛍光材の変換効率を向上させることができる。 In the light emitting device according to the embodiment, since at least a part of the phosphor is disposed in a region where surface plasmon resonance is generated by the metal material, the conversion efficiency of the phosphor material can be improved.
（実施形態に係る発光装置の変形例）
発光装置１は、ナノアンテナ１６が配置される基材１４を有するが、ナノアンテナ１６が波長変換層１５の裏面に配置可能な場合は、基材１４は省略されてもよい。
(Modification of Light Emitting Device According to Embodiment)
The light emitting device 1 includes the base material 14 on which the nano antenna 16 is disposed. However, when the nano antenna 16 can be disposed on the back surface of the wavelength conversion layer 15, the base material 14 may be omitted.
また、発光装置１では、誘電体１６３は、波長変換層１５を形成する材料と異なる材料で形成されるが、実施形態に係る発光装置では、第１金属材と第２金属材との間に配置される誘電体は、波長変換層を形成する材料と同一の材料により形成されてもよい。第１金属材と第２金属材との間に配置される誘電体を波長変換層を形成する材料と同一の材料により形成することで、誘電体を伝搬する光の波面と波長変換層を伝搬する光の波面とが一致するので、実施形態に係る発光装置の光学特性は向上する。 In the light emitting device 1, the dielectric 163 is formed of a material different from the material forming the wavelength conversion layer 15. However, in the light emitting device according to the embodiment, the dielectric 163 is interposed between the first metal material and the second metal material. The disposed dielectric may be made of the same material as that for forming the wavelength conversion layer. The dielectric disposed between the first metal material and the second metal material is formed of the same material as that for forming the wavelength conversion layer, so that the wavefront of light propagating through the dielectric and the wavelength conversion layer are propagated. Therefore, the optical characteristics of the light emitting device according to the embodiment are improved.
また、発光装置１では、ナノアンテナ１６は、第１金属材１６１及び第２金属材１６２の２つの金属材を有するが、実施形態に係る発光装置ではナノアンテナは、エンドファイア方向、すなわち放射方向に配列された３つ以上の金属材を有してもよい。実施形態に係る発光装置は、放射方向に配列される金属材の数を増加させることで、出射面から出射される光の指向特性を更に向上させることができる。 Further, in the light emitting device 1, the nano antenna 16 includes two metal materials, the first metal material 161 and the second metal material 162. However, in the light emitting device according to the embodiment, the nano antenna has an endfire direction, that is, a radiation direction. You may have three or more metal materials arranged in this. The light emitting device according to the embodiment can further improve the directivity characteristics of light emitted from the emission surface by increasing the number of metal materials arranged in the radiation direction.
また、発光装置１では、ナノアンテナ１６は、六方格子状に配置されるが、実施形態に係る発光装置では、ナノアンテナは、正方格子状等の他の格子状の配置形状に配置されてもよい。 Further, in the light emitting device 1, the nano antennas 16 are arranged in a hexagonal lattice shape. However, in the light emitting device according to the embodiment, the nano antennas may be arranged in another lattice shape such as a square lattice shape. Good.
実施例１、実施例２及び比較例のそれぞれは、青色ＬＥＤを発光素子とし、基材を厚さ０．５ｍｍの石英ガラスとし、波長変換層は（ＢａＳｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋を含有した厚さ０．６５μｍのシリコーン樹脂として形成された。実施例１、実施例２及び比較例の（ＢａＳｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋の含有率は何れも３質量％である。また、実施例１、実施例２及び比較例のそれぞれでは、ナノアンテナは、基材の表面に５２ｍｍに亘る領域に六方格子状に配置された。 In each of Example 1, Example 2, and Comparative Example, a blue LED was used as a light emitting element, a base material was made of quartz glass having a thickness of 0.5 mm, and a wavelength conversion layer contained (BaSr) 2 SiO 4 : Eu 2+ . It was formed as a silicone resin having a thickness of 0.65 μm. The contents of (BaSr) 2 SiO 4 : Eu 2+ in Example 1, Example 2, and Comparative Example are all 3% by mass. In Example 1, in each of Examples 2 and Comparative Examples, nano antenna arranged in a hexagonal lattice shape in the region over the 5 2 mm on the surface of the substrate.
実施例１では、ナノアンテナは、２つの金属材と２つの金属材の間に配置された誘電体とにより形成された。２つの金属材のそれぞれは、直径が１５０ｎｍであり且つ高さが４０ｎｍである円柱状のアルミニウムである。誘電体は、径が１５０ｎｍであり且つ高さが１７５ｎｍである円柱状のシリコーン樹脂である。 In Example 1, the nano antenna was formed by two metal materials and a dielectric disposed between the two metal materials. Each of the two metal materials is cylindrical aluminum having a diameter of 150 nm and a height of 40 nm. The dielectric is a cylindrical silicone resin having a diameter of 150 nm and a height of 175 nm.
実施例２では、ナノアンテナは、３つの金属材と３つの金属材の間に配置された２つの誘電体とにより形成された。３つの金属材のそれぞれは、実施例１の金属材と同様の構造を有し、２つの誘電体のそれぞれは、実施例２の誘電体と同様の構造を有する。 In Example 2, the nano antenna was formed by three metal materials and two dielectrics disposed between the three metal materials. Each of the three metal materials has a structure similar to that of the metal material of Example 1, and each of the two dielectrics has a structure similar to that of the dielectric material of Example 2.
比較例では、ナノアンテナは、実施例１の金属材と同様の構造を有する金属材として形成された。 In the comparative example, the nano antenna was formed as a metal material having the same structure as the metal material of Example 1.
指向特性の測定は、横河電機株式会社製の光スペクトラムアナライザ型番AQ6373とθステージを使用して行われた。 Directional characteristics were measured using an optical spectrum analyzer model number AQ6373 manufactured by Yokogawa Electric Corporation and a θ stage.
図６は、実施例１、実施例２及び比較例のそれぞれの配光曲線を示す図である。図２において、実施例１の配光曲線は実線で示され、実施例２の配光曲線は破線で示され、比較例の配光曲線は一点鎖線で示される。 FIG. 6 is a diagram illustrating light distribution curves of Example 1, Example 2, and Comparative Example. In FIG. 2, the light distribution curve of Example 1 is indicated by a solid line, the light distribution curve of Example 2 is indicated by a broken line, and the light distribution curve of the comparative example is indicated by a one-dot chain line.
単一の金属材で形成されるナノアンテナを有する比較例のメインローブ両端にはサイドローブが生じている。一方、誘電体を介して金属材が２層積層されたナノアンテナを有する実施例１の放射パターンにはサイドローブが生じていない。また、誘電体を介して金属材が３層積層されたナノアンテナを有する実施例２は、電体を介して金属材が２層積層されたナノアンテナを有する実施例１より指向特性が向上している。 Side lobes are generated at both ends of the main lobe of the comparative example having the nano antenna formed of a single metal material. On the other hand, the side lobe does not occur in the radiation pattern of Example 1 having a nano antenna in which two metal layers are laminated via a dielectric. In addition, the second example having a nano antenna in which three metal layers are stacked via a dielectric material has improved directivity characteristics than the first example having a nano antenna in which two metal layers are stacked via an electric body. ing.
１ 発光装置
１０ 実装基板
１１ 回路基板
１２ ＬＥＤ（発光素子）
１３ 反射部材
１４ 基材
１５ 波長変換層
１６ ナノアンテナ
１５０ 蛍光体（波長変換材料）
１６１ 第１金属材
１６２ 第２金属材
１６３ 誘電体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light-emitting device 10 Mounting board 11 Circuit board 12 LED (light emitting element)
13 Reflecting member 14 Base material 15 Wavelength conversion layer 16 Nanoantenna 150 Phosphor (wavelength conversion material)
161 First metal material 162 Second metal material 163 Dielectric
Claims (6)
前記発光素子の上部に配置された基材と、
前記一次光を波長変換して一次光と波長が異なる二次光を出射する波長変換材料と、
前記二次光の入射による局在表面プラズモン共鳴によって電場を発生させ、且つ、前記電場によって前記波長変換材料から出射される前記二次光の指向特性を変更するように、前記波長変換材料に近接して前記基材上に配置された複数のナノアンテナと、を有し、
前記複数のナノアンテナのそれぞれは、前記基材上において、平面視で重なって配置される複数の金属材、及び、前記複数の金属材の間に配置される誘電体を含む、
ことを特徴とする発光装置。 A light emitting element that emits primary light;
A substrate disposed on top of the light emitting element;
A wavelength conversion material that converts the wavelength of the primary light and emits secondary light having a wavelength different from that of the primary light;
Proximity to the wavelength conversion material so as to generate an electric field by localized surface plasmon resonance due to the incidence of the secondary light and to change the directivity characteristics of the secondary light emitted from the wavelength conversion material by the electric field A plurality of nano antennas disposed on the substrate,
Each of the plurality of nanoantennas includes a plurality of metal materials arranged in a plan view on the base material, and a dielectric disposed between the plurality of metal materials.
A light emitting device characterized by that.
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| JP6982535B2 (en) | 2021-12-17 |
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