JP4845390B2 - Light wavelength conversion film and illumination device including the same - Google Patents
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Description
本発明は光波長変換膜とそれを含む照明装置に関し、特に、低コストで簡便に製造できかつ種々の用途に使用し得る光波長変換膜とそれを含む照明装置に関する。 The present invention relates to a light wavelength conversion film and a lighting device including the same, and particularly to a light wavelength conversion film that can be easily manufactured at low cost and can be used for various applications, and a lighting device including the light wavelength conversion film.
今日では、エネルギ変換効率に優れかつ小型である発光ダイオード(LED)や半導体レーザ(LD)を白色光源や照明装置として利用することが進められており、既に実用化されている例もある。 Today, light emitting diodes (LEDs) and semiconductor lasers (LDs) that are excellent in energy conversion efficiency and small are being used as white light sources and illumination devices, and there are examples that have already been put into practical use.
しかし、LEDチップまたはLDチップはその発光層のエネルギバンドギャップに対応した光を放射するので、広い波長範囲を含む白色光を放射することはできず、特定波長範囲内に偏在した光を放射するのが一般的である。したがって、LEDまたはLDを白色光源として利用するためには、発光チップから放射される特定波長範囲内の光を白色化して利用しなければならい。 However, since the LED chip or the LD chip emits light corresponding to the energy band gap of the light emitting layer, white light including a wide wavelength range cannot be emitted, and light unevenly distributed within a specific wavelength range is emitted. It is common. Therefore, in order to use the LED or LD as a white light source, light within a specific wavelength range emitted from the light emitting chip must be whitened and used.
たとえば、LEDを利用した白色光源の一例として、RGB合成LEDがある。これは、赤色(R)発光チップ、緑色(G)発光チップ、および青色(B)発光チップを一組として樹脂封止して一つの白色LEDにしたものである。このような3原色光の発光チップを含むLEDは、高い純度の白色光を放射することができ、演色性に優れている。しかし、RGBのそれぞれの発光チップは、異なる化合物半導体材料を利用して作製され、それぞれに適した駆動電圧を印加するために、複雑なドライブ回路を必要とする。 For example, as an example of a white light source using LEDs, there is an RGB composite LED. In this case, a red (R) light-emitting chip, a green (G) light-emitting chip, and a blue (B) light-emitting chip are combined as a pair to form a white LED. An LED including such a three-primary-color light-emitting chip can emit high-purity white light and has excellent color rendering. However, each light emitting chip of RGB is manufactured using different compound semiconductor materials, and requires a complicated drive circuit in order to apply a driving voltage suitable for each.
そこで、特許文献1の特許第3503139号公報は、青色発光チップとその発光を受けて黄色に発光する蛍光材料とを組み合わせた白色LEDを開示している。すなわち、この白色LEDでは、青色光とその補色関係にある黄色光との混色によって白色光を得ている。したがって、この白色LEDからの光には赤色の波長領域において光強度が弱く、演色性が十分とはいえない。また、利用し得る蛍光材料は、Y、Lu、Sc、La、Gd、Smなどの希土類元素を含み、それらは比較的高価な希少元素である。
Therefore, Japanese Patent No. 3503139 of
他方、今日では、強力な紫外光を放射し得る種々の光源が開発されている。そのような紫外光源として、たとえばGaN系のLEDやLD、水銀放電管、気体レーザ装置、固体レーザ装置などが利用可能である。そして、これらの紫外光源は、一般に白熱灯に比べて電気エネルギを光エネルギに変換する効率が遥かに高い。 On the other hand, various light sources capable of emitting intense ultraviolet light have been developed today. As such an ultraviolet light source, for example, a GaN-based LED or LD, a mercury discharge tube, a gas laser device, a solid-state laser device, or the like can be used. These ultraviolet light sources are generally much more efficient at converting electrical energy into light energy than incandescent lamps.
しかし、紫外光は人間の目で認識することができないし、目に対して有害でもある。そこで、紫外光を可視光に変換して利用する場合、従来では一般に蛍光材料が利用されている。しかし、従来の一般的で安価な蛍光材料は、青みがかった光を放射するものが多い。そして、フルカラーの表示が可能な白色光を放射し得る蛍光材料には、希少元素で高価な希土類元素が含められることが多い。 However, ultraviolet light cannot be recognized by the human eye and is harmful to the eyes. Therefore, in the case where ultraviolet light is converted into visible light and used, fluorescent materials are generally used conventionally. However, many conventional general and inexpensive fluorescent materials emit bluish light. The fluorescent material capable of emitting white light capable of full color display often includes rare and expensive rare earth elements.
ところで、近年では、種々の技術分野で利用し得る材料として期待される有機・無機ハイブリッド材料が注目されている(非特許文献1の第33回応用物理学会スクールB、「有機デバイスとその発展の最前線:パート1材料編」、2003年9月2日発行、第33−45頁、中條善樹著「有機―無機ハイブリッド材料の可能性」(JSAP Catalog Number: AP031333)参照)。ここで、有機・無機ハイブリッドとは、有機材料と無機材料の組み合わせを意味する。ただし、従来から知られているコンポジット(複合)材のような単なる混合物とは区別して、その混ざり合いがナノオーダまたは分子オーダのものを特に有機・無機ハイブリッドと呼ぶことが提案されている。
By the way, in recent years, organic-inorganic hybrid materials expected as materials that can be used in various technical fields have attracted attention (The 33rd JSAP School B of Non-Patent
そのような有機・無機ハイブリッド材料には、有機ポリマまたは無機物のいずれか一方の単独では得られない種々の物理的または化学的特性が期待され得る。例えば、プラスチックのように柔軟でありながら機械的強度、耐熱性、耐候性などに優れている有機・無機ハイブリッド材料が期待され得る。そして、本発明者は、有機・無機ハイブリッド材料が特殊な光学的特性をも有するのではないかと期待した。 Such an organic / inorganic hybrid material can be expected to have various physical or chemical properties that cannot be obtained by either an organic polymer or an inorganic substance alone. For example, an organic / inorganic hybrid material that is flexible and excellent in mechanical strength, heat resistance, weather resistance, etc., such as plastic, can be expected. The present inventor expected that the organic / inorganic hybrid material may have special optical characteristics.
有機・無機ハイブリッド材料に含まれる無機成分の最も代表的な例として、シリカを用いることができる。この場合、シリカゲルをいくら細かく粉砕しようとしても、分子レベルまで粉砕することは不可能である。ところが、ゾル・ゲル法を利用することによって、分子的分散が可能になる。より具体的には、ゾル・ゲル法は、シリケートの加水分解とそれに続くシラノール基の縮合反応を含んでいる。したがって、そのようなゾル・ゲル反応に有機高分子を共存させることによって、有機ポリマとシリカゲルが分子的に分散した有機・無機ハイブリッド材料を合成することができる。 Silica can be used as the most typical example of the inorganic component contained in the organic / inorganic hybrid material. In this case, no matter how finely the silica gel is pulverized, it is impossible to pulverize it to the molecular level. However, molecular dispersion is possible by using the sol-gel method. More specifically, the sol-gel method includes hydrolysis of silicate followed by condensation reaction of silanol groups. Therefore, an organic / inorganic hybrid material in which an organic polymer and silica gel are molecularly dispersed can be synthesized by allowing an organic polymer to coexist in such a sol-gel reaction.
図10はそのような有機ポリマとシリカゲルが分子的に分散した有機・無機ハイブリッド材料の一例を概念的に図解しており、シリカ(SiO2)の母相中に有機ポリマ(Polymer)分子が分散している状態を示している。
上述のようにゾル・ゲル法を利用して形成された有機・無機ハイブリッド材料では、シリカ分子とポリマ分子との間が水素結合で維持されている。図11は、そのようにシリカ分子とポリマ分子との間が水素結合で維持されている有機・無機ハイブリッド材料の化学的構造の一例を図解している。この図11において、矢印が水素結合を表している。 In the organic / inorganic hybrid material formed by using the sol-gel method as described above, the silica molecule and the polymer molecule are maintained by hydrogen bonds. FIG. 11 illustrates an example of the chemical structure of an organic / inorganic hybrid material in which the silica molecule and the polymer molecule are maintained by hydrogen bonds. In FIG. 11, the arrow represents a hydrogen bond.
周知のように、水素結合は通常の共有結合に比べて弱い結合である。したがって、ゾル・ゲル法による有機・無機ハイブリッド材料は、柔軟性を有するとしても、例えば十分に高い強度を有することが困難であると考えられる。また、そのような有機・無機ハイブリッド材料中の水素結合は大気中の水蒸気や酸素と反応し得るので、そのハイブリッド材料は経時的に劣化する可能性がある。 As is well known, hydrogen bonds are weak bonds compared to ordinary covalent bonds. Therefore, even if the organic / inorganic hybrid material by the sol-gel method has flexibility, it is considered difficult to have a sufficiently high strength, for example. Moreover, since the hydrogen bond in such an organic-inorganic hybrid material can react with water vapor | steam and oxygen in air | atmosphere, the hybrid material may deteriorate with time.
さらに、ゾル・ゲル法は液体中で行われるので、半導体電子装置や有機電子装置などの表面上に直接的にゾル・ゲル法を適用して有機・無機ハイブリッド膜などを形成することが困難である。また、ゾル・ゲル法による有機・無機ハイブリッド膜を被膜として形成する場合、一般には、得られた有機・無機ハイブリッド材料を下地上に塗布することによって被膜を形成する。その場合、ガラスや高分子フィルムなどの基板表面と有機・無機ハイブリッド材料との界面において、十分に強固な接合性を得ることが容易ではない。また、被膜を塗布法によって形成する場合、その膜厚をナノオーダで制御することが困難である。 Furthermore, since the sol-gel method is performed in a liquid, it is difficult to form an organic / inorganic hybrid film by directly applying the sol-gel method on the surface of a semiconductor electronic device or an organic electronic device. is there. When an organic / inorganic hybrid film by a sol-gel method is formed as a film, the film is generally formed by applying the obtained organic / inorganic hybrid material on a base. In that case, it is not easy to obtain sufficiently strong bondability at the interface between the substrate surface such as glass or polymer film and the organic / inorganic hybrid material. Moreover, when forming a film by the apply | coating method, it is difficult to control the film thickness by nano order.
上述のような先行技術における蛍光材料および有機・無機ハイブリッド材料の状況に鑑み、本発明は、低コストで簡便に製造できかつ種々の用途に使用し得る光波長変換膜とそれを含む照明装置を提供することを目的としている。 In view of the situation of fluorescent materials and organic / inorganic hybrid materials in the prior art as described above, the present invention provides a light wavelength conversion film that can be easily manufactured at low cost and can be used for various applications, and an illumination device including the same. It is intended to provide.
本発明の一つの態様によれば、受けた光の波長を異なる波長の光に変換して放射する光波長変換膜はSi系有機・無機ハイブリッド膜を含み、そのSi系有機・無機ハイブリッド膜はSiを含む有機化合物の蒸気を高温のフィラメントに向けて導入して生じる加熱合成で得られるものであり、その化学的骨格構造に少なくとも炭素とシリコンとを含んでおり、そして、そのSi系有機・無機ハイブリッド膜は可視光に比べて短い波長を含む第1の光を受けて可視光範囲内の波長を含む第2の光に変換して放射することを特徴としている。なお、そのSi系有機・無機ハイブリッド膜の化学的骨格構造は、酸素と窒素の少なくとも一方をさらに含むことができる。 According to one aspect of the present invention, the light wavelength conversion film that converts the wavelength of received light into light of a different wavelength and radiates includes a Si-based organic / inorganic hybrid film, and the Si-based organic / inorganic hybrid film includes: It is obtained by heat synthesis that occurs by introducing a vapor of an organic compound containing Si toward a high-temperature filament, and its chemical skeleton structure contains at least carbon and silicon. The inorganic hybrid film is characterized in that it receives first light having a shorter wavelength than visible light, converts it into second light having a wavelength in the visible light range, and emits it. The chemical skeleton structure of the Si-based organic / inorganic hybrid film can further include at least one of oxygen and nitrogen.
そのような光波長変換膜は、第2の光として、緑色の波長領域内にピーク強度を有する光を放射し得る。また、緑色の波長領域内にピーク強度を有する第2の光は、そのピーク強度の波長に比べて短い波長領域と長い波長領域に光強度の裾領域を含むことによって、全体として白色光として認識され得る。第2の光は、青色の波長領域内にピーク強度を有することも可能で、赤色の波長領域内にピーク強度を有することも可能である。 Such a light wavelength conversion film can emit light having a peak intensity in the green wavelength region as the second light. In addition, the second light having the peak intensity in the green wavelength region is recognized as white light as a whole by including the light intensity tail region in the short wavelength region and the long wavelength region compared to the wavelength of the peak intensity. Can be done. The second light may have a peak intensity in the blue wavelength region, and may have a peak intensity in the red wavelength region.
Si系有機・無機ハイブリッド膜は、そこへの入射光から変換されて放射される可視光における波長分布を調整するためのドーパントをさらに含むことができる。そのようなドーパントとしてたとえばボロンを利用することができ、その場合には第2の光が赤色の波長領域内にピーク強度を有し得る。 The Si-based organic / inorganic hybrid film may further include a dopant for adjusting a wavelength distribution in visible light that is converted and emitted from incident light. For example, boron may be used as such a dopant, in which case the second light may have a peak intensity in the red wavelength region.
本発明のもう一つの態様によれば、上述のような光波長変換膜を含む照明装置は、可視光に比べて短い波長を含む第1の光を放射する光源と、その第1の光を受けて可視光範囲内の波長を含む第2の光を放射するように配置された上述のSi系有機・無機ハイブリッド膜とを含むことを特徴としている。 According to another aspect of the present invention, an illumination device including the light wavelength conversion film as described above includes a light source that emits a first light having a shorter wavelength than visible light, and the first light. And the above-described Si-based organic / inorganic hybrid film disposed so as to emit second light including a wavelength within the visible light range.
その光源は、発光ダイオード、半導体レーザ素子、放電管、固体レーザ装置、および気体レーザ装置のいずれかを含むことができる。Si系有機・無機ハイブリッド膜は、その光源の光放射面に接して形成され得る。他方、Si系有機・無機ハイブリッド膜は、光源の光放射面に比べて大面積の平面または曲面を有することもできる。Si系有機・無機ハイブリッド膜が第1の光を受け入れる前段部および第2の光を放射する後段部の少なくともいずれか一方において、光を導く光学部品をさらに含むこともできる。上述のような照明装置は、表示装置のバックライトとして好ましく用いることもできる。 The light source can include any of a light emitting diode, a semiconductor laser element, a discharge tube, a solid state laser device, and a gas laser device. The Si-based organic / inorganic hybrid film can be formed in contact with the light emitting surface of the light source. On the other hand, the Si-based organic / inorganic hybrid film may have a plane or curved surface having a larger area than the light emitting surface of the light source. The Si-based organic / inorganic hybrid film may further include an optical component that guides light in at least one of the front part that receives the first light and the rear part that emits the second light. The lighting device as described above can also be preferably used as a backlight of a display device.
本発明によれば、種々の用途に使用し得る光波長変換膜とそれを含む照明装置を低コストでかつ簡便に提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the light wavelength conversion film which can be used for various uses, and an illuminating device containing the same at low cost and simply.
まず、一般に有機化合物は、高温に加熱された場合には、その分子が分解する方向に反応が進むのが通常であると考えられている。しかし、本発明者は、Siを含む有機化合物(以下、「有機Si化合物」とも称す)の蒸気を高温のフィラメントに向けて導入することによって、分解反応とともに合成反応が生じて、Si系有機・無機ハイブリッド膜が合成され得ることを見出した。なお、このような高温フィラメントの作用によって生じる合成反応は、以後、本願明細書において「加熱合成」とも略称される。また、本発明者は、そのようにして得られた有機・無機ハイブリッド膜が光波長変換機能を有することをも見出した。 First, it is generally considered that when an organic compound is heated to a high temperature, the reaction proceeds in the direction in which the molecule decomposes. However, the present inventor introduces a vapor of an organic compound containing Si (hereinafter, also referred to as “organic Si compound”) toward a high-temperature filament, so that a synthetic reaction occurs along with a decomposition reaction. It has been found that inorganic hybrid membranes can be synthesized. Such a synthesis reaction caused by the action of the high-temperature filament is hereinafter also abbreviated as “heat synthesis” in the present specification. The present inventor has also found that the organic / inorganic hybrid film thus obtained has a light wavelength conversion function.
そのようなSi系有機・無機ハイブリッド膜の加熱合成の化学的機構は必ずしも明らかではないが、次のような機構を推測することができる。すなわち、有機Si化合物は、高温フィラメントとの相互作用による分解反応によって、ラジカルを生成すると考えられる。そして、これらのラジカル同士が反応して安定なC−Si結合を形成することによって、Si系有機・無機ハイブリッド膜が合成され得ると推測される。 The chemical mechanism of the heat synthesis of such a Si-based organic / inorganic hybrid film is not necessarily clear, but the following mechanism can be assumed. That is, the organic Si compound is considered to generate radicals by a decomposition reaction due to interaction with the high temperature filament. Then, it is presumed that a Si-based organic / inorganic hybrid film can be synthesized when these radicals react to form a stable C—Si bond.
なお、モノマを重合させてポリマを合成する通常の場合には、重合開始剤が必要である。本発明におけるSi系有機・無機ハイブリッド膜の合成の場合には、高温フィラメントとの相互作用で生じた水素ラジカルやSiHn(n=1,2,3)、CHn(n=1,2,3)のラジカルが重合開始剤に類似の作用を生じていると推測することができる。 In the usual case where a polymer is synthesized by polymerizing a monomer, a polymerization initiator is required. In the case of the synthesis of the Si-based organic / inorganic hybrid film in the present invention, hydrogen radicals generated by the interaction with the high-temperature filament, SiH n (n = 1, 2, 3), CH n (n = 1, 2, It can be presumed that the radical 3) has a similar effect to the polymerization initiator.
有機Si化合物としては、アルキルシラン、アルコキシシラン、アミノシランなどを用いることができる。アルキルシランの例としてはモノメチルシラン、ジメチルシラン、トリメチルシラン、テトラメチルシランなどを好ましく用いることができ、アルコキシシランの例としてはテトラエトシキシラン、ジメチルジメトキシシランなどを好ましく用いることができ、そしてアミノシランの例としてはトリスジメチルアミノシランなどを好ましく用いることができる。 As the organic Si compound, alkylsilane, alkoxysilane, aminosilane, or the like can be used. As examples of alkylsilanes, monomethylsilane, dimethylsilane, trimethylsilane, tetramethylsilane and the like can be preferably used. As examples of alkoxysilanes, tetraethoxysilane, dimethyldimethoxysilane and the like can be preferably used. As an example, trisdimethylaminosilane can be preferably used.
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1における加熱合成によるSi系有機・無機ハイブリッド膜の形成に利用し得る成膜装置を模式的なブロック図で図解している。この成膜装置は、ガス導入口1aと排気口1bとを有する反応容器1を備えている。反応容器1内には、加熱フィラメント2とそれに対面する基体または基板3を支持するための台4が設けられている。そして、フィラメント2は反応容器1外の電源5に接続されている。図1から分かるように、本実施形態1の加熱合成においては、極めて簡略で低コストの成膜装置によって、Si系有機・無機ハイブリッド膜を形成することができる。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic block diagram illustrating a film forming apparatus that can be used for forming a Si-based organic / inorganic hybrid film by heat synthesis in
図1の成膜装置を用いてSi系有機・無機ハイブリッド膜を加熱合成する具体例として、シリコン単結晶ウエハの基板3が配置された反応容器1内に、10sccmのジメチルシランガスと364Paのスチレン蒸気との混合ガスが導入された。このとき、反応容器1内は、13300Paの圧力に設定された。そして、Wフィラメント2を1800℃に加熱したところ、約5分の短時間に急激な合成反応が生じて、シリコン基板3上にSi系有機・無機ハイブリッド膜が形成された。なお、得られたSi系有機・無機ハイブリッド膜についてX線回折によって結晶性が調べられたが、その膜の結晶性を表すようなX線回折は観測されなかった。すなわち、本発明では非晶質のSi系有機・無機ハイブリッド膜が形成されると考えられる。
As a specific example of heating and synthesizing a Si-based organic / inorganic hybrid film using the film forming apparatus of FIG. 1, 10 sccm dimethylsilane gas and 364 Pa styrene vapor are placed in a
図2のグラフにおける曲線PL−1は、本実施形態1で得られたSi系有機・無機ハイブリッド膜のFTIR(フーリエ変換赤外分光法)における赤外吸収を示している。このグラフの横軸は吸収光の波数(cm−1)を表し、縦軸は光吸収(任意単位)を表している。なお、曲線PL−1に関する縦軸の絶対値は特別な意味を有さず、その曲線の縦軸方向における相対的変化のみが吸収率変化の意味を有している。そして、グラフ中の曲線における山の部分は赤外吸収の大きな波数部分であって、特定の化学結合に対応した吸収を生じている。このグラフ中に例示された代表的な化学結合例から分かるように、得られたSi系有機・無機ハイブリッド膜は、Si−C結合、Si−CHn(n=1,2,3)結合などを含んでいる。したがって、このハイブリッド膜の化学的構造としては、原料ガスの組成から考えて、非晶質状態の骨格構造にCとSiを含み、それらの浮遊結合手(ダングリングボンド)はHによって終端(ターミネート)されていると考えられる(すなわち、Si−H結合およびC−H結合をも含む)。 A curve PL-1 in the graph of FIG. 2 indicates infrared absorption in FTIR (Fourier transform infrared spectroscopy) of the Si-based organic / inorganic hybrid film obtained in the first embodiment. The horizontal axis of this graph represents the wave number (cm −1 ) of absorbed light, and the vertical axis represents light absorption (arbitrary unit). In addition, the absolute value of the vertical axis | shaft regarding the curve PL-1 does not have a special meaning, and only the relative change in the vertical axis | shaft direction of the curve has the meaning of an absorption rate change. And the peak part in the curve in a graph is a wave number part with a large infrared absorption, and has produced the absorption corresponding to a specific chemical bond. As can be seen from the representative chemical bonding examples illustrated in this graph, the obtained Si-based organic / inorganic hybrid film includes Si—C bonds, Si—CH n (n = 1, 2, 3) bonds, and the like. Is included. Therefore, as a chemical structure of this hybrid film, in view of the composition of the raw material gas, C and Si are contained in the skeleton structure in an amorphous state, and these floating bonds (dangling bonds) are terminated by H (terminate). ) (Ie, including Si—H bonds and C—H bonds).
図3のグラフにおける曲線PL−1は、本実施形態1で得られたSi系有機・無機ハイブリッド膜のPL(フォトルミネッセンス)特性を示している。このグラフの横軸はPL光の波長(nm)を表し、縦軸はPL強度(任意単位)を表している。なお、このPL特性の測定には、He−Cdレーザ装置からの波長325nmの紫外光が照射された。このグラフから分かるように、得られたSi系有機・無機ハイブリッド膜のPL光は波長510nmにおいてピーク強度を有しているが、広い裾野の波長領域をも含んでいるので、少し緑がかっているがほぼ白色のPL光を放射する特性を有している。 A curve PL-1 in the graph of FIG. 3 indicates the PL (photoluminescence) characteristics of the Si-based organic / inorganic hybrid film obtained in the first embodiment. The horizontal axis of this graph represents the wavelength (nm) of PL light, and the vertical axis represents PL intensity (arbitrary unit). The PL characteristics were measured by irradiation with ultraviolet light having a wavelength of 325 nm from a He—Cd laser device. As can be seen from this graph, the PL light of the obtained Si-based organic / inorganic hybrid film has a peak intensity at a wavelength of 510 nm, but also includes a broad base wavelength region, so it is a little greenish. Has a characteristic of emitting substantially white PL light.
すなわち、本実施形態1のSi系有機・無機ハイブリッド膜は、紫外光を可視光に変換する波長変換機能を有することが分かった。そして、このように広い波長領域を含む白色のPL光を放射することは、そのハイブリッド膜がその化学的構造に対応して種々のエネルギレベルの化学的結合を含んでいることを示唆していると考えられる。
That is, it was found that the Si-based organic / inorganic hybrid film of
また、本実施形態1によるSi系有機・無機ハイブリッド膜は、数ヶ月間にわたって大気中に放置されたが、そのPL発光特性はほとんど変化しなかった。このことは、図11に示されているような水素結合で維持されている従来の有機・無機ハイブリッド材料に比べて、本実施形態1によるSi系有機・無機ハイブリッド膜は化学的に非常に安定な膜であることを示唆していると考えられる。
Further, the Si-based organic / inorganic hybrid film according to
(実施形態2)
実施形態1に類似して、実施形態2においても、図1の成膜装置を用いてSi系有機・無機ハイブリッド膜が加熱合成された。しかし、本実施形態2においては、シリコン単結晶ウエハの基板3が配置された反応容器1内に、10sccmのN2ガスと394Paのトリスジメチルアミノシラン蒸気との混合ガスが導入された。このとき、反応容器1内は、166Paの圧力に設定された。そして、Wフィラメント2を2000℃に加熱したところ、約5分の短時間に急激な合成反応が生じて、シリコン基板3上にSi系有機・無機ハイブリッド膜が形成された。
(Embodiment 2)
Similar to the first embodiment, also in the second embodiment, the Si-based organic / inorganic hybrid film was synthesized by heating using the film forming apparatus of FIG. However, in the second embodiment, a mixed gas of 10 sccm of N 2 gas and 394 Pa of trisdimethylaminosilane vapor was introduced into the
図2のグラフにおける曲線PL−2は、本実施形態2で得られたSi系有機・無機ハイブリッド膜のFTIRにおける赤外吸収率を示している。このグラフ中に例示された代表的な化学結合例から分かるように、得られたSi系有機・無機ハイブリッド膜は、Si−C結合、Si−N結合、Si−O結合、Si−CHn(n=1,2,3)結合などを含んでいる。なお、Si−O結合はSi−CH2とほぼ同じ位置に吸収ピークを有しており、それは反応室1内に残留していた酸素に起因していると考えられる。すなわち、このハイブリッド膜の化学的構造としては、非晶質状態の骨格構造にC−Si結合、Si−N結合、およびSi−O結合を含み、それらの浮遊結合手(ダングリングボンド)はHによって終端(ターミネート)されていると考えられる(すなわち、Si−H結合、C−H結合、N−H結合、およびO−H結合をも含む)。
A curve PL-2 in the graph of FIG. 2 indicates the infrared absorptance in FTIR of the Si-based organic / inorganic hybrid film obtained in the second embodiment. As can be seen from the representative chemical bonding examples illustrated in this graph, the obtained Si-based organic / inorganic hybrid film has Si—C bonds, Si—N bonds, Si—O bonds, Si—CH n ( n = 1, 2, 3) and the like. Note that the Si—O bond has an absorption peak at substantially the same position as Si—CH 2 , which is considered to be caused by oxygen remaining in the
図3のグラフにおける曲線PL−2は、実施形態1の場合に類似して、本実施形態2で得られたSi系有機・無機ハイブリッド膜のPL特性を示している。すなわち、本実施形態2のPL特性の測定においても、He−Cdレーザ装置からの波長325nmの紫外光が照射された。このグラフから分かるように、得られたSi系有機・無機ハイブリッド膜のPL光は波長440nmにおいてピーク強度を有するとともに、比較的広い裾野の波長領域をも含んでいる。すなわち、本実施形態1のSi系有機・無機ハイブリッド膜も、紫外光を可視光に変換する波長変換機能を有している。そして、このように比較的広い波長領域を含むPL光を放射することは、本実施形態2のハイブリッド膜もその化学的構造に対応して種々のエネルギレベルの化学的結合を含んでいることを示唆していると考えられる。しかし、この実施形態2におけるSi系有機・無機ハイブリッド膜のPL光は、その短い波長440nmにおけるピーク強度に基づいて青みがかった光として感知される。
A curve PL-2 in the graph of FIG. 3 shows the PL characteristics of the Si-based organic / inorganic hybrid film obtained in the second embodiment, similar to the case of the first embodiment. That is, also in the measurement of the PL characteristics of the second embodiment, ultraviolet light with a wavelength of 325 nm from the He—Cd laser apparatus was irradiated. As can be seen from this graph, the PL light of the obtained Si-based organic / inorganic hybrid film has a peak intensity at a wavelength of 440 nm and also includes a relatively broad base wavelength region. That is, the Si-based organic / inorganic hybrid film of
また、本実施形態2によるSi系有機・無機ハイブリッド膜も、数ヶ月間にわたって大気中に放置されたが、そのPL発光特性はほとんど変化しなかった。このことは、図11に示されているような水素結合で維持されている従来の有機・無機ハイブリッド材料に比べて、本実施形態2によるSi系有機・無機ハイブリッド膜も化学的に非常に安定な膜であることを示唆していると考えられる。
Further, the Si-based organic / inorganic hybrid film according to
(実施形態3)
実施形態1および2に類似して、実施形態3においても、図1の成膜装置を用いてSi系有機・無機ハイブリッド膜が加熱合成された。しかし、本実施形態3においては、シリコン単結晶ウエハの基板3が配置された反応容器1内に、10sccmのモノメチルシランガス、10sccmのN2ガス、および10sccmのH2ガスに6.7Paのトリメトキシボロン蒸気を含めたの混合ガスが導入された。このとき、反応容器1内は、13.3Paの圧力に設定された。そして、Wフィラメント2を2000℃に加熱したところ、約10分間の合成反応によって、シリコン基板3上にSi系有機・無機ハイブリッド膜が形成された。
(Embodiment 3)
Similar to Embodiments 1 and 2, also in
図2のグラフにおける曲線PL−3は、本実施形態3で得られたSi系有機・無機ハイブリッド膜のFTIRにおける赤外吸収率を示している。このグラフ中に例示された代表的な化学結合例から分かるように、得られたSi系有機・無機ハイブリッド膜は、Si−C結合、Si−O結合などを含んでいる。すなわち、このハイブリッド膜の化学的構造としても、非晶質状態の骨格構造にC−Si結合およびSi−O結合を含み、それらの浮遊結合手(ダングリングボンド)はHによって終端(ターミネート)されていると考えられる(すなわち、Si−H結合、C−H結合、およびO−H結合をも含む)。 A curve PL-3 in the graph of FIG. 2 indicates the infrared absorptance in FTIR of the Si-based organic / inorganic hybrid film obtained in the third embodiment. As can be seen from the representative chemical bonding examples illustrated in this graph, the obtained Si-based organic / inorganic hybrid film includes Si—C bonds, Si—O bonds, and the like. In other words, the chemical structure of this hybrid film also includes C—Si bonds and Si—O bonds in the skeleton structure in an amorphous state, and these floating bonds (dangling bonds) are terminated by H. (Ie, including Si—H bonds, C—H bonds, and O—H bonds).
図3のグラフにおける曲線PL−3は、実施形態1および2の場合に類似して、本実施形態3で得られたSi系有機・無機ハイブリッド膜のPL特性を示している。すなわち、本実施形態3のPL特性の測定においても、He−Cdレーザ装置からの波長325nmの紫外光が照射された。このグラフから分かるように、得られたSi系有機・無機ハイブリッド膜のPL光は波長600nmにおいてピーク強度を有するとともに、非常に広い裾野の波長領域をも含んでいる。すなわち、本実施形態3のSi系有機・無機ハイブリッド膜も、紫外光を可視光に変換する波長変換機能を有している。そして、このように非常に広い波長領域を含むPL光を放射することは、本実施形態3のハイブリッド膜もその化学的構造に対応して種々のエネルギレベルの化学的結合を含んでいることを示唆していると考えられる。しかし、この実施形態3におけるSi系有機・無機ハイブリッド膜のPL光は、その長い波長600nmにおけるピーク強度に基づいて赤みがかった光として感知される。
A curve PL-3 in the graph of FIG. 3 shows the PL characteristics of the Si-based organic / inorganic hybrid film obtained in the third embodiment, similar to the first and second embodiments. That is, also in the measurement of the PL characteristics of the third embodiment, ultraviolet light with a wavelength of 325 nm from the He—Cd laser apparatus was irradiated. As can be seen from this graph, the PL light of the obtained Si-based organic / inorganic hybrid film has a peak intensity at a wavelength of 600 nm and also includes a very wide wavelength range. That is, the Si-based organic / inorganic hybrid film of
また、本実施形態3によるSi系有機・無機ハイブリッド膜も、数ヶ月間にわたって大気中に放置されたが、そのPL発光特性はほとんど変化しなかった。このことは、図11に示されているような水素結合で維持されている従来の有機・無機ハイブリッド材料に比べて、本実施形態3によるSi系有機・無機ハイブリッド膜も化学的に非常に安定な膜であることを示唆していると考えられる。
Further, the Si-based organic / inorganic hybrid film according to
なお、上述のような種々の実施形態におけるSi系有機・無機ハイブリッド膜おいて注目すべき点は、Wフィラメントを1800℃または2000℃もの高温に加熱しても、PET(ポリエチレンテレフタレート)フィルム基板のような有機フィルム基板上にも形成可能なことである。すなわち、図1の成膜装置中で基板3としてPETフィルムを用いた場合でも、短時間の合成反応中にそのPETフィルム基板3が熱変形していなかったということである。この場合に、基板支持台4はステンレス鋼で形成されており、何ら冷却手段は講じられていなかった。PETフィルムは(非晶質度約95%のフィルムで)約75℃の低いガラス転移温度を有しているが、そのような低いガラス転移温度を有する有機フィルム上に形成されうるSi系有機・無機ハイブリッド膜は、工業的に非常に有用であると考えられる。もちろん、本発明における加熱合成によるSi系有機・無機ハイブリッド膜は、ガラス転移温度の低い有機フィルム上に成膜できるのであるから、石英ガラス、パイレックス(登録商標)、ソーダガラスなどのガラス基板上にも成膜可能であることは言うまでもない。
Note that in the Si-based organic / inorganic hybrid films in the various embodiments as described above, even if the W filament is heated to a high temperature of 1800 ° C. or 2000 ° C., the PET (polyethylene terephthalate) film substrate It can also be formed on such an organic film substrate. That is, even when a PET film is used as the
以上のような種々の実施形態において例示されたように、本発明によれば、少なくともCとSiを含みさらにOおよび/またはNをも含み得る非晶質のSi系有機・無機ハイブリッド膜を簡便かつ低コストで形成することができる。そして、そのようなSi系有機・無機ハイブリッド膜は、FTIRやPL測定の結果から、その化学的骨格構造に少なくともCとSiを含みさらにOおよび/またはNをも含み得ると考えられる。 As exemplified in the various embodiments as described above, according to the present invention, an amorphous Si-based organic / inorganic hybrid film that contains at least C and Si and can also contain O and / or N can be easily used. And it can be formed at low cost. Such Si-based organic / inorganic hybrid films are considered to contain at least C and Si in the chemical skeleton structure and may also contain O and / or N from the results of FTIR and PL measurements.
図4は、一例として、C、Si、およびOを骨格構造に含むSi系有機・無機ハイブリッド膜中の原子配列を模式的な立体的ネットワークで表している。この図において、左下がり傾斜のハッチングが施された丸印はSi原子を表し、右下がり傾斜のハッチングの施された丸印はO原子を表し、クロスハッチが施された丸印はC原子を表し、そして白丸印はH原子を表している。すなわち、Si系有機・無機ハイブリッド膜中において、C、Si、およびOの原子は共有結合によって骨格構造となるネットワークを形成し、それらの原子のダングリングボンドはH原子によってターミネートされていると考えられる。このような化学構造は、図11に示されているように水素結合を介して有機分子と無機分子が互いに分散しているような従来の有機・無機ハイブリッド材料の構造と全く異なっていることが理解されよう。 FIG. 4 shows, as an example, a schematic three-dimensional network of an atomic arrangement in a Si-based organic / inorganic hybrid film containing C, Si, and O in the skeleton structure. In this figure, the circles with left-sloped hatching represent Si atoms, the circles with right-sloped hatching represent O atoms, and the circles with cross-hatching represent C atoms. And white circles represent H atoms. That is, in the Si-based organic / inorganic hybrid film, the atoms of C, Si, and O form a network having a skeleton structure by covalent bonds, and the dangling bonds of these atoms are terminated by H atoms. It is done. Such a chemical structure is completely different from the structure of a conventional organic / inorganic hybrid material in which organic molecules and inorganic molecules are dispersed with each other through hydrogen bonds as shown in FIG. It will be understood.
(実施形態4)
実施形態4においては、実施形態1から3において得られる光波長変換膜が白色照明装置に利用される。すなわち、図5の模式的な側面図において、本発明による光波長変換膜を利用して作製される白色照明装置の一例が示されている。この白色照明装置は、リードワイヤ10aから電力が供給される紫外発光LED(またはLD)10を含んでいる。そして、そのLED10の紫外光放射面上に、本発明によって得られる光波長変換膜11が形成される。そのようなLED10の紫外光放射面は、たとえばLEDチップを封止した樹脂の表面であり得る。前述のように、本発明による光波長変換膜は耐熱性の低い有機材料上にも形成することができるので、そのような封止樹脂表面上にも形成し得ることは言うまでもない。
(Embodiment 4)
In the fourth embodiment, the light wavelength conversion film obtained in the first to third embodiments is used for a white illumination device. That is, in the schematic side view of FIG. 5, an example of a white illumination device manufactured using the light wavelength conversion film according to the present invention is shown. This white illumination device includes an ultraviolet light emitting LED (or LD) 10 to which power is supplied from a
すなわち、図5の照明装置においては、LED10から放射される紫外光が光波長変換膜11によって可視光12に変換されて放射される。その場合に、光波長変換膜11として実施形態1の光波長変換膜のみを形成した場合には、その単層膜によって少し緑がかった白色光が得られる。他方、光波長変換膜11として実施形態1から3の光波長変換膜を積層した場合には、青色、緑色、および赤色の領域にピーク強度を有する3色光が混合した演色性の高い白色光が得られる。なお、望まれる場合には、光波長変換膜11上に光拡散膜が重ねられてもよいことは言うまでもない。
That is, in the illuminating device of FIG. 5, the ultraviolet light radiated | emitted from LED10 is converted into the
図6の模式的な断面図において、本発明による光波長変換膜を利用して作製される白色照明装置の他の例が示されている。この白色照明装置は、端子20aからコイルフィラメント20bに電力が供給される紫外発光放電管20を含んでいる。そのような紫外発光放電管として、たとえば水銀放電管を利用することができる。その放電管20の紫外光放射面(通常はガラス管の表面)上に、本発明によって得られる光波長変換膜21が形成される。
The schematic cross-sectional view of FIG. 6 shows another example of a white illumination device manufactured using the light wavelength conversion film according to the present invention. This white illumination device includes an ultraviolet light emitting
すなわち、図6の照明装置においても、放電管20から放射される紫外光が光波長変換膜21によって可視光22に変換されて放射される。その場合にも、光波長変換膜21として実施形態1の光波長変換膜のみを形成した場合には、その単層膜によって少し緑がかった白色光が得られる。他方、光波長変換膜21として実施形態1から3の光波長変換膜を積層した場合には、青色、緑色、および赤色の領域にピーク強度を有する3色光が混合した演色性の高い白色光が得られる。また、望まれる場合には、光波長変換膜21上に光拡散膜が重ねられてもよいことは言うまでもない。さらに、その光拡散膜の代わりに、ガラス放電管20の表面が磨りガラス状にされてもよい。本発明による光波長変換膜はどのような形状の表面にも接合性よく形成することが可能であり、磨りガラスの微細凹凸面上にも密着性よく形成することができる。
That is, also in the illumination device of FIG. 6, ultraviolet light emitted from the
なお、以上の例では紫外発光の半導体発光デバイスと放電管へ本発明の光波長変換膜を適用した白色照明装置が説明されたが、その他の紫外発光する固体レーザ装置や気体レーザ装置の紫外光放射面上に本発明の光波長変換膜を適用して白色照明装置を作製するも可能であることは言うまでもない。 In the above example, a white light emitting device in which the light wavelength conversion film of the present invention is applied to an ultraviolet light emitting semiconductor light emitting device and a discharge tube has been described. Needless to say, it is also possible to produce a white illumination device by applying the light wavelength conversion film of the present invention on the radiation surface.
(実施形態5)
実施形態5においても、実施形態1から3において得られる光波長変換膜が白色照明装置に利用される。すなわち、図7の模式的な側面図において、本発明による光波長変換膜を利用して作製される白色照明装置のさらに他の例が示されている。この白色照明装置は、アレイ状に配列された複数の紫外発光LED(またはLD)30を含んでいる。そして、そのアレイ状のLED30に対面して、たとえばガラス基板(またはアクリル基板など)31の一主面上に、本発明によって得られる光波長変換膜32が形成される。そして、望まれる場合には、ガラス基板31の他方主面上に光拡散膜33が形成される。なお、そのような光拡散膜33は、光波長変換膜32に積層されてもよいことは言うまでもない。
(Embodiment 5)
Also in the fifth embodiment, the light wavelength conversion film obtained in the first to third embodiments is used for the white illumination device. That is, in the schematic side view of FIG. 7, still another example of the white illumination device manufactured using the light wavelength conversion film according to the present invention is shown. This white illumination device includes a plurality of ultraviolet light emitting LEDs (or LDs) 30 arranged in an array. Then, a light
図7の照明装置においても、アレイ状の紫外発光LED(またはLD)30から放射される紫外光34が光波長変換膜32によって可視光に変換されて、光拡散膜33を介しては可視光35として放射される。その場合にも、光波長変換膜32として実施形態1の光波長変換膜のみを形成した場合には、その単層膜によって少し緑がかった白色光が得られる。他方、光波長変換膜32として実施形態1から3の光波長変換膜を積層した場合には、青色、緑色、および赤色の領域にピーク強度を有する3色光が混合した演色性の高い白色光が得られる。
Also in the illumination device of FIG. 7,
なお、アレイ状のLEDの代わりに複数の紫外光放電管を配列してもよく、紫外光を放射する複数の固体レーザ装置や気体レーザ装置を配列してもよいことは言うまでもない。また、ガラス基板(またはアクリル基板など)31は平面基板である必要はなく、望まれる場合には、任意の曲面の基板であってもよい。すなわち、本発明の光波長変換膜はどのような曲面上にも良好な接合性で形成することができる。さらに、光拡散膜33の代わりに、ガラス基板(またはアクリル基板など)31の表面が磨りガラス状にされてもよい。図7に示されているような照明装置では、光波長変換膜32自体が可視光の面状発光源として作用するので、観察者はその後方に配置された複数の紫外光源30を認識することなく、均一な面状発光照明装置として感知し得ることとなる。
Needless to say, a plurality of ultraviolet light discharge tubes may be arranged instead of the arrayed LED, and a plurality of solid state laser devices or gas laser devices emitting ultraviolet light may be arranged. Further, the glass substrate (or acrylic substrate or the like) 31 does not have to be a flat substrate, and may be an arbitrarily curved substrate if desired. That is, the light wavelength conversion film of the present invention can be formed on any curved surface with good bonding properties. Furthermore, instead of the
(実施形態6)
実施形態6においても、実施形態1から3において得られる光波長変換膜が白色照明装置に利用される。すなわち、図8の模式的な側面図(または断面図)において、本発明による光波長変換膜を利用して作製される白色照明装置のさらに他の例が示されている。この白色照明装置は、ガラス(またはアクリルなど)からなる概略矩形状の導光板42を含んでいる。この導光板42の外周の一側面に沿って複数の紫外発光LED(またはLD)40がライン状に配列されており、その側面には本発明の光波長変換膜43が形成されている。導光板42の他の側面および底面は、Ag膜やAl膜のような反射性の金属膜45が形成されている。さらに、望まれる場合には、導光板42の上面に光拡散膜46が形成されている。このような照明装置において、LED40から放射された紫外光41は光波長変換膜43によって可視光44に変換され、導光板42によって導光された後に、光拡散膜46を介して可視光47として放射される。その場合にも、光波長変換膜43として実施形態1の光波長変換膜のみを形成した場合には、その単層膜によって少し緑がかった白色光が得られる。他方、光波長変換膜43として実施形態1から3の光波長変換膜を積層した場合には、青色、緑色、および赤色の領域にピーク強度を有する3色光が混合した演色性の高い白色光が得られる。
(Embodiment 6)
Also in the sixth embodiment, the light wavelength conversion film obtained in the first to third embodiments is used for the white illumination device. That is, the schematic side view (or cross-sectional view) of FIG. 8 shows still another example of the white illumination device manufactured using the light wavelength conversion film according to the present invention. The white illumination device includes a
なお、ライン状に配列された複数のLEDの代わりに、細長い紫外光放電管を導光板42の側面に沿って配列してもよく、紫外光を放射する複数の固体レーザ装置や気体レーザ装置を導光板42の側面に沿って配列してもよいことは言うまでもない。また、光拡散膜46の代わりに、導光板42の上面が磨りガラス状にされてもよい。さらに、光波長変換膜43は、導光板42の側面ではなくて、その上面に形成されてもよいことは言うまでもない。その場合に、光波長変換膜42と光拡散膜46を積層することも可能である。
Instead of the plurality of LEDs arranged in a line, elongated ultraviolet light discharge tubes may be arranged along the side surface of the
図8に示されているような白色照明装置は、厚さの小さな面状光源として形成され得るので、たとえば液晶表示装置のバックライトとして好ましく用いられ得るものである。 Since the white illumination device as shown in FIG. 8 can be formed as a planar light source with a small thickness, it can be preferably used as a backlight of a liquid crystal display device, for example.
図9の模式的な側面図(または断面図)は、図8の照明装置の一部を変更した照明装置を示している。すなわち、図9と図8において、同一の参照番号は同一部分または相当部分を示している。この図9の照明装置においては、導光板42の一側面に沿って、ガラス(またはアクリルなど)からなる円柱状(または角柱状)の導光柱51が配置されている。導光柱51の外周の大部分はAg膜やAl膜のような反射性の金属膜52で覆われており、その反射性の金属膜52はライン状の開口52aを含んでいる。導光柱51の少なくとも一方端部に紫外光を放射するLD50、または固体レーザ装置、気体レーザ装置などが配置される。
The schematic side view (or cross-sectional view) of FIG. 9 shows a lighting device in which a part of the lighting device of FIG. 8 is changed. That is, in FIG. 9 and FIG. 8, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts. In the illuminating device of FIG. 9, a columnar (or prismatic)
LDから導光柱51内に注入された紫外光は、ライン状開口52aおよび光波長変換膜43を介して、可視光44として導光板42内に導入される。この図9に示されているような照明装置は、強力な単一の紫外光源50を用いて面状の白色光源に変換する場合に好ましく、このような面状照明装置も液晶のバックライトとして好ましく利用され得る。
The ultraviolet light injected from the LD into the
以上のように、本発明によれば、低コストで簡便に製造することができかつ種々の用途に使用し得る光波長変換膜とそれを含む照明装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a light wavelength conversion film that can be easily manufactured at low cost and can be used for various applications, and an illumination device including the same.
1 反応容器、1a ガス導入口、1b 排気口、2 加熱フィラメント、3 基板、4 支持台、5 加熱フィラメント用電源、10 紫外発光LEDまたはLD、10a 端子、11 光波長変換膜、12 可視光、20 紫外光放電管、20a 端子、20b コイルフィラメント、21 光波長変換膜、22 可視光、30 紫外発光LEDまたはLD、31 ガラスまたはアクリルなどの基板、32 光波長変換膜、33 光拡散膜、34 紫外光、35 可視光、40 紫外発光LEDまたはLD、41 紫外光、42 導光板、43 光波長変換膜、44 可視光、45 反射性金属膜、46 光拡散膜、47 可視光、50 紫外発光LD、51 柱状導光体、52 反射性金属膜、52a ライン状開口。
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記光波長変換膜はSi系有機・無機ハイブリッド膜を含み、そのハイブリッド膜はSiを含む有機化合物の蒸気を加熱フィラメントに向けて導入して生じる加熱合成で得られたものであり、その化学的骨格構造に少なくとも炭素とシリコンとを含んでおり、
前記Si系有機・無機ハイブリッド膜は、可視光に比べて短い波長を含む第1の光を受けて、前記第1の光を可視光範囲内の波長を含む第2の光に変換して放射することを特徴とする光波長変換膜。 An optical wavelength conversion film that converts the wavelength of received light into light of a different wavelength and emits it,
The optical wavelength conversion film includes a Si-based organic / inorganic hybrid film, and the hybrid film is obtained by heat synthesis generated by introducing a vapor of an organic compound containing Si toward a heating filament. The skeleton structure contains at least carbon and silicon,
The Si-based organic / inorganic hybrid film receives first light including a shorter wavelength than visible light, converts the first light into second light including a wavelength within the visible light range, and emits the first light. An optical wavelength conversion film characterized by:
前記第1の光を放射する光源と、
前記第1の光を受けて前記第2の光を放射するように配置された前記Si系有機・無機ハイブリッド膜とを含むことを特徴とする照明装置。 An illumination device comprising the light wavelength conversion film according to claim 1 or 2,
A light source that emits the first light;
An illumination device comprising: the Si-based organic / inorganic hybrid film disposed to receive the first light and emit the second light.
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