JP6133982B2

JP6133982B2 - 発光装置

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Publication number: JP6133982B2
Application number: JP2015519688A
Authority: JP
Inventors: まみ森下; 達也両輪
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2014-02-18
Publication date: 2017-05-24
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Also published as: US20160109073A1; JPWO2014192333A1; WO2014192333A1

Description

本発明は、ナノ粒子を含む発光部を備える、照明などとして好適な発光装置に関する。

現在、照明は、様々な態様で使用されている。例えば、照明は、部屋全体を十分な輝度で照らすために部屋の天井に設置されたり、明るさを必要とする場所に適度な輝度で設置されたりする。後者の方が省エネルギーの面で好ましいことはいうまでもない。机上や床上などに設置される照明には、不使用時に照明が目立って見通しが悪くなったり、周囲の空間が狭く感じられたりすることを抑制するために、透明であることが求められる。

特開２００４−２２９８１７号公報（特許文献１）には、所定の波長の励起光を照射することにより蛍光を発する希土類錯体又は有機色素を含有する透明又は半透明樹脂からなる、玩具や照明などに使用できる発光ブロックが記載されている。

特開２００４−２２９８１７号公報

特許文献１に記載の発光ブロックのような、蛍光体を透明樹脂で封止した発光部を備える発光装置には、不使用時に透明樹脂表面によって外光が反射して、外光の映り込みが生じるために、発光装置が主に透明材料からなるにもかかわらず目立ってしまい、結果、周囲の空間が狭く感じられてしまうという問題があった。

そこで本発明は、ナノ粒子を含む発光部を備えた発光装置であって、不使用時（消灯時）において目立たず、設置される周囲の空間が広く感じられる発光装置の提供を目的とする。

本発明は、以下の発光装置を含む。
［１］一次光を発する光源と、
前記一次光の少なくとも一部を吸収して二次光を発する第１ナノ粒子を含有する透光性部材を備える発光部と、
を含み、
前記発光部は、前記透光性部材の少なくとも一部の外表面上に配置される光反射防止構造部を備える、発光装置。

［２］前記光反射防止構造部は、紫外光吸収性の第２ナノ粒子を含有する、［１］に記載の発光装置。

［３］前記第２ナノ粒子は、紫外光を吸収することにより可視光を発するナノ粒子蛍光体である、［２］に記載の発光装置。

［４］前記光源と前記透光性部材とは導光部材によって接続されており、
前記一次光は、前記透光性部材の内部に伝送される、［１］〜［３］のいずれかに記載の発光装置。

［５］前記透光性部材における、少なくとも前記二次光が出射される外表面上に前記光反射防止構造部が配置される、［１］〜［４］のいずれかに記載の発光装置。

本発明によれば、不使用時において目立たず、設置される周囲の空間が広く感じられる発光装置を提供することができる。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る発光装置を模式的に示す断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）における領域ａを拡大して示す図である。図２（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る発光装置の一例を模式的に示す断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）における領域ｂを拡大して示す図である。図３（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る発光装置の他の一例を模式的に示す断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）における領域ｃを拡大して示す図である。本発明の第３の実施形態に係る発光装置を模式的に示す断面図である。図５（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る発光装置を模式的に示す断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）における領域ｄを拡大して示す図である。本発明の第５の実施形態に係る発光装置を模式的に示す斜視図である。

以下、実施の形態を示して本発明を詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１（ａ）は本実施形態に係る発光装置を模式的に示す断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）における領域ａを拡大して示す図である。図１に示される発光装置は、例えば照明装置として好適な白色光を発する発光装置であり、一次光１０Ａを発する光源１０と、一次光１０Ａの少なくとも一部を吸収して二次光を発する第１ナノ粒子２０２を含有する透光性部材２０１を備える発光部２０とを含む。図１に示される発光装置において、第１ナノ粒子２０２は、赤色半導体ナノ粒子蛍光体２０２ａ及び緑色半導体ナノ粒子蛍光体２０２ｂからなる。

発光部２０は、透光性部材２０１の少なくとも一部の外表面上、具体的には、第１ナノ粒子２０２からの二次光が出射される外表面上に配置される光反射防止構造部２０３を備える。発光部２０は、光源１０からの一次光１０Ａが入射される光入射面２０ａと、二次光が出射される光出射面２０ｂとを有する。図１に示される発光装置においては、光反射防止構造部２０３の外表面が光出射面２０ｂとなっている。光反射防止構造部２０３とは、外光の反射を防止又は抑制する層（又は部材）である。

光反射防止構造部２０３を設けることにより、発光装置の不使用時における発光部２０の透光性（可視光の透過性）を確保しつつ、光出射面２０ｂで外光が反射して、外光の映り込みが生じることを防止又は抑制できるため、発光装置の不使用時における見通しを良くし、発光装置を目立たなくすることができる。これにより、発光装置が設置される周囲の空間を広く感じられるようにすることができるとともに、照明装置などとして使用する場合には、そのインテリア性を高めることもできる。

（光源）
光源（励起光源）１０は、第１ナノ粒子２０２が吸収する一次光１０Ａを発するものである。一次光１０Ａは、第１ナノ粒子２０２の吸収波長と少なくとも一部において重複する発光ピーク波長を有する。このような一次光１０Ａを発する光源１０として、通常は、紫外領域から青色領域までの発光波長を有する光源が使用され、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）などを使用することができる。また、有機エレクトロルミネッセンス発光素子や無機エレクトロルミネッセンス発光素子などを使用してもよい。ＬＥＤやＬＤとして、例えば、ＧａＮ系ＬＥＤやＬＤを好適に用いることができる。光源１０は１個のみを用いてもよく、２個以上を併用してもよい。

（透光性部材）
透光性部材２０１は、第１ナノ粒子２０２が含有・分散される部材であり、換言すれば、第１ナノ粒子２０２を封止する部材である。透光性部材２０１の外表面の少なくとも一部は、光源１０からの一次光１０Ａが入射される光入射面２０ａとなっており、光入射面２０ａから入射された一次光１０Ａは、その少なくとも一部が第１ナノ粒子２０２によって吸収され、これにより第１ナノ粒子２０２が発光する。発光部２０の光出射面２０ｂは、例えば、光入射面２０ａに対向する面側に設けることができる。

発光部２０の多くを占め得る透光性部材２０１は透光性を有しており、好ましく透明である。これにより、不使用時において発光装置を透光性にすることができるため、発光装置の目立ち難さの点で有利である。透明とは、可視光の透過率が９０％以上であることを意味する。透光性部材２０１を構成する材料としては、特に制限されないが、例えばアクリル系樹脂、シリコーン樹脂等の透光性（透明）樹脂や、ガラス材料などを用いることができる。なかでも、第１ナノ粒子２０２の分散性が良好であることから、アクリル系樹脂（例えば、ポリメタクリル酸ラウリル等）を用いることが好ましい。

透光性部材２０１に分散される第１ナノ粒子２０２としては、半導体ナノ粒子蛍光体を使用することができる。半導体ナノ粒子蛍光体は、ナノサイズの半導体物質であり、量子閉じ込め効果を示す物質である。このような量子ドットは励起源から一次光を吸収してエネルギー励起状態に達すると、半導体ナノ粒子蛍光体のエネルギーバンドギャップに相当するエネルギーを放出する。従って、半導体ナノ粒子蛍光体の粒径又は物質組成を調節すると、エネルギーバンドギャップを調節することができ、様々な波長の蛍光を利用することができる。半導体ナノ粒子蛍光体は、その粒径が１〜１００ｎｍ、さらに好ましくは２〜２０ｎｍの範囲内の粒子であり、可視光を散乱しないことから、発光装置不使用時における発光部２０の透光性（可視光の透過性）を確保することができる。

図１に示される発光装置においては第１ナノ粒子２０２として２種の半導体ナノ粒子蛍光体を用いているが、これに限らず、例えば黄色半導体ナノ粒子蛍光体のみを用いるなど、１種の半導体ナノ粒子蛍光体のみを用いるようにしてもよいし、３種以上の半導体ナノ粒子蛍光体を用いてもよい。第１ナノ粒子２０２としては、ＩｎＰ、ＩｎＮ、ＣｄＳｅ等の半導体ナノ粒子蛍光体を好ましく用いることができる。用いる半導体ナノ粒子蛍光体の種類や組み合わせは、発光部２０から出射される二次光の所望する色相に応じて調整される。

透光性部材２０１に分散される第１ナノ粒子２０２の濃度は、透光性部材２０１及び第１ナノ粒子２０２の合計重量を１００％とするとき、通常０．００１〜１０重量％であり、好ましくは０．１〜５重量％である。

（光反射防止構造部）
光反射防止構造部２０３は、外光の反射を防止又は抑制する層（又は部材）である。光反射防止構造部２０３としては、特に制限されないが、光学薄膜の多層構造からなる反射防止層や、表面に凹凸を有する層（例えば、モスアイ構造を有する層等）などを好適に用いることができる。図１は、光学薄膜の多層構造を用いた例である。光反射防止構造部２０３は、透光性部材２０１と同様、透光性であり、好ましくは透明である。

具体的には、光反射防止構造部２０３として、ＡＧ（Ａｎｔｉ−Ｇｌａｒｅ）フィルムや、ＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）フィルムを用いることができる。ＡＧフィルムでは、ハードコート樹脂中に粒子を入れ、表面に形成した凹凸を利用した反射光の散乱と、ハードコート樹脂と粒子との間の屈折率差による内部散乱を利用することで、映り込みを防止する。

一方、ＡＲフィルムは、光学薄膜の多層構造からなる反射防止層を含むフィルムであり、光学干渉を利用して反射光強度を低減させる。入射光は、反射防止層の表面、及び、発光部と反射防止層との界面で反射するが、ＡＲフィルムでは、この表面反射光と界面反射光の位相を逆転させて打ち消し合うことで反射光を軽減することができる。

反射防止層の屈折率（ｎ₁）及び膜厚（ｄ₁）と、発光部２０の透光性部材２０１の屈折率（ｎ₂）が、下記式（１）及び（２）：
ｎ₁ ²＝ｎ₀×ｎ₂ （１）
〔ｎ₀は反射防止層の外部領域の屈折率である。〕
ｎ₁×ｄ₁＝λ／４（２）
を満たす場合、波長λ（ｎｍ）における反射率が０％となる。式（２）から、反射防止効果は波長依存性があり、反射防止層の膜厚依存性もあることがわかる。

一般に、異なる屈折率ｎを持つ物体間の界面での光の反射率Ｒ（％）は、界面を構成する２つの物質の屈折率ｎをそれぞれｎ₁、ｎ₂と定義すると、下記式（３）：
Ｒ＝〔（ｎ₁−ｎ₂）²／（ｎ₁＋ｎ₂）²〕×１００（３）
で表わされる。

上記式（３）は、屈折率差Δｎ＝ｎ₁−ｎ₂の小さい物質同士の界面では反射率Ｒは小さくなり、逆に、屈折率差Δｎの大きい物質同士の界面では反射率Ｒは大きくなることを示している。言い換えれば、光は物質同士の界面での屈折率差Δｎを感じ取って、その差の大小によって反射率を変えているとも言える。

ここで、界面に光の波長以下の周期で微細な凹凸構造を形成すると、外光の感じる屈折率ｎは、外表面部から内部に向かって、緩やかに変わっていくことになり、外光はそこには屈折率差Δｎがないと感じて進んでいく。言い換えれば、屈折率差Δｎがない、すなわち反射が生じないということになる。

また、透光性部材２０１内を透過又は通過する蛍光が光反射防止構造部２０３から外部（空気）へ出射されるときについても同様に、透光性部材２０１から空気への屈折率差Δｎがその界面にあたかも存在しないようになるので、透光性部材２０１から外部（空気）への光の取出し効率が向上する。すなわち、透光性部材２０１から外部（空気）への蛍光の取出し効率が向上する。

光反射防止構造部２０３が微細な表面凹凸構造を有する場合において、その表面凹凸構造を構成する突起の形状は、表面凹凸構造の形成条件に応じて、円錐形状、角錐形状、釣鐘状のような各種の形状を採り得る。また、表面凹凸構造の形成条件に応じて、突起同士の間に平面部分を有する場合や、有しない場合があり得る。本発明において表面凹凸構造の形状は、可視光波長以下の周期構造を有する限り、特に限定されることはないが、反射防止効果がより高められることから、光反射防止構造部２０３の表面凹凸構造と透光性部材２０１との界面に存在し得る平面部分をできるだけ小さくすることが好ましい。

光反射防止構造部２０３の配置位置は、透光性部材２０１の少なくとも一部の外表面上である限り特に制限されないが、少なくとも、第１ナノ粒子２０２からの二次光が出射される外表面上に配置されることが好ましい。これは、光出射面２０ｂが外観上、非常に見えやすい位置にあり、光出射面２０ｂでの外光の反射を防止又は抑制することにより、極めて効率的に本発明の効果（発光装置の見通しを良くし、目立たなくするという効果）を得ることができるためである。勿論、二次光が出射される外表面以外の外表面に光反射防止構造部２０３を設けてもよい。より好ましくは、二次光が出射される外表面のすべてに光反射防止構造部２０３が設けられる。

なお、図１（図２〜５においても同様）に示される発光装置においては、図示されていないが、透光性部材２０１の側面（光入射面２０ａ及び光出射面２０ｂ以外の外表面）は、例えば筺体又は保護部材などによって被覆されているため、二次光の光出射面とはなっていない。このような被覆された透光性部材２０１の側面は、外光の反射が生じないため、必ずしも光反射防止構造部２０３を設ける必要はない。また、発光部２０の光出射面２０ｂは、必ずしも光入射面２０ａに対向する面側に設ける必要はなく、当該面の代わりに、あるいは、当該面とともに、透光性部材２０１の側面に形成してもよい。

発光部２０の形状は特に限定されず、例えば、立方体、直方体、球形、錐のような幾何学的な立体形状の他、動物、人形などのような複雑な立体形状であってもよい。

＜第２の実施形態＞
図２（ａ）は本実施形態に係る発光装置の一例を模式的に示す断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）における領域ｂを拡大して示す図である。図２に示される発光装置は、透光性部材２０１が第１ナノ粒子２０２を含有するだけでなく、さらに光反射防止構造部２０３が第２ナノ粒子２０３ａを含有すること以外は、上記第１の実施形態と同様である。

第２ナノ粒子２０３ａは、紫外光吸収性のナノ粒子からなる。紫外光吸収性の第２ナノ粒子２０３ａとしては、ドープ型、コア／シェル型のナノ粒子、例えば、ＩｎＡｓ／ＺｎＳ、ＩｎＡｓ／ＺｎＯ、ＩｎＡｓ／ＴｉＯ₂、ＺｎＯ：Ｍｇ、ＺｎＯ：Ｂｅ、ＧａＮ、ＺｎＳ等のワイドギャップ半導体ナノ粒子；その他、ＹＶＯ₄等の無機蛍光体ナノ粒子を用いることができる。第２ナノ粒子２０３ａは、１種のナノ粒子のみからなっていてもよいし、２種以上のナノ粒子からなっていてもよい。また、第１ナノ粒子２０２と第２ナノ粒子２０３ａとは同じ材料からなっていてもよいし、異種の材料からなっていてもよい。第１ナノ粒子２０２と第２ナノ粒子２０３ａとは同じ粒径であってもよいし、異なる粒径であってもよい。

使用する蛍光体粒子の好ましい組み合わせの一例を挙げれば、第１ナノ粒子２０２として赤色半導体ナノ粒子蛍光体２０２ａ及び緑色半導体ナノ粒子蛍光体２０２ｂを用い、第２ナノ粒子２０３ａとして青色半導体ナノ粒子蛍光体を用いることである。この場合、発光装置使用時に、第１ナノ粒子２０２から発せられる赤色光及び緑色光が第２ナノ粒子２０３ａによって吸収されることがないため、例えば照明用途において色相や輝度に悪影響が生じない。

外光が紫外光等の短波長光を含む場合、光反射防止構造部２０３を設けたことで該短波長光は、透光性部材２０１内部に侵入し得る。この場合、透光性部材２０１やそれに含まれる第１ナノ粒子２０２が該短波長光によって劣化するおそれがある。本実施形態によれば、光反射防止構造部２０３に第２ナノ粒子２０３ａが含有・分散されているため、外光のうちの紫外光等の短波長光は、第２ナノ粒子２０３ａに吸収される。従って、短波長光が透光性部材２０１内部に侵入することを防止することができ、これにより透光性部材２０１やそれに含まれる第１ナノ粒子２０２の劣化を防止することができる。

第２ナノ粒子２０３ａは、光反射防止構造部２０３の面内全体にわたって分散されていることが好ましい。また、第２ナノ粒子２０３ａは、光反射防止構造部２０３の厚み方向全体わたって分散されていてもよいし、部分的に分散されていてもよい。

図３（ａ）は本実施形態に係る発光装置の他の一例を模式的に示す断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）における領域ｃを拡大して示す図である。図３に示される発光装置は、光反射防止構造部２０３として表面に凹凸を有する層を用い、その表面凹凸構造の凸部に第２ナノ粒子２０３ａを分散させた例である。このような構成によっても、図２に示される発光装置と同様の効果を得ることができる。表面凹凸構造の凸部に第２ナノ粒子２０３ａを分散させると、空気に触れる表面積が大きくなるため、発光装置の放熱性の向上が期待できる。

図３に示される発光装置において、光反射防止構造部２０３の凸部以外の部分にも第２ナノ粒子２０３ａを分散させても勿論よい。

＜第３の実施形態＞
図４は、本実施形態に係る発光装置を模式的に示す断面図である。図４に示される発光装置は、光反射防止構造部２０３に含有される第２ナノ粒子２０３ｂとして、紫外光吸収性であって、かつ、紫外光の吸収により可視光を発するナノ粒子を用いること以外は、上記第２の実施形態と同様である。

紫外光の吸収により可視光を発する第２ナノ粒子２０３ｂとしては、ドープ型、コア／シェル型の半導体ナノ粒子蛍光体、例えば、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ、ＣｄＳｅ／ＺｎＯ、ＣｄＳｅ／ＴｉＯ₂、ＣｄＳ／ＺｎＳ、ＣｄＳ／ＺｎＯ、ＣｄＳ／ＴｉＯ₂、ＺｎＳｅ／ＺｎＳ、ＺｎＳｅ／ＺｎＯ、ＺｎＳｅ／ＴｉＯ₂、ＩｎＰ／ＧａＮ、ＩｎＰ／ＺｎＳ、ＩｎＰ／ＺｎＯ、ＩｎＰ／ＴｉＯ₂、好ましくは、ＩｎＮ／ＧａＮ、ＩｎＮ／ＺｎＳ、ＩｎＮ／ＺｎＯ、ＩｎＮ／ＴｉＯ₂等のワイドギャップ半導体ナノ粒子蛍光体；その他、ＹＶＯ₄：Ｂｉ³⁺，Ｅｕ³⁺、ＹＶＯ₄：Ｅｕ³⁺等の無機蛍光体ナノ粒子を用いることができる。第２ナノ粒子２０３ｂは、１種のナノ粒子のみからなっていてもよいし、２種以上のナノ粒子からなっていてもよい。また、第１ナノ粒子２０２と第２ナノ粒子２０３ｂとは同じ材料からなっていてもよいし、異種の材料からなっていてもよい。第１ナノ粒子２０２と第２ナノ粒子２０３ｂとは同じ粒径であってもよいし、異なる粒径であってもよい。

使用する蛍光体粒子の好ましい組み合わせの一例を挙げれば、第１ナノ粒子２０２として赤色半導体ナノ粒子蛍光体２０２ａ及び緑色半導体ナノ粒子蛍光体２０２ｂを用い、第２ナノ粒子２０３ｂとして青色半導体ナノ粒子蛍光体を用いることである。この場合、発光装置使用時に、第１ナノ粒子２０２から発せられる赤色光及び緑色光が第２ナノ粒子２０３ｂによって吸収されることがないため、例えば照明用途において色相や輝度に悪影響が生じない。

本実施形態によれば、上記第２の実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、光反射防止構造部２０３に対して外光が照射されているとき、発光装置の不使用時においても発光部２０（光反射防止構造部２０３）を微弱に発光させることができる。これは、装飾性の高い照明器具を提供できる、照明器具との衝突を回避しやすくなる点で有利である。

＜第４の実施形態＞
図５（ａ）は本実施形態に係る発光装置を模式的に示す断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）における領域ｄを拡大して示す図である。図５に示される発光装置は、上記第１の実施形態に係る発光装置の変形例であり、透光性部材２０１における光源１０に対向する表面を光入射面２０ａとし、そこに向けて一次光１０Ａを照射する第１の実施形態とは異なり、光源１０と透光性部材２０１の内部とを導光部材３０で接続し、一次光１０Ａを透光性部材２０１の内部に伝送することを特徴としている。

本実施形態においては、透光性部材２０１の内部に光入射面２０ａが存在する。導光部材３０としては、光ファイバー等を用いることができる。

＜第５の実施形態＞
図６は、本実施形態に係る発光装置を模式的に示す斜視図である。図６に示される発光装置は、発光部２０が円柱形状を有しており、光入射面に対向する平面状の外表面だけでなく、曲面となっている外表面（側面）も光出射面となっていて、該平面状の外表面及び曲面となっている外表面に光反射防止構造部２０３を配置していること以外は、上記第５の実施形態と同様である。

上述のように本発明において発光部２０の外形形状は特に制限されず、立方体、直方体等の方形形状、円柱形状などの各種形状であることができる。発光部２０がいずれの外形形状である場合においても、少なくとも、第１ナノ粒子２０２からの二次光が出射される外表面上に光反射防止構造部２０３を配置することが好ましい。

１０光源、１０Ａ一次光、２０発光部、２０ａ光入射面、２０ｂ光出射面、３０導光部材、２０１透光性部材、２０２第１ナノ粒子、２０２ａ赤色半導体ナノ粒子蛍光体、２０２ｂ緑色半導体ナノ粒子蛍光体、２０３光反射防止構造部、２０３ａ，２０３ｂ第２ナノ粒子。

Claims

一次光を発する光源と、
前記一次光の少なくとも一部を吸収して二次光を発する第１ナノ粒子を含有する透光性部材を備える発光部と、
を含み、
前記発光部は、前記透光性部材の少なくとも一部の外表面上に配置される光反射防止構造部を備え、
前記光反射防止構造部は、紫外光吸収性の第２ナノ粒子を含有する、発光装置。
前記第２ナノ粒子は、紫外光を吸収することにより可視光を発するナノ粒子蛍光体である、請求項１に記載の発光装置。
前記光源と前記透光性部材とは導光部材によって接続されており、
前記一次光は、前記透光性部材の内部に伝送される、請求項１又は２に記載の発光装置。
前記透光性部材における、少なくとも前記二次光が出射される外表面上に前記光反射防止構造部が配置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光装置。