JP6982535B2

JP6982535B2 - 発光装置

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Publication number: JP6982535B2
Application number: JP2018065675A
Authority: JP
Inventors: 隆志赤羽; 陽一野々垣
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2021-12-17
Anticipated expiration: 2038-03-29
Also published as: JP2019176105A

Description

本発明は、発光装置に関する。

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。

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。

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。

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。

特許第６０６３３９４号公報特表２０１６―５３５３０４号公報特開２０１７―１５７４８８号公報特開２０１６―１９７０６９号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

実施形態に係る発光装置の斜視図である。図１に示す発光装置のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。図１に示す発光装置において、ナノアンテナが配置された基材の平面図である。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。図１に示す発光装置の製造工程を示す図であり、（ａ）は第１工程を示し、（ｂ）は第２工程を示し、（ｃ）は第３工程を示し、（ｄ）は第４工程を示し、（ｅ）は第５工程を示し、（ｆ）は第６工程を示し、（ｇ）は第７工程を示す。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。

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。

（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。

（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。

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。

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γ_cab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γ_freeであるとき、パーセル効果により以下の式（１）で示される。

（１）

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γ_cabが速くなり、蛍光体の変換効率が向上する。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋等の緑色蛍光体を含有してもよく、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋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）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋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５^２ｍｍに亘る領域に六方格子状に配置された。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

１発光装置
１０実装基板
１１回路基板
１２ＬＥＤ（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

Claims

一次光を放射する発光素子と、
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。
前記複数のナノアンテナのそれぞれは、前記複数の金属材の配置間隔が前記二次光の１／４波長よりも大きく且つ前記二次光の３／４波長よりも小さくなるように形成される、請求項１に記載の発光装置。
前記複数のナノアンテナのそれぞれは、前記複数の金属材の配置間隔が前記二次光の１／２波長に等しくなるように形成される、請求項２に記載の発光装置。
前記誘電体の屈折率は、前記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、請求項１〜３の何れか一項に記載の発光装置。
前記誘電体は、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、請求項１〜４の何れか一項に記載の発光装置。
前記波長変換材料の少なくとも一部は、前記表面プラズモン共鳴が発生する領域に配置される、請求項１〜５の何れか一項に記載の発光装置。