JP2006108661A - 波長変換材料を利用した光源 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＵＶ発光ダイオードなどから発せられるＵＶ光を外部に漏出させることなく、高い変換効率で可視光に変換する。
【解決手段】 ＵＶ発光ダイオード等の第一次光発生器２０２から発せられる第一次光３０２は、燐光体粒子を含む第一の波長変換材料層２０６で吸収され、第一次光３０２とは異なる波長を有する第二次光３０４に変換される。第二次光３０４は、変換されずに第１の波長変換材料層２０６を通過した一部の光３０８とともに、燐光体ナノ粒子を含む第二の波長変換材料層２０８に吸収されて第三次光（可視光）３０６に変換される。
【選択図】 図３

Description

本発明は一般に光源の分野に関する。より具体的には、本発明は光変換材料を利用したＬＥＤ又はレーザーダイオード光源に関する。

ＬＥＤ（発光ダイオード）光源の中には、それが放射する光の波長を変える為の燐光体材料を用いたものがある。例えば、青色ＬＥＤを黄色燐光体と共に用いることができる。黄色燐光体はＬＥＤからの元の青色光の一部を吸収し、それを二次黄色光として再放出する。この黄色光は吸収されなかった青色光と交じり合い、白色光が作られる。この例においては、青色光の一部が意図的に変換されずに残される。これは、燐光体粒子が大きく、これらの粒子の隙間を光の一部が通過することから可能となっている。

他の例においては、紫外線（ＵＶ）ＬＥＤがＵＶ放射光を発し、これが赤色、緑色及び青色燐光体によって変換されて白色光が作られる。この例の場合、ＵＶ放射光は人に有害なものであることから、元々のＵＶ放射光が波長変換なく燐光体を通過してしまうことは望ましくない。よってＵＶ放射光のリークが最小化されることが重要なのである。

ＵＶ放射光のリークを低減する一手法としては、波長変換材料の厚さを増大させる方法がある。しかしながら、このような光源は二次放射光（赤色、緑色及び青色光）の一部が燐光体により再度吸収されてしまうことから非効率的である。

ＵＶ放射光リークを低減させる為の他の方法としては、より細かい燐光体粒子を利用することで燐光体粒子を緊密に配置してそれらの間隙を低減する方法がある。この手法においても、より細かい燐光体粒子の光変換効率が元来低いことから、変換効率が低下するのである。

（１） 一実施の形態において、本発明は発光素子に適用され、この発光素子が、
ａ）第一次光を放射するように機能することが可能な第一次光発生器と、
ｂ）前記第一次光の少なくとも一部分を受け、これに呼応して第二次光を放射するように配置された波長変換材料体とを具備し、前記波長変換材料体が燐光体ナノ粒子と、より大型の燐光体粒子とを含むことにより、上述した課題を解決する。
（２） 本発明はまた、可視光を生成する為の方法に適用され、
ａ）第一次光発生器を用いて第一次光を生成することと、
ｂ）前記第一次光の第一の部分を複数の燐光体粒子により吸収し、第一の波長を持つ第二次光を放射することと、
ｃ）前記第一次光の第二の部分を複数の燐光体ナノ粒子により吸収し、第二の波長を持つ第二次光を放射することとを有し、前記第一の波長を持つ前記第二次光及び前記第二の波長を持つ前記第二次光が組み合わせられて可視光が構成される。

本発明の特性と思われる新規の特徴は、本願請求項に記載した。しかしながら、本発明自体は、その推奨される実施例や本発明の更なる目的及び利点と共に、説明目的で提示する実施例に関する以下の詳細説明を、添付図を参照しつつ読むことにより明らかとなる。

本発明は様々な形態において実施することが出来るものであるが、本明細書及び添付図においては、１つ以上の特定の実施例に基づいて詳細に説明する。しかしながら、本開示内容は本発明の原理を説明する一例として捉えられるべきものであり、本発明を図示及び説明する特定の実施例に限定することを意図したものではない。以下の説明においては、複数の図を通じて同様の符号が同一又は同様の部品に付けられている。

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）又はレーザーダイオード等の第一次光発生器を使った光源と、波長変換材料とに関する。光源は、複数の波長が混合された光を生成する為に利用することが出来、特には白色光を生成する為に利用することが出来る。波長変換材料としては、燐光体粒子と燐光体ナノ粒子の両方が用いられる。この結果、第一次光発生器からの第一次放射光の、波長変換材料間を通じてのリークが実質的に低減されるのである。加えて、ナノ粒子の光変換能力はそれらの寸法の関数であることから、第二次放射光のスペクトル帯域はより広がるのである。ナノ粒子とは、１μｍ未満のサイズの粒子を言う。本発明は第一次放射光が紫外線（ＵＶ）放射光である場合の光源として適用することが出来る。ＵＶ放射光は人に有害であることから、ＵＶ放射光のリークを最小化することが重要である。本発明の光源においては、ほぼ全てのＵＶ光が波長変換材料により吸収されることになる為、有意な量のＵＶ放射光が漏れることは無い。本発明の一実施例においては、８０％を超えるＵＶ放射光が波長変換材料体中で吸収される。本発明の他の実施例においては、９０％を超えるＵＶ放射光が波長変換材料体中で吸収される。ＵＶ放射光の吸収量は、波長変換材料の厚さと燐光体粒子及び燐光体ナノ粒子のサイズにより決まる。

従来技術に基づく光源を図１に示した。図１を見ると、光源１００はＬＥＤ半導体ダイ１０２と大型粒子燐光体層１０４とを含んでいる。ＬＥＤ半導体ダイからの第一次光の一部１０６は、大型粒子燐光体層１０４により吸収され、波長が変換された第二次光１０８として再放射される。第一次光の他の部分１１０は波長変換されることなくこの層を通過する。

本発明の光源の一実施例を図２に示した。図２を見ると、光源２００は基板２０４上に配置されたＬＥＤ半導体ダイ又はレーザーダイオード等の第一次光発生器２０２を含んでいる。第一次光発生器２０２は、第一の波長変換材料層２０６及び第二の波長変換材料層２０８によって覆われている。これらの波長変換材料の層は、異なる波長変換特性を持っている。異なる波長変換特性は、燐光体粒子に異なるサイズを採用することにより得ることが出来る。具体的には、燐光体ナノ粒子をより大型の燐光体粒子と共に用いることが出来る。ナノ粒子が第一次光発生器２０２からの第一次放射光リークを防止する一方で、より大型の燐光体粒子が効率的な波長変換を提供している。

本実施例においては、これらの波長変換材料層は第一次光発生器２０２上にコーティングとして設けられている。

他の実施例においては、１層以上の波長変換材料層が更に利用される。

更に他の実施例においては、燐光体ナノ粒子及びより大型の燐光体粒子が一緒に混合されており、単一のコーティングとして（コーティングにより）設けられている。

本発明の光源の更なる実施例を図３に示した。図３を見ると、光源２００は第一次光３０２を放射する第一次光発生器２０２を含んでいる。第一次光３０２は、第一の波長変換材料層２０６により吸収される。第一の波長変換材料層２０６からは第二次光３０４が放射され、第二の波長変換材料層２０８がこれを受ける。第二の波長変換材料層２０８から第三次光３０６が放射される。この第三次光は第二の波長変換材料層から発された第二次光と混合し、これにより光源から放射される光が構成される。一実施例においては、第一の波長変換材料層２０６が燐光体粒子を含んでおり、第二の波長変換材料層２０８が燐光体ナノ粒子を含んでいる。本実施例においては、第一次光の一部３０８は第一の波長変換材料層２０６を通過してしまうものの、第二の波長変換材料層２０８において吸収される。この構成によれば、燐光体粒子が燐光体ナノ粒子の発した光を吸収することも防ぐことになる。

第一及び第二の波長変換材料層２０６及び２０８は、リフレクタカップ３１０の棚部分又は溝上にそれぞれ支持されもよい。代わりに、これらの層を互いに接触させて単一の棚部分で支持されるようにしても良い。

本発明の更に他の実施例に基づく光源を図４に示した。図４によれば、光源２００は第一次光３０２を放射する第一次光発生器２０２を含んでいる。第一次光３０２は、燐光体粒子及び燐光体ナノ粒子の混合物を含む波長変換材料層２０６Ａにより吸収される。燐光体ナノ粒子がより大型の燐光体粒子の間隙を埋めて透過を遮断することから、第一次光発生器２０２からの全ての第一次光３０２が波長変換材料層２０６Ａによって吸収される。第一次放射光による波長変換材料層２０６Ａの励起で、層からは第二次放射光が放射される。燐光体ナノ粒子は、より大型の燐光体粒子の間隙中に密集している。よって波長変換材料層の厚さを増大させることなく、全ての第一次放射光を吸収することが出来るのである。

図４においては、波長変換材料層２０６Ａは第一次光発生器２０２に近接させた状態で示されている。本発明の更に他の実施例においては、波長変換材料層２０６Ａは第一次光発生器２０２にコーティングとして塗布される。第一次光発生器２０２を封入する波長変換材料は、様々な形状に形成することが出来る。例えばこれを半球形状、立方体又はピラミッド型等、光源の光学特性を最適化する形状とすることが出来る。

波長変換材料層２０６Ａは、リフレクタカップ３１０中の棚部分又は溝上に支持することが出来る。

本発明の一実施例においては、燐光体粒子は２μｍを超える平均寸法を持っており、燐光体ナノ粒子は１μｍ未満の平均寸法を持っている。

本発明の更なる実施例においては、燐光体粒子は５μｍを超える平均寸法をもっており、燐光体ナノ粒子は０．１μｍ未満の平均寸法を持っている。

燐光体ナノ粒子による波長変換は、より大型の燐光体粒子による波長変換とはメカニズムが異なる。燐光体ナノ粒子はナノメートルオーダーのサイズのものであるが、複数の異なる粒子寸法によって光を複数の異なる波長へと変換するのである。よって複数の異なる寸法のナノ粒子を利用することにより、一定の波長範囲の第二次放射光を得ることが出来るのである。具体的には、粒子の寸法及び混合を制御することにより、特定の波長変換特性を得ることが出来るのである。

燐光体粒子及び燐光体ナノ粒子は、エポキシ、シリコーン又はガラスといった透光性の（光学的に透明な）媒体中に懸濁させることが出来る。この透光性媒体は有機質であっても無機質であっても良い。

ナノ粒子は、ナノ結晶又は量子ドットとすることが出来る。

本発明を特定の実施例に基づいて説明して来たが、上述の説明に照らし、多数の代替形態、改変形態、置換形態及び変更形態が可能であることは当業者には明らかである。よって本発明は、本願請求項の範囲に入る、そのような代替形態、改変形態および変更形態の全てを包含するものである。

従来技術に基づく光源を描いた図である。 本発明の第一の実施の形態に基づく光源を描いた図である。 本発明の第二の実施の形態に基づく光源を描いた図である。 本発明の第三の実施の形態に基づく光源を描いた図である。

符号の説明

２００ 発光デバイス（光源）
２０２ 第一次光発生器
２０６ 第一の波長変換材料層
２０８ 第二の波長変換材料層
３０２ 第一次光
３０４ 第二次光
３０６ 第三次光

Claims (10)

1. ａ）第一次光を放射するように機能することが可能な第一次光発生器と、
   ｂ）前記第一次光の少なくとも一部分を受け、これに呼応して第二次光を放射するように配置された波長変換材料体と
   を具備し、前記波長変換材料体が燐光体ナノ粒子と、より大型の燐光体粒子とを含むことを特徴とする発光素子。
2. 前記より大型の燐光体粒子が２μｍよりも大きい平均寸法を持ち、前記燐光体ナノ粒子が１μｍ未満の平均寸法を持つものであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記より大型の燐光体粒子が５μｍよりも大きい平均寸法を持ち、前記燐光体ナノ粒子が０．１μｍ未満の平均寸法を持つものであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
4. 前記波長変換材料体が、透光性の媒体であって前記燐光体ナノ粒子及び前記より大型の燐光体粒子が内部に懸濁される透光性媒体を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
5. 前記波長変換材料体が、
   ａ）前記より大型の燐光体粒子を懸濁させた第一の透光性媒体と、
   ｂ）前記燐光体ナノ粒子を懸濁させた第二の透光性媒体と
   を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
6. 前記波長変換材料体が、所定形状を有するように予め成形されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
7. 前記燐光体ナノ粒子が量子ドットであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
8. 前記第一次光が紫外線であり、前記第一次光のほぼ全てが前記波長変換材料体により吸収されるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
9. 可視光を生成する為の方法であって、
   ａ）第一次光発生器を用いて第一次光を生成することと、
   ｂ）前記第一次光の第一の部分を複数の燐光体粒子により吸収し、第一の波長を持つ第二次光を放射することと、
   ｃ）前記第一次光の第二の部分を複数の燐光体ナノ粒子により吸収し、第二の波長を持つ第二次光を放射することとを有し、
   前記第一の波長を持つ前記第二次光及び前記第二の波長を持つ前記第二次光が組み合わせられて可視光が構成されることを特徴とする方法。
10. 前記燐光体粒子の平均寸法が２μｍよりも大きく、前記燐光体ナノ粒子の平均寸法が１μｍ未満であることを特徴とする請求項９に記載の可視光を生成する為の方法。

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