JP5275305B2

JP5275305B2 - 発光体および発光装置

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Publication number: JP5275305B2
Application number: JP2010198633A
Authority: JP
Inventors: 真司斎藤; 靖服部; 玲橋本; 真也布上
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2010-09-06
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2030-09-06
Also published as: JP2012059384A; US20120056524A1; US8452144B2

Description

本発明の実施の形態は、発光体および発光装置に関する。

ＬＤ（半導体レーザダイオード）やＬＥＤ（半導体発光ダイオード）等の半導体発光素子は広く表示装置、照明装置、記録装置等に用いられている。最近新たな応用として固体照明の開発が進められている。特に、半導体発光素子と蛍光体を組み合わせ白色発光装置により、既存の照明装置や液晶表示装置のバックライト光源の置き換えが進んでいる。

例えば液晶表示装置は、携帯機器用に小型化、薄型化が進んであり、バックライト光源に用いる発光装置にも、更なる小型化、細線化が必要とされる。

特許第３４３４７２６号公報

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、小型化、細線化を実現するファイバー形状の発光体およびこれを用いた発光装置を提供することにある。

実施の形態の発光体は、励起光を吸収し励起光よりも波長の長い光を発する発光物質を含有するコア部と、コア部の外側に設けられ、コア部以上の屈折率を有する第１の領域中に、第１の領域より高い屈折率を有する複数の第２の領域が周期的に形成されるクラッド部と、を有し、ファイバー形状を呈する発光体である。

第１の実施の形態の発光体の概略断面図である。第１の実施の形態の発光体の作用を説明する図である。第１の実施の形態の励起光の閉じ込め効果を示すシミュレーション結果である。第１の実施の形態の発光体の製造方法の一例の概略説明図である。第２の実施の形態の発光体の概略断面図である。第２の実施の形態の凹凸構造の一例を示すＳＥＭ写真である。第３の実施の形態の発光体の概略断面図である。第４の実施の形態の発光装置の概略断面図である。第５の実施の形態の発光装置の概略図である。

以下、図面を用いて実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一または類似の符号を付している。

なお、本明細書中「屈折率」とは、基本的に発光体に入射が予定される励起光の波長における屈折率を意味するものとする。

（第１の実施の形態）
本実施の形態の発光体は、励起光を吸収し励起光よりも波長の長い光を発する発光物質を含有するコア部と、コア部の外側に設けられ、コア部以上の屈折率を有する第１の領域中に、第１の領域より高い屈折率を有する複数の第２の領域が周期的に形成されるクラッド部と、を有し、ファイバー形状を呈する。

本実施の形態の発光体は、上記構成を備えることにより、ファイバー形状の発光体の一方の端面から入射される励起光を、発光体の伸長方向に伝播する。一方、励起光を吸収した発光物質が発する光は、発光体の外表面（または側表面）から取り出される。すなわち、発光体の伸長方向に垂直な方向に取り出される。したがって、細線状の光を発する発光体が実現される。

図１は、本実施の形態の発光体の概略断面図である。図１（ａ）は発光体の伸長方向に平行な断面図、図１（ｂ）は発光体の伸長方向に垂直な断面図である。

本実施の形態の発光体１０は、ファイバー形状を呈している。発光体１０は、コア部１２とその外側に設けられるクラッド部１４を備えている。

コア部１２には、励起光を吸収し励起光よりも波長の長い光を発する発光物質が含有されている。例えば、ＡｌＦ_３（フッ化アルミニウム）ガラス中に、例えば、４０５ｎｍの波長の近紫外光を吸収し、青色、緑色、および赤色の蛍光を発する発光物質が含有されている。

青色の蛍光を発する発光物質としては、例えば、ツリウム（Ｔｍ）、緑色の蛍光を発する発光物質としては、例えば、テルビウム（Ｔｂ）、赤色の蛍光を発する発光物質としては、例えば、ユーロピウム（Ｅｕ）が適用される。

クラッド部１４は、コア部以上の屈折率を有する第１の領域１４ａと、第１の領域より高い屈折率を有する複数の第２の領域１４ｂとを有する。

図１（ｂ）に示すように、第２の領域１４ｂは発光体の伸長方向に垂直な断面が円形であり、第１の領域１４ｂ中に三角格子状に周期的に形成されている。第２の領域１４ｂの周期的な配置は、発光体の端面１０ａのいずれか一方から入射される励起光を発光体の内部に閉じ込め、発光体の伸長方向に伝播するよう設計される。一方、発光物質から発せられる励起光より波長の長い光は発光体の内部に閉じ込めず、発光体の外表面１０ｂから取り出されるよう設計される。

本実施の形態の発光体１０では、コア部１２よりもクラッド部１４の方が、実効的な屈折率が高くなるため、コア部１２からクラッド部１４に向かう光は、通常は発光体１０の内部に閉じ込められることなく外表面から取り出される。

もっとも、電磁解析の手法を用い、第２の領域１４ｂを適切な配置に設計することで、ある特定の波長の光、ここでは励起光のみをクラッド部に存在できないようにすることが可能である。適切な配置の設計は、コア部１２の物質の屈折率、第１の領域１４ａの屈性率、第２の領域１４ｂの屈折率、第２の領域１４ｂの形状およびサイズ、第２の領域１４ｂの間隔等をパラメータとすることにより解析的に導き出すことが可能である。

図２は、本実施の形態の発光体の作用を説明する図である。図２に示すように、発光体１０の一方の端面１０ａから入射された励起光である近紫外光（図中黒矢印）は、コア部に閉じ込められ、発光体１０の伸長方向に伝播される。

近紫外光によってコア部１２内に含有される発光物質が励起され、青色、緑色、赤色の蛍光が発せられる。これらの、蛍光はコア部１２内に閉じ込められることなく、発光体１０の外表面１０ｂから取り出される。青色、緑色、赤色の蛍光は混合され白色光（図中白矢印）となる。

図３は、励起光の閉じ込め効果を示すシミュレーション結果である。有限要素法（ＦＥＭ）を用いて、発光体を伝播する波長４０５ｎｍの光の発光体断面における強度分布をシミュレーションした。

コア部１２および第１の領域１４ａの屈折率を１．４６、第２の領域１４ｂの屈折率を１．７５とした。また、第２の領域１４ｂの断面は円形とし、三角格子状に周期的に配置した。第２の領域１４ｂの直径は２．６μｍ、間隔は５．０μｍとした。発光体１０の外径は１２５μｍとした。

図３に示すように、発光体１０の中心のコア部１２（矢印）の光強度が局所的に高くなっていることがわかる。このように、第２の領域１４ｂを適切な配置に設計することで、励起光を発光体１０内部に閉じ込め、発光体１０の伸長方向に伝播することが可能となる。

なお、本実施の形態では、励起光を近紫外光のレーザ光とし、青色、緑色、赤色の蛍光を発することで白色光を発する発光体を例に説明した。もっとも、白色光ではなく、単色光を発する発光体とすることも可能である。この場合は、コア部には、青色のみ、緑色のみ、赤色のみ、黄色のみを発光する発光物質を含有させればよい。

また、発光体１０の外表面が、例えばすりガラス状の凹凸構造を有することが望ましい。外表面が凹凸構造を有することで、発光物質から発せられる光の外表面１０ｂでの全反射が抑制され、発光体１０からの光の取り出し効率が向上するからである。

この凹凸構造の凹凸の高低差が、凹凸の周期よりも大きいことがより望ましい。さらに、全反射による光の取り出し効率の低下が抑制されるからである。

また、発光体１０の一方の端面１０ａには、コア部１２を伝播してきた励起光が外部に漏れないよう反射する反射膜として、例えば、誘電体多層膜を設けることが好ましい。

次に、本実施の形態の発光体の製造方法の一例について説明する。図４は、本実施の形態の発光体の製造方法の一例の概略説明図である。

図４に示すように、コア部１２、第１の領域１４ａ、第２の領域１４ｂのそれぞれの材料となるガラス棒を、例えば、第２の領域１４ｂが三角格子状の配置になるように束ねる。そして、この束ねたガラス棒を高温下で図中矢印の方向に線引きすることにより、ファイバー形状の発光体を製造することが可能である。

なお、コア部１２のガラス棒にはあらかじめ蛍光を発するツリウム（Ｔｍ）、テルビウム（Ｔｂ）、ユーロピウム（Ｅｕ）等の発光物質を添加しておく。発光物質の添加量については、ファイバーの長さ等により最適解が存在する。

例えば、コア部１２、第１の領域１４ａにＡｌＦ_３（フッ化アルミニウム）ガラス、第２の領域１４ｂにＺｒＦ_３（フッ化ジルコニウム）ガラスを用い、発光体１０の外径を１２５μｍ、長さを９００ｍｍとする場合には、発光物質の添加量を４〜１５モル％とすることが好適である。

（第２の実施の形態）
本実施の形態の発光体は、発光体の外表面の凹凸構造が、凹凸の高低差が、凹凸の周期よりも大きく、かつ、凹凸の高低差が、発光物質の発する光のピーク波長をλとした場合に、３λ以下であること以外は、第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については、記載を省略する。

図５は、本実施の形態の発光体の概略断面図である。発光体の伸長方向に平行な断面図を示している。

本実施の形態の発光体２０は、図５の点線円内に拡大して示すように、外表面１０ｂに、凹凸の高低差が、凹凸の周期よりも大きく、かつ、凹凸の高低差が、発光物質の発する光のピーク波長をλとした場合に、３λ以下の凹凸構造を備えている。

具体的には、例えば、数十〜数百ｎｍの間隔で、アスペクト２以上の高さを有する構造である。図６は、本実施の形態の凹凸構造の一例を示すＳＥＭ写真である。

上記のような凹凸構造は、いわゆるモスアイ（ｍｏｔｈ−ｅｙｅ）構造であり、この構造により、発光物質から発せられる光の外表面での全反射がほぼ完全に抑制される。したがって、発光物質から発せられる光の取り出し効率がほぼ１００％となる。

このようなモスアイ構造は、例えば、コブロックポリマーをマスクとするドライエッチングにより製造することが可能である。また、より簡便には、フッ化水素酸の１０％水溶液によるエッチングによっても製造することが可能である。

（第３の実施の形態）
本実施の形態の発光体は、発光体の外表面の一部に反射材を有すること以外は第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。

図７は、本実施の形態の発光体の概略断面図である。図７（ａ）は発光体の伸長方向に垂直な断面図、図７（ｂ）は発光体の伸長方向に平行な断面図であり発光体の作用を示す。

本実施の形態の発光体３０は、発光体３０の外表面１０ｂの一部、ここでは下部に反射材３２が設けられている。反射材３２は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）のコーティングである。

本実施の形態によれば、図７（ｂ）に示すように、発光体３０の反射材３２が設けられていない外表面１０ｂのみから発光物質から発せられる光を取り出すことが可能になる。

（第４の実施の形態）
本実施の形態の発光装置は、第１、第２または第３の実施の形態の発光体を備える発光装置である。したがって、第１、第２または第３の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。

図８は、本実施の形態の発光装置の概略断面図である。本実施の形態の発光装置４０は、近紫外光を励起光として発するレーザ光源４２と、励起光を吸収し励起光よりも波長の長い光を発する発光物質を含有するコア部１２と、コア部１２の外側に設けられ、コア部１２以上の屈折率を有する第１の領域中に、第１の領域より高い屈折率を有する複数の第２の領域が周期的に形成されるクラッド部１４とを有し、ファイバー形状を呈する発光体１０とを備えている。そして、発光体１０の一方の端面１０ａから励起光が入射され、発光体１０の外表面１０ｂから発光物質の発する光が取り出される。

さらに、レーザ光源４２と発光体１０との間には、励起光であるレーザ光を集光する集光レンズ４４が設けられている。集光レンズは、例えば、球状のボールレンズである。また、レーザ光が入射される端面１０ａと反対側の端面１０ａには図示しない反射膜が設けられている。

本実施の形態によれば、細線状の光、例えば白色光を発光する発光装置を実現することが可能となる。

なお、図８では、第１の実施の形態の発光体１０を用いる場合を例に示したが、第２の実施の形態の発光体２０、第３の実施の形態の発光体３０等を適用してもかまわない。

（第５の実施の形態）
本実施の形態の発光装置は、第４の実施の形態の発光装置と同様の発光装置を用いた面状の光をする発光装置である。第１ないし第４の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。

図９は、本実施の形態の発光装置の概略図である。図９（ａ）は上面図、図９（ｂ）は図９（ａ）の点線円部分の拡大図である。

発光装置５０は、拡散板５２と、この拡散板５２の４つの縁に配置される発光装置６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄを備えている。この発光装置５０は、例えば液晶ディスプレイのバックライト用の発光装置として用いられる。

図９（ａ）に示すように、発光装置６０ａは、例えば近紫外のレーザ光を発するレーザ光源４２と、集光レンズ４４と、第３の実施の形態で説明した発光体３０とを備えている。発光体３０と拡散板５２との間は、発光体３０の第１の樹脂と屈折率の近い、例えば、樹脂等で接合することが望ましい。

本実施の形態によれば、発光体３０で発せられた光、例えば、白色光が拡散板５２の４つの縁から入射され、拡散板５２の上面から面状の光となって発せられる。

レーザ光源４２として、波長４０５ｎｍの光を発する光源を用い、集光レンズ４４にボールレンズを用いる。そして、コア部１２、第１の領域１４ａにＡｌＦ_３（フッ化アルミニウム）ガラス、第２の領域１４ｂにＺｒＦ_３（フッ化ジルコニウム）ガラスを用い、発光体３０の外径を１２５μｍ、長さを９００ｍｍとする。そして、発光体３０の外表面の一部にアルミニウムによるコーティングを行い反射材３２とする。また、発光体３０と拡散板５２をフッ素系の樹脂で接合した。この構成で、図９（ａ）に示す構造の発光装置をレーザ光源の出力１０Ｗで発光させたところ、１００００ｌｍの明るさの面状光が得られた。発光装置を１個とした場合は、２５００ｌｍの明るさの面状光が得られた。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、各実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもかまわない。

例えば、コア部やクラッド部を形成する材料として、ＡｌＦ_３（フッ化アルミニウム）またはＺｒＦ_３（フッ化ジルコニウム）を例に説明した。光の材料による吸収を抑制する観点からはこれらの材料が好ましい。しかし、アルミニウム酸化物、チタン酸化物、ジルコニウム酸化物、タンタル酸化物、ハフニウム酸化物、ニオブ酸化物、リチウムニオブ酸化物、リチウムタンタル酸化物、イットリウムバナジウム酸化物等、その他の材料を用いることも可能である。

また、第２の領域の断面が円形である場合を例に説明したが、楕円、三角形、四角形、その他の多角形等の断面形状とすることも可能である。また、第２の領域の周期的な配置として三角格子状の配置を例に説明した。しかしながら、この配置に限らず、励起光を閉じ込め、蛍光を閉じ込めず取り出せる配置であれば、正方格子状等その他の周期的な配置であってもかまわない。

また、発光物質としても、例示したツリウム（Ｔｍ）、テルビウム（Ｔｂ）、ユーロピウム（Ｅｕ）以外の発光物質を適用することも可能である。

そして、実施の形態の説明においては、発光体、発光装置等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる発光体、発光装置に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての発光体、発光装置は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。

１０発光体
１０ａ端面
１０ｂ外表面
１２コア部
１４クラッド部
１４ａ第１の領域
１４ｂ第２の領域
２０発光体
３０発光体
３２反射材
４０発光装置
４２レーザ光源
４４集光レンズ
５０発光装置
５２拡散板
６０ａ〜ｄ発光体

Claims

励起光を吸収し前記励起光よりも波長の長い光を発する発光物質を含有するコア部と、
前記コア部の外側に設けられ、前記コア部以上の屈折率を有する第１の領域中に、前記第１の領域より高い屈折率を有する複数の第２の領域が周期的に形成されるクラッド部と、
を有し、ファイバー形状を呈することを特徴とする発光体。
前記発光体の外表面が凹凸構造を有することを特徴とする請求項１記載の発光体。
前記凹凸構造の凹凸の高低差が、前記凹凸の周期よりも大きいことを特徴とする請求項２記載の発光体。
前記凹凸の高低差が、前記発光物質の発する光のピーク波長をλとした場合に、３λ以下であることを特徴とする請求項３記載の発光体。
前記コア部が前記発光物質を含有するＡｌＦ_３（フッ化アルミニウム）ガラスであり、前記第１の領域がＡｌＦ_３（フッ化アルミニウム）ガラスであり、前記第２の領域がＺｒＦ_３（フッ化ジルコニウム）ガラスであることを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか一項記載の発光体。
励起光を発するレーザ光源と、
前記励起光を吸収し前記励起光よりも波長の長い光を発する発光物質を含有するコア部と、前記コア部の外側に設けられ、前記コア部以上の屈折率を有する第１の領域中に、前記第１の領域より高い屈折率を有する複数の第２の領域が周期的に形成されるクラッド部とを有し、ファイバー形状を呈する発光体と、を備え、
前記発光体の端面から前記励起光が入射され、前記発光体の外表面から前記発光物質の発する光が取り出されることを特徴とする発光装置。