(57)【要約】      （修正有）【課題】既存の高価なＬＥＤデバイスに変わる安価なライセンスの白色ＬＥＤまたは白色ＬＤデバイスを提供する。【解決手段】投資額の大きなチップレベルでの開発を最小限に抑え、すでに性能の証明されている、数々の新発光素材を組み合せる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
従来の白色ＬＥＤまたは白色ＬＤと異なる方式の擬似白色半導体照明デバイスを提供する。これらは第一（能動）発光体と第二蛍光物質としてダウンコンバージョン型の蛍光物質、アッパーコンバージョン型のものの空間的組み合わせの方式と、単一のデバイスの励起を時間的に振幅変調する方式らで実現できる。
【請求項２】
本発明１，２，３ａではこれらの第一発光体を青色ＬＥＤ  １８：Ｂ，紫色ＬＥＤ  ２２：Ｐ，ＵＶＬＥＤ  ２０：Ｖに第二発光体である色相６：ｙｏ，７：ｒＹ，１０：ＹＧ，８：Ｙの“蛍光液体（コロイド状蛍光液体で液体に蛍光粉を溶解したもの）、量子ドット（ＱＤ），ＰＧ（蛍光ガラス）”を組み合わせたものである。
ＱＤはコロイド状の液体またはエポキシなどの樹脂に封入してもよい。ＰＧは固体である。
本発明３ｂでは第一発光体にＵＶを第二発光体に各色種の蛍光蛋白質ＧＦＰ・ＣＦＰ・ＲＦＰ・ＹＦＰ（グリーン・シアン・赤・黄色）を組み合わせることで色調の異なった演色性の高い白色光を可能にする。
【請求項３】
本発明４では第二発光体が赤２：Ｒの蛍光との組み合わせで擬似白色を生成する。このとき第一発光体はスカイブルー色１４：ＢＧまたは色環で近傍の色を組み合わせる。これもＤＣ（ダウンコンバージョン）を用いる。
【請求項４】
本発明５では第一発光体はＵＣ（アッパーコンバージョン）機構を利用するために赤色レーザーダイオードＬＤ２：Ｒ、第二発光体はスカイブルーまたは１４：ＢＧまたは緑、水色等のＵＣＱＤ・ＵＣＰＧを組み合わせる。
【請求項５】
本発明６では第一発光体はＵＣ（アッパーコンバージョン）機構を利用するために橙色レーザーダイオードＬＤ５：Ｏ、第二発光体はスカイブルーまたは１７：Ｂまたは青等のＵＣＱＤ・ＵＣＰＧを組み合わせる。
【請求項６】
本発明７では第一発光体はＵＣ（アッパーコンバージョン）機構を利用するために緑色レーザーダイオードＬＤ１２：Ｇ、第二発光体はスカイブルーまたは２４：ＲＰまたはマゼンタ等のＵＣＱＤ・ＵＣＰＧを組み合わせる。
【請求項７】
本発明８では第一発光体はＵＣ（アッパーコンバージョン）機構を利用するために黄色レーザーダイオードＬＤ１２：Ｇ、第二発光体は青、紫または２０：ＲＰまたはマゼンタ等のＵＣＱＤ・ＵＣＰＧを組み合わせる。
【請求項８】
本発明９では一つの素子から時間的な処理による擬似白色に関する。ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｖｉｎｙｌｅとＣｄＴｅナノ粒子ｐＱＤにおいてＱＤ  ＬＥＤに高周波の振幅変調電圧を印可することで、各電圧に対応した色をもつ光が高速でスイッチングさせ、時間軸状の光の混合がおき、一個のＱＤ  ＬＥＤデバイスにおいて、色の配合の微調整が可能な白色光を発生させる。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本考案は、白色半導体ダイオード（ＬＥＤ・ＬＤ）の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】大半の白色ＬＥＤの基本原理は日亜化学工業の青色ＬＥＤチップ（ＩｎＧａＮ）に半透明の黄色の蛍光体をこれに被せて、透過した青色光と、青色光に励起された黄色とが、混色し、補色として人間の目に擬似的に白色として感じる心理機構を利用している。日亜化学工業の蛍光体はＹＡＧ蛍光体（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）を特徴としている。【０００３】白色ＬＥＤの他の考案例は黄色の蛍光体の構成成分の違いで、ドイツのオスラムオプト（ＯＳＲＡＭ  ＯＰＴＯ）社ではＴＡＧ蛍光体（テルビウム・アルミニウム・ガーネット）を採用していてこれを特許化している。【０００４】他の白色ＬＥＤではＴＯＹＯＤＡ合成のように近ＵＶ領域の青色ＬＥＤチップを用いて、これに緑色の蛍光体を被せ同様に擬似白色を得ている。【０００５】蛍光体を使った白色ＬＥＤには以上にＣｒｅｅ社を含めた４社が大半をカバーしていている。韓国や中国などに独自の発明を申請しているものもあるが、多くは蛍光体の成分等が異なるもので、基本的には上記の範疇に属するとも考えられる。それらは裁判などで係争中にものも数多い。【０００６】上記の白色ＬＥＤはみな、電源を交流から直流に変換していて直流駆動である。これをＬＥＤドライバーと呼ぶ。ところが最近は交流駆動の白色ＬＥＤが韓国や台湾で現れてきた。これらは複数のダイオードを逆接続していて、個々のダイオードは１００ボルト電圧の印加にたえられるように設計されている（特開平５−６６７１８号公報  酒井  士郎）。交流ライン直接駆動の利点はＬＥＤドライバー方式に固有の電力損失がないために、電気から光への実効的な変換効率が高くなることである。【０００６】さらに最近ではさまざまな種類のナノのサイズの粒子は光子・電子の照射あるいは電界を印加することでサイズに応じた波長の光の放出される機構のＬＥＤも販売されるようになってきた。（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｖｉｄｅｎｔｔｅｃｈ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｅｖｉｄｏｔ−ｌｅｄｓ／ｔｈｒｏｕｇｈ−ｈｏｌｅ−ｌｅｄｓ．ｈｔｍｌ）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】白色ＬＥＤチップの世界の生産量は年間１７００億円の規模に上るが、いずれも１ワット以下のパワーの小さな照光スイッチ、電飾、ＬＣＤバックライトなどが大半で一般の照明器具としての普及は小さい。このうち携帯電話での使用が約７０％を占めている。【０００８】ＬＥＤのチップレベルは一個あたりで数ワット、発光効率では１００Ｗ／ｌｍを越える製品もでてきたが、例えば同じく１００Ｗ／ｌｍを越える蛍光灯に交換しうるＬＥＤ型蛍光灯になると、ＬＥＤのジュール損による熱処理の問題などが問題になってきて、本来のＬＥＤの長寿命のメリットが生かしにくくなり、コスト高から、普及させにくいのが現状である。【０００９】ＬＥＤのチップは日本発であったが、ＬＥＤ照明器具の応用利用は韓国、中国、台湾などが関連企業のボリュームの大きさばかりでなく、技術レベルにおいても日本の技術をしのぐ発展を遂げている。これらの外国産の照明器具で仕様されている白色ＬＥＤチップにはこれらの国で生産された非ライセンスのＬＥＤチップと、有ライセンスＬＥＤチップのものと二種類あり、有ライセンスＬＥＤチップを使ったＬＥＤ照明は非ライセンスを使ったＬＥＤチップの照明器具に比べて、大幅なコストアップになっている。【００１０】韓国、中国、台湾で生産されたＬＥＤ照明器具は欧米では販売禁止されていない。日本はチップレベルのライセンスを保持しているが、韓国、中国、台湾では応用製品に優位性がある。これらの理由のために、世界市場でのＬＥＤデバイス、モジュール、器具の分野では日本の製品が大きくリードされているのが現状である。【００１１】世界の既存の白色ＬＥＤに関するライセンスの状況は極めて複雑だがおおむね図１のように白色ＬＥＤのライセンス世界マップとして表す事ができる。このなかでＯＳＲＡＭのみがライセンスの供与に積極的であるといえる。
この状況にあらたにＱＤ（量子ドット）ＬＥＤの白色ＬＥＤ新世界が加わる事になる。どちらかというとＱＤ  ＬＥＤの世界は日本以外が優位にたっていると思える。すでにアメリカではＬＥＤチップとして製品が市場に出始めていて、電気から光への変換効率もそれほど遜色はない。【００１２】白色ＬＥＤを作る方法は以上のＬＥＤチップ＋蛍光体方式とＱＤ  ＬＥＤの他に白色の有機ＯＬＥＤや無機ＬＥＤがある。また、ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ社（ｗｗｗ．ｐｅｒｋｉｎｅｌｍｅｒ．ｃｏｍ）のように複数のＬＥＤチップをｍｕｌｔｉ  ｃｈｉｐ−ｏｎ−ｂｏａｒｄ（ＣＯＢ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙにより混合する方式もある。この中でＯＬＥＤは超薄型デスプレーとして製品化されていて価格を除いて性能も優れている。【００１３】このような状況において、従来のＬＥＤの白色ＬＥＤ方式やＱＤ  ＬＥＤ方式等でまだ見逃されているような別の方式がないだろうか？  ｍｕｌｔｉ  ｃｈｉｐ−ｏｎ−ｂｏａｒｄ（ＣＯＢ）方式以外の白色の生成原理は一言でいうとＬＥＤチップを第一発光体としてそして、蛍光体を第二発光体として、半透明の第二発光体を通過した光と、これによって励起された第二発光体の光の混合によっていると理解できる。【００１４】このとき、既存の白色のスペクトル（波長の分布）をみると、太陽光の白色とはかなりずれていているにも関わらず、脳を通した人間の目には白色に見える。この二色の色の混合した色は補色の関係にあるときに心理的な要因から白色にみえるという。この補色という概念は必ずしも正確ではなく色相環の向かいあっている二色が補色というが、この色相環にはさまざまな方式が存在していて、採用する色相環によって補色の関係が異なる。その結果、擬似白色ＬＥＤの色合いも多少異なることとなる。色相環の色合いには７色程度は分類されるのでこの組み合わせによる独自性は残る。たとえば、日亜化学工業やオスラム社は第一発光体が青で第二発光体が黄色である。そして豊田合成においては、ＵＶと緑での組み合わせで特許を申請している。問題はこれら以外の擬似白色生成法を考案することである。さらにサムソンのように赤と緑の二種類の蛍光体を組み合わせ、演色性を向上されることもある。さらに多色の蛍光体を組み合わせる事も可能である。これらの方式の白色ＬＥＤチップを第一世代と呼ぶ事にする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】上記目的、すなわる、既存の白色の生成法と異なる白色を実現するために、既存の擬似白色の生成方法の分析を行い、いくつかの問題点を発見した。【００１６】最初の既存の方法の問題点は色の組み合わせの大前提として、第一発光体（ＬＥＤチップ）が励起して発生した第二発光体の光の波長が長いとしている。光の周波数に変換したときに周波数は減少する（逆に波長は長くなる）のでこれをダウンコンバージョン（ｄｏｗｎ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）という。この方式のすべての白色はダウンコンバージョンで生成されている。この為に、第一発光体の波長の種類が限定されてしまう問題がある。【００１７】第二の問題点は第二発光体をＹＡＧやＴＡＧ等の蛍光体に限定している点である。もっともこの蛍光体の発見こそがこれらの第一世代の白色ＬＥＤの興隆の原点であったのであるが、その後の技術革新によって、Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｏｔ（ＱＤ）や蛍光ガラスで周波数の高くなるアッパーコンバージョン（ｕｐｐｅｒ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ＵＣ）の可能なあたらしい蛍光材料の入手が可能になってきた。【００１８】いままでに使われていた第一発光体の見直しと、ＵＣ発光材料の見直しによって、擬似白色の可能な組み合わせを、既存の方式と新方式を一緒に纏めたものが表１である。【００１９】ここで補色についての説明のために、図２と図３を用意した。図２は通常のＲＧＢの色相環の円環でお互いに位置が対抗している色をお互いに補色としている。図３はＰＣＣＳ（日本色研配色体系：Ｐｒａｃｔｉｃａｌ  Ｃｏｌｏｒ  Ｃｏ−ｏｒｄｉｎａｔｅ  Ｓｙｓｔｅｍ、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｉｋｉｋｅｎ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｃｃｓ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ）と呼ばれる色環で２４色相の色分類が規定されている。このＰＣＣＳの２４色環の都合が良いのは“色光”の三原色と“色材”の三原色のほかに擬似白色を考えやすい心理四原色分類があることである。【００２０】表一の内容の上から１行目は日亜化学、ＯＳＲＡＭ  ＯＰＴＯ方式、第二行目、三行目が豊田合成方式である。一番左の列と一番右の列には、一般的な意味での補色のペアーとＰＣＣＳでの色の識別記号（ＩＤ）を示す。いずれもＤＣ（ダウンコンバージョン）方式である。【００２１】本発明１、２、３ａではこれらの第一発光体を青色ＬＥＤ１８：Ｂ、紫色ＬＥＤ２２：Ｐ、ＵＶＬＥＤ２０：Ｖに第二発光体である色相６：ｙｏ，７：ｒＹ、１０：ＹＧ、８：Ｙの“蛍光液体（コロイド状蛍光液体で液体に蛍光粉を溶解したもの）、量子ドット（ＱＤ），ＰＧ（蛍光ガラス）”を組み合わせたものである。ＱＤはコロイド状の液体またはエポキシなどの樹脂に封入してもよい。ＰＧは固体である。
本発明３ｂでは第一発光体にＵＶを第二発光体に各色種の蛍光蛋白質ＧＦＰ・ＣＦＰ・ＲＦＰ・ＹＦＰ（グリーン・シアン・赤・黄色）を組み合わせることで色調の異なった演色性の高い白色を可能にする。【００２２】本発明４では第二発光体が赤２：Ｒの蛍光との組み合わせで擬似白色を生成する。このとき第一発光体はスカイブルー色１４：ＢＧまたは色環で近傍の色を組み合わせる。これもＤＣ（ダウンコンバージョン）を用いる。【００２３】本発明５では第一発光体はＵＣ（アッパーコンバージョン）機構を利用するために赤色レーザーダイオードＬＤ２：Ｒ、第二発光体はスカイブルーまたは１４：ＢＧまたは緑、水色等のＵＣＱＤ・ＵＣＰＧを組み合わせる。【００２４】本発明６では第一発光体はＵＣ（アッパーコンバージョン）機構を利用するために橙色レーザーダイオードＬＤ５：Ｏ、第二発光体はスカイブルーまたは１７：Ｂまたは青等のＵＣＱＤ・ＵＣＰＧを組み合わせる。【００２５】本発明７では第一発光体はＵＣ（アッパーコンバージョン）機構を利用するために緑色レーザーダイオードＬＤ１２：Ｇ、第二発光体はスカイブルーまたは２４：ＲＰまたはマゼンタ等のＵＣＱＤ・ＵＣＰＧを組み合わせる。【００２６】本発明８では第一発光体はＵＣ（アッパーコンバージョン）機構を利用するために黄色レーザーダイオードＬＤ１２：Ｇ、第二発光体は青、紫または２０：Ｖまたはマゼンタ等のＵＣＱＤ・ＵＣＰＧを組み合わせる。【００２７】以上の発明１−８は第一発光体からＬＥＤ光あるいはＬＤ（レーザーダイオード）光でさまざまな形態（固体蛍光体、液体蛍光体、固体ＱＤ，液体ＱＤ，固体蛍光ガラス）で補色の第二発光体を通した光を混合し擬似白色を発光させるものであった。これはらいずれも二種類の発光部を空間的は配置において二種の補色を混合するものであった。【００２８】本発明９では一つの素子から時間的な処理による擬似白色に関する。Ｗｅｉ  ＣｈｅｎらはＱＤ（量子ドット）素子において、ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｖｉｎｙｌｅとＣｄＴｅナノ粒子のｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ  ａｓｓｅｍｂｌｙ積層法の発光ダイオードで、出力光の波長が広い波長にわたってＬＥＤの印可電圧に依存することを発見した。（Ｗｅｉ，Ｃ．，Ｄ．Ｇｒｏｕｑｕｉｓｔ  ａｎｄ  Ｊ．Ｒｏａｒｋ；”ｖｏｌｔａｇｅ  ｔｕｎａｂｌｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ  ｏｆ  ＣｄＴｅ  ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ，”Ｊ．ｎａｎｏｓｃｉ．Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｌｏｙ．，２，４７−５３（２００２）。従って、このＱＤ  ＬＥＤに高周波のプログラムされた振幅変調電圧を印可すれば、各電圧に対応した色をもつ光が高速でスイッチングされ、脳内では時間軸状の光の混合が生起され、一個のＱＤ  ＬＥＤデバイスにおいて、色の配合の微調整が可能な高い演色性の白色光の発生が可能となる。
【発明の効果】
【００２９】従来の擬似白色ＬＥＤのライセンス問題に拘束されないあたらしい白色ＬＥＤ・ＬＤ光源が可能となる。これにより、より安価な白色ＬＥＤ・ＬＤチップの供給を可能にし、日本および近隣諸国のその応用製品の開発と発展を奨励させる。【００３０】安価で性能の高い白色ＬＥＤ・ＬＤチップの供給により、従来の水銀による環境汚染型照明の蛍光灯照明の代替品の供給を促進させ、我が国および地球温暖化で世界中が苦しんでいるＣＯ２の低減問題に大きな寄与が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】世界の白色ＬＥＤの特許・ライセンスマップ
【図２】ＲＧＢ色相環
【図３】ＰＣＣＳ（Ｐｒａｃｔｉｃａｌ  Ｃｏｌｏｒ  Ｃｏ−ｏｒｄｉｎａｔｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）の色相環
【図４】白色ＬＥＤの各種方式
【図５】白色ＬＥＤ・ＬＤの各種方式の略語規約
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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