(57)【要約】  本発明は、可変出力色を有する発光デバイス（２）に関する。より詳細には、本発明は、他の色又は色温度を生成するために光源（４）の前に配置されることができる色変換セル（１０）を提供する。典型的には、光源は、電力効率が良いが狭く固定したスペクトルで発光するダイオード（ＬＥＤ）である。セルに含まれる蛍光色素の光ルミネセンスによって、新しい色が生成される。セルの色変換は電気的に制御可能であり、好適には、蛍光色素の配向、密度又は分布を制御することによって、又は、セルの光のパス長を制御することによって、制御可能である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の発光スペクトルを有する光源からの光の色又は色温度を調整するための色変換セルであって、当該色変換セルは、２つの電極間に保持されるマトリックス中に色変換物質を有し、前記色変換物質は、前記第１の発光スペクトルとは異なった第２の発光スペクトルを有し、前記色変換セルは少なくとも、
前記色変換物質が、
−前記セルに入射する光の第１の割合Ａ１を吸収し、
−前記第２の発光スペクトルを有する光を発し、
−前記セルに入射する光の第２の割合Ｔ１を透過する、
第１の状態と、
第１の割合Ａ２が前記第１の状態における前記第１の割合Ａ１よりも小さく、前記第２の割合Ｔ２が前記第１の状態における前記第２の割合Ｔ１よりも大きい、第２の状態と、
の間でシフト可能である、色変換セル。
【請求項２】
請求項１に記載の色変換セルにおいて、前記色変換物質は、前記セルに入射する光について高吸収の方向及び低吸収の方向を有する異方性色変換粒子を有し、前記色変換セルは、当該セルが前記第１の状態にあるときに、前記異方性色変換粒子を、当該セルを照らす光源光に対する該粒子の前記高吸収の方向に少なくとも実質的に配向し、当該セルが前記第２の状態にあるときに、前記異方性色変換粒子を、当該セルを照らす光源光に対する該粒子の前記低吸収の方向に少なくとも実質的に配向するための手段を更に有する、色変換セル。
【請求項３】
請求項２に記載の色変換セルにおいて、前記配向手段は液晶材料を有し、前記異方性色変換物質は前記異方性粒子の制御可能な配向性を提供するために液晶と混合される、色変換セル。
【請求項４】
請求項２に記載の色変換セルにおいて、前記配向手段は懸濁粒子装置を有し、前記異方性色変換粒子は、前記異方性粒子の制御可能な配向性を提供するために前記懸濁粒子装置中に懸濁される、色変換セル。
【請求項５】
請求項１に記載の色変換セルにおいて、更に、液体と混合された前記色変換物質を有するエレクトロウェッティングセルを有する色変換セル。
【請求項６】
請求項１に記載の色変換セルにおいて、当該セルの前記第１の状態における、前記色変換物質を含む当該セル内の前記マトリックス中の前記光源光の平均パス長が、当該セルの前記第２の状態における平均パス長よりも長いように適応される、色変換セル。
【請求項７】
請求項６に記載の色変換セルにおいて、ポリマー分散液晶、液晶ゲル又はキラルテクスチャ等の電気的に制御可能な散乱媒体を更に有する色変換セル。
【請求項８】
請求項１に記載の色変換セルにおいて、更に、前記色変換物質の後ろに配置されるスイッチ可能反射器を有し、前記色変換セルの第１の状態で、前記反射器は、前記セルに入射する光源光を少なくとも実質的に反射し、前記色変換セルの第２の状態で、前記反射器は、前記セルに入射する光源光を少なくとも実質的に透過する、色変換セル。
【請求項９】
調整可能な色又は色温度を有する発光デバイスであって、第１の発光スペクトルを有する光源と、前記光源からの光の少なくとも一部によって照らされるように配置された色変換セルとを有し、前記色変換セルは、２つの電極間に保持されるマトリックス中に色変換物質を有し、前記色変換物質は、前記第１の発光スペクトルとは異なった第２の発光スペクトルを有し、前記色変換セルは少なくとも、
前記色変換物質が、
−前記セルに入射する光の第１の割合Ａ１を吸収し、
−前記第２の発光スペクトルを有する光を発し、
−前記セルに入射する光の第２の割合Ｔ１を透過する、
第１の状態と、
第１の割合Ａ２が前記第１の状態における前記第１の割合Ａ１よりも小さく、前記第２の割合Ｔ２が前記第１の状態における前記第２の割合Ｔ１よりも大きい、第２の状態と、
の間でシフト可能である、発光デバイス。
【請求項１０】
請求項９に記載の発光デバイスにおいて、前記光源と前記色変換セルとの間に配置される反射器を更に有し、前記反射器は、第１の周波数スペクトルを有する光源光に対しては少なくとも実質的に透明で、前記色変換物質によって発される前記第２の周波数スペクトルを有する光に対しては少なくとも実質的に反射性である、発光デバイス。
【請求項１１】
請求項９に記載の発光デバイスにおいて、異なった色変換物質を有する複数の色変換セルを有し、これら色変換セルは、前記光源からの光が、前のセルを通じて後続するセルを照らすことを許可するように、前記光源から見て交互に配置される、発光デバイス。
【請求項１２】
第１のスペクトルを有する光源からの光の色又は色温度を調整するための方法において、
−２つの電極間に保持されるマトリックス中に色変換物質を有する色変換セルを設けるステップと、
−前記光源によって前記マトリックスを照らすステップと、
−前記マトリックスを照らす光源光の少なくとも一部を前記色変換物質によって吸収するステップと、
−前記色変換物質から第２の発光スペクトルを有する光を発するステップと、
−前記２つの電極間の電圧を調整して、前記色変換物質によって吸収される光源光の量及び前記色変換物質によって発される第２の発光スペクトルを有する光の量を増加又は減少させるステップと、
を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変出力色を有するダイオード光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
光源の色を変化させるための方法は、２つのケースに分けられることができる。即ち、フィルタ等が一部の周波数を除去して色を変化させるパッシブ色変換、そして、蛍光又は発光物質が吸収及び再発光によって光源からの光のスペクトルを変えるアクティブ色変換である。アクティブ色変換は、光パワーをパッシブ色変換よりも高い度合いに維持するという利点を有する。更に、アクティブ色変換は、光源の発光スペクトルには含まれない波長を生成することができ、又は、光源の発光スペクトル中では弱くしか表されない波長での発光を向上させることができる。このため、アクティブ色変換物質は、色及び色温度を調整するのに好ましい。
【０００３】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、次世代の照明源になると考えられている。非常に効率的な無機ダイオードは、通常スペクトルの青又は赤の部分の光帯域を発する。緑は、通常、緑蛍光体を用いて青色光を変換することによって得られ、白色発光ダイオードは、緑及び赤の蛍光体を用いて青色光を変換することによって得られる。
【０００４】
しかし、ダイオード光源の色特性を電気的に制御可能な手法で調整することが可能であることは、非常に望ましい。
【０００５】
米国特許第６，３７５，８８９号は、可変波長スペクトルを有する光を発する光源を説明する。光源は、異なった発光スペクトルを有する複数のダイオード及び蛍光体コーティングでコーティングされた透過型プレートを有する。蛍光体コーティングは、入射光の一部を吸収して、再び発することによってダイオードの色を変換する。光源の色は、色変換蛍光体コーティングに入射するスペクトルによって決定され、この入射スペクトルは、ダイオードの相対発光強度を調整することによって制御される。
【０００６】
このアプローチは、異なった色を発するダイオードが異なった態様でエージングする結果、所望の色を与える相対強度が時間とともに変化するという欠点を有する。従って、この影響を補償するには、例えばフォトダイオードに基づくフィードバックを用いることが必要である。
【０００７】
米国特許第６，３７５，８８９号に記載された光源の欠点は、ダイオードの発光強度が色を制御するために用いられるということである。第１に、光源の所与の色について、この色にほとんど寄与しないダイオードは、光源が全体としてはその最高強度で色を発する場合であっても、非常に低い強度で発しなければならない。従って、個々のダイオードの最大光強度は、光源の最大出力強度と比較して、著しく過大にされなければならない。
【０００８】
第２に、色変換蛍光体は、ダイオードの異なった発光スペクトルとは異なった応答をする。光源の具体的な色及び強度のためには、ダイオードは所与の相対強度で発光する。色を維持しながら光源の強度が調整されるべき場合、固定の相対強度を有する全体的なダイオード強度を調整することは、色変換蛍光体の異なった応答のため、出力色を変えてしまう可能性がある。従って、ダイオードの比較強度は、色混合を一定に保つために、フォトダイオードからのフィードバックに従って調整されなければならない。これは、色を変化させないで光源を暗くするという単純な作業を実行することを困難にする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、色又は色温度が電気的に制御されることができる方法及び発光デバイスに利用されるべき色変換セルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、アクティブ色変換物質を有する色変換セルは、光源からの光の色変換を実行して、制御するために用いられる。
【００１１】
従って、第１の側面では、本発明は、第１の発光スペクトルを有する光源からの光の色又は色温度を調整するための色変換セルであって、当該色変換セルは、２つの電極間に保持されるマトリックス中に色変換物質を有し、前記色変換物質は、前記第１の発光スペクトルとは異なった第２の発光スペクトルを有し、前記色変換セルは少なくとも、当該色変換物質が、
−前記セルに入射する光の第１の割合Ａ１を吸収し、
−前記第２の発光スペクトルを有する光を発し、
−前記セルに入射する光の第２の割合Ｔ１を透過する、
第１の状態と、
第１の割合Ａ２が前記第１の状態における前記第１の割合Ａ１よりも小さく、前記第２の割合Ｔ２が前記第１の状態における前記第２の割合Ｔ１よりも大きい、第２の状態と、の間でシフト可能である、色変換セルを提供する。
【００１２】
セルは、空のときに光が当該セルを通過することができるようにする少なくとも実質的に透明な２つの対向した壁を有する。２つの電極は、好適には透明であり、これらの壁の一部を形成する。
【００１３】
色変換物質は、蛍光又は発光色素等のフォトルミネセント物質に基づく。好適には、この物質は、第１の周波数スペクトルで高吸収を有し、第１のスペクトルと部分的に又は完全に重なっても重ならなくてもよい第２の周波数スペクトルで発光する。色変換物質は、粒子（例えばポリマー、結晶、クラスタ、分子、原子等）によって形成されてよく、流体でも固体でもよい。マトリックスは、その中に物質が懸濁されるか、溶解されるか又は埋め込まれる媒体である。
【００１４】
色変換は、光源からの色が他の色にシフトされる度合いを制御することによって制御されることができる。光源からの色がシフトされる度合いは、どの程度の量の光が吸収され色変換物質によって再び発せられるかに依存する。従って、色変換は、以下のパラメータのうち１つ又は複数を調整することによって制御されることができる：
−色変換物質を通じた光源光のパス長、
−光源光が横切る媒体における色変換物質の密度、分布又は限度、
−色変換物質の吸収断面積、即ち、フォトンが色変換物質の粒子によって吸収される確率。
【００１５】
色変換セルは、上記のパラメータのうち１つ又は複数を調整することによって第１の状態と第２の状態との間でシフトされることができる。第１の割合Ａｘは、状態Ｘでの吸収光の入射光に対する商として規定される吸収係数である。従って、０≦Ａｘ≦１ということになる。同様に、第２の割合Ｔｘは、状態Ｘでの透過光の入射光に対する商として規定される吸収係数である。ここでも、０≦Ａｘ≦１ということになる。好適には、上記１つ又は複数のパラメータは、２つの色状態間でのスムーズな遷移を可能にするように連続的に調整されることができる。従って、第１の及び第２の割合が、第１の状態における値と第２の状態における値との間で幾つかの値を取ることができることは、明らかである。
【００１６】
吸収がなければ（Ａｘ＝０）、色変換物質はいかなる光も発せず、同様に、全ての光が吸収されたのであれば（Ａｘ＝１）、色変換物質はいかなる光も透過しない。しかし、Ａｘが正確に０又は１に等しくない限り、いくらかの吸収、いくらかの発光及びいくらかの透過があり、一般的にはこれらはある。
【００１７】
好適な実施例において、色変換物質は異方性色変換粒子を有する。この種の異方性粒子の吸収断面積は、入射光の伝播方向に対するそれらの向きに依存する。従って、異方性色変換粒子は、セル又は粒子に入射する光に対して高吸収の方向及び低吸収の方向を有する。本実施例において、色変換セルは、粒子の向きを制御するための手段を有するので、異方性粒子は、セルが第１の／第２の状態にあるときに、光源光に対するそれらの高い／低い吸収の方向に、少なくとも実質的に配向されることができる。異方性色変換粒子は、１つの向きにおける吸収断面積が他の向きの吸収断面積よりも大きい二色性蛍光色素分子であってもよい。分子は、異方性形状に起因して又は分子内特性に起因して、二色性（dichroic）でありうる。二色性色変換粒子は、例えば棒状分子又は円板状分子であってよく、吸収断面積は、分子の長軸に平行に偏向した光については大きく、他の向きについては小さい。あるいは、異方性色変換粒子は、薄片、棒、円板、楕円体等の形をした蛍光色素粒子であってもよく、ここで粒子に入射する光の量は、光に対する粒子の配列に依存する。
【００１８】
他の変形例において、異方性粒子は、蛍光色素自体である必要はなく、これらの表面に付着した色変換物質を有してもよい。粒子表面及び色変換物質に入射する光の量は、粒子の配列に依存する。ここで、色変換物質自体は等方性であってよく、これは、大幅に広くなった物質の選択を可能にする。
【００１９】
１つの好適な実施例では、異方性色変換粒子の配向を制御するための手段は、蛍光二色性色素分子を含む液晶混合物を有する。ここで、異方性及び／又は二色性の色変換粒子は、典型的には液晶と混合され、この混合物は、透明電極の上に配向層を含むセル内に配置される。配向層の影響で、巨視的に見て液晶混合物が配向される。
【００２０】
また、分極依存性を避けるために種々の構成を用いることも可能である。このような構成の１つは、いわゆるねじれ構成であって、セル内での液晶分子の回転を伴う。この種の構成は、液晶がいわゆるキラル分子を有するときに引き起こされる。セルを横切って電界が印加されると、液晶の配向は変えられることができ、従って二色性分子の配向も、変えられることができる。あるいは、配向を制御するための手段は、異方性色変換粒子が液体の中に懸濁された、懸濁粒子装置を伴う。両変形例において、配向を制御するための手段は、２つの電極及びこれらの間の電圧差を有する。
【００２１】
他の好適な実施例において、色変換セルは、例えばＮａｔｕｒｅ  ４２５（３８３ページ）において説明されるように、エレクトロウェッティングセルを含み、これは本願明細書に参照によって含まれる。色変換物質は、無極性液体と混合されることができ、これは、小さいコンパートメント内でセルの透明部分を形成する極性液体と共に保持される、疎水性面を有する。極性液体と疎水性表面との間の電圧を切り替えることによって、無極性液体は、スイッチ可能に疎水性表面を濡らす。これは、セルの透明部分のうちどれくらいが色変換物質によってカバーされるかを制御するのに用いられることができる。色変換セルの第１の状態において、光源光が色変換物質を照らすように、無極性液体は疎水性表面を濡らす。色変換セルの第２の状態において、無極性液体は、透明部分の前記表面から少なくともかなり引き下がる。
【００２２】
更に別の好適な実施例において、色変換セルは、セル内に色変換物質を含むマトリックスの光源光の平均パス長を調整するように適応される。光源光の平均パス長が、セルの第１の状態において、第２の状態におけるよりも長い場合、第１の状態において、より多くの光が吸収されて再び発せられ、より大きい色変換が結果として生じる。パス長は、マトリックスの光源光を散乱させることによって調整されることができ、増加した散乱はより長いパス長を生じる。この目的のため、色変換セルは、好適には、ポリマー分散液晶、液晶ゲル又はキラルテクスチャ等の電気的に制御可能な散乱媒体を有する。この実施例は、色変換物質が二色性又は異方性である必要がないという利点を持ち、従って、適用可能な物質のより広い選択を提供する。しかし、異方性粒子又は二色性分子が用いられるときに、効果は増大しうる。
【００２３】
電気的に制御可能な散乱は、種々の手段で得られることができる。この目的のために用いられることができる最も知られている材料は、ポリマー分散液晶（ＰＤＬＣ）、ゲル及びコレステリックテクスチャである。ＰＤＬＣは、液晶分子が等方性ポリマー中に分散するときに得られる。電界オフ状態において、液晶分子は高分子マトリックス中でランダムに配向し、光は全方向にランダムに散乱する。電界の印加にあたって、散乱は段階的に減少し、液晶分子が電界の方向に完全に並ぶとき、分子の通常屈折率はポリマーの屈折率にマッチして、セルは透明になる。分極に依存しない散乱を与えるゲルの場合、好適には、配向した異方性ポリマーマトリックス中に分散した負の誘電異方性を有する液晶が用いられる。電界オフ状態においては、異方性ネットワークは、ＬＣ内で配向され、従って、セルが透明に見えるように、セル内では屈折率の変動はない。ゲルに電界を印加すると、分子は、印加された電界に対して垂直に配向する傾向があり、種々のＬＣ配向を有する領域を作り、光の散乱を引き起こす。
【００２４】
コレステリックテクスチャの場合、ポリマーの表面処理が、光の強い散乱を示す液晶にいわゆる焦点円錐テクスチャを生じさせるために用いられる。電界の印加にあたり、液晶分子は電界の方向に配向し、散乱テクスチャは消滅する。
【００２５】
光のパス長は、また、色変換物質を保持するスイッチ可能な共振構造によって増加されることができる。セルは、色変換材料の薄い層と、光源のスペクトルは反射するが色変換物質のスペクトルは反射しないスイッチ可能な反射器とを有することができる。また、光源は、典型的に内蔵反射器を有する。反射器のオン状態では、光源からの光は、色変換セルの反射器と光源の反射器との間で何回も共振し、これにより、色変換物質を何回も通過する。スイッチ可能な反射器が反射性でない場合、光ビームは、色変換物質を一度だけ通過する。スイッチ可能なミラーの一例は、例えば米国特許第５，７６２，８２３号に説明されたように、コレステリックミラーである。
【００２６】
第２の側面では、本発明は、第１の発光スペクトルを有する光源と本発明の第１の側面による色変換セルとを有する調整可能な色又は色温度を有する発光デバイスを提供する。色変換セルは、該セルが空のときに、光源からの光がセルを通過することができるように構成される。
【００２７】
色変換物質によって発せられる光は等方的に発せられ、一部の光は、光源光の方向に発せられる一方で、他の一部は、光源に戻る方向に発せられる。好適な実施例において、発光デバイスは、光源と色変換セルとの間に配置される反射器を有し、該反射器は、光源光については少なくとも実質的に透明で、色変換物質によって発される光については少なくとも実質的に反射する。反射器は、光源に戻る方向に発せられる光を反射する。反射器は、コレステリック液晶に基づいてもよく、又は、多層誘電体反射器である。
【００２８】
色変換の効率は、セルに入射する光源光の強度を向上させることによって改善されることができる。この目的のために、発光デバイスは、光源と色変換セルとの間に配置されたレンズ又は回折格子等のコリメータ微細構造を有する層を更に有することができる。
【００２９】
色混合を許可するために、発光デバイスは、異なった色変換物質を有する複数の色変換セルを有することができる。光源から見てセルを交互に配置することによって、光源が、前のセルを通じて後続するセルを照らすことが可能になる。前のセルによって透過されるか又は発される光源光は、後続するセルによって変換されることができ、光源光の多数の色変換という結果を生じる。
【００３０】
第３の側面において、本発明は、第１のスペクトルを有する光源からの光の色又は色温度を調整するための方法において、
−２つの電極間に保持されるマトリックス中に色変換物質を有する色変換セルを設けるステップと、
−前記光源によって前記マトリックスを照らすステップと、
−前記マトリックスを照らす前記光源光の少なくとも一部を前記色変換物質によって吸収するステップと、
−前記色変換物質から第２の発光スペクトルを有する光を発するステップと、
−前記２つの電極間の電圧を調整して、前記色変換物質によって吸収される光源光の量及び前記色変換物質によって発される第２の発光スペクトルを有する光の量を増加又は減少させるステップと、
を有する方法を提供する。
【００３１】
本発明の基本的な考えは、入射光の量をを調整する代わりに、入射光の色変換を調整することによって色変換を制御する、ということである。これは、光源によって決定される光強度と、カラー変換セルによって制御される光の色とを切り離す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明のこれらの及び他の側面は、ここで説明される実施例を参照して説明され明らかにされる。
【００３３】
以下の説明は、色変換物質（典型的には蛍光色素）による調整可能な吸収及び再発光に基づいて電気的に制御可能な色変換を実行するための幾つかの発光装置を提案する。図１は、この種の発光デバイスの典型的レイアウトを示す。この説明に示されるデザインは、主に、本発明及びその実施例の働く原理を示す役目を果たし、第２に、本発明を実行する手法を提示する役目を果たす。これらの設計は、いかなる形であれ本発明の範囲を制限することを目的としない。
【００３４】
図１において、発光デバイス２は、ＬＥＤ光源４及び色変換セル１０を有し、これら全てはレンズ５に封入される。セル１０は、透明電極１２及び１３を有する透明ガラス壁１１と、ＬＥＤに最も近い壁に位置する反射器１５とを有する。セルは、液体マトリックス１６中に混合された色変換物質１８を含む。マトリックス１６の構成要素、色変換物質１８又はその両方の方向性は、電圧源１９で電極１２及び１３間の電圧を制御することによって制御されることができる。
【００３５】
電極にとって最も好適な材料は、高い透明性及び良い導電率を示すインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）である。用いられるデバイスの種類に応じて、液体を含む隙間の厚さは、１０〜２００μｍである。色変換物質の濃度は、０．１〜１０％の範囲にある。
【００３６】
セル１０の色変換物質は、全方向に発光する。ＬＥＤ  ４に面したセルプレートの壁１１を通じて発せられる光の方向を変えるために、ＬＥＤ  ４とマトリックス１６との間には反射層１５が配置される。反射器１５は、ＬＥＤ  ４からの光は透過するが色変換物質によって発される光は反射する役目を果たす。この種の層は、誘電多層ミラーであってもよく、反射された光を特定の方向に向けるための構造又は曲率を有してもよい。
【００３７】
第１の好適な実施例においては、吸収及び再発光は、光の方向に対するマトリックスの粒子の向きを制御することによって調整される。上記方向性が光源からの光に対して調整されるので、平行光は、光の明確な指向性を有し、最適性能を保証することが好ましい。第１の好適な実施例は、図１から１０に関連して以下で説明される多くの異なった具体化例を有する。
【００３８】
一具体化例では、マトリックス１６は、均一に混合された二色性蛍光色素分子等の色変換物質１８をその中に有する液晶マトリックスであってよい。二色性蛍光色素分子は、分子の長軸に沿って偏向された光について、横方向におけるよりも非常に高い吸収係数を有する。その結果、吸収の強さは、従って更に、これら二色性蛍光色素分子の発光の強度は、その配向性を制御することによって制御されることができる。液晶が電界によって再配向されることができるので、色素分子の吸収／発光特性は、電圧源１９を用いて制御されることができる。液晶の巨視的な配向を引き起こすために、配向層１４がセル１０に加えられる。例えば、ラビングされたポリマー表面は液晶の単軸平面配向を引き起こす一方で、他のほとんどの界面活性剤は表面に対して液晶の長軸の垂直な配列を引き起こす。種々の配向を引き起こすための異なった配向層は、当業者によく知られている。配向層１４は、液体及び固体の基板間の電気絶縁性を提供することもできる。
【００３９】
図２において、二色性蛍光色素分子２１が、入射光２０との関係で、その低い吸収方向（列Ａ２、Ｔ２）及びその高い吸収方向（列Ａ１、Ｔ１）において示される。色素分子２１の配向は、マトリックス１６の液晶の長軸の配向に従う。液晶が正の誘電異方性を有すれば、液晶の長軸は、Ｖ≠０のとき、電極に垂直に配向し、適当な表面処理で、Ｖ＝０のときには電極に平行に配向する。逆に、液晶が負の誘電異方性を有する場合、Ｖ＝０のとき、液晶の長軸は、電極に対して垂直に配向し、Ｖ≠０のときには電極に平行に配向する。
【００４０】
ＬＥＤからの光が偏光されておらず、液晶はその「弛緩状態」（Ｖ＝０）では依然として配向しているので、入射光の半分だけ、結晶の長軸に平行に偏向する。二色性色素分子は、これら分子の長軸に沿って偏向した光に対して高吸収を示し、従って、整列した分子は、光の半分に対してのみ、これら分子の高吸収方向を有する。従って、二色性色素分子を利用するときには、図３に示される特別に設計された色変換セル３０を利用することが必要である可能性がある。セル３０は、一軸配向液晶及び二色性蛍光色素分子を有する２つの液晶マトリックス３２及び３４を含む。マトリックス３２及び３４の配向は、Ｖ＝０のとき、分子の向きが互いに対して９０°になるようにされる。
【００４１】
従って、セル１０の第１の状態で、液晶はＬＥＤ光源４からの光との関連で、それらの高吸収方向に、色素分子２１を配向させることができる。電極１２及び１３間の電圧を調整することは、セル１０を、液晶が色素分子２１をＬＥＤ光源４からの光に関連してそれらの低い吸収配向に配向する第２の状態に切り替えることができる。
【００４２】
二色性蛍光色素分子の多くの代替物が存在する。図２は、更に、他の粒子を低吸収及び高吸収の方向で示す：
−フォトルミネセント材料組成の異方性粒子２２（円板状であってもよい）、
−蛍光色素分子２５が表面に付着したシート状又は円板状粒子２４。一例は、厚さ〜１００ｎｍ及び直径〜１μｍの酸化アルミニウム薄片、そして、蛍光色素分子２５が表面に付着した棒状粒子２６である。
【００４３】
これらのケースにおいて、液晶の適切な配向は、粒子を低吸収の方向（Ａ２、Ｔ２（図２の列））に配向させ、これは、色変換粒子に入射する光を、粒子の高吸収の方向と比較して激減させ、これにより、その吸収及び再発光を低下させる。これらの変形例によって、非二色性色素も用いられることができる。これは、蛍光性色素が、非常に広い色素の選択肢から選択されることができ、より多くの種類の吸収／発光スペクトルを提供することを意味する。また、これらの粒子は、二色性粒子の本来的な分極依存性を有さず、図３に関連して説明されるセル設計３０は、必要でない。
【００４４】
他の実現例において、セル１０は、液晶マトリックスの代わりに懸濁粒子装置（ＳＰＤ）を含む。ここで、大きいアスペクト比を有する異方性粒子が、液体中に懸濁される。電界がないときは、粒子はランダムな方向を向くが、電極１２及び１３間に電圧を印加することは粒子を配向させることになる。懸濁された粒子自体は、蛍光性の板状又は棒状の粒子等の異方性色変換粒子２２でありえる。あるいは、蛍光色素分子２５は、粒子２４及び２６に類似した、より大きい懸濁粒子の表面に付着されることができ、又は、その中に組み込まれることができる。
【００４５】
図１に関連して説明された好適な実施例のセル１０に類似したテストセルが、本発明の働く原理を示すために製造された。図４は、液晶マトリックス（Ｚｌｉ  ４７８８）中に溶解された（５％濃度）二色性蛍光ペリレン誘導体色素の構造を示す。この蛍光性色素は、４００〜５３０ｎｍの範囲で高吸収を有し、５００〜６５０ｎｍの範囲で発光する。
【００４６】
図５は、第１の及び第２の状態のセルについての波長の関数として吸収Ａ（任意単位）を示す。
−Ｖ＝０で、セルがその第１の状態のときのスペクトル５１。液晶は、入射光の方向に対して垂直に配向される。このため、二色性蛍光色素の分子長軸は、光の偏光に平行であり、その結果として高吸収になる。
−Ｖ≠０で、セルがその第２の状態のときのスペクトル５２。液晶は、入射光の方向に平行に配向される。この場合、二色性蛍光色素の分子長軸は、光の方向に平行であり、従って、光の偏光に垂直であり、その結果として低吸収になる。
【００４７】
図６において、発光強度Ｉ（任意単位）が、セルの２つの状態について発光波長の関数として示される。
−Ｖ＝０でセルがその第１の状態のときのスペクトル６１は、吸収スペクトル４１に対応する。二色性蛍光色素分子は、入射光に対して自身の高吸収配向に配向される。これは、高吸収及び色素の発光スペクトル（５００〜６５０ｎｍ）における対応する大きい発光を与える。
−Ｖ≠０でセルがその第２の状態のときのスペクトル６２は、吸収スペクトル４２に対応する。二色性蛍光色素分子は、自身の低い吸収配向に配向される。ごく僅かな光しか吸収されないので、対応する発光は非常に低い。
【００４８】
分子が最大の吸収を示す状態又は配向において、最も高い発光が得られることが分かる。これは、この種のセルが青色ＬＥＤを有する発光デバイスにおいて用いられると、青色光の一部は、吸収されて、より長い波長で再び発せられることができ、これによりＬＥＤの発光特性を変化させることを示す。蛍光色素分子の配向は、印加された電界に依存するので、発光デバイスの発光スペクトルは、電気的に制御されることができる。
【００４９】
青色ＬＥＤと、図３に関連して説明されたセル３０に類似したセルとを有する発光デバイスが、図４に示される色素を用いて作製された。図７は、作製された発光デバイスの発光スペクトルを示し、セルに印加される種々の電圧についての青色ＬＥＤスペクトルの変化を示す。低電圧では、青色ＬＥＤ光（ピーク７１の中心は４７０ｎｍにある）の大きい割合が吸収されて、５２５ｎｍ〜５８０ｎｍの範囲（ピーク７２）で再発光されたことがわかる。電圧が上昇すると、より少ない青色ＬＥＤ光が吸収され、色素からの発光は対応して減少する。
【００５０】
図８は、第１の好適な実施例による他の発光デバイス８０を示す。発光デバイス８０は、異なった発光スペクトルを有する蛍光色素を有する複数のセル８１及び８２を照らす幾つかのＬＥＤ  ４を有する。例えば青色ＬＥＤを緑色及び赤色を発する電気的に制御可能な色変換セル８１及び８２と組み合わせることで、例えば照明アプリケーションに用いられる制御可能な色及び色温度を有する発光デバイスが作製されることができる。また、発光デバイスはレンズを有さないが、反射器１７は、ＬＥＤ  ４からの光及びセル８１、８２からの光の両方を反射する。一組のレンズ等の微細構造層８３が、ＬＥＤ  ４とセル８１、８２との間に配置され、ＬＥＤ  ４からの光を平行にする。
【００５１】
図９−Ａ及びＢは、好適な実施例の更に別の実現例を示す。ここで、セル１０は、異方性ポリマー９４中にある負の誘電異方性を有する液晶９３からなる異方性ゲル９２を含む。色変換物質１８は、液晶分子と混合されて、これと共に配向される。ゲルは、反応性末端基を有する４％液晶分子を有する非反応性液晶分子の混合物に図４の蛍光色素を加えることによって生成された。混合物は、透明電極及び配向層を有するセルの中に配置され、前記配向層は、ＬＣ分子がセル表面に垂直に配向するようにＬＣ分子に巨視的な配向を引き起こした。この状態では、セルは、いかなる散乱も示さず、この配向で、色素分子の吸収は最低である。
【００５２】
電界の印加にあたり（図９−Ｂ）、色素及び液晶分子は、その長軸を、印加された電界に垂直に配向し、強い光散乱を引き起こすセル内の屈折率変動を引き起こすドメインの形成を引き起こす傾向がある。印加された電界に対して分子が垂直になる傾向があるので、これらは更に、より多くの光を吸収し始める。より長いパス長は、当然、色変換物質に、より多くの入射光を与え、これにより、光の吸収に更なる増加を与える。この実現例の他の利点は、色変換物質の配向がランダムであるので、偏光依存性がないということである。
【００５３】
図７に示される発光スペクトルと同様に、図１０は、図９に関連して説明されたセル９０及び青色ＬＥＤを有する発光デバイスの発光スペクトルを示す。
【００５４】
発光デバイスの発光スペクトルは、セルに対する種々の印加電圧について示される。電圧の増加と共に、より多くの青色ＬＥＤ光（ピーク１０１）が吸収されて、セルの蛍光色素から、黄色の光（ピーク１０２）として再び発せられることが分かる。
【００５５】
図１１は、色変換セル１５０の更に別の実現例を示す。ここで、セルは電圧源１９によって制御されるスイッチ可能な反射器１５１によってカバーされる色変換物質の層１５２を有する。反射器は、例えば、光源４のスペクトルに対応する光の帯域を反射するスイッチ可能なコレステリックゲルであってよい。Ｖ＝０のオフ状態において、光はミラーと光源との間で共振し、主に、変換されたスペクトルが出る。Ｖ≠０のオン状態において、主に光源からの光が出る。
【００５６】
第２の好適な実施例において、吸収及び再発光は、マトリックス中の色変換物質の密度、分布又は存在を制御することによって調整されられる。この実施例においては、光に対する色変換物質の配向は全く重要でなく、光は、最適性能のために平行にされる必要はない。また、指向性の欠如によって、全ての蛍光性色素が等方的に及び異方的に用いられることが可能になる。第２の好適な実施例は、以下の多くの異なった実現例並びに図１及び１１〜１３との関連において説明される。
【００５７】
第２の実施例の第１の実現例において、図１の発光デバイス２のセル１０は、エレクトロウェッティングによって色変換物質１８の分布を調整する。
【００５８】
エレクトロウェッティングセル１１０の働く原理は、図１２−Ａ及びＢに示される。ここで、極性液滴１１１が、セル壁１１の内面上の疎水性コーティング１１２上の無極性マトリックス１６に配置される。システムの静水力のため、液滴１１は広がらず、セルの角にある液滴のままである（図１２−Ｂ）。電極１２と無極性マトリックス１６との間に電圧を印加すると、液滴１１１は、表面コーティング１１２に広がる（図１２−Ａ（エレクトロウェッティング））。
【００５９】
印加電圧を制御することによって、色変換物質を含む極性液体１１１のカバー範囲は調整される。照らされる表面積のより多くがカバーされるとともに、又は、極性液体層の厚さが増加するとともに、より多くの光が吸収されて、他の波長で再び発せられる。従って、セルの中の色変換物質の分布を電気的に制御することによって、光源の色及び色温度は、制御されることができる。
【００６０】
種々の蛍光色素が用いられることができる。量子ドット（ＱＤ）に基づくナノ蛍光体は、極めて高効率を示し、非常に安定であるので、特に興味深い可能性がある。更に、これらナノ蛍光体の発光スペクトルは、単にこれらの物理的なサイズを調整するだけで波長について連続的に調整されることができる。例えば、コアシェルＣｄＳｅ／ＺｎＳナノ結晶は、３０〜７０％までという高い室温量子効率を有する強い帯域端光ルミネセンスを呈する。発光帯域のスペクトル位置は、ＣｄＳｅコアのサイズを〜２から６ｎｍに増加させることによって青から赤に調整可能である。ＣｄＳｅコアの周りで成長する細い（〜２単層）ＺｎＳエピタキシャルシェルは、粒子安定性及びルミネセンス効率をかなり改善する。
【００６１】
ＱＤは、好適にはウェット化学プロセスによって作製され、伝達分子１５が、ＱＤの形成の後、表面に加えられる。ＱＤは、半導体ナノメートル結晶であって、［ＩＩ−ＶＩ］族半導体化合物、例えば、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、ＳｒＴｅ、ＢａＳ、ＢａＳｅ、ＢａＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ及びＨｇＴｅ；及び／又は、［ＩＩＩ−Ｖ］族半導体化合物の結晶、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＮ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ及びＩｎＳｂ；及び／又は、ＩＶ族半導体化合物の結晶、例えばＳｉ及びＧｅを有してよい。加えて、半導体化合物はＥｕ３＋、Ｔｂ３＋、Ｍｎ２＋、Ａｇ＋又はＣｕ＋等の希土類金属陽イオン又は遷移金属陽イオンをドープされることができる。ＱＤは２つ又はそれより多くの半導体化合物から成ってもよい。ＱＤはＩｎＮ、ＩｎＧａＰ又はＧａＡｓを有する可能性が最も高い。ＱＤの半径は、対応するバルク材料のエキシトンボーア半径より小さい。ＱＤは、約１０ｎｍより大きくない半径を有する可能性が高い。
【００６２】
図１３において、ＣｄＳｅ量子ドットの５つの大きさの発光スペクトルが示される。量子ドットのサイズを変えることによって、発光の位置は、容易に変化することができることが分かる。図１４において、選択された量子ドットの発光スペクトル１３２が、その吸収スペクトル１３１と共に示される。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明による発光デバイスの断面図である。
【図２】好適な種類の色変換物質の高い及び低い吸収方向性を示す。
【図３】液晶中の異方性蛍光色素分子を適用する色変換セルの断面図である。
【図４】二色性蛍光色素分子の分子式である。
【図５】セルの異なった状態について図４の二色性蛍光色素分子の吸収スペクトルを示すグラフである。
【図６】セルの異なった状態について図４の二色性蛍光色素分子の発光スペクトルを示すグラフである。
【図７】セルの異なった状態について光源及び色変換物質の発光スペクトルを示すグラフである。
【図８】本発明による他の発光デバイスの断面図である。
【図９−Ａ】光の散乱を示すセルの断面図である。
【図９−Ｂ】図９−Ａとは異なったセルの状態について光の散乱を示すセルの断面図である。
【図１０】セルの異なった状態について色変換物質の発光スペクトルを示すグラフである。
【図１１】スイッチ可能な反射器を備えた発光デバイスの断面図である。
【図１２−Ａ】エレクトロウェッティングに基づく色変換セルの状態を示す。
【図１２−Ｂ】エレクトロウェッティングに基づく色変換セルの図１２−Ａとは異なった状態を示す。
【図１３】５つの大きさのＣｄＳｅ量子ドットの発光スペクトルを示すグラフである。
【図１４】単一の量子ドットサイズの吸収スペクトル及び発光スペクトルを示すグラフである。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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