(57)【要約】本発明によるＬＥＤ装置は、ＬＥＤと、基板上に蛍光薄膜が積層されており、前記蛍光薄膜の前面方向に二次元ナノ周期構造体が形成されている蛍光薄膜／基板積層体とを含み、前記蛍光薄膜の消滅係数（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）が１０−３以下であることを特徴とする。従来のＬＥＤに比べて、発光効率及び輝度に非常に優れており、蛍光体の使用量が少なく、且つスラリーを使用しないため、光学的な均一性と製造コストの節減という効果を有する。【選択図】図８
2008521211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
前記ＬＥＤ上に形成された積層体とを備え、該積層体は、基板と前記基板上に積層された蛍光薄膜とからなるＬＥＤ装置において、
前記蛍光薄膜は前記蛍光薄膜の前面方向に形成された二次元ナノ周期構造体を有し、前記蛍光薄膜は１０−３以下の消滅係数（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を有することを特徴とするＬＥＤ装置。
【請求項２】
前記二次元ナノ周期構造体は、２００ｎｍ〜５０００ｎｍの周期を有することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
【請求項３】
前記二次元ナノ周期構造体は、１０ｎｍ〜５０００ｎｍの高さを有することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
【請求項４】
前記二次元ナノ周期構造体は、球形、円筒状、直方体状、または三角柱状に、陰刻または陽刻されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
【請求項５】
前記陽刻された部分の前記陰刻された部分に対する表面積の割合は、１０〜９０％の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
【請求項６】
前記蛍光薄膜は、平面状の底面を有することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
【請求項７】
前記二次元ナノ周期構造体は、１.８〜２.５の間の屈折率を有し、前記蛍光薄膜の屈折率と同一またはそれ以上の屈折率を有する透明材料からなっており、蛍光薄膜の上面に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項６に記載のＬＥＤ装置。
【請求項８】
前記ＬＥＤは、４２０〜４８０ｎｍの波長帯域を有するＩｎＧａＮ青色ＬＥＤであり、前記蛍光薄膜は、４５０〜８００ｎｍの波長帯域の発光スペクトルを示す黄色蛍光体からなり、前記ＬＥＤ装置は、白色光を発することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
【請求項９】
前記黄色蛍光体は、ＹＡＧ：Ｃｅ系列蛍光体、Ｃａ−ａ−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ系列蛍光体、またはＳｒ２ＳｉＯ４：Ｅｕ系列蛍光体であることを特徴とする請求項８に記載のＬＥＤ装置。
【請求項１０】
前記ＬＥＤは、４２０〜４８０ｎｍの波長帯域を有するＩｎＧａＮ青色ＬＥＤであり、前記蛍光薄膜は、４５０〜６５０ｎｍの波長帯域の発光スペクトルを示す緑色蛍光体からなる二次元ナノ周期薄膜と、５５０〜８００ｎｍの波長帯域の発光スペクトルを示す赤色蛍光体からなる二次元ナノ周期薄膜とを含み、前記２つの薄膜は互いに積層されており、前記ＬＥＤ装置は、白色光を発することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
【請求項１１】
前記緑色蛍光体は、ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｅｕ系列蛍光体であり、前記赤色蛍光体は、ＳｒＳ：Ｅｕ系列蛍光体またはＳｒ２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ系列蛍光体であることを特徴とする請求項１０に記載のＬＥＤ装置。
【請求項１２】
前記ＬＥＤは、３５０〜４２０ｎｍの波長帯域有するＵＶ  ＬＥＤであり、前記蛍光薄膜は、４００〜６００ｎｍの波長帯域の発光スペクトルを示す青色蛍光体からなる二次元ナノ周期蛍光薄膜と、４５０〜６５０ｎｍの波長帯域の発光スペクトルを示す緑色蛍光体からなる二次元ナノ周期蛍光薄膜と、５５０〜８００ｎｍ波長帯域の発光スペクトルを示す赤色蛍光体からなる二次元ナノ周期蛍光薄膜とを含み、前記３つの薄膜は互いに積層されており、前記ＬＥＤ装置は、白色光を発することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
【請求項１３】
前記青色蛍光体は、ＺｎＳ：Ａｇ系列蛍光体、ＢＡＭ：Ｅｕ系列蛍光体、またはホロフォスフェイト：Ｅｕ系列蛍光体であり、前記緑色蛍光体は、ＺｎＳ：ＣｕＡｌ系列蛍光体、Ｚｎ２ＧｅＯ４：Ｍｎ系列蛍光体、ＬａＰＯ４：Ｅｕ系列蛍光体またはＣｅＭｇＡｌ１１Ｏ１９：Ｔｂ系列蛍光体であり、前記赤色蛍光体は、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ系列蛍光体またはＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ系列蛍光体であることを特徴とする請求項１２に記載のＬＥＤ装置。
【請求項１４】
前記ＬＥＤは、３５０〜４２０ｎｍの波長帯域を有するＵＶ  ＬＥＤであり、前記蛍光薄膜は、４００〜６００ｎｍの波長帯域を有する青色光と５００〜７００ｎｍの波長帯域を有する光を同時に発する白色蛍光体からなる二次元ナノ周期薄膜であり、前記ＬＥＤ装置は、白色光を発することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
【請求項１５】
前記白色蛍光体は、Ｓｒ３ＭｇＳｉ２Ｏ８：Ｅｕ、Ｍｎ系列蛍光体であることを特徴とする請求項１４に記載のＬＥＤ装置。
【請求項１６】
１.４以上の屈折率を有する透明結合剤をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
【請求項１７】
前記ＬＥＤ、前記基板及び前記二次元ナノ周期構造体の各屈折率の差が、０.４以下であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）装置に関し、さらに詳しくは、発光効率及び輝度に非常に優れたＬＥＤ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
１９９０年代半ばに入り、窒化物半導体材料としてＩｎＧａＮを用いたＬＥＤが開発された後、白色ＬＥＤは、半導体照明の時代を開いた。このような白色ＬＥＤは、白熱電球(一般的な６０Ｗ型電球)に比べて寿命が長く、小型化が可能であり、低電圧で駆動するという長所がある。この長所に基づき、近年、家庭用蛍光灯、総天然色ディスプレイ(ＬＣＤバックライト)など、広範囲な分野への応用が本格化されている。
【０００３】
前記白色ＬＥＤを製造する標準的な方法としては、３色のＬＥＤ(赤色、緑色、青色ＬＥＤ)を使用する方法があるが、製造コストが高く、駆動回路が複雑で製品の体積が大きくなる。また、３色のＬＥＤの温度特性が相互に異なるため、最終製品の光学的特性及び信頼性に悪影響を及ぼすおそれがある。
【０００４】
これによって、４５０ｎｍの波長を有するＩｎＧａＮ系青色ＬＥＤに、黄色蛍光体または緑色と赤色との混合蛍光体を組み合わせて白色を具現する方法が開発されている。前記白色を発光する原理は以下の通りである。まず、青色ＬＥＤから発生する青色光の一部が、前記蛍光体を励起させて黄緑色の蛍光を発生させ、前記青色と黄緑色とが合成されて白色を発光させる。図１には、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光パウダーを使用した従来の白色ＬＥＤ装置の概略的な断面図を示す。図１に示すように、前記白色ＬＥＤ装置は、ＹＡＧ：Ｃｅ黄色蛍光パウダーをＬＥＤに適用することで製造されるが、演色評価数(ｃｏｌｏｒ  ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ  ｉｎｄｅｘ：ＣＲＩ)が低いことから太陽光に近い白色光が得られにくいものの、発光効率に比較的優れているという長所がある。
【０００５】
一方、最近では、白色ＬＥＤ装置の演色評価数の改善のために、青色ＬＥＤと黄色蛍光体との組み合わせの代わりに、紫外線／紫色ＬＥＤと３色（青色、緑色、赤色）を組み合わせ、太陽光に近い白色が発光できる白色ＬＥＤ装置の開発に取組んでいる。図２は、３色混合蛍光パウダーを用いた白色ＬＥＤ装置の概略的な断面図を示す。図２を参照すると、３色混合蛍光体を紫色ＬＥＤまたは紫外線ＬＥＤが発する４２０ｎｍ以下の光で励起させて白色を具現するため、前記白色ＬＥＤ装置の演色評価数が大きく改善するのみならず、蛍光体の割合が調節されるので、色度の調節が容易であるという長所がある。
【０００６】
前記のように、白色ＬＥＤ装置を具現するためには、必然的に青色ＬＥＤまたは紫外線／紫色ＬＥＤに励起される蛍光体が求められるが、従来使用されていた蛍光体は、パウダー型であるため、励起光源と、これにより蛍光体が励起されて発生する光とが、前記パウダーにより散乱または消失する割合が大きくなり、これにより輝度が低くなるという問題を引き起こしている。また、前記蛍光体をＬＥＤに適用するためには、スラリー状で使用しなければならないが、スラリー状の蛍光パウダーは、物理的、化学的な均一性に劣る。さらに、前記蛍光体の一部は発光に関与するが、他の一部は散乱とスクリーン効果(screen effect)により、発光に関与しない。その上、蛍光体の使用量が多くなるため、少なからず製造コストが上昇することになる。
【０００７】
一方、前記蛍光体を薄膜状に製造すると、物理／化学的な均一性が向上し、基板への接着力に優れ、ガス発生が最小化し、蛍光体の使用量が減少する。蛍光薄膜から発生した光の殆どが全反射（ｔｏｔａｌ  ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）または光導波路効果（ｌｉｇｈｔ  ｐｉｐｉｎｇ  ｅｆｆｅｃｔ）によって前記薄膜から外へ出られず、前記構造体の光効率及び輝度が致命的に低下する。その上、蛍光薄膜の結晶性及び透明度が低くなる場合には、前記全反射または光導波路効果による光の損失以外にも、光が蛍光薄膜の内部で消失し、そのため前記構造体の発光効率はさらに低下する。これらの問題のため、従来薄膜状の蛍光体はＬＥＤ装置の製造に用いられてこなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明が達成しようとする技術的課題は、物理的、化学的な均一性に優れた蛍光薄膜を使用しながらも、従来のＬＥＤ装置より発光効率及び輝度に非常に優れたＬＥＤ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、前記技術的課題を達成するために、発光ダイオード（ＬＥＤ）と、ＬＥＤ上に形成された積層体とを備え、前記積層体は基板と基板上に積層された蛍光薄膜からなり、前記蛍光薄膜は前記薄膜の前面方向に二次元ナノ周期構造体が形成され、消滅係数（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）が１０−３以下であるＬＥＤ装置を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によるＬＥＤ装置は、従来の蛍光パウダーを用いるＬＥＤ装置に比べて、発光効率及び輝度に非常に優れている。また、本発明によるＬＥＤ装置は均一性に優れる蛍光体を使用するため従来のＬＥＤ装置と比較した場合、発光均一性の向上を示す。更に、本発明によるＬＥＤ装置は、スラリーを使用せず、従来のＬＥＤ装置より少量の蛍光体を使用するため、製造コストを節減することができる。
【発明を実施するための最良の態様】
【００１１】
上記及び他の事項における本発明の特徴及び他の利点に関して、より明確に理解するために、添付した図面と併せて以下に詳しく説明する。
【００１２】
本発明によるＬＥＤ装置の二次元ナノ周期構造体を有する蛍光薄膜(以下、ナノ周期蛍光薄膜という。)は、光を前面方向に抽出するに適した屈折面、散乱面及び反射面を有することから、励起光または発生光が蛍光薄膜の内部で消失する割合を大幅に減少させ、さらには蛍光薄膜の消滅係数を低くすることによって、全体として輝度及び発光効率を大幅に増加させ得ることを特徴とする。
【００１３】
図３は、平面蛍光薄膜から発生する光の放出経路を示す。多くの蛍光薄膜は、光学的屈折率（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  ｉｎｄｅｘ）の値が高いため、蛍光薄膜の内部から発生した光のほとんどが、全反射（ｔｏｔａｌ  ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）または光導波路効果（ｌｉｇｈｔ  ｐｉｐｉｎｇ  ｅｆｆｅｃｔ）によって、蛍光薄膜の内部に閉じ込められ、外へ出られなくなる。従って、図３に示すように、相当量の光が、蛍光薄膜の面と空気との界面から全反射し、蛍光薄膜内に閉じ込められるか、蛍光薄膜を構成する物質に吸収され消えてしまう。
【００１４】
これを定量的に説明するために、古典光学の原理を、蛍光薄膜からＬＥＤ装置前面へ発せられる光量の計算に適用することができる。下記の式１は、古典光学法則によるものであって、平面蛍光薄膜から出る光をランバーシャン（Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ）形態の光と仮定し、基板９の方向に発せられる光は、反射しないと仮定する時に成立する。
【００１５】
【数１】
2008521211.tif 000003
【００１６】
(式中、ηexternal lightは、外光効率であり、ｎphosphorは、蛍光体の屈折率である。)
前記外光効率は、蛍光薄膜から放出される光のうち、空気中に出る光の量(％)を意味するが、式１によると、外光効率は、蛍光薄膜の屈折率に反比例し、結果として屈折率の値が大きくなると、発光効率は、大きく減少することが分かる。
【００１７】
多くの蛍光薄膜は、ガラスの屈折率の値である１.５以下の値を有さない。例えば、ＺｎＳに代表される硫化物系の蛍光体の場合、屈折率の値が２.４であり、窒化物系のＧａＮの場合は、２.１であり、酸化物系のＹ２Ｏ３の場合は、１.８であり、ＹＡＧ系の場合は、１.８１７である。
【００１８】
下記の表１には、式１を利用して、蛍光薄膜の屈折率による外光効率を示す。
【００１９】
【表１】
2008521211.tif 000004
【００２０】
表１を参照すると、平面蛍光薄膜の一種である場合、前面に放出される光の量は、４〜１１.１％程度の水準であり、残りの殆どは、薄膜に閉じ込められるか、薄膜内から消えてしまうため、光放出効率が非常に低くなる。
【００２１】
具体的には、Ｙ２Ｏ３：Ｅｕ平面蛍光薄膜は、Ｙ２Ｏ３：Ｅｕ蛍光パウダーの３７％の発光量であることが知られている。前記Ｙ２Ｏ３：Ｅｕ平面蛍光薄膜の屈折率は、１.８であり、前記表１を参照すると、前記Ｙ２Ｏ３：Ｅｕ平面蛍光薄膜の外光効率は、約７.７％であることが分かる。即ち、これは、前記平面蛍光薄膜から発生した光のうち７.７％ほどの光のみが蛍光体から外部に放出され、残りの光（＞９０％）は、いろいろな原因により消失するということを意味する。結局、平面蛍光薄膜は、その発光効率を１０倍以上にも向上させ得る余地があり、前記平面蛍光薄膜の発光効率を３倍以上に増加させることができるなら、従来の蛍光パウダーの発光効率より優れた蛍光薄膜を製造できることが分かる。
【００２２】
本発明に使用される前記ナノ周期蛍光薄膜の消滅係数（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）は、１０−３以下であることが望ましいが、前記消滅係数とは、蛍光薄膜の透明度を決める変数であって、蛍光体を構成する物質の吸光度と関わり、前記薄膜の結晶性または相（ｐｈａｓｅ）によって変わるかもしれない。前記消滅係数が１０−３を超えると、蛍光薄膜の透明度が低下し、前記薄膜から発生した光は、前記蛍光薄膜を構成する物質による吸収量が増加する。また、全反射または光導波路効果による消滅の外に、さらに望ましくない光の消滅が引き起こされる。
【００２３】
本発明において、前記消滅係数と誘電定数（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ)との関係は、下記の式２で表すことができる。
【００２４】
【数２】
2008521211.tif 000005
【００２５】
(式中、εは、誘電定数であり、ｎは、屈折率であり、ｋは、消滅係数である)
前記消滅係数が大きくなるほど蛍光薄膜内で消滅する光の量が増加し、前記消滅係数が０の理想的な場合には、前記蛍光薄膜が完全に透明であると言える。このような消滅係数は、前記蛍光薄膜の製造条件によって変えることができる。一般に、前記薄膜を形成した後に、後処理の温度を調節することによって変えることができる。前記後処理は、特に制限されるものではなくて、例えば、急速熱アニーリング（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｅａｌｉｎｇ）を用いることができる。通常、アニーリングの温度が高いほど結晶性が良くなり、消滅係数を低くすることができる。前記アニーリングの温度は、５００〜８００℃であることが望ましい。前記温度範囲でアニーリングをすると、蛍光薄膜の消滅係数を１０−３以下に調節することができ、もし８００℃を超えて行われても、消滅係数の減少量がほとんど減少しない。また、温度が高すぎることも、好ましくない。
【００２６】
本発明によるＬＥＤ装置に使用されるナノ周期蛍光薄膜１０は、光を前面方向へ抽出するのに適した屈折面、散乱面及び反射面を有し、前記平面蛍光薄膜の内部に閉じ込められ消失する励起光または発生光を、ブラッグ散乱モードにより前面方向に放出されるようにする。従って、前記蛍光薄膜１０をＬＥＤの前面に接着すると、全反射または光導波路効果による光損失を抑制し、蛍光パウダーを使用したＬＥＤ装置よりも高い輝度及び発光効率を有するＬＥＤ装置を提供することができる。
【００２７】
図４(ａ)は、本発明に使用されるナノ周期蛍光薄膜１０が、光を前面方向に抽出する原理を示し、図４(ｂ)は、前記ナノ周期蛍光薄膜１０の平面図を示す。図４（ａ）及び（ｂ）を参照すると、前記ナノ周期蛍光薄膜１０の内部から発生した光は、蛍光薄膜と空気面との間に形成されている可視光線の波長範囲の二次元ナノ周期構造体により強いブラッグ（Ｂｒａｇｇ）散乱をおこし、そして前面方向に抽出される。本発明において、前記二次元ナノ周期構造体は、一種の格子（ｇｒａｔｉｎｇ)の役割を果たす。
【００２８】
本発明において、前記二次元ナノ周期構造体によるブラッグ散乱に起因する光抽出のメカニズムは、前記ナノ構造の形状よりは、ナノ構造の高さや周期に依存する。即ち、ナノ構造の高さまたは周期が可視光線の波長領域の近くである場合、可視光線の抽出効果が極大化する。これは、前記波長領域のナノ構造が、格子の役目を果たすことを示唆する。
【００２９】
本発明の一実施形態によると、前記二次元ナノ周期構造体の周期は、２００〜５０００ｎｍの範囲であり、さらに望ましくは、２００〜１０００ｎｍの範囲内である。前記周期が２００ｎｍ未満であると、ブラッグ散乱による光抽出効果が微弱であり、一方５０００ｎｍを超えると、例えば、その周期が可視光線周期の５倍を越えると、前記ナノ構造が、前記可視光線に対して格子の役目を果たすことができず、ブラッグ散乱による光抽出効果が得られ難い。このように、本発明において、ブラッグ散乱による光抽出効果が、前記二次元ナノ周期構造体の周期に依存するということは、有限差分時間領域（Ｆｉｎｉｔｅ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ：ＦＤＴＤ）コンピュータシミュレーション法により確認することができる。前記ＦＤＴＤコンピュータシミュレーション法は、マクスウェル（Ｍａｘｗｅｌｌ）方程式を時間の関数で解ける方法であって、前記薄膜構造体から出て行く光の量が的確に計算できる正確な予測法である。前記ＦＤＴＤコンピュータシミュレーションの結果によると、２００ｎｍの周期から光抽出効果が発生し、５００ｎｍまで光抽出効果が増加し、５００ｎｍ以上では光抽出効果が飽和し、３０００ｎｍ近傍で徐々に減少し、５０００ｎｍを超えると、光抽出効果はほとんど消えることとなる。
【００３０】
一方、前記二次元ナノ周期構造体の高さは、１０ｎｍ〜５０００ｎｍである。前記高さが１０ｎｍ未満であると、ブラッグ散乱による光抽出効果が微弱である。また、その高さが５０００ｎｍを超えると、製造が非常に困難であるのに対し、このような高さの変数による光抽出効果がほとんどないため、望ましくない。このような前記ナノ周期構造体の高さの変数による光抽出効果の変化は、前記ＦＤＴＤコンピュータシミュレーションにより実験的に確認することができる。
【００３１】
本発明による前記二次元ナノ周期構造体の形状は、特に制限されるものではなく、例えば、球形、円筒状、直方体状または三角柱状であって、陰刻または陽刻されている３次元立体構造であってもよい。
【００３２】
前記二次元ナノ周期構造体は、レーザーホログラム方式を含む一般の露光法を用いて製作することが可能であり、マスクの種類によって球形、円筒状、直方体状、三角柱状などを含む、如何なる３次元立体構造の製作も可能である。
【００３３】
また、本発明によるナノ周期蛍光薄膜１０を見下ろした時の陽刻部分と陰刻部分との表面積の割合が重要な要素になるが、これは、前記二次元ナノ周期構造体が形成されたことを示す尺度になるものであって、前記二次元ナノ周期構造体の陽刻部分の陰刻部分に対する表面積の割合は、１０〜９０％範囲内にある時、前記二次元ナノ周期構造体は光学的に有効である。前記表面積の割合が１０％未満であるか９０％を超えると、前記二次元ナノ周期構造体のナノ周期性がほとんど失われ、前記可視光線に対して格子の役目を果たすことができず、ブラッグ散乱による光抽出効果が得られ難い。
【００３４】
また、古典光学の理論によると、二次元ナノ周期構造体を持たない蛍光薄膜(例えば、平面蛍光薄膜)と空気との界面において、導光効果により、前記蛍光薄膜の表面と平行に進行する光のウエーブベクトル（ｗａｖｅ  ｖｅｃｔｏｒ）Ｋphosphorと空気中に放出される光のウエーブベクトルＫairとは、下記の式３ａ及び式３ｂで表される。
【００３５】
【数３】
2008521211.tif 000006
【００３６】
(式中、ｎphosphorは、平面蛍光薄膜の屈折率であり、ｎairは、空気の屈折率であり、λは、光の波長である。)
一方、前記ナノ周期蛍光薄膜１０の導光効果による光のウエーブベクトルｋeff及びブラッグ散乱は、下記の式４ａ及び式４ｂで表される。
【００３７】
【数４】
2008521211.tif 000007
【００３８】
(式中、ｍ、ｎは、整数であり、Λｘ、Λｙは、それぞれｘ軸及びｙ軸上のナノ周期構造体の周期である。)
式４ａ及び式４ｂから、導かれる光のウエーブベクトルが、空気中への発光のウエーブベクトルより小さい場合のみ、前記導かれる光を空気中に抽出できるということが分かり、このような効果を得るためには、前記ｎeffとΛ値とが適切な範囲内でなければならない。前記ｎeff値は、前記二次元ナノ周期構造体の陽刻部分に対する陰刻部分の表面積の割合に依存する値である。前記陽刻部分と陰刻部分との表面積の割合が１：１である場合が最も望ましく、この場合には、ｎeffは、前記空気の屈折率(ｎair)と前記蛍光薄膜の屈折率(ｎphosphor)との中間値を有するはずである。
【００３９】
前記二次元ナノ周期構造体による効率向上の幅の正確な値を予測するための、ＦＤＴＤコンピュータシミュレーションの概略的な構造を図５に示す。
【００４０】
図５を参照すると、ナノ周期蛍光薄膜１０と空気層との界面の上に、第１検出面１２を置き、前記第１検出面１２に対向するように、第２検出面１３を基板９の下に置き、この二つの検出面を通る光の量を時間経過によって累進的に計算した。コンピューターの容量によって計算できる３次元構造の寸法を制限し、前記構造体は、前後左右の４方を完全反射体で囲まれていると仮定した。前記ＦＤＴＤコンピュータシミュレーションにより、平面蛍光薄膜から検出面へ出る光の量を１と仮定し、本発明に使用されるナノ周期蛍光薄膜１０から抽出された光の量を計算した。
【００４１】
上述したように、屈折率の値が高ければ高いほど蛍光薄膜に閉じ込められる光の量が多くなるため、本発明では、屈折率の値が最小である蛍光体のうちの一つであるＹ２Ｏ３蛍光体をモデルとして使用した。Ｙ２Ｏ３：Ｅｕ蛍光薄膜の屈折率の値は、１.８である。特に、白色ＬＥＤ用蛍光体として幅広く使用される黄色ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体やシリケイト（Ｓｉｌｉｃａｔｅ)類蛍光体または３色（赤色、緑色及び青色）混合蛍光体の殆どが、前記Ｙ２Ｏ３：Ｅｕ蛍光体よりも屈折率の値が大きい。上述したように、屈折率が大きくなるにつれ、発光効率は低下する。従って、本発明によるナノ周期蛍光薄膜１０を使用する必要性は絶えず発生する。
【００４２】
以下、前記ナノ周期蛍光薄膜１０をＬＥＤ４、６に適用し、ＬＥＤ装置を製造する方法について説明する。本発明によるＬＥＤ装置は、ＵＶ  ＬＥＤを励起光源として使用し、赤色、青色または緑色の蛍光体をそれぞれ蛍光薄膜として使用する赤色、青色または緑色ＬＥＤ装置だけではなく、青色ＬＥＤ装置とＹＡＧ蛍光体膜または赤色及び緑色の蛍光薄膜を使用する白色ＬＥＤ装置は勿論、ＲＧＢ蛍光薄膜を使用する白色ＬＥＤ装置も含む。
【００４３】
即ち、本発明によるＬＥＤ装置は、４２０〜４８０ｎｍ波長帯域のＩｎＧａＮ青色ＬＥＤと、４５０〜８００ｎｍ波長帯域の発光スペクトルを有する黄色蛍光体からなるナノ周期蛍光薄膜１４とを含む白色ＬＥＤ装置であってもよい。前記黄色蛍光体の例として、当業界で通常使用されるものであれば、特に制限されず、特にＹＡＧ：Ｃｅ系列蛍光体、Ｃａ−ａ−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ系列蛍光体、及びＳｒ２ＳｉＯ４：Ｅｕ系列蛍光体であってもよい。
【００４４】
また、本発明によるＬＥＤ装置は、４２０〜４８０ｎｍ波長帯域のＩｎＧａＮ青色ＬＥＤと、４５０〜６５０ｎｍ波長帯域の発光スペクトルを有する緑色蛍光体からなるナノ周期蛍光薄膜と、５５０〜８００ｎｍ波長帯域の発光スペクトルを有する赤色蛍光体からなるナノ周期蛍光薄膜とを含む白色ＬＥＤ装置であってもよい。混合蛍光体を用いた前記ＬＥＤ装置は、単に黄色蛍光体を使用した場合より高い演色評価数を有する。前記緑色及び赤色蛍光体も当業界で通常使用されるものであれば、特に制限されず、例えば前記緑色蛍光体は、ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｅｕ系列蛍光体であり、前記赤色蛍光体は、ＳｒＳ：Ｅｕ系列蛍光体またはＳｒ２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ系列蛍光体であってもよい。
【００４５】
また、本発明によるＬＥＤ装置は、３５０〜４２０ｎｍ波長帯域のＵＶ  ＬＥＤと、４００〜６００ｎｍ波長帯域の発光スペクトルを有する青色蛍光体からなるナノ周期蛍光薄膜と、４５０〜６５０ｎｍ波長帯域の発光スペクトルを有する緑色蛍光体からなるナノ周期蛍光薄膜及び５５０〜８００ｎｍ波長帯域の発光スペクトルを有する赤色蛍光体からなるナノ周期蛍光薄膜とを含む白色ＬＥＤ装置であってもよい。前記ＲＧＢ蛍光体も当業界で通常使用されるものであれば、特に制限されない。例えば、前記青色蛍光体は、ＺｎＳ：Ａｇ系列蛍光体、ＢＡＭ：Ｅｕ系列蛍光体、またはホロフォスフェイト（Ｈｏｌｏｐｈｏｓｐｈａｔｅ)：Ｅｕ系列蛍光体であってもよく、前記緑色蛍光体は、ＺｎＳ：ＣｕＡｌ系列蛍光体、Ｚｎ２ＧｅＯ４：Ｍｎ系列蛍光体、ＬａＰＯ４：Ｅｕ系列蛍光体またはＣｅＭｇＡｌ１１Ｏ１９：Ｔｂ系列蛍光体であってもよく、前記赤色蛍光体は、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ系列蛍光体またはＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ系列蛍光体であってもよい。
【００４６】
また、他の実施形態によると、本発明によるＬＥＤ装置は、３５０〜４２０ｎｍ波長帯域のＵＶ  ＬＥＤと、４００〜６００ｎｍ波長帯域の光と５００〜７００ｎｍ波長帯域との光を同時に放出する白色蛍光体からなるナノ周期蛍光薄膜とを含む白色ＬＥＤ装置であってもよい。前記白色蛍光体は、当業界で通常使用されるものであれば、特に制限されないが、例えば、Ｓｒ３ＭｇＳｉ２Ｏ８：Ｅｕ、Ｍｎ系列蛍光体であってもよい。
【００４７】
前記ナノ周期蛍光薄膜及び基板の積層体(以下、積層体という。)１０のＬＥＤへの接着又は適用は、前記ＬＥＤ装置の光効率に大きい影響を及ぼす。図６(ａ)に示すように、前記積層体はＬＥＤの上部に直接接着してもよい。図６(ｂ)に示すように、より多い光を前面方向に転換させるために、前記積層体を前記反射面まで延ばして形成してもよい。図６(ｃ)に示すように、前記積層体を反射コップの上に接着してもよい。図６(ａ)及び図６(ｂ)に示す直接接着された構造は、図６（ｃ）で示す構造より優れた発光効率を示す。その理由は、図６(ｃ)に示す構造のような、前記ＬＥＤと前記積層体との分離は、ＬＥＤに空気との直接的接触をもたらすため、全反射及び光導波路効果がさらに大きくなることによる。一方、図６(ａ)及び図６(ｂ)に示す前記直接接着された構造の場合には、前記ＬＥＤを前記積層体と直接接着するために、有機結合剤または無機結合剤を使用することができる。この場合、前記結合剤の屈折率と下部のＬＥＤとの屈折率とが一致するとき、前記屈折率の差による全反射及び光導波路効果が消える。従って、図６（ａ）及び（ｂ）で示される前記ＬＥＤの発光効率は、図６(ｃ)のように、界面が空気である構造の場合より上昇させることができる。現在使用されている青色及び紫色ＬＥＤは、ＧａＮ系材料であるため、屈折率が概ね２.０以下の値を有さない。従って、ＬＥＤから発生する光の相当量は、ＬＥＤ内部に閉じ込められるため、前記結合剤の屈折率を前記ＬＥＤの屈折率と一致させることが必要である。本発明において、当業界で通常使用されるものであれば、如何なる有機結合剤または無機結合剤でも使用可能であるが、屈折率が高い無機結合剤であることが望ましい。このような無機結合剤は、当業界で通常使用されるものであって、紫外線または青色可視光線の吸収率が低いものであれば、特に制限されない。例えば、前記積層体とＬＥＤとの接着は、ＴｉＯ２ゾル(屈折率２.３)またはＩＴＯゾル(屈折率２.０)を、前記ＬＥＤ上にナノ単位の薄膜状にコーティングした後、前記積層体を前記ＬＥＤに積層し、得られた構造体を５００℃以下の温度で穏やかに焼成することにより行われる。前記ＩＴＯゾルの場合、紫外線を少し吸収するものの、ナノ単位の薄膜に形成した場合には、その吸収率が無視できるほどであるため、結合剤として使用するのに何ら問題がない。
【００４８】
本発明によるＬＥＤ装置の長所は、平面蛍光薄膜を使用することから生じる問題点と、ＬＥＤの製作において、別途の追加的な工程を設けることなく前記ＬＥＤ自体から生じる光損失の問題が解決できることにある。前記図６(ａ)及び図６(ｂ)に示すような構造に最も重要な要件は、前記ＬＥＤ４、６の屈折率と、二次元ナノ周期構造体を有する前記蛍光薄膜１０が積層されている基板の屈折率及び前記ＬＥＤと前記基板との間に介在される結合剤の屈折率とをできるだけ一致させることである。前記ＬＥＤと前記基板と前記結合剤との各屈折率の差が、各々他の２つに対して０.４以下であることが望ましいが、前記基板９に使用される材質は、当業界で通常使用されるものであれば、特に制限されない。前記基板９は、屈折率が高く、消滅係数を低くするために５００℃以上に加熱する時、前記温度に耐えられるようなサファイア基板(屈折率１.７６)を使用することが望ましく、できるだけ前記基板下部のＬＥＤ及び前記結合剤の屈折率と同一であるか、高い屈折率を有する材料を使用することが最も望ましい。従って、本発明で使用される前記結合剤及び前記基板の屈折率は、１.４以上であり、ＬＥＤ、結合剤及び基板が同一の屈折率を有することが重要である。
【００４９】
図７には、本発明の一実施形態によって、二次元ナノ周期構造体を有する３波長（赤色、緑色及び青色：以下、ＲＧＢという。）蛍光薄膜１５をＵＶ ＬＥＤに適用した白色ＬＥＤの断面図を示す。前記３波長（ＲＧＢ）の白色ＬＥＤ装置は、各色薄膜構成要素の厚さを調節することにより高演色評価数を実現することができ、前記ＲＧＢ薄膜それぞれの厚さを合わせて約３００〜１０００ｎｍになるよう調節することが望ましい。前記ＲＧＢ薄膜の積層の順は、特に制限されるものではないが、各薄膜の吸収スペクトルと発光スペクトルとを考慮して、青色蛍光体の薄膜を最下層とし、その上に緑色蛍光体の薄膜を積層し、赤色蛍光体の薄膜を最上層とすることが望ましい。また、前記ＲＧＢ薄膜それぞれは、屈折率に差があってもよいが、それぞれの屈折率を一致させることが望ましい。屈折率に差がある場合には、最下層の薄膜は最も低い屈折率を持つもので、上層に行くほど屈折率が高くなるよう調節することが、全反射及び光道破路を抑制する上で望ましい。
【００５０】
図８は、本発明による蛍光薄膜の製造の手順の概略図を示す。図８を参照して、本発明による蛍光薄膜の製造方法を説明すると、以下の通りである。
【００５１】
まず、石英基板またはサファイア基板９に、マスクとして使用するＳｉ薄膜をプラズマ化学気相成長法（ plasma enhanced chemical vapor deposition：ＰＥＣＶＤ)により、約２０〜１００ｎｍの厚さで形成した後、前記Ｓｉ薄膜上に、ポジティブフォトレジスト１８をスピンコートする。その次に、フォトレジストをレーザー干渉露光方法により９０゜回転しながら２回露光させて二次元ナノ構造のパターンを作り、前記パターンを溶媒で現像し、フォトレジストの不要な部分を除去する。次に、マスクとしての前記フォトレジストパターンを通じて、前記Ｓｉマスクをドライエッチングして、二次元ナノ周期体を形成する。最後に、前記基盤は、マスクとしての前記二次元ナノ周期体を有するＳｉマスクを使用してドライエッチングされ、基板上に二次元ナノ周期体を形成する。前記製造過程のうち、フォトレジストをネガティブ型に変える場合は、二次元周期の陰刻ナノホール構造体を製造することができる。前記陽刻または陰刻部のいずれも、二次元ナノ周期構造体を成す場合、光抽出に使用することができる。最後に、前記二次元ナノ構造体が形成された基板上に蛍光体を蒸着し、二次元ナノ周期蛍光薄膜を製造する。この段階では、前記二次元ナノ周期構造体上に、様々な種類の蛍光膜を様々な薄膜製造方法により製造することができる。
【００５２】
例えば、硫化物系蛍光薄膜の場合、スパッタリング蒸着（Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)または原子層成長法（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)を、容易に二次元蛍光薄膜を製作するために用いることができる。酸化物系蛍光薄膜の場合には、レーザーアブレーション蒸着法（Ｌａｓｅｒ ａｂｌａｔｉｏｎ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)、電子ビーム蒸着法（ｅ‐ｂｅａｍ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)または他の蒸着法を、二次元蛍光薄膜を製作するために用いることができ、また、窒化物系蛍光薄膜の場合には、化学気相蒸着法（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)を、二次元蛍光薄膜を製作するために用いることができる。前記基板上に形成されている前記ナノ周期パターンが、陰刻であるか陽刻であるかに関らず、その周期が２００ｎｍ以上であれば、前記ナノ周期パターン上に成長させるナノ周期蛍光薄膜の周期も２００ｎｍ以上となる。
【００５３】
一方、前記の製造方法と異なり、本発明で使用されるナノ周期蛍光薄膜１０の下部面は、平面であってもよい。この場合には、単に蛍光体を平面の薄膜に製造した後、前記蛍光薄膜をエッチングすることによって、二次元ナノ構造を形成するか、前記蛍光薄膜の上部に、前記蛍光薄膜とは別の材質からなる二次元ナノ周期構造体２２を形成することによって、前記二次元ナノ周期構造体がブラッグ散乱を起こすよう調節することもできる。図９(ａ)は、蛍光薄膜をエッチングして二次元ナノ周期構造体を形成させた生成物を示し、図９(ｂ)は、前記蛍光体とは別の材質で二次元ナノ周期構造体２２を形成させた生成物を示す。前記ナノ周期蛍光薄膜１０の下部面を平面状にすることは、蛍光薄膜を積層する基板の屈折率が蛍光薄膜の屈折率よりも低い場合に有用である。その理由は、前記ナノ周期蛍光薄膜の下部面と前記基板との界面とが平面であり、前記基板の屈折率が前記ナノ周期蛍光薄膜の屈折率よりも低い場合には、本発明によるＬＥＤ装置の後面方向(即ち、基板方向)に進行する光が前記基板と前記ナノ周期蛍光薄膜間での屈折率の差により全反射されることによって、再び前記ＬＥＤ装置の前面方向に放出され得るため、前記ＬＥＤ装置の発光効率をさらに向上させることができるからである。前記二次元ナノ周期構造体２２は、その材質に適したもの、例えば、可視光線に対して透明な材質であれば、特に制限されない。例えば、ＴｉＯ２、ＩＴＯまたはＳｉＮｘを使用して平面薄膜を形成した後、マスクを用いてウエットエッチングまたはドライエッチングすることによって、二次元ナノ周期構造体２２を形成することができる。前記二次元ナノ周期構造体の材質は、屈折率が、下部の蛍光薄膜の屈折率より高いものを使用することが、全反射及び光導波路効果を除去する上で望ましいが、具体的には前記二次元ナノ周期構造体の屈折率が１.８〜２.５の間であることが望ましい。
【実施例】
【００５４】
以下、望ましい実施例を挙げて、本発明をさらに詳しく説明するが、本発明は、これに制限されるものではない。
(実施例１)
１−(１）二次元ナノ周期型蛍光薄膜の製造
厚さ５ｍｍの石英基板に、マスクとして使用するＳｉ薄膜をプラズマ化学気相法 （ｐｌａｓｍａ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＥＣＶＤ）により、約２０ｎｍで蒸着した。次に、前記Ｓｉ薄膜の上に、ポジティブフォトレジストとしてＳＰＲ５０８−Ａ（Ｓｈｉｐｌｅｙ社製)をスピンコートして厚さ９０ｎｍのフォトレジスト膜を成膜した後、前記フォトレジスト膜をＣｄ−Ｈｅレーザーを使用した干渉露光方法により９０゜回転しながら２回露光させ、二次元ナノ周期のパターンを製造した。続いて、現像液としてＡＺ３０１（Ｓｈｉｐｌｅｙ社製)を使用して前記パターンを現像することによって、フォトレジスト膜の不要な部分を除去した。塩素ガスを用いたドライエッチングにより該Ｓｉマスクをエッチングし、周期２００ｎｍの二次元ナノ周期のＳｉマスクを形成した。次に、ＣＦ４ガスを用いて前記石英基板をドライエッチングし、塩素ガスを用いて上部の前記Ｓｉマスクを除去することによって、前記石英基板上に、二次元ナノ周期体を形成した。こうして形成された前記二次元ナノ周期構造体は、周期２００ｎｍ、高さ約２００ｎｍを有する。その次に、エネルギーが１.３Ｊ／ｃｍ２の２４８ｎｍＫｒＦエキシマレーザーを用いてＹ２Ｏ３：Ｅｕ蛍光薄膜をレーザーアブレーション法により、前記二次元ナノ周期石英基板上に蒸着した。前記蛍光薄膜の蒸着の厚さは、約８００ｎｍであり、高さ(Ｈ２)は、約２００ｎｍであったが、前記二次元ナノ周期蛍光薄膜の高さ(Ｈ２)は、前記二次元ナノ周期石英基板の高さ(ｈ１)と一致した。最後に、前記蛍光薄膜を、急速熱アニーリング（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｅａｌｉｎｇ）法により、窒素雰囲気下で、５００℃の温度で２分間処理した。
【００５５】
１−(２）赤色ＬＥＤ装置の製造
前記で製造された二次元ナノ周期蛍光薄膜が積層されている基板を、反射板まで延ばして、３５０〜４２０ｎｍ波長帯域のＵＶ ＬＥＤの上に直接接着することによって、赤色ＬＥＤ装置を製造した。前記接着には、屈折率１.５のアクリル系結合剤を使用した。
【００５６】
(実施例２)
蛍光薄膜の二次元ナノ周期構造体の周期が３００ｎｍであることを除いて、前記実施例１と同様の方法により赤色ＬＥＤ装置を製造した。
【００５７】
(実施例３)
蛍光薄膜の二次元ナノ周期構造体の周期が４００ｎｍであることを除いて、前記実施例１と同様の方法により赤色ＬＥＤ装置を製造した。
【００５８】
(実施例４)
蛍光薄膜の二次元ナノ周期構造体の周期が５００ｎｍであることを除いて、前記実施例１と同様の方法により赤色ＬＥＤ装置を製造した。
【００５９】
(実施例５)
蛍光薄膜の二次元ナノ周期構造体の周期が６００ｎｍであることを除いて、前記実施例１と同様の方法により赤色ＬＥＤ装置を製造した。
【００６０】
(実施例６)
蛍光薄膜の二次元ナノ周期構造体の周期が７００ｎｍであることを除いて、前記実施例１と同様の方法により赤色ＬＥＤ装置を製造した。
【００６１】
(実施例７)
アニーリング温度を６００℃にしたことを除いて、前記実施例１と同様の方法により赤色ＬＥＤ装置を製造した。
【００６２】
(実施例８)
アニーリング温度を７００℃にしたことを除いて、前記実施例１と同様の方法により赤色ＬＥＤ装置を製造した。
【００６３】
(比較例１）
石英基板上に二次元ナノ周期構造体を形成せず、アニーリングをしないことを除いて、前記実施例１と同様の方法により赤色ＬＥＤ装置を製造した。
【００６４】
(実験例１)
消滅係数の測定
消滅係数は、Ｋ−ＭＡＣ  ｍｏｄｅｌ  Ｓｐｅｃｔｒａ  Ｔｈｉｃｋ２０００を使用して測定し、実施例１、７、８及び比較例１によって製造された蛍光薄膜／基板積層体それぞれに対して、前記蛍光薄膜と空気との界面及び前記蛍光薄膜と前記基板との界面から反射される２つのビームに対する干渉効果を含む反射スペクトル分析を測定した。その結果を下記の表２に示す。
【００６５】
【表２】
2008521211.tif 000008
【００６６】
表２を参照すると、比較例１の場合には、消滅係数が１×１０−２であって、相当大きい値を有するのに対し、本発明の実施例によると、消滅係数が１０−３以上大きくならず、前記蛍光薄膜内での吸収により消滅する量を大幅に減少させ得ることが確認できた。
【００６７】
(実験例２)
ＦＤＴＤコンピュータシミュレーションテスト
前記実施例１〜６及び比較例１によって製造された前記蛍光薄膜／基板積層体のそれぞれに対して、ナノ構造の周期の変化によって前記蛍光薄膜の前面方向(第１検出面)及び基板面(第２検出面)に光が抽出される割合を、図５に示すような構造体に対するＦＤＴＤコンピュータシミュレーションを使用して測定し、比較例１で製造した積層体において得られた値との相対値の倍数を図１０に示し、その前面方向への発光量に対する値を表２に示す。ここで使用された計算のための変数は、次の通りである。
【００６８】
基板のナノ周期構造体の高さ(ｈ１)：２００ｎｍ、
ナノ周期蛍光薄膜の厚さ(Ｔ)：８００ｎｍ、
ナノ周期構造体の周期(Λ)：２００、３００、４００、５００、６００、７００ｎｍ、
基板のナノ周期構造体の直径(ｄ１)：０.３Ｌ、
ナノ周期蛍光薄膜のナノ周期構造体の直径(ｄ２)：０.６Ｌ、
ナノ周期蛍光薄膜のナノ周期構造体の高さ(ｈ２)：２００ｎｍ
【００６９】
【表３】
2008521211.tif 000009
【００７０】
表３から分かるように、本発明で使用されるナノ周期蛍光薄膜の発光効率は、比較例１で製造されたナノ周期蛍光薄膜のものに比べて最高６.５倍まで上昇する。
【００７１】
(実験例３)
電子顕微鏡による観察
実施例４によって製造された二次元ナノ周期構造体が形成された基板に対する走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ写真）を図１１に示す。図１１(ａ)は、平面写真であり、図１１(ｂ)は、側面写真である。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）から明らかなように、高い均一性で周期的に陽刻されている円筒状ナノ構造が、前記基板の上部に形成されていることが確認できた。図１２(ａ)及び図１２(ｂ)は、比較例１により製造された前記蛍光薄膜の平面ＳＥＭ写真及び側面ＳＥＭ写真であり、図１２(ｃ)及び図１２(ｄ)は、実施例１により製造された前記ナノ周期蛍光薄膜の平面ＳＥＭ写真及び側面ＳＥＭ写真である。図１２（ａ）〜（ｄ）から、実際に形成されている二次元ナノ周期構造体が、図４に概略的に示す構造とほぼ一致することが確認できた。
【００７２】
(実験例４)
発光スペクトルの測定
実施例１〜６及び比較例１によって製造された基板／薄膜蛍光積層体を備える基板の発光スペクトルを、ＵＶ ＬＥＤ(２５４ｎｍ)を励起光源として用いて、実施例１〜６において製造された前記積層体の発光スペクトルの面積を測定することで、発光効率を試験し、その測定した値を比較例１で製造された積層体において得られた値を基準とした倍数としてその結果を表３に示す。一方、図１３は、前記実施例４、５及び比較例１によって製造された積層体の発光スペクトルを示す。図１３に見られるように、前記二次元ナノ周期蛍光薄膜の発光効率は、平面蛍光薄膜に比べて、約６倍向上し、このような実験値は、ＦＤＴＤコンピュータシミュレーション法で予測した理論値とほぼ一致する。
【００７３】
【表４】
2008521211.tif 000010
【００７４】
(実施例９）
１−(１）二次元ナノ周期型蛍光薄膜の製造
厚さ５ｍｍ、屈折率１.７６のサファイア基板に、エネルギーが１.３Ｊ／ｃｍ２の２４８ｎｍ  ＫｒＦエキシマレーザーを用いて、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光薄膜を、レーザーアブレーション法により、約５０００ｎｍの厚さに蒸着した。次に、前記蛍光薄膜の上に、屈折率２.０５のＳｉＮｘ薄膜をＰＥＣＶＤ法により５００ｎｍで形成した後、前記蛍光薄膜／ＳｉＮｘ薄膜上に、マスクとして使用するＳｉ薄膜をＰＥＣＶＤにより約２０ｎｍの厚さになるように形成した。次に、前記Ｓｉ薄膜の上に、ポジティブフォトレジストとしてＳＰＲ５０８−Ａ(Shipley社製)をスピンコートし、厚さ９０ｎｍのフォトレジスト膜を成膜した後、前記フォトレジスト膜をＣｄ−Ｈｅレーザーを使用した干渉露光方法で９０゜回転しながら２回露光させ、周期６００ｎｍの二次元ナノ周期のパターンを製造した。続いて、現像液としてＡＺ３０１(Shipley社製)を使用して前記パターンを現像することによって、前記フォトレジスト膜の不要な部分を除去し、塩素ガスを用いたドライエッチングにより該Ｓｉマスクをエッチングし、周期２００ｎｍの二次元ナノ周期のＳｉマスクを形成した。最後に、ＣＦ４ガスを用いてＳｉＮｘ基板をドライエッチングし、塩素ガスを用いて上部のＳｉマスクを除去することによって、前記ＳｉＮｘ基板の上部に、周期６００ｎｍ、高さ約４００ｎｍの二次元ナノ周期構造体を形成し、それによって前記ＳｉＮｘ二次元ナノ周期構造体及び前記蛍光薄膜及び前記基板からなる積層体を製造した。
【００７５】
１−(２）白色ＬＥＤ装置の製造
前記ＳｉＮｘ二次元ナノ周期構造体及び前記蛍光薄膜及び前記基板からなる積層体を、反射板部分までに延ばして４７０ｎｍ波長帯域の青色ＬＥＤの上に、直接接着することによって、白色ＬＥＤ装置を製造した。前記接着には、屈折率１.５のアクリル系結合剤を使用した。
【００７６】
(比較例２)
固相合成法により合成したＹＡＧ：Ｃｅ蛍光パウダーをアクリル系結合剤に分散させることによりスラリーを得、前記スラリーを４７０ｎｍ青色ＬＥＤの上部に塗布することによって、図１に示すようなパウダー型白色ＬＥＤ装置を製造した。
【００７７】
(実験例５)
実施例９及び比較例２によって製造された白色ＬＥＤ装置の発光特性を、同一の駆動電圧及び電流(３.５Ｖ、５００ｍＡ)下で比較した。前記白色ＬＥＤ装置の前記発光スペクトルを図１４に示す。実施例９で製造された白色ＬＥＤ装置から発生される光の量を、比較例２で製造された白色ＬＥＤ装置から発生される光の量と比較し、相対的な割合を表５に示す。図１４及び表５から明らかなように、本発明による白色ＬＥＤ装置の発光強度が、比較例２によって製造された白色ＬＥＤ装置の発光強度より優れていることが確認できた。
【００７８】
【表５】
2008521211.tif 000011
【００７９】
9
【産業上の利用可能性】
【００８０】
上述したように、本発明によるＬＥＤ装置は、蛍光パウダーを用いた従来のＬＥＤ装置に比べて、発光効率及び輝度に優れており、また、本発明によるＬＥＤ装置は従来のＬＥＤ装置に比べて発光均一性も優れている。本発明によるＬＥＤ装置は、従来のＬＥＤ装置の輝度が低いという問題点を改善しており、家庭用蛍光灯、総天然色ディスプレイ(ＬＣＤバックライト)などの様々な分野に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】青色ＬＥＤに、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光パウダーを塗布した従来の白色ＬＥＤ装置の断面図。
【図２】紫色ＬＥＤまたは紫外線ＬＥＤに、３色（青色、緑色及び赤色）蛍光パウダーを塗布した従来の白色ＬＥＤ装置の断面図。
【図３】平面蛍光薄膜から発生する光の放出経路を示す概略図。
【図４】(ａ)本発明に使用される二次元ナノ周期構造体を有する蛍光薄膜の光抽出の原理を示す断面図。 (ｂ)本発明に使用される二次元ナノ周期構造体を有する蛍光薄膜の平面図。
【図５】ＦＤＴＤコンピュータシミュレーションのための二次元ナノ周期構造体を有する蛍光薄膜の計算変数及び構造体の概略図。
【図６】(ａ)〜（ｃ)は、本発明の一実施形態により、青色ＬＥＤに、二次元ナノ周期構造体を有する黄色蛍光薄膜を接着または塗布した白色ＬＥＤ装置の断面図。
【図７】(ａ)〜(ｃ)は、本発明の一実施形態により、ＵＶ  ＬＥＤに、二次元ナノ周期構造体を有する３色（青色、緑色及び赤色）蛍光薄膜を接着した白色ＬＥＤ装置の断面図。
【図８】本発明に使用される二次元ナノ周期構造体を有する蛍光薄膜の製造方法の工程を示すフローチャート。
【図９】(ａ)エッチングにより、二次元ナノ周期構造体を有する蛍光薄膜の生成物の概略図。(ｂ)前記形成された蛍光薄膜とは別の材質で作られた二次元ナノ周期構造体を蛍光薄膜上に有する生成物の概略図。
【図１０】二次元ナノ周期構造体の周期によるＦＤＴＤコンピュータシミュレーションの結果として抽出される光の強度比を示すグラフ。
【図１１】(ａ)二次元ナノ周期構造体を有する石英基板の平面ＳＥＭ写真。(ｂ)二次元ナノ周期構造体を有する石英基板の断面ＳＥＭ写真。
【図１２】(ａ)比較例１によって製造された蛍光薄膜の平面ＳＥＭ写真。(ｂ)比較例１によって製造された蛍光薄膜の断面ＳＥＭ写真。(ｃ)実施例５によって製造された蛍光薄膜の平面ＳＥＭ写真。(ｄ)実施例５によって蛍光薄膜の断面ＳＥＭ写真。
【図１３】実施例４、５及び比較例１によって製造された蛍光薄膜の紫外線励起発光スペクトル。
【図１４】実施例９及び比較例２によって製造された白色ＬＥＤ装置の発光スペクトル。
【符号の説明】
【００８２】
なし
【図１】
2008521211.tif 000012
【図２】
2008521211.tif 000013
【図３】
2008521211.tif 000014
【図４】
2008521211.tif 000015
【図５】
2008521211.tif 000016
【図６】
2008521211.tif 000017
【図７】
2008521211.tif 000018
【図８】
2008521211.tif 000019
【図９】
2008521211.tif 000020
【図１０】
2008521211.tif 000021
【図１３】
2008521211.tif 000022
【図１４】
2008521211.tif 000023
【図１１】
2008521211.tif 000024
【図１２】
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【国際調査報告】
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