(57)【要約】  短波長光を発生する固体発光デバイス（１０２）、及びそれぞれ短波長の一部によって照射される量子ドット物質（１０４）と蛍光体物質（１０６）を含む広帯域幅光源。短波長光は、約500nmより短い第一のピーク波長を含む第一のスペクトルを有する。量子ドット物質（１０４）は短波長の一部を吸収して、約600nmより長い第二のピーク波長を含む第二のスペクトルを有する長波長光として再放出する。蛍光体物質（１０６）は短波長の一部を吸収して、第一及び第二のピーク波長の間にあるピーク波長を含むスペクトルを有する中波長光として再放出する。光源は、各光（短波長光、中波長光、及び長波長光）の一部が同時に、黒体軌跡に近い色度値と80より大きい演色評価数を有する光として放出されるように構成される。
2008544553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒体軌跡に近い色度値を有しかつ演色評価数が約80より大きい可視光を生成する方法であって、該可視光は短波長固体発光デバイス、量子ドット物質、及び蛍光体物質を用いて生成され、該方法は：
a)  該短波長固体発光デバイスを用いて第一のピーク波長を含む第一のスペクトルを有する短波長光を発生するステップ、該第一のピーク波長は約500nmよりも短い；
b)  該量子ドット物質を該短波長光の少なくとも一部分によって照射し、該短波長光の第一の分画が該量子ドット物質によって吸収され、第二のピーク波長を含む第二のスペクトルを有する長波長光として再放出されるようにするステップ、該第二のピーク波長は約600nmよりも長い；
c)  該蛍光体物質を該短波長光の少なくとも一部分によって照射し、該短波長光の第二の分画が該蛍光体物質によって吸収され、第三のピーク波長を含む第三のスペクトルを有する中波長光として再放出されるようにするステップ、該第三のピーク波長は該第一のピーク波長と該第二のピーク波長の間にある；及び
d)  該短波長光の第三の分画、中波長光の少なくとも一部分、及び長波長光の少なくとも一部分を可視光として放出するステップ；
を含む方法。
【請求項２】
ステップ(d)で放出される該可視光の色度値が、CIE-1931ダイアグラム上で黒体軌跡のｘ色度値の約0.01及びｙ色度値の約0.01で限られる区域内にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ステップ(d)で放出される該可視光の演色評価数が約85より大きいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ステップ(d)で放出される該可視光の演色評価数が約90より大きいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
ステップ(d)で放出される該可視光の相関色温度が約1000K〜約16000Kより小さいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ステップ(d)で放出される該可視光の相関色温度が約3300K〜約3600Kにあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
ステップ(a)で該短波長固体発光デバイスによって発生される短波長光の該第一のピーク波長が約200nm〜約500nmにあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
ステップ(b)で該量子ドット物質によって放出される長波長光の該第二のピーク波長が約600nm〜約700nmにあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
ステップ(b)で該量子ドット物質によって放出される長波長光の該第二のスペクトルの半値全幅が約50nmより小さいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
ステップ(b)がさらに、該中波長光の少なくとも一部分によって該量子ドット物質を照射し、該中波長光の第四の分画が該量子ドット物質によって吸収され、追加の長波長光として再放出されるようにするステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
ステップ(c)で該蛍光体物質によって放出される中波長光の該第三のピーク波長が約500nm〜約600nmにあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
ステップ(c)で該蛍光体物質によって放出される中波長光の該第三のスペクトルの半値全幅が約150nmより小さいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
広帯域幅光源であって：
第一のピーク波長を含む第一のスペクトルを有する短波長光を発生する短波長固体発光デバイス、該第一のピーク波長は約500nmより短い；
該短波長固体発光デバイスと光学的に結合され、該短波長光の第一の部分によって照射される量子ドット物質であって、該第一のスペクトルを有する入射光の第一の分画を吸収し、吸収された光を第二のピーク波長を含む第二のスペクトルを有する長波長光として再放出するようになっている量子ドット物質、該第二のピーク波長は約600nmより長い；及び
該短波長固体発光デバイスと光学的に結合され、該短波長光の第二の部分によって照射される蛍光体物質であって、該第一のスペクトルを有する入射光の第二の分画を吸収し、吸収された光を第三のピーク波長を含む第三のスペクトルを有する中波長光として再放出するようになっている蛍光体物質、該第三のピーク波長は該第一のピーク波長と該第二のピーク波長の間にある；
を含み、該短波長固体発光デバイス、該量子ドット物質、及び該蛍光体物質は、第一の量の短波長光、第二の量の長波長光、及び第三の量の中波長光が実質的に同時に該広帯域幅光源から黒体軌跡に近い色度値を有しかつ演色評価数が80より大きい可視光として放出されるように構成されることを特徴とする広帯域幅光源。
【請求項１４】
該短波長固体発光デバイスが、短波長発光ダイオード（LED）、短波長共振器型LED、又は短波長ダイオード・レーザーのいずれかであることを特徴とする請求項１３に記載の広帯域幅光源。
【請求項１５】
該短波長固体発光デバイスによって発生される該短波長光の該第一のピーク波長が約200nm〜約500nmにあることを特徴とする請求項１３に記載の広帯域幅光源。
【請求項１６】
該短波長固体発光デバイスによって発生される該短波長光の該第一のスペクトルの半値全幅が約50nmより小さいことを特徴とする請求項１３に記載の広帯域幅光源。
【請求項１７】
該量子ドット物質が、可視光を実質的に透過するマトリクス物質内に分散された複数の量子ドットを含むことを特徴とする請求項１３に記載の広帯域幅光源。
【請求項１８】
該複数の量子ドットが、CdSe量子ドット、ZnS量子ドット、CdTe量子ドット、PbTe量子ドット、ZnSe量子ドット、Si量子ドット、Ge量子ドット、又はPbSe量子ドットの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１７に記載の広帯域幅光源。
【請求項１９】
該マトリクス物質が、UV硬化性透明樹脂、熱硬化性ゾル−ゲル樹脂、UV硬化性ゾル−ゲル樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリメチル・メタクリレート（PMMA）、ポリエチレン、エポキシ、シリコーン、シリカ、又はチタニアの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１７に記載の広帯域幅光源。
【請求項２０】
該量子ドット物質によって放出される長波長光の該第二のピーク波長が約600nm〜約700nmにあることを特徴とする請求項１３に記載の広帯域幅光源。
【請求項２１】
該量子ドット物質によって発生される長波長光の該第二のスペクトルの半値全幅が約50nmより小さいことを特徴とする請求項１３に記載の広帯域幅光源。
【請求項２２】
該量子ドット物質がさらに該蛍光体物質と光学的に結合されて、該中波長光の一部分によって照射され；
該量子ドット物質がさらに該第三のスペクトルを有する入射光の第三の分画を吸収するようになっている；
ことを特徴とする請求項１３に記載の広帯域幅光源。
【請求項２３】
該蛍光体物質が照射される該短波長光の該第二の部分が該蛍光体物質に入射する前に該量子ドット物質を透過するように該量子ドット物質が該広帯域幅光源内に配置されていることを特徴とする請求項２２に記載の広帯域幅光源。
【請求項２４】
該蛍光体物質は、該可視光を実質的に透過するマトリクス物質内に分散された複数の蛍光体粒子を含むことを特徴とする請求項１３に記載の広帯域幅光源。
【請求項２５】
該複数の蛍光体粒子は、ZnS:Cu-Al; ZnSiO4:Mn2+; Sr3SiO5:Eu2+; BaMgAl10O17: Eu2+Mn2+; SrAlO4:Eu, Dy; (YGdCe)3Al5O12:Eu; YAG:Ce; Sr4Al14O25:Eu; (Ce, Tb)MgAl11O19; YAG:Ce; 又は(La, Ce, Tb)PO4の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項２４に記載の広帯域幅光源。
【請求項２６】
該マトリクス物質は、UV硬化性透明樹脂、熱硬化性ゾル−ゲル樹脂、UV硬化性ゾル−ゲル樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート（PMMA）、ポリエチレン、エポキシ、シリコーン、シリカ、又はチタニアの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項２４に記載の広帯域幅光源。
【請求項２７】
該蛍光体物質は、バルクZnS:Cu-Al; バルクZnSiO4:Mn2+; バルクSr3SiO5:Eu2+; バルクBaMgAl10O17:Eu2+Mn2+; バルクSrAlO4:Eu, Dy; バルク(YGdCe)3Al5O12:Eu;バルクSr4Al14O25:Eu; バルク(Ce, Tb)MgAl11O19; 又はバルク(La, Ce, Tb)PO4の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１３に記載の広帯域幅光源。
【請求項２８】
該蛍光体物質によって放出される該中波長光の該第三のピーク波長が約500nm〜約600nmにあることを特徴とする請求項１３に記載の広帯域幅光源。
【請求項２９】
該蛍光体物質によって放出される中波長光の該第三のスペクトルの半値全幅が約150nmより小さいことを特徴とする請求項１３に記載の広帯域幅光源。
【請求項３０】
該量子ドット物質が複数の量子ドットを含み；
該蛍光体物質が複数の蛍光体粒子を含み；
該複数の量子ドットと該複数の蛍光体粒子が該可視光を実質的に透過するマトリクス物質内に混合して分散されていることを特徴とする請求項１３に記載の広帯域幅光源。
【請求項３１】
該短波長固体発光デバイス、該量子ドット物質、及び該蛍光体物質は、該広帯域幅光源から放出される該可視光の色度値が、CIE-1931ダイアグラム上で黒体軌跡のｘ色度値の約0.01及びｙ色度値の約0.01で限られる区域内にあるように構成されることを特徴とする請求項１３に記載の広帯域幅光源。
【請求項３２】
該短波長固体発光デバイス、該量子ドット物質、及び該蛍光体物質は、該広帯域幅光源から放出される該可視光の演色評価数が約85より大きくなるように構成されることを特徴とする請求項１３に記載の広帯域幅光源。
【請求項３３】
該短波長固体発光デバイス、該量子ドット物質、及び該蛍光体物質は、該広帯域幅光源から放出される該可視光の演色評価数が約90より大きくなるように構成されることを特徴とする請求項２に記載の広帯域幅光源。
【請求項３４】
該短波長固体発光デバイス、該量子ドット物質、及び該蛍光体物質は、該広帯域幅光源から放出される該可視光の演色評価数が約1000K〜約16000Kの相関色温度を有するように構成されることを特徴とする請求項１３に記載の広帯域幅光源。
【請求項３５】
該短波長固体発光デバイス、該量子ドット物質、及び該蛍光体物質は、該広帯域幅光源から放出される該可視光の演色評価数が約3300K〜約3600Kの相関色温度を有するように構成されることを特徴とする請求項１３に記載の広帯域幅光源。
【請求項３６】
黒体軌跡に近い色度値を有しかつ演色評価数が約80より大きい可視光を生成する広帯域幅光源であって、該広帯域幅光源が：
第一のピーク波長を含む第一のスペクトルを有する短波長光を発生する手段、該第一のピーク波長は約500nmよりも短い；
該短波長光の第一の分画を吸収し、第二のピーク波長を含む第二のスペクトルを有する長波長光として再放出する手段、該第二のピーク波長は約600nmよりも長い；及び
該短波長光の第二の分画を吸収し、第三のピーク波長を含む第三のスペクトルを有する中波長光として再放出する手段、該第三のピーク波長は該第一のピーク波長と該第二のピーク波長の間にある；
を含み、該短波長光の第三の分画、中波長光の少なくとも一部分、及び長波長光の少なくとも一部分が可視光として放出されることを特徴とする広帯域幅光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、2005年6月23日に出願された米国特許仮出願No. 60/693,170及び2005年7月12日に出願された米国特許仮出願No. 60/698,591の優先権を主張するものであり、それぞれの内容は参照によって本明細書に組み込まれる。
本発明は、固体白色光放出デバイスに関する。特に、これらのデバイス及び方法は短波長光源を蛍光体及び量子ドット・ダウンコンバージョン物質と共に用いる。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（LED’s）及び共振器型LED（RCLED’s）などの固体発光デバイスは、通常の白熱電灯や蛍光灯に比べて、製造コストを低くすることができ、長期的な耐久性という利点もあるためきわめて有用である。その長い使用寿命（バーンタイム）と低い電力消費のため、固体発光デバイスは、初期コストが通常のランプよりも高くなる場合であっても、その動作コストのために利益になることが多い。大規模半導体製造技術を利用することができ、多くの固体ランプがきわめて低コストで生産できる。
【０００３】
LED’sは、家庭電器及び消費者用電器、オーディオビジュアル機器、電話機、及び自動車計器表示などにおける表示ランプとしての応用の他に、屋内及び屋外の情報ディスプレーにも応用されている。
【０００４】
青色光又は紫外光（UV）を放出する効率的LED’sの開発と共に、LEDの一次発光を蛍光体で長波長に変換することによって白色光を生成するLED’sを製造することが可能になった。LEDの一次発光をもっと長い波長に変換することは、普通、一次発光のダウンコンバージョンと呼ばれる。一次発光のうち変換されなかった部分が長波長の光と合体して見る人に白色と見える光を生ずる。しかし、無機の蛍光体だけを用いて短波長の光をダウンコンバートすると、効率的に発生できるスペクトルのタイプが限られる。
【発明の開示】
【０００５】
本発明のある例示的な実施形態は、短波長固体発光デバイス、量子ドット物質、及び蛍光体物質を用いて可視光を生成する方法であって、その可視光の色度の値が黒体軌跡に近く、演色評価数が約80を超えるものである。第一のピーク波長を含む第一のスペクトルを有する短波長光が短波長固体発光デバイスを用いて発生される。第一のピーク波長は約500 nmよりも短い。量子ドット物質はこの短波長光の少なくとも一部分によって、短波長光の第一の分画（fraction）が量子ドット物質によって吸収され、第二のピーク波長を含む第二のスペクトルを有する長波長光として再放出されるように照射される。第二のピーク波長は約600 nmよりも長い。蛍光体物質はこの短波長光の少なくとも一部分によって、短波長光の第二の分画が蛍光体物質によって吸収され、第三のピーク波長を含む第三のスペクトルを有する中波長光として再放出されるように照射される。短波長光の第三の分画、中波長光の少なくとも一部分、及び長波長光の少なくとも一部分が可視光として放出される。
【０００６】
本発明の別の例示的な実施形態は、広帯域の光源であって：短波長固体発光デバイス；この短波長固体発光デバイスと光学的に結合されて短波長光の第一の部分によって照射される量子ドット物質；及びこの短波長固体発光デバイスと光学的に結合されて短波長光の第二の部分によって照射される蛍光体物質；を含む。短波長固体発光デバイスは約500 nmよりも短い第一のピーク波長を含む第一のスペクトルを有する短波長光を発生する。量子ドット物質は、第一のスペクトルを有する入射光のある分画を吸収して、約600 nmよりも長い第二のピーク波長を含む第二のスペクトルを有する長波長光としてそれを再放出するようになっている。蛍光体物質は、第一のスペクトルを有する入射光のある分画を吸収して、第一のピーク波長と第二のピーク波長の間にあるピーク波長を含む第三のスペクトルを有する中波長光としてそれを再放出するようになっている。短波長固体発光デバイス、量子ドット物質、及び蛍光体物質は、短波長光の一部、長波長光の一部、及び中波長光の一部が広帯域の光源から黒体軌跡に近い色度値と80を超える演色評価数を有する可視光として実質的に同時に放出されるように構成される。
【０００７】
本発明のさらに別の例示的な実施形態は、黒体軌跡に近い色度値と80を超える演色評価数を有する広帯域の光源である。この広帯域の光源は：第一のピーク波長を含む第一のスペクトルを有する短波長光を発生する手段；この短波長光の第一の分画を吸収して第二のピーク波長を含む第二のスペクトルを有する長波長光として再放出する手段；及び短波長光の第二の分画を吸収して第三のピーク波長を含む第三のスペクトルを有する中波長光として再放出する手段；を含む。第一のピーク波長は、約500 nmよりも短く、第二のピーク波長は、約600 nmよりも長く、第三のピーク波長は、第一のピーク波長と第二のピーク波長の間にある。短波長光の第三の分画、中波長光の少なくとも一部分、及び長波長光の少なくとも一部分が可視光として放出される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
固体照明についての研究は、単にエネルギー効率の高い光源を開発するというだけでなく、太陽光のスペクトルに近い白色光を放出する光源を開発することを目標としている。しかし、無機蛍光体だけを用いて短波長光をダウンコンバートすることによってこのタイプのスペクトルを効率的に実現することは困難であった。例えば、セリウムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（YAG:Ce）蛍光体を窒化ガリウム（GaN）系の青色LEDと共に用いた白色LED’sが製造されている。従来のこれらの光源では、GaN LEDが放出する青色放射の一部分が蛍光体によってグリーン−イエローにダウンコンバートされる。こうして得られる光は、人間の視覚では白色と感じられる。しかし、この方法は、生ずる光のスペクトルの相関色温度（CCT）が非常に高く、演色性が、特に赤色領域で低いという欠点がある。白色LEDが従来の光源と競争するためにはスペクトル出力分布（SPD）が改善されることが望ましい。
【０００９】
量子ドット（QD’s）は、あるスペクトル範囲でエネルギーを吸収して別のスペクトル範囲でエネルギーを放出するナノメートル・サイズの半導体である。固体照明の用途でQD’sを興味深いものにしているQD’sのユニークな特徴の一つは、QDの吸収及び放出スペクトルがQD粒子の平均物理的サイズと関係しているということである。したがって、ある物質中のQD’sの直径をコントロールすることによって、狭い帯域幅の源から、注文に合う連続放出スペクトルを生ずる物質を実現することが、理論的には可能である。
【００１０】
セレン化カドミウム（CdSe）をベースとするQD’sは可視スペクトル範囲（380 nmから780 nmまで）の全域にわたる光線を放出するように調整できる。したがって、CdSeをベースとするQD’sは、白色LED用途に利用できるダウンコンバージョン物質である。QD’sの放出スペクトルのピーク波長はその平均直径に比例するので、いろいろな直径のQD’sを組み合わせることによって、紫外又は青色LEDによって励起されたときにほとんど連続スペクトルの白色光を発生させることが可能である。
【００１１】
本発明者たちは、青色GaN LEDのまわりに赤色CdSe量子ドット（QD’s）（620 nm）を層状に形成した固体照明デバイスをテストした。このテストでは出力カラーが青紫色で発光効率が低い光源が得られた。この結果は、グリーン−イエローのスペクトル領域におけるこのデバイスの出力エネルギーの不足によって生じたものである。
【００１２】
一般的な照明用途では、光源の色度が黒体軌跡に近いことがほとんど常に望ましい。上記の実験的固体照明デバイスの色度は、ある量のグリーンQD’sをパッケージに加えることによって改善される。しかし、グリーンQD’sは量子収率が低く、自己吸収比が高いことが見出された。したがって、上記の実験的光源にグリーンQD’sを加えることによって出力光の色度値は黒体軌跡に近くなるが、それに関連した量子収率と自己吸収比はパッケージの効率を大きく低下させる可能性がある。
【００１３】
本発明の例示的な実施形態は、発光ダイオード（LED’s）とダウンコンバージョン物質を用いて太陽光に近い白色光を生ずるデバイス及び方法を含む。これらの例示的な実施形態は、高効率赤色QD’sとイエロー−グリーンの蛍光体をダウンコンバージョン物質として用いる。したがって、所望の色度の値を維持しながら、パッケージの発光効率を高くすることができる。
【００１４】
図１は、本発明のある実施形態に係わる広帯域幅光源100を例示している。この広帯域幅光源100は：短波長光を発生する短波長発光デバイス１０２；QD物質１０４；及び蛍光体物質１０６を含み、それらがすべて光学マウント１０８に搭載されている。光学マウント１０８は、機械的なサポートになると同時に、短波長発光デバイス１０２とダウンコンバージョン物質によって発生する熱を散逸させるためのヒートシンクとしても働く。光学マウント１０８は、また、広帯域幅光源100の上面からの可視光の放出を増加させる反射コーティングが施されている。図１に示されたQD物質１０４と蛍光体物質１０６の位置は望ましいものであるが、これら二つの物質の他の形態も本発明の実施形態で用いることができるということを注意しておきたい。例えば、図１の実施形態において、QD物質１０４と蛍光体物質１０６の位置を交換することもできる。
【００１５】
例示された広帯域幅光源100は、ダウンコンバージョン物質としての赤色QD’sとイエロー−グリーン蛍光体を固体発光デバイス１０２と結合するというパッケージング・コンセプトを創造することによって上述の実験的固体光源のスペクトルにおけるグリーン−イエロー光の不足に対処している。図１に示されているように、短波長固体発光デバイス１０２をQD物質１０４に埋め込んで、蛍光体物質１０６をQD物質の層の上に成層することができる。
【００１６】
図７A−Cは、例示された広帯域幅光源100の動作を説明する概略図である。説明を簡単にするために、すべての光子（矢印）は前方へ伝播するように示されている。しかし、ダウンコンバートされた光子はすべての方向に放射されるし、短波長固体発光デバイス１０２の光子は図７A−Cに示されているように集光されていないことは当業者には理解されるであろう。図７A−Cでは、短波長光子はBでマークされた矢印で表され、中波長光子はGでマークされた矢印で表され、長波長光子はRでマークされた矢印で表されている。三つの図全部で、光子７００は、短波長固体発光デバイス１０２によって発生された短波長光子を表している。
【００１７】
図７Aの例示された実施形態では、光子７００は蛍光体物質１０６に入射し、その一部は蛍光体物質１０６によって吸収されて中波長光子として再放出される。光子７０２は、蛍光体物質を透過した吸収されない短波長光子（B）と放出された中波長光子（G）を含む。光子７０２はQD物質１０４に入射する。残った短波長光子の一部と中波長光子の一部はQD物質１０４によって吸収されて長波長光子として再放出される。残った短波長光子と残った中波長光子（G）は蛍光体物質１０６を透過し、放出された長波長光子（R）と合体して広帯域幅の光７０４を生ずる。
【００１８】
図７Bの例示された実施形態では、光子７００はQD物質１０４に入射し、その一部はQD物質１０４によって吸収されて長波長光子として再放出される。残りの短波長光子はQD物質１０４を透過する。光子７０６は、QD物質を透過した吸収されない短波長光子（B）と放出された長波長光子（R）を含む。光子７０６は蛍光体物質１０６に入射する。残った短波長光子の一部は蛍光体物質１０６によって吸収されて中波長光子として再放出される。残った短波長光子（B）と長波長光子（R）は蛍光体物質１０６を透過し、放出された長波長光子（R）と合体して広帯域幅の光７０４を生ずる。
【００１９】
図７Cの例示された実施形態では、光子７００は合体したQD／蛍光体物質４０２に入射し、その一部は合体したQD／蛍光体物質４０２によって吸収されて中波長光子及び長波長光子として再放出される。残りの短波長光子は合体したQD／蛍光体物質４０２を透過し、放出された中波長光子（G）及び長波長光子（R）と合体して広帯域幅の光７０４を生ずる。
【００２０】
このように、図示した三つの実施形態のすべてで、短波長固体発光デバイス１０２からの短波長光の一部がQD物質１０４中のQD、及び蛍光体物質１０６中の蛍光体によって（又は合体したQD／蛍光体物質４０２において）吸収され、それらは短波長光を吸収して、それをそれぞれ赤色光及びグリーン−イエロー光として再放出（すなわち、ダウンコンバート）する。したがって、例示された広帯域幅光源１００はほぼ連続スペクトルの可視光を発生する。その結果、例示された広帯域幅光源１００の色度値と発光効率が改善される。
【００２１】
この広帯域幅光源デザインのその他の利点としては：出力光の演色評価数（CRI）が増加すること；出力光の相関色温度（CCT）の低下；及びデバイスの効率の増加、などがあげられる。
【００２２】
図２は、スペクトル・グラフ２００を示し、三つのスペクトルを含んでいる。スペクトル２０２は、例示された短波長固体発光デバイス１０２によって発生される短波長光のスペクトルを表す。スペクトル２０４は、例示された蛍光体物質１０６によって放出される中波長光のスペクトルを表す。スペクトル２０６は、例示されたQD物質１０４によって放出される長波長光のスペクトルを表す。短波長固体発光デバイス１０２、QD物質１０４、及び蛍光体物質１０６を適切に構成することによって、これらのスペクトルのそれぞれからの光の相対量をコントロールして、色度、CRI、及びCCTなど所望の光学的性質を有する可視光を生成できる。図３Aのスペクトル・グラフ３００はこのようにして生成される合体したスペクトル３０２の例を示している。
【００２３】
例示的な広帯域幅光源１００によって放出される可視光へのスペクトル２０２，スペクトル２０４，及びスペクトル２０６の相対的な寄与の割合を変えることによって、放出される光の色度値を変えることができる。放出される光の色度値は、また、図２に示されたものと異なるスペクトルを有する短波長固体発光デバイス、QD物質、及び／又は蛍光体物質を選ぶことによっても変えられる。上述のように、黒体軌跡に近い色度が人間にとって最も自然であり、したがって照明の設計として好ましいということが見出されている。図３Bは、CIE-1931ダイアグラム３０４を示しており、そこにはスペクトル軌跡３０６，黒体軌跡３０８，及び図３Aに示された例示的な組み合わせスペクトル３０２の色度値３１０がプロットされている。図３Bに見られるように、図３Aに示された例示的な組み合わせスペクトル３０２の色度値３１０は黒体軌跡３０８に非常に近い。短波長固体発光デバイス１０２，QD物質１０４，及び蛍光体物質１０６の適切な選択と構成によって広帯域幅光源１００から放出される可視光の色度値を、CIE-1931ダイアグラム上で、黒体軌跡のｘ色度値の約0.01及びｙ色度値の約0.01で限られる区域内に望ましく設定できる。
【００２４】
CRIは、蛍光灯、金属ハロゲン化物、及びその他の非白熱照明設備のメーカーによって、彩色表面での照明の視覚効果を記述するために用いられる0から100までのスケールでの性能指数である。自然の昼日光及び黒体光源（色温度を見よ）を近似する照明光源には100というCRIが割り当てられる。昼日光照明という状況では、CRIはガラスやその他の透明物質の分光透過性質を規定する。この場合、95以上という値がトルーカラーのレンダリングを可能にするために受容できると考えられる。典型的な冷白色の蛍光灯はCRIが約62である。希土類と蛍光体を有する蛍光灯はCRIが80以上に達している。青色LEDとYAG蛍光体に基づく典型的な白色LEDのCRIは70〜78である。短波長固体発光デバイス１０２，QD物質１０４，及び蛍光体物質１０６の適切な選択と構成によって広帯域幅光源１００から放出される可視光のCRIを約85より大きく、さらには90よりも大きく望ましい値に設定することができる。
【００２５】
短波長固体発光デバイス１０２は、望ましくは約500 nmより短い、例えば約200 nm〜約500 nmにピーク波長を有する短波長の光を発生する。
【００２６】
固体発光デバイスは、発光ダイオード（LED）、共振器型LED、又はダイオード・レーザーなどである。これらのデバイスを作る材料の例としては：InGaN; GaN; SiC; Sic上のGaN;その他の半導体材料があげられる。
【００２７】
QD物質１０４は、短波長固体発光デバイス１０２と光学的に結合されて、短波長光の一部で照射されるようになる。図１では、QD物質１０４が短波長固体発光デバイス１０２を囲む形が示されている。しかし、QD物質１０４が短波長光によって十分に照射されている限りこれは必要ではないということは当業者には理解されるであろう。QD物質１０４と短波長固体発光デバイス１０２の間にスペースを設けることは、QD物質１０４から放出される短波長光と短波長固体発光デバイス１０２との光学的結合を減らすために望ましいであろう。もっと長い波長の光のこのような‘バック・カプリング’は短波長固体発光デバイス１０２の望ましくない加熱に導く恐れがある。
【００２８】
QD物質１０４は入射する短波長光のある分画を吸収して、ピーク波長が約600 nmより長い、例えば約600 nm〜約700 nmにある長波長光として吸収した光を再放出するようになっている。QD物質１０４によって放出される長波長光のスペクトルの半値全幅（FWHW）は約50 nm未満であるが、用途によってはもっと広いスペクトルの長波長光が望ましい。広いスペクトルの長波長光は、赤外光の成分を可視光に加えなければならない場合に特に望ましい。可視光への赤外光の小さな添加は、一部の人たちに心理的及び身体的に有益な効果があることが見出されている。
【００２９】
QD物質は、マトリクス物質中に分散した多数のQD’sを含む。このマトリクス物質は、広帯域幅光源１００によって生成される可視光に対して実質的に透明であることが望ましい。例えば、マトリクス物質としては次のようなものがあげられる：UV硬化性透明樹脂；熱硬化性ゾル−ゲル樹脂；UV硬化性ゾル−ゲル樹脂；ポリカーボネート；ポリスチレン；ポリメチルメタクリレート（PMMA）；ポリエチレン；いろいろなエポキシ；シリコーン；シリカ；又はチタニア。
【００３０】
QD’sは、普通、直径が約1.9 nm〜約10.0 nmの範囲にあるが、この範囲に限定されず、どんな標準的なQD物質、例えばCdSe, ZnS, PbSe, CdTe, PbTe, ZnSe, Si,又はGeなどから形成することができる。
【００３１】
蛍光体物質１０６は、入射する短波長光のある分画を吸収して、ピーク波長が短波長光のピーク波長と長波長光のピーク波長の間にある、多くの場合望ましくは約500 nm〜約600 nmにある、中波長光として吸収した光を再放出するようになっている。蛍光体物質１０６によって放出される中波長光のスペクトルの半値全幅（FWHW）は、用いる特定蛍光体物質によるが、約150 nm未満である。
【００３２】
蛍光体物質１０６は、マトリクス物質中に分散した多数の蛍光体粒子を含む。QD物質１０４のマトリクス物質と同様、このマトリクス物質も、広帯域幅光源１００によって生成される可視光に対して実質的に透明であることが望ましく、例としては、例えば次のようなものがあげられる：UV硬化性透明樹脂；熱硬化性ゾル−ゲル樹脂；UV硬化性ゾル−ゲル樹脂；ポリカーボネート；ポリスチレン；ポリメチルメタクリレート（PMMA）；ポリエチレン；いろいろなエポキシ；シリコーン；シリカ；又はチタニア。あるいはまた、蛍光体物質１０６はバルクの蛍光体物質であって、図１に示されているようなフラットな基材に形成されたものであってもよい。
【００３３】
蛍光体粒子又はバルクの蛍光体物質は、少なくとも一つの次のような標準的なイエロー又はグリーンの蛍光体物質を含む、例えば；ZnS:Cu-Al; ZnSiO4:Mn2+; Sr3SiO5:Eu2+; BaMgAl10O17:Eu2+Mn2+; SrAlO4:Eu,Dy; (YGdCe)3Al5O12:Eu; Sr4Al14O25:Eu; (Ce, Tb)MgAl11O19; 又は(La, Ce, Tb)PbO4, YAG:Ce、その他の蛍光体物質である。
【００３４】
図１に示された例示的な広帯域幅光源１００は、蛍光体物質１０６が照射される短波長光が最初にQD物質１０４を透過した後に蛍光体物質に入射するように構成される。QD物質１０４と蛍光体物質１０６の位置を逆にすることもできると考えられるが、図１に示された構成が有利になる。上述したように、短波長固体発光デバイス１０２への光の‘バック・カプリング’は望ましくない加熱に導く恐れがある。QD物質１０４が、短波長光のある分画だけでなく、入射する中波長光のある分画も吸収して再放出するようになっている場合、図１に示された構成は、短波長固体発光デバイス１０２にバック・カプリングされる中波長光の望ましい形で減らすことができるであろう。
【００３５】
図４と５は、別の例示的な広帯域幅光源４００と５００をそれぞれ示している。これらの広帯域幅光源の各々は組み合わせQD／蛍光体物質を含む。この組み合わせQD／蛍光体物質は、例示的な広帯域幅光源の可視光を実質的に透過するマトリクス物質中に分散した複数のQD’sと複数の蛍光体粒子を含む。QD’sと蛍光体粒子はマトリクス物質の特定の領域に熱別に分散することも、マトリクス物質内に混合して分散することもある。
【００３６】
図４は、組み合わせQD／蛍光体物質４０２が短波長固体発光デバイス１０２のまわりに形成されている例示的な広帯域幅光源４００を示している。図５は、組み合わせQD／蛍光体物質５０２が光学エレメント５０４の表面に形成されている例示的な広帯域幅光源５００を示している。光学エレメント５０４は、組み合わせQD／蛍光体物質５０２から短波長固体発光デバイス１０２への中及び長波長光のバック・カプリングを減らすことができる光ガイドであることが望ましい。
【００３７】
図１の実施形態による例示的な広帯域幅光源は、GaNをベースとする裸の青色LEDデバイスを短波長固体発光デバイス１０２として用いて形成された。この青色LEDがピーク放出波長が630 nmである赤色QD’sの層（QD物質１０４）に埋められ、YAGイエロー／グリーン蛍光体層（蛍光体物質１０６）がLEDとQD物質の前に置かれた。この例示的なデバイスの測定は、パッケージの発光効率が21 lm/Wであることを示した。これは、蛍光体だけのダウンコンバージョン物質を用いた市販されている白色LEDデバイスの発光効率（23 lm/W）に近い。しかし、図３Aと３Ｂに示された例示的なデータを与えた例示的な広帯域幅光源は、CRIが90であり、色度値は黒体軌跡に近い。このように、本発明者たちは、本発明の例示的な実施形態に係わる例示的な広帯域幅光源が発光効率の減少を最小限にして優れたカラー品質を達成できることを実証した。
【００３８】
図６は、短波長固体発光デバイス、QD物質、及び蛍光体物質を用いて可視光を生成する例示的な方法を示している。この例示的な方法で生成される可視光は、色度値が黒体軌跡に近く、CRIが約80よりも大きい。この方法は、上で図１，４，又は５を参照して説明した例示的な広帯域幅光源のいずれかを使用することが望ましい。
【００３９】
短波長光が短波長固体発光デバイスを用いて発生される、ステップ６００。この短波長光はピーク波長が望ましくは約500 nmよりも短い第一のスペクトルを有する。
【００４０】
QD物質は短波長光の少なくとも一部によって照射され、短波長光のある分画がQD物質によって吸収され長波長光として再放出される、ステップ６０２。長波長光はピーク波長が望ましくは約600 nmよりも長い第二のスペクトルを有する。
【００４１】
蛍光体物質も、短波長光の少なくとも一部によって照射され、短波長光のある分画が蛍光体物質によって吸収され中波長光として再放出される、ステップ６０４。中波長光はピーク波長が短波長光のピーク波長と長波長光のピーク波長の間にある第三のスペクトルを有する。
【００４２】
短波長光の残り、中波長光の少なくとも一部、及び長波長光の少なくとも一部が、例示的な広帯域幅光源から可視光として放出される、ステップ６０６。
【００４３】
あるいはまた、QD物質が短波長光の他に中有波長光の少なくとも一部によって照射される。中波長光のある分画がQD物質によって吸収され追加の長波長光として再放出される、ステップ６０８。
【００４４】
本発明を特定の実施形態について図示して説明したが、本発明はここで示された細部に限定されないことは言うまでもない。クレームの等価物の範囲内で本発明から逸脱することなくいろいろな変更が可能である。特に、具体的に説明されたいろいろな実施形態の多くの特徴を組み合わせて別の例示的な広帯域幅光源及び方法を本発明の実施形態として構成できることは当業者には理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
本発明は、添付図面と合わせて以下の詳細な説明を読むときに最も良く理解される。通常のやり方に従って、図のいろいろな特徴は正確なスケールで示されていないということが強調される。むしろ、分かりやすくするために、いろいろな特徴の寸法は任意に伸ばしたり縮めたりしている。図面には以下の図が含まれる：
【図１】本発明のある実施形態に係る広帯域光源の一例を示す切り欠き側面図である。
【図２】青色発光ダイオード、イエロー／グリーン・蛍光体物質、及び赤色量子ドット（QD）物質の例示的なスペクトルを示すグラフである。
【図３Ａ】本発明のある実施形態に係る広帯域光源の一例のスペクトルを示すグラフである。
【図３Ｂ】本発明のある実施形態に係る広帯域光源の一例の色特性を示すCIE-1931ダイアグラムである。
【図４】本発明の実施形態に係る広帯域光源の別の例を示す切り欠き側面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る広帯域光源のさらに別の例を示す切り欠き側面図である。
【図６】本発明のある実施形態に係わる、色度値が黒体軌跡に近く、演色評価数が約80より大きな可視光を生成する方法の例を示す流れ図である。
【図７Ａ−７Ｂ】本発明のある実施形態に係わる、短波長固体発光デバイス、QD物質、及び蛍光体物質を用いて可視光を生成する方法の例を示す概略ブロック図である。
【図７Ｃ】本発明のある実施形態に係わる、短波長固体発光デバイスと、QD／蛍光体組み合わせ物質を用いて可視光を生成する方法の例を示す概略ブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【国際調査報告】
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