(57)【要約】【課題】少ない材料で、発光色の制御が容易である色可変発光素子とそれを用いたディスプレイを提供する。【解決手段】紫外光発光層１１とその紫外光発光層１１から発する紫外光が照射されることにより発光する蛍光体層１２と蛍光体層１２の発光色を変化させる電圧を印加する蛍光体層１２の両端に設けられた電極１３からなり、蛍光体層１２を紫外光発光層１１から発する紫外光を照射することにより発光させながら、電極１３に電圧を印加することにより発光色を変化させる。【選択図】  図１
2004326056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外光発光層とその紫外光発光層から発する紫外光が照射されることにより発光する蛍光体層と前記蛍光体層の発光色を変化させる電圧を印加する前記蛍光体層の両端に設けられた電極からなり、
前記蛍光体層を前記紫外光発光層から発する紫外光を照射することにより発光させながら、前記電極に電圧を印加することにより発光色を変化させることを特徴とする色可変発光素子。
【請求項２】
前記蛍光体層に用いる蛍光体は、２種類のそれぞれ異なるエネルギー準位を有するアクセプタ準位と、１種類のドナー準位を有し、発光がドナー−アクセプター対再結合により起こることを特徴とする請求項１記載の色可変発光素子。
【請求項３】
前記蛍光体層に用いる蛍光体は、２種類のそれぞれ異なるエネルギー準位を有するドナー準位と、１種類のアクセプタ準位を有し、発光がドナー−アクセプター対再結合により起こることを特徴とする請求項１記載の色可変発光素子。
【請求項４】
前記蛍光体がタンタル酸カリウム（ＫＴａＯ３）であることを特徴とする請求項１または２記載の色可変発光素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項の前記色可変発光素子を単位画素として面内に前記単位画素を複数配列し、前記単位画素毎の前記紫外光発光層の発光強度を制御する輝度制御部と、前記単位画素毎の蛍光体層に印加する電圧を制御することにより発光色を変化させることを制御する色調制御部を有することを特徴とする色可変発光素子を用いたディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、色可変発光素子とそれを用いたディスプレイに関し、特に、電圧を印加することにより発光色が変化する色可変発光素子とそれを用いたディスプレイに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＧａＮ系などを用いた紫外光発光ダイオードやＧａＡｓＰ系などを用いた可視光発光ダイオードが開発されている。また、ＲＧＢ３色の発光素子を重ね合わせることにより発光色を可変にする発光素子が開示されている（例えば、特許文献１）。さらに、可視光ダイオードを用いたディスプレイが実際に開発されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−４３６２７号公報
【０００４】
従来例に係る色可変発光素子は、特許文献１によると、青色発光素子と緑色発光素子と赤色発光素子を重ね合わせて、それぞれの発光素子に印加する電圧を種々の色に対応させ印加することにより発光色を変化させるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、青色発光素子、緑色発光素子、赤色発光素子の３種類の異なる材料を用いてそれぞれの発光素子を作製する必要があり、製造プロセスが容易ではないという問題点がある。また、発光色を変化させるためには、３種類の発光素子それぞれに印加する電圧をそれぞれ制御する必要があり、制御が容易ではないという問題点がある。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題を解決するため、少ない材料で、発光色の制御が容易である色可変発光素子とそれを用いたディスプレイを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係る色可変発光素子とそれを用いたディスプレイは、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【０００８】
第１の色可変発光素子（請求項１に対応）は、紫外光発光層とその紫外光発光層から発する紫外光が照射されることにより発光する蛍光体層と蛍光体層の発光色を変化させる電圧を印加する蛍光体層の両端に設けられた電極からなり、蛍光体層を紫外光発光層から発する紫外光を照射することにより発光させながら、電極に電圧を印加することにより発光色を変化させることで特徴づけられる。
【０００９】
第１の色可変発光素子によれば、紫外光発光層とその紫外光発光層から発する紫外光が照射されることにより発光する蛍光体層と蛍光体層の発光色を変化させる電圧を印加する蛍光体層の両端に設けられた電極からなり、蛍光体層を紫外光発光層から発する紫外光を照射することにより発光させながら、電極に電圧を印加することにより発光色を変化させるため、用いる材料として、紫外光発光層用の材料と、１層の蛍光体層用の材料の２つの発光用の材料ですみ、従来の色可変発光素子より少ない材料で作製することができる。また、発光色の制御が蛍光体層に印加する電圧の制御だけですむため、従来のものに比べて発光色の制御が容易である。
【００１０】
第２の色可変発光素子（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは蛍光体層に用いる蛍光体は、２種類のそれぞれ異なるエネルギー準位を有するアクセプタ準位と、１種類のドナー準位を有し、発光がドナー−アクセプター対再結合により起こることで特徴づけられる。
【００１１】
第２の色可変発光素子によれば、蛍光体層に用いる蛍光体は、２種類のそれぞれ異なるエネルギー準位を有するアクセプタ準位と、１種類のドナー準位を有し、発光がドナー−アクセプター対再結合により起こるため、１対のドナー−アクセプタ対再結合で、１つの発光帯を形成し、他の１対のドナー−アクセプタ対再結合で、他の発光帯を形成するため、その蛍光体から発光する発光色は、それらの２つの発光帯の混合された発光色となる。この蛍光体に電圧を印加することにより、蛍光体に電流が流れ、そのジュール熱により蛍光体の温度が変化し、２種類のアクセプタ準位に捕獲された正孔の濃度が変化し、ドナー−アクセプタ対再結合も２種類の再結合間で遷移し、結果として、電圧の印加を変化させることにより、２つの発光帯の強度がそれぞれ変化し、それら発光帯の混合による発光色も変化させることができる。
【００１２】
第３の色可変発光素子（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは蛍光体層に用いる蛍光体は、２種類のそれぞれ異なるエネルギー準位を有するドナー準位と、１種類のアクセプタ準位を有し、発光がドナー−アクセプタ対結再合により起こることで特徴づけられる。
【００１３】
第３の色可変発光素子によれば、蛍光体層に用いる蛍光体は、２種類のそれぞれ異なるエネルギー準位を有するドナー準位と、１種類のアクセプタ準位を有し、発光がドナー−アクセプタ対再結合により起こるため、１対のドナー−アクセプタ対再結合で、１つの発光帯を形成し、他の１対のドナー−アクセプタ対再結合で、他の発光帯を形成するため、その蛍光体から発光する発光色は、それらの２つの発光帯の混合された発光色となる。この蛍光体に電圧を印加することにより、蛍光体に電流が流れ、そのジュール熱により蛍光体の温度が変化し、２種類のドナー準位に捕獲された電子の濃度が変化し、ドナー−アクセプタ対再結合も２種類の再結合間で遷移し、結果として、電圧の印加を変化させることにより、２つの発光帯の強度がそれぞれ変化し、それら発光帯の混合による発光色も変化させることができる。
【００１４】
第４の色可変発光素子（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは蛍光体がタンタル酸カリウム（ＫＴａＯ３）であることで特徴づけられる。
【００１５】
第４の色可変発光素子によれば、蛍光体がタンタル酸カリウムであるため、このタンタル酸カリウムのバンドギャップが約３．５ｅＶであるので、紫外光により価電子帯から伝導帯に電子が励起され、１種類のドナーに電子が捕獲され、２種類のアクセプタに正孔が捕獲されることにより、ドナー−アクセプタ対再結合による発光が効率良く起こる。また、このタンタル酸カリウムは、紫外光により光伝導が起こる性質を持っているので、電流が流れ、ジュール熱の発生により温度も容易に変化させることができ、それにより、発光色も容易に制御することができる。
【００１６】
第１の色可変発光素子を用いたディスプレイ（請求項５に対応）は、上記色可変発光素子を単位画素として面内に単位画素を複数配列し、単位画素毎の紫外光発光層の発光強度を制御する輝度制御部と、単位画素毎の蛍光体層に印加する電圧を制御することにより発光色を変化させることを制御する色調制御部を有することで特徴づけられる。
【００１７】
第１の色可変発光素子を用いたディスプレイによれば、色可変発光素子を単位画素として面内に単位画素を複数配列し、単位画素毎の紫外光発光層の発光強度を制御する輝度制御部と、単位画素毎の蛍光体層に印加する電圧を制御することにより発光色を変化させることを制御する色調制御部を有するため、少ない種類の材料で作製することができ、また、それぞれの単位画素の輝度と発光色の制御を容易に行うことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、本実施形態に係る色可変発光素子の断面図である。色可変発光素子１０は、紫外光発光層１１と蛍光体層１２と電極部１３から形成される。紫外光発光層１１は、基板１４上に形成され、例えば、ＧａＮ系の、蛍光体層１２のバンドギャップよりもエネルギーの高い光を発する発光ダイオードで形成されている。そして、この紫外光発光層の発光強度は、発光ダイオードの電極１５と透明電極１６に印加する電圧により変化させることができる。
【００２０】
蛍光体層１２は、紫外光発光層１１が発する光のエネルギーよりも小さいエネルギーのバンドギャップを持つ蛍光体からなり、例えば、バンドギャップ３．５ｅＶのタンタル酸カリウムで形成される。なお、この物質を用いたときは液体ヘリウムや液体窒素などの温度まで冷却するとより発光強度が増加する。そして、この蛍光体には、１種類のドナー準位と２種類のアクセプタ準位を有している。例えば、文献（山市英治他著、ジャーナル・オブ・フィジカル・ソサエティ・オブ・ジャパン、第５７巻、第６号、１９８８年、２２０１−２２０６頁）で記載されるように、タンタル酸カリウムは、１種類のドナーと２種類のアクセプタを有していると言われている。また、他の蛍光体を用いるときは、その蛍光体層を蒸着などで形成するときに１種類のＮ型の不純物と２種類のＰ型の不純物を添加することにより、１種類のドナー準位と２種類のアクセプタ準位を形成するように作製すれば良い。
【００２１】
そして、蛍光体１２は、２種類のそれぞれ異なるエネルギー準位を有するアクセプタ準位と、１種類のドナー準位を有し、紫外光発光層から発する光により可視光領域で発光し、発光がドナー−アクセプタ対再結合により起こるため、１対のドナー−アクセプタ対再結合で、１つの発光帯を形成し、他の１対のドナー−アクセプタ対再結合で、他の発光帯を形成するため、その蛍光体から発光する発光色は、それらの２つの発光帯の混合された発光色となる。この蛍光体に電圧を印加することにより、蛍光体に電流が流れ、そのジュール熱により蛍光体の温度が変化し、２種類のアクセプタ準位に捕獲された正孔の濃度が変化し、ドナー−アクセプタ対再結合も２種類の再結合間で遷移し、結果として、電圧の印加を変化させることにより、２つの発光帯の強度がそれぞれ変化し、それら発光帯の混合による発光色も変化させることができる。
【００２２】
また、蛍光体がタンタル酸カリウムのとき、このタンタル酸カリウムのバンドギャップが約３．５ｅＶであるので、紫外光により価電子帯から伝導帯に電子が励起され、１種類のドナーに電子が捕獲され、２種類のアクセプタに正孔が捕獲されることにより、ドナー−アクセプタ対再結合による発光が効率良く起こる。また、このタンタル酸カリウムは、紫外光により光伝導が起こる性質を持っているので、電流が流れ、ジュール熱の発生により温度も容易に変化させることができ、それにより、発光色も容易に制御することができる。
【００２３】
電極部１３は、蛍光体層１２に電圧を印加することにより、蛍光体層１２に電流を流し、ジュール熱で蛍光体の温度を変え、それにより発光色も変えるためのものである。
【００２４】
次に、本実施形態に係る色可変発光素子１０の動作を図２のバンド図を用いて説明する。紫外光発光層１１に電圧を印加する。また、蛍光体層１２には電圧を印加しない状態にしておく。それにより、紫外光発光層１１は紫外光を発する。その紫外光を照射された蛍光体層１２は、２種類のそれぞれ異なるエネルギー準位を有するアクセプタ準位と、１種類のドナー準位を有しているので、紫外光発光層１１から発する光により可視光領域で発光し、発光がドナー−アクセプター対結合により起こるため、１対のドナー−アクセプタ対再結合で、１つの発光帯を形成し、他の１対のドナー−アクセプタ対再結合で、他の発光帯を形成するため、その蛍光体から発光する発光色は、それらの２つの発光帯の混合された発光色となる。
【００２５】
このときの蛍光体の発する光の発光スペクトルは、例えば、図３の曲線Ｃ１０で表される。図３では、横軸はフォトンエネルギーを示し、縦軸は、発光強度を示す。
【００２６】
次に、蛍光体層１２に適当な電圧を印加する。それにより、蛍光体層１２に電流が流れ、そのジュール熱により蛍光体層１２の温度が変化し、２種類のアクセプタ準位に捕獲された正孔の濃度が変化し、ドナー−アクセプタ対再結合も２種類の再結合間で遷移する。そのときの蛍光体の発光スペクトルは曲線Ｃ１１で示す。この発光スペクトルは、電圧を印加しないときとは異なるエネルギーに発光ピークを有している。すなわち、発光色が変化していることを示す。結果として、電圧の印加量を変化させることにより、２つの発光帯の強度がそれぞれ変化し、それら発光帯の混合による発光色も変化させることができる。
【００２７】
また、蛍光体がタンタル酸カリウムのとき、このタンタル酸カリウムのバンドギャップが約３．５ｅＶであるので、紫外光により価電子帯から伝導帯に電子が励起され、２種類のアクセプタに正孔が捕獲され、１種類のドナーに電子が捕獲されることにより、ドナー−アクセプタ対再結合による発光が効率良く起こる。また、このタンタル酸カリウムは、紫外光により光伝導が起こる性質を持っているので、電流が流れ、ジュール熱の発生により温度も容易に変化させることができ（例えば、山市英治他著、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、第２７巻、第４号、１９８８年、５８３−５８６頁参照）、それにより、発光色も容易に制御することができる。
【００２８】
次に、本発明に係る色可変発光素子を用いたディスプレイを図４に示す。ディスプレイ２０は、色可変発光素子２１を単位画素２２として面２３内に単位画素２２を複数配列し、単位画素２２毎の紫外光発光層２４の発光強度を制御する輝度制御部２５と、単位画素２２毎の蛍光体層２６に印加する電圧を制御することにより発光色を変化させることを制御する色調制御部２７を有している。
【００２９】
このディスプレイ２０では、輝度制御部２５により、各単位画素２２の紫外光発光層２４の発する発光強度を制御する。それにより、種々の強度で各単位画素２２の蛍光体層２６に光を照射する。そして、紫外光が照射された各蛍光体層２６は、種々の輝度で発光する。また、色調制御部２７により、各単位画素２２の蛍光体層２６に種々の電圧を印加することにより、各蛍光体層２６を種々の温度にし、図２で示したメカニズムにより発光色を各単位画素毎に変化させる。このような制御により、面内にカラーで像を形成することができる。このように、このディスプレイは、少ない種類の材料で作製することができ、また、それぞれの単位画素の輝度と発光色の制御を容易に行うことができる。
【００３０】
なお、本実施形態においては、蛍光体としてタンタル酸カリウムを用いて説明したが、蛍光体としてタンタル酸カリウムに限らず、他の蛍光する物質、例えば、チタン酸ストロンチウムやチタン酸バリウム、あるいは硫化亜鉛などの物質を用いることができる。また、本実施形態においては、蛍光体内に２種類のアクセプタ準位と１種類のドナー準位を有する例で説明したが、蛍光体内に数種の不純物を添加して２種類のドナー準位と１種類のアクセプタ準位を形成したものを用いても良い。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、次の効果を奏する。
【００３２】
紫外光発光層とその紫外光発光層から発する紫外光が照射されることにより発光する蛍光体層と蛍光体層の発光色を変化させる電圧を印加する蛍光体層の両端に設けられた電極からなり、蛍光体層を紫外光発光層から発する紫外光を照射することにより発光させながら、電極に電圧を印加することにより発光色を変化させるため、用いる材料として、紫外光発光層用の材料と、１層の蛍光体層用の材料の２つの発光用の材料ですみ、従来の色可変発光素子より少ない材料で作製することができる。また、発光色の制御が蛍光体層に印加する電圧の制御だけですむため、従来のものに比べて発光色の制御が容易である。
【００３３】
また、色可変発光素子を用いたディスプレイによれば、色可変発光素子を単位画素として面内に単位画素を複数配列し、単位画素毎の紫外光発光層の発光強度を制御する輝度制御部と、単位画素毎の蛍光体層に印加する電圧を制御することにより発光色を変化させることを制御する色調制御部を有するため、少ない種類の材料で作製することができ、また、それぞれの単位画素の輝度と発光色の制御を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る色可変発光素子の断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る色可変発光素子の動作を説明するバンド図である。
【図３】電圧を印加したときと電圧を印加しないときの蛍光体の発する光の発光スペクトルである。
【図４】本発明の実施形態に係る色可変発光素子を用いたディスプレイの斜視図である。
【符号の説明】
１０          色可変発光素子
１１          紫外光発光層
１２          蛍光体層
１３          電極部
１４          基板
１５          電極
１６          透明電極
２０          ディスプレイ
２１          色可変発光素子
２２          単位画素
２３          面
２４          紫外光発光層
２５          輝度制御部
２６          蛍光体層
２７          色調制御部
【図１】
2004326056.tif 000003
【図２】
2004326056.tif 000004
【図３】
2004326056.tif 000005
【図４】
2004326056.tif 000006