JP2005244075A

JP2005244075A - 発光装置

Info

Publication number: JP2005244075A
Application number: JP2004054375A
Authority: JP
Inventors: Hideyoshi Kimura; 秀吉木村; Takuma Hashimoto; 拓磨橋本; Masaki Kobayashi; 正喜小林; Kenichi Yamada; 健一山田; Masaru Sugimoto; 勝杉本
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】ＬＥＤと複数種類の蛍光体を用いた発光装置において、出力光の演色性を向上又は安定させる。
【解決手段】ＬＥＤチップ１１と、ＬＥＤチップ１１に対向するように設けられた蛍光体シート１３を備え、蛍光体シート１３は、蛍光体シート１３中で層をなすように分布された黄色蛍光体１４及び赤色蛍光体１５を含む。赤色蛍光体１５の励起波長域は黄色蛍光体１４から放出される光の発光波長域と重複しており、黄色蛍光体１４から放出された光の一部が赤色蛍光体１５によって吸収されるのを防止するために、赤色蛍光体１５の層をＬＥＤチップ１１に近い側に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明やディプレイに用いられる発光装置に関し、特に発光ダイオード（以下、ＬＥＤと略称する）から直接出力される光と、このＬＥＤから出力された光の一部によって励起された蛍光体から放出される光とが混合された光を出力する発光装置に関する。

従来から、ＬＥＤと蛍光体とを組み合わせて、ＬＥＤから直接出力される光とは異なる波長の光を出力する発光装置が提案されている。さらに、特許文献１に示されているように、複数種類の蛍光体とＬＥＤの組み合わせによって、白色に近い光を出力する発光装置も開発されている。

このような発光装置では、例えばＬＥＤから出力される光が近紫外域の波長を有する場合、近紫外域の波長を吸収してそれぞれ赤色、緑色、青色の波長の光を放出する３種類の蛍光体を選択することにより、蛍光体から放出された赤色、緑色及び青色の光を含む白色に近い出力光を得ることができる。この発光装置は、演色性が高いという特長を有している。

また、例えばＬＥＤから出力される光が青色域の波長を有する場合、青色光を吸収してそれぞれ黄色と赤色の光を放出する２種類の蛍光体を選択することにより、蛍光体シートを通過して直接出力される青色光と、黄色蛍光体から放出された黄色光との混色によって白色に近い出力光を得ることができる。さらに、蛍光シートは赤色蛍光体も含んでおり、赤色蛍光体によって変換された赤色光が混色されることによって、より白色に近くなり、演色性が向上される。

青色域の波長の光を放射するＬＥＤと、黄色蛍光体及び赤色蛍光体を用いた従来のＬＥＤ発光装置２０の構成例を図５に示す。ＬＥＤ発光装置２０は、ＬＥＤチップ２１と、ＬＥＤチップ２１を保持するパッケージ２２と、ＬＥＤチップ２１と対向するようにパッケージ２２の保持された蛍光体シート２３などで構成されている。蛍光体シート２３は、ＬＥＤチップ２１から出力される光により励起され、それぞれ黄色及び赤色の光を放出する黄色蛍光体２４及び赤色蛍光体２５を含んでいる。黄色蛍光体２４及び赤色蛍光体２５は、蛍光体シート２３の内部で均一に分散されている。

ＬＥＤチップ２１は、例えば図６（ａ）に示すように、波長４６０ｎｍをピークとする青色光を出力する。黄色蛍光体２４としては、演色性を高めるために、波長５６０ｎｍ付近をピークとする広い範囲で光を放出するＹＡＧ系蛍光体などを用いる。ＹＡＧ系蛍光体は、例えば図６（ｂ）において破線で示すように、波長４６０ｎｍ付近の光により励起され、実線で示すような広範囲な波長域の光を放出する。さらに、演色性を高めるために赤色蛍光体２５を含めているが、赤色蛍光体２５は、例えば図６（ｃ）において破線で示すように、波長４６０ｎｍ付近の他に、より長波長側の励起波長を有する場合がある。

赤色蛍光体２５の長波長側の励起波長域が黄色蛍光体２４の発光波長域と重複している場合、黄色蛍光体２４から放出された光のうち赤色蛍光体２５の励起波長域の光を赤色蛍光体２５が吸収してしまうという問題が生じる。具体的には、図６（ｄ）に示すように、黄色蛍光体２４による発光の一部の波長域の光量が減少され、その波長域の演色性が低下する。また、吸収されるのは青色よりも長波長で、かつ、赤色よりも短波長の視感度が高い領域であるので、視感度の高い領域の光が視感度の低い赤色光に変換されて放出されることになる。その結果、全体として視感度が高い領域の光量が減少し、発光装置２０の発光効率が低下する。特に、従来の発光装置２０では、蛍光体シート２３内において、黄色蛍光体２４と赤色蛍光体２５がほぼ均一に分散されているため、赤色蛍光体２５により、黄色蛍光体２４による放出された光が吸収される確率が高い。

一方、青色光を出力するＬＥＤチップ２１は、製造時のばらつきや温度変化などにより、その出力光の波長域が変動しやすいという性質を有している。そのため、励起波長域の狭い赤色蛍光体２５から放出される赤色の光量が変化し、発光装置２０から出力される光の色度や演色性が変化するという問題が生じる。例えば図７（ａ）に示すように、実線で示すＬＥＤチップ２１からの出力光の波長域と破線で示す赤色蛍光体２５の励起波長域がほぼ完全に重複しているとき、図中実線で示すように、所定の発光強度の赤色光が放出されるとする。図７（ｂ）に示すように、ＬＥＤチップ２１からの出力光のピーク波長が変動すると、ＬＥＤチップ２１からの出力光の波長域と赤色蛍光体２５の励起波長域の重複部分が少なくなり、赤色蛍光体２５から放出される赤色光の発光強度が低下する。その結果、発光装置からの出力光の色度や演色性が変化し、不安定になる。
特開２００４−０３１９８９号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、発光素子及びそれぞれ励起波長域及び励起された際に放出する光の波長域が異なる少なくとも２種類の蛍光体を含む蛍光体シートを用いた発光装置において、出力光の色度や演色性を向上又は安定させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求光１の発明は、発光素子と、前記発光素子からの出力光によって励起され、それぞれ前記出力光の波長とは異なる波長の光を放出する少なくとも２種類の蛍光体を含む蛍光体シートを用いた発光装置であって、前記蛍光体のうち２つの蛍光体は、一方の蛍光体の励起波長域が他方の蛍光体の発光波長域と一部分で重複し、前記蛍光体は、前記蛍光体シート中において、前記発光素子に対向する面に略垂直な方向において層をなすように分布されていることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発光装置において、前記蛍光体は、それぞれ比重が異なり、前記蛍光体シートを製造する過程で、層をなすように分離されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発光装置において、前記２つの蛍光体のうち、励起波長域が重複している蛍光体が前記発光素子に近い側に配置され、該蛍光体による他方の蛍光体から放出された光の吸収を防止したことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１又は請求項２の発光装置において、前記２つの蛍光体のうち、発光波長域が重複している蛍光体が前記発光素子に近い側に配置され、該蛍光体から放出された光により他方の蛍光体を励起することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４の発光装置において、前記発光波長域が重複している蛍光体の励起波長域は、他方の蛍光体の励起波長域よりも広く、前記発光素子の出力光の波長域は、前記励起波長域が重複している蛍光体の励起波長域と重複していないことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、蛍光体シートに含まれる少なくとも２種類の蛍光体が層をなすように分布されているので、発光素子に近い側に配置された蛍光体は、それよりも発光素子から遠い側に配置された蛍光体による放出された光の影響を受けにくくなる。一方、発光素子から遠い側に配置された蛍光体は、発光素子に近い側に配置された蛍光体から放出された光を利用することが可能である。そのため、発光装置の用途、改善しようとする色度や演色性などに応じて、適宜蛍光体の種類及び分布を選択することにより、発光装置の出力光の色度や演色性を向上又は安定させることができる。

請求項２の発明によれば、蛍光体シートの製造過程において、その比重に応じて各蛍光体が自然に層をなすように分離するので、蛍光体シートの製造が容易になる。

請求項３の発明によれば、発光素子に近い側に配置された蛍光体は、発光素子から遠い側に配置された蛍光体による放出された光をほとんど吸収することができず、それによって励起される度合いが少ない。従って、特定の波長域の光の発光強度の減少や、他の特定の波長域の光の発光強度の増加を防止又は低減することができ、発光装置から出力される光の色度や演色性を向上又は安定させることができる。

請求項４の発明によれば、発光素子から遠い側に配置された蛍光体は、発光素子から近い側に配置された蛍光体による放出された光を吸収し、それによって励起されることができる。従って、特定の波長域の光の発光強度を減少させ、他の特定の波長域の光の発光強度を増加させることにより、発光装置から出力される光の色度や演色性を向上又は安定させることができる。

請求項５の発明によれば、特定の蛍光体の励起波長域が狭く、発光素子の出力光の波長域の変動によって、その蛍光体から放出される光の強度が大きく変化する場合に、その特定の蛍光体を他の蛍光体から放出された光を利用して励起させることができ、発光素子の出力光の波長域の変動による発光素子の出力光の色度や演色性の変化を防止又は低減させることができ、発光装置から出力される光の色度や演色性を向上又は安定させることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について説明する。第１の実施の形態に係るＬＥＤと蛍光体シートを用いた発光装置１０の構成を図１に示す。第１の実施の形態は、例えば黄色蛍光体から放出された光の一部が赤色蛍光体により吸収されることを防止し、発光装置の出力光の色度や演色性を向上させるものである。

図１に示すように、発光装置１０は、ＬＥＤチップ１１と、ＬＥＤチップ１１を保持するパッケージ１２と、ＬＥＤチップ１１と対向するようにパッケージ１２に保持された蛍光体シート１３などで構成されている。蛍光体シート１３は、ＬＥＤチップ１１から出力される光により励起されて、それぞれ黄色及び赤色の光を放出する黄色蛍光体１４及び赤色蛍光体１５を含んでいる。黄色蛍光体１４及び赤色蛍光体１５は、蛍光体シート１３の内部において、ＬＥＤチップ１１に対向する面に略垂直な方向において、層をなすように分布されている。第１の実施の形態では、ＬＥＤチップ１１に近い側に赤色蛍光体１５が配置され、ＬＥＤチップ１１から遠い側に黄色蛍光体１４が配置されている。

ＬＥＤチップ１１として、波長４６５ｎｍをピークとする発光波長域を有するInGaN系のＬＥＤチップを用いた。黄色蛍光体１４として、波長５６０ｎｍをピークとする広範囲な発光波長域を有する(Y,Gd)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺系（ＹＡＧ系）の黄色蛍光体を用いた。赤色蛍光体としては、波長６１３ｎｍをピークとする発光波長域を有するリチウム・ユーロピウム・タングステン酸塩系（Li(Eu,Sm)W₂O₈系）の赤色蛍光体を用いた。

黄色蛍光体と赤色蛍光体とシリコーン樹脂とを所定量混合してシート型に流し込み、シート型を水平に保った状態で十分に時間が経過した後に、シート型を１５０℃程度に加熱してシリコーン樹脂を硬化させ、蛍光体シート１３を形成した。この蛍光体の組み合わせの場合、赤色蛍光体１５の方が黄色蛍光体１４よりも比重が大きいため、シート型を水平に保った状態で静置すると、下方に赤色蛍光体１５が沈殿し、その上に黄色蛍光体１４が分布される。その状態でシリコーン樹脂を硬化させると、下側に赤色蛍光体１５の層が形成され、その上に黄色蛍光体１４の層が形成される。

使用したＹＡＧ系の黄色蛍光体１４は、ＬＥＤチップ１１から出力された波長４６６ｎｍ付近の光を吸収して、波長５６０ｎｍ付近をピークとして約５００ｎｍ〜約７００ｎｍまでの広範囲の波長域で光を放出する。一方、リチウム・ユーロピウム・タングステン酸塩系の赤色蛍光体１５は、波長４６６ｎｍ付近の光を吸収して、Eu³⁺による波長６１３ｎｍをピークとする狭い波長域で光を放出する。

さらに、この赤色蛍光体１５は、波長５３５ｎｍ付近にも励起波長域を有しており、この励起波長域は、黄色蛍光体１４の発光波長域と重なっている。そのため、図５に示すように２種の蛍光体２４及び２５を均一分散させた蛍光体シート２３を用いた従来の発光装置２０では、黄色蛍光体２４から放出された光の一部が赤色蛍光体２５によって吸収されていた。

第１の実施の形態では、蛍光体シート１３の赤色蛍光体１５の層がＬＥＤチップ１１に近い側に配置され、黄色蛍光体１４の層がＬＥＤチップ１１から遠い側、すなわち発光装置１０の光取り出し側に配置されている。そのため、ＬＥＤチップ１１から出力された青色の光は、一部が赤色蛍光体１５により吸収され、他の一部は赤色蛍光体１５の層を透過して黄色蛍光体１４により吸収され、残りは赤色蛍光体１５の層及び黄色蛍光体１４の層を透過して発光装置１０の外部に取り出される。赤色蛍光体１５は、主にＬＥＤチップ１１から出力された青色の光によって励起され、赤色の光を放出する。赤色蛍光体１５から放出された光は、黄色蛍光体１４によっては吸収されないので、その大部分は発光装置１０の外部に取り出される。黄色蛍光体１４は、赤色蛍光体１５の層を透過した青色の光によって励起され、黄色の光を放出する。黄色蛍光体１４から放出された光のうちＬＥＤチップ１１側に向かう光の一部は、赤色蛍光体１５により吸収されるが、残りの大部分は発光装置１０の外部に取り出される。

このように、黄色蛍光体１４から放出された光は赤色蛍光体１５によってはほとんど吸収されないので、ＬＥＤチップ１１から直接出力される青色光と、黄色蛍光体１４による広範囲な黄色光と、赤色蛍光体１５による赤色光によって、発光装置１０から放出される光の演色性を向上させることができ、かつ高い発光効率を達成することができる。

なお、上記黄色蛍光体１４及び赤色蛍光体１５は一例であって、これらに限定されるものではない。例えば、赤色蛍光体１５として、黄色蛍光体１４よりも比重の小さいものを採用することも可能である。その場合、蛍光体シート１３の製造過程で、図１とは逆に、黄色蛍光体１４が下に沈殿し、赤色蛍光体１５の層が黄色蛍光体１４の層の上に形成される。しかしながら、本発明に係る発光装置では、蛍光体シート構造を採用しているので、蛍光体シート１３をパッケージ１２に取り付ける際、表裏を選択することで、赤色蛍光体１５の層をＬＥＤチップ１１に近い側に配置することができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態に係るＬＥＤと蛍光体シートを用いた発光装置１０’の構成を図２に示す。第２の実施の形態は、例えば温度変化などによるＬＥＤチップから出力される光のピーク波長の変動による影響を受けにくくして、発光装置１０’から出力される光の演色性を安定させるものである。

図２に示すように、第２の実施の形態に係る発光装置１０’は、図１に示す第１の実施の形態に係る発光装置１０と比較して、蛍光体シート１３における黄色蛍光体１４の層と赤色蛍光体１５の層の位置関係が逆転している点を除いて、その他の構成はほぼ同様である。

ＬＥＤチップ１１として、図３（ａ）に示すように、波長４５０ｎｍをピークとする発光波長域を有するInGaN系のＬＥＤチップを用いた。黄色蛍光体１４として、図３（ｂ）に示すように、波長５６０ｎｍをピークとする広範囲な発光波長域を有するＹＡＧ系の黄色蛍光体を用いた。また、赤色蛍光体１５として、図３（ｃ）に示すように、波長６１３ｎｍをピークとする発光波長域を有するCa(Eu_1-xLa_x)₄Si₃O₁₃系の赤色蛍光体を用いた。

第１の実施の形態の場合と同様に、黄色蛍光体１４と赤色蛍光体１５とシリコーン樹脂とを所定量混合してシート型に流し込み、シート型を水平に保ち十分に時間が経過した後に、シート型を１５０℃程度に加熱してシリコーン樹脂を硬化させ、蛍光体シート１３を形成した。そして、黄色蛍光体１４の層をＬＥＤチップ１１に近い側とし、赤色蛍光体１５の層をＬＥＤチップ１１から遠い側、すなわち発光装置１０’の光取り出し側となるようにして、蛍光体シート１３をパッケージ１２に装着した。

Ca(Eu_1-xLa_x)₄Si₃O₁₃系の赤色蛍光体１５の励起スペクトル分布と発光スペクトル分布を図４に示す。この赤色蛍光体は、ＬＥＤチップ１１からの出力光である波長４５０ｎｍ付近の光によってはほとんど励起されない。一方、波長５２０〜５４０ｎｍ付近に励起波長域が存在しており、この励起波長域は黄色蛍光体１４の発光波長域と重複している。また、波長４６６ｎｍ付近の励起波長域は非常にシャープな形状をしている。仮に、ＬＥＤチップ１１として、ピーク波長４６６ｎｍの光を出力するものを用いた場合、ＬＥＤチップ１１の製造時のバラツキ、動作時のＬＥＤチップ１１の温度上昇などに起因して、ＬＥＤチップ１１の発光波長域のピークが４６６ｎｍからずれることがある。その場合、赤色蛍光体１５から放出される光の発光強度が著しく変化し、発光装置１０’から出力される光の色度、演色性が著しく変化してしまう可能性がある。

これに対して、第２の実施の形態では、ＬＥＤチップ１１から出力された波長４５０ｎｍの光のうち一部が、黄色蛍光体１４により波長５６０ｎｍ付近をピークとする広範囲な発光波長域の光に変換される。さらに、この黄色蛍光体１４から放出された光のうち波長５２０〜５４０ｎｍ付近の一部が赤色蛍光体１５により吸収され、波長６１３ｎｍをピークとする波長域の光に変換される。赤色蛍光体１５は、ＬＥＤチップ１１から出力された波長４５０ｎｍの光によってはほとんど励起されず、主に黄色蛍光体１４から放出された光によって励起される。一方、黄色蛍光体１４の励起波長域は比較的広く、ＬＥＤチップ１１の発光波長が変動しても、黄色蛍光体１４から放出される光の波長域はあまり変化しない。従って、ＬＥＤチップ１１の発光波長が変動しても、赤色蛍光体１５から放出される光の発光強度はほとんど影響を受けない。その結果、ＬＥＤチップ１１の発光波長域が変動しても、発光装置１０’から出力される光の発光波長域はほとんど変化せず、発光装置１０’から出力される光の色度、演色性が安定する。さらに、蛍光体シート１３を透過して直接取り出される青色光と、青色光が黄色蛍光体１４によって変換された黄色光と、黄色光が赤色蛍光体１５によって変換された赤色光が混色されることにより、演色性の高い白色光を得ることができる。

このように、第２の実施形態では、赤色蛍光体１５をＬＥＤチップ１１から出力された光で直接励起するのではなく、広範囲な発光波長域を有する黄色蛍光体１４から放出された光で間接的に赤色蛍光体１５を励起することにより、ＬＥＤチップ１１の発光波長域が変化した場合も、発光装置１０’から出力される光の色度や演色性がほとんど変化しないようにすることができる。

（その他の応用例）
本発明に係る発光装置は、上記各実施の形態で説明したものに限定されず、様々な用途に用いることができる。例えば、発光装置の用途に応じて、黄色蛍光体及び赤色蛍光体のほかに、その他の色の光を放出する蛍光体を蛍光体シート中に含めることも可能である。あるいは、黄色蛍光体又は赤色蛍光体として、複数種類の蛍光体を混ぜて使用してもよい。さらに、蛍光体シート中の各蛍光体の割合を調節することにより、任意の色度や演色性を有する発光装置を得ることが可能である。

さらに、本発明の発光装置は、上記核実施の形態の構成に限定されず、発光素子としてＬＥＤチップではなく、単独の部品として取り扱われる青色ＬＥＤや青色レーザダイオードなどを用い、これらの発光素子に対向するように蛍光体シートが配置されたものや発光素子事態に蛍光体シートをキャップとして被せたものなどであってもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る発光装置の構成を示す図。本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の構成を示す図。第２の実施の形態の原理を示す図であり、（ａ）はＬＥＤチップの発光波長域を示す図、（ｂ）はＹＡＧ系の黄色蛍光体の励起波長域及び発光波長域を示す図、（ｃ）はCa(Eu_1-xLa_x)₄Si₃O₁₃系の赤色蛍光体の励起波長域及び発光波長域を示す図。 Ca(Eu_1-xLa_x)₄Si₃O₁₃系の赤色蛍光体の励起スペクトル分布と発光スペクトル分布を示す図。従来の発光装置の構成を示す図。従来の発光装置の問題点を説明するための図であり、（ａ）はＬＥＤチップの発光波長域を示す図、（ｂ）は黄色蛍光体の発光波長域を示す図、（ｃ）は赤色蛍光体の励起波長域及び発光波長域を示す図、（ｄ）は従来の発光装置から出力される光の発光波長域を示す図。従来の発光装置の他の問題点を説明するための図であり、（ａ）はＬＥＤチップの発光波長域と赤色蛍光体の励起波長域がほぼ重複している状態を示す図、（ｂ）はＬＥＤチップの発光波長域と赤色蛍光体の励起波長域がずれている状態を示す図。

符号の説明

１０、１０’ 発光装置
１１ＬＥＤチップ（発光素子）
１２パッケージ
１３蛍光体シート
１４黄色蛍光体
１５赤色蛍光体

Claims

発光素子と、前記発光素子からの出力光によって励起され、それぞれ前記出力光の波長とは異なる波長の光を放出する少なくとも２種類の蛍光体を含む蛍光体シートを用いた発光装置であって、
前記蛍光体のうち２つの蛍光体は、一方の蛍光体の励起波長域が他方の蛍光体の発光波長域と一部分で重複し、
前記蛍光体は、前記蛍光体シート中において、前記発光素子に対向する面に略垂直な方向において層をなすように分布されていることを特徴とする発光装置。
前記蛍光体は、それぞれ比重が異なり、前記蛍光体シートを製造する過程で、層をなすように分離されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記２つの蛍光体のうち、励起波長域が重複している蛍光体が前記発光素子に近い側に配置され、該蛍光体による他方の蛍光体から放出された光の吸収を防止したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光装置。
前記２つの蛍光体のうち、発光波長域が重複している蛍光体が前記発光素子に近い側に配置され、該蛍光体から放出された光により他方の蛍光体を励起することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光装置。
前記発光波長域が重複している蛍光体の励起波長域は、他方の蛍光体の励起波長域よりも広く、前記発光素子の出力光の波長域は、前記励起波長域が重複している蛍光体の励起波長域と重複していないことを特徴とする請求項４に記載の発光装置