JP2006019419A - 発光素子並びにそれを用いた照明装置、画像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【構成】 波長変換材料としての蛍光体と、可視光を発光する半導体発光素子とを含む発光素子であって、該蛍光体が、酸化物、酸窒化物、窒化物からなる群から選ばれる少なくとも1種以上の蛍光体であって、且つ、半導体発光素子からの可視光により励起される際の室温においての発光効率が35%以上の2種類以上の蛍光体の混合物を使用し、この混合物が、第1の蛍光体と、第1の蛍光体からの発光を吸収し得る第1の蛍光体とは異なる第2の蛍光体を含有し、第1の蛍光体を蛍光体の混合物に対して重量百分率で85%以上含有させた発光素子。
【選択図】 なし。
Description
中でも、In添加GaN系青色LEDとCe付活イットリウムアルミニウムガーネット系黄色蛍光体を組み合わせた白色LEDが代表的な発光素子として挙げられるが、従来から指摘されている赤色領域(600nm以上)の光量が少ないこと、及び、青緑色領域(480〜510nm)の光量が少ないことが問題であり、発光素子からの光の平均演色評価数Raが低く、改良が求められていた。
O12系緑色蛍光体の発光色に加え、赤色成分を増大させるために(Ca1-a-bSraEub
)S:Eu2+系赤色蛍光体からなる蛍光体を青色LEDで励起することにより白色合成光を発する白色LEDが得られることを開示している。そして、緑色蛍光体と赤色蛍光体の混合物における緑色蛍光体の重量比を40〜80%とすることで、白色光を得る方法を示している。ここで使用されている赤色蛍光体は、緑色蛍光体の発光により励起される物質である。しかし、これらの蛍光体の組合せと重量比の蛍光体の混合物を使用した場合には、緑色蛍光体の発光効率に比べて赤色蛍光体の発光効率が低いために、赤色蛍光体の重量比を20%〜60%と比較的多く使用する必要があり、緑色蛍光体から発せられる緑色光を発光効率の低い多量の赤色蛍光体が吸収してしまうために、白色LEDから発せられる光束が低くなるという問題点があった。また、使用される赤色蛍光体が耐湿性の低い硫化物系赤色蛍光体であり劣化しやすく、合成が困難なために製造コストが高く、これを使用して得られる白色LEDは、耐久性が低く高価格になるという問題点があった。また、使用される緑色蛍光体の発光色が黄色に偏っているために青緑色領域の発光が不足し演色性が劣ると言う問題点も有った。また、非特許文献1では、緑色蛍光体としてSrGa2S4:Eu2+、赤色蛍光体としてZnCdS:Ag,Clを使用した白色LEDを開示しているが、これによっても十分な光束と演色性が得られないことと、硫化物が白色LED使用時に劣化し易いという問題点があった。
百分率で85%以上含有させることにより、輝度が高く演色性の高い発光素子が得られることを見出し、本発明に到達した。
本発明の発光素子は、波長変換材料としての蛍光体と、可視光を発光する半導体発光素子とを含む発光素子であって、該蛍光体が、酸化物、酸窒化物、窒化物からなる群から選ばれる少なくとも1種以上の蛍光体であって、且つ、半導体発光素子からの可視光により励起される際の室温においての発光効率が35%以上の2種類以上の蛍光体の混合物からなり、該混合物が、第1の蛍光体と、第1の蛍光体からの発光を吸収し得る第1の蛍光体とは異なる第2の蛍光体を含有し、第1の蛍光体を蛍光体の混合物に対して重量百分率で85%以上含有するものである。
下では単に励起光と記す。)でフォトルミネッセンスによりサンプルから放出されたフォトンの他に、サンプルで反射された励起光の分のフォトンの寄与が重なっている。吸収効率αqは、サンプルによって吸収された励起光のフォトン数Nabsを励起光の全フォトン数Nで割った値である。まず、後者の励起光の全フォトン数Nは、次のように求める。すなわち、励起光に対してほぼ100%の反射率Rを持つ物質、例えばLabsphere製Spectralon(400nmの励起光に対して98%の反射率を持つ。)等の反射板を、測定対象として該分光光度計に取り付け、反射スペクトルIref(λ)を測定する
。ここでこの反射スペクトルIref(λ)から(式1)で求められた数値は、Nに比例す
る。
い。前者のNabsは(式2)で求められる量に比例する。
射スペクトルである。(式2)の積分範囲は(式1)で定めた積分範囲と同じにする。このように積分範囲を限定することで、(式2)の第二項は,対象サンプルが励起光を反射することによって生じたフォトン数に対応したもの、すなわち、対象サンプルから生ずる全フォトンのうち励起光によるフォトルミネッセンスで生じたフォトンを除いたものに対応したものになる。実際のスペクトル測定値は、一般にはλに関するある有限のバンド幅で区切ったデジタルデータとして得られるため、(式1)および(式2)の積分は、そのバンド幅に基づいた和分によって求まる。以上より、αq=Nabs/N=(式2)/(式1)と求まる。
ここで、NPLは、(式3)で求められる量に比例する。
)/(式2)と求まる。なお、デジタルデータとなったスペクトルから積分を行うことに関しては、αqを求めた場合と同様である。
、本発明で定義される発光効率を求める。
また、半導体発光素子からの発光波長における第2の蛍光体の吸収効率が、第1の蛍光体の発光ピーク波長における第2の蛍光体の吸収効率より大きいことが好ましく、この場合には、半導体発光素子からの発光が第2の蛍光体に吸収されて第2の蛍光体が励起されて発光する確率が、第1の蛍光体からの発光が第2の蛍光体に吸収されて第2の蛍光体が励起されて発光する確率より高くなり、発光効率がより高い発光素子を得ることができるので好ましい。
第1の蛍光体の発光ピーク波長L1が490nm≦L1≦550nmの範囲より小さいか大きい場合や、第2の蛍光体の発光ピーク波長L2が600nm≦L2≦700nmの範囲より小さいか大きい場合には、輝度と演色性に劣る発光素子となり好ましくない。この理由で、第1の蛍光体の発光ピーク波長L1が500nm≦L1≦540nmの範囲とし、第2の蛍光体の発光ピーク波長L2が610nm≦L2≦670nmの範囲とすることがより好ましい。また、第1の蛍光体の発光ピーク波長L1が510nm≦L1≦540nmの範囲とし、第2の蛍光体の発光ピーク波長L2が620nm≦L2≦660nmの範囲とすることにより、緑色や赤色が強く高輝度で演色性が高いだけではなく、画像表示装置に使用する際に色再現範囲が広くなるので特に好ましい。
第1の蛍光体としては、下記一般式(1)又は(2)で表される母体結晶内に発光中心
イオンとして少なくともCeを含有する蛍光体が挙げられ、少なくともいずれかを含むことが、発光素子を使用している際の劣化が少なく、発光素子の使用温度の変化による輝度の変化が少なく、高輝度で演色性の高い発光素子を得る上で特に好ましい。
M4 eM5 fOg (2)
以下、上記一般式(1)について説明する。
M1は2価の金属元素、M2は3価の金属元素、M3は4価の金属元素をそれぞれ示し、
a、b、c、dはそれぞれ下記の範囲の数である。
1.8≦b≦2.2
2.7≦c≦3.3
11.0≦d≦13.0
ここで、式(1)におけるM1は2価の金属元素であるが、発光効率等の面から、Mg
、Ca、Zn、Sr、Cd、及びBaからなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましく、Mg、Ca、又はZnであることが更に好ましく、Caが特に好ましい。この場合、Caは単独系でも良く、Mgとの複合系でもよい。基本的には、M1は上記に
おいて、好ましいとされる元素からなることが好ましいが、性能を損なわない範囲で、他の2価の金属元素を含んでいてもよい。
Ga、Y、In、La、Gd、及びLuからなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましく、Al、Sc、Y、又はLuであるのが更に好ましく、Scが特に好ましい。この場合、Scは単独系でもよく、YまたはLuとの複合系でもよい。基本的には、M2は上記において好ましいとされる元素からなることが好ましいが、性能を損なわない
範囲で、他の3価の金属元素を含んでいてもよい。
iを含むことが好ましく、通常、M3で表される4価の金属元素の50モル%以上がSi
であり、好ましくは70モル%以上、更に好ましくは80モル%以上、特に90モル%以上がSiであることが好ましい。Si以外の4価の金属元素M3としては、Ti、Ge、
Zr、Sn、及びHfからなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましく、Ti、Zr、Sn、及びHfからなる群から選択される少なくとも1種であることがより好ましく、Snであることが特に好ましい。特に、M3がSiであることが好ましい。基
本的には、M3は上記において好ましいとされる元素からなることが好ましいが、性能を
損なわない範囲で、他の4価の金属元素を含んでいてもよい。
れに対し、通常10モル%以下、好ましくは5モル%以下、より好ましくは1モル%以下で含むことをいう。
又、式(1)において、a、b、c、dはそれぞれ2.7≦a≦3.3、1.8≦b≦2.2、2.7≦c≦3.3、11.0≦d≦13.0の範囲の数である。本蛍光体は、発光中心イオンの元素が、M1、M2、M3のいずれかの金属元素の結晶格子の位置に置換
するか、或いは、結晶格子間の隙間に配置する等により、a〜dは上記範囲の中で変動するが、本蛍光体の結晶構造はガーネット結晶構造であり、a=3、b=2、c=3、d=12の体心立方格子の結晶構造をとるのが一般的である。
Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、及びYbからなる群から選択された1種以上の2〜4価の元素を共付活剤として含むことも可能であり、特に、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Sm、Eu、Tb、Dy、及びYbからなる群から選択された1種以上の2〜4価の元素を含めることが可能であり、2価のMn、2〜3価のEu、又は3価のTbを好適に添加できる。共付活剤を含有させる場合、Ce 1molに対する共付活
剤の量は、通常、0.01〜20molである。
0.001以上0.1以下の範囲がより好ましく、0.005以上0.05以下の範囲が更に好ましい。
M4 eM5 fOg (2)
ここで、式(2)中、M4は2価の金属元素、M5は3価の金属元素をそれぞれ示し、e、f、gはそれぞれ下記の範囲の数である。
0.9≦e≦1.1
1.8≦f≦2.2
3.6≦g≦4.4
式(2)におけるM4は2価の金属元素であるが、発光効率等の面から、Mg、Ca、
Zn、Sr、Cd、及びBaからなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましく、Mg、Ca、又はZnであることが更に好ましく、Caが特に好ましい。この場合、Caは単独系でも良く、Mgとの複合系でもよい。基本的には、M4は上記において好
ましいとされる元素からなることが好ましいが、性能を損なわない範囲で、他の2価の金属元素を含んでいても良い。
Ga、Y、In、La、Gd、及びLuからなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましく、Al、Sc、Y、又はLuであることが更に好ましく、Scが特に好ましい。この場合、Scは単独系でもよく、YまたはLuとの複合系でもよい。基本的には、M5は上記において好ましいとされる元素からなることが好ましいが、性能を損なわな
い範囲で、他の3価の金属元素を含んでいてもよい。
元素比は、下記の範囲とするのが発光特性の面で好ましい。特に、付活剤となるCeの濃度は、小さすぎると発光する付活剤が少なすぎて発光強度が低く、大きすぎると濃度消光が大きくなって発光強度が下がる。発光強度の観点から、Ceの濃度は、M4の1モル
に対してモル比で0.0001以上0.3以下の範囲が好ましく、0.001以上0.1以下の範囲がより好ましく、0.005以上0.05以下の範囲が更に好ましい。
剤の量は、通常、0.01〜20molである。
Aは、M元素以外の2価の金属元素からなる群から選ばれる1種または2種以上の元素であるが、中でも、Mg、Ca、Sr、Baからなる群から選ばれる1種または2種以上の元素であることが好ましく、Caであることが更に好ましい。
Eは、3価の金属元素からなる群から選ばれる1種または2種以上の元素であるが、中でも、B、Al、Ga、In、Sc、Y、La、Gd、Luからなる群から選ばれる1種または2種以上の元素であることが好ましく、Alであることが更に好ましい。
上記組成物の具体的な組成式としては、例えば、下記一般式(3)で示される。
MaAbDcEdXe (3)
式(3)中、a、b、c、d、eの値は、
0.00001≦ a ≦0.1 ・・・・・・・・・・・・・・・(i)
a+b=1・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(ii)
0.5≦ c ≦ 4 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(iii)
0.5≦ d ≦ 8 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(iv)
0.8×(2/3+4/3×c+d)≦ e ・・・・・・・・・・(v)
e≦ 1.2×(2/3+4/3×c+d) ・・・・・・・・・・(vi)
の条件を全て満たす値から選ばれる。
c値はSiなどのD元素の含有量であり、0.5≦ c ≦4で示される量である。好
ましくは、0.5≦ c ≦1.8、さらに好ましくはc=1がよい。c値が0.5より小さい場合および4より大きい場合は発光輝度が低下する。0.5≦ c ≦1.8の範囲は発光輝度が高く、中でもc=1が特に発光輝度が高い。
e値はNなどのX元素の含有量であり、
0.8×(2/3+4/3×c+d)以上1.2×(2/3+4/3×c+d)以下で示される量である。さらに好ましくは、e=3がよい。e値がこの値の範囲外では発光輝度が低下する。
X元素がNまたはNとOとの混合物の場合、(Oのモル数)/(Nのモル数+Oのモル数)は大きすぎると発光強度が低くなる。発光強度の観点からは(Oのモル数)/(Nのモル数+Oのモル数)は0.5以下が好ましく、0.3以下がより好ましく、0.1以下が発光波長640〜660nmに発光ピーク波長を持つ色純度の良い赤色蛍光体となるので、更に好ましい。また、(Oのモル数)/(Nのモル数+Oのモル数)を0.1〜0.3とすることで発光ピーク波長を600〜640nmに調整でき、人間の視感度が高い波長域に近づくために輝度の高い発光素子が得られるので、別の観点で好ましい。
すなわち、第1の蛍光体と第2の蛍光体を混合してそれを半導体発光素子からの光が直接照射される部位に配置する際に、半導体発光素子の近くでそれからの光が直接照射される場所には蛍光体混合物中の第1の蛍光体の混合比率を比較的低くし、半導体発光素子から遠くなりそれからの光が直接照射されない場所には蛍光体混合物に含まれる第1の蛍光体の混合比率を比較的高くすることが好ましい。この様に蛍光体混合比率にグラデーションを付けることにより、半導体発光素子からの光の一部をまず第2の蛍光体が多く混合されている部分に吸収させて第2の蛍光体を強く励起し、次に第2の蛍光体に吸収されなかった残りの光で、第1の蛍光体の比率のより多い蛍光体混合物を励起させることにより、蛍光体全体の発光効率を高くすることができる。
ク波長を有する第1の酸化物の蛍光体と、発光効率が54%であり付活剤としてEuを0.01モル含有しCaAlSiN3の化学組成を有し650nmに発光ピーク波長を有す
る第2の窒化物の蛍光体とを、第1の蛍光体の重量百分率が94%となり第2の蛍光体の重量百分率が6%となるように混合して蛍光体混合物を得た。
次に、発光ピーク波長460nmのIn添加GaN系半導体発光素子からの青色発光をこの蛍光体混合物に照射したところ、蛍光体はCIE色度座標における色度座標値(x、y)が(0.420、0.500)の発光を示した。
そのために、本発光素子を使用することで、従来の製品と比較して高い輝度を有し色再現範囲の広い画像表示装置や、高輝度で演色性の高い照明装置を得ることができることが分かった。
0nmに発光ピーク波長を有する第2の窒化物の蛍光体とを、第1の蛍光体を重量百分率が95%となるように混合して蛍光体の混合物を得た。
次に、波長460nmのIn添加GaN系半導体発光素子からの青色発光をこの蛍光体混合物に照射したところ、蛍光体はCIE色度座標における色度座標値(x、y)が(0.420、0.495)の発光を示した。
その結果、この白色LEDは、色温度が6400K、CIE色度座標値x、yがそれぞれ0.320、0.320、平均演色性評価数Raが89、全光束が2.3lmとなる発光特性を有し、平均演色評価数と全光束が従来の擬白色LEDと比較して顕著に高く良好な発光を示した。
2;マウントリード
3;インナーリード
4;半導体発光素子
5;蛍光体含有樹脂部
6;導電性ワイヤー
7;モールド部材
8;面発光照明装置
9;拡散板
10;保持ケース
Claims (6)
- 波長変換材料としての蛍光体と、可視光を発光する半導体発光素子とを含む発光素子であって、該蛍光体が、酸化物、酸窒化物、窒化物からなる群から選ばれる少なくとも1種以上の蛍光体であって、且つ、半導体発光素子からの可視光により励起される際の室温においての発光効率が35%以上の2種類以上の蛍光体の混合物からなり、該混合物が、第1の蛍光体と、第1の蛍光体からの発光を吸収し得る第1の蛍光体とは異なる第2の蛍光体を含有し、第1の蛍光体を蛍光体の混合物に対して重量百分率で85%以上含有していることを特徴とする発光素子。
- 第1の蛍光体の発光ピーク波長L1が490nm≦L1≦550nmの範囲であり、且つ、第2の蛍光体の発光ピーク波長L2が600nm≦L2≦700nmの範囲となることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
- 半導体発光素子からの発光により照射される際の蛍光体混合物からの発光の色度座標値(x、y)が、CIE色度座標における色度座標値で(0.450、0.350)、(0.550、0.450)、(0.400、0.600)、(0.300、0.500)を頂点とする四辺形で囲まれる範囲となる蛍光体の混合物を含有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の発光素子。
- 半導体発光素子からの発光と該半導体発光素子からの発光により励起される蛍光体の混合物からの発光の合成光の色度座標値が、CIE色度座標における色度座標値で(0.275、0.175)、(0.450、0.400)、(0.350、0.450)、(0.175、0.250)を頂点とする四辺形で囲まれる範囲であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の発光素子。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の発光素子を用いたことを特徴とする照明装置。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の発光素子を用いたことを特徴とする画像表示装置。
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