JP2006100623A

JP2006100623A - 発光装置および照明装置

Info

Publication number: JP2006100623A
Application number: JP2004285725A
Authority: JP
Inventors: Kiyoko Kawashima; 淨子川島; Masami Iwamoto; 正己岩本; Iwatomo Moriyama; 厳與森山
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-04-13

Abstract

【課題】本発明は蛍光体含有透明樹脂層を使用した場合において、発光効率の低下を抑制しつつ演色性を向上させることのできる発光装置および照明装置を提供することを目的としている。
【解決手段】請求項１の発明は、青色を発光する発光ダイオード素子１１と；発光ダイオード素子を覆うように配置された透明樹脂層１９と；透明樹脂層に含有され、前記発光ダイオード素子から放射された光により励起されて主として黄色を発光する蛍光体であって、当該蛍光体の小粒子が二次粒子化し、かつ粒径が５〜１０μｍの範囲の蛍光体粒子を有する黄色発光蛍光体１８と；透明樹脂層に含有され、前記発光ダイオード素子から放射された光により励起されて主として赤色を発光する蛍光体であって、前記黄色発光蛍光体に対して１％ないし１００％の割合で配合されるとともに、当該蛍光体の小粒子が二次粒子化し、かつ粒径が前記黄色発光蛍光体とほぼ同一の範囲の蛍光体粒子を有する赤色発光蛍光体１８と；を具備することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は発光ダイオードを使用した発光装置および照明装置に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）は、液晶ディスプレイ、携帯電話、情報端末等のバックライト、屋内外広告等、多方面への展開が飛躍的に進んでいる。さらに、ＬＥＤは電球等のようにフィラメントが切れることがないため長寿命で信頼性が高く、また低消費電力、耐衝撃性等の特徴を有することから、産業用途のみならず一般照明用途への適用も試みられている。このようなＬＥＤを種々の各種用途に適用する場合、白色発光を得ることが重要となる。

ＬＥＤにおいて、白色発光を実現する代表的な方式としては、(1)青、緑および赤の各色に発光する3つのＬＥＤチップを使用する方式、(2)青色発光のＬＥＤチップと黄色または黄色と橙色発光の蛍光体とを組合せる方式、(3)紫外線発光のＬＥＤチップと青色、緑色および赤色の三色混合蛍光体（以下、ＲＧＢ蛍光体と記す）とを組合せる方式、の3つが挙げられる。

これらのうち、一般的には(2)の方式が広く実用化されている。また、(3)の方式で発光効率8.2lm/W、平均演色評価数Ｒa86〜90が得られたことが報告されている。さらに、(2)の方式においても黄色ないし橙色発光蛍光体に加えて赤色発光蛍光体を使用することで、平均演色評価数Ｒaの増加はもとより発光効率の向上も期待されている。

上記した(2)および(3)の方式を適用したＬＥＤの構造としては、ＬＥＤチップを装備したカップ型のフレーム内に蛍光体を混合した透明樹脂を流し込み、これを固化させて蛍光体を含有する透明樹脂層を形成した構造が一般的である（例えば特許文献１参照）。このようなＬＥＤにおいては、フリップチップ等のＬＥＤチップの電極形状に基づく光の取出し効率の向上、またチップ形状の検討による配光制御等が進められており、チップ前面への光量は増加する傾向にある。

このようなチップ前面への光量の増加に伴って、透明樹脂層中の蛍光体粒子の分散状態も光取出し効率に影響を及ぼすようになってきている。ここで、ＬＥＤチップの配光パターンとしては、(A)横方向への光が強いパターン、(B)上面方向への光が強いパターン、が知られている。また、透明樹脂層中での蛍光体粒子の分散状態としては、(a)沈降型（透明樹脂層の下方に蛍光体粒子が沈降した状態）、(b)分散型（透明樹脂層全体に蛍光体粒子が分散した状態）、が知られている。
特開2001-148516号公報

上述した(B)の光取出し効率が高い配光パターンを有するＬＥＤチップと、(a)沈降型の蛍光体含有透明樹脂層、(b)分散型の蛍光体含有透明樹脂層とをそれぞれ組合せてＬＥＤを作製し、ＬＥＤとしての発光効率を比較したところ、(b)の分散型を適用することで発光効率が20％程度改善されることが分かった。

したがって、白色発光のＬＥＤにおいては演色性等と共に発光効率の改善が求められていることから、(b)の分散型の蛍光体含有透明樹脂層を適用することが望ましい。また、黄色発光の蛍光体のみでは演色性を向上させることは難しく、黄色と橙色発光の蛍光体とを組合せるのが望ましい。しかしながら、分散型のＬＥＤは以下に示すような問題を有している。

ＬＥＤチップを装備したカップ型フレーム内に透明樹脂を充填する際に、透明樹脂の粘度が高すぎると気泡の巻き込み等が生じてしまう。そこで、比較的低粘度の透明樹脂を使用する必要があるが、低粘度の透明樹脂中では蛍光体粒子の沈降が激しく、(b)の分散型構造を得ることが難しいという問題がある。

さらに、低粘度の透明樹脂を用いた場合にはディスペンサ内で蛍光体粒子が沈降してしまうことがあり、ＬＥＤの製造効率や製造コストに悪影響を及ぼすおそれがある。ディスペンサの内部で撹拌しながら充填を行う方法もあるが、この場合には泡の巻き込みや撹拌が部分的に不均一になる等の問題を招くおそれが大きい。

また、演色性を向上させるために、黄色と橙色発光の蛍光体とをどの程度組合せるのがよいのか、という難しい問題がある。

一方、透明樹脂中での蛍光体粒子の沈降には、蛍光体粒子の粒径が影響する。蛍光体粒子の粒径が小さいほど透明樹脂中で沈降しにくくなるが、蛍光体自体の発光効率は一般的に粒径が小さいほど低下する。従って、粒径が小さい蛍光体粒子を用いて(b)の分散型構造が得られたとしても、蛍光体自体の発光効率の低下が分散型による発光効率の向上効果を相殺することになる。これではＬＥＤの発光効率を高めることはできない。このとき、演色性を向上させるための橙色発光の蛍光体の粒径をどの程度にして沈降させるのがよいのかも問題となる。

なお、特許文献１には平均粒径が３〜５０μｍの蛍光体の凝集体を用いたＬＥＤランプが記載されている。ここでは、上記した蛍光体の凝集体で発光のバラツキを抑制している。ただし、蛍光体粒子を透明樹脂中で凝集させた凝集体は、蛍光体の粒径自体が増大するわけではないため、蛍光体の発光効率は凝集前の蛍光体粒子の粒径に依存する。従って、蛍光体の凝集体では蛍光体の発光効率を向上させることはできない。

本発明は蛍光体含有透明樹脂層を使用した場合において、発光効率の低下を抑制しつつ演色性を向上させることのできる発光装置および照明装置を提供することを目的としている。

請求項１の発明は、青色を発光する発光ダイオード素子と；発光ダイオード素子を覆うように配置された透明樹脂層と；透明樹脂層に含有され、前記発光ダイオード素子から放射された光により励起されて主として黄色を発光する蛍光体であって、当該蛍光体の小粒子が二次粒子化し、かつ粒径が５〜１０μｍの範囲の蛍光体粒子を有する黄色発光蛍光体と；透明樹脂層に含有され、前記発光ダイオード素子から放射された光により励起されて主として赤色を発光する蛍光体であって、前記黄色発光蛍光体に対して１％ないし１００％の割合で配合されるとともに、当該蛍光体の小粒子が二次粒子化し、かつ粒径が前記黄色発光蛍光体とほぼ同一の範囲の蛍光体粒子を有する赤色発光蛍光体と；を具備することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の発光装置において、前記透明樹脂層は０．１〜１０Ｐａ・Ｓの範囲の樹脂粘度を有する透明樹脂を充填してなることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２記載の発光装置と；発光装置を配設する基板と；基板に設けられ、発光装置からの可視光を反射する反射手段と；発光装置からの可視光を配光制御するレンズと；を具備していることを特徴とする。

各蛍光体は、発光ダイオード素子から放射された光により励起されて所定の光を発光し、この蛍光体から発光される光と発光ダイオード素子から放射される光との混色によって、または蛍光体から発光される可視光または可視光自体の混色によって、発光装置として所望の発光色を得るものである。蛍光体の種類は特に限定されるものではなく、目的とする発光色や発光素子から放射される光等に応じて適宜に選択される。

本発明における蛍光体の二次粒子とは、蛍光体原料を焼成して蛍光体粒子を作製する際に、例えば図１に示すように蛍光体の小粒子１、１同士が結合した粒子（二次粒子２）を意味する。従って、蛍光体の小粒子が集って凝集しているものとは相違する。本発明で用いられる蛍光体は、上記した蛍光体の小粒子の一部または全てが二次粒子化しているものである。二次粒子化していない一次粒子と二次粒子との比率は１：１〜０：１の範囲であることが好ましく、かつ一次粒子および二次粒子を含む蛍光体粒子の粒径が５〜１０μｍの範囲であることが好適である。

また、蛍光体の二次粒子２の粒径は最大径Ｄを示すものとする。本発明においては、最大径Ｄで表される粒径が５〜１０μｍの範囲の蛍光体二次粒子２を使用する。蛍光体二次粒子２の粒径（一次粒子が存在する場合はそれを含む蛍光体粒子全体の粒径）は、蛍光体製造時に篩い等を用いて分級して得たものである。また、蛍光体粒子の粒径はカウタカウンタ法で測定した値を示すものとする。

上述したような蛍光体の二次粒子２は、結晶成長の過程で小粒子１同士が結合したものであるため、容易には分離しないと共に、最大径Ｄに相当する粒径を有する一次粒子に近い発光効率を示す。さらに、最大径Ｄと同等の粒径を有する一次粒子に比べて比表面積が大きいため、透明樹脂中での沈降速度が小さいというような特徴を有する。これらによって、実用的な樹脂粘度を有する透明樹脂を使用した際に、蛍光体の発光効率の低下を抑制した上で、分散型の蛍光体含有透明樹脂層を得ることが可能となる。

透明樹脂層は蛍光体粒子の保持層を構成するものであり、その材質は特に限定されるものではない。透明樹脂層には例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の各種透明樹脂を適用することができる。また、透明樹脂層の形成材料となる液状樹脂は０．１〜１０Ｐａ・Ｓの範囲の樹脂粘度を有することが好ましい。これによって、透明樹脂層を形成する際の気泡の巻き込み等を抑制することが可能となる。

請求項１記載の発光装置によれば、蛍光体を透明樹脂に含有させる場合に、小粒子が二次粒子化し、かつ粒径が５〜１０μｍの範囲の蛍光体粒子を有する黄色発光および赤色発光蛍光体を使用することにより各蛍光体の発光効率の低下を抑制し、また、赤色発光蛍光体を黄色発光蛍光体に対して１％ないし１００％の割合で配合したことにより、演色性を向上させることができる。

また、請求項２記載の発光装置によれば、透明樹脂層中での蛍光体粒子の分散状態を改善することができ、発光効率の低下を抑制できる。

また、請求項３記載の照明装置によれば、発光効率の低下を抑制しつつ演色性を向上させることができる。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して説明する。図３は本発明の発光装置としての照明装置に適用した第１の実施形態の構成を示す断面図である。同図に示す照明装置１０は、青色を発光する発光ダイオード素子としてのＬＥＤチップ１１を有している。このＬＥＤチップ１１はリード端子１２を有する基板１３上に搭載されている。

基板１３上にはキャビティ１６を形成する反射板１７が設けられ、透明樹脂層１９に対向してレンズ（図示しない。）が配設されている。ＬＥＤチップ１１はキャビティ１６内に配置されている。ＬＥＤチップ１１が配置されたキャビティ１６内には、蛍光体１８を含有する透明樹脂層１９が充填されており、ＬＥＤチップ１１は透明樹脂層１９で覆われている。透明樹脂層１９は例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等で形成される。照明装置１０に印加された電気エネルギーはＬＥＤチップ１１で青色光に変換され、それらの光は透明樹脂層１９中に含有された蛍光体１８でより長波長の光に変換される。そして、ＬＥＤチップ１１から放射される光の色と蛍光体１８の発光色とに基づく色、例えば白色の光が照明装１０から放出される。

上述した蛍光体含有透明樹脂層１９は、例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の液状透明樹脂に蛍光体１８を添加、混合し、このような液状透明樹脂をキャビティ１６内にディスペンサ等を用いて充填することにより形成される。この際、気泡の巻き込み等を抑制する上で、樹脂粘度が０．１〜１０Ｐａ・Ｓの範囲の液状透明樹脂を使用することが好ましい。液状透明樹脂の樹脂粘度が０．１〜１０Ｐａ・Ｓを超えると気泡等が発生しやすくなり、０．１Ｐａ・Ｓ未満であると蛍光体二次粒子を使用しても分散型の蛍光体含有透明樹脂層１９を形成することが困難となる。

透明樹脂層１９中に含有される蛍光体１８は、黄色発光蛍光体および赤色発光蛍光体である。黄色発光蛍光体は、ＬＥＤチップ１１から放射された光により励起されて主として黄色を発光する蛍光体である。また、当該蛍光体の小粒子が二次粒子化し、かつ粒径が５〜１０μｍの範囲の蛍光体粒子を有する。

また、赤色発光蛍光体は、ＬＥＤチップ１１から放射された光により励起されて主として赤色を発光する蛍光体である。また、黄色発光蛍光体に対して１％ないし１００％の割合で配合されるとともに、当該蛍光体の小粒子が二次粒子化し、かつ粒径が前記黄色発光蛍光体とほぼ同一の範囲の蛍光体粒子を有する。

蛍光体含有透明樹脂層１９は発光部として機能するものであり、ＬＥＤチップ１１の発光方向前方に配置されている。黄色ないし橙色発光蛍光体としては、例えばＲＥ₃（Ａｌ，Ｇａ）₅Ｏ₁₂：Ｃｅ蛍光体（ＲＥはＹ、ＧｄおよびＬａから選ばれる少なくとも1種を示す。以下同じ）等のＹＡＧ蛍光体、ＡＥ₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ蛍光体（ＡＥはＳｒ、Ｂａ、Ｃａ等のアルカリ土類元素である。以下同じ）等の珪酸塩蛍光体が用いられる。なお、上記したような蛍光体に代えて、組成に応じて種々の発光色が得られる窒化物系蛍光体（例えばＡＥ₂Ｓｉ₅Ｎ₈：Ｅｕ）、酸窒化物系蛍光体（例えばＹ₂Ｓｉ₃Ｏ₃Ｎ₄：Ｃｅ）、サイアロン系蛍光体（例えばＡＥ_x（Ｓｉ，Ａｌ）₁₂（Ｎ，Ｏ）₁₆：Ｅｕ）等を適用してもよい。

上記した透明樹脂層１９中に含有される蛍光体１８は、例えば図１に示したように、蛍光体の小粒子１、１同士が結合して二次粒子化された蛍光体粒子、すなわち蛍光体二次粒子２を有している。さらに、このような蛍光体二次粒子２は粒径が５〜１０μｍの範囲とされている。

図１に示すような蛍光体二次粒子２は、例えば以下のようにして作製される。すなわち、蛍光体原料を焼成して蛍光体粒子を作製する際に、焼成温度や焼成時間を調整し、蛍光体粒子の結晶成長状態を制御することによって、蛍光体二次粒子２を有する蛍光体粒子を得ることができる。また、蛍光体二次粒子２の粒径は、例えば製造過程で篩分け等の分級処理を実施することにより制御することができる。

このような蛍光体二次粒子２は、結晶成長の過程で蛍光体の小粒子１同士が結合したものであるため、容易には分離しないと共に、二次粒子２の粒径Ｄに相当する粒径を有する一次粒子に近い発光効率を示す。さらに、粒径Ｄと同等の粒径を有する一次粒子に比べて比表面積が大きいため、透明樹脂中での沈降速度が小さいというような特徴を有する。これらによって、蛍光体１８自体の発光効率を低下させることなく、例えば樹脂粘度が０．１〜１０Ｐａ・Ｓの範囲の液状透明樹脂中における蛍光体１８の沈降を抑制することが可能となる。ここで、蛍光体二次粒子２の粒径が５μｍ未満であると、蛍光体１８自体の発光効率の低下が避けられない。一方、粒径が１０μｍを超えると蛍光体二次粒子２であっても透明樹脂中で沈降しやすくなる。

また、蛍光体含有透明樹脂層１９の製造過程においては、例えばディスペンサ内での蛍光体粒子の沈降が抑制されることから、分散型の蛍光体含有透明樹脂層１９を効率よくかつ高精度に作製することができる。これによって、ＬＥＤランプ１０の製造歩留りの向上や製造コストの低減等を図ることが可能となる。

また、例えば青色発光タイプのＬＥＤチップ１１を使用した場合、ＬＥＤチップ１１からの青色発光は蛍光体１８の粒間をすり抜ける青色光と、青色発光で蛍光体１８を励起して発光する黄色光ないしは橙色光との混色により白色発光が得られる。このため、蛍光体１８の粒径や形状がＬＥＤランプ１０の発光色に大きく影響する。蛍光体１８の粒径が大きいと隙間が大きくなるため、蛍光体１８の配合比を増やさないと所望の色温度が得られない。これに対して、蛍光体二次粒子を有する蛍光体１８を使用することによって、蛍光体１８の隙間が減少するため、目的の白色温度を得るのに必要な蛍光体量を削減することが可能となる。これによって、ＬＥＤランプ１０の製造コストを低減することができる。

次に、本発明の実施例およびその評価結果について述べる。比較例１〜３、実施例１〜２を下記のように作成し、図３に示すように、演色性および発光効率を評価した。

比較例１は、黄色発光蛍光体（粒径５〜１０μｍ）のみをシリコーン樹脂に含有させ、色温度６５００Ｋの場合にはシリコーン樹脂に対する蛍光体の配合比を８％とし、色温度５０００Ｋの場合にはシリコーン樹脂に対する蛍光体の配合比を１０％とし、色温度３５００Ｋの場合にはシリコーン樹脂に対する蛍光体の配合比を１２％とし、このときの発光効率を１．０とした。

比較例２は、黄色発光蛍光体（粒径５〜１０μｍ）および赤色発光蛍光体（粒径１〜１０μｍ（黄色発光蛍光体とは異なる範囲））をシリコーン樹脂に含有させ、色温度６５００Ｋの場合にはシリコーン樹脂に対する蛍光体の配合比を８％とするとともに黄色発光蛍光体を９７．５％、赤色発光蛍光体を２．５％とし、色温度５０００Ｋの場合にはシリコーン樹脂に対する蛍光体の配合比を１０％とするとともに黄色発光蛍光体を９６．０％、赤色発光蛍光体を４．０％とし、色温度３５００Ｋの場合にはシリコーン樹脂に対する蛍光体の配合比を１２％とするとともに黄色発光蛍光体を９５．０％、赤色発光蛍光体を５．０％とし、このときの発光効率は比較例１と比較してそれぞれの色温度において０．８、０．７、０．６となった。

比較例３は、黄色発光蛍光体（粒径１〜５μｍ）および赤色発光蛍光体（粒径１〜１０μｍ（黄色発光蛍光体とは異なる範囲））をシリコーン樹脂に含有させ、色温度６５００Ｋの場合にはシリコーン樹脂に対する蛍光体の配合比を８％とするとともに黄色発光蛍光体を９７．５％、赤色発光蛍光体を２．５％とし、色温度５０００Ｋの場合にはシリコーン樹脂に対する蛍光体の配合比を１０％とするとともに黄色発光蛍光体を９６．０％、赤色発光蛍光体を４．０％とし、色温度３５００Ｋの場合にはシリコーン樹脂に対する蛍光体の配合比を１２％とするとともに黄色発光蛍光体を９５．０％、赤色発光蛍光体を５．０％とし、このときの発光効率は比較例１と比較してそれぞれの色温度において０．７、０．６、０．５となった。

実施例１は、黄色発光蛍光体（粒径５〜１０μｍ）および赤色発光蛍光体（粒径５〜１０μｍ（黄色発光蛍光体とは同一範囲））をシリコーン樹脂に含有させ、色温度６５００Ｋの場合にはシリコーン樹脂に対する蛍光体の配合比を８％とするとともに黄色発光蛍光体を９６．０％、赤色発光蛍光体を４．０％とし、色温度５０００Ｋの場合にはシリコーン樹脂に対する蛍光体の配合比を１０％とするとともに黄色発光蛍光体を９５．０％、赤色発光蛍光体を５．０％とし、色温度３５００Ｋの場合にはシリコーン樹脂に対する蛍光体の配合比を１２％とするとともに黄色発光蛍光体を９４．０％、赤色発光蛍光体を６．０％とし、このときの発光効率は比較例１と比較してそれぞれの色温度において０．９、０．８、０．７となった。

実施例２は、黄色発光蛍光体（粒径１〜５μｍ）および赤色発光蛍光体（粒径１〜５μｍ（黄色発光蛍光体とは同一範囲））をシリコーン樹脂に含有させ、色温度６５００Ｋの場合にはシリコーン樹脂に対する蛍光体の配合比を８％とするとともに黄色発光蛍光体を９６．０％、赤色発光蛍光体を４．０％とし、色温度５０００Ｋの場合にはシリコーン樹脂に対する蛍光体の配合比を１０％とするとともに黄色発光蛍光体を９５．０％、赤色発光蛍光体を５．０％とし、色温度３５００Ｋの場合にはシリコーン樹脂に対する蛍光体の配合比を１２％とするとともに黄色発光蛍光体を９４．０％、赤色発光蛍光体を６．０％とし、このときの発光効率は比較例１と比較してそれぞれの色温度において０．８、０．７、０．６となった。

したがって、黄色発光蛍光体と赤色発光蛍光体の粒径範囲を同一にしたから、実施例１および２のものの発光効率は、比較例１〜３のものの発光効率と比較して各色温度において低下を抑制できた。また、赤色発光蛍光体を黄色発光蛍光体に対して１％ないし１００％の割合で配合したことにより、演色性を向上させることができた。

本発明で用いた蛍光体の二次粒子を説明するための図。本発明の発光装置の第１の実施形態の構成を示す断面図。第１の実施形態の実施例の評価結果を示す表。

符号の説明

１蛍光体小粒子、２蛍光体二次粒子、１０発光装置（照明装置）、１１ＬＥＤチップ、１３基板、１６キャビティ、１８蛍光体、１９透明樹脂層。

Claims

青色を発光する発光ダイオード素子と；
発光ダイオード素子を覆うように配置された透明樹脂層と；
透明樹脂層に含有され、前記発光ダイオード素子から放射された光により励起されて主として黄色を発光する蛍光体であって、当該蛍光体の小粒子が二次粒子化し、かつ粒径が５〜１０μｍの範囲の蛍光体粒子を有する黄色発光蛍光体と；
透明樹脂層に含有され、前記発光ダイオード素子から放射された光により励起されて主として赤色を発光する蛍光体であって、前記黄色発光蛍光体に対して１％ないし１００％の割合で配合されるとともに、当該蛍光体の小粒子が二次粒子化し、かつ粒径が前記黄色発光蛍光体とほぼ同一の範囲の蛍光体粒子を有する赤色発光蛍光体と；
を具備することを特徴とする発光装置。
前記透明樹脂層は０．１〜１０Ｐａ・Ｓの範囲の樹脂粘度を有する透明樹脂を充填してなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
請求項１または２記載の発光装置と；
発光装置を配設する基板と；
基板に設けられ、発光装置からの可視光を反射する反射手段と；
発光装置からの可視光を配光制御するレンズと；
を具備していることを特徴とする照明装置。