JP2007036042A - 発光装置及び光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 蛍光体の光の吸収による、発光効率の低下を抑制する。
【解決手段】 第１光源３と、この第１光源３に比して長波長側に主たる発光波長帯を有する第１及び第２の蛍光体５及び６とを有し、第１及び第２の蛍光体５及び６が、励起波長帯が少なくとも中心波長について互いに異なる波長帯とされ、かつ互いに光学的に分離された構成によって発光装置１を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光装置と、この発光装置を有する光学装置に関する。

ＬＥＤ（Light Emitting Diode；発光ダイオード）は、光スペクトルの特定の領域にピーク波長を有する、つまり特定の波長帯のみが選択的に強められた光を発させることができる固体デバイスとして知られている。
近年、青色域波長帯の光のみを効率的に発光させることが可能な、窒化ガリウムをベースとするタイプのＬＥＤが開発され、広く用いられている。

また、この青色ＬＥＤと、青色光により励起されて黄色光を発する蛍光体とが組み合わされた構成による、図３に示すような白色光の形成が可能とされた発光装置、所謂白色ＬＥＤも提案されている。
この従来の発光装置１０１においては、反射によって発光の指向性を向上させるリフレクタカップフレームなどの筐体１０２の内部に、活性化によって青色の一次光を放射するInGaNを含む光源１０３が、リード線により外部電源に接続された状態で載置されている。この光源１０３は、例えば透明エポキシ樹脂による充填材１０４によって被覆される。また、充填材１０４の中には多数の黄色発光蛍光体１０５が埋め込まれ、更に、必要に応じて充填材１０４及び筐体１０２の上面に、発光の発散角調整のためのレンズ１０６が設けられる。

このような、青色ＬＥＤと黄色蛍光体との組み合わせによる発光装置（白色ＬＥＤ）は、広い波長領域に及ぶスペクトル形状を有するために視感度曲線を考慮した輝度が高く、現在、携帯電話やカムコーダーに付属されている表示装置をはじめとする光学装置において、例えば液晶ディスプレイにおけるバックライトとして使用されている。
しかしながら、この白色ＬＥＤにおいては、青色ＬＥＤと黄色蛍光体の組合せを利用しているために、純粋な緑色や赤色などの呈色がカラーフィルターに完全に依存してしまい、色純度の点で充分な特性を有しているとは言い難い。

これに対して、表示装置におけるディスプレイの色域を拡大させるなどの目的で、スペクトル形状が急峻な青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤを使用したバックライトが提案されている。

ＬＥＤの発光は、カラーフィルタ等によらなくともそれ自体の色純度が高いため、例えば液晶ディスプレイなどの表示装置を構成する発光装置に組み込んだ場合に鮮やかな色を得ることができるが、特に緑色ＬＥＤは、発光特性のバラツキが他色と比べて多いことが報告されている（例えば非特許文献１参照）。
一般に、緑色ＬＥＤの発光層に用いられる材料はInGaNであるが、InはGaNにとって不純物であり、製造におけるInの固溶によってGaNの結晶性が損なわれる可能性が高い。緑色InGaNは、例えば原料としてアンモニアを用いるOMVPE（OrGaNometallicVapor Phase Epitaxy）法によって作製を行う場合、InNのモル分率が高いために、組成不安定性が起こりやすいことが指摘されている。また、InN組成が高くなるほど平衡温度が低く熱分解しやすい（参考文献：青色発光デバイスの魅力 赤崎勇 編著）。したがって、この方法では低温成長させることが困難であるために、組成不安定性を克服することも困難と考えられる。

InGaN中のInNの組成不安定性が起こりやすいことは、ＬＥＤの発光におけるバンドギャップのバラツキ、つまり発光色のバラツキにつながる。緑色は、視感度依存の強い波長帯に相当するために、主波長（中心波長）のバラツキはＬＥＤの発光における輝度の大きなバラツキの原因ともなる。
すなわち、青、赤、緑の3色のＬＥＤを使用したバックライトの作製において、緑色ＬＥＤは輝度に大きく影響するため、ＬＥＤの発光特性のバラツキは、バックライト特性、液晶ディスプレイの画像特性に大きな影響を及ぼすことになる。

この問題に対し、赤色や緑色の蛍光体を青色ＬＥＤに塗布するという手法が提案されている（例えば非特許文献２参照）。また、YAG蛍光体を使用した白色ＬＥＤの場合には、YAGの発光が黄色発光であるために不足する赤色成分を、YAG蛍光体に赤色蛍光体を混合することによって補う手法が知られている。
蛍光体は、通常、母体と呼ばれる材料の中に発光中心呼ばれる元素が0.01mol%〜10mol%固溶されている。青色ＬＥＤで励起できる赤色蛍光体は、発光中心としてEu²⁺の4f-5d軌道を利用して発光するものが多い。青色ＬＥＤで励起できる赤色蛍光体の母体組成としては、硫化物、窒化物、酸窒化物などが提唱されている（例えば非特許文献３及び４参照）。この4f-5d軌道を利用する発光は、5d軌道がむき出しで存在するため外部の影響すなわち母体結晶に大きく影響を受け幅広い励起帯になる。また、青色ＬＥＤで発光させることができる赤色ＬＥＤは、励起帯は、青色領域が緑色領域または黄色領域にまで広がっている傾向にある。

このように、赤色ＬＥＤの励起帯が緑色の波長帯域にまで広がって存在しているために、緑色蛍光体や黄色蛍光体と赤色蛍光体が混合された構成においては、緑色蛍光体や黄色蛍光体からの光が赤色蛍光体に吸収されてしまう。このため、吸収される分を考慮して予め緑色蛍光体もしくは黄色蛍光体を増やす必要があるが、蛍光体の増加は、多くの蛍光体が白色粉体であっても完全拡散特性を有するものではないために、各光の吸収量の増大化と発光効率の低下を招来してしまう。
この問題に対し、励起源となる単結晶層からの発光を吸収して、エピタキシャル成長させた発光層が吸収し発光する構成が提案されている（例えば特許文献１参照）。この構成において、発光層は、例を挙げると緑色発光層と赤色発光層であり、それぞれ接触しないでエピタキシャル成長させた発光層である。
Jpn.J.Appl.Phys.,35,L1638(1996) Phosphor global summit Feb.28 in San Diego, Ca.,USA予稿集 J. Lumin., 111,139-145 (2005) 305回蛍光体同学会講演予稿 Nov.26th,2004 特開2003-78165号公報 特表2002-531956号公報 特開2004-71357号公報

しかしながら、発光層として再度エピタキシャル成長した層を設けることは、製造において煩雑となるプロセス、例えばフォトリソグラフィープロセスやエッチングプロセスが必要となることから、蛍光体粒子の分散配置による場合に比べて、製造コストの増大や、タクトタイムの増加が問題となる。
すなわち、赤色蛍光体が4f-5d軌道を利用するものである場合をはじめとして、青色ＬＥＤによる励起に基づいて発光する赤色蛍光体が緑色蛍光体や黄色蛍光体と混合された構成は、発光効率や製造に関する前述の問題から、最適とは言い難い。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、発光効率低下の抑制が図られた発光装置を提供することにある。

本発明に係る発光装置は、第１光源と、この第１光源に比して長波長側に主たる発光波長帯を有する、第１及び第２の蛍光体とを有し、前記第１及び第２の蛍光体の励起波長帯が、少なくとも中心波長について互いに異なる波長帯とされ、前記第１の蛍光体が、前記第２の蛍光体から少なくとも光学的に分離されていることを特徴とする。

本発明に係る光学装置は、発光装置からの光を外部に出力する構成を有する光学装置であって、前記発光装置が、第１光源と、この第１光源に比して長波長側に主たる発光波長帯を有する、第１及び第２の蛍光体とを有し、前記第１及び第２の蛍光体の励起波長帯が、少なくとも中心波長について互いに異なる波長帯とされ、前記第１の蛍光体が、前記第２の蛍光体から少なくとも光学的に分離されていることを特徴とする。

本発明に係る発光装置によれば、第１光源と、この第１光源に比して長波長側に主たる発光波長帯を有する第１及び第２の蛍光体とを有し、第１及び第２の蛍光体が、励起波長帯が少なくとも中心波長について互いに異なる波長帯とされ、かつ互いに光学的に分離されていることから、各蛍光体による、第１光源や他方の蛍光体からの光の吸収が抑制され、発光効率の維持ないし向上が図られる。

本発明に係る光学装置によれば、発光装置からの光を外部に出力する構成を有する光学装置であって、前記発光装置が、第１光源と、この第１光源に比して長波長側に主たる発光波長帯を有する第１及び第２の蛍光体とを有し、第１及び第２の蛍光体が、励起波長帯が少なくとも中心波長について互いに異なる波長帯とされ、かつ互いに光学的に分離されていることから、低消費電力化が図られる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

＜発光装置の実施の形態＞
本発明に係る発光装置の実施の形態を説明する。
本実施形態に係る発光装置１は、図１に示すように、筐体２内に、第１光源３がリード線により外部電源に接続された状態で載置され、この第１光源３を覆うように、充填材４が、隔壁５と第１光源３との間に一部介在するように充填された構成を有する。充填材４には、隔壁５を挟んで両側に、第１光源３に比して長波長側に主たる発光波長帯を有する第１及び第２の蛍光体６及び７が、それぞれ多数配置形成され、各蛍光体６及び７が、互いに対して少なくとも光学的に分離された状態とされている。
本実施形態においては、隔壁５の高さ（図中ｙ）が充填材４の厚さ（図中ｚ）に比して小とされ、隔壁５の底部の直下位置に第１光源３の配置部が設けられるとともに、隔壁５の底部よりも高い位置にのみ、第１及び第２の蛍光体６及び７が分散配置された構成とされることから、より確実に第１の蛍光体６と第２の蛍光体７とが光学的に分離された状態となる。

第１光源３は、青色ＬＥＤによることができ、一般にGaNによって発光層が構成される。Ｉｎが混入されることによって所定の発光波長帯が選定されるものではあるが、Ｉｎの固溶量が、例えば緑色ＬＥＤと比べて少ないために、組成や特性のバラツキも少なく制御することができ、色領域も赤色ＬＥＤと同様に視感度の影響が少ないため、視認される発光特性のバラツキも、例えば緑色ＬＥＤに比しておのずと小さくなる。

充填材４を構成する材料としては、エポキシ樹脂のほか、シリコーン、またシリコーンとエポキシ樹脂とのハイブリット剤による構成とすることなども可能である。
隔壁５は、少なくとも第１及び第２の蛍光体６及び７の少なくとも一方の主たる発光波長帯において、反射率が透過率に比して大となる材料により構成される。この材料としては、アクリル樹脂やポリカーボネート、塩化ビニルなどが挙げられるが、白色のものをはじめとして種々の材料を用いることができ、筐体２と共通の材料として製造工程の簡略化を図ることも可能である。

第１の蛍光体６は、緑色蛍光体によることができ、具体的には(Sr_1-x-yCa_xBa_y)Ga₂S₄:Euを例示することができる(0≦x≦1，0≦y≦1，x+y≦1)。(Sr_1-x-yCa_xBa_y)Ga₂S₄:Eu (0≦x,y≦1)は、組成を選定することによって波長501nm〜558nmの範囲でスペクトルのトップピーク（発光中心波長）を変化させることができるが、ここでは、波長530nm〜540nmにピークが存在するx,y=0のSrGa₂S₄:Euの蛍光体を例として説明する。
従来の装置構成において用いられてきた視感度の影響が大きい波長帯域である緑色のＬＥＤは、青色ＬＥＤを構成する結晶にＩｎなどの不純物を多量に混ぜて発光層が形成されるために、結晶性の不安定化や発光波長及び輝度の再現性の低下が指摘されているが、本実施形態に係る発光装置構成によれば、緑色領域の発光特性バラツキの低減が図られたバックライトを構成することが可能となる。
なお、この第１の蛍光体６を黄色蛍光体によって構成する場合には、例えばYAG:Ceを用いることができる。このYAG:Ce蛍光体は、発光波長の中心が550〜580nmと非常に広いスペクトルを有している。

第２の蛍光体７は、赤色蛍光体によることができ、具体的にはCaS:Euを例示することができる。CaS:Euの励起スペクトルを図２に示す。このスペクトル図から明らかなように、このCaS:Euによる赤色蛍光体は、青色領域から緑色領域にかけての広い範囲に励起スペクトルが存在している。したがって、従来の発光装置におけるように、緑色蛍光体や黄色蛍光体と赤色蛍光体とが混在する構成による場合には、緑色蛍光体や黄色蛍光体からの発光が赤色蛍光体に吸収されてしまうため、輝度や発光効率の低下が生じてしまう。

本実施形態に係る発光装置の第１の例として、まず、第１の蛍光体６として緑色蛍光体を、第２の蛍光体７として赤色蛍光体を用いた例について説明する。
本例においては、発光装置１の作製を、まず隔壁５の底部となる高さにまで、最終的に充填材４となるレジンの注入と固化を行った後で、第１の蛍光体（緑色蛍光体）６を含むレジンと第２の蛍光体（赤色蛍光体）７を含むレジンとを、隔壁５を挟んで両側に分けて注入して固化させることにより、図１に示す構成による発光装置１を得た。目標色度を(0.300,0.300)とし、この色度に基づいて緑色蛍光体量と赤色蛍光体量を調整したところ、蛍光体の量をレジン100に対して蛍光体5に調整した条件下では、緑色蛍光体と赤色蛍光体の量の比は約8.5:1.5であった。また、本例における発光装置１のサイズは、厚さ0.6mm，幅5mm，チップサイズ0.3mm角とした。

一方、比較例として、緑色蛍光体と赤色蛍光体を最終的に充填材４となる同一のレジン中で混合して青色ＬＥＤにコーティングした、隔壁のない発光装置を作製した（図示せず）。この比較例における従来の発光装置のサイズは、前述の本実施形態における発光装置１と同様に、厚さ0.6mm，幅5mm，チップサイズ0.3mm角とした。目標色度(0.300,0.300)となるように、緑色蛍光体と赤色蛍光体の混合比を調整した。なお、蛍光体の量は、レジン100に対して蛍光体5になるようにした。また、緑色蛍光体と赤色蛍光体の量の比は約9:1とした。
前述の、本実施形態に係る発光装置において、第１光源３に２０ｍＡの電流を流した状態で積分球により白色発光の輝度を測定した結果、比較例の従来構成による発光装置に比して発光効率の向上を確認することができた。
この構成によれば、赤色蛍光体と緑色蛍光体の接触を抑制することが可能となるのみならず、光学的にも分離された構成によって、輝度及び発光効率の低下を抑制することができる。

また、図示しないが、隔壁５の底部の高さよりも低い位置にまで第１及び第２の蛍光体６及び７を分散させた構成においても、赤色と緑色の層の接触部分とその近傍では緑色発光の赤色蛍光体による吸収が若干生じるのみで、吸収による影響は均一混合による比較例に比して低減されており、発光効率についても図１に示した（第１及び第２の蛍光体を隔壁の底部よりも高い位置にのみ分散させた）構成におけるほどではないものの、比較例の構成による場合に比して1.21倍向上することが確認できた。

特許文献２に記載の手法による場合、青色ＬＥＤに緑色蛍光体と赤色蛍光体が樹脂中に分散され、青色ＬＥＤチップ上に塗布された構成を有するために、蛍光体に一部含まれるCaSrS:EuやSrS:Euによって緑色光が吸収されてしまう（例えば非特許文献３参照）。また、特許文献３に記載されているような、蛍光体の層を平面的に積層する手法や縦方法に層として配列する手法による場合にも、光は接触面を通して拡散していくため、赤色蛍光体による吸収が生じてしまうと考えられる。
しかしながら、本実施形態に係る発光装置１におけるように、第１及び第２の蛍光体６及び７が、少なくとも光学的に分離された構成による場合には、前述したように赤色蛍光体による緑色蛍光体からの発色の吸収を抑制することが可能となる。

次に、本実施形態に係る発光装置の第２の例として、第１の蛍光体６として黄色蛍光体を、第２の蛍光体７として赤色蛍光体を用いた例について説明する。第１黄色蛍光体と赤色蛍光体の例を示す。
本例では、黄色蛍光体としてYAG:Ceを用いた。このYAG:Ceは、発光波長の中心が550〜580nmに渡る幅広いスペクトルを有することが知られている。
しかしながら本例においても、第１の蛍光体６からの主たる発光波長帯が第２の蛍光体７（赤色蛍光体；CaS:Eu）の主たる励起スペクトル範囲に含まれる構成となるため、従来構成による限り発光効率が低下すると考えられる。これに対して、本発明構成による発光装置の輝度を、積分球によって前述の例と同じ条件で測定したところ、従来構成による場合に比して輝度が約20%増大することが確認できた。

以上の実施の形態で説明したように、赤色蛍光体と緑色蛍光体（または黄色蛍光体）とが少なくとも光学的に分離された構成によって、発光効率を向上させることが可能となる。すなわち、本発明構成によれば、赤色蛍光体の励起スペクトルの中心波長が緑色や黄色の波長帯域に存在していることに起因する緑色発光や黄色発光の吸収を抑制することが可能となる。
また、本発明構成によれば、赤，青，緑の発光体となる第１光源３と第１及び第２の蛍光体６及び７とを同一の筐体内に設けた構成により、各色を互いに混合することが容易となるため、例えば本発明に係る発光装置によって、画素表示機能を有する液晶ディスプレイなどの光学装置を構成する場合にも、輝度及び発光効率の向上を図ることができ、製造における煩雑さやコストの低減もなされるものである。

すなわち、本発明構成によれば、青色領域から黄色領域の間に励起スペクトルを持つ赤色蛍光体を使用する際に、赤色蛍光体と緑色蛍光体、黄色蛍光体の混合を極力制限することによって発光効率を改善でき、ＬＥＤバックライトなどの発光装置のみならず、例えばこの発光装置による液晶ディスプレイ及びＬＥＤ照明などの光学装置を提供することができるものである。

以上、本発明に係る発光装置及び光学装置の実施の形態を説明したが、説明で挙げた使用材料及びその量、処理時間及び寸法などの数値的条件は好適例に過ぎず、説明に用いた各図における寸法形状及び配置関係も概略的なものである。すなわち、本発明は、この実施の形態に限られるものではない。

本発明に係る発光装置の一例の構成を示す概略構成図である。 赤色蛍光体の一例の励起スペクトルを示す模式図である。 従来の発光装置の構成を示す概略構成図である。

符号の説明

１・・・発光装置、２・・・筐体、３・・・第１光源、４・・・充填材、５・・・隔壁、６・・・第１の蛍光体、７・・・第２の蛍光体、１０１・・・従来の発光装置、１０２・・・筐体、１０３・・・光源、１０４・・・充填材、１０５・・・蛍光体、１０６・・・レンズ

Claims (10)

1. 第１光源と、該第１光源に比して長波長側に主たる発光波長帯を有する、第１及び第２の蛍光体とを有し、
   前記第１及び第２の蛍光体の励起波長帯が、少なくとも中心波長について互いに異なる波長帯とされ、
   前記第１の蛍光体が、前記第２の蛍光体から少なくとも光学的に分離されている
   ことを特徴とする発光装置。
2. 前記第１及び第２の蛍光体が、前記第１光源を被覆する充填材中に、多数分散されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記第１の蛍光体と前記第２の蛍光体との間に、少なくとも前記第１の蛍光体と前記第２の蛍光体の主たる発光波長帯において、反射率が透過率に比して大となる材料による隔壁が設けられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
4. 前記第１の蛍光体と前記第２の蛍光体との間に、前記第１の蛍光体と前記第２の蛍光体の少なくとも一方の主たる発光波長帯において、反射率が透過率に比して大となる材料による隔壁が設けられ、
   前記隔壁と前記第１光源との間に、前記充填材の一部が介在する配置とされた
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
5. 前記第１の蛍光体と前記第２の蛍光体との間に、前記第１の蛍光体と前記第２の蛍光体の少なくとも一方の主たる発光波長帯において、反射率が透過率に比して大となる材料による隔壁が設けられ、
   前記隔壁の高さが、前記１光源を被覆する充填材の厚さに比して小とされる
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
6. 前記第１の蛍光体及び前記第２の蛍光体が、前記充填材中で、前記隔壁の底部以上の高さにのみ分散配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
7. 前記第１光源の主たる発光波長帯が、前記第１の蛍光体の主たる発光波長帯に比して短波長側に選定され、前記第１の蛍光体の主たる発光波長帯が、前記第２の蛍光体の主たる発光波長帯に比して短波長側に選定され、
   前記第１の蛍光体が、前記第１光源からの主たる発光によって励起され、前記第２の蛍光体が、前記第２光源からの主たる発光によって励起される
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
8. 前記第１光源が青色光光源とされ、前記第１の蛍光体が赤色光光源とされ、前記第２の蛍光体が緑色光光源とされる
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
9. 発光装置からの光を外部に出力する構成を有する光学装置であって、
   前記発光装置が、
   第１光源と、該第１光源に比して長波長側に主たる発光波長帯を有する、第１及び第２の蛍光体とを有し、
   前記第１及び第２の蛍光体の励起波長帯が、少なくとも中心波長について互いに異なる波長帯とされ、
   前記第１の蛍光体が、前記第２の蛍光体から少なくとも光学的に分離されている
   ことを特徴とする光学装置。
10. 前記発光装置による、背面照射型の画素表示部を有する
    ことを特徴とする請求項９に記載の光学装置。

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