JP2007042939A

JP2007042939A - 白色発光デバイスおよびカラー表示装置

Info

Publication number: JP2007042939A
Application number: JP2005226858A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Morioka; 達也森岡
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2005-08-04
Publication date: 2007-02-15

Abstract

【課題】演色性の改善された白色発光デバイスおよびそれを含むカラー表示装置を提供する。
【解決手段】白色発光デバイスは、励起光源となる青色発光素子（１０２）と、この青色発光素子から放射される励起光の１部を吸収して蛍光を発する蛍光体（１０５）とを備え、この蛍光体は発光中心としてＳｍを含み、青色発光素子からの励起光とＳｍからの蛍光とが白色光として混合放射されることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、励起光を放射する発光素子とその励起光の一部を吸収して蛍光を放射する蛍光体とを含む白色発光デバイスおよびカラー表示装置に関し、特にそれらの演色性の改善に関する。

近年では、蛍光体とその励起光源としての固体発光素子とを利用して白色光やその他の色の光を実現するために、いわゆる固体照明分野（半導体照明分野）の技術が急速に発展している。

そのような固体照明装置の例として、特許文献１の特開平１０−１０７３２２号公報に開示されているように、青色発光素子とその素子からの青色光を吸収して黄色光を発する蛍光体とを組み合わせた装置がある。また、他の例として、紫外発光素子とそれからの紫外光を吸収して赤色、緑色、および青色を発光するそれぞれの蛍光体とを組み合わせた装置がある。

前者の例では、白色発光中において赤色光の成分が少なくて演色性に乏しいが、色変換に関する損失（ストークス損失）が低くて高発光効率が期待できる。他方、後者の例では、良好な演色性が得られるという特長がある。

図８のグラフは、特許文献１の固体照明装置における発光スペクトル分布を示している。すなわち、このグラフの横軸は光の波長（ｎｍ）を表し、縦軸は発光強度（相対値）を表している。図８に示されているように、発光ダイオードの励起光はピーク波長４６０ｎｍを含むスペクトル分布を有している。他方、ピーク波長５６０ｎｍを含むスペクトル分布は、励起光の１部がＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体に吸収されてその蛍光体から放射される蛍光を表している。そして、蛍光体の分散量を適宜に調整することによって（蛍光体に吸収される励起光量を調整することによって）、励起光と蛍光とのスペクトル強度比を調整して擬似的な白色光を得ている。
特開平１０−１０７３２２号公報

前述の特許文献１に開示された固体照明装置は、赤色の発光成分が少なくて演色性に欠け、一般照明などの応用には適さないという問題がある。また、そのような演色性に欠ける固体照明装置は、カラー表示装置のバックライトのような光源としても適していない。

このような先行技術における状況に鑑み、本発明は、演色性が改善されかつ高効率の白色発光が可能な白色発光デバイスを提供することを目的とし、ひいては色バランスおよび輝度の改善されたカラー表示装置を提供することをも目的としている。

本発明による白色発光デバイスは、励起光源となる青色発光素子と、この青色発光素子から放射される励起光の１部を吸収して蛍光を発する蛍光体とを備え、この蛍光体は発光中心としてＳｍを含み、青色発光素子からの励起光とＳｍからの蛍光とが白色光として混合放射されることを特徴としている。

なお、その青色発光素子の発光ピーク波長は、４８０ｎｍから５００ｎｍの範囲内にあることが好ましい。発光中心としてのＳｍは、シリカ系酸化物、ボロン系酸化物、イットリウム系酸化物、およびオキシ系窒化物から選択される母材中に含まれ得る。

青色発光素子からの励起光を蛍光体ヘ導くための導光体をさらに含むことができ、その導光体を面状の形態にすることによって、面状の照明装置を得ることができる。

また、面状の白色発光デバイスに加えて、少なくとも光強度を変調する光変調手段と、マトリックス状に配置された赤色、緑色、および青色のカラーフィルタとをさらに含むことによってカラー表示装置を得ることができ、その場合に光変調手段はカラーフィルタに照射される白色光を変調制御する。

以上のような本発明によれば、白色発光デバイスにおいて演色性が改善されかつ高効率の白色発光が可能となり、カラー表示装置においてカラーバランスおよび輝度を改善することができる。

（実施例１）
図１は、本発明の実施例１による白色発光デバイスを模式的な断面図で図解している。この白色発光デバイスでは、ピン１００ａが接続されているリードフレーム１０１の凹状のカップ上において波長４９０ｎｍの励起光を放射する発光ダイオードチップ１０２が実装されており、このチップ１０２とリードフレーム１０１とはワイヤ１０４によって電気的に接続されている。また、この発光ダイオード１０２は、もう１本のワイヤ１０３によって、もう１本のピン１００ｂへも電気的に接続されている。そして、この発光ダイオード１０２は、蛍光体が分散された樹脂層１０５によって覆われている。この樹脂層１０５に含まれる蛍光体は、ＳｉＯ₂の母材中において発光中心となるＳｍ（サマリウム）を重量比０．５％で含有している。さらに、この蛍光体含有層１０５上には、レンズ機能を有する砲弾型形状の透明樹脂層１０６が形成されている。

ここで使用されている発光ダイオードチップ１０２の構造は、サファイア基板上に、厚さ２５ｎｍのＧａＮまたはＡｌＮからなるバッファ層が形成され、その上に、厚さ約４μｍのｎ型ＧａＮ層、厚さ約２μｍのｎ型ＡｌＧａＮ下部クラッド層、波長４９０ｎｍの発光が得られる混晶比を有するＧａＩｎＮ活性層、厚さ約２μｍのｐ型ＡｌＧａＮ上部クラッド層、およびｐ型ＧａＮキャップ層が順次積層されている。

図２は、ＳｉＯ₂母材中の発光中心Ｓｍの吸収スペクトルと光の波長との関係を示している。すなわち、図２のグラフにおいて、横軸は光の波長（ｎｍ）を表し、縦軸は光の吸収量（相対値）を表している。他方、図３は、発光中心Ｓｍの発光スペクトルと発光波長との関係を示している。すなわち、図３のグラフにおいて、横軸は光の波長（ｎｍ）を表し、縦軸は発光強度（相対値）を表している。

これらの図２および図３からわかるように、Ｓｍイオンの内殻遷移の作用によって、発光素子から放射される４９０ｎｍ帯の励起光の１部を吸収し、波長５５０ｎｍ近傍の緑色、波長６００ｎｍ近傍のオレンジ色、および波長６５０ｎｍ近傍の赤色にそれぞれピークを有する発光スペクトルを生じる。そして、これらの励起光スペクトルおよび発光スペクトルを混合することによって、演色性の優れた白色発光が得られる。このように、図１の白色発光デバイスは赤色の発光成分を有するので、演色性に優れた白色光を高効率で放射することができる。

図４において、本発明によって得られる白色発光デバイスの放射光が、周知の色度図上に表示されている。この色度図において、４９０ｎｍ帯ＬＥＤの発光スペクトルが白丸印（ｘ＝０．０３、ｙ＝０．２９）で表され、Ｓｍの発光中心を含む蛍光体の発光スペクトルが黒丸印（ｘ＝０．６２、ｙ＝０．３８）で表されている。そして、樹脂層１０５中の蛍光体の分散量を適宜に調整することによって、それらの白丸印と黒丸印を結ぶ線上の位置の色を得ることができるので、図４中の×印（ｘ＝０．３２、ｙ＝０．３２）で表された白色光を得ることができる。また、図１の白色発光デバイスの発光効率を測定したところ、１００（ｌｍ／Ｗ）の高い発光効率を得ることができた。

なお、発光中心Ｓｍを含むための母材としては、本実施例１に例示したシリカ系酸化物以外に、Ｂ₂Ｏ₃などのボロン系酸化物、Ｙ₂Ｏ₃やＹＧｄＯなどのイットリウム系酸化物、さらにＳｉＡｌＯＮなどのオキシ系窒化物などを用いることも可能であり、これらの母材を適宜に選択することによって、波長５５０ｎｍ近傍の緑色、波長６００ｎｍ近傍のオレンジ色、および波長６５０ｎｍ近傍の赤色の発光ピークの強度比を制御することができ、それによって演色性の制御を行うことができる。

（実施例２）
図５は、本発明の実施例２による白色発光デバイスを模式的な斜視図で図解している。図５の白色発光デバイスでは、波長４９０ｎｍの励起光を放射する発光ダイオードチップ１０２がプラスチック部品（パッケージ）５００の凹部５００ａの底面上に実装されている。

そして、この凹部５００ａの内壁には、発光ダイオードチップ１０２からの光を全反射するＡｌのコーディングが施されている。さらに、凹部５００ａ内において、発光ダイオードチップ１０２は、Ｙ₂Ｏ₃母材中に粒子径２〜５μｍのＳｍを含有する蛍光体が分散されたシリコン樹脂５０１によって覆われている。

本実施例２の白色発光デバイスにおいても、実施例１におけると同様の効果が得られる。他方、図５の実施例２では、図１の実施例１に比べて薄型の白色発光デバイスを得ることができる。

（実施例３）
図６は、本発明の実施例３による白色発光デバイスを模式的な斜視図で図解している。この白色発光デバイスでは、波長４９０ｎｍの励起光を放射する発光ダイオード６００が、プラスチックファイバ６０１の一端面部に光学的に結合されるよう配置されている（発光ダイオードとプラスチックファイバとの保持方法については一般的な光学部品によって固定することが可能であり、図６では図示省略されている）。このファイバ６０１の外周面は、直線状スリット領域６０１ａ領域を除いて、アルミニウム膜６０３によってコーティングされている。

そして、ファイバ６０１内部の１部領域には、このファイバ内を伝播する光の１部を散乱させるために、たとえばシリカなどの微粒子からなる散乱体６０２が含められている。すなわち、このプラスチックファイバ６０１の構造では、発光ダイオード６００が結合されている側において散乱を小さくして、光が反対側方向に進むにしたがって散乱が大きくなるように散乱体６０２を分散させることによって、均一な線状の導光体を得ることができる。なお、ファイバ６０１の両端面のうちで発光ダイオード６００が結合されていない側の端面は、ファイバ内を伝播する光がこの端面から外部に放出されないように、アルミニウム膜（図示せず）によってコーティングされている。

散乱体６０２によって散乱された励起光の１部は、アルミニウムコーティング６０３が施されていない直線状スリット領域６０１ａから放射され、プラスチックで形成された面状導光体６０５内に入射させられる。この面状導光体６０５の底面部は励起光を上面方向に均一に放射し得るような形状に設計されており、さらに、この底面部にはアルミニウムコーティング膜６０４が形成されている。そして、面状導光体６０５の上面上では、Ｙ₂Ｏ₃母材中にＳｍの発光中心を含む蛍光体６０７がシリコン樹脂層６０６中に分散されている。

図６に示されているような構成によって、面状の白色発光デバイスが得られ、面状の照明装置として使用することができる。なお、このような面状の照明装置の応用分野としては、車用の室内灯や小型液晶表示装置のバックライトなどに用いることができる。

なお、発光ダイオード６００とプラスチックファイバ６０１との間では、それらの間の光学的結合効率を高めるために、レンズなどを配置することも可能である。

（実施例４）
図７は、本発明の実施例４によるカラー表示装置を模式的な斜視図で図解している。本実施例４においては、波長４９０ｎｍの励起光を放射する複数の発光ダイオード６００がアレイ状に配置されており、これらの発光ダイオード６００からの励起光がプラスチックで形成された面状導光体６０５中へ入射されるように光学的に配置されている。なお、本実施例４におけるこの面状導光体６０５の構成および形状は、実施例３におけるものと同様である。

面状導光体６０５上には、Ｙ₂Ｏ₃母材中にＳｍの発光中心を含む蛍光体６０７が分散されたシリコン樹脂層６０６、およびＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を含む液晶層７００が積層されている。液晶層７００上には、各画素に対応した赤、緑、および青色のカラーフィルタ７０１、７０２、７０３がそれぞれ形成されており、ＴＦＴ液晶層７００中の画素のオン・オフによって、カラーフィルタに照射される光量を制御して各色光の強度の制御を行うことができる。

本実施例４においては、図７に示されているような構成によって、色バランスの改善された高輝度のカラー表示装置を得ることができる。

以上のように、本発明によれば、演色性が良好で発光効率の高い白色発光デバイスおよび色バランスの優れた光輝度のカラー表示装置を提供することができる。

本発明の一実施例による白色発光デバイスを図解する模式的断面図である。Ｓｍの発光中心を含む蛍光体における吸収スペクトルを示すグラフである。Ｓｍの発光中心を含む蛍光体における発光スペクトルを示すグラフである。図１の白色発光デバイスからの放射光の色を示す色度図である。本発明の他の実施例による白色発光デバイスを図解する模式的斜視図である。本発明のさらに他の実施例による平面型白色発光デバイスを図解する模式的斜視図である。本発明のさらに他の実施例によるカラー表示装置を図解する模式的斜視図である。先行技術による白色発光デバイスにおける発光スペクトル分布を示すグラフである。

符号の説明

１００ａ、１００ｂピン、１０１リードフレーム、１０２発光ダイオードチップ、１０３、１０４ワイヤ、１０５ＳｉＯ₂：Ｓｍ蛍光体が分散された樹脂層、１０６透明樹脂層、５００パッケージ、５０１Ｙ₂Ｏ₃：Ｓｍ蛍光体が分散された樹脂層、６００発光ダイオードチップ、６０１プラスチックファイバ、６０２シリカなどの微粒子からなる散乱体、６０３、６０４アルミニウム膜、６０５面状プラスチック導光体、６０６シリコン樹脂層、６０７Ｙ₂Ｏ₃：Ｓｍ蛍光体、７００ＴＦＴ液晶層、７０１カラーフィルタ（赤、緑、青）。

Claims

励起光源となる青色発光素子と、この青色発光素子から放射される励起光の１部を吸収して蛍光を発する蛍光体とを備え、この蛍光体は発光中心としてＳｍを含み、前記青色発光素子からの励起光と前記Ｓｍからの蛍光とが白色光として混合放射されることを特徴とする白色発光デバイス。
前記青色発光素子の発光ピーク波長は４８０ｎｍから５００ｎｍの範囲内にあることを特長とする請求項１に記載の白色発光デバイス。
前記Ｓｍはシリカ系酸化物、ボロン系酸化物、イットリウム系酸化物、およびオキシ系窒化物から選択される母材中に含まれていることを特長とする請求項１または２に記載の白色発光デバイス。
前記青色発光素子からの励起光を前記蛍光体ヘ導くための導光体をさらに含むことを特長とする請求項１から３のいずれかに記載の白色発光デバイス。
前記導光体は面状の形態を有していることを特徴とする請求項４に記載の白色発光デバイス。
請求項５に記載の白色発光デバイスに加えて、少なくとも光強度を変調する光変調手段と、マトリックス状に配置された赤色、緑色、および青色のカラーフィルタとをさらに含み、前記光変調手段は前記カラーフィルタに照射される前記白色光を変調制御することを特長とするカラー表示装置。