JP2007157831A - 発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】比較的簡易な構成により高い理論限界効率を保ちつつ、平均演色数（Ｒａ）や特殊演色指数（Ｒ９）を良好にできる発光装置を提供する。
【解決手段】３５０ｎｍ〜４２０ｎｍの発光ピーク波長を有する発光素子と、この発光素子からの光を吸収して、異なる発光ピーク波長を有する蛍光を放射する蛍光体とを備える発光装置であって、前記蛍光体は、バンドギャップ間の遷移によって発光ピーク波長が制御されるような半導体材料にて形成され、この発光ピーク波長が異なる４つ以上の蛍光により構成されている発光装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般照明用に用いられる、発光素子と蛍光体とを組み合わせた発光装置に関する。
従来、照明分野においては、管球を使用したものが主流であった。しかしながら近年、紫外領域から青領域の発光ダイオードまたは半導体レーザの光学特性の著しい向上により、これを励起光源とし、蛍光体を組み合わせた白色発光装置が製品化され、これらの一部は照明分野にも用いられ固体照明の分野を築きつつある。
このような白色発光装置の光学構成として、３５０ｎｍ〜４２０ｎｍの近紫外領域の発光素子と、この励起光を吸収し赤色、緑色、青色で発光する蛍光体を組合せ、白色を得る構成が開発されている（たとえば特許文献１（特開２００２−２０３９８９号公報）を参照。）。しかしながら、これらの構成においては色バランスの関係で白色系の光束は低くなることが指摘されている。
そこで、たとえば特許文献２（国際公開０３／０３２４０７号パンフレット）には、特許文献１に記載の発光装置に代えて、青色、黄色、緑色、赤色蛍光体と近紫外発光素子を組み合わせることによって、高光束で、平均演色数（Ｒａ）の高い白色系の光を放つ半導体発光装置が開示されている。さらに、この特許文献２においては、黄色蛍光体として近紫外発光素子の励起光を効率よく吸収する希土類元素を付活した新規な黄色蛍光体（ＳｒＢａＣａＥｕ）2ＳｉＯ4系が開示されている。
しかしながら、特許文献２の実施例１における理論限界効率は１４０〔ｌｍ／Ｗ〕程度、平均演色数（Ｒａ）は６８程度にしかならない。一方、蛍光体の組合せを変えた特許文献２の実施例３では、理論限界効率は１７０〔ｌｍ／Ｗ〕程度、平均演色数（Ｒａ）は９２程度のものが得られている。
このように一般的な希土類元素を付活した蛍光体を用いた場合には、発光中心となる希土類元素による所望の発光波長と励起光を十分に吸収する吸収帯を有する母材との最適な組合せを得ることが困難であり、理論限界効率を最適化するような発光ピーク波長や発光スペクトルを選択することが困難である。このため一般的には、様々な蛍光体の組合せを試して理論限界効率および平均演色数（Ｒａ）の最適な組合せを選択しているのが実情であり、従来例である青色、緑色、赤色に黄色蛍光体を加える構成においても、白色の光束は向上しているものの、理論限界効率に対しては十分最適化がなされていない。
ここで、理論限界効率とは、光強度１Ｗの励起光が蛍光体に照射されたとき、蛍光体の内部量子効率（蛍光の光子／励起光の光子の比と定義される）が１００％の状態で、かつ、励起光全てが蛍光体に吸収されたときに、得られる光束を指す。たとえば、特許文献２の実施例１の場合では、上記場合に１４０（ｌｍ）程度の光束が得られている。なお、実際の発光装置における発光効率（ｌｍ／Ｗ）とは、この蛍光体の理論限界効率に蛍光体の内部量子効率、励起光の吸収率と、発光素子の発光効率を乗じたものとなる。このため、発光装置の発光効率を向上させるためには、蛍光体の理論限界効率をできるだけ高くしておくことが好ましい。
さらに、発光装置を照明用途として用いる場合の指標の１つである、太陽光（参照光Ｄ６５）のもとで見た物体と、発光装置の光源によって見た物体との色の見え方の違いを示す、所謂、平均演色数（Ｒａ）も高い方が好ましい。この平均演色数（Ｒａ）は、たとえば蛍光灯などの用途である一般照明用においては８０〜９０以上が一般的であり、固体光源である発光素子を用いた半導体発光装置においてもこの程度の値が要求される。そして、この平均演色数（Ｒａ）も発光スペクトル形状に大きく依存する。
さらに、赤色の物体を見た場合に、どの程度綺麗な赤色に見えるのかという特殊演色指数（Ｒ９）も高い方が、より特性の良好な発光装置となり得るが、従来技術を開示した文献において、これらの点については述べられていない。
特開２００２−２０３９８９号公報 国際公開第２００３／０３２４０７号パンフレット 特開平１０−２４２５１３号公報 特開２００４−３５９８４２号公報
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、比較的簡易な構成により高い理論限界効率を保ちつつ、平均演色数（Ｒａ）や特殊演色指数（Ｒ９）を良好にできる発光装置を提供することである。
本発明の発光装置は、３５０ｎｍ〜４２０ｎｍの発光ピーク波長を有する発光素子と、この発光素子からの光を吸収して、異なる発光ピーク波長を有する蛍光を放射する蛍光体とを備える発光装置であって、前記蛍光体は、バンドギャップ間の遷移によって発光ピーク波長が制御されるような半導体材料にて形成され、この発光ピーク波長が異なる４つ以上の蛍光により構成されていることを特徴とする。
ここにおいて、前記蛍光体は量子効果が生じるナノサイズの粒子径からなり、この効果によって形成される量子準位間の遷移によって発光ピーク波長が制御されることが、好ましい。
本発明の発光装置における発光素子は、窒化物半導体を含む発光ダイオードまたは半導体レーザであることが好ましい。
本発明の発光装置において、前記複数の蛍光体の発光ピーク波長は４３０ｎｍ〜７６０ｎｍの範囲に選ばれることが、好ましい。
また本発明の発光装置において、前記複数の蛍光体の発光ピーク波長は、略等間隔に配置されることが好ましい。
本発明の発光装置において、複数の蛍光体の発光ピーク波長は、それぞれ、以下の（ａ）〜（ｅ）から選ばれる少なくともいずれかであることが好ましい。
（ａ）複数の蛍光体の発光ピーク波長のうち少なくとも１つが４４０ｎｍ〜４８０ｎｍの範囲に選ばれる、
（ｂ）複数の蛍光体の発光ピーク波長のうち少なくとも１つが５００ｎｍ〜５４０ｎｍの範囲に選ばれる、
（ｃ）複数の蛍光体の発光ピーク波長のうち少なくとも１つが６００ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲に選ばれる、
（ｄ）複数の蛍光体の発光ピーク波長のうち少なくとも１つが５４０ｎｍ〜５６０ｎｍの範囲に選ばれる、
（ｅ）前記複数の蛍光体の発光ピーク波長のうち少なくとも２つは５７０ｎｍ〜６１０ｎｍの範囲と６１０ｎｍ〜６５０ｎｍの範囲に選ばれる。
本発明の発光装置は、発光素子と、発光素子が実装されたリードフレームと、発光素子およびリードフレームに設けられた電力供給部との間を電気的に接続するワイヤーと、発光素子から放射される励起光が照射される、光透過性樹脂中に分散された蛍光体とを備えることが、好ましい。かかる構成の発光装置において、発光素子は、前記光透過性樹脂により覆われていることが好ましい。また、前記光透過性樹脂中に分散された蛍光体より放射される蛍光が空間に放射される光放射状態を制御し得る、光透過性樹脂からなる光学部をさらに備えることが、好ましい。
また本発明の発光装置は、発光素子と、発光素子から放射される励起光が光学的に結合される導光体と、励起光が導光体に光学的に結合される領域以外の領域に、少なくとも、前記蛍光体が分散された光透明性樹脂からなる光学部を含むことが、好ましい。かかる構成の発光装置において、前記導光体は光ファイバ構造からなることが好ましい。
本発明の構成を有する発光装置によれば、理論限界効率と演色性を良好にすることができ、その結果、発光装置の発光効率が向上された（ｌｍ／Ｗ）白色発光装置を実現することができる。
本発明の発光装置は、３５０ｎｍ〜４２０ｎｍの発光ピーク波長を有する発光素子と、この発光素子からの光を吸収して、異なる発光ピーク波長を有する蛍光を放射する蛍光体とを基本的に備える。本発明の発光装置は、このような構成において、前記蛍光体が、バンドギャップ間の遷移によって発光ピーク波長が制御されるような半導体にて形成され、この発光ピーク波長が異なる４つ以上の蛍光により構成されていることを特徴とする。このような発光装置によれば、理論限界効率と演色性とを良好にすることができ、結果として発光効率が向上された発光装置を実現することができる。
本発明の発光装置において、蛍光体を形成する半導体材料としては、当該半導体材料中に形成されるバンドギャップ間の遷移によって発光ピーク波長が制御されるようなものであれば特に制限されるものではなく、たとえばＺｎ1-xＣｄxＳｅやＩｎＧａＮなどを挙げることができる。このような半導体材料を用いた蛍光体の発光スペクトル特性は、バンド間遷移を用いるため発光ピーク波長に関わらず、発光スペクトルの波長依存性が殆どなく、また半値幅が比較的狭い（〜４０ｎｍ以下程度）という特徴を有する。
また本発明の発光装置においては、発光ピーク波長が異なる４つ以上（好ましくは４〜５）の蛍光により構成される。発光ピーク波長を構成する蛍光が３つ以下であると、（１）高い理論限界効率が得られない、（２）高い演色性が得られない、という理由により、本発明の課題を達成することができない。
ここで、図１は、本発明の発光装置に好適に用いられる蛍光体の発光スペクトルの一例を示している。なお、図１には、励起光源の発光スペクトルは省略して示している。本発明においては、複数の蛍光体の発光ピーク波長は４３０ｎｍ〜７６０ｎｍの範囲に選ばれることが好ましい。前記発光ピーク波長が４３０ｎｍ未満である場合には、視感度が殆どない傾向にあるためであり、また、前記発光ピーク波長が７６０ｎｍを超える場合にも、視感度が殆どない傾向にあるためである。
本発明の発光装置において、複数の蛍光体の発光ピーク波長は、それぞれ、以下の（ａ）〜（ｄ）であることが好ましい。
（ａ）複数の蛍光体の発光ピーク波長のうち少なくとも１つが４４０ｎｍ〜４８０ｎｍの範囲に選ばれる、
（ｂ）複数の蛍光体の発光ピーク波長のうち少なくとも１つが５００ｎｍ〜５４０ｎｍの範囲に選ばれる、
（ｃ）複数の蛍光体の発光ピーク波長のうち少なくとも１つが６００ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲に選ばれる、
（ｄ）複数の蛍光体の発光ピーク波長のうち少なくとも１つが５４０ｎｍ〜５６０ｎｍの範囲に選ばれる。
このように、目で感じることができる４３０ｎｍ〜７６０ｎｍの範囲の複数の蛍光からなる発光ピーク波長において、特に光の三原色となる、４４０〜４８０ｎｍの青色の波長帯域（すなわち、上記（ａ）の発光ピーク波長）、５００ｎｍ〜５４０ｎｍの緑色の波長帯域（すなわち、上記（ｂ）の発光ピーク波長）、６００ｎｍ〜６８０ｎｍの赤色の波長帯域（すなわち、上記（ｃ）の発光ピーク波長）の蛍光をそれぞれ発光する蛍光体に加え、その中間色である５４０ｎｍ〜５６０ｎｍの波長帯域（すなわち、上記（ｄ）の発光ピーク波長）の蛍光を発光する蛍光体を用いることによって、理論限界効率の向上と励起光と蛍光の波長で決まるストークス損失を低減することができる。
理論限界効率が向上する理由は、光束（ｌｍ）は、光パワー（ｍＷ）のスペクトル分布に比視感度曲線を乗じ各波長帯で積分することにより算出することができるが、この比視感度曲線の分布が５５０ｎｍ帯近傍で最大値を有することによると考えられる。
ここで、赤色、緑色、青色を発光する蛍光体に加えて発光ピーク波長の異なる４つ目の蛍光体として５４０〜５６０ｎｍの範囲外を選択した場合（たとえば、５３０ｎｍや５８０ｎｍの場合）であっても、蛍光体の理論限界効率は比較的高い値を得ることができる（たとえば２３０（ｌｍ／Ｗ））。しかし、上述したように、４つ目の蛍光体として５４０〜５６０ｎｍの範囲に選ばれる発光ピーク波長を有するものを用いることによって、より高い理論限界効率を得ることができる。
また、ストークス損失は励起光の励起波長と蛍光の発光波長の比で決まり（赤色の蛍光体の方が大きくなる）、赤、緑、青の離散的な３色のスペクトルに比べて、これらの間の発光波長を有する蛍光体を入れることによって、この損失を低減することができる。
さらに、上記（ａ）〜（ｄ）の発光ピーク波長を兼ね備えた場合には、その発光スペクトル形状により、高い演色性（Ｒａ）を実現できる（たとえば、８０程度）。
たとえば、図１に示す例では、上記（ａ）の発光ピーク波長を有する蛍光体として、発光ピーク波長４６０ｎｍの蛍光体を用い、上記（ｂ）の発光ピーク波長を有する蛍光体として、発光ピーク波長が５１０ｎｍの蛍光体を用い、上記（ｃ）の発光ピーク波長を有する蛍光体として、発光ピーク波長が６１０ｎｍの蛍光体を用い、上記（ｄ）の発光ピーク波長を有する蛍光体として、発光ピーク波長が５６０ｎｍの蛍光体を用いた例を示している。ここで、各蛍光体の分散割合は、ＣＩＥ色度図上において白色（ｘ＝０．３３、ｙ＝０．３３）が得られるよう、また演色性が良好となるよう、たとえば図１で示されるような各蛍光体の発光強度特性となるよう調整されてなる。このような図１に示す例の各蛍光体を用いた場合、蛍光体の理論限界効率として２４６（ｌｍ／Ｗ）を有する白色の発光装置を実現できる。
図２および図３は、蛍光体の断面構造（図２（ａ）、（ｂ））と、コア径が異なる場合における、コア中に形成される量子準位と蛍光の発光状態（図３（ａ）、（ｂ））とを模式的に示す図である。本発明における蛍光体は、上述のように、バンドギャップ間の遷移によって発光ピーク波長が制御されるような半導体材料によって形成されるが、図２（ａ）、図３（ａ）に示すように、コア１ａ，１ｂと、このコアを覆うシェル２ａ，２ｂとを備える構造にて好ましく実現される。図２（ａ）に示すコア１ａの径と、図３（ａ）に示すコア１ｂの径とは異なるが、それぞれの蛍光体のバンド構造図である図２（ｂ）、図３（ｂ）に示すように、このコアの粒子径の違いによって発光波長Ｅ１、Ｅ２が制御されてなる。
図１に示した例では、上記（ａ）の範囲内の発光ピーク波長４６０ｎｍの蛍光体として、粒子径６ｎｍのコア（ＺｎＳｅ）と、当該コアを覆う厚み１μｍのクラッド（ＺｎＳ）とで構成された蛍光体が例示される。また、上記（ｂ）の範囲内の発光ピーク波長５１０ｎｍの蛍光体として、粒子径５ｎｍのコア（Ｚｎ0.62Ｃｄ0.38Ｓｅ）と、当該コアを覆う厚み１μｍのクラッド（ＺｎＳ）とで構成された蛍光体が例示される。また、上記（ｃ）の範囲内の発光ピーク波長６１０ｎｍの蛍光体として、粒子径７ｎｍのコア（Ｚｎ0.9Ｃｄ0.1Ｓｅ）と、当該コアを覆う厚み１μｍのクラッド（ＺｎＳ）とで構成された蛍光体が例示される。さらに、上記（ｄ）の範囲内の発光ピーク波長５６０ｎｍの蛍光体として、粒子径６．５ｎｍのコア（Ｚｎ0.62Ｃｄ0.38Ｓｅ）と、当該コアを覆う厚み１μｍのクラッド（ＺｎＳ）とで構成された蛍光体が例示される。
本発明における蛍光体は、また、量子効果が生じるナノサイズの粒子径からなり（ナノ粒子蛍光体）、この効果によって形成される量子準位間の遷移によって発光ピーク波長が制御されるものであることが好ましい。このような蛍光体を用いることによって、コアの粒子径を制御することによって、半導体材料内で生じる量子効果を利用して、所望とされる発光ピーク波長を連続的に変えることができるためである。
また、本発明における蛍光体は、上述したような半導体材料内で生じる量子効果を用いるナノ粒子蛍光体とは異なり、コアを形成する半導体混晶比を変化させて、バルクの効果によって発光ピーク波長を連続的に変えることができる蛍光体を使用してもよい。たとえば、コアの混晶としてＣｄxＺｎ1-xＳyＳｅ1-y（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１）を用い、クラッドにＺｎＳを用いると、ｘ、ｙを変化させて発光ピーク波長の制御を行うことができる。具体的には、ｘ＝０．３、ｙ＝０．５とすることによって４８０ｎｍ帯の青色蛍光体を得ることができる。
本発明の発光装置における発光素子としては、３５０ｎｍ〜４２０ｎｍ（好ましくは４００ｎｍ〜４２０ｎｍ）の発光ピーク波長を有するものを用いる。発光素子の発光ピーク波長が３５０ｎｍ未満であると、外部量子効率が低下し、発光効率が低下するという不具合があるためであり、また発光素子の発光ピーク波長が４２０ｎｍを超えると、外部量子効率が低下し、発光効率が低下するという不具合があるためである。ここで、図４には、発光素子の外部量子効率に対する波長依存性について示している。なお、外部量子効率とは、発光素子に注入された電子数に対し取り出すことができる光子数を表しており、発光素子の発光効率に比例する量である。図４に示すように、励起光源として４０５ｎｍ帯の発光素子を用いた場合に、発光素子の外部量子効率が最も高く、このような発光素子を用いた発光装置は、全体として良好な発光効率を実現できることが判る。
このような発光素子としては、上記範囲内の発光ピーク波長を有しているものであれば、特に制限されるものではなく従来公知の適宜のものを用いることができる。
本発明の発光装置における発光素子として用いられ得る発光ダイオードの具体例としては、たとえば、ＧａＮ基板上に、４μｍ厚のＧａＮバッファ層、１μｍ厚のｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ下クラッド層、０．０２μｍ厚のノンドープＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ活性層、薄層のＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ蒸発防止層、１μｍ厚のｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ上クラッド層、１μｍ厚のｐ型ＧａＮキャップ層からなり、素子表面部と、１部４μｍ厚のＧａＮバッファ層を表面に露呈させた箇所のそれぞれにｐ型、ｎ型電極構造が形成されてなる素子構造を有するＧａＮ系発光ダイオードが例示される。
また、本発明の発光装置における発光素子として用いられ得る半導体レーザの具体例としては、ＧａＮ基板上に、ｎ−ＧａＮバッファ層、層厚０．９５μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層、層厚１００ｎｍのｎ型ＧａＮガイド層、ＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ≦１）障壁層と、ＩｎwＧａ1-wＮ（０≦ｗ≦１）の井戸層それぞれを２周期繰り返した多重量子井戸活性層を構成したものであって（ここでＩｎＧａＮの組成比と膜厚は、発光波長が４０５ｎｍとなるように設定される。）、続いて層厚１８ｎｍのｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、層厚１００ｎｍ厚のｐ−ＧａＮ光ガイド層、層厚０．５μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、０．１μｍ厚のｐ−ＧａＮコンタクト層が構成されている、ｎ型、ｐ型のそれぞれ両面には電極が形成される素子構造を有する、１０μｍ幅からなるブロードエリア型の半導体レーザが例示される。
また本発明において、複数の蛍光体の発光ピーク波長は、図１に示した例のように、略等間隔に配置されたものであることが好ましい。なお、「略等間隔」とは、各発光ピーク波長間の間隔の差が４０ｎｍ〜６０ｎｍ程度であることを指す。略等間隔に配置された複数の発光ピーク波長を有するように各蛍光体を組み合わせることで、略等間隔に配置されていない複数の発光ピーク波長を有する各蛍光体を用いた場合と比較して、良好な理論限界効率の状態で、演色性を高めることができる。ここで、図５には、等間隔には配置されていない、４６０ｎｍと５１５ｎｍと６００ｎｍと６５０ｎｍの４つの蛍光体の発光ピーク波長を有する場合を例示している。図５に示すような蛍光体の組み合わせを用いた場合には、比較的高い理論限界効率を得ることができる（たとえば、１９０（ｌｍ／Ｗ））が、演色性（Ｒａ）が低下してしまう虞がある（たとえば、５２程度）。なお、図５は、略等間隔には配置されていない発光ピーク波長を組み合わせた場合の一例を示しているが、図５に示した場合以外の略等間隔には配置されていない発光ピーク波長を組み合わせにおいても同様の傾向を示す。
本発明の発光装置において、前記複数の蛍光体の発光ピーク波長のうち少なくとも１つが５４０ｎｍ〜５６０ｎｍの範囲に選ばれる場合（上記（ｄ）の発光ピーク波長）に代えて、（ｅ）複数の蛍光体の発光ピーク波長のうち少なくとも２つが５７０ｎｍ〜６１０ｎｍの範囲および６１０ｎｍ〜６５０ｎｍの範囲に選ばれるように実現される場合も、好ましい例として挙げることができる。図６は、本発明の発光装置に好適に用いられる蛍光体の発光スペクトルの他の例を示している。なお、図６において、励起光源の発光スペクトルについては省略して示している。
図６には、発光ピーク波長が異なる４つの蛍光体（４６０ｎｍと５２５ｎｍと５８５ｎｍと６５０ｎｍ）からなり、このうち少なくとも２つの蛍光体の発光ピーク波長が５７０ｎｍ〜６１０ｎｍの範囲および６１０ｎｍ〜６５０ｎｍの範囲に選ばれてなる例を示している。すなわち、図６に示す例では、上記（ａ）の発光ピーク波長を有する蛍光体として、発光ピーク波長４６０ｎｍの蛍光体を用い、上記（ｂ）の発光ピーク波長を有する蛍光体として、発光ピーク波長が５２５ｎｍの蛍光体を用い、上記（ｃ）の発光ピーク波長を有する蛍光体として、発光ピーク波長が６５０ｎｍの蛍光体を用いている。さらに、５７０ｎｍ〜６１０ｎｍの範囲の発光ピーク波長を有する蛍光体として、発光ピーク波長５８５ｎｍの蛍光体を用い、６１０ｎｍ〜６５０ｎｍの範囲の発光ピーク波長を有する蛍光体として、上記（ｃ）の発光ピーク波長でもある発光ピーク波長６５０ｎｍの蛍光体が用いられている。なお図６に示す例においても、各蛍光体の分散割合は、たとえばＣＩＥ色度図上において白色（ｘ＝０．３３、ｙ＝０．３３）が得られるよう、さらに演色性が良好となるように、図５で示されるような各蛍光体の発光強度が得られるように調整される。
本発明者らの詳細な検討の結果、発光スペクトルの半値全幅が〜４０ｎｍ程度のナノ粒子を含む半導体材料からなる蛍光体においては、少なくとも２つの蛍光体の発光ピーク波長を赤色領域とオレンジ色領域、すなわち、発光ピーク波長を５７０ｎｍから６１０ｎｍの間と６１０ｎｍから６５０ｎｍの間に設定し、この２つの発光強度を適宜調整することによって、高い蛍光体の理論限界効率（図６に示す例の場合、２２０（ｌｍ／Ｗ））を維持しつつ、演色性（Ｒａ）として９０と非常に高いものを得ることができる。また、赤色の物体がきれいに見えるとされる特殊演色指数（Ｒ９）について９０と非常に高く設定することができる。これらの値は一般照明応用のみならず手術などの赤色の色合いが重視される医療用照明や、美術館用の照明にも十分に応用できる。
なお、図６に示す例においても、半導体中に形成されるバンドギャップ間の遷移によって発光ピーク波長を制御することができる半導体材料を用いる蛍光体によって、所望となる蛍光体の発光ピーク波長を容易に選択することができる。
図７は、本発明の発光装置に好適に用いられる蛍光体の発光スペクトルの他の例を示している。なお、図７において、励起光源の発光スペクトルについては省略して示している。本発明の発光装置においては、上述してきたような４種類の発光ピーク波長を有するように各蛍光体を選択して用いた場合よりも、図７に示すように、少なくとも５種類の発光ピーク波長を有するように各蛍光体を選択して用いることが、好ましい。
本発明者らが実験により知見した蛍光体数と発光ピーク波長に対する理論限界効率と演色性の関係を、表１に示す。
Figure 2007157831
表１より、上記（ａ）〜（ｅ）の発光ピーク波長を全て兼ね備えるように、少なくとも５種類の発光ピーク波長を有するように各蛍光体を選択して用いることで、理論限界効率を高め得る上記（ｄ）の発光ピーク波長と、演色性を高め得る上記（ｅ）の発光ピーク波長を同時に兼ね備えることで、より発光効率に優れた発光装置を実現できることが判る。
図７には、上記（ａ）の発光ピーク波長を有する蛍光体として、発光ピーク波長４６０ｎｍの蛍光体を用い、上記（ｂ）の発光ピーク波長を有する蛍光体として、発光ピーク５１０ｎｍの蛍光体を用い、上記（ｃ）の発光ピーク波長を有する蛍光体として、発光ピーク波長６３０ｎｍの蛍光体を用い、上記（ｄ）の発光ピーク波長を有する蛍光体として、発光ピーク波長５８０ｎｍの蛍光体を用い、上記（ｅ）の発光ピーク波長を有する蛍光体として、発光ピーク波長５５０ｎｍの蛍光体および、発光ピーク波長６３０ｎｍの蛍光体（上記（ｃ）の発光ピーク波長を有する蛍光体）を用いた例を示している。
図７に示した例では、上記（ａ）の範囲内の発光ピーク波長４６０ｎｍの蛍光体として、粒子径６ｎｍのコア（ＺｎＳｅ）と、当該コアを覆う厚み１μｍのクラッド（ＺｎＳ）とで構成された蛍光体が例示される。また、上記（ｂ）の範囲内の発光ピーク波長５１０ｎｍの蛍光体として、粒子径５ｎｍのコア（Ｚｎ0.62Ｃｄ0.38Ｓｅ）と、当該コアを覆う厚み１μｍのクラッド（ＺｎＳ）とで構成された蛍光体が例示される。また、上記（ｃ）および上記（ｅ）のうちの６１０ｎｍ〜６５０ｎｍの範囲内の発光ピーク波長６３０ｎｍの蛍光体として、粒子径７．５ｎｍのコア（Ｚｎ0.9Ｃｄ0.1Ｓｅ）と、当該コアを覆う厚み１μｍのクラッド（ＺｎＳ）とで構成された蛍光体が例示される。また、上記（ｄ）の範囲内の発光ピーク波長５５０ｎｍの蛍光体として、粒子径７ｎｍのコア（Ｚｎ0.62Ｃｄ0.38Ｓｅ）と当該コアを覆う厚み１μｍのクラッド（ＺｎＳ）とで構成された蛍光体が例示される。さらに、上記（ｅ）のうちの５７０ｎｍ〜６１０ｎｍの範囲内の発光ピーク波長５８０ｎｍの蛍光体として、粒子径５μｍｍのコア（Ｚｎ0.9Ｃｄ0.1Ｓｅ）と当該コアを覆う厚み１μｍのクラッド（ＺｎＳ）とで構成された蛍光体が例示される。
なお、５つ以上の蛍光体によっても、所望とされる発光ピーク波長を選択しつつ、発光スペクトル分布をブロードにできるため、高い理論限界効率と演色性を良好に保つという同様の効果を得ることができ、本発明の範囲に包含される。
また、図８には、従来の赤色、緑色、青色蛍光体を用いた場合と、本発明の蛍光体の構成を用いた場合における、蛍光体の分散量の変動に対する白色（ｘ＝０．３３、ｙ＝０．３３）からのずれをＣＩＥ色度図上に示している。図８は、本発明で用いているような複数の発光スペクトル波長（４６０ｎｍ、５１０ｎｍ、５５０ｎｍ、５８０ｎｍ、６３０ｎｍ）からなる構成と赤色（６３０ｎｍ）、緑色（５５０ｎｍ）、青色（４６０ｎｍ）の発光スペクトル波長からなる構成を用いてＣＩＥ色度図において白色（ｘ＝０．３３、ｙ＝０．３３）が得られるよう各蛍光体を混合させたときに、１つの色の蛍光体の混合量が変動した場合の白色に対する影響を見積もったものである。
図８において、白四角および黒菱形は赤色（６３０ｎｍ）の蛍光体の混合量が減少した場合を、また、白丸および黒三角は緑色（５１０ｎｍ）の蛍光体の混合量が減少した場合についてそれぞれ示している。図８より、本発明の構成によって蛍光体の混合量の変動に対して設定した白色からのずれを小さくすることができ、製造上のばらつきによって生じる色のばらつきを抑制できるという効果もあることが判る。
本発明の発光装置の具体的構造は、特に制限されるものではないが、以下に好適な具体例について説明する。
図９は、本発明の好ましい第１の例の発光装置１１を模式的に示す図である。図９に示す例の発光装置１１は、発光素子１２と、発光素子１２が実装されたリードフレーム１３と、発光素子１２およびリードフレーム１３に設けられた電力供給部との間を電気的に接続するワイヤー１４と、発光素子１２から放射される励起光が照射される、光透過性樹脂１６中に分散された蛍光体１５とを備える。図９に示す例において、発光素子１２としてたとえば５ｍｍ角のＧａＮ系発光ダイオード（発光ピーク波長：４０５ｎｍ）が用いられ、この発光素子１２は、リードフレーム１３の一端に電気的に接続された導電性を有する凹状のカップ１７の内部に、銀ペーストによって実装されてなる。この発光素子１２の上面部に設けられている電極パッド（図示せず）と２組のリードフレーム上へはそれぞれ金線のワイヤー１４が設けられている。
蛍光体１５としては、上述したような発光ピーク波長の組み合わせを実現できる４種以上を好ましく用いることができる。この蛍光体１５が分散されてなる光透過性樹脂１６としては、従来公知の適宜のものを特に制限なく用いることができ、たとえばシリカ系樹脂などが例示される。
また、図９に示す例の発光装置１１においては、その中に蛍光体１５を分散してなる光透過性樹脂中に、発光素子１２も配置されるように実現されている。このように光透過性樹脂中に発光素子１２が配置されてなることで、発光効率の良好な砲弾型の発光装置を得ることができるという利点がある。
また、本発明の発光装置は、図９に示す例のように、リードフレーム１３の一部を除いて上記構造を覆うようにして砲弾型の光学部１８が形成されてなるのが好ましい。光学部１８は上記例示したような光透過性樹脂にて形成され、このような光学部１８により、光透過性樹脂１６中に分散された蛍光体１５より放射される蛍光が空間に放射される光放射状態を制御することが可能となる。
図１０は、本発明の好ましい第２の例の発光装置２１を模式的に示す図である。図１０に示す例の発光装置２１では、凹状の窪み２３を有する５ｍｍ程度の厚みのセラミック材２２の当該窪み２３に、発光素子２４が銀ペーストにより実装されている。図１０に示す例では、図９にて上述した例と同じく、発光素子２３としてたとえば５ｍｍ角のＧａＮ系発光ダイオード（発光ピーク波長：４０５ｎｍ）を用いることができる。この発光素子２３の電極パッド部（図示せず）から、外部に露出するようにセラミック材２２に形成された電力供給端子２５に金線ワイヤ２６が設けられており、この電力供給端子２５によって電力が供給される構造となっている。
図１０に示す例の装置において、セラミック材２２の窪み２３表面には、発光素子２４から放射された励起光、または、蛍光体２７から放射された蛍光を反射し得るような高反射特性を有する光学膜（図示せず）が形成されているのが好ましい。このような光学膜が形成されてなることで、蛍光体２７への励起光の利用効率、または、発光装置外部への蛍光の取り出し効率を向上させることができる。光学膜は、たとえば、アルミニウムからなる金属膜にて好適に実現できる。
さらに、図１０に示す例の発光装置２１における前記窪み２３には、蛍光体２７を分散させた光透過性樹脂２８が充填されてなる。図９に示した例の発光装置１１と同様、図１０に示す例の発光装置２１においても、発光素子２４は、蛍光体２７を分散させた光透過性樹脂２８にて覆われるように実現される。
蛍光体２７としては、上述したような発光ピーク波長の組み合わせを実現できる４種以上を好ましく用いることができる。この蛍光体１５が分散されてなる光透過性樹脂２８としては、従来公知の適宜のものを特に制限なく用いることができる。
以上のような構成により、投入電力に対する発光効率が良好で、かつ演色性も非常に良好な発光装置２１を実現することができる。なお、一般に、蛍光体でのストークス損失によって発熱した熱によって発光素子の光出力の低下や信頼性の低下が生じやすいが、上述したように本発明においては従来と比較してこのストークス損失を低減できるものであるため、本発明の発光装置は、パッケージの放熱特性が余り良好でない薄型で小型形状の発光装置として特に適している。
図１１は、本発明の好ましい第３の例の発光装置３１を模式的に示す図である。図１１に示す例の発光装置３１は、たとえば、励起光を伝播して、その伝播する励起光を表面側（図中、白抜きの矢符で示す方向）に放射するような凸状形状が裏面側に形成されているアクリル材からなる光透過樹脂板３２と、この光透過性樹脂板３２の一端面より励起光を照射する発光素子３３とを備える。図１１に示す例の発光装置３１において、光透過性樹脂板３２の前記表面側には、蛍光体（図示せず）が分散された光透過性樹脂板３４が積層されている。一方、光透過性樹脂板３２の裏面側には、拡散部３５を介して光学膜３６が形成されている。
図１１に示す例の発光装置３１における発光素子３３としては、図９および図１０に示した発光装置１１，２１における発光素子１２，２４と同様に、たとえば５ｍｍ角のＧａＮ系発光ダイオード（発光ピーク波長：４０５ｎｍ）を用いることができる。図１１に示す発光装置３１は、図９および図１０に示した発光装置１１，２１とは異なる、蛍光体が分散された光透過性樹脂によって覆われず、外部に複数設けられる。このため、図１１に示す発光装置３１では、発光素子３３からの励起光が外部に放射される。
図１１に示す例における蛍光体としても、上述したような発光ピーク波長の組み合わせを実現できる４種以上を好ましく用いることができる。この蛍光体が分散されてなる光透過性樹脂板３４としては、従来公知の適宜のものを特に制限なく用いることができ、たとえばシリカ系樹脂などで形成された板が例示される。
また、光透過性樹脂板３２の裏面側に形成された拡散部３５としては、たとえば、光透過性樹脂板３２内を伝播する励起光を表面側に均一に拡散させるようなポリマー粒子が分散されたものが用いられる。
また光学膜３６は、光透過性樹脂板３２の下方向（すなわち、図中の白抜きの矢符で示す方向とは反対方向）への励起光の散乱を防止し得るものであり、たとえばアルミニウムからなる金属膜にて形成される。
なお、図１１に示す例の発光装置３１において、光透過性樹脂板３２の発光素子３３が配置されていない側面部分などにも、好ましくはアルミニウムからなる金属膜にて全反射性を有する光学膜が形成される（図示せず）。このように、光透過性樹脂膜３２の発光素子３３からの励起光が入射する部分以外の部分を覆うようにして光学膜を形成することで、光透過性樹脂板３２内を伝播する励起光が不所望な箇所から外部に放射されてしまうことを防止することができる。
以上のような構成を有する図１１に示す例の発光装置３１によれば、発光素子３３から放射された励起光が、光透過性樹脂板３２内で伝播、散乱され、一様な光強度分布となって、蛍光体が分散された光透過性樹脂板３４に照射され、この光透過性樹脂板３４中の蛍光体からの蛍光が外部に放射される。このような形態でも、投入電力に対する発光効率が良好で、かつ演色性も非常に良好な平面型の発光装置３１を実現することができる。このような図１１に示したような構造の平面型の白色発光装置の応用例としては、たとえば、液晶のバックライトなどに適応することができる。
図１２は、本発明の好ましい第４の例の発光装置４１を模式的に示す図である。図１２に示す例の発光装置４１は、発光素子４２と、発光素子４２から放射される励起光が光学的に結合される導光体４３と、励起光が導光体４３に光学的に結合される領域以外の領域に、少なくとも、蛍光体が分散された光透過性樹脂からなる光学部４４とを備える。
図１２に示す例の発光装置４１において、発光素子４２としては、上述したような素子構造を有する１０μｍ幅からなるブロードエリア型の半導体レーザが好ましく用いられる。発光素子４２からの励起光は、非球面レンズ４５を含む光学系を介して、導光体４３内に照射され、光学的に結合されるように構成される。なお、発光素子４２、非球面レンズ４５を含めた光学系は、通常、外部環境からの影響を受けにくくするため１つのモジュール部４６内に格納される。
導光体４３は、発光素子４２から放射される励起光が光学的に結合され得るものであれば特に制限されるものではないが、光出射端での輝度（光強度の密度）を上げるためには、光ファイバ構造からなることが好ましい。図１２に示す例の導光体４３は、たとえば、コア径１ｍｍのシリカ系材料からなるＳ．Ｉ（ステップインデックス）型光ファイバにて実現される。発光素子４２からの励起光は、光学系を介してこの光ファイバの一端に入射されるように配置され、当該励起光が導光体４３である光ファイバに光学的に結合されるように実現される。
光学部４４は、上述した導光体４３である光ファイバの他端より、光学素子４２からの励起光が照射されるように配置される。この光学部４４に用いられる蛍光体としても、上述したような発光ピーク波長の組み合わせを実現できる４種以上を好ましく用いることができる。また、この蛍光体が分散されてなる光透過性樹脂としては、従来公知の適宜のものを特に制限なく用いることができる。
このような構造を有する図１２に示した例の発光装置４１によれば、励起光源として光ファイバへの光学的な結合が容易である半導体レーザを用い、さらに蛍光体に励起光が照射される光ファイバの他端では、コア径のサイズに励起光が集光されているため輝度の高い蛍光を得ることができる。
また、本発明による蛍光体の構成では蛍光体部において発生するストークス損失による熱エネルギも低いため、励起光源の光量を増加させ、輝度を上げても、この部分での発熱を抑制することができ高輝度特性の発光装置ができる。
さらに、遷移金属などの発光中心を酸化物や硫化物に付活させた蛍光体では、発光強度が１／ｅに減衰する所謂、発光寿命が数マイクロ秒からミリ秒オーダーと比較的長い。これに対して半導体材料を用いた蛍光体では、発光寿命は数ナノ秒と非常に速く、蛍光体に照射される高い光密度の励起光をすばやく蛍光として発光することができるために輝度飽和が発生しにくいといった効果もある。
図１３は、本発明の好ましい第５の例の発光装置５１を模式的に示す図である。図１３に示す例の発光装置５１では、図１０に示した例の発光装置２１と同じく、凹状の窪み２３を有する５ｍｍ程度の厚みのセラミック材５２の当該窪み５３に、発光素子５４が銀ペーストにより実装された構造を有する。この発光素子５４の電極パッド部（図示せず）から、外部に露出するようにセラミック材５２に形成された電力供給端子５５に金線ワイヤ５６が設けられており、この電力供給端子５５によって電力が供給される構造となっている。ただし、図１３に示す発光装置５１では、発光素子５４として、図１２に示す例の発光装置４１において用いたのと同様の１０μｍ幅からなるブロードエリア型の半導体レーザを用いてなる点で、図１０に示した例の発光装置２１と相違する。
また、図１３に示す発光装置５１では、上記セラミック材５２の窪み５３に、光学素子５４からの励起光が照射されるように、蛍光体（図示せず）が分散された光透過性樹脂板５７が配置されてなる。図１３に示す例の発光装置５１における蛍光体としても、上述したような発光ピーク波長の組み合わせを実現できる４種以上を好ましく用いることができる。また、この蛍光体が分散されてなる光透過性樹脂板５７としては、従来公知の適宜のものを特に制限なく用いることができる。
以上の構成によって、投入電力に対し発光効率が良好な薄型の発光装置が実現できる。さらに演色性も非常に良好な発光装置が実現できる。さらに、蛍光体部でのストークス損失による発熱を抑制できるため、半導体レーザより放射された励起光の照射領域を絞ることができ、半導体レーザと透明樹脂板との距離を縮めたり、蛍光体を分散させた透明樹脂板を小さくすることができ、発光装置の小型化にも適している。
本発明の発光装置に好適に用いられる蛍光体の発光スペクトルの一例を示す図である。 蛍光体の断面構造と、コア径が異なる場合における、コア中に形成される量子準位と蛍光の発光状態とを模式的に示す図である。 蛍光体の断面構造と、コア径が異なる場合における、コア中に形成される量子準位と蛍光の発光状態とを模式的に示す図である。 発光素子の外部量子効率の波長依存性を示すグラフである。 略等間隔には配置されていない発光ピーク波長を組み合わせた場合の一例を示す発光スペクトルである。 本発明の発光装置に好適に用いられる蛍光体の発光スペクトルの他の例を示す図である。 本発明の発光装置に好適に用いられる蛍光体の発光スペクトルの他の例を示す図である。 従来の赤色、緑色、青色蛍光体を用いた場合と、本発明の蛍光体の構成を用いた場合における、蛍光体の分散量の変動に対する白色（ｘ＝０．３３、ｙ＝０．３３）からのずれをＣＩＥ色度図上に示した図である。 本発明の好ましい第１の例の発光装置１１を模式的に示す図である。 本発明の好ましい第２の例の発光装置２１を模式的に示す図である。 本発明の好ましい第３の例の発光装置３１を模式的に示す図である。 本発明の好ましい第４の例の発光装置４１を模式的に示す図である。 本発明の好ましい第５の例の発光装置５１を模式的に示す図である。
符号の説明
１ａ．１ｂ コア、２ａ，２ｂ シェル、１１，２１，３１，４１，５１ 発光装置、１２，２４，３３，４２，５４ 発光素子、１５，２７ 蛍光体。

Claims (15)

  1. ３５０ｎｍ〜４２０ｎｍの発光ピーク波長を有する発光素子と、この発光素子からの光を吸収して、異なる発光ピーク波長を有する蛍光を放射する蛍光体とを備える発光装置であって、
    前記蛍光体は、バンドギャップ間の遷移によって発光ピーク波長が制御されるような半導体材料にて形成され、この発光ピーク波長が異なる４つ以上の蛍光により構成されている発光装置。
  2. 前記蛍光体は量子効果が生じるナノサイズの粒子径からなり、この効果によって形成される量子準位間の遷移によって発光ピーク波長が制御されることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  3. 発光素子は窒化物半導体を含む発光ダイオードまたは半導体レーザであることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  4. 前記複数の蛍光体の発光ピーク波長は４３０ｎｍ〜７６０ｎｍの範囲に選ばれることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  5. 前記複数の蛍光体の発光ピーク波長は、略等間隔に配置されることを特徴とする請求項４に記載の発光装置。
  6. 前記複数の蛍光体の発光ピーク波長のうち少なくとも１つは４４０ｎｍ〜４８０ｎｍの範囲に選ばれることを特徴とする請求項４または５に記載の発光装置。
  7. 前記複数の蛍光体の発光ピーク波長のうち少なくとも１つは５００ｎｍ〜５４０ｎｍの範囲に選ばれることを特徴とする請求項４または５に記載の発光装置。
  8. 前記複数の蛍光体の発光ピーク波長のうち少なくとも１つは６００ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲に選ばれることを特徴とする請求項４または５に記載の発光装置。
  9. 前記複数の蛍光体の発光ピーク波長のうち少なくとも１つは５４０ｎｍ〜５６０ｎｍの範囲に選ばれることを特徴とする請求項４または５に記載の発光装置。
  10. 前記複数の蛍光体の発光ピーク波長のうち少なくとも２つは５７０ｎｍ〜６１０ｎｍの範囲と６１０ｎｍ〜６５０ｎｍの範囲に選ばれることを特徴とする請求項４または５に記載の発光装置。
  11. 発光素子と、
    発光素子が実装されたリードフレームと、
    発光素子およびリードフレームに設けられた電力供給部との間を電気的に接続するワイヤーと、
    発光素子から放射される励起光が照射される、光透過性樹脂中に分散された蛍光体とを備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の発光装置。
  12. 発光素子が前記光透過性樹脂により覆われていることを特徴とする請求項１１に記載の発光装置。
  13. 前記光透過性樹脂中に分散された蛍光体より放射される蛍光が空間に放射される光放射状態を制御し得る、光透過性樹脂からなる光学部をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の発光装置。
  14. 発光素子と、
    発光素子から放射される励起光が光学的に結合される導光体と、
    励起光が導光体に光学的に結合される領域以外の領域に、少なくとも、前記蛍光体が分散された光透明性樹脂からなる光学部を含むことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の発光装置。
  15. 前記導光体は光ファイバ構造からなることを特徴とする請求項１４に記載の発光装置。
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