JP2007300043A - 発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】LEDチップからの漏れ光を吸収して目的の色調を得ることのできる高出力の発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置40は、380nm〜420nmの範囲に主発光ピーク波長を有するLED(発光ダイオード)チップ11と、LEDチップ11の光を吸収して発光する蛍光体22を含む蛍光部20と、蛍光部20を透過したLEDチップ11の発光の内、410nm以下の光の透過率が10%以下である吸収部30と、を有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、LEDの光により蛍光体を励起して可視光を発光する発光装置に関する。
従来の白色LED(発光ダイオード:Light Emitting Diode)は、青色LEDと、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)蛍光体やBOS(ケイ酸バリウム系)蛍光体等の黄色蛍光体と、を組み合わせた白色LEDであった。このような白色LEDの発光は、LEDの発光による青色と、その補色関係にある蛍光体の発光による黄色と、を組み合わせて得られる擬似白色であるため、色再現範囲が狭かった。このような白色LEDは、例えば、NTSC比(National Television System Committee比:一般的な方式のカラーTVの色再現範囲)が50%に留まっていた。
この色再現範囲を改善する方法として、紫外線によってRGB(赤・緑・青)に対応する発光色を出す蛍光体が各色で知られていることから、365〜380nmの範囲に主発光ピーク波長を有する紫外LEDとRGB蛍光体とを組み合わせた白色LEDの発光装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。しかしながら、紫外LEDを用いた発光装置は、入力に対する外部量子効率が悪く、明るい発光を得にくいという問題を有していた。
近年、紫外LEDの開発が進み、特に380〜420nmの範囲に主発光ピーク波長を有する近紫外LEDにおいて、RGB蛍光体を用いて白色光を得ることができ、しかも従来の紫外LEDに比べて高出力なLEDが得られるようになった(例えば、特許文献2参照)。しかしながら、380〜420nmの範囲に主発光ピーク波長を有する近紫外LEDの光は可視領域の波長成分を持つ光であるため、RGB蛍光体に完全に吸収されない場合は、可視領域の漏れ光となってしまうという問題があった。したがって、このような近紫外LEDを用いた従来の発光装置は、可視領域の漏れ光によって、目的の色調を得ることができないこと、色再現範囲が狭くなることなどの問題を有していた。
特開2000−347601号公報 特開2003−197969号公報
そこで、本発明の目的は、漏れ光を吸収して目的の色調を得ることのできる高出力の発光装置を提供することにある。
そこで、本発明にかかる発光装置は、
380nm〜420nmの範囲に主発光ピーク波長を有するLEDチップと、
前記LEDチップの光を吸収して発光する蛍光体を含む蛍光部と、
前記蛍光部を透過した前記LEDチップの光の内、410nm以下の光の透過率が10%以下である吸収部と、
を有する。
本発明にかかる発光装置によれば、380nm〜420nmの範囲に主発光ピーク波長を有するLEDチップとすることで、高出力を得ることができ、かつ、蛍光部によって吸収されなかったLEDチップの光の内、410nm以下の波長すなわち近紫外線を含む紫外線及び蛍光体の発光でない可視光を効率よく吸収することができる。したがって、本発明にかかる発光装置によれば、蛍光部の発光によって得られる目的の色調の発光を得ることができると共に、広い色再現範囲が得られる。
本発明にかかる発光装置において、
前記吸収部は、430nm以上の光の透過率が70%以上とすることができる。
本発明にかかる発光装置において、
前記吸収部は、450nm以上、780nm以下の光の透過率が85%以上とすることができる。
本発明にかかる発光装置において、
前記吸収部は、黄色度(YI)が5〜20とすることができる。
本発明にかかる発光装置において、
前記吸収部は、黄色度(YI)が7〜15とすることができる。
本発明にかかる発光装置において、
前記LEDチップは、395nm〜405nmの範囲に主発光ピーク波長を有することができる。
本発明にかかる発光装置において、
前記LEDチップは、樹脂成形体内に封入され、
前記蛍光部は、前記樹脂成形体の外側に被せられた第1のキャップ状の成形体であり、
前記吸収部は、前記第1のキャップ状の成形体の外側に被せられた第2のキャップ状の成形体とすることができる。
本発明にかかる発光装置において、
前記蛍光部は、第1のシート状の成形体であり、
前記吸収部は、第2のシート状の成形体であり、
前記第2のシート状の成形体は前記第1のシート状の成形体を挟んで前記LEDチップと対向して配置されることができる。
本発明にかかる発光装置において、
前記LEDチップは、樹脂成形体内に封入され、
前記樹脂成形体は、前記蛍光部を含むことができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、第1の実施形態である発光装置40を模式的に示す縦断面図である。図2は、第2の実施形態である発光装置42を模式的に示す縦断面図である。図3は、第3の実施形態である発光装置44を模式的に示す縦断面図である。
本発明の実施形態にかかる発光装置は、380nm〜420nmの範囲に主発光ピーク波長を有するLED(発光ダイオード)チップと、LEDチップの光を吸収して発光する蛍光体を含む蛍光部と、蛍光部を透過したLEDチップの光(以下漏れ光と略す場合がある)の内、410nm以下の光の透過率が10%以下である吸収部と、を有する。
1.第1の実施形態
図1に示すように、第1の実施形態にかかる発光装置40のLED10は、ベース部材12のほぼ中央に設けられたステム13上に載置された発光するLEDチップ11が例えば樹脂成形体14中に封入されている。蛍光部20及び吸収部30は、樹脂成形体14の外側に被せられたキャップ状の成形体15,16として形成されている。樹脂成形体14の材質としては、LEDチップ11からの紫外線に対して安定な性質を有するシリコーン樹脂が好ましいが、透光性の樹脂例えばアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂などを用いることができる。
LEDチップ11は、380nm〜420nmの範囲に主発光ピーク波長を有し、さらに好ましくは395nm〜405nmの範囲に主発光ピーク波長を有する。このような主発光ピークのLEDチップを用いることで高出力が得られる。LEDチップ11としては公知のLEDを使用することができる。例えば、GaN系LED、SiCLED、II−VI族LED等を用いることができる。LEDチップ11として例えばGaN系LEDを用いる場合、所望の主発光ピーク(380nm〜420nm)の発光波長を得るために、In(インジウム)やAl(アルミニウム)で調整してAlInGaN系LEDとしてもよい。
蛍光部20は、樹脂成形体14の外側に被せられた高分子物質からなる第1のキャップ状の成形体15であり、全体に分散された蛍光体22を含む。第1のキャップ状の成形体15の材料としても、紫外線に対して安定な性質を有するシリコーン系樹脂を用いることが好ましいが、例えば透光性の高分子物質であるアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、シリコーン樹脂、環状オレフィン樹脂、シリコーン系エラストマー、ポリスチレン系熱可塑性エラストマー、ポリオレフィン系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマーなどを用いることもできる。
LEDチップ11から出射された光は、第1のキャップ状の成形体15内の蛍光体22により吸収され、蛍光体22が励起される。蛍光体22が励起されると、その性質に応じて所定の分光スペクトル分布を有する蛍光を発光し、可視光、例えば白色光が出力される。このように、380nm〜420nmの範囲に主発光ピーク波長を有する発光を利用して蛍光体を励起することにより、通常の可視光発光ダイオードでは得られないような色(分光スペクトル分布)を得ることが可能となる。蛍光体22としては、無機蛍光体、顔料、有機蛍光染料、擬似顔料などが挙げられ、例えば、発光色が青色の(Ca,Sr,Ba)(POCl:Eu2+、ZnS:Ag、CaS:Biなど、発光色が緑色のBaMgAl1627:Eu2+,Mn2+、ZnS:Cu,Al,Au、SrAl:Eu2+、ZnSi(Ge)O:Eu2+など、発光色が赤色のYS:Eu3+、3.5MgO・0.5MgF・GeO:Mn、LiEuW、BaO・Gd2O・Ta:Mn、KEu2.5(WO6.25など、発光色が黄色のYAG、Sr(Ba)SiO、SrAl:Eu2+などを好適に用いることができる。これらの蛍光体を単一種類でも良いし、あるいは2種類以上の蛍光体を混合して用いても良く、より所望する色に近い発色が得られるように調整することができる。
吸収部30は、第1のキャップ状の成形体15の外側に被せられた高分子物質からなる第2のキャップ状の成形体16であり、第1のキャップ状の成形体15と一体成形して蛍光部20と吸収部30との2層構造としてもよい。第1、第2のキャップ状の成形体15,16は、樹脂成形体14側に第1のキャップ状の成形体15が形成され、樹脂成形体14の反対側に第2のキャップ状の成形体16が形成されることが好ましい。第2のキャップ状の成形体16としては、例えば透光性の高分子物質であるシリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、シリコーン系エラストマー、ポリスチレン系熱可塑性エラストマー、ポリオレフィン系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマーなどを用いることができる。
第2のキャップ状の成形体16には、紫外線吸収剤が含まれる。例えば、蛍光増白剤を含有する紫外線吸収剤が含まれていることで、所望の波長の光を吸収することができる。蛍光増白剤としては、410nm以下の波長を効率的に吸収する公知の蛍光増白剤、例えば特開2003−112391号公報に記載されている下記一般式(I)で表される化合物や、市販されているものを用いることができる。なお、下記一般式において、RおよびRは水素原子、アルキル基またはアルコキシ基を表し、RおよびRはアルキル基を表す。[A]は置換アリールまたは置換エテニル基を表す。
一般式(I)
Figure 2007300043
蛍光増白剤のみでは短波長領域が充分吸収できない場合があるので、紫外線吸収剤を併用することが望ましい。紫外線吸収剤は、一般に紫外線を吸収して熱に変換する性質を有する化合物であって、例えばベンゾトリアゾール系、ベンゾフェノン系、サリチル系、シアノアクリレート系などを用いることができる。このような蛍光増白剤や紫外線吸収剤を含むことで、第2のキャップ状の成形体16は、410nm以下の光の透過率が10%以下である。また、第2のキャップ状の成形体16の黄色度(YI)は、5〜20であることが好ましく、7〜15であることがさらに好ましい。このような第2のキャップ状の成形体16を用いて吸収部30を形成することで、吸収部30は、蛍光部20によって吸収されなかった漏れ光の内、410nm以下の波長すなわち近紫外線及び蛍光体の発光でない紫の可視光を効率よく吸収することができる。また、第2のキャップ状の成形体16は、430nm以上の光の透過率が70%以上とすることが好ましく、450nm以上、780nm以下の光の透過率が85%以上とすることが好ましい。このような第2のキャップ状の成形体16とすることで、蛍光部20の蛍光体22の発光による可視光を充分透過することができ、かつ、不要な漏れ光を効率よく吸収するので、蛍光体22の発光によって得られる目的の色調の発光を得ることができる。また、このように第2のキャップ状の成形体16によって不要な漏れ光を吸収することで、色再現範囲を狭くすることが無い。さらに、近紫外線を含む紫外線を吸収することで、人体への悪影響を低減させることができる。
2.第2の実施形態
図2に示すように、第2の実施形態にかかる発光装置42は、LED10からの出射光を所定方向に反射して集光する反射板50と、反射板50の開口部52に設けられた蛍光部20と、蛍光部20と積層されて一体化された吸収部30と、から構成されている。反射板50以外は、第1の実施例と実質的に同じ材質の部材を用いているので説明を省略する。反射板50は、縦断面が双曲線、放物線、半円などで内面に集光曲面が形成され、円形の開口部52と対向する底部付近にLED10が配置されている。蛍光部20と吸収部30は、反射板50の開口部52を覆う2枚重ねの第1のシート状の成形体17及び第2のシート状の成形体18に形成されている。第2のシート状の成形体18(吸収部30)は第1のシート状の成形体17(蛍光部20)を挟んでLED10と対向して配置されている。したがって、LED10を発光させると、反射板50によって開口部52へ集光された光は第1のシート状の成形体17によって所望の可視光として発光され、第1のシート状の成形体17を透過した410nm以下の波長の漏れ光は第2のシート状の成形体18によって吸収される。
第1、第2の実施形態のように、蛍光部20と吸収部30をキャップ状あるいはシート状の成形体として別々に成形したものを重ね合わせて一体化してもよいし、多層射出成形法などで2層構造に一体成形してもよい。また、例えば蛍光部20を構成する成形体に吸収部30の塗膜を形成してもよいし、蛍光部20及び吸収部30を樹脂成形体14の表面に形成された2層構造の塗膜としてもよい。第1、第2の実施形態においては、蛍光部20と吸収部30の成形体を密着させたが、漏れ光を吸収できるような配置であれば蛍光部20と吸収部30を離間配置してもよい。また、蛍光部20と吸収部30のマトリクスを構成する高分子物質が同一の樹脂であれば、蛍光体22と紫外線吸収剤とをあらかじめ高分子物質に混合して成形し、ブリードアウト等により蛍光部材の外側に吸収層を形成させ、単一部材としてもよい。
3.第3の実施形態
図3に示すように、第3の実施形態にかかる発光装置44は、第1のキャップ状の成形体15がなく、樹脂成形体14内に蛍光体22が分散された蛍光部20とされていることを除けば、第1の実施形態の発光装置40と基本的に同じ構成である。したがって、第1の実施例と実質的に同じ部材については説明を省略し、同じ符号を用いた。第2のキャップ状の成形体16は、樹脂成形体14の外側に被せられている。したがって、LEDチップ11から出射された光は、樹脂成形体14内の蛍光体22により吸収され、蛍光体22が励起されて可視光、例えば白色光が出力される。そして、第2のキャップ状の成形体16は、樹脂成形体14によって吸収されなかった漏れ光の内、410nm以下の波長すなわち近紫外線及び蛍光体の発光でない紫の可視光を効率よく吸収する。
第1〜第3の実施形態の発光装置を蛍光灯の代替技術とするためには、例えば白色光であることが好ましく、吸収部30によって410nm以下の可視光をカットすることで、蛍光部20の発光色を損なうことなく、目的の色度分布を有する白色光を得ることができる。さらに、吸収部30によって近紫外線を含む紫外線までカットすることで、人体に悪影響を与えることもない。
上記各実施形態で用いる蛍光部及び吸収部をシート状の成形体として試作し、色度分布、輝度分光スペクトル分布を測定したので、その結果を示す。測定は、第1のシート状の成形体17(蛍光部20)と第2のシート状の成形体18(吸収部30)とを重ね合せ、図4に示すように、第1のシート状の成形体17側にLED10を配置し、第2のシート状の成形体18側に分光放射温度計60を配置して測定を行った。LED10は、LEDチップがAlInGaN系であって、主発光ピーク波長405nmのepitex社製紫LED「L405−01V(商品名)」を用いた。蛍光部20は、シリコーンゴム100質量部に蛍光体として無機蛍光体である(Ca,Sr,Ba)(POCl:Eu(根本特殊化学社製)を30質量部分散させ、加熱プレスして厚さ0.5mmの第1のシート状の成形体17を成形した。吸収部30は、波長410nm以下の光の透過率が7.5%以下、波長430nm以上450nm未満の光の透過率が70%以上、波長450nm以上の光の透過率が85%以上で、黄色度(YI)が8.7の富士写真フイルム社製紫外線カットフィルム「UV Guard(商品名)」を第2のシート状の成形体18として用いた。そして、LED10を発光させて第1のシート状の成形体17に照射し、第2のシート状の成形体18を透過した光を分光放射温度計60「PR−704(商品名)、Photo Research社製」で測定した。その結果、色度はx=0.1509、y=0.0599の青色で、輝度は1.22Cd/mであった。このときの発光の分光スペクトル分布を図5に波形Aとして示した。図5に示す波形Cは第2のシート状の成形体18を取り外して蛍光部20(第1のシート状の成形体17)の発光を測定したものである。また、比較例1として、第2のシート状の成形体18に替えて第3のシート状の成形体を用いた時の発光を同様にして測定した。第3のシート状の成形体は、一般的なUVカットシートであり、第2のシート状の成形体18と同じ形状を有した380nm以下の波長をカットする、株式会社トチセン製の紫外線吸収ポリエステルフィルム「T−UV(商品名)」を用いた。図5に示す波形Bは、比較例1の発光を測定したものである。なお、図5中、横軸は波長(nm)、縦軸は放射輝度(Cd/m)をあらわす(以下の実施例でも同様である)。
蛍光部20の蛍光体を無機蛍光体であるBaMgAl1627:Eu,Mn(根本特殊化学社製)を30質量部とした他は実施例1と同様にして、発光を測定した。その結果、色度はx=0.1593、y=0.6641の緑色で、輝度は3.78Cd/mであった。この時の発光の分光スペクトル分布を図6に波形Dとして示した。また、実施例1のように、蛍光部20の発光を図6に波形Fで示した。さらに、比較例2として、比較例1と同様に、第2のシート状の成形体18に替えて第3のシート状の成形体を用いた時の発光を同様にして測定し、その発光を図6に波形Eで示した。
蛍光部20の蛍光体を無機蛍光体であるYS:Eu(根本特殊化学社製)を50質量部とした他は実施例1と同様にして、発光を測定した。その結果、色度はx=0.4116、y=0.2312の赤色で、輝度は0.480Cd/mであった。この時の発光の分光スペクトル分布を図7に波形Gとして示した。また、実施例1のように、蛍光部20の発光を図7に波形Iで示した。さらに、比較例3として、比較例1と同様に、第2のシート状の成形体18に替えて第3のシート状の成形体を用いた時の発光を同様にして測定し、その発光を図7に波形Hで示した。
蛍光部20の蛍光体を無機蛍光体である(Ca,Sr,Ba)(POCl:Eu(根本特殊化学社製)を7.5質量部、無機蛍光体であるBaMgAl1627:Eu,Mn(根本特殊化学社製)を7.5質量部、無機蛍光体であるYS:Eu(根本特殊化学社製)を15質量部、とした他は実施例1と同様にして、発光を測定した。その結果、色度はx=0.2538、y=0.1875で、輝度は0.690Cd/mであった。この時の発光の分光スペクトル分布を図8に波形Jとして示した。また、実施例1のように、蛍光部20の発光を図8に波形Lで示した。さらに、比較例4として、比較例1と同様に、第2のシート状の成形体18に替えて第3のシート状の成形体を用いた時の発光を同様にして測定し、その発光を図8に波形Kで示した。またさらに、これらの波形を図9の色度分布図に同じ符号で示した。
図5〜図8に示すように、比較例1〜4の発光装置の一般的なUVカットシートではほとんど漏れ光をカットすることができなかったが、実施例1〜4の発光装置によれば、410nm以下の漏れ光を確実に吸収することができ、蛍光体による発光色をほとんど損うことなく、色純度の高い目的の色調を得ることができた。また、図9に示すように、実施例4の発光装置によれば、410nm以下の紫の可視光までカットすることにより、比較例4に比べて色域が広い目的の白色光を発光することができた。
なお、図5〜図8に示すように、400nm以下の近紫外線を含む紫外線を吸収部材によって吸収することで、発光装置から外部に紫外線が漏れることはほとんどなくなり、その結果、紫外線により人体に悪影響を与えるおそれはほとんどなくなった。
第1の実施形態である発光装置を模式的に示す縦断面図である。 第2の実施形態である発光装置を模式的に示す縦断面図である。 第3の実施形態である発光装置を模式的に示す縦断面図である。 試作した蛍光部及び吸収部の色度、輝度分光スペクトル分布の測定方法を示す図である。 実施例1による発光の分光スペクトル分布を示す図である。 実施例2による発光の分光スペクトル分布を示す図である。 実施例3による発光の分光スペクトル分布を示す図である。 実施例4による発光の分光スペクトル分布を示す図である。 実施例4による発光の色域を示す色度分布図である。
符号の説明
10 LED(発光ダイオード)
11 LEDチップ
12 ベース部材
13 ステム
14 樹脂成形体
15 第1のキャップ状の成形体
16 第2のキャップ状の成形体
17 第1のシート状の成形体
18 第2のシート状の成形体
20 蛍光部
22 蛍光体
30 吸収部
40 発光装置(第1の実施形態)
42 発光装置(第2の実施形態)
44 発光装置(第3の実施形態)
50 反射板
52 開口部
60 分光放射温度計

Claims (9)

  1. 380nm〜420nmの範囲に主発光ピーク波長を有するLEDチップと、
    前記LEDチップの光を吸収して発光する蛍光体を含む蛍光部と、
    前記蛍光部を透過した前記LEDチップの光の内、410nm以下の光の透過率が10%以下である吸収部と、
    を有する、発光装置。
  2. 請求項1において、
    前記吸収部は、430nm以上の光の透過率が70%以上である、発光装置。
  3. 請求項1または2において、
    前記吸収部は、450nm以上、780nm以下の光の透過率が85%以上である、発光装置。
  4. 請求項1〜3のいずれかにおいて、
    前記吸収部は、黄色度(YI)が5〜20である、発光装置。
  5. 請求項4において、
    前記吸収部は、黄色度(YI)が7〜15である、発光装置。
  6. 請求項1〜5のいずれかにおいて、
    前記LEDチップは、395nm〜405nmの範囲に主発光ピーク波長を有する、発光装置。
  7. 請求項1〜6のいずれかにおいて、
    前記LEDチップは、樹脂成形体内に封入され、
    前記蛍光部は、前記樹脂成形体の外側に被せられた第1のキャップ状の成形体であり、
    前記吸収部は、前記第1のキャップ状の成形体の外側に被せられた第2のキャップ状の成形体である、発光装置。
  8. 請求項1〜6のいずれかにおいて、
    前記蛍光部は、第1のシート状の成形体であり、
    前記吸収部は、第2のシート状の成形体であり、
    前記第2のシート状の成形体は前記第1のシート状の成形体を挟んで前記LEDチップと対向して配置される、発光装置。
  9. 請求項1〜6のいずれかにおいて、
    前記LEDチップは、樹脂成形体内に封入され、
    前記樹脂成形体は、前記蛍光部を含む、発光装置。
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