JP2010050438A

JP2010050438A - 白色発光ダイオード

Info

Publication number: JP2010050438A
Application number: JP2009124903A
Authority: JP
Inventors: Jung-Chieh Su; 忠傑蘇; Sian-Wei Chen; 仙▲い▼ 陳
Original assignee: National Taiwan University of Science and Technology NTUST
Current assignee: National Taiwan University of Science and Technology NTUST
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2010-03-04
Also published as: US20100045168A1; TW201010125A

Abstract

【課題】白色発光ダイオードを提供する。
【解決手段】本発明は、白色発光ダイオードを提供し、陽極と陰極、或いは、回路を含む基板と、基板上に設置され、ピーク波長が３２０〜４００ｎｍの紫外線光を発光する紫外線発光ダイオードと、紫外線発光ダイオード上に塗布され、青色、黄色および赤色の蛍光体粒子と透明樹脂を混合してなる蛍光体層と、からなり、黄色の蛍光体粒子は、波長が４００〜５３０ｎｍの青色光により励起され、且つ、透明樹脂は可視光と紫外線光を透過する。
【選択図】図１

Description

本発明は、白色発光ダイオード（A white light light-emitting diode）に関するものであって、特に、蛍光体層中に、青色、黄色および赤色の蛍光体粒子を混合した白色発光ダイオードに関するものである。

現在、白色光を発光する発光モジュール中の発光ダイオード（light-emitting diode 、LED)は、体積が小さく、且つ、マトリクスLEDにパッケージして照明として使用できるという長所があり、異なる色のLEDと組み合わせるとき、白色光以外の各種色を発光させることができる。

一般に、所謂「白色光」は、通常、多色の混合光のことを指し、肉眼で見える白色光は、少なくとも二種類以上の波長の色彩光からなる。例えば、青色光に黄色光を加えると、補色主波長（complementary wavelength）の白色光が得られ、また、青色光、緑色光、赤色光を混合すると、三波長の白色光が得られる。人々は、日常生活において、室内、室外に限らず、照明光源が必要なとき、太陽光のような光源照射を求めないので、白色発光ダイオードは、太陽光に類似した、例えば、D65標準光源のスペクトル、演色性（color rendering）と相関色温度（correlated color temperature、CCT)により、日常生活の照明要求を満たすことが要求される。演色性は、演色評価数（color rendering index 、CRI)により、テスト光源と太陽光源の比較によって、照射される物体が物体自身のリアルな色を表現することができるか表示する。また、異なる照明要求下で、色度色座標（chromaticity color coordinates）、演色性と色温度等に対する要求は皆異なり、例えば、家庭や工場、オフィスでの照明に対する要求は異なり、家庭では色温度が低い、例えば、タングステンフィラメントランプ等の暖色が求められ、オフィスでは、色温度が高い照明が要求される。また、液晶ディスプレイ中で光源となるバックライトにおいて、光源は十分な色域（gamut）が要求される。よって、各種要求を満たす光源を設計することが、現在の目標である。

白色発光ダイオードは、製作に使用する材料により、有機発光ダイオードと無機発光ダイオードに分けられる。現在、無機半導体白色光光源は、以下の三種の方式がある。第１に、赤青緑の三色の発光ダイオードにより構成された白色発光ダイオードモジュールが挙げられ、このようなモジュールは高発光効率、高演色性の長所を有する。しかし、異なる色のLEDはエピタキシャル材料が異なり、電圧も異なる特性を示すので、このような方式は、高コストで、制御回路の設計が複雑で、また、三色光を混合して白色光にするのも容易でない。第２に、日亜化学による青色発光ダイオードを用いて黄色蛍光体粒子を励起して、白色光を生成する方法が挙げられ、この方法は現在の主流の方式である。青色発光ダイオードの外周は黄色蛍光体粒子を混合した光学樹脂を充填し、この青色発光ダイオードが発する青色光の波長は４００〜５３０ｎｍで、青色発光ダイオードが発する光線が黄色蛍光体粒子を励起して、黄色光を生成し、一部の適当な比率の青色光が透過し、この部分の青色光が、蛍光体粒子が発する黄色光と結合して、青色と黄色が混合した補色主波長の白色光が形成される。

しかし、青色発光ダイオードで黄色光蛍光体粒子を励起してなる白色発光ダイオードは、以下のような欠点がある。第１に、青色光が発光スペクトルの大部分を占めるので、色温度が高く、光源の不均一が生じ、よって、青色光と黄色蛍光体粒子が作用する機会を増加させて、青色光強度を低下させるか、或いは、黄色光の強度を向上させる必要がある。第２に、青色発光ダイオードの発光波長は、温度の上昇と共に変化して、白色光源のカラーシフトが生じる。第３に、発光スペクトルの赤色部分は強度が弱く、物体照射時に、完全な赤色を表現することができず、演色性が悪くなる。公知の改良方式は、赤色蛍光体粒子を添加して、この問題を改善しているが、色は温度によってシフトするので、解決できない。

もう一つの方式は、紫外線発光ダイオードにより、透明光学樹脂中に均一に混ざった一定比率の青色、緑色および赤色の蛍光体粒子を励起することである。この構造は蛍光灯の原理に類似し、励起後、三波長の白色光を得ることができる。三波長の白色発光ダイオードの長所は、発光均一性の欠点がなく、温度によるカラーシフトがなく、演色性が高いことであるが、発光効率が高くないことが欠点である。例えば、Y. Narukawa等による紫外線発光ダイオードにより異なる色の蛍光体粒子を励起した白色光の製作方法は、波長が４００ｎｍの紫外線発光ダイオードにより、青色と黄色蛍光体粒子を、２０ｍＡの定電流条件下で励起して白色光を得ており、該白色光の色温度は５８００Ｋ、演色評価数は８５．３である。T. Nishida等によると、波長が３５０ｎｍの紫外線発光ダイオードにより、赤、青および黄色の三色の蛍光体粒子を励起して、演色評価数が８６前後の光源、色座標が（0.411〜0.416, 0.397〜0.401)の白色光を形成する。演色性を向上させるため、S. Nayama等によると、波長が３７５〜３８０ｎｍの紫外線発光ダイオードにより、赤、青、緑および黄色の四色の蛍光体粒子を励起し、その演色評価数は９４．２、色温度は５８００Ｋである。Y. Narukawa等によると、紫外線発光ダイオードにより、青緑、黄色および赤の三色の蛍光体粒子を、２０ｍＡの定電流条件下で励起して、演色評価数が９７、Ｒ９が９６、色温度が５０００Ｋの白色光LEDを製作することができる。紫外線発光ダイオードにより、異なる色の蛍光体粒子を、電流が５ｍＡから６０ｍＡに増加する時に励起すると、色座標偏移量は、青色LEDにより黄色蛍光体粒子を励起する時と比較すると大幅に小さい。特許文献１（米国特許第６，６８５，８５２号明細書）では、波長が３１５〜４８０ｎｍの光源により、７種の異なる発射スペクトルの蛍光体粒子を励起して白色光を形成し、製作された白色光の演色性は９５に達するが、少なくとも４種の異なる色の蛍光体粒子を使用する必要がある。特許文献２（米国特許出願公開第２００６/００２２５８２号明細書）では、波長が２５０〜５００ｎｍの紫外線に近い光、或いは、可視光LEDにより、少なくとも三種類の異なる発射スペクトルの蛍光体粒子を励起して、白色光を形成し、使用する蛍光体粒子はそれぞれ、緑色、オレンジ、赤色で、蛍光体粒子濃度の調整により、高い演色性の光源が得られるが、色座標は暖色に属する。特許文献３（米国特許出願公開第２００７/０２３５７５１号明細書）では、４０５ｎｍの紫外線LEDにより、五種の異なる蛍光体粒子を励起して、白色光を形成し、演色評価数は９７．４である。特許文献４（米国特許出願公開第２００７/０２２１９３８号明細書）では、波長が４００〜４０５ｎｍのLEDにより、赤、黄色、青、或いは、緑、或いは、青緑の発射スペクトルの蛍光体粒子を励起し、蛍光体粒子間の重量比率を変化させて、演色評価数が９０〜９９の暖色白色光を形成する。以上の米国特許が使用する蛍光体粒子は皆相同の励起光源により励起され、蛍光体粒子が発射する異なる色光を利用して、必要な白色光スペクトルを組成する。

米国特許第６，６８５，８５２号明細書米国特許出願公開第２００６/００２２５８２号明細書米国特許出願公開第２００７/０２３５７５１号明細書米国特許出願公開第２００７/０２２１９３８号明細書

本発明は、白色発光ダイオードを提供することを目的とする。

本発明の実施例による白色発光ダイオードは、陽極と陰極、或いは、回路を含む基板と、基板上に設置され、ピーク波長が３２０〜４００ｎｍの紫外線光を発光する紫外線発光ダイオードと、紫外線発光ダイオード上に塗布され、青色、黄色および赤色の蛍光体粒子と透明樹脂を混合してなる蛍光体層と、からなり、黄色の蛍光体粒子は、波長が４００〜５３０ｎｍの青色光により励起され、且つ、透明樹脂は可視光と紫外線光を透過する。

本発明の実施例による白色発光ダイオードは、陽極と陰極、或いは、回路を含む基板と、基板上に設置され、ピーク波長が３２０〜４００ｎｍの紫外線光を発光する紫外線発光ダイオードと、紫外線発光ダイオードを被覆し、可視光と紫外線光が透過する透明層と、透明層上に塗布され、青色、黄色および赤色の蛍光体粒子と透明樹脂を混合してなる蛍光体層と、からなり、黄色の蛍光体粒子は、波長が４００〜５３０ｎｍの青色光により励起され、且つ、透明樹脂は可視光と紫外線光を透過する。

本発明の実施例による白色発光ダイオードは、陽極と陰極、或いは、回路を含む基板と、基板上に設置され、ピーク波長が３２０〜４００ｎｍの紫外線光を発光する紫外線発光ダイオードと、紫外線発光ダイオードを被覆し、可視光と紫外線光が透過する透明層と、透明層上に塗布され、青色、黄色および赤色の蛍光体層からなる複数の蛍光体層と、からなり、青色、黄色および赤色の蛍光体層は、それぞれ、青色、黄色および赤色の蛍光体粒子と透明樹脂を混合してなり、黄色の蛍光体粒子は、波長が４００〜５３０ｎｍの青色光により励起され、且つ、透明樹脂は可視光と紫外線光を透過する。

本発明は、赤、青および黄色の三色の蛍光体粒子を使用し、紫外線発光LEDにより励起して、白色光を形成する。本発明中で使用する励起光源は、波長が３２０〜４００ｎｍの紫外線発光ダイオードで、この光源により発射波長が赤色光と青色光の蛍光体粒子を励起すると共に、青色光により黄色蛍光体粒子を励起し、よって、公知のように一次励起ではなく、黄色光は二次励起により生成され、黄色蛍光体粒子を励起した余剰の青色光により、黄色光と赤色光を混合して、演色評価数が９０以上の白色光源を形成することができる。

本発明の白色発光ダイオードは、紫外線発光ダイオードにより蛍光体層中の適当な比率の青色、黄色および赤色蛍光体粒子を励起して、CIE色座標(0.33, 0.33)、色温度が３０００〜８０００Ｋ、演色評価数が９０以上である。

本発明の白色発光ダイオードが発射する白色光源は、標準光源に類似した白色光品質を有し、即ち、色座標は（0.33, 0.33)、色温度は６５００Ｋで、演色評価数は９０以上である。

本発明の実施例による白色発光ダイオードの断面図である。本発明の実施例による白色発光ダイオードの断面図である。本発明の実施例による白色発光ダイオードの断面図である。本発明の実施例による白色発光ダイオードのスペクトル図である。

図１は、本発明の実施例による白色発光ダイオードを示す図で、白色発光ダイオード１０は、基板１２、紫外線発光ダイオード１４、および、蛍光体層１６、からなる。基板１２は、陽、陰極（図示しない）か回路（図示しない）を含む。紫外線発光ダイオード１４は基板１２上に設置される。蛍光体層１６は紫外線発光ダイオード１４上に塗布される。蛍光体層１６は、青色、黄色および赤色の蛍光体粒子１６’と透明樹脂１８からなる。黄色蛍光体粒子は、例えば、イットリウムアルミニウムガーネット（YAG）、テルビウムアルミニウムガーネット（TAG）、および、バリウムオルトケイ酸塩（BOS）の各蛍光体粒子である。

紫外線発光ダイオード１４は、例えば、窒化ガリウムGaN、窒化インジウムガリウムアルミニウムInGaAlN 、或いは、窒化アルミニウムガリウムAlGaN等の第III-V 族フォトセミコンダクタからなる。紫外線発光ダイオード１４は、波長が３２０〜４００ｎｍの紫外線光を発射して、蛍光体層１６中の青色と赤色の蛍光体粒子を励起することができる。黄色蛍光体粒子は、青色蛍光体粒子により発光される青色光により励起され、青色光の波長は約４００〜５３０ｎｍである。余剰の青色光に黄色光と赤色光が混合され、白色光を生成する。

蛍光体層１６中、青色蛍光体粒子は、重量百分率が１５〜５０％を占める。黄色蛍光体粒子は、重量百分率が１０〜７０％を占める。赤色蛍光体粒子は、重量百分率が１５〜４０％を占める。透明樹脂１８は紫外線光と可視光が透過し、その材質は、エポキシかシリコン樹脂である。白色発光ダイオード１０は、表面実装型デバイス（surface mount device、SMD)型の白色発光ダイオードである。

図２は、本発明の他の実施例による白色発光ダイオードを示す図で、白色発光ダイオード２０は、基板２２、紫外線発光ダイオード２４、透明層２６、および、蛍光体層２８、からなる。基板２２は、陽、陰極（図示しない）か回路（図示しない）を含む。紫外線発光ダイオード２４は基板２２上に設置される。透明層２６は紫外線発光ダイオード２４を被覆する。蛍光体層２８は透明層２６上に塗布される。蛍光体層２８は、青色、黄色および赤色の蛍光体粒子１６’と透明樹脂２８’からなる。黄色蛍光体粒子は、例えば、イットリウムアルミニウムガーネット（YAG）、テルビウムアルミニウムガーネット（TAG）、および、バリウムオルトケイ酸塩（BOS）の各蛍光体粒子である。

紫外線発光ダイオード２４は、例えば、窒化ガリウムGaN、窒化インジウムガリウムアルミニウムInGaAlN 、或いは、窒化アルミニウムガリウムAlGaN等の第III-V 族フォトセミコンダクタからなる。紫外線発光ダイオード２４は、波長が３２０〜４００ｎｍの紫外線光を発射して、蛍光体層２８中の青色と赤色の蛍光体粒子を励起することができる。黄色蛍光体粒子は、青色蛍光体粒子により発光される青色光により励起され、青色光の波長は約４００〜５３０ｎｍである。余剰の青色光に黄色光と赤色光が混合されて、白色光を生成する。透明層２６は、紫外線と可視光が透過し、材質は、エポキシかシリコン樹脂である。

蛍光体層２８中、青色蛍光体粒子は、重量百分率が１５〜５０％を占める。黄色蛍光体粒子は、重量百分率が１０〜７０％を占める。赤色蛍光体粒子は、重量百分率が１５〜４０％を占める。透明樹脂２８’は紫外線光と可視光が透過し、その材質は、エポキシかシリコン樹脂である。

図３は、本発明のさらに他の実施例による白色発光ダイオードを示す図で、白色発光ダイオード３０は、基板３２、紫外線発光ダイオード３４、透明層３６、および、蛍光体層３８、からなる。基板３２は、陽、陰極（図示しない）か回路（図示しない）を含む。紫外線発光ダイオード３４は基板３２上に設置される。透明層３６は紫外線発光ダイオード３４を被覆する。複数の蛍光体層３８が透明層３６上に塗布される。複数の蛍光体層３８は、青色蛍光体層３９、黄色蛍光体層４０、赤色蛍光体層４１からなり、各層中には透明樹脂３９’、４０’、４１’が含まれる。青色蛍光体層３９中、青色蛍光体粒子は重量百分率が５〜４０％である。黄色蛍光体層４０中、黄色蛍光体粒子は重量百分率が１０〜５０％である。赤色蛍光体層４１中、赤色蛍光体粒子は重量百分率が５〜４０％である。透明樹脂３９’、４０’、４１’は紫外線光と可視光が透過し、その材質は、エポキシかシリコン樹脂である。

この実施例中、複数の蛍光体層３８は下から上に、順に、青色蛍光体層３９、黄色蛍光体層４０、赤色蛍光体層４１を配置しているが、本発明はこれに限定するものではなく、任意の順序組み合わせが可能であるが、黄色蛍光体粒子の励起光源は青色光なので、黄色蛍光体粒子は、青色蛍光体粒子の上方に位置しなければならない。黄色蛍光体層４０中の黄色蛍光体粒子は、例えば、イットリウムアルミニウムガーネット（YAG）、テルビウムアルミニウムガーネット（TAG）、および、バリウムオルトケイ酸塩（BOS）の各蛍光体粒子である。

紫外線発光ダイオード３４は、例えば、窒化ガリウムGaN、窒化インジウムガリウムアルミニウムInGaAlN 、或いは、窒化アルミニウムガリウムAlGaNからなる。紫外線発光ダイオード３４は、波長が３２０〜４００ｎｍの紫外線光を発射して、蛍光体層３８中の青色と赤色の蛍光体粒子を励起することができる。黄色蛍光体粒子は、青色蛍光体粒子により発光される青色光により励起され、青色光の波長は約４００〜５３０ｎｍである。余剰の青色光に、黄色光と赤色光が混合されて、白色光を生成する。透明層３６は、紫外線と可視光が透過し、材質は、エポキシかシリコン樹脂である。

本発明は、赤、青および黄色の三色の蛍光体粒子を使用し、紫外線発光LEDにより励起して白色光を形成する。本発明で使用される励起光源は、波長が３２０〜４００ｎｍの紫外線発光ダイオードで、この光源により発射波長が赤色光と青色光の蛍光体粒子を励起すると共に、青色光により黄色蛍光体粒子を励起し、よって、公知のように一次励起ではなく、黄色光は二次励起により生成され、黄色蛍光体粒子を励起した余剰の青色光により、黄色光と赤色光を混合して、演色評価数が９０以上の白色光源を形成することができる。

本発明の白色発光ダイオードは、紫外線発光ダイオードにより蛍光体層中の適当な比率の青色、黄色および赤色蛍光体粒子を励起して、色座標(0.33, 0.33)、色温度が３０００〜８０００Ｋ、演色評価数が９０以上を達成する。

《実施例１》
図１の白色発光ダイオードによると、青色蛍光体粒子は、蛍光体粒子合計の重量百分率で３５〜４０％を占める。黄色蛍光体粒子は、蛍光体粒子合計の重量百分率で３０〜３５％を占める。赤色蛍光体粒子は、蛍光体粒子合計の重量百分率で２５〜３５％を占める。上述の条件下で製作された白色発光LEDは、優れた発光特性を有し、定電流２０ｍＡの時、色温度は６１８８Ｋで、演色評価数は９３．６９に達し、色座標はＤ６５標準光源に近い色座標で、演色評価数は９０以上である。

図４は、本発明の白色発光ダイオードが発射する白色光源スペクトルとＤ６５標準光源スペクトルの比較を示す。図から分かるように、本発明の白色発光ダイオードが発射する白色光源のスペクトル変化と標準光源のスペクトル変化は極めて類似しているので、本発明の白色発光ダイオードが発射する白色光源は、標準光源に類似した白色光品質を有し、即ち、色座標は（0.33, 0.33)、色温度は６５００Ｋ以下で、演色評価数は９０以上である。

本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

１０、２０、３０〜白色発光ダイオード；
１２、２２、３２〜基板；
１４、２４、３４〜紫外線発光ダイオード；
１６、２８、３８〜蛍光体層；
1６’〜青色、黄色、或いは、赤色蛍光体粒子；
１８、２８’、３９’、４０’、４１’〜透明樹脂；
２６、３６〜透明層；
３９〜青色蛍光体層；
４０〜黄色蛍光体層；
４１〜赤色蛍光体層；

Claims

白色発光ダイオードであって、
陽極と陰極、或いは、回路を含む基板と、
前記基板上に設置され、ピーク波長が３２０〜４００ｎｍの紫外線光を発光する紫外線発光ダイオードと、
前記紫外線発光ダイオード上に塗布され、青色、黄色および赤色の蛍光体粒子と透明樹脂を混合してなる蛍光体層と、
からなり、
前記黄色の蛍光体粒子は、波長が４００〜５３０ｎｍの青色光により励起され、且つ、前記透明樹脂は可視光と紫外線光を透過することを特徴とする白色発光ダイオード。
前記青色蛍光体粒子は、前記青色、黄色および赤色蛍光体粒子中の重量百分率で１５〜５０％であることを特徴とする請求項１に記載の白色発光ダイオード。
前記黄色蛍光体粒子は、前記青色、黄色および赤色蛍光体粒子中の重量百分率で１０〜７０％であることを特徴とする請求項１または２に記載の白色発光ダイオード。
前記赤色蛍光体粒子は、前記青色、黄色および赤色蛍光体粒子中の重量百分率で１５〜４０％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の白色発光ダイオード。
白色発光ダイオードであって、
陽極と陰極、或いは、回路を含む基板と、
前記基板上に設置され、ピーク波長が３２０〜４００ｎｍの紫外線光を発光する紫外線発光ダイオードと、
前記紫外線発光ダイオードを被覆し、可視光と紫外線光が透過する透明層と、
前記透明層上に塗布され、青色、黄色および赤色の蛍光体粒子と透明樹脂を混合してなる蛍光体層と、
からなり、
前記黄色の蛍光体粒子は、波長が４００〜５３０ｎｍの青色光により励起され、且つ、前記透明樹脂は可視光と紫外線光を透過することを特徴とする白色発光ダイオード。
前記黄色蛍光体粒子は、前記青色、黄色および赤色蛍光体粒子中の重量百分率で１０〜７０％であることを特徴とする請求項５に記載の白色発光ダイオード。
前記赤色蛍光体粒子は、前記青色、黄色および赤色蛍光体粒子中の重量百分率で１５〜４０％であることを特徴とする請求項５または６に記載の白色発光ダイオード。
白色発光ダイオードであって、
陽極と陰極、或いは、回路を含む基板と、
前記基板上に設置され、ピーク波長が３２０〜４００ｎｍの紫外線光を発光する紫外線発光ダイオードと、
前記紫外線発光ダイオードを被覆し、可視光と紫外線光が透過する透明層と、
前記透明層上に塗布され、青色、黄色および赤色の蛍光体層からなる複数の蛍光体層と、
からなり、
前記青色、黄色および赤色の蛍光体層は、それぞれ、前記青色、黄色および赤色の蛍光体粒子と前記透明樹脂を混合してなり、前記黄色の蛍光体粒子は、波長が４００〜５３０ｎｍの青色光により励起され、且つ、前記透明樹脂は可視光と紫外線光を透過することを特徴とする白色発光ダイオード。
前記黄色蛍光体粒子は、前記黄色蛍光体層中の重量百分率で１０〜５０％であることを特徴とする請求項８に記載の白色発光ダイオード。
前記赤色蛍光体粒子は、前記赤色蛍光体層中の重量百分率で５〜４０％であることを特徴とする請求項８または９に記載の白色発光ダイオード。