JP2011096685A - 蛍光体を用いた発光モジュール及びこれを用いた車両用灯具 - Google Patents
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Abstract
【課題】
大電流を供給しても発光する青色発光蛍光体を備えた発光モジュールを提供すること。
【解決手段】
紫外光又は短波長可視光を発光する半導体発光素子と、前記半導体発光素子へ駆動電流を供給する電源と、前記半導体発光素子からの光を励起光として青色発光する青色発光蛍光体とを備える発光モジュール。
前記青色発光蛍光体は、下記一般式で表される青色発光蛍光体である。
Ｃａｘ−ｙ−ｚＭｇｙ（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ２＋ ｚ
（ｘは４．９５＜ｘ＜５．５０、ｙは０＜ｙ＜１．５０、ｚは０．０２＜ｚ＜０．２０、ｙ＋ｚは０．０２＜ｙ＋ｚ＜１．７を満足する数である）
【選択図】図１
Description
本発明は、ＬＥＤ照明などの発光モジュール及びこれを用いた車両用灯具に関する。
近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた白色発光モジュールが盛んに開発されている。これらの白色発光モジュールでは白色光を実現するため、例えば、青色光ＬＥＤチップに青色系の発光の一部を吸収する黄色発光蛍光体を組み合わせる２色混合白色発光モジュールや、紫外または短波長可視光ＬＥＤチップに赤・緑・青色の発光蛍光体を組み合わせる３色混合白色発光モジュールなどが提案されている。
２色混合白色発光モジュールに使用する黄色発光する蛍光体としては、Ｃｅ付活希土類アルミン酸塩蛍光体等が代表的なものとして知られている（特許文献１）。
また、３色混合白色発光モジュールに使用する青色発光蛍光体としては、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋、Ｓｒ５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ２＋等が代表的なものとして知られている（特許文献２、特許文献３）。
これらの白色発光モジュールの用途として、車両用灯具などの照明用光源として用いることが期待されており、さらなる光束及び輝度の向上が求められている。発光モジュールの光束及び輝度を向上させる方法としては、蛍光体へより多くの励起光を照射して、それに応じて蛍光体の発光出力を増大させる方法が考えられ、そのためには、励起光源であるＬＥＤチップへの駆動電流を大電流化し、電流密度を増大させる方法などが考えられる。
しかし、従来、蛍光体によっては励起光源の光出力増大に伴い、変換効率が低下し、輝度飽和が発生するおそれがあり、結果として効率の悪い発光モジュールとなってしまうという問題点があり、大光量、高輝度の白色発光モジュールの実現は困難であった。
励起光源からの光出力が一定以上になると、蛍光体の発光出力は、励起光源からの光出力の増大と比較して増大率が低くなる。特に励起光源への供給電流の電流密度が７００ｍＡ／ｍｍ２以上になると発光出力は急激に減少する。つまり、照明に必要な高光束、高輝度な発光が実現できないという問題があった。
そこで、本発明の目的は、上記問題点の少なくとも１つを解決することであり、発光強度が高く、光出力密度が大きな励起光源によって励起されても安定して発光する蛍光体を用いて大光量、高輝度の光モジュールを提供することである。
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、以下の構成を採用することによって、上記目的が達成され、本発明を成すに至った。
本発明に係る発光モジュールは、紫外光又は短波長可視光を発光する半導体発光素子と、前記半導体発光素子へ駆動電流を供給する電源と、前記半導体発光素子からの光を励起光として発光する蛍光体とを備える発光モジュールであって、前記電源から半導体発光素子へ供給される電流が、電流密度７００ｍＡ／ｍｍ２で以上あり、前記半導体発光素子からの励起光により発光を実現することができる下記一般式で表される蛍光体を用いる発光モジュールである。
Ｃａｘ−ｙ−ｚＭｇｙ（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ２＋ ｚ
（ｘは４．９５＜ｘ＜５．５０、ｙは０＜ｙ＜１．５０、ｚは０．０２＜ｚ＜０．２０、ｙ＋ｚは０．０２＜ｙ＋ｚ＜１．７を満足する数である）
（ｘは４．９５＜ｘ＜５．５０、ｙは０＜ｙ＜１．５０、ｚは０．０２＜ｚ＜０．２０、ｙ＋ｚは０．０２＜ｙ＋ｚ＜１．７を満足する数である）
また、本発明に係る発光モジュールは、さらに、前記半導体発光素子へ１０００ｍＡ／ｍｍ２以上の電流を供給した時にも高効率な発光を実現することができる。
また本発明で用いられる蛍光体の励起光源である半導体発光素子としては、３５０〜４２０ｎｍの範囲に発光ピークを持ち、４００ｎｍ付近に最も量子効率の高いＩｎＧａＮ系を用いる。具体的には発光層にＩｎとＧａを含む窒化物を有している半導体発光素子を用いることが好ましく、これにより効率の良い光変換が実現できる。また、人間の目に視認しにくい紫外光を励起光源として用いることにより励起光源の色ズレを感じることが無く、色ズレの無い発光モジュールを実現することができる。
また本発明の発光モジュールにおいて、他色を発光する蛍光体を構成物として用いることにより、２種類以上の発光色を混合して様々な波長範囲の光を発光可能とする発光モジュールを実現することができる。
また本発明の発光モジュールへ、補色する蛍光体を加えることにより全ての蛍光体からの光を混合して白色発光モジュールを実現することができる。補色する蛍光体は特に限定されないが、公知公用の蛍光体も適時利用できる。
また本発明の発光モジュールは、車両用灯具へも適宜利用できる。
本発明の発光モジュールは、電源から駆動電流を注入することにより紫外光又は短波長可視光を発光する半導体発光素子と、この半導体発光素子からの光を励起光として効率よく励起され発光する蛍光体とを備えていて、電源から大電流を供給した場合であっても発光効率が高く、優れた発光特性を有する。
本発明に係る発光モジュールは、紫外光又は短波長可視光を発光する半導体発光素子と、前記半導体発光素子へ駆動電流を供給する電源と、前記半導体発光素子からの光を励起光として発光する蛍光体とを備える発光モジュールであって、前記電源から半導体発光素子へ供給される電流が、電流密度７００ｍＡ／ｍｍ２で以上あり、前記半導体発光素子からの励起光により発光を実現することができる下記一般式で表される蛍光体を用いる発光モジュールである。
Ｃａｘ−ｙ−ｚＭｇｙ（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ２＋ ｚ
（ｘは４．９５＜ｘ＜５．５０、ｙは０＜ｙ＜１．５０、ｚは０．０２＜ｚ＜０．２０、ｙ＋ｚは０．０２＜ｙ＋ｚ＜１．７を満足する数である）
（ｘは４．９５＜ｘ＜５．５０、ｙは０＜ｙ＜１．５０、ｚは０．０２＜ｚ＜０．２０、ｙ＋ｚは０．０２＜ｙ＋ｚ＜１．７を満足する数である）
このような上記一般式で表される蛍光体は、励起ピーク波長が３５０〜４２０ｎｍの範囲にあり、その中でも３８０〜４１０ｎｍであることが好ましい。励起光源には上記蛍光体の励起ピーク波長の光を発光できるＬＥＤ発光装置を用いることができる。
本発明に用いられる青色発光蛍光体は、半導体発光素子からの励起光によって励起され、波長４６０ｎｍ近傍に発光ピークを有し、発光ピークから長波長側へブロードな範囲で発光することを特徴とする。
また、本発明の発光モジュールは、他色発光蛍光体と組み合わせて発光モジュールとすることができる。例えば、本発明で用いられる青色発光蛍光体を紫外線半導体発光素子及び赤、緑発光蛍光体と組み合わせて白色発光モジュールとすることができる。赤色発光蛍光体、緑色発光蛍光体としては、特に限定されないが、公知公用の蛍光体も適時利用できる。
蛍光体として、赤色発光蛍光体（Ｒ）と緑色発光蛍光体（Ｇ）と本発明の青色発光蛍光体（Ｂ）のみを用いる場合には、それらの配合比率は、スペクトル分率比で（Ｒ）３５〜７５、（Ｇ）１５〜５０、（Ｂ）２〜３０であることが好ましく、より好ましくは、（Ｒ）４５〜７４、（Ｇ）２０〜４５、（Ｂ）５〜１５である。
また、本発明の発光モジュールは、車両用灯具に適宜利用できる。特に、本発明の白色発光する発光モジュールを車両用前照灯へ適用することができる。車両用前照灯は、高光束、高輝度光源が必要であり、本発明の発光モジュールを利用することによって、効率のよい車両用前照灯を実現することができる。
図１、２は、本発明の発光モジュールの実施形態を示す概略断面図である。
図１に示す発光モジュール１は、基板２上に電極３ａ及び３ｂが形成されている。電極３ａ上には半導体発光素子４がマウント部材５により固定されている。半導体発光素子４と電極３ａは前記マウント部材５により通電されており、半導体発光素子４と電極３ｂはワイヤー６により通電されている。半導体発光素子４の上には蛍光層７が形成されている。
図１に示す発光モジュール１は、基板２上に電極３ａ及び３ｂが形成されている。電極３ａ上には半導体発光素子４がマウント部材５により固定されている。半導体発光素子４と電極３ａは前記マウント部材５により通電されており、半導体発光素子４と電極３ｂはワイヤー６により通電されている。半導体発光素子４の上には蛍光層７が形成されている。
基板２は、導電性を有しないが熱伝導性は高い材料によって形成されることが好ましく、例えば、セラミック基板（窒化アルミニウム基板、アルミナ基板、ムライト基板、ガラスセラミック基板）やガラスエポキシ基板等を用いることができる。
電極３ａ及び３ｂは、金や銅等の金属材料によって形成された導電層である。電極３ａ及び３ｂには、図２の回路図の発光モジュール１０に示すとおり、電源８から駆動電流が半導体発光素子９へ供給される。
半導体発光素子４は、本発明の発光装置に用いられる発光素子の一例であり、例えば、紫外線又は短波長可視光を発光するＬＥＤやＬＤ等を用いることができる。具体例として、ＩｎＧａＮ系の化合物半導体を挙げることができる。ＩｎＧａＮ系の化合物半導体は、Ｉｎの含有量によって発光波長域が変化する。Ｉｎの含有量が多いと発光波長が長波長となり、少ない場合は短波長となる傾向を示す。
マウント部材５は、例えば銀ペースト等の導電性接着材であり、半導体発光素子４の下面を電極３ａに固定し、半導体発光素子４の下面側電極と基板２上の電極３ａを電気的に接続する。
ワイヤー６は、金ワイヤー等の導電部材であり、例えば超音波熱圧着等により半導体発光素子４の上面側電極及び電極３ｂに接合され、両者を電気的に接続する。
蛍光層７には、前述した蛍光体がバインダー部材によって半導体発光素子４の上面を覆う膜状に封止されている。このような蛍光層７は、例えば、液状又はゲル状のバインダー部材に蛍光体を混入した蛍光体ペーストを作成した後、当該蛍光体ペーストを半導体発光素子４の上面に塗布し、その後に塗布した蛍光体ペーストのバインダー部材を硬化することにより形成することができる。
バインダー部材としては、例えば、シリコーン樹脂やフッ素樹脂等を用いることができる。特に、本発明の発光装置は、励起光源として紫外線又は短波長可視光を用いることから、耐紫外線性能に優れたバインダー部材が好ましい。
バインダー部材としては、例えば、シリコーン樹脂やフッ素樹脂等を用いることができる。特に、本発明の発光装置は、励起光源として紫外線又は短波長可視光を用いることから、耐紫外線性能に優れたバインダー部材が好ましい。
蛍光層７には、上記蛍光体とは異なる発光特性を有する１種又は複数種類の蛍光体を混入することができる。これにより、種々の波長域の光を合成して種々の色の光を得ることができる。
また、蛍光層７には、種々の物性を有する蛍光体以外の物質を混入することもできる。例えば、金属酸化物、フッ素化合物、硫化物等のバインダー部材よりも屈折率の高い物質を蛍光層７に混入することにより、蛍光層７の屈折率を高めることができる。これにより、半導体発光素子４から発生する光が蛍光層７入射する際に生ずる全反射を低減させ、蛍光層７への励起光の取り込み効率を向上させるという効果が得られる。更に、混入する物質の粒子径をナノサイズにすることで、蛍光層７の透明度を低下させることなく屈折率を高めることができる。
本発明の蛍光体を用いる発光モジュールは、具体的には、半導体発光素子上に該蛍光体の層を設ける構成が挙げられる。
その場合、半導体発光素子上に設ける該蛍光体層は、少なくとも１種以上の蛍光体を単層または複数層を層状に積層配置しても良いし、複数の蛍光体を単一の層内に混合して配置しても良い。上記半導体発光素子上に蛍光体層を設ける形態としては、半導体発光素子の表面を被覆するコーティング部材に蛍光体を混合する形態、モールド部材に蛍光体を混合する形態、或いはモールド部材に被せる被覆体に蛍光体を混合する形態、更には半導体発光素子ランプの投光側前方に蛍光体を混合した透光可能なプレートを配置する形態等が挙げられる。モールド部材に混合する場合には、耐ＵＶ特性の良好なシリコーン樹脂内に分散している事が好ましい。
本発明の蛍光体を用いる発光モジュールは、具体的には、半導体発光素子上に該蛍光体の層を設ける構成が挙げられる。
その場合、半導体発光素子上に設ける該蛍光体層は、少なくとも１種以上の蛍光体を単層または複数層を層状に積層配置しても良いし、複数の蛍光体を単一の層内に混合して配置しても良い。上記半導体発光素子上に蛍光体層を設ける形態としては、半導体発光素子の表面を被覆するコーティング部材に蛍光体を混合する形態、モールド部材に蛍光体を混合する形態、或いはモールド部材に被せる被覆体に蛍光体を混合する形態、更には半導体発光素子ランプの投光側前方に蛍光体を混合した透光可能なプレートを配置する形態等が挙げられる。モールド部材に混合する場合には、耐ＵＶ特性の良好なシリコーン樹脂内に分散している事が好ましい。
[蛍光体]
以下に本発明に用いられる蛍光体を実施例によって更に具体的に説明するが、もちろん本発明の範囲は、これらによって限定されるものではない。
以下に本発明に用いられる蛍光体を実施例によって更に具体的に説明するが、もちろん本発明の範囲は、これらによって限定されるものではない。
［実施例１〜６、比較例１〜２］
ＣａＣＯ３、ＭｇＣＯ３、Ｅｕ２Ｏ３、ＣａＣｌ２およびＣａＨＰＯ４を原料として、表１に示すモル比で計量し、均一混合後フタ付きのアルミナ坩堝に入れ、還元ガス（２〜５％のＨ２を含むＮ２雰囲気）の中で、８４０〜１２００℃で３時間焼成した。その後、得られた焼成物を微粉砕し、温純水でよく洗浄し、更にろ過、乾燥させることにより実施例１〜６、比較例１〜２の目的組成物の合成した。尚、本ハロ燐酸塩結晶中に塩素欠陥の発生を防止するために化学量論比より塩素量ＣａＣｌ２の形態で０．５ｍｏｌ以上過剰に添加してもよい。
ＣａＣＯ３、ＭｇＣＯ３、Ｅｕ２Ｏ３、ＣａＣｌ２およびＣａＨＰＯ４を原料として、表１に示すモル比で計量し、均一混合後フタ付きのアルミナ坩堝に入れ、還元ガス（２〜５％のＨ２を含むＮ２雰囲気）の中で、８４０〜１２００℃で３時間焼成した。その後、得られた焼成物を微粉砕し、温純水でよく洗浄し、更にろ過、乾燥させることにより実施例１〜６、比較例１〜２の目的組成物の合成した。尚、本ハロ燐酸塩結晶中に塩素欠陥の発生を防止するために化学量論比より塩素量ＣａＣｌ２の形態で０．５ｍｏｌ以上過剰に添加してもよい。
［比較例３］
比較例３として、Ｓｒ５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕで表される青色発光蛍光体（化成オプトニクス株式会社製：ＬＰ−Ｂ３）を用いた。
比較例３として、Ｓｒ５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕで表される青色発光蛍光体（化成オプトニクス株式会社製：ＬＰ−Ｂ３）を用いた。
［比較例４］
比較例４として、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋で表される青色発光蛍光体（化成オプトニクス株式会社製：ＬＰ−Ｂ４）を用いた。
比較例４として、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋で表される青色発光蛍光体（化成オプトニクス株式会社製：ＬＰ−Ｂ４）を用いた。
［比較例５］
比較例５として、Ｌａ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕで表される赤色発光蛍光体（化成オプトニクス株式会社製：ＫＸ−６８１）を用いた。
比較例５として、Ｌａ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕで表される赤色発光蛍光体（化成オプトニクス株式会社製：ＫＸ−６８１）を用いた。
［比較例６］
比較例６として、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋,Ｍｎ２＋で表される緑色発光蛍光体（化成オプトニクス株式会社製：ＬＰ−Ｇ３）を用いた。
比較例６として、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋,Ｍｎ２＋で表される緑色発光蛍光体（化成オプトニクス株式会社製：ＬＰ−Ｇ３）を用いた。
表１に、実施例１〜６及び比較例１、２について、蛍光体原料のモル比を示す。
表２に、実施例１〜６及び比較例１〜４の蛍光体が波長４００ｎｍの同じ発光強度の励起光で励起された時の積分発光強度比を示す。蛍光体の積分発光強度比は、比較例３の積分発光強度を１００とした時の相対値である。
表２より、実施例１〜６の蛍光体の積分発光強度が、比較例１〜４全ての蛍光体の積分発光強度よりも大きいことがわかる。
図３に実施例１の蛍光体の発光スペクトル分布を示す。尚、実施例２〜６の蛍光体の発光スペクトルは、ほぼ同じ形状を示したため、最も積分発光強度の大きい実施例１のみ記載した。図３より本発明に用いられる蛍光体の実施例１は、発光ピーク波長が４６０ｎｍ近傍にあり、青色発光することが明らかとなった。
[発光モジュール]
以下に本発明の発光モジュールを実施例によって更に具体的に説明するが、もちろん本発明の範囲は、これらによって限定されるものではない。
以下に本発明の発光モジュールを実施例によって更に具体的に説明するが、もちろん本発明の範囲は、これらによって限定されるものではない。
実施例１〜５及び比較例３〜６の蛍光体を、図１、２に示した形態で半導体発光素子上に搭載し、該半導体発光素子へ高電流を注入した時の発光特性を評価した。
評価に用いた半導体発光素子は、４０５ｎｍに発光ピークを持つ１ｍｍ□の半導体発光素子（ＳｅｍｉＬＥＤｓ社：ＭｖｐＬＥＤＴＭＳＬ−Ｖ−Ｕ４０ＡＣ）である。シリコーン樹脂に実施例１〜５及び比較例３、４の蛍光体をコンパウンドしたペーストを、この半導体発光素子へ１００μｍの厚さで塗布して発光モジュールとした。
前記発光モジュールを積分球内で５０〜３０００ｍＡの電流を注入し発光させ、分光器（Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ社製ＣＡＳ１４０Ｂ−１５２）において発光出力を計測した。計測した値のうち、４３０ｎｍ以上の波長で発光している発光出力を測定値（蛍光出力）として算出した。
表３に、半導体発光素子へ電流密度１０〜３０００ｍＡ／ｍｍ２の電流を供給した時の半導体素子相対出力を示す。
半導体発光素子の発光出力は、電源から供給される供給電流（電流密度）の増大に応じて増大するが、供給電流（電流密度）が７００ｍＡ／ｍｍ２を超えると増大率が小さくなる。これに加えて、この半導体発光素子からの光を励起光にする蛍光体が、励起光の発光出力の増大に応じて増大しなければ、全体として発光効率の低い発光モジュールとなってしまう問題がある。
次に、上記評価方法に基づいて、実施例１〜５及び比較例３〜６の蛍光体を搭載した発光モジュールの評価結果を示す。表４は、各発光モジュールへの供給電流の変化に対する各発光モジュールの発光出力の変化を示したものである。各発光モジュールの発光出力は、比較例５の蛍光体を用いた発光モジュールへ電流密度１ｍＡ／ｍｍ２の電流を供給した時の蛍光出力を１とした時の相対値である。
表４より、実施例１〜５の蛍光体を用いた発光モジュールは、電流密度７００ｍＡ／ｍｍ２以上の電流を供給した場合においても、比較例３〜６に比べ、発光効率が低下することなく、良好な発光出力を維持できていることがわかる。
次に、上記測定結果をグラフ化したものを図４に示す。図４は、実施例１〜５の中で最も発光強度が高かった実施例１と比較例３〜６について、半導体発光素子から発光される光出力の変化に対する発光モジュールの発光出力強度の関係を表したものである。
図４より、実施例１の蛍光体を用いた発光モジュールの発光出力強度は、半導体発光素子の発光出力の増大に比例して、効率よく上昇していることがわかる。
以上、本発明の発光モジュールを実施例に沿って説明したが、本発明はこれらの実施例に限られるものではなく、種々の変更、改良、組み合わせ、利用形態等が考えられることは言うまでもない。
本発明の発光モジュールは種々の灯具、例えば照明用灯具、ディスプレイ、車両用灯具、信号機等に利用することができる。
１：発光モジュール
２：基板
３ａ：電極（陽極）
３ｂ：電極（陰極）
４：半導体発光素子
５：マウント部材
６：ワイヤー
７：蛍光層
８：電源
９：半導体発光素子
２：基板
３ａ：電極（陽極）
３ｂ：電極（陰極）
４：半導体発光素子
５：マウント部材
６：ワイヤー
７：蛍光層
８：電源
９：半導体発光素子
Claims (7)
- 紫外光又は短波長可視光を発光する半導体発光素子と、
前記半導体発光素子へ駆動電流を供給する電源と、
前記半導体発光素子からの光を励起光として発光する蛍光体と、
を備える発光モジュールにおいて、
前記電源から半導体発光素子へ供給される電流が、電流密度７００ｍＡ／ｍｍ２以上であり、
前記蛍光体は、下記一般式で表される蛍光体であることを特徴とする発光モジュール。
Ｃａｘ−ｙ−ｚＭｇｙ（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ２＋ ｚ
（ｘは４．９５＜ｘ＜５．５０、ｙは０＜ｙ＜１．５０、ｚは０．０２＜ｚ＜０．２０、ｙ＋ｚは０．０２＜ｙ＋ｚ＜１．７を満足する数である） - 前記電源から半導体発光素子へ供給される電流が、電流密度１０００ｍＡ／ｍｍ２以上であることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
- 前記蛍光体は青色発光することを特徴とする請求項１及び２に記載の発光モジュール。
- 前記半導体発光素子は、発光ピーク波長が３５０〜４２０ｎｍの範囲にあるＩｎＧａＮ系であることを特徴とする請求項１〜３に記載の発光モジュール。
- 前記蛍光体と異なる発光色の蛍光体をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜４に記載の発光モジュール。
- 前記異なる発光色の蛍光体は、前記蛍光体を補色し、全ての蛍光体の光を混合して白色発光することを特徴とする請求項４及び５に記載の発光モジュール。
- 請求項１〜５に記載の発光モジュールを光源とした車両用灯具。
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