JP2013110155A - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】近紫外光によって線状スペクトルを有する可視光を放射する蛍光体を用いた発光装置を提供する。
【解決手段】近紫外光を出射する発光素子と、CeとDyを共付活した(M1-a-bCeaDyb)BO3(MはSc、In、Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Tb、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Cr、Sn、Sb、Pb、Bi、Feから選択される少なくとも1種の元素を示し、0<a≦0.5、0<b≦0.1)の組成式で表され、発光素子の出射光により励起されて可視光を放射する蛍光体を含む蛍光体層とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】近紫外光を出射する発光素子と、CeとDyを共付活した(M1-a-bCeaDyb)BO3(MはSc、In、Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Tb、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Cr、Sn、Sb、Pb、Bi、Feから選択される少なくとも1種の元素を示し、0<a≦0.5、0<b≦0.1)の組成式で表され、発光素子の出射光により励起されて可視光を放射する蛍光体を含む蛍光体層とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、蛍光体を用いて光を出力する発光装置に関する。
発光ダイオード(LED)などの発光素子を光源に用いた発光装置が実用化されている。白色光を出力する発光装置を実現するために、赤色光、緑色光、青色光をそれぞれ出射する複数のLEDが使用されたり、青色LEDと各種の青色励起蛍光体(黄色蛍光体、緑色蛍光体、赤色蛍光体)とを組み合わせた白色LEDが使用されている。
更に、近紫外光を出射するLEDと、近紫外光によって励起される各種の蛍光体(青色蛍光体、緑色蛍光体、赤色蛍光体)とを組み合わせた白色LEDランプが提案されている。
蛍光ランプでは、発光の半値幅の狭い青、緑、赤の三原色を組み合わせることでランプ光束と演色性を高くできることが知られている。例えば、蛍光ランプの主流の1つである3波長形蛍光体では、青色蛍光体としてBaMgAl10O17:Eu2+、緑色蛍光体としてLaPO4:Ce3+、Tb3+(LAP)、赤色蛍光体としてY2O3:Eu3+(YOX)などが使用される。Tb3+やEu3+で付活された蛍光体は、5d軌道に遮断された4f−4f遷移による鋭い線状スペクトルを有することが特徴的である。
しかしながら、近紫外から青色光を出射するLEDと蛍光体の組み合わせでは、水銀ランプに代表される線状スペクトルの光を出力する発光装置の実用化が困難である。これは、線状スペクトルを代表する4f−4f遷移が起こる希土類イオン、例えばEu3+、Tb3+、Dy3+などでは、波長が近紫外領域から可視領域である光の吸収が弱いためである。
本発明は、近紫外光によって線状スペクトルを有する可視光を放射する蛍光体を用いた発光装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、(イ)近紫外光を出射する発光素子と、(ロ)CeとDyを共付活した(M1-a-bCeaDyb)BO3(MはSc、In、Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Tb、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Cr、Sn、Sb、Pb、Bi、Feから選択される少なくとも1種の元素を示し、0<a≦0.5、0<b≦0.1)の組成式で表され、発光素子の出射光により励起されて可視光を放射する蛍光体を含む蛍光体層とを備える発光装置が提供される。
本発明によれば、近紫外光によって線状スペクトルを有する可視光を放射する蛍光体を用いた発光装置を提供できる。
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
本発明の実施形態に係る発光装置1は、図1に示すように、近紫外光を出射する発光素子10と、セリウム(Ce)とジスプロシウム(Dy)を共付活した(M1-a-bCeaDyb)BO3(0<a≦0.5、0<b≦0.1)の組成式で表され、発光素子10の出射光により励起されて可視光を放射する蛍光体21を含む蛍光体層20とを備える。
なお、蛍光体21の組成式に含まれる元素Mは、スカンジウム(Sc)、インジウム(In)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)、クロム(Cr)、スズ(Sn)、アンチモン(Sb)、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)、鉄(Fe)から選択される少なくとも1種の元素を示す。上記のように、蛍光体層20に含まれる蛍光体21は、3価のセリウム(Ce)とジスプロシウム(Dy)で付活されたホウ酸塩蛍光体である。蛍光体層20には、蛍光体21を含有する樹脂などが採用可能である。
CeとDyを共付活した(M1-a-bCeaDyb)BO3の組成式で表される蛍光体21では、元素Mの一部が3価のCe及びTbで置換されることにより、発光を生じる蛍光体が得られる。元素Mは、上記のSc、In、Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Cr、Sn、Sb、Pb、Bi、Feのいずれかの元素であるか、或いは元素Mとして2種以上の元素を選択してもよい。例えば、元素Mの合計量を100原子%としたとき、上記元素のうちの1種を10原子%とし、他の元素のいずれかを90原子%として、元素Mが構成される。
発光素子10は、例えば波長が320nm以上420nm以下の光を出射する。発光素子10には、LEDやレーザダイオードなどの半導体発光素子が採用可能である。
図1に示したように、発光素子10は、上部よりも底部が狭い凹部を有するパッケージ30の凹部底面に配置されている。パッケージ30の凹部は、蛍光体層20により充填されている。
パッケージ30は、基板40上に実装されている。図示を省略した電気配線が基板40に配置されており、この電気配線に発光素子10が電気的に接続されている。例えば発光素子10がLEDの場合、発光素子10の正電極と負電極間に電圧を印加することにより発光素子10に駆動電流が流れる。これにより、発光素子10は光を出射する。発光素子10をパッケージ30の凹部底面に配置することにより、出力光Lの指向性が向上する。
発光素子10からの近紫外領域の波長を有する出射光が蛍光体層20に入射すると、この出射光はCe3+イオンに吸収される。そして、Ce3+イオンに吸収されたエネルギーは発光中心であるDy3+イオンに伝達される。その結果、蛍光体21はDy3+イオンからの発光を放射する。詳細は後述するが、Dy3+イオンの発光は線状スペクトルを有する。上記のように、近紫外光によって線状スペクトルを有する可視光を放射する蛍光体21を実現できる。
既に述べたように、発光の半値幅の狭い青、緑及び赤の三原色を組み合わせることでランプ光束と演色性を共に高くすることができる。ハロリン酸カルシウム蛍光体、3波長形蛍光体、高演色形蛍光体を、水銀を含む蛍光ランプ(冷陰極管)で試作し、それぞれの特性を比較した結果を図2に示す。試作した蛍光ランプは、外径3.4mm、内径2.4mm、管長705mmで、封入ガスはAr:Ne=7:93の比率で40Torrである。測定は、管電流9mAで、2mの積分球内で行った。
図2で、「相対光束」は高演色形蛍光体を基準とした値であり、「x」、「y」はCIE色度座標中のxyの値であり、「Ra」は物体の見え方を評価する指針である平均演色評価数である。図2に示すように、ランプ光束は、高演色形蛍光体<ハロリン酸カルシウム蛍光体<3波長形蛍光体の順に大きく、3波長形蛍光体の数値が飛びぬけて大きい。一方、平均演色評価数Raについては、ハロリン酸カルシウム蛍光体<3波長形蛍光体<高演色形蛍光体の順に大きい。なお、Raが80以上の光源は、太陽光に近い光で自然な状態で物体を見ることができる高品位な照明として評価される。
図2から、3波長形蛍光体が高光束、高Raに最も好ましい光源である。既に述べたように、3波長形蛍光体では4f−4f遷移による鋭い線状スペクトルが特徴的であり、これにより高いランプ光束や演色性を実現している。
しかしながら、4f−4f遷移が起こる希土類イオンは、波長が近紫外領域から可視領域である光のエネルギーを強く吸収できない。例えば、Dy3+イオンは、360nmよりも長波長の光ではほとんど発光しない。このため、LEDと励起蛍光体とを組み合わせることによって、水銀ランプに代表されるような線状スペクトルを有する発光装置を実用化することが困難であった。
しかし、図1に示した発光装置1では、近紫外領域から可視領域の波長を有する光のエネルギーが4f−5d遷移の起こる希土類イオンに吸収され、そのエネルギーが4f−4f遷移の起こる希土類イオンに伝達される。その結果、発光装置1によれば、4f−4f遷移による鋭い線状スペクトルを得ることができる。その結果、光束や演色性の高い発光装置1が実現される。
CeとDyを共付活した蛍光体21を採用することの効果を、各種の蛍光体からなる以下のサンプルを用いた測定によって示す。
サンプルS1は、仕込み組成比において、Y:Dy:B=0.995:0.005:1.500となるように各原料を秤量する。ホウ酸(H3BO3)は母体の構成元素としてだけでなく、反応促進剤(フラックス)としても用いるため、本来のYBO3の化学量論比よりも50%過剰に加える。サンプルS1の原料例は;
純度99.99%の酸化イットリウム(Y2O3):2.7253g
純度99.95%の酸化ジスプロシウム(Dy2O3):0.0235g
純度99.9%のホウ酸(H3BO3):2.2521g
サンプルS2は、仕込み組成比において、Y:Ce:B=0.900:0.100:1.500となるように各原料を秤量する。サンプルS2の原料例は;
純度99.99%の酸化イットリウム(Y2O3):2.4004g
純度99.99%の酸化セリウム(CeO2):0.4066g
純度99.9%のホウ酸(H3BO3):2.1930g
サンプルS3は、仕込み組成比において、Y:Ce:Dy:B=0.895:0.100:0.005:1.500となるように各原料を秤量する。サンプルS3の原料例は;
純度99.99%の酸化イットリウム(Y2O3):2.3829g
純度99.99%の酸化セリウム(CeO2):0.4059g
純度99.95%の酸化ジスプロシウム(Dy2O3):0.0220g
純度99.9%のホウ酸(H3BO3):2.1890g
上記のように秤量した原料を乳鉢に入れ、エタノールを少量加えて十分に混合する。混合した原料はアルミナるつぼに充填し、H2:N2=4:96の還元ガスを流した電気炉内で焼成した。焼成温度は1150℃、3時間である。焼き上がった蛍光体を乳鉢で粉砕し、過剰なホウ酸を除去するために水洗し、110℃で2時間乾燥させることにより、サンプルS1〜S3が得られた。
純度99.99%の酸化イットリウム(Y2O3):2.7253g
純度99.95%の酸化ジスプロシウム(Dy2O3):0.0235g
純度99.9%のホウ酸(H3BO3):2.2521g
サンプルS2は、仕込み組成比において、Y:Ce:B=0.900:0.100:1.500となるように各原料を秤量する。サンプルS2の原料例は;
純度99.99%の酸化イットリウム(Y2O3):2.4004g
純度99.99%の酸化セリウム(CeO2):0.4066g
純度99.9%のホウ酸(H3BO3):2.1930g
サンプルS3は、仕込み組成比において、Y:Ce:Dy:B=0.895:0.100:0.005:1.500となるように各原料を秤量する。サンプルS3の原料例は;
純度99.99%の酸化イットリウム(Y2O3):2.3829g
純度99.99%の酸化セリウム(CeO2):0.4059g
純度99.95%の酸化ジスプロシウム(Dy2O3):0.0220g
純度99.9%のホウ酸(H3BO3):2.1890g
上記のように秤量した原料を乳鉢に入れ、エタノールを少量加えて十分に混合する。混合した原料はアルミナるつぼに充填し、H2:N2=4:96の還元ガスを流した電気炉内で焼成した。焼成温度は1150℃、3時間である。焼き上がった蛍光体を乳鉢で粉砕し、過剰なホウ酸を除去するために水洗し、110℃で2時間乾燥させることにより、サンプルS1〜S3が得られた。
得られたサンプルS1〜S3の結晶構造の確認を、粉末X線回折(XRD:X−ray diffraction)で行った。サンプルS3のX線回折パターンを図3に示す。ICSDカード#84653に登録されているYBO3と比較することで、サンプルS3としてYBO3の単一相が得られたことが確認できる。
サンプルS1〜S3は、蛍光体21の元素Mにイットリウム(Y)を用いたサンプルである。イットリウムの代わりにガドリニウム(Gd)を用いたサンプルS4〜S6を作成した。具体的には、純度99.99%の酸化ガドリニウム(Gd2O3)を用いてサンプルS4〜S6を作成した。サンプルS1〜S3と同様に秤量、混合を行い、1150℃、3時間で焼成した後、乳鉢粉砕、水洗、乾燥を行ってサンプルS4〜S6を得た。XRD測定により、GdBO3の単一相が得られたことを確認した。
蛍光体21の元素Mにランタン(La)を用いたサンプルS7〜S9を作成した。具体的には、純度99.99%の酸化ランタン(La2O3)を用いてサンプルS7〜S9を作成した。サンプルS1〜S3と同様に秤量、混合を行い、1100℃、3時間で焼成した後、乳鉢粉砕、水洗、乾燥を行ってサンプルS7〜S9を得た。XRD測定により、LaBO3の単一相が得られたことを確認した。
蛍光体21の元素Mにスカンジウム(Sc)を用いたサンプルS10〜S12を作成した。具体的には、純度99.99%の酸化スカンジウム(Sc2O3)を用いてサンプルS7〜S9を作成した。サンプルS1〜S3と同様に秤量、混合を行い、1300℃、3時間で焼成した後、乳鉢粉砕、水洗、乾燥を行ってサンプルS7〜S9を得た。XRD測定により、ScBO3の単一相が得られたことを確認した。
図4に、紫外光である波長254nmの入射光によりサンプルS1〜S12を励起させた場合の測定結果を示す。なお、比較のために、(La、Ce、Tb)PO4の比較サンプルC1の測定値も示している。図4の「吸収率」は励起光を吸収する比率、「内部量子効率」は吸収した励起光を可視光に変換する比率、「外部量子効率」は「吸収率」と「内部量子効率」の積で表される各サンプルの変換効率である。
図5に、近紫外光である波長365nmの入射光によってサンプルS1〜S12を励起させた場合の測定結果を示す。
図4及び図5に示すように、Ceを付活することにより、Dyのみが付活されている場合と比較して吸収率が向上することが確認された。
図6及び図7に、イットリウム(Y)を用いたサンプルS1〜S3の、波長365nmの励起光による発光スペクトル及び各発光をモニタした励起スペクトルを示す。図6に示すよう、CeとDyを共付活したサンプルS3において、急峻なピークを有する線状スペクトルが得られている。また、図6、図7に示すように、サンプルS1、S2と比較して、サンプルS3は発光強度及び発光励起強度が高い。
図8及び図9に、ガドリニウム(Gd)を用いたサンプルS4〜S6の、波長365nmの励起光による発光スペクトル及び励起スペクトルを示す。図8に示すよう、CeとDyを共付活したサンプルS6において、急峻なピークを有する線状スペクトルが得られている。また、図8、図9に示すように、サンプルS4、S5と比較して、サンプルS6は発光強度及び発光励起強度が高い。
図10及び図11に、ランタン(La)を用いたサンプルS7〜S9の、波長365nmの励起光による発光スペクトル及び励起スペクトルを示す。図10に示すように、CeとDyを共付活したサンプルS9において、急峻なピークを有する線状スペクトルが得られている。また、図10、図11に示すように、サンプルS7、S8と比較して、サンプルS9は発光強度及び発光励起強度が高い。
図12及び図13に、スカンジウム(Sc)を用いたサンプルS10〜S12の、波長365nmの励起光による発光スペクトル及び励起スペクトルを示す。図12に示すよう、CeとDyを共付活したサンプルS12において、急峻なピークを有する線状スペクトルが得られている。また、図12、図13に示すように、サンプルS10、S11と比較して、サンプルS12は発光強度及び発光励起強度が高い。
以上に示したように、CeとDyを共付活したサンプルS3、S6、S9、S12では、Ce又はDyのいずれかのみを付活したサンプルと比較して発光強度及び発光励起強度が高い。更に、CeとDyを共付活したサンプルS3、S6、S9、S12において、470〜500nm付近と570〜600nm付近にそれぞれ急峻なピークを有する線状スペクトルが得られている。この線状スペクトルはDy3+イオンに起因している。
上記のように、Dyを付活することにより、蛍光体21から放射される光の波長は、青色光に相当する470〜500nm付近と黄色光に相当する570〜600nm付近にピークを有する。この青色光と黄色光が混色されて、発光装置1から白色の出力光Lが出力される。したがって、図1に示した発光装置1によれば、1種類の蛍光体によって発光効率の高い、白色光を出力する発光装置を実現できる。更に、Ceを付活することにより、Ceを付活しない場合に比べて長波長で蛍光体21を励起できる。
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る発光装置1では、CeとDyを共付活した蛍光体21を発光素子10が出射する近紫外光によって励起することにより、蛍光体21から線状スペクトルを有する可視光が放射される。したがって、図1に示した発光装置1によれば、近紫外光によって線状スペクトルを有する可視光を放射する蛍光体を用いた発光装置を提供できる。
既に述べたように、蛍光体21の組成式(M1-a-bCeaDyb)BO3における元素Mは、Sc、In、Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Tb、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Cr、Sn、Sb、Pb、Bi、Feから選択される少なくとも1種の元素である。上記では元素Mがイットリウム(Y)、ガドリニウム(Gd)、ランタン(La)、スカンジウム(Sc)である場合についての測定結果を例示的に示したが、元素MがY、Gd、La、Sc以外の場合でも蛍光体21の発光スペクトルは線状スペクトルである。測定結果を明示していない元素Mも、蛍光体21にイットリウムなどと同様に3価で存在しており、測定により確認された効果と同様の効果を奏するのである。
なお、蛍光体21の組成式(M1-a-bCeaDyb)BO3におけるCeの組成比a又はDyの組成比bが大きすぎると発光効率が低下する。このため、組成比aは0<a≦0.5で規定され、好ましくは0<a≦0.3である。組成比bは0<b≦0.1で規定され、好ましくは0<b≦0.05である。
蛍光体21において、リチウム(Li)、カリウム(K)、ナトリウム(Na)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)を含むアルカリ金属元素及びマグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)を含むアルカリ土類金属から選択される1種以上の元素により元素Mの一部が置換されている場合にも、蛍光体21は線状スペクトルを有する可視光を放射する。また、硫黄(S)、フッ素(F)、塩素(Cl)、臭素(Br)、ヨウ素(I)から選択される1種以上の元素により酸素(O)の一部が置換されている場合や、アルミニウム(Al)及びガリウム(Ga)から選択される1種以上の元素によりボロン(B)の一部が置換されている場合であっても、蛍光体21の発光スペクトルは線状スペクトルである。
<変形例>
図14に示すように、蛍光体層20が、発光素子10の出射光により励起されて、波長が可視領域の光を放射する第2の蛍光体22を更に備えてもよい。蛍光体22は、近紫外光によって励起されて波長が380nm〜780nmの光を放射する蛍光体である。
図14に示すように、蛍光体層20が、発光素子10の出射光により励起されて、波長が可視領域の光を放射する第2の蛍光体22を更に備えてもよい。蛍光体22は、近紫外光によって励起されて波長が380nm〜780nmの光を放射する蛍光体である。
具体的には、青色の光を放射する青色蛍光体や、黄色の光を放射する黄色蛍光体、赤色の光を放射する赤色蛍光体を蛍光体層20に追加することにより、発光装置1の出力光Lを補完することができる。
緑色蛍光体としては、(Ba、Sr)2SiO4:Eu2+やSrAl2O4:Eu2+やβサイアロンなどを採用可能である。黄色蛍光体としては、(Ba、Sr)2SiO4:Eu2+やY3Al5O12:Ce3+などを採用可能である。赤色蛍光体としては、(Sr、Ca)AlSiN3:Eu2+やK2SiF6:Mn4+などを採用可能である。
(その他の実施形態)
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
既に述べた実施形態の説明においては、発光素子10が1つである例を示したが、発光装置1が複数の発光素子10を備えてもよい。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
1…発光装置
20…蛍光体層
21…蛍光体
22…蛍光体
30…パッケージ
40…基板
L…出力光
20…蛍光体層
21…蛍光体
22…蛍光体
30…パッケージ
40…基板
L…出力光
Claims (3)
- 近紫外光を出射する発光素子と、
CeとDyを共付活した(M1-a-bCeaDyb)BO3(MはSc、In、Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Tb、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Cr、Sn、Sb、Pb、Bi、Feから選択される少なくとも1種の元素を示し、0<a≦0.5、0<b≦0.1)の組成式で表され、前記発光素子の出射光により励起されて可視光を放射する蛍光体を含む蛍光体層と
を備えることを特徴とする発光装置。 - 前記蛍光体が、青色及び黄色の可視光を放射することを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
- 前記蛍光体層が、前記出射光により励起されて波長が可視領域の光を放射する蛍光体を更に備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の発光装置。
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---|---|---|---|
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