JP2014175378A - 発光装置 - Google Patents

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Abstract


【課題】励起光となる青色の光の発光波長が変化しても色度変化の小さい発光装置を提供する。
【解決手段】実施形態の発光装置は、青色の励起光を発する発光素子と、発光素子上に形成され、励起光に励起され黄色の蛍光を発する黄色蛍光体、励起光に励起され緑色の蛍光を発する緑色蛍光体、または、励起光に励起され赤色の蛍光を発する赤色蛍光体の少なくとも一種であって、蛍光のピーク波長が520nm以上660nm未満で、励起光のピーク波長がシフトする場合に同一方向に蛍光のピーク波長がシフトする波長シフト蛍光体と、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、発光装置に関する。
発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)を用いた発光装置は、主に励起光源としてのLEDチップと、蛍光体との組み合わせから構成される。そして、その組み合わせによって様々な色の発光色を実現することができる。
白色光を放出する白色LED発光装置には、例えば、青色の光を放出する青色LEDチップと蛍光体との組み合わせが用いられている。蛍光体としては主に青色の補色である黄色蛍光体が使用され、擬似白色光LEDとして使用されている。その他にも青色の光を放つ青色LEDチップと、緑色蛍光体と赤色蛍光体の組み合わせの3波長型白色LED等が開発されている。
もっとも、励起光源である青色の光の波長が、温度、駆動電流量、あるいは、製造ばらつき等を要因として変化すると、蛍光体が発する黄色の光、緑色の光、または、赤色の光とのバランスが崩れて色度変化が生じるおそれがある。この場合、所望の色度が得られなくなる「色ずれ」という問題が生ずる。
特に、青色LEDの発光強度を変化させることによって、白色光の強度を変化させる調光型の発光装置においては、駆動電流の変化によって青色LEDの発光波長に変化が生じることから、「色ずれ」の問題が顕著になる。
特開2005−235847号公報
本発明が解決しようとする課題は、励起光となる青色の光の発光波長が変化しても、色度変化の小さい発光装置を提供することにある。
実施形態の発光装置は、青色の励起光を発する発光素子と、上記発光素子上に形成され、上記励起光に励起され黄色の蛍光を発する黄色蛍光体、上記励起光に励起され緑色の蛍光を発する緑色蛍光体、または、上記励起光に励起され赤色の蛍光を発する赤色蛍光体の少なくとも一種であって、蛍光のピーク波長が520nm以上660nm未満で、上記励起光のピーク波長がシフトする場合に同一方向に蛍光のピーク波長がシフトする波長シフト蛍光体と、を備える。
第1の実施形態の発光装置の模式断面図である。 第1の実施形態の作用および効果を説明する図である。 第1の実施形態の黄色蛍光体の波長シフト量を示す図である。 第2の実施形態の発光装置の回路構成の概略を示す図である。 実施例の発光装置の色度変化を示す図である。 比較例の発光装置の色度変化を示す図である。
本明細書中、青色の光とは最大ピーク波長が420nm以上480nm未満である光を意味するものとする。また、緑色の光とは最大ピーク波長が480nm以上550nm未満である光を意味するものとする。また、黄色の光とは最大ピーク波長が550nm以上600nm未満である光を意味するものとする。また、赤色の光とは最大ピーク波長が600nm以上760nm未満である光を意味するものとする。なお、緑色または黄色であって、緑色と黄色の境界領域の光を黄緑色光とも称する。また、黄緑・黄色の光とは最大ピーク波長が520nm以上600nm未満である光を意味するものとする。
本明細書中、「波長シフト蛍光体」とは、励起光のピーク波長の変化に伴い、発する蛍光のピーク波長が変化する蛍光体を意味するものとする。
以下、図面を用いて実施形態について説明する。
(第1の実施形態)
本実施形態の発光装置は、青色の励起光を発する発光素子と、発光素子上に形成され、励起光に励起され黄色の蛍光を発する黄色蛍光体、青色の光に励起され緑色の蛍光を発する緑色蛍光体、または、青色の光に励起され赤色の蛍光を発する赤色蛍光体の少なくとも一種であって、蛍光のピーク波長が520nm以上660nm未満で、励起光のピーク波長がシフトする場合に同一方向に蛍光のピーク波長がシフトする波長シフト蛍光体と、を備える。
図1は、実施形態の発光装置の模式断面図である。以下、波長シフト蛍光体が黄色蛍光体であり、発光素子が発する青色の励起光と、黄色蛍光体の発する黄色の蛍光とが混合することにより、昼白色(色温度5000K)を発する白色発光装置を例に説明する。
発光装置100は、発光素子10を実装する平面を有する実装基板12を備えている。
そして、例えば、波長420nm以上460nm以下のピーク波長の光を発する発光素子10として、例えば、青色LED10が実装基板12の平面上に実装されている。
青色LED10は、例えば、発光層をGaInNとするAlGaInN系のLEDである。
発光素子10上には、半球形状の透明樹脂からなる素子封止透明層18が設けられている。透明樹脂は例えばシリコーン樹脂である。
さらに、素子封止透明層18を覆うように、平面に対して垂直な断面における外周形状が半円状の蛍光体層20が形成されている。蛍光体層20には、発光素子10から出射される青色の光を励起光とし、励起光に励起され黄色の蛍光を発する黄色蛍光体、青色の光に励起され緑色の蛍光を発する緑色蛍光体、または、青色の光に励起され赤色の蛍光を発する赤色蛍光体の少なくとも一種であって、蛍光のピーク波長が520nm以上660nm未満で、励起光のピーク波長がシフトする場合に同一方向に蛍光のピーク波長がシフトする波長シフト蛍光体を備えている。
蛍光体層20中に含まれる蛍光体は、蛍光のピーク波長が520nm以上660nm未満である。そして、励起光のピーク波長がシフトする場合に同一方向に蛍光のピーク波長がシフトする波長シフト蛍光体である。励起光のピーク波長と同一方向にピーク波長がシフトするため、励起光となる青色の光の発光波長が変化しても色度変化の小さい発光装置を実現することが可能となる。
例えば、波長シフト蛍光体は、520nm以上600nm未満のピーク波長の黄緑・黄色の蛍光を発光する黄緑・黄色蛍光体である。
蛍光体層20は、黄緑・黄色蛍光体の粒子が、例えば透明なシリコーン樹脂中に分散されて形成される。蛍光体層20は、青色LEDから発生された青色の光を吸収して黄緑・黄色の光に変換する。
蛍光体の発する蛍光のピーク波長は、例えば、分光光度計により測定することが可能である。そして、蛍光体に照射する励起光のピーク波長をシフトさせて蛍光のピーク波長を測定することにより、蛍光のピーク波長のシフト方向を測定することが可能となる。
図2は、本実施形態の作用および効果を説明する図である。図2は、CIE色度図である。図中の数値は、光の波長を表す。
例えば、励起光のピーク波長が420nmで色度が図中“b1”の励起光を発する青色LEDと、この青色LEDで励起される蛍光のピーク波長が565nmで色度が図中“y1”の黄緑・黄色蛍光体とを組み合わせて白色発光装置が構成されているとする。この白色発光装置の発する白色の色度は、“b1”と“y1”とを結ぶ第1の線分上にあり、例えば、色度が図中“w1”である。
仮に、青色LEDの励起光のピーク波長が420nmから470nmと長波長側にシフトし、色度が図中“b2”となったとする。そうすると、白色発光装置の発する光の色度は、“b2”と“y1”とを結ぶ第2の線分(図中点線)上にあり、例えば、色度が図中“w2”へと変化する、すなわち、色ずれが生じることになり問題となる。
青色LEDの励起光のピーク波長のシフトは、例えば、青色LEDの温度上昇によって生ずる。あるいは、例えば、青色LEDの製造時のばらつきによって生じる。
本実施形態では、黄緑・黄色蛍光体として、励起光のピーク波長がシフトする場合に同一方向に蛍光のピーク波長がシフトする波長シフト蛍光体を適用する。ここで「同一方向」にシフトする、とは、青色LEDの励起光のピーク波長が長波長側にシフトする場合、蛍光体の蛍光のピーク波長も長波長側へとシフトし、青色LEDの励起光のピーク波長が短波長側にシフトする場合、蛍光のピーク波長も短波長側へとシフトすることを言う。
例えば、青色LEDの励起光のピーク波長が長波長側にシフトし励起光の色度が図中“b1”から“b2”に変化した場合、黄緑・黄色蛍光体の蛍光も長波長側、例えば、570nmにシフトし蛍光の色度が図中“y1”から“y2”に変化する。この場合、白色発光装置の発する白色の色度が、“b2”と“y2”とを結ぶ第2の線分上にあることになり、色度が励起光のシフト前の“w1”と近づくことになる。したがって、色ずれの問題が抑制される。
このように、本実施形態では、励起光のピーク波長のシフトと同一方向に、波長シフト蛍光体のピーク波長がシフトする。これにより、励起光のピーク波長のシフトによる色度変化が補償され、色度の変化を抑制することができる。したがって、励起光のピーク波長のシフトが生じたとしても、色度変化の小さい発光装置を実現することが可能となる。
なお、本実施形態では、励起光のピーク波長がシフトする前の、励起光の色度図上の点と蛍光の色度図上の点を結ぶ第1の線分と、励起光のピーク波長がシフトした後の、励起光の色度図上の点と蛍光の色度図上の点を結ぶ第2の線分とが、交点を備えるよう励起光と蛍光が選択される。あるいは、交点を備えるよう発光素子と蛍光体とが選択される。これにより、色ずれの問題の抑制が可能となる。
なお、本実施形態の波長シフト蛍光体の蛍光のピーク波長は520nm以上660nm未満である。この範囲を下回ると、図2の色度図からも明らかなように、蛍光のピーク波長が長波長化しても、色度の変化方向が、励起光の色度変化を補償する方向とはならない。また、この範囲を上回ると、蛍光のピーク波長が長波長化しても、色度の変化が小さく、十分な色度変化の補償効果が得られないからである。
励起光の青色の光のピーク波長が、420nmから460nmにシフトする際に、波長シフト蛍光体の蛍光のピーク波長が、20nm以上シフトすることが望ましい。20nm以上シフトすれば励起光の色度変化が大きい場合でも、十分これを補償することが可能となるからである。なお、ピーク波長のシフト量の上限は、50nm以下であることが望ましい。この範囲を超えると、蛍光のピーク波長のシフトが大きくなりすぎることによる色ずれが懸念されるからである。
黄緑・黄色蛍光体が、下記一般式(1)で表される黄緑・黄色蛍光体であることが望ましい。この蛍光体は、シリコン(Si)、アルミニウム(Al)、酸素(O)および窒素(N)を含有する、いわゆるサイアロン(SiAlON)蛍光体である。
(Sr1−x1Cex1a1AlSib1c1d1・・・・・(1)
(上記一般式(1)中、x1、a1、b1、c1、d1は、次の関係を満たす。0<x1<1、0.6<a1<0.95、2.0<b1<3.9、0<c1<0.45、4.0<d1<5.0)
上記一般式(1)で表される黄色蛍光体は、青色の励起光のピーク波長が変化する場合の、蛍光のピーク波長の変化量が大きいことから望ましい蛍光体である。上記一般式(1)で表される黄緑・黄色蛍光体によれば、励起光の青色の光のピーク波長が、420nmから460nmにシフトする際に、蛍光のピーク波長を、20nm以上シフトさせることも可能である。
図3は、上記一般式(1)で表される黄緑・黄色蛍光体の波長シフト量を示す図である。横軸は波長、縦軸は規格化された光強度である。励起光となる青色の光のピーク波長を420nmから460nmまで10nm刻みで変化させた場合の、蛍光の強度プロファイルを示す。
図3より明らかなように、この黄緑・黄色蛍光体は、励起光のピーク波長が長くなるにつれて、励起される蛍光のピーク波長も長くなる。蛍光のピーク波長は、励起光のピーク波長が420nmの時に528nmであり、460nmの時に550nmである。したがって、励起光の青色の光のピーク波長が420nmから460nmにシフトする際に、波長シフト蛍光体の蛍光のピーク波長が20nm以上シフトしている。
なお、本実施形態では、波長シフト蛍光体として黄緑・黄色蛍光体を用いる場合を例に説明した。しかし、波長シフト蛍光体は黄緑・黄色蛍光体に限定されるものではない。例えば、波長シフト蛍光体として、緑色蛍光体や赤色蛍光体を用いてもかまわない。また、複数の種類の波長シフト蛍光体を組み合わせてもかまわない。
また、本実施形態で波長シフト蛍光体の黄緑・黄色蛍光体に加え、さらに、他の色を発する緑色蛍光体や赤色蛍光体を加えてもかまわない。これにより、発光装置100の色度を調整することが可能となる。
緑色蛍光体としては、下記一般式(2)で表される緑色蛍光体を加えることが望ましい。この蛍光体は、いわゆるサイアロン蛍光体である。
(Sr1−x2Eux2a2AlSib2c2d2・・・・・(2)
(上記一般式(2)中、x2、a2、b2、c2、d2は、次の関係を満たす。0<x2<1、0.93<a2<1.3、4.0<b2<5.8、0.6<c2<1.0、6.0<d2<11)
赤色蛍光体としては、下記一般式(3)で表される赤色蛍光体を加えることが望ましい。この蛍光体は、いわゆるサイアロン蛍光体である。
(Sr1−x3Eux3a3AlSib3c3d3・・・・・(3)
(上記一般式(3)中、x3、a3、b3、c3、d3は、次の関係を満たす。0<x3<1、0.6<a3<0.95、2.0<b3<3.9、0.25<c3<0.45、4.0<d3<5.0)
特に、同一の蛍光体層20に、サイアロン黄緑・黄色蛍光体に加え、サイアロン緑色蛍光体またはサイアロン赤色蛍光体を加える場合、蛍光体粒子の粒径や形状が類似することから蛍光体層製造時の各粒子の分散性が向上する。したがって、蛍光体層20内の蛍光体粒子の分布が均一となる。したがって、発光強度や色度の分布が均一な発光装置を実現することが可能となる。
(第2の実施形態)
本実施形態の発光装置は青色の励起光を発する発光素子と、発光素子上に形成され、励起光に励起され黄色の蛍光を発する黄色蛍光体、励起光に励起され緑色の蛍光を発する緑色蛍光体、または、励起光に励起され赤色の蛍光を発する赤色蛍光体の少なくとも一種であって、蛍光のピーク波長が520nm以上660nm未満で、励起光のピーク波長がシフトする場合に同一方向に蛍光のピーク波長がシフトする波長シフト蛍光体と、発光素子の発光強度を変化させる調光機構と、を備える。
本実施形態の発光装置は、調光機構を備える以外は、第1の実施形態と同様である。したがって、第1の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。
図4は、実施形態の発光装置の回路構成の概略を示す図である。発光素子が発する青色の励起光と、黄緑・黄色蛍光体の発する黄色の蛍光とが混合することにより、昼白色(色温度5000K)を発する白色発光装置を例に説明する。
本実施形態の発光装置200は、発光部70、発光部70に電気的に接続される調光機構80を備えている。調光機構80は、発光部70と電源90との間に挿入される。なお、発光部70の構成は、第1の実施形態の発光装置100と同様である。
調光機構80は、発光部70の発光強度を所望の強度となるよう変化させる機能を備える。調光機構80は、制御回路82と双方向サイリスタ84とを備える。発光装置200は、振幅制御により調光する発光装置である。
例えば、図示しない調光つまみで制御回路82内のタイマーの値を設定することで、双方向サイリスタがターンオンするタイミングを変化させる。これにより、変化する電源波形に応じて、制御回路82により発光部70の青色LEDに入力される電流値が変化する。したがって、発光部70の青色LEDが発する励起光の強度が変化し、これに伴い発光部70の蛍光体の発する蛍光の強度も変化する。よって、発光部70の発光強度が所望の強度に変化する。
青色LEDに入力される電流値が変化すると、青色LEDの発する励起光のピーク波長が大きくシフトする場合がある。本実施形態によれば、青色LEDの発する励起光のピーク波長が大きくシフトしたとしても、波長シフト蛍光体の発する蛍光のピーク波長が励起光のピーク波長と同一方向にシフトする。よって、青色LEDの発する励起光のピーク波長のシフトによる色度の変化が補償され、色度ずれの小さな発光装置が実現される。
(実施例)
黄緑・黄色蛍光体として、サイアロン蛍光体である(Sr0.98Ce0.02AlSi13を、赤色蛍光体としては、サイアロン蛍光体である(Sr0.98Eu0.02AlSi13を用い、これらを5:1の重量割合で混合したものを樹脂に分散させた。そして、サファイア基板上に、黄緑・黄色蛍光体および赤色蛍光体を分散させた樹脂を塗布し、150℃環境に30分間置くことによって樹脂を硬化させた。このようにして、基板上に蛍光体層が形成された。この樹脂の塗布量を調整することにより、色度を調整し、白色光を発生する発光装置が得られた。
なお、サイアロン蛍光体である(Sr0.98Ce0.02AlSi13は、蛍光のピーク波長が520nm以上600nm未満で、励起光のピーク波長がシフトする場合に同一方向に蛍光のピーク波長がシフトする。
図5は、実施例の発光装置の色度変化を示す図である。青色LEDのピーク波長が430nmと450nmである場合の色度を比較した。430nmの場合の色度が図中“We1”、450nmの場合の色度が図中“We2”であった。その色度の差はCxが0.02、Cyが0.02であった。
(比較例)
黄色蛍光体としてYAG:Ceを用いた以外は、実施例と同様の発光装置を製作した。なお、YAG:Ceは、励起光のピーク波長のシフトに対し、蛍光のピーク波長のシフトはほとんど確認されない。
図6は、比較例の発光装置の色度変化を示す図である。青色LEDのピーク波長が430nmと450nmである場合の色度を比較した。430nmの場合の色度が図中“Wc1”、450nmの場合の色度が図中“Wc2”であった。その色度の差はCxが0.02、Cyが0.03であった。
実施例と比較例との比較により、色ずれが抑制される本発明の効果が確認された。
上記実施形態では、白色発光装置を例に説明した。特に、青色の励起光の色度変化に、発光する光の色度が敏感に反応する白色発光装置において、本発明は有効である。しかし、本発明の適用は白色発光装置に限られることなく、例えば、緑色発光装置や赤色発光装置に適用することも可能である。
また、上記実施形態では、単層の蛍光体層について説明したが、複数の蛍光体層を積層させる構造であってもかまわない。
また、蛍光体層の透明基材としては、シリコーン樹脂を例に説明したが、励起光の透過性が高く、かつ耐熱性の高い任意の材料を用いることができる。そのような材料として、例えば、シリコーン樹脂の他に、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂等が使用可能である。特に、入手し易く、取り扱いやすく、しかも安価であることから、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂が好適に使用される。また、樹脂以外でも、ガラス、焼結体等を用いることもできる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換えまたは変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10 発光素子
20 蛍光体層
80 調光機構
100 発光装置
200 発光装置

Claims (9)

  1. 青色の励起光を発する発光素子と、
    前記発光素子上に形成され、前記励起光に励起され黄色の蛍光を発する黄色蛍光体、前記励起光に励起され緑色の蛍光を発する緑色蛍光体、または、前記励起光に励起され赤色の蛍光を発する赤色蛍光体の少なくとも一種であって、蛍光のピーク波長が520nm以上660nm未満で、前記励起光のピーク波長がシフトする場合に同一方向に蛍光のピーク波長がシフトする波長シフト蛍光体と、
    を備えることを特徴とする発光装置。
  2. 前記波長シフト蛍光体が、黄緑・黄色蛍光体であることを特徴とする請求項1記載の発光装置。
  3. 前記励起光のピーク波長が、420nmから460nmにシフトする際に、前記波長シフト蛍光体の蛍光のピーク波長が、20nm以上シフトすることを特徴とする請求項1または請求項2記載の発光装置。
  4. 前記波長シフト蛍光体が、下記一般式(1)で表される黄緑・黄色蛍光体であることを特徴とする請求項1ないし請求項3いずれか一項記載の発光装置。
    (Sr1−x1Cex1a1AlSib1c1d1・・・・・(1)
    (上記一般式(1)中、x1、a1、b1、c1、d1は、次の関係を満たす。0<x1<1、0.6<a1<0.95、2.0<b1<3.9、0<c1<0.45、4.0<d1<5.0)
  5. 下記一般式(2)で表される緑色蛍光体を含むことを特徴とする請求項4記載の発光装置。
    (Sr1−x2Eux2a2AlSib2c2d2・・・・・(2)
    (上記一般式(2)中、x2、a2、b2、c2、d2は、次の関係を満たす。0<x2<1、0.93<a2<1.3、4.0<b2<5.8、0.6<c2<1.0、6.0<d2<11)
  6. 下記一般式(3)で表される赤色蛍光体を含むことを特徴とする請求項4または請求項5記載の発光装置。
    (Sr1−x3Eux3a3AlSib3c3d3・・・・・(3)
    (上記一般式(3)中、x3、a3、b3、c3、d3は、次の関係を満たす。0<x3<1、0.6<a3<0.95、2.0<b3<3.9、0.25<c3<0.45、4.0<d3<5.0)
  7. 前記発光素子の発光強度を変化させる調光機構を、さらに備えることを特徴とする請求項1ないし請求項6いずれか一項記載の発光装置。
  8. 前記励起光のピーク波長がシフトする前の、前記励起光の色度図上の点と前記蛍光の色度図上の点を結ぶ第1の線分と、前記励起光のピーク波長がシフトした後の、前記励起光の色度図上の点と前記蛍光の色度図上の点を結ぶ第2の線分とが、交点を有することを特徴とする請求項1ないし請求項7いずれか一項記載の発光装置。
  9. 青色の励起光を発する発光素子と、
    前記発光素子上に形成され、前記励起光に励起され黄色の蛍光を発する黄色蛍光体、前記励起光に励起され緑色の蛍光を発する緑色蛍光体、または、前記励起光に励起され赤色の蛍光を発する赤色蛍光体の少なくとも一種である波長シフト蛍光体と、
    を備え、
    前記励起光のピーク波長がシフトする前の、前記励起光の色度図上の点と前記蛍光の色度図上の点を結ぶ第1の線分と、前記励起光のピーク波長がシフトした後の、前記励起光の色度図上の点と前記蛍光の色度図上の点を結ぶ第2の線分とが、交点を有することを特徴とする発光装置。
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