JP2015065236A - 発光モジュールおよび照明装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】蛍光体の劣化が抑制される発光モジュールおよび照明装置を提供する。
【解決手段】実施形態の発光モジュールは、基板と；前記基板上に設けられた発光体と；前記基板上および前記発光体上に設けられた蛍光体含有層であって、前記発光体の放射光により励起され、６１０ｎｍ以上、６５５ｎｍ未満の波長範囲に発光ピークを有し、保護膜によって表面が覆われた第１蛍光体を有する蛍光体含有層と；を備える。
【選択図】図１
【解決手段】実施形態の発光モジュールは、基板と；前記基板上に設けられた発光体と；前記基板上および前記発光体上に設けられた蛍光体含有層であって、前記発光体の放射光により励起され、６１０ｎｍ以上、６５５ｎｍ未満の波長範囲に発光ピークを有し、保護膜によって表面が覆われた第１蛍光体を有する蛍光体含有層と；を備える。
【選択図】図１
Description
本発明の実施形態は、発光モジュールおよび照明装置に関する。
照明装置の光源として、半導体チップを搭載した発光モジュールが用いられつつある。例えば、青色を放出する半導体チップと、黄色を発光する蛍光体と、を組み合わせ、白色光を得る発光モジュールがある。平均演色評価数Ｒａを高めるためには、赤色や緑色の蛍光体を組み合わせることが考えられる。しかし、赤色蛍光体や緑色蛍光体は、黄色蛍光体よりも外部量子効率が低く、赤色蛍光体、緑色蛍光体を用いると、発光効率が低下するという問題がある。
これを改善するために、赤色蛍光体ではなく、赤色光を放出する半導体チップを発光モジュールに組み込むことが考えられる。赤色系半導体チップを発光モジュールに混載することで平均演色評価数Ｒａが高くなり、発光効率が高くなる。
これを改善するために、赤色蛍光体ではなく、赤色光を放出する半導体チップを発光モジュールに組み込むことが考えられる。赤色系半導体チップを発光モジュールに混載することで平均演色評価数Ｒａが高くなり、発光効率が高くなる。
しかし、青色系半導体チップと赤色系半導体チップとを混載すると、発光モジュールの面積が大きくなるという問題がある。また、赤色系半導体チップは、温度に対する光低下率が青色系半導体チップよりも大きい。このため、実際の使用温度を考慮すると、多数の赤色系半導体チップが必要になる。このため、発光モジュールの面積が益々大きくなり、光束発散度が低下してしまう。さらに、赤色系半導体チップと青色系半導体チップとによって励起された光を混色することも困難になり、照射面で色むらが起きるという問題がある。
これらを解決する方法として、赤色系半導体チップを用いず、特異的な発光ピークを有するライン赤色蛍光体を用いることが考えられる。しかし、ライン赤色蛍光体はフッ素を含み、フッ素と大気中の水との親和性からフッ酸が生成して、ライン赤色蛍光体の劣化（例えば、色ずれ）が起きるおそれがある。
実施形態が解決しようとする課題は、蛍光体の劣化が抑制される発光モジュールおよび照明装置を提供することである。
実施形態の発光モジュールは、基板と；前記基板上に設けられた発光体と；前記基板上および前記発光体上に設けられた蛍光体含有層であって、前記発光体の放射光により励起され、６１０ｎｍ以上、６５５ｎｍ未満の波長範囲に発光ピークを有し、保護膜によって表面が覆われた第１蛍光体を有する蛍光体含有層と；を備える。
実施形態によれば、発光モジュールおよび照明装置の蛍光体の劣化が抑制される。
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
（第１実施形態）
図１（ａ）は、第１実施形態に係る発光モジュールの模式的断面図であり、図１（ｂ）は、第１実施形態に係る発光モジュールに設けられた蛍光体を拡大させた模式的断面図である。
図１（ａ）は、第１実施形態に係る発光モジュールの模式的断面図であり、図１（ｂ）は、第１実施形態に係る発光モジュールに設けられた蛍光体を拡大させた模式的断面図である。
図１（ａ）に表すように、発光モジュール１０Ａは、基体３と、複数の発光体５と、蛍光体含有層１１と、バンク７と、を備える。発光モジュール１０Ａは、所謂、ＣＯＢ（Chip On Board）型の発光モジュールである。
複数の発光体５は、基板３の上に設けられている。基板３は、例えば、セラミック基板である。発光体５は、波長４００〜４８０（ｎｍ）の光を放射し、赤色蛍光体１５および黄色蛍光体１７を励起する。発光体５は、発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）であり、例えば、ドミナント波長が４４０〜４６５ｎｍの青色光を放射する。
発光体５は、例えば、接着剤を介して基板３の上面３ａにマウントされる。基板３の上には、複数の発光体５がマウントされ、金属ワイヤを用いて直列もしくは並列に接続される。そして、複数の発光体５がマウントされた領域の周りを囲むようにバンク７が設けられる。バンク７は、例えば、白色樹脂を含む。
蛍光体含有層１１は、基板３の上および発光体５の上に設けられている。蛍光体含有層１１は、シリコーン等の透光性樹脂１４、赤色蛍光体１５（第１蛍光体）、および黄色蛍光体１７（第２蛍光体）を有する。蛍光体含有層１１中の透光性樹脂１４内には、例えば、赤色蛍光体１５と黄色蛍光体１７とが分散されている。
赤色蛍光体１５は、発光体５の放射光により励起され、６１０ｎｍ以上、６５５ｎｍ未満の波長範囲に発光ピークを有する。赤色蛍光体１５は、例えば、化学式Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎで表される蛍光体を含む。また、赤色蛍光体１５は、保護膜１８によって、その表面が覆われている（図１（ｂ））。保護膜１８は、例えば、酸化物を含む。
黄色蛍光体１７は、発光体５の放射光により励起され、発光体５の発光スペクトルのピーク波長と、赤色蛍光体１５の発光スペクトルのピーク波長と、の間の波長範囲に発光ピークを有する。黄色蛍光体１７は、例えば、ＹＡＧ蛍光体である。
なお、蛍光体含有層１１においては、黄色蛍光体１７に代えて緑色蛍光体を用いてもよく、赤色蛍光体１５、黄色蛍光体１７のほかに、緑色蛍光体を分散させてもよい。
また、発光モジュール１０Ａでは、例えば、バンク７の内側に赤色蛍光体１５、黄色蛍光体１７を分散した透光性樹脂１４を流し込み硬化させる。これにより、発光体５を覆う蛍光体含有層１１が設けられる。また、発光モジュール１０Ａの相関色温度は、例えば、２７００〜５５００Ｋであり、平均演技色評価数は、例えば、８５以上である。
第１実施形態に係る赤色蛍光体１５をさらに詳細に説明する。
図２（ａ）は、第１実施形態に係る赤色蛍光体を発光スペクトルを表す図であり、図２（ｂ）は、第１実施形態に係る赤色蛍光体の表面に保護膜が形成される過程を表す模式的断面図である。
図２（ａ）の横軸は、発光波長λであり、縦軸は発光強度ＩＬ（任意値）である。図中のラインＡは、赤色蛍光体１５に含まれるＫ２ＳｉＦ６：Ｍｎ蛍光体の発光スペクトルを表し、ラインＢは、比較例に係るＣＡＳＮ蛍光体の発光スペクトルを表している。
ラインＡに表すように、Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎ蛍光体は、６１０ｎｍ以上、６５５ｎｍ未満の波長範囲に半値幅が２０ｎｍ以下の発光ピークＰ１（λ：６１０ｎｍ付近）、Ｐ２（λ：６３０ｎｍ付近）、およびＰ３（λ：６５０ｎｍ付近）を有する。また、６５５ｎｍ以上の波長領域における発光強度ＩＬは、発光ピークＰ１およびＰ２の１／２以下になっている。
一方、ラインＢに表すように、ＣＡＳＮ蛍光体は、５００〜７００ｎｍの波長範囲でブロードな発光ピークを有し、その半値幅は約１７０ｎｍに達する。そして、波長６５０ｎｍにおける発光強度は、ピーク波長における発光強度の約８０％である。
Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎ蛍光体は、比視感度が低下する６５０ｎｍ以上の波長帯における発光スペクトルの強度がＣＡＳＮ蛍光体よりも低い。このため、相関色温度および平均演色評価数が同じであれば、ＣＡＳＮ蛍光体よりもＫ２ＳｉＦ６：Ｍｎ蛍光体を用いた発光モジュールの方が光束が大きくなる。すなわち、発光効率がより高い発光モジュールが得られる。
また、保護膜１８によって表面が覆われた赤色蛍光体１５は、例えば、図２（ｂ）に示す方法で形成される。まず、図２（ｂ）の左図のように、Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎを含む赤色蛍光体１５を準備した後に、赤色蛍光体１５の表面１５ｓに、Ｍｎ（マンガン）が置換されていないＫ２ＳｉＦ６層１８ａを形成する。続いて、Ｋ２ＳｉＦ６層１８ａを酸化することにより、図２（ｂ）の右図のように、Ｋ２ＳｉＦ６層１８ａを、Ｋ２ＳｉＦ６層１８ａ中に含まれるシリコン（Ｓｉ）の酸化物（例えば、ＳｉＯ２）に変化させる。また、シリコン酸化物が優先的に形成される過程で、Ｋ（カリウム）とＦ（フッ素）とが除去される。
保護膜１８の成分は、シリコン酸化物に限らず、その屈折率がシリコーン樹脂以上で、４００ｎｍ以上に光透過性のある材料であればよい。例えば、保護膜１８の成分は、アルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）、チタン酸化物（ＴｉＯ２）等であってもよい。また、保護膜１８を赤色蛍光体１５の表面に形成する方法としては、錯体法、ゾルゲル法等により行われる。
第１実施形態に係る発光モジュール１０Ａの効果について以下に説明する。
例えば、ＣＯＢ型の発光モジュールとして、第１の比較用の発光モジュールＡと、第２の比較用の発光モジュールＢと、第１実施形態に係る発光モジュール１０Ａを準備した。これらの発光モジュールには、基板３上に、７個の発光体５が直列に実装され、さらに、この７個の発光体が２４列になって並列に実装されている。また、それぞれの発光モジュールの発光部の寸法は、縦１３ｍｍ、横１７ｍｍである。
発光モジュールＡのバンク７の内側には、蛍光体含有層として、黄色蛍光体（ＹＡＧ）、緑色蛍光体（Ｇ−ＹＡＧ）、赤色蛍光体（ＣＡＳＮ）が分散された透光性樹脂１４が配置されている。透光性樹脂１４は、例えば、メチルシリコーン樹脂である。発光モジュールＡの平均演色評価数Ｒａは８９であり、相関色温度は、２９００Ｋである。
発光モジュールＢでは、発光モジュールＡの赤色蛍光体（ＣＡＳＮ）に代えて、保護膜１８が設けられていない赤色蛍光体１５（Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎ）が用いられている。これ以外の構成は、発光モジュールＡと同じである。
発光モジュール１０Ａでは、発光モジュールＡの赤色蛍光体（ＣＡＳＮ）に代えて、保護膜１８が設けられた赤色蛍光体１５（Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎ）が用いられている。これ以外の構成は、発光モジュールＡと同じである。
このような発光モジュールの中、発光モジュールＢおよび発光モジュール１０Ａの発光効率は、発光モジュールＡの発光効率を「１００」とした場合に比べて、「１１５」に上昇した。発光モジュールＢおよび発光モジュール１０Ａでは、赤色蛍光体として、上述したＫ２ＳｉＦ６：Ｍｎを用いている。このため、発光モジュールＢおよび発光モジュール１０Ａの発光効率は、発光モジュールＡの発光効率よりも上昇する。
また、発光モジュールＢでは、点灯開始後１００時間を経過した後の相関色温度に比べて、点灯開始後１０００時間を経過した後の相関色温度は、Δ１１０Ｋ上昇した。しかし、発光モジュール１０Ａでは、点灯開始後１００時間を経過した後の相関色温度に比べて、点灯開始後１０００時間を経過した後の相関色温度は、Δ３０Ｋの上昇に止まった。
発光モジュールＢでは、赤色蛍光体１５の表面が保護膜１８によって覆われていない。そして、赤色蛍光体１５は、水と親和性のあるフッ素を含んでいる。このため、大気中の水分は、透光性樹脂１４を拡散して赤色蛍光体１５に直接触れることになる。その結果、発光モジュールＢでは、発光モジュールＢを長時間使用し続けると、赤色蛍光体１５の劣化が起きる場合がある。
これに対し、発光モジュール１０Ａでは、赤色蛍光体１５の表面が保護膜１８によって覆われている。このため、長時間、発光モジュール１０Ａを使用し続けても、発光モジュール１０Ａでは、赤色蛍光体１５が保護膜１８によって保護されて、発光モジュールＢに比べて赤色蛍光体１５の劣化が抑制される。
このように、発光モジュール１０Ａは、高い演色評価数および高い発光効率を有するとともに、赤色蛍光体１５の劣化が抑制されている。つまり、第１実施形態では、高い演色評価数および高い発光効率を有し、色ずれが起き難い発光モジュール１０Ａが実現している。
（第１実施形態の変形例）
図３（ａ）は、第１実施形態の第１変形例に係る発光モジュールの模式的断面図であり、図３（ｂ）は、第１実施形態の第２変形例に係る発光モジュールの模式的断面図である。
図３（ａ）は、第１実施形態の第１変形例に係る発光モジュールの模式的断面図であり、図３（ｂ）は、第１実施形態の第２変形例に係る発光モジュールの模式的断面図である。
図３（ａ）に表す発光モジュール１０Ｂは、発光モジュール１０Ａの構成に加え、さらに蛍光体含有層１１が酸化物粒子１９を有している。酸化物粒子１９は、例えば、透光性樹脂１４よりも高い屈折率を有する酸化物粒子である。ここで、酸化物とは、例えば、チタン酸化物（ＴｉＯ２）である。また、発光モジュール１０Ｂにおいても、赤色蛍光体１５の表面は保護膜１８によって覆われている。
赤色蛍光体のうち、Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎは、他の赤色蛍光体に比べて屈折率が低いことが知られている。従って、赤色蛍光体１５を含む蛍光体含有層１１によって発光体５が覆われると、発光モジュールでは発光体５から光を取り出す効率が劣る可能性がある。
これに対し、発光モジュール１０Ｂでは、赤色蛍光体１５を混在させたことによる蛍光体含有層１１の屈折率低下を、高屈折率の酸化物粒子１９を蛍光体含有層１１に混在することにより抑制している。これにより、発光モジュール１０Ｂでは、発光モジュールとしての発光効率低下が抑制される。例えば、発光モジュール１０Ａの発光効率を「１００」とした場合、チタン酸化物粒子を蛍光体含有層１１に分散させた発光モジュール１０Ｂの発光効率は「１０７」まで上昇することが分かっている。
また、蛍光体含有層は、単層である必要はなく、例えば、複数の層によって構成されてもよい。
例えば、図３（ｂ）に表すように、発光モジュール１０Ｃは、蛍光体含有層１１と、蛍光体含有層１３と、を備える。蛍光体含有層１１は、赤色蛍光体１５と透光性樹脂１４とを有する。蛍光体含有層１３は、黄色蛍光体１７と透光性樹脂１６とを有する。蛍光体含有層１３は、発光体５と蛍光体含有層１１との間に設けられる。つまり、基板３の上において、黄色蛍光体１７は、赤色蛍光体１５と発光体５との間に配置される。また、蛍光体１７として、緑色蛍光体を用いてもよく、黄色蛍光体と緑色蛍光体を混合したものでもよい。なお、蛍光体含有層１１には、酸化物粒子１９を混在させてもよい。
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る照明装置の模式的断面図である。
図４は、第２実施形態に係る照明装置の模式的断面図である。
発光モジュール１０Ａ〜１０Ｃのいずれかは、例えば、照明装置１００に光源として内蔵される。照明装置１００は、例えば、電球形ランプであり、発光モジュール１０Ａ〜１０Ｃのいずれかと、発光モジュール１０Ａ〜１０Ｃのいずれかを実装した筐体２１と、発光モジュール１０Ａ〜１０Ｃのいずれかを覆うカバー３０と、を備える。なお、ここに示す照明装置１００は１つの例であり、実施形態は、これに限定される訳ではない。
筐体２１の内部には、発光モジュール１０Ａ〜１０Ｃのいずれかに電力を供給する電力変換部４０が設けられる。電力変換部４０は、発光モジュール１０Ａ〜１０Ｃのいずれかおよび口金５０にリード線４１、４２を介して電気的に接続される。また、電力変換部４０は、筐体２１の内部に設けられた絶縁ケース２３に収容される。電力変換部４０は、図示しない商用電源から口金５０を介して交流電力の供給を受け、例えば、直流電力に変換して発光モジュール１０Ａ〜１０Ｃのいずれかに供給する。
発光モジュール１０Ａ〜１０Ｃのいずれかは、電力変換部４０から電力の供給を受けて白色光を放射する。すなわち、発光体５から放射される青色光、赤色蛍光体１５から放射される赤色光、および、黄色蛍光体１７から放射される黄色光を混合した白色光を放出する。
なお、上記の発光モジュールは、ＣＯＢ型の発光モジュールが例示されているが、ＳＭＤ（Surface Mount Device）型の発光モジュールを用いてもよい。
上記の実施形態では、「部位Ａは部位Ｂ上に設けられている」、「部位Ａは部位Ｂの上に設けられている」と表現された場合の「上に」、「の上に」とは、部位Ａが部位Ｂに接触して、部位Ａが部位Ｂの上に設けられている場合の他に、部位Ａが部位Ｂに接触せず、部位Ａが部位Ｂの上方に設けられている場合との意味で用いられる場合がある。
以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明した。しかし、実施形態はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、実施形態の特徴を備えている限り、実施形態の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて複合させることができ、これらを組み合わせたものも実施形態の特徴を含む限り実施形態の範囲に包含される。その他、実施形態の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても実施形態の範囲に属するものと了解される。
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。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。
３ 基板、 ３ａ 上面、 ５ 発光体、 ７ バンク、 １０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 発光モジュール、 １１、１３ 蛍光体含有層、 １４、１６ 透光性樹脂、 １５ 赤色蛍光体、 １５ｓ 表面、 １７ 黄色蛍光体、 １８ 保護膜、 １８ａ Ｋ２ＳｉＦ６層、 １９ 酸化物粒子、 ２１ 筐体、 ２３ 絶縁ケース、 ３０ カバー、
４０ 電力変換部、 ４１、４２ リード線、 ５０ 口金、 １００ 照明装置
４０ 電力変換部、 ４１、４２ リード線、 ５０ 口金、 １００ 照明装置
Claims (4)
- 基板と；
前記基板上に設けられた発光体と；
前記基板上および前記発光体上に設けられた蛍光体含有層であって、前記発光体の放射光により励起され、６１０ｎｍ以上、６５５ｎｍ未満の波長範囲に発光ピークを有し、保護膜によって表面が覆われた第１蛍光体を有する蛍光体含有層と；
を備えた発光モジュール。 - 前記蛍光体含有層は、酸化物粒子をさらに有する請求項１に記載の発光モジュール。
- 前記蛍光体含有層は、第２蛍光体をさらに有し、
前記第２蛍光体は、前記発光体の放射光により励起され、前記発光体の発光スペクトルのピーク波長と、前記第１蛍光体の発光スペクトルのピーク波長と、の間の波長範囲に発光ピークを有する請求項１または２に記載の発光モジュール。 - 筐体と、
前記筐体に実装された請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光モジュールと、
を備えた照明装置。
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