JP2018053128A - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
Description
色再現範囲の評価は、例えばNTSC(National Television System Committee)で規格化されたテレビの色空間であるNTSC比が挙げられる。NTSC比は、CIE(国際照明委員会:Commission international de l’eclarirage)1931に規定されるxy色座標上の色度(x,y)として、赤(x=0.67、y=0.33)、緑(x=0.21、y=0.71)、青(x=0.41、y=0.08)を結ぶ三角形を基準とし、画像表示装置における、赤、緑、青の色度を結んで得られる三角形を比較した面積比で色再現性を評価することができる。
特許文献1に記載の発光装置に用いたβサイアロン系蛍光体は、発光スペクトルの半値幅が比較的広く、発光ピーク波長が上記波長範囲よりも長波長側にあり、すなわち発光色が緑色よりも黄緑色に近い。そのため、βサイアロン系蛍光体を用いた発光装置を、より広い色再現性が求められる高精度の液晶表示装置の光源として用いることは困難である。
そこで、本発明の一実施形態は、液晶表示装置に用いた場合に、広範囲な色再現性を実現できる発光装置を提供することを目的とする。
本発明の第一の実施形態は、430nm以上470nm以下の範囲に発光ピーク波長を有する発光素子と、
510nm以上525nm以下の範囲に発光ピーク波長を有し、平均粒径が10.0μm以上30.0μm以下であり、下記組成式(I)で表される第一の蛍光体と、
620nm以上670nm以下の範囲に発光ピーク波長を有する第二の蛍光体と、を含む発光装置。
X1aMgbMncAldOa+b+c+1.5d (I)
(式(I)中、X1は、Ba、Sr及びCaからなる群より選択される少なくとも一種の元素であり、a、b、c、dは、0.5≦a≦1.0、0.0≦b≦0.7、0.3≦c≦0.7、8.5≦d≦13.0を満たす数である。)
本発明の一実施形態の発光装置は、430nm以上470nm以下の範囲に発光ピーク波長を有する発光素子と、510nm以上525nm以下の範囲に発光ピーク波長を有し、平均粒径が10.0μm以上30.0μm以下であり、下記組成式(I)で表される第一の蛍光体と、620nm以上670nm以下の範囲に発光ピーク波長を有する第二の蛍光体と、を含む発光装置である。
X1aMgbMncAldOa+b+c+1.5d (I)
(式(I)中、X1は、Ba、Sr及びCaからなる群より選択される少なくとも一種の元素であり、a、b、c、dは、0.5≦a≦1.0、0.0≦b≦0.7、0.3≦c≦0.7、8.5≦d≦13.0を満たす数である。)
従来の発光装置を用いた液晶表示装置が、NTSC比100%を正確に満たすCIE色度座標上の三角形の面積を示すことが困難であったのに対し、本実施形態の発光装置を用いた液晶表示装置は、NTSC比100%を超える範囲まで色再現性の範囲を拡大することができる。
図1において、本実施形態の発光装置100の一例として、第一の蛍光体71及び第二の蛍光体72は、発光素子10の近傍に偏在している。すなわち、第一の蛍光体71及び第二の蛍光体72は、蛍光部材50中において、成形体40の上面近傍に近い蛍光部材50中よりも、発光装置100の凹部の底面を構成する発光素子10が載置された第一のリード20及び第二のリード30に近い蛍光部材50中に多く配置される。このように発光素子10に近接して第一の蛍光体71及び第二の蛍光体72を配置することにより、発光素子10からの光を効率よく波長変換することができ、発光効率の優れた発光装置とすることができる。なお、蛍光部材50中の第一の蛍光体71と第二の蛍光体72の配置位置は、発光素子10に近接して配置する形態だけではなく、例えば、第一の蛍光体71と第二の蛍光体72への発光素子10からの熱の影響が少なくなるように、蛍光部材50中で、発光素子10から間隔をあけて第一の蛍光体71及び第二の蛍光体72を配置することもできる。また、発光装置100からの光の色ムラが抑制されるように、蛍光部材50中の全体に第一の蛍光体71及び第二の蛍光体72を略均一に分散させて配置することもできる。
図1に示す発光装置100は、第一の蛍光体71及び第二の蛍光体72は、発光素子10の近傍に、第一の蛍光体71及び第二の蛍光体72を混合された状態で配置している。
発光素子10は、可視光の短波長側(例えば380nm以上485nm以下の範囲)に発光スペクトルを有する光を発し、発光ピーク波長が430nm以上470nm以下の範囲内であり、より好ましくは440nm以上460nm以下の範囲内である。この波長範囲に発光ピーク範囲を有する発光素子を励起光源として用いることにより、発光素子からの光と第一の蛍光体及び第二の蛍光体からの蛍光の混色光を発する発光装置を得ることができる。
発光素子は、窒化ガリウム系半導体(InXAlYGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)を用いた半導体発光素子を用いることが好ましい。半導体発光素子を用いることによって、高効率で入力に対する出力のリニアリティが高く、機械的衝撃にも強い安定した発光装置を得ることができる。発光素子の発光スペクトルの半値幅は、例えば、30nm以下とすることができる。
蛍光体70は、発光素子10から発せられる光の少なくとも一部を吸収し、発光素子10から発せられる光の波長とは異なる波長に変換する。蛍光体70は、緑色に発光する第一の蛍光体71と、赤色に発光する第二の蛍光体72を用いることが好ましい。
発光装置100は、510nm以上525nm以下の範囲に発光ピーク波長を有し、平均粒径が10.0μm以上30.0μm以下であり、下記組成式(I)で表される第一の蛍光体71(以下、「第一の蛍光体(I)」と称する場合がある。)を含む。
X1aMgbMncAldOa+b+c+1.5d (I)
式(I)中、X1は、Ba、Sr及びCaからなる群より選択される少なくとも一種の元素であり、a、b、c、dは、0.5≦a≦1.0、0.0≦b≦0.7、0.3≦c≦0.7、8.5≦d≦13.0を満たす数である。
組成式(I)において、cは、好ましくは0.40≦c≦0.65、より好ましくは0.40≦c≦0.60、さらに好ましくは0.45≦c≦0.60を満たす数である。
組成式(I)において、dは、好ましくは9.0≦d≦13.0、より好ましくは9.0≦d≦12.0、さらに好ましくは9.0≦d≦11.0を満たす数である。
フラックスとしては、アルカリ金属フッ化物、アルカリ金属塩化物等を用いることができ、好ましくはフッ化ナトリウム(NaF)、フッ化カリウム(KF)であり、より好ましくはNaFである。
第一の蛍光体(I)は、430nm以上470nm以下の範囲内に発光ピーク波長を有する発光素子によって励起された緑色の発光スペクトルの半値幅が狭い発光スペクトルを有するものであり、第一の蛍光体(I)を用いた発光装置を液晶表示装置に用いた場合は、色再現性を広くすることができる。
第一の蛍光体(I)の平均粒径は、好ましくは10.5μm以上29.0μm以下、より好ましくは11.0μm以上28.5μm以下、さらに好ましくは12.0μm以上28.0μm以下である。
本明細書において、蛍光体の平均粒径は、レーザー回折式粒度分布測定装置(例えばMALVERN社製MASTER SIZER3000)により測定される小径側からの体積累積頻度が50%に達する体積平均径(メジアン径)をいう。
蛍光部材50中に、第一の蛍光体(I)を含む緑色蛍光体と630nm以上670nm以下の範囲に発光ピーク波長を有する第二の蛍光体72を含む赤色蛍光体を前記範囲で含むことによって、色再現性の範囲を広くすることができる。
発光装置100は、620nm以上670nm以下の範囲に発光ピーク波長を有する第二の蛍光体72を含む。
第二の蛍光体は、620nm以上670nm以下の範囲に発光ピーク波長を有するものであれば、一種の蛍光体を単独で使用してもよく、二種以上を併用してもよい。
K2(Si,Ge,Ti)F6:Mn (IIa)
3.5MgO・0.5MgF2・GeO2:Mn(IIb)
(Sr,Ca)AlSiN3:Eu (IIc)
(Sr,Ca)LiAl3N4:Eu (IId)
(Ca,Sr)S:Eu (IIe)
相対発光強度が前記範囲内であることにより、発光装置の発光スペクトルにおいて、青色光と赤色光の波長領域と、それらに挟まれて色再現性に強く影響する緑色の波長領域に、青色、緑色及び赤色それぞれの発光が強調されるので、液晶表示装置の色再現範囲を拡大することができる。
蛍光部材50は、第一の蛍光体(I)及び第二の蛍光体72以外のその他の蛍光体を必要に応じて含んでいてもよい。その他の蛍光体としては、例えば(Y,Gd,Tb,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce、Ca3Sc2Si3O12:Ce、CaSc2O4:Ce、(La,Y)3Si6N11:Ce、(Ca,Sr,Ba)3Si6O9N4:Eu、(Ca,Sr,Ba)3Si6O12N2:Eu、(Ba,Sr,Ca)Si2O2N2:Eu、(Ba,Sr,Ca)2SiO4:Eu、(Ba,Sr,Ca)Ga2S4:Eua等が挙げられる。発光装置がその他の蛍光体を含む場合、その含有量は、目的等に応じて適宜選択することができ、例えば第一の蛍光体及び第二の蛍光体の総量に対して、その他の蛍光体の含有量は、好ましくは5質量%以下、より好ましくは2質量%以下である。
実施例及び比較例の発光装置の製造に先立ち、緑色に発光する蛍光体及び赤色に発光する蛍光体をそれぞれ準備した。
緑色に発光する蛍光体として、第一の蛍光体(I)及びその他の蛍光体を準備した。第一の蛍光体(I)として、表1に示す蛍光体A−1から蛍光体A−5、その他の緑色に発光する蛍光体として、蛍光体A−6から蛍光体A−10、蛍光体B、蛍光体C及び蛍光体Dを準備した。
蛍光体A−1は、組成の一般式がX1aMgbMncAldOa+b+c+1.5dで表される蛍光体について、X1としてBaを選択し、aが1.0、bが0.5、cが0.5、dが10.0となるようにモル組成比を設定したものである。すなわち、蛍光体A−1は、組成式がBa1.0Mg0.5Mn0.5Al10O17で表されるように原料のモル比を設定した。BaCO3、MgO、MnCO3、Al2O3、MgF2を原料として用いて、フラックスとしてNaFを用いた。これらの原料をBaCaO3:MgO:MgF2:MnCO3:Al2O3:NaFがモル比で1.0:0.4:0.1:0.5:10.0:0.1になるように計量、混合して混合物を得た。この混合物をアルミナルツボに充填し、H2/N2=3/97(体積比)の混合ガス雰囲気下、1500℃で5時間、熱処理した。
得られた粉末について試料水平型多目的X線回折装置(製品名:UltimaIV、株式会社リガク)を用い、CuKα線を用いてX線回折スペクトル(XRD)を測定した。このX線回折スペクトルが、国際回折データセンター(International Center for Diffraction)におけるICDDデータNo.00−026−0163に示されるBaMgAl10O17についてのCuKα線を用いて測定したX線回折パターンと比較し、同一の角度(2θ値)位置にピークがでているかどうかを確認し、得られた粉末がBaMgAl10O17で表される化合物と同一の結晶構造を有していることを確認した。また、得られた粉末を、量子効率測定装置(大塚電子株式会社製、QE−2000)を用いて、励起波長450nmの光を各蛍光体に照射し、室温(25℃±5℃)における発光スペクトルを測定し、発光強度が最大となる波長を発光ピーク波長(nm)として測定したところ、発光ピーク波長は517nmであった。この粉末を蛍光体A−1とした。
得られる蛍光体の組成式がBa1.0Mg0.6Mn0.4Al10O17で表されるように原料の仕込み組成を設定した。また、原料中のMgO:MgF2:NaFのモル比が0.5:0.1:0.1となるようにしたこと以外は、蛍光体A−1と同様にして、蛍光体A−2を得た。
得られる蛍光体の組成式がBa1.0Mg0.4Mn0.6Al10O17で表されるように原料の仕込み組成を設定した。また、原料中のMgO:MgF2:NaFのモル比が0.3:0.1:0.1となるようにしたこと以外は、蛍光体A−1と同様にして、蛍光体A−3を得た。
得られる蛍光体の組成式がBa1.0Mg0.5Mn0.5Al10O17で表されるように原料の仕込み組成を設定した。また、フラックスとしてKFを用い、原料中のBaCO3:MgO:MgF2:MnCO3:Al2O3:KFのモル比が1.00:0.40:0.10:0.50:10.00:0.05となるようにしたこと以外は、蛍光体A−1と同様にして、蛍光体A−4を得た。
得られる蛍光体の組成式がBa1.0Mn0.5Al10O17で表されるように原料の仕込み組成を設定した。得られる蛍光体の組成式(I)におけるbは0.0である。また、原料としてBaCO3、MnCO3、Al2O3、AlF3として用い、フラックスとしてNaFを用い、原料中のBaCO3:MnCO3:Al2O3:AlF3:NaFのモル比が1.000:0.500:9.933:0.067:0.050となるようにしたこと以外は、蛍光体A−1と同様にして、蛍光体A−5を得た。
得られる蛍光体の組成式がBa1.0Mg0.8Mn0.2Al10O17で表されるように原料の仕込み組成を設定した。また、原料としてBaCO3、MgO、MnCO3、Al2O3、MgF2を用い、フラックスとしてNaFを用いることなく、BaCO3:MgO:MgF2:MnCO3:Al2O3のモル比が1.0:0.7:0.1:0.2:10.0となるようにしたこと以外は、蛍光体A−1と同様にして、蛍光体A−6を得た。
得られる蛍光体の組成式がBa1.0Mg0.6Mn0.4Al10O17で表されるように原料の仕込み組成を設定した。また、フラックスとしてNaFを用いることなく、原料中のMgO:MgF2:MnCO3のモル比が0.5:0.1:0.4となるようにしたこと以外は、蛍光体A−1と同様にして蛍光体A−7を得た。
得られる蛍光体の組成式がBa1.0Mg0.5Mn0.5Al10O17で表されるように原料の仕込み組成を設定した。また、フラックスとしてNaFを用いることなく、原料中のMgO:MgF2:MnCO3のモル比が0.4:0.1:0.5となるようにしたこと以外は、蛍光体A−1と同様にして蛍光体A−8を得た。
得られる蛍光体の組成式がBa1.0Mg0.9Mn0.1Al10O17で表されるように原料の仕込み組成を設定した。また、原料中のMgO:MgF2:MnCO3のモル比が0.8:0.1:0.1となるようにしたこと以外は、蛍光体A−1と同様にして蛍光体A−9を得た。
得られる蛍光体の組成式がBa1.0Mg0.8Mn0.2Al10O17で表されるように原料の仕込み組成を設定した。また、原料中のMgO:MgF2:MnCO3のモル比が0.7:0.1:0.2となるようにしたこと以外は、蛍光体A−1と同様にして蛍光体A−10を得た。
蛍光体A−1と同様にして測定した発光ピーク波長が535nmであり、Si6−zAlzOzN8−z:Eu(zが0.12)で表される蛍光体(以下、「βサイアロン蛍光体」と称する。)を用いた。
蛍光体A−1と同様にして測定した発光ピーク波長が522nmであり、Ca8MgSi4O16Cl2:Euで表される蛍光体(以下、「クロロシリケート蛍光体」と称する。)を用いた。
蛍光体A−1と同様にして測定した発光ピーク波長が535nmであり、SrGa2S4:Euで表される蛍光体(以下、「チオガレート蛍光体」と称する。)を用いた。
第二の蛍光体72として、蛍光体A−1と同様にして測定した発光ピーク波長が631nmであり、赤色に発光するK2SiF6:Mnで表される蛍光体(以下、「KSF蛍光体」と称する。)を用いた。
蛍光体A−1からA−10について、レーザー回折式粒度分布測定装置(MARVERN(マルバーン)社製、MASTER SIZER(マスターサイザー)3000)を用いて、小径側からの体積累積頻度が50%に達する体積平均粒径(Dm:メジアン径)を測定した。結果を表1に示す。
蛍光体A−1からA−10について、量子効率測定装置(大塚電子株式会社製、QE−2000)を用いて、励起波長450nmの光を各蛍光体に照射し、室温(25℃±5℃)における発光スペクトルを測定した。得られた発光スペクトルの発光ピーク波長における発光強度を測定し、蛍光体A−3の発光強度を100%として、各蛍光体の発光強度を相対発光強度(%)として表した。結果を表1に示す。
蛍光体A−1からA−10について、分光蛍光光度計(株式会社日立ハイテクノロジーズ製、F−4500)を用いて、励起波長450nmの光に対する反射光を室温(25℃±5℃)で測定した。基準としてCaHPO4を用い、CaHPO4の反射率を100%とした場合の相対値として、反射率(%)を表した。結果を表1に示す。
蛍光体A−1からA−10、蛍光体B、蛍光体C、及び蛍光体Dについて、発光特性を測定した。得られた発光スペクトルの半値幅を測定した。結果を表1に示す。また、蛍光体A−1、蛍光体A−5、蛍光体B、蛍光体C、及び蛍光体Dの発光スペクトルを図3に示す。
蛍光体A−1からA−10について、誘導結合プラズマ発光分析装置(Perkin Elmer(パーキンエルマー)社製)を用いて、ICP発光分析法により、組成分析を行ない、蛍光体中のBa、Mg、Mn、Al、O、Na、K、Fの各元素のモル量(組成比)を求めた。結果を表2に示す。表2に示すモル量(組成比)の数値は、Alの組成比を10.00として分析結果から算出した値である。
表3に示す配合比となるように、第一の蛍光体71を含む緑色蛍光体、第二の蛍光体72としてKSFを含む赤色蛍光体、シリコーン樹脂を混合分散し、脱泡して蛍光部材50用の組成物を得た。表3中、樹脂100質量部に対する緑色蛍光体及び赤色蛍光体の比を「蛍光体/樹脂(%)」として表した。また、表3中、緑色蛍光体及び赤色蛍光体の合計量100%に対する緑色蛍光体と赤色蛍光体の含有量(質量%)を記載した。蛍光部材用の組成物は、製造する発光装置が発する混色光がCIE1931に規定されるxy色度座標において、xが0.26、yが0.22(x=0.26、y=0.22)付近となるように緑色蛍光体及び赤色蛍光体の配合比を調整した。発光ピーク波長が455nmである青色発光LED(発光素子)を第1のリード20上に実装した後、青色発光LED10上に、表3に示す配合比の蛍光部材50用の組成物を充填し、硬化させて、蛍光部材50を形成し、各実施例及び比較例について、図1に示されるような発光装置100を製造した。
積分球を使用した全光束測定装置を用いて測定した実施例1から5及び比較例1から8の各発光装置の発光スペクトルデータと、任意のカラーフィルターの透過率曲線のデータとを用いて、シミュレーションにより、液晶表示装置として表示した際のNTSC比を求めた。基準として、実施例3の発光装置の発光スペクトルデータと、カラーフィルターの透過率曲線のデータを用いて前記シミュレーションにより解析した液晶表示装置として表示した際のNTSC比を100%とし、このNTSC比に対する相対値として、各発光装置の相対NTSC比を求めた。結果を表4に示す。
なお、実施例3の発光装置は、前記青色発光LEDとYAG:Ce蛍光体を用いた発光装置に適用した場合にNTSC比が70%程度になる一般的なカラーフィルターを用いた場合に、このカラーフィルターの透過率曲線のデータと、実施例3の発光スペクトルデータから前記シミュレーションを用いて解析した液晶表示装置として表示した際のNTSC比が103%であった。実施例3の発光装置は、一般的なカラーフィルターの透過率曲線のデータを用いてシミュレーションした結果、NTSC比が100%を超える広い色再現性を示していた。各実施例及び比較例において、相対NTSC比は、この広い色再現性を有する発光装置のNTSC比を基準とした。
実施例1から5及び比較例1から8の発光装置について、積分球を使用した全光束測定装置を用いて、光束を測定した。実施例3の発光装置の光束を100%として、他の実施例及び比較例の発光装置の相対光束を算出した。結果を表4に示す。
実施例1から5及び比較例1から8の各発光装置の発光スペクトルデータと、カラーフィルターの透過率曲線のデータを用いて、シミュレーションにより、液晶表示装置として表示した際の光の色度(x、y)を、CIE1931に規定されるxy色度座標における数値(x、y)として求めた。結果を表4に示す。
実施例1から5及び比較例1から8の発光装置について、相対光束の測定と同様の装置を用いて、波長に対する相対強度を示す発光スペクトルを測定した。各発光装置の発光スペクトルにおける510nm以上525nm以下の範囲における最大発光強度を100%とし、この発光強度に対する500nm、520nm、及び540nmにおける発光強度を算出した。結果を表4に示す。また、図4に、実施例1及び5の発光装置の発光スペクトルと、比較例1から3の発光装置の発光スペクトルを示す。
また、実施例1から5の発光装置は、実施例3の発光装置の光束を基準とした相対光束が100%を超えており、光束が大きいことができた。
また、実施例1から5の発光装置について、CIE1931に規定されるxy色度座標における数値は、xが0.262から0.263、yが0.223となっており、設定されたとおりの混色光であることが確認できた。
さらに、実施例1から5の発光装置は、表4に示すように、発光スペクトルにおいて510nm以上525nm以下の範囲における最大発光強度を100%とした場合に、500nmにおける相対発光強度が25%以下であり、520nmにおける相対発光強度が90%以上であり、540nmにおける相対発光強度が60%以下である。このことより、発光装置の発光スペクトルにおいて、青色と赤色の波長領域に挟まれて色再現性に強く影響する緑色の波長領域に、スペクトルの幅が狭い発光ピークを有しており、他の波長領域の発光との影響が少ないと考えられるので、このような発光ピークによって色再現性が拡大されていることが確認できた。
図4に示すように、実施例1及び5の発光装置は、発光スペクトルにおいて、青色光と赤色光の波長領域に挟まれて色再現性に強く影響する緑色領域である500nmから540nmの波長範囲に、スペクトルの幅が狭い発光ピークを有し、他の波長領域の発光との影響が少なくなり、広範囲の色を再現することができることが確認できた。
Claims (8)
- 430nm以上470nm以下の範囲に発光ピーク波長を有する発光素子と、
510nm以上525nm以下の範囲に発光ピーク波長を有し、平均粒径が10.0μm以上30.0μm以下であり、下記組成式(I)で表される第一の蛍光体と、
620nm以上670nm以下の範囲に発光ピーク波長を有する第二の蛍光体と、を含む発光装置。
X1aMgbMncAldOa+b+c+1.5d (I)
(式(I)中、X1は、Ba、Sr及びCaからなる群より選択される少なくとも一種の元素であり、a、b、c、dは、0.5≦a≦1.0、0.0≦b≦0.7、0.3≦c≦0.7、8.5≦d≦13.0を満たす数である。) - 前記第一の蛍光体は、450nmにおける光の反射率が84%以下である、請求項1に記載の発光装置。
- 前記第二の蛍光体が、フッ化物系蛍光体、マグネシウムフルオロゲルマネート系蛍光体、窒化物系蛍光体及び硫化物蛍光体からなる群から選択される少なくとも1種である、請求項1又は2に記載の発光装置。
- 前記第二の蛍光体が、下記組成式(IIa)乃至(IIe)で表される蛍光体からなる群から選択される少なくとも1種である、請求項1から3のいずれか一項に記載の発光装置。
K2(Si,Ge,Ti)F6:Mn (IIa)
3.5MgO・0.5MgF2・GeO2:Mn(IIb)
(Sr,Ca)AlSiN3:Eu (IIc)
(Sr,Ca)LiAl3N4:Eu (IId)
(Ca,Sr)S:Eu (IIe) - 前記組成式(I)中、X1がBaを含み、aが0.6≦a≦1.0を満たす数である、請求項1から4のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記組成式(I)中、cが0.4≦c<0.6を満たす数である、請求項1から5のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記第一の蛍光体の平均粒径が12.0μm以上28.0μm以下である、請求項1から6のいずれか一項に記載の発光装置。
- CIE1931に規定されるxy色度座標において、xが0.22以上0.34以下且つyが0.16以上0.40以下の範囲である光を発する、請求項1から7のいずれか一項に記載の発光装置。
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