JP2019054098A - ブルーライトを低減した白色led素子および該白色led素子を複数個、配線基板上に配列・搭載した白色ledユニット - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、ブルーライトを低減しつつ、照明用ランプに適した明るさ、演色性、色温度を有する白色光が得られる白色LED素子を提供すること、および該白色LED素子を複数個、配線基板上に配列・搭載した白色LEDユニットを提供することを課題とする。【解決手段】青色発光LEDと黄色蛍光体を組み合わせた白色LED素子に赤色発光LEDを設けると共に、青色発光LEDおよび赤色発光LEDをそれぞれ別の電源に接続し、青色発光LEDに供給される電流と、赤色発光LEDに供給される電流との比を、1:0.3〜0.6とすることにより、ブルーライトを低減できると共に、照明用ランプに適した明るさ、演色性、色温度を有する白色光が得られる白色LED素子を提供できる。さらに、この白色LED素子を複数個、配線基板上に配列・搭載して白色LEDユニットとすることにより、照明用ランプに適した光源とすることができる。【選択図】図1
Description
本発明は、波長がほぼ400nm〜500nmの範囲の青色光(以下、「ブルーライト」という。)を低減した白色LED素子および該白色LED素子を複数個、配線基板上に配列・搭載した白色LEDユニットに関する。
発光ダイオード(以下、「LED」という。)は、小型で効率が良く鮮やかな色の発光を示し、優れた単色性ピークを有している。LEDを用いて白色発光させる場合、例えば赤色発光LED、緑色発光LEDおよび青色発光LEDを近接して配置させて拡散混色を行わせる必要があるが、各LEDが優れた単色性ピークを有するため色むらが生じやすい。すなわち、各LEDからの発光が不均一で混色がうまくいかないと、色むらが生じた白色発光となってしまう。このような色むらの問題を解消するために、青色発光LEDと黄色蛍光体とを組み合わせて白色発光を得る技術が開発された。
青色発光LEDと黄色蛍光体を組み合わせた白色LED素子(以下、「従来の白色LED素子」ともいう。)では、図6に示すように、青色発光LED3からの発光と、その発光で励起され黄色を発光する黄色蛍光体5からの発光とによって白色発光を得ている。この白色LED素子は、1種類のLED素子だけを用いて白色光を得るため、複数種類のLED素子を近接させて白色発光を得る場合に生じる色むらの問題を解消することができる。しかしながら、この白色光は、図7に示すように、エネルギー強度の大きいブルーライトを多く含むことから、網膜細胞の疲労・機能低下を引き起こしやすい。
このような白色LED素子のブルーライト対策として、ブルーライトを低減するフィルムをパソコン、スマートフォンなどの画面に貼着する、眼鏡レンズの色調整によりブルーライトを低減する、LED電球のカバー素材に特殊塗料を添加してブルーライトを低減するなどの対策が採られている。
また、特許文献1〜3には、従来の白色LED素子に赤色LEDチップを設けて、青色LEDチップと赤色LEDチップとの発光強度比を調整することにより、任意の光色(昼光色、昼白色、白色、温白色、電球色など)を発光させることができる白色LED素子が開示されている。しかしながら、特許文献1〜3では、ブルーライトを低減しつつ、照明用ランプとして必要とされる明るさ、演色性、色温度を有する白色光が得られる白色LED素子については具体的に開示されていない。
従来の白色LED素子は、LEDを用いて白色を発光させる素子のなかで一番発光効率が高いという長所を有しているものの、上記のようにブルーライトを多く含むという短所を有しており、ブルーライトが網膜に及ぼす悪影響を防止するためには、白色LED素子と使用者・利用者との間に、ブルーライト低減機能を有するフィルム、眼鏡レンズ、電球カバーなどの部材を介在させる必要がある。
本発明者等は、従来の白色LED素子の上記のような長所を生かしつつ、上記のような短所を改善することについて鋭意研究・検討を重ね、本発明を成したものである。
すなわち、本発明の課題は、ブルーライトを低減しつつ、照明用ランプに適した明るさ、演色性、色温度を有する白色光が得られる白色LED素子を提供すること、および該白色LED素子を複数個、配線基板上に配列・搭載した白色LEDユニットを提供することにある。
本発明者等は、青色発光LEDと黄色蛍光体を組み合わせた白色LED素子に赤色発光LEDを設けると共に、青色発光LEDおよび赤色発光LEDをそれぞれ別の電源に接続し、青色発光LEDに供給される電流と、赤色発光LEDに供給される電流との比を、1:0.3〜0.6とすることにより、ブルーライトを低減することができると共に、照明用ランプに適した明るさ、演色性、色温度を有する白色光が得られる白色LED素子を提供できることを見出し、本発明を成したものである。さらに、本発明者等は、この白色LED素子を複数個、配線基板上に配列・搭載して白色LEDユニットとすることにより、照明用ランプに適した光源とできることも見出した。
本発明の要旨を以下に示す。
(1)断面凹字型に形成されたパッケージの凹部の底面に、青色発光LEDおよび赤色発光LEDを配置し、透明樹脂、黄色蛍光体及び光拡散剤を含有する透明樹脂組成物で封止してなる白色LED素子であって、
前記青色発光LEDおよび前記赤色発光LEDがそれぞれ別の電源に接続され、
前記青色発光LEDに供給される電流と、前記赤色発光LEDに供給される電流との比を、1:0.3〜0.6とすることを特徴とする、ブルーライトを低減した白色LED素子。
(2)前記透明樹脂組成物の透明樹脂がシリコン樹脂であることを特徴とする、(1)に記載の白色LED素子。
(3)前記透明樹脂組成物の光拡散剤が硫化亜鉛化合物(ZnS−Ag)であることを特徴とする、(1)または(2)に記載の白色LED素子。
(4)前記硫化亜鉛化合物(ZnS−Ag)が、
塩化物を含む硫化亜鉛と、主要な活性剤としての硫酸マンガンと、塩化ハフニウムと、酸化亜鉛と、塩化バリウムと、塩化マグネシウムと、塩化イリジウムと、硫酸銀と、酸化ガリウムと、硫黄と、塩化ナトリウムと、を混合して、当該混合物を1250℃で2時間加熱した後、焼成物から残留フラックスを水洗により除去して、乾燥後、分級粉砕して粒子を一定にし、
当該一定にした粒子に、硫化亜鉛と、塩化バリウムと、塩化ナトリウムと、塩化マグネシウムと、硫酸マンガンと、ガリウムと、硫黄と、を加えて、窒素気流中730℃で8時間30分熱した後再度分級粉砕し、脱イオン水で洗浄した後、酢酸で洗浄して、再度脱イオン水で洗浄した後、さらにKCNで洗浄することで活性化した粒子
であることを特徴とする、(3)に記載の白色LED素子。
(5)前記白色LED素子が表面実装型であることを特徴とする、(1)〜(4)のいずれかに記載の白色LED素子。
(6)(5)に記載の白色LED素子を、複数個、配線基板上に配列・搭載した白色LEDユニット。
(1)断面凹字型に形成されたパッケージの凹部の底面に、青色発光LEDおよび赤色発光LEDを配置し、透明樹脂、黄色蛍光体及び光拡散剤を含有する透明樹脂組成物で封止してなる白色LED素子であって、
前記青色発光LEDおよび前記赤色発光LEDがそれぞれ別の電源に接続され、
前記青色発光LEDに供給される電流と、前記赤色発光LEDに供給される電流との比を、1:0.3〜0.6とすることを特徴とする、ブルーライトを低減した白色LED素子。
(2)前記透明樹脂組成物の透明樹脂がシリコン樹脂であることを特徴とする、(1)に記載の白色LED素子。
(3)前記透明樹脂組成物の光拡散剤が硫化亜鉛化合物(ZnS−Ag)であることを特徴とする、(1)または(2)に記載の白色LED素子。
(4)前記硫化亜鉛化合物(ZnS−Ag)が、
塩化物を含む硫化亜鉛と、主要な活性剤としての硫酸マンガンと、塩化ハフニウムと、酸化亜鉛と、塩化バリウムと、塩化マグネシウムと、塩化イリジウムと、硫酸銀と、酸化ガリウムと、硫黄と、塩化ナトリウムと、を混合して、当該混合物を1250℃で2時間加熱した後、焼成物から残留フラックスを水洗により除去して、乾燥後、分級粉砕して粒子を一定にし、
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であることを特徴とする、(3)に記載の白色LED素子。
(5)前記白色LED素子が表面実装型であることを特徴とする、(1)〜(4)のいずれかに記載の白色LED素子。
(6)(5)に記載の白色LED素子を、複数個、配線基板上に配列・搭載した白色LEDユニット。
本発明の白色LED素子は、青色発光LEDと黄色蛍光体を組み合わせた白色LED素子に赤色発光LEDを設けると共に、青色発光LEDおよび赤色発光LEDをそれぞれ別の電源に接続し、青色発光LEDに供給される電流と、赤色発光LEDに供給される電流との比を、1:0.3〜0.6とすることにより、ブルーライトを低減できると共に、照明用ランプに適した明るさ、演色性、色温度を有する白色光を得ることができる。
すなわち、本発明の白色LED素子は、従来の白色LED素子による白色発光において不足していた600nm以上の発光スペクトルを赤色発光LEDにより補うようにし、青色発光LEDに供給される電流と赤色発光LEDに供給される電流との比を1:0.3〜0.6とすることにより、白色光に含まれるブルーライトの比率を低減できると共に、良好な演色性(Ra演色性:85以上)、太陽光に近い自然な白色(色温度:4000〜5000K)の白色光を得ることができる。さらに、赤色発光LEDには、青色発光LEDの電源とは別の電源から電流を供給するようにし、発光効率の低い赤色発光LEDへの電流供給によって発光効率の高い青色発光LEDへの電流供給量が低下しないようにしたため、明るさを低下させることなく(照度:700ルクス以上)、赤色発光LEDにより、白色光に600nm以上の発光スペクトルを補うことができる。
また、この白色LED素子を複数個、配線基板上に配列・搭載して白色LEDユニットとすることにより、照明用ランプに適した白色光を得ることができる。
以下、本発明の白色LED素子およびこの白色LED素子を複数個、配線基板上に配列・搭載した白色LEDユニットについて、図面も用いながら詳細に説明する。
本発明の白色LED素子の発光原理を示す模式図を図1に示す。
本発明の白色LED素子1では、断面凹字型に形成された、パッケージ2の凹部の底面に、青色発光LED3および赤色発光LED4が配置され、透明樹脂、黄色蛍光体5及び光拡散剤6を含有する透明樹脂組成物7で封止されている。
パッケージ2の材料としては、ポリカーボネート樹脂、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、液晶ポリマー(LCP)、ABS樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、PBT樹脂などの樹脂やセラミックなどを用いることができる。本発明の白色LED素子は、砲弾型、表面実装型のいずれのタイプも採用できるが、図5に示すように、白色LED素子1を複数個、配線基板12上に配列・搭載して白色LEDユニット11を形成する場合には、表面実装型が好ましい。
青色発光LED3としては、窒化ガリウム系化合物の発光層を有する青色発光LEDなどを用いることができる。
赤色発光LED4としては、アルミニウム・インジウム・ガリウム・リン系、ガリウム・ヒ素・リン系、または、ガリウム・アルミニウム・ヒ素系材料の発光層を有する赤色発光LEDなどを用いることができる。
黄色蛍光体5は、青色発光LED3からの青色光の少なくとも一部を吸収し波長変換して蛍光を発する黄色のフォトルミネッセンス蛍光体であり、ユーロピウム、マンガン付活アルカリ土類オルト珪酸マグネシウム蛍光体、ユーロピウム付活アルカリ土類オルト珪酸塩蛍光体またはユーロピウム付活サイアロン蛍光体などを用いることができる。
光拡散剤6は、透明樹脂の透明媒体に添加して用いられる、光拡散機能を有する光拡散物質であり、透明樹脂組成物7の透明樹脂と光拡散剤6との屈折率の差が大きいほど光拡散効果が大きくなる。光拡散剤としては、透明樹脂と屈折率の異なる有機系微粒子や無機系微粒子が挙げられ、具体的には、メラミン樹脂、CTUグアナミン樹脂、ベンゾグアナミン樹脂などの有機系微粒子、硫化亜鉛化合物、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素などの無機系微粒子を用いることができるが、後で説明するように、LEDから離れても照度が急激に落ちてしまうことがなく、LEDの照射方向から角度的にずれても照度が急激に落ちてしまうことのない硫化亜鉛化合物(ZnS−Ag)を用いるのが好ましい。
透明樹脂組成物7の透明樹脂としては、電気的絶縁性を有し、青色発光LED3、赤色発光LED4などから発せられる光を透過する、シリコン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂などを用いることができる。
図6に示すような従来の白色LED素子の白色光は、図7に示すように、エネルギー強度の大きいブルーライトを多く含むと共に、600nm以上の発光スペクトルが不足するが、本発明の白色LED素子1では、この不足している600nm以上の発光スペクトルを赤色発光LEDにより補うことにより、図4に示すように、白色光に含まれるブルーライトの比率を低減できると共に、青色発光LEDに供給される電流と赤色発光LEDに供給される電流との比を1:0.3〜0.6とすることにより、照明用ランプに適した良好な演色性(Ra演色性:85以上)、太陽光に近い自然な白色(色温度:4000〜5000K)の白色光を得ることができる。
さらに、図2および図3に示すように、本発明の白色LED素子1では、青色発光LED3および赤色発光LED4がそれぞれ別の電源に接続されている。具体的には、パッケージ2の凹部に透明樹脂組成物7で封止された青色発光LED3は、ワイヤー10、リードフレームA8、リードフレームA’8’を介して一つの電源に接続されており、また、パッケージ2の凹部に透明樹脂組成物7で封止された赤色発光LED4は、ワイヤー10、リードフレームB9、リードフレームB’9’を介して他の電源に接続されている。
このように、青色発光LED3および赤色発光LED4をそれぞれ別の電源に接続することにより、発光効率の低い赤色発光LEDへの電流供給により発光効率の高い青色発光LEDへの電流供給量が低下しないようにしたため、明るさを低下させることなく(照度:700ルクス以上)、図4に示すように、白色光に含まれるブルーライトの比率を低減することができる。
本発明の白色LED素子は、ブルーライトの比率を低減できると共に、照明用ランプに適した、明るさ、良好な演色性および太陽光に近い自然な白色の白色光を得ることができるが、これを具体的な数値で示す。表1に、赤色発光LED4への供給電流を一定値とし青色発光LED3への供給電流を変更して両者に供給する電流比を変化させた場合の、白色光の明るさ(照度:ルクス)、Ra演色性および色温度(K)の数値の一例を示す。
上記表1からわかるように、本発明の白色LED素子は、青色発光LED3に供給される電流と、赤色発光LED4に供給される電流との比を、1:0.3〜0.6の範囲とすることにより、白色光に含まれるブルーライトの比率を低減できると共に、
〇明るさを低下させることなく(照度:700ルクス以上)、
〇良好な演色性(Ra演色性:85以上)および
〇太陽光に近い自然な白色(色温度:4000〜5000K)
を有する、照明用ランプに適した白色光を得ることができる。
〇明るさを低下させることなく(照度:700ルクス以上)、
〇良好な演色性(Ra演色性:85以上)および
〇太陽光に近い自然な白色(色温度:4000〜5000K)
を有する、照明用ランプに適した白色光を得ることができる。
一方、特許文献1〜3に記載された白色LED素子は、図8に示すような回路20において、発光強度調整手段21a、22aの抵抗値を変え、青色LEDチップ21および赤色LEDチップ22に流れる電流比を調整し発光強度比を調整することにより、任意の光色(昼光色、昼白色、白色、温白色、電球色など)を得るものであるが、青色LEDチップ21と赤色LEDチップ22は、本件発明のようにそれぞれ別の電源に接続されているのではなく、一つの同じ電源に接続されている。
このため、特許文献1〜3に記載された白色LED素子では、発光効率の低い赤色LEDチップ22に流れる電流量を増加させると、発光効率の高い青色LEDチップ21に流れる電流量が減少し、白色光の明るさ(照度)が低下してしまうため、照明用の光源とするには適さないものである。
透明樹脂組成物7の透明樹脂としては、前記のように、シリコン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂などを用いることができるが、屈折率の観点からは、シリコン樹脂を用いるのが好ましい。
先に説明したように、光拡散剤6は、透明樹脂の透明媒体に添加して用いられる、光拡散機能を有する光拡散物質であり、光拡散剤6として硫化亜鉛化合物(ZnS−Ag)を用いると、LEDから離れても照度が急激に落ちてしまうことがなく、LEDの照射方向から角度的にずれても照度が急激に落ちてしまうことがないため好ましい。
この光拡散剤については、特許第5710126号公報に詳しく記載されているが、塩化物を含む硫化亜鉛と、主要な活性剤としての硫酸マンガンと、塩化ハフニウムと、酸化亜鉛と、塩化バリウムと、塩化マグネシウムと、塩化イリジウムと、硫酸銀と、酸化ガリウムと、硫黄と、塩化ナトリウムと、を混合して、当該混合物を1250℃で2時間加熱した後、焼成物から残留フラックスを水洗により除去して、乾燥後、分級粉砕して粒子を一定にし、当該一定にした粒子に、硫化亜鉛と、塩化バリウムと、塩化ナトリウムと、塩化マグネシウムと、硫酸マンガンと、ガリウムと、硫黄と、を加えて、窒素気流中730℃で8時間30分熱した後再度分級粉砕し、脱イオン水で洗浄した後、酢酸で洗浄して、再度脱イオン水で洗浄した後、さらにKCNで洗浄することで活性化した粒子である硫化亜鉛化合物(ZnS−Ag)である。
本発明の白色LED素子は、先に説明したように、ブルーライトの比率を低減できると共に、照明用ランプに適した、明るさ、良好な演色性および太陽光に近い自然な白色の白色光を得ることができる優れたものであるが、光拡散剤として、LEDから離れても照度が急激に落ちてしまうことがなく、LEDの照射方向から角度的にずれても照度が急激に落ちてしまうことがないとの特性を有する硫化亜鉛化合物(ZnS−Ag)を光拡散剤として使用することにより、照明用ランプ用の光源としてより一層優れたものとすることができる。
本発明の白色LED素子は、先に説明したように、砲弾型、表面実装型のいずれのタイプも採用できるが、図5に示すように、白色LED素子1を複数個、配線基板12上に配列・搭載して白色LEDユニット11を形成する場合には、表面実装型が好ましい。
図5においては、電線A13から白色LEDユニット11に供給された電気は、リードフレームA8→ワイヤー10→青色発光LED3→ワイヤー10→リードフレームA’8’という経路で右上の白色LED素子1中を流れ、同様に次々と次の白色LED素子1中を流れた後、電線A’13’から白色LEDユニット11外に流される。
また、電線B14から白色LEDユニット11に供給された電気は、リードフレームB9→ワイヤー10→赤色発光LED4→ワイヤー10→リードフレームB’9’という経路で右上の白色LED素子1中を流れ、同様に次々と次の白色LED素子1中を流れた後、電線B’14’から白色LEDユニット11外に流される。
このように、本発明の白色LED素子を、複数個、配線基板上に配列・搭載して白色LEDユニット11とすることにより、照明用ランプに適した白色光を得ることができる。白色LEDユニットに設けられる白色LED素子1の数、配置などは、必要とされる光源の照度、形状(ランプ形、蛍光灯形)など応じ、適宜設計することができる。
以上に説明したように、本発明の白色LED素子は、青色発光LEDと黄色蛍光体を組み合わせた白色LED素子に赤色発光LEDを設けると共に、青色発光LEDおよび赤色発光LEDをそれぞれ別の電源に接続し、青色発光LEDに供給される電流と、赤色発光LEDに供給される電流との比を、1:0.3〜0.6とすることにより、ブルーライトを低減できると共に、照明用ランプに適した明るさ、演色性、色温度を有する白色光を得ることのできる優れたものである。また、この白色LED素子を複数個、配線基板上に配列・搭載して白色LEDユニットとすることにより、照明用ランプに適した白色光を得ることができる。
1 白色LED素子
2 パッケージ
3 青色発光LED
4 赤色発光LED
5 黄色蛍光体
6 光拡散剤
7 透明樹脂組成物
8 リードフレームA
8’ リードフレームA’
9 リードフレームB
9’ リードフレームB’
10 ワイヤー
11 白色LEDユニット
12 配線基板
13 電線A
13’ 電線A’
14 電線B
14’ 電線B’
20 光色可変LEDランプを構成する回路
21 青色LEDチップ
21a 青色LEDチップの発光強度を調整する発光強度調整手段
22 赤色LEDチップ
22a 赤色LEDチップの発光強度を調整する発光強度調整手段
2 パッケージ
3 青色発光LED
4 赤色発光LED
5 黄色蛍光体
6 光拡散剤
7 透明樹脂組成物
8 リードフレームA
8’ リードフレームA’
9 リードフレームB
9’ リードフレームB’
10 ワイヤー
11 白色LEDユニット
12 配線基板
13 電線A
13’ 電線A’
14 電線B
14’ 電線B’
20 光色可変LEDランプを構成する回路
21 青色LEDチップ
21a 青色LEDチップの発光強度を調整する発光強度調整手段
22 赤色LEDチップ
22a 赤色LEDチップの発光強度を調整する発光強度調整手段
Claims (6)
- 断面凹字型に形成されたパッケージの凹部の底面に、青色発光LEDおよび赤色発光LEDを配置し、透明樹脂、黄色蛍光体及び光拡散剤を含有する透明樹脂組成物で封止してなる白色LED素子であって、
前記青色発光LEDおよび前記赤色発光LEDがそれぞれ別の電源に接続され、
前記青色発光LEDに供給される電流と、前記赤色発光LEDに供給される電流との比を、1:0.3〜0.6とすることを特徴とする、ブルーライトを低減した白色LED素子。 - 前記透明樹脂組成物の透明樹脂がシリコン樹脂であることを特徴とする、請求項1に記載の白色LED素子。
- 前記透明樹脂組成物の光拡散剤が硫化亜鉛化合物(ZnS−Ag)であることを特徴とする、請求項1または2に記載の白色LED素子。
- 前記硫化亜鉛化合物(ZnS−Ag)が、
塩化物を含む硫化亜鉛と、主要な活性剤としての硫酸マンガンと、塩化ハフニウムと、酸化亜鉛と、塩化バリウムと、塩化マグネシウムと、塩化イリジウムと、硫酸銀と、酸化ガリウムと、硫黄と、塩化ナトリウムと、を混合して、当該混合物を1250℃で2時間加熱した後、焼成物から残留フラックスを水洗により除去して、乾燥後、分級粉砕して粒子を一定にし、
当該一定にした粒子に、硫化亜鉛と、塩化バリウムと、塩化ナトリウムと、塩化マグネシウムと、硫酸マンガンと、ガリウムと、硫黄と、を加えて、窒素気流中730℃で8時間30分熱した後再度分級粉砕し、脱イオン水で洗浄した後、酢酸で洗浄して、再度脱イオン水で洗浄した後、さらにKCNで洗浄することで活性化した粒子
であることを特徴とする、請求項3に記載の白色LED素子。 - 前記白色LED素子が表面実装型であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の白色LED素子。
- 請求項5に記載の白色LED素子を、複数個、配線基板上に配列・搭載した白色LEDユニット。
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- 2017-09-14 JP JP2017176941A patent/JP2019054098A/ja active Pending
-
2018
- 2018-09-13 WO PCT/JP2018/034001 patent/WO2019054447A1/ja active Application Filing
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