JP2020515025A - 発光スペクトルを制御した超高演色白色発光素子及びこれを用いた照明装置 - Google Patents

発光スペクトルを制御した超高演色白色発光素子及びこれを用いた照明装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、 可視光全域に渡り滑らかな発光スペクトル分布を持ち、それぞれ違う複数の色温度において、高い色忠実指数と色域指数を有する超高演色白色発光素子及びこれを含む当該照明装置に関するものである。本発明は、３８０ｎｍ以上４３０ｎｍ以下に発光ピークを持つ紫波長領域の光を出す半導体ＬＥＤチップ及び前記紫ＬＥＤチップの励起波長により励起され、発光する透明樹脂層に分散している蛍光体層を含む超高演色白色発光素子に於いて、上述の蛍光体層は、４５０〜４７０ｎｍに発光のピークを有する第１蛍光体、５１０〜５５０ｎｍに発光のピークを有する第２蛍光体、５５０〜５９０ｎｍに発光のピークを有する第３蛍光体、６３０〜６６０ｎｍに発光のピークを有する第４蛍光体、及び６６０〜７３０ｎｍに発光のピークを有する第５蛍光体が含まれていることを特徴とする、Ｒａが９８以上１００未満の超高演色白色発光素子を提供する。

Description

本発明は、発光スペクトルを制御した超高演色白色発光素子及びこれを用いた当該照明装置に関するものであり、より詳しくは、可視光全域に渡り滑らかな発光スペクトル分布を示し、それぞれ違う複数の色温度の超高演色白色発光素子及びこれを用いた当該照明装置に関するものである。
半導体発光素子である青色ＬＥＤの場合、蛍光体をこの半導体発光素子の表面に塗布して半導体特有の青色の光とは別の光、即ち白色の光を得ることができる。通常のＬＥＤ照明装置に於いては、ＧａＮをベースとした窒化物ワイドギャップ半導体が用いられ、４６０ｎｍを中心とした青色の光を発するものである。この光は、発光の半値幅が狭く、これはブルー・スパイクと呼ばれる。特に、４５０〜４６０ｎｍのブルー・スパイクは、人間の目の網膜に損傷を与える恐れがあり、また、美術品の油絵の色素の劣化を促すなど、極力取り除くための研究が継続的に行われ、関連する商品も市場に出始めている。このような白色ＬＥＤランプは、自然光を提供する目的で、美術館・博物館の照明用光源として普及している。
これまで、白色の光を得るための様々な方法が考えられ、１９９０年度後半には、先ず青色ＬＥＤチップと黄色蛍光体の組み合わせが最初に実用化され、その次に、演色性を高めるべく、青色ＬＥＤチップと緑色蛍光体と赤色蛍光体の組み合わせが実用されている。２０００年代の初めには、紫色ＬＥＤチップをベースに、青色蛍光体・緑色蛍光体・赤色蛍光体の発光を利用した、光の３原色の混合による蛍光体励起方式の高演色白色ＬＥＤ照明が開発された。この白色ＬＥＤの特徴は、励起光そのものは白色光を構成しないという点が青励起のＬＥＤとは根本的な違いである。従って、各種蛍光体の可視発光の配光特性がランバーシアン配光に基づいて白色光を構成するので、ＡＡＡ高演色蛍光ランプの発光特性に類似したものになる。
また、使用できる蛍光体の種類も多種多様にあるため、光の質の改善の可能性を秘めている。従って、将来、色の再現性又は色の忠実性が厳しく求められる色評価用照明分野への応用が期待できる。
現状、青色ＬＥＤチップで励起した白色ＬＥＤ素子に於いても、高演色性は達成できているものの、根本的に、３８０〜４５０ｎｍの可視光が欠如していること、励起光の青色によるブルー・スパイクが現れるためにスペクトル分布が滑らかではないことが欠点となっている。また、励起光そのものが白色光を構成する要素となるため、光特性において、高電流及び高温度依存性が著しく、色温度の変化が起こり易くなってしまう。それに比べて、紫ＬＥＤチップを用いて白色光を作り出す方法は、蛍光体からの発光のみで白色光を構成できるという点で優れている。最近、紫励起に対する封止材として耐久性のあるシリコーン樹脂と、各種の高効率蛍光体が開発されたこと、及び紫ＬＥＤチップの効率が改善されたことから、紫励起白色ＬＥＤが注目されつつあり、将来、高演色性が求められる一般照明分野に於いても、これまでの青色励起白色ＬＥＤを取り替える可能性がある。
しかし、これまで製造された紫励起白色ＬＥＤ素子では、発光スペクトル分布に於いて、青色発光・緑色発光・赤色発光の強いピークが現れ、スペクトル分布が滑らかではなかったという欠点があった。そこで、蛍光体からの発光スペクトルを最適に制御することによって、光の質を一層改善・向上できる可能性がある。特に、白色光を構成する蛍光体コーティング技術の開発により、従来の蛍光ランプ及びハロゲンランプ等の放電光源の性能以上の特性を持つ白色ＬＥＤ照明光源の開発が可能である。
一方、最近になって半導体ＬＥＤチップの励起による蛍光体波長変換型白色ＬＥＤに対する光の質の特性評価に於いて、従来の１５色指数（平均演色評価数：Ｒａと特殊演色評価数：Ｒｉ）を評価するだけでは不充分であるとの指摘が多く、現在、アメリカでは９９色を評価する新しい基準（ＴＭ−３０−１５）として、色忠実度指数（Ｒｆ）及び色域指数（Ｒｇ）が評価項目として追加されている。
従って、平均演色評価数（Ｒａ）が９８以上１００未満、特殊演色評価数（Ｒｉ）が９４以上１００未満の超高演色白色ＬＥＤ素子を、全ての色温度範囲で達成できる最適の蛍光体コーティング方法が求められるところである。そのためには、複数の蛍光体材料のコーティングに関する製造方法を確立することにより、白色ＬＥＤ素子の発光スペクトルを系統的に制御し、求める目的に合致する発光スペクトル分布曲線を作成する必要がある。つまり、各種蛍光体の発光スペクトルを制御し、最適の超高演色白色ＬＥＤ照明光源の製造方法が必要になっている。
上述の問題の解決のために、本発明は、白色光を構成する多種の蛍光体材料の組み合わせにより発光スペクトルを最適に制御し、Ｒａを９８以上１００未満を満たすと同時に、可視光全域に渡り滑らかな発光スペクトル分布を持ち、色温度の違う超高演色白色発光素子及びこれを含む当該照明装置の提供を目的とする。
上述の問題の解決のために、本発明は、３８０ｎｍ以上４３０ｎｍ以下に発光のピークを有する、紫波長領域の光を出す半導体ＬＥＤチップ及び前述の紫ＬＥＤチップの励起波長により励起され、発光する透明樹脂層に分散している蛍光体層を含む超高演色白色発光素子に於いて、上述の蛍光体層は、４５０〜４７０ｎｍに発光のピークを有する第１蛍光体、５１０〜５５０ｎｍに発光のピークを有する第２蛍光体、５５０〜５９０ｎｍに発光のピークを有する第３蛍光体、６３０〜６６０ｎｍに発光のピークを有する第４蛍光体、及び６６０〜７３０ｎｍに発光のピークを有する第５蛍光体が含まれ、上述の超高演色白色発光素子は、平均演色評価数（Ｒａ）が９８以上１００未満、特殊演色評価数（Ｒｉ）のＲ９（赤）とＲ１２（青）は、それぞれ、９４以上１００未満であり、発光効率は８０ｌｍ／Ｗ以上であることを特徴とする。
上述の第１蛍光体、第２蛍光体、第３蛍光体、第４蛍光体及び第５蛍光体の重量比は７．３〜２４．０：１．０：０．４〜１０：４．６〜１４．０：０．２〜０．６である。
上述の超高演色白色発光素子は、２７００Ｋ〜６５００Ｋの各相関色温度の発光スペクトルに於いて、６３０ｎｍの赤の発光強度（Ｒ）と４５５ｎｍの青の発光強度（Ｂ）の強度比に対する相関色温度（Ｔｃ）は、下記の（式１）を満足する。
（式１）
Ｔｃ（Ｋ）＝３７００（Ｂ／Ｒ）＋１８００
上述の超高演色白色発光素子の発光スペクトルは、可視光波長領域である４３０ｎｍ〜６３０ｎｍに於いて連続的に繋がり、直線又は滑らかなスペクトル分布を持つ。
上述の超高演色白色発光素子は、４５００Ｋ以上の相関色温度領域に於いて、発光スペクトルは可視光波長領域の４３０ｎｍ〜６３０ｎｍの間で連続的に繋がり、波長の増加によるスペクトルの減少比率は１０％未満であり、平均演色評価数（Ｒａ）は９８〜１００である。
上述の超高演色白色発光素子は、４５００Ｋ未満の相関色温度領域に於いて、発光スペクトルは可視光波長領域の４３０ｎｍ〜６３０ｎｍの間で連続的に繋がり、波長の増加によるスペクトルの増加比率は５０％未満であり、平均演色評価数（Ｒａ）は９８〜１００である。
本発明は、更に、上述の超高演色白色発光素子を用いる当該白色発光モジュールを提供する。
上述の白色発光モジュールは、それぞれ違う色温度を持つ２種類以上の超高演色白色発光素子で構成される場合もある。
本発明による超高演色白色発光素子は、発光スペクトルを最適に制御し、Ｒａは９８以上１００未満を満たすと同時に、可視光全域に渡り滑らかな発光スペクトルを持つことによって、質の高い発光を遂行することができ、これにより色再現性及び色忠実度が強く求められる照明分野に適用できる。
本発明の一つの実施例による発光スペクトルを示したもので、実線は本発明の実施例（２５３７Ｋ）によるスペクトル、点線は美術館照明用ハロゲンランプの発光スペクトルである。 本発明の一つの実施例による発光スペクトルを示したもので、色温度３０２８Ｋに於いてのスペクトルを表したグラフである。 本発明の一つの実施例による発光スペクトルを示したもので、色温度４４７７Ｋに於いてのスペクトルを表したグラフである。 本発明の一つの実施例による発光スペクトルを示したもので、色温度５０９７Ｋに於いてのスペクトルを表したグラフである。 本発明の一つの実施例による発光スペクトルを示したもので、色温度５４００Ｋに於いてのスペクトルを表したグラフである。 本発明の一つの実施例による発光スペクトルを示したもので、色温度６５００Ｋに於いてのスペクトルを表したグラフである。 本発明の一つの実施例による４５５ｎｍの青色発光強度（Ｂ）と６３０ｎｍの赤色発光強度（Ｒ）の強度比に対する相関色温度（Ｔｃ）の関係及び平均演色評価数（Ｒａ）をそれぞれ図示したグラフである。 本発明の一つの実施例によるスペクトルを示したもので、波長４３０ｎｍから６３０ｎｍのスペクトルを近似的に滑らかに表したグラフである。
以下では、本発明の好ましい実施例について詳細な説明を記す。本発明を説明するに於いて、関係する公知の技術についての詳細な説明が本発明の要旨を曖昧にする恐れがあると思われる場合は、その詳細な説明は省くことにする。明細書全体に於いて、ある部分が、ある構成要素を“含む”と表する時は、これは特に反対される記載が無い限り、他の構成要素を取り除くものではなく、他の構成要素を更に含むことができることを意味する。
本発明は、あらゆる変化を加えることができ、様々な実施例を持つことができるため、特定の実施例を例として示し、詳細に説明をする。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変換、均等物又は代替物を含めることとして理解されるべきである。
発明で用いる用語は、単に特定の実施例を説明するために使っているものであり、本発明を限定するためのものではない。単数の表現は、文脈上、明らかに違う意として通じない限り、複数の表現を含むものである。本発明に於いて、含む又は持つなどの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品又はこれらを組み合わせたものが存在することを指定するためのものであり、一つ、若しくはそれ以上の違う特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品又はこれらを組み合わせたものの存在若しくは付加の可能性を、予め排除しているものではないと理解されるべきである。
本発明は、３８０ｎｍ以上４３０ｎｍ以下に発光ピークを持つ紫波長領域の光を出す半導体ＬＥＤチップ及び上述の紫ＬＥＤチップの励起波長により励起され、発光する透明樹脂層に分散している蛍光体層を含む超高演色白色発光素子に於いて、上述の蛍光体層は、４５０〜４７０ｎｍに発光のピークを有する第１蛍光体、５１０〜５５０ｎｍに発光のピークを有する第２蛍光体、５５０〜５９０ｎｍに発光のピークを有する第３蛍光体、６３０〜６６０ｎｍに発光のピークを有する第４蛍光体、及び６６０〜７３０ｎｍに発光のピークを有する第５蛍光体が含まれていることを特徴とする超高演色白色発光素子に関するものである。
上述の半導体ＬＥＤチップは、４０５ｎｍに中心波長を有する、発光半値幅３０ｎｍの励起用のチップとして、ＧａＮ系半導体ＬＥＤを使用する事が好ましい。この際、上述の半導体ＬＥＤチップは、３８０ｎｍ以上４３０ｎｍ以下に発光のピークを持ち、外部量子効率は５０％以上であることが好ましい。発光のピークが、上述の範囲から外れている場合は、４０５ｎｍに中心波長を有することができないため、白色の発光は困難であり、量子効率が５０％未満の場合は、発光効率が低くなる。また、上述の発光ＬＥＤの場合、発光層から発生した光を、より多く外部に取り出すための様々な構造（電極構造、反射構造、上下を反転させたフリップ・チップ構造など）を含むことができる。
本発明の発光素子は、上記半導体ＬＥＤチップからの発光により励起され、それぞれ青色、緑色、黄色、赤色、深赤色領域に波長変換される５種類の蛍光体として、以下の蛍光体を含むことが好ましい。
第１蛍光体として、青色蛍光体は、３８０〜４３０ｎｍの波長範囲から励起され、４５０〜４７０ｎｍ、好ましくは４６０ｎｍに発光のピークを有し、重量メディアン径は１５〜２０μｍの青色蛍光体の使用が好ましい。
第２蛍光体として、緑色蛍光体は、３８０〜４３０ｎｍの波長範囲から励起され、５１０〜５５０ｎｍ、好ましくは５２０ｎｍに発光のピークを有し、重量メディアン径は２０〜２５μｍの緑色蛍光体の使用が好ましい。
第３蛍光体として、黄色蛍光体は、３８０〜４３０ｎｍの波長範囲から励起され、５５０〜５９０ｎｍ、好ましくは５８０ｎｍに発光のピークを有し、重量メディアン径は１５〜２０μｍの黄色蛍光体の使用が好ましい。
第４蛍光体として、赤色蛍光体は、３８０〜４３０ｎｍの波長範囲から励起され、６３０〜６６０ｎｍ、好ましくは６３０ｎｍに発光のピークを有し、重量メディアン径は１５〜２０μｍの赤色蛍光体の使用が好ましい。
第５蛍光体として、深赤色蛍光体は、３８０〜４３０ｎｍの波長範囲から励起され、６６０〜７３０ｎｍ、好ましくは６６０ｎｍに発光のピークを有し、重量メディアン径は１５〜２０μｍの深赤色蛍光体の使用が好ましい。
更に、本発明の発光素子に用いられる蛍光体の量は、本発明の発光素子を満足するために適切に選択し、使用することができるが、上述の第１蛍光体、第２蛍光体、第３蛍光体、第４蛍光体及び第５蛍光体の重量比は７．３〜２４．０：１．０：０．４〜１０：４．６〜１４．０：０．２〜０．６である。前記の蛍光体が、上述の比率から外れる場合は、充分な発光特性を得ることはできない。
本発明の発光素子の発光部は、上述の蛍光体と封止材である透明樹脂が含まれるものである。つまり、封止材としては、半導体ＬＥＤ素子からの励起光（ピーク波長３８０〜４３０ｎｍ）に対して充分な透過性と耐久性を持つ透明樹脂を用いることが好ましく、より好ましくは、封止材としてはシリコーン樹脂を用いることができる。
上述の発光部に含まれる蛍光体の量は、発光部の総重量に対し、４重量％〜７０重量％であることが好ましい。ここで、発光部の重量とは、発光部に含まれる蛍光体の総重量、封止材のシリコーン樹脂の重量、必要により添加されるシリカパウダー（ＳｉＯ２）などの添加剤の重量の総計を意味する。
上述の超高演色白色発光素子は、平均演色評価数（Ｒａ）は９８以上１００未満、特殊演色評価数（Ｒｉ）のＲ９（赤色）、Ｒ１２（青色）は、それぞれ９４以上１００未満である。上述の、それぞれの演色評価数が上述の範囲に達しない場合は、演色性が低くなり、求める白色を得られなくなる恐れがある。また、上述の白色発光素子の発光効率は、８０ｌｍ／Ｗ以上である。発光効率が８０ｌｍ／Ｗ未満の場合は、必要な電力量が多くなり、発光による発熱が高くなってしまうため、商品性が落ちてしまう。
上述の超高演色白色発光素子は、２７００Ｋ〜６５００Ｋの、各相関色温度の発光スペクトルに於いて、６３０ｎｍの赤色発光強度（Ｒ）と４５５ｎｍの青色発光強度（Ｂ）の強度比に対する相関色温度（Ｔｃ）が、下記の（式１）を満足する。
（式１）
Ｔｃ（Ｋ）＝３７００（Ｂ／Ｒ）＋１８００
従って、Ｂ／Ｒの比はＴｃと線形になり、このようにＢｌｕｅとＲｅｄの発光強度を調節することによって超高演色白色素子の最適な蛍光体比率のガイドラインが出来、正確な色温度及び発光特性を得るために所要される費用及び時間を節約する効果も期待できる。また、上記の算出式から外れる場合は、紫励起の超高演色白色ＬＥＤの実現は難しいものと考えられる。
上述の超高演色白色発光素子の発光スペクトルは、可視光波長領域の４３０ｎｍ〜６３０ｎｍに於いて連続的に繋がり、直線又は滑らかなスペクトル分布を持つ。可視光波長領域の４３０ｎｍ〜６３０ｎｍに於いて非連続的に繋がるか、直線又は滑らかではないスペクトル分布を持つ場合は、本発明で求めている超高演色性を達成することはできない。また、これを各相関色温度毎に分析すると、下記の様になる。
上述の超高演色白色発光素子は、４５００Ｋ以上の相関色温度領域の発光スペクトルに於いて、可視光波長領域の４３０ｎｍ〜６３０ｎｍに渡って連続的に繋がり、波長の増加によるスペクトルの増減の比率は１０％未満（図３〜６を参照）であり、平均演色評価数（Ｒａ）は９８〜１００である。波長によるスペクトルの増減の比率が１０％を超える場合は、４５００Ｋ以上の相関色温度領域に於いて、平均演色評価数は９８未満となってしまい、求める超高演色性は実現できない。
上述の超高演色白色発光素子は、４５００Ｋ未満の相関色温度領域の発光スペクトルに於いて、可視光波長領域の４３０ｎｍ〜６３０ｎｍに渡って連続的に繋がり、波長の増加によるスペクトルの増減の比率は５０％未満（図１〜２を参照）であり、平均演色評価数（Ｒａ）は９８〜１００である。波長によるスペクトルの増減の比率が５０％を超える場合は、４５００Ｋ以下の相関色温度領域に於いて、平均演色評価数は９８未満となってしまい、求める超高演色性は実現できない。
本発明は、更に、上述の超高演色白色発光素子を用いる当該白色発光モジュールを提供する。
上述の白色発光モジュールは、それぞれ違う色温度を持つ２種類以上の超高演色白色発光素子を含むこともある。上述の様に、それぞれ違う色温度を持つ２種類以上の白色発光素子を混用して発光させる場合は、一層広範囲に渡る色温度範囲に於いて白色を作り出せる白色ＬＥＤの作製が可能である。
以下に、本発明の好ましい実施例を添付した図面を参照し、当該分野の通常の知識を持つものにとって容易に実施できるよう、説明を行う。また、本発明を説明するに於いて、関連する公知の機能又は構成に関する具体的な説明が、本発明の要旨を曖昧にすると判断される場合は、その詳細な説明を省くことにする。また、図面に提示された、ある特徴は、説明の便宜上、拡大又は縮小又は単純化されたものであり、図面及びその構成要素は、必ずしも適切な比率で図示されているものではない。しかしながら、当業者であれば、このような詳細事項は容易に理解できるものであろう。
半導体ＬＥＤチップ、蛍光体材料、封止材として下記の材料を用い、白色素子を作製、評価を行った。
（１）半導体ＬＥＤチップ
半導体ＬＥＤチップとしては、ピーク波長は４０５ｎｍ、半値幅は３０ｎｍのＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造を発光層とするものを使用した。外形は５２０μｍ×３９０μｍの長方形であった。
（２）封止材
シリコーン樹脂と、更に沈降防止剤としてシリカパウダー（ＳｉＯ２）を使用した。
（３）蛍光体
蛍光体として、下記の蛍光体材料を使用した。
青色蛍光体：（Ｓｒ，Ｂｒ）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ
緑色蛍光体：ＳｉＡｌＯＮ：ＥＵ
黄色蛍光体：（Ｂａ，Ｓｒ）Ｓｉ２（Ｏ，Ｃｌ）２Ｎ２：Ｅｕ
赤色蛍光体：ＣａＡｌＳｉ（ＯＮ）２：Ｅｕ
深赤色蛍光体：ＣａＡｌＳｉＮ２：Ｅｕ
上述の、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造を持つ紫ＬＥＤを、電極配線を施したＬＥＡＤ ＦＲＡＭＥパッケージ上に実装し、上述の５種類の蛍光体を、それぞれの配合比通り、上述のシリコーン樹脂の中に分散させた蛍光体含有組成物を用いて封止した。蛍光体混合液は、ディスペンサーを用いて紫ＬＥＤチップ上に直接隈なく塗布した。
実験例
発光スペクトルの測定は、２０〜６５ｍＡの順方向電流印加条件の下、室温で行った。測定装置は、光電子精密（株）（ＷＩＴＨＬＩＧＨＴ、韓国）製ＯＰＩ−１００を使用した。
表１は、本発明の実施に於いて、最適の条件を付与する値を示すものである。蛍光体を半導体ＬＥＤチップの上にコーティングする以前に、予め５種類の混合比を決定し、蛍光体混合物のｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ（ＰＬ）スペクトルを測定し、図７に沿うようにスペクトルを設計した。表１及び表２の色温度（２７３７Ｋ， ３０２８Ｋ． ４４７７Ｋ， ５３９３Ｋ， ６４８８Ｋ）は相関色温度であり、それぞれ色温度（Ｔｃ） ２７００Ｋ， ３０００Ｋ， ４４５００Ｋ， ５４００Ｋ， ６５００Ｋに対応する。
図１に示している様に、本発明によるスペクトル（実線）は、色温度２７００Ｋの可視光線領域（４３０〜６３０ｎｍ）に於いて、美術館照明用ハロゲンランプによるスペクトル（赤い点線）と殆ど一致するスペクトルを示し、赤外線及び紫外線の発生量は著しく減少し、美術品の光による劣化を最小限に抑えることができる。
更に、図２〜６には、それぞれ色温度３０２８Ｋ、４４７７Ｋ、５０９７Ｋ、５３９３Ｋ及び６４８８Ｋに於いてのスペクトルを示した。図２に示した様に、色温度４５００Ｋ未満に於いては、波長の増加によるスペクトルの増加比率は５０％未満であり、青色光のピークも低くなっていることが分かった。また、図３〜６に示した様に、色温度４５００Ｋ以上に於いては、波長の増加によるスペクトルの増加比率は１０％未満になっていることが分かった。
図７に、４５５ｎｍの青色発光強度（Ｂ）／６３０ｎｍの赤色発光強度（Ｒ）の強度比と色温度の関係を示した。更に、平均演色評価数（Ｒａ）の値も示した。実験を行った色温度範囲内でのＲａの平均値は９８．５であった。このように、図７により、本発明の白色発光素子は、下記の式１を満足することが確認できた。
［式１］
Ｔｃ＝３７００（Ｂ／Ｒ）＋１８００
＜発光スペクトル強度＞
図１〜６に示した様に、色温度が増加することに伴い、相対的に４０５ｎｍの励起光である紫光の成分が強まり、赤の発光強度は弱まった。一方、緑の発光に於いては、赤の発光強度よりは強まらないように、また、ピークが現れないように緑色蛍光体の配合を調整することが重要である。そして、４５５ｎｍの青の発光強度と、４０５ｎｍの紫の発光強度比は３を超えないように青色蛍光体の重量を調整した。図７に示した様に、４５５ｎｍの青の発光強度（Ｂ）と６３０ｎｍの赤の発光（Ｒ）の強度比は、色温度（Ｔｃ）について比例関係にあることが分かった。この事実は、超高演色白色ＬＥＤ素子を得るために非常に重要な関係であり、この方程式（Ｔｃ＝３７００（Ｂ／Ｒ）＋１８００）は、適切な色温度の調整のために、それぞれの蛍光体の比率を設定することの基準となる。
＜発光スペクトルの形状＞
図１〜６の特性を有する白色ＬＥＤの発光スペクトルに於いて、その形状を分析してみると、殆どの色温度で、約４５０ｎｍより長波長領域に於いて滑らかなスペクトル形状が現れる。注目すべきことは、４８０〜５００ｎｍにかけてスペクトルが滑らかに繋がっているので、故意に青緑色蛍光体を添加する必要はないということが解る。
超高演色性を得るための条件としては、スペクトルが全体的に滑らかであることが重要である。先ず、図１については、上述の様にハロゲンランプの分光スペクトルに類似し、直線的に、平坦に発光強度が増加する。３０２８Ｋから５０９７Ｋにかけては、微細に青色、緑色、赤色のピークのような凸が現れるが、５３９３Ｋに至っては、このようなピークは殆ど見られなくなっている。
従って、超高演色を呈するスペクトル形状を設計することに於いて、各蛍光体のピークが現れない様にするのが好ましいことが分かる。つまり、波長４３０ｎｍから６３０ｎｍにかけて近似的に平坦な発光スペクトル形状を持つことである。
図８は、以上の結果を踏まえ、超高演色白色発光素子を設計するための指針を提供する。つまり、４５００Ｋ〜５５００Ｋに於いては、殆ど平坦なスペクトル形状が現れ、４５００Ｋ〜５５００Ｋ以下の色温度に於いては、右肩上がりの傾斜を持ち、直線的に強度は増加する。この傾斜角αは、＋２６°（０＜α＜ ２６°）である（増加率は約５０％未満）。一方、４５００Ｋ〜５５００Ｋより高い色温度に於いては、傾斜角βは、若干右肩下がりの傾向がある。この角度は−３°（−３°＜β＜０）である（変化率１０％未満）。この図に於いて、丸数字１は４５００Ｋ〜５５００Ｋより低い色温度でのスペクトルの近似特性、丸数字２は４５００Ｋ〜５５００Ｋの色温度でのスペクトル形状の近似特性、そして丸数字３は４５００Ｋ〜５５００Ｋより高い色温度でのスペクトル形状の近似特性を表す。
＜発光効率＞
上述の実施例の様に、５種類の蛍光体を混合するため、カスケード（Ｃａｓｃａｄｅ）励起による励起エネルギーの損失が予測されたにも関わらず、発光効率は、６５ｍＡの時に、最大１１０ｌｍ／Ｗを得ることができた。これは、重なる実験を通し、複数の蛍光体間の相関関係による最適比率と最適の蛍光体の組み合わせの設計が可能になったからである。
演色性に関する測定は、光電子精密（株）（ＷＩＴＨＬＩＧＨＴ）（韓国）製ＯＰＩ−１００測定器を用いて実測した。また、色忠実度指数（Ｒｆ）と色域指数（Ｒｇ）の測定は、ＡＳＥＮＳＥＴＥＫ（台湾）製ＬＰ Ｐｒｏ装置を用いて実測した。
下記の表２に、各色温度毎のＲａ、Ｒ９、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１５、Ｒｆ及びＲｇの値を示した。
表３に、２７３７Ｋの時のＲａ（１から８まで）とＲｉ（９から１５まで）の値を示した。
表４に、３０２８Ｋの時のＲａ（１から８まで）とＲｉ（９から１５まで）の値を示した。
表５に、４４７７Ｋの時のＲａ（１から８まで）とＲｉ（９から１５まで）の値を示した。
表６に、５０９７Ｋの時のＲａ（１から８まで）とＲｉ（９から１５まで）の値を示した。
表７に、５３９３Ｋの時のＲａ（１から８まで）とＲｉ（９から１５まで）の値を示した。
表８に、６４８８Ｋの時のＲａ（１から８まで）とＲｉ（９から１５まで）の値を示した。
上述の様に、５種類の蛍光体の重量比を、表１に示した様に最適に組み合わせ、更に青色蛍光体と深赤色蛍光体の適量を、それぞれ調整することによって、全ての色温度に於いて表３〜８に示したような、極めて高いＲａとＲｉ値を達成できた。特に、４４７７Ｋに於いては、Ｒ９＝９４を除けば、その他の値は、これまで報告されたことのない、非常に高い値を達成している。
上述の超高演色白色発光素子について、色忠実度指数（Ｒｆ）と色域指数（Ｒｇ）を測定し、これらの値を考察した。Ｒｆは、９９色の色相表に対する色の忠実度の平均値を指し、最大値は１００である。Ｒｇは、色域の平均値を指し、基準光の色域と同一であれば、１００とする。
３０２８Ｋ、５０９７Ｋ、６４８８Ｋの色忠実度指数（Ｒｆ）と色域指数（Ｒｇ）は、表２の結果となった。
本発明の白色ＬＥＤ光源と参考光源により照射された色の類似度を表すＲｆは、それぞれ９６、９７、９８となった。Ｒａが高くなるにつれ、Ｒｆも高くなり、比例関係にあることが分かった。
３０２８Ｋ、５０９７Ｋ、６４８８Ｋの色域指数（Ｒｇ）は、全て１００と、参考光源と完全に一致した。色域指数は、本発明の白色ＬＥＤ光源により照射される色の飽和度の変化を表すものである。１００の値は、飽和度が完全に一致したことを意味する。１００より高ければ、色の飽和度が高く、赤みを帯びて見える。特に、色域は、視覚的な色合いとも関係するが、理論的には、１００に近いほど、光の質が良くなる。
特に本発明では、第１蛍光体である青色蛍光体の含有量を調整し、第５蛍光体である深赤色蛍光体を適量追加することによって、全ての色温度範囲に於いて、Ｒａは９９近く、Ｒｆも９６を超え、Ｒｇは１００の、優れた超高演色白色ＬＥＤ照明素子を実現できた。
以上の様な特性を持つ白色ＬＥＤ発光素子は、請求項に示した条件を全て満足する超高演色白色ＬＥＤと言える。特に、Ｒｉの全ての値が高く、高彩度特性を持つ本発明の超高演色白色ＬＥＤ素子及び照明装置は、色評価の高い精密度が求められる色彩評価・医療照明分野に於いて有益である。本発明により作製された、各色温度をの白色ＬＥＤ素子の組み合わせにより、一層多様な色度座標（ｘ， ｙ）の色温度の超高演色白色ＬＥＤ光源の設計が可能になる。
以上にて本発明内容の特定な部分を詳細に記述したが、当業界の通常の知識を持つ者にとって、このような具体的な記述は、単に好ましい実施の様子であるだけであり、これによって本発明の範囲が限られるものではないことは明白である。従って、本発明の実質的な範囲は、添付された請求項と、それらの等価物によって定められるものである。

Claims (8)

  1. ３８０ｎｍ以上４３０ｎｍ以下に発光のピークを有する、紫波長領域の光を出す半導体ＬＥＤチップ及び前記紫ＬＥＤチップの励起波長により励起され、発光する透明樹脂層に分布している蛍光体層を含む超高演色白色発光素子であって、
    前記蛍光体層は、
    ４５０〜４７０ｎｍに発光のピークを有する第１蛍光体、
    ５１０〜５５０ｎｍに発光のピークを有する第２蛍光体、
    ５５０〜５９０ｎｍに発光のピークを有する第３蛍光体、
    ６３０〜６６０ｎｍに発光のピークを有する第４蛍光体、及び
    ６６０〜７３０ｎｍに発光のピークを有する第５蛍光体を含み、
    前記超高演色白色発光素子は、平均演色評価数（Ｒａ）が９８以上１００未満、特殊演色評価数（Ｒｉ）のＲ９（赤）とＲ１２（青）は、それぞれ、９４以上１００未満であり、発光効率は８０ｌｍ／Ｗ以上であることを特徴とする、前記超高演色白色発光素子。
  2. 前記第１蛍光体、前記第２蛍光体、前記第３蛍光体、前記第４蛍光体及び前記第５蛍光体の重量比は７．３〜２４．０：１．０：０．４〜１０：４．６〜１４．０：０．２〜０．６であることを特徴とする、請求項１に記載の超高演色白色発光素子。
  3. 前記超高演色白色発光素子は、２７００Ｋ〜６５００Ｋの各相関色温度の発光スペクトルにおいて、６３０ｎｍの赤の発光強度（Ｒ）と４５５ｎｍの青の発光強度（Ｂ）の強度比に関する相関色温度（Ｔｃ）は、下記の（式１）を満足することを特徴とする、請求項１に記載の超高演色白色発光素子。
    （式１）
    Ｔｃ（Ｋ）＝３７００（Ｂ／Ｒ）＋１８００
  4. 前記超高演色白色発光素子の発光スペクトルは、可視光波長領域の４３０ｎｍ〜６３０ｎｍにおいて連続的に繋がり、直線又は滑らかなスペクトル分布を持つことを特徴とする、請求項１に記載の超高演色白色発光素子。
  5. 前記超高演色白色発光素子は、４５００Ｋ以上の相関色温度領域において、発光スペクトルは可視光波長領域の４３０ｎｍ〜６３０ｎｍの間で連続的に繋がり、波長の増加によるスペクトルの減少比率は１０％未満であり、平均演色評価数（Ｒａ）は９８〜１００であることを特徴とする、請求項１に記載の超高演色白色発光素子。
  6. 前記超高演色白色発光素子は、４５００Ｋ未満の相関色温度領域において、発光スペクトルは可視光波長領域の４３０ｎｍ〜６３０ｎｍの間で連続的に繋がり、波長の増加によるスペクトルの増加比率は５０％未満であり、平均演色評価数（Ｒａ）は９８〜１００であることを特徴とする、請求項１に記載の超高演色白色発光素子。
  7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の超高演色白色発光素子を含む白色発光モジュール。
  8. 前記白色発光モジュールは、それぞれ違う色温度を持つ２種類以上の超高演色白色発光素子を含むことを特徴とする、請求項７に記載の白色発光モジュール。
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