JP5086641B2 - 発光装置とそれを用いたバックライトおよび液晶表示装置 - Google Patents

発光装置とそれを用いたバックライトおよび液晶表示装置 Download PDF

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Description

本発明は光源として発光ダイオード等の発光型半導体素子を有する発光装置とそれを用いたバックライトおよび液晶表示装置に関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）は電気エネルギーを紫外光や可視光等の光に変換して放射する半導体素子であり、このようなＬＥＤチップを例えば透明樹脂で封止したＬＥＤランプが各種の分野で使用されている。可視光型のＬＥＤランプを実現するために、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＰ等からなる発光層を有するＬＥＤチップが利用されている。また、発光ダイオードに代えてレーザダイオード等の発光型半導体素子を光源として用いることも検討されている。
発光ダイオードやレーザダイオードは半導体素子であるために、長寿命でかつ信頼性が高く、光源として用いた場合に交換作業が軽減されるというような利点を有する。このため、例えばＬＥＤチップを用いたＬＥＤランプは、携帯通信機器、ＰＣ周辺機器、ＯＡ機器、家庭用電気機器等における表示装置、例えば液晶表示装置のバックライト、各種スイッチ類等の産業用途から一般照明用途まで、幅広く使用されている。
ＬＥＤランプから放射される光の色調は、ＬＥＤチップの発光波長に限られるものではない。例えば、ＬＥＤチップチップを封止する透明樹脂中に蛍光体を含有させることによって、青色から赤色まで用途に応じた可視光領域の光を得ることができる。また最近では、各種表示装置に対して微妙な色合いをより高精細に再現する機能が要求されている。このため、ＬＥＤランプには1個のランプで白色光や各種の中間色の発光を可能にすることが求められている。
特に、白色発光のＬＥＤランプは液晶表示装置のバックライトや車載用ランプ等の用途に急速に普及しており、将来的には蛍光ランプの代替品として大きく伸張することが期待されている。現在、普及もしくは試行されている白色発光型のＬＥＤランプとしては、青色発光タイプのＬＥＤチップと黄色発光蛍光体（ＹＡＧ）、さらには赤色発光蛍光体とを組合せたランプと、紫外発光タイプのＬＥＤチップと青色、緑色、赤色発光の各蛍光体の混合物とを組合せたランプ（例えば特許文献１、２参照）とが知られている。
前者の白色ＬＥＤランプは、後者の白色ＬＥＤランプに比べて輝度特性等に優れることから、現状では後者の白色ＬＥＤランプより普及している。ただし、視野方向によっては黄色っぽく見えたり、また白色面に投影したときに黄色や白色のムラが現れるというような難点を有している。このため、前者の白色ランプは擬似白色と呼ばれることもある。一方、後者の紫外発光ＬＥＤチップを用いた白色ＬＥＤランプは、輝度が前者より劣るものの、発光並びに投影光のムラが少ないという利点を有する。このため、将来的には照明用途の白色ランプの主流となることが期待され、その開発が急速に進められている。
紫外発光ＬＥＤチップを用いた白色ＬＥＤランプの開発を進めていくなかで、青色発光ＬＥＤチップを用いた白色ＬＥＤランプほどではないものの、紫外発光ＬＥＤチップと発光色が異なる複数の蛍光体とを組合せた白色ＬＥＤランプにおいても、発光や投影光にムラが生じることが分かってきた。さらに、ＬＥＤランプの側面から漏れ出てくる光（側面漏光）が目的とする白色からずれるといった現象も発生することが分かってきた。このような現象（光の不均一性）は、ＬＥＤランプを照明装置等に使用する上で好ましいことではなく、その品質や特性を低下させる要因となる。
特開２０００−０７３０５２公報 特開２００３−１６０７８５公報
本発明の目的は、発光ダイオードやレーザダイオード等の発光型半導体素子と発光色が異なる複数の蛍光体とを組合せて用いる場合において、品質や特性を向上させた発光装置を提供することにある。本発明の他の目的は、そのような発光装置を適用したバックライトと液晶表示装置を提供することにある。
本発明の一態様に係る発光装置は、発光型半導体素子を有する光源と、青色発光蛍光体、緑色発光蛍光体、および赤色発光蛍光体を含有する樹脂層を有し、前記光源からの光により励起されて可視光を発光する発光部とを具備する発光装置であって、前記光源の真上で測定した発光色度を（ｘ、ｙ）、前記発光装置の前面発光および側面漏光を全方位にわたって測定した際の発光色度を（ｘ１、ｙ１）としたとき、これら発光色度の色差（絶対値）の最大値（Δｘ、Δｙ）が、Δｘ＜０．０５およびΔｙ＜０．０５の条件を満足し、前記青色発光蛍光体、前記緑色発光蛍光体、および前記赤色発光蛍光体のうちの1つの蛍光体の平均粒径をＤ１（μｍ）、比重をｗ１（ｇ／ｍｍ３）、他の１つ蛍光体の平均粒径をＤ２（μｍ）、比重をｗ２（ｇ／ｍｍ３）としたとき、前記青色発光蛍光体、前記緑色発光蛍光体、および前記赤色発光蛍光体のそれぞれの組合せが、式：−０．２＜｛（Ｄ１）２×ｗ１｝−｛（Ｄ２）２×ｗ２｝＜０．２で表される条件を満足し、さらに、前記青色発光蛍光体、前記緑色発光蛍光体、および前記赤色発光蛍光体は、前記樹脂層の硬化処理前に予め無機結合剤で結合・一体化されたものであることを特徴としている。
本発明の一態様に係るバックライトは、上記した本発明の発光装置を具備することを特徴としている。本発明の一態様に係る液晶表示装置は、上記した本発明の発光装置を具備するバックライトと、前記バックライトの発光面側に配置され、透過型または半透過型の液晶表示部とを具備することを特徴としている。
図１は本発明の一実施形態による発光装置の構成を示す断面図である。 図２は発光装置の全方位にわたる発光色度を測定する方法を説明するための図である。 図３は青、緑および赤の３種類の蛍光体の一体化前の粒度分布と一体化後の粒度分布を比較して示す図である。 図４は青、緑および赤の３種類の蛍光体を混合した混合蛍光体の平均粒径とＬＥＤランプの輝度との関係の一例を示す図である。 図５は本発明の一実施形態によるバックライトの概略構成を示す図である。 図６は本発明の一実施形態による液晶表示装置の概略構成を示す図である。 図７は本発明の他の実施形態による液晶表示装置の概略構成を示す図である。 図８は実施例１６による白色ＬＥＤランプの温度と発光色度との関係を示す図である。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて説明するが、それらの図面は図解のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定されるものではない。
図１は本発明の発光装置をＬＥＤランプに適用した一実施形態の構成を示す断面図である。同図に示す発光装置（ＬＥＤランプ）１は、光源としてＬＥＤチップ２を有している。なお、発光装置１の光源はＬＥＤチップ２に限られるものではなく、レーザダイオード（半導体レーザ）等であってもよい。ＬＥＤチップ２は一対のリード端子３ａ、３ｂを有する基板４上に実装されている。ＬＥＤチップ２の下部電極はリード端子３ａと電気的および機械的に接続されている。ＬＥＤチップ２の上部電極はボンディングワイヤ５を介してリード端子３ｂと電気的に接続されている。
発光装置１には、例えば紫外光を発光する光源が用いられる。従って、光源としては紫外光を発光するＬＥＤチップ２が用いられる。このような紫外発光タイプのＬＥＤチップ２は、代表的には３６０〜４２０ｎｍの範囲の発光波長を有する。紫外発光ＬＥＤチップ２としては、窒化物系化合物半導体層からなる発光層を有するＬＥＤチップが例示される。なお、ＬＥＤチップ２の発光波長は、発光色が異なる複数の蛍光体との組合せに基づいて、目的とする発光色が得られるものであればよい。従って、必ずしも発光波長が３６０〜４２０ｎｍの範囲のＬＥＤチップに限られるものではない。さらに、ＬＥＤチップ以外の発光型半導体素子（レーザダイオード等）を光源として用いてもよい。
基板４上には円筒状の樹脂枠６が設けられており、その内壁面６ａには反射層７が形成されている。樹脂枠６内には透明樹脂８が充填されており、この透明樹脂８中にＬＥＤチップ２が埋め込まれている。ＬＥＤチップ２は透明樹脂８で覆われている。ＬＥＤチップ２が埋め込まれた透明樹脂８は、発光色が異なる複数の蛍光体を組合せた混合蛍光体９を含有している。透明樹脂８中に分散させた混合蛍光体９は、ＬＥＤチップ２から放射される光、例えば紫外光により励起されて可視光を発光するものである。
発光色が異なる複数の蛍光体（混合蛍光体９）を含有する透明樹脂８は発光部として機能するものであり、ＬＥＤチップ２の発光方向前方に配置されている。透明樹脂８には例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等が使用される。複数の蛍光体の種類や組合せは、目的とするＬＥＤランプ１の発光色に応じて適宜に選択されるものであり、特に限定されるものではない。例えば、ＬＥＤランプ１を白色発光ランプとして使用する場合には、青色発光蛍光体と緑色発光蛍光体と赤色発光蛍光体との混合物が用いられる。白色以外の発光色を得る場合には、青色発光蛍光体、緑色発光蛍光体、赤色発光蛍光体等から２種以上の蛍光体を適宜に組合せて使用することができる。
ＬＥＤランプ１に適用する蛍光体９は特に限定されるものではないが、ＬＥＤチップ２から放射される光、例えば波長が３６０〜４２０ｎｍの範囲の紫外光を効率よく吸収する蛍光体を使用することが好ましい。具体的には、赤色発光蛍光体としては例えば３価のユーロピウムおよびサマリウムで付活した希土類酸硫化物蛍光体（Ｒ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、Ｓｍ蛍光体（ＲはＬａ、ＹおよびＧｄから選ばれる少なくとも1種の元素、特にＲは少なくともＬａを含むことが好ましい））が挙げられる。
青色発光蛍光体としては、例えば２価のユーロピウムで付活したハロ燐酸塩蛍光体、２価のユーロピウムで付活したアルミン酸塩蛍光体、２価のユーロピウムおよびマンガンで付活したアルミン酸塩蛍光体等が挙げられる。緑色発光蛍光体としては、例えば２価のユーロピウムおよびマンガンで付活したアルミン酸塩蛍光体、２価のユーロピウムで付活したアルカリ土類珪酸塩蛍光体、３価のテルビウムおよびセリウムで付活した希土類珪酸塩蛍光体等が挙げられる。
上記した各蛍光体はいずれも紫外光の吸収効率に優れるものである。このような青、緑、赤の各蛍光体を含む混合蛍光体（ＢＧＲ蛍光体）９と発光波長が３６０〜４２０ｎｍの範囲の紫外発光ＬＥＤチップ２とを組合せてＬＥＤランプ１を構成することによって、任意の色温度の白色光をより再現性よく得ることができる。すなわち、青色発光ＬＥＤチップと黄色発光蛍光体（ＹＡＧ蛍光体等）とを組合せたＬＥＤランプは、ＬＥＤチップの発光波長のバラツキ、ＬＥＤチップの発熱による発光効率の低下や色シフト等により均一な白色光を得ることが難しい。さらに、黄色発光蛍光体の発光に伴う黄色味がかった白色の混入も、白色光の色調や均一性を低下させる要因となる。
これに対して、紫外発光ＬＥＤチップ２と三色混合蛍光体（ＢＧＲ蛍光体）９とを組合せたＬＥＤランプ１は、白色を形成する光が全て蛍光体からの発光であり、ＬＥＤチップ２から放射される光の直接的な関与が少ない。このため、色再現性に優れる白色光をより均一に得ることができる。すなわち、ＬＥＤチップ２の発光波長にバラツキがあったとしても、ＬＥＤランプ１はＢＧＲ蛍光体９からの発光のみで白色光を得ているため、白色光の色再現性を高めることができる。さらに、ＬＥＤチップの発熱により発光効率や発光波長が変化した場合も同様である。白色光以外の中間色光を得る場合も同様である。
発光色が異なる複数の蛍光体は、樹脂枠６内に充填された透明樹脂８全体に分散させなければならないものではなく、例えばＬＥＤチップ２の周囲は透明樹脂のみでポッティングし、その外側に複数の蛍光体を含有する透明樹脂を充填してもよい。また、その逆であってもよい。さらに、樹脂枠６内の一部分のみに複数の蛍光体を含有する透明樹脂８を配置してもよい。いずれの場合においても、発光色が異なる複数の蛍光体を含有する透明樹脂が発光部として機能する。
ＬＥＤランプ１に印加された電気エネルギーはＬＥＤチップ２で紫外光や紫色光に変換され、それらの光は透明樹脂８中に分散された蛍光体９でより長波長の光に変換される。そして、透明樹脂８中に含有させた複数の蛍光体の組合せに基づく色、例えば白色の光がＬＥＤランプ１から放出される。ＬＥＤランプ１は例えば白色ランプとして機能するものである。ここで、蛍光体からの発光は反射層７で反射された光を含めて、その大半がＬＥＤランプ１の前方（図１では上方）に効率よく放出される。ただし、一部は樹脂枠６や反射層７を透過して側方に側面漏光として放出される。
この実施形態のＬＥＤランプ１は、前面発光および側面漏光の発光色度を全方位にわたって測定した際の色度差が小さく、これにより均一な光を得ることが可能となる。具体的には、光源としてのＬＥＤチップ２の真上で測定した発光色度を（ｘ、ｙ）、ＬＥＤランプ１の前面発光および側面漏光を全方位にわたって測定した際の発光色度を（ｘ１、ｙ１）としたとき、これら発光色度の色差（絶対値）の最大値（Δｘ、Δｙ）が、Δｘ＜０．０５およびΔｙ＜０．０５の条件を満足するものである。このような発光色度差（Δｘ＜０．０５、Δｙ＜０．０５）を満足させることによって、ＬＥＤランプ１を照明装置等として使用する際の品質や特性を大幅に向上させることが可能となる。
発光色度差（Δｘ、Δｙ）は以下のようにして測定するものとする。まず、図２に示すように、ＬＥＤチップ２の中心から鉛直線上に色度計の検出器１０を配置し、この位置でＬＥＤチップ２の真上の発光色度（ｘ、ｙ）を測定する。発光強度が強すぎる場合には樹脂板等のアテニュエータを用いる。次に、鉛直線方向を零度とし、鉛直線とＬＥＤチップ２および検出器１０間を結ぶ線とが成す角度θを変化させて、発光色度（ｘ１、ｙ１）を測定する。角度θがある値のときの発光色度が（ｘ１、ｙ１）であった場合、これらの色度の差（ｘ−ｘ１、ｙ−ｙ１）が発光の不均一として認識される。このような発光色度（ｘ１、ｙ１）を前面発光および側面漏光の全方位にわたって測定する。
上記した方法にしたがってＬＥＤランプ１の前面発光および側面漏光の発光色度（ｘ1、ｙ1）を全方位にわたって測定する。通常は角度θが９０度の範囲まで測定すれば十分である。これら各方位による発光色度（ｘ１、ｙ１）とＬＥＤチップ２の真上で測定した発光色度（ｘ、ｙ）との差（ｘ−ｘ１、ｙ−ｙ１）をそれぞれ絶対値として求める。そして、これらの色度差の最大値を（Δｘ、Δｙ）とする。この実施形態のＬＥＤランプ１は、このような発光色度差の最大値（Δｘ、Δｙ）がΔｘ＜０．０５およびΔｙ＜０．０５の条件を満足するものである。発光色度差はΔｘ＜０．０３５およびΔｙ＜０．０３５であることがより好ましく、さらに好ましくはΔｘ＜０．０２５およびΔｙ＜０．０２５の範囲である。
上述したように、この実施形態のＬＥＤランプ１は、発光色度差がΔｘ＜０．０５およびΔｙ＜０．０５の条件を満足し、発光の均一性に優れるものである。このようなＬＥＤランプ１は、以下に示す条件（ａ）、条件（ｂ）のいずれか一方、もしくは両方を満足させた複数の蛍光体を使用することで再現性よく得ることができる。条件（ａ）は、複数の蛍光体のうちの1つの蛍光体の平均粒径をＤ１（μｍ）、比重をｗ１（ｇ／ｍｍ３）、他の1つ蛍光体の平均粒径をＤ２（μｍ）、比重をｗ２（ｇ／ｍｍ３）としたときに、−０．２＜｛（Ｄ１）２×ｗ１｝−｛（Ｄ２）２×ｗ２｝＜０．２の条件を満足させることである。条件（ｂ）は複数の蛍光体を予め無機結合剤で結合・一体化することである。
白色ＬＥＤランプを構成する青、緑および赤の各蛍光体のうち、赤色発光蛍光体が青色や緑色発光蛍光体に比べて比重が大きい場合、これら三色の蛍光体を単に混合したものを透明樹脂８に添加しただけでは、硬化処理前に赤色発光蛍光体だけが早く沈降してしまう。このような沈降速度の差に起因する蛍光体の分散状態の不均一性が発光や投影光のムラ、側面漏光の色ずれ等の現象を生じさせていたものと考えられる。そこで、青、緑、赤の各蛍光体を混合したＢＧＲ蛍光体９を予め無機結合剤で結合・一体化し、この状態で透明樹脂８中に分散させる。これによって、各蛍光体の透明樹脂８中での分散状態を均一化させることができる。
複数の蛍光体を無機結合剤で結合・一体化した蛍光体は、例えば以下のようにして得ることができる。まず、複数の蛍光体粉末を水に投入して懸濁液とする。この懸濁液を撹拌しながら、無機結合剤として微粉化したアルカリ土類ホウ酸塩等を加え、この状態で一定時間撹拌する。無機結合剤は複数の蛍光体の合計量に対して０．０１〜０．３質量％の割合で添加することが好ましい。この後、撹拌を停止して蛍光体を沈降させ、ろ過、乾燥、さらに３００℃以上の温度で数時間ベーキングする。これに篩分け等の処理を施すことによって、複数の蛍光体を結合・一体化した蛍光体を得ることができる。
図３は三色混合蛍光体（ＢＧＲ蛍光体）の一体化処理を施す前と後の粒度分布の一例を示している。一体化処理を施すことで３種類の蛍光体がランダムに結び付き、粒度分布が大粒径側にシフトしていることが分かる。なお、図３はアルカリ土類ホウ酸塩を蛍光体に対して０．１質量％添加して一体化したものであり、粒度分布の代表値である中位値（５０％値）は処理前の７．３μｍから１０．５μｍに増加している。このように、複数の蛍光体に一体化処理を施すことによって、複数の蛍光体がランダムに結び付いて一体化される。このような複数の蛍光体を一体化した複合蛍光体９を使用することによって、複数の蛍光体を透明樹脂８中に均一に分散させることが可能となる。
さらに、複数の蛍光体を無機結合剤で一体化した場合、結合剤自体が耐光性に優れることから、結合剤の劣化による発光色度や発光効率の低下を抑制することができる。例えば、有機結合剤で複数の蛍光体を一体化した場合、有機樹脂の種類によってはＬＥＤチップ２からの光、特に紫外光で劣化し、経時的に白濁や着色が生じるおそれがある。これはＬＥＤランプ１の発光色度や発光効率の低下要因となる。このような点に対して、無機結合剤は耐ＵＶ特性に優れることから、無機結合剤で一体化した蛍光体を用いたＬＥＤランプ１によれば、発光色度や発光効率を長期間にわたって安定に維持することができる。
複数の蛍光体の透明樹脂８中での均一な分散状態は、各蛍光体の比重に応じて粒径を制御することによっても実現することできる。すなわち、各蛍光体の比重に基づいて粒径バランスを制御して沈降速度を揃えることによって、複数の蛍光体を透明樹脂８中に均一に分散させることができる。具体的には、複数の蛍光体のうちの1つの蛍光体の平均粒径をＤ１（μｍ）、比重をｗ１（ｇ／ｍｍ３）、他の1つ蛍光体の平均粒径をＤ２（μｍ）、比重をｗ２（ｇ／ｍｍ３）としたときに、
式：−０．２＜｛（Ｄ１）２×ｗ１｝−｛（Ｄ２）２×ｗ２｝＜０．２ …（１）
で表される条件を満足させる。
平均粒径Ｄは粒度分布の中位値（５０％値）を示すものである。ここで、複数の蛍光体として3種類以上の蛍光体を使用する場合には、各蛍光体の組合せにおける粒径バランス（｛（Ｄ１）２×ｗ１｝−｛（Ｄ２）２×ｗ２｝の値）がそれぞれ（１）式の条件を満足することが好ましい。例えば、青、緑、赤の各蛍光体を用いる場合、青色発光蛍光体と緑色発光蛍光体、青色発光蛍光体と赤色発光蛍光体、緑色発光蛍光体と赤色発光蛍光体の各組合せにおいて、それぞれ（１）式の条件を満足させることが好ましい。
複数の蛍光体の各組合せにおける粒径バランスのいずれかが−０．２以下もしくは０．２以上である場合には、複数の蛍光体の沈降速度のバラツキが大きくなり、透明樹脂８中での分散状態が不均一になる。例えば、第１の蛍光体の平均粒径Ｄ１が１０μｍ、比重ｗ１が４×１０−３ｇ／ｍｍ３、第２の蛍光体の比重ｗ２が５×１０−３ｇ／ｍｍ３であるとしたとき、第２の蛍光体の平均粒径Ｄ２は６．３〜１１μｍの範囲とすることが望ましい。複数の蛍光体の粒径バランスは−０．１５以上０．１５以下の範囲とすることがより好ましい。
表１はＢＧＲ蛍光体を用いる場合において、単に混合しただけのＢＧＲ蛍光体を用いた従来のＬＥＤランプ（ランプ１）、一体化処理を施したＢＧＲ蛍光体を用いたＬＥＤランプ（ランプ２）、（１）式で表される粒径バランスを満足させたＢＧＲ蛍光体を用いたＬＥＤランプ（ランプ３）、一体化処理と粒径バランスの両方を満足させたＢＧＲ蛍光体を用いたＬＥＤランプ（ランプ４）のそれぞれの発光色度差の一例を示している。なお、青色発光蛍光体の比重は４．２×１０−３ｇ／ｍｍ３、緑色発光蛍光体の比重は３．８×１０−３ｇ／ｍｍ３、赤色発光蛍光体の比重は５．７×１０−３ｇ／ｍｍ３である。
Figure 0005086641
表１に示すように、一体化処理を施した蛍光体や（１）式で表される粒径バランスを満足させた蛍光体を用いることによって、発光の均一性に優れたＬＥＤランプを提供することができる。さらに、（１）式で表される粒径バランスは一体化処理を施す蛍光体に対しても有効であることが分かる。これは一体化処理時における均一性が向上するためである。このように、一体化処理を施した蛍光体や（１）式で表される粒径バランスを満足させた蛍光体を用いることによって、発光の均一性に優れたＬＥＤランプを得ることができる。さらに、これら両方の条件を満足させた蛍光体を用いることによって、ＬＥＤランプの発光の均一性をより一層向上させることが可能となる。
ＬＥＤランプ１の輝度特性には、複数の蛍光体を含む混合蛍光体９の粒径も影響する。このような点から、複数の蛍光体はそれらの混合物としての平均粒径が７μｍ以上であることが好ましい。ここで言う平均粒径は、粒度分布の中位値（５０％値）を示すものである。図４は三色混合蛍光体（ＢＧＲ蛍光体）の平均粒径とそれを用いたＬＥＤランプの輝度との関係の一例を示している。図４から明らかなように、ＢＧＲ蛍光体の混合物としての平均粒径を７μｍ以上とすることによって、ＬＥＤランプ１の輝度を高めることができる。混合蛍光体の平均粒径は８μｍ以上とすることがより好ましい。混合蛍光体の平均粒径に基づく輝度の向上は、一体化処理を施した蛍光体および（１）式で表される粒径バランスを満足させた蛍光体のいずれに対しても有効である。
この実施形態のＬＥＤランプ１は、例えば照明装置として各種の用途に使用することができる。ＬＥＤランプ１の代表的な使用例としては、液晶表示装置に代表される各種表示装置のバックライトが挙げられる。図５は本発明の一実施形態によるバックライトの概略構成を示す図である。同図に示すバックライト２０は、直線状もしくはマトリクス状に配列された複数のＬＥＤランプ１を有している。これらＬＥＤランプ１は配線層２１を有する基板２２上に実装されており、ＬＥＤランプ１の各リード端子は配線層２１と電気的に接続されている。複数のＬＥＤランプ１は順に直列接続されている。なお、バックライト２０の発光部はＬＥＤランプ１に限られるものではなく、光源にレーザダイオード等の発光型半導体素子を適用した発光装置を使用することが可能である。
上述したバックライト２０は、例えば図６や図７に示すように液晶表示装置３０、４０に適用される。これらの図に示す液晶表示装置３０、４０は、本発明の液晶表示装置の実施形態を示すものである。図６はサイドライト型のバックライト２０Ａを適用した液晶表示装置３０を示している。サイドライト型バックライト２０Ａは、ＬＥＤランプ１を用いた発光部３１と導光板３２とを有している。導光板３２は一方の端面が光入射部とされており、その部分に発光部３１が配置されている。
導光板３２は光入射部となる一方の端面から他方の端面に向けてテーパ形状とされており、テーパ部分の下面側には反射層３３が設けられている。発光部３１から放射された光は、導光板３２内で屈折や反射を繰り返すことによって、導光板３２の上面からその法線方向に照射される。このようなサイドライト型バックライト２０Ａの発光面側に、透過型または半透過型のカラー液晶表示部３４が配置されており、これらによって液晶表示装置３０が構成されている。サイドライト型バックライト２０Ａとカラー液晶表示部３４との間には、拡散シートや反射シート等の光学シート３５を配置してもよい。
図７は直下型のバックライト２０Ｂを適用した液晶表示装置４０を示している。直下型バックライト２０Ｂは、透過型または半透過型のカラー液晶表示部３４の形状および面積に応じてマトリクス状に配列したＬＥＤランプ１を有している。カラー液晶表示部３４はバックライト２０Ｂを構成する複数のＬＥＤランプ１の発光方向に直接配置されている。このような直下型バックライト２０Ｂとカラー液晶表示部３４、さらに必要に応じてこれらの間に配置された光学シート３５によって、液晶表示装置４０が構成されている。
次に、本発明の具体的な実施例およびその評価結果について述べる。
実施例１
まず、青色発光蛍光体としてユーロピウム付活アルカリ土類クロロ燐酸塩（（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｅｕ）１０（ＰＯ４）６・Ｃｌ２）蛍光体、緑色発光蛍光体としてユーロピウムおよびマンガン付活アルカリ土類アルミン酸塩（３（Ｂａ、Ｍｇ、Ｅｕ、Ｍｎ）Ｏ・８Ａｌ２Ｏ３）蛍光体、赤色発光蛍光体としてユーロピウムおよびサマリウム付活酸硫化ランタン（（Ｌａ、Ｅｕ、Ｓｍ）２Ｏ２Ｓ）蛍光体を用意した。ここでは、平均粒径が６．０μｍの青色発光蛍光体、平均粒径が７．０μｍの緑色発光蛍光体、平均粒径が９．５μｍの赤色発光蛍光体を使用した。これら各蛍光体の混合物としての平均粒径は８．８μｍである。
上述した青色発光蛍光体を１．３ｇ、緑色発光蛍光体を２ｇ、赤色発光蛍光体を１０ｇ計量し、これらを以下に示す方法で一体化した。なお、各蛍光体の混合比はＬＥＤランプのＣＩＥ色度値（ｘ、ｙ）がｘ＝０．２８〜０．３６、ｙ＝０．２８〜０．３６の範囲に入るように設定したものである。以下の実施例２〜１４および比較例１〜２も同様である。一体化工程は、まず各蛍光体粉末を水に投入して懸濁液とした。この懸濁液を撹拌しながら、ホウ酸バリウム・カルシウム（３（Ｂａ、Ｃａ）Ｏ・Ｂ２Ｏ３）を各蛍光体の合計量に対して０．１質量％の割合で添加した。撹拌を３０分間継続した後に停止し、蛍光体を沈降させた。これをろ過してベーキングした後に２００メッシュのナイロン篩いにかけて、一体化した三色混合蛍光体（ＢＧＲ蛍光体）を得た。
このようにして得た一体化蛍光体を用いて、図１に示したＬＥＤランプ１を作製した。ＬＥＤランプ１の作製工程は、まず透明樹脂８を構成するシリコーン樹脂に、一体化蛍光体を３０質量％の割合で混合してスラリーとした。このスラリーから一部を抜き取って、発光波長が３９５ｎｍの紫外発光ＬＥＤチップ２上に滴下し、１４０℃でシリコーン樹脂を硬化させた。このようにして、一体化されたＢＧＲ蛍光体を含有するシリコーン樹脂で紫外発光ＬＥＤチップ２を封止して、ＬＥＤランプ１を作製した。得られたＬＥＤランプを後述する特性評価に供した。
実施例２
上記した実施例１において、平均粒径が１２．０μｍの青色発光蛍光体、平均粒径が１３．０μｍの緑色発光蛍光体、平均粒径が１０．５μｍの赤色発光蛍光体を使用する以外は、実施例１と同様にして、一体化した三色混合蛍光体（ＢＧＲ蛍光体）を作製した。さらに、この一体化蛍光体を用いて、実施例１と同様にしてＬＥＤランプを作製した。このＬＥＤランプを後述する特性評価に供した。
実施例３
上記した実施例１において、一体化工程におけるホウ酸バリウム・カルシウムの添加量を各蛍光体の合計量に対して０．２質量％とする以外は、実施例１と同様にして一体化した三色混合蛍光体（ＢＧＲ蛍光体）を作製した。この一体化蛍光体を用いて、実施例１と同様にしてＬＥＤランプを作製した。このＬＥＤランプを後述する特性評価に供した。
実施例４
上記した実施例１において、一体化工程でホウ酸バリウム・カルシウム・マグネシウムを使用すると共に、このホウ酸バリウム・カルシウム・マグネシウムの添加量を各蛍光体の合計量に対して０．２質量％とする以外は、実施例１と同様にして一体化した三色混合蛍光体（ＢＧＲ蛍光体）を作製した。この一体化蛍光体を用いて、実施例１と同様にしてＬＥＤランプを作製した。このＬＥＤランプを後述する特性評価に供した。
実施例５
上記した実施例１において、平均粒径が１０．５μｍの青色発光蛍光体、平均粒径が１１．０μｍの緑色発光蛍光体、平均粒径が９．０μｍの赤色発光蛍光体を使用する以外は、実施例１と同様にして、一体化した三色混合蛍光体（ＢＧＲ蛍光体）を作製した。この一体化蛍光体を用いて、実施例１と同様にしてＬＥＤランプを作製した。このＬＥＤランプを後述する特性評価に供した。
実施例６
上記した実施例５において、一体化工程でホウ酸バリウム・カルシウムの添加量を各蛍光体の合計量に対して０．３質量％とする以外は、実施例５と同様にして、一体化した三色混合蛍光体（ＢＧＲ蛍光体）を作製した。この一体化蛍光体を用いて、実施例１と同様にしてＬＥＤランプを作製した。このＬＥＤランプを後述する特性評価に供した。
実施例７
上記した実施例１と同組成の蛍光体において、青色発光蛍光体（比重＝４．２ｇ／ｍｍ３）は平均粒径が６μｍの蛍光体粉末、緑色発光蛍光体（比重＝３．８ｇ／ｍｍ３）は平均粒径が７μｍの蛍光体粉末、赤色発光蛍光体（比重＝５．７ｇ／ｍｍ３）は平均粒径が７μｍの蛍光体粉末を用意した。これら各蛍光体の前述した（１）式で表される粒径バランスを計算すると、青色発光蛍光体（Ｄ１）と緑色発光蛍光体（Ｄ２）の粒径バランスは−０．０３５、青色発光蛍光体（Ｄ１）と赤色発光蛍光体（Ｄ２）の粒径バランスは−０．１２８、緑色発光蛍光体（Ｄ１）と赤色発光蛍光体（Ｄ２）の粒径バランスは−０．０９３であり、いずれも前述した（１）式の粒径バランスを満足している。
次に、上記した各蛍光体の混合物をシリコーン樹脂に添加してスラリーとした。シリコーン樹脂への混合量は各蛍光体の合計割合が３０質量％となるようにした。このスラリーから一部を抜き取って、発光波長が３９５ｎｍの紫外発光ＬＥＤチップ２上に滴下し、１４０℃でシリコーン樹脂を硬化させた。このようにして、青、緑および赤の各蛍光体を個々に含有するシリコーン樹脂で紫外発光ＬＥＤチップ２を封止して、ＬＥＤランプ１を作製した。得られたＬＥＤランプを後述する特性評価に供した。
実施例８
上記した実施例１と同組成の蛍光体において、青色発光蛍光体（比重＝４．２ｇ／ｍｍ３）は平均粒径が１２μｍの蛍光体粉末、緑色発光蛍光体（比重＝３．８ｇ／ｍｍ３）は平均粒径が１３μｍの蛍光体粉末、赤色発光蛍光体（比重＝５．７ｇ／ｍｍ３）は平均粒径が１０．５μｍの蛍光体粉末を用意した。これら各蛍光体の前述した（１）式で表される粒径バランスを計算すると、青色発光蛍光体（Ｄ１）と緑色発光蛍光体（Ｄ２）の粒径バランスは−０．０３７、青色発光蛍光体（Ｄ１）と赤色発光蛍光体（Ｄ２）の粒径バランスは−０．０２４、緑色発光蛍光体（Ｄ１）と赤色発光蛍光体（Ｄ２）の粒径バランスは０．０１４であり、いずれも前述した（１）式の粒径バランスを満足している。これら各蛍光体を用いて、実施例７と同様にしてＬＥＤランプを作製した。このＬＥＤランプを後述する特性評価に供した。
実施例９
上記した実施例１と同組成の蛍光体において、青色発光蛍光体（比重＝４．２ｇ／ｍｍ３）は平均粒径が１０．５μｍの蛍光体粉末、緑色発光蛍光体（比重＝３．８ｇ／ｍｍ３）は平均粒径が１１μｍの蛍光体粉末、赤色発光蛍光体（比重＝５．７ｇ／ｍｍ３）は平均粒径が９μｍの蛍光体粉末を用意した。これら各蛍光体の前述した（１）式で表される粒径バランスを計算すると、青色発光蛍光体（Ｄ１）と緑色発光蛍光体（Ｄ２）の粒径バランスは０．００３、青色発光蛍光体（Ｄ１）と赤色発光蛍光体（Ｄ２）の粒径バランスは０．００１、緑色発光蛍光体（Ｄ１）と赤色発光蛍光体（Ｄ２）の粒径バランスは−０．００２であり、いずれも前述した（１）式の粒径バランスを満足している。これら各蛍光体を用いて、実施例７と同様にしてＬＥＤランプを作製した。このＬＥＤランプを後述する特性評価に供した。
比較例１
実施例１と同組成、同粒径、並びに同量の青色発光蛍光体、緑色発光蛍光体および赤色発光蛍光体を用意した。これら各蛍光体において、青色発光蛍光体と赤色発光蛍光体の粒径バランスは−０．３６３、緑色発光蛍光体と赤色発光蛍光体の粒径バランスが−０．３２８であり、前述した（１）式の粒径バランスの範囲から外れている。これら各蛍光体の混合物をシリコーン樹脂に添加してスラリーとした。シリコーン樹脂への混合量は各蛍光体の合計割合が３０質量％となるようにした。このスラリーから一部を抜き取って発光波長が３９５ｎｍの紫外発光ＬＥＤチップ２上に滴下し、１４０℃でシリコーン樹脂を硬化させて、青、緑および赤の各蛍光体を個々に含有するシリコーン樹脂で紫外発光ＬＥＤチップ２を封止した。このようにして作製したＬＥＤランプを後述する特性評価に供した。
実施例１０
まず、青色発光蛍光体としてユーロピウム付活アルカリ土類クロロ燐酸塩（（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｅｕ）１０（ＰＯ４）６・Ｃｌ２）蛍光体、緑色発光蛍光体としてユーロピウム付活アルカリ土類珪酸塩（Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｅｕ）２ＳｉＯ４）蛍光体、赤色発光蛍光体としてユーロピウムおよびサマリウム付活酸硫化ランタン（（Ｌａ、Ｅｕ、Ｓｍ）２Ｏ２Ｓ）蛍光体を用意した。次いで、平均粒径が５．９μｍの青色発光蛍光体を８．０ｇ、平均粒径が１０．０μｍの緑色発光蛍光体を１．５ｇ、平均粒径が９．０μｍの赤色発光蛍光体を６ｇ計量し、これらを実施例１と同様な方法で一体化した。この一体化蛍光体（ＢＧＲ蛍光体）を用いて、実施例１と同様にしてＬＥＤランプを作製した。このＬＥＤランプを後述する特性評価に供した。
実施例１１
上記した実施例１０において、平均粒径が８．６μｍの青色発光蛍光体、平均粒径が１０．０μｍの緑色発光蛍光体、平均粒径が１１．９μｍの赤色発光蛍光体を使用する以外は、実施例１０と同様にして、一体化した三色混合蛍光体（ＢＧＲ蛍光体）を作製した。この一体化蛍光体を用いて、実施例１と同様にしてＬＥＤランプを作製した。このＬＥＤランプを後述する特性評価に供した。
実施例１２
上記した実施例１０において、平均粒径が１２．０μｍの青色発光蛍光体、平均粒径が１０．０μｍの緑色発光蛍光体、平均粒径が１３．２μｍの赤色発光蛍光体を使用する以外は、実施例１０と同様にして、一体化し３色混合蛍光体を作製した。さらに、この一体化蛍光体を用いて、実施例１と同様にしてＬＥＤランプを作製した。このＬＥＤランプを後述する特性評価に供した。
実施例１３
上記した実施例１０において、平均粒径が５．０μｍの青色発光蛍光体、平均粒径が７．０μｍの緑色発光蛍光体、平均粒径が８．０μｍの赤色発光蛍光体を使用する以外は、実施例１０と同様にして、一体化した三色混合蛍光体（ＢＧＲ蛍光体）を作製した。この一体化蛍光体を用いて、実施例１と同様にしてＬＥＤランプを作製した。このＬＥＤランプを後述する特性評価に供した。
実施例１４
上記した実施例１０において、平均粒径が４．０μｍの青色発光蛍光体、平均粒径が６．０μｍの緑色発光蛍光体、平均粒径が７．０μｍの赤色発光蛍光体を使用する以外は、実施例１０と同様にして、一体化した三色混合蛍光体（ＢＧＲ蛍光体）を作製した。この一体化蛍光体を用いて、実施例１と同様にしてＬＥＤランプを作製した。このＬＥＤランプを後述する特性評価に供した。
比較例２
実施例１４と同組成、同粒径並びに同量の青色発光蛍光体、緑色発光蛍光体および赤色発光蛍光体を用意した。これら蛍光体の混合物をシリコーン樹脂に混合してスラリーとした。シリコーン樹脂への混合量は各蛍光体の合計割合が３０質量％となるようにした。このスラリーから一部を抜き取って、発光波長が３９５ｎｍの紫外発光ＬＥＤチップ上に滴下し、１４０℃でシリコーン樹脂を硬化させることによって、青、緑および赤の各蛍光体を個々に含有するシリコーン樹脂で紫外発光ＬＥＤチップを封止した。このようにして作製したＬＥＤランプを後述する特性評価に供した。
上述した実施例１〜１４および比較例１〜２の各ＬＥＤランプに２０ｍＡの電流を流して点灯させ、各ランプの発光輝度と前述した方法に基づく全方位での発光色度差（Δｘ、Δｙ）を測定した。これらの測定結果を表２に示す。
Figure 0005086641
表２から明らかなように、実施例１〜１４による各ＬＥＤランプは前面発光および側面漏光の全方位にわたって均一な発光が得られており、白色ＬＥＤランプを照明装置等として使用する場合の品質や特性を大幅に高めることができる。特に、複数の蛍光体の粒径バランスを満足させた上で一体化することによって、全方位にわたる発光の均一性がより向上することが分かる。さらに、ＬＥＤランプの輝度に関しては、混合蛍光体の平均粒径を７μｍ以上とすることで高めることができる。
実施例１５
上述した実施例５の白色ＬＥＤランプを用いて、ＬＥＤチップの初期バラツキが白色ＬＥＤランプの発光特性に及ぼす影響を調べた。ＬＥＤチップは1枚の半導体ウエハから多数個同時に作製されるため、半導体ウエハの中心部と周辺部とではＬＥＤの特性に違いが生じる場合がある。このため、ＬＥＤチップの発光波長にも微妙なバラツキが生じる。このような初期バラツキを有するＬＥＤチップを用いて白色ＬＥＤランプを作製し、発光色度や輝度に及ぼす影響を調べた。
表３に初期バラツキにより発光波長が微妙に異なる６個の紫外発光ＬＥＤチップ（ＵＶ−ＬＥＤ）を示す。表３は各ＬＥＤチップの発光波長と出力、さらにこれらの最大値、最小値、平均値、最大値と最小値の差（Δ）、Δを平均値で割った値を示している。このような紫外発光ＬＥＤチップをそれぞれ用いて作製した白色ＬＥＤランプの発光色度と輝度を表４に示す。表４は白色ＬＥＤランプの発光色度と輝度、これらの最大値、最小値、最大値と最小値の差（Δ）、平均値、さらに各輝度を平均値で割った規格化光束を示している。
なお、表３および表４に示す比較例は、青色発光ＬＥＤチップ（Ｂ−ＬＥＤ）と黄色発光蛍光体（ＹＡＧ蛍光体）とを用いて作製した白色ＬＥＤランプである。青色発光ＬＥＤチップも紫外発光ＬＥＤチップと同様な初期バラツキを有する。表３に初期バラツキにより発光波長が微妙に異なる６個の青色発光ＬＥＤチップを示す。このような青色発光ＬＥＤチップをそれぞれ用いて作製した白色ＬＥＤランプの発光色度と輝度を表４に示す。
Figure 0005086641
Figure 0005086641
表３から明らかなように、紫外発光ＬＥＤチップは青色発光ＬＥＤチップとほぼ同等の発光波長の初期バラツキを有している。それにもかかわらず、実施例の白色ＬＥＤランプ（ＵＶ−ＬＥＤ＋ＢＧＲ蛍光体）は比較例の白色ＬＥＤランプ（Ｂ−ＬＥＤ＋Ｙ蛍光体）に比べて、得られる白色光のバラツキが小さいことが分かる。これは、紫外光そのものは無色であり、あくまでもＢＧＲ蛍光体の発光色で白色光を得ているためである。従って、ＬＥＤチップの発光波長にバラツキがあっても、得られる白色光はバラツキが小さい。これに対して、比較例の白色ＬＥＤランプはＬＥＤチップの青色発光を用いて白色光を形成しているため、青色光の波長のバラツキがそのまま白色光のバラツキになっている。
実施例１６
上述した実施例５の白色ＬＥＤランプを用いて、白色ＬＥＤランプの温度特性を調べた。温度特性は２５℃、５０℃、７５℃、８５℃の各温度に３０分放置した後、各温度状態による発光色度を測定した。表５に各温度による発光色度と色度差を示す。さらに、図８に各温度による発光色度を示す。ここでも、比較例として青色発光ＬＥＤチップと黄色発光蛍光体（ＹＡＧ蛍光体）とを用いて作製した白色ＬＥＤランプを作製し、その温度特性を調べた。比較例の測定結果を表５および図８に併せて示す。
Figure 0005086641
表５および図８から明らかなように、実施例の白色ＬＥＤランプ（ＵＶ−ＬＥＤ＋ＢＧＲ蛍光体）は比較例の白色ＬＥＤランプ（Ｂ−ＬＥＤ＋Ｙ蛍光体）に比べて、温度特性に優れていることが分かる。具体的には、２５℃と８５℃における発光色度の色差（絶対値）を、Δｘ＜０．００５およびΔｙ＜０．０１の範囲とすることができる。このような温度特性を有する白色ＬＥＤランプは、液晶表示装置のバックライト等に好適である。一方、比較例の白色ＬＥＤランプは青色発光ＬＥＤチップが温度変化に弱いため、白色光を形成する青色光の波長が変化し、それがそのまま白色光のバラツキになっている。
本発明の発光装置は、発光色が異なる複数の蛍光体を有する発光部から放出される光の均一性に優れるものである。このような発光装置は、各種表示装置のバックライトに代表される産業用途や一般照明用途に有用である。

Claims (9)

  1. 発光型半導体素子を有する光源と、
    青色発光蛍光体、緑色発光蛍光体、および赤色発光蛍光体を含有する樹脂層を有し、前記光源からの光により励起されて可視光を発光する発光部とを具備する発光装置であって、
    前記光源の真上で測定した発光色度を（ｘ、ｙ）、前記発光装置の前面発光および側面漏光を全方位にわたって測定した際の発光色度を（ｘ１、ｙ１）としたとき、これら発光色度の色差（絶対値）の最大値（Δｘ、Δｙ）が、Δｘ＜０．０５およびΔｙ＜０．０５の条件を満足し、
    前記青色発光蛍光体、前記緑色発光蛍光体、および前記赤色発光蛍光体のうちの1つの蛍光体の平均粒径をＤ１（μｍ）、比重をｗ１（ｇ／ｍｍ３）、他の１つ蛍光体の平均粒径をＤ２（μｍ）、比重をｗ２（ｇ／ｍｍ３）としたとき、前記青色発光蛍光体、前記緑色発光蛍光体、および前記赤色発光蛍光体のそれぞれの組合せが、
    式：−０．２＜｛（Ｄ１）２×ｗ１｝−｛（Ｄ２）２×ｗ２｝＜０．２
    で表される条件を満足し、
    さらに、前記青色発光蛍光体、前記緑色発光蛍光体、および前記赤色発光蛍光体は、前記樹脂層の硬化処理前に予め無機結合剤で結合・一体化されたものであることを特徴とする発光装置。
  2. 請求項１記載の発光装置において、
    前記青色発光蛍光体、前記緑色発光蛍光体、および前記赤色発光蛍光体はそれらの混合物としての平均粒径が７μｍ以上であることを特徴とする発光装置。
  3. 請求項１または２記載の発光装置において、
    前記発光型半導体素子は発光ダイオードまたはレーザダイオードであることを特徴とする発光装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれか１項記載の発光装置において、
    前記発光型半導体素子は紫外光を発光することを特徴とする発光装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれか１項記載の発光装置において、
    前記発光型半導体素子は３６０〜４２０ｎｍの範囲の発光波長を有する発光ダイオードであることを特徴とする発光装置。
  6. 請求項１乃至５のいずれか１項記載の発光装置において、
    前記発光部は前記青色発光蛍光体、前記緑色発光蛍光体および前記赤色発光蛍光体から発光される可視光の混色により白色光を放出することを特徴とする発光装置。
  7. 請求項１乃至６のいずれか１項記載の発光装置において、
    前記発光装置は２５℃における発光色度と８５℃における発光色度の色差（Δｘ、Δｙ（絶対値））がΔｘ＜０．００５、Δｙ＜０．０１の範囲内である温度特性を有することを特徴とする発光装置。
  8. 請求項１乃至７のいずれか１項記載の発光装置を具備することを特徴とするバックライト。
  9. 請求項１乃至７のいずれか１項記載の発光装置を具備するバックライトと、
    前記バックライトの発光面側に配置され、透過型または半透過型の液晶表示部と
    を具備することを特徴とする液晶表示装置。
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