JP5105132B1 - 半導体発光装置、半導体発光システムおよび照明器具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体発光装置1は、半導体発光素子としてのLEDチップ10と、LEDチップ10を励起源として発光する蛍光体20とを備え、相関色温度が1600K以上であって2400K未満である光を発する。蛍光体20は、少なくとも緑色蛍光体および赤色蛍光体を含む。当該半導体発光装置1から発せられた光のスペクトルにおいて、LEDチップ10によって発せられた光のピーク強度の値が、蛍光体20が発した光の最大ピーク強度の60%未満の値になるようにする。
【選択図】図8
Description
LEDチップ10が青色発光ダイオード素子である場合に、蛍光体20は、少なくとも、緑色蛍光体と赤色蛍光体とを含む。そして、通常、青色発光ダイオード素子である当該LEDチップ10から発せられた青色光の一部と、青色光の他の一部が緑色蛍光体によって波長変換された緑色光と、青色光の更に他の一部が赤色蛍光体によって波長変換された赤色光とを成分として含み、相関色温度が1600K以上であって2400K未満、好ましくは2000K未満である合成光を発する。一般的に、青色発光ダイオード素子の発光ピーク波長は、440〜470nmである。なお、蛍光体20に、青色発光ダイオード素子から発せられた青色光の一部を波長変換して黄色光を発する黄色蛍光体が含まれていてもよい。
λ:波長[m]
T:色温度[K]
k:ボルツマン定数[J・K-1]
h:プランク定数[J・s]
c:光速度[m/s]
であるとする。
緑色蛍光体の発光ピーク波長は、通常は500nm以上、好ましくは510nm以上、より好ましくは515nm以上で、通常は550nm未満、好ましくは542nm以下の波長範囲にあるものが好適である。中でも、緑色蛍光体として、例えば、(Y,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce、CaSc2O4:Ce、Ca3(Sc,Mg)2Si3O12:Ce、(Sr,Ba)2SiO4:Eu(BSS)、(Si,Al)6(O,N)8:Eu(β−サイアロン)、(Ba,Sr)3Si6O12N2:Eu(BSON)、SrGa2S4:Eu、BaMgAl10O17:Eu,Mnが好ましい。緑色蛍光体の発光ピーク波長の半値幅は50nm以上が好ましく、65nm以上がより好ましい。緑色蛍光体に発光ピークがブロードなものを用いることで、青色蛍光体として半値幅が狭いものを用いた場合であっても演色性が良くなる傾向にある。
赤色蛍光体の発光ピーク波長は、通常は570nm以上、好ましくは580nm以上、より好ましくは585nm以上で、通常は780nm以下、好ましくは700nm以下、より好ましくは680nm以下の波長範囲にあるものが好適である。中でも、赤色蛍光体として、例えば、CaAlSiN3:Eu、CaAlSi(N,O)3:Eu(以下、「CASON」蛍光体と呼ぶことがある。(CaAlSiN3)1-x(Si2N2O)x:Eu(xは0<x<0.5)と記載することがある。)、(Ca,Sr)AlSiN3:Eu(以下、「SCASN」蛍光体と呼ぶことがある。(Ca,Sr,Ba)AlSi(N,O)3:Euと記載することがある。)、(Ca,Sr,Ba)2Si5(N,O)8:Eu、(Ca,Sr,Ba)Si(N,O)2:Eu、(Ca,Sr,Ba)AlSi(N,O)3:Eu、(Sr,Ba)3SiO5:Eu、(Ca,Sr)S:Eu、SrAlSi4N7:Eu、(La,Y)2O2S:Eu、Eu(ジベンゾイルメタン)3・1,10−フェナントロリン錯体などのβ−ジケトン系Eu錯体、カルボン酸系Eu錯体、K2SiF6:Mn、Mn付活ジャーマネートが好ましく、(Ca,Sr,Ba)2Si5(N,O)8:Eu、(Sr,Ca)AlSi(N,O)3:Eu、SrAlSi4N7:Eu、(La,Y)2O2S:Eu、K2SiF6:Mn(但し、Siの一部がAlやNaで置換されていてもよい)、Mn付活ジャーマネートがより好ましい。
青色蛍光体の発光ピーク波長は、通常は420nm以上、好ましくは430nm以上、より好ましくは440nm以上で、通常は500nm未満、好ましくは490nm以下、より好ましくは480nm以下、更に好ましくは470nm以下、特に好ましくは460nm以下の波長範囲にあるものが好適である。中でも、青色蛍光体として例えば、(Ca,Sr,Ba)MgAl10O17:Eu、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO4)6(Cl,F)2:Eu、(Ba,Ca,Mg,Sr)2SiO4:Eu、(Ba,Ca,Sr)3MgSi2O8:Euが好ましく、(Ba,Sr)MgAl10O17:Eu、(Ca,Sr,Ba)10(PO4)6(Cl,F)2:Eu、Ba3MgSi2O8:Euがより好ましく、Sr10(PO4)6Cl2:Eu、BaMgAl10O17:Euがさらに好ましく、(Sr1-xBax)5(PO4)3Cl:Eu(x>0)が特に好ましい。青色蛍光体の発光ピーク波長の半値幅は、好ましくは30nm以上であり、より好ましくは40nm以上であり、さらに好ましくは50nm以上であり、特に好ましくは60nm以上である。
黄色蛍光体の発光ピーク波長は、通常は530nm以上、好ましくは540nm以上、より好ましくは550nm以上で、通常は620nm以下、好ましくは600nm以下、より好ましくは580nm以下の波長範囲にあるものが好適である。中でも、黄色蛍光体として例えば、Y3Al5O12:Ce、(Y,Gd)3Al5O12:Ce、(Sr,Ca,Ba,Mg)2SiO4:Eu、(Ca,Sr)Si2N2O2:Eu、α−サイアロン、La3Si6N11:Ce(但し、その一部がCaやOで置換されていてもよい)が好ましい。
LEDチップ10には、360〜490nmの光を発する半導体発光素子が用いられることが好ましい。なお、そのような半導体発光素子として、例えば、青色発光ダイオード素子と紫色発光ダイオード素子とがある。半導体発光素子は、窒素ガリウム系、酸化亜鉛系または炭化ケイ素系の半導体で形成されたpn接合形の発光部を有する発光ダイオード素子であることが好ましい。
本発明の発明者等が行った実験(シミュレーションを含む)の試料(本実施形態の半導体発光装置1)について説明する。本実験において、LEDチップ10として、発光ピーク波長が405nmで半値幅が30nmである紫色発光ダイオード素子が用いられている。なお、発光ピーク波長および半値幅は、積分球が用いられて測定されている。また、緑色蛍光体としてβ−サイアロンが用いられ、赤色蛍光体としてCaAlSi(N,O)3:Eu(CASON)が用いられ、青色蛍光体として(Sr1-xBax)5(PO4)3Cl:Eu(x>0)が用いられている。なお、当該緑色蛍光体の発光ピーク波長は540nmで半値幅は60nmであり、当該赤色蛍光体の発光ピーク波長は640nmで半値幅は115nmであり、当該青色蛍光体の発光ピーク波長は475nmで半値幅は80nmである。各蛍光体の発光ピーク波長および半値幅は分光光度計で測定された値である。
励起光比率を所定の値に調整し、相関色温度が2700Kで、duvが0.00であって、発する光の励起光比率がそれぞれ異なる白色半導体発光装置の試作結果を以下に示す。LEDチップ10として、発光ピーク波長が約405nmで半値幅が約30nmであり、350μm角のInGaN系紫色発光ダイオード素子が用いられている。なお、発光ピーク波長および半値幅は、積分球が用いられて測定されている。緑色蛍光体としてβ−サイアロンが用いられ、赤色蛍光体としてCaAlSi(N,O)3:Euが用いられ、青色蛍光体として(Sr1-xBax)5(PO4)3Cl:Eu(x>0)が用いられている。なお、当該緑色蛍光体の発光ピーク波長は542nmで半値幅は56nmであり、当該赤色蛍光体の発光ピーク波長は640nmで半値幅は115nmであり、当該青色蛍光体の発光ピーク波長は475nmで半値幅は80nmである。各蛍光体の発光ピーク波長および半値幅は分光光度計で測定された値である。
10,10a,10b,103 LEDチップ
20,20a,20b 蛍光体
20r 赤色蛍光体
20g 緑色蛍光体
20b 青色蛍光体
20L 蛍光体層
20k 基板
20h 保持部材
20s 仕切り部
20j 封止材
101 半導体発光システム
102 配線基板
102a チップ実装面
104 リフレクタ
105 仕切り部材
106 第1領域
107 第2領域
200 照明器具
201 ベース部材
202 カバー部材
203 凹部
204 電線
Claims (15)
- 380nm以上であって、430nm以下に発光ピークを有する光を放出する半導体発光素子と、
前記半導体発光素子を励起源として発光する蛍光体とを備え、
相関色温度が1600K以上であって2400K未満である光を発する半導体発光装置において、
前記蛍光体は、少なくとも青色蛍光体、緑色蛍光体および赤色蛍光体を含み、
当該半導体発光装置から発せられた光のスペクトルにおいて、前記半導体発光素子によって発せられた光のピーク強度の値が前記蛍光体が発した光の最大ピーク強度の60%未満の値であり、かつ前記蛍光体が発した光の最大ピークが600nm以上660nm以下に位置する
ことを特徴とする半導体発光装置。 - 前記半導体発光素子によって発せられた光のピーク強度の値が、前記蛍光体が発した光の最大ピーク強度の5%以上の値となるようなスペクトルの光を発する
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。 - 前記相関色温度が1600K以上であって2000K未満である光を発する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体発光装置。 - 前記青色蛍光体は、発光ピーク波長の半値幅が30nm以上である
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体発光装置。 - 前記青色蛍光体は、(Sr,Ba,Ca)5(PO4)3Cl:Eu、またはBaMgAl10O17:Euである
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体発光装置。 - CIE(1931)XYZ表色系のXY色度図において、当該半導体発光装置が発する光の色度座標は、黒体輻射軌跡曲線からの偏差duvの値が−0.02以上であって0.02以下である
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の半導体発光装置。 - 前記緑色蛍光体は、βサイアロン、(Ba,Sr)3Si6O12N2:Eu、または(Sr,Ba)2SiO4:Euである
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の半導体発光装置。 - 前記赤色蛍光体は、(CaAlSiN3)1-x(Si2N2O)x:Eu(xは0<x<0.5)を含む
ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の半導体発光装置。 - 前記赤色蛍光体は、K2SiF6:Mnを含む
ことを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の半導体発光装置。 - 前記赤色蛍光体は、A2+xMyMnZFn(AはNaとKとのうち一方または両方である。MはSiおよびAlである。そして、−1≦x≦1、かつ0.9≦y+z≦1.1、かつ0.001≦z≦0.4、かつ5≦n≦7が成立する)
ことを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の半導体発光装置。 - 前記蛍光体は、前記半導体発光素子によって発せられた光を所定の透過率で透過させて、当該半導体発光装置の外部に放出する
ことを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の半導体発光装置。 - 前記蛍光体を保持する保持部材を備え、
前記保持部材は、色毎に設定された所定の領域に各色の前記蛍光体をそれぞれ保持して、色毎に前記蛍光体を保持する領域が併設された蛍光体層を形成し、
前記蛍光体層は、前記半導体発光素子との間の距離が0.1mm以上であって500mm以下であるように支持されている
ことを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の半導体発光装置。 - 第1の半導体発光装置として、請求項1乃至12のいずれかに記載の半導体発光装置を備え、
第2の半導体発光装置として、前記第1の半導体発光装置が発する光とは相関色温度が異なる光を発する半導体発光装置を備えている
ことを特徴とする半導体発光システム。 - 前記第1の半導体発光装置の平均演色評価数Raの値が86以上であり、かつ、前記第2の半導体発光装置の平均演色評価数Raの値が86以上である
ことを特徴とする請求項13に記載の半導体発光システム。 - 請求項1乃至12のいずれかに記載の半導体発光装置を備えている
ことを特徴とする照明器具。
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