JP5672985B2 - 半導体白色発光装置 - Google Patents
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Description
1986年にCIE(国際照明委員会)は蛍光ランプが具備すべき演色性の指針を公表しており、その指針によれば、使用される場所に応じた好ましい平均演色評価数(Ra)は、一般作業を行う工場では60以上80未満、住宅、ホテル、レストラン、店舗、オフィス、学校、病院、精密作業を行う工場などでは80以上90未満、臨床検査を行う場所、美術館などでは90以上とされている。
標である)の改善も含まれる。
そこで、本発明は、照明用の白色光としては色温度が高い部類に属する昼白色光(色温度5000K前後)や昼光色光(色温度6500K前後)を放出する半導体発光装置のための演色性の改善技術を提供することを主たる目的とする。
項1
半導体発光素子と、該半導体発光素子が発する光を吸収して該半導体発光素子が発する光とは異なる波長の光を発する波長変換部とを備え、該半導体発光素子に電流を印加することによって、該波長変換部が発する光を含む相関色温度が5000〜7000Kの範囲の白色光を放出する、半導体白色発光装置であって、
発光スペクトルが波長460〜520nmの範囲に極小波長を有し、
光束で規格化した発光スペクトルの上記極小波長における強度が、光束で規格化した演色性評価用基準光のスペクトルの上記極小波長における強度の80〜100%であり、
光束で規格化した発光スペクトルの波長580nmにおける強度が、光束で規格化した演色性評価用基準光のスペクトルの波長580nmにおける強度の90〜100%であることを特徴とする半導体白色発光装置。
項2
上記波長変換部が、上記半導体発光素子により励起されて発光する青色蛍光体、緑色蛍光体および赤色蛍光体を含む、項1に記載の半導体白色発光装置。
項3
上記青色蛍光体が、発光スペクトルのピーク波長が450〜460nmの範囲内かつその長波長側の半値波長が490nm以上であるEu付活アルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体を含む、項2に記載の半導体白色発光装置。
項4
上記緑色蛍光体が、アルカリ土類ケイ酸窒化物蛍光体またはサイアロン蛍光体の少なくとも一方を含む、項3に記載の半導体白色発光装置。
項5
上記緑色蛍光体が、発光スペクトルのピーク波長が535〜550nmの範囲内かつその半値全幅が50〜70nmである蛍光体を含む、項3に記載の半導体白色発光装置。
項6
上記発光スペクトルのピーク波長が535〜550nmの範囲内かつその半値全幅が50〜70nmである蛍光体が、アルカリ土類ケイ酸窒化物蛍光体またはサイアロン蛍光体を含む、項5に記載の半導体白色発光装置。
項7
上記発光スペクトルのピーク波長が535〜550nmの範囲内かつその半値全幅が50〜70nmである蛍光体が、βサイアロン蛍光体を含む、項6に記載の半導体白色発光装置。
項8
上記赤色蛍光体が、発光スペクトルのピーク波長を620nm以下に有する蛍光体を含む、項7に記載の半導体白色発光装置。
項9
上記発光スペクトルのピーク波長を620nm以下に有する蛍光体が、SrおよびCaを含有するEu付活アルカリ土類ケイ窒化物蛍光体を含む、項8に記載の半導体白色発光装置。
項10
上記白色光の相関色温度が6000K以上であり、発光スペクトルが最も長波長側に有する極大波長が610nm以下である、項1〜9のいずれか1項に記載の半導体白色発光装置。
項11
項1〜10のいずれか1項に記載の半導体白色発光装置を光源とする照明。
本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
第1の条件:発光スペクトルが460〜520nmの範囲内に極小波長を有し、かつ、光束で規格化した発光スペクトルの上記極小波長における強度が、光束で規格化した演色性評価用基準光のスペクトルの上記極小波長における強度の80〜100%である。
00%である。
ここで、上記第1の条件にいう発光スペクトルの極小波長とは、発光スペクトルの強度が極小値を取る波長のことである。よって、発光スペクトルが460〜520nmの範囲内に極小波長を有するとは、460〜520nmの範囲内に、発光スペクトルの強度が極小値を取る波長が存在することを意味する。
Φ:光束[lm]
Km:最大視感度[lm/W]
Vλ:明所視標準比視感度
Φe:分光放射束[W/nm]
λ:波長[nm]、である。
好ましく用い得るのは、InGaN系の紫色発光ダイオードである。InGaN系発光ダイオードは、InGaN井戸層を含むMQW活性層をp型およびn型のGaN系クラッド層で挟んだダブルヘテロpn接合型の発光構造を有する発光ダイオードであり、発光ピーク波長を410〜430nmの範囲としたとき発光効率が最大となることが知られている。このことと、青色蛍光体の励起特性とを考慮すると、半導体発光素子12には、発光ピーク波長を400〜415nmの範囲内に有するInGaN系紫色発光ダイオードを用いることが好ましい。青色蛍光体は一般に紫外〜近紫外の光によって強く励起されるが、励起光の波長が405nmよりも長波長になるとの側では波長の増加とともに急激に低下する。
EENISH BLUE」に区分される蛍光体である。上記第1の条件を充足させるためには、発光スペクトルのピーク波長が450〜470nmの範囲に存し、その半値全幅が50〜80nmである青色蛍光体を用いることが望ましい。
Euで表されるEu付活アルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体である。ただし、Sr5(PO4)3Cl:Eu(通称SCA)は発光スペクトルの半値全幅が30nm未満であるため、
SCAのみを用いて上記第1の条件を充足させることはできない。好ましいEu付活アルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体は、SCAのSrの一部がBaまたはCaの少なくとも一方で置換された、SCAよりもブロードな発光スペクトルを有する蛍光体(以下、「SBCA」ともいう)である。例えば、組成式SraBabEux(PO4)3Cl(ただし、a+b=5−x)で表されるSBCAは、xを0.5〜0.6、b/(a+b)を0.2〜0.3とすることにより、発光スペクトルの半値全幅をSCAの30nm未満から約80nmまでブロード化することができる。
両方を、波長変換部13に添加することができる。また、組成および発光特性の異なる2種以上のEu付活アルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体を、波長変換部13に添加することができる。この2種以上のEu付活アルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体には、組成および発光特性が異なる2種以上のSBCAが含まれてもよい。
i2O7:Euのようなアルカリ土類ケイ酸塩蛍光体、(Ba,Ca,Sr)3Si6O12N2:Eu、(Ba,Ca,Sr)3Si6O9N4:Eu、(Ca,Sr,Ba)Si2O2N2:Euのようなアルカリ土類ケイ酸窒化物蛍光体、βサイアロン:Eu、Sr3Si13A
l3O2N21:Eu、Sr5Al5Si21O2N35:Euのようなサイアロン蛍光体がある。
eなどのような、Ce3+を付活剤とするものもある。しかし、この種の緑色蛍光体のみを用いて上記第2の条件を充足させることは困難である。なぜなら、Ce3+を付活剤とする緑色蛍光体は発光スペクトルがブロードであり、放出する光の中に580nm付近の波長を有する成分が過剰に含まれるためである。また、Ce3+を付活剤とする緑色蛍光体の多くは励起スペクトルのピークを波長450nm付近に有するため、青色蛍光体とともに用いると多段励起(カスケード励起)が発生し、波長変換ロスが増加する問題がある。
波長変換部13に含まれる赤色蛍光体は、その発光色が、図8に示すxy色度図(CIE1931)における「RED」、「REDDISH ORANGE」または「ORANGE」に区分される蛍光体である。赤色蛍光体の好適例は、Eu2+を付活剤とし、アルカリ土類ケイ窒化物からなる結晶を母体とする蛍光体、例えば、(Ca,Sr,Ba)AlSiN3:Eu、(Ca,Sr,Ba)2Si5N8:Eu、SrAlSi4N7:Eu、(CaAlSiN3)1-x(Si(3n+2)/4NnO)x:Euなどである。この種の蛍光体の発光スペクトルはブロードであり、通常、その半値全幅は80nm以上である。
類金属元素としてSrおよびCaを含むものは、CaAlSiN3:Euに比べて短波長の光を放出する。また、(CaAlSiN3)1-x(Si(3n+2)/4NnO)x:Euは、CaAlSiN3にSi(3n+2)/4NnOが固溶した結晶を母体とするが故に、CaAlSiN3:Euに比べ発光スペクトルがブロードとなり、そのピーク波長は短波長となる。nおよびxの値を制御することにより、(CaAlSiN3)1-x(Si(3n+2)/4Nn
O)x:Euの発光スペクトルの半値全幅は100nm以上とし得る。SrAlSi4N7
:EuはCa1-xAl1-xSi1+xN3-xOx:Euと類似した発光特性を有している。Ca1-xAl1-xSi1+xN3-xOx:Euは(CaAlSiN3)1-x(Si(3n+2)/4NnO)x:Euにおいてn=2の場合に該当する。
長は視感度が最も高い波長域に含まれるためである。第2の条件を好ましく充足させるうえで、発光特性の異なる複数の緑色蛍光体を組み合せて使用する、あるいは、発光特性の異なる複数の赤色蛍光体を組み合せて使用することは有用である。
組み合せ例1:
青色蛍光体・・・SraBabEux(PO4)3Cl(ただし、a+b=5−x)
緑色蛍光体・・・βサイアロン:Eu
赤色蛍光体・・・SrxCa1−xAlSiN3:Eu(ただし、0<x<1)
組み合せ例2:
青色蛍光体・・・BAM
緑色蛍光体・・・(Ba,Ca,Sr)3Si6O12N2:Eu
赤色蛍光体・・・Ca1-xAl1-xSi1+xN3-xOx:Eu
上記組み合わせ例1における青色蛍光体は、発光スペクトルのピーク波長が450〜460nm、長波長側の半値波長が490nm以上となるように、組成式SraBabEux(PO4)3Clにおけるa、b、xが調整される。好適例では、xを約0.5とし、b/(a+b)を0.1〜0.2の間で調整する。緑色蛍光体として用いるβサイアロン:Euの発光スペクトルは幅が狭く、通常は60nm未満であるが、発光スペクトルのブロードな青色蛍光体とともに用いることによって、上記第1の条件が好ましく充足される。βサイアロン:Euは耐久性および耐熱性に優れており、また、視感度の高い波長域に狭い発光バンドを有することからluminous efficacyが高い。
向上するとともに、ストークスシフトに起因する損失が低減する。半導体白色発光装置10の出力光の相関色温度が6000〜7000Kである場合には、該出力光のスペクトルが最も長波長側に有する極大波長を610nm以下とし得る。
サイアロン系緑色蛍光体に置き換えることができる。
波長変換部13に添加する蛍光体の安定性に着目すると、母体がアルカリ土類ケイ窒化物、サイアロンまたはアルカリ土類ケイ酸窒化物であるものは、窒素を含むために母体結晶中における原子間結合の共有結合性が高く、それゆえに優れた耐久性および耐熱性を示す。緑色蛍光体の場合についていうと、ケイ酸塩系の(Ba,Ca,Sr,Mg)2Si
O4:Euは室温での発光効率において極めて優れているが、高温では発光効率が著しく
低下することから、ハイパワー用途には適していない。
波長変換部13は、上記第1の条件および第2の条件の充足が阻害されない限りで、青色蛍光体、緑色蛍光体および赤色蛍光体以外の蛍光体、例えば、黄色蛍光体を含有していてもよい。黄色蛍光体とは、その発光色が、図8に示すxy色度図(CIE 1931)における「YELLOW GREEN」、「GREENISH YELLOW」、「YELLOW」または「YELLOWISH ORANGE」に区分される蛍光体である。黄色蛍光体には、Ce3+を付活剤とするものと、Eu2+を付活剤とするものがある。前者には、(Y,Gd)3Al5O12:Ce、Tb3Al5O12:Ceのようなガーネット型酸化物結晶を母体とするもの、La3Si6N11:Ce、Ca1.5xLa3-xSi6N11:Ceのようなランタンケイ素窒化物結晶を母体とするものがある。後者には、BOSEと呼ばれる、アルカリ土類ケイ酸塩を母体とするものがある。Ce3+を付活剤とする黄色蛍光体の多くは励起スペクトルのピークを波長450nm付近に有するため、青色蛍光体とともに用いると多段励起(カスケード励起)が発生し、波長変換ロスが増加する問題がある。
波長変換部13は任意の態様で蛍光体を含有することができる。例えば、波長変換部13中における蛍光体の分布は一様であってもよいし、不均一であってもよい。また、波長変換部13の内部には、特定の蛍光体のみを含有する部分が存在してもよい。その一例では、波長変換部13を、青色蛍光体のみを含有する層、緑色蛍光体のみを含有する層、赤色蛍光体のみを含有する層を積層した多層構造とすることができる。この場合、異なる蛍光体を含有する2つの層の間に、蛍光体を含有しない層が挿入されていてもよい。また、波長変換部13は、異なるマトリックス材料で形成された複数の層が積層された構造を有
してもよい。
本発明の実施形態に係る半導体白色発光装置は、SMD型LED構造に限らず、砲弾型LED構造、チップ・オン・ボード構造など、種々の構造を備えるもので有り得る。また、本発明の実施形態に係る半導体白色発光装置は、半導体発光素子と蛍光体との間、あるいは、蛍光体が発する光が発光装置の外部に放出されるまでに通過する経路上に、レンズ、光ファイバ、導光板、反射鏡、フィルタ、その他任意の光学素子を備えることができる。
青色蛍光体SraBabEux(PO4)3Cl(ただし、a+b=5−x)の製造方法について説明すると、次の通りである。
また、この蛍光体の原料のうち、PO4源としては、Sr、BaまたはNH4のリン酸水素塩、リン酸塩、メタリン酸塩またはピロリン酸塩の他、P2O5、PCl3、PCl5、Sr2PO4Cl、Ba2PO4Cl、リン酸、メタリン酸、ピロリン酸等を用いることができ、また、Cl源としては、SrCl、BaCl、NH4Cl、HCl、Sr2PO4Cl、Ba2PO4Cl等を、用いることができる。
行なってもよい。
以下には、本発明者等が行った、実験(シミュレーションを含む)の結果を記載する。実験に用いた蛍光体のリストを表1に示す。
長をλmとしたときの、光束で規格化した演色性評価用基準光のスペクトルの波長λmにおける強度に対する、光束で規格化した発光スペクトルの波長λmにおける強度の比率であ
る。また、q(%)は、光束で規格化した演色性評価用基準光のスペクトルの波長580nmにおける強度に対する、光束で規格化した発光スペクトルの波長580nmにおける強度の比率である。従って、80≦p≦100が上記第1の条件の充足を意味し、90≦q≦100が上記第2の条件の充足を意味する。
一方、比較例1〜4に係る白色発光装置は上記第1の条件(80≦p≦100)を充たしていない。このうち、比較例2〜4の白色発光装置はR12の値が低く、それぞれ41、57、66である。比較例2の白色発光装置は、更にR10も低いが(R10=32)、比較例3および4の白色発光装置のR10は80を超えている。それに対し、比較例1の白色発光装置はR12が80を超えており、R10が74という低い値となっている。このような違いは、比較例1の白色発光装置と比較例3および4の白色発光装置とで、発光スペクトルが波長460〜520nmの範囲内に有する極小波長が相違していることに起因する可能性がある。比較例1の白色発光装置は該極小波長を499nmに有するのに対し、比較例3および4の白色発光装置は該極小波長をそれぞれ489nm、484nmに有している。
11、21、31 パッケージ
12、22、32 半導体発光素子
13、23、33 波長変換部
34 透明部材
S 空間
Claims (11)
- 半導体発光素子と、該半導体発光素子が発する光を吸収して該半導体発光素子が発する光とは異なる波長の光を発する波長変換部とを備え、該半導体発光素子に電流を印加することによって、該波長変換部が発する光を含む相関色温度が5000〜7000Kの範囲の白色光を放出する、半導体白色発光装置であって、
発光スペクトルが波長460〜520nmの範囲に極小波長を有し、
光束で規格化した発光スペクトルの上記極小波長における強度が、光束で規格化した演色性評価用基準光のスペクトルの上記極小波長における強度の80〜100%であり、
光束で規格化した発光スペクトルの波長580nmにおける強度が、光束で規格化した演色性評価用基準光のスペクトルの波長580nmにおける強度の90〜100%であることを特徴とする半導体白色発光装置。 - 上記波長変換部が、上記半導体発光素子により励起されて発光する青色蛍光体、緑色蛍光体および赤色蛍光体を含む、請求項1に記載の半導体白色発光装置。
- 上記青色蛍光体が、発光スペクトルのピーク波長が450〜460nmの範囲内かつその長波長側の半値波長が490nm以上であるEu付活アルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体を含む、請求項2に記載の半導体白色発光装置。
- 上記緑色蛍光体が、アルカリ土類ケイ酸窒化物蛍光体またはサイアロン蛍光体の少なくとも一方を含む、請求項3に記載の半導体白色発光装置。
- 上記緑色蛍光体が、発光スペクトルのピーク波長が535〜550nmの範囲内かつその半値全幅が50〜70nmである蛍光体を含む、請求項3に記載の半導体白色発光装置。
- 上記発光スペクトルのピーク波長が535〜550nmの範囲内かつその半値全幅が50〜70nmである蛍光体が、アルカリ土類ケイ酸窒化物蛍光体またはサイアロン蛍光体を含む、請求項5に記載の半導体白色発光装置。
- 上記発光スペクトルのピーク波長が535〜550nmの範囲内かつその半値全幅が50〜70nmである蛍光体が、βサイアロン蛍光体を含む、請求項6に記載の半導体白色
発光装置。 - 上記赤色蛍光体が、発光スペクトルのピーク波長を620nm以下に有する蛍光体を含む、請求項7に記載の半導体白色発光装置。
- 上記発光スペクトルのピーク波長を620nm以下に有する蛍光体が、SrおよびCaを含有するEu付活アルカリ土類ケイ窒化物蛍光体を含む、請求項8に記載の半導体白色発光装置。
- 上記白色光の相関色温度が6000K以上であり、発光スペクトルが最も長波長側に有する極大波長が610nm以下である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体白色発光装置。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の半導体白色発光装置を光源とする照明。
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