JP5840540B2 - 白色照明装置 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、白色照明装置に関する。

発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）を用いた発光装置は、主に励起光源としてのＬＥＤチップと蛍光体との組み合わせから構成される。そして、その組み合わせによって様々な色の発光色を実現することができる。

白色光を放出する白色ＬＥＤ発光装置には、青色領域の光を放出するＬＥＤチップと蛍光体との組み合わせが用いられている。例えば、青色光を放つＬＥＤチップと、蛍光体混合物との組み合わせがあげられる。蛍光体としては主に青色の補色である黄色蛍光体が使用され、擬似白色光ＬＥＤとして使用されている。その他にも青色光を放つＬＥＤチップと、緑色ないし黄色蛍光体、および赤色蛍光体が用いられている３波長型白色ＬＥＤが開発されている。

照明用途に用いられる白色ＬＥＤ発光装置（以下、白色照明装置と称する）の場合、自然光に近い色を再現するために高い演色性、特に、高い平均演色評価数（Ｒａ）を実現することが望まれる。また、低消費電力化のために高い発光効率の両立が求められる。

特表２００９−５２８４２９号公報 特開２０１０−１００８２５号公報

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、高い演色性と、高い発光効率を両立する白色照明装置を提供することにある。

実施の形態の白色照明装置は、４３０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の波長領域にピーク波長を有する発光素子と、前記発光素子上に形成され、赤色蛍光体と緑・黄色蛍光体とを含む蛍光体層とを備え、蛍光体のピーク波長をλｐ、蛍光体から発せられる光の半値幅をＦＷＨＭ、蛍光体から発せられる光のスペクトルの有効波長幅をＥＷＷ、蛍光体の外部量子効率をηとする場合に、前記赤色蛍光体が、６２５ｎｍ≦λｐ≦６３５ｎｍ、１５ｎｍ≦ＥＷＷ≦４５ｎｍ、４０％≦η≦７５％の特性を有し、前記緑・黄色蛍光体が、５４５ｎｍ≦λｐ≦５６５ｎｍ、９０ｎｍ≦ＦＷＨＭ≦１２５ｎｍ、７０％≦η≦９０％の特性を有し、前記緑・黄色蛍光体が、５４５ｎｍ≦λｐ≦５６５ｎｍ、９０ｎｍ≦ＦＷＨＭ≦１２５ｎｍ、７０％≦η≦９０％の特性を有し、前記赤色蛍光体は、下記一般式（１）で表される組成を備え、前記緑・黄色蛍光体は、下記一般式（２）で表わされる組成を備える。
Ａ_ａ（Ｍ_１−ｓ，Ｍｎ_ｓ）Ｆ_ｂ・・・（１）
（ここで、Ａは、Ｋ（カリウム）及びＣｓ（セシウム）であり、ＭはＳｉ（シリコン）、チタン（Ｔｉ）から選ばれる少なくとも１種の元素であり、ａ、ｂおよびｓは、１．７≦ａ≦２．１、５．３≦ｂ≦６．３、０＜ｓ≦０．０５を満たす数値である。）
（Ｙ_{１−ｕ−ｖ}，Ｇｄ_ｕ, Ｃｅ_ｖ）_ｃ（Ａｌ_１−ｗ，Ｇａ_ｗ）_５Ｏ_ｄ・・・（２）
（ここで、ｃ、ｄ、ｕ、ｖおよびｗは、２．８≦ｃ≦３．２、１１．５≦ｄ≦１２．５、０≦ｕ≦０．２、０．０２≦ｖ≦０．１５、０≦ｗ≦０．３を満たす数値であり、且つ、Ｇｄ又はＧａのいずれか一方を含有する。）

実施の形態の赤色蛍光体の発光スペクトルを示す図である。 白色効率とＲａとの関係を示すシミュレーション結果を示す図である。 緑・黄色蛍光体のピーク波長および半値幅と発光特性との関係を示す図である。 シミュレーションで得られた発光スペクトルを示す図である。 実施の形態の白色照明装置の一例を示す断面図である。 実施の形態の白色照明装置の別の一例を示す断面図である。 実施の形態の白色照明装置のさらに別の一例を示す断面図である。

以下、図面を用いて実施の形態について説明する。

実施の形態の白色照明装置は、４３０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の波長領域にピーク波長を備える発光素子と、発光素子上に形成され、赤色蛍光体と緑・黄色蛍光体とを含む蛍光体層とを備える。そして、蛍光体のピーク波長をλｐ、蛍光体から発せられる光の半値幅をＦＷＨＭ、蛍光体から発せられる光のスペクトルの有効波長幅をＥＷＷ、蛍光体の外部量子効率をηとする場合に、上記赤色蛍光体が、
６２５ｎｍ≦λｐ≦６３５ｎｍ、１５ｎｍ≦ＥＷＷ≦４５ｎｍ、４０％≦η≦７５％の特性を備え、上記緑・黄色蛍光体が、
５４５ｎｍ≦λｐ≦５６５ｎｍ、９０ｎｍ≦ＦＷＨＭ≦１２５ｎｍ、７０％≦η≦９０％の特性を備える。

実施の形態の白色照明装置は、上記構成を備えることにより、高い演色性、特に高い平均演色評価数Ｒａと、高い発光効率、特に高い白色効率を実現することが可能となる。

なお、本明細書中λｐは各蛍光体のピーク波長を示し、ＦＷＨＭは蛍光体から発光するスペクトルの半値幅を示し、ＥＷＷは蛍光体から発光するスペクトルの有効波長幅を示し、ηは蛍光体の外部量子効率を示し、η’は蛍光体の内部量子効率を示す。

ピーク波長は、発光ピークが４００ｎｍ付近の近紫外光や４３０〜４６０ｎｍ付近の青色光によって蛍光体を励起し、例えば浜松フォトニクス（株）Ｃ９９２０−０２Ｇ等の光計測機器により測定して得ることができる発光スペクトルで、最も発光強度が大きくなる波長のことである。

半値幅（ＦＷＨＭ）は、上記ピーク波長を備えるピークの発光スペクトルの最大発光強度が１／２となる波長のうち、最大の波長と最小の波長との差で定義される。

また、有効波長幅（ＥＷＷ）は以下のように定義する。発光スペクトルに１つまたは２つ以上の発光ピークを有する蛍光体で、最大ピークの１５％以上の強度を有するピークをサブピークと規定する。そして、最大ピークとサブピークを含めて最大ピーク強度の１５％の強度を示す波長のうち、最大の波長と最小の波長との差を有効波長幅ＥＷＷと定義する。

また、外部量子効率ηとは以下の式（Ｉ）、式（ＩＩ）で規定する吸収率αと内部量子効率η’を乗じて算出した値である。

ここで、Ｅ（λ）は、蛍光体へ照射した励起光源の全スペクトル（フォトン数換算）である。また、Ｒ（λ）は、蛍光体の励起光源反射光スペクトル（フォトン数換算）である。

ここで、Ｐ（λ）は、蛍光体の発光スペクトル（フォトン数換算）である。

すなわち、外部量子効率は式（ＩＩＩ）＝式（Ｉ）×式（ＩＩ）で算出することが可能である。

なお、吸収率αとは蛍光体に照射した励起光の全フォトン数で、全フォトン数から蛍光体から反射された励起光のフォトン数を差し引いたフォトン数を除した数値である。また、内部量子効率η’は蛍光体に吸収されたフォトン数（吸収率）で、蛍光体から発光されたスペクトルのフォトン数を除した数値である。外部量子効率ηは蛍光体へ照射した励起光源の全フォトン数で蛍光体から発光されたスペクトルの全フォトン数を除した数値である。）

また、外部量子効率η、内部量子効率η’、吸収率αは、例えば浜松フォトニクス（株）Ｃ９９２０−０２Ｇ等の光計測機器により測定して得ることができる。上記発光特性を測定する際の励起光としてはピーク波長が４３０〜４６０ｎｍ付近、半値幅５−１５ｎｍの青色光を使用する。

発明者らは、白色照明装置において、演色性と発光効率とを両立させるために、青色励起白色固体光源で報告の多いＥｕ^２＋付活赤色蛍光体、例えば、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕを基本組成とするＣＡＳＮ、ＣＡＳＮにおいてストロンチウム（Ｓｒ）置換量が多いＳＣＡＳＮ等、と比較して発光スペクトル幅が狭い赤色蛍光体を用いる可能性に着目した。そして、白色光を実現するために組み合わせる緑・黄色蛍光体の特性について検討した。その結果、演色性と発光効率とを両立させるために、緑・黄色蛍光体に要求される特性を見出した。

まず、実施の形態の白色照明装置では、４３０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の波長領域にピーク波長を備える発光素子を青色光および励起光の光源として用いる。発光素子は、例えば青色ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）である。発光ピーク波長が４３０ｎｍ未満の発光素子では、実施の形態の赤色蛍光体、緑・黄色蛍光体を組み合わせても演色性が低下してしまう。また、発光ピーク波長が４６０ｎｍを超えた発光素子では発光素子の出力が低下してしまう。

そして、実施の形態の白色照明装置は、発光素子上に形成され、赤色蛍光体と緑・黄色蛍光体とを含む蛍光体層とを備えている。

実施の形態の赤色蛍光体は、６２５ｎｍ≦λｐ≦６３５ｎｍ、１５ｎｍ≦ＥＷＷ≦４５ｎｍ、４０％≦η≦７５％の特性を備える。

この特性を備える赤色蛍光体としては、例えば、下記一般式（１）で表される組成を備えるフッ化物蛍光体があげられる。以下、この赤色蛍光体を、以下ＫＳＦとの略称で表記する。
Ａ_ａ（Ｍ_１−ｓ，Ｍｎ_ｓ）Ｆ_ｂ・・・（１）
ここで、Ａは、Ｋ（カリウム）、Ｃｓ（セシウム）から選ばれる少なくとも１種の元素であり、ＭはＳｉ（シリコン）、チタン（Ｔｉ）から選ばれる少なくとも１種の元素であり、ａ、ｂおよびｓは、１．７≦ａ≦２．１、５．３≦ｂ≦６．３、０＜ｓ≦０．０５を満たす数値である。

図１は、実施の形態の赤色蛍光体の発光スペクトルを示す図である。赤色蛍光体ＫＳＦの励起光スペクトルと発光スペクトルを示す。図に示すように、赤色蛍光体ＫＳＦは、波長６３０ｎｍ近傍に急峻なピーク波長λｐを備えるとともに、メインピークの両脇に２つのサブピークを備えている。発明者らの検討結果により、これらのサブピークの存在が、演色性を向上させる上で効果的に作用することが明らかになっている。

一般式（１）で記載される赤色蛍光体は、例えば、以下のような合成方法で製造可能である。Ｓｉ基板やＴｉターゲット、ＳｉＯ_２片、Ｓｉ、Ｔｉ，ＳｉＯ_２粉末などのＭ元素を有する金属、酸化物原料を、予めＫＭｎＯ_４等のＡ元素を含む過マンガン酸塩粉末を水に溶解した過マンガン酸塩溶液とＨＦ溶液を混合した反応溶液中に投入する。

これにより、以下の化学反応により一般式（１）の赤色蛍光体ＫＳＦを得ることができる。
Ｍ＋ＡＭｎＯ_４＋ＨＦ→Ａ_２ＭＦ_６：Ｍｎ＋ＭｎＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２
ＭＯ_２＋ＡＭｎＯ_４＋ＨＦ→Ａ_２ＭＦ_６：Ｍｎ＋ＭｎＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２

上記合成方法以外に、その他の溶液反応法や、固相反応法により一般式（１）の蛍光体を合成することも可能である。

赤色蛍光体ＫＳＦは、発光中心としてマンガン（Ｍｎ）を含有する。したがって、一般式（１）におけるｓは０より大きい。Ｍｎが含有されない場合（ｓ＝０）には、青色領域に発光ピークを有する光で励起しても発光は得ることができない。さらに、以下の理由から、こうした付活剤の含有量には上限がある。

Ｍｎの含有量が多すぎる場合には、濃度消光現象が生じて、一般式（１）式で表される蛍光体の発光強度が弱くなる。こうした不都合を避けるために、Ｍｎの含有量（ｓ）の上限は０．０５に規定される。好ましくは０．０３である。

その他元素の含有量を分析するにあたっては、Ｋ、Ｃｓ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｍｎなどの金属元素は、合成された蛍光体を加圧酸分解などにより、アルカリ融解する。これを、例えばサーモフィッシャーサイエンティフィック（株）社製ＩＲＩＳ Ａｄｖａｎｔａｇｅ等によりＩＣＰ発光分光法、または原子吸光法にて分析を行なう。また、非金属元素Ｆは合成した蛍光体を熱加水分解分離する。これを、例えば日本ダイオネクス社製ＤＸ−１２０によりイオンクロマトグラフ法にて分析を行う。こうして、一般式（１）で表わされる蛍光体の組成が分析可能である。

発明者らが、実験を重ねた結果、ａの値が１．７から２．１の範囲外、またはｂの値が５．３から６．３の範囲外となると、一般式（１）で表される蛍光体の外部量子効率ηが損なわれることが明らかになっている。

また、合成プロセス中および合成後の蛍光体表面の分解等により、酸素（Ｏ）が不可避的に混入してしまうことがある。Ｏは一般式（１）中の構成元素ではないために、存在量はゼロとなることが望ましいが、Ｏ／（Ｆ＋Ｏ）＝０．０１より小さい範囲であれば、外部量子効率ηが大きく損なわれることがないため含有していてもかまわない。

さらに、一般式（１）で表される蛍光体のＡ元素として、ＮａやＲｂ，ＮＨ_４など、Ｍ元素としてＧｅやＳｎなども類似の発光スペクトルを示す。しかし、蛍光体の安定性や蛍光体の合成し易さ、反応速度の観点から高コストとなる。このため、実施の形態の元素に限定される。ただし、蛍光体の基本構造や発光特性、安定性などが損なわれない程度の微少量であれば混在しても構わない。

なお、一般式（１）で表される赤色蛍光体のスペクトル形状の組成依存性は小さい。

赤色蛍光体の外部量子効率および内部量子効率は発光装置の白色効率に関連し、外部量子効率および内部量子効率、特に内部量子効率が高いと発光装置の白色効率が高くなる。よって、赤色蛍光体の外部量子効率および内部効率、特に内部量子効率は高い程望ましい。

発光効率と演色性を両立する照明装置を提供するためには、一般式（１）で表される赤色蛍光体の外部量子効率ηが４０％以上であることが望ましい。特に、蛍光体および照明装置の効率特性に影響の大きい内部量子効率η’は６０％以上であることが望ましい。

一般式（１）で表される赤色蛍光体ＫＳＦは合成プロセス条件や合成後の蛍光体の後処理や、保管状態などにより外部量子効率ηが変化する。外部量子効率ηの理論最大値は１００％であるが、歩留まりなどの製造コストの面から上限の外部量子効率を７５％とする。

したがって、赤色蛍光体の外部量子効率ηは、４０％≦η≦７５％となることが望ましく、内部量子効率η’は６０％以上であることが望ましい。

実施の形態の緑色・黄色蛍光体は、５４５ｎｍ≦λｐ≦５６５ｎｍ、９０ｎｍ≦ＦＷＨＭ≦１２５ｎｍ、７０％≦η≦９０％の特性を備える。

この特性を備える緑色・黄色蛍光体としては、下記一般式（２）または（３）で表わされる組成を備える蛍光体があげられる。
（Ｙ_{１−ｕ−ｖ}，Ｇｄ_ｕ, Ｃｅ_ｖ）_ｃ（Ａｌ_１−ｗ，Ｇａ_ｗ）_５Ｏ_ｄ・・・（２）
ここで、ｃ、ｄ、ｕ、ｖおよびｗは、２．８≦ｃ≦３．２、１１．５≦ｄ≦１２．５、 ０≦ｕ≦０．２、０．０２≦ｖ≦０．１５、０≦ｗ≦０．３を満たす数値である。

（Ｂａ_ｘ，Ｓｒ_１−ｚ，Ｃａ_ｙ，Ｅｕ_ｚ）_ｅＳｉＯ_ｆ・・・（３）
ここで、ｅ、ｆ、ｘ、ｙおよびzは、１．９≦ｅ≦２．１、３．６≦ｆ≦４．１、０．１５≦ｘ≦０．４、０≦ｙ≦０．１、０＜ｚ≦０．１５を満たす数値である。

一般式（１）で表される蛍光体と同様に、一般式（２）で表される蛍光体は、発光中心としてセリウム（Ｃｅ）を、一般式（３）で表される蛍光体は、発光中心としてユーロピウム（Ｅｕ）を含有する。したがって、一般式（２）および（３）におけるｖおよびｚは０より大きい。発光中心元素の濃度が高すぎると濃度消光が生じて外部量子効率が低下する。よって、ｖおよびｚの上限値は、それぞれ０．１５である。

一般式（２）で表される蛍光体はガドリニウム（Ｇｄ）を添加するとピーク波長が長波長にシフトし、ガリウム（Ｇａ）を添加するとピーク波長が短波長にシフトすることが知られている。また、セリウム（Ｃｅ）濃度が増加するとピーク波長が長波長にシフトすることも知られている。実施の形態の発光スペクトル形状および効率を満たすためには、ｕ、ｖ、ｗは、上記関係を満たす必要がある。また、ｃおよびｄ値が、上記関係の範囲を超えると外部量子効率ηが低下する。よって、ｃ、ｄおよびｕ、ｖ、ｗは、上記関係を満たす必要がある。

一般式（２）で表される組成の蛍光体は、イットリウム（Ｙ）の代わりにテルビウム（Ｔｂ）やルテチウム（Ｌｕ）を添加した蛍光体も知られている。しかし、ＴｂやＬｕは希土類元素の中でも高コスト元素のため、蛍光体の製造コストが増加するといった欠点がある。そのため、発光スペクトル形状を調整する添加元素としてＧｄ、Ｇａが適している。

一般式（３）で表される組成の蛍光体はカルシウム（Ｃａ）を添加するとピーク波長が長波長にシフトし、バリウム（Ｂａ）を添加するとピーク波長が短波長にシフトすることが知られている。また、ユーロピウム（Ｅｕ）濃度が増加するとピーク波長が長波長にシフトすることが知られている。実施の形態の発光スペクトル形状および効率を満たすためにはｘ、ｙ、ｚは、上記関係を満たす必要がある。また、ｅおよびｆ値が上記関係の範囲を超えると外部量子効率が低下する。よって、ｅ、ｆおよびｘ、ｙ、ｚは、上記関係を満たす必要がある。

特にＣａ添加量ｙ値が増加すると蛍光体の結晶系が六方晶系に変化し、内部量子効率η’が低下する。また、一般式（３）で表される組成の蛍光体の第一金属元素組成は発光スペクトル形状および外部量子効率の観点から、ストロンチウム（Ｓｒ）が主成分で、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）など他のアルカリ金属元素が所定量添加されることが望ましい。これは、Ｓｒのみ、またはＢａ、Ｃａなどの添加量が少なすぎると、一般式（３）で表される組成の蛍光体の結晶系が単斜晶系となり、外部量子効率ηが低下するからである。上記理由から、ｘ値の下限およびｙ値の上限が限定される。

緑・黄色蛍光体の外部量子効率および内部量子効率は発光装置の白色効率に関連し、外部量子効率および内部量子効率、特に内部量子効率が高いと発光装置の白色効率が高くなる。よって、緑・黄色蛍光体の外部量子効率および内部量子効率、特に内部量子効率は高い程望ましい。

発光効率と演色性を両立する白色照明装置を提供するためには一般式（２）、一般式（３）で表される緑・黄色蛍光体の外部量子効率ηが７０％以上であることが望ましい。特に、蛍光体および照明装置の効率特性に影響の大きい内部量子効率η’は８５％以上であることが望まれる。

一般式（２）、一般式（３）で表される組成の緑・黄色蛍光体は合成プロセス条件や合成後の蛍光体の後処理などにより外部量子効率ηが変化する。外部量子効率ηの理論最大値は１００％であるが、歩留まりなどの製造コストの面から上限の外部量子効率η’を９０％とする。

したがって、緑・黄色蛍光体の外部量子効率ηは、７０％≦η≦９０％であることが望ましく、内部量子効率η’は８５％以上であることが望ましい。

さらに、一般式（２）、一般式（３）で表される蛍光体の構成元素は上述の通りであるが、上述の元素以外に蛍光体の基本構造や発光特性、安定性などが損なわれない程度の微少量の元素であれば混在しても構わない。例えば、合成時に添加するフラックスを構成している元素や坩堝、焼成装置の構成材の元素などは洗浄を行っても微少量残存する。

また、緑・黄色蛍光体として、５４５ｎｍ≦λｐ≦５６５ｎｍ、９０ｎｍ≦ＦＷＨＭ≦１２５ｎｍ、７０％≦η≦９０％の特性を満たせば、上述の蛍光体種以外も使用することが可能である。その他の蛍光体として、具体的に挙げるとＣａ_３（Ｓｃ，Ｍｇ）_２Ｓｉ_３Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｌｉ_２（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）ＳｉＯ_４：Ｅｕ等のケイ酸塩蛍光体、（Ｃａ，Ｍｇ）Ｓｃ_２Ｏ_４：Ｃｅ等の酸化物蛍光体、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）Ｇａ_２Ｓ_４：Ｅｕ等の硫化物蛍光体、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）Ｓｉ_２Ｏ_２Ｎ_２：Ｅｕ等のアルカリ土類酸窒化物蛍光体などがあげられる。

ただし、発光効率、化学的安定性や製造コストの点から一般式（２）、一般式（３）で表される組成を備える緑・黄色蛍光体を適用することが望ましい。

高い演色性および高い発光効率を実現するために、一般式（１）の赤色蛍光体に、加える緑・黄色蛍光体に要求される特性を導くためにシミュレーションによる検討を行った。この結果について説明する。

シミュレーションは、以下のような計算方法を実施した。励起光源（青色ＬＥＤ）によって、赤色蛍光体と、緑・黄色蛍光体の２種の蛍光体を混合した蛍光体層を発光させる白色光源の発光特性を計算している。白色光源の発光スペクトルは、出力面における個々の蛍光体および励起源のスペクトルの和になるとして計算している。また、成分蛍光体の吸収率αおよび内部量子効率η’は、粉体で測定した値により計算する。そして、白色光源の発光スペクトルは、励起光源の入射エネルギーを１［Ｗ］としたときの、励起光の漏れ光および蛍光体発光の光出力の総和として計算している。

また、すべて色温度が電球色（２８００Ｋ）になるよう、蛍光体の割合を調整している。電球色などの色温度及びその範囲はＪＩＳ規格に準ずる。

上述したように、シミュレーションでの評価にあたって、白色光源の発光効率の指標として、白色効率を用いた。ここで、白色効率とは、蛍光体層を塗布する前の光出力（励起光Ｗ）を、蛍光体層を塗布した後の光出力（光束―ｌｍ）で割った光−光変換効率（ｌｍ/励起光Ｗ）のことを示している。使用する発光素子の効率の影響を排除して、蛍光体層の純粋な変換効率を見積もるために上述の指標を使用した。

演色性は、平均演色評価数Ｒａを指標とした。平均演色評価数Ｒａは、８種類の標準試験色に対して、各色温度での基準光に対する試料光源との色ずれの大きさを数値化した平均値である。演色性計算は５ｎｍ刻みのスペクトルで計算するために、本明細書中での蛍光体の波長幅は５ｎｍ刻みの値で規定している。演色性の詳細な計算方法についてはＪＩＳ（Ｚ８７２６−１９９０）で規格化されている。

赤色蛍光体と緑・黄色蛍光体の種類・組成を変えて、それぞれの蛍光体の発光スペクトルを用いてシミュレーションを行った。赤色蛍光体としては、上記一般式（１）で表されるＫＳＦ蛍光体、およびＣＡＳＮ蛍光体、ＳＣＡＳＮ蛍光体を用いた。緑・黄色蛍光体は、上記一般式（２）、（３）の蛍光体を含む様々な種類・組成のものを用いた。

図２は、白色効率とＲａとの関係を示すシミュレーション結果を示す図である。図２に点線で示された領域（以下、Ｃ領域）のように、実施の形態のＫＳＦ蛍光体を用いることによって、ＣＡＳＮ蛍光体、ＳＣＡＳＮ蛍光体では実現できない、高い演色性と高い発光効率との両立が実現される。そして、実線で示す領域（以下、Ｂ領域）では、より高い演色性と高い発光効率との両立が実現される。さらに、実線とハッチングで示す領域（以下、Ａ領域）では、さらにより高い演色性と高い発光効率との両立が実現される。

もっとも、実施の形態のＫＳＦ蛍光体を用いても、組み合わせる緑・黄色蛍光体の種類・組成によっては、必ずしも、高い演色性と高い発光効率との両立が実現できないことも図２より明らかである。すなわち、Ｃ領域、Ｂ領域またはＡ領域に入らない場合がある。

図３は、緑・黄色蛍光体のピーク波長および半値幅と発光特性との関係を示す図である。ＫＳＦ蛍光体のシミュレーション結果を、Ａ領域内のサンプル（図中二重丸）、Ｂ領域内であるがＡ領域外のサンプル（図中白丸）、Ｃ領域内であるがＢ領域外のサンプル（図中黒丸）、およびＣ領域外のサンプル（図中×印）に分類し、緑・黄色蛍光体のピーク波長および半値幅のグラフにプロットしている。

図から明らかように、緑・黄色蛍光体が一定の範囲のピーク波長と半値幅を備える場合に、高い発光効率、高い演色性が実現されることがわかる。少なくともＣ領域に入るためには、図３より、緑・黄色蛍光体は、５４５ｎｍ≦λｐ≦５６５ｎｍ、９０ｎｍ≦ＦＷＨＭ≦１２５ｎｍ（点線枠）である。

なお、Ａ領域、Ｂ領域およびＣ領域内のサンプルは、すべて、７０％≦η≦９０％を満たしている。

そして、Ｂ領域の特性を示すためには、９０ｎｍ≦ＦＷＨＭ≦１１０ｎｍ（実線枠）であり、かつ、７５％≦ηであることが望ましい。

さらに、Ａ領域の特性を示すためには、９５ｎｍ≦ＦＷＨＭ≦１１０ｎｍ（実線枠＋ハッチング）であり、かつ、７５％≦ηであることが望ましい。

表１、表２にシミュレーションに使用したサンプルにおける赤色蛍光体と緑・黄色蛍光体の一部の特性を、それぞれ例示する。また、表３には、シミュレーション結果を示す。

なお、表中、サンプル５、６が実施の形態のＫＳＦ蛍光体を用い、かつ、高い演色性と高い発光効率との両立が実現される領域（Ｃ領域）内に入る結果を示したものである。サンプル１〜４が参考の形態のＫＳＦ蛍光体を用いた場合である。また、サンプル７が、参考の形態のＫＳＦ蛍光体を用いたが、Ｃ領域外となる結果を示したものである。そして、サンプル８が、サンプル１のＫＳＦ蛍光体にかえて、赤色蛍光体としてＣＡＳＮ蛍光体を用いた場合である。

図４は、シミュレーションで得られた発光スペクトルを示す図である。図４（ａ）が高い演色性と高い発光効率との両立が実現される領域内のサンプル１、図４（ｂ）が高い演色性と高い発光効率との両立が実現される領域外のサンプル７の場合である。

実施の形態で、高い発光効率が実現可能となるのは、以下のように考えられる。ＣＡＳＮ蛍光体やＳＣＡＳＮ蛍光体のような赤色蛍光体では発光スペクトル幅が広いため、Ｒａが９５より高い白色照明装置を提供することは可能である。もっとも、赤色スペクトルの長波長側成分は視感度曲線と乖離が生じるため損失となってしまう。ＣＡＳＮ蛍光体やＳＣＡＳＮ蛍光体では、赤色領域の発光スペクトルが幅広いため視感度曲線と重なった面積部が小さくなるため、高演色の白色照明装置を得るためには発光効率が低下してしまう。
また、ＣＡＳＮ蛍光体やＳＣＡＳＮ蛍光体の励起スペクトルは発光スペクトルのすそ付近まで広がっている。そのために、青色の励起光を吸収し、発光した緑・黄色蛍光体の発光をＣＡＳＮ蛍光体やＳＣＡＳＮ蛍光体が再度吸収し、発光する、再吸収現象を避けることができず、この再吸収現象によっても白色照明装置の発光効率は低下してしまう。

本実施の赤色蛍光体は、発光スペクトル幅が狭いため、視感度曲線と重なった面積部が大きくできる。このため、損失が少なくできる。そして、実施の形態の緑・黄色蛍光体を組み合わせることにより、高い演色性と高い発光効率との両立が実現される。

なお、実施の形態の白色照明装置は、赤色蛍光体のスペクトル形状が特徴的であり、赤色蛍光体の使用割合が多い、色温度の低い範囲領域で既存の照明装置と発光スペクトル差が顕著である。このため、実施の形態の白色照明装置の色温度は電球色領域が望ましい。

実施の形態の白色照明装置において、赤色蛍光体、緑・黄色蛍光体以外の蛍光体を混合させることも可能である。これらの蛍光体を添加することにより、演色性を更に向上させることも可能である。

もっとも、蛍光体を２種以上とすることで再吸収による発光効率の低下が懸念される。したがって、蛍光体層中の蛍光体は、赤色蛍光体、緑・黄色蛍光体それぞれ１種ずつ、計２種のみであることが望ましい。

図５は、実施の形態の白色照明装置の一例を示す断面図である。

図示する白色照明装置は、樹脂ステム１１０を備える。樹脂ステム１１０は、リード１１２およびリード１１４と、これに一体成形されてなる樹脂部１１６とを有する。樹脂部１１６は、上部開口部が底面部より広い凹部１１８を備えており、この凹部の側面には反射面１２０が設けられる。

凹部１１８の略円形の底面中央部には、発光チップ１２２がＡｇペースト等によりマウントされている。発光チップ１２２は、４３０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の波長領域にピーク波長を備える発光素子である。例えば、ＧａＮ系、ＩｎＧａＮ系等の半導体発光ダイオード等を用いることが可能である。

発光チップ１２２の電極（図示せず）は、Ａｕなどからなるボンディングワイヤ１２４および１２６によって、リード１１２およびリード１１４にそれぞれ接続されている。なお、リード１１２および１１４の配置は、適宜変更することができる。

樹脂部１１６の凹部１１８内には、蛍光体層１２８が配置される。この蛍光体層１２８には、実施の形態の赤色蛍光体と緑・黄色蛍光体の２種を、例えばシリコーン樹脂からなる樹脂中に５ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下の割合で分散することによって形成することができる。蛍光体は、有機材料である樹脂や無機材料であるガラスなど種々のバインダーによって、付着させることができる。

有機材料のバインダーとしては、上述したシリコーン樹脂の他にエポキシ樹脂、アクリル樹脂など耐光性に優れた透明樹脂が適している。無機材料のバインダーとしてはアルカリ土類ホウ酸塩等を使用した低融点ガラス等、粒径の大きな蛍光体を付着させるために超微粒子のシリカ、アルミナ等、沈殿法により得られるアルカリ土類リン酸塩等が適している。これらのバインダーは、単独でも２種以上を組み合わせて用いてもよい。

また、蛍光体層２８に使用される蛍光体には、必要に応じて表面にコーティング処理を施すことができる。この表面コーティングにより、蛍光体が熱、湿度、紫外線等の外的要因から劣化が防止される。さらに、蛍光体の分散性を調整することが可能となり、蛍光体層の設計を容易に行なうことができる。

図６は、実施の形態の白色照明装置の別の一例を示す断面図である。

図示する白色照明装置は、樹脂ステム２１０と、その上にマウントされた半導体発光素子２１２と、この半導体発光素子２１２を覆う蛍光体層２１４とを備える。封止樹脂ステム２１０は、リードフレームから形成されたリード２１６、２１８と、これと一体的に成型されてなる樹脂部２２０とを有する。

リード２１６、２１８は、それぞれの一端が近接対向するように配置されている。リード２１６、２１８の他端は、互いに反対方向に延在し、樹脂部２２０から外部に導出されている。

樹脂部２２０には開口部２２２が設けられ、開口部の底面には、保護用ツェナー・ダイオード２２４が接着剤によってマウントされている。保護用ツェナー・ダイオード２２４の上には、半導体発光素子２１２が実装されている。すなわち、リード２１６の上にダイオード２２４がマウントされている。ダイオード２２４からリード２１８にワイヤ２２６が接続されている。

半導体発光素子２１２は、樹脂部２２０の内壁面に取り囲まれており、この内壁面は光取り出し方向に向けて傾斜し、光を反射する反射面２２８として作用する。開口部２２２内に充填された蛍光体層２１４は、実施の形態の赤色蛍光体と緑・黄色蛍光体を含有している。

半導体発光素子２１２は、保護用ツェナー・ダイオード２２４の上に積層されている。

図７は、実施の形態の白色照明装置のさらに別の一例を示す断面図である。

図示する白色照明装置は、砲弾型の照明装置である。半導体発光素子３１０は、リード３１２にマウント材３１４を介して実装され、蛍光体層３１６で覆われる。ワイヤ３１８により、リード３２０が半導体発光素子３１０に接続され、キャスティング材３２２で封入されている。蛍光体層３１６中には、実施の形態の赤色蛍光体と緑・黄色蛍光体が含有される。

以下、参考例について説明する。

図５に示す構成の白色照明装置を作成した。蛍光体層には、実施の形態のシミュレーションで計算したサンプル１の赤色蛍光体と緑・黄色蛍光体を適用した。得られた結果を図２に星印でプロットしている。シミュレーションと同様、高い演色性と高い発光効率を両立する白色照明装置が実現されることが確認できた。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。実施の形態の説明においては、白色照明装置、蛍光体等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる白色照明装置、蛍光体等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての白色照明装置は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。

１２２ 発光素子
１２８ 蛍光体層

Claims (4)

1. ４３０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の波長領域にピーク波長を有する発光素子と、
   前記発光素子上に形成され、赤色蛍光体と緑・黄色蛍光体とを含む蛍光体層とを備え、
   蛍光体のピーク波長をλｐ、蛍光体から発せられる光のスペクトルの半値幅をＦＷＨＭ、蛍光体から発せられる光のスペクトルの有効波長幅をＥＷＷ、蛍光体の外部量子効率をηとする場合に、
   前記赤色蛍光体が、
   ６２５ｎｍ≦λｐ≦６３５ｎｍ、１５ｎｍ≦ＥＷＷ≦４５ｎｍ、４０％≦η≦７５％の特性を有し、
   前記緑・黄色蛍光体が、
   ５４５ｎｍ≦λｐ≦５６５ｎｍ、９０ｎｍ≦ＦＷＨＭ≦１２５ｎｍ、７０％≦η≦９０％の特性を有し、
   前記赤色蛍光体は、下記一般式（１）で表される組成を備え、前記緑・黄色蛍光体は、下記一般式（２）で表わされる組成を備えることを特徴とする白色照明装置。
   Ａ_ａ（Ｍ_１−ｓ，Ｍｎ_ｓ）Ｆ_ｂ・・・（１）
   （ここで、Ａは、Ｋ（カリウム）及びＣｓ（セシウム）であり、ＭはＳｉ（シリコン）、チタン（Ｔｉ）から選ばれる少なくとも１種の元素であり、ａ、ｂおよびｓは、１．７≦ａ≦２．１、５．３≦ｂ≦６．３、０＜ｓ≦０．０５を満たす数値である。）
   （Ｙ_{１−ｕ−ｖ}，Ｇｄ_ｕ, Ｃｅ_ｖ）_ｃ（Ａｌ_１−ｗ，Ｇａ_ｗ）_５Ｏ_ｄ・・・（２）
   （ここで、ｃ、ｄ、ｕ、ｖおよびｗは、２．８≦ｃ≦３．２、１１．５≦ｄ≦１２．５、０≦ｕ≦０．２、０．０２≦ｖ≦０．１５、０≦ｗ≦０．３を満たす数値であり、且つ、Ｇｄ又はＧａのいずれか一方を含有する。）
2. 前記緑・黄色蛍光体が、９０ｎｍ≦ＦＷＨＭ≦１１０ｎｍ、かつ、７５％≦ηの特性を有することを特徴とする請求項１記載の白色照明装置。
3. 前記赤色蛍光体の内部量子効率η’が６０％以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の白色照明装置。
4. 前記緑色・黄色蛍光体の内部量子効率η’が８５％以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の白色照明装置。
   

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