JP6526603B2 - 発光装置 - Google Patents

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Description

本開示は、発光装置に関する。
発光ダイオード(以下、「LED」とも記載する。)と呼ばれる発光素子を用いる発光装置が注目されている。LEDを用いる白色系の光を発する発光装置には、種々の方式が知られている。
例えば、青色に発光するLEDと黄色発光の蛍光体とを組み合わせた発光装置である。これは、青色LEDの青色光と、その光によって励起された蛍光体の黄色発光とが混色することにより白色光を放出する発光装置である。この発光装置は、混色性も良いことから幅広い分野で使用されている。また例えば、青色LED、緑色LED、赤色LEDを組み合わせた三波長方式の発光装置である。これは、3種のLEDからの光を組み合わせて白色光を放出する発光装置である。この発光装置は、各LEDの発光ピークがシャープなスペクトルなため、液晶表示装置のカラーフィルターとのマッチングが良好で、色再現範囲が広く、また発光効率も高い。
青色光を発する発光素子と黄色に発光する蛍光体とを組み合わせた発光装置では、可視光領域における放射強度が強く発光効率は高いが、青緑色領域及び赤色領域における放射強度が充分に得られない場合があった。そのため照射物の色の見え方(演色性)の指数である平均演色評価指数に更なる改良の余地があった。また3種のLEDを組み合わせた三波長方式の発光装置では、各LEDの発光ピークがシャープなため、混色性が不十分で連続した発光スペクトルを実現し難く、より高い演色性を達成することが困難な場合があった。
上記に関連して、青色に発光するLEDと、黄色から緑色に発光する2種類の蛍光体とを用いる発光装置が開示され、高度な色の再現性が達成できるとされている(例えば、特許文献1、2参照)。
特表2003−535477号公報 特表2003−535478号公報
しかしながら、従来技術の発光装置では、太陽光のような連続したスペクトルを実現すると、演色性は高くなるが発光効率は低くなる傾向があった。つまり、発光効率と演色性はトレードオフの関係にあり、演色性と発光効率の両方を向上させることは困難であった。
本開示の一実施形態は、高い発光効率と高い演色性とを同時に達成可能な発光装置を提供することを目的とする。
前記課題を解決するための具体的手段は以下の通りであり、本開示に係る実施形態は以下の態様を包含する。
発光ピーク波長が430nm以上470nm以下である発光素子と、Ca、Sr及びBaからなる群から選択される少なくとも1種の元素と、Cl、F及びBrからなる群から選択される少なくとも1種の元素と、Mgと、Euとを含む組成を有するシリケートを含む第一蛍光体、LuとCeとを含む組成を有するアルミン酸塩を含む第二蛍光体、並びにSr及びCaの少なくとも一方と、Alと、Euとを含む組成を有するシリコンナイトライドを含み、発光スペクトルの半値幅が86nm以下である第三蛍光体を含む蛍光部材と、を備える発光装置である。
本開示に係る一実施形態によれば、高い発光効率と演色性とを同時に達成可能な発光装置を提供することができる。
本実施形態に係る発光装置の一例を示す概略断面図である。 本実施形態に係る発光装置の別の一例を示す概略断面図である。 実施例1から5に係る発光装置の波長に対する相対発光強度を示す発光スペクトルを例示する図である。 比較例1から3に係る発光装置の波長に対する相対発光強度を示す発光スペクトルを例示する図である。 比較例4及び5に係る発光装置の波長に対する相対発光強度を示す発光スペクトルを例示する図である。 比較例6及び7に係る発光装置の波長に対する相対発光強度を示す発光スペクトルを例示する図である。 実施例6から10に係る発光装置の波長に対する相対発光強度を示す発光スペクトルを例示する図である。 比較例8及び9に係る発光装置の波長に対する相対発光強度を示す発光スペクトルを例示する図である。 実施例11から15に係る発光装置の波長に対する相対発光強度を示す発光スペクトルを例示する図である。 比較例10及び11に係る発光装置の波長に対する相対発光強度を示す発光スペクトルを例示する図である。 実施例16から20に係る発光装置の波長に対する相対発光強度を示す発光スペクトルを例示する図である。 比較例12及び13に係る発光装置の波長に対する相対発光強度を示す発光スペクトルを例示する図である。 実施例21から25に係る発光装置の波長に対する相対発光強度を示す発光スペクトルを例示する図である。 比較例14及び15に係る発光装置の波長に対する相対発光強度を示す発光スペクトルを例示する図である。 実施例26から30に係る発光装置の波長に対する相対発光強度を示す発光スペクトルを例示する図である。
以下、本開示に係る発光装置を、実施の形態に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための、発光装置を例示するものであって、本発明は、発光装置を以下のものに特定しない。
なお、色名と色度座標との関係、光の波長範囲と単色光の色名との関係等は、JIS Z8110に従う。本明細書において組成物中の各成分の含有量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。
蛍光体の平均粒径は、フィッシャー・サブ・シーブ・サイザーズ・ナンバー(Fisher Sub Sieve Sizer's No.)と呼ばれる数値であり、空気透過法を用いて測定される。
[発光装置]
発光装置は、発光ピーク波長が430nm以上470nm以下である発光素子と、Ca、Sr及びBaからなる群から選択される少なくとも1種の元素と、Cl、F及びBrからなる群から選択される少なくとも1種の元素と、Mgと、Euとを含む組成を有するシリケートを含む第一蛍光体、LuとCeとを含む組成を有するアルミン酸塩を含む第二蛍光体、並びにSr及びCaの少なくとも一方と、Alと、Euとを含む組成を有するシリコンナイトライドを含み、発光スペクトルの半値幅が86nm以下である第三蛍光体を含む蛍光部材と、を備える。
発光ピーク波長が430nm以上470nm以下の青紫色から青色に発光する発光素子と、黄色発光の第二蛍光体及び赤色発光の第三蛍光体とに加えて、緑色発光の第一蛍光体を組合せて用いることで、可視光領域における発光強度を維持したまま、発光スペクトルの連続性を向上することができる。これにより高い発光効率と演色性とを同時に達成することが可能となる。
演色性について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1986年に公表しており、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(以下、Raと記載する)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、高い演色性が求められる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。
発光装置は優れた演色性を示す。具体的には、発光装置のRaは例えば80以上であり、90以上が好ましく、95以上がより好ましい。なおRaの上限は100である。また特殊演色評価数はR9からR15の評価数で表わされ、中でもR9は彩度の高い赤色の見え方の指針とされる。食肉などを扱う環境下で使用される照明装置では、R9の評価数に着目されることが多く、評価数が高いほど好ましい。本実施形態の発光装置のR9は例えば、30以上であり、35以上が好ましく、40以上がより好ましく、50以上が更に好ましい。R9の上限は100である。
発光装置が発する光は、発光素子の光と、第一蛍光体、第二蛍光体及び第三蛍光体が発する蛍光との混合色であり、例えば、CIE1931に規定される色度座標が、x=0.00から0.50且つy=0.00から0.50の範囲に含まれる光とすることができ、x=0.33から0.50且つy=0.33から0.45の範囲に含まれる光とすることもできる。
発光装置が発する光の相関色温度は、例えば2500K以上とすることができ、2700K以上とすることもでき、3500K以上とすることもできる。また相関色温度は5000K以下とすることができ、4500K以下とすることもできる。
発光装置の形式は特に制限されず、通常用いられる形式から適宜選択することができる。発光装置の形式としては、ピン貫通型、表面実装型等を挙げることができる。一般にピン貫通型とは、実装基板に設けられたスルーホールに発光装置のリード(ピン)を貫通させて発光装置を固定するものを指す。また表面実装型とは、実装基板の表面において発光装置のリードを固定するものを指す。
本発明の一本実施形態に係る発光装置100を図面に基づいて説明する。図1は、発光装置100を示す概略断面図である。発光装置100は、表面実装型発光装置の一例である。
発光装置100は、可視光の短波長側(例えば、380nm以上485nm以下の範囲)の光を発し、発光ピーク波長が430nm以上470nm以下の範囲内にある窒化ガリウム系化合物半導体の発光素子10と、発光素子10を載置する成形体40と、を有する。成形体40は、第1のリード20及び第2のリード30と、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂を含む樹脂部42とが一体的に成形されてなるものである。あるいは樹脂部42に代えてセラミックスを材料として既に知られた方法を利用して成形体40を形成することもできる。成形体40は底面と側面を持つ凹部を形成しており、凹部の底面に発光素子10が載置されている。発光素子10は一対の正負の電極を有しており、その一対の正負の電極はそれぞれ第1のリード20及び第2のリード30とワイヤ60を介して電気的に接続されている。発光素子10は蛍光部材50により被覆されている。蛍光部材50は例えば、発光素子10からの光を波長変換する蛍光体70として第一蛍光体71、第二蛍光体72及び第三蛍光体73と樹脂とを含有してなる。
蛍光部材50は、成形体40の凹部内に載置された発光素子10を覆うように透光性樹脂やガラスで充填されて形成される。製造の容易性を考慮すると、蛍光部材を構成する材料は、透光性樹脂が好ましい。透光性樹脂は、シリコーン樹脂組成物を使用することが好ましいが、エポキシ樹脂組成物、アクリル樹脂組成物等の絶縁樹脂組成物を用いることもできる。また、蛍光部材50には第一蛍光体71、第二蛍光体72及び第三蛍光体73が含有されているが、さらに適宜、その他の材料を添加することもできる。例えば、光拡散材を含むことで、発光素子からの指向性を緩和させ、視野角を増大させることができる。
蛍光部材50は、第一蛍光体71、第二蛍光体72及び第三蛍光体73を含む波長変換部材としてだけではなく、蛍光体70と発光素子10とを外部環境から保護するための部材としても機能する。図1では、第一蛍光体71、第二蛍光体72及び第三蛍光体73は蛍光部材50中で偏在している。このように発光素子10に接近して第一蛍光体71、第二蛍光体72及び第三蛍光体73を配置することにより、発光素子10からの光を効率よく波長変換することができ、発光効率の優れた発光装置とできる。なお、第一蛍光体71、第二蛍光体72及び第三蛍光体73を含む蛍光部材50と、発光素子10との配置は、それらを接近して配置させる形態に限定されることなく、第一蛍光体71、第二蛍光体72及び第三蛍光体73への熱の影響を考慮して、蛍光部材50中で発光素子10と、第一蛍光体71、第二蛍光体72及び第三蛍光体73との間隔を空けて配置することもできる。また、第一蛍光体71、第二蛍光体72及び第三蛍光体73を蛍光部材50の全体にほぼ均一の割合で混合することによって、色ムラがより抑制された光を得るようにすることもできる。
図1では、蛍光体70である第一蛍光体71、第二蛍光体72及び第三蛍光体73が混合された状態で図示されているが、図2に示すようにそれぞれの蛍光体を配置してもよい。
図2は、本実施形態に係る発光装置の別の一例を示す概略断面図である。図2では、発光素子10に近い方から順に、第三蛍光体73、第二蛍光体72及び第一蛍光体71がこの順に配置されている。これにより、第一蛍光体71及び第二蛍光体72の発光が第三蛍光体73を励起させてしまうことを抑制することができる。また、第一蛍光体71を最も上に配置することにより、第一蛍光体71の発光を発光装置の外へ取り出し易くすることができる。
(発光素子)
発光素子の発光ピーク波長は、430nm以上470nm以下の範囲にあり、発光効率の観点から、445nm以上455nm以下の範囲にあることが好ましい。この範囲に発光ピーク波長を有する発光素子を励起光源として用いることにより、発光素子からの光と蛍光体からの蛍光との混色光を発する発光装置を構成することが可能となる。さらに、発光素子から外部に放射される光を有効に利用することができるため、発光装置から出射される光の損失を少なくすることができ、高効率な発光装置を得ることができる。
発光素子の発光スペクトルの半値幅は例えば、30nm以下とすることができる。
発光素子にはLEDなどの半導体発光素子を用いることが好ましい。光源として半導体発光素子を用いることによって、高効率で入力に対する出力のリニアリティが高く、機械的衝撃にも強い安定した発光装置を得ることができる。
半導体発光素子としては、例えば、窒化物系半導体(InAlGa1−X−YN、ここでX及びYは、0≦X、0≦Y、X+Y≦1を満たす)を用いた青色、緑色等に発光する半導体発光素子を用いることができる。
(蛍光体)
発光装置を構成する蛍光部材は、発光素子から発せられる光を吸収し、緑色に発光する第一蛍光体の少なくとも1種と、黄色に発光する第二蛍光体の少なくとも1種と、赤色に発光する第三蛍光体の少なくとも1種とを含む。第一蛍光体、第二蛍光体及び第三蛍光体はそれぞれ特定の組成を有している。第一蛍光体、第二蛍光体及び第三蛍光体の構成比率を適宜選択することで発光装置の発光効率、演色性等の特性を所望の範囲とすることができる。
第一蛍光体
第一蛍光体は、Ca、Sr及びBaからなる群から選択される少なくとも1種の元素と、Cl、F及びBrからなる群から選択される少なくとも1種の元素と、Mgと、Euとを含む組成を有するシリケートを含む。第一蛍光体は、下記式(I)で表される組成を有することが好ましい。
(Ca,Sr,Ba)MgSi16(F,Cl,Br):Eu (I)
第一蛍光体はCa、Sr及びBaからなる群から選択される少なくとも1種を含むが、少なくともCaを含むことが好ましく、Ca、Sr及びBaのうちのCa含有率が90モル%以上であることがより好ましい。
第一蛍光体はF、Cl及びBrからなる群から選択される少なくとも1種を含むが、少なくともClを含むことがより好ましく、F、Cl及びBrのうちのCl含有率が90モル%以上であることがさらに好ましい。
第一蛍光体の極大励起波長は、220nm以上500nm以下が好ましく、300nm以上470nm以下がより好ましい。第一蛍光体の発光ピーク波長は、490nm以上590nm以下が好ましく、500nm以上540nm以下がより好ましい。第一蛍光体の発光スペクトルの半値幅は、例えば85nm以上115nm以下であり、95nm以上105nm以下が好ましい。
第一蛍光体の平均粒径は、例えば5μm以上20μm以下であり、10μm以上15μm以下が好ましい。
発光装置は第一蛍光体を1種単独でも、2種以上を組合せて含んでいてもよい。
発光装置に含まれる蛍光体の総量中の第一蛍光体の含有率は、発光効率及び演色性の観点から、例えば1質量%以上であり、1.5質量%以上であり、3質量%以上である。また第一蛍光体の含有率は、発光効率及び演色性の観点から、20質量%以下であり、15質量%以下であり、8質量%以下である。
第二蛍光体
第二蛍光体は、LuとCeとを含む組成を有するアルミン酸塩を含む。第二蛍光体は下記式(II)で表される組成を有することが好ましい。
LuAl12:Ce (II)
第二蛍光体の極大励起波長は、220nm以上490nm以下が好ましく、430nm以上470nm以下がより好ましい。第二蛍光体の発光ピーク波長は、480nm以上630nm以下が好ましく、500nm以上560nm以下がより好ましい。第二蛍光体の発光スペクトルの半値幅は、例えば53nm以上73nm以下であり、58nm以上68nm以下が好ましい。
第二蛍光体の平均粒径は、例えば5μm以上30μm以下であり、20μm以上25μm以下が好ましい。
発光装置は第二蛍光体を1種単独でも、2種以上を組合せて含んでいてもよい。
発光装置に含まれる蛍光体の総量中の第二蛍光体の含有率は、発光効率及び演色性の観点から、例えば70質量%以上であり、75質量%以上であり、80質量%以上である。また第二蛍光体の含有率は、発光効率及び演色性の観点から、95質量%以下であり、93質量%以下であり、90質量%以下である。
第三蛍光体
第三蛍光体は、Sr及びCaの少なくとも一方と、Alと、Euとを含む組成を有するシリコンナイトライドを含む。第三蛍光体は、下記式(III)で表される組成を有することが好ましい。
(Sr,Ca)AlSiN:Eu (III)
第三蛍光体はSr及びCaからなる群から選択される少なくとも1種を含むが、SrとCaの両方を含むことが好ましく、Sr及びCaのうちのSr含有率が0.8モル%以上であることがより好ましい。
第三蛍光体の極大励起波長は、220nm以上570nm以下が好ましく、400nm以上490nm以下がより好ましい。第三蛍光体の発光ピーク波長は、550nm以上700nm以下が好ましく、610nm以上650nm以下がより好ましい。第三蛍光体の発光スペクトルの半値幅は、例えば76nm以上86nm以下であり、78nm以上84nm以下が好ましく、80nm以上82nm以下がより好ましい。
第三蛍光体の平均粒径は、例えば5μm以上15μm以下であり、8μm以上12μm以下が好ましい。
発光装置は第三蛍光体を1種単独でも、2種以上を組合せて含んでいてもよい。
発光装置に含まれる蛍光体の総量中の第三蛍光体の含有率は、発光効率及び演色性の観点から、例えば3.5質量%以上であり、4質量%以上であり、4.5質量%以上である。また第三蛍光体の含有率は、発光効率及び演色性の観点から、10質量%以下であり、9質量%以下であり、8質量%以下である。
発光装置に含まれる蛍光体において、第一蛍光体の第二蛍光体に対する含有比(第一蛍光体/第二蛍光体)は、例えば発光効率及び演色性の観点から、第二蛍光体の含有量を100とする場合に、1.5以上9以下であり、3以上9以下であり、5以上9以下である。
また第一蛍光体の第三蛍光体に対する含有比(第一蛍光体/第三蛍光体)は、例えば発光効率及び演色性の観点から、第三蛍光体の含有量を100とする場合に、25以上120以下であり、30以上110以下であり、40以上100以下である。
発光装置は、幅広い範囲の相関色温度の光を発することができ、以下の態様のいずれかの少なくとも1つを満たすことが好ましい。
相関色温度が2600K以上3250K未満の場合:
(1a)蛍光体の総量中の第一蛍光体の含有率は、3質量%以上15質量%以下が好ましく、5質量%以上7.5質量%であることがより好ましい。
(1b)蛍光体の総量中の第三蛍光体の含有率は、6質量%以上10質量%以下が好ましく、7質量%以上8質量%以下であることがより好ましい。
(1c)第一蛍光体の第二蛍光体に対する含有比は、第二蛍光体の含有量を100とする場合に、3以上20以下が好ましく、5以上10以下がより好ましい。
(1d)第一蛍光体の第三蛍光体に対する含有比は、第三蛍光体の含有量を100とする場合に、40以上160以下が好ましく、70以上100以下がより好ましい。
相関色温度が3250K以上3750K未満の場合:
(2a)蛍光体の総量中の第一蛍光体の含有率は、1.5質量%以上10質量%以下が好ましく、3質量%以上7.5質量であることがより好ましい。
(2b)蛍光体の総量中の第三蛍光体の含有率は、5質量%以上8質量%以下が好ましく、5.5質量%以上7質量であることがより好ましい。
(2c)第一蛍光体の第二蛍光体に対する含有比は、第二蛍光体の含有量を100とする場合に、1以上15以下が好ましく、3以上9以下がより好ましい。
(2d)第一蛍光体の第三蛍光体に対する含有比は、第三蛍光体の含有量を100とする場合に、25以上130以下が好ましく、50以上100以下がより好ましい。
相関色温度が3750K以上4250K未満の場合:
(3a)蛍光体の総量中の第一蛍光体の含有率は、1.5質量%以上10質量%以下が好ましく、3質量%以上5質量%以下であることがより好ましい。
(3b)蛍光体の総量中の第三蛍光体の含有率は、4質量%以上8質量%以下が好ましく、5質量%以上6質量%以下であることがより好ましい。
(3c)第一蛍光体の第二蛍光体に対する含有比は、第二蛍光体の含有量を100とする場合に、1以上13以下が好ましく、3以上6以下がより好ましい。
(3d)第一蛍光体の第三蛍光体に対する含有比は、第三蛍光体の含有量を100とする場合に、30以上150以下が好ましく、50以上100以下がより好ましい。
相関色温度が4250K以上5250K未満の場合:
(4a)蛍光体の総量中の第一蛍光体の含有率は、1.5質量%以上10質量%以下が好ましく、1.5質量%以上3質量であることがより好ましい。
(4b)蛍光体の総量中の第三蛍光体の含有率は、3質量%以上7質量%以下が好ましく、3.5質量%以上4.5質量%以下であることがより好ましい。
(4c)第一蛍光体の第二蛍光体に対する含有比は、第二蛍光体の含有量を100とする場合に、1以上15以下が好ましく、1.5以上3.5以下がより好ましい。
(4d)第一蛍光体の第三蛍光体に対する含有比は、第三蛍光体の含有量を100とする場合に、30以上160以下が好ましく、35以上70以下がより好ましい。
その他の蛍光体
発光装置は、第一蛍光体、第二蛍光体及び第三蛍光体以外のその他の蛍光体を必要に応じて含んでいてもよい。その他の蛍光体としては、(Y,Gd,Tb,Lu)(Al,Ga)12:Ce、CaScSi12:Ce、CaSc:Ce、(La,Y)Si11:Ce、(Ca,Sr,Ba)Si:Eu、(Ca,Sr,Ba)Si12:Eu、(Ba,Sr,Ca)Si:Eu、(Sr,Ca)AlSiN:Eu、(Ca,Sr,Ba)Si:Eu、(Ca,Sr,Ba)S:Eu、(Ba,Sr,Ca)Ga:Eu、K(Si,Ti,Ge)F:Mn等を挙げることができる。発光装置がその他の蛍光体を含む場合、その含有量は、例えば、蛍光体の総量中に10質量%以下である。
蛍光体の製造方法は、公知の手段から適宜選択して採用することができる。例えば、以下のようにして製造することができる。蛍光体の組成に含有される元素の単体や酸化物、炭酸塩、窒化物、塩化物、フッ化物、硫化物などを原料とし、これらの各原料を所定の組成比となるように秤量する。また、原料にさらにフラックスなどの添加材料を適宜加え、混合機を用いて湿式又は乾式で混合する。これにより、固相反応を促進させて均一な大きさの粒子を形成することが可能となる。また、混合機は工業的に通常用いられているボールミルの他、振動ミル、ロールミル、ジェットミルなどの粉砕機を用いてもよい。粉砕機を用いて粉砕することで比表面積を大きくすることもできる。また、粉末の比表面積を一定範囲とするために、工業的に通常用いられている沈降槽、ハイドロサイクロン、遠心分離器などの湿式分離機、サイクロン、エアセパレータなどの乾式分級機を用いて分級することもできる。上記の混合した原料をSiC、石英、アルミナ、BN等の坩堝に詰め、アルゴン、窒素などの不活性雰囲気、水素を含む還元雰囲気にて焼成を行う。焼成は所定の温度及び時間で行う。焼成されたものを粉砕、分散、濾過等して目的の蛍光体粉末を得る。固液分離は濾過、吸引濾過、加圧濾過、遠心分離、デカンテーションなどの工業的に通常用いられる方法により行うことができる。乾燥は、真空乾燥機、熱風加熱乾燥機、コニカルドライヤー、ロータリーエバポレーターなどの工業的に通常用いられる装置により行うことができる。
蛍光部材
発光装置は、例えば、蛍光体及び樹脂を含み、発光素子を被覆する蛍光部材を備える。蛍光部材を構成する樹脂としては、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂が挙げられる。熱硬化性樹脂として、具体的には、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂等の変性シリコーン樹脂などを挙げることができる。
蛍光部材は、蛍光体及び樹脂に加えてその他の成分を必要に応じて含んでいてもよい。その他の成分としては、シリカ、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム等のフィラー、光安定化剤、着色剤等を挙げることができる。蛍光部材がその他の成分を含む場合、その含有量は特に制限されず、目的等に応じて適宜選択することができる。例えば、その他の成分として、フィラーを含む場合、その含有量は樹脂100質量部に対して、0.01から20質量部とすることができる。
以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(蛍光体)
発光装置の製造に先立ち、実施例及び比較例用の蛍光体として以下に示す蛍光体をそれぞれ準備した。
第一蛍光体として、下記式(Ia)で表される組成を有し、発光ピーク波長を521nm付近に有する緑色発光のクロロシリケートを準備した。
CaMgSi16Cl:Eu (Ia)
第二蛍光体として、式(II)で表される組成を有し、発光ピーク波長を520nm付近に有する希土類アルミニウムガーネット蛍光体(以下、「LAG」ともいう。)を準備した。
第三蛍光体として、式(III)で表される組成を有し、発光ピーク波長を630nm付近に有し、半値幅が81nmである赤色発光の窒化物蛍光体(以下、「SCASN2」ともいう。)を準備した。
その他の蛍光体として、下記式(IV)で表される組成を有し、発光ピーク波長を530nm付近に有する黄色発光の希土類アルミニウムガーネット蛍光体(以下、YAGともいう。)、式(III)で表される組成を有し、発光ピーク波長を630nm付近に有し、半値幅が92nmである赤色発光の窒化物蛍光体(以下、「SCASN1」ともいう。)を準備した。
(Al,Ga)12:Ce (IV)
なお、各蛍光体の発光ピーク波長、半値幅等は蛍光体の製造条件、組成変更等により調整することが可能である。
発光素子としては、発光ピーク波長が445nm、449nm又は455nmである窒化ガリウム系の半導体発光素子を準備した。
(実施例1)
発光装置の作製
発光波長449nmの青色発光LED(発光素子)に、第一蛍光体であるクロロシリケート、第二蛍光体であるLAG及び第三蛍光体であるSCASN2を組合せて、発光装置を作製した。
クロロシリケートの含有率が蛍光体総量中に1.5質量%となり、相関色温度が4000K付近になるように配合した蛍光体をシリコーン樹脂に添加し、混合分散した後、更に脱泡することにより蛍光体含有樹脂組成物を得た。次にこの蛍光体含有樹脂組成物を発光素子の上に注入、充填し、さらに加熱することで樹脂組成物を硬化させた。このような工程により発光装置を作製した。
(実施例2から5)
各蛍光体の含有率が以下の表1に示す値となるように蛍光体の量を変更したこと以外は実施例1と同様にして発光装置を作製した。
実施例1から5により得られた発光装置について、発光色の色度座標、相関色温度(Tcp;K)、平均演色評価数(Ra)、特殊演色評価数(R9)及び発光効率(lm/W)を測定した。
発光装置の発光効率は、積分式全光束測定装置を用いて測定し、発光スペクトルは、日立ハイテクノロジーズ製の分光蛍光光度計F−4500を用いて測定した。なお、以下に述べる他の実施例および比較例についても同様に測定した。
その結果を、以下の表1に示す。なお、発光効率については、比較例1における発光効率(lm/W)を100とした場合の相対発光効率として示す。また、表1に示す「蛍光体含有比」は、第二蛍光体又は第三蛍光体の含有量を100とした場合の第一蛍光体の含有量である。
表1より、実施例1から5は比較例3に対して発光効率低下を極力抑え、高効率を維持したままRa及びR9を向上させることで演色性を改善し、高効率と高演色を同時に達成することができた。
表1からもわかるように、第一蛍光体であるクロロシリケートを添加する量に準じて、該発光装置の発光特性はリニアに変化するため所望の発光特性を得ることが容易である。ここでは、相関色温度4000Kにおいて、高演色(Ra≧90)を達成し得るクロロシリケート(第一蛍光体)量は、総蛍光体量に対して、1.5から10.0質量%であり、第二蛍光体量を100とする場合の第二蛍光体に対する第一蛍光体の含有比(相対クロロシリケート)は1.6から10.8のときである。また、クロロシリケート量が総蛍光体量に対して1.5から5.0質量%、相対クロロシリケートが1.6から5.6のとき高効率(相対発光効率≧95)も同時に満たすことができる。
図3は、実施例1から5に係る発光装置の発光スペクトルをそれぞれ規格化して比較した図である。図3の発光スペクトルは、波長に対する相対発光強度を示す。
(比較例1)
蛍光体として、第一蛍光体を用いずに、YAGとSCASN1とを組合せて用いたこと以外は実施例1と同様にして発光装置を作製した。
(比較例2)
蛍光体として、第一蛍光体を用いずに、YAGとSCASN2とを組合せて用いたこと以外は実施例1と同様にして発光装置を作製した。
(比較例3)
蛍光体として、第一蛍光体を用いずに、LAGとSCASN2とを組合せて用いたこと以外は実施例1と同様にして発光装置を作製した。
比較例1から3により得られた発光装置について、発光色の色度座標、相関色温度(Tcp;K)、平均演色評価数(Ra)、特殊演色評価数(R9)及び発光効率(lm/W)を測定した。なお、発光効率については、比較例1における発光効率(lm/W)を100とした場合の相対発光効率として示す。
表2より、比較例1のRaは80前後、R9は20前後である。比較例2はSCASN2を用いることで比較例1に対してRaを同等以上に維持しつつ発光効率が比較例1よりも高い。ただし、SCASN2はSCASN1に比べて半値幅が小さく視感度の低い長波成分を少なくしているため、発光効率は向上するが赤色の見え方の指針とされるR9は低下している。なお、このSCASN2を用いることでの効果は、以下で説明する種々の相関色温度を有する各発光装置で確認されている。比較例3は比較例2に対してYAGよりも短波に発光ピーク波長を有するLAGを用いることで、スペクトルの幅が広がり、比較例1及び2よりも演色性が高い。しかしながら発光効率と演色性はトレードオフの関係にあり、比較例2と比較すると発光効率は低下する。ここで、本実施例での高効率の基準を、例えば比較例1に対する相対発光効率として95以上とするならば、比較例2及び3は高効率であると言えるが、上述した高演色の基準をRa≧90としたとき、高演色であると言うことができない。すなわち、高演色かつ高効率であるとは言えない。
図4は、比較例1から3に係る発光装置の発光スペクトルをそれぞれ規格化して比較した図である。図4の発光スペクトルは、波長に対する相対発光強度を示す。
(比較例4)
蛍光体として、第一蛍光体を用いずに、LAGとSCASN2とを組合せて用いたことと、発光素子を発光ピーク波長が445nmであるものに代えたこと以外は実施例1と同様にして発光装置を作製した。
(比較例5)
蛍光体として、第一蛍光体を用いずに、LAGとSCASN2とを組合せて用いたことと、発光素子を発光ピーク波長が455nmであるものに代えたこと以外は実施例1と同様にして発光装置を作製した。
比較例4及び5により得られた発光装置について、発光色の色度座標、相関色温度(Tcp;K)、平均演色評価数(Ra)、特殊演色評価数(R9)及び発光効率(lm/W)を測定した。なお、発光効率については、比較例1における発光効率(lm/W)を100とした場合の相対発光効率として示す。
表3より、発光装置の特性は発光素子の発光ピーク波長の影響を大きく受けることが分かる。比較例4は、比較例5よりも発光効率が高く、Ra及びR9などの演色性が低い。すなわち、発光素子の発光ピーク波長が短波になるほど発光効率が向上し、長波になるほど演色性が向上する傾向が確認されている。このことと、発光効率と演色性はトレードオフの関係にあることから、発光素子の発光ピーク波長が445nm以上455nm以下の範囲で、高演色かつ高効率の発光装置とすることができると考えられる。
図5は、比較例4及び5に係る発光装置の発光スペクトルをそれぞれ規格化して比較した図である。図5の発光スペクトルは、波長に対する相対発光強度を示す。
(比較例6)
蛍光体として、第一蛍光体を用いずに、YAGとSCASN1とを組合せて用いたことと、相関色温度を5000Kに合わせたこと以外は実施例1と同様にして発光装置を作製した。
(比較例7)
蛍光体として、第一蛍光体を用いずに、LAGとSCASN2とを組合せて用いたことと、相関色温度を5000Kに合わせたこと以外は実施例1と同様にして発光装置を作製した。
比較例6及び7により得られた発光装置について、発光色の色度座標、相関色温度(Tcp;K)、平均演色評価数(Ra)、特殊演色評価数(R9)及び発光効率(lm/W)を測定した。なお、発光効率については、比較例1における発光効率(lm/W)を100とした場合の相対発光効率として示す。
表4より、比較例6及び7は、比較例1及び3と同様の傾向を示した。
図6は、比較例6及び7に係る発光装置の発光スペクトルをそれぞれ規格化して比較した図である。図6の発光スペクトルは、波長に対する相対発光強度を示す。
(実施例6から10)
各蛍光体の含有率が以下の表5に示す値になるように蛍光体の量を変更して、相関色温度を5000Kに合わせたこと以外は実施例1と同様にして発光装置を作製した。
実施例6から10により得られた発光装置について、発光色の色度座標、相関色温度(Tcp;K)、平均演色評価数(Ra)、特殊演色評価数(R9)及び発光効率(lm/W)を測定した。その結果を、以下の表5に示す。なお、発光効率については、比較例1における発光効率(lm/W)を100とした場合の相対発光効率として示す。また、表5に示す「蛍光体含有比」は、第二蛍光体又は第三蛍光体の含有量を100とした場合の第一蛍光体の含有量である。
表5より、実施例6から10は比較例7に対して発光効率低下を極力抑え、高効率を維持したままRa及びR9を向上させることで演色性を改善し、高効率と高演色を同時に達成することができた。ここでは、相関色温度5000Kにおいて、高演色(Ra≧90)を達成し得るクロロシリケート(第一蛍光体)量は総蛍光体量に対して、1.5から10.0質量%であり、第二蛍光体量を100とする場合の第二蛍光体に対する第一蛍光体の含有比(相対クロロシリケート)は1.6から12.0のときである。また、クロロシリケート量が総蛍光体量に対して1.5から3.0質量%であり、相対クロロシリケートが1.6から3.2のときであると高効率(相対発光効率≧95)も同時に満たすことができる。
図7は、実施例6から10に係る発光装置の発光スペクトルをそれぞれ規格化して比較した図である。図7の発光スペクトルは、波長に対する相対発光強度を示す。
(比較例8)
蛍光体として、第一蛍光体を用いずに、YAGとSCASN1とを組合せて用いたことと、相関色温度を4500Kに合わせたこと以外は実施例1と同様にして発光装置を作製した。
(比較例9)
蛍光体として、第一蛍光体を用いずに、LAGとSCASN2とを組合せて用いたことと、相関色温度を4500Kに合わせたこと以外は実施例1と同様にして発光装置を作製した。
比較例8及び9により得られた発光装置について、発光色の色度座標、相関色温度(Tcp;K)、平均演色評価数(Ra)、特殊演色評価数(R9)及び発光効率(lm/W)を測定した。なお、発光効率については、比較例1における発光効率(lm/W)を100とした場合の相対発光効率として示す。
表6より、比較例8及び9は、比較例1及び3と同様の傾向を示した。
図8は、比較例8及び9に係る発光装置の発光スペクトルをそれぞれ規格化して比較した図である。図8の発光スペクトルは、波長に対する相対発光強度を示す。
(実施例11から15)
各蛍光体の含有率が以下の表7に示す値になるように蛍光体の量を変更して、相関色温度を4500Kに合わせたこと以外は実施例1と同様にして発光装置を作製した。
実施例11から15により得られた発光装置について、発光色の色度座標、相関色温度(Tcp;K)、平均演色評価数(Ra)、特殊演色評価数(R9)及び発光効率(lm/W)を測定した。その結果を、以下の表7に示す。なお、発光効率については、比較例1における発光効率(lm/W)を100とした場合の相対発光効率として示す。また、表7に示す「蛍光体含有比」は、第二蛍光体又は第三蛍光体の含有量を100とした場合の第一蛍光体の含有量である。
表7より、実施例11から15は比較例9に対して発光効率低下を極力抑え、高効率を維持したままRa及びR9を向上させることで演色性を改善し、高効率と高演色を同時に達成することができた。ここでは、相関色温度4500Kにおいて、高演色(Ra≧90)を達成し得るクロロシリケート(第一蛍光体量)量は総蛍光体量に対して1.5から10.0質量%、第二蛍光体量を100とする場合の第二蛍光体に対する第一蛍光体の含有比(相対クロロシリケート)は1.6から12.0のときである。また、クロロシリケート量が総蛍光体量に対して1.5から3.0質量%、相対クロロシリケート1.6から3.2のときであると高効率(相対発光効率≧95)も同時に満たすことができる。
図9は、実施例11から15に係る発光装置の発光スペクトルをそれぞれ規格化して比較した図である。図9の発光スペクトルは、波長に対する相対発光強度を示す。
(比較例10)
蛍光体として、第一蛍光体を用いずに、YAGとSCASN1とを組合せて用いたことと、相関色温度を3500Kに合わせたこと以外は実施例1と同様にして発光装置を作製した。
(比較例11)
蛍光体として、第一蛍光体を用いずに、LAGとSCASN2とを組合せて用いたことと、相関色温度を3500Kに合わせたこと以外は実施例1と同様にして発光装置を作製した。
比較例10及び11により得られた発光装置について、発光色の色度座標、相関色温度(Tcp;K)、平均演色評価数(Ra)、特殊演色評価数(R9)及び発光効率(lm/W)を測定した。なお、発光効率については、比較例1における発光効率(lm/W)を100とした場合の相対発光効率として示す。
表8より、比較例10及び11は、比較例1及び3について上述したように、比較例1及び3と同様の傾向を示した。
図10は、比較例10及び11に係る発光装置の発光スペクトルをそれぞれ規格化して比較した図である。図10の発光スペクトルは、波長に対する相対発光強度を示す。
(実施例16から20)
各蛍光体の含有率が以下の表9に示す値になるように蛍光体の量を変更したことと、相関色温度を3500Kに合わせたこと以外は実施例1と同様にして発光装置を作製した。
実施例16から20により得られた発光装置について、発光色の色度座標、相関色温度(Tcp;K)、平均演色評価数(Ra)、特殊演色評価数(R9)及び発光効率(lm/W)を測定した。その結果を、以下の表9に示す。なお、発光効率については、比較例1における発光効率(lm/W)を100とした場合の相対発光効率として示す。また、表9に示す「蛍光体含有比」は、第二蛍光体又は第三蛍光体の含有量を100とした場合の第一蛍光体の含有量である。
表9より、実施例16から20は比較例11に対して発光効率低下を極力抑え、高効率を維持したままRa及びR9を向上させることで演色性を改善し、高効率と高演色を同時に達成することができた。ここでは、相関色温度3500Kにおいて、高演色(Ra≧90)を達成し得るクロロシリケート(第一蛍光体)量は総蛍光体量に対して1.5から10.0質量%、第二蛍光体量を100とする場合の第二蛍光体に対する第一蛍光体の含有比(相対クロロシリケート)は1.6から12.2のときである。また、クロロシリケート量が総蛍光体量に対して1.5から7.5質量%、相対クロロシリケート1.6から8.8のときであると高効率(相対発光効率≧95)も同時に満たすことができる。
図11は、実施例16から20に係る発光装置の発光スペクトルをそれぞれ規格化して比較した図である。図11の発光スペクトルは、波長に対する相対発光強度を示す。
(比較例12)
蛍光体として、第一蛍光体を用いずに、YAGとSCASN1とを組合せて用いたことと、相関色温度を3000Kに合わせたこと以外は実施例1と同様にして発光装置を作製した。
(比較例13)
蛍光体として、第一蛍光体を用いずに、LAGとSCASN2とを組合せて用いたことと、相関色温度を3000Kに合わせたこと以外は実施例1と同様にして発光装置を作製した。
比較例12及び13により得られた発光装置について、発光色の色度座標、相関色温度(Tcp;K)、平均演色評価数(Ra)、特殊演色評価数(R9)及び発光効率(lm/W)を測定した。なお、発光効率については、比較例1における発光効率(lm/W)を100とした場合の相対発光効率として示す。
表10より、比較例12及び13は、比較例1及び3と同様の傾向を示した。
図12は、比較例12及び13に係る発光装置の発光スペクトルをそれぞれ規格化して比較した図である。図12の発光スペクトルは、波長に対する相対発光強度を示す。
(実施例21から25)
各蛍光体の含有率が以下の表11に示す値になるように蛍光体の量を変更して、相関色温度を3000Kに合わせたこと以外は実施例1と同様にして発光装置を作製した。
実施例21から25により得られた発光装置について、発光色の色度座標、相関色温度(Tcp;K)、平均演色評価数(Ra)、特殊演色評価数(R9)及び発光効率(lm/W)を測定した。その結果を、以下の表11に示す。なお、発光効率については、比較例1における発光効率(lm/W)を100とした場合の相対発光効率として示す。また、表11に示す「蛍光体含有比」は、第二蛍光体又は第三蛍光体の含有量を100とした場合の第一蛍光体の含有量である。
表11より、実施例21から25は比較例13に対して発光効率低下を極力抑え、高効率を維持したままRa及びR9を向上させることで演色性を改善し、高効率と高演色を同時に達成することができた。ここでは、相関色温度3000Kにおいて、高演色(Ra≧90)を達成し得るクロロシリケート(第一蛍光体)量は総蛍光体量に対して3.0から15.0質量%、第二蛍光体量を100とする場合の第二蛍光体に対する第一蛍光体の含有比(相対クロロシリケート)は3.3から19.9のときである。また、クロロシリケート量が総蛍光体量に対して3.0から7.5質量%、相対クロロシリケート3.3から8.8のときであると高効率(相対発光効率≧95)も同時に満たすことができる。
図13は、実施例21から25に係る発光装置の発光スペクトルをそれぞれ規格化して比較した図である。図13の発光スペクトルは、波長に対する相対発光強度を示す。
(比較例14)
蛍光体として、第一蛍光体を用いずに、YAGとSCASN1とを組合せて用いたことと、相関色温度を2700Kに合わせたこと以外は実施例1と同様にして発光装置を作製した。
(比較例15)
蛍光体として、第一蛍光体を用いずに、LAGとSCASN2とを組合せて用いたことと、相関色温度を2700Kに合わせたこと以外は実施例1と同様にして発光装置を作製した。
比較例14及び15により得られた発光装置について、発光色の色度座標、相関色温度(Tcp;K)、平均演色評価数(Ra)、特殊演色評価数(R9)及び発光効率(lm/W)を測定した。なお、発光効率については、比較例1における発光効率(lm/W)を100とした場合の相対発光効率として示す。
表12より、比較例14及び15は、比較例1及び3と同様の傾向を示した。
図14は、比較例14及び15に係る発光装置の発光スペクトルをそれぞれ規格化して比較した図である。図14の発光スペクトルは、波長に対する相対発光強度を示す。
(実施例26から30)
各蛍光体の含有率が以下の表13に示す値になるように蛍光体の量を変更して、相関色温度を2700Kに合わせたこと以外は実施例1と同様にして発光装置を作製した。
実施例26から30により得られた発光装置について、発光色の色度座標、相関色温度(Tcp)、平均演色評価数(Ra)、特殊演色評価数(R9)及び発光効率(lm/W)を測定した。その結果を、以下の表13に示す。なお、発光効率については、比較例1における発光効率(lm/W)を100とした場合の相対発光効率として示す。また、表13に示す「蛍光体含有比」は、第二蛍光体又は第三蛍光体の含有量を100とした場合の第一蛍光体の含有量である。
表13より、実施例26から30は比較例15に対して発光効率低下を極力抑え、高効率を維持したままRa及びR9を向上させることで演色性を改善し、高効率と高演色を同時に達成することができた。ここでは、相関色温度2700Kにおいて、高演色(Ra≧90)を達成し得るクロロシリケート(第一蛍光体)量は総蛍光体量に対して3.0から15.0質量%、第二蛍光体量を100とする場合の第二蛍光体に対する第一蛍光体の含有比(相対クロロシリケート)は3.3から19.9のときである。また、クロロシリケート量が総蛍光体量に対して3.0から7.5質量%、相対クロロシリケート3.3から8.8のときであると高効率(相対発光効率≧95)も同時に満たすことができる。
図15は、実施例26から30に係る発光装置の発光スペクトルをそれぞれ規格化して比較した図である。図15の発光スペクトルは、波長に対する相対発光強度を示す。
本開示の発光装置は、青色発光ダイオード又は紫外線発光ダイオードを励起光源とする発光特性に優れた照明器具、LEDディスプレイ、カメラのフラッシュライト、液晶バックライト光源などに利用することができる。特に、演色性が求められる照明装置や光源に好適に利用することができる。
10:発光素子、50:蛍光部材、71:第一蛍光体、72:第二蛍光体、73:第三蛍光体、100:発光装置

Claims (5)

  1. 発光ピーク波長が445nm以上455nm以下の波長範囲内にある発光素子と、
    CaMgSi16Cl:Euで表される組成を有し、極大励起波長が300nm以上470nm以下であり、発光ピーク波長が500nm以上540nm以下である第一蛍光体、LuAl12:Ceで表される組成を有し、極大励起波長が430nm以上470nm以下であり、発光ピーク波長が500nm以上560nm以下である第二蛍光体、並びに(Sr,Ca)AlSiN:Euで表される組成を有し、極大励起波長が400nm以上490nm以下であり、発光ピーク波長が610nm以上650nm以下であり、半値幅が76nm以上86nm以下である第三蛍光体を含む蛍光部材と、を備え、
    前記蛍光部材は、
    相関色温度が2600K以上3250K未満の場合、蛍光体の総量中の、前記第一蛍光体の含有率が10質量%以上15質量%以下であり、前記第三蛍光体の含有率が8.3質量%以上10質量%以下であり、前記第一蛍光体の前記第二蛍光体に対する含有比が、前記第二蛍光体の含有量を100とする場合に、12.2以上20以下であり、
    相関色温度が3250K以上3750K未満の場合、蛍光体の総量中の、前記第一蛍光体の含有率が質量%以上7.5質量%以下であり、前記第三蛍光体の含有率が5質量%以上8質量%以下であり、前記第一蛍光体の前記第二蛍光体に対する含有比が、前記第二蛍光体の含有量を100とする場合に、以上以下であり、
    相関色温度が3750K以上4250K未満の場合、蛍光体の総量中の、前記第一蛍光体の含有率が質量%以上質量%以下であり、前記第三蛍光体の含有率が質量%以上質量%以下であり、前記第一蛍光体の前記第二蛍光体に対する含有比が、前記第二蛍光体の含有量を100とする場合に、以上以下であり、
    相関色温度が4250K以上5250K未満の場合、蛍光体の総量中の、前記第一蛍光体の含有率が質量%以上質量%以下であり、前記第三蛍光体の含有率が3質量%以上7質量%以下であり、前記第一蛍光体の前記第二蛍光体に対する含有比が、前記第二蛍光体の含有量を100とする場合に、1以上15以下である発光装置。
  2. 前記蛍光部材は
    関色温度が4250K以上5250K未満の場合、蛍光体の総量中の、前記第三蛍光体の含有率が4.6質量%以上5.3質量%以下であり、前記第一蛍光体の前記第二蛍光体に対する含有比が、前記第二蛍光体の含有量を100とする場合に、3.2以上5.6以下である請求項1に記載の発光装置。
  3. 前記蛍光部材は、
    相関色温度が2600K以上3250K未満の場合、前記第一蛍光体の前記第三蛍光体に対する含有比が、前記第三蛍光体の含有量を100とする場合に、40以上160以下であり、
    相関色温度が3250K以上3750K未満の場合、前記第一蛍光体の前記第三蛍光体に対する含有比が、前記第三蛍光体の含有量を100とする場合に、25以上130以下であり、
    相関色温度が3750K以上4250K未満の場合、前記第一蛍光体の前記第三蛍光体に対する含有比が、前記第三蛍光体の含有量を100とする場合に、30以上150以下であり、
    相関色温度が4250K以上5250K未満の場合、前記第一蛍光体の前記第三蛍光体に対する含有比が、前記第三蛍光体の含有量を100とする場合に、30以上160以下である請求項1又は2に記載の発光装置。
  4. 前記蛍光部材は、
    相関色温度が2600K以上3250K未満の場合、前記第一蛍光体の前記第三蛍光体に対する含有比が、前記第三蛍光体の含有量を100とする場合に、70以上158以下であり、
    相関色温度が3250K以上3750K未満の場合、前記第一蛍光体の前記第三蛍光体に対する含有比が、前記第三蛍光体の含有量を100とする場合に、50以上106以下であり、
    相関色温度が3750K以上4250K未満の場合、前記第一蛍光体の前記第三蛍光体に対する含有比が、前記第三蛍光体の含有量を100とする場合に、50以上100以下であり、
    相関色温度が4250K以上5250K未満の場合、前記第一蛍光体の前記第三蛍光体に対する含有比が、前記第三蛍光体の含有量を100とする場合に、65以上94.1以下である請求項1から3のいずれか1項に記載の発光装置。
  5. 前記蛍光部材は、前記発光素子に近い方から順に、前記第三蛍光体、前記第二蛍光体及び前記第一蛍光体が配置されている請求項1からのいずれか1項に記載の発光装置。
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