JP7009879B2

JP7009879B2 - 発光装置

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Publication number: JP7009879B2
Application number: JP2017185055A
Authority: JP
Inventors: 聡美関
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2022-01-26
Anticipated expiration: 2037-09-26
Also published as: US20190097093A1; CN109560180A; DE102018112786B4; DE102018112786A1; JP2019062063A

Description

本発明は、発光装置に関する。

近年、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いて、電球色、ハロゲン光、太陽光を再現しようとする取り組みが各所で行われており、演色性の高い光を得るために様々な蛍光体の開発が行われている。

例えば、白熱球のフィラメントと同様の光り方、色合いを再現することを目的とした、３８０ｎｍから７８０ｎｍの波長領域において連続した発光スペクトル分布を示す光を発するＬＥＤモジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１のＬＥＤモジュールにおいては、青色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体の少なくとも４種の蛍光体が用いられている。

また、平均演色評価数Ｒａが８５より大きく、特殊演色評価数Ｒ９（赤色）が５０より大きい発光装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２の発光装置においては、異なる波長領域に発光ピークを有する４種の蛍光体が用いられている。

特開２０１６－７６６５２号公報特開２０１６－１１１１９０号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載された装置を含む従来の発光装置においては、発光スペクトルの赤色領域を構成する赤色蛍光体として、概ね６６０ｎｍ付近にピーク波長を有する蛍光体が用いられているため、特に７００ｎｍ以上の深赤色領域において、発光スペクトルが太陽光やハロゲン光のスペクトルから大きく乖離している。このため、太陽光やハロゲン光の再現を求める場合、深赤色領域の色味不足が感じられる。

本発明の目的は、演色性の低下を抑えつつ、発光スペクトルの深赤色領域における強度が相対的に増加された発光装置を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］～［８］の発光装置を提供する。

［１］３８０ｎｍから４６０ｎｍの範囲にピーク波長を有する光を発する発光素子と、前記発光素子から発せられる光により励起され、４００ｎｍから７８０ｎｍの波長領域において連続した発光スペクトルを有する、複数種の蛍光体から構成される蛍光体群と、を備え、前記蛍光体群に、７２０ｎｍ±５％の範囲にピーク波長を有する蛍光体が含まれる、発光装置。

［２］前記７２０ｎｍ±５％の範囲にピーク波長を有する蛍光体が、ＧｄとＧａを含む酸化物からなる、上記［１］に記載の発光装置。

［３］前記酸化物が、Ｃｒで付活されたＧｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２である、上記［２］に記載の発光装置。

［４］色温度が３０００Ｋの光を基準光としたときの演色評価数Ｒｆが９５以上であり、色温度が３０００Ｋの光を基準光としたときの演色評価数Ｒｇの１００からの差が５以下である、上記［１］～［３］のいずれか１項に記載の発光装置。

［５］前記蛍光体群に、２種のアルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体、β－サイアロン蛍光体、及びＣＡＳＯＮ蛍光体が含まれる、上記［１］～［４］のいずれか１項に記載の発光装置。

［６］色温度が６５００Ｋの光を基準光としたときの演色評価数Ｒｆが９５以上であり、色温度が６５００Ｋの光を基準光としたときの演色評価数Ｒｇの１００からの差が５以下である、上記［１］～［３］のいずれか１項に記載の発光装置。

［７］色温度が６５００Ｋの光を基準光としたときの特殊演色評価数Ｒ９が９６．８以上である、上記［１］～［３］、［６］のいずれか１項に記載の発光装置。

［８］前記蛍光体群に、２種のアルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体、β－サイアロン蛍光体、Ｃａ固溶α－サイアロン蛍光体、及びＣＡＳＯＮ蛍光体が含まれる、上記［１］～［３］、［６］、［７］のいずれか１項に記載の発光装置。

本発明によれば、演色性の低下を抑えつつ、発光スペクトルの深赤色領域における強度が相対的に増加された発光装置を提供することができる。

図１は、実施の形態に係る発光装置の垂直断面図である。図２は、色温度が３０００Ｋである夕方の太陽光に発光スペクトルの形状が近づくように蛍光体の組み合わせや濃度比を調整した発光装置の発光スペクトルを示すグラフである。図３は、色温度が６５００Ｋである朝～昼頃の太陽光に発光スペクトルの形状が近づくように蛍光体の組み合わせや濃度比を調整した発光装置の発光スペクトルを示すグラフである。

〔実施の形態〕
（発光装置の構成）
図１は、実施の形態に係る発光装置１の垂直断面図である。発光装置１は、凹部１０ａを有するケース１０と、凹部１０ａの底部に露出するようにケース１０に含まれるリードフレーム１１と、リードフレーム１１上に搭載された発光素子１２と、リードフレーム１１と発光素子１２の電極を電気的に接続するボンディングワイヤー１３と、凹部１０ａ内に充填され、発光素子１２を封止する封止樹脂１４と、封止樹脂１４中に含まれる粒子状の蛍光体１５とを有する。

ケース１０は、例えば、ポリフタルアミド樹脂、ＬＣＰ（Liquid Crystal Polymer）、ＰＣＴ（Polycyclohexylene Dimethylene Terephalate）等の熱可塑性樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂からなり、射出成形又はトランスファー成形により形成される。ケース１０は、光反射率を向上させるための二酸化チタン等からなる光反射粒子を含んでもよい。

リードフレーム１１は、例えば、全体またはその表面がＡｇ、Ｃｕ、Ａｌ等の導電材料からなる。

発光素子１２は、典型的にはＬＥＤ素子やレーザーダイオード素子である。図１に示される例では、発光素子１２はボンディングワイヤー１３によりリードフレーム１１に接続されるフェイスアップ型の素子であるが、フェイスダウン型の素子であってもよいし、導電バンプ等のボンディングワイヤー以外の接続部材によってリードフレームに接続されてもよい。

発光素子１２は、３８０ｎｍから４６０ｎｍの範囲（３８０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の範囲）にピーク波長を有する光を発する。およそ４６０ｎｍ以下の波長の光によって後述する蛍光体１５に含まれる蛍光体を効率的に励起させることができるため、発光素子１２の発する光のピーク波長が４６０ｎｍ以下であることが好ましい。

一方、発光素子１２の発する光のピーク波長が短すぎると、発光素子１２の発光スペクトルのピークと蛍光体１５の発光スペクトルのピークとの間のスペクトル谷が大きくなって発光装置１の発光スペクトルを太陽光に近づけることが困難になるため、発光素子１２の発する光のピーク波長が３８０ｎｍ以上であることが好ましい。

封止樹脂１４は、例えば、シリコーン系樹脂やエポキシ系樹脂等の樹脂材料からなる。

蛍光体１５は、発光素子１２の発する光を励起源として蛍光を発する蛍光体である。蛍光体１５は、複数種の蛍光体から構成される蛍光体群であり、発光装置１の発光スペクトルを太陽光に近づけるため、少なくとも、４００ｎｍから７８０ｎｍの波長領域において連続した（強度がゼロにならない）発光スペクトルを有し、７２０ｎｍ±５％の範囲にピーク波長を有する深赤色の蛍光体（以下、深赤色蛍光体とする）を含む。

深赤色蛍光体は、例えば、Ｃｒで付活されたＧｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２（Ｇｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２：Ｃｒ^３＋）等の、ＧｄとＧａを含む酸化物からなる。深赤色蛍光体は、発光装置１の発光スペクトルの深赤色領域における強度を相対的に増加させ、発光スペクトルの深赤色領域における太陽光やハロゲン光のスペクトルからの乖離を抑えることができる。

また、蛍光体１５は、発光装置１の発光スペクトルを４００ｎｍから７８０ｎｍの波長領域において連続させるため、４４５ｎｍから４９０ｎｍの範囲にピーク波長を有する青色系蛍光体と、４９１ｎｍから６００ｎｍの範囲にピーク波長を有する黄色～緑色系の蛍光体と、６０１ｎｍから６７０ｎｍの範囲にピーク波長を有する赤色蛍光体とを、それぞれ少なくとも一種ずつ含むことが好ましい。

４４５ｎｍから４９０ｎｍの範囲にピーク波長を有する青色の蛍光体としては、例えば、アルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体を用いることができる。アルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体の主な組成を以下の表１に示す。

アルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体は、付活剤であるＥｕやアルカリ土類金属であるＣａ、Ｓｒ、ＢａやＭｇの濃度を変えることにより発光スペクトルを変化させることができる。

４９１ｎｍから６００ｎｍの範囲にピーク波長を有する黄色～緑色の蛍光体としては、例えば、Ｃａ固溶α－サイアロン蛍光体、β－サイアロン蛍光体、ケイ酸塩蛍光体、窒化物蛍光体、ＬＳＮ蛍光体、ＹＡＧ蛍光体、又はＬｕＡＧ蛍光体を用いることができる。これらの蛍光体の主な組成を以下の表２に示す。

ＹＡＧ蛍光体、ＬｕＡＧ蛍光体は、Ｇｄ、Ｇａや付活剤であるＣｅの濃度を変えることにより発光スペクトルを変化させることができる。

６０１ｎｍから６７０ｎｍの範囲にピーク波長を有する赤色蛍光体としては、例えば、ＣＡＳＮ蛍光体、ＳＣＡＳＮ蛍光体、又はＣＡＳＯＮ蛍光体を用いることができる。これらの蛍光体の主な組成を以下の表３に示す。

ＣＡＳＮ蛍光体、ＳＣＡＳＮ蛍光体、ＣＡＳＯＮ蛍光体は、付活剤であるＥｕやアルカリ土類金属であるＳｒ、Ｃａの濃度を変えることにより発光スペクトルを変化させることができる。

蛍光体１５を構成する蛍光体の組み合わせやそれらの濃度比は、発光装置１の発光スペクトルが太陽光に近くなるように、例えば、太陽光を基準光としたときの演色評価数Ｒｆ、Ｒｇ、平均演色評価数Ｒａ、特殊演色評価数Ｒｉ（ｉ＝９～１５）が１００に近くなるように調整される。

平均演色評価数Ｒａ、特殊演色評価数Ｒｉ（ｉ＝９～１５）は、日本工業規格に定められた光源の演色性評価方法（ＪＩＳＺ８７２６：１９９０）に用いられる演色性を数値として評価するためのパラメータである。これらの数値が１００に近いほど基準光（太陽光等）に近いことになる。

また、演色評価数Ｒｆ、Ｒｇは、北米照明学会（ＩＥＳ）によって定められた光の演色性の新しい評価方法「ＴＭ－３０－１５」において用いられる演色評価数である。

Ｒｆは色の忠実度を表すパラメータであり、９９種の色についての試験により得られるため、平均演色評価数Ｒａよりも高い精度で色の忠実度を評価することができる。Ｒｆの上限は１００であり、１００に近いほどテスト光の色が基準光（太陽光等）の色に近いことを示す。

Ｒｇは従来の評価方法にはなかった色の鮮やかさを表すパラメータである。Ｒｇが１００に近いほど、テスト光の色の鮮やかさが基準光（太陽光等）の色の鮮やかさに近いことを示す。Ｒｇは１００より小さい値も大きい値もとり得る。

なお、発光装置１がどのような形態で蛍光体１５を含むかは、特に限定されない。例えば、蛍光体１５は、封止樹脂１４中に分散していてもよいし、封止樹脂１４の底に沈降していてもよい。また、蛍光体１５は、発光素子上に塗布により形成される蛍光体層中に含まれていてもよい。

また、発光装置１の構成は、発光素子１２と蛍光体１５を有するものであれば、本実施の形態に示されるものに限られない。例えば、発光装置１は、図１に示されるような表面実装型（ＳＭＤ型）であってもよいし、チップオンボード型（ＣＯＢ型）であってもよい。

（実施の形態の効果）
上記の実施の形態によれば、演色性の低下を抑えつつ、発光スペクトルの深赤色領域における強度が相対的に増加されて深赤色領域の色味不足が解消された発光装置１を提供することができる。

上記の実施の形態に係る発光装置１は、従来のものよりも太陽光に近い発光スペクトルを有するため、演色性が高く、屋内において、ありのままの色をうつしだすことができるので、例えば、食べ物や衣服に対する照明に適している。また、色を検査する用途にも適しており、その例として、自動車等の塗装色の評価に用いられる場合がある。

図２は、色温度が３０００Ｋである夕方の太陽光に発光スペクトルの形状が近づくように蛍光体１５を構成する蛍光体の組み合わせやそれらの濃度比を調整した発光装置１（１ａ、１ｂ）及び発光装置２の発光スペクトルを示すグラフである。なお、図２の各発光スペクトルは、各々の分光放射束（Ｗ／ｎｍ）を最大値が１となるように規格化したものである。

発光装置２は、蛍光体１５に深赤色蛍光体を含まない比較例としての発光装置であり、発光装置２の蛍光体１５以外の構成は、発光装置１（１ａ、１ｂ）と同様である。

図２に係る発光装置１（１ａ、１ｂ）においては、青色蛍光体としての２種のアルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体、黄色～緑色蛍光体としてのβ－サイアロン蛍光体、赤色蛍光体としてのＣＡＳＯＮ蛍光体、及び深赤色蛍光体としてのＣｒで付活されたＧｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２により蛍光体１５が構成されている。発光装置２の蛍光体１５は、発光装置１（１ａ、１ｂ）の蛍光体１５に含まれるＣｒで付活されたＧｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２以外の蛍光体を含む。

次の表４は、図２に係る発光装置１（１ａ、１ｂ）及び発光装置２の蛍光体１５を構成する上記の蛍光体の特性を示す表である。

次の表５は、図２に係る発光装置１（１ａ、１ｂ）及び発光装置２の蛍光体１５を構成する蛍光体の濃度比を示す表である。表５の「蛍光体濃度」は、メチル系シリコーンからなる封止樹脂１４の質量と蛍光体１５の質量との合計に対する蛍光体１５の質量の比の値（質量％）である。

また、表５の「蛍光体濃度比」は、蛍光体１５（蛍光体全体）の質量に対する各々の蛍光体の質量の比の値（質量％）であり、「ＳＣＡ１」、「ＳＣＡ２」、「β」、「ＣＡＳＯＮ」、「ＧＧＧ」は、それぞれアルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体（ピーク波長４５５ｎｍ）、アルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体（ピーク波長４８２ｎｍ）、β－サイアロン蛍光体、ＣＡＳＯＮ蛍光体、Ｃｒで付活されたＧｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２を意味する。

次の表６は、色温度が３０００Ｋである夕方の太陽光を基準光としたときの図２に係る発光装置１（１ａ、１ｂ）及び発光装置２の演色評価数Ｒｆ、Ｒｇ、演色評価数Ｒ１～Ｒ８、平均演色評価数Ｒａ、特殊演色評価数Ｒｉ（ｉ＝９～１５）を示すグラフである。なお、平均演色評価数Ｒａは、演色評価数Ｒ１～Ｒ８の平均値である。

表６に示されるように、発光装置１（１ａ、１ｂ）の演色評価数は、発光装置２の演色評価数と同等又は優れている。このことは、発光装置の発光スペクトルを色温度が３０００Ｋである夕方の太陽光を基準とする場合に、赤色成分の増加を目的として深赤色蛍光体を蛍光体１５に加えても、演色性の低下が抑えられることを示している。

例えば、表６によれば、色温度が３０００Ｋである夕方の太陽光を基準光としたときの発光装置１の演色評価数について、Ｒｆが９７．４以上、Ｒｇの１００からの差が０．７以下、Ｒａが９８．３以上とすることができる。なお、色温度が３０００Ｋである夕方の太陽光に対するＲｆは９５以上、Ｒｇの１００からの差は５以下が望ましい。

また、図２に示されるように、発光スペクトルの赤色領域、特におよそ７００ｎｍ以上の深赤色領域における強度が、発光装置１（１ａ、１ｂ）の方が発光装置２よりも大きい。すなわち、蛍光体１５に深赤色蛍光体を用いて、蛍光体の濃度比を適切に調整することにより、演色性の低下を抑えつつ、発光スペクトルの深赤色領域における強度を相対的に増加させることができる。

なお、発光装置２の蛍光体１５に単純にＣｒで付活されたＧｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２を追加しただけでは、相対的に青色成分が低下して演色評価数が低下してしまうため、発光装置１（１ａ、１ｂ）の様に、演色評価数が向上するように蛍光体の混合比を調整することが求められる。

図３は、色温度が６５００Ｋである朝～昼頃の太陽光に発光スペクトルの形状が近づくように蛍光体１５を構成する蛍光体の組み合わせやそれらの濃度比を調整した発光装置１（１ｃ、１ｄ）及び発光装置３の発光スペクトルを示すグラフである。なお、図３の各発光スペクトルは、各々の分光放射束（Ｗ／ｎｍ）を最大値が１となるように規格化したものである。

発光装置３は、蛍光体１５に深赤色蛍光体を含まない比較例としての発光装置であり、発光装置３の蛍光体１５以外の構成は、発光装置１（１ｃ、１ｄ）と同様である。

図３に係る発光装置１（１ｃ、１ｄ）においては、青色蛍光体としての２種のアルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体、黄色～緑色蛍光体としてのβ－サイアロン蛍光体及びＣａ固溶α－サイアロン蛍光体、赤色蛍光体としてのＣＡＳＯＮ蛍光体、並びに深赤色蛍光体としてのＣｒで付活されたＧｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２により蛍光体１５が構成されている。発光装置３の蛍光体１５は、発光装置１（１ｃ、１ｄ）の蛍光体１５に含まれるＣｒで付活されたＧｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２以外の蛍光体を含む。

次の表７は、図３に係る発光装置１（１ｃ、１ｄ）及び発光装置３の蛍光体１５を構成するＣａ固溶α－サイアロン蛍光体の特性を示す表である。その他の蛍光体の特性は、表４に示されている特性と同じである。

次の表８は、図３に係る発光装置１（１ｃ、１ｄ）及び発光装置３の蛍光体１５を構成する蛍光体の濃度比を示す表である。表５の「蛍光体濃度」は、メチル系シリコーンからなる封止樹脂１４の質量と蛍光体１５の質量との合計に対する蛍光体１５の質量の比の値（質量％）である。

また、表８の「蛍光体濃度比」は、蛍光体１５（蛍光体全体）の質量に対する各々の蛍光体の質量の比の値（質量％）であり、「α」は、Ｃａ固溶α－サイアロン蛍光体を意味する。その他の蛍光体の略称については、表５と同様である。

次の表９は、色温度が６５００Ｋである朝～昼頃の太陽光を基準光としたときの図３に係る発光装置１（１ｃ、１ｄ）及び発光装置３の演色評価数Ｒｆ、Ｒｇ、演色評価数Ｒ１～Ｒ８、平均演色評価数Ｒａ、特殊演色評価数Ｒｉ（ｉ＝９～１５）を示すグラフである。

表９に示されるように、発光装置１（１ｃ、１ｄ）の演色評価数は、発光装置３の演色評価数と同等又は優れている。このことは、発光装置の発光スペクトルを色温度が６５００Ｋである朝～昼頃の太陽光を基準とする場合に、赤色成分の増加を目的として深赤色蛍光体を蛍光体１５に加えても、演色性の低下が抑えられることを示している。

例えば、表９によれば、色温度が６５００Ｋである朝～昼頃の太陽光を基準光としたときの発光装置１の演色評価数について、Ｒｆが９５．４以上、Ｒｇの１００からの差が０．７以下、Ｒａが９６．１以上、Ｒ９（赤色）が９６．８以上とすることができる。なお、色温度が６５００Ｋである朝～昼頃の太陽光に対するＲｆは９５以上、Ｒｇの１００からの差は５以下が望ましい。

また、図３に示されるように、発光スペクトルの赤色領域、特におよそ７００ｎｍ以上の深赤色領域における強度が、発光装置１（１ｃ、１ｄ）の方が発光装置３よりも大きい。すなわち、蛍光体１５に深赤色蛍光体を用いて、蛍光体の濃度比を適切に調整することにより、演色性の低下を抑えつつ、発光スペクトルの深赤色領域における強度を相対的に増加させることができる。

なお、発光装置３の蛍光体１５に単純にＣｒで付活されたＧｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２を追加しただけでは、相対的に青色成分が低下して演色評価数が低下してしまうため、発光装置１（１ｃ、１ｄ）の様に、演色評価数が向上するように蛍光体の混合比を調整することが求められる。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記の実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。

例えば、実施例として、色温度が３０００Ｋである夕方の太陽光と、色温度が６５００Ｋである朝～昼頃の太陽光を基準とした形態を示したが、基準とする光はこれらに限定されず、例えば、色温度が２０００～９０００Ｋの範囲内の任意の色温度を有する太陽光や、ハロゲン光を基準として、演色性の低下を抑えつつ、発光スペクトルの深赤色領域の強度を相対的に増加させることができる。

また、上記の実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１発光装置
１０ケース
１１リードフレーム
１２発光素子
１３ボンディングワイヤー
１４封止樹脂
１５蛍光体

Claims

３８０ｎｍから４６０ｎｍの範囲にピーク波長を有する光を発する発光素子と、
前記発光素子から発せられる光により励起され、４５５ｎｍの発光ピーク波長を有する蛍光を発する（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ）_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ^２＋、前記発光素子から発せられる光により励起され、４８２ｎｍの発光ピーク波長を有する蛍光を発する（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ：Ｅｕ^２＋、前記発光素子から発せられる光により励起され、５４４ｎｍの発光ピーク波長を有する蛍光を発するＳｉ_６-ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８-Ｚ：Ｅｕ^２＋、前記発光素子から発せられる光により励起され、５９４ｎｍの発光ピーク波長を有する蛍光を発するＣａ-Ｓｉ_{１２-（ｍ＋ｎ）}Ａｌ_ｍ＋ｎＯ_ｎＮ_１６-ｎ：Ｅｕ^２＋、前記発光素子から発せられる光により励起され、６３９ｎｍの発光ピーク波長を有する蛍光を発するＣａＡｌＳｉ（Ｏ，Ｎ）_３：Ｅｕ^２＋、及び前記発光素子から発せられる光により励起され、７３９ｎｍの発光ピーク波長を有する蛍光を発するＣｒで不活されたＧｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２からなり、４００ｎｍから７８０ｎｍの波長領域において連続した発光スペクトルを有する蛍光体群と、
を備え、
色温度が６５００Ｋの光を基準光としたときの演色評価数Ｒｆが９５以上であり、
色温度が６５００Ｋの光を基準光としたときの演色評価数Ｒｇの１００からの差が５以下である、
発光装置。
色温度が６５００Ｋの光を基準光としたときの特殊演色評価数Ｒ９が９６．８以上である、
請求項１に記載の発光装置。