JPWO2005093860A1 - 発光装置 - Google Patents

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Abstract

青紫色発光を呈する半導体励起光源（１０２）と、サマリウム（Ｓｍ）を含む前記青紫色発光の吸収体（１０３）を有する固体材料発光体（１０５）とを備えることにより、高効率、長寿命で演色性に優れた発光装置（１００）を提供する。

Description

本発明は、発光装置に関し、特に照明用途に用いられる可視光あるいは白色光を呈する発光装置に関する。
従来より、可視光発光装置として固体励起光源により蛍光体を励起して可視多色発光や白色発光を得る試みがなされている。たとえば、特許文献１には、ＧａＮ系半導体を用いたブロードエリアレーザを励起光源とし、蛍光体として希土類元素で付活されたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）を用いて可視あるいは白色発光を得る発光装置が開示されている。ここで、ＧａＮ系半導体とは、ＩＩＩ族元素であるＧａ、Ａｌ、Ｉｎの窒化物およびこれらの混晶を含む半導体を指す。
特開２００２−９４０２号公報
発光材料として希土類元素で付活させた蛍光体（希土類付活蛍光体）は、発光効率と色純度に優れる利点を有するが、希土類元素の多くは主吸収帯が３８０ｎｍ以短の紫外領域にあるため、このような蛍光体を効率的に励起するためには紫外光励起光源が必要となる。しかしながら励起光が紫外光を含むと、発光材料の分散媒質として通常使用される汎用的な樹脂（たとえば、エポキシ、アクリル樹脂など）が紫外線によって劣化しやすいため、これを用いた発光装置の信頼性が低下するという不具合があり、励起光源として紫外光を用いるのは望ましくない。
一方、ＧａＮ系半導体発光素子は、小型・長寿命な固体励起光源として近年盛んに利用されている。しかしながら、ＧａＮ系半導体発光素子は３８０〜４５０ｎｍの青紫色発光の外部量子効率が高く、特にほぼ４０５ｎｍに外部量子効率の最大値を有している。このため、上記の希土類元素付活蛍光体の励起光源としては励起効率が著しく低い。
ＧａＮ系半導体を３８０ｎｍ以短の紫外領域で発光させるには、発光層をＡｌＧａＮで構成してワイドギャップ化する手法が考えられるが、ＡｌＧａＮ発光層は発光効率が低く、また結晶成長が難しいため欠陥を多く含み、信頼性に乏しい。
上記のように、希土類付活蛍光体をＧａＮ系半導体発光素子で励起して用いる発光装置は、発光効率と信頼性の点で問題を有していた。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、高効率、長寿命で演色性に優れた発光装置を提供することである。
本発明の発光装置は、青紫色発光を呈する半導体励起光源と、サマリウム（Ｓｍ）を含む前記青紫色発光の吸収体を有する固体材料発光体とを備えることを特徴とする。
ここにおいて、前記青紫色発光は、ピーク波長を３９８〜４１２ｎｍに有することが好ましい。
本発明の発光装置における前記青紫色発光を呈する半導体励起光源は、ＩｎＧａＮ半導体を活性層とする半導体レーザ素子であるのが好ましい。
また本発明の発光装置における前記固体材料発光体は、カチオンとしてＳｃ、Ｙまたは典型元素を含み、かつ、アニオンとしてＮ、ＯおよびＳのうち少なくとも１つを含むのが好ましい。中でも、（１）アニオンとしてＮおよびＯをともに含むものであるか、（２）Ｇａ、ＩｎおよびＡｌの窒化物のうち少なくとも１つを含むものであるか、または、（３）Ｙ、Ｓｉ、ＡｌおよびＺｎの酸化物のうち少なくとも１つを含むものであるのがより好ましい。
本発明の発光装置における固体材料発光体は、ピーク波長を６００〜６７０ｎｍに有する赤色蛍光体と、ピーク波長を５００〜５５０ｎｍに有する緑色蛍光体と、ピーク波長を４５０〜４８０ｎｍに有する青色蛍光体とを含むものであるのが好ましい。
また、固体材料発光体における前記赤色蛍光体、前記緑色蛍光体および前記青色蛍光体は、希土類元素を含んでなるのがより好ましい。
さらに、固体材料発光体における赤色蛍光体は、ＳｍおよびＥｕの少なくともいずれかを含むのが特に好ましい。
本発明の発光装置は、青紫色発光を呈する半導体励起光源と、この半導体励起光源によって励起される固体材料発光体とを基本的に備え、当該固体材料発光体が、Ｓｍを含む発光吸収体を有している。Ｓｍは、４０５ｎｍ付近に光吸収のピークを有するため、青紫色励起光を高い効率で吸収する。よって、このような半導体励起光源と固体材料発光体とを備えることで、発光体を高効率に励起する発光装置を実現することができる。このような本発明の発光装置によれば、従来と比較して格段に高効率、長寿命であり、演色性に優れた発光装置を提供することができる。
本発明の発光装置において、前記青紫色発光がピーク波長を３９８〜４１２ｎｍに有することにより、発光ピーク波長がＳｍの吸収ピーク波長とほぼ重なるため、Ｓｍが励起光を効率よく吸収することができる。
本発明の発光装置において、前記青紫色発光を呈する半導体励起光源がＩｎＧａＮ半導体を発光層とする半導体発光素子であれば、発光スペクトルがＳｍの吸収ピークスペクトルとほぼ一致し、さらに発光素子として高い外部量子効率を有し、外部量子効率の最大値を４０５ｎｍに有するため、最も少ない電力で最大の発光効率を得ることができる。また、発光素子が半導体レーザ素子であれば、発振のスペクトル線幅が狭いため、Ｓｍの吸収ピークを効率的に励起することができる。
本発明の発光装置において、前記固体材料発光体がカチオンとしてＳｃ、Ｙまたは典型元素を含み、かつ、アニオンとしてＮ、ＯおよびＳのうち少なくとも１つを含むことにより、Ｓｍの吸収効率および発光体の発光効率を高くすることができる。
前記固体材料発光体がアニオンとしてＮおよびＯを共に含む場合には、窒化物ホスト材料が有する化学的安定性、低損失性と、酸化物ホスト材料が有する生産性とを兼ね備えることができ、発光効率とコスト性に優れた発光装置を実現することができる。
また前記固体材料発光体がＧａ、ＩｎおよびＡｌの窒化物のうち少なくとも１つを含む場合には、Ｓｍの吸収効率および発光効率をさらに向上させることができる。また、窒化物は化学的に安定であるため、信頼性に優れた発光装置を実現することができる。
さらに前記固体材料発光体がＹ、Ｓｉ、ＡｌおよびＺｎの酸化物のうち少なくとも１つを含む場合には、Ｓｍの吸収効率および発光効率を向上させることができる。特に、後述するようにＳｍを赤色蛍光体としても用いる場合には、赤色純度の高い６５０ｎｍピークを主波長とすることができ、白色発光における色温度を向上させて優れた演色性を得ることができる。
本発明の発光装置においては、好ましくは、前記固体材料発光体が、ピーク波長を６００〜６７０ｎｍに有する赤色蛍光体と、ピーク波長を５００〜５５０ｎｍに有する緑色蛍光体と、ピーク波長を４５０〜４８０ｎｍに有する青色蛍光体とを含む。これによって、色温度の高い白色発光を得ることができ、結果として演色性に優れた照明装置を製造することができる。
また前記赤色蛍光体、前記緑色蛍光体および前記青色蛍光体が希土類元素を含んでなることにより、白色発光を構成する三原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）を簡便に得ることができる利点がある。
さらに、前記赤色蛍光体がＳｍおよびＥｕの少なくともいずれかを含んでいる場合には、色純度が高く発光効率の高い赤色発光を得ることができる。特に白色発光を得る場合、赤色発光は青紫色発光に比べ発光効率が劣るので、赤色蛍光体をＳｍおよびＥｕを含んで構成することにより、白色発光の効率を向上させることができる。
本発明の好ましい第一の例の発光装置１００を簡略化して示す構造断面図である。 本発明の発光装置において吸収体として付活されたＳｍの励起スペクトルおよび発光スペクトルを示す図である。 本発明の好ましい第二の例の発光装置２０１を簡略化して示す構造斜視図である。 本発明の好ましい第三の例の発光装置３０１を簡略化して示す構造斜視図である。
符号の説明
１００，２０１，３０１ 発光装置、１０２，２０５，３０５ 青紫色発光素子、１０３，２０４，３０６ Ｓｍ発光吸収体、１０４，２０５，３０７ 蛍光体、１０５，２０２，３０４ 発光体。
図１は、本発明の好ましい第一の例の発光装置１００を簡略化して示す構造断面図である。また図２は、本発明の発光装置において吸収体として付活されたＳｍの励起スペクトルおよび発光スペクトルを示す図である。本発明の発光装置１００は、青紫色発光を呈する半導体励起光源（以下、単に「青紫色発光素子」と呼称する。）１０２と、サマリウム（Ｓｍ）を含み、前記青紫色発光を吸収し励起される発光吸収体（以下、「Ｓｍ発光吸収体」と呼称する。）１０３を有する固体材料発光体（以下、単に「発光体」と呼称する。）１０５とを基本的に備えるＳｍ発光吸収体１０３はサマリウム原子であってもよく、また適当なホスト材料に付活させた粒子の状態であってよい。図２に示すように、Ｓｍは４０５ｎｍ付近に吸収ピークを有している。そして本発明の発光装置においては、このようなＳｍ発光吸収体を有する発光体を励起させる光源として、青紫色発光素子を用いる。青紫色発光素子が呈する青紫色発光は、発光体におけるＳｍに吸収され、この吸収された光エネルギは、Ｓｍの内殻遷移によって放射されるので、損失は非常に少ない。このような構成を備える本発明の発光装置によれば、従来と比較して格段に高効率、長寿命であり、演色性に優れた発光装置を提供することができる。また本発明の発光装置１００においては、発光体１０５がＳｍ以外の発光材料（たとえば、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕなどの希土類元素およびＭｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉなどの遷移元素から選ばれる少なくともいずれか）を含み、Ｓｍからも当該発光材料に吸収エネルギを遷移させて発光を得るようにしてもよい。この場合においても、Ｓｍの青紫色吸収率が高いため、従来に比べて高い発光効率を得ることもできる。
前記発光体におけるＳｍの含有量（付活濃度）は、特に制限されるものではないが、０．０１〜１０ｍｏｌ％であるのが好ましく、０．１〜５ｍｏｌ％であるのがより好ましく、０．１〜０．２ｍｏｌ％であるのが特に好ましい。Ｓｍの含有量が０．０１ｍｏｌ％未満であると、青紫色励起光を十分吸収できない傾向にあるためであり、また、Ｓｍの含有量が１０ｍｏｌ％を越えると、光吸収と発光がＳｍ原子間で相互に影響し合い、発光効率が低下する傾向にあるためである。なお、後述するようにＳｍを赤色蛍光体としても使用する場合には、さらに０．１〜１０ｍｏｌ％の範囲で上記範囲よりも多くＳｍを含んでなるのが好ましい。かかる範囲内の付活濃度を有するＳｍを含む発光装置は、たとえば酸化サマリウム、塩化サマリウム、硝酸サマリウムなどのＳｍ化合物をかかる濃度範囲で添加し焼成した発光体１０５材料の微粒子を、ガラスや樹脂などの支持体に均一分散させることで実現することができる。あるいは、Ｓｍ化合物をかかる濃度範囲で添加した発光体１０５材料の粉末を焼結してターゲットを作製し、レーザアブレーション法やスパッタ法など公知の薄膜形成手法により薄膜化してもよい。
本発明において光源として用いる青紫色発光素子は、Ｓｍの吸収ピークスペクトルに発光ピークを有することが好ましい。これにより、青紫色発光素子の発光ピーク波長がＳｍの吸収ピーク波長とほぼ重なるため、発光体においてＳｍが励起光を効率よく吸収できるようになる。具体的には、本発明における青紫色発光は、ピーク波長を３９８〜４１２ｎｍに有することが好ましい。ピーク波長がこの範囲から外れると、励起光の大部分がＳｍに吸収されなくなるため、発光効率が低下する虞がある。
前記範囲内のピーク波長を実現できる青紫色発光素子としては、窒化物であるＧａＮ系半導体、酸化物であるＺｎＯ系半導体、あるいはＩＩ−ＩＶ族化合物半導体であるＺｎＳＳｅ系半導体などを発光層として用いることができる。ＧａＮ系半導体発光素子は、具体的にはＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮであるが、ＩＩＩ族元素にＢが含まれていてもよく、Ｎ以外のＶ族元素（Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ）が含まれていてもよい。中でも、近年青紫色発光素子として盛んに利用されているＩｎＧａＮ半導体を発光層に用いた半導体発光素子は、発光スペクトルがＳｍの吸収ピークスペクトルとほぼ一致し、さらに発光素子として高い外部量子効率を有し、外部量子効率の最大値を４０５ｎｍに有するため、最も少ない電力で最大の発光効率を得ることができるため好ましい。
また青紫色発光素子としては、固体レーザ、気体レーザ、半導体レーザ素子、発光ダイオード素子、第２高調波を用いた波長変換素子などを用いることができるが、発光スペクトルの線幅が狭く、Ｓｍの吸収ピークを効率的に励起することができることから、レーザ素子を用いるのが好ましい。中でも、ＩｎＧａＮ半導体を活性層として有する半導体レーザ素子を有するのが特に好ましい。またレーザ素子の形態は、端面発光型あるいは面発光型が好ましい。
本発明の発光装置における発光体は、Ｓｍ発光吸収体および発光中心材料を担持する役割を果たす媒質を含む。かかる媒質は、上述した役割のほか、当該Ｓｍ発光吸収体および発光体の結晶場を制御して吸収・発光波長を最適化する役割を有する。また、発光体に用いられる媒質は、青紫色発光素子からの励起光を低損失で透過することが重要である。本発明における発光体に含まれる媒質としては、カチオンとしてＳｃ、Ｙまたは典型元素を含み、かつ、アニオンとしてＮ、ＯおよびＳの少なくとも１つを含む材料（無機固体材料）が好ましい。かかる発光体材料としては、たとえば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＧａＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＧａＮＰ、ＡｌＮＰ、ＩｎＧａＮＰ、ＩｎＡｌＮＰ、ＩｎＧａＡｌＮＰ、ＧａＮＡｓ、ＡｌＮＡｓ、ＩｎＧａＮＡｓ、ＩｎＡｌＮＡｓ、ＩｎＧａＡｌＮＡｓ、ＧａＮＡｓＰ、ＡｌＮＡｓＰ、ＩｎＧａＮＡｓＰ、ＩｎＡｌＮＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＮＡｓＰ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＺｎＣｄＯ、ＺｎＭｇＯ、ＺｎＣｄＭｇＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳＳｅ、Ｙ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、Ｇａ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｉ6-zＡｌz（Ｏ，Ｎ）8-z（０＜ｚ≦４．２）、Ｍx（Ｓｉ，Ａｌ，Ｇａ）12（Ｏ，Ｎ）16（Ｍは金属元素、０＜ｘ≦２）が挙げられる。
本発明においては、媒質がカチオンとしてＳｃ、Ｙまたは典型元素を含むことで、発光中心材料の発光効率が向上するという効果を発揮できる。媒質がアニオンとしてＮを含む場合には、窒化物ホスト材料の有する化学的安定性、低損失性を利用した発光体を利用でき、Ｓｍ発光吸収体の吸収効率および発光体の発光効率がさらに高められた、高効率な発光装置を実現することができる利点がある。また媒質がアニオンとしてＯを含む場合には、酸化物ホスト材料の有する高い生産性を利用でき、優れたＳｍ発光吸収体の吸収効率および発光体の発光効率を有するとともに、コスト性にも優れた発光装置を実現することができる利点がある。
本発明における発光体に用いられる媒質としては、上記中でも、以下の（１）〜（３）のいずれかであることがより好ましい。
（１）アニオンとしてＮおよびＯをともに含む。
（２）Ｇａ、ＩｎおよびＡｌの窒化物のうち少なくとも１つを含む。
（３）Ｙ、Ｓｉ、ＡｌおよびＺｎの酸化物のうち少なくとも１つを含む。
本発明における媒質として（１）アニオンとしてＮおよびＯをともに含む材料を用いることで、窒素物ホスト材料が有する化学的安定性、低損失性と、酸化物ホスト材料が有する生産性とを兼ね備えることができ、発光効率とコスト性に優れた発光装置を実現することができる。このような材料としては、上記例示した中で、たとえば、Ｓｉ6-zＡｌz（Ｏ，Ｎ）8-z（０＜ｚ≦４．２）、Ｍx（Ｓｉ，Ａｌ，Ｇａ）12（Ｏ，Ｎ）16（Ｍは金属元素、０＜ｘ≦２）が挙げられる。
また本発明における媒質として（２）Ｇａ、ＩｎおよびＡｌの窒化物のうち少なくとも１つを含む材料を用いることで、Ｓｍ発光吸収体の吸収効率および発光効率をさらに向上させることができる。また、窒化物は化学的に安定であるため、信頼性に優れた発光装置を実現することができる。このような材料としては、上記例示した中で、たとえば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＧａＡｌＮが挙げられる。
また、本発明における媒質として（３）Ｙ、Ｓｉ、ＡｌおよびＺｎの酸化物のうち少なくとも１つを含む材料を用いることで、Ｓｍ発光吸収体の吸収効率および発光効率を向上させることができる。特に、後述するようにＳｍ発光吸収体を赤色蛍光体としても用いる場合には、赤色純度の高い６５０ｎｍピークを主波長とすることができ、白色発光における色温度を向上させて優れた演色性を得ることができる。このような材料としては、上記例示した中で、たとえば、ＺｎＯ、ＺｎＣｄＯ、ＺｎＭｇＯ、ＺｎＣｄＭｇＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ｙ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2が挙げられる。
なお、前記媒質は、発光体が発光する際のエネルギ損失となる多フォノン緩和速度を低減させるためには、フォノンエネルギの小さな材料が好ましく、特にＳｍ発光吸収体を赤色蛍光体として用いる場合には、色純度に優れた６５０ｎｍピーク発光を増大させるべく結晶場非対称性の高い固体材料が好ましい。このような観点からは、上記例示した中でも、（２）Ｇａ、ＩｎおよびＡｌの窒化物のうち少なくとも１つを含む材料、または、（３）Ｙ、Ｓｉ、ＡｌおよびＺｎの酸化物のうち少なくとも１つを含む材料が媒質として特に好ましい。さらに、本発明における媒質は、上述した材料が複数含まれていてもよい。特に、カチオンとしてＧａ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｙ、Ｓｉ、Ｚｎのうちの少なくともいずれかを含み、かつ、アニオンとしてＮおよびＯをともに有する金属酸窒化物材料は、上述したカチオンを用いることによる利点と、上述したアニオンとしてＮおよびＯを用いることによる利点とを兼ね備える発光装置を実現できるという格別の効果がある。
本発明における発光体は、上述した無機固体材料に換えて、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂のうちから選ばれる少なくともいずれかを含む有機樹脂を媒質として用いて形成されたものであってもよい。媒質として有機樹脂を用いることによって、前記Ｓｍ発光吸収体（および蛍光体）の分散性に優れ、かつ加工性に優れた発光体を得ることができるという利点がある。中でも、またエポキシ樹脂を用いると、吸湿性が低く寸法安定性に優れた媒質とすることができる利点があり、アクリル樹脂を用いると、可視光の透過性が高い媒質とすることができる利点がある。さらに、シリコン樹脂またはポリカーボネート樹脂を用いると、青紫色発光に対する耐久性に優れた媒質とすることができる利点がある。勿論、媒質は上述した有機樹脂を組み合わせて用いてもよい。さらに、結晶場を制御して吸収・発光波長を最適化する役割を有する上述の無機固体材料にＳｍおよび発光中心材料を付活させ、有機樹脂に分散させてもよい。
また、前記媒質としてガラスを用いてもよい。ガラスは有機樹脂と比較して光透過性と耐久性が格段に優れるという利点があり、また、前記Ｓｍ発光吸収体、発光体中心材料（および蛍光体）の分散性にも優れ安価であるので、信頼性に優れた発光装置を低コストで製造することができるという利点がある。この場合も、前記Ｓｍや発光体中心材料を付活させた無機固体材料をガラスに分散させてもよい。さらに、かかるガラス発光体を上述の有機樹脂で封止してもよく、耐久性が格段に向上する。
本発明における発光体は、白色発光を実現する際の三原色となるＲＧＢ蛍光体をさらに含んでいてもよい。このような蛍光体としては、色温度が高く演色性に優れた白色発光を実現することができる観点から、ピーク波長を６００〜６７０ｎｍ（より好ましくは６００〜６３０ｎｍ）に有する赤色蛍光体と、ピーク波長を５００〜５５０ｎｍ（より好ましくは５３０〜５５０ｎｍ）に有する緑色蛍光体と、ピーク波長を４５０〜４８０ｎｍ（より好ましくは４５０〜４７０ｎｍ）に有する青色蛍光体とを含むことが好ましい。
前記赤色蛍光体、前記緑色蛍光体および前記青色蛍光体は、それぞれ上記範囲内のピーク波長を有するような従来公知の適宜の蛍光体を好適に用いることができるが、それぞれ希土類元素を含んでなるのが好ましい。これらの蛍光体がそれぞれ希土類元素を含むことにより、白色発光を構成する三原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）を簡便に得ることができる。
本発明において各蛍光体が含む希土類元素としては、たとえば、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｔｍ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕなどが挙げられる。
赤色蛍光体の場合には、上記中でもＳｍおよびＥｕの少なくともいずれかを発光体中心材料として含むことが好ましい。赤色蛍光体がＳｍおよびＥｕの少なくともいずれかを含むことによって、色純度が高く発光効率の高い赤色発光を得ることができるという利点がある。本発明において、Ｓｍ発光吸収体は必須の構成要素として発光体に含まれるが、Ｓｍは６００ｎｍ付近の発色ピークを有しており、Ｓｍ発光吸収体自身を赤色発光体として用いることができる。また、赤色蛍光体としては、発光効率が高く赤色純度に優れたＥｕを発光体中心材料として用い、Ｓｍからのエネルギ遷移によって共に赤色発光させるようにする構成も好ましい。特に、白色発光を得る場合には、赤色発光は青紫色発光に比べ発光効率が劣るので、赤色蛍光体がＳｍおよびＥｕをともに含むように構成することで、白色発光の効率を向上させることもできる。
緑色蛍光体の場合には、上記中でもＥｒ、Ｅｕ、Ｔｂを発光体中心材料として含むことが好ましい。緑色蛍光体がＥｒ、Ｅｕ、Ｔｂを含むことによって、白色発光の演色性に優れ発光効率が高いという利点がある。
青色蛍光体の場合には、上記中でもＴｍまたはＣｅを発光体中心材料として含むことが好ましい。青色蛍光体がＴｍまたはＣｅを含むことによって、白色発光の演色性に優れ発光効率が高いという利点がある。
なお、本発明に用いる前記赤色蛍光体、前記緑色蛍光体および前記青色蛍光体は、上述した希土類元素以外に、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉなどの遷移元素や、上記の希土類元素を含む遷移元素有機金属錯体などを含んでいてもよい。
本発明における蛍光体の添加濃度は、上述したＳｍと同様に、０．０１〜１０ｍｏｌ％の範囲内であるのが好ましく、０．１〜５ｍｏｌ％の範囲内であるのがより好ましい。かかる範囲内の添加濃度を有する蛍光体を含む発光装置は、たとえば蛍光体をかかる濃度範囲で添加した発光体１０５材料の微粒子を、Ｓｍとともに媒質に均一分散させることで実現することができる。あるいは、蛍光体をかかる濃度範囲でＳｍとともに添加した発光体１０５材料の粉末を焼結してターゲットを作製し、レーザアブレーション法やスパッタ法など公知の薄膜形成手法により薄膜化してもよい。
なお、本発明の発光装置は、発光体が前記赤色蛍光体、前記緑色蛍光体および前記青色蛍光体を含んでなるのが好ましいが、ＲＧＢのいずれか１または２色のみを含むことによって、任意の可視光を得る発光装置として実現されても勿論よい。
図１に示す例の本発明の発光装置１００においては、支持基板１０１上に、励起光を発する光源としての青紫色発光素子１０２が配置され、その上に、媒質にＳｍ発光吸収体１０３と、三種の蛍光体（上述した赤色蛍光体、緑色蛍光体、青色蛍光体）１０４とを均一に付活分散させた発光体１０５が配置される。本発明の発光装置における青紫色発光素子１０２の大きさおよび配置は、特に制限されないが、図１にはたとえば３００μｍ角の大きさの半導体レーザ素子を用い、５０μｍの等間隔でアレイ状に配置されてなる例を示している。発光体１０５においてＳｍ発光吸収体１０３と蛍光体１０４を担持する媒質としては、上述した無機固体材料が好ましく用いられる。支持基板１０１としては、青紫色発光素子１０２および発光体１０５を支持することができるならば、その材質は任意のものを用いることができ、たとえばガラス、プラスチック、セラミックスなどを用いてよい。また、サファイアなどＩＩＩ族窒化物半導体のエピタキシャル成長用基板を支持基板１０１に用いることもでき、青紫色発光素子１０２をアレイ状に作り付けた基板をそのまま支持基板として用いれば、青紫色発光素子１０２の配置および配線の手間を大幅に省くことができる。また図１に示す例においては、青紫色発光素子１０２を仕切る隔壁１０６が設けられる。隔壁１０６は、当該隔壁１０６に入射した光が蛍光体を含む媒質に向けて高効率に反射されるように、その表面がたとえばＡｌ、Ｐｔ、Ａｇなどの光反射率の高い材料にて形成されるのが好ましい。
図３は、本発明の好ましい第二の例の発光装置２０１を簡略化して示す構造斜視図である。図３に示す例の発光装置２０１においては、媒質にＳｍ発光吸収体２０４と三種の蛍光体２０５とを均一に付活分散させ、これを線状に形成した発光体（線状発光体）２０２と、この線状発光体２０２の一端より青紫色の励起光を入射可能に配置された青紫色発光素子２０３とを基本的に備えるように構成される。線状発光体２０２を形成する媒質としては、上述した無機固体材料以外に、有機樹脂も好ましく用いることができる。発光装置２０１において用いる青紫色発光素子２０３としては、発光ダイオード素子や面発光型半導体レーザ素子を用いることができる。図３に示した例の発光装置２０１は、線状白色光源として用いることができる。
図４は、本発明の好ましい第三の例の発光装置３０１を簡略化して示す構造斜視図である。図４に示す例の発光装置３０１においては、波長変換部としてコア３０２とクラッド３０３を有する光ファイバを用い、コア３０２を導波する励起光の一部がクラッド５０３側へ漏曳する構造を有する（側面偏光式）と共に、Ｓｍ発光吸収体３０６と、三種の蛍光体３０７を付活分散させた微粒子状のＡｌＮ発光体３０４をクラッド３０３に均一に分散させてなる。すなわち、図４に示す例の発光装置３０１においては、発光体３０４として光ファイバのクラッド３０３を利用したものであり、このような構成の発光装置３０１も本発明の発光装置に包含される。光ファイバとしては、従来公知の適宜のものを用いることができ、特に制限はされないが、Ｓｍ発光吸収体および蛍光体を簡便に分散させることができるなどの理由から、コア３０２がＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）などのアクリル系樹脂にて形成され、クラッド３０３がフッ化ビニリデンやＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などのフッ素系樹脂にて形成された光ファイバ３０４を用いるのが好ましい。また、フッ化物ガラスやボロンガラス、シリカなどのガラスファイバを用いても本発明の効果を得ることができる。クラッド３０３には、光拡散材がさらに含有されていてもよい。発光装置３０１は、この光ファイバを利用した発光体３０４の一端より青紫色の励起光を入射可能に配置された青紫色発光素子３０５とを基本的に備えるように構成される。かかる構成を備える発光装置３０１は、図３に示した例の発光装置２０１と同様の形状ではあるが、励起光はコア部３０２を導波して徐々にクラッド部３０３に浸透して吸収および発光に寄与するため、図３に示した例の発光装置２０１と比較して長手の発光装置を構成して均一に発光させることができる。図４に示した例の発光装置３０１は、線状白色光源として用いることができ、従来の蛍光灯に代わる照明光源や、あるいはこれを編み込んでフレキシブルな面状光源としても用いることができる。
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
＜実施例１＞
実施例１では、図１に示した例の発光装置１００を作製した。媒質として無機固体材料であるＡｌＮを用い、これにＳｍを０．２ｍｏｌ％添加し、三種の蛍光体（赤色蛍光体：Ｅｕ付活Ｙ2ＯＳ、緑色蛍光体：Ｔｂ付活ＧａＮ、青色蛍光体：Ｔｍ付活Ａｌ2Ｏ3）を添加して均一に付活分散させた。具体的には、ＡｌＮ粉末にＳｍ（ＮＯ3）3を１ｍｏｌ％、Ｅｕ付活Ｙ2ＯＳを３ｍｏｌ％、Ｔｂ付活ＧａＮを０．１ｍｏｌ％、Ｔｍ付活Ａｌ2Ｏ3を１ｍｏｌ％添加して均一に分散させた後、温度１５００℃の窒素雰囲気中で焼成し、これをターゲットとしてレーザアブレーション法によりアブレーションする、というようにして、支持基板１０１上に薄膜状の発光体１０５を形成した。支持基板１０１としては、サファイアを用いた。青紫色発光素子１０２としては、ピーク波長４０５ｎｍのＩｎＧａＮ半導体を活性層とする半導体レーザ素子であって、３００μｍ角の大きさのものを、５０μｍの等間隔でアレイ状に配置し、光出射面端面が発光体１０５を向くように実装した。また青紫色発光素子１０２間は、Ａｌで形成された隔壁１０６にて仕切るようにした。
このように構成された本発明の発光装置１００において、青紫色発光素子１０２に８０ｍＡの電流を流したところ、出力３０ｍＷで波長４０５ｎｍのレーザ光が発光体１０５に入射し、発光体１０５上表面から白色発光が得られた。
発光装置１００を積分球内に設置し、放射された白色光を集光して全光束量を測定し、これを励起光源である青紫色発光素子１０２の消費電力で除することによってエネルギ効率ηを算出したところ、８０〔ｌｍ／Ｗ〕であった。
白色発光は演色性によって確認した。基準光にＣＩＥ昼光（色温度：５０００Ｋ）を用い、試験色として赤・黄・黄緑・緑・青緑・青紫・紫・赤紫（明度：６、彩度：７）の８色を用いて、発光装置１００の演色評価数を
Ｒi＝１００−４．６×ΔＥi
（ここで、ｉは上記８つの試験色のいずれかを表す符号で、１〜８の値をとる）
で算出し、各々の演色評価数の総加平均
Ｒａ＝Σ（ｉ＝１〜８）Ｒi×１／８
によって評価したところ、本発明の発光装置から放射された白色発光は平均演色性評価数Ｒａが８５であった。
なお、媒質であるＡｌＮは蛍光体ホスト材料としても機能するため、赤色蛍光体としてＥｕのみ、緑色蛍光体としてＴｂのみ、青色蛍光体としてＴｍのみを上述した濃度で付活分散させても、同様の効果が得られた。
＜比較例１＞
Ｓｍを添加しない以外は実施例１と同様にして発光装置を作製した。実施例１と同様にしてエネルギ効率評価を行ったところ、ηは５０〔ｌｍ／Ｗ〕であった。また、実施例１と同様に測定した平均演色性評価数Ｒａは７０であった。
＜実施例２＞
実施例２では、図３に示した例の発光装置２０１を作製した。媒質としてアクリル樹脂を用い、これにＳｍを０．２ｍｏｌ％添加し、三種の蛍光体（赤色蛍光体：Ｅｕ付活Ｙ2ＯＳ、緑色蛍光体：Ｅｕ付活３（Ｂａ，Ｍｇ，Ｍｎ）Ｏ・８Ａｌ2Ｏ3、青色蛍光体：Ａｇ付活ＺｎＳ）を添加して均一に付活分散させた。具体的には、金属Ｓｍを１ｍｏｌ％、Ｅｕ付活Ｙ2ＯＳを３ｍｏｌ％、Ｅｕ付活３（Ｂａ，Ｍｇ，Ｍｎ）Ｏ・８Ａｌ2Ｏ3を０．１ｍｏｌ％、Ａｇ付活ＺｎＳを１ｍｏｌ％アクリル樹脂中に均一分散させた後硬化させ、これを直径３ｍｍに整形するというようにして、線状発光体２０２を形成した。青紫色発光素子２０５としては、ピーク波長４０５ｎｍのＩｎＧａＮ半導体を活性層とする半導体レーザ素子を用い、線状発光体２０２の一端より青紫色の励起光を入射可能に配置した。
このように構成された本発明の発光装置２０１において、青紫色発光素子２０５に８０ｍＡの電流を流したところ、出力３０ｍＷで波長４０５ｎｍのレーザ光が線状発光体２０２の一端より入射し、線状発光体２０２の側面およびレーザ光を入射したのと反対側の端面から白色発光が得られた。白色発光は、実施例１と同様にして確認した。
なお、ＳｍをＳｍ付活ＧａＮとして、固体発光体材料に付活させた形態としても同様の効果が得られた。
＜実施例３＞
実施例３では、図４に示した例の発光装置３０１を作製した。発光体３０４としては、コア３０２およびその外周部を同心円状に被覆したクラッド３０３よりなる光ファイバであって、クラッドにはＳｍ発光吸収体および三種の蛍光体（赤色蛍光体：粒径８ｎｍのＺｎ0.1Ｃｄ0.9Ｓｅナノ粒子を３ｍｏｌ％、緑色蛍光体：粒径８ｎｍのＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎナノ粒子を０．１ｍｏｌ％、青色蛍光体：粒径４．５ｎｍのＩｎＮナノ粒子を１ｍｏｌ％）を粒子状のＡｌＮに均一に分散させたものを用いた。光ファイバは、コア（導径：０．２ｍｍ）がＰＭＭＡで形成され、クラッド（導径：０．５ｍｍ）がＰＴＦＥで形成され、クラッド３０３の屈折率がコア３０２よりも小さいものを用いた。また、コア３０２を導光するレーザ光の一部がクラッド３０３に漏洩するよう、クラッドにおけるフッ化ビニリデンとテトラフルオロエチレンの重合体比を調整した。青紫色発光素子３０５としては、ピーク波長４０５ｎｍのＩｎＧａＮ半導体を活性層とする半導体レーザ素子を用い、光ファイバの一端より青紫色の励起光を入射可能に配置した。
このように構成された本発明の発光装置３０１において、青紫色発光素子３０５に８０ｍＡの電流を流したところ、出力３０ｍＷで波長４０５ｎｍのレーザ光がコア３０２の一端より入射し、クラッド３０３から白色発光が得られた。白色発光は、実施例１と同様にして確認した。
＜実施例４＞
媒質として無機固体材料であるＧａＮを用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ７５〔ｌｍ／Ｗ〕および８５であった。
＜実施例５＞
媒質として無機固体材料であるＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎを用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ７０〔ｌｍ／Ｗ〕および８０であった。
＜実施例６＞
媒質として無機固体材料であるＩｎ0.05Ａｌ0.1Ｇａ0.85Ｎを用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ８０〔ｌｍ／Ｗ〕および８５であった。
＜実施例７＞
媒質として無機固体材料であるＳｉ3Ｎ4を用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ８０〔ｌｍ／Ｗ〕および９０であった。
＜実施例８＞
媒質として無機固体材料であるＧａＮ0.95Ｐ0.05を用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ８０〔ｌｍ／Ｗ〕および８５であった。
＜実施例９＞
媒質として無機固体材料であるＡｌＮ0.95Ｐ0.05を用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ８５〔ｌｍ／Ｗ〕および９０であった。
＜実施例１０＞
媒質として無機固体材料であるＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ0.95Ｐ0.05を用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ８０〔ｌｍ／Ｗ〕および８５であった。
＜実施例１１＞
媒質として無機固体材料であるＩｎ0.1Ａｌ0.9Ｎ0.95Ｐ0.05を用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ８５〔ｌｍ／Ｗ〕および９０であった。
＜実施例１２＞
媒質として無機固体材料であるＩｎ0.05Ａｌ0.1Ｇａ0.85Ｎ0.95Ｐ0.05を用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ８０〔ｌｍ／Ｗ〕および８５であった。
＜実施例１３＞
媒質として無機固体材料であるＺｎＯを用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ７５〔ｌｍ／Ｗ〕および８５であった。
＜実施例１４＞
媒質として無機固体材料であるＭｇＯを用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ８０〔ｌｍ／Ｗ〕および８５であった。
＜実施例１５＞
媒質として無機固体材料であるＺｎ0.95Ｃｄ0.05Ｏを用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ７５〔ｌｍ／Ｗ〕および８５であった。
＜実施例１６＞
媒質として無機固体材料であるＭｇ0.95Ｚｎ0.05Ｏを用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ８０〔ｌｍ／Ｗ〕および９０であった。
＜実施例１７＞
媒質として無機固体材料であるＭｇ0.9Ｚｎ0.05Ｃｄ0.05Ｏを用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ８０〔ｌｍ／Ｗ〕および９０であった。
＜実施例１８＞
媒質として無機固体材料であるＺｎＳを用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ８０〔ｌｍ／Ｗ〕および８５であった。
＜実施例１９＞
媒質として無機固体材料であるＺｎＳ0.9Ｓｅ0.1を用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ７５〔ｌｍ／Ｗ〕および８０であった。
＜実施例２０＞
媒質として無機固体材料であるＹ2Ｏ3を用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ８５〔ｌｍ／Ｗ〕および９０であった。
＜実施例２１＞
媒質として無機固体材料であるＡｌ2Ｏ3を用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ８５〔ｌｍ／Ｗ〕および９０であった。
＜実施例２２＞
媒質として無機固体材料であるＳｉＯ2を用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ７５〔ｌｍ／Ｗ〕および８０であった。
＜実施例２３＞
媒質として無機固体材料であるＧａ2Ｏ3を用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ８５〔ｌｍ／Ｗ〕および９０であった。
＜実施例２４＞
媒質として無機固体材料であるＳｃ2Ｏ3を用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ７５〔ｌｍ／Ｗ〕および８０であった。
＜実施例２５＞
媒質として無機固体材料であるＩｎ2Ｏ3を用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ８０〔ｌｍ／Ｗ〕および８５であった。
＜実施例２６＞
媒質として無機固体材料であるα−ＳｉＡｌＯＮを用いた以外は、実施例１と同様にして図１に示した例の発光装置１００を作製した。実施例１と同様にして評価したエネルギ効率ηおよび平均演色評価数Ｒａは、それぞれ８５〔ｌｍ／Ｗ〕および９０であった。

Claims (10)

  1. 青紫色発光を呈する半導体励起光源（１０２）と、Ｓｍを含む前記青紫色発光の吸収体（１０３）を有する固体材料発光体（１０５）とを備える発光装置（１００）。
  2. 前記青紫色発光は、ピーク波長を３９８〜４１２ｎｍに有する請求項１に記載の発光装置（１００）。
  3. 前記青紫色発光を呈する半導体励起光源（１０２）は、ＩｎＧａＮ半導体を活性層とする半導体レーザ素子である、請求項２に記載の発光装置（１００）。
  4. 前記固体材料発光体（１０５）は、カチオンとしてＳｃ、Ｙまたは典型元素を含み、かつ、アニオンとしてＮ、ＯおよびＳのうち少なくとも１つを含む請求項１に記載の発光装置（１００）。
  5. 前記固体材料発光体（１０５）は、アニオンとしてＮおよびＯをともに含む、請求項４に記載の発光装置（１００）。
  6. 前記固体材料発光体（１０５）は、Ｇａ、ＩｎおよびＡｌの窒化物のうち少なくとも１つを含む請求項４に記載の発光装置（１００）。
  7. 前記固体材料発光体（１０５）は、Ｙ、Ｓｉ、ＡｌおよびＺｎの酸化物のうち少なくとも１つを含む請求項４に記載の発光装置（１００）。
  8. 前記固体材料発光体（１０５）は、ピーク波長を６００〜６７０ｎｍに有する赤色蛍光体と、ピーク波長を５００〜５５０ｎｍに有する緑色蛍光体と、ピーク波長を４５０〜４８０ｎｍに有する青色蛍光体とを含む請求項１に記載の発光装置（１００）。
  9. 前記赤色蛍光体、前記緑色蛍光体および前記青色蛍光体は、希土類元素を含んでなる請求項８に記載の発光装置（１００）。
  10. 前記赤色蛍光体はＳｍおよびＥｕの少なくともいずれかを含む請求項８に記載の発光装置（１００）。
JP2006511456A 2004-03-26 2005-03-22 発光装置 Pending JPWO2005093860A1 (ja)

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