JPWO2006135005A1 - 発光装置 - Google Patents

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Abstract

励起光源からの光を吸収して波長変換する波長変換部材を有する発光装置であって、その発光スペクトルは、励起光源からの光がエネルギー強度の最大値を示す波長を第1の波長、波長変換部材からの光がエネルギー強度の最大値を示す波長を第2の波長、第1の波長と前記第2の波長との間で前記発光装置の発光スペクトルがエネルギー強度の最小値を示す波長を第3の波長、650nmを第4の波長として、第1の波長におけるエネルギー強度と前記第3の波長におけるエネルギー強度の比は100:15〜150であり、第1の波長におけるエネルギー強度と第4の波長におけるエネルギー強度の比は、100:45〜200の関係である。

Description

本発明は、液晶バックライト光源、照明器具、ディスプレイのバックライト光源、カメラのフラッシュライト、動画照明補助光源などに用いられる発光装置に関する。特に演色性が求められる発光装置に関する。
現在、蛍光ランプが一般的な照明器具として使用されている。しかし、環境対策として水銀レス光源への移行が強く要望されており、発光ダイオード(以下、「LED」ともいう)やレーザーダイオード(以下、「LD」という)などの発光素子を用いた発光装置が注目されている。
これらの発光素子を用いた発光装置は、小型で電力効率が良く鮮やかな色の発光をする。また、該発光素子は半導体素子であるため球切れなどの心配がない。さらに初期駆動特性が優れ、振動やオン・オフ点灯の繰り返しに強いという特徴を有する。このような優れた特性を有するため、LEDやLDなどの発光素子を用いる発光装置は、各種の光源として利用されている。
従来、LEDを用いた白色発光装置には、以下の2種類の組合せが知られている。
1つ目として青色LEDと黄色に発光するいわゆるYAG蛍光体とを組み合わせた発光装置がある。この発光装置は、青色LEDの光によりYAG蛍光体を励起して、青色光と黄色光との混色光により白色光を放出するものである。この発光装置は、消費電力を低減することができ、LEDの駆動制御を容易に行え、混色性も良好であることから、広く一般に使用されている。
2つ目として青色LED、緑色LED、赤色LEDを組み合わせた発光装置がある。これらの発光装置は、いわゆる三波長の発光装置であり、3つのLEDからの光により白色光を放出するものである。この発光装置は、消費電力を低減することができ、液晶透過後の色表示範囲が広い。さらに高効率化かつ高演色性化を図るため、青色LEDと、青緑色LEDと、橙色LEDと、赤色LEDと、を組み合わせた発光装置がある(例えば、特許文献1)。
特開2003−45206号公報
しかし、1つ目の発光装置は、青色光と黄色光との組合せであるため、白熱電球に比べて青緑領域及び赤色領域における放射束が小さく、可視光領域における放射束強度に偏りがある。
2つ目の発光装置は、混色し難く、演色性に乏しいものである。LEDから放出される光は蛍光体から放出される光と異なりシャープな光であるため、各LEDから放出される光を混合しても、連続した発光スペクトルを実現し難い。特に各LEDの発光ピーク間におけるエネルギー強度が低い。また、一つの光源において3つ以上のLEDを要するため、駆動制御が複雑になり、また色調調整も複雑になる。
これらの発光装置によって照射された物体の色は、太陽光や白熱電球の光のように連続したスペクトルを持つ白色光を照射光源として用いた場合と異なる表面色と判断されることもある。
なお、青色LEDに代えて、紫外LEDを用いた発光装置も知られている。紫外LEDと蛍光体とを用いる発光装置においては、可視光領域における放射束強度の偏りを低減することもできる。しかし、この発光装置は紫外線を含むため、紫外線を外部に漏らさない対策を施さなければならない。また、紫外線により部材の劣化が促進される。さらに、紫外LEDはほとんど視感できないため、発光装置から漏れた紫外光を可視光として有効に利用することはできず、発光効率が低くなる。
以上のことから、本発明は、可視光領域における放射束強度の偏りを低減し、太陽光や白熱電球の光のように連続したスペクトルを持つ発光装置を提供することを目的とする。
上記の問題点を解決すべく、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成するに到った。
本発明の発光装置は、可視光の短波長領域の光を発する励起光源と、
前記励起光源からの光を吸収して波長変換し、前記励起光源からの光よりも長波長領域の光を発する波長変換部材と、を有し、
色温度が4000K以上5000K以下の光を発光する発光装置であって、
前記発光装置の可視光領域における発光スペクトルは、前記励起光源からの光がエネルギー強度の最大値を示す波長を第1の波長、前記波長変換部材からの光がエネルギー強度の最大値を示す波長を第2の波長、前記第1の波長と前記第2の波長との間で前記発光装置の発光スペクトルがエネルギー強度の最小値を示す波長を第3の波長、650nmを第4の波長として、
前記第1の波長におけるエネルギー強度と前記第3の波長におけるエネルギー強度の比は100:15〜150であり、
前記第1の波長におけるエネルギー強度と第4の波長におけるエネルギー強度の比は、100:45〜200の関係であることを特徴とする。これにより太陽光や白熱電球の光のように連続した発光スペクトルを持つ発光装置を提供することができる。また、赤色領域の発光を高めることもできる。また、演色性を高めることもできる。さらに、本発光装置は可視光を発する励起光源を用いるため、紫外線はほとんど照射されず、部材の劣化促進を防止し、紫外線の漏れ対策も施さなくてもよい。特に、前記第1の波長のエネルギー強度と前記第3の波長のエネルギー強度は、(第1の波長のエネルギー強度):(第3の波長のエネルギー強度)=100:20〜100が好ましい。高輝度を維持しつつ、高い演色性を得ることができるからである。特に、前記第1の波長のエネルギー強度と第4の波長のエネルギー強度は、(第1の波長のエネルギー強度):(第4の波長のエネルギー強度)=100:45〜100の関係であることが好ましい。これにより高輝度、かつ、特に特殊演色評価数(R9)を高め、赤色領域の発光を高めることができる。
なお、波長変換部材は励起光源からの光を吸収するため、波長変換部材が吸収する光量が多くなると、励起光源から外部に照射される光量が低下し、所定の色温度及び所定の発光色を示さなくなる。よって、第1の波長のエネルギー強度と第2〜第4の波長のエネルギー強度とを所定の範囲となるように、励起光源と波長変換部材とを選択したものである。
前記発光装置は、平均演色評価数が75以上99以下であることが好ましい。これにより演色性の高い発光装置を提供することができる。
前記励起光源は発光素子であり、前記波長変換部材は1の蛍光物質又は組成の異なる2種以上の蛍光物質を有するものであることが好ましい。これにより小型で電力効率の良い発光装置を提供することができる。
前記発光スペクトルは、さらに680nmを第5の波長として、前記第1の波長のエネルギー強度と第5の波長のエネルギー強度は、(第1の波長のエネルギー強度):(第5の波長のエネルギー強度)=100:25〜200の関係であることが好ましい。このことからさらに赤色領域の発光を高めることにより太陽光や白熱電球の光のような連続した発光スペクトルとすることができる。前記第1の波長のエネルギー強度と第5の波長のエネルギー強度は、(第1の波長のエネルギー強度):(第5の波長のエネルギー強度)=100:30〜100の関係であることが好ましい。これにより特に特殊演色評価数(R9)を高め、赤色領域の発光を高めることができる。
前記波長変換部材は、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Luからなる群から選ばれる少なくとも1種以上の希土類元素により賦活される、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Znからなる群から選ばれる少なくとも1種の第II族元素と、C、Si、Ge、Sn、Ti、Zr、Hfからなる群から選ばれる少なくとも1種の第IV族元素と、Al、B、Nからなる群から選ばれるNを必須とする少なくとも1種の第III族元素と、を含む窒化物蛍光体を有することが好ましい。この窒化物蛍光体は可視光の長波長領域に発光ピークを有するため、赤色領域のエネルギー強度を高めることができる。また、この窒化物蛍光体はブロードな発光スペクトルを持つため、演色性に優れた発光装置を提供することができる。さらに、硫化物の蛍光体などに比べて耐熱性に優れているため、熱による劣化が少ない。
本発明は、可視光領域における放射束強度の偏りを低減した発光装置を提供することができる。また、太陽光や白熱電球の光のように連続したスペクトルを持つ高輝度の発光装置を提供することができる。さらに、照明光の品質を評価する方法の一つである演色評価数が改善し、高演色性の発光装置を提供することができる。
実施の形態に係る発光装置を示す概略斜視図である。 実施の形態に係る発光装置を示す概略II−II断面図である。 実施例に用いる発光素子の発光スペクトルを示す図である。 (Al,Ga)12:Ceの蛍光体の発光スペクトルを示す図である。 CaSiAlB3+x:Euの蛍光体の発光スペクトルを示す図である。 実施例1乃至8の発光スペクトルを示す図である。 SrAl1425:Euの蛍光体の発光スペクトルを示す図である。 実施例9乃至17の発光スペクトルを示す図である。 発光スペクトルの比較を示す図である。 (Y,Gd)Al12:Ceの蛍光体の発光スペクトルを示す図である。 比較例1乃至9の発光スペクトルを示す図である。
符号の説明
10 発光素子
11 保護素子
20 パッケージ
20a 底面部
20b 側面部
30a 第1の電極
30b 第2の電極
40 ワイヤ
50 波長変換部材
51 樹脂
52 蛍光物質
以下、本発明に係る発光装置及びその製造方法を、実施の形態及び実施例を用いて説明する。だたし、本発明は、この実施の形態及び実施例に限定されない。
図1は、本発明の実施の形態に係る発光装置を示す概略斜視図である。図1において、図面を明瞭にするため、波長変換部材50を省略している。図2は、実施の形態に係る発光装置を示す概略II−II断面図である。
発光装置100は、励起光源としての発光素子10と、発光素子10を載置する底面部20aと底面部20aから延びる側面部20bとを持つ凹部を有するパッケージ20と、波長変換部材50と、を有している。パッケージ20の凹部の底面部20aの一部には、第1の電極30aと第2の電極30bとを設けている。第1の電極30aは、パッケージ20の外側の隅部及び背面部に繋がっており、その外側の隅部及び背面部が外部電極と電気的に接続されている。同様に、第2の電極30bは、パッケージ20の外側の隅部及び背面部に繋がっており、その外側の隅部及び背面部が外部電極と電気的に接続されている。発光素子10はパッケージ20の凹部の底面に設ける第1の電極30a上に載置されている。波長変換部材50としては、蛍光物質52を樹脂51中に混合したものを使用している。
発光素子10は、例えばGaN系の化合物半導体からなり、絶縁性のサファイア基板の上に、n型の化合物半導体を積層し、その上にp型の化合物半導体を積層する。発光素子10のサファイア基板側を第1の電極30a上に載置しているが、化合物半導体側を第1の電極30a上に載置することもできる。n型層の上面に形成されたn側電極はワイヤ40により第1の電極30aに電気的に接続されている。また、p型層の上面に形成されたp側電極はワイヤ40により第2の電極30bに電気的に接続されている。第1の電極30aと第2の電極30bは一対の正負の電極である。発光素子10は、GaN系の他、InGaN系、AlGaN系、InAlGaN系のものなども使用することができる。発光素子10は、青紫色、青色光や緑色光などの可視光の短波長領域の光を発するものを使用する。発光素子10は、400nm〜495nmに発光ピークを有するものが好ましく、より好ましくは440nm〜495nmに発光ピーク波長を有する。蛍光物質52に吸収されずに透過した光を有効に利用することができること、紫外線を放出しないこと、高いエネルギーを有していることなどからである。
パッケージ20は、上向きに開口する凹部を形成している。凹部は、発光素子10を載置する底面部20aと、底面部20aから延びる側面部20bと、を持っている。パッケージ20の形状は、特に限定されるものではなく、パッケージ20の底部の投影形状が円、楕円、四角形、多角形又は略これらに対応する形状等、種々のものが挙げられる。パッケージ20の大きさは特に限定されず、例えば0.1mm〜100mmのものなどが挙げられる。パッケージ20の厚さは、100μm〜20mm程度が挙げられる。パッケージ20の材質はセラミックスを使用しているが、特に限定されず、公知の材料、通常、耐熱性樹脂である熱可塑性エンジニアリングポリマー、熱硬化性樹脂等の1種又は2種以上を組み合わせて形成することができる。例えば、液晶ポリマー(LCP)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、芳香族ナイロン(PPA)、エポキシ樹脂、硬質シリコーンレジンなどが挙げられる。なかでも、熱可塑性エンジニアリングポリマーがコスト面で適当である。また、パッケージ20には、酸化チタン、酸化亜鉛、アルミナ、シリカ、チタン酸バリウム、リン酸カルシウム、炭酸カルシウム、ホワイトカーボン、タルク、炭酸マグネシウム、窒化ホウ素、グラスファイバー等の無機フィラー等の1種又は2種以上が組み合わされて添加されていてもよい。さらに酸化防止剤、熱安定剤、光安定剤等の添加剤が適宜添加されていてもよい。パッケージ20の凹部の開口部分は円形状であるが、楕円形状や四角形状、多角形並びに略これらに対応する形状等を形成していても良い。
第1の電極30a及び第2の電極30bは、セラミックスのパッケージ20と一体成形されている。第1の電極30a及び第2の電極30bは無電解メッキを施したものでも良いし、露光処理、エッチング処理、レジスト除去等の工程を経た銅箔にニッケル及び金に電解メッキを施したものでも良い。第1の電極30a及び第2の電極30bは、銅、鉄等の合金による高熱伝導体により形成することができる。また、これら合金の表面に銀、アルミ、金等のメッキが施されていても良い。
発光素子10は、第1の電極30a上に接合部材を介して直接載置されている。保護素子11も第1の電極30a上に載置されている。そのほか、保護素子11上に発光素子10を載置し、該保護素子を第1の電極30a上に接合部材を介して載置することもできる。保護素子11とは、発光素子10等の半導体素子と共にパッケージ20の凹部内に収納される素子であり、他の半導体素子を過電圧による破壊から保護するためのものである。保護素子11は、半導体構造を有するものの他、半導体構造を有しないものも含む。保護素子11としては、例えば、ツェナーダイオード、コンデンサ、ダイアック等が挙げられる。
ツェナーダイオードは、正電極を有するp型半導体領域と、負電極を有するn型半導体領域とを有し、保護素子の負電極および正電極が発光素子のp側電極とn側電極に対して逆並列となるように接続される。このように、保護素子をツェナーダイオードとすることにより、正負電極間に過大な電圧が印加されても、発光素子の正負両電極間はツェナー電圧に保持されることとなり、過大な電圧から発光素子を保護し、素子破壊や性能劣化の発生を防止することができる。
コンデンサは、表面実装用のチップ部品を用いることができる。このような構造のコンデンサは、両側に帯状の電極が設けられており、この電極が発光素子の正電極および負電極に並列接続される。正負電極間に過電圧が印加された場合、この過電圧によって充電電流がコンデンサに流れ、コンデンサの端子電圧を瞬時に下げ、発光素子に対する印加電圧が上がらないようにすることにより、発光素子を過電圧から保護することができる。また、高周波成分を含むノイズが印加された場合も、コンデンサがバイパスコンデンサとして機能するので、外来ノイズを排除することができる。
波長変換部材50は、蛍光物質52が樹脂51中に混合したものを使用することが好ましい。樹脂51中には更にフィラー、拡散剤、顔料、光吸収部材なども混合することができる。蛍光物質52に代えて若しくは蛍光物質52と共に、蛍光染料も使用することができる。蛍光物質52は、発光素子10からの光を吸収して波長変換され、発光素子10からの光よりも長波長領域の光を発する。エネルギー変換効率の観点から効率的である。樹脂51は、波長を大きく変換するものではないが、波長変換可能な蛍光物質52を樹脂51中に混合しておくことで蛍光物質52を容易に固定することができる。蛍光物質52と樹脂51を合わせて波長変換部材50としたものである。樹脂51は、耐熱性の良いシリコーン樹脂やエポキシ樹脂、非晶質ポリアミド樹脂、フッ素樹脂などを用いることができる。蛍光物質52はCe等の希土類系元素で賦活される希土類アルミン酸塩蛍光体とEu等の希土類元素により賦活される窒化物蛍光体とを用いて白色に発光する発光装置を製造することが高演色性や高輝度の観点から好ましいが、これに限定されることなく種々の蛍光体を使用することができる。
発光装置100からは、発光素子10の光と、波長変換部材50からの光と、が混合したものが放出される。発光装置100から放出される光は、4000K以上5000K以下となるように発光素子10の発光波長、波長変換部材50からの光の分光分布の波長を調整することが好ましい。特に、分光分布の調整は波長変換部材50に含有される蛍光物質52の組成や配合量を調整することで簡便に行うことができる。
発光装置100の可視光領域における発光スペクトルは、励起光源である発光素子10のエネルギー強度の最大値を示す波長を第1の波長、波長変換部材50のエネルギー強度の最大値を示す波長を第2の波長、第1の波長と第2の波長との間で発光装置の発光スペクトルがエネルギー強度の最小値を示す波長を第3の波長、650nmを第4の波長として、第1の波長のエネルギー強度と第3の波長のエネルギー強度は、(第1の波長のエネルギー強度):(第3の波長のエネルギー強度)=100:15〜150の関係である。また、第1の波長のエネルギー強度と第4の波長のエネルギー強度は、(第1の波長のエネルギー強度):(第4の波長のエネルギー強度)=100:45〜200の関係である。例えば、青色(第1の波長領域)に発光する励起光源と、緑色から黄色(第2の波長領域)に発光する波長変換部材とを用いる場合、青緑色(第3の波長領域)の発光を高めることにより連続した発光スペクトルとすることができるものである。例えば、約450nm(第1の波長)に発光ピーク(エネルギー強度)を有する発光素子10と、約530nm又は約650nm(第2の波長)に発光ピーク(エネルギー強度)を有する蛍光物質52と、を用いると、約480nm(第3の波長)にエネルギー強度の最小値を示す。このとき約450nmのエネルギー強度を100としたとき、約480nmのエネルギー強度が20〜40の関係となっている。また、発光装置100は平均演色評価数が75以上99以下に発光するものである。平均演色評価数が85以上100以下に発光するものがより好ましい。特に平均演色評価数が91以上99以下に発光するものが好ましい。上記説明では発光素子10を450nmにしたものを例にとって説明したが、該波長に限定されるものではなく、440nmや420nmなどに発光ピーク波長を有するものも使用することができる。発光素子10をより可視光領域の短波長側(400nm〜420nm)に発光ピーク波長を有するものを使用したとき、蛍光物質52も可視光領域の短波長側に発光ピーク波長を有するものを選択する。これにより第3の波長のエネルギー強度を高くした発光装置100を提供することができる。
従来の発光装置は、約450nm(第1の波長)に発光ピーク(エネルギー強度)を有する発光素子と、約560nm(第2の波長)に発光ピーク(エネルギー強度)を有する蛍光物質と、を用いている。この場合は、約485nm〜500nm(第3の波長)にエネルギー強度の最小値を示す。このとき約450nmのエネルギー強度を100としたとき、約485nm〜500nmのエネルギー強度が10%以下の関係となっている。この従来の発光装置よりも、演色性を一層高めることが求められている。
また、従来の3波長LEDを用いる発光装置と異なり、本発明の発光装置100は連続したスペクトルを有するため太陽光や白熱電球の光に近い発光装置を提供することができる。
なお、色温度の違いにより平均演色評価数、特殊演色評価数が異なってくる。そのためエネルギー強度の発光スペクトルが似ているものがあったとしても、色温度の異なるもの同士の対比は正確ではないが、色温度4000K〜5000Kの範囲では、第1の波長、第2の波長、第3の波長におけるエネルギー強度を所定の範囲にすることにより演色性が向上する。
本明細書中における「可視光の短波長領域」は、λp=380nm以上495nm以下の波長領域をいう。また、「紫外領域」は、λp=380nm未満までの波長領域をいう。本明細書における実施例および比較例の発光特性は、JIS Z 8724−1997に準拠した方法により測定した。この測定結果を元に、平均演色評価数および特殊演色評価数をJIS Z 8726−1990に準拠した計算により求めた。
(蛍光物質)
蛍光物質52は樹脂51中に含有されていることが好ましい。
蛍光物質52は、例えば、窒化物系半導体を発光層とする半導体発光素子からの光を吸収し異なる波長の光に波長変換するものであればよい。例えば、Eu、Ce等のランタノイド系元素で主に賦活される窒化物系蛍光体・酸窒化物系蛍光体、Eu等のランタノイド系、Mn等の遷移金属系の元素により主に付活されるアルカリ土類ハロゲンアパタイト蛍光体、アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン蛍光体、アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体、アルカリ土類ケイ酸塩、アルカリ土類硫化物、アルカリ土類チオガレート、アルカリ土類窒化ケイ素、ゲルマン酸塩、又は、Ce等のランタノイド系元素で主に付活される希土類アルミン酸塩、希土類ケイ酸塩又はEu等のランタノイド系元素で主に賦活される有機及び有機錯体等から選ばれる少なくともいずれか1以上であることが好ましい。具体例として、下記の蛍光体を使用することができるが、これに限定されない。
Eu、Ce等のランタノイド系元素で主に賦活される窒化物系蛍光体は、MSi:Eu(Mは、Sr、Ca、Ba、Mg、Znから選ばれる少なくとも1種以上である。)などがある。また、MSi:EuのほかMSi10:Eu、M1.8Si0.2:Eu、M0.9Si0.110:Eu(Mは、Sr、Ca、Ba、Mg、Znから選ばれる少なくとも1種以上である。)などもある。
また、Eu等の希土類元素により賦活され、第II族元素Mと、Siと、Alと、Nとを含む窒化物蛍光体で、紫外線乃至青色光を吸収して黄赤色から赤色の範囲に発光する。この窒化物蛍光体は、一般式がMAlSi((2/3)w+x+(4/3)y):Euで示され、さらに添加元素として希土類元素及び4価の元素、3価の元素から選ばれる少なくとも1種の元素を含む。MはMg、Ca、Sr、Baの群から選ばれる少なくとも1種である。
上記一般式において、w、x、yの範囲は好ましくは0.04≦w≦9、x=1、0.056≦y≦18とする。またw、x、yの範囲は0.04≦w≦3、x=1、0.143≦y≦8.7としてもよく、より好ましくは0.05≦w≦3、x=1、0.167≦y≦8.7としても良い。
また窒化物蛍光体は、ホウ素Bを追加した一般式MAlSi((2/3)w+x+(4/3)y+z):Euとすることもできる。上記においても、MはMg、Ca、Sr、Baの群から選ばれる少なくとも1種であり、0.04≦w≦9、x=1、0.056≦y≦18、0.0005≦z≦0.5である。ホウ素を添加する場合、そのモル濃度zは、上述の通り0.5以下とし、好ましくは0.3以下、さらに0.0005よりも大きく設定される。さらに好ましくは、ホウ素のモル濃度は、0.001以上であって、0.2以下に設定される。
またこれらの窒化物蛍光体は、さらにLa、Ce、Pr、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Luの群から選ばれる少なくとも1種、またはSc、Y、Ga、Inのいずれか1種、またはGe、Zrのいずれか1種、が含有されている。これらを含有することによりGd、Nd、Tmよりも同等以上の輝度、量子効率またはピーク強度を出力することができる。
Eu、Ce等のランタノイド系元素で主に賦活される酸窒化物系蛍光体は、MSi:Eu(Mは、Sr、Ca、Ba、Mg、Znから選ばれる少なくとも1種以上である。)などがある。
Eu等のランタノイド系、Mn等の遷移金属系の元素により主に付活されるアルカリ土類ハロゲンアパタイト蛍光体には、M(POX:R(Mは、Sr、Ca、Ba、Mg、Znから選ばれる少なくとも1種以上である。Xは、F、Cl、Br、Iから選ばれる少なくとも1種以上である。Rは、Eu、Mn、EuとMn、のいずれか1種以上である。)などがある。
アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン蛍光体には、MX:R(Mは、Sr、Ca、Ba、Mg、Znから選ばれる少なくとも1種以上である。Xは、F、Cl、Br、Iから選ばれる少なくとも1種以上である。Rは、Eu、Mn、EuとMn、のいずれか1以上である。)などがある。
アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体には、SrAl:R、SrAl1425:R、CaAl:R、BaMgAl1627:R、BaMgAl1612:R、BaMgAl1017:R(Rは、Eu、Mn、EuとMn、のいずれか1種以上である。)などがある。
アルカリ土類硫化物蛍光体には、LaS:Eu、YS:Eu、GdS:Euなどがある。
Ce等のランタノイド系元素で主に賦活される希土類アルミン酸塩蛍光体には、YAl12:Ce、(Y0.8Gd0.2Al12:Ce、Y(Al0.8Ga0.212:Ce、(Y,Gd)(Al,Ga)12の組成式で表されるYAG系蛍光体などがある。また、Yの一部若しくは全部をTb、Lu等で置換したTbAl12:Ce、LuAl12:Ceなどもある。
その他の蛍光体には、ZnS:Eu、ZnGeO:Mn、MGa:Eu(Mは、Sr、Ca、Ba、Mg、Znから選ばれる少なくとも1種以上である。Xは、F、Cl、Br、Iから選ばれる少なくとも1種以上である。)などがある。
上述の蛍光体は、所望に応じてEuに代えて、又は、Euに加えてTb、Cu、Ag、Au、Cr、Nd、Dy、Co、Ni、Tiから選択される1種以上を含有させることもできる。
Ca−Al−Si−O−N系オキシ窒化物ガラス蛍光体とは、モル%表示で、CaCO をCaOに換算して20〜50モル%、Alを0〜30モル%、SiOを25〜60モル%、AlNを5〜50モル%、希土類酸化物または遷移金属酸化物を0.1〜20モル%とし、5成分の合計が100モル%となるオキシ窒化物ガラスを母体材料とした蛍光体である。尚、オキシ窒化物ガラスを母体材料とした蛍光体では、窒素含有量が15wt%以下であることが好ましく、希土類酸化物イオンの他に増感剤となる他の希土類元素イオンを希土類酸化物として蛍光ガラス中に0.1〜10モル%の範囲の含有量で共賦活剤として含むことが好ましい。
また、上記蛍光体以外の蛍光体であって、同様の性能、作用、効果を有する蛍光体も使用することができる。
蛍光体は535nm以下に発光ピーク波長を有する蛍光体と、645nm以上に発光ピーク波長を有する蛍光体との組合せが好ましい。2種以上の蛍光体の組合せは、蛍光体を個々に測定した場合、最も短波長側にある発光ピーク波長と最も長波長側にある発光ピーク波長との波長の差が100nm以上であることが好ましい。特に110nm以上が好ましい。これにより、ブロードな発光スペクトルを有する演色性の高い発光装置を提供することができるからである。これは最も短波長側にある発光ピーク波長と最も長波長側にある発光ピーク波長との間に、発光ピーク波長を持つ、異なる蛍光体を用いるものでも良い。また、上記目的を達成できる1種の蛍光体を用いてもよい。なお、上記の110nmの波長の差がある、2種以上の蛍光体を組み合わせて発光装置とし、その発光装置の発光スペクトルを測定した場合、上記の110nmよりも短い波長の差となる。
より具体的には、次の2種類の蛍光物質を組み合わせ、本件所定の発光スペクトルを実現することが好ましい。下記のYAG蛍光体は、黄色のブロードな発光を示し、下記の窒化物蛍光体は、赤色のブロードな発光を示すため、本件所定の発光スペクトルを容易に実現し、演色性に優れた発光装置が実現できる。
(a)500nm以上、600nm以下(より好ましくは535nm以下)に発光ピーク波長を有するYAG蛍光体
ここでYAG蛍光体とは、MxAyDzで表されるガーネット構造の蛍光体を指す。
M=Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Luの
いずれかを含む金属元素
A=Al又はBのいずれかを含む金属元素
D=Oおよび/またはN
1≦x≦4
4≦y≦6
5≦z≦15
(b)600nm以上(より好ましくは645nm以上)、700nm以下に発光ピーク波長を有する窒化物蛍光体
ここで窒化物蛍光体とは、MxAyDzおよび/またはMhAiEjDlで表される蛍光体の単体もしくは混合品をいう。
M=Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Luのいずれかと、
Mg, Ca, Sr, Ba, Znのいずれかとを含む金属元素
A=Si, Geのいずれかを含む金属元素
E=Al, Bのいずれかを含む金属元素
D=Nおよび/またはOで構成される
1≦x≦3
3≦y≦7
4≦z≦17
1≦h≦3
1≦i≦3
1≦j≦3
3≦l≦14
さらに、上記YAG蛍光体と窒化物蛍光体に加えて、下記のアルカリ土類アルミン酸塩蛍光体を用いると、第3の波長におけるエネルギー強度が高くなるため、一層演色性が良好となる。
(c)450nm以上、550nm以下に発光ピーク波長を有するアルカリ土類アルミン酸塩蛍光体
ここでアルカリ土類アルミン酸塩蛍光体とは、MxAyDzで表される蛍光体を指す。
M=Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Luのいずれかと、
Mg, Ca, Sr, Ba, Znのいずれかを含む金属元素
A=Al, Bのいずれかを含む金属元素
D=Oおよび/またはN
2≦x≦6
10≦y≦18
11≦z≦33
<実施例1乃至8>
実施例1乃至8の発光装置は、実施の形態に係る発光装置を用いる。図1は、実施の形態に係る発光装置を示す概略斜視図である。図2は、実施の形態に係る発光装置を示す概略II−II断面図である。図3は、実施例に用いる発光素子の発光スペクトルを示す図である。図4は、Y(Al,Ga)12:Ceの蛍光体の発光スペクトルを示す図である。励起光は460nmである。図5は、CaSiAlB3+x:Euの蛍光体の発光スペクトルを示す図である。励起光は460nmである。図6は、実施例1乃至8の発光スペクトルを示す図である。実施例に係る発光装置100は、上述の実施の形態に係る発光装置の説明を参酌するため一部説明を省略する。本明細書において発光色、色度座標は、特に明記のない限り、CIE(国際照明委員会)の定めたCIE表色系に従うものとする。
実施例1乃至8の発光装置は、発光素子10と、底面部20aと側面部20bとを持つ凹部を有するパッケージ20と、蛍光物質52を樹脂51中に混合した波長変換部材50と、を用いる。
パッケージ20の材質はAlを主成分とするセラミックスであり、縦横350mm、高さ10mmのものを使用する。
発光素子10は、□600μmのITOダイスであり、約450nmに発光ピーク波長を持つものを使用する。この発光素子10は青色に発光する。保護素子11にツェナーダイオードを使用する。
蛍光物質52は、Y(Al,Ga)12:Ceの組成の第1のYAG蛍光体と、CaSiAlB3+x:Eu(x>0)の組成の窒化物蛍光体を使用する。第1のYAG蛍光体は530nm付近に発光ピーク波長を持つブロードな発光スペクトルを有する。窒化物蛍光体は、約650nmに発光ピーク波長を持つブロードな発光スペクトルを有する。樹脂51中における蛍光物質52の配合量は、(樹脂51の重量):(第1のYAG蛍光体の重量):(窒化物蛍光体の重量)=3:0.40〜0.60:0.065〜0.095である。この蛍光物質52の量は、樹脂51中に均一に第1のYAG蛍光体及び窒化物蛍光体を混合した配合量である。この均一に混合した波長変換部材50をパッケージ20の凹部内に滴下する。パッケージ20は非常に小型であるため、波長変換部材50の蛍光物質52の分散具合や、滴下量により、配合量が同じでも異なる色度座標を示すことがある。
表1は、実施例1乃至8の発光装置の発光特性を示す。
Figure 2006135005

実施例1乃至8の発光装置は色温度4000K〜5000Kになるものを種々製造した。平均演色評価数(Ra)、特殊演色評価数(R1〜R15)は、JIS Z 8726−1990の方法で、相関色温度の等しい基準の光により求めた。実施例9乃至17、比較例1乃至9も同様である。
実施例1乃至8の発光装置の平均演色評価数(Ra)はいずれも91以上と極めて高い演色性を示した。また、実施例1乃至8の特殊演色評価数(R1〜R15)も極めて高い演色性を示した。特に、赤色を示す特殊演色評価数(R9)は70以上である。後述する比較例の発光装置、即ち、赤味成分が少なかった、青色発光素子と黄色蛍光体(第2のYAG蛍光体;(Y,Gd)Al12:Ce)との白色発光装置に比べて、演色性を改善することができた。
<実施例9乃至17>
実施例9乃至17は、実施例1乃至8の蛍光物質52にさらにSrAl1425:Euのアルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体を使用したものである。図7は、SrAl1425:Euの蛍光体の発光スペクトルを示す図である。励起光は400nmである。図8は、実施例9乃至17の発光スペクトルを示す図である。
実施例9乃至17は、実施例1乃至8の発光装置100と蛍光物質52を除いて同じである。実施例9乃至17は、蛍光物質52に、Y(Al,Ga)12:Ceの組成の第1のYAG蛍光体と、CaSiAlB3+x:Eu(x>0)の組成の窒化物蛍光体と、SrAl1425:Euのアルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体と、を使用する。SrAl1425:Euのアルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体は、約400nmで励起させたとき、495nm付近に発光ピーク波長を持つややブロードな発光スペクトルを有する。樹脂51中における蛍光物質52の配合量は、(樹脂51の重量):(第1のYAG蛍光体の重量):(窒化物蛍光体の重量):(アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体)=3:0.25〜0.60:0.065〜0.100:0.05〜0.40である。実施例11乃至17は、実施例9又は10よりもアルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体の配合量は多い。
表2は、実施例9乃至17の発光装置の発光特性を示す。
Figure 2006135005

実施例9乃至17の発光装置の平均演色評価数(Ra)はいずれも92以上と極めて高い演色性を示した。特にアルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体の量を増やした実施例11乃至17については95以上と極めて高い演色性を示した。また、実施例9乃至17の特殊演色評価数(R1〜R15)も極めて高い演色性を示した。特に、赤色を示す特殊演色評価数(R9)は70以上、特にアルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体の量を増やした実施例11乃至17については80以上である。後述する比較例の発光装置、即ち、赤味成分が少なかった、青色発光素子と黄色蛍光体(第2のYAG蛍光体;(Y,Gd)Al12:Ce)との白色発光装置に比べて、演色性を改善することができた。特に、第3の波長のエネルギー強度を補うための蛍光体を蛍光物質52中に混入することにより一層演色性を改善することができる。また、第3の波長のエネルギー強度を補う蛍光体で拡散された励起光源からの光により、可視光領域の長波長側に発光する蛍光体(例えば窒化物蛍光体)が効率よく励起され、赤味成分が更に増加する。
図9は、発光スペクトルの比較を示す図である。図9は、実施例3、実施例10、比較例4の色温度4200Kにおけるエネルギー強度を比較するためのものである。
実施例1乃至17は、発光素子10のエネルギー強度の最大値を示す約450nm(第1の波長)と、蛍光物質52のエネルギー強度の最大値を示す530nm〜650nm(第2の波長)と、第1の波長と第2の波長との間のエネルギー強度の最小値を示す約480nm(第3の波長)と、を示す発光スペクトルを有する。
図に示す発光スペクトルおいて、比較例4の第3の波長(488nm)のエネルギー強度は8%であるのに対し、実施例3及び実施例10の第3の波長(481nm)のエネルギー強度はそれぞれ27%及び30%である。また、赤味成分を示す波長域(一例として第4の波長の650nm)のエネルギー強度は比較例33%であるのに対し、実施例3及び実施例10のエネルギー強度はそれぞれ62%及び69%である。さらに、赤味成分を示す波長域(一例として第5の波長の680nm)のエネルギー強度は比較例18%であるのに対し、実施例3及び実施例10のエネルギー強度はそれぞれ43%及び47%である。
説明上、実施例3、実施例10、比較例4で第1の波長、第2の波長、第3の波長のエネルギー強度を示したが、その他の実施例についてもそれぞれの波長のエネルギー強度を測定した。その結果、実施例1乃至17において、第1の波長のエネルギー強度を100%としたとき、第3の波長のエネルギー強度は20%〜35%となる。ただし、第3の波長のエネルギー強度を15%以上150%以下とすることで本発明の目的を達成することができる。なお、比較例1乃至9の第3の波長のエネルギー強度は7%〜10%である。この範囲では平均演色評価数(Ra)は73.7以下である。
また、赤味成分を示す波長域(650nm)のエネルギー強度は実施例1乃至17において45%〜80%である。ただし、650nmの波長のエネルギー強度を45%以上200%以下とすることで本発明の目的を達成することができる。なお、比較例1乃至9における650nmの波長のエネルギー強度は24%〜42%である。この範囲では特殊演色評価数(R9)は0以下である。
さらに、赤味成分を示す波長域(一例として第5の波長の680nm)のエネルギー強度は実施例1乃至17において25%〜60%である。ただし、680nmの波長のエネルギー強度を25%以上200%以下とすることで本発明の目的を達成することができる。なお、比較例1乃至9における680nmの波長のエネルギー強度は13%〜23%である。この範囲では特殊演色評価数(R9)は0以下である。
<比較例1乃至9>
比較例1乃至9は、実施例1乃至17の蛍光物質52に(Y,Gd)Al12:Ceの第2のYAG蛍光体を使用したものである。図10は、(Y,Gd)Al12:Ceの蛍光体の発光スペクトルを示す図である。励起光は460nmである。図11は、比較例1乃至9の発光スペクトルを示す図である。
比較例1乃至9は、実施例1乃至17の発光装置100と蛍光物質52を除いて同じである。比較例1乃至9は、蛍光物質52に、(Y,Gd)Al12:Ceの第2のYAG蛍光体を使用する。第2のYAG蛍光体は、570nm付近に発光ピーク波長を持つブロードな発光スペクトルを持つ。樹脂51中における蛍光物質52の配合量は、(樹脂51の重量):(第2のYAG蛍光体の重量)=3:0.220〜0.300である。
表3は、比較例1乃至9の発光装置の発光特性を示す。
Figure 2006135005

比較例1乃至9の発光装置の平均演色評価数(Ra)はいずれも68.1〜73.7を示した。また、比較例1乃至9の赤色を示す特殊演色評価数(R9)は−28.2〜−1.3であった。
本発明の発光装置は、液晶のバックライト光源、照明器具、ディスプレイのバックライト光源、カメラのフラッシュライト、動画照明補助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使用することができる。

Claims (6)

  1. 可視光の短波長領域の光を発する励起光源と、
    前記励起光源からの光を吸収して波長変換し、前記励起光源からの光よりも長波長領域の光を発する波長変換部材と、を有し、
    色温度が4000K以上5000K以下の光を発光する発光装置であって、
    前記発光装置の可視光領域における発光スペクトルは、前記励起光源からの光がエネルギー強度の最大値を示す波長を第1の波長、前記波長変換部材からの光がエネルギー強度の最大値を示す波長を第2の波長、前記第1の波長と前記第2の波長との間で前記発光装置の発光スペクトルがエネルギー強度の最小値を示す波長を第3の波長、650nmを第4の波長として、
    前記第1の波長におけるエネルギー強度と前記第3の波長におけるエネルギー強度の比は100:15〜150であり、
    前記第1の波長におけるエネルギー強度と第4の波長におけるエネルギー強度の比は、100:45〜200の関係であることを特徴とする発光装置。
  2. 前記発光装置は、平均演色評価数が75以上100以下である光を発光することを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
  3. 前記励起光源は発光素子であり、前記波長変換部材は蛍光物質を有することを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
  4. 前記波長変換部材は、組成の異なる2種以上の蛍光物質を有することを特徴とする請求項3に記載の発光装置。
  5. 前記発光スペクトルは、680nmを第5の波長として、前記第1の波長におけるエネルギー強度と第5の波長におけるエネルギー強度の比は、100:25〜200であることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
  6. 前記波長変換部材は、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Luからなる群から選ばれる少なくとも1種希土類元素により賦活される、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Znからなる群から選ばれる少なくとも1種の第II族元素と、C、Si、Ge、Sn、Ti、Zr、Hfからなる群から選ばれる少なくとも1種の第IV族元素と、Al、B、Nからなる群から選ばれるNを必須とする少なくとも1種の第III族元素と、を含む窒化物蛍光体を有することを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
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