KR20200047795A - 백색 광원 시스템 - Google Patents

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노리아키 야기
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Abstract

미술관의 전시품 등, 자연광과 동일한 고연색성이 요구되는 각종 대상물의 조명 광원으로, 지구 상에 조사되는 태양광을 지역차나 시간차를 가미하여 재현할 수 있음과 함께, 회화 등으로의 악영향이 염려되는 자외 내지 청색 발광 성분이 저감된 백색광을 방사 가능한 조명 장치를 구체화한다. 자외 내지 자색 발광 LED와 형광체의 조합을 포함하는, 적어도 4종류의 백색 광원을 사용하고, 사용하는 형광체의 재료종이나, 백색 광원의 혼합비를 조절함으로써, 특정 계절, 특정 지역의 태양광의 하루의 변화를 연속적으로 재현하며, 또한 장치 구조의 고안에 의해 안전면 등이 배려된 백색광을 재현한다.

Description

백색 광원 시스템{WHITE LIGHT SOURCE SYSTEM}
본 발명은, 태양광과 동등한 자연광이 요구되는 조명, 예를 들어 미술관 등에 있어서의 전시물이나, 병원 등에서 장기 입원이 부득이한 환자, 또한 고연색이 요구되는 가정 내나 오피스 등의 조명에 사용되는 백색 광원 및 백색 광원 시스템에 관한 것이다.
미술품이나 공예품에 있어서, 작품이 갖는 색채는 가장 중요한 특성 중 하나인데, 예를 들어 회화나 항아리는 자체가 발광하는 것은 아니기 때문에, 미술관 등에 있어서 전시물을 감상할 때의 조명도, 작품과 동일한 정도로 중요한 의미를 갖는다. 왜냐하면, 전시물의 감상자는 조명 광원으로부터 조사된 가시광 중, 전시물의 표면에서 반사된 광을 관찰하고 있기 때문이다. 예술가가 아무리 아름다운 색채를 표현하고 있다고 해도, 전시물에 조사되는 광원에, 특정 색채에 대응한 발광 성분이 포함되어 있지 않으면, 감상자에게는 어두컴컴하여 색채 감각이 부족한 색조로밖에 전시물을 관찰할 수가 없다.
이와 같은 조명 용도에 가장 바람직한 광원은 태양광이다. 태양광은 연속적인 광의 파장 성분으로부터 성립되어 있는 대로, 가시광 파장인 400nm 내지 780nm까지의 모든 광 성분을, 거의 균등하게 포함하고 있고, 자연계에 존재하는 모든 색을, 그 물질이 갖는 본래의 색으로서 재현할 수 있다. 그러나, 아무리 태양광이 광원으로서 우수해도, 회화 등의 고급 미술품을 옥외의 밝은 공간에서, 태양광에 직접 노출시켜 감상하는 경우는 없다. 미술관 등의 특정 장소에 소장하여 감상하는 것은, 비바람이나 도난 등의 사고로부터 지키는 의미도 있지만, 그것들 이외에 중요한 이유는 미술품을 대량의 광 조사로부터 보호하기 위함이다.
이것은, 태양광이 모든 파장의 가시광을 포함함과 동시에, 자외광이나 적외광 등 가시광 이외의 발광 성분도 포함하고 있기 때문이다. 특히 자외광은 가시광보다도 에너지적으로 강한 점에서, 태양광에 직접 노출되면, 역사적인 회화 등의 퇴색이나 취화 등을 가속화시켜 버린다. 이 때문에 인공 광원이 필요하지만, 광량의 조절이 가능하든가, 자외선량을 최대한 저감시키는 등의, 인공광만의 편리한 특징에 더하여, 태양광을 가능한 한 충실하게 재현할 수 있는 광원이 필요해지고 있다.
한편 인공 광원으로서, 최근에는, 에너지 절약이나 이산화탄소 배출량 삭감의 관점에서 LED(발광 다이오드)를 사용한 광원이 주목받고 있다. 텅스텐 필라멘트를 사용한 종래의 백열 전구와 비교하여, 장수명이면서 에너지 절약이 가능하고, 그 편리성으로부터 LED 조명은 급속히 시장을 넓혀가고 있다. 당초의 LED 조명은, 청색 발광의 LED와 황색 발광의 형광체를 조합하여 백색광을 얻는 타입의 것이 많아서, 따뜻함이 부족한 부자연스러운 백색밖에 재현할 수 없었다. 그러나, LED 제품의 시장 확대와 함께 성능 향상도 현저하고, LED와 형광체의 조합에 관한 각종 개량이 행해진 결과, 태양광을 재현 가능한, 백색 광원도 몇가지 개발되어 있다.
특허문헌 1은 태양광과 동등한 발광 스펙트럼을 갖는 백색 광원에 관한 발명에서, 색 온도가 다른 태양광을, 동일한 색 온도의 흑체 복사 스펙트럼으로 재현시킨 것이다. 이 발명에서는, 시간과 함께 변화되는 각종 색 온도의 태양광에 대하여, 외관 상의 백색광 뿐만 아니라, 스펙트럼 형상까지 포함하여 근사시킨 백색 광원을 얻을 수 있다. 특허문헌 2는, 백색 광원을 사용한 조명 시스템에 관한 발명에서, 조명의 대상은 인간 등을 중심으로 한 오피스 조명 등에 관한 것이다. 옥외 광의 변화를 검지하면서, 옥내 광의 색 온도나 조도를 조정할 수 있는 시스템에서, 인류의 생리 현상이나 계절에 의한 변화에 대응한 백색 조명을 얻을 수 있다. 또한 특허문헌 3은, 다른 색 온도의 복수개 발광 다이오드 모듈을 조합한 인공 태양광 시스템에 관한 발명에서, 지구 상의 다른 위도나 경도의 지점에 조사되는 태양광의 색 온도 변화를 재현할 수 있다.
국제 공개 제2012/144087호 공보 일본 특허 공개 제2011-23339호 공보 일본 특허 공표 제2009-540599호 공보
본 발명의 목적은, 미술관 등의 전시품이나 장기 입원 환자와 같이, 태양광과 동등한 자연스러운 조명이 필요한 대상에 대하여 사용 가능한 인공 광원 시스템으로, 태양광에 가능한 한 가깝고, 또한 시간이나 장소에 따라서 변화되는 태양광의 미묘한 차이까지도 연속적으로 재현할 수 있는 조명 시스템에 관한 것이다.
최근 들어, 태양광을 재현할 수 있는 인공 광원에 대해서는, 특허문헌 1 내지 3에 나타낸 바와 같이, 몇개의 특허 제안이 이루어짐과 함께, 이들과는 별도로 태양광 재현을 판매물로 만든 제품도, 시장에 다수 나와 있다. 이들 조명 제품에서는, 어떤 순간의 태양광에 근사시킨 광원이나, 태양광의 변화를 파악한 경우에도, 대부분의 것은 태양광의 외관 상의 색 온도 변화에 착안하여, 태양광 근사를 겨냥한 것뿐이다. 그 중에는 특허문헌 3과 같이, 시간이나 장소의 차이에 의한 태양광의 색 온도 및 광 특성 변화 데이터를 컨트롤하려고 하는 사고방식도 있지만, 특허문헌 3의 경우, 색 온도 이외의 광 특성 변화에 대해서는, 구체적인 설명이나 개량이 이루어져 있지 않다.
그러나, 태양광의 변화는 색 온도에만 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 조사율이나 순도ㆍ탁도에 의해서도 변화된다. 색 온도에 더하여 이들 요소를 포함한 미묘한 변화가, 지역마다 다른 풍토를 만들어내는 큰 요인이 되고 있다. 예를 들어 일본 국내를 일본해측과 태평양측으로 나눈 경우, 일본해측 지역은, 흐린 날이나 비, 눈이 오는 날이 많아, 대기 중에는 수증기나 먼지 등의 부유물이 많이 포함되기 때문에, 태양광에 그늘이 발생하여, 물질의 색은 흐려져서 보인다. 한편의 태평양측에서는, 수증기가 적기 때문에, 대기의 순도가 높아, 물질은 맑은 색으로 보인다. 이로부터, 지역에 따라서 색의 기호에 차이가 발생하고, 일본해측에 사는 사람들은 탁색을 즐기고, 태평양측의 사람들은 청색을 즐기는 경향이 있다.
회화 등의 미술품은 인간에 의한 창작이다. 따라서, 개인에 의한 오리지널 작품인데, 작품이 갖는 색채 표현은, 환경의 영향을 회피할 수는 없다. 사실화라면 당연한 것이지만, 추상화인 경우에도, 적을 강조하거나 청을 강조하거나, 청색을 즐기거나, 탁색을 즐기거나, 그들의 선택 그 자체가, 이미 풍토 등의 영향을 받고 있을 가능성이 있고, 가령, 그들의 선택이 순수하게 개인의 감성에 기초하는 것이라도, 창작물의 색 표현을 광원으로부터의 반사광으로 식별하고 있는 이상은 영향을 피할 수 없는 것이다. 즉, 작자가 개인적인 의도로 적색을 강조했다고 해도, 그 정도에 대해서는, 광원 중에 포함되는 동일한 파장의 적색 성분의 양에 의해 영향받는 것이 당연하기 때문이다.
따라서 미술 감상 등에 있어서, 작품의 진정한 가치를 이해하기 위해서는, 간단히 태양의 자연광을 재현하는 것뿐만 아니라, 작품이 제작된 것과 동일한 광 환경을 재현하는 것이 매우 중요해진다. 즉, 작품이 제작된 나라나 지역, 계절이나 시간, 또한 시대나 날씨 등, 작자가 체험한 것과 동일한 광 아래에서 감상해야 비로소, 작자와 동일한 입장에서, 작품을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 백색 광원에서는, 각종 색 온도의 태양광을 재현하는 것을 기본으로 한다. 즉, 특정 색 온도의 태양광을 재현할 때, 태양광과 동일한 색 온도의 흑체 복사 스펙트럼을, 태양 광선에 의한 스펙트럼으로 간주하여, 그 형상까지 근사시키는 것을 기본으로 한다. 태양은 흑체의 일종이라고 생각할 수 있어, 흑체의 복사 스펙트럼 곡선과 태양광의 발광 스펙트럼 곡선의 일치는 양호하며, 실제 태양 광선의 스펙트럼 분포는 5800K의 흑체 복사 스펙트럼에 가깝다고 되어 있다.
그러나 지구 상에 도달한 실제 태양광의 발광 스펙트럼은, 흑체 복사 스펙트럼과는 약간의 어긋남이 발생하고 있다. 태양으로부터 조사되는 백색광이 흑체 복사의 스펙트럼과 근사하고 있어도, 지상에 도달할 때까지의 동안에, 지표 상의 공기나 수증기 또한 진애 등의 층을 통과하고, 특정 파장의 광이 산란되어버리기 때문이다. 청색광의 산란 등에 의한 매크로의 변화는, 색 온도의 변화로서 대응하는 것은 가능하지만, 발광 스펙트럼의 특정 파장 영역에 발생하는 미소한 요철 파형까지 인공적으로 재현하는 것은 곤란하다.
그러나, 이와 같은 미소한 차이가, 지역에 의한 풍토의 차이를 만들어내는 요인이며, 본 발명은, 미소한 차이를 포함하여 대응할 수 있도록 궁리한 것이다. 구체적으로는, 지상에 도달한 태양광의 스펙트럼과 태양광과 동일한 색 온도의 흑체 복사 스펙트럼의 어긋남에 대해서, 그 상이한 정도를 흑체 궤적으로부터의 편차로 환산하고, 소정의 편차를 갖는 상관 색 온도의 백색광을 재현하는 것이다.
본 발명의 백색 광원에서는, 상기한 같은, 지역차에 의한 미묘한 색 변화를 재현하는 것에 더하여, 시시각각 변화되는 태양광의 색 온도 변화도, 연속적으로 재현하고, 극히 자연스러운 태양광을 인공 광원에 의해 제공하는 것이다. 그리고 본 발명의 백색 광원에서는, 회화나 인체에 있어서 유해하다고 간주되고 있는, 자외광이나 청색광의 발광 성분을, 종래의 인공 광원에 비교하여 크게 저감시키고 있어, 모든 의미에서 태양광의 장점을 채용하고, 또한 자연스러운 백색광을 제공하는 것이다.
실시 형태에 따르면, 이하의 발명을 제공하는 것이 가능하다.
[1] 흑체 복사 궤적에 대한 편차 duv가 ±0.005 이하인 특정한 상관 색 온도를 갖는 백색 광원의 발광 스펙트럼을 P(λ), 대응하는 색 온도의 흑체 복사의 발광 스펙트럼을 B(λ), 분광 시감 효율의 스펙트럼을 V(λ), P(λ)×V(λ)가 최대가 되는 파장을 λmax1, B(λ)×V(λ)가 최대가 되는 파장을 λmax2라 하였을 때,
-0.2≤[(P(λ)×V(λ))/(P(λmax1)×V(λmax1))-(B(λ)×V(λ))/(B(λmax2)×V(λmax2))]≤+0.2를 만족시키는 것을 특징으로 하는 백색 광원.
[2] 백색 광원은, 상관 색 온도가 2600 내지 6500K인 것을 특징으로 하는, [1]에 기재된 백색 광원.
[3] 임의의 2종류의 색 온도의 백색광에 대한 편차 duv가 ±0.005인 4종류의 색도점으로 둘러싸인 영역 내에서, 흑체 궤적의 플러스측에 편차를 갖는 적어도 2점과, 흑체 궤적의 마이너스측에 편차를 갖는 적어도 2점의 색도점을 갖는 백색 발광을 나타내는, [1] 내지 [2]에 기재된 백색 광원을 포함하는 각각의 LED 모듈과, LED 모듈의 발광 강도를 제어하는 제어부를 구비하고, 임의의 강도로 제어된 적어도 4종류의 LED 모듈로부터의 발광을 혼합한 백색광이 얻어지는 백색 광원 시스템.
[4] [3]의 백색 광원 시스템에 있어서, 국내외의 주요 지역에 있어서의 경시 변화에 따라서 변화되는 태양광의 스펙트럼을 보존한 데이터베이스를 구비하고, 상기 데이터베이스 중의 원하는 태양 스펙트럼 데이터에 기초하여, 상기 복수개의 LED 모듈의 발광 강도를 제어하여, 특정 지역의 특정 시기에 상당하는 태양광을 재현할 수 있는 백색 광원 시스템.
[5] [3] 또는 [4]의 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 LED 모듈이 LED와 형광체를 구비하고, 상기 형광체는, 형광체와 수지를 혼합한 형광체층을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
[6] [5]의 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 LED가 피크 파장 360nm 내지 420nm의 자외 내지 자색의 1차 광을 방사하고, 상기 LED를 덮도록 형성된 형광체층이 LED로부터의 1차 광을 흡수하여 백색의 2차 광을 출사하는 상기 백색 광원에 있어서, 백색 광원으로부터 출사되는 LED 1차 광의 강도가 0.4mW/lm 이하인 것을 특징으로 하는 백색 광원.
[7] [3] 내지 [6]의 백색 광원 시스템이 미술관이나 박물관 등에서 전시되는 미술 공예품의 조명에 이용되는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
{1} 흑체 복사의 궤적 상의 특정 색 온도의 백색광, 및 상기 흑체 궤적으로부터의 특정 편차의 어긋남을 갖는 상관 색 온도의 백색광을 재현 가능한 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 백색 광원으로부터 출사되는 백색광의 발광 스펙트럼을 P(λ), 대응하는 색 온도의 흑체 복사의 발광 스펙트럼을 B(λ), 분광 시감 효율의 스펙트럼을 V(λ)라 한 경우에, λ가 380nm 내지 780nm의 파장 영역에 있어서, P(λ), B(λ), V(λ)가 하기 식 (1)을 만족시킬 때, 상기 P(λ), B(λ)는, 파장 범위 400nm 내지 495nm에 있어서, 하기 식 (2)를 만족시키는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
Figure pat00001
P(λ)/B(λ)≤1.8 (2)
{2} {1}의 백색 광원 시스템에 있어서, 흑체 복사의 궤적 상의 특정 범위의 색 온도의 백색광과, 상기 백색광의 색 온도로부터의 편차가 ±0.005duv의 범위 내에 있는 어느 상관 색 온도의 백색광을 재현 가능한 백색 광원 시스템.
{3} {2}의 백색 광원 시스템에 있어서, 흑체 복사의 궤적 상의 2000K 내지 6500K의 색 온도의 백색광과, 상기 백색광의 색 온도로부터의 편차가 ±0.005duv의 범위 내에 있는 어느 상관 색 온도의 백색광을 재현 가능한 백색 광원 시스템.
{4} {1} 내지 {3}의 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 시스템으로부터 출사되는 백색광의 발광 스펙트럼을 P(λ), 대응하는 색 온도의 흑체 복사의 발광 스펙트럼을 B(λ), 분광 시감 효율의 스펙트럼을 V(λ), P(λ)×V(λ)가 최대가 되는 파장을 λmax1, B(λ)×V(λ)가 최대가 되는 파장을 λmax2라 하였을 때, 하기 식 (3)을 만족시키는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
0.2≤[(P(λ)×V(λ))/(P(λmax1)×V(λmax1))-(B(λ)×V(λ))/(B(λmax2)×V(λmax2))]≤+0.2 (3)
{5} {4}의 백색 광원 시스템에 있어서, 하기 식 (4)를 만족시키는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
-0.1≤[(P(λ)×V(λ))/(P(λmax1)×V(λmax1))-(B(λ)×V(λ))/(B(λmax2)×V(λmax2))]≤+0.1 (4)
{6} 흑체 복사의 궤적 상의 특정 범위의 색 온도의 백색광과, 상기 흑체 궤적으로부터 특정 편차의 어긋남을 갖는 상관 색 온도의 백색광을 재현 가능한 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 백색 광원 시스템으로부터 출사되는 백색광의 평균 연색 평가수 Ra가 95 이상, 연색 평가수 R1 내지 R8 및 특수 연색 평가수 R9 내지 R15의 모두가 85 이상인 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
{7} {6}에 기재된 백색 광원 시스템에 있어서, 흑체 복사의 궤적 상의 2000K 내지 6500K의 색 온도의 백색광과, 상기 백색광의 색 온도로부터의 편차가 ±0.005duv의 범위 내에 있는 어느 상관 색 온도의 백색광을 재현 가능한 백색 광원 시스템.
{8} {7}에 기재된 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 백색 광원 시스템으로부터 출사되는 백색광의 평균 연색 평가수 Ra가 97 이상, 연색 평가수 R1 내지 R8 및 특수 연색 평가수 R9 내지 R15의 모두가 90 이상인 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
{9} {6} 내지 {8}의 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 백색 광원으로부터 출사되는 백색광의 발광 스펙트럼을 P(λ), 대응하는 색 온도의 흑체 복사의 발광 스펙트럼을 B(λ), 분광 시감 효율의 스펙트럼을 V(λ)라 한 경우에, λ가 380nm 내지 780nm의 파장 영역에 있어서, P(λ), B(λ), V(λ)가 하기 식 (1)을 만족시킬 때, 상기 P(λ), B(λ)는, 파장 범위 400nm 내지 495nm에 있어서, 하기 식 (2)를 만족시키는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
Figure pat00002
P(λ)/B(λ)≤1.8 (2)
{10} 흑체 복사의 궤적 상의 특정 범위의 색 온도의 백색광과, 상기 백색광의 색 온도로부터의 편차가 ±0.005duv의 범위 내에 있는 어느 상관 색 온도의 백색광을 재현 가능한 백색 광원 시스템에 있어서, 흑체 궤적의 플러스측에 편차를 갖는 xy 색도도 상의 적어도 2점과, 흑체 궤적의 마이너스측에 편차를 갖는 xy 색도도 상의 적어도 2점의 색도점의 백색 발광을 나타내는 각각의 LED 모듈과, LED 모듈의 발광 강도를 제어하는 제어부를 구비하고, 임의의 강도로 제어된 적어도 4종류의 LED 모듈로부터의 발광을 혼합함으로써 백색광을 얻는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
{11} 흑체 복사의 궤적 상의 2000K 내지 6500K의 색 온도의 백색광과, 상기 백색광의 색 온도로부터의 편차가 ±0.005duv의 범위 내에 있는 어느 상관 색 온도의 백색광을 재현 가능한 백색 광원 시스템에 있어서, 흑체 궤적의 플러스측에 편차를 갖는 xy 색도도 상의 적어도 3점과, 흑체 궤적의 마이너스측에 편차를 갖는 xy 색도도 상의 적어도 3점의 색도점의 백색 발광을 나타내는 각각의 LED 모듈과, LED 모듈의 발광 강도를 제어하는 제어부를 구비하고, 임의의 강도로 제어된 적어도 6종류의 LED 모듈로부터의 발광을 혼합함으로써 백색광을 얻는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
{12} {10} 또는 {11}의 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 백색 광원으로부터 출사되는 백색광의 발광 스펙트럼을 P(λ), 대응하는 색 온도의 흑체 복사의 발광 스펙트럼을 B(λ), 분광 시감 효율의 스펙트럼을 V(λ)라 한 경우에, λ가 380nm 내지 780nm의 파장 영역에 있어서, P(λ), B(λ), V(λ)가 하기 식 (1)을 만족시킬 때, 상기 P(λ), B(λ)는, 파장 범위 400nm 내지 495nm에 있어서, 하기 식 (2)를 만족시키는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
Figure pat00003
P(λ)/B(λ)≤1.8 (2)
{13} {10} 내지 {12}의 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 LED 모듈은, 발광 피크 파장이 360nm 내지 420nm인 자외 내지 자색의 1차 광을 출사하는 LED와, 상기 LED로부터의 1차 광을 흡수하여 백색의 2차 광을 출사하는 형광체의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
{14} {13}의 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 형광체는, 형광체와 수지를 혼합한 형광체층을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
{15} {14}의 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 형광체층이 상기 LED를 덮도록 형성되어 있고, 백색 광원으로부터 출사되는 LED 1차 광의 강도가 0.4mW/lm(루멘) 이하인 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
{16} {15}의 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 형광체층의 외부에, 산화아연, 산화티타늄, 산화알루미늄 중 적어도 1종의 분말 재료와 수지 재료를 포함하는 분말 재료층이 상기 형광체층을 피복하도록 형성되어 있든지, 또는 상기 백색 광원 시스템의 외부 케이싱을 구성하는 투명 부재에, 상기 산화아연, 산화티타늄, 산화알루미늄 중 적어도 1종에 의한 박막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
{17} {15} 내지 {16}의 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 형광체층의 외부에, 산화규소, 산화지르코늄 중 적어도 1종의 분말 재료와 수지 재료를 포함하는 분말 재료층이 상기 형광체층을 피복하도록 형성되어 있든지, 또는 상기 백색 광원 시스템의 외부 케이싱을 구성하는 투명 부재에, 상기 산화규소, 산화지르코늄 중 적어도 1종에 의한 박막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
{18} {13} 내지 {17}의 백색 광원 시스템이 있어서, 상기 형광체가, 청색 형광체, 녹색 형광체, 황색 형광체, 적색 형광체를 포함하는 적어도 4종류 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
{19} {18}의 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 형광체 혼합물에 청녹색 형광체가 더 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
{20} {18}의 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 청색 형광체가, 발광 피크 파장이 480 내지 500nm인 유로퓸 활성화 스트론튬 알루민산염 형광체, 또는 발광 피크 파장이 440 내지 460nm인 유로퓸 활성화 알칼리 토류 인산염 형광체 중, 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
{21} {18} 내지 {20}의 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 녹색 형광체가, 발광 피크 파장이 520 내지 550nm인 유로퓸 활성화 오르토 규산염 형광체, 및 발광 피크 파장이 535 내지 545nm인 유로퓸 활성화 β사이알론 형광체, 및 발광 피크 파장이 520 내지 540nm인 유로퓸 활성화 스트론튬 사이알론 형광체 중 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
{22} {18} 내지 {21}의 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 황색 형광체가, 발광 피크 파장이 550 내지 580nm인 유로퓸 활성화 오르토 규산염 형광체, 또는 발광 피크 파장이 550 내지 580nm인 세륨 활성화 희토류 알루미늄 가닛 형광체인 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
{23} {18} 내지 {22}의 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 적색 형광체가, 발광 피크 파장이 600 내지 630nm인 유로퓸 활성화 스트론튬 사이알론 형광체, 및 발광 피크 파장이 620 내지 660nm인 유로퓸 활성화 칼슘니트리드 알루미노실리케이트 형광체, 및 발광 피크 파장이 620 내지 630nm인 유로퓸 활성화 산황화 란탄 형광체, 및 발광 피크 파장이 640 내지 660nm인 망간 활성화 마그네슘 플루오로게르마네이트 형광체 중 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
{24} {1} 내지 {5}의 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 P(λ), B(λ)는, 파장 범위 400nm 내지 495nm에 있어서, 하기 식 (5)를 만족시키는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
P(λ)/B(λ)≤1.5 (5)
{25} {9} 또는 {12}의 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 P(λ), B(λ)는, 파장 범위 400nm 내지 495nm에 있어서, 하기 식 (5)를 만족시키는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
P(λ)/B(λ)≤1.5 (5)
{26} {1} 내지 {25}의 백색 광원 시스템에 있어서, 지구 상의 특정 지점에 있어서의 위도, 경도 및 고유 환경의 차이에 따라서 변화되는 태양광을, 특정한 상관 색 온도를 갖는 백색광으로서 재현함과 함께, 시시각각 변화되는 상기 상관 색 온도를 연속적으로 재현하는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
{27} {26}의 백색 광원 시스템에 있어서, 국내외의 주요 지역에 있어서의 경시 변화에 따라서 변화되는 태양광의 스펙트럼을 보존한 데이터베이스를 구비하고, 상기 데이터베이스 중의 원하는 태양 스펙트럼 데이터에 기초하여, 상기 복수개의 LED 모듈의 발광 강도를 제어하여, 특정 지역의 특정 시기에 상당하는 태양광을 재현할 수 있는 백색 광원 시스템.
{28} {1} 내지 {27}의 백색 광원 시스템이 오피스나 가정용 조명에 이용되는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
{29} {1} 내지 {27}의 백색 광원 시스템이 미술관이나 박물관 등에서 전시되는 미술 공예품의 조명에 이용되는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
흑체 복사의 궤적 상의 특정 색 온도의 백색광, 및 상기 흑체 복사의 궤적으로부터의 특정 편차의 어긋남을 갖는 상관 색 온도의 백색광을 재현 가능한 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 백색 광원 시스템으로부터 출사되는 백색광의 발광 스펙트럼을 P(λ), 대응하는 색 온도의 흑체 복사의 발광 스펙트럼을 B(λ), 분광 시감 효율의 스펙트럼을 V(λ)라 한 경우에, λ가 380nm 내지 780nm의 파장 영역에 있어서, P(λ), B(λ), V(λ)가 하기 식 (1)을 만족시킬 때, 상기 P(λ) 및 상기 B(λ)는, 파장 범위 400nm 내지 495nm에 있어서, 하기 식 (2)를 만족시키는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
Figure pat00004
P(λ)/B(λ)≤1.8 (2)
흑체 복사의 궤적 상의 특정 범위의 색 온도의 백색광과, 상기 흑체 복사의 궤적으로부터 특정 편차의 어긋남을 갖는 상관 색 온도의 백색광을 재현 가능한 백색 광원 시스템에 있어서, 상기 백색 광원 시스템으로부터 출사되는 백색광의 평균 연색 평가수 Ra가 95 이상, 연색 평가수 R1 내지 R8 및 특수 연색 평가수 R9 내지 R15의 모두가 85 이상인 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
본 발명의 백색 광원은 흑체 복사의 스펙트럼 형상을 재현할 뿐 아니라, 시간차나 지역차를 포함하여, 지상에 도달한 태양광과 동일한 형상을 갖는 발광 스펙트럼에 근사시키는 것이 가능하다. 그 때문에, 미술품 등의 전시물에 걸리는 관내 조명에 이용하면, 전시물이 제작된 시기나 장소와 동일한 태양광에 접근할 수 있어, 작자의 의도를 보다 충실하게 재현할 수 있는 조명을 얻을 수 있다.
또한 본 발명의 백색 광원은, 태양광의 하루의 변화, 즉, 일출로부터 일몰까지의 사이에 시시각각 변화되는 태양광의 색 온도 변화를 연속적으로 재현할 수 있다. 그 때문에, 미술품 등의 조명에 사용한 경우에는, 미술관의 옥내에 앉은 채로, 아침의 태양으로부터 저녁의 태양까지의 다양한 태양광에 조사된 회화의 색채를 자연스러운 변화로 즐길 수 있다. 또한, 병원 등의 옥내 조명에 사용한 경우, 병원 내에 앉은 그대로, 하루 중의 태양광을, 색 온도 변화를 포함하여 체감할 수 있다. 특히, 그 변화되는 모습에 대해서는, 인간이 지각할 수 없는 미소한 차이로서 재현하고 있기 때문에, 예를 들어 입원 환자는 색 온도가 변화되는 순간을 알아차릴 수 없어, 환자에게 있어서 극히 자연스럽게 받아들이기 쉬운 조명이다. 또한 종래의 인공 백색 광원에 비해, 청색 발광 성분 등의 강도를 크게 저감시키고 있어, 인체 등에 우수한 조명인 것은 물론이다.
도 1은 이탈리아의 밀라노시에 있어서의 겨울 낮의 태양광의 발광 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 2는 일본의 도쿄도에 있어서의 봄 저녁의 태양광의 발광 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 백색 광원이 나타내는 발광 색도 영역을 나타내는 도면.
도 4는 봄의 일본, 도쿄도에 있어서의 1일의 태양광의 색 온도 및 조도 변화를 나타내는 도면.
도 5는 봄의 일본, 요코하마시에 있어서의 아침ㆍ낮ㆍ저녁의 태양광의 발광 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 6은 봄의 일본, 요코하마시에 있어서의 아침ㆍ낮ㆍ저녁의 태양광의 발광 스펙트럼을 재현한 본 발명의 백색 광원의 발광 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 7은 광원 A의 발광 스펙트럼과, 동일한 색 온도를 갖는 흑체 복사 스펙트럼과의 차분 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 8은 광원 B의 발광 스펙트럼과, 동일한 색 온도를 갖는 흑체 복사 스펙트럼과의 차분 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 9는 광원 C의 발광 스펙트럼과, 동일한 색 온도를 갖는 흑체 복사 스펙트럼과의 차분 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 10은 광원 C의 P(λ)V(λ)와, 동일한 색 온도를 갖는 흑체 복사의 B(λ)V(λ)의 스펙트럼 강도를 비교한 도면.
도 11은 광원 B의 P(λ)V(λ)와, 동일한 색 온도를 갖는 흑체 복사의 B(λ)V(λ)의 스펙트럼 강도를 비교한 도면.
도 12는 광원 A의 P(λ)V(λ)와, 동일한 색 온도를 갖는 흑체 복사의 B(λ)V(λ)의 스펙트럼 강도를 비교한 도면.
도 13은 봄의 일본, 요코하마시에 있어서의 1일의 태양광의 색 온도 및 조도 변화를 나타내는 도면.
도 14는 비교예 1의 백색 광원의 발광 스펙트럼 특성, (P(λ)×V(λ)/(P(λmax1)×V(λmax1))를 나타낸 도면.
도 15는 비교예 1의 백색 광원에 대응하는 색 온도의 흑체 복사 스펙트럼에 관하여, B(λ)×V(λ)/(B(λmax2)×V(λmax2))를 나타낸 도면.
도 16은 비교예 1의 백색 광원과, 대응하는 색 온도의 흑체 복사 스펙트럼, 양자간의 차분 스펙트럼을 나타낸 도면.
도 17은 비교예 1의 백색 광원의 P(λ)V(λ)와, 동일한 색 온도를 갖는 흑체 복사의 B(λ)V(λ)의 스펙트럼 강도를 비교한 도면.
도 18은 실시예 2의 백색 광원(5)의 P(λ)V(λ)와, 동일한 색 온도를 갖는 흑체 복사의 B(λ)V(λ)의 스펙트럼 강도를 비교한 도면.
도 19는 실시예 2의 백색 광원(6)의 P(λ)V(λ)와, 동일한 색 온도를 갖는 흑체 복사의 B(λ)V(λ)의 스펙트럼 강도를 비교한 도면.
도 20은 실시예 2의 백색 광원(7)의 P(λ)V(λ)와, 동일한 색 온도를 갖는 흑체 복사의 B(λ)V(λ)의 스펙트럼 강도를 비교한 도면.
도 21은 비교예의 백색 광원(9)의 P(λ)V(λ)와, 동일한 색 온도를 갖는 흑체 복사의 B(λ)V(λ)의 스펙트럼 강도를 비교한 도면.
도 22는 봄의 일본, 왓카나이시(홋카이도)에 있어서의 1일의 태양광의 색 온도 및 조도 변화를 나타내는 도면.
도 23은 여름의 대만, 타이베이시에 있어서의 1일의 태양광의 색 온도 및 조도 변화를 나타내는 도면.
도 24는 여름의 미국, 로스앤젤레스시에 있어서의 1일의 태양광의 색 온도 및 조도 변화를 나타내는 도면.
도 25는 가을의 일본, 사카이시(오사카)에 있어서의 1일의 태양광의 색 온도 및 조도 변화를 나타내는 도면.
도 26은 겨울의 일본, 나하시(오키나와)에 있어서의 1일의 태양광의 색 온도 및 조도 변화를 나타내는 도면.
도 27은 실시 형태의 백색 광원 시스템의 일례의 개략도.
도 28은 실시 형태의 백색 광원 시스템의 제2 예의 개략도.
도 29는 백색 광원 시스템에 사용되는 LED 모듈의 제1 예를 나타내는 단면도.
도 30은 백색 광원 시스템에 사용되는 LED 모듈의 제2 예를 나타내는 단면도.
도 31은 백색 광원 시스템에 사용되는 LED 모듈의 제3 예를 나타내는 단면도.
도 32는 백색 광원 시스템에 사용되는 LED 모듈의 제4 예를 나타내는 단면도.
도 33은 백색 광원 시스템에 사용되는 LED 모듈의 제5 예를 나타내는 단면도.
도 34는 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼의 제1 예를 나타내는 도면.
도 35는 형광체의 발광 스펙트럼 및 여기 스펙트럼의 제2 예를 나타내는 도면.
도 36은 비교예의 백색 광원(10)의 P(λ)V(λ)와, 동일한 색 온도를 갖는 흑체 복사의 B(λ)V(λ)의 스펙트럼 강도를 비교한 도면.
도 37은 실시예 A의 백색 광원 시스템에 의한 색 온도의 재현 영역을 나타내는 도면.
도 38은 실시예 A의 백색 광원 시스템의 LED 모듈을 나타내는 개략도.
도 39는 실시예 A의 백색 광원 7의 P(λ)V(λ)와, 동일한 색 온도를 갖는 흑체 복사의 B(λ)V(λ)의 스펙트럼 강도를 비교한 도면.
도 40은 실시예 A의 백색 광원 8의 P(λ)V(λ)와, 동일한 색 온도를 갖는 흑체 복사의 B(λ)V(λ)의 스펙트럼 강도를 비교한 도면.
도 41은 실시예 A의 백색 광원 9의 P(λ)V(λ)와, 동일한 색 온도를 갖는 흑체 복사의 B(λ)V(λ)의 스펙트럼 강도를 비교한 도면.
도 42는 실시예 A의 백색 광원 10의 P(λ)V(λ)와, 동일한 색 온도를 갖는 흑체 복사의 B(λ)V(λ)의 스펙트럼 강도를 비교한 도면.
도 43은 실시예 C의 백색 광원 시스템 중의 형광체층을 나타내는 평면도.
도 44는 실시예 A의 백색 광원 11의 P(λ)V(λ)와, 동일한 색 온도를 갖는 흑체 복사의 B(λ)V(λ)의 스펙트럼 강도를 비교한 도면.
(백색 광원의 발광 특성)
본 발명의 백색 광원은, 태양의 광을 보다 충실하게 재현하는 것을 목적으로 하고 있다. 충실하게 재현하기 위해서는, 시간이나 장소에 따라 변화되는 태양광의 발광 스펙트럼을 정확하게 파악할 필요가 있다. 이 중 지구의 위도나 경도의 차이에 의한 변화는, 태양의 입사 각도의 차이에 의해, 지구 표면의 대기권을 통과하는 거리가 상이한 것에 의해 발생한다. 즉, 태양광이 대기 중을 통과할 때, 공기 중에 부유하는 가스 분자 등에 의해, 태양광이 산란되어, 통과 거리에 따라서 청색광 등의 산란 정도에 차이가 발생하기 때문이다. 이러한 태양광의 변화는, 색 온도의 차이로서 거시적으로 파악할 수 있다. 이 경우, 색 온도가 다른 태양광의 발광 스펙트럼은, 대응하는 색 온도의 흑체 복사 스펙트럼으로 근사시킬 수 있고, 하기에 나타내는 식에 의해, 색 온도가 다른 각종 발광 스펙트럼을 비교적 용이하게 재현하는 것이 가능하다. 식 중, h는 플랭크 상수, k는 볼츠만 정수, c는 광속, e는 자연 대수의 밑이며, 일정한 수치로 고정되기 때문에, 색 온도 T가 결정되면, 각 파장 λ에 대응한 스펙트럼 분포 B(λ)를 용이하게 구할 수 있다.
Figure pat00005
한편, 태양광의 발광 스펙트럼은 단순한 위도나 경도의 차이뿐만 아니라, 지역차에 의해서도 변화된다. 이 경우, 변화되는 요인에는 다양한 것을 생각할 수 있다. 우선은 광 산란의 영향인데, 산란에는 공기나 가스 분자뿐만 아니라, 수증기나 진애 등의 미립자도 관련된다. 그러나, 예를 들어 수증기나 진애 등의 농도는, 지역에 따라서 다양하다. 바다에 가까운 지역과, 사막에 가까운 지역에서는, 당연하지만 큰 상이가 있다. 그리고, 산란뿐만 아니라, 반사에 의한 영향도 무시할 수 없다. 즉, 인간이 태양광으로서 지각하고 있는 광에는, 태양으로부터 내리쬐는 직접 광에 더하여, 지상에 도달 후, 반사된 광도 포함되어 있다. 바다에 가까운 지역이나, 숲에 가까운 지역, 그리고 건물이 밀집된 도회에서는, 반사광에 포함되는 광 성분의 차이가 있기 마련이다. 이와 같이, 지역차에 의한 태양광의 변화는, 많은 요인이 복잡하게 얽혀 있어, 일반적인 규칙성은 없고, 지역 고유의 요인에 기초하는 것으로 파악할 필요가 있다.
이와 같은 태양광의 변화를 재현하기 위해서, 본 발명에서는, 지역이나 시간마다 변화되는 태양광의 발광 스펙트럼을 실측한 후에, 가능한 한 많은 데이터를 수집하고, 보존 활용함으로써, 재현하는 것으로 하였다. 구체적으로는, 태양광의 발광 스펙트럼을, 전세계의 주요 지역에 있어서 측정하고, 시간마다 변해가는 하루의 변화, 계절마다 변해가는 1년의 변화를 데이터로서 집적하였다. 또한 본 발명에 있어서 집적한 데이터는, 원칙적으로 맑은 날에 관한 것이고, 흐림이나, 비, 눈 등의 영향은 고려하지 않았다.
도 1은 이탈리아의 밀라노에 있어서의 겨울(12월 16일) 낮(오후 12시)의 태양광의 발광 스펙트럼, 도 2는 도쿄도에 있어서의 봄(5월 27일) 저녁(17시)의 태양광의 발광 스펙트럼의 일례이다. 이들 발광 스펙트럼은, 이하의 방법에 의해 측정한 것이다.
회절 격자가 내장되어 광 강도의 파장 성분 분해 기능을 갖는 색 측정 장치(분광 분포 측정기)의 광 검출 부분을 태양을 향하여, 태양광을 직접 분광 분포 측정기에 도입하여 발광 스펙트럼을 측정하였다. 측정의 파장 범위는 가시광 영역을 망라한 360nm 내지 780nm로 하였다. 분광 분포 측정기에 도입하는 광 강도의 조정은, 측정기에 내장되어 있는 노광 시간 조절 기능에 의해, 발광의 강도가 큰 파장 영역에 있어서도 포화 현상이 없는 것을 확인하였다. 측정 결과는 전자 데이터로부터 파장마다의 광 강도를 산출하고, 그 결과를 기초로 CIE 색도 좌표값과 상관 색 온도, 편차를 산출하였다. CIE는, 국제 조명 위원회(Commission International del'Ｅ'clairage)의 약칭이다.
어느 발광 스펙트럼도 삐쭉삐쭉한 곡선을 포함하지만, 이들을 스무싱하면 특정 색 온도의 흑체 복사 스펙트럼의 형상에 근사시킬 수 있다. 2개의 도면을 비교하면, 스펙트럼 곡선 중의 요철의 위치가 겹쳐 있는 점에서, 각각의 노이즈 등이 아니라, 특정 부유물 등의 고유한 요인에 기초하는 것을 알 수 있다. 특히 장파장역에 있어서 특징적인 요철을 나타내는 개소가 있고, 그의 정도도 가장 크게 나타나 있는 점에서, 이들 파장 영역의 스펙트럼 형상이, 지역차 등을 발생하는 요인의 하나로 추정된다. 도 1, 도 2의 스펙트럼 형상을 기초로 발광색을 계산하면, 도 1이 5991K+0.001duv, 도 2가 4483K-0.001duv의 상관 색 온도를 나타내는 백색광인 것이 판명되었다.
상기는 2개소만의 비교였지만 각 지역, 각 시간의 태양광의 스펙트럼 데이터를 비교 평가하여, 전체적인 경향을 확인한 결과, 발광색이 (x, y) 색도도 상의 흑체 궤적에 가까운 점을 나타내는 것은 당연하지만, 흑체 궤적 상의 점과 완전 일치한다고는 할 수 없고, 그리고 거의 모든 데이터가, 색 온도가 2000K 내지 6500K 사이의 흑체 궤적을 사이에 두고, 편차가 ±0.005duv인 상관 색 온도의 범위 내로 수렴되는 것이 판명되었다.
본 발명의 백색 광원에서는, 상기 범위 내의 모든 발광색을 재현할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들어 도 3에 나타내는 대로, 도면 중의 X1, X2, X3, X4, X5, X6으로 둘러싸인 범위 내의 발광색을 재현할 수 있다. 그 때문에, 본 발명의 백색 광원은, X1, X2, X3, X4, X5, X6에 상당하는 6종류의 백색 광원을 구비하고 있다. 즉, 상기 6종류의 백색 광원 중, 적어도 2종 이상의 백색 광원을 임의의 강도 비율로 혼합함으로써, 다각 형상의 범위 내의 모든 발광색을 재현할 수 있는 것이다. 도 3으로부터, 이 형상의 범위는, 색 온도가 2000K 내지 6500K인 흑체 궤적 상의 발광색과, 흑체 궤적으로부터의 편차가 ±0.005duv의 범위 내인 백색광 영역의 모두를 망라하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 백색 광원에서는, 단순하게 흑체 궤적 상의 백색광뿐만 아니라, 지구 상의 다양한 환경 요인에 따라서 변화되는, 미묘한 색 온도의 어긋남도 포함하여 재현하는 것이 가능해진다.
상기는 특정 다각형 등의 범위 내의 색 재현에 대하여 설명했지만, 다각형의 각 정점에 상당하는 발광색을 각종 상관 색 온도의 백색으로 설정함으로써, 각종 백색광을 재현할 수 있는 것은 당연하다. 또한 상기 백색 광원에서는, 6종류의 백색 광원을 임의로 혼합하여, 본 발명의 백색 발광을 얻었지만, 기초가 되는 백색 광원의 종류는, 8종류 또한 10종류 등, 보다 많은 백색 광원을 이용한 쪽이, 보다 세심하게 각종 색 온도의 태양광을 재현할 수 있는 것은 물론이다. 특히, 하나의 백색 광원 시스템에서, 더 폭넓은 범위의 색 온도의 백색광을 재현하는 경우에는 유리해진다. 그러나, 기초가 되는 광원의 종류가 너무 많아지면 시스템의 설계가 복잡해지기 때문에, 최저 4종류의 광원을 사용하면, 본 발명의 효과를 적어도 발휘하는 것이 가능하다. 또한 재현하는 백색광의 색 온도 범위는, 2000K 내지 6500K이며, 양자를 상하한으로 하여, 2종류 이상의 임의의 광원간의 색 온도를 재현 범위로서 선택하는 것이 가능하다.
또한 본 발명의 백색 광원 시스템에서는, 태양광의 발광색뿐만 아니라, 발광 스펙트럼 형상도 포함하여, 재현하는 것이 가능하다. 상기한 X1 내지 X6 등, 적어도 4종류 이상의 백색 광원을 구비한 백색 광원 시스템에 있어서, 각각의 백색 광원에는, 태양광의 발광 스펙트럼을 재현하는 것이 가능한 모든 발광 성분이 구비되어 있다. 따라서, 상기 4종류 이상의 백색 광원 중 적어도 2종 이상의 백색 광원을 조합하여, 흑체 궤적 상의 특정 색 온도의 백색광, 또는 흑체 궤적에 가까운 특정 상관 색 온도의 백색광을 재현한 경우, 혼합 백색광의 발광 스펙트럼 형상은, 그들에 대응하는 색 온도의 흑체 복사의 발광 스펙트럼 형상과 양호하게 일치한 것이 된다.
구체적으로는, 백색 광원 시스템으로부터 발해지는 혼합 백색광의 발광 스펙트럼을 P(λ), 백색 광원과 동일한 색 온도를 나타내는 흑체 복사의 발광 스펙트럼을 B(λ), 분광 시감 효율의 스펙트럼을 V(λ), P(λ)×V(λ)가 최대가 되는 파장을 λmax1, B(λ)×V(λ)가 최대가 되는 파장을 λmax2라 하였을 때, 본 발명의 백색 광원의 발광 스펙트럼은 하기 식 (3)
-0.2≤[(P(λ)×V(λ))/(P(λmax1)×V(λmax1))-(B(λ)×V(λ))/(B(λmax2)×V(λmax2))]≤+0.2 (3)
을 만족시키는 것을 특징으로 하고 있다.
(P(λ)×V(λ))는, 분광 시감 효율 V(λ) 영역에 있어서의 백색 광원의 발광 스펙트럼의 강도를 나타내는 것이다. (P(λ)×V(λ))를, 최댓값인 (P(λmax1)×V(λmax1))로 나눔으로써, 1.0을 상한으로 한 값으로 할 수 있다. 또한, (B(λ)×V(λ))는, 분광 시감 효율 V(λ) 영역에 있어서의 흑체 복사의 발광 스펙트럼 강도를 나타내는 것이며, (B(λ)×V(λ))를, 최댓값인 (B(λmax2)×V(λmax2))로 나눔으로써, 1.0을 상한으로 한 값으로 할 수 있다. 이어서, 차이 A(λ)=[(P(λ)×V(λ))/(P(λmax1)×V(λmax1))-(B(λ)×V(λ))/(B(λmax2)×V(λmax2))]를 구한다. 이 차이 A(λ)가 -0.2≤A(λ)≤+0.2인 것은, 분광 시감 효율 V(λ) 영역에 있어서의 백색 광원의 발광 스펙트럼이 흑체 복사의 발광 스펙트럼, 결국은 자연광의 발광 스펙트럼에 근사하고 있음을 나타내고 있다. 즉, 차이 A(λ)=0이면, 자연광과 동일한 발광 스펙트럼을 재현할 수 있다는 의미이다.
또한 본 발명의 백색 광원은, 흑체 복사의 발광 스펙트럼을, 보다 엄밀하게 재현하는 의미에서, 하기 식 (4)를 만족시키는 것이 바람직하다.
-0.1≤[(P(λ)×V(λ))/(P(λmax1)×V(λmax1))-(B(λ)×V(λ))/(B(λmax2)×V(λmax2))]≤+0.1 (4)
이렇게 본 발명의 백색 광원 시스템에서는, 기초가 되는 적어도 4종류의 백색 광원은, 태양광이 갖는 각 발광색 성분을, 과부족없이 보유하고 있고, 적어도 모두 4종류의 광원을 임의의 비율로 혼합한 각 백색광도, 태양광이 갖는 발광 성분을 구비하고 있게 된다. 즉, 본 발명의 백색 광원 시스템에서 얻어지는 백색광은, 각 색 온도의 흑체 복사 스펙트럼의 특징을 가졌을 뿐 아니라, 특정 파장 영역의 미묘한 변동을 포함하여 재현 가능한 것을 특징으로 하는 것이다.
또한 본 발명의 백색 광원 시스템에서는, 태양광의 하루의 변화에 대해서, 인간의 눈에는 매우 자연스러운 연속적인 변화로서 나타낼 수 있다. David Lewis MacAdam이 시각의 등색 실험으로부터 도출한 결과에 따르면(색채 공학 제2판, 도쿄 전기 대학 출판국), 특정 중심색에 대한 식별 변동의 표준 편차를 xy 색도도에 나타내면, "맥아담 타원"이라 불리는 형상의 범위에 표시되고, 인간이 식별할 수 있는 것은 상기 표준 편차의 3배인 것을 알아내었다. 이 소견에 따라서, 5000K의 백색광에 적용하여 계산하면, 식별할 수 있는 역치는 330K(4850K 내지 5180K)라는 값이 얻어졌다. 따라서, 예를 들어 5000K의 백색광이면, 약 330K 이하의 색 온도의 차이를 인간의 눈으로는 식별할 수 없게 된다.
도 4는, 북위 35도에 위치하는 도쿄의 봄 어느 날에 대해서, 오전 6시부터 오후 6시까지의 태양광의 색 온도 변화 및 조도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 4에 있어서 부호 1로 나타내는 그래프가 색 온도 변화를 나타내고, 부호 2로 나타내는 그래프가 조도 변화를 나타낸다. 이 그래프는, 태양광의 경시 변화를 3분마다 실측한 결과에 기초하여 작성하였다. 도표 중의 조도는, 특정한 값을 기준으로 하여 상대 비교를 행하고, 조도비(％)로서 나타낸 것이다. 또한, 태양광의 하루의 색 온도 변화는, 3분간에 대략 200K 약의 속도이기 때문에, 본 발명에 있어서의 측정 단위마다의 색 온도의 차이는, 인간의 눈으로 식별할 수는 없다. 따라서, 이 측정 데이터를 사용하여 색 온도 변화를 재현해도, 광원의 색 온도가 변화되는 순간을 인식할 수 없어, 그대로 연속적으로 변화하도록, 자연스러운 형태로 변화를 받아들일 수 있다.
(LED 모듈)
본 발명의 백색 광원은, 발광 특성에 특징을 갖는 것이며, 태양광의 재현이 가능하면, 어떠한 구성 부재를 사용해도 상관없다. 이 때문에, 각종 광원의 응용이 가능하나, 각종 상관 색 온도의 백색광을 얻기 위해서는, 형광체를 사용하여 발광색의 조정을 행하는 방법이 가장 간편하고, 형광체 응용 제품이 바람직하다. 특히 LED(발광 다이오드, light emitting diode)와 형광체의 조합에 의한 광원이, 특성면 뿐만 아니라, 제조면이나 응용면에서도 우위한 특징을 갖고 있어 최적이다. 이 경우, 백색광을 얻기 위해서는, LED와 형광체에 대하여, 다양한 발광색의 조합을 선택할 수 있다.
한편, 본 발명의 광원에 있어서, 보다 바람직한 백색광을 얻기 위해서는, 피크 파장이 자외선 내지 자색 영역에 있는 것을 사용하는 것이 바람직하고, 구체적으로는 360 내지 420nm의 범위로 한다. 발광 피크 파장이 420nm를 초과하는 LED를 사용한 경우, LED의 발광은, 특정 파장에서 샤프한 발광을 나타내기 때문에, 일반적으로 브로드 스펙트럼 형상을 갖는 형광체의 발광과의 밸런스가 나빠지고, 상기한 식 (3), (4)의 관계를 만족시킬 수 없는 경우가 있다. 그러나 LED의 발광색이 자외 내지 자색이면, 시감도가 낮기 때문에, 백색광에 끼치는 영향은 적고, 또한 LED로부터의 1차 광을 발광 장치의 외부로 나오지 못하도록, 커트함으로써, 상기 식의 관계를 용이하게 만족시킬 수 있다. 또한 LED의 종류에 대해서, 발광 피크 파장 이외에는 특별히 제한되는 조건은 없고, 레이저 발광의 LED여도, 또한 LED의 재료가 어떠한 것이어도 상관없다.
백색 광원의 발광 스펙트럼이, 상기 식 (3), (4)의 관계를 만족시키기 위해서는, LED에 조합하는 형광체로서, 청색 형광체, 청녹색 형광체, 녹색 형광체, 황색 형광체 및 적색 형광체 중에서 3종 이상, 나아가 5종 이상 사용하는 것이 바람직하다. 이들 형광체를, 대응하는 흑체 복사의 스펙트럼에 맞추어 임의로 혼합함으로써, 임의의 색 온도, 또는 임의의 편차를 갖는 백색 발광을 얻을 수 있다. 형광체는, 발광 피크 파장이 350 내지 420nm의 LED에 여기되어, 420 내지 700nm의 범위에 발광 피크를 나타내는 형광체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 각 형광체의 피크 파장은, 150nm 이하, 나아가 10 내지 100nm, 나아가 10 내지 50nm 어긋나 있는 것이 바람직하다. 즉, 어떤 피크 파장과 인접하는 피크 파장과의 거리가 150nm 이하, 나아가 10 내지 100nm, 나아가 10 내지 50nm인 것이 바람직하다. 이러한 관계를, 형광체의 혼합물을 구성하는 적어도 2종류의 형광체의 발광 스펙트럼이 만족시키고 있는 것이 바람직하다. 그리고, 형광체의 혼합물을 구성하는 적어도 1종의 형광체의 발광 스펙트럼 반값폭은 50nm 이상, 나아가 50 내지 100nm로 넓은 것이 바람직하다. 이들 조건을 만족시키는 형광체를 사용함으로써, 각 형광체의 발광 스펙트럼이 다른 형광체의 발광 스펙트럼과 겹쳐지기 쉬워져, 각 발광 스펙트럼간에서 겹치는 면적이 증대함에 따라서, 얻어지는 혼합 백색광의 스펙트럼 곡선에 있어서, 요철이 적고, 보다 평활하며, 흑체 복사의 스펙트럼에 의해 근사한 특성을 얻을 수 있다.
또한, 발광 스펙트럼이 중첩되는 복수의 형광체를 사용함으로써, 장시간 연속 점등 시의 발광색 변화를 억제할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 형광체 중에는, 폭넓은 흡수대를 갖는 형광체가 존재한다. 이러한 형광체는, 자외광이나 자색광에서 여기될 뿐만 아니라, 청색광이나 녹색광에도 동시 여기되어, 녹색광이나 적색광으로 발광할 수 있다. 이와 같은 형광체에서, 발광 스펙트럼이 중첩되는 복수의 형광체를 사용하면, 형광체간의 재흡수나 이중 여기가 일어나기 쉬워져, 발광색 변화를 억제할 수 있는 것이다. 예를 들어 녹색 형광체를 예로 들면, LED로부터 출사되는 자외 내지 자색광으로 여기되어 녹색광으로 발광할 뿐만 아니라, LED에 의해 여기되어 청색광을 발하는 청색 형광체의 발광도 흡수하여, 녹색으로 발광할 수 있다. 즉, 녹색 형광체는, LED와 청색 형광체의 2중 여기에 의해, 발광할 수 있게 된다. 일반적으로 인공의 백색 광원에서는, 적녹청 등의 복수의 형광체의 발광을 장치 내부에서 혼합함으로써, 백색광을 얻고 있다. 이와 같은 백색 광원을 연속 점등한 경우, 형광체의 밝기는, 시간의 경과와 함께 저하되어가는 것이 통상이다. 이 때, 각 형광체의 밝기가, 동일한 정도로 경시 변화되는 것이면, 얻어지는 백색광의 색도는 변화되지 않게 된다. 그러나, 복수종의 형광체 중, 특정종의 형광체의 휘도 열화 속도가, 다른 몇개의 형광체의 휘도 열화 속도와 상이하면, 얻어진 백색광에는 특정 성분의 발광에 과부족이 발생하여, 얻어지는 발광색에 변화가 발생하는 것이다. 그러나, 본 발명과 같이 상호 흡수나 이중 여기가 발생하면, 형광체간의 열화 속도가 평균화되어, 특정 형광체만이 열화되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 결과적으로 얻어지는 백색광의 색도 변화가 적어지는 것이다.
또한, 특정 형광체에 대해서, 어떠한 파장에서 여기되어, 어떠한 파장에 발광하는지는, 형광체의 여기 스펙트럼이나 발광 스펙트럼을 측정함으로써, 용이하게 확인할 수 있다. 따라서, 미리 발광 스펙트럼 특성의 측정을 행한 후에, 사용 형광체의 조합을 선택하면, 연속 점등 중의 색도 변화를 최대한 저감시킬 수 있는 것이다. 이상의 효과를 이용함으로써, 본 발명의 백색 광원 시스템은, CIE 색도도를 사용한 백색 광원의 점등 초기와 연속 6000시간 점등 후의 색도 변화의 크기를 0.010 미만으로 할 수 있다. 색도 변화의 크기의 측정 방법에서는, JIS-Z-8518에 준하여, 백색 광원의 점등 초기와 연속 6000시간 후의 색도 좌표 ｕ', ｖ'를 각각 측정한다. 이 때의 색도 좌표의 차인 △ｕ', △ｖ'를 구하고, 색도 변화의 크기=[(△ｕ')2+(△ｖ')2]1/2로써 구하는 것이다. 본 발명의 백색 광원 시스템은, 이 색도 변화의 크기가 0.010 미만, 나아가 0.009 미만으로 작게 할 수 있다. 색도 변화의 크기가 0.010 미만이라는 것은, 장시간 사용했다고 해도 초기 점등 시부터 색의 변화가 거의 없는 상태를 나타낸다. 그 때문에, 장기에 걸쳐, 태양광을 재현할 수 있다.
본 발명의 백색 광원 시스템에 사용할 수 있는 구체적인 형광체는 이하와 같다. 청색 형광체로서, 유로퓸 활성화 알칼리 토류 인산염 형광체(피크 파장 440 내지 455nm)나 유로퓸 활성화 바륨 마그네슘 알루민산염 형광체(피크 파장 450 내지 460nm) 등을 들 수 있다. 또한, 청녹색 형광체로서, 유로퓸 활성화 스트론튬 알루민산염 형광체(피크 파장 480 내지 500nm)나, 유로퓸, 망간 활성화 바륨 마그네슘 알루민산염 형광체(피크 파장 510 내지 520nm) 등을 들 수 있다. 녹색 형광체로서, 유로퓸 활성화 오르토 규산염 형광체(피크 파장 520 내지 550nm), 유로퓸 활성화 β사이알론 형광체(피크 파장 535 내지 545nm), 유로퓸 활성화 스트론튬 사이알론 형광체(피크 파장 520 내지 540nm) 등을 들 수 있다. 또한, 황색 형광체로서, 유로퓸 활성화 오르토 규산염 형광체(피크 파장 550 내지 580nm)나 세륨 활성화 희토류 알루미늄 가닛 형광체(피크 파장 550 내지 580nm) 등을 들 수 있다. 또한, 적색 형광체로서, 유로퓸 활성화 스트론튬 사이알론 형광체(피크 파장 600 내지 630nm), 유로퓸 활성화 칼슘니트리드 알루미노실리케이트 형광체(피크 파장 620 내지 660nm), 유로퓸 활성화 산황화 란탄 형광체(피크 파장 620 내지 630nm)나 망간 활성화 마그네슘 플루오로게르마네이트 형광체(피크 파장 640 내지 660nm) 등을 들 수 있다.
도 34는 녹색 발광의 유로퓸 활성화 오르토 규산염 형광체의 발광 특성을 나타내는 것이며, 527nm에 피크를 갖는 발광 스펙트럼(57)과, 피크 파장 527nm의 발광에 대응하는 여기 스펙트럼(58)이 그려져 있다. 도 34로부터도 알 수 있는 바와 같이, 이 형광체의 여기 스펙트럼(58)의 장파장단은 약 525nm까지 넓어져 있고, 자외광이나 자색광, 또한 청색광이나 청록색광으로 여기되어 녹색 발광을 나타내는 것을 알 수 있다. 동일하게 도 35는 적색 발광의 유로퓸 활성화 칼슘니트리드 알루미노실리케이트 형광체의 발광 스펙트럼(59) 및 여기 스펙트럼(60)을 나타내는 도면이다. 이 형광체의 여기 스펙트럼(60)은, 자외 영역으로부터 황색 영역에까지 넓어져 있고, 자외광이나 자색광, 또한 청색광이나 녹색광 또한 황색광으로 여기되어 적색 발광을 나타내는 것을 알 수 있다. 이상의 2종류의 형광체에, 자색 LED와 청색 형광체를 조합하여 백색 발광의 광원을 구성하였을 때, 청색 형광체는 LED에 의해 여기되고, 녹색 형광체는 LED와 청색 형광체에 의해 여기되며, 적색 형광체는 LED와 청색 형광체와 녹색 형광체로 여기되어, 형광체간의 재흡수나 다중 여기가 발생하게 된다. 이와 같은 광원에 있어서, 가령 청색 형광체만이 경시 변화되어 크게 휘도 열화했다고 해도, 청색광의 휘도 변화가, 녹색 형광체나 적색 형광체의 휘도에도 영향을 미쳐, 전체로서의 휘도 변화가 평균화되는 점에서, 결과적으로 백색광의 색도 변화의 억제 효과가 얻어지는 것이다.
표 1-1는, 본 발명에 사용되는 형광체의 발광 스펙트럼에 대해서, 반값폭의 데이터를 통합한 것이다. 표 중의 수치는, 각 형광체의 발광 스펙트럼에 있어서, 메인 피크에 상당하는 발광 스펙트럼의 반값폭을 대표값으로서 나타낸 것이다. 표 1-1로부터도 알 수 있는 바와 같이, 일부 예외는 있지만, 대부분의 형광체 반값폭은 50nm 이상이며, 사용하는 형광체를 적절히 선택하면, 모든 형광체의 반값폭이 50nm 이상의 조합으로 한 백색 광원을 구성하는 것이 가능하다.
<표 1-1>
Figure pat00006
형광체는 수지 재료와 섞어, 형광막(형광체층)의 형태로 사용된다. LED칩 주위를 직접 또는 간접적으로 형광체층으로 피복함으로써, LED로부터 출사된 1차 광이, 형광체층에서 2차 광(백색광)으로 변환되어, 광원의 외부로 방사되게 된다.
(LED 모듈의 발광 특성)
상기한 LED와 형광체의 조합을 사용함으로써, 본 발명의 백색 광원은, 태양광과 거의 동등한 발광 스펙트럼 분포를 나타낼 수 있다. 따라서, 본 발명의 백색 광원을 조명용으로서 사용한 경우, 태양광과 동등한 높은 연색 특성을 나타내고, 평균 연색 평가수 Ra를 95 이상으로 할 수 있다. 그리고 단순한 평균값이 아니라, 연색 평가수 R1 내지 R8 및 특수 연색 평가수 R9 내지 R15의 모두를 85 이상으로 하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 보다 바람직한 백색 광원에 의하면, 평균 연색 평가수 Ra를 97 이상, 연색 평가수 R1 내지 R8 및 특수 연색 평가수 R9 내지 R15의 모두를 90 이상으로 하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 백색 광원을, 미술품 등의 무기물의 조명으로서 이용하는 것이 아니라, 인체를 대상으로 한 조명용으로서 이용한 경우에는, 마치 태양광과 같은, 인체에 우수한 조명으로 할 수 있다. 최근 LED 조명이 보급되게 되어, 블루 라이트 해저드의 문제가 클로즈업되는 양상이 되고 있다. 백색 발광 중에 포함되는 청색광 성분의 강도가 너무 강하기 때문에, 장시간 계속해서 사용하면 안정(眼精) 피로의 원인이 되거나, 또한 야간에 LED 백색광을 너무 쏘이면, 인체가 갖는 서케이디언 리듬이 흐트러지는 등, 인체로의 각종 장애가 염려되는 문제이다. 종래의 LED 백색광에서는, 청색 LED에 황색 형광체 등을 조합하여 백색광을 얻고 있으며, 이것이 상기 장애를 초래하는 원인으로 여겨지고 있다. 형광체는 일반적으로 브로드 발광 스펙트럼을 나타내는 것에 비해, 청색 LED가 특정 청색 파장에 피크를 갖는 극단적으로 샤프한 스펙트럼 형상을 갖고 있기 때문에, 양자를 조합하면, 청색 파장 영역의 돌출된 부자연스러운 백색 발광 스펙트럼 분포밖에 얻어지지 않기 때문이다. 한편, 본 발명의 백색 광원의 발광 스펙트럼 분포는, 먼저 설명한 대로, 청색 파장 영역에 부자연스러운 돌출 부분이 없고, 청색 파장 영역을 포함하여, 태양광의 발광 스펙트럼을 재현할 수 있다. 따라서, 본 발명의 백색 광원은, 블루 라이트 해저드 등을 일으키지 않는, 인체에 우수한 조명 광원으로서 활용할 수 있다.
청색광이 인체에 있어서 유해가 될 가능성이 있어도, 고연색이나 백색 조명을 얻기 위해서는, 백색광 중에 일정 강도의 청색 성분을 함유할 필요가 있다. 간단히 청색 성분이 적은 백색광을 얻는 것이 목적이면, 색 온도가 낮은 백색 광원을 선택하면 된다. 왜냐하면, 색 온도가 낮아지면 낮아질수록, 백색광 중에 함유되는 적색 성분 등의 상대 함유량이 증가하고, 청색광 등의 상대 함유량이 감소하기 때문이다. 그러나, 본 발명의 백색 광원에서는, 모든 색 온도의 태양광을 재현하는 것이 본래의 목적이다. 따라서, 인체로의 유해성을 배려하여, 특정 색 온도의 재현만으로 한정할 수는 없다. 이 때문에 본 발명에서는, 조명 용도로서의 연색성과, 인체에의 안전성을 동시에 만족시키는 판단 기준으로서, 이하에 설명하는 P(λ)/B(λ)값을, 본 발명의 백색 광원의 특성을 특징짓는 지표로서 채용하기로 하였다.
본 발명의 백색 광원의 발광 스펙트럼을 P(λ), 대응하는 상관 색 온도의 흑체 복사의 발광 스펙트럼 분포를 B(λ), 그리고 분광 시감 효율의 스펙트럼을 V(λ)로 하고, 각각이, 하기 식
Figure pat00007
를 만족시킬 때에, 본 발명의 백색 광원의 발광 스펙트럼은, 파장 범위 400nm 내지 495nm에 있어서, 관계식: P(λ)/B(λ)≤1.8 (2)를 만족시킬 수 있다. 따라서, 400nm 내지 495nm의 파장 범위에 있어서, P(λ)의 강도가 B(λ)의 강도를 상회하는 파장 영역이 존재해도, 그 파장 영역에서의 양자의 강도비(P(λ)/B(λ))는 최대라도 1.8을 초과하는 일이 없다. 또한 본 발명의 보다 바람직한 백색 광원에서는, P(λ)V(λ)와 B(λ)V(λ)가 상기 식을 만족시킬 때, 파장 범위 400nm 내지 495nm간에 있어서, 관계식(5): P(λ)/B(λ)≤1.5 (5)를 만족시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 백색 광원은, 청색 파장 영역에서 특정 파장의 발광 강도가 극단적으로 돌출하지 않고, 보다 완만하며 평활한 연속 스펙트럼을 나타내는 것이다.
상기 P(λ)/B(λ)값에 대하여, 하한값에 대해서는 특별히 한정되지 않는다. 태양광을 재현하는 것이면 상기 P(λ)/B(λ)값은, 1에 가까운 값을 나타낼 것이 요망된다. 495nm 이하의 파장의 광이 부족하면, 조명 대상물의 색을 자연스러운 색으로 재현할 수 없기 때문이다. 그러나 본 발명의 백색 광원은, 이미 설명한 대로, 평균 연색 평가수나 특수 연색 평가수가 일정값 이상을 나타낼 수 있는 광원이다. 또한, 상기 식 (3), (4)에 나타내어지는 대로, 본 발명의 백색 광원에서는, 가시광 파장 전역에 걸쳐, 흑체 복사의 발광 스펙트럼과 근사시키는 것을 특징으로 하고 있다. 따라서, P(λ)/B(λ)값의 하한값을 특별히 설정하지 않아도, 본 발명의 백색 광원에 요구되는 실질적인 특성은, 만족되게 된다. 백색 광원의 P(λ)/B(λ)값은, 동일한 색 온도의 흑체 복사의 발광 스펙트럼과 비교하여 과잉으로 포함되는 청색광 성분의 비율을 나타내는 것이며, 인체에 대한 영향도 등으로부터, 그 상한값이 특히 중요해지는 것이다.
본 발명의 백색 광원에서는 형광체 발광의 조합에 의해 백색 발광을 얻는 것이며, LED로부터의 1차 광은, 가능한 한 많은 에너지가 형광체에 흡수되는 것이 바람직하고, 동시에, LED광이 광원 외부로 누출되는 것을 피할 필요가 있다. 특히 LED광에 자외선이 포함되는 경우에는, 미술품 등의 체색을 손상시키거나, 인체의 피부 등에 악영향을 미칠 가능성이 있기 때문에, 누출 방지가 강하게 요구된다.
본 발명의 LED 모듈에서는, 자외선의 누출을 방지하기 위해서, 형광체층의 두께를 충분한 후막으로 형성하고 있다. 개개의 형광체 입자 표면에서 반사된 LED광이, 형광체층을 투과하여 광원의 외부로 누출되지 않도록, 형광체층을 후막화한 것이다. 이 때, 형광체층의 두께가 극단적으로 너무 두꺼우면, 형광체의 발광 자체도 형광체층 밖으로 나올 수 없어, 형광체층의 발광 강도가 저하되어버린다. 일반적으로, 형광체의 입자 직경과 최적 막 두께는 비례 관계에 있는 것이 알려져 있고, 본 발명의 형광체층은 실용상 가능한 한 대입자가 되는 형광체를 사용하여, 형광체층을 가능한 한 후막화하는 것으로 하였다. 이와 같은 목적을 위해, 본 발명의 LED 모듈에 사용되는 형광체는, 평균 입자 직경이 5㎛ 이상 50㎛ 이하의 범위인 것이 바람직하다. 보다 바람직한 범위는 평균 입자 직경이 10㎛ 이상 40㎛ 이하의 범위이다. 그리고, 이들 평균 입자 직경에 대응하는 형광체층의 두께는, 0.07mm 이상 1.5mm 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 범위는, 100㎛ 이상 1000㎛ 이하이다. 또한, 형광체층 중의 형광체의 함유량으로서는, 형광체층 중의 형광체의 질량비가 60질량％ 이상 90질량％ 이하가 되는 것이 바람직하다. 형광체 함유량이 60질량％ 미만인 경우에는, 형광체층을 두껍게 해도, 형광체층 중의 형광체 함량이 부족할 가능성이 있다. 형광체 함량이 부족하면, 형광체 입자간의 간극을 LED광의 일부가 꿰뚫고 나가, 백색 광원의 외부로 누출하게 된다. 한편, 형광체 함유량이 너무 많은 경우에는, LED광의 누출에 대해서는 문제없지만, 형광체 입자 상호를 결합시키는 바인더량이 너무 적기 때문에, 형광체층의 물리적 강도가 문제가 된다. 이상과 같이 하여, 형광체층의 발광은 최대한 저하시키지 않고, 또한 자외선의 누출을 0.4mW/lm 이하로 억제한 LED 모듈을 얻을 수 있다.
또한 자외선 누출 방지를 더욱 철저하게 하기 위해서, 형광체층의 외측에 자외선 흡막을 형성해도 된다. 이 경우, 자외선의 흡수ㆍ반사 재료로서 산화아연, 산화티타늄, 산화알루미늄 등의 미립자 백색 안료를 사용할 수 있다. 이들 미립자 안료 또는 무기 재료의 분말을 형광체층과 동일하게, 수지 중에 분산시켜, 형광체층 또는 실리콘 수지 함유층의 외측에 직접적 또는 간접적으로, 자외선 흡수막을 형성함으로써, 목적으로 하는 LED 모듈을 얻을 수 있다. 또한, 상기한 간접적인 방법과 동일한 효과를 얻는 방법으로서, 백색 광원의 투명 외부 케이싱, 예를 들어 LED 전구의 투명 글로브재 또는 투명부의 내면 또는 외면에, 산화아연, 산화티타늄, 또는 산화알루미늄의 증착막을 형성하여 대책할 수 있다. 이와 같이 하여 얻어지는 본 발명의 LED 모듈에서는, 모듈 외부로 누출되는 자외선의 양을 0.4mW/lm 이하로 저감시키는 것이 가능하다.
상기 자외선량의 수치는 이하의 방법에 의해 구할 수 있다. 발광 장치로부터 출사되는 백색광의 발광 스펙트럼을 P(λ), 분광 시감 효율의 스펙트럼을 V(λ)라로 하여, 양자를 곱하고, 적분하여 하기 φ를 구한다.
Figure pat00008
(7) 식 중의 683은 555nm의 파장에 있어서, 1W=683Lm을 만족시키는 상수이다.
LED로부터 출사되는 1차 광 에너지는, 하기 식으로부터 스펙트럼 F(λ)를 360 내지 420nm의 범위에서 적분하여 하기 UV를 구한다.
Figure pat00009
발광 장치로부터 출사되는 발광의 광속당 1차 광 에너지는 UV/φ에 의해 구할 수 있다.
본 발명의 백색 광원은, 태양광의 발광 스펙트럼과 대략 동등한 형상을 갖고, 청색광의 파장 영역에 있어서의 발광 스펙트럼의 강도도, 태양광과 대략 동등한 레벨에 있는 것은, 상기에 설명한 대로이지만, 청색광이나 자색광의 강도를 보다 확실하게 저감시키고자 하는 경우, 또는 태양광에 포함되는 청색 성분이나 자색 성분의 발광 강도보다도 더욱 저감시키고자 하는 경우에는, 그들 발광의 누출 방지막을 형성하면 된다. 이 경우, 자색광이나 청색광의 흡수 재료로서 산화지르코늄, 산화규소의 미립자 안료를 사용할 수 있다. 이들 미립자 안료 또는 무기 재료의 분말을 형광체층과 동일하게, 수지 중에 분산시켜, 형광체층 또는 실리콘 수지 함유층의 외측에 직접적 또는 간접적으로 흡수막을 형성함으로써, 목적으로 하는 LED 모듈을 얻을 수 있다. 또한 상기한 간접적인 방법과 동일한 효과를 얻는 방법으로서, 백색 광원의 투명 외부 케이싱, 예를 들어 LED 전구의 투명 글로브재 또는 투명부의 내면 또는 외면에, 산화지르코늄이나 산화규소의 증착막을 형성하여 대책할 수 있다.
(백색 광원 시스템)
실시 형태의 백색 광원 시스템의 일례를 도 27에 나타낸다. 도면에 나타내는 대로, 실시예의 백색 광원 시스템은, 백색 광원부(21)와, 제어부(22)를 포함한다. 백색 광원부(21)는, 기판(23)과, 기판(23) 상에 배치된 복수의 백색 광원 24와, 복수의 백색 광원을 덮도록 기판(23)에 고정된 발광 장치 외부 케이싱(25)을 포함한다. 복수의 백색 광원 24는, 각각 LED 모듈을 포함한다. LED 모듈은, 기판(23) 상에 배치된 LED칩(26)과, 기판(23) 상에 배치되어, LED칩(26)을 덮는 형광체층(27)을 포함한다. 기판(23)에는 배선망이 설치되어 있고, LED칩(26)의 전극은 기판(23)의 배선망과 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 발광 장치 외부 케이싱(25)은, 기판(23)과 대향하는 측의 벽부의 외측 면에, 렌즈(도시를 생략함)를 배치할 수 있다. 또한, 발광 장치 외부 케이싱(25)의 적어도 일부를 광 취출이 가능한 투명부로 하는 것도 가능하다. 투명부는, 기판(23)과 대향하는 측의 벽부에 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 리플렉터(도시를 생략함)를, 예를 들어 발광 장치 외부 케이싱(25)의 내측면에 배치할 수 있다.
제어부(22)는, 컨트롤부(28)과, 메모리부(29)와, 데이터 입출력부(30)를 구비한다. LED 모듈을 포함하는 백색 광원 24는, 컨트롤부(28)의 전자 회로(도시를 생략함)와 배선(31)에 의해 접속되어 있고, 컨트롤부(28)로부터 배선(31)을 통해 흐르는 전류에 의해 백색 광원 24가 발광한다. 컨트롤부(28)의 전자 회로 메모리부(29)에는, 태양광의 하루의 변화 데이터가 장소마다 또한 계절(시기)마다 보존되어 있다. 희망하는 패턴의 조명 광원을 얻기 위해서, 시스템 사용자가, 도시명 또는 위도ㆍ경도 등의 장소 정보, 계절 등의 시간 정보를, 데이터 입출력부(30)에 입력하고, 얻어진 데이터를 컨트롤부(28)에 송출한다. 컨트롤부(28)는, 입력 데이터에 대응하는 보존 데이터를 추출하여, 장소와 계절이 특정된 태양광의 상관 색 온도와 조도의 데이터를 판독하고, 이들 데이터를 바탕으로, 각 백색 광원의 혼합 강도비를 계산한다. 계산 결과를 바탕으로 컨트롤부(28)의 전자 회로가, 각 백색 광원 24에 인가하는 전류값을 제어하여, 필요로 하는 태양광의 특성 변화를 재현할 수 있다.
백색 광원 시스템에는, LED와 형광체를 포함하는 LED 모듈이 사용된다. LED 모듈은, 기판과, 기판 상에 적재된 LED칩과, LED칩 주위를 덮도록 형성된 형광체층을 포함한다.
기판에는, 알루미나, 질화알루미늄, 질화규소, 유리 에폭시 등의 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 알루미나 기판, 유리 에폭시 기판을 선택하는 것이, 열전도성이나 자외 내지 자색광에 대한 내성, 절연성, 반사율, 비용 등의 관점에서 종합적으로 판단하여, 보다 바람직한 것이다. 기판을 구성하는 재료의 종류는 1종류 또는 2종류 이상으로 할 수 있다.
LED에 대해서는, 자외 내지 자색으로 발광하는 재료이면, 어떤 재료를 사용해도 상관없지만, 예를 들어 GaN계 InGaN, GaN 또는 AlGaN 등을 사용할 수 있다.
LED 모듈(50)에서는, 예를 들어 도 28에 나타낸 바와 같이, 복수개의 LED칩(52)이, 기판(51) 상에 선형으로 배열된다. 칩 열은, 일렬 이상으로 할 수 있다. 사용 개수에 따라서 복수의 칩 열을 배열할 수 있다. 예를 들어 도 28에서는, 복수의 칩 열이 매트릭스 형상으로 배열되어 있다. LED칩(52)은, 가능한 한 고밀도로 배열되는 것이 바람직하지만, LED칩(52) 사이의 거리가 너무 가까워지면, LED칩(52)끼리에 의한 LED 발광의 상호 흡수가 발생하기 때문에 바람직하지 않고, 또한 연속 점등 시에 LED칩(52)에 의해 발생하는 열의 방열을 재촉하기 위해서도, LED칩(52)은, 적당한 간격을 두고 배열하는 것이 바람직하다. 또한, 칩의 배열은, 선형에 한정되지 않고, 바둑판상 등으로 배열해도, 동일하게 고밀도의 배열로 할 수 있다.
도 28에 있어서, 각 LED칩(52)은 와이어(53)로 접속됨과 함께, 전극(54)과 연결되어 있다. 전극(54)은 특정 패턴을 갖고, 기판(51) 상의 도전부를 겸하고 있다. 도전부의 재료에는, Ag, Pt, Ru, Pd 및 Al 등으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 그리고 금속의 표면에는, 부식 등을 방지할 목적으로 Au막이 형성되는 것이 바람직하다. Au막은, 인쇄법, 증착법 및 도금법 중 어느 것을 사용하여 형성해도 상관없다.
기판(51) 상의 LED칩(52) 주위에는, 직접 또는 간접적으로 형광체층으로 피복된다. 형광체층의 배치예를 도 29 내지 도 33에 나타낸다. 도 29에 도시한 바와 같이, LED칩(52)의 표면 상에 직접 형광체층(55)을 형성해도 된다. 도 30에 도시한 바와 같이, LED칩(52) 주위를 형광체층(55)으로 피복한 후, 형광체층 주위를 투명 수지층(56)으로 피복해도 된다. 또한, 도 31에 나타낸 바와 같이, LED칩(52)의 표면을 투명 수지층(56)으로 피복한 후, 투명 수지층(56)의 거의 전체면을 형광체층(55)으로 피복해도 된다. 또한 도 29 내지 도 31에서는 복수개의 LED칩(52)을, 단일의 형광체층(55) 또는 투명 수지층(56)으로 피복하는 구조로 하였지만, 도 32, 도 33과 같이 단일 LED칩(52)을, 단일의 형광체층(55) 또는 단일의 투명 수지층(56)으로 피복해도 된다. 또한 응용예의 하나로서, 단독 또는 복수의 LED칩 주위를, 투명 수지층으로 피복하고, 그 외측에 형광체층을 형성하며, 또한 외측에 투명 수지층을 형성하는 적층 구조로 해도 된다.
상기 각종 막 구성에 있어서, 투명 수지층을 형성하는 목적은, 발광 강도의 균일화이다. 복수개의 LED칩이, 어떤 패턴으로 배열되어 있는 경우, 기판 상에는 LED칩이 존재하는 개소와, 존재하지 않는 개소가 공존한다. 이와 같은 패턴의 LED칩 주위를 형광체층으로 피복한 경우, LED칩이 존재하는 부분에서는 발광 강도가 강하고, LED칩이 존재하지 않는 부분에서는 발광 강도가 약해지기 때문에, 형광체층 전체면에 걸친 균일한 발광이 얻어지지 않게 된다. 이 때, 형광체층의 내면 또는 외면에 투명 수지층이 형성되어 있으면, 층 전체에서 균일한 광을 얻기 쉬워진다. 형광체층의 내면에 투명 수지층이 형성되어 있으면, LED로부터의 1차 광이 투명 수지층 내에서 산란되기 때문이다. 한편, 형광체층의 외면에 투명 수지층이 형성되어 있으면, 형광체로부터의 2차 광이 투명 수지층 내에서 산란되기 때문이다. 또한, LED칩의 개수가 복수개가 아니라, 1개인 경우에도 동일한 효과가 얻어진다. LED칩의 일반적인 형상은 직육면체인데, 직육면체의 각 면으로부터 출사되는 발광 강도는 동일하지 않고, 출사되는 방향에 따라서, 발광의 강도 분포가 발생하고 있다. 따라서, LED칩 주위를 피복하는 형광체층의 내면 또는 외면에 투명 수지층이 형성되어 있으면, LED칩이 복수개인 경우와 동일하게, 발광 강도의 균일화를 도모할 수 있다.
이상과 같이, 발광 강도의 균일화는, 투명 수지층 내에서의 광 산란 효과에 의해 얻어진다. 단순한 투명 수지층이 아니라, 수지층 내에 미립자 상의 무기 화합물 분말을 함유시킴으로써, 한층 더한 산란 효과가 발휘된다. 수지층 내에 함유시키는 무기 재료 분말로서는, 퓸드 실리카(건식 실리카) 또는 침강성 실리카(습식 실리카) 등의 실리카 분말, 퓸드 알루미나 또는 분쇄 알루미나 등의 알루미나 분말, 산화세륨 분말, 산화지르코늄 분말, 산화티타늄 분말, 티타늄산바륨 분말 등의 금속 산화물 분말을 들 수 있다. 사용하는 무기 재료의 종류는 1종류 또는 2종류 이상으로 할 수 있다. 이들 중에서도, 실리카 분말 및 알루미나 분말은, 각각, 저렴하면서 또한 미립자화가 용이하기 때문에, 투명 수지층 중에 함유시키는 무기 화합물 분말로서 바람직하다. 특히, 퓸드 실리카 및 퓸드 알루미나는 각각, 구형의 초미립자를 얻기 쉬운 점에서 적합하다.
또한 무기 재료 분말의 최대 입자 직경은, 투명 수지층 내를 통과하는 광의 파장의 1/4 이하인 것이 바람직하다. 최대 입자 직경이 광의 파장의 1/4 이하인 무기 화합물 분말을 사용하면, 투과하는 광이 적절하게 산란되기 때문에, 광원으로부터 출사되는 광의 강도가 균일화되어, 광의 배향성을 개선할 수 있다. 최대 입자 직경이 광의 파장의 1/4를 초과하는 경우에는, LED 또는 형광체로부터 출사된 광이, 무기 재료의 미분말에 의해 반사되어, 광원의 내부(LED칩측)로 복귀될 확률이 높아진다. 무기 재료 분말의 최대 입자 직경의 하한값은, 산란 효과의 면에서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 극단적인 미립자를 공업적으로 얻는 것은 어렵고, 또한 분말의 취급면에서도, 수nm보다 큰 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 수십nm 이상이다.
무기 재료 분말의 구체적인 최대 입경은, 560nm의 황색광에 대해서는 140nm 이하, 420nm의 자색광에 대해서는 105nm 이하가 된다. 투과하는 광의 최소 파장은, 360nm에 발광 피크를 갖는 LED를 사용한 경우의 자외광이다. 최대 입경이 90nm인 무기 재료 분말을 사용하면, 어떤 케이스의 투명 수지층에도 대응 가능한 것이 된다.
상술한 바와 같은 무기 화합물 분말은, 투명 수지층에 0.1 내지 5질량％의 범위로 함유시키는 것이 바람직하다. 투명 수지층 중의 무기 화합물 분말의 함유량이 0.1질량％ 미만이면, 무기 화합물 분말에 의한 광의 산란 효과를 충분히 얻을 수 없을 우려가 있다. 한편, 무기 화합물 분말의 함유량이 5질량％를 초과하면, 광의 다중 산란 등이 발생하기 쉬워져, 광원의 외부로 취출되는 광이 감소될 우려가 있다. 투명 수지층 중의 무기 화합물 분말의 함유량은 1질량％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.
형광체층에는, 투명 수지 재료가 함유되어 있어도 된다. 한편, 투명 수지층은, 투명 수지 재료를 주체로 하는 것이어도 되지만, 형광체 또는 무기 재료 분말 등의 다른 성분을 함유하고 있어도 된다. 이러한 투명 수지 재료로서는, 강도, 내열성 및 투명성을 만족시키는 재료이면, 어떤 재료를 사용해도 상관없지만, 구체적으로는 실리콘 수지, 에폭시 수지 등을 사용하는 것이 바람직하다. 특히 본 발명과 같이, 투명 수지층을, 자외선 발광의 LED와 조합하여 사용하는 경우에는, 자외선에의 내열화 특성이 우수한 실리콘 수지를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
투명 수지 재료로서 상기 실리콘 수지를 사용하는 경우, 기판 재료에는, 흡수율이 5 내지 60％의 범위인 알루미나 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 적당한 흡수율을 갖는 알루미나 기판을 사용함으로써, 실리콘 수지 함유층(예를 들어, 실리콘 수지를 포함하는 투명 수지층 및 형광체층)과의 밀착 강도가 향상된다. 구체적으로는, 알루미나 기판과 실리콘 수지 함유층과의 밀착 강도를 1N(100gf) 이상으로 하는 것이 가능해진다. 알루미나 기판의 흡수율은, EMAS-9101에 개시되는 흡수율 평가 방법에 의해 측정한 값을 나타내는 것으로 한다. 알루미나 기판과 실리콘 수지 함유층과의 밀착 강도는, 실리콘 수지 함유층(형광체층)을 측면으로부터 텐션 게이지로 눌러, 실리콘 수지 함유층(형광체층)이 박리되었을 때의 압력을 나타내는 것으로 한다.
흡수율이 5％ 이상인 알루미나 기판에 의하면, 실리콘 수지가 적절하게 스며들기 때문에, 실리콘 수지 함유층과의 밀착 강도를 높일 수 있다. 알루미나 기판의 흡수율이 5％ 미만인 경우에는, 실리콘 수지의 스며듦이 약하여, 충분한 밀착 강도를 얻을 수 없다. 단, 알루미나 기판의 흡수율이 60％를 초과하면, 실리콘 수지가 너무 스며들어, 실리콘 수지 함유층(형광체층)을 소정 형상으로 성형하는 것이 곤란해진다. 알루미나 기판의 흡수율은 20 내지 50％의 범위인 것이 보다 바람직하다.
알루미나 기판의 흡수율은, 예를 들어 기판 소성 시의 소성 온도를 변화시킴으로써 조정할 수 있다. 구체적으로는, 알루미나 기판의 형성 재료 등에 따라서, 기판 소성 시의 온도를 1100 내지 1500℃의 범위로 적절하게 조정함으로써, 적당한 흡수율(5 내지 60％의 범위)을 갖는 알루미나 기판을 얻을 수 있다.
상술한 알루미나 기판을 사용함으로써, 알루미나 기판과 실리콘 수지 함유층과의 밀착 강도를 1N 이상으로 할 수 있다. LED칩과 형광체층 사이에 투명한 실리콘 수지 함유층을 개재시키는 경우도 동일하며, 알루미나 기판과 투명한 실리콘 수지 함유층과의 밀착 강도를 1N 이상으로 할 수 있다. 이와 같이, 알루미나 기판과 실리콘 수지 함유층이나 투명한 실리콘 수지 함유층과의 밀착 강도를 1N 이상으로 함으로써, LED 모듈의 취급성이 향상된다. 즉, 취급 시에 있어서의 실리콘 수지 함유층의 박리가 억제된다. 따라서, 실리콘 수지 함유층의 박리에 의한 부점등이나 파괴를 높은 재현성으로 억제하는 것이 가능해진다.
(실시예)
이하에 있어서는, 태양광의 변화를 연속적으로 재현하는 방법과 함께, 재현하는 백색광에 포함되는 자외광이나 청색광 성분을 적정량까지 저감시키는 방법에 대해서, 구체적으로 설명한다.
(실시예 1)
우선, 청색 형광체, 녹색 형광체, 황색 형광체, 적색 형광체의 4종류의 형광체와 LED의 조합에 의한 6종류의 백색 광원을 제작하였다. 구체적으로는 표 1-2에 기재한 조성의 형광체를 표 중에 기재된 소정의 비율로 혼합하고, 6종류의 색 온도의 백색광으로 한 것이다. 각 형광체는 평균 입경이 25 내지 35㎛인 분말을 사용하고, 실리콘 수지에 분산시킨 슬러리를 LED칩 주위에 도포함으로써, LED 모듈을 제작하였다. 형광체층의 막 두께는, 500 내지 700㎛로 하고, 형광체층 중의 형광체 분말의 밀도는, 70 내지 80질량％의 범위가 되도록 조정하였다. 또한 LED에는 410nm에 발광 피크를 갖는 GaN계 LED를 사용하였다. 이상과 같은 LED 모듈에, 리플렉터, 렌즈, 외부 케이싱을 설치하고, 또한 전자 회로를 접속시켜 실시예의 백색 광원으로 하였다.
<표 1-2>
Figure pat00010
이어서, 상기 6종류의 백색 광원을 사용하고, 특정 장소에 있어서의, 태양광의 하루의 변화를 재현하였다. 재현한 것은, 봄(2015년 5월 14일)의 요코하마시에 있어서의 하루의 변화이다. 재현을 위해 이용한 데이터는, 동일 일자의 일몰로부터 일출까지, 약 3분마다의 태양광의 발광 스펙트럼을 측정한 것이다. 도 5는, 상기 데이터 중, 동일 일자 오전 7시 00분, 오후 12시 00분, 및 오후 6시 45분 각각의 태양광의 발광 스펙트럼 분포를 발출하여, 도시한 것이다. 3종류 시각의 태양광에 대해서, 발광 스펙트럼 데이터를 바탕으로, 각각의 상관 색 온도를 계산하면, 오전 7시 00분이 4236K+0.004duv, 오후 12시 00분이 5704K+0.001duv, 또한 오후 6시 45분이 2990K-0.004duv였다.
먼저, 3종류 시각의 태양광의 발광 스펙트럼을, 본 발명의 상기 6종류의 백색 광원(백색 광원 1 내지 6)을 사용하여, 재현하였다. 각 광원 색의 혼합 비율은 표 2에 나타내는 바와 같다. 또한 표 중의 숫자는 강도비(상대값)를 나타낸 것이다. 또한 3종류의 백색 광원의 발광 스펙트럼 분포는, 도 6 중의 곡선 6 내지 8에 나타내는 바와 같다. 이들 발광 스펙트럼 형상과, 동일한 색 온도의 흑체 복사의 발광 스펙트럼을 비교하면, 발광 스펙트럼 곡선에 미세한 요철이 존재하는지 여부는 별도로 하고, 양자의 전체 형상은 양호한 일치를 나타내는 것을 알 수 있다. 특히 인간 눈의 감도가 높은 400nm 내지 650nm의 파장 영역에 있어서, 양자는 매우 높게 근사된 곡선을 나타내었다.
Figure pat00011
광원 A 내지 C의 발광 스펙트럼과, 각 광원의 상관 색 온도와 동일한 색 온도의 흑체 복사의 발광 스펙트럼에 대해서, 양자의 차분 스펙트럼을 구하였다. 차분 스펙트럼이란, 각 백색 광원의 발광 스펙트럼을 P(λ), 백색 광원과 동일한 색 온도를 나타내는 흑체 복사의 발광 스펙트럼을 B(λ), 분광 시감 효율의 스펙트럼을 V(λ), P(λ)×V(λ)가 최대가 되는 파장을 λmax1, B(λ)×V(λ)가 최대가 되는 파장을 λmax2라 하였을 때, [(P(λ)×V(λ))/(P(λmax1)×V(λmax1))-(B(λ)×V(λ))/(B(λmax2)×V(λmax2))]를 구하고, 가시광 파장 영역 380nm 내지 780nm에 걸쳐 플롯한 것이다. 도 7 내지 도 9를 보면 알 수 있는 바와 같이, 광원 A, B, C 모두 차분 스펙트럼은 ±0.1 이하의 범위 내에 있고, 상기 식 (3)을 만족시키는 점에서, 어느 광원도 본 발명의 백색 광원에 상응하는 특성을 갖는 것이다.
계속해서, 이들 각 광원의 연색 평가수를 구하였다. 3종류의 광원에 대해서, 380nm 내지 780nm의 파장 범위에 걸쳐, 5nm 간격으로 각 스펙트럼 강도의 데이터를 구한 후, JIS-8726에 기재된 방법에 따라서 계산을 행하고, 평균 연색 평가수와 특수 연색 평가수를 구하였다. 결과는 하기 표 3에 나타내는 대로, 실시예 1의 백색 광원은, 모든 평가 지수에서 높은 값을 나타내고, 태양광과 대략 동등한 우수한 연색성을 나타내는 것이었다.
Figure pat00012
실시예 1의 백색 광원은, 410nm에 발광 피크를 갖는 자색 발광 LED와 4종류의 형광체를 조합한 LED 모듈을 사용하였다. 일반적으로 LED는 발광 피크 파장에 있어서 샤프한 형상의 발광 스펙트럼을 갖고, 형광체는 브로드 발광 스펙트럼을 갖기 때문에, 전체 스펙트럼 형상은, LED의 발광이 돌출된 부자연스러운 것이 되기 쉽다. 그러나 실시예 1에서 사용되는 LED의 발광 피크 파장은 청색 영역에 없고, 자색 파장 영역에 있으며, 청색광이 두드러지지 않을 뿐 아니라, LED로부터 출사되는 자색광은, 그 대부분이 형광체에 의해 흡수되기 때문에, 모듈 밖으로 누출되는 LED광은 약간의 광량이 된다. 따라서, 본 발명의 백색 광원에서는 블루 라이트 해저드 등의 우려가 없는, 인체에 우수한 백색 광원으로 할 수 있다.
본 발명의 백색 광원에 대해서, 상기 효과를 정량적으로 평가하기 위해서, 각 백색 광원의 P(λ)/B(λ)의 값을 계산에 의해 구하였다. P(λ)/B(λ)값을 구하는 방법은, 예를 들어 상기 광원 C를 예로 하면 이하와 같다. 먼저, 분광 분포 측정기를 사용하여 광원 C의 발광 스펙트럼 분포를 측정한다. 측정 장치로서는, 최근에는 다수의 장치가 시판되고 있으며, 정밀도 상의 문제가 없으면, 특별히 기종 한정 등을 행할 필요는 없다. 구체적인 발광 스펙트럼의 형상은, 이미 설명한 바와 같이, 도 6의 곡선 8에 나타내는 대로이며, 이 발광 스펙트럼을 P(λ)라 한다. 이 P(λ)의 발광 스펙트럼 분포 데이터를 사용하여, xy 색도도 상의 발광색도 점을 구하면, 광원 C는 2990K-0.004duv의 상관 색 온도의 백색 광원인 것을 알 수 있다. 따라서, 이것에 대응하는 흑체 복사의 발광 스펙트럼 B(λ)는, 색 온도가 2990K가 되기 때문에, 상기 식 (6)에 있어서, 색 온도(T)에 2990K를 대입함으로써, 구체적인 스펙트럼 형상을 구할 수 있다.
얻어진 P(λ)과 B(λ)의 발광 강도를 비교함으로써, P(λ)/B(λ)값을 구할 수 있지만, 얻어진 발광 스펙트럼 분포를 그대로 비교하면, 구하는 방법에 따라서 결과는 어떻게도 변화되기 때문에, 양자의 총 에너지가 동일한 값이 되는 조건을 설정하고, 그 조건을 만족시킬 수 있는 P(λ), B(λ)를 구한 후, 양자를 비교하였다. 구체적인 조건은 하기 식 (1)을 만족시키는 것이다.
Figure pat00013
식 중 V(λ)는 분광 시감 효율의 스펙트럼 분포이며, 상기 (1) 식을 만족시키는 P(λ) 및 B(λ)의 각 스펙트럼 분포를 계산에 의해 구하였다. 보정 후의 P(λ) 및 B(λ)를 하나의 그래프에 통합하면, 도 10에 나타내는 스펙트럼 분포가 얻어진다. 곡선 9가 보정 후의 B(λ), 곡선 10이 보정 후의 P(λ)이다.
도 10에 있어서, 400nm 내지 495nm의 범위에 있어서의, 양쪽 스펙트럼 분포의 강도를 비교하면, P(λ)의 발광 강도가 B(λ)의 발광 강도를 상회하는 개소가 약 3개소 존재하지만, 그들 파장 영역 중에서, P(λ)/B(λ)비의 최댓값을 구하면, 1.37이라는 값이 얻어졌다. 즉, 400nm 내지 495nm 사이의 모든 파장에 있어서, P(λ)의 발광 강도는 B(λ)의 발광 강도의 1.37배 또는 그 이하인 것을 의미하고 있다.
본 발명에서는, 각 백색 광원의 P(λ)/B(λ)를, 상기에서 구한 바와 같이 P(λ)/B(λ)비의 최댓값을 대표값으로서 채용하고, 각 백색 광원의 평가 기준으로 하였다. 즉, P(λ)/B(λ)값이 1을 초과하고, 또한 보다 큰 값을 나타낼수록, 각 백색 광원에 포함되는 400nm 내지 495nm의 가시광, 특히 청색광이, 흑체 복사의 발광 스펙트럼 중에 포함되는 동일한 파장 범위의 가시광에 대하여, 과잉이면서 대량으로 포함되어 있는 것을 의미하는 것이다. 이상에 의해, 광원 C는 파장 범위 400nm 내지 495nm에 있어서, 하기 식 (9)의 관계를 만족시키는 것을 알 수 있다.
P(λ)/B(λ)≤1.37 (9)
표 3 중의 광원 B, A에 대해서도 동일한 관계를 확인하면, 각각 도 11, 도 12의 스펙트럼 곡선을 얻을 수 있고,
광원 B는 하기 식 (10)
P(λ)/B(λ)≤1.26 (10)
광원 A는 하기 식 (11)
P(λ)/B(λ)≤1.07 (11)
을 각각 만족시키는 것을 알았다. 따라서, 상기 백색 광원 C, B, A는, 청색 파장 영역에서, 요철이 적은 평활한 발광 스펙트럼을 나타내고, 인체의 서케이디언 리듬에 대하여 악영향을 미치는 일이 적은, 우수한 광원이라고 간주할 수 있다.
또한 실시예 1의 LED 모듈에서는, 모듈로부터 누출되는 자외선량도 저감되고 있다. 실시예의 광원으로부터 누출되는 LED 1차 광을, 상기 식 (7), (8)을 사용하여 계산하면, 모두 0.1mW/lm이며, 매우 미약한 것이었다. 따라서, 실시예 1의 백색 광원을, 미술품 등의 조명에 사용한 경우에는, 미술품에서 사용되는 그림 물감 등을 열화시키는 일은 없고, 또한 인체 조명용으로 사용한 경우, 인체의 피부나 눈을 손상시키는 않아, 이들 용도에 적합한 조명으로 할 수 있었다.
이상에 있어서, 실시예 1의 백색 광원의 다양한 특징을 설명했지만, 상기는 아침, 낮, 밤의 대표적인 백색광을 다룬 것에 지나지 않고, 실제로는 상기 특징을 갖는 백색광을, 1일의 연속적인 변화로서 재현할 수 있다. 도 13은, 봄(2015년 5월 14일)의 요코하마시에 있어서의 1일의 변화를 나타낸 그래프이다. 3분마다 측정한 태양광의 발광 스펙트럼 데이터를 사용하여, 각 상관 색 온도의 값을 구하고, 소정의 상관 색 온도가 얻어지는 바와 같이, 광원 1 내지 광원 6의 혼합 비율을 결정하여 재현하였다. 또한 조도의 변화는 실측값을 바탕으로, 특정한 값을 기준으로 한 상대값을 계산하고, 조도비(％)로서 플롯한 것이다.
도 13에 있어서, 곡선 15는 상관 색 온도의 변화, 곡선 16은 조도 변화를 나타내는 것이다. 봄의 요코하마시에 있어서의 1일의 변화는, 일출과 함께 조도는 밝아지고, 오전 11시경에 조도는 가장 높아지고, 그 후 오후 1시 지나서까지 높은 상태가 계속된 후, 일몰에 따라서 조도는 서서히 저하되어 갔다. 한쪽의 색 온도에 대해서는, 일출에 약 2200K의 새빨간 태양이 나타나고, 조도의 증가와 함께 색 온도도 상승하며, 온(溫)백색으로부터 백색이면서 주백색으로 변화되고, 오후 12시경에는, 최고도에 달하여 약 6000K가 되었다. 그 후에는 오전 중과 반대의 경과를 더듬어가며, 오후 7시경에는 2300K로 복귀되고, 일몰이 되었다.
본 발명의 백색 광원 시스템에서는, 도 13에 나타낸 색 온도나 조도의 경시 변화를, 백색 광원에 인가하는 전류값을 컨트롤하여 재현하였다. 먼저 특정한 상관 색 온도의 백색광을 얻기 위해서, 광원 1 내지 광원 6에 가하는 전류의 강도 비율을 결정하였다. 이어서, 조도의 변화에 대응하기 위해서, 상기 전류 비율을 유지한 채, 소정의 조도가 얻어지는 바와 같이, 토탈 전류의 강도를 조정하였다. 본 발명의 백색 광원에서는, 도 13에 나타낸 경시 변화의 데이터에 대해서, 3분마다의 실측값을 기초로 조정할 수 있도록, 전류값의 프로그램 제어를 행하여, 태양광의 경시 변화를 재현하였다.
이와 같은 백색 광원 시스템을 미술관이나 병원, 또한 가정용 조명으로서 적용하였다. 이 조명에서는 태양광의 순간적인 특성을 재현하는 것이 아니라, 시시각각 변화되는 발광 특성을 재현하고 있으며, 인체가 갖는 서케이디언 리듬 등에 대한 좋은 영향이 기대된다. 또한, 백색 조명에 의한 특성 변화는, 인간의 눈으로는 식별할 수 없는 온화한 변화를 재현하고 있기 때문에, 태양광과 동일한 극히 자연스러운 변화로서, 인간에게 지각되는 것이다. 따라서, 체력적으로 떨어진 병원 환자 등에 있어서도, 무리없는 조명으로서 받아들여지는 것이, 가능한 것이다.
(비교예 1)
태양광의 스펙트럼 형상에 관계없이, 흑체 복사의 궤적 상에 위치하는 특정 색 온도의 백색 광원을 제작하였다. 사용한 LED 모듈은 청색 LED와 황색 형광체의 조합에 의한 것으로, LED에는 발광 피크 파장이 448nm인 InGaN계 LED를, 형광체에는 피크 파장이 560nm인 유로퓸 활성화 오르토 규산염 형광체를 사용하였다. 형광체의 평균 입자 직경은 7㎛였다. 이 형광체 입자를 실리콘 수지 중에 분산시켜 형광체 슬러리를 제작하고, 기판 상에 적재된 LED칩을 덮도록 균일하게 슬러리를 도포함으로써, LED 모듈을 제작하였다. 형광체층의 막 두께는, LED의 청색광과 형광체의 황색광이 혼합하여, 원하는 백색광이 되는 두께로 조정한 결과, 약 65㎛였다.
상기 LED 모듈에, 리플렉터, 렌즈, 외부 케이싱을 설치하고, 또한 전자 회로를 접속시켜 비교예의 백색 광원으로 하였다. 얻어진 백색 광원의 색 온도는 6338K이며, 발광 스펙트럼 특성, (P(λ)×V(λ)/(P(λmax1)×V(λmax1))는 도 14에 나타내는 바와 같았다. 또한, 대응하는 6338K의 색 온도의 흑체 복사 스펙트럼에 대하여, B(λ)×V(λ)/(B(λmax2)×V(λmax2))를 구하면, 도 15의 곡선이 얻어졌다. 또한 도 14와 도 15의 차분 스펙트럼(P(λ)×V(λ)/(P(λmax1)×V(λmax1))-B(λ)×V(λ)/(B(λmax2)×V(λmax2))는, 도 16에 나타내는 바와 같다. 도 16으로부터 알 수 있는 바와 같이, 차분 스펙트럼은 -0.32 내지 +0.02의 범위 내에 분포되어 있으며, 차분 스펙트럼의 절댓값이 모든 파장 범위에서 0.2 이하로 상기 식 (2)의 조건을 만족시킬 수 없고, 태양광의 스펙트럼을 재현한 것은 아니었다.
비교예 1의 백색 광원은, 흑체 복사의 궤적 상의 색 온도와 일치하고 있기는 했지만, 발광 스펙트럼 형상이 상이하기 때문에, 태양광과 같은 높은 연색성을 나타낼 수는 없었다. 평균 연색 평가수 Ra는 약 70으로 낮고, R1 내지 R15에 대해서도 하기 표와 같이, 태양광의 특성과는 조금 먼 것이었다.
Figure pat00014
계속해서, 비교예 1의 백색 광원에 대해서, 청색 파장 영역의 특성을 확인하였다. 비교예 1의 백색 광원의 발광 스펙트럼을 P(λ), 대응하는 상관 색 온도의 흑체 복사의 발광 스펙트럼 분포를 B(λ), 그리고 분광 시감 효율의 스펙트럼을 V(λ)라 하고, 각각이, 하기 식 (1)을 만족시킬 때
Figure pat00015
비교예 1의 백색 광원의 발광 스펙트럼은, 파장 범위 400nm 내지 495nm 사이에서, 하기 식 (12)
P(λ)/B(λ)≤1.87 (12)
와의 관계를 나타내고, 본 발명의 백색 광원의 상한값 1.8을 초과하는 것이었다. 구체적으로는 도 17에 나타내는 바와 같다. 도 17로부터도 알 수 있는 바와 같이, 비교예 1의 백색 광원은, 450nm 부근에 피크를 갖는 샤프한 발광 스펙트럼 형상을 갖고 있으며, 흑체 복사의 발광 스펙트럼 형상과 비교하면, 450nm 부근에 과대한 볼록부를 가짐과 함께, 500nm의 앞에 과대한 오목부를 갖고, 명백하게 흑체 복사(태양광)와는 다른 특징을 갖는 발광 스펙트럼을 나타내는 것이었다. 또한, 청색 LED를 사용한 백색 광원은, 이와 같이 두드러진 볼록부를 나타내는 것이 특징이며, 백색 광원의 색 온도가 낮으면 낮을수록, 이 볼록부가 두드러지는 모양이 된다. 따라서 비교예 1의 백색 광원은 6338K로 높은 색 온도의 백색 광원이었지만, 보다 색 온도가 낮아지면, 상기 P(λ)/B(λ)값은, 1.87보다 커지는 경향이 있다.
이렇게 비교예 1의 백색 광원은, 외관 상으로는 본 발명과 동일한 백색 발광을 나타냈지만, 붉은 빛이 부족하고, 연색성이 열악한 특성을 나타냈다. 그리고 이와 같은 백색 광원을 병원용 조명으로서 사용한 경우, 청색 영역에 강한 발광 파장 성분이 포함되기 때문에, 블루 라이트 해저드 등의 문제나, 인체의 서케이디언 리듬에 대한 악영향이 염려되는 것이다. 또한, 비교예 1의 백색 광원에서는 LED 모듈로서 청색 발광 LED를 사용했기 때문에, 비교예 1의 백색 광원에 있어서, 자외선은 거의 함유되어 있지 않지만, 만약 자외 발광 LED를 사용한 경우, 다량의 자외선이 누출되는 것은 명백하고, 만약 미술관용 조명으로서 사용한 경우에는, 회화의 퇴색을 가속화시키는 등, 유해한 영향이 염려되는 것은 당연하다. 또한, 비교예 1의 백색 광원은, 태양광이 갖는 발광 특성은, 모든 면에서 차이가 너무 크기 때문에, 이와 같은 광원을 사용하여 1일의 태양광 변화를 재현해도 의미는 없어, 본 발명의 백색 광원 시스템은 제작하지 않았다.
(실시예 2)
본 발명의 백색 광원에 함유되는 청색 발광 성분이, 어떻게 인체에 감지되는 것인지, 평가 실험을 행하였다. 본 발명에서는, 백색 광원에 함유되는 청색광의 강도에 대해서, 상기 식 (1)에 나타내는 P(λ)/B(λ)값을, 평가의 판단 기준으로 하고 있다. 이 수치가 1에 가까울수록, 조명 광원의 연색성 및 인체에의 안전성의 면으로부터, 종합적으로 가장 바람직한 값이 된다. 한편, 안전성의 면으로부터는, 이 수치가 작을수록 바람직한 것인데, 상한값으로서, 어느 정도까지 허용되는 것인지, 확인 실험을 행하였다.
실험에서는, 각종 P(λ)/B(λ)값의 백색 광원을 준비하고, 그 백색 광원으로부터 방사되는 광을 본 인간이, 어느 정도의 눈부심을 감지하는지에 의해, 인체에 대한 영향도를 조사하였다. 즉, 청색광의 강도차에 의해, 인체에 있어서의 눈부심의 감지 정도에 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있으면, 청색광이 영향을 미치고 있는지에 대한 증거가 된다. 여기서 문제가 되는 것은 실험의 방법이다. 인간이 광원을 보아 눈부심을 느끼는 것은, 광원으로부터의 광의 강도에 의해 좌우된다. 실험의 대상이 되는 광원은 백색 광원이며, 가령 어떤 백색 광원의 눈부심을 특정했다고 해도, 눈부심의 원인이, 백색광 전체의 강도나, 적색 발광 성분 등의 강도가 아니라, 청색 발광 성분의 강도가 주요인인 것을, 우선 확인할 필요가 있다. 그리고 나서, 감지된 눈부심의 정도와, 청색 성분의 강도 변화와의 사이에, 상관 관계가 확인되는 것이 필요하다.
청색광의 눈에 대한 영향의 정도를, 다른 가시광에 의한 영향의 정도와 구별하여 평가하는 방법으로서, 본 발명에서는 청색광이 갖는, 물리 특성을 이용하는 것으로 하였다. 청색광을 포함하는 400 내지 495nm의 파장 범위의 발광 성분은, 다른 파장의 가시광 성분보다도 높은 에너지를 갖고 있다. 일반적으로 높은 에너지를 갖는 전자파는, 공간을 이동 중에 각종 장해물과 충돌하여, 산란되기 쉽다. 즉, 청색광은 다른 가시광 성분보다 산란되기 쉬운 것이 알려져 있다. 따라서, 백색 광원으로부터 방사된 발광 중, 청색 발광 성분은, 공기 중의 가스 분자나 티끌 등의 부유물의 영향에 의해 산란됨과 동시에, 눈 중에 도달한 청색광도 또한 수정체를 이동 중에 산란의 영향을 강하게 받게 된다. 한편, 수정체를 투과한 후에 도달하는 망막의 시세포에는, 주로 망막의 중심부에 있어서 평소에는 밝은 화상을 보는 추체(錐體)와, 주로 망막의 주변부에 있어서 어두운 화상을 보는 간체(杆體)로 구성되어 있다. 그렇게 하면, 산란된 청색광은, 본래는 어두운 화상을 감지해야 하는 간체에 도달하게 된다. 통상적으로는 느끼는 일이 없는 밝은 산란광이 간체에 도착하면, 동공의 괄약근이 과잉으로 수축하게 되어, 인간은 눈부심을 강하게 느끼게 된다.
이상의 현상에서는, 사람이 눈부심을 감지할 경우에, 청색광의 경우에는 주로 간체에 과잉의 광이 도달하는 것에 기인하는 것이며, 한편 청색광 이외의 가시광에서는, 주로 추체에 과잉한 광이 도달하는 것에 기인하는 것이기 때문에, 양자간에서는 눈부심을 느끼는 메커니즘이 다르게 된다. 따라서, 이와 같은 현상을 이용하여, 예를 들어 백색 광원 전체의 강도를 일정하게 유지한 다음, 백색광을 구성하는 청색광 성분의 함유 비율을 변화시킴으로써, 사람이 감지하는 눈부심의 정도를 정확하게 평가 가능하게 된다. 즉, 추체에 도달하는 광량이 일정하거나 또는 약간 감소하는 경우에도, 간체에 도달하는 광량이 증가하면, 사람은 눈부심을 보다 강하게 감지하게 되고, 이 변화를 측정하는 것이, 청색광에 의한 인체에의 영향을 평가하는 가장 유효한 수단이 된다.
이하에 있어서, 구체적인 실험의 내용과 그 결과를 정리한다.
조사를 목적으로, 각종 P(λ)/B(λ)값의 광원을 얻기 위해서, 이하 5종류의 광원을 추가 시작(試作)하여, 실시예나 비교예의 광원으로 하였다.
먼저, 백색광의 발광 스펙트럼에 있어서, 청색 파장 영역의 발광 강도를 최대한 저감시킨 백색 광원을 제작하였다. 구체적으로는, 실시예 1의 광원 B의 LED 모듈에, 자외 내지 청색광 흡수막을 형성하여 대응하였다. 실시예 1의 광원 B의 LED칩 주위를 피복하는 형광체층의 둘레에, 3층막을 형성한, 가장 내측에는 평균 입경 0.3㎛의 산화아연 안료에 의한 약 3㎛의 얇은 막(제1층)을, 중간에는 평균 입경 0.08㎛의 산화지르코늄에 의한 약 0.9㎛의 막(제2층), 그리고 가장 외측에는 평균 입경 0.5㎛의 산화규소에 의한 약 6㎛의 얇은 막(제2층)을 형성하였다. 각각의 박막은, 각 미립자 분말을 실리콘 수지 중에 분산시켜, 비중, 점도를 조정한 후, 소정량을 슬러리 도포하고, 형성하였다.
얻어진 LED 모듈에 소정의 전류를 인가하여, 백색으로 발광하는 것을 확인하였다. LED 모듈로부터 출사되는 백색광의 발광 스펙트럼 분포를, 분광 분포 측정기를 사용하여 측정하였다. 얻어진 발광 스펙트럼 데이터를 기초로, (x, y) 색도도 상의 색도점을 계산하면, 5110K-0.002duv가 되고, 자색 내지 청색 성분을 커트하기 전의 광원 B의 상관 색 온도 5704K+0.001duv에 대하여, 약 600K 낮은 색 온도로 시프트되어 있음이 판명되었다.
자색 내지 청색광 성분 커트 후의 백색 광원의 발광 스펙트럼을 P(λ), 대응하는 상관 색 온도의 흑체 복사의 발광 스펙트럼 분포를 B(λ), 그리고 분광 시감 효율의 스펙트럼을 V(λ)라 하고, 각각이 하기 식 (1)을 만족시킬 때,
Figure pat00016
P(λ)/B(λ)의 비율은, 400nm 내지 495nm의 파장 사이에서, 최대에서도 0.98이 되고, 하기 식 (13)을 만족시킬 수 있었다.
P(λ)/B(λ)<1 (13)
즉, 얻어진 백색 광원의 발광 강도를 흑체 복사의 발광 강도와 비교하였을 때, 400nm 내지 495nm의 모든 파장에 있어서, 실시예 2의 광원 발광 강도가 흑체 복사의 발광 강도를 상회하는 일은 없었다.
이어서, 상기 P(λ)/B(λ)값이 비교적 큰 값을 나타내는, 실시예 2의 백색 광원 4종류(4 내지 7)를 제작하였다. 시작에 사용한 재료나 부품은 모두 실시예 1과 동일한 것으로 하고, 그들을 실시예 1과 동일하게 조립하였다. 즉, 실시예 1의 백색 광원 1 내지 6의 광원 색을 표 5-2에 나타내는 혼합 비율로 혼합함으로써, 실시예 2의 백색 광원 4종류(4 내지 7)를 얻었다. 또한, 표 5-2 중의 숫자는 강도비(상대값)를 나타낸 것이다. 강도비의 제어는, 백색 광원 1 내지 6에 인가하는 전류값을 제어함으로써 행하였다. 또한, 얻어진 백색 광원의 P(λ)/B(λ)값을 평가하기 위해서, 추가 시작의 백색 광원 (5) 내지 (7)과, 상기 백색 광원에 대응하는 흑체 복사의 발광 스펙트럼을 비교하면, 도 18, 도 19, 도 20의 그래프가 얻어졌다. 이들 도면으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 각각의 광원에 있어서, 400nm 내지 495nm의 파장 영역에 있어서의, P(λ)/B(λ)값의 최댓값은, 도 18의 광원이 1.47, 도 19의 광원이 1.69, 도 20의 광원이 1.76이었다.
또한, 백색 광원 (4) 내지 (7)의 차분 스펙트럼은 ±0.1 이하의 범위 내에 있고, 상기 식 (3)을 만족시키고 있었다.
<표 5-1>
Figure pat00017
<표 5-2>
Figure pat00018
또한, 비교예의 백색 광원을 2종류 추가 시작하였다. 비교예의 1개 백색 광원(9)은, 사용한 재료나 부품은 비교예 1과 완전히 동일하지만, LED에 조합하는 형광체량을 형광체층의 막 두께를 62㎛로 저감시킴으로써 변경하고, 다른 P(λ)/B(λ)값을 나타내는 백색 광원으로 하였다. 구체적인 발광 스펙트럼 형상은 도 21에 나타내는 대로이며, 400nm 내지 495nm의 파장 영역에 있어서의, P(λ)/B(λ)값의 최댓값은, 2.11이었다. 또한, 비교예의 다른 하나 백색 광원(10)도 동일하게 사용한 재료나 부품은 비교예 1과 완전히 동일하지만, LED에 조합하는 형광체량을 형광체층의 막 두께를 55㎛로 저감시킴으로써 변경하고, 다른 P(λ)/B(λ)값을 나타내는 백색 광원으로 하였다. 구체적인 발광 스펙트럼 형상은 도 36에 나타내는 대로이며, 400nm 내지 495nm의 파장 영역에 있어서의, P(λ)/B(λ)값의 최댓값은, 3.28이었다.
이상의 시작품에 더하여, 금회의 평가에 사용하는 광원의 여러 특성을 정리하면 표 5-1 내지 5-2와 같다. 평가용 광원에는, 실시예 2에서 시작한 광원에 더하여, 비교를 위해 실시예 1, 비교예 1의 광원도 추가하였다. 또한 표 6에는, 실시예 2에서 시작한 주요 광원의 연색 평가수의 특성을 일람표에 정리하였다.
Figure pat00019
백색 광원을 평가하기 위해, 인간의 감각에 의한 주관 시험을 행하였다. 실험에는 상기 표 5-1의 10종류의 광원을 준비하였다. 10종류의 광원을, 광원의 휘도가 동일해지는 동작 조건에서 순차로 점등시켰다. 광원의 점등 시험 중에는, 창의 커튼을 닫음과 함께, 실내 조도가 변화되지 않도록, 천장 조명의 밝기를 항상 일정값으로 유지하였다. 그리고 광원으로부터 3m 이격된 위치에 인간이 서서, 각 광원을 직접 바라보며, 광원으로부터 받는 자극의 강도를 비교 평가하였다. 평가의 기준은, 단순화를 도모하기 위해서, 광원을 눈부시게 느끼는지 여부에 대해서, "예" 또는 "아니오"의 2종류의 회답을 얻는 방법으로 하였다. 또한 피험자는, 색각 정상인 성인 남녀의 합계 50명으로 하였다. 또한 안경 착용자에 대해서는, 블루컷 타입의 안경을 사용하지 않은 것을 확인한 다음, 시험을 실시하였다.
10종류의 백색 광원 샘플에 대해서, 주관 평가의 결과를, 광원의 주요 특성과 함께 표 7에 정리하였다.
Figure pat00020
10종류의 백색 광원은 모두 동일한 휘도가 되는 조건 하에서 비교 평가되고 있으며, 본래라면 모든 광원에 대하여 동일한 정도의 눈부심을, 사람은 감지할 것이다. 그러나, 결과는 표 6에 나타내는 대로, 백색 광원의 종류에 따라서 크게 상이한 것이었다. 이러한 결과가 얻어진 것은, 청색광의 특이성에 의해 발생한 것이고, 이 데이터는 실험 방법의 올바름을 뒷받침하는 것이었다. 예를 들어, 표 6을 보면 알 수 있는 바와 같이, P(λ)/B(λ)값이 클수록, 눈부심을 감지하는 사람의 비율은 대략 증가하는 경향이 있고, 이것은, 눈에 입사되어, 눈이 감지한 광의 강도에 변함이 없어도, 청색 성분의 양이 많을수록 산란광의 양이 많아지기 때문에, 사람이 눈부심을 보다 강하게 느낀 것을 의미하고 있다.
상기 현상을 보다 명확한 형태로 나타내고 있는 것은, 표 7의 광원(1)과 광원(6), 또는 표 7의 광원(4)과 광원(5)의 2종류의 조합을 비교한 결과이다. 이들 백색 광원에서는, 페어를 구성하는 서로의 광원 색 온도는 거의 동일하다. 게다가 휘도는 모두 동일하기 때문에, 이들 광원을 인간이 관찰한 경우, 페어끼리의 광원은 양자 모두, 밝기도 색도 동일하게 보일 것이다. 그럼에도 불구하고, 눈부심의 감지 정도에 큰 차이가 발생하였다. 구체적으로는, 예를 들어 표 7의 광원(4)과 광원(5)을 비교한 경우, 색 온도는 양자 모두 약 5100K인데, 광원(4)을 눈부시게 느낀 사람의 비율이 14％인 것에 비해, 광원(5)에서는 28％이며, 큰 격차가 관찰되었다. 양자의 P(λ)/B(λ)값을 확인하면, 광원(4)이 0.98인 것에 비해, 광원(5)은 1.47이며, P(λ)/B(λ)값의 크기에 대응하여 눈에 입사한 산란광의 비율이 증가하고, 눈부심의 감지 정도에 영향을 준 것이다.
한편, 상기의 예외로서, 표 7의 광원(2)과 광원(3)의 관계에서는, 사람이 눈부심을 감지하는 정도와, P(λ)/B(λ)값 사이에 역전 현상이 보인다. 광원(2)의 P(λ)/B(λ)값은 1.26이며, 광원(3)의 1.37보다 작음에도 불구하고, 광원(2)을 눈부시게 느끼는 사람은 22％인 것에 비해, 광원(3)의 18％보다 큰 값을 나타내고, 서로의 관계가 역전되어 있었다. 언뜻 보면 모순된 데이터인데, 이러한 결과는 백색 광원의 색 온도의 상이에 의해 발생한 것이다. P(λ)/B(λ)값은, 대응하는 흑체 복사에 비교하여 과잉으로 포함되는 청색광의 함유량을 규정한 것이다. 그러나 비교의 기준이 되는 흑체 복사의 색 온도는, 광원(3)이 2990K인 것에 비해, 광원(2)이 5704K이었다. 일반적으로 백색광의 색 온도는, 값이 높아질수록, 청색 발광 성분의 상대 비율이 증가하는 것이다. 따라서, P(λ)/B(λ)값을 구할 때에 비교 기준이 된 흑체 복사의 스펙트럼에서는, 광원(2)의 청색광 성분쪽이, 광원(3)의 청색광 성분보다 많아져 있었다. 이 때문에, 흑체 복사에 대하여 과잉분이 되는 청색광은 광원(3)쪽이 많았지만, 청색광의 전체량으로서는 광원(2)쪽이 많아진 것이고, 청색광의 함유량에 따라서, 눈부심의 감지 정도가 변화되고 있음에는 변함없다.
이상의 결과로부터, 백색 광원 중의 청색광 성분의 함유량이, 사람이 눈부심을 감지할 정도로 영향을 주고 있고, 게다가 P(λ)/B(λ)값이 클수록, 인간에게는 눈부시게 느껴지는 것이 확인되었다. 이 결과는, 당초의 추론을 뒷받침하는 내용이며, 백색 광원을 눈부시게 느낀 원인으로서, 과잉의 청색 발광 성분에 의한 영향이 특히 중요하다고 생각된다. 그리고 비교예의 백색 광원 (8) 내지 (10)은, P(λ)/B(λ)값이 1.87과 2.11 및 3.28이며, 1.8을 초과하는 큰 값을 나타내고, 피험자 중 과반수가 청색광의 눈부심을 감지하는 레벨이었다. 이와 같이 눈부심을 강하게 느끼는 광원은, 최근에 주목받고 있는 블루 라이트 해저드 등의 문제가 염려되는 조명이며, 앞으로의 진상 구명이나 개선 검토가 기대되는 광원이다. 한편, 실시예의 백색 광원은, P(λ)/B(λ)값이 0.98 내지 1.76의 범위에 있고, 종래 광원인 비교예보다 청색 성분이 적은 방향으로 개선되고 있으며, 또한 눈부심을 느끼는 사람의 비율이 50％ 미만이고, 블루 라이트 해저드 등의 문제에 대하여 개선된 광이라고 판단된다.
또한, 표 5-1 내지 표 5-2에서는, 실시예의 백색 광원으로서는, 색 온도가 2990K 내지 5704K이며, P(λ)/B(λ)값이 0.98 내지 1.76의 범위 것을 예시했지만, 본 발명의 백색 광원은, 색 온도가 2000K 내지 6500K에 있고, P(λ)/B(λ)값이 1.8 이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하고 있다. 따라서, 본 발명의 백색 광원에 있어서의, 청색광 성분의 함유량은, 종래 광원인 비교예 1의 백색 광원보다, 확실히 적은 것이 된다. 왜냐하면 비교예 1의 백색 광원은 6338K이며, 거의 상한값에 가까운 것이다. 한편 본 발명의 백색 광원은, 비교예 1과 대략 동등한 색 온도이거나, 보다 낮은 색 온도의 백색 광원이기 때문에, 청색광 성분의 함유량은 비교예 1과 동등하거나, 또는 그 이하이다. 그리고 나서 P(λ)/B(λ)값이 비교예 1보다 작은 값이 되기 때문에, 본 발명의 백색 광원에 있어서의 청색광 성분의 함유량은, 비교예 1의 백색 광원에 대하여 확실히 낮은 값이 된다. 그리고, P(λ)/B(λ)값이 1.5 이하가 되는 본 발명의 백색 광원(예를 들어 백색 광원 V)에서는, 눈부심을 감지하는 사람의 비율이, 비교예 1의 광원에 대하여 거의 반감되어 있고, 청색광 성분의 영향을 보다 현저히 저감시킬 수 있는 것이다. 이와 같이, 본 발명의 백색 광원은, 비교예인 종래 광원에 비해, 명백한 개선 효과를 갖는 것이다.
(실시예 A)
4종류의 백색 광원을 포함하는 백색 광원 시스템을 제작하였다. 이 시스템에서는, 시스템을 구성하는 백색 광원의 개수를 필요 최소 개수로 한정하고 있기 때문에, 흑체 복사의 스펙트럼을 충실하게 재현할 수 있는 범위가 좁아진다. 구체적으로는 도 37에 나타내는 광원 7 내지 10을 구비한 백색 광원 시스템이며, 도면 중의 광원 7 내지 광원 10에 둘러싸인 사각형 내의 색 온도 영역, 즉, 4500K 내지 6500K의 색 온도에 걸쳐, ±0.005duv의 편차 내의 상관 색 온도의 재현이 가능하다. 이러한 시스템에서는, 태양광의 1일의 변화를 재현하는 것은 어렵지만, 밝게 빛나는 낮의 태양을 재현하기 위해서는 충분한 색 온도의 범위를 커버하고 있기 때문에, 예를 들어 오피스용 고연색 조명으로서 활용하기 위해서는 충분한 특성이다.
4종류의 백색 광원은, 이하의 수순으로 제작하였다. 도 38에 도시한 바와 같이, 외형이 30×30mm인 알루미나 기판(71)에, 칩 형상이 0.4×0.4mm인 LED칩(72)을 5 직렬×5 병렬로 배치하였다. LED에는 발광 피크 파장이 405nm인 자색 발광의 GaN을 사용하였다. 또한 알루미나 기판의 흡수율은 20 내지 30％인 것을 사용한, 도 38에 나타내는 LED 모듈(70)에서는, LED칩(72)을 직렬 접속한 칩 열 각각을 독립적으로 투명 수지층(도시하지 않음)으로 피복하고, 복수 열의 투명 수지층 각각의 전체면을 형광체층(73)으로 피복하였다. 또한, 투명 수지층 내에는 평균 1차 입자 직경이 7nm이며, 최대 입자 직경이 25nm인 퓸드 실리카를 미립자 실리카 분말로 하여, 투명 수지에 대하여 3질량％ 첨가하였다. 또한, 형광체층 중에 함유시키는 각 형광체 분말은 평균 입경이 30 내지 40㎛인 것을 사용하였다. 미립자 실리카 분말을 실리콘 수지에 분산시킨 슬러리를 LED칩 주위에 도포함으로써 투명 수지층을 형성하였다. 계속해서, 형광체 분말을 실리콘 수지에 분산시킨 슬러리를 투명 수지층의 전체면에 도포함으로써 형광체층(73)을 형성하였다. 형광체층(73)의 막 두께는, 500 내지 750㎛로 하고, 형광체층 중의 형광체 분말의 밀도는, 75 내지 85질량％의 범위가 되도록 조정하였다. 또한 기판(71) 상에 전극으로서 도전부(75)가 형성되고, 각 LED칩(72)이 전극과 연결되어 있다. 전극의 재료에는, Pd 금속을 사용하고, 표면에는 전극재의 보호를 위해, 인쇄법에 의한 Au막을 형성하였다. 댐(74)은, 기판(71) 상에 LED칩(72)의 열을 둘러싸도록 배치되어 있다. 이상과 같은 LED 모듈(70)에, 리플렉터, 렌즈, 외부 케이싱을 설치하고, 또한 전자 회로를 접속시켜 실시예 A의 백색 광원 시스템에 포함되는 백색 광원으로 하였다.
각 백색 광원은, 청색 형광체, 녹색 형광체, 황색 형광체, 적색 형광체의 4종류의 형광체와 LED가 조합된 것으로, 각 형광체의 종류와 배합 비율, 및 얻어지는 광원의 상관 색 온도는 하기 표의 표 8에 나타내는 바와 같다.
Figure pat00021
4종류의 백색 광원의 발광 스펙트럼에 대해서, 대응하는 색 온도의 흑체 복사의 스펙트럼과 대비시킨 그래프를 도 39 내지 도 42에 나타낸다. 도 39 내지 42를 보면 알 수 있는 바와 같이, 4종류의 광원은 흑체 복사의 스펙트럼에 높은 레벨로 일치하고 있으며, 각 백색 광원과, 대응하는 흑체 복사 스펙트럼과의 차분 스펙트럼을 구한 결과, 4종류가 모두 ±0.2 이하의 범위 내에 있고, 상기 관계식 (3)을 만족시키는 것이 확인되었다. 따라서, 어느 광원도 본 발명의 백색 광원에 상응한 특성을 갖는 것이며, 상기 4종류의 백색광을 혼합하여 얻어지는 백색광도 또한, 본 발명의 백색 광원에 상응하여, 태양광의 재현이 가능한 것이다.
또한, 4종류의 백색 광원을 혼합하여 얻어지는 혼합 백색광에 대해서, 상기 관계식 (2) 및 (5)에서 얻어지는 P(λ)/B(λ)값에 대하여 확인하였다. 일례로서, 4종류의 광원을 이하의 강도 비율, 광원 7:광원 8:광원 9:광원 10=0.14:0.41:0.34:0.11이 되도록 혼합하여, 광원 11을 얻었다. 혼합 백색 광원의 상관 색 온도는 6000K+0.001duv였다. 그리고 동일한 색 온도의 흑체 복사의 스펙트럼과 형상을 비교하면, 도 44와 같다. 도 44로부터 알 수 있는 바와 같이, P(λ)/B(λ)값은 1.17이 되고, 관계식 (2) 및 관계식 (5)의 어느 것도 만족시키는 광원인 것이 확인되었다.
그런데, 도 39 내지 도 42에 나타내는 대로, 본 발명의 백색 광원의 발광 스펙트럼은, 380nm 내지 780nm의 파장 범위에 걸쳐, 도중에 끊어지는 일이 없는 연속 스펙트럼을 나타낼 수 있다. 여기서 연속 스펙트럼이란, 상기 파장 범위에 있어서, 발광 강도가 실질적으로 제로가 되는 평탄한 파장 영역이 존재하지 않는 것이다.
본 발명의 백색 광원의 발광 스펙트럼의 특징을 확인하기 위해서, 예를 들어 본 발명의 광원인 도 39의 발광 스펙트럼과, 실시예 1에서 제작한 비교예 1의 광원의 도 17의 발광 스펙트럼 형상을 비교해본다. 양쪽 스펙트럼 모두에 그 스펙트럼 곡선에 1 내지 3개의 오목부가 관찰된다. 이와 같은 오목부는 근접하는 2종류의 발광 스펙트럼의 간극에 의해 발생한 것인데, 오목부의 바닥의 발광 강도가 제로가 되지 않는 것은, 단파장측의 발광 스펙트럼의 장파장단과, 장파장측의 발광 스펙트럼의 단파장단이 겹쳐 있기 때문이다. 비교예의 광원에 비해 본 발명의 광원쪽이, 스펙트럼 곡선의 요철 정도가 적은 것은, 발광 스펙트럼끼리가 겹치는 면적이 크기 때문이며, 이와 같은 효과는, 반값폭이 큰 발광 스펙트럼끼리를, 가능한 한 근접시킴으로써 발생하는 것이다. 이와 같은 조합으로, 또한 형광체의 종류를 선택함으로써, 형광체끼리의 재흡수가 일어나기 쉬워짐과 함께, 2중 여기 등도 일어나기 쉬워져, 광원을 연속 점등 중의 발광색 변화를 가능한 한 낮게 억제할 수 있다. 또한, 요철이 적은 평활한 곡선이 얻어지는 점에서, 흑체 복사의 발광 스펙트럼을 재현하기 쉬워져 연색성 등이 개선되는 것은 당연하다. 특히 본 발명의 광원은, 380nm의 근자외 영역이나, 780nm의 심적색 영역에서도 발광 강도가 제로가 되지 않는 것이 특징이다. 한편, 비교예의 도 17 광원에서는, 400nm 이하 및 750nm 이상에서 평탄한 곡선을 나타내고, 그 강도는 실질적으로 제로로 간주하게 하는 레벨이다. 이와 같이 본 발명의 백색 광원은, 연색 평가 지수의 평가 대상이 되는 380nm 내지 780nm의 모든 파장 영역에 걸쳐, 발광 강도가 실질적으로 제로가 되는 평탄한 파장 영역이 존재하지 않는다. 따라서, 본 발명의 백색 광원은 평균 평가수 Ra 뿐만 아니라, R1 내지 R15의 모두에 걸쳐, 높은 수치를 나타낼 수 있다. 구체적으로는 표 9에 나타내는 바와 같다. 380nm 내지 780nm의 모든 파장 영역에 걸쳐, 도중에 끊어지는 일이 없는 연속 스펙트럼을 나타내는, 즉, 발광 강도가 실질적으로 제로가 되는 평탄한 파장 영역이 존재하지 않는 발광 스펙트럼의 다른 예로서, 예를 들어 도 18 내지 도 20을 들 수 있다.
Figure pat00022
백색 광원 7 내지 12에 대해서, 연속 점등 중의 발광색 변화에 대해서, u'ｖ' 색도도 상의 움직임을 측정하고, 평가하였다. 백색 광원 7 내지 12의 발광 스펙트럼을 적분구를 사용하여 측정한 후, 계산에 의해 ｕ', ｖ' 색도값을 구하였다. 초기 점등 시부터 1시간 후의 ｕ', ｖ'를 측정하고, 이어서, 그대로 6000시간 연속 점등시킨 후, 6000시간 경과 시점의 ｕ', ｖ'를 측정하였다. 또한, 측정은 실온 25℃, 습도 60％의 실내 환경에서 행하였다. 1시간 후의 (ｕ', ｖ')와 6000시간 경과 후의 (ｕ', ｖ')로부터, 각각 차분 △ｕ', △ｖ'를 구하고, 색도 변화의 크기를, [(△ｕ')2+(△ｖ') 2]1/2로서 계산하였다. 결과를 표 10에 나타낸다.
Figure pat00023
표 중, 백색 광원 12는, 특성 비교를 위해 시작한 비교예의 광원이다. LED 모듈의 기본 구성은 실시예 A의 광원 7 내지 10과 동일하지만, LED로서 455nm에 발광 피크를 갖는 InGaN을 사용하고, 조합하는 형광체에는 세륨 활성화 이트륨 알루미늄 가닛 형광체를 사용하였다. 또한 비교예의 광원 12로부터는, 5300K의 색 온도의 백색광이 출사되도록, 형광체층의 막 두께와 형광체량을 조정하였다. 구체적으로는 0.15mm의 막 두께로 하고, 형광체층 중의 형광체 분말의 함유량은 10질량％로 하였다.
비교예의 광원 12는, 연속 점등 후의 색도 변화가 0.01을 초과하는 큰 것이었다. 이것은, 광원 12의 백색광은 LED의 청색광과, 형광체의 황색광의 혼합에 의해 얻어지는 것인데, 연속 점등 중의 LED의 휘도 저하와 형광체의 휘도 저하의 스피드가 다르기 때문에, 큰 변화를 나타낸 것이다. 한편, 본 발명의 백색 광원 7 내지 11에서는, 백색광의 구성 성분은 모두 형광체의 발광을 이용하고 있을 뿐만 아니라, 사용한 형광체는 LED와 형광체에 의해 2중 여기되고, 게다가 형광체간의 재흡수가 발생하는 조합을 채용하였기 때문에, 각 형광체의 휘도 저하 스피드가 평균화되어, 결과적으로 색 변화가 작아지는 효과가 발생한 것이다. 본 발명의 백색 광원에 있어서의, 색도 변화의 크기는, 모두 0.01 이하로 작은 것이었다.
(실시예 B)
알루미나 기판의 흡수율과 실리콘 수지의 밀착 강도의 관계를 조사하기 위해서, 백색 광원을 제작하였다. 광원을 제작하기 위한 사용 부재는, 기판 재료를 제외하고 실시예 A의 광원 7과 동일한 것을 사용하였다. LED 모듈의 기본 구조도 광원 7과 동일한 것으로 하였지만, 수지막의 강도를 평가하기 위해 구조를 단순화하여, LED의 칩 배열을 매트릭스 형상으로 하지 않고, 일렬만의 선형 배열로 하였다.
광원 13의 기판으로서, 흡수율이 5.8％인 알루미나 기판(형상: 8×3×0.38mm)을 준비하였다. 이 알루미나 기판은 기판 소성 시의 온도를 1480℃로 함으로써 흡수율을 5.8％로 조정한 것이다. 이 기판 상에 3개의 LED칩을 선형으로 배열하고, 직렬로 접속시켰다. 이들 LED칩 상에, 3개의 LED칩이 동시에 피복되도록, 4종류의 형광체 및 실리콘 수지 포함하는 슬러리를 도포하고, 140℃의 온도에서 열처리하여 실리콘 수지를 경화시켰다. 이와 같이 하여 세로 6.5mm, 가로 2.5mm, 두께 1.9mm가 되는 주상의 형광체층을 형성하였다.
광원 14, 15의 기판으로서, 흡수율이, 각각 38％, 59％인 알루미나 기판을 준비하고, 광원 13과 동일한 LED 모듈을 제작하였다.
또한 광원 16으로서, 투명한 실리콘 수지층과 형광체층의 2층 구조를 갖는 LED 모듈을 제작하였다. 흡수율이 11％인 알루미나 기판에 3개의 LED칩을 실장한 후, 형광체를 포함하지 않는 실리콘 수지를 도포하였다. 계속해서, 광원 13용으로 제조한 형광체 슬러리를 도포하였다. 이것을 140℃의 온도에서 열처리하여 실리콘 수지를 경화시킴으로써, 투명한 실리콘 수지층의 두께가 3mm, 형광체층의 두께가 0.5mm가 되는 2층막을 형성하였다.
광원 17로서, 이하에 설명하는 모듈을 제작하였다. 기판 재료로서 흡수율이 0％인 알루미나 기판을 사용한 것 이외에는, 광원 13과 동일한 방법에 의해 제작하였다. 이상의 5종류의 백색 광원 13 내지 17 및 실시예 A의 광원 10에 20mA의 전류를 흐르게 하고, 각 광원의 발광 효율을 측정한 후, 실리콘 수지층과 기판의 밀착 강도를 소정의 방법에 의해 측정하였다. 결과를 표 11에 나타낸다. 수분 흡수율이 5％ 내지 60％의 범위 내에 있는 알루미나 기판을 사용한 실시예 A의 광원 10 및 실시예 B의 광원 13 내지 16에서는, 실리콘 수지층과 기판간의 밀착 강도가 1N을 초과하는 특성을 나타내고, 수지층의 박리가 없는, 취급성이 양호한 광원으로 할 수 있었다.
Figure pat00024
(실시예 C)
LED 모듈의 구성 부재인 투명 수지층의 특성 효과와, 투명 수지층에 함유되는 무기 미립자 분말의 특성 효과를 확인하기 위한 백색 광원을 제작하였다.
우선은, 투명 수지층의 효과를 평가하였다. 광원을 제작하기 위한 사용 부재는, 실시예 A의 광원 7과 완전히 동일한 것을 사용하였다. LED의 배열이나 기판 형상, 또한 투명 수지층 등에 대해서는, 평가를 목적으로 독자적인 구성으로 하였다.
광원 18에서는, 배선 패턴 전극을 구비한 알루미나 기판(세로 8.0mm×가로 3.0mm)에, 3개의 자색 발광 LED칩(GaN)을 각각 2.0mm의 간격으로 땜납 페이스트 등에 의해 다이 본드하였다. 접합된 LED칩을 금 와이어를 사용하여 배선 패턴에 와이어 본드하여 접합시켰다. LED의 점등을 확인 후, LED 및 금 와이어를 열경화성 투명 실리콘 수지로 피복하였다. 피복 방법은, 상기 수지를 디스펜서, 마스크 등을 사용하여 필요량을, 중앙의 LED칩이 중심부가 되어, 상기 3개의 LED가 공통의 연속된 투명 수지층으로 피복되도록 도포하고, 100 내지 150℃의 온도에서 가열 경화시켜, 투명 수지층을 형성하였다. 투명 수지층의 크기는 세로 5.5mm×가로 2.5mm이며, 두께는 1.2mm로 하였다. 이어서, 투명 수지층의 표면에, 형광체를 포함하는 실리콘 수지를 도포하고, 가열 경화시킴으로써 형광체층(세로 7.5mm×가로 3.0mm×두께 1.5mm)을 형성하여, 실시예 C의 LED 모듈을 제작하였다.
광원 19에서는, 투명 수지층 이외에는, 광원 18과 완전히 동일한 구성의 광원을 제작하였다. 투명 수지층에 대해서는, 3개의 LED칩을 연속된 투명 수지층으로 피복하는 것이 아니라, 각각의 LED칩을 개별의 독립된 투명 수지층으로 피복하도록 하였다. 형광체층에 대해서는, 3개의 투명 수지막을 동일한 연속된 형광체층으로 피복하여, 광원 18과 동일한 형광체층(세로 7.5mm×가로 3.0mm×두께 1.5mm)을 형성하였다.
광원 20을 제작하였다. 광원 20은 광원 18이나 광원 19와 동일한 구성으로 하였지만, LED와 형광체층의 중간에, 투명 수지층을 형성하지 않았다.
상기 3종류의 광원과 실시예 A의 광원 10의 평가는 이하의 수순으로 행하였다. 도 43에 나타낸 바와 같이, 형광체층(84) 상의 9개의 측정점 A 내지 I를 정하고, 각 측정점 상의 휘도를 코니카 미놀타사제 이차원 색채 휘도계 CA-2000에 의해 측정하였다. 각 측정점의 휘도 측정값으로부터 각 반도체 발광 장치의 휘도 편차를 평가하였다. 결과는 표 12에 나타내는 바와 같다. 표 중의 수치는 휘도(Cd/m2)이며, () 내의 수치는 E점에 있어서의 휘도를 100으로 한 경우의 상대값을 나타낸다. 중심점 E와 그 주위의 각 점과의 휘도 비교를 행하면, 각 실시예에 있어서의 중심부와 주위부의 휘도차는 적고, 실시예 A 및 실시예 C의 발광 장치가 거의 균일한 휘도 특성을 갖고 있음을 알 수 있다.
Figure pat00025
(실시예 D)
이어서, 투명 수지층 중에 분산되는 무기 미립자 분말의 종류에 대하여 평가하였다. 평가는, 각종 무기 미립자 분말을 투명 수지층 중에 분산한 광원을 제작하고, 얻어진 광원의 발광 효율을 측정함으로써 행하였다. 발광 효율의 측정은 라부즈페어사제의 적분구를 사용하여 측정하였다. 또한 상기 광원 21 내지 25에 있어서, LED의 장치 구성은, 투명 수지층 중의 무기 미립자 분말의 유무 이외에는, 상기 실시예 C의 광원 18과 동일하게 하였다. 결과를 표 13에 나타낸다. 표 13에는, 실시예 A의 광원 10의 결과를 병기한다.
표 13으로부터 명백한 바와 같이, 최대 입자 직경이 LED칩의 발광 피크 파장 405nm의 1/4 이하의 무기 미립자 분말을 사용한 실시예 A의 광원 10 및 실시예 D의 광원 21 내지 23은, 최대 입자 직경이 LED칩의 발광 피크 파장 405nm의 1/4를 초과하는 무기 미립자 분말을 사용한 실시예 D의 광원 24, 25에 비해, 발광 효율이 우수한 것을 알 수 있다. 특히, 최대 입자 직경 25㎛의 퓸드 실리카를 사용한 광원 10 및 광원 21이, 우수한 특성을 나타냈다.
Figure pat00026
(실시예 E)
마지막으로, 투명 수지층 중의 무기 미립자 분말에 대해서, 최적 함유량을 확인하였다. 평가에는, 가장 우수한 특성을 나타내는 퓸드 실리카를 중심으로, 함유량을 변화시킨 광원을 이용하였다. 광원의 세부 구성은, 무기 미립자 분말의 함유량을 변화시킨 것 이외에는, 광원 21, 23과 동일하다. 결과는 표 14에 나타내는 바와 같다. 표 14에는, 실시예 A의 광원 10의 결과를 병기한다. 투명 수지층 중에 무기 미립자 분말을 분산시킴으로써, 광원의 발광 효율을 높일 수 있다. 무기 미립자 분말의 바람직한 함유량은, 0.1질량％ 이상 5질량％ 이하이고, 보다 바람직한 함유량은, 1질량％ 이상 5질량％ 이하였다.
Figure pat00027
(실시예 3 내지 7)
실시예 1의 표 1-2에 기재한 백색 광원 1 내지 6 중, 적어도 2종류의 광원으로부터의 광을 임의로 혼합함으로써, 각종 상관 색 온도를 재현할 수 있는 본 발명의 백색 광원 시스템을 제작하였다. 이 시스템에서는, 각 광원이 나타내는 6개의 발광 색도점으로 구성된 육각형의 내면의 색도점을 모두 재현할 수 있기 때문에, 2000K 내지 6500K의 모든 색 온도에 걸쳐, ±0.005duv 이하의 범위 내의 상관 색도점을 모두 재현할 수 있다. 그리고 각 광원은 실시예 1과 동일한 것을 사용하고 있으며, 이 백색 광원 시스템에서 재현되는 백색광은, 다른 실시예와 동일한 특징, 즉, 연색성이나 발광 스펙트럼 형상 등의 특징을 발휘할 수 있는 것은 당연하다.
실시예 3 내지 7에서는, 이 백색 광원 시스템을 사용하여, 각지에 있어서의 태양광의 하루의 변화를 재현하였다. 각지에 있어서의 상관 색 온도와 조도의 변화는 도 22 내지 도 26에 나타내는 바와 같다.
실시예 3 봄의 일본, 왓카나이(홋카이도)에 있어서의 태양광의 1일의 변화
실시예 4 여름의 대만, 타이베이에 있어서의 태양광의 1일의 변화
실시예 5 여름의 미국, 로스앤젤레스에 있어서의 태양광의 1일의 변화
실시예 6 가을의 일본, 사카이시(오사카)에 있어서의 태양광의 1일의 변화
실시예 7 겨울의 일본, 나하시(오키나와)에 있어서의 태양광의 1일의 변화
상기 설명에서는, 지구 상의 몇군데에 있어서의 태양광의 변화를 재현한 것뿐이지만, 시스템에 보존한 데이터 중에서, 이용자가 특정 개소의 특정 계절의 태양광 데이터를 지정함으로써, 그들 지역의 태양광의 변화를 양호하게 재현할 수 있다. 즉, 본 발명의 백색 광원의 발광 스펙트럼은, 태양광과 동일한 색 온도의 흑체 복사의 발광 스펙트럼과, 가시광 영역에 있어서 양호한 일치를 나타낼 수 있다. 그리고 나서, 간단히 흑체 복사의 스펙트럼 형상을 재현할 뿐만 아니라, 흑체 복사(태양)에 의한 발광이 지구 상의 각 지점에 도달하는 동안에 받는 영향 정도를, 흑체 복사의 색 온도로부터의 편차로서 정량화하고, 그 편차를 포함한 색 온도의 백색광을 재현할 수 있었다. 이에 의해, 특정 지역의 태양광을 재현할 수 있을 뿐 아니라, 태양광으로부터 매우 미약한 자외선밖에 함유하지 않기 ?문에, 예를 들어 미술관 등의 전시물의 조명으로서 사용한 경우, 종래의 광원에 비해, 회화 등을 흠내는 일없이, 또한 매우 높은 정밀도로 전시물 본래의 체색을 재현할 수 있다. 그리고 본 발명의 백색 광원은, 회화나 인체에 대한 악영향이 염려되는 청색광의 발광 성분 강도를 종래의 인공 광원에 비해 충분히 저감된 백색광을 방사할 수 있어, 태양광과 동일한 높은 연색 효과가 얻어질 뿐 아니라, 인체의 서케이디언 리듬을 적합하게 유지할 수 있는, 인체 등에 우수한 광원으로 하는 것도 가능하다.
1…상관 색 온도의 변화를 나타내는 곡선, 2…조도의 변화를 나타내는 곡선, 3…저녁의 태양광의 발광 스펙트럼(상관 색 온도 2990K-0.004duv), 4…아침의 태양광의 발광 스펙트럼(상관 색 온도 4236K+0.004duv), 5…낮의 태양광의 발광 스펙트럼(상관 색 온도 5704K+0.001duv), 6…광원 A의 발광 스펙트럼, 7…광원 B의 발광 스펙트럼, 8…광원 C의 발광 스펙트럼, 9…보정 후의 흑체 복사 스펙트럼 B(λ)를 나타내는 곡선, 10…보정 후의 백색 광원 발광 스펙트럼 P(λ)를 나타내는 곡선, 11…보정 후의 흑체 복사 스펙트럼 B(λ)를 나타내는 곡선, 12…보정 후의 백색 광원 발광 스펙트럼 P(λ)를 나타내는 곡선, 13…보정 후의 흑체 복사 스펙트럼 B(λ)를 나타내는 곡선, 14…보정 후의 백색 광원 발광 스펙트럼 P(λ)를 나타내는 곡선, 15…상관 색 온도의 변화를 나타내는 곡선, 16…조도의 변화를 나타내는 곡선, 17…보정 후의 흑체 복사 스펙트럼 B(λ)를 나타내는 곡선, 18…보정 후의 백색 광원 발광 스펙트럼 P(λ)를 나타내는 곡선, 19…보정 후의 흑체 복사 스펙트럼 B(λ)를 나타내는 곡선, 20…보정 후의 백색 광원 발광 스펙트럼 P(λ)를 나타내는 곡선, 21…백색 광원부, 22…제어부, 23…기판, 24…복수의 백색 광원, 25…발광 장치 외부 케이싱, 26…LED칩, 27…형광막(형광체층), 28…컨트롤부, 29…메모리부, 30…데이터 입출력부, 31…배선, 32…보정 후의 흑체 복사 스펙트럼 B(λ)를 나타내는 곡선, 33…보정 후의 백색 광원 발광 스펙트럼 P(λ)를 나타내는 곡선, 34…보정 후의 흑체 복사 스펙트럼 B(λ)를 나타내는 곡선, 35…보정 후의 백색 광원 발광 스펙트럼 P(λ)를 나타내는 곡선, 36…보정 후의 흑체 복사 스펙트럼 B(λ)를 나타내는 곡선, 37…보정 후의 백색 광원 발광 스펙트럼 P(λ)를 나타내는 곡선, 38…상관 색 온도의 변화를 나타내는 곡선, 39…조도의 변화를 나타내는 곡선, 40…상관 색 온도의 변화를 나타내는 곡선, 41…조도의 변화를 나타내는 곡선, 42…상관 색 온도의 변화를 나타내는 곡선, 43…조도의 변화를 나타내는 곡선, 44…상관 색 온도의 변화를 나타내는 곡선, 45…조도의 변화를 나타내는 곡선, 46…상관 색 온도의 변화를 나타내는 곡선, 47…조도의 변화를 나타내는 곡선, 50…LED 모듈, 51…기판, 52…LED칩, 53…와이어, 54…전극, 55…형광체층, 56…투명 수지층, 57…발광 스펙트럼을 나타내는 곡선, 58…여기 스펙트럼을 나타내는 곡선, 59…발광 스펙트럼을 나타내는 곡선, 60…여기 스펙트럼을 나타내는 곡선, 61…보정 후의 흑체 복사 스펙트럼 B(λ)를 나타내는 곡선, 62…보정 후의 백색 광원 발광 스펙트럼 P(λ)를 나타내는 곡선, 70…LED 모듈, 71…기판, 72…LED칩, 73…형광체층, 74…댐, 75…도전부, 76…보정 후의 흑체 복사 스펙트럼 B(λ)를 나타내는 곡선, 77…보정 후의 백색 광원 발광 스펙트럼 P(λ)를 나타내는 곡선, 78…보정 후의 흑체 복사 스펙트럼 B(λ)를 나타내는 곡선, 79…보정 후의 백색 광원 발광 스펙트럼 P(λ)를 나타내는 곡선, 80…보정 후의 흑체 복사 스펙트럼 B(λ)를 나타내는 곡선, 81…보정 후의 백색 광원 발광 스펙트럼 P(λ)를 나타내는 곡선, 82…보정 후의 흑체 복사 스펙트럼 B(λ)를 나타내는 곡선, 83…보정 후의 백색 광원 발광 스펙트럼 P(λ)를 나타내는 곡선, 84…형광체층, 85…보정 후의 흑체 복사 스펙트럼 B(λ)를 나타내는 곡선, 86…보정 후의 백색 광원 발광 스펙트럼 P(λ)를 나타내는 곡선.

Claims (16)

  1. 기판 상에 서로 이격되어 배열된 복수의 LED 칩과, 상기 LED 칩의 주위를 직접적 또는 간접적으로 피복하는 형광막을 포함하는 백색 광원 시스템에 있어서,
    상기 백색 광원 시스템으로부터 출사되는 백색광의 발광 스펙트럼을 P(λ), 대응하는 색 온도의 흑체 복사의 발광 스펙트럼을 B(λ), 분광 시감 효율의 스펙트럼을 V(λ)라 한 경우에, λ가 380nm 내지 780nm의 파장 영역에 있어서, P(λ), B(λ), V(λ)가 하기 식 (1)을 만족시킬 때, 상기 P(λ) 및 상기 B(λ)는, 파장 범위 400nm 내지 495nm에 있어서, 하기 식 (5)를 만족시키고,
    Figure pat00028

    P(λ)/B(λ)≤1.5 (5)
    상기 백색 광원 시스템으로부터 출사되는 백색광의 평균 연색 평가수 Ra가 95 이상, 연색 평가수 R1 내지 R8 및 특수 연색 평가수 R9 내지 R15의 모두가 85 이상인 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 백색 광원 시스템으로부터 출사되는 백색광의 평균 연색 평가수 Ra가 97 이상, 연색 평가수 R1 내지 R8 및 특수 연색 평가수 R9 내지 R15의 모두가 90 이상인 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 흑체 복사의 궤적 상의 특정 범위의 색 온도의 백색광과, 상기 백색광의 색 온도로부터의 편차가 ±0.005duv의 범위 내에 있는 어느 상관 색 온도의 백색광을 재현 가능한 백색 광원 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 흑체 복사의 궤적 상의 2000K 내지 6500K의 색 온도의 백색광과, 상기 백색광의 색 온도로부터의 편차가 ±0.005duv의 범위 내에 있는 어느 상관 색 온도의 백색광을 재현 가능한 백색 광원 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 형광막은, 실리콘 수지와, 상기 실리콘 수지 중에 분산된, 발광색이 상이한 적어도 3종류 이상의 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 형광체는, 청색 형광체, 녹색 형광체, 황색 형광체, 적색 형광체 중, 적어도 3 종류의 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 형광체는, 청색 형광체, 녹색 형광체, 황색 형광체, 적색 형광체 중, 적어도 4 종류의 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 형광체의 혼합물에 청녹색 형광체가 더 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 각 형광체의 발광 스펙트럼의 피크는, 인접하는 피크 사이의 파장 간격이 150nm 이하인 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 각 형광체가 50nm 이상의 반값폭을 갖는 발광 스펙트럼을 나타내는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 각 발광 스펙트럼의 일부가 다른 발광 스펙트럼과 겹치는 파장 영역을 적어도 1군데 갖는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
  12. 제6항에 있어서, 상기 청색 형광체가, 발광 피크 파장이 480 내지 500nm인 유로퓸 활성화 스트론튬 알루민산염 형광체, 및 발광 피크 파장이 440 내지 460nm인 유로퓸 활성화 알칼리 토류 인산염 형광체 중 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
  13. 제6항에 있어서, 상기 녹색 형광체가, 발광 피크 파장이 520 내지 550nm인 유로퓸 활성화 오르토 규산염 형광체, 및 발광 피크 파장이 535 내지 545nm인 유로퓸 활성화 β사이알론 형광체, 및 발광 피크 파장이 520 내지 540nm인 유로퓸 활성화 스트론튬 사이알론 형광체 중 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
  14. 제6항에 있어서, 상기 황색 형광체가, 발광 피크 파장이 550 내지 580nm인 유로퓸 활성화 오르토 규산염 형광체, 및 발광 피크 파장이 550 내지 580nm인 세륨 활성화 희토류 알루미늄 가닛 형광체 중 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
  15. 제6항에 있어서, 상기 적색 형광체가, 발광 피크 파장이 600 내지 630nm인 유로퓸 활성화 스트론튬 사이알론 형광체, 및 발광 피크 파장이 620 내지 660nm인 유로퓸 활성화 칼슘니트리드 알루미노실리케이트 형광체, 및 발광 피크 파장이 640 내지 660nm인 망간 활성화 마그네슘 플루오로게르마네이트 형광체 중 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 백색 광원 시스템이 오피스, 병원 또는 가정용 조명에 사용되는 것을 특징으로 하는 백색 광원 시스템.

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