TW201433755A - 發光模組 - Google Patents

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TW201433755A
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Toshiba Lighting & Technology
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Abstract

本發明提出一種發光模組。實施方式的發光模組包括基板、設置於所述基板上的發光體、以及包含由所述發光體的發射光而激發的第一螢光體及第二螢光體的螢光層。所述第一螢光體在大於或等於610 nm且小於650 nm的波長範圍內具有半寬值為小於或等於20 nm的發光波峰，所述第二螢光體在所述發光體的發光光譜的波峰波長與所述第一螢光體的發光光譜的波峰波長之間的波長範圍內具有發光波峰。而且，所述第一螢光體的與所述基板垂直的方向上的密度分佈具有朝向其兩端中的至少其中一端而增高的密度梯度。

Description

發光模組
本案基於並主張2013年2月21日申請的日本專利申請案2013-032644號的優先權，該申請的全文以引用的方式併入本文。
實施方式涉及一種發光模組。
多數作為照明器械的光源而使用的發光模組包括藍色發光元件、及由該藍色發光元件的發射光而激發的螢光體，且輸出白色光，該白色光是將藍色發光元件發射的藍色光及螢光體發射的更長的波長的光進行組合所得。而且，理想的是在用於將藍色光向長波長的光轉換的螢光體中，使用發光效率高且伴隨周圍溫度的上升而光束降低小的螢光體。例如，鑒於所述特性，使用發射黃色光的釔-鋁-石榴石(Yttrium Aluminium Garnet，YAG)螢光體或發射紅色光的CASN(CaAlSiN3：Eu)螢光體等。
本實施方式的發光模組包括基板、設置於所述基板上的 發光體、以及包含由所述發光體的發射光而激發的第一螢光體及第二螢光體的螢光層。所述第一螢光體在大於或等於610nm且小於650nm的波長範圍內具有半寬值為小於或等於20nm的發光波峰，所述第二螢光體在所述發光體的發光光譜的波峰波長與所述第一螢光體的發光光譜的波峰波長之間的波長範圍內具有發光波峰。而且，所述第一螢光體的與所述基板垂直的方向上的密度分佈具有朝向其兩端中的至少其中一端而增高的密度梯度。
3‧‧‧基板
3a‧‧‧基板的上表面
5‧‧‧發光體
7‧‧‧擋堤
9‧‧‧螢光層
10、20‧‧‧發光模組
13‧‧‧透光性樹脂
15‧‧‧紅色螢光體
17‧‧‧黃色螢光體
19‧‧‧中間層
21‧‧‧框體
23‧‧‧絕緣盒
30‧‧‧蓋
40‧‧‧電力轉換部
41、42‧‧‧導線
50‧‧‧燈頭
100‧‧‧照明裝置
A、B、C‧‧‧曲線
IL‧‧‧發光強度
IP‧‧‧紅色螢光體的發光波峰的相對強度
LE‧‧‧下端
NF‧‧‧密度
P1、P2、P3‧‧‧發光波峰
UE‧‧‧上端
X‧‧‧方向
α1、α2‧‧‧吸收波峰
αE‧‧‧發光強度
λ‧‧‧波長
圖1(a)、圖1(b)是表示實施方式的發光模組及照明裝置的示意剖面圖。
圖2(a)、圖2(b)是表示實施方式的螢光體的特性的曲線圖。
圖3(a)、圖3(b)是表示實施方式的螢光體的分佈的示意圖。
圖4是表示實施方式的螢光體的溫度特性的曲線圖。
圖5是表示實施方式的變形例的發光模組的示意剖面圖。
實施方式的發光模組包括基板、設置於所述基板上的發光體、以及包含由所述發光體的發射光而激發的第一螢光體及第 二螢光體的螢光層。所述第一螢光體在大於或等於610nm且小於650nm的波長範圍內具有半寬值為小於或等於20nm的發光波峰，所述第二螢光體在所述發光體的發光光譜的波峰波長與所述第一螢光體的發光光譜的波峰波長之間的波長範圍內具有發光波峰。而且，所述第一螢光體的與所述基板垂直的方向上的密度分佈具有朝向其兩端中的至少其中一端而增高的密度梯度(density gradient)。
被用作紅色螢光體的CASN螢光體或SCASN((Sr,Ca)AlSiN3：Eu)螢光體的發光光譜包含超過650nm的相對可見度(relative visibility)低的波帶(waveband)，激發帶的長波長端也超過600nm。也就是，具有吸收相對可見度高的波長區域的光，且發射相對可見度低的光的側面。因此，在包含大量的紅色螢光體的相關色溫低的發光模組中，平均演色性指數(color rendering index)及發光效率降低。對此，實施方式提供一種可提高演色性及發光效率的發光模組及照明裝置。
以下，一邊參照附圖一邊對實施方式進行說明。對附圖中的相同部分附上相同符號並適當省略其詳細說明，並對不同的部分進行說明。另外，附圖為示意性或概念性的圖，各部分的厚度與寬度的關係、部分間的大小比率等未必與現實的情況相同。而且，即便在表示相同部分的情況下，也有時根據附圖的不同而對彼此的尺寸或比率加以不同表示。
圖1(a)、圖1(b)是表示實施方式的發光模組10及照 明裝置100的示意剖面圖。圖1(a)表示發光模組10，圖1(b)表示內置有該發光模組10的照明裝置100。
如圖1(a)所示，發光模組10包括基板3、設置於基板3之上的發光體5、以及螢光層9。螢光層9包含由發光體5的發射光而激發的第一螢光體及第二螢光體。
第一螢光體為發射紅色光的紅色螢光體15。第二螢光體在發光體5的發光光譜的波峰波長與紅色螢光體15的發光光譜的波峰波長之間的波帶具有發光波峰。以下，對作為第二螢光體而使用發射黃色光的黃色螢光體17的例子進行說明，但當然並不限定於此。例如，作為第二螢光體，也可使用綠色螢光體，還可使用混合了黃色螢光體與綠色螢光體的螢光體。
基板3例如為陶瓷基板。發光體5發射波長400納米(nm)~480納米的光，並激發紅色螢光體15及黃色螢光體17。具體來說，發光體5為發光二極體(Light Emitting Diode：LED)，例如發射主(dominant)波長450nm~460nm的藍色光。
發光體5例如經由黏接劑而安裝於基板3的上表面3a。基板3上安裝多個發光體5，並使用金屬絲串聯或並聯連接。而且，以包圍安裝著多個發光體5的區域的周圍的方式設置著擋堤(bank)7。擋堤7例如包含白色樹脂。
此外，向擋堤7的內側流入分散有紅色螢光體15及黃色螢光體17的透光性樹脂13並使其硬化。由此，設置覆蓋發光體5的螢光層9。紅色螢光體15例如包含由化學式K2SiF6：Mn而表 示的螢光體，黃色螢光體17例如為YAG螢光體。
發光模組10例如作為光源而內置於照明裝置100中。如圖1(b)所示，照明裝置100例如為燈泡形燈，包括發光模組10、安裝發光模組10的框體21、及覆蓋發光模組10的蓋30。另外，此處所示的照明裝置100為一例，實施方式當然並不限定於此。
在框體21的內部，設置著對發光模組10供給電力的電力轉換部40。電力轉換部40經由導線41、導線42而與發光模組10及燈頭50電連接。而且，電力轉換部40收容於設置在框體21的內部的絕緣盒23中。電力轉換部40從未圖示的商用電源經由燈頭50而接受交流電力的供給，例如，轉換為直流電力而供給至發光模組10。
發光模組10從電力轉換部40接受電力的供給並發射白色光。也就是，發出由混合底下光所得的白色光，即，將從發光體5發射的藍色光、從紅色螢光體15發射的紅色光及從黃色螢光體17發射的黃色光進行混合所得。
然後，參照圖2(a)、圖2(b)~圖4對發光模組10的特性進行說明。圖2(a)~圖4是表示螢光層9中所包含的紅色螢光體15的特性的曲線圖。
圖2(a)是表示螢光體的發光光譜的曲線圖。橫軸是發光波長λ，縱軸是發光強度IL。該圖中的曲線A表示紅色螢光體15的發光光譜，曲線B表示比較例的CASN螢光體的發光光譜。
如曲線A所示，紅色螢光體15在大於或等於610nm且 小於650nm的波長範圍內具有半寬值為小於或等於20nm的發光波峰P1、發光波峰P2及發光波峰P3。而且，大於或等於650nm的波長區域的發光強度IL為小於或等於發光波峰P1及發光波峰P2的1/2。另一方面，如曲線B所示，CASN螢光體在610nm~620nm的波長範圍內具有發光波峰，其半寬值達到約170nm。而且，波長650nm的發光強度大約為波峰波長的發光強度的80%。
本實施方式的紅色螢光體15在相對可見度降低的大於或等於650nm的波帶的發光光譜的強度比CASN螢光體低。因此，如果相關色溫及平均演色性指數相同，則使用紅色螢光體15的發光模組的光束比使用CASN螢光體的發光模組的光束大。也就是，發光效率高。
圖2(b)是表示螢光體的激發光譜的曲線圖。橫軸是激發光的波長λ，縱軸是相對的發光強度αE。該圖中的曲線A表示紅色螢光體15的激發光譜，曲線B表示比較例的CASN螢光體的激發光譜。
如曲線A所示，紅色螢光體15中，在大於或等於300nm且小於或等於550nm的波長範圍內具有激發帶，在波長350nm及450nm的附近具有激發光的吸收波峰α1及吸收波峰α2。另一方面，如曲線B所示，CASN螢光體具有例如從波長300nm向長波長側逐漸降低的光譜，且在從短於300nm的波長側到超過600nm的波長範圍內具有激發帶。
此處，激發帶是螢光體吸收激發光的能量而發光的波長 範圍。
紅色螢光體15的激發波峰α2重疊於藍色LED的發光光譜的波峰波長。而且，大於或等於500nm的波長範圍內的紅色螢光體15的激發帶為小於或等於激發波峰α2的10%。也就是，紅色螢光體15的激發帶的長波長端位於500nm附近，高效地吸收藍色LED的發射光，而幾乎不吸收黃色螢光體17的發射光。
與此相對，CASN螢光體的激發帶向長波長側擴展直至超過600nm的波長為止。而且，CASN螢光體吸收黃色螢光體17的發射光並轉換成紅色光。也就是，在使用了CASN螢光體的發光模組中，其輸出光包含被黃色螢光體17及CASN螢光體這兩者吸收的成分。因此，發光模組的發光效率降低。
這樣，理想的是第一螢光體的激發帶的長波長端位於比第二螢光體的發光光譜的波峰波長短的波長側。實施方式的紅色螢光體15中所含的K2SiF6：Mn的激發帶為比520nm短的波長側，幾乎不吸收黃色螢光體及綠色螢光體的發射光。因此，通過使用K2SiF6：Mn，而可提高發光模組10的發光效率。
例如，如果以平均演色性指數Ra為80、相關色溫為2800K(Kelvin，開氏溫度)的發光模組進行比較，則使用CASN螢光體的情況下的發光效率為83流明(lm)/瓦特(W)。另一方面，使用包含K2SiF6：Mn的紅色螢光體15的情況下的發光效率為100lm/W。而且，在將發光效率設為相同的情況下，相對於使用了CASN螢光體的發光模組的平均演色性指數80，使用了紅色螢光 體15的發光模組的平均演色性指數為90。也就是，在使用包含K2SiF6：Mn的紅色螢光體15的發光模組中，可提高發光效率及平均演色性指數Ra中的至少任一個。
圖3(a)及圖3(b)是表示螢光層9的與基板3垂直的方向(圖1(a)所示的X方向)上的螢光體的密度分佈的示意圖。曲線A表示紅色螢光體15的密度分佈，曲線C表示黃色螢光體17的密度分佈。圖3(a)表示紅色螢光體15的平均粒徑比黃色螢光體17的粒徑大的情況。圖3(b)表示紅色螢光體15的平均粒徑與黃色螢光體17的平均粒徑相同或比其小的情況。
在作為螢光層9的主成分的透光性樹脂13中，例如使用矽酮(silicone)等熱硬化性樹脂。而且，其硬化過程中的透光性樹脂13的粘度通過加熱而降低。因此，分散於透光性樹脂13中的紅色螢光體15及黃色螢光體17根據其粒徑而重新分佈。例如，粒徑大的螢光體向基板3的方向沉降，且粒徑越大則其沉降速度越快。
因此，如圖3(a)的曲線A所示，在紅色螢光體15的平均粒徑比黃色螢光體17大的情況下，紅色螢光體15更多地向基板3側沉降。因此，紅色螢光體15的密度NF在其分佈的下端LE側(基板3側)成為高密度。而且，其分佈具有向上端UE的方向降低的密度梯度。
例如，優選將紅色螢光體15的平均粒徑設為大於或等於黃色螢光體17的平均粒徑的1.6倍。由此，可提高基板3側(發 光體5側)的紅色螢光體15的密度，從而提高激發光的吸收率。其結果，相比於使紅色螢光體15均勻地分佈於螢光層9的情況，可減少紅色螢光體15的含量(重量百分比：wt%)。而且，如果增大螢光體的平均粒徑則激發光的吸收率提高。就該方面而言，也可減少使螢光層9中所含有的紅色螢光體15的量。也就是，可削減紅色螢光體15的使用量而實現低成本化。
另一方面，在紅色螢光體15的平均粒徑與黃色螢光體17相同或比黃色螢光體17小的情況下，紅色螢光體15的沉降得到抑制。例如，K2SiF6：Mn的比重比YAG螢光體的比重輕。因此，如圖3(b)所示，紅色螢光體15在密度分佈的上端UE側為高密度。而且，其分佈具有從下端UE向上端UE的方向而密度NF增高的密度梯度。
這樣，在紅色螢光體15分佈的上端UE側(螢光層9的上端側)也可提高其密度。由此，相比於使紅色螢光體15於螢光層9均勻地分佈而可提高激發光的吸收率，且可減少螢光層9中的紅色螢光體15的含量。而且，通過使紅色螢光體15分佈於螢光層9的上端側而與發光體5隔離，從而可減輕發光體5的溫度上升的影響。
如所述般，紅色螢光體15的與基板3垂直的方向上的密度分佈優選具有朝向其上端UE及下端LE中的至少任一端而增高的密度梯度。由此，可抑制紅色螢光體15的使用量從而削減製造成本。
此外，通過增大紅色螢光體15的平均粒徑，而可減少其使用量。例如，在具備藍色LED作為發光體5的發光模組中，在將相關色溫設為2800K的情況下，如果將黃色螢光體17的平均粒徑設為10μm，紅色螢光體15的平均粒徑設為16μm，則紅色螢光體15的含量為黃色螢光體17的含量的約5倍。與此相對，如果將紅色螢光體15的平均粒徑設為45μm，則其含量削減為黃色螢光體17的3.8倍。
而且，通過使用本實施方式的紅色螢光體15，也可抑制黃色螢光體17的使用量。例如，CASN螢光體的激發光譜擴展至波長650nm為止，因而吸收黃色螢光體17的發射光。因此，為了實現所需的相關色溫，必須增加補償CASN螢光體的吸收的量的黃色螢光體17。
另一方面，本實施方式的紅色螢光體15中所含的K2SiF6：Mn中，激發光譜的長波長端為520nm。因此，不吸收黃色螢光體17的發射光，從而不需要補償該吸收。因此，可削減黃色螢光體的含量。例如，在相關色溫為小於或等於3000K的發光模組中，紅色螢光體15的含量(wt%)相對於黃色螢光體17的含量(wt%)為大於或等於3倍。例如，在相關色溫為2800K的發光模組中，在將紅色螢光體15的平均粒徑設為20μm~30μm的情況下，其含量為黃色螢光體17(YAG螢光體)的6倍~7倍。
圖4是表示實施方式的紅色螢光體15的溫度特性的曲線圖。橫軸是發光模組10的溫度，縱軸是紅色螢光體15的發光波 峰的相對強度IP。
紅色螢光體15在大於或等於610nm且小於650nm的波長範圍內具有多個發光波峰P1、發光波峰P2及發光波峰P3(參照圖2(a))。這些發光波峰與K2SiF6：Mn的發光波峰相對應，且波峰波長分別為615nm、633nm及618nm。而且，其半寬值分別為小於或等於20nm。
圖4中，以25℃時的發光強度為基準而表示各發光波峰的發光強度的溫度變化。如該圖所示，波長615nm的發光波峰P1的發光強度不僅並未在25℃到200℃的溫度範圍內降低，反而在25℃到100℃之間上升。另一方面，波峰波長633nm及648nm的發光波峰P2、發光波峰P3的發光強度隨溫度上升而單調減少，200℃時會降低至25℃的約70%為止。
人類的相對可見度在波長555nm處具有波峰，隨著變成長波長而降低。因此，紅色螢光體15中，相對可見度高的波峰波長615nm的發光波峰P1的發光強度相對於模組溫度的上升並未降低。另一方面，發光強度的溫度變化大的發光波峰P2及發光波峰P3中，其相對可見度低。因此，如果考慮相對可見度，則紅色螢光體15的發光強度的溫度變化得到抑制。
而且，紅色螢光體的史托克損失(Stokes loss)大，其溫度容易上升。因此，只要在相對可見度高的波長區域中能夠抑制伴隨溫度上升的發光強度的降低，則可提高發光模組的溫度特性。例如，在使用了紅色螢光體15的發光模組10中，可抑制大 光量動作下的溫度淬減(temperature quenching)。
圖5是表示實施方式的變形例的發光模組20的示意剖面圖。如該圖所示，發光模組20包括基板3、設置於基板3之上的發光體5、以及螢光層9。而且，在基板3之上，還包括覆蓋發光體5的中間層19。螢光層9設置於中間層19之上。中間層19透過發光體5的發射光。此處，“透過”不限於透過發光體5的全部發射光，也包含吸收其一部分的情況。
中間層19例如為矽酮等透光性樹脂，包含透光性無機氧化物或玻璃等。而且，中間層19例如含有大於或等於20wt%的透光性無機氧化物或玻璃等。
例如，圖1(a)所示的發光模組10中，因螢光層9直接覆蓋發光體5，所以螢光層9中的紅色螢光體15及黃色螢光體17的發光受到發光體5的溫度上升的影響。與此相對，發光模組20中，中間層19將螢光層9與發光體5隔離。由此，可減輕發光體5的溫度上升的影響，例如可抑制各螢光體的發光效率的降低或相關色溫的上升。
如所述般，本實施方式的發光模組中，使用紅色螢光體15，紅色螢光體15不發射相對可見度低的大於或等於650nm的波長區域的光，此外不吸收相對可見度高的可見光區域的發光。由此，可提高演色性，且可在相關色溫低的模組中獲得高發光效率。而且，螢光層9中，可將紅色螢光體15的密度分佈控制成在其上端及下端中的至少任一端側為高密度。由此，可削減紅色螢 光體15的含量，從而實現發光模組的低成本化。
對本發明的若干實施方式進行了說明，但這些實施方式僅為例示，並不意圖限定發明的範圍。這些新穎的實施方式能以其他的各種方式來實施，在不脫離發明的主旨的範圍內，可進行各種省略、替換、變更。這些實施方式或其變形包含在發明的範圍或主旨內，並且包含在權利要求書中記載的發明及其均等的範圍內。
3‧‧‧基板
3a‧‧‧基板的上表面
5‧‧‧發光體
7‧‧‧擋堤
9‧‧‧螢光層
10‧‧‧發光模組
13‧‧‧透光性樹脂
15‧‧‧紅色螢光體
17‧‧‧黃色螢光體
UE‧‧‧上端
LE‧‧‧下端
X‧‧‧方向

Claims (10)

  1. 一種發光模組，包括：基板；發光體，設置於所述基板上；以及螢光層，包含由所述發光體的發射光而激發的第一螢光體及第二螢光體，所述第一螢光體在大於或等於610nm且小於650nm的波長範圍內具有半寬值為小於或等於20nm的發光波峰，所述第二螢光體在所述發光體的發光光譜的波峰波長與所述第一螢光體的發光光譜的波峰波長之間的波長範圍內具有發光波峰，所述第一螢光體的與所述基板垂直的方向上的密度分佈具有朝向所述第一螢光體的兩端中的至少其中一端而增高的密度梯度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的發光模組，其中所述第一螢光體的平均粒徑比所述第二螢光體的平均粒徑大，所述第一螢光體以所述密度分佈朝向所述基板側而增高的方式來設置。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的發光模組，其中所述第一螢光體的平均粒徑為大於或等於所述第二螢光體的平均粒徑的1.6倍。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的發光模組，其中所述第一螢光體的平均粒徑與所述第二螢光體的平均粒徑相同或比其小， 所述第一螢光體以所述密度分佈隨著離開所述基板而增高的方式來設置。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的的發光模組，其中所述第一螢光體的大於或等於650nm的波長區域的發光強度，小於或等於所述第一螢光體的所述發光波峰的強度的1/2。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的發光模組，其中所述第一螢光體在大於或等於610nm且小於650nm的波長範圍內具有多個所述發光波峰，所述多個發光波峰中位於短波長側的發光波峰的發光強度的溫度變化，比位於長波長側的發光波峰的發光強度的溫度變化小。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的發光模組，其中所述第一螢光體在大於或等於300nm且小於或等於550nm的波長範圍內具有激發帶，在波長350nm及450nm的附近具有激發光的吸收波峰。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的發光模組，其特徵在於：所述第一螢光體的大於或等於500nm的波長範圍內的激發帶的強度為小於或等於所述吸收波峰的強度的10%。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的發光模組，其特徵在於：所述第一螢光體的含量為大於或等於所述第二螢光體的含量的3倍。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的發光模組，其特徵在於：所述第一螢光體的含量為大於或等於所述第二螢光體的含量 的3.8倍且小於或等於5倍。
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