TWI489659B - 白色發光裝置 - Google Patents

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Ryosuke Hiramatsu
Kunio Ishida
Masahiro Kato
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Toshiba Kk
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Description

白色發光裝置
本發明之實施形態係有關白色發光裝置。
使用發光二極體(Light Emitting Diode：LED)之發光裝置係主要自作為激發光源之LED晶片與螢光體的組合而加以構成。並且，經由其組合而可實現種種顏色之發光色。
對於釋放白色光的白色LED發光裝置係例如，使用釋放藍色光之LED晶片與螢光體之組合。作為螢光體係主要使用藍色的補色之黃色螢光體，作為擬似白色光LED而加以使用。其他亦開發有釋放藍色光的LED晶片，和使用綠色乃至黃色螢光體，及紅色螢光體之3波長型白色LED。
在白色發光裝置中，為了再現接近自然光的顏色，而期望有實現高演色性，特別是高平均演色評估數(Ra)者。另外，為了低消耗電力化而要求高的發光效率之併存。
本發明係考慮上述情事所作為之構成，其目的係提供併存有高演色性與高發光效率之白色發光裝置。
實施形態之白色發光裝置係具備：於430nm以上470nm以下之波長範圍具有峰值波長之發光元件，和發光成525nm以上560nm以下之第1峰值波長的光之第1螢光體，和發光成較前述第1峰值波長為長之第2峰值波長的光之第2螢光體，和發光成較前述第2峰值波長為長之620nm以上750nm以下之第3峰值波長的光之第3螢光體。並且，第1螢光體和第2螢光體則具有MSi α O β N γ (但，M係包含Eu，必須含有Sr或Ba，更且，含有Ca、Mg、Zn亦可。更且，將選自Ti、Pb、Mn、As、Al、Pr、Tb、及Ce所成的群之元素作為活化劑而含有亦可。另外，1.8≦α ≦2.4、1.8≦β ≦2.2、1.8≦γ ≦2.2)之組成，將前述第1峰值波長作為λ 1(nm)，而將前述第2峰值波長作為λ 2(nm)之情況，為1100≦λ 1+λ 2、且、λ 2-λ 1≦60。
10‧‧‧白色發光裝置
14‧‧‧發光元件
20‧‧‧第1螢光體層
22‧‧‧第2螢光體層
24‧‧‧第3螢光體層
圖1係第1實施形態之發光裝置的模式剖面圖。
圖2係顯示SION系螢光體為1種情況之模擬結果圖。
圖3係顯示以模擬所得到之發光光譜的一例圖。
圖4係顯示本實施形態之模擬結果圖。
圖5係說明實施形態之作用．效果的圖。
圖6係第2實施形態之發光裝置的模式剖面圖。
以下，對於實施形態，使用圖面加以說明。
(第1實施形態)
本實施形態之白色發光裝置係具備：於430nm以上470nm以下之波長範圍具有峰值波長之發光元件，和發光成525nm以上560nm以下之第1峰值波長的光之第1螢光體，和發光成較第1峰值波長為長之第2峰值波長的光之第2螢光體，和發光成較第2峰值波長為長之620nm以上750nm以下之第3峰值波長的光之第3螢光體。並且，第1螢光體與第2螢光體則具有MSiα Oβ Nγ (但，M係包含Eu，必須含有Sr或Ba，更且，含有Ca、Mg、Zn亦可。更且，將選自Ti、Pb、Mn、As、Al、Pr、Tb、及Ce所成的群之元素作為活化劑而含有亦可。另外 ，1.8≦α ≦2.4、1.8≦β ≦2.2、1.8≦γ ≦2.2)之組成，將第1峰值波長作為λ 1(nm)，而將第2峰值波長作為λ 2(nm)之情況，為1100≦λ 1+λ 2、且、λ 2-λ 1≦60。
本實施形態之白色發光裝置係經由具備上述構成之情況，成為可實現高演色性，特別是高平均演色評估數Ra，和高發光效率者。即，經由組合發光成藍色光的發光元件，和峰值波長不同之2種的同一母體之黃綠~橙色螢光體，和紅色螢光體之時，成為可併存有高演色性與高發光效率。
圖1係本實施形態的發光裝置之模式剖面圖。此發光裝置10係發光成白色光的白色發光裝置。特別是發光色成為燈泡(2800K)之白色發光裝置。
白色發光裝置10係具備具有安裝發光元件之平面的基板12。對於基板12，係例如使用高反射材料。
並且，作為發光成430nm以上470nm以下之峰值波長的光之發光元件14，例如，藍色LED晶片則安裝於基板12之平面上。藍色LED晶片係例如藉由金的導線16而連接於未圖示之配線。並且，經由藉由此配線而從外部供給驅動電流於藍色LED晶片之時，藍色LED晶片則產生激發用的藍色光。
藍色LED晶片係例如為將發光層作為GaInN之AlGaInN系LED。
對於發光元件14上係設置有由半球形狀之透明樹脂所成之元件封閉透明層18。透明樹脂係例如為聚 矽氧樹脂。
更且，呈被覆元件封閉透明層18地，形成在對於平面而言為垂直之剖面的外周形狀為半圓狀之第1螢光體層20。對於第1螢光體層20，係含有將從發光元件14所射出的光作為激發光，發光成525nm以上560nm以下之第1峰值波長的光之第1螢光體。
第1螢光體(以下，亦使用Y1之略稱)係黃綠~黃色螢光體。第1螢光體層20係例如，黃綠~橙色螢光體的粒子則例如分散於透明之聚矽氧樹脂中而加以形成。第1螢光體層20係吸收自藍色LED所產生的藍色光而變換成黃綠~黃色光。
呈被覆第1螢光體層20地，形成有在對於平面而言為垂直之剖面的外周形狀為半圓狀之第2螢光體層22。對於第2螢光體層22，含有將從發光元件14所射出的光作為激發光，發光成較第1峰值波長為長之第2峰值波長的光之第2螢光體。
第2螢光體(以下，亦使用Y2之略稱)係黃~橙色螢光體。第2螢光體層22係例如，黃~橙色螢光體的粒子則例如分散於透明之聚矽氧樹脂中而加以形成。第2螢光體層22係吸收自藍色LED所產生的藍色光而變換成黃~橙色光。
第1螢光體及第2螢光體係同時具備MSiα Oβ Nγ (但，M係含有銪(Eu)，必須含有鍶(Sr)或鋇(Ba)之2種以上的金屬，更且，含有鈣(Ca)，鎂(Mg)，鋅(Zn)亦可。更且，將選自鈦(Ti)，鉛(Pb)，錳(Mn)，砷(As)，鋁(Al)，鐠(Pr)，鋱(Tb)，及鈰(Ce)所成的群之元素作為活化劑而含有亦可。另外，為1.8≦α ≦2.4、1.8≦β ≦2.2、1.8≦γ ≦2.2)之組成之所謂SION系螢光體。
然而，更理想為2.0≦α ≦2.2、1.8≦β ≦2.1、1.9≦γ ≦2.2。
更且，更理想係第1螢光體及第2螢光體係同時具備(Sr(1-x-y-z) Bax Cay Euz )Si2 O2 N2 (但、0≦x<1、0≦y≦1、0.01≦z≦0.2)之組成經由此式所表示之含有Si的氧氮化物螢光體材料係例如，由變更x及y的組成而可調整發光波長，可在同一母體得到具有複數發光波長之螢光體者。然而，為了安定化結晶構造，以及提高發光強度，而將鍶(Sr)，鋇(Ba)，及鈣(Ca)的一部分置換為Mg及Zn之至少任一方亦可。另外，將選自Ti、Pb、Mn、As、Al、Pr、Tb、及Ce所成的群之至少1個的元素作為活化劑而微量含有亦可。
SION系螢光體係具備在25℃~150℃之發光效率的變化為約10%以下優越之溫度特性。隨之，可抑制高溫動作時之白色發光裝置之色偏移者。
更且，呈被覆第2螢光體層22地，形成有在對於平面而言為垂直之剖面的外周形狀為半圓狀之第3螢光體層24。對於第3螢光體層24，係含有將從發光元件14所射出的光作為激發光，發光成較第2峰值波長為長之620nm以上750nm以下之第3峰值波長的光之第3螢光體。
第3螢光體(以下，亦使用R之略稱)係紅色螢光體。第3螢光體層24係例如，紅色螢光體的粒子則例如分散於透明之聚矽氧樹脂中而加以形成。第3螢光體層24係吸收自藍色LED所產生的藍色光而變換成紅色光。
第3螢光體係例如，Ca2 Siy Al(12-y) Oz N(16-z) ：Eu、所謂CASN系螢光體。
以下，對於顯示本實施形態之作用．效果的模擬結果而加以說明。在模擬中，求取白色發光裝置之演色性與發光效率。
模擬係由集合實測之藍色LED的光譜，和經由藍色LED所激發之SION系黃色螢光體之發光光譜，和經由藍色LED所激發之CASN系紅色螢光體之發光光譜而進行計算。SION系黃色螢光體之發光光譜係使用峰值波長563nm之構成。CASN系紅色螢光體之發光光譜係使用峰值波長653nm之構成。
另外，對於發光效率係為了無視發光元件的效率，或螢光體之效率，而將發光效率之理論值，即，流 明當量作為指標而使用。
首先，為作比較，對於藍色發光元件與1種之SION系黃綠~橙色螢光體，紅色螢光體之組合，進行演色性與發光效率之模擬。
對於發光波長455nm之藍色LED的光譜，將黃綠~橙色螢光體之峰值波長作為變數，合計之光譜的色度呈成為2800K之燈泡色(Cx=0.4519、Cy=0.4087)地調整黃綠~橙色螢光體之峰值波長與峰值強度比，紅色螢光體之峰值強度比。黃綠~橙色螢光體之光譜係改變峰值波長563nm之黃色螢光體的實測光譜而利用。
圖2係顯示SION系螢光體為1種情況之模擬結果圖。橫軸係平均演色評估數Ra，縱軸係流明當量(lm/W)。
在1種之SION系螢光體中，得到有顯示如圖2所示之Ra與發光效率之相關的特性曲線。在1種之SION系螢光體中，經由將峰值波長，從563nm移動至長波長側之時，Ra係下降，但發光效率則提升。另外，當將峰值波長，從563nm移動至短波長側時，Ra係提升，但發光效率係下降。
接著，對於藍色發光元件，和選自黃綠~橙色之SION系螢光體的峰值波長不同之2種螢光體之組合，進行演色性與發光效率之模擬。之後，峰值波長則將短波長側之螢光體稱作Y1，而將長波長側之螢光體稱作Y2。
對於發光波長455nm之藍色LED的光譜，集 合2種黃綠~橙色螢光體，紅色螢光體之各光譜之光譜的色度呈成為2800K之燈泡色(Cx=0.4519、Cy=0.4087)地調整黃綠~橙色螢光體之峰值波長與峰值強度比，紅色螢光體之峰值強度比。將螢光體Y1，Y2各峰值波長λ 1、λ 2作成變數。
作為具體之模擬的步驟係首先，將Y1的峰值波長，以每2nm使520nm~565nm之間進行變化，而將Y2的峰值波長，以每2nm使從Y1的峰值波長至差分為60nm為止之間進行變化。並且，在各峰值波長之組合中，光譜之色度呈成為2800K之燈泡色地調整Y1，Y2，R之強度比。從結果所得到之光譜，求取演色性及發光效率。對於半峰幅值，係使用SION系螢光體之典型的值。即，短波長側之Y1係作為100nm，而長波長側之Y2係作為80nm。
圖3係顯示以模擬所得到之發光光譜的一例圖。圖3所示之光譜係經由上述計算結果之一例，對照短波長側之螢光體的發光峰值波長λ 1為541nm，長波長側之螢光體的發光峰值波長λ 2為599nm時之燈泡色之光譜。流明當量為264lm/W、Ra則呈為91。
圖4係顯示本實施形態之模擬結果圖。圖4(a)為模擬結果，圖4(b)為作用．效果的說明圖。
對於圖4係為了作比較，圖2所示之SION系1種的情況之特性曲線亦以實線表示。另外，所圖示之各點則適用2種之SION系螢光體Y1，Y2之情況的特性曲 線。同一的標記係顯示螢光體Y1之峰值波長λ 1為同一之情況。從圖4了解到，經由組合2種之螢光體之時，發現有較1種之螢光體特性提升之範圍情況。
圖4(b)中，以斜線繪製之範圍則具備實用的特性，且較1種之螢光體特性提升之範圍。即，一般實用上作為必要之Ra為70以上(點線A之右側範圍)，較SION系螢光體1種之情況，在同一Ra實現高發光效率(較實線為上方的範圍)，或實現在SION系無法實現之Ra(點線B右側的範圍)範圍。
圖4(b)中，對於為了放入特性於以斜線繪製之範圍，係從模擬的結果，對於將第1之SION系螢光體Y1之第1峰值波長作為λ 1(nm)、而將第2之SION系螢光體Y2之第2峰值波長作為λ 2(nm)之情況，必須為525≦λ 1≦560、1100≦λ 1+λ 2、且、λ 2-λ 1≦60。
圖5係說明實施形態之作用．效果的圖。
白色發光裝置係期望將30≦λ 2-λ 1的條件作為充足。經由將此條件作為充足之時，得到較在圖5所示之點線C為右上側之範圍的特性。即，放入於較實施形態之特性曲線的反曲點為右上側之範圍，較SION系螢光體1種之情況，特性則更提升。40≦λ 2-λ 1之情況則在使發光效率提升上更為期望。
白色發光裝置係期望將1110≦λ 1+λ 2的條件作為充足。經由將此條件作為充足之時，得到較在圖5所示之點線D為上側之範圍的特性。即，放入較在SION 系螢光體1種達成最高Ra之情況經常發光效率為高之範圍，較SION系螢光體1種之情況，特性則更提升。
更且，白色發光裝置係期望將530≦λ 1≦540的條件作為充足。經由將此條件作為充足之時，得到較在圖5所示之點線B經常為右側之範圍的特性。即，經常，放入於Ra為90以上的範圍，較SION系螢光體1種之情況，特性則更提升。
然而，於實施形態之2種之黃綠~橙色螢光體，1種之紅色螢光體之合計3種的螢光體，亦可更具備別種螢光體之情況。但將螢光體的種類作為4種以上時，有在螢光體間之再吸收等，發光效率下降之虞。隨之，含於螢光體層之螢光體係僅2種之黃綠~橙色螢光體，1種之紅色螢光體之合計3種情況為佳。
如根據本實施形態，提供可實現高演色性與高發光效率之白色發光裝置。另外，提供抑制在高溫動作之色偏移的白色發光裝置。
為作比較，對於YAG：Ce螢光體亦進行同樣的模擬。對於半峰幅值，係使用YAG：Ce螢光體之典型的值。即，短波長側之Y1，長波長側之Y2同時作為110nm。
其結果，YAG：Ce螢光體之情況係即使將螢光體作為2種組合，亦未有較1種情況特性提升的情況。
其不同係對於其一係認為經由組合之螢光體的半幅值為窄之時，發光效率則提升。特別是，縮窄長波 長側之半幅值者則為有效。
隨之，短波長側之Y1係100nm以下為佳。另外，長波長側之Y2係100nm以下為佳，而80nm以下更佳。
(第2實施形態)
本實施形態之白色發光裝置係混合2種SION系螢光體而含有於1層之螢光體層情況以外係與第1實施形態同樣。隨之，對於與第1實施形態重覆之內容，係省略記述。
圖6係本實施形態的發光裝置之模式剖面圖。此發光裝置20係發光成白色光的白色發光裝置。
發光裝置20係加上於第1實施形態之第1螢光體層20，第2螢光體層22而具備螢光體層26。對於螢光體層26，係混合有將自發光元件14所射出的光作為激發光，發光成525nm以上560nm以下之第1峰值波長的光之第1螢光體，和將自發光元件14所射出的光作為激發光，發光成較第1峰值波長為長之第2峰值波長的光之第2螢光體而含有。
如根據本實施形態，與第1實施形態同樣，提供可實現高演色性與高發光效率之白色發光裝置。另外，提供抑制在高溫動作之色偏移的白色發光裝置。更且，螢光體層之形成為簡易之故，白色發光裝置之製造則成為容易。
以上，參照具體例同時，已對於本發明之實施形態加以說明過。上述，實施形態係到底是僅作為例而舉出，並非限定本發明之構成。在實施形態之說明中，在白色發光裝置，螢光體等，對於本發明之說明非直接必要的部分等係省略記載，但可適宜選擇關於作為必要之白色發光裝置，螢光體等之要素而使用者。
例如，在實施形態中，以例說明使用將發光層作為GaInN之AlGaInN系LED之情況。作為發光層(活性層)，可使用利用III-V族化合物半導體之氮化鋁鎵銦(AlGaInN)，或II-VI族化合物半導體之氧化鎂鋅(MgZnO)等之LED者例如，作為發光層而使用之III-V族化合物半導體係含有選自Al、Ga、及In所成的群之至少1種之氮化物半導體。此氮化物半導體係具體而言，表示為Alx Gay In(1-x-y) N(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦(x+y)≦1)之構成。對於如此之氮化物半導體係包含AlN、GaN、及InN之2元系，Alx Ga(1-x) N(0<x<1)、Alx In(1-x) N(0<x<1)、及Gay In(1-y) N(0<y<1)之3元系、更且包含所有之4元系之任一。依據Al、Ga、及In之組成x、y、(1-x-y)，決定從紫外線至藍為止之範圍的發光峰值波長。另外，可將III族元素之一部分置換成硼素(B)、鉈(Tl)等。更且，可將V族元素之N的一部分置換成磷(P)，砷(As)，銻(Sb)，鉍(Bi)等。
同樣地，作為發光層而使用之II-VI族化合物半導體係可作為含有Mg及Zn之至少1種之氧化物半導 體。具體而言，係表示為Mgz Zn(1-z) O(0≦z≦1)之構成，依據Mg及Zn之組成z、(1-z)，決定紫外光範圍之發光峰值波長。
另外，作為螢光體層之透明基材係舉例說明過聚矽氧樹脂，但可使用激發光之透過性高，且耐熱性高之任意的材料。作為如此之材料，例如，聚矽氧樹脂之外，可使用環氧樹脂，尿素樹脂，氟素樹脂，丙烯酸樹脂，聚醯亞胺樹脂等。特別是從容易取得，容易處理，且廉價之情況，最佳使用環氧樹脂或聚矽氧樹脂。另外，除樹脂以外，亦可使用玻璃，燒結體等。
另外，作為紅色螢光體係以下所示，氧氮化物之外，可使用氮化物系光體，含氧硫化物螢光體等。
氮化物系螢光體(主要為矽氮化物系螢光體)及氧氮化物系螢光體：Lx Siy N(2x/3+4y/3) ：Eu、或Lx Siy Oz N(2x/3+4y/3-2z/3) ：Eu(L係選自Sr、Ca、Sr及Ca所成的群之所成的群之至少1個元素)：在上述組成中，x=2且y=5、或x=1且y=7者為佳、x及y係可作為任意的值者。作為經由上述式所表示之氮化物系螢光體，使用作為活化劑而添加Mn之(Srx Ca(1-x) )2 Si5 N8 ：Eu、Sr2 Si5 N8 ：Eu、Ca2 Si5 N8 ：Eu、Srx Ca(1-x) Si7 N10 ：Eu、SrSi7 N10 ：Eu、CaSi7 N10 ：Eu等之螢光體為佳。對於此等螢光體係含有選自Mg、Sr、Ca、Ba、Zn、B、Al、Cu、Mn、Cr、及Ni所成的群之至少1個元素亦可。另外，將選自Ce，Pr、Tb、Nd、及La所成的群之至少1個元素 ，作為活化劑而含有亦可。
另外，亦可使用將Si之一部分置換為Al之氮化矽系螢光體：Lx Siy Al(12-y) Oz N(16-z) ：Eu(L係選自Sr、Ca、Sr及Ca所成的群之所成的群之至少一個元素)。
含氧硫化物螢光體材料：(Ln(1-x) Eux )O2 S(Ln係選自Sc、Y、La、Gd、及Lu所成的群之至少一個元素、x係滿足0≦x≦1之數值)。
然而，將選自Tb、Pr、Mg、Ti、Nb、Ta、Ga、Sm、及Tm所成的群之至少1種，作為活化劑而含有亦可。
其他，具備本發明之要素，該業者則可適宜設計變更之所有的白色發光裝置係包含於本發明之範圍。本發明之範圍係經由申請專利範圍及其均等物之範圍所定義者。
10‧‧‧白色發光裝置
12‧‧‧基板
14‧‧‧發光元件
16‧‧‧導線
18‧‧‧被覆元件封閉透明層
20‧‧‧第1螢光體層
22‧‧‧第2螢光體層
24‧‧‧第3螢光體層

Claims (12)

  1. 一種白色發光裝置，其特徵為具備：於430nm以上470nm以下之波長範圍具有峰值波長之發光元件，和發光成525nm以上560nm以下之第1峰值波長的光之第1螢光體，和發光成較前述第1峰值波長為長之第2峰值波長的光之第2螢光體，和發光成較前述第2峰值波長為長之620nm以上750nm以下之第3峰值波長的光之第3螢光體，前述第1螢光體與前述第2螢光體則具有MSiα Oβ Nγ 之組成(M係包含Eu，包含Sr或Ba，α 、β 及γ 係滿足1.8≦α ≦2.4、1.8≦β ≦2.2、1.8≦γ ≦2.2)，將前述第1峰值波長作為λ 1(nm)，而將前述第2峰值波長作為λ 2(nm)之情況，則為1100≦λ 1+λ 2、且、λ 2-λ 1≦60。
  2. 如申請專利範圍第1項記載之白色發光裝置，其中，為30≦λ 2-λ 1者。
  3. 如申請專利範圍第1項記載之白色發光裝置，其中，為1110≦λ 1+λ 2者。
  4. 如申請專利範圍第1項記載之白色發光裝置，其中，為530≦λ 1≦540者。
  5. 如申請專利範圍第1項記載之白色發光裝置，其中，前述發光元件為藍色LED晶片者。
  6. 一種白色發光裝置，其特徵為具備；基板，和於安裝於前述基板之430nm以上470nm以下之波長範圍具有峰值波長之發光元件，和形成於前述發光元件上，含有發光成525nm以上560nm以下之第1峰值波長的光之第1螢光體的第1螢光體層，和形成於前述第1螢光體層上，含有發光成較前述第1峰值波長為長之第2峰值波長的光之第2螢光體的第2螢光體層，和形成於前述第2螢光體層上，含有發光成較前述第2峰值波長為長之620nm以上750nm以下之第3峰值波長的光之第3螢光體的第3螢光體層，前述第1螢光體與前述第2螢光體則具有MSiα Oβ Nγ 之組成(M係包含Eu，包含Sr或Ba，α 、β 及γ 係滿足1.8≦α ≦2.4、1.8≦β ≦2.2、1.8≦γ ≦2.2)，將前述第1峰值波長作為λ 1(nm)，而將前述第2峰值波長作為λ 2(nm)之情況，則為1100≦λ 1+λ 2、且、λ 2-λ 1≦60。
  7. 如申請專利範圍第6項記載之白色發光裝置，其中 ，為30≦λ 2-λ 1者。
  8. 如申請專利範圍第6項記載之白色發光裝置，其中，為1110≦λ 1+λ 2者。
  9. 如申請專利範圍第6項記載之白色發光裝置，其中，為530≦λ 1≦540者。
  10. 如申請專利範圍第6項記載之白色發光裝置，其中，前述發光元件為藍色LED晶片者。
  11. 如申請專利範圍第6項記載之白色發光裝置，其中，於前述發光元件與前述第1螢光體層之間具備由透明樹脂所成之元件封閉透明層者。
  12. 如申請專利範圍第6項記載之白色發光裝置，其中，前述第1，第2及第3螢光體層則在對於前述基板的平面而言為垂直之剖面的外周形狀為半球狀者。
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