JP2006299097A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩｎＧａＮ系ＬＥＤと蛍光体を備えた発光装置おいて、発光色の色バラツキを少なくし、演色性を向上させる。
【解決手段】発光装置は、波長４００ｎｍ前後の近紫外から青色の範囲に含まれる光を発するＬＥＤと、ＬＥＤが発する光により励起され緑色から橙色の範囲に含まれる光を発するＭ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋（Ｍはアルカリ土類金属）を基本組成とする第１の蛍光体と、ＬＥＤが発する光により励起され赤色光を発する、付活材としてＥｕ³⁺イオンを含む第２の蛍光体とを備える。波長４００ｎｍ前後の近紫外から青色光の範囲に広い励起帯を有するＭ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋を基本組成とする第１の蛍光体を備えるので、ＬＥＤの発光波長が長波長側、又は短波長側へシフトした場合であっても色バラツキの少ない白色光を得ることができる。また、第２の蛍光体を備えるので、赤色成分の不足を補うことができ、演色性を向上させることができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、一般照明用、特殊照明用、ディスプレイ用などに用いる場合に好適な発光装置に関し、ＩｎＧａＮ系ＬＥＤによる光と、このＬＥＤによる光の一部によって励起され、発光する蛍光体の光とを組み合わせた発光装置に関する。

近年、ＩｎＧａＮ系青色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）に（Ｙ，Ｇｄ）₃（Ａｌ，Ｇａ）₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺系蛍光体（以下、ＹＡＧ系蛍光体）を組み合わせ、青色ＬＥＤが発する青色光と、この青色光の一部により励起され、黄色に変換されたＹＡＧ系蛍光体が発する光を利用して白色光を得る、いわゆる白色ＬＥＤなどの発光装置が知られている。このような発光装置は、小型、長寿命、及び水銀フリーといった特徴を有するため、既に携帯電話などの液晶ディスプレイに使用されており、一部の照明用途にも用いられている。

しかしながら、このような白色ＬＥＤに用いられているＹＡＧ系蛍光体は、図５に示されるように、近紫外から青色光の波長領域では、４７０ｎｍ付近を中心とする青色光域にのみ山型の励起帯を持つため、青色ＬＥＤの製造条件及び使用条件などによって青色ＬＥＤの発光波長が長波長側、又は短波長側へシフトした場合、ＹＡＧ系蛍光体の励起条件にズレが生じる虞があった。このため、得られる白色光の色バラツキが大きくなる虞があり、特に照明用途として用いる場合にはその対策が重要な課題とされている。

また、白色ＬＥＤは、ＹＡＧ系蛍光体のＧｄ成分量を増加させるなどにより黄色から橙色へと発光波長をシフトさせることで、電球色に近い温かみのある色の光をある程度は得ることが可能である。しかしながら、このような白色ＬＥＤは、光の三原色の１つである赤色成分が少ないことから、演色性をはじめとした光質が問題とされている。そのため、青色ＬＥＤにより励起され、黄色から赤色光を発するＥｕ²⁺イオンを付活したＣａ₂Ｓｉ₅Ｎ₈などの窒化物系蛍光体をさらに付加することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１０７８６号公報

しかしながら、窒化物系蛍光体等、非酸化物セラミックスの合成は、一般に、その焼成工程などで不活性ガス、還元ガス雰囲気下で行う必要があることなどから、酸化物セラミックスを合成する場合に比べて難しいとされている。なお、特許文献１に記載される窒化物系蛍光体は、若干の酸素が含有されており、逆にそれを特徴としているために酸素の影響を大きな問題としていないが、実際にこれらの窒化物系蛍光体を合成するにあたっては、窒素ガス雰囲気下での焼成、グローブボックスを用いたアルゴンガス、窒素ガス、又はアンモニアガス雰囲気下での粉砕などの取り扱い工程を複数回行う必要があるため、やはり困難なものと考えられる。

一方、従来の発光装置として白熱電球、蛍光ランプ、ＨＩＤランプなどを用いたものがあり、これらは用途に応じて様々な分野で用いられている。例えば、白熱電球及びハロゲン電球では、熱放射現象を利用して波長３８０〜７８０ｎｍの可視光を得ており、そのスペクトルには全ての範囲の波長成分が含まれるため演色性が高く、芸術品をはじめとした展示品を演出ために用いられている。しかしながら、これらの発光装置は、赤外線、すなわち熱線までをも放射するため逆に展示品を損傷させてしまうことが問題とされている。

また、放電現象を利用して水銀原子から２５４ｎｍの紫外線を発生させ、該紫外線により蛍光体を励起し発光させる蛍光ランプなどでは、各種の蛍光体を選定することにより使用用途に応じたスペクトルを有する光を、ある程度選択的に得ることができる。しかしながら、既存の蛍光体のみでは厳密に目的とするスペクトルの光を得ることは難しく、場合によっては波長４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、５４６ｎｍなどに発生する水銀原子による輝線スペクトルの混在もその障害となる虞がある。さらに、蛍光ランプなどは有害な水銀が用いられているだけではなく、２５４ｎｍの紫外線を蛍光体により可視光に変換する場合にはストークスシフトによるエネルギーロスが多く、環境面への負荷も大きい。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、発光色の色バラツキが少なく、演色性に優れた発光装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、波長４００ｎｍ前後の近紫外から青色の範囲に含まれる光を発するＩｎＧａＮ系ＬＥＤ（Light Emitting Diode）と、前記ＬＥＤが発する光により励起され緑色から橙色の範囲に含まれる光を発する、アルカリ土類金属をＭとして、Ｍ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋を基本組成とする第１の蛍光体と、前記ＬＥＤが発する光により励起され赤色光を発する、付活材としてＥｕ³⁺イオンを含む第２の蛍光体と、を備えたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発光装置において、前記第２の蛍光体が、アルカリ土類金属をＭとして、Ｍ（Ｅｕ，Ｌａ）₄（Ｓｉ，Ｇｅ）₃Ｏ₁₃系、Ｍ（Ｅｕ，Ｌａ）（Ａｌ，Ｇａ）₃Ｏ₇系、Ｍ（Ｅｕ，Ｌａ）₂（Ｓｉ，Ｇｅ）₂Ｏ₈系、Ｌｉ（Ｅｕ，Ｓｍ）Ｗ₂Ｏ₈系、Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺系、及びＬａ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺系の蛍光体の中から少なくとも１種類以上を選択してなることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発光装置において、前記第１の蛍光体とは基本組成を異にし、前記ＬＥＤが発する光により励起され緑色光を発する第３の蛍光体を、更に備えることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発光装置において、前記アルカリ土類金属Ｍが、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａの中から少なくとも１つ以上を選択してなることを特徴とする。

本発明によれば、波長４００ｎｍ前後の近紫外から青色光の範囲に広い励起帯を有するＭ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋を基本組成とする第１の蛍光体を備えるので、波長４００ｎｍ前後の近紫外から青色の範囲に含まれる光を発するＩｎＧａＮ系ＬＥＤと共に用いた場合に、ＬＥＤの発光波長が長波長側、又は短波長側へシフトした場合であっても色バラツキの少ない白色光を得ることができる。また、上記ＬＥＤが発する光により励起され赤色光を発する、付活材としてＥｕ³⁺イオンを含む第２の蛍光体を備えるので、発光色における赤色成分の不足を補うことができ、演色性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る発光装置について説明する。発光装置１は、ＩｎＧａＮ系ＬＥＤ（以下、ＬＥＤともいう）と、ＬＥＤが発する光により励起され緑色から橙色の範囲に含まれる光を発する第１の蛍光体と、ＬＥＤが発する光により励起され赤色光を発する第２の蛍光体とを備える。ＩｎＧａＮ系ＬＥＤとしては、波長４００ｎｍ前後の近紫外から青色の範囲に含まれる光を発するＬＥＤが用いられる。

第１の蛍光体としては、Ｍ₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺を基本組成とする蛍光体が用いられる。なお、ここで、Ｍはアルカリ土類金属を示している。この場合、アルカリ土類金属Ｍは、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａの中から少なくとも１つ以上を選択してなることが好ましい。例えば、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺系の蛍光体を用いることにより、図１に示されるように、近紫外から波長４７０ｎｍ付近の青色光領域において直線状の広い励起帯を有する蛍光体を得ることができる。

このように本実施形態の発光装置は、波長４００ｎｍ前後の近紫外から青色の範囲に含まれる光を発するＩｎＧａＮ系ＬＥＤと、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺系蛍光体とを組み合わせることにより、ＬＥＤの発光波長が長波長側、又は短波長側へシフトした場合であっても色バラツキの少ない白色光を得ることができる。なお、ＩｎＧａＮ系ＬＥＤの発光波長は、あらかじめ色バラツキを考慮して４７０ｎｍ付近よりも短波長側に設定される。

また、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺系蛍光体は、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ成分組成比を変化させることにより、その励起帯の直線状領域を変化させることが可能である。このため、本実施形態の発光装置は、用途に応じて第１の蛍光体の発光色を緑から橙色の範囲で調整することが可能であり、上記ＬＥＤと組み合わせて種々の発光色を得ることが可能である。

また、第２の蛍光体としては、付活材としてＥｕ³⁺イオンを含む蛍光体（以下、赤色蛍光体ともいう）が用いられる。このような蛍光体として、例えば、Ｍ（Ｅｕ，Ｌａ）₄（Ｓｉ，Ｇｅ）₃Ｏ₁₃系、Ｍ（Ｅｕ，Ｌａ）（Ａｌ，Ｇａ）₃Ｏ₇系、Ｍ（Ｅｕ，Ｌａ）₂（Ｓｉ，Ｇｅ）₂Ｏ₈系、Ｌｉ（Ｅｕ，Ｓｍ）Ｗ₂Ｏ₈系、Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺系、及びＬａ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺系の蛍光体を挙げることができ、これら蛍光体の中から少なくとも１種類以上を選択して第２の蛍光体として使用することが好ましい。なお、上記組成において、Ｍはアルカリ土類金属を示している。

例えば、Ｃａ（Ｅｕ_0.5Ｌａ_0.5）₄Ｓｉ₃Ｏ₁₃赤色蛍光体は、波長３８０〜４００ｎｍ付近の近紫外から紫光領域、及び波長４６５ｎｍ付近の青色光領域に励起帯を有する。従って、波長３８０〜４００ｎｍ付近の近紫外から紫色の範囲に含まれる光を発するＩｎＧａＮ系ＬＥＤと、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺系蛍光体を組み合わせた場合、又は、波長４６５ｎｍ付近の青色光を発するＩｎＧａＮ系ＬＥＤと、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺系蛍光体を組み合わせた場合に、更に、Ｃａ（Ｅｕ_0.5Ｌａ_0.5）₄Ｓｉ₃Ｏ₁₃赤色蛍光体を組み合わせることにより、発光色における赤色成分の不足を改善することができ、演色性をはじめとした光質の向上が可能となる。なお、Ｃａ（Ｅｕ_0.5Ｌａ_0.5）₄Ｓｉ₃Ｏ₁₃赤色蛍光体の発光は、Ｅｕ³⁺イオンの４ｆ−４ｆ遷移によるもので、波長６１５ｎｍ付近においてシャープなスペクトルの赤色光が得られる。また、ＣａＥｕ（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）₃Ｏ₇、ＣａＥｕ₂Ｓｉ₂Ｏ₈、及びＬｉＥｕＷ₂Ｏ₈などもＣａ（Ｅｕ_0.5Ｌａ_0.5）₄Ｓｉ₃Ｏ₁₃と類似の蛍光特性を有している。

これらの酸化物系赤色蛍光体は、原料として安定な酸化物又は炭酸塩を混合し、大気下で焼成することにより簡単に合成でき、且つ、室内で容易に取り扱うことが可能である。このため、窒化物系蛍光体に比べて合成が容易である。なお、ＬｉＥｕＷ₂Ｏ₈についてはＥｄ³⁺イオンサイトに、微量のＳｍ³⁺イオンを置換固溶することで、波長４００ｎｍ付近及び４６５ｎｍ付近の励起帯が長波長側に広がることが知られている。

一方、Ｙ₂Ｏ₂Ｓ:Ｅｕ³⁺は、ディスプレイ用途として実用化されている赤色蛍光体であり、３８０〜４００ｎｍ付近の近紫外領域に励起帯を持ち、Ｅｕ³⁺イオンの４ｆ−４ｆ選移により波長６２５ｎｍ付近にシャープなスペクトルの深い赤色発光を示す。また、Ｌａ₂Ｏ₂Ｓ:Ｅｕ³⁺は、Ｙ₂Ｏ₂Ｓ:Ｅｕ³⁺の吸収率などを改善した赤色蛍光体で、Ｙ₂Ｏ₂Ｓ:Ｅｕ³⁺と類似の蛍光特性を有する。これらの材料は、Ｅｕ成分量がごくわずかなために耐久性はあまり良好ではないが安価である。

更に、本発光装置は、第１の蛍光体とは基本組成を異にし、ＬＥＤが発する光により励起され緑色光を発する第３の蛍光体を更に備えることが好ましい。このような蛍光体として、例えば、ＺｎＳ：Ｃｕ⁺，Ａｌ³⁺等の緑色蛍光体を用いることが可能である。第１の蛍光体により発せられる光の緑色光域を補強するように第３の蛍光体を追加することにより、さらに光質を向上させることができ、様々な用途に適切に対応することができる発光波長成分の光を得ることができる。このように、エレクトロルミネッセンス現象を利用した発光波長成分が選択できるＬＥＤによる光と、その光により励起され、可視光に変換される蛍光体の光を用いることで使用目的に応じた理想的な光を自在に合成することができ、且つ、ストークスシフトによるエネルギーロスの低減、及び水銀フリー化などの環境面への対策をも図ることができる。

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではない。
（実施例１）
図２に、波長４６５ｎｍをピーク波長とする青色ＬＥＤ、ＺｎＳ：Ｃｕ⁺，Ａｌ³⁺緑色蛍光体、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）₂ＳｉＯ₄:Ｅｕ²⁺系黄色蛍光体、及びＣａ（Ｅｕ_0.5Ｌａ_0.5）₄Ｓｉ₃Ｏ₁₃赤色蛍光体の各分光分布を用いて理論計算により求めたｘｙ色度座標で（０．３５，０．３５）の昼白色における光のスペクトルを示す。このスペクトル光は、一般的な演色性を示す平均演色評価数Ｒａが８４と比較的高く、光色の冷温さを示す相関色温度Ｔｃｐが４７００Ｋとなる特性を有している。

（実施例２）
また、図３に、同様の青色ＬＥＤと、同様の各種蛍光体の各分光分布を用いて理論計算により求めたｘｙ色度座標で（０．４５，０．４０）の電球色における光のスペクトルを示す。このスペクトル光は、平均演色評価数Ｒａが７８で、光色の冷温さを示す相関色温度Ｔｃｐが２７００Ｋとなる特性を有している。

（実施例３）
図４に、波長４０５ｎｍをピーク波長とする紫色ＬＥＤ、ＺｎＳ:Ｃｕ⁺，Ａｌ³⁺緑色蛍光体、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）₂ＳｉＯ₄:Ｅｕ²⁺系黄色蛍光体、及びＣａ（Ｅｕ_0.5Ｌａ_0.5）₄Ｓｉ₃Ｏ₁₃赤色蛍光体の各分光分布を用いて理論計算により求めたｘｙ色度座標で（０．５３，０．４２）における光のスペクトルを示す。このスペクトル光は、平均演色評価数Ｒａが７８、相関色温度Ｔｃｐが２０００Ｋとなる特性を有する温かみのある光であり、かつ波長４３０〜４８０ｎｍ付近の青色光成分がほとんど含まれていないという特徴を有している。

上記実施例１乃至実施例３に示されるように、近紫外から青色の範囲に含まれる光を発するＬＥＤと、緑、黄、赤色の各種蛍光体を組み合わせ、それぞれのスペクトル強度を調整することにより、昼白色といった一般的な白色光から電球色といった温かみのある光を中心に、広い色度範囲の光が得られ、主に照明用途向けに使用目的に応じた光を提供することができる。なお、一般に、光質を示す１つの指標としての演色性の値Ｒａ（平均演色評価数）は８５以上あれば高い特性であるといえ、上記実施例ではそれに近い値が得られており、一般照明用途向けにはほとんど差し支えないものである。

また、現在、幅広く普及している３波長形蛍光ランプ用赤色蛍光体には、Ｙ₂Ｏ₃:Ｅｕ³⁺が用いられているが、これはＥｕ³⁺イオンの４ｆ−４ｆ遷移による６１１ｎｍをピーク波長としたシャープなスペクトルを活用しており、人間の視感度特性、エネルギー効率、及び演色性を十分に考慮して実用化されているものである。本発明におけるＣａ（Ｅｕ_0.5Ｌａ_0.5）₄Ｓｉ₃Ｏ_１3をはじめとした酸化物系赤色蛍光体はＹ₂Ｏ₃:Ｅｕ³⁺に近い発光特性を有しており、Ｅｕ²⁺イオンの５ｄ−４ｆ遷移によるブロードな発光特性を示すＥｕ²⁺イオン付活Ｃａ₂Ｓｉ₅Ｎ₈などの窒化物系赤色蛍光体に比べて、一般照明用途向けには有効であると考えられる。

また、図４に示されるように、実施例３では、波長４３０〜４８０ｎｍの青色光成分がほとんど含まれていない。人間は、夜間、脳内ホルモンの１つであるメラトニンが分泌されることにより良好な睡眠を取っているが、最近、波長４７０ｎｍ付近をピークとした青色光成分がメラトニンの分泌を抑制してしまうことが分かっている。そこで、本発明はメラトニン分泌の抑制を防止する照明への応用が期待でき、例えば、入眠前の読書スタンドや夜間のトイレ照明などに用いることにより、良い睡眠状態が得られる光を提供することができる。なお、メラトニンの分泌は睡眠だけではなく、例えば皮膚の抗酸化作用といった老化防止への影響もあることから、美肌効果も期待できる。

また、上述した構成に他の有色ＬＥＤを付加することにより、さらに使用目的に適応したスペクトルの光を自在に得ることが可能であり、これまでの発光装置では実現できなかった光を提供でき、照明を主体に、その用途が広がるものと考えられる。なお、緑、赤などの各有色ＬＥＤによる光はエネルギー的に有利であるだけでなく、色純度が良好なため、イルミネーションなどの装飾、演出効果にも適している。

黄色光を発する（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）₂ＳｉＯ₄:Ｅｕ²⁺系黄色蛍光体の波長３２０〜５２０ｎｍにおける励起スペクトルを示した図。 実施例１に係る発光装置の光のスペクトルを示した図。 実施例２に係る発光装置の光のスペクトルを示した図。 実施例３に係る発光装置の光のスペクトルを示した図。 黄色光を発する（Ｙ，Ｇｄ）₃（Ａｌ，Ｇａ）₅Ｏ₁₂:Ｃｅ³⁺系蛍光体の波長３２０〜５２０ｎｍにおける励起スペクトルを示した図。

Claims (4)

1. 波長４００ｎｍ前後の近紫外から青色の範囲に含まれる光を発するＩｎＧａＮ系ＬＥＤ（Light Emitting Diode）と、
   前記ＬＥＤが発する光により励起され緑色から橙色の範囲に含まれる光を発する、アルカリ土類金属をＭとして、Ｍ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋を基本組成とする第１の蛍光体と、
   前記ＬＥＤが発する光により励起され赤色光を発する、付活材としてＥｕ³⁺イオンを含む第２の蛍光体と、を備えたことを特徴とする発光装置。
2. 前記第２の蛍光体が、アルカリ土類金属をＭとして、Ｍ（Ｅｕ，Ｌａ）₄（Ｓｉ，Ｇｅ）₃Ｏ₁₃系、Ｍ（Ｅｕ，Ｌａ）（Ａｌ，Ｇａ）₃Ｏ₇系、Ｍ（Ｅｕ，Ｌａ）₂（Ｓｉ，Ｇｅ）₂Ｏ₈系、Ｌｉ（Ｅｕ，Ｓｍ）Ｗ₂Ｏ₈系、Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺系、及びＬａ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺系の蛍光体の中から少なくとも１種類以上を選択してなることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記第１の蛍光体とは基本組成を異にし、前記ＬＥＤが発する光により励起され緑色光を発する第３の蛍光体を、更に備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光装置。
4. 前記アルカリ土類金属Ｍが、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａの中から少なくとも１つ以上を選択してなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発光装置。

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