JP6256541B2 - 発光装置 - Google Patents
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Description
本開示に係る一実施態様の目的は、優れた演色性と高い発光効率とを有する発光装置を提供することにある。
400nm以上480nm以下の波長範囲に発光ピーク波長を有する発光素子と、アルカリ土類金属、アルカリ金属、アルミニウム及びユーロピウムを含む窒化物である第一蛍光体と、アルカリ土類金属、アルミニウム、ケイ素及びユーロピウムを含む窒化物である第二蛍光体と、500nm以上560nm以下の波長範囲に発光ピーク波長を有する第三蛍光体とを含む蛍光部材と、を備え、前記第一蛍光体及び第二蛍光体の総含有量に対する第一蛍光体の含有率が5質量%以上95質量%以下の発光装置である。
また蛍光体の平均粒径は、フィッシャー・サブ・シーブ・サイザーズ・ナンバー(Fisher Sub Sieve Sizer's No.)と呼ばれる数値であり、空気透過法を用いて測定される。
蛍光体の半値幅は、蛍光体の発光スペクトルにおいて、最大発光強度の50%の発光強度を示す発光スペクトルの波長幅を意味する。
本実施形態の発光装置は、400nm以上480nm以下の波長範囲に発光ピーク波長を有する発光素子と、アルカリ土類金属、アルカリ金属、アルミニウム及びユーロピウムを含む窒化物である第一蛍光体と、アルカリ土類金属、アルミニウム、ケイ素及びユーロピウムを含む窒化物である第二蛍光体と、500nm以上560nm以下の波長範囲に発光ピーク波長を有する第三蛍光体とを含む蛍光部材と、を備え、前記第一蛍光体及び第二蛍光体の総含有量に対する第一蛍光体の含有率が5質量%以上95質量%以下である。
また特殊演色評価数はR9〜R15の評価数として表わされ、中でもR9は彩度の高い赤色の見え方の指針とされる。食肉などを扱う環境では、R9の評価数に着目されることが多く、評価数が高いほど好ましい。
発光装置が発する光の相関色温度は、例えば2700K以上6500K以下とすることができる。
発光装置100は、可視光の短波長側(例えば、380nm以上485nm以下の範囲)の光を発し、発光ピーク波長が430nm以上470nm以下の範囲内にある窒化ガリウム系化合物半導体の発光素子10と、発光素子10を載置する成形体40と、を有する。成形体40は、第1のリード20及び第2のリード30と、樹脂部42とが一体的に成形されてなるものである。あるいは樹脂部42に代えてセラミックスを材料として既に知られた方法を利用して成形体40を形成することもできる。成形体40は底面と側面を持つ凹部を形成しており、凹部の底面に発光素子10が載置されている。発光素子10は一対の正負の電極を有しており、その一対の正負の電極はそれぞれ第1のリード20及び第2のリード30とワイヤ60を介して電気的に接続されている。発光素子10は蛍光部材50により被覆されている。蛍光部材50は例えば、発光素子10からの光を波長変換する蛍光体70として第一蛍光体71、第二蛍光体72及び第三蛍光体73と樹脂とを含有してなる。
図2は、本実施形態に係る発光装置の別の一例を示す概略断面図である。図2では、発光素子10に近い方から順に、第一蛍光体71、第二蛍光体72及び第三蛍光体73が配置されている。これにより、第三蛍光体73の発光が第一蛍光体71及び第二蛍光体72を励起させてしまうことを抑制することができる。また、第三蛍光体73を最も上に配置することにより、第三蛍光体73の発光を発光装置の外へ取り出し易くすることができる。
図2では第一蛍光体71、第二蛍光体72及び第三蛍光体73がそれぞれ配置されているが、第一蛍光体71及び第二蛍光体72が混合されて配置され、その上に第三蛍光体が配置されていてもよい。
発光素子の発光ピーク波長は、430nm以上470nm以下の範囲にあり、発光効率の観点から、445nm以上455nm以下の範囲にあることが好ましい。この範囲に発光ピーク波長を有する発光素子を励起光源として用いることにより、発光素子からの光と蛍光体からの蛍光との混色光を発する発光装置を構成することが可能となる。さらに、発光素子から外部に放射される光を有効に利用することができるため、発光装置から出射される光の損失を少なくすることができ、高効率な発光装置を得ることができる。
発光素子にはLEDなどの半導体発光素子を用いることが好ましい。光源として半導体発光素子を用いることによって、高効率で入力に対する出力のリニアリティが高く、機械的衝撃にも強い安定した発光装置を得ることができる。
半導体発光素子としては、例えば、窒化物系半導体(InXAlYGa1−X−YN、ここでX及びYは、0≦X、0≦Y、X+Y≦1を満たす)を用いた青色、緑色等に発光する半導体発光素子を用いることができる。
蛍光部材は、発光素子から発せられる光を吸収し、赤色に発光する第一蛍光体の少なくとも1種と、赤色に発光する第二蛍光体の少なくとも1種と、緑色に発光する第三蛍光体の少なくとも1種とを含み、第一蛍光体及び第二蛍光体の総含有量に対する第一蛍光体の含有率が5質量%以上95質量%以下である。第一蛍光体及び第二蛍光体は互いに異なる組成を有している。第一蛍光体、第二蛍光体及び第三蛍光体(以下、併せて単に「蛍光体」ともいう。)の構成比率を適宜選択することで発光装置の発光効率、演色性等の特性を所望の範囲とすることができる。蛍光部材は、例えば、蛍光体と樹脂とを含むことができる。
蛍光部材は、アルカリ土類金属、アルカリ金属、アルミニウム及びユーロピウムを含む窒化物を含む第一蛍光体の少なくとも1種を含む。第一蛍光体は、例えば、下記式(I)で表される組成を有する。
Ma xMb yAl3Nz:Eu (I)
式中、Maは、Ca、Sr及びBaからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、Sr及びCaの少なくとも一方を含むことが好ましく、少なくともSrを含むことがより好ましい。MaがCa及びSrの少なくとも一方を含む場合、Maに含まれるCa及びSrの総モル比率は、例えば85モル%以上であり、90モル%以上が好ましい。
Euの組成比は、アルミニウムの組成比3を基準にすると、発光効率の点で、例えば0.002以上0.020以下であり、0.005以上0.015以下が好ましい。
なお、第一蛍光体中に含まれる不純物として、原料や大気中からと考えられる酸素の含有量が2.5重量%以下であることが好ましく、後述するフラックスとしてフッ素を含む化合物をフラックスとして加えた場合、フッ素の含有量が1.0重量%以下であることが好ましい。
第一蛍光体は、極大励起波長を例えば400nm以上570nm以下の波長範囲に有し、420nm以上460nm以下の波長範囲に有することが好ましい。第一蛍光体は、発光ピーク波長を例えば630nm以上670nm以下の波長範囲に有し、640nm以上660nm以下の波長範囲に有することが好ましい。
平均粒径は大きいほうが、励起光の吸収率及び発光効率がより高くなる傾向がある。このように、光学特性に優れた第一蛍光体を後述する発光装置に含有させることにより、発光装置の発光効率がより向上する。
また第一蛍光体は、上記の平均粒径値を有する蛍光体粒子が、頻度高く含有されていることが好ましい。すなわち、粒度分布は狭い範囲に分布していることが好ましい。粒度分布のバラツキが小さい蛍光体を用いることにより、より色ムラが抑制され、より良好な色調を有する発光装置が得られる。
蛍光部材は、アルカリ土類金属、アルミニウム、ケイ素及びユーロピウムを含む窒化物である第二蛍光体の少なくとも1種を含む。第二蛍光体は、例えば、下記式(II)で表される組成を有する。
SrsCatAluSivNw:Eu (II)
s、t、u、v及びwはそれぞれ、0.0≦s<1.0、0.0<t≦1.0、s+t≦1.0、0.9≦u≦1.1、0.9≦v≦1.1、2.5≦w≦3.5を満たす。
Euの組成比は、SrとCaの組成比の和(s+t=1.0)を基準にすると、発光効率の点で、例えば0.002以上0.04以下であり、0.004以上0.03以下が好ましい。
なお、第二蛍光体中に含まれる不純物として、原料や大気中からと考えられる酸素の含有量が1.5重量%以下であることが好ましく、後述するフラックスとしてフッ素を含む化合物をフラックスとして加えた場合、フッ素の含有量が0.5重量%以下であることが好ましい。
第二蛍光体は、400nm以上480nm以下の波長範囲に発光ピーク波長を有する発光素子からの光による励起され易さを考慮して、その励起スペクトルが、少なくとも400nm以上480nm以下の波長範囲にある程度の強度を有することが好ましい。第二蛍光体は、発光ピーク波長を例えば600nm以上655nm以下の波長範囲に有し、605nm以上650nm以下の波長範囲に有することが好ましい。
蛍光部材は、500nm以上560nm以下の波長範囲に発光ピーク波長を有する第三蛍光体の少なくとも1種を含む。第一蛍光体及び第二蛍光体に加えて第三蛍光体を含むことで所望の発色光を得ることができる。
第三蛍光体は、発光ピーク波長を500nm以上560nm以下の波長範囲に有するが、505nm以上555nm以下の波長範囲に有することが好ましい。第三蛍光体は、極大励起波長を例えば420nm以上480nm以下の波長範囲に有し、430nm以上470nm以下の波長範囲に有することが好ましい。
Ln3Al5−pGapO12:Ce (IIIa)
式中、LnはY、Lu、Gd及びTbからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0.0≦p≦3.0を満たす。
La3−qYqSi6N11:Ce (IIIb)
0.0≦q≦1.5を満たす。
蛍光部材は、485nm以上540nm以下の波長範囲に発光ピーク波長を有する第四蛍光体の少なくとも1種を含んでいてもよい。このような第四蛍光体を更に含むことで、発光装置の発光スペクトルにおいて第三蛍光体だけでは不足し得る特定の発光成分を第四蛍光体による発光成分で補うことができ、より優れた演色性を有する発光装置とすることができる。
第四蛍光体の発光スペクトルにおける半値幅は、例えば、80nm以下であり、75nm以下が好ましい。また半値幅は例えば40nm以上であり、50nm以上が好ましい。第四蛍光体の半値幅が所定値以上であると、発光装置の発光スペクトルが、ある特定の発光成分に偏ることを抑制できる傾向がある。一方、第四蛍光体の半値幅が所定値以下であると、比較的半値幅が広い第三蛍光体の発光スペクトルとの重なりを抑制できる傾向がある。このように第三蛍光体の発光スペクトルを考慮して第四蛍光体の発光特性を調節することで、発光装置の演色性と発光効率とをより向上することができる。
第四蛍光体は、400nm以上480nm以下の波長範囲に発光ピーク波長を有する発光素子からの光による励起され易さを考慮して、その励起スペクトルが、少なくとも400nm以上480nm以下の波長範囲にある程度の強度を有することが好ましい。
Mc 8MgSi4O16X2:Eu (IVa)
式中、Mcは、Ca、Sr及びBaからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、Xは、Cl、F及びBrからなる群から選択される少なくとも1種の元素である。
Md 4Al14O25:Eu (IVb)
式中、Mdは、Ca、Sr及びBaからなる群から選択される少なくとも1種の元素である。
Me 2SiO4:Eu (IVc)
式中、MeはCa、Sr、Ba及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の元素である。
発光装置は、第一蛍光体、第二蛍光体、第三蛍光体及び第四蛍光体以外のその他の蛍光体を必要に応じて含んでいてもよい。その他の蛍光体としては、Ca3Sc2Si3O12:Ce、CaSc2O4:Ce、(Ba,Sr,Ca)Si2O2N2:Eu、(Ca,Sr,Ba)3Si6O12N2:Eu、Si6−zAlzOzN8−z:Eu(0<z≦4.2)、(Ca,Sr,Ba)Ga2S4:Eu、(Ca,Sr,Ba)2Si5N8:Eu、(Ca,Sr,Ba)S:Eu、K2(Si,Ti,Ge)F6:Mn等を挙げることができる。発光装置がその他の蛍光体を含む場合、その含有量は、例えば蛍光体の総量中に10質量%以下であり、1質量%以下が好ましい。
蛍光部材は、蛍光体及び樹脂に加えてその他の成分を必要に応じて含んでいてもよい。その他の成分としては、シリカ、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム等のフィラー、光安定化剤、着色剤等を挙げることができる。蛍光部材がその他の成分、例えばフィラーを含む場合、その含有量は樹脂100質量部に対して、0.01質量部以上20質量部以下とすることができる。
第一蛍光体として、SrLiAl3N4:Euで表される組成を有する蛍光体1を準備した。第二蛍光体として、(Sr,Ca)AlSiN3:Euで表される組成を有する蛍光体2を準備した。第三蛍光体として、Y3(Al,Ga)5O12:Ceで表される組成を有する蛍光体3a及びLu3Al5O12:Ceで表される組成を有する蛍光体3bを準備した。第四蛍光体として、Ca8MgSi4O16Cl2:Euで表される組成を有する蛍光体4a、Sr4Al14O25:Euで表される組成を有する蛍光体4b及び(Sr,Ba)2SiO4:Euで表される組成を有する蛍光体4cを準備した。
また第二蛍光体の半値幅に対する第一蛍光体(蛍光体1)の半値幅の比を、蛍光体2aから2dの第二蛍光体について、それぞれ示す。
発光装置の作製
発光波長454nmの青色発光LED(発光素子)に、表2に示す第一蛍光体、第二蛍光体及び第三蛍光体を組み合わせて、以下のようにして発光装置を作製した。
発光装置が発する混色光の色度座標がx=0.450、y=0.400付近となるように配合した蛍光体をシリコーン樹脂に添加し、混合分散した後、更に脱泡することにより蛍光体含有樹脂組成物を得た。次にこの蛍光体含有樹脂組成物を発光素子の上に注入、充填し、さらに加熱することで樹脂組成物を硬化させた。このような工程により発光装置をそれぞれ作製した。
光束比は、第二蛍光体の比率が高まるほど、すなわち、第一蛍光体の比率が低くなるほど明るくなっている。これは第二蛍光体の発光ピーク波長のほうが第一蛍光体の発光ピーク波長よりも短波に位置するために、光束に影響を与える視感度が高くなるためと考えられる。Ra及びR9については、波長の異なる蛍光体1と蛍光体2の組合せの場合、蛍光体1を用いた場合と蛍光体2を用いた場合の中間の値になるのが一般的である。しかしながら、実施例に示されるように一定の発光特性差を有する蛍光体を組み合わせることで、図4に示すように、各実施例で発光装置のスペクトルが変化していき、550nmから700nmの赤色成分の形状が、例えば、600nm付近の発光強度が、比較例2よりも実施例1、2及び3のほうが小さくなるため、Ra及びR9を高めることができたと考えられる。
発光装置の作製
第一蛍光体の代わりに発光ピーク波長が蛍光体1と同じ蛍光体2bを用いて、表3に示す蛍光体の組合せに変更した以外は実施例1と同様の方法で、発光装置を作製した。表3には比較例2のデータも併せて示す。また、表中の質量比率(%)は蛍光体2aと蛍光体2bの総質量中の蛍光体2bの質量比(%)を示す。
発光装置の作製
表4に示す第一蛍光体、第二蛍光体及び第三蛍光体の組合せに変更した以外は実施例1と同様の方法で、発光装置を作製した。表4の「第一質量比率(%)」は第一蛍光体と第二蛍光体の総量に対する第一蛍光体の質量比率(%)を表す。
比較例5及び6は比較例1及び2よりもRa、R9が低い。一方、実施例9及び10は、比較例1及び2よりもRa及びR9が高い。光束比は、第二蛍光体の比率が高まるほど、すなわち第一蛍光体の比率が低くなるほど高くなっている。図6に示すように、各実施例5から10で発光装置の発光スペクトルが変化していき、550nmから700nmの赤色成分の発光スペクトル形状が特徴的である。すなわち、例えば、600nm付近の発光強度が、比較例5よりも実施例8のほうで小さくなるため、基準光に近づいてRa及びR9を高めることができたと考えられる。
表5に示す第一蛍光体、第二蛍光体及び第三蛍光体の組合せに変更した以外は実施例1と同様の方法で、発光装置を作製した。表5には比較例1のデータを併せて示す。表5の「第一質量比率(%)」は第一蛍光体と第二蛍光体の総量に対する第一蛍光体の質量比率(%)を表す。
発光装置の作製
表6に示す第一蛍光体、第二蛍光体、第三蛍光体及び第四蛍光体の組合せに変更した以外は実施例1と同じ方法で、発光装置を作製した。第三蛍光体に対する第四蛍光体の質量比率(%)を「第四質量比率(%)」として表6に示す。表6の「第一質量比率(%)」は第一蛍光体と第二蛍光体の総量に対する第一蛍光体の質量比率(%)を表す。
実施例12から17は実施例3よりも光束比がわずかに低下しているが、Ra及びR9が高くなっており、高い演色性を有していることが分かる。これは例えば、蛍光体4a及び4bは蛍光体3aよりも短波側に発光ピーク波長を有することから、図8Aから図8Cに示す発光装置の発光スペクトルから分かるように、490nmから550nm付近の発光成分を増やし、それに伴い、550nmから660nmの発光成分が減少した影響で、基準光に近づいたためと考えられる。
表7に示す第一蛍光体、第二蛍光体及び第三蛍光体の組合せに変更した以外は実施例1と同じ方法で、実施例18から21、比較例7、8の発光装置を調製した。表7の「第一質量比(%)」は第一蛍光体と第二蛍光体の総量に対する第一蛍光体の質量比率(%)を表す。
Claims (14)
- 400nm以上480nm以下の波長範囲に発光ピーク波長を有する発光素子と、
下記式(I)で表される組成を有し、630nm以上670nm以下の波長範囲に発光ピーク波長を有する第一蛍光体と、下記式(II)で表される組成を有し、600nm以上655nm以下の波長範囲に発光ピーク波長を有する第二蛍光体と、500nm以上560nm以下の波長範囲に発光ピーク波長を有する第三蛍光体とを含む蛍光部材と、
を備え、
前記第一蛍光体の含有率は、前記第一蛍光体及び前記第二蛍光体の総含有量に対して5質量%以上95質量%以下であり、
前記第一蛍光体の発光ピーク波長は、前記第二蛍光体の発光ピーク波長以上であり、
前記第一蛍光体の発光スペクトルの半値幅は、40nm以上70nm以下であって、前記第二蛍光体の発光スペクトルの半値幅に対する比が0.5以上0.8以下である発光装置。
Ma xMb yAl3Nz:Eu (I)
(式(I)中、Maは、Ca、Sr、Ba及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、Mbは、Li、Na及びKからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、x、y及びzはそれぞれ、0.5≦x≦1.5、0.5≦y≦1.2及び3.5≦z≦4.5を満たす。)
SrsCatAluSivNw:Eu (II)
(式(II)中、s、t、u、v及びwは、それぞれ、0.0≦s<1.0、0.0<t≦1.0、s+t≦1.0、0.9≦u≦1.1、0.9≦v≦1.1、2.5≦w≦3.5を満たす。) - 前記第一蛍光体の発光スペクトルの半値幅は、40nm以上60nm以下である請求項1に記載の発光装置。
- 前記第二蛍光体の発光スペクトルの半値幅は、70nm以上100nm以下である請求項1又は2に記載の発光装置。
- 前記式(I)において、MaがCa及びSrの少なくとも一方を含み、MbがLiを含む請求項1から3のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記式(I)において、xが0.7以上1.2以下である請求項1から4のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記蛍光部材は、樹脂を含み、前記第一蛍光体の含有量が、樹脂100質量部に対して0.1質量部以上30質量部以下である請求項1から5のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記第三蛍光体の含有率は、前記第一蛍光体及び前記第二蛍光体の総含有量に対して50質量%以上2000質量%以下である請求項1から6のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記第一蛍光体の含有率は、前記第一蛍光体及び前記第二蛍光体の総含有量に対して40質量%以上70質量%以下である請求項1から7のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記第三蛍光体の発光スペクトルの半値幅は、90nm以上125nm以下である請求項1から8のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記第三蛍光体が、下記式(IIIa)又は(IIIb)で表される組成を有する蛍光体を1種以上含む請求項1から9のいずれか1項に記載の発光装置。
Ln3Al5−pGapO12:Ce (IIIa)
(式中、LnはY、Lu、Gd及びTbからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0.0≦p≦3.0を満たす。)
La3−qYqSi6N11:Ce (IIIb)
(0.0≦q≦1.5を満たす。) - 前記蛍光部材は、480nm以上540nm以下の波長範囲に発光ピーク波長を有する第四蛍光体を含む請求項1から10のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記第四蛍光体の発光スペクトルの半値幅が、40nm以上80nm以下である請求項11に記載の発光装置。
- 前記第四蛍光体が、下記式(IVa)、(IVb)又は(IVc)で表される組成を有する蛍光体を1種以上含む請求項11又は12に記載の発光装置。
Mc 8MgSi4O16X2:Eu (IVa)
(式中、Mcは、Ca、Sr及びBaからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、Xは、Cl、F及びBrからなる群から選択される少なくとも1種の元素である。)
Md 4Al14O25:Eu (IVb)
(式中、Mdは、Ca、Sr及びBaからなる群から選択される少なくとも1種の元素である。)
Me 2SiO4:Eu (IVc)
(式中、MeはCa、Sr、Ba及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の元素である。) - 前記蛍光部材では、前記発光素子に近い方から順に、前記第一蛍光体、前記第二蛍光体及び前記第三蛍光体が配置されている請求項1から10のいずれか1項に記載の発光装置。
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