JP2007081090A

JP2007081090A - 白色発光体及び照明装置

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Publication number: JP2007081090A
Application number: JP2005266488A
Authority: JP
Inventors: Shunichiro Hirafune; 俊一郎平船; Naoki Kimura; 直樹木村
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2007-03-29

Abstract

【課題】発光素子と複数種類の蛍光体とを組み合わせた高演色性の白色発光体において色バラツキを低減することが可能な白色発光体とそれを用いた照明装置の提供。
【解決手段】カップ状の凹部を有する基材と、該凹部の底面に実装された青色発光ダイオードと、該凹部内に充填され青色光によって励起されて青色以外の可視光を発する蛍光体が分散された透明樹脂部とを有してなる白色発光体であって、前記蛍光体が少なくとも２種類以上用いられ、前記透明樹脂部は、含まれる蛍光体が異なる少なくとも２層以上とされ、それらの層のうち前記凹部の底面側に設けられる下側の層に含まれている蛍光体の種類が、前記凹部の開口側に設けられる上側の層に含まれる蛍光体の種類と同じか又は少ないことを特徴とする白色発光体。
【選択図】図１

Description

本発明は、青色発光ダイオード（以下、青色ＬＥＤと記す。）、と蛍光体とを組み合わせ、白色光を発するように構成された白色発光体及びそれを用いた照明装置に関する。

青色ＬＥＤとしてのＧａＮ系ＬＥＤの開発以来１０年以上が経過して、ＬＥＤ自体の効率向上及び低価格化に伴って、ＬＥＤの利用分野が急速に拡大している。特に、青色ＬＥＤと蛍光体の組合せによる白色ＬＥＤの実現と相まって、照明分野でもＬＥＤが光源として利用されるようになってきている。

図２は、従来の青色ＬＥＤと蛍光体の組合せによる白色発光体の構造を例示する断面図である。この従来の白色発光体１は、カップ状の凹部３を有する基材２と、該基材２の凹部３底面に実装された青色ＬＥＤ素子４と、凹部３内に充填され蛍光体５を分散させた透明樹脂部６とから構成されている。前記透明樹脂部６は、青色光で励起され青色光以外の可視光、例えば黄色光を発する微粒子状の蛍光体５を分散した透明樹脂、例えば透明エポキシ樹脂等からなり、基材２の凹部３内に充填され、青色ＬＥＤ素子４を封止している。この白色発光体１は、青色ＬＥＤ素子４を点灯することで、青色光の一部が蛍光体５に吸収され、蛍光体５を励起して黄色光などの可視域の蛍光が発せられ、青色光と蛍光との混色光（白色光）が凹部３の開口から出射するようになっている。なお、図示していないが、白色発光体１として機能させるには、この他に、青色ＬＥＤ４への通電手段が必要であり、場合によっては、光を制御するレンズや拡散板、基材の保護のための部材が付加される。

また、照明用途の場合などには、特許文献１に記載されているように、高演色性の白色発光が可能なＬＥＤが提案されている。この特許文献１に記載されたＬＥＤは、青色ＬＥＤと、青色光により黄色光を発する第１の蛍光物質と、青色光により赤色系の光を発する第２の蛍光物質とを組み合わせることによって、高演色性の白色発光を可能にしている。
特開２００３−１０１０８１号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているように、高演色性の白色光を得るために、少なくとも２種類以上の蛍光体と青色ＬＥＤとを組み合わせて白色発光体を構成する場合、個々の白色発光体の色バラツキが大きくなってしまう問題があった。
本発明者らがその原因を究明したところ、透明樹脂に複数種類の蛍光体を混合、分散させた材料を基材の凹部に充填する時点では、各蛍光体の濃度のバラツキを小さくして充填することが可能であるが、各蛍光体の分散状態までは等しくできないため、複数種類の蛍光体の分散状態がある程度ばらついてしまうことにより、製造された個々の白色発光体の発光色を比較した場合、色バラツキが生じることがわかった。

具体例として、図３を参照して、２種類の蛍光体を用いた場合について説明する。図３（ａ）〜（ｃ）に示す白色発光体７Ａ，７Ｂ，７Ｃは、カップ状の凹部３を有する基材２と、該基材２の凹部３底面に実装された青色ＬＥＤ素子４と、凹部３内に充填され第１の蛍光体８と第２の蛍光体９を分散させた透明樹脂部６とから構成されている。
図３（ａ）に示すように、透明樹脂に第１の蛍光体８と第２の蛍光体９とを分散させた状態で充填し、硬化させる場合、図３（ｂ）と（ｃ）に示すように個々の蛍光体の分布にばらつきを生じてしまい、その結果、製造された個々の白色発光体７Ｂ，７Ｃの発光色に色バラツキを生じてしまう。（ｂ）の白色発光体７Ｂでは、第１の蛍光体８が上方側に多く、第２の蛍光体９が青色ＬＥＤ素子４側に多く分布している。一方、（ｃ）の白色発光体７Ｃでは、第１の蛍光体８が青色ＬＥＤ素子４側に多く、第２の蛍光体９が上側に多く分布している。このように個々の蛍光体の分布が異なった（ｂ）と（ｃ）の白色発光体７Ｂ，７Ｃが作製されることで、製造された個々の白色発光体の発光色を比較した場合、色バラツキを生じることになる。

このような色バラツキは、現在実用化されている青色ＬＥＤと黄色蛍光体との組合せに、赤色蛍光体を加え、高演色性を目指した白色発光体において特に顕著に現れる。すなわち、現状の赤色蛍光体は、広い吸収スペクトル（励起スペクトル）を持っているため、青色ＬＥＤから発する青色光のみならず、黄色蛍光体から発する黄色をも吸収してしまうことによる。このため、例えば、上側に赤色蛍光体が多く分布している場合と、下側（青色ＬＥＤ側）に多く分布している場合とでは、たとえ蛍光体濃度が同一でも出射される混合光の色が相異してしまうことになる。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、発光素子と複数種類の蛍光体とを組み合わせた高演色性の白色発光体において色バラツキを低減することが可能な白色発光体とそれを用いた照明装置の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、カップ状の凹部を有する基材と、該凹部の底面に実装された青色ＬＥＤと、該凹部内に充填され青色光によって励起されて青色以外の可視光を発する蛍光体が分散された透明樹脂部とを有してなる白色発光体であって、前記蛍光体が少なくとも２種類以上用いられ、前記透明樹脂部は、含まれる蛍光体が異なる少なくとも２層以上とされ、それらの層のうち前記凹部の底面側に設けられる下側の層に含まれている蛍光体の種類が、前記凹部の開口側に設けられる上側の層に含まれる蛍光体の種類と同じか又は少ないことを特徴とする白色発光体を提供する。

本発明の白色発光体において、前記下側の層に含まれている蛍光体が、その上側の層にのみ含まれている蛍光体よりも広い励起波長域を有していることが好ましい。

本発明の白色発光体において、前記下側の層に含まれている蛍光体の励起スペクトルが、その上側の層にのみ含まれている蛍光体の発光スペクトルと少なくとも一部重なっていることが好ましい。

本発明の白色発光体において、青色ＬＥＤと２種類の蛍光体を使用し、該蛍光体の一方のみを使用した場合よりも平均演色評価数が高いことが好ましい。

本発明の白色発光体において、前記２種類の蛍光体の一方が黄色蛍光体、他方が赤色蛍光体であることが好ましい。

本発明の白色発光体において、青色ＬＥＤと３種類の蛍光体を使用し、該蛍光体の１種類又は２種類のみを使用した場合よりも平均演色評価数が高いことが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係る白色発光体を光源として有している照明装置を提供する。

本発明の白色発光体は、少なくとも２種類以上の蛍光体を用い、透明樹脂層を含まれる蛍光体が異なる少なくとも２層以上とし、それらの層のうち前記凹部の底面側に設けられる下側の層に含まれている蛍光体の種類が、前記凹部の開口側に設けられる上側の層に含まれる蛍光体の種類と同じか又は少ない構成としたので、２種類以上の蛍光体を一緒に透明樹脂に分散して透明樹脂部を設けた場合と比べて、製造される個々の白色発光体の発光色が等しくなり、色バラツキを少なくすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係る白色発光体の一実施形態を示す図断面図である。本実施形態の白色発光体１１は、カップ状の凹部１３を有する基材１２と、該基材１２の凹部１３底面上に実装された青色ＬＥＤ素子１４と、第１の蛍光体１６を分散させた凹部底面側の下層１５と第２の蛍光体１８を分散させた凹部開口側の上層１７との２層に分けられた透明樹脂部とを備えて構成されている。

前記基材１２の材質は特に限定されず、例えばアルミ積層基板、ガラスエポキシ基板などを用いることができる。また、基材１２に設けられた凹部１３の形状や寸法は、凹部１３底面上に実装された青色ＬＥＤ素子１４からの青色光と各蛍光体からの蛍光とを混合して凹部開口から出射させることができればよく、特に限定されない。なお、図示していないが、この基材１２には、青色ＬＥＤ素子１４への通電手段として、凹部１３内に延びる複数の配線が形成されている。さらに、この基材１２には、必要に応じ、出射光を制御するレンズや拡散板、基材保護のための補強部材などを付加することができる。

前記青色ＬＥＤ素子１４は、青色系の光を発するＬＥＤ素子、例えば、ＧａＮ系ＬＥＤなどが用いられる。この青色ＬＥＤ素子１４を前記基材１２の凹部１３底面上に実装する場合、該底面上に延設された一方の配線上に、半田や導電ペーストによって青色ＬＥＤ素子１４を固定して、青色ＬＥＤ素子１４の一方の電極端子と前記一方の配線とを電気的に接続すると共に、青色ＬＥＤ素子１４の他方の電極端子と他方の配線とを金細線などを用いたワイヤボンディングによって電気的に接続する。

前記下層１５及び上層１７の２層に分けられた透明樹脂部は、透明エポキシ樹脂等の透明樹脂に、下層１５に第１の蛍光体１６、上層１７に第２の蛍光体１８を分散させ、凹部１３内に積層して構成されている。

下層１５に含まれる第１の蛍光体１６は、励起スペクトルが比較的広い蛍光体や他の蛍光体の発光スペクトルに励起スペクトルが重なっている蛍光体であることが好ましい。
一方、上層１７に含まれる第２の蛍光体１８は、第１の蛍光体１６に比べて励起スペクトルが比較的狭く、その励起スペクトルが第１の蛍光体１６の発光スペクトルと重ならない蛍光体であることが望ましい。
例えば、励起スペクトルが比較的広い赤色蛍光体と、励起スペクトルが比較的狭い黄色蛍光体を用いる場合、赤色蛍光体を第１の蛍光体１６として下層１５側に混ぜ、黄色蛍光体を第２の蛍光体１８として上層１７に混ぜることが望ましい。

前述したように、本実施形態の白色発光体１１は、励起スペクトルが比較的広い蛍光体や他の蛍光体の発光スペクトルに励起スペクトルが重なっている蛍光体を第１の蛍光体１６として、凹部１３底面側の下層１５に含め、第１の蛍光体１６に比べて励起スペクトルが比較的狭く、その励起スペクトルが第１の蛍光体１６の発光スペクトルと重ならない蛍光体を第２の蛍光体１８として、凹部１３開口側の上層１７に含め、上下２層からなる透明樹脂部を設けている。青色ＬＥＤ素子１４から発せられた青色光は、下層１５から上層１７を通過する間に、第１の蛍光体１６と第２の蛍光体に一部が吸収され、それぞれの蛍光体から蛍光が発せられ、これらの蛍光と青色光とが混合され、白色光として凹部１３開口から出射される。この時、下層１５に励起スペクトルが比較的広い第１の蛍光体１５のみを含めておくことで、第１の蛍光体１５が他の蛍光体からの蛍光を吸収して色バランスを崩すことがない。また、上層１７に含まれる第２の蛍光体１８は、青色光により励起されて蛍光を発するが、第１の蛍光体１６から発せられた蛍光を吸収することが少ないため、上層１７を透過して出射される光は、第１の蛍光体１６から発せられた蛍光と、第２の蛍光体１８から発せられた蛍光と、青色ＬＥＤ素子１４から発せられた青色光との混色光（白色光）が出射され、蛍光体同士間の光吸収を生じ難いことから、設計した通りの高演色の白色光を得ることができる。

次に、本実施形態の白色発光体１１の製造方法を説明する。
まず、カップ上の凹部１３を有し、その表面に銅などの導電材料からなる所望の配線パターンが形成された基材１２を用意する。
次に、凹部１３底面上に青色ＬＥＤ素子１４を実装する。該底面上に延設された一方の配線上に、半田や導電ペーストによって青色ＬＥＤ素子１４を固定して、青色ＬＥＤ素子１４の一方の電極端子と前記一方の配線とを電気的に接続すると共に、青色ＬＥＤ素子１４の他方の電極端子と他方の配線とを金細線などを用いたワイヤボンディングによって電気的に接続する。
次に、凹部１３内に、第１の蛍光体１６を所定濃度で分散させた透明樹脂を所定量充填し、硬化させる。この硬化条件は、使用する樹脂により変化するが、気泡の混入等を防ぐなどの理由で、完全に硬化させない方が望ましい。
その後、この上側に、第２の蛍光体１８を所定濃度で分散させた透明樹脂を所定量充填し、完全硬化させることで、図１に示す白色発光体１１が得られる。

なお、各層の体積や蛍光体の濃度などは、使用する蛍光体の特性、目標とする発光色、カップ形状などによって変化する。

本実施形態の白色発光体１１は、２種類の蛍光体を一緒に透明樹脂に分散して透明樹脂部を設けた場合と比べて、製造される個々の白色発光体１１の発光色が等しくなり、色バラツキを少なくすることができる。
本実施形態の白色発光体１１は、蛍光体の一方のみを使用した場合よりも平均演色評価数が高い白色光が得られるので、高演色性の照明装置などとして適用可能である。

なお、前記実施形態は本発明の単なる例示であり、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更や修正が可能である。
例えば、前述した例示では蛍光体を２種類、透明樹脂部を２層としたが、蛍光体を３種類以上および／または透明樹脂部を３層以上として構成することもできる。
また、前述した例示では表面実装型パッケージを例示したが、特許文献１に記載されている砲弾型のＬＥＤにおいても適用可能である。

［実施例１］
図１に示す構造の表面実装型パッケージを作製した。
基材の凹部に青色ＬＥＤを実装した後、その凹部内に赤色蛍光体を分散させた透明エポキシ樹脂を入れ、その上側に黄色蛍光体を分散させた透明エポキシ樹脂を充填し、樹脂を硬化させ、図１に示すように上下２層の透明樹脂層を形成し、実施例１の白色発光体を作製した。

一方、比較のために、黄色蛍光体と赤色蛍光体の両方を分散させた透明エポキシ樹脂を凹部に充填し、図３に示す１層構造をもつ比較例１の白色発光体を作製した。

作製に使用した蛍光体（Ｐ４６Ｙ３、ＳＣＳ＿Ｒｅｄ）の発光スペクトルを図４に示す。また、その励起スペクトルを図５に示す。
図６には、赤色蛍光体の励起スペクトルと黄色蛍光体の発光スペクトルを示す。図６に示すように、黄色蛍光体の発光波長が赤色蛍光体の励起域と重なっていることがわかる。

これらの蛍光体を用い、実施例１の白色発光体と比較例１の白色発光体をそれぞれ１００個ずつ作製し、個々の白色発光体から発する光のｘｙ色度を測定した。
その結果、２層構造とした実施例１のｘｙ色度の標準偏差は０．００５、０．００３であり、１層構造の比較例１は０．０１、０．００８であり、２層構造の優位性が認められた。なお、演色性は両者間で有意な差はなく、平均演色評価数はどちらも６２程度であった。

また、その他の効果として、２層構造では、一つの白色発光体に必要な蛍光体量が少なくなる。これは、１層構造の場合は、黄色発光が赤色蛍光体に吸収されるために、２層構造と同じ色を実現するためには、より多くの黄色蛍光体を充填する必要があるためである。さらにこの効果により、発光効率に差が生じ２層構造のほうが発光効率が高い結果となった。これは、１層構造の場合には、黄色蛍光体による発光が赤色蛍光体に吸収されて赤色になる割合が増えるためで、青色ＬＥＤによる青色が直接赤色になるよりも効率が悪いためである。

［実施例２］
次に、演色性の高い白色発光体として、３種類の蛍光体を使用したものを作製した。構造は特に図示しない。
基材の凹部に青色ＬＥＤを実装した後、その凹部内に赤色蛍光体を分散させた透明エポキシ樹脂を入れ、その上側に黄色蛍光体と緑色蛍光体を分散させた透明エポキシ樹脂を充填し、樹脂を硬化させ、上下２層の透明樹脂層を形成し、実施例２の白色発光体を作製した。

一方、比較のために、黄色蛍光体、赤色蛍光体及び緑色蛍光体の３種類を分散させた透明エポキシ樹脂を凹部に充填し、１層構造をもつ比較例２の白色発光体を作製した。

作製に使用した蛍光体（Ｐ４６Ｙ３、ＳＣＳ＿Ｒｅｄ、ＴＧ＿Ｇｒｅｅｎ）の発光スペクトルを図７に示す。またその励起スペクトルを図８に示す。
図９には、赤色蛍光体の励起スペクトルと黄色蛍光体と緑色蛍光体の発光スペクトルを示す。図９に示すように、黄色及び緑色蛍光体が赤色蛍光体の励起域と重なっていることがわかる。

これらの蛍光体を用い、実施例２の白色発光体と比較例２の白色発光体をそれぞれ１００個ずつ作製し、個々の白色発光体から発する光のｘｙ色度を測定した。
その結果、２層構造とした実施例１のｘｙ色度の標準偏差は０．０１、０．０８であり、１層構造の比較例２は０．０２、０．０１５であり、２層構造の優位性が認められた。なお、演色性は両者間で有意な差はなく、平均演色評価数はどちらも９０程度であった。

本実施例においても、実施例１のように、蛍光体使用量が少なくなる効果及び発光効率向上の効果が見られた。
なお、発光効率とは、出力された光束÷入力電力である。

本発明に係る白色発光体の一実施形態を示す断面図である。従来の白色発光体の一例を示す断面図である。従来の高演色性の白色発光体における色バラツキの発生原因を説明する断面図である。実施例１で使用した蛍光体の発光スペクトルを示す図である。実施例１で使用した蛍光体の励起スペクトルを示す図である。実施例１で使用した蛍光体の発光及び励起スペクトルを示す図である。実施例２で使用した蛍光体の発光スペクトルを示す図である。実施例２で使用した蛍光体の励起スペクトルを示す図である。実施例２で使用した蛍光体の発光及び励起スペクトルを示す図である。

符号の説明

１１…白色発光体、１２…基材、１３…凹部、１４…青色ＬＥＤ素子、１５…下層、１６…第１の蛍光体、１７…上層、１８…第２の蛍光体。

Claims

カップ状の凹部を有する基材と、該凹部の底面に実装された青色発光ダイオードと、該凹部内に充填され青色光によって励起されて青色以外の可視光を発する蛍光体が分散された透明樹脂部とを有してなる白色発光体であって、
前記蛍光体が少なくとも２種類以上用いられ、前記透明樹脂部は、含まれる蛍光体が異なる少なくとも２層以上とされ、それらの層のうち前記凹部の底面側に設けられる下側の層に含まれている蛍光体の種類が、前記凹部の開口側に設けられる上側の層に含まれる蛍光体の種類と同じか又は少ないことを特徴とする白色発光体。
前記下側の層に含まれている蛍光体が、その上側の層にのみ含まれている蛍光体よりも広い励起波長域を有していることを特徴とする請求項１に記載の白色発光体。
前記下側の層に含まれている蛍光体の励起スペクトルが、その上側の層にのみ含まれている蛍光体の発光スペクトルと少なくとも一部重なっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の白色発光体。
青色発光ダイオードと２種類の蛍光体を使用し、該蛍光体の一方のみを使用した場合よりも平均演色評価数が高いことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の白色発光体。
前記２種類の蛍光体の一方が黄色蛍光体、他方が赤色蛍光体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の白色発光体。
青色発光ダイオードと３種類の蛍光体を使用し、該蛍光体の１種類又は２種類のみを使用した場合よりも平均演色評価数が高いことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の白色発光体。
請求項１〜６のいずれかに記載の白色発光体を光源として有している照明装置。