JP2007134606A - 白色光源 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤを用いた白色光源であって、低色温度領域における高演色性を備え、当該低色温度領域において従来よりも発光効率の高い白色光源を提供すること。
【解決手段】白色光源１０は、赤色ＬＥＤ１２と、青色ＬＥＤ１４と、当該青色ＬＥＤ１４の発する青色光で励起されて緑色光を発する緑色蛍光体１６とを有し、赤色ＬＥＤ１４の発する赤色光と前記青色光と前記緑色光とが混色された光を発する。
【選択図】図１

Description

本発明は、白色光源に関し、特に、発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」と言う。）を用いた白色光源に関する。

ＧａＮ系半導体材料からなる高効率の青色ＬＥＤが登場し、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色のＬＥＤが揃ったことから、Ｒ・Ｇ・Ｂ−ＬＥＤによる白色光源が実現された。そこで、このＲ・Ｇ・Ｂ−ＬＥＤによる白色光源を蛍光灯等の一般照明用白色光源の代替光源として利用する研究開発が行われている。ところが、一般照明用白色光源としては、平均演色評価数Ｒａが８０以上、望ましくは９０以上要求されるところ、前記Ｒ・Ｇ・Ｂ−ＬＥＤによる白色光源では高々８０に留まっている。加えて、現在、緑色ＬＥＤにおいて高い輝度が得られないため、一般照明用白色光源としては、今のところ現実的ではない。

一方、緑色ＬＥＤを使用しない白色光源として、青色ＬＥＤと青色の補色である黄色の光を発する黄色蛍光体とを組み合わせてなる白色ＬＥＤを用いたものが知られている。この白色ＬＥＤでは、５０００Ｋ以上といった色温度の比較的高い領域においては８０を超える平均演色評価数Ｒａを得ることができるが、赤色成分が不足しているため、電球色と呼ばれる３０００Ｋ辺りの色温度の低い領域においては、平均演色評価数Ｒａは高々７０に留まっている。

そこで、赤色成分を補って低色温度領域において高演色性を発揮するものとして、青色ＬＥＤと赤色蛍光体および緑色蛍光体とを組み合わせてなる白色ＬＥＤが知られている（特許文献１、特許文献２）。この白色ＬＥＤでは、低色温度領域においても９０に近い平均演色評価数Ｒａが得られる。
特表２００２−５３１９５６号公報 特開２００３−１３３５９５号公報

しかしながら、青色ＬＥＤと赤色蛍光体および緑色蛍光体とを組み合わせてなる白色ＬＥＤは、高い演色性を得ることができるものの、色温度が低くなればなるほど発光効率が低下するといった問題が生じている。
本発明は、上記した課題に鑑み、低色温度領域における高演色性を備え、かつ当該低色温度領域において従来よりも発光効率の高い白色光源を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る白色光源は、赤色ＬＥＤと、青色ＬＥＤと、当該青色ＬＥＤの発する青色光で励起されて緑色光を発する緑色蛍光体とを有し、前記赤色ＬＥＤの発する赤色光と前記青色光と前記緑色光とが混色された光を発することを特徴とする。
また、前記緑色蛍光体が５４０〜５７０ｎｍの範囲に発光ピーク波長を有することを特徴とする。

さらに、前記赤色ＬＥＤが６２０〜６４０ｎｍの範囲に発光ピーク波長を有することを特徴とする。
また、前記青色ＬＥＤが４５５〜４７０ｎｍの範囲に発光ピーク波長を有することを特徴とする。

本発明に係る白色光源によれば、青色光、緑色光に加え赤色光が混色された白色光を発するので、低色温度領域において高演色性を呈すると共に、当該赤色光の生成に赤色ＬＥＤを用いている関係上、赤色蛍光体を用いた場合に発生するストークス損が生じないので、従来よりも発光効率が高くなる。

以下、本発明の実施の形態に係る白色光源１０について、図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）は白色光源１０の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ・Ａ線断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）におけるＢ・Ｂ線断面図である。なお、図１（ａ）は、後述する封止樹脂２８および拡散体３０を除いた状態を示している。また、図１を含む全ての図において、各構成部材間の縮尺は統一していない。

図１に示すように、白色光源１０は、フリップチップ形態の赤色ＬＥＤ１２と、これに近接して設けられた同じくフリップチップ形態の青色ＬＥＤ１４とを有する。青色ＬＥＤ１４は、当該青色ＬＥＤ１４の発する青色光で励起されて緑色光を発する緑色蛍光体１６で覆われている。
赤色ＬＥＤ１２には、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系のものを用いることができ、青色ＬＥＤ１４には、例えば、ＩｎＧａＮ系のものを用いることができる。また、緑色蛍光体１６の材料には、例えば、ガーネット構造系蛍光材料であるＹＡＧ：Ｃｅ^３＋を用いることができる。なお、緑色蛍光体１６の材料としては、これに限らず、例えば、シリケート系蛍光材料である（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋やサイアロン系蛍光材料であるＣａ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ：Ｅｕ^２＋を用いることもできる。

白色光源１０は、逆四角錐台状にへこんだ凹部１８Ａを有し、白色をした樹脂容器１８を備えている。樹脂容器１８を形成する樹脂材料は、例えば、エポキシ、アクリル、シリコーン、およびユリアの中から選択できる。
凹部１８Ａの底部には、赤色ＬＥＤ１２に給電するための一対のリード２０，２２が這設されている。リード２０，２２の各々は、当該底部から延設され凹部１８Ａの側壁を貫通して樹脂容器１８外部露出し、当該露出部分が、樹脂容器１８表面に沿って当該樹脂容器１８の底面まで屈曲されている。そして、リード２０，２２の凹部１８Ａ底部側端部に赤色ＬＥＤ１２がフリップチップ実装されている。すなわち、赤色ＬＥＤ１２のｐ側電極（不図示）とリード２０の一部とがバンプ（不図示）を介して接合され、ｎ側電極（不図示）とリード２２の一部とがバンプ（不図示）を介して接合されている。

また、樹脂容器１８には、青色ＬＥＤ１４に給電するための一対のリード２４，２６が設けられている。このリード２４，２６は、上記したリード２０，２２と同様の構成なので、その詳細な説明については省略する。
樹脂容器１８の凹部１８Ａは、赤色ＬＥＤ１２および青色ＬＥＤ１４（緑色蛍光体１６）を封止する封止樹脂２８で充塞されている。封止樹脂２８は、透光性を有し、例えばエポキシ樹脂からなる。

また、封止樹脂２８の上面には、層状をした拡散体３０が設けられている。拡散体３０は、例えば、エポキシ樹脂に光を良く反射する金属酸化物の微粒子を混入したものからなる。金属酸化物としては、例えば、アルミナを用いることができる。
上記の構成からなる白色光源１０において、リード２０，２２およびリード２４，２６を介して、赤色ＬＥＤ１２および青色ＬＥＤ１４に給電すると、赤色ＬＥＤ１２と青色ＬＥＤ１４とが近接して配されている関係上、赤色ＬＥＤ１２の発する赤色光と前記緑色光と青色ＬＥＤ１４から発せられ緑色光に変換されずに緑色蛍光体１６をそのまま通過する青色光の３色光が混色されて白色光を発する。この際、樹脂容器１８が白色をしていることから、両ＬＥＤ１２，１４や緑色蛍光体１６から発せられた光は、樹脂容器１８の凹部１８Ａの底面や側壁で反射されて効率よく樹脂容器１８外へと取り出される。加えて、拡散体３０において各色光は散乱するので、ここで良く混色されて良好な白色光が得られる。

本願発明者は、平均演色評価数Ｒａと発光効率（放射の視感度）[ｌｍ／Ｗ]に関し、実施の形態に係る白色光源１０と従来の白色光源１００との比較を行った。
比較対象とした従来の白色光源１００を図２に示す。図２は、白色光源１００の断面図であり、図１（ｂ）に対応する図である。白色光源１００は、使用するＬＥＤが青色ＬＥＤ１１４のみであること、および青色ＬＥＤ１１４の周囲に配される蛍光体を構成する蛍光体材料が異なる以外は、基本的に白色光源１０と同じ構成である。したがって、白色光源１００において白色光源１０と同様な構成部分については、図２に示す符号の下２桁に白色光源１０の対応する構成部分の符号を付してその説明については省略する。

白色光源１００において青色ＬＥＤ１１４の周囲に配される蛍光体１０２は、緑色蛍光体材料と赤色蛍光体材料の２種類の蛍光体材料を含む。緑色蛍光体材料として、白色光源１０と同様、ＹＡＧ：Ｃｅ^３＋を用いた。また、赤色蛍光体材料として、ニトリドシリケート系蛍光材料であるＳｒ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ^２＋を用いた。
そして、白色光源１０と白色光源１００において、色温度[Ｋ]と平均演色評価数Ｒａおよび発光効率との関係について調査した。なお、白色光源１０において色温度は、発光波長の異なる赤色ＬＥＤ１２で白色光源１０を構成することによって変化させた。また、白色光源１００において色温度は、赤色蛍光体材料における組成比が異なるもので白色光源１００を構成することによって（すなわち、使用する赤色蛍光体材料の発光波長を変更することによって）変化させた。青色ＬＥＤ１４，１１４は、４６５ｎｍに発光ピークを有するものを、緑色蛍光材料は、５５５ｎｍに発光ピークを有するものを使用した。

調査結果を図３に示す。図３において、白色光源１０は「実施例」と表記し、白色光源１００は「従来例」と表記した。また、図３において、実施例を丸印、従来例を角印で区別し、平均演色評価数Ｒａは黒塗りの丸印および角印で表し、発光効率は白抜きの丸印および角印で表した。
図３から分かるように、色温度が５０００Ｋを超える範囲においては、発光効率、平均演色評価数Ｒａ共に、両者の間に差があまりない。ところが、５０００Ｋ以下の範囲においては、両者の間にはっきりとした差が認められ、色温度が低くなるほどその差が開くことが分かる。

特に、従来例において、色温度が低くなればなるほど発光効率が低下するのは、主としてストークス損に起因するものと考えられる。すなわち、赤色蛍光体の発光波長と赤色蛍光体を励起する励起波長（青色光の波長）の差がひらけばひらく程、ストークス損が大きくなって発光効率は低下する。本例の場合、励起波長を一定とし、色温度を下げるために、赤色蛍光体の発光波長が大きくしている関係上、色温度が低くなればなるほど、発光波長と励起波長の差が開いて発光効率が低下するからである。また、赤色蛍光体は、青色光以外に緑色光も吸収するため、これによっても発光効率が低下するものと考えられる。

一方、実施例の場合は、赤色成分を出すために赤色ＬＥＤを用いている関係上、ストークス損が生じることはなく、また、緑色光を吸収する蛍光体も存在しないので、従来例よりも発光効率が高く、また、色温度が低くなっても発光効率が低下しないのである。
図３から、実施例（白色光源１０）は、平均演色評価数Ｒａおよび発光効率において、従来例と差が生じる色温度５０００Ｋ以下の範囲において有用であるといえる。さらに、実施例（白色光源１０）は、従来例との差が一層大きくなる３５００Ｋ以下において特に有用であるといえる。

このように、白色光源１０は、低色温度領域において優れた性能を発揮するので、代表的な照明光源である蛍光ランプにおいて、日本工業規格ＪＩＳ：Ｚ９１１２で定められている５種類の光源色（昼光色Ｄ、昼白色Ｎ、白色Ｗ、温白色ＷＷ、電球色Ｌ）の内、最も低い色温度である電球色Ｌをした蛍光ランプの代替光源として、特に有用であると考えられる。電球色Ｌの色温度は、上記ＪＩＳ規格において２６００Ｋ以上（３１５０Ｋ以下）とされていることから、白色光源１０もこの範囲で用いることが考えられる。

以上をまとめると、実施例（白色光源１０）は、色温度が２６００Ｋ以上５０００Ｋ以下の範囲で用いるのが好ましく、さらには、２６００Ｋ以上３５００Ｋ以下の範囲で用いるのが好ましい。
本願発明者は、実施例（白色光源１０）において、上記さらに好ましい色温度範囲の略中央値である３０００Ｋおよびその近傍の色温度において、平均演色評価数Ｒａが９０以上となる緑色蛍光体のピーク波長範囲、赤色ＬＥＤのピーク波長範囲、および青色ＬＥＤのピーク波長範囲を調査した。平均演色評価数Ｒａを９０以上としたのは、一般照明の分野においてＲａは８０以上必要とされ、好ましくは９０以上とされているからである。

調査結果を図４に示す。図４（ａ）は、主として緑色蛍光体のピーク波長の調査結果であり、図４（ｂ）は、主として赤色ＬＥＤのピーク波長の調査結果であり、図４（ｃ）は、主として青色ＬＥＤのピーク波長の調査結果である。
図４（ａ）の実施例Ｎｏ．１〜５から、緑色蛍光体のピーク波長が５４０ｎｍを下回るか、５７０ｎｍを上回るとＲａが９０を下回ることが予想される。したがって、緑色蛍光体の好ましいピーク波長は、５４０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下であるといえる。さらに、この波長範囲は、比視感度曲線がピーク値の９５％（０．９５）以上となる範囲とも重なることから、発光効率（放射の視感度）の面でも好ましいといえる。また、５４０ｎｍ〜５７０ｎｍの範囲においても、発光効率の面を考えると、比視感度曲線が最大値となる５５５ｎｍが最も好ましいといえる。なお、具体例は示さないが、緑色蛍光体を用いていない従来の白色光源と比較して、本実施の形態では、比視感度曲線が最大値、およびその近傍の値をとる発光体（緑色蛍光体）を採用している関係上、発光効率（放射の視感度）が高くなる。

図４（ｂ）から、赤色ＬＥＤのピーク波長が６２５ｎｍを下回るか、６４０ｎｍを上回るとＲａが９０を下回ることが予想される。したがって、赤色ＬＥＤの好ましいピーク波長は、６２５ｎｍ以上６４０ｎｍ以下であるといえる。
図４（ｃ）から、青色ＬＥＤのピーク波長が４５５ｎｍを下回るか、４７０ｎｍを上回るとＲａが９０を下回ることが予想される。したがって、青色ＬＥＤの好ましいピーク波長は、４５５ｎｍ以上４７０ｎｍ以下であるといえる。

ここで、４６５ｎｍに発光ピークを有する青色ＬＥＤと、５５５ｎｍに発光ピークを有する緑色蛍光体と、６２５ｎｍに発光ピークを有する赤色ＬＥＤとを組み合わせてなる白色光源１０（図４の実施例Ｎｏ．３に相当）の発光スペクトルを図５に示す。
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上記した形態に限らないことは勿論であり、例えば、以下のような形態とすることもできる。
（１）上記実施の形態では、白色光源を構成するＬＥＤとして片面にｐ側電極とｎ側電極を有するフリップチップ形態のものを用いたが、ＬＥＤの形態はこれに限らない。例えば、一方の面にｐ側電極が他方の面にｎ側電極を有し、ｎ側電極を一方のリードに直接ボンディングし、ｐ側電極を他方のリードとボンディングワイヤーを介して電気的に接続するような形態のものでも構わない。
（２）上記実施の形態では、赤色ＬＥＤおよび青色ＬＥＤ共に各１個ずつ用いたが、白色光源を構成するＬＥＤの個数は、これに限るものではなく任意である。また、赤色ＬＥＤと青色ＬＥＤの個数は、同数である必要はなく、その個数比率も任意である。

本発明に係る白色光源は、例えば、高演色性、高効率が必要とされる照明分野において好適に利用可能である。

（ａ）は実施の形態に係る白色光源の平面図であり、（ｂ）は（ａ）おけるＡ・Ａ線断面図であり、（ｃ）は（ａ）におけるＢ・Ｂ線断面図である。 従来例に係る白色光源の断面図である。 色温度を変化させた場合における、実施例と従来例の平均演色評価数Ｒａと発光効率（放射の視感度）の変化の様子を示す図である。 （ａ）は、緑色蛍光体の好ましいピーク波長の範囲を説明するための図であり、（ｂ）は赤色ＬＥＤの好ましいピーク波長の範囲を説明するための図であり、（ｃ）は青色ＬＥＤの好ましいピーク波長の範囲を説明するための図である。 一実施例に係る白色光源の発光スペクトル図である。

符号の説明

１０ 白色光源
１２ 赤色ＬＥＤ
１４ 青色ＬＥＤ
１６ 緑色蛍光体

Claims (4)

1. 赤色ＬＥＤと、
   青色ＬＥＤと、
   当該青色ＬＥＤの発する青色光で励起されて緑色光を発する緑色蛍光体と、
   を有し、
   前記赤色ＬＥＤの発する赤色光と前記青色光と前記緑色光とが混色された光を発する白色光源。
2. 前記緑色蛍光体が５４０〜５７０ｎｍの範囲に発光ピーク波長を有することを特徴とする請求項１記載の白色光源。
3. 前記赤色ＬＥＤが６２０〜６４０ｎｍの範囲に発光ピーク波長を有することを特徴とする請求項１または２記載の白色光源。
4. 前記青色ＬＥＤが４５５〜４７０ｎｍの範囲に発光ピーク波長を有することを特徴とする請求項２または３記載の白色光源。

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