JP2016170355A

JP2016170355A - 波長制御フィルタ及びそれを用いた発光装置並びに照明装置

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Publication number: JP2016170355A
Application number: JP2015051341A
Authority: JP
Inventors: 英樹和田; Hideki Wada; 哲山内; Satoru Yamauchi; 由合香椿野; Yurika Tsubakino; 佐智子土井; Sachiko Doi
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2016-09-23
Also published as: DE202016101294U1

Abstract

【課題】波長制御フィルタにおいて、高い演色性を得ることができ、しかも色温度の上昇又は光束量の低下を抑制する。【解決手段】波長制御フィルタ３は、透光性材料から成る母材３１と、母材３１を透過する光の波長を制御する色素３２と、を含有する。また、母材３１を透過する光とは異なる分光特性を有する光を発光する発光体３３を有し、発光体３３の発光ピーク波長が、色素３２の吸収ピーク波長と重ならない。この構成によれば、波長制御フィルタ３に、色素３２を添加することで、特定波長域の光を吸収して、ＬＥＤ光源から出射された光の発光ピーク波長を際立たせて、演色性を高めることができ、発光体３３を添加することで、色素３２の添加による色温度の上昇又は光束量の低下を抑制することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）から出射された光の波長を制御する波長制御フィルタ及びそれを用いた発光装置並びに照明装置に関する。

発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）は、低電力で高輝度の発光が可能であり、しかも長寿命であることから、白熱灯や蛍光灯等に代替する照明装置用の光源として利用されている。また、青色ＬＥＤが出射する青色光を蛍光体に当てて黄色光を出力し、青色光と黄色光とを混色させて白色光を作り出す、いわゆる白色ＬＥＤがある。白色ＬＥＤは、発光強度及び発光効率において優れ、これを用いた照明装置が、シーリングライト及びベースライトといった光を拡散させる照明器具や、ダウンライト及びスポットライトといった光を集光させる照明器具等に利用されている。

しかしながら、上述したような一般的な白色ＬＥＤは、出射光のスペクトル特性において赤色波長域のピーク強度が際立っておらず、演色性が低いので、食品や衣類等を照明する照明器具には適していなかった。そこで、ＬＥＤ光源の前面に、５７５〜６００ｎｍの波長域に吸収ピークを有する可視光選択吸収材料（以下、色素）を含有するフィルタ層を設けた照明装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の発明によれば、フィルタ層が、波長制御部として機能して照明光の５７５〜６００ｎｍの波長域の強度を低下させて、その波長域に隣接する６００〜６２０ｎｍの波長域にあるピーク波長を際立たせる。その結果、赤色の見え方が良好で、照明光の演色性を高めることができる。

特開２０１０−２６７５７１号公報

しかしながら、青色ＬＥＤと蛍光体とを用いた一般的な白色ＬＥＤに対して、上述したようなフィルタを用いた場合、蛍光体によって変換された波長域の一部の光強度を低下させるので、スペクトル全体では青色ＬＥＤの主波長の強度比が高くなる。そのため、出射光の演色性は高くなる一方で、色温度が予め設定された設定値よりも高くなってしまう。また、フィルタの色素により一部波長域の光が吸収されるので、フィルタから出射した光の光束量が低下する。

本発明は、上記課題を解決するものであり、高い演色性を得ることができ、しかも色温度の上昇又は光束量の低下を抑制することができる波長制御フィルタ、及びそれを用いた発光装置並びに照明装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、透光性材料と、前記透光性材料を透過する光の波長を制御する色素と、を含有する波長制御フィルタであって、前記透光性材料を透過する光とは異なる分光特性を有する光を発光する発光体を有し、前記発光体の発光ピーク波長が、前記色素の吸収ピーク波長と重ならないことを特徴とする。

本発明によれば、波長制御フィルタに色素を添加することで、特定波長域の光を吸収して、波長制御フィルタが適用される光源から出射された光の発光ピーク波長を際立たせて、演色性を高めることができる。また、発光体を添加することで、色素の添加による色温度の上昇又は光束量の低下を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る発光装置の分解斜視図。同発光装置に用いられるＬＥＤ光源の側断面図。上記発光装置の波長制御フィルタに用いられるテトラアザポルフィリン化合物の構造式を示す図。波長制御フィルタに用いられるテトラアザポルフィリン化合物の光吸収スペクトルを示す図。（ａ）は上記波長制御フィルタに発光体を１０％添加したときの発光装置の出射光のスペクトルを示す図、（ｂ）は発光体を２０％添加したときの発光装置の出射光のスペクトルを示す図、（ｃ）２種の発光体を添加したときの発光装置の出射光のスペクトルを示す図。上記発光装置を用いた照明装置の斜視図。

本発明の一実施形態に係る発光装置について、図１乃至図５を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態の発光装置１は、ＬＥＤ光源２と、ＬＥＤ光源２の前面に設けられた波長制御フィルタ３と、を備える。なお、ＬＥＤ光源２の前面とは、ＬＥＤ光源２から光が出射される方向に対向する面を言う。

ＬＥＤ光源２は、一方の面に発光部４を有するＬＥＤモジュールが用いられ、このＬＥＤモジュールが基板５に実装されている。ＬＥＤ光源２には、例えば、発光ピーク波長が４６０ｎｍの青色光を放射するＧａＮ系青色ＬＥＤチップにＹＡＧ系黄色蛍光体が被覆され、青色光と黄色光との混光により白色光を出射するＬＥＤモジュールが用いられる。本実施形態のように、ＬＥＤ光源２が単体である場合には、汎用のチップオンボード（ＣＯＢ）型のＬＥＤパッケージが好適に用いられる。

具体的には、図２に示すように、ＬＥＤ光源２は、汎用のサーフェスマウントデバイス（ＳＭＤ）型のＬＥＤが好適に用いられる。ＬＥＤ光源２は、断面矩形状の基材２０と、基材２０上に実装された発光部（ＬＥＤチップ）２１と、ＬＥＤチップ２１を取り囲む凹部を有する枠体２２と、枠体２２に充填される封止部材２３と、を備える。封止部材２３には、例えば、シリコーン樹脂等の透光性樹脂が用いられ、ＬＥＤチップ２１からの出射光の波長を変換する蛍光体２４が含有される。基材２０の一側面にはカソード電極２５が、他側面にはアノード電極２６がリードフレーム状に夫々設けられ、基材２０の下面両端部に形成された外部接続電極２７，２８に夫々接続される。また、カソード電極２５及びアノード電極２６は、ワイヤ２９によってＬＥＤチップ２１の各電極端子（不図示）に夫々接続される。

枠体２２の凹部は、上面視で円形状であり、ＬＥＤチップ２１が実装される底面と、光を導出する開口部と、底面から開口部に向けて円錐状に広がるように形成された側面と、を有する。側面は、ＬＥＤチップ２１から出射する光を高効率で反射するように光反射処理が施されている。この凹部に蛍光体２４を含有する封止部材２３が充填されることにより、凹部の開口部が、ＬＥＤ光源２の発光部４となる。

本実施形態のＬＥＤ光源２では、ＬＥＤチップ２１が、波長４６０ｎｍ付近に発光ピーク波長を有する光を出射し、蛍光体２４は、波長６１０ｎｍ付近に発光ピーク波長を有する光を発光する。ＬＥＤ光源２は、これらの光を混色することで得た白色光を出射することができる。

波長制御フィルタ３は、透光性樹脂から成る母材３１と、母材３１に添加されて光の波長を制御する色素３２と、母材３１を透過する光とは異なる分光特性を有する光を発光する発光体３３と、を有する。すなわち、発光体３３は、ＬＥＤ光源２に用いられるＬＥＤチップ２１や、蛍光体２４とは異なる分光特性を有する。また、発光体３３は、その発光ピーク波長が、色素３２の吸収ピーク波長と重ならないものが選択的に用いられる。図示したように、波長制御フィルタ３は、発光体３３は、色素３２と共に母材３１に添加されている。

母材３１は、透光性を有する任意の樹脂材料又はガラス等により構成される。例えば、光学的に透明な材料としては、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、環状ポリオレフィン、環状ポリオレフィンコポリマ、ポリメチルペンテン等の熱可塑性樹脂が挙げられる。また、乳白色半透明な材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂が挙げられる。更に、メタクリル酸樹脂やシリコーン樹脂に架橋成分を加えた後に、熱又は電子線、紫外線等のエネルギーを与えて硬化させる熱硬化性樹脂等も挙げられる。また、母材３１には、用途に応じて、紫外線吸収剤、光安定剤、酸化防止剤、加水分解防止剤等が母材となる樹脂材料に対して適宜に添加されてもよい。なお、本実施形態では、波長制御フィルタ３として、平坦な板状部材を図示しているが、ＬＥＤ光源からの出射光を拡散又は集光する形状に形成加工された配光制御部材であってもよい。

色素３２は、特定波長の光を選択的に吸収する性質を有する化合物である。例えば、テトラアザポルフィリン、テトラフェニルポルフィリン、オクタエチルポルフィリン、フタロシアニン、シアニン、ピロメテン、スクアリリウム、キサンテン、ジオキサン、オキソノール等の有機化合物を主体とする色素が挙げられる。特に、図３に示すような、テトラアザポルフィリン化合物は、光源からの光照射に対しても堅牢性が高いので、好適に用いられる。なお、図中のＭは中心金属となる元素を、Ｒ１〜Ｒ８は置換基を示す。

本実施形態においては、色素３２として、波長４５０〜６５０ｎｍの範囲に最大吸光波長を有する色素が用いられる。特に、波長５９０ｎｍ付近（５９０〜６００ｎｍ）に最大吸光波長を有する色素であるテトラアザポルフィリン化合物が好適に用いられる。図４は、母材３１のアクリル樹脂（ＶＨ００１（三菱レイヨン（株）製））に、中心金属に銅を有するテトラアザポルフィリン化合物を３０ｐｐｍの濃度で添加して作製された波長制御フィルタ３の吸光特性を、自記分光光度計（Ｕ４１００，(株)日立ハイテクノロジー製）に測定した結果を示す。

発光体３３は、図４に示したように、色素３２の吸収ピーク波長に対して、発光体３３の発光ピーク波長が±１０ｎｍ以上、７０ｎｍ以下である発光特性を有するものが用いられる。色素３２の吸収ピーク波長が、発光体３３の発光ピーク波長に対して１０ｎｍ以下に近接すると、発光体３３から出射された光が、色素３２の吸収によって相殺されてしまう。一方、色素３２の吸収ピーク波長が、発光体３３の発光ピーク波長に対して７０ｎｍ以上離れていると、発光ピーク波長が際立たず、色素３２を添加した意義が希釈されてしまう。

発光体３３には、有機蛍光体色素として、例えば、クマリン系蛍光体、ピリジン系蛍光体、イミダゾール系蛍光体、オキサジン系蛍光体、ペリレン系蛍光体、ローダミン系蛍光体、ＤＣＪＴＢ系蛍光体等が用いられ得る。また、無機蛍光体としては、ＣＡＳＮ系蛍光体、ナイトライド系蛍光体、シリケート系蛍光体等が用いられ得る。

色素３２が、上述した波長５９０〜６００ｎｍの範囲に吸収ピーク波長を有するものである場合、発光体３３は、波長５２０〜５７０ｎｍ又は６１０〜６７０ｎｍの範囲に発光ピーク波長を有するものが用いられる。なお、発光体３３は、波長５２０〜５７０ｎｍの範囲に発光ピーク波長を有するもの及び６１０〜６７０ｎｍの範囲に発光ピーク波長を有するものの両方が用いられてもよい。上記のように発光ピーク波長及び吸収ピーク波長を上記波長域に設定することにより、緑色光成分及び赤色光成分のピーク波長が際立ち、演色性を高めることができる。上記のような発光特性を有するものとして、発光体３３は、シリケート系蛍光体又は窒化物蛍光体であることが好ましい。

図５は、上記のように構成された発光装置１の実施例の出射光のスペクトルを示す。これらの実施例では、光源には、色温度４０００ＫのＬＥＤ光源２が用いられた。また、波長制御フィルタ３には、色素３２として、テトラアザポルフィリン化合物（ＴＡＰ１８）が、発光体３３として、赤色蛍光体（Ｒ６７０、ＢＲ１０１Ａ、ＢＲ１０２Ｃ）又は緑色蛍光体（Ｇ２０６０、ＢＧ２０１Ｂ）が用いられた。図５（ａ）は発光体３３を夫々１０％添加したときの出射光のスペクトルであり、図５（ａ）は赤色系又は緑色系の発光体３３を夫々１０％添加したときの出射光のスペクトルであり、図５（ｂ）は赤色系又は緑色系の発光体３３を夫々２０％添加したときの出射光のスペクトルである。また、図５（ｃ）は赤色系及び緑色系の両方の発光体３３を夫々２０％添加したときの出射光のスペクトルである。いずれの実施例においても、発光体３３の濃度を２０％にすると、１０％としたときに、緑色成分波長及び赤色成分波長のスペクトルのピーク波長が増大した。

下記表１は、上記発光装置１の実施例の出射光の照明光として評価を示す。なお、波長制御フィルタ３を設けていないものを比較例とした。

比較例１では、波長制御フィルタ３に色素３２（ＴＡＰ１８）を添加したことにより、演色性（Ｒａ）は９２．６と高い値であるが、相関色温度が光源自体の色温度（４０００Ｋ）よりも上昇している。これに対して、発光体３３として、赤色蛍光体（Ｒ６７０、ＢＲ１０１Ａ、ＢＲ１０２Ｃ）を１０％の濃度で添加した実施例１〜３では、演色性を維持しつつも、相関色温度を比較例１に比べて低下させることができた。また、実施例１〜３では、ＦＣＩが１２０以上となった。

また、発光体３３として、緑色蛍光体（Ｇ２０６０、ＢＧ２０１Ｂ）を１０％の濃度で添加した場合、比較例１に比べて、発光効率が向上した。これらの傾向は、発光体３３の濃度を２０％にしたときに、より顕著に現れた。なお、ＰＳ値は、いずれの実施例１〜１０において９０を超える良好な結果が得られた。

上記実施例１〜１０では、赤色蛍光体（Ｒ６７０、ＢＲ１０１Ａ、ＢＲ１０２Ｃ）を添加した場合、色温度が下がる一方で、発光効率が低下した。また、緑色蛍光体（Ｇ２０６０、ＢＧ２０１Ｂ）を添加した場合、発光効率が向上する一方で、色温度が上昇した。そこで、赤色蛍光体であるシリケート蛍光体と、緑色蛍光体である（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮを夫々２０％添加した場合、比較例に比べて、色温度が下がり、且つ発光効率を向上させることができた。

本実施形態の波長制御フィルタ３によれば、波長制御フィルタ３に、色素３２を添加することで、特定波長域の光を吸収して、ＬＥＤ光源から出射された光の発光ピーク波長を際立たせて、演色性を高めることができる。また、主として赤色蛍光体から成る発光体３３を添加することで、色素３２の添加による色温度の上昇を抑制することができ、主として緑色蛍光体から成る発光体３３を添加することで、光束量の低下を抑制することができる。また、波長制御フィルタ３は、上述したように、発光体３３の発光ピーク波長が、色素３２の吸収ピーク波長と重ならないように、色素３２及び発光体３３の夫々に適用される材料が設定されている。そのため、発光体３３の発光した光は、色素３２によって吸収され難く、発光効率を向上させることができる。

本実施形態の波長制御フィルタ３を用いた発光装置１は、例えば、図６に示すような照明装置１０に適用される。ここでは、球形の器具筐体１１内に、ＬＥＤ光源（不図示）が内蔵され、器具筐体１１に設けられた開口１２に円形の波長制御フィルタ３が取り付けられた構成を示す。この照明装置１０によれば、耐光性の高い波長制御フィルタ３を用いたことにより、長期間に亘って安定的に演色性の高い照明光を照射することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限らず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施例に係る波長制御フィルタ３は、母材３１に色素３２と発光体３３との両方を混合させたが、これらを別の母材３１に添加して作製した層を積層させることにより形成されてもよい。このとき、互いの層は、同じ屈折率の透光性材料を母材３１とすることが好ましい。こうすれば、互いの層の界面での全反射を防止し、光利用効率の低下を抑制することができる。また、上記の波長制御フィルタ３を、別途の透光性部材に貼付してもよい。この場合、別途の透光性部材のうち、ＬＥＤ光源２の発光部４と対向する部分に限定的に設けてもよい。

１発光装置
１０照明装置
２ＬＥＤ光源
３波長制御フィルタ
３１母材（透光性樹脂）
３２色素
３３発光体

Claims

透光性材料と、前記透光性材料を透過する光の波長を制御する色素と、を含有する波長制御フィルタであって、
前記透光性材料を透過する光とは異なる分光特性を有する光を発光する発光体を有し、
前記発光体の発光ピーク波長が、前記色素の吸収ピーク波長と重ならないことを特徴とする波長制御フィルタ。
前記発光体は、前記色素と共に前記透光性材料に添加されていることを特徴とする請求項１に記載の波長制御フィルタ。
前記発光体は、前記色素の吸収ピーク波長に対して、前記発光体の発光ピーク波長が±１０ｎｍ以上、７０ｎｍ以下である発光特性を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の波長制御フィルタ。
前記色素は、波長５９０〜６００ｎｍの範囲に吸収ピーク波長を有し、前記発光体は、波長５２０〜５７０ｎｍ又は６１０〜６７０ｎｍ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乃至請求項３のいずれか一項に記載の波長制御フィルタ。
前記色素は、テトラアザポルフィリン化合物であり、前記発光体は、シリケート系蛍光体又は窒化物蛍光体であることを特徴とする波長制御フィルタ。
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の波長制御フィルタと、半導体発光素と、を備えたことを特徴とする発光装置。
請求項６に記載の発光装置を用いた照明装置。