JP2019161076A - 発光装置及び植物栽培方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の第一の態様は、380nm以上490nm以下の範囲に発光ピーク波長を有する発光素子と、
前記発光素子からの光により励起されて580nm以上680nm以下の範囲に少なくとも一つの発光ピーク波長を有する光を発する赤色蛍光体を備え、400nm以上490nm以下の範囲における青色光の光量子束Bに対する620nm以上700nm以下の範囲における赤色光の光量子束Rの比(R/B)(以下、400nm以上490nm以下の範囲における青色光の光量子束Bに対する620nm以上700nm以下の範囲における赤色光の光量子束Rの比を、「比R/B」と称する場合もある。)が20を超えて200以下である、発光装置である。
本発明の一実施態様は、380nm以上490nm以下の範囲(以下、「近紫外から青色領域」とも称する場合もある。)に発光ピーク波長を有する発光素子と、前記発光素子からの光により励起されて580nm以上680nm以下の範囲に少なくとも一つの発光ピーク波長を有する光を発する赤色蛍光体を備え、400nm以上490nm以下の範囲における青色光の光量子束Bに対する620nm以上700nm以下の範囲における赤色光の光量子束Rの比R/Bが20を超えて200以下である、発光装置である。本明細書において、400nm以上490nm以下の範囲における青色光の光量子束Bを「青色光の光量子束B」と称する場合がある。また、本明細書において、620nm以上700nm以下の範囲における赤色光の光量子束Rを「赤色光の光量子束R」と称する場合がある。
放射束(W)=光量子束(μmol・s−1)×アボガドロ数(mol−1)×プランク定数h(Js)×光速度(m・s−1)÷波長λ(m) (1)
発光装置から得られる放射束(W)から、前記式(1)に基づき、光量子束に換算することができる。換算後、400nm以上490nm以下の範囲における光量子束を積算して、青色光の光量子束Bを算出することができる。同様に、620nm以上700nm以下の範囲における光量子束を積算して、赤色光の光量子束Rを算出することができる。
発光素子10は、励起光源として用いられており、380nm以上490nm以下の範囲に発光ピーク波長を有する光を発する発光素子である。これにより、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。発光素子の発光ピーク波長の範囲は、より好ましくは390nm以上480nm以下であり、さらに好ましくは420nm以上470nm以下であり、よりさらに好ましくは440nm以上460nm以下であり、特に好ましくは445nm以上455nm以下である。このような発光素子としては、窒化物半導体(InXAlYGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)からなる発光素子を用いることが好ましい。発光素子の発光スペクトルの半値幅は、例えば、30nm以下とすることができる。
発光装置100に用いられる蛍光部材50は、赤色蛍光体70及び封止材料を含むものであることが好ましい。封止材料は、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂から選ばれる樹脂を用いることができる。製造のし易さを考慮すると、封止材料として用いられる樹脂は、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂が挙げられる。蛍光部材は、赤色蛍光体及び封止材料の他に、フィラー、光安定剤、着色剤等のその他の成分を含んでいてもよい。フィラーとしては、例えばシリカ、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム等を挙げることができる。蛍光部材中の、赤色蛍光体及び封止材料以外のその他の成分の含有量は、封止材料100質量部に対して、好ましくは0.01質量部以上20質量部以下である。蛍光部材を構成する蛍光部材用組成物においても、封止材料となる樹脂100質量部に対して、赤色蛍光体及び封止材料となる樹脂以外のその他の成分となる物質の含有量は、好ましくは0.01質量部以上20質量部以下である。
赤色蛍光体70は、発光素子10からの光により励起されて580nm以上680nm以下の範囲に一以上の発光ピーク波長を有する光を発する蛍光体である。赤色蛍光体は、Eu2+賦活窒化物蛍光体、Mn4+賦活フルオロジャーマネート蛍光体、Eu2+賦活アルカリ土類硫化物蛍光体、及びMn4+賦活ハロゲン化物蛍光体等が挙げられる。赤色蛍光体は、これらの蛍光体から選択された一種を単独で用いてもよく、二種以上を併用してもよい。
(式(I)中、s、t、u、v、w及びxは、それぞれ0≦s≦1、0<t<1.0、0<s+t<1.0、0.8≦x≦1.0、0.8≦u≦1.2、0.8≦v≦1.2、1.9≦u+v≦2.1、2.5≦w≦3.5を満たす数である。)。式(I)で表される組成を含む蛍光体を、CaAlSiN3:Eu蛍光体や(Sr,Ca)AlSiN3:Eu蛍光体と表す場合もある。前記式(I)中、変数tは、前記式(I)で表される組成における賦活元素Euのモル比である。変数tは、好ましくは0.0001≦t≦0.2、より好ましくは0.0001≦t≦0.1、さらに好ましくは0.0002≦t≦0.05である。前記式(I)中、変数sは、前記式(I)で表される組成におけるSrのモル比である。変数sは、好ましくは0≦s≦0.98、より好ましくは0≦s≦0.95、さらに好ましくは0≦s≦0.9である。
式(II)中、p、q及びrは、0≦p≦1.0、0≦q≦1.0、0<r<1.0及びp+q+r≦1.0を満たす数である。
式(III)中、a、b、c、d、e及びfは、それぞれ0≦a<1.0、0.8≦b≦1.05、0.001<c≦0.1、0≦d≦0.2、3.0≦e≦5.0、0.8≦f≦1.05を満たす数である。
式(IV)中、M5はAl、Ga及Inからなる群から選択される少なくとも1種であり、i、j、k、m、n及びzはそれぞれ、2≦i≦4、0≦j<0.5、0<k<1.5、0≦m<1.5、0<n<0.5、及び0<z<0.05を満たす数である。
本明細書において、蛍光体の組成を表す式中、カンマ(,)で区切られて記載されている複数の元素は、これら複数の元素のうち少なくとも一種の元素を組成中に含有していることを意味する。組成式中のカンマ(,)で区切られて記載されている複数の元素は、組成中にカンマで区切られた複数の元素から選ばれる少なくとも一種の元素を含み、前記複数の元素から二種以上を組み合わせて含んでいてもよい。また、本明細書において、蛍光体の組成を表す式中、コロン(:)の前は母体結晶を表し、コロン(:)の後は賦活元素を表す。
式(VI)中、Aは、K、Li、Na、Rb、Cs及びNH4 +からなる群から選択される少なくとも1種であり、M1は、第4族元素及び第14族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、gは0<g<0.2を満たす数である。
発光装置100は、400nm以上490nm以下の範囲における青色光の光量子束Bに対する620nm以上700nm以下の範囲における赤色光の光量子束Rの比R/Bが20を超えて200以下の範囲となるのであれば、赤色蛍光体70に加えて、赤色光の波長領域以外の波長領域の光を発する他の種類の蛍光体を含んでいても良い。他の種類の蛍光体としては、発光素子10から出射された光の一部を吸収して、緑色に発光する緑色蛍光体や、黄色に発光する黄色蛍光体、680nmを超える範囲に発光ピーク波長を有する遠赤色蛍光体等が挙げられる。
M11 8MgSi4O16X11 2:Eu (i)
式(i)中、M11はCa、Sr、Ba及びZnからなる群から選択される少なくとも1種であり、X11はF、Cl、Br及びIからなる群から選択される少なくとも1種である。
式(ii)中、bは0<b<4.2を満たす。
式(iii)中、M13は、Mg,Ca,Sr及びBaからなる群から選ばれる少なくとも1種である。
さらに、緑色蛍光体として、例えば、(Ca,Sr,Ba)2SiO4:Eu、Ca3Sc2Si3O12:Ce等のケイ酸塩蛍光体も挙げることができる。
M14 c/eSi12−(c+d)Alc+dOdN16−d:Eu (iv)
式(iv)中、M14は、Sr、Ca、Li及びYからなる群から選ばれる少なくとも1種である。cは0.5から5であり、dは0から2.5であり、eはM14の電荷である。
式(v)中、M15は、YまたはLu,Gd,Tbからなる群から選ばれる少なくとも1種である。
(Al1−fCrf)2O3 (vi)
式(vi)中、fは、0<f<1を満たす数である。
式(vii)中、Lnは、Ceを除く希土類元素からなる群より選択される少なくとも一種の希土類元素であり、M16は、Ga及びInからなる群より選択される少なくとも一種の元素であり、x、y及びzは、0.0002<x<0.50、0.0001<y<0.05、0≦z≦0.8を満たす数である。
LiAlO2:Fe (ix)
CdS:Ag (x)
GdAlO3:Cr (xi)
本発明の第一の実施形態に係る発光装置は、既存の光源と組み合わせて用いることができる。本発明の第一の実施形態に係る発光装置は、白色光を発光する光源と組み合わせて用いることが好ましい。前記発光装置は、既存の例えば白色光を発光する光源と組み合わせて用いた場合であっても、既存の光源から発せられる光のスペクトルバランスを崩すことなく、既存の光源に対して少ない個数の発光装置によって、植物の種類や植物の成長段階によって必要な赤色光を効率よく補光することができる。白色光としては、例えば太陽光、各種ランプから照射される光が挙げられる。白色光を発光する光源としては、例えば太陽、蛍光ランプ、白熱電球、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプ及びLEDランプからなる群から選ばれる少なくとも一種の光源を用いることができる。
本発明の第一の実施形態に係る発光装置は、白色光を発光する光源と組み合わせて用いることによって、植物の成長を促進させ、又は、植物の機能性栄養成分を増強できる、赤色光の補光用の発光装置として用いることができる。
本発明の第一の実施形態に係る発光装置は、前記発光装置とは別の光エネルギーを発する光源と組み合わせた照明装置としてもよい。前記発光装置とは別の光エネルギーを発する光源は、白色光を発する光源に限定されず、例えば、青色光を発光する光源等が挙げられる。本発明の第一の実施形態に係る発光装置と、前記発光装置とは別の光エネルギーを発する光源とを組み合わせた照明装置は、植物の種類又は植物の成長段階に応じて、最適な光エネルギーを植物に照射することができ、最適な光信号を植物に伝達することができる。
本発明の一実施形態の植物栽培方法は、発光装置100から発する光を植物に照射することにより、植物を栽培する方法である。植物栽培方法において、例えば、人為的に光照射の制御可能な植物工場において、発光装置100からの光を植物に照射することができる。植物の種類は特に限定されず、植物の光合成作用を活性化し、植物の茎、葉、根又は果実等を良好な形態又は重量を有し、植物の機能性栄養成分が増強するように植物の育成を促進することができる。
赤色蛍光体
赤色蛍光体として、450nmに発光ピーク波長を有する発光素子からの光により励起されて660nmに発光ピーク波長を有するCaAlSiN3:Eu蛍光体を用いた。
発光装置100は、発光ピーク波長が450nmである窒化物半導体を発光素子10として用いた。
蛍光部材50を構成する封止材料としてシリコーン樹脂を用い、シリコーン樹脂100質量部に、赤色蛍光体70を表1に示す配合比(質量部)で添加し、混合分散した後、脱泡して蛍光部材を構成する蛍光部材用組成物を得た。実施例1から2及び比較例1から5の発光装置に用いる蛍光部材用樹脂組成物において、表1に示すように、400nm以上490nm以下の範囲における青色光の光量子束B、620nm以上700nm以下の範囲における赤色光の光量子束R、青色光の光量子束Bに対する赤色光の光量子束Rの比R/Bのそれぞれが表1に示す値となるように赤色蛍光体を配合した。これらの蛍光部材用組成物を成形体40の凹部の発光素子10上に注入して、前記凹部に充填し、さらに150℃で3時間加熱し、蛍光部材用組成物を硬化させ、蛍光部材50を形成し、実施例1から2及び比較例1から5について図1に示されるような発光装置100を製造した。以下、実施例1から2及び比較例1から5の発光装置100は、赤色補光用発光装置とも称する。
実施例1から2及び比較例1から5の発光装置から発する光を、分光器(浜松ホトニクス株式会社社製、PMA−12)を用いて測定した。得られた放射束(W)から、下記式(1)に基づいて光量子束に換算し、波長に対する光量子束のスペクトルを作成し、400nm以上490nm以下の範囲における光量子束を積算した青色光の光量子束Bと、620nm以上700nm以下の範囲における光量子束を積算した赤色光の光量子束Rと、400nm以上700nm以下の範囲における光量子束を積算した光合成光量子束PPFとを算出した。結果を表1に示す。また図2に、各実施例及び比較例の発光装置から発する光の400nm以上490nm以下の範囲における青色光の光量子束B、620nm以下700以下の範囲における赤色光の光量子束R、400nm以上700nm以下の範囲における光合成光量子束PPFを示す。図2において、横軸は、各実施例及び比較例の赤色補光用発光装置の比R/Bを示す。図2において、左側から比較例1の発光装置、比較例2の発光装置、実施例1の発光装置、実施例2の発光装置、比較例3の発光装置、比較例4の発光装置、比較例5の発光装置の各発光装置について、下側から順に青色光の光量子束B(Blue PF)、赤色光の光量子束R(Red PF)、光合成光量子束PPFを示す。
放射束(W)=光量子束(μmol・s−1)×アボガドロ数(mol−1)×プランク定数(Js)×光速度(m・s−1)÷波長(m) (1)
各実施例及び比較例の発光装置から発する光の波長に対する光量子束のスペクトルから、580nm以上680nm以下の範囲に存在する発光ピークの半値幅(FWHM)を求めた。各実施例及び比較例の発光装置の半値幅は、発光スペクトルにおいて、580nm以上680nm以下に存在する発光ピークの最大光量子束の50%の光量子束を示す発光ピークの波長幅である。結果を表1に示す。
白色光を発光する光源として、380nm以上490nm以下の範囲内に発光ピーク波長を有する発光素子と黄色蛍光体と赤色蛍光体と含む白色LED発光装置1(以下、「白色LED1」と称する場合もある。)を用いた。白色LED発光装置1から発せられる光を、前記分光器(浜松ホトニクス株式会社製、PMA−12)を用いて測定した。白色LED発光装置1は、400nm以上490nm以下の範囲における光量子束を積算した青色光の光量子束Bを1としたとき、490nmを超えて570nm以下の範囲における光量子束を積算した緑色光の光量子束Gが1.7である。
白色光を発光する光源として、380nm以上490nm以下の範囲内に発光ピーク波長を有する発光素子と、緑色蛍光体と、黄色蛍光体と、赤色蛍光体とを含む白色LED発光装置2(以下、「白色LED2」と称する場合もある。)を用いた。白色LED発光装置2から放出される光を、前記分光器を用いて測定した。白色LED発光装置2は、400nm以上490nm以下の範囲における光量子束を積算した青色光の光量子束Bを1としたときに、490nmを超えて570nm以下の範囲における光量子束を積算した緑色光の光量子束Gが1.7である。
白色LED発光装置1又は2から発する光と、各実施例及び比較例の赤色補光用発光装置から発する光を、前記分光器(浜松ホトニクス株式会社社製、PMA−12)を用いて測定した。得られたスペクトル又は放射束のデータを組み合わせることにより、白色LED発光装置1又は2と各実施例及び比較例の赤色補光用発光装置を組み合わせた混色光のスペクトル又は放射束を得た。これらを前記式(1)に基づいて光量子束に換算し、光量子束のスペクトルを作成し、400nm以上700nm以下の範囲における光量子束を積算して、光合成光量子束PPFを算出した。結果を表2、表3及び図3に示す。図4に、450nmにおける発光ピーク波長の光量子束を1として、白色LED発光装置1単独から発せられる光の相対光量子束のスペクトルと、白色LED発光装置1から発せられる光と実施例1の赤色補光用発光装置から発せられる光の混色光の相対光量子束のスペクトルと、白色LED発光装置1から発せられる光と比較例2の赤色補光用発光装置から発せられる光の混色光の相対光量子束のスペクトルを示す。図5に、450nmにおける発光ピーク波長の光量子束を1として、白色LED発光装置1単独から発せられる光の相対光量子束のスペクトルと、白色LED発光装置1から発せられる光と実施例2の赤色補光用発光装置から発せられる光の混色光の相対光量子束のスペクトルと、白色LED発光装置1から発せられる光と比較例2の赤色補光用発光装置から発せられる光の混色光の相対光量子束のスペクトルを示す。
白色LED発光装置1又は2単独から発せられる光の400nm以上490nm以下の範囲における青色光の光量子束Bと、490nmを超えて570nm以下の範囲における緑色光の光量子束Gを前述の光量子束と同様にして算出した。前述のとおり、白色LED発光装置1又は2単独から発せられる光の400nm以上490nm以下の範囲における青色光の光量子束Bが1の場合に、490nmを超えて570nm以下の範囲における緑色光の光量子束Gは1.7である(比G/B=1.7/1)。
また、青色光の光量子束Bmixに対する赤色光の光量子束Rmixの比Rmix/Bmixが3.5となるように組み合わせた白色LED発光装置1から発せられる光と各実施例及び比較例の赤色補光用発光装置から発せられる光との混色光の400nm以上490nm以下の範囲における青色光の光量子束Bと、490nmを超えて570nm以下の範囲における緑色光の光量子束Gを前述の光量子束と同様にして算出した。白色LED発光装置1又は2単独から発せられる光の比G/Bを100%とし、白色LED発光装置1又は2の単独から発せられる光の比G/Bに対する、白色LED発光装置1又は2と各実施例及び比較例の赤色補光用発光装置と組み合わせた各混色光の比G/Bの数値の比率をG/B維持率(%)として表した。G/B維持率の数値が100の値に近いほど、赤色補光用発光装置の赤色光が補光された場合であっても、緑色光の成分が減少することなく、白色LED発光装置単独から発せられる光のスペクトルバランスが維持されていることを示す。
青色光の光量子束Bmixに対する赤色光の光量子束Rmixの比Rmix/Bmixが3.5になるように白色LED発光装置1又は2と、各実施例及び比較例の赤色補光用発光装置とを組み合わせた合計の発光装置の個数を100%とし、白色LED発光装置1又は2と各実施例及び比較例の赤色補光用発光装置の合計の個数に対する白色LED発光装置の個数の割合を個数比率(%)で表した。結果を表2及び3、並びに図3に示す。例えば、比Rmix/Bmixが3.5となるように白色LED発光装置と比較例1の発光装置とを組み合わせた場合、白色LED発光装置の個数比率は10%未満であり、比較例1の発光装置の個数比率は90%以上である。この場合、比Rmix/Bmixが3.5となる混色光を供給できるように白色LED発光装置1又は2と比較例1の赤色補光用発光装置を組み合わせるためには、白色LED発光装置1又は2が1個に対して、比較例1の赤色補光用発光装置は9個必要になることになる。
Claims (10)
- 380nm以上490nm以下の範囲内に発光ピーク波長を有する発光素子と、
前記発光素子からの光により励起されて580nm以上680nm以下の範囲内に少なくとも一つの発光ピーク波長を有する光を発する赤色蛍光体を備え、
400nm以上490nm以下の範囲における青色光の光量子束Bに対する620nm以上700nm以下の範囲における赤色光の光量子束Rの比(R/B)が20を超えて200以下である、発光装置。 - 前記400nm以上490nm以下の範囲における青色光の光量子束Bに対する620nm以上700nm以下の範囲における赤色光の光量子束の比(R/B)が、50以上120以下である、請求項1に記載の発光装置。
- 前記発光装置の発光スペクトルにおいて、580nm以上680nm以下の範囲内に少なくとも一つの発光ピークを有し、前記発光ピークの半値幅が40nm以上である、請求項1又は2に記載の発光装置。
- 前記赤色蛍光体が、Sr及びCaから選択される少なくとも一種の元素と、Alとを組成に含み、Eu2+で賦活されるシリコンナイトライドを含む蛍光体を含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記赤色蛍光体が、
アルカリ土類金属元素からなる群より選択される少なくとも一種の元素と、アルカリ金属元素からなる群より選択される少なくとも一種の元素とを組成に含み、Eu2+で賦活されるアルミナイトライドを含む蛍光体、
Mn4+で賦活されるフルオロジャーマネート蛍光体、
Eu2+で賦活されるCa又はSrの硫化物を含む蛍光体、及び
アルカリ金属元素及びアンモニウムイオン(NH4 +)からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素又はイオンと、第4族元素又は第14族元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素とを組成に有し、Mn4+で賦活されるフッ化物を含む蛍光体からなる群より選択される少なくとも一種の蛍光体を含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の発光装置。 - 前記赤色蛍光体が、下記式(I)で表される組成を含む蛍光体を含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の発光装置。
(Ca1−s−tSrsEut)xAluSivNw (I)
(式(I)中、s、t、u、v、w及びxは、それぞれ0≦s≦1、0<t<1.0、0<s+t<1.0、0.8≦x≦1.0、0.8≦u≦1.2、0.8≦v≦1.2、1.9≦u+v≦2.1、2.5≦w≦3.5を満たす数である。) - 白色光を発光する光源と組み合わせて用いる、請求項1から6のいずれか一項に記載の発光装置。
- 植物栽培に用いる、請求項1から7のいずれか一項に記載の発光装置。
- 請求項1から8のいずれか一項に記載の発光装置と、その発光装置とは別の光エネルギーを発する光源と組み合わせた照明装置。
- 請求項1から8のいずれか一項に記載の発光装置から発する光を植物に照射する植物栽培方法。
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