JP4905627B2 - 緑色蛍光体、白色ledおよびそれを用いたバックライト並びに液晶表示装置 - Google Patents
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Description
白色LEDは、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオードおよび青色発光ダイオードの3色の発光ダイオードを組合せて白色発光させるタイプ1と、長波長紫外線(300〜430nm)または青色波長(460〜480nm)の発光ダイオードを励起源として複数種の可視光発光蛍光体含有した蛍光体層と組合せることによって白色発光させるタイプ2がある。同じ数の白色光を形成する場合、タイプ2であればダイオードの数を減らすことができることから、近年はタイプ2の開発が行われるようになっていた。発光ダイオードを減らすことができれば発熱等の問題を改善することができる。
タイプ2の白色LEDにおいては前述のように長波長紫外線(または紫色)発光ダイオードを用いるもの、青色(460〜480nm)で発光する発光ダイオードを用いるものがある。
ところで、タイプ2の白色LEDにおいては、今までの水銀ガスの254nmでの励起とは異なり、長波長紫外線(300〜430nm)または青色波長(460〜480nm)での励起となるため、現行のFL、CCFLで用いられてきた蛍光体を用いることができないことが多い。
特にFL、CCFLで緑色蛍光体として一般的に用いられているLaPO4:Ce,Tbは、320〜430nmでは殆ど発光しない。このため、特開2000−73052号公報(特許文献1)では緑色成分として、BaMgAl10O17:Eu、Mn(特許文献1[0029]欄の一般式を満たす組成)を用いているが、緑色成分としては発光波長が515nmと従来材料LaPO4:Ce,Tbの543nmに比較して短波長であり、完全互換とならないため、照明用途に用いる場合、演色性の低下などの問題があった。
一方、液晶表示装置はバックライトとカラーフィルタの組合せによって、表示装置としての色再現域が決まるものである。例えば、CCFLを用いたバックライトを搭載した液晶表示装置において、単にCCFLを白色LEDに置き換えたとしても液晶表示装置の特性が上がるわけではない。これは、カラーフィルタがCCFLの光の色再現域に合わせて設計されているためである。言い換えると、光源をCCFLから白色LEDに置き換えるだけでは必ずしも液晶表示装置の特性が向上するわけではないのである。
しかしながら、現在開発されている白色LEDはCCFLとは色再現域が大きく異なることから、CCFLを用いている液晶表示装置を白色LEDに置き換えるにはカラーフィルタの設計変更も必要であった。その一方で、環境問題から水銀フリー化の要望は高まっている。つまり、カラーフィルタ等の設計変更なしで水銀フリーを可能とする白色LEDが求められているのである。
そこで本発明は、従来のCCFLと同程度の色再現域を有し、輝度を大幅向上させるための緑色蛍光体、白色LED、およびバックライト並びに液晶表示装置を提供するものである。
を満たすものである。
一般式1: (LuαYβ) 1−X−Y CeXTbYBO3
(式中、α、βは、α+β=1、0.1≦α≦1、0≦β≦0.9であり、x、yは、0.
03<x<0.3、
0.03<y<0.3)で表されるセリウムおよびテルビウム付活希土類硼酸化
物からなることを特徴とする緑色蛍光体である。
または紫色発光レーザの少なくとも1種の発光素子と、蛍光体層を具備した白色LEDに
おいて、前記蛍光体層中の緑色蛍光体が一般式1、青色蛍光体が一般式2または一般式3
、赤色蛍光体が一般式4または一般式5を満たすことを特徴とする白色LEDである。
<緑色蛍光体>
一般式1:(LuαYβ)1−X−YCeXTbYBO3
(式中、α、βは、α+β=1、0.1≦α≦1、0≦β≦0.9であり、x、yは、0.
03<x<
0.3、0.03<y<0.3)で表される 3価のセリウムおよびテルビウム付活希土
類
硼化物蛍光体。
一般式2:(M2、Eu)10(PO4)6・Cl2
(式中、M2はMg、Ca、SrおよびBaから選ばれる少なくとも1種の元素を示す)で実質的に表される2価のユーロピウム付活ハロ燐酸塩蛍光体、または
一般式3:a(M3、Eu)O・bAl2O3
(式中、M3はMg、Ca、Sr,Ba,Zn、Li、RbおよびCsから選ばれる少なくとも1種の元素を示し、aおよびbは0<a、0<b、0.2≦a/b≦1.5を満足する数である)で実質的に表される2価のユーロピウム付活アルミン酸塩蛍光体。
一般式4:(La1−x,Eux)2O2S
(式中、0.01<x<0.15を満たす値である)
で表わされるユーロピウム付活酸硫化ランタン蛍光体、または
一般式5:(Y1−x,Eux)2O2S
(式中、0.01<x<0.15を満たす値である)
で表わされるユーロピウム付活酸硫化イットリウム蛍光体。
また、前記発光素子の発光波長が300〜430nmであることが好ましい。また、前記蛍光体の平均粒径が1μm以上であることが好ましい。
上記のような白色LEDはバックライトに好適であり、特に前記白色LEDを複数個用いることが好ましい。また、上記のバックライトは液晶表示装置に好適である。
また、従来の冷陰極管(CCFL)のように水銀を使用する必要もないので環境問題が生じない。
bは樹脂に埋め込まれた蛍光体層を、cは発光ダイオード及び蛍光体の発光を外部へ導く反射層を、dは発光部を支える樹脂枠を示している。LEDランプに印加された電気エネルギーは発光ダイオードにより紫外光あるいは紫色光に変換され、それらの光が発光ダイオード上部の蛍光体層によりより長波長の光に変換され、総計として白色光がLEDランプ外へ放出される仕組みになっている。
紫外線発光ダイオードまたは紫色発光ダイオードはInGaN系、GaN系、AlGaN系のダイオードなど様々なものが適用可能である。特に発光波長のピーク値が300〜430nmの発光ダイオードであると、後述の蛍光体との組合せにより、高輝度かつ色再現性のより優れた白色LEDを為し得ることができる。発光波長のピーク値が320〜400nmの紫外線発光ダイオードまたは紫色発光ダイオードであると後述の蛍光体と組合せた際に、より高輝度が得られるので好ましい。また、紫外線発光ダイオードまたは紫色発光ダイオードの代わりに紫外線発光レーザまたは紫色発光レーザを用いてもよい。なお、本発明では、紫外線発光ダイオード、紫色発光ダイオード、紫外線発光レーザおよび紫色発光レーザを総合して発光素子と称する。
光発光蛍光体としては、緑色蛍光体、青色蛍光体、赤色蛍光体をそれぞれ1種以上用いる
ことが好ましい。以下、それぞれの蛍光体について説明する。
まず、緑色蛍光体としては次の一般式1を満たすものが必要である。
一般式1: (LuαYβ)1−X−YCeXTbYBO3
(式中、α、βは、α+β=1、0.1≦α≦1、0≦β≦0.9であり、x、yは、0.
03<x<
0.3、0.03<y<0.3)で表される 3価のセリウムおよびテルビウム付活希土
類
硼化物蛍光体である。
Ce3+、Tb3+の置換により、発光素子からの励起光(300〜430nm)がまず
、
Ce3+イオンに吸収され、この吸収されたエネルギーがTb3+イオンに伝達され緑色
発光が
生ずるのである。置換量を示すx値、y値は0.03<x<0.3、0.03<y<0.
3である。
xが0.03以下となるとCe3+にエネルギーが十分に吸収されないため、Tb3+に
十分な
エネルギーが伝達されず、Tb3+の緑色発光が十分に起こらない。xが0.30以上と
なると、
逆に発光効率が低下してしまう。同じようにyが0.03以下となると、Ce3+から伝
達された
エネルギーを受け取るTb3+が不足して緑色発光が十分でなく、0.3以上となると、
発光効率が
低下してしまう。 緑色蛍光体の製造方法は特に限定されるものではないが、例えば次の
ような方法
が挙げられる。まず、酸化スカンジウム(Sc2O3),酸化ランタン(La2O3),
酸化ルテチウム(Lu2O3)の少なくとも一種と、酸化セリウム(CeO2)、酸化テ
ルビウム(Tb4O7)と硼酸化水素(H3BO3)を一般式1に示した組成となるよう
に所定量秤量し、これらを焼成助剤とともに、十分混合する。この原料混合物をアルミナ
坩堝等に入れて、1100〜1400℃程度の温度で、
3〜6時間程度焼成する。この後、得られた焼成物を純水にて洗浄し、不要な可溶成分を
除去する。
その後ろ過乾燥させることにより、目的とする緑色蛍光体が得られる。
一般式2:(M2、Eu)10(PO4)6・Cl2
(式中、M2はMg、Ca、SrおよびBaから選ばれる少なくとも1種の元素を示す)で実質的に表される2価のユーロピウム付活ハロ燐酸塩蛍光体、または
一般式3:a(M3、Eu)O・bAl2O3
(式中、M3はMg、Ca、Sr、Ba、Zn、Li、RbおよびCsから選ばれる少なくとも1種の元素を示し、aおよびbは0<a、0<b、0.2≦a/b≦1.5を満足する数である)で実質的に表される2価のユーロピウム付活アルミン酸塩蛍光体である。
一般式4:(La1−x,Eux)2O2S
(式中、0.01<x<0.15を満たす値である)
で表わされるユーロピウム付活酸硫化ランタン蛍光体、または
一般式5:(Y1−x,Eux)2O2S
(式中、0.01<x<0.15を満たす値である)
で表わされるユーロピウム付活酸硫化イットリウム蛍光体。
なお、一般式2と一般式3、一般式4と一般式5の選択については励起波長、輝度要求、耐食性、コスト等に応じて蛍光体を選択することが好ましい。
例えば図1のような白色LEDの場合、発光ダイオードaに印加された電気エネルギーは
発光ダイオードにより紫外光(あるいは紫色光)に変換され、それらの光が発光ダイオード上部の蛍光体層によりより長波長の光に変換され、総計として白色光がLED外へ放出される仕組みになっている。
なお、本発明では発光ダイオードaに用いられる紫外線発光ダイオードまたは紫色発光ダイオードは発光ダイオードと表記し、完成した白色発光ダイオードに関しては白色LEDと表記する。
白色LEDの製造方法は特に限定されないが、例えば、各色の蛍光体粉末をそれぞれ樹脂と混合した後、各色の樹脂との混合体を混ぜ合わせ混合蛍光体を作製する方法や、予め各色の蛍光体粉末同士を混合した後、樹脂と混ぜ合わせて混合蛍光体を作製する方法が挙げられる。
出来上がった混合蛍光体を、発光ダイオード上に塗布し、樹脂を固めることにより、白色LEDを形成することができる。なお、白色LEDに用いる基板や金属枠(リフレクタ)等の構成は任意である。
以上のような白色LEDは高輝度の白色光が得られる。このような白色LEDはバックライト、特に液晶表示装置のバックライトに有効である。
三角形の面積が広いほうが多くの色度の光を表現でき、その液晶表示装置は色再現域が広い(色再現性が良い)ことになる。図3には従来の冷陰極管を用いた液晶ディスプレイの色再現域も示したが、実質的に本発明の色再現域と同様の範囲となっている。このように色再現域の類似した光源であればカラーフィルタ等の設計変更無しで置き換えが可能となる。
図2および図3には同時に理想的な色再現域を示す国際標準(NTSC)も示した。色再現域の広さはこのNTSCの三角形の面積を100としたときの相対値で示され、本発明の液晶表示装置の色再現域は67であるのに対し従来の冷陰極管を用いた液晶表示装置は65であった。
このような液晶表示装置は携帯電話、カーナビ、モバイル通信機器の小型画面、パソコンやテレビの中型・大型画面など様々な液晶表示装置に好適である。特に、従来のCCFLを用いた液晶表示装置の色再現性が同程度であることからカラーフィルタ等の設計変更なしで使用することができる。
また、白色LEDが高輝度であることからサイドライト型、直下型どちらのタイプのバックライトにも適用できる。また、バックライトに適用する際は、必要に応じ、複数個の白色LEDを用いるものとする。
本発明の一般式1を満たす蛍光体を実施例1〜4、M元素をY(イットリウム)またはGd(ガドリニウム)としたものを比較例1〜2とした。
各実施例および比較例に係る緑色蛍光体の輝度を測定した。輝度の測定は、島津製作所製分光器(RF−5300PC)を用い、励起波長390nmとしたときの最も高い発光ピーク(最大発光ピーク高さ)を測定した。その際、比較例1にかかる蛍光体の最大発光ピーク高さを100としてピーク高さ比を輝度として求めた。その結果を表1に示す。
実施例1〜4および比較例1〜2の緑色蛍光体と、一般式2または一般式3を満たす青色蛍光体と、一般式4または一般式5を満たす赤色蛍光体を用意し、それぞれ実施例5〜8および比較例3〜4に係る白色LEDを調整した。
また、一般式1を満たさない緑色蛍光体を用いた白色LEDを比較例5〜7として用意した。
具体的には、本実施例の白色LEDの評価のために、断面が図1の構造を採用した。発光素子にはサイズ300μm四方の紫外線発光ダイオードを配し、平均粒径5μmの各蛍光体とシリコーン樹脂を混合してスラリーを得た後、前記紫外線発光ダイオード上にスラリーを滴下し、100〜150℃で熱処理することによりシリコーン樹脂を硬化し、各実施例に係る白色LEDを形成した。
なお、紫外線発光ダイオードの波長、各蛍光体の組成は表2に示す通りとした。
各実施例および比較例に係る白色LEDの輝度を測定した。輝度測定は全光束測定方法を用い、具体的には各白色LEDを40mAの電流で発光させ、labshere社製10インチ積分球(DAS−2100)を用いて測定した。その結果を表2に示す。
(実施例9〜10)
次に、蛍光体の平均粒径を変える以外は実施例2と同様の白色LEDを用意し、同様に輝度測定を行った。
具体的には、実施例9は各蛍光体を高温長時間焼成することにより平均粒径を10μmにしたもの、実施例10は焼成助剤を用いて高温長時間焼成することにより平均粒径を15μmにしたものである。その結果を表3に示す。
(実施例11〜16、比較例8〜12)
実施例5〜10、比較例3〜7の白色LEDを用い、液晶表示装置に一般的に用いられる赤色(R)、緑色(G)、青色(B)のカラーフィルタと組合せることにより液晶表示装置用バックライトを構成した。
前記カラーフィルタを通した光を積分球に導き赤色(R)、緑色(G)、青色(B)の発光色を評価し、液晶表示装置(ディスプレイ)にしたときの色再現域(色再現性)を調べた。色再現性については図2に示したCIE色度図を用いて緑色の発光点の座標を測定した。また、比較のためにCCFLの緑色の発光座標も調べた。その結果を表4に示す。
b…蛍光体層
c…反射層
d…樹脂枠
Claims (7)
- 一般式1:(LuαYβ)1−X−YCeXTbYBO3
(式中、α、βは、α+β=1、0.1≦α≦1、0≦β≦0.9であり、x、yは、0.
03<x<0.3、
0. 03<y<0.3)で表されるセリウムおよびテルビウム付活希土類硼酸化物
からなることを特徴とし、液晶バックライト用白色LEDに使用される緑色蛍光体。 - 紫外線発光ダイオード、紫色発光ダイオード、紫外線発光レーザまたは紫色発光レーザの
少なくとも1種の発光素子と、蛍光体層を具備した白色LEDにおいて、前記蛍光体層中
の緑色蛍光体が一般式1、青色蛍光体が一般式2または一般式3、赤色蛍光体が一般式4
または一般式5を満たすことを特徴とする液晶バックライト用白色LED。
<緑色蛍光体>
一般式1: (LuαYβ)1−X−YCeXTbYBO3
(式中、α、βは、α+β=1、0.1≦α≦1、0≦β≦0.9であり、x、yは、0.
03<x<0.3、
0.03<y<0.3)で表される3価のセリウムおよびテルビウム付活希土類硼酸化物
蛍光体。
<青色蛍光体>
一般式2:(M2、Eu)10(PO4)6・Cl2
(式中、M2はMg、Ca、SrおよびBaから選ばれる少なくとも1種の元素を示す)
で表される2価のユーロピウム付活ハロ燐酸塩蛍光体、または
一般式3:a(M3、Eu)O・bAl2O3
(式中、M3はMg、Ca、Sr,Ba,Zn、Li、RbおよびCsから選ばれる少な
くとも1種の元素を示し、
aおよびbは0<a、0<b、0.2≦a/b≦1.5を満足する数である)
で表される2価のユーロピウム付活
アルミン酸塩蛍光体。
<赤色蛍光体>
一般式4:(La1−X,EuX)2O2S
(式中、0.01<x<0.15を満たす値である)
で表わされるユーロピウム付活酸硫化ランタン蛍光体、または
一般式5:(Y1−X,EuX)2O2S
(式中、0.01<x<0.15を満たす値である)
で表わされるユーロピウム付活酸硫化イットリウム蛍光体。 - 前記発光素子の発光波長が300〜430nmであることを特徴とする請求項2記載の液
晶バックライト用白色LED。 - 前記蛍光体の平均粒径が1μm以上であることを特徴とする請求項2または請求項3記載
の液晶バックライト用白色LED。 - 前記請求項2乃至請求項4のいずれか1項に記載の白色LEDを用いたことを特徴とする
液晶表示装置用バックライト。 - 前記白色LEDを複数個用いたことを特徴とする請求項5記載の液晶表示装置用バックラ
イト。 - 前記請求項5または請求項6のいずれか1項に記載のバックライトを用いたことを特徴と
する液晶表示装置。
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