JP6407243B2 - 高演色性白色発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、照明用白色ＬＥＤ素子に係り、より詳しくは、高輝度の青色ＬＥＤチップを励起光源とし、高い演色性を有する照明用白色ＬＥＤ素子に関する。
１９９０年代の後半、青色ＬＥＤの商用化に伴い、青色ＬＥＤチップを励起光源とし、この波長帯の励起光源を吸収して黄色波長の光を発光するＹＡＧ（Ｙｉｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）などの蛍光体を使用する白色ＬＥＤ素子が登場するようになった。この白色ＬＥＤは、高輝度を有するという点で有利であるが、青色と黄色の波長間隔が広いため、色分離による閃光効果が現れて色座標の同じ白色ＬＥＤの量産に困難があった。特に、照明光源における重要な特性である色温度（Ｃｏｌｏｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ＣＴ）と演色性評価指数（Ｃｏｌｏｒ Ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ Ｉｎｄｅｘ；ＣＲＩ）の調節が非常に難しいという欠点を持つ。このような通常の白色ＬＥＤの演色評価指数は７５〜８０に止まっていた。
かかる問題点により、紫外線ＬＥＤチップ上にＲ／Ｇ／Ｂの多層蛍光物質を塗布して白熱電球のように広い領域の発光スペクトルを有するとともに、優れた色安定性を有する白色ＬＥＤ素子が開発された。この白色ＬＥＤは、ＣＴとＣＲＩの調節が容易であって、照明用ＬＥＤの光源として浮き彫りになった（日本特開第２００２−１７１０００号公報）。ところが、ＵＶチップを励起光源とする白色ＬＥＤは、青色ＬＥＤチップを用いた白色ＬＥＤ素子に比べて輝度が低いという欠点を持っている。
一方、その他にも、Ｒ／Ｇ／ＢなどのマルチＬＥＤチップを組み合わせて白色を実現する方法があるが、この方法は、チップごとに動作電圧が不均一で、周辺温度に応じてチップの出力が変化して色度座標が変わるなどの欠点を持っている。
このように、白色ＬＥＤの実現のために様々な方式が開発されてきたが、青色ＬＥＤが示す高輝度特性により青色ＬＥＤを励起光源とするが、黄色蛍光体の代わりに緑色および赤色蛍光体を使用する白色ＬＥＤの研究が行われている（韓国公開特許第２００８−００６３７０９号）。この場合、色再現性がある程度増加するが、まだ十分ではない実情である。例えば、前述した緑色および赤色蛍光体を含む白色ＬＥＤランプは、Ｒ９（Ｒｅｄ）やＲ１２（Ｂｌｕｅ）などの特定の色に対して低い演色性評価指数を示すという欠点を持っている。
また、白色ＬＥＤ装置に使用された赤色または緑色蛍光体が外部のエネルギーなどにより損傷するなど、蛍光体材料の不安定性により製品の信頼性が良好ではないという問題点を持っている。
本発明は、上述したような従来の技術の問題点を解決しようとするもので、青色ＬＥＤチップを励起光源とする高演色性の白色ＬＥＤチップを提供することを目的とする。
また、本発明は、高演色性および高い発光輝度の実現のために、各蛍光体の組成および配合比率を最適化して、自然光に近似する白色光を提供することを目的とする。
本発明に係る白色発光素子は、４４０ｎｍ〜４６０ｎｍの励起波長を有する青色ＬＥＤチップと、前記青色ＬＥＤチップの励起波長によって励起されて発光する蛍光体層とを含む白色発光素子であって、前記蛍光体層は、４８０〜４９９ｎｍの発光ピーク波長を有する第１蛍光体；５００〜５６０ｎｍの発光ピーク波長を有する第２蛍光体；および６００〜６５０ｎｍの発光ピーク波長を有する第３蛍光体を含むことができる。
好ましくは、前記白色発光素子は、平均演色指数が９０％以上であり、Ｒ１２が９０％以上である。
より好ましくは、前記白色発光素子は、Ｒ９が９０％以上である。
また、前記白色発光素子は、発光スペクトル上の４８５〜５０４ｎｍの範囲でピーク波長が形成できる。
また、前記白色発光素子は、発光スペクトル上の４８５〜５０４ｎｍの範囲でピーク波長が形成できる。
好ましくは、前記白色発光素子は、発光スペクトル上で互いに異なる波長帯域のピーク波長が３つ以上形成されてもよい。
また、本発明に係る白色発光素子は、４４０ｎｍ〜４６０ｎｍの励起波長を有する青色ＬＥＤチップと、前記青色ＬＥＤチップの励起波長によって励起されて発光する蛍光体層とを含む白色発光素子であって、前記蛍光体層は、４８０〜６５０ｎｍの範囲内に発光ピーク波長を有する少なくとも３種の蛍光体を含み、前記白色発光素子は、発光スペクトル上の４８５〜５０４ｎｍの範囲でピーク波長が形成できる。
好ましくは、前記白色発光素子は、発光スペクトル上で互いに異なる波長帯域のピーク波長が３つ以上形成されてもよい。
ここで、前記白色発光素子は、平均演色指数が９０％以上で且つ演色指数Ｒ１２が９０％以上であってもよく、演色指数Ｒ９が９０％以上であってもよい。
このような本発明によれば、青色ＬＥＤチップを励起光源とする高演色性の白色ＬＥＤチップを提供することができる。本発明の白色ＬＥＤチップは、特にＲ９およびＲ１２などの特殊色相に対する高い演色性を示す。
特に、本発明は、青色ＬＥＤチップを励起光源として適用しながら、各蛍光体の波長帯域の選択および各蛍光体の配合割合の調節を行ってＲ９とＲ１２の両方が９０％以上の高い演色性を持つように実現することにより、より太陽光に近いＬＥＤ素子の提供が可能となる。
本発明と本発明の動作上の利点および本発明の実施によって達成される目的を説明するために、以下では本発明の好適な実施例を例示し、これを参照して考察する。
本発明を説明するにあたり、関連する公知の構成または機能についての具体的な説明が本発明の要旨を曖昧にするおそれがあると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。
図１は本発明の好適な実施例に係る白色ＬＥＤ素子を例示的に示す図である。
図１を参照すると、ＬＥＤ素子１００は、ベース基板１１０上に装着されたＬＥＤチップ１３０を含む。前記ＬＥＤ素子１００は、金属のような基板（ｍｅｔａｌ ＰＣＢ）２００上に表面実装方式（ＳＭＴ）でボールグリッド接合２１０が施されることにより、ＬＥＤパッケージを構成することができる。勿論、図示したパッケージ構造は、本発明のＬＥＤ素子の適用例を例示したもので、本発明は他のパッケージング方式にも適用可能である。
前記ＬＥＤ素子１００のベース基板１１０上には所定の形状、例えば円筒状のフレーム１７０が設置され、前記フレームの内面にはＬＥＤチップ１３０から放出される光を効率よく反射させるためのリフレクターが設置される。図示してはいないが、前記ＬＥＤチップ１３０の一つの電極はボンディングワイヤーを介在してフレーム１７０と電気的に接続できる。また、前記ＬＥＤチップ１３０の他の電極はベース基板上の金属配線と電気的に接続できる。
前記ＬＥＤチップ１３０としては、４４０ｎｍ乃至４６０ｎｍのピーク波長を有する発光ダイオードを含む。前記発光ダイオードとしては、ＩｎＧａＮ系またはＧａＮ系などの発光ダイオードが使用できる。本発明において、ＬＥＤチップの代わりに、レーザーダイオードなどの他の発光素子が使用できるのは当業者ならば誰でも分かることができる。
前記ＬＥＤチップ１３０は蛍光体層１５０によって囲まれている。前記蛍光体層１５０は、前記ＬＥＤチップ１３０の発光波長によって励起されて所定の波長の光を放出する少なくとも３種の互いに異なる発光ピーク波長を有する蛍光体１５２、１５３、１５４を含む。本発明において、前記蛍光体は、好ましくは粉末として提供される。このため、前記蛍光体層１５０は、前記蛍光体を分散および固定し且つ前記ＬＥＤチップ１３０を密封する透明樹脂を含むことができる。
本発明において、前記透明樹脂としては、通常のシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などが使用できる。
本発明において、前記蛍光体１５２、１５３、１５４は、互いに異なる組成の蛍光物質から構成され、互いに異なる発光ピーク波長を有するが、好ましくは、前記蛍光体１５２、１５３、１５４は、４８０〜６５０ｎｍの範囲内に互いに異なる発光波長を有する少なくとも３種の蛍光物質を含む。一つの実施例として、本発明において、前記蛍光体１５２、１５３、１５４は、前記ＬＥＤチップから放出される光によって励起されて青色光を発する第１蛍光体Ｂ、緑色光を発する第２蛍光体Ｇ、および赤色光を発する第３蛍光体Ｒを含む。本発明において、前記第１、第２および第３蛍光体は酸化物または窒化物であることが好ましい。
本発明において、前記第１蛍光体は、前記ＬＥＤチップ１３０の発光によって励起されて４８０〜４９９ｎｍの範囲でピーク波長を有する光を放出する。前記第１蛍光体の発光ピーク波長は前記ＬＥＤチップ１３０から放出される光のピーク波長よりも大きい。
本発明において、前記第１蛍光体Ｂとしては、青色光を発する蛍光体であって、下記化学式１で表される蛍光物質を使用することが好ましい。
（化学式１）
（Ｂａ、Ｅｕ）Ｓｉｘ（Ｏ、Ｃｌ）ｘＮｘ（１＜ｘ＜５）
（Ｂａ、Ｅｕ）Ｓｉｘ（Ｏ、Ｃｌ）ｘＮｘ（１＜ｘ＜５）
本発明において、前記第２蛍光体は、前記ＬＥＤチップ１3０の発光によって励起されて５００乃至５６０ｎｍの範囲でピーク波長を有する光を放出する。前記第２蛍光体としては、緑色光を発する蛍光体であって、下記化学式２〜化学式４で表される蛍光物質を単独でまたは組み合わせて使用することができる。
（化学式２）
（Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａ）ｘＳｉＯ２ｘ：Ｅｕ（１＜ｘ＜５）
（Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａ）ｘＳｉＯ２ｘ：Ｅｕ（１＜ｘ＜５）
（化学式３）
Ｓｉ６−ｙＡｌｙＯｙＮ８−ｙ：Ｅｕ（０．１＜ｙ＜０．５）
Ｓｉ６−ｙＡｌｙＯｙＮ８−ｙ：Ｅｕ（０．１＜ｙ＜０．５）
（化学式４）
Ａｌ８−ｚＬｕｚＯ１２：Ｃｅ＋＋（１＜ｚ＜５）
Ａｌ８−ｚＬｕｚＯ１２：Ｃｅ＋＋（１＜ｚ＜５）
本発明において、前記第３蛍光体は、前記ＬＥＤチップ１３０の発光によって励起されて６００〜６５０ｎｍの範囲でピーク波長を有する光を放出する。前記第３蛍光体としては、下記化学式５または化学式６で表される蛍光物質を単独でまたは組み合わせて使用することができる。
（化学式５）
（Ｓｒ、Ｃａ）ＡｌＳｉＮｘ：Ｅｕ（１＜ｘ＜５）
（Ｓｒ、Ｃａ）ＡｌＳｉＮｘ：Ｅｕ（１＜ｘ＜５）
（化学式６）
ＣａＡｌＳｉＮｙ：Ｅｕ（１＜ｙ＜５）
ＣａＡｌＳｉＮｙ：Ｅｕ（１＜ｙ＜５）
以下では、本発明に係る高演色性白色発光素子の実施例、およびこれと対比される比較例に対する演色性評価実験の結果を説明する。
＜実施例１〜１２＞
本発明に係る実施例１〜１２では、第１蛍光体としてはＤ５０が１５±３μｍである４８０〜４９９ｎｍの発光ピーク波長を有する（Ｂａ、Ｅｕ）Ｓｉ２（Ｏ、Ｃｌ）２Ｎ２を、第２蛍光体としてはＤ５０が１２±３μｍである５００〜５６０ｎｍの発光ピーク波長を有するＡｌ５Ｌｕ３Ｏ１２：Ｃｅ＋＋を、第３蛍光体としてはＤ５０が１１±３μｍである６００〜６５０ｎｍの発光ピーク波長を有する（Ｓｒ、Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕをそれぞれ準備した。
本発明に係る実施例１〜１２では、第１蛍光体としてはＤ５０が１５±３μｍである４８０〜４９９ｎｍの発光ピーク波長を有する（Ｂａ、Ｅｕ）Ｓｉ２（Ｏ、Ｃｌ）２Ｎ２を、第２蛍光体としてはＤ５０が１２±３μｍである５００〜５６０ｎｍの発光ピーク波長を有するＡｌ５Ｌｕ３Ｏ１２：Ｃｅ＋＋を、第３蛍光体としてはＤ５０が１１±３μｍである６００〜６５０ｎｍの発光ピーク波長を有する（Ｓｒ、Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕをそれぞれ準備した。
青色ＬＥＤチップ上に、前述したような第１蛍光体、第２蛍光体、第３蛍光体およびシリコーン樹脂を図２のような割合で混合したスラッジを注入し、温度１５０〜１８０℃の熱処理でシリコーン樹脂を硬化させて図１のような白色ＬＥＤ素子を製作したが、実施例１、３、５、７、９および１１は４４０〜４５０ｎｍの発光ピーク波長を有するＬＥＤチップを使用し、前記実施例２、４、６、８、１０および１２は４５０〜４６０ｎｍの発光ピーク波長を有するＬＥＤチップを使用した。
＜比較例１〜１２＞
比較例１〜１２では、第１蛍光体としては４３０〜４７０ｎｍの発光ピーク波長を有する（Ｂａ、Ｅｕ）Ｓｉ２（Ｏ、Ｃｌ）２Ｎ２を準備し、第２蛍光体および第３蛍光体としては実施例１〜１２と同様の発光ピーク波長および組成を有するものを準備した。
比較例１〜１２では、第１蛍光体としては４３０〜４７０ｎｍの発光ピーク波長を有する（Ｂａ、Ｅｕ）Ｓｉ２（Ｏ、Ｃｌ）２Ｎ２を準備し、第２蛍光体および第３蛍光体としては実施例１〜１２と同様の発光ピーク波長および組成を有するものを準備した。
青色ＬＥＤチップ上に、前述したような第１蛍光体、第２蛍光体、第３蛍光体およびシリコーン樹脂を図３のような割合で混合したスラッジを注入し、温度１５０〜１８０℃の熱処理でシリコーン樹脂を硬化させて図１のような白色ＬＥＤ素子を製作したが、比較例１、３、５、７、９および１１は４４０〜４５０ｎｍの発光ピーク波長を有するＬＥＤチップを使用し、比較例２、４、６、８、１０および１２は４５０〜４６０ｎｍの発光ピーク波長を有するＬＥＤチップを使用した。
実施例１〜１２と比較例１〜１２で製作された白色発光素子に対して演色性評価実験を行った。
図４は実施例１〜１２に係る白色発光素子に対する演色性評価実験の結果を示し、図５は比較例１〜１２に係る白色発光素子に対する演色性評価実験の結果を示す。
図４および図５において、白色ＬＥＤ素子のサンプルの相関色温度（ＣＣＴ）、輝度および演色性評価指数（ＣＲＩ）の測定は、各素子に対して６５ｍＡの電流を基準として行い、測定装備としてインスツルメント社のＣＡＳ１４０スペクトロメーターおよび大塚電子社製のＭＣＰＤ装置を使用し、日本工業規格（ＪＩＳ Ｚ ８７２６−１９９０）に準拠して行った。
図４の測定結果から分かるように、実施例１〜１２では、色温度３０００Ｋ〜６５００Ｋで演色性指数Ｒａがすべて９６％以上であり、さらにＲ１〜Ｒ１５の色相指数がすべて９０％以上であって安定的且つ均一に高演色性を有する。特に、特定の色相であるＲ９に対して９０％以上であり、高くは９８％までの結果値を示した。また、Ｒ１２に対しても９０％以上であり、高くは９７％までの結果値を示した。
これに対し、図５の測定結果から分かるように、比較例１〜１２では、演色性指数Ｒａが９０％〜９４％と比較的安定的であったが、実施例１〜１２では、比較例１〜１２よりも演色性指数Ｒａが５％以上向上した。また、比較例１〜１２では、Ｒ１〜Ｒ１５の色相指数の中には６０％台まで落ちる数値が見られ、特に、特定の色相であるＲ９に対しては６０％台〜７０％台程度、Ｒ１２に対しても８０％台程度に止まっている。よって、実施例１〜１２におけるＲ９とＲ１２が遥かに高いことが分かる。
さらに、前述した実施例と比較例に対する発光スペクトルを考察すると、図６〜図１１は、実施例１、３、５、７、９および１１、並びにこれと対比される比較例１、３、５、７、９および１１に対する発光スペクトルを示すが、各図面において、（ａ）は比較例に対する発光スペクトルを示し、（ｂ）は実施例に対する発光スペクトルを示し、（ｃ）は実施例と比較例とを対比した発光スペクトルを示す。
図６に示すように、色温度３０００Ｋ帯域で、実施例１は比較例１よりも４８０〜５１０ｎｍの波長帯域の数値が遥かに高く現れることが分かる。
ひいては、図７および図８を参照すると、色温度３５００Ｋと４０００Ｋの帯域で実施例３および５が比較例３および５に比べて全体的に特殊色相指数（Ｒ９〜Ｒ１５）に対応する発光波長帯域の数値が遥かに高く現れ、図９〜図１１に示した色温度５０００Ｋ〜６５００Ｋ帯域でも実施例７、９および１１が比較例７、９および１１に比べて全体的に特殊色相指数（Ｒ９〜Ｒ１５）に対応する発光波長帯域の数値が遥かに高く現れることが分かる。
図１２は図６〜図１１の発光スペクトルを総合した結果を示すが、図１２の（ａ）は比較例の発光スペクトルを示し、図１２の（ｂ）は実施例の発光スペクトルを示す。
図１２の（ｂ）に示すように、本発明に係る実施例の発光スペクトルでは４８５〜５０４ｎｍの範囲内でピーク波長が形成されるが、図１２の（ａ）における比較例の発光スペクトルでは４８５〜５０４ｎｍの範囲でピーク波長が存在しないことが分かる。
さらに、図１２の（ｂ）に示すように、本発明に係る実施例では、全体的なスペクトル上で互いに異なる波長帯域のピーク波長が３つ以上形成されるが、図１２の（ａ）における比較例では全体的なスペクトル上で互いに異なる波長帯域のピーク波長が２つ形成されることが分かる。
前記発光スペクトルの結果を基に、本発明によって、発光スペクトルで４８５〜５０４ｎｍの範囲内のピーク波長が形成されることにより、演色指数Ｒ１２を９０％以上に向上させることができ、４８５〜５０４ｎｍの範囲内でピーク波長が形成されることにより、演色指数Ｒ９も大幅に向上させることができ、これにより全体的に特殊演色指数Ｒ９からＲ１５までを均一に向上させることができる。
このような結果から判断すると、４４０ｎｍ〜４６０ｎｍの励起波長を有する青色ＬＥＤチップを使用しながら、第１蛍光体として４８０〜４９９ｎｍのピーク波長帯域を有する蛍光体を適用する場合に色温度３０００Ｋから６５００Ｋ帯域まで全体的に演色指数が均一に現れ、特に演色指数Ｒ９とＲ１２が著しく向上できる。
以上の説明は、本発明の技術思想を例示的に説明したものに過ぎない。本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で様々な修正および変形が可能であろう。したがって、本発明に記載された実施例は、本発明の技術思想を限定するためのものではなく、説明するためのものであり、これらの実施例により本発明の技術思想が限定されるのではない。本発明の保護範囲は下記の請求の範囲によって解釈されるべきであり、それと同等の範囲内にあるすべての技術思想は本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
Claims (4)
- ４４０ｎｍ〜４６０ｎｍの励起波長を有する青色ＬＥＤチップと、前記青色ＬＥＤチップの発光面を覆い、前記青色ＬＥＤチップの励起波長によって励起されて発光し、蛍光体粉末を含む蛍光体層とを含む白色発光素子であって、
前記蛍光体粉末は、
４８０〜４９９ｎｍの発光ピーク波長を有し、化学式（Ｂａ、Ｅｕ）Ｓｉｘ（Ｏ、Ｃｌ）ｘＮｘ（１＜ｘ＜５）で表される蛍光体を含む第１蛍光体粉末と、
５００〜５６０ｎｍの発光ピーク波長を有し、化学式（Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａ）ｘＳｉＯ２ｘ：Ｅｕ（１＜ｘ＜５）で表される蛍光体、化学式Ｓｉ６−ｙＡｌｙＯｙＮ８−ｙ：Ｅｕ（０．１＜ｙ＜０．５）で表される蛍光体、及び化学式Ａｌ８−ｚＬｕｚＯ１２：Ｃｅ＋＋（１＜ｚ＜５）で表される蛍光体のうち少なくとも一つを含む第２蛍光体粉末と、
６００〜６５０ｎｍの発光ピーク波長を有し、化学式（Ｓｒ、Ｃａ）ＡｌＳｉＮｘ：Ｅｕ（１＜ｘ＜５）で表される蛍光体、及び化学式ＣａＡｌＳｉＮｙ：Ｅｕ（１＜ｙ＜５）で表される蛍光体のうち少なくとも一つを含む第３蛍光体粉末と、のみからなり、
前記白色発光素子は、平均演色指数が９０％以上であり、Ｒ９が９０％以上であることを特徴とする、白色発光素子。 - 前記白色発光素子は、Ｒ１２が９０％以上であることを特徴とする、請求項１に記載の白色発光素子。
- ４４０ｎｍ〜４６０ｎｍの励起波長を有する青色ＬＥＤチップと、前記青色ＬＥＤチップの発光面を覆い、前記青色ＬＥＤチップの励起波長によって励起されて発光し、蛍光体粉末を含む蛍光体層とを含む白色発光素子であって、
前記蛍光体粉末は、
４８０〜４９９ｎｍの発光ピーク波長を有し、化学式（Ｂａ、Ｅｕ）Ｓｉｘ（Ｏ、Ｃｌ）ｘＮｘ（１＜ｘ＜５）で表される蛍光体を含む第１蛍光体粉末と、
５００〜５６０ｎｍの発光ピーク波長を有し、化学式（Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａ）ｘＳｉＯ２ｘ：Ｅｕ（１＜ｘ＜５）で表される蛍光体、化学式Ｓｉ６−ｙＡｌｙＯｙＮ８−ｙ：Ｅｕ（０．１＜ｙ＜０．５）で表される蛍光体、及び化学式Ａｌ８−ｚＬｕｚＯ１２：Ｃｅ＋＋（１＜ｚ＜５）で表される蛍光体のうち少なくとも一つを含む第２蛍光体粉末と、
６００〜６５０ｎｍの発光ピーク波長を有し、化学式（Ｓｒ、Ｃａ）ＡｌＳｉＮｘ：Ｅｕ（１＜ｘ＜５）で表される蛍光体、及び化学式ＣａＡｌＳｉＮｙ：Ｅｕ（１＜ｙ＜５）で表される蛍光体のうち少なくとも一つを含む第３蛍光体粉末と、のみからなり、
前記白色発光素子は、平均演色指数が９０％以上であり、Ｒ９が９０％以上であり、
発光スペクトル上の４８５〜５０４ｎｍの範囲でピーク波長が形成されたことを特徴とする、白色発光素子。 - 前記白色発光素子は、Ｒ１２が９０％以上であることを特徴とする、請求項３に記載の白色発光素子。
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