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課題

半導体発光素子蛍光体を用いる発光装置において、自然光に近い発光スペクトル、すなわち良好な演色性が得られる発光装置を提供する。

解決手段

励起光を発する半導体発光素子と、励起光を吸収して蛍光を発する複数の蛍光体を備えた発光素子であって、蛍光体の組成元素がSi、Al、O、N及びランタノイド系希土類を含んでおり、複数の蛍光体の組成元素の比率が異にすることにより発光ピ−ク波長が異なる複数の蛍光体を用いることにより、演色性に優れた発光装置とする。

概要

背景

発光ダイオードLED)などの半導体発光素子は、小型で消費電力が少なく、高輝度発光を安定に行なうことができるという利点を有している。また、半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせて可視光を得る発光装置は、半導体発光素子の利点を有し、さらに白色など使用目的に応じた色の発光が可能であるため、液晶ディスプレイ携帯電話若しくは携帯情報端末等のバックライト用光源室内外広告等に利用される表示装置、各種携帯機器インジケータ照明スイッチ又はOAオフィスオートメーション機器用光源等に利用することができる。

特許文献1には、青色又は青紫色の光を発光する半導体発光素子と、1種又は2種の蛍光体とを組み合わせた発光装置が開示されている。ここでは、前記半導体発光素子の発光色と蛍光体の発光色とが互いに補色の関係になって擬似白色の光を発光するように蛍光体を選択している。

また、特許文献2には、発光ピーク波長が380nmの紫外光を発光するIII族窒化物半導体励起光源として用い、赤色、緑色及び青色の三原色の光をそれぞれ発光する3種類の蛍光体層を備えたドットマトリックスタイプの表示装置が開示されている。

さらに特許文献3には、波長390nmから420nmの光を発光する半導体発光素子と、この半導体発光素子からの発光により励起される蛍光体とを用いて、白色の光を発光する発光装置が開示されている。ここで、半導体発光素子は、人の視感度が低い光を発光するため、半導体発光素子の発光強度発光波長が変動しても色調がほとんど変化しないという利点を有する。また、波長390nmから420nmの光は、蛍光体を分散する樹脂などの装置構成部品を損傷し難く、また人体に対する悪影響も少ない。

蛍光体用材料としては、従来より酸化物硫化物が広く用いられてきたが、近年、酸窒化物や窒化物の蛍光体の例が特許文献4、5及び6並びに非特許文献1及び2に開示されている。これらの蛍光体は、特に波長390nmから420nmの光で励起されることにより高効率の発光が得られるうえ、化学的定性及び耐熱性が高く、また使用温度の変化による発光効率の変動が少ない等の優れた特性を有するものが多い。

特許文献7には、下記の構成を有する発光装置が開示されている。波長400nm励起発光素子により励起された蛍光体(Ca0.93,Eu0.05,Mn0.02)10(PO4)6Cl2は青紫色から青色系領域に、蛍光体(Ca0.955Ce0.045)2(Si0.964Al0.036)5N8は青緑色から緑色系領域に、蛍光体SrCaSi5N8:Euは黄赤色から赤色系領域に、それぞれ発光ピーク波長を有する。これらの蛍光体からの光の混色により、白色系領域に発光色を示すとされている。

酸窒化物蛍光体の中でも、特許文献6に開示されたJEM相蛍光体は、αサイアロン(α相)あるいはβサイアロン(β相)とは異なる結晶相であるJEM相を有するシリコン酸窒化物蛍光体であって、近紫外線の励起により従来にない強い青色発光を示すことが知られている。

このように青色蛍光体の効率が改善されてきたが、青色における視感度が低いこともあって、青色蛍光体の比率を多くする必要がある。そして、この青色蛍光体の発光スペクトル半値全幅が狭いと、良好な演色性が得られにくい。
特開平10−163535号公報
特開平9−153644号公報
特開2002−171000号公報
特開2002−363554号公報
特開2003−206481号公報
国際公開2005/019376号パンフレット
特開2004−244560号公報
Naoto Hirosaki, Rong−Jun Xie, Koji Kimoto, Takashi Sekiguchi, Yoshinobu Yamamoto, Takayuki Suehiro, and Mamoru Mitomo, Characterization and properties of green−emitting β−SiAlON:Eu2+ powder phosphors for white light−emitting diodes, Applied Physics Letters 86, 211905 (2005)
上田恭太、広崎尚登、山元明、解栄著、「白色LED用赤色窒化物蛍光体」、第305回蛍光体同学会講演予稿、2004年、p37−47

概要

半導体発光素子と蛍光体を用いる発光装置において、自然光に近い発光スペクトル、すなわち良好な演色性が得られる発光装置を提供する。励起光を発する半導体発光素子と、励起光を吸収して蛍光を発する複数の蛍光体を備えた発光素子であって、蛍光体の組成元素がSi、Al、O、N及びランタノイド系希土類を含んでおり、複数の蛍光体の組成元素の比率が異にすることにより発光ピ−ク波長が異なる複数の蛍光体を用いることにより、演色性に優れた発光装置とする。

目的

本発明は、自然光に近い発光スペクトル、すなわち良好な演色性が得られる発光装置を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
11件

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請求項1

励起光を発する半導体発光素子と、少なくとも前記励起光を吸収して蛍光を発する複数の蛍光体を備えた発光装置であって、前記複数の蛍光体の組成元素がそれぞれ少なくともSi、Al、O、N及びRe(Reは前記複数の蛍光体において共通のランタノイド系希土類一元素)を含んでなり、前記複数の蛍光体のそれぞれにおける前記組成元素の比率が異なることにより、前記複数の蛍光体のそれぞれにおける発光ピーク波長が異なることを特徴とする発光装置。

請求項2

前記複数の蛍光体は、主たる結晶相JEM相であり、組成式M1−xCexAl(Siy1−zAlz)Ny2−zOzで表され、前記MはLa、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuからなる群から選択された少なくとも1種の元素を示し、前記xは0.1≦x≦1を満たす実数であり、前記zは0.9≦z≦1.1を満たす実数であり、y1は約6であり、y2は約10であることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。

請求項3

前記複数の蛍光体は、前記xの値がそれぞれ異なることを特徴とする請求項2に記載の発光装置。

請求項4

前記複数の蛍光体は、前記xが0.5未満の蛍光体と、前記xが0.5以上の蛍光体を含むことを特徴とする請求項3に記載の発光装置。

請求項5

前記複数の蛍光体の発光ピーク波長が、いずれも450nm以上510nm以下であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の発光装置。

請求項6

前記複数の蛍光体の発光スペクトル半値全幅が、いずれも80nm以上であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の発光装置。

請求項7

前記複数の蛍光体における粒径の上限及び下限が略同一であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の発光装置。

請求項8

前記励起光を吸収して緑色から黄色の光を発する蛍光体をさらに含むことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の発光装置。

請求項9

前記緑色から黄色の光を発する蛍光体が酸窒化物蛍光体であることを特徴とする請求項8に記載の発光装置。

請求項10

前記緑色から黄色の光を発する蛍光体が、Eu賦活αサイアロン蛍光体であることを特徴とする請求項8又は9に記載の発光装置。

請求項11

前記緑色から黄色の光を発する蛍光体の発光ピーク波長が510nm以上605nm以下であることを特徴とする請求項8から10のいずれか1項に記載の発光装置。

請求項12

前記緑色から黄色の光を発する蛍光体の発光スペクトル半値全幅が、80nm以上であることを特徴とする請求項8から11のいずれか1項に記載の発光装置。

請求項13

前記緑色から黄色の光を発する蛍光体の粒径の上限及び下限が、前記複数の蛍光体の上限及び下限と略同一であることを特徴とする請求項8から12のいずれか1項に記載の発光装置。

請求項14

前記励起光を吸収して赤色の光を発する蛍光体をさらに含むことを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載の発光装置。

請求項15

前記赤色の光を発する蛍光体が酸窒化物蛍光体又は窒化物蛍光体であることを特徴とする請求項14に記載の発光装置。

請求項16

前記赤色の光を発する蛍光体が、Eu賦活CaSiAlN3であることを特徴とする請求項14又は15に記載の発光装置。

請求項17

前記赤色の光を発する蛍光体の発光ピーク波長が600nm以上670nm以下であることを特徴とする請求項14から16のいずれか1項に記載の発光装置。

請求項18

前記赤色の光を発する蛍光体の発光スペクトル半値全幅が、80nm以上であることを特徴とする請求項14から17のいずれか1項に記載の発光装置。

請求項19

前記赤色の光を発する蛍光体の粒径の上限及び下限が、前記複数の蛍光体の粒径の上限及び下限と略同一であることを特徴とする請求項14から18のいずれか1項に記載の発光装置。

請求項20

前記励起光の発光ピーク波長が、350nm以上420nm以下であることを特徴とする請求項1から19のいずれか1項に記載の発光装置。

請求項21

前記発光装置の発光色度座標xが0.22以上0.44以下であり色度座標yが0.22以上0.44以下であるか、又は前記発光装置からの発光の色度座標xが0.36以上0.5以下であり色度座標yが0.33以上0.46以下であることを特徴とする請求項1から20のいずれか1項に記載の発光装置。

技術分野

0001

本発明は、蛍光体、特に酸窒化物蛍光体半導体発光素子を用いた発光装置に関する。

背景技術

0002

発光ダイオードLED)などの半導体発光素子は、小型で消費電力が少なく、高輝度発光を安定に行なうことができるという利点を有している。また、半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせて可視光を得る発光装置は、半導体発光素子の利点を有し、さらに白色など使用目的に応じた色の発光が可能であるため、液晶ディスプレイ携帯電話若しくは携帯情報端末等のバックライト用光源室内外広告等に利用される表示装置、各種携帯機器インジケータ照明スイッチ又はOAオフィスオートメーション機器用光源等に利用することができる。

0003

特許文献1には、青色又は青紫色の光を発光する半導体発光素子と、1種又は2種の蛍光体とを組み合わせた発光装置が開示されている。ここでは、前記半導体発光素子の発光色と蛍光体の発光色とが互いに補色の関係になって擬似白色の光を発光するように蛍光体を選択している。

0004

また、特許文献2には、発光ピーク波長が380nmの紫外光を発光するIII族窒化物半導体励起光源として用い、赤色、緑色及び青色の三原色の光をそれぞれ発光する3種類の蛍光体層を備えたドットマトリックスタイプの表示装置が開示されている。

0005

さらに特許文献3には、波長390nmから420nmの光を発光する半導体発光素子と、この半導体発光素子からの発光により励起される蛍光体とを用いて、白色の光を発光する発光装置が開示されている。ここで、半導体発光素子は、人の視感度が低い光を発光するため、半導体発光素子の発光強度発光波長が変動しても色調がほとんど変化しないという利点を有する。また、波長390nmから420nmの光は、蛍光体を分散する樹脂などの装置構成部品を損傷し難く、また人体に対する悪影響も少ない。

0006

蛍光体用材料としては、従来より酸化物硫化物が広く用いられてきたが、近年、酸窒化物や窒化物の蛍光体の例が特許文献4、5及び6並びに非特許文献1及び2に開示されている。これらの蛍光体は、特に波長390nmから420nmの光で励起されることにより高効率の発光が得られるうえ、化学的定性及び耐熱性が高く、また使用温度の変化による発光効率の変動が少ない等の優れた特性を有するものが多い。

0007

特許文献7には、下記の構成を有する発光装置が開示されている。波長400nm励起発光素子により励起された蛍光体(Ca0.93,Eu0.05,Mn0.02)10(PO4)6Cl2は青紫色から青色系領域に、蛍光体(Ca0.955Ce0.045)2(Si0.964Al0.036)5N8は青緑色から緑色系領域に、蛍光体SrCaSi5N8:Euは黄赤色から赤色系領域に、それぞれ発光ピーク波長を有する。これらの蛍光体からの光の混色により、白色系領域に発光色を示すとされている。

0008

酸窒化物蛍光体の中でも、特許文献6に開示されたJEM相蛍光体は、αサイアロン(α相)あるいはβサイアロン(β相)とは異なる結晶相であるJEM相を有するシリコン酸窒化物蛍光体であって、近紫外線の励起により従来にない強い青色発光を示すことが知られている。

0009

このように青色蛍光体の効率が改善されてきたが、青色における視感度が低いこともあって、青色蛍光体の比率を多くする必要がある。そして、この青色蛍光体の発光スペクトル半値全幅が狭いと、良好な演色性が得られにくい。
特開平10−163535号公報
特開平9−153644号公報
特開2002−171000号公報
特開2002−363554号公報
特開2003−206481号公報
国際公開2005/019376号パンフレット
特開2004−244560号公報
Naoto Hirosaki, Rong−Jun Xie, Koji Kimoto, Takashi Sekiguchi, Yoshinobu Yamamoto, Takayuki Suehiro, and Mamoru Mitomo, Characterization and properties of green−emitting β−SiAlON:Eu2+ powder phosphors for white light−emitting diodes, Applied Physics Letters 86, 211905 (2005)
上田恭太、広崎尚登、山元明、解栄著、「白色LED用赤色窒化物蛍光体」、第305回蛍光体同学会講演予稿、2004年、p37−47

発明が解決しようとする課題

0010

例えば波長390nmから420nmの光を発光する半導体発光素子を励起光源として用いて白色光を発する発光装置を実現するため、通常は青色、緑色、赤色といった複数の蛍光体が必要である。しかし、全体として得られる発光スペクトルは、その3種類の蛍光体の発光ピーク波長が強く光るものであるため、発光スペクトルが均一でなく、従って演色性が低かった。

0011

また、比較的視感度が低く、発光効率も十分でない青色蛍光体を用いる必要があるため、青色蛍光体の量が他の蛍光体に比べて多くなり、それに伴い性質の異なる複数の蛍光体を混ぜ合わせる場合、樹脂等の媒体中に均一に分散することが困難であり、その結果として色調のばらつきが生じていた。

0012

本発明は、自然光に近い発光スペクトル、すなわち良好な演色性が得られる発光装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0013

以下に、本発明により課題を解決するための手段を記載する。また、その手段を用いる理由の説明のために、その手段に付随する作用及びその効果についても一部記載しているが、それらの効果は課題を解決するためのものではなく付随的なものであるため、発明を限定するものではない。

0014

本発明は、励起光を発する半導体発光素子と、少なくとも前記励起光を吸収して蛍光を発する複数の蛍光体を備えた発光装置であって、前記複数の蛍光体の組成元素がそれぞれ少なくともSi、Al、O、N及びRe(Reは前記複数の蛍光体において共通のランタノイド系希土類一元素)を含んでなり、前記複数の蛍光体のそれぞれにおける前記組成元素の比率が異なることにより、前記複数の蛍光体のそれぞれにおける発光ピーク波長が異なることを特徴とする発光装置である。このように、組成元素の種類が略同一で組成比率だけが異なる複数の蛍光体を用いることにより、実効的に発光スペクトル半値全幅が非常に広い一つの蛍光体を用いるのと類似の効果が得られる。

0015

本発明は、前記複数の蛍光体において、主たる結晶相がJEM相であり、組成式M1−xCexAl(Siy1−zAlz)Ny2−zOzで表され、前記MはLa、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuからなる群から選択された少なくとも1種の元素を示し、前記xは0.1≦x≦1を満たす実数であり、前記zは0.9≦z≦1.1を満たす実数であり、y1は約6であり、y2は約10であることを特徴とする発光装置であることが好ましい。前記xの範囲は、良好な発光効率が得られる範囲として実験的に求めた値であり、前記zの範囲は、JEM相が得られる範囲として実験的に求めた値である。

0016

本発明は、前記複数の蛍光体において、前記xの値がそれぞれ異なることを特徴とする発光装置であることが好ましい。本発明者らは、JEM相蛍光体において、組成式のxすなわちCe賦活量を変化させることにより、色調を変化させることができることを見出した。

0017

本発明は、前記複数の蛍光体が、前記xが0.5未満の蛍光体と、前記xが0.5以上の蛍光体を含むことを特徴とする発光装置であることが好ましい。

0018

本発明は、前記複数の蛍光体の発光ピーク波長が、いずれも450nm以上510nm以下であることを特徴とする発光装置であることが好ましい。

0019

本発明は、前記複数の蛍光体の発光スペクトル半値全幅が、いずれも80nm以上であることを特徴とする発光装置であることが好ましい。

0020

本発明は、前記複数の蛍光体における粒径の上限及び下限が略同一であることを特徴とする発光装置であることが好ましい。

0021

本発明は、前記励起光を吸収して緑色から黄色の光を発する蛍光体をさらに含むことを特徴とする発光装置であってもよい。

0022

本発明は、前記緑色から黄色の光を発する蛍光体が酸窒化物蛍光体であることを特徴とする発光装置であることが好ましい。

0023

本発明は、前記緑色から黄色の光を発する蛍光体が、Eu賦活αサイアロン蛍光体であることを特徴とする発光装置であることが好ましい。

0024

本発明は、前記緑色から黄色の光を発する蛍光体の発光ピーク波長が510nm以上605nm以下であることを特徴とする発光装置であることが好ましい。

0025

本発明は、前記緑色から黄色の光を発する蛍光体の発光スペクトル半値全幅が、80nm以上であることを特徴とする発光装置であることが好ましい。これにより、演色性の優れた発光装置が実現できる。

0026

本発明は、前記緑色から黄色の光を発する蛍光体の粒径の上限及び下限が、前記複数の蛍光体の粒径の上限及び下限と略同一であることを特徴とする発光装置であることが好ましい。これにより、前記複数の蛍光体と前記緑色から黄色の光を発する蛍光体が、樹脂などの分散材中に均一に分散するため、発光装置の色度のばらつきが抑制できる。

0027

本発明は、前記励起光を吸収して赤色の光を発する蛍光体をさらに含むことを特徴とする発光装置であってもよい。

0028

本発明は、前記赤色の光を発する蛍光体が酸窒化物蛍光体又は窒化物蛍光体であることを特徴とする発光装置であることが好ましい。

0029

本発明は、前記赤色の光を発する蛍光体が、Eu賦活CaSiAlN3であることを特徴とする発光装置であることが好ましい。

0030

本発明は、前記赤色の光を発する蛍光体の発光ピーク波長が600nm以上670nm以下であることを特徴とする発光装置であることが好ましい。

0031

本発明は、前記赤色の光を発する蛍光体の発光スペクトル半値全幅が、80nm以上であることを特徴とする発光装置であることが好ましい。これにより、演色性の優れた発光装置が実現できる。

0032

本発明は、前記赤色の光を発する蛍光体の粒径の上限及び下限が、前記複数の蛍光体の粒径の上限及び下限と略同一であることを特徴とする発光装置であることが好ましい。これにより、前記複数の蛍光体と粒径が類似となるため、両種類の蛍光体を均一に分散させることができる。

0033

本発明は、前記励起光の発光ピーク波長が、350nm以上420nm以下であることを特徴とする発光装置であることが好ましい。

0034

本発明は、前記発光装置の発光の色度座標xが0.22以上0.44以下であり色度座標yが0.22以上0.44以下であるか、又は前記発光装置からの発光の色度座標xが0.36以上0.5以下であり色度座標yが0.33以上0.46以下であることを特徴とする発光装置であることが好ましい。この色度座標であれば、白色又は電球色が得られるため、特に照明用途の発光装置として適している。

発明の効果

0035

本発明は、略同一種類の組成元素を含んでなり発光ピーク波長が異なる複数の蛍光体を用いることにより、実効的に発光スペクトル半値全幅が非常に広い一つの蛍光体を用いるのと類似の効果が得られる。そのため、特に、従来困難であった青色から青緑色の発光スペクトルの平坦化を実現できる。また、これらの複数の蛍光体は比重が類似であるため、均一に樹脂等に分散することができる。これらの複数の蛍光体と、それに対して可視光領域での波長を補完する関係にある他の蛍光体を組み合わせることにより、白色系でかつ演色性の高い発光装置が実現できる。

発明を実施するための最良の形態

0036

以下に、紫外から紫色の光を吸収して青色から青緑色の光を発する複数の蛍光体であるJEM相蛍光体及びその他の蛍光体についての最良の実施の形態を示すと共に、青色から青緑色の光を発する複数の蛍光体と共に、可視光を発するその他の蛍光体を組み合わせて白色光などの光を発光する発光装置の実施例を説明する。

0037

(JEM相蛍光体)
青色から青緑色の光を発する複数の蛍光体としては、酸窒化物蛍光体(特にシリコンアルミニウム酸素窒素及び発光中心であるランタノイド系元素を含むもの)であって組成式La1−xCexAl(Si6−zAlz)N10−zOzで表わされる、Ce3+賦活のJEM相蛍光体を用いた。

0038

本発明者らは、青色から青緑色領域で優れた発光特性を有するJEM相蛍光体について検討した結果、JEM相蛍光体における組成式のx(Ceの賦活量)を変化させた場合に、発光ピーク波長が青色から青緑色の領域において、発光スペクトル半値全幅が広く発光効率の高い良好な蛍光体が得られることがわかった。そして、この蛍光体を2種類混合して用いることによって、蛍光体を樹脂等に分散する際にも均一に分散することができ、結果として一種類の非常に発光スペクトル半値全幅の広い蛍光体を用いたのとほとんど変わらない発光が得られることがわかった。

0039

図1に、JEM相蛍光体の組成式のxを変化させた場合の励起スペクトル(励起光の波長を変化させたときの蛍光強度)を示す。例えば組成式のxが0.5の場合に、波長380nm近傍で励起スペクトル強度が高くなっていることがわかる。これは、発光中心であるCe3+イオンによる吸収がこの波長領域において強くなっているためであると考えられる。図2に組成式のxを変化させた場合の発光スペクトルの測定結果を示す。ただし励起光として波長405nmの光を用いている。組成式のxを増加させることによって、発光ピーク波長が青色から青緑色の範囲で変化することが本発明者らの研究によりわかった。特に、組成式のx=0.1の場合、発光ピーク波長は約478nm、発光スペクトル半値全幅は約115nmであり、組成式のx=1の場合、発光ピーク波長は約505nm、発光スペクトル半値全幅は約120nmである。このように発光スペクトル半値全幅が非常に広いため、黄色成分赤色成分も含んでおり、白色からのずれを補う程度の他の蛍光体を併せて用いるだけで白色光を得ることができる。なお、Ceの賦活量である組成式のxが増大するにつれて発光が増大していることから、xの値としては0.1以上1以下が適当である。また、このことから、組成比1−xで含まれているLaはほとんど発光に寄与しておらず、従ってLaをLaと置換可能なランタノイド系元素、すなわちLa、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuからなる群から選択された少なくとも1種の元素に置き換えることが可能である。

0040

その中でも青色蛍光体11、13としては、組成式のx=0.1、すなわちLa原子濃度を4.95%、Ce原子濃度を0.55%とした。また青緑色蛍光体12、14としては、組成式のx=1.0、すなわちLa原子濃度を0%、Ce原子濃度を5.5%とした。また、JEM相蛍光体が安定に形成されるためのパラメータである組成式のzは、青色蛍光体11、青緑色蛍光体12についてはz=1.05、青色蛍光体13、青緑色蛍光体14についてはz=0.95とした。なお、zの値としては、0.8以上1.2以下であれば通常の製造条件においてJEM相が得られ、0.9以上1.1以下であれば製造条件によらず比較的容易にJEM相が得られる。

0041

青色及び青緑色蛍光体11〜14は以下のようにして製造される。平均粒径0.5μm、酸素含有量0.93質量%及びα型含有量92%の窒化ケイ素粉末と、窒化アルミニウム粉末酸化ランタン粉末及び酸化セリウム粉末を混合した。この混合粉末窒化ホウ素製るつぼに入れ、るつぼを黒鉛抵抗加熱方式電気炉に導入した。

0042

電気炉内を真空ポンプにより排気した後、室温から800℃まで加熱した。ここで純度99.999体積%の窒素ガスを導入し圧力を1MPaとした。さらに、約500℃/時の速さで1700℃まで加熱し、2時間保持することにより焼成を行った。焼成後室温にして蛍光体を取り出した。なお、窒素の圧力が0.5MPa以上であれば、JEM相蛍光体が得られることを確認している。

0043

上記の方法で焼成した焼結体は、特許文献6に記載されているX線回折法及び回折ピークの同定によって、結晶相中のJEM相の比率が求められ、青色蛍光体11についてはJEM相が88%、青緑色蛍光体12についてはJEM相が84%と主成分(50%以上)であることがわかった。

0044

ここで、JEM相とは、表1に記載されているような特有原子占有位置原子配列構造)とその座標によって特徴づけられる結晶構造(Pbcn空間群)を持つ物質であると定義される。

0045

0046

なお、表1において、サイト記号は空間群の対称性を示す記号である。x、y、zの各座標はそれぞれの格子における元素の位置を示し、0から1の値を取る。また原子の欄において、「RE」にはM(La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuからなる群から選択された少なくとも1種の元素)及びCeがそれぞれの組成比の確率(1−x及びx)で入り、「Al」にはAlのみが入り、「M(1)」〜「M(3)」にはSi及びAlがそれぞれの組成比の確率(6−z及びz)で入り、「X(1)」〜「X(5)」にはN及びOがそれぞれの組成比の確率(10−z及びz)で入る。表1の値を用いて計算したX線回折データと、測定して得られたX線回折結果を比較することにより、得られた材料がJEM相であるかどうかを同定することができる。

0047

なお、JEM相蛍光体の組成式La1−xCexAl(Siy1−zAlz)Ny2−zOzにおいて、理想的なJEM相であればy1=6、y2=10となることが予想されるが、実際にはガラス相や他の結晶相が混入している場合があるため、組成分析の結果は予想値に対して若干のずれが生じている。例えば、y2が5.9から6.1、y2が10.0から10.7程度の値になる。

0048

黄色蛍光体
黄色蛍光体20としては、酸窒化物蛍光体(特にシリコン、アルミニウム、酸素、窒素及び発光中心であるランタノイド系元素を含むもの)である組成式Ca0.93Eu0.07Si9Al3ON15のαサイアロン蛍光体、黄色蛍光体21としては、組成式(Ca0.93Eu0.07)0.25Si11.25Al0.75ON15.75のαサイアロン蛍光体を用いた。

0049

この黄色蛍光体20は、発光ピーク波長が約590nmであり、発光スペクトル半値全幅が約90nm以上と広いという特徴を有する。また、黄色蛍光体21は、発光ピーク波長が約580nmであり、発光スペクトル半値全幅が約90nmと広い。どちらの蛍光体も、励起スペクトルは、紫外から紫色の領域において強いピークを有している。

0050

黄色蛍光体20、21は、以下のようにして作製される。窒化ケイ素窒化アルミニウム炭酸カルシウム酸化ユーロピウム粉末を混合し、その後窒化ホウ素製のるつぼに入れて窒素中1MPa、1800℃で10時間反応させて、その後粉砕することにより、黄色に発光するEu賦活αサイアロン蛍光体が作製される。

0051

赤色蛍光体
赤色蛍光体30としては、窒化物蛍光体(特にシリコン、アルミニウム、窒素及び発光中心であるランタノイド系元素を含むもの)であって非特許文献2に記載されているCaAlSiN3:Eu3+(Eu賦活量0.8%)を用いた。これは以下のようにして作製される。窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化カルシウム窒化ユーロピウム粉末を、水分と空気を遮断したグローブボックス内で混合させ、その後窒化ホウ素製のるつぼに入れて窒素中1MPa、1800℃で反応させて、その後粉砕することにより、Euを賦活したCaAlSiN3蛍光体が作製される。

0052

赤色蛍光体30は、発光ピーク波長が約650nmであり、発光スペクトル半値全幅が約90nm以上と広いという特徴を有する。

0053

(半導体発光素子)
半導体発光素子64としては、GaN系半導体(少なくともGaとNを含み、必要に応じてAl、In及びn型ドーパント、p型ドーパントなどを用いた半導体)よりなり、活性層がInGaN系材料であるLEDを用いた。その発光波長としては、JEM相蛍光体の励起スペクトルのピーク波長を含む350nm以上が望ましく、特にInGaN系半導体発光素子において電気光変換効率が良好な、発光ピーク波長390nm以上420nm以下のものが望ましいが、ここでは発光ピーク波長が405nmのLEDを用いた。また、半導体発光素子の一方の面にp型電極及びn型電極を有しているものを用いた。

0054

次に、実施例1の発光装置60を、断面図である図3を用いて説明する。
発光装置60は、基体65と、基体65の表面に形成された電極66、67と、電極66、67に電気的に接続された半導体発光素子64と、半導体発光素子64を封止するシリコーン樹脂69と、その樹脂中に分散した青色蛍光体11、青緑色蛍光体12及び黄色蛍光体20と、シリコーン樹脂69が注入される範囲を制限するとともに、そのシリコーン樹脂69と接する表面がミラー状であって光を有効に取り出すための枠68からなる。電極66、67は、基体65の上面から実装面である下面まで立体的に引き回されている。

0055

青色蛍光体11及び青緑色蛍光体12は、先に示したJEM相蛍光体であり、青色蛍光体11の発光ピーク波長は約478nm、発光スペクトル半値全幅は約115nm、青緑色蛍光体12の発光ピーク波長は約505nm、発光スペクトル半値全幅は約120nmである。青色蛍光体11及び青緑色蛍光体12は、フルイ分級などの分級法によりメジアン粒径(D50)が20μm以上40μm以下、90%粒子径(D90)が70μm以下とした。また、黄色蛍光体20は先に示したαサイアロン蛍光体(組成式Ca0.93Eu0.07Si9Al3ON15)であり、発光ピーク波長は約590nm、発光スペクトル半値全幅は約90nmである。黄色蛍光体20についても、篩分級などの分級法によりメジアン粒径(D50)が20μm以上40μm以下、90%粒子径(D90)が70μm以下とした。発光装置の発光色が白色となるように、上記3種類の蛍光体の混合比率質量比)を青色蛍光体11:青緑色蛍光体12:黄色蛍光体20=5:5:3としてシリコーン樹脂69中に分散した。

0056

上記の3種の蛍光体を混合した発光装置の発光スペクトルを図4に示す。この発光装置の色度は、色度x=0.33、色度y=0.36の昼白色を示した。自然な発光の目安となる平均演色性評価数Raは89と高かった。また、光度は半導体発光素子64の駆動電流40mAで1800ミリカンデラであった。

0057

演色性に優れた発光装置とするためには、青色及び青緑色蛍光体のそれぞれの発光スペクトル半値全幅は、少なくとも80nm以上であることが望ましい。JEM相蛍光体の発光スペクトルは、青色領域で発光する他の蛍光体ではあまり見られない100nm以上という広い波長幅を有する。そして本実施例のように発光ピーク波長の異なる2種類の組成のJEM相蛍光体を混合して用いることにより、合成された発光スペクトル半値全幅がさらに広くなる。このため、可視光領域においてJEM相蛍光体がカバーできない波長を発光する蛍光体として、一種類の黄色の蛍光体を加えるだけで、演色性に優れた白色光を得られることがわかった。通常、多種類の蛍光体を混合して使用した場合、蛍光体結晶物質特性の違いにより混合が不均一になるといった問題があったが、本実施例の場合、青色蛍光体11と青緑色蛍光体12はLaとCeの組成比率がわずかに違うだけである。両者とも同様のJEM相結晶構造を有し、蛍光体粉末を製造する工程における粒径分布の違いがほとんどない。また、LaとCeの原子量の違いはわずか(La=139、Ce=140)であり、さらに希土類(La、Ce)の蛍光体中に占める質量比が少ないこともあって比重の差も無視でき、そのため樹脂への分散状態の違いがほとんど生じない。

0058

また、黄色の蛍光体の特性として、青色蛍光体11及び青緑色蛍光体12と同時に用いて演色性に優れた白色光を得るためには、特に発光ピーク波長が565nmから605nmにあり、発光スペクトル半値全幅が80nm以上と広いものが望ましい。また、一つの発光装置において白色光を発生することを考慮すると、同時に用いるJEM相蛍光体と同じ励起光源、すなわち励起波長350nm以上420nm以下において良好な発光効率を有することが必要である。本実施例で用いた黄色蛍光体20(αサイアロン、組成式Ca0.93Eu0.07Si9Al3ON15)は、発光ピーク波長590nmを有し、発光スペクトル半値全幅が約90nm以上と広い特徴を有する。また、近紫外領域で強い励起スペクトルのピークを有する。

0059

また、黄色蛍光体としても青色から青緑色蛍光体と同種の材料であり比重が類似の酸窒化物蛍光体を用い、さらに、各蛍光体の粒径の上限と下限が略同一になるように選別したことにより、蛍光体の粒子を樹脂中に均一に分散することができた。そのため、製造バラツキの影響が低減され、実施例1の発光装置を複数個作って発光色を調べたところ、目視観察ではばらつきを生じていなかった。

0060

さらに、黄色蛍光体20とJEM相蛍光体の組成が、どちらも酸窒化物蛍光体、すなわちシリコン、アルミニウム、窒素及び酸素を含んでおり、シリコンと窒素の割合が多いという点で共通するため、発光効率の温度依存性が小さいという共通の特性を有している。また、励起光源の発光ピーク波長が405nmと短波長であり視感度に対する影響がほとんどないため、発光色はほぼ蛍光体のみによって決まる。従って、この発光装置は、動作温度を0℃から100℃に変化させたときの色度の変化が、後述する酸化物蛍光体を用いた比較例1の発光装置に比べて1/6〜1/4と色調の変化がほとんどないという優れた点を有している。特に照明用の発光装置においては、輝度を高めるために大電流を流すことにより発熱が多くなるため、色度の温度変化が少ないという特性は重要である。

0061

また、使用したJEM相蛍光体と黄色蛍光体20が、硫化物などの蛍光体に比べて物理的・化学的に安定な酸窒化物蛍光体であるため、長寿命の発光装置が実現できた。

0062

(比較例1)
従来から用いられている発光装置の一例として、青色発光ダイオードと、青色発光ダイオードから発する励起光によって黄色の蛍光を発するYAG:Ce3+蛍光体を組み合わせたものがある(特許文献1)。この構成を有する比較例1の発光装置の発光スペクトルを図8に示す。この場合、発光ダイオードから発する青色光とYAG:Ce3+蛍光体から発する黄色がちょうど補色の関係となっているため、擬似的に白色に見える発光を示すが、青色光の発光スペクトル半値全幅が狭いため、500nm付近に発光強度の落ち込みがある。このため、自然光とは異なる、不自然な発光スペクトルとなり、平均演色性評価数Raは84と本実施例に比べ低い。

0063

(比較例2)
3種類の蛍光体を用いた従来技術の比較例として、実施例1における蛍光体を、青色蛍光体であるBaMgAl10O17:Eu2+、緑色蛍光体であるSrAl2O4:Eu2+、赤色蛍光体である0.5MgF2・3.5MgO・GeO2:Mn4+に置き換えた発光装置を作製した。この場合の発光スペクトルは図6のようなものが得られ、色度座標x=0.35,色度座標y=0.37の昼白色が得られた。それぞれの蛍光体の発光スペクトル半値全幅が狭いため、全体として得られる発光スペクトルも不均一であり、平均演色性評価数Raは60と低かった。比較例2の発光装置の光度は半導体発光素子64の駆動電流40mAで1120ミリカンデラであった。

0064

実施例1では、組成の異なるJEM相蛍光体を混合することにより、自然光に近い発光スペクトルが得られることを示したが、JEM相蛍光体の比率を細かく調整することにより、さらに発光スペクトル形状の改良を行った例を実施例2に示す。発光装置の構造は、図3に示す構造と同じであり、蛍光体の混合比率を変更したものである。

0065

青色蛍光体11、青緑色蛍光体12及び黄色蛍光体20の混合比率を、7:5:3とすることにより、青色の成分を増加させた。

0066

このように上記の3種の蛍光体を混合した発光装置の発光スペクトルを図7に示す。この発光装置の色度は、色度x=0.33、色度y=0.35の昼白色を示した。自然な発光の目安となる平均演色性評価数Raは90と高く、実施例1よりさらに自然な発光スペクトルが得られた。

0067

次に、赤色蛍光体を加えることにより、さらに自然な発光を実現した実施例3を示す。発光装置の構造は、図3に示す構造において蛍光体を変更したものである。

0068

青色蛍光体13及び青緑色蛍光体14は、先に示したJEM相蛍光体において、組成式のz=0.95としたものである。青色蛍光体11の発光ピーク波長は約478nm、発光スペクトル半値全幅は約115nm、青緑色蛍光体12の発光ピーク波長は約505nm、発光スペクトル半値全幅は約120nmである。青色蛍光体13及び青緑色蛍光体14は、篩分級などの分級法によりメジアン粒径(D50)が20μm以上40μm以下、90%粒子径(D90)が70μm以下とした。また、黄色蛍光体21は先に示したαサイアロン蛍光体(組成式(Ca0.93Eu0.07)0.25Si11.25Al0.75ON15.75)であり、発光ピーク波長が約580nm、発光スペクトル半値全幅が約90nmである。黄色蛍光体21も篩分級などの分級法によりメジアン粒径(D50)が20μm以上40μm以下、90%粒子径(D90)が70μm以下とした。なお、良好な演色性を得るためには、黄色蛍光体の発光ピーク波長が510nm以上605nm以下、発光スペクトル半値全幅が80nm以上であることが好ましい。

0069

さらに本実施例では、発光スペクトルを自然光に近づけるため、先に示した赤色蛍光体30(CaAlSiN3:Eu3+(Eu賦活量0.8%))を添加した。赤色蛍光体30は、発光ピーク波長が約650nmであり、発光スペクトル半値全幅が約90nm以上と広いという特徴を有する。赤色蛍光体30も、篩分級などの分級法によりメジアン粒径(D50)が20μm以上40μm以下、90%粒子径(D90)が70μm以下とした。なお、良好な演色性を得るためには、赤色蛍光体の発光ピーク波長が600nm以上670nm以下、発光スペクトル半値全幅が80nm以上であることが望ましい。

0070

発光装置の発光色が白色となるように、蛍光体の混合比率(質量比)を、青色蛍光体13:青緑色蛍光体14:黄色蛍光体21:赤色蛍光体30=8:9:4:2としてシリコーン樹脂69中に分散した。

0071

上記の4種の蛍光体を混合した発光装置の発光スペクトルを図8に示す。この発光装置の色度は、色度x=0.36、色度y=0.37の昼白色を示した。発光スペクトルからわかるように全波長域に亘って非常に平坦な発光が得られており、自然な発光の目安となる平均演色性評価数Raは97と非常に高かった。

0072

また、4種類の蛍光体として同種の材料であり比重が近い酸窒化物蛍光体又は窒化物蛍光体を用いることにより、蛍光体の粒子を樹脂中に均一に分散することができる。さらに、各蛍光体の粒径の上限と下限が略同一になるように選別することにより、蛍光体同士がより均一に混合・分散されるため、製造バラツキの影響が低減される。

0073

また、本実施例で用いた赤色蛍光体は非常に発光効率が高いため、わずかの添加量の増大で赤色領域の発光強度を増大できた。

0074

(その他の実施可能形態)
各実施例において、蛍光体をシリコーン樹脂に分散させたが、エポキシ樹脂などの他の樹脂としてもよく、蛍光体をガラスなどの透明材料に分散させてもよい。緑色から赤色の蛍光体としては実施の形態あるいは比較例に記載した以外のもの、例えばTAG(TbAl3O12)蛍光体などを用いても良い。

0075

また、各実施例で記載した蛍光体の混合比率については、蛍光体の発光効率が製造ロットなどでばらつくため、所定の色度が得られるように適宜調整することが望ましい。

0076

また、各実施例においては、半導体発光素子としてLEDを用いたが、半導体レーザを用いても良い。また、励起光の波長についても、半導体発光素子として良好な電気・光変換効率を有すると共に、蛍光体の励起スペクトルのピーク波長近傍となる波長であればよい。

0077

なお、今回開示された実施の形態及び実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図面の簡単な説明

0078

実施の最良の形態において説明したJEM相蛍光体の代表的な励起スペクトルの測定結果である。
実施の最良の形態において説明したJEM相蛍光体の代表的な発光スペクトルの測定結果である。
実施例1における発光装置の断面図である。
実施例1の発光装置の発光スペクトルである。
比較例1の発光装置の発光スペクトルである。
比較例2の発光装置の発光スペクトルである。
実施例2の発光装置の発光スペクトルである。
実施例3の発光装置の発光スペクトルである。

符号の説明

0079

11,13青色蛍光体、12,14青緑色蛍光体、20,21黄色蛍光体、30赤色蛍光体、40緑色蛍光体、60発光装置、 65基体、 66,67電極、64半導体発光素子、 68 枠、69シリコーン樹脂。

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