(57)【要約】【課題】  発光特性が優れた白色光発光装置を提供する。【解決手段】波長範囲が４５０ないし５００ｎｍである青色光または青緑色光の発光ダイオードによって二種類の蛍光体を励起し、それぞれに主波長範囲が５２０ないし５８０ｎｍの黄色蛍光と５８０ないし６４０ｎｍの紅色蛍光を発生させ、蛍光体とパッケージング材料とを所定の混合比例によってパッケージングすると、発光特性の優れた白色光発光装置が得られる。【選択図】      図２
2005079500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
青色光または青緑色光を発光可能な発光ダイオードと、
前記発光ダイオードの発光する光線に励起されると、主波長範囲が５２０ないし５８０ｎｍの黄色蛍光を発光する第一蛍光体と、
前記発光ダイオードの発光する光線に励起されると、主波長範囲が５８０ないし６４０ｎｍの紅色蛍光を発光する第二蛍光体とを備え、
前記発光ダイオードの発光する光線が前記黄色蛍光と前記紅色蛍光と混合して白色光を発光するように設定されることを特徴とする白色光発光装置。
【請求項２】
前記発光ダイオードの発光する波長範囲は４５０ｎｍないし５００ｎｍであるように設定され、好ましくは４７０ｎｍないし５００ｎｍに設定されることを特徴とする請求項１に記載の白色光発光装置。
【請求項３】
前記第一蛍光体の化学式が（ＹｘＭｙＣｅｚ）Ａｌ５Ｏ１２であるように設定され、その中、ｘ＋ｙ＝３、且つｘ、ｙ≠０、且つ０．５＞ｚ＞０、且つＭがＴｂ，Ｌｕ，Ｙｂなどの金属元素からなるグループより選出されるものであり、その中、（ＹｘＭｙ）Ａｌ５Ｏ１２が主体構造となるように設定され、且つＣｅが発光中心となるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の白色光発光装置。
【請求項４】
前記第二蛍光体の化学式が（Ｍ’ａＥｕｂ）Ｓであるように設定され、その中、ａ＋ｂ＝１〜１．２、且つａ，ｂ≠０、且つＭ’がＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどの金属元素からなるグループより選出されるものであり、その中、Ｍ’Ｓが主体構造となり、且つＥｕが発光中心となるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の白色光発光装置。
【請求項５】
前記第一蛍光体と前記第二蛍光体とがパッケージング材料と異なる比例によって混合または組合せ、青色光または青緑色光の発光ダイオードを合せて使用されることによって、白色光発光装置にそれぞれ異なる色彩の温度や輝度や演色性などの発光特性を付与することを特徴とする請求項１に記載の白色光発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高輝度の白色光半導体発光装置に係わり、特に青色光または青緑色光んの発光ダイオードに二種類のそれぞれ黄色蛍光と紅色蛍光を発光できる蛍光粉を合せて高輝度の白色光発光装置を製造する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
白色光は多色彩の混合光であり、人間の目に白色光であると感じられる光線は少なくとも二種類以上の波長の混合光である。例えば、人間の目が同時に赤と青と緑との光線に刺激される場合に、または同時に青色光と黄色光に刺激される場合に、すべて白色光であると感じられる。そのため、この原理に従って白色光の半導体発光装置を製造できる。従来の白色光半導体発光装置の製造方式は下記の五種類の主要なテクニックを有する。
【０００３】
第一種の方式は、ＡｌＩｎＧａＰとＧａＰとＩｎＧａＮを材質とする三粒の発光ダイオードを使用することによって、且つそれらの発光ダイオードに流される電流をコントロールすることによって、それらにそれぞれ紅色光と緑色光と青色光を発光させる。これらの三粒の発光ダイオード同士を同一のランプ内に配置すると共に、レンズによってそれらの三種類の色彩の光線を混合して白色光を発光させる。
【０００４】
第二種の方式は、ＩｎＧａＮと、ＡｌＩｎＧａＰまたはＧａＰを材質とする二粒の発光ダイオードを使用し、且つそれぞれの発光ダイオードを流される電流をコントロールすることによって、それぞれの発光ダイオードにそれぞれ青色光と黄色緑色光を発光させ、且つ混合させることによって白色光を発光させる。目前のテクニック・レベルから見て、前記に種類の方式の発光効率が２０ｌｍ／Ｗに達することができる。
【０００５】
第三種の方式は、１９９６年に日本日亜化学会社（Ｎｉｃｈｉａ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ）の開発し出したテクニックであり、それがＩｎＧａＮ青色光発光ダイオードに、刺激されると黄色光を発光できるイツトリウム・アルミニウム・ガーネット・タイプ蛍光粉を合せて白色光の光源を作るものである。目前では、この種のテクニックは、その発光効率が２０ｌｍ／Ｗ以上に達することができる。また、この種の方式の場合では、単に一セットの発光ダイオード・チップを使用すればよいので、製造コストを大幅に減少できる。現今ではその合せて使用される蛍光粉の調製技術が既に成熟化しており、そのため、商品が提出されている。
【０００６】
第四種の方式は、日本住友電工（Ｓｕｍｉｔｏｍｏ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｉｎｄｕｓｔｉｓ  Ｌｔｄ）が１９９１年１月に提案される一種のＺｎＳｅ材料による白色光発光ダイオードである。この種のテクニックによると、まずＺｎＳｅ単一結晶基板にＣｄＺｎＳｅ薄膜を形成し、通電後にその薄膜が青色光を発光し、同時に一部の青色光が基板に照射して黄色光を発光し、青色光と黄色光の相補性によって混合して白色光を発光させるものである。この種の方法は、一粒の発光ダイオードの結晶粒子を使用すればよく、その操作電圧が単に２．７Ｖであり、ＧａＮタイプの発光ダイオードの３．５Ｖより低くなり、且つ蛍光物質を使用しないまま白色光を取得できる。
【０００７】
第五種の方式は、目前では開発中である紫外線白色光発光ダイオードのテクニックである。この種のテクニックの原理は、紫外線発光ダイオードによって三種類または三種類以上の蛍光粉を刺激してそれぞれ異なる色彩の光線を発光させて、それらの光線同士を混合して白色光を発光するものである。
【０００８】
前記第一種と第二種の方式は、その共通する欠点が、それぞれ異なる色彩の発光ダイオードの中の一つの発光ダイオードが故障すると、ノーマルな白色光を取得できなくなることである。他に、それぞれの発光ダイオードのプラス・バイアスがそれぞれ異なるので、複数セットのコントロール・サーキットを配置する必要があるため、コストアップを招き、これらはすべて実際使用の際に不便になる要素である。
【０００９】
第二種と第三種の方式はすべて色彩の相補性の原理を利用して白色光を取得するものであり、そのスベクトルの波長の分布の連続性が真実の太陽光に及ばなく、そのため、それらの色彩光が混合されると、可視光線スペクトル範囲（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）においては色彩の不均一の現象を生じ、それによって色彩の飽和度が低下になる。人間の目が前記の現象を無視して白色光を見られるが、ある精密さが高度になる光学検出装置の検出を受けると、例えばビデオカメラや普通のカメラなどを使用する場合では、その演色性が実質的には低いほうにあり、即ち、色彩が還元される際に誤差が出ることがある。そのため、この方式による白色光光源が単に簡単な照明の用途にしか使用できない。
【００１０】
第四種の方式はその欠点が、その発光効率が単に８ｍｌ／Ｗしかないことにある。且つその使用寿命も単に８０００時間しかない。実用の面から見る場合、さらに突破される必要がある。
【００１１】
最後に、第五種の方式は、三つのウェーブ・セクションの可視光線によって白色光光源を製造することによってその演色性を向上するものであり、そのため、三種類または三種類以上の蛍光粉を使用する場合こそ、その目的を図れる。同時に複数種の蛍光粉にそれぞれ異なる波長の蛍光を発光させるために、その先決な条件は選択使用される刺激光が丁度それらの蛍光粉に吸収されることにあり、且つそれぞれの蛍光粉が前記波長の光線を吸収する係数があまり差別がないように処置する必要があり、他に、光線エネルギーの量子効率もできるだけ差がないようにする必要があり、これらの原因が適用する蛍光材料の種類に大幅な制限を加えるようになり、蛍光材料の選択しようのことに困難化させることがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そのため、本発明の発明者は研究開発を進めると共に、学術の運用を合せ、従来技術の欠点に対し改良を実施し、前記従来技術のリミットを突破し、製造の困難さを減少し、二種類の蛍光粉に一つの発光ダイオードを合せて励起光源を作ることによって白色光発光装置のテクニックを取得するに至った。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の白色光発光装置によると、それには、青色光または青緑色光を発光できる発光ダイオードと、前記発光ダイオードの発光する光線に励起されて主波長範囲が５２０ないし５８０ｎｍの黄色蛍光を生成する第一蛍光体と、前記発光ダイオードの発光する光線に励起されて主波長範囲が５８０ないし６４０ｎｍの紅色蛍光を生成する第二蛍光体とを備える。前記のように、白色光が複数種の色彩光が混合されてなる光線であるので、この光学の混色原理による場合、発光ダイオードの発光する青色光または青緑色光が黄色蛍光と紅色蛍光と混合して人間の目に白色光のように感じさせることができるようになる。
【００１４】
前記第一蛍光体の化学式は好ましくは、（ＹｘＭｙＣｅｚ）Ａｌ５Ｏ１２であるように設定され、その中、ｘ＋ｙ＝３、且つｘ、ｙ≠０、且つ０．５＞ｚ＞０、且つＭがＴｂ，Ｌｕ，Ｙｂなどの金属元素からなるグループより選出されるものであり、その中、（ＹｘＭｙ）Ａｌ５Ｏ１２が主体構造となるように設定され、且つＣｅが発光中心となるように設定される。
【００１５】
また、前記第二蛍光体の化学式は好ましくは、（Ｍ’ａＥｕｂ）Ｓであるように設定され、その中、ａ＋ｂ＝１〜１．２、且つａ，ｂ≠０、且つＭ’がＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどの金属元素からなるグループより選出されるものであり、その中、Ｍ’Ｓが主体構造となり、且つＥｕが発光中心となるように設定される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の白色光発光装置において、青色光または青緑色光の光源として電気エネルギー節約可能な特性を有する発光ダイオードを使用し、且つ二種類の適当な比例によって調製される蛍光材料を合わせ、パッケージング後に極低い電流を流すと、発光特性が優れた高輝度の白色光発光ダイオードを入手できる。
【００１７】
本発明の白色光発光装置に使用される蛍光粉は、主体結晶格子の組成を変更することによってその発光波長を変更可能な特性を有するので、それぞれの適当な波長を有する青色または青緑色の発光ダイオードを合せることによって白色光を発光できる。他に、使用される蛍光粉は簡単な固形反応法によって合成できるので、大量生産に適し、極産業上の利用価値に富む。
【００１８】
従来の白色光発光装置の複数種の蛍光材料を使用する場合と比較すると、本発明はさらに次の複数の優れた点を有する。
【００１９】
１．目前の発光ダイオードはその製造プロセスにおいて短波長の高輝度の青色光の製造がかなり困難的であり、また、本発明の白色光発光装置においてその使用される蛍光粉の合せる青色光が長いほうの波長に調整できる。他の優れた点は、長いほうの波長の青色光または青緑色光によって励起する場合、その発光効率が短いほうの波長の青色光（４７０ｎｍ以下）より高くなることができる。
【００２０】
２．本発明の白色光発光装置に使用される蛍光粉の光色の調整方法は、その主体結晶格子を変更する方法である。従来の異質イオンの添加量を変更する方法と比べると、後者の添加する必要がある異質イオンの比例が低いので、原料の量りのミスによって光色が改変される結果を招く虞がある。それに対して、本発明に使用される蛍光粉はこの種の欠点を有しなく、製造プロセスにおいて好ましい安定性を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の白色光発光装置は、一つの発光ダイオードを使用して励起光源とし、且つ二種類のこの励起光源に励起されてそれぞれ異なる光色を生成できる蛍光体を使用し、これらの三種類の色彩光線を混合することによって高輝度の白色光光源を形成するものである。励起光源とする発光ダイオードは青色光または青緑色光の発光ダイオードは、その発光波長が好ましくは４５０ないし５００ｎｍの範囲のものであり、優れるのは、４７０ないし５００ｎｍのものである。また、二種類の蛍光体はそれぞれ黄色蛍光体と紅色蛍光体であり、それらが前記励起光源に励起されると、それぞれ主波長範囲が５２０ないし５８０ｎｍの黄色蛍光と主波長範囲が５８０ないし６４０ｎｍの紅色蛍光を生成する。黄色蛍光体と紅色蛍光体とがあるパッケージング材料とそれぞれ異なる比例によって混合または組合せ、青色光または青緑色光の発光ダイオードを合せると、それぞれ異なる色彩温度と輝度と演色生などの発光特性を有する白色光発光装置を取得できる。
【００２２】
黄色蛍光体の化学式は好ましくは、（ＹｘＭｙＣｅｚ）Ａｌ５Ｏ１２であるように設定され、その中、ｘ＋ｙ＝３、且つｘ、ｙ≠０、且つ０．５＞ｚ＞０、且つＭがＴｂ，Ｌｕ，Ｙｂなどの金属元素からなるグループより選出されるものであり、その中、（ＹｘＭｙ）Ａｌ５Ｏ１２が主体構造となるように設定され、且つＣｅが発光中心となるように設定される。また、紅色蛍光体の化学式は好ましくは、（Ｍ’ａＥｕｂ）Ｓであるように設定され、その中、ａ＋ｂ＝１〜１．２、且つａ，ｂ≠０、且つＭ’がＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどの金属元素からなるグループより選出されるものであり、その中、Ｍ’Ｓが主体構造となり、且つＥｕが発光中心となるように設定される。それらの二種類の蛍光体は、すべて異質イオンをその主体構造に滲み込ませることによって外部の光源に励起されて蛍光を発光する発光中心とするように設定される。他に、それはすべて一つの特徴を有し、即ち、それらの蛍光体の呈する光色が蛍光体の主体構成の元素を微調整して発生するものであり、化合物の結晶格子場（Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｆｉｅｌｄ）の強度を調製することによって発光中心の電子エネルギー形態の分布を改変させるものであり、そのため、特定の波長の光線に励起される場合に、励起形態より基本形態へスキップするエネルギー・レベルの差を異ならせることにより発光波長の変更を発生させるものである。
【００２３】
本発明の白色光発光装置の製造方法には、選択使用される蛍光粉とその調製テクニックとそのパッケージング・テクニックなどの要素を含み、以下に具体的な実施例を挙げてその製造のステップを詳細に説明する。
【００２４】
１．化学式が（ＹｘＭｙＣｅｚ）Ａｌ５Ｏ１２の黄色蛍光体を合成し、その中、ｘ＋ｙ＝３、且つｘ、ｙ≠０、且つ０．５＞ｚ＞０、且つＭがＴｂ，Ｌｕ，Ｙｂなどの金属元素からなるグループより選出されるものであり、その合成方法として、化学合成法や固形反応法や有機金属熱分解法などを採用でき、本実施例において、合成し得た黄色蛍光体が（Ｙ０．８Ｔｂ２．２Ｃｅ０．０５）Ａｌ５Ｏ１２である。
【００２５】
２．化学式が（Ｍ’ａＥｕｂ）Ｓである紅色蛍光体を合成し、その中、ａ＋ｂ＝１〜１．２、且つａ，ｂ≠０、且つＭ’がＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどの金属元素からなるグループより選出されるものであり、その合成方法として、化学合成法や固形反応法や有機金属熱分解法などを採用でき、本実施例において、合成し得た紅色蛍光体が（Ｓｒ０．９Ｅｕ０．１）Ｓである。
【００２６】
３．前記二種類の蛍光粉とエポキシ樹脂とを混合し、それから主波長が４８０ｎｍである青緑色光発光ダイオードを励起光源として合せて使用し、且つパッケージングを実施して白色光発光装置を取得する。
【００２７】
図１は前記の実施例のスペクトル図を示し、その中、スペクトルＡは前記の実施例の白色光発光装置を量って得られる発光スペクトルである。得られた白色光発光装置のスペクトルがコンピュータのプログラムによってそれぞれの発光源（発光ダイオードと蛍光体）の単独的なスペクトルを実際のスペクトルの調製状況を算出でき、図１に示すようであり、スペクトルＢが発光ダイオードのスペクトルでありながら、スペクトルＣが黄色蛍光体が励起されて生成するスペクトルであり、且つスペクトルＤが紅色蛍光体が励起されて生成するスペクトルある。
【００２８】
図２に示すように、ＣＩＥ色彩度座標図においてこの白色光発光装置の混合色光の座標点Ａを観察すると、その色彩が確かに図中における白色エリアにあると発見できる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明によると、異なる色彩温度と優れた演色性と高輝度を有する白色光発光装置を提供できる。
【００３０】
本発明は前記の実施例と図面の説明によって上記のように開示したが、それらが単に挙げた例に過ぎず、本発明の範囲を制限するものではないと認められるべきであり、本発明の範囲は特許請求の範囲によって定義されるものであり、すべての本発明の要旨に基づいて実施される効果の変更や改変などがすべて本発明の範囲内に入るべきことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の白色光発光装置の実施例の発光スペクトル図である。
【図２】図１の実施例のＣＩＥ色彩度座標図である。
【図１】
2005079500.tif 000003
【図２】
2005079500.tif 000004