(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に搭載された励起光を発する発光素子と、該発光素子を覆うように形成された前記励起光を可視光に変換する蛍光体を含有してなる波長変換層とを備え、前記可視光を出力光とする発光装置において、前記蛍光体が、
（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕおよび（Ｓｒ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕにより構成される第一の蛍光体とＢａ３ＭｇＳｉ２Ｏ８：Ｅｕ，Ｍｎとの組合せ、
前記第一の蛍光体とＳｒ５Ａｌ２（Ｏ，Ｓ）８：ＥｕとＳｒＯＳｉ２Ｎ２Ｏとの組合せ、前記第一の蛍光体とＳｒ５Ａｌ２（Ｏ，Ｓ）８：ＥｕとＣａＳｉＡｌＮ３：Ｅｕとの組合せ、のいずれかであることを特徴とする発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：発光ダイオード）などの発光素子から発せられる光を波長変換して外部に取り出す発光装置、特に、電子ディスプレイ用のバックライト電源、蛍光ランプ等に好適に用いられる発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体材料からなる発光素子（以下「ＬＥＤチップ」と言うことがある）は、小型で電力効率が良く鮮やかに発色する。ＬＥＤチップは、製品寿命が長い、オン・オフ点灯の繰り返しに強い、消費電力が低い、という優れた特徴を有するため、液晶等のバックライト光源や蛍光ランプ等の照明用光源への応用が期待されている。
【０００３】
ＬＥＤチップの発光装置への応用は、ＬＥＤチップの光の一部を蛍光体で波長変換し、当該波長変換された光と波長変換されないＬＥＤの光とを混合して放出することにより、ＬＥＤの光とは異なる色を発光する発光装置として既に製造されている。
【０００４】
具体的には、白色光を発するために、ＬＥＤチップ表面に蛍光体を含む波長変換層を設けた発光装置が提案されている。例えば、ｎＧａＮ系材料を使った青色ＬＥＤチップ上に（Ｙ，Ｇｄ）３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２の組成式で表されるＹＡＧ系蛍光体を含む波長変換層を形成した発光装置では、ＬＥＤチップから青色光が放出され、波長変換層で青色光の一部が黄色光に変化するため、青色と黄色の光が混色して白色を呈する発光装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
この発光装置では、発光素子から発する光が蛍光体に照射されると、蛍光体は励起されて可視光を発し、この可視光が出力として利用される。ところが、発光素子の明るさを変えると、青色と黄色との光量比が変化するため、白色の色調が変化し、演色性に劣るといった問題があった。
【０００６】
そこで、このような課題を解決するために、における発光素子として４００ｎｍ以下のピークを有する紫色ＬＥＤチップを用いるとともに、波長変換層には３種類の蛍光体を高分子樹脂中に混ぜ込んだ構造を採用し、紫色光を赤色、緑色、青色の各波長に変換して白色を発光することが提案されている（特許文献２参照）。これにより、演色性を向上することができる。
【特許文献１】特開平１１−２６１１１４号公報
【特許文献２】特開２００２−３１４１４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に記載の発光装置では、励起光４００ｎｍ付近の紫外域領域に対する蛍光体の発光効率が低いため、白色光の効率を向上できないという問題があった。特に赤色成分の蛍光体（例えば、Ｙ２Ｏ３Ｓ：Ｅｕ等）の発光効率は、他の蛍光体よりも著しく低いために、赤色成分の蛍光体の含有量を増やす必要があり、白色光の効率を向上することができないという問題点があった。
【０００８】
本発明の目的は、波長変換層を備えた発光装置の発光効率を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、波長変換層内に含まれる複数の蛍光体が発光素子からの励起光だけで励起され、蛍光を発するのではなく、蛍光体から発せられる蛍光でも励起され、蛍光を発するように複数の蛍光体を組み合わせて使用することにより、発光素子からの励起光だけのときよりも著しく蛍光体の発光効率を向上できるということを見出した。
【００１０】
すなわち、本発明の発光装置は以下の構成を有する。
【００１１】
基板と、該基板上に搭載された励起光を発する発光素子と、該発光素子を覆うように形成された前記励起光を可視光に変換する蛍光体を含有してなる波長変換層とを備え、前記可視光を出力光とする発光装置において、前記蛍光体が、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕおよび（Ｓｒ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕにより構成される第一の蛍光体とＢａ３ＭｇＳｉ２Ｏ８：Ｅｕ，Ｍｎとの組合せ、前記第一の蛍光体とＳｒ５Ａｌ２（Ｏ，Ｓ）８：ＥｕとＳｒＯＳｉ２Ｎ２Ｏとの組合せ、前記第一の蛍光体とＳｒ５Ａｌ２（Ｏ，Ｓ）８：ＥｕとＣａＳｉＡｌＮ３：Ｅｕとの組合せ、のいずれかであることを特徴とする発光装置。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高い変換効率を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の発光装置を、図面を用いて説明する。図１は、本発明の発光装置の一実施形態を示す概略断面図である。図１によれば、本発明の発光装置は、電極１が形成された基板２と、基板２上に設けられている発光素子３と、基板２上に発光素子３を覆うように形成された１層の波長変換層４と、光を反射する反射部材６とを備えている。
【００２３】
波長変換層４は、透明マトリクス中に、例えば、４３０ｎｍから４９０ｎｍの蛍光を発する蛍光体５ａ、５２０ｎｍから５７０ｎｍの蛍光を発する蛍光体５ｂ、６００ｎｍから６５０ｎｍの蛍光を発する蛍光体５ｃが含有されている。光源である発光素子３から発せられる光の波長を変換して、波長が変換された光を含む出力光を出力する。
【００２４】
このような発光装置においては、蛍光体が、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕおよび（Ｓｒ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕにより構成される第一の蛍光体とＢａ３ＭｇＳｉ２Ｏ８：Ｅｕ，Ｍｎとの組合せ、前記第一の蛍光体とＳｒ５Ａｌ２（Ｏ，Ｓ）８：ＥｕとＳｒＯＳｉ２Ｎ２Ｏとの組合せ、前記第一の蛍光体とＳｒ５Ａｌ２（Ｏ，Ｓ）８：ＥｕとＣａＳｉＡｌＮ３：Ｅｕとの組合せ、のいずれかであることが重要である。以下、Ｂａ３ＭｇＳｉ２Ｏ８：Ｅｕ，ＭｎおよびＳｒ５Ａｌ２（Ｏ，Ｓ）８：Ｅｕを第二の蛍光体といい、また、ＳｒＯＳｉ２Ｎ２ＯおよびＣａＳｉＡｌＮ３：Ｅｕを第三の蛍光体という場合がある。
【００２５】
すなわち、蛍光体として、発光素子からの光を変換するものと、他の蛍光体の出力光をさらに異なる波長に変換するものを組み合わせることが重要である。
【００２６】
そして、蛍光体の出力光は、青色、黄色、赤色の光であることが演色性を向上させる点から望ましい。
【００２７】
なお、このような組み合わせとした場合には赤色蛍光体５ｃが第二の蛍光体と機能を有するものとなる。
【００２８】
上記のような組み合わせを行うことにより、発光素子の励起光だけではなく、蛍光体から発せられる可視光でも励起されるため、外部に発せられる光子数が増大するため、高効率化できる。つまり、発光素子から発せられる４００ｎｍ前後の光では、励起効率が低く、発せられる蛍光強度が低いのに対して、他の蛍光体の蛍光も含まれる幅広い範囲の光も吸収することができることから、４００ｎｍ前後での励起効率が低いという従来の蛍光体のもつ欠点を補うことができる。
【００２９】
青色蛍光体は、４００ｎｍ前後の光で励起されて、４３０ｎｍから４９０ｎｍの蛍光を発する（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕが好適に用いられる。
【００３０】
黄色蛍光体は、４００ｎｍ前後の光で励起されて、５２０ｎｍから５７０ｎｍの蛍光を発する（Ｓｒ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕが用いられる。
【００３１】
赤色蛍光体は、４００ｎｍ前後の光で励起されて、６００ｎｍから６５０ｎｍの蛍光を発するものが用いられる。
【００３２】
そして、第二の蛍光体として、４００ｎｍ前後の光では変換効率が低くても、上記した４００ｎｍ前後の光を変換する第一の蛍光体からの出力光を、さらに変換するものを用いることが重要なのである。
【００３３】
このため、上記したＢａ３ＭｇＳｉ２Ｏ８：Ｅｕ，ＭｎおよびＳｒ５Ａｌ２（Ｏ，Ｓ）８：Ｅｕが好適であり、これらは、４３０〜４７０ｎｍの光を赤色の光に変換する能力に優れている。
【００３４】
そして、例えば、４３０〜４７０ｎｍの光を赤色の光に変換する能力に優れた第二の蛍光体である赤色蛍光体と、４００ｎｍ前後の光で励起されて、６００ｎｍから６５０ｎｍの蛍光を発する赤色蛍光体とを組み合わせても良く、この場合には、４００ｎｍ前後の光で励起されて、６００ｎｍから６５０ｎｍの蛍光を発する赤色蛍光体が第三の蛍光体と成る。
【００３５】
このように、異なる波長の光を近い波長の光に変換することで、例えば、赤色のように他の色に比べて変換効率の低い蛍光体がほとんどである場合であっても、赤色の光を多く出力することができるようになる。
【００３６】
特に、第二の出力光と第三の出力光のピーク波長との差が７０ｎｍ以内となる組み合わせとすることで特定の波長の光をより多く出力することができる。
【００３７】
蛍光体５ａ、５ｂ、５ｃ平均粒子径は、０．１〜５０μｍ、好ましくは０．１〜２０μｍ、より好ましくは１〜２０μｍであることが好ましい。平均粒子径が５０μｍより大きい場合は、波長変換層の光透過性が著しく低下することによって、蛍光体によって発せられた光が波長変換層から出射せず、結果発光装置の発光効率が著しく低下する。
【００３８】
波長変換器４は、透明マトリクス中に、蛍光体５ａ、５ｂ、５ｃを含有している。蛍光体５は、発光素子３から発せられる光でそれぞれ直接励起され、変換光として可視光を発生する。波長変換器４内で蛍光体５により変換された変換光は、合成されて出力光として取り出される。
【００３９】
波長変換器４の厚みは、変換効率の観点から、０．１〜５．０ｍｍ、好ましくは０．２〜１ｍｍとするのがよい。厚みをこの範囲内とすれば、蛍光体５による波長変換効率を向上でき、変換された光が他の蛍光体により吸収されることを抑制することができる。その結果、発光素子３から発せられる光を可視光に高効率で変換することができ、さらに変換された可視光を外部に高効率で透過させることができる。
【００４０】
波長変換器４内で変換された出力光のピーク波長は、４００〜７５０ｎｍ、特に４５０〜６５０ｎｍであることが好ましい。これにより、幅広い範囲で発光波長をカバーし、演色性を向上することができる。
【００４１】
波長変換器４は、蛍光体５を均一に分散および担持し、かつ蛍光体５の光劣化を抑制することができるため、高分子樹脂やガラス材料などの透明マトリクス中に分散して形成することが好ましい。高分子樹脂膜、ゾルゲルガラス薄膜などのガラス材料としては、透明性が高く、かつ加熱や光によって容易に変色しない耐久性を有するものが望ましい。
【００４２】
高分子樹脂膜は、材料は特に限定されるものではなく、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、酢酸セルロース、ポリアリレート、さらにこれら材料の誘導体が用いられる。特に、３５０ｎｍ以上の波長域において優れた光透過性を有していることが好ましい。このような透明性に加え、耐熱性の観点から、シリコーン樹脂がより好適に用いられる。
【００４３】
ガラス材料は、シリカ、チタニア、ジルコニア、さらにそれらのコンポジット系を例示できる。ガラス材料中に蛍光体５をそれぞれ単独で分散させて形成する。高分子樹脂膜と比較して、光、特に紫外光に対する耐久性が高く、さらに熱に対する耐久性が高いことから、製品の長寿命化を実現できる。また、ガラス材料は、安定性を向上させることができることから、信頼性に優れた発光装置を実現できる。
【００４４】
波長変換器４は、ゾルゲルガラス膜などのガラス材料または高分子樹脂膜を用いて、塗布法により形成することができる。一般的な塗布法であれば限定されないが、ディスペンサーによる塗布が好ましい。例えば、液状で未硬化の樹脂、ガラス材料、または溶剤で可塑性を持たせた樹脂およびガラス材料に、蛍光体５を混合することにより製造することができる。未硬化の樹脂としては、例えばシリコーン樹脂が使用できる。これらの樹脂は２液を混合して硬化させるタイプのものであっても１液で硬化するタイプのものであっても良く、２液を混合して硬化させるタイプの場合、両液にそれぞれ蛍光体５を混練してもよく、あるいはどちらか一方の液に蛍光体５を混練しても構わない。また、溶剤で可塑性を持たせた樹脂としては例えばアクリル樹脂を使用することができる。
【００４５】
硬化した波長変換器４は、未硬化状態でディスペンサー等の塗布法を使用するなどして、フィルム状に成形したり、所定の型に流し込んで固めることで得られる。樹脂およびガラス材料を硬化させる方法としては、熱エネルギーや光エネルギーを使う方法がある他、溶剤を揮発させる方法がある。
【００４６】
本発明の波長変換器および発光装置について、図を用いて以下説明する。図１は、本発明の発光装置の一実施形態示す概略断面図である。本発明の発光装置は、励起光を発する化合物半導体からなる発光素子３と、前記発光素子と電気的に接続し、かつ外部と接続させるための電極１と、前記励起光の波長を変換する波長変換器４とを基板２上に備えている。波長変換器４は、透明マトリクス中に分散している蛍光体５を備え、光源である発光素子３から発せられる光の波長を変換して、波長が変換された光を含む出力光を出力する。また、図１の発光装置は反射部材６を備えている。
【００４７】
電極１は、発光素子３を電気的に接続するための導電路としての機能を有し、導電性接合材で発光素子３と接続されている。電極１としては、例えば、Ｗ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ａｇ等の金属粉末を含むメタライズ層を用いることができる。電極１は、基板２がセラミックスから成る場合、その上面に配線導体がタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ）−マンガン（Ｍｎ）等から成る金属ペーストを高温で焼成して形成され、基板２が樹脂から成る場合、銅（Ｃｕ）や鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）合金等から成るリード端子がモールド成型されて基板２の内部に設置固定される。
【００４８】
基板２は、熱伝導性に優れ、かつ全反射率の大きいことが求められるため、例えばアルミナ、窒素アルミニウム等のセラミック材料の他に、金属酸化物微粒子を分散させた高分子樹脂が好適に用いられる。
【００４９】
発光素子３は、蛍光体の励起を効率的に行なうことができるため、中心波長が３７０〜４２０ｎｍの光を発する半導体材料を備えた発光素子を用いている。これにより、出力光の強度を高め、より発光強度の高い照明装置を得ることが可能となる。
【００５０】
発光素子３は、上記中心波長を発するものが好ましいが、発光素子基板表面に、半導体材料からなる発光層を備える構造（不図示）を有していることが、高い外部量子効率を有する点で好ましい。このような半導体材料として、ＺｎＳｅや窒化物半導体（ＧａＮ等）等種々の半導体を挙げることができるが、発光波長が上記波長範囲であれば、特に半導体材料の種類は限定されない。これらの半導体材料を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタシャル成長法等の結晶成長法により、発光素子基板上に半導体材料からなる発光層を有する積層構造を形成すれば良い。発光素子基板は、結晶性の良い窒化物半導体を量産性よく形成させるために、例えば窒化物半導体からなる発光層を表面に形成する場合、サファイア、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＺｒＢ２、ＧａＮおよび石英等の材料が好適に用いられる。
【００５１】
発光素子３と波長変換器４の側面には、必要に応じて、光を反射する反射部材６を設け、側面に逃げる光を前方に反射し、出力光の強度を高めることができる。反射部材６の材料としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、鉄（Ｆｅ）およびこれらの積層構造物や合金、さらにアルミナセラミックス等のセラミックス、またはエポキシ樹脂等の樹脂を用いることができる。
【００５２】
本発明の発光装置は、図１に示すように、波長変換器４を発光素子３上に設置することにより得られる。波長変換器４を発光素子３上に設置する方法としては硬化したシート状の波長変換器４を発光素子３上に設置することが可能であるほか、液状の未硬化の材料を発光素子３上に設置した後、硬化させて設置することも可能である。
【実施例】
【００５３】
ジメチルシリコーン骨格からなるシリコーン樹脂に、表１に示す蛍光体を、シリコーン樹脂に分散混合し、蛍光体含有樹脂ペーストを作製した。蛍光体含有樹脂ペーストは、シリコーン樹脂１００重量部に対して、蛍光体２０重量部添加して作製した。
【００５４】
得られた蛍光体含有樹脂ペーストを平滑な基板上にディスペンサーにて塗布形成し、これをホットプレート上で８０℃、５分間加熱して、仮硬化膜を作製した。続いて、これを１５０℃の乾燥機内に３０時間入れ波長変換層を作製した。
【００５５】
そして、基板上に設置した発光素子を覆うように波長変換層を配置して発光装置を作製し、発光素子に通電して、発光効率を測定した。その結果を表１に示す。なお、用いた発光素子の励起波長のピークは３９５ｎｍであり、半値幅が１５ｎｍである。なお、表１の試料Ｎｏ．３、４および６〜８は参考試料である。
【表１】
0005137395.tif 000002
【００５６】
本発明の発光装置では、高い発光効率が達成された。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の蛍光体を用いた発光装置の断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１・・・電極
２・・・基板
３・・・発光素子
４・・・波長変換層
５・・・蛍光体
５ａ・・・青色蛍光体
５ｂ・・・緑色蛍光体
５ｃ・・・黄色蛍光体
６・・・反射部材
４０・・・波長変換層
５０・・・波長変換層
【図１】
0005137395.tif 000003