JP2008010556A - Ｌｅｄ光源装置およびそれを使用したｌｅｄバックライト - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、Ｒ（赤色）・Ｇ（緑色）・Ｂ（青色）の光の三原色に対応した波長成分を含むスペクトル分布を有する白色光を良好な色再現性をもって実現するとともに、色度むらおよびロット間の色度ばらつきの少ない、高信頼性のＬＥＤ光源装置を提供することにある。
【解決手段】青色ＬＥＤ２の照射方向に、ガラス８に赤色蛍光体３ａを分散した第一の色変換フィルタ３とガラス８に緑色蛍光体４ａを分散した第二の色変換フィルタ４を配置し、ＬＥＤ２から出射して第一の色変換フィルタ３内および第二の色変換フィルタ４内を導光されたＢ（青色）光と、ＬＥＤ２から出射した青色光が第一の色変換フィルタ３で色変換されて第二の色変換フィルタ４内を導光されたＲ（赤色）光と、ＬＥＤ２から出射した青色光が第一の色変換フィルタ３内を導光されて第二の色変換フィルタ４で色変換されたＧ（緑色）光でＲ・Ｇ・Ｂの三波長白色光を得るようにした。
【選択図】図１

Description

本発明はＬＥＤ光源装置およびそれを使用したＬＥＤバックライトに関するものであり、詳しくは、ＬＥＤを発光源とするＬＥＤ光源装置から出射された白色光を導光体を介して被照射物に照射するＬＥＤバックライトに関する。

従来、急峻な発光スペクトルを有するＬＥＤを発光源として白色光に近い色度の光を得る方法として、ＬＥＤ素子と蛍光体との組み合わせによる方法が提案されている。それは、発光スペクトルのピーク波長が約４５０〜４６０ｎｍの青色ＬＥＤの周りに青色光に励起されて青色の補色となる黄色光を放出するＹＡＧ：Ｃｅからなる黄色蛍光体を分散したシリコーン樹脂をコートし、青色ＬＥＤからの青色光の一部が蛍光体を励起することによって波長変換された黄色光と、青色ＬＥＤからの青色光との加法混色によって白色光に近い色度の光を得るものである。

このような構成からなるＬＥＤは、例えばプリンタ用読取光源、パネル照明装置、一般照明装置、および各種インジケータ等に組み込んで使用されるが、携帯電話や薄型テレビ等のカラーＬＣＤ用バックライトの場合はＲ（赤色）・Ｇ（緑色）・Ｂ（青色）の各カラーフィルタの透過波長領域に対応した比較的半値幅の狭い波長成分を有する発光スペクトルが求められる。

このような要求を満足するために、上記黄色蛍光体に加えて青色光に励起されて赤色光を放出するＳｒ_ｌ−_ＸＣａ_ＸＳ：ＥｕやＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕからなる赤色蛍光体を添加し、青色ＬＥＤからの青色光の一部が蛍光体を励起することによって波長変換された黄色光及び赤色光と、青色ＬＥＤからの青色光との加法混色によって白色光に近い色度の光を得る方法が提案されている。

ところで、蛍光体を分散した樹脂でＬＥＤ素子を封止することによって白色光に近い色度の光を得る方法は、封止樹脂内における蛍光体粒子の分布の均一性を確保することが難しく、たとえ均一性が確保できたとしてもＬＥＤ素子の発光光が封止樹脂の光出射面に至るまでの光路長差によって封止樹脂の光出射面からの出射光が色調むらのある光学特性を有するものとなる。

そこで、このような問題を解決するために、蛍燐光体粒子からなる懸濁粒子を含む槽内に半導体デバイスを配置し、該半導体デバイスにバイアス電圧を印加することによって半導体デバイス上に懸濁粒子を堆積させるという方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、カラーＬＣＤ用バックライトに使用する光源としては、上記構成からなるＬＥＤはＲ（赤色）・Ｇ（緑色）・Ｂ（青色）の各カラーフィルタの透過波長領域に対応したスペクトルの色純度が悪く、良好な色再現性を得ることも困難である。

そこで、発光スペクトルのピーク波長が約４６０ｎｍの青色ＬＥＤ素子と、該青色ＬＥＤ素子の発光光に励起されて半値幅の小さいシャープなスペクトルを有する光を放出するＳｒ_１−ＸＣａ_ＸＧａ_２Ｓ４：Ｅｕからなる緑色蛍光体および半値幅の小さいシャープなスペクトルを有する光を放出するＳｒ_１−ＸＣａ_ＸＳ：Ｅｕからなる赤色蛍光体を組み合わせる方法が提案されている。

しかしながら、これら硫化物蛍光体は発光輝度は高いが、高温高湿の環境下において水蒸気と反応して劣化する点、パッケージの光反射面を形成する銀膜と反応して黒化する点等の信頼性に欠けるところがある。

また、赤色蛍光体は緑色蛍光体が放出する、前記赤色蛍光体が放出する光よりも短波長の光を再吸収するという問題、赤色蛍光体と緑色蛍光体が互いに異なる比重、粒径を有するために封止樹脂内の２種類の蛍光体を均一に分散させることが困難であるとともに２種類の蛍光体の混合比率を高精度で再現性良く確保することも困難であり、その結果、封止樹脂の光出射面からの出射光を再現性良く色調むらの少ない光学特性を有するものとするためには生産管理に多大な労力と時間が費やされ、歩留まりも悪いという問題を有している。

そこで、このような問題を解決するために、ガラス粉末と蛍光体粉末を焼結することによってガラス中に蛍光体が分散された発光色変換部材を形成するという方法が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００５−２８６３２７号公報 特開２００３−２５８３０８号公報

しかしながら、開示された方法は青色光に励起されて黄色光を放出する黄色蛍光体をガラス中に分散して発光色変換部材としたものであり、光学特性のロット間ばらつきを低減させるには有効な方法ではあるが、カラーＬＣＤ用バックライトに使用するには上述の光学性能を満足していないために困難である。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、Ｒ（赤色）・Ｇ（緑色）・Ｂ（青色）の光の三原色に対応した波長成分を含むスペクトル分布を有する白色光を良好な色再現性をもって実現するとともに、色度むらおよびロット間の色度ばらつきの少ない、高信頼性のＬＥＤ光源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、１個または同一の発光スペクトルを有する複数個の青色発光ＬＥＤと、
ガラスに赤色蛍光体を分散した第一の色変換フィルタと、
ガラスに緑色蛍光体を分散した第二の色変換フィルタを有するＬＥＤ光源装置であって、
前記青色発光ＬＥＤからの青色光が前記第一の色変換フィルタおよび前記第二の色変換フィルタのうちの一方に入射して、前記第一の色変換フィルタおよび前記第二の色変換フィルタのうちの他方から白色光が出射するようにしたことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記青色発光ＬＥＤからの青色光が前記第一の色変換フィルタに入射して、前記第二の色変換フィルタから白色光が出射するようにしたことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１または２のいずれか１項において、前記赤色蛍光体がＳｒ_１−ＸＣａ_ＸＳ：Ｅｕであり、前記緑色蛍光体がＳｒ_１−ＸＣａ_ＸＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕであることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載されたＬＥＤ光源装置と導光体を備え、前記ＬＥＤ光源装置からの白色光が前記導光体を介して被照射物に照射されることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項４において、前記被照射物がＬＣＤであることを特徴とするものである。

本発明のＬＥＤ光源装置を、青色発光ＬＥＤからの青色光が、ガラスに赤色蛍光体を分散した第一の色変換およびガラスに緑色蛍光体を分散した第二の色変換フィルタのうちの一方に入射することによって、第一の色変換フィルタおよび第二の色変換フィルタのうちの他方から白色光が出射されるようにした。

その結果、三波長白色光を良好な色再現性をもって実現するとともに、色度むらおよびロット間の色度ばらつきの少ない、高信頼性のＬＥＤ光源装置を実現することができた。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図６を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１は本発明のＬＥＤ光源装置の構成例を示した概略図である。本構成のＬＥＤ光源装置１はＬＥＤ２、第一の色変換フィルタ３および第二の色変換フィルタ４を備えている。

ＬＥＤ２は、Ｂ（青色）光を発光するＬＥＤチップ５を透光性を有する封止樹脂６で樹脂封止したものである。封止樹脂６はシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、シリコーンエポキシ樹脂等からなり、ＬＥＤチップ５を水分、塵埃およびガス等の外部環境から保護し、且つ架空配線されたボンディングワイヤ７を振動及び衝撃等の外力から保護する働きを有すると共に、ＬＥＤチップ５の光出射面と封止樹脂６が界面を形成することによって、ＬＥＤチップ５の光出射面と界面を形成する部材の屈折率を該ＬＥＤチップ５の光出射面を形成する半導体材料の屈折率に近づけて、ＬＥＤチップ５の光出射面から封止樹脂６内に入射する発光光の光取出し効率を向上させる役割も担っている。

なお、樹脂封止６の替わりに低融点ガラスによる封止も可能である。この場合、ガラス封止は上記樹脂封止と同様の役割を果たす。

ＬＥＤ２の照射方向にはＬＥＤ２側から順次第一の色変換フィルタ３および第二の色変換フィルタ４が配置されている。

第一の色変換フィルタ３は、赤色蛍光体３ａを分散した厚み０．３ｍｍのガラス８であり、ガラス粉末に対してＳｒ_１−ＸＣａ_ＸＳ：Ｅｕ（０＜Ｘ＜１）からなる赤色蛍光体粉末を１ｗｔ％混合し、空気中で約８００℃の温度で数時間焼成することによって形成されたものである。

第二の色変換フィルタ４は、緑色蛍光体４ａを分散した厚み０．３ｍｍのガラス８であり、ガラス粉末に対してＳｒ_１−ＸＣａ_ＸＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ（０＜Ｘ＜１）からなる緑色蛍光体粉末を６ｗｔ％混合し、空気中で約８００℃の温度で数時間焼成することによって形成されたものである。

このような構成において、ＬＥＤ２から発せられて第一の色変換フィルタ３の光入射面３ｂから第一の色変換フィルタ３内に入射し、該第一の色変換フィルタ３内を導光されて第一の色変換フィルタ３の光出射面３ｃに至る光は、第一の色変換フィルタ３内に分散された赤色蛍光体３ａがＬＥＤ２からのＢ（青色）光の一部に励起されて波長変換されたＲ（赤色）光と第一の色変換フィルタ３をそのまま透過したＬＥＤ２からのＢ（青色）光とからなる。

そして、第一の色変換フィルタ３の光出射面３ｃから出射して第二の色変換フィルタ４の光入射面４ｂから第二の色変換フィルタ４内に入射し、該第二の色変換フィルタ４内を導光されて第二の色変換フィルタ４の光出射面４ｃに至る光は、第一の色変換フィルタ３内に分散された赤色蛍光体３ａがＬＥＤ２からのＢ（青色）光の一部に励起されて波長変換されてそのまま第二の色変換フィルタ４を透過したＲ（赤色）光と第二の色変換フィルタ４内に分散された緑色蛍光体４ａが第一の色変換フィルタ３をそのまま透過したＬＥＤ２からのＢ（青色）光の一部に励起されて波長変換されたＧ（緑色）光と第一の色変換フィルタ３および第二の色変換フィルタ４をそのまま透過したＬＥＤ２からのＢ（青色）光とからなる。

したがって、第二の色変換フィルタ４の光出射面４ｃから出射される光はＲ（赤色）・Ｇ（緑色）・Ｂ（青色）の光の三原色に対応した波長成分を含むスペクトル分布を有し、人間にはＲ（赤色）光・Ｇ（緑色）光・Ｂ（青色）光の加法混色によるＷ（白色）光として認識される。

図２はＬＥＤから発せられて第一の色変換フィルタに入射し、第一の色変換フィルタ内および第二の色変換フィルタ内を導光されて第二の色変換フィルタから出射される光のスペクトル分布を示したものである。このスペクトル分布からわかるように、Ｒ（赤色）・Ｇ（緑色）・Ｂ（青色）の光の三原色を示す波長領域に対応した比較的半値幅の狭い波長成分を含んでおり、この三原色光の加法混色により三波長白色光が形成されている。

上述のＬＥＤ光源装置は、夫々の色変換フィルタがガラスに蛍光体を分散した構成となっているのでガラス全面に亘ってほぼ均一な蛍光体分布が再現性良く得られ、ロット間の色度ばらつきが少なく且つ光出射面での色度むらの少ない光源を実現することができる。

また、ＬＥＤと対向する側に赤色蛍光体が分散された第一の色変換フィルタを配置し、緑色蛍光体が分散された第二の色変換フィルタを第一の色変換フィルタを挟んだＬＥＤと反対側に配置するようにした。その結果、第一の色変換フィルタに分散された赤色蛍光体から放出された赤色光は第二の色変換フィルタに分散された、赤色光の波長では励起されない緑色蛍光体に再吸収されることはない。そのためスペクトルのＲ・Ｇ・Ｂの波長成分の分離が良好で色度再現性に優れたＬＥＤ光源装置が簡単に実現できる。

ところで、ＬＥＤと対向する側に緑色蛍光体が分散された第二の色変換フィルタを配置し、赤色蛍光体が分散された第一の色変換フィルタを第二の色変換フィルタを挟んだＬＥＤと反対側に配置することにより、色度再現性よりも輝度や照度を重視した光源とすることも可能である。

図３は互いに重ね合わされた２枚の色変換フィルタにおいて、ＬＥＤと対向する側に第一の色変換フィルタを位置させたときのスペクトル分布とＬＥＤと対向する側に第二の色変換フィルタを位置させたときのスペクトル分布を示したものである。

この場合、第一の色変換フィルタはガラス粉末に対して赤色蛍光体粉末を２ｗｔ％混合して焼成したものであり、第二の色変換フィルタはガラス粉末に対して緑色蛍光体粉末を６ｗｔ％混合して焼成したものである。

図３より、ＬＥＤ側に赤色蛍光体が分散された第一の色変換フィルタを配置した場合はＲ・Ｇ・Ｂの波長成分の出力分離および出力バランスが良好なスペクトル分布を呈した三波長白色光が得られ、ＬＥＤ側に緑色蛍光体が分散された第二の色変換フィルタを配置した場合は高輝度化したＬＥＤ光源装置が実現できることがわかる。

図４は、赤色蛍光体の濃度が異なる複数種の第一の色変換フィルタと、緑色蛍光体の濃度が異なる複数種の第二の色変換フィルタを用意し、第一の色変換フィルタおよび第二の色変換フィルタの夫々に青色ＬＥＤからの光を照射したときの各色変換フィルタから出射される光の色度座標を色度図上に示すとともに、同一色度図上に前記第一の色変換フィルタのうちの１枚と第二の色変換フィルタのうちの１枚を重ね合わせて青色ＬＥＤからの光を第一の色変換フィルタ側から照射して第一の色変換フィルタから出射される三波長白色光の色度座標を示したものである。

第一の色変換フィルタのサンプルはガラス粉末に対して赤色蛍光体粉末（Ｒ）を夫々１ｗｔ％、２ｗｔ％、３ｗｔ％混合して焼成した３種類であり、第二の色変換フィルタのサンプルはガラス粉末に対して緑色蛍光体粉末（Ｇ）を夫々３ｗｔ％、６ｗｔ％、９ｗｔ％混合して焼成した３種類である。

その結果、赤色蛍光体粉末（Ｒ）を１ｗｔ％混合して焼成した第一の色変換フィルタと緑色蛍光体粉末（Ｇ）を６ｗｔ％混合して焼成した第二の色変換フィルタを組み合わせることによって、色度図中に点線で示される目標色度座標領域内に色度座標を有する白色（Ｗ）光を得ることができた。

ところで、これらＳｒ_１−ＸＣａ_ＸＳ：Ｅｕ等は高温高湿の環境下においては数時間で劣化してしまう。ところが、これら蛍光体をガラスに分散することによって高温高湿の環境下における劣化を抑制することができる。

図５はＳｒ_１−ＸＣａ_ＸＳ：Ｅｕからなる赤色蛍光体をガラスに分散した色変換フィルタおよびＳｒ_１−ＸＣａ_ＸＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕからなる緑色蛍光体をガラスに分散した色変換フィルタを温度６０℃、湿度９０％の高温高湿雰囲気中に放置し、一定時間後に励起光を照射して夫々の色変換フィルタから放出される赤色光および緑色光の光束を測定した結果を示している。

図５より、両色変換フィルタともに温度６０℃、湿度９０％の雰囲気中に晒された状態にあっても９５時間後も初期の光束を維持しており、蛍光体が劣化していないことが確認できた。

この結果、高温高湿の環境下では信頼性に乏しい硫化物蛍光体であってもガラスに分散することによって飛躍的に信頼性が向上し、十分な信頼性を確保することができることが明確になった。したがって当然ながら、ＳｒＳ、ＣａＳ、ＺｎＳ等の硫化物や更に耐湿性に劣る蛍光体の耐湿性向上には有効な方法である。

また、赤色蛍光体をガラスに分散した色変換フィルタと緑色蛍光体をガラスに分散した色変換フィルタを別個に設けることによって、青色光に励起されて赤色光を放出する領域と青色光に励起されて緑色光を放出する領域を単独で作成できるようにした。これによって赤色蛍光体と緑色蛍光体を混在させた場合の問題点となる、色再現性、色度むらおよびロット間の色度ばらつき等の光学特性を良好なものにすることができる。

図６は本発明のＬＥＤ光源装置を使用したＬＥＤバックライトによってカラーＬＣＤを照明する例を示している。

ＬＥＤ２の照射方向に、ガラスに赤色蛍光体を分散した第一の色変換フィルタ３およびガラスに緑色蛍光体を分散した第二の色変換フィルタ４を重ねて配置し、第二の色変換フィルタ４の光出射面４ｃが導光板９の光入射端面９ａに着接されている。そして導光板９の光出射面９ｂの上に拡散板１０が配置され、さらにその上にカラーフィルタ（図示せず）を備えたＬＣＤ１１が配置されている。

そして、ＬＥＤ２からのＢ（青色）光が第一の色変換フィルタ３内および第二の色変換フィルタ４内を導光されることによって形成された三波長Ｗ（白色）光が導光板９の光入射端面９ａから導光板９内に入射され、導光板９内を導光されて光出射面９ｂから拡散板１０に至り、拡散板１０からの白色拡散光がＬＣＤ１１を照射するものである。

このとき、第一の色変換フィルタに分散する赤色蛍光体および第二の色変換フィルタに分散する緑色蛍光体の夫々の配合濃度、および／または、第一の色変換フィルタおよび第二の色変換フィルタの夫々の厚みを制御することによって照射光の青色光と各蛍光体から放出される赤色光および緑色光との混合比率を変えることができるため、拡散板１０からの三波長白色光のスペクトル分布をＬＣＤのカラーフィルタのＲ（赤色）・Ｇ（緑色）・Ｂ（青色）の透過波長領域に対応した波長成分を含むように最適化することができる。

本発明に係わる実施形態の概略図である。 本発明に係わる実施形態で形成された白色光のスペクトル分布図である。 本発明に係わる実施形態を構成する色変換フィルタの配置を変えたときのスペクトル分布図である。 本発明を構成する色変換フィルタおよびそれらの組み合わせの色度を示す色度図である。 本発明に係わる実施形態を構成する色変換フィルタの高温高湿試験の結果を示すグラフである。 本発明のＬＥＤ光源装置を使用したＬＥＤバックライトでカラーＬＣＤを照明する状態を示す側面図である。

符号の説明

１ ＬＥＤ光源装置
２ ＬＥＤ
３ 第一の色変換フィルタ
３ａ 赤色蛍光体
３ｂ 光入射面
３ｃ 光出射面
４ 第二の色変換フィルタ
４ａ 緑色蛍光体
４ｂ 光入射面
４ｃ 光出射面
５ ＬＥＤチップ
６ 封止樹脂
７ ボンディングワイヤ
８ ガラス
９ 導光板
９ａ 光入射端面
９ｂ 光出射面
１０ 拡散板
１１ ＬＣＤ

Claims (5)

1. １個または同一の発光スペクトルを有する複数個の青色発光ＬＥＤと、
   ガラスに赤色蛍光体を分散した第一の色変換フィルタと、
   ガラスに緑色蛍光体を分散した第二の色変換フィルタを有するＬＥＤ光源装置であって、
   前記青色発光ＬＥＤからの青色光が前記第一の色変換フィルタおよび前記第二の色変換フィルタのうちの一方に入射して、前記第一の色変換フィルタおよび前記第二の色変換フィルタのうちの他方から白色光が出射するようにしたことを特徴とするＬＥＤ光源装置。
2. 前記青色発光ＬＥＤからの青色光が前記第一の色変換フィルタに入射して、前記第二の色変換フィルタから白色光が出射するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ光源装置。
3. 前記赤色蛍光体がＳｒ_１−ＸＣａ_ＸＳ：Ｅｕであり、前記緑色蛍光体がＳｒ_１−ＸＣａ_ＸＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕであることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載のＬＥＤ光源装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載されたＬＥＤ光源装置と導光体を備え、前記ＬＥＤ光源装置からの白色光が前記導光体を介して被照射物に照射されることを特徴とするＬＥＤバックライト。
5. 前記被照射物がＬＣＤであることを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤバックライト。

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