JP2008034201A - 照明装置及び調光パネル - Google Patents

Abstract

【課題】 蛍光体の発光効率が高い、明るい照明装置及び調光パネルを提供すること。
【解決手段】 ＬＥＤアレイ部（１）と調光層を具備するＬＥＤ照明装置において、前記調光層が、蛍光体を溶解した流動体からなる発光層（２）を有することを特徴とする。発光層は、赤色発光蛍光体を溶解した流動体からなる赤色発光層であり、調光層は、赤色発光層に隣接して黄色発光層（３）を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置及び調光パネルに関する。

近年、ＬＥＤ素子は、発光効率の急激な増加とともに、蛍光灯に代わる次世代照明装置として注目を集めている。しかしながら、現在のＬＥＤ照明装置により照らし出された物体は、特に赤色の鮮明さに欠けており、人物が照らし出された場合は肌色の写りが悪いことが課題となっている。このような特性は、現在のＬＥＤ照明装置の分光スペクトルにおいて、赤色領域のスペクトル強度が弱いことが原因である。従って、このようなＬＥＤ照明装置を用いて舞台照明などの演出用照明用途に用いた場合、有効な演出効果を出すことが困難な場合がある。

この問題を解決するためには、ＬＥＤチップの発光中心波長である、近紫外または青色光で励起することができる赤色蛍光体が必要である。しかしながら、ＬＥＤ照明装置に無機化合物からなる赤色蛍光体層を設けたところ、光散乱効果の増大によって光を照明装置の外部に取り出すことができる効率が大幅に減少してしまう。

このような状況に対し、赤色有機蛍光体である希土類錯体を溶解したポリマー薄膜を黄色蛍光層に隣接して設置したところ、十分な赤色のスペクトル強度を得ることができなかった。

一方、蛍光体の温度特性は、有機蛍光体、無機蛍光体に関わらず、高温になるほど発光特性、すなわち量子収率が低下するのが一般的である。そのため、ＬＥＤチップアレイの発熱により、それと組み合わせて用いる調光層あるいは蛍光発光層にも輻射熱が伝わり、蛍光体の発光効率が低下してしまうという問題がある。

本発明はかかる状況に鑑みてなされたものであり、蛍光体の発光効率が高い、明るい照明装置及び調光パネルを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、発光素子と、この発光素子からの光を調光する調光層を具備する照明装置において、前記調光層が、蛍光体を溶解した流動体からなる発光層を有することを特徴とする照明装置を提供する。

このような照明装置において、発光層は、赤色発光蛍光体を溶解した流動体からなる赤色発光層とすることができる。また、調光層は、赤色発光層に隣接して黄色発光層を有するものとすることができる。これらの場合、赤色発光蛍光体として、希土類錯体蛍光体を用いることができる。

希土類錯体蛍光体として、下式（１）により表わされる構造を有するユーロピウム錯体を用いることができる。

（式中、Ｒ^１〜Ｒ^９は、炭素数が２０以下の直鎖または分枝構造を有するアルキル基又はアルコキシ基、フェニル基、ビフェニル基、ナフチル基、ヘテロ環基、及びこれらの置換体、水素原子、重水素原子からなる群から選ばれ、Ｒ^１−Ｒ^６がすべて同一である場合を除く。）
希土類錯体蛍光体として、下記式（２）により表わされる構造を有するユーロピウム錯体を用いることができる。

（式中、Ｒ^１〜Ｒ^７は、炭素数が２０以下の直鎖または分枝構造を有するアルキル基又はアルコキシ基、フェニル基、ビフェニル基、ナフチル基、ヘテロ環基、及びこれらの置換体、水素原子、重水素原子からなる群から選ばれ、Ｒ^１−Ｒ^４がすべて同一である場合を除き、ｎは２以上２０以下の整数である。）
本発明の第２の態様は、発光素子と、媒体に蛍光体を溶解した流動体を透明セル内に収容した発光層を有する調光層と、前記透明セルに接続された、前記流動体を循環させる循環手段を具備することを特徴とする照明装置を提供する。

このような照明装置において、発光層は、赤色発光蛍光体を溶解した流動体からなる赤色発光層とすることができる。また、透明セルの外壁または内壁に、黄色発光層を配置することができる。この黄色発光層を複数個格子状に配置することができる。

さらに、蛍光体を溶解する媒体は、液晶相を呈するものとすることができる。また、循環手段は、冷却手段又は放熱手段を具備するものとすることができる。

本発明の第３の態様は、ＬＥＤアレイ部と、第１の蛍光体及び第２の蛍光体を含む調光層を具備するＬＥＤ照明装置において、前記第１の蛍光体が、第２の蛍光体を含むマトリクスポリマー中に相分離して分散されていることを特徴とする照明装置を提供する。

このような照明装置において、第１の蛍光体が赤色発光蛍光体であり、第２の蛍光体が黄色発光蛍光体である構成とすることができる。

本発明の第４の態様は、蛍光体を溶解した流動体からなる発光層を有することを特徴とする調光パネルを提供する。

このような調光パネルにおいて、発光層は、赤色発光蛍光体を溶解した流動体からなる赤色発光層とすることができる。また、赤色発光層に隣接して黄色発光層を配置することができる。これらの場合、赤色発光蛍光体として、上述した希土類錯体蛍光体を用いることができる。

本発明によると、調光パネルが、蛍光体を溶解した流動体からなる透明な発光層を有しているため、光散乱が生ずることがなく、従来光散乱によって低下していた照明装置の光取り出し効率が向上する。また、蛍光体を溶解した流動体を循環させることにより、素子からの熱が放熱又は冷却により除去されて、蛍光体の温度を低温に保持することができる。その結果、蛍光体の発光効率を高めることができ、蛍光強度の増大を実現することが可能となる。

以下、発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置の概略側面図を示す。図１において、複数のＬＥＤ素子１が放物線状にアレイとして配置され、その光路に、蛍光体、例えば赤色発光蛍光体を溶解した流動体を収容する有機蛍光体セル２からなる調光層が配置されている。有機蛍光体セル２は、下部に流動体の導入口４を、上部に流動体の排出口５を備えており、これら導入口４及び導出口５は、管路６により接続されている。この管路６により、有機蛍光体セル２内の流動体は循環する。

管路６には、冷却器又は放熱器７が設けられていてもよい。単に管路６のみでも、自然放冷により、ＬＥＤ素子１からの熱により温度が上昇した流動体は冷却されるが、冷却器又は放熱器７を設けることにより、より効果的な流動体の冷却が可能となる。また、有機蛍光体セル２内の流動体の対流により、管路６のみでも流動体の循環は可能であるが、管路６に別途強制的循環手段を設けてもよい。

なお、図１では、有機蛍光体セル２に隣接して、無機黄色発光層３が、必要に応じて配置され、両者により調光層を構成している。

ＬＥＤ素子１が白色ＬＥＤ素子である場合、無機黄色発光層３は必要ではなく、有機蛍光体セル２のみが配置される。ＬＥＤ素子１が青色ＬＥＤ素子である場合、有機蛍光体セル２に隣接して無機黄色発光層３が配置される。

以上のように構成されるＬＥＤ照明装置では、赤色発光蛍光体は流動体中に溶解されているため、透明となり、そのため光散乱が生ずることがなく、光散乱によってＬＥＤ照明装置の光取り出し効率が低下することはない。

また、赤色領域のスペクトル強度を増大することにより、赤色や人間の肌色を鮮明に照らし出すことが可能な明るい照明装置を実現することができる。

図２に示すように、有機蛍光体の蛍光強度は、固体薄膜中に含有させているよりも、溶液中に溶解している方が大きくなる傾向がある。

図２は、１重量％の赤色発光蛍光体（下記式（４））が溶媒（アセトン）に溶解している場合（曲線１）、５重量％の赤色発光蛍光体（下記式（４）が溶媒（アセトン）に溶解している場合（曲線２）、及び１重量％の赤色発光蛍光体（下記式（１）が固体薄膜（シリコーン）に分散している場合（曲線３）の蛍光強度を示す特性図である。図２に示すように、有機蛍光体が溶液に溶解している場合のほうが、固体薄膜中に分散している場合よりもはるかに赤色の蛍光強度が高いことがわかる。

また、図１に示すＬＥＤ照明装置では、流動性媒体の循環により有機蛍光体セル２の温度上昇を抑えると同時に、無機黄色発光層３の冷却も図っている。このように、蛍光体の温度上昇を抑えることにより、発光効率が低下することがない。また、図１に示すように、多数のＬＥＤチップアレイ１が密集して配置されると、放熱状態が悪くなるため、流動性媒体を循環させて放熱・冷却することによる効果が特に発揮される。

本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置に用いる赤色蛍光体は、発光色が安定し、強発光が得られる３価のユーロピウム錯体が望ましい。なかでも、配位子としてホスフィンオキシド化合物とβジケトンを有するユーロピウム錯体は、樹脂に対する分散性に優れ、紫外、近紫外、青紫色の光の吸収効率に優れるためより強発光が得やすい。さらには、上記のようなユーロピウム錯体において、異なる分子構造の２種類のホスフィンオキシドを配位子として有するものは、樹脂分散性、光吸収効率に最も優れ、さらに望ましい。

このようなユーロピウム錯体は、例えば下記式（１）に示す構造を有するものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。

（式中、Ｒ^１〜Ｒ^９は、炭素数が２０以下の直鎖または分枝構造を有するアルキル基又はアルコキシ基、フェニル基、ビフェニル基、ナフチル基、ヘテロ環基、及びこれらの置換体、水素原子、重水素原子からなる群から選ばれ、Ｒ^１−Ｒ^６がすべて同一である場合を除く。）
また、下記式（２）に示すようなユーロピウム錯体は、光及び熱耐久性に優れているため、長時間のＬＥＤ照明の点灯に対応することができるので好ましい。

（式中、Ｒ^１〜Ｒ^７は、炭素数が２０以下の直鎖または分枝構造を有するアルキル基又はアルコキシ基、フェニル基、ビフェニル基、ナフチル基、ヘテロ環基、及びこれらの置換体、水素原子、重水素原子からなる群から選ばれ、Ｒ^１−Ｒ^４がすべて同一である場合を除き、ｎは２以上２０以下の整数であり、より好ましくは３以上５以下の整数である。）
以上の有機蛍光体を溶解し、流動体を形成する溶媒としては、沸点が大きく、揮発し難く、難燃性であり、かつ有機蛍光体のような極性化合物を高濃度溶解する性質を有するものであるのが望ましい。具体的には、シリコンオイル、フッ素系液晶材料、シアノビフェニル系液晶材料が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、比較的沸点が大きい、キシレン等の溶媒も用いることが可能である。

無機黄色発光層３は、マトリクス樹脂中に無機黄色発光蛍光体を分散させたものである。無機黄色発光蛍光体としては、ＹＡＧ、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕを用いることができ、マトリクス樹脂としては、発光層セルの流動性媒体に溶解しない透明樹脂、例えば、フッ素系アクリル樹脂、ポリスチレン、ポリエステル、シリコーン樹脂を用いることができる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ照明装置を示す。図３に示すＬＥＤ照明装置において、ＬＥＤ素子１１の光路に配置された有機蛍光体セル１２は、ガラス製の封止されたガラスセル１３と、その中に収容された、蛍光体を溶解した流動性媒体１４から構成される。図３では、有機蛍光体セル１２の内部のＬＥＤ素子１１とは反対側に無機黄色発光層１５が配置されているが、有機蛍光体セル１２の外部に配置されていてもよい。

図３に示すＬＥＤ照明装置のように、ガラスセル１３の内部にガラス壁に密着して無機黄色発光層１５を配置することにより、流動性媒体１４と無機黄色発光層１５とが隙間なく液固界面で接触し、光学的なロスが小さい調光層を実現することができる。また、図１に示すように、流動性媒体１４の循環、入れ替えにより、流動性媒体１４の温度上昇を抑えるとともに、無機黄色蛍光層１５の冷却効果も向上し、蛍光体の発光効率の低下を防止することができる。

図４は、本発明の第３の実施形態に係るＬＥＤ照明装置を示す。図４に示すＬＥＤ照明装置では、ＬＥＤチップアレイ２１が有機蛍光体セル１２に密着して配置されている。このように、ＬＥＤチップアレイ２１が有機蛍光体セル１２に密着して配置することにより、屈折率ギャップによる光学的なロスを減少させることができる。なお、図４に示すＬＥＤ照明装置では、無機黄色発光層１５が有機蛍光体セル１２の外部に配置されている。無機黄色発光層１５は、図４（ａ）ではＬＥＤチップアレイ２１の側に、図４（ｂ）ではＬＥＤチップアレイ２１の反対側に、それぞれ配置されている。

図５は、本発明の第４の実施形態に係るＬＥＤ照明装置用の調光パネルを示す。図５に示すＬＥＤ照明装置では、複数の無機黄色蛍光層３１が、ガラスセル１３の内部にガラス壁に密着して、格子状に配置されている。このように複数の無機黄色蛍光層３１を配置することにより、赤色領域のスペクトル強度を更に強くすることができる。

図６は、本発明の第５の実施形態に係るＬＥＤ照明装置用の調光パネルを示す。図６に示す調光パネルでは、マトリクス樹脂４１中に無機黄色発光蛍光体４２を分散してなる無機黄色蛍光層中に、有機赤色発光蛍光体４３がドロップレット状に相分離して分散されている。このように無機黄色発光蛍光体４２と有機赤色発光蛍光体４３とを複合して分散させることにより、赤色領域のスペクトル強度の高い調光パネルを簡便に得ることができる。

以下、本発明の様々な実施例と比較例を示す。

実施例１
赤色発光蛍光体として、下記式（３）により表される構造を有するユーロピウム錯体を用い、これをキシレンに溶解して濃度２０ｗｔ％の溶液とし、内壁の厚さ１ｍｍのガラスセルに注入し、有機発光セルを形成した。次いで、このガラスセルの外側に、珪酸塩系無機蛍光体をシリコンポリマーに２０ｗｔ％分散した無機蛍光体層を設置することにより、図１に示すようなＬＥＤ照明装置を試作した。ＬＥＤ素子としては、発光中心波長が４６０ｎｍの青色ＬＥＤを用いた。

このようにして構成されたＬＥＤ照明装置によると、無機蛍光体層のみを配置した場合と比較して、演色性評価数は、Ｒａが７増加し、Ｒ９が４６増加し、Ｒ１５が１４増加した。

実施例２
赤色発光蛍光体として、下記式（４）により表される構造を有するユーロピウム錯体を用いたことを除いて、実施例１と同様のＬＥＤ照明装置を試作した。

このようにして構成されたＬＥＤ照明装置によると、無機蛍光体層のみを配置した場合と比較して、演色性評価数は、Ｒａが１０増加し、Ｒ９が５２増加し、Ｒ１５が１６増加した。

本実施例に係るＬＥＤ照明装置が、実施例１に係るＬＥＤ照明装置よりも優れた効果が得られたのは、下記式（４）に示す蛍光体が上記式（３）に示す蛍光体と比較して蛍光強度が大きいため、演色性評価数の増大効果が大きいためと考えられる。

実施例３
図３に示す構造の調光層を構成したことを除いて、実施例１と同様のＬＥＤ照明装置を試作した。

このようにして構成されたＬＥＤ照明装置によると、無機蛍光体層のみを配置した場合と比較して、演色性評価数は、Ｒａが８増加し、Ｒ９が４５増加し、Ｒ１５が１５増加した。

本実施例に係るＬＥＤ照明装置によると、有機発光セルと無機蛍光体層が隙間なく接触しているため、光学的なロスが少なく、赤色のスペクトル強度の増分が大きかったものと考えられる。

実施例４
無機蛍光体の濃度を３０ｗｔ％としたことを除いて実施例１と同一の材料構成の、図５に示すＬＥＤ照明装置を試作した。

このようにして構成されたＬＥＤ照明装置によると、無機蛍光体層のみを配置した場合と比較して、演色性評価数は、Ｒａが８増加し、Ｒ９が４５増加し、Ｒ１５が１５増加した。

本実施例に係るＬＥＤ照明装置によると、有機発光セルを通過した赤色光が、直接ＬＥＤ照明装置の外に出る構成であるため、光学的なロスが少なく、赤色のスペクトル強度の増分が大きかったものと考えられる。

実施例５
実施例１で用いた赤色発光蛍光体及び無機蛍光体を用い、シリコンオイル等の不揮発性の溶媒及びマトリクスポリマーとしてのPMMA（ルシリンTPOにて重合）を用いて、図６に示す調光パネルを備えるＬＥＤ照明装置を試作した。

このようにして構成されたＬＥＤ照明装置によると、無機蛍光体層のみを配置した場合と比較して、演色性評価数は、Ｒａが１０増加し、Ｒ９が４８増加し、Ｒ１５が１８増加した。

実施例６
無機蛍光層シートのみの構成でＬＥＤ照明装置を試作したところ、無機蛍光層シートの表面温度は１２０℃近い温度であった。それに対し、実施例１に係る照明装置の有機発光セルに隣接する無機蛍光層の温度を測定したところ、表面温度は８０℃という低い値を示した。

実施例７
実施例１と同じ材料構成を用い、送液機構、特別な冷却機構を備えないＬＥＤ照明装置を試作したところ、自然対流、自然放熱のみにも関わらず、有機発光セルに隣接する無機蛍光層の表面温度は１００℃と、さほど上昇しなかった。

比較例
実施例１に係るＬＥＤ照明装置から流動体を除いた構成のＬＥＤ照明装置を試作した。このようにして構成されたＬＥＤ照明装置によると、Ｒａは６２と低く、特に赤色領域のスペクトル強度が小さいことが分かった。

本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置の概略を示す図。 固体薄膜中に含有させている場合と溶液中に溶解している場合の有機蛍光体の蛍光強度を比較して示す特性図。 本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ照明装置を示す断面図。 本発明の第３の実施形態に係るＬＥＤ照明装置を示す断面図。 本発明の第４の実施形態に係るＬＥＤ照明装置に用いる調光パネルを示す断面図。 本発明の第５の実施形態に係るＬＥＤ照明装置に用いる調光パネルを示す断面図。

符号の説明

１，１１，２１…ＬＲＤ素子、２，１２…有機発光セル、３，１３，３１…無機黄色蛍光層、４…導入口、５…排出口、６…管路、７…放冷・冷却手段、１４…ガラスセル、１５…流動体、４１…マトリクスポリマー、４２…無機黄色発光蛍光体、４３…有機赤色発光蛍光体。

Claims (15)

1. 発光素子と、この発光素子からの光を調光する調光層を具備する照明装置において、前記調光層が、媒体に蛍光体を溶解した流動体からなる発光層を有することを特徴とする照明装置。
2. 前記発光層が、赤色発光蛍光体を溶解した流動体からなる赤色発光層であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記調光層が、前記発光層に隣接して黄色発光層を有することを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記赤色発光蛍光体が、希土類錯体蛍光体であることを特徴とする請求項２または３に記載の照明装置。
5. 前記希土類錯体蛍光体が、下式（１）により表わされる構造を有するユーロピウム錯体であることを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
   

   

   （式中、Ｒ^１〜Ｒ^９は、炭素数が２０以下の直鎖または分枝構造を有するアルキル基又はアルコキシ基、フェニル基、ビフェニル基、ナフチル基、ヘテロ環基、及びこれらの置換体、水素原子、重水素原子からなる群から選ばれ、Ｒ^１−Ｒ^６がすべて同一である場合を除く。）
6. 前記希土類錯体が、下記式（２）により表わされる構造を有するユーロピウム錯体であることを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
   

   

   （式中、Ｒ^１〜Ｒ^７は、炭素数が２０以下の直鎖または分枝構造を有するアルキル基又はアルコキシ基、フェニル基、ビフェニル基、ナフチル基、ヘテロ環基、及びこれらの置換体、水素原子、重水素原子からなる群から選ばれ、Ｒ^１−Ｒ^４がすべて同一である場合を除き、ｎは２以上２０以下の整数である。）
7. 発光素子と、媒体に蛍光体を溶解した流動体を透明セル内に収容した発光層を有する調光層と、前記透明セルに接続された、前記流動体を循環させる循環手段を具備することを特徴とする照明装置。
8. 前記発光層が、赤色発光蛍光体を溶解した流動体からなる赤色発光層であることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
9. 前記透明セルの外壁または内壁に、黄色発光層が配置されていることを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
10. 前記黄色発光層が複数個格子状に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の照明装置。
11. 前記媒体が、液晶相を呈することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の照明装置。
12. 前記循環手段は、冷却手段又は放熱手段を具備することを特徴とする請求項７〜１１のいずれかに記載の照明装置。
13. 発光素子と、第１の蛍光体及び第２の蛍光体を含む調光層を具備する照明装置において、前記第１の蛍光体が、第２の蛍光体を含むマトリクスポリマー中に相分離して分散していることを特徴とする照明装置。
14. 前記第１の蛍光体が赤色発光蛍光体であり、前記第２の蛍光体が黄色発光蛍光体であることを特徴とする請求項１３に記載の照明装置。
15. 赤色発光蛍光体を含有する流動体からなる赤色発光層と、この赤色発光層に隣接して配置された黄色発光層とを具備することを特徴とする調光パネル。

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