KSF蛍光体LEDの性能上の利点について解説
LED照明の設計において「演色性を高めると効率（明るさ）が落ちる」というジレンマに悩まされていませんか？
これまで高演色LEDの主流だった窒化物系蛍光体は、美しい赤色を出す代償としてどうしてもエネルギーロスを抱えていました。
その業界の常識を覆すのが、無駄な光を出さない鋭い発光スペクトルを持ち、高価なレアアースに依存しない画期的な素材「KSF蛍光体」です。この技術により、「CRI95の極めて高い演色性」と「標準品と同等の高い発光効率」を両立し、消費電力を変えずに空間の光の質を劇的に向上させることが可能になりました。
省エネ性能と光の質、どちらも決して妥協したくない照明器具の設計者・開発者様に、ぜひ知っていただきたい次世代のソリューションです。
今回は、「KSF蛍光体採用LEDの性能上の利点」について、わかりやすく解説した記事をご紹介します。
KSF蛍光体LEDの性能上の利点
Luminus社のLUX COBシリーズをはじめとするKSF蛍光体を用いたLEDは、ディスプレイおよび一般照明の両方の用途において利点があります[1, 2]。一般照明における主な利点は、狭帯域な発光スペクトル、演色性の向上、良好な励起スペクトル、優れた温度消光特性、濃度消光の改善、高い発光効率、そして希土類（レアアース）を含まないことが挙げられます。これらの詳細について以下に解説します。
狭帯域な発光スペクトル：KSF蛍光体は狭い発光帯域（ナノメートル単位での鋭いピーク）を示します。これにより、より多くの可視赤色光が得られ、放射束あたりの視感効果（luminous efficacy of radiation）を高めることができます。この鋭い発光特性が、LED全体のエネルギー効率向上に大きく寄与しています。
演色性の向上：KSF蛍光体は、650nm以下で彩度の高い赤色発光を実現します。分光分布（SPD）において、視認性の低い（暗く感じる）長波長側の「裾野（テール）」を引かないため、高い発光効率を維持したまま、白色LEDでより優れた演色性を実現するのに理想的です。
Luminus社のKSF開発は、高CRI（高演色）製品に焦点を当てています。低CRIのKSF製品を開発する実質的なメリットはありません。なぜなら、低CRI製品は通常、演色性の正確さを犠牲にして効率を優先させるために、黄色や緑色の成分をより多く使用するからです。
図1の画像は、TM-30-18（国際的に認められたANSI/IES演色評価基準に基づく）の簡略レポートです。フルレポートの例は付録Bに掲載されています。TM-30およびその他の色品質指標の詳細については、Luminus社のホワイトペーパー「Achieving Optimal Color Rendition with LEDs」をご参照ください。TM-30の手法では、99種類の色サンプルを使用して、テスト光源と、それと同じ相関色温度（CCT）を持つ黒体放射基準光源（CRI 100）からの反射を計算します。
円形のグラフィック（カラーベクトルグラフィック）は、これら2つのスペクトルの違いを簡潔にまとめたもので、99のサンプルが16の色相ビンにグループ化されています。基準光源は常に黒い円で示され、赤い多角形は製品が色相ビンごとに基準光源にどれだけ一致しているかを示します。この形が円に近いほど、より正確な演色であることを意味します。
特定の色のスペクトル構成を変更すると、照明の自然さや正確さに悪影響を及ぼすことがあります。この影響は、特に赤色の色合いにおいて顕著です。図1はこの現象を視覚化したもので、CRI 80とCRI 90の製品間におけるR9値（鮮やかな赤の演色評価数）の大きな違いを浮き彫りにしています。CRI 80の製品のR9値はわずか「6」ですが、CRI 90の製品は「55」という非常に高い数値を誇ります。
分光分布（SPD）と円形グラフィック内の色相ビンへのフィット形状を比較すると、CRI 80のプロットは、CRI 90のプロットほど赤・緑・青のスペクトル寄与のバランスが取れていないことがわかります。KSF蛍光体ベースのCRI 90製品は、放射視感効率（LER）*がほぼ同等でありながら、演色性は大幅に優れています。
図1. 窒化物系蛍光体を採用した第6世代（Gen 6）CRI 80製品と、KSF蛍光体を採用したLUXシリーズ CRI 90製品（共に3000K COB）のTM-30-18比較。これら2つの製品は、放射視感効率（LER）およびランプ効率（LPW）において同等の数値を維持していますが、LUX製品の方がより優れた演色性（Color Rendition）を実現しています。
図2では、色品質が酷似している2つの製品について、それぞれの分光分布（SPD）と色品質指標を比較しています。ここで注目すべきは、LUXシリーズ（KSF採用製品）が、同等の色品質を維持しながらも、大幅に高い発光効率を実現しているという点です。
図2. 第6世代（Gen 6）CRI 90製品とLUXシリーズ CRI 90製品（共に3000K COB）のTM-30-18比較。KSFシステムが、同等の色品質を保ちながら、より高い効率を実現していることを示しています。
良好な励起スペクトル：他の多くの蛍光体とは異なり、Luminus社が採用しているTriGain® KSF蛍光体は、発光帯域から明確に分離された広い励起帯域を持っています。これにより、黄色や緑色の蛍光体と組み合わせた際の「再吸収」の問題を最小限に抑えることができ、結果として光の変換効率が向上します[3]。図3の励起曲線は、蛍光体がどの波長の光子を吸収し、より長い波長の光子を放出するかを示したもので、KSF、窒化物系、およびYAG（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）蛍光体の比較を掲載しています[4]。
これらの蛍光体はいずれも450nm付近に強い励起ピークを持っており、単一の青色LEDチップ（ブルーポンプ）を光源として、このタイプの白色LEDシステムを構成することが可能です。各蛍光体の効率は、吸収された光子のうち、光にならずに熱に変わってしまう割合によって決まります。KSFは、YAGや窒化物系蛍光体が発する光を吸収しないという特性を持っています。この特性により、赤色窒化物系蛍光体を大量に配合するような低色温度（低CCT）の製品において、発光効率の向上と蛍光体の発熱抑制を同時に実現しています。
図3. KSF、一般的な窒化物系、および標準的なYAG蛍光体の励起スペクトルと発光スペクトルの比較。KSF蛍光体が良好な励起スペクトル特性を持つことを示しています。図中の励起曲線（Excitation）と各発光曲線（Emission）が重なっている部分は、その波長域で吸収が起きていることを意味します。この吸収の一部はシステム内で熱を発生させますが、KSF蛍光体は重なりが極めて少ないのが特徴です。（注：黄色、緑色、赤色の蛍光体には多くの種類があり、これらは代表的な一例です。）
図3の窒化物系蛍光体の励起曲線を見ると、YAG蛍光体の発光が、システム内に含まれる窒化物系蛍光体の量に影響を受けていることがわかります。これが発光効率の低下を招き、低色温度（電球色などの暖色系CCT）の製品において蛍光体が発熱する原因となっています。窒化物系の励起曲線は、YAG蛍光体の光を大きく吸収しているだけでなく、窒化物自身が発した光をも一部吸収（自己吸収）していることを示しています。
優れた温度消光しきい値：蛍光体の重要な性能指標の一つに、温度消光（TQ：Thermal Quenching）があります。温度消光とは、温度の上昇に伴って蛍光体のフォトルミネッセンス強度（発光効率）が低下する現象のことです。LEDの稼働時において、KSF蛍光体は、従来の赤色窒化物系蛍光体と同等の（熱に強い）温度消光特性を示します[5]。
濃度消光の改善：濃度消光とは、賦活剤の濃度が高くなるにつれて蛍光体の量子効率（QE）が低下する現象のことで、蛍光体材料によく見られる課題です。賦活剤の「臨界濃度」とは、青色励起（ブルーポンプ）による蛍光強度が低下し始めるポイントを指します。GE社は、蛍光体の合成プロセスを最適化することで、この濃度消光の課題を改善できると報告しています[3]。
レアアースフリー（希土類不使用）の組成：KSF蛍光体は、レアアース（希土類）を使用しない新しいクラスの赤色フッ化物蛍光体に属します。この組成は環境負荷が低く、白色光テクノロジーにおけるサステナブル（持続可能）な選択肢となります。
従来の窒化物系白色LEDとKSFの性能比較
KSF蛍光体を使用した白色LEDの性能上の優位性は、従来の窒化物系白色LEDと比較すると一目瞭然です。図4は、窒化物系LEDと、CRI 95のKSFベースLEDの比較を示しています。CRI 80の窒化物系LEDとCRI 95のKSFベースLEDの放射視感効率（LER）は非常に近い値を示していますが、高CRIの窒化物系製品はLERが低くなっています。表1のデータは、LUXシリーズにおけるLER効率の優位性について、さらに詳細な比較を提供しています。
図4. CRI 80、90、95の窒化物系白色LEDと、CRI 95のKSFベースLEDの比較。CRI 95の光源における放射視感効率（LER）は、窒化物系が「262」であるのに対し、KSFベースのLUXシリーズは「316」に達しています。
表1. KSF蛍光体と窒化物（Nitride）ベースの白色LEDスペクトルにおけるLER比較
LuminusのCOB製品ラインナップにおいて、LUX KSF蛍光体LEDは高い演色性を実現しながら、同時に優れた効率（光効力）を提供します。従来の窒化物（Nitride）LEDからLUXへの進化は、蛍光体技術におけるパラダイムシフトと言えるものです。
図5は、LUX製品ポートフォリオの全色温度（CCT）における、赤色蛍光体の種類別の放射視感効果（LER）の分布を示しています。KSFベースの90 CRIおよび95 CRI LEDのLERは、70 CRIや80 CRIのLEDと同等レベルを維持しているのに対し、窒化物ベースのLEDでは、90 CRIおよび95 CRIにおいてLERが著しく低下していることがわかります。
図5：KSFおよび窒化物ベースの白色LEDにおけるLERとCRIの箱ひげ図。90 CRIのKSF搭載モデルは、80 CRIの窒化物ベースLEDと同等の効率を実現できるスイートスポット（理想的な選択肢）です。
現在、市場には多くの新製品が次々と登場しているため、様々なKSF蛍光体LEDを同等条件で正確に比較することは時に困難です。しかし、すべてのKSF搭載COB LEDが同じというわけではありません。製品選びにおいて留意すべき重要なポイントは、「蛍光体そのものの品質」です。多くのメーカーから様々な製品が提供されていますが、使用されている赤色蛍光体の品質にはばらつきがあります。その点、Luminusは高品質なCurrent Lighting Solutions社製の「TriGain®」蛍光体のみを厳選して使用しています。
注記：
*放射視感効果（LER：Luminous Efficacy of Radiation）とは、LEDが発する1光学ワットあたりに生成されるルーメン数（放射束に対する光束の比率）を指します。この値は、ベースとなる特定の分光放射分布（SPD）の形状ごとに一定となります。つまり、同じSPD形状のまま光の出力レベル（パワー）を変えたとしても、LERが変化することはありません。LERの単位は「lm/optical watt」で表され、LEDの物理的な光出力と人間の目に感じる明るさ（ルーメン）を換算するために用いられます。重要なポイントとして、LERは「SPDの形状（スペクトルの成分バランス）が変わった場合にのみ変化する」という点にご留意ください。
参考文献：
[1]Osborne, R., Cherepy, N., et al. “New Red Phosphor Ceramic K2SiF6:Mn4+” Optical Materials, Volume 107, September 2020, 110140. DOI:10.1016/j.optmat.2020.110140
[2]Hendy, I, Murphy, J., and Setlur, A., “Latest Advances in Narrow-Band Phosphors and their Role in Color Management.” Information Display, May/June 2023.
[3]Murphy, J., Garcia-Santamaria, F., et al. “PFS, K2SiF6:Mn4+: The Red-line Emitting LED Phosphor behind GE’s TriGain Technology™ Platform. Presented at SID Display Week 2015, San Jose, CA.
[4]Sijbom, H., Joos, J., et al. “Luminescent behavior of the K2SiF6:Mn4+ Red Phosphor at High Fluxes and at the microscopic level.” The Electrochemical Society, ESC Journal of Solid State Science and Technology. 5(1)R3040-R3048 (2016).
[5]Amachraa, M., Wang, Z., et al., “Predicting Thermal Quenching in Inorganic Phosphors.” Chemistry of Materials, 2020. DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c02231.
まとめ
KSF蛍光体LEDの性能上の利点とは？
KSF蛍光体は、従来の窒化物系LEDが抱えていた「高演色にすると発光効率が下がる」というジレンマを根本から解消する画期的な技術です。最大の利点は、無駄な光を出さない「狭帯域な発光スペクトル」にあります。これにより、CRI95という極めて高い演色性を保ちながらも、標準品（CRI80）と同等以上の高い発光効率を実現します。
さらに、他の蛍光体の光を奪う「再吸収」のロスがなく、熱による効率低下（温度消光）にも強いため、特に赤色を多用する電球色で圧倒的な性能を発揮します。また、高価なレアアースを使用しない「レアアースフリー」である点も、供給安定性と環境配慮（サステナビリティ）の観点から大きな強みです。
「明るさ」「美しい色の再現性」そして「省エネ性能」を最高レベルで両立するKSF蛍光体採用LEDは、今後の照明設計において欠かせない次世代のスタンダードと言えるでしょう。