LED蛍光体を使用した白色光レシピの作成方法について解説

LED照明の開発において、ターゲット通りの「白色光」を作り出すことは非常に重要なテーマです。一般的に白色LEDは、青色LEDチップと「蛍光体（Phosphor）」を組み合わせて製造されます。しかし、アプリケーションが求める特定の色温度（CCT）や、高い演色性（CRI）を正確に実現するためには、複数の蛍光体をどのように選定し、どのような比率で配合するかという「レシピ」作りが最大の鍵を握ります。近年はより自然光に近い高品質な光へのニーズも高まっており、蛍光体の配合技術はますます重要になっています。本記事では、この蛍光体の配合を最適化し、理想的なスペクトルを作り上げるための具体的なアプローチを紐解きます。照明設計やLED製品開発に携わる技術者の皆様にとって、日々の開発業務に直結する実践的な内容です。今回は、LED蛍光体を用いた白色光レシピの開発方法について、分かりやすく解説した記事をご紹介します。

LED蛍光体を使用した白色光レシピの作成方法

白色LEDは、青色LEDとさまざまな赤、黄、緑の蛍光体を組み合わせて設計され、特定の色度座標および光の品質評価（演色性など）を実現します。高品質な白色光を得るため、白色LEDは複数の蛍光体を使用し、青色LEDによる「励起（ポンプ）」光を、目標とする色温度の基準曲線に極めて近い、広帯域のスペクトルへと変換します。目的とする白色のSPD（分光分布）を実現するためにブレンドできる蛍光体には、数多くの選択肢が存在します。個々の蛍光体のSPDの例を図1に示します。蛍光体のエンジニアは、色成分という非常に豊富なパレットを駆使して開発に取り組んでいます。

白色LEDを開発する一般的な手順は以下の通りです。

1.目的の色度点（カラーポイント）に「合致する」蛍光体の混合物を見つけ出します。これには、1つの青色LEDと複数の蛍光体成分が含まれる場合があります。 

2.この結果のTM-30-18データを分析し、CRI（演色評価数）の仕様をより適切に満たすために、どの色成分を調整すべきかを判断します。

3.蛍光体の混合比率を調整し、満足のいく結果が得られるまでテストを繰り返します。

蛍光体は、そのピーク波長と幅のパラメータ（通常は半値全幅：FWHM）によって特性付けられます。また、CIE 1931のxおよびy座標で表される、蛍光体自体の色度点によって特性付けることも可能です。図2は、CIE 1931色度図上でのこの関係性を表しています。

複数の光を混合した際の色度点は、「メタメリズム（条件等色: スペクトルパワー分布の異なる2つの物体が、ある光源の下では同じ色に見えるが、別の光源の下では一致しなくなる現象）」の影響を受けます。光源のスペクトルが可変である場合、指定された色度点を実現できるSPDの組み合わせは無数に存在します。しかし、厳密な蛍光体の配合が指定され、それぞれのSPDが固定されていれば、目標とするシステムの色度点を実現できる組み合わせ（解）は1つだけになります。また、通常の製造工程におけるばらつきは色度点の分布（ばらつき）を生じさせるため、メーカーは人間の色の知覚に基づく「ビニング（ランク分け）」を行い、製品を特定の範囲ごとにグループ化しています。

図1：蛍光体の発光分光分布（SPD）[1]

以下の計算式は、CIEの x、y 座標と各光源のルーメン出力（光束）を使用して、混合光の色度点を算出する方法を示しています。この例は3成分系（3つの成分を組み合わせたシステム）の場合であり、下付き文字の L はルーメン、x と y は各光源のCIE色度座標を表しています。なお、この計算式は任意の数の光源に対して拡張することが可能です。

図2：指定された白色LEDの色度点を実現するために利用できる、さまざまな蛍光体の色度点を示すCIE 1931色度図。ある成分のルーメン（光束）の割合を増やすと、全体の色度点はその成分の色度点の方向へと引き寄せられます。この情報は、目標とする色温度や光の品質を満たす蛍光体のレシピ（配合）を開発するために、TM-30-18レポートのデータと組み合わせて使用されます。

白色LEDの蛍光体レシピ（配合）の開発においては、（図2に示すような）目標とする色度点、および求められるCRIの仕様を実現するために、蛍光体の混合物をブレンドするプロセスが行われます。

蛍光体のエンジニアが、図3に示すCRI 70の製品を改良しようとした場合、赤色を追加する必要があること、そして波長のより短い緑色蛍光体を加えて「シアンギャップ」を埋める必要があることは、一目瞭然です。しかし、赤色と緑色を加えると、他のすべての値がシフト（変化）してしまいます。蛍光体のチューニング（配合調整）は、微細な変更を加えながら、光の品質データを用いて各段階を評価していく反復的なプロセスです。このプロセスにおいては、視覚化されたデータ（図1、図2、図3）がすべて活用されます。

図3：CRI 70および95、色温度5000KのCOBにおけるTM-30測定結果の比較。高CCT（相関色温度）製品の基準曲線には理想化された太陽光スペクトルが用いられており、今回のケースではD50と呼ばれます。

KSF蛍光体、およびKSF蛍光体技術を搭載したLuminusのLUXシリーズCOB LEDに関する詳細については、以下のホワイトペーパーをご覧ください。

『LUX Series COBs: Achieving High CRI Lighting with High Efficacy Using Luminus LUX Technology（LUXシリーズCOB：Luminus LUXテクノロジーによる高効率かつ高演色な照明の実現）』

参考文献：

[1] He, G., and Yan, H., “Optimal spectra of the phosphor-coated white LEDs with excellent color rendering property and high luminous efficacy of radiation（優れた演色性と高い放射発光効率を備えた蛍光体塗布白色LEDの最適スペクトル）,” Optics Express 19(3):2519-2529, 2011. DOI: 10.1364/OE.19.002519

LED蛍光体を使用した白色光レシピの作成方法とは？

白色LEDの光質は、ベースとなる青色LEDチップと、それに組み合わせる蛍光体の種類および配合比率（レシピ）によって決定されます。
本記事で解説した通り、理想的な白色光レシピを作成するためには、ターゲットとなる色温度（CCT）や演色性（CRI）を明確に設定した上で、各蛍光体の発光スペクトルや励起特性を正確に把握することが不可欠です。単に色を合わせるだけでなく、発光効率や熱特性などのバランスも考慮し、シミュレーションと試作を重ねて配合を最適化していくプロセスが求められます。
Luminus社が培ってきたこれらのアプローチを活用することで、特定のアプリケーション要件に合致した、より高品質なLED照明の開発が可能になります。本記事の内容を、皆様の今後の製品設計や品質向上にぜひお役立てください。