CN108224366B - 发光元件以及发光元件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发光元件以及发光元件的制造方法。发光元件具备：发光构件，其由两种以上的氧化物材料构成且具有板状形状；以及透光构件，其对从发光构件放射出的光进行准直且具有平凸形状，透光构件与发光构件的接触部连续。

Description

发光元件以及发光元件的制造方法

技术领域

本发明主要涉及光学产品中使用的发光元件以及发光元件的制造方法。

背景技术

以往，在照明、投影仪这样的光学产品中通常使用利用了水银蒸气中的电弧放电的发光的超高压水银灯等放电光源。放电光源具有能够放出从紫外线波段至可见光波段的连续的光谱光的优点。另一方面，对于放电光源，能够列举连续点亮时间短、无法瞬间点亮等问题。为了解决该问题，目前，利用代替放电光源的光源的情况增加。

作为代替放电光源的新的光源，提出了白色发光二极管(白色LED)、激光器(LD)。它们是将放出某一特定波长的光的激发光源、以及吸收该光并放出荧光的荧光体组合而成的。通常，已知通过将来自蓝色光源的光与来自黄色荧光体的光合成而得到白色光的结构。

通过上述结构而得到的白色发光不仅包括从荧光体表面沿出射方向直线行进的光，还包括向出射方向散射的光。由此，为了控制由照明、投影仪这样的商品输出的发光，需要使透镜与光源组合来进行光学控制。

在日本特开2012-185403号公报中公开了具有如下结构的设备：在基板上形成有发光层，该发光层包含吸收从LED放射的蓝色光并放射出黄色光的粉末荧光体。在图5中示出日本特开2012-185403号公报所记载的设备的一例。该设备在基板121上具有在结合剂119中分散有粉末荧光体120的发光层122、以及具有平凸形状的透光构件123，在发光层122含有空气层118。

发明内容

本发明所涉及的发光元件具备：发光构件，其由两种以上的氧化物材料构成且具有板状形状；以及透光构件，其对从所述发光构件放射出的光进行准直且具有平凸形状，所述透光构件与所述发光构件的接触部连续。

根据本发明所涉及的发光元件，发光构件与透光构件的接触部连续，因此发光元件不会在发光构件与透光构件之间产生荧光的折射，因此可实现能够抑制荧光输出的降低、并且在发光构件与透光构件的接触部不产生裂缝的发光元件。

附图说明

图1是示出实施方式1所涉及的发光元件的剖面结构的概要剖视图。

图2是示出构成实施方式1所涉及的发光元件的透光构件与发光构件的接触部的详细结构的图。

图3A是示出用于得到实施方式1所涉及的发光元件的下拉过程的概要图。

图3B是示出用于得到实施方式1所涉及的发光元件的下拉过程的概要图。

图3C是示出用于得到实施方式1所涉及的发光元件的下拉过程的概要图。

图4是示出用于评价实施方式1中说明的发光元件的荧光输出以及荧光输出维持率的评价装置的概要图。

图5是示出以往的设备的一例的概要图。

具体实施方式

在对实施方式进行说明之前，先对现有技术中的问题点进行简单说明。

在日本特开2012-185403号公报的设备的发光层122中，粉末荧光体120、呈现出作为粘接剂的性质的结合剂119以及空气层118占据具有平凸形状的透光构件123与基板121之间。

当从基板121方向向具有平凸形状的透光构件123方向将来自LED、LD的蓝色光照射至发光层122时，粉末荧光体120吸收该光，并放射出黄色光。此时，黄色光通过其他粉末荧光体120、结合剂119，但在各物质中折射率不同，因此不仅向平凸形状的透光构件123方向，还向发光层122的横向产生光的散射。因此，无法得到足够的光导出效率，能够从具有平凸形状的透光构件123方向检测到的光的荧光输出降低。

另外，在将如LD这样的具有高输出的激发光向上述设备照射的情况下，设备本身的温度迅速升高。若在具有平凸形状的透光构件123与基板121的发光层122存在有空气层118，则因该迅速的温度上升而使空气层118膨胀，从而在发光层122产生裂缝。因此，空气层118的比例增加从而进一步产生光的散射，由此导致进一步的荧光输出的降低。

本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提出在具备透光构件和发光构件的发光元件中能够抑制荧光输出的降低的发光元件以及发光元件的制造方法。

第一方式所涉及的发光元件具备：发光构件，其由两种以上的氧化物材料构成且具有板状形状；以及透光构件，其对从所述发光构件放射出的光进行准直且具有平凸形状，所述透光构件与所述发光构件的接触部连续。

第二方式所涉及的发光元件以上述第一方式为基础，其中，所述发光构件由具有发光中心的材料以及至少一种不具有发光中心的材料构成，所述透光构件由与所述发光构件的所述不具有发光中心的材料相同的材料构成。

根据上述结构，在透光构件与发光构件的接触部，能够得到由相同的材料带来的连续性。

第三方式所涉及的发光元件以上述第二方式为基础，其中，在所述接触部，所述不具有发光中心的材料与所述具有发光中心的材料以彼此三维缠绕的方式分布。

根据上述结构，由发光构件的具有发光中心的氧化物材料产生的热能够高效地向不具有发光中心的氧化物材料传导，从而进行散热。

第四方式所涉及的发光元件以上述第二或第三方式为基础，其中，所述不具有发光中心的材料为Al₂O₃，所述具有发光中心的材料为含有Ce的Y₃Al₅O₁₂。

根据上述结构，当在Al₂O₃与含有Ce的Y₃Al₅O₁₂的共晶点附近使熔液凝固时，形成上述两个材料致密地缠绕的结构，因此能够得到机械强度提高的效果。

第五方式所涉及的发光元件的制造方法为透光构件与发光构件的接触部连续的发光元件的制造方法，其特征在于，所述发光元件的制造方法包括如下步骤：在坩埚内对成为所述发光构件的熔液的氧化铝、氧化钇、氧化铈的各粉末进行加热；使具有平凸形状的透光构件的平面部与所述坩埚的底的孔部接触；以及在确认到所述发光构件的熔液浸润至所述透光构件的所述平面部的状态后，使所述坩埚与所述透光构件之间的间隔扩大而使所述发光构件的熔液凝固。

第六方式所涉及的发光元件的制造方法以上述第五方式为基础，其特征在于，在所述发光构件的熔液中，Al摩尔分数为75mol％以上且85mol％以下，并且Ce摩尔分数为0.02mol％以上且0.4mol％以下，其余部分由Y构成，将所制造的所述发光元件的所述发光构件的厚度设为0.1mm以上且0.35mm以下。

需要说明的是，这里示出的发光构件的厚度定义为从发光元件整体的厚度减去透光构件的厚度而得到的值。

根据上述结构，能够得到荧光输出以及荧光输出维持率优异的发光元件。

以下，参照附图对实施方式所涉及的发光元件进行详细说明。需要说明的是，对于附图中实质上相同的构件标以相同的附图标记。

(实施方式1)

图1是示出实施方式1所涉及的发光元件100的剖面结构的概要剖视图。

本实施方式1所涉及的发光元件100具备：发光构件102，其由两种以上的氧化物材料构成且具有板状形状；以及透光构件101，其对从发光构件102放射出的光进行准直且具有平凸形状。另外，该发光元件100的特征在于，发光构件102与透光构件101的接触部连续。

在假设发光构件102与透光构件101借助在先文献所记载的结合剂119接合的情况下，从发光构件102侧放射出的光在与结合剂119的界面处产生折射。由于该折射，向具有平凸形状的透光构件101的方向放射的光的一部分向发光构件102的侧面方向散射，因此通过透光构件101且能够检测的荧光输出降低。因此，在该发光元件100中，以往不同，通过采用在透光构件101与发光构件102的接触部不含有结合剂119的结构，从而能够抑制荧光输出的降低。

另外，发光构件102与透光构件101的接触部连续。图2是构成发光元件100的所述透光构件101与发光构件102的接触部的剖面。如图2所示，在接触部中，不具有发光中心的氧化物材料103与具有发光中心的氧化物材料104以彼此三维缠绕的方式分布并连续。

当向发光构件102照射高输出的激发光时，发光物质(荧光体、具有发光中心的氧化物材料104)的处于基态能级的电子被激发，该电子向激发态能级跃迁。在该跃迁的电子返回基态能级时放射出荧光，在该过程中未使用的能量转换为热。于是，发光物质(荧光体、具有发光中心的氧化物材料104)发热，因此发光构件102的温度上升。透光构件101虽不是热的产生源，但与发光构件102连续，因此温度上升，发光元件100的温度总体上升。

由此，发光构件102以及透光构件101因热而膨胀。在如以往的发光元件那样发光构件102与透光构件101的接触部设为不连续的结构的情况下，有时因热膨胀而在发光构件102与透光构件101的接触部产生裂缝。另一方面，在实施方式1所涉及的发光元件100中，将发光构件102与具有平凸形状的透光构件101的接触部设为连续的结构。由此，即使在发光构件102中产生热膨胀，由于与透光构件101的接触部连续，因此朝向透光构件101的热传导良好从而应力得到缓和，因此能够抑制接触部的裂缝的产生。

透光构件101优选为不具有发光中心的氧化物材料103。不具有发光中心的氧化物材料103优选还包含于发光构件102中。换言之，优选发光构件102由不具有发光中心的氧化物材料103、以及具有发光中心的氧化物材料104构成，透光构件101优选由与发光构件102所含有的不具有发光中心的氧化物材料103实质上相同的材料构成。根据这种结构，在透光构件101与发光构件102的接触部，能够得到由相同的材料即不具有发光中心的氧化物材料103带来的连续性。在假设在透光构件101中也包含具有发光中心的氧化物材料104的情况下，发光构件102的荧光成分的一部分被自身吸收，因此产生荧光输出降低的问题。

另外，优选构成发光构件102的材料中的、至少一方为不具有发光中心的氧化物材料103，剩余部分由具有发光中心的氧化物材料104构成，在两者的接触部，它们三维缠绕。

如上述那样，当将高输出的激发光向发光构件102照射时会发热。在发光构件102全部由具有发光中心的氧化物材料104构成的情况下，从发光构件102整体产生热。在此，作为具有发光中心的氧化物材料104等荧光体的一个特性，存在当温度上升时荧光输出降低的被称作温度消光的现象。由此，为了抑制荧光输出的降低，需要采用能够高效地散热的结构。

因此，在发光构件102中，通过采用不具有发光中心的氧化物材料103与具有发光中心的氧化物材料104三维缠绕的结构，能够增加它们的接触面积。由此，由发光构件102的具有发光中心的氧化物材料104产生的热能够高效地向不具有发光中心的氧化物材料103传导，从而进行散热。

需要说明的是，不具有发光中心的氧化物材料103例如优选为Al₂O₃。另一方面，具有发光中心的氧化物材料104例如更优选为含有Ce的Y₃Al₅O₁₂(以下，记作YAG)。

作为不具有发光中心的氧化物材料103，例如可以列举Al₂O₃、ZrO₂、MgO、Y₂O₃等，但优选使用其中热传导率高的Al₂O₃。

另外，作为具有发光中心的氧化物材料104，例如可以列举在具有石榴石结构的Er₃Al₅O₁₂、Y₃Al₅O₁₂、Yb₃Al₅O₁₂等中含有Ce的材料，但优选为在光学特性优异的YAG中含有Ce的材料。特别是，优选作为不具有发光中心的氧化物材料103的Al₂O₃与作为具有发光中心的氧化物材料104的含有Ce的YAG的组合。对于该Al₂O₃与含有Ce的YAG的组合，当在其共晶点附近使熔液凝固时上述两个材料形成致密地缠绕的结构，因此能够得到机械强度提高的效果。

以下，根据实施例，进行更加具体的说明。

(发光元件的制造方法)

为了制作本实施方式1所涉及的发光元件100，使用晶体下拉装置10。图3A～图3C是示出实施方式1中的下拉过程的概要图。该晶体下拉装置10具备高频线圈1、耐火材料2、以及在内部具有熔液4的坩埚3。在该晶体下拉装置10中，作为加热源而具有高频线圈1，根据高频感应加热的原理，对设置于晶体下拉装置10内的坩埚3进行加热(图3A)。为了对坩埚3进行保温，坩埚3的周围由耐火材料2覆盖。因此，坩埚3内的熔液4以不与高频线圈1物理接触的方式而被加热。在坩埚3的底面开设有小孔。使透光构件101的平面与该坩埚3的底面接触(图3B)。在确认到熔液4在透光构件101的面上浸润延展后，通过下拉而使熔液4凝固(图3C)。需要说明的是，不限于将透光构件101下拉的情况，也可以将坩埚3拉起。或者，也可以以使坩埚3与透光构件101之间的间隔扩大的方式使至少一方移动。由此，得到具有与透光构件101连续地相连的发光构件102的发光元件100。

(实施例)

将成为所述熔液4的原料的纯度99.9％的氧化铝粉末与氧化钇粉末、氧化铈粉末以规定的比率混合，并放入坩埚3。然后，在氮气气氛下提高高频线圈1的输出，使混合的粉末熔解。此时熔解温度设为1900℃以上以使原料粉末完全熔融。之后，使透光构件101与坩埚3的底部接触。于是，熔液4从坩埚3的底开始向透光构件101的平面部浸润。在确认到熔液4浸润延展至平面部整体后，逐渐下拉而使熔液4凝固。由此，制作出具有与透光构件101连续地相连的发光构件102的发光元件100。

为了明确本实施方式的发光元件的效果，通过变更原料粉末的种类、量，制作了发光构件102的材料的种类、组成不同的发光元件。

在以达到所需厚度以上的方式结束发光构件102的下拉后，停止高频线圈1的输出。于是，坩埚3内的熔液4被冷却，因此熔液4从坩埚3的底部的流出停止。之后，使装置内自然冷却，取出由透光构件101和发光构件102构成的发光元件100。最后，对取出的发光元件100的发光构件102侧进行研磨，从而制作出具有所希望的厚度的发光元件100。

对由此得到的发光元件100的荧光输出以及荧光输出维持率进行了评价。

首先，对于所得到的发光元件100取出发光构件102侧的一部分，通过ICP发光分光分析法来测定发光元件100中含有的钇和铝、铈的浓度。根据通过ICP发光分光分析得到的浓度，将排除氧O的铝Al、铈Ce、钇Y的各元素的浓度的合计设为100摩尔％而计算出各元素的摩尔分数。

<测定装置>

图4是示出用于测定所制作的发光元件的测定试样112的荧光输出以及荧光输出维持率的装置的概要图。该测定装置具备蓝色激光器105、偏振板106、开闭板107、棱镜108、f200透镜109、半反射镜110，反射镜111、测定试样112、反射板113、加热装置114、f75透镜115、蓝光截止滤光片116、以及光检测器117。另外，局部图A是示出在f200透镜109至f75透镜115之间配置的半反射镜110、反射镜111、测定试样112、反射板113、加热装置114的结构的局部图。

使用该装置来测定所制作的各个发光元件100的室温下的荧光输出。对于激发光，使用445nm的蓝色激光器105。蓝色激光器105的光强度使用偏振板106、棱镜108以及半反射镜110进行调整，调整为向测定试样112照射的光强度为300mW。蓝色激光器105的光的导入/截断由开闭板107控制。另外，向测定试样112照射直径为Φ0.7mm的激光，因此使用f200透镜109进行控制。如局部图A所示，为了使向下部放射的荧光反射并导出，在测定试样112的下部设置有反射板113。在该反射板113的下方存在加热装置114，能够改变测定试样112的温度。转换后的荧光由反射镜111反射，通过f75透镜115而成为准直光，由光检测器117检测荧光输出。此时，还含有来自蓝色激光器105的蓝光，因此通过蓝光截止滤光片116除去蓝光，从而能够检测来自测定试样112的荧光成分的荧光输出。

需要说明的是，对于荧光输出，将为应用于光学产品时所需的30.0mW以上时设为○(良)，将小于30.0mW时设为×(不合格)。

另外，评价测定试样112在200℃下的荧光输出，计算(200℃下的荧光输出的值)/(室温下的荧光输出的值)×100作为荧光输出维持率。需要说明的是，对于荧光输出维持率，将即使光学产品内部温度上升也能够保证作为产品的特性的90.0％以上设为○(良)，将90.0％以下设为×(不合格)。

在表1中分别示出对本试验所涉及的、分别改变发光构件中的Al摩尔分数、发光构件中的Ce摩尔分数、发光构件的厚度、发光元件的制造方法等时得到的发光元件的荧光输出以及荧光输出维持率进行评价的结果。

对于荧光输出、200℃下的荧光输出维持率，在两者为○(良)的情况下将综合评价设为○(良)。另外，在只要存在一个×(不合格)的情况下，无论其他项目结果如何，综合评价均设为×(不合格)。

[表1]

对实施例1至实施例3与比较例1以及比较例2进行比较，已知在Al摩尔分数为75mol％以上且85mol％以下的情况下，荧光输出以及荧光输出维持率良好。在Al摩尔分数为70mol％的比较例1中，处于同具有发光中心的Al₂O₃和不具有发光中心的YAG的共晶点相比YAG过多的范围，因此产生YAG的粗大化。于是，Al₂O₃与YAG的接触面积相对变小，抑制了在发光时产生的热的传导，不易散热。因此，荧光输出维持率降低。在Al摩尔分数为90mol％的比较例2中，处于同不具有发光中心的Al₂O₃和具有发光中心的YAG的共晶点相比Al₂O₃过多的范围，因此产生Al₂O₃的粗大化。于是，具有发光中心的YAG的比例相对变小，并且Al₂O₃与YAG的接触面积相对变小。因此，荧光输出以及荧光输出维持率均降低。

对实施例4以及实施例5与比较例3以及比较例4进行比较，在Ce摩尔分数为0.02mol％以上且0.4mol％以下的情况下，荧光输出以及荧光输出维持率良好。在Ce摩尔分数为0.01mol％的比较例3中，在YAG内发挥发光中心的作用的Ce少，因此荧光输出降低。另一方面，在Ce摩尔分数为0.45mol％的比较例4中，在YAG内发挥发光中心的作用的Ce变多，但若在YAG内发光中心的浓度变高则接近的Ce变多。在电子从基态向激发态跃迁的情况下，电子云扩大，但若接近的Ce变多，则上述扩大的电子云重叠。由此处于激发态的电子向接近的电子云移动的概率变高，有时会在返回基态前失活。因此，荧光输出以及荧光输出维持率降低。

对实施例6以及实施例7与比较例5以及比较例6进行比较，在发光构件的厚度为0.1mm以上且0.35mm以下的情况下，荧光输出以及荧光输出维持率良好。在发光构件厚度为0.05mm的比较例5中，厚度小，激发光照射至具有发光中心的含有Ce的YAG的概率小，因此荧光输出降低。在发光构件厚度为0.4mm的比较例6中，厚度大，荧光向发光构件的横向传播，从而能够从透光构件的方向检测到的荧光输出降低。另外，因厚度变大而使蓄热的效果变大，从而荧光输出维持率降低。即，在发光构件的Al摩尔分数为75mol％以上且85mol％以下，并且Ce摩尔分数为0.02mol％以上且0.4mol％以下，其余部分由Y构成，并且发光构件的厚度为0.1mm以上且0.35mm以下的情况下，能够得到荧光输出以及荧光输出维持率优异的发光元件。

本发明所涉及的发光元件的荧光输出、荧光输出维持率优异。另外，在照射蓝光时发出黄色荧光，得到白色光的性能优异，因此能够用作车载用照明的可能性高。

Claims (5)

1.一种发光元件，其特征在于，具备：

发光构件，其由两种以上的氧化物材料构成且具有板状形状；以及

透光构件，其对从所述发光构件放射出的光进行准直且具有平凸形状，

所述透光构件与所述发光构件的接触部连续，

所述发光构件由具有发光中心的材料、以及至少一种不具有发光中心的材料构成，

所述透光构件由与所述发光构件的所述不具有发光中心的材料相同的材料构成。

2.根据权利要求1所述的发光元件，其中，

在所述接触部，所述不具有发光中心的材料与所述具有发光中心的材料以彼此三维缠绕的方式分布。

3.根据权利要求1或2所述的发光元件，其中，

所述不具有发光中心的材料为Al₂O₃，所述具有发光中心的材料为含有Ce的Y₃Al₅O₁₂。

4.一种发光元件的制造方法，该发光元件为权利要求1至3中任一项所述的发光元件，所述发光元件的制造方法的特征在于，包括如下步骤：

在坩埚内对成为所述发光构件的熔液的氧化铝、氧化钇、氧化铈的各粉末进行加热；

使具有平凸形状的所述透光构件的平面部与所述坩埚的底的孔部接触；以及

在确认到所述发光构件的熔液浸润至所述透光构件的所述平面部的状态后，使所述坩埚与所述透光构件之间的间隔扩大而使所述发光构件的熔液凝固。

5.根据权利要求4所述的发光元件的制造方法，其中，

在所述发光构件的熔液中，Al摩尔分数为75mol％以上且85mol％以下，并且Ce摩尔分数为0.02mol％以上且0.4mol％以下，其余部分由Y构成，

将所制造的所述发光元件的所述发光构件的厚度设为0.1mm以上且0.35mm以下。

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