CN110006005A

CN110006005A - 波长转换部件及其制造方法以及发光装置

Info

Publication number: CN110006005A
Application number: CN201811510992.7A
Authority: CN
Inventors: 古山忠仁
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2019-07-12
Also published as: US11041606B1; TW201928005A; US20210172583A1; JP7268315B2; JP2019105826A; DE112018006320T5; TWI788436B

Abstract

本发明提供照射大功率的激发光时能够抑制经时的发光强度的下降和构成材料的熔解的波长转换部件及其制造方法、以及使用该波长转换部件的发光装置。一种波长转换部件(10)，其特征在于，在无机粘合剂(1)中分散有荧光体粉末(2)和导热性填料(3)，无机粘合剂(1)与导热性填料(3)的折射率差为0.2以下，无机粘合剂(1)与导热性填料(3)的各自的含量的体积比为40﹕60～5﹕95。

Description

波长转换部件及其制造方法以及发光装置

技术领域

本发明涉及将发光二极管(LED：Light Emitting Diode)或激光二极管(LD：LaserDiode)等所发射的光的波长转换为其他的波长的波长转换部件及其制造方法、以及使用波长转换部件的发光装置。

背景技术

近年来，作为代替荧光灯或白炽灯的下一代的发光装置，从低电力消耗、小型轻量、容易的光量调节这样的观点考虑，对使用了LED或LD等激发光源的发光装置的关注提高了。作为这样的下一代发光装置的一个例子，例如在专利文献1中公开了在射出蓝色光的LED上配置有吸收来自LED的光的一部分并将其转换成黄色光的波长转换部件的发光装置。该发光装置发射作为从LED射出的蓝色光和从波长转换部件射出的黄色光的合成光的白色光。

作为波长转换部件，目前使用了在树脂基质分散有荧光体粉末的部件。然而，使用该波长转换部件时，由于来自激发光源的光，存在树脂劣化而发光装置的亮度容易变低这样的问题。特别而言，由于激发光源产生的热或高能量的短波长(蓝色～紫外)光，存在模树脂劣化而引起变色或变形这样的问题。

因此，提出了代替树脂基质在玻璃基质中分散固定有荧光体粉末的完全由无机固体构成的波长转换部件(例如参照专利文献2和3)。该波长转换部件具有作为母材的玻璃不容易因LED的热或照射光而劣化、不容易发生变色或变形这样的问题的特征。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2000－208815号公报

专利文献2：日本特开2003－258308号公报

专利文献3：日本专利第4895541号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

近年来，以大功率化为目的，用作激发光源的LED或LD的输出提高了。随之，由于来自激发光源的热或由照射了激发光的荧光体产生的热，波长转换部件的温度上升，作为其结果，存在发光强度随着时间经过而下降(温度消光)这样的问题。另外，根据情况，波长转换部件的温度上升变得显著，构成材料(玻璃基质等)可能熔解。

鉴于以上情况，本发明的目的在于，提供照射大功率的激发光时能够抑制经时的发光强度的下降和构成材料的熔解的波长转换部件及其制造方法、以及使用该波长转换部件的发光装置。

用于解决技术问题的技术方案

本发明的波长转换部件是在无机粘合剂中分散有荧光体粉末和导热性填料的波长转换部件，其特征在于，无机粘合剂与导热性填料的折射率差为0.2以下，无机粘合剂与导热性填料的各自的含量的体积比为40﹕60～5﹕95。如上述构成那样，通过使波长转换部件所含的导热性填料的含量相对于无机粘合剂较多，激发光自身的热或向波长转换部件照射激发光时由荧光体粉末产生的热经由导热性填料传导，从而高效地向外部释放。由此，能够抑制波长转换部件的温度上升，抑制经时的发光强度的下降和构成材料的熔解。另外，通过如上所述使导热性填料与无机粘合剂的折射率差变小，能够减轻因导热性填料和无机粘合剂的界面反射而导致的光散射，并能够提高激发光或从荧光体粉末发出的荧光的光取出效率。

本发明的波长转换部件优选空隙率为10％以下。这样，在波长转换部件内部，导热性低的空气的存在比例下降，能够提高波长转换部件的导热率。另外，能够降低因无机粘合剂、导热性填料或荧光体粉末与空隙所含的空气的折射率差而导致的光散射，因此，能够提高波长转换部件的透光性。

本发明的波长转换部件优选邻近的多个导热性填料彼此的距离、和/或导热性填料和与其邻近的荧光体粉末之间的距离为0.08mm以下。特别优选多个导热性填料彼此、和/或导热性填料与荧光体粉末接触。这样，在导热性低的无机粘合剂传热的距离变短，并且在多个导热性填料间形成导热路径，因此，容易使波长转换部件内部所产生的热向外部传导。

本发明的波长转换部件优选导热性填料的平均粒径D₅₀为1～50μm。这样，能够使多个导热性填料间或导热性填料与荧光体粉末的距离变短，因此，容易高效地将热向外部释放。

本发明的波长转换部件优选导热性填料具有比荧光体粉末高的导热率。

本发明的波长转换部件例如可以使用包括氧化物陶瓷的填料作为导热性填料。具体而言，导热性填料优选为选自氧化铝、氧化镁、氧化钇、氧化锌和镁氧尖晶石中的至少1种。

本发明的波长转换部件优选无机粘合剂的软化点为1000℃以下。

本发明的波长转换部件优选无机粘合剂为玻璃。

本发明的波长转换部件优选厚度为1000μm以下。

本发明的波长转换部件优选热扩散率为1mm²/s以上。

本发明的波长转换部件的制造方法是上述的波长转换部件的制造方法，其特征在于，包括：将无机粘合剂、荧光体粉末和导热性填料的混合粉末放入烧结用模具的工序；和对混合粉末进行热压的工序。这样，导热性填料彼此或者导热性填料与荧光体粉末容易接触。另外，波长转换部件内部不容易残留空隙，能够得到致密的波长转换部件。

本发明的波长转换部件的制造方法优选利用热压装置、放电等离子体烧结装置或热等静压装置进行热压。

本发明的波长转换部件的制造方法优选进行热压时的温度为1000℃以下。这样，能够抑制热压时的荧光体粉末的热劣化。

本发明的发光装置的特征在于，具有上述的波长转换部件和向波长转换部件照射激发光的光源。

本发明的发光装置优选光源为激光二极管。这样，能够提高发光强度。另外，使用激光二极管作为光源时，波长转换部件的温度容易上升，因此，容易发挥本发明的效果。

发明效果

利用本发明，能够提供一种照射大功率的激发光时能够抑制经时的发光强度的下降和构成材料的熔解的波长转换部件及其制造方法、以及使用该波长转换部件的发光装置。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的波长转换部件的示意截面图。

图2是表示本发明的一个实施方式所涉及的使用波长转换部件的发光装置的示意侧视图。

图3是实施例的No.1的波长转换部件的部分截面照片。

符号的说明

1 无机粘合剂

2 荧光体粉末

3 导热性填料

4 光源

10 波长转换部件

20 发光装置

具体实施方式

以下，使用附图对本发明的实施方式进行详细说明。但是，本发明不受以下的实施方式任何限定。

(波长转换部件)

图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的波长转换部件的示意截面图。波长转换部件10是将荧光体粉末2和导热性填料3分散于无机粘合剂1中而成的部件。本实施方式所涉及的波长转换部件10是透射型的波长转换部件。从波长转换部件10的一个主面照射激发光时，所入射的激发光的一部分利用荧光体粉末2进行波长转换而形成荧光，该荧光从另一个主面向外部照射。波长转换部件10的形状没有特别限定，通常为平面形状是矩形或圆形的板状。

如图1所示，在本实施方式中，多个导热性填料3彼此邻近或接触。由此，存在于多个导热性填料3之间的导热性低的无机粘合剂1的距离变短了。特别是在多个导热性填料3彼此接触的部位形成了导热路径。另外，在本实施方式中，导热性填料3与荧光体粉末2邻近或接触，由此存在于荧光体粉末2与导热性填料3之间的导热性低的无机粘合剂1的距离变短了。特别是在导热性填料3与荧光体粉末2接触的部位形成了导热路径。邻近的多个导热性填料3彼此的距离、和/或导热性填料3和与其邻近的荧光体粉末2之间的距离优选为0.08mm以下，特别为0.05mm以下。这样，容易使荧光体粉末2所产生的热向外部传导，能够抑制波长转换部件10的温度不当地上升。

其中，邻近的多个导热性填料3彼此的距离、以及导热性填料3和与其邻近的荧光体粉末2之间的距离可以利用波长转换部件10的反射电子像的截面图像测定。

以下，对各构成要素进行详细说明。

作为无机粘合剂1，若考虑制造时的烧制工序中的荧光体粉末2的热劣化，则优选使用软化点为1000℃以下的无机粘合剂。作为这样的无机粘合剂1，可以列举玻璃。玻璃与树脂等有机系基质相比，耐热性优异，并且利用热处理容易软化流动，因此，具有容易使波长转换部件10的结构致密化这样的特征。玻璃的软化点优选为250～1000℃，更优选为300～950℃，进一步优选处于400～900℃的范围内，特别优选处于400～850℃的范围内。玻璃的软化点过低时，有时波长转换部件10的机械强度和化学耐久性下降。另外，由于玻璃自身的耐热性低，可能因荧光体粉末2所产生的热而发生软化变形。另一方面，玻璃的软化点过高时，有时在制造时的烧制工序中荧光体粉末2劣化，波长转换部件10的发光强度下降。另外，从提高波长转换部件10的化学稳定性和机械强度的观点考虑，玻璃的软化点优选为500℃以上、600℃以上、700℃以上、800℃以上，特别为850℃以上。作为这样的玻璃，可以列举硼硅酸盐系玻璃、硅酸盐系玻璃、铝硅酸盐系玻璃等。但是，玻璃的软化点变高时，烧制温度也变高，作为结果，有制造成本变高的倾向。另外，荧光体粉末2的耐热性低时，烧制时可能劣化。因此，在廉价地制造波长转换部件10的情况下，或者在使用耐热性低的荧光体粉末2的情况下，玻璃基质的软化点优选为550℃以下、530℃以下、500℃以下、480℃以下，特别为460℃以下。作为这样的玻璃，可以列举锡磷酸盐系玻璃、铋酸盐系玻璃、碲化物系玻璃。

另外，作为无机粘合剂1所使用的玻璃，通常使用玻璃粉末。玻璃粉末的平均粒径优选为50μm以下、30μm以下、10μm以下，特别为5μm以下。玻璃粉末的平均粒径过大时，不容易得到致密的烧结体。玻璃粉末的平均粒径的下限没有特别限定，通常为0.5μm以上，进一步为1μm以上。

其中，在本说明书中，平均粒径是指利用激光衍射法测得的值，表示：在利用激光衍射法进行测定时得到的体积基准的累计粒度分布曲线中，从小的颗粒开始累计，其累计量为50％的粒径(D₅₀)。

荧光体粉末2只要可以因激发光的入射而射出荧光，就没有特别限定。作为荧光体粉末2的具体例，例如可以列举选自氧化物荧光体、氮化物荧光体、氮氧化物荧光体、氯化物荧光体、氯氧化物荧光体、硫化物荧光体、硫氧化物荧光体、卤化物荧光体、硫属化合物荧光体、铝酸盐荧光体、卤磷酸盐化物荧光体、石榴石系化合物荧光体中的至少1种。另外，使用蓝色光作为激发光时，例如可以使用射出绿色光、黄色光或红色光作为荧光的荧光体。

荧光体粉末2的平均粒径优选为1～50μm，特别为5～30μm。荧光体粉末2的平均粒径过小时，发光强度容易下降。另一方面，荧光体粉末2的平均粒径过大时，有发光色不均匀的倾向。

波长转换部件10中的荧光体粉末2的含量优选为1～70体积％、1～50体积％，特别为1～30体积％。荧光体粉末2的含量过少时，不容易得到所希望的发光强度。另一方面，荧光体粉末2的含量过多时，波长转换部件10的热扩散率容易变低而散热性下降。

导热性填料3具有比无机粘合剂1高的导热率。特别而言，导热性填料3优选具有比无机粘合剂1和荧光体粉末2高的导热率。具体而言，导热性填料3的导热率优选为5W/m·K以上、20W/m·K以上、40W/m·K以上，特别为50W/m·K以上。

作为导热性填料3，优选氧化物陶瓷。作为氧化物陶瓷的具体例，可以列举氧化铝、氧化镁、氧化钇、氧化锌、镁氧尖晶石(MgAl₂O₄)等。这些可以单独使用，也可以将2种以上混合使用。其中，优选使用导热率比较高的氧化铝或氧化镁，特别而言，更优选使用导热率高且光吸收少的氧化镁。另外，从比较容易获得且廉价的方面考虑，优选镁氧尖晶石。

导热性填料3的平均粒径优选为1μm以上、5μm以上、10μm以上，特别为20μm以上。导热性填料3的平均粒径过小时，导热性填料3彼此不容易接近，或者不容易形成因导热性填料3彼此的接触而导致的导热路径，因此，不容易获得充分的散热效果。另外，导热性填料3的平均粒径过大时，形成于多个导热性填料3之间的空间变大，波长转换部件10的致密性容易下降，因此，优选为50μm以下、40μm以下，特别为30μm以下。

波长转换部件10中的无机粘合剂1与导热性填料3的各自的含量的体积比为40:60～5:95，优选为38:62～10:90，更优选为37:63～15:85，进一步优选为35:65～20:80。导热性填料3的含量过少(无机粘合剂1的含量过多)时，不容易获得所希望的散热效果。另一方面，导热性填料3的含量过多(无机粘合剂1的含量过少)时，波长转换部件10中的空隙变多，因此，无法获得所希望的散热效果，波长转换部件10内部的光散射变得过剩，荧光强度容易下降。

其中，基本上根据荧光体粉末2的含量决定波长转换部件10中的无机粘合剂1和导热性填料3的含量。具体而言，若考虑荧光体粉末2的含量，则优选在30～99体积％、50～99体积％、特别是70～99体积％的范围内调整波长转换部件10中的无机粘合剂1和导热性填料3的合计量。

波长转换部件10中的空隙率(体积％)优选为10％以下、5％以下，特别为3％以下。空隙率过大时，散热效果容易下降。另外，波长转换部件10内部的光散射变得过剩，荧光强度容易下降。

无机粘合剂1与导热性填料3的折射率差(nd)为0.2以下，优选为0.15以下，特别为0.1以下。该折射率差过大时，无机粘合剂1与导热性填料3的界面的反射变大，作为其结果，光散射变得过剩，荧光强度容易下降。

波长转换部件10的厚度优选为1000μm以下，更优选为500μm以下，进一步优选为300μm以下。波长转换部件10过厚时，有波长转换部件10的光的散射或吸收变得过大、荧光的射出效率下降的倾向。另外，波长转换部件10的温度变高，容易发生经时的发光强度的下降和构成材料的熔解。另外，波长转换部件10的厚度的下限值优选为30μm左右。波长转换部件10过薄时，机械强度容易下降，激发光不容易被荧光体粉末2吸收，发光强度容易下降。

在波长转换部件10的激发光入射侧表面，以降低激发光的反射损失或抑制向入射侧的荧光泄漏为目的，可以设置防反射膜、带通滤光器，还可以设计蛾眼结构等的微观结构。

波长转换部件10通过具有上述构成而具有更优异的热扩散性。具体而言，波长转换部件10的热扩散率优选为1mm²/s以上、2mm²/s以上、3mm²/s以上，特别为4mm²/s以上。

还可以将波长转换部件10与金属、陶瓷等其他的散热部件接合使用。这样，能够更进一步高效地将波长转换部件10所产生的热向外部释放。

(波长转换部件的制造方法)

波长转换部件10可以利用将无机粘合剂1、荧光体粉末2和导热性填料3的混合粉末放入烧结用模具的工序和对混合粉末进行热压的工序制造。

热压例如可以利用热压装置、放电等离子体烧结装置或热等静压装置进行。通过使用这些装置，能够容易地得到致密的烧结体。

进行热压时的温度优选为1000℃以下、950℃以下，特别为900℃以下。进行热压时的温度过高时，荧光体粉末2容易热劣化。另外，进行热压时的温度过低时，不容易得到致密的烧结体，因此，优选为250℃以上、300℃以上，特别为400℃以上。

为了得到致密的烧结体，例如优选在10～100MPa、特别是20～60MPa的范围内适当调整热压时的压力。

烧制时的气氛优选为真空等的减压气氛。这样，容易促进烧制时的脱泡，得到致密的烧结体。

烧结用模具的材质没有特别限定，例如可以使用碳制模具。

(发光装置)

图2是表示使用上述的实施方式所涉及的波长转换部件的发光装置的示意侧视图。如图2所示，发光装置20具有波长转换部件10和光源4。从光源4射出的激发光L₀被波长转换部件10转换为荧光L₁。另外，激发光L₀的一部分直接透过波长转换部件10。因此，从波长转换部件10射出激发光L₀和荧光L₁的合成光L₂。例如，激发光L₀为蓝色光且荧光L₁为黄色光时，能够得到白色的合成光L₂。

由于在发光装置20中使用了上述的波长转换部件10，能够高效地将因向波长转换部件10照射激发光L₀而产生的热向外部释放。因此，能够抑制波长转换部件10的温度不当地上升。

作为光源4，可以列举LED、LD。从提高发光装置20的发光强度的观点考虑，光源4优选使用能够射出高强度的光的LD。使用LD作为光源时，波长转换部件10的温度容易上升，因此，容易发挥本发明的效果。

实施例

以下，利用实施例对本发明的波长转换部件进行详细说明，但本发明并不限定于以下的实施例。

表1表示本发明的实施例(No.1～10)和比较例(No.11～13)。

[表1]

通过以表1所记载的比例混合导热性填料、无机粘合剂和荧光体粉末，得到混合粉末。其中，在表中，荧光体粉末的含量为占混合粉末的含量，导热性填料和无机粘合剂占剩余部分。作为各材料，使用以下的化合物。

(a)导热性填料

MgO(导热率：约42W/m·K，平均粒径D₅₀：43μm或8μm)

Al₂O₃(导热率：约20W/m·K，平均粒径D₅₀：9μm)

MgAl₂O₄(导热率：约16W/m·K，平均粒径D₅₀：20μm)

(b)无机粘合剂

无机粘合剂A(硅酸钡系玻璃粉末，软化点：790℃，折射率(nd)：1.71，平均粒径D₅₀：2.5μm)

无机粘合剂B(硼硅酸盐系玻璃，软化点：850℃，折射率(nd)：1.56，平均粒径D₅₀：1.4μm)

无机粘合剂C(锡磷酸盐系玻璃，软化点：380℃，折射率(nd)：1.82，平均粒径D₅₀：3.8μm)

无机粘合剂D(铋系玻璃，软化点：450℃，折射率(nd)：1.91，平均粒径D₅₀：2.7μm)

无机粘合剂E(硼硅酸系玻璃，软化点：775℃，折射率(nd)：1.49，平均粒径D₅₀：1.3μm)

(c)荧光体粉末

YAG荧光体(Y₃Al₅O₁₂、平均粒径：15μm)

CASN荧光体(CaAlSiN₃、平均粒径：18μm)

将所得到的混合粉末加入设置于富士电波工业制造的热压炉(High Multi 5000)内的碳制模具中，进行热压。作为热压的条件，在真空气氛下升温至表1所示的热处理温度，以40MPa的压力加压20分钟后，一边导入N₂气体一边缓慢冷却，并冷却至常温。通过对所得到的烧结体实施切削加工，得到5mm×5mm×1mm的板状的波长转换部件。

对于所得到的波长转换部件，按照以下的方法对空隙率、热扩散率、激发光的透射率和耐热性进行评价。将结果示于表1。另外，将No.1的波长转换部件的部分截面照片示于图3。

关于空隙率，对于波长转换部件的利用反射电子像的截面照片，使用图像分析软件Winroof进行二值化，由所得到的处理图像中空隙所占的面积比例进行计算。

热扩散率利用ai-Phase公司制造的热扩散率测定装置i-phase测定。

激发光的透射率按照如下的操作测定。准备中央部形成有的开口部的30mm×30mm×2mm的铝板2块，将波长转换部件夹持并固定于该2块铝板之间。固定波长转换部件，使其位于铝板的大致中央部，从各铝板的开口部露出波长转换部件。从铝板的一个开口部对所露出的波长转换部件照射LD的激发光(波长445nm、输出3W)。将从铝板的另一个开口部射出的光引入积分球内部后，导入利用标准光源校正后的分光器，测定光的能量分布谱。将所得到的谱中的激发光波长的峰高作为P1。另外，将LD的激发光直接引入积分球内部，将同样测得的光的能量分布谱的激发光波长峰高作为P0。此时，将P1/P0的值作为“激发光的透射率”。

波长转换部件的耐热性按照如下的操作评价。在上述的激发光的透射率的测定试验中，对波长转换部件照射60秒LD，观察波长转换部件的玻璃基质的状态。将玻璃基质没有发生变化的情形评价为“○”，将玻璃基质熔解的情形评价为“×”。

由表1可以明确，作为实施例的No.1～10的波长转换部件的热扩散率高至2.32mm²/s以上，耐热性也良好。另一方面，作为比较例的No.11的波长转换部件由于导热性填料与无机粘合剂的折射率差大至0.24，两者的界面的光散射变得过强，波长转换部件的激发光的透射率低至0.08。No.12的波长转换部件由于导热性填料的比率过小，热扩散率低至0.44mm²/s，耐热性差。No.13的波长转换部件由于导热性填料的比率过大，空隙率变大。作为其结果，光散射变大，激发光的透射率低至0.04。如上所述，可知No.1～10的波长转换部件能够高效地将内部所产生的热向外部释放，并且光取出效率优异，耐热性也优异。

产业上的可利用性

本发明的波长转换部件适合作为白色LED等的一般照明、特殊照明(例如投影仪光源、汽车的前照灯光源、内视镜的光源)等的构成部件。

Claims

1.一种波长转换部件，其特征在于：

在无机粘合剂中分散有荧光体粉末和导热性填料，

无机粘合剂与导热性填料的折射率差为0.2以下，

无机粘合剂与导热性填料的各自的含量的体积比为40﹕60～5﹕95。

2.如权利要求1所述的波长转换部件，其特征在于：

空隙率为10％以下。

3.如权利要求1或2所述的波长转换部件，其特征在于：

邻近的多个导热性填料彼此的距离、和/或导热性填料和与其邻近的荧光体粉末之间的距离为0.08mm以下。

4.如权利要求1～3中任一项所述的波长转换部件，其特征在于：

多个导热性填料彼此、和/或导热性填料与荧光体粉末接触。

5.如权利要求1～4中任一项所述的波长转换部件，其特征在于：

导热性填料的平均粒径D₅₀为1～50μm。

6.如权利要求1～5中任一项所述的波长转换部件，其特征在于：

导热性填料具有比荧光体粉末高的导热率。

7.如权利要求1～6中任一项所述的波长转换部件，其特征在于：

导热性填料包括氧化物陶瓷。

8.如权利要求7所述的波长转换部件，其特征在于：

导热性填料为选自氧化铝、氧化镁、氧化钇、氧化锌和镁氧尖晶石中的至少1种。

9.如权利要求1～8中任一项所述的波长转换部件，其特征在于：

无机粘合剂的软化点为1000℃以下。

10.如权利要求1～9中任一项所述的波长转换部件，其特征在于：

无机粘合剂为玻璃。

11.如权利要求1～10中任一项所述的波长转换部件，其特征在于：厚度为1000μm以下。

12.如权利要求1～11中任一项所述的波长转换部件，其特征在于：热扩散率为1mm²/s以上。

13.一种波长转换部件的制造方法，其用于制造权利要求1～12中任一项所述的波长转换部件，所述制造方法的特征在于，包括：

将无机粘合剂、荧光体粉末和导热性填料的混合粉末放入烧结用模具的工序；和

对混合粉末进行热压的工序。

14.如权利要求13所述的波长转换部件的制造方法，其特征在于：

利用热压装置、放电等离子体烧结装置或热等静压装置进行热压。

15.如权利要求13或14所述的波长转换部件的制造方法，其特征在于：进行热压时的温度为1000℃以下。

16.一种发光装置，其特征在于：

具有权利要求1～12中任一项所述的波长转换部件和向波长转换部件照射激发光的光源。

17.如权利要求16所述的发光装置，其特征在于：

光源为激光二极管。