CN110291430A - 波长转换构件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种波长转换构件，通过提高荧光体层的铅笔硬度，能够降低荧光体层的碎片飞散、剥离等的破损风险。具备由蓝宝石形成的基板(12)和设置于上述基板(12)上并由荧光体粒子(16)及透光性的无机材料(22)形成的荧光体层(14)，并且，上述荧光体层(14)的铅笔硬度为5B以上。这样，由于荧光体层(14)的硬度较高，因此能够降低荧光体层(14)变成碎片而飞散或者从基板(12)剥离之类的破损风险。

Description

波长转换构件

技术领域

本发明涉及包含荧光体粒子的波长转换构件。

背景技术

使用了荧光体的发光装置，利用了由来自LED等的光源的吸收光激发的荧光体放射出不同波长的转换光的现象。近年来，将能效高、小型化、易于应对高能量密度的大功率的激光二极管(LD)作为激发源而使用的应用正在增加。

然而，在以往所使用的使荧光体分散在由环氧树脂、有机硅树脂所代表的树脂中的结构中，激光照射位置的树脂烧焦而无法延长使用寿命。对此，取代树脂使用无机粘合剂，设计出仅由无机材料制成的波长转换构件，解决了使用了以激光为首的高能量的激发源的情况下的耐热性的课题。

专利文献1公开了将以低熔点玻璃为粘合剂的荧光体配置于LED芯片的周围，进一步将其周围使用由低熔点玻璃构成的充填部件进行充填的表面安装型LED元件。

另外，专利文献2公开了波长转换部位由以含有荧光体和粒径小于荧光体的无机微粒子的聚硅氮烷为原料制作的陶瓷层构成的发光装置。该发光装置通过在聚硅氮烷中添加一定量的无机微粒子而无需进行高温下的烧成过程，另外，通过无机微粒子填埋空隙来防止水分的浸透。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-200531号公报

专利文献2：国际公开第2011/077548号

发明内容

发明所要解决的课题

然而，如上述的专利文献中所记载的，现有技术中所使用的无机粘合剂是脆性材料，在制作波长转换构件时的热处理中，由于无机粘合剂本身的收缩，会在无机粘合剂内部产生裂纹，或者会在无机粘合剂与荧光体粒子之间产生间隙。由此，波长转换构件的强度下降，荧光体层的碎片飞散、剥离等的破损风险增大。

本发明鉴于此情况被做出，其目的在于提供一种波长转换构件，通过提高荧光体层的铅笔硬度，能够降低荧光体层的碎片飞散、剥离等的破损风险。

用于解决课题的技术方案

(1)为了达成上述目的，本发明的波长转换构件的特征在于，具备：基板，由蓝宝石形成；和荧光体层，设置于上述基板上，由荧光体粒子及透光性的无机材料形成，上述荧光体层的铅笔硬度为5B以上。

这样，由于荧光体层的硬度较高，因此能够降低荧光体层变为碎片而飞散，或者从基板剥离之类的破损风险。

(2)另外，本发明的波长转换构件的特征在于，具备：基板，主要由铝形成；和荧光体层，设置于上述基板上，由荧光体粒子及透光性的无机材料形成，上述荧光体层的铅笔硬度为3B以上。这样，由于荧光体层的硬度较高，因此能够降低荧光体层变成碎片而飞散，或者从基板剥离之类的破损风险。

(3)另外，本发明的波长转换构件的特征在于，具备：基板；和设置于上述基板上，由荧光体粒子及透光性的无机材料形成的荧光体层，上述无机材料包含将上述基板和上述荧光体粒子结合的结合材料；和平均粒径为10nm以上60nm以下的无机粒子，上述无机粒子相对于上述无机材料含有2.5重量％以上17.0重量％以下。这样，由于在波长转换构件中含有10nm以上60nm以下的无机粒子，因此抑制了制造工序中的无机粘合剂的收缩量，减少了在内部作为破坏起点的裂纹的产生，因此能够提高硬度。

(4)另外，本发明的波长转换构件的特征在于，上述无机粒子是平均粒径为10nm以上40nm以下的SiO₂粒子，相对于上述无机材料含有2.5重量％以上6.0重量％以下。由此，抑制了制造工序中的无机粘合剂的收缩量，能够提高硬度。

(5)另外，本发明的波长转换构件的特征在于，上述无机粒子是平均粒径为10nm以上20nm以下的Al₂O₃粒子，相对于上述无机材料含有6.0重量％以上12.0重量％以下。由此，抑制了制造工序中的无机粘合剂的收缩量，能够提高硬度。

发明效果

根据本发明，由于波长转换构件的荧光体层的硬度较高，因此能够降低荧光体层变成碎片而飞散，或者从基板剥离之类的破损风险。

附图说明

图1(a)、(b)分别是表示本发明的波长转换构件的示意图。

图2是示出本发明的波长转换构件的制造方法的流程图。

图3是表示基板由蓝宝石形成的波长转换构件的铅笔硬度试验的条件及结果的表格。

图4是表示基板由铝和银形成的波长转换构件的铅笔硬度试验的条件及结果的表格。

图5(a)、(b)分别是实施例及比较例的波长转换构件的基于SEM的剖面照片。

具体实施方式

接下来，参照附图对本发明的实施方式进行说明。为了使说明容易理解，在各附图中对于相同的构成要素附以相同的参照标号，省略重复的说明。此外，在结构图中，各构成要素的尺寸大小仅适宜性表示，未必表示实际的尺寸比例。

[波长转换构件的结构]

图1(a)、(b)分别是表示本发明的波长转换构件10的示意图。波长转换构件10在基板12上形成有荧光体层14。波长转换构件10在使从光源照射出的吸收光透过或反射的同时，由吸收光激发而产生波长不同的光。例如，在使蓝色光的吸收光透过或反射的同时，放射出由荧光体层14转换而成的绿色和红色、黄色的转换光，从而使转换光与吸收光结合而利用，或仅利用转换光，能够转换为多种颜色的光。

基板12的材料能够使用蓝宝石、铝、玻璃等。透过型的基板使用透光性的材料制造。反射型的基板虽然能够使用使光反射的材料来制造基板的整体，但是也可以通过镀敷等将使光反射的材料设置于透光性的材料的一个面上。从发光强度的观点出发，光透过的部分至少为难以将吸收光吸收的材料。另外，由于照射高能量的光而温度会升高，因此热传导性较高的材料较好。透过型的基板的材料优选蓝宝石。原因是热传导性较高且透光性较高。另外，反射型的基板的材料优选铝。原因是热传导性较高且光的反射率较高。也可以在铝的表面镀敷或蒸镀例如银。另外，优选基板12为板状。

荧光体层14作为膜而设置在基板12上，由荧光体粒子16及无机材料22形成。此外，在图1(b)中，荧光体层14中的荧光体粒子16以外的部分为无机粒子18及结合材料20，用点来示意性地表示无机粒子18。虽然无机材料22由无机粒子18及结合材料20形成，但是作为无机粒子18的材料使用与构成结合材料20的物质相同的物质时，如图1(a)所示，存在无机粒子18及结合材料20一体化而无需区别的情况。另外，如图1(b)所示，也存在需将无机粒子18与结合材料20进行区别的情况。

结合材料20将荧光体粒子16、无机粒子18及基板12进行结合。这样，由于与作为放热材料而发挥功能的基板12接合，因此能够高效地放热，对于高能量密度的光的照射能够抑制荧光体的温度淬灭。荧光体层14的厚度为2μm以上400μm以下即可，优选5μm以上200μm以下。

荧光体粒子16能够使用例如钇·铝·石榴石系荧光体(YAG系荧光体)及镥·铝·石榴石系荧光体(LAG系荧光体)。除此之外，荧光体粒子16可以根据所发光的颜色的设计从如下的材料中进行选择。可以举出例如，BaMgAl₁₀O₁₇：Eu、ZnS：Ag，Cl、BaAl₂S₄：Eu或CaMgSi₂O₆：Eu等的蓝色系荧光体；Zn₂SiO₄：Mn、(Y，Gd)BO₃：Tb、ZnS：Cu，Al、(M1)₂SiO₄：Eu、(M1)(M2)₂S：Eu、(M3)₃Al₅O₁₂：Ce、SiAlON：Eu、CaSiAlON：Eu、(M1)Si₂O₂N：Eu或(Ba，Sr，Mg)₂SiO₄：Eu，Mn等的黄色或绿色系荧光体；(M1)₃SiO₅：Eu或(M1)S：Eu等的黄色、橙色或红色系荧光体；(Y，Gd)BO₃：Eu、Y₂O₂S：Eu、(M1)₂Si₅N₈：Eu、(M1)AlSiN₃：Eu或YPVO₄：Eu等的红色系荧光体。需要说明的是，在上述化学式中，M1包含由Ba、Ca、Sr及Mg构成的组中的至少一个，M2包含Ga及Al中的至少一个，M3包含由Y、Gd、Lu及Te构成的组中的至少一个。需要说明的是，上述的荧光体粒子16仅为一例，被用于波长转换构件10的荧光体粒子16未必应受上述内容限定。

结合材料20是将无机粘合剂加水分解或氧化而形成的材料，由透光性的无机材料构成。结合材料20由例如二氧化硅(SiO₂)、磷酸铝构成。由于结合材料20由无机材料制成，因此即使照射激光二极管等的高能量的光也不会变质。另外，由于结合材料20具有透光性，因此能够使吸收光、转换光透过。作为无机粘合剂，可以使用硅酸乙酯、磷酸铝水溶液等。

无机粒子18在制造工序中被添加进无机粘合剂，由此抑制了制造工序中的无机粘合剂的收缩量，由于在内部减少了作为破坏起点的裂纹的产生，因此能够提高荧光体层14的硬度。无机粒子18为了从近紫外线到近红外线均具有光学透光性，并减轻由无机粒子18造成的光的散射，而具有充分小于使用的光源的光(吸收光)的波长的粒径。例如，为吸收光的波长的10分之1以下的平均粒径即可。

无机粒子18既可以由与构成结合材料20的物质相同的物质构成，也可以由不同的物质构成。优选无机粒子18从由SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂或TiO₂构成的组中选择1种以上来使用。无机粒子18的平均粒径是10nm以上60nm以下。如果平均粒径过小，则会产生初始粒子的凝集，而无法得到良好的分散状态，如果平均粒径过大，则会因光的散射变得显著而对光学特性产生影响。另外，无机粒子的形状越接近球状越优选，优选由粒度分布较窄且最大粒径为100nm以下的粒子构成。

例如，使用SiO₂粒子作为无机粒子18时，平均粒径进一步优选为10nm以上40nm以下。另外，使用Al₂O₃粒子作为无机粒子18时，平均粒径进一步优选为10nm以上20nm以下。

无机粒子18含有从荧光体层14除去了荧光体粒子16的质量(合计了结合材料20与无机粒子18的无机材料22的质量)中的2.5重量％以上17.0重量％以下。另外，例如，使用SiO₂粒子作为无机粒子18时，进一步优选含有2.5重量％以上6.0重量％以下。另外，使用Al₂O₃粒子作为无机粒子18时，进一步优选含有6.0％以上12.0％以下。

需要说明的是，透光性的物质是指，具有相对于0.5mm的对象物质，在可见光的波长范围(λ＝380～780nm)使光垂直射入时，从相反侧透过的光的放射束超过入射光的80％的特性的物质。

本发明的波长转换构件10通过与光源进行组合，能够构成发光装置。由于波长转换构件10的荧光体层14由无机材料22制成，因此作为光源能够使用例如大功率的激光二极管，从而能够构成大功率的发光装置。另外，由于荧光体层14的表面硬度较高，因此能够构成使用寿命较长的发光装置。

[波长转换构件的制造方法]

对波长转换构件的制造方法的一例进行说明。图2是示出本发明的波长转换构件的制造方法的流程图。在最初，制作印刷用膏体。首先，准备荧光体粒子(步骤S1)。荧光体粒子能够使用例如YAG、LAG等的粒子。荧光体粒子的平均粒径为1μm以上30μm以下，优选5μm以上20μm以下。需要说明的是，在本说明书中平均粒径是指中位粒径(D50)。平均粒径能够使用激光衍射/散射式粒径分布测定装置的干式测定或湿式测定来进行测量。

接下来，使准备好的荧光体粒子分散在溶剂中，与无机粒子及无机粘合剂混合，制作印刷用膏体(步骤S2)。混合能够使用球磨机等。溶剂可以使用α-松油醇、丁醇、异佛尔酮、甘油等高沸点溶剂。

另外，优选无机粘合剂为硅酸乙酯等的有机硅酸盐。通过使用有机硅酸盐能够制作无机粒子分散开并且粘度适当的印刷用膏体。例如，使用硅酸乙酯作为无机粘合剂时，相对于水及催化剂的质量，使硅酸乙酯为10重量％以上150重量％以下，优选为30重量％以上100重量％以下的质量。此外，无机粘合剂也可以是通过使包含由通过加水分解或氧化生成氧化硅的氧化硅前体、硅氧化合物、二氧化硅及无定型二氧化硅组成的组中的至少一种的原料在常温下反应，或者在500℃以下的温度下进行热处理而得到的材料。作为氧化硅前体，可以举出例如以全氢聚硅氮烷、硅酸乙酯、硅酸甲酯为主成分的材料。

混合的无机粒子的量相对于无机粘合剂的质量按照内部比例为1.0重量％以上7.5重量％以下。通过以该比例将无机粘合剂与无机粒子进行混合，可以制作使无机粒子分散开的适当的粘度的印刷用膏体。另外，例如，使用SiO₂粒子作为无机粒子时，进一步优选混合的量为1.0重量％以上2.5重量％以下。另外，使用Al₂O₃粒子作为无机粒子时，进一步优选混合的量为2.5重量％以上5.0重量％以下。

在印刷用膏体的制作之后，在基板上涂布印刷用膏体来形成膏体层(步骤S3)。印刷用膏体的涂布可以使用丝网印刷法、喷涂法、由注胶器(dispenser)进行的绘制法、喷墨法。如果使用丝网印刷法，可稳定地形成厚度较薄的膏体层，因此优选。优选膏体层的厚度为10μm以上200μm以下。

接下来，对形成了膏体层的基板进行烧成来制作荧光体层(步骤S4)。优选烧成温度为150℃以上500℃以下，优选烧成时间为0.5小时以上2.0小时以下。另外，优选升温速度为50℃/h以上200℃/h以下。另外，也可以在烧成前设置干燥工序。

通过这样的制造工序，能够容易地制造表面硬度较高，并能够降低荧光体层的碎片飞散、剥离等的破损风险的波长转换构件。另外，由于本发明的波长转换构件的荧光体层由无机材料制成，因此可适用于将大功率的激光二极管用作激发源的发光装置，由于荧光体层的表面硬度较高，因此能够构成使用寿命较长的发光装置。

[实施例及比较例]

(样品的制作方法)

将荧光体粒子(YAG粒子)与α-松油醇(溶剂)混合来制作分散剂。另外，使用平均粒径7nm～100nm的SiO₂粒子(无机粒子)或平均粒径10nm～100nm的Al₂O₃粒子(无机粒子)，制作相对于硅酸乙酯(无机粘合剂)的质量将以内部比例为0～10.0重量％的比例添加无机粒子并进行混合而成的混合粘合剂。这样做，烧成后的含有量的比例处于0～21.7重量％。此外，平均粒径小于7nm的SiO₂粒子及平均粒径小于10nm的Al₂O₃粒子未进行实验，原因是考虑到这种粒子制作困难或者因平均粒径过小会凝集。

接下来，制作将混合粘合剂相对于制作好的分散剂的质量以内部比例为50重量％的比例进行混合而成的印刷用膏体。并且，在使用丝网印刷法在蓝宝石基板及主要由铝、银形成的基板(德国安铝Alanod制造MIRO2SILVER)上以使印刷用膏体为30μm的厚度的方式进行涂布。涂布之后，在100℃下干燥20分之后，使用无机粘合剂进行封孔处理。最后，以150℃/h升温至350℃，进行30分钟烧成来完成样品。

(样品的评价方法)

图3及图4分别是表示基板由蓝宝石及铝、银形成的波长转换构件的铅笔硬度试验的条件及结果的表格。铅笔硬度试验实施由JISK5600-5-4的划痕硬度(铅笔法)进行的实验来测定荧光体层的膜的强度。

基板由蓝宝石形成且纳米粒子(无机粒子)为SiO₂时，纳米粒子的平均粒径为10nm以上60nm以下且纳米粒子含有量为2.5重量％以上16.9重量％以下的样品，相比于基板由蓝宝石形成而不含纳米粒子的样品，所有铅笔硬度均变高。特别地，平均粒径为10～40nm，纳米粒子含有量为2.5～6.0重量％的样品铅笔硬度变得更高。

基板由蓝宝石形成且纳米粒子为Al₂O₃时，纳米粒子的平均粒径为10nm以上60nm以下且纳米粒子含有量为2.5重量％以上16.9重量％以下的样品，相比于基板由蓝宝石形成而不含纳米粒子的样品，所有铅笔硬度均变高。特别地，平均粒径为10～20nm，纳米粒子含有量为6.0～11.6重量％的样品铅笔硬度变得更高。

基板由铝、银形成且纳米粒子为SiO₂时，纳米粒子的平均粒径为10nm以上60nm以下且纳米粒子含有量为2.5重量％以上16.9重量％以下的样品，相比于基板由铝、银形成而不含纳米粒子的样品，所有铅笔硬度均变高。特别地，平均粒径为10～40nm，纳米粒子含有量为2.5～6.0重量％的样品铅笔硬度变得更高。

基板由铝、银形成且纳米粒子为Al₂O₃时，纳米粒子的平均粒径为10nm以上60nm以下，纳米粒子含有量为2.5重量％以上16.9重量％以下的样品，相比于基板由铝、银形成而不含纳米粒子的样品，所有铅笔硬度均变高。特别地，平均粒径为10～20nm，纳米粒子含有量为6.0～11.6重量％的样品铅笔硬度变得更高。

即使在该数值范围以外也存在铅笔硬度较高的样品。另外，纳米粒子为SiO₂，纳米粒子含有量为21.7重量％时，与基板及平均粒径无关地，由于印刷较困难而无法进行铅笔硬度的测定。

如果针对纳米粒子归纳结果，纳米粒子为SiO₂时，平均粒径为10～40nm，纳米粒子含有量为2.5～6.0重量％的样品铅笔硬度变得更高。因此，纳米粒子为SiO₂时，与基板的材料无关地，进一步优选平均粒径为10～40nm，纳米粒子含有量为2.5～6.0重量％的范围。

另外，纳米粒子为Al₂O₃时，平均粒径为10～20nm，纳米粒子含有量为6.0～11.6重量％的样品铅笔硬度变得更高。因此，纳米粒子为Al₂O₃时，与基板的材料无关地，进一步优选平均粒径为10～20nm，纳米粒子含有量为6.0～12.0重量％的范围。

图5(a)、(b)分别是实施例及比较例的波长转换构件的基于SEM的剖面照片。图5(a)是向蓝宝石基板以在烧成之后含有6.0％的方式添加平均粒径为12nm的SiO2粒子而制作出的波长转换构件的剖面的SEM照片。另外，图5(b)是在蓝宝石基板上未添加无机粒子而制作出的波长转换构件的剖面的SEM照片。由此可知，添加了无机粒子的波长转换构件(实施例)的荧光体层相比于未添加无机粒子的波长转换构件(比较例)的荧光体层，裂纹的数量变少，裂纹的大小也变小。即，通过使荧光体层的无机材料包含无机粒子，能够减少裂纹的产生。

根据以上的结果，本发明的波长转换构件因荧光体层的硬度较高，而能够降低荧光体层变为碎片而飞散或者从基板剥离之类的破损风险。

标号说明

10 波长转换构件

12 基板

14 荧光体层

16 荧光体粒子

18 无机粒子

20 结合材料

22 无机材料

Claims (5)

1.一种波长转换构件，其特征在于，具备：

基板，由蓝宝石形成；和

荧光体层，设置于上述基板上，由荧光体粒子及透光性的无机材料形成，

上述荧光体层的铅笔硬度为5B以上。

2.一种波长转换构件，其特征在于，具备：

基板，主要由铝形成；和

荧光体层，设置于上述基板上，由荧光体粒子及透光性的无机材料形成，

上述荧光体层的铅笔硬度为3B以上。

3.一种波长转换构件，其特征在于，具备：

基板；和

荧光体层，设置于上述基板上，由荧光体粒子及透光性的无机材料形成，

上述无机材料包含将上述基板与上述荧光体粒子结合的结合材料和平均粒径为10nm以上60nm以下的无机粒子，上述无机粒子相对于上述无机材料含有2.5重量％以上17.0重量％以下。

4.根据权利要求3所述的波长转换构件，其特征在于，

上述无机粒子是平均粒径为10nm以上40nm以下的SiO₂粒子，相对于上述无机材料含有2.5重量％以上6.0重量％以下。

5.根据权利要求3所述的波长转换构件，其特征在于，

上述无机粒子是平均粒径为10nm以上20nm以下的Al₂O₃粒子，相对于上述无机材料含有6.0重量％以上12.0重量％以下。