CN113383253A - 波长转换部件及投影仪 - Google Patents

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CN113383253A CN201980091029.6A CN201980091029A CN113383253A CN 113383253 A CN113383253 A CN 113383253A CN 201980091029 A CN201980091029 A CN 201980091029A CN 113383253 A CN113383253 A CN 113383253A
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大林孝志
谷直幸
铃木信靖
滨田贵裕
杉尾幸彦
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Abstract

本申请提供用于抑制波长转换部件温度上升的技术。本申请具备包含荧光体的荧光体层(20)、支撑荧光体层(20)的基板(30)以及与基板(30)接合的散热器(40)，其中，基板(30)的导热率比荧光体层(20)的导热率大，散热器(40)的导热率比基板(30)的导热率大或者散热器(40)的导热率比基板(30)的导热率小。

Description

波长转换部件及投影仪
技术领域
本申请涉及波长转换部件及投影仪。
背景技术
近年，开发了具备发光元件及波长转换部件的光源。波长转换部件具有埋入基体的荧光体颗粒。发光元件的光作为激发光向荧光体颗粒照射，由荧光体放射波长比激发光的波长更长的光。
已知：如果波长转换部件的温度过度提高，则由于荧光体的温度猝灭而导致光的亮度显著降低。就提高光的亮度及光的输出来说，重要的是抑制波长转换部件温度上升。
专利文献1记载了具备固体光源、荧光体层及散热基板的光源装置。荧光体层隔着金属与散热基板接合。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-129354号公报
专利文献2：国际公开第2013/172025号
发明内容
本申请提供用于抑制波长转换部件温度上升的技术。
本申请的波长转换部件具备包含荧光体的荧光体层、支撑荧光体层的基板以及与基板接合的散热器。就波长转换部件来说，基板的导热率比荧光体层的导热率大，散热器的导热率与基板的导热率不同。
根据本申请，能够抑制波长转换部件温度上升。
本申请的波长转换部件进一步优选散热器的导热率比基板的导热率大。
本申请的波长转换部件进一步优选散热器的导热率比基板的导热率大。
附图说明
图1A是本申请的一个实施方式的波长转换部件的剖视示意图。
图1B是荧光体层的剖视示意图。
图2是使用了本申请的波长转换部件的光源的剖视示意图。
图3是使用了本申请的波长转换部件的投影仪的构成示意图。
图4是使用了本申请的光源的照明装置的构成示意图。
图5是表示所射入的激光的输出与所放射的荧光的光的强度的关系的图表。
图6是表示荧光体层的表面温度相对于基板的厚度的变化的图表。
图7是表示荧光体层的表面温度相对于基板的厚度的变化的其它图表。
具体实施方式
(成为本申请的基础的见解)
激发光的输出越高，则波长转换部件温度上升越显著。例如，近年正在普及的激光投影仪使用了大输出的蓝色半导体激光器。通过蓝色半导体激光器与能够放射黄色的光的波长转换部件的组合，可以构成激光投影仪的光源。波长转换部件通常具备旋转轮基板和配置于旋转轮基板之上的圆环状的荧光体层。通过旋转轮基板，能够避免激光集中向荧光体层的特定的位置照射。由此，抑制荧光体层温度上升。
激光投影仪的优点在于小型、轻量及光源的寿命长。如果可以省略旋转轮基板，则可以省略电机之类的驱动装置，因此可以期待激光投影仪的进一步小型化、轻量化及低成本化。如果可以省略驱动装置，则有可能能够提供对外部振动的耐性强、也不会发生起因于旋转轴的磨耗的不良情况的高可靠性的激光投影仪。
然而，如果省略旋转轮基板，则荧光体层温度上升的问题明显化。为了抑制波长转换部件温度上升，考虑使用固定的散热器来代替旋转轮基板，但是由固定的散热器带来的冷却效果未必足够。因此，需要缜密地研究能够防止荧光体层的温度过度上升或者荧光体层由于冷热循环而导致从基板剥离的构成。
(本申请的一个实施方式的概要)
本申请的第一实施方式的波长转换部件具备包含荧光体的荧光体层、支撑荧光体层的基板以及与基板接合的散热器。基板的导热率比荧光体层的导热率大，散热器的导热率与基板的导热率不同。
根据上述的构成，能够充分地确保从荧光体层向散热器的散热性，并且能够减小从荧光体层到散热器之间的接合部处的导热率的变化。由此，能够防止由热膨胀差导致的波长转换部件的破损。
本申请的第二实施方式中，例如就第一实施方式的波长转换部件来说，散热器的导热率可以比基板的导热率大。根据第二实施方式，能够充分地得到上述效果。
本申请的第三实施方式中，例如就第二实施方式的波长转换部件来说，基板的厚度优选为100μm～1000μm。根据第三实施方式，能够防止由波长转换部件的热导致的破损。
本申请的第四实施方式中，例如第二或第三实施方式的波长转换部件可以进一步具备配置于荧光体层与基板之间的第一粘接层，第一粘接层的厚度优选为荧光体层的厚度的1/1000～1/10，第一粘接层的导热率越比荧光体层的导热率小越优选。根据第四实施方式，能够防止由热膨胀差导致的波长转换部件的破损。
本申请的第五实施方式中，例如第二至第四实施方式中任一项所述的波长转换部件可以进一步具备配置于基板与散热器之间的第二粘接层，第二粘接层的厚度优选为基板的厚度的1/1000～1/10，第二粘接层的导热率越比上述基板的导热率小越优选。根据第五实施方式，能够防止由热膨胀差导致的波长转换部件的破损。
本申请的第六实施方式中，例如就第二至第五实施方式中任一项所述的波长转换部件来说，基板可以由硅构成。在基板由硅构成的情况下，能够容易地满足上述的导热率的关系。
本申请的第七实施方式中，例如就第一实施方式的波长转换部件来说，散热器的导热率可以比基板的导热率小。根据第七实施方式，能够充分地得到第一实施方式所示出的效果。
本申请的第八实施方式中，例如就第七实施方式的波长转换部件来说，基板的厚度优选为100μm以上。根据第八实施方式，能够防止由波长转换部件的热导致的破损。
本申请的第九实施方式中，例如第七或第八实施方式的波长转换部件可以进一步具备配置于荧光体层与基板之间的第一粘接层，第一粘接层的厚度优选为荧光体层的厚度的1/500～3/20，第一粘接层的导热率越比上述荧光体层的导热率小越优选。根据第九实施方式，能够防止由热膨胀差导致的波长转换部件的破损。
本申请的第十实施方式中，例如第七至第九实施方式中任一项所述的波长转换部件可以进一步具备配置于基板与散热器之间的第二粘接层，第二粘接层的厚度优选为基板的厚度的1/1000～1/2，第二粘接层的导热率越比基板的导热率小越优选。根据第十实施方式，能够防止由热膨胀差导致的波长转换部件的破损。
本申请的第十一实施方式中，例如就第七至第十实施方式中任一项所述的波长转换部件来说，基板优选由SiC构成。在基板由SiC构成的情况下，能够容易地满足上述的导热率的关系。
本申请的第十二实施方式中，例如就第一～第十实施方式中任一项所述的波长转换部件来说，荧光体层优选由无机材料构成。根据第十二实施方式，能够充分地确保波长转换部件的耐热性。
本申请的第十三实施方式中，例如就第一至第十二实施方式中任一项所述的波长转换部件来说，荧光体层可以具有多个荧光体颗粒和埋入有多个荧光体颗粒的氧化锌基体。根据第十三实施方式，能够容易地使荧光体层的热散逸至外部(主要是基板)。
本申请的第十四实施方式的投影仪具备发光元件和配置于由发光元件放射的光的光路上的第一至第十三实施方式中任一项所述的波长转换部件。
根据第十四实施方式，能够提供不具有电机之类的驱动部的投影仪。
以下，参照附图对本申请的实施方式进行说明。本申请并不限于以下的实施方式。
(波长转换部件的实施方式)
图1A示出了本申请的一个实施方式的波长转换部件10的剖面。图1B放大示出了荧光体层20的剖面。波长转换部件10具备荧光体层20、基板30及散热器40。依次层叠荧光体层20、基板30及散热器40。荧光体层20包含荧光体。基板30支撑荧光体层20。散热器40与基板30接合。详细来说，散热器40与基板30的背面接合。
当向波长转换部件10照射具有第一波长频带的激发光时，波长转换部件10将激发光的一部分转换成具有第二波长频带的光并放射。波长转换部件10放射波长比激发光的波长更长的光。第二波长频带是与第一波长频带不同的频带。但是，第二波长频带的一部分也可以与第一波长频带重叠。就由波长转换部件10放射的光来说，不仅包含由荧光体放射的光，也包含激发光本身。
本实施方式中，基板30的导热率比荧光体层20的导热率大。散热器40的导热率比基板30的导热率大。当荧光体层20的导热率由κ1表示、基板30的导热率由κ2表示、散热器40的导热率由κ3表示时，波长转换部件10满足κ3＞κ2＞κ1的关系。导热率的单位为(W/m·K)。根据这样的构成，能够充分地确保由荧光体层20向散热器40的散热性，并且能够减小从荧光体层20至散热器40之间的接合部处的导热率的变化。由此，能够防止由热膨胀差导致的波长转换部件10的破损。
基板30的厚度例如为100μm～1000μm。在满足κ3＞κ2＞κ1的导热率的关系并且适当调整了基板30的厚度的情况下，能够维持波长转换部件10的优异的散热特性并且抑制荧光体层20与基板30之间的热膨胀差及基板30与散热器40之间的热膨胀差。由此，能够防止由波长转换部件10的热导致的破损。
典型地是，基板30的厚度比荧光体层20的厚度大。当荧光体层20的厚度由T1(μm)表示、基板30的厚度由T2(μm)表示时，它们的厚度的比率(T2/T1)例如大于1且为33以下。比率(T2/T1)优选为2～17。其中，基板30的厚度可以比荧光体层20的厚度小。
就基板30来说，除了支撑荧光体层20以外，还起到将荧光体层20的热向散热器40传递的作用。只要满足上述的导热率的关系，基板30的材料就没有特别限定。基板30例如由以下物质来制作：蓝宝石(Al2O3)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、硅(Si)、铝(Al)、铝合金、铜(Cu)、铜合金、玻璃、石英(SiO2)、碳化硅(SiC)或氧化锌(ZnO)。基板30可以具有镜面研磨之后的表面。
一个例子中，基板30为硅基板。在基板30由硅构成的情况下，能够容易地满足κ3＞κ2＞κ1的导热率的关系。
硅可以为单晶硅，也可以为多晶硅。单晶硅的导热率比多晶硅的导热率高。从自荧光体层20至散热器40的良好的导热的观点考虑，基板30优选由单晶硅构成。换言之，基板30可以为单晶硅基板。单晶硅基板可以通过切克劳斯法、浮区法之类的单晶培养方法来制作。另外，单晶硅的热膨胀系数小。如果使用单晶硅，则也容易得到高品质的平滑面。在基板30的材料为单晶硅的情况下，基板30兼具高导热率及高平滑性。因此，不仅荧光体层20与基板30之间的温度差及基板30与散热器40之间的温度差不易扩大，而且破损及剥离的起点也减少。其结果是能够防止荧光体层20从基板30剥离，并且能够防止荧光体层20及基板30破损。
基板30的表面可以由防反射膜、二向色镜、金属反射膜、增反射膜、保护膜等构成。换言之，基板30的表层部可以由这些功能膜构成。防反射膜是用于防止激发光反射的膜。二向色镜可以由电介质多层膜构成。金属反射膜是用于使光反射的膜，其是由银、铝之类的金属材料制成。增反射膜可以由电介质多层膜构成。保护膜可以是用于在物理上或在化学上保护上述这些膜的膜。
电介质多层膜之类的薄膜非常薄。因此，可以将除了这些薄膜以外的主体部分的构成材料的导热率视为基板30的导热率。
图1A所示的例子中，荧光体层20及基板30均具有板状的形状。基板30的上表面的面积比荧光体层20的下表面的面积广。当俯视波长转换部件10时，荧光体层20的外缘容纳于基板30的外缘的内侧。然而，基板30的上表面的面积也可以与荧光体层20的下表面的面积一致。换言之，当俯视波长转换部件10时，基板30的上表面的外缘也可以与荧光体层20的下表面的外缘一致。“上表面的面积”及“下表面的面积”分别是俯视波长转换部件10时的面积。
相同地，散热器40的上表面的面积也比基板30的下表面的面积广。当俯视波长转换部件10时，基板30的外缘可以容纳于散热器40的外缘的内侧。然而，散热器40的上表面的面积也可以与基板30的下表面的面积一致。换言之，当俯视波长转换部件10时，散热器40的上表面的外缘也可以与基板30的下表面的外缘一致。
如图1B所示，荧光体层20具有基体22及荧光体颗粒23。基体22存在于颗粒之间。各颗粒埋入基体22。换言之，颗粒分散于基体22。
荧光体颗粒23的材料没有特别限定。各种荧光体都可以用作荧光体颗粒23的材料。具体来说，可使用Y3Al5O12:Ce(YAG)、(Y,Gd)3Al5O12:Ce(YG AG)、Y3(Al,Ga)5O12:Ce(YAGG)、(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce(GYAGG)、Lu3Al5O12:Ce(LuAG)、(Si,Al)6(O,N)8:Eu(β-SiAlON)、(La,Y)3Si6N11:Ce(LYSN)、Lu2CaMg2Si3O12:Ce(LCMS)等荧光体。荧光体颗粒23可以包含具有互不相同的组成的多种荧光体颗粒。应向荧光体颗粒23照射的激发光的波长及应由荧光体颗粒23放射的光(荧光的光)的波长根据波长转换部件10的用途来选择。例如，在波长转换部件10用于激光投影仪的光源的情况下，荧光体可以是Y3Al5O12:Ce之类的黄色荧光体。
荧光体颗粒23的平均粒径例如在0.1μm～50μm的范围。荧光体颗粒23的平均粒径例如可以通过以下方法来确定。首先，以扫描电子显微镜对波长转换部件10的剖面进行观察。就所得到的电子显微镜图像来说，通过图像处理算出特定的荧光体颗粒23的面积。将具有与所算出的面积相同的面积的圆的直径视为该特定的荧光体颗粒23的粒径(颗粒的直径)。分别算出任意个数(例如50个)的荧光体颗粒23的粒径，将算出值的平均值视为荧光体颗粒23的平均粒径。本申请中，荧光体颗粒23的形状并没有限定。第一荧光体颗粒23的形状可以是球状，也可以是鳞片状，还可以是纤维状。本申请中，平均粒径的测定方法并不限于上述方法。
基体22例如由树脂、玻璃或其它无机材料构成。树脂的例子包含硅树脂及丙烯酸树脂。其它无机材料的例子包含Al2O3、ZnO及SiO2。其它无机材料可以是晶质。基体22期望相对于激发光及由荧光体颗粒23放射的光具有透光性。基体22可以具有比荧光体颗粒23的折射率高的折射率，也可以具有比荧光体颗粒23的折射率低的折射率。
在荧光体层20由无机材料构成的情况下，换言之，在基体22由无机材料构成的情况下，能够充分地确保波长转换部件10的耐热性。
从透明性及导热性的观点考虑，作为基体22的材料，ZnO是合适的。ZnO具有高导热性，因此如果基体22由ZnO构成，则容易使荧光体层20的热散逸至外部(主要是基板30)。这有助于波长转换部件10的优异的散热特性。
作为基体22的材料的ZnO详细来说是ZnO单晶或沿c轴取向的ZnO多晶。ZnO具有纤锌矿型的晶体结构。“沿c轴取向的ZnO”是指与基板30的主面平行的面是c面。“主面”是指具有最广的面积的面。
沿c轴取向的ZnO多晶包含沿c轴取向的多个柱状的晶粒。就沿c轴取向的ZnO多晶来说，c轴方向的晶界少。“柱状的晶粒沿c轴取向”是指c轴方向的ZnO的生长比a轴方向的ZnO的生长快并且在基板30之上形成有竖长的ZnO晶粒。ZnO晶粒的c轴与基板30的法线方向平行。或者，ZnO晶粒的c轴相对于基板30的法线方向的倾斜为4°以下。在此，“c轴的倾斜为4°以下”是指c轴的倾斜的分布为4°以下，未必是指全部晶粒的c轴的倾斜为4°以下。“c轴的倾斜”可以由c轴的基于X射线摇摆曲线法得到的半峰宽来评价。详细来说，c轴的基于X射线摇摆曲线法得到的半峰宽为4°以下。专利文献2详细地公开了由沿c轴取向的ZnO多晶构成的基体。
荧光体层20可以包含分散于基体22的填料颗粒。填料颗粒的材料可以是有机材料，也可以是无机材料，还可以是有机无机混合材料。作为有机材料，可以列举出丙烯酸树脂。作为无机材料，可以列举出金属氧化物。作为有机无机混合材料，可以列举出硅树脂。
一个例子中，填料颗粒包含选自SiO2颗粒、Al2O3及TiO2颗粒中的至少一种。这些颗粒在化学上稳定并且廉价。填料颗粒的形状也没有限定。填料颗粒的形状可以是球状，也可以是鳞片状，还可以是纤维状。
荧光体层20可以由荧光体陶瓷构成，也可以由荧光体的单晶构成。在这些情况下，荧光体层20不具有基体。
散热器40与基板30的背面接合，起到隔着基板30从荧光体层20夺取热并将热向周围空气之类的冷却源放出的作用。散热器40典型地由铝、铝合金、铜、铜合金、不锈钢等金属材料制作。散热器40具有支撑基板30的平坦的上表面。散热器40可以具有由背面延伸的多个散热片。
波长转换部件10进一步具备配置于荧光体层20与基板30之间的第一粘接层25。第一粘接层25与荧光体层20及基板30这两者相接。第一粘接层25的厚度可以是荧光体层20的厚度的1/1000～1/10。第一粘接层25的厚度与荧光体层20的厚度相比足够小。第一粘接层25的导热率例如比荧光体层20的导热率小。当荧光体层20的导热率由κ1表示、第一粘接层25的导热率由κ4表示时，波长转换部件10满足κ1＞κ4的关系。通过设置第一粘接层25，能够保持波长转换部件10的优异的散热特性，并且能够抑制由荧光体层20向基板30急剧导热。由此，能够防止由热膨胀差导致的波长转换部件10的破损。
第一粘接层25起到增强荧光体层20与基板30接合的作用。只要满足上述关系，第一粘接层25的材料就没有特别限定。第一粘接层25的材料可以是有机材料，也可以是无机材料，还可以是有机材料与无机材料的混合物。作为有机材料，可以列举出：有机硅系粘接剂、环氧系粘接剂、丙烯酸系粘接剂、氰基丙烯酸酯系粘接剂等。作为无机材料，可以列举出：SiO2、Al2O3、TiO2、Nb2O5、Ta2O5、MgO、ZnO、B2O3、Y2O3、SiC、金刚石、Ag、Cu、Au等。作为有机材料与无机材料的混合物，可以列举出散热油脂、散热粘接剂等。散热油脂例如为树脂及填料颗粒的混合物。树脂例如为硅树脂。填料颗粒可以是金属或金属氧化物的颗粒。散热粘接剂也可以是树脂及填料颗粒的混合物。用于散热油脂的树脂示出粘合性，而用于散热粘接剂的树脂示出粘接性。
波长转换部件10进一步具备配置于基板30与散热器40之间的第二粘接层35。第二粘接层35与基板30及散热器40这两者相接。第二粘接层35的厚度可以是基板30的厚度的1/1000～1/10。第二粘接层35的厚度与基板30的厚度相比足够小。第二粘接层35的导热率例如比基板30的导热率小。当基板30的导热率由κ2表示、第二粘接层35的导热率由κ5表示时，波长转换部件10满足κ2＞κ5的关系。通过设置第二粘接层35，能够维持波长转换部件10的优异的散热特性并且抑制由基板30向散热器40急剧导热。由此，能够防止由热膨胀差导致的波长转换部件10的破损。
第二粘接层35起到增强基板30与散热器40接合的作用。只要满足上述的关系，第二粘接层35的材料就没有特别限定。第二粘接层35的材料可以是有机材料，也可以是无机材料，还可以是有机材料与无机材料的混合物。作为有机材料，可以列举出：有机硅系粘接剂、环氧系粘接剂、丙烯酸系粘接剂、氰基丙烯酸酯系粘接剂等。作为无机材料，可以列举出：SiO2、Al2O3、TiO2、Nb2O5、Ta2O5、MgO、ZnO、B2O3、Y2O3、SiC、金刚石、Ag、Cu、Au、玻璃、Au-Sn合金、In-Ga合金、Sn焊料、Pb焊料等。作为有机材料与无机材料的混合物，可以列举出散热油脂、散热粘接剂等。散热油脂例如为树脂及填料颗粒的混合物。树脂例如为硅树脂。填料颗粒可以为金属或金属氧化物的颗粒。
本说明书中，导热率是指在0℃下的导热率。荧光体层20、第一粘接层25、基板30、第二粘接层35及散热器40的导热率可以是构成它们的材料的导热率。例如，当基板30由单晶硅构成时，将0℃下的单晶硅的导热率视为基板30的导热率。
像荧光体层20那样包含多个材料的混合物的导热率可以由以下的Bruggeman式算出。
1-Φ＝[(λc-λf)/(λm-λf)]×(λm/λc)1/3
Φ：填料(荧光体颗粒、无机颗粒等)的体积填充率
λc：混合物(荧光体层或粘接层)的导热率
λf：填料(荧光体颗粒、无机颗粒等)的导热率
λm：基体的导热率
本说明书中，荧光体层20、第一粘接层25、基板30及第二粘接层35的厚度可以通过下述方法来测定。沿厚度方向将波长转换部件10切断，以光学显微镜或电子显微镜对剖面进行观察。通过图像处理测定任意多个点(例如五个点)处的厚度。可以将所测定的值的平均值视为厚度。
接下来，对波长转换部件10的制造方法进行说明。
首先，准备基板30。基板30例如通过将单晶硅晶片之类的原料基板切断成规定的大小来得到。根据需要，也可以使金属反射膜、电介质多层膜之类的功能膜形成于原料基板上。
接下来，在基板30之上形成第一粘接层25。在第一粘接层25由散热油脂这样的有机材料构成的情况下，通过将有机材料涂布于基板30，可以形成第一粘接层25。在第一粘接层25由SiO2等无机材料构成的情况下，可以通过溅射法、蒸镀法、CVD法等沉积方法使SiO2等无机材料沉积于基板30之上而形成第一粘接层25。通过将包含第一粘接层25的原料的溶液涂布于基板30，可以形成第一粘接层25。作为这样的溶液，可以列举出水玻璃。
有时也可以省略第一粘接层25。
接下来，形成荧光体层20。在基体22由树脂构成的情况下，使荧光体颗粒23混合于包含树脂及溶剂的溶液来制备涂布液。在基板30或第一粘接层25之上涂布涂布液以使在基板30或第一粘接层25之上形成涂膜。通过使涂膜干燥或使涂膜固化来形成荧光体层20。
在基体22由ZnO构成的情况下，例如可以通过溶胶凝胶法形成基体22。首先，制备包含锌醇盐之类的前体及荧光体颗粒23的混合溶胶。在基板30或第一粘接层25之上涂布混合溶胶以使在基板30或第一粘接层25之上形成涂膜。通过使涂膜凝胶化并进行烧成而得到波长转换部件10。
在基体22为ZnO单晶或沿c轴取向的ZnO多晶的情况下，可以通过溶液生长法在基板30或第一粘接层25之上形成基体22。首先，在基板30或第一粘接层25之上形成作为种层的晶质的ZnO薄膜。作为形成ZnO薄膜的方法，可使用电子束蒸镀法、反应性等离子体蒸镀法、溅射法、脉冲激光积蓄法等真空成膜法。接下来，在基板30或第一粘接层25之上形成包含荧光体颗粒23的层。例如，制备包含荧光体颗粒23的分散液。将基板30配置于分散液中，使用电泳法使荧光体颗粒23沉积于基板30或第一粘接层25之上。由此，在基板30或第一粘接层25之上可以形成包含荧光体颗粒23的层。也可以通过将基板30配置于分散液中并使荧光体颗粒23沉降，在基板30或第一粘接层25之上形成包含荧光体颗粒23的层。也可以使用包含荧光体颗粒23的涂布液，通过印刷法等薄膜形成方法在基板30或第一粘接层25之上形成包含荧光体颗粒23的层。
接下来，通过使用了含有Zn的溶液的溶液生长法，在颗粒之间形成基体22。溶液生长法使用在大气压下进行的化学溶液析出法(chemical bath deposition)、在大气压以上的压力下进行的水热合成法(hydrothermal synthesis)、施加电压或电流的电化学析出法(electrochemical deposition)等。作为晶体生长用溶液，例如可使用包含六亚甲基四胺的硝酸锌水溶液。晶质的基体22在作为种层的晶质的ZnO薄膜之上进行外延生长。
此外，在荧光体层20为荧光体陶瓷或荧光体的单晶的情况下，将作为第一粘接层25的散热油脂或散热粘接剂涂布于荧光体陶瓷或荧光体的单晶，使荧光体陶瓷或荧光体的单晶与基板30贴合。
接下来，在基板30的背面及散热器40的上表面的至少一者形成第二粘接层35。在第二粘接层35由散热油脂或散热性粘接剂构成的情况下，可以通过将这些材料涂布于基板30的背面及散热器40的上表面的至少一者来形成第二粘接层35。
然后，隔着第二粘接层35将散热器40与基板30接合。由此，能够得到波长转换部件10。
(变形例)
波长转换部件10中，散热器40的导热率可以比基板30的导热率小。基板30的导热率比荧光体层20的导热率大。当荧光体层20的导热率由κ1表示、基板30的导热率由κ2表示、散热器40的导热率由κ3表示时，波长转换部件10可以满足κ2＞κ3＞κ1的关系。即，在荧光体层20与散热器40之间设置了具有比荧光体层20及散热器40高的导热率的基板30。根据这样的构成，荧光体层20的热容易在基板30的内部扩散。通过使在基板30扩散的热向散热器40传递而能够确保更高的散热性。在基板30的主面的面积比荧光体层20的主面的面积大的情况下，能够更充分地得到上述效果。
本变形例中，基板30的厚度例如为100μm以上。在满足κ2＞κ3＞κ1的导热率的关系并且适当调整了基板30的厚度的情况下，能够维持波长转换部件10的优异的散热特性并且抑制荧光体层20与基板30之间的热膨胀差及基板30与散热器40之间的热膨胀差。由此，能够防止由波长转换部件10的热导致的破损。
在成立κ2＞κ3＞κ1的导热率的关系成立的情况下，不特别地存在基板30的厚度的期望的上限值。如果考虑到成本、重量等，则基板30的厚度例如为1000μm以下。
荧光体层20、基板30及散热器40的材料可以以满足κ2＞κ3＞κ1的导热率的关系的方式进行适当选择。荧光体层20、基板30及散热器40的材料的例子如上面进行了说明的那样。
一个例子中，基板30为SiC基板。SiC已知是具有优异的导热率的非金属材料。在基板30由SiC构成的情况下，可以容易地满足κ2＞κ3＞κ1的导热率的关系。SiC可以为SiC单晶，也可以为SiC多晶。SiC单晶的导热率比SiC多晶的导热率高。从自荧光体层20向散热器40良好的导热的观点考虑，基板30优选由SiC单晶构成。
本变形例中，第一粘接层25的厚度可以为荧光体层20的厚度的1/500～3/20。第一粘接层25的厚度与荧光体层20的厚度相比足够小。第一粘接层25的导热率例如比荧光体层20的导热率小。当荧光体层20的导热率由κ1表示、第一粘接层25的导热率由κ4表示时，波长转换部件10满足κ1＞κ4的关系。通过设置第一粘接层25，能够维持波长转换部件10的优异的散热特性并且抑制由荧光体层20向基板30急剧导热。由此，能够防止由热膨胀差导致的波长转换部件10的破损。
本变形例中，第二粘接层35的厚度可以为基板30的厚度的1/1000～1/2。第二粘接层35的厚度与基板30的厚度相比足够小。第二粘接层35的导热率例如比基板30的导热率小。当基板30的导热率由κ2表示、第二粘接层35的导热率由κ5表示时，波长转换部件10满足κ2＞κ5的关系。通过设置第二粘接层35，能够维持波长转换部件10的优异的散热特性并且防止由基板30向散热器40急剧导热。由此，能够防止由热膨胀差导致的波长转换部件10的破损。
第一粘接层25及第二粘接层35的材料的例子如上面进行了说明的那样。
(光源的实施方式)
图2示出了使用了本申请的波长转换部件10的光源100的剖面。光源100具备波长转换部件10及发光元件50。波长转换部件10的荧光体层20位于发光元件50与波长转换部件10的基板30之间。光源100是反射型光源。
发光元件50放射激发光。发光元件50典型地是半导体发光元件。半导体发光元件例如为发光二极管(LED)、超辐射发光二极管(SLD)或激光二极管(LD)。当使用LD作为发光元件50时，本申请的波长转换部件10发挥特别高的效果。
发光元件50可以由单一的LD构成，也可以由在光学上结合的多个LD构成。发光元件50例如放射蓝色光。本申请中，蓝色光是具有420～470nm的范围的峰波长的光。
光源100进一步具备光学系统51。光学系统51可以位于由发光元件50放射的激发光的光路上。光学系统51包含透镜、镜、光纤之类的光学部件。
(投影仪的实施方式)
图3示意性地示出了使用了波长转换部件10的投影仪200的构成。投影仪200具备波长转换部件10及发光元件54。波长转换部件10配置于由发光元件54放射的光的光路上。发光元件54可以是能够放射蓝色光的激光二极管。投影仪200不具有旋转轮基板，也不具有用于驱动旋转轮基板的驱动装置。波长转换部件10例如固定于投影仪200的框体。由发光元件54放射的光连续向波长转换部件10的规定位置照射。
图3所示的例子中，投影仪200为三板式投影仪。然而，应用本申请的波长转换部件100的投影仪的型式没有特别限定。本申请的波长转换部件100也可以例如用于一板式的投影仪。
投影仪200进一步具备偏振光束分光器56、二向色镜57、聚光透镜58、二向色镜59、镜60、镜61、显示元件62a、显示元件62b、显示元件62c、棱镜63及投影透镜64。显示元件62a、62b及62c分别可以是数字镜器件，也可以是液晶面板。
由发光元件54放射的蓝色光被偏振光束分光器56分离成p偏振光的光和s偏振光的光。例如，p偏振光的光射入蓝色用显示元件62a，s偏振光的光从二向色镜57及聚光透镜58通过并向波长转换部件10照射。由波长转换部件10放射的荧光包含红色光及绿色光，被二向色镜57反射并向二向色镜59行进。红色光被二向色镜59反射并射入红色用显示元件62b。绿色光从二向色镜59透射，被镜60及61反射并射入绿色用显示元件62c。从显示元件62a、62b及62c通过后的光通过棱镜63重合。由此，生成应向投影仪200的外部的屏幕65投影的图像或影像。投影透镜64使图像或影像向投影仪200的外部的屏幕65投影。
(照明装置的实施方式)
图4示意性地示出了使用了光源100的照明装置300的构成。照明装置300具备光源100及光学部件74。光学部件74是用于将由光源100放射的光向前方引导的部件，具体来说是反射器。光学部件74例如具有在Al、Ag之类的金属膜或表面形成有保护膜的Al膜。也可以在光源100的前方设置过滤器75。过滤器75以来自光源100的发光元件的相干的蓝色光不会直接放出至外部的方式吸收蓝色光或使蓝色光散射。照明装置300例如为车辆用前照灯。
实施例
(样品1)
制得了具有参照图1A及图1B进行了说明的结构的波长转换部件。
作为原料基板，准备了具有厚度为0.2μm的银反射膜的单晶硅晶片。将单晶硅晶片切断成尺寸为5mm×5mm的正方形的形状，得到了具有银反射膜的厚度为380μm的单晶硅基板。基板的导热率为168W/m·K。
接下来，通过溅射法使由SiO2形成的厚度为0.4μm的第一粘接层形成于基板的整个上表面。第一粘接层的导热率为1.4W/m·K。
接下来，在第一粘接层之上形成了荧光体层。首先，通过溅射法在第一粘接层之上形成了作为种层的ZnO薄膜。通过电泳法使Y3Al5O12:Ce的荧光体颗粒沉积于ZnO薄膜之上。通过溶液生长法使晶质的ZnO生长，形成了厚度为60μm、直径为3mm的圆形的荧光体层。荧光体层的导热率为10W/m·K。
接下来，在基板的整个背面涂布不透明散热油脂而形成了厚度为5μm的第二粘接层。第二粘接层的导热率为8.5W/m·K。不透明散热油脂是包含硅树脂及金属颗粒的粘接剂。
隔着第二粘接层在散热器的上表面安装了基板。由此，得到了样品1的波长转换部件。作为散热器，使用了具有20mm×20mm×5mm(纵×横×厚)的尺寸的正方形的铝块。散热器的导热率为236W/m·K。
就样品1来说，荧光体层的导热率κ1、基板的导热率κ2及散热器的导热率κ3满足了κ3＞κ2＞κ1的关系。
(样品2)
在散热器的上表面直接形成具有硅树脂的基体的荧光体层，得到了样品2的波长转换部件。荧光体层具有厚度为60μm、直径为3mm的圆形的形状。荧光体层的导热率为1W/m·K。样品2中的散热器及荧光体颗粒与样品1中的这些相同。
(样品3)
作为荧光体层，准备了具有厚度为150μm、直径为3mm的尺寸的圆形的荧光体陶瓷。作为荧光体，使用了Y3Al5O12:Ce。荧光体陶瓷的导热率为10W/m·K。
接下来，在荧光体陶瓷的整个背面涂布透明散热油脂，形成了厚度为15μm的第二粘接层。第二粘接层的导热率为3W/m·K。透明散热油脂是包含硅树脂及氧化铝颗粒的粘接剂。
隔着第二粘接层将荧光体陶瓷安装于散热器的上表面。由此，得到了样品3的波长转换部件。样品3中的散热器与样品1中的散热器相同。
[荧光强度测定]
向样品1、样品2及样品3的波长转换部件的荧光体层的上表面照射直径为φ2mm的激光，测得了所放射的荧光的强度。使激光的强度缓慢地增加。激光是波长为455nm的蓝色激光。将结果示于图5。
样品1的波长转换部件的荧光强度持续增加至射入强度超过60W的激光为止。样品1的波长转换部件的荧光输出的最大值为31.8W。
样品2的波长转换部件的荧光强度在使强度为14W的激光射入的时刻转为降低。样品2的波长转换部件的荧光输出的最大值为7.5W。样品3的波长转换部件的荧光强度在使35W的强度的激光射入的时刻转为降低。样品3的波长转换部件的荧光输出的最大值为18.1W。
荧光强度转为降低的原因认为在于荧光体的温度猝灭。图5所示的结果示出了：样品1的波长转换部件的散热性远比样品2及样品3的波长转换部件的散热性优异。
[荧光体层的表面温度的模拟]
通过计算机模拟对向具有样品1、样品2及样品3的构成的波长转换部件的荧光体层的上表面照射了直径为2mm、输出为60W的激光时的荧光体层的表面温度(上表面的温度)进行了调查。假设散热器的侧面及底面维持为室温(25℃)，其它面通过辐射散热进行冷却。激光的强度分布假设为正态分布。激光是波长为455nm的蓝色激光。将结果示于表1。
表1
在60W的激光照射时的荧光体层的表面温度
样品1 178℃
样品2 1223℃
样品3 256℃
样品1的波长转换部件的荧光体层的表面温度比样品2及样品3的波长转换部件的荧光体层的表面温度足够低。YAG系荧光体的温度猝灭已知在约250℃下明显化。认为照射60W的激光时的样品1的波长转换部件的荧光体层的表面温度低至178℃，即使使用60W的激光，也几乎不存在温度猝灭的影响。认为在照射60W的激光时的样品2及样品3的波长转换部件的荧光体层的表面温度为250℃以上，因此荧光体层的内部的温度为250℃以上，使用了60W的激光时的温度猝灭的影响显著。
接下来，通过计算机模拟，根据通过使样品1的波长转换部件的基板的厚度变化而得到的样品4对样品7的波长转换部件的荧光体层的表面温度进行了调查。样品4、样品5、样品6及样品7的波长转换部件的基板的厚度分别为100μm、200μm、1000μm及1500μm。将结果示于表2及图6。
表2
基板的厚度 在照射60W的激光时的荧光体层的表面温度
样品4 100μm 172℃
样品5 200μm 175℃
样品1 380μm 178℃
样品6 100μm 182℃
样品7 1500μm 185℃
荧光体层的表面温度均为185℃以下。样品1、样品4、样品5、样品6及样品7的全部的波长转换部件可耐受使用60W的激光。
如表2所示，基板越薄则荧光体层的表面温度越低。从成本的观点考虑也相同，基板越薄则越优选。然而，基板越薄则基板的处理越难，越是有可能降低制造波长转换部件时的成品率。因此，从成本及生产性的观点考虑，期望基板的厚度为100μm以上。
基板具有100μm的厚度的时的荧光体层的表面温度为172℃。作为基板的厚度的期望的上限值的一个基准，可以列举出荧光体层的表面温度到达172℃+10℃时的基板的厚度。从该观点考虑，作为基板的厚度的期望的上限值，选择1000μm是妥当的。
(样品8～样品15)
除了第一粘接层及第二粘接层的厚度不同以外，通过与样品1相同的方法制得了样品8～样品15的波长转换部件。样品8～样品15的波长转换部件的第一粘接层及第二粘接层的厚度如表3所示。
[热冲击试验]
对样品1、8～15的波长转换部件施加热冲击，对有无剥离进行了调查。通过以下方法对波长转换部件施加热冲击。使样品1、8～15的波长转换部件静置于-40℃的环境下30分钟，然后以30秒的移动时间在200℃的环境下移动，静置30分钟，进一步以30秒的移动时间在-40℃的环境下移动。以该动作为一个循环，重复了500个循环的该动作。
[荧光体层的表面温度的模拟]
通过以上进行了说明的计算机模拟对样品8～样品15的波长转换部件的荧光体层的表面温度进行了调查。
表3
Figure BDA0003191200900000191
表3所示的温度判定的项目的判定基准如下所述。
荧光体层的表面温度小于250℃：○
荧光体层的表面温度为250℃以上：△
热冲击试验中，在样品8及样品12的波长转换部件确认到了剥离。通过目视及光学显微镜观察确认了有无剥离。样品8的波长转换部件中，在第一粘接层确认到了剥离。由于在荧光体层与基板这两者残存有第一粘接层的残渣，无法判断是在第一粘接层与荧光体层之间发生了剥离还是在第一粘接层与基板之间发生了剥离。样品12的波长转换部件中，在第二粘接层确认到了剥离。由于在基板与散热器这两者残存有第二粘接层的残渣，因此无法判断是在第二粘接层与基板之间发生了剥离还是在第二粘接层与散热器之间发生了剥离。
根据样品11及样品15的荧光体层的表面温度的模拟结果可以理解：如果第一粘接层及第二粘接层过厚，则散热性恶化而使荧光体层的表面温度容易变高。根据样品8及样品12的热冲击试验的结果可以理解：如果第一粘接层及第二粘接层过薄，则反复进行加热和冷却时容易发生剥离。即，在散热性与耐剥离性之间存在权衡的关系，不容易使它们同时提高。然而，根据本申请的技术，能够良好地兼顾散热性和耐剥离性。
由表3所示的结果，第一粘接层的厚度的期望范围根据样品9及样品10为荧光体层的厚度(60μm)的1/1000～1/10。第二粘接层的厚度的期望范围根据样品13及样品14为基板的厚度(380μm)的1/1000～1/10。此时，可以说能够兼顾散热性和耐剥离性。
(样品16)
除了使用了厚度为380μm的SiC单晶基板来代替单晶硅基板以外，通过与样品1相同的方法制得了样品16的波长转换部件。就样品16来说，基板的导热率为400W/m·K。
就样品16来说，荧光体层的导热率κ1、基板的导热率κ2及散热器的导热率κ3满足了κ2＞κ3＞κ1的关系。
[荧光体层的表面温度的模拟]
通过计算机模拟向具有样品16的构成的波长转换部件的荧光体层的上表面照射了直径为2mm、输出为60W的激光时的荧光体层的表面温度进行了调查。假设散热器的侧面及底面保持为室温(25℃)，其它面通过辐射散热进行冷却。激光的强度分布假设为正态分布。激光是波长为455nm的蓝色激光。将结果示于表4。
另外，通过计算机模拟，根据通过使样品16的波长转换部件的基板的厚度变化而得到的样品17对样品20的波长转换部件的荧光体层的表面温度也进行了调查。样品17、样品18、样品19及样品20的波长转换部件的基板的厚度分别为100μm、200μm、1000μm及1500μm。将结果示于表4及图7。
表4
基板的厚度 在照射60W的激光时的荧光体层的表面温度
样品17 100μm 166℃
样品18 200μm 160℃
样品16 380μm 156℃
样品19 1000μm 152℃
样品20 1500μm 151℃
荧光体层的表面温度均为166℃以下。样品16～20的全部波长转换部件可耐受使用60W的激光。
如表4所示，基板越厚，则荧光体层的表面温度越低。即，当基板具有100μm以上的厚度时，能够将荧光体层的表面温度维持为足够低的温度。从成本的观点考虑，基板越薄则越优选。基板越薄，则基板的处理越难，越是有可能降低制造波长转换部件时的成品率。当综合考虑这些情况时，期望基板的厚度为100μm以上。
(样品21～样品28)
除了第一粘接层或第二粘接层的厚度不同以外，通过与样品16相同的方法制得了样品21～样品28的波长转换部件。样品21～样品28的波长转换部件的第一粘接层及第二粘接层的厚度如表5所示。
[热冲击试验]
通过以上进行了说明的方法对样品16、21～28的波长转换部件施加热冲击，对有无剥离进行了调查。将结果示于表5。
[荧光体层的表面温度的模拟]
通过以上说明的计算机模拟对样品21～样品28的波长转换部件的荧光体层的表面温度进行了调查。表5所示的温度判定的项目的判定基准与表3中的判定基准相同。
表5
Figure BDA0003191200900000221
热冲击试验中，在样品21、样品25及样品28的波长转换部件确认到了剥离。样品21的波长转换部件中，在第一粘接层确认到了剥离。在荧光体层与基板这两者残存有第一粘接层的残渣，因此无法判断是在第一粘接层与荧光体层之间发生了剥离还是在第一粘接层与基板之间发生了剥离。样品25的波长转换部件中，在第二粘接层确认到了剥离。样品28的波长转换部件中，在第二粘接层确认到了剥离。样品25及样品28中，均在基板与散热器这两者残存有第二粘接层的残渣，因此无法判断是在第二粘接层与基板之间发生了剥离还是在第二粘接层与散热器之间发生了剥离。
样品28的波长转换部件具有足够厚度的第二粘接层。然而，第二粘接层厚，因此第二粘接层的上表面与下表面之间的温度差扩大而发生了剥离。
根据样品24的荧光体层的表面温度的模拟结果可以理解：如果粘接层过厚，则散热性恶化使荧光体层的表面温度容易变高。根据样品21及样品25的热冲击试验的结果可以理解：如果第一粘接层及第二粘接层过薄，则在反复进行加热和冷却时容易发生剥离。即，在散热性与耐剥离性之间存在权衡的关系，不容易使它们同时提高。然而，根据本申请的技术，能够良好地兼顾散热性和耐剥离性。
由表5所示的结果，第一粘接层的厚度的期望范围根据样品22及样品23为荧光体层的厚度(60μm)的1/500～3/20。第二粘接层的厚度的期望范围根据样品26及样品27为基板的厚度(380μm)的1/1000～1/2。此时，可以说能够兼顾散热性和耐剥离性。
产业上的可利用性
本申请的波长转换部件可用于吸顶灯之类的常规照明装置。另外，本申请的波长转换部件可以用于聚光灯、体育场用照明、摄影室用照明之类的特殊照明装置。此外，本申请的波长转换部件可用于前照灯之类的车辆用照明装置。另外，本申请的波长转换部件可用于投影仪、平视显示器之类的投影装置。此外，本申请的波长转换部件可用于医疗用或工业用内窥镜用灯；数码相机、移动电话、智能手机之类的摄像装置。另外，本申请的波长转换部件可用于个人计算机(PC)用显示器、笔记本型个人计算机、电视、移动信息终端(PDX)、智能手机、平板PC、移动电话之类的信息机器。
符号说明
10 波长转换部件
20 荧光体层
22 基体
23 荧光体颗粒
25 第一粘接层
30 基板
35 第二粘接层
40 散热器
100 光源
200 投影仪
300 照明装置

Claims (14)

1.一种波长转换部件，其具备包含荧光体的荧光体层、支撑所述荧光体层的基板以及与所述基板接合的散热器，
其中，所述基板的导热率比所述荧光体层的导热率大，
所述散热器的导热率与所述基板的导热率不同。
2.根据权利要求1所述的波长转换部件，其中，所述散热器的导热率比所述基板的导热率大。
3.根据权利要求2所述的波长转换部件，其中，所述基板的厚度为100μm～1000μm。
4.根据权利要求2或3所述的波长转换部件，其进一步具备配置于所述荧光体层与所述基板之间的第一粘接层，
其中，所述第一粘接层的厚度为所述荧光体层的厚度的1/1000～1/10，
所述第一粘接层的导热率比所述荧光体层的导热率小。
5.根据权利要求2～4中任一项所述的波长转换部件，其进一步具备配置于所述基板与所述散热器之间的第二粘接层，
其中，所述第二粘接层的厚度为所述基板的厚度的1/1000～1/10，
所述第二粘接层的导热率比所述基板的导热率小。
6.根据权利要求2～5中任一项所述的波长转换部件，其中，所述基板由硅构成。
7.根据权利要求1所述的波长转换部件，其中，所述散热器的导热率比所述基板的导热率小。
8.根据权利要求7所述的波长转换部件，其中，所述基板的厚度为100μm以上。
9.根据权利要求7或8所述的波长转换部件，其进一步具备配置于所述荧光体层与所述基板之间的第一粘接层，
其中，所述第一粘接层的厚度为所述荧光体层的厚度的1/500～3/20，
所述第一粘接层的导热率比所述荧光体层的导热率小。
10.根据权利要求7～9中任一项所述的波长转换部件，其进一步具备配置于所述基板与所述散热器之间的第二粘接层，
其中，所述第二粘接层的厚度为所述基板的厚度的1/1000～1/2，
所述第二粘接层的导热率比所述基板的导热率小。
11.根据权利要求7～10中任一项所述的波长转换部件，其中，所述基板由SiC构成。
12.根据权利要求1～10中任一项所述的波长转换部件，其中，所述荧光体层由无机材料构成。
13.根据权利要求1～12中任一项所述的波长转换部件，其中，所述荧光体层具有多个荧光体颗粒和埋入有所述多个荧光体颗粒的氧化锌基体。
14.一种投影仪，其具备发光元件和配置于由所述发光元件放射的光的光路上的权利要求1～13中任一项所述的波长转换部件。
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