JP2009263399A

JP2009263399A - 蛍光材料及び白色ｌｅｄ

Info

Publication number: JP2009263399A
Application number: JP2008110511A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Fujita; 光広藤田; Eiichi Sotodani; 栄一外谷
Original assignee: Covalent Materials Corp
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2008-04-21
Filing date: 2008-04-21
Publication date: 2009-11-12

Abstract

【課題】本発明は、蛍光材料の熱伝導性を高めることによって蛍光材料自体の温度上昇を抑え、高輝度を維持し続けることが可能な蛍光材料及び該蛍光材料を用いた白色ＬＥＤを得ることを課題とする。
【解決手段】セリウムを含有するイットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）の薄板表面に、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層が形成されていることを特徴とする蛍光材料。
【選択図】なし

Description

本発明は、蛍光材料及び白色ＬＥＤに関する。

周知の如く、白色ＬＥＤはますます高輝度に向っており、それに伴い、さまざまな素材が開発されてきた。しかし、一方で、白色ＬＥＤは高輝度化による電流の増加等に伴い、発光素子の高温化など、過酷な条件に晒される。白色ＬＥＤは例えば、ＧａＮ発光素子の表面にセリウムなどを含むガラスや樹脂の薄板や粉体を載置し、ＧａＮ発光素子から発せられる青色光の一部を黄色蛍光に変換し、両者を混合することで白色光を得ていた。しかし、性能が不十分である、あるいは高温化に伴い樹脂が劣化するなどの問題が生じていた。

従来、ＬＥＤに関する技術としては、例えば以下の技術が報告されている。
(1)一次ビームを送出するためのＬＥＤと、一次ビームを二次ビームに変換する発光変換体とを有し、発光変換体は多結晶セラミック体であり、該多結晶セラミック体自体は発光体として作用し、セラミック体を形成するベース材料の少なくとも一部はドープ物質により活性されている光源（特許文献１）。

(2)紫外線、青色光及び／又は緑色光を放出するＬＥＤチップを備えたエレクトロルミネセンス素子のための、発光物質を添加されている波長変換注型材料において、一般式Ａ_３Ｂ_５Ｘ_１２：Ｍ（但し、ＡはＹ等、ＢはＡｌ等、ＸはＯを、ＭはＣｅ^３＋等を表す）を持つ蛍光物質の群から成る発光物質含量を備えた無機の発光物質原料粉末が分散しており、発光物質含量が≦２０μｍの粒子の大きさ及び≦５μｍのｄ_５０を有する波長変換注型材料（特許文献２）。

(3)発光ダイオードと、この上に塗布された蛍光粉を具え、発光ダイオードは二種類の異なる波長λ１とλ２の光を発射できる少なくとも二つの発光層を具え、蛍光粉は発光ダイオードの発射する光のうち一種類の波長の光を吸収して別の波長λ３の光を発生し、λ１＜λ２＜λ３で、三種類の波長を混合して白光を発生する白色発光装置（特許文献３）。

(4)少なくとも一個以上の光半導体（ＬＥＤ）を含み、該ＬＥＤを光源とし、青色〜緑色間の光を発することができ、蛍光体は光源の光を効果的に吸収し、励起され、第２有色光及び第１有色光を発するなどの特徴を有するとともに、蛍光体が種々の特別な物質からなることを特徴とする白色発光装置（特許文献４）。

ところで、近年では、蛍光体にセリウムを含むＹＡＧを用いることにより、大きな蛍光輝度が得られ、実用化されている。しかし、セリウムを含むＹＡＧを用いた場合でも、温度が高まることにより、蛍光強度が低下することが確認されている。
特開２００４−１４６８３５号公報特開２００２−３１７１７８号公報特開２００５−２１７３８６号公報特開２００５−２６４０３１号公報

本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、蛍光材料に熱伝導率が高く、且つ、光透過性の高い膜を形成することによって蛍光材料自体の温度上昇を抑え、高輝度を維持し続けることが可能な蛍光材料及び該蛍光材料を用いた白色ＬＥＤを提供することを目的とする。

本発明の蛍光材料は、セリウムを含有するイットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）の薄板表面に、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層が形成されていることを特徴とする。
本発明の白色ＬＥＤは、前記蛍光材料を青色発光ダイオード発光面に載置したことを特徴とする。

本発明によれば、蛍光材料に熱伝導率が高く、且つ、光透過性の高いＤＬＣ膜
を形成することによって蛍光材料の放熱性を高めて温度上昇を抑え、高輝度を維持し続けることが可能な蛍光材料が得られる。また、こうした蛍光材料を用いて白色ＬＥＤを構成するので、蛍光材料自体の温度上昇を抑え、高輝度を維持し続けることができる。

以下、本発明について更に詳しく説明する。
本発明の蛍光材料は、上述したように、セリウムを含有するイットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ(Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）)の薄板表面に、ＤＬＣ層が形成されている（請求項１）。ここで、セリウムを含有するＹＡＧ薄板は、セリウム量がイットリウム量とセリウム量の和に対して１０原子％以下であり、厚さが１ｍｍ以下である（請求項２）ことが好ましい。ＹＡＧ薄板は、製造プロセスにより透明にすることも可能であり、ＬＥＤの光取り出し性が向上する材料として好ましい。また、セリウムをＹＡＧに含有させることにより、青色光から黄色蛍光を得ることが可能となる。更に、セリウム量はＹＡＧ内のイットリウム量とセリウム量の和に対して０より多く、１０原子％以下含ませることが好ましい。１０原子％を超えるような高濃度のセリウムをＹＡＧに添加することは、青色ＬＥＤ光から黄色蛍光を得る変換効率が低下してしまう濃度消光が生じるため、好ましくない。

セリウムを含有するＹＡＧは、薄板状の形態で使用される。ＹＡＧの薄板は、焼結体若しくは単結晶を作製し研磨しても良いし、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）などで膜状に形成してもよい。
セリウムを含有するＹＡＧの薄板の厚さは１ｍｍ以下であることが好ましい。厚さが１ｍｍを超えると、黄色蛍光を得るために必要なセリウム濃度が極めて低くなり、蛍光材料中におけるセリウム濃度の制御が困難となるからである。また、セリウム濃度の適正化によってセリウムを含有するＹＡＧ薄板の必要厚さは容易に１ｍｍ以下とすることが可能であり、１ｍｍを超えると厚さとする積極的な理由を見出だすことはできない。なお、セリウムを含有するＹＡＧ薄板の厚さは薄い方が好ましいが、極度に薄いと強度が不足してハンドリング時に破損しやすくなる。また、極度に薄いセリウムを含有するＹＡＧ薄板は製造時における厚さの管理が困難となり、作成した白色ＬＥＤの色味にバラツキを生じる要因となる。更に、このような極度に薄いセリウムを含有するＹＡＧ薄板は製造時において反りを生じやすく、白色ＬＥＤを組み立てる際の障害となりやすい。従って、薄板の厚さは１ｍｍ以下が好ましいが、より好ましくは５μｍ以上５０0μｍ以下である。

本発明において、ＤＬＣ層の厚さは１０ｎｍ以上５０μｍ以下である（請求項３）ことが好ましい。ＤＬＣは熱伝導性が高いため、ＤＬＣ層によりセリウムを含有するＹＡＧの薄板に生じた熱を効率的にヒートシンクなどへ放出させることができる。なお、石英ガラス，銅，アルミナの熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）が夫々１．５，４００，２０程度であるのに対し、ＤＬＣの熱伝導率は７００Ｗ／ｍ・Ｋと大きい。ＤＬＣ層の厚みは、より好ましくは、２０ｎｍ以上１０μｍ以下である。ここで、ＤＬＣ層が厚いほど伝熱性は高まるが、厚すぎると蛍光を遮断しやすくなることや、製造時に厚膜形成に時間を要するようになることから、上記範囲が好ましい。ＤＬＣ層は、通常のプラズマコーティングで形成することができる。この際、ＤＬＣの透明度を高める目的で水素分圧を高めた雰囲気で成膜しても何ら差し支えない。

ＤＬＣ層は、セリウムを含有するＹＡＧの薄板の表裏どちらに形成しても良いし、両面に形成しても良いが、表面側（光を放出する面側）にのみ形成することが好ましい。この理由は、表面側にのみ形成することにより、波長が短く吸収されやすい青色ＬＥＤからの光を減じることなく蛍光材料へ導入することが可能であると共に、ＬＥＤの表面を傷から保護することができるからである。

以下に、本発明の具体的な実施例及び比較例について説明する。
（実施例１〜４）
図１を参照して本実施例及び比較例に係る蛍光材料について説明する。
まず、イットリウム量とセリウム量の和に対して１原子％のセリウムを含むＹＡＧ材料を調整し、成形、焼成することによって焼結体を作製した。なお、焼結体の透明度を確保するため、過度の粒成長により焼結体に気泡が残らないよう焼成条件を設定した。次に、約８×８×２ｍｍの焼結体から、切断研磨により５×５×０．３ｍｍの薄板状に１０枚を加工し、セリウムを含有するＹＡＧからなる薄板１を得た。

つづいて、得られた薄板１のうち、８枚の薄板をプラズマＣＶＤ装置内に配置した後、プラズマＣＶＤ装置中でアセチレンガスを供給して高周波のＲＦ（Radio Frequency：１３．５６ＭＨｚ）電力にてガスをプラズマ化し、セリウムを含有するＹＡＧ薄板表面にＤＬＣ層２を成膜し、蛍光材料（蛍光体）３とした。ここで、ＤＬＣ層の厚みは下記表１の通りであった。作製した蛍光体３に関して、分光光度計を用いて黄色蛍光に該当する波長５５０ｎｍにおける直線透過率測定を実施した。測定結果を下記表１に示す。

ひきつづき、図２に示すようφ１０ｍｍ、厚さ３ｍｍのアルミニウム板４にφ５ｍｍ及びφ３ｍｍの開口を有する穴５を設けた後、蛍光体３のＤＬＣ膜面がアルミニウム板に接するように前記穴５に挿着し、前記穴５に青色ＬＥＤ６を挿入固定した。室温２３℃の状態で青色ＬＥＤ６に４．５Ｖの電圧を印加して青色光を発生させ、蛍光体３のＤＬＣ層２における表面温度をＴ熱電対７にて計測した。表面温度が一定値に収束した時点における温度を、下記表１に示す。

表１より、ＤＬＣ層２の厚みが厚くなるほど、蛍光体の表面温度が小さくなり、光透過量が減少することが確認できた。

上記実施例によれば、セリウムを含有するＹＡＧの薄板１表面にＤＬＣ層２が形成された構成になっているので、蛍光材料の熱伝導性を高めることによって蛍光材料自体の温度上昇を抑え、高輝度を維持し続けることができる。

（比較例）
薄板の上にＤＬＣ層を形成しない以外は、上記実施例と同様にして蛍光体を作製した。上記実施例と同様な試験を行ったところ、上記表１のような結果が得られた。表１より、ＤＬＣ層のない比較例の場合、蛍光体の表面温度が高くなることが判明した。本実施例及び比較例では一般に市販されている青色ＬＥＤを用いたために蛍光体の表面温度は高々５３℃であったが、ハイパワーのＬＥＤを複数個近接配置する高輝度白色ＬＥＤを指向した場合にはこの表面温度が大きなものとなる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合せてもよい。具体的には、ＤＬＣ層の厚みは上記実施例に記載した厚みに限定されず、１０ｎｍ以上５０μｍ以下の範囲であればよい。

図１は本発明に係る蛍光材料の断面図を示す。図２は図１の蛍光材料からなる蛍光体を用いて蛍光体の温度測定試験を行うための説明図である。

符号の説明

１…ＹＡＧからなる薄板、２…ＤＬＣ層、３…蛍光材料（蛍光体）、４…アルミニウム板、５…アルミニウム板に形成した穴、６…青色ＬＥＤ、７…Ｔ熱電対。

Claims

セリウムを含有するイットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）の薄板表面に、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層が形成されていることを特徴とする蛍光材料。
セリウムを含有するＹＡＧ薄板は、セリウム量がイットリウム量とセリウム量の和に対して１０原子％以下であり、厚さが１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の蛍光材料。
ＤＬＣ層の厚さが１０ｎｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１もしくは請求項２記載の蛍光材料。
請求項１〜３のいずれかに記載の蛍光材料を青色発光ダイオード発光面に載置したことを特徴とする白色ＬＥＤ。