JP2013095849A - 波長変換部材およびそれを用いてなる発光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】ガラスマトリクス中に無機蛍光体粉末が分散された波長変換部材であって、所望の色度範囲を有しつつ光拡散特性に優れ、かつ、全光束値の高い波長変換部材を提供する。
【解決手段】ガラスマトリクス中に無機蛍光体粉末が分散してなる波長変換部材であって、ガラスマトリクスが分相構造を有することを特徴とする波長変換部材。ガラスマトリクスが第一の相および第二の相からなる分層構造を有し、第一の相および第二の相の屈折率差が０．００１〜０．５であることが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、白色ＬＥＤ等の発光デバイスの構成部材として用いられる波長変換部材に関するものである。

近年、白色ＬＥＤの開発が盛んになっている。白色ＬＥＤは白熱灯や蛍光灯に比べ消費電力が低く寿命が長いことを特徴としており、携帯電話やデジタルカメラ等のバックライトとして使用されつつある。今後は、白熱灯や蛍光灯に替わる次世代の光源として、照明用途への応用が期待されている。

白色ＬＥＤは、例えば青色や紫外の励起光を発するＬＥＤチップと、無機蛍光体粉末が樹脂等のマトリクス中に分散されてなる波長変換部材から構成されている。無機蛍光体粉末はＬＥＤチップからの励起光を受けて励起光とは異なる波長の光（蛍光）を発する。一方、ＬＥＤチップからの励起光のうち一部は波長変換に寄与せずに波長変換部材を透過する。これらの光が混ざり合って白色光が得られる。

ところで、白色ＬＥＤは用途によってはますます高い輝度（ハイパワー化）が要求されている。従来のように樹脂マトリクス中に無機蛍光体粉末を分散させる方法では、ＬＥＤチップからの熱によって樹脂マトリクスが変色し、長期間使用すると輝度が低下するという問題があった。また、無機蛍光体粉末を含有する樹脂をＬＥＤチップ上に塗布する際、厚みを均一に調整することが困難であり、色度ばらつきが生じやすいといった問題があった。

これらの問題を解決するために、無機蛍光体粉末をガラスマトリクス中に分散させ、波長変換部材を完全に無機化する方法が提案されている（例えば、特許文献１および２参照）。当該方法によれば、波長変換部材の耐熱性および耐候性を向上させることが可能となる。具体的には、長時間の高温環境下（例えば、１５０℃で６００時間）や長時間の高温高湿環境下（例えば、温度８５℃、湿度８５％で２０００時間）に晒しても白色ＬＥＤの発光特性がほとんど変化せず、また太陽光の紫外線に長時間晒されても着色や劣化がほとんど生じない。さらには、加工性に優れることから、厚みの不均一性が原因の色度ばらつきも抑制することが可能となる。

特開２００５−１１９３３号公報 特開２００３−２５８３０８号公報

無機蛍光体粉末をガラスマトリクスに分散させてなる波長変換部材は、ＬＥＤチップの励起光が波長変換部材内部で十分に散乱せずに直進してしまうという問題がある。特にガラスマトリクスと無機蛍光体粉末との屈折率差が小さい場合は、両者の界面における光の散乱が少なくなるためその傾向が顕著である。励起光の直進成分が多いと、白色ＬＥＤの照射光の拡散が均質でなくなり、励起光源の光軸に近い範囲と光軸から離れた範囲では色度が異なる傾向がある。また、励起光が無機蛍光体粉末に当たる頻度が少なくなるため全光束値が低くなりやすい。

なお、波長変換部材における無機蛍光体粉末の含有量を多くすることにより、全体としてガラスマトリクスと無機蛍光体粉末の界面における光の散乱量が多くなり拡散特性は改善されるが、色度が所望の範囲からずれてしまうという別の問題が発生してしまう。また無機蛍光体粉末の量を増やすと、無機蛍光体粉末自身が励起光を過剰に遮断して、かえって全光束値が低下する傾向がある。

以上に鑑み、本発明は、ガラスマトリクス中に無機蛍光体粉末が分散された波長変換部材であって、所望の色度範囲を有しつつ光拡散特性に優れ、かつ、全光束値の高い波長変換部材を提供することを課題とする。

本発明者は鋭意検討した結果、ガラスマトリクス中に無機蛍光体粉末が分散してなる波長変換部材において、ガラスマトリクスが特定の状態を有することにより、無機蛍光体粉末の含有量が少なくても、励起光の散乱を大きくして拡散特性を向上でき、かつ全光束値も向上できることを見出し、本発明として提案するものである。

すなわち、本発明は、ガラスマトリクス中に無機蛍光体粉末が分散してなる波長変換部材であって、ガラスマトリクスが分相構造を有することを特徴とする波長変換部材に関する。

既述の通り、無機蛍光体粉末をガラスマトリクスに分散させてなる波長変換部材において、ＬＥＤチップからの励起光の直進成分が多いと、白色ＬＥＤの照射光の拡散にばらつきが生じて、照射角度によって色度が異なるという問題がある。そこで、ガラスマトリクスが分相構造を有するものであれば、当該分相構造によって励起光の散乱を高めることが可能となり、結果として拡散特性に優れ、全光束値の高い波長変換部材を得ることができる。

第二に、本発明の波長変換部材は、ガラスマトリクスが第一の相および第二の相からなる分層構造を有し、第一の相および第二の相の屈折率差が０．００１〜０．５であることが好ましい。

当該構成によれば、励起光が分相構造によって散乱されやすく、拡散特性に優れ、全光束値の高い波長変換部材が得られやすくなる。

第三に、本発明の波長変換部材は、セラミック粉末を０．１〜１０質量％含有することが好ましい。

当該構成によれば、励起光を散乱させる効果がより大きくなり、拡散特性に優れ、全光束値の高い波長変換部材が得られやすくなる。

第四に、本発明の波長変換部材は、無機蛍光体粉末が、酸化物、窒化物、酸窒化物、硫化物、酸硫化物、希土類硫化物、アルミン酸塩化物またはハロリン酸塩化物であることが好ましい。

第五に、本発明の波長変換部材は、ＪＩＳ Ｋ７１０５に準拠して測定した平行光線透過率が１０％以下、ヘイズが８０％以上であることが好ましい。

第六に、本発明は、前記いずれかの波長変換部材、および、波長変換部材に励起光を照射する光源を備えてなることを特徴とする発光デバイスに関する。

本発明によれば、所望の色度範囲を有しつつ拡散特性に優れ、かつ、全光束値が高い波長変換部材を提供することが可能となる。

本発明の波長変換部材は、ガラスマトリクス中に無機蛍光体粉末が分散してなるものである。

ガラスマトリクスには無機蛍光体粉末を安定に保持するための媒体としての役割がある。また、ガラスマトリクスのガラス組成によって無機蛍光体粉末との反応性に差が出るため、使用する無機蛍光体粉末に適したガラス組成を選択することが好ましい。

ガラスマトリクスに使用できるガラスとしては、例えばＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラス、ＳｎＯ−Ｐ_２Ｏ_５系ガラス、ＴｅＯ_２系ガラス、Ｂｉ_２Ｏ_３系ガラス等が挙げられる。

ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラスとしては、例えば組成としてモル％で、ＳｉＯ_２ ３０〜８０％、Ｂ_２Ｏ_３ １〜４０％、ＭｇＯ ０〜１０％、ＣａＯ ０〜３０％、ＳｒＯ ０〜２０％、ＢａＯ ０〜４０％、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０〜４５％、Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ ０〜２０％、Ａｌ_２Ｏ_３ ０〜２０％、ＺｎＯ ０〜２０％を含有するものが好ましい。ガラス組成をこのように限定した理由を以下に説明する。

ＳｉＯ_２はガラスネットワークを形成する成分である。ＳｉＯ_２の含有量は３０〜８０％、特に４０〜６０％であることが好ましい。ＳｉＯ_２の含有量が少なすぎると、化学的耐久性が低下する傾向にある。一方、ＳｉＯ_２の含有量が多すぎると、焼成温度が高温になり、無機蛍光体粉末が劣化しやすくなる。

Ｂ_２Ｏ_３は溶融温度を低下させて溶融性を改善する効果が大きい成分であり、さらには分相を発現させるための成分である。Ｂ_２Ｏ_３の含有量は１〜４０％、５〜３５％、特に１０〜３０％であることが好ましい。Ｂ_２Ｏ_３の含有量が少なすぎると、前記効果が得られにくくなる。一方、Ｂ_２Ｏ_３の含有量が多すぎると、化学的耐久性が低下する傾向にある。

アルカリ土類金属酸化物（ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ）は、分相を促進させるための成分である。また、アルカリ土類金属酸化物は溶融温度を低下させて溶融性を改善する効果もある。ただし、アルカリ土類金属酸化物の含有量が多すぎると、分相傾向が大きすぎて、熱処理温度の小さな変化に対しても分相状態が大きく変動して、励起光の散乱状態が変化し、結果として波長変換部材部材の各ロット間における拡散特性がばらつきやすくなる。また、化学的耐久性が低下する傾向にある。したがって、以上の特性を総合的に考慮して、アルカリ土類金属酸化物の含有量を適宜調整することが好ましい。具体的には、その含有量は合量で０〜４５％、特に５〜４０％が好ましい。

アルカリ土類金属酸化物の各成分の好ましい範囲は以下の通りである。

ＭｇＯの含有量は０〜１０％、特に０．１〜５％であることが好ましい。

ＣａＯの含有量は０〜３０％、特に３〜２０％であることが好ましい。

ＳｒＯの含有量は０〜２０％、０〜１０％、特に０．１〜５％であることが好ましい。

ＢａＯの含有量は０〜４０％、特に５〜３０％であることが好ましい。なお、ＢａＯはガラスと無機蛍光体粉末の反応を抑制する効果もある。

なお、アルカリ土類金属酸化物はイオン半径が小さいほど分相を促進させやすくなる。また、分子量が小さいほど屈伏点が上昇する傾向がある。したがって、分相性、屈伏点等の特性を総合的に考慮して、アルカリ土類金属酸化物の種類および含有量を適宜選択することが好ましい。

アルカリ金属酸化物（Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ）は、屈伏点を低下させるとともに、分相を促進させるための成分である。その含有量は合量で０〜２０％、０．１〜１５％、１〜１０％、特に２〜８％であることが好ましい。アルカリ金属酸化物の含有量が多すぎると、化学的耐久性が低下しやすくなる。

アルカリ金属酸化物の各成分の好ましい範囲は以下の通りである。

Ｌｉ_２Ｏの含有量は０〜２０％、０．１〜１０％、１〜７％、特に２〜５％であることが好ましい。

Ｎａ_２Ｏの含有量は０〜２０％、０〜１０％、特に０〜２％であることが好ましい。

Ｋ_２Ｏの含有量は０〜２０％、０〜１５％、０〜５％、特に０〜２％であることが好ましい。

Ａｌ_２Ｏ_３は化学的耐久性を向上させる成分である。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量は０〜２０％、特に１〜１８％であることが好ましい。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が多すぎると、溶融性が低下する傾向にある。

ＺｎＯは分相性を顕著に促進する成分であるとともに、溶融温度を低下させて溶融性を改善する成分である。ＺｎＯの含有量は０〜２０％、特に１〜１８％であることが好ましい。ＺｎＯの含有量が多すぎると、化学的耐久性が低下する傾向にある。

また上記成分以外にも、分相性を向上させるためにＰ_２Ｏ_５を５％まで、化学的耐久性を向上させるためにＴａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２を合量で１５％まで添加してもよい。

ＳｎＯ−Ｐ_２Ｏ_５系ガラスとしては、例えば組成としてモル％で、ＳｎＯ ３５〜８０％、Ｐ_２Ｏ_５ ５〜４０％、Ｂ_２Ｏ_３ ０〜３０％を含有するものが好ましい。ガラス組成をこのように限定した理由を以下に説明する。

ＳｎＯはガラスネットワークを形成するとともに、軟化点を低下させる成分である。ＳｎＯの含有量は３５〜８０％、特に４５〜７５％であることが好ましい。ＳｎＯの含有量が少なすぎると、軟化点が上昇する傾向にあり、耐候性が低下する傾向がある。一方、ＳｎＯの含有量が多すぎると、ガラス中にＳｎに起因する失透ブツが析出して透過率が低下する傾向にあり、結果として、波長変換部材部材の全光束値が低下しやすくなる。また、ガラス化しにくくなる。

Ｐ_２Ｏ_５はガラスネットワークを形成するための成分である。Ｐ_２Ｏ_５の含有量は５〜４０％、特に１０〜３０％であることが好ましい。Ｐ_２Ｏ_５の含有量が少なすぎると、ガラス化しにくくなる。一方、Ｐ_２Ｏ_５の含有量が多すぎると、軟化点が上昇したり、耐候性が著しく低下する傾向にある。

Ｂ_２Ｏ_３は耐候性を向上させる成分であるとともに、分相を促進させるための成分である。また、ガラスを安定化させる成分でもある。Ｂ_２Ｏ_３の含有量は０〜３０％、特に１〜２５％であることが好ましい。Ｂ_２Ｏ_３の含有量が多すぎると、耐候性が低下しやすくなる。また、軟化点が上昇する傾向がある。

また上記成分以外にも、溶融性を向上させたり、軟化点を低下させて低温焼成しやすくするために、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＯを合量で５％まで、またＬｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏを合量で５％まで添加することができる。他にも、化学的耐久性を向上させるためにＡｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ、ＺｎＯ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＴｅＯ_２、Ｌａ_２Ｏ_３を合量で１５％まで添加してもよい。

本発明の波長変換部材は、無機蛍光体粉末がガラスマトリクス中に分散してなるものであれば特に限定されないが、無機蛍光体粉末およびガラス粉末を含む混合粉末の焼結体からなるもの（粉末焼結法）であると、無機蛍光体粉末をガラスマトリクス中に容易かつ均一に分散させることができるため好ましい。

ガラス粉末の平均粒径Ｄ_５０は０．１〜１００μｍ、特に１〜５０μｍであることが好ましい。ガラス粉末の平均粒径Ｄ_５０が小さすぎると、焼成する際に気泡の発生量が多くなる。波長変換部材中に気泡が多く含まれると光吸収の原因となり全光束値が低下する傾向がある。好ましい気孔率は２％以下、特に１％以下である。一方、平均粒径Ｄ_５０が大きすぎると、波長変換部材中に無機蛍光体粉末が均一に分散されにくくなり、結果として、波長変換部材の全光束値が低下する傾向がある。

本発明の波長変換部材において、ガラスマトリクスは分相構造を有してなるものである。分相構造はガラスマトリクスの種類に応じて異なるが、例えばスピノーダル分相、バイノーダル分相等が挙げられる。分相構造は、ガラスマトリクスを構成するガラスに対して、ガラス転移点〜焼成温度未満の温度範囲、特に好ましくはガラス転移点〜ガラス転移点＋３００℃で熱処理することにより生成させることができる。熱処理時間は十分に分相を促進させる観点から、１０分間以上、特に１５分間以上行うことが好ましい。ただし、過剰に分相すると、散乱損失が大きくなり全光束値が低下する傾向があるため、熱処理時間は６０分間以下、特に４５分間以下であることが好ましい。熱処理は、焼成前または焼成後のいずれに行なっても良い。また、あらかじめ上記熱処理を施して分相させたガラス材料を粉砕して得られたガラス粉末を原料として用いることにより、所望の分層構造を有する本発明の波長変換部材を作製しても構わない。

ガラスマトリクスが第一の相および第二の相からなる分層構造を有する場合、第一の相および第二の相の屈折率差が０．００１〜０．５、特に０．００１〜０．４であることが好ましい。当該屈折率差が小さすぎると、励起光を散乱させる効果が得られにくく、拡散特性に劣る傾向がある。一方、当該屈折率差が大きすぎると、散乱損失が大きくなり全光束値が低下する傾向がある。

上記分相構造において、第一の相の割合は０．１〜５０体積％、特に１〜４５体積％であることが好ましい。第一の相の割合が小さすぎると、励起光を散乱させる効果が得られにくく、拡散特性に劣る傾向がある。一方、第一の相の割合が大きすぎると、散乱損失が大きくなり全光束値が低下する傾向がある。

分相の種類がスピノーダル分相である場合、第一の相または第二の相が略球形状を示す。この略球形状の相の直径は０．１〜５００μｍ、特に０．５〜４００μｍであることが好ましい。当該直径が小さすぎると、励起光を散乱させる効果が得られにくく、拡散特性に劣る傾向がある。一方、当該直径が大きすぎると、散乱損失が大きくなり全光束値が低下する傾向がある。

なお、本発明において、第一の相とは、ガラスネットワーク成分（例えば、ＳｉＯ_２やＰ_２Ｏ_５等）が相対的に少ない相を指す。

無機蛍光体粉末としては、紫外域または可視域の励起光を入射すると、当該励起光の波長よりも長波長の蛍光を発するものが挙げられる。

本発明において使用可能な無機蛍光体粉末としては、一般に市場で入手できるものであれば特に限定されない。例えば、ＹＡＧ等のガーネット系、その他の酸化物、窒化物、酸窒化物、硫化物、酸硫化物、希土類硫化物、アルミン酸塩化物、ハロリン酸塩化物等からなるものが挙げられる。

上記無機蛍光体粉末の中でも、波長３００〜５００ｎｍに励起帯を有し波長３８０〜７８０ｎｍに発光ピークを有するもの、特に青色（波長４４０〜４８０ｎｍ）、緑色（波長５００〜５４０ｎｍ）、黄色（波長５４０〜５９５ｎｍ）、赤色（波長６００〜７００ｎｍ）に発光するものを用いることが好ましい。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると青色の発光を発する無機蛍光体粉末としては、Ｓｒ_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ^２＋、（Ｓｒ，Ｂａ）ＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ^２＋、（Ｓｒ，Ｂａ）_３ＭｇＳｉ_２Ｏ_８：Ｅｕ^２＋などが挙げられる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると緑色の蛍光を発する無機蛍光体粉末としては、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ^２＋、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２＋、ＳｒＢａＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋、ＣｄＳ：Ｉｎ、ＣａＳ：Ｃｅ^３＋、Ｙ_３（Ａｌ，Ｇｄ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^２＋、Ｃａ_３Ｓｃ_２Ｓｉ_３Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、ＳｒＳｉＯｎ：Ｅｕ^２＋、ＺｎＳ：Ａｌ^３＋，Ｃｕ^＋、ＣａＳ：Ｓｎ^２＋、ＣａＳ：Ｓｎ^２＋，Ｆ、ＣａＳＯ_４：Ｃｅ^３＋，Ｍｎ^２＋、ＬｉＡｌＯ_２：Ｍｎ^２＋、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ^２＋，Ｍｎ^２＋、ＺｎＳ：Ｃｕ^＋，Ｃｌ⁻、Ｃａ_３ＷＯ_６：Ｕ、Ｃａ_３ＳｉＯ_４Ｃｌ_２：Ｅｕ^２＋、Ｓｒ_０．２Ｂａ_０．７Ｃｌ_１．１Ａｌ_２Ｏ_３．４５：Ｃｅ^３＋，Ｍｎ^２＋、Ｂａ_２ＭｇＳｉ_２Ｏ_７：Ｅｕ^２＋、Ｂａ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋、Ｂａ_２Ｌｉ_２Ｓｉ_２Ｏ_７：Ｅｕ^２＋、ＺｎＯ：Ｓ、ＺｎＯ：Ｚｎ、Ｃａ_２Ｂａ_３（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ^２＋、ＢａＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ^２＋などが挙げられる。

波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると緑色の蛍光を発する無機蛍光体粉末としては、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ^２＋、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２＋、ＳｒＢａＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋、ＣｄＳ：Ｉｎ、ＣａＳ：Ｃｅ^３＋、Ｙ_３（Ａｌ，Ｇｄ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^２＋、Ｃａ_３Ｓｃ_２Ｓｉ_３Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、ＳｒＳｉＯｎ：Ｅｕ^２＋などが挙げられる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると黄色の蛍光を発する無機蛍光体粉末としては、ＺｎＳ：Ｅｕ^２＋、Ｂａ_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｕ、Ｓｒ_３ＷＯ_６：Ｕ、ＣａＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２＋、ＳｒＳＯ_４：Ｅｕ^２＋，Ｍｎ^２＋、ＺｎＳ：Ｐ、ＺｎＳ：Ｐ^３−，Ｃｌ⁻、ＺｎＳ：Ｍｎ^２＋などが挙げられる。

波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると黄色の蛍光を発する無機蛍光体粉末としては、Ｙ_３（Ａｌ，Ｇｄ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^２＋、Ｂａ_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｕ、ＣａＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２＋、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋が挙げられる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると赤色の蛍光を発する無機蛍光体粉末としては、ＣａＳ：Ｙｂ^２＋，Ｃｌ、Ｇｄ_３Ｇａ_４Ｏ_１２：Ｃｒ^３＋、ＣａＧａ_２Ｓ_４：Ｍｎ^２＋、Ｎａ（Ｍｇ，Ｍｎ）_２ＬｉＳｉ_４Ｏ_１０Ｆ_２：Ｍｎ、ＺｎＳ：Ｓｎ^２＋、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｒ^３＋、ＳｒＢ_８Ｏ_１３：Ｓｍ^２＋、ＭｇＳｒ_３Ｓｉ_２Ｏ_８：Ｅｕ^２＋，Ｍｎ^２＋、α−ＳｒＯ・３Ｂ_２Ｏ_３：Ｓｍ^２＋、ＺｎＳ−ＣｄＳ、ＺｎＳｅ：Ｃｕ^＋，Ｃｌ、ＺｎＧａ_２Ｓ_４：Ｍｎ^２＋、ＺｎＯ：Ｂｉ^３＋、ＢａＳ：Ａｕ，Ｋ、ＺｎＳ：Ｐｂ^２＋、ＺｎＳ：Ｓｎ^２＋，Ｌｉ^＋、ＺｎＳ：Ｐｂ，Ｃｕ、ＣａＴｉＯ_３：Ｐｒ^３＋、ＣａＴｉＯ_３：Ｅｕ^３＋、Ｙ_２Ｏ_３：Ｅｕ^３＋、（Ｙ、Ｇｄ）_２Ｏ_３：Ｅｕ^３＋、ＣａＳ：Ｐｂ^２＋，Ｍｎ^２＋、ＹＰＯ_４：Ｅｕ^３＋、Ｃａ_２ＭｇＳｉ_２Ｏ_７：Ｅｕ^２＋，Ｍｎ^２＋、Ｙ（Ｐ、Ｖ）Ｏ_４：Ｅｕ^３＋、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ^３＋、ＳｒＡｌ_４Ｏ_７：Ｅｕ^３＋、ＣａＹＡｌＯ_４：Ｅｕ^３＋、ＬａＯ_２Ｓ：Ｅｕ^３＋、ＬｉＷ_２Ｏ_８：Ｅｕ^３＋，Ｓｍ^３＋、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２：Ｅｕ^２＋，Ｍｎ^２＋、Ｂａ_３ＭｇＳｉ_２Ｏ_８：Ｅｕ^２＋，Ｍｎ^２＋などが挙げられる。

波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると赤色の蛍光を発する無機蛍光体粉末としては、ＺｎＳ：Ｍｎ^２＋，Ｔｅ^２＋、Ｍｇ_２ＴｉＯ_４：Ｍｎ^４＋、Ｋ_２ＳｉＦ_６：Ｍｎ^４＋、ＳｒＳ：Ｅｕ^２＋、ＣａＳ：Ｅｕ^２＋、Ｎａ_１．２３Ｋ_０．４２Ｅｕ_０．１２ＴｉＳｉ_４Ｏ_１１、Ｎａ_１．２３Ｋ_０．４２Ｅｕ_０．１２ＴｉＳｉ_５Ｏ_１３：Ｅｕ^３＋、ＣｄＳ：Ｉｎ，Ｔｅ、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋、ＣａＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋、（Ｃａ，Ｓｒ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ^２＋、Ｅｕ_２Ｗ_２Ｏ_７などが挙げられる。

例えば、可視光線からなる励起光を入射すると当該励起光の色相に対して補色の蛍光を発する無機蛍光体粉末を用いると、透過した励起光と蛍光との混色により白色光が得られるため、容易に白色ＬＥＤを製造することができる。特に、可視光線からなる励起光が中心波長４３０〜４９０ｎｍを有する光線であり、蛍光が中心波長５３０〜５９０ｎｍを有する光線であると、白色光が得られやすいため好ましい。

なお、励起光や発光の波長域に合わせて、複数の無機蛍光体粉末を混合して用いてもよい。例えば、紫外域の励起光を照射して白色光を得る場合は、青色、緑色、黄色、赤色の蛍光を発する無機蛍光体粉末を混合して使用すればよい。

波長変換部材における無機蛍光体粉末の含有量は１〜３０質量％、特に２〜２０質量％であることが好ましい。無機蛍光体粉末の含有量が少なすぎると、全光束値が不十分となり、白色光が得られにくくなる。一方、無機蛍光体粉末の含有量が多すぎると、励起光が無機蛍光体粉末全体に十分に照射されず、全光束値が低下する傾向がある。また、気孔が発生しやすくなり、緻密な構造が得られにくい。

波長変換部材のガラスマトリクスとして用いられるガラスは、通常約１．５〜２．０の屈折率（ｎｄ）を有するのに対し、無機蛍光体粉末も１．５〜２．４程度といった幅広い屈折率を有する。ガラスと無機蛍光体粉末の組み合わせは、いろいろな可能性があるが、特にガラスと無機蛍光体粉末の屈折率差が小さい場合、両者の界面での散乱が少なくなる。その結果、励起光の直進成分が増加し、拡散特性が低下しやすくなる。したがって、本発明の波長変換部材は、ガラスと無機蛍光体粉末の屈折率差が小さい場合（例えば、０．０５未満）に特に効果が得られやすいと言える。

本発明の波長変換部材は、低温型石英、低温型クリストバル石、コランダム、ガーネット、正方晶ジルコニア、ガーナイト、コージエライト等の透光性を有するセラミック粉末を含有していてもよい。波長変換部材がこれらのセラミック粉末を含有することにより、励起光を散乱させる効果がより大きくなり、拡散特性に優れた波長変換部材が得られやすくなる。なお、励起光の散乱効果を高めるには、ガラス粉末とセラミック粉末の屈折率差が大きくなるよう組み合わせることが好ましい。具体的には、ガラスとセラミック粉末の屈折率差は０．０５以上、特に０．１以上であることが好ましい。

セラミック粉末の平均粒径Ｄ_５０は０．１〜３０μｍ、特に０．２〜５μｍであることが好ましい。セラミック粉末の平均粒径Ｄ_５０が小さすぎると、励起光を散乱させる効果が得られにくい。一方、セラミック粉末の平均粒径Ｄ_５０が大きすぎると、散乱損失が大きくなり全光束値が低下する傾向がある。

波長変換部材におけるセラミック粉末の含有量は０．１〜１０質量％、特に１〜８質量％であることが好ましい。セラミック粉末の含有量が少なすぎると、上記効果が得られにくくなる。一方、セラミック粉末の含有量が多すぎると、散乱損失が大きくなり全光束値が低下する傾向がある。

本発明の波長変換部材は、ＪＩＳ Ｋ７１０５に準拠して測定した平行光線（直線）透過率が１０％以下、特に７％以下であることが好ましく、ヘイズが８０％以上、特に８５％以上であることが好ましい。平行光線透過率が大きすぎる、またはヘイズが小さすぎると、励起光の直進成分が多くなりすぎて、光拡散特性に劣る傾向がある。また、所望の全光束値が得られにくくなる。

本発明の波長変換部材は、例えば無機蛍光体粉末と既述の方法で表面に異質層を形成したガラス粉末を含有する混合粉末を予備成型し、所定の温度で焼成することにより焼結体とし、その後必要に応じて、研削、研磨、リプレス等による加工を行うことにより作製することができる。

予備成型方法は特に制限されず、プレス成形法や、射出成形法、シート成形法、押し出し成形法等を採用することができる。

ガラス粉末と無機蛍光体粉末の混合粉末の焼成温度は、ガラス粉末の軟化点以上、特に軟化点＋５０℃以上であることが好ましい。焼成温度が低すぎると、気孔が残存して全光束値が低下しやすくなる。一方、上限は特に限定されないが、ガラス粉末の軟化点＋１００℃以下であることが好ましい。焼成温度が高すぎると、ガラス粉末と無機蛍光体粉末の反応が進行し、無機蛍光体粉末が一部消失して全光束値が低下する傾向がある。

本発明の波長変換部材は、励起光源であるＬＥＤチップ等の光源と組み合わせることにより発光デバイスとして使用することができる。本発明の波長変換部材は、光源上に直接接着してもよいし、光源を取り囲む函体上に接着して用いてもよい。また、板状体の波長変換部材の下側に光源を複数個設置した面発光デバイスとすることも可能である。

以下、実施例に基づき本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

表１および２は実施例（Ｎｏ．１〜４、６〜９）および比較例（Ｎｏ．５、１０）を示している。

まず、表に示すガラス組成となるようにガラス原料を秤量して混合し、この混合物を白金坩堝中において９００〜１４００℃で１時間溶融してガラス化した。溶融ガラスをフィルム状に成形し、得られたフィルム状ガラスをボールミルで粉砕した後、３２５メッシュの篩に通して分級し、平均粒径Ｄ_５０が３０μｍのガラス粉末を得た。

次に、ガラス粉末に対し、表１に示す無機蛍光体粉末およびセラミック粉末を混合し、金型を用いて加圧成形して直径１ｃｍのボタン状の予備成形体を作製した。この予備成形体を表１および２に示す焼成温度で焼成し、焼結体を得た。なお、試料Ｎｏ．１〜４および６〜９については、焼成後に表１および２に示す温度で２０分間熱処理を行い、ガラスマトリクス中に第一の相および第二の相からなる分相構造を発現させた。焼結体に対して研磨処理を施し、直径８ｍｍ、厚さ０．３ｍｍに加工し、波長変換部材を得た。得られた波長変換部材について、分相の有無、分相構造における各相の屈折率および第一の相の割合、平行光線透過率、ヘイズ、拡散特性、全光束値を測定または評価した。結果を表１および２に示す。

分相構造の有無は、波長変換部材部材を研磨処理し、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）を備えた走査型電子顕微鏡（日立ハイテクノロジーズ製 Ｓ−４３００ＳＥ）により確認した。表中には、分層構造が認められた場合を「○」、認められなかった場合を「×」で表記した。

分相構造における第一の相の割合は、無機蛍光体粉末を配合せず、ガラス粉末のみを用いて同じ条件で熱処理して分相させたのち、焼成および研磨処理を施し、上記走査型電子顕微鏡を用いて画像解析することにより求めた。画像解析装置には三谷商事株式会社のＷＩＮＲＯＯＦを使用した。以下に画像処理手順を示す。

走査型電子顕微鏡で映し出された分層構造の画像は、第一の相と第二の相の組成が異なることにより、一方は明るく、もう一方は暗く写る。その画像を画像解析装置を用いて２値化処理し、第一の相と第二の相を色別けした。各相の割合は以下のように算出した。

第一の相の割合（体積％）＝（第一の相の総面積／処理画像の総面積）×１００
第二の相の割合（体積％）＝１００−（第一の相の割合）

なお、上記方法により得られたガラス表面における第一の相の面積率は、ガラス全体における第一の相の体積率と等しいことが一般的に知られている（清宮義博（2006）「複合材料中の粒子の体積率と面積率の関係」 明星大学理工学部研究紀要 号:42 貢:21−24参照）。

各相の屈折率は、上記のＥＤＸを備えた走査型電子顕微鏡を用いた分析により得られた第一の相および第二の相の組成に基づきガラスを作製し、得られたガラスについて測定を行った。測定には屈折率計（カルニュー製 ＫＰＲ−２００）を用い、ヘリウムランプのｄ線（波長：５８７．６ｎｍ）における測定値で示した。

平行光線透過率およびヘイズはＪＩＳ Ｋ７１０５に準拠して測定した。

拡散特性は、青色ＬＥＤを波長変換部材に照射し、光軸に対して０°と６０°の角度から透過光を目視によりそれぞれ観察し、色度のずれが認められない場合を「○」、色度のずれが認められた場合を「×」として評価した。

波長変換部材の全光束値は次のようにして測定した。校正された積分球内で、２００ｍＡの電流で点灯した青色ＬＥＤによって波長変換部材を励起し、光ファイバーを通じてその発光を小型分光器（オーシャンオプティクス製 ＵＳＢ−４０００）に取り込み、制御ＰＣ上に発光スペクトル（エネルギー分布曲線）を得た。得られた発光スペクトルから全光束値を算出した。

表１および２から明らかなように、本発明の実施例である試料Ｎｏ．１〜４および６〜９の波長変換部材は、平行光線透過率が７．３％以下と小さく、ヘイズが８３．９％以上と大きいため、拡散特性が良好であった。さらに全光束値が１６ｌｍ以上と高かった。一方、比較例である試料Ｎｏ．５および１０の波長変換部材は、平行光線透過率が１８．２％以上と大きく、ヘイズが７６．３％以下と小さいため、拡散特性に劣っていた。さらに全光束値が１３ｌｍ以下と低くかった。

Claims (6)

1. ガラスマトリクス中に無機蛍光体粉末が分散してなる波長変換部材であって、ガラスマトリクスが分相構造を有することを特徴とする波長変換部材。
2. ガラスマトリクスが第一の相および第二の相からなる分層構造を有し、第一の相および第二の相の屈折率差が０．００１〜０．５であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換部材。
3. セラミック粉末を０．１〜１０質量％含有することを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換部材。
4. 無機蛍光体粉末が、酸化物、窒化物、酸窒化物、硫化物、酸硫化物、希土類硫化物、アルミン酸塩化物またはハロリン酸塩化物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の波長変換部材。
5. ＪＩＳ Ｋ７１０５に準拠して測定した平行光線透過率が１０％以下、ヘイズが８０％以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の波長変換部材。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の波長変換部材、および、波長変換部材に励起光を照射する光源を備えてなることを特徴とする発光デバイス。