JP2013213131A5 - 波長変換用無機成形体及び発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、粒状の無機蛍光体を含有する無機材料からなる波長変換用無機成形体及び波長変換用無機成形体を用いた発光装置に関する。

本発明はかかる問題に鑑み、厚さ、形状及び用いる無機蛍光体の制約が少ない反射型の波長変換用無機成形体及びこの波長変換用無機成形体を用いた発光装置を提供することを課題とする。

本発明は前記した課題を解決するために創案されたものであり、第１の発明に係る波長変換用無機成形体は、基体と、無機材料からなる波長変換部材の粒子を含有する無機粒子層と、を有し、前記無機粒子層は、凝集体と、被覆層と、空隙と、を有して構成した。

かかる構成によれば、無機粒子層に入射した第１の波長の光は、波長変換部材により吸収され、第１の波長とは異なる第２の波長の光に波長変換されて発光する。このとき、無機粒子層への入射光は、無機粒子層内に存在する空隙によって散乱され、無機粒子層内の波長変換部材に効率的に照射される。これによって、入射光は波長変換部材の粒子に効率的に吸収され、第２の波長の光に波長変換される。また、第１の波長の光及び第２の波長の光は、波長変換用無機成形体によって反射され出力される。このとき、波長変換用無機成形体は、基体と無機粒子層との界面で、第１の波長の光及び第２の波長の光を反射する。ここで、基体と無機粒子層との界面で光を反射するとは、基体によって、又は基体と無機粒子層との間に反射層や誘電体層などを有する場合は、反射層や誘電体層などによって、光を反射することをいう。

なお、波長変換部材は、第１の波長の光を吸収し、第１の波長とは異なる第２の波長の光を発光するものであり、例えば、窒化物蛍光体やフッ化物蛍光体などの無機蛍光体である。また、無機粒子層において、波長変換部材の粒子は、当該粒子同士又は基体と接触することで連続的に繋がった凝集体となる。そして、基体の表面及び波長変換部材の粒子の表面は、無機材料からなる被覆層によって連続的に被覆される。すなわち、波長変換を行う層である無機粒子層の厚さや形状は、波長変換部材の粒子の凝集体の厚さや形状によって定められる。また、無機粒子層の内部には、被覆層で被覆された粒子、又は、被覆層で被覆された粒子及び被覆層で被覆された基体によって取り囲まれた空隙が形成される。

第２の発明に係る波長変換用無機成形体は、前記無機粒子層における前記空隙は、空隙率が１〜５０％であることが好ましい。
かかる構成によれば、波長変換用無機形成体は、この範囲の空隙率の空隙によって、高い含有率で波長変換部材を含有すると共に、入射光を良好に散乱して無機粒子層内の波長変換部材を照射し、効率的に入射光を波長変換する。また、この範囲の空隙率の空隙によって、波長変換無機成形体は、基体の線膨張率と無機粒子層の線膨張率との間に差がある場合でも、発熱時の熱膨張による歪を吸収してクラックの発生を防止する。

第３の発明に係る波長変換用無機形成体は、前記波長変換部材の粒子の平均粒径が、０．１〜１００μｍであり、前記被覆層の平均厚さが１０ｎｍ〜５０μｍとすることができる。
この範囲の平均粒径の波長変換部材を用いることで、厚さの薄い波長変換用無機成形体とすることができる。また、被覆層の平均厚さをこの範囲とすることで、波長変換部材の粒子を良好に被覆することができる。

第４の発明に係る波長変換用無機成形体は、前記無機粒子層の表面が、前記波長変換部材の粒子の粒径に起因する凹凸形状が形成されていることが好ましい。
かかる構成によれば、波長変換用無機成形体は、無機粒子層内を伝搬する光の界面での全反射を低減し、凹凸形状が形成された表面から効率的に外部に取り出すことができる。

第５の発明に係る波長変換用無機成形体は、前記被覆層が、原子層堆積法により形成されたことが好ましい。
かかる構成によれば、波長変換用無機成形体は、原子層堆積法によって形成された均一で緻密な被覆層により、無機粒子層に含有される粒子が被覆されると共に、粒子間の隙間に空隙が良好に形成される。

第６の発明に係る波長変換用無機成形体は、前記被覆層が、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、ＴｉＮ、及びＡｌＮから構成される群から選択される少なくとも一種の化合物を含有することが好ましい。
かかる構成によれば、波長変換用無機成形体は、好適な材料からなる被覆層で、波長変換部材の粒子を良好に被覆する。

第７の発明に係る波長変換用無機成形体は、前記波長変換部材が、硫化物系蛍光体、ハロゲンケイ酸塩系蛍光体、窒化物蛍光体、及び酸窒化物蛍光体から構成される群から選択される少なくとも一種の化合物を含有することができる。
かかる構成によれば、波長変換用無機成形体は、熱により失活しやすいこれらの無機蛍光体を用いて、波長変換を行うことができる。

第８の発明に係る波長変換用無機成形体は、前記波長変換部材が、フッ化物蛍光体を、少なくとも含有することができる。
かかる構成によれば、波長変換用無機成形体は、水分により劣化しやすいフッ化物蛍光体を用いて、波長変換を行うことができる。

第９の発明に係る波長変換用無機成形体は、前記波長変換部材の粒子が、当該粒子同士及び前記基体と無機結着材により結着していることが好ましい。
かかる構成によれば、波長変換用無機成形体の無機粒子層は、無機結着材により波長変換部材の粒子の凝集体が散逸することなく形成される。

第１０の発明に係る波長変換用無機成形体は、前記基体が、金属、セラミックス又は金属とセラミックスとの複合体からなることが好ましい。
かかる構成によれば、波長変換用無機成形体は、基体を無機材料である金属、セラミックス又は金属とセラミックスとの複合体で構成するため、使用時に基体が高輝度の光に照射され、また高温に晒されても、樹脂などの有機物と異なり、基体の変色などの劣化が防止される。

第１１の発明に係る波長変換用無機成形体は、前記基体の熱伝導度が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。
かかる構成によれば、波長変換用無機成形体は、無機粒子層で波長変換の際に生じる熱を、熱伝導度の高い基体を介して放熱する。

第１２の発明に係る波長変換用無機成形体は、前記基体と前記無機粒子層との間に反射層を有し、前記反射層は、前記第１の波長の光及び前記第２の波長の光に対する反射率が、前記基体の反射率よりも高いことが好ましい。
かかる構成によれば、波長変換用無機成形体は、第１の波長の入射光及び無機粒子層で第２の波長に波長変換した光を、高い反射率の反射層によって反射する。

第１３の発明に係る発光装置は、光源と、波長変換用無機成形体とを備えて構成される。
かかる構成によれば、発光装置は、波長変換用無機成形体によって光源が発光する第１の波長の光を吸収して、第１の波長とは異なる第２の波長の光を発光する。そして、発光装置は、この第２の波長の光を含む、波長変換用無機成形体による反射光を出力光として出力する。これによって、発光装置は、光源の光の波長を波長変換した出力光を出力する。

第１の発明によれば、波長変換を行う層である無機粒子層の厚さや形状は、波長変換部材の粒子の凝集体を被覆層で被覆して、内部に空隙を設けた状態で厚さや形状を定められるため、厚さや形状を自由に定めることができる。また、このように構成することで、無機粒子層は、無機粒子層における波長変換部材の含有率を高くすることができると共に、内部に設けられた空隙の光散乱効果により、高い波長変換効率を得ることができるため、一定の波長変換率を得るための無機粒子層の厚さを薄くすることができる。また、無機粒子層は、樹脂などの有機材料を用いることなく、無機材料で構成されるため、高輝度の光の照射や高温に晒される場合でも、経時劣化の少ない反射型の波長変換用無機成形体とすることができる。

第２の発明によれば、適度な空隙率の空隙を設けることで、良好な波長変換効率が得られるため、無機粒子層の厚さを薄くすることができる。また、クラックの発生を防止することができるため、製造時の歩留まりと、使用時の信頼性とを向上することができる。
第３の発明によれば、適度な平均粒径の波長変換部材と、適度な厚さの被覆層で構成することにより、無機粒子層の厚さを薄くすることができる。
第４の発明によれば、無機粒子層の表面の凹凸形状により、外部への光取り出し効率を向上することができる。

第５の発明によれば、原子層堆積法による緻密で均一な被覆層によって波長変換部材が被覆されるため、水分などの雰囲気により劣化しやすい蛍光体を用いても、信頼性の高い波長変換用無機成形体とすることができる。また、原子層堆積法により、比較的低温で被覆層が形成されるため、熱により劣化しやすい蛍光体を用いた波長変換用無機成形体を形成することができる。更に、無機粒子層の粒子間の隙間に良好に空隙が形成されるため、波長変換効率を向上することができる。

第６の発明によれば、好適な材料を用いた被覆層により波長変換部材が雰囲気から保護されるため、信頼性が向上する。
第７の発明又は第８の発明によれば、波長変換部材として、熱や雰囲気により失活しやすい蛍光体を用いることができるため、様々な色、例えば、赤色に波長変換する波長変換用無機成形体を構成することができる。

第９の発明によれば、無機結着材により波長変換部材の粒子の凝集体が散逸することなく成形体が形成されるため、無機粒子層の形状が安定する。
第１０の発明によれば、無機材料である金属、セラミックス又は金属とセラミックスとの複合体からなる基体は、高輝度の光や高温に晒されても劣化しにくいため、波長変換用無機成形体の信頼性を向上することができる。
第１１の発明によれば、高熱伝導率の基体を介して無機粒子層で生じる熱を効率的に放熱することができるため、波長変換用無機成形体の信頼性を向上することができる。

第１２の発明によれば、基体より高い反射率を有する反射層で第１の波長の光及び第２の波長の光を反射するため、出力を向上することができる。

第１３の発明によれば、発光装置は、無機材料からなる波長変換用無機成形体を用いて波長変換を行うため、信頼性の高い高輝度の発光装置とすることができる。

＜第１実施形態＞
［無機成形体の構成］
本発明の第１実施形態に係る無機成形体の構造を、図１を参照して説明する。
図１（ａ）に示すように、第１実施形態に係る無機成形体１は、基板２の上面及び側面に、蛍光体層（無機粒子層）３が設けられている。また、蛍光体層３は、粒状の無機蛍光体（波長変換部材）３１と、無機蛍光体３１を被覆する被覆層３２とから形成されている。更に詳細には、図１（ｂ）に示すように、蛍光体層３の内部には、空隙３３が形成されている。

（無機蛍光体（波長変換部材））
無機蛍光体３１は、蛍光体層３に入射した光を吸収し、入射光の色とは異なる色の光を発光する無機材料からなる蛍光体である。
無機蛍光体３１として使用される蛍光体材料は、励起光である入射光を吸収して、異なる色（波長）の光に色変換（波長変換）するものであればよい。特に、無機蛍光体３１が、紫外光ないし青色光を吸収して、青色光ないし赤色光を放出する材料であることが好ましい。

（色変換用成形部材（波長変換用無機成形体））
色変換用成形部材１２は、光源１１からの入射光Ｌ１を、入射光Ｌ１とは異なる色の光に色変換した反射光Ｌ２を出射する反射型の色変換用無機成形体である。本実施形態では、図１に示した第１実施形態に係る無機成形体１を用いるものである。
なお、色変換用成形部材１２に設けられる蛍光体層３は、光源１１からの入射光Ｌ１が照射される領域に設けられていればよく、図１（ａ）に示した無機成形体１において、基板２の上面のみに蛍光体層３を設けたものであってもよい。

（色変換用成形部材（波長変換用無機成形体））
色変換用成形部材１２Ａ_Ｒ及び色変換用成形部材１２Ａ_Ｇは、光源１１からの入射光Ｌ１を、入射光Ｌ１とは異なる色の反射光Ｌ２として出射する、反射型の色変換用成形部材である。本実施形態では、色変換用成形部材１２Ａ_Ｒ及び色変換用成形部材１２Ａ_Ｇには、第１実施形態に係る無機成形体１が適用される。また、色変換用成形部材１２Ａ_Ｒ及び色変換用成形部材１２Ａ_Ｇは、青色光を、それぞれ赤色光及び緑色光に色変換する無機蛍光体３１を含有する蛍光体層３を有している。
また、色変換用成形部材１２Ａ_Ｒ及び色変換用成形部材１２Ａ_Ｇに、第２実施形態に係る無機成形体１Ｂ又は第３実施形態に係る無機成形体１Ｃを適用することもできる。

１、１Ａ_１、１Ａ_２、１Ａ_３、１Ｂ、１Ｃ 無機成形体（波長変換用無機成形体）
２ 基板（基体）
３ 蛍光体層（無機粒子層）
３１ 無機蛍光体（波長変換部材）
３２ 被覆層
３３ 空隙
３４ 粒子層（凝集体）
４ 反射層
５ 透光性層
６ 導電体層
７ 誘電体層
１０、１０Ａ 発光装置
１１ 光源
１２、１２Ａ_Ｒ、１２Ａ_Ｇ 色変換用成形部材（波長変換用無機成形体）
１３ カラーホイール
１３ａ 回転軸
１４_Ｂ 反射部材
２０ マスキング部材

Claims (13)

1. 基体と、
   前記基体上に設けられた、第１の波長の光を吸収し、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を発光する無機材料からなる波長変換部材の粒子を含有する無機粒子層と、を有し、
   前記無機粒子層は、
   前記粒子が、当該粒子同士又は前記基体と接触することで連続的に繋がった凝集体と、
   前記基体の表面及び前記粒子の表面を連続的に被覆する無機材料からなる被覆層と、
   前記被覆層で被覆された前記粒子、又は、前記被覆層で被覆された前記粒子及び前記被覆層で被覆された前記基体によって取り囲まれた空隙と、を有し、
   前記基体と前記無機粒子層との界面で、前記第１の波長の光及び前記第２の波長の光を反射することを特徴とする波長変換用無機成形体。
2. 前記無機粒子層における前記空隙は、空隙率が１〜５０％であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換用無機成形体。
3. 前記波長変換部材の粒子の平均粒径は、０．１〜１００μｍであり、
   前記被覆層の平均厚さが１０ｎｍ〜５０μｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の波長変換用無機成形体。
4. 前記無機粒子層の表面は、前記波長変換部材の粒子の粒径に起因する凹凸形状が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の波長変換用無機成形体。
5. 前記被覆層は、原子層堆積法により形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の波長変換用無機成形体。
6. 前記被覆層は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、ＴｉＮ、及びＡｌＮから構成される群から選択される少なくとも一種の化合物を含有することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の波長変換用無機成形体。
7. 前記波長変換部材は、硫化物系蛍光体、ハロゲンケイ酸塩系蛍光体、窒化物蛍光体、及び酸窒化物蛍光体から構成される群から選択される少なくとも一種の化合物を含有することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の波長変換用無機成形体。
8. 前記波長変換部材は、フッ化物蛍光体を、少なくとも含有することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の波長変換用無機成形体。
9. 前記波長変換部材の粒子は、当該粒子同士及び前記基体と無機結着材により結着していることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の波長変換用無機成形体。
10. 前記基体は、金属、セラミックス又は金属とセラミックスとの複合体からなることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載の波長変換用無機成形体。
11. 前記基体の熱伝導度が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか一項に記載の波長変換用無機成形体。
12. 前記基体と前記無機粒子層との間に反射層を有し、前記反射層は、前記第１の波長の光及び前記第２の波長の光に対する反射率が、前記基体の反射率よりも高いことを特徴とする請求項１乃至請求項１１の何れか一項に記載の波長変換用無機成形体。
13. 光源と、
    前記光源が発光する第１の波長の光を吸収して、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を発光する請求項１乃至請求項１２の何れか一項に記載の波長変換用無機成形体とを備え、
    前記第２の波長の光を含む光を出力することを特徴とする発光装置。