JP2013214629A - 波長変換部材及び発光デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】優れた耐久性を有する波長変換部材を提供する。
【解決手段】波長変換部材1は、波長変換層20と、反射板10と、低熱膨張材30とを備える。波長変換層20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。反射板10は、波長変換層20の一主面の上に設けられている。反射板10には、波長変換層20に臨む貫通孔10aが設けられている。低熱膨張材30は、反射板10の波長変換層20とは反対側に設けられている。低熱膨張材30は、貫通孔10aが設けられた領域において波長変換層20と接合されている。
【選択図】図1
【解決手段】波長変換部材1は、波長変換層20と、反射板10と、低熱膨張材30とを備える。波長変換層20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。反射板10は、波長変換層20の一主面の上に設けられている。反射板10には、波長変換層20に臨む貫通孔10aが設けられている。低熱膨張材30は、反射板10の波長変換層20とは反対側に設けられている。低熱膨張材30は、貫通孔10aが設けられた領域において波長変換層20と接合されている。
【選択図】図1
Description
本発明は、波長変換部材及び発光デバイスに関する。
従来、例えば特許文献1などにおいて、ガラスマトリクス中に無機蛍光体を分散させた波長変換層が提案されている。この波長変換層では、媒質及び蛍光体の両方が無機材料からなる。従って、この波長変換層は、耐熱性や耐候性に優れているという利点を有する。
ところで、例えばプロジェクタの光源などとして使用するような場合には、励起光源側に蛍光を出射させたい場合がある。このような場合には、波長変換層の裏面側に反射板を固定することが考えられる。
波長変換層と反射板とを固定する方法としては、例えば、樹脂接着剤を用いて波長変換層と反射板とを固定する方法が考えられる。しかしながら、この場合、励起光によって樹脂接着層が劣化し、接着強度が低くなり、波長変換層が反射板から脱落する虞がある。また、樹脂接着層が着色し、励起光に対する樹脂接着層の透過率が低くなり、波長変換層の発光効率が低くなる虞がある。従って、波長変換層と反射板とが樹脂接着層により接着された波長変換部材は、耐久性が低いという問題がある。
本発明は、優れた耐久性を有する波長変換部材を提供することを主な目的とする。
本発明に係る波長変換部材は、波長変換層と、反射板と、低熱膨張材とを備える。波長変換層は、ガラスマトリクス中に無機蛍光体粉末が分散してなる。反射板は、波長変換層の一主面の上に設けられている。反射板には、波長変換層に臨む貫通孔が設けられている。低熱膨張材は、反射板の波長変換層とは反対側に設けられている。低熱膨張材は、貫通孔が設けられた領域において波長変換層と接合されている。
反射板は金属からなっていてもよい。
反射板が波長変換層に直接接合されていないことが好ましい。
反射板が低熱膨張材に直接接合されていないことが好ましい。
波長変換層と低熱膨張材とが拡散接合されていることが好ましい。
本発明に係る発光デバイスは、本発明に係る波長変換部材と、光源とを備える。光源は、波長変換部材に無機蛍光体の励起波長の光を照射する。
本発明によれば、優れた耐久性を有する波長変換部材を提供することができる。
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
図1は、本実施形態に係る波長変換部材1の略図的断面図である。図2は、本実施形態に係る波長変換部材1の略図的平面図である。
図1及び図2に示されるように、波長変換部材1は、波長変換層20を備える。
波長変換層20は、ガラスマトリクスと、ガラスマトリクス中に分散した無機蛍光体とを含む。具体的には、波長変換層20は、ガラス粉末と無機蛍光体の粉末とを含む混合粉末の焼結体からなる。波長変換層20を構成しているガラスマトリクスと無機蛍光体との両方が無機材料である。従って、波長変換層20は、優れた耐熱性を有する。
無機蛍光体は、例えば、酸化物蛍光体、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体、塩化物蛍光体、酸塩化物蛍光体、硫化物蛍光体、酸硫化物蛍光体、ハロゲン化物蛍光体、カルコゲン化物蛍光体、アルミン酸塩蛍光体、ハロリン酸塩化物蛍光体、ガーネット系化合物蛍光体から選ばれた1種以上からなるものとすることができる。
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の具体例としては、例えば、Sr5(PO4)3Cl:Eu2+、(Sr,Ba)MgAl10O17:Eu2+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(波長が500nm〜540nmの蛍光)を発する無機蛍光体の具体例としては、例えば、SrAl2O4:Eu2+、SrGa2S4:Eu2+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(波長が500nm〜540nmの蛍光)を発する無機蛍光体の具体例としては、例えば、SrAl2O4:Eu2+、SrGa2S4:Eu2+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(波長が540nm〜595nmの蛍光)を発する無蛍光体の具体例としては、例えば、ZnS:Eu2+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(波長が540nm〜595nmの蛍光)を発する無機蛍光体の具体例としては、例えば、Y3(Al,Gd)5O12:Ce2+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赤色の蛍光(波長が600nm〜700nmの蛍光)を発する無機蛍光体の具体例としては、例えば、Gd3Ga4O12:Cr3+、CaGa2S4:Mn2+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(波長が600nm〜700nmの蛍光)を発する無機蛍光体の具体例としては、例えば、Mg2TiO4:Mn4+、K2SiF6:Mn4+などが挙げられる。
無機蛍光体の平均粒子径(D50)は、特に限定されない。無機蛍光体の平均粒子径(D50)は、例えば、1μm〜50μm程度であることが好ましく、5μm〜25μm程度であることがより好ましい。無機蛍光体の平均粒子径(D50)が大きすぎると、発光色が不均一になる場合がある。一方、無機蛍光体の平均粒子径(D50)が小さすぎると、発光強度が低下する場合がある。
波長変換層20における無機蛍光体の含有量は、特に限定されない。波長変換層20における無機蛍光体の含有量は、得ようとする蛍光の強度等に応じて適宜設定することができる。波長変換層20における無機蛍光体の含有量は、例えば、10体積%〜80体積%であることが好ましく、20体積%〜75体積%であることがより好ましく、30体積%〜70体積%であることがさらに好ましい。波長変換層20における無機蛍光体の含有量が少なすぎると、得られる蛍光の光強度が低くなってしまう場合がある。波長変換層20における無機蛍光体の含有量が多すぎると、波長変換層20の機械的強度が低くなる場合がある。また、波長変換層20において励起光や蛍光が散乱しやすくなりすぎるため、蛍光の出射効率が低くなる場合がある。
波長変換層20のガラスマトリクスは、無機蛍光体の分散媒として好適なものである限りにおいて特に限定されない。波長変換層20のガラスマトリクスは、例えば、硼珪酸塩系ガラス、SnO−P2O5系ガラスなどのリン酸塩系ガラスなどにより構成されていてもよい。
波長変換層20のガラスマトリクスの軟化点は、250℃〜1000℃であることが好ましく、300℃〜850℃であることがより好ましい。
波長変換層20のガラスマトリクスの屈折率(nd)は、1.45〜2.00であることが好ましく、1.5〜1.85であることがより好ましい。
波長変換層20の厚みは、励起光が確実に無機蛍光体に吸収されるような厚みである範囲において、薄い方が好ましい。波長変換層20が厚すぎると、波長変換層20における光の散乱や吸収が大きくなりすぎ、蛍光の出射効率が低くなってしまう場合があるためである。具体的には、波長変換層20の厚みは、1mm以下であることが好ましく、0.5mm以下であることがより好ましく、0.3mm以下であることがさらに好ましい。波長変換層20の厚みの下限値は、通常、0.03mm程度である。
波長変換層20の熱膨張係数は、例えば、30×10−7/K〜120×10−7/K程度であることが好ましく、70×10−7/K〜100×10−7/K程度であることがより好ましい。
波長変換層20の一主面の上には、反射板10が設けられている。反射板10には、波長変換層20に臨む少なくともひとつの貫通孔10aが設けられている。具体的には、図2に示されるように、貫通孔10aは、矩形状の反射板10において、波長変換層20の4つの角部のそれぞれに対応する位置に設けられている。
反射板10は、光を反射させる機能に加えて、波長変換層20を放熱させる機能を兼ね備えていることが好ましい。従って、反射板10は、例えば、金属、なかでも熱伝導率の高い金属からなることが好ましい。具体的には、反射板10は、例えば、Al、Au、Ni及びAgからなる群から選ばれた少なくとも一種の金属からなることが好ましい。
反射板10は、一般的に、波長変換層20よりも大きな熱膨張係数を有する。
反射板10の厚みは、特に限定されないが、例えば、0.1mm〜1.0mm程度であることが好ましく、0.2mm〜0.5mm程度であることがより好ましい。
金属板10の表面には、保護膜として酸化物層等が形成されていても構わない。
反射板10の波長変換層20とは反対側には、低熱膨張材30が配されている。低熱膨張材30は、反射板10よりも低い熱膨張係数を有することが好ましい。例えば、低熱膨張材30の熱膨張係数が、反射板10の熱膨張係数よりも60×10−7/K以上低いことが好ましく、100×10−7/K以上低いことがより好ましい。具体的には、低熱膨張材30の熱膨張係数は、30×10−7/K〜120×10−7/Kの範囲にあることが好ましく、70×10−7/K〜100×10−7/Kの範囲にあることがより好ましい。なお、低熱膨張材30の熱膨張係数は、波長変換層20の熱膨張係数と近似していることが好ましい。具体的には、低熱膨張材30の熱膨張係数は、波長変換層20の熱膨張係数の±20%の範囲にあることが好ましく、±5%の範囲にあることがより好ましい。
なお、本実施形態では、低熱膨張材30が板状である例について説明するが、本発明において、低熱膨張材は板状でなくてもよい。低熱膨張材は、例えば、ブロック状であってもよい。
低熱膨張材30は、例えば、金属や、ガラス、セラミックスなどにより構成することができる。なお、本発明において、「ガラス」には、結晶化ガラスが含まれるものとする。
低熱膨張材30は、貫通孔10aが設けられた領域において波長変換層20と直接接合されている。具体的には、低熱膨張材30には、貫通孔10aに挿入された突起部30aが設けられている。突起部30aの頂面が波長変換層20と直接接合されている。
低熱膨張材30と波長変換層20との接合方法は、特に限定されない。低熱膨張材30と波長変換層20との好ましい接合方法の具体例としては、例えば、陽極接合などの拡散接合などが挙げられる。
なお、反射板10の厚みが十分に小さい場合は、突起部30aが必要ない場合もある。
図3は、波長変換部材1を用いた発光デバイス2の略図的断面図である。
発光デバイス2は、波長変換部材1と、光源50とを備えている。光源50は、無機蛍光体の励起波長を含む光L1を出射する。光L1は、ビームスプリッタ40によって波長変換部材1に導かれる。光L1は、波長変換層20に入射する。これにより波長変換層20に含まれる無機蛍光体から蛍光が出射する。また、波長変換層20を透過した光L1は、反射板10によって波長変換層20側に反射され、波長変換層20に再入射する。この再入射光も無機蛍光体によって蛍光に変換される。
波長変換層20において生じた蛍光L2は、ビームスプリッタ40を透過して発光デバイス2から出射する。
発光デバイス2は、種々の光学装置に好適に適用される。なかでも、発光デバイス2は、高強度の光源を要するプロジェクタにより好適に用いられ、さらには、光源としてLD(Laser Diode)またはLED(Light Emitting Diode)を用いたプロジェクタにさらに好適に用いられる。光源の出力が高い場合は、光源からの光によって樹脂接着層が劣化しやすいため、樹脂接着剤が用いられておらず、光劣化し難い波長変換部材1を用いることが特に好適であるためである。
ところで、プロジェクタ等に用いられる発光デバイスにおいては、光源の出力が高い。このため、光源からの光照射と共に波長変換部材の温度が上昇しやすい。
ここで、低熱膨張材が設けられておらず、波長変換層と反射板とにより構成された波長変換部材を用いた場合は、波長変換層と反射板との熱膨張率が大きく異なると、波長変換層と反射板との熱膨張量の差に起因して波長変換層と反射板とが剥離してしまう場合がある。波長変換層と反射板との剥離を抑制するためには、例えば波長変換層の熱膨張係数と近い、低い熱膨張係数を有する反射板を用いる必要がある。しかしながら、低い熱膨張係数を有する反射板は、一般的に光反射率が低い。従って、優れた耐久性と優れた出力特性とを両立することは困難である。
それに対して波長変換部材1では、波長変換層20と低熱膨張材30とが、反射板10に形成された貫通孔10aを通じて接合されることにより、波長変換層20と低熱膨張材30との間に配された反射板10が、波長変換層20及び低熱膨張材30と直接接合することなく固定されている。このため、反射板10と波長変換層20とに熱膨張差が生じた場合であっても、反射板10と波長変換層20との間に応力が加わり難い。よって、反射板を波長変換層に直接接合した場合とは異なり、反射板の熱膨張による剥離を考慮することなく、光反射率の高い反射板10を採用することができる。その場合であっても、温度変化によって波長変換部材1が劣化し難い。従って、優れた耐久性と優れた出力特性との両立を図ることができる。
より優れた耐久性を実現する観点からは、反射板10が波長変換層20に直接接合されていないことが好ましい。また、反射板10が低熱膨張材30に直接接合されていないことが好ましい。
なお、貫通孔10aの大きさは、低熱膨張材30と波長変換層20とが十分に強固に接合可能な程度な範囲であれば特に限定されない。貫通孔10aが円形である場合は、貫通孔10aの直径を、1mm〜5mm程度とすることができる。貫通孔10aが矩形である場合は、貫通孔10aの一辺の長さを、1mm〜5mm程度とすることができる。
波長変換層20の少なくとも一方の主面の上に、反射抑制膜等の機能膜等が設けられていてもよい。
1…波長変換部材
2…発光デバイス
10…反射板
10a…貫通孔
20…波長変換層
30…低熱膨張材
30a…突起部
40…ビームスプリッタ
50…光源
2…発光デバイス
10…反射板
10a…貫通孔
20…波長変換層
30…低熱膨張材
30a…突起部
40…ビームスプリッタ
50…光源
Claims (6)
- 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層と、
前記波長変換層の一主面の上に設けられており、前記波長変換層に臨む貫通孔が設けられた反射板と、
前記反射板の前記波長変換層とは反対側に設けられており、前記貫通孔が設けられた領域において前記波長変換層と接合されている低熱膨張材と、
を備える波長変換部材。 - 前記反射板が金属からなる、請求項1に記載の波長変換部材。
- 前記反射板が前記波長変換層に直接接合されていない、請求項1または2に記載の波長変換部材。
- 前記反射板が前記低熱膨張材に直接接合されていない、請求項1〜3のいずれか一項に記載の波長変換部材。
- 前記波長変換層と前記低熱膨張材とが拡散接合されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の波長変換部材。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の波長変換部材と、
前記波長変換部材に前記無機蛍光体の励起波長の光を照射する光源と、
を備える、発光デバイス。
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---|---|---|---|
JP2012084430A JP2013214629A (ja) | 2012-04-03 | 2012-04-03 | 波長変換部材及び発光デバイス |
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2012
- 2012-04-03 JP JP2012084430A patent/JP2013214629A/ja active Pending
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