JP2015060789A5

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Publication number: JP2015060789A5
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Filing date: 2013-09-20
Publication date: 2015-10-15
Anticipated expiration: 2033-09-20

Description

本発明の蛍光光源装置は、励起光によって励起される蛍光体による波長変換部材を備えてなる蛍光光源装置であって、
前記波長変換部材は、蛍光体が含有されてなる蛍光部材と、当該蛍光部材上に形成されたフォトニック構造部とからなり、当該フォトニック構造部の表面が当該波長変換部材における蛍光出射面とされており、
前記フォトニック構造部は、金属酸化物よりなる複数の柱状単位よりなり、当該複数の柱状単位の各々が前記蛍光部材から遠ざかる方向に伸びて形成された無機化合物層により構成されてなることを特徴とする。

本発明の蛍光光源装置においては、前記フォトニック構造部は、前記無機化合物層の表面に、複数の凸部が二次元周期的に配列されてなる周期構造が形成されていることが好ましい。
また、本発明の蛍光光源装置においては、前記無機化合物層を構成する柱状単位における横幅に対する縦幅の比が１．３以上であることが好ましい。

本発明の蛍光光源装置の製造方法は、励起光によって励起される蛍光体による波長変換部材を備えてなる蛍光光源装置を製造するための蛍光光源装置の製造方法であって、
蛍光体が含有されてなる蛍光部材上に、金属酸化物よりなる複数の柱状単位よりなり、当該複数の柱状単位の各々が当該蛍光部材から遠ざかる方向に伸びる無機化合物層を形成し、この無機化合物層の表面をエッチング処理する工程を経ることにより、当該蛍光部材と、表面がエッチング処理された当該無機化合物層により構成されてなるフォトニック構造部とからなる波長変換部材を得ることを特徴とする。

以下、本発明の蛍光光源装置の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の蛍光光源装置の一例における構成の概略を示す説明図であり、図２は、図１の蛍光光源装置における蛍光発光部材の構成を示す説明用断面図である。また、図３は、図２の蛍光発光部材における波長変換部材を拡大して示す説明用拡大図であり、図４は、図３の波長変換部材のフォトニック構造部の表面構造を示す説明用部分断面図である。
この蛍光光源装置１０は、図１に示すように、レーザダイオード１１と、このレーザダイオード１１に対向して配置された、当該レーザダイオード１１から出射されるレーザ光である励起光Ｌによって励起されて蛍光Ｌ１を出射する波長変換部材２１を有する蛍光発光部材２０とを備えている。
レーザダイオード１１と蛍光発光部材２０との間における当該レーザダイオード１１に接近した位置には、レーザダイオード１１から入射された励起光Ｌを平行光線として出射するコリメータレンズ１５が配置されている。また、コリメータレンズ１５と蛍光発光部材２０との間には、レーザダイオード１１からの励起光Ｌを透過すると共に蛍光発光部材２０における波長変換部材２１からの蛍光Ｌ１を反射するダイクロイックミラー１６が、コリメータレンズ１５の光軸に対して例えば４５°の角度で傾斜した姿勢で配置されている。
ここに、図１においては、１つのレーザダイオード１１の光を用いているが、レーザダイオード１１が複数あり、蛍光発光部材２０における波長変換部材２１の前に集光レンズを配置させ、集光光を当該波長変換部材２１に照射する形態であってもよい。また、励起光Ｌはレーザダイオード１１による光に限るものではなく、波長変換部材２１における蛍光体を励起することができるものであれば、ＬＥＤによる光を集光したものでもよく、更には、水銀、キセノン等が封入されたランプからの光であってもよい。尚、ランプやＬＥＤのように放射波長に幅を持つ光源を利用した場合には、励起光の波長は主たる放射波長の領域である。ただし、本発明においては、これに限定されるものではない。

また、フォトニック構造部２３においては、周期構造２４を構成する複数の凸部２５の各々が柱状単位により構成されていることが好ましい。すなわち、凸部２５は、１つの柱状単位よりなるものであることが好ましい。
凸部２５を柱状単位により構成することにより、後述の蛍光光源装置の製造方法（波長変換部材形成工程）によって当該凸部２５を確実に所期の形状を有するものとすることができる。

スパッタ法によってフォトニック構造部形成層２３Ａを形成するためには、スパッタ条件を制御することが必要とされる。
具体的には、蛍光部材２２とターゲット物質との間に印加される高周波電圧を低くすると共に、不活性ガスの流量を小さくすることが好ましい。
印加する高周波電圧を小さくすることによれば、スパッタ膜の形成時における蛍光部材２２の温度を低くすることができる。そのため、蛍光部材２２上に形成されるスパッタ膜における再結晶化を抑制し、よって得られるスパッタ膜を、所期の柱状構造を有するものとすることができる。
不活性ガスの流量を比較的小さくすることによれば、蛍光部材２２上に形成されるスパッタ膜を緻密なもの、具体的には柱状単位アスペクト比が大きくて、柱状単位間に微細空間が形成された多孔性のものとすることができると共に、高屈折率のものとすることができる。
また、スパッタ膜を高屈折率のものとするためには、不活性ガスと共に酸素ガスを導入することが好ましい。
具体的に、スパッタ装置を用い、フォトニック構造部形成層２３Ａとしてジルコニアのスパッタ膜を形成する場合においては、蛍光部材２２とターゲット物質（ジルコニア）との間に印加される高周波電力は、４５０Ｗ以下であることが好ましく、更に好ましくは２５０Ｗ以下である。
また、例えばアルゴンガスなどの不活性ガスの流量は、１〜２０ｓｃｃｍであることが好ましい。また、必要に応じて不活性ガスと共に導入される酸素ガスの流量は、０．１〜３ｓｃｃｍであることが好ましい。
この図の例において、フォトニック構造部形成層２３Ａは、ジルコニアのスパッタ膜よりなり、厚みが６００ｎｍ程度（具体的には５５０ｎｍ）のものである。また、このフォトニック構造部形成層２３Ａは、スパッタ装置を用い、ジルコニアをターゲット物質とし、高周波電力が２５０Ｗ、不活性ガスとしてのアルゴンガスの流量が２０ｓｃｃｍ、酸素ガスの流量が０．５ｓｃｃｍの形成条件により、４時間かけて形成されたものである。このスパッタ膜の成膜中において、蛍光部材２２の温度（表面温度）は１００℃以下であった。

ナノインプリント法によってレジスト膜にパターンニングする手法としては、先ず、図５（ｃ）に示すように、形成すべきフォトニック構造部２３における周期構造４１に対応するパターン（具体的には、複数の凹部５２が配列されてなるパターン）を有するソフトモールド５１を形成する。ソフトモールド５１としては、例えば熱硬化型材料よりなるもの、または紫外線硬化型材料よりなるものなどが用いられる。
そして、ナノインプリント装置を用い、図５（ｄ）に示すように、フォトニック構造部形成層２３Ａ上に形成されたレジスト膜にソフトモールド５１を押し付けることにより、当該レジスト膜に、ソフトモールド５１に形成されたパターンを転写する。これにより、図５（ｅ）に示すように、フォトニック構造部形成層２３Ａ上に、周期４６０ｎｍのレジストパターン膜２７が形成される。
この図の例において、レジストパターン膜２７は、フォトニック構造部形成層２３Ａの表面全面を覆うように形成されており、フォトニック構造部形成層２３Ａの表面に形成された薄膜部２８Ａと、この薄膜部２８Ａ上に形成された複数の凸部２８Ｂとを有している。そして、この複数の凸部２８Ｂが、形成すべきフォトニック構造部２３の周期構造４１を構成する凸部４３に対応する一定の間隔（周期（凸部２８Ｂ間の中心間距離）が４６０ｎｍの等間隔）で配設されたものである。

そして、表面にレジストパターン膜２７が形成されたフォトニック構造部形成層２３Ａに対して、ドライエッチング処理を施すことにより、図５（ｆ）に示すように、表面（図５（ｆ）における上面）に周期構造４１を有するフォトニック構造部２３を得る。
ドライエッチング処理の手法の具体例としては、ＩＣＰ（Inductive Coupling Plasma：誘電結合方式）エッチング法が挙げられる。
このＩＣＰエッチング法によって周期構造４１を形成するための形成条件としては、当該周期構造４１の形状（具体的には、例えば凸部４３の形状および周期構造アスペクト比等）などに応じ、また必要に応じてフォトニック構造部形成層２３Ａの材質および柱状単位アスペクト比などを考慮して適宜に定められる。
具体的には、エッチングガスとしては、例えばシランガス（ＳｉＨ₄）、四フッ化ケイ素ガス（ＳｉＦ₄）、ジボランガス（Ｂ₂Ｈ₆）および三塩化ホウ素ガス（ＢＣｌ₃）などが用いられる。また、高周波電力は、１００〜７００Ｗとされ、バイアス電力は、１〜３０Ｗとされる。
この図の例において、フォトニック構造部２３の周期構造４１は、ＩＣＰエッチング法により、エッチングガスとして三塩化ホウ素ガス（ＢＣｌ₃）を用い、高周波電力７００Ｗ、バイアス電力が２０Ｗの形成条件によって、処理時間３５０ｓｅｃで形成されたものである。

このような蛍光光源装置１０においては、波長変換部材２１が蛍光部材２２の表面にフォトニック構造部２３が形成されたものであり、このフォトニック構造部２３の表面によって励起光受光面および蛍光出射面が構成されている。そして、フォトニック構造部２３の表面には、略円錐状の凸部２５が二次元周期的に配列されてなる周期構造２４が形成されている。そのため、蛍光部材２２を構成する蛍光体から放射される蛍光を高い効率によって波長変換部材２１の蛍光出射面であるフォトニック構造部２３の表面から外部に取り出すことができる。しかも、波長変換部材２１から蛍光を高い効率で取り出すことができるため、蛍光出射面から出射させることのできない蛍光によって蛍光部材２２が加熱されることが抑制される。そのため、波長変換部材２１における蛍光部材２２の温度上昇が抑制されることから、蛍光体において温度消光が生じることに起因する蛍光光量の低減を抑制することができる。
しかも、フォトニック構造部２３は、その材質が無機化合物（金属酸化物）であることから、励起光Ｌであるレーザ光の熱などの熱の影響によって形状が変形することがない。そのため、波長変換部材２１においては、長期間にわたって蛍光出射面から蛍光を高い効率で取り出すことができる。
従って、蛍光光源装置１０によれば、波長変換部材２１の内部において生じる蛍光を有効に利用して高い効率で外部に出射することができることから、高い発光効率が得られる。

図５（ｇ）および図７（ａ）〜（ｃ）に示されているように、フォトニック構造部２３が薄膜部４２と凸部４３とを有する構成のものである場合には、フォトニック構造部２３と蛍光部材２２との間に高い密着性が得られるため、フォトニック構造部２３と蛍光部材２２との間に剥離が生じることが抑制される。
また、図５（ｇ）、図７（ｂ）および図７（ｃ）に示されているように、凸部４３の先端部４３ａが平坦である場合には、例えば蛍光光源装置の製造過程における構成部材の組み立て工程などにおいて、凸部４３の先端部４３ａに、他の構成部材（例えば、ダイクロイックミラー１６など）が接触することなどに起因して破損が生じることが抑制される。

Claims

励起光によって励起される蛍光体による波長変換部材を備えてなる蛍光光源装置であって、
前記波長変換部材は、蛍光体が含有されてなる蛍光部材と、当該蛍光部材上に形成されたフォトニック構造部とからなり、当該フォトニック構造部の表面が当該波長変換部材における蛍光出射面とされており、
前記フォトニック構造部は、金属酸化物よりなる複数の柱状単位よりなり、当該複数の柱状単位の各々が前記蛍光部材から遠ざかる方向に伸びて形成された無機化合物層により構成されてなることを特徴とする蛍光光源装置。
前記フォトニック構造部は、前記無機化合物層の表面に、複数の凸部が二次元周期的に配列されてなる周期構造が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の蛍光光源装置。
前記無機化合物層を構成する柱状単位における、横幅に対する縦幅の比が１．３以上であることを特徴とする請求項１または請求項２の記載の蛍光光源装置。
励起光によって励起される蛍光体による波長変換部材を備えてなる蛍光光源装置を製造するための蛍光光源装置の製造方法であって、
蛍光体が含有されてなる蛍光部材上に、金属酸化物よりなる複数の柱状単位よりなり、当該複数の柱状単位の各々が当該蛍光部材から遠ざかる方向に伸びる無機化合物層を形成し、この無機化合物層の表面をエッチング処理する工程を経ることにより、当該蛍光部材と、表面がエッチング処理された当該無機化合物層により構成されてなるフォトニック構造部とからなる波長変換部材を得ることを特徴とする蛍光光源装置の製造方法。
前記無機化合物層は、スパッタ法により形成されたものであることを特徴とする請求項４に記載の蛍光光源装置の製造方法。