JP2015065425A - 発光装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】耐熱性を向上させることができ、かつ、小型化することができる発光装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板11の上に、LEDよりなる複数の発光素子12が搭載されており、発光素子12の上には、発光素子12に接して波長変換部材14が配置されている。波長変換部材14は、形成基材14Aの一面に、蛍光体材料と、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、及び、アモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも1種を含むバインダ原料とを含む原料混合物を塗布し、常温で反応させるか、又は、500℃以下の温度で熱処理することにより形成されたものである。
【選択図】図1
【解決手段】基板11の上に、LEDよりなる複数の発光素子12が搭載されており、発光素子12の上には、発光素子12に接して波長変換部材14が配置されている。波長変換部材14は、形成基材14Aの一面に、蛍光体材料と、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、及び、アモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも1種を含むバインダ原料とを含む原料混合物を塗布し、常温で反応させるか、又は、500℃以下の温度で熱処理することにより形成されたものである。
【選択図】図1
Description
本発明は、蛍光体材料を用いた発光装置及びその製造方法に関する。
蛍光体を用いた発光装置としては、例えば、蛍光体をエポキシ樹脂またはシリコーン樹脂に分散させて配置したものが知られている(例えば、特許文献1または特許文献2参照)。しかし、この発光装置では、LEDの高出力化やLEDの発熱に伴い、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂が劣化したり、変形、剥離したりして、高出力化を図ることが難しいという問題があった。その解決策として、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂に代えて、例えば、ガラスに蛍光体を分散させた発光装置が開発されている(例えば、特許文献3から特許文献5参照)。この発光装置によれば、分散媒に無機材料を用いることにより構造的な耐熱性を向上させることができる。
しかしながら、一般的な低融点ガラスは、実質500℃以上で加熱しなければ蛍光体を分散させることができる程度に軟化させることは難しい(引用文献4実施例参照)。例えば、鉛などの重金属を加えることで低融点化することはできるものの、それらの元素が許容される用途は環境や人体への影響の観点から現在では極めて少ない。そのため、蛍光体によっては、熱の影響により性能が劣化してしまう場合があるという問題があった。
また、ガラスに蛍光体を分散させる場合には、母材となるガラスの強度を維持するために蛍光体の充填率を高くすることができず、LEDの高輝度化に伴い、必要以上に励起光が透過してしまうという問題が生じていた。この透過を抑制するには、蛍光体を分散させたガラスの厚みを厚くしなければならない。その結果、発光装置の薄型化を図ることができず、また、ガラスの厚みが増すことで光透過性が低下してしまい、更に、放熱が阻害されてしまうなどの問題もあった。
本発明は、このような問題に基づきなされたものであり、耐熱性を向上させることができ、かつ、小型化することができる発光装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の発光装置は、発光素子と、この発光素子に接して配置された波長変換部材とを備え、波長変換部材は、形成基材と、この形成基材の少なくとも一面に形成され、粒子状の蛍光体材料とバインダとを含む蛍光体膜とを有し、蛍光体膜は、形成基材の少なくとも一面に、蛍光体材料と、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、及び、アモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも1種を含むバインダ原料とを含む原料混合物を塗布し、常温で反応させるか、又は、500℃以下の温度で熱処理することにより形成されたものである。
本発明の発光装置の製造方法は、発光素子と、この発光素子に接して配置された波長変換部材とを備え、この波長変換部材は、形成基材と、この形成基材の少なくとも一面に形成され、粒子状の蛍光体材料とバインダとを含む蛍光体膜とを有する発光装置を製造するものであって、蛍光体膜は、形成基材の少なくとも一面に、蛍光体材料と、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、及び、アモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも1種を含むバインダ原料とを含む原料混合物を印刷法により塗布し、常温で反応させるか、又は、500℃以下の温度で熱処理することにより形成するものである。
本発明の発光装置によれば、波長変換部材に、主として無機材料よりなるバインダを用いるようにしたので、発光素子から発生する熱に対する耐熱性を向上させることができ、高出力化及び高輝度化を図ることができる。また、波長変換部材は、形成基材の少なくとも一面に、蛍光体材料と、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、及び、アモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも1種を含むバインダ原料とを含む原料混合物を塗布して形成するようにしたので、蛍光体膜における蛍光体材料の充填率を高くすることができ、蛍光体膜の厚みを薄くすることができる。よって、小型化することができると共に、放熱効率も向上させることができ、設計の自由度を高くすることができる。更に、蛍光体膜は、常温で反応又は500℃以下の温度で熱処理することにより得られるので、低温で形成することができ、蛍光体材料の特性劣化を抑制することができる。
また、形成基材の厚みを0.05mm以上3mm以下とするようにすれば、形状を保持しつつ、より小型化することができる。
加えて、蛍光体材料の一次粒子の平均粒径を1μm以上20μm以下とするようにすれば、又は、蛍光体膜の表面粗さを算術平均粗さRaで10μm以下とするようにすれば、又は、蛍光体膜の膜厚分布を±10%以内とするようにすれば、色むらを抑制し、均一化して、性能を安定化させることができる。
本発明の発光装置の製造方法によれば、形成基材の少なくとも一面に、原料混合物を印刷法により塗布するようにしたので、蛍光体膜の面内の膜厚分布の均一性を高くすることができる。よって、色むらを抑制し、均一化して、性能を安定化させることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る発光装置10の構成を表わすものである。この発光装置10は、例えば、基板11の上に、LEDよりなる複数の発光素子12が搭載されている。発光素子12には、例えば、励起光として紫外光、青色光、又は緑色光を発するものが用いられ、中でも、青色光を発するものが好ましい。容易に白色を得ることができると共に、紫外光は周囲の部材を劣化させる等の影響があるのに対して、青色光はそのような影響が小さいからである。発光素子12は、例えば、図示しないが、基板11の上に形成された配線とバンプ等により電気的に接続されている。発光素子12の周りには、例えば、全体を囲むように、リフレクタ枠13が形成されている。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る発光装置10の構成を表わすものである。この発光装置10は、例えば、基板11の上に、LEDよりなる複数の発光素子12が搭載されている。発光素子12には、例えば、励起光として紫外光、青色光、又は緑色光を発するものが用いられ、中でも、青色光を発するものが好ましい。容易に白色を得ることができると共に、紫外光は周囲の部材を劣化させる等の影響があるのに対して、青色光はそのような影響が小さいからである。発光素子12は、例えば、図示しないが、基板11の上に形成された配線とバンプ等により電気的に接続されている。発光素子12の周りには、例えば、全体を囲むように、リフレクタ枠13が形成されている。
発光素子12の上には、例えば、発光素子12に接して波長変換部材14が配置されている。波長変換部材14は、例えば、形成基材14Aと、この形成基材14Aの少なくとも一面に形成された蛍光体膜14Bとを有している。各LEDの間、すなわち、基板11と波長変換部材14との間には、図示しないが、接着剤又は封止部材を配置し、空間を埋めるようにしてもよい。この接着剤又は封止部材としては、無機材料よりなり、耐熱性の高いものが好ましく、例えば、後述する蛍光体膜14Bで用いるバインダと同様のものを用いることができる。なお、図1では、例えば、蛍光体膜14Bを発光素子12の側として波長変換部材14を配置した場合について示したが、形成基材14Aを発光素子12の側として配置するようにしてもよい。
形成基材14Aは、例えば、ガラスや石英、又は、サファイアなどの透光性を有するものにより構成することが好ましく、特に、サファイアにより構成するようにすれば、ガラスと同様に光学的に透明であり、かつ、ガラスと比較しても大幅に放熱性を向上させることができ、蛍光体材料の劣化を抑制することができるのでより好ましい。また、形成基材14Aは、高純度の多結晶アルミナにより構成するようにしてもよい。サファイアと比較して低コストであり、光吸収も少なく、更に熱伝導率はサファイアと同等であるからである。形成基材14Aの特性としては、例えば、400nmから800nmの波長域において光透過率が90%以上有していることが好ましい。また、形成基材14Aは、例えば、ガラス又はサファイアを用いた場合には、光を散乱させるためにすりガラス状に表面を荒らすようにしてもよい。多結晶アルミナを用いた場合には、内部の粒界により光が散乱されるため、特に表面に処理を施すこと無く散乱光を得ることが可能である。
形成基材14Aの厚みは、例えば、0.05mm以上3mm以下であることが好ましい。3mm以下とすることにより小型化することができ、かつ、3mmよりも厚いと必要以上に厚みが厚くなり、放熱性、光透過性も低下してしまうからである。また、0.05mmよりも薄いと、自己形状保持が難しくなり、印刷時に用いる固定治具の影響などにより平面度が維持できない可能性があるからである。形成基材14Aは、蛍光体膜14Bを形成する際に、このような厚みのものを用いて波長変換部材14を形成するようにしてもよいが、これよりも厚いものを用いて蛍光体膜14Bを形成したのち、研磨などにより形成基材14Aの厚みを薄くするようにしてもよい。但し、波長変換部材14の形状が大きく、形成基材14A自体が構造保持のための役割を担う場合には、形成基材14Aの厚みは3mmより厚くてもよい。なお、形成基材14Aは、どのような形でもよく、円形板状でも、四角板状でもよい。また、図1では平面状の場合を示したが、凹面状、凸面状、又は、電球形状でもよい。
蛍光体膜14Bは、例えば、粒子状の蛍光体材料と、この蛍光体材料を接着するバインダとを含んでおり、必要に応じて、フィラーを含んでいてもよい。蛍光体膜14Bの厚みは、例えば、30μm以上1mm以下であることが好ましく、50μm以上500μm以下であればより好ましい。薄すぎると蛍光体材料の量が少なくなり、色の調整が難しくなってしまい、厚すぎると光の散乱が増えすぎて光の吸収が顕著となり、外部に光が取り出しにくくなってしまうからである。蛍光体膜14Bの表面粗さ、すなわち、蛍光体膜14Bの形成基材14Aと反対側の表面の表面粗さは、算術平均粗さRaで10μm以下とすることが好ましく、また、蛍光体膜14Bの膜厚分布は、±10%以内とすることが好ましい。色むらを抑制し、均一化して、性能を安定化させることができるからである。蛍光体膜14Bの表面粗さ、又は、蛍光体膜14Bの膜厚分布は、例えば、蛍光体膜14Bを形成したのち、表面を研磨又は研削することにより調整することができる。
蛍光体材料は、例えば、蛍光体粒子を含んでおり、蛍光体粒子の表面に被覆層が形成されていてもよい。蛍光体粒子としては、例えば、BaMgAl10O17:Eu、ZnS:Ag,Cl、BaAl2S4:EuあるいはCaMgSi2O6:Euなどの青色系蛍光体、Zn2SiO4:Mn、(Y,Gd)BO3:Tb、ZnS:Cu,Al、(M1)2SiO4:Eu、(M1)(M2)2S:Eu、(M3)3Al5O12:Ce、SiAlON:Eu、CaSiAlON:Eu、(M1)Si2O2N:Euあるいは(Ba,Sr,Mg)2SiO4:Eu,Mnなどの黄色または緑色系蛍光体、(M1)3SiO5:Euあるいは(M1)S:Euなどの黄色、橙色または赤色系蛍光体、(Y,Gd)BO3:Eu,Y2O2S:Eu、(M1)2Si5N8:Eu、(M1)AlSiN3:EuあるいはYPVO4:Euなどの赤色系蛍光体が挙げられる。なお、上記化学式において、M1は、Ba,Ca,SrおよびMgからなる群のうちの少なくとも1つが含まれ、M2は、GaおよびAlのうちの少なくとも1つが含まれ、M3は、Y、Gd、LuおよびTeからなる群のうち少なくとも1つが含まれる。
中でも、波長変換部材14の耐熱性を考慮すると、蛍光体粒子は、(M3)3Al5O12:Ce、SiAlON:Eu、CaSiAlON:Eu、(M1)Si2O2N:Eu、(M1)2Si5N8:Eu、あるいは(M1)AlSiN3:Euにより構成されることが好ましい。M1およびM3は上述した通りである。蛍光体粒子は、発光素子12の種類等に応じて選択される。蛍光体材料には、1種または2種以上の蛍光体粒子が用いられ、複数種を用いる場合には、混合して用いてもよく、また、複数層に分けて積層するようにしてもよい。
蛍光体粒子の被覆層は、例えば、希土類酸化物,酸化ジルコニウム,酸化チタン,酸化亜鉛,酸化アルミニウム,イットリウム・アルミニウム・ガーネットなどのイットリウムとアルミニウムの複合酸化物,酸化マグネシウム,およびMgAl2O4などのアルミニウムとマグネシウムの複合酸化物からなる群のうちの少なくとも1種の金属酸化物を主成分として含んでいることが好ましい。耐水性および耐紫外光などの特性を向上させることができるからである。中でも、希土類酸化物又は酸化ジルコニウムが好ましい。希土類酸化物としては、イットリウム,ガドリニウム,セリウムおよびランタンからなる群のうちの少なくとも1種の元素を含むものより好ましく、また、酸化ジルコニウムを用いれば更に好ましい。より高い効果を得ることができ、また、コストを抑制することができるからである。
蛍光体材料の一次粒子の平均粒径は、例えば、1μm以上20μm以下とすることが好ましい。平均粒径を小さくすることにより、色むらを抑制して、均一化することができるからである。但し、小さくし過ぎると、蛍光体材料自体の光学特性が低下してしまう場合が多く、また、1μmよりも小さい粒子は二次凝集し、微小化の効果が失われてしまうことが多いため、1μm以上とすることが好ましい。
バインダは、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、及び、アモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも1種を含むバインダ原料を、常温で反応させるか、又は、500℃以下の温度で熱処理することにより得られたものである。酸化ケイ素前駆体としては、例えば、ペルヒドロポリシラザン、エチルシリケート、メチルシリケートを主成分としたものが好ましく挙げられる。これらの酸化ケイ素前駆体は、常温あるいは熱処理における加水分解あるいは酸化により容易に二酸化ケイ素などの酸化ケイ素となり、バインダとして機能させることができるからである。なお、バインダとしては、酸化ケイ素前駆体が反応して完全に酸化ケイ素となっている必要はなく、未反応部分や不完全反応部分を含んでいてもよい。
また、ケイ酸化合物としては、例えば、ケイ酸ナトリウムが好ましく挙げられる。ケイ酸化合物は、脱水状態のものを用いても、水和物を用いてもよい。シリカ又はアモルファスシリカとしては、例えば、ナノサイズの超微粒子粉末を用い、例えば、一次粒子径としての平均粒子径が5nm以上100nm以下の超微粒子粉末を用いることが好ましく、5nm以上50nm以下の超微粒子粉末を用いればより好ましい。これらケイ酸化合物、シリカ、又は、アモルファスシリカは、溶媒に溶解又は分散させて熱処理、乾燥させることにより固形化し、バインダとして機能させることができる。
バインダ原料の熱処理温度は、形成基材14A及び蛍光体材料への熱的影響を小さくするために500℃以下とすることが好ましく、熱的影響をより小さくする必要がある場合には300℃以下とすればより好ましく、200℃以下とすれば更に好ましい。また、バインダ原料を常温で反応させるようにすれば、熱的影響がないのでより好ましい。用いる形成基材14A及び蛍光体材料の耐熱特性に応じて、バインダ原料の種類を選択し、それによりバインダ原料を常温で反応させるのか、又は、何度で熱処理するのかを調節することが好ましい。また、熱処理の際の雰囲気は、蛍光体材料が熱により酸化して劣化しやすい場合には、窒素雰囲気などの非酸化雰囲気とすることが好ましい。
フィラーは、例えば、蛍光体材料の充填率を調整するためのものであり、透光性を有する無機材料よりなるものが好ましく、酸化ケイ素粒子、酸化アルミニウム粒子、または、酸化ジルコニウム粒子などが挙げられる。より好ましくは酸化ケイ素粒子が好ましく、その形態は、結晶でもガラスでもよい。フィラーの平均粒子径は、例えば、蛍光体材料と同じ1μmから20μm程度が好ましい。
波長変換部材14は、形成基材14Aの少なくとも一面に、蛍光体材料と、バインダ原料とを含む原料混合物を塗布し、常温で反応させるか、又は、500℃以下の温度で熱処理することにより形成されたものである。塗布の方法としては、例えば、印刷法、スプレー法、ディスペンサーによる描画法、又はインクジェット法が挙げられる。中でも、印刷法又はスプレー法によれば蛍光体膜14Bの面内の膜厚分布の均一性を高くすることができるので好ましく、最も好ましいのは印刷法である。塗布は、必要な膜厚となるまで繰り返し行ってもよい。
例えば、印刷法を用いる場合であれば、1種又は2種以上の蛍光体材料と、バインダ原料と、希釈溶媒と、必要に応じてフィラーとを混合してペースト状の原料混合物とし、形成基材14Aの少なくとも一面に印刷法、例えば、スクリーン印刷により塗布する。印刷法、例えば、スクリーン印刷は、蛍光体膜14Bの面内の膜厚分布の均一性を高くすることができるので好ましい。また、例えば、スプレー法を用いる場合であれば、1種又は2種以上の蛍光体材料と、バインダ原料と、希釈溶媒と、必要に応じてフィラーとを混合してスラリー状の原料混合物とし、形成基材14Aの少なくとも一面にスプレーガンを用いて噴霧ガスと共に塗布する。スプレーの噴霧径、およびスプレーガンを一定の速度でトラバースさせながら均一に移動させることが好ましい。
形成基材14Aに原料混合物を塗布した後、例えば、塗布した原料混合物を乾燥させて希釈溶媒を除去する。その際、必要に応じて500℃以下、より好ましくは300℃以下、更には200℃以下の範囲で加熱してもよい。これにより、バインダ原料が常温あるいは熱処理により反応し、又は、熱処理により固形化する。
なお、蛍光体膜14Bの面積が非常に小さい場合には、同一の形成基材14Aの面上に複数の蛍光体膜14Bを形成したのち、ダイシングなどにより切断するようにしてもよい。蛍光体膜14Bは、形成基材14Aの全面に形成してもよく、パターニングしてもよい。このように複数の波長変換部材14について一括で処理するようにすれば、低コスト化、短時間化、及び、効率化を図ることができるので好ましい。また、一部において蛍光体膜14Bの厚みにばらつきが生じても、ダイシングにより選別することができるので、品質の安定化を図ることができるので好ましい。更に、微細なパターンが必要な場合には、スクリーン印刷であれば、一枚の形成基材14Aに一度に大量のパターンを印刷することができるので好ましい。
このように本実施の形態によれば、波長変換部材14に、主として無機材料よりなるバインダを用いるようにしたので、発光素子12から発生する熱に対する耐熱性を向上させることができ、高出力化及び高輝度化を図ることができる。また、波長変換部材14は、形成基材14Aの少なくとも一面に、蛍光体材料と、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、及び、アモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも1種を含むバインダ原料とを含む原料混合物を塗布して形成するようにしたので、蛍光体膜14Bにおける蛍光体材料の充填率を高くすることができ、蛍光体膜14Bの厚みを薄くすることができる。よって、小型化することができると共に、放熱効率も向上させることができ、設計の自由度を高くすることができる。更に、蛍光体膜14Bは、常温で反応又は500℃以下の温度で熱処理することにより得られるので、低温で形成することができ、蛍光体材料の特性劣化を抑制することができる。
また、形成基材14Aの厚みを0.05mm以上3mm以下とするようにすれば、形状を保持しつつ、より小型化することができる。
更に、形成基材14Aをサファイア又は多結晶アルミナにより構成するようにすれば、ガラスよりも熱伝導率が高いため放熱性を向上させることができ、耐熱温度も飛躍的に向上するため、劣化を抑制することができる。
加えて、蛍光体材料の一次粒子の平均粒径を1μm以上20μm以下とするようにすれば、又は、蛍光体膜14Bの表面粗さを算術平均粗さRaで10μm以下とするようにすれば、又は、蛍光体膜14Bの膜厚分布を±10%以内とするようにすれば、色むらを抑制し、均一化して、性能を安定化させることができる。
更にまた、形成基材14Aの少なくとも一面に、原料混合物を印刷法により塗布するようにすれば、蛍光体膜14Bの面内の膜厚分布の均一性を高くすることができる。よって、色むらを抑制し、均一化して、性能を安定化させることができる。
(実施例1−1〜1−4)
まず、蛍光体材料と、バインダ原料と、フィラーと、希釈溶媒とを混合し、原料混合物を作製した。蛍光体材料としては、一次粒子の平均粒子径がそれぞれ15μm程度のY3Al5O12:Ceよりなる蛍光体粒子とCaAlSiN3:Euよりなる蛍光体粒子とを用いた。バインダ原料としては、実施例1−1ではエチルシリケート、実施例1−2ではペルヒドロポリシラザン、実施例1−3ではケイ酸ナトリウムの水和物、又は、実施例1−4ではシリカあるいはアモルファスシリカの超微粒子粉末を溶剤で懸濁化したものをそれぞれ用いた。フィラーとしては、平均粒子径が15μm程度の二酸化ケイ素粒子を用いた。希釈溶媒としては、テルピネオールを用いた。
まず、蛍光体材料と、バインダ原料と、フィラーと、希釈溶媒とを混合し、原料混合物を作製した。蛍光体材料としては、一次粒子の平均粒子径がそれぞれ15μm程度のY3Al5O12:Ceよりなる蛍光体粒子とCaAlSiN3:Euよりなる蛍光体粒子とを用いた。バインダ原料としては、実施例1−1ではエチルシリケート、実施例1−2ではペルヒドロポリシラザン、実施例1−3ではケイ酸ナトリウムの水和物、又は、実施例1−4ではシリカあるいはアモルファスシリカの超微粒子粉末を溶剤で懸濁化したものをそれぞれ用いた。フィラーとしては、平均粒子径が15μm程度の二酸化ケイ素粒子を用いた。希釈溶媒としては、テルピネオールを用いた。
次いで、厚みが1mmの透明なガラス板よりなる形成基材14Aの一面に、作製した原料混合物を印刷し、必要な厚みとなるように塗布した。そののち、150℃で乾燥させることにより、希釈溶媒を除去した。これにより、各実施例について、形成基材14Aの一面に、厚みが約80μmの蛍光体膜14Bが形成された波長変換部材14を得た。得られた蛍光体膜14Bの表面粗さを測定したところ、算術平均粗さRaは10μm以下であった。蛍光体膜14Bの膜厚分布についても測定したところ、±10%以内であった。得られた各波長変換部材14を用い、図1に示したような発光装置10をそれぞれ作製した。発光素子12には、青色LEDを用い、白色を発光する発光装置10とした。
各実施例の発光装置10について、通電を行い、発光試験を行った結果、いずれについても良好な白色の発光が得られた。すなわち、蛍光体膜14Bの厚みを薄くしても、良好な白色を得ることができ、小型化できることが分かった。
(実施例2−1〜2−4)
まず、実施例1−1〜1−4と同様にして、蛍光体材料と、バインダ原料と、フィラーと、希釈溶媒とを混合し、原料混合物を作製した。バインダ原料としては、実施例2−1ではエチルシリケート、実施例2−2ではペルヒドロポリシラザン、実施例2−3ではケイ酸ナトリウムの水和物、又は、実施例2−4ではシリカあるいはアモルファスシリカの超微粒子粉末を溶剤で懸濁化したものをそれぞれ用いた。次いで、厚みが1mmの透明なガラス板よりなる、複数の波長変換部材14を形成することができる大きさの形成基材14Aを用意した。
まず、実施例1−1〜1−4と同様にして、蛍光体材料と、バインダ原料と、フィラーと、希釈溶媒とを混合し、原料混合物を作製した。バインダ原料としては、実施例2−1ではエチルシリケート、実施例2−2ではペルヒドロポリシラザン、実施例2−3ではケイ酸ナトリウムの水和物、又は、実施例2−4ではシリカあるいはアモルファスシリカの超微粒子粉末を溶剤で懸濁化したものをそれぞれ用いた。次いで、厚みが1mmの透明なガラス板よりなる、複数の波長変換部材14を形成することができる大きさの形成基材14Aを用意した。
続いて、この形成基材14Aの一面に、作製した原料混合物を印刷し、必要な厚みとなるように塗布して、150℃で乾燥させることにより希釈溶媒を除去し、厚みが約80μmの複数分の蛍光体膜14Bを形成した。そののち、蛍光体膜14Bを形成した形成基材14Aをダイシングなどにより複数に切断し、各波長変換部材14を得た。得られた各波長変換部材14を用い、図1に示したような発光装置10をそれぞれ作製した。発光素子12には、青色LEDを用い、白色を発光する発光装置10とした。各実施例の発光装置10について、通電を行い、発光試験を行った結果、いずれについても良好な白色の発光が得られた。
(実施例3−1〜3−33,比較例3−1〜3−4)
まず、蛍光体材料と、バインダ原料と、場合により希釈溶媒と、場合によりフィラーとを混合し、原料混合物を作製した。各実施例及び各比較例における蛍光体材料の蛍光体粒子の材質・蛍光体粒子の平均粒子径(粒径)・添加量、フィラーの材質・平均粒子径(粒径)・添加量、バインダ原料の材質・添加量を表1〜4に示す。なお、蛍光体材料としては、蛍光体材料Aと蛍光体材料Bの両方、又は、どちらか一方を用いた。希釈溶媒としてはα-テルピネオールを用いた。
まず、蛍光体材料と、バインダ原料と、場合により希釈溶媒と、場合によりフィラーとを混合し、原料混合物を作製した。各実施例及び各比較例における蛍光体材料の蛍光体粒子の材質・蛍光体粒子の平均粒子径(粒径)・添加量、フィラーの材質・平均粒子径(粒径)・添加量、バインダ原料の材質・添加量を表1〜4に示す。なお、蛍光体材料としては、蛍光体材料Aと蛍光体材料Bの両方、又は、どちらか一方を用いた。希釈溶媒としてはα-テルピネオールを用いた。
次に、100mm角のガラス板よりなる形成基材14Aの一面に、作製した原料混合物を塗布し、熱処理又は室温で処理し、所定の厚さの蛍光体膜14Bを形成した波長変換部材14を得た。得られた波長変換部材14を用い、図1に示したような発光装置10をそれぞれ作成した。各実施例及び各比較例における原料混合物の塗布法、熱処理温度、蛍光体膜14Bの平均膜厚、蛍光体膜14Bの膜厚分布、及び、蛍光体膜14Bの算術平均粗さRaを表2,4に示す。
なお、蛍光体膜14Bの膜厚の測定は、事前に形成基材14Aの厚みを測定しておき、蛍光体膜14Bを形成した後の波長変換部材14の厚みを測定して、その差を膜厚とした。平均膜厚は、100mm角の形成基材14Aについて、縦5列、横5行の計25点を測定し、その膜厚の平均値を平均膜厚とした。また、蛍光体膜14Bの膜厚分布は次の計算式により算出した。なお、最大膜厚は測定した25点の膜厚のうちの最大値であり、最小膜厚は測定した25点の膜厚のうちの最小値である。
膜厚分布(%)={(最大膜厚−最小膜厚)/(最大膜厚+最小膜厚)}×100
蛍光体膜14Bの算術平均粗さRaは、触針式表面粗さ測定器により測定した。
膜厚分布(%)={(最大膜厚−最小膜厚)/(最大膜厚+最小膜厚)}×100
蛍光体膜14Bの算術平均粗さRaは、触針式表面粗さ測定器により測定した。
表1,2に示したように、蛍光体粒子及びフィラーの平均粒子径を20μm以下とした実施例3−1〜3−33によれば、蛍光体膜14Bの膜厚分布を±10%以内、算術平均粗さRaを10μm以下とすることができた。
各実施例及び各比較例で作製した波長変換部材14について、初期特性として初期の発光輝度を調べた。また、高温高湿試験として、85℃、85%RHの高温高湿度環境下における曝露試験を行い、2000時間経過後の発光輝度の低下率を調べた。更に、乾燥高温試験として、150℃又は200℃の乾燥高温環境下における暴露試験を行い、2000時間経過後の発光輝度の低下率を調べた。得られた結果を表5,6に示す。表5,6において、初期特性の発光輝度は実施例3−27の発光輝度を100とした場合の相対発光輝度である。高温高湿試験及び乾燥高温試験における発光輝度の低下率は、各実施例及び各比較例における初期特性の発光輝度からの低下率である。
また、得られた結果のうち実施例3−1及び比較例3−1の結果を図2〜4に示す。図2は、85℃、85%RHの高温高湿度環境下における曝露試験の結果であり、図3は、150℃の乾燥高温環境下における暴露試験の結果、図4は、200℃の乾燥高温環境下における暴露試験の結果である。図3から図5において縦軸は、それぞれの初期輝度を100とした場合の相対的な輝度値である。
更に、実施例3−1〜3−4及び比較例3−1の波長変換部材14を大気オーブンで加熱し、100℃から500℃までの乾燥高温環境曝露試験を行い、輝度の経時変化を調べた。また、200℃を超える高温領域では波長変換部材14が破壊するなどの可能性があるため、目視での外観確認も同時に行った。各温度の曝露時間は24時間とした。得られた結果のうち実施例3−1及び比較例3−1の結果を図5に示す。図5において縦軸は、それぞれの初期輝度を100とした場合の相対的な輝度値である。なお、図示しないが、実施例3−2〜3−4についても、実施例3−1と同様の結果が得られた。
表5,6に示したように、本実施例によれば、初期特性としての相対発光輝度は80%以上であったが、550℃以上で熱処理した比較例3−2〜3−4では、70%以下と低かった。
また、表5,6及び図2〜4に示したように、シリコーン樹脂を用いた比較例3−1では、高温高湿試験における発光輝度低下率が15%、150℃の高温乾燥試験における発光輝度低下率が12%、200℃の乾燥高温試験では1200時間後には波長変換部材が剥離し、1000時間後における発光輝度低下率が33%であった。これに対して、本実施例によれば、高温高湿試験、150℃の高温乾燥試験、及び、200℃の乾燥高温試験のいずれにおいても、発光輝度低下率は7%以下と大幅に改善することができた。
更に、図5に示したように、シリコーン樹脂を用いた比較例3−1では、温度が高くなるにつれ輝度維持率が低下し、300℃以上では熱による化学変化により蛍光体膜が粉々に剥離した。これに対して、実施例3−1〜3−4では、外観上の変化は無く、輝度維持率の低下も見られなかった。
加えて、表1,2,5に示したように、蛍光体粒子の平均粒子径が20μmよりも大きく、蛍光体膜14Bの膜厚分布が±10%よりも大きく、算術平均粗さRaが10μmよりも大きかった実施例3−34〜3−36に比べて、蛍光体粒子及びフィラーの平均粒子径を20μm以下とし、蛍光体膜14Bの膜厚分布を±10%以内、算術平均粗さRaを10μm以下とした実施例3−1〜3−33によれば、初期特性としての相対発光輝度を高くすることができた。
(実施例4−1,4−2)
まず、蛍光体材料と、バインダ原料と、フィラーと、希釈溶媒とを混合し、原料混合物を作製した。各実施例における蛍光体材料の蛍光体粒子の材質・蛍光体粒子の平均粒子径(粒径)・添加量、フィラーの材質・平均粒子径(粒径)・添加量、バインダ原料の材質・添加量を表7,8に示す。希釈溶媒としてはα-テルピネオールを用いた。次に、100mm角のガラス板よりなる形成基材14Aの一面に、作製した原料混合物をスプレー法又はハケにより塗布し、熱処理又は室温で処理し、所定の厚さの蛍光体膜14Bを形成した波長変換部材14を得た。得られた波長変換部材14を用い、図1に示したような発光装置10をそれぞれ作成した。各実施例における原料混合物の塗布法、熱処理温度、蛍光体膜14Bの平均膜厚、蛍光体膜14Bの膜厚分布、及び、蛍光体膜14Bの算術平均粗さRaを表8に示す。なお、表7,8には、実施例3−1の値も合わせて示した。
まず、蛍光体材料と、バインダ原料と、フィラーと、希釈溶媒とを混合し、原料混合物を作製した。各実施例における蛍光体材料の蛍光体粒子の材質・蛍光体粒子の平均粒子径(粒径)・添加量、フィラーの材質・平均粒子径(粒径)・添加量、バインダ原料の材質・添加量を表7,8に示す。希釈溶媒としてはα-テルピネオールを用いた。次に、100mm角のガラス板よりなる形成基材14Aの一面に、作製した原料混合物をスプレー法又はハケにより塗布し、熱処理又は室温で処理し、所定の厚さの蛍光体膜14Bを形成した波長変換部材14を得た。得られた波長変換部材14を用い、図1に示したような発光装置10をそれぞれ作成した。各実施例における原料混合物の塗布法、熱処理温度、蛍光体膜14Bの平均膜厚、蛍光体膜14Bの膜厚分布、及び、蛍光体膜14Bの算術平均粗さRaを表8に示す。なお、表7,8には、実施例3−1の値も合わせて示した。
表7,8に示したように、印刷法により塗布した実施例3−1に比べて、スプレー法又はハケで塗布した実施例4−1,4−2では、蛍光体膜14Bの膜厚分布及び算術平均粗さRaが大きくなり、初期特性としての相対発光輝度が低下した。すなわち、蛍光体膜14Bを印刷法により塗布するようにすれば、好ましいことが分かった。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、発光装置10の構造について具体的に説明したが、他の構造を有するように構成してもよい。また、上記実施の形態では、波長変換部材14について具体的に説明したが、さらに他の構成要素を備えていてもよい。
更に、上記第1の実施の形態では、形成基材14Aの少なくとも一面に、1種又は2種以上の蛍光体材料を含む蛍光体膜14Bを形成した波長変換部材14について説明したが、2種の蛍光体材料を混合して用いるのではなく、形成基材14Aの少なくとも一面に、異なる蛍光体材料を含む蛍光体膜14Bを積層して形成するようにしてもよく、また、形成基材14Aの両面に、異なる蛍光体材料を含む蛍光体膜14Bを形成するようにしてもよい。
加えて、上記実施の形態では、発光素子12として、LEDを用いる場合について説明したが、レーザー発光ダイオードなどの他の半導体発光素子を用いるようにしてもよい。特に、本発明によれば、高出力化を図ることができるので、高出力を必要とする用途、例えば、レーザープロジェクタ、LEDヘッドライト、又は、レーザーヘッドライトに好ましく用いることができる。
LEDやレーザー発光ダイオードなどの半導体発光素子を用いた発光装置に用いることができる。
10…発光装置、11…基板、12…蛍光素子、13…リフレクタ枠、14…波長変換部材、14A…形成基材、14B…蛍光体膜
Claims (7)
- 発光素子と、この発光素子に接して配置された波長変換部材とを備え、
前記波長変換部材は、形成基材と、この形成基材の少なくとも一面に形成され、粒子状の蛍光体材料とバインダとを含む蛍光体膜とを有し、
前記蛍光体膜は、前記形成基材の少なくとも一面に、前記蛍光体材料と、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、及び、アモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも1種を含むバインダ原料とを含む原料混合物を塗布し、常温で反応させるか、又は、500℃以下の温度で熱処理することにより形成された
ことを特徴とする発光装置。 - 前記蛍光体材料の一次粒子の平均粒径は、1μm以上20μm以下であることを特徴とする請求項1記載の発光装置。
- 前記蛍光体膜の膜厚分布は、±10%以内であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の発光装置。
- 前記蛍光体膜の表面粗さは、算術平均粗さRaで10μm以下であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1に記載の発光装置。
- 前記形成基材は、ガラス、石英、サファイア又は多結晶アルミナにより構成されたことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1に記載の発光装置。
- 前記形成基材の厚みは、0.05mm以上3mm以下であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1に記載の発光装置。
- 発光素子と、この発光素子に接して配置された波長変換部材とを備え、この波長変換部材は、形成基材と、この形成基材の少なくとも一面に形成され、粒子状の蛍光体材料とバインダとを含む蛍光体膜とを有する発光装置の製造方法であって、
前記蛍光体膜は、前記形成基材の少なくとも一面に、前記蛍光体材料と、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、及び、アモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも1種を含むバインダ原料とを含む原料混合物を印刷法により塗布し、常温で反応させるか、又は、500℃以下の温度で熱処理することにより形成する
ことを特徴とする発光装置の製造方法。
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