JP2016204561A - 蛍光部材、その製造方法および発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】緻密なセラミック構造体であるとともに高い熱伝導率を有することで高い発光効率を実現する蛍光部材、その製造方法および発光装置を提供する。
【解決手段】緻密質セラミックス構造を有する蛍光部材であって、アルミナのセラミックスマトリックスと、セラミックスマトリックス中に分散された、ＣｅがドープされたＹＡＧの蛍光体粒子と、を備え、合計１００ｖｏｌ％に対して、ＹＡＧの蛍光体粒子が２０〜９０ｖｏｌ％、アルミナのセラミックスマトリックスが８０〜１０ｖｏｌ％を占め、ＹＡＧの蛍光体粒子は、主に結晶粒子径１０〜２０μｍの第一粒子と、第一粒子の結晶粒子径の１／５以下の第二粒子とからなり、第二粒子の体積と第一粒子の体積の比が０．０５〜０．３０である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光の照射により蛍光する蛍光部材、その製造方法および発光装置に関する。

近年、白色照明のハイパワー化が進んでおり、その光源としてＬＤ（Laser Diode）が注目されている。ＬＤは、現在使用されているＬＥＤ（Light Emitting Diode）よりも輝度や指向性が高いという特徴を有している。一方で、ＬＤを白色照明に適用した場合、ＬＥＤよりも大きな温度上昇を伴い、高温下において発光効率が低下する。

ＬＥＤ照明では、使用時の温度が１００℃程度であるため、一般的に、蛍光部材材料を樹脂マトリックス内に分散させた蛍光体プレートが用いられている。しかしながら、ＬＤ照明では、使用時の温度が３００℃程度となるため、樹脂を用いることができない。したがって、ＬＤ照明では、高温耐久性に優れた無機マトリックス内に蛍光体材料を分散させた蛍光体プレートの開発が不可欠となっている。

このような背景において、特許文献１に記載されているように、蛍光体材料を無機バインダーで封止した蛍光体プレートが提案されている。この蛍光体プレートは、十分な耐熱性を有するものの、発光効率が低い。発光効率低下の原因は、蛍光体プレートが気孔を多く含む組織を有しており、熱伝導率が低く、熱拡散し難いため、同一の励起光量の照射下では、温度上昇が顕著となり、温度消光現象が発生するためである。

これに対し、特許文献２のように、蛍光体プレートをＹＡＧとアルミナの複合セラミックスとする提案がなされている。しかしながら、蛍光体の発光効率は、蛍光体プレート内の構造により大きな影響を受けるはずであるところ、特許文献２では、このことに言及されていない。

特開２０１０−２８０８７７号公報 特開２０１１−０１２２１５号公報

上記のように、ＹＡＧとアルミナの複合セラミックスで構成された蛍光体プレートにおいては、蛍光体プレート内の構造により発光効率が低下しうる。その原因としては、蛍光体材料の粒子径が小さすぎると励起光が散乱されること、蛍光体プレート内の気孔が大きかったりその存在量が多かったりすると、励起光が吸収され、乱反射の要因となることが挙げられる。

ＹＡＧとアルミナの複合セラミックス構造の蛍光体プレートの発光効率を高く維持する方法としては、蛍光体材料であるＹＡＧの粒子径を最適な大きさに制御すること、蛍光体プレートの気孔をなくすことが考えられる。

蛍光体材料としてＹＡＧの粒子径は、１０〜２０μｍの範囲が最適であるが、このような粒子径の粒子は非常に大きいため、焼結が困難である。したがって、このような粒子径で十分に緻密化した蛍光体材料単体の蛍光体プレートを製造するのは容易ではない。ＨＩＰ処理等を用いて、製造できたとしても、製造物は、高コスト、低強度、かつ低熱伝導率であり、高温下での使用に適していない。

一方、緻密化した場合に透光性を示す高純度アルミナは、焼結が困難なため、出発原料の粒子径を１μｍ以下にする必要がある。アルミナをマトリックスとした場合、光学特性として有効な透光性を発現するためには、理論密度に近いところまで緻密化させ、且つ、気孔をなくす必要がある。

また、蛍光体材料の粒子径は１０〜２０μｍ、アルミナの粒子径は１μｍ以下である。このように、粒子径が大きく異なる２種の材料を複合化し、その緻密化を達成するためには、焼成前の初期の空隙を低減し、焼成前の成形体の十分な充填率を確保することが必要となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、緻密なセラミック構造体であるとともに高い熱伝導率を有することで高い発光効率を実現する蛍光部材、その製造方法および発光装置を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の蛍光部材は、アルミナのセラミックスマトリックスと、前記セラミックスマトリックス中に分散された、ＣｅがドープされたＹＡＧの蛍光体粒子と、を備え、合計１００ｖｏｌ％に対して、前記ＹＡＧの蛍光体粒子が２０〜９０ｖｏｌ％、前記アルミナのセラミックスマトリックスが８０〜１０ｖｏｌ％を占め、前記ＹＡＧの蛍光体粒子は、主に結晶粒子径１０〜２０μｍの第一粒子と、第一粒子の結晶粒子径の１／５以下の第二粒子とからなり、前記第二粒子の体積と第一粒子の体積の比が０．０５〜０．３０であることを特徴としている。

このように、本発明の蛍光部材では、ＹＡＧの蛍光体粒子が、粒子径の大きい第一粒子と、粒子径の小さい第二粒子とからなる。これにより、第一粒子により、十分なＹＡＧの蛍光体粒子の粒子径を確保しつつ、第二粒子により充填性の高いパッキングを可能にし、蛍光部材を十分に緻密な組織のセラミックス構造体とすることができる。その結果、蛍光部材の気孔を少なくし、励起光の吸収や散乱、乱反射を抑制し、発光効率を高くすることができる。

さらに、セラミックスマトリックスであるアルミナは熱伝導率がＹＡＧの約３倍であり、熱伝導率が向上するため、放熱特性が向上する。よって、蛍光部材の使用時の冷却能力が向上し、温度消光による発光効率の低下を抑制できる。

（２）また、本発明の蛍光部材は、開気孔率が０．２％以下であることを特徴としている。このように、充填性が高いため熱伝導率が向上し、放熱特性が向上する。よって、使用時の冷却能力が向上し、発光効率を高く維持できる。

（３）また、本発明の蛍光部材は、前記セラミックマトリックスを形成するアルミナの純度は９９．９９％以上であることを特徴としている。これにより、励起光が吸収されなくなり発光効率がさらに向上する。

（４）また、本発明の発光装置は、上記（１）〜（３）のいずれかの蛍光部材と、前記蛍光部材上に設けられた発光素子と、前記発光素子に電力を供給する電力供給部と、を備えることを特徴としている。これにより、発光効率の高い発光装置を実現できる。

（５）また、本発明の蛍光部材の製造方法は、純度９９．９９％、平均粒径０．５μｍ以下のアルミナの粉末を準備する工程と、平均粒径１０〜２０μｍの第一粒子と、前記第一粒子の平均粒径の１／５以下の平均粒径を有し、前記第一粒子に対して０．０５〜０．３０の体積比を有する第二粒子とが混合された、ＣｅがドープされたＹＡＧの混合粉末を準備する工程と、合計１００ｖｏｌ％に対して、前記アルミナの粉末２０〜９０ｖｏｌ％、前記ＹＡＧの混合粉末８０〜１０ｖｏｌ％で構成されるように、前記アルミナの粉末と前記ＹＡＧの混合粉末とを混合して成形体を作製する工程と、前記成形体を、真空を含む不活性雰囲気下で、１６００〜１８００℃で焼成する工程と、を含むことを特徴としている。このようにして製造された蛍光部材は、気孔が少なく、励起光の吸収や散乱、乱反射を抑制でき、高い熱伝導率を有する。その結果、高い発光効率を実現できる。なお、「平均粒径」とは、ＪＩＳ Ｒ １６２「ファインセラミックス原料のレーザ回折・散乱法による粒子径分布測定方法」に準拠し、日機装社製マイクロトラック９３０−Ｘ１００により測定したときの平均粒径をいう。

本発明によれば、緻密なセラミック構造体であるとともに高い熱伝導率を有することで、発光効率の高い蛍光部材を実現できる。

各実施例、比較例の実験条件を示す表である。 各実施例、比較例の実験結果を示す表である。

次に、本発明の実施形態を説明する。

［蛍光部材の構成］
本発明の蛍光部材は、アルミナのセラミックスマトリックスと、セラミックスマトリックス中に分散されたＣｅがドープされたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）の蛍光体粒子とを備えており、緻密質のセラミックス構造を有する。

蛍光部材を形成するＹＡＧの蛍光体粒子およびアルミナのセラミックスマトリックスからなる合計１００ｖｏｌ％の体積のうち、ＹＡＧの蛍光体粒子は２０〜９０ｖｏｌ％、アルミナのセラミックスマトリックスは８０〜１０ｖｏｌ％を占めている。下表に示すように、アルミナの熱伝導率は、ＹＡＧの熱伝導率の約３倍であり、アルミナが８０〜１０ｖｏｌ％を占めていることにより熱伝導率が向上するため、放熱特性が向上する。よって、使用時の冷却能力が向上し、温度消光による発光効率の低下を抑制できる。また、アルミナの純度は９９．９９％以上であることが好ましい。これにより、励起光が吸収されなくなり発光効率がさらに向上する。なお、アルミナの結晶粒子径は、１０μｍ以下であることが好ましい。

ＹＡＧの蛍光体粒子は、主に結晶粒子径１０〜２０μｍの第一粒子と、第一粒子の結晶粒子径の１／５以下の第二粒子とからなり、第二粒子の体積と第一粒子の体積の比が０．０５〜０．３０となっている。このような構成により、第一粒子で十分なＹＡＧの蛍光体粒子の粒子径を確保しつつ、第二粒子で充填性の高いパッキングを可能にし、蛍光部材を十分に緻密な組織のセラミックス構造体としている。その結果、蛍光部材の気孔を少なくし、励起光の吸収や散乱、乱反射を抑制し、蛍光部材の発光効率を向上させている。

蛍光部材の開気孔率は０．２％以下であることが好ましい。これにより、蛍光部材の充填性が高くなり、熱伝導率が向上する。よって、使用時の冷却能力が向上し、発光効率を高く維持できる。

［蛍光部材の製造方法］
上記のように構成される蛍光部材の製造方法を説明する。まず、純度９９．９９％、平均粒径０．５μｍ以下のアルミナの粉末を準備する。次に、ＣｅがドープされたＹＡＧの混合粉末を準備する。

ＹＡＧの混合粉末は、平均粒径１０〜２０μｍの第一粒子と、第一粒子の平均粒径の１／５以下の平均粒径を有する第二粒子とからなり、第二粒子の体積比が第一粒子に対して０．０５〜０．３０となるように混合されている。このような混合比とすることで、ＹＡＧの蛍光体粒子の第一粒子間の空隙に第二粒子が入り込み、成形体の充填性を向上させることができる。

そして、アルミナの粉末とＹＡＧの混合粉末を合わせた合計１００ｖｏｌ％に対して、それぞれの比率がアルミナの粉末２０〜９０ｖｏｌ％、ＹＡＧの混合粉末８０〜１０ｖｏｌ％となるように、アルミナの粉末とＹＡＧの混合粉末とを、エタノールを用いたボールミル混合等で混合する。そして、混合して得られた粉末材料により成形体を作製する。特に、ＹＡＧの蛍光体粒子を５０ｖｏｌ％以上とすると、パッキングの観点から、成形体の充填性向上の効果が大きくなる。これにより、容易に、緻密質セラミックス構造のＹＡＧ蛍光部材を製造することが可能となる。

このようにして得られた成形体を、真空、アルゴン雰囲気等を含む不活性雰囲気下で、１６００〜１８００℃で焼成する。このようにして製造された蛍光部材は、気孔が少なく、励起光の吸収や散乱、乱反射を抑制できる。そして、高い熱伝導率により使用時の冷却能力が向上する。なお、蛍光部材中のＹＡＧの結晶粒子径は、１０〜２０μｍのままであり、アルミナの結晶粒子径は０．２〜１０μｍ程度となる。

［発光装置］
上記のような蛍光部材は、白色照明の発光装置等の用途において、高温下の環境においても、広範囲の励起光量で高い発光効率を有する構成部材として提供できる。例えば、発光装置は、以下のように凹部を有する蛍光部材と、蛍光部材の凹部に設けられた発光素子と、蛍光部材が表面に実装された配線基板とで構成できる。

蛍光部材は、上記の通り、可視光領域における透光性を有するアルミナと、アルミナ内に分散されたＹＡＧの蛍光体粒子を含んで、例えばプレート状に形成されている。そして、蛍光部材の表面には凹部が形成され、凹部の底面は平坦面となっている。この平坦な底面に発光素子が設置される。また、凹部の内周面および中心部を除き、蛍光部材の表面には配線パターンが形成される。

発光素子は、例えば青色発光ダイオードであって、各層には電極部が接合される。そして、各電極部が配線パターンと電気的に接続され、配線パターンを介して発光素子に電力が供給される。その結果、青色光が発生し、蛍光部材内の蛍光体粒子により青色光の一部が黄色光に変換され、青色光と黄色光の混色により白色光が得られる。このような発光装置に上記の蛍光部材を用いることで放熱特性が高く、発光効率の高い発光装置を実現できる。

配線基板は平板状であって、表面には配線パターンが形成される。そして、凹部の底面と背向する蛍光部材の裏面を配線基板に対向させ、裏面端部に設けられた配線パターンが配線基板上の配線パターンに接合される。

［実施例、比較例］
（実験条件）
蛍光部材について、以下の通り、実験を行った。図１は、各実施例、比較例の実験条件を示す表である。

まず、アルミナ原料として、純度９９．９〜９９．９９％、平均粒径０．２μｍの粉末を準備した。ＹＡＧ原料として、ＣｅがドープされたＹＡＧの混合粉末を準備した。ＹＡＧの混合粉末のうち、第一粒子の原料として平均粒径８〜２２μｍの粉末を準備し、第二粒子原料として平均粒径１〜４μｍの粉末を準備した。

ボールミルを用いて、これらの原料をエタノール中で１６時間混合し、ロータリーエバポレーターでエタノールを乾燥させ、混合粉末を作製した。アルミナ、ＹＡＧの第一粒子、ＹＡＧの第二粒子の各原料の配合は、図１に示す体積比の通りである。

混合粉末に対し、１０ＭＰａで一軸加圧成形を行った後、１００ＭＰａで冷間静水圧成形を行って、φ１５ｍｍ、厚さ１０ｍｍの成形体を作製した。得られた成形体を、アルゴン雰囲気下で、１６５０〜１８００℃で焼結し、複合セラミックス焼結体を作製した。

複合セラミックス焼結体については、ＪＩＳＲ １６３４に従い、アルキメデス法によりかさ密度、開気孔率を測定した。このときＹＡＧ、アルミナの真密度は、それぞれ４．５６、３．９９×１０^３ｋｇ／ｍ^３として、体積比に応じて理論密度を計算し、相対密度（かさ密度÷理論密度）を算出した。

また、レーザーフラッシュ法により、京都電子工業社製ＬＦＡ−５０２を用いて複合セラミックス焼結体の熱伝導率を測定した。発光効率として、日本分光社製ＦＰ−８５００を用いて、試料裏面に水冷機能を付与し、３００℃に加熱時の励起光量１．５Ｗにおける内部量子効率を測定した。比較として、ＹＡＧ粉末を石英ガラスで充填した試料についても同様に評価を行った。

結晶粒子径は、インターセプト法により測定した粒径（平均粒径）であり、具体的には、例えば、以下のようにして測定する。すなわち、まず、蛍光部材の表面を研削加工により平面を得る。その後、ダイヤモンドディスク等を用いて平面の鏡面研磨を行う。その後、サーマルエッチングを行う。次に、ＳＥＭ観察により、１０００倍の倍率で、組織面像を得る。この組織の面像上に直線を数本ランダムに引く。そして、直線が横切る粒子数を数えて、画像上での直線長さを粒子数で除した値を結晶粒子径とする。測定の結果、蛍光部材中のＹＡＧの結晶粒子径は、混合時の平均粒径と同一であり、第一粒子は８〜２２μｍ、第二粒子は１〜４μｍのままであり、アルミナの結晶粒子径は０．２〜１０μｍ程度となった。

（実験結果）
図２は、各実施例、比較例の実験結果を示す表である。ＹＡＧ蛍光体１５〜１００ｖｏｌ％、アルミナ８５〜０ｖｏｌ％の体積比率の各組み合わせで複合セラミックス焼結体を作製したところ、ＹＡＧ蛍光体１５ｖｏｌ％の試料（比較例１）は、相対密度および熱伝導率は高く、発光効率も高いが、ＹＡＧ蛍光体そのものの体積割合が低いため、発光強度（外部量子効率）が低く、蛍光部材として機能しなかった。また、ＹＡＧ蛍光体９５ｖｏｌ％および１００ｖｏｌ％の試料（比較例２、３）は、いずれも相対密度と熱伝導率が低い値となり、発光効率も低くなった。ＹＡＧ蛍光体２０〜９０ｖｏｌ％、アルミナ８０〜１０ｖｏｌ％の組み合わせの試料（実施例１〜８）ではいずれも、９０％以上の高い発光効率が得られた。なお、アルミナの体積比が４０ｖｏｌ％以上の実施例１〜５、比較例１については、特に熱伝導率が高く２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上となった。

ＹＡＧ蛍光体７０ｖｏｌ％（第一粒子５６％、第二粒子１４％）、アルミナ（純度９９．９９％）３０ｖｏｌ％の試料（実施例６）に対して他の条件を同一にし、アルミナ純度のみ９９．９％とした試料（比較例４）では、相対密度および熱伝導率は高いが、発光効率が１８．７％と低い値となった。これは励起光がアルミナ内で吸収されたためと考えられる。

ＹＡＧの第二粒子と第一粒子の体積比を０から０．３５まで変えた試料（比較例５〜６、実施例６、９〜１１）については、ＹＡＧの第二粒子と第一粒子の体積比が０、０．３５の試料（比較例５、６）では、相対密度および熱伝導率が低くなり、温度消光の影響により発光効率が９０％より低くなった。ＹＡＧの第二粒子と第一粒子の体積比が０．０６〜０．３０の試料（実施例９〜１１）は、高い相対密度および熱伝導率を有し、その発光効率も９５％より高くなった。

ＹＡＧの第一粒子の結晶粒子径を８μｍから２２μｍまで変えた試料（比較例７、８、実施例６、１２、１３）については、ＹＡＧの第一粒子の結晶粒子径が８μｍの試料（比較例７）では、相対密度および熱伝導率は十分であったが、発光効率が低くなった。また、ＹＡＧの第一粒子の結晶粒子径が２２μｍの試料（比較例８）では、相対密度および熱伝導率がともに低い値となり、発光効率も低くなった。ＹＡＧの第一粒子の結晶粒子径が１０〜２０μｍの試料（実施例６、１２、１３）は、高い相対密度および熱伝導率を有し、発光効率も９５％より高くなった。

ＹＡＧの第二粒子の結晶粒子径を１μｍから４μｍまで変えた試料（実施例６、１０〜１３、比較例９）については、ＹＡＧの第一粒子の結晶粒子径１５μｍに対する第二粒子の結晶粒子径が４μｍの試料（比較例９）では、相対的に第二粒子の結晶粒子径が大きすぎ、相対密度および熱伝導率が低くなり、発光効率も８０％となり低かった。一方、ＹＡＧの第一粒子の結晶粒子径に対する第二粒子の結晶粒子径の比が１／５以下（０．０６〜０．２）の試料（実施例６、１０〜１３）では、相対密度および熱伝導率が高く、発光効率も高かった。

ＹＡＧ粉末を石英ガラスで充填した試料（比較例１０）は、熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋで、発光効率も１５．４％であり、アルミナをセラミックスマトリックスとし、充填性を高めた蛍光部材と比べて低くなった。

Claims (5)

1. アルミナのセラミックスマトリックスと、前記セラミックスマトリックス中に分散された、ＣｅがドープされたＹＡＧの蛍光体粒子と、を備え、
   合計１００ｖｏｌ％に対して、前記ＹＡＧの蛍光体粒子が２０〜９０ｖｏｌ％、前記アルミナのセラミックスマトリックスが８０〜１０ｖｏｌ％を占め、
   前記ＹＡＧの蛍光体粒子は、主に結晶粒子径１０〜２０μｍの第一粒子と、第一粒子の結晶粒子径の１／５以下の第二粒子とからなり、
   前記第二粒子の体積と第一粒子の体積の比が０．０５〜０．３０であることを特徴とする蛍光部材。
2. 開気孔率が０．２％以下であることを特徴とする請求項１記載の蛍光部材。
3. 前記セラミックマトリックスを形成するアルミナの純度は９９．９９％以上であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の蛍光部材。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の蛍光部材と、
   前記蛍光部材上に設けられた発光素子と、
   前記発光素子に電力を供給する電力供給部と、を備えることを特徴とする発光装置。
5. 純度９９．９９％、平均粒径０．５μｍ以下のアルミナの粉末を準備する工程と、
   平均粒径１０〜２０μｍの第一粒子と、前記第一粒子の平均粒径の１／５以下の平均粒径を有し、前記第一粒子に対して０．０５〜０．３０の体積比を有する第二粒子とが混合された、ＣｅがドープされたＹＡＧの混合粉末を準備する工程と、
   合計１００ｖｏｌ％に対して、前記アルミナの粉末２０〜９０ｖｏｌ％、前記ＹＡＧの混合粉末８０〜１０ｖｏｌ％で構成されるように、前記アルミナの粉末と前記ＹＡＧの混合粉末とを混合して成形体を作製する工程と、
   前記成形体を、真空を含む不活性雰囲気下で、１６００〜１８００℃で焼成する工程と、を含むことを特徴とする蛍光部材の製造方法。

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