JP2019008067A - 波長変換部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光透過性、耐熱性に優れ且つ発光源と組み合わせたときに色むらのない光を発することが可能な波長変換部材を提供する。【解決手段】シリコーン樹脂に蛍光体粒子を分散させてなる蛍光体ペーストを所望の形状にして、大気中で５００℃以上、好ましくは６００℃以上の温度で焼成し、シリコーン樹脂の焼成体中に均一に蛍光体粒子が分散した波長変換部材とする。シリコーン樹脂の焼成体は、実質的にＳｉとＯのみからなる無機材料であり、ガラス等と同様の光透過性及び耐熱性を有する。しかも蛍光体粒子が均一に分散されているので、蛍光体粒子の不均一分布に起因する色むらが解消される。【選択図】なし

Description

本発明は、蛍光体等の波長変換材料を含む部材（以下、波長変換部材という）に係り、特にＬＥＤやＬＤ素子などの固体光源からの光を異なる波長の光に変換して出力する波長変換部材に関する。

半導体発光素子を利用した発光装置として、ＬＥＤやＬＤ素子などの固体光源からの励起光を、波長変換部材に照射し、波長が変換された光を取り出すように構成された発光装置が知られている（例えば、特許文献１）。

このような発光装置は、蛍光体の選択により所望の発光色が得られる、消費電力が少ないなどの利点があり、各種照明装置として実用化が進んでいる。波長変換部材としては黄色蛍光体と透明樹脂との混合物で被覆モールドしたものが一般的であるが、青色光はエネルギーが強いので樹脂を劣化させやすく、それゆえ、長期間使用していると樹脂が変色して色調が変化するという問題がある。特に最近では、ＬＥＤやＬＤの高出力化に伴い、極めて強い青色光が照射されるので、波長変換部材を構成する樹脂の劣化が著しく、発光色の変化が極めて短期間に生じてしまったり、樹脂の熱伝導率が悪いため、蛍光体の発熱によって樹脂が焦げてしまったりなどの問題も生じている。

これに対し、透明樹脂を使用せず無機材料、例えばガラスで蛍光体を封止することが提案されている（特許文献２）。このような波長変換部材は、例えば、ガラス粉末と蛍光体とを樹脂とアルコールなどに混ぜ合わせペースト状にし、加圧して成型体とし、焼成を行って有機成分を除去することで、無機材料のみで構成された波長変換部材を得る。

特開２０１３−１０２０７８号公報 特許第４１５８０１２号

波長変換部材を、蛍光体と無機材料のみで構成することにより、樹脂の劣化に伴う種々の問題は解決するものの、波長変換部材の製造工程において、蛍光体とガラス粉末は比重や粒子径が異なり均一に混ざりにくく、ガラス封止した際、蛍光体の分布に偏りができてしまうという問題がある。このためガラス封止した発光装置では、ＬＥＤ或いはＬＤからの光と波長変換部材によって波長変換された光との混合光の色が場所によって異なる傾向がある。

本発明は、上述した無機材料で構成された波長変換部材の色むらの問題を解決し、耐熱性があり且つ色むらのない波長変換部材を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の波長変換部材は、シリコーン樹脂の焼成体であって実質的にケイ素（Ｓｉ）及び酸素（Ｏ）からなる無機材料と、当該無機材料中に分散された蛍光体粒子とを含む。また本発明の波長変換部材の製造方法は、未硬化のシリコーン樹脂中に蛍光体粒子を分散させるステップと、蛍光体粉末を分散させたシリコーン樹脂（蛍光体ペースト）を所定の形状にしたのち、大気中で６００℃以上の温度で焼成するステップと、を含む。

本発明の波長変換材料は、実質的に蛍光体と無機材料からなるが、無機材料が未硬化即ち液状のシリコーン樹脂を焼成させたものであるので、焼成前の液状の状態において蛍光体粒子を均一に分散させることができ、結果として無機材料中に均一に蛍光体粒子が分散した波長変換材料となる。これにより、蛍光体粒子が不均一に分散することに起因する色むらを解消することができる。しかもシリコーン樹脂の焼成体は耐熱性や光透過性に優れているので、ＬＥＤ等と組み合わせて用いたときに、熱エネルギーによる劣化がなく且つＬＥＤや蛍光体等から発せられる光の色味に影響を与えることがなく、発光効率のよい発光装置を提供することができる。

本発明の波長変換部材の製造方法の一例を示す図。 実施例の波長変換部材のＳＥＭ像を示す図。 実施例の波長変換部材（封止剤部分）の元素分析の結果を示す図。

以下、本発明の波長変換部材とその製造方法の実施形態を説明する。

本発明の波長変換部材は、シリコーン樹脂の焼成体中に蛍光体が分散した構造を持つ。シリコーン樹脂は、シロキサン結合を主骨格とする高分子化合物で、本発明では、比較的分子量が低いポリシロキサン（シリコーンオリゴマー）、シロキサン結合が２０００以下のシリコーンオイルなど常温で液状のものの他、アルコール類等に溶解する固形型のシリコーン樹脂であってもよい。

シリコーン樹脂に導入されている官能基は、焼成時に炭酸ガス、水等として排出されるため、特に限定されないが、残留する炭素量をできるだけ少なくするため炭素数は少ないほうが好ましく、また炭素及び水素以外の元素、例えばフッ素等を含まないことが好ましい。

蛍光体は、ＬＥＤ等の発光素子が発する光によって励起され、励起光と異なる波長の光を発するものであればよく、発光素子との組み合わせで適宜選択される。典型的な蛍光体として、例えば、ＹＡＧ系、サイアロン系、カズン系などが挙げられる。ＬＥＤやＬＤがピーク波長４３０ｎｍ〜４６０ｎｍの青色光を発するものである場合には、この青色光によりピーク波長５４０ｎｍ〜５７０ｎｍの黄色光を発するＹＡＧ系蛍光体を用いることにより、青色光と黄色光の混合色である白色光を発する波長変換部材とすることができる。

蛍光体粒子の粒子径は、波長変換部材の形状や厚みに応じて適宜選択して用いることができるが、例えば厚みが比較的薄い（２０μｍ程度）波長変換部材では、蛍光体の粒子径（Ｄ５０）が、好ましくは５〜１０μｍであって、最大粒子径が波長変換部材の厚みを超えないことが好ましい。また粒度分布が狭いものが好ましい。粒度分布が狭いものを用いることにより、より色むらを低減することができる。

シリコーン樹脂の焼成体に対する蛍光体粒子の割合は、重量比で、好ましくは焼成体：蛍光体が２：８〜４：６、より好ましくは２．５：７．５〜３．５：６．５、最も好ましくは３：７程度とする。これにより波長変換部材の機械的強度を保つことができ、また蛍光体粒子を焼成前のシリコーン樹脂中に均一に分散させることができる。

本発明の波長変換部材は、基本的にシリコーン樹脂の焼成体と蛍光体とからなるが、蛍光体以外の無機材料の微粒子（粉末）を含んでいてもよい。特に波長変換部材の厚みが厚い場合、例えば２０μｍを超える場合、分散させる蛍光体の粒子径との関係で分散の均一度に限界あるので、光を散乱する微粒子を添加しておくことにより、色むらの低減効果を向上することができる。このような微粒子として、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）やＳｉＯ_２（シリカ）などの酸化物を用いることができる。微粒子の粒子径は、凝集しない程度の大きさである０．４μm以上が好ましいが、大きすぎると散乱性が低下するために９μm以下が好ましい。３μm程度がより好ましい。

また無機微粒子の添加量は、波長変換部材の厚みによっても異なるが、蛍光体との重量比で無機微粒子：蛍光体が５０：５０以下であることが好ましい。特に青色光を発する蛍光体を用いて白色光を発する波長変換部材の場合には、白色光を維持するために好ましくは３５：６５〜４５：５５、最も好ましくは約３０：７０とする。またこのような範囲とすることで、蛍光体粒子と無機微粒子を焼成前の液状のシリコーン樹脂に分散させた場合に、蛍光体粒子の分散が不均一になるのを防止することができる。

本発明の波長変換部材は、上述した材料の他に製造工程に起因して不可避的に混入される混入物が含まれる場合がある。例えば、シリコーン樹脂に起因して微量の炭素を含む。但し波長変換部材の光透過性を阻害しないという条件を満たす必要がある。

本発明において、波長変換部材は、上述した材料からなる単独の部材でもよいし、透明な部材或いは光反射面を持つ部材等の上に積層或いは充填されたものであってもよい。透明な部材としてはガラス板、サファイア板などが挙げられる。また光反射面を持つ部材としては、上述した透明な部材の表面に金属膜などの光反射面を形成したものや、鏡面加工された部材などが挙げられる。

次に本発明の波長変換部材の製造方法について、図１を参照して説明する。図１は、一例として板状の波長変換部材２０を製造する場合を示している。

蛍光体とシリコーン樹脂を秤量し、必要に応じて添加されるアルミナ、シリカ等の無機微粒子を添加し、攪拌機等により混合し、シリコーン樹脂１２中に蛍光体粒子１１が分散した蛍光体ペーストを作製する。粘度を調整するために、低分子量のアルコール等を加えてもよい。この蛍光体ペーストをサファイア基板等の透明な基板１０の上に、スクリーン印刷、バーコーター印刷等の手法で塗工し、均一な蛍光体ペーストの層を形成する。その後、大気中で５００℃以上、好ましくは６００℃以上の温度で焼成する。５００℃以上で焼成することにより、肉眼で観察可能な炭素の残差をなくすことができ、また６００℃以上とすることにより、シリコーン樹脂由来の有機物をほぼ完全に除去することができる。これにより、残差物がレーザーを受けて焦げることによる着色を防止できる。

なお焼成の温度は、微小なクラックの発生を避けるために、比較的低い昇温速度、例えば５００℃／時間程度で行い、目標焼成温度を約１時間〜３時間保ち焼成を行う。これによりシリコーン樹脂の有機側鎖を二酸化炭素或いは水として蒸散させ、その残差成分が実質的にＳｉとＯのみの焼成体を得ることができる。こうして得られる焼成体は、シリカガラス（ＳｉＯ_２）のような構造であると推定される。焼成後は徐冷する。

なお図１では板状の波長変換部材を製造する場合を示したが、型を用いることにより、凹状、凸状、或いは凹凸状の表面を持つ部材を作製することも可能である。

このように製造される本発明の波長変換部材は、光透過性が高く且つ高耐熱性のガラス内に均一に蛍光体が分散しているので、ＬＤ等と組み合わせたときに、色むらがなく、均一で且つ発光効率のよい発光装置が得られる。

発光装置は、ＬＥＤ或いはＬＤを光源として用いる発光装置であれば特に限定されず適用可能であり、具体的には、ＬＥＤヘッドランプ、ＬＤヘッドランプ等の車両用灯具や、ＬＤプロジェクター等の発光装置などが挙げられる。

以下、本発明の波長変換部材の実施例を説明する。
＜実施例＞
粒子径Ｄ５０＝８．４μｍのＹＡＧ蛍光体とシリコーン樹脂（ＬＰＳ−２４１９：信越化学工業社）を、蛍光体：シリコーン樹脂が重量比で７２：２８となるように秤量し、攪拌脱泡器（ＡＲ−２５０：シンキー社）にて混合し、蛍光体ペーストを作製した。

この蛍光体ペーストをスクリーン印刷によりサファイア基板（サイズ：２０ｍｍ×１０ｍｍ×厚み０．５５ｍｍ）の上に印刷し、その後大気中で、約５００℃／時間で昇温した後、約６００℃で約２時間焼成した。焼成後、徐冷し、基板と一体化した波長変換部材を得た。波長変換部材の厚みは２０μｍであった。

この波長変換部材のＳＥＭ像を図２に示す。本実施例の波長変換部材では、蛍光体は概ね均一に蛍光体が分布している。またこの波長変換部材の蛍光体部分とガラス部分（封止剤部分）について、エネルギー分散型X線分析（ＥＤＸ）により元素分析を行った。封止剤部分についての結果を図３に示す。図３に示すように、封止剤部分はＳｉとＯしか検出されず、実質的に無機成分のみ残差していることが確認された。

さらに本実施例の波長変換部材について、次の手法で色度と色むらを評価した。

まず拡散材を透過させたＬＥＤ光（ピーク波長：４５０ｎｍ）を波長変換部材のサファイア基板側から入射させて、ＣＣＤカメラ搭載の色度測定器（Ｐｒｏｍｅｔｒｉｃ：Ｒａｄｉａｎｔ Ｚｅｍａｘ社）を用いて透過光の色度を測定した。色むらは、波長変換部材の面内にて、５０μｍ平方の四角形内の色度Ｃｘを１画素（約９μｍ）ずつずらして約１ｍｍに亘って解析し、Ｃｘの最大値（Ｃｘｍａｘ）と最小値（Ｃｘｍｉｎ）の差ΔＣｘ（＝Ｃｘｍａｘ−Ｃｘｍｉｎ）を算出し、色むらとした。また、比較例として、従来の手法であるガラス粉末と蛍光体粒子（粒子径Ｄ５０＝８．４μｍのＹＡＧ蛍光体）とを焼成して作成した波長変換部材（蛍光体：ガラス＝体積比９０：１０）ついても同様の評価を行った。結果を表１に示す。

表１に示す結果からもわかるように、実施例及び比較例の波長変換部材は、共にＬＥＤ光と組み合わせることで白色光が得られることが確認された。また実施例では比較例に比べ有意に色むらが改善していることが確認された。

１０・・・基板、１１・・・蛍光体粒子、１２・・・シリコーン樹脂、２０・・・波長変換部材。

Claims (7)

1. 励起光を受けて、当該励起光とは異なる波長の光を発する蛍光体を含む波長変換部材であって、シリコーン樹脂の焼成体と当該焼成体中に分散した前記蛍光体の粒子とを含むことを特徴とする波長変換部材。
2. 請求項１に記載の波長変換部材であって、
   前記蛍光体は、青色光を黄色光に変換する蛍光体であり、
   青色光を受けて、青色光と黄色光との混合色である白色光を発することを特徴とする波長変換部材。
3. 請求項１又は２に記載の波長変換部材であって、
   前記シリコーン樹脂の焼成体は、Ｎａ_２Ｏ、ＣａＯ、Ｂａ_２Ｏ_３、ＢａＯ、ＺｎＯを実質的に含有しない無機材料であることを特徴とする波長変換部材。
4. 請求項３に記載の波長変換部材であって、
   前記シリコーン樹脂の焼成体は、実質的にケイ素（Ｓｉ）及び酸素（Ｏ）からなることを特徴とする波長変換部材。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の波長変換部材であって、
   光透過性の基板上に形成されていることを特徴とする波長変換部材。
6. 未硬化のシリコーン樹脂に蛍光体粒子を分散させて蛍光体ペーストを作製するステップ、及び
   前記蛍光体ペーストを所定の形状にして、大気中で５００℃以上の温度で焼成するステップ、
   を含む波長変換部材の製造方法。
7. 請求項６に記載の波長変換部材の製造方法であって、
   前記焼成するステップの前に、前記蛍光体ペーストを基材上に塗布するステップを含み、前記焼成するステップでは、前記蛍光体ペーストを前記基材とともに焼成することを特徴とする波長変換部材の製造方法。
   
   

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