JP2019211670A - 蛍光発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光面積を限定的にして高い輝度を実現することのできる蛍光発光素子を提供する。【解決手段】蛍光発光素子は、蛍光体と、前記蛍光体とは異なる材料からなるバインダと、を含んでなる板形状を呈した蛍光板を有する。バインダの材料の熱伝導率は、８Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、蛍光体の材料とバインダの材料との屈折率差は、０．２５以上である。蛍光板は、当該蛍光板の少なくとも一つの面上に、凹凸形状を呈するモスアイ構造を有する。【選択図】 図２

Description

本発明は、蛍光体を含む蛍光発光素子に関する。

従来、半導体レーザ素子からなる励起光源と、蛍光体を含有する蛍光発光素子とを備え、励起光源から出射される光（レーザ光）を蛍光体に照射して蛍光を発生させる蛍光光源装置が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。このような蛍光光源装置において生成された蛍光は、例えばプロジェクタ用の光源として利用される。

特許第５９００５６３号公報

近年、より小型で高輝度のプロジェクタに対する市場からの要求が高まっている。蛍光光源装置から放射される蛍光をプロジェクタ用の光源として利用する場合、蛍光光源装置において発生される蛍光の輝度を高める必要がある。蛍光の輝度を高める観点からは、蛍光体で生成される蛍光のスポット径を小さくすることが好ましい。

また、プロジェクタに含まれる光学系は、所定の範囲内のエタンデュを有する光束しか取り込めないように構成されることが一般的である。つまり、蛍光のスポット径が大きい場合、取り出された光の一部の光しか利用できないこととなってしまい、光の利用効率が低く、高輝度のプロジェクタを実現することが難しくなる。なお、この問題は、プロジェクタ用途に限られず、蛍光光源装置から取り出される蛍光を利用する一般的な光学部品に対して生じ得る。

本発明は、上記の課題に鑑み、発光面積を限定的にして高い輝度を実現することのできる蛍光発光素子を提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意研究により、下記の構成を示す蛍光発光素子によれば、高輝度の蛍光発光素子が実現できることを見出した。

すなわち、本発明に係る蛍光発光素子は、
蛍光体と、前記蛍光体とは異なる材料からなるバインダと、を含んでなる板形状を呈した蛍光板を有し、
前記バインダの材料の熱伝導率は、８Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、
前記蛍光体の材料と前記バインダの材料との屈折率差は、０．２５以上であり、
前記蛍光板は、当該蛍光板の少なくとも一つの面上に、凹凸形状を呈するモスアイ構造を有することを特徴とする。

上記のように、バインダを、熱伝導率が８Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料で構成することで、蛍光発光素子を光源装置の部材に固定して利用した場合においても、蛍光発光時に生じる熱を高効率で排熱することができ、温度消光の発現が抑制される。すなわち、蛍光発光素子を回転駆動機構を備えたホイールなどに取り付けて、冷却のために回転させる必要がない。

そして、上記のように、蛍光体の材料とバインダの材料との屈折率差を０．２５以上としたことで、蛍光体で生成された光（蛍光）のうち、蛍光板の面に実質的に平行な方向に進行した光の進行方向を、蛍光板の光の取り出し面側へと容易に変化させることができる。つまり、蛍光板の光の取り出し面上における、蛍光のスポット径を縮小化することができ、前記光取り出し面上における輝度が高められる。

更に、上記のように、蛍光板の少なくとも一つの面上にモスアイ構造を形成したことで、蛍光体で生成された光が取り出し面側に導かれた際に、当該面上での反射が抑制されるため、光の取り出し効率が高められる。モスアイ構造が形成される面は、少なくとも蛍光板の光取り出し面であるものとして構わない。

より詳細には、前記蛍光発光素子は、基板と、前記基板の上層に形成された接合層とを含み、前記接合層を介して、前記基板上に前記蛍光板が固定的に接合されているものとすることができる。

前記蛍光発光素子は、前記蛍光板に含有される前記蛍光体の体積割合を５０％以上としても構わない。かかる構成とすることで、蛍光発光素子で生成される蛍光強度を高めることができる。

前記蛍光発光素子は、前記蛍光板に含有される前記蛍光体の粒径を１０μｍ以下としても構わない。なお、本明細書において、「蛍光体の粒径」とは、蛍光体を構成する一次粒子の平均粒径を指し、より詳細には、ＳＥＭ又はＴＥＭの電子顕微鏡による観察において、数十個の粒子の粒子径（長軸の長さ）の測定値の平均値を意味する。

前記蛍光板は、含有される体積割合が０．８％〜５％の範囲内の気孔を含むものとしても構わない。蛍光板に気孔を含有させることで、蛍光体と気孔、及びバインダと気孔との間で大きな屈折率差が生じるため、蛍光板の面に実質的に平行な方向に進行した蛍光（光）を、効率的に蛍光板の面（光取り出し面）に向かわせることができる。

前記蛍光発光素子において、
前記蛍光体は、Ｌａ₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁：Ｃｅ、又は(Ｌａ，Ｙ)₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁：Ｃｅからなり、
前記バインダは、フッ化物材料からなるものとしても構わない。

本明細書において、Ｌａ₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁：Ｃｅ、又は(Ｌａ，Ｙ)₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁：Ｃｅで規定される蛍光体を「ＬＳＮ蛍光体」と表記することがある。なお、より詳細には、前記蛍光体は、Ｌａ₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁：Ｃｅ²⁺、又は(Ｌａ，Ｙ)₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁：Ｃｅ²⁺で規定される材料とすることができる。また、バインダを構成するフッ化物材料としては、ＣａＦ₂、ＢａＦ₂などが挙げられる。例えば、Ｌａ₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁：ＣｅからなるＬＳＮ蛍光体は、屈折率が２．０であり、ＣａＦ₂からなるバインダは、屈折率が１．３９である。このとき、両者の屈折率差は０．６１である。

本発明の蛍光発光素子によれば、発光面積が限定的となり、スポット径の小さい高輝度の蛍光を生成することができる。

本発明の蛍光発光素子を含む、一実施形態の蛍光光源装置の構成を模式的に示す図面である。 蛍光発光素子の構成を模式的に示す断面図である。 蛍光板の構成を模式的に示す断面図である。 実施例１、比較例１、参考例１の各材料からなる蛍光発光素子におけるピーク蛍光強度と、蛍光体の体積含有率との関係を示すグラフである。 実施例１の材料からなる蛍光発光素子における、ピーク蛍光強度と、蛍光体の粒径との関係を示すグラフである。 実施例１、実施例２、実施例３、及び実施例４の各材料からなる蛍光板におけるピーク蛍光強度と、蛍光体の体積含有率との関係を示すグラフである。 実施例１、実施例５、実施例６、比較例２、及び参考例２の各材料からなる蛍光板におけるピーク蛍光強度と、蛍光体の体積含有率との関係を示すグラフである。

本発明の蛍光発光素子の構成につき、図面を参照して説明する。なお、以下の各図において、図面上の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。

図１は、蛍光発光素子を含む、一実施形態の蛍光光源装置の構成を模式的に示す図面である。図１に示す蛍光光源装置１は、励起光源２と、ダイクロイックミラー３と、蛍光発光素子１０とを備える。

励起光源２は、例えば波長が４４５ｎｍ以上４６５ｎｍ以下の青色領域の光を出射する半導体レーザ素子を含んで構成される。励起光源２は、必要に応じてコリメートレンズなどの光学系を備えることができる。

蛍光発光素子１０は、後述する蛍光体及びバインダを含んでなる。励起光源２から出射された励起光２１が蛍光発光素子１０に照射されると、蛍光発光素子１０に含まれる蛍光体が励起され、蛍光発光素子１０から蛍光２２が放射される。蛍光２２は、励起光２１よりも長波長の光であり、例えば、４７０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長を有する。

図１に示される蛍光光源装置１において、ダイクロイックミラー３は、励起光源２から出射される励起光２１を透過し、蛍光発光素子１０から出射される蛍光２２を反射するように構成されている。ダイクロイックミラー３は、ミラー面が例えば励起光２１の入射角度に対して４５°の角度で傾斜するように配置されている。かかる構成とすることで、蛍光２２が蛍光光源装置１の外部に取り出され、例えば、図示しない後段の光学系に入射される。

後述されるように、蛍光発光素子１０は、熱伝導率の高いバインダを含むため、高い排熱性を有している。このため、蛍光発光素子１０は、冷却のために別途の回転ホイールなどに設置する必要がなく、装置の所定の箇所に固定的に設置することができる。

図２は、蛍光発光素子１０の構成を模式的に示す断面図である。蛍光発光素子１０は、基板１１と、接合層１２と、反射層１３と、蛍光板１４とを有する。

（基板１１）
基板１１は、蛍光板１４で発せられた熱を排熱するために設けられている。基板１１は、例えば熱伝導率が９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、具体的には例えば２３０〜４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）である材料で構成される。このような材料の例としては、Ｃｕ、銅化合物（ＭｏＣｕ、ＣｕＷなど）、Ａｌ、ＡｌＮなどが挙げられる。

基板１１の厚みは、例えば０．５ｍｍ〜５ｍｍである。また、排熱性などの観点から、基板１１の表面における面積は、蛍光板１４の面積よりも大きいことが好ましい。

（接合層１２）
接合層１２は、基板１１と蛍光板１４とを接合する層であり、例えばハンダ材料からなる。排熱性などの観点から、接合層１２を構成する材料としては、例えば熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるものが用いられることが好ましい。より詳細には、例えば、Ｓｎ、Ｐｂなどの材料にフラックスやその他の不純物を混ぜてクリーム状（ペースト状）の形態としたクリームハンダ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダ、Ａｕ−Ｓｎ系ハンダなどを用いることができる。接合層１２の厚みは、例えば２０μｍ〜２００μｍである。

なお、図示していないが、基板１１と接合層１２との接合性を更に高める観点から、基板１１と接合層１２との間に、例えばメッキ法によって形成された、Ｎｉ／Ａｕ膜よりなる金属膜が形成されているものとしても構わない。この金属膜の厚みは、例えばＮｉ／Ａｕ＝１０００ｎｍ〜５０００ｎｍ／３０ｎｍ〜１０００ｎｍとすることができる。

（反射層１３）
反射層１３は、蛍光板１４の面のうちの、基板１１側の面に形成されている。この反射層１３は、蛍光板１４で生成された蛍光２２のうち、光取り出し面１４ａとは反対側（基板１１側）に進行した蛍光２２を反射させて、光取り出し面１４ａに導くために設けられている。反射層１３は、例えば、Ａｌ、Ａｇ等の金属膜や、前記金属膜上に誘電体多層膜を形成した増反射膜などで構成されることができる。

なお、図示していないが、蛍光板１４と接合層１２との接合性を更に高める観点から、蛍光板１４の面のうちの、基板１１側の面、より具体的には、反射層１３と蛍光板１４との間に、例えば蒸着によって形成されたＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜、Ｎｉ／Ａｕ膜よりなる金属膜が形成されているものとしても構わない。この金属膜の厚みは、例えばＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ＝３０ｎｍ／５００ｎｍ／５００ｎｍとすることができる。

（蛍光板１４）
蛍光板１４は、反射層１３の上層に形成されている。蛍光板１４は、励起光源２から出射される励起光２１が入射されると、蛍光２２を放射する。蛍光板１４は、一例として基板１１の面に直交する方向から見たときに矩形平板状の構造を示す。蛍光板１４の厚みは、例えば０．０５ｍｍ〜１ｍｍである。

図３は、蛍光板１４の構成を模式的に示す断面図である。図３に示す蛍光板１４は、蛍光体１６、バインダ１７、及び気孔１８を含む。また、図２に示すように、蛍光板１４は、基板１１とは反対側に位置する面、すなわち光取り出し面１４ａ側において、微細な凹凸加工が施されたモスアイ構造１５を有している。

バインダ１７は、図３に模式的に図示されるように、粒子状の蛍光体１６同士の離間を埋めるように形成されている。バインダ１７は、熱伝導率λ≧８Ｗ／（ｍ・Ｋ）を示す材料からなる。このような材料の例としては、ＣａＦ₂［λ=１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、ＢａＦ₂［λ=１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、ＺｎＳ［λ=２７Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、Ａｌ₂Ｏ₃［λ=４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）］などが挙げられる。

蛍光体１６は、当該蛍光体１６の材料の屈折率ｎ₁₆と、バインダ１７の材料の屈折率ｎ₁₇との差δn（＝|ｎ₁₆−ｎ₁₇|）が、δn≧０．２５を満たす材料から選択される。

例えば、バインダ１７がＣａＦ₂［ｎ₁₇ =１．３９］、ＢａＦ₂［ｎ₁₇ =１．４６］、又はＺｎＳ［ｎ₁₇ =２．２］である場合、蛍光体１６としては、ＬＳＮ（Ｌａ₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁：Ｃｅ²⁺，(Ｌａ，Ｙ)₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁：Ｃｅ²⁺）［ｎ₁₆ =２．０］、βサイアロン（ＳｒＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ²⁺）［ｎ₁₆ =２．０］、ＣＳＯ（ＣａＳｃ₂Ｏ₄：Ｃｅ³⁺）［ｎ₁₆ =１．９］、ＬｕＡＧ（Ａｌ₅Ｏ₁₂Ｌｕ₃：Ｃｅ²⁺）［ｎ₁₆ =１．８４］、ＹＡＧ（Ａｌ₅Ｏ₁₂Ｙ₃：Ｃｅ²⁺）［ｎ₁₆ =１．８３］、ＢＯＳＳ（(Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｇ)₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺）［ｎ₁₆ =１．８］、及びＢＳＳ（(Ｂａ，Ｓｒ)ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺）［ｎ₁₆ =１．８］からなる群から屈折率差δ_nが所定の範囲になるように適宜選択される１種又は２種以上とすることができる。

また、バインダ１７がＡｌ₂Ｏ₃［ｎ₁₇ =１．７５］である場合、蛍光体１６としては、ＬＳＮ［ｎ₁₆ =２．０］、βサイアロン［ｎ₁₆ =２．０］、及びＣＳＯ［ｎ₁₆ =１．９］からなる群から屈折率差δ_nが所定の範囲になるように適宜選択される１種又は２種以上とすることができる。

蛍光体１６は、粒径が３０μｍ以下であり、好ましくは２５μｍ以下であり、更に好ましくは２０μｍ以下であり、特に好ましくは１０μｍ以下である。蛍光体１６の粒径の下限値は特に規定はないが、一般的には、１μｍ以上である。

蛍光板１４に含まれる蛍光体１６の体積割合は、好ましくは８％以上、９８％以下であり、より好ましくは、３０％以上、９８％以下であり、更により好ましくは５０％以上、９８％以下である。なお、蛍光板１４に含まれる蛍光体１６の体積割合（体積含有率）とは、蛍光板１４の全体の体積に対して、蛍光体１６が占有する合計の体積の比率を指す。例えば、蛍光板１４が、体積割合２０％のバインダ１７と、体積割合３％の気孔１８とを含む場合、蛍光体１６の体積割合は実質的に７７％であるものとして構わない。ここでいう「実質的に」とは、含有される不純物を考慮しないという趣旨である。

図３に図示されるように、本実施形態においては、蛍光板１４内には一部の気孔１８が形成されている。蛍光板１４に含まれる気孔１８の体積割合は、好ましくは０．８％以上、５％以下である。

蛍光板１４は、例えば以下の方法によって製造することができる。まず、蛍光体１６を構成する粒子と、バインダ１７を構成する粒子を、ボールミル、Ｖブレンダーなどの乾式混合法を用いて混合し、混合粉を得る。また、別の方法として、前記両粒子を所定の溶媒を加えてスラリー状態にし、ボールミル、ホモジナイザー、超音波ホモジナイザー、二軸混練機などを用いた湿式混合法を用いて混合させた後、得られたスラリーを、所定の温度で溶媒を揮発させて、混合粉を得る。

その後、得られた混合粉をプレス成形し、得られた成形体を焼結する。その後、得られた焼結体に対して熱間等方圧加圧加工（ＨＩＰ：Hot Isostatic Pressing）を施す。加圧加工の条件によって、蛍光板１４に含有される気孔１８の含有率を制御することができる。その後、一方の面に対してエッチング処理を施すことで、微細な凹凸形状を有するモスアイ構造１５を含む蛍光板１４が生成される。

モスアイ構造１５に含まれる微細な凹凸形状は、３００ｎｍ以上、６００ｎｍ以下の、ナノメートルオーダーの径を有する。

上述した実施形態の蛍光発光素子１０によれば、従来の素子よりも輝度が向上する点につき、実施例を参照して説明する。実施例、比較例、及び参考例の蛍光板１４に用いられた蛍光体及びバインダの材料は、以下の表１の通りである。なお、各実施例、比較例、及び参考例の蛍光板１４としては、表１に記載された条件の範囲内で、蛍光体１６の体積含有率、及び、蛍光体１６の粒径を適宜変更して作成されたものが採用された。

（実施例１）
実施例１の蛍光板１４は、ＬＳＮ（Ｌａ₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁：Ｃｅ²⁺）からなる蛍光体１６と、ＣａＦ₂からなるバインダ１７と、体積含有率０．８％の気孔１８とを含み、光取り出し面１４ａ側にモスアイ構造１５が形成されている。

（実施例２、実施例３、実施例７）
実施例２の蛍光板１４は、気孔１８の体積含有率を５％に変更した点を除き、実施例１の蛍光板１４と同一の条件で作成されたものである。同様に、実施例３の蛍光板１４は、気孔１８の体積含有率を０％、すなわち気孔１８を含まない構成に変更した点を除き、実施例１の蛍光板１４と同一の条件で作成されたものである。同様に、実施例７の蛍光板１４は、気孔１８の体積含有率を１０％に変更した点を除き、実施例１の蛍光板１４と同一の条件で作成されたものである。

（実施例４、実施例５）
実施例４の蛍光板１４は、バインダ１７の材料をＢａＦ₂に変更した点を除き、実施例１の蛍光板１４と同一の条件で作成されたものである。同様に、実施例５の蛍光板１４は、バインダ１７の材料をＡｌ₂Ｏ₃に変更した点を除き、実施例１の蛍光板１４と同一の条件で作成されたものである。

（実施例６）
実施例４の蛍光板１４は、蛍光体１６の材料をＹＡＧ（Ａｌ₅Ｏ₁₂Ｙ₃：Ｃｅ²⁺）に変更した点を除き、実施例１の蛍光板１４と同一の条件で作成されたものである。

（比較例１、比較例２）
比較例１の蛍光板１４は、ＹＡＧ（Ａｌ₅Ｏ₁₂Ｙ₃：Ｃｅ²⁺）からなる蛍光体１６と、Ａｌ₂Ｏ₃からなるバインダ１７とを含み、気孔１８を含まず、光取り出し面１４ａ側にはモスアイ構造１５が形成されていない。比較例２の蛍光板１４は、体積含有率にして３％の気孔１８を含めた点を除き、比較例１の蛍光板１４と同一の条件で作成されたものである。

（参考例１、参考例２）
参考例１の蛍光板１４は、気孔１８の体積含有率を０％に変更し、すなわち気孔１８を含まず、且つ光取り出し面１４ａ側にモスアイ構造１５が形成されていない点を除き、実施例１の蛍光板１４と同一の条件で作成されたものである。参考例２の蛍光板１４は、気孔１８の体積含有率を３％に変更した点を除き、参考例１の蛍光板１４と同一の条件で作成されたものである。

（各グラフの説明）
図４は、実施例１、比較例１、参考例１の各材料からなる蛍光板１４から出射される蛍光２２のピーク蛍光強度と、蛍光体１６の体積含有率との関係を示すグラフであり、横軸については対数表記にて表示されている。

図４、及び後述される図５〜図７に図示される縦軸の値は、いずれも、表１を参照して上述した実施例、比較例、又は参考例に係る各蛍光板１４に対して、同一の条件（波長及び強度）で励起光を照射したときの、蛍光板１４から出射される蛍光２２のピーク強度の値に対応する。なお、図４〜図７における縦軸の値（蛍光２２のピーク強度）は、同一の基準値に対する相対値で表記されたものである。つまり、例えば、図４のグラフにおける強度１００［a.u.］が示す値と、図５〜図７のグラフにおける強度１００［a.u.］が示す値とは、同一値である。

図４は、実施例１に関しては、蛍光体１６の粒径を５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、２５μｍ、及び３０μｍの５種類とし、比較例１及び参考例１においては、いずれも蛍光体１６の粒径を５μｍとしてシミュレーションを行った結果を示すグラフである。

図５は、図４において、実施例１の蛍光板１４のデータのみを抽出し、横軸を蛍光体１６の粒径とし、縦軸を蛍光強度としてグラフ化したものである。

図６は、実施例１、実施例２、実施例３、及び実施例４の各材料からなる蛍光板１４から出射される蛍光２２のピーク蛍光強度と、蛍光体１６の体積含有率との関係を示すグラフであり、図４と同様に横軸については対数表記にて表示されている。なお図６には、実施例１に関しては、蛍光体１６の粒径を５μｍ及び１０μｍの２種類とし、実施例２〜４においては、蛍光体１６の粒径を１０μｍの１種類としてシミュレーションを行った結果が示されている。

図７は、実施例１、実施例５、実施例６、比較例２、及び参考例２の各材料からなる蛍光板１４におけるピーク蛍光強度と、蛍光体１６の体積含有率との関係を示すグラフであり、図４と同様に横軸については対数表記がされている。なお図７には、実施例１に関しては、蛍光体１６の粒径を２０μｍ及び２５μｍの２種類とし、実施例５、実施例６、比較例２、及び参考例２に関しては、蛍光体１６の粒径を１０μｍの１種類としてシミュレーションを行った結果が示されている。

（結果に対する検証）
以下、図４〜図７に図示された結果に対して検証する。

《１》図４によれば、比較例１の蛍光板１４は、蛍光体１６の体積含有率が高まるにつれて、出射する蛍光２２の強度は徐々に上昇するものの、その上昇の程度は実施例１及び参考例１よりも著しく小さい。これに対し、実施例１及び参考例１の蛍光発光素子においては、蛍光体１６の粒径に関わらず、蛍光体１６の体積含有率が高まると、蛍光強度が大きく上昇することが確認される。

実施例１及び参考例１は、いずれも蛍光体１６とバインダ１７の屈折率差δn（＝|ｎ₁₆−ｎ₁₇|）が０．６１と大きいのに対し、比較例１は、前記屈折率差δnが０．０８と小さい。蛍光体１６の粒径を同一とした場合において、蛍光板１４に含まれる蛍光体１６の体積割合（体積含有率）を高めることは、同一の領域内において、蛍光体１６とバインダ１７とが接触する頻度が高まることを意味する。

蛍光体１６とバインダ１７との屈折率差δnが大きい場合、蛍光体１６の粒子から出射されてバインダ１７内に進行する蛍光２２、及び、バインダ１７から再び近接する蛍光体１６の粒子内に入射された蛍光２２は、屈折率差に起因してその都度進行方向が変化する。この結果、仮に蛍光体１６から蛍光板１４の面に実質的に平行な方向に蛍光２２が進行したとしても、すぐに進行方向が変化し、光取り出し面１４ａ側に導かれる。すなわち、蛍光２２が、光取り出し面１４ａに導かれるまでに、蛍光板１４の面に平行な方向に移動する距離が短くなり、光取り出し面１４ａにおける蛍光２２の径（スポット径）を小さくできると共に、光取り出し面１４ａ上における輝度が高められる。

これに対し、蛍光体１６とバインダ１７との屈折率差δnが小さい場合には、蛍光体１６の粒子から出射されてバインダ１７内に進行する蛍光２２、及び、バインダ１７から再び近接する蛍光体１６の粒子内に入射された蛍光２２は、進行方向がほとんど変化しない。このため、蛍光体１６から蛍光板１４の面に実質的に平行な方向に進行した蛍光２２は、そのまま同方向に進行し続けることになり、この結果、光取り出し面１４ａ側に導かれにくくなる。このことは、比較例１において、蛍光体１６の体積含有率を上昇させても、蛍光２２の強度がほとんど変化していないことに現れている。

なお、比較例１と同様に、ＹＡＧ（Ａｌ₅Ｏ₁₂Ｙ₃：Ｃｅ²⁺）からなる蛍光体１６と、Ａｌ₂Ｏ₃からなるバインダ１７とを含み、更に比較例１とは異なり気孔１８を含んでなる比較例２の蛍光板１４においても、図７に示すように、蛍光体１６の体積含有率を上昇させても、蛍光２２の強度がほとんど変化していないことが確認される。

また、図７に示す実施例５（粒径１０μｍ、屈折率差δn＝０．２５）の結果によれば、図４に示す比較例１（粒径１０μｍ、屈折率差δn＝０．０８）と比較すると、蛍光体１６の体積含有率が高まるにつれて、出射する蛍光２２の強度が上昇する傾向が高いものの、図４に示す実施例１（粒径１０μｍ、屈折率差δn＝０．６１）と比較すると、その上昇傾向は低い。この結果からも、蛍光体１６とバインダ１７の屈折率差δnが大きいほど、蛍光体１６の体積含有率を上昇させることで蛍光２２の強度が高められることが分かる。すなわち、本発明者（ら）は、蛍光体１６とバインダ１７との屈折率差δnが０．０８程度と小さい場合には、蛍光体１６の体積含有率を高めても蛍光２２の強度を高める効果があまり得られない一方、前記屈折率差δnを０．２５以上とすることで、蛍光体１６の体積含有率を高めることで蛍光２２の強度を高めることができるという、新たな知見を見出した。

すなわち、上記の検証から、蛍光板１４に含まれる蛍光体１６とバインダ１７との屈折率差δnを０．２５以上とすることで、蛍光板１４から取り出される蛍光２２の強度を高める効果が得られることが分かる。

なお、図６に示す実施例４（粒径１０μｍ、屈折率差δn＝０．５４）、及び図７に示す実施例６（粒径１０μｍ、屈折率差δn＝０．４４）においても、蛍光体１６の体積含有率が高まるにつれて、実施例５と同等程度、又はそれ以上に、出射する蛍光２２の強度が上昇する傾向が示されている。かかる結果から、蛍光板１４に含まれる蛍光体１６とバインダ１７との屈折率差δnを０．４４以上とするのがより好ましく、０．５４以上とするのが更に好ましく、０．６１以上とするのが特に好ましい。

《２》図４において、実施例１（モスアイ構造１５あり）と参考例１（モスアイ構造１５なし）の結果を比較すると、蛍光体１６の体積含有率の値にかかわらず、実施例１の蛍光板１４から出射される蛍光２２の強度は、参考例１の蛍光板１４から出射される蛍光２２の強度よりも高いことがわかる。上述したように、実施例１の蛍光板１４と参考例１の蛍光板１４とは、モスアイ構造１５の有無以外は同一の条件で形成されたものである。この結果から、蛍光板１４の光取り出し面１４ａ側にモスアイ構造１５を設けることで、取り出される蛍光２２の強度を更に高める効果が得られることが分かる。

《３》図５によれば、実施例１の蛍光板１４から出射される蛍光２２の強度は、蛍光体１６の体積含有率が８％以上である場合、蛍光体１６の粒径が５μｍ〜３０μｍの全ての範囲内において、比較例１の蛍光板１４から出射される蛍光２２の最大強度を上回ることが示されている。更に、実施例１の蛍光板１４から出射される蛍光２２の強度は、蛍光体１６の体積含有率を５０％以上とすることで、蛍光体１６の粒径が５μｍ〜３０μｍの全ての範囲内において、比較例１の蛍光板１４から出射される蛍光２２の最大強度を大きく上回ることが示されている。

また、図６によれば、実施例２、実施例３、及び実施例４の各蛍光板１４から出射される蛍光２２の強度は、蛍光体１６の体積含有率を５０％以上とすることで、いずれも比較例１の蛍光板１４から出射される蛍光２２の最大強度を大きく上回ることが示されている。更に、図７によれば、実施例５、実施例６、及び実施例７の各蛍光板１４から出射される蛍光２２の強度は、蛍光体１６の体積含有率を５０％以上とすることで、比較例１の蛍光板１４から出射される蛍光２２の最大強度を大きく上回ることが示されている。

《４》図５によれば、実施例１の蛍光板１４は、蛍光体１６の粒径が２０μｍ以下の範囲内においては、粒径が小さいほど出射する蛍光２２の強度が高く、２０μｍを超えると、蛍光体１６の体積含有率によっては出射する蛍光２２の強度にあまり変化が生じないことが示されている。このことから、蛍光板１４から取り出される蛍光２２の強度を高める観点からは、蛍光体１６の粒径を２０μｍ以下とするのが好ましく、１０μｍ以下とするのがより好ましい。

《５》図６において、実施例１（蛍光体１６の粒径：１０μｍ、気孔率０．８％）と、実施例２（蛍光体１６の粒径：１０μｍ、気孔率５％）とを比較すると、実施例２の蛍光板１４から出射される蛍光２２の強度は、実施例１の蛍光板１４から出射される蛍光２２の強度よりも高いことがわかる。一方で、実施例１（蛍光体１６の粒径：１０μｍ、気孔率０．８％）と、実施例３（蛍光体１６の粒径：１０μｍ、気孔率０％）とを比較すると、実施例１の蛍光板１４から出射される蛍光２２の強度は、実施例３の蛍光板１４から出射される蛍光２２の強度よりも高いことがわかる。更に、図７に示す実施例７（蛍光体１６の粒径：１０μｍ、気孔率１０％）の蛍光板１４によれば、実施例１の蛍光板１４よりも、高い強度で蛍光２２を取り出すことができる。

この結果から、蛍光板１４から取り出される蛍光２２の強度を高める観点からは、蛍光板１４内に気孔１８を含めるのが好ましく、その体積含有率を０．８％以上、１０％以下とするのがより好ましく、５％以上、１０％以下とするのが更により好ましい。

蛍光板１４内に気孔１８を含有させることで、蛍光板１４内において、蛍光体１６と気孔１８、及びバインダ１７と気孔１８とが接触する。気孔１８の屈折率は実質的に１であり、蛍光体１６やバインダ１７とは異なる値である。このため、蛍光体１６の粒子から出射された、又は、バインダ１７内を進行した蛍光２２は、気孔１８に入射されると、その屈折率差に起因して進行方向が変化する。これにより、光取り出し面１４ａ側に蛍光２２を導く効果が高められる。

かかる観点からは、蛍光板１４内に気孔１８を多く含有させることが好ましい。しかしながら、一方で、気孔１８を多く含有させ過ぎると、それに伴って蛍光板１４に含有される蛍光体１６の体積割合が低下してしまうため、蛍光板１４内で生成される蛍光２２の光量が低下する。かかる観点から、気孔１８の体積含有率は１０％以下とするのが好ましい。

《６》バインダ１７として、高い熱伝導率を示す材料を用いながら、且つ、バインダ１７と蛍光体１６との間で大きな屈折率差を確保する観点からは、バインダ１７をＣａＦ₂やＢａＦ₂等のフッ化物材料で構成し、蛍光体１６をＬＳＮで構成するのが好ましい。

１ ： 蛍光光源装置
２ ： 励起光源
３ ： ダイクロイックミラー
１０ ： 蛍光発光素子
１１ ： 基板
１２ ： 接合層
１３ ： 反射層
１４ ： 蛍光板
１４ａ ： 波長変換層の光取り出し側の面
１５ ： モスアイ構造
１６ ： 蛍光体
１７ ： バインダ
１８ ： 気孔
２１ ： 励起光
２２ ： 蛍光

Claims (6)

1. 蛍光体と、前記蛍光体とは異なる材料からなるバインダと、を含んでなる板形状を呈した蛍光板を有し、
   前記バインダの材料の熱伝導率は、８Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、
   前記蛍光体の材料と前記バインダの材料との屈折率差は、０．２５以上であり、
   前記蛍光板は、当該蛍光板の少なくとも一つの面上に、凹凸形状を呈するモスアイ構造を有することを特徴とする、蛍光発光素子。
2. 基板と、前記基板の上層に形成された接合層とを含み、
   前記接合層を介して、前記基板上に前記蛍光板が固定的に接合されていることを特徴とする、請求項１に記載の蛍光発光素子。
3. 前記蛍光板に含有される前記蛍光体の体積割合が５０％以上であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の蛍光発光素子。
4. 前記蛍光板に含有される前記蛍光体の粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の蛍光発光素子。
5. 前記蛍光板は、含有される体積割合が０．８％〜５％の範囲内の気孔を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の蛍光発光素子。
6. 前記蛍光体は、Ｌａ₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁：Ｃｅ、又は(Ｌａ，Ｙ)₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁：Ｃｅからなり、
   前記バインダは、フッ化物材料からなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の蛍光発光素子。

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