JP2022052552A - 成形体の製造方法、成形体及び発光装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の第一の態様は、第1蛍光体粒子を含む無機材料からなる透光性の基体と、第2蛍光体粒子とアルカリ金属ケイ酸塩水溶液とを混合した第1混合液と、を準備することと、陽イオンを含む電解液中に前記基体を配置することと、前記電解液に前記第1混合液を投入して第2混合液とし、前記基体上に前記第2蛍光体粒子を沈降させることと、前記第2混合液中の上澄み液を除去することと、前記基体と、前記基体上に配置された前記第2蛍光体粒子と、を60℃以上400℃以下の温度範囲で熱処理して、前記基体上に前記第2蛍光体粒子を固定することと、を含む、成形体の製造方法である。
成形体の製造方法は、第1蛍光体粒子を含む無機材料からなる透光性の基体と、第2蛍光体粒子とアルカリ金属ケイ酸塩水溶液とを混合した第1混合液と、を準備することと、陽イオンを含む電解液中に前記基体を配置することと、前記電解液に前記第1混合液を投入して第2混合液とし、前記基体上に前記第2蛍光体粒子を沈降させることと、前記第2混合液中の上澄み液を除去することと、前記基体と、前記基体上に配置された前記第2蛍光体粒子と、を60℃以上400℃以下の温度範囲で熱処理して、前記基体上に前記第2蛍光体粒子を固定することと、を含む。
成形体の製造方法において、第1蛍光体粒子を含む無機材料からなる基体と、第2蛍光体粒子とアルカリ金属ケイ酸塩水溶液とを混合した第1混合液と、を準備する。
成形体の製造方法において、基体を準備する。基体は、第1蛍光体粒子を含む無機材料からなり、透光性を有する。基体は第1蛍光体粒子のみを焼結や圧接等で固定してなるものであってもよい。第1蛍光体粒子のみで基体が構成されていると、波長変換効率を高くすることができる。また、第1蛍光体粒子のみで基体が構成されていると、他の部材の劣化や他の部材との線膨張係数差を考慮する必要もない。基体は、第1蛍光体粒子と、セラミックス及びガラスから選択される少なくとも1種の無機材料を含んでいてもよい。第1蛍光体粒子を単独で、又は、第1蛍光体粒子と他の無機材料との組み合わせであっても、基体は、無機材料のみで構成されるため熱伝導性に優れ、レーザ耐性、耐熱性及び耐光性の少なくとも1つに優れる。本明細書において、透光性は、基体に照射した光の発光ピーク波長における光透過率が5%以上であることをいい、基体に照射した光の発光ピーク波長における光透過率が10%以上であることが好ましく、20%以上であることがより好ましい。本明細書において、セラミックスは、1000℃以下の温度下において、あらゆる無機非金属材料をいう。
第1蛍光体粒子は、光源から照射された光によって発光し、所望の色度を得るために、希土類アルミン酸塩蛍光体、アルカリ土類金属ケイ酸塩蛍光体、アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体、アルカリ土類金属ハロシリケート蛍光体、及びβサイアロン蛍光体からなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。
M1 3(Al,Ga)5O12:Ce (1A)
式(1A)中、M1は、Y、Lu、Gd及びTbからなる群から選ばれる少なくとも1種である。
本明細書において、組成式中、カンマ(,)で区切られて記載されている複数の元素は、これら複数の元素のうち少なくとも1種の元素を組成中に含有していることを意味する。組成式中のカンマ(,)で区切られて記載されている複数の元素は、組成中にカンマで区切られた複数の元素から選ばれる少なくとも1種の元素を含み、前記複数の元素から二種以上を組み合わせて含んでいてもよい。本明細書において、蛍光体の組成を表す式中、コロン(:)の前は母体結晶を構成する元素及びそのモル比を表し、コロン(:)の後は賦活元素を表す。
Sr4Al14O25:Eu (1C)
(Ca,Sr,Ba)8MgSi4O16(F,Cl,Br)2:Eu (1D)
Si6-aAlaOaN8-a:Eu (1E)
式(1E)中、aは0<a<4.2を満たす数である。
成形体の製造方法において、第2蛍光体粒子とアルカリ金属ケイ酸塩水溶液とを含む第1混合液を準備する。
第1混合液は、第2蛍光体粒子とアルカリ金属ケイ酸塩水溶液とを含む。アルカリ金属ケイ酸塩水溶液は、アルカリ金属ケイ酸塩を固形分換算で10質量%以上含有するものが好ましい。アルカリ金属ケイ酸塩水溶液は、ケイ酸ナトリウム水溶液、ケイ酸カリウム水溶液、ケイ酸リチウム水溶液等が挙げられる。アルカリ金属ケイ酸塩水溶液は、ケイ酸ナトリウム水溶液又はケイ酸カリウム水溶液であることが好ましい。アルカリ金属ケイ酸塩水溶液は、ケイ素1モル当たりのアルカリ金属が、好ましくは0.1モル以上であり、より好ましくは0.12モル以上であり、さらに好ましくは0.14モル以上であり、好ましくは1.5モル以下、より好ましくは1.2モル以下、さらに好ましくは1.0モル以下である。アルカリ金属ケイ酸塩は、下記式(I)で表される組成を有するものであってもよい。アルカリ金属ケイ酸塩水溶液の市販品としては、例えばケイ酸カリウム(オーカシール(タイプA)、オーカシール(タイプB)(東京応化工業株式会社製))等が挙げられる。
A1 2O・vSiO2・wH2O (I)
(式(I)中、A1は、Li、Na及びKからなる群から選択される少なくとも1種であり、v及びwは、それぞれ0.4≦v≦3.9、5≦w≦90を満たす。)
第2蛍光体粒子は、光源から照射された光によって発光し、第1蛍光体粒子とは異なる波長範囲の光を出射する。第2蛍光体粒子は、所望の色度を得るために、フッ化物蛍光体、アルカリ土類金属シリコンナイトライド蛍光体、及びα-サイアロン蛍光体からなる群から選択される少なくとも1種の蛍光体であることが好ましい。
式(2A)中、A2は、Li、Na、K、Rb、Cs、Fr及びNH4 +からなる群から選択される少なくとも1種であり、M2は、第4族元素及び第14族元素からなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、bは、0<b<0.2を満たす数である。
式(2B)中、M3は、Li、Na、K、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、M4は、Al、Ga及Inからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、i、j、k、m、n及びzはそれぞれ、2≦i≦4、0≦j<0.5、0<k<1.5、0≦m<1.5、0<n<0.5、及び0<z<0.05を満たす数である。
式(2C)中、pは、0≦p≦1.0を満たす数である。
式(2D)中、q及びrは、それぞれ、0≦q≦1.0、0≦r≦1.0、q+r≦1.0を満たす数である。
式(2E)中、M5は、Li、Mg、Ca、Sr、Y及びランタノイド元素(ただし、LaとCeを除く。)からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、c、d及びeは、それぞれ、0<c≦2.0、2.0≦d≦6.0、0≦e≦1.0、を満たす数である。
式(2F)中、M6は、Sr、Ca、Ba及びMgからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、M7は、Li、Na及びKからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、M8は、Eu、Ce、Tb及びMnからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、f、g、h、s及びtは、それぞれ0.80≦f≦1.05、0.80≦g≦1.05、0.001<h≦0.1、0≦s≦0.5、3.0≦t≦5.0を満たす数である。
準備する工程において、第1混合液には、照射された光を波長変換し、第2蛍光体粒子とは異なる波長範囲の光を出射する第3蛍光体粒子をさらに含んでいてもよい。第1混合液にさらに第3蛍光体粒子を含んでいると、基体の表面に第2蛍光体粒子とともに第3蛍光体粒子を凹凸を形成するように基体に固定することができる。基体の表面に固定された第3蛍光体粒子は、第1蛍光体粒子で波長変換されずに基体を透過した光を、さらに基体の表面で波長変換することができ、成形体から所望の色度を有する混色光を得ることができる。
成形体の製造方法において、基体は、陽イオンを含む電解液中に配置する。陽イオンを含む電解液中の陽イオンは、アルカリ土類金属、アルカリ金属、及びアンモニウムからなる群から選択される少なくとも1種であること好ましい。電解液中に含まれる陽イオンは、バリウムイオン、ストロンチウムイオン、カルシウムイオン、カリウムイオン、ナトリウムイオン、及びアンモニウムイオンからなる群から選択される少なくとも1種であり、バリウムイオン、カリウムイオン及びアンモニウムイオンからなる群から選択される少なくとも1種であることがより好ましい。陽イオンを含む電解液は、アルカリ土類金属、アルカリ金属及びアンモニウムからなる群から選択される少なくとも1種を含む酢酸溶液、硝酸塩溶液、又は硫酸塩溶液であることが好ましい。陽イオンを含む電解液は、具体的には、酢酸バリウム、硝酸バリウム、硫酸バリウム、酢酸ストロンチウム、硝酸ストロンチウム、硫酸ストロンチウム、酢酸カリウム、硝酸カリウム、硫酸カリウム、硝酸アンモニウムを水又は脱イオン水に溶解させることによって得られる。陽イオンを含む電解液をクッション液という場合もある。電解液中の陽イオン濃度は、300質量ppm以上1000質量ppm以下の範囲内であり、より好ましくは400質量ppm以上900質量ppm以下の範囲内であり、さらに好ましくは500質量ppm以上800質量ppm以下の範囲内である。電解液中の陽イオンが、前記範囲内であると、基体の表面に結合したシラノール基(-Si-OH)と、第2蛍光体粒子の表面に結合したシラノール基の表面負荷電荷を中和し、第2蛍光体粒子と基体表面の反発作用を抑制し、基体の表面のシラノール基と第2蛍光体粒子の表面のシラノール基の縮合反応を促進する。第1混合液中に第3蛍光体粒子を含む場合には、第3蛍光体粒子の表面にもシラノール基が結合する。
成形体の製造方法において、基体を配置した陽イオンを含む電解液に第1混合液を投入して第2混合液とし、基体上に第2蛍光体粒子を沈降させる。第1混合液に第3蛍光体粒子が含まれる場合には、第2蛍光体粒子ととともに、第3蛍光体粒子も基体上に沈降させる。第2蛍光体粒子が基体上に沈降する時間、温度は制限されない。第2蛍光体粒子が沈降する際に、基体は静置されていることが好ましい。
成形体の製造方法において、基体上に第2蛍光体粒子を沈降させた後、第2混合液の上澄み液を除去する。第2混合液の上澄液は、基体上に沈降させた第2蛍光体粒子を動かさないように上澄み液を除去する。第2混合液の上澄み液は、吸引具、例えばスポイトによって吸い取って除去してもよく、容器の底部から排出するようにしてもよい。
成形体の製造方法において、基体と、基体上に配置された第2蛍光体粒子を60℃以上400℃以下の温度範囲で熱処理して、固定する。基体の表面及び第2蛍光体粒子の表面には、それぞれアルカリ金属ケイ酸塩に起因するシラノール基が結合している。基体の表面に結合したシラノール基と、第2蛍光体粒子の表面に結合したシラノール基が脱水縮合してシロキサン結合(-Si-O-Si-)を形成することによって、第2蛍光体粒子の一部が基体に接触するように固定される。第1混合液に第3蛍光体粒子が含まれてる場合には、第3蛍光体粒子も同様に第3蛍光体粒子の表面に結合しているシラノール基が脱水縮合して、第3蛍光体粒子の一部が基体に接触するように固定される。以下、第2蛍光体粒子及び第3蛍光体粒子をまとめて「蛍光体粒子」という場合がある。蛍光体粒子の表面及び基体の表面に存在する双方のシラノール基が脱水縮合してシロキサン結合を形成し、蛍光体粒子が基体に固定されると、無機バインダー中に蛍光体粒子を分散させて塗布した場合と比べて、膜厚を薄くすることができる。
成形体の製造方法は、第2蛍光体粒子を固定した後、前記被膜の表面に原子堆積法(ALD:Atomic Layer Deposition)により透光性の保護膜を形成することを含むことが好ましい。保護膜は、例えば、無機材料によって形成されることが好ましい。無機材料としては、具体的には、酸化アルミニウム(Al2O3)、二酸化ケイ素(SiO2)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化珪素(Si3N4)等が挙げられるが、特に酸化アルミニウムが好ましい。これにより、基体、第2蛍光体粒子及び必要に応じて第3蛍光体粒子の表面に被膜の表面を水分等から保護できる緻密な保護膜を形成することができる。
まず、原子層堆積装置に、第2蛍光体粒子及び必要に応じて第3蛍光体粒子を配置した基体を導入し、続いて、原子層堆積装置内に、例えば、トリメチルアルミニウム(TMA)ガスを導入し、被膜の表面に存在するOH基と、TMAとを反応させる。次に、余剰ガスを排気する。その後、H2Oガスを導入して、先の反応でOH基と結合したTMAとH2Oとを反応させる。次に、余剰ガスを排気する。
そして、TMAの反応、排気、OH基との反応及び排気を1サイクルとして繰り返すことにより、所定の膜厚のAl2O3の保護膜を形成することができる。
第1実施形態の成形体は、第1蛍光体粒子を含む無機材料からなる透光性の基体と、基体に配置される第2蛍光体粒子と、基体に第2蛍光体粒子を固定させるアルカリ金属を含む二酸化ケイ素の被膜と、被膜上に形成される10nm以上1μm以下の厚みの酸化物又は窒化物の透光性の保護膜とを含む成形体であり、成形体の表面は、第2蛍光体粒子に起因する凹凸が形成されている。本明細書において、成形体の表面に第2蛍光体粒子に起因する凹凸が形成されている、とは、二酸化ケイ素の被膜及び保護膜が形成される前の状態をいう。二酸化ケイ素の被膜及び保護膜は、第2蛍光体粒子に起因する凹凸に沿って形成されるため、二酸化ケイ素の被膜が形成された状態で第2蛍光体粒子に起因する凹凸が形成されていてもよい。保護膜は、原子堆積法によって形成されたものあることが好ましく、保護膜は、第2蛍光体粒子に起因する凹凸に沿って形成された二酸化ケイ素の被膜に沿って形成されるため、二酸化ケイ素の被膜及び保護膜が形成された状態で、第2蛍光体粒子に起因する凹凸が形成されていてもよい。
発光装置は、前記成形体と、成形体を照射する光源とを備える。発光装置は、プロジェクター用光源や照明装置、標示装置などとして用いることができる。
成形体と光源を備えた発光装置、発光装置を備えた発光モジュール、及び照明装置について説明する。発光装置は、以下の発光モジュールに限定するものではない。以下に説明する発光装置、発光モジュール、及び照明装置の構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、以下の記載のみに限定する趣旨ではなく、単なる例示に過ぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。また、各図で示す発光素子は、構成を理解し易いように一例として設定した数で図示している。
発光装置100について説明する。
発光装置100は、発光装置100の光取り出し領域として、上面に複数の発光面を備える。
発光装置100は、サブマウント基板10と、サブマウント基板10上に設けられた発光素子20と、発光素子20上に設けられた前述の成形体からなる光透過性部材30と、光透過性部材30と発光素子20の間に配置される導光部材40と、サブマウント基板10上で発光素子20の側面を被覆する第1被覆部材50と、を備える素子構造体15と、素子構造体15の側面を被覆して複数の素子構造体15を保持する第2被覆部材60と、を備えている。光透過性部材30の上面は、第2被覆部材60から露出しており、発光装置100が備える複数の発光面を構成している。
発光装置100は、それぞれが発光面を有する複数の素子構造体15が第2被覆部材60で保持されている。第2被覆部材60により、それぞれの素子構造体15を所望の配置で保持することができるため、複数の発光面をより狭い距離で高密度に配置することができる。
発光装置100は、導光部材40を用いず、光透過性部材30と発光素子20とを直接接合してもよい。
サブマウント基板10は、発光素子20及び保護素子25を載置する部材である。サブマウント基板10は、例えば平面視で略長方形に形成されている。
サブマウント基板10としては、絶縁性材料を用いることが好ましく、かつ、発光素子20から出射される光や外光等を透過しにくい材料を用いることが好ましい。例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、ムライト等のセラミックス、ポリアミド、ポリフタルアミド、ポリフェニレンサルファイド、又は、液晶ポリマー等の熱可塑性樹脂や、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、又は、フェノール樹脂等の樹脂を用いることができる。なかでも放熱性に優れるセラミックスを用いることが好ましい。
例えばサブマウント基板10としては、発光素子20が載置される上面に発光素子20と接続される上面配線2を備え、発光素子20が載置される上面と反対側の下面に外部電源と電気的に接続される外部接続電極3(例えば、アノード電極3a及びカソード電極3b)を備えるものが挙げられる。この場合、上面配線2と外部接続電極3とは、上面及び下面の双方におよぶ、つまりサブマウント基板10を貫通するビア4が形成されていてもよい。これによって、上面配線2と外部接続電極3とが電気的に接続される。
発光装置100において、発光装置100の上面で露出する光透過性部材30間の距離L2は例えば0.2mm以下であってもよい。隣接する光透過性部材30間の距離L2が0.2mm以下であれば、光源を小さくすることができる。隣接する光透過性部材30間の距離L2は、0.1mm以下でもよく、0.05mm以下でもよい。光透過性部材30間の距離L2は、発光装置100の製造のし易さの観点から、0.03mm以上でもよい。
発光素子20の側面を被覆する導光部材40は、光透過性部材30と発光素子20とを接合する接着部材が、発光素子20の側面に濡れ広がることで形成することができる。
導光部材40としては、例えば、透光性の樹脂材料やガラスやセラミックスを用いることができる。また、導光部材40には拡散材が含有されていてもよい。これにより、光透過性部材30に、より均等に光を入射することができ、発光装置100の色ムラを抑制することができる。
第1被覆部材50は、断面視で、光透過性部材30側からサブマウント基板10に向かって、部材幅が広がるように、例えば断面視形状が三角形状に形成されている。第1被覆部材50の外側面の断面形状は、直線形状に限らず、湾曲形状であってもよい。例えば、第1被覆部材50の湾曲形状は、第2被覆部材60側に膨らむ湾曲形状でもよいし、発光素子20側に凹む湾曲形状でもよい。
また第1被覆部材50は、発光素子20の下面を被覆することが好ましい。これにより、発光素子20の下方に進む光が第1被覆部材50に含有される反射材に照射され反射するため、発光装置100の光束をより高めることができる。また、サブマウント基板10と発光素子20との接着力をより高めることができる。
発光装置100は、ここでは一例として、2行2列の行列状に配置された4個の素子構造体15が第2被覆部材60により保持されている。素子構造体15は、それぞれ保護素子25が外側に位置するように配置されている。これにより、4つの光透過性部材30をより狭い間隔で行列状に配置することができる。発光装置は、素子構造体15を3個以下備えるものであってもよく、5個以上備えるものであってもよい。
発光装置100の製造方法は、サブマウント基板10と、サブマウント基板10上に設けられた発光素子20と、発光素子20上に設けられた光透過性部材30と、発光素子20の側面に設けられた導光部材40と、サブマウント基板10上で発光素子20の側面を被覆する第1被覆部材50と、を備える素子構造体15を複数準備する工程である素子構造体準備工程と、素子構造体15のサブマウント基板10がシート部材に対面するように複数の素子構造体15をシート部材に載置する工程である素子構造体載置工程と、複数の素子構造体15の側面を被覆して複数の素子構造体15を保持する第2被覆部材60をシート部材上に形成する工程である第2被覆部材形成工程と、シート部材を除去する工程であるシート部材除去工程と、を含んでいてもよい。発光装置の製造方法は、光透過性部材30として前述の成形体を用いる他、特願2020-006262に記載の製造方法を参照することができる。
次に、発光装置である発光モジュール200について説明する。
発光モジュール200は、既に説明した構成の発光装置100と、発光装置100のサブマウント基板10が対面するように発光装置100が載置されたモジュール基板80と、を備えている。
なお、発光装置100に保護素子25を備えない場合、モジュール基板80側に保護素子25を備える構成としてもよい。また、モジュール基板80は、保護素子25以外の他の電子部品を備える構成としてもよい。
モジュール基板80は、発光装置100を載置する部材であり、発光装置100を電気的に外部と接続する。モジュール基板80は、例えば平面視で略長方形に形成されている。
モジュール基板80の材料としては、例えば、サブマウント基板10に用いる材料として例示したものが挙げられる。
モジュール基板80は、上面に、発光装置100と電気的に接続するための配線を備えている。モジュール基板80の配線の材料としては、例えば、サブマウント基板10の配線に用いる材料として例示したものが挙げられる。また、絶縁性材料と金属部材との複合材料を用いてもよい。
発光モジュール200の製造方法は、発光装置100の製造方法を用いて発光装置100を準備する工程である発光装置準備工程と、発光装置100をサブマウント基板10がモジュール基板80に対面するように載置する工程である発光装置載置工程と、を含んでいてもよい。発光装置としての発光モジュールの製造方法は、特願2020-006262に記載の製造方法を参照することができる。
前記成形体と、光源を備える発光装置は、プロジェクター用光源として用いることができる。プロジェクターの一例を図7及び図8A乃至図8Cを用いて説明する。図7は、プロジェクター用の光源装置300の概要を示す模式的な側面図である。
次に、図7及び図8A乃至図8Cを用いて、プロジェクター用の光源装置300に用いる蛍光体ホイール330の構造を説明する。蛍光体ホイール330に設ける蛍光体として、前述の成形体を用いることができ、例えば成形体33を用いることができる。
蛍光体ホイール330は、光源310からの光を透過させる透過型の蛍光体ホイールであって、光源310側から順に、第1の基板332と第2の基板334を備える。第1の基板332及び第2の基板334は駆動モータ350の駆動軸352に固定され、駆動モータ350の駆動力により、駆動軸352を中心に回転するようになっている。つまり、第1の基板332及び第2の基板334は、駆動軸352によって互いの位置が固定されている。ただし、第1の基板332及び第2の基板334の相対的な位置の固定方法は、駆動軸352を用いた場合に限られるものではなく、例えば、第1の基板332及び第2の基板334の間にスペーサーを挿入する等、その他の任意手段で固定することができる。
蛍光体ホイール330は、第1の基板332と第2の基板334との間に、例えば成形体33を備える。なお、図7の矢印Bから見た成形体33は、第1蛍光体粒子を含む基体が第1の基板332側に配置されていることが好ましい。また、成形体33の第2蛍光体粒子102a及び第3蛍光体粒子102cが第2の基板334側に配置されていることが好ましい。
次に、図9を用いて、上述の光源装置300を、いわゆる1チップ方式のDLPプロジェクターにおける光源装置として用いる場合を説明する。なお、図9は、上述の光源装置300を備えた1つの実施形態に係るプロジェクター400の構成を示すための模式図であって、光源装置300やプロジェクター400を上から見た模式的な平面図である。
図9において、光源装置300から出射された光は、光学系を介して、光空間変調器であるDMD(Digital Micromirror Device)素子(光変調手段)470に入射する。そして、DMD素子470で反射され、投影手段である投影レンズ480によって集光されて、スクリーン490に投影される。DMD素子470は、スクリーン490に投影された画像の各画素に相当する微細なミラーをマトリックス状に配列したものであり、各ミラーの角度を変化させてスクリーンへ出射する光を、マイクロ秒単位でオン/オフすることができる。また、各ミラーをオンにしている時間とオフにしている時間の比率によって、投影レンズへ入射する光の階調を変化させることにより、投影する画像の画像データに基づいた階調表示が可能になる。
また、本実施形態では、受光レンズ340が光源装置300に含まれるようになっているが、これに限られるものではない。例えば、受光レンズ340が光源装置300に含まれずに、光学系の一部に含まれている場合もあり得る。
以上の工程により、演色性及び耐熱性に優れた成形体、発光装置を簡易に製造することができる。
成形体と光源を備えた照明装置について説明する。光源は、レーザー光を出射するものであってもよい。図10Aは、照明装置の一例の概略を示す模式的正面図である。図10Bは、照明装置の模式的断面図である。
第1蛍光体粒子aとして、Lu2.984Ce0.016Al5O12(以下「LAG蛍光体」ともいう。)で表される組成を有し、FSSS法で測定される平均粒径が21.5μmの希土類アルミン酸塩蛍光体粒子を用いた。第1蛍光体粒子aは、490nm以上555nm以下の範囲内に発光ピーク波長を有していた。LAG第1蛍光体粒子aの真密度は6.69g/cm3であった。
第1蛍光体粒子bとして、Y2.955Ce0.045Al5O12(以下「YAG蛍光体」ともいう。)で表される組成を有し、FSSS法で測定される平均粒径が14.9μmの希土類アルミン酸塩蛍光体粒子を用いた。第1蛍光体粒子aは、530nm以上590nm以下の範囲内に発光ピーク波長を有していた。YAG第1蛍光体粒子bの真密度は4.60g/cm3であった。
第2蛍光体粒子として、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu(以下「SCASN蛍光体」ともいう。)で表される組成を有し、FSSS法で測定される平均粒径が12.5μmのアルカリ土類金属シリコンナイトライド蛍光体粒子を用いた。第2蛍光体粒子cは、600nm以上670nm以下の範囲内に発光ピーク波長を有していた。
第2蛍光体粒子として、CaAlSiN3:Eu(以下「CASN蛍光体」ともいう。)で表される組成を有し、FSSS法で測定した平均粒径が12.0μmのアルカリ土類金属シリコンナイトライド蛍光体粒子を用いた。第2蛍光体粒子dは、600nm以上670nm以下の範囲内に発光ピーク波長を有していた。
第1蛍光体粒子の平均粒径は、Fisher Sub Sieve Sizer Model 95(Fisher Scientific社製)を用いて、気温25℃、相対湿度70%の環境下において、1cm3分の資料を計り取り、専用の管状容器にパッキングした後、一定圧力の乾燥空気を長し、差圧から比表面積を読み取り、FSSS法にょる平均粒径を算出した。
第1蛍光体粒子a(LAG蛍光体)を26.7質量%と、酸化アルミニウムを73.3質量%を、含み、相対密度が98.8%、厚みが0.18mmである基体A1を準備した。また、第1蛍光体粒子b(YAG蛍光体)を13質量%と、酸化アルミニウムを87質量%を、含み、相対密度が99.7%、厚みが0.18mmである基体B1を準備した。実施例及び参考例において、基体の相対密度は以下の式(1)から(3)に基づき算出した。
第2蛍光体粒子c(SCASN蛍光体)と、K2O・3.40SiO2・42.58H2Oで表されるケイ酸カリウム水溶液(オーカシール(タイプB)、東京応化工業株式会社製)とを混合した第1混合液を準備した。第1混合液100質量%に対して、第2蛍光体粒子d(CASN蛍光体)の含有量は、0.4質量%であった。第2蛍光体粒子c1質量部に対して、ケイ酸カリウム水溶液を120質量部加え、さらに後述する酢酸バリウム水溶液の1/6重量比になり、かつ全体が50gになるよう、つまりは第1混合液として8.57g(50g/7)になるよう純水を加えて第1混合液とした。
陽イオンを含む電解液(クッション液)として、酢酸バリウム水溶液を準備した。酢酸バリウム水溶液中のバリウムイオンの濃度は、736質量ppmであった。第1混合液の容積に対して6倍の容積の酢酸バリウム水溶液を準備し、50mLビーカーの容器に投入した。治具に載置した基体A1を酢酸バリウム水溶液中に配置した。
酢酸バリウム水溶液中に第1混合液を投入して第2混合液とし、第2蛍光体粒子c(SCASN蛍光体)を基体A1上に沈降させた。酢酸バリウム水溶液、第1混合液及び第2混合液の温度は室温(20℃±5℃)であり、第2蛍光体粒子c(SCASN蛍光体)が沈降した時間は5分以内であった。
第2蛍光体粒子c(SCASN蛍光体)を基体A1上に沈降させた後、第2蛍光体粒子を流動させないようにスポイトで第2混合液の上澄みを吸い取って除去した。
治具ごと容器から第2蛍光体粒子c(SCASN蛍光体)を配置した基体A1を取り出し、治具に乗せたまま基体A1をホットプレート上に配置し、80℃で10分間熱処理し、アルカリ金属を含む二酸化ケイ素で第2蛍光体粒子cを基体A1に固定して、成形体を製造した。上澄み液を除去してから5分以内に熱処理を開始した。熱処理は、大気雰囲気(酸素含有量が20体積%以上、大気圧101.3kPa)で行った。
基体として基体B1を用い、第2蛍光体粒子として第2蛍光体粒子d(CASN蛍光体)を用いた以外は、実施例1と同様にして成形体を製造した。
第1混合液100質量%に対して、第2蛍光体粒子d(CASN蛍光体)の含有量は、0.6質量%としたこと以外は、実施例2と同様にして成形体を製造した。
実施例2と同様にして製造した成形体の二酸化ケイ素の被膜上に原子堆積法(ALD)保護膜を形成した。第2蛍光体粒子d(CASN蛍光体)が基体B1に固定され、二酸化ケイ素の被膜で覆われている基体B1を、原子層堆積装置に導入し、原子層堆積装置内に、トリメチルアルミニウム(TMA)ガスを導入し、二酸化ケイ素の被膜の表面に存在するOH基とTMAを反応させ、余剰ガスを排気した。その後、H2Oガスを導入して、先の反応でOH基と結合したTMAとH2Oとを反応させた。次に、余剰ガスを排気した。そして、TMAの反応、排気、OH基との反応及び排気を繰り返し、17.5nmの膜厚のAl2O3の保護膜を形成し、保護膜の形成された成形体を得た。
第2蛍光体粒子を基体に固定してない基体B1を参考例1の基体とした。
第2蛍光体粒子を基体に固定してない基体A1を参考例2の基体とした。
実施例1と同様の基体A1を用いた。シリカ前駆体であるポリシラノールを1質量%以上10質量%以下の範囲で含み、イソプロピルアルコールを溶媒として含む無機バインダー(ゾルゲル)を50質量%と、第2蛍光体粒子c(SCASN蛍光体)を50質量%を混合し、蛍光体含有組成物を形成し、基体A1上にマスクを用いて印刷法により塗布し、基体をホットプレート上に置き、80℃で3分間、乾燥する乾燥工程を行い、無機バインダーに含まれる溶媒を除去した。使用したマスクの厚さは、58μmであった。続いて150℃で5分間、200℃で5分間、250℃で5分間おいて、段階的に昇温し、昇温後300℃で30分間熱処理し、無機バインダー由来の二酸化ケイ素からなる透光性のセラミックスを介して、第2蛍光体粒子c(SCASN蛍光体)を、基体A1の表面に固定させ成形体を得た。さらに実施例4と同様に、原子層堆積層地により17.5nmの膜厚のAl2O3の保護膜を形成し、保護膜の形成された成形体を得た。
第2蛍光体粒子として第2蛍光体粒子d(CASN蛍光体)を用いた事、段階的な昇温後の最終熱処理温度を450℃とした事、17.5nmの膜厚のAl2O3の保護膜を形成しなかった事以外は比較例1と同様にして成形体を得た。
走査型電子顕微鏡(製品名JSM-IT200、JEOL社製)を用いて、各実施例及び参考例の成形体の平面又は断面(端面)のSEM写真を得た。図11及び図14にSEM写真を示す。
SEM画像上で、SEM-EDS(走査型電子顕微鏡/エネルギー分散型X線分光法、Energy Dispersive X-ray Spectrometry)により、基体に含まれる元素(Al、O)、二酸化ケイ素の被膜に含まれる元素(K、Si)を分析した。SEM-EDSにおける測定条件は、加速電圧:20kV、焦点距離:11.7mm、試料傾斜角度:0°とした。図13にSEM-EDSスペクトルを示し、図15から図18にSEM-EDSマッピングを示す。
実施例及び参考例の各成形体に対して、砲弾型LEDから波長が455nmの青色光を照射し、ハンディ型LED分光放射測定器(製品:MK-350、UPRtek社製)を用いて、室温における各成形体の第2蛍光体粒子が存在する側から出射された透過光を測定し、この測定値から、CIE(国際照明委員会:Commission Internationale de l’Eclarirage)1931表色系における色度図のx、y色度座標を求めた。JIS Z8726に準拠して平均演色評価数Ra測定した。演色評価数Ra測定する際の投入電流は、定格順電流とするため20mAであり、そのときの順電圧は3Vであった。
実施例及び比較例及び参考例の各成形体の第2蛍光体粒子が固定された側にスポット径0.785mm2で波長450nmの青色レーザー光を照射し、レーザー照射のパワー密度を10から126W/mm2まで上昇させ、成形体に変化が生じたレーザー照射のパワー密度を測定した。成形体に変化が生じたレーザー照射のパワー密度(W/mm2)の数値が大きいほど、耐熱性に優れている。
実施例2及び実施例4の成形体を第2蛍光体粒子が固定された側を上にしてダイシングテープに貼り付け、ダイシング装置(株式会社ディスコ(DISCO)製)を用いて10×10mmサイズに切り出し、第2蛍光体粒子の脱落した部分について脱落幅を測定した。脱落幅は、ダイシングラインから第2蛍光体粒子が脱落した部分における最も大きい部分の幅とした。
実施例1に係る成形体は、基体の表面に第2蛍光体粒子が固定されていた。実施例1に係る成形体は、第2蛍光体粒子がカリウムを含む二酸化ケイ素によって結合され、第2蛍光体粒子の表面が二酸化ケイ素の被膜で覆われていることが確認できた。
SEM-EDSスペクトルにおいて、実施例1に係る成形体は、酸素(O)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)及びカリウム(K)のピークが確認できる。基体表面の第2蛍光体粒子103の部分からは酸素(O)、ケイ素(Si)及びカリウム(K)のピークが確認できる。第2蛍光体粒子(SCASN)に含まれるストロンチウム(Sr)等のピークは確認されていない事からバインダーが粒子表面を完全にコーティングしており、またバインダーはケイ酸カリウム由来のカリウム(K)を含む二酸化ケイ素(SiO2)である事を示している。
500:照明装置、510:反射鏡ユニット、510A:反射面、511:孔部、512:筐体、512A:出射口、512B:背面部、513:支持部材、514:蛍光部材、515:レーザー光源ユニット、516:レーザー光源、517:レンズ、518:放熱部材、519:カバー。
Claims (15)
- 第1蛍光体粒子を含む無機材料からなる透光性の基体と、第2蛍光体粒子とアルカリ金属ケイ酸塩水溶液とを混合した第1混合液と、を準備することと、
陽イオンを含む電解液中に前記基体を配置することと、
前記電解液に前記第1混合液を投入して第2混合液とし、前記基体上に前記第2蛍光体粒子を沈降させることと、
前記第2混合液中の上澄み液を除去することと、
前記基体と、前記基体上に配置された前記第2蛍光体粒子と、を60℃以上400℃以下の温度範囲で熱処理して、前記基体上に前記第2蛍光体粒子を固定することと、を含む、成形体の製造方法。 - 前記第2蛍光体粒子を固定する工程において、前記第2蛍光体粒子及び前記基体の上面全体を覆うようにアルカリ金属を含む二酸化ケイ素の被膜にて固定している、請求項1に記載の成形体の製造方法。
- 前記第2蛍光体粒子を固定した後、前記被膜の表面に原子堆積法により透光性の保護膜を形成すること、を含む請求項2に記載の成形体の製造方法。
- 前記上澄み液を除去する工程後、前記第2蛍光体粒子を固定する工程前において、前記基体上に配置された前記第2蛍光体粒子の少なくとも一部が、前記第2混合液の液面から突出する部位を有する状態とすること、を含む請求項1から3のいずれか1項に記載の成形体の製造方法。
- 前記準備する工程において、前記基体が、セラミックス及びガラスの少なくともいずれかを含む、請求項1から4のいずれか1項に記載の成形体の製造方法。
- 前記準備する工程において、前記セラミックスが、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ムライト、及び窒化ケイ素からなる群から選択される少なくとも1種である、請求項5に記載の成形体の製造方法。
- 前記準備する工程において、前記第1蛍光体粒子が、希土類アルミン酸塩蛍光体、アルカリ土類金属ケイ酸塩蛍光体、アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体、アルカリ土類金属ハロシリケート蛍光体、及びβサイアロン蛍光体からなる群から選択される少なくとも1種の蛍光体である、請求項1から6のいずれか1項に記載の成形体の製造方法。
- 前記準備する工程において、前記第2蛍光体粒子が、フッ化物蛍光体、アルカリ土類金属シリコンナイトライド蛍光体、及びα-サイアロン蛍光体からなる群から選択される少なくとも1種の蛍光体である、請求項1から7のいずれか1項に記載の成形体の製造方法。
- 前記電解液中に前記基体を配置する工程において、前記陽イオンが、アルカリ土類金属、アルカリ金属及びアンモニウムからなる群から選択される少なくとも1種である、請求項1から8のいずれか1項に記載の成形体の製造方法。
- 前記準備する工程において、前記アルカリ金属ケイ酸塩水溶液が、ケイ酸ナトリウム溶液又はケイ酸カリウム溶液である、請求項1から9のいずれか1項に記載の成形体の製造方法。
- 第1蛍光体粒子を含む無機材料からなる透光性の基体と、
前記基体に配置される第2蛍光体粒子と、
前記基体に前記第2蛍光体粒子を固定させたアルカリ金属を含む二酸化ケイ素の被膜と、
前記被膜上に形成された10nm以上1μm以下の厚みの酸化物又は窒化物の透光性の保護膜と、を含む成形体であり、
前記成形体の表面は前記第2蛍光体粒子に起因する凹凸が形成されている成形体。 - レーザー回折式粒度分布測定法により測定した前記第2蛍光体粒子の体積基準の粒径が1μm以上50μm以下の範囲内であり、
前記第2蛍光体粒子と前記基体との間に存在する前記アルカリ金属を含む二酸化ケイ素の厚みが1μm以下である、請求項11に記載の成形体。 - 前記基体の表面に前記第2蛍光体粒子とは異なる波長の光を出射する第3蛍光体粒子が固定されている、請求項11又は12に記載の成形体。
- 前記請求項11から13のいずれか1項に記載の成形体と、前記成形体を照射する光源と、を備えた発光装置。
- 前記光源が半導体レーザーである、請求項14に記載の発光装置。
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