JP2023083288A - 波長変換部材及びそれを用いた発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ハイパワーの励起光を照射した場合に、経時的な発光強度の低下や構成材料の融解を抑制することが可能な波長変換部材及びその製造方法、並びに当該波長変換部材を用いた発光装置を提供する。【解決手段】無機バインダー1中に蛍光体粉末2と熱伝導性粒子3が分散されてなる波長変換部材10であって、無機バインダー1と熱伝導性粒子3の屈折率差が0.2以下であり、無機バインダー1と熱伝導性粒子3の各含有量の体積比が80:20~40超:60未満であることを特徴とする波長変換部材10。【選択図】図1
Description
本発明は、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)やレーザーダイオード(LD:Laser Diode)等の発する光の波長を別の波長に変換する波長変換部材及びそれを用いた発光装置に関するものである。
近年、蛍光ランプや白熱灯に変わる次世代の発光装置として、低消費電力、小型軽量、容易な光量調節という観点から、LEDやLD等の励起光源を用いた発光装置に対する注目が高まってきている。そのような次世代発光装置の一例として、例えば特許文献1には、青色光を出射するLED上に、LEDからの光の一部を吸収して黄色光に変換する波長変換部材が配置された発光装置が開示されている。この発光装置は、LEDから出射された青色光と、波長変換部材から出射された黄色光との合成光である白色光を発する。
波長変換部材としては、従来、樹脂マトリクス中に蛍光体粒子を分散させたものが用いられている。しかしながら、当該波長変換部材を用いた場合、励起光源からの光により樹脂が劣化し、発光装置の輝度が低くなりやすいという問題がある。特に、励起光源が発する熱や高エネルギーの短波長(青色~紫外)光によってモールド樹脂が劣化し、変色や変形を起こすという問題がある。
そこで、樹脂マトリクスに代えてガラスマトリクス中に蛍光体粒子を分散固定した、完全無機固体からなる波長変換部材が提案されている(例えば、特許文献2及び3参照)。当該波長変換部材は、母材となるガラスがLEDの熱や照射光により劣化しにくく、変色や変形といった問題が生じにくいという特徴を有している。
近年、ハイパワー化を目的として、励起光源として用いるLEDやLDの出力が上昇している。それに伴い、励起光源からの熱や、励起光を照射された蛍光体から発せられる熱により波長変換部材の温度が上昇し、その結果、発光強度が経時的に低下する(温度消光)という問題がある。また、場合によっては、波長変換部材の温度上昇が顕著となり、構成材料(ガラスマトリクス等)が融解するおそれがある。
以上に鑑み、本発明は、ハイパワーの励起光を照射した場合に、経時的な発光強度の低下や構成材料の融解を抑制することが可能な波長変換部材及びその製造方法、並びに当該波長変換部材を用いた発光装置を提供することを目的とする。
本発明の波長変換部材は、無機バインダー中に蛍光体粒子と熱伝導性粒子が分散されてなる波長変換部材であって、無機バインダーと熱伝導性粒子の屈折率差が0.2以下であり、無機バインダーと熱伝導性粒子の各含有量の体積比が80:20~40超:60未満であることを特徴とする。上記構成のように、波長変換部材に含まれる熱伝導性粒子の含有量を多くすることで、励起光自体の熱や、励起光を波長変換部材に照射した際に蛍光体粒子から発生する熱が熱伝導性粒子を介して伝わり、効率良く外部に放出される。これにより、波長変換部材の温度上昇を抑制して、経時的な発光強度の低下や構成材料の融解を抑制することが可能となる。また、波長変換部材に含まれる熱伝導性粒子の上限を上記の通り規定することで、空隙率の小さい波長変換部材とすることができる。このようにすれば、波長変換部材内部において熱伝導性の低い空気の存在割合が低下し、波長変換部材の熱伝導率を向上させることができる。また、無機バインダー、熱伝導性粒子または蛍光体粒子と、空隙に含まれる空気との屈折率差による光散乱を低減できるため、波長変換部材の透光性を向上させることができ、結果として励起光または蛍光体粒子から発せられる蛍光の光取出し効率を向上させることができる。さらに、無機バインダーと熱伝導性粒子の屈折率差を上記の通り小さくすることで、両者の界面での反射に起因する光散乱を軽減でき、これによっても励起光や蛍光の光取出し効率を向上させることができる。
本発明の波長変換部材は、空隙率が10%以下であることが好ましい。
本発明の波長変換部材は、近接する複数の熱伝導性粒子同士の距離、及び/または、熱伝導性粒子とそれに近接する蛍光体粒子との距離が、0.08mm以下であることが好ましい。特に、複数の熱伝導性粒子同士、及び/または、熱伝導性粒子と蛍光体粒子が接触していることが好ましい。このようにすれば、熱伝導性の低い無機バインダーを伝熱する距離が短くなり、さらには複数の熱伝導性粒子間で熱伝導経路が形成されるため、波長変換部材内部で発生した熱を外部に伝導させやすくなる。
本発明の波長変換部材は、熱伝導性粒子の平均粒子径D50が20μm以下であることが好ましい。このようにすれば、熱伝導性粒子を無機バインダー中に均一に分散させやすくなる。また、蛍光体粒子も無機バインダー中に均一に分散でき、波長変換部材から発せられる蛍光の配向性も向上しやすくなる。
本発明の波長変換部材は、熱伝導性粒子が蛍光体粒子より高い熱伝導率を有することが好ましい。
本発明の波長変換部材は、熱伝導性粒子として例えば酸化物セラミックスからなるものを使用することができる。具体的には、熱伝導性粒子が、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化亜鉛及びマグネシアスピネルから選択される少なくとも1種であることが好ましい。
本発明の波長変換部材は、無機バインダーの軟化点が1000℃以下であることが好ましい。
本発明の波長変換部材は、無機バインダーの屈折率(nd)が1.6~1.85であることが好ましい。
本発明の波長変換部材は、無機バインダーがガラスであることが好ましい。この場合、ガラスは実質的にアルカリ金属成分を含有しないことが好ましい。ガラスに含まれるアルカリ金属成分は励起光を受けると着色中心となりやすく、励起光や蛍光の吸収源となり、発光効率が低下する場合がある。そこで、無機バインダーであるガラスが実質的にアルカリ金属成分を含有しない構成とすれば、上記のような不具合が発生しにくくなり、波長変換部材の発光効率が向上しやすくなる。
本発明の波長変換部材は、無機バインダーと熱伝導性粒子の30~380℃の温度範囲における熱膨張係数差が60×10-7以下であることが好ましい。このようにすれば、製造工程における焼成時に、無機バインダーと熱伝導性粒子の熱膨張係数差に起因する空隙が発生しにくくなる。
本発明の波長変換部材は、蛍光体粒子の含有量が1~70体積%であることが好ましい。
本発明の波長変換部材は、厚みが500μm以下であることが好ましい。
本発明の波長変換部材は、熱拡散率が5×10-7m2/s以上であることが好ましい。
本発明の波長変換部材は、光入射面及び/または光出射面に無反射処理が施されていることが好ましい。このようにすれば、励起光の入射や蛍光の出射の際に、部材表面での反射損失を抑制することができる。
本発明の発光装置は、上記の波長変換部材と、波長変換部材に励起光を照射する光源とを備えてなることを特徴とする。
本発明の発光装置は、光源がレーザーダイオードであることが好ましい。このようにすれば、発光強度を高めることが可能となる。なお、光源としてレーザーダイオードを用いた場合は、波長変換部材の温度が上昇しやすくなるため、本発明の効果を享受しやすくなる。
本発明によれば、ハイパワーの励起光を照射した場合に、経時的な発光強度の低下や構成材料の融解を抑制することが可能な波長変換部材及びその製造方法、並びに当該波長変換部材を用いた発光装置を提供することが可能となる。
以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に何ら限定されるものではない。
(波長変換部材)
図1は、本発明の一実施形態に係る波長変換部材を示す模式的断面図である。波長変換部材10は、無機バインダー1中に蛍光体粒子2と熱伝導性粒子3が分散されてなるものである。本実施形態に係る波長変換部材10は透過型の波長変換部材である。波長変換部材10の一方の主面から励起光を照射すると、入射した励起光の一部が蛍光体粒子2により波長変換されて蛍光となり、当該蛍光は他方の主面から外部に照射される。また、蛍光体粒子2により波長変換されなかった励起光も、他方の主面から外部に出射される。つまり、蛍光と励起光の合成光が外部に出射される。波長変換部材10の形状は特に限定されないが、通常は平面形状が矩形や円形の板状である。
図1は、本発明の一実施形態に係る波長変換部材を示す模式的断面図である。波長変換部材10は、無機バインダー1中に蛍光体粒子2と熱伝導性粒子3が分散されてなるものである。本実施形態に係る波長変換部材10は透過型の波長変換部材である。波長変換部材10の一方の主面から励起光を照射すると、入射した励起光の一部が蛍光体粒子2により波長変換されて蛍光となり、当該蛍光は他方の主面から外部に照射される。また、蛍光体粒子2により波長変換されなかった励起光も、他方の主面から外部に出射される。つまり、蛍光と励起光の合成光が外部に出射される。波長変換部材10の形状は特に限定されないが、通常は平面形状が矩形や円形の板状である。
図1に示すように、本実施形態では複数の熱伝導性粒子3が互いに近接または接触している。それにより、複数の熱伝導性粒子3の間に存在する熱伝導性の低い無機バインダー1の距離が短くなっている。特に、複数の熱伝導性粒子3同士が接触している箇所では熱伝導経路が形成されている。また、本実施形態では熱伝導性粒子3が蛍光体粒子2に近接または接触しており、それにより蛍光体粒子2と熱伝導性粒子3の間に存在する熱伝導性の低い無機バインダー1の距離が短くなっている。特に、熱伝導性粒子3と蛍光体粒子2が接触している箇所では熱伝導経路が形成されている。近接する複数の熱伝導性粒子3同士の距離、及び/または、熱伝導性粒子3とそれに近接する蛍光体粒子2との距離は、0.08mm以下、特に0.05mm以下であることが好ましい。このようにすれば、蛍光体粒子2で発生した熱を外部に伝導させやすくなり、波長変換部材10の温度が不当に上昇することを抑制できる。
なお、近接する複数の熱伝導性粒子3同士の距離、及び、熱伝導性粒子3とそれに近接する蛍光体粉末2との距離は、波長変換部材10の反射電子像による断面画像から測定することができる。
以下、各構成要素について詳細に説明する。
無機バインダー1としては、製造時の焼成工程における蛍光体粒子2の熱劣化を考慮し、軟化点が1000℃以下のものを使用することが好ましい。そのような無機バインダー1としてはガラスが挙げられる。ガラスは樹脂等の有機系マトリクスと比較して耐熱性に優れるとともに、熱処理により軟化流動しやすいため、波長変換部材10の構造を緻密化しやすいという特徴がある。ガラスの軟化点は250~1000℃であることが好ましく、300~950℃であることがより好ましく、400~900℃であることがさらに好ましく、400~850℃であることが特に好ましい。ガラスの軟化点が低すぎると、波長変換部材10の機械的強度や化学的耐久性が低下する場合がある。また、ガラス自体の耐熱性が低いため、蛍光体粒子2から発生する熱により軟化変形するおそれがある。一方、ガラスの軟化点が高すぎると、製造時の焼成工程において蛍光体粒子2が劣化して、波長変換部材10の発光強度が低下する場合がある。なお、波長変換部材10の化学的安定性及び機械的強度を高める観点からはガラスの軟化点は500℃以上、600℃以上、700℃以上、800℃以上、特に850℃以上であることが好ましい。そのようなガラスとしては、ホウケイ酸塩系ガラス、ケイ酸塩系ガラス、アルミノケイ酸塩系ガラス等が挙げられる。ただし、ガラスの軟化点が高くなると、焼成温度も高くなり、結果として製造コストが高くなる傾向がある。また、蛍光体粒子2の耐熱性が低い場合、焼成時に劣化するおそれがある。よって、波長変換部材10を安価に製造する場合や、耐熱性の低い蛍光体粒子2を使用する場合は、ガラスマトリクスの軟化点は550℃以下、530℃以下、500℃以下、480℃以下、特に460℃以下であることが好ましい。そのようなガラスとしては、スズリン酸塩系ガラス、ビスマス酸塩系ガラス、テルライト系ガラスが挙げられる。
無機バインダー1を構成するガラスは実質的にアルカリ金属成分を含有しないことが好ましい。ガラスに含まれるアルカリ金属成分は励起光を受けると着色中心となりやすく、励起光や蛍光の吸収源となり、発光効率が低下する場合があるためである。
なお、無機バインダー1に使用されるガラスとしては、通常、ガラス粉末が使用される。ガラス粉末の平均粒子径は50μm以下、30μm以下、10μm以下、特に5μm以下であることが好ましい。ガラス粉末の平均粒子径が大きすぎると、緻密な焼結体が得にくくなる。ガラス粉末の平均粒子径の下限は特に限定されないが、通常、0.5μm以上、さらには1μm以上である。
なお、本明細書において平均粒子径はレーザー回折法で測定した値を指し、レーザー回折法により測定した際の体積基準の累積粒度分布曲線において、その積算量が粒子の小さい方から累積して50%である粒子径(D50)を表す。
無機バインダー1の屈折率は、熱伝導性粒子3の屈折率と近くなるように選択することが好ましい。例えば、無機バインダー1の屈折率(nd)は1.6~1.85、さらには1.65~1.8であることが好ましい。
蛍光体粒子2は、励起光の入射により蛍光を出射するものであれば、特に限定されるものではない。蛍光体粒子2の具体例としては、例えば、酸化物蛍光体、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体、塩化物蛍光体、酸塩化物蛍光体、硫化物蛍光体、酸硫化物蛍光体、ハロゲン化物蛍光体、カルコゲン化物蛍光体、アルミン酸塩蛍光体、ハロリン酸塩化物蛍光体、ガーネット系化合物蛍光体から選ばれた少なくとも1種が挙げられる。また励起光として青色光を用いる場合、例えば、緑色光、黄色光または赤色光を蛍光として出射する蛍光体を用いることができる。
蛍光体粒子2の平均粒子径は1~50μm、特に5~30μmであることが好ましい。蛍光体粒子2の平均粒子径が小さすぎると、発光強度が低下しやすくなる。一方、蛍光体粒子2の平均粒子径が大きすぎると、発光色が不均一になる傾向がある。そのため、発光色の均一性を高める観点からは、蛍光体粒子2の平均粒子径は20μm以下、10μm以下、特に10μm未満であることが好ましい。
波長変換部材10中における蛍光体粒子2の含有量は1~70体積%、1~50体積%、特に1~30体積%であることが好ましい。蛍光体粒子2の含有量が少なすぎると、所望の発光強度が得にくくなる。一方、蛍光体粒子2の含有量が多すぎると、波長変換部材10の熱拡散率が低くなり放熱性が低下しやすくなる。
熱伝導性粒子3は、無機バインダー1より高い熱伝導率を有している。特に、熱伝導性粒子3は無機バインダー1及び蛍光体粒子2より高い熱伝導率を有していることが好ましい。具体的には、熱伝導性粒子3の熱伝導率は5W/m・K以上、20W/m・K以上、40W/m・K以上、特に50W/m・K以上であることが好ましい。
熱伝導性粒子3としては、酸化物セラミックスが好ましい。酸化物セラミックスの具体例としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化亜鉛、マグネシアスピネル(MgAl2O4)等が挙げられる。これらは単独で使用してもよく、2種以上を混合して使用してもよい。なかでも、熱伝導率の比較的高い酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムを用いることが好ましく、特に熱伝導率が高く光吸収の少ない酸化マグネシウムを用いることがより好ましい。なお、マグネシアスピネルは比較的入手しやすく安価である点で好ましい。
熱伝導性粒子3の平均粒子径(D50)は20μm以下、15μm以下、特に10μm以下であることが好ましい。熱伝導性粒子3の平均粒子径が大きすぎると、熱伝導性粒子3を無機バインダーの間に均一に分散させにくくなる。また、蛍光体粒子2間の距離が広くなり過ぎ、波長変換部材10から発せられる蛍光の配向性にムラが発生しやすくなる。なお、熱伝導性粒子3の平均粒子径が小さすぎると、熱伝導性粒子3の比表面積が大きくなり、波長変換部材10の緻密性が低下しやすくなるため、0.1μm以上、1μm以上、3μm以上、さらには5μm以上であることが好ましい。
波長変換部材10中における無機バインダー1と熱伝導性粒子3の各含有量の体積比は80:20~40超:60未満であり、80:20~41:59であることが好ましく、75:25~50:50であることがより好ましく、73:27~55:45であることがさらに好ましく、72:28~60:40であることが特に好ましい。熱伝導性粒子3の含有量が少なすぎる(無機バインダー1の含有量が多すぎる)と、所望の放熱効果が得にくくなる。一方、熱伝導性粒子3の含有量が多すぎる(無機バインダー1の含有量が少なすぎる)と、波長変換部材10中における空隙が多くなるため、所望の放熱効果が得られなくなったり、波長変換部材10内部の光散乱が過剰となり蛍光強度が低下しやすくなる。このような熱伝導性粒子3の含有量が多すぎる場合の不具合は、特に熱伝導性粒子3の粒子径が小さい場合に顕著に表れる傾向がある。
なお、波長変換部材10中における無機バインダー1と熱伝導性粒子3の合量は、蛍光体粒子2の含有量を考慮し、30~99体積%、50~99体積%、特に70~99体積%の範囲で調整することが好ましい。
波長変換部材10中における空隙率(体積%)は10%以下、5%以下、特に3%以下であることが好ましい。空隙率が大きすぎると、放熱効果が低下しやすくなる。また、波長変換部材10内部の光散乱が過剰となり、蛍光強度が低下しやすくなる。
無機バインダー1と熱伝導性粒子3の屈折率差(nd)は0.2以下であり、0.15以下、特に0.1以下であることが好ましい。当該屈折率差が大きすぎると、無機バインダー1と熱伝導性粒子3の界面での反射が大きくなり、その結果、光散乱が過剰となり蛍光強度が低下しやすくなる。
無機バインダー1と熱伝導性粒子3の屈折率差は、各原料の屈折率の値から算出することができる。あるいは、焼結後の波長変換部材10について、市販されている透過型位相シフトレーザー干渉顕微鏡を使用することで、無機バインダー1と熱伝導性粒子3の屈折率差を測定することもできる。
無機バインダー1と熱伝導性粒子3の熱膨張係数差(30~380℃)が60×10-7以下、特に50×10-7以下であることが好ましい。このようにすれば、製造工程における焼成時に、無機バインダーと熱伝導性粒子の熱膨張係数差に起因する空隙が発生しにくくなる。
波長変換部材10の厚みは、500μm以下であることが好ましく、300μm以下であることがより好ましい。波長変換部材10の厚みが大きすぎると、波長変換部材10における光の散乱や吸収が大きくなりすぎ、蛍光の出射効率が低下する傾向がある。また、熱伝導性が低下することから波長変換部材10の温度が高くなって、経時的な発光強度の低下や構成材料の融解が発生しやすくなる。なお、波長変換部材10の厚みの下限値は、100μm程度であることが好ましい。波長変換部材10の厚みが小さすぎると、機械的強度が低下しやすくなる。また、所望の発光色を得るために蛍光体粒子2の含有量を増やす必要があるため、相対的に熱伝導性粒子3の含有量が少なくなり、熱伝導性が低下しやすくなる。
波長変換部材10の光入射面及び/または光出射面に無反射処理が施されていることが好ましい。このようにすれば、励起光の入射や蛍光の出射の際に、部材表面での反射損失を抑制することができる。無反射処理としては、誘電体多層膜等の反射防止膜、あるいはモスアイ構造等のマイクロストラクチャーが挙げられる。また、波長変換部材10の光入射面にバンドパスフィルターを設けることにより、波長変換部材10の内部で発生した蛍光が光入射面側に漏出することを抑制できる。
波長変換部材10は上記構成を有することにより優れた熱拡散性を有する。具体的には、波長変換部材10の熱拡散率は5×10-7m2/s以上、6×10-7m2/s以上、7×10-7m2/s以上、特に8×10-7m2/s以上であることが好ましい。
波長変換部材10を金属やセラミック等の別の放熱部材に接合して使用してもよい。このようにすれば、波長変換部材10で発生した熱をより一層効率よく外部に放出することが可能となる。
(波長変換部材の製造方法)
波長変換部材10の製造方法として、(i)無機バインダー1、蛍光体粒子2及び熱伝導性粒子3を含む混合粉末を金型で加圧することで得られる予備成型体を焼成する方法が挙げられる。ここで、予備成型体を真空等の減圧雰囲気で焼成することが好ましい。このようにすれば、空隙率の低い波長変換部材が得やすくなる。
波長変換部材10の製造方法として、(i)無機バインダー1、蛍光体粒子2及び熱伝導性粒子3を含む混合粉末を金型で加圧することで得られる予備成型体を焼成する方法が挙げられる。ここで、予備成型体を真空等の減圧雰囲気で焼成することが好ましい。このようにすれば、空隙率の低い波長変換部材が得やすくなる。
あるいは、波長変換部材10の製造方法として、(ii)無機バインダー1、蛍光体粒子2及び熱伝導性粒子3を含む混合粉末に対して、樹脂、溶剤、可塑剤等の有機成分を添加、混練してなるスラリーを、ポリエチレンテレフタレート等の樹脂フィルム上にドクターブレード法等により成形し、加熱乾燥することにより得られるグリーンシート予備成型体を焼成する方法が挙げられる。グリーンシート予備成型体の焼成は、大気雰囲気で樹脂の分解温度以上で加熱した後に、減圧雰囲気で焼成温度まで加熱することが好ましい。このようにすれば、空隙率の低い波長変換部材が得やすくなる。
上記製造方法(i)及び(ii)において、焼成温度は1000℃以下、950℃以下、特に900℃以下であることが好ましい。焼成温度が高すぎると、蛍光体粒子2が熱劣化しやすくなる。なお、焼成温度が低すぎると、緻密な焼結体が得にくくなるため、250℃以上、300℃以上、特に400℃以上であることが好ましい。
上記製造方法(i)及び(ii)は、無機バインダー1と熱伝導性粒子3の合量に対する熱伝導性粒子3の体積比率が概ね40%以下の場合に有効である。熱伝導性粒子3の体積比率が大きすぎると、緻密な焼結体が得にくくなる。
その他に、波長変換部材10の製造方法として、(iii)無機バインダー1、蛍光体粒子2及び熱伝導性粒子3を含む混合粉末を加熱プレスする方法が挙げられる。加熱プレスは、ホットプレス装置、放電プラズマ焼結装置または熱間静水圧プレス装置により行うことができる。これらの装置を使用することにより、緻密な焼結体を容易に得ることができる。なお、加熱プレスは減圧雰囲気で行うことが好ましい。このようにすれば、焼成時の脱泡が促進され、緻密な焼結体が得やすくなる。
加熱プレスを行う際の温度は1000℃以下、950℃以下、特に900℃以下であることが好ましい。加熱プレスを行う際の温度が高すぎると、蛍光体粒子2が熱劣化しやすくなる。なお、加熱プレスを行う際の温度が低すぎると、緻密な焼結体が得にくくなるため、250℃以上、300℃以上、特に400℃以上であることが好ましい。
加熱プレスする際の圧力は、緻密な焼結体が得られるよう、例えば10~100MPa、特に20~60MPaの範囲で適宜調整することが好ましい。
焼結用金型の材質は特に限定されず、例えばカーボン製やセラミック製の金型を使用することができる。
上記製造方法(iii)は緻密な焼結体が得やすいため、無機バインダー1と熱伝導性粒子3の合量に対する熱伝導性粒子3の体積比率が大きい場合(例えば35%以上、さらには40%超)に特に有効である。
(発光装置)
図2は、上述した実施形態に係る波長変換部材を用いた発光装置を示す模式的側面図である。図2に示すように、発光装置20は、波長変換部材10と光源4を備えている。光源4から出射された励起光L0は波長変換部材10により蛍光L1に変換される。また励起光L0の一部は波長変換部材10をそのまま透過する。このため、波長変換部材10からは、励起光L0と蛍光L1との合成光L2が出射することとなる。例えば、励起光L0が青色光であり、蛍光L1が黄色光である場合、白色の合成光L2を得ることができる。
図2は、上述した実施形態に係る波長変換部材を用いた発光装置を示す模式的側面図である。図2に示すように、発光装置20は、波長変換部材10と光源4を備えている。光源4から出射された励起光L0は波長変換部材10により蛍光L1に変換される。また励起光L0の一部は波長変換部材10をそのまま透過する。このため、波長変換部材10からは、励起光L0と蛍光L1との合成光L2が出射することとなる。例えば、励起光L0が青色光であり、蛍光L1が黄色光である場合、白色の合成光L2を得ることができる。
発光装置20には上述の波長変換部材10を用いているため、波長変換部材10に励起光L0が照射されることにより発生した熱を、効率良く外部に放出することができる。よって、波長変換部材10の温度が不当に上昇することを抑制できる。
光源4としては、LEDやLDが挙げられる。発光装置20の発光強度を高める観点からは、光源4は高強度の光を出射できるLDを用いることが好ましい。光源としてLDを用いた場合は、波長変換部材10の温度が上昇しやすくなるため、本発明の効果を享受しやすくなる。
以下、本発明の波長変換部材を実施例を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
表1は本発明の実施例(No.1~10)及び比較例(No.11~12)を示す。
熱伝導性粒子、無機バインダー及び蛍光体粒子を、表1に記載の割合となるように混合することにより混合粉末を得た。なお表において、蛍光体粒子の含有量は混合粉末に占める含有量であり、残部を熱伝導性粒子と無機バインダーが占める。各材料としては以下のものを使用した。
(a)熱伝導性粒子
MgO(熱伝導率:約42W/m・K、平均粒子径D50:8μm、屈折率(nd):1.73)
Al2O3(熱伝導率:約20W/m・K、平均粒子径D50:9μm、屈折率(nd):1.76)
MgAl2O4(熱伝導率:約16W/m・K、平均粒径D50:21μm)
(b)無機バインダー
無機バインダーA(ケイ酸バリウム系ガラス粉末、軟化点:790℃、屈折率(nd):1.71、平均粒子径D50:2.5μm)
無機バインダーB(ホウケイ酸塩系ガラス粉末、軟化点:775℃、屈折率(nd):1.49、平均粒子径D50:1.3μm)
無機バインダーC(スズリン酸塩系ガラス粉末、軟化点:380℃、屈折率(nd):1.82、平均粒子径D50:3.8μm)
無機バインダーD(ビスマス系ガラス粉末、軟化点:450℃、屈折率(nd):1.91、平均粒子径D50:2.7μm)
(c)蛍光体粒子
YAG蛍光体粒子(Y3Al5O12、平均粒子径:22μm)
CASN蛍光体粒子(CaAlSiN3、平均粒子径:15μm)
MgO(熱伝導率:約42W/m・K、平均粒子径D50:8μm、屈折率(nd):1.73)
Al2O3(熱伝導率:約20W/m・K、平均粒子径D50:9μm、屈折率(nd):1.76)
MgAl2O4(熱伝導率:約16W/m・K、平均粒径D50:21μm)
(b)無機バインダー
無機バインダーA(ケイ酸バリウム系ガラス粉末、軟化点:790℃、屈折率(nd):1.71、平均粒子径D50:2.5μm)
無機バインダーB(ホウケイ酸塩系ガラス粉末、軟化点:775℃、屈折率(nd):1.49、平均粒子径D50:1.3μm)
無機バインダーC(スズリン酸塩系ガラス粉末、軟化点:380℃、屈折率(nd):1.82、平均粒子径D50:3.8μm)
無機バインダーD(ビスマス系ガラス粉末、軟化点:450℃、屈折率(nd):1.91、平均粒子径D50:2.7μm)
(c)蛍光体粒子
YAG蛍光体粒子(Y3Al5O12、平均粒子径:22μm)
CASN蛍光体粒子(CaAlSiN3、平均粒子径:15μm)
表1のNo.1~3、7~12の波長変換部材は以下のようにして作製した。上記で得られた混合粉末を、30mm×40mmの金型に入れ25MPaの圧力でプレスし予備成型体を製作した。得られた予備成形体を真空雰囲気下で表1に示す熱処理温度まで昇温し20分保持(減圧焼成)した後、N2ガスを導入して大気圧に戻しながら常温まで徐冷した。得られた焼結体に対し研削・研磨加工を施すことにより、5mm×5mm×0.5mmの矩形板状の波長変換部材を得た。
表1のNo.4~6の波長変換部材は以下のようにして作製した。上記で得られた混合粉末を30mm×40mmの金型に入れ、25MPaの圧力でプレスし予備成型体を製作した。得られた予備成型体を富士電波工業製ホットプレス炉(ハイマルチ5000)内に設置された30mm×40mmのカーボン製金型に入れ、加熱プレスを行った。加熱プレスの条件としては、真空雰囲気下で表1に示す熱処理温度まで昇温し、40MPaの圧力で20分間加圧した後、N2ガスを導入しながら常温まで徐冷した。得られた焼結体に対し研削・研磨加工を施すことにより、5mm×5mm×0.5mmの矩形板状の波長変換部材を得た。
得られた波長変換部材について、以下の方法で空隙率、熱拡散率、放熱性、透光性、発光ムラを評価した。結果を表1に示す。また、No.4の波長変換部材の部分断面写真を図3に示す。
空隙率は、波長変換部材の反射電子像による断面写真について、画像解析ソフトWinroofを用いて二値化し、得られた処理画像において空隙の占める面積割合から算出した。
熱拡散率は、アイフェイズ社製の熱拡散率測定装置ai-phaseにより測定した。
放熱性は以下のようにして測定した。中央部にφ3mmの開口部が形成された30mm×30mm×2mmのアルミニウム板2枚を準備し、当該2枚のアルミニウム板の間に波長変換部材を挟持して固定した。波長変換部材はアルミニウム板の略中央部に位置するように固定し、各アルミニウム板の開口部から波長変換部材が露出するようにした。アルミニウム板の一方の開口部から、露出した波長変換部材に対してLDの励起光(波長445nm、出力1.8W)を10分間照射し、波長変換部材のレーザー照射面と反対面の温度をFLIR製のサーモグラフィで測定した。なお、ガラスマトリクスが融解した場合は「×」として評価した。
透光性は、得られた波長変換部材を1000ルクスの蛍光灯下で文字の書いた紙面上に載置し、その文字の陰影が確認できるか否かで判断した。文字の陰影が確認できたものを「○」、確認できなかったものを「×」とした。
発光ムラは以下のようにして評価した。上記の放熱性試験において、波長変換部材の光出射側から1mの距離に白色反射板を設置し、当該白色反射板に投影された光の色ムラの有無を確認した。色ムラが無いものを「○」、色ムラが少し確認できたものを「△」、色ムラが確認できたものを「×」として評価した。
表1から明らかなように、実施例であるNo.1~10の波長変換部材は、熱拡散率が5.9×10-7m2/s以上と高く、放熱性試験でも波長変換部材の温度が45~89℃と比較的低温であった。さらに、平均粒子径が8~9μmと小さい熱伝導性粒子を使用したNo.1~8の波長変換部材は、発光ムラがなく、出射光の均質性に優れていた。一方、比較例であるNo.11の波長変換部材は、熱伝導性粒子の含有比率が小さすぎるため、熱拡散率が3.5×10-7m2/sと低く、放熱性試験で波長変換部材のガラスマトリクスが融解した。また、No.12の波長変換部材は、熱伝導性粒子と無機バインダーの屈折率差が0.24と大きいため、両者の界面での光散乱が強くなり過ぎ、透光性が「×」となった。
本発明の波長変換部材は、白色LED等の一般照明や特殊照明(例えば、プロジェクター光源、自動車のヘッドランプ光源、内視鏡の光源)等の構成部材として好適である。
1 無機バインダー
2 蛍光体粒子
3 熱伝導性粒子
4 光源
10 波長変換部材
20 発光装置
2 蛍光体粒子
3 熱伝導性粒子
4 光源
10 波長変換部材
20 発光装置
Claims (19)
- 無機バインダー中に蛍光体粒子と熱伝導性粒子が分散されてなる波長変換部材であって、
無機バインダーと熱伝導性粒子の屈折率差が0.2以下であり、
無機バインダーと熱伝導性粒子の各含有量の体積比が80:20~40超:60未満であることを特徴とする波長変換部材。 - 空隙率が10%以下であることを特徴とする請求項1に記載の波長変換部材。
- 近接する複数の熱伝導性粒子同士の距離、及び/または、熱伝導性粒子とそれに近接する蛍光体粒子との距離が、0.08mm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の波長変換部材。
- 複数の熱伝導性粒子同士、及び/または、熱伝導性粒子と蛍光体粒子が接触していることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の波長変換部材。
- 熱伝導性粒子の平均粒子径D50が20μm以下であることを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載の波長変換部材。
- 熱伝導性粒子が、蛍光体粒子より高い熱伝導率を有することを特徴とする請求項1~5のいずれか一項に記載の波長変換部材。
- 熱伝導性粒子が酸化物セラミックスからなることを特徴とする請求項1~6のいずれか一項に記載の波長変換部材。
- 熱伝導性粒子が、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化亜鉛及びマグネシアスピネルから選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項7に記載の波長変換部材。
- 無機バインダーの軟化点が1000℃以下であることを特徴とする請求項1~8のいずれか一項に記載の波長変換部材。
- 無機バインダーの屈折率(nd)が1.6~1.85であることを特徴とする請求項1~9のいずれか一項に記載の波長変換部材。
- 無機バインダーがガラスであることを特徴とする請求項1~10のいずれか一項に記載の波長変換部材。
- ガラスが実質的にアルカリ金属成分を含有しないことを特徴とする請求項11に記載の波長変換部材。
- 無機バインダーと熱伝導性粒子の30~380℃の温度範囲における熱膨張係数差が60×10-7以下であることを特徴とする請求項1~12のいずれか一項に記載の波長変換部材。
- 蛍光体粒子の含有量が1~70体積%であることを特徴とする請求項1~13のいずれか一項に記載の波長変換部材。
- 厚みが500μm以下であることを特徴とする請求項1~14のいずれか一項に記載の波長変換部材。
- 熱拡散率が5×10-7m2/s以上であることを特徴とする請求項1~15のいずれか一項に記載の波長変換部材。
- 光入射面及び/または光出射面に無反射処理が施されていることを特徴とする請求項1~16のいずれか一項に記載の波長変換部材
- 請求項1~17のいずれか一項に記載の波長変換部材と、波長変換部材に励起光を照射する光源とを備えてなることを特徴とする発光装置。
- 光源がレーザーダイオードであることを特徴とする請求項18に記載の発光装置。
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