JP4609319B2 - 光変換用セラミックス複合材料およびその用途 - Google Patents

Description

本発明は、照射光の一部を、それとは異なる波長の光に変換すると共に、変換しなかった照射光と混合して、照射光とは色合いの異なる光に変換する機能を有した光変換用セラミックス複合材料およびその用途に関する。

近年、青色発光ダイオードが実用化されたことを受け、このダイオードを発光源とする白色光源の開発研究が盛んに行われている。白色光は、照明用光源として需要が非常に大きいことに加え、既存の白色光源に比した発光ダイオードの消費電力の低さと、寿命の長さが大きな利点であるからである。

この方法では、青色発光ダイオードが発生する青色光を、光変換機能を持つ材料を利用して白色光に変換するのであるが、光の三原色の中の青色は、青色発光ダイオードが発生する光の中に含まれており、不足している緑色、赤色光を発生させる必要がある。ここで、ある波長の光を吸収して其れとは異なる波長の光を発生させる蛍光体が使われる。

青色発光ダイオードの青色を白色光ヘ変換する方法として一般的に行なわれているのは、例えば特開２０００−２０８８１５号公報に示される様に、発光素子の前面に青色光の一部を吸収して黄色光を発する蛍光体を含むコーティング層と、光源の青色光とコーティング層からの黄色光を混色するためのモールド層を設けることである。図１を参照すると、発光素子１の前面にコーティング層２を有し、さらにモールド層３が設けられている。図において４は導電性ワイヤ、５、６はリードである。この場合、混色は、モールド層３だけで行われるのではなく、コーティング層２においても起こっている。

従来技術においてコーティング層としては、セリウム化合物をドープしたＹＡＧ（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ）粉末とエポキシ樹脂の混合物を発光素子に塗布したものが採用されている（特開２０００−２０８８１５号公報）。しかし、この方法では、蛍光体粉末と樹脂の混合の均一性の確保、塗布した膜の厚みの最適化など制御が難しく、均一な白色光を再現性良く得ることを困難にしている。また、光の透過性が低い蛍光体の粉末を用いることも、高輝度の発光ダイオードを作製する上での障害となる。さらに、高強度の光を得ようとすると蓄熱の問題が在り、コーティング層、およびモールド層の樹脂の耐熱性、耐紫外線性が大きな問題となる。

以上の問題を改善するには、発光ダイオードが発する青色光を吸収して黄色の発光をし、かつ、光混合性に優れ、耐熱性に優れた材料が必要となる。

本発明の目的は、光変換機能、すなわちある波長の光を吸収し其れとは異なる波長の光である蛍光を発生する機能を有していることは勿論、輝度、光混合性に優れ、かつ、耐熱性、耐紫外線性にも優れたセラミックス複合材料およびそれを用いた発光ダイオードを提供することにある。

本発明者は、２種以上の酸化物よりなり、蛍光を発する化合物を含むマトリックス相から構成される凝固体が、前記課題を解決した材料となることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は下記を提供する。
（１）金属の酸化物と二種以上の金属の酸化物から生成される複合酸化物とからなる群から選ばれる二種以上の酸化物を夫々成分とする二種以上のマトリックス相から形成されている凝固体であり、各マトリックス相が連続的にかつ三次元的に配列されて相互に絡み合って存在し、該マトリックス相の少なくとも一つが付活された酸化物からなる蛍光体相であることを特徴とする光変換用セラミック複合材料。
（２）凝固体が、一方向凝固法により得られたものであることを特徴とする上記（１）に記載の光変換用セラミック複合材料。
（３）金属酸化物が、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＣａＯ、Ｙ₂Ｏ₃、ＢａＯ、ＢｅＯ、ＦｅＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＭｎＯ、ＣｏＯ、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＳｒＯ、ＺｎＯ、ＮｉＯ、Ｌｉ₂Ｏ、Ｇａ₂Ｏ₃、ＨｆＯ₂、ＴｈＯ₂、ＵＯ₂、ＳｎＯ₂および希土類元素酸化物（Ｌａ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、Ｐｒ₆Ｏ₁₁、Ｎｄ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃、Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｅｕ₂Ｏ₃、Ｔｂ₄Ｏ₇、Ｄｙ₂Ｏ₃、Ｈｏ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃、Ｔｍ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｌｕ₂Ｏ₃）からなる群から選択される上記（１）又は（２）のいずれか１項に記載の光変換用セラミック複合材料。
（４）２種以上の金属酸化物の組み合わせで生成される複合酸化物が、３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂（Ｍｕｌｌｉｔｅ）、ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃・ＴｉＯ₂、ＢａＯ・６Ａｌ₂Ｏ₃、ＢａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、ＢｅＯ・３Ａｌ₂Ｏ₃、ＢｅＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、３ＢｅＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ・ＴｉＯ₂、ＣａＯ・Ｎｂ₂Ｏ₃、ＣａＯ・ＺｒＯ₂、２ＣｏＯ・ＴｉＯ₂、ＦｅＡｌ₂Ｏ₄、ＭｎＡｌ₂Ｏ₄、３ＭｇＯ・Ｙ₂Ｏ₃、２ＭｇＯ・ＳｉＯ₂、ＭｇＣｒ₂Ｏ₄、ＭｇＯ・ＴｉＯ₂、ＭｇＯ・Ｔａ₂Ｏ₅、ＭｎＯ・ＴｉＯ₂、２ＭｎＯ・ＴｉＯ₂、３ＳｒＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｒＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｒＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃ＳｒＯ・６Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｒＯ・ＴｉＯ₃、ＴｉＯ₂・３Ｎｂ₂０₅、ＴｉＯ₂・Ｎｂ₂Ｏ₅、３Ｙ₂Ｏ₃・５Ａｌ₂Ｏ₃、２Ｙ₂Ｏ₃・Ａｌ₂Ｏ₃、２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５ＳｉＯ₂、ＬａＡｌＯ₃、ＣｅＡｌＯ₃、ＰｒＡｌＯ₃、ＮｄＡｌＯ₃、ＳｍＡｌＯ₃、ＥｕＡｌＯ₃、ＧｄＡｌＯ₃、ＤｙＡｌＯ₃、Ｙｂ₄Ａｌ₂Ｏ₉、Ｅｒ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、１１Ａｌ₂Ｏ₃・Ｌａ₂Ｏ₃、１１Ａｌ₂Ｏ₃・Ｎｄ₂Ｏ₃、１１Ａｌ₂Ｏ₃・Ｐｒ₂Ｏ₃、ＥｕＡｌ₁₁Ｏ₁₈、２Ｇｄ₂Ｏ₃・Ａｌ₂Ｏ₃、１１Ａｌ₂Ｏ₃・Ｓｍ₂Ｏ₃、Ｙｂ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、ＣｅＡｌ₁₁Ｏ₁₈、およびＥｒ₄Ａｌ₂Ｏ₉からなる群から選択される上記（１）又は（２）のいずれか１項に記載の光変換用セラミック複合材料。

（５）マトリックスを構成する相がα−Ａｌ₂Ｏ₃相及びＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂（ＹＡＧ）相の２相であることを特徴とする、上記（１）又は（２）の何れか１項に記載の光変換用セラミック複合材料。
（６）付活元素がセリウムであることを特徴とする、上記（１）〜（５）の何れか１項に記載の光変換用セラミック複合材料。
（７）上記（１）〜（７）のいずれか１項に記載の光変換用セラミック複合材料を使用して、発光ダイオードから発光された光の色を別の色に変えることを特徴とする光変換方法。
（８）マトリックスを構成する相がα−Ａｌ₂Ｏ₃相及びＹＡＧ相であり、ＹＡＧ相がセリウムで付活された蛍光体である光変換用セラミック複合材料を使用し、青色光を白色光に変えることを特徴とする上記（７）に記載の光変換方法。
（９）発光ダイオードチップと、上記（１）〜（６）のいずれか１項に記載の光変換用セラミック複合材料とを有する発光ダイオード。
（１０）光変換用セラミック複合材料が発光ダイオードチップから放出された可視光により励起されて励起波長よりも長波長の可視光の蛍光を出すマトリックス相を含む上記（９）に記載の発光ダイオード。
（１１）光変換用セラミック複合材料が発光ダイオードチップから放出された青色光を白色光に変える上記（１０）または（１１）に記載の発光ダイオード。

本発明のセラミック複合材料は、製造条件を制御することによって、コロニー、ボイドのない均一な組織になる。また、所定の成分に調製した混合粉末を加圧焼結して得られる一般的な焼結体に存在する粒界相は存在しない。さらに、製造条件を制御することによって本複合材料を構成する酸化物及び複合酸化物がそれぞれ単結晶／単結晶、単結晶／多結晶、多結晶／多結晶から構成されるセラミック複合材料も得ることができる。なお、本発明において「単結晶」とは、Ｘ線回折において、特定の結晶面からの回折ピークのみが観察される状態の結晶構造を意味する。さらに、構成する酸化物以外の酸化物を添加して、複合材料を構成する相のうち少なくとも一方に固溶または析出させる、あるいは、相の界面に存在させることにより、光学的性質、機械的性質および熱的性質を変化させることも可能である。

本発明のセラミック複合材料は、構成する酸化物相が微細なレベルで均質にしかも、連続的に繋がった構造をしている。それぞれの相の大きさは凝固条件を変更することによって制御可能であるが、一般には１〜５０μｍである。

本発明のセラミックス複合材料は、原料金属酸化物を融解後、凝固して作られる。例えば、所定温度に保持したルツボに仕込んだ溶融物を、冷却温度を制御しながら冷却凝結させる簡単な方法で凝固体を得ることができるが、最も好ましいのは一方向凝固法によるものである。その工程の概略は次である。

マトリックス相を形成する金属酸化物及び蛍光発生体となる金属酸化物を所望する成分比率の割合で混合して、混合粉末を調整する。混合方法については特別の制限はなく、乾式混合法及び湿式混合法のいずれも採用することができる。ついで、この混合粉末を公知の溶融炉、例えば、アーク溶融炉を用いて仕込み原料が溶解する温度に加熱して溶融させる。例えば、Ａｌ₂Ｏ₃とＥｒ₂Ｏ₃の場合、１，９００〜２，０００℃に加熱して溶解する。

得られた溶融物は、そのままルツボに仕込み一方向凝固させるか、あるいは、一旦凝固させた後に粉砕し、粉砕物をルツボに仕込み、再度加熱・溶融させた後、融液の入ったルツボを溶融炉の加熱ゾーンから引き出し、一方向凝固を行う。融液の一方向凝固は常圧下でも可能であるが、結晶相の欠陥の少ない材料を得るためには、４０００Ｐａ以下の圧力下で行うのが好ましく、０．１３Ｐａ（１０^-3Ｔｏｒｒ）以下は更に好ましい。

ルツボの加熱域からの引き出し速度、すなわち、融液の凝固速度は、融液組成及び溶融条件によって、適宜の値に設定することになるが、通常５０ｍｍ／時間以下、好ましくは１〜２０ｍｍ／時間である。

一方向に凝固させる装置としては、垂直方向に設置された円筒状の容器内にルツボが上下方向に移動可能に収納されており、円筒状容器の中央部外側に加熱用の誘導コイルが取り付けられており、容器内空間を減圧にするための真空ポンプが設置されている、それ自体公知の装置を使用することができる。

本発明の光変換用セラミック複合材料の少なくとも１つのマトリックス相を構成する蛍光体は、金属酸化物あるいは複合酸化物に付活元素を添加して得ることができる。このような蛍光体材料自体は公知であり、格別の追加の説明を要しない。本発明の光変換用セラミック複合材料に用いるセラミック複合材料は、少なくとも１つのマトリックス相を蛍光体相にするが、基本的に、本願出願人（発明譲受人）が先に特開平７−１４９５９７号公報、特開平７−１８７８９３号公報、特開平８−８１２５７号公報、特開平８−２５３３８９号公報、特開平８−２５３３９０号公報および特開平９−６７１９４号公報並びにこれらに対応する米国出願（米国特許第５，５６９，５４７号、同第５，４８４，７５２号、同第５，９０２，７６３号）等に開示したセラミック複合材料と同様のものであることができ、これらの出願（特許）に開示した製造方法で製造できるものである。これらの出願あるいは特許の開示内容はここに参照して含めるものである。

得られた凝固体より必要な形状のブロックを切出し、ある波長の光を、目的とする他の色相の光に変換するセラミックス複合材料基板に利用する。

マトリックス相を形成する酸化物種については、種々の組合わせが可能であるが、金属の酸化物と二種以上の金属の酸化物から生成される複合酸化物とからなる群から選ばれるセラミックスが好適である。

金属の酸化物としては、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化クロミウム（Ｃｒ₂Ｏ₃）等の他、希土類元素酸化物（Ｌａ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、Ｐｒ₆Ｏ₁₁、Ｎｄ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃、Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｅｕ₂Ｏ₃、Ｔｂ₄Ｏ₇、Ｄｙ₂Ｏ₃、Ｈｏ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃、Ｔｍ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｌｕ₂Ｏ₃）等々がある。

また、これらの金属酸化物から生成される複合酸化物としては、例えば、ＬａＡｌＯ₃、ＣｅＡｌＯ₃、ＰｒＡｌＯ₃、ＮｄＡｌＯ₃、ＳｍＡｌＯ₃、ＥｕＡｌＯ₃、ＧｄＡｌＯ₃、ＤｙＡｌＯ₃、ＥｒＡｌＯ₃、Ｙｂ₄Ａｌ₂Ｏ₉、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、Ｅｒ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、１１Ａｌ₂Ｏ₃・Ｌａ₂Ｏ₃、１１Ａｌ₂Ｏ₃・Ｎｄ₂Ｏ₃、３Ｄｙ₂Ｏ₃・５Ａｌ₂Ｏ₃、２Ｄｙ₂Ｏ₃・Ａｌ₂Ｏ₃、１１Ａｌ₂Ｏ₃・Ｐｒ₂Ｏ₃、ＥｕＡｌ₁₁Ｏ₁₈、２Ｇｄ₂Ｏ₃・Ａｌ₂Ｏ₃、１１Ａｌ₂Ｏ₃・Ｓｍ₂Ｏ₃、Ｙｂ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、ＣｅＡｌ₁₁Ｏ₁₈、Ｅｒ₄Ａｌ₂Ｏ₉が挙げられる。

例えば、Ａｌ₂Ｏ₃とＧｄ₂Ｏ₃の組み合わせの場合、Ａｌ₂Ｏ₃：７８ｍｏｌ％，Ｇｄ₂Ｏ₃：２２ｍｏｌ％で共晶を形成するので、Ａｌ₂Ｏ₃相とＡｌ₂Ｏ₃とＧｄ₂Ｏ₃の複合酸化物であるペロブスカイト構造のＧｄＡｌＯ₃相からなるセラミック複合材料を得ることができる。さらに上記と同様に、α−Ａｌ₂Ｏ₃が約２０〜８０容積％、ＧｄＡｌＯ₃が約８０〜２０容積％の範囲内でその分率を変化させることができる。この他に、二種以上の金属の酸化物がペロブスカイト構造を有するものには、ＬａＡｌＯ₃、ＣｅＡｌＯ₃、ＰｒＡｌＯ₃、ＮｄＡｌＯ₃、ＳｍＡｌＯ₃、ＥｕＡｌＯ₃、ＤｙＡｌＯ₃等がある。これらのいずれかが本複合材料を構成する場合、組織が微細化し機械的強度が大きいセラミック複合材料を得ることができる。

また、Ａｌ₂Ｏ₃とＥｒ₂Ｏ₃の組み合わせの場合、Ａｌ₂Ｏ₃：８１．１ｍｏｌ％，Ｅｒ₂Ｏ₃：１８．９ｍｏｌ％で共晶を形成するので、Ａｌ₂Ｏ₃相とＡｌ₂Ｏ₃とＥｒ₂Ｏ₃の複合酸化物であるガーネット構造のＥｒ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂相からなるセラミック複合材料を得ることができる。さらに上記と同様に、α−Ａｌ₂Ｏ₃が約２０〜８０容積％、Ｅｒ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂が約８０〜２０容積％の範囲内でその分率を変化させることができる。この他に、二種以上の金属の酸化物がガーネット構造を有するものには、Ｙｂ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂等がある。これらのいずれかが本複合材料を構成する場合、クリープ強度が大きいセラミック複合材料を得ることができる。

この中でも、特にＡｌ₂Ｏ₃と希土類元素酸化物の組合わせが好ましい。機械的特性に優れているだけでなく、光学的特性にも優れた材料を与えるからである。また、後述する様に、一方向凝固法により、各マトリックス相が三次元的、連続的に絡み合った複合材料が得られ易く、希土類金属酸化物よりなる蛍光体が安定に存在し得るマトリックス相が形成されるからである。特に、Ａｌ₂Ｏ₃とＹ₂Ｏ₃から製造されるＡｌ₂Ｏ₃とＹＡＧの二相をマトリックス相とする複合材料は好ましい。

上記の如き金属酸化物または複合酸化物に付活元素を添加することで蛍光体が得られる。

マトリックス相に含有させる付活元素（蛍光体種）は、光源色の波長及びそれを変換して得ることを目的とする色相に応じて適宜選択することになる。例えば、青色発光ダイオードの４３０〜４８０ｎｍの青色光を白色光に変換するにはセリウムを付活元素とし、セリウムの酸化物を添加することが好適である。勿論、セリウムと他の蛍光体種など複数の添加元素を入れることで色の調整をすることも可能である。セリウム以外の付活元素としては、マトリックス酸化物の種類にもよるが、例えば、テルビウム、ユーロピウム、マンガン、クロム、ネオジム、ジスプロジウムなどが用いられる。

マトリックス酸化物相に付活元素（蛍光体種）を添加するには、通常、付活元素の酸化物を所定量で添加すればよい。

本発明のセラミックス複合材料は、複数種のマトリックス相より構成され、また付活のために添加した元素はその製法から考えて各マトリックス相に分配係数に従い分配されて存在すると考えられるが、蛍光を発する相は、成分による。例えば、Ａｌ₂Ｏ₃とＹ₂Ｏ₃からはアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）とＹＡＧをマトリックス相とする複合材料が形成されるが、蛍光はＹＡＧ相から発生しており、そのマトリックス相はＹＡＧ：Ｃｅで表されるセリウムで付活された蛍光体であると考えられる。分配係数によれば、添加したＣｅは殆どがＹＡＧに分配され、アルミナ中には殆ど存在しない。添加元素が存在することで蛍光体になるかどうかは成分により一概ではないが、本発明のセラミックス複合材料では少なくとも１つのマトリックス相が蛍光を発する相である。

アルミナおよびＹＡＧ自体は光透過性であり、このＹＡＧ：Ｃｅで表されるセリウムで付活された蛍光体からなるマトリックス相も基本的に光透過性である。そして、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）とＹＡＧ：Ｃｅをマトリックス相とする複合材料では、アルミナ相に入った光は青色光のまま透過してくるがＹＡＧ：Ｃｅ相に入った青色光の一部は黄色光に変わり、それらが混合されることにより、透過光が白色に見えることになる。

一方向凝固法では、各マトリックス相が３次元的に複雑に絡み合った構造を有した複合材料を得ることができる（例えば、図３，４が参照される）。特に、Ａｌ₂Ｏ₃と希土類金属酸化物から得られる複合材料では、この構造を持つものが容易に得られる。この構造は、光変換材料として都合が良い。Ａｌ₂Ｏ₃相の透明性が高いのに加え、ＹＡＧ：Ｃｅのマトリックス相は全体が均一な蛍光体として作用し（発光中心をなす付活元素であるセリウムはマトリックス相全体に原子レベルで均一に分布する）、かつ、このような各相が三次元的に複雑に絡み合う構造であることで、輝度が高く、しかも透過光と蛍光との混色が有効に行われるからである。

また、蛍光粉末と樹脂を混ぜ合わせた材料では粉体表面で光の散乱が起きるが、本発明の複合材料ではそのような光の散乱はなく、その他の光の散乱も少ないので、光の透過性が高く、効率的に発光ダイオードの光（青色光）を利用することができる。

さらに、本発明の複合材料は高融点のセラミック材料であるために、熱的な安定性が非常に高く、樹脂材料のような耐熱性の問題は生じない、さらに、紫外光による劣化の問題も生じない利点も有する。

従って、本発明のセラミック複合材料は、変換機能、すなわちある波長の光を吸収し其れとは異なる波長の光である蛍光を発生する機能を有していることは勿論、輝度、光透過性、光混合性に優れ、また光利用効率も優れ、かつ、耐熱性、耐紫外線性にも優れたセラミックス複合材料であり、発光ダイオードの色を変換する目的に好適な光変換用セラミック複合材料である。

本発明の光変換用セラミック複合材料を発光ダイオードに用いる場合、例えば、図２に示す如く、発光ダイオード（LED）チップ１の前面に本発明の光変換用セラミック複合材料８を配置して発光ダイオードを構成すれば良い。図２において、４は導電性ワイヤ、５，６はリードであり、図１と同様である。チップ（素子）１が光変換用セラミック複合材料８に接触するように配置することも可能である。この方が素子の放熱の面からは好ましいと考えられる。また容器や台の形状は必要に応じ、形状を変えることができる。また、材質についても必要に応じ選択することができる。
以下では、具体的例を挙げ、本発明を更に詳しく説明する。

（実施例１）
α−Ａｌ₂Ｏ₃粉末（純度９９．９９％）とＹ₂Ｏ₃粉末（純度９９．９９９％）の混合比は、モル比で８２：１８とし、ＣｅＯ₂粉末（純度９９．９９％）は、仕込み酸化物の反応により生成するＹＡＧ１モル対し０．０１モルとなるようにした。これらの粉末をエタノール中、ボールミルによって１６時間湿式混合した後、エバポレーターを用いてエタノールを脱媒して原料粉末を得た。原料粉末は、真空炉中で予備溶解し一方向凝固の原料とした。

次に、この原料をそのままモリブデンルツボに仕込み、一方向凝固装置にセットし、１．３３×１０^-3Ｐａ（１０^-5Ｔｏｒｒ）の圧力下で原料を融解した。次に同一の雰囲気においてルツボを５ｍｍ／時間の速度で下降させ凝固体を得た。得られた凝固体は黄色を呈していた。

凝固体の凝固方向に垂直な断面組織を図３に示す。白い部分がＹＡＧ（より正確にはＹＡＧ：Ｃｅ）相、黒い部分がＡｌ₂Ｏ₃相である。この凝固体にはコロニーや粒界相がなく、さらに気泡やボイドが存在しない均一な組織を有していることが分かる。

また、同一方向に切り出した試料をカーボン粉と共に１６００℃に加熱し、試料表面近傍のＡｌ₂Ｏ₃相を除去したサンプルにおける、凝固方向に垂直な表面の構造を示す電子顕微鏡写真を図４に示す。

さらに、凝固方向にほぼ垂直な面からのＸ線回折を観察した結果、夫々ＹＡＧの（１１０）面及びα−Ａｌ₂Ｏ₃の（１１０）面からの回折ピークのみが観察された。

以上より、この複合材料においては、α−Ａｌ₂Ｏ₃単結晶相とＹＡＧ単結晶相の二相が連続的に且つ三次元的に配列され相互に絡み合って存在することが分かる。

凝固体から、凝固方向に対して垂直な方向に１ｍｍ厚さの基板を切り出し、この材料の蛍光特性を蛍光評価装置によって評価した。図５に結果を示す。青色の約４５０ｎｍの光を照射した場合、約５３０ｎｍにピークをもつ幅広いスペクトルの黄色の蛍光特性を持つことが分かった。従って、ＹＡＧ相はＹＡＧ：Ｃｅで表される蛍光体である。

次に図６に示す方法で、青色の光との混合性を確認する測定を行った。試料１３の下側に鏡１４をおき、試料を透過した光が測定部に戻るようにした。このようにすると、試料の表面や内部から反射される光と、試料を透過し鏡によって反射される光１５が検出器１６に入ることになる。入射光１２としては、光源１１からの４５０ｎｍの青色光を用いた。試料の厚みは０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍの４種とした。

検出器における検出例を図７に示す。ここには、厚みの異なる２種試料を用いた例を示すが、試料厚みが増すと４５０ｎｍの青色光が減少していることが分かる。

試料の厚みと青色光、及び黄色の蛍光強度との関係を示したのが図８である。黄色蛍光については、縦軸のスケールを変えた拡大図を図９に示す。青色光は、試料が厚くなるに従い強度が減少するが、０．５ｍｍ以上の厚みではほぼ一定となる。一方、黄色蛍光は、試料厚みと共に強度が増し、極大値を経て減少し、０．５ｍｍ以上の厚みでは、青色光同様ほぼ一定となる。試料厚みが大きい領域で測定値が一定となるのは、試料表面からの青色光の反射光と、表面からの深さがある値以下の相で発生した黄色蛍光の散乱光を測定しているからであり、このことは、試料が厚くなると入射光が試料中で吸収、波長変換され、試料を透過しなくなることを示している。逆に、厚みの薄い試料では、入射光の一部が試料を透過し、鏡で反射した後、更にその一部が再び試料から出てくることを示している。

この観測結果により、この材料が、入射青色光を透過させると同時にその一部を５３０ｎｍ付近にピークを示す幅広のスペクトルを持つ黄色光に変換し、これら２色の光を混合して白色光を出していることが分かる。また、材料の厚みを調整して色の調整が可能であることが分かる。

（実施例２）
実施例１で作製した光変換用セラミック複合材料から、ダイヤモンドカッターを用いて薄板を切出した。この薄板を加工して図２に示す発光ダイオードに装着できる円盤状の試料を作製し発光ダイオードを作製した。用いた青発光ダイオードチップの波長は470nmである。このようにして得られた白色発光ダイオードの発光スペクトルを図１０に示す。約470nmの青色と、光変換用セラミック複合材料から放出された530nmの光が観察された。

さらに、この発光ダイオードを積分球に入れて色の測定を行った。その結果、発光の色はCIE色度図での座標がｘ＝0.27，ｙ＝0.34であり、白色であることが確認された。

（比較例１）
Y₃Al₅O₁₂１モル対し、Ceの付活量を0.03モルになるように、Al₂O₃（99.99％）とY₂O₃（99.999％）を実施例１で示した方法によって混合、乾燥し原料を得た。この原料100重量部に対しフラックスとして５重量部の弗化バリウム（BaF₂）を混合し、アルミナ坩堝にし込み、大気中1600℃１時間の焼成を行った。窒温に戻った坩堝から試料を取出し、これを硝酸溶液で洗浄しフラックスを除去した。このようにして得られたCeを付活したYAG粉末40重量部をエポキシ樹脂100重量部に混練し、120℃１時間、150℃４時間かけて、樹脂を硬化させ成形体を得た。これを円盤状に加工し図２に示す発光ダイオードを作製した。円盤の厚みは、発光ダイオードの発光色が実施例２と同じ色になるように調整した。このようにして決めた円盤の厚みは実施例２のセラミック複合材料の円盤の厚みとほぼ同じであった。発光ダイオードの色はCIE色度図における座標がｘ＝0.27，ｙ＝0.36であった。このようにして作製した発光ダイオードの放射エネルギーを380nmから780nmの範囲で積分球を用いて測定した。同様に実施例２に述べた発光ダイオードの放射エネルギーも測定した。このようにして得られた白色発光ダイオードの発光スペクトルを図１０に示す。その結果、比較例１を基準にした場合、実施例２の放射エネルギーは約1.5倍となった。このことから本発明における波長変換セラミック複合材料のほうがより光を透過でき、高輝度の発光ダイオードを作製できることが分かる。

本発明の光変換用セラミック複合材料は、輝度、光混合性に優れ、かつ、耐熱性、耐紫外線性にも優れている。特に、青色発光ダイオードの青色光から白色光を得る性能に優れていることから、発光ダイオードの消費電力の低さと、寿命の長さを活かした照明用光源として実用的価値が高い。

図１は従来技術の発光ダイオードを示す断面図である。 図２は本発明の発光ダイオードの例を示す断面図である。 図３は実施例で得られた材料の組織構造を示す電子顕微鏡写真である。 図４は実施例で得られた材料中におけるＹＡＧ相の存在形態を示す電子顕微鏡写真である。 図５は実施例１で得られた材料の蛍光特性を示すスペクトルである。 図６は蛍光特性測定法の概略を示す図である。 図７は検出器における検出例を示す図である。 図８は光変換材料の試料厚みと蛍光特性との関係例を示す図である。 図９は光変換材料の試料厚みと蛍光特性との関係例を示す図である。５３０ｎｍ光についてのスケールが拡大されている。 図１０は実施例２、比較例で得られた材料の蛍光特性を示すスペクトルである。

Claims (16)

1. ある波長の光を吸収してそれとは異なる波長の光である蛍光を発生する一体物の光変換部材であって、該光変換部材が、一方向凝固により得られたものであり、金属の酸化物と二種以上の金属の酸化物から生成される複合酸化物とからなる群から選ばれる二種以上の酸化物を夫々成分とする二種以上のマトリックス相から形成されている凝固体であり、各マトリックス相が連続的にかつ三次元的に配列されて相互に絡み合って存在し、該マトリックス相の少なくとも一つが付活された酸化物からなる蛍光体相であるセラミック複合材料からなることを特徴とする光変換部材。
2. 前記セラミック複合材料が可視光により励起されて励起波長よりも長波長の可視光の蛍光を出すマトリックス相を含む請求項１に記載の光変換部材。
3. 前記セラミック複合材料が青色光を白色光に変える請求項１に記載の光変換部材。
4. 金属酸化物が、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＣａＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＢａＯ、ＢｅＯ、ＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＭｎＯ、ＣｏＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＳｒＯ、ＺｎＯ、ＮｉＯ、Ｌｉ_２Ｏ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、ＴｈＯ_２、ＵＯ_２、ＳｎＯ_２および希土類元素酸化物（Ｌａ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｐｒ_６Ｏ_１１、Ｎｄ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｔｂ_４Ｏ_７、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｔｍ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３）からなる群から選択される請求項１〜３のいずれか１項に記載の光変換部材。
5. ２種以上の金属酸化物の組み合わせで生成される複合酸化物が、３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ２（Ｍｕｌｌｉｔｅ）、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３・ＴｉＯ_２、ＢａＯ・６Ａｌ_２Ｏ_３、ＢａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、ＢｅＯ・３Ａｌ_２Ｏ_３、ＢｅＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、３ＢｅＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ・ＴｉＯ_２、ＣａＯ・Ｎｂ_２Ｏ_３、ＣａＯ・ＺｒＯ_２、２ＣｏＯ・ＴｉＯ_２、ＦｅＡｌ_２Ｏ_４、ＭｎＡｌ_２Ｏ_４、３ＭｇＯ・Ｙ_２Ｏ_３、２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２、ＭｇＣｒ_２Ｏ_４、ＭｇＯ・ＴｉＯ_２、ＭｇＯ・Ｔａ_２Ｏ_５、ＭｎＯ・ＴｉＯ_２、２ＭｎＯ・ＴｉＯ_２、３ＳｒＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｒＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｒＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３ＳｒＯ・６Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｒＯ・ＴｉＯ_３、ＴｉＯ_２・３Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２・Ｎｂ_２Ｏ_５、３Ｙ_２Ｏ_３・５Ａｌ_２Ｏ_３、２Ｙ_２Ｏ_３・Ａｌ_２Ｏ_３、２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２、ＬａＡｌＯ_３、ＣｅＡｌＯ_３、ＰｒＡｌＯ_３、ＮｄＡｌＯ_３、ＳｍＡｌＯ_３、ＥｕＡｌＯ_３、ＧｄＡｌＯ_３、ＤｙＡｌＯ_３、Ｙｂ_４Ａｌ_２Ｏ_９、Ｅｒ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、１１Ａｌ_２Ｏ_３・Ｌａ_２Ｏ_３、１１Ａｌ_２Ｏ_３・Ｎｄ_２Ｏ_３、１１Ａｌ_２Ｏ_３・Ｐｒ_２Ｏ_３、ＥｕＡｌ_１１Ｏ_１８、２Ｇｄ_２Ｏ_３・Ａｌ_２Ｏ_３、１１Ａｌ_２Ｏ_３・Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｙｂ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、ＣｅＡｌ_１１Ｏ_１８、およびＥｒ_４Ａ_ｌ２Ｏ_９からなる群から選択される請求項１〜３のいずれか１項に記載の光変換部材。
6. マトリックスを構成する相がα−Ａｌ_２Ｏ_３相及びＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（ＹＡＧ）相の２相であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光変換部材。
7. 前記光変換部材が板状である請求項１〜６のいずれか１項に記載の光変換部材。
8. 発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップへ電流を供給する電極と、発光ダイオードの光放出側に配置され発光ダイオードチップから発光された光の色を別の色に変える光変換部材とを有する発光ダイオードであって、前記光変換部材が、一方向凝固により得られたものであり、金属の酸化物と二種以上の金属の酸化物から生成される複合酸化物とからなる群から選ばれる二種以上の酸化物を夫々成分とする二種以上のマトリックス相から形成されている凝固体であり、各マトリックス相が連続的にかつ三次元的に配列されて相互に絡み合って存在し、該マトリックス相の少なくとも一つが付活された酸化物からなる蛍光体相である光変換用セラミック複合材料の本体（ｂｏｄｙ）からなることを特徴とする発光ダイオード。
9. 前記光変換用セラミック複合材料が発光ダイオードチップから放出された可視光により励起されて励起波長よりも長波長の可視光の蛍光を出すマトリックス相を含む請求項８に記載の発光ダイオード。
10. 前記光変換用セラミック複合材料が発光ダイオードチップから放出された青色光を白色光に変える請求項８または９に記載の発光ダイオード。
11. 金属酸化物が、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＣａＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＢａＯ、ＢｅＯ、ＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＭｎＯ、ＣｏＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＳｒＯ、ＺｎＯ、ＮｉＯ、Ｌｉ_２Ｏ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、ＴｈＯ_２、ＵＯ_２、ＳｎＯ_２および希土類元素酸化物（Ｌａ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｐｒ_６Ｏ_１１、Ｎｄ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｔｂ_４Ｏ_７、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｔｍ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３）からなる群から選択される請求項８〜１０のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
12. ２種以上の金属酸化物の組み合わせで生成される複合酸化物が、３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２（Ｍｕｌｌｉｔｅ）、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３・ＴｉＯ_２、ＢａＯ・６Ａｌ_２Ｏ_３、ＢａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、ＢｅＯ・３Ａｌ_２Ｏ_３、ＢｅＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、３ＢｅＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ・ＴｉＯ_２、ＣａＯ・Ｎｂ_２Ｏ_３、ＣａＯ・ＺｒＯ_２、２ＣｏＯ・ＴｉＯ_２、ＦｅＡｌ_２Ｏ_４、ＭｎＡｌ_２Ｏ_４、３ＭｇＯ・Ｙ_２Ｏ_３、２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２、ＭｇＣｒ_２Ｏ_４、ＭｇＯ・ＴｉＯ_２、ＭｇＯ・Ｔａ_２Ｏ_５、ＭｎＯ・ＴｉＯ_２、２ＭｎＯ・ＴｉＯ_２、３ＳｒＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｒＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｒＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３ＳｒＯ・６Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｒＯ・ＴｉＯ_３、ＴｉＯ_２・３Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２・Ｎｂ_２Ｏ_５、３Ｙ_２Ｏ_３・５Ａｌ_２Ｏ_３、２Ｙ_２Ｏ_３・Ａｌ_２Ｏ_３、２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２、ＬａＡｌＯ_３、ＣｅＡｌＯ_３、ＰｒＡｌＯ_３、ＮｄＡｌＯ_３、ＳｍＡｌＯ_３、ＥｕＡｌＯ_３、ＧｄＡｌＯ_３、ＤｙＡｌＯ_３、Ｙｂ_４Ａｌ_２Ｏ_９、Ｅｒ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、１１Ａｌ_２Ｏ_３・Ｌａ_２Ｏ_３、１１Ａｌ_２Ｏ_３・Ｎｄ_２Ｏ_３、１１Ａｌ_２Ｏ_３・Ｐｒ_２Ｏ_３、ＥｕＡｌ_１１Ｏ_１８、２Ｇｄ_２Ｏ_３・Ａｌ_２Ｏ_３、１１Ａｌ_２Ｏ_３・Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｙｂ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、ＣｅＡｌ_１１Ｏ_１８、およびＥｒ_４Ａｌ_２Ｏ_９からなる群から選択される請求項８〜１１のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
13. マトリックスを構成する相がα−Ａｌ_２Ｏ_３相及びＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（ＹＡＧ）相の２相であることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
14. 前記光変換部材が板状である請求項８〜１０のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
15. 請求項８〜１４のいずれか１項に記載の発光ダイオードを使用して、発光ダイオードチップから発光された光の色を別の色に変えることを特徴とする光変換方法。
16. 請求項１５の光変換方法において、マトリックスを構成する相がα−Ａｌ_２Ｏ_３相及びＹＡＧ相であり、ＹＡＧ相がセリウムで付活された蛍光体である光変換用セラミック複合材料を使用し、青色光を白色光に変えることを特徴とする光変換方法。

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