JP5635103B2

JP5635103B2 - 発光ガラス及びその製造方法、並びに発光装置

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Publication number: JP5635103B2
Application number: JP2012530077A
Authority: JP
Inventors: 明▲傑▼ 周; 文波 ▲馬▼
Original assignee: ▲海▼洋王照明科技股▲ふん▼有限公司
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2029-09-25
Also published as: JP2013505885A; EP2481572B1; WO2011035477A1; EP2481572A4; EP2481572A1; US20120225240A1; CN102481762A

Description

本発明は、発光デバイスの技術分野に属し、具体的には、ガラスを発光材料基体とする発光ガラス及びその製造方法、並びに発光装置に関する。

従来の発光基体の材料としては、蛍光粉、ナノ結晶及びガラスなどがあり、その中では、結晶及び蛍光粉に比べ、ガラスは透明であり、硬くて化学的安定性及び光学的性質にも優れている。またガラスは、各種のサイズ及び形状の製品、例えば、各種の形状又はサイズの表示デバイス又は照明光源などに容易に加工されるため、最近はよく注目されて広く用いられている。

発光ガラスは、例えば、ＬＥＤ光源、液晶ディスプレイ、フラットパネルディスプレイ、プラズマディスプレイなどの各種の発光デバイスに用いられる。ＬＥＤ（発光ダイオード）は、長い使用寿命、高い効率、省エネルギー及び環境に優しいなどの利点を持っているため、固体照明の面で、巨大な市場の潜在力及び応用展望を示しており、白熱電灯、蛍光灯、ガス放電灯に次いで、第４世代の照明光源となっている。しかしながら、現在では、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）に用いられている白光ＬＥＤは、その性能は普通の照明の要求を満足することができない。これは、一つのＬＥＤチップの光束が小さすぎるため、普通の照明の光束に対する要求を満足するためには、数百個の白光ＬＥＤが必要となっているからである。かかる問題を解決する主要な方法としては、ＬＥＤの出力を増加させることである。当該方法によれば、一つのＬＥＤチップの光束を増加させることは可能であるが、それと共に、青色ＬＥＤチップの温度を上昇させ、これにより青色ＬＥＤチップ上に塗布された蛍光粉樹脂が経年劣化されて、発光効率及び使用寿命が低下してしまう。また、従来の蛍光粉樹脂パッケージ方法を採用する場合、蛍光粉が均一に塗布されず、発光が不均一になり易く、発光効果の劣化をもたらす。

上記問題を解決するために、優れた安定性を有し、白光ＬＥＤに用いられる微結晶ガラス蛍光体を開発した。該材料をＬＥＤパッケージに用いる場合、長時間の作業の条件下で白光ＬＥＤに色度座標のバラツキが生じることがなく、発光効率及び使用寿命が低下してしまうという現象を大きく緩和させる。しかしながら、該微結晶ガラスの製造過程が複雑であり、特に、ガラスを結晶化させるアニーリングプロセスにおけるパラメータの制御が困難であるため、白光ＬＥＤに用いられる微結晶ガラス蛍光体は、その産業化が困難である。そこで、蛍光粉と溶融温度が低いガラス粉とを混合し、１０００℃以上の高温下で溶融しガラスブロックに焼成して、蛍光粉を直接ガラスにドープさせる方法が提案された。しかしながら、このような製造過程において蛍光粉とガラス溶融体とが反応して、蛍光粉の蛍光特性を著しく劣化させる。

中華人民共和国特許出願公開第１０１４６８８７８号明細書

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、発光性能の確実性及び安定性が高く、かつ使用寿命が長い発光ガラス、及び該発光ガラスを備える発光装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、製造温度が低く、発光性能の確実性及び安定性を向上させることができる発光ガラスの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の発光ガラスは、ガラス基質を含む発光ガラスであって、前記ガラス基質は、ガラス部とガラス及び蛍光粉の複合部とを有し、前記ガラス及び蛍光粉の複合部は前記ガラス部に埋め込まれて結合されており、前記ガラス及び蛍光粉の複合部は、ガラス材と該ガラス材中に分散された蛍光粉とを含み、蛍光粉層が形成されたガラス板を加熱軟化させることにより、前記蛍光粉が前記ガラス板中の一部の領域に分散され、前記ガラス部と前記ガラス及び蛍光粉の複合部とが形成されており、前記蛍光粉は窒化物又は窒素酸化物系蛍光粉であることを特徴とする。

また、本発明の発光ガラスの製造方法は、
ガラス板を用意する工程と、
窒化物又は窒素酸化物系蛍光粉を前記ガラス板の表面に形成する工程と、
前記ガラス板を加熱軟化させることにより、前記蛍光粉を前記ガラス板中の一部の領域に分散させ、ガラス部と前記ガラス部に埋め込まれて結合したガラス及び蛍光粉の複合部とを形成し、硬化して一体化された発光ガラスを形成する工程と、
を含むことを特徴とする。

また、本発明の発光装置は、前記発光ガラスと、前記発光ガラスをパッケージするパッケージ体とを含むことを特徴とする。

本発明の発光ガラス及び発光装置によれば、ガラス及び蛍光粉の複合部がガラス部に埋め込まれて結合されているため、該ガラス部により、その内の蛍光粉を例えば湿気などの外部環境の悪影響から保護することができる。また、ガラスが優れたガス不透過性及び化学的安定性を有しているため、発光ガラス及び発光装置の発光性能の確実性及び安定性を向上させると共に、蛍光粉の発光特性の劣化を防止することができ、発光ガラス及び発光装置の使用寿命を延長することができる。その製造方法において、蛍光粉とガラス板とを共に加熱軟化させることにより、蛍光粉をガラス板中の一部の領域に分散させるため、加熱時の温度を、ガラスの軟化温度に調整すればよく、高温の溶融は必要としない。加熱の過程において、蛍光粉が軟化されたガラス中に浸み込んで結合し、一体化されるため、この全過程において、蛍光粉への悪影響がなく、最終に得られた発光ガラスの発光性能の確実性及び安定性を向上させ、従来方法においてディスペンサー塗布を行った後に高温又は光の照射処理を行うことにより蛍光ゲルが経年劣化しやすい問題を避けることができる。更に、製造の全過程において、繁雑な設備及びプロセスパラメータの制御などを必要としないため、そのプロセス作業が簡便で、生産性も高くなる。

以下、図面及び実施例に基づいて、更に本発明を具体的に説明する。
本発明の第１実施例の発光ガラス製造方法の手順を模式的に示す図である。本発明の第１実施例の発光ガラス製造方法の工程を模式的に示す図である。本発明の第２実施例の発光ガラス製造方法の工程を模式的に示す図である。図１の製造方法により製造された発光ガラスを備える発光装置の構成を模式的に示す図である。

以下、本発明の目的、技術案及び利点を更に明らかにするために、図面及び実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。ただし、ここで具体的に記載された実施例は、本発明を理解するための例に過ぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１は、本発明の第１実施例の発光ガラスの製造方法の手順を示している。図１に示すように、本実施例の発光ガラスの製造方法は、
Ｓ０１：ガラス板を用意する工程と、
Ｓ０２：窒化物又は窒素酸化物系蛍光粉を前記ガラス板の表面に形成する工程と、
Ｓ０３：前記ガラス板を加熱軟化させることにより、前記蛍光粉を前記ガラス板中の一部の領域に分散させ、ガラス部と前記ガラス部に埋め込まれて結合したガラス及び蛍光粉の複合部とを形成し、硬化して一体化された発光ガラスを形成する工程と、を含む。

図２に示すように、本実施例では、第１ガラス板１及び第２ガラス板３を用意する。この場合、工程Ｓ０２〜Ｓ０３は、図面に示した工程を採用することができ、具体的に下記の通りである。
蛍光粉層の形成：第１ガラス板１の表面に、窒化物又は窒素酸化物系蛍光粉を形成して、蛍光粉層２を形成する。
挟層の形成：前記蛍光粉層２が第１ガラス板１及び第２ガラス板３の二枚のガラス板の間に挟み込まれるように、第２ガラス板３を前記蛍光粉層２の上に載置する。
加熱軟化成形：第１ガラス板１と第２ガラス板３とを加熱軟化させて、前記蛍光粉を第１ガラス板１及び第２ガラス板３内に分散させ、硬化して一体化された発光ガラス１０を形成する。

図２（ａ）に示すように、蛍光粉層の形成工程において、第１ガラス板の厚みは０．３〜３ｍｍの範囲であり、０．５〜１ｍｍの範囲であることが好ましい。第１ガラス板としては、各種の低融点ガラス、例えば、Ｎａ₂ Ｏ−ＺｎＯ−Ｂ₂ Ｏ₃ −ＳｉＯ₂ のようなホウ酸塩ガラスを好適に使用することができるが、これらに限定されるものではない。好適な材質のガラスの軟化温度は、２００℃〜８００℃の範囲であり、好ましくは２００℃〜６００℃の範囲である。蛍光粉層の厚みは５〜８０μｍであり、１０〜４０μｍの範囲であることが好ましい。蛍光粉の材質は、４２０ｎｍ〜４８０ｎｍの波長により励起されることに適する黄色の窒化物又は窒素酸化物系蛍光粉を使用することができ、該材料は、市販の商用蛍光粉末（例えば、中国の北京中村宇極科技有限公司から提供した型番ＺＹＰ５６０の製品）を直接使用することができる。

蛍光粉層は、塗布又は堆積、スプレー塗布などの方法で形成することができ、例えば、スクリーン印刷技術により第１ガラス層１の表面に塗布することができる。このような従来のスクリーン印刷技術を採用する場合、発光ガラスの産業化及び量産を達成することができ、かつ生産性を大幅に向上させることができる。

なお、第１ガラス板１に、前処理を行ってもよく、例えば、予め所望の形状にダイシングした後、研磨、艶出しを行なう。一つの具体的な実施例において、第１ガラス板の厚みを０．５ｍｍにして、形状が一致したガラス板１を作製する。

挟層の形成工程において、図２（ｂ）に示すように、蛍光粉層２は、第１ガラス板１及び第２ガラス板３の二枚のガラス板の間に挟み込まれている。ここで、第２ガラス板３は、必要に応じて、第１ガラス板１と同じ又は異なるガラス材質を適当に使用することができる。本実施例では、第２ガラス板３は、第１ガラス板１と構造、サイズ及び材質の面で、いずれもほぼ同じであり、同様に前処理などの工程を経る。異なる材質を使用する場合、第１ガラス板１と第２ガラス板３とは、異なるサイズ、構造を有し、又は、任意の一つに特定な化学的材料（例えば、希土類元素）をドープして異なる色を持つことにより、異なる要求に応じるようにしてもよい。従って、本実施例の製造方法によれば、少なくとも上下二層の材質、サイズ又はドープ成分が異なる発光ガラスを製造することができ、これは、従来の技術においては、極めて困難なことであった。

加熱軟化の過程における加熱温度は２００℃〜８００℃であり、加熱保温時間は０．５〜５時間である。更に、各ガラス板の全体の厚みを調整して、得られた発光ガラスの厚みを制御することが好ましい。また、各ガラス板を加圧して、蛍光粉を各ガラス板内に分散させるようにしてもよい。一つの具体的な実施例において、図２（ｃ）に示すように、加熱軟化にあたって、一定重量の加圧用塊状物６を、第２ガラス板３の上に載せて、第１ガラス板１と第２ガラス板３とを同時に加圧することができる。前記加圧用塊状物６は、板状ガラス又はフラット金属板であってもよく、その加圧する圧力を簡単に調節するために、その板の上に、重量の計量が可能な重物、例えば、分銅などを追加して載せてもよい。第１ガラス板１は、一つの平らな台、例えば、フラット金属板４の上に放置される。第１ガラス板１及び第２ガラス板３の周り又は両側には、高さ調整が可能なバリア体５が設けられている。バリア体５の役割は、各ガラス板１とガラス板３とを加熱軟化させ、かつ加圧用塊状物６の圧力により一体化して形成された発光ガラス１０の最終厚みを制御することにある。その後、図２（ｃ）に示すような全体構造を、電気ストーブに入れ、５３０℃まで加熱し９０分間保温して、ガラス板１とガラス板３とを軟化させ、加圧用塊状物６の圧力により、二枚のガラス板１とガラス板３とを結合させ、蛍光粉をその内部にドープさせる。最後に、冷却硬化して、第１ガラス板１と第２ガラス板３とでガラス基質８を形成する。これにより、図２（ｄ）に示すような、内部に蛍光粉を含み且つ一体化構造を有する発光ガラス１０を作製する。

図２（ｄ）に示すように、発光ガラス１０において、ガラス基質８は、第１ガラス板１及び第２ガラス板３に対応する二層のガラス部１ａ、３ａを含み、蛍光粉層２は、第１ガラス板１及び第２ガラス板３内に埋め込まれ、これにより、ガラス及び蛍光粉の複合部２ａを形成し、該ガラス及び蛍光粉の複合部２ａは、二層のガラス部１ａ、３ａ中に埋め込まれて結合され、かつほぼ中間領域に位置する。ここで、ガラス及び蛍光粉の複合部２ａは、ガラス材と、前記ガラス材中に分散された蛍光粉とを含み、ガラス材は、それぞれ第１ガラス板１及び第２ガラス板３の材料であり、互いに同じ又は異なる材料であってもよい。

また、第１ガラス板１のみを使用し、その上に蛍光粉層２を形成した後、その他の金属板もしくはダイス（型）で蛍光粉層２を覆い、又は、蛍光粉層２が形成されている第１ガラス板１を、金属板４の上に逆にかけて蛍光粉層２を金属板４に密着させた後、更に後続工程を行い、一枚のガラス板から製作された発光ガラスを形成してもよい。このように形成した発光ガラスも、相応的に一つのガラス部と、このガラス部に埋め込まれて結合したガラス及び蛍光粉の複合部とを含む。

図３は本発明の第２実施例の発光ガラスの製造方法の工程を示す図であり、各工程の構成を示している。本実施例の製造方法も、第１実施例（図２に示された）における各工程を含むが、その相違点としては、最初の挟層を形成した後、更に、ガラス板の上に、蛍光粉層と次の挟層とを形成する工程を繰り返すことにある。即ち、図３（Ｂ）に示すように、蛍光粉がガラス板に挟み込まれた構造を多層形成する。図３においては、各ガラス板１及びガラス板３と、蛍光粉層２とが交互に設けられており、五層の蛍光粉層２が図示されている。また、繰り返されたガラス板は、第１ガラス板１又は第２ガラス板３を選択してもよく、必要に応じて選択することができる。この場合、各ガラス板１及びガラス板３は、同じ又は異なるサイズ、材質、又は異なるドープ成分を有してもよく、各蛍光粉層２も、異なる厚み、サイズ、材質、又はその他の成分を有してもよく、これにより発光ガラス製品の多様化を達成する。

図３（Ｃ）及び（Ｄ）に示す工程は、第１実施例における工程と類似しており、相違点を言えば、加熱及び加圧の対象が多層構造のガラス複合体に置換されたのみであり、ここで重複の説明を省略する。冷却硬化を経て、各ガラス板は、一体化されたガラス基質を形成し、これにより、分散された多層の蛍光粉を有する発光ガラス２０を得る。
上記方法によれば、蛍光粉の塗布厚み及びガラス板の積層数を制御することにより、最終の発光ガラスの蛍光粉ドープ率、厚み及び光透過率を制御することができる。

本実施例で得られた発光ガラス２０の構造は、発光ガラス２０とほぼ類似しており、相違点と言えば、層の数が異なることである。図３及び図２において、同じ素子について、同一の符号を付与し、ここで重複の説明を省略する。図３（Ｄ）に示すように、発光ガラス２０において、ガラス基質８は、複数の第１ガラス板１及び第２ガラス板３に対応する多層のガラス部１ａ、３ａを含み、多層の蛍光粉層２が対応する第１ガラス板１及び第２ガラス板３内に埋め込まれ、これにより、ガラス及び蛍光粉の複合部２ａが多層形成され、該多層のガラス及び蛍光粉の複合部２ａは、それぞれ多層のガラス部１ａ、３ａ中に埋め込まれて結合する。ここで、ガラス及び蛍光粉の複合部２ａは、ガラス材と、該ガラス材中に分散された蛍光粉とを含む。

本実施例で得られた発光ガラス１０及び発光ガラス２０は、それぞれ図３（ｄ）及び図３（Ｄ）に示した通りである。上記のように、各ガラス板を加熱軟化させた後、硬化してガラス基質を形成し、一つの実施例において、該ガラス基質は一体化構造になっている。各ガラス板に同じ種類の材質を使用する場合には、ガラス基質は一つのガラス体となるが、各ガラス板に異なる材質を使用する場合には、ガラス基質は異なる材質からなるガラス体である。上記方法からわかる通り、蛍光粉は主にガラス基質の中間位置、即ち、各ガラス板の結合部位の付近に分散されている。この発光ガラス１０及び発光ガラス２０は、各種のＬＥＤ光源、液晶ディスプレイ、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）などの発光装置に用いられる。これらの発光装置は、いずれも、前記発光ガラス１０又は発光ガラス２０と、該発光ガラス１０又は発光ガラス２０をパッケージするパッケージ体とを含む。図４に示すように、発光装置３０は、発光ガラス１０と、発光ガラス１０をパッケージするパッケージ体１８（例えば、シリコーンゴム又はエポキシ樹脂）とを含み、パッケージ体１８内に、更にＬＥＤチップ９がパッケージされており、パッケージ体１８は、反射カップ（ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｃｕｐ）１２内に設けられている。ＬＥＤチップから射出した青い光が発光ガラス１０に入射した場合、発光ガラス１０内の蛍光粉は励起されて発光し、パッケージ体１８から射出する。

上記の製造方法において、ガラス板１及びガラス板３として、比較的自由に選択できるため、非常に高い光透過率及び作業性を有するガラス材質を選択することができる。また、ガラスはガス不透過性及び化学的安定性を有するため、その中に分散された蛍光粉を空気中の湿気の影響からよく保護して、発光特性の劣化を防止することができる。また、前記ガラスの軟化点が比較的低いため、蛍光粉の耐熱性が、加熱軟化によりガラスを一体化する際の温度に十分耐えることができ、これにより加熱軟化する際に、蛍光粉の性能劣化を招来しない。

発光ガラス及び発光装置において、ガラス及び蛍光粉の複合部２ａがガラス部１ａ、３ａに埋め込まれて結合するため、該ガラス部１ａ、３ａにより、その内の蛍光粉を外部環境、例えば湿気などの悪影響から保護することができる。且つガラスは、優れたガス不透過性及び化学的安定性を有するため、発光ガラス及び発光装置の発光性能の確実性及び安定性を向上させると共に、蛍光粉の発光特性の劣化を防止することができ、発光ガラス及び発光装置の使用寿命を延長することができる。その製造方法において、蛍光粉とガラス板とを共に加熱軟化させることにより、蛍光粉をガラス板中の一部の領域に分散させるため、加熱時の温度を、ガラスの軟化温度に調整すればよく、高温の溶融は必要としない。加熱の過程において、蛍光粉が軟化されたガラス中に浸み込んで結合し、一体化されるため、この全過程において、蛍光粉への悪影響がなく、最終に得られた発光ガラスの発光性能の確実性及び安定性を向上させ、従来方法においてディスペンサー塗布を行った後に高温又は光の照射処理を行うことにより招来する蛍光ゲルが経年劣化しやすい問題を避けることができる。更に、製造の全過程において、繁雑な設備及びプロセスパラメータの制御などを必要としないため、そのプロセス作業が簡便で、生産性も高くなる。

以上は、本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で行なった任意の変更・同等の入替・改良などは、すべて本発明の保護範囲に含まれるべきである。

Claims

ガラス基質を含む発光ガラスであって、
前記ガラス基質は、ガラス部とガラス及び蛍光粉の複合部とを有し、
前記ガラス及び蛍光粉の複合部は前記ガラス部に埋め込まれて結合されており、
前記ガラス及び蛍光粉の複合部は、ガラス材と該ガラス材中に分散された蛍光粉とを含み、
蛍光粉層が形成されたガラス板を加熱軟化させることにより、前記蛍光粉が前記ガラス板中の一部の領域に分散され、前記ガラス部と前記ガラス及び蛍光粉の複合部とが形成されており、
前記蛍光粉は、窒化物又は窒素酸化物系蛍光粉であることを特徴とする発光ガラス。
前記ガラス部は少なくとも二層を有し、
前記ガラス及び蛍光粉の複合部は少なくとも一層を有し、
前記少なくとも一層のガラス及び蛍光粉の複合部は各層のガラス部の間に埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の発光ガラス。
前記少なくとも二層のガラス部は材質が同じ又は異なることを特徴とする請求項２に記載の発光ガラス。
ガラス板を用意する工程と、
窒化物又は窒素酸化物系蛍光粉を前記ガラス板の表面に形成する工程と、
前記ガラス板を加熱軟化させることにより、前記蛍光粉を前記ガラス板中の一部の領域に分散させ、ガラス部と前記ガラス部に埋め込まれて結合したガラス及び蛍光粉の複合部とを形成し、硬化して一体化された発光ガラスを形成する工程と、
を含むことを特徴とする発光ガラスの製造方法。
前記ガラス板を用意する工程は、第１ガラス板及び第２ガラス板を用意することを含み、
更に、蛍光粉を第１ガラス板の表面に形成して蛍光粉層を形成し、
前記蛍光粉層が第１ガラス板及び第２ガラス板の二枚のガラス板の間に挟み込まれるように、第２ガラス板を前記蛍光粉層の上に載置した後、各ガラス板を加熱軟化させることにより、前記蛍光粉を各ガラス板内に分散させることを特徴とする請求項４に記載の発光ガラスの製造方法。
前記蛍光粉層を二枚のガラス板の間に挟み込んだ後に、更に蛍光粉層の形成工程と、ガラス板で蛍光粉層を挟み込む工程とを繰り返して、蛍光粉がガラス板に挟み込まれた構造を多層形成し、前記多層の構造を加熱軟化させることにより、多層のガラス及び蛍光粉の複合部がそれぞれ多層のガラス部の間に埋め込まれた発光ガラスを形成することを特徴とする請求項５に記載の発光ガラスの製造方法。
前記各ガラス板の厚みが０．３〜３ｍｍであり、前記蛍光粉層の厚みが５〜８０μｍであることを特徴とする請求項５に記載の発光ガラスの製造方法。
スクリーン印刷、堆積又はスプレー塗布の方法により、前記蛍光粉を前記第１ガラス板の表面に形成することを特徴とする請求項４に記載の発光ガラスの製造方法。
加熱軟化する際に、更に、すべてのガラス板の全体の厚みを調整することにより、得られた発光ガラスの厚みを制御することを特徴とする請求項４に記載の発光ガラスの製造方法。
加熱軟化する際に、更に、すべてのガラス板を加圧することにより、前記蛍光粉を各ガラス板内に埋め込ませることを特徴とする請求項４に記載の発光ガラスの製造方法。
前記加熱過程における温度が２００℃〜８００℃であり、加熱時間が０．５〜５時間であることを特徴とする請求項４に記載の発光ガラスの製造方法。
請求項１に記載の発光ガラスと、前記発光ガラスをパッケージするパッケージ体とを含むことを特徴とする発光装置。