JP5671833B2 - 光反射基材用材料、光反射基材およびそれを用いた発光デバイス - Google Patents

光反射基材用材料、光反射基材およびそれを用いた発光デバイス Download PDF

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Description

本発明は、高い光反射性を有する光反射基材を製造するための材料、光反射基材およびそれを用いた発光デバイスに関する。
ＬＥＤや有機ＥＬデバイスは消費電力が小さく、新しい照明用デバイスとして近年注目を集めている。照明用デバイスにおいては、発光体が発する光を有効に利用するため、高い光反射率を有する基材やパッケージ材が必要とされる。例えば、従来のＬＥＤ素子のパッケージ材としては、比較的光反射率の高いアルミナセラミック、あるいはこれに金属からなる光反射膜を設けた基材が用いられている。しかし、自動車用照明、ディスプレイ用照明、一般照明として十分な光量を得るためには、基材やパッケージ材の光反射率をさらに向上させる必要がある。
当該目的を達成するために、比較的高い光反射性を有する基材として、ガラス粉末とセラミック粉末の混合物を焼結して得られる光反射基材が特許文献１に記載されている。具体的には、特許文献１に記載の光反射基材は、ホウ珪酸ガラス原料とアルミナ、さらに五酸化ニオビウム、酸化ジルコニウム、五酸化タンタル、酸化亜鉛から選択される散乱体を５質量％以上含有し、かつホウ珪酸ガラス原料よりアノーサイトを析出させてなることを特徴としている。このように特許文献１では、アルミナ、散乱体、アノーサイトの三種類の異種結晶による散乱により、高い光反射性を達成している。
特開２００９−１６２９５０号公報
特許文献１に記載の光反射基材のように、焼結温度でガラス中よりアノーサイト（ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）を析出させるには、組成設計が困難である。また、散乱体を５質量％以上と多量に含有しているため、例えばペースト化した際に原料粉末の流動性が損なわれ、グリーンシート成形を行うことが困難になるなど、製造上の問題が生じる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高い光反射率を有する光反射基材を容易に製造することができる材料を提供することを目的とする。
本発明者は、高屈折率特性を有する結晶を、当該結晶と反応性の低い特定組成のガラス粉末と混合してなる材料を用いることにより、高い光反射率を有する光反射基材を容易に製造できることを見出し、本発明として提案するものである。
すなわち、本発明は、組成として実質的にＣａＯを含まないガラス粉末とＮｂ２Ｏ５結晶粉末を含むことを特徴とする光反射基材用材料に関する。
一般的に光反射基材に用いられるガラスの屈折率は概ね１．５〜１．６である。一方、Ｎｂ２Ｏ５結晶の屈折率は２．３３であり、酸化物結晶のなかでも非常に高い屈折率を有している。そのため、本発明の材料を用いて作製された光反射基材は、ガラス相と結晶相の屈折率差を大きくすることができ、結果として、光反射基材表面での光反射率を著しく向上させることが可能となる。
組成としてＣａＯを含むガラスにＮｂ２Ｏ５結晶を分散させる場合は、所望の光反射率が得られにくくなる。これは、光反射基材用材料の焼成工程においてＮｂ２Ｏ５結晶がガラス粉末中のＣａＯと反応しやすく、Ｎｂ２Ｏ５結晶がガラス粉末中に多量に溶解してしまうからである。本発明の光反射基材は、ガラス粉末が組成として実質的にＣａＯを含まないため、Ｎｂ２Ｏ５結晶がガラス粉末と反応しにくい。よって、Ｎｂ２Ｏ５結晶の含有量が少ない場合であっても、良好な光反射特性を達成することが可能となる。また、ＣａＯはガラスの耐候性を低下させやすい成分でもあることから、ガラス粉末中にＣａＯを実質的に含まない本発明の材料を用いて得られる光反射基材は、経時的な劣化が生じにくいという効果も奏する。
なお、本発明において「実質的にＣａＯを含まない」とは、意図的にガラス中に添加しないという意味であり、不可避的不純物まで完全に排除するということを意味するものではない。具体的には、不純物を含めたＣａＯの含有量が０．１質量％以下であることを意味する。
第二に、本発明の光反射基材は、Ｎｂ２Ｏ５結晶粉末の含有量が０．３〜５．０質量％未満であることを特徴とする。
第三に、本発明の光反射基材は、ガラス粉末が、組成として少なくともＳｉＯ２とＢ２Ｏ３を含むことを特徴とする。
当該構成によれば、光反射基材におけるガラスマトリクスの屈折率を低下させやすく、ガラスマトリクスとＮｂ２Ｏ５結晶の屈折率差を大きくすることができる。結果として、両者の界面での反射が大きくなり、光反射基材の反射率を高めることができる。
第四に、本発明の光反射基材は、さらに、アルミナ、石英、ジルコニア、酸化チタン、フォルステライト、コージエライト、ムライト、ジルコンから選択される少なくとも１種のセラミック粉末を含むことを特徴とする。
当該構成によれば、光反射基材の機械的強度および光反射率をさらに向上させることが可能となる。
第五に、本発明の光反射基材は、セラミック粉末の含有量が０．１〜７５質量％であることを特徴とする。
第六に、本発明の光反射基材は、グリーンシート状であることを特徴とする。
第七に、本発明は、前記いずれかの光反射基材用材料の焼結体からなることを特徴とする光反射基材に関する。
第八に、本発明は、組成として実質的にＣａＯを含まないガラスマトリクス中にＮｂ２Ｏ５結晶が分散してなることを特徴とする光反射基材に関する。
第九に、本発明の光反射基材は、波長４００〜８００ｎｍにおける平均光反射率が８０％以上であることを特徴とする。
第十に、本発明は、前記いずれかに記載の光反射基材を用いたことを特徴とする発光デバイスに関する。
本発明の光反射基材用材料は、ガラス粉末とＮｂ２Ｏ５結晶粉末を含んでなるものである。
光反射基材用材料中におけるＮｂ２Ｏ５結晶の含有量は、０．３質量％以上、１．０質量％以上、特に１．５質量％以上であることが好ましい。Ｎｂ２Ｏ５結晶の含有量が０．３質量％未満であると、十分な光反射率が得られにくい。一方、Ｎｂ２Ｏ５結晶の含有量が多すぎると、光反射基材の緻密性が阻害されるため好ましくない。また、原料粉末をスラリー化した際に流動性が低下しやすく、グリーンシート成形が困難になるおそれがある。したがって、Ｎｂ２Ｏ５結晶の含有量は５質量％未満であることが好ましい。
Ｎｂ２Ｏ５結晶の粒径については特に制限はないが、結晶粒径が微細であるほど、例えば４００ｎｍ付近の短波長においても良好な光反射率を得ることができる。一方、結晶粒径が大きくなるほどガラスマトリクスとの界面が少なくなり、光反射率が低下してしまう。このような観点から、好ましい結晶粒径は１０μｍ以下、５μｍ以下、特に１μｍ以下である。
本発明におけるガラス粉末には、組成としてＣａＯを実質的に含まないものが使用される。ガラス組成中にＣａＯを含むと、既述の理由から所望の光反射率が得られにくくなる。一方、組成として少なくともＳｉＯ２とＢ２Ｏ３を含有すると、ガラスマトリクスの屈折率を低下させやすく、ガラスマトリクスとＮｂ２Ｏ５結晶の屈折率差を大きくすることができる。結果として、両者の界面での反射が大きくなり、光反射基材の反射率を高めることができる。
本発明において使用可能なガラス粉末としては、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系ガラス、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｒ２Ｏ（ＲはＬｉ、Ｎａ、Ｋのいずれか１種以上）系ガラス等が挙げられる。
ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系ガラスとして、組成として質量％で、ＳｉＯ２ ３０〜７０％、ＢａＯ １０〜４０％、Ｂ２Ｏ３ ２〜２０％、Ａｌ２Ｏ３ ２〜２０％を含有するものが好ましい。
上記のようにガラス組成を限定した理由は以下の通りである。
ＳｉＯ２は化学的耐久性を高める成分である。ＳｉＯ２の含有量は３０〜７０％、４０〜７０％、特に４５〜６０％であることが好ましい。ＳｉＯ２の含有量が３０％より少ないと、耐候性が著しく悪化する傾向がある。一方、ＳｉＯ２の含有量が７０％より多いと、溶融が困難になる傾向がある。
ＢａＯは液相温度を低下させ、溶融性を調整するための成分である。ＢａＯの含有量は１０〜４０％、１０〜３０％、特に１５〜３０％であることが好ましい。ＢａＯの含有量が１０％より少ないと、溶融温度が高くなりすぎる。一方、ＢａＯの含有量が４０％より多いと、失透しやすくなる。
Ｂ２Ｏ３は溶融性を向上させ、液相温度を低下させる成分である。Ｂ２Ｏ３の含有量は２〜２０％、２〜１５％、特に４〜１３％であることが好ましい。Ｂ２Ｏ３の含有量が２％より少ないと、溶融性に劣るだけでなく、液相温度が高くなり成形時に失透しやすくなる。一方、Ｂ２Ｏ３の含有量が２０％より多いと、耐候性が低下する傾向がある。
Ａｌ２Ｏ３は溶融性、耐候性を改善する成分である。Ａｌ２Ｏ３の含有量は２〜２０％、特に２．５〜１８％であることが好ましい。Ａｌ２Ｏ３の含有量が２％より少ないと、溶融性が低下する傾向がある。一方、Ａｌ２Ｏ３の含有量が２０％より多いと、失透しやすくなる。
ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｒ２Ｏ（ＲはＬｉ、Ｎａ、Ｋのいずれか１種以上）系ガラスとして、組成として質量％で、ＳｉＯ２ ４０〜７５％、Ｂ２Ｏ３ １０〜３０％、Ｒ２Ｏ ０．５〜２０％を含有するものが好ましい。
上記のようにガラス組成を限定した理由は、以下の通りである。
ＳｉＯ２はガラスのネットワークフォーマーである。ＳｉＯ２の含有量は４０〜７５％、特に５０〜７０％であることが好ましい。ＳｉＯ２の含有量が４０％より少ないと、ガラス化しにくくなる。一方、ＳｉＯ２の含有量が７５％より多いと、溶融が困難になる傾向がある。
Ｂ２Ｏ３は溶融性を向上させる成分である。Ｂ２Ｏ３の含有量は１０〜３０％、特に１５〜２５％であることが好ましい。Ｂ２Ｏ３の含有量が１０％より少ないと、溶融が困難になる。一方、Ｂ２Ｏ３の含有量が３０％より多いと、耐候性が低下する傾向がある。
Ｒ２Ｏは溶融性を向上させる成分である。Ｒ２Ｏの含有量は０．５〜２０％、好ましくは３〜１５％である。Ｒ２Ｏの含有量が０．５％より少ないと、溶融性が著しく悪化する傾向がある。一方、Ｒ２Ｏの含有量が２０％より多いと、耐候性が低下しやすくなる。
またいずれのガラス組成においても、上記成分以外に加えて、Ｐ２Ｏ５、ＭｇＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＺｎＯ、ＺｒＯ２等、あるいはその他の酸化物成分、ハロゲン化物成分、窒化物成分を含有させることができる。ただし、これらの他成分の含有量は、合量で２０％以下に制限することが好ましい。
ガラス粉末の平均粒径Ｄ５０は特に限定されないが、大きすぎると光反射基材の光反射率や機械的強度が低下しやすくなるため、１５μｍ以下、特に７μｍ以下であることが好ましい。一方、ガラス粉末の平均粒径Ｄ５０が小さすぎると製造コストが増大してしまうため、０．５μｍ以上、特に１．５μｍ以上であることが好ましい。
なお、光反射基材の機械的強度および光反射率を高めるため、Ｎｂ２Ｏ５結晶以外に、セラミック粉末をフィラーとして含有することが可能である。このようなセラミック粉末としては、アルミナ、石英、ジルコニア、酸化チタン、フォルステライト、コージエライト、ムライト、ジルコンが挙げられ、これらを単独または２種以上を混合して使用することができる。
セラミック粉末の含有量は、光反射基材用材料中に０．１〜７５質量％、２〜７５質量％、特に２０〜５０質量％であることが好ましい。セラミック粉末の含有量が０．１質量％より少ないと、光反射基材の機械的強度および光反射率を高める効果が得られにくい。一方、セラミック粉末の含有量が７５質量％を超えると、光反射基材中に気孔が多く発生し、かえって機械的強度および光反射率が低下しやすくなる。
本発明の光反射基材は、組成として実質的にＣａＯを含まないガラスマトリクス中にＮｂ２Ｏ５結晶が分散してなるものであり、例えば本発明の光反射基材用材料を板状、シート状、ブロック状などの種々の形状に予備成形し、その後、焼成することにより作製することができる。
予備成形法としては様々な方法を選択することができる。例えば、グリーンシート（テープ）成形法、スリップキャスト法、スクリーン印刷法、金型プレス法、エアロゾルディポジション法、スピンコート法、ダイコート法などである。
グリーンシート成形法は、ガラス粉末およびＮｂ２Ｏ５結晶粉末を含む原料粉末に対して、樹脂バインダー、可塑剤、溶剤を添加して混錬することによりスラリーを作製し、ドクターブレード等のシート成形機を用いて、グリーンシート（テープ）を作製する方法である。この方法によれば、例えばグリーンシートを積層させて光反射機能を有するセラミック積層回路基板を作製する際に、基板内部に回路を形成したり、電気ビアを形成して高熱伝導率の金属材料を埋め込んだり、あるいはサーマルビアによる熱放散経路を形成することも容易である。
スクリーン印刷法は、無機粉末に対して樹脂バインダー、溶剤を添加して混練してある程度粘度の高いペーストを作製し、スクリーン印刷機を用いて基材表面に膜を形成する方法である。この方法によれば、基材表面に特定パターンの光反射部を容易に形成することができる。また、ペースト粘度、スクリーンの厚み、印刷回数等を調整することにより、数ミクロンから数百ミクロン程度の所望の厚みの膜を形成することができる。
本発明の光反射基材の波長４００〜８００ｎｍにおける平均光反射率は８０％以上、８５％以上、特に８８％以上であることが好ましい。
なお、本発明の光反射基材の表面には、光透過性の機能層を設けることができる。例えば、光反射基材表面における光反射機能を保持しつつ、傷や汚れ、化学的腐食に対する保護コーティング、さらには波長フィルター、光拡散、干渉層としての機能を有する機能層を形成することが可能である。
機能層としては、特に限定されず、ケイ酸系ガラス等のガラス；シリカ、アルミナ、ジルコニア、酸化タンタル、酸化ニオブ等の金属酸化物；ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリアクリレート等の樹脂などの公知の材質を用いることができる。
以下に、実施例によって本発明を説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
表１は実施例および比較例を示す。
以下のようにして、実施例および比較例の光反射基材を作製した。まず、表１に示す組成のガラスが得られるように原料粉末を調合し、１４００〜１６００℃に保った電気炉中で２時間溶融した。得られたガラス融液を一対の水冷ローラーに流し込み、フィルム状ガラスを得た。続いてフィルム状ガラスをアルミナ製ボールミルにて粉砕し、ガラス粉末（平均粒径Ｄ５０＝３μｍ）とした。
次に、ガラス粉末に対して各種無機粉末を表１に示す割合で混合した。得られた混合粉末を２０ｍｍφの金型でプレス成型することにより円柱状のペレットを作製し、９５０℃で２時間焼成することにより光反射基材を得た。
光反射基材中におけるＮｂ２Ｏ５結晶の含有量は、粉末Ｘ線回折によるピーク強度より算出した。
得られた光反射基材について、光反射率を測定した結果を表１に示す。光反射率は分光光度計により測定した波長４００〜８００ｎｍにおける平均光反射率により評価した。
表１に示すように、実施例１〜４の光反射基材は、高屈折率のＮｂ２Ｏ５結晶を含有しているため、８２％以上の高い反射率を有していた。一方、比較例１および２の光反射基材は、Ｎｂ２Ｏ５結晶を含有していないため光反射率が７８％以下と低かった。また、原料にＣａＯを含有するガラス粉末を用いた比較例３も光反射率が７７％と低かった。
本発明の光反射基材用材料は、ＬＥＤパッケージ、有機ＥＬ等のディスプレイ、自動車用照明、一般照明等に用いられる光反射基材用途として好適である。

Claims (9)

  1. 組成として実質的にＣａＯを含まないガラス粉末とＮｂ２Ｏ５結晶粉末を含む光反射基材用材料であって、Ｎｂ ２ Ｏ ５ 結晶粉末の含有量が０．３〜５．０質量％未満であることを特徴とする光反射基材用材料。
  2. ガラス粉末が、組成として少なくともＳｉＯ２とＢ２Ｏ３を含むことを特徴とする請求項１に記載の光反射基材用材料。
  3. さらに、アルミナ、石英、ジルコニア、酸化チタン、フォルステライト、コージエライト、ムライト、ジルコンから選択される少なくとも１種のセラミック粉末を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光反射基材用材料。
  4. セラミック粉末の含有量が０．１〜７５質量％であることを特徴とする請求項３に記載の光反射基材用材料。
  5. グリーンシート状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光反射基材用材料。
  6. 請求項１〜５のいずれかに記載の光反射基材用材料の焼結体からなることを特徴とする光反射基材。
  7. 組成として実質的にＣａＯを含まないガラスマトリクス中にＮｂ２Ｏ５結晶が分散してなることを特徴とする光反射基材であって、Ｎｂ ２ Ｏ ５ 結晶の含有量が０．３〜５．０質量％未満であることを特徴とする光反射基材。
  8. 波長４００〜８００ｎｍにおける平均光反射率が８０％以上であることを特徴とする請求項６または７に記載の光反射基材。
  9. 請求項６〜８のいずれかに記載の光反射基材を用いたことを特徴とする発光デバイス。
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