JP5907481B2 - 光反射基材およびそれを用いた発光デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、高い光反射性を有する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、ガラス粉末とセラミック粒子とを含有するガラスセラミックからなり、前記ガラスセラミックスの断面において、前記セラミック粒子のうち粒子径が０．３〜１μｍである粒子群の占有面積が１０〜７０％であることを特徴としている。このように特許文献１では、粒子径が非常に微小なセラミック粒子を基材中に多量に含有させることにより、高い光反射性を達成している。
光反射基材は、例えばガラス粉末とセラミック粉末の混合物をスラリー化しグリーンシート成形したのち、得られたグリーンシートを焼成することにより得られる。しかしながら、特許文献１に記載の光反射基材のように、微小な粒子を基材中に多量に含有させると、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、材料として微小な粒子を用いなくても高い光反射率を達成することが可能な光反射基材およびそれを用いた発光デバイスを提供することを目的とする。
本発明者は、ガラスマトリクス中に高屈折率特性を有する特定の結晶を含有させることにより、高い光反射率を容易に実現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、ガラスマトリクス中にＣａＮｂ２Ｏ６結晶および／またはＣａ４Ｎｂ２Ｏ９結晶を１０質量％以下（ただし、１０質量％を除く）含有してなることを特徴とする光反射基材に関する。
ＣａＮｂ２Ｏ６結晶およびＣａ４Ｎｂ２Ｏ９結晶の屈折率は２．０７〜２．２０であり、一般的に知られる他の酸化物結晶と比較して非常に高い屈折率を有している。一方、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であるため、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。
第二に、本発明の光反射基材は、ＣａＮｂ２Ｏ６結晶および／またはＣａ４Ｎｂ２Ｏ９結晶の含有量が０．３質量％以上であることを特徴とする。
第三に、本発明の光反射基材は、ガラス粉末とＣａＮｂ２Ｏ６結晶粉末および／またはＣａ４Ｎｂ２Ｏ９結晶粉末を含む混合粉末の焼結体からなることを特徴とする。
当該構成によれば、ＣａＮｂ２Ｏ６結晶粉末および／またはＣａ４Ｎｂ２Ｏ９結晶粉末がガラスマトリクス中に均一に分散した光反射基材を容易に製造することができる。
第四に、本発明の光反射基材は、組成として少なくともＣａＯを含有するガラス粉末とＮｂ２Ｏ５粉末を含む混合粉末の焼結体からなることを特徴とする。
当該構成によれば、ガラス粉末とＮｂ２Ｏ５粉末が反応してＣａＮｂ２Ｏ６結晶やＣａ４Ｎｂ２Ｏ９結晶が析出することから、これらの結晶とガラスマトリクスとの界面に光吸収性の欠陥が形成されにくい。よって、光の散乱を強めることができるため、光反射率を高めることができる。
第五に、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有することを特徴とする。
当該構成によれば、光反射基材の機械的強度をさらに向上させることが可能となる。
第六に、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。
第七に、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。
第八に、本発明は、前記いずれか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は、ガラスマトリクス中にＲＮｂ２Ｏ６結晶および／またはＲ４Ｎｂ２Ｏ９結晶（ＲはＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのいずれか１種以上）を含有してなることを特徴とする。
ＲＮｂ２Ｏ６結晶およびＲ４Ｎｂ２Ｏ９結晶の含有量は、光反射基材中において合量で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。ＲＮｂ２Ｏ６結晶およびＲ４Ｎｂ２Ｏ９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くなる。一方、上限は特に限定されないが、ＲＮｂ２Ｏ６結晶およびＲ４Ｎｂ２Ｏ９結晶の含有量が多すぎると製造コストの観点から好ましくない。したがって、ＲＮｂ２Ｏ６結晶およびＲ４Ｎｂ２Ｏ９結晶の含有量は３０質量％以下、２０質量％以下、特に１０質量％以下であることが好ましい。
ＲＮｂ２Ｏ６結晶およびＲ４Ｎｂ２Ｏ９結晶の粒径については特に制限はないが、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。なお既述の通り、結晶粒径が小さい場合は、粉末の流動性が損なわれグリーンシート成形が困難になる傾向があるため、結晶含有量が過剰にならないように配慮する必要がある。
本発明の光反射基材は、例えば固相反応で合成したＲＮｂ２Ｏ６結晶粉末および／またはＲ４Ｎｂ２Ｏ９結晶粉末とガラス粉末を含む混合粉末からなる光反射基材用材料を焼結させる方法（製造方法１）により作製することができる。当該方法によれば、ＲＮｂ２Ｏ６結晶粉末および／またはＲ４Ｎｂ２Ｏ９結晶粉末がガラスマトリクス中に均一に分散した光反射基材を容易に製造することができる。
または、本発明の光反射基材は、ＲＯを含むガラス粉末とＮｂ２Ｏ５粉末を含む混合粉末からなる光反射基材用材料を焼結すると同時に、ＲＮｂ２Ｏ６結晶および／またはＲ４Ｎｂ２Ｏ９結晶を析出させる方法（製造方法２）によっても作製することができる。特に、製造方法２によれば、前もってＲＮｂ２Ｏ６結晶粉末および／またはＲ４Ｎｂ２Ｏ９結晶粉末を合成するプロセスを省くことができるので、量産性に優れる。また、製造方法１では、ガラス粉末と結晶粉末の界面に欠陥が残存しやすく、これが光の吸収要因となって光反射率が低下する傾向があるが、製造方法２では、ガラスマトリクスと結晶粒子との界面に光吸収性の欠陥が形成されにくく、光の散乱を強めることができるため、光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−Ｒ’２Ｏ（Ｒ’はＬｉ、Ｎａ、Ｋのいずれか１種以上）系ガラスなどが挙げられる。
ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系ガラスとして、組成として質量％で、ＳｉＯ２ ３０〜７０％、ＲＯ １０〜４０％（ＲはＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのいずれか１種以上）、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％より多いとガラスの溶融が困難になる傾向がある。
ＲＯはガラスの液相温度を下げ、溶融性を調整するための成分である。ＲＯの含有量は合量で１０〜４０％、１０〜３０％、特に１５〜３０％であることが好ましい。ＲＯ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、ＲＯの含有量が４０％より多いと失透しやすくなる。
なお、ＲＯの各成分の含有量の好ましい範囲は以下の通りである。すなわち、ＣａＯの含有量は１０〜４０％、１０〜３０％、特に１５〜３０％であることが好ましい。また、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＯの含有量はそれぞれ１０〜４０％、１０〜３０％、特に１５〜２０％であることが好ましい。
Ｂ２Ｏ３はガラスの溶融性を向上させ、液相温度を下げる成分である。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％より少ないとガラスの溶融性に劣るだけではなく、液相温度が高くなりガラス成形時に失透しやすくなる。一方、Ｂ２Ｏ３の含有量が２０％より多いとガラスの耐候性が低下する傾向がある。
Ａｌ２Ｏ３はガラスの溶融性、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％より少ないとガラスの溶融性に劣りやすい。一方、Ａｌ２Ｏ３の含有量が２０％より多いと失透しやすくなる。
ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｒ’２Ｏ（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％、Ｒ’２Ｏ 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％より多いとガラスの溶融が困難になる傾向がある。
Ｂ２Ｏ３はガラスの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％より少ないとガラスの溶融が困難になる。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。
Ｒ’２Ｏはガラスの溶融性を向上させる成分である。Ｒ’２Ｏの含有量は０．５〜２０％、好ましくは３〜１５％である。Ｒ’２Ｏの含有量が０．５％より少ないとガラスの溶融性が著しく悪化する傾向がある。一方、Ｒ’２Ｏ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とも、上記成分以外にも、Ｐ２Ｏ５、ＭｇＯ、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。さらに、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｒ’２Ｏ系ガラスには、ＢａＯ、ＳｒＯ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、本発明の光反射基材は、機械的強度を高めるため、ＲＮｂ２Ｏ６結晶およびＲ４Ｎｂ２Ｏ９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、反射基材中に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、機械的強度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、機械的強度が低下しやすくなる。
本発明の光反射基材は、ガラス粉末を含む原料粉末（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される。
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、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。この方法はセラミック積層回路基板の作製方法として広く普及している。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および２は実施例および比較例を示す。
以下のようにして各実施例および比較例の光反射基材を作製した。まず、表１および２に示す組成のガラスが得られるように原料を調合し、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水冷したローラーに流し込みフィルム状のガラスを得た。続いてガラスフィルム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および２に示す割合で混合した。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。
得られた光反射基材中におけるＲＮｂ２Ｏ６結晶およびＲ４Ｎｂ２Ｏ９結晶の含有量は、粉末Ｘ線回折によるピーク強度に基づき算出した。
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および２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および２に示すように、実施例１〜８の光反射基材は、高屈折率のＲＮｂ２Ｏ６結晶またはＲ４Ｎｂ２Ｏ９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１〜３の光反射基材は光反射率が７２〜７８％と低かった。
本発明の光反射基材は非常に高い光反射率を有するため、ＬＥＤパッケージ、有機ＥＬ等のディスプレイ、自動車用照明、一般照明等の発光デバイスに用いられる光反射基材用途として好適である。
Claims (8)
- Ａｌ ２ Ｏ ３ を含有しないガラスマトリクス中にＣａＮｂ２Ｏ６結晶および／またはＣａ４Ｎｂ２Ｏ９結晶を１０質量％以下（ただし、１０質量％を除く）含有してなることを特徴とする光反射基材。
- ＣａＮｂ２Ｏ６結晶および／またはＣａ４Ｎｂ２Ｏ９結晶の含有量が０．３質量％以上であることを特徴とする請求項１に記載の光反射基材。
- ガラス粉末とＣａＮｂ２Ｏ６結晶および／またはＣａ４Ｎｂ２Ｏ９結晶粉末を含む混合粉末の焼結体からなる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。
- 組成として少なくともＣａＯを含有するガラス粉末とＮｂ２Ｏ５粉末を含む混合粉末の焼結体からなる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。
- 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有することを特徴とする請求項３または４に記載の光反射基材。
- 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５に記載の光反射基材。
- 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１〜６のいずれかに記載の光反射基材。
- 請求項１〜７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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