JP6044073B2 - 波長変換装置及びそれを用いた発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光出力に優れた波長変換装置及びそれを用いた発光装置に関するものである。
従来、蛍光体粉末とガラス粉末を混合して焼結させた波長変換装置が知られている（例えば特許文献１）。
特開２０１１−１２２０６７号
しかしながら、従来の波長変換部材は、蛍光体粉末で波長変換された光が蛍光体粉末近傍の保持体を介して外部へ放出されるため、その保持体で光が吸収されてしまい光出力が低下してしまうという問題があった。
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、光出力に優れた波長変換装置を提供することを目的とする。
一実施形態に係る波長変換装置は、基板と、基板上に設けられた波長変換部材と、を備えている。波長変換部材は、蛍光体粉末と、蛍光体粉末を保持する保持体と、を有する。さらに、保持体は、波長変換部材の上面において、蛍光体粉末の側面が露出するように設けられた凹部を有する。
本発明によれば、光出力を向上させることができる波長変換装置を提供することができる。
本実施形態の波長変換装置の断面図である。 本実施形態の波長変換装置の上面写真である。
本発明の一実施形態について、図面を参照しながら、以下に説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を以下のものに特定しない。各図面が示す部材のサイズや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。
図１に本実施形態の波長変換装置の断面図を示す。
図１に示すように、波長変換装置１００は、基板１０と、基板１０上に設けられた波長変換部材２０と、を備えており、波長変換部材２０は、蛍光体粉末３０と、蛍光体粉末３０を保持する保持体４０と、を有する。また、保持体４０は、波長変換部材２０の上面において、蛍光体粉末３０の側面が露出するように設けられた凹部５０を有する。
これにより、光出力に優れた波長変換装置とすることができる。
つまり、保持体４０は波長変換後の光を完全に透過させることが理想的だが、実際には波長変換後の光の一部は、保持体４０自身又は蛍光体粉末３０と保持体４０との界面で吸収されてしまう。このため、最終的に得られる光出力が低下するという問題があった。そこで、本実施形態では、波長変換部材２０の上面に蛍光体粉末３０の側面が露出するような凹部５０を設けている。これにより、蛍光体粉末３０で波長変換した光のうち、保持体４０を介さずに直接外部へ放出される成分が増加するので、保持体４０での光のロスを抑制することができる。
なお、蛍光体粉末３０の側面が「露出する」とは、蛍光体粉末が保持体で覆われていない状態を指す。このため、蛍光体粉末が直接外部にむき出している状態だけでなく、別部材（例えば、後述するような無反射の保護膜）で被覆される状態も含んでいる。
以下、波長変換装置１００を構成する各要素について説明する。
（基板１０）
基板１０は、その上に波長変換部材２０を設けるための部材である。波長変換部材２０に励起光が照射されると、励起光は蛍光体粉末３０により波長変換される。このとき、蛍光体粉末３０は、波長変換された光だけでなく熱も発する。そこで、基板１０は放熱性に優れた材料から構成することができる。例えば、銅やアルミニウムを用いて基板１０とすることができる。なお、波長変換装置１００に基板１０を設けない構成であっても、本発明の効果を得られることは明らかである。
（波長変換部材２０）
波長変換部材２０は、蛍光体粉末３０と保持体４０とを有する。波長変換部材２０は、例えば、蛍光体粉末３０と保持体４０とを混合させ、ＳＰＳ（Spark Plasma Sintering：放電プラズマ焼結）、ＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing：熱間静水圧成形）、CＩＰ（Cold Isostatic Pressing：冷間等方加圧成形）等の焼結法を用いて形成することができる。波長変換部材２０に励起光が照射されると、蛍光体粉末３０から波長変換された光が放出される。
波長変換部材２０の形状は、板状体が好ましい。これにより、基板１０上に安定して波長変換部材２０を配置することができる。膜厚は、５０〜５００μｍであれば、波長変換部材で生じる熱を基板へ効率よく逃がすことができる。
本実施形態では、波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光により励起し、波長５００〜５４０ｎｍの緑色の光を放出するような蛍光体粉末３０を用いている。このような条件を満たす蛍光体粉末として、Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２などが挙げられる。
保持体４０は、蛍光体粉末３０を安定に保持するためのバインダーとして機能するものである。保持体４０の材料は、有機材料よりも変色しにくい無機材料とすることができる。さらに、酸化物からなる蛍光体粉末を用いる場合、酸化物の無機材料を用いることが好ましい。これにより、蛍光体粉末と保持体とに共通する元素が含まれているため蛍光体粉末と保持体とが良好に結合した波長変換部材を形成することができる。酸化物の保持体として、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、ＢａＯ、Ｌｕ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、ＷＯ３、Ｖ２Ｏ５、ＭｏＯ３、ＳｒＯ、Ｎａ２Ｏ、Ｙ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、ＰｂＯ、Ｎ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＣａＯなどが挙げられる。
また、波長変換部材２０を焼結法により形成する場合、焼結を促進するための助剤（図示なし）を用いることができる。具体的には、蛍光体粉末３０と、保持体４０と、助剤と、を混合して焼結することによって波長変換部材２０を形成することができる。これにより、比較的低温で焼結しても、蛍光体粉末３０と保持体４０とが良好に結合した波長変換部材２０とすることができる。蛍光体粉末３０をＬｕ３Ａｌ５Ｏ１２またはＹ３Ａｌ５Ｏ１２、保持体４０をＡｌ２Ｏ３とする場合、助材としてはＮＨ４Ｃｌ、ＡｌＦ３、Ｇａ２Ｏ３、Ｈ３ＢＯ３等を用いることができる。
保持体４０に形成される凹部５０は、蛍光体粉末３０、保持体４０及び助剤のエッチングレート差を利用して形成することができる。本実施形態では、蛍光体粉末３０及び保持体４０よりも助剤の方がエッチングレートの高い材料からなる波長変換部材２０をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）処理することで、助剤を最も早くエッチングし、ＣＭＰ処理する面に凹部５０を形成している。助材は蛍光体粉末３０の側面に付着するので、助材を優先的にエッチングすることにより蛍光体粉末３０の側面が露出するように（すなわち、上面視において蛍光体粉末３０と保持体４０とに挟まれるように）凹部５０を形成することができる。もちろん、波長変換部材２０を機械的に研磨したあと、一般的に使用されているドライエッチングやウェットエッチングを行って形成することもできる。
また、蛍光体粉末３０の上面を露出させれば、保持体４０での光の吸収をより抑制することができる。特に、ＣＭＰ処理により蛍光体粉末３０の上面を露出させれば、研磨等で生じた表面近傍のダメージ層を除去することができるので、蛍光体粉末３０の波長変換効率をより向上させることができる。
ＣＭＰ処理には、ＳｉＯ２、ＣｅＯ２などの砥粒を含んだスラリーを用いることができる。一般的なＣＭＰ処理は、研磨対象物のダメージ層を除去するために平坦面を形成することのみを目的としているが、本実施形態では、エッチングレートが異なる複数の材料からなる波長変換部材２０をＣＭＰ処理し、平坦面と凹部５０を同時に形成することを目的としている。また、ＣＭＰパッド、波長変換部材２０をＣＭＰパッドに押しつける圧力（以下、単に加圧とも言う）及びＣＭＰ処理時間によって、凹部５０の深さを調節することができる。ＣＭＰパッドとしては、ウレタン製のＩＣ１０００または圧縮率が高いスウェードタイプのＳＵＰＲＥＭＥ ＲＮ−Ｈなどが挙げられる。ＣＭＰ処理時の加圧は、低圧であると生産性が低下し易く、高圧であると波長変換部材に亀裂が入り易いため、５０〜３００ｇ／ｃｍ２が好ましく、１００〜２００ｇ／ｃｍ２がより好ましい。また、ＣＭＰ処理時間は、特に限定されず、凹部５０が形成できるような時間であれば良い。なお、ＣＭＰ処理を効率よく行うために、ＣＭＰ処理を行う前にダイヤモンド砥粒等の砥粒を用いて粗く研磨しておくこともできる。ダイヤモンド砥粒の平均粒径が１〜３μｍであれば、その後のＣＭＰ処理を効率よく行うことができる。この研磨は、砥粒のサイズを段階的に小さくし、複数回行うこともできる。また、波長変換部材２０の下面も同様に、研磨及びＣＭＰ処理を行うこともできる。これにより、基板１０上に安定して設置することができる。
また、波長変換部材２０の上面における蛍光体粉末３０の平坦面及び保持体４０の平坦面は、面一でも本発明の効果を得ることができるが、蛍光体粉末３０を保持体４０よりもエッチングレートが低い材料にすることで、蛍光体粉末３０の平坦面のほうが保持体４０の平坦面よりも上面側に突き出る構成とすることができる。これにより、蛍光体粉末３０の側面の露出面積がさらに増大し、蛍光体粉末３０から放出される光が保持体４０に当たることを抑制できるため、より光出力が向上する。
波長変換部材２０の上面において、蛍光体粉末３０を励起するための光が入射されると共に、蛍光体粉末３０から波長変換された光が出射されるように構成することができる。これにより、蛍光体粉末３０の側面に入射する励起光の一部が、保持体４０を介さずに凹部５０を介して蛍光体粉末３０へ入射されるため、励起光を効率よく照射することができる。さらに、蛍光体粉末３０の側面から放出される光は、保持体４０を介さずに凹部５０を介して外部に放出されるため、光出力が向上する。
なお、波長変換部材２０の上面に波長変換部材の保護と光の取り出し効率の向上を目的として無反射の保護膜を設けることもできる。また、波長変換部材の下面（すなわち、基板１０側の面）に光を波長変換部材の上面側へ反射させることを目的として反射膜を設けることもできる。反射膜として、金属、Ａｌ２Ｏ３などの絶縁膜又は誘電体多層膜を単独で設けることもできるし、これらを組み合わせて設けることもできる。これにより、波長変換装置１００の上面から放出する光の出力をより高めることができる。なお、図１では、無反射の保護膜、反射膜を省略してある。
波長変換装置１００と、波長変換装置１００の蛍光体粉末３０を励起させるための光源とを備えて発光装置として利用することもできる。これにより、光出力に優れた発光装置とすることができる。光源としては、ＬＥＤやＬＤを用いることができるが、局所的に光を照射できるＬＤを用いることが好ましい。
（実施例）
平均粒径が約１０μｍのＬｕ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅからなる蛍光体粉末３０と、Ａｌ２Ｏ３からなる保持体４０を混合させた。その後、助剤としてＢａＦ２を添加し、ＳＰＳ法により焼結した。この焼結によって得られた波長変換部材２０をワイヤーソーにより３５０μｍの厚さに切断した。
次に、波長変換部材２０の上面を粒径３μｍのダイヤモンド砥粒で研磨し、次に粒径１μｍのダイヤモンド砥粒で再度研磨を行った。そして、その研磨した面に、ＳｉＯ２砥粒及びｐＨ調整液からなるスラリーとウレタン製のＣＭＰパッドを用いて、１５０ｇ／ｃｍ２の加圧条件でＣＭＰ処理を２時間行った。この結果、波長変換部材２０の膜厚は１００μｍとなり、図２に示すように、波長変換部材２０の上面を平坦にすると共に、蛍光体粉末３０の側面が露出するような凹部５０を形成した。このとき、凹部５０の幅は２μｍであり、凹部５０の深さは約1μｍであった。同様に、波長変換部材２０の下面も荒削り研磨及びＣＭＰ処理を行った。
次に、波長変換部材２０の上面に無反射の保護膜としてスパッタ法により膜厚７６ｎｍのＳｉＯ２を形成し、波長変換部材２０の下面に反射膜としてスパッタ法により膜厚１０００ｎｍのＡｇ膜を形成した。
次に、波長変換部材２０を４ｍｍ×４ｍｍにチップ化した後、膜厚３０μｍのＡｕ／Ｓｎからなる接合膜を介して、銅製の基板１０上に載置させて、波長変換装置１００を形成した。
その後、波長変換装置１００の上面にピーク波長４４５ｎｍの青色レーザ素子を励起光源として照射すると、波長変換装置１００からピーク波長５４０ｎｍの緑色の光が放出し、光出力を向上することができた。
１００・・・波長変換装置
１０・・・基板
２０・・・波長変換部材
３０・・・蛍光体粉末
４０・・・保持体
５０・・・凹部

Claims (2)

  1. 蛍光体粉末と保持体用の原料粉末と焼結を促進させる助剤の混合粉末を、焼結して前記
    蛍光体粉末が保持体によって保持された波長変換部材を得る工程と、
    前記波長変換部材の上面に化学的機械研磨処理を施すＣＭＰ処理工程と、を含み、
    前記助剤の前記化学的機械研磨処理におけるエッチングレートが前記保持体の前記化学
    的機械研磨処理におけるエッチングレートより高いことを特徴とする波長変換装置の製造
    方法。
  2. 前記蛍光体粉末の化学的機械研磨処理におけるエッチングレートが、前記保持体の化学
    的機械研磨処理におけるエッチングレートより低い請求項１に記載の波長変換装置の製造
    方法。
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