JP6215545B2 - 複合セラミックスの製造方法、波長変換部材の製造方法及び発光装置の製造方法 - Google Patents

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本発明は、波長変換部材として用いられる蛍光体セラミックスに関する。
白色LEDは、波長変換部材として蛍光体を用い、青色LEDから出射された青色光の一部を黄色蛍光に変換し、青色光と黄色光とを混合して白色光を発生させる構成のものが現在の主流となっている。波長変換部材としては、蛍光体粉末を有機バインダーによって固定したものが広く用いられているが、有機バインダーを用いるため無機材料と比較して耐久性および耐熱性に劣る。そこで、無機材料のみで構成された蛍光体セラミックスを用いることが特許文献1、2等により提案されている。例えば特許文献1には、蛍光体相としてYAG:Ce相を、マトリクス相としてAlおよびAlNを用いる複合セラミックスが開示されている。この複合セラミックスは、AlとAlNの混合比を調整して、所望の熱伝導率を得ることが可能になる。また、特許文献1および特許文献2には、YAG:Ce相とCrをドープしたAl相からなる複合セラミックスも開示されている。この複合セラミックスは、CrをドープしたAlが青色光で励起されて赤色光を発することを利用して、白色光に赤色光成分を加え、演色性を改善しようとしている。
特開2006−169422号公報 特開2011−012215号公報
黄色蛍光体セラミックスの発光の半値幅は、含まれる黄色蛍光体の種類によって決まる。このため、青色LEDと、発光の半値幅が113nmの黄色蛍光体セラミックスで白色を作った場合の演色評価数Raは63程度であり、演色性はあまり高くない。一方、特許文献1,2の蛍光体セラミックスのように、CrをドープしたAlの赤色発光を、YAG:Ceの黄色光に混合することにより演色性を向上させる方法は、発光材料が2種類となり、不純物元素も2種類となるため、演色性を制御するためには、製造時に複数の元素の濃度制御を精密に行うことが必要になる。
本発明の目的は、製造が容易で、発光波長がブロードな複合セラミックスを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、Ceを含むYAl12からなる第1の蛍光体相と、Ceを含むYAl12からなる第2の蛍光体相と、Al相およびAlN相のうちの少なくとも一方とを含む複合セラミックスを提供する。第1の蛍光体相と第2の蛍光体相とは、YとCeの和に対するCeの割合が異なるようにする。この複合セラミックスは、波長変換部材として用いることができる。
本発明によれば、第1の蛍光体相と第2の蛍光体相の不純物濃度が異なるため、第1および第2の蛍光体相の発する蛍光のピーク波長がずれ、蛍光スペクトルをブロードにすることができる。
実施例の複合セラミックスの断面の電子顕微鏡(SEM)写真。 実施例の第1の蛍光体相10のEDXによる測定結果を示すグラフ。 実施例の第2の蛍光体相20のEDXによる測定結果を示すグラフ。 実施例のAl相30のEDXによる測定結果を示すグラフ。 実施例と比較例の複合セラミックスから発せられる蛍光スペクトル。
以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明では、同じ蛍光体物質からなる第1の蛍光体相と第2の蛍光体相とを含む複合セラミックスであって、第1の蛍光体相と第2の蛍光体相の不純物濃度が異なるようにする。これにより、同じ励起光で励起された場合に、第1の蛍光体相と第2の蛍光体相の発する蛍光のピーク波長がずれるため、蛍光スペクトルをブロードにすることができる。また、第1および第2の蛍光体相を構成する蛍光体物質は、不純物濃度が異なるだけで、構成元素の種類は同じであるため、一つの不純物の濃度だけ制御すればよい。よって、複数種類の不純物濃度を同時に制御する場合と比較して、本発明の複合セラミックスは、容易に製造することができる。
具体的には、本発明の複合セラミックスは、Ceを含むYAl12からなる第1の蛍光体相と、Ceを含むYAl12からなる第2の蛍光体相と、Al相およびAlN相のうちの少なくとも一方とを含む。第1の蛍光体相と第2の蛍光体相とは、YとCeの和に対するCeの割合が異なる。すなわち、本発明の複合セラミックスは、Ce賦活量の異なる少なくとも2種類のYAG:Ce相とAl相およびAlN相のうちの少なくとも一方とが、三次元的に絡み合った構造を持つセラミックスである。第1および第2の蛍光体相は、発する蛍光の波長が異なる。よって、複合セラミックスから出射される光は、各YAG:Ce相の発する蛍光の合成のスペクトルとなり、発光スペクトルはブロードになる。これによって演色評価数Raの値を向上させることができる。
また、Al相およびAlN相は、Ceを含むYAl12の蛍光体相と比較して熱伝導率が高いため、本発明の複合セラミックス全体の熱伝導率を高めることができる。よって、複合セラミックスの熱引き性能を高めることができ、蛍光体の温度消光を防いで安定した蛍光発光特性を得ることができる。
第1および第2の蛍光体相のうちの少なくとも一方は、YとCeのモル数の和に対するCeのモル数の割合が、0より大きく0.04未満であることが望ましい。これにより、Ceを含むYAl12の蛍光の発光効率を高めることができる。
上記複合セラミックは、青色光により励起されて蛍光を発する波長変換部材として用いることができる。例えば、青色光のピーク波長が430nm以上470nm以下である場合、波長変換部材が発する蛍光は、ピーク波長が500nm以上600nm以下である。
よって、青色光を発する発光素子と、上記波長変換部材とを組み合わせることにより、発光素子の発する青色光と波長変換部材の発する蛍光とを混合して白色光を発する白色発光装置を提供できる。
上述の複合セラミックスは、YAl12の粉末と、Alおよび/又はAlNの粒子と、CeO粒子とを所定の割合で混合し、加圧成形した後、所定温度で焼成することにより製造することができる。なお、第1の蛍光体相と第2の蛍光体相のCeの添加量は、YAl12の粉末の量に対するCeOを調節することにより容易に制御することができる。
本発明の波長変換部材は、発光装置、照明装置、車載用灯具等に用いることができる。
以下、本発明の実施例について説明する。
(実施例1)
Y:Al:Ceが、2.94:5:0.06となるようにYイオンとAlイオンとCeイオンを溶解させた水溶液に、炭酸水素アンモニウム水溶液を滴下し、共沈させた。この沈殿物を乾燥させ、ボールミルでよく粉砕した後、大気中で950℃で焼成し、YAl12(YAG)粉末を得た。このYAG粉末40mgと、平均粒径0.3μmのAl 342mgと、平均粒径1μmのCeO 18mgとをエタノール溶媒中で混合した。混合した粉末を加圧治具に充填し、30MPaの圧力でプレスした。成型体を押し出し、窒素雰囲気下1600℃で焼成し、実施例の複合セラミックスを得た。
(比較例1)
Y:Al:Ceが、2.94:5:0.06となるようにYイオンとAlイオンとCeイオンを溶解させた水溶液に、炭酸水素アンモニウム水溶液を滴下し、共沈させた。この沈殿物を乾燥させ、ボールミルでよく粉砕した後、大気中で950℃で焼成し、YAl12(YAG)粉末を得た。このYAG粉末40mgと、平均粒径0.3μmのAl 360mgとをエタノール溶媒中で混合した。混合した粉末を加圧治具に充填し、30MPaの圧力でプレスした。成型体を押し出し、窒素雰囲気化1600℃で焼成し、比較例1の複合セラミックスを得た。
(比較例2)
Y:Al:Ceが、2.94:5:0.06となるようにYイオンとAlイオンとCeイオンを溶解させた水溶液に、炭酸水素アンモニウム水溶液を滴下し、共沈させた。この沈殿物を乾燥させ、ボールミルでよく粉砕した後、大気中で950℃で焼成し、YAl12(YAG)粉末を得た。このYAG粉末100mgと、平均粒径0.3μmのAl 300mgとをエタノール溶媒中で混合した。混合した粉末を加圧治具に充填し、30MPaの圧力でプレスした。成型体を押し出し、窒素雰囲気化1600℃で焼成し、比較例2の複合セラミックスを得た。
(評価)
実施例の複合セラミックスの断面の電子顕微鏡(SEM)写真を図1に示す。図1のように、実施例の複合セラミックスは、3種類の異なる相10,20,30から成ることが確認できた。
上記3種類の相10,20,30の組成をEDX(エネルギー分散型X線分光法)により調べた。その結果を図2〜図4に示す。
図2、図3のように、相10と相20は、いずれもY、Al、O、Ceからなることがわかる。また、Yのピークに対するCeのピークが図2と図3とでは異なることから、相10と相20とは、YとCeの和に対するCeの割合が異なることが確認できた。また、図4より、相30は、AlとOから成ることがわかる。
一方、実施例の複合セラミックスと比較例1および2の複合セラミックスに、波長450nmの励起光を照射し、発せられた蛍光のスペクトルを測定した。得られた蛍光スペクトルを図5に示す。図5のように、実施例の複合セラミックスの蛍光のピーク波長は、550nm〜560nmであった。比較例1の蛍光のピーク波長は550nm前後、比較例2の蛍光のピーク波長は、540nm前後であった。この蛍光波長と、実施例および比較例1,2の製造方法を考慮すると、実施例および比較例1,2の複合セラミックスは、YAl12:Ceの相を含むと推測できる。また、図5より、実施例の蛍光スペクトルの半値幅は、比較例1,2の半値幅よりも広がっていることがわかる。
以上のことから、実施例の複合セラミックスの相10と相20は、Ceの含有濃度の異なるYAl12であり、相10と相20とでCe濃度が異なるために、蛍光スペクトルがブロードになっていると推測できる。
また、相30は、図4と、実施例および比較例1,2の製造方法とを考慮すると、Alであると推測できる。
さらに、実施例の複合セラミックスと比較例1および2の複合セラミックスに、波長450nmの励起光を照射し、発せられた蛍光の演色評価数Raと色温度を測定した。測定結果を表1に示す。
表1から明らかなように、実施例の複合セラミックスは、比較例1,2の複合セラミックスよりも演色評価数Raが高まり、色温度も低下していることが確認できた。
10…第1の蛍光体相、20…第2の蛍光体相、30…Al

Claims (5)

  1. Al 12 の粉末と、Al の粒子と、CeO の粒子とを混合し、加圧成形した後、焼成することにより、
    Ceを含むYAl12からなる第1の蛍光体相と、Ceを含むYAl12からなる第2の蛍光体相と、Al相およびAlN相のうちの少なくとも一方とを含み、前記第1の蛍光体相と第2の蛍光体相とは、YとCeの和に対するCeの割合が異なる複合セラミックスを製造する複合セラミックスの製造方法
  2. 請求項1に記載の複合セラミックスの製造方法であって、前記第1および第2の蛍光体相のうちの少なくとも一方は、YとCeのモル数の和に対するCeのモル数の割合が、0より大きく0.04未満であることを特徴とする複合セラミックスの製造方法
  3. 複合セラミックスからなり、青色光により励起されて蛍光を発する波長変換部材の製造方法であって、
    Al 12 の粉末と、Al の粒子と、CeO の粒子とを混合し、加圧成形した後、焼成することにより、
    Ceを含むYAl12からなる第1の蛍光体相と、Ceを含むYAl12からなる第2の蛍光体相と、Al相およびAlN相のうちの少なくとも一方とを含み、前記第1の蛍光体相と第2の蛍光体相とは、YとCeの和に対するCeの割合が異なる波長変換部材を製造する波長変換部材の製造方法
  4. 請求項3に記載の波長変換部材の製造方法であって、前記青色光は、ピーク波長が430nm以上470nm以下であり、前記蛍光は、ピーク波長が500nm以上600nm以下であることを特徴とする波長変換部材の製造方法
  5. 青色光を発する発光素子と、波長変換部材とを有し、前記青色光と前記波長変換部材の発する光とにより白色光を発する発光装置の製造方法であって、
    Al 12 の粉末と、Al の粒子と、CeO の粒子とを混合し、加圧成形した後、焼成することにより、
    Ceを含むYAl12からなる第1の蛍光体相と、Ceを含むYAl12からなる第2の蛍光体相と、Al相およびAlN相のうちの少なくとも一方とを含み、
    前記第1の蛍光体相と第2の蛍光体相とは、YとCeの和に対するCeの割合が異なる複合セラミックスからなる波長変換部材を製造する工程を含むことを特徴とする発光装置の製造方法
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