JP6800307B2 - 波長変換装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、照明及び表示分野に関し、特に波長変換装置およびその製造方法に関する。
レーザ光・蛍光粉技術は、既に最も有望な主流のレーザ光源技術になっており、主に青色レーザ光で高速回転する蛍光カラーホイールを励起して蛍光出射光を取得するものであり、蛍光粉の発熱急滅問題を有効に解決可能であり、効率的で低コストのレーザ光源を実現させ、成功してレーザ光表示の各分野に応用されている。
有機シリカゲルを接着剤とする有機体系の蛍光カラーホイールは、高強度のレーザ光の照射に耐えられないため、徐々に無機材料を接着剤又は担体とする無機体系の蛍光カラーホイールに代替されていく。図１は、従来技術における蛍光カラーホイールの波長変換装置の構造模式図であり、波長変換装置１００は、蛍光粉とガラス粉とからなる発光層１０１、無機白色粉末とガラス粉とからなる反射層１０２、および基板層１０３を備える。一般的に、発光層１０１及び反射層１０２を共同焼結する方式を用いて、２層の結合効果をより良好にする。しかし、反射層１０２における無機白色粉末の粒子が小さいため、無機白色粉末とガラス粉とが混合された後、反射層１０２の軟化温度が高くなり、発光層１０１と反射層１０２との軟化温度の不一致を引き起こす。これは、共同焼結の製造過程において発光層１０１と反射層１０２との膨張−収縮度合いが相違することに繋がる。発光層１０１が液化し過ぎて変形することが発生しないように、反射層１０２の液化度合いを低くして、収縮率を小さくするが、反射層１０２と基板層１０３との付着力が悪くなり、反射層１０２の脱落が発生する恐れがある。
反射層と基板層との付着力が悪いという上記従来技術の欠陥に対して、本発明は、層と層の間の付着力を強める波長変換装置を提供する。当該波長変換装置は、順次積層されている、発光層と反射層と基板層とを備え、発光層が波長変換材料及び第１ガラス粉を備え、反射層が反射粒子及び第２ガラス粉を備え、第２ガラス粉の平均粒径が第１ガラス粉の平均粒径より小さい。
好ましくは、第１ガラス粉と第２ガラス粉は、同一種のガラス粉である。
好ましくは、第１ガラス粉の平均粒径は、３〜５μｍであり、第２ガラス粉の平均粒径は、０．５〜１μｍである。
好ましくは、第１ガラス粉は、珪酸塩ガラス、鉛珪酸塩ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、アルミン酸塩ガラス、ソーダガラス又は石英ガラスのうちの一種を含む。
好ましくは、反射粒子は、酸化アルミニウム粒子、酸化チタン粒子、硫酸バリウム粒子、酸化マグネシウム粒子又は窒化アルミニウム粒子のうちの少なくとも一種を含む。
好ましくは、反射粒子は、酸化アルミニウム粒子及び酸化チタン粒子を含む。
好ましくは、酸化アルミニウム粒子の平均粒径は、０．５〜２μｍであり、酸化チタン粒子の平均粒径は、１〜５μｍである。
好ましくは、波長変換材料は、ＹＡＧ蛍光粉及びＬｕＡＧ蛍光粉のうちの少なくとも一種を含む。
好ましくは、波長変換材料の平均粒径は、１０〜３０μｍである。
好ましくは、波長変換材料が発光層に占める質量分率は、１０〜８０％であり、反射粒子が反射層に占める質量分率は、１０〜９０％である。
好ましくは、基板層は、セラミック基板層であり、セラミック基板層は、窒化アルミニウム基板層、酸化アルミニウム基板層、炭化ケイ素基板層又は窒化ケイ素基板層である。
本発明は、波長変換装置の製造方法を更に提供し、当該製造方法は、波長変換材料、第１ガラス粉及び有機担体を均一に混合して、発光層スラリーを得るステップＳ１と、反射粒子、第１ガラス粉よりも小さい粒径の第２ガラス粉及び有機担体を均一に混合して、反射層スラリーを得るステップＳ２と、基板層に反射層スラリーを塗布して乾燥させ、乾燥後の反射層スラリーに発光層スラリーを塗布して乾燥させ、乾燥した反射層スラリーと乾燥した発光層スラリーとが被覆される基板層を焼結して波長変換装置を得るステップＳ３と、を含む。
好ましくは、第１ガラス粉と第２ガラス粉は、同一種のガラス粉であり、且つ、第１ガラス粉の平均粒径は、３〜５μｍであり、第２ガラス粉の平均粒径は、０．５〜１μｍである。
好ましくは、有機担体は、フェニル基又はメチル基等の各系のシリコンオイルを含み、又は、エタノール、エチレングリコール、キシレン、エチルセルロース、ターピネオール、ブチルカルビトール、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリプロピオン酸、ポリエチレングリコールのうちの１つまたは複数の混合体を含む。
好ましくは、反射粒子は、酸化アルミニウム粒子、酸化チタン粒子、硫酸バリウム粒子、酸化マグネシウム粒子又は窒化アルミニウム粒子のうちの少なくとも一種を含む。
好ましくは、波長変換材料は、ＹＡＧ蛍光粉及びＬｕＡＧ蛍光粉のうちの少なくとも一種を含み、波長変換材料の平均粒径は、１０〜３０μｍである。
従来技術よりも、本発明は、以下の有利な作用効果を有する。
本発明では、発光層及び反射層は、何れもガラスを接着剤として機能材料である波長変換材料及び反射粒子を接着するが、相違点として、発光層における第１ガラス粉の粒径が第２ガラス粉の粒径より大きい。単独で存在する場合には、発光層における大粒径の第１ガラス粉よりも、反射層における小粒径の第２ガラス粉のほうがより低い温度で液相に進入可能である一方、反射粒子の影響の下で、当該小粒径の第２ガラス粉の軟化温度がまた高められる。そのため、反射層における小粒径の第２ガラス粉は、自身の粒径及び反射粒子の二重影響の下で、軟化温度が発光層における第１ガラス粉の軟化温度に相当なものである。こうして、焼成して波長変換装置を製造する過程に、反射層と発光層との軟化度合いが相当なものになり、反射層の軟化度合いの不足の欠陥が克服され、反射層と基板層との接着力が大きく向上する。
本発明の解決手段は、波長変換装置の発光層及び反射層を製造する過程において軟化度合い、収縮度合いが一致しないことによって引き起こされる後続の信頼性問題を解決するために提出されたが、当該問題の解決のみに限られない。
本発明の解決手段では、波長変換装置は、順次積層されている発光層、反射層及び基板層からなり、反射層は、中間層として、発光層とは良好な結合性を有しつつ、基板層に強固に接着される必要がある。発光層及び反射層は、何れも焼結で製造されたものであり、両者を共同焼結することで結合強度の向上、安定性の向上及び生産効率の向上を実現可能である。基板層は、波長変換装置の製造過程に物理、化学的状態の安定性を保ち、反射層と基板層との接着は、主に反射層における接着剤の作用に依存する。反射層における接着剤の素材は、ガラス粉であり、ガラス粉は、常温に接着性を有さないが、一定の温度まで加熱されると、軟化して、ある程度の流動性及び接着性を有する物質になり、基板層の表面に接触して結合する。温度が降下する時、ガラス接着剤は、１つの全体として繋がれるガラスになり、反射層と基板層とを一体に接着する。
上記のように、反射層と基板層との結合度合いは、ガラスと基板層の表面との結合度合いに依存し、特に高温でのガラスと基板層との接触面の大きさに依存する。反射層におけるガラス粉の軟化度合いが高いほど、ガラスの流動性は、強くなり、基板層の表面構造を敷き詰める。しかし、実際の製造過程に、反射層が発光層とともに焼結され、反射層における反射粒子により、反射層の軟化難易度が増加される。反射層を基板層に強固に接着する軟化度合いまで達させると、発光層の軟化度合いが高くなりすぎ、流動性が強すぎて、発光層の形態が破壊されてしまう。反射粒子の割合を減少することで反射層の軟化難易度を低減すると、反射層の反射率の低下を招く。
したがって、本発明の思想は、発光層の軟化温度を変更せずに、反射層におけるガラス粉の平均粒径の大きさを変更し、反射層の軟化温度を低減して２つの層の軟化温度を近接させることにより、発光層及び反射層の各自の形態の安定と、反射層及び基板層の強固な接着とのメリットが両立し、巨大な進歩を遂げた。
本発明の実施例について、図面及び実施形態を組み合わせて以下に詳細に説明する。
図２を参照し、図２は、本発明の実施例における波長変換装置の構造模式図である。波長変換装置２００は、発光層２０１、反射層２０２及び基板層２０３を備え、発光層２０１は、波長変換材料２０１１及び第１ガラス粉２０１２を備え、反射層２０２は、反射粒子２０２１及び第２ガラス粉２０２２を備え、第２ガラス粉２０２２の平均粒径は、第１ガラス粉２０１２の平均粒径より小さい。
本実施例では、第１ガラス粉と第２ガラス粉は、同一種のガラス粉である。異なる種類の２種のガラス粉が採用されると、現在のガラス粉の性能差の状況から見て、マッチングし難い。そして、異なるタイプのガラス粉は、軟化後の粘度差等の他の問題も引き起こす。無論、幾つかのより複雑な設計に、第１ガラス粉と第２ガラス粉は、異なる種類のガラス粉であってもよいが、両者の同粒径での軟化温度がほぼ同じである条件を満たすべきである。
本実施例では、第１ガラス粉の平均粒径は、３〜５μｍであり、第２ガラス粉の平均粒径は、０．５〜１μｍである。大粒子のガラス粉よりも、小粒径のガラス粉のほうが早く液相に進入可能である。これは、小粒径のガラス粉ほど大きな比表面積を有し、その表面エネルギーが高くて、より低い温度で液相に進入可能であるからである。
本実施例では、第１ガラス粉及び第２ガラス粉は、同じく珪酸塩ガラス、鉛珪酸塩ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、アルミン酸塩ガラス、ソーダガラス又は石英ガラスのうちの一種であり、当該種類のガラス粉の接着性が良くて、可視光に対する透過性が良くて、本発明の波長変換装置の応用条件に適する。
本実施例では、反射層２０２における反射粒子２０２１は、酸化アルミニウム粒子であり、酸化アルミニウム粒子は、可視光に対する吸収係数が小さく、可視光に対して良好な反射、散乱機能を有する。本発明の他の実施例では、酸化チタン粒子、硫酸バリウム粒子、酸化マグネシウム粒子又は窒化アルミニウム粒子等の他の白色無機粒子のうちの一種を選択してもよい。当該反射粒子２０２１の特徴は、融点がガラス粉の軟化温度よりも遥かに高く、ガラス粉と混合した後、ガラス粉の軟化温度を当該ガラス粉の単独存在時よりも高くする。本発明のより好適な実施例では、反射粒子２０２１は、酸化アルミニウム粒子及び酸化チタン粒子の組み合わせである。酸化チタン粒子は、５５０ｎｍより大きい波長の光に対して良い反射率を有し、短波可視光に対してやや低い反射率を有する。その一方、酸化アルミニウム粒子は、青色光、特に４８０ｎｍより小さい波長の光に対してい優れた反射率を有する。そして、当該２種の粒子の組み合わせ後、成膜が非常に容易になり、粒子同士間の隙間も埋めやすく、極薄の厚さで高い反射率を実現可能である。本発明の他の実施例では、他の白色無機粒子の組み合わせを反射粒子として選択してもよい。
更に、酸化アルミニウム粒子及び酸化チタン粒子の組み合わせを反射粒子として選択する時、酸化アルミニウム粒子の平均粒径は、０．５〜２μｍであり、酸化チタン粒子の平均粒径は、１〜５μｍである。当該粒径において、反射粒子と第２ガラス粉との十分で均一な混合が便利であるとともに、反射粒子の充填効果が良くて反射層の反射率が向上可能である。本発明の実施例では、反射粒子２０２１の平均粒径範囲は、一般的に０．２〜６μｍである。当該粒径範囲では、反射層が所望の反射特性を満たせるが、同様に反射粒子２０２１もこの粒径範囲内に選択されるため、ガラス粉は、それと混合した後で軟化温度が上昇する。これは、反射粒子２０２１のマイクロナノスケール効果のガラス粉への影響によるものである。
本実施例では、発光層２０１における波長変換材料２０１１は、蛍光粉であり、より具体的に、ランタン系元素がドーピングされたＹＡＧ蛍光粉又はＬｕＡＧ蛍光粉（例えば、Ｃｅ:ＹＡＧ等）である。当該類の蛍光粉は、構造が安定であり、熱安定性が良くて、ガラス粉の軟化温度や融化温度を遥かに超える高温に耐えられる。他の実施例では、波長変換材料２０１１は、量子ドット波長変換材料であってもよいが、量子ドット波長変換材料がガラス又は他の耐高温材料を用いて封止されるべきであると注意することが必要である。これは、量子ドットは熱安定性が蛍光粉より劣り、破壊されやすいからである。
本実施例では、波長変換材料２０１１の平均粒径が１０〜３０μｍである。当該粒径の波長変換材料は、小粒径の蛍光粉に対してより高い光変換効率を有し、また、小粒径の蛍光粉によって、発光層２０１の軟化温度が降下し、反射層２０２の軟化度合いの不足が再び引き起こされる。
本実施例では、波長変換材料２０１１が発光層２０１に占める質量分率は、１０％〜８０％であり、反射粒子２０２１が反射層２０２に占める質量分率は、１０％〜９０％である。当該比率では、発光層２０１又は反射層２０２が光機能の使用を満足可能であり、第１ガラス粉及び第２ガラス粉によって材料を層として十分に接着することも保証される。
本実施例では、基板層２０３は、窒化アルミニウムのセラミック基板層である。当該基板層２０３は、良好な導熱性能及び機械性能を有し、且つ、反射層２０２のガラス粉に対して高い結合性を有する。本発明の他の実施例では、基板層２０３は、他のセラミック基板層、例えば、酸化アルミニウム基板層、炭化ケイ素基板層又は窒化ケイ素基板層等であってもよい。
本発明は、波長変換装置の製造方法の実施形態を更に提供し、以下のステップを含む。
ステップＳ１では、波長変換材料、第１ガラス粉及び有機担体を均一に混合して、発光層スラリーを得る。
ステップＳ２では、反射粒子、第２ガラス粉及び有機担体を均一に混合して、反射層スラリーを得る。第２ガラス粉の粒径が第１ガラス粉の粒径より小さい。
ステップＳ３では、基板層に反射層スラリーを塗布して乾燥させ、乾燥後の反射層スラリーに発光層スラリーを塗布して乾燥させ、乾燥した反射層スラリーと乾燥した発光層スラリーとが被覆される基板層を焼結して波長変換装置を得る。
ステップＳ１では、波長変換材料、第１ガラス粉及び有機担体を均一に混合して、発光層スラリーを得る。
ステップＳ２では、反射粒子、第２ガラス粉及び有機担体を均一に混合して、反射層スラリーを得る。第２ガラス粉の粒径が第１ガラス粉の粒径より小さい。
ステップＳ３では、基板層に反射層スラリーを塗布して乾燥させ、乾燥後の反射層スラリーに発光層スラリーを塗布して乾燥させ、乾燥した反射層スラリーと乾燥した発光層スラリーとが被覆される基板層を焼結して波長変換装置を得る。
当該実施形態では、基本的な思想は、反射層と発光層との共同焼結の方法で波長変換装置を製造し、基板層が塗料担持層及び焼結担持層として良好な機械性能及び耐高温性能を有し、反射層又は発光層とは反応しないことである。
材料混合ステップＳ１及びＳ２では、発光層スラリーは、波長変換材料、第１ガラス粉及び有機担体の混合によって得られ、反射層スラリーは、反射粒子、第２ガラス粉及び有機担体の混合によって得られる。
波長変換材料については、上記実施例に記載された波長変換材料、例えば、蛍光粉、量子ドット材料、特にランタン系元素がドーピングされたＹＡＧ蛍光粉又はＬｕＡＧ蛍光粉（例えば、Ｃｅ:ＹＡＧ等）を選択してもよい。当該類の蛍光粉は、構造が安定であり、熱安定性が良くて、ガラス粉の軟化温度や融化温度を遥かに超える高温に耐えられる。選択される波長変換材料の平均粒径は、１０〜３０μｍである。
反射粒子については、上記実施例に記載された反射粒子を選択してもよく、例えば、酸化アルミニウム粒子、酸化チタン粒子、硫酸バリウム粒子、酸化マグネシウム粒子又は窒化アルミニウム粒子のうちの少なくとも一種を含み、ここで繰り返し説明しない。同様に、本実施形態の好適な実施例では、第１ガラス粉と第２ガラス粉が同一種のガラス粉であり、第１ガラス粉の平均粒径が３〜５μｍであり、第２ガラス粉の平均粒径が０．５〜１μｍである。
本実施形態では、有機担体は、波長変換材料を第１ガラス粉に、または、反射粒子を第２ガラス粉に均一に混合するために用いられ、有機担体は、フェニル基又はメチル基等の各系のシリコンオイルを含み、または、エタノール、エチレングリコール、キシレン、エチルセルロース、ターピネオール、ブチルカルビトール、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリプロピオン酸、ポリエチレングリコールのうちの１つまたは複数の混合体を含む。乾燥及び焼結の過程に、有機担体が揮発したり分解したりして、極少ない部分が波長変換装置に残る。
本発明の実施例で記述される波長変換装置は、固定型発光デバイス（例えば、自動車ヘッドライト）や特殊照明の波長変換装置デバイスとしてもよい。レーザ光は、波長変換装置デバイスに照射して被励起光を発生して照明として使用する。本発明の実施例で記述される波長変換装置は、更に、蛍光ホイールの構成部分としてもよい。励起光は、回転する蛍光ホイールに照射して被励起光を発生する。これは、プロジェクタ、テレビ等の表示システムの光源に適用可能である。
本明細書における各実施例は、漸進的な方式で記述される。各実施例の重点は、他の実施例との相違点であり、各実施例間の同じ・類似する部分を互いに参照すればよい。
上述したのは、単に本発明の実施形態に過ぎず、本発明の特許保護範囲を制限するわけではない。本発明の明細書及び図面の内容を用いてなした如何なる均等構造、等価フロー変換、または、他の相関技術分野への直接や間接の転用も、本発明の特許保護範囲内に含まれるべきである。
Claims (5)
- 波長変換材料、第１ガラス粉及び有機担体を均一に混合して、発光層スラリーを得るステップＳ１と、
反射粒子、前記第１ガラス粉よりも小さい粒径の第２ガラス粉及び有機担体を均一に混合して、反射層スラリーを得るステップＳ２と、
基板層に前記反射層スラリーを塗布して乾燥させ、乾燥後の反射層スラリーに発光層スラリーを塗布して乾燥させ、乾燥した反射層スラリーと乾燥した発光層スラリーとが被覆される基板層を焼結して波長変換装置を得るステップＳ３と、を含むことを特徴とする波長変換装置の製造方法。 - 前記第１ガラス粉と前記第２ガラス粉は、同一種のガラス粉であり、且つ、前記第１ガラス粉の平均粒径は、３〜５μｍであり、前記第２ガラス粉の平均粒径は、０．５〜１μｍであることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
- 前記有機担体は、フェニル基又はメチル基のシリコンオイルを含み、又は、エタノール、エチレングリコール、キシレン、エチルセルロース、ターピネオール、ブチルカルビトール、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリプロピオン酸、ポリエチレングリコールのうちの１つまたは複数の混合体を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。
- 前記反射粒子は、酸化アルミニウム粒子、酸化チタン粒子、硫酸バリウム粒子、酸化マグネシウム粒子又は窒化アルミニウム粒子のうちの少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。
- 前記波長変換材料は、ＹＡＧ蛍光粉及びＬｕＡＧ蛍光粉のうちの少なくとも一種を含み、前記波長変換材料の平均粒径は、１０〜３０μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。
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