JP6924383B2

JP6924383B2 - 波長変換部材の製造方法

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Publication number: JP6924383B2
Application number: JP2017197465A
Authority: JP
Inventors: 彰太郎福本; 忠仁古山
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2021-08-25
Anticipated expiration: 2037-10-11
Also published as: JP2018095837A

Description

本発明は、ＬＥＤ等の発光デバイスに使用される波長変換部材の製造方法に関する。

蛍光ランプや白熱灯に変わる次世代の光源として、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）やＬＤ（Laser Diode）を用いた発光デバイス等に対する注目が高まってきている。そのような次世代光源の一例として、青色光を出射するＬＥＤと、ＬＥＤからの光の一部を吸収して黄色光に変換する波長変換部材とを組み合わせた発光デバイスが開示されている。この発光デバイスは、ＬＥＤから出射され、波長変換部材を透過した青色光と、波長変換部材から出射された黄色光との合成光である白色光を発する。特許文献１には、波長変換部材の一例として、ガラスマトリクス中に蛍光体粉末を分散させた波長変換部材が提案されている。当該波長変換部材は、ガラス粉末と蛍光体粉末の混合粉末を円盤状等の圧粉体に成型した後、焼成して焼結体とすることにより作製される。

特開２００３−２５８３０８号公報

近年、発光デバイスの小型化を目的として、微細構造を有する波長変換部材が求められるようになっている。特許文献１に記載の方法で微細構造を有する波長変換部材を作製するためには、一旦バルク状の焼結体を得た後、切削・研磨加工を施す必要があるため、製造時間が長くなる傾向がある。

以上に鑑み、本発明は、微細構造を有する波長変換部材を短時間で製造することが可能な方法を提供することを目的とする。

本発明の波長変換部材の製造方法は、無機マトリクス中に蛍光体粉末が分散してなる波長変換部材を製造するための方法であって、無機粉末と蛍光体粉末を含む混合粉末に蛍光体粉末の励起光を照射し、蛍光体粉末から発生する熱を利用して無機粉末を焼結または溶融固化させることにより無機マトリクスを形成することを特徴とする。このようにすれば、無機粉末と蛍光体粉末を含む混合粉末に対し、蛍光体粉末の励起光を局所的に照射することにより、所望の微細構造を有する波長変換部材を短時間で製造することが可能となる。

本発明の波長変換部材の製造方法は、混合粉末が圧粉体であることが好ましい。

本発明の波長変換部材の製造方法は、無機粉末の軟化点が蛍光体粉末の軟化点より低いことが好ましい。このようにすれば、無機粉末の軟化流動時に蛍光体粉末の劣化を抑制することができる。

本発明の波長変換部材の製造方法は、無機粉末がガラス粉末であることが好ましい。ガラス粉末は軟化点が比較的低く、軟化流動または溶融しやすいため、本発明の方法により容易に波長変換部材を作製することができる。

本発明の波長変換部材の製造方法は、蛍光体粉末が、酸化物蛍光体、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体、塩化物蛍光体、酸塩化物蛍光体、硫化物蛍光体、酸硫化物蛍光体、ハロゲン化物蛍光体、カルコゲン化物蛍光体、アルミン酸塩蛍光体、ハロリン酸塩化物蛍光体及びガーネット系化合物蛍光体から選択される少なくとも１種を使用することができる。

本発明の波長変換部材の製造方法は、励起光の波長を２５０〜１０００ｎｍとすることができる。

本発明の波長変換部材の製造方法は、励起光がレーザー光であることが好ましい。レーザー光はハイパワーであるため、無機粉末を短時間で焼結または溶融固化することができる。また、レーザー光はスポット径を小さくすることができ、混合粉末に対し局所的に励起光を照射することができるため、微細構造を有する波長変換部材を容易に作製することが可能となる。

本発明の波長変換部材の製造方法は、励起光を集光して照射することが好ましい。このようにすれば、混合粉末に照射される励起光のエネルギーを大きくすることができるため、単時間で波長変換部材を作製することができる。

本発明の波長変換部材の製造方法は、励起光を混合粉末に対して走査して照射することが好ましい。このようにすれば、所望の微細構造を有する波長変換部材を作製することが可能となる。

本発明によれば、微細構造を有する波長変換部材を短時間で製造することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る波長変換部材の製造方法を示す模式的斜視図である。本発明の他の実施形態に係る波長変換部材の製造方法を示す模式的斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る波長変換部材の製造方法を示す模式的斜視図である。まず、無機粉末と蛍光体粉末を含む混合粉末１を準備する。本実施形態では、混合粉末１は板状の圧粉体に成形した状態で使用する。混合粉末１に対し、光源２より蛍光体粉末の励起光Ｅを照射する。蛍光体粉末は励起光Ｅにより発光するとともに熱を発生する。この熱により無機粉末が軟化流動することにより、混合粉末が焼結し無機マトリクスとなる。あるいは、無機粉末が溶融固化して無機マトリクスとなる。光源２は可動式であり、走査経路Ｓに従って走査させることにより、混合粉末１を順次焼結または溶融固化させることができる。これにより、無機マトリクス中に蛍光体粉末が分散し、所望の形状を有する波長変換部材を得ることができる。なお、得られた波長変換部材に対して、切断、研磨等の後加工を施してもよい。

圧粉体の厚みは０．０１〜５ｍｍ、０．０５〜３ｍｍ、特に０．１〜２ｍｍであることが好ましい。圧粉体の厚みが小さすぎると、得られる波長変換部材の機械的強度に劣る傾向がある。一方、圧粉体の厚みが大きすぎると、蛍光体粉末から発生する熱が無機粉末に伝わりにくくなり、無機粉末の焼結または溶融固化が不十分になるおそれがある。

無機粉末としてはガラス粉末やセラミック粉末を使用することができる。特にガラス粉末は軟化点が比較的低く、軟化流動または溶融しやすいことから、本発明の方法により容易に波長変換部材を作製することができるため好ましい。ガラス粉末としては、ケイ酸塩ガラス、シリカガラス、ホウケイ酸塩ガラス、スズリン酸塩ガラス、ビスマス酸塩ガラス、ホウケイ酸亜鉛ガラス及びホウケイ酸鉛ガラスからなるものが挙げられる。これらは単独で使用してもよく、２種以上を混合して使用しても良い。なかでも、ケイ酸塩ガラス及びホウケイ酸塩ガラスは耐候性や耐熱性に優れており、波長変換部材の経時劣化を抑制できるため好ましい。

無機粉末の軟化点は蛍光体粉末の軟化点より低いことが好ましい。このようにすれば、無機粉末の軟化流動時に蛍光体粉末の劣化を抑制することができる。具体的には、無機粉末の軟化点は１０００℃以下、９５０℃以下、特に９００℃以下であることが好ましい。一方、無機粉末の軟化点が低すぎると、得られる波長変換部材の機械的強度、化学的耐久性、耐熱性が低下する傾向にある。そのため、無機粉末の軟化点は２５０℃以上、３００℃以上、特に５００℃以上であることが好ましい。

無機粉末の粒度は特に限定されないが、例えば、最大粒子径Ｄ_ｍａｘは２００μｍ以下（特に１５０μｍ以下、さらには１０５μｍ以下）であることが好ましい。無機粉末の最大粒子径Ｄ_ｍａｘが大きすぎると、混合粉末の焼結や溶融固化が不十分になり、緻密な波長変換部材が得られにくくなる。

なお、本発明において、最大粒子径Ｄ_ｍａｘはレーザー回折法により測定した値を指す。

蛍光体粉末としては、例えば酸化物蛍光体、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体、塩化物蛍光体、酸塩化物蛍光体、硫化物蛍光体、酸硫化物蛍光体、ハロゲン化物蛍光体、カルコゲン化物蛍光体、アルミン酸塩蛍光体、ハロリン酸塩化物蛍光体及びガーネット系化合物蛍光体等からなる無機蛍光体粉末および量子ドット蛍光体が挙げられる。これらは単独で使用してもよく、２種以上を混合して使用してもよい。これらの蛍光体のうち、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体、酸化物蛍光体及びガーネット系化合物蛍光体は耐熱性が高く、焼成時に比較的劣化しにくいため好ましい。なお、窒化物蛍光体及び酸窒化物蛍光体は、近紫外〜青の励起光を緑〜赤という幅広い波長領域に変換し、しかも発光強度も比較的高いという特徴を有している。そのため、窒化物蛍光体及び酸窒化物蛍光体は、特に白色ＬＥＤ素子用波長変換部材に用いられる蛍光体粉末として有効である。

上記蛍光体としては、波長３００〜５００ｎｍに励起帯を有し波長３８０〜７８０ｎｍに発光ピークを有するもの、特に青色（波長４４０〜４８０ｎｍ）、緑色（波長５００〜５４０ｎｍ）、黄色（波長５４０〜５９５ｎｍ）、赤色（波長６００〜７００ｎｍ）に発光するものが挙げられる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると青色の発光を発する蛍光体としては、（Ｓｒ，Ｂａ）ＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ^２＋、（Ｓｒ，Ｂａ）_３ＭｇＳｉ_２Ｏ_８：Ｅｕ^２＋等が挙げられる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると緑色の蛍光を発する蛍光体としては、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ^２＋、ＳｒＢａＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋、Ｙ_３（Ａｌ，Ｇｄ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、ＳｒＳｉＯＮ：Ｅｕ^２＋、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ^２＋，Ｍｎ^２＋、Ｂａ_２ＭｇＳｉ_２Ｏ_７：Ｅｕ^２＋、Ｂａ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋、Ｂａ_２Ｌｉ_２Ｓｉ_２Ｏ_７：Ｅｕ^２＋、ＢａＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ^２＋等が挙げられる。

波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると緑色の蛍光を発する蛍光体としては、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ^２＋、ＳｒＢａＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋、Ｙ_３（Ａｌ，Ｇｄ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、ＳｒＳｉＯＮ：Ｅｕ^２＋、β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ^２＋等が挙げられる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると黄色の蛍光を発する蛍光体としては、Ｌａ_３Ｓｉ_６Ｎ_１１：Ｃｅ^３＋等が挙げられる。

波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると黄色の蛍光を発する蛍光体としては、Ｙ_３（Ａｌ，Ｇｄ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋が挙げられる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると赤色の蛍光を発する蛍光体としては、ＭｇＳｒ_３Ｓｉ_２Ｏ_８：Ｅｕ^２＋，Ｍｎ^２＋、Ｃａ_２ＭｇＳｉ_２Ｏ_７：Ｅｕ^２＋，Ｍｎ^２＋等が挙げられる。

波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると赤色の蛍光を発する蛍光体としては、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋、ＣａＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋、（Ｃａ，Ｓｒ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ^２＋、α−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ^２＋等が挙げられる。

なお、励起光や発光の波長域に合わせて、複数の蛍光体粉末を混合して用いてもよい。例えば、紫外域の励起光を照射して白色光を得る場合は、青色、緑色、黄色、赤色の蛍光を発する蛍光体粉末を混合して使用すればよい。

波長変換部材の発光効率（ｌｍ／Ｗ）は蛍光体粉末の含有量によって変化する。混合粉末中における蛍光体粉末の含有量は発光効率が最適になるように適宜調整すればよい。蛍光体粉末の含有量が多すぎると、無機粉末の焼結や溶融固化が不十分になるおそれがある。また、得られる波長変換部材の気孔率が大きくなって、機械的強度が低下しやすくなる等の問題が生じるおそれがある。一方、蛍光体粉末の含有量が少なすぎると、所望の発光強度が得られにくくなる。このような観点から、無機粉末と蛍光体粉末の体積比は、好ましくは２０〜９９．９９：０．０１〜８０、より好ましくは５０〜９９：１〜５０、さらに好ましくは７０〜９８：２〜３０、特に好ましくは７５〜９７：３〜２５％となるように調整することが好ましい。

光源２としては例えばレーザー光源やＬＥＤ光源を使用することができる。特にレーザー光源はハイパワーであるため、混合粉末を短時間で焼結または溶融固化することができる。また、レーザー光源はスポット径を小さくすることができ、混合粉末に対し局所的に励起光を照射することができるため、微細構造を有する波長変換部材を容易に作製することが可能となる。なお、必要に応じて励起光Ｅをレンズ等を用いて集光して混合粉末に照射してもよい。このようにすれば、混合粉末に照射される励起光のエネルギーを大きくできるため、単時間で波長変換部材を作製することができる。

励起光Ｅの波長は使用する蛍光体粉末に応じて適宜選択すればよく、例えば２５０〜１０００ｎｍ、特に３００〜５００ｎｍ、さらには４４０〜４８０ｎｍの範囲のものを使用することができる。

励起光Ｅの走査速度は、励起光Ｅの出力や混合粉末１の圧粉体厚み等に応じて適宜選択すればよく、例えば０．０１〜５０ｍｍ／ｓ、さらには０．１〜１０ｍｍ／ｓとすることができる。

なお、励起光Ｅの照射の照射時間を長くしたり、照射強度を強くすると、無機粉末及び蛍光体粉末が溶融一体化し、透明（可視域に対して透明）になる場合がある。当該透明箇所は基本的に波長変換しない。そこで、この現象を利用し、本発明の方法で波長変換部材を製造するに際し、波長変換部材の一部を透明化することにより、波長変換部が所望パターンで形成された波長変換部材を得ることも可能である。

図２は、本発明の他の実施形態に係る波長変換部材の製造方法を示す模式的斜視図である。本実施形態は、基板に形成された孔部に波長変換部材が配置されてなる波長変換素子を製造するための方法に関するものである。

まず、一方の主面の略中央部に孔部Ｈが形成された基板３を準備する。基板３としては特に限定されず、金属基板、カーボン基板、セラミック基板、またはセラミックと金属の複合体からなる基板等が挙げられる。本実施形態では孔部Ｈは有底孔部であるが、貫通孔であっても構わない。

孔部Ｈに、無機粉末と蛍光体粉末を含む混合粉末１を配置する。混合粉末１は圧粉体であっても構わない。混合粉末１に対し、光源２より蛍光体粉末の励起光Ｅを照射する。これにより、蛍光体粉末が発光するとともに熱を発生し、その熱によって無機粉末が軟化流動して混合粉末が焼結し無機マトリクスとなる。あるいは、無機粉末が溶融固化して無機マトリクスとなる。無機粉末が十分に軟化流動または溶融固化するように、必要に応じて光源２を前後左右に移動させてもよい。このようにして、基板３における孔部Ｈに波長変換部材が配置されてなる（例えば、波長変換部材が孔部Ｈの内壁に融着している）波長変換素子４を得ることができる。

以下、本発明について、具体的な実施例に基づいて、さらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

（実施例１）
ＹＡＧ蛍光体粉末とホウケイ酸ガラス粉末（軟化点８５０℃、平均粒子径２．７μｍ）を体積比で４．９：９５．１となるように混合した後、プレス金型でプレスすることにより円盤状の圧粉体（直径２０ｍｍ、厚み１ｍｍ）を作製した。圧粉体の表面に青色レーザー光（４４５ｎｍ）を出力６７０ｍＷで５秒間照射した。これにより、ガラス粉末が溶融固化し、ガラスマトリクス中に蛍光体粉末が分散してなる波長変換部材を得た。

（実施例２）
実施例１において、出力を１Ｗに変更してレーザー光の照射を行った。その結果、１秒間の照射でガラス粉末が溶融固化し、ガラスマトリクス中に蛍光体粉末が分散してなる波長変換部材を得た。

１混合粉末
２光源
３基板
４波長変換素子
Ｅ励起光
Ｓ走査経路
Ｈ孔部

Claims

無機マトリクス中に蛍光体粉末が分散してなる波長変換部材を製造するための方法であって、
無機粉末と蛍光体粉末を含む混合粉末に蛍光体粉末の励起光を照射し、蛍光体粉末から発生する熱を利用して無機粉末を焼結または溶融固化させることにより無機マトリクスを形成することを特徴とする波長変換部材の製造方法。
混合粉末が圧粉体であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換部材の製造方法。
無機粉末の軟化点が蛍光体粉末の軟化点より低いことを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換部材の製造方法。
無機粉末がガラス粉末であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の波長変換部材の製造方法。
蛍光体粉末が、酸化物蛍光体、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体、塩化物蛍光体、酸塩化物蛍光体、硫化物蛍光体、酸硫化物蛍光体、ハロゲン化物蛍光体、カルコゲン化物蛍光体、アルミン酸塩蛍光体、ハロリン酸塩化物蛍光体及びガーネット系化合物蛍光体から選択される少なくとも１種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波長変換部材の製造方法。
励起光の波長が２５０〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の波長変換部材の製造方法。
励起光がレーザー光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波長変換部材の製造方法。
励起光を集光して照射することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の波長変換部材の製造方法。
励起光を混合粉末に対して走査して照射することを特徴とする請求項１〜８のいずれか
に記載の波長変換部材の製造方法。