JP6989307B2 - セラミックス複合体、並びにこれを含むプロジェクター用蛍光体及び発光デバイス - Google Patents
セラミックス複合体、並びにこれを含むプロジェクター用蛍光体及び発光デバイス Download PDFInfo
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Description
本発明は、プロジェクター用光源に好適なセラミックス複合体に関する。
近年、プロジェクターを小型化するため、発光ダイオード（ＬＥＤ）と蛍光体とを用いた発光デバイスが提案されている。
特許文献１には、リング状の回転可能な透明基板の上に、リング状の蛍光体層と透明材料層を設けることにより作製されるプロジェクター用蛍光体ホイール及び発光デバイスが記載されている。さらに特許文献１には、前記蛍光体層として、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、ガーネット系化合物蛍光体から選ばれた１種以上の蛍光体及び透明材料層として、ホウ珪酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラスなどのガラスマトリクスが記載され、蛍光体の含有量が５〜８０体積％であることが記載されている。
しかしながら、特許文献１に記載された蛍光体層及び透明材料層では、熱伝導率の高い透明基板を用いることにより、蛍光体からの放熱を図っているが、蛍光体層に熱伝導率の低いガラスを使用しているため、放熱効果が不十分であり、蛍光体の発熱により、発光効率が低下する問題があった。
また、蛍光体の含有量が最大でも８０％と低いため、励起光を十分に吸収できず、変換効率にも課題がある。
また、蛍光体の含有量が最大でも８０％と低いため、励起光を十分に吸収できず、変換効率にも課題がある。
本発明は、プロジェクター用光源に好適なセラミックス複合体を提供することを課題とする。
本発明のセラミックス複合体は、Ｃｅを含有するＹＡＧからなる蛍光体相と、透光性セラミックスからなる散乱体相とを有する無機材料で構成された他の部材と接着されプロジェクター用蛍光体として用いられるセラミックス複合体であって、前記蛍光体相の含有量は９０ｖｏｌ％以上９９ｖｏｌ％以下であり、前記散乱体相の含有量は１ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下であり、この表面、裏面及び側面がいずれも、表面粗さ（Ｒａ）が０．０１μｍ以上０．３μｍ以下の非加工の焼成面であることを特徴とする。
本発明のセラミックス複合体は、Ｃｅを含有させたＢＡｌ5Ｏ12（ＢはＣｅを除く希土類元素から選ばれる少なくとも１種）からなる蛍光体相と、透光性セラミックスからなる散乱体相とを有する、無機材料で構成された他の部材と接着されプロジェクター用蛍光体として用いられるセラミックス複合体であって、前記蛍光体相の含有量は９０ｖｏｌ％以上９９ｖｏｌ％以下であり、前記散乱体相の含有量は１ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下であり、この表面、裏面及び側面がいずれも、表面粗さ（Ｒａ）が０．０１μｍ以上０．３μｍ以下の非加工の焼成面であることを特徴とする。
本発明のセラミックス複合体は、Ｃｅを含有させたＢＡｌ5Ｏ12（ＢはＣｅを除く希土類元素から選ばれる少なくとも１種）からなる蛍光体相と、透光性セラミックスからなる散乱体相とを有する、無機材料で構成された他の部材と接着されプロジェクター用蛍光体として用いられるセラミックス複合体であって、前記蛍光体相の含有量は９０ｖｏｌ％以上９９ｖｏｌ％以下であり、前記散乱体相の含有量は１ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下であり、この表面、裏面及び側面がいずれも、表面粗さ（Ｒａ）が０．０１μｍ以上０．３μｍ以下の非加工の焼成面であることを特徴とする。
前記セラミックス複合体は、前記蛍光体相の平均結晶粒径が１μｍ以上１５μｍ以下であり、前記散乱体相の平均結晶粒径が０．５μｍ以上２μｍ以下であり、かつ、前記散乱体相よりも前記蛍光体相の粒径が大きいことが好ましい。
本発明は、上記の構成を有することにより、発光効率の優れたセラミックス複合体を得ることができる。
本発明は、上記の構成を有することにより、発光効率の優れたセラミックス複合体を得ることができる。
前記セラミックス複合体の厚みは０．０５〜１ｍｍであることが好ましい。
本発明に係るセラミックス複合体は、青色光が照射された際、効率よく波長を変換でき、発光強度の損失を抑制することができる。よって、本発明のセラミックス複合体は、プロジェクター用蛍光体及び発光デバイスに好適に用いることができる。
本発明のセラミックス複合体について詳細に説明する。
本発明のセラミックス複合体は、Ｃｅを含有するＹＡＧ（以下「ＹＡＧ：Ｃｅ」という。）、または、Ｃｅを含有させたＢＡｌ5Ｏ12（ＢはＣｅを除く希土類元素から選ばれる少なくとも１種）からなる蛍光体相と、透光性セラミックスからなる散乱体相とを有し、無機材料で構成されている。
本発明のセラミックス複合体は、Ｃｅを含有するＹＡＧ（以下「ＹＡＧ：Ｃｅ」という。）、または、Ｃｅを含有させたＢＡｌ5Ｏ12（ＢはＣｅを除く希土類元素から選ばれる少なくとも１種）からなる蛍光体相と、透光性セラミックスからなる散乱体相とを有し、無機材料で構成されている。
前記セラミックス複合体において、散乱体相と蛍光体相との合計１００ｖｏｌ％中、蛍光体相の含有量は９０ｖｏｌ％以上９９ｖｏｌ％以下であり、好ましくは９５ｖｏｌ％以上９９ｖｏｌ％以下である。また、散乱体相と蛍光体相との合計１００ｖｏｌ％中、散乱体相の含有量は１ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下であり、好ましくは１ｖｏｌ％以上５ｖｏｌ％以下である。ただし、不可避不純物は、最大３００ｐｐｍまでは許容される。
散乱体相の含有量が１０ｖｏｌ％超である場合、蛍光体相の含有量が９０ｖｏｌ％未満と、相対的に少なくなるため、十分な発光効率が得られないことがある。一方、散乱体相の含有量が１ｖｏｌ％未満である場合、蛍光体相の含有量が９９ｖｏｌ％を超え、相当に多くなるため、蛍光体相内で励起光が伝搬しやすくなり、発光スポットサイズが大きくなり、集光可能な光量が低下する。
蛍光体相は、ＹＡＧ：ＣｅまたはＣｅを含有させたＢＡｌ5Ｏ12（ＢはＣｅを除く希土類元素から選ばれる少なくとも１種）からなる。前記ＢＡｌ5Ｏ12（ＢはＣｅを除く希土類元素から選ばれる少なくとも１種）の希土類元素は、特に限定されるものではないが、Ｙ、Ｌｕ、Ｇｄから選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。具体的には、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ、Ｙ2.9Ｇ0.1Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ、Ｌｕ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ、およびＬｕ1Ｙ2Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅであることがさらに好ましい。ＹＡＧ：ＣｅまたはＣｅを含有させたＢＡｌ5Ｏ12（ＢはＣｅを除く希土類元素から選ばれる少なくとも１種）におけるＣｅ含有量は、０．１ｍｏｌ％以上１ｍｏｌ％以下が好ましく、０．２ｍｏｌ％以上０．５ｍｏｌ％以下がより好ましい。ＹＡＧ：ＣｅまたはＣｅを含有させたＢＡｌ5Ｏ12（ＢはＣｅを除く希土類元素から選ばれる少なくとも１種）中のＣｅの含有量が、上記範囲であることにより、効率よく波長を変換でき、発光強度の損失を抑制することができる。
前記蛍光体相の平均結晶粒径は、１μｍ以上１５μｍ以下が好ましい。さらに前記蛍光体相の平均結晶粒径は、２μｍ以上５μｍ以下であることがより好ましい。この範囲にすることにより、十分な発光効率を有すると共に発光ムラがなく、機械的強度により優れた効果が得られる。
一方、前記散乱体相を構成する透光性セラミックスとは、蛍光体相が発する蛍光を透過させることができるセラミックスをいう。前記散乱体相の平均結晶粒径は、０．５μｍ以上２μｍ以下が好ましい。さらに前記散乱体相の平均結晶粒径は１μｍ以上１．５μｍ以下であることがより好ましい。
本発明のセラミックス複合体では、散乱体相よりも蛍光体相の方が、その粒径が大きいことが好ましい。散乱体相よりも蛍光体相の方が、粒径が大きい場合、励起光の散乱を大きくすることができる。
また、蛍光体相の結晶粒径、及び散乱体相の結晶粒径は、光散乱損失を防止する点で、それぞれ均一であることが好ましい。
また、散乱体相の結晶粒子同士は互いに隣接しておらず、セラミックス複合体中に点在していることが好ましい。
また、蛍光体相の結晶粒径、及び散乱体相の結晶粒径は、光散乱損失を防止する点で、それぞれ均一であることが好ましい。
また、散乱体相の結晶粒子同士は互いに隣接しておらず、セラミックス複合体中に点在していることが好ましい。
このような散乱体相には、例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＴｉＯ２、Ｙ2Ｏ3等が用いられる。これらのうち、熱伝導率、透明性、散乱性の面からＡｌ2Ｏ3が好ましい。また、散乱体相として、前記材料を用いることで、前記セラミックス複合体が、無機材料で構成されることとなり、長寿命化し、また、耐熱性、耐水性、及び成形性等に優れる。
このようなセラミックス複合体は、公知の方法により、製造することができる。例えば、スプレー造粒法により、製造することができる。焼成温度は、１５００〜１８００℃であり、焼成時間は、３０〜１８０分である。
得られるセラミックス複合体は、その厚みが０．０５〜１ｍｍが好ましい。セラミックス複合体の厚みが０．０５ｍｍ未満であると、ＹＡＧ：ＣｅまたはＣｅを含有させたＢＡｌ5Ｏ12（ＢはＣｅを除く希土類元素から選ばれる少なくとも１種）による青色光の波長変換が不十分となり、黄色光が得られ難くなる恐れがあり、一方、厚みが１ｍｍを超えると蛍光体内部での発光を取り出しにくく、発光効率が低下する恐れがある。さらにセラミックス複合体の厚みが０．１〜０．５ｍｍであることがより好ましい。この範囲であることより、発光効率がさらに優れる。
前記セラミックス複合体は、その表面、裏面及び側面がいずれも、非加工面であることが好ましい。つまり、前記セラミックス複合体では、その表面、裏面及び側面のいずれも、研磨等の加工が施されず、焼成面のままであることが好ましい。具体的には、前記セラミックス複合体の表面、裏面及び側面の表面粗さ（Ｒａ）は、０．０１μｍ以上０．３μｍ以下が好ましい。さらに前記セラミックス複合体の表面、裏面及び側面の表面粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以上０．２μｍ以下であることがより好ましい。この範囲であることにより、光の透過率を低下させることなくより発光強度が優れる。
また、前記セラミックス複合体の表面、裏面及び側面が非加工面であることにより、該セラミックス複合体を用いて蛍光体又はプロジェクターを作製するに際して、セラミックス複合体表面の微細な凹凸に接着剤等が入り込むために、アンカー効果により、他の部材と機械的に強く結合することができる。
本発明のプロジェクター用蛍光体は、セラミックス複合体からなる蛍光体層を有する。具体的には、前記プロジェクター用蛍光体は、サファイア等の透明基板と、前記セラミック複合体からなる蛍光体層と、反射膜とをこの順に備える構造を有することが好ましい。前記透明基板は、通常リング形状を有しており、光源から照射される励起光を透過させるものであれば制限なく、種々の材料が用いられる。前記セラミック複合体からなる蛍光体層も、前記透明基板の形状に合わせるため、リング形状となる。前記反射膜には、例えば、銀、アルミニウム、及び白金等の金属反射膜、又は誘電体多孔膜が用いられる。
本発明のプロジェクター用発光デバイスは前記プロジェクター用蛍光体と、該蛍光体の蛍光体層に励起光を照射する光源とを備える。前記光源には、例えば、ＬＥＤ光源が挙げられる。
以上のとおり、本発明のセラミックス複合体は、黄色光（発光ピーク波長５３０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下）を生成するため、前記したプロジェクター用蛍蛍光体又は発光デバイスに好適に用いられる。
以下、本発明を実施例に基づき、さらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
［実施例１〜３、５および６、参考例１、比較例２］
平均粒径０．５μｍで純度９９．９％の酸化セリウム粉末、純度９９．９％、所定粒子径の酸化イットリウム粉末、純度９９．９％、所定粒子径の酸化アルミニウム粉末を表１に示す所定量で配合し、原料粉末を得た。
前記原料粉末に対してエタノール、ＰＶＢ系バインダー、およびグリセリン系可塑剤を添加し、酸化アルミニウムボールを用いたボールミルによって１０時間粉砕混合を行い、スラリーを作製した。
そして、得られたスラリーから、ドクターブレード法により、焼結後に表１に示す所定厚みとなるようにグリーンシートを作製した。次に、作製したグリーンシートを口１００ｍｍに打ち抜き加工した後、大気中で脱脂仮焼、真空雰囲気下で焼結し、多結晶セラミックス複合体の焼結体を得た。
平均粒径０．５μｍで純度９９．９％の酸化セリウム粉末、純度９９．９％、所定粒子径の酸化イットリウム粉末、純度９９．９％、所定粒子径の酸化アルミニウム粉末を表１に示す所定量で配合し、原料粉末を得た。
前記原料粉末に対してエタノール、ＰＶＢ系バインダー、およびグリセリン系可塑剤を添加し、酸化アルミニウムボールを用いたボールミルによって１０時間粉砕混合を行い、スラリーを作製した。
そして、得られたスラリーから、ドクターブレード法により、焼結後に表１に示す所定厚みとなるようにグリーンシートを作製した。次に、作製したグリーンシートを口１００ｍｍに打ち抜き加工した後、大気中で脱脂仮焼、真空雰囲気下で焼結し、多結晶セラミックス複合体の焼結体を得た。
得られた焼結体に対して、アルキメデス法により嵩密度（ＪＩＳ Ｃ ２１４１：１９９２）を測定後、その一部を粉砕し、乾式自動密度計（島津製作所製アキュピク１３３０）にて、真密度を測定した。また、一部を洗浄後、Ｙ、Ａｌ、Ｃｅ濃度をＩＣＰ発光分光分析法にて測定した。また、一部を粉末Ｘ線回析により、結晶相を調査した。焼結体の密度、Ｙ濃度、Ａｌ濃度、Ｃｅ濃度、結晶相の測定結果をもとに複合体中のＹＡＧ：Ｃｅ含有量および散乱体相のＡｌ2Ｏ3を計算した。このときＹＡＧ：Ｃｅ、Ａｌ2Ｏ3の密度はそれぞれ４．５５ｇ／ｃｍ3、３．９９ｇ／ｃｍ3として計算に使用した。また、得られた焼結体の表面をインターセプト法により、蛍光体相および散乱体相の平均結晶粒径を測定した。
また、得られた焼結体の背面にＡｌ反射膜を蒸着した後、正面側から１Ｗの４５０ｎｍの青色ＬＤ光を照射した。このとき、正面側に変換された蛍光の発光スペクトルを積分球にて集光後、分光器（オーシャンオプティクス社製「ＵＳＢ４０００ ファイバマルチチャンネル分光器」）にて測定した。
得られたスペクトルから４８０ｎｍ〜８００ｎｍの発光強度を算出した。発光強度は市販ホウ珪酸ガラス中にＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体（三菱化学社製「Ｐ４６−Ｙ３」）を封止したものの測定結果を１００とした。
結果を表１に示す。
得られたスペクトルから４８０ｎｍ〜８００ｎｍの発光強度を算出した。発光強度は市販ホウ珪酸ガラス中にＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体（三菱化学社製「Ｐ４６−Ｙ３」）を封止したものの測定結果を１００とした。
結果を表１に示す。
［比較例１］
実施例１において、酸化アルミニウム粉末を用いなかったこと以外は、実施例１と同様にして、多結晶セラミックス複合体の焼結体を得た。実施例１と同様にして、蛍光体相および散乱体相の平均結晶粒径を測定し、発光強度を算出した。
実施例１において、酸化アルミニウム粉末を用いなかったこと以外は、実施例１と同様にして、多結晶セラミックス複合体の焼結体を得た。実施例１と同様にして、蛍光体相および散乱体相の平均結晶粒径を測定し、発光強度を算出した。
［参考例２］
実施例１において、酸化セリウム粉末、酸化イットリウム粉末および酸化アルミニウム粉末に加えて、純度９９．９％の酸化ガドリニウムを所定量で配合したこと以外は、実施例１と同様にして、多結晶セラミックス複合体の焼結体を得た。実施例１と同様にして、蛍光体相および散乱体相の平均結晶粒径を測定し、発光強度を算出した。このときＹ2.9Ｇｄ0.1Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅの密度は、４．６１ｇ／ｃｍ3として計算に使用した。
実施例１において、酸化セリウム粉末、酸化イットリウム粉末および酸化アルミニウム粉末に加えて、純度９９．９％の酸化ガドリニウムを所定量で配合したこと以外は、実施例１と同様にして、多結晶セラミックス複合体の焼結体を得た。実施例１と同様にして、蛍光体相および散乱体相の平均結晶粒径を測定し、発光強度を算出した。このときＹ2.9Ｇｄ0.1Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅの密度は、４．６１ｇ／ｃｍ3として計算に使用した。
［参考例３］
実施例１において、酸化イットリウム粉末に代えて、純度９９．９％の酸化ルテチウムを所定量で配合したこと以外は、実施例１と同様にして、多結晶セラミックス複合体の焼結体を得た。実施例１と同様にして、蛍光体相および散乱体相の平均結晶粒径を測定し、発光強度を算出した。このときＬｕ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅの密度は、６．７０ｇ／ｃｍ3として計算に使用した。
実施例１において、酸化イットリウム粉末に代えて、純度９９．９％の酸化ルテチウムを所定量で配合したこと以外は、実施例１と同様にして、多結晶セラミックス複合体の焼結体を得た。実施例１と同様にして、蛍光体相および散乱体相の平均結晶粒径を測定し、発光強度を算出した。このときＬｕ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅの密度は、６．７０ｇ／ｃｍ3として計算に使用した。
［参考例４］
実施例１において、酸化セリウム粉末、酸化イットリウム粉末および酸化アルミニウム粉末に加えて、純度９９．９％の酸化ルテチウムを所定量で配合したこと以外は、実施例１と同様にして、多結晶セラミックス複合体の焼結体を得た。実施例１と同様にして、蛍光体相および散乱体相の平均結晶粒径を測定し、発光強度を算出した。このときＬｕ1Ｙ2Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅの密度は、５．２７ｇ／ｃｍ3として計算に使用した。
実施例１において、酸化セリウム粉末、酸化イットリウム粉末および酸化アルミニウム粉末に加えて、純度９９．９％の酸化ルテチウムを所定量で配合したこと以外は、実施例１と同様にして、多結晶セラミックス複合体の焼結体を得た。実施例１と同様にして、蛍光体相および散乱体相の平均結晶粒径を測定し、発光強度を算出した。このときＬｕ1Ｙ2Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅの密度は、５．２７ｇ／ｃｍ3として計算に使用した。
実施例１〜３、５、６および１０〜１２、参考例１〜４ならびに比較例１、２の結果を表１に示す。
Claims (2)
- Ｃｅを含有するＹＡＧからなる蛍光体相と、Ａｌ ２ Ｏ ３ からなる散乱体相とを有する無機材料で構成され、シートから打ち抜きし焼結後の厚みが０．１〜０．５ｍｍのプロジェクター用蛍光体として用いられるセラミックス複合体であって、
前記蛍光体相の含有量は９０ｖｏｌ％以上９９ｖｏｌ％以下であり、
前記散乱体相の含有量は１ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下であり、
この表面、裏面及び側面がいずれも非加工面であり、前記蛍光体相の平均結晶粒径が１μｍ以上１５μｍ以下であり、前記散乱体相の平均結晶粒径が０．５μｍ以上２μｍ以下であり、
かつ、前記散乱体相よりも前記蛍光体相の粒径が大きい
ことを特徴とするセラミックス複合体。 - Ｃｅを含有するＹＡＧからなる蛍光体相と、Ａｌ ２ Ｏ ３ からなる散乱体相とを有する無機材料で構成され、シートから打ち抜きし焼結後の厚みが０．０５〜０．３ｍｍのプロジェクター用蛍光体として用いられるセラミックス複合体であって、
前記蛍光体相の含有量は９０ｖｏｌ％以上９９ｖｏｌ％以下であり、
前記散乱体相の含有量は１ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下であり、
この表面、裏面及び側面がいずれも非加工面であり、前記蛍光体相の平均結晶粒径が２．４μｍ以上１５μｍ以下であり、
前記散乱体相の平均結晶粒径が１．２μｍ以上２．０μｍ以下であり、
かつ、前記散乱体相よりも前記蛍光体相の粒径が大きい
ことを特徴とするセラミックス複合体。
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