JP7170235B2 - Wavelength conversion member - Google Patents
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Description
本発明は、波長変換部材に関する。 The present invention relates to wavelength conversion members.
従来より、蛍光体を含む波長変換部材と、当該蛍光体を励起するレーザー光とを組み合わせてなる発光装置が知られている。当該発光装置は、固体照明の小型化及び高出力化を可能にする装置として期待されている。このような波長変換部材としては、励起光の照射により発光する蛍光体粒子と、当該蛍光体粒子を保持するバインダーから構成される波長変換体を備えるものが知られている。具体的には、シリコーン樹脂に蛍光体を充填させた波長変換体が知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a light-emitting device is known in which a wavelength conversion member containing a phosphor and a laser beam that excites the phosphor are combined. The light-emitting device is expected as a device that enables downsizing and high output of solid-state lighting. As such a wavelength conversion member, there is known one that includes a wavelength conversion body composed of phosphor particles that emit light when irradiated with excitation light and a binder that holds the phosphor particles. Specifically, a wavelength converter is known in which a silicone resin is filled with a phosphor.
近年、発光装置の更なる高出力化が求められていることから、波長変換部材には、レーザー光などのハイパワーな励起光が照射されるようになってきている。しかし、シリコーン樹脂などの有機バインダーは、耐熱性及び放熱性に乏しい。このため、有機バインダーを含む波長変換部材にハイパワーな励起光が照射されると、バインダーを構成する有機物に変色や焦げが発生して光の透過性が低下し、波長変換部材の光出力効率が悪化してしまう。また、有機バインダーを含む波長変換部材にハイパワーな励起光が照射されると、有機物の熱伝導率が通常1W/m・K未満と低いことから、波長変換部材は発熱してしまう。これにより、有機バインダーを含む波長変換部材は、蛍光体の温度消光が発生しやすいという問題がある。 2. Description of the Related Art In recent years, due to the demand for higher output of light emitting devices, wavelength conversion members are being irradiated with high-power excitation light such as laser light. However, organic binders such as silicone resins are poor in heat resistance and heat dissipation. Therefore, when a wavelength conversion member containing an organic binder is irradiated with high-power excitation light, discoloration or scorching occurs in the organic matter that constitutes the binder, resulting in a decrease in light transmittance and light output efficiency of the wavelength conversion member. gets worse. Further, when a wavelength conversion member containing an organic binder is irradiated with high-power excitation light, the wavelength conversion member generates heat because the thermal conductivity of the organic matter is generally less than 1 W/m·K. As a result, the wavelength conversion member containing an organic binder has a problem that temperature quenching of the phosphor tends to occur.
そのため、特許文献1では、無機蛍光体粒子及び易焼結性セラミック粒子を含有し、無機蛍光体粒子間に易焼結性セラミック粒子が介在しており、かつ、無機蛍光体粒子が易焼結性セラミック粒子により結着されている波長変換部材が開示されている。また、易焼結性セラミック粒子が、易焼結性アルミナ粒子であることも開示されている。そして、特許文献1では、易焼結性セラミック粒子はガラスなどと比較して熱伝導性に優れているため、無機蛍光体粒子で発生した熱を効率よく外部に放出し、蛍光体の温度消光を生じ難くすることできると記載されている。
Therefore, in
しかしながら、特許文献1の波長変換部材では、無機蛍光体粒子が易焼結性セラミック粒子により結着されていることから、無機蛍光体粒子と易焼結性セラミック粒子は互いに点接触の状態になっている。そのため、たとえ易焼結性セラミック粒子を用いたとしても、無機蛍光体粒子と易焼結性セラミック粒子との間の接触面積が小さく、熱伝導パスが十分に形成されないことから、波長変換部材の放熱性が不十分となる場合があった。そして、このような波長変換部材にハイパワーな励起光が照射された際には、蛍光体の温度消光を十分に抑制できないという問題があった。
However, in the wavelength conversion member of
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的は、ハイパワーな励起光が照射された場合でも放熱性に優れ、蛍光体の温度消光を抑制することが可能な波長変換部材を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art. It is another object of the present invention to provide a wavelength conversion member that is excellent in heat dissipation even when irradiated with high-power excitation light and capable of suppressing temperature quenching of phosphors.
上記課題を解決するために、本発明の態様に係る波長変換部材は、複数の蛍光体粒子と、複数の無機粒子と、を含み、蛍光体粒子の表面には、非晶質の無機化合物を含むアモルファス部を有する。無機粒子及びアモルファス部は同じ金属元素を含有し、金属元素はアルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、卑金属及び半金属からなる群より選ばれる少なくとも一つである。 In order to solve the above problems, a wavelength conversion member according to an aspect of the present invention includes a plurality of phosphor particles and a plurality of inorganic particles, and an amorphous inorganic compound is coated on the surface of the phosphor particles. It has an amorphous part containing The inorganic particles and the amorphous portion contain the same metal element, and the metal element is at least one selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, transition metals, base metals and semimetals.
以下、本実施形態に係る波長変換部材について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, the wavelength conversion member according to this embodiment will be described in detail. Note that the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may differ from the actual ratios.
[波長変換部材]
本実施形態の波長変換部材1は、図1に示すように、入射光を波長変換する部材である波長変換体10を備えている。波長変換体10は、入射光を波長変換する複数の蛍光体粒子20と、蛍光体粒子20同士を連結するバインダー層30とを有する。波長変換体10の内部で分散している蛍光体粒子20は、入射光(励起光)により励起されて、入射光よりも長波長の光を放射する。そのため、波長変換体10は、蛍光体粒子20の作用により、入射光を波長変換する作用を発現する。[Wavelength conversion member]
As shown in FIG. 1, the
図1に示す波長変換体10では、個々の蛍光体粒子20の表面全体がバインダー層30で被覆されている。しかしながら、本実施形態はこのような態様に限定されず、バインダー層30は、少なくとも隣接する蛍光体粒子20同士を連結するように形成されていればよい。このため、図1に示す波長変換体10以外の実施形態として、個々の蛍光体粒子20における表面の一部がバインダー層30で被覆されずに露出していてもよい。
In the
(蛍光体粒子)
波長変換部材1に含まれる蛍光体粒子20は、この蛍光体粒子20の励起波長域の光(励起光)を吸収して、励起光よりも長波長の光(変換光)を放射する。蛍光体粒子20は、適宜の蛍光体から形成される粒子であればよい。(Phosphor particles)
The
蛍光体が発する光に基づけば、蛍光体の例としては、CaAlSiN3:Eu2+、(Ca、Sr)AlSiN3:Eu2+、CaS:Eu2+、(Ca、Sr)2Si5N8:Eu2+などの赤色蛍光体が挙げられる。また、CaSc2O4:Ce3+、Ca3Sc2Si3O12:Ce3+、(Ca、Sr、Ba)Al2O4:Eu2+、SrGa2S4:Eu2+などの緑色蛍光体も挙げられる。Y3Al5O12:Ce3+、(Ca、Sr、Ba、Zn)2SiO4:Eu2+などの黄色蛍光体、(Ba、Sr)2SiO4:Eu2+などの黄緑色蛍光体も挙げられる。さらに、Sr3SiO5:Eu2+、Ca0.7Sr0.3AlSiN3:Eu2+などの橙色蛍光体も挙げられる。Based on the light emitted by the phosphors, examples of phosphors include CaAlSiN 3 :Eu 2+ , (Ca,Sr)AlSiN 3 :Eu 2+ , CaS:Eu 2+ , (Ca,Sr) 2 Si 5 N 8 :Eu red phosphors such as 2+ . Also green phosphors such as CaSc2O4 : Ce3 + , Ca3Sc2Si3O12 : Ce3 + , ( Ca , Sr, Ba) Al2O4 : Eu2 + , SrGa2S4 : Eu2 + mentioned. Y 3 Al 5 O 12 :Ce 3+ , (Ca, Sr, Ba, Zn) 2 SiO 4 :Eu 2+ and other yellow phosphors, and (Ba, Sr) 2 SiO 4 :Eu 2+ and other yellow-green phosphors. be done. Further examples include orange phosphors such as Sr3SiO5 : Eu2 + and Ca0.7Sr0.3AlSiN3 : Eu2 + .
また、蛍光体の化合物の系統に基づけば、蛍光体の例としては、(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce、(Ca,Sr,Ba)2SiO4:Eu、Li2SrSiO4:Eu、(Ba,Sr)3SiO5:Euなどの酸化物蛍光体が挙げられる。また、Ca3Sc2Si3O12:Ce、SrAl2O4:Eu、Tb3Al5O12:Ce、BAM:Eu、BAM:Mn,Eu、(Mg,Ca,Sr,Ba)10(PO4)6Cl2:Eu、Sr5(PO4)3Cl:Euなどの酸化物蛍光体も挙げられる。さらに、ZnS:Cu,Al、CaGa2S4:Eu、SrGa2S4:Eu、BaGa2S4:Eu、Ca(Ga,Al,In)2S4:Eu、Sr(Ga,Al,In)2S4:Eu、Ba(Ga,Al,In)2S4:Euなどの硫化物蛍光体も挙げられる。Y2O2S:Eu、La2O2S:Euなどの酸硫化物蛍光体も挙げられる。CaSi2O2N2:Eu、SrSi2O2N2:Eu、BaSi2O2N2:Eu、(Ca,Ba)Si2O2N2:Eu、(Sr,Ba)Si2O2N2:Eu、(Ca,Sr)Si2O2N2:Euなどの窒化物系または酸窒化物系の蛍光体も挙げられる。Further, based on the compound system of phosphors, examples of phosphors include (Y, Gd) 3 (Al, Ga) 5 O 12 : Ce, (Ca, Sr, Ba) 2 SiO 4 : Eu, Li 2 SrSiO 4 :Eu, (Ba, Sr) 3 SiO 5 :Eu and other oxide phosphors. Also , Ca3Sc2Si3O12 :Ce, SrAl2O4 :Eu , Tb3Al5O12 :Ce, BAM :Eu, BAM:Mn, Eu, ( Mg, Ca, Sr , Ba) 10 ( Oxide phosphors such as PO 4 ) 6 Cl 2 :Eu and Sr 5 (PO 4 ) 3 Cl:Eu are also included. Furthermore, ZnS:Cu,Al, CaGa2S4 :Eu, SrGa2S4 :Eu, BaGa2S4 :Eu, Ca ( Ga,Al, In ) 2S4 :Eu, Sr ( Ga,Al, In ) 2 S 4 :Eu, Ba(Ga, Al, In) 2 S 4 :Eu and other sulfide phosphors. Oxysulfide phosphors such as Y 2 O 2 S:Eu and La 2 O 2 S:Eu are also included. CaSi2O2N2 :Eu, SrSi2O2N2 : Eu , BaSi2O2N2 : Eu , ( Ca , Ba ) Si2O2N2 : Eu , ( Sr , Ba ) Si2O2 Nitride-based or oxynitride-based phosphors such as N 2 :Eu and (Ca, Sr)Si 2 O 2 N 2 :Eu can also be used.
蛍光体粒子20は、ガーネット(柘榴石)の結晶構造を持つ酸化物蛍光体からなることが好ましい。ガーネット化合物は、化学的に安定であり、かつ、常圧の大気中での取り扱いが容易である。さらに、ガーネット化合物の蛍光体粒子は、多面体形状を持つ単分散粒子、または多面体に近い形状を持つ単分散粒子とすることが容易である。このため、蛍光体の充填率が大きく、かつ、透光性に優れる波長変換体10を得ることが可能となる。
The
蛍光体粒子20の粒子径は特に制限されないが、蛍光体粒子20の平均粒子径が大きい方が蛍光体粒子20中の欠陥密度が小さくなって、発光時のエネルギー損失が少なくなり、発光効率が高くなる。このため、発光効率を向上させる観点からは、蛍光体粒子20の平均粒子径は1μm以上100μm以下であることが好ましく、1μm以上30μm以下であれば更に好ましい。なお、本明細書において、「平均粒子径」の値としては、特に言及のない限り、走査型電子顕微鏡(SEM)又は透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数~数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用する。
The particle diameter of the
(バインダー層)
波長変換部材1に含まれるバインダー層30は、図2に示すように、隣接する蛍光体粒子20同士を連結している。バインダー層30は複数の無機粒子31を含有し、さらに無機粒子31は互いに接触していることが好ましい。これにより、無機粒子31の間の分子間力等により蛍光体粒子20を連結し、蛍光体粒子20を固定することが可能となる。(binder layer)
As shown in FIG. 2, the
無機粒子31は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、卑金属及び半金属からなる群より選ばれる少なくとも一つの金属元素を含有している。本明細書において、アルカリ土類金属は、カルシウム、ストロンチウム、バリウム及びラジウムに加えて、ベリリウム及びマグネシウムを包含する。卑金属は、アルミニウム、亜鉛、ガリウム、カドミウム、インジウム、すず、水銀、タリウム、鉛、ビスマス及びポロニウムを包含する。半金属は、ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン及びテルルを包含する。この中でも、無機粒子31は、亜鉛及びマグネシウムの少なくとも一方の金属元素を含有していることが好ましい。これらの金属元素を含有する無機粒子31は、後述するように、加圧加熱法により、無機粒子31に由来するアモルファス部32を容易に形成することが可能となる。
The
無機粒子31は、上記金属元素の酸化物及び窒化物の少なくとも一方を含有することが好ましく、上記金属元素の酸化物及び窒化物の少なくとも一方を主成分として含有することがより好ましい。つまり、無機粒子31は、上記金属元素の酸化物及び窒化物の少なくとも一方を50mol%以上含有することが好ましく、80mol%以上含有することがより好ましい。上記金属元素の酸化物及び窒化物は熱伝導性が高いことから、これらを含む無機粒子31を用いることで、バインダー層30の熱伝導性を高め、波長変換部材1の放熱性を向上させることが可能となる。
The
無機粒子31は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、卑金属及び半金属からなる群より選ばれる少なくとも一つの金属元素を含有する結晶質の粒子であることが好ましい。また、無機粒子31は、上記金属元素の酸化物及び窒化物の少なくとも一方を含有する結晶質の粒子であることが好ましく、上記金属元素の酸化物及び窒化物の少なくとも一方を主成分とする結晶質の粒子であることがより好ましい。
The
無機粒子31の平均粒子径は特に限定されないが、蛍光体粒子20の平均粒子径よりも小さいことが好ましい。また、無機粒子31の平均粒子径は300nm以上30μm以下であることがより好ましく、300nm以上10μm以下であることがさらに好ましく、300nm以上5μm以下であることが特に好ましい。無機粒子31の平均粒子径が300nm以上であることにより、無機粒子31同士が接触し、熱伝導パスが形成され易くなることから、波長変換部材1の放熱性を高めることが可能となる。また、無機粒子31の平均粒子径がこの範囲内であることにより、蛍光体粒子20同士を強固に連結し、波長変換部材1の強度を高めることができる。
Although the average particle size of the
無機粒子31の形状は特に限定されないが、例えば球状とすることができる。また、無機粒子31は、ウィスカー状(針状)の粒子、又は鱗片状の粒子であってもよい。ウィスカー状粒子又は鱗片状粒子は、球状粒子と比べて他の粒子との接触性が高まり、熱伝導性が向上しやすい。そのため、無機粒子31としてこのような形状の粒子を用いることにより、バインダー層30の放熱性を高めることが可能となる。なお、ウィスカー状の無機粒子31としては、例えば、窒化アルミニウム(AlN)、酸化亜鉛(ZnO)及び酸化アルミニウム(Al2O3)からなる群より選ばれる少なくとも一つを含有する粒子を用いることができる。また、鱗片状の無機粒子31としては、例えば、窒化ホウ素(BN)を含有する粒子を用いることができる。The shape of the
ここで、波長変換部材において、特許文献1のようにバインダー層が複数の無機粒子のみからなる場合、無機粒子と蛍光体粒子、及び無機粒子同士は、互いに点接触の状態となることから、熱伝導パスが十分に形成されない。その結果、波長変換部材の放熱性が不十分となり、蛍光体の温度消光を十分に抑制できない場合がある。そのため、本実施形態の波長変換部材1では、蛍光体粒子20の表面に、非晶質の無機化合物を含むアモルファス部32を備えている。アモルファス部32は無機物からなり、熱伝導性に優れる。そのため、蛍光体粒子20の表面にアモルファス部32を設けることにより、蛍光体粒子20から無機粒子31に至る熱伝導パスが増加することから、バインダー層30の放熱性が高まり、蛍光体粒子20の温度消光を抑制することが可能となる。
Here, in the wavelength conversion member, when the binder layer is composed of only a plurality of inorganic particles as in
より詳細に説明すると、波長変換部材1において、バインダー層30は、複数の無機粒子31と、非晶質の無機化合物を含むアモルファス部32とを備えている。そして、図2に示すように、無機粒子31は、隣接する蛍光体粒子20の間に介在し、蛍光体粒子20を連結している。無機粒子31は互いに接触していることが好ましいが、隣接する無機粒子31同士が接触せず、それらの間にアモルファス部32が介在していてもよい。アモルファス部32は、少なくとも蛍光体粒子20の表面に接触するように存在することが好ましく、さらに蛍光体粒子20と無機粒子31との間、並びに隣接する無機粒子31の間にも存在することがより好ましい。これにより、バインダー層30において、無機粒子31とアモルファス部32の両方が熱伝導パスとなる。このため、高密度光での励起に伴い生じる蛍光体粒子20からの熱が、無機粒子31とアモルファス部32の両方を通じて波長変換体10の外部に効率よく放散される。その結果、波長変換体10全体の温度上昇が生じ難くなることから、蛍光体粒子20の温度消光が抑制され、高出力の発光を得ることが可能となる。
More specifically, in the
アモルファス部32は、非晶質の無機化合物を含むことが好ましい。具体的には、アモルファス部32は、非晶質の無機化合物のみからなる部位であってもよく、非晶質の無機化合物と結晶質の無機化合物とが混在してなる部位であってもよい。また、アモルファス部32は、非晶質の無機化合物の内部に結晶質の無機化合物が分散した部位であってもよい。非晶質の無機化合物と結晶質の無機化合物とが混在している場合、非晶質の無機化合物と結晶質の無機化合物とは、同じ化学組成を有していてもよく、互いに異なる化学組成を有していてもよい。
The
無機粒子31及びアモルファス部32は同じ金属元素を含有し、当該金属元素はアルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、卑金属及び半金属からなる群より選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。つまり、無機粒子31を構成する無機化合物と、アモルファス部32を構成する非晶質の無機化合物は、少なくとも同じ金属元素を含有している。しかし、無機粒子31を構成する無機化合物と、アモルファス部32を構成する非晶質の無機化合物は化学組成が同じであってもよく、または化学組成が異なっていてもよい。具体的には、金属元素が亜鉛である場合、無機粒子31を構成する無機化合物とアモルファス部32を構成する非晶質の無機化合物は、両方とも酸化亜鉛(ZnO)であってもよい。または、無機粒子31を構成する無機化合物がZnOであるが、アモルファス部32を構成する非晶質の無機化合物はZnO以外の亜鉛含有酸化物であってもよい。
The
なお、アモルファス部32が非晶質の無機化合物と結晶質の無機化合物とが混在してなる部位の場合、非晶質の無機化合物と結晶質の無機化合物は化学組成が同じであってもよく、また化学組成が互いに異なっていてもよい。
When the
波長変換部材1において、無機粒子31及びアモルファス部32は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、卑金属及び半金属からなる群より選ばれる少なくとも一つの金属元素の酸化物を含有することが好ましい。このような金属元素の酸化物は、熱伝導性が高いことから、バインダー層30の放熱性を高め、蛍光体粒子20の温度消光を抑制することが可能となる。
In the
無機粒子31及びアモルファス部32の両方に含まれる金属元素の酸化物は、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、並びに酸化亜鉛と酸化マグネシウムとの複合体からなる群より選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。これらの金属元素の酸化物は、熱伝導性がより高いことから、バインダー層30の放熱性を向上させることが可能となる。また、後述するように、これらの金属元素の酸化物を用いることにより、簡易な方法でアモルファス部32を形成することが可能となる。
The metal element oxide contained in both the
波長変換部材1において、無機粒子31及びアモルファス部32は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、卑金属及び半金属からなる群より選ばれる少なくとも一つの金属元素の窒化物を含有していてもよい。これらの金属元素の窒化物も熱伝導性が高いことから、バインダー層30の放熱性を向上させることが可能となる。無機粒子31及びアモルファス部32の両方に含まれる金属元素の窒化物としては、窒化ホウ素(BN)を挙げることができる。
In the
上述のように、本実施形態において、無機粒子31及びアモルファス部32は同じ金属元素を含有している。しかしながら、アモルファス部32は、無機粒子31に含まれていない金属元素を含有していてもよい。具体的には、無機粒子31が酸化亜鉛(ZnO)からなる場合、アモルファス部32は少なくとも亜鉛の酸化物が含まれている。しかしながら、アモルファス部32は亜鉛の酸化物以外に、ケイ素が含まれていてもよい。このケイ素の混入経路は特に限定されないが、例えば製造時に不純物として混入し、アモルファス部32に偏析したものであってもよい。アモルファス部32が無機粒子31に含まれていない金属元素を含有している場合でも、アモルファス部32は無機化合物からなり、高い熱伝導性を有していることから、バインダー層30の放熱性を高めることが可能となる。
As described above, in this embodiment, the
無機粒子31が酸化亜鉛からなり、アモルファス部32が亜鉛の酸化物及びケイ素を含む場合、当該ケイ素は酸化物として含まれていることが好ましい。また、ケイ素の酸化物は結晶質であってもよく、非晶質であってもよい。
When the
上述のように、有機物は熱伝導性が低いため、バインダー層30に有機物が含まれる場合、蛍光体の温度消光が発生してしまう可能性がある。また、有機物にハイパワーな励起光が照射されると、有機物の変色や焦げが発生し、波長変換部材の光出力効率が低下する可能性がある。そのため、アモルファス部32は、無機化合物からなることが好ましく、有機物は可能な限り含まれていないことが好ましい。ただ、アモルファス部32には、熱伝導性に影響を与えない不純物程度の有機物が含まれていてもよい。
As described above, organic substances have low thermal conductivity, so if the
図1に示す波長変換部材1は、波長変換体10のみで入射光を波長変換できることから、波長変換体10単独で発光装置に用いることができる。ただ、図3に示すように、本実施形態の波長変換部材1Aは、波長変換体10と、波長変換体10を支持する基板40とを備えることが好ましい。基板40を用いることにより、波長変換体10の機械的な耐久性を高めることが可能となる。また、基板40を用いることにより、高密度光での励起に伴い生じる波長変換体10の熱を、基板40を通じて効率よく外部に放散できる。そのため、蛍光体粒子20の温度消光を抑制し、高出力の発光を得ることが可能となる。
Since the
基板40は、波長変換体10を構成するバインダー層30と固着することにより、波長変換体10と密着することができる。そのため、図3に示すように、波長変換体10は、基板40の表面に直接的に設けられていてもよい。また、波長変換体10は、基板40の表面に間接的に設けられていてもよい。例えば、基板40と波長変換体10との間に、基板40との密着性に優れるとともに波長変換体10と固着する部材を備えたものとすることができる。このような部材としては、例えば、金属薄膜、酸化物薄膜、又はこれらの組み合わせからなる部材を用いることができる。
The
基板40は、波長変換体10を支持することが可能ならば特に限定されないが、例えば、透明基板、金属基板及びセラミック基板からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。透明基板としては、ガラス基板を挙げることができる。金属基板としては、銅基板又はステンレス鋼基板を挙げることができる。セラミック基板としては、サファイア基板又は窒化アルミニウム基板を挙げることができる。基板40が金属基板からなる場合、金属基板は一般的に熱伝導性が高いことから、波長変換体10で発生した熱を効率よく放散することが可能となる。また、基板40がセラミック基板からなる場合、基板40と波長変換体10との間の熱膨張係数の差が小さくなることから、基板40から波長変換体10が剥離し難くなる。なお、セラミック基板のうち、サファイア基板及び窒化アルミニウム基板は耐熱性が高いため、より好ましい。
The
波長変換部材1,1Aにおいて、波長変換体10の厚さは特に限定されないが、例えば40μm~400μmであることが好ましく、80μm~200μmであることが好ましい。波長変換体10の厚さが上記範囲内であると、放熱性を比較的高く維持することができる。
In the
このように、本実施形態に係る波長変換部材1,1Aは、複数の蛍光体粒子20と、複数の無機粒子31とを含む。蛍光体粒子20の表面には、非晶質の無機化合物を含むアモルファス部32を有する。無機粒子31及びアモルファス部32は同じ金属元素を含有し、当該金属元素はアルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、卑金属及び半金属からなる群より選ばれる少なくとも一つである。無機粒子31とアモルファス部32は共に無機化合物を含有することから、高い熱伝導性を有する。そのため、バインダー層30において、無機粒子31とアモルファス部32の両方が熱伝導パスとなることから、ハイパワーな励起光が照射された場合でも波長変換体10の熱を効率よく外部に放散することができる。その結果、蛍光体粒子20の温度消光が抑制され、高出力の発光を得ることが可能となる。
Thus, the
また、図2に示すように、アモルファス部32は、蛍光体粒子20の表面だけでなく、蛍光体粒子20と無機粒子31と間の空隙、及び隣接する無機粒子31の間にある空隙を充填するように設けることができる。そのため、バインダー層30の内部に残存して熱伝導性を低下させる空隙を低減し、バインダー層30全体の熱伝導性を向上させることが可能となる。
Further, as shown in FIG. 2, the
波長変換部材1,1Aにおいて、蛍光体粒子20の全体積は、無機粒子31の全体積よりも大きいことが好ましい。蛍光体粒子20の全体積を大きくすることにより、蛍光体の充填密度が高くなる。そのため、波長変換部材1,1Aにおいて、蛍光体粒子20からの出力光の密度をより高めることが可能となる。
In
波長変換部材1,1Aにおいて、無機粒子31の全体積は、蛍光体粒子20の全体積よりも大きいことも好ましい。無機粒子31の全体積を高めることにより、隣接する蛍光体粒子20同士が離間しやすくなる。蛍光体粒子20が離間することにより、ハイパワーな励起光が照射されて蛍光体粒子20が発熱したとしても、無機粒子31及びアモルファス部32が熱伝導パスとなり、波長変換体10の外部に効率よく放熱される。そのため、バインダー層30の放熱性が高まり、蛍光体粒子20の温度消光を抑制することが可能となる。
It is also preferable that the total volume of the
波長変換部材1,1Aにおいて、蛍光体粒子20の平均粒子径は、無機粒子31の平均粒子径よりも大きいことが好ましい。無機粒子31の平均粒子径が蛍光体粒子20よりも小さいことにより、無機粒子31の間の分子間力等により蛍光体粒子20を連結し、蛍光体粒子20を固定することが可能となる。また、蛍光体粒子20の平均粒子径が大きくなることにより、励起源が放つ励起光を効率的に吸収し、吸収した励起光を色調制御された蛍光に変換しやすくなる。
In
[波長変換部材の製造方法]
次に、本実施形態に係る波長変換部材1,1Aの製造方法について説明する。なお、蛍光体粒子及び無機粒子は、上述の波長変換部材で説明したものと同じであるため、それらの説明は省略する。[Method for producing wavelength conversion member]
Next, a method for manufacturing the
波長変換部材1,1Aにおける波長変換体10は、水分を含んだ状態で蛍光体粒子及び無機粒子を加圧して加熱することにより製造することができる。このような加圧加熱法を用いることにより、無機粒子31の一部が溶出して、蛍光体粒子20の表面にアモルファス部32を形成することが可能となる。
The
具体的には、まず、蛍光体粒子20の粉末と無機粒子31の粉末とを混合して複合粉末を調製する。蛍光体粒子20の粉末と無機粒子31の粉末の混合方法は特に限定されず、乾式又は湿式で行うことができる。また、蛍光体粒子20の粉末と無機粒子31の粉末は空気中で混合してもよく、不活性雰囲気下で混合してもよい。
Specifically, first, the powder of the
次に、複合粉末に、酸性水溶液又はアルカリ性水溶液を添加する。酸性水溶液又はアルカリ性水溶液を添加することにより、無機粒子31の溶出を促進することが可能となる。酸性水溶液としては、pH1~3の水溶液を用いることができる。アルカリ性水溶液としては、pH10~14の水溶液を用いることができる。
Next, an acidic aqueous solution or an alkaline aqueous solution is added to the composite powder. By adding an acidic aqueous solution or an alkaline aqueous solution, it becomes possible to accelerate the elution of the
無機粒子31は、酸性水溶液及びアルカリ性水溶液の少なくとも一方への溶解性を有することが好ましい。具体的には、無機粒子31は、pH1~3の酸性水溶液及びpH10~14のアルカリ性水溶液の少なくとも一方への溶解性を有することがより好ましい。酸性水溶液及びアルカリ性水溶液の少なくとも一方への溶解性を有することにより、加圧加熱工程で無機粒子31を構成する無機化合物の一部が溶解する。溶解した無機化合物は、複合粉末における蛍光体粒子20の表面、蛍光体粒子20と無機粒子31との間の空隙、及び無機粒子31の間の空隙に浸入する。そして、この状態で複合粉末中の水分を除去することにより、蛍光体粒子20の表面、蛍光体粒子20と無機粒子31との間、及び無機粒子31の間に、無機粒子31を構成する無機化合物を含むアモルファス部32を形成することが可能となる。
The
蛍光体粒子20は、耐酸性及び耐アルカリ性の少なくとも一方を有することが好ましい。具体的には、蛍光体粒子20は、pH1~3の酸性水溶液及びpH10~14のアルカリ性水溶液の少なくとも一方への溶解性を有しないことがより好ましい。耐酸性及び耐アルカリ性の少なくとも一方を有することにより、加圧加熱工程でも蛍光体粒子20の粒子形状を維持することができるため、蛍光体粒子20の発光効率の低下を抑制することが可能となる。
The
複合粉末に上述の酸性水溶液を添加する場合、無機粒子31は当該酸性水溶液への溶解性を有することが好ましく、蛍光体粒子20は耐酸性を有することが好ましい。また、複合粉末に上述のアルカリ性水溶液を添加する場合、無機粒子31は当該アルカリ性水溶液への溶解性を有することが好ましく、蛍光体粒子20は耐アルカリ性を有することが好ましい。
When the above acidic aqueous solution is added to the composite powder, the
次いで、酸性水溶液又はアルカリ性水溶液を含んだ複合粉末を、金型の内部に充填する。当該複合粉末を金型に充填した後、必要に応じて金型を加熱してもよい。そして、金型の内部の複合粉末に圧力を加えることにより、金型の内部で高温高圧状態となる。この際、蛍光体粒子20及び無機粒子31が緻密化すると同時に、無機粒子31同士、並びに蛍光体粒子20と無機粒子31とが互いに連結する。また、高温高圧状態では、無機粒子31を構成する無機化合物が水溶液に溶解し、溶解した無機化合物は、蛍光体粒子20の表面、蛍光体粒子20と無機粒子31との間の空隙、及び無機粒子31の間の空隙に浸入する。そして、この状態で水分が除去されることにより、無機粒子31を構成する無機化合物を含むアモルファス部32が形成される。
Next, the inside of the mold is filled with a composite powder containing an acidic aqueous solution or an alkaline aqueous solution. After filling the composite powder into the mold, the mold may be heated as necessary. By applying pressure to the composite powder inside the mold, a high temperature and high pressure state is created inside the mold. At this time, the
酸性水溶液又はアルカリ性水溶液を含んだ複合粉末の加熱加圧条件は、無機粒子31の溶解が進行するような条件であれば特に限定されない。例えば、酸性水溶液又はアルカリ性水溶液を含んだ複合粉末を、50~300℃、好ましくは80~250℃に加熱した後、10~600MPa、好ましくは50~400MPaの圧力で加圧することが好ましい。
The heating and pressing conditions for the composite powder containing the acidic aqueous solution or the alkaline aqueous solution are not particularly limited as long as the dissolution of the
そして、金型の内部から成形体を取り出すことにより、波長変換体10を得ることができる。波長変換体10を基板40に固定する方法は特に限定されず、例えば接着剤を用いて固定してもよい。また、得られた波長変換体10と基板40とを加圧することにより、これらを固着させてもよい。
Then, the
このように、本実施形態の波長変換部材1,1Aでは、加圧加熱法を用いることにより、無機粒子31とアモルファス部32とを備えたバインダー層30を形成し、さらに蛍光体粒子20の表面にアモルファス部32を設けることができる。なお、波長変換部材1,1Aの製造方法は、上述の加圧加熱法に限定されず、例えば温間等方圧プレス法(WIP)も適用することができる。
As described above, in the
なお、上述の製造方法では、酸性水溶液又はアルカリ性水溶液を含んだ複合粉末を、金型の内部に充填しているが、本実施形態はこのような態様に限定されない。つまり、複合粉末を金型の内部に充填した後、酸性水溶液又はアルカリ性水溶液を複合粉末に滴下することにより、複合粉末に水溶液を含ませてもよい。また、上述の製造方法では、金型を用いて加圧及び加熱を行っているが、本実施形態はこのような態様に限定されない。つまり、本実施形態の製造方法では、金型の代わりにオートクレーブを用いて、原料を加圧及び加熱してもよい。また、真空プレス成形機を用いて原料を加圧及び加熱してもよい。 In the manufacturing method described above, the inside of the mold is filled with the composite powder containing the acidic aqueous solution or the alkaline aqueous solution, but the present embodiment is not limited to such an aspect. That is, after filling the inside of the mold with the composite powder, the aqueous solution may be added to the composite powder by dripping an acidic aqueous solution or an alkaline aqueous solution onto the composite powder. In addition, in the above-described manufacturing method, pressurization and heating are performed using a mold, but the present embodiment is not limited to such an aspect. That is, in the production method of the present embodiment, an autoclave may be used instead of the mold to pressurize and heat the raw material. Alternatively, the raw material may be pressurized and heated using a vacuum press molding machine.
ここで、非晶質の無機化合物を形成する方法としては、従来よりゾル-ゲル法が知られている。しかし、ゾル-ゲル法は原料として有機物を使用することから、得られる無機化合物には多量の有機物が残存する。このような無機化合物を用いた波長変換部材は、残存する有機物により熱伝導性が低下して温度が上昇しやすくなることから、蛍光体の温度消光が発生しやすくなり、光出力効率が悪化してしまう。また、蛍光体の発光時における温度上昇により有機物が焦げて着色することから、光出力効率が悪化してしまう。しかしながら、本実施形態の波長変換部材1,1Aの製造方法では、無機粒子31を加熱及び加圧することによりアモルファス部32を形成することから、バインダー層30は殆ど有機物を含まない。そのため、得られる波長変換部材1,1Aは、蛍光体の温度消光を抑制し、高い光出力効率を発揮することが可能となる。
A sol-gel method is conventionally known as a method for forming an amorphous inorganic compound. However, since the sol-gel method uses an organic substance as a raw material, a large amount of the organic substance remains in the resulting inorganic compound. In a wavelength conversion member using such an inorganic compound, the residual organic matter reduces the thermal conductivity and tends to raise the temperature, so temperature quenching of the phosphor tends to occur, and the light output efficiency deteriorates. end up In addition, the temperature rise of the phosphor during light emission causes the organic matter to burn and become colored, resulting in deterioration of the light output efficiency. However, in the method of manufacturing the
以下、実施例により本実施形態を更に詳しく説明するが、本実施形態は当該実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail with reference to examples, but the present embodiment is not limited to the examples.
[試験サンプルの調製]
はじめに、蛍光体粒子として、平均粒子径D50が約19μmのYAG粒子(Y3Al5O12:Ce3+)を用意した。無機粒子として、平均粒子径D50が約1μmの酸化亜鉛粒子(ZnO)を用意した。そして、YAG粒子及び酸化亜鉛粒子をそれぞれ50体積%の割合で乾式混合し、0.52gの複合粉末を得た。[Preparation of test sample]
First, YAG particles (Y 3 Al 5 O 12 :Ce 3+ ) having an average particle diameter D50 of about 19 μm were prepared as phosphor particles. Zinc oxide particles (ZnO) having an average particle diameter D50 of about 1 μm were prepared as inorganic particles. Then, YAG particles and zinc oxide particles were dry-mixed at a rate of 50% by volume to obtain 0.52 g of composite powder.
次に、得られた複合粉末を、内部空間を有する円筒状の成形用金型(Φ10)の内部に投入した。さらに、成形用金型の内部に充填した複合粉末に、1Mの酢酸を100μL添加した。そして、当該酢酸を含んだ複合粉末に、400MPa、80℃の条件で1時間加圧することにより、本例の試験サンプルを得た。 Next, the obtained composite powder was put into a cylindrical molding die (Φ10) having an internal space. Further, 100 μL of 1 M acetic acid was added to the composite powder filled inside the molding die. Then, the composite powder containing acetic acid was pressurized at 400 MPa and 80° C. for 1 hour to obtain a test sample of this example.
[試験サンプルの評価]
(透過型電子顕微鏡観察)
得られた試験サンプルを透過型電子顕微鏡で観察した。図4は、試験サンプルを透過型電子顕微鏡で観察した結果を示している。図4に示すように、蛍光体の表面には、蛍光体よりも粒子径が小さい酸化亜鉛粒子(ZnO粒子)が複数接触していることが分かる。さらに、蛍光体の表面、蛍光体と酸化亜鉛粒子との間、及び隣接する酸化亜鉛粒子の間には、無機化合物が存在することが分かる。[Evaluation of test sample]
(Transmission electron microscope observation)
The resulting test samples were observed with a transmission electron microscope. FIG. 4 shows the result of observing the test sample with a transmission electron microscope. As shown in FIG. 4, it can be seen that a plurality of zinc oxide particles (ZnO particles) having a particle diameter smaller than that of the phosphor are in contact with the surface of the phosphor. Furthermore, it can be seen that an inorganic compound exists on the surface of the phosphor, between the phosphor and zinc oxide particles, and between adjacent zinc oxide particles.
さらに図5(a)では、図4(c)の写真をさらに拡大した結果を示し、図5(b)では、図5(a)における無機化合物の部分の電子線回折パターンを示している。図5(b)に示すように、無機化合物における電子線回折パターンでは、結晶性を示すパターンが見られなかったことから、蛍光体の表面に存在する無機化合物はアモルファスであることが分かる。 Further, FIG. 5(a) shows the result of further enlarging the photograph of FIG. 4(c), and FIG. 5(b) shows the electron beam diffraction pattern of the inorganic compound portion in FIG. 5(a). As shown in FIG. 5(b), the electron diffraction pattern of the inorganic compound showed no pattern indicating crystallinity, indicating that the inorganic compound present on the surface of the phosphor is amorphous.
図6は、試験サンプルを透過型電子顕微鏡で観察し、図4とは異なる部分を拡大した結果を示している。図4と同様に、蛍光体の表面には、蛍光体よりも粒子径が小さい酸化亜鉛粒子が複数接触していることが分かる。さらに、蛍光体の表面、蛍光体と酸化亜鉛粒子との間、及び隣接する酸化亜鉛粒子の間には、無機化合物が存在することが分かる。 FIG. 6 shows the result of observing the test sample with a transmission electron microscope and enlarging a portion different from FIG. As in FIG. 4, it can be seen that a plurality of zinc oxide particles having a particle diameter smaller than that of the phosphor are in contact with the surface of the phosphor. Furthermore, it can be seen that an inorganic compound exists on the surface of the phosphor, between the phosphor and zinc oxide particles, and between adjacent zinc oxide particles.
さらに図7(a)では、図6(c)の写真をさらに拡大した結果を示し、図7(b)では、図7(a)における無機化合物の部分の電子線回折パターンを示している。図7(b)に示すように、無機化合物における電子線回折パターンでは、結晶性を示すパターンが観察された。つまり、図7(a)における無機化合物の部分には、結晶性を示す格子が僅かに観察された。 Further, FIG. 7(a) shows the result of further enlarging the photograph of FIG. 6(c), and FIG. 7(b) shows the electron beam diffraction pattern of the inorganic compound portion in FIG. 7(a). As shown in FIG. 7B, a pattern indicating crystallinity was observed in the electron beam diffraction pattern of the inorganic compound. That is, a slight lattice indicating crystallinity was observed in the portion of the inorganic compound in FIG. 7(a).
これらのことから、試験サンプルでは、アモルファス部として、非晶質の無機化合物のみからなる部位と、非晶質の無機化合物と結晶質の無機化合物とが混在した部位の両方が存在することが分かる。 From these facts, it can be seen that the test sample has both a portion consisting only of an amorphous inorganic compound and a portion containing a mixture of an amorphous inorganic compound and a crystalline inorganic compound as an amorphous portion. .
(エネルギー分散型X線分析(EDX))
得られた試験サンプルに対して、エネルギー分散型X線分析(EDX)を行った。図8には、走査透過電子顕微鏡写真(STEM)に加え、酸素(O)、亜鉛(Zn)、ケイ素(Si)、イットリウム(Y)及びアルミニウム(Al)のマッピングデータを示している。(Energy dispersive X-ray analysis (EDX))
Energy dispersive X-ray analysis (EDX) was performed on the obtained test samples. FIG. 8 shows scanning transmission electron micrographs (STEM) as well as mapping data for oxygen (O), zinc (Zn), silicon (Si), yttrium (Y) and aluminum (Al).
図8より、イットリウム及びアルミニウムは、蛍光体粒子でのみ観察されており、酸化亜鉛粒子及びアモルファス部では観察されていないことから、蛍光体粒子からイットリウム及びアルミニウムは溶出していないと推測される。また、酸化亜鉛粒子及びアモルファス部では、亜鉛と酸素の両方が観察されることから、酸化亜鉛粒子及びアモルファス部は、同じ金属元素である亜鉛が含まれることが分かる。 From FIG. 8, yttrium and aluminum are observed only in the phosphor particles, and are not observed in the zinc oxide particles and the amorphous portion, so it is presumed that yttrium and aluminum are not eluted from the phosphor particles. Moreover, since both zinc and oxygen are observed in the zinc oxide particles and the amorphous portion, it is found that the zinc oxide particles and the amorphous portion contain zinc, which is the same metal element.
なお、図8に示すEDX分析の結果、試験サンプルには不純物としてのケイ素が含まれており、さらにケイ素はアモルファス部に偏析していることが確認された。そのため、アモルファス部は、酸化亜鉛粒子から溶け出して生成した亜鉛の酸化物に加えて、ケイ素化合物が存在していてもよいことが分かる。 As a result of the EDX analysis shown in FIG. 8, it was confirmed that the test sample contained silicon as an impurity, and that silicon was segregated in the amorphous portion. Therefore, it can be seen that the amorphous portion may contain a silicon compound in addition to zinc oxide generated by elution from the zinc oxide particles.
図9では、試験サンプルに対してエネルギー分散型X線分析を行った結果を示す。図9(a)では、明視野像(BF)に加え、酸素(O)、ケイ素(Si)、亜鉛(Zn)のマッピングデータを示す。図9(b)では、図9(a)において「○」で示すアモルファス部に関し、マッピングデータからスペクトルを抽出した後、簡易定量を行った結果を示す。図10では、試験サンプルに対してエネルギー分散型X線分析を行った結果を示しており、図9とは異なる部位を観察した結果を示している。図10(a)では、明視野像(BF)に加え、酸素(O)、ケイ素(Si)、亜鉛(Zn)のマッピングデータを示す。図10(b)では、図10(a)において「○」で示すアモルファス部に関し、マッピングデータからスペクトルを抽出した後、簡易定量を行った結果を示す。 FIG. 9 shows the results of energy dispersive X-ray analysis of the test sample. FIG. 9A shows mapping data of oxygen (O), silicon (Si), and zinc (Zn) in addition to the bright field image (BF). FIG. 9(b) shows the result of simple quantification after extracting the spectrum from the mapping data for the amorphous portion indicated by “◯” in FIG. 9(a). FIG. 10 shows the result of performing energy dispersive X-ray analysis on the test sample, and shows the result of observing a portion different from that in FIG. FIG. 10(a) shows mapping data of oxygen (O), silicon (Si), and zinc (Zn) in addition to a bright field image (BF). FIG. 10(b) shows the result of simple quantification after extracting the spectrum from the mapping data for the amorphous portion indicated by “◯” in FIG. 10(a).
図9(b)より、図9(a)に示すアモルファス部におけるケイ素原子の数は、亜鉛原子よりも多いことが分かる。これに対して、図10(b)より、図10(a)に示すアモルファス部におけるケイ素原子の数は、亜鉛原子よりも少ないことが分かる。そのため、アモルファス部において、亜鉛原子及びケイ素原子のいずれが多い場合でも、非晶質の無機化合物を形成できることが分かる。 From FIG. 9(b), it can be seen that the number of silicon atoms in the amorphous portion shown in FIG. 9(a) is larger than that of zinc atoms. On the other hand, it can be seen from FIG. 10(b) that the number of silicon atoms in the amorphous portion shown in FIG. 10(a) is smaller than that of zinc atoms. Therefore, it can be seen that an amorphous inorganic compound can be formed regardless of whether zinc atoms or silicon atoms are abundant in the amorphous portion.
以上、本実施形態を説明したが、本実施形態はこれらに限定されるものではなく、本実施形態の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。 Although the present embodiment has been described above, the present embodiment is not limited to these, and various modifications are possible within the scope of the gist of the present embodiment.
特願2018-135828号(出願日:2018年7月19日)の全内容は、ここに援用される。 The entire contents of Japanese Patent Application No. 2018-135828 (filing date: July 19, 2018) are incorporated herein.
本開示によれば、ハイパワーな励起光が照射された場合でも放熱性に優れ、蛍光体の温度消光を抑制することが可能な波長変換部材を提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a wavelength conversion member that is excellent in heat dissipation even when irradiated with high-power excitation light and capable of suppressing temperature quenching of phosphors.
1,1A 波長変換部材
20 蛍光体粒子
31 無機粒子
32 アモルファス部
Claims (8)
前記蛍光体粒子の表面には、非晶質の無機化合物を含むアモルファス部を有し、
前記無機粒子及び前記アモルファス部は同じ金属元素を含有し、前記金属元素はアルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、卑金属及び半金属からなる群より選ばれる少なくとも一つであり、
前記アモルファス部は、前記蛍光体粒子の表面、及び隣接する無機粒子の間に存在する、波長変換部材。 including a plurality of phosphor particles and a plurality of inorganic particles,
The surface of the phosphor particles has an amorphous portion containing an amorphous inorganic compound,
The inorganic particles and the amorphous portion contain the same metal element, and the metal element is at least one selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, transition metals, base metals and semimetals ,
In the wavelength conversion member , the amorphous portion is present on the surface of the phosphor particles and between adjacent inorganic particles .
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