JPWO2018074132A1 - 波長変換部材、発光デバイス及び波長変換部材の製造方法 - Google Patents

波長変換部材、発光デバイス及び波長変換部材の製造方法 Download PDF

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Abstract

種々の角度の入出射光に対して反射防止機能を発現させることができ、発光効率を高めることが可能な波長変換部材を提供する。ガラスマトリクス３と、ガラスマトリクス３中に分散された蛍光体粒子４とを含む蛍光体層１と、蛍光体層１の表面に設けられており、蛍光体粒子４の屈折率以下の屈折率を有する低屈折率層２と、を備える波長変換部材１０であって、低屈折率層２は凹凸構造を有しており、当該凹凸構造のウネリ曲線の二乗平均平方根傾斜ＷΔｑが０．１〜１であることを特徴とする波長変換部材１０。

Description

本発明は、プロジェクター等の発光デバイスに使用される波長変換部材に関する。
近年、プロジェクターを小型化するため、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）やＬＤ（Lazer Diode）等の光源と、蛍光体を用いた発光デバイスが提案されている。例えば、特許文献１には、紫外光を発光する光源と、光源からの紫外光を可視光に変換する波長変換部材とを備える発光デバイスを用いたプロジェクターが開示されている。特許文献１においては、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を設けることにより作製した波長変換部材（蛍光ホイール）が用いられている。
波長変換部材の発光効率を向上させるためには、励起光の入射効率や蛍光の出射効率を高めることが有効である。そこで、波長変換部材に入射面または出射面に反射防止機能層が施される場合がある。例えば、特許文献１には、蛍光体層の表面に低屈折率層が形成されてなる波長変換部材が開示されている。また、特許文献２には、蛍光体層の表面に誘電体膜による反射防止膜を施してなる波長変換部材が開示されている。
特開２０１４−３１４８８号公報 特開２０１３−１３０６０５号公報
例えばレーザープロジェクターに用いられるレーザー光源は、多数のレーザー素子から発せられる光をコリメートレンズやコンデンサレンズ等により集光して、１〜２ｍｍのスポットサイズに絞ることにより使用されている。このように、多数のレーザー素子から発せられる光を集光するため、波長変換部材に対する励起光の入射角が大きくなる傾向がある。また、波長変換部材内で励起光から蛍光に変換された光はあらゆる角度に放射されるため、波長変換部材表面に対する出射角が大きくなる場合もある。
このような場合、特許文献１に記載の波長変換部材における低屈折率層では、臨界角を超えることによる全反射が原因となって、励起光の入射効率や蛍光の出射効率が低下するおそれがある。
一方、特許文献２に記載の波長変換部材における誘電体膜は、光の干渉による打ち消し合いの原理を利用して反射防止機能を発現させている。誘電体膜の反射防止機能は膜厚に依存するため、光の入出射角度が設計角度以上となると、見かけの膜厚が大きくなることに起因して、反射防止機能が発現しにくくなるという問題がある。
以上に鑑み、本発明は、種々の角度の入出射光に対して反射防止機能を発現させることができ、発光効率を高めることが可能な波長変換部材を提供することを目的とする。
本発明者等が鋭意検討した結果、蛍光体層の表面に特定の凹凸構造を有する低屈折率層を設けた波長変換部材により前記課題を解消することを見出した。即ち、本発明の波長変換部材は、ガラスマトリクスと、ガラスマトリクス中に分散された蛍光体粒子とを含む蛍光体層と、蛍光体層の表面に設けられており、蛍光体粒子の屈折率以下の屈折率を有する低屈折率層と、を備える波長変換部材であって、低屈折率層は凹凸構造を有しており、当該凹凸構造が形成するウネリ曲線の二乗平均平方根傾斜ＷΔｑが０．１〜１であることを特徴とする。
本発明の波長変換部材は、蛍光体層のガラスマトリクス表面から突出した蛍光体粒子に沿って低屈折率層が設けられることにより、低屈折率層が凹凸構造を形成していることが好ましい。
本発明の波長変換部材は、低屈折率層の算術平均粗さが３μｍ以下であることが好ましい。このようにすれば、低屈折率層表面における光散乱に起因する発光効率の低下を抑制することができる。
本発明の波長変換部材は、低屈折率層がガラスにより構成されていることが好ましい。
本発明の波長変換部材は、低屈折率層表面における蛍光体粒子の露出面積比率が１５％以下であることが好ましい。このようにすれば、低屈折率層による反射防止機能が発揮されやすくなる。
本発明の波長変換部材は、蛍光体粒子の平均粒子径が１０μｍ以上であることが好ましい。このようにすれば、所望の凹凸構造を有する低屈折率層が得られやすくなる。
本発明の波長変換部材は、低屈折率層の厚みが０．１ｍｍ以下であることが好ましい。このようにすれば、所望の凹凸構造を有する低屈折率層が得られやすくなる。
本発明の波長変換部材は、蛍光体層における蛍光体粒子の含有量が４０〜８０体積％であることが好ましい。
本発明の波長変換部材は、蛍光体層と低屈折率層の熱膨張係数差が６０×１０−７／℃以下であることが好ましい。このようにすれば、蛍光体層と低屈折率層の密着強度を高めることができる。
本発明の波長変換部材は、蛍光体層の両面に低屈折率層が設けられていてもよい。
本発明の波長変換部材は、蛍光体層の表面から深さ２０μｍの範囲における空隙率が２０％以下であることが好ましい。このようにすれば、蛍光体層表層における光散乱が低減され、光入出射効率が向上し、波長変換部材の発光効率をより一層向上させることができる。
本発明の波長変換部材は、低屈折率層の表面に誘電体膜が設けられていることが好ましい。このようにすれば、反射防止機能がさらに高まり、波長変換部材の発光効率をより一層向上させることができる。
本発明の波長変換部材は、プロジェクター用として好適である。
本発明の発光デバイスは、上記波長変換部材と、波長変換部材に蛍光体粒子の励起波長の光を照射する光源と、を備えることを特徴とする。
本発明の波長変換部材の製造方法は、上記の波長変換部材を製造するための方法であって、ガラス粉末と蛍光体粒子を含む蛍光体層用グリーンシートを準備する工程、ガラス粉末を含む低屈折率層用グリーンシートを準備する工程、蛍光体層用グリーンシートの上に低屈折率層用グリーンシートを積層した状態で焼成する工程、を含み、焼成工程において、低屈折率層用グリーンシートに使用されるガラス粉末の粘度が１０７ｄＰａ・ｓ以下となる温度で加熱することを特徴とする。
本発明によれば、種々の角度の入出射光に対して反射防止機能を発現させることができ、発光効率を高めることが可能な波長変換部材を提供することができる。
本発明の第１の実施形態に係る波長変換部材を示す断面図である。 低屈折率層が形成する凹凸構造とそのウネリ曲線を示す模式的概念図である。 本発明の第２の実施形態に係る波長変換部材を示す模式的断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る波長変換部材を用いた発光デバイスを示す断面図である。 実施例１、３の波長変換部材について、励起光入射角を変化させた場合の蛍光強度を示すグラフである。 実施例１、３の波長変換部材について、励起光入射角を変化させた場合の反射励起光強度を示すグラフである。
以下、本発明の波長変換部材の実施形態を図面を用いて説明する。
（１）第１の実施形態に係る波長変換部材
図１は、本発明の第１の実施形態に係る波長変換部材を示す模式的断面図である。波長変換部材１０は、蛍光体層１と、蛍光体層１の主面１ａに設けられてなる低屈折率層２を備える。蛍光体層１はガラスマトリクス３と、ガラスマトリクス３中に分散された蛍光体粒子４を含んでいる。蛍光体層１の主面１ａでは、ガラスマトリクス３表面から蛍光体粒子４が突出しており、突出した蛍光体粒子４に沿って、略均一厚みを有する低屈折率層２が設けられることにより、低屈折率層２が凹凸構造を形成している。
以下に各構成要素ごとに詳細に説明する。
（蛍光体層１）
ガラスマトリクス３は、蛍光体粒子４の分散媒として好適なものである限りにおいて特に限定されない。ガラスマトリクス３は、例えば、ホウケイ酸塩系ガラスや、ＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５系ガラス等のリン酸塩系ガラス等により構成することができる。ホウ珪酸塩系ガラスとしては、質量％で、ＳｉＯ２ ３０〜８５％、Ａｌ２Ｏ３ ０〜３０％、Ｂ２Ｏ３ ０〜５０％、Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ ０〜１０％、及び、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０〜５０％を含有するものが挙げられる。
ガラスマトリクス３の軟化点は２５０℃〜１０００℃であることが好ましく、３００℃〜８５０℃であることがより好ましい。ガラスマトリクス３の軟化点が低すぎると、蛍光体層の機械的強度や化学的耐久性が低下しやすくなる。また、ガラスマトリクス自体の耐熱性が低いため、蛍光体粒子４から発生する熱により軟化変形するおそれがある。一方、ガラスマトリクス３の軟化点が高すぎると、製造時の焼成工程で蛍光体粒子４が劣化して、波長変換部材１０の発光強度が低下するおそれがある。
ガラスマトリクス３の屈折率は特に限定されないが、通常、１．４０〜１．９０、特に１．４５〜１．８５である。なお、本明細書において、特に断りのない限り、屈折率とは、ｄ線（波長５８７．６ｎｍの光）に対する屈折率（ｎｄ）をいうものとする。
蛍光体粒子４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、ガーネット系化合物蛍光体から選ばれた１種以上の無機蛍光体を含むものとすることができる。蛍光体粒子４の具体例を以下に示す。
波長３００ｎｍ〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると青色の蛍光を発する蛍光体粒子としては、Ｓｒ５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ２＋、（Ｓｒ，Ｂａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋等が挙げられる。
波長３００ｎｍ〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると緑色の蛍光（波長が５００ｎｍ〜５４０ｎｍの蛍光）を発する蛍光体粒子としては、ＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ２＋、ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｅｕ２＋等が挙げられる。
波長４４０ｎｍ〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると緑色の蛍光（波長が５００ｎｍ〜５４０ｎｍの蛍光）を発する蛍光体粒子としては、ＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ２＋、ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｅｕ２＋等が挙げられる。
波長３００ｎｍ〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると黄色の蛍光（波長が５４０ｎｍ〜５９５ｎｍの蛍光）を発する蛍光体粒子としては、ＺｎＳ：Ｅｕ２＋等が挙げられる。
波長４４０ｎｍ〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると黄色の蛍光（波長が５４０ｎｍ〜５９５ｎｍの蛍光）を発する蛍光体粒子としては、Ｙ３（Ａｌ，Ｇｄ）５Ｏ１２：Ｃｅ２＋、Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ２＋、Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ２＋、Ｌａ３Ｓｉ６Ｎ１１：Ｃｅ、Ｃａ（Ｓｉ，Ａｌ）１２（Ｏ，Ｎ）１６：Ｅｕ２＋、（Ｓｉ，Ａｌ）３（Ｏ，Ｎ）４：Ｅｕ２＋、（Ｓｒ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋等が挙げられる。
波長３００ｎｍ〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると赤色の蛍光（波長が６００ｎｍ〜７００ｎｍの蛍光）を発する蛍光体粒子としては、Ｇｄ３Ｇａ４Ｏ１２：Ｃｒ３＋、ＣａＧａ２Ｓ４：Ｍｎ２＋等が挙げられる。
波長４４０ｎｍ〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると赤色の蛍光（波長が６００ｎｍ〜７００ｎｍの蛍光）を発する蛍光体粒子としては、Ｍｇ２ＴｉＯ４：Ｍｎ４＋、Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎ４＋、（Ｃａ，Ｓｒ）２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ２＋、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋、（Ｓｒ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋等が挙げられる。
蛍光体粒子４の平均粒子径が小さすぎると、蛍光体層１のガラスマトリクス３表面における蛍光体粒子４の突出高さ（あるいは露出量）が小さくなり、低屈折率層２を形成した際に所望の凹凸構造が形成されない場合がある。従って、蛍光体粒子４の平均粒子径は１０μｍ以上、特に１５μｍ以上であることが好ましい。但し、蛍光体粒子４の平均粒子径が大きすぎると、蛍光体粒子４が低屈折率層２表面から露出する比率が高くなる場合があり、低屈折率層２の反射防止機能が発揮されにくくなる。従って、蛍光体粒子４の平均粒子径は５０μｍ以下、特に３０μｍ以下であることが好ましい。
なお、蛍光体層１のガラスマトリクス３表面における蛍光体粒子４の突出高さは、１〜４０μｍ、３〜３０μｍ、５〜２５μｍ、特に１０〜２０μｍであることが好ましい。蛍光体粒子４の突出高さが小さすぎると、低屈折率層２を形成した際に所望の凹凸構造が形成されない場合がある。一方、蛍光体粒子４の突出高さが大きすぎると、蛍光体粒子４が低屈折率層２表面から露出する比率が高くなる場合があり、低屈折率層２の反射防止機能が発揮されにくくなる。
なお本明細書において、平均粒子径はレーザー回折法で測定した際の体積基準の累積粒度分布曲線において、その積算量が粒子の小さい方から累積して５０％である粒子径（Ｄ５０）を指す。
蛍光体粒子４の屈折率は、通常、１．４５〜１．９５、さらには１．５５〜１．９０である。
低屈折率層２の表面には、蛍光体粒子４の一部が露出していても良い。但し、より高強度の蛍光を得る観点からは、低屈折率層２表面における蛍光体粒子４の露出面積比率が１５％以下、１０％以下、特に８％以下であることが好ましい。当該露出面積比率が高すぎると、低屈折率層２による反射防止機能が発揮されにくくなる。また、後述するように、低屈折率層２の表面に誘電体膜を形成する場合、当該誘電体膜による反射防止機能も十分に発揮されにくくなる。
蛍光体層１における蛍光体粒子４の含有量は４０体積％以上、特に４５体積％以上であることが好ましい。蛍光体粒子４の含有量が少なすぎると、ガラスマトリクス３に蛍光体粒子４が埋もれてしまい、ガラスマトリクス３表面から蛍光体粒子４が十分に突出しなくなる。その結果、低屈折率層２を形成した際に所望の凹凸構造が形成されない場合がある。また、所望の蛍光強度が得にくくなる。一方、蛍光体層１における蛍光体粒子４の含有量は８０体積％以下、特に７５体積％以下であることが好ましい。蛍光体粒子４の含有量が多すぎると、蛍光体層１の内部に多くの空隙ができ、低屈折率層２の成分が蛍光体層１の内部に浸透しやすくなり、低屈折率層２表面における蛍光体粒子１の露出面積比率が高くなる傾向がある。また、蛍光体層１の機械的強度が低下しやすくなる。なお、低屈折率層２の成分が蛍光体層１の内部に過剰に浸透しなければ、特に問題はない。むしろ低屈折率層２の成分が蛍光体層１の内部に適度に浸透すれば、蛍光体層１の表層における空隙率が小さくなることから、蛍光体層１表層における光散乱が低減される。その結果、波長変換部材１０への光入出射効率が向上し、波長変換部材１０の発光効率を向上させることができる場合がある。蛍光体層１の表面（蛍光体層１と低屈折率層２の界面）から深さ２０μｍの範囲における空隙率は２０％以下、１５％以下、特に１０％以下であることが好ましい。
蛍光体層１の厚みは、励起光が確実に蛍光体粒子４に吸収されるような厚みが必要であるが、できるかぎり薄い方が好ましい。蛍光体層１が厚すぎると、蛍光体層１における光の散乱や吸収が大きくなりすぎ、蛍光の出射効率が低くなってしまう場合があるためである。具体的には、蛍光体層１の厚みは０．５ｍｍ以下、０．３ｍｍ以下、特に０．２ｍｍ以下であることが好ましい。但し、蛍光体層１の厚みが小さすぎると、蛍光体粒子４の含有量が少なくなり、所望の蛍光強度が得にくくなる。また、蛍光体層１の機械的強度が低下する場合がある。従って、蛍光体層１の厚みは０．０３ｍｍ以上であることが好ましい。
蛍光体層１の形状は、用途に応じて適宜設定することができる。蛍光体層１の形状は、例えば矩形板状、円盤状、ホイール板状、扇形板状である。
（低屈折率層２）
低屈折率層２は、例えばガラスや樹脂等により構成されている。ガラスとしては、蛍光体層１におけるガラスマトリクス３について例示したものと同様のガラスを使用することができる。
低屈折率層２は蛍光体粒子４の屈折率以下の屈折率を有し、それにより反射防止機能層としての役割を果たす。低屈折率層２の屈折率は、例えば１．４５〜１．９５、１．４０〜１．９０、特に１．４５〜１．８５であることが好ましい。
また、蛍光体層１におけるガラスマトリクス３と、低屈折率層２との屈折率差は０．１以下、０．０８以下、特に０．０５以下であることが好ましい。当該屈折率差が大きくなると、蛍光体層１におけるガラスマトリクス３と、低屈折率層２の界面での反射が大きくなり、発光効率が低下しやすくなる。
低屈折率層２は、蛍光体粒子や、ガラスマトリクス３よりも屈折率の高い添加材等を実質的に含まないことが好ましい。即ち、低屈折率層２は実質的にガラスのみ（または樹脂のみ）からなることが好ましい。このようにすれば、所望の反射防止機能が発揮されやすくなる。
低屈折率層２の厚みが大きいと、所望の凹凸構造を有する低屈折率層が得られにくくなる。また、励起光や蛍光が吸収されやすくなったり、波長変換部材１０の全体に占める蛍光体粒子４の含有量が相対的に少なくなる。その結果、波長変換部材１０の発光効率が低下しやすくなる。そのため、低屈折率層２の厚みは０．１ｍｍ以下、０．０５ｍｍ以下、０．０３ｍｍ以下、特に０．０２ｍｍ以下であることが好ましい。低屈折率層２の厚みが小さすぎると、低屈折率層２表面における蛍光体粒子４の露出面積比率が大きくなる傾向があるため、０．００３ｍｍ以上、特に０．０１ｍｍ以上であることが好ましい。なお、低屈折率層２の厚みは、凹凸構造の頂部と蛍光体粒子４との距離Ｔを指す。
低屈折率層２において励起光や蛍光が吸収されにくくする観点から、可視域（波長４００〜８００ｎｍ）における低屈折率層２の全光線透過率は５０％以上、６５％以上、特に８０％以上であることが好ましい。
低屈折率層２は蛍光体層１と融着していることが好ましい。このようにすれば、蛍光体層１と低屈折率層２の界面における光の反射や散乱を抑制でき、発光効率を向上させることができる。
蛍光体層１と低屈折率層２の密着強度を高める観点からは、両者の熱膨張係数差が６０×１０−７／℃以下、５０×１０−７／℃以下、４０×１０−７／℃以下、特に３０×１０−７／℃以下であることが好ましい。
低屈折率層２が形成する凹凸構造のウネリ曲線（輪郭曲線）の二乗平均平方根傾斜ＷΔｑは０．１〜１、０．２〜０．８、特に０．３〜０．７であることが好ましい。ウネリ曲線の二乗平均平方根傾斜ＷΔｑは、特定範囲におけるウネリ曲線の傾斜を平均化して求められるパラメータであり、ＪＩＳ―Ｂ０６０１−２００１に準拠して求めることができる。具体的には、ウネリ曲線の二乗平均平方根傾斜ＷΔｑは以下の式により表される（図２参照。図２において、実線の曲線は低屈折率層を示し、点線の曲線はそのウネリ曲線を示す。「ｄｚ（ｘ）／ｄｘ」はウネリ曲線の傾斜を示す。）。
Figure 2018074132
上記二乗平均平方根傾斜ＷΔｑは、低屈折率層２が形成する凹凸構造の傾斜角度の指標となる。上記二乗平均平方根傾斜ＷΔｑの値が上記範囲内であると、種々の角度の入出射光に対して反射防止機能を発現させることができる。なお、ウネリ曲線の二乗平均平方根傾斜ＷΔｑ＝０．１はウネリ面の平均傾斜が５°である場合に相当し、ウネリ曲線の二乗平均平方根傾斜ＷΔｑ＝１はウネリ面の平均傾斜が４５°である場合に相当する。
上記二乗平均平方根傾斜ＷΔｑの値が小さすぎると、低屈折率層２が形成する凹凸構造の傾斜角度（蛍光体層１の主面１ａに対する傾斜角度）が小さくなる。その結果、低屈折率層２に入射する励起光や、蛍光体層１から低屈折率層２のほうに出射される蛍光のうち、入出射角が大きい成分の光が低屈折率層２の表面で反射されやすくなり、発光効率が低下しやすくなる。
一方、上記二乗平均平方根傾斜ＷΔｑの値が大きすぎると、低屈折率層２が形成する凹凸構造の傾斜角度が大きくなる。その結果、低屈折率層２に入射する励起光や、蛍光体層１から低屈折率層２のほうに出射される蛍光のうち、入出射角度が小さい成分の光が低屈折率層２の表面で反射されやすくなり、発光効率が低下しやすくなる。
低屈折率層２の算術平均粗さ（Ｒａ）は３μｍ以下、２μｍ以下、１μｍ以下、特に０．５μｍ以下であることが好ましい。低屈折率層２の算術平均粗さが大きすぎると、低屈折率層２表面における光散乱が大きくなり、波長変換部材１０の発光効率が低下しやすくなる。また、低屈折率層２の表面に後述する誘電体膜を形成しにくくなる。
なお、低屈折率層２は蛍光体層１の主面１ａと主面１ｂの両方の上に設けても構わない。このようにすれば、波長変換部材１０を透過型の波長変換部材として使用した場合、励起光の蛍光体層１への入射効率を高めることができるとともに、蛍光の蛍光体層１からの出射効率を高めることができる。
あるいは、蛍光体層１の主面１ｂに反射部材（図示せず）を設けることにより、反射型の波長変換部材として使用してもよい。この場合、励起光は蛍光体層１の主面１ａから入射し、蛍光体粒子４から発せられた蛍光は反射部材により反射されて、蛍光体層１の主面１ａから出射する。
（２）第２の実施形態に係る波長変換部材
図３は、本発明の第２の実施形態に係る波長変換部材を示す模式的断面図である。本実施形態に係る波長変換部材２０は、反射防止機能層としての役割を有する誘電体膜５が低屈折率層２の表面に形成されている。その他の構成は第１の実施形態に係る波長変換部材１０と同様である。低屈折率層２の表面に誘電体膜５を形成することにより、反射防止機能がさらに高まり、波長変換部材１０の発光効率をより一層向上させることができる。なお、誘電体膜５は、蛍光体層１の表面に直接形成せず、低屈折率層２を介して形成することにより、所望の反射防止機能が発揮されやすくなる。その理由は以下のように説明される。
蛍光体層１において、一般にガラスマトリクス３は蛍光体粒子４より低い屈折率を有する。このため、低屈折率層２を設けない場合は、蛍光体層１０の主面１ａにおいて、屈折率の低い領域と屈折率の高い領域が存在する。誘電体膜は、膜形成する対象部材の屈折率に合わせた光学設計を行う必要がある。低屈折率領域に合わせた光学設計を行った誘電体膜を形成した場合、当該誘電体膜は高屈折率領域に対しては所望の反射防止機能が発現しにくくなる。逆に、高屈折率領域に合わせた光学設計を行った誘電体膜を形成した場合、当該誘電体膜は低屈折率領域に対しては、所望の反射防止機能が発現しにくくなる。そこで、蛍光体層１の表面に低屈折率層２を形成すれば、膜形成する対象部材の屈折率が均一化されるため、低屈折率層２の屈折率に合わせて誘電体膜の光学設計を行うことで、所望の反射防止機能を発現させることが可能となる。
なお既述の通り、誘電体膜は光の入出射角が大きくなると、所望の反射防止機能が発現しにくくなる。一方、本実施形態では、凹凸構造を有する低屈折率層２の表面に沿って誘電体膜５が形成されている。つまり、誘電体膜５が凹凸構造を有する。そのため、蛍光体層１の表面に対する入出射角が大きい光であっても、誘電体膜５が部分的に所定の傾斜面を有していることから、誘電体膜５に対する入出射角を小さくすることができる。結果として、誘電体膜５の反射防止機能を発現させることが可能となる。
誘電体膜５は可視域において反射率を低減させるように膜材質や膜層数、膜厚を設計する。誘電体膜５の材質はＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５，Ｔａ２Ｏ５等があげられる。誘電体膜５は単層膜であっても多層膜であってもよい。
（３）波長変換部材の製造方法
以下に、第１の実施形態に係る波長変換部材１０の製造方法の一例について説明する。
まず、ガラスマトリクス３を構成するためのガラス粉末と、蛍光体粒子４とを含む蛍光体層１用グリーンシートを準備する。具体的には、ガラス粉末と、蛍光体粒子４と、バインダー樹脂、溶剤、可塑剤等の有機成分とを含むスラリーを、ポリエチレンテレフタレート等の樹脂フィルム上にドクターブレード法等により塗布し、加熱乾燥することにより、蛍光体層１用グリーンシートを作製する。また、ガラス粉末を含む低屈折率層２用グリーンシートを同様の方法で準備する。
次に、蛍光体層１用グリーンシートの上に低屈折率層２用グリーンシートを積層し、必要に応じてプレス圧着した後、焼成する。焼成温度は、低屈折率層２用グリーンシートに使用されるガラス粉末の粘度が１０７ｄＰａ・ｓ以下、好ましくは１０６．５Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは１０６Ｐａ・ｓ以下となる温度まで加熱する。そうすることにより、ガラス粉末の流動が促進され、蛍光体層１のガラスマトリクス３表面に突出した蛍光体粒子３に沿うように所望の凹凸構造を有する低屈折率層２が形成されやすくなる。また、低屈折率層２の表面が平滑となり、算術平均粗さを低減することができる。但し、焼成温度が高すぎると、ガラス粉末が過剰に流動して、低屈折率層２表面における蛍光体粒子４の露出面積比率が大きくなりすぎる場合がある。そのため、焼成温度は、低屈折率層２用グリーンシートに使用されるガラス粉末の粘度が１０４Ｐａ・ｓ以上、特に１０５Ｐａ・ｓ以上となる温度であることが好ましい。
上記方法以外にも、まず蛍光体層１用グリーンシートのみを焼成して蛍光体層１を作製した後に、蛍光体層１の表面に低屈折率層２用グリーンシートを積層、熱圧着し、焼成することで波長変換部材１を作製してもよい。または、蛍光体層１の表面にゾルゲル法を用いて低屈折率層２を形成してもよい。
あるいは、低屈折率層２を形成するための薄板ガラスを準備し、その表面に蛍光体層１用グリーンシートを積層、熱圧着し、焼成して蛍光体層１を形成することにより波長変換部材１を作製してもよい。
なお、低屈折率層２の表面に誘電体層５を形成することにより、第２の実施形態に係る波長変換部材２０を作製することができる。誘電体層５は真空蒸着法、イオンプレーティング法、イオンアシスト法、スパッタリング法等の公知の方法により形成することができる。
（４）発光デバイス
図４に波長変換部材１０を用いた発光デバイス１００の模式図を示す。発光デバイス１００は、光源６と波長変換部材１０を有する。光源６は、蛍光体層１に含まれる蛍光体粒子４の励起波長の光Ｌ１を照射する。光Ｌ１が蛍光体層１に入射すると、蛍光体粒子４が光Ｌ１を吸収し、蛍光Ｌ２を出射する。波長変換部材１０の光源６とは反対側には反射部材７が設けられているため、蛍光Ｌ２は光源６側に向けて出射される。蛍光Ｌ２は、光源６と波長変換部材１０との間に配されたビームスプリッタ８により反射され、発光デバイス１００から外部に取り出される。
以下、本発明を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く、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
表１は実施例１〜４及び比較例１、２を示す。
Figure 2018074132
（実施例１）
（ａ）蛍光体層用グリーンシートの作製
質量％で、ＳｉＯ２：７１％、Ａｌ２Ｏ３：６％、Ｂ２Ｏ３：１３％、Ｋ２Ｏ：１％、Ｎａ２Ｏ：７％、ＣａＯ：１％、ＢａＯ：１％となるように原料を調合し、溶融急冷法によってフィルム状ガラスを作製した。得られたフィルム状ガラスを、ボールミルを用いて湿式粉砕し、平均粒子径が２μｍであるガラス粉末（軟化点７７５℃）を得た。
得られたガラス粉末と、平均粒子径が２３μｍであるＹＡＧ蛍光体粒子（ＹＡＧ蛍光体粉末）（Yttrium Aluminum Garnet；Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）とを、ガラス粉末：ＹＡＧ蛍光体粒子＝３０体積％：７０体積％となるように振動混合機を用いて混合した。得られた混合粉末５０ｇに結合剤、可塑剤、溶剤等の有機成分を適量添加し、１２時間ボールミル混練することによりスラリーを得た。このスラリーを、ドクターブレード法を用いてＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム上に塗布し、乾燥させることにより、厚み０．１５ｍｍの蛍光体層用グリーンシートを得た。
（ｂ）低屈折率層用グリーンシートの作製
（ａ）で得られたガラス粉末５０ｇを用いて、上記と同様にしてスラリーを得た。このスラリーを、ドクターブレード法を用いてＰＥＴフィルム上に塗布し、乾燥させることにより、厚み０．０２５ｍｍの低屈折率層用グリーンシートを作製した。
（ｃ）波長変換部材の作製
上記で作製された各グリーンシートを３０ｍｍ×３０ｍｍの大きさに切断し、重ね合わせた状態で、熱圧着機を用いて９０℃で１５ｋＰａの圧力を１分間印加することにより積層体を作製した。積層体をφ２５ｍｍの円形に切断した後、大気中６００℃で１時間脱脂処理した後、８００℃で１時間焼成することにより、波長変換部材を作製した。得られた波長変換部材は、蛍光体層の厚みが０．１２ｍｍ、低屈折率層（ガラス層）の厚みが０．０１ｍｍであった。
なお、各特性は以下のようにして測定した。
軟化点は示差熱分析装置（リガク社製ＴＡＳ−２００）を用いて測定した。
熱膨張係数は熱膨張測定装置（マックサイエンス社製ＤＩＬＡＴＯ）を用いて、２５〜２５０℃の範囲で測定した。
低屈折率層における凹凸構造のウネリ曲線の二乗平均平方根傾斜ＷΔｑ及び低屈折率層の算術平均粗さはキーエンス社製形状解析レーザー顕微鏡ＶＫ−Ｘを用いて測定した。
低屈折率層表面における蛍光体粒子の露出面積比率はＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）平面画像に基づいて算出した。また、蛍光体層の表面から深さ２０μｍの範囲における空隙率はＳＥＭ断面画像に基づいて算出した。
低屈折率層用グリーンシートに使用されるガラス粉末の焼成時の粘度はファイバーエロンゲーション法によって求めた。
（実施例２）
（ａ）蛍光体層用グリーンシートの作製
実施例１と同じグリーンシートを使用した。
（ｂ）低屈折率層用グリーンシートの作製
質量％でＳｉＯ２：７８％、Ａｌ２Ｏ３：１％Ｂ２Ｏ３：１９％、Ｋ２Ｏ：１％、ＭｇＯ：１％となるように原料を調合し、溶融急冷法によってフィルム状ガラスを作製した。得られたフィルム状ガラスをボールミルによって湿式粉砕し、平均粒子径が２μｍであるガラス粉末（軟化点８２５℃）を得た。
得られたガラス粉末５０ｇを用いて、実施例１と同様にしてスラリーを得た。このスラリーを、ドクターブレード法を用いてＰＥＴフィルム上に塗布し、乾燥させることにより、厚み０．０６ｍｍの低屈折率層用グリーンシートを作製した。
（ｃ）波長変換部材の作製
焼成温度を８５０℃としたこと以外は、実施例１と同様にして波長変換部材を作製した。得られた波長変換部材は、蛍光体層の厚みが０．１２ｍｍ、低屈折率層（ガラス層）の厚みが０．０３ｍｍであった。
（実施例３）
実施例１で作製した波長変換部材の低屈折率層の表面に、誘電体多層膜（膜構成：ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ４の４層構造 膜総厚み：５００ｎｍ）をスパッタリング法により形成することにより波長変換部材を得た。
（実施例４）
実施例２で作製した波長変換部材の低屈折率層の表面に、実施例３と同様の誘電体多層膜をスパッタリング法により形成することにより波長変換部材を得た。
（比較例１）
（ａ）蛍光体層用グリーンシートの作製
実施例１と同じグリーンシートを使用した。
（ｂ）低屈折率層用グリーンシートの作製
（ａ）で得られたガラス粉末５０ｇを用いて、上記と同様にしてスラリーを得た。このスラリーを、ドクターブレード法を用いてＰＥＴフィルム上に塗布し、乾燥させることにより、厚み０．３ｍｍの低屈折率層用グリーンシートを作製した。
（ｃ）実施例１と同様にして波長変換部材を作製した。得られた波長変換部材は、蛍光体層の厚みが０．１２ｍ、低屈折率層（ガラス層）の厚みが０．１５ｍｍであった。
（比較例２）
比較例１で得られた波長変換部材の低屈折率層に対し、アルミナ砥粒でラップ研磨を行った後、さらに酸化セリウム砥粒で鏡面研磨することにより波長変換部材を得た。
（比較例３）
実施例１において、蛍光体層用グリーンシートのみを焼成し、波長変換部材を得た。
（評価）
（ａ）蛍光強度の評価
アルミニウム反射基板（マテリアルハウス社製ＭＩＲＯ−ＳＩＬＶＥＲ、３０ｍｍ×３０ｍｍ）の中央部に、上記で作製した各波長変換部材の蛍光体層側が反射基板に対向するように、接着剤（信越化学工業社製シリコーン樹脂）を用いて貼付し、反射型の測定サンプルを作製した。
１Ｗの青色レーザー素子（波長４４０ｎｍ）が３０個整列したレーザーユニットからの出射光を集光レンズでφ１ｍｍのスポットサイズに集光できる励起光源を準備した。この光源から発せられる励起光の、測定サンプル表面に対する最大入射角度（測定サンプル表面の法線を０°とした場合の角度）は６０°であった。
測定サンプルの中心をモーターの軸に固定し、７０００ＲＰＭの回転数で回転させながら、励起光を測定サンプル表面に照射した。反射光を、光ファイバーを通して小型分光器（オーシャンオプティクス社製ＵＳＢ−４０００）で受光し、発光スペクトルを得た。発光スペクトルから蛍光強度を求めた。結果を表１に示す。
表１に示すように、実施例１〜４の波長変換部材は、低屈折率層表面のウネリ曲線の二乗平均平方根傾斜ＷΔｑが０．１５〜０．３８であり、蛍光強度は１００〜１１０ａ．ｕ．であった。一方、比較例１、２の波長変換部材は、低屈折率層表面のウネリ曲線の二乗平均平方根傾斜ＷΔｑが０〜０．０８であり、蛍光強度は７２〜９２ａ．ｕ．であった。また、低屈折率層を設けなかった比較例３の波長変換部材は、蛍光強度が５９ａ．ｕ．であった。このように、実施例の波長変換部材は、比較例の波長変換部材よりも蛍光強度が高かった。
（ｂ）反射防止機能層の角度依存性の評価
実施例１及び３について（ａ）と同様の測定サンプルを作製した。測定サンプルをモーターの軸に固定し、７０００ＲＰＭの回転数で回転させながら、励起光を照射した。光源は上記の青色レーザー素子を１個だけ使用し、入射角度を０〜７０°の範囲で１０°刻みで変化させた。反射光を、光ファイバーを通して小型分光器（オーシャンオプティクス社製ＵＳＢ−４０００）で受光し、発光スペクトルを得た。発光スペクトルから蛍光強度と反射励起光強度を求めた。結果を図５、６に示す。
図５、６に示すように、実施例１、３の波長変換部材は、概ね入射角０〜５０°と広範囲の励起光に対して、良好な反射防止機能を発揮していることがわかる。また、低屈折率層の表面にさらに誘電体多層膜を設けることにより、反射防止機能が向上していることがわかる。
なお、上記の各評価において、光強度の値は任意単位（ａ．ｕ．＝arbitrary unit）により示されたものであり、絶対値を示すものではない。
本発明の波長変換部材は、プロジェクター用途に好適である。また、プロジェクター以外にも、ヘッドランプ等の車載用照明用途やその他の照明用途としても使用することができる。
１ 蛍光体層
２ 低屈折率層
３ ガラスマトリクス
４ 蛍光体粒子
５ 誘電体多層膜
６ 光源
７ 反射部材
８ ビームスプリッタ
１０、２０ 波長変換部材
１００ 発光デバイス

Claims (15)

  1. ガラスマトリクスと、ガラスマトリクス中に分散された蛍光体粒子とを含む蛍光体層と、
    蛍光体層の表面に設けられており、蛍光体粒子の屈折率以下の屈折率を有する低屈折率層と、
    を備える波長変換部材であって、
    低屈折率層は凹凸構造を有しており、当該凹凸構造のウネリ曲線の二乗平均平方根傾斜ＷΔｑが０．１〜１であることを特徴とする波長変換部材。
  2. 蛍光体層のガラスマトリクス表面から突出した蛍光体粒子に沿って低屈折率層が設けられることにより、低屈折率層が凹凸構造を形成していることを特徴とする請求項１に記載の波長変換部材。
  3. 低屈折率層の算術平均粗さが３μｍ以下である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。
  4. 低屈折率層がガラスにより構成されてい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。
  5. 低屈折率層表面における蛍光体粒子の露出面積比率が１５％以下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。
  6. 蛍光体粒子の平均粒子径が１０μｍ以上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
  7. 低屈折率層の厚みが０．１ｍｍ以下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。
  8. 蛍光体層における蛍光体粒子の含有量が４０〜８０体積％であ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。
  9. 蛍光体層と低屈折率層の熱膨張係数差が６０×１０−７／℃以下であ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。
  10. 蛍光体層の両面に低屈折率層が設けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の波長変換部材。
  11. 蛍光体層の表面から深さ２０μｍの範囲における空隙率が２０％以下であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の波長変換部材。
  12. 低屈折率層の表面に誘電体膜が設けられていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の波長変換部材。
  13. プロジェクター用であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の波長変換部材。
  14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の波長変換部材と、
    波長変換部材に蛍光体粒子の励起波長の光を照射する光源と、
    を備えることを特徴とする発光デバイス。
  15. 請求項１〜１３のいずれかに記載の波長変換部材を製造するための方法であって、
    ガラス粉末と蛍光体粒子を含む蛍光体層用グリーンシートを準備する工程、
    ガラス粉末を含む低屈折率層用グリーンシートを準備する工程、
    蛍光体層用グリーンシートの上に低屈折率層用グリーンシートを積層した状態で焼成する工程、を含み、
    焼成工程において、低屈折率層用グリーンシートに使用されるガラス粉末の粘度が１０７ｄＰａ・ｓ以下となる温度で加熱することを特徴とする波長変換部材の製造方法。
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