JPWO2020013016A1 - 光波長変換部材及び発光装置 - Google Patents

光波長変換部材及び発光装置 Download PDF

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Abstract

本開示の一つの局面における光波長変換部材は、Al2O3結晶粒子と、化学式(Y、A)3B5O12:Ceで表される結晶粒子と、を主成分とする多結晶体であるセラミックス焼結体から構成されている。この光波長変換部材の(Y、A)3B5O12:Ce結晶粒子は、(Y、A)3B5O12:Ce中のAについて、(Y、A)3B5O12:Ce結晶粒子の内部の濃度よりも、(Y、A)3B5O12:Ce結晶粒子の表面側の濃度が高い領域を有するので、高い蛍光強度(従って高い発光強度)と、高い耐熱性(即ち温度消光が生じ難い特性)とを有する。つまり、(Y、A)3B5O12:Ce結晶粒子の表面と内部とでA元素の濃度の異なる組織とすることで、色調を変化させながら、高い蛍光特性と高い熱特性とを有するセラミックス蛍光体を実現できる。

Description

関連出願の相互参照
本国際出願は、2018年7月11日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第2018−131544号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第2018−131544号の全内容を参照により本国際出願に援用する。
本開示は、例えば波長変換機器、蛍光材、各種照明、映像機器などに用いられるような、光の波長の変換が可能な光波長変換部材及び発光装置に関するものである。
例えばヘッドランプやプロジェクターや各種照明機器などでは、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)や半導体レーザー(LD:Laser Diode)の青色光を、蛍光体(即ち光波長変換部材)によって波長変換することにより白色を得ている装置が主流となっている。
蛍光体としては、樹脂系やガラス系などが知られているが、近年、光源の高出力化が進められており、蛍光体には、より高い耐久性が求められるようになったことから、セラミックス蛍光体に注目が集まっている。
このセラミックス蛍光体としては、YAl12:Ce(YAG:Ce)に代表されるように、ガーネット構造(A12)の成分にCeが賦活された蛍光体が知られている。
例えば、下記特許文献1、2には、Al中にYAG:Ceを複合化させることで、耐熱性や熱伝導性を向上させる技術が開示されている。
特開2014−132084号公報 国際公開2004/065324号
ところで、上述した従来技術では、下記のような可能性があり、一層の改善が求められていた。
一般的に、蛍光体の色の調整を行う場合には、ホスト材料の結晶構造に他の元素を置換して、ホスト材料の結晶構造を歪ませることで、波長制御を行っている。
例えばガーネット構造を有する蛍光体のCe添加YAl12のYサイトに、Gdイオンを置換したり、AlサイトにGaイオンなどを置換する方法が知られている。この方法では、イオン半径の異なる元素を置換することで、蛍光体に賦活した発光イオン(Ce)の配位環境を変化させて、波長を制御している。
例えば、前記特許文献1には、AlとYAGとの共晶変態を利用して蛍光体を作製し、色の調整方法として、GdやGaをYAG中に置換する方法が開示されている。
また、前記特許文献2には、Al−YAG複合蛍光体を作製し、YAG中にGdを置換することで、色の調整を行う技術が開示されている。
しかしながら、このようにして波長を制御する方法の場合には、単にGdやGaをYAG中に置換するだけであるので、波長の制御を行う際に、同時に、蛍光体の輝度(従って蛍光強度)が低下したり、熱特性が低下する(即ち温度消光が発生し易い)可能性がある。
なお、前記特許文献2に記載の技術では、蛍光体の製造時に第3成分であるCeAl1118相が析出するので、材料自体の熱伝導率が低下する(従って温度消光が発生し易い)可能性もある。
つまり、上述した従来技術のように、GdやGaなどの置換による一般的な色味の調整方法では、蛍光体の特性、詳しくは蛍光特性(即ち蛍光強度)や耐熱性(即ち温度消光を抑制する性能)を大きく低下させてしまうという可能性がある。
本開示の一局面においては、高い蛍光特性及び耐熱性を有する光波長変換部材及び発光装置を提供することが望ましい。
(1)本開示の一つの局面における光波長変換部材は、Al結晶粒子と、化学式(Y、A)12:Ceで表される(Y、A)12:Ce結晶粒子と、を主成分とする多結晶体であるセラミックス焼結体から構成された光波長変換部材に関するものである。
この光波長変換部材では、(Y、A)12:Ce中のA、Bは、下記の元素群から選択される少なくとも1種の元素であり、
A:Ce以外のランタノイド、Sc
B:Al、Ga
且つ、前記(Y、A)12:Ce結晶粒子は、(Y、A)12:Ce中のAについて、(Y、A)12:Ce結晶粒子の内部の濃度よりも、(Y、A)12:Ce結晶粒子の表面側の濃度が高い領域を有する。
このように、本光波長変換部材では、(Y、A)12:Ce中のAは、(Y、A)12:Ce結晶粒子の内部の濃度よりも、(Y、A)12:Ce結晶粒子の表面側の濃度が高いので、高い蛍光強度(従って高い発光強度)と、高い耐熱性(即ち温度消光が生じ難い特性)とを有する。
なお、前記Aの濃度とは、A元素の多さの程度を示している。例えば、後述するSTEM−EELS分析による画像解析を行う際に、同じサイズの測定範囲においてある測定範囲におけるAの濃度が他の測定範囲におけるAの濃度より高いとは、ある測定範囲におけるAの元素の量が他の測定範囲より多いことを示している。
ここで、本光波長変換部材の原理について説明する。
蛍光体である光波長変換部材においては、蛍光強度は、結晶粒子の表面での発光の寄与が大きい。そのため、結晶粒子の内部の例えばGd等のイオン濃度が多少低くても、蛍光色や輝度などの発光特性を十分に保つことができる。一方、色調整のために添加されるGd等のイオン濃度が高い場合には、温度消光が発生し易くなるので、耐熱性が低下する。
そこで、本光波長変換部材では、蛍光を発する(Y、A)12:Ce結晶粒子において、色調整のために添加する前記A元素の濃度(即ちイオン濃度)を、結晶粒子の内部よりも表面の方を高くしている。
そのため、(Y、A)12:Ce結晶粒子の内部のA元素の濃度が低い場合でも、蛍光色や輝度などの発光特性を十分に保つことができる。つまり高い蛍光強度が得られる。また、(Y、A)12:Ce結晶粒子の内部のA元素の濃度が低いので、温度消光が発生し難く、よって、耐熱性を向上することができる。
このように、本光波長変換部材では、(Y、A)12:Ce結晶粒子の表面側と内部とでA元素の濃度の異なる組織とすることで、光波長変換部材から発生する光の色調を変化させながら、高い蛍光特性(例えば発光強度)と高い熱特性(例えば温度消光に関する耐熱性)とを有するセラミックス蛍光体(即ち光波長変換部材)を実現できる。
しかも、本光波長変換部材では、セラミックス焼結体が、前記元素群から選択される少なくとも1種の元素から構成されている(Y、A)12:Ceで表されるガーネット構造を有している。この組成により、効率よく青色光を可視光に変換することができる。
(2)上述した光波長変換部材では、(Y、A)12:Ce結晶粒子のEELS分析で得られる画像を用いて、(Y、A)12:Ce結晶粒子の表面から内部側に向かって、一定の間隔で、(Y、A)12:Ce中のAの濃度に対応した測定値を求める場合に、表面に最も近い位置における測定値から測定値が±5%の範囲となる複数の測定値について、当該複数の測定値の平均値を基準の100%とする。さらに、その複数の測定値を求めた領域より内部側において、測定値が基準の100%に対して60%に相当する位置を前記偏析の境界と規定する。そして、この場合に、偏析の境界が、(Y、A)12:Ce結晶粒子の表面から粒子径の1%以上25%以下の範囲にあってもよい。
このようにAの濃度差がある場合には、光波長変換部材から発生する光の色調を変化させながらも高い蛍光特性(例えば発光強度)と高い熱特性(例えば温度消光に関する耐熱性)を有する光波長変換部材を得ることができる。
ここで、Aの偏析の範囲が粒子径の1%未満の場合には、結晶粒子の表面でのAの濃度が過度に高まるので、発光強度や熱特性が低下する場合がある。一方、Aの偏析の範囲が粒子径の25%を上回る場合には、所望の色度に調整することが難しい場合があり、発光強度や熱特性が低下する場合がある。従って、上述した偏析の範囲が最も好適である。
なお、Aの濃度に対応した測定値としては、例えば、後に実験例で示すように、EELS分析によって得られた画像を解析し、Aの濃度に対応した明るさ求め、その明るさを前記測定値として採用することができる。
また、前記一定間隔としては、例えば30nm間隔のように、10nm〜50nmの範囲を採用できる。
なお、前記偏析の境界は、複数個(例えば3個以上)の(Y、A)12:Ce結晶粒子にて求めた偏析の境界の平均値を採用できる。
また、偏析の境界を求める際の表面(即ち(Y、A)12:Ce結晶粒子の表面)における位置としては、例えば、Al結晶粒子との界面のうち特定の位置を採用できる。例えば、(Y、A)12:Ce結晶粒子のうち、前記画像における面積中心(重心)から最もAl結晶粒子に近い位置を採用できる。なお、内部側の位置としては、前記画像における(Y、A)12:Ce結晶粒子の面積中心(重心)を採用できる。
前記粒子径とは、複数の(Y、A)12:Ce結晶粒子の平均値であり、例えばインターセプト法によって得られた粒子径(例えば100個以上の結晶粒子又は前記画像の所定の面積の範囲(例えば40μm×30μmの範囲)を測定した場合の粒子径)を採用できる。
(3)本開示の一つの局面における発光装置は、前記光波長変換部材と、光を発する発光素子と、を備えている。
この発光装置(詳しくは光波長変換部材)にて波長が変換された光(即ち蛍光)は、高い蛍光強度を有する。また、光波長変換部材は高い耐熱性を有する。
なお、発光装置の発光素子としては、例えばLEDやLDなどの公知の素子を用いることができる。
<以下に、本開示の各構成について説明する>
・「主成分」とは、光波長変換部材中において、最も多い量(即ち体積)存在することを示している。例えば、光波長変換部材には、透光性粒子(即ち透光性を有する粒子)であるAl結晶粒子と、蛍光性粒子(即ち蛍光を発することができる粒子)である化学式(Y、A)12:Ceで表される結晶粒子(即ち(Y、A)12:Ce結晶粒子)とを、合計で50体積%以上(好ましくは90体積%以上)含まれていてもよい。
なお、透光性粒子とは、透光性を有する粒子であり、蛍光性粒子とは、所定の波長の光の照射を受けた場合に、蛍光を発することができる粒子である。
・Al結晶粒子と(Y、A)12:Ce結晶粒子との合計を100体積%とした場合には、(Y、A)12:Ce結晶粒子として例えば3体積%〜70体積%の範囲を採用できる。
・「(Y、A)12:Ce」とは、(Y、A)12中のY及び/又はA元素の一部にCeが固溶置換していることを示しており、このような構造を有することにより、同化合物は蛍光特性を示すようになる。
・(Y、A)12:Ce結晶粒子におけるA元素の濃度(即ちイオン濃度)は、(Y、A)12:Ce結晶粒子におけるA元素(従ってA元素のイオン)の割合であり、例えばmol%で表すことができる。
・化学式(Y、A)12:Ceは、Yが必須であり、A、Bは、それぞれ、前記A元素の群、前記B元素の群から選択されることを示している。
・Ce以外のランタノイドとしては、La、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luが挙げられる。
・セラミックス焼結体では、各結晶粒子やその粒界には、不可避不純物が含まれていてもよい。
・化学式(Y、A)12:Ceで表される組成を有する化合物は、前記セラミックス焼結体全体の3体積%〜70体積%の範囲であることが望ましい。
発光装置を厚み方向に破断した状態を示す断面図である。 実施形態の光波長変換部材の製造工程を示す説明図である。 実施例1の光波長変換部材に対して行ったEELSによるGdのマッピングの状態を模式的に示す説明図である。 実施例1の光波長変換部材に対して行ったライン分析の位置を示す説明図である。 実施例1の光波長変換部材に対するライン分析の結果を示すグラフである。 Gdの濃度に対応した測定値の変化を示すグラフである。 図7A、図7B、図7Cは、Gdの濃度に対応した測定値を求める際の測定位置を示す説明図である。
1…発光装置
5…発光素子
9…光波長変換部材
次に、本開示の光波長変換部材及び発光装置の実施形態について説明する。
[1.実施形態]
[1−1.発光装置]
まず、本実施形態の光波長変換部材を備えた発光装置について説明する。
図1に示すように、本実施形態の発光装置1は、例えばアルミナ等の箱状のセラミック製のパッケージ(容器)3と、容器3の内部に配置された例えばLD等の発光素子5と、容器3の開口部7を覆うように配置された板状の光波長変換部材9とを備えている。
この発光装置1では、発光素子5から放射された光は、透光性を有する光波長変換部材9を透過するとともに、その光の一部は光波長変換部材9の内部で波長変換されて発光する。つまり、光波長変換部材9では、発光素子5から放射される光の波長とは異なる波長の蛍光を発する。
例えば、LDから照射される青色光が、光波長変換部材9によって波長変換されることにより、全体として白色光が光波長変換部材9から外部(例えば図1の上方)に照射される。
[1−2.光波長変換部材]
次に、光波長変換部材9について説明する。
本実施形態の光波長変換部材9は、Al結晶粒子(即ち透光性粒子)と、化学式(Y、A)12:Ceで表される成分の結晶粒子(即ち(Y、A)12:Ce結晶粒子:蛍光性粒子)と、を主成分とする多結晶体であるセラミックス焼結体から構成されている。
この光波長変換部材9では、(Y、A)12:Ce中のA、Bは、下記の元素群から選択される少なくとも1種の元素である。つまり、セラミックス焼結体は、いわゆるガーネット構造を有している。
A:Ce以外のランタノイド、Sc
B:Al、Ga
しかも、この光波長変換部材9では、(Y、A)12:Ce結晶粒子は、(Y、A)12:Ce中のAについて、(Y、A)12:Ce結晶粒子の内部の濃度(即ちイオン濃度)よりも、(Y、A)12:Ce結晶粒子の表面側(特にAl結晶粒子に隣り合う表面側)の濃度が高い領域を有している。
つまり、(Y、A)12:Ce結晶粒子では、Aは、内部側(例えば結晶粒子の中心)から表面側に向けて、Aの濃度が増加する濃度勾配を有している。
また、本実施形態では、濃度が高い範囲(表面側の範囲)と濃度が低い範囲(内部側の範囲)との境界(即ち後述する偏析の境界)が、(Y、A)12:Ce結晶粒子の表面から粒子径の1%以上25%以下の範囲にある。
なお、偏析の境界は、複数(例えば5個)の(Y、A)12:Ce結晶粒子の平均値であり、粒子径は後述するインターセプト法によって求めた値である。
なお、化学式(Y、A)12:CeのA、Bは、化学式(Y、A)12:Ceで示される物質を構成する各元素(但し異なる元素)を示しており、Oは酸素、Ceはセリウムである。また、この光波長変換部材9では、A12:Ce中のCeの濃度が、元素Aに対して5mol%以下(但し0を含まず)である。
さらに、光波長変換部材9中において、Al結晶粒子と(Y、A)12:Ce結晶粒子との合計の割合は、例えば50体積%以上(好ましくは90体積%以上、更に好ましくは100体積%)の範囲の例えば99体積%である。
また、Al結晶粒子と(Y、A)12:Ce結晶粒子との割合は、その合計を100体積%とした場合には、(Y、A)12:Ce結晶粒子の割合は、例えば3体積%〜70体積%の範囲内の例えば30体積%である。
[1−3.光波長変換部材の製造方法]
次に、光波長変換部材9を製造する際の概略の手順について、図2に基づいて、簡単に説明する。
この光波長変換部材9の製造方法とは、後に実験例にて詳述するように、反応焼結による製造方法である。
図2に示すように、まず、前記実施形態の構成を満たすように、セラミックス焼結体である光波長変換部材9の粉末材料の秤量等を行った(即ち調製した)。
次に、調製した粉末材料に、有機溶剤と分散剤とを加え、ボールミルにて粉砕混合を行った。
次に、粉砕混合によって得られた粉末に、樹脂を混合しスラリーを作製した。
次に、スラリーを用いて、ドクターブレード法によりシート成形体を作製した。
次に、シート成形体を、脱脂した。
次に、脱脂したシート成形体に対して、圧力が104Pa以上で、且つ、酸素濃度が0.8体積%以上21体積%以下の焼成雰囲気で、所定時間焼成し、セラミックス焼結体を得た。
[1−4.効果]
次に、本実施形態の効果を説明する。
(1)本実施形態の光波長変換部材9では、(Y、A)12:Ce中のAは、(Y、A)12:Ce結晶粒子の内部の濃度よりも、(Y、A)12:Ce結晶粒子の表面側の濃度が高いので、高い蛍光強度(従って高い発光強度)と、高い耐熱性(即ち温度消光が生じ難い特性)とを有する。
つまり、本実施形態では、(Y、A)12:Ce結晶粒子の表面側と内部とでA元素の濃度の異なる組織とすることで、色調を変化させながら、高い蛍光特性と高い熱特性とを有するセラミックス蛍光体(即ち光波長変換部材9)を実現できる。
(2)本実施形態では、A元素の偏析の境界が、(Y、A)12:Ce結晶粒子の表面から粒子径の1%以上25%以下の範囲にあるので、高い蛍光特性と高い熱特性とを高いレベルで両立することができる。
(3)本実施形態では、セラミックス焼結体が、前記元素群から選択される少なくとも1種の元素から構成されている(Y、A)12:Ceで表されるガーネット構造を有している。この組成により、効率よく青色光を可視光に変換することができる。
(4)本実施形態の発光装置1(詳しくは光波長変換部材9)にて波長が変換された光(即ち蛍光)は、高い蛍光強度を有する。また、高い色均質性を有する。
[2.実験例]
次に、前記実施形態の具体的な実施例等について説明する。
ここでは、下記表1に記載のNo.1〜16の光波長変換部材の各試料を作製した。
各試料のうち、No.1〜8、11〜13が本開示の範囲内の実施例の試料であり、No.9、10、14〜16が本開示の範囲外の比較例の試料である。
[2−1.試料の評価方法]
まず、各試料に対して実施した各評価の方法について説明する。
<開気孔率>
各試料の光波長変換部材のセラミックス焼結体を、JIS R1634に規定される方法によって測定することにより、開気孔率を求めた。
<粒子径>
各試料の光波長変換部材のセラミックス焼結体を鏡面加工し、FESEM(電界放出形走査電子顕微鏡)によって観察を行った。そして、各試料に対して任意の5箇所の測定点で画像を取得し、インターセプト法にて(Y、A)12:Ce結晶粒子の粒子径を求めた。なお、各測定点の範囲の大きさは、例えば縦30μm×横40μmである。
詳しくは、各測定点には、複数の(Y、A)12:Ce結晶粒子が見られるので、ある測定点において、画像に複数の平行線を引く周知のインターセプト法(いわゆる切断法)によって、各結晶粒子の寸法を求め、その測定点における結晶粒子の平均を求める。なお、平行線の間隔は例えば7μmである。次に、このようにして求めた各測定点における結晶粒子を用いて、5箇所の測定点の平均を求め、これを結晶粒子の粒子径とした。
<蛍光体粒子の表面及び内部の元素の濃度測定>
各試料の光波長変換部材のセラミックス焼結体を、φ3mm、厚さt=50〜100μmのディスク状に機械研磨加工した。次に、ディスク中心部分をディンプリングした後、イオンミリング法により中央部を貫通させて、STEM(走査型透過電子顕微鏡)用の試料を得た。
そして、作製したSTEM用の試料の貫通した開口部付近において、最も薄片化されている部分で、下記のようにして、STEM観察及びEELS(電子エネルギー損失分光法)によるマッピング及びライン分析を実施した。
(EELSマッピング)
EELSによるマッピング分析は、複数個の(Y、A)12:Ce結晶粒子を同一視野内に含めた、縦5μm×横5μm以下の視野を、50×50ポイント以上の分解能で各ポイント0.1秒間EELSスペクトルを収集した。
そして、同視野のゼロロススペクトルも収集し、ゼロ位置補正後にエネルギーロス約152eVに存在するGdピーク強度を二次元色調変化表示させることで、視野内のGd分布を確認した。
このマッピングの結果の一例(後述する実施例1のNo.2の試料)を、図3に模式的に示す。なお、図3では、(Y、A)12:Ce結晶粒子をYAGと記載している。
この図3では、(Y、A)12:Ce結晶粒子の表面に沿った色の黒い部分(多数のドットで示す部分)が、Gaの濃度の高い表面部(H)であり、表面部より内側の白い部分が、表面部よりGaの濃度の低い内部(N)である。
(粒子の中心)
また、前記EELSによるマッピング分析に用いた画像を、画像処理ソフト(Winloof)を用いて画像解析することで粒界を抽出した。また、(Y、A)12:Ce結晶粒子の中心は、(Y、A)12:Ce結晶粒子の各辺について前記画像処理ソフトによって近似線を取り、(Y、A)12:Ce結晶粒子の面積中心(即ち重心)を中心とした。
(ライン分析)
ライン分析は、STEM用の試料の開口部の最端位置の(Y、A)12:Ce結晶粒子に対して、開口端部に水平な方向(即ち試料の厚みの変化が少ない方向)において、(Y、A)12:Ce結晶粒子の内部と表面との間にて、100ポイントを1ポイント1秒で散乱電子を収集した。
なお、ライン分析は、内部のうち結晶粒子の画像における面積中心(即ち重心)から外周部の表面(即ちアルミナ結晶粒子に接する表面のうち最も前記重心に近い表面)までに到る直線に沿って実施した。例えば、Gd濃度の高い結晶粒子の表面から重心に向かって、Gd濃度を示すGdピークが著しく低下するレベル(例えばGdピークの最大値の20%のレベル)までの範囲のライン分析を行った。なお、ライン分析を行う方向は内部側から表面側でも、表面側から内部側へのどちらでもよい。
そして、前記マッピングと同様に、ゼロ位置補正後にGdピーク強度を求め、その強度の変化をグラフ化した。このグラフのスペクトル強度から、(Y、A)12:Ce結晶粒子の内部と表面側(例えば表面部)とにおけるA元素のイオン濃度差の有無を判断した。
このライン分析を行う位置の一例(後述する実施例2の試料)を図4に示す。なお、図4では、領域Z1を拡大したものが領域Z2である。
また、グラフ化したライン分析の結果を、図5に示す。この図5は、ライン分析の方向に沿った各測定ポイントにおけるGdピーク強度を示している。つまり、図5の横軸がライン分析を行う方向に沿った位置(従って測定ポイント数)を示し(即ち左側が内部側で右側が表面側)、縦軸が各測定ポイントにおけるGdピーク強度(即ちGd濃度に対応した値)を示している。
そして、図5に示すように、(Y、A)12:Ce結晶粒子の内部側よりも表面側の方がA元素(例えばGd)のイオン濃度が高い場合(即ちGdピーク強度が大きい場合)には、イオン濃度差が有ると判定している。具体的には、目視により、(Y、A)12:Ce結晶粒子の内部側よりも表面側の方がA元素のイオン濃度が高い場合には、イオン濃度差が有ると判定している。
なお、図5に示すようなイオン濃度差がある場合(即ち内部側より表面側のイオン濃度が高い場合)には、各Gdピーク強度を示す点に対して、周知の最小二乗法によって回帰直線(一次関数)を求めると、その回帰直線の勾配が正であり、表面側に行くほど高くなる。
<偏析の境界>
各試料の光波長変換部材のセラミックス焼結体を、φ3mmのディスク形状に打ち抜き、研磨加工にて厚さ約50μmに調整した。次に、ディスク中心部分をディンプリングした後、イオンミリング法により中央部を貫通させて、貫通孔端部が極薄片化された試料を得た。
前記試料の光波長変換部材のセラミックス焼結体について、前記EELSによるマッピング分析と同様してGdの分布を示す画像を求め、画像処理ソフト(Winloof)を用いて画像解析することで、Gd(即ちGd元素)の偏析の範囲を解析した。なお、この画像は、白黒画像であり、Gdの多い箇所はドットにて明るく表示される。
具体的には、測定範囲(即ち測定点)として縦15ピクセル×横15ピクセルの範囲を指定し、単一閾値で2値化処理を行った。なお、1ピクセル当たり4nmとなるように画像の大きさを調節した。その後、下記式(S)に示す濃度特徴コマンドを実行し、下記の濃度平均値を求めた。
このような処理を、隣接する測定範囲が半分重なるようにして、直線状に、(Y、A)12:Ce結晶粒子の表面から当該結晶粒子の重心に向けて、30nmの間隔で順次明るさの抽出を行った。測定箇所は12箇所であり、Gdの偏析が見られない箇所まで実施した。
なお、(Y、A)12:Ce結晶粒子の表面における測定位置としては、Al結晶粒子に隣接する表面のうち、(Y、A)12:Ce結晶粒子の重心に最も近い位置を採用した。
ここでは、下記式(S)のようにして各測定範囲の明るさの平均値(即ち濃度平均値=明るさ平均値)を求め、この平均値を各測定範囲のGdの濃度に対応した測定値としている。
濃度(明るさ)平均値=(各ピクセルの明るさの合計)/ピクセル数
・・(S)
そして、図6に示すように、結晶粒子の外側表面に最も近い位置の測定範囲の濃度平均値から±5%の範囲(丸で囲んだ範囲H)の各測定範囲の濃度平均値を求め、±5%の範囲の各測定範囲の濃度平均値の平均値を求めて基準値とした。そして、その基準値を100%としたときに、濃度平均値の前記基準値の100%に対して60%に相当する位置をGdの偏析の境界とした。詳しくは、上述のように、結晶粒子の外側表面に最も近い位置から内部側に向かって測定を行った場合に、濃度平均値が前記基準値の100%から60%以下に低下した位置をGdの偏析の境界とした。
なお、図6における測定値P1、P2、P3の測定位置を、それぞれ図7A、図7B、図7Cに示す点線の正方形で示す。なお、図7は前記2値化処理を行った画像である。
なお、上述した偏析の境界の測定は、複数(例えば5個)の(Y、A)12:Ce結晶粒子に対して実施し、その平均値を偏析の境界として採用した。
そして、偏析の境界が粒子径の寸法の何%の位置にあるかを求め、その結果を下記表2に記載した。
<発光強度>
光波長変換部材の各試料として、縦13mm×横13mm×厚み0.2mmの試料を作製した。
この試料に対して、465nmの波長を有する青色LD光(即ちレーザー光)を、レンズで0.15mm幅まで集光させて照射した。そして、試料を透過した光をレンズにて集光し、パワーセンサーによって、その時の発光強度を測定した。この時のレーザー出力密度は40W/mmとした。
各試料の発光強度は、単結晶(即ちYAG:Ce単結晶体)を用いた時の発光強度を100とした相対値で評価し、その結果を表2の発光強度の欄に記載した。つまり、発光強度が120以上であるものを「適」とし、120を下回り100以上のものを「可」とし、100を下回るものを「不可」とする評価を行った。
<耐レーザー出力>
光波長変換部材の各試料として、縦13mm×横13mm×厚み0.2mmの試料を作製した。
各試料の光波長変換部材に対し、465nmの波長を有する青色LD光を、レンズで0.15mm幅まで集光させて照射した。この時の青色LD光のレーザー出力密度を、0〜50W/mmの範囲で変化させた。そして、試料を透過した光をレンズにて集光し、パワーセンサーによって、その時の発光強度を測定した。
そして、レーザー出力密度が5W/mmの時の発光強度に対して60%以下になった場合に、温度消光が生じたと判断し、その結果を表2の耐LD出力の欄に記載した。なお、50W/mmで消光しないものを「適」とし、50W/mmを下回り30W/mmを上回る範囲で消光したものを「可」とし、30W/mm以下で消光したものを「不可」とする評価を行った。なお、耐レーザー出力に関しては、50W/mm以上まで消光しないものが好ましい。
<発光スペクトル>
前記<発光強度>の測定の際と同様にして得られた光、即ちレンズにて集光した光に対して、色彩照度計により発光スペクトルを測定した。そして、そのスペクトルの中で最も高い点の波長を「発光ピーク波長」とし、発光スペクトルのシフト(即ち467nmからのシフト)を評価した。その結果を表2の「発光ピーク波長」の欄に記載した。
[2−2.試料の製造方法及び評価結果]
次に、各試料の製造方法と、各試料の評価結果について説明する。
<実施例1>
下記表1に示す条件により、No.1〜8の光波長変換部材の試料を作製した。即ち、反応焼結によって、No.1〜8の光波長変換部材の試料を作製した。
なお、試料の大きさは、例えば縦13mm×横13mm×厚み0.2mmである。
(1)まず、下記の手順で、セラミックス焼結体(蛍光体)を作製した。
具体的には、表1に示すNo.1〜8の試料のセラミックス焼結体の組成となるように、Al(平均粒径0.2μm)、Y(平均粒径1.2μm)、Gd(平均粒径0.9μm)、CeO(平均粒径1.5μm)の各粉末材料を秤量した。
このとき、(Y、A)12:Ceは、セラミックス焼結体全体の30体積%となるように固定した。
これらの粉末を、エタノールと共にボールミル中に投入し、16hr粉砕混合を行った。得られたスラリーを乾燥・造粒することで造粒粉を得た。この造粒粉に対して、所定の割合(全体の2重量%)となるように、十分に溶融させたバインダーを加え、良く攪拌し、乾燥させることで所定の粉末を得た。
得られた粉末をプレス成形し、さらにCIP成形することで成形体を得た。得られた成形体を脱脂後、大気雰囲気中で焼成を行って、セラミックス焼結体(即ち光波長変換部材)を得た。
この焼成の際には、第1段階で後の第2段階の焼成温度よりも1000℃よりも低い1500℃で0〜8時間保持し、その後、第2段階で焼成温度を1600℃、保持時間を10時間として焼成を行った。
なお、第1段階の保持時間が長くなると、Gdが表面側に偏析し(即ち表面側のGdの濃度が上昇し)、偏析の境界が表面側に近づく。一方、第1段階の保持時間が短いと、Gdが表面側に偏析しにくく、偏析の境界が内部側に近づく。
(2)そして、得られた試料の光波長変換部材に対して、上述した評価方法による評価を行った。その結果等を、図3、図4及び下記表2に記す。
なお、表1では、(Y、A)に対応する構成をXと記載してあり、Xを示す欄(X欄)に、YとA元素(Gd、Sc、Lu)が記載してある。
図3に、No.2の試料に対するEELSマッピングを示す。この図3では、Gdが存在する位置をドットで示している。
この図3から明らかように、(Y、A)12:Ce結晶粒子の外縁である表面部(即ち表面側)に、多くのGdが存在していることが分かる。
図4に、No.2の試料に対してライン分析を行う位置を示す。このライン分析では、図4に示すように、(Y、A)12:Ce結晶粒子の内部側よりも表面側に向けて(最表面に到るまで)ライン分析を行った。
このライン分析の結果を、図5に示すが、図5の左側(内部側)から右側(表面側)に行くほど、Gdピーク強度が増加していることが分かる。詳しくは、各Gdピーク強度を示す点に対して、最小二乗法によって回帰直線(一次関数)を求めると、その回帰直線の勾配は正となっており、表面側に行くほど高くなっていることが分かる。
また、表2から明らかなように、No.1〜8の試料は、表2に記載の製造方法(即ち反応焼結)で製造されるので、(Y、A)12:Ce結晶粒子の内部側と外部側とでA元素(即ちGd)のイオン濃度差があること、即ち内部よりも表面側の方が、Gdイオンのイオン濃度が高いことが分かる。
そのため、No.1〜8の試料では、発光強度も100以上と高く、しかも、耐LD出力が30W/mmを上回るので(従って温度消光が起こりにくいので)、好適である。
なお、No.1〜8の試料の開気孔率は0.01%であり、相対密度は99%以上であった。なお、相対密度は、下記の実施例2の試料についても同様であった。
また、No.2〜5の試料は、偏析の境界(従ってGd濃度の高い範囲)が、粒子径の1%〜25%であるので、発光強度及び耐LD出力とも優れているので好適である。
一方、No.1の試料は、偏析の境界が、粒子径の1%未満であるので、No.2〜5の試料に比べて、発光強度や耐LD出力が低い。また、No.6〜8の試料は、偏析の境界が、粒子径の25%を上回るので、No.2〜5の試料に比べて、発光強度や耐LED出力が低い。
<比較例1、2>
下記表1に示す条件により、No.9、10の光波長変換部材の試料を作製した。
この比較例1、2のセラミックス焼結体の試料の作製方法は、従来と同様な混合系の製造方法(例えば前記特許文献1参照)である。
具体的には、材料として、蛍光性結晶の粉末(例えばYAG粉末)と透光性結晶の粉末(例えばAlの粉末)とを混合して混合材料を作製し、その混合粉末を用いて成形体を作製し、その成形体を表1の条件にて焼成して試料を作成した。
そして、このNo.9、10の試料に対して、実施例1と同様にして評価を行った。その結 果を、下記表2に記す。
表2から明らかなように、No.9、10の試料は、(Y、A)12:Ce結晶粒子の内部側と表面側とでA元素(即ちGd)のイオン濃度差が無いことが分かる。
そのため、No.9、10の試料では、発光強度が低く、しかも、耐LD出力が30W/mm以下であり、従って温度消光が起こり易いので、好ましくない。
<実施例2>
下記表1に示す条件により、No.11〜13の光波長変換部材の試料を作製した。即ち、反応焼結によって、No.11〜13の光波長変換部材の試料を作製した。
各試料を作製する手順は、基本的には、実施例1と同様であるが、使用する材料が若干異なる。以下では、異なる点を説明する。
具体的には、表1に示すNo.11の試料のセラミックス焼結体の組成となるように、Al(平均粒径0.2μm)、Y(平均粒径1.2μm)、Gd(平均粒径0.9μm)、Ga(平均粒径0.9μm)、CeO(平均粒径1.5μm)の各粉末材料を秤量して、No.11の試料用の粉末を作製した。
また、表1に示すNo.12の試料のセラミックス焼結体の組成となるように、Al( 平均粒径0.2μm)、Y(平均粒径1.2μm)、Sc(平均粒径0.9μm)、Ga(平均粒径0.9μm)、CeO(平均粒径1.5μm)の各粉末材料を秤量して、No.12の試料用の粉末を作製した。
さらに、表1に示すNo.13の試料のセラミックス焼結体の組成となるように、Al(平均粒径0.2μm)、Y(平均粒径1.2μm)、Lu(平均粒径0.9μm)、Ga(平均粒径0.9μm)、CeO(平均粒径1.5μm)の各粉末材料を秤量して、No.13の試料用の粉末を作製した。
そして、これらのNo.11〜13の試料用の各粉末を用いて、前記実施例1と同様にして、No.11〜13の試料を作製し、同様に評価を行った。その結果を、下記表2に記す。
表2から明らかなように、No.11〜13の試料は、(Y、A)12:Ce結晶粒子の内部側と表面側とで各A元素(即ちGd又はSc又はLu)のイオン濃度差があること、即ち内部よりも表面側の方が、各A元素のイオン濃度が高いことが分かる。また、偏析の境界が、粒子径の1%〜25%である。
そのため、No.11〜13の試料では、発光強度も100以上と高く、しかも、耐LD出力が50W/mmを上回るので(従って温度消光が起こりにくいので)、好適である。
<比較例3>
下記表1に示す条件により、No.14〜16の光波長変換部材の試料を作製した。
この比較例3のセラミックス焼結体の試料の作製方法は、前記比較例1、2と同様な混合系の製造方法である。
具体的には、No.14では、材料として、蛍光性結晶である(Y、Gd)(Al、Ga )12の粉末を用いた。No.15では、材料として、蛍光性結晶である(Y、Sc) (Al、Ga)12の粉末を用いた。No.16では、材料として、蛍光性結晶である(Y、Lu)(Al、Ga)12の粉末を用いた。
そして、各試料用の材料を混合して各試料用の混合材料を作製した。次に、その混合材料を用いて成形体を、表1の条件にて焼成して各試料を作成した。
そして、このNo.14〜16の試料に対して、実施例1と同様にして評価を行った。その結果を、下記表2に記す。
表2から明らかなように、No.14〜16の試料は、(Y、A)12:Ce結晶粒子の内部側と外部側とでA元素(即ちGd)のイオン濃度差が無いことが分かる。
そのため、No.14〜16の試料では、発光強度が低く、しかも、耐LD出力が50W/mm以下であり、従って温度消光が起こり易いので、好ましくない。
[3.他の実施形態]
本開示は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本開示を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
(1)例えば、前記実施例では大気焼成にて試料を作製したが、その他にホットプレス焼成、真空焼成、還元雰囲気焼成、HIP、またはこれらを組み合わせた焼成方法によって、同等の性能を有した試料を作製することができる。
(2)前記光波長変換部材や発光装置の用途としては、蛍光体、光波長変換機器、ヘッドランプ、照明、プロジェクター等の光学機器など、各種の用途が挙げられる。
(3)発光装置に用いる発光素子としては特に限定はなく、周知のLEDやLDなど、各種のものを採用できる。
(4)なお、上記実施形態における1つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を1つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を、省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
この焼成の際には、第1段階で後の第2段階の焼成温度よりも100℃低い1500℃で0〜8時間保持し、その後、第2段階で焼成温度を1600℃、保持時間を10時間として焼成を行った。

Claims (3)

  1. Al結晶粒子と、化学式(Y、A)12:Ceで表される(Y、A)12:Ce結晶粒子と、を主成分とする多結晶体であるセラミックス焼結体から構成された光波長変換部材において、
    前記(Y、A)12:Ce中のA、Bは、下記の元素群から選択される少なくとも1種の元素であり、
    A:Ce以外のランタノイド、Sc
    B:Al、Ga
    且つ、前記(Y、A)12:Ce結晶粒子は、前記(Y、A)12:Ce中のAについて、前記(Y、A)12:Ce結晶粒子の内部の濃度よりも、前記(Y、A)12:Ce結晶粒子の表面側の濃度が高い領域を有する、
    光波長変換部材。
  2. 前記(Y、A)12:Ce結晶粒子のEELS分析で得られる画像を用いて、前記(Y、A)12:Ce結晶粒子の表面から前記内部側に向かって、一定の間隔で、前記(Y、A)12:Ce中の前記Aの濃度に対応した測定値を求める場合に、
    前記表面に最も近い位置における前記測定値から前記測定値が±5%の範囲となる複数の測定値について、当該複数の測定値の平均値を基準の100%とし、前記複数の測定値を求めた領域より前記内部側において、前記測定値が前記基準の100%に対して60%に相当する位置を前記Aの偏析の境界と規定したときに、
    前記偏析の境界が、前記(Y、A)12:Ce結晶粒子の表面から粒子径の1%以上25%以下の範囲にある、
    前記請求項1に記載の光波長変換部材。
  3. 前記請求項1又は請求項2に記載の光波長変換部材と、発光素子と、を備えた、
    発光装置。
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