KR102501831B1 - 광 파장 변환 장치 - Google Patents

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요스케 야츠야
유스케 가츠
도모오 다나카
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니뽄 도쿠슈 도교 가부시키가이샤
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Abstract

광 파장 변환 부재와 방열 부재의 접합 강도를 유지하면서, 광 파장 변환 부재의 배열을 효율적으로 실시할 수 있는 광 파장 변환 장치를 제공한다. 본 개시는, 입사된 광의 파장을 변환시키도록 구성된 광 파장 변환 부재와, 광 파장 변환 부재보다 방열성이 우수한 방열 부재와, 광 파장 변환 부재와 방열 부재를 접합하는 접합부를 구비하는 광 파장 변환 장치이다. 광 파장 변환 부재는, 판상의 세라믹스 형광체와, 세라믹스 형광체의 방열 부재측의 면에 배치된 반사막을 갖는다. 접합부의 열 전도율은 120 W/mK 이상이다. 접합부의 융점은 240 ℃ 이상이다.

Description

광 파장 변환 장치
본 국제출원은, 2018년 2월 14일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허출원 제2018-24282호에 기초한 우선권을 주장하는 것으로서, 일본 특허출원 제2018-24282호의 전체 내용을 본 국제출원에 참조에 의해 원용한다.
본 개시는, 광 파장 변환 장치에 관한 것이다.
헤드 램프, 각종 조명 기기, 레이저 프로젝터 등에서는, 발광 다이오드 (LED, Light Emitting Diode) 나 반도체 레이저 (LD, Laser Diode) 등의 청색광을 광 파장 변환 부재인 형광체에 의해 파장 변환시킴으로써 백색을 얻고 있다.
이 형광체로는, 수지계나 유리계 등이 알려져 있지만, 레이저를 사용한 광원의 고출력화에 대응하기 위해, 내구성이 우수한 세라믹스 형광체가 광 파장 변환 장치에 사용되고 있다.
또, 형광체는, 광의 조사에 의해 발열한다. 형광체가 발열하여 고온이 되면, 형광체가 발하는 광의 강도 (즉, 발광 강도 : 형광 강도) 등의 형광 기능이 저하되는 온도 소광이 발생한다. 그 때문에, 효율적으로 형광체를 발광시키기 위해서는, 형광체로부터 외부로의 배열 (排熱) 이 필요해진다.
그래서, 땜납을 사용하여 광 파장 변환 부재에 방열 부재를 접합한 광 파장 변환 장치가 알려져 있다 (특허문헌 1 참조). 그러나, 땜납의 융점은 200 ℃ 이하이기 때문에, 상기 광 파장 변환 장치에서는, 레이저 조사에 의한 형광체의 발열에 의해 땜납이 재용융되어, 방열 부재와 광 파장 변환 부재의 접합 강도가 저하된다. 그 결과, 광 파장 변환 부재의 방열 부재로부터의 탈리나 파손과 같은 결함이 발생한다.
또, 이 결함에 의해, 광 파장 변환 부재로부터 방열 부재로의 전열 (傳熱) 이 불충분해져, 배열 효율이 저하된다. 이와 같은 문제는, 땜납 대신에 수지계 접착제를 사용하여 접합을 한 경우에도 일어날 수 있다.
이것에 대하여, 은 나노 입자를 사용하여 광 파장 변환 부재와 방열 부재를 접합한 광 파장 변환 장치가 고안되어 있다 (특허문헌 2 참조).
국제공개 제2014/065051호 국제공개 제2017/110031호
상기 은 나노 입자를 사용한 광 파장 변환 장치에서는, 땜납의 재용융에 기초한 결함의 발생이 억제된다. 그러나, 상기 광 파장 변환 장치에 있어서, 광 파장 변환 부재로부터 방열 부재로의 전열성에 대해서는 개선의 여지가 있다.
본 개시의 일 국면은, 광 파장 변환 부재와 방열 부재의 접합 강도를 유지하면서, 광 파장 변환 부재의 배열을 효율적으로 실시할 수 있는 광 파장 변환 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
본 개시의 일 양태는, 입사된 광의 파장을 변환시키도록 구성된 광 파장 변환 부재와, 광 파장 변환 부재보다 방열성이 우수한 방열 부재와, 광 파장 변환 부재와 방열 부재를 접합하는 접합부를 구비하는 광 파장 변환 장치이다. 광 파장 변환 부재는, 판상의 세라믹스 형광체와, 세라믹스 형광체의 방열 부재측의 면에 배치된 반사막을 갖는다. 접합부의 열 전도율은 120 W/mK 이상이다. 접합부의 융점은 240 ℃ 이상이다.
이와 같은 구성에 의하면, 광 파장 변환 부재와 방열 부재 사이의 방열 경로가 되는 접합부의 열 전달 성능을 높게 할 수 있어, 광 파장 변환 부재로부터의 배열을 보다 효율적으로 실시할 수 있다.
또, 레이저 조사에 의해 세라믹스 형광체의 온도가 상승하게 되더라도, 광 파장 변환 부재와 방열 부재를 접합하는 접합부가 잘 용융되지 않는다. 그 때문에, 레이저의 고출력역까지 높은 내열성과 접합 강도를 유지할 수 있다. 그 결과, 고출력역에서도 광 파장 변환 부재와 방열 부재 사이의 방열 경로를 유지할 수 있어, 광 파장 변환 부재로부터의 배열을 효율적으로 실시할 수 있다.
본 개시의 일 양태에서는, 접합부는, 금, 은, 구리, 또는 이것들의 조합만으로 구성되어도 된다. 이와 같은 구성에 의하면, 광 파장 변환 부재로부터의 배열을 효율적으로 실시할 수 있는 접합부를 용이하게 또한 확실하게 형성할 수 있다.
본 개시의 일 양태에서는, 접합부는, 기공을 가져도 된다. 접합부의 기공률은, 40 ％ 이하여도 된다. 이와 같은 구성에 의하면, 접합부의 전열성을 유지하면서, 방열 부재와 광 파장 변환 부재 사이의 열 팽창차가 완화되므로, 열 충격에 의한 접합부의 파손을 억제할 수 있다.
본 개시의 일 양태에서는, 접합부 중, 광 파장 변환 부재와 방열 부재 사이에 배치된 접합 영역의 평균 두께는, 1 ㎛ 이상이어도 된다. 이와 같은 구성에 의하면, 광 파장 변환 부재와 방열 부재의 접합 강도를 보다 높일 수 있다.
본 개시의 일 양태에서는, 접합부 중, 광 파장 변환 부재와 방열 부재 사이에 배치된 접합 영역의 평균 두께는, 세라믹스 형광체의 평균 두께와 접합 영역의 평균 두께의 합계 두께의 50 ％ 이하여도 된다. 이와 같은 구성에 의하면, 접합 영역이 과도하게 두꺼워지는 것을 억제하여, 방열 부재에 광 파장 변환 부재로부터 발생한 열을 보다 빠르게 전달할 수 있다. 그 결과, 광 파장 변환 부재로부터의 배열을 보다 효율적으로 실시할 수 있다.
본 개시의 일 양태는, 접합부 중, 광 파장 변환 부재 및 방열 부재와 접합되어 있지 않은 면의 적어도 일부를 피복하는 수지층을 추가로 구비해도 된다. 이와 같은 구성에 의하면, 접합부의 접합 계면에 있어서의 산화, 황화 등을 억제할 수 있다. 그 결과, 광 파장 변환 장치의 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 개시의 일 양태에서는, 수지층은, 불화물계의 수지를 주성분으로 해도 된다. 이와 같은 구성에 의하면, 수지층의 O2, H2S, SO2 등의 가스나 수분의 투과성을 저감시킬 수 있으므로, 보다 확실하게 광 파장 변환 장치의 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 개시의 일 양태에서는, 방열 부재는, 접합부와 접합되는 면에 배치된 적어도 1 개의 절결을 가져도 된다. 이와 같은 구성에 의하면, 광 파장 변환 부재와 방열 부재의 접합시에 양자 간의 열 팽창 차이에서 기인하여 발생하는 응력을 억제할 수 있다. 그 때문에, 접합 강도가 향상되고, 방열성이 향상된다. 또, 고온 환경하에서 방열 부재에 발생하는 열 응력이 저감되므로, 동작 중인 광 파장 변환 부재에 있어서의 박리 등의 파손을 억제할 수 있다.
본 개시의 일 양태에서는, 광 파장 변환 부재는, 두께 방향에서 본 적어도 1 개의 코너부가 둥글게 되어도 된다. 이와 같은 구성에 의하면, 광 파장 변환 부재와 방열 부재의 접합시에 양자 간의 열 팽창 차이에서 기인하여 발생하는 응력을 억제할 수 있다. 그 때문에, 접합 강도가 향상되고, 방열성이 향상된다. 또, 레이저 조사시에 광 파장 변환 부재 내에 발생하는 응력이 면 방향에서 균일해지기 쉽다. 그 때문에, 광 파장 변환 부재의 상면 및 하면에 발생하는 힘을 억제할 수 있으므로, 동작 중인 광 파장 변환 부재에 있어서의 박리 등의 파손을 억제할 수 있다.
도 1A 는, 실시형태의 광 파장 변환 장치의 모식적인 평면도이고, 도 1B 는, 도 1A 의 IB-IB 선에서의 모식적인 단면도이다.
도 2 는, 도 1B 와는 상이한 실시형태의 광 파장 변환 장치의 모식적인 단면도이다.
도 3 은, 실시형태의 광 파장 변환 장치를 구비한 광 복합 장치의 모식적인 단면도이다.
도 4 는, 광원 유닛의 설명도이다.
도 5A 는, 도 1B 및 도 2 와는 상이한 실시형태의 광 파장 변환 장치의 모식적인 단면도이고, 도 5B 는, 도 1A, 1B, 도 2 및 도 5A 와는 상이한 실시형태의 광 파장 변환 장치의 모식적인 단면도이다.
도 6A 는, 도 1A, 1B, 도 2 및 도 5A, 5B 와는 상이한 실시형태의 광 파장 변환 장치의 모식적인 평면도이고, 도 6B 는, 도 6A 의 VIB-VIB 선에서의 모식적인 단면도이다.
이하, 본 개시가 적용된 실시형태에 대해, 도면을 사용하여 설명한다.
[1. 제 1 실시형태]
[1-1. 구성]
도 1A, 1B 에 나타내는 광 파장 변환 장치 (1) 는, 광 파장 변환 부재 (2) 와, 방열 부재 (3) 와, 접합부 (4) 를 구비한다.
＜광 파장 변환 부재＞
광 파장 변환 부재 (2) 는, 입사된 광의 파장을 변환시키는 부재이다. 광 파장 변환 부재 (2) 는, 판상의 세라믹스 형광체 (21) 와, 반사막 (22) 과, 반사 방지막 (23) 과, 중간막 (24) 을 갖는다.
(세라믹스 형광체)
세라믹스 형광체 (21) 는, 형광성을 갖는 결정 입자를 주체로 하는 형광상과, 투광성을 갖는 결정 입자를 주체로 하는 투광상을 갖는 세라믹스 소결체이다.
「형광상」이란, 형광성을 갖는 결정 입자를 주체로 하는 상이고,「투광상」이란, 투광성을 갖는 결정 입자, 상세하게는 형광상의 결정 입자와는 상이한 조성의 결정 입자를 주체로 하는 상이다.
또,「주체」란, 각 상에 있어서, 가장 많이 존재하는 성분을 의미한다. 예를 들어, 형광상에는, 형광성을 갖는 결정 입자가 50 체적％ 이상, 바람직하게는 90 체적％ 이상 함유된다. 또, 예를 들어, 투광상에는, 투광성을 갖는 결정 입자가 50 체적％ 이상, 바람직하게는 90 체적％ 이상 함유된다. 투광상으로는, 예를 들어, 알루미나, 유리 등을 사용할 수 있다. 또, 투광상은 단결정이어도 된다.
세라믹스 형광체 (21) 를 구성하는 세라믹스 소결체의 각 결정 입자나 그 입계에는, 투광상 및 투광상 이외의 불가피 불순물이 함유되어 있어도 된다.
세라믹스 형광체 (21) 의 재질은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 투광상의 결정 입자가 화학식 (1) Al2O3 으로 나타내는 조성을 갖고, 형광상의 결정 입자가 화학식 (2) A3B5O12 : Ce 로 나타내는 조성 (요컨대 가닛 구조) 을 가지면 된다.
또한,「A3B5O12 : Ce」란, A3B5O12 중에 Ce 가 고용되어, 원소 A 의 일부가 Ce 로 치환되어 있는 것을 나타낸다. 형광상의 결정 입자는, Ce 의 고용에 의해, 형광 특성을 나타낸다.
화학식 (1) 중의 A 원소 및 화학식 (2) 중의 B 원소는, 각각 하기의 원소군에서 선택되는 적어도 1 종의 원소로 구성되어 있다.
A : Sc, Y, 란타노이드 (단, Ce 는 제외한다)
(단, A 로서 추가로 Gd 를 함유하고 있어도 된다)
B : Al (단, B 로서 추가로 Ga 를 함유하고 있어도 된다)
세라믹스 형광체 (21) 로서, 상기 세라믹스 소결체를 사용함으로써, 형광상과 투광상의 계면에서의 광의 산란이 일어나, 광의 색의 각도 의존성을 줄일 수 있다. 그 결과, 색의 균질성을 향상시킬 수 있다.
또, 상기 세라믹스 소결체는, 열 전도율이 우수하기 때문에, 레이저광의 조사에 의해 발생한 열을 방열 부재 (3) 에 배출하기 쉽다. 그 때문에, 레이저의 고출력역에서도 형광 기능을 유지할 수 있다.
한편으로, 세라믹스 형광체 (21) 가 단일 조성이면, 광의 산란이 일어나지 않기 때문에, 광의 색의 각도 의존성이 커져, 광의 색의 불균일이 발생할 우려가 있다. 또, 형광체로서 수지를 사용하면, 열 전도율이 저하되어, 방열을 충분히 할 수 없어 온도 소광이 일어날 우려가 있다.
세라믹스 형광체 (21) 의 평균 두께 (요컨대, 상면에서 하면까지의 평균 거리) 로는, 100 ㎛ 이상 500 ㎛ 이하가 바람직하다.
(반사막)
반사막 (22) 은, 세라믹스 형광체 (21) 의 하면 (요컨대, 방열 부재 (3) 측의 면) 에 배치되어 있다.
반사막 (22) 은, 세라믹스 형광체 (21) 내부에서 발생하는 광을 반사시킴으로써, 이 광을 광 파장 변환 부재 (2) 의 외부로 효율적으로 방사시킨다. 이로써, 광 파장 변환 부재 (2) 의 발광 강도가 향상된다.
반사막 (22) 의 재질로는, 예를 들어, 금속 알루미늄, 은 등의 금속에 추가하여, 산화니오브, 산화티탄, 산화란탄, 산화탄탈, 산화이트륨, 산화가돌리늄, 산화텅스텐, 산화하프늄, 산화알루미늄, 질화규소 등을 채용할 수 있다.
반사막 (22) 의 평균 두께로는, 0.1 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하가 바람직하다.
또, 반사막 (22) 은, 단층 구조여도 되고, 다층 구조여도 된다.
(반사 방지막)
반사 방지막 (23) 은, 세라믹스 형광체 (21) 의 상면 (요컨대, 방열 부재 (3) 와는 반대측의 면) 에 배치되어 있다.
반사 방지막 (23) 은, 세라믹스 형광체 (21) 에서의 광의 반사를 억제하기 위한 반사 방지 코팅 (AR 코팅) 이다. 반사 방지막 (23) 에 의해, 세라믹스 형광체 (21) 에 광을 효율적으로 흡수시킬 수 있다. 또, 세라믹스 형광체 (21) 의 내부에서 발생하는 광을 효율적으로 외부로 취출할 수 있다. 그 결과, 광 파장 변환 부재 (2) 의 발광 강도가 향상된다.
반사 방지막 (23) 의 재질로는, 예를 들어, 산화니오브, 산화티탄, 산화탄 탈, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화규소, 질화알루미늄, 질화규소, 불화마그네슘 등을 채용할 수 있다.
반사 방지막 (23) 의 평균 두께로는, 0.01 ㎛ 이상 1 ㎛ 이하가 바람직하다.
또, 반사 방지막 (23) 은, 단층 구조여도 되고, 다층 구조여도 된다.
(중간막)
중간막 (24) 은, 반사막 (22) 의 하면 (요컨대, 세라믹스 형광체 (21) 측과는 반대측의 면) 에 배치되어 있다.
중간막 (24) 은, 반사막 (22) 과 후술하는 접합부 (4) 사이에 배치되어 있다. 요컨대, 접합부 (4) 는, 광 파장 변환 부재 (2) 중, 중간막 (24) 과 접합되어 있다. 중간막 (24) 에 의해, 접합부 (4) 와 광 파장 변환 부재 (2) 의 접합성이 향상된다.
중간막 (24) 은, 금속막과 산화물막을 갖는다.
금속막의 재질로는, 예를 들어, 금, 은, 니켈 등을 채용할 수 있다. 산화물막의 재질로는, 예를 들어, 산화알루미늄, 산화티탄 등을 채용할 수 있다.
중간막 (24) 은, 금속막으로서의 니켈막과 산화물막으로서의 산화알루미늄막을 갖는 것이 바람직하다.
중간막 (24) 의 평균 두께로는, 0.01 ㎛ 이상 1 ㎛ 이하가 바람직하다.
도 1A 에 나타내는 바와 같이, 광 파장 변환 부재 (2) 는, 두께 방향에서 본 적어도 1 개의 코너부 (12) 가 둥글게 되어 있으면 된다. 이로써, 광 파장 변환 부재 (2) 와 방열 부재 (3) 의 접합시에 양자 간의 열 팽창 차이에서 기인하여 발생하는 응력을 억제할 수 있다. 그 때문에, 접합 강도가 향상되고, 방열성이 향상된다.
또, 레이저 조사시에 광 파장 변환 부재 (2) 내에 발생하는 응력이 면 방향에서 균일해지기 쉽다. 그 때문에, 광 파장 변환 부재 (2) 의 상면 및 하면에 발생하는 힘을 억제할 수 있으므로, 동작 중인 광 파장 변환 부재 (2) 에 있어서의 박리 등의 파손을 억제할 수 있다.
＜방열 부재＞
방열 부재 (3) 는, 광 파장 변환 부재 (2) 보다 방열성이 우수한 부재이다. 방열 부재 (3) 는, 접합부 (4) 를 개재하여 광 파장 변환 부재 (2) 에 장착되어 있다.
방열 부재 (3) 에 의해, 세라믹스 형광체 (21) 에 있어서 레이저광의 조사에 의해 발생한 열의 배열이 촉진된다. 이로써, 고출력역에서의 세라믹스 형광체 (21) 의 형광 기능이 유지된다.
방열 부재 (3) 의 재질로는, 구리, 알루미늄, 질화알루미늄 등을 채용할 수 있다. 이것들 중에서도 구리가 바람직하다. 또한, 방열 부재 (3) 는, 금속으로 구성된 본체부와, 본체부의 표면에 형성된 산화 피막을 갖고 있어도 된다. 이 산화 피막에 의해, 접합부 (4) 와의 접합 강도가 높여진다.
방열 부재 (3) 는, 예를 들어 판상으로 구성된다. 또, 방열 부재 (3) 는, 판상부와, 판상부로부터 돌출되는 적어도 1 개의 방열 핀을 갖고 있어도 된다. 방열 부재 (3) 의 판상부의 평균 두께로는, 0.1 ㎜ 이상 5 ㎜ 이하가 바람직하다.
방열 핀과 판상부의 접합 방법으로는, 마찰 교반 접합 (FSW) 을 사용하면 된다. FSW 는, 피접합재를 일체화시키는 접합법으로서, 접합 계면에서의 열 저항의 상승이 억제된다. 그 때문에, 방열 효과의 저감을 억제할 수 있다.
＜접합부＞
접합부 (4) 는, 광 파장 변환 부재 (2) 와 방열 부재 (3) 를 접합하고 있다. 본 실시형태에서는, 접합부 (4) 는, 광 파장 변환 부재 (2) 의 중간막 (24) 의 하면과 방열 부재 (3) 의 상면 (요컨대, 광 파장 변환 부재 (2) 측의 면) 사이에 배치되고, 이들 2 개의 면을 접합하고 있다.
접합부 (4) 의 융점은, 240 ℃ 이상이다. 접합부 (4) 의 융점이 240 ℃ 미만이면, 레이저의 고출력역에 있어서, 광 파장 변환 부재 (2) 로부터의 열에 의해 접합부 (4) 가 용융되어, 탈리, 파손 등의 결함이 발생한다. 또한, 접합부 (4) 의 융점으로는, 300 ℃ 이상이 바람직하고, 500 ℃ 이상이 보다 바람직하고, 800 ℃ 이상이 더욱 바람직하다.
접합부 (4) 의 열 전도율은, 120 W/mK 이상이다. 접합부 (4) 의 열 전도율이 120 W/mK 미만이면, 광 파장 변환 부재 (2) 로부터의 배열을 보다 효과적으로 실시하는 점에 있어서 부족이 발생할 우려가 있어, 레이저의 고출력역에서 형광 기능이 저하될 우려가 있다. 또한, 접합부 (4) 의 열 전도율로는, 150 W/mK 이상이 바람직하다.
접합부 (4) 의 열 전도율은, 예를 들어, 펄스광 서모리플렉턴스법에 의해 측정할 수 있다. 구체적으로는, 광 파장 변환 장치 (1) 를 입사면에 대하여 비스듬히 절단하여, 접합부 (4) 를 노출시킨다. 노출된 부분에 펄스광과 레이저광을 조사하고, 반사되는 레이저광을 측정함으로써, 접합부 (4) 의 열 저항이 얻어진다. 얻어진 열 저항과 접합부 (4) 의 면적 및 두께로부터 열 전도율이 산출된다.
접합부 (4) 의 재질은, 적어도 접합부 (4) 의 융점이 상기 조건을 만족시킬 수 있으면 특별히 한정되지 않는다. 단, 접합부 (4) 의 융점 및 열 전도율이 상기 조건을 만족시키는 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 조건을 만족시키기 위해, 접합부 (4) 는, 금, 은, 구리, 또는 이것들의 조합만으로 구성되면 된다.
접합부 (4) 는, 기공을 가지면 된다. 접합부 (4) 가 기공을 가짐으로써, 방열 부재 (3) 와 광 파장 변환 부재 (2) 사이의 열 팽창차가 완화되므로, 열 충격에 의한 접합부 (4) 의 파손을 억제할 수 있다.
기공을 갖는 접합부 (4) 는, 예를 들어, 상기 서술한 금속의 나노 입자를 소결함으로써 얻어진다. 여기서 말하는 나노 입자란, 나노 사이즈 오더의 입자를 포함하는, 평균 입경이 수 나노미터 내지 수 마이크로미터인 입자군이다. 그리고, 접합부 (4) 로는, 금속의 나노 입자의 소결체가 바람직하다. 이 소결체에서는, 소결에 의해 서로 결합된 나노 입자 간의 공극에 의해 기공이 구성된다. 또한, 기공의 최대 폭 (요컨대, 최대 기공경) 은, 5 ㎛ 이하가 바람직하다.
접합부 (4) 의 기공률로는, 1 ％ 이상 40 ％ 이하가 바람직하다. 기공률이 1 ％ 미만이면, 방열 부재 (3) 와 광 파장 변환 부재 (2) 사이의 열 팽창차의 완화 효과가 얻어지지 않을 우려가 있다. 한편, 기공률이 40 ％ 를 초과하면, 접합부 (4) 의 전열성의 저하에 수반하여, 광 파장 변환 부재 (2) 의 배열 효율이 저하될 우려가 있다.
또한,「기공률」은, 예를 들어 접합부 (4) 의 단면을 주사형 전자 현미경 (SEM) 으로 관찰하여 얻어지는 관찰 단면에 있어서, 기공이 차지하는 면적 비율 (요컨대, 기공과 재료층의 합계 면적에 대한 기공의 합계 면적의 비율) 로서 구해진다.
접합부 (4) 의 상면 (요컨대, 광 파장 변환 부재 (2) 측의 면) 은, 광 파장 변환 부재 (2) 의 하면 전체에 접합되어 있다. 또, 본 실시형태에서는, 접합부 (4) 는, 광 파장 변환 부재 (2) 와 방열 부재 (3) 사이에 끼인 영역 (요컨대, 방열 부재 (3) 의 상면의 일부) 에만 층상으로 배치되어 있다.
단, 접합부 (4) 는, 광 파장 변환 부재 (2) 의 하면보다 큰 범위에서 배치되어도 되고, 방열 부재 (3) 의 상면 전체를 덮도록 배치되어도 된다. 또, 접합부 (4) 는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 광 파장 변환 부재 (2) 의 측면 (요컨대, 두께 방향과 평행한 면) 을 덮도록 배치되어 있어도 된다. 접합부 (4) 가 광 파장 변환 부재 (2) 의 측면을 덮는 경우, 접합부 (4) 는 광 파장 변환 부재 (2) 의 상면 (요컨대, 반사 방지막 (23) 의 상면) 의 일부를 덮어도 된다.
접합부 (4) 중, 광 파장 변환 부재 (2) 와 방열 부재 (3) 사이에 배치된 접합 영역의 평균 두께로는, 1 ㎛ 이상이 바람직하다. 상기 접합 영역의 평균 두께가 1 ㎛ 미만이면, 접합부 (4) 에 의한 접합 강도가 불충분해질 우려가 있다. 또, 광 파장 변환 부재 (2) 와 방열 부재 (3) 사이의 방열 경로를 충분히 확보할 수 없을 우려가 있다.
또, 상기 접합 영역의 평균 두께로는, 세라믹스 형광체 (21) 의 평균 두께와 상기 접합 영역의 평균 두께의 합계 두께의 50 ％ 이하가 바람직하다. 상기 접합 영역의 평균 두께가 상기 합계 두께의 50 ％ 를 초과하면, 세라믹스 형광체 (21) 에서 방열 부재 (3) 까지의 거리가 세라믹스 형광체 (21) 의 두께에 대하여 커져, 방열 부재 (3) 에 대하여, 광 파장 변환 부재 (2) 로부터 발생한 열을 보다 빠르게 전달하는 것이 곤란해져, 배열 효율이 저하될 우려가 있다.
＜광 복합 장치＞
도 3 에 나타내는 광 복합 장치 (10) 는, 광 파장 변환 장치 (1) 와, 광 파장 변환 장치 (1) 가 수용된 패키지 (5) 를 구비한다.
패키지 (5) 는, 박스상의 용기, 또는 판상의 기판이다. 패키지 (5) 는, 예를 들어, 알루미나 등의 세라믹스를 주성분으로 하고 있다. 또한,「주성분」이란, 예를 들어 80 질량％ 이상 함유되어 있는 성분을 의미한다. 패키지 (5) 에는, LED, LD 등의 발광 소자를 탑재하는 발광 소자 탑재 영역이 형성되어 있어도 된다.
광 복합 장치 (10) 는, 도 4 에 나타내는 광원 유닛 (20) 에 사용된다. 광원 유닛 (20) 은, 광 복합 장치 (10) 와, 발광 소자 등을 구비한 주지된 복수의 청색 레이저 발진기 (요컨대, 제 1 청색 레이저 발진기 (27) 및 제 2 청색 레이저 발진기 (29)) 와, 다이크로익 미러 (25) 와, 렌즈 (26) 를 구비하고 있다.
광원 유닛 (20) 에서는, 제 1 청색 레이저 발진기 (27) 로부터 광 파장 변환 장치 (1) 에 대하여, 도 4 의 우방향으로 제 1 청색광 (B1) 이 조사된다. 제 1 청색광 (B1) 은, 광 파장 변환 장치 (1) 에 의해 파장 변환됨과 함께 반사되어, 황색광 (Y) 으로서 도 4 의 좌방향으로 출력된다. 황색광 (Y) 은, 도 4 의 좌우 방향에 대하여 45°경사진 다이크로익 미러 (25) 에 의해 반사되어, 렌즈 (26) 에 출력된다.
또, 제 2 청색 레이저 발진기 (29) 로부터 렌즈 (26) 를 향하여 도 4 의 상방향으로 조사된 제 2 청색광 (B2) 은, 다이크로익 미러 (25) 를 투과하여, 렌즈 (26) 에 그대로 출력된다.
이로써, 렌즈 (26) 에 있어서, 제 1 청색광 (B1) 과 황색광 (Y) 이 혼합되어, 백색광이 생성된다. 그 결과, 광원 유닛 (20) 에서는, 렌즈 (26) 로부터 도 4 의 상방을 향하여 백색광이 출력된다.
[1-2. 효과]
이상 상세히 서술한 실시형태에 의하면, 이하의 효과가 얻어진다.
(1a) 접합부 (4) 의 융점이 240 ℃ 이상이기 때문에, 레이저 조사에 의해 세라믹스 형광체 (21) 의 온도가 상승하여 고온이 되어도, 광 파장 변환 부재 (2) 와 방열 부재 (3) 를 접합하는 접합부 (4) 가 잘 용융되지 않는다. 그 때문에, 레이저의 고출력역까지 높은 내열성과 접합 강도를 유지할 수 있다. 그 결과, 고출력역에서도 광 파장 변환 부재 (2) 와 방열 부재 (3) 사이의 방열 경로를 유지할 수 있어, 광 파장 변환 부재 (2) 로부터의 배열을 효율적으로 실시할 수 있다.
(1b) 접합부 (4) 의 열 전도율이 120 W/mK 이상이기 때문에, 광 파장 변환 부재 (2) 와 방열 부재 (3) 사이의 방열 경로가 되는 접합부 (4) 의 열 전달 성능을 높게 할 수 있어, 광 파장 변환 부재 (2) 로부터의 배열을 보다 효율적으로 실시할 수 있다.
[2. 제 2 실시형태]
[2-1. 구성]
도 5A, 5B 에 나타내는 광 파장 변환 장치 (1A) 는, 광 파장 변환 부재 (2) 와, 방열 부재 (3) 와, 접합부 (4) 와, 수지층 (6) 을 구비한다.
광 파장 변환 부재 (2), 방열 부재 (3) 및 접합부 (4) 는, 도 1A, 1B 의 광 파장 변환 장치 (1) 와 동일한 것이기 때문에, 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
수지층 (6) 은, 접합부 (4) 중, 광 파장 변환 부재 (2) 및 방열 부재 (3) 와 접합되어 있지 않은 면의 적어도 일부를 피복 (요컨대 코팅) 한다.
도 5A 에서는, 수지층 (6) 은, 접합부 (4) 의 측면 전체와, 광 파장 변환 부재 (2) 의 측면의 일부를 피복하고 있다. 또, 수지층 (6) 은, 방열 부재 (3) 의 상면의 일부도 피복하고 있다. 구체적으로는, 도 5A 의 수지층 (6) 은, 방열 부재 (3) 의 상면에서 세라믹스 형광체 (21) 의 측면까지 도달하고 있다.
또, 수지층 (6) 은, 광 파장 변환 부재 (2) 의 측면 전체를 피복해도 된다. 또한, 도 5B 에 나타내는 바와 같이, 수지층 (6) 은, 광 파장 변환 부재 (2) 의 측면 전체에 추가하여, 광 파장 변환 부재 (2) 의 상면 (요컨대 반사 방지막 (23) 의 상면) 의 일부를 피복해도 된다.
수지층 (6) 의 주성분으로는, 불화물계의 수지가 바람직하다. 불화물계의 수지를 사용함으로써, 수지층 (6) 의 O2, H2S, SO2 등의 가스나 수분의 투과성을 저감시킬 수 있어, 접합부 (4) 계면의 산화 (특히 구리의 경우), 황화 (특히 은의 경우) 등을 효과적으로 억제할 수 있다.
[2-2. 효과]
이상 상세히 서술한 실시형태에 의하면, 이하의 효과가 얻어진다.
(2a) 수지층 (6) 에 의해, 접합부 (4) 의 접합 계면에 있어서의 산화, 황화 등을 억제할 수 있다. 그 결과, 광 파장 변환 장치 (1A) 의 내구성을 향상시킬 수 있다.
(2b) 수지층 (6) 에 의해 광 파장 변환 부재 (2) 의 측면을 덮음으로써, 광 파장 변환 부재 (2) 의 산화, 황화 등도 억제할 수 있다. 그 결과, 광 파장 변환 부재 (2) 의 열화에 의한 형광 강도의 저하를 억제할 수 있다.
[3. 제 2 실시형태]
[3-1. 구성]
도 6A, 6B 에 나타내는 광 파장 변환 장치 (1B) 는, 광 파장 변환 부재 (2) 와, 방열 부재 (3B) 와, 접합부 (4) 를 구비한다.
광 파장 변환 부재 (2) 및 접합부 (4) 는, 도 1A, 1B 의 광 파장 변환 장치 (1) 와 동일한 것이기 때문에, 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
본 실시형태의 방열 부재 (3B) 는, 접합부 (4) 와 접합되는 면 (요컨대 상면) 에 배치된 절결 (13) 을 갖는다. 본 실시형태에서는, 절결 (13) 은, 광 파장 변환 부재 (2) 의 주위에 배치되고, 접합부 (4) 와는 반대측으로 패인 환상의 홈이다.
절결 (13) 은, 내측 가장자리가 광 파장 변환 부재 (2) 및 접합부 (4) 의 측면과 면일 (面一) 이 되도록 형성되어 있다. 절결 (13) 은, 광 파장 변환 부재 (2) 및 접합부 (4) 와 두께 방향으로 중첩되지 않는 위치에 배치되어 있다. 요컨대, 절결 (13) 은, 접합부 (4) 와 접합되어 있지 않고, 방열 부재 (3B) 의 상면에 있어서 노출되어 있다.
또한, 절결 (13) 은, 광 파장 변환 부재 (2) 및 접합부 (4) 와 중첩되는 위치에 형성되어도 된다. 또, 절결 (13) 은, 환상으로 한정되지 않는다. 또한, 방열 부재 (3B) 는, 복수의 절결 (13) 을 가져도 된다.
[3-2. 효과]
이상 상세히 서술한 실시형태에 의하면, 이하의 효과가 얻어진다.
(3a) 방열 부재 (3B) 의 절결 (13) 에 의해, 광 파장 변환 부재 (2) 와 방열 부재 (3B) 의 접합시에 양자 간의 열 팽창 차이에서 기인하여 발생하는 응력을 억제할 수 있다. 그 때문에, 접합 강도가 향상되고, 방열성이 향상된다. 또, 고온 환경하에서 방열 부재 (3B) 에 발생하는 열 응력이 저감되므로, 동작 중인 광 파장 변환 부재 (2) 에 있어서의 박리 등의 파손을 억제할 수 있다.
[4. 다른 실시형태]
이상, 본 개시의 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 개시는, 상기 실시형태에 한정되지 않고, 다양한 형태를 채용할 수 있음은 말할 필요도 없다.
(4a) 상기 실시형태의 광 파장 변환 장치 (1, 1A, 1B) 에 있어서, 광 파장 변환 부재 (2) 는, 반드시 반사 방지막 (23) 및 중간막 (24) 을 가지지 않아도 된다.
또, 광 파장 변환 부재 (2) 는, 세라믹스 형광체 (21), 반사막 (22), 반사 방지막 (23), 및 중간막 (24) 이외의 막 또는 층을 가져도 된다. 예를 들어, 광 파장 변환 부재 (2) 는, 중간막 (24) 과 접합부 (4) 사이에 배치되는 보조 접합층을 가져도 된다. 이 보조 접합층은, 중간막 (24) 과 접합부 (4) 의 접합 강도를 향상시킬 목적으로 형성되고, 예를 들어 금속으로 형성된다.
(4b) 상기 실시형태에 있어서의 1 개의 구성 요소가 갖는 기능을 복수의 구성 요소로 하여 분산시키거나, 복수의 구성 요소가 갖는 기능을 1 개의 구성 요소에 통합하거나 해도 된다. 또, 상기 실시형태의 구성의 일부를 생략해도 된다. 또, 상기 실시형태의 구성의 적어도 일부를, 다른 상기 실시형태의 구성에 대하여 부가, 치환 등 해도 된다. 또한, 특허청구범위에 기재된 문언으로부터 특정되는 기술 사상에 포함되는 모든 양태가 본 개시의 실시형태이다.
[5. 실시예]
이하에 본 개시의 효과를 확인하기 위해 실시한 시험의 내용과 그 평가에 대해 설명한다.
＜실시예 1＞
(세라믹스 형광체의 제조)
Al2O3 (평균 입경 0.2 ㎛), Y2O3 (평균 입경 1.2 ㎛), Gd2O3 (평균 입경 1.1 ㎛), 및 CeO2 (평균 입경 1.5 ㎛) 의 입자를, A3B5O12 : Ce 량이 소결체 전체의 30 체적％ 가 되도록 칭량하였다.
이들 입자를 에탄올과 함께 볼 밀 중에 투입하여, 16 시간 분쇄 혼합을 실시하였다. 얻어진 슬러리를 건조 및 조립 (造粒) 하고, 얻어진 조립분 (粉) 을 프레스 성형하였다. 또한, 얻어진 성형체를 대기 분위기 중에서, 소성 온도를 1600 ℃, 유지 시간을 10 시간으로 하여 소성을 실시하여, 세라믹스 형광체를 제조하였다. 얻어진 세라믹스 형광체의 상대 밀도는 99 ％ 이상으로 충분히 치밀화되어 있었다. 또한, 상대 밀도는, JIS-R1634 (1998) 에 준거하여 측정한 기공률에 기초하여 구하였다.
(반사막 및 반사 방지막의 형성)
얻어진 세라믹스 형광체를 가로 세로 16 ㎜ 의 평균 두께 200 ㎛ 의 판상으로 가공하였다. 이 세라믹스 형광체의 상면에 반사 방지막을 형성함과 함께, 하면에 반사막 및 중간막을 형성하여, 광 파장 변환 부재를 얻었다.
또한, 반사 방지막으로서 SiO2 층과 Ta2O5 층으로 이루어지는 복층 코팅, 반사막으로서 TiO2 층과 Ag 층으로 이루어지는 복층 코팅, 중간막으로서 Ni 층과 Al2O3 층으로 이루어지는 복층 코팅을 실시하였다.
(광 파장 변환 부재와 방열 부재의 접합)
상기 공정에서 얻어진 광 파장 변환 부재를 가로 세로 3.5 ㎜ 로 절단하였다. 또, 구리제의 방열 부재를 가로 세로 12 ㎜ 의 평균 두께 2 ㎜ 의 판상으로 절단하였다.
절단된 광 파장 변환 부재와 방열 부재 사이에, 은 나노 입자, 구리 나노 입자, 또는 은 나노 입자와 구리 나노 입자의 혼합 입자를 소결함으로써 접합부를 형성하여, 시료 1 ∼ 3 의 광 파장 변환 장치를 얻었다. 또한, 표 1 에는, 각 시료에 있어서의 접합부의 융점과 열 전도율을 나타낸다.
(내 (耐) 레이저 출력 성능)
각 시료에 대하여, 465 ㎚ 의 파장을 갖는 레이저광 (요컨대 청색 LD 광) 을, 렌즈로 1 ㎜ 폭까지 집광시켜 조사하였다. 그리고, 각 시료에서 반사된 광에 대하여, 분광 방사 조도계 (코니카 미놀타사 제조의「CL-500A」) 에 의해 X 방향의 색도값을 측정하였다. 이 측정시에는, 청색 LD 광을 조사하는 출력 밀도를, 0 W/㎟ 에서 200 W/㎟ 까지 서서히 증가시켰다.
출력 밀도가 5 W/㎟ 일 때의 색도값에 대하여, 색도값이 60 ％ 이하가 된 출력 밀도를 온도 소광이 발생한 출력 밀도로 판단하고, 이 출력 밀도를 각 시료에 있어서의 내레이저 출력 성능으로 하였다. 결과를 표 1 에 나타낸다. 내레이저 출력 성능으로는, 90 W/㎟ 이상을 양호로 판단할 수 있다.
(기공률)
각 시료의 접합부를 절단한 단면을 SEM 으로 관찰하여, 5000 배의 단면 화상을 얻었다. 이 단면 화상에 대하여, 화상 해석 소프트「WinROOF」를 사용하여, 재료층과 기공에서 2 치화하는 처리를 실시하였다. 이 2 치화된 화상으로부터 기공의 면적비를 산출하여, 접합부의 기공률로 하였다. 결과를 표 1 에 나타낸다.
(내열성)
각 자료에 대하여 분위기 온도를 -50 ℃ 에서 150 ℃ 까지 반복하여 변화시키는 열 사이클을 실시하였다. 1000 사이클 후에 상기 내레이저 출력 성능을 평가하여, 열 사이클 실시 전의 내레이저 출력 성능에 대한 열 사이클 실시 후의 내레이저 출력 성능의 비를 구하였다. 이 비로는, 80 ％ 이상이 바람직하다.
＜비교예＞
실시예 1 과 동일한 광 파장 변환 부재와 방열 부재를 준비하고, 실리콘 페이스트 (열 전도율 0.9 W/mK), 은을 함유하는 도전 페이스트 (열 전도율 14 W/mK), 또는 땜납 (열 전도율 60 W/mK) 을 사용하여 접합부를 형성하여, 시료 4 ∼ 6 의 광 파장 변환 장치를 얻었다. 각 시료에 있어서의 내레이저 출력 성능 및 기공률의 측정 결과를 표 1 에 나타낸다.
＜실시예 2＞
실시예 1 과 동일한 광 파장 변환 부재와 방열 부재에 대하여, 은 나노 입자를 사용하고 기공률을 실시예 1 과 바꾼 접합부를 형성하여, 시료 7 ∼ 12 의 광 파장 변환 장치를 얻었다. 각 시료에 있어서의 내레이저 출력 성능 및 기공률의 측정 결과를 표 1 에 나타낸다.
＜실시예 3＞
Al2O3 (평균 입경 0.2 ㎛), Y2O3 (평균 입경 1.2 ㎛), Gd2O3 (평균 입경 1.1 ㎛), CeO2 (평균 입경 1.5 ㎛), Lu2O3 (평균 입경 1.1 ㎛), Sc2O3 (평균 입경 1.2 ㎛), 및 Ga2O3 (평균 입경 1.1 ㎛) 의 입자를, A3B5O12 : Ce 량이 소결체 전체의 30 체적％ 가 되고, 또한 표 1 에 나타내는 조성이 되도록 칭량한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일한 순서로 시료 13 ∼ 24 의 광 파장 변환 장치를 얻었다. 각 시료에 있어서의 내레이저 출력 성능 및 기공률의 측정 결과를 표 1 에 나타낸다.
＜실시예 4＞
세라믹스 형광체의 평균 두께 및 접합부의 접합 영역에 있어서의 평균 두께를 표 1 에 나타내는 바와 같이 변경한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일한 순서로 시료 25 ∼ 30 의 광 파장 변환 장치를 얻었다. 각 시료에 있어서의 내레이저 출력 성능 및 기공률의 측정 결과를 표 1 에 나타낸다. 또한, 시료 30 은, 접합부의 강도 부족에 의해, 내레이저 출력 성능이 측정 불능이었다.
＜실시예 5＞
접합부의 측면을 불소계의 수지층으로 피복한 점 이외에는, 실시예 1 과 동일한 순서로 시료 31 의 광 파장 변환 장치를 얻었다. 또, 방열 부재의 상면에 절결을 형성한 점 이외에는, 실시예 1 과 동일한 순서로 시료 32 의 광 파장 변환 장치를 얻었다. 또한, 광 파장 변환 부재의 두께 방향에서 본 코너부에 반경 5 ㎜ 의 R 가공을 한 점 이외에는, 실시예 1 과 동일한 순서로 시료 33 의 광 파장 변환 장치를 얻었다.
또한, 상기 수지층과 상기 절결을 조합한 시료 34 의 광 파장 변환 장치, 상기 수지층과 상기 R 가공을 조합한 시료 35 의 광 파장 변환 장치, 및 상기 수지층과 상기 절결과 상기 R 가공을 조합한 시료 36 의 광 파장 변환 장치를 얻었다. 각 시료에 있어서의 내레이저 출력 성능 및 기공률의 측정 결과를 표 1 에 나타낸다.
Figure 112020082841841-pct00001
＜고찰＞
표 1 에 나타내는 바와 같이, 접합부의 열 전도율이 120 W/mK 이상 또한 융점이 240 ℃ 이상인 실시예 1 ∼ 4 에서는, 내레이저 출력 성능이 양호하여, 레이저의 고출력역까지 대응할 수 있는 것을 알 수 있다. 한편, 접합부의 열 전도율이 120 W/mK 미만 또한 융점이 240 ℃ 미만인 비교예에서는, 레이저의 고출력역에서 온도 소광이 발생하여, 고출력역에 대한 대응을 할 수 없다.
실시예 2 의 결과로부터, 접합부의 기공률을 40 ％ 이하로 함으로써, 보다 고출력역에 대응할 수 있는 것을 알 수 있다. 또, 실시예 3 의 결과로부터, 다양한 조성의 세라믹스 형광체에 있어서 고출력역에 대한 대응이 가능한 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 4 의 결과로부터, 세라믹스 형광체와 접합 영역의 합계 두께에 대한, 접합부의 접합 영역에 있어서의 평균 두께의 비율 (표 1 중의「접합부의 평균 두께비」) 을 50 ％ 이하로 함으로써, 보다 고출력역에 대응할 수 있는 것을 알 수 있다.
또, 실시예 5 의 결과로부터, 접합부를 수지층으로 피복함으로써, 고온에서 장시간 가열된 후의 내레이저 출력 성능의 저하를 억제할 수 있는 것을 알 수 있다. 또, 절결 및 R 가공에 의해, 광 파장 변환 장치의 접합 강도가 향상되고, 내레이저 출력 성능이 향상되는 것을 알 수 있다.
1, 1A, 1B : 광 파장 변환 장치
2 : 광 파장 변환 부재
3, 3B : 방열 부재
4 : 접합부
5 : 패키지
6 : 수지층
10 : 광 복합 장치
12 : 코너부
13 : 절결
20 : 광원 유닛
21 : 세라믹스 형광체
22 : 반사막
23 : 반사 방지막
24 : 중간막
25 : 다이크로익 미러
26 : 렌즈
27 : 제 1 청색 레이저 발진기
29 : 제 2 청색 레이저 발진기

Claims (9)

  1. 입사된 광의 파장을 변환시키도록 구성된 광 파장 변환 부재와,
    상기 광 파장 변환 부재보다 방열성이 우수한 방열 부재와,
    상기 광 파장 변환 부재와 상기 방열 부재를 접합하는 접합부와,
    상기 접합부 중, 상기 광 파장 변환 부재 및 상기 방열 부재와 접합되어 있지 않은 면의 적어도 일부를 피복하는 수지층을 구비하고,
    상기 광 파장 변환 부재는,
    판상의 세라믹스 형광체와,
    상기 세라믹스 형광체의 상기 방열 부재측의 면에 배치된 반사막을 갖고,
    상기 접합부의 열 전도율은 120 W/mK 이상이고,
    상기 접합부의 융점은 240 ℃ 이상이고,
    상기 수지층은, 불화물계의 수지를 주성분으로 하고,
    상기 방열 부재는, 상기 접합부와 접합되는 면에 배치된 적어도 1 개의 절결을 갖고,
    상기 절결은, 상기 광 파장 변환 부재 및 상기 접합부의 두께 방향으로 중첩되지 않는 위치에 배치되는, 광 파장 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 접합부는, 금, 은, 구리, 또는 이것들의 조합만으로 구성되는, 광 파장 변환 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 접합부는, 기공을 갖고,
    상기 접합부의 기공률은 40 ％ 이하인, 광 파장 변환 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 접합부 중, 상기 광 파장 변환 부재와 상기 방열 부재 사이에 배치된 접합 영역의 평균 두께는 1 ㎛ 이상인, 광 파장 변환 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 접합부 중, 상기 광 파장 변환 부재와 상기 방열 부재 사이에 배치된 접합 영역의 평균 두께는, 상기 세라믹스 형광체의 평균 두께와 상기 접합 영역의 평균 두께의 합계 두께의 50 ％ 이하인, 광 파장 변환 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광 파장 변환 부재는, 두께 방향에서 본 적어도 1 개의 코너부가 둥글게 되는, 광 파장 변환 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
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