KR20180083380A - 파장 변환 부재 및 발광 장치 - Google Patents

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Abstract

열전도성이 높고, 형광층의 온도 상승을 방지할 수 있으며, 강도가 큰 광원광을 조사해도 형광 성능을 유지할 수 있는 형광 부재 및 발광 장치를 제공한다. 특정 범위의 파장의 광을 다른 파장의 광으로 변환함과 함께, 투과된 광을 조사광으로 하는 투과형의 파장 변환 부재 (100) 로서, 무기 재료로 이루어지고, 광을 투과시키는 기재 (110) 와, 상기 기재 (110) 상에 형성되고, 흡수광에 대해 변환광을 발하는 형광체 입자 (122) 와 상기 형광체 입자 (122) 끼리를 결합하는 투광성 세라믹스 (121) 로 이루어지는 형광체층 (120) 을 구비하고, 상기 형광체층 (120) 의 두께와 상기 형광체 입자 (122) 의 평균 입자경의 비가 30 미만이다.

Description

파장 변환 부재 및 발광 장치
본 발명은, 특정 범위의 파장의 광을 다른 파장의 광으로 변환함과 함께, 투과된 광을 조사광으로 하는 투과형의 파장 변환 부재 및 발광 장치에 관한 것이다.
발광 소자로서, 예를 들어 청색 LED 소자에 접촉하도록 에폭시나 실리콘 등으로 대표되는 수지에 형광체 입자를 분산시킨 파장 변환 부재를 배치한 것이 알려져 있다. 그리고, 최근에는, LED 대신에 에너지 효율이 높고, 소형화, 고출력화에 대응하기 쉬운, 레이저 다이오드 (LD) 가 사용된 애플리케이션이 많아지고 있다.
레이저는 국소적으로 높은 에너지의 광을 조사하기 때문에, 집중적으로 레이저광이 조사된 수지는 그 조사 지점이 탄다. 이에 대해, 파장 변환 부재를 링상으로 형성하고 그것을 고속으로 회전시키면서 레이저를 조사함으로써 타는 것을 억제하는 개선책이 제안되어 있다 (특허문헌 1).
그런데, 상기와 같은 개선책에서는, 기구, 장치의 대형화나 복잡화를 야기하여, 시스템은 큰 제약을 받는다. 한편, 파장 변환 부재를 구성하는 수지 대신에 무기 바인더를 사용하고, 무기 재료만으로 형성된 파장 변환 부재를 사용하는 것이 제안되어 있다 (특허문헌 2 ∼ 7).
일본 공개특허공보 2015-94777호 일본 공개특허공보 2015-90887호 일본 공개특허공보 2015-38960호 일본 공개특허공보 2015-65425호 일본 공개특허공보 2014-241431호 일본 공개특허공보 2015-119172호 일본 공개특허공보 2015-138839호
상기와 같은 무기 바인더를 사용한 파장 변환 부재에서는, 재료 자체의 내열성은 향상된다. 그러나, 레이저 파워에 대한 형광체 입자가 발열되고, 축열이 진행되면, 형광체 입자의 발광 성능이 소실되는 경우가 있다. 따라서, 실제로는, 고에너지 환경에서 파장 변환 부재의 사용은 곤란하다.
본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 열저항이 낮고, 형광체층의 온도 상승을 방지할 수 있으며, 강도가 큰 광원광을 조사해도 형광 성능을 유지할 수 있는 파장 변환 부재 및 발광 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
(1) 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 파장 변환 부재는, 특정 범위의 파장의 광을 다른 파장의 광으로 변환함과 함께, 투과된 광을 조사광으로 하는 투과형의 파장 변환 부재로서, 무기 재료로 이루어지고, 광을 투과시키는 기재와, 상기 기재 상에 형성되고, 흡수광에 대해 변환광을 발하는 형광체 입자와 상기 형광체 입자끼리를 결합하는 투광성 세라믹스로 이루어지는 형광체층을 구비하고, 상기 형광체층의 두께와 상기 형광체 입자의 평균 입자경의 비가 30 미만인 것을 특징으로 하고 있다. 이로써, 열저항이 낮고, 형광체층의 온도 상승을 방지할 수 있으며, 강도가 큰 광원광을 조사해도 형광 성능을 유지할 수 있다.
구체적으로는, 특정 범위의 파장의 광원광에 대해, 상기 광원광이 5 W/㎟ 인 파워 밀도일 때, 상기 형광체층의 형광 강도가, 상기 형광체층의 최대 형광 강도의 50 ％ 이상임으로써, 고출력으로 발광시켜도 형광 성능이 저하되지 않는다.
(2) 또, 본 발명의 파장 변환 부재는, 이하의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하고 있다. (a) 상기 형광체 입자의 평균 입자경이 1 ㎛ 미만인 경우에는, 상기 형광체층의 두께와 상기 형광체 입자의 평균 입자경의 비가 2 이상 30 미만인 것. (b) 상기 형광체 입자의 평균 입자경이 1 ㎛ 이상 5 ㎛ 미만인 경우에는, 상기 형광체층의 두께와 상기 형광체 입자의 평균 입자경의 비가 2 이상 15 미만인 것. (c) 상기 형광체 입자의 평균 입자경이 5 ㎛ 이상 10 ㎛ 미만인 경우에는, 상기 형광체층의 두께와 상기 형광체 입자의 평균 입자경의 비가 2 이상 10 미만인 것. (d) 상기 형광체 입자의 평균 입자경이 10 ㎛ 이상인 경우에는, 상기 형광체층의 두께와 상기 형광체 입자의 평균 입자경의 비가 1.5 이상 5 미만인 것.
이와 같이, 파장 변환 부재는, 투과형으로서 사용된 경우에, 형광체층 내의 입자수의 밀도가 지나치게 높아지지 않고, 입계의 열저항을 저감시킬 수 있는 한편, 형광체층 내의 구조를 균질하게 하여, 균질한 광을 얻을 수 있다. 본 발명에 있어서의 균질한 광이란, 「이차원 색채 휘도계 (코니카미놀타 CA-2500) 를 사용하여 측정했을 때 면 내에 있어서의 흡수광 (여기광) 의 스펙트럼 피크의 평균값에 대해, 국소적인 흡수광 (여기광) 의 스펙트럼 피크값이 2 배 미만인 것」으로 한다.
(3) 또, 본 발명의 파장 변환 부재는, 상기 형광체층의, 상기 형광체 입자의 최표면 및 상기 기재와 접하는 평면으로 협지된 일정 두께의 층의 외관상의 체적에 대해, 상기 외관상의 체적으로부터 상기 외관상의 체적 내에 포함되는 고체 성분의 체적을 차감함으로써 산출된 공극 부분의 체적의 비율을 공극률로 정의한 경우에, 그 상기 공극률은 30 ∼ 70 ％ 인 것을 특징으로 하고 있다. 이로써, 형광체층 내에 분산된 기공을 다수 갖기 때문에, 조사된 광이 형광체층 내에서 분산 (난반사) 되어, 형광체 입자에 광이 조사되기 쉬워진다.
(4) 또, 본 발명의 파장 변환 부재는, 상기 기재가, 사파이어로 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다. 이로써, 높은 열전도성을 유지할 수 있고, 형광체층의 온도 상승을 억제할 수 있다.
(5) 또, 본 발명의 발광 장치는, 특정 범위의 파장의 광원광을 발생시키는 광원과, 상기 광원광을 흡수하고, 다른 파장의 광으로 변환하여 발광하는 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 파장 변환 부재를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다. 이로써, 강도가 큰 광원광을 조사해도 형광 성능을 유지할 수 있는 발광 장치를 실현할 수 있다.
본 발명에 의하면, 열저항이 낮고, 형광체층의 온도 상승을 방지할 수 있으며, 강도가 큰 광원광을 조사해도 형광 성능을 유지할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 발광 장치를 나타내는 모식도이다.
도 2 의 (a), (b), (c) 는 각각 본 발명의 파장 변환 부재의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 3 의 (a), (b) 는 각각 파장 변환 부재에 대한 투과형, 반사형의 평가 시스템을 나타내는 단면도이다.
도 4 의 (a), (b) 는 각각 기재를 바꾸었을 때의 발광 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5 의 (a), (b) 는 각각 일정한 형광체 입자경에 대해 형광체층의 두께를 바꾸었을 때의 발광 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6 의 (a), (b) 는 각각 형광체 입자의 평균 입자경을 바꾸었을 때의 발광 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7 의 (a), (b) 는 각각 공극률과 형광의 발광 강도 및 포화점의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8 의 (a), (b) 는 각각 소결체와 파장 변환 부재의 발광 특성을 나타내는 그래프이다.
다음으로, 본 발명의 실시형태에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다. 설명의 이해를 용이하게 하기 위해, 각 도면에 있어서 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 붙이고, 중복되는 설명은 생략한다. 또한, 구성도에 있어서, 각 구성 요소의 크기는 개념적으로 나타낸 것으로, 실제의 치수 비율을 나타내는 것은 아니다.
[투과형의 발광 장치의 구성]
도 1 은, 투과형의 발광 장치 (10) 를 나타내는 모식도이다. 도 1 에 나타내는 바와 같이, 발광 장치 (10) 는, 광원 (50) 및 파장 변환 부재 (100) 를 구비하고, 파장 변환 부재 (100) 를 투과한 광원광 및 파장 변환 부재 (100) 내에서 광원광에 의한 여기에 의해 발생한 광을 맞추어 조사광을 방사하고 있다. 조사광은 예를 들어 백색광으로 할 수 있다.
광원 (50) 에는, LED (Light Emitting Diode) 또는 LD (Laser Diode) 의 칩을 사용할 수 있다. LED 는, 발광 장치 (10) 의 설계에 따라 특정 범위의 파장을 갖는 광원광을 발생시킨다. 예를 들어, LED 는, 청색광을 발생시킨다. 또, LD 를 사용한 경우에는 파장이나 위상의 편차가 적은 코히런트광을 발생시킬 수 있다. 또한, 광원 (50) 은, 이것들에 한정되지 않고, 가시광 이외를 발생시키는 것이어도 되는데, 자외광, 청색광, 또는 녹색광을 발생시키는 것이 바람직하고, 특히 청색광을 발생시키는 것이 바람직하다.
[투과형의 파장 변환 부재의 구성]
파장 변환 부재 (100) 는, 기재 (110) 및 형광체층 (120) 을 구비하고, 판상으로 형성되고, 광원광을 투과시키면서, 광원광에 여기되어 파장이 상이한 광을 발생시킨다. 예를 들어, 청색광을 투과시키면서, 초록과 빨강의 형광이나 황색의 형광을 발생시켜 백색광을 방사할 수 있다. 기재 (110) 는 판상으로 형성되고, 예를 들어, 광원광을 투과시키는 유리나 사파이어 등의 무기 재료로 구성할 수 있다. 기재 (110) 는, 높은 열전도성을 갖는 사파이어로 이루어지는 것이 바람직하다. 그 결과, 형광체층 (120) 의 축열을 억제하여, 온도 상승을 억제할 수 있고, 발열에 의한 온도 소광을 방지할 수 있다.
형광체층 (120) 은, 기재 (110) 상에 막으로서 형성되고, 형광체 입자 (122) 와 투광성 세라믹스 (121) 로 형성되어 있다. 투광성 세라믹스 (121) 는, 형광체 입자 (122) 끼리를 결합함과 함께, 기재 (110) 와 형광체 입자 (122) 를 결합하고 있다. 형광체 입자경에 대한 형광체층 (120) 의 두께가 얇기 때문에, 형광체층 (120) 에서 발생한 열을 효율적으로 기재 (110) 에 전도하여, 형광체층 (120) 의 온도 상승을 방지할 수 있다. 그 결과, 강도가 큰 광원광을 조사해도 형광 성능을 유지할 수 있다.
즉, 고에너지 밀도 레이저를 광원광으로 하는 경우에도, 필요한 색 설계가 가능한 범위에서 가능한 한 얇은 형광체층 (120) 을 형성함으로써 형광체 입자 (122) 의 발열 (축열) 에 의한 온도 소광을 억제할 수 있다. 또한, 열전도성을 고려하면, 형광체층 (120) 의 두께는, 하기의 표와 같은 것이 바람직하다.
열의 전달 곤란성을 나타내는 열저항은 형광체층의 열저항률 또는 열전도율 및 면적을 일정하게 한 경우에는 두께에 의존하여, 두꺼워질수록 열저항은 증가한다. 레이저를 조사한 경우에 열저항이 작을수록, 즉 두께가 얇을수록 열은 전해지기 쉽고 축열이 일어나기 어려워져, 발열 (축열) 에 의한 온도 소광을 억제할 수 있다.
Figure pct00001
투광성 세라믹스 (121) 는, 형광체 입자 (122) 를 유지하기 위한 무기 바인더이고, 예를 들어 실리카 (SiO2), 인산알루미늄으로 구성된다. 형광체 입자 (122) 에는, 예를 들어 이트륨·알루미늄·가닛계 형광체 (YAG 계 형광체) 및 루테튬·알루미늄·가닛계 형광체 (LAG 계 형광체) 를 사용할 수 있다.
그 외에, 형광체 입자는, 발광시키는 색의 설계에 따라 이하와 같은 재료에서 선택할 수 있다. 예를 들어, BaMgAl10O17 : Eu, ZnS : Ag, Cl, BaAl2S4 : Eu 혹은 CaMgSi2O6 : Eu 등의 청색계 형광체, Zn2SiO4 : Mn, (Y,Gd)BO3 : Tb, ZnS : Cu, Al, (M1)2SiO4 : Eu, (M1)(M2)2S : Eu, (M3)3Al5O12 : Ce, SiAlON : Eu, CaSiAlON : Eu, (M1)Si2O2N : Eu 혹은 (Ba,Sr,Mg)2SiO4 : Eu, Mn 등의 황색 또는 녹색계 형광체, (M1)3SiO5 : Eu 혹은 (M1)S : Eu 등의 황색, 등색 또는 적색계 형광체, (Y,Gd)BO3 : Eu, Y2O2S : Eu, (M1)2Si5N8 : Eu, (M1)AlSiN3 : Eu 혹은 YPVO4 : Eu 등의 적색계 형광체를 들 수 있다. 또한, 상기 화학식에 있어서, M1 은, Ba, Ca, Sr 및 Mg 로 이루어지는 군 중의 적어도 1 개가 함유되고, M2 는, Ga 및 Al 중의 적어도 1 개가 함유되고, M3 은, Y, Gd, Lu 및 Te 로 이루어지는 군 중 적어도 1 개가 함유된다. 또한, 상기 형광체 입자는 일례이고, 파장 변환 부재에 사용되는 형광체 입자가 반드시 상기에 한정되는 것은 아니다.
형광체층 (120) 의 공극률은 30 ％ 이상 70 ％ 이하인 것이 바람직하다. 기공이 형광체층 (120) 내에 많이 형성되어 있기 때문에, 형광체층 (120) 이 얇아도 내부에서 광이 분산되어, 효율적으로 형광체 입자 (122) 에 광원광이 조사된다.
형광체층 (120) 의 두께는, 형광체 입자 (122) 의 평균 입자경에 따라, 그 형광체층의 두께와 형광체 입자의 평균 입자경의 비가 소정 범위에 있는 것이 바람직하다. 형광체 입자의 입자경에 대해, 막 두께가 소정배 미만이기 때문에, 형광체층 (120) 내의 입자수의 밀도가 지나치게 높아지지 않아, 입계의 열저항을 저감시킬 수 있다. 따라서, 고출력으로 발광시켜도 형광 성능이 저하되지 않는 발광 장치 (10) 를 구성할 수 있다. 이와 같은 발광 장치 (10) 는, 예를 들어 공장, 구장이나 미술관 등의 공공 시설의 조명, 또는 자동차의 헤드 램프 등에 응용하면 높은 효과를 기대할 수 있다. 한편, 형광체 입자의 입자경에 대해, 막 두께가 소정배 이상이기 때문에, 형광체층 (120) 내의 구조를 균질하게 하여, 형광체층 (120) 의 강도를 유지할 수 있음과 함께, 균질한 광을 얻을 수 있다.
상기와 같은 구성에 의해, 파장 변환 부재 (100) 는, 광원광이 5 W/㎟ 인 파워 밀도일 때, 형광체층 (120) 의 형광 강도가, 형광체층 (120) 의 최대 형광 강도의 50 ％ 이상인 것이 바람직하다. 이와 같은 특성의 파장 변환 부재 (100) 는, 막의 투과성이 적정한 범위 내이고, 형광체층 (120) 에 의한 형광의 변환 성능을 충분히 살릴 수 있다.
[파장 변환 부재의 제조 방법]
도 2 의 (a), (b), (c) 는, 각각 본 발명의 파장 변환 부재의 제조 공정을 나타내는 단면도이다. 먼저 무기 바인더, 용제, 형광체 입자를 준비한다. 바람직한 무기 바인더로서, 예를 들어 에탄올에 실리콘의 전구체를 녹여 얻어진 에틸실리케이트를 사용할 수 있다.
그 외에, 무기 바인더는, 가수분해 혹은 산화에 의해 산화규소가 되는 산화규소 전구체, 규산 화합물, 실리카, 및 아모르퍼스 실리카로 이루어지는 군 중의 적어도 1 종을 함유하는 원료를, 상온에서 반응시키거나, 또는, 500 ℃ 이하의 온도에서 열처리함으로써 얻어진 것이어도 된다. 산화규소 전구체로는, 예를 들어, 퍼하이드로폴리실라잔, 에틸실리케이트, 메틸실리케이트를 주성분으로 한 것을 들 수 있다.
또, 용제로는, 부탄올, 이소포론, 테르피네올, 글리세린 등의 고비점 용제를 사용할 수 있다. 형광체 입자에는, 예를 들어 YAG, LAG 등의 입자를 사용할 수 있다. 광원광에 대해 얻고자 하는 조사광에 따라 형광체 입자의 종류나 양을 조정한다. 예를 들어, 청색광에 대해 백색광을 얻고자 하는 경우에는, 청색광에 의한 여기에 의해 녹색광 및 적색광 또는 황색광을 방사하는 형광체 입자를 각각 적량 선택한다.
도 2 의 (a) 에 나타내는 바와 같이, 이들 무기 바인더, 용제, 형광체 입자를 혼합하여 페이스트 (잉크) (410) 를 제조한다. 혼합에는 볼 밀 등을 사용할 수 있다. 한편으로, 무기 재료의 기재를 준비한다. 기재에는, 유리, 사파이어 등을 사용할 수 있다. 기재는 판상인 것이 바람직하다. 또, 기재에 알루미늄을 사용함으로써 반사형의 파장 변환 부재를 제조할 수도 있다.
다음으로, 도 2 의 (b) 에 나타내는 바와 같이, 스크린 인쇄법을 사용하여, 얻어진 페이스트 (410) 를 평균 입자경에 대해 상기 표에 나타내는 범위의 막 두께가 되도록 기재 (110) 에 도포한다. 스크린 인쇄는, 페이스트 (410) 를 잉크 스퀴지 (510) 로, 프레임에 붙은 실크 스크린 (520) 에 눌러 실시할 수 있다. 스크린 인쇄법 이외에, 스프레이법, 디스펜서에 의한 묘화법, 잉크젯법을 들 수 있지만, 얇은 두께의 형광체층을 안정적으로 형성하기 위해서는 스크린 인쇄법이 바람직하다.
그리고, 인쇄된 페이스트 (410) 를 건조시켜, 노 (爐) (600) 내에서 열처리함으로써 용제를 날림과 함께 무기 바인더의 유기분을 날려 무기 바인더 중의 주금속을 산화 (주금속이 Si 인 경우에는 SiO2 화) 시키고, 그 때 형광체층 (120) 과 기재 (110) 를 접착한다. 이와 같이 하여, 파장 변환 부재를 얻을 수 있다.
그리고, 발광 장치는, 투과성 세라믹스의 기재를 사용한 파장 변환 부재를 LED 칩 상에 접착, 또는 LED 칩이 발하는 광의 주된 방사 방향으로 일정한 거리를 두고 설치함으로써 제조할 수 있다.
실시예
(1. 기재에 대한 소광 상태의 확인)
(1-1) 시료의 제조 방법
먼저, 이하와 같이 파장 변환 부재를 제조하였다. 에틸실리케이트와 테르피네올을 YAG 형광체 입자 (평균 입자경 18 ㎛) 와 혼합하여 제조된 페이스트를, 스크린 인쇄법을 사용하여 40 ㎛ 의 두께가 되도록 기재가 되는 유리, 사파이어, 알루미늄의 판에 각각 도포하고, 열처리하여 파장 변환 부재의 시료를 얻었다.
(1-2) 평가 방법
상기 제조 방법에 의해 얻어진 파장 변환 부재에 레이저를 조사하고, 레이저 입력값에 대한 형광의 발광 강도와 발광 효율 유지율을 조사하였다. 도 3 의 (a), (b) 는, 각각 파장 변환 부재에 대한 투과형, 반사형의 평가 시스템 (700, 800) 을 나타내는 단면도이다. 도 3 의 (a) 에 나타내는 바와 같이, 투과형의 평가 시스템 (700) 은, 광원 (710), 평면 볼록 렌즈 (720), 양볼록 렌즈 (730), 밴드 패스 필터 (735), 파워 미터 (740) 로 구성되어 있다. 또한, 밴드 패스 필터 (735) 는, 파장 480 ㎚ 이하의 광을 커트하는 필터이고, 형광의 발광 강도를 측정할 때, 투과된 광원광 (여기광) 을 형광과 분리하기 위해서, 양볼록 렌즈와 파워 미터 사이에 설치된다.
평면 볼록 렌즈 (720) 에 들어간 광원광은, 파장 변환 부재 (100) 상의 초점에 집광된다. 그리고, 파장 변환 부재 (100) 로부터 발생한 방사광을 양볼록 렌즈 (730) 에서 집광하고, 그 집광된 광에 대해 파장 480 ㎚ 이하를 커트한 광의 강도를 파워 미터 (740) 로 측정한다. 이 측정값을 형광의 발광 강도로 한다. 한편, 도 3 의 (b) 에 나타내는 바와 같이, 반사형의 평가 시스템 (800) 은, 구성 요소는 평가 시스템 (700) 과 동일하지만, 파장 변환 부재 (100) 로부터의 반사광을 집광하여 측정할 수 있도록 각 요소가 배치되어 있다. 레이저광을 렌즈로 집광하여, 조사 면적을 좁힘으로써, 저출력의 레이저여도 단위 면적당의 에너지 밀도를 높일 수 있다. 이 에너지 밀도를 레이저 파워 밀도로 한다.
적절히, 상기 2 종의 평가 시스템 (700, 800) 을 구분해서 사용하여 파장 변환 부재의 평가를 실시하였다. 투과형의 평가 시스템 (700) 에서는, 상기 유리 또는 사파이어의 기재의 시료를 사용하고, 반사형의 평가 시스템 (800) 에서는, 알루미늄의 기재의 시료를 사용하였다. 또한, 형광의 발광 강도란, 상기 평가 시스템을 사용한 경우에 휘도계에 나타나는 숫자를 무차원화한 상대 강도이고, 발광 효율 유지율이란, 발열이나 축열의 영향을 무시할 수 있는 낮은 레이저 파워 밀도에 있어서의, 발광 효율을 100 ％ 로 한 경우의 각 레이저 파워 밀도에 대한 발광 효율의 비율이다.
(1-3) 평가 결과
상기 평가 결과로서 기재에 대한 발광 특성을 확인할 수 있었다. 도 4 의 (a), (b) 는, 각각 기재를 바꾸었을 때의 발광 특성을 나타내는 그래프이다. 3 종의 기재에서, 일정한 레이저 파워 밀도까지는 파워 밀도의 증가에 수반하여 형광의 발광 강도가 거의 비례의 관계로 증가해 나가는 것이 확인되었다. 사파이어 기재에서는 레이저 파워 밀도가 48 W/㎟, 알루미늄 기재에서는 27 W/㎟, 유리 기재에서는 11 W/㎟ 이상에서 발광이 감소되었다. 이것으로부터, 3 종의 기재 중 특히 사파이어 기재가 형광체의 소광을 억제할 수 있었다고 할 수 있다.
형광체 입자는 온도의 상승에 따라 온도 소광에 의해 발광 성능이 저하된다. 그러나, 사파이어는 유리보다 열전도율이 높다. 따라서, 사파이어 기재에서는 형광체 입자로부터의 발열을 파장 변환 부재 내에 축열하기 어려워 형광체의 소광이 억제되었다고 생각된다.
또, 상기 결과에 의하면, 열전도율이 높은 알루미늄 기재보다 사파이어 기재 쪽이 소광을 억제할 수 있었다. 이것은, 투과형의 사파이어 기재의 측정에서는 레이저를 기재로부터 입사하기 때문에, 형광체에 축열된 열이 곧바로 기재에 방열되기 때문이라고 생각된다.
(2. 사파이어 기재에서, 형광체층의 막 두께/평균 입자경에 대한 온도 소광 상태의 확인)
(2-1) 시료의 제조 방법
에틸실리케이트와 테르피네올을 YAG 계 형광체 입자 (평균 입자경 6 ㎛) 와 혼합하여 제조된 페이스트를, 스크린 인쇄법을 사용하여 각각 9, 14, 30, 60, 70 ㎛ 의 두께가 되도록 기재가 되는 사파이어판에 도포하여, 하기의 표와 같이, 파장 변환 부재의 시료를 얻었다.
Figure pct00002
(2-2) 평가 방법
상기 파장 변환 부재의 제조 방법에 의해 얻어진 파장 변환 부재에 대해, 투과형의 평가 시스템 (700) 을 사용하여 레이저 조사를 실시하고, 레이저 파워 밀도에 대한 형광의 발광 강도 및 발광 효율 유지율을 조사하였다.
(2-3) 평가 결과
상기 평가 결과로서 형광체층의 발광 특성을 확인할 수 있었다. 도 5 의 (a), (b) 는, 각각 일정한 형광체 입자경에 대해 형광체층의 두께를 바꾸었을 때의 발광 특성을 나타내는 그래프이다. 각 조건에 대해, 레이저 파워 밀도에 대한 형광의 발광 강도 및 발광 효율 유지율을 각각 나타내고 있다.
도 5 의 (a), (b) 에 나타내는 바와 같이, 형광체층의 막 두께/형광체 입자의 입자경의 비가 2 ∼ 12 에서는, 낮을수록 형광의 발광 강도가 커지는 경향이 확인되었다. 형광체층의 막 두께/형광체 입자의 입자경이 적당히 작아짐으로써 형광체층의 광투과성이 최적이 되어, 형광체에 의한 여기광의 광 변환 성능을 최대한으로 발휘하면서, 많은 광을 투과시키기 쉬워졌다고 생각된다.
한편, 형광체층의 막 두께/형광체 입자의 평균 입자경의 비가 1.5 인 경우에는, 2 인 경우에 비해 형광의 발광 강도가 감소되었다. 이것은, 입자경에 대해 막 두께가 과도하게 얇아져, 여기광이 광변환되지 않고 투과되는 경우가 많아, 형광체의 광변환하는 성능을 충분히 발휘할 수 없어 형광의 발광 강도가 감소되었다고 생각된다. 또, 입자경에 대해 과도하게 막 두께가 두꺼우면, 형광체층의 광투과성이 감소되어, 여기광이 진행되는 방향과 동방향으로 방출되는 형광의 발광 강도가 감소되었다고 생각된다.
(3. 막 두께/평균 입자경별 형광의 발광 강도 및 발광 효율 유지율의 확인)
(3-1) 시료의 제조 방법
에틸실리케이트와 테르피네올을 YAG 계 형광체 입자와 혼합하여 제조된 페이스트를, 스크린 인쇄법을 사용하여 기재가 되는 사파이어판 (투과형) 에 도포하였다.
(3-2) 평가 방법
상기 파장 변환 부재의 제조 방법에 의해 얻어진 파장 변환 부재에 대해, 투과형의 평가 시스템 (700) 을 사용하여 레이저 조사를 실시하고, 5 W/㎟ 의 레이저 파워 밀도에 있어서의 형광의 발광 강도를 조사하였다. 5 W/㎟ 의 저레이저 파워 밀도에 있어서, 막 두께/평균 입자경이 상기 표 1 에 나타내는 범위를 포함하는 적절한 범위에서, 동일 입경으로 막 두께를 변화시킨 샘플의 발광 강도를 측정하였다. 값이 최대가 되는 막 두께를 갖는 샘플의 발광 강도값을 기준값 (중심) 으로 하여 다른 샘플 (기준값으로 한 샘플과 동일 입경으로 막 두께가 상이함) 의 각 막 두께에서의 값이, 기준값과 비교하여 50 ％ 이상이면 합격, 50 ％ 미만이면 불합격으로 하였다.
형광체를 이용하여 광변환을 실시한 광변환광을 이용하는 경우에, 목적으로 하는 색조를 얻기 위해서 여기광이 되는 광을 적극적으로 투과시키고자 하는 경우나 가능한 한 투과시키지 않는 경우가 발생한다. 어느 상황에 있어서도 형광체로부터 얻어지는 형광의 발광 강도 (이하, 표 중에서 형광 강도로 한다) 가, 최대 형광 강도의 50 ％ 미만이 된 경우에는 조명 기기로서의 이용 가치가 얻어지지 않는다고 판단하여, 기준값을 50 ％ 로 설정하였다.
(3-3) 평가 결과
아래 표는, 조건과 결과를 정리한 표이다.
Figure pct00003
투과형의 파장 변환 부재에 대해, 형광체 입자의 평균 입자경 및 형광체층의 두께/형광체 입자의 평균 입자경이 표 1 의 범위 내에서 판단 기준을 만족하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
(4. 형광체 입자의 종류에 따른 차이)
(4-1) 시료의 제조 방법
에틸실리케이트와 테르피네올을 YAG 계 형광체 입자와 혼합하여 제조된 페이스트를, 스크린 인쇄법을 사용하여 막 두께가 40 ㎛ 가 되도록 기재가 되는 사파이어판에 도포하였다. 형광체 입자는 6, 13, 18 ㎛ 의 3 종의 평균 입자경의 것을 사용하였다.
(4-2) 평가 방법
상기 파장 변환 부재의 제조 방법에 의해 얻어진 사파이어 기재의 파장 변환 부재에 대해, 투과형의 평가 시스템 (700) 을 사용하여 레이저 조사를 실시하고, 레이저 파워 밀도에 대한 형광의 발광 강도 및 발광 효율 유지율을 조사하였다.
(4-3) 평가 결과
도 6 의 (a), (b) 는, 각각 형광체 입자의 평균 입자경을 바꾸었을 때의 발광 특성을 나타내는 그래프이다. 도 6 의 (a), (b) 에 나타내는 바와 같이, 형광체 입자의 평균 입자경이 클수록 형광의 발광 강도가 높아지는 것이 확인되었다. 형광체 입자가 클수록 변환 효율이 높은 것, 또, 형광체 입자끼리의 접점이 적어져 축열을 방지할 수 있었던 것의 쌍방의 효과에 의한 것이라고 생각된다.
(5. 공극률에 대해)
(5-1) 시료의 제조 방법
에틸실리케이트와 테르피네올을 YAG 계 형광체 입자 (평균 입자경 18 ㎛) 와 혼합하여 제조된 페이스트를, 스크린 인쇄법을 사용하여 40 ㎛ 의 두께가 되도록 기재가 되는 사파이어판에 도포하여 파장 변환 부재의 시료를 얻었다.
(5-2) 평가 방법
얻어진 파장 변환 부재에 대해 공극률의 계산과 레이저 조사 시험을 실시하고, 공극률과 형광의 발광 강도 및 포화점의 관계를 확인하였다. 공극률은, 형광체막 상의 형광체 입자의 최표면을 직선으로 연결한 외관상의 체적에 대한, 형광체막 내의 공극 부분의 체적의 비율로 정의하여 산출하였다. 공극 부분의 체적은, 외관상의 체적으로부터 고체 성분의 체적을 차감하여 산출하였다.
(5-3) 평가 결과
도 7 의 (a), (b) 는, 각각 공극률과 형광의 발광 강도 및 포화점의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 7 의 (a), (b) 에 나타내는 공극률과 형광의 발광 강도 및 포화점의 관계로부터, 공극률이 30 ∼ 70 ％ 인 범위에서는 형광의 발광 강도, 포화점이 안정되어 있는 것이 확인되었다. 공극률이 30 ％ 미만에서는 제조시의 열처리에 의해, 박리가 발생하여, 파장 변환 부재는 제조 곤란하다. 이 박리의 원인은, 기재와 형광체층의 열팽창의 차이에 의한 것이라고 생각된다. 또, 공극률이 70 ％ 이상에서는 형광체층의 구조의 유지가 어려워 제조가 곤란하다.
(6. 소결체와의 비교)
(6-1) 평가 방법
상기 파장 변환 부재의 제조 방법에 의해 얻어진 본 발명의 파장 변환 부재 (막 두께 40 ㎛) 와 소결체 (한 변 20.0 ㎜, 두께 1.0 ㎜ 의 정방판 형상) 의 형광체 플레이트에 대해, 투과형의 평가 시스템 (700) 을 사용하여 레이저 조사를 실시하고, 레이저 파워 밀도에 대한 형광의 발광 강도를 조사하여 공극률에 의한 형광의 발광 강도의 변화를 확인하였다.
공극률은, 형광체막 상의 형광체 입자의 최표면을 직선으로 연결한 외관상의 체적에 대한, 형광체막 내의 공극 부분의 체적의 비율로 정의하여 산출하였다. 공극 부분의 체적은, 외관상의 체적으로부터 고체 성분의 체적을 차감하여 산출하였다. 파장 변환 부재의 공극률은 40 ％, 소결체의 공극률은 1 ％ 미만이었다.
(6-2) 평가 결과
도 8 의 (a), (b) 는, 각각 소결체와 파장 변환 부재의 발광 특성을 나타내는 그래프이다. 도 8 의 (a), (b) 에 나타내는 파장 변환 부재 쪽이, 형광의 발광 강도가 높은 것이 확인되었다. 이것은, 파장 변환 부재의 층 내의 공극에 의해 광의 산란이 일어나, 효율적으로 광을 변환하기 위해서 형광의 발광 강도가 높아졌다고 생각된다. 한편으로, 공극이 적은 소결체는, 치밀하기 때문에 내부에서의 광의 산란이 적어 레이저광을 투과시킨다고 생각된다.
공극률이 적은 소결체인 경우에는 두께 1 ㎜ (1000 ㎛) 의 두께여도 여전히 레이저를 투과시키고 있는 것에 대해, 본 발명의 파장 변환 부재는 두께 40 ㎛ 임에도 불구하고, 최적인 공극을 포함하여, 광을 산란시켜 형광을 효율적으로 취출할 수 있기 때문에, 매우 유효하다고 생각된다.
10 : 발광 장치
50 : 광원
100 : 파장 변환 부재
110 : 기재
120 : 형광체층
121 : 투광성 세라믹스
122 : 형광체 입자
410 : 페이스트
510 : 잉크 스퀴지
520 : 실크 스크린
600 : 노
700, 800 : 평가 시스템
710 : 광원
720 : 평면 볼록 렌즈
730 : 양볼록 렌즈
735 : 밴드 패스 필터
740 : 파워 미터

Claims (5)

  1. 특정 범위의 파장의 광을 다른 파장의 광으로 변환함과 함께, 투과된 광을 조사광으로 하는 투과형의 파장 변환 부재로서,
    무기 재료로 이루어지고, 광을 투과시키는 기재와,
    상기 기재 상에 형성되고, 흡수광에 대해 변환광을 발하는 형광체 입자와 상기 형광체 입자끼리를 결합하는 투광성 세라믹스로 이루어지는 형광체층을 구비하고,
    상기 형광체층의 두께와 상기 형광체 입자의 평균 입자경의 비가 30 미만이고,
    특정 범위의 파장의 광원광에 대해, 상기 광원광이 5 W/㎟ 인 파워 밀도일 때, 상기 형광체층의 형광 강도가, 상기 형광체층의 최대 형광 강도의 50 ％ 이상인 것을 특징으로 하는 파장 변환 부재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    이하의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 파장 변환 부재.
    (a) 상기 형광체 입자의 평균 입자경이 1 ㎛ 미만인 경우에는, 상기 형광체층의 두께와 상기 형광체 입자의 평균 입자경의 비가 2 이상 30 미만인 것.
    (b) 상기 형광체 입자의 평균 입자경이 1 ㎛ 이상 5 ㎛ 미만인 경우에는, 상기 형광체층의 두께와 상기 형광체 입자의 평균 입자경의 비가 2 이상 15 미만인 것.
    (c) 상기 형광체 입자의 평균 입자경이 5 ㎛ 이상 10 ㎛ 미만인 경우에는, 상기 형광체층의 두께와 상기 형광체 입자의 평균 입자경의 비가 2 이상 10 미만인 것.
    (d) 상기 형광체 입자의 평균 입자경이 10 ㎛ 이상인 경우에는, 상기 형광체층의 두께와 상기 형광체 입자의 평균 입자경의 비가 1.5 이상 5 미만인 것.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 형광체층의, 상기 형광체 입자의 최표면 및 상기 기재와 접하는 평면으로 협지된 일정 두께의 층의 외관상의 체적에 대해, 상기 외관상의 체적으로부터 상기 외관상의 체적 내에 포함되는 고체 성분의 체적을 차감함으로써 산출된 공극 부분의 체적의 비율을 공극률로 정의한 경우에, 그 상기 공극률은 30 ∼ 70 ％ 인 것을 특징으로 하는 파장 변환 부재.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기재는 사파이어로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 변환 부재.
  5. 특정 범위의 파장의 광원광을 발생시키는 광원과,
    상기 광원광을 흡수하고, 다른 파장의 광으로 변환하여 발광하는 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 파장 변환 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
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