TWI681573B

TWI681573B - 波長轉換構件

Info

Publication number: TWI681573B
Application number: TW106141524A
Authority: TW
Inventors: 菊地俊光; 傳井美史; 阿部譽史; 早坂愛
Original assignee: 日商日本特殊陶業股份有限公司
Priority date: 2017-02-17
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2020-01-01
Also published as: KR20190113750A; KR102268693B1; TW201832383A; CN110291430A; JP6902360B2; US11060020B2; EP3584613A4; US20190316034A1; EP3584613A1; WO2018150686A1; JP2018131577A; CN110291430B

Abstract

提供一種波長轉換構件，其藉由提高螢光體層的鉛筆硬度，能夠減低螢光體層的碎片飛散、剝離等的破損風險。

具備：以藍寶石所形成的基板12；和設置在前述基板12上，以螢光體粒子16及透光性的無機材料22所形成的螢光體層14，前述螢光體層14的鉛筆硬度為5B以上。依此方式，螢光體層14的硬度高，因此能夠減低螢光體層14成為碎片而飛散，或從基板12剝離這樣的破損風險。

Description

波長轉換構件

本發明係關於包含螢光體粒子的波長轉換構件。

使用螢光體的發光裝置，係利用已透過來自LED等光源的吸收光激發的螢光體放出不同波長的轉換光的現象。近年來，使用能量效率高且容易對應小型化、高能量密度的高輸出的雷射二極體(LD)作為激發源的應用正增加當中。

但是，以往所使用的使螢光體分散於以環氧、矽酮等為代表的樹脂的構造，雷射照射的地方的樹脂會燒焦，不能長壽命化。對此，已有人提案了使用無機黏結劑取代樹脂，僅包含無機材料的波長轉換構件，解決了在使用以雷射為首的高能量激發源的情況下的耐熱性課題。

專利文獻1公開了將以低熔點玻璃作為黏結劑的螢光體配置在LED晶片的周圍，進一步用基於低熔點玻璃的填充構件填充其周圍的表面安裝型LED元件。

此外，專利文獻2公開了波長轉換部位包含以含有螢光體和粒徑比螢光體小的無機微粒子的聚矽氮烷為原料而製作的陶瓷層的發光裝置。此發光裝置，係藉由在聚矽氮烷中添加一定量的無機微粒子來減少高溫下的燒成過程，此外，藉由用無機微粒子填埋空隙來防止水分的浸透。

先前技術文獻 專利文獻

專利文獻1 日本特開2004-200531號公報

專利文獻2 國際公開第2011/077548號

但是，如上述專利文獻所記載，先前技術所使用的無機黏結劑係脆性材料，在製作波長轉換構件時的熱處理中，有因無機黏結劑本身的收縮，而在無機黏結劑內部產生龜裂，或在與螢光體粒子之間產生間隙的情形。由此，波長轉換構件的強度降低，螢光體層的碎片飛散、剝離等的破損風險增大。

本發明係有鑑於這樣的情況而完成的發明，目的在於提供一種波長轉換構件，其藉由提高螢光體層的鉛筆硬度而能夠減低螢光體層的碎片飛散、剝離等的破損風險。

(1)為了達成上述的目的，本發明的波長轉換構件的特徵為：具備：以藍寶石所形成的基板；和設置在前述基板上，以螢光體粒子及透光性的無機材料所形成的螢光體層，前述螢光體層的鉛筆硬度為5B以上。

依此方式，螢光體層的硬度高，因此能夠減低螢光體層成為碎片而飛散，或從基板剝離這樣的破損風險。

(2)此外，本發明的波長轉換構件的特徵為：具備：主要是以鋁所形成的基板；和設置在前述基板上，以螢光體粒子及透光性的無機材料所形成的螢光體層，前述螢光體層的鉛筆硬度為3B以上。依此方式，螢光體層的硬度高，因此能夠減低螢光體層成為碎片而飛散，或從基板剝離這樣的破損風險。

(3)此外，本發明的波長轉換構件的特徵為：具備：基板；和設置在前述基板上，以螢光體粒子及透光性的無機材料所形成的螢光體層，前述無機材料包含：將前述基板和前述螢光體粒子結合的結合材、和平均粒徑為10nm以上60nm以下的無機粒子，相對於前述無機材料含有2.5wt%以上17.0wt%以下的前述無機粒子。依此方式，波長轉換構件含有10nm以上60nm以下的無機粒子，因此製造步驟中的無機黏結劑的收縮量受到抑制，能夠減低在內部作為破壞起點的龜裂的產生，因此能夠提升硬度。

(4)此外，本發明的波長轉換構件的特徵為：前述無機粒子係平均粒徑為10nm以上40nm以下的SiO₂粒子，相對於前述無機材料含有2.5wt%以上6.0wt%以下。藉此，製造步驟中的無機黏結劑的收縮量受到抑制，能夠提升硬度。

(5)此外，本發明的波長轉換構件的特徵為：前述無機粒子係平均粒徑為10nm以上20nm以下的Al₂O₃粒子，相對於前述無機材料含有6.0wt%以上12.0wt%以下。藉此，製造步驟中的無機黏結劑的收縮量受到抑制，能夠提升硬度。

根據本發明，波長轉換構件的螢光體層的硬度高，因此能夠減低螢光體層成為碎片而飛散，或從基板剝離這樣的破損風險。

10‧‧‧波長轉換構件

12‧‧‧基板

14‧‧‧螢光體層

16‧‧‧螢光體粒子

18‧‧‧無機粒子

20‧‧‧結合材

22‧‧‧無機材料

圖1(a)、(b)分別為表示本發明的波長轉換構件的示意圖。

圖2係顯示本發明的波長轉換構件的製造方法的流程圖。

圖3係表示以藍寶石形成基板的波長轉換構件的鉛筆硬度試驗的條件及結果的表。

圖4係表示以鋁和銀形成基板的波長轉換構件的鉛筆硬度試驗的條件及結果的表。

圖5(a)、(b)分別為實施例及比較例的波長轉換構件的由SEM所產生的剖面照片。

用以實施發明的形態

接著，針對本發明的實施形態，一邊參照圖式一邊說明。為了容易理解說明，在各圖式中對同一結構要素賦予同一參照號碼，省略重複的說明。又，在結構圖中，各結構要素的大小係概念地表示的大小，並非一定為表示實際的尺寸比率的大小。

[波長轉換構件的結構]

圖1(a)、(b)分別為表示本發明的波長轉換構件10的示意圖。波長轉換構件10係在基板12上形成螢光體層14。波長轉換構件10係使從光源所照射的吸收光透射或反射，同時透過吸收光激發而使波長不同的光產生。例如，使藍色光的吸收光透射或反射，同時使由螢光體層14所轉換的綠和紅、黃色的轉換光放射，合併轉換光和吸收光，或者是，僅利用轉換光，而能夠轉換為各種顏色的光。

基板12的材料能夠使用藍寶石、鋁、玻璃等。透射型的基板係以具有透光性的材料製造。反射型的基板，也能夠用將光反射的材料製造整個基板，但也可以藉由鍍覆等來在具有透光性的材料的一面設置將光反射的材料。從發光強度的觀點來看，光透射的部分係設為至少難以吸收吸收光的材料。此外，因為照射高能量的光而溫度變高，因此導熱性越高越好。透射型的基板的材料較佳為藍寶石。其原因為導熱性高，透光性高。此外，反射型的基板的材料較佳為鋁。其原因為導熱性高，光的反射率高。例如可以在鋁的表面鍍覆或蒸鍍銀。此外，基板12較佳為板狀。

螢光體層14，係以膜的形式設置在基板12上，由螢光體粒子16及無機材料22形成。又，圖1(b) 中，螢光體層14當中，螢光體粒子16以外的部分為無機粒子18及結合材20，用圓點示意地表示無機粒子18。無機材料22係由無機粒子18及結合材20形成，但使用與構成結合材20的物質相同的物質作為無機粒子18的材料時，如圖1(a)所示，有無機粒子18及結合材20一體化而變得無法加以區別的情形。此外，如圖1(b)所示，也有可以區別無機粒子18和結合材20的情形。

結合材20結合螢光體粒子16、無機粒子18及基板12。依此方式，與發揮散熱材功能的基板12接合，因此能夠有效率地散熱，對於高能量密度的光的照射，能夠抑制螢光體的溫度消光。螢光體層14的厚度，若為2μm以上400μm以下的話即可，較佳為5μm以上200μm以下。

螢光體粒子16，能夠使用例如釔‧鋁‧石榴石系螢光體(YAG系螢光體)及鎦‧鋁‧石榴石系螢光體(LAG系螢光體)。除此之外，螢光體粒子16能夠根據發光的顏色的設計從如下的材料選出。例如，可舉出：BaMgAl₁₀O₁₇：Eu、ZnS：Ag,Cl、BaAl₂S₄：Eu或者是CaMgSi₂O₆：Eu等的藍色系螢光體、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或者是(Ba,Sr,Mg)₂SiO₄：Eu,Mn等的黃色或綠色系螢光體、(M1)₃SiO₅：Eu或者是(M1)S：Eu等的黃色、橙色或紅色系螢光體、(Y,Gd)BO₃：Eu、Y₂O₂S：Eu、(M1)₂Si₅N₈：Eu、(M1)AlSiN₃：Eu或者是 YPVO₄：Eu等的紅色系螢光體。又，在上述化學式中，M1包含：包含Ba、Ca、Sr及Mg的群組當中至少一個，M2包含Ga及Al當中至少一個，M3包含：包含Y、Gd、Lu及Te的群組當中至少一個。又，上述的螢光體粒子16是一個例子，波長轉換構件10中所使用的螢光體粒子16未必限於上述者。

結合材20係無機黏結劑被水解或氧化所形成者，由具有透光性的無機材料構成。結合材20係由例如矽石(SiO₂)、磷酸鋁等構成。結合材20包含無機材料，因此即使照射雷射二極體等的高能量的光也不會變質。此外，結合材20具有透光性，因此能夠使吸收光、轉換光透射。作為無機黏結劑，能夠使用矽酸乙酯、磷酸鋁水溶液等。

無機粒子18係在製造步驟中，透過添加於無機黏結劑，而製造步驟中的無機黏結劑的收縮量受到抑制，能夠減低在內部作為破壞起點的龜裂的產生，因此能夠提升螢光體層14的硬度。無機粒子18，在近紫外至近紅外中，在光學上具有透光性，減輕由無機粒子18所產生的光的散射，因此具有與使用的光源的光(吸收光)的波長相比而足夠小的粒徑。例如，可以設為吸收光的波長的十分之一以下的平均粒徑。

無機粒子18可以是包含與構成結合材20的物質相同的物質者，也可以是包含與構成結合材20的物質不同的物質者。無機粒子18較佳為使用從包含SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂或TiO₂的群組所選出的一種以上。無機粒子18的平均粒徑為10nm以上60nm以下。其原因是若過小，則產生一次粒子的凝集，無法得到良好的分散狀態，若過大，則光的散射變得明顯，因此對光學特性造成影響。此外，無機粒子的形狀越接近球狀越佳，較佳為由粒度分布窄且最大粒徑為100nm以下的粒子所構成者。

例如，使用SiO₂粒子作為無機粒子18時，平均粒徑更佳為10nm以上40nm以下。此外，使用Al₂O₃粒子作為無機粒子18時，平均粒徑更佳為10nm以上20nm以下。

無機粒子18，係從螢光體層14扣除螢光體粒子16的質量(合併結合材20和無機粒子18的無機材料22的質量)當中，包含2.5wt%以上17.0wt%以下。此外，例如，使用SiO₂粒子作為無機粒子18時，更佳為包含2.5wt%以上6.0wt%以下。此外，使用Al₂O₃粒子作為無機粒子18時，更佳為包含6.0%以上12.0%以下。

又，具有透光性的物質，係指具有在可見光的波長區域(λ=380~780nm)，對0.5mm的對象物質垂直地射入光時，從相反側穿過的光的放射束超過入射光的80%的特性的物質。

本發明的波長轉換構件10能夠藉由與光源組合來構成發光裝置。波長轉換構件10係螢光體層14包含無機材料22，因此能夠使用例如高輸出的雷射二極體作為光源，能夠構成高輸出的發光裝置。此外，螢光體層14的表面硬度高，因此能夠構成長壽命的發光裝置。

[波長轉換構件的製造方法]

說明波長轉換構件的製造方法的一個例子。圖2係顯示本發明的波長轉換構件的製造方法的流程圖。最初，製作印刷用糊。首先，準備螢光體粒子(步驟S1)。螢光體粒子能夠使用例如YAG、LAG等粒子。螢光體粒子的平均粒徑為1μm以上30μm以下，較佳為5μm以上20μm以下。又，在本說明書中，平均粒徑係指中位徑(D50)。平均粒徑能夠使用雷射繞射/散射式粒徑分布測定裝置的乾式測定或濕式測定來測量。

接著，使準備好的螢光體粒子分散於溶劑，與無機粒子及無機黏結劑混合，製作印刷用糊(步驟S2)。混合能夠使用球磨機等。溶劑能夠使用α-萜品醇、丁醇、異佛酮、甘油等的高沸點溶劑。

此外，無機黏結劑較佳為矽酸乙酯等的有機矽酸酯。藉由使用有機矽酸酯，能夠製作無機粒子分散且適當黏度的印刷用糊。例如，使用矽酸乙酯作為無機黏結劑時，相對於水及觸媒的質量，將矽酸乙酯設為10wt%以上150wt%以下，較佳為30wt%以上100wt%以下的質量。除此之外，無機黏結劑可以是使包含：包含利用水解或氧化而成為氧化矽的氧化矽前驅物、矽酸化合物、矽石、及非晶形矽石的群組當中的至少一種的原料在常溫下進行反應、或者是在500℃以下的溫度下進行熱處理所得到者。作為氧化矽前驅物，例如，可舉出以全氫聚矽氮烷、矽酸乙酯、矽酸甲酯作為主要成分者。

混合的無機粒子的量，係相對於無機黏結劑的質量，以內含比計為1.0wt%以上7.5wt%以下。藉由用這樣的比例混合無機黏結劑和無機粒子，能夠製作使無機粒子分散的適當黏度的印刷用糊。此外，例如，使用SiO₂粒子作為無機粒子時，混合的量更佳為1.0wt%以上2.5wt%以下。此外，使用Al₂O₃粒子作為無機粒子時，混合的量更佳為2.5wt%以上5.0wt%以下。

製作印刷用糊後，將印刷用糊塗布在基材上，形成糊層(步驟S3)。印刷用糊的塗布能夠使用網版印刷法、噴灑法、利用分液器的描繪法、噴墨法。若使用網版印刷法，便能夠穩定地形成厚度薄的糊層，因而較佳。糊層的厚度較佳為10μm以上200μm以下。

然後，將形成了糊層的基板進行燒成，製作螢光體層(步驟S4)。燒成溫度較佳為150℃以上500℃以下，燒成時間較佳為0.5小時以上2.0小時以下。此外，升溫速度較佳為50℃/h以上200℃/h以下。此外，可以在燒成前設置乾燥步驟。

藉由這樣的製造步驟，能夠容易地製造表面硬度高，能夠減低螢光體層的碎片飛散、剝離等的破損風險的波長轉換構件。此外，本發明的波長轉換構件，因為螢光體層包含無機材料，因此能夠適合用於使用高輸出的雷射二極體作為激發源的發光裝置，因為螢光體層的表面硬度高，因此能夠構成長壽命的發光裝置。

[實施例及比較例]

(試料的製作方法)

混合螢光體粒子(YAG粒子)和α-萜品醇(溶劑)以製作分散材。此外，製作以下的混合黏結劑：使用平均粒徑7nm~100nm的SiO₂粒子(無機粒子)、或平均粒徑10nm~100nm的Al₂O₃粒子(無機粒子)，以相對於矽酸乙酯(無機黏結劑)的質量，以內含比計為0~10.0wt%的比例添加無機粒子並進行混合。這是燒成後的含量比例相當於0~21.7wt%。又，平均粒徑小於7nm的SiO₂粒子及平均粒徑小於10nm的Al₂O₃粒子不進行實驗，其理由是認為這些粒子係製作困難、或者是因平均粒徑過小而凝集的緣故。

接著，製作以相對於製作好的分散材的質量，以內含比計為50wt%的比例混合了混合黏結劑的印刷用糊。然後，使用網版印刷法，以成為30μm的厚度的方式將印刷用糊塗布在藍寶石基板及主要以鋁和銀所形成的基板(Alanod製的MIRO2 SILVER)。在塗布後使其在100℃下乾燥20分鐘後，用無機黏結劑進行封孔處理。最後，以150℃/h升溫至350℃，進行燒成30分鐘而完成試料。

(試料的評價方法)

圖3及圖4係表示分別以藍寶石及鋁和銀形成基板的波長轉換構件的鉛筆硬度試驗的條件及結果的表。鉛筆硬度試驗係實施基於JIS K5600-5-4的刮劃硬度(鉛筆法)的試驗來測定螢光體層的膜的強度。

基板係以藍寶石形成且奈米粒子(無機粒子)為SiO₂時，與基板為藍寶石且不含有奈米粒子的試料相比，奈米粒子的平均粒徑為10nm以上60nm以下且奈米粒子含量為2.5wt%以上16.9wt%以下的試料係所有鉛筆硬度變高。特別是，平均粒徑為10~40nm且奈米粒子含量為2.5~6.0wt%的試料係鉛筆硬度變得更高。

基板係以藍寶石形成且奈米粒子為Al₂O₃時，與基板為藍寶石且不含有奈米粒子的試料相比，奈米粒子的平均粒徑為10nm以上60nm以下且奈米粒子含量為2.5wt%以上16.9wt%以下的試料係所有鉛筆硬度變高。特別是，平均粒徑為10~20nm且奈米粒子含量為6.0~11.6wt%的試料係鉛筆硬度變得更高。

基板係以鋁和銀形成且奈米粒子為SiO₂時，與基板為鋁和銀且不含有奈米粒子的試料相比，奈米粒子的平均粒徑為10nm以上60nm以下且奈米粒子含量為2.5wt%以上16.9wt%以下的試料係所有鉛筆硬度變高。特別是，平均粒徑為10~40nm且奈米粒子含量為2.5~6.0wt%的試料係鉛筆硬度變得更高。

基板係以鋁和銀形成且奈米粒子為Al₂O₃時，與基板為鋁和銀且不含有奈米粒子的試料相比，奈米粒子的平均粒徑為10nm以上60nm以下且奈米粒子含量為2.5wt%以上16.9wt%以下的試料係所有鉛筆硬度變高。特別是，平均粒徑為10~20nm且奈米粒子含量為6.0~11.6wt%的試料係鉛筆硬度變得更高。

即使在此數值範圍外，也有鉛筆硬度高的試料。此外，奈米粒子為SiO₂且奈米粒子含量為21.7wt%時，不論基板及平均粒徑為何，印刷皆變得困難，因此無法測定鉛筆硬度。

若按奈米粒子整理結果，奈米粒子為SiO₂時，平均粒徑為10~40nm且奈米粒子含量為2.5~6.0wt%的試料係鉛筆硬度變得更高。因此，奈米粒子為SiO₂時，不論基材的材料為何，皆更佳為平均粒徑為10~40nm且奈米粒子含量為2.5~6.0wt%的範圍。

此外，奈米粒子為Al₂O₃時，平均粒徑為10~20nm且奈米粒子含量為6.0~11.6wt%的試料係鉛筆硬度變得更高。因此，奈米粒子為Al₂O₃時，不論基材的材料為何，皆更佳為平均粒徑為10~20nm且奈米粒子含量為6.0~12.0wt%的範圍。

圖5(a)、(b)分別為實施例及比較例的波長轉換構件的由SEM所產生的剖面照片。圖5(a)係以燒成後含有6.0%的方式，在藍寶石基板添加平均粒徑12nm的SiO₂粒子而製作的波長轉換構件的剖面的SEM照片。此外，圖5(b)係不在藍寶石基板添加無機粒子而製作的波長轉換構件的剖面的SEM照片。由這些SEM照片可知：與未添加無機粒子的波長轉換構件(比較例)的螢光體層相比，添加了無機粒子的波長轉換構件(實施例)的螢光體層係龜裂的數量少，大小也變小。即，藉由螢光體層的無機材料中包含無機粒子，能夠減低龜裂的產生。

依照以上的結果，本發明的波長轉換構件，係螢光體層的硬度高，因此能夠減低螢光體層成為碎片而飛散，或從基板剝離這樣的破損風險的波長轉換構件。