TWI760541B - 波長轉換構件及發光裝置 - Google Patents
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Abstract
提供一種在高功率的用途中不易產生因溫度淬滅所致之性能降低,可以少能量獲得多的發光量之波長轉換構件。一種波長轉換構件10,係具備基材12與設置於前述基材12上的螢光體層14且將特定範圍波長的光轉換成其他波長的光,其中前述螢光體層14的厚度為200μm以下且為前述螢光體層14之積層方向的前述基材12的厚度的4分之1以下,前述螢光體層14係由透光性的無機材料以及與前述無機材料結合的螢光體粒子16所形成,前述螢光體粒子16的材料為YAG:Ce或LuAG:Ce中任一者,前述螢光體粒子16的Ce濃度為0.03at%以上0.60at%以下。
Description
本發明係關於將特定範圍波長的光轉換成其他波長的光之波長轉換構件及發光裝置。
作為發光元件,已知有例如以與藍色LED元件接觸之方式於以環氧或矽酮等為代表的樹脂配置分散有螢光體粒子而成的波長轉換構件。且近年來,取代LED,而使用能量效率高且容易因應小型化、高輸出化之雷射二極體(LD)的應用(application)也逐漸增加。
由於雷射係局部性地照射高能量的光,所以被雷射光集中照射的樹脂,其照射部位會燒焦。對此,藉由使用無機黏合劑來取代樹脂,並適用僅由無機材料構成的螢光體板,解決了使用以雷射為首之能量高的激發源時的耐熱性課題(專利文獻1)。
又揭示有以能獲得沒有偏差的白色發光為目的,將作為活化劑的Ce濃度設在既定範圍的YAG螢光體陶瓷燒結體(專利文獻2)。
專利文獻1 日本特開2015-038960號公報
專利文獻2 日本特開2010-024278號公報
專利文獻1揭示有藉由僅以無機材料構成螢光體板,來改善螢光體板的耐熱性。然而,依然會發生因為對於雷射功率(laser power)之發熱‧蓄熱的關係所致之螢光體本身的性能消失之稱為溫度淬滅(temperature quenching)的現象。
又,專利文獻2揭示有藉由將材料粉末混合‧燒成,之後加以研磨而獲得的YAG螢光體陶瓷燒結體。然而,因為未考量到使用高能量激發源時的散熱性,所以會有因使用環境而引起蓄熱而發生溫度淬滅所致之性能降低之虞。
本發明係有鑑於此種情事而研創者,目的在提供一種於高功率用途中不易產生溫度淬滅所導致的性能降低,可以較少的能量得到較多的發光量之波長轉換構件及發光裝置。
(1)為了達成上述目的,本發明的波長轉換構件係具備基材與設置於前述基材上的螢光體層且將特定範圍波長的光轉換成其他波長的光,該波長轉換構件的特徵為:前述螢光體層的厚度為200μm以下且為前述螢光體層之積層方向的前述基材的厚度的4分1以下,前述螢光體層係由透光性的無機材料以及與前述無機材料結合的螢光體粒子所形成,前述螢光體粒子的材料為YAG:Ce或LuAG:Ce中任一者,前述螢光體粒子的Ce濃度為0.03at%以上0.60at%以下。
如上述,藉由使用Ce濃度小的螢光體,可使在螢光體產生之熱的產生點分散,減少在螢光轉換時產生之熱的密度並提高散熱性,能夠防止螢光體層整體的溫度上升。其結果,即便在由具有高能量的雷射等所產生的激發中,也難以到達螢光體的發光性能降低之溫度,即便在高功率下也可維持高發光強度。又,藉由具有比螢光體層厚度還大的基材,因為發揮作為散熱板功能的基材佔了大的重量比,所以也可進行來自基材的散熱,能更進一步提高散熱性,並抑制因溫度淬滅所致之性能降低。
(2)又,在本發明的波長轉換構件中,前述螢光體層的厚度為10μm以上,前述螢光體粒子的Ce濃度為0.12at%以上。藉此,因為螢光體層的厚度、Ce濃度不會太小,故可抑制發光效率的降低。
(3)又,在本發明的波長轉換構件中,前述基材係由藍寶石形成。如此,可構成一種透射型波長轉換構件,其係使用藉由高的熱傳導率可期待良好的散熱性之透明材料的藍寶石作為基材,藉此當使用具有高能量的雷射等作為激發光時,能夠維持高發光強度。
(4)又,在本發明的波長轉換構件中,前述基材係由鋁所形成。如此,可構成一種反射型波長轉換構件,其係使用藉由高的熱傳導率可期待良好的散熱性之反射材料的鋁作為基材,藉此當使用具有高能量的雷射等作為激發光時,能夠維持高發光強度。
(5)本發明的發光裝置,係具備產生特定範圍波長的光源光之光源,其特徵為:具備如上述(1)至(4)中任一者之波長轉換構件,以將前述光源光吸收且轉換成其他波長的光而發光。藉此,可構成即便在高功率下也可維持高的發光強度,並可抑制發光效率降低之發光裝置。
根據本發明,可構成在高功率的用途中難以產生因溫度淬滅所致之性能降低,能以少能量獲得多的發光量之波長轉換構件。
10:波長轉換構件
12:基材
14:螢光體層
16:螢光體粒子
20:結合材
30:透射型發光裝置
40:反射型發光裝置
50‧‧‧光源
700‧‧‧評價系統
710‧‧‧光源
720‧‧‧平面凸透鏡
730‧‧‧雙凸透鏡
735‧‧‧帶通濾波器
740‧‧‧功率表
S‧‧‧試料
圖1係表示本發明的波長轉換構件之示意圖。
圖2(a)係表示本發明的透射型發光裝置之示意圖;圖2(b)係表示本發明的反射型發光裝置之示意圖。
圖3係表示本發明的波長轉換構件的製造方法之流程圖。
圖4係表示對於波長轉換構件之發光強度試驗用的透射型評價系統之剖面圖。
圖5係表示針對反射型試料1~5,以雷射功率密度(雷射輸入)作為橫軸時的發光強度之圖表。
圖6係表示針對透射型試料6~10,以雷射功率密度(雷射輸入)作為橫軸時的發光強度之圖表。
圖7係表示試料的各種條件、與峰值時的雷射輸入、峰值時的發光強度及3W時的發光強度(發光效率)各自的結果之表。
接著,針對本發明的實施形態,一邊參照圖式一邊進行說明。為了易於理解說明,在各圖式中對於相同的構成要素係標註相同的參照符號,並省略重複說明。此外,在構成圖中,各構成要素的大小係概念性地表示,未必表示實際的尺寸比例。
圖1係表示波長轉換構件10之示意圖。波長轉換構件10係在基材12上形成有螢光體層14。波長轉換構件10係一邊使自光源所照射出的光源光透射或反射,一邊吸收並激發光源光而產生波長不同的光。例如,一邊使藍色光的光源光透射或反射,一邊使經螢光體層14轉換後的轉換光放射,將轉換光和光源光合成或僅利用轉換光,可轉換成各種顏色的光。
基材12的材料為透射型時,可使用藍寶石、玻璃等具有透光性的材料。從發光強度的觀點來看,光會透射的部分為至少難以吸收光源光的材料。又,因照射高能量的光會使溫度變高,所以宜為熱傳導性高者。因此,透射型基材較佳係以藍寶石形成。
基材12的材料為反射型時,可使用鋁、鐵、銅等金屬。以反射型基材而言,可將全部的基材都用反射光的材料來製造,也可在具有透光性的材料或未考量光的反射之材料的一面,利用鍍敷等設置會反射光之銀等材料。從發光強度的觀點來看,光會透射的部分為至少難以吸收光源光的材料。又,由於照射高能量的光會使溫度變高,所以宜為熱傳導性高者。因此,反射型基材較佳係以鋁形成。
螢光體層14係作成膜設置於基材12上,且藉由螢光體粒子16及結合材20(透光性無機材料)所形成。結合材20係將螢光體粒子16彼此及螢光體粒子16與基材12固定。藉此,對於高能量密度之光的照射,因為是與發揮作為散熱材功能的基材12接合,故可效率佳地散熱,可抑制螢光體的溫度淬滅。上述各自的固定因為是化學結合而可效率佳地散熱,故而較佳。
螢光體層14的厚度為200μm以下且為螢光體層之積層方向的基材厚度之4分1以下。藉此,因為發揮作為散熱板功能的基材係佔了大的重量比,所以可更確實地進行從螢光體層14朝基材12的散熱,可抑制溫度淬滅所致之性能降低。又,螢光體層14的厚度係以10μm以上較佳。藉此,由於螢光體層14的厚度不會過小,故可抑制發光效率降低。又,螢光體層14的厚度係以100μm以下較佳。
螢光體粒子16作為發光中心係由添加有鈰(Ce)的釔‧鋁‧石榴石系螢光體(YAG:Ce)或鎦‧鋁‧石榴石系螢光體(LuAG:Ce)中任一者所構成。此時,將發光中心的Ce濃度定義如下。亦即,YAG的組成式為Y3Al5O12,而將以Ce取代其中的釔(Y)的一部分所得的YAG表示為YAG:Ce,其組成式一般以(Y3-XCeX)Al5O12
表示。且,將Ce相對於組成式全體之原子數的比例以單位「at%」來表示。例如,X=0.1時,為0.1/(3+5+12)×100=0.5,將此定義為0.5at%。
LuAG係以鎦(Lu)來取代YAG所有的Y,組成式為Lu3Al5O12。因此,LuAG:Ce的Ce濃度亦以與上述相同方式定義,以單位「at%」來表示。
螢光體粒子16的Ce濃度為0.03at%以上0.60at%以下。如此,藉由使用Ce濃度小的螢光體,可使在螢光體產生之熱的產生點分散,可減少螢光轉換時所產生之熱的密度並可提高散熱性,可防止螢光體層全體的溫度上升。結果,在由具有高能量的雷射等所產生的激發中,難以到達螢光體的發光性能降低的溫度,即便在高功率下也可維持高的發光強度。又,螢光體粒子16的Ce濃度係以0.12at%以上較佳。藉此,由於Ce濃度不會過小,故可抑制發光效率降低。
螢光體粒子的Ce濃度係可利用ICP或XRF來分析。在任一方法中,Ce濃度均藉由使用已知的螢光體作為校準曲線來進行。Ce濃度亦可以複數次分析值的平均值求得。
螢光體粒子16係吸收光源光(激發光),放射轉換光。YAG:Ce係吸收光源光(激發光),放射黃色的轉換光。LuAG:Ce係吸收光源光(激發光),放射綠色的轉換光。例如當光源光為藍色或紫色時,可將光源光和轉換光合成而放射白色的放射光。
螢光體粒子16的平均粒徑為1μm以上30μm以下,較佳為5μm以上20μm以下。原因在於:由於為1μm以上,故轉換光的發光強度變大,進而波長轉換構件10的發光強度會變大。此外,由於為30μm以下,故可將各個螢光體粒子16的溫度維持地較低,可抑制溫度淬滅。此外,在本說明書中,平均粒徑係指中位直徑(D50)、或者藉由SEM影像的解析所得之粒子的平均粒徑。為中位直徑(D50)的平均粒徑,係可使用雷射繞射/散射式粒徑分布測定裝置的乾式測定或濕式測定來量測。關於利用SEM影像的解析所得之粒子的平均粒徑,係可針對與螢光體層14的平面方向垂直方向的剖面,例如以1000倍進行剖面之SEM影像的取得,對所得到的SEM影像,進行二值化等的影像解析,從影像算出被辨識為螢光體粒子16之100個以上的粒子的剖面積,並由其累積分布求取平均粒徑。從影像算出被辨識為螢光體粒子之100個以上之粒子的剖面積時所使用的影像,係以針對螢光體層14所含的螢光體粒子16成為全體的平均粒徑的方式,取得螢光體層14之複數處的剖面影像(例如3張以上)。
結合材20係無機黏合劑經水解或氧化而形成,藉由具有透光性的無機材料構成。結合材20係由例如二氧化矽(SiO2)、磷酸鋁所構成。因為結合材20係由無機材料構成,所以即使照射雷射二極體等高能量的光也不會變質。此外,因為結合材20具有透光性,故可使光源光或轉換光透射。作為無機黏合劑,係可使用矽酸乙酯(ethyl silicate)、磷酸鋁水溶液等。
此外,所謂具有透光性的物質係指,對0.5mm的對象物質,在可見光的波長區域(λ=380~780nm)將光垂直射入時,具有從相反側穿過之光的放射束超過入射光的80%之特性的物質。
波長轉換構件10藉由與光源組合,而可構成即便為高功率也可維持高的發光強度,並可抑制發光效率降低之發光裝置。尤其,波長轉換構件10由於螢光體粒子16的Ce濃度係在低的既定範圍,螢光體層14比發揮作為散熱板功能的基材12還薄,且螢光體層14由無機材料構成,所以可使用高輸出的雷射二極體作為光源,可構成高輸出的發光裝置。
圖2的(a)、(b)係分別表示本發明的透射型及反射型的發光裝置之示意圖。透射型發光裝置30係具備光源50與透射型的波長轉換構件10。反射型發光裝置40係具備光源50與反射型的波長轉換構件10。光源50係可使用產生特定範圍波長的光源光之LED、雷射二極體等。波長轉換構件10由於即便為高功率也可維持高的發光強度,故光源50係以雷射二極體較佳。
說明波長轉換構件的製造方法的一例。圖3係表示本發明的波長轉換構件的製造方法之流程圖。最初,製作印刷用糊料。首先,準備具有既定的Ce濃度及平均粒徑之螢光體粒子(步驟S1)。螢光體粒子係為YAG:Ce或LuAG:Ce中任一者。
其次,秤量所準備的螢光體粒子,使之分散於溶劑,與無機黏合劑混合,而製作印刷用糊料(步驟S2)。混合時可使用研磨機等。溶劑係可使用α-萜品醇、丁醇、異佛酮、甘油(glycerin)等的高沸點溶劑。
又,無機黏合劑係以矽酸乙酯等的有機矽酸鹽較佳。藉由使用有機矽酸鹽,使螢光體粒子分散於印刷用糊料全體,可製作適當的黏度的印刷用糊料。例如,使用矽酸乙酯作為無機黏合劑時,相對於水及觸媒的質量,係將矽酸乙酯設為70wt%以上100wt%以下的質量,較佳設為80wt%以上90wt%以下的質量。此外,無機黏合劑亦可為藉由使包含由經水解或氧化而成為氧化矽的氧化矽前驅物、矽氧化合物、二氧化矽及非晶形二氧化矽(amorphous silica)所構成的群組中的至少1種原料在常溫下反應、或者藉由以500℃以下的溫度進行熱處理而獲得者。作為氧化矽前驅物,係可列舉:以全氫聚矽氮烷(perhydropolysilazane)、矽酸乙酯、矽酸甲酯作為主成分者。
在印刷用糊料的製作後,於基材上塗布印刷用糊料而形成糊料層(步驟S3)。印刷用糊料的塗布係可使用:網版印刷法、噴霧法(spray rmethod)、利用點膠機(dispenser)的描繪法、噴射法。若使用網版印刷法,可穩定地形成厚度薄的糊料層,所以較佳。糊料層的厚度係以在燒成後調整成10μm以上200μm以下較佳。
將形成有燒成糊料層的基材使用大氣爐進行燒成,來製作螢光體層(步驟S4)。燒成溫度宜為150℃以上500℃以下,燒成時間係以0.5小時以上2.0小時以下較佳。又,升溫速度係以50℃/h以上200℃/h以下較佳。又,亦可在燒成前設置乾燥工序。
藉由此種製造工序,可容易地製造螢光體粒子均勻存在於螢光體層全體的波長轉換構件。所獲得的波長轉換構件即便為高功率也可維持高的發光強度,並可抑制發光效率降低。
準備具有平均粒徑6μm、且0.03at%~0.90at%的Ce濃度之螢光體粒子(YAG:Ce粒子、及LuAG:Ce粒子)。秤量此等螢光體粒子,混合α-萜品醇(溶劑)來製作分散材,並混合矽酸乙酯(無機黏合劑)來製作印刷用糊料。
其次,採用網版印刷法,以燒成後會成為8~220μm的厚度的方式,將印刷用糊料塗布在基材(藍寶石基材、或鋁上塗布有銀的鋁基材)上。塗布後於100℃下使之乾燥20分鐘後,以無機黏合劑進行封孔處理。最後使用大氣爐於150℃/h下升溫至350℃為止,燒成30分鐘而完成試料。
上述試料的Ce濃度,係使用ICP且使用Ce濃度既知的螢光體作為校準曲線來進行。又,螢光體層的膜厚(厚度)係以1000倍的倍率拍攝各試料的SEM剖面照片,以等間隔畫出10條垂直線,測量從螢光體層的頂 面到基材的頂面之距離,由10條線的平均長度算出螢光體層的膜厚。
對已完成的各試料,以由最大為24W的輸入之複數道雷射所產生的激發,進行反射型或透射型的發光強度試驗。光源光的波長為445nm,照射直徑藉聚光透鏡調整成0.15mm2。圖4係表示對波長轉換構件進行發光強度試驗用的透射型評價系統之剖面圖。如圖4所示,透射型的評價系統700,係由光源710、平面凸透鏡720、雙凸透鏡730、帶通濾波器(band pass filter)735、功率表(power meter)740所構成。以將來自波長轉換構件10的透射光聚光並進行測定,配置有各要素。
帶通濾波器735係以波長480nm作為閾值遮斷(cut)光的濾波器,測定所透射的光源光(吸收光)時係使用遮斷波長大者的濾波器。又,測定轉換光的發光強度時係使用遮斷波長小者的濾波器。如此,為了將所透射的光源光與轉換光分離,帶通濾波器735設置在雙凸透鏡與功率表之間。
在以此方式構成的系統中,進入平面凸透鏡720的光源光係朝波長轉換構件之試料S上的焦點被聚光。然後,將產生自試料S的放射光用雙凸透鏡730聚光,針對此經聚光的光用功率表740測定被帶通濾波器735所遮斷的光的強度。將此測定值設為轉換光的發光強度。藉由將雷射光以透鏡聚光,收斂照射面積,即便 為低輸出的雷射也可提升每單位面積的能量密度。將此能量密度設為雷射功率密度。又,關於反射型的評價系統,除了經聚光的光源光及轉換光藉試料的基材反射外,其餘可利用同樣的系統進行評價。
圖5及圖6係表示分別針對反射型的試料1~5及透射型的試料6~10,以雷射功率密度(雷射輸入)作為橫軸時的發光強度之圖表。對各試料,進行上述的發光強度試驗,算出峰值時的雷射輸入、峰值時的發光強度及3W時的發光強度。峰值時的雷射輸入係以雷射功率密度(雷射輸入)作為橫軸時的發光強度成為最大的雷射輸入。峰值時的發光強度係相對於峰值時的雷射輸入的發光強度。又,關於峰值時的發光強度及3W時的發光強度,反射型係以試料1的波長轉換構件的發光強度設為100時的相對值表示,透射型係以試料6的波長轉換構件的發光強度設為100時的相對值表示。又,圖7係表示試料的各種條件、與峰值時的雷射輸入、峰值時的發光強度及3W時的發光強度(發光效率)之各者的結果之表。關於試料11~20,亦利用與上述同樣的方式算出各值。
如由觀看圖5及圖6的圖表可獲知般,得知按Ce濃度不同的各試料,在雷射功率密度低的既定範圍,發光強度係相對於雷射功率密度的增加呈直線式增加。因此,在此範圍中之圖表的傾斜度可被認為與發光效率對應。因此,將圖表所示的所有試料均成為直線的圖表之3W時的發光強度視為發光效率。
將峰值時的雷射輸入大於3W者、峰值時的發光強度的相對值大於100者當作合格,在表中以○表示,不合格者則以×表示。又,3W時的發光強度(發光效率)係以相對值為35以上較佳,40以上更佳。原因在於:當發光效率小時,沒有被螢光體粒子吸收而透射或反射之光源光的比例會增加,故一旦此比例變過剩時,就有必要控制透射或反射而被放射之光源光。因此,將40以上者以○表示,將小於40者以△表示。
試料1~5係為反射型的波長轉換構件,使用YAG:Ce粒子作為螢光體粒子,將基材的厚度及螢光體層的厚度(膜厚)設為一定,而使Ce濃度改變之試料。試料1由於Ce濃度高,故在螢光體層內的熱分散無法有效率地進行,在3W的低輸入下會溫度淬滅。因此,無法使用高能量激發源。試料2~4由於為適當範圍的Ce濃度,故螢光體層內之熱的分散性得以提升,峰值時的雷射輸入及峰值時的發光強度得以提升。又,發光效率的相對值相對於成為反射型的基準之試料1,也是保持在40以上。試料5由於Ce濃度低,所以峰值時的雷射輸入及峰值時的發光強度雖有提升,但是發光效率的相對值低於40。
試料6~10係為透射型的波長轉換構件,使用YAG:Ce粒子作為螢光體粒子,將基材的厚度及螢光體層的膜厚設為一定,而使Ce濃度改變之試料。試料6由於Ce濃度高,故在螢光體層內的熱分散無法有效率地進行,在3W下會發生溫度淬滅。因此,無法使用高能量激發源。試料7~9由於為適當範圍的Ce濃度,故螢光體層內之熱的分散性得以提升,峰值時的雷射輸入及峰值時的發光強度得以提升。又,發光效率的相對值相對於成為透射型的基準之試料6,亦保持在40以上。試料10由於Ce濃度低,故峰值時的雷射輸入及峰值時的發光強度雖然提升,但發光效率的相對值低於35。透射型試料10之發光效率的相對值變得比反射型試料5低的原因被認為是因為:在反射型的情況下,最初未被螢光體粒子吸收的光源光反射回來時,有時會被螢光體粒子吸收。
試料11、12及13、14係分別為透射型的波長轉換構件,且使用YAG:Ce粒子作為螢光體粒子,基材的厚度及Ce濃度設為一定,而使螢光體層的膜厚改變之試料。試料11由於膜厚薄,故發光效率降低。這是因為當膜厚過薄時,有助於發光的螢光體會減少的緣故。試料14由於膜厚相對於基材的厚度為4分之1以上,故峰值時的雷射輸入降低。此可認為是因為螢光體層變太厚,故基材的厚度相對於螢光體層的厚度之比例不足,螢光體層內的熱未有效率地藉基材散熱的緣故。
試料15、16為反射型的波長轉換構件,且使用YAG:Ce粒子作為螢光體粒子,Ce濃度設為一定,基材的厚度設為比試料1~5厚之後,使螢光體層的膜厚改變之試料。關於試料15,由於螢光體層的膜厚及基材的厚度與螢光體層的膜厚之比係在適當範圍,故結果均滿足基準。關於試料16,基材的厚度與螢光體層的膜厚
之比雖在適當範圍,但因螢光體層的膜厚太厚,所以峰值時的雷射輸入及峰值時的發光強度未滿足基準。這被認為是因為當膜厚太厚時,會產生超過Ce濃度的變更所致之螢光體層內之熱分散的效果之熱,螢光體層本身的散熱性降低,熱充滿於螢光體層。
試料17~20為反射型的波長轉換構件,使用LuAG:Ce粒子作為螢光體粒子,基材的厚度及螢光體層的膜厚設為一定,使Ce濃度改變之試料。即便使用LuAG:Ce粒子,也與使用YAG:Ce粒子時同樣,為適當範圍的Ce濃度時,會提升螢光體層內之熱的分散性,會提升峰值時的雷射輸入及峰值時的發光強度。又,發光效率的相對值相對於成為反射型的基準之試料1亦維持在40以上。
由以上的結果得知,本發明的波長轉換構件,在高功率的用途下,不易產生因溫度淬滅所致之性能降低,能夠以少能量獲得多的發光量。
10‧‧‧波長轉換構件
12‧‧‧基材
14‧‧‧螢光體層
16‧‧‧螢光體粒子
20‧‧‧結合材
Claims (3)
- 一種波長轉換構件,係具備基材與設置於前述基材上的螢光體層且將特定範圍波長的光轉換成其他波長的光,其特徵為:前述螢光體層的厚度為200μm以下且為前述螢光體層之積層方向的前述基材的厚度的4分1以下,前述螢光體層係由透光性的無機材料以及與前述無機材料結合的螢光體粒子所形成,前述螢光體粒子的材料為YAG:Ce或LuAG:Ce中任一者,前述螢光體粒子的Ce濃度為0.03at%以上0.60at%以下,前述基材係由藍寶石或鋁形成。
- 如請求項1之波長轉換構件,其中前述螢光體層的厚度為10μm以上,前述螢光體粒子的Ce濃度為0.12at%以上。
- 一種發光裝置,其係具備產生特定範圍波長的光源光之光源,其特徵為:具備如請求項1或2之波長轉換構件,以將前述光源光吸收且轉換成其他波長的光而發光。
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