WO2017126441A1 - 波長変換部材および発光装置 - Google Patents

波長変換部材および発光装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2017126441A1
WO2017126441A1 PCT/JP2017/001078 JP2017001078W WO2017126441A1 WO 2017126441 A1 WO2017126441 A1 WO 2017126441A1 JP 2017001078 W JP2017001078 W JP 2017001078W WO 2017126441 A1 WO2017126441 A1 WO 2017126441A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
wavelength conversion
phosphor particles
conversion member
phosphor
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/001078
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
佐藤　友美
美史 傳井
誉史 阿部
佐藤　豊
Original Assignee
日本特殊陶業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日本特殊陶業株式会社 filed Critical 日本特殊陶業株式会社
Priority to JP2017539380A priority Critical patent/JP6524474B2/ja
Priority to EP17741319.2A priority patent/EP3407101B1/en
Priority to CN201780007590.2A priority patent/CN108474881B/zh
Priority to US16/070,974 priority patent/US10508801B2/en
Priority to KR1020187020385A priority patent/KR102044140B1/ko
Publication of WO2017126441A1 publication Critical patent/WO2017126441A1/ja

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V29/00—Protecting lighting devices from thermal damage; Cooling or heating arrangements specially adapted for lighting devices or systems
    • F21V29/10—Arrangement of heat-generating components to reduce thermal damage, e.g. by distancing heat-generating components from other components to be protected
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/02—Use of particular materials as binders, particle coatings or suspension media therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/77—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals
    • C09K11/7706—Aluminates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V7/00—Reflectors for light sources
    • F21V7/22—Reflectors for light sources characterised by materials, surface treatments or coatings, e.g. dichroic reflectors
    • F21V7/28—Reflectors for light sources characterised by materials, surface treatments or coatings, e.g. dichroic reflectors characterised by coatings
    • F21V7/30—Reflectors for light sources characterised by materials, surface treatments or coatings, e.g. dichroic reflectors characterised by coatings the coatings comprising photoluminescent substances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V9/00—Elements for modifying spectral properties, polarisation or intensity of the light emitted, e.g. filters
    • F21V9/30—Elements containing photoluminescent material distinct from or spaced from the light source
    • F21V9/32—Elements containing photoluminescent material distinct from or spaced from the light source characterised by the arrangement of the photoluminescent material
    • F21V9/35—Elements containing photoluminescent material distinct from or spaced from the light source characterised by the arrangement of the photoluminescent material at focal points, e.g. of refractors, lenses, reflectors or arrays of light sources
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/50—Wavelength conversion elements
    • H01L33/501—Wavelength conversion elements characterised by the materials, e.g. binder
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/30—Semiconductor lasers

Definitions

  • the present invention relates to a reflection-type wavelength conversion member and a light-emitting device that convert light having a wavelength in a specific range into light having another wavelength and reflect the light by a reflecting surface to form irradiation light.
  • a light emitting device for example, a device in which a wavelength conversion member in which phosphor particles are dispersed in a resin typified by epoxy or silicone so as to come into contact with a blue LED device is known.
  • a wavelength conversion member in which phosphor particles are dispersed in a resin typified by epoxy or silicone so as to come into contact with a blue LED device is known.
  • LDs laser diodes
  • Patent Document 1 An improvement measure for suppressing scorching by irradiating a laser while forming a wavelength conversion member in a ring shape and rotating it at a high speed has been proposed (Patent Document 1).
  • JP2015-94777A JP2015-90887A JP 2015-38960 A Japanese Patent Laying-Open No. 2015-65425 JP 2014-241431 A Japanese Patent Laying-Open No. 2015-119172 JP2015-138839A
  • the heat resistance of the material itself is improved.
  • the phosphor particles generate heat with respect to the laser power and the heat storage proceeds, the light emission performance of the phosphor particles may be lost. Therefore, in practice, it is difficult to use the wavelength conversion member in a high energy environment.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and is a wavelength conversion member that has low thermal resistance, can prevent the temperature of the phosphor layer from rising, and can maintain fluorescence performance even when irradiated with high intensity light source light. And a light-emitting device.
  • the wavelength conversion member of the present invention converts light of a specific range of wavelengths into light of other wavelengths, and reflects the light from the reflection surface to produce irradiation light.
  • a wavelength conversion member a substrate made of an inorganic material, a phosphor particle that is provided on the substrate and emits converted light with respect to absorbed light, and a translucent ceramic that bonds the phosphor particles together
  • a ratio of the thickness of the phosphor layer to the average particle diameter of the phosphor particles is less than 30, and the light source light is 20 W / mm with respect to the light source light having a specific range of wavelengths.
  • the luminous efficiency maintenance rate of the phosphor layer is 70% or more, and the surface of the reflector adjacent to the base material or the member is used as the reflective surface of the converted light. It is said. Thereby, thermal resistance is low, the temperature rise of a fluorescent substance layer can be prevented, and fluorescence performance can be maintained even if it irradiates with high intensity light source light. Furthermore, it is possible to configure a light emitting device in which the fluorescence performance does not deteriorate even if light is emitted at a high output.
  • the wavelength conversion member of the present invention is characterized by satisfying the following conditions.
  • A When the average particle diameter of the phosphor particles is less than 1 ⁇ m, the ratio between the thickness of the phosphor layer and the average particle diameter of the phosphor particles is less than 30.
  • B When the average particle diameter of the phosphor particles is 1 ⁇ m or more and less than 5 ⁇ m, the ratio of the thickness of the phosphor layer to the average particle diameter of the phosphor particles is less than 15.
  • C When the average particle diameter of the phosphor particles is 5 ⁇ m or more and less than 10 ⁇ m, the ratio of the thickness of the phosphor layer to the average particle diameter of the phosphor particles is less than 10.
  • D When the average particle diameter of the phosphor particles is 10 ⁇ m or more, the ratio between the thickness of the phosphor layer and the average particle diameter of the phosphor particles is less than 5.
  • the density of the number of particles in the phosphor layer does not become too high, and the thermal resistance of the grain boundary can be reduced, while the structure in the phosphor layer is reduced.
  • Homogeneous light can be obtained.
  • the homogeneous light in the present invention means “locally with respect to the average value of the spectrum peak of the absorbed light (excitation light) in the plane when measured using a two-dimensional color luminance meter (Konica Minolta CA-2500).
  • the spectral peak value of such absorbed light (excitation light) is less than twice.
  • the wavelength conversion member of this invention is with respect to the apparent volume of the layer of the fixed thickness pinched
  • the void ratio is 30 to It is characterized by 70%.
  • the wavelength conversion member of the present invention is characterized in that the substrate is made of aluminum. Thereby, high thermal conductivity can be maintained and temperature rise of the phosphor layer can be suppressed.
  • the light-emitting device of this invention is a light source which generates the light source light of the wavelength of a specific range, and the said (1) to (4) which absorbs the said light source light, converts it into the light of another wavelength, and light-emits. Or a wavelength conversion member according to any one of the above. Thereby, it is possible to realize a light emitting device capable of maintaining the fluorescence performance even when the light source light having a high intensity is irradiated.
  • the thermal resistance is low, the temperature of the phosphor layer can be prevented from rising, and the fluorescence performance can be maintained even when the light source light having a high intensity is irradiated.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which shows the light-emitting device of this invention.
  • (A), (b), (c) is sectional drawing which respectively shows the preparation processes of the wavelength conversion member of this invention. It is sectional drawing which shows the transmissive
  • (A), (b) It is a graph which shows the light emission characteristic when changing a base material, respectively.
  • (B) It is a graph which shows the light emission characteristic when the thickness of a fluorescent substance layer is changed with respect to a fixed fluorescent substance particle diameter, respectively.
  • (A), (b) is a graph which shows the light emission characteristic when changing the average particle diameter of a fluorescent substance particle, respectively.
  • (A), (b) is a graph which shows the relationship between the porosity, the fluorescence emission intensity, and the saturation point, respectively.
  • (A), (b) is a graph which shows the light emission characteristic of a sintered compact and a wavelength conversion member, respectively.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a reflective light emitting device 10.
  • the light emitting device 10 includes a light source 50 and a wavelength conversion member 100.
  • the light source light reflected by the wavelength conversion member 100 and the light generated by excitation by the light source light in the wavelength conversion member 100 are combined.
  • Irradiation light is emitted.
  • the irradiation light can be, for example, white light.
  • the light source 50 may be an LED (Light Emitting Diode) or LD (Laser Diode) chip.
  • the LED generates light source light having a wavelength in a specific range according to the design of the light emitting device 10. For example, the LED generates blue light.
  • the light source 50 is not limited to these, and may generate light other than visible light, but preferably generates ultraviolet light, blue light, or green light, and particularly preferably generates blue light. .
  • the wavelength conversion member 100 includes a base material 110 and a phosphor layer 120, is formed in a plate shape, and generates light having different wavelengths by exciting the light source light while reflecting the light source light on the base material 110.
  • white light can be emitted by generating green, red, and yellow fluorescence while reflecting blue light.
  • the base material 110 is formed in a plate shape and can be made of, for example, an inorganic material that reflects light from the light source.
  • the substrate 110 is preferably made of aluminum.
  • the phosphor layer 120 is provided as a film on the substrate 110 and is formed of phosphor particles 122 and translucent ceramics 121.
  • the translucent ceramic 121 bonds the phosphor particles 122 to each other and bonds the substrate 110 and the phosphor particles 122 to each other. Since the thickness of the phosphor layer 120 with respect to the phosphor particle diameter is thin, the heat generated in the phosphor layer 120 can be efficiently conducted to the substrate 110, and the temperature rise of the phosphor layer 120 can be prevented. As a result, the fluorescence performance can be maintained even when light source light having a high intensity is irradiated.
  • the thickness of the wavelength conversion member 100 is preferably as shown in the following table.
  • the thermal resistance representing the difficulty in transferring heat depends on the thickness when the thermal resistivity or thermal conductivity and area of the phosphor layer are constant, and the thermal resistance increases as the thickness increases.
  • the thermal resistance that is, the thinner the thickness, the easier the heat is transmitted and the less heat storage occurs, and the temperature quenching due to heat generation (heat storage) can be suppressed.
  • the translucent ceramic 121 is an inorganic binder for holding the phosphor particles 122, and is made of, for example, silica (SiO 2 ) or aluminum phosphate.
  • silica SiO 2
  • aluminum phosphate aluminum phosphate
  • YAG phosphor yttrium / aluminum / garnet phosphor
  • LAG phosphor lutetium / aluminum / garnet phosphor
  • the phosphor particles can be selected from the following materials according to the design of the color to emit light.
  • blue phosphors such as BaMgAl 10 O 17 : Eu, ZnS: Ag, Cl, BaAl 2 S 4 : Eu or CaMgSi 2 O 6 : Eu, Zn 2 SiO 4 : Mn, (Y, Gd) BO 3 : Tb, ZnS: Cu, Al, (M1) 2 SiO 4 : Eu, (M1) (M2) 2 S: Eu, (M3) 3 Al 5 O 12 : Ce, SiAlON: Eu, CaSiAlON: Eu, (M1) Si 2 O 2 N: Eu or (Ba, Sr, Mg) 2 SiO 4 : Yellow or green phosphor such as Eu, Mn, (M1) 3 SiO 5 : Eu or (M1) S: Eu, yellow orange or red phosphor, (Y, Gd) BO 3 : Eu, Y 2 O 2 S: Eu, (M1) 2 Si 5 N 8
  • M1 includes at least one of the group consisting of Ba, Ca, Sr and Mg
  • M2 includes at least one of Ga and Al
  • M3 includes Y, Gd
  • At least one of the group consisting of Lu and Te is included.
  • said fluorescent substance particle is an example and the fluorescent substance particle used for a wavelength conversion member is not necessarily restricted above.
  • the porosity of the phosphor layer 120 is preferably 30% or more and 70% or less. Since many pores are formed in the phosphor layer 120, even if the phosphor layer 120 is thin, light is dispersed inside, and the phosphor particles 122 are efficiently irradiated with the light source light.
  • the thickness of the phosphor layer 120 is preferably such that the ratio of the thickness of the phosphor layer to the average particle diameter of the phosphor particles is in a predetermined range according to the average particle diameter of the phosphor particles 122. Since the film thickness is less than a predetermined multiple of the particle diameter of the phosphor particles, the density of the number of particles in the phosphor layer 120 does not become too high, and the thermal resistance of the grain boundaries can be reduced. On the other hand, since the film thickness is a predetermined multiple or more with respect to the particle diameter of the phosphor particles, the structure in the phosphor layer 120 can be made uniform, the intensity of the phosphor layer 120 can be maintained, and uniform light can be obtained. it can.
  • the wavelength conversion member 100 has a luminous efficiency maintenance ratio of 70% or more when the light source light has a power density of 20 W / mm 2 .
  • the light-emitting device 10 in which the fluorescence performance does not deteriorate even when the light is emitted at a high output can be configured.
  • Such a light emitting device 10 is expected to be highly effective when applied to lighting of public facilities such as factories, stadiums, and museums, or automobile headlamps.
  • FIGS. 2A, 2B, and 2C are cross-sectional views showing the steps for producing the wavelength conversion member of the present invention.
  • an inorganic binder for example, ethyl silicate obtained by dissolving a silicon precursor in ethanol can be used.
  • the inorganic binder is obtained by reacting a raw material containing at least one member selected from the group consisting of a silicon oxide precursor that becomes silicon oxide by hydrolysis or oxidation, a silicate compound, silica, and amorphous silica at room temperature, or Or obtained by heat treatment at a temperature of 500 ° C. or lower.
  • a silicon oxide precursor that becomes silicon oxide by hydrolysis or oxidation
  • a silicate compound silica
  • amorphous silica at room temperature
  • heat treatment at a temperature of 500 ° C. or lower.
  • the silicon oxide precursor include those mainly composed of perhydropolysilazane, ethyl silicate, and methyl silicate.
  • a high boiling point solvent such as butanol, isophorone, terpineol, glycerin or the like can be used.
  • particles such as YAG and LAG can be used as the phosphor particles.
  • the type and amount of the phosphor particles are adjusted according to the irradiation light to be obtained with respect to the light source light. For example, when white light is to be obtained with respect to blue light, an appropriate amount of phosphor particles that emit green light, red light, or yellow light by excitation with blue light is selected.
  • a paste (ink) 410 is prepared by mixing these inorganic binder, solvent, and phosphor particles.
  • a ball mill or the like can be used for mixing.
  • a base material of an inorganic material is prepared.
  • Aluminum can be used for the substrate.
  • the substrate is preferably plate-shaped.
  • a transmission type wavelength conversion member can also be produced by using glass, sapphire, or the like for the substrate.
  • the obtained paste 410 is applied to the base 110 using a screen printing method so that the film thickness is in the range shown in the above table with respect to the average particle diameter.
  • Screen printing can be performed by pressing the paste 410 with the ink squeegee 510 against the silk screen 520 stretched around the frame.
  • the screen printing method there are a spray method, a drawing method using a dispenser, and an ink jet method, but the screen printing method is preferable in order to stably form a thin phosphor layer.
  • the printed paste 410 is dried and heat-treated in the furnace 600, so that the solvent is removed and the organic content of the inorganic binder is removed to oxidize the main metal in the inorganic binder (in the case where the main metal is Si, SiO 2 In this case, the phosphor layer 120 and the substrate 110 are bonded. In this way, a wavelength conversion member can be obtained.
  • the light emitting device can be manufactured by appropriately arranging a wavelength conversion member using a base material suitable for reflection with respect to a light source such as an LED.
  • a wavelength conversion member was prepared as follows. Pastes made by mixing ethyl silicate and terpineol with YAG phosphor particles (average particle size 18 ⁇ m) were applied to glass, sapphire, and aluminum plates as base materials to a thickness of 40 ⁇ m using a screen printing method. The sample of the wavelength conversion member was obtained by coating and heat treatment.
  • the transmissive evaluation system 700 includes a light source 710, a plano-convex lens 720, a biconvex lens 730, a bandpass filter 735, and a power meter 740.
  • the band-pass filter 735 is a filter that cuts light having a wavelength of 480 nm or less, and a biconvex lens and a power meter are used to separate transmitted light source light (excitation light) from fluorescence when measuring the emission intensity of fluorescence. It is installed between.
  • the light source light that has entered the planar convex lens 720 is condensed on the focal point on the wavelength conversion member 100. Then, the radiated light generated from the wavelength conversion member 100 is condensed by the biconvex lens 730, and the intensity of the light obtained by cutting the wavelength of 480 nm or less is measured by the power meter 740. This measured value is defined as fluorescence emission intensity.
  • the reflection-type evaluation system 800 has the same components as the evaluation system 700, but each of the reflection-type evaluation systems 800 is configured so that the reflected light from the wavelength conversion member 100 can be collected and measured. The element is placed. By condensing the laser beam with a lens and reducing the irradiation area, the energy density per unit area can be increased even with a low-power laser. This energy density is defined as the laser power density.
  • the wavelength conversion member was evaluated appropriately using the above-described two types of evaluation systems 700 and 800 properly.
  • the glass or sapphire substrate sample was used, and in the reflection-type evaluation system 800, an aluminum substrate sample was used.
  • the fluorescence emission intensity is the relative intensity obtained by making the numbers shown on the luminance meter dimensionless when the above evaluation system is used, and the emission efficiency maintenance rate is low enough to ignore the effects of heat generation and heat storage. This is the ratio of the light emission efficiency to each laser power density when the light emission efficiency is 100% at the laser power density.
  • aluminum has a higher thermal conductivity than glass. Therefore, in the aluminum base material, it is considered that heat generation from the phosphor particles is difficult to store in the wavelength conversion member, and quenching of the phosphor is suppressed.
  • extinction can be suppressed by the sapphire base material rather than the aluminum base material with high heat conductivity. This is presumably because in the measurement of the transmission type sapphire base material, the laser is incident from the base material, so that the heat stored in the phosphor is immediately radiated to the base material.
  • the sapphire substrate can suppress quenching more than the aluminum substrate having a high thermal conductivity. This is presumably because in the measurement of the transmission type sapphire base material, the laser is incident from the base material, so that the heat stored in the phosphor is immediately radiated to the base material.
  • FIGS. 5A and 5B are graphs showing the light emission characteristics when the thickness of the phosphor layer is changed with respect to a certain phosphor particle diameter as shown in the table below. For each condition, the fluorescence emission intensity and the emission efficiency maintenance ratio with respect to the laser power density are shown.
  • the fluorescence emission intensity increased as the laser input value increased with the thickness of all the phosphor layers / the average particle diameter of the phosphor particles.
  • the fluorescence emission intensity is almost the same emission intensity regardless of the ratio of the phosphor layer thickness to the average particle size until the saturation point is reached, and the ratio of the phosphor layer thickness to the average particle size is It was confirmed that the smaller the value, the higher the luminous efficiency maintenance rate can be maintained.
  • the maintenance of the luminous efficiency it is considered that the smaller the ratio of the phosphor layer thickness to the average particle diameter of the phosphor particles, the more effective the prevention of heat storage due to the smaller number of contacts between the particles.
  • the phosphor generates heat as the value of the laser power density increases, and when the temperature of the phosphor layer rises, quenching occurs and the luminous efficiency decreases.
  • the ratio of the average particle diameter of the phosphor particles and the thickness of the phosphor layer / the average particle diameter of the phosphor particles satisfied the judgment criteria within the range of Table 1. .
  • FIGS. 6A and 6B are graphs showing the emission characteristics when the average particle diameter of the phosphor particles is changed. As shown in FIGS. 6A and 6B, it was confirmed that the larger the average particle diameter of the phosphor particles, the higher the fluorescence emission intensity and the emission efficiency maintenance ratio. It is considered that the larger the phosphor particles are, the higher the conversion efficiency is, and it is due to the effects of both that the number of contacts between the phosphor particles is reduced and heat storage can be prevented.
  • the obtained wavelength conversion member was subjected to porosity calculation and laser irradiation test, and the relationship between the porosity, fluorescence emission intensity, and saturation point was confirmed.
  • the porosity was calculated by defining the ratio of the volume of the void portion in the phosphor film to the apparent volume obtained by connecting the outermost surfaces of the phosphor particles on the phosphor film with a straight line.
  • the volume of the void portion was calculated by subtracting the volume of the solid component from the apparent volume.
  • FIGS. 7A and 7B are graphs showing the relationship between the porosity, the fluorescence emission intensity, and the saturation point, respectively. From the relationship between the porosity and the fluorescence emission intensity and the saturation point shown in FIGS. 7A and 7B, it is confirmed that the fluorescence emission intensity and the saturation point are stable when the porosity is in the range of 30 to 70%. It was done. If the porosity is less than 30%, peeling occurs due to heat treatment during production, and it is difficult to produce the wavelength conversion member. The cause of this peeling is considered to be due to the difference in thermal expansion between the substrate and the phosphor layer. In addition, when the porosity is 70% or more, it is difficult to maintain the structure of the phosphor layer and it is difficult to manufacture.
  • the wavelength conversion member (film thickness 30 ⁇ m) of the present invention obtained by the above-described method for producing a wavelength conversion member and a sintered body (square plate shape having a side of 20.0 mm and a thickness of 1.0 mm)
  • the phosphor plate was irradiated with a laser using a reflective evaluation system 800, and the fluorescence emission intensity with respect to the laser power density was examined to confirm the change in the fluorescence emission intensity due to the porosity.
  • the porosity was calculated by defining the ratio of the volume of the void portion in the phosphor film to the apparent volume connecting the outermost surfaces of the phosphor particles on the phosphor film with a straight line.
  • the volume of the void portion was calculated by subtracting the volume of the solid component from the apparent volume.
  • the porosity of the wavelength conversion member was 40%, and the porosity of the sintered body was less than 1%.
  • FIGS. 8A and 8B are graphs showing the light emission characteristics of the sintered body and the wavelength conversion member, respectively. It was confirmed that the wavelength conversion member shown in FIGS. 8A and 8B has higher fluorescence emission intensity. This is probably because light scattering occurred due to voids in the layer of the wavelength conversion member, and the fluorescence emission intensity was increased in order to efficiently convert the light. On the other hand, it is considered that a sintered body with few voids is dense, and therefore has little light scattering inside and transmits laser light.
  • the laser is still transmitted even though the thickness is 1 mm (1000 ⁇ m), whereas the wavelength conversion member of the present invention is optimal even though the thickness is 30 ⁇ m. Therefore, it is considered to be very effective because the fluorescent light can be efficiently extracted by scattering light.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Led Device Packages (AREA)
  • Optical Filters (AREA)
  • Luminescent Compositions (AREA)

Abstract

熱伝導性が高く、蛍光層の温度上昇を防止でき、強度の大きい光源光を照射しても蛍光性能を維持できる蛍光部材および発光装置を提供する。特定範囲の波長の光を他の波長の光に変換するとともに、反射面により光を反射して照射光とする反射型の波長変換部材１００であって、無機材料からなる基材１１０と、前記基材１１０上に設けられ、吸収光に対し変換光を発する蛍光体粒子１２２と前記蛍光体粒子１２２同士を結合する透光性セラミックス１２１とからなる蛍光体層１２０と、を備え、前記蛍光体層１２０の厚みと前記蛍光体粒子１２２の平均粒子径との比が３０未満であり、前記基材１１０または自部材に隣接する反射板の表面を前記変換光の反射面とする。

Description

波長変換部材および発光装置
　本発明は、特定範囲の波長の光を他の波長の光に変換するとともに、反射面により光を反射して照射光とする反射型の波長変換部材および発光装置に関する。
　発光素子として、例えば青色ＬＥＤ素子に接触するようにエポキシやシリコーンなどに代表される樹脂に蛍光体粒子を分散させた波長変換部材を配置したものが知られている。そして、近年では、ＬＥＤに代えて、エネルギー効率が高く、小型化、高出力化に対応しやすい、レーザダイオード（ＬＤ）が用いられたアプリケーションが増えてきている。
　レーザは局所的に高いエネルギーの光を照射するため、集中的にレーザ光が照射された樹脂は、その照射箇所が焼け焦げる。これに対し、波長変換部材をリング状に形成しそれを高速で回転させながらレーザを照射することで焼け焦げを抑制する改善策が提案されている（特許文献１）。
　ところが、上記のような改善策では、器具、装置の大型化や複雑化を招き、システムは大きな制約を受ける。一方、波長変換部材を構成する樹脂に代えて無機バインダを使用し、無機材料のみで形成された波長変換部材を用いることが提案されている（特許文献２～７）。
特開２０１５－９４７７７号公報 特開２０１５－９０８８７号公報 特開２０１５－３８９６０号公報 特開２０１５－６５４２５号公報 特開２０１４－２４１４３１号公報 特開２０１５－１１９１７２号公報 特開２０１５－１３８８３９号公報
　上記のような無機バインダを使用した波長変換部材では、材料自体の耐熱性は向上する。しかし、レーザパワーに対する蛍光体粒子が発熱し、蓄熱が進むと、蛍光体粒子の発光性能が消失することがある。したがって、実際には、高エネルギー環境で波長変換部材の使用は困難である。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、熱抵抗が低く、蛍光体層の温度上昇を防止でき、強度の大きい光源光を照射しても蛍光性能を維持できる波長変換部材および発光装置を提供することを目的とする。
　（１）上記の目的を達成するため、本発明の波長変換部材は、特定範囲の波長の光を他の波長の光に変換するとともに、反射面により光を反射して照射光とする反射型の波長変換部材であって、無機材料からなる基材と、前記基材上に設けられ、吸収光に対し変換光を発する蛍光体粒子と前記蛍光体粒子同士を結合する透光性セラミックスとからなる蛍光体層と、を備え、前記蛍光体層の厚みと前記蛍光体粒子の平均粒子径との比が３０未満であり、特定範囲の波長の光源光に対し、前記光源光が２０Ｗ／ｍｍ２のパワー密度であるときに、前記蛍光体層の発光効率維持率が７０％以上であり、前記基材または自部材に隣接する反射板の表面を前記変換光の反射面とすることを特徴としている。これにより、熱抵抗が低く、蛍光体層の温度上昇を防止でき、強度の大きい光源光を照射しても蛍光性能を維持できる。さらに、高出力で発光させ続けても蛍光性能が低下しない発光装置を構成できる。
　（２）また、本発明の波長変換部材は、以下の条件を満たすことを特徴としている。（ａ）前記蛍光体粒子の平均粒子径が１μｍ未満の場合は、前記蛍光体層の厚みと前記蛍光体粒子の平均粒子径との比が３０未満であること。（ｂ）前記蛍光体粒子の平均粒子径が１μｍ以上５μｍ未満の場合は、前記蛍光体層の厚みと前記蛍光体粒子の平均粒子径との比が１５未満であること。（ｃ）前記蛍光体粒子の平均粒子径が５μｍ以上１０μｍ未満の場合は、前記蛍光体層の厚みと前記蛍光体粒子の平均粒子径との比が１０未満であること。（ｄ）前記蛍光体粒子の平均粒子径が１０μｍ以上の場合は、前記蛍光体層の厚みと前記蛍光体粒子の平均粒子径との比が５未満であること。
　このように、波長変換部材は、反射型として用いられた場合に、蛍光体層内の粒子数の密度が高くなりすぎず、粒界の熱抵抗を低減できる一方、蛍光体層内の構造を均質にし、均質な光を得ることができる。本発明における均質な光とは、「二次元色彩輝度計（コニカミノルタCA－2500）を用いて測定した際に面内における吸収光（励起光）のスペクトルピークの平均値に対して、局所的な吸収光（励起光）のスペクトルピーク値が２倍未満であること」とする。
　（３）また、本発明の波長変換部材は、前記蛍光体層の、前記蛍光体粒子の最表面および前記基材と接する平面で挟まれた一定厚さの層の見かけ上の体積に対して、前記見かけ上の体積から前記見かけ上の体積内に含まれる固体成分の体積を差し引くことで算出された空隙部分の体積の割合を空隙率と定義した場合に、その前記空隙率は、３０～７０％であることを特徴としている。これにより、蛍光体層内に分散した気孔を多数有するため、照射された光が蛍光体層内で分散（乱反射）し、蛍光体粒子に光が照射されやすくなる。
　（４）また、本発明の波長変換部材は、前記基材は、アルミニウムからなることを特徴としている。これにより、高い熱伝導性を維持でき、蛍光体層の温度上昇を抑えることができる。
　（５）また、本発明の発光装置は、特定範囲の波長の光源光を発生させる光源と、前記光源光を吸収し、他の波長の光に変換し発光する上記（１）から（４）のいずれかに記載の波長変換部材とを備えることを特徴としている。これにより、強度の大きい光源光を照射しても蛍光性能を維持できる発光装置を実現できる。
　本発明によれば、熱抵抗が低く、蛍光体層の温度上昇を防止でき、強度の大きい光源光を照射しても蛍光性能を維持できる。
本発明の発光装置を示す模式図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）それぞれ本発明の波長変換部材の作製工程を示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）それぞれ波長変換部材に対する透過型、反射型の評価システムを示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）それぞれ基材を変えたときの発光特性を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）それぞれ一定の蛍光体粒子径に対して蛍光体層の厚みを変えたときの発光特性を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）それぞれ蛍光体粒子の平均粒子径を変えたときの発光特性を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）それぞれ空隙率と蛍光の発光強度および飽和点の関係を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）それぞれ焼結体と波長変換部材の発光特性を示すグラフである。
　次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。なお、構成図において、各構成要素の大きさは概念的に表したものであり、実際の寸法比率を表すものではない。
　［反射型の発光装置の構成］
　図１は、反射型の発光装置１０を示す模式図である。図１に示すように、発光装置１０は、光源５０および波長変換部材１００を備え、例えば波長変換部材１００で反射した光源光および波長変換部材１００内で光源光による励起で発生した光を合わせて照射光を放射している。照射光は例えば白色光とすることができる。
　光源５０には、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）またはＬＤ（Laser Diode）のチップを用いることができる。ＬＥＤは、発光装置１０の設計に応じて特定範囲の波長を有する光源光を発生させる。例えば、ＬＥＤは、青色光を発生させる。また、ＬＤを用いた場合には波長や位相のばらつきの少ないコヒーレント光を発生できる。なお、光源５０は、これらに限られず、可視光以外を発生させるものであってもよいが、紫外光、青色光、または緑色光を発生させるものが好ましく、特に青色光を発生させるものが好ましい。
　［反射型の波長変換部材の構成］
　波長変換部材１００は、基材１１０および蛍光体層１２０を備え、板状に形成され、光源光を基材１１０で反射させつつ、光源光に励起して波長の異なる光を発生させる。例えば、青色光を反射させつつ、緑と赤や黄色の蛍光を発生させて白色光を放射できる。基材１１０は、板状に形成され、例えば、光源光を反射させる無機材料で構成できる。基材１１０は、アルミニウムからなることが好ましい。高い熱伝導性を有する基材１１０を採用することで、蛍光体層１２０の蓄熱を抑え、蛍光体粒子の温度上昇を抑制でき、温度消光を防止できる。
　蛍光体層１２０は、基材１１０上に膜として設けられ、蛍光体粒子１２２と透光性セラミックス１２１とで形成されている。透光性セラミックス１２１は、蛍光体粒子１２２同士を結合するとともに基材１１０と蛍光体粒子１２２とを結合している。蛍光体粒子径に対する蛍光体層１２０の厚みが薄いため、蛍光体層１２０で生じた熱を効率よく基材１１０へ伝導し、蛍光体層１２０の温度上昇を防止できる。その結果、強度の大きい光源光を照射しても蛍光性能を維持できる。
　すなわち、高エネルギー密度レーザを光源光とする場合でも、必要な色設計が可能な範囲でできるだけ薄い蛍光体層１２０を形成することで蛍光体粒子１２２の発熱（蓄熱）による温度消光を抑制できる。反射率をより高めるために、基材の表面にはＡｇ膜が形成されていることが好ましい。なお、熱伝導性を考慮すると、波長変換部材１００の厚みは、下記の表の通りであることが好ましい。
　熱の伝えにくさを表す熱抵抗は蛍光体層の熱抵抗率または熱伝導率および面積を一定とした場合には厚みに依存し、厚くなるほど熱抵抗は増加する。レーザを照射した場合に熱抵抗が小さいほど、すなわち厚みが薄いほど熱は伝わりやすく蓄熱が起こりにくくなり、発熱（蓄熱）による温度消光を抑制することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　透光性セラミックス１２１は、蛍光体粒子１２２を保持するための無機バインダであり、例えばシリカ（ＳｉＯ２）、リン酸アルミニウムで構成される。蛍光体粒子１２２には、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体（ＹＡＧ系蛍光体）およびルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体（ＬＡＧ系蛍光体）を用いることができる。
　その他、蛍光体粒子は、発光させる色の設計に応じて以下のような材料から選択できる。例えば、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、ＺｎＳ：Ａｇ、Ｃｌ、ＢａＡｌ２Ｓ４：ＥｕあるいはＣａＭｇＳｉ２Ｏ６：Ｅｕなどの青色系蛍光体、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あるいは（Ｂａ，Ｓｒ，Ｍｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ、Ｍｎなどの黄色または緑色系蛍光体、（Ｍ１）３ＳｉＯ５：Ｅｕあるいは（Ｍ１）Ｓ：Ｅｕなどの黄色、橙色または赤色系蛍光体、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ３：Ｅｕ、Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、（Ｍ１）２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ、（Ｍ１）ＡｌＳｉＮ３：ＥｕあるいはＹＰＶＯ４：Ｅｕなどの赤色系蛍光体が挙げられる。なお、上記化学式において、Ｍ１は、Ｂａ、Ｃａ、ＳｒおよびＭｇからなる群のうちの少なくとも１つが含まれ、Ｍ２は、ＧａおよびＡｌのうちの少なくとも１つが含まれ、Ｍ３は、Ｙ、Ｇｄ、ＬｕおよびＴｅからなる群のうち少なくとも１つが含まれる。なお、上記の蛍光体粒子は一例であり、波長変換部材に用いられる蛍光体粒子が必ずしも上記に限られるわけではない。
　蛍光体層１２０の空隙率は、３０％以上７０％以下であることが好ましい。気孔が蛍光体層１２０内に多く形成されているため、蛍光体層１２０が薄くても内部で光が分散し、効率よく蛍光体粒子１２２に光源光が照射される。
　蛍光体層１２０の厚みは、蛍光体粒子１２２の平均粒子径に応じて、その蛍光体層の厚みと蛍光体粒子の平均粒子径との比が所定範囲にあることが好ましい。蛍光体粒子の粒子径に対し、膜厚が所定倍未満であるため、蛍光体層１２０内の粒子数の密度が高くなりすぎず、粒界の熱抵抗を低減できる。一方、蛍光体粒子の粒子径に対し、膜厚が所定倍以上であるため、蛍光体層１２０内の構造を均質にし、蛍光体層１２０の強度を維持できるとともに、均質な光を得ることができる。
　上記のような構成により、波長変換部材１００は、光源光が２０Ｗ／ｍｍ２のパワー密度であるときに、発光効率維持率が７０％以上であることが好ましい。これにより、高出力で発光させても蛍光性能が低下しない発光装置１０を構成できる。このような発光装置１０は、例えば工場、球場や美術館等の公共施設の照明、または自動車のヘッドランプ等に応用すると高い効果が見込める。
　［波長変換部材の作製方法］
　図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ本発明の波長変換部材の作製工程を示す断面図である。まず無機バインダ、溶剤、蛍光体粒子を準備する。好ましい無機バインダとして、例えばエタノールにシリコンの前駆体を溶かして得られたエチルシリケートを用いることができる。
　その他、無機バインダは、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、およびアモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも１種を含む原料を、常温で反応させるか、または、５００℃以下の温度で熱処理することにより得られたものであってもよい。酸化ケイ素前駆体としては、例えば、ペルヒドロポリシラザン、エチルシリケート、メチルシリケートを主成分としたものが挙げられる。
　また、溶剤としては、ブタノール、イソホロン、テルピネオール、グリセリン等の高沸点溶剤を用いることができる。蛍光体粒子には、例えばＹＡＧ、ＬＡＧ等の粒子を用いることができる。光源光に対して得ようとする照射光に応じて蛍光体粒子の種類や量を調整する。例えば、青色光に対して白色光を得ようとする場合には、青色光による励起で緑色光および赤色光または黄色光を放射する蛍光体粒子をそれぞれ適量選択する。
　図２（ａ）に示すように、これらの無機バインダ、溶剤、蛍光体粒子を混合してペースト（インク）４１０を作製する。混合にはボールミル等を用いることができる。一方で、無機材料の基材を準備する。基材には、アルミニウムを用いることができる。基材は板状であることが好ましい。また、基材にガラス、サファイア等を用いることで透過型の波長変換部材を作製することもできる。
　次に、図２（ｂ）に示すように、スクリーン印刷法を用いて、得られたペースト４１０を平均粒子径に対して上記の表に示す範囲の膜厚になるように基材１１０に塗布する。スクリーン印刷は、ペースト４１０をインキスキージ５１０で、枠に張られたシルクスクリーン５２０に押しつけて行なうことができる。スクリーン印刷法以外に、スプレー法、ディスペンサーによる描画法、インクジェット法が挙げられるが、薄い厚みの蛍光体層を安定的に形成するためにはスクリーン印刷法が好ましい。
　そして、印刷されたペースト４１０を乾燥させて、炉６００内で熱処理することで溶剤を飛ばすとともに無機バインダの有機分を飛ばして無機バインダ中の主金属を酸化（主金属がＳｉの場合はＳｉＯ２化）させ、その際に蛍光体層１２０と基材１１０とを接着する。このようにして、波長変換部材を得ることができる。
　そして、発光装置は、反射に適した基材を用いた波長変換部材をＬＥＤ等の光源に対して適宜配置して作製することができる。
　［実施例］
　（１．基材に対する消光状態の確認）
　（１－１）試料の作製方法
　まず、以下のように波長変換部材を作製した。エチルシリケートとテルピネオールをＹＡＧ蛍光体粒子（平均粒子径１８μｍ）と混合して作製されたペーストを、スクリーン印刷法を用いて４０μｍの厚みになるよう基材となるガラス、サファイア、アルミニウムの板にそれぞれ塗布し、熱処理して波長変換部材の試料を得た。
　（１－２）評価方法
　上記作製方法により得られた波長変換部材にレーザを照射し、レーザ入力値に対する蛍光の発光強度と発光効率維持率を調べた。図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ波長変換部材に対する透過型、反射型の評価システム７００、８００を示す断面図である。図３（ａ）に示すように、透過型の評価システム７００は、光源７１０、平面凸レンズ７２０、両凸レンズ７３０、バンドパスフィルタ７３５、パワーメータ７４０で構成されている。なお、バンドパスフィルタ７３５は、波長４８０ｎｍ以下の光をカットするフィルタであり、蛍光の発光強度を測定する際に、透過した光源光（励起光）を蛍光と切り分けるために、両凸レンズとパワーメータの間に設置される。
　平面凸レンズ７２０に入った光源光は、波長変換部材１００上の焦点へ集光される。そして、波長変換部材１００から生じた放射光を両凸レンズ７３０で集光し、その集光された光について波長４８０ｎｍ以下をカットした光の強度をパワーメータ７４０で測定する。この測定値を蛍光の発光強度とする。一方、図３（ｂ）に示すように、反射型の評価システム８００は、構成要素は評価システム７００と同じであるが、波長変換部材１００からの反射光を集光して測定できるように各要素が配置されている。レーザ光をレンズで集光し、照射面積を絞ることで、低出力のレーザでも単位面積あたりのエネルギー密度が上げられる。このエネルギー密度をレーザパワー密度とする。
　適宜、上記の２種の評価システム７００、８００を使い分け、波長変換部材の評価を行なった。透過型の評価システム７００では、上記のガラスまたはサファイアの基材の試料を用い、反射型の評価システム８００では、アルミニウムの基材の試料を用いた。なお、蛍光の発光強度とは、上記の評価システムを用いた場合に輝度計に示される数字を無次元化した相対強度であり、発光効率維持率とは、発熱や蓄熱の影響を無視できる低いレーザパワー密度における、発光効率を１００％とした場合の各レーザパワー密度に対する発光効率の割合である。
　（１－３）評価結果
　上記の評価結果として基材に対する発光特性を確認できた。図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ基材を変えたときの発光特性を示すグラフである。３種の基材で一定のレーザパワー密度まではパワー密度の増加に伴い蛍光の発光強度がほぼ比例の関係で増加していくことが確認された。サファイア基材ではレーザパワー密度が４８Ｗ／ｍｍ２、アルミニウム基材では２７Ｗ／ｍｍ２、ガラス基材では１１Ｗ／ｍｍ２以上で発光が減少した。
　蛍光体粒子は温度の上昇により温度消光で発光性能が低下する。しかし、アルミニウムはガラスよりも熱伝導率が高い。したがって、アルミニウム基材では、蛍光体粒子からの発熱を波長変換部材内に蓄熱しにくく蛍光体の消光が抑制されたと考えられる。
　なお、上記の結果によれば、熱伝導率の高いアルミニウム基材よりもサファイア基材のほうが消光を抑制できている。これは、透過型のサファイア基材の測定ではレーザを基材から入射するため、蛍光体へ蓄熱された熱がすぐに基材へ放熱されるためと考えられる。熱伝導率の高いアルミニウム基材よりもサファイア基材のほうが消光を抑制できている。これは、透過型のサファイア基材の測定ではレーザを基材から入射するため、蛍光体へ蓄熱された熱がすぐに基材へ放熱されるためと考えられる。
　（２．Ａｌ＋Ａｇ基材で、蛍光体層の膜厚／平均粒子径に対する温度消光状態の確認）
　（２－１）試料の作製方法
　エチルシリケートとテルピネオールをＹＡＧ系の蛍光体粒子（平均粒子径１８μｍ）と混合して作製されたペーストを、スクリーン印刷法を用いて３０、４０、６０、１００、１８０μｍの厚みになるよう基材となるＡｌ＋Ａｇ板に塗布し波長変換部材の試料を得た。Ａｌ＋Ａｇ基材は、主にＡｌ合金とＡｇ膜とで構成されている（Alanod製 MIRO2 SILVER使用）。
　（２－２）評価方法
　上記の波長変換部材の作製方法により得られた波長変換部材について、反射型の評価システムを用いてレーザ照射を行ない、レーザパワー密度に対する蛍光の発光強度および発光効率維持率を調べた。
　（２－３）評価結果
　上記の評価結果として蛍光体層の発光特性を確認できた。図５（ａ）、（ｂ）は、下表の通りにそれぞれ一定の蛍光体粒子径に対して蛍光体層の厚みを変えたときの発光特性を示すグラフである。各条件について、レーザパワー密度に対する蛍光の発光強度および発光効率維持率をそれぞれ示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　全ての蛍光体層の膜厚／蛍光体粒子の平均粒子径でレーザの入力値の増加に伴い、蛍光の発光強度が増加することが確認された。また、蛍光の発光強度は、飽和点を迎えるまでは、蛍光体層膜厚と平均粒子径の比率によらずほぼ同じ発光強度となっており、蛍光体層膜厚と平均粒子径の比率が小さいほど、発光効率維持率が高いまま推移できることが確認された。発光効率維持についても、蛍光体層の膜厚と蛍光体粒子の平均粒子径の比率が小さいほうが粒子間の接点が少ないことによる蓄熱防止の効果があると考えられる。
　蛍光体粒子の平均粒子径に対する蛍光体層の膜厚の比率を小さくすることにより蛍光体層への蓄熱が抑えられ、Ａｌ＋Ａｇ基材では輝度（発光効率）維持率が高くなることが確認できた。
　（３．膜厚／平均粒子径別の蛍光輝度（発光強度）および輝度（発光効率）維持率の確認）
　（３－１）試料の作成方法
　エチルシリケートとテルピネオールをＹＡＧ系蛍光体粒子と混合して作製されたペーストを、スクリーン印刷法を用いて基材となるアルミニウム板（反射型）に塗布した。
　（３－２）評価方法
　上記の波長変換部材の作製方法により得られた波長変換部材について、反射型の評価システム８００を用いてレーザ照射を行ない、２０Ｗ／ｍｍ２のレーザパワー密度における発光効率維持率を調べた。
　蛍光体はレーザパワー密度の値が高くなるにつれて発熱し、蛍光体層の温度が上昇すると消光が発生し発光効率が低下する。発熱による影響がほとんど生じない低レーザパワー密度におけるグラフの傾き（比例関係の傾き）からレーザパワー密度を増加させたときの熱の影響を計算し、その熱の影響を考慮しない理想的な値（比例関係から求まる値）を１００％としたときに、実際の熱の影響により低下した輝度（発光強度）の割合を１００％から差し引いた値を輝度（発光効率）維持率と定義した。そして、この輝度（発光効率）維持率が７０％以上であれば合格、７０％未満であれば不合格と判断した。
　一般的に耐熱性が高いと言われているＹＡＧ蛍光体や窒化物蛍光体において、輝度（発光強度）が７０％まで低下した場合の蛍光体温度は３００℃前後に達していると推定される。そして、このように一般的に耐熱性が高いと言われている蛍光体であっても、大気中で３００℃以上まで加熱されると徐々に性能劣化を開始する。したがって、照明装置の安全上の観点、蛍光体の寿命の観点から、熱の影響による輝度（発光効率）維持率は７０％以上であることが適当と考えられるため、輝度（発光効率）維持率が７０％を合否の判断基準とした。
　（３－３）評価結果
　下表は、条件と結果をまとめた表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　反射型の波長変換部材について、蛍光体粒子の平均粒子径および蛍光体層の厚み／蛍光体粒子の平均粒子径との比が表１の範囲内で判断基準を満たしていることが確認できた。
　（４．蛍光体粒子の種類による違い）
　（４－１）試料の作製方法
　エチルシリケートとテルピネオールをＹＡＧ系蛍光体粒子と混合して作製されたペーストを、スクリーン印刷法を用いて膜厚が３０μｍになるよう基材となるアルミニウム板に塗布した。蛍光体粒子は、６、１３、１８μｍの３種の平均粒子径のものを用いた。
　（４－２）評価方法
　上記の波長変換部材の作製方法により得られたアルミニウム基材の波長変換部材について、反射型の評価システム８００を用いてレーザ照射を行ない、レーザパワー密度に対する蛍光の発光強度および発光効率維持率を調べた。
　（４－３）評価結果
　図６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ蛍光体粒子の平均粒子径を変えたときの発光特性を示すグラフである。図６（ａ）、（ｂ）に示すように、蛍光体粒子の平均粒子径が大きいほど蛍光の発光強度、発光効率維持率が高いことが確認された。蛍光体粒子が大きいほど、変換効率が高いこと、また、蛍光体粒子同士の接点が少なくなり蓄熱を防止できたことの双方の効果によるものと考えられる。
　（５．空隙率について）
　（５－１）試料の作製方法
　エチルシリケートとテルピネオールをＹＡＧ系蛍光体粒子（平均粒子径１８μｍ）と混合して作製されたペーストを、スクリーン印刷法を用いて３０μｍの厚みになるよう基材となるアルミニウム板に塗布し波長変換部材の試料を得た。
　（５－２）評価方法
　得られた波長変換部材について空隙率の計算とレーザ照射試験を行ない、空隙率と蛍光の発光強度および飽和点の関係を確認した。空隙率は、蛍光体膜上の蛍光体粒子の最表面を直線で結んだ見かけ上の体積に対する、蛍光体膜内の空隙部分の体積の割合と定義して算出した。空隙部分の体積は、見かけ上の体積から固体成分の体積を差し引き算出した。
　（５－３）評価結果
　図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ空隙率と蛍光の発光強度および飽和点の関係を示すグラフである。図７（ａ）、（ｂ）に示す空隙率と蛍光の発光強度および飽和点の関係より、空隙率が３０～７０％の範囲では蛍光の発光強度、飽和点が安定していることが確認された。空隙率が３０％未満では製作時の熱処理により、剥離が発生してしまい、波長変換部材は製造困難である。この剥離の原因は、基材と蛍光体層との熱膨張の差によるものと考えられる。また、空隙率が７０％以上では蛍光体層の構造の維持が難しく製造が困難である。
　（６．焼結体との比較）
　（６－１）評価方法
　上記の波長変換部材の作製方法により得られた本発明の波長変換部材（膜厚３０μｍ）と焼結体（一辺２０．０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの正方板形状）の蛍光体プレートについて、反射型の評価システム８００を用いてレーザ照射を行ない、レーザパワー密度に対する蛍光の発光強度を調べて空隙率による蛍光の発光強度の変化を確認した。
　空隙率は、蛍光体膜上の蛍光体粒子の最表面を直線で結んだ見かけ上の体積に対する、蛍光体膜内の空隙部分の体積の割合と定義して算出した。空隙部分の体積は、見かけ上の体積から固体成分の体積を差し引き算出した。波長変換部材の空隙率は４０％、焼結体の空隙率は１％未満であった。
　（６－２）評価結果
　図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ焼結体と波長変換部材の発光特性を示すグラフである。図８（ａ）、（ｂ）に示す波長変換部材のほうが、蛍光の発光強度が高いことが確認された。これは、波長変換部材の層内の空隙により光の散乱が起こり、効率よく光を変換するために蛍光の発光強度が高くなったと考えられる。一方で、空隙の少ない焼結体は、緻密であるため内部での光の散乱が少なくレーザ光を透過してしまうと考えられる。
　空隙率が少ない焼結体の場合には厚み１ｍｍ（１０００μｍ）の厚みがあってもなおレーザを透過しているのに対し、本発明の波長変換部材は厚み３０μｍであるにも関わらず、最適な空隙を含み、光を散乱させて蛍光を効率よく取出すことができるため、非常に有効であると考えられる。
１０　発光装置
５０　光源
１００　波長変換部材
１１０　基材
１２０　蛍光体層
１２１　透光性セラミックス
１２２　蛍光体粒子
４１０　ペースト
５１０　インキスキージ
５２０　シルクスクリーン
６００　炉
７００、８００　評価システム
７１０　光源
７２０　平面凸レンズ
７３０　両凸レンズ
７３５　バンドパスフィルタ
７４０　パワーメータ

Claims (5)

  1. 　特定範囲の波長の光を他の波長の光に変換するとともに、反射面により光を反射して照射光とする反射型の波長変換部材であって、
    　無機材料からなる基材と、
    　前記基材上に設けられ、吸収光に対し変換光を発する蛍光体粒子と前記蛍光体粒子同士を結合する透光性セラミックスとからなる蛍光体層と、を備え、
    　前記蛍光体層の厚みと前記蛍光体粒子の平均粒子径との比が３０未満であり、
    　特定範囲の波長の光源光に対し、前記光源光が２０Ｗ／ｍｍ２のパワー密度であるときに、前記蛍光体層の発光効率維持率が７０％以上であり、
    　前記基材または自部材に隣接する反射板の表面を前記変換光の反射面とすることを特徴とする波長変換部材。
  2. 　以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の波長変換部材。
    （ａ）前記蛍光体粒子の平均粒子径が１μｍ未満の場合は、前記蛍光体層の厚みと前記蛍光体粒子の平均粒子径との比が３０未満であること。
    （ｂ）前記蛍光体粒子の平均粒子径が１μｍ以上５μｍ未満の場合は、前記蛍光体層の厚みと前記蛍光体粒子の平均粒子径との比が１５未満であること。
    （ｃ）前記蛍光体粒子の平均粒子径が５μｍ以上１０μｍ未満の場合は、前記蛍光体層の厚みと前記蛍光体粒子の平均粒子径との比が１０未満であること。
    （ｄ）前記蛍光体粒子の平均粒子径が１０μｍ以上の場合は、前記蛍光体層の厚みと前記蛍光体粒子の平均粒子径との比が５未満であること。
  3. 　前記蛍光体層の、前記蛍光体粒子の最表面および前記基材と接する平面で挟まれた一定厚さの層の見かけ上の体積に対して、前記見かけ上の体積から前記見かけ上の体積内に含まれる固体成分の体積を差し引くことで算出された空隙部分の体積の割合を空隙率と定義した場合に、その前記空隙率は、３０～７０％であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の波長変換部材。
  4. 　前記基材は、アルミニウムからなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の波長変換部材。
  5. 　特定範囲の波長の光源光を発生させる光源と、
    　前記光源光を吸収し、他の波長の光に変換し発光する請求項１から請求項４のいずれかに記載の波長変換部材と、を備えることを特徴とする発光装置。
PCT/JP2017/001078 2016-01-22 2017-01-13 波長変換部材および発光装置 WO2017126441A1 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017539380A JP6524474B2 (ja) 2016-01-22 2017-01-13 波長変換部材および発光装置
EP17741319.2A EP3407101B1 (en) 2016-01-22 2017-01-13 Wavelength conversion member and light-emitting device
CN201780007590.2A CN108474881B (zh) 2016-01-22 2017-01-13 波长转换构件及发光装置
US16/070,974 US10508801B2 (en) 2016-01-22 2017-01-13 Wavelength conversion member and light-emitting device
KR1020187020385A KR102044140B1 (ko) 2016-01-22 2017-01-13 파장 변환 부재 및 발광 장치

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016011100 2016-01-22
JP2016-011100 2016-01-22

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017126441A1 true WO2017126441A1 (ja) 2017-07-27

Family

ID=59362337

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2017/001078 WO2017126441A1 (ja) 2016-01-22 2017-01-13 波長変換部材および発光装置

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10508801B2 (ja)
EP (1) EP3407101B1 (ja)
JP (1) JP6524474B2 (ja)
KR (1) KR102044140B1 (ja)
CN (1) CN108474881B (ja)
TW (1) TWI677115B (ja)
WO (1) WO2017126441A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2021221062A1 (ja) * 2020-04-28 2021-11-04

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN208239722U (zh) 2018-05-24 2018-12-14 中强光电股份有限公司 波长转换轮、照明系统及投影装置
CN110416387B (zh) * 2019-06-28 2020-12-01 苏州紫灿科技有限公司 一种高散热白光激光片及制备方法
JP7429346B2 (ja) * 2019-10-03 2024-02-08 国立研究開発法人物質・材料研究機構 波長変換部材
CN113917776B (zh) * 2020-07-09 2023-03-24 中强光电股份有限公司 波长转换装置以及投影装置
WO2022251195A1 (en) * 2021-05-24 2022-12-01 W. L. Gore & Associates, Inc. Photoluminescent composites and processes for fabricating the same

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007262375A (ja) * 2006-03-30 2007-10-11 Kyocera Corp 波長変換器および発光装置
JP2008043754A (ja) * 2003-12-22 2008-02-28 Nichia Chem Ind Ltd 発光装置及び内視鏡装置
JP2012185403A (ja) * 2011-03-07 2012-09-27 Seiko Epson Corp 発光素子とその製造方法、光源装置、およびプロジェクター
JP2013247067A (ja) * 2012-05-29 2013-12-09 Nichia Chem Ind Ltd 色変換用無機成形体及びその製造方法、並びに発光装置
JP2014241431A (ja) 2013-05-16 2014-12-25 株式会社日本セラテック 発光装置の製造方法
JP2015065425A (ja) 2013-08-29 2015-04-09 株式会社日本セラテック 発光装置及びその製造方法
JP2015090887A (ja) 2013-11-05 2015-05-11 株式会社日本セラテック 発光素子及び発光装置
JP2015094777A (ja) 2013-11-08 2015-05-18 日本電気硝子株式会社 プロジェクター用蛍光ホイール、その製造方法及びプロジェクター用発光デバイス
JP2015119172A (ja) 2013-11-13 2015-06-25 株式会社日本セラテック 発光素子、発光装置、及びそれらの製造方法
JP2015138839A (ja) 2014-01-21 2015-07-30 豊田合成株式会社 発光装置及びその製造方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9631782B2 (en) * 2010-02-04 2017-04-25 Xicato, Inc. LED-based rectangular illumination device
JPWO2011155614A1 (ja) * 2010-06-11 2013-08-15 旭硝子株式会社 透光性積層体およびそれを用いた太陽電池モジュール
CN102959744B (zh) * 2011-06-29 2015-08-19 松下电器产业株式会社 发光元件的制造方法及发光元件的制造装置
TWI523278B (zh) * 2011-08-05 2016-02-21 晶元光電股份有限公司 波長轉換結構及其製造方法以及包含此波長轉換結構之發光裝置
TWI505515B (zh) * 2011-08-19 2015-10-21 Epistar Corp 發光裝置及其製造方法
JPWO2013051281A1 (ja) * 2011-10-07 2015-03-30 コニカミノルタ株式会社 Ｌｅｄ装置の製造方法、およびそれに用いる蛍光体分散液
JP2014039006A (ja) 2012-02-27 2014-02-27 Mitsubishi Chemicals Corp 波長変換部材及びこれを用いた半導体発光装置
JP5966529B2 (ja) 2012-04-02 2016-08-10 日亜化学工業株式会社 波長変換用無機成形体及び発光装置
CN103367611B (zh) 2012-03-28 2017-08-08 日亚化学工业株式会社 波长变换用无机成型体及其制造方法以及发光装置
CN104676491A (zh) * 2013-11-29 2015-06-03 台达电子工业股份有限公司 波长转换装置

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008043754A (ja) * 2003-12-22 2008-02-28 Nichia Chem Ind Ltd 発光装置及び内視鏡装置
JP2007262375A (ja) * 2006-03-30 2007-10-11 Kyocera Corp 波長変換器および発光装置
JP2012185403A (ja) * 2011-03-07 2012-09-27 Seiko Epson Corp 発光素子とその製造方法、光源装置、およびプロジェクター
JP2013247067A (ja) * 2012-05-29 2013-12-09 Nichia Chem Ind Ltd 色変換用無機成形体及びその製造方法、並びに発光装置
JP2014241431A (ja) 2013-05-16 2014-12-25 株式会社日本セラテック 発光装置の製造方法
JP2015038960A (ja) 2013-05-16 2015-02-26 株式会社日本セラテック 発光装置
JP2015065425A (ja) 2013-08-29 2015-04-09 株式会社日本セラテック 発光装置及びその製造方法
JP2015090887A (ja) 2013-11-05 2015-05-11 株式会社日本セラテック 発光素子及び発光装置
JP2015094777A (ja) 2013-11-08 2015-05-18 日本電気硝子株式会社 プロジェクター用蛍光ホイール、その製造方法及びプロジェクター用発光デバイス
JP2015119172A (ja) 2013-11-13 2015-06-25 株式会社日本セラテック 発光素子、発光装置、及びそれらの製造方法
JP2015138839A (ja) 2014-01-21 2015-07-30 豊田合成株式会社 発光装置及びその製造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3407101A4

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2021221062A1 (ja) * 2020-04-28 2021-11-04
WO2021221062A1 (ja) * 2020-04-28 2021-11-04 京セラ株式会社 波長変換素子および波長変換素子の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108474881A (zh) 2018-08-31
US20190024879A1 (en) 2019-01-24
TWI677115B (zh) 2019-11-11
US10508801B2 (en) 2019-12-17
CN108474881B (zh) 2021-02-02
JP6524474B2 (ja) 2019-06-05
EP3407101B1 (en) 2024-05-29
EP3407101A1 (en) 2018-11-28
KR102044140B1 (ko) 2019-11-13
TW201733170A (zh) 2017-09-16
EP3407101A4 (en) 2019-10-09
KR20180095645A (ko) 2018-08-27
JPWO2017126441A1 (ja) 2018-01-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI753889B (zh) 波長轉換構件、其製造方法及發光裝置
WO2017126441A1 (ja) 波長変換部材および発光装置
TWI669375B (zh) 波長轉換構件及發光裝置
US10590341B2 (en) Wavelength conversion member, production method therefor, and light emitting device
WO2019031016A1 (ja) 波長変換部材および発光装置
JP6990065B2 (ja) 波長変換部材、その製造方法および発光装置
JP2018131577A (ja) 波長変換部材
JP2021103247A (ja) 波長変換部材および発光装置
JP2021099415A (ja) 波長変換部材および発光装置

Legal Events

Date Code Title Description
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2017539380

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17741319

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20187020385

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1020187020385

Country of ref document: KR

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2017741319

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2017741319

Country of ref document: EP

Effective date: 20180822