JP2015038978A

JP2015038978A - 波長変換部材

Info

Publication number: JP2015038978A
Application number: JP2014144300A
Authority: JP
Inventors: 隆史西宮; Takashi Nishimiya; 義正山口; Yoshimasa Yamaguchi; 角見　昌昭; Masaaki Kadomi; 昌昭角見; 佐藤　史雄; Fumio Sato; 史雄佐藤
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2013-07-17
Filing date: 2014-07-14
Publication date: 2015-02-26

Abstract

【課題】出射光の量を増加することができる波長変換部材を提供する。
【解決手段】入射光５を波長変換して、出射光７として出射する波長変換部材１であって、入射光５が入射する第１の主面１２及び出射光７が出射する第２の主面１１を有する波長変換層１０と、第１の主面１２及び第２の主面１１の少なくともいずれか一方の上に設けられる、微細な凹凸構造を有する反射防止層２０とを備えることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長変換部材に関するものである。

波長変換部材は、白色ＬＥＤ等の発光デバイスの構成部材として注目されている。白色ＬＥＤは、例えば青色や紫外の励起光を発するＬＥＤチップと、樹脂やガラスなどのマトリクス中に蛍光体を分散させた波長変換部材から構成されている。

波長変換部材に入射した励起光は、蛍光体を励起させ、励起した蛍光体は、励起光と異なる波長の光を蛍光として発する。この蛍光と、波長変換に寄与せず波長変換部材を透過した励起光とが混ざり合うことにより、白色光が得られる。波長変換された光が波長変換部材を出射する際、波長変換部材の表面での反射率を低減して、より多くの光が出射されるようにするため、波長変換部材の表面の上に反射防止膜を形成することが知られている（特許文献１の請求項１４を参照）。

図６は、波長変換層の表面の上に反射防止膜を形成した従来の波長変換部材を示す模式的断面図である。波長変換層１０の第２の主面１１の上には、反射防止膜５０が形成されている。反射防止膜５０としては、誘電体多層膜が形成されている。波長変換層１０は、樹脂やガラス等からなるマトリクス１３中に蛍光体１４を含有させることにより形成されている。第１の主面１２から入射した入射光５は、蛍光体１４を励起させる。励起した蛍光体１４からは、蛍光６が出射する。

第２の主面１１に対し小さな入射角で入射する蛍光６は、反射防止膜５０で反射率が低減され、多くの光が出射光７として出射される。しかしながら、反射防止膜５０を構成する誘電体多層膜は、角度依存性が大きいため、第２の主面１１に対し大きな入射角で入射する蛍光６は、反射防止膜５０で十分に反射率を低減することができない。このため、蛍光６の一部が、第２の主面１１で反射され、反射光８となり、出射光７として出射される光の量が減少する。

特開２０１０−１７８９７４号公報

本発明の目的は、出射光の量を増加することができる波長変換部材を提供することにある。

本発明は、入射光を波長変換して、出射光として出射する波長変換部材であって、入射光が入射する第１の主面及び出射光が出射する第２の主面を有する波長変換層と、第１の主面及び第２の主面の少なくともいずれか一方の上に設けられる、微細な凹凸構造を有する反射防止層とを備えることを特徴としている。

反射防止層は、無機材料、有機材料または有機材料と無機材料のハイブリッド材料から形成することができる。

無機材料としては、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、ＩＴＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２及びコバルト酸化物から選択される少なくとも１種や、ガラスが挙げられる。有機材料としては、シリコーン樹脂が挙げられる。

反射防止層は、波長変換層に近づくにつれて実効屈折率が上昇する層であることが好ましい。このような反射防止層としては、モスアイ構造を有する層が挙げられる。

本発明においては、第１の主面及び第２の主面の内の一方に反射防止層が設けられており、他方にフィルター層が設けられていてもよい。

フィルター層としては、格子状または網目状の構造を有するものが挙げられる。

波長変換層は、ガラスマトリクス中に蛍光体を含有させた層であることが好ましい。

本発明によれば、出射光の量を増加させることができる。

本発明の第１の実施形態の波長変換部材を示す模式的断面図である。波長変換部材の光出射面において、反射防止層を形成した場合と形成しなかった場合の発光スペクトルを示すグラフである。本発明の第１の実施形態の波長変換部材を製造する工程を説明するための模式的断面図である。本発明の第２の実施形態の波長変換部材を示す模式的断面図である。本発明の第３の実施形態の波長変換部材を示す模式的断面図である。従来の波長変換部材を示す模式的断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。但し、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態等を説明する図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号を用いて参照する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の波長変換部材を示す模式的断面図である。図１に示すように、波長変換部材１は、波長変換層１０の第２の主面１１の上に、反射防止層２０を設けることにより構成されている。本実施形態においては、波長変換層１０は、ガラスマトリクス１３中に蛍光体１４を分散させて含有させることにより形成されている。本実施形態では、蛍光体１４として無機蛍光体が用いられている。

ガラスマトリクス１３は、無機蛍光体等の蛍光体の分散媒として用いることができるものであれば特に限定されない。例えば、ホウ珪酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラス（例えばスズリン酸塩系ガラス）などを用いることができる。ガラスマトリクスの軟化点は、２５０℃〜１０００℃であることが好ましく、３００℃〜８５０℃であることがより好ましい。

蛍光体１４は、入射光５である励起光により蛍光を出射するものであれば、特に限定されるものではない。蛍光体１４の具体例としては、例えば、酸化物蛍光体、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体、塩化物蛍光体、酸塩化物蛍光体、硫化物蛍光体、酸硫化物蛍光体、ハロゲン化物蛍光体、カルコゲン化物蛍光体、アルミン酸塩蛍光体、ハロリン酸塩化物蛍光体、ガーネット系化合物蛍光体から選ばれた１種以上等が挙げられる。

本発明において、反射防止層２０は、微細な凹凸構造による反射機能を有するものである。微細な凹凸構造としては、具体例には、例えば、波長変換層１０に近づくにつれて実効屈折率が上昇する形状を有するものが挙げられる。このような凹凸構造として、モスアイ構造が知られている。本実施形態における反射防止層２０は、図１に示すように、錐体形状凸部２１を第２の主面１１の上に複数設けることにより形成されたモスアイ構造を有している。モスアイ構造における錐体形状は、特に限定されるものではなく、円錐形状、角錐形状、円錐台形状、角錐台形状、釣鐘形状、楕円錐台形状など、反射防止機能を有する錐体形状であればよい。

モスアイ構造における実効屈折率は、モスアイ構造を形成する材料の材質、錐体形状の厚み方向における構造体と空間の割合の変化率、凹凸のピッチ及び深さなどにより決定される。このため、これらのファクターを適宜調節することにより、反射防止層２０の反射防止特性を制御することができる。錐体形状の厚み方向における構造体と空間の割合の変化率は、モスアイ構造における錐体形状により決定される。凹凸のピッチは、５０〜１０００ｎｍであることが好ましく、１００〜５００ｎｍであることがより好ましく、１００〜３００ｎｍであることがさらに好ましい。凹凸の深さは、ピッチの０．５〜５倍であることが好ましく、１〜３倍であることがさらに好ましい。

なお、ガラスマトリクス１３より反射防止層２０の屈折率が大きい場合（例えば、ガラスマトリクス１３としてホウ珪酸塩系ガラス、反射防止層２０としてリン酸塩系ガラスを使用する場合）は、両者の界面における反射防止層２０の実効屈折率をガラスマトリクス１３の屈折率に整合させることが好ましい。それにより、ガラスマトリクス１３と反射防止層２０の界面における反射率を低減することができる。具体的には、反射防止層２０とガラスマトリクス１３の界面における反射防止層２０の実効屈折率を低下させるため、隣接する錐体形状凸部２１の底部を離隔させることが好ましい。

反射防止層２０は、無機材料または有機材料、あるいは無機材料と有機材料のハイブリッド材料から形成することができる。無機材料としては、例えば、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、ＩＴＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２及びコバルト酸化物から選択される少なくとも１種や、ガラスを挙げることができる。ガラスとしては、低融点ガラスやゾルゲルガラスが好ましく用いられる。低融点ガラスとしては、リン酸塩系ガラス（例えばスズリン酸塩系ガラス）が挙げられる。なお、波長変換層１０における蛍光体１４の濃度が高くなると、波長変換層１０全体としての屈折率が上昇する。この場合、波長変換層１０との屈折率の整合を図るため、反射防止層２０の屈折率を高くすることが好ましい。例えば、反射防止層２０の屈折率（ｎｄ）は１．８以上であることが好ましく、１．９以上であることがより好ましく、２以上であることがさらに好ましく、２．１以上であることが特に好ましい。例えば、ＴｉＯ_２やＺｒＯ_２を用いることで、反射防止層２０の屈折率を高めることが可能となる。

有機材料としては、例えば、シリコーン樹脂などの熱可塑性樹脂や、エポキシ樹脂などの紫外線硬化樹脂等の一般的なナノインプリント用樹脂や、レジスト剤を挙げることができる。

入射光５は、第１の主面１２を通り、波長変換層１０に入射し、蛍光体１４を励起する。これにより、蛍光体１４から、波長変換された蛍光６が出射する。蛍光６は、第２の主面１１及び反射防止層２０を通り、出射光７として出射される。微細な凹凸構造で形成された反射防止層２０は、角度依存性が小さいため、第２の主面１１に対し大きな入射角で入射する蛍光６に対しても、十分に反射率を低減させることができる。したがって、本実施形態によれば、出射光７の量を高めることができる。

なお、出射光７として、入射光５と蛍光６の合成光が出射される場合がある。例えば、入射光５として青色光、蛍光体１４としてＹＡＧ蛍光体を使用した場合は、入射光５の一部が蛍光体１４により黄色の蛍光６に変換され、波長変換されなかった入射光５と蛍光６とが合成されて、白色の出射光７として出射される。図２は、下記に示す条件において、波長変換部材の光出射面（第２の主面）に反射防止層を形成した場合と形成しなかった場合における発光スペクトルを示すグラフである。図２のグラフから、反射防止層２０を設けた場合、出射光７の光束値が向上することが確認された。なお、波長変換部材の光入射面（第１の主面）に反射防止層を形成した場合も、光出射面に反射防止層を形成した場合とほぼ同等の発光スペクトルが得られることが確認された（図示せず）。

（波長変換部材）
材質：ホウケイ酸ガラス中にＹＡＧ蛍光体１０質量％含有
厚み：０．１５ｍｍ
励起波長：４４５ｎｍ

（反射防止層）
材質：ＳｉＯ_２ゾルゲルガラス
形状：円錐形状
凹凸のピッチ：１５０ｎｍ
凹凸の深さ：１５０ｎｍ

しかしながら、上記の場合、Ｘ色度が小さくなり、出射光７が青みを帯びる傾向がある。これは、波長変換されずに出射する入射光５の光量も増大するためであると考えられる。そこで、蛍光体１４の含有量を増加させることより、所望の白色光を得ることができる。また、蛍光体１４の含有量が増加したことにより、全体としてさらに光束値の向上を図ることができる。つまり、波長変換部材１の出射面（第２の主面１１）の単位面積当たりの出射光７の強度を高めることができる。

図３は、本発明の第１の実施形態の波長変換部材を製造する工程を説明するための模式的断面図である。図３は、波長変換層１０の第２の主面１１上に反射防止層２０を形成する製造工程を示している。

図３（ａ）に示すように、反射防止層２０の錐体形状凸部２１を形成するためのモールド４０を準備する。モールド４０の下面に形成された凹部４１は、錐体形状凸部２１に対応した形状を有している。モールド４０を形成する材料としては、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、グラッシーカーボン、石英、ステンレス、ニッケル電鋳、シリコーン樹脂等が挙げられる。紫外線を透過させる必要がある場合には、石英が好ましく用いられる。離型剤を塗布する必要がある場合には、図３（ａ）において、矢印で示すようにカーボンなどの離型膜をスパッタ法などで凹部４１の表面上に形成してもよい。モールド４０としてシリコーン樹脂製のものを使用する場合は、まずＳｉ等からなるマスターモールドを作製した上で、当該マスターモールドを用いてモールド４０（コピーモールド）を作製することが好ましい。このようにすれば、繰り返し使用によりモールド４０が劣化した場合に、同様の寸法形状を有するモールド４０を再度容易に作製することが可能となる。

次に、図３（ｂ）に示すように、波長変換層１０の第２の主面１１の上に、成形材料層２２を形成する。成形材料層２２は、反射防止層２０を形成する材料からなる。反射防止層２０を低融点ガラスから形成する場合、例えば第２の主面１１を低融点粉末ガラスで一様に覆うことにより成形材料層２２を形成する。反射防止層２０を有機材料から形成する場合、有機材料を基材上に塗布して、スピンコーターで均一な厚みにすることにより成形材料層２２を形成する。反射防止層２０をＴｉＯ_２やＺｒＯ_２等の無機材料から形成する場合、無機材料のゾルゲル層を基材上に塗布して、スピンコーターで均一な厚みにする、あるいはディップコートすることにより成形材料層２２を形成する。

次に、図３（ｃ）に示すように、成形材料層２２の上方に、モールド４０の下面の凹部４１を下にしてモールド４０を配置し、モールド４０を下方に移動して成形材料層２２をモールド４０の凹部４１で加圧成形する。このとき、成形材料層２２が低融点ガラスから形成されている場合、成形材料層２２を低融点ガラスの融点より高い温度になるように成形材料層２２を加熱しておく。モールド４０を成形材料層２２に押し当てることにより、モールド４０の凹部４１の形状が転写されるとともに、成形材料層２２が冷却される。この際、低融点ガラスの劣化を抑制するため、窒素雰囲気にすることが好ましい。成形材料層２２がシリコーン樹脂などの熱可塑性樹脂から形成されている場合は、１００℃程度に加熱しておく。成形材料層２２がＴｉＯ_２やＺｒＯ_２等の無機材料のゾルゲル層から形成されている場合は、１０〜４００℃程度、好ましくは７０〜１５０℃程度に加熱しておく（熱インプリント法）。ここで、熱処理温度が低すぎると、ゾルゲル層の硬化が不十分になりやすい。一方、熱処理温度が高すぎると、ゲル化速度が速くなりすぎて、急激な収縮による膜割れが生じやすくなる。熱処理を行う前に、常温でしばらく静置することにより、モールド４０表面の凹部４１へのゾルゲルの侵入が促進され、モールド４０の表面形状がゾルゲル層に転写されやすくなる。また、雰囲気は減圧雰囲気とすることが好ましく、真空雰囲気であることがより好ましい。これにより、ゾルゲル層の脱泡を効率良く行うことができ、結果として、反射防止層２０において気泡を起因とする光散乱ロスを抑制することができる。なお、必ずしもモールド４０の上方から意図的に応力を印加する必要はなく、モールド４０の自重によりインプリントを行ってもよい。成形材料層２２がエポキシ樹脂などの紫外線硬化樹脂から形成されている場合は、モールド４０を成形材料層２２に押し当てながら、ＵＶ照射する（ＵＶインプリント法）。

次に、図３（ｄ）に示すように、モールド４０を上方に移動させて、モールド４０を取り外す。以上のようにして、波長変換層１０の第２の主面１１の上に反射防止層２０を形成することができる。

なお、モールド４０を用いた成形方法以外にも、成形材料層２２の表面にイオン化粒子を一様に衝突させて反応性エッチングを施すことにより、凹凸構造を形成してもよい。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態の波長変換部材を示す模式的断面図である。本実施形態の波長変換部材２では、波長変換層１０の第２の主面１１の上に、第１の実施形態と同様に、反射防止層２０が設けられるとともに、第１の主面１２の上にフィルター層３０が設けられている。

フィルター層３０には、溝３１が形成されている。すなわち、フィルター層３０は格子状となっている。溝３１の幅及び深さを制御することにより、所定の波長領域に対してフィルター機能を発揮させることができる。具体的には、フィルター層３０は入射光５を選択的に透過し、蛍光６は反射する。これにより、蛍光６が第１の主面１２側から漏れ出ることを抑制でき、第２の主面１１から出射光７として出射する蛍光６の量を増加することができる。

フィルター層３０を形成する材料としては、反射防止層２０と同様の材料を用いることができる。

なお、フィルター層３０は格子状以外にも、網目状であってもよい。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態の波長変換部材を示す模式的断面図である。本実施形態の波長変換部材３では、波長変換層１０の第２の主面１１及び第１の主面１２の両方の面の上に、第１の実施形態と同様に、反射防止層２０が設けられている。

本実施形態のように、光の入射側である第１の主面１２と光の出射側である第２の主面１１の両方に反射防止層２０を設けることにより、入射光を効率的に波長変換層１０に取り入れ、かつ、入射光及び励起光を効率的に出射することができる。また、入射光及び出射光の角度依存性が低くなり、結果的に出射光量を増やすことができる。

１，２，３…波長変換部材
５…入射光
６…蛍光
７…出射光
８…反射光
１０…波長変換層
１１…第２の主面
１２…第１の主面
１３…ガラスマトリクス
１４…蛍光体
２０…反射防止層
２１…錐体形状凸部
２２…成形材料層
３０…フィルター層
３１…溝
４０…モールド
４１…凹部
５０…反射防止膜

Claims

入射光を波長変換して、出射光として出射する波長変換部材であって、
前記入射光が入射する第１の主面及び前記出射光が出射する第２の主面を有する波長変換層と、
前記第１の主面及び前記第２の主面の少なくともいずれか一方の上に設けられる、微細な凹凸構造を有する反射防止層とを備える、波長変換部材。
前記反射防止層が、無機材料から形成されている、請求項１に記載の波長変換部材。
前記無機材料が、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、ＩＴＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２及びコバルト酸化物から選択される少なくとも１種である、請求項２に記載の波長変換部材。
前記無機材料が、ガラスである、請求項２に記載の波長変換部材。
前記反射防止層が、有機材料から形成されている、請求項１に記載の波長変換部材。
前記有機材料が、シリコーン樹脂である、請求項５に記載の波長変換部材。
前記反射防止層が、有機材料と無機材料のハイブリッド材料から形成されている、請求項１に記載の波長変換部材。
前記反射防止層が、前記波長変換層に近づくにつれて実効屈折率が上昇する層である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の波長変換部材。
前記反射防止層が、モスアイ構造を有する層である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の波長変換部材。
前記第１の主面及び前記第２の主面の内の一方に前記反射防止層が設けられており、他方にフィルター層が設けられている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の波長変換部材。
前記フィルター層が、格子状または網目状の構造を有する、請求項１０に記載の波長変換部材。
前記波長変換層が、ガラスマトリクス中に蛍光体を含有させた層である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の波長変換部材。