JP2016018921A

JP2016018921A - 波長変換部材及び発光デバイス

Info

Publication number: JP2016018921A
Application number: JP2014141434A
Authority: JP
Inventors: 寛之清水; Hiroyuki Shimizu; 田中　宏和; Hirokazu Tanaka; 宏和田中; 義正山口; Yoshimasa Yamaguchi; 隆史西宮; Takashi Nishimiya; 角見　昌昭; Masaaki Kadomi; 昌昭角見
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2014-07-09
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2016-02-01

Abstract

【課題】波長変換部材から出射される単位面積当たりの発光強度を向上させることができる波長変換部材及びそれを用いた発光デバイスを提供する。
【解決手段】励起光６が入射する入射面２ｂと、励起光６の波長変換により生じる蛍光７が出射される出射面２ａとを有する蛍光体層２と、出射面２ａの一部の上に設けられ、出射面２ａから出射しようとする蛍光７を蛍光体層２内に反射する反射膜３とを備えることを特徴としている。
【選択図】図３

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ：ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）やレーザーダイオード（ＬＤ：ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）等の発する光の波長を別の波長に変換する波長変換部材及びそれを用いた発光デバイスに関するものである。

近年、蛍光ランプや白熱灯に変わる次世代の光源として、ＬＥＤやＬＤを用いた発光デバイス等に対する注目が高まってきている。そのような次世代光源の一例として、青色光を出射するＬＥＤと、ＬＥＤからの光の一部を吸収して黄色光に変換する波長変換部材とを組み合わせた発光デバイスが開示されている。この発光デバイスは、ＬＥＤから出射された青色光と、波長変換部材から出射された黄色光との合成光である白色光を発する。特許文献１には、波長変換部材の一例として、ガラスマトリクス中に無機蛍光体粉末を分散させた波長変換部材が提案されている。

特開２００３−２５８３０８号公報

近年、波長変換部材から出射される蛍光の強度をさらに高めたいという要望が高まっている。波長変換部材から出射される蛍光の強度を高めるため、例えば波長変換部材に含まれる蛍光体濃度を高める方法が考えらえるが、この場合、蛍光強度が強くなって色度が所定の範囲からずれてしまう。そのため、色度を補正するために、励起光強度も調整する必要があり、発光デバイスの製造工程が煩雑になる。

以上に鑑み、本発明の目的は、波長変換部材から出射される単位面積当たりの発光強度を容易に向上させることができる波長変換部材及びそれを用いた発光デバイスを提供することにある。

本発明の波長変換部材は、励起光が入射する入射面と、励起光の波長変換により生じる蛍光が出射される出射面とを有する蛍光体層と、出射面の一部の上に設けられ、出射面から出射しようとする蛍光を蛍光体層内に反射する反射膜とを備えることを特徴としている。

反射膜は、出射面の周縁部に設けられていることが好ましい。

反射膜は、金属または合金から形成されていることが好ましい。

蛍光体層は、ガラスマトリクスと、ガラスマトリクス中に分散した蛍光体粒子とを含有することが好ましい。

本発明の発光デバイスは、励起光を出射する光源と、上記本発明の波長変換部材とを備えることを特徴としている。

本発明によれば、波長変換部材から出射される単位面積当たりの発光強度を向上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平面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。第１の実施形態の波長変換部材における励起光、蛍光及び出射光を示す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平面図である。本発明の第１の実施形態の波長変換部材を用いた発光デバイスを示す斜視図である。図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。

以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。

図１は、本発明の第１の実施形態の波長変換部材を示す平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図１及び図２に示すように、本実施形態の波長変換部材１は、蛍光体層２と、蛍光体層２の出射面２ａの一部の上に設けられる反射膜３とを備えている。蛍光体層２は、励起光が入射する入射面２ｂと、励起光の波長変換により生じる蛍光が出射される出射面２ａを有している。図１及び図２に示すように、本実施形態において、反射膜３は、出射面２ａの周縁部に設けられている。したがって、反射膜３の中央部には、開口が形成されており、この開口から光が出射される。本実施形態において、出射面２ａは、矩形形状を有しており、反射膜３の中央部に形成される開口も、矩形形状を有している。なお、反射膜３の中央部に形成される開口は矩形形状に限られず、円形形状等であってもよい。但し、開口の大きさをなるべく大きくしたい場合は、開口は矩形形状とする（すなわち、出射面２ａと開口の形状を同じにする）ことが好ましい。

図２に示すように、本実施形態において、蛍光体層２は、ガラスマトリクス５と、ガラスマトリクス５中に分散した蛍光体粒子４とを含有している。このような構成とすることで、蛍光体層２中に所望量の蛍光体粒子４を均一に分散させることが容易となる。本実施形態では、蛍光体粒子４として、耐熱性に優れる無機蛍光体の粒子が用いられている。

ガラスマトリクス５は、無機蛍光体等の蛍光体粒子４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、リン酸塩系ガラスなどを用いることができる。ガラスマトリクス５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。ガラスマトリクスの軟化点５が低すぎると、蛍光体層２の機械的強度が低下する場合がある。一方、ガラスマトリクスの軟化点が高すぎると、製造時における焼成工程で蛍光体粒子４が劣化して、蛍光体層２の発光強度が低下する場合がある。

蛍光体粒子４は、励起光の入射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。蛍光体粒子４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。励起光として青色光を用いる場合、例えば、緑色光、黄色光または赤色光を蛍光として出射する蛍光体を用いることができる。

蛍光体粒子４の平均粒子径は、１μｍ〜５０μｍであることが好ましく、５μｍ〜２５μｍであることがより好ましい。蛍光体粒子４の平均粒子径が小さすぎると、発光強度が低下する場合がある。一方、蛍光体粒子４の平均粒子径が大きすぎると、発光色が不均一になる場合がある。

蛍光体層２中での蛍光体粒子４の含有量は、５〜８０体積％の範囲内であることが好ましく、１０〜７５体積％の範囲内であることがより好ましく、２０〜７０体積％の範囲内であることがさらに好ましい。蛍光体粒子４の含有量が少なすぎると、蛍光体層２の発光強度が不十分になる場合がある。一方、蛍光体粒子４の含有量が多すぎると、所望の発光色が得られない場合がある。また、蛍光体層２の機械的強度が低下する場合がある。

蛍光体層２の厚みは、０．０５ｍｍ〜１ｍｍの範囲内であることが好ましく、０．０７５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲内であることがより好ましく、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲内であることがさらに好ましい。蛍光体層２が厚すぎると、蛍光体層２における光の散乱や吸収が大きくなりすぎ、蛍光の出射効率が低くなってしまう場合がある。蛍光体層２の厚みが薄すぎると、十分な発光強度が得られにくくなる場合がある。また、蛍光体層２の機械的強度が不十分になる場合がある。

蛍光体層２は、例えば、ガラスマトリクスとなるガラス粒子と、蛍光体粒子とを含有する混合粉末の圧粉体を焼成することにより作製することができる。混合粉末の焼成温度は、ガラス粒子の軟化点±１５０℃以内であることが好ましく、ガラス粒子の軟化点±１００℃以内であることがより好ましい。焼成温度が低すぎると、ガラス粒子が軟化流動せず、緻密な焼結体が得られない場合がある。一方、焼成温度が高すぎると、蛍光体粒子がガラス中に溶出して発光強度が低下したり、蛍光体成分がガラス中に拡散してガラスが着色して発光強度が低下する場合がある。また、焼成は減圧雰囲気中で行うことが好ましい。具体的には、焼成中の雰囲気は１．０１３×１０^５Ｐａ未満であることが好ましく、１０００Ｐａ以下であることがより好ましく、４００Ｐａ以下であることがさらに好ましい。それにより、蛍光体層２中に残存する気泡の量を少なくすることができる。その結果、蛍光体層２における散乱因子を低減することができ、発光効率を向上させることができる。

蛍光体層２は、ガラスマトリクスとなるガラス粒子と、蛍光体粒子と、バインダー樹脂や溶剤等の有機成分とを含むスラリーを調製し、このスラリーを用いて作製することもできる。例えば、このスラリーを塗布して膜を形成し、この膜を乾燥・焼成することにより形成することができる。また、このスラリーを、ポリエチレンテレフタレート等の樹脂フィルム上にドクターブレード法等により塗布し、加熱乾燥することにより、グリーンシートを作製し、このグリーンシートを焼成することによっても形成することができる。

反射膜３は、例えば、光反射率や成膜性の観点から、アルミニウム、銀などの金属または合金から形成することが好ましい。このような反射膜３の形成方法としては、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法などの物理気相堆積法や、メッキ法などが挙げられる。反射膜３の厚みは、０．０１μｍ〜１μｍの範囲内であることが好ましく、０．０５μｍ〜０．５μｍの範囲内であることがより好ましく、０．１μｍ〜０．２μｍの範囲内であることがさらに好ましい。反射膜３が厚すぎると、剥がれ等の不具合が発生する場合がある。反射膜３の厚みが薄すぎると、反射率が不十分になる場合がある。

なお、反射膜３を物理的或いは化学的に保護する目的で、反射膜３の上に保護膜（図示せず）を形成しても良い。保護膜は、例えば、酸化ケイ素やフッ化マグネシウムなどの誘電体から形成することができる。このような保護膜の形成方法としては、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法などの物理気相堆積法や、メッキ法などが挙げられる。保護膜の厚みは、０．００１μｍ〜１μｍの範囲内であることが好ましく、０．００５μｍ〜０．３μｍの範囲内であることがより好ましく、０．０１μｍ〜０．０５μｍの範囲内であることがさらに好ましい。保護膜が厚すぎると、剥がれ等の不具合が発生する場合がある。保護膜の厚みが薄すぎると、保護膜としての物理的強度或いは化学的強度が不十分になる場合がある。

図３は、第１の実施形態の波長変換部材における励起光、蛍光及び出射光を示す模式的断面図である。図３に示すように、入射面２ｂから励起光６が蛍光体層２中に入射すると、蛍光体層２に含まれる蛍光体粒子４（図２を参照）は、励起光６によって励起され、蛍光７を発する。蛍光７は、出射面２ａから蛍光体層２の外部に出射されるが、出射面２ａの上に反射膜３が設けられている領域においては、蛍光７は外部に出射されず、反射膜３によって反射され、蛍光体層２に戻る。蛍光体層２に戻された蛍光７は、蛍光体層２内で反射され、出射面２ａから出射される。また、励起光６の一部も、蛍光体層２を通り、出射面２ａから出射される。したがって、蛍光体層２の出射面２ａからは、蛍光７と励起光６の合成光が、出射光８として出射される。なお、励起光６も、出射面２ａの上に反射膜３が設けられている領域においては、反射膜３によって反射される。

本実施形態では、上述のように、蛍光７及び励起光６の一部が、反射膜３で反射され、反射膜３が設けられていない出射面２ａから出射される。このため、出射面２ａから出射された出射光８の単位面積当たりの発光強度を高めることができる。

本発明において、反射膜３を設ける領域の面積の比率は、出射面２ａ全体の面積に対して、１％〜５０％の範囲内であることが好ましく、５％〜３０％の範囲内であることがより好ましく、１０％〜２０％の範囲内であることがさらに好ましい。反射膜３を設ける領域の面積の比率が小さすぎると、単位面積当たりの発光強度の向上が不十分となる場合がある。反射膜３を設ける領域の面積の比率が大きすぎると、蛍光７（または励起光６）の出射面２ａからの出射量が少なくなる場合がある。

なお、蛍光体層２の入射面２ｂの上に、励起光６を選択的に透過し、蛍光７を反射する波長選択膜を形成しても良い。

図４は、本発明の第２の実施形態の波長変換部材を示す平面図である。本実施形態において、出射面２ａは、円形形状を有しており、反射膜３の中央部に形成される開口も、円形形状を有している。

図５は、本発明の第１の実施形態の波長変換部材を用いた発光デバイスを示す斜視図である。図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。図５及び図６に示すように、波長変換部材１は、光源チップ２０の上に載せられている。光源チップ２０は、基板３０の上に載せられている。波長変換部材１及び光源チップ２０の周りには、反射層４０が設けられている。つまり、本実施形態の発光デバイス１０は、基板３０と、基板３０の上に載せられた光源チップ２０と、光源チップ２０の上に載せられた波長変換部材１と、波長変換部材１の周りに設けられた反射層４０とを備えている。

光源チップ２０としては、例えば、青色光を発するＬＥＤ光源やレーザー光源などの光源が用いられる。

基板３０としては、例えば、光源チップ２０から発せられた光線を効率良く反射させることができる白色のＬＴＣＣ（ＬｏｗＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏ−ｆｉｒｅｄＣｅｒａｍｉｃｓ）などが用いられる。具体的には、酸化チタンや酸化ニオブ等の無機粉末とガラス粉末との焼結体が挙げられる。

反射層４０は、光源チップ２０及び波長変換部材１から漏れ出た光を反射するため設けられている。反射層４０は、例えば酸化チタン等の白色顔料を含む樹脂（高反射樹脂）から形成されている。

なお、反射層４０は、無機粒子をガラスマトリクス中に分散させた膜から形成してもよい。無機粒子としては、ガラスマトリクスと異なる屈折率を有するものを用いることが好ましい。このような無機粒子としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｇａ、Ｍｇ、Ｓｉ及びＺｎからなる群から選ばれる少なくとも一種の酸化物または窒化物が挙げられる。このような無機粒子の好ましい具体例としては、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化ランタン、酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、酸化亜鉛などが挙げられる。無機粒子として、特に好ましくは、酸化アルミニウムが用いられる。

ガラスマトリクスとしては、例えば、蛍光体層２のガラスマトリクス５についての上記説明で挙げたものを用いることができる。

無機粒子の平均粒子径は、０．３μｍ〜５０μｍの範囲内であることが好ましく、０．５μｍ〜３０μｍの範囲内であることがより好ましい。無機粒子の平均粒子径が小さすぎると、十分な反射率が得られにくくなる場合がある。一方、無機粒子の平均粒子径が大きすぎると、単位体積あたりに存在できる粒子数が少なくなり十分な反射率が得られにくくなる場合がある。反射層４０における無機粒子の含有量は、５〜８０体積％の範囲内であることが好ましく、１０〜７０体積％の範囲内であることがより好ましく、２０〜６０体積％の範囲内であることがさらに好ましい。無機粒子の含有量が少なすぎると、十分な反射率が得られにくくなる。一方、無機粒子の含有量が多すぎると、反射層４０中に空隙が多くなり、結果として、基板３０との接合強度が低下しやすくなる。

ガラスマトリクス中に無機粒子を分散させた反射層４０は、例えば、ガラスマトリクスとなるガラス粒子と、無機粒子と、バインダー樹脂や溶剤等の有機成分とを含むスラリーを調製し、このスラリーを用いて作製することができる。例えば、このスラリーを塗布して層を形成し、この層を乾燥・焼成することにより形成することができる。また、このスラリーを、ポリエチレンテレフタレート等の樹脂フィルム上にドクターブレード法等により塗布し、加熱乾燥することにより、グリーンシートを作製し、このグリーンシートを焼成することによっても形成することができる。

図６に示すように、発光デバイス１０は、光源チップ２０から出射した励起光６を、波長変換部材１で波長変換し、出射光８として外部に出射する。例えば、励起光６として、青色光を用いる場合、波長変換部材１で、青色光を、黄色光に変換し、出射光８として、青色光と黄色光を合成してなる白色光を出射させることができる。

本実施形態の発光デバイス１０は、出射面の一部の上に反射膜３が設けられた波長変換部材１を用いている。したがって、図３を参照して説明したように、出射面から示された出射光８の単位面積当たりの発光強度を高めることができる。したがって、本発明によれば、発光強度の高い発光デバイスとすることができる。

１…波長変換部材
２…蛍光体層
２ａ…出射面
２ｂ…入射面
３…反射膜
４…蛍光体粒子
５…ガラスマトリクス
６…励起光
７…蛍光
８…出射光
１０…発光デバイス
２０…光源チップ
３０…基板
４０…反射層

Claims

励起光が入射する入射面と、前記励起光の波長変換により生じる蛍光が出射される出射面とを有する蛍光体層と、
前記出射面の一部の上に設けられ、前記出射面から出射しようとする前記蛍光を前記蛍光体層内に反射する反射膜とを備える、波長変換部材。
前記反射膜は、前記出射面の周縁部に設けられている、請求項１に記載の波長変換部材。
前記反射膜は、金属または合金から形成されている、請求項１または２に記載の波長変換部材。
前記蛍光体層は、ガラスマトリクスと、前記ガラスマトリクス中に分散した蛍光体粒子とを含有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長変換部材。
前記励起光を出射する光源と、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の波長変換部材とを備える、発光デバイス。