JP2018004975A - 波長変換部材及びその製造方法、並びに発光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】熱膨張による変形や破損が生じ難く、かつ光の取り出し効率に優れる、波長変換部材を提供する。
【解決手段】光源から出射された励起光Ｂの波長を変換するための波長変換部材１であって、互いに対向し合う第１，第２の主面２ａ，２ｂと、第１，第２の主面２ａ，２ｂを接続し、かつ互いに対向し合う第１，第２の側面と、第１，第２の主面２ａ，２ｂ及び第１，第２の側面を接続する第３の側面２ｅとを有する容器２と、容器２内に配置されており、樹脂及び蛍光体を含む蛍光体層６と、容器２の第３の側面２ｅに対向するように配置されており、容器２内を封止するカバー部材７とを備え、カバー部材７が、励起光Ｂを入射させる部分を構成しておらず、かつ励起光Ｂまたは励起光Ｂの波長が変換された蛍光Ｃ（光）を出射させる部分を構成しておらず、蛍光体層６とカバー部材７との間に空隙Ａが設けられていることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長変換部材及びその製造方法、並びに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代わる次世代の光源として、ＬＥＤやＬＤ等の励起光源を用いた発光デバイスが注目を集めている。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広く知られている。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。

下記の特許文献１，２には、容器とカバー部材とで囲まれた空間内に、蛍光体層が配置された波長変換部材が開示されている。特許文献１では、容器内が蛍光体層及び蛍光体層で完全に充填されており、容器内に空隙が設けられていない。一方、特許文献２では、蛍光体層とカバー部材とが接しておらず、蛍光体層とカバー部材との間に空隙が設けられている。

国際公開第２０１０／１２３０５９号 特開２０１５−２２０３３０号公報

特許文献１の波長変換部材のように、容器内が蛍光体層で完全に充填されている場合、発光による熱で樹脂が膨張し、波長変換部材が変形したり破損したりすることがあった。一方、特許文献２の波長変換部材のように、容器内に空隙が設けられている場合、蛍光体層と空間の界面や空間とカバー部材の界面で蛍光が屈折し、光の取り出し効率が十分でなかった。

本発明の目的は、熱膨張による変形や破損が生じ難く、かつ光の取り出し効率に優れる、波長変換部材及び該波長変換部材の製造方法、並びに上記波長変換部材を備える、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、光源から出射された励起光の波長を変換するための波長変換部材であって、互いに対向し合う第１，第２の主面と、第１，第２の主面を接続し、かつ互いに対向し合う第１，第２の側面と、第１，第２の主面及び第１，第２の側面を接続する第３の側面とを有する容器と、容器内に配置されており、樹脂及び蛍光体を含む蛍光体層と、容器の第３の側面に対向するように配置されており、容器内を封止するカバー部材とを備え、カバー部材が、励起光を入射させる部分を構成しておらず、かつ励起光または励起光の波長が変換された光を出射させる部分を構成しておらず、蛍光体層とカバー部材との間に空隙が設けられていることを特徴としている。

本発明において、容器が、第１の主面を構成する面を含む第１の透光性基板と、第２の主面を構成する面を含む第２の透光性基板と、第１〜第３の側面を構成する面を含む側壁とを有することが好ましい。

本発明において、第１の透光性基板と第２の透光性基板とが、側壁及びカバー部材に囲まれるように配置されていることが好ましい。

本発明の製造方法は、上記本発明の波長変換部材を製造する方法であって、容器内に硬化性樹脂及び蛍光体を充填し、硬化性樹脂を硬化させ、第３の側面に対向する位置に凹部を有する蛍光体層を形成する工程と、カバー部材を、容器の第３の側面に対向する部分に接合し、蛍光体層を封止する工程とを備えることを特徴としている。

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、熱膨張による変形や破損が生じ難く、かつ光の取り出し効率に優れる、波長変換部材を提供することができる。また、本発明によれば、上記波長変換部材の製造方法、及び上記波長変換部材を備える、発光デバイスを提供することができる。

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。 本発明の第１の実施形態の波長変換部材を示す模式的平面図である。 比較例の波長変換部材を示す模式的断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る波長変換部材の製造方法を示す模式的断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る発光デバイスの模式的断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る発光デバイスの模式的断面図である。

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。

（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２は、第１の実施形態の波長変換部材を示す模式的平面図である。なお、図１は、図２中のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面図である。図１に示すように、本実施形態の波長変換部材１は、容器２、蛍光体層６、カバー部材７及び封着材料層８を備える。

容器２は、互いに対向し合う第１，第２の透光性基板３，５を有する。容器２は、第１，第２の透光性基板３，５と共に、容器２の収容部２ｆを形成している側壁４を有する。第１，第２の透光性基板３，５及び側壁４は、ガラスフリット等の無機接合材、溶接、金属半田等で接合することができる。側壁４は、例えば、３枚の基板がコの字状となるように互いに接合されたものであってもよい。また、第１，第２の透光性基板３，５と側壁４は一体的に形成されたものであってもよい。

容器２は、第１，第２の主面２ａ，２ｂと、第１〜第３の側面２ｃ〜２ｅとを有する。第１，第２の主面２ａ，２ｂは互いに対向し合っている。第１，第２の側面２ｃ，２ｄは、第１，第２の主面２ａ，２ｂを接続しており、かつ互いに対向し合っている。第３の側面２ｅは、第１，第２の主面２ａ，２ｂ及び第１，第２の側面２ｃ，２ｄを接続している。第１，第２の透光性基板３，５は、第１，第２の主面２ａ，２ｂを構成する面を含む。側壁４は、図２に示す第１〜第３の側面２ｃ〜２ｅを構成する面を含む。

図１及び図２に示すように、第１，第２の透光性基板３，５は、側壁４及びカバー部材７に囲まれるように配置されている。容器２の端部２ｇは、容器２の第３の側面２ｅ側とは反対側に位置する、第１，第２の透光性基板３，５及び側壁４の端部により構成されている。カバー部材７は、容器２の端部２ｇに、封着材料層８を介して接合されている。

図１に示すように、容器２の収容部２ｆ内には蛍光体層６が配置されており、収容部２ｆ内をカバー部材７が封止している。蛍光体層６は、カバー部材７側に位置する凹部６ｆを有する。これにより、蛍光体層６とカバー部材７との間において、空隙Ａが設けられている。

波長変換部材１は、光源から出射される励起光Ｂの波長を変換する。より具体的には、波長変換部材１における第１の透光性基板３から励起光Ｂが入射する。入射した励起光Ｂは、第１の透光性基板３を通り、蛍光体層６に入射する。励起光Ｂにより蛍光体層６における蛍光体が励起され、蛍光Ｃが出射される。蛍光Ｃもしくは蛍光Ｃと励起光Ｂとの混合光は、第２の透光性基板５を通って出射される。

上記のように、本実施形態では、蛍光体層６とカバー部材７との間に空隙Ａが設けられているので、発光による熱で蛍光体層６における樹脂が膨張した場合においても、空隙Ａの体積が圧縮されるため、波長変換部材１の変形や、破損が生じ難い。

また、本実施形態の波長変換部材１において、空隙Ａは、蛍光体層６から第２の透光性基板５を通り出射される光の光路に設けられていない。そのため、本実施形態の波長変換部材１は、光の取り出し効率に優れる。これを、以下、比較例の波長変換部材を用いてより詳細に説明する。

図３は、比較例の波長変換部材を示す模式的断面図である。図３に示すように、波長変換部材１０１においては、第１の透光性基板３上に、蛍光体層６を囲むように側壁１０４が設けられていることにより、容器１０２が構成されている。カバー部材１０７は、側壁１０４上に接合されている。このように、波長変換部材１０１においては、カバー部材１０７は、蛍光Ｃもしくは蛍光Ｃと励起光Ｂとの混合光が出射される部分として構成されている。なお、カバー部材１０７は透光性材料からなる。

カバー部材１０７が上記のように配置されているため、光路における第１の透光性基板３に平行な面の全面を、空隙Ｄが遮っている。従って、波長変換部材１０１では、光路の上記全面において、蛍光体層６と空隙Ｄとの界面、及び空隙Ｄとカバー部材１０７との界面、すなわち蛍光体層６と空気との界面、及びカバー部材１０７と空気との界面が形成される。蛍光体層６は、蛍光体及び樹脂により構成されているので、空気との屈折率差が大きい。また、カバー部材１０７と空気との屈折率差も大きい。そのため、蛍光体層６と空隙Ｄとの界面、及びカバー部材１０７と空隙Ｄとの界面において、光の一部が反射され、光の取り出し効率が低下することとなる。

一方、図１に示す本実施形態では、容器２の第３の側面２ｅに対向する位置配置されたカバー部材７と、蛍光体層６との間に空隙Ａが設けられている。そのため、空隙Ａは波長変換部材１の光路を遮り難い。よって、本実施形態では、第１の透光性基板３と第２の透光性基板５との間において、蛍光体層６と空隙Ａとの界面で光が反射され難く、光の取り出し効率に優れている。

容器２における収容部２ｆのうち、蛍光体層６の凹部６ｆが占める部分の占有率は、１０％以下であることが好ましく、５％以下であることがより好ましく、３％以下であることがさらに好ましい。それによって、空隙Ａは光路をより一層遮り難く、光の取り出し効率をより一層高めることができる。

容器２における収容部２ｆのうち、蛍光体層６の凹部６ｆが占める部分の占有率は、１％以上であることが好ましく、２％以上であることがより好ましい。それによって、発光による熱で蛍光体層６における樹脂が膨張した場合においても、波長変換部材１の変形や、破損がより一層生じ難い。

上述したように、容器２は一体的に形成されたものであってもよいが、本実施形態のように、容器２は、第１，第２の透光性基板３，５と側壁４とにより構成されていることが好ましい。この場合には、第１，第２の透光性基板３，５の厚みを予め薄くした状態において、容器２を容易に形成することができる。それによって、波長変換部材１における、励起光Ｂが入射される部分及び蛍光Ｃもしくは上記混合光が出射される部分の厚みを容易に薄くすることができる。従って、光の利用効率を容易に、かつ好適に高めることができる。

容器２が一体的に形成されている場合には、側壁４は透光性材料からなる。このとき、側壁４の表面に反射膜が設けられていることが好ましい。それによって、励起光Ｂや蛍光Ｃを反射させることができるので、光の利用効率を高めることができる。

本実施形態のように、第１の透光性基板３は、側壁４及びカバー部材７に囲まれるように配置されていることが好ましい。それによって、励起光Ｂや蛍光Ｃが第１の透光性基板３の内部を伝搬しても、第１の透光性基板３の側面から出射され難い。同様に、第２の透光性基板５は、側壁４及びカバー部材７に囲まれるように配置されていることが好ましい。それによって、励起光Ｂや蛍光Ｃが第２の透光性基板５の側面から出射され難い。従って、光の利用効率をより一層高めることができる。

以下、図４（ａ）〜（ｃ）を参照して、一例としての波長変換部材１の製造方法について説明する。

（製造方法）
図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る波長変換部材の製造方法を示す模式的断面図である。まず、図４（ａ）に示す容器２を用意する。容器２は、基板上に第１，第２の透光性基板３，５及び他の２枚の基板を枠状になるように載置した状態で、上記基板と、第１，第２の透光性基板３，５及び上記他の２枚の基板とを接合することにより形成することができる。なお、上記基板及び上記他の２枚の基板は、本実施形態における側壁４を構成する基板である。容器２の第３の側面２ｅ側とは反対側に位置する、第１，第２の透光性基板３，５及び側壁４の端部により、容器２の端部２ｇが構成されている。

上記接合の方法は、特に限定されず、ガラスフリット等の封着材料を用いて接合してもよいし、接着剤を用いて接合してもよい。また、容器２としては、第１，第２の透光性基板３，５及び側壁４が一体成形されたものを用意してもよい。

次に、容器２の収容部２ｆ内に、硬化性樹脂及び蛍光体を充填する。この際、図４（ａ）に示すように、硬化性樹脂及び蛍光体は、容器２の第３の側面２ｅ側とは反対側の端部２ｇと同じ高さまで充填することが好ましい。続いて、図４（ｂ）に示すように、硬化性樹脂を硬化させ、第３の側面２ｅ側とは反対側に位置する凹部６ｆを有する蛍光体層６を形成する。凹部６ｆは、硬化性樹脂が硬化し、収縮することにより形成される。

次に、図４（ｃ）に示すように、容器２の端部２ｇに、封着材料８Ａを介して、カバー部材７を載置する。次に、この状態で、レーザー光源からのレーザーをカバー部材７側から照射し、封着材料８Ａを軟化させ、容器２とカバー部材７とを接合する。それによって、図１に示す、波長変換部材１を得る。なお、レーザーとしては、例えば、波長が、６００ｎｍ〜１６００ｎｍのレーザーを用いることができる。

以下、波長変換部材１等の本発明の波長変換部材を構成する各材料の詳細を説明する。

容器；
容器は、第１，第２の透光性基板及び側壁を有する。第１，第２の透光性基板としては、例えばガラスを用いることができる。ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＲＯ（ＲはＭｇ、Ｃａ、ＳｒまたはＢａ）系ガラス、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｒ’_２Ｏ（Ｒ’はＬｉ、ＮａまたはＫａ）系ガラス、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＲＯ−Ｒ’_２Ｏ（Ｒ’はＬｉ、ＮａまたはＫａ）系ガラス、ＳｎＯ−Ｐ_２Ｏ_５系ガラス、ＴｅＯ_２系ガラスまたはＢｉ_２Ｏ_３系ガラス等を用いることができる。

第１，第２の透光性基板がガラスにより構成されている場合、水分や酸素の透過をより一層抑制することができる。この場合、蛍光体層に含まれる蛍光体が劣化し難いため、信頼性の高い波長変換部材とすることができる。

側壁は、反射率の高いセラミックスにより構成されていることが好ましい。この場合、励起光や蛍光を反射させることができるので、光の利用効率をより一層高めることができる。反射率の高いセラミックスとしては、例えば、低温同時焼結セラミックス（ＬＴＣＣ）が挙げられる。ＬＴＣＣとしては、例えば、アルミナ−ガラス系セラミックスを用いることができる。

蛍光体層；
蛍光体層は、樹脂及び蛍光体を含む。蛍光体は、樹脂中に分散されていることが好ましい。

蛍光体層に含まれる樹脂としては、例えば、紫外線硬化性樹脂や熱硬化性樹脂等の硬化性樹脂が用いられる。具体的には、例えば、エポキシ系硬化樹脂、アクリル系紫外線硬化樹脂、シリコーン系硬化樹脂等を用いることができる。上記硬化性樹脂は、透光性樹脂であることが望ましい。

蛍光体としては、例えば、量子ドットを用いることができる。量子ドットとしては、ＩＩ−ＶＩ族化合物、及びＩＩＩ−Ｖ族化合物が挙げられる。ＩＩ−ＶＩ族化合物としては、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ等が挙げられる。ＩＩＩ−Ｖ族化合物としては、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＡｓまたはＩｎＳｂ等が挙げられる。これらの化合物から選択される少なくとも１種、またはこれら２種以上の複合体を量子ドットとして用いることができる。複合体としては、コアシェル構造のものが挙げられ、例えばＣｄＳｅ粒子表面がＺｎＳによりコーティングされたコアシェル構造のものが挙げられる。

蛍光体は、量子ドットに限定されるものではなく、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またはガーネット系化合物蛍光体等の無機蛍光体粒子等を用いてもよい。

封着材料層；
封着材料層は、例えば、ガラスフリット等の封着材料により構成することができる。
ガラスフリットとしては、レーザーの照射により溶融するガラスフリットを用いることができる。

レーザーの照射により溶融するガラスフリットとしては、例えば、ＳｎＯ含有ガラス粉末を含有する無機粉末と、顔料とを含むガラスフリットが挙げられる。

ＳｎＯ含有ガラスは、ガラス組成として、モル％で、ＳｎＯ ３５〜７０％、Ｐ_２Ｏ_５ １０〜３０％を含有することが好ましい。ＳｎＯは、ガラスを低融点化する成分である。また、Ｐ_２Ｏ_５は、ガラスの熱的安定性を高める成分である。

さらに、ＳｎＯ含有ガラスは、ＺｎＯ、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｌａ_２Ｏ_３、ＭｏＯ_３、ＷＯ_３、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、ＭｇＯ、ＢａＯまたはＦ_２等を含んでいてもよい。

顔料は、無機顔料が好ましく、容易にレーザー光を吸収して発熱させるためＦｅ、Ｍｎ及びＣｕ等から選ばれる少なくとも１種の金属または上記金属を含有する化合物を含んでいることがより好ましい。

カバー部材；
本実施形態の製造方法のように、レーザー照射により封着材料を軟化させて接合する場合は、レーザー光が透過する材料から形成することが好ましい。このような材料として、ガラスを用いることができ、第１，第２の透光性基板と同様のガラスを用いることができる。カバー部材を接合した後、カバー部材の外側に、励起光や蛍光を反射させる反射層を設けることが好ましい。それによって、励起光や蛍光を反射させることができるので、光の利用効率を高めることができる。

レーザー照射による方法ではなく、例えば、容器全体を加熱して封着材料を軟化させて接合する場合は、カバー部材は、側壁と同様の反射率の高いセラミックスから形成してもよい。それによって、励起光や蛍光を反射させることができるので、光の利用効率を高めることができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る発光デバイスの模式的断面図である。図５に示すように、発光デバイス１０は、光源チップ１１と、波長変換部材１とを備える。光源チップ１１は、波長変換部材１の容器２における第１の主面２ａ上に設けられている。

光源チップ１１としては、例えば、青色光を発するＬＥＤ光源やレーザー光源等の光源が用いられる。

発光デバイス１０においては、光源チップ１１から出射された励起光Ｂが、第１の透光性基板３を通って、蛍光体層６に入射する。波長変換部材１に入射した励起光Ｂは波長変換され、蛍光Ｃとして外部に出射される。例えば、励起光Ｂ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、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。

発光デバイス１０は、第１の実施形態に係る波長変換部材１を備えており、蛍光体層６とカバー部材７との間に空隙Ａが設けられているので、発光による熱で樹脂が膨張した場合においても、発光デバイス１０の変形や、破損が生じ難い。また、発光デバイス１０では、空隙Ａが光路を遮り難いため、光の取り出し効率に優れている。

（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係る発光デバイスの模式的断面図である。図６に示すように、発光デバイス２０では、波長変換部材１における容器２の収容部２ｆ内に光源チップ２１が設けられている。光源チップ２１は、容器２を構成する第１の透光性基板３上に設けられている。

発光デバイス２０においては、光源チップ２１から出射された励起光Ｂが、直接蛍光体層６に入射する。その他の点は、第２の実施形態と同様である。

発光デバイス２０は、第２の実施形態に係る発光デバイス１０と同様に、変形や、破損が生じ難く、かつ光の取り出し効率に優れている。

１…波長変換部材
２…容器
２ａ，２ｂ…第１，第２の主面
２ｃ〜２ｅ…第１〜第３の側面
２ｆ…収容部
２ｇ…端部
３…第１の透光性基板
４…側壁
５…第２の透光性基板
６…蛍光体層
６ｆ…凹部
７…カバー部材
８…封着材料層
８Ａ…封着材料
１０，２０…発光デバイス
１１，２１…光源チップ
１０１…波長変換部材
１０２…容器
１０４…側壁
１０７…カバー部材

Claims (5)

1. 光源から出射された励起光の波長を変換するための波長変換部材であって、
   互いに対向し合う第１，第２の主面と、前記第１，第２の主面を接続し、かつ互いに対向し合う第１，第２の側面と、前記第１，第２の主面及び前記第１，第２の側面を接続する第３の側面とを有する容器と、
   前記容器内に配置されており、樹脂及び蛍光体を含む蛍光体層と、
   前記容器の前記第３の側面に対向するように配置されており、前記容器内を封止するカバー部材とを備え、
   前記カバー部材が、前記励起光を入射させる部分を構成しておらず、かつ前記励起光または前記励起光の波長が変換された光を出射させる部分を構成しておらず、
   前記蛍光体層と前記カバー部材との間に空隙が設けられている、波長変換部材。
2. 前記容器が、前記第１の主面を構成する面を含む第１の透光性基板と、前記第２の主面を構成する面を含む第２の透光性基板と、前記第１〜第３の側面を構成する面を含む側壁とを有する、請求項１に記載の波長変換部材。
3. 前記第１の透光性基板と前記第２の透光性基板とが、前記側壁及び前記カバー部材に囲まれるように配置されている、請求項２に記載の波長変換部材。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の波長変換部材を製造する方法であって、
   前記容器内に硬化性樹脂及び蛍光体を充填し、前記硬化性樹脂を硬化させ、前記第３の側面に対向する位置に凹部を有する蛍光体層を形成する工程と、
   前記カバー部材を、前記容器の前記第３の側面に対向する部分に接合し、前記蛍光体層を封止する工程とを備える、波長変換部材の製造方法。
5. 前記励起光を出射する光源と、
   請求項１〜３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。

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