WO2004065324A1

WO2004065324A1 - 光変換用セラミックス複合材料およびその用途

Info

Publication number: WO2004065324A1
Application number: PCT/JP2004/000371
Authority: WO
Inventors: Shin-Ichi Sakata; Yoshiharu Waku
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2003-01-20
Filing date: 2004-01-19
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2005-07-20
Also published as: US8900480B2; TWI314364B; JP4609319B2; EP1588991A1; EP1588991B1; EP2497758A3; EP1588991A4; EP2497758B1; KR100639647B1; CN1738781A; JPWO2004065324A1; CN101555128A; US20060124951A1; KR20050093839A; EP2497758A2; TW200425540A

Abstract

金属の酸化物と二種以上の金属の酸化物から生成される複合酸化物とからなる群から選ばれる二種以上の酸化物を夫々成分とする二種以上のマトリックス相から形成されている凝固体であって、該マトリックス相の少なくとも一つが付活された酸化物からなる蛍光体相であることを特徴とする光変換用セラミック複合材料。凝固体は一方向凝固法により得られたものであることが好適である。輝度、光混合性に優れ、かつ、耐熱性、耐紫外線性にも優れている。

Description

明細書光変換用セラミックス複合材料およびその用途技術分野

本発明は、照射光の一部を、それとは異なる波長の光に変換すると共に、変換しなかった照射光と混合して、照射光とは色合いの異なる光に変換する機能を有した光変換用セラミックス複合材料およびその用途に関する。背景技術

近年、青色発光ダイオードが実用化されたことを受け、このダイオードを発光源とする白色光源の開発研究が盛んに行われている。白色光は、照明用光源として需要が非常に大きいことに加え、既存の白色光源に比した発光ダイオードの消費電力の低さと、寿命の長さが大きな利点であるからである。

この方法では、青色発光ダイオードが発生する青色光を、光変換機能を持つ材料を利用して白色光に変換するのであるが、光の三原色の中の青色は、青色発光ダイオードが発生する光の中に含まれており、不足している緑色、赤色光を発生させる必要がある。ここで

、ある波長の光を吸収して其れとは異なる波長の光を発生させる蛍光体が使われる。

青色発光ダイォードの青色を白色光へ変換する方法として一般的に行なわれているのは、例えば特開 2 0 0 0— 2 0 8 8 1 5号公報に示される様に、発光素子の前面に青色光の一部を吸収して黄色光を発する蛍光体を含むコーティング層と、光源の青色光とコーティング層からの黄色光を混色するためのモ一ルド層を設けることである。図 1 を参照すると、発光素子 1の前面にコーティング層 2を有し、さらにモールド層 3が設けられている。図において 4は導電性ワイヤ、 5、 6はリードである。この.場合、混色は、モールド層 3 だけで行われるのではなく、コーティング層 2においても起こっている。

従来技術においてコーティング層としては、セリゥム化合物をドープした YAG (Y₃A l ₅ O₁₂ : C e ) 粉末とエポキシ樹脂の混合物を発光素子に塗布したものが採用されている (特開 2 0 0 0— 2 0 8 8 1 5号公報）。しかし、この方法では、蛍光体粉末と樹脂の混合の均一性の確保、塗布した膜の厚みの最適化など制御が難しく、均一な白色光を再現性良く得ることを困難にしている。また、光の透過性が低い蛍光体の粉末を用いることも、高輝度の発光ダイォードを作製する上での障害となる。さらに、高強度の光を得ようとすると蓄熱の問題が在り、コーティング層、およびモールド層の樹脂の耐熱性、耐紫外線性が大きな問題となる。

以上の問題を改善するには、発光ダイオードが発する青色光を吸収して黄色の発光をし、かつ、光混合性に優れ、耐熱性に優れた材料が必要'となる。

本発明の目的は、光変換機能、すなわちある波長の光を吸収し其れとは異なる波長の光である蛍光を発生する機能を有していることは勿論、輝度、光混合性に優れ、かつ、耐熱性、耐紫外線性にも優れたセラミックス複合材料およびそれを用いた発光ダイォードを提供することにある。発明の開示

本発明者は、 2種以上の酸化物よりなり、蛍光を発する化合物を含むマトリツクス相から構成される凝固体が、前記課題を解決した材料となることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は下記を提供する。

( 1 ) 金属の酸化物と二種以上の金属の酸化物から生成される複合酸化物とからなる群から選ばれる二種以上の酸化物を夫々成分とする二種以上のマトリックス相から形成されている凝固体であって、該マトリックス相の少なくとも一つが付活された酸化物からなる蛍光体相であることを特徴とする光変換用セラミック複合材料。

( 2 ) 凝固体が、一方向凝固法により得られたものであることを特徴とする上記（ 1 ) に記載の光変換用セラミック複合材料。

( 3 ) 各マトリックス相が連続的にかつ三次元的に配列されて相互に絡み合って存在することを特徴とする、上記（ 2 ) 記載の光変換用セラミック複合材料。 '

( 4 ) 金属酸化物が、 A l ₂ O₃、 M g O、 S i 0₂、 T i O₂、 Z r Oい C a O、 Y₂0₃、 B a O、 B e O、 F e O、 F e ₂ O₃、 M n O、 C o O、 N b ₂ O₅、 T a ₂〇₅、 C r ₂ O₃、 S r O、 Z n O、 N i O、 L i ₂ O、 G a ₂ O₃、 H f O₂、 T h Oい U 0₂、 S n 〇₂ および希土類元素酸化物（L a ₂ O₃、 Y₂ O₃、 C e O₂、 P r ₆ O_{l x} 、 N d ₂0₃、 S m₂ O₃、 G d ₂0₃、 E u ₂ O₃、 T b ₄ O₇、 D y ₂ O₃ 、 H o ₂ O₃、 E r ₂ O₃、 T m₂0₃、 Y b ₂ O₃、 L u ₂0₃ ) からなる群から選択される上記（ 1 ) 〜（ 3 ) のいずれか 1項に記載の光変換用セラミック複合材料。

( 5 ) 2種以上の金属酸化物の組み合わせで生成される複合酸化物が、 3 A l ₂0₃ ' 2 S i 0₂ (M u l 1 i t e ) 、 M g O · A 1 ₂ O₃、 A l ₂0₃ ' T i 0₂、 B a O * 6 A l ₂0₃、 B a O · A 1 ₂ O₃ 、 B e O · 3 A 1 2 O₃ , B e O ' A l ₂〇₃、 3 B e O · A 1 ₂0₃ , C a 〇 ' T i 0₂、 C a O * N b ₂0₃、 C a O ' Z r 〇₂、 2 C o O • T i 0₂、 F e A l ₂ O₄、 M n A l ₂0₄、 3 M g O ' Y₂ O₃、 2 M g O · S i 0₂、 M g C r ₂ O₄、 M g O ' T i O₂、 M g O · T a ₂0₅、 Mn O ' T i Oい 2 M n O · T i O₂ , 3 S r O · A 1₂ O₃ 、 S r O - A 12 O₃ , S r O * 2 A l ₂0₃ S r O ' 6 A l ₂ O₃、 S r O · T i O₃, T i O₂ ' 3 N b₂0₅、 T i 〇₂ ' N b₂O₅、 3 Y₂ Ο₃ · 5 Α 1₂Ο₃、 2 Υ₂Ο₃ · Α 1₂Ο₃、 2 M g O - 2 A l ₂O₃ - 5 S i Oい L a A 1 0₃、 C e A l O₃、 P r A 1 0₃、 N d A l O ₃、 S mA I O E u A l O₃、 G d A l O₃、 D y A 1 0₃、 Y b₄ A 1₂0₉、 E r 3 A 150₁₂ , l l A l ₂0₃ ' L a ₂0₃、 1 1 A 1₂ O₃ ' N d ₂0₃、 1 1 A 1₂ O₃ · P r ₂0₃、 E u A 1 ! _x O ₁₈ , 2 G d 2 O₃ - A 12 O₃ , l l A l ₂O₃ ' S m₂O₃、 Y b ₃A l ₅ O₁₂、 C e A 1 _X10₁₈ , および E r ₄ A l ₂O_gからなる群から選択される上記（ 1 ) 〜（ 3 ) のいずれか 1項に記載の光変換用セラミック複合材料。

( 6 ) マトリックスを構成する相が α _ A 1₂ O 3相及び Y ₃ A 1₅ O₁₂ ( Y A G) 相の 2相であることを特徴とする、上記（ 1 ) 〜（ 3 ) の何れか 1項に記載の光変換用セラミック複合材料。

( 7 ) 付活元素がセリウムであることを特徴とする、上記（ 1 ) 〜（ 6 ) の何れか 1項に記載の光変換用セラミック複合材料。

( 8 ) 上記（ 1 ) 〜（ 8 ) のいずれか 1項に記載の光変換用セラミック複合材料を使用して、発光ダイォードから発光された光の色を別の色に変えることを特徴とする光変換方法。

( 9 ) マトリックスを構成する相が o;— A 1₂ O ₃相及び Y A G相であり、 YAG相がセリウムで付活された蛍光体である光変換用セラミツク複合材料を使用し、青色光を白色光に変えることを特徴とする光変換方法。

( 1 0 ) 発光ダイォードチップと、上記（ 1 ) 〜 ( 7 ) のいずれか 1項に記載の光変換用セラミック複合材料とを有する発光ダイォ一ド。

( 1 1 ) 光変換用セラミック複合材料が発光ダイオードチップから放出された可視光により励起されて励起波長よりも長波長の可視光の蛍光を出すマトリックス相を含む上記（ 1 0 ) に記載の発光ダィォード。

( 1 2 ) 光変換用セラミック複合材料が発光ダイォードチップから放出された青色光を白色光に変える上記（ 1 1 ) または（ 1 2 ) に記載の発光ダイォード。図面の簡単な説明

図 1 は従来技術の発光ダイォードを示す断面図である。

図 2は本発明の発光ダイォードの例を示す断面図である。

図 3は実施例で得られた材料の組織構造を示す電子顕微鏡写真でめる。 '

図 4は実施例で得られた材料中における Y A G相の存在形態を示す電子顕微鏡写真である。

図 5は実施例 1で得られた材料の蛍光特性を示すスぺクトルである。

図 6は蛍光特性測定法の概略を示す図である。

図 7は検出器における検出例を示す図である。

図 8は光変換材料の試料厚みと蛍光特性との関係例を示す図である。

図 9は光変換材料の試料厚みと蛍光特性との関係例を示す図である。 5 3 0 n m光についてのスケールが拡大されている。

図 1 0は実施例 2、比較例で得られた材料の蛍光特性を示すスへクトノレである。発明の実施の形態

本発明のセラミック複合材料は、製造条件を制御することによつて、コロニー、ボイドのない均一な組織になる。また、所定の成分に調製した混合粉末を加圧焼結して得られる一般的な焼結体に存在する粒界は存在しない。さらに、製造条件を制御することによって本複合材料を構成する酸化物及び複合酸化物がそれぞれ単結晶/単結晶、単結晶/多結晶、多結晶 Z多結晶から構成されるセラミック複合材料も得ることができる。なお、本発明において「単結晶」とは、 X線回折において、特定の結晶面からの回折ピークのみが観察される状態の結晶構造を意味する。さらに、構成する酸化物以外の酸化物を添加して、複合材料を構成する相のうち少なくとも一方に固溶または析出させる、あるいは、相の界面に存在させることにより、光学的性質、機械的性質および熱的性質を変化させることも可能である。

本発明のセラミック複合材料は、構成する酸化物相が微細なレべルで均質にしかも、連続的に繋がった構造をしている。それぞれの相の大きさは凝固条件を変更することによって制御可能であるが、一般には 1 〜 5 0 /z mである。

本発明のセラミックス複合材料は、原料金属酸化物を融解後、凝固して作られる。例えば、所定温度に保持したルツポに仕込んだ溶融物を、冷却温度を制御しながら冷却凝結させる簡単な方法で凝固体を得ることができるが、最も好ましいのは一方向凝固法によるものである。その工程の概略は次である。

マトリックス相を形成する金属酸化物及び蛍光発生体となる金属酸化物を所望する成分比率の割合で混合して、混合粉末を調整する。混合方法については特別の制限はなく、乾式混合法及び湿式混合法のいずれも採用することができる。ついで、この混合粉末を公知の溶融炉、例えば、アーク溶融炉を用いて仕込み原料が溶解する温度に加熱して溶融させる。例えば、 A 1 ₂ 0 ₃と E r ₂ O ₃の場合、 1 ， 9 0 0〜2， 0 0 0 °Cに加熱して溶解する。

得られた溶融物は、そのままルツポに仕込み一方向凝固させるか、あるいは、一旦凝固させた後に粉砕し、粉砕物をルツボに仕込み、再度加熱 ' 溶融させた後、融液の入ったルツボを溶融炉の加熱ゾーンから引き出し、一方向凝固を行う。融液の一方向凝固は常圧下でも可能であるが、結晶相の欠陥の少ない材料を得るためには、 4 0 0 0 P a以下の圧力下で行うのが好ましく、 0 . 1 3 P a ( 1 0一³ T 0 r r ) 以下は更に好ましい。

ルツボの加熱域からの引き出し速度、すなわち、融液の凝固速度は、融液組成及び溶融条件によって、適宜の値に設定することになるが、通常 5 0 m m Z時間以下、好ましくは 1〜 2 0 m m 時間である。

一方向に凝固させる装置としては、垂直方向に設置された円筒状の容器内にルツボが上下方向に移動可能に収納されており、円筒状容器の中央部外側に加熱用の誘導コイルが取り付けられており、容器内空間を減圧にするための真空ポンプが設置されている、それ自体公知の装置を使用することができる。

本発明の光変換用セラミック複合材料の少なくとも 1つのマトリックス相を構成する蛍光体は、金属酸化物あるいは複合酸化物に付活元素を添加して得ることができる。このような蛍光体材料自体は公知であり、格別の追加の説明を要しない。本発明の光変換用セラミック複合材料に用いるセラミック複合材料は、少なくとも 1つのマトリツタス相を蛍光体相にするが、基本的に、本願出願人（発明譲受人）が先に特開平 7 — 1 4 9 5 9 7号公報、特開平 7 — 1 8 7 8 9 3号公報、特開平 8 — 8 1 2 5 7号公報、特開平 8 — 2 5 3 3 8 9号公報、特開平 8— 2 5 3 3 9 0号公報および特開平 9一 6 7 1 9 4号公報並びにこれらに対応する米国出願（米国特許第 5， 5 6 9， 5 4 7号、同第 5， 4 8 4 , 7 5 2号、同第 5， 9 0 2 , 7 6 3号）等に開示したセラミック複合材料と同様のものであることができ、これらの出願（特許）に開示した製造方法で製造できるものである。これらの出願あるいは特許の開示内容はここに参照して含めるものである。

得られた凝固体より必要な形状のブロックを切出し、ある波長の光を、目的とする他の色相の光に変換するセラミックス複合材料基板に利用する。

マトリックス相を形成する酸化物種については、種々の組合わせが可能であるが、金属の酸化物と二種以上の金属の酸化物から生成される複合酸化物とからなる群から選ばれるセラミックスが好適である。

金属の酸化物としては、酸化アルミニウム（A 1₂0₃ ) 、酸化ジルコニゥム（ Z r 0₂) 、酸化マグネシゥム（M g O) 、酸化シリコン（ S i 0₂) 、酸化チタン（T i 0₂) 酸化パリウム（B a O) 、酸化べリリウム（B e O) 、酸化カルシゥム（C a O) 、酸化ク口ミゥム（C r ₂ O₃) 等の他、希土類元素酸化物 (L a ₂O₃、 Y₂ O₃、 C e O P r 6 O ! ! , N d ₂ O₃、 S m 2 O 3 _¾ G d 2 O 3 ^ E u 2 O 3、 T b ₄ O ₇、 D y ₂ O ₃、 H o ₂0₃、 E r ₂0₃、 Tm₂0₃、 Y b ₂ Oい L u ₂0₃ ) 等々がある。

また、これらの金属酸化物から生成される複合酸化物としては、例えば、 L a A l O₃、 C e A 1 0₃、 P r A 1 0₃、 N d A l O₃、 S mA 1 0₃、 E u A 1 0₃、 G d A 1 0₃、 D y A l 〇₃、 E r A 1 0₃、 Y b₄A l ₂ O₉、 Y₃ A 1₅0₁₂ E r ₃A l ₅0₁₂、 1 1 A 1₂ 0₃ ' L a ₂0₃、 l l A l ₂0₃ ' N d₂0₃、 3 D y₂0₃ - 5 A l ₂0 2 D y₂0₃ ' A l ₂ O₃、 l l A l ₂ O₃ ' P r ₂0₃、 E u A 1 _{x l} O₁₈、 2 G d ₂O₃ ' A l ₂ O₃、 l l A l ₂O₃ ' S m₂0₃、 Y b ₃A l ₅ O₁₂、 C e A 1 n O₁₈, E r ₄A l ₂O₉が挙げられる。

例えば、 A 1₂0₃と G d ₂O₃の組み合わせの場合、 A 1₂0₃ ： 7 8 m o 1 % , G d ₂ O ₃ : 2 2 m o 1 %で共晶を形成するので、 A 1 ₂O₃相と A 1₂0₃と G d₂ O₃の複合酸化物であるべロブスカイト構造の G d A 1 O ₃相からなるセラミック複合材料を得ることができる。さらに上記と同様に、 o; _ A 1₂ O₃が約 2 0〜 8 0容積％、 G d A 1 O₃が約 8 0〜 2 0容積％の範囲内でその分率を変化させることができる。この他に、二種以上の金属の酸化物がぺロブスカイト構造を有するものには、 L a A 1 0₃、 C e A 1 0₃、 P r A 1 O ₃、 N d A 1 0₃、 S mA l O₃、 E u A l O₃、 D y A l O₃等がある o これらのいずれかが本複合材料を構成する場合、組織が微細化し機械的強度が大きいセラミック複合材料を得ることができる。また、 A 1₂0₃と E r ₂ O₃の組み合わせの場合、 Α 1₂ Ο₃ : 8 1 . 1 m 0 1 % , E r 2 Ο 3 ： 1 8. 9 m ο 1 %で共晶を形成するので、 A 1₂Ο₃相と A 1₂ Ο₃と E r ₂O₃の複合酸化物であるガーネット構造の E r ₃ A 1₅ O₁₂相からなるセラミック複合材料を得ることができる。さらに上記と同様に、ひ一 A 1₂ O₃が約 2 0〜 8 0容積％、 E r 3 A 1₅ O i ₂が約 8 0〜 2 0容積％の範囲内でその分率を変化させることができる。この他に、二種以上の金属の酸化物がガーネット構造を有するものには、. Y b ₃ A 1₅ O ₂等がある。これらのいずれかが本複合材料を構成する場合、クリープ強度が大きいセラミック複合材料を得ることができる。

この中でも、特に A 1₂0₃と希土類元素酸化物の組合わせが好ましい。機械的特性に優れているだけでなく、光学的特性にも優れた材料を与えるからである。また、後述する様に、一方向凝固法により、各マトリックス相が三次元的、連続的に絡み合った複合材料が得られ易く、希土類金属酸化物よりなる蛍光体が安定に存在し得るマトリックス相が形成されるからである。特に、 Α 1₂Ο₃と Y₂0₃ から製造される Α 1₂0₃と YAGの二相をマトリックス相とする複合材料は好ましい。

上記の如き金属酸化物または複合酸化物に付活元素を添加することで蛍光体が得られる。

マトリックス相に含有させる付活元素（蛍光体種）は、光源色の波長及びそれを変換して得ることを目的とする色相に応じて適宜選択することになる。例えば、青色発光ダイォードの 4 3 0〜 4 8 0 n mの青色光を白色光に変換するにはセリゥムを付活元素とし、セリゥムの酸化物を添加することが好適である。勿論、セリウムと他の蛍光体種など複数の添加元素を入れることで色の調整をすることも可能である。セリゥム以外の付活元素としては、マトリックス酸化物の種類にもよるが、例えば、テルビウム、ユーロピウム、マンガン、クロム、ネオジム、ジスプロジゥムなどが用レ、られる。

マトリックス酸化物相に付活元素（蛍光体種）を添加するには、通常、付活元素の酸化物を所定量で添加すればよい。

本発明のセラミックス複合材料は、複数種のマトリックス相より構成され、また付活のために添加した元素はその製法から考えて各マトリックス相に分配係数に従い分配されて存在すると考えられるが、蛍光を発する相は、成分による。例えば、 A 1₂ O ₃と Y ₂ O ₃からはアルミナ ( A 1₂ O₃) と YA Gをマトリックス相とする複合材料が形成されるが、蛍光は Y A G相から発生しており、そのマトリックス相は Y A G ： C eで表されるセリゥムで付活された蛍光体であると考えられる。分配係数によれば、添加した C eは殆どが Y A Gに分配され、アルミナ中には殆ど存在しない。添加元素が存在することで蛍光体になるかどうかは成分によりー概ではないが、本発明のセラミックス複合材料では少なくとも 1つのマトリックス相が蛍光を発する相である。

アルミナおよび YA G自体は光透過性であり、この YA G : C e で表されるセリゥムで付活された蛍光体からなるマトリックス相も基本的に光透過性である。そして、アルミナ（Α 1₂ Ο₃) と YAG ： C e をマトリックス相とする複合材料では、アルミナ相に入った光は青色光のまま透過してくるが YAG ： C e相に入った青色光の一部は黄色光に変わり、それらが混合されることにより、透過光が白色に見えることになる。

一方向凝固法では、各マトリックス相が 3次元的に複雑に絡み合つた構造を有した複合材料を得ることができる（例えば、図 3， 4 が参照される）特に、 A 1₂ O₃と希土類金属酸化物から得られる複合材料では、この構造を持つものが容易に得られる。この構造は、光変換材料として都合が良い。 A 1₂ O₃相の透明性が高いのに加え、 YA G ： C eのマトリックス相は全体が均一な蛍光体として作用し（発光中心をなす付活元素であるセリゥムはマトリックス相全体に原子レベルで均一に分布する）、かつ、このような各相が三次元的に複雑に絡み合う構造であることで、輝度が高く、しかも透過光と蛍光との混色が有効に行われるからである。

また、蛍光粉末と樹脂を混ぜ合わせた材料では粉体表面で光の散乱が起きるが、本発明の複合材料ではそのような光の散乱はなく、その他の光の散乱も少ないので、光の透過性が高く、効率的に発光ダイオードの光 (青色光) を利用することができる。

さらに、本発明の複合材料は高融点のセラミック材料であるために、熱的な安定性が非常に高く、樹脂材料のような耐熱性の問題は生じない、さらに、紫外光による劣化の問題も生じない利点も有する。

従って、本発明のセラミック複合材料は、変換機能、すなわちある波長の光を吸収し其れとは異なる波長の光である蛍光を発生する機能を有していることは勿論、輝度、光透過性、光混合性に優れ、また光利用効率も優れ、かつ、耐熱性、耐紫外線性にも優れたセラミックス複合材料であり、発光ダイォードの色を変換する目的に好適な光変換用セラミック複合材料である。

本発明の光変換用セラミック複合材料を発光ダイォ一ドに用いる場合、例えば、図 2に示す如く、発光ダイオード ( LED) チップ 1 の前面に本発明の光変換用セラミック複合材料 8を配置して発光ダィオードを構成すれば良い。図 2において、 4は導電性ワイヤ、 5 ， 6はリードであり、図 1 と同様である。チップ (素子) 1が光変換用セラミック複合材料 8に接触するように配置することも可能である。この方が素子の放熱の面からは好ましい'と考えられる。また容器や台の形状は必要に応じ、形状を変えることができる。また、材質についても必要に応じ選択することができる。

以下では、具体的例を挙げ、本発明を更に詳しく説明する。実施例

(実施例 1 )

« _ Α 1 ₂ Ο ₃粉末（純度 9 9 . 9 9 % ) と Y ₂ 0 ₃粉末（純度 9 9 . 9 9 9 % ) の混合比は、モル比で 8 2 ： 1 8 とし、 C e Ο ₂粉末

(純度. 9 9 . 9 9 % ) は、仕込み酸化物の反応により生成する Y A G 1 モル対し 0 . 0 1モルとなるようにした。これらの粉末をエタノール中、ボールミルによって 1 6時間湿式混合した後、ェパポレ一ターを用いてエタノールを脱媒して原料粉末を得た。原料粉末は、真空炉中で予備溶解し一方向凝固の原料とした。次に、この原料をそのままモリブデンルツポに仕込み、一方向凝固装置にセットし、 1 . 3 3 X 1 0— ³ P a ( 1 0 "⁵ T o r r ) の圧力下で原料を融解した。次に同一の雰囲気においてルツポを 5 m m Z時間の速度で下降させ凝固体を得た。得られた凝固体は黄色を呈していた。

凝固体の凝固方向に垂直な断面組織を図 3に示す。白い部分が Y A G (より正確には YAG ： C e ) 相、黒い部分が Α 1₂Ο₃相である。この凝固体にはコロニーや粒界相がなく、さらに気泡ゃボイドが存在しない均一な組織を有していることが分かる。

また、同一方向に切り出した試料をカーボン粉と共に 1 6 0 0 °C に加熱し、試料表面近傍の A 1₂ O ₃相を除去したサンプルにおける、凝固方向に垂直な表面の構造を示す電子顕微鏡写真を図 4に示すさらに、凝固方向にほぼ垂直な面からの X線回折を観察した結果、夫々 YA Gの（ 1 1 0 ) 面及び α— Α 1₂Ο₃の（ 1 1 0 ) 面力、らの回折ピークのみが観察された。

以上より、この複合材料においては、 α _ A 1₂0₃単結晶相と Y A G単結晶相の二相が連続的に且つ三次元的に配列され相互に絡み合って存在することが分かる。

凝固体から、凝固方向に対して垂直な方向に 1 m m厚さの基板を切り出し、この材料の蛍光特性を蛍光評価装置によって評価した。図 5に結果を示す。青色の約 4 5 0 n mの光を照射した場合、約 5 3 0 n mにピークをもつ幅広いスぺクトルの黄色の蛍光特性を持つことが分かった。従って、 Y A G相は Y A G ： C eで表される蛍光体である。

次に図 6に示す方法で、青色の光との混合性を確認する測定を行つた。試料 1 3の下側に鏡 1 4をおき、試料を透過した光が測定部に戻るようにした。このようにすると、試料の表面や内部から反射される光と、試料を透過し鏡によって反射される光 1 5が検出器 6 に入ることになる。入射光 1 2 としては、光源 1からの 4 5 0 n m の青色光を用いた。試料の厚みは 0. l mm、 0. 2 mm, 0. 5 mm、 1 . O mmの 4種とした。

検出器における検出例を図 7に示す。ここには、厚みの異なる 2 種試料を用いた例を示すが、試料厚みが増すと 4 5 0 n mの青色光が減少していることが分かる。

試料の厚みと青色光、及び黄色の蛍光強度との関係を示したのが図 8である。黄色蛍光については、縦軸のスケールを変えた拡大図を図 9に示す。青色光は、試料が厚くなるに従い強度が減少するが、 0. 5 mm以上の厚みではほぼ一定となる。方、黄色蛍光は、試料厚みと共に強度が増し、極大値を経て減少し、 0. 5 mm以上の厚みでは、青色光同様ほぼ一定となる。試料厚みが大きい領域で測定値が一定となるのは、試料表面からの青色光の反射光と、表面からの深さがある値以下の相で発生した黄色蛍光の散乱光を測定しているからであり、このことは、試料が厚くなると入射光が試料中で吸収、波長変換され、試料を透過しなくなることを示している。逆に、厚みの薄い試料では、入射光の一部が試料を透過し、鏡で反射した後、更にその一部が再び試料から出てくることを示しているこの観測結果により、この材料が入射青色光を透過させると同時にその一部を 5 3 0 n m付近にピークを示す幅広のスぺク 1、ルを持つ黄色光に変換し、これら 2色の光を混合して白色光を出していることが'分かる。また、材料の厚みを調整して色の調整が可能であることが分かる。

(実施例 2 ) 実施例 1で作製した光変換用セラミック複合材料から、ダイャモンドカツターを用いて薄板を切出した。この薄板を加工して図 2に示す発光ダイオードに装着できる円盤状の試料を作製し発光ダイォ ― ドを作製した。用いた青発光ダイォードチップの波長は 470ηιπである。このようにして得られた白色発光ダイオードの発光スぺクトルを図 1 0に示す。約 470nmの青色と、光変換用セラミック複合材料から放出された 530nmの光が観察された。

さらに、この発光ダイオードを積分球に入れて色の測定を行った。その結果、発光の色は CIE色度図での座標が X =0.27， y =0.34 であり、白色であることが確認された。

(比較例 1 )

Y₃A1₅0₁₂ 1 モル対し、 Ceの付活量を 0.03モルになるように、 A1₂0 3 (99.99%) と Y₂0₃ (99.999%) を実施例 1で示した方法によって混合、乾燥し原料を得た。この原料 100重量部に対しフラックスとして 5重量部の弗化バリウム（BaF₂) を混合し、アルミナ坩堝にし込み、大気中 1600°C 1時間の焼成を行った。窒温に戻った坩堝から試料を取出し、これを硝酸溶液で洗浄しフラックスを除去した。このようにして得られた Ceを付活した YAG粉末 40重量部をエポキシ榭脂 100重量部に混練し、 120°C 1時間、 150°C 4時間かけて、樹脂を硬化させ成形体を得た。これを円盤状に加工し図 2に示す発光ダイオードを作製した。円盤の厚みは、発光ダイオードの発光色が実施例 2 と同じ色になるように調整した。このようにして決めた円盤の厚みは実施例 2のセラミック複合材料の円盤の厚みとほぼ同じであつた。発光ダイォードの色は CIE色度図における座標が X =0.27, y =0.36であった。このようにして作製した発光ダイォードの放射エネルギーを 380nmから 780nmの範囲で積分球を用いて測定した。同様に実施例 2に述べた発光ダイオードの放射エネルギーも測定した。このようにして得られた白色発光ダイォードの発光スぺクトルを図 1 0に示す。その結果、比較例 1 を基準にした場合、実施例 2の放射エネルギーは約 1. 5倍となった。このことから本発明における波長変換セラミック複合材料のほうがより光を透過でき、高輝度の発光ダイォードを作製できることが分かる。産業上の利用可能性

本発明の光変換用セラミック複合材料は、輝度、光混合性に優れ、かつ、耐熱性、耐紫外線性にも優れている。特に、青色発光ダイオードの青色光から白色光を得る性能に優れていることから、発光ダイォードの消費電力の低さと、寿命の長さを活かした照明用光源として実用的価値が高い。

Claims

請求の範囲

1. 金属の酸化物と二種以上の金属の酸化物から生成される複合酸化物とからなる群から選ばれる二種以上の酸化物を夫々成分とする二種以上のマトリックス相から形成されている凝固体であって、該マトリックス相の少なくとも一つが付活された酸化物からなる蛍光体相であることを特徴とする光変換用セラミック複合材料。

2. 凝固体が、一方向凝固法により得られたものであることを特徴とする請求項 1 に記載の光変換用セラミック複合材料。

3. 各マトリックス相が連続的にかつ三次元的に配列されて相互に絡み合って存在することを特徴とする、請求項 2記載の光変換用セラミツク複合材料。

4. 金属酸化物が、 A l ₂ O₃、 M g O、 S i 0₂、 T i O₂、 Z r

0₂、 C a O、 Y₂0₃、 B a O、 B e O、 F e O、 F e ₂0₃、 M n O、 C o O、 N b ₂0い T a ₂O₅、 C r ₂ O₃、 S r O、 Z n O、 N i O、 L i ₂0、 G a ₂ O₃、 H f O₂、 T h O₂、 U O₂、 S n 0₂および希土類元素酸化物（L a ₂0₃、 Y₂O₃、 C e 0₂、 Ρ r ₆0_{1 Χ} , N d₂0₃、 S m₂ O₃、 G d₂O₃、 E'u₂0₃、 T b₄O₇、 D y₂ O₃、 H o ₂O₃、 E r ₂0₃、 T m₂ O ₃、 Y b ₂0₃、 L u ₂ O₃ ) からなる群から選択される請求項 1〜 3のいずれか 1項に記載の光変換用セラミック複合材料。

5. 2種以上の金属酸化物の組み合わせで生成される複合酸化物が、 3 Α 1₂0₃ · 2 S i 0₂ (M u 1 1 i t e ) 、 M g O · A 1₂ O

₃、 A 1₂ O 3 · T i O 2 , B a O ' 6 A l ₂0₃、 B a O ' A l ₂ O₃、 B e O ' 3 A l ₂〇₃、 B e O ' A l ₂O₃、 3 B e O ' A l ₂0₃、 C a O ' T i Oい C a O · N b 20₃ , C a O * Z r 0₂、 2 C o O · T i 〇₂、 F e A l ₂〇₄、 Mn A l ₂〇₄、 3 M g O ' Y₂0₃、 2 M g O - S i O₂、 M g C r ₂ O₄、 M g O ' T i O₂、 M g O · T a ₂ Oい M n O ' T i 〇₂、 2 M n O * T i O₂、 3 S r O · A 1 ₂ O₃ 、 S r O * A l ₂0₃、 S r O - 2 A l ₂ O₃ S r O - 6 A l ₂ O₃ , S r O * T i O₃、 T i O₂ * 3 N b ₂ 0₅、 T i O₂ ' N b ₂ O₅、 3 Y₂ Ο₃ · 5 Α 1 ₂0₃、 2 Υ₂〇₃ · Α 1 ₂ Ο₃、 2 M g O - 2 A 1 ₂0₃ - 5 S i O₂、 L a A l O₃、 C e A l O₃、 P r A 1 0₃、 N d A 1 O ₃、 S mA l O₃、 E u A 1 0₃、 G d A 1 0₃、 D y A l O₃、 Y b ₄ A 1 ₂0₉、 E r ₃ A l ₅ O₁₂、 l l A l ₂ O₃ * L a ₂ O₃、 1 1 A 1 ₂ O₃ · N d ₂ O₃、 1 1 A 1 ₂ O₃ · P r ₂0₃、 E u A 1 _{a l} O₁₈ , 2 G d ₂〇₃ ' A l ₂ O₃、 1 1 A 1 ₂0₃ · S m₂0₃、 Y b ₃ A 1 ₅0₁₂ , C e A 1 u 0₁₈、および E r ₄ A 1 ₂0₉からなる群から選択される請求項 1 〜 3のいずれか 1項に記載の光変換用セラミック複合材料。

6 · マトリックスを構成する相が a _ A 1 ₂ O ₃相及び Y ₃ A 1 ₅ O ₁₂ ( Y A G) 相の 2相であることを特徴とする、請求項 1ないし 3 の何れか 1項に記載の光変換用セラミック複合材料。

7. 付活元素がセリウムであることを特徴とする、請求項 1ないし 6の何れか 1項に記載の光変換用セラミック複合材料。

8 . 請求項 1〜 8のいずれか 1項に記載の光変換用セラミック複合材料を使用して、発光ダイォ一ドから発光された光の色を別の色に変えることを特徴とする光変換方法。

9 . マトリックスを構成する相が a - A 1 ₂0₃相及び Y A G相であり、 Y A G相がセリウムで付活された蛍光体である光変換用セラミック複合材料を使用し、青色光を白色光に変えることを特徴とする光変換方法。

1 0 . 発光ダイオードチップと、請求項 1〜 7のいずれか 1項に記載の光変換用セラミック複合材料とを有する発光ダイォード。

1 1 . 光変換用セラミック複合材料が発光ダイォードチップから放出された可視光により励起されて励起波長よりも長波長の可視光の蛍光を出すマトリックス相を含む請求項 1 0に記載の発光ダイォ一ド。

1 2 · 光変換用セラミック複合材料が発光ダイオードチップから放出された青色光を白色光に変える請求項 1 1 または 1 2に記載の発光ダイォード。