WO2020246239A1

WO2020246239A1 - 波長変換部材及び発光装置

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Publication number: WO2020246239A1
Application number: PCT/JP2020/019904
Authority: WO
Inventors: 嶺一高田; 浅野　秀樹
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2019-06-03
Filing date: 2020-05-20
Publication date: 2020-12-10
Anticipated expiration: 2021-12-03
Also published as: JP2020197627A; TW202106644A

Abstract

本発明は、発光装置の構成部材として使用した際に、側面部分を包囲する反射樹脂が硬化、収縮した際に下方にずり落ちることを抑制し、光出射面からの光取出し効率を高めることが可能な波長変換部材を提供する。　互いに対向する第１の主面１ａと第２の主面１ｂ、及び、第１の主面１ａと第２の主面１ｂを接続する側面１ｃを有している波長変換部材１であって、側面１ｃの面粗さＳａが０．１～０．８μｍであることを特徴とする波長変換部材１。

Description

波長変換部材及び発光装置

　本発明は、励起光を別の波長の光に変換する波長変換部材、及び、それを用いた発光装置に関する。

　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（Light Emitting Diode）やＬＤ（Laser Diode）を用いた発光装置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装置が提案されている。この発光装置は、ＬＥＤから出射され、波長変換部材を透過した青色光と、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。

　波長変換部材としては、従来、樹脂マトリクス中に無機蛍光体を分散させたものが用いられてきた。しかしながら、当該波長変換部材を用いた場合、ＬＥＤからの光により樹脂が劣化し、光源の輝度が低くなりやすいという問題がある。特に、ＬＥＤが発する熱や高エネルギーの短波長（青色～紫外）光によって樹脂マトリクスが劣化し、変色や変形を起こすという問題がある。そこで、樹脂に代えてガラスマトリクス中に無機蛍光体を分散固定した完全無機固体からなる波長変換部材が提案されている（例えば、特許文献１参照）。当該波長変換部材は、母材となるガラスがＬＥＤチップの熱や照射光により劣化しにくく、変色や変形といった問題が生じにくいという特徴を有している。

　特許文献２には、上記のような波長変換部材を量産する方法として、ガラスマトリクス中に無機蛍光体を分散固定した大面積の板状の波長変換部材の母材を作製した後、当該波長変換部材の母材を個片化する方法が提案されている。具体的には、波長変換部材の母材の表面に所定のパターンで分割溝（スクライブ線）を形成し、当該分割溝に沿って前記波長変換部材の母材を割断する方法が提案されている。

特開２００３－２５８３０８号公報特開２０１８－９７０６０号公報

　上記のようにして得られた波長変換部材は、ＬＥＤ等の光源と組み合わせることにより発光装置として使用される。図４は従来の波長変換部材を使用した発光装置を示す模式的断面図である。波長変換部材３１は、筐体３３の底部に設置された光源３２上に載置され、波長変換部材３１（及び光源３２）の側面を反射樹脂３４で包囲することにより発光装置３０として使用される。反射樹脂３４は波長変換部材３１の側面から漏出する光を反射し、波長変換部材３１の光出射面（上面）からの光取出し効率を高める役割を有する。しかしながら、図４の（ｂ）に示す通り、波長変換部材３１の側面に接触している反射樹脂３４が硬化、収縮した際に、波長変換部材３１と反射樹脂３４との密着性が低く、下方にずり落ちて波長変換部材３１の側面部分（例えば側面の上部）が露出する場合がある。その結果、露出した当該側面部分から光が漏出して、波長変換部材３１の光出射面からの光取出し効率が低下するという問題があった。

　以上に鑑み、本発明は、発光装置の構成部材として使用した際に、側面部分を包囲する反射樹脂が硬化、収縮した際に下方にずり落ちることを抑制し、光出射面からの光取出し効率を高めることが可能な波長変換部材を提供することを目的とする。

　本発明の波長変換部材は、互いに対向する第１の主面と第２の主面、及び、第１の主面と第２の主面を接続する側面を有している波長変換部材であって、側面の面粗さＳａが０．１～０．８μｍであることを特徴とする。本発明の波長変換部材は、側面の面粗さＳａを上記の通り大きくすることで、反射樹脂との接触部分における投錨効果が大きくなるため、反射樹脂が硬化、収縮した際に下方にずり落ちて波長変換部材の側面部分が露出することを抑制できる。その結果、波長変換部材の光出射面からの光取出し効率を高めることが可能となる。

　本発明の波長変換部材は、無機マトリクスと、無機マトリクス中に分散された蛍光体粉末を有することが好ましい。

　本発明の波長変換部材は、蛍光体粉末の平均粒子径が１～５０μｍであることが好ましい。なお本明細書において、平均粒子径はレーザー回折法により測定された値（Ｄ_５０）を示す。

　本発明の波長変換部材は、厚みが０．０１～１ｍｍであることが好ましい。

　本発明の発光装置は、上記の波長変換部材、波長変換部材に励起光を照射する光源、及び、波長変換部材を包囲する反射樹脂、を備えることを特徴とする。

　本発明の波長変換部材によれば、波長変換部材の側面を包囲する反射樹脂が、硬化、収縮した際に下方にずり落ちて波長変換部材の側面部分が露出するという不具合を抑制できる。その結果、波長変換部材の光出射面からの光取出し効率を高めることが可能となる。

本発明の波長変換部材の一実施形態を示す斜視図である。本発明の波長変換部材を使用した発光装置の一実施形態を示す模式的断面図である。本発明の波長変換部材の製造方法を説明するための平面図である。（ａ）は従来の波長変換部材を用いて作製した発光装置を示す模式的断面図であり、（ｂ）は（ａ）の発光装置における反射樹脂が硬化、収縮した際に下方にずり落ちた様子を示す模式的断面図である。

　以下、本発明の波長変換部材及び発光装置の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。

　（波長変換部材及び発光装置）
　図１は、本発明の波長変換部材の一実施形態を示す斜視図である。波長変換部材１は、平面形状が矩形（正方形または長方形）の板状である。波長変換部材１の平面形状は矩形に限定されず、矩形以外の多角形や円形等の他の形状であってもよい。波長変換部材１は、互いに対向する第１の主面１ａと第２の主面１ｂ、及び、第１の主面１ａと第２の主面１ｂを接続する側面１ｃを有する。

　図２は、波長変換部材１を使用した発光装置１０を示す模式的断面図である。波長変換部材１は、筐体３の底部に設置された光源２上に載置され、波長変換部材１（及び光源２）の側面を反射樹脂４で包囲することにより発光装置１０として使用される。なお、波長変換部材１は、光源２上に直接載置してもよいし、図示しない接着剤層を介して接着してもよい。

　波長変換部材１は、例えば無機マトリクスと、無機マトリクス中に分散された蛍光体粉末を有する。蛍光体粒子は励起光の入射により蛍光を出射する。従って、励起光が波長変換部材１の第２の主面１ｂから入射すると、波長変換部材１の第１の主面１ａから励起光及び蛍光の合成光が出射される。

　蛍光体粒子は、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及び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。

　蛍光体粒子の平均粒子径は、１～５０μｍであることが好ましく、５～３０μｍであることがより好ましい。蛍光体粒子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。

　波長変換部材１における蛍光体粒子の含有量は、１体積％以上であることが好ましく、１．５体積％以上であることがより好ましく、２体積％以上であることがさらに好ましい。波長変換部材１における蛍光体粒子の含有量は、７０体積％以下であることが好ましく、５０体積％以下であることがより好ましく、３０体積％以下であることがさらに好ましい。蛍光体粒子の含有量が少なすぎると、所望の発光色を得るために波長変換部材１を厚くする必要があり、その結果、得られる波長変換部材１の内部散乱が増加することで、光取出し効率が低下する場合がある。一方、蛍光体粒子の含有量が多すぎると、所望の発光色を得るために波長変換部材１を薄くする必要があるため、波長変換部材１の機械的強度が低下する場合がある。

　無機マトリクスに用いられる無機材料は、蛍光体粒子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が、例えばガラスを用いることができる。無機マトリクスに用いられるガラスとしては、例えば、ホウ珪酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラス、スズリン酸塩系ガラス、ビスマス酸塩系ガラス等を用いることができる。ホウ珪酸塩系ガラスとしては、質量％で、ＳｉＯ_２　３０～８５％、Ａｌ_２Ｏ_３　０～３０％、Ｂ_２Ｏ_３　０～５０％、Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ　０～１０％、及びＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ　０～５０％を含有するものが挙げられる。スズリン酸塩系ガラスとしては、モル％で、ＳｎＯ　３０～９０％、Ｐ_２Ｏ_５　１～７０％を含有するものが挙げられる。

　波長変換部材１の厚みは０．０１～１ｍｍが好ましく０．０５～０．５ｍｍがより好ましく、０．１～０．３ｍｍがさらに好ましい。波長変換部材１の厚みが小さすぎると、十分な発光強度が得られにくくなる場合がある。また、波長変換部材１の機械的強度が不十分になる場合がある。一方、波長変換部材１の厚みが大きすぎると、波長変換部材１における光の散乱や吸収が大きくなりすぎ、光取出し効率が低くなる場合がある。

　波長変換部材１の側面１ｃの面粗さＳａは０．１～０．８μｍであり、０．１～０．５μｍ、特に０．２～０．４μｍであることが好ましい。面粗さＳａが小さすぎると、反射樹脂３４との接触部分における投錨効果が小さくなるため、反射樹脂３４が硬化、収縮した際に下方にずり落ちて波長変換部材１の側面１ｃが露出しやすくなる。その結果、露出した側面１ｃから光が漏出し、波長変換部材１の第１の主面１ａからの光取出し効率が低下しやすくなる。一方、面粗さＳａが大きすぎると、製造する際に波長変換部材１の主面１ａの周辺部にチッピングが発生しやすくなる。その結果、反射樹脂３４がチッピング部に流動し、主面１ａの面積（光出射面積）が小さくなり光取り出し効率が低下する傾向がある。

　なお波長変換部材１としては、上記に例示したもの以外にも、例えばＹＡＧセラミックス等のセラミックスからなる波長変換部材であってもよい。

　光源２としては、ＬＥＤやＬＤを使用することができる。なお、光源２は図示しない電極により外部電源と接続されている。

　筐体３としては、例えば、光源２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（Low Temperature Co-fired Ceramics）等が用いられる。具体的には、酸化アルミニウムや酸化チタン、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。あるいは、筐体３としては、光源２から発せられた熱を効率よく放出させるため、熱伝導率が高い材料を使用してもよい。特に耐熱性、耐候性に優れることからセラミックス等を用いることが好ましい。具体的には、酸化アルミニウムや窒化アルミニウム等のセラミックスからなる筐体が挙げられる。

　反射樹脂４は、波長変換部材１の側面１ｃあるいは光源２の側面から漏れ出た光を反射するため設けられている。反射樹脂４は、例えば酸化チタン等の白色顔料を含む樹脂組成物（高反射樹脂）からなる。樹脂の具体例としては、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂等が挙げられる。硬化手段としては、光硬化や熱硬化、常温硬化（水分と反応し硬化、あるいは２液混合反応硬化）等が挙げられる。

　（波長変換部材の製造方法）
　図３は、本発明の波長変換部材の製造方法を説明するための平面図である。
　まず、波長変換部材の母材２０を準備する。波長変換部材の母材２０は、互いに対向する主面を有する板状部材であり、所望のパターンで切断することにより複数の波長変換部材１を得ることができる。波長変換部材の母材２０は、例えば以下のようにして作製することができる。

　ガラスマトリクスとなるガラス粉末と、蛍光体粉末との混合粉末に対し、有機ビークルを添加してペーストを作製する。ペーストをＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）等の基材フィルム上にドクターブレード法にて塗布し、乾燥することによりグリーンシートを得る。グリーンシートをガラス粉末の軟化点付近で焼成することにより波長変換部材の母材２０を得る。

　次に、波長変換部材の母材２０を切断予定線Ｃに沿って切断し、個片化する。切断予定線Ｃは、最終的に製造される波長変換部材１の形状や寸法に応じたパターンが選択される。これにより複数の波長変換部材１を得る。

　本実施形態では、波長変換部材の母材２０をダイシングにより切断する。ここで、ダイシングに使用する切断ブレードの番手（切断ブレードに使用される砥粒の番手）を適宜選択することにより、波長変換部材１の側面１ｃの面粗さを所望の範囲に調製することが可能となる。具体的には、切断ブレードの番手は６００～２０００番が好ましく、８００～１５００番がより好ましい。切断ブレードの番手が大きすぎると、波長変換部材１の側面１ｃの面粗さが小さくなり、上述したように反射樹脂４が硬化、収縮した際に下方にずり落ちるという問題が発生しやすくなる。一方、切断ブレードの番手が小さすぎると、切断時に波長変換部材１の周囲にチッピング等の不具合が発生し、反射樹脂がチッピング部に流動することで、波長変換部材１の主面１ａの面積（光出射面積）が小さくなり光取出し効率が低下する傾向がある。

　以下に、本発明を実施例を用いて詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

　表１は、本発明の実施例（Ｎｏ．２～４）及び比較例（Ｎｏ．１、５、６）を示す。

　（波長変換部材及び発光装置の作製）
　ホウケイ酸系ガラスマトリクス（軟化点８５０℃）中にＹＡＧ蛍光体粉末が分散した波長変換部材の母板（５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．２ｍｍ、蛍光体濃度８．３体積％）を準備した。Ｎｏ．１～５については、波長変換部材の母材について、ダイシング装置を用いてＸ方向及びＹ方向にそれぞれ１ｍｍ間隔でダイシングを行い個片化した。なお、切断ブレードとしては人造ダイヤモンド砥粒をメタルボンドで固着させたブレードを使用し、番手（砥粒の番手）は表１に示す通りとした。また、Ｎｏ．６については、波長変換部材の母材について、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ１ｍｍ間隔で、スクライバーを用いてスクライブ線を形成した後、スクライブ線に沿って割断を行い個片化した。以上の方法により、波長変換部材の母材から複数の波長変換部材を得た。

　得られた波長変換部材の側面の面粗さＳａを、３Ｄ測定レーザー顕微鏡（オリンパス社製ＯＬＳ４０００）を用いて測定した結果を表１に示す。なお面粗さＳａは、母材の個片化により得られた波長変換部材のうち、任意に選択した１０個の試料について測定したデータの平均値を示す。

　得られた波長変換部材を用いて、図２に準ずる発光装置を作製した。光源としては励起波長４５０ｎｍの青色ＬＥＤ、反射樹脂としてはシリコーン樹脂中にチタニア粉末を分散した樹脂組成物を使用した。波長変換部材はＬＥＤの表面にシリコーン樹脂で接着した。加熱によって反射樹脂が硬化、収縮した際の波長変換部材と反射樹脂の界面における反射樹脂のずり落ちを確認した。結果を表１に示す。

　（発光特性の評価）
　作製した発光装置（反射樹脂硬化後のもの）に１．０Ａの直流電流を印加して光源を点灯した。波長変換部材の第１の主面から発せられる光を積分球内部に取り込んだ後、標準光源によって校正された分光器へ導光し、光のエネルギー分布スペクトルを測定した。得られたスペクトルに標準比視感度を掛け合わせることにより、全光束値を算出した。結果を表１に示す。なお表１における全光束値は、Ｎｏ．２の全光束値を１とした場合の相対値で示している。

　表１に示す通り、実施例であるＮｏ．１～４の発光装置では、反射樹脂が硬化、収縮した際のずり落ちは確認されなかった。一方、比較例であるＮｏ．５、６の発光装置では、反射樹脂が硬化、収縮した際のずり落ちが確認された。そのため、実施例の発光装置と比較して、光出射面からの光取出し効率に劣っていた。なお、Ｎｏ．１で作製した波長変換部材には、周辺部に一部チッピングが確認され、実施例の発光装置と比較して、光出射面からの光取出し効率に劣っていた。

　１、３１　波長変換部材
　１ａ　第１の主面
　１ｂ　第２の主面
　１ｃ　側面
　２、３２　光源
　３、３３　筐体
　４、３４　反射樹脂
　１０、３０　発光装置
　２０　波長変換部材の母材

Claims

　互いに対向する第１の主面と第２の主面、及び、第１の主面と第２の主面を接続する側面を有している波長変換部材であって、
　側面の面粗さＳａが０．１～０．８μｍであることを特徴とする波長変換部材。
　無機マトリクスと、無機マトリクス中に分散された蛍光体粉末を有することを特徴とする請求項１に記載の波長変換部材。
　蛍光体粉末の平均粒子径が１～５０μｍであることを特徴とする請求項２に記載の波長変換部材。
　厚みが０．０１～１ｍｍであることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の波長変換部材。
　請求項１～４のいずれか一項に記載の波長変換部材、
　波長変換部材に励起光を照射する光源、及び、
　波長変換部材を包囲する反射樹脂、
を備える発光装置。