特許 6802983 波長変換部材及び波長変換素子、並びにそれらを用いた発光装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6802983

(24)【登録日】2020年12月2日

(45)【発行日】2020年12月23日

(54)【発明の名称】波長変換部材及び波長変換素子、並びにそれらを用いた発光装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/20 20060101AFI20201214BHJP

   H01L 33/50 20100101ALI20201214BHJP

   H01S 5/022 20060101ALI20201214BHJP

   C09K 11/08 20060101ALI20201214BHJP

【ＦＩ】

   G02B5/20

   H01L33/50

   H01S5/022

   C09K11/08 E

【請求項の数】12

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2017-79488(P2017-79488)

(22)【出願日】2017年4月13日

(65)【公開番号】特開2018-180271(P2018-180271A)

(43)【公開日】2018年11月15日

【審査請求日】2020年3月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】000232243

【氏名又は名称】日本電気硝子株式会社

(72)【発明者】

【氏名】古山 忠仁

【審査官】 中山 佳美

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−０１３４１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０８８６３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−２０４５６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１９５４２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０５９６２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１３８０２０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ５／２０−５／２８

Ｈ０１Ｌ ３３／５０

Ｇ０３Ｂ ２１／１４

Ｇ０２Ｆ １／１３３５７

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

Ｃ０９Ｋ １１／０８

Ｆ２１Ｓ ２／００

Ｆ２１Ｖ ８／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

平均粒子径が１〜５０μｍである無機蛍光体粒子、及び、純度が９９％以上である酸化マグネシウム粒子を含有する波長変換部材であって、
無機蛍光体粒子間に酸化マグネシウム粒子が介在しており、かつ、無機蛍光体粒子が酸化マグネシウム粒子により結着されている焼結体であることを特徴とする波長変換部材。

【請求項2】

質量％で、無機蛍光体粒子 ３〜８０％、及び、酸化マグネシウム粒子 ２０〜９７％を含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。

【請求項3】

酸化マグネシウム粒子の平均粒子径が０．０１〜１０μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換部材。

【請求項4】

無機蛍光体粒子がガーネット構造を有する酸化物蛍光体からな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セラミックス波長変換部材。

【請求項5】

（酸化マグネシウム粒子の平均粒子径）／（無機蛍光体粒子の平均粒子径）が０．５以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の波長変換部材。

【請求項6】

請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長変換部材と、波長変換部材より高い熱伝導率を有する放熱層とが積層されてなる積層体からなることを特徴とする波長変換素子。

【請求項7】

放熱層が透光性セラミックスからなることを特徴とする請求項６に記載の波長変換素子。

【請求項8】

透光性セラミックスが、酸化アルミニウム系セラミックス、窒化アルミニウム系セラミックス、炭化ケイ素系セラミックス、窒化ホウ素系セラミックス、酸化マグネシウム系セラミックス、酸化チタン系セラミックス、酸化ニオビウム系セラミックス、酸化亜鉛系セラミックス及び酸化イットリウム系セラミックスから選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項７に記載の波長変換素子。

【請求項9】

請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長変換部材と、波長変換部材に励起光を照射する光源とを備えてなることを特徴とする発光装置。

【請求項10】

請求項６〜８のいずれか一項に記載の波長変換素子と、波長変換素子に励起光を照射する光源とを備えてなることを特徴とする発光装置。

【請求項11】

光源がレーザーダイオードであることを特徴とする請求項９または１０に記載の発光装置。

【請求項12】

平均粒子径が１〜５０μｍである無機蛍光体粒子、及び、純度が９９％以上である酸化マグネシウム粒子を含有する波長変換部材の製造方法であって、
無機蛍光体粒子、及び、酸化マグネシウム粒子を混合した原料粉末を１４００℃以下で焼成することにより、無機蛍光体粒子間に酸化マグネシウム粒子が介在しており、かつ、無機蛍光体粒子が酸化マグネシウム粒子により結着されている焼結体である波長変換部材を製造することを特徴とする波長変換部材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）やレーザーダイオード（ＬＤ：Laser Diode）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波長変換素子、並びにそれらを用いた発光装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、蛍光ランプや白熱灯に変わる次世代の発光装置として、低消費電力、小型軽量、容易な光量調節という観点から、ＬＥＤやＬＤを用いた発光装置に対する注目が高まってきている。そのような次世代発光装置の一例として、例えば特許文献１には、青色光を出射するＬＥＤ上に、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が配置された発光装置が開示されている。この発光装置は、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。

【0003】

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粒子を分散させたものが用いられている。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マトリクスが変色したり、変形するという問題がある。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２及び３参照）。当該波長変換部材は、母材となるガラスマトリクスがＬＥＤから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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０００−２０８８１５号公報

【特許文献2】特開２００３−２５８３０８号公報

【特許文献3】特許第４８９５５４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

近年、発光装置のハイパワー化を目的として、光源として用いるＬＥＤやＬＤの出力が上昇している。それに伴い、光源の熱や、励起光を照射された蛍光体から発せられる熱により波長変換部材の温度が上昇し、その結果、発光強度が経時的に低下する（温度消光）という問題がある。また、場合によっては、波長変換部材の温度上昇が顕著となり、構成材料（ガラスマトリクス等）が溶解するおそれがある。

【0006】

以上に鑑み、本発明は、ハイパワーのＬＥＤやＬＤの光を照射した場合に、経時的な発光強度の低下や構成材料の溶解を抑制することが可能な波長変換部材及び波長変換素子、並びにそれらを用いた発光装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の波長変換部材は、無機蛍光体粒子、及び、酸化マグネシウム粒子を含有する波長変換部材であって、無機蛍光体粒子間に酸化マグネシウム粒子が介在しており、かつ、無機蛍光体粒子が酸化マグネシウム粒子により結着されていることを特徴とする。

【0008】

本発明の波長変換部材においては、無機蛍光体粒子間に酸化マグネシウム粒子が介在している。ここで、酸化マグネシウム粒子はガラス等と比較して熱伝導性に優れているため、無機蛍光体粒子で発生した熱を効率良く外部に放出することができる。その結果、波長変換部材の温度上昇が抑制され、温度消光が生じにくくなる。また、酸化マグネシウム粒子は耐熱性にも優れるため、ハイパワーのＬＥＤやＬＤの光を照射した場合であっても溶解しにくい、あるいは、急激な温度上昇によるサーマルクラックといった不具合の発生を抑制することができるという利点もある。さらに、酸化マグネシウム粒子は、酸化アルミニウムや酸化ジルコニウム等のセラミック粒子と比較して低温で焼結可能であるという利点もある。そのため、波長変換部材作製時の焼成温度も低くすることができ、焼成時における無機蛍光体粉末の劣化を抑制することができる。

【0009】

本発明の波長変換部材は、質量％で、無機蛍光体粒子 ３〜８０％、及び、酸化マグネシウム粒子 ２０〜９７％を含有することが好ましい。

【0010】

本発明の波長変換部材において、酸化マグネシウム粒子の平均粒子径が０．０１〜１０μｍであることが好ましい。このようにすれば、波長変換部材の緻密性が向上して、熱伝導パスが形成されやすくなるため、無機蛍光体粒子で発生した熱をより一層効率良く外部に放出することができる。

【0011】

本発明の波長変換部材において、酸化マグネシウム粒子の純度が９９％以上であることが好ましい。このようにすれば、酸化マグネシウム粒子を比較的低温で焼結することが可能となる。

【0012】

本発明の波長変換部材において、無機蛍光体粒子の平均粒子径が１〜５０μｍであることが好ましい。

【0013】

本発明の波長変換部材において、無機蛍光体粒子がガーネット構造を有する酸化物蛍光体からなることが好ましい。ガーネット構造を有する酸化物蛍光体は耐熱性に優れるため、ハイパワーのＬＥＤやＬＤの光を照射した場合に、無機蛍光体粒子自体の劣化を抑制することができる。

【0014】

本発明の波長変換部材において、（酸化マグネシウム粒子の平均粒子径）／（無機蛍光体粒子の平均粒子径）が０．５以下であることが好ましい。このようにすれば、波長変換部材の緻密性が向上して、熱伝導パスが形成されやすくなるため、無機蛍光体粒子で発生した熱をより一層効率良く外部に放出することができる。

【0015】

本発明の波長変換素子は、上記の波長変換部材と、波長変換部材より高い熱伝導率を有する放熱層とが積層されてなる積層体からなることを特徴とする。このようにすれば、波長変換部材で発生した熱を放熱層に伝達することができるため、波長変換部材の温度上昇を抑制しやすくなる。

【0016】

本発明の波長変換素子において、放熱層として透光性セラミックスからなるものを使用することができる。

【0017】

本発明の波長変換素子において、透光性セラミックスとして、酸化アルミニウム系セラミックス、窒化アルミニウム系セラミックス、炭化ケイ素系セラミックス、窒化ホウ素系セラミックス、酸化マグネシウム系セラミックス、酸化チタン系セラミックス、酸化ニオビウム系セラミックス、酸化亜鉛系セラミックス及び酸化イットリウム系セラミックスから選択される少なくとも１種を使用することができる。

【0018】

本発明の発光装置は、上記の波長変換部材と、波長変換部材に励起光を照射する光源とを備えてなることを特徴とする。

【0019】

本発明の発光装置は、上記の波長変換素子と、波長変換素子に励起光を照射する光源とを備えてなることを特徴とする。

【0020】

本発明の発光装置において、光源がレーザーダイオードであることが好ましい。本発明の波長変換部材及び波長変換素子は耐熱性及び放熱性に優れるため、光源として比較的ハイパワーであるレーザーダイオードを使用した場合に発明の効果を享受しやすい。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、ハイパワーのＬＥＤやＬＤの光を照射した場合に、経時的な発光強度の低下や構成材料の溶解を抑制することが可能な波長変換部材及び波長変換素子、並びにそれらを用いた発光装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の波長変換部材の一実施形態を示す模式的断面図である。

【図2】本発明の波長変換素子の一実施形態を示す模式的断面図である。

【図3】本発明の発光装置の一実施形態を示す模式的側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。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。

【0024】

（波長変換部材）
図１は、本発明の波長変換部材の一実施形態を示す模式的断面図である。波長変換部材１０は無機蛍光体粒子１と酸化マグネシウム粒子２を含有している。ここで、無機蛍光体粒子１間に酸化マグネシウム粒子２が介在しており、無機蛍光体粒子１が酸化マグネシウム粒子２により結着されている。

【0025】

無機蛍光体粒子１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。無機蛍光体粒子１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等が挙げられる。これらは単独または２種以上を混合して使用することができる。なお後述するように、波長変換部材１０は無機蛍光体粒子１と酸化マグネシウム粒子２の混合粒子を焼結することにより作製されるため、無機蛍光体粒子１としては焼結時に熱劣化しないように耐熱性に優れるものが好ましい。そのような観点からは、無機蛍光体粒子１は酸化物蛍光体、特にガーネット構造を有する酸化物蛍光体（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋等）であることが好ましい。

【0026】

無機蛍光体粒子１の平均粒子径（Ｄ_５０）は１〜５０μｍ、特に５〜２５μｍであることが好ましい。無機蛍光体粒子１の平均粒子径が小さすぎると、発光強度が低下しやすくなる。一方、無機蛍光体粒子１の平均粒子径が大きすぎると、発光色が不均一になる傾向がある。

【0027】

酸化マグネシウム粒子２の平均粒子径（Ｄ_５０）は０．０１〜１０μｍ、特に０．０５〜５μｍ、特に０．０８〜１μｍであることが好ましい。平均粒子径を上記範囲とすることにより、酸化マグネシウム粒子２を比較的低温で焼結することが可能となる。

【0028】

酸化マグネシウム粒子２の純度は９９％以上、９９．９％以上、特に９９．９８％以上であることが好ましい。酸化マグネシウム粒子２の純度を上記範囲とすることにより、酸化マグネシウム粒子２を比較的低温で焼結することが可能となる。

【0029】

上記の通り、酸化マグネシウム粒子２の平均粒子径や純度を適宜調整することにより、焼結温度を低くすることが可能となる。具体的には、１０００〜１４００℃、１０２０〜１２５０℃、さらには１０５０〜１１００℃未満の比較的低温で焼成しても緻密に焼結することができる。

【0030】

酸化マグネシウム粒子２の作製方法としては、気相酸化反応による合成法や、水中火花放電法等が挙げられる。なかでも、気相酸化反応による合成法は、高純度の酸化マグネシウム粒子が得られやすいため好ましい。なお、酸化マグネシウム粒子の市販品としては、宇部マテリアルズ製の５０Ａや２０００Ａ等を用いることができる。

【0031】

なお、（酸化マグネシウム粒子２の平均粒子径）／（無機蛍光体粒子１の平均粒子径）は０．５以下、０．２以下、０．１以下、特に０．０５以下であることが好ましい。このようにすれば、波長変換部材１０の緻密性が向上して、熱伝導パスが形成されやすくなるため、無機蛍光体粒子１で発生した熱をより一層効率良く外部に放出することができる。

【0032】

波長変換部材１０における無機蛍光体粒子１及び酸化マグネシウム粒子２の割合は、質量％で、無機蛍光体粒子１ ３〜８０％、酸化マグネシウム粒子２ ２０〜９７％であることが好ましく、無機蛍光体粒子１ １５〜７５％、酸化マグネシウム粒子２ ２５〜９５％であることがより好ましく、無機蛍光体粒子１ ８〜７０％、酸化マグネシウム粒子２ ３０〜９２％であることがさらに好ましい。無機蛍光体粒子１の含有量が少なすぎる（酸化マグネシウム粒子２の含有量が多すぎる）と、波長変換部材１０の発光強度が低下しやすくなる。一方、無機蛍光体粒子１の含有量が多すぎる（酸化マグネシウム粒子２の含有量が少なすぎる）と、波長変換部材１０において酸化マグネシウム粒子２からなる熱伝導パスが形成されにくくなるため、無機蛍光体粒子１で発生した熱が外部に放出されにくくなる。また、無機蛍光体粒子１の結着性が低下して、波長変換部材１０の機械的強度が低下しやすくなる。

【0033】

波長変換部材１０の形状は特に限定されないが、通常は板状（矩形板状、円盤状等）である。波長変換部材１０の厚みは、目的とする色合いの光が得られるよう適宜選択することが好ましい。具体的には、波長変換部材１０の厚みは２ｍｍ以下、１ｍｍ以下、特に０．８ｍｍ以下であることが好ましい。但し、波長変換部材１０の厚みが小さすぎると機械的強度が低下しやすくなるため、０．０３ｍｍ以上であることが好ましい。

【0034】

波長変換部材１０は、無機蛍光体粒子１と酸化マグネシウム粒子２を所定の割合で混合した原料粉末を予備成型した後、焼成することにより製造することができる。ここで、原料粉末に結合剤や溶剤等の有機成分を添加してペースト状にした後、焼成してもよい。このようにすれば、グリーンシート成形等の方法を利用して、所望の形状の予備成型体が形成しやすくなる。この際、まず脱脂工程（６００℃程度）で有機成分を除去した後、酸化マグネシウム粒子２の焼結温度で焼成することにより、緻密な焼結体が得られやすくなる。また、１次焼成後に焼成温度±１５０℃でＨＩＰ（熱間静水圧プレス）処理を施しても良い。そうすることによって、波長変換部材１０内の空孔を収縮させて消滅させることができ、過剰な光の散乱を抑制することができる。

【0035】

結合剤としては、ポリプロピレンカーボネート、ポリブチルメタクリレート、ポリビニルブチラール、ポリメチルメタクリレート、ポリエチルメタクリレート、エチルセルロース、ニトロセルロース、ポリエステルカーボネート等が使用可能であり、これらを単独あるいは混合して使用することができる。

【0036】

溶剤としては、テルピネオール、酢酸イソアミル、トルエン、メチルエチルケトン、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタジオールモノイソブチレート等を単独または混合して使用することができる。

【0037】

ペースト中には、焼結助剤が含有されていてもよい。焼結助剤としては、例えば、リン酸マグネシウム、リン酸ジルコニウム、酸化マンガン、酸化バリウム、酸化イットリウム、酸化ケイ素等の晶質粉末や、ケイ酸系やリン酸系等の酸化物非晶質粉末を用いることができる。

【0038】

（波長変換素子）
図２は、本発明の波長変換素子の一実施形態を示す模式的断面図である。波長変換素子２０は波長変換部材１０と、波長変換部材１０より高い熱伝導率を有する放熱層３とを積層させた積層体から構成されている。本実施形態では、波長変換部材１０に励起光が照射されることにより発生した熱は、放熱層３を通じて外部に効率良く放出される。よって、波長変換部材１０の温度が過度に上昇することを抑制することができる。

【0039】

放熱層３は、波長変換部材１０より高い熱伝導率を有している。具体的には、放熱層３の熱伝導率は５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。

【0040】

放熱層３の厚みは０．０５〜１ｍｍ、０．０７〜０．８ｍｍ、特に０．１〜０．５ｍｍであることが好ましい。放熱層３の厚みが小さすぎると、機械的強度が低下する傾向がある。一方、放熱層３の厚みが大きすぎると、波長変換素子が大型化する傾向がある。

【0041】

放熱層３としては透光性セラミックスからなるものを使用することができる。このようにすれば、励起光または蛍光を透過させることができるため、透過型の波長変換素子として使用することができる。透光性セラミックスからなる放熱層の波長４００〜８００ｎｍにおける全光線透過率は１０％以上、２０％以上、３０％以上、４０％、特に５０％以上であることが好ましい。

【0042】

透光性セラミックスとしては、酸化アルミニウム系セラミックス、窒化アルミニウム系セラミックス、炭化ケイ素系セラミックス、窒化ホウ素系セラミックス、酸化マグネシウム系セラミックス、酸化チタン系セラミックス、酸化ニオビウム系セラミックス、酸化亜鉛系セラミックス及び酸化イットリウム系セラミックスから選択される少なくとも１種を使用することができる。

【0043】

本実施形態の波長変換素子２０は、波長変換部材１０の一方の主面のみに放熱層３が形成されているが、波長変換部材１０の両主面に放熱層３を形成してもよい。このようにすれば、波長変換部材１０で発生した熱をより一層効率よく外部に放出することができる。さらに、波長変換部材１０と放熱層３とを交互に積層させた４層以上の積層体であってもよい。

【0044】

なお、放熱層３としては透光性セラミックスからなるもの以外にも、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ等の金属からなる層であってもよい。このようにすれば、反射型の波長変換素子として使用することができる。

【0045】

（発光装置）
図３は、本発明の発光装置の一実施形態を示す模式的側面図である。本実施形態に係る発光装置は、透過型の波長変換部材を用いた発光装置である。図３に示すように、発光装置３０は、波長変換部材１０と光源４を備えている。光源４から出射された励起光Ｌ０は、波長変換部材１０により、励起光Ｌ０よりも波長の長い蛍光Ｌ１に波長変換される。また、励起光Ｌ０の一部は波長変換部材１０を透過する。このため、波長変換部材１０からは、励起光Ｌ０と蛍光Ｌ１との合成光Ｌ２が出射する。例えば、励起光Ｌ０が青色光であり、蛍光Ｌ１が黄色光である場合、白色の合成光Ｌ２を得ることができる。なお、波長変換部材１０の代わりに、上記で説明した波長変換素子２０を使用してもよい。

【0046】

光源４としては、ＬＥＤやＬＤが挙げられる。発光装置３０の発光強度を高める観点からは、光源４は高強度の光を出射できるＬＤを用いることが好ましい。

【符号の説明】

【0047】

１ 無機蛍光体粒子
２ 酸化マグネシウム粒子
３ 放熱層
４ 光源
１０ 波長変換部材
２０ 波長変換素子
３０ 発光装置

【図1】

【図2】

【図3】