JP2013214629A

JP2013214629A - 波長変換部材及び発光デバイス

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Publication number: JP2013214629A
Application number: JP2012084430A
Authority: JP
Inventors: Takashi Nishimiya; 隆史西宮
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2013-10-17

Abstract

【課題】優れた耐久性を有する波長変換部材を提供する。
【解決手段】波長変換部材１は、波長変換層２０と、反射板１０と、低熱膨張材３０とを備える。波長変換層２０は、ガラスマトリクス中に無機蛍光体粉末が分散してなる。反射板１０は、波長変換層２０の一主面の上に設けられている。反射板１０には、波長変換層２０に臨む貫通孔１０ａが設けられている。低熱膨張材３０は、反射板１０の波長変換層２０とは反対側に設けられている。低熱膨張材３０は、貫通孔１０ａが設けられた領域において波長変換層２０と接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長変換部材及び発光デバイスに関する。

従来、例えば特許文献１などにおいて、ガラスマトリクス中に無機蛍光体を分散させた波長変換層が提案されている。この波長変換層では、媒質及び蛍光体の両方が無機材料からなる。従って、この波長変換層は、耐熱性や耐候性に優れているという利点を有する。

特開２００３−２５８３０８号公報

ところで、例えばプロジェクタの光源などとして使用するような場合には、励起光源側に蛍光を出射させたい場合がある。このような場合には、波長変換層の裏面側に反射板を固定することが考えられる。

波長変換層と反射板とを固定する方法としては、例えば、樹脂接着剤を用いて波長変換層と反射板とを固定する方法が考えられる。しかしながら、この場合、励起光によって樹脂接着層が劣化し、接着強度が低くなり、波長変換層が反射板から脱落する虞がある。また、樹脂接着層が着色し、励起光に対する樹脂接着層の透過率が低くなり、波長変換層の発光効率が低くなる虞がある。従って、波長変換層と反射板とが樹脂接着層により接着された波長変換部材は、耐久性が低いという問題がある。

本発明は、優れた耐久性を有する波長変換部材を提供することを主な目的とする。

本発明に係る波長変換部材は、波長変換層と、反射板と、低熱膨張材とを備える。波長変換層は、ガラスマトリクス中に無機蛍光体粉末が分散してなる。反射板は、波長変換層の一主面の上に設けられている。反射板には、波長変換層に臨む貫通孔が設けられている。低熱膨張材は、反射板の波長変換層とは反対側に設けられている。低熱膨張材は、貫通孔が設けられた領域において波長変換層と接合されている。

反射板は金属からなっていてもよい。

反射板が波長変換層に直接接合されていないことが好ましい。

反射板が低熱膨張材に直接接合されていないことが好ましい。

波長変換層と低熱膨張材とが拡散接合されていることが好ましい。

本発明に係る発光デバイスは、本発明に係る波長変換部材と、光源とを備える。光源は、波長変換部材に無機蛍光体の励起波長の光を照射する。

本発明によれば、優れた耐久性を有する波長変換部材を提供することができる。

本発明を実施した一実施形態に係る波長変換部材の略図的断面図である。本発明を実施した一実施形態に係る波長変換部材の略図的平面図である。本発明を実施した一実施形態における発光デバイスの略図的断面図である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

また、実施形態等において参照する各図面において、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こととする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

図１は、本実施形態に係る波長変換部材１の略図的断面図である。図２は、本実施形態に係る波長変換部材１の略図的平面図である。

図１及び図２に示されるように、波長変換部材１は、波長変換層２０を備える。

波長変換層２０は、ガラスマトリクスと、ガラスマトリクス中に分散した無機蛍光体とを含む。具体的には、波長変換層２０は、ガラス粉末と無機蛍光体の粉末とを含む混合粉末の焼結体からなる。波長変換層２０を構成しているガラスマトリクスと無機蛍光体との両方が無機材料である。従って、波長変換層２０は、優れた耐熱性を有する。

無機蛍光体は、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種以上からなるものとすることができる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると青色の発光を発する無機蛍光体の具体例としては、例えば、Ｓｒ_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ^２＋、（Ｓｒ，Ｂａ）ＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ^２＋などが挙げられる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると緑色の蛍光（波長が５００ｎｍ〜５４０ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、例えば、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ^２＋、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２＋などが挙げられる。

波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると緑色の蛍光（波長が５００ｎｍ〜５４０ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、例えば、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ^２＋、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２＋などが挙げられる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると黄色の蛍光（波長が５４０ｎｍ〜５９５ｎｍの蛍光）を発する無蛍光体の具体例としては、例えば、ＺｎＳ：Ｅｕ^２＋などが挙げられる。

波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると黄色の蛍光（波長が５４０ｎｍ〜５９５ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、例えば、Ｙ_３（Ａｌ，Ｇｄ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^２＋などが挙げられる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると赤色の蛍光（波長が６００ｎｍ〜７００ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、例えば、Ｇｄ_３Ｇａ_４Ｏ_１２：Ｃｒ^３＋、ＣａＧａ_２Ｓ_４：Ｍｎ^２＋などが挙げられる。

波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると赤色の蛍光（波長が６００ｎｍ〜７００ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、例えば、Ｍｇ_２ＴｉＯ_４：Ｍｎ^４＋、Ｋ_２ＳｉＦ_６：Ｍｎ^４＋などが挙げられる。

無機蛍光体の平均粒子径（Ｄ_５０）は、特に限定されない。無機蛍光体の平均粒子径（Ｄ_５０）は、例えば、１μｍ〜５０μｍ程度であることが好ましく、５μｍ〜２５μｍ程度であることがより好ましい。無機蛍光体の平均粒子径（Ｄ_５０）が大きすぎると、発光色が不均一になる場合がある。一方、無機蛍光体の平均粒子径（Ｄ_５０）が小さすぎると、発光強度が低下する場合がある。

波長変換層２０における無機蛍光体の含有量は、特に限定されない。波長変換層２０における無機蛍光体の含有量は、得ようとする蛍光の強度等に応じて適宜設定することができる。波長変換層２０における無機蛍光体の含有量は、例えば、１０体積％〜８０体積％であることが好ましく、２０体積％〜７５体積％であることがより好ましく、３０体積％〜７０体積％であることがさらに好ましい。波長変換層２０における無機蛍光体の含有量が少なすぎると、得られる蛍光の光強度が低くなってしまう場合がある。波長変換層２０における無機蛍光体の含有量が多すぎると、波長変換層２０の機械的強度が低くなる場合がある。また、波長変換層２０において励起光や蛍光が散乱しやすくなりすぎるため、蛍光の出射効率が低くなる場合がある。

波長変換層２０のガラスマトリクスは、無機蛍光体の分散媒として好適なものである限りにおいて特に限定されない。波長変換層２０のガラスマトリクスは、例えば、硼珪酸塩系ガラス、ＳｎＯ−Ｐ_２Ｏ_５系ガラスなどのリン酸塩系ガラスなどにより構成されていてもよい。

波長変換層２０のガラスマトリクスの軟化点は、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。

波長変換層２０のガラスマトリクスの屈折率（ｎｄ）は、１．４５〜２．００であることが好ましく、１．５〜１．８５であることがより好ましい。

波長変換層２０の厚みは、励起光が確実に無機蛍光体に吸収されるような厚みである範囲において、薄い方が好ましい。波長変換層２０が厚すぎると、波長変換層２０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ためである。具体的には、波長変換層２０の厚みは、１ｍｍ以下であることが好ましく、０．５ｍｍ以下であることがより好ましく、０．３ｍｍ以下であることがさらに好ましい。波長変換層２０の厚みの下限値は、通常、０．０３ｍｍ程度である。

波長変換層２０の熱膨張係数は、例えば、３０×１０^−７／Ｋ〜１２０×１０^−７／Ｋ程度であることが好ましく、７０×１０^−７／Ｋ〜１００×１０^−７／Ｋ程度であることがより好ましい。

波長変換層２０の一主面の上には、反射板１０が設けられている。反射板１０には、波長変換層２０に臨む少なくともひとつの貫通孔１０ａが設けられている。具体的には、図２に示されるように、貫通孔１０ａは、矩形状の反射板１０において、波長変換層２０の４つの角部のそれぞれに対応する位置に設けられている。

反射板１０は、光を反射させる機能に加えて、波長変換層２０を放熱させる機能を兼ね備えていることが好ましい。従って、反射板１０は、例えば、金属、なかでも熱伝導率の高い金属からなることが好ましい。具体的には、反射板１０は、例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ及びＡｇからなる群から選ばれた少なくとも一種の金属からなることが好ましい。

反射板１０は、一般的に、波長変換層２０よりも大きな熱膨張係数を有する。

反射板１０の厚みは、特に限定されないが、例えば、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度であることが好ましく、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度であることがより好ましい。

金属板１０の表面には、保護膜として酸化物層等が形成されていても構わない。

反射板１０の波長変換層２０とは反対側には、低熱膨張材３０が配されている。低熱膨張材３０は、反射板１０よりも低い熱膨張係数を有することが好ましい。例えば、低熱膨張材３０の熱膨張係数が、反射板１０の熱膨張係数よりも６０×１０^−７／Ｋ以上低いことが好ましく、１００×１０^−７／Ｋ以上低いことがより好ましい。具体的には、低熱膨張材３０の熱膨張係数は、３０×１０^−７／Ｋ〜１２０×１０^−７／Ｋの範囲にあることが好ましく、７０×１０^−７／Ｋ〜１００×１０^−７／Ｋの範囲にあることがより好ましい。なお、低熱膨張材３０の熱膨張係数は、波長変換層２０の熱膨張係数と近似していることが好ましい。具体的には、低熱膨張材３０の熱膨張係数は、波長変換層２０の熱膨張係数の±２０％の範囲にあることが好ましく、±５％の範囲にあることがより好ましい。

なお、本実施形態では、低熱膨張材３０が板状である例について説明するが、本発明において、低熱膨張材は板状でなくてもよい。低熱膨張材は、例えば、ブロック状であってもよい。

低熱膨張材３０は、例えば、金属や、ガラス、セラミックスなどにより構成することができる。なお、本発明において、「ガラス」には、結晶化ガラスが含まれるものとする。

低熱膨張材３０は、貫通孔１０ａが設けられた領域において波長変換層２０と直接接合されている。具体的には、低熱膨張材３０には、貫通孔１０ａに挿入された突起部３０ａが設けられている。突起部３０ａの頂面が波長変換層２０と直接接合されている。

低熱膨張材３０と波長変換層２０との接合方法は、特に限定されない。低熱膨張材３０と波長変換層２０との好ましい接合方法の具体例としては、例えば、陽極接合などの拡散接合などが挙げられる。

なお、反射板１０の厚みが十分に小さい場合は、突起部３０ａが必要ない場合もある。

図３は、波長変換部材１を用いた発光デバイス２の略図的断面図である。

発光デバイス２は、波長変換部材１と、光源５０とを備えている。光源５０は、無機蛍光体の励起波長を含む光Ｌ１を出射する。光Ｌ１は、ビームスプリッタ４０によって波長変換部材１に導かれる。光Ｌ１は、波長変換層２０に入射する。これにより波長変換層２０に含まれる無機蛍光体から蛍光が出射する。また、波長変換層２０を透過した光Ｌ１は、反射板１０によって波長変換層２０側に反射され、波長変換層２０に再入射する。この再入射光も無機蛍光体によって蛍光に変換される。

波長変換層２０において生じた蛍光Ｌ２は、ビームスプリッタ４０を透過して発光デバイス２から出射する。

発光デバイス２は、種々の光学装置に好適に適用される。なかでも、発光デバイス２は、高強度の光源を要するプロジェクタにより好適に用いられ、さらには、光源としてＬＤ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）またはＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）を用いたプロジェクタにさらに好適に用いられる。光源の出力が高い場合は、光源からの光によって樹脂接着層が劣化しやすいため、樹脂接着剤が用いられておらず、光劣化し難い波長変換部材１を用いることが特に好適であるためである。

ところで、プロジェクタ等に用いられる発光デバイスにおいては、光源の出力が高い。このため、光源からの光照射と共に波長変換部材の温度が上昇しやすい。

ここで、低熱膨張材が設けられておらず、波長変換層と反射板とにより構成された波長変換部材を用いた場合は、波長変換層と反射板との熱膨張率が大きく異なると、波長変換層と反射板との熱膨張量の差に起因して波長変換層と反射板とが剥離してしまう場合がある。波長変換層と反射板との剥離を抑制するためには、例えば波長変換層の熱膨張係数と近い、低い熱膨張係数を有する反射板を用いる必要がある。しかしながら、低い熱膨張係数を有する反射板は、一般的に光反射率が低い。従って、優れた耐久性と優れた出力特性とを両立することは困難である。

それに対して波長変換部材１では、波長変換層２０と低熱膨張材３０とが、反射板１０に形成された貫通孔１０ａを通じて接合されることにより、波長変換層２０と低熱膨張材３０との間に配された反射板１０が、波長変換層２０及び低熱膨張材３０と直接接合することなく固定されている。このため、反射板１０と波長変換層２０とに熱膨張差が生じた場合であっても、反射板１０と波長変換層２０との間に応力が加わり難い。よって、反射板を波長変換層に直接接合した場合とは異なり、反射板の熱膨張による剥離を考慮することなく、光反射率の高い反射板１０を採用することができる。その場合であっても、温度変化によって波長変換部材１が劣化し難い。従って、優れた耐久性と優れた出力特性との両立を図ることができる。

より優れた耐久性を実現する観点からは、反射板１０が波長変換層２０に直接接合されていないことが好ましい。また、反射板１０が低熱膨張材３０に直接接合されていないことが好ましい。

なお、貫通孔１０ａの大きさは、低熱膨張材３０と波長変換層２０とが十分に強固に接合可能な程度な範囲であれば特に限定されない。貫通孔１０ａが円形である場合は、貫通孔１０ａの直径を、１ｍｍ〜５ｍｍ程度とすることができる。貫通孔１０ａが矩形である場合は、貫通孔１０ａの一辺の長さを、１ｍｍ〜５ｍｍ程度とすることができる。

波長変換層２０の少なくとも一方の主面の上に、反射抑制膜等の機能膜等が設けられていてもよい。

１…波長変換部材
２…発光デバイス
１０…反射板
１０ａ…貫通孔
２０…波長変換層
３０…低熱膨張材
３０ａ…突起部
４０…ビームスプリッタ
５０…光源

Claims

ガラスマトリクス中に無機蛍光体粉末が分散してなる波長変換層と、
前記波長変換層の一主面の上に設けられており、前記波長変換層に臨む貫通孔が設けられた反射板と、
前記反射板の前記波長変換層とは反対側に設けられており、前記貫通孔が設けられた領域において前記波長変換層と接合されている低熱膨張材と、
を備える波長変換部材。
前記反射板が金属からなる、請求項１に記載の波長変換部材。
前記反射板が前記波長変換層に直接接合されていない、請求項１または２に記載の波長変換部材。
前記反射板が前記低熱膨張材に直接接合されていない、請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長変換部材。
前記波長変換層と前記低熱膨張材とが拡散接合されている、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１〜５のいずれか一項に記載の波長変換部材と、
前記波長変換部材に前記無機蛍光体の励起波長の光を照射する光源と、
を備える、発光デバイス。