JPWO2007148829A1 - 光変換用複合体、それを用いた発光装置および色調制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2006年6月22日に日本特許庁に出願した特願2006−172163号、及び2006年8月1日に日本特許庁に出願した特願2006−209435号に基づいて優先権を主張する出願であり、この特許出願の内容はここに参照して含める。
技術分野
本発明は、ディスプレイ、照明、バックライト光源等に利用できる発光ダイオード等の発光装置に関し、詳しくは、照射光を利用して蛍光を得る光変換部材である光変換用複合体と、その光変換用複合体を用いた発光装置および色調制御方法に関する。
しかし特開2000−208815号公報に代表される、現在一般的に用いられている白色発光ダイオードの構造では、蛍光体粉末をエポキシ等の樹脂と混合し塗布するため、蛍光体粉末と樹脂の混合状態の均一性確保、および塗布膜の厚みの安定化等の制御が難しく、白色発光ダイオードの色むら・バラツキが生じやすいことが指摘されている。また蛍光体粉末を用いる際に必要となる樹脂は金属やセラミックスに比べ耐熱性に劣るため、発光素子からの熱による変成で透過率低下を起こしやすく、現在求められている白色発光ダイオードの高出力化へのネックとなっている。
この種の蛍光体粉末を光変換に用いる白色発光ダイオードの発光効率、波長変換効率を高め、色むらを減らすことなどを目的として、特開2005−191197号公報に、基体上に形成した発光素子を覆うように透光性部材を形成し、さらに透光性部材を覆うように蛍光体粉末含有樹脂からなる蛍光体層を形成した発光装置において、透光性部材及び蛍光体層の上面を算術平均粗さ0.1〜0.8μmの粗面にすることが提案されている。しかしながら、この発光装置でも、十分な蛍光強度、出力を実現することはできていない。
本発明者らは蛍光を発する(Y、Ce)3Al5O12相とAl2O3相を含む複数の酸化物相が連続的にかつ三次元的に相互に絡み合って形成されている凝固体からなる光変換用複合体および青色発光素子を用いて構成される白色発光装置を提案してきた(国際公開 WO2004/065324号公報)。本光変換用複合体は、蛍光体相が均一に分布するため均質な黄色蛍光を安定して得ることができ、セラミックスであるため耐熱性に優れる。また、それ自身がバルク体であるため、白色発光装置の構成に樹脂を必要としない。このため本白色発光装置は色むら・バラツキが小さく、また高出力化に極めて好適である。
また、こうした青色発光素子と本光変換用複合体を用いて構成される白色発光装置においては、青色光と黄色蛍光の比率を光変換用複合体の厚みを変えることにより制御することができる。このため厚みのバラツキを抑えることにより、白色発光装置の色調のバラツキを容易に小さく抑えることができ、従来の蛍光体粉末を用いた構成に比べ製造工程上の大きな利点となっている。
しかしながら、本光変換用複合体は、その製造過程において構成相である酸化物相間の共晶反応を利用するため、各相の比率はある程度限定され、蛍光体相の量を大きく変えることは困難である。そのため、発光装置の色調調整において黄色成分の光を多くする必要がある場合、光変換用複合体の必要な厚さが厚くなり、その分光変換用複合体の材料コストが上昇してしまうという問題がある。また光変換用複合体内部での光の損失は小さいが、厚みが増すとその分は増加するため、発光装置の発光効率向上の面でも好ましくない。
本発明の目的は、より薄い厚みで必要な蛍光を得ることができ、低コストでかつ複合体内での光の損失を抑えた光変換用複合体を提供することである。また、発光素子と本光変換用複合体を用いた、高効率で、色の調整が容易でかつバラツキが小さい、高出力化に極めて好適な発光装置を提供することである。
また、本発明の好ましい形態として、該光変換用複合体が、少なくとも2つ以上の酸化物相が連続的にかつ三次元的に相互に絡み合った組織を有し、該酸化物相のうち少なくとも1つは蛍光を発する結晶相である凝固体からなる光変換用複合体に関する。
また、本発明の一つの好ましい形態では、光変換用複合体の光放射面が酸化物相毎に高さが異なる凹凸面である。
さらに、本発明の好ましい形態として該光変換用複合体が、組成成分として少なくともY元素、Al元素とCe元素を含む光変換用複合体に関する。
また、本発明は、前記光変換用複合体と発光素子とからなる発光装置に関する。
本発明の好ましい形態として、前記光変換用複合体が波長530〜580nmにピークを有する蛍光を発し、該発光素子が波長400nm〜500nmにピークを有する光を発する発光装置に関する。
また、本発明は、前記光変換用複合体の表面粗さを変えることにより、前記発光装置の色調を調整する色調調整方法に関する。
本発明の光変換用複合体を用いることで、同じ入射光により、従来より強い蛍光を得ることができる。これにより、より薄い光変換用複合体で必要な蛍光強度を得ることができるため、低コストでかつ複合体内での光の損失を抑えた光変換用複合体を提供することができる。また、光変換用複合体の厚みを変えずに蛍光強度を制御することができるため色の調整が容易な、発光素子と本光変換用複合体からなる高効率で高出力化に極めて好適な白色発光装置を提供することができる。
図2は本発明の光変換用複合体の組織構造の一例を示す実施例1の顕微鏡写真である。
図3は本発明の光変換用複合体の蛍光特性の一例を示す実施例1の蛍光スペクトル図である。
図4は本発明の発光装置の一例を示す実施例8の発光スペクトル図である。
図5は本発明の発光装置の色調調整法の一例を示す実施例9、10、11の色度図である。
図6は、実施例13で作製した光変換用複合体表面の断面を示す顕微鏡写真である。
図7は、実施例19で作製した光変換用複合体表面の断面を示す顕微鏡写真である。
図8は、実施例20で作製した光変換用複合体表面のレーザー顕微鏡写真である。
図9は、本発明の発光装置の一例を示す実施例21の発光スペクトル図である。
本発明の光変換用複合体は、少なくとも1つの蛍光を発する酸化物結晶相を含む複数の酸化物相からなる光変換用複合体であり、該光変換用複合体の光入射面と反対側の光放射面の少なくとも1つの表面の表面粗さが、算術平均粗さ(Ra)で0.05μm以上であることを特徴とする光変換用複合体である。通常光変換用複合体は、板状であり、変換される前の光が入射する入射面と、変換された光が外部に出て行く放射面とを有する。この入射面または放射面の表面粗さ(Ra)が0.05μm以上であることを特徴とする。
本発明の光変換用複合体は、少なくとも1つの蛍光を発する酸化物結晶相を含む複数の酸化物相からなり、蛍光を発する酸化物結晶相以外の構成酸化物相としては、ガラスまたは溶融凝固体でもよく、特に限定されるものではない。光変換用複合体の好ましい形態としては、少なくとも2つ以上の酸化物相が連続的にかつ三次元的に相互に絡み合った組織を有する凝固体であり、これら酸化物相のうち少なくとも1つは蛍光を発する結晶相である光変換用複合体が挙げられる。
光変換用複合体に励起光を入射することにより蛍光を発することができる。そして光変換用複合体の少なくとも一つの表面は、表面粗さがJIS B 060.05−1994記載の算術平均粗さ(以下Ra)で0.05μm以上になるよう加工されている。
本光変換用複合体表面が表面粗さRa≧0.05μmの粗い面の場合、Ra<0.05μmの鏡面に近い面に比べて、同じ厚みの光変換用複合体から、より強い蛍光を得ることができるため表面粗さRaは上記範囲に限定される。表面粗さRaが大きくなるに従い得られる蛍光強度は強くなり、表面粗さRa≧0.1μmがさらに好ましい。表面粗さRa≧0.1μmの面を持つ光変換用複合体は、表面粗さRa<0.05μmの鏡面に近い面を持つ同じ材料と厚みの光変換複合体に比べて、5%以上強い蛍光を得ることができるためである。表面粗さRa≧0.25μmがさらに好ましい。10%以上強い蛍光を得ることができるためである。よって光変換用複合体表面の表面粗さRaをより大きくすることで、より薄い厚みで必要な蛍光強度を得ることができる。これにより発光素子を作製する際の光変換用複合体の厚みを薄くすることができ、光変換用複合体の使用量を減らすことができるため、材料のコストが低減される。また従来よりも薄くなることで、光変換用複合体内部での光の損失も抑えられる。表面粗さRaの上限は特に限定されないが、光変換用複合体の厚みに対して表面粗さRaが大きくなりすぎると、形状の保持が困難になりハンドリング性も悪くなるため、実用的には、表面粗さRaは、光変換用複合体の厚みの1/2以下であることが好ましい。さらに表面粗さの形成のしや易さなどから50μm以下、さらに30μm以下がより好ましい。
また、本発明の光変換用複合体では、光透過面が表面粗さRa≧0.05μmの粗面であると、光出射面で光が散乱されるが、最終的に光変換用複合体を透過する全放射束の全入射束に対する相対量は必ずしも減少するものではなく、増加することができる。特に後述のように酸化物毎に凹凸面を形成しかつRa≧0.05μmの粗面にすると、光取出効率が顕著に向上し、蛍光強度をより向上させることができる。
また、本光変換用複合体における表面粗さRa≧0.05μmの粗い面が入射光の進路を横切る位置にあると、そこで入射光が散乱され蛍光を発する結晶相に効率良く吸収されることにより、より強い蛍光が得られるため好ましい。光変換用複合体が板状で、その厚み方向に光が進む場合、光の入射する面(入射面)と反対側の光が出て行く面(放射面)のいずれかが粗い面であると上記の効果により強い蛍光が得られる。さらに入射面と放射面の両方が粗い面であると、散乱の効果が増し、より強い蛍光が得られるためさらに好ましい。
酸化物相は組成成分および凝固体の製造条件により変化し特に限定されないが、組成成分として少なくともY元素、Al元素とCe元素を含む場合、Al2O3(サファイア)相、(Y、Ce)3Al5O12相等が挙げられ、こうした酸化物相が少なくとも2相以上含まれる。それぞれの酸化物相のうち少なくとも2相は、連続的にかつ三次元的に相互に絡み合った構造をしている。一部の酸化物相は他の酸化物相が形成する相互に絡み合った構造中に粒状に存在する場合もある。いずれにおいても各相の境界は、アモルファス等の境界層が存在せず、酸化物相同士が直接接している。このため光変換用複合体内での光の損失が少なく、光透過率も高い。
蛍光を発する結晶相も組成成分および凝固体の製造条件により変化し特に限定されないが、組成成分として少なくともY元素、Al元素とCe元素を含む場合、(Y、Ce)3Al5O12相等が挙げられ、こうした蛍光を発する結晶相が少なくとも1相含まれる。これら蛍光を発する結晶相を含む酸化物相が連続的にかつ三次元的に相互に絡み合った構造をとり、全体として各酸化物相が光変換用複合体内に均一に分布するため、部分的な偏りのない均質な蛍光を得ることができる。
前記Al2O3相と(Y、Ce)3Al5O12相の組み合わせは、容易に両者が連続的にかつ三次元的に相互に絡み合った構造が得られる。また(Y、Ce)3Al5O12相は、400〜500nmの紫〜青色励起光で、ピーク波長530〜560nmの蛍光を発することから、白色発光装置用光変換部材として好適である。このことから、組成成分として少なくともY元素、Al元素とCe元素を含むことは好ましい。加えてGd元素を含むと蛍光を発する結晶相として(Y、Gd、Ce)3Al5O12相が生成し、より長波長側のピーク波長540〜580nmの蛍光を発することができる。
本発明の光変換用複合体を構成する凝固体は、原料酸化物を融解後、凝固させることで作製される。例えば、所定温度に保持したルツボ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り作製されたものである。一方向凝固をおこなうことにより含まれる結晶相が単結晶状態で連続的に成長し、部材内での光の減衰が減少するためである。
本発明の光変換用複合体を構成する凝固体は、少なくとも1つの酸化物相が蛍光を発する結晶相であることを除き、本願出願人が先に特開平7−149597号公報、特開平7−187893号公報、特開平8−81257号公報、特開平8−253389号公報、特開平8−253390号公報および特開平9−67194号公報並びにこれらに対応する米国出願(米国特許第5,569,547号、同第5,484,752号、同第5,902,963号)等に開示したセラミックス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。
本発明の光変換用複合体は、上記方法により得られた凝固体を所定の形状に加工し、表面を所定の表面粗さに調整することで得られる。表面粗さの調整に用いる方法は特に限定されないが、砥石・砥粒による研削・研磨等の物理的な方法が容易で好適である。
本発明の光変換用複合体の表面粗さの調整は、表面の酸化物相が各々所定の高さになるよう表面処理を行ない、酸化物毎に高さが異なる凹凸面を形成することでも行うことができる。表面処理の方法は特に限定されないが、酸溶液中での化学的処理(湿式エッチング)、各種ガス雰囲気下における熱処理(乾式エッチング)、等の方法が好適である。いわゆる選択エッチング方法、すなわち、酸化物の種類によりエッチングの選択率が異なるエッチング方法である。エッチング剤は複合酸化物の種類に応じて適当に選択すればよい。例えば硫酸・リン酸混合溶液、C等の酸化物を還元する作用を有する元素を含むガスなどが使用できる。この方法によれば、光変換用複合体の表面の粗さを調整するに際して、光変換用複合体の表面組織を破壊せずに所望の表面粗さを実現できるので、より優れて高い蛍光強度を実現することができ、またより大きい表面粗さRaを形成する上でも好ましい。
また、本発明の光変換用複合体の表面粗さの調整は、上記の砥石・砥粒による研削・研磨等の物理的な方法と、酸溶液中での化学的処理、各種ガス雰囲気下における熱処理、等の方法の組み合わせでもよい。この場合、酸化物毎に高さが異なる凹凸面が形成されるとともに、段差のある凹凸面がさらに粗面化されている。
本発明の光変換用複合体は、表面粗さが0.05μm以上であることで蛍光強度が向上するが、酸化物毎に高さが異なる凹凸面を形成すると、鏡面と比べて、さらには研磨で形成した粗面と比べても、おそらく光出射面で全反射される割合が低下するために、光変換用複合体からより多くの光を取出すことができるので、蛍光強度の向上により大きく寄与することができる。酸化物毎に高さが異なる凹凸面を形成し、かつ表面粗さが0.1μm以上であることがより好ましい。
このように、本発明の光変換用複合体は、蛍光を発する結晶相を含む各酸化物相が連続的にかつ三次元的に相互に絡み合って存在し、均質な蛍光を得ることができると共に、光変換用複合体の表面を表面粗さRa≧0.05μmとすることで、同じ厚みの光変換用複合体に比べ、より効率良く入射光を蛍光を発する結晶相に吸収させることができるため、より強い蛍光を得ることができる。また表面粗さRaを変えることにより、得られる蛍光強度を制御できる。こうしたことにより、より薄い厚みで必要な蛍光強度を得ることができ、必要な光変換用複合体の体積が少なくてすむため、低コストでかつ複合体内での光の損失を抑えた光変換用複合体を提供することができる。
本発明の発光装置は、前記本発明の光変換用複合体と発光素子とからなる装置であり、発光素子からの光を光変換用複合体に照射し、光変換用複合体を透過した光および、発光素子からの光が光変換用複合体により波長変換された蛍光を利用することを特徴とする。図1は、本発明の発光装置の一実施形態を示した模式的断面図である。図中、1は光変換用複合体、2は発光素子(発光ダイオード素子)、3はリードワイヤー、4はリード電極、5は固定部材光変換用複合体1を保持する部材である。光変換用複合体1は側面が部材5によって保持され覆われて、発光素子2からの光を入射する面2aと、光変換用複合体1を透過する光(一部の光は変換され、透過光と混合されている)を放射する面2bを有する。
本発明の発光装置の一実施形態である白色発光装置は、波長400nm〜500nmにピークを有する光を発する紫〜青色発光素子と、該発光素子から発する光によりピーク波長530〜580nmの黄色蛍光を発する上記光変換用複合体とからなる。紫〜青色発光素子から発する紫〜青色光を、その波長に合わせて白色が得られるように蛍光ピーク波長の調整をおこなった光変換用複合体に入射する。それによって励起された蛍光を発する結晶相からの黄色蛍光と、蛍光を発さない結晶相を透過した紫〜青色光が、酸化物相が連続的にかつ三次元的に相互に絡み合う構造により、均質に混合されることで、色むらが小さい白色を得ることができる。
本発明の発光装置に用いる光変換用複合体は、前記方法により板状等の適切な形状に作製される。発光装置の色調は、光変換用複合体の厚みを変えることの他に、光変換用複合体表面の表面粗さを変えることによっても、容易に制御することができる。そして光変換用複合体の厚みと表面粗さを最適にすることにより、光変換用複合体内部での光損失を抑えた高効率の発光装置を得ることができる。また発光装置の色調のバラツキは、光変換用複合体の厚みの精度を保つことで容易に小さく抑えることができる上に、後から表面粗さの微調整をすることでさらに小さく抑えることができる。本光変換用複合体は、そのまま単独で部材として使用することが可能で封入樹脂が必要なく、熱・光による劣化がないため、高出力の紫〜青色発光素子と組み合わせて使用することができ、発光装置の高出力化が可能である。
本発明の発光装置に用いる発光素子は、発光ダイオード素子、レーザー光を発生する素子などが挙げられるが、発光ダイオード素子が小型で安価に得られるため好ましい。
本発明により、光変換用複合体の表面粗さにより色調の調整が容易に可能で、また厚みと表面粗さを最適化することにより、光変換用複合体内部での光損失を抑えた高効率の発光装置を提供することができる。また本発光装置は、熱や光による劣化がなく、高出力化に極めて好適である。
(実施例1)
α−Al2O3粉末(純度99.99%)をAlO3/2換算で0.82モル、Y2O3粉末(純度99.9%)をYO3/2換算で0.175モル、CeO2粉末(純度99.9%)を0.005モルとなるよう秤量した。これらの粉末をエタノール中、ボールミルによって16時間湿式混合した後、エバポレー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ボに仕込み、一方向凝固装置にセットし、1.33×10−3Pa(10−5Torr)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ボを5mm/時間の速度で下降させ、Al2O3(サファイア)相、(Y、Ce)3Al5O12相、CeAl11O18相の3つの酸化物相からなる凝固体を得た。
凝固体の凝固方向に垂直な断面組織を図2に示す。Aの黒い部分がAl2O3(サファイア)相、Bの白い部分が(Y、Ce)3Al5O12相、わずかに存在するCの灰色の部分がCeAl11O18相である。各酸化物相が連続的にかつ三次元的に相互に絡み合った組織を有し、主たる蛍光体相である(Y、Ce)3Al5O12相が均一に分布していることが分かる。このため均質な蛍光を得ることができる。
得られた凝固体からφ16mm×0.2mmの円盤状試料を切り出し、日本分光製固体量子効率測定装置で蛍光特性の評価をおこなった。真のスペクトルを求めるために補正を副標準光源を用いておこなった。蛍光スペクトルを図3に示す。波長460nmの励起光により、547nmにピーク波長を持つブロードな蛍光スペクトルが得られた。
得られた凝固体から2mm×2mm×0.15mmの板状で、2mm×2mmの面の表面粗さが上面はRa=0.07μm、下面はRa=0.04μmとなる光変換用複合体試料を作製した。上面は#3000(JIS R6001)の砥粒を用いた砥石研削で、下面は研磨用ペーストを用いた研磨により所望の表面粗さに調整した。
得られた光変換用複合体材料の側面を覆って保持し、光変換用複合体材料の下面側から波長463nmの励起光を入射し、上面側で出てくる蛍光を積分球を用いて集め、分光器により波長547nmの蛍光の強度測定をおこなった。後述する同一厚みで上下面共Ra=0.04μmである比較例1の最大蛍光強度を100とすると、本実施例の相対蛍光強度は104となり、本光変換用複合体表面の表面粗さを片面だけでもRa≧0.05μmとすることで、強い蛍光が得られていることがわかる。
(比較例1)
実施例1で作製した凝固体から2mm×2mm×0.15mmの板状で、2mm×2mmの面の表面粗さが上下面共Ra=0.04μmに実施例1と同様な方法で調整した光変換用複合体試料を作製し、下面側から励起光を入射し、上面側で出てくる蛍光強度の測定を実施例1と同様にしておこなった。同時に、上面側で放射される光を積分球を用いて集め、放射された全光の積分値(全放射束)を求めた。得られた最大蛍光強度と全放射束を100とし、以後の実施例の蛍光強度と全放射束をこれとの相対値で示すこととする。
(実施例2〜7)
実施例1で作製した凝固体から2mm×2mm×0.15mmの板状で、2mm×2mmの面の表面粗さが表1で示すような光変換用複合体試料を作製し、下面側から励起光を入射し、上面側で出てくる蛍光強度の測定を実施例1と同様にして行った。表面粗さの調整は、研削に用いる砥石の砥粒の番手(JIS R6001)を#1000〜#200とすることでおこなった。各実施例の相対蛍光強度を表1に示す。実施例2、3、4では上面の表面粗さRaが大きくなるに従い相対蛍光強度が増加し、いずれも相対蛍光強度105以上が得られており、表面粗さRa≧0.1μmとすることにより5%以上、さらにRa≧0.25μmとすることにより10%以上、強い蛍光を得ることができることがわかる。実施例4、5では表面粗さRaが0.05μm以上の面が、入射面である下面、放射面である上面のいずれであっても同様に強い相対蛍光強度が得られることがわかる。また実施例4、6、7では上下両面の表面粗さRaを共に大きくすることで、さらに相対蛍光強度が増加することがわかる。
さらに実施例2、4、6、7では蛍光強度の測定と同時に、上面側で放射される光を積分球を用いて集め、放射された全光の積分値(全放射束)を求めた。比較例1を100とすると、いずれの実施例でも相対全放射束が100以上となり、全放射束も増加していることがわかる。
実施例1で作製した凝固体から2mm×2mm×0.15mmの板状で、2mm×2mmの面の表面粗さが上下面共Ra=0.04μmに実施例1と同様な方法で調整した光変換用複合体を作製し、青色(463nm)を発する発光ダイオード素子と組み合わせ、図1に示すような白色発光装置を構成し発光スペクトルの測定をおこなった結果を図4に示す。青色(463nm)、光変換用複合体からの黄色(540nm付近)をそれぞれピークとする光成分が混合されていることが認められる。CIE色度座標はx=0.27、y=0.29であった。
(実施例8)
実施例1で作製した凝固体から2mm×2mm×0.07mmの板状で、2mm×2mmの面の表面粗さが上下面共Ra=1.6μmに#200(JIS R6001)の砥粒を用いた砥石による研削で調整した光変換用複合体を作製し、青色(463nm)を発する発光ダイオード素子と組み合わせ、比較例2と同様な白色発光装置を構成し発光スペクトルの測定をおこなった結果を図4に比較例2と合わせて示す。CIE色度座標はx=0.27、y=0.29が得られ、比較例2より厚みが約50%薄いにもかかわらず、同一色度であった。これより光変換用複合体表面の表面粗さRaが大きくなるに従い、より薄い厚みで同一色度の発光装置を構成することができることがわかる。またスペクトルにおける全光の積分値(全放射束)を比較すると、比較例2を1とすると実施例8では1.1となり、実施例8の方がより多くの光(放射束)が得られている。このことから複合体表面の表面粗さRaを大きくすることで、光の損失を抑えた効率の良い発光装置を構成することができることがわかる。
(実施例9〜11)
実施例1で作製した凝固体から2mm×2mm×0.15mmの板状で、2mm×2mmの面の表面粗さが上面はRa=0.14μm(実施例9)、0.43μm(実施例10)、0.67μm(実施例11)、下面は全てRa=0.04μmに実施例2〜7と同様の方法で調整した変換用光変換用複合体試料を作製し、青色(463nm)を発する発光ダイオード素子と組み合わせ白色発光装置を構成した場合のCIE色度を比較例2と合わせて図5に示す。光変換用複合体の厚みが0.15mmで同じ場合、表面の表面粗さRaが大きくなるに従い、CIE色度座標はx、yが大きくなる方向(黄色が強くなる方向)に変化している。これを用いることで、光変換用複合体表面の表面粗さRaにより、発光装置の色調を制御することができる。
(実施例12)
成分としてAl2O3、SiO2、B2O3、Na2O,K2Oを含む軟化点750℃のガラス粉末と蛍光を発する(Y0.95、Ce0.05)3Al5O12結晶粉末を体積比で99:1となるようよう秤量した。これらの粉末をエタノール中、ボールミルによって16時間湿式混合した後、エバポレーターを用いてエタノールを脱媒して原料粉末を得た。原料粉末にバインダーとしてPVAを1wt%添加し、金型に充填し面圧100kgf/cm2で加圧をおこない、φ10mm×5mmの成形体を得た。得られた成形体を脱バインダーした後、800℃で焼成し、蛍光を発する結晶相を含む焼結体を得た。
得られた焼結体から2mm×2mm×0.5mmの板状で、2mm×2mmの面の表面粗さを研磨により上下面Ra=0.04μmとした光変換用複合体試料と、研削により上下面Ra=1.6μmである光変換用複合体試料を作製し、実施例1と同様の方法で蛍光強度を測定し比較をおこなった。その結果、表面粗さが上下面Ra=1.6μmである光変換用複合体試料の方が約15%強い蛍光を得ることができた。
(実施例13)
実施例1で作製した凝固体から2mm×2mm×0.15mmの板状で、2mm×2mmの面の表面粗さがRa=0.04μmの鏡面である試料を作製し、硫酸:リン酸=1:1(容積比)の混合酸中で200℃×2hの熱処理をおこない、(Y、Ce)3Al5O12相がAl2O3相より約7μm低い凹凸表面である光変換用セラミックス複合体を得た。得られた光変換用セラミックス複合体表面の断面を図6に示す。Aの黒い部分がAl2O3(サファイア)相、Bの白い部分が(Y、Ce)3Al5O12相であり、(Y、Ce)3Al5O12相がAl2O3相より約7μm低い凹凸面が形成されている。この凹凸面の表面粗さはRa=3.2μmであった。
得られた光変換用複合体材料の側面を覆って保持し、光変換用複合体材料の下面側から波長463nmの励起光を入射し、上面側で出てくる蛍光を積分球を用いて集め、分光器により波長547nmの蛍光の強度測定をおこなった。前述の同一厚みで上下面共Ra=0.04μmである比較例1の最大蛍光強度を100とすると、本実施例の相対蛍光強度は131となり、酸化物相毎に高さが異なる凹凸面を形成し表面粗さRa≧0.05μmとすることで、より強い蛍光が得られることがわかる。
さらに蛍光強度の測定と同時に、上面側で放射される光を積分球を用いて集め、放射された全光の積分値(全放射束)を求めた。比較例1を100とすると、相対全放射束は109となり、全放射束が顕著に増加していることがわかる。
(実施例14〜18)
実施例1で作製した凝固体から、実施例13と同様に、2mm×2mm×0.15mmの板状で、2mm×2mmの面の表面粗さがRa=0.04μmの鏡面である試料を、硫酸:リン酸=1:1(容積比)の混合酸中で150〜200℃で1〜4hの熱処理をおこない、(Y、Ce)3Al5O12相がAl2O3相より低く、その段差高さと平均粗さRaが表2に示すような凹凸面が形成された光変換用セラミックス複合体を得た。各実施例の光変換用セラミックス複合体について、実施例13と同様に蛍光強度の測定をおこない、得られた蛍光強度を表2に示す。酸化物相毎に高さが異なる凹凸面を形成した場合、高さ段差とそれに伴って表面粗さRaが大きくなるに従い、蛍光強度が増加し、表面粗さRa≧0.1μmとすることにより5%以上、さらにRa≧0.25μmとすることにより10%以上、強い蛍光が得られていることがわかる。また同時に全放射束も増加していることがわかる。
(実施例19)
実施例1で作製した凝固体から2mm×2mm×0.15mmの板状で、2mm×2mmの面の表面粗さがRa=0.04μmの鏡面である試料を作製し、1.33×10−3Pa(10−5Torr)の圧力下においてカーボン容器中で1400℃×1hの熱処理をおこない、表面の各酸化物相毎に高さが異なる凹凸面が形成された光変換用セラミックス複合体を得た。得られた光変換用セラミックス複合体表面の断面を図7に示す。Aの黒い部分がAl2O3(サファイア)相、Bの白い部分が(Y、Ce)3Al5O12相であり、実施例13〜18とは逆にAl2O3相が(Y、Ce)3Al5O12相より約20μm低い凹凸面が形成されている。実施例13と同様に蛍光強度、全放射束の測定をおこなったところ、表2に示すように、同じ段差高さである実施例18とほぼ同じ値が得られ、この場合においても同様の効果があることがわかる。
実施例1で作製した凝固体から2mm×2mm×0.15mmの板状の光変換用複合体試料を作製し、2mm×2mmの面の表面粗さをRa=1.6μmに調整した後に、硫酸:リン酸=1:1(容積比)の混合酸中で200℃×2hの熱処理をおこない、図8に示すように(Y、Ce)3Al5O12相がAl2O3相より約5−10μm低い凹凸表面を得た。Al2O3相の表面は粗面のままであるが、(Y、Ce)3Al5O12相の表面は処理により粗さが減少した面となっている。この凹凸面全体の表面粗さはRa=7.2μmであった。
得られた光変換用複合体材料の側面を覆って保持し、光変換用複合体材料の下面側から波長463nmの励起光を入射し、上面側で出てくる蛍光を積分球を用いて集め、分光器により波長547nmの蛍光の強度測定をおこなった。前述の同一厚みで上下面共Ra=0.04μmである比較例1の最大蛍光強度を100とすると、本実施例の相対蛍光強度は135となり、酸化物相毎に高さが異なる凹凸面で、さらに凹凸面を粗面とすることにより、表面粗さRaが大きくなり、さらに蛍光強度が増加することがわかる。
(実施例21)
実施例1で作製した凝固体から2mm×2mm×0.07mmの板状の光変換用複合体試料を作製し、2mm×2mmの面の表面粗さをRa=1.6μmに調整した後に、硫酸:リン酸=1:1(容積比)の混合酸中で200℃×120minの熱処理をおこない、実施例20と同様の(Y、Ce)3Al5O12相がAl2O3相より約5−10μm低い凹凸でかつ凹凸面が粗面である表面を得た。本光変換用複合体試料を青色(463nm)を発する発光ダイオード素子と組み合わせ、比較例2と同様な白色発光装置を構成し発光スペクトルの測定をおこなった結果を図9に比較例2と合わせて示す。CIE色度座標はx=0.27、y=0.29が得られ、比較例2より厚みが約50%薄いにもかかわらずほぼ同一色度であった。またスペクトルにおける全光の積分値(全放射束)を比較すると、比較例2を1とすると実施例21では1.13となり、実施例22の方がより多くの光(放射束)が得られている。このことから酸化物相毎に高さが異なる凹凸面で、さらに凹凸面を粗面とすることにより、複合体表面の表面粗さRaを大きくすることで、光の損失を抑えた効率の良い発光装置を構成することができることがわかる。
Claims (12)
- 少なくとも1つの蛍光を発する酸化物結晶相を含む複数の酸化物相からなる光変換用複合体であり、該光変換用複合体の光入射面と反対側の光放射面の少なくとも1つの表面の表面粗さが、算術平均粗さ(Ra)で0.05μm以上であることを特徴とする光変換用複合体。
- 該光変換用複合体が、少なくとも2つ以上の酸化物相が連続的にかつ三次元的に相互に絡み合った組織を有し、該酸化物相のうち少なくとも1つは蛍光を発する結晶相である凝固体からなることを特徴とする請求項1に記載の光変換用複合体。
- 光入射面と反対側の光放射面の両方の表面粗さが、算術平均粗さ(Ra)で0.05μm以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の光変換用複合体。
- 光入射面と反対側の光放射面のいずれかの表面の表面粗さが、算術平均粗さ(Ra)で0.05μm以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の光変換用複合体。
- 光放射面の平均粗さ(Ra)が1μm以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の光変換用複合体。
- 光変換用複合体の光放射面が酸化物相毎に高さが異なる凹凸面であることを特徴とする請求項2記載の光変換用複合体。
- 光変換用複合体の光入射面が酸化物相毎に高さが異なる凹凸面であることを特徴とする請求項2または6記載の光変換用複合体。
- 光放射面の平均粗さ(Ra)が1μm以上であることを特徴とする請求項6または7に記載の光変換用複合体。
- 該光変換用複合体が、組成成分として少なくともY元素、Al元素とCe元素を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の光変換用複合体。
- 請求項1〜9のいずれか1項に記載の光変換用複合体と発光素子とからなる発光装置。
- 前記光変換用複合体が波長530〜580nmにピークを有する蛍光を発し、該発光素子が波長400nm〜500nmにピークを有する光を発することを特徴とする請求項10記載の発光装置。
- 前記光変換用セラミック複合体の表面粗さを変えることにより、請求項10または11に記載の発光装置の色調を調整する色調調整方法。
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