JPWO2017126440A1 - 波長変換部材および発光装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、透過型の発光装置10を示す模式図である。図1に示すように、発光装置10は、光源50および波長変換部材100を備え、波長変換部材100を透過した光源光および波長変換部材100内で光源光による励起で発生した光を合わせて照射光を放射している。照射光は例えば白色光とすることができる。
波長変換部材100は、基材110および蛍光体層120を備え、板状に形成され、光源光を透過させつつ、光源光に励起して波長の異なる光を発生させる。例えば、青色光を透過させつつ、緑と赤の蛍光や黄色の蛍光を発生させて白色光を放射できる。基材110は、板状に形成され、例えば、光源光を透過させるガラスやサファイア等の無機材料で構成できる。基材110は、高い熱伝導性を有するサファイアからなることが好ましい。その結果、蛍光体層120の蓄熱を抑え、温度上昇を抑制でき、発熱による温度消光を防止できる。
図2(a)、(b)、(c)は、それぞれ本発明の波長変換部材の作製工程を示す断面図である。まず無機バインダ、溶剤、蛍光体粒子を準備する。好ましい無機バインダとして、例えばエタノールにシリコンの前駆体を溶かして得られたエチルシリケートを用いることができる。
(1.基材に対する消光状態の確認)
(1−1)試料の作製方法
まず、以下のように波長変換部材を作製した。エチルシリケートとテルピネオールをYAG蛍光体粒子(平均粒子径18μm)と混合して作製されたペーストを、スクリーン印刷法を用いて40μmの厚みになるよう基材となるガラス、サファイア、アルミニウムの板にそれぞれ塗布し、熱処理して波長変換部材の試料を得た。
上記作製方法により得られた波長変換部材にレーザを照射し、レーザ入力値に対する蛍光の発光強度と発光効率維持率を調べた。図3(a)、(b)は、それぞれ波長変換部材に対する透過型、反射型の評価システム700、800を示す断面図である。図3(a)に示すように、透過型の評価システム700は、光源710、平面凸レンズ720、両凸レンズ730、バンドパスフィルタ735、パワーメータ740で構成されている。なお、バンドパスフィルタ735は、波長480nm以下の光をカットするフィルタであり、蛍光の発光強度を測定する際に、透過した光源光(励起光)を蛍光と切り分けるために、両凸レンズとパワーメータの間に設置される。
上記の評価結果として基材に対する発光特性を確認できた。図4(a)、(b)は、それぞれ基材を変えたときの発光特性を示すグラフである。3種の基材で一定のレーザパワー密度まではパワー密度の増加に伴い蛍光の発光強度がほぼ比例の関係で増加していくことが確認された。サファイア基材ではレーザパワー密度が48W/mm2、アルミニウム基材では27W/mm2、ガラス基材では11W/mm2以上で発光が減少した。このことから、3種の基材のうち特にサファイア基材が蛍光体の消光を抑制できていると言える。
(2−1)試料の作製方法
エチルシリケートとテルピネオールをYAG系蛍光体粒子(平均粒子径6μm)と混合して作製されたペーストを、スクリーン印刷法を用いてそれぞれ9、14、30、60、70μmの厚みになるよう基材となるサファイア板に塗布し、下記の表の通り、波長変換部材の試料を得た。
上記の波長変換部材の作製方法により得られた波長変換部材について、透過型の評価システム700を用いてレーザ照射を行ない、レーザパワー密度に対する蛍光の発光強度および発光効率維持率を調べた。
上記の評価結果として蛍光体層の発光特性を確認できた。図5(a)、(b)は、それぞれ一定の蛍光体粒子径に対して蛍光体層の厚みを変えたときの発光特性を示すグラフである。各条件について、レーザパワー密度に対する蛍光の発光強度および発光効率維持率をそれぞれ示している。
(3−1)試料の作成方法
エチルシリケートとテルピネオールをYAG系蛍光体粒子と混合して作製されたペーストを、スクリーン印刷法を用いて基材となるサファイア板(透過型)に塗布した。
上記の波長変換部材の作製方法により得られた波長変換部材について、透過型の評価システム700を用いてレーザ照射を行ない、5W/mm2のレーザパワー密度における蛍光の発光強度を調べた。5W/mm2の低レーザパワー密度において、膜厚/平均粒子径が上記表1に示す範囲を含む適切な範囲で、同一粒径で膜厚を変化させたサンプルの発光強度を測定した。値が最大となる膜厚を有するサンプルの発光強度値を基準値(中心)として他のサンプル(基準値としたサンプルと同一粒径で膜厚が異なる)各膜厚での値が、基準値と比して50%以上であれば合格、50%未満であれば不合格とした。
(4−1)試料の作製方法
エチルシリケートとテルピネオールをYAG系蛍光体粒子と混合して作製されたペーストを、スクリーン印刷法を用いて膜厚が40μmになるよう基材となるサファイア板に塗布した。蛍光体粒子は、6、13、18μmの3種の平均粒子径のものを用いた。
上記の波長変換部材の作製方法により得られたサファイア基材の波長変換部材について、透過型の評価システム700を用いてレーザ照射を行ない、レーザパワー密度に対する蛍光の発光強度および発光効率維持率を調べた。
図6(a)、(b)は、それぞれ蛍光体粒子の平均粒子径を変えたときの発光特性を示すグラフである。図6(a)、(b)に示すように、蛍光体粒子の平均粒子径が大きいほど蛍光の発光強度が高くなることが確認された。蛍光体粒子が大きいほど変換効率が高いこと、また、蛍光体粒子同士の接点が少なくなり蓄熱を防止できたことの双方の効果によるものと考えられる。
(5−1)試料の作製方法
エチルシリケートとテルピネオールをYAG系蛍光体粒子(平均粒子径18μm)と混合して作製されたペーストを、スクリーン印刷法を用いて40μmの厚みになるよう基材となるサファイア板に塗布し波長変換部材の試料を得た。
得られた波長変換部材について空隙率の計算とレーザ照射試験を行ない、空隙率と蛍光の発光強度および飽和点の関係を確認した。空隙率は、蛍光体膜上の蛍光体粒子の最表面を直線で結んだ見かけ上の体積に対する、蛍光体膜内の空隙部分の体積の割合と定義して算出した。空隙部分の体積は、見かけ上の体積から固体成分の体積を差し引き算出した。
図7(a)、(b)は、それぞれ空隙率と蛍光の発光強度および飽和点の関係を示すグラフである。図7(a)、(b)に示す空隙率と蛍光の発光強度および飽和点の関係より、空隙率が30〜70%の範囲では蛍光の発光強度、飽和点が安定していることが確認された。空隙率が30%未満では製作時の熱処理により、剥離が発生してしまい、波長変換部材は製造困難である。この剥離の原因は、基材と蛍光体層との熱膨張の差によるものと考えられる。また、空隙率が70%以上では蛍光体層の構造の維持が難しく製造が困難である。
(6−1)評価方法
上記の波長変換部材の作製方法により得られた本発明の波長変換部材(膜厚40μm)と焼結体(一辺20.0mm、厚さ1.0mmの正方板形状)の蛍光体プレートについて、透過型の評価システム700を用いてレーザ照射を行ない、レーザパワー密度に対する蛍光の発光強度を調べて空隙率による蛍光の発光強度の変化を確認した。
図8(a)、(b)は、それぞれ焼結体と波長変換部材の発光特性を示すグラフである。図8(a)、(b)に示す波長変換部材のほうが、蛍光の発光強度が高いことが確認された。これは、波長変換部材の層内の空隙により光の散乱が起こり、効率よく光を変換するために蛍光の発光強度が高くなったと考えられる。一方で、空隙の少ない焼結体は、緻密であるため内部での光の散乱が少なくレーザ光を透過してしまうと考えられる。
50 光源
100 波長変換部材
110 基材
120 蛍光体層
121 透光性セラミックス
122 蛍光体粒子
410 ペースト
510 インキスキージ
520 シルクスクリーン
600 炉
700、800 評価システム
710 光源
720 平面凸レンズ
730 両凸レンズ
735 バンドパスフィルタ
740 パワーメータ
Claims (5)
- 特定範囲の波長の光を他の波長の光に変換するとともに、透過した光を照射光とする透過型の波長変換部材であって、
無機材料からなり、光を透過する基材と、
前記基材上に設けられ、吸収光に対し変換光を発する蛍光体粒子と前記蛍光体粒子同士を結合する透光性セラミックスとからなる蛍光体層と、を備え、
前記蛍光体層の厚みと前記蛍光体粒子の平均粒子径との比が30未満であり、
特定範囲の波長の光源光に対し、前記光源光が5W/mm2のパワー密度であるときに、前記蛍光体層の蛍光強度が、前記蛍光体層の最大蛍光強度の50%以上であることを特徴とする波長変換部材。 - 以下の条件を満たすことを特徴とする請求項1に記載の波長変換部材。
(a)前記蛍光体粒子の平均粒子径が1μm未満の場合は、前記蛍光体層の厚みと前記蛍光体粒子の平均粒子径との比が2以上30未満であること。
(b)前記蛍光体粒子の平均粒子径が1μm以上5μm未満の場合は、前記蛍光体層の厚みと前記蛍光体粒子の平均粒子径との比が2以上15未満であること。
(c)前記蛍光体粒子の平均粒子径が5μm以上10μm未満の場合は、前記蛍光体層の厚みと前記蛍光体粒子の平均粒子径との比が2以上10未満であること。
(d)前記蛍光体粒子の平均粒子径が10μm以上の場合は、前記蛍光体層の厚みと前記蛍光体粒子の平均粒子径との比が1.5以上5未満であること。 - 前記蛍光体層の、前記蛍光体粒子の最表面および前記基材と接する平面で挟まれた一定厚さの層の見かけ上の体積に対して、前記見かけ上の体積から前記見かけ上の体積内に含まれる固体成分の体積を差し引くことで算出された空隙部分の体積の割合を空隙率と定義した場合に、その前記空隙率は、30〜70%であることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の波長変換部材。
- 前記基材は、サファイアからなることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の波長変換部材。
- 特定範囲の波長の光源光を発生させる光源と、
前記光源光を吸収し、他の波長の光に変換し発光する請求項1から請求項4のいずれかに記載の波長変換部材と、を備えることを特徴とする発光装置。
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