KR102470285B1 - 광파장 변환 장치 및 광복합 장치 - Google Patents

광파장 변환 장치 및 광복합 장치 Download PDF

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Abstract

방열 특성이 우수하고, 게다가, 광파장 변환 특성이 우수한 광파장 변환 장치 및 광복합 장치를 제공하는 것. 광파장 변환 장치 (1) 는, 광파장 변환 부재 (9) 에 방열성이 우수한 방열 부재 (13) 를 접합하는 구성에 의해, 광파장 변환 부재 (9) 에 입사하는 광에 의해 발생하는 열을 효율적으로 방열할 수 있다. 그 때문에, 높은 에너지의 광이 입사하여도, 온도 소광이 잘 발생하지 않기 때문에, 높은 형광 강도를 유지할 수 있다. 또, 반사막 (19) 과 접합부 (15) 사이에 중간막 (21) 을 구비하고 있다. 그 때문에, 반사막 (19) 과 접합부 (15) 의 접합성이 향상되므로, 광파장 변환 부재 (9) 측으로부터 방열 부재 (13) 측으로의 방열성이 향상된다. 이로써, 광파장 변환 부재 (9) 의 온도 소광을 억제할 수 있으므로, 형광 강도가 향상된다.

Description

광파장 변환 장치 및 광복합 장치
본 개시는, 예를 들어, 광파장 변환 기기, 형광재, 각종 조명, 영상 기기 등에 사용되는, 광의 파장의 변환이 가능한 광파장 변환 장치 및 광복합 장치에 관한 것이다.
예를 들어, 헤드 램프나 각종 조명 기기 등에서는, 발광 다이오드 (LED : Light Emitting Diode) 나 반도체 레이저 (LD : Laser Diode) 의 청색광을, 광파장 변환 부재인 형광체에 의해 파장 변환함으로써 백색을 얻고 있는 장치가 주류가 되어 있다.
형광체로는, 수지계나 유리계 등이 알려져 있는데, 최근, 광원의 고출력화가 진행되고 있어, 형광체에는, 보다 높은 내구성이 요구되도록 된 점에서, 세라믹스 형광체가 주목받고 있다.
또, 최근에는, 상기 서술한 형광체를 사용한 장치로서, 소정 방향 (예를 들어, 상면) 으로부터 광을 입사하여 광의 파장 변환을 실시하고, 반사막에서 반대 방향으로 반사하여, 장치의 외부로 파장 변환 후의 광 (즉, 형광) 을 방사하는 장치가 제안되어 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조).
국제 공개 제2014/021027호
그런데, 상기 서술한 종래 기술에서는, 광파장 변환 부재인 형광체에 방열 부재를 접합시켜 방열을 실시하고 있지만, 방열 효과가 충분하지 않다. 그 때문에, 형광체의 온도가 상승하면, 온도 소광에 의해, 방사되는 광의 강도 (즉, 발광 강도 : 형광 강도) 가 저하될 우려가 있었다.
또, 상기 종래 기술의 형광체에서는, 그 재료로서, 단일 조성의 YAG 계 형광체 등을 사용하고 있지만, 예를 들어, 높은 형광 강도나 적은 색 불균일 등의 충분한 광파장 변환 특성이 얻어지고 있지 않는 것이 현상황이다.
본 개시는, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 방열 특성이 우수하고, 게다가, 광파장 변환 특성이 우수한 광파장 변환 장치 및 광복합 장치를 제공하는 것에 있다.
(1) 본 개시의 제 1 국면은, 입사한 광의 파장을 변환하는 광파장 변환 부재와, 그 광파장 변환 부재보다 방열성이 우수한 방열 부재와, 상기 광파장 변환 부재와 상기 방열 부재를 접합하는 접합부를 구비한 광파장 변환 장치에 관한 것이다.
이 광파장 변환 장치에서는, 상기 광파장 변환 부재는, 상기 광이 입사하는 제 1 면에 광의 반사를 억제하는 반사 방지막을 구비하고, 상기 제 1 면과 반대측인 제 2 면에 광을 반사하는 반사막을 구비하고, 그 반사막과 상기 접합부 사이에 상기 반사막과 상기 접합부의 접합성을 향상시키는 중간막을 구비하고 있다.
또한, 상기 광파장 변환 부재는, 형광성을 갖는 결정 입자를 주체로 하는 형광상과, 투광성을 갖는 결정 입자를 주체로 하는 투광상을 갖는 세라믹스 소결체로 구성된 세라믹스 형광체이다.
게다가, 상기 투광상의 결정 입자는 Al2O3 의 조성을 갖고, 상기 형광상의 결정 입자는 화학식 A3B5O12 : Ce 로 나타내는 조성을 가짐과 함께, 상기 A 원소 및 상기 B 원소는, 각각 하기 원소군에서 선택되는 적어도 1 종의 원소로 구성되어 있다.
A : Sc, Y, 란타노이드 (단, Ce 는 제외한다)
(단, A 로서 추가로 Gd 를 포함하고 있어도 된다)
B : Al (단, B 로서 추가로 Ga 를 포함하고 있어도 된다)
이와 같이, 본 제 1 국면에서는, 광파장 변환 부재에 방열성이 우수한 (즉, 열전도율이 높은) 방열 부재를 접합하는 구성에 의해, 광파장 변환 부재에 입사하는 광 (예를 들어, 레이저광) 에 의해 발생하는 열을 효율적으로 방열할 수 있다. 그 때문에, 높은 에너지의 광이 입사되어도 (예를 들어, 높은 레이저 출력의 레이저광이 입사되어도), 온도 소광이 잘 발생하지 않기 때문에, 높은 형광 강도를 유지할 수 있다.
또한, 이 방열 부재의 재료로는, 구리 (Cu), 알루미늄 (Al), 질화알루미늄 (AlN) 등의 재료를 채용할 수 있고, 특히 구리를 방열 부재에 사용하는 것이 바람직하다. 또, 방열 부재의 두께로는, 0.1 ㎜ ∼ 4 ㎜ 의 범위인 것이 바람직하다.
본 제 1 국면에서는, 방열 부재와 중간막 사이에 접합부를 형성함으로써, 방열 부재와 반사막을 바람직하게 접합할 수 있다. 이 접합부의 재료로는, 땜납, 금속 브레이징, 은 페이스트, 무기 바인더 등의 재료를 채용할 수 있다. 또한, 열전도성을 향상시키기 위해서, 땜납을 사용하는 것이 바람직하다. 또, 접합부의 두께로는, 0.01 ㎛ ∼ 100 ㎛ 의 범위인 것이 바람직하다.
본 제 1 국면에서는, 광파장 변환 부재의 제 2 면에 반사막을 구비하고 있으므로, 광파장 변환 부재의 내부에서 발생하는 형광을 효율적으로 반사할 수 있다. 그 때문에, 통상이라면 투과하는 광을 반사시켜, 목적으로 하는 방향 (즉, 외부) 으로 효율적으로 방사시킬 수 있다. 따라서, 광파장 변환 부재의 발광 강도가 향상된다.
이 반사막의 재료로는, 알루미늄, 산화니오브, 산화티탄, 산화란탄, 산화탄탈, 산화이트륨, 산화가돌리늄, 산화텅스텐, 산화하프늄, 산화알루미늄, 질화규소 등의 재료를 채용할 수 있다. 또한, 반사막은, 단층이어도 되고 다층 구조여도 된다. 또, 반사막의 두께로는, 0.1 ㎛ ∼ 1 ㎛ 의 범위인 것이 바람직하다.
본 제 1 국면에서는, 광파장 변환 부재의 제 1 면에 반사 방지막 (예를 들어, AR 코트) 을 구비하고 있으므로, 제 1 면에서의 광의 반사를 억제할 수 있다. 그 때문에, 광파장 변환 부재에 많은 광을 입사시킬 수 있으므로, 입사된 광을 형광상의 결정 입자에 효율적으로 흡수시킬 수 있다. 또한, 반사 방지막이 있는 경우에는, 광파장 변환 부재의 내부에서 발생한 광을 효율적으로 외부로 취출하는 것이 가능해진다. 그 때문에, 광파장 변환 부재의 발광 강도가 향상된다.
이 반사 방지막으로서, 산화니오브, 산화티탄, 산화탄탈, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화규소, 질화알루미늄, 질화규소, 불화마그네슘 등의 재료를 채용할 수 있다. 또한, 반사 방지막은 단층이어도 되고 다층 구조여도 된다. 또, 반사 방지막의 두께로는, 0.01 ㎛ ∼ 1 ㎛ 의 범위인 것이 바람직하다.
본 제 1 국면에서는, 반사막 (예를 들어, Al 층) 과 접합부 (예를 들어, 땜납층) 사이에 반사막과 접합부의 접합성을 향상시키는 중간막 (예를 들어, Ni 층) 을 구비하고 있다. 그 때문에, 반사막과 접합부의 접합성이 향상되므로, 반사막측의 광파장 변환 부재로부터 접합부측의 방열 부재로의 방열성이 향상된다는 효과가 있다. 이로써, 광파장 변환 부재의 온도 소광을 억제할 수 있으므로, 형광 강도가 향상된다는 이점이 있다.
이 중간막의 재료로는, 금 (Au), 은 (Ag), 니켈 (Ni) 등의 재료를 채용할 수 있다. 또한, 중간막은 단층이어도 되고 다층 구조여도 된다. 또, 중간막의 두께로는, 0.01 ㎛ ∼ 1 ㎛ 의 범위인 것이 바람직하다.
또, 본 제 1 국면에서는, 기본적인 구성으로서, 광파장 변환 부재는, 형광성을 갖는 결정 입자를 주체로 하는 형광상과, 투광성을 갖는 결정 입자를 주체로 하는 투광상을 갖는 세라믹스 소결체로 구성되고, 게다가, 세라믹스 소결체가, 상기 원소군에서 선택되는 적어도 1 종의 원소로 구성되어 있는 A3B5O12 : Ce 로 나타내는 가닛 구조를 갖고 있다.
이와 같이, 광파장 변환 부재에 상기 세라믹스 소결체를 사용함으로써, 형광상과 투광상의 계면에서의 광의 산란이 일어나, 광의 색의 각도 의존성을 줄일 수 있어, 색 균질성을 향상시킬 수 있다 (즉, 색 불균일을 저감시킬 수 있다).
게다가, 광파장 변환 부재에 상기 세라믹스 소결체를 사용함으로써, 열전도율이 양호해지므로, 예를 들어, 레이저광 등의 광의 조사에 의해 광파장 변환 부재에서 발생한 열을, 효율적으로 방열 부재에 배출할 수 있다. 그 때문에, 예를 들어, 레이저광의 고출력역에서도, 높은 형광 특성을 유지할 수 있다.
또, 종래와 같이, 광파장 변환 부재의 종류가 단일 조성이면 광의 산란이 일어나지 않고, 광의 색의 각도 의존성이 커져, 광의 색의 불균일이 발생한다. 또, 형광체에 수지를 사용하면 열전도율이 낮기 때문에, 방열을 할 수 없어 온도 소광이 일어난다.
그에 반하여, 본 제 1 국면에서는, 상기 서술한 구성의 가닛 구조를 갖는 세라믹스 소결체를 사용하므로, 색 불균일의 발생이나 온도 소광의 발생을 억제할 수 있다. 요컨대, 본 제 1 국면에서는, 상기 서술한 구성에 의해, 높은 형광 강도나 적은 색 불균일 등의 충분한 광파장 변환 특성이 얻어진다. 예를 들어, 효율적으로 청색광을 가시광으로 변환할 수 있다.
또한, 화학식 A3B5O12 : Ce 로 나타내는 조성을 갖는 화합물 (즉, 형광상의 결정 입자를 구성하는 물질) 은, 세라믹스 소결체 전체의 3 vol% ∼ 70 vol% 의 범위인 것이 바람직하다. 또, 화학식 A3B5O12 : Ce 로 나타내는 조성을 갖는 화합물에 있어서의 Ce 의 함유율 (Ce 농도) 은, 상기 화합물의 상기 A 에 대하여, 0.1 ㏖% ∼ 1.0 ㏖% 의 범위인 것이 바람직하다.
또한, 화학식 A3B5O12 : Ce 로 나타내는 조성을 갖는 화합물에 Gd 를 포함하는 경우에는, 그 Gd 의 함유율 (Gd 농도) 은, 상기 화합물의 상기 A 에 대하여, 30 ㏖% 이하인 것이 바람직하다. 마찬가지로, 상기 화합물에 Ga 를 포함하는 경우에는, 그 Ga 의 함유율 (Ga 농도) 은, 상기 화합물의 상기 B 에 대하여, 30 ㏖% 이하인 것이 바람직하다.
(2) 본 개시의 제 2 국면에서는, 상기 광파장 변환 부재의 상기 제 1 면에서 상기 제 2 면에 이르는 두께가, 100 ㎛ ∼ 400 ㎛ 여도 된다. 광파장 변환 부재의 두께가 100 ㎛ 보다 얇은 경우, 투과 방향의 형광 성분이 적어져, 형광 부족 때문에 형광 강도가 낮아지는 경우가 있다. 한편, 광파장 변환 부재의 두께가 400 ㎛ 보다 두꺼운 경우, 광파장 변환 부재의 내부에서의 광의 흡수가 많아지므로, 얻어지는 광 자체가 적어져, 형광 특성이 저하되는 경우가 있다.
따라서, 상기 두께의 범위로 함으로써, 높은 형광 특성 (즉, 형광 강도) 및 높은 방열성이 얻어진다.
(3) 본 개시의 제 3 국면에서는, 상기 광파장 변환 부재의 상기 제 1 면의 평균 면 조도 (산술 평균 조도 Sa) 가, 0.001 ㎛ < Sa < 0.5 ㎛ 여도 된다.
광파장 변환 부재의 상기 제 1 면의 평균 면 조도 Sa 가 0.001 ㎛ 보다 작으면, 제 1 면에서의 경면 반사가 일어나, 입사광을 효율적으로 받아들일 수 없어, 형광 특성 (예를 들어, 형광 강도) 이 저하되는 경우가 있다. 한편, 제 1 면의 평균 면 조도 Sa 가 0.5 ㎛ 보다 크면, 제 1 면에서의 난반사가 일어남으로써, 발하여지는 광을 효율적으로 취출할 수 없어, 형광 특성 (예를 들어, 형광 강도) 이 저하되는 경우가 있다.
따라서, 상기 평균 면 조도 Sa 의 범위로 함으로써, 높은 형광 특성이 얻어진다.
또한, 평균 면 조도 (산술 평균 조도 Sa) 란, ISO25178 로 규정된 파라미터이다.
(4) 본 개시의 제 4 국면에서는, 상기 광파장 변환 부재의 상기 제 1 면의 표면 조도 (산술 평균 조도 Ra) 가, 0.001 ㎛ < Ra < 0.4 ㎛ 여도 된다.
광파장 변환 부재의 상기 제 1 면의 표면 조도 Ra 가 0.001 ㎛ 보다 작으면, 제 1 면에서의 경면 반사가 일어나, 입사광을 효율적으로 받아들일 수 없어, 형광 특성 (예를 들어, 형광 강도) 이 저하되는 경우가 있다. 한편, 제 1 면의 표면 조도 Ra 가 0.4 ㎛ 보다 크면, 제 1 면에서의 난반사가 일어남으로써, 발하여지는 광을 효율적으로 취출할 수 없어, 형광 특성 (예를 들어, 형광 강도) 이 저하되는 경우가 있다.
따라서, 상기 표면 조도 Ra 의 범위로 함으로써, 높은 형광 특성이 얻어진다.
또한, 표면 조도 (산술 평균 조도 Ra) 란, JIS B 0601 : 2013 으로 규정된 파라미터이다.
(5) 본 개시의 제 5 국면에서는, 상기 광파장 변환 부재의 굴절률 n1 과 상기 반사 방지막의 굴절률 n2 의 비굴절률차 Δn {= (n1 - n2)/n1} 는, 0.3 이하여도 된다.
광파장 변환 부재의 굴절률 n1 과 반사 방지막의 굴절률 n2 의 비굴절률차 Δn, 즉 (n1 - n2)/n1 이 크면, 광파장 변환 부재와 반사 방지막의 계면의 반사율이 커지기 때문에, 광파장 변환 부재에 광이 입사되기 어려워된다. 따라서, 형광 특성 (예를 들어, 형광 강도) 이 저하되는 경우가 있다.
그 때문에, 상기 비굴절률차 Δn 은, 0.3 이하가 바람직하다.
(6) 본 개시의 제 6 국면은, 제 1 ∼ 제 5 국면 중 어느 하나의 광파장 변환 장치를 구비한 광복합 장치이다.
본 제 6 국면의 광복합 장치는, 발광 장치 등에 있어서, 광파장 변환 장치에 광을 조사하는 경우에, 방열성이 우수하므로, 온도 소광을 억제할 수 있다. 또, 광파장 변환 장치에서 파장이 변환된 광 (즉, 형광) 은, 높은 형광 강도를 갖는다. 또, 높은 색 균질성을 갖는다 (즉, 색 불균일이 적다).
<이하에, 본 발명의 각 구성에 대해 설명한다>
· 「형광상」은, 형광성을 갖는 결정 입자를 주체로 하는 상이며, 「투광상」은, 투광성을 갖는 결정 입자, 상세하게는 형광상의 결정 입자와는 상이한 조성의 결정 입자를 주체로 하는 상이다.
· 「주체」란, 상기 광파장 변환 부재 중에 있어서, 가장 많은 양 (즉, 체적) 존재하는 것을 나타내고 있다. 예를 들어, 형광상에는, 형광성을 갖는 결정 입자를 50 체적% 이상 (바람직하게는 90 체적% 이상) 포함되어 있어도 된다. 또, 예를 들어, 투광상에는, 투광성을 갖는 결정 입자를 50 체적% 이상 (바람직하게는 90 체적% 이상) 포함되어 있어도 된다.
· 「광파장 변환 부재」는, 상기 서술한 구성을 갖는 세라믹스 소결체이고, 각 결정 입자나 그 입계에는, 불가피 불순물이 포함되어 있어도 된다. 이 세라믹스 소결체에는, 형광상 및 투광상 (따라서 형광성을 갖는 결정 입자 및 투광성을 갖는 결정 입자) 이, 세라믹스 소결체의 50 체적% 이상 (바람직하게는 90 체적% 이상) 포함되어 있어도 된다.
· 「A3B5O12 : Ce」란, A3B5O12 중의 원소 A 의 일부에 Ce 가 고용 치환되어 있는 것을 나타내고 있고, 이와 같은 구조를 가짐으로써, 동화합물은 형광 특성을 나타내게 된다.
도 1 은, 실시형태의 광파장 변환 장치를 구비한 광복합 장치를 두께 방향으로 파단한 단면을 나타내는 단면도이다.
도 2 는, 실시형태의 광파장 변환 장치를 두께 방향으로 파단한 단면을 나타내는 단면도이다.
도 3 은, 광원 유닛을 나타내는 설명도이다.
도 4(a) 는, 실시예의 시료를 나타내는 사시도, 도 4(b) 는, 도 4(a) 의 A-A 단면을 확대하여 나타내는 단면도이다.
다음으로, 본 개시의 광파장 변환 장치 및 광복합 장치의 실시형태에 대해 설명한다.
[1. 실시형태]
[1-1. 광복합 장치]
먼저, 본 실시형태의 광파장 변환 장치 및 광복합 장치에 대해 설명한다.
<광복합 장치의 구성>
도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 광파장 변환 장치 (1) 는, 예를 들어, 알루미나 등의 박스상 또는 판상의 세라믹제의 패키지 (용기 또는 기판) (3) 에 수용되어 있다. 이하, 광파장 변환 장치 (1) 가 패키지 (3) 에 수용된 것이, 광복합 장치 (5) 이다. 또한, 기판 상에 광파장 변환 장치 (1) 가 탑재된 것도 수용이라고 칭한다.
상기 광파장 변환 장치 (1) 는, 광파장 변환 부재 (9) 를 포함하는 판상의 적층체 (11) 와 판상의 방열 부재 (13) 가, 층상의 접합부 (15) 에 의해 접합된 것이다. 요컨대, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 광파장 변환 장치 (1) 는, 광의 입사측 (도 2 의 상방) 으로부터 차례로, 반사 방지막 (17), 광파장 변환 부재 (9), 반사막 (19), 중간막 (21), 접합부 (15), 방열 부재 (13) 가 배치된 것 (상세하게는 적층된 것) 이다.
또한, 광파장 변환 장치 (1) 에 대해서는, 후술하는 바와 같이, 도 2 의 상방 또는 측방으로부터 광이 조사된다. 예를 들어, 레이저광을 발생하는 발광 소자 (도시 생략) 로부터, 예를 들어, 레이저광이 반사 방지막 (17) 의 표면 (상면 : 제 1 면 (9a)) 에 대해 조사된다.
이하, 상세하게 설명한다. 반사 방지막 (17) 은, 광파장 변환 부재 (9) 보다 광의 반사율이 낮은 것이고, 외부로부터의 광의 반사를 억제함으로써, 외부로부터의 광을 광파장 변환 부재 (9) 에 효율적으로 취입하기 위한 박막이다.
이 반사 방지막 (17) 은, 예를 들어, 산화니오브, 산화티탄, 산화탄탈, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화규소, 질화알루미늄, 질화규소, 불화마그네슘 중 1 종의 재료로 이루어지는 박막이다. 또한, 반사 방지막 (17) 은, 상기 재료로 이루어지는 단층이어도 되고 동종 또는 상이한 재료로 이루어지는 다층 구조여도 된다.
또, 반사 방지막 (17) 의 두께는, 예를 들어, 0.01 ㎛ ∼ 1 ㎛ 의 범위이다. 반사 방지막 (17) 의 두께가 0.01 ㎛ 보다 얇으면, 반사 방지 효과가 적다. 한편, 1 ㎛ 를 초과하면, 반사 방지막 (17) 에 의한 광 흡수가 커져, 광의 감쇠로 이어진다. 그 때문에, 광파장 변환 부재 (9) 의 발광 강도가 저하된다.
반사막 (19) 은, 광파장 변환 부재 (9) 를 투과한 광이나 광파장 변환 부재 (9) 에서 발생한 형광을 반사하는 박막이다. 이 반사막 (19) 은, 예를 들어, 알루미늄, 산화니오브, 산화티탄, 산화란탄, 산화탄탈, 산화이트륨, 산화가돌리늄, 산화텅스텐, 산화하프늄, 산화알루미늄, 질화규소 중 1 종의 재료로 이루어지는 박막이다. 또한, 반사막 (19) 은, 상기 재료로 이루어지는 단층이어도 되고 동종 또는 상이한 재료로 이루어지는 다층 구조여도 된다.
또, 반사막 (19) 의 두께는, 예를 들어, 0.1 ㎛ ∼ 1 ㎛ 의 범위이다. 반사막 (19) 의 두께가 0.1 ㎛ 보다 얇으면, 광이 투과되어, 반사 효과가 적다. 한편, 1 ㎛ 를 초과하면, 반사막 (19) 에 의한 광 흡수가 커진다. 그 때문에, 광파장 변환 부재 (9) 의 발광 강도가 저하되거나, 열의 발생원이 된다.
중간막 (21) 은, 접합부 (15) 의 접합성을 향상시키는 박막, 예를 들어, 접합부 (15) 가 땜납인 경우에는 땜납의 젖음성을 향상시키는 박막이다. 이 중간막 (21) 은, 예를 들어, 금, 은, 니켈 중 1 종의 재료로 이루어지는 박막 (예를 들어, 도금막) 이다. 또한, 중간막 (21) 은, 상기 재료로 이루어지는 단층이어도 되고 동종 또는 상이한 재료로 이루어지는 다층 구조여도 된다.
또, 중간막 (21) 의 두께는, 예를 들어, 0.01 ㎛ ∼ 1 ㎛ 의 범위이다. 중간막 (21) 의 두께가 0.01 ㎛ 보다 얇으면, 예를 들어, 젖음성이 저하되어 접합이 잘 되지 않을 우려가 있다. 한편, 1 ㎛ 를 초과하면, 열전도성이 저하되어, 방열 효과가 나빠질 우려가 있다.
접합부 (15) 는, 광파장 변환 부재 (9) 측의 구성 (상세하게는 반사막 (19)) 과 방열 부재 (13) 를, (중간막 (21) 을 개재하여) 접합하는 층이다. 접합부 (15) 는, 예를 들어, 땜납, 금속 브레이징, 은 페이스트, 무기 바인더 중 1 종의 재료로 이루어지는 층 (고화된 층) 이다. 또한, 접합부 (15) 는, 상기 재료로 이루어지는 단층이어도 되고 동종 또는 상이한 재료로 이루어지는 다층 구조여도 된다.
또, 접합부 (15) 의 두께는, 예를 들어, 0.01 ㎛ ∼ 100 ㎛ 의 범위이다. 접합부 (15) 의 두께가 0.01 ㎛ 보다 얇으면, 접합 강도가 낮아 박리가 발생할 우려가 있다. 한편, 100 ㎛ 를 초과하면, 두께 방향의 양측에 있어서의 열팽창차가 커져, 박리의 원인이 될 우려가 있다.
방열 부재 (13) 는, 광파장 변환 부재 (9) 의 방열성을 높이기 위한 판재, 즉 광파장 변환 부재 (9) 보다 높은 열전도성을 갖는 판재이다. 이 방열 부재 (13) 는, 예를 들어, 구리, 알루미늄, 질화알루미늄 중 1 종의 재료로 이루어지는 판재이다. 또한, 방열 부재 (13) 는, 상기 재료로 이루어지는 단층이어도 되고 동종 또는 상이한 재료로 이루어지는 다층 구조여도 된다.
또, 방열 부재 (13) 의 두께는, 예를 들어, 0.1 ㎜ ∼ 4 ㎜ 의 범위이다. 방열 부재 (13) 의 두께가 0.1 ㎜ 보다 얇으면, 충분한 방열 효과가 얻어지지 않을 우려가 있다. 한편, 4 ㎜ 를 초과하면, 두께 방향의 양측에 있어서의 열팽창차가 커져, 박리의 원인이 될 우려가 있다.
<광복합 장치의 기능>
도 1 에 나타내는 바와 같이, 상기 광복합 장치 (5) 에서는, 발광 소자로부터 방사된 광은, 반사 방지막 (17) 을 개재하여, 투광성을 갖는 광파장 변환 부재 (9) 를 투과함과 함께, 그 광의 일부는 광파장 변환 부재 (9) 의 내부에서 파장 변환되어 발광한다. 요컨대, 광파장 변환 부재 (9) 에서는, 발광 소자로부터 방사되는 광의 파장과는 상이한 파장의 형광을 발한다.
그리고, 광파장 변환 부재 (9) 에서 발생한 형광의 일부는, 반사 방지막 (17) 을 통하여, 도 1 의 상방 등의 외부로 조사된다. 또, 광파장 변환 부재 (9) 를 투과한 광 또는 광파장 변환 부재 (9) 에서 발생한 형광의 다른 일부는, 반사막 (19) 에서 반사되어, 다시 광파장 변환 부재 (9) 에 입사하고, 그 후, 반사 방지막 (17) 을 통하여, 도 1 의 상방 등의 외부로 조사된다.
예를 들어, LD 로부터 조사되는 청색광이, 광파장 변환 부재 (9) 에 의해 파장 변환됨으로써, 전체적으로 백색광이 광파장 변환 부재 (9) 로부터 외부 (예를 들어, 도 1 의 상방) 로 조사된다.
상기 서술한 광복합 장치 (5) 는, 예를 들어, 도 3 에 나타내는 바와 같은 광원 유닛 (25) 에 사용된다. 광원 유닛 (25) 은, 광복합 장치 (5) 에, 주지의 (발광 소자 등을 구비한) 청색 레이저 (즉, 제 1 청색 레이저 (27), 제 2 청색 레이저 (29)) 를 가하고, 또한 다이크로익 미러 (31) 와 렌즈 (33) 를 구비하고 있다.
또한, 광복합 장치 (5) 에 있어서의 패키지 (3) 에는, LED 나 LD 등의 발광 소자를 탑재하는 발광 소자 탑재 영역이 형성되어 있어도 된다. 이 광원 유닛 (25) 에서는, 제 1 청색 레이저 (27) 로부터 광복합 장치 (5) 의 광파장 변환 장치 (1) 에 대하여, 도 3 의 우측 방향으로 레이저광 (즉, 제 1 청색광) 이 조사된다. 이 제 1 청색광은, 광파장 변환 장치 (1) 에서 파장 변환됨과 함께, 반사되어 황색광으로서, 도 3 의 좌측 방향으로 출력된다.
이 황색광은, 도 3 의 좌우 방향에 대해 45°경사진 다이크로익 미러 (31) 에서 반사되어, 렌즈 (33) 에 출력된다. 한편, 제 2 청색 레이저 (29) 로부터 렌즈 (33) 측으로 (도 3 의 상측 방향으로) 조사된 제 2 청색광은, 다이크로익 미러 (31) 를 투과하여, 렌즈 (33) 에 출력된다.
이로써, 렌즈 (33) 에 출력되는 광은, 제 2 청색광과 황색광이 혼합되고, 렌즈 (33) 로부터는 도 3 의 상방으로 백색광이 출력된다.
[1-2. 광파장 변환 부재]
다음으로, 광파장 변환 부재 (9) 에 대해 설명한다.
본 실시형태의 광파장 변환 부재 (9) 는, 형광성을 갖는 결정 입자 (즉, 형광상 입자) 를 주체로 하는 형광상과, 투광성을 갖는 결정 입자 (즉, 투광상 입자) 를 주체로 하는 투광상을 갖는 세라믹스 소결체로 구성된 것이다.
이 광파장 변환 부재 (9) 에서는, 투광상의 결정 입자는 Al2O3 의 조성을 갖고, 형광상의 결정 입자는 화학식 A3B5O12 : Ce 로 나타내는 조성을 갖고 있다. 또, 상기 A 원소 및 상기 B 원소는, 각각 하기 원소군에서 선택되는 적어도 1 종의 원소로 구성되어 있다.
A : Sc, Y, 란타노이드 (단, Ce 는 제외한다)
(단, A 로서 추가로 Gd 를 포함하고 있어도 된다)
B : Al (단, B 로서 추가로 Ga 를 포함하고 있어도 된다)
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또한, 상기 화학식 A3B5O12 : Ce 의 A 및 B 는, 화학식 A3B5O12 : Ce 로 나타내는 물질 (이른바 가닛 구조를 갖는 물질) 을 구성하는 각 원소 (단 상이한 원소) 를 나타내고 있고, O 는 산소, Ce 는 세륨이다.
예를 들어, 상기 화학식 A3B5O12 : Ce 의 화합물로는, 화학식 Y3Al5O12 : Ce 로 나타내는 화합물 (이른바 YAG 계 화합물) 을 들 수 있다. 또, 본 실시형태에서는, 광파장 변환 부재 (9) 의 상면인 제 1 면 (9a) 으로부터 하면인 제 2 면 (9b) 에 이르는 두께가, 100 ㎛ ∼ 400 ㎛ 이다.
또한, 광파장 변환 부재 (9) 의 제 1 면 (9a) 의 평균 면 조도 (산술 평균 조도 Sa) 가, 0.001 ㎛ < Sa < 0.5 ㎛ 이다. 또, 광파장 변환 부재 (9) 의 제 1 면 (9a) 의 표면 조도 (산술 평균 조도 Ra) 가, 0.001 ㎛ < Ra < 0.4 ㎛ 이다.
또한, 광파장 변환 부재 (9) 에서는, 화학식 A3B5O12 : Ce 로 나타내는 화합물은, 세라믹스 소결체 전체의 예를 들어 3 vol% ∼ 70 vol% 의 범위이다. 또, 화학식 A3B5O12 : Ce 로 나타내는 화합물에 있어서의 Ce 농도는, 화합물의 A 원소에 대해 예를 들어 0.1 ㏖% ∼ 1.0 ㏖% 의 범위이다.
[1-3. 각 부재의 굴절률]
본 실시형태에서는, 광파장 변환 부재 (9) 의 굴절률 n1 과 반사 방지막 (17) 의 굴절률 n2 의 비굴절률차 Δn {= (n1 - n2)/n1} 는, 0.3 이하이다.
예를 들어, 하기 표 1 에 나타내는 바와 같이, 광파장 변환 부재 (9) 와 반사 방지막 (17) 의 재료를 선택한 경우에는, 그 굴절률은 하기 표 1 에 나타내는 값이 된다.
Figure 112020030751888-pct00001
또, 각 광파장 변환 부재 (9) 와 각 반사 방지막 (17) 을 조합한 경우의 재료를 선택한 경우에는, 그 비굴절률차는 하기 표 2 에 나타내는 값이 된다.
Figure 112020030751888-pct00002
[1-4. 광파장 변환 부재 및 광복합 장치의 제조 방법]
a) 먼저, 광파장 변환 부재 (9) 를 제조하는 순서에 대하여, 간단하게 설명한다.
상기 실시형태의 구성을 만족하도록, 세라믹스 소결체인 광파장 변환 부재 (9) 의 분말 재료의 칭량 등을 실시하였다 (즉, 조제하였다). 다음으로, 조제한 분말 재료에, 유기 용제와 분산제를 첨가하고, 볼 밀로 분쇄 혼합을 실시하여, 슬러리를 제작하였다.
다음으로, 얻어진 슬러리를, 건조, 조립 (造粒) 하였다. 다음으로, 얻어진 조립 분말을, 프레스 성형하였다. 다음으로, 프레스 성형체를, 소정 온도에서 소정 시간 소성하여, 세라믹스 소결체를 얻었다.
또한, 상기 서술한 프레스 성형에 의한 세라믹스 소결체의 제조 방법 이외에, 슬러리를 시트 성형하여 얻어진 시트 성형체를 소성함으로써, 세라믹스 소결체를 얻어도 된다.
b) 다음으로, 광복합 장치 (5) 를 제조하는 순서에 대하여, 간단하게 설명한다. 상기 세라믹 소결체인 광파장 변환 부재 (9) 의 제 1 면 (9a) 에, 예를 들어, 스퍼터링 등에 의해, 반사 방지막 (17) 을 형성하였다.
또, 광파장 변환 부재 (9) 의 제 2 면 (9b) 에, 예를 들어, 스퍼터링 등에 의해, 반사막 (19) 을 형성하였다. 다음으로, 반사막 (19) 의 표면에, 예를 들어, 스퍼터링 등에 의해, 중간막 (21) 을 형성하였다. 또한, 중간막 (21) 의 형성 방법은, 스퍼터링 이외에, 도금 등을 채용할 수 있다. 혹은, 예를 들어, Ni 시트 등의 금속 시트 등을 열압착하여 형성해도 된다.
그 후, 예를 들어, 땜납 등의 주지의 접합 재료를 사용하여, 적층체 (11) (상세하게는 중간막 (21)) 와 방열 부재 (13) 를 접합하였다 (즉, 납땜하였다). 이로써, 광파장 변환 장치 (1) 를 얻었다.
다음으로, 용기 (3) 의 바닥부의 표면에, 예를 들어, 접착제를 사용하여, 광파장 변환 장치 (1) 를 접합하여, 광복합 장치 (5) 를 얻었다.
[1-5. 효과]
다음으로, 본 실시형태의 효과를 설명한다.
(1) 본 실시형태에서는, 광파장 변환 부재 (9) 에 방열성이 우수한 방열 부재 (13) 를 접합하는 구성에 의해, 광파장 변환 부재 (9) 에 입사하는 광에 의해 발생하는 열을 효율적으로 방열할 수 있다. 그 때문에, 높은 에너지의 광이 입사하여도, 온도 소광이 잘 발생하지 않기 때문에, 높은 형광 강도를 유지할 수 있다.
본 실시형태에서는, 방열 부재 (13) 와 중간막 (21) 사이에 접합부 (15) 를 형성함으로써, 방열 부재 (13) 와 반사막 (19) 을 바람직하게 접합할 수 있다. 본 실시형태에서는, 광파장 변환 부재 (9) 의 제 2 면 (9b) 에 반사막 (19) 을 구비하고 있으므로, 광파장 변환 부재 (9) 의 내부에서 발생하는 형광 등을 효율적으로 반사할 수 있다. 그 때문에, 광파장 변환 부재 (9) 의 발광 강도가 향상된다.
본 실시형태에서는, 광파장 변환 부재 (9) 의 제 1 면 (9a) 에 반사 방지막 (17) 을 구비하고 있으므로, 제 1 면 (9a) 에서의 광의 반사를 억제할 수 있다. 그 때문에, 광파장 변환 부재 (9) 에 많은 광을 입사시킬 수 있으므로, 입사한 광을 형광상의 결정 입자에 효율적으로 흡수시킬 수 있다. 또, 반사 방지막 (17) 이 있는 경우에는, 광파장 변환 부재 (9) 의 내부에서 발생한 광을 효율적으로 외부로 취출하는 것이 가능해진다. 그 때문에, 광파장 변환 부재 (9) 의 발광 강도가 향상된다.
본 실시형태에서는, 반사막 (19) 과 접합부 (15) 사이에 중간막 (21) 을 구비하고 있다. 그 때문에, 반사막 (19) 과 접합부 (15) 의 접합성이 향상되므로, 광파장 변환 부재 (9) 측으로부터 방열 부재 (13) 측으로의 방열성이 향상된다. 이로써, 광파장 변환 부재 (9) 의 온도 소광을 억제할 수 있으므로, 형광 강도가 향상된다.
또, 본 실시형태에서는, 기본적인 구성으로서, 광파장 변환 부재 (9) 는, 형광성을 갖는 결정 입자를 주체로 하는 형광상과, 투광성을 갖는 결정 입자를 주체로 하는 투광상을 갖는 세라믹스 소결체로 구성되고, 게다가, 세라믹스 소결체가, 상기 원소군에서 선택되는 적어도 1 종의 원소로 구성되어 있는 A3B5O12 : Ce 로 나타내는 가닛 구조를 갖고 있다.
그 때문에, 형광상과 투광상의 계면에서의 광의 산란이 일어나, 광의 색의 각도 의존성을 줄일 수 있어, 색 균질성이 향상된다 (즉, 색 불균일을 저감시킬 수 있다). 게다가, 광파장 변환 부재 (9) 에 상기 세라믹스 소결체를 사용함으로써, 열전도율이 양호해지므로, 광의 조사에 의해 광파장 변환 부재 (9) 에서 발생한 열을, 효율적으로 방열 부재 (13) 에 배출할 수 있다. 그 때문에, 예를 들어, 레이저광의 고출력역에서도, 높은 형광 특성을 유지할 수 있다.
또, 상기 서술한 구성의 가닛 구조를 갖는 세라믹스 소결체를 사용하므로, 색 불균일의 발생이나 온도 소광의 발생을 억제할 수 있다. 요컨대, 본 실시형태에서는, 상기 서술한 구성에 의해, 높은 형광 강도나 적은 색 불균일 등의 충분한 광파장 변환 특성이 얻어진다.
(2) 본 실시형태에서는, 광파장 변환 부재 (9) 의 제 1 면 (9a) 에서 제 2 면 (9b) 에 이르는 두께가, 100 ㎛ ∼ 400 ㎛ 이다. 따라서, 높은 형광 특성 (즉, 형광 강도) 및 높은 방열성이 얻어진다.
(3) 본 실시형태에서는, 광파장 변환 부재 (9) 의 제 1 면 (9a) 의 평균 면 조도 (산술 평균 조도 Sa) 가, 0.001 ㎛ < Sa < 0.5 ㎛ 이다. 따라서, 높은 형광 특성이 얻어진다.
(4) 본 실시형태에서는, 광파장 변환 부재 (9) 의 제 1 면 (9a) 의 표면 조도 (산술 평균 조도 Ra) 가, 0.001 ㎛ < Ra < 0.4 ㎛ 이다. 따라서, 높은 형광 특성이 얻어진다.
(5) 본 실시형태에서는, 광파장 변환 부재 (9) 의 굴절률 n1 과 반사 방지막 (17) 의 굴절률 n2 의 비굴절률차 Δn {= (n1 - n2)/n1} 는, 0.3 이하이다. 따라서, 높은 형광 특성이 얻어진다.
[2. 실시예]
다음으로, 상기 실시형태의 구체적인 실시예에 대해 설명한다.
여기에서는, 하기 표 3, 표 4 에 기재된 No.1 ∼ 32 의 광파장 변환 장치의 각 시료, 즉 실시예 1 ∼ 5 의 광파장 변환 장치의 각 시료를 제작하였다. 또한, 각 시료 중, No.1 ∼ 12, 18 ∼ 32 가 본 개시의 범위 내의 시료 (본 개시예) 이며, No.13 ∼ 17 이 본 개시의 범위 외 (비교예) 의 시료이다.
[2-1. 시료의 평가 방법]
먼저, 각 시료에 대해 실시한 각 평가의 방법에 대해 설명한다.
<내레이저 출력>
각 시료에 대하여, 465 ㎚ 의 파장을 갖는 레이저광 (즉, 청색 LD 광) 을, 렌즈로 0.1 ㎜ 폭까지 집광하여 조사하였다. 그리고, 각 시료에서 반사한 광을, 분광 방사 조도계 (코니카 미놀타 제조 CL-500A) 에 의해 색도값 (X 방향) 을 측정하였다. 이 측정시에는, 청색 LD 광을 조사하는 출력 밀도를, 0 ∼ 100 W/㎟ 의 사이에서 서서히 증가시켰다.
그리고, 레이저 출력 5 W/㎟ 시의 색도값에 대해 60 % 이하가 되었을 경우에, 온도 소광이 생겼다고 판단하고, 그 때의 레이저 출력 밀도를, 하기 표 4 에 기재하였다. 100 W/㎟ 에서도 소광되지 않는 것에 대해서는, 「>100」 로 기재하였다. 또한, 내레이저 출력에 관해서는, 100 W/㎟ 이상까지 소광하지 않는 것이 바람직하다.
<형광 강도>
각 시료에 대하여, 465 ㎚ 의 파장을 갖는 청색 LD 광을, 렌즈로 0.1 ㎜ 폭까지 집광하여 조사하였다. 그리고, 각 시료에서 반사된 광을 렌즈에 의해 집광시켜, 파워 센서에 의해 그 발광 강도 (즉, 형광 강도) 를 측정하였다. 이 때 조사되는 출력 밀도는 40 W/㎟ 가 되도록 하였다.
이 형광 강도는, YAG : Ce 단결정체의 강도를 100 으로 했을 때의 상대값 (%) 으로 평가하였다. 또한, 형광 강도에 관해서는, 100 % 이상인 것이 바람직하다.
<색 불균일>
색 불균일 (즉, 색 편차) 은, 조도계에 의한 색도 편차 측정에 의해 평가하였다.
구체적으로는, 각 시료에 대하여, 465 ㎚ 의 파장을 갖는 청색 LD 광을 렌즈로 집광시켜 0.5 ㎜ 폭으로 하고, 이것을 조사하여 반사한 광에 대하여, 분광 방사 조도계 (코니카 미놀타 제조 CL-500A) 에 의해 색도를 측정하였다.
조사는, 각 시료의 표면 (즉, 제 1 면인 샘플면) 에 대하여, 가로세로 9 ㎜ 의 중앙 부분을 3 ㎜ 간격으로 9 개 지점의 영역으로 구분하고, 각 영역의 색도 (X 방향) 의 편차 (Δx) 를 평가하였다. 그 결과 (색 편차) 를, 하기 표 4 에 기재하였다. 편차 (Δx) 란 색도 방향의 편차의 최대값을 나타내고, Δx < 0.03 이 되는 것이 바람직하다.
또한, 색도란, 국제 조명 위원회 (CIE) 가 1931년에 책정한 국제 표시법으로, CIE-XYZ 표색계로 나타나는 색도이다. 요컨대, 표색 상의 3 원색을 수치화하고, xy 좌표 공간에서 색을 나타낸 xy 색도도 (이른바 CIE 색도도) 로 나타내는 색도이다.
<표면 조도>
· 각 시료를 제작하기 전의 단계에 있어서, 광파장 변환 장치의 제 1 면의 평균 조도 (산술 평균 조도 Ra) 및 평균 면 조도 (산술 평균 조도 Sa) 를, 비접촉 삼차원 측정기 인피니트 포커스 G5 (아리코나 이미징사 제조) 로 측정하였다.
산술 평균 조도 Ra 에 관해서는, JIS B 0601 : 2013 으로 규정된 파라미터이며, 샘플의 임의의 5 개 지점에 대해 측정하고, 그 평균값을 하기 표 4 에 기재하였다. 또한, 산술 평균 조도 Sa 는, 이차원의 산술 평균 조도 Ra 를 삼차원으로 확장한 것이고, ISO25178 로 규정된 파라미터이며, 그 측정 결과를 하기 표 4 에 기재하였다.
· 또, 각 시료의 제작 후 (즉, 반사 방지막의 형성 후) 에 있어서, 하기 방법에 의해, 광파장 변환 장치의 제 1 면의 평균 조도 (산술 평균 조도 Ra) 를 측정하였다. 구체적으로는, 도 4(a) 에 나타내는 바와 같이, 각 시료의 층 구조를 관찰할 수 있도록, 각 시료를 두께 방향으로 파단하고, 그 파단면 (예를 들어, 도 4(b) 참조) 에 대하여, 임의의 5 개 지점의 10000 배의 화상을 얻었다. 얻어진 화상에 대해 화상 처리하고, JIS B 0601 : 2013 에 준하여, 형광체 (즉, 광파장 변환 부재) 의 표면의 산술 평균 조도 Ra 를 측정하고, 5 점 평균을 산출하였다. 그 결과를, 하기 표 4 의 「이차원 표면 조도 Ra」의 란에 기재하였다.
또한, 표 3 에는, 각 시료에 대하여, 형광체 (광파장 변환 부재) 의 종류, A 원소의 종류, B 원소의 종류, 반사 방지막의 유무, 반사막의 유무, 중간막의, 형광체의 두께를 기재하였다. 또한, 형광체의 두께는, 가로세로 16 ㎜ 의 형광체에 있어서, 중앙부와 단부의 합계 4 개 지점의 두께를 마이크로미터로 측정하고, 그 평균값을 구하여, 상기 형광체의 두께로 하였다.
[2-2. 시료의 제조 방법 및 평가 결과]
다음으로, 각 시료의 제조 방법과, 각 시료의 평가 결과에 대해 설명한다.
<실시예 1>
하기 표 3 등에 나타내는 조건에 따라, No.1 ∼ 12 의 광파장 변환 장치의 시료를 제작하였다. 구체적으로는, 각 시료의 광파장 변환 장치의 세라믹스 소결체의 조성 (즉, Al2O3-A3B5O12 : Ce) 에 따라, 하기 표 3 에 나타내는 바와 같이, Al2O3 (평균 입경 0.2 ㎛), Y2O3 (평균 입경 1.2 ㎛), Lu2O3 (평균 입경 1.1 ㎛), Sc2O3 (평균 입경 1.2 ㎛), CeO2 (평균 입경 1.5 ㎛), Gd2O3 (평균 입경 1.1 ㎛), Ga2O3 (평균 입경 1.1 ㎛) 의 각 분말 재료를 칭량하였다.
이 때, A3B5O12 : Ce 량은, 세라믹스 소결체 전체의 30 vol% 로 고정하도록, 각 분말 재료를 칭량하였다. 또한, Gd2O3, Ga2O3 을 첨가하는 경우에는, A 원소 또는 B 원소에 대하여, 각각, Gd 또는 Ga 를 15 ㏖% 로 고정하였다.
이들 분말을, 에탄올과 함께 볼 밀 중에 투입하고, 16 hr 분쇄 혼합을 실시하였다. 얻어진 슬러리를 건조· 조립하고, 얻어진 조립 분말을 프레스 성형하였다. 얻어진 성형체를 대기 분위기 중에서 소성을 실시하였다. 이 때, 소성 온도를 1600 ℃, 유지 시간을 10 시간으로 하여 소성을 실시하였다. 이로써, 세라믹스 소결체 (즉, 광파장 변환 부재인 형광체) 를 얻었다.
다음으로, 얻어진 형광체를, 가로세로 16 ㎜, 두께 200 ㎛ 로 가공하였다. 다음으로, 상기 가공 후의 형광체의 상면 (제 1 면) 에, 스퍼터링에 의해, 두께 1 ㎛ 의 SiO2 로 이루어지는 반사 방지막을 형성하였다.
또, 형광체의 하면 (제 2 면) 에, 스퍼터링에 의해, 두께 1 ㎛ 의 Al 로 이루어지는 반사막을 형성하였다. 다음으로, 반사막의 표면에, 스퍼터링에 의해 두께 1 ㎛ 의 Ni 로 이루어지는 중간막을 형성하였다.
다음으로, 반사 방지막, 반사막, 중간막을 형성한 형광체를, 가로세로 3.5 ㎜ 로 절단하였다. 또, 구리판으로 이루어지는 방열 기판 (즉, 방열 부재) 을, 가로세로 12 ㎜, 두께 1.5 ㎜ 의 형상으로 가공하였다.
다음으로, 형광체와 방열 기판을 접합하였다. 여기에서는, 형광체 (상세하게는 중간막) 와 방열 기판 사이에, 접합부의 재료로서 땜납 (즉, Pb 를 주성분으로 하는 땜납이나, Pb 프리 땜납) 을 배치하고, 형광체와 방열 기판의 납땜을 실시하였다. 이로써, 광파장 변환 장치의 각 시료를 얻었다.
다음으로, 이 제조 방법에 의하여 얻어진 본 개시의 범위의 No.1 ∼ 12 의 각 시료의 광파장 변환 장치에 대하여, 상기 서술한 평가 방법에 의한 평가를 실시하였다. 그 결과를, 하기 표 4 에 기재한다. 표 4 로부터 명확한 바와 같이, 본 개시의 범위 내의 각 시료에서는, 내레이저 출력이 높고 (즉, 100 W/㎟ 에서도 소광이 발생하지 않고), 형광 강도가 110 % 이상으로 높고, 색 편차 (색 불균일) 가 0.028 이하로 작아, 좋은 결과가 얻어졌다.
또한, 표 1 에는 기재하지 않지만, 세라믹스 소결체의 상대 밀도는 어느 시료도 99 % 이상이었다. 또한, 다른 실시예 2 ∼ 5 의 시료에 대해서도 마찬가지였다.
<실시예 2>
하기 표 3 등에 나타내는 조건에 따라, 본 개시의 범위 외인 No.13, 14 의 광파장 변환 장치의 시료를 제작하고, 상기 실시예 1 과 동일하게 평가를 실시하였다.
이 실시예 2 의 시료의 제작 방법은, 기본적으로는, 실시예 1 과 동일하다. 단, 실시예 1 과는, 형광체의 종류가 상이하다. 요컨대, No.13 의 시료는, YAG 입자를 수지 중에 분산시킨 것이고, No.14 의 시료는, YAG 단결정인 것이다.
이 결과를, 하기 표 4 에 나타내는데, 실시예 2 의 시료는, 내레이저 출력이 75 W/㎟ 이하로, 충분하지 않다. 이것은, 형광체 자체적인 열전도율이 낮아, 발생하는 열이 많아져, 온도 소광이 발생하였다고 생각된다.
<실시예 3>
하기 표 3 등에 나타내는 조건에 따라, 본 개시의 범위 외인 No.15 ∼ 17 의 광파장 변환 장치의 시료를 제작하고, 상기 실시예 1 과 동일하게 평가를 실시하였다.
이 실시예 3 의 시료의 제작 방법은, 기본적으로는, 실시예 1 과 동일하다. 단, No.15 의 시료는, 반사 방지막이 없고, No.16 의 시료는, 반사막이 없고, No.17 의 시료는, 중간막이 없는 것이다.
이 결과를, 하기 표 4 에 나타내는데, No.15 의 시료는, 반사 방지막이 없기 때문에, 입사하는 광 (즉, 청색광) 을 효율적으로 흡수할 수 없어, 형광 강도가 저하되었다. No.16 의 시료는, 반사막이 없기 때문에, 반사광이 접합부에 흡수되어, 형광 강도가 저하되었다. No.17 의 시료는, 중간막이 없기 때문에, 땜납의 젖음성이 저하되어, 형광체와 방열 기판의 접합을 할 수 없었다.
<실시예 4>
하기 표 3 등에 나타내는 조건에 따라, 본 개시의 범위 내의 No.18 ∼ 26 의 광파장 변환 장치의 시료를 제작하고, 상기 실시예 1 과 동일하게 평가를 실시하였다.
이 실시예 4 의 시료의 제작 방법은, 기본적으로는, 실시예 1 과 동일하다. 단, 각 시료에서는, 형광체의 두께를 50 ㎛ ∼ 450 ㎛ 의 범위로 변경하였다. 이 결과를, 하기 표 4 에 나타내는데, No.18 ∼ 26 의 시료는, 실시예 1 과 마찬가지로, 내레이저 출력이 높고, 형광 강도가 높고, 색 편차가 작아, 바람직한 결과가 얻어졌다.
특히, 형광체의 두께가 100 ㎛ ∼ 400 ㎛ 의 범위인 No.19 ∼ 25 의 시료는, 다른 No.18, 26 의 시료에 비하여, 형광 강도가 높고, 게다가, 높은 레이저 출력의 범위에서 형광을 유지하고 있어, 바람직하였다.
한편, 형광체의 두께가 100 ㎛ 보다 얇은 No.18 의 시료에서는, 투과 방향의 형광 성분이 적어지기 때문에, 형광 부족이 되어, 형광 강도가 낮아졌다. 또, 형광체의 두께가 400 ㎛ 보다 두꺼운 No.26 의 시료에서는, 형광체가 두껍기 때문에, 형광체 내부에서의 광의 흡수가 커져, 형광 강도가 낮아졌다.
<실시예 5>
하기 표 3 등에 나타내는 조건에 따라, 본 개시의 범위 내의 No.27 ∼ 32 의 광파장 변환 장치의 시료를 제작하고, 상기 실시예 1 과 동일하게 평가를 실시하였다.
이 실시예 5 의 시료의 제작 방법은, 기본적으로는, 실시예 1 과 동일하다. 단, 각 시료에서는, 형광체의 제 1 면의 산술 평균 조도 Sa 를, 0.0008 ∼ 0.5 ㎛ 의 범위에서 변경하였다. 또한, 산술 평균 조도 Sa 는, 형광체 표면의 기계 연마나, 블라스트 처리 등의 표면 처리에 의해 변경할 수 있다.
이 결과를, 하기 표 4 에 나타내는데, No.27 ∼ 32 의 시료는, 실시예 1 과 마찬가지로, 내레이저 출력이 높고, 형광 강도가 크고, 색 편차가 작아, 바람직한 결과가 얻어졌다. 특히, 산술 평균 조도 Sa 가, 0.001 ㎛ < Sa < 0.5 ㎛ 이며, 산술 평균 조도 Ra 가, 0.001 ㎛ < Ra < 0.4 ㎛ 인 No.28 ∼ 31 의 시료는, 다른 No.27, 32 의 시료에 비하여, 형광 강도가 높아 바람직하였다.
한편, 형광체 표면의 산술 평균 조도 Sa 가 0.001 ㎛ 보다 작은 No.27 의 시료에서는, 형광체 표면에서의 광의 반사가 높아지고, 형광 강도가 저하되었다. 동일하게, 형광체 표면의 산술 평균 조도 Sa 가 0.5 ㎛ 보다 큰 No.32 의 시료에서는, 형광체 표면의 난반사에 의해 발하여지는 광을 효율적으로 얻을 수 없으므로, 형광 강도는 저하하였다.
Figure 112020030751888-pct00003
Figure 112020030751888-pct00004
[3. 다른 실시형태]
본 개시는 상기 실시형태에 전혀 한정되는 것이 아니고, 본 개시를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지의 양태로 실시할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
(1) 예를 들어, 상기 광파장 변환 장치나 광복합 장치의 용도로는, 형광체, 광파장 변환 기기, 헤드 램프, 조명, 프로젝터 등의 광학 기기 등, 각종 용도를 들 수 있다. (2) 광복합 장치에 대해 광을 조사하는 발광 소자로는 특별히 한정은 없고, 주지의 LED 나 LD 등, 각종의 것을 채용할 수 있다.
(3) 또한, 상기 실시형태에 있어서의 1 개의 구성 요소가 갖는 기능을 복수의 구성 요소에 분담시키거나, 복수의 구성 요소가 갖는 기능을 1 개의 구성 요소에 발휘시키거나 해도 된다. 또, 상기 실시형태의 구성의 일부를, 생략해도 된다. 또, 상기 실시형태의 구성의 적어도 일부를, 다른 실시형태의 구성에 대해 부가, 치환 등을 해도 된다. 또한, 특허청구의 범위에 기재된 문언으로부터 특정되는 기술 사상에 포함되는 모든 양태가 본 개시의 실시형태이다.
1 : 광파장 변환 장치
5 : 광복합 장치
9 : 광파장 변환 부재
9a : 제 1 면
9b : 제 2 면
13 : 방열 부재
15 : 접합부
17 : 반사 방지막
19 : 반사막
21 : 중간막
25 : 광원 유닛

Claims (6)

  1. 입사한 광의 파장을 변환하는 광파장 변환 부재와, 그 광파장 변환 부재보다 방열성이 우수한 방열 부재와, 상기 광파장 변환 부재와 상기 방열 부재를 접합하는 접합부를 구비한 광파장 변환 장치에 있어서,
    상기 광파장 변환 부재는, 상기 광이 입사하는 제 1 면에 광의 반사를 억제하는 반사 방지막을 구비하고, 상기 제 1 면과 반대측인 제 2 면에 광을 반사하는 반사막을 구비하고, 그 반사막과 상기 접합부 사이에 상기 반사막과 상기 접합부의 접합성을 향상시키는 중간막을 구비하고 있고,
    또한, 상기 광파장 변환 부재는, 형광성을 갖는 결정 입자를 주체로 하는 형광상과, 투광성을 갖는 결정 입자를 주체로 하는 투광상을 갖는 세라믹스 소결체로 구성된 세라믹스 형광체이고,
    또한, 상기 투광상의 결정 입자는 Al2O3 의 조성을 갖고, 상기 형광상의 결정 입자는 화학식 A3B5O12 : Ce 로 나타내는 조성을 가짐과 함께, 상기 A 원소 및 상기 B 원소는, 각각 하기 원소군에서 선택되는 적어도 1 종의 원소로 구성되어 있는, 광파장 변환 장치.
    A : Sc, Y, 란타노이드 (단, Ce 는 제외한다)
    (단, A 로서 추가로 Gd 를 포함하고 있어도 된다)
    B : Al (단, B 로서 추가로 Ga 를 포함하고 있어도 된다)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광파장 변환 부재의 상기 제 1 면에서 상기 제 2 면에 이르는 두께가, 100 ∼ 400 ㎛ 인, 광파장 변환 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광파장 변환 부재의 상기 제 1 면의 평균 면 조도 (산술 평균 조도 Sa) 가, 0.001 ㎛ < Sa < 0.5 ㎛ 인, 광파장 변환 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광파장 변환 부재의 상기 제 1 면의 표면 조도 (산술 평균 조도 Ra) 가, 0.001 ㎛ < Ra < 0.4 ㎛ 인, 광파장 변환 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광파장 변환 부재의 굴절률 n1 과 상기 반사 방지막의 굴절률 n2 의 비굴절률차 Δn {= (n1 - n2)/n1} 는, 0.3 이하인, 광파장 변환 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 광파장 변환 장치를 구비한, 광복합 장치.
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