WO2014106923A1 - 波長変換材料に用いられるガラス、波長変換材料、波長変換部材及び発光デバイス - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a glass used for producing a wavelength conversion member that converts a wavelength of light emitted from a light emitting diode (LED: Light Emitting Diode) or a laser diode (LD: Laser Diode) to another wavelength. .
- LED Light Emitting Diode
- LD Laser Diode
- Patent Document 1 discloses a light source in which a wavelength conversion member that absorbs part of light from an LED and converts it into yellow light is disposed on an LED that emits blue light. Is disclosed. This light source emits white light which is a combined light of blue light emitted from the LED and yellow light emitted from the wavelength conversion member.
- the wavelength conversion member As the wavelength conversion member, a material in which an inorganic phosphor is dispersed in a resin matrix is conventionally used. However, when the wavelength conversion member is used, there is a problem that the resin is deteriorated by the light from the LED and the luminance of the light source tends to be lowered. In particular, there is a problem that the mold resin deteriorates due to heat generated by the LED or high-energy short wavelength (blue to ultraviolet) light, causing discoloration or deformation.
- the wavelength conversion member has a feature that glass as a base material is not easily deteriorated by heat of the LED chip or irradiation light, and problems such as discoloration and deformation hardly occur.
- the wavelength conversion member has a problem that the inorganic phosphor is deteriorated by firing at the time of manufacture, and the luminance is easily deteriorated.
- the inorganic phosphor is deteriorated by firing at the time of manufacture, and the luminance is easily deteriorated.
- it is necessary to use inorganic phosphors with relatively low heat resistance such as red and green, and the deterioration of inorganic phosphors becomes remarkable.
- the resulting wavelength conversion member is inferior in mechanical strength and weather resistance, so that the use as a wavelength conversion member is limited. There's a problem.
- the present invention is a glass used for a wavelength conversion material containing an inorganic phosphor, a wavelength conversion member that is less deteriorated in properties of the inorganic phosphor due to firing during production, and that has excellent mechanical strength and weather resistance
- An object of the present invention is to provide a glass capable of producing a glass.
- the present invention relates to a glass used for a wavelength conversion material, and in terms of mass%, SiO 2 40 to 70%, B 2 O 3 0 to 25%, Al 2 O 3 0.1 to 20%, Li 2 O 0 Containing 10%, Na 2 O 0-15%, K 2 O 0-15%, Li 2 O + Na 2 O + K 2 O 0.1-25%, BaO 0.1-20% and ZnO 0-20%. And it is related with the glass whose softening point is less than 700 degreeC.
- the softening point is preferably 400 ° C or higher.
- the glass of the present invention is preferably in powder form.
- the present invention relates to a wavelength conversion material containing the glass and an inorganic phosphor.
- the inorganic phosphor is at least one selected from a nitride phosphor, an oxynitride phosphor, an oxide phosphor, a sulfide phosphor, an oxysulfide phosphor, a halide phosphor, and an aluminate phosphor Preferably there is.
- the inorganic phosphor is at least one selected from a nitride phosphor, an oxynitride phosphor and an oxide phosphor.
- the present invention relates to a wavelength conversion member formed by firing the wavelength conversion material.
- the present invention relates to a wavelength conversion member in which an inorganic phosphor is dispersed in a glass matrix, wherein the glass matrix is 40% to 70% by weight of SiO 2 , 0 to 25% of B 2 O 3 , Li 2 O. 0-10%, Na 2 O 0-15%, K 2 O 0-15%, Li 2 O + Na 2 O + K 2 O 0.1-25%, BaO 0.1-20%, Al 2 O 3 0.1
- the present invention relates to a wavelength conversion member made of glass containing ⁇ 20% and ZnO 0 ⁇ 20% and having a softening point of less than 700 ° C.
- the present invention relates to a light emitting device including the wavelength conversion member and a light source that irradiates the wavelength conversion member with excitation light.
- a glass used for a wavelength conversion material containing an inorganic phosphor, a wavelength conversion member that is less deteriorated in properties of the inorganic phosphor due to firing during production, and that has excellent mechanical strength and weather resistance The glass which can produce can be provided.
- FIG. 1 is a schematic side view of a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
- the glass of the present invention is used for a wavelength conversion material, and in terms of mass%, SiO 2 40 to 70%, B 2 O 3 0 to 25%, Al 2 O 3 0.1 to 20%, Li 2 O. Contains 0-10%, Na 2 O 0-15%, K 2 O 0-15%, Li 2 O + Na 2 O + K 2 O 0.1-25%, BaO 0.1-20% and ZnO 0-20% To do. Since the glass containing the composition can be fired at a low temperature, there is a feature that when fired together with the inorganic phosphor, the inorganic phosphor is hardly deteriorated and hardly reacts with the inorganic phosphor. In addition, since the wavelength conversion member obtained using the glass is excellent in mechanical strength and weather resistance, the degree of freedom in designing a light emitting device using the wavelength conversion member can be expanded and highly reliable. Light emitting devices can be manufactured.
- SiO 2 is a component that forms a glass network.
- the content of SiO 2 is 40 to 70%, preferably 45 to 70%. When the content of SiO 2 is too small, weather resistance and mechanical strength tend to be lowered. On the other hand, if the content of SiO 2 is too large, the sintering temperature becomes high, and the inorganic phosphor tends to deteriorate during firing.
- B 2 O 3 is a component that significantly improves the meltability by lowering the melting temperature.
- the content of B 2 O 3 is 0 to 25%, preferably 0.1 to 20%. If the B 2 O 3 content is too large, the weather resistance tends to decrease.
- Al 2 O 3 is a component that improves weather resistance and mechanical strength.
- the content of Al 2 O 3 is 0.1 to 20%, preferably 2 to 15%. When the content of Al 2 O 3 is too small, the effect is difficult to obtain. On the other hand, when the content of Al 2 O 3 is too large, there is a tendency that the melting is lowered.
- Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, and BaO are components that improve the meltability by lowering the melting temperature. Further, it is a component that lowers the softening point. In addition to the effect, BaO also has an effect of suppressing the reaction between glass and the inorganic phosphor.
- the content of Li 2 O is 0 to 10%, preferably 0.1 to 5%.
- the content of Li 2 O is too large, the weather resistance tends to decrease.
- the content of Na 2 O is 0 to 15%, preferably 0.1 to 10%. When the content of Na 2 O is too large, the weather resistance tends to decrease.
- the content of K 2 O is 0 to 15%, preferably 0.1 to 10%. When the content of K 2 O is too large, the weather resistance tends to decrease.
- the content of Li 2 O + Na 2 O + K 2 O is preferably 0.1 to 20%, more preferably 1 to 18%. Preferably, it is more preferably 5 to 17%.
- Li 2 O + Na 2 O + K 2 O content is too small, the softening point is less likely to decrease.
- the Li 2 O + Na 2 O + K 2 O content is too large, the weather resistance tends to lower.
- the content of BaO is 0.1 to 20%, preferably 2 to 15%. If the content of BaO is too small, it is difficult to obtain the effect. On the other hand, when there is too much content of BaO, there exists a tendency for a weather resistance to fall.
- ZnO is a component that improves the meltability by lowering the melting temperature.
- the content of ZnO is 0 to 20%, preferably 0 to 15%, more preferably 0 to 10%, and further preferably 1 to 7%. When there is too much content of ZnO, there exists a tendency for a weather resistance to fall.
- various components can be contained within a range not impairing the effects of the present invention.
- P 2 O 5 , La 2 O 3 , Ta 2 O 3 , TeO 2 , TiO 2 , Nb 2 O 5 , Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , CeO 2 , Sb 2 O 3 , SnO 2 , Bi 2 O 3 and ZrO, etc. may be contained in a range of 30% or less in total of. Since TiO 2 tends to color the glass and causes a decrease in luminous efficiency, its content is preferably 10% or less, more preferably 5% or less, and even more preferably 1% or less. Is particularly preferred.
- the softening point of the glass of the present invention is less than 700 ° C, preferably 698 ° C or less, more preferably 695 ° C or less. If the softening point is too high, the sintering temperature of the wavelength conversion material containing the glass of the present invention and the inorganic phosphor becomes high, so that the inorganic phosphor tends to deteriorate during firing.
- the lower limit of the softening point is not particularly limited, but if it is too low, the mechanical strength and weather resistance are liable to decrease. Therefore, the softening point is preferably 400 ° C. or higher, more preferably 450 ° C. or higher, and further preferably 500 ° C. or higher.
- inorganic phosphors In general, inorganic phosphors often have a higher refractive index than glass.
- the refractive index difference between the inorganic phosphor and the glass matrix is large, excitation light is likely to be scattered at the interface between the inorganic phosphor and the glass matrix. As a result, the irradiation efficiency of the excitation light to the inorganic phosphor is increased, and the light emission efficiency is easily improved.
- the refractive index difference between the inorganic phosphor and the glass matrix is too large, the excitation light is excessively scattered, resulting in a scattering loss, which tends to lower the light emission efficiency.
- the refractive index (nd) of the glass of the present invention is preferably 1.45 to 1.8, more preferably 1.47 to 1.75, and still more preferably 1.48 to 1.6.
- the difference in refractive index between the inorganic phosphor and the glass matrix is preferably about 0.001 to 0.5.
- the shape of the glass of the present invention is not particularly limited, but is preferably powdery.
- powdery glass it is possible to easily produce a wavelength conversion member in which an inorganic phosphor is uniformly dispersed in a glass matrix by firing with a powdery inorganic phosphor.
- the particle size is not particularly limited.
- D50 is preferably 0.1 ⁇ m or more (particularly 1 ⁇ m or more, more preferably 2 ⁇ m or more).
- the maximum particle diameter Dmax of the glass powder is too large, the excitation light is hardly scattered in the obtained wavelength conversion member, and the light emission efficiency tends to be lowered.
- the average particle diameter D50 is too small, in the obtained wavelength conversion member, excitation light will be scattered excessively and luminous efficiency will fall easily.
- the maximum particle diameter Dmax and the average particle diameter D50 indicate values measured by a laser diffraction method.
- the glass of the present invention is used as a wavelength conversion material when combined with an inorganic phosphor.
- the inorganic phosphor usable in the present invention is not particularly limited as long as it is generally available on the market.
- nitride phosphors, oxynitride phosphors, oxide phosphors (including garnet phosphors such as YAG phosphors), sulfide phosphors, oxysulfide phosphors, halide phosphors (halophosphates) And aluminate phosphors and the like may be used alone or in combination of two or more.
- nitride phosphors, oxynitride phosphors and oxide phosphors are preferable because they have high heat resistance and are relatively difficult to deteriorate during firing.
- Nitride phosphors and oxynitride phosphors are characterized by converting near-ultraviolet to blue excitation light into a wide wavelength range from green to red and having a relatively high emission intensity. Therefore, nitride phosphors and oxynitride phosphors are particularly effective as inorganic phosphors used for wavelength conversion members for white LED elements.
- Examples of the inorganic phosphor include those having an excitation band at a wavelength of 300 to 500 nm and an emission peak at a wavelength of 380 to 780 nm, particularly blue (wavelength 440 to 480 nm), green (wavelength 500 to 540 nm), yellow (wavelength 540 to 595 nm) and red light (wavelength: 600 to 700 nm).
- inorganic phosphors that emit blue light when irradiated with ultraviolet to near-ultraviolet excitation light having a wavelength of 300 to 440 nm include (Sr, Ba) MgAl 10 O 17 : Eu 2+ , (Sr, Ba) 3 MgSi 2 O 8 : Eu 2+ and the like can be mentioned.
- Examples of the inorganic phosphor that emits yellow fluorescence when irradiated with ultraviolet to near-ultraviolet excitation light having a wavelength of 300 to 440 nm include La 3 Si 6 N 11 : Ce 3+ .
- Examples of the inorganic phosphor that emits yellow fluorescence when irradiated with blue excitation light having a wavelength of 440 to 480 nm include Y 3 (Al, Gd) 5 O 12 : Ce 3+ and Sr 2 SiO 4 : Eu 2+ .
- Inorganic phosphors that emit red fluorescence when irradiated with ultraviolet to near-ultraviolet excitation light having a wavelength of 300 to 440 nm include CaGa 2 S 4 : Mn 2+ , MgSr 3 Si 2 O 8 : Eu 2+ , Mn 2+ , and Ca 2 MgSi. 2 O 7 : Eu 2+ , Mn 2+ and the like.
- Inorganic phosphors that emit red fluorescence when irradiated with blue excitation light having a wavelength of 440 to 480 nm include CaAlSiN 3 : Eu 2+ , CaSiN 3 : Eu 2+ , (Ca, Sr) 2 Si 5 N 8 : Eu 2+ , ⁇ -SiAlON: Eu 2+ and the like.
- a plurality of inorganic phosphors may be mixed and used in accordance with the wavelength range of excitation light or light emission. For example, when white light is obtained by irradiating ultraviolet excitation light, inorganic phosphors that emit blue, green, yellow, and red fluorescence may be mixed and used.
- a wavelength conversion member can be obtained by firing a wavelength conversion material containing the glass and inorganic phosphor of the present invention.
- the firing temperature is appropriately adjusted within the softening point of glass within ⁇ 150 ° C, preferably within ⁇ 100 ° C. If the firing temperature is too low, the glass does not flow and it is difficult to obtain a dense sintered body. On the other hand, if the firing temperature is too high, the inorganic phosphor elutes into the glass and the emission intensity decreases, or the components contained in the inorganic phosphor diffuse into the glass and the glass is colored, resulting in a decrease in emission intensity. There is a fear.
- the firing is preferably performed in an atmosphere of less than 1.013 ⁇ 10 5 Pa, more preferably 1000 Pa or less, and even more preferably 400 Pa or less.
- the amount of bubbles remaining in the wavelength conversion member can be reduced.
- the scattering factor in the wavelength conversion member can be reduced, and the luminous efficiency can be improved.
- you may perform the whole baking process in a pressure-reduced atmosphere for example, only a baking process is performed in a pressure-reduced atmosphere, and the temperature raising process and temperature-falling process before and behind that are performed in the atmosphere (for example, under atmospheric pressure) which is not a pressure-reduced atmosphere. You may go.
- the luminous efficiency (lm / W) of the wavelength conversion member varies depending on the type and content of the inorganic phosphor dispersed in the glass, the thickness of the wavelength conversion member, and the like. What is necessary is just to adjust suitably content of an inorganic fluorescent substance and the thickness of the wavelength conversion member so that luminous efficiency may become optimal. If the content of the inorganic phosphor becomes too large, it becomes difficult to sinter, the porosity increases, the excitation light is not easily irradiated to the inorganic phosphor, and the mechanical strength of the wavelength conversion member decreases. Problems such as becoming easier occur. On the other hand, if the content of the inorganic phosphor is too small, it becomes difficult to obtain a desired emission intensity. From such a viewpoint, the content of the inorganic phosphor in the wavelength conversion member of the present invention is mass%, preferably 0.01 to 30%, more preferably 0.05 to 25%, and still more preferably 0.08. It is adjusted in the range of ⁇ 20%.
- the wavelength conversion member for the purpose of reflecting the fluorescence generated in the wavelength conversion member to the excitation light incident side and mainly taking out only the fluorescence to the outside is not limited to the above, and the emission intensity is maximized.
- the content of the inorganic phosphor can be increased (for example, 30% to 80%, further 40 to 75%).
- the wavelength conversion member of the present invention may contain, for example, a light diffusing material such as alumina or silica up to 30% in addition to glass and inorganic phosphor.
- the shape of the wavelength converting member of the present invention is not particularly limited, and is not limited to a member having a specific shape such as a plate shape, a columnar shape, a hemispherical shape, a hemispherical dome shape, or a glass substrate or a ceramic substrate.
- a film-like sintered body formed on the surface of the material is also included.
- FIG. 1 shows an embodiment of a light emitting device of the present invention.
- the light emitting device 1 includes a wavelength conversion member 2 and a light source 3.
- the light source 3 irradiates the wavelength conversion member 2 with excitation light.
- the excitation light incident on the wavelength conversion member 2 is converted into light having a different wavelength and is emitted from the side opposite to the light source 3.
- the combined light of the light after wavelength conversion and the excitation light transmitted without wavelength conversion may be emitted.
- the raw materials were prepared so as to have the compositions shown in Tables 1 and 2.
- the raw material was melted and vitrified in a platinum crucible at a temperature of 800 to 1500 ° C. for 1 to 2 hours, and the molten glass was cast between a pair of cooling rollers to form a film.
- the film-like glass was pulverized with a ball mill and classified to obtain glass powder having an average particle diameter D50 of 2.5 ⁇ m.
- the softening point, the total light transmittance, the mechanical strength, and the weather resistance were measured by the following methods.
- a fiber elongation method was used, and a temperature at which the viscosity was 10 7.6 dPa ⁇ s was adopted.
- the total light transmittance was measured as follows. Glass powder was pressure-molded with a mold to prepare a cylindrical preform with a diameter of 1 cm, and fired at the firing temperatures shown in Tables 1 and 2 to obtain a cylindrical sintered body. By subjecting the obtained sintered body to processing such as cutting and polishing, a disk-shaped evaluation sample having a diameter of 8 mm and a thickness of 1 mm was produced. With respect to the obtained sample for evaluation, the total light transmittance in the visible light region was measured using UV-2500PC manufactured by Shimadzu Corporation. In the table, the transmittance at a wavelength of 555 nm is shown.
- the mechanical strength was measured as follows.
- the columnar sintered body was processed into a 40 ⁇ 4 ⁇ 3 mm rectangular parallelepiped shape, and an evaluation sample was produced.
- the obtained sample for evaluation was subjected to a three-point bending test using a strength tester AG-1S manufactured by Shimadzu Corporation according to a method based on JIS-R1601.
- the weather resistance is determined by observing the sample surface by holding the cylindrical sintered body sample at 121 ° C., 95% RH, and 2 atm for 300 hours using a HAST tester PC-242HSR2 manufactured by Hirayama Seisakusho. evaluated. Specifically, by microscopic observation before and after the test, the case where the sample surface did not change was evaluated as “ ⁇ ”, and the case where the glass component was deposited on the sample surface or the gloss was lost was evaluated as “X”. .
- the glasses of Samples A to J which are examples, have a softening point of 698 ° C. or less, a total light transmittance of 60% or more, and a mechanical strength of 80 MPa or more, and all have excellent weather resistance. It was.
- the glass of Sample H which is a comparative example, has a high softening point of 850 ° C., and the glasses of Samples I and J have a low mechanical strength of 65 MPa or less and have poor weather resistance. . Samples H to J all had a low total light transmittance of 59% or less.
- Tables 3 to 8 show wavelength conversion members according to Examples (Samples 1 to 7, 11 to 17, 21 to 27) and Comparative Examples (8 to 10, 18 to 20, 28 to 30). Is shown.
- Each glass powder sample shown in Tables 1 and 2 was mixed with inorganic phosphor powders shown in Tables 3 to 8 at a predetermined mass ratio to obtain mixed powders.
- the mixed powder was pressure-molded with a mold to prepare a cylindrical preform with a diameter of 1 cm. After the preform was fired, the obtained sintered body was processed to obtain a disk-shaped wavelength conversion member having a diameter of 8 mm and a thickness of 0.2 mm.
- the calcination temperature of Table 1 and 2 was employ
- the luminous efficiency was determined as follows. First, a wavelength conversion member was installed on a light source having an excitation wavelength of 460 nm, and an energy distribution spectrum of light emitted from the upper surface of the sample was measured in an integrating sphere. Next, the total luminous flux was calculated by multiplying the obtained spectrum by the standard relative luminous sensitivity, and the luminous efficiency was calculated by dividing the total luminous flux by the power of the light source.
- the samples 21 to 27 as the examples had a luminous efficiency of 10.9 lm / W or more, whereas the samples as the comparative examples In 28-30, the luminous efficiency was as low as 9.5 lm / W or less.
- the glass of the present invention is suitable as a material for wavelength conversion member used for general illumination such as white LED, special illumination (for example, projector light source, automobile headlamp light source) and the like.
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Abstract
無機蛍光体を含有する波長変換材料に用いられるガラスであって、製造時における焼成により無機蛍光体の特性劣化が少なく、かつ、機械強度及び耐侯性に優れた波長変換部材を作製することが可能なガラスを提供する。 波長変換材料に用いられるガラスであって、質量%で、SiO2 40~70%、B2O3 0~25%、Al2O3 0.1~20%、Li2O 0~10%、Na2O 0~15%、K2O 0~15%、Li2O+Na2O+K2O 0.1~25%、BaO 0.1~20%及びZnO 0~20%を含有し、かつ、軟化点が700℃未満であるガラス。
Description
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を作製するために用いられるガラスに関するものである。
近年、蛍光ランプや白熱灯に変わる次世代の光源として、LEDやLDを用いた光源等に対する注目が高まってきている。そのような次世代光源の一例として、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光源が開示されている。この光源は、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。
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が劣化し、光源の輝度が低くなりやすいという問題がある。特に、LEDが発する熱や高エネルギーの短波長(青色~紫外)光によってモールド樹脂が劣化し、変色や変形を起こすという問題がある。
そこで、樹脂に代えてガラスマトリクス中に無機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、母材となるガラスがLEDチップ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。
上記波長変換部材は、製造時の焼成により無機蛍光体が劣化し、輝度劣化しやすいという問題がある。特に、一般照明、特殊照明等の用途においては、高い演色性が求められるため、赤色や緑色といった比較的耐熱性の低い無機蛍光体を使用する必要があり、無機蛍光体の劣化が顕著になる傾向がある。
一方、上記問題を解決するために、低温焼結が可能な低軟化点ガラスを使用すると、得られる波長変換部材の機械強度や耐侯性に劣るため、波長変換部材としての用途が限定されるという問題がある。
したがって、本発明は、無機蛍光体を含有する波長変換材料に用いられるガラスであって、製造時における焼成により無機蛍光体の特性劣化が少なく、かつ、機械強度及び耐侯性に優れた波長変換部材を作製することが可能なガラスを提供することを目的とする。
本発明は、波長変換材料に用いられるガラスであって、質量%で、SiO2 40~70%、B2O3 0~25%、Al2O3 0.1~20%、Li2O 0~10%、Na2O 0~15%、K2O 0~15%、Li2O+Na2O+K2O 0.1~25%、BaO 0.1~20%及びZnO 0~20%を含有し、かつ、軟化点が700℃未満であるガラスに関する。
軟化点が400℃以上であることが好ましい。
本発明のガラスは粉末状であることが好ましい。
本発明は、前記ガラスと、無機蛍光体と、を含有する波長変換材料に関する。
無機蛍光体が、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体、酸化物蛍光体、硫化物蛍光体、酸硫化物蛍光体、ハロゲン化物蛍光体及びアルミン酸塩蛍光体から選択される1種以上であることが好ましい。
無機蛍光体が、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体及び酸化物蛍光体から選択される1種以上であることがより好ましい。
本発明は、前記波長変換材料を焼成してなる波長変換部材に関する。
本発明は、ガラスマトリクス中に無機蛍光体が分散してなる波長変換部材であって、ガラスマトリクスが、質量%で、SiO2 40~70%、B2O3 0~25%、Li2O 0~10%、Na2O 0~15%、K2O 0~15%、Li2O+Na2O+K2O 0.1~25%、BaO 0.1~20%、Al2O3 0.1~20%及びZnO 0~20%を含有し、かつ、軟化点が700℃未満であるガラスからなる波長変換部材に関する。
本発明は、前記波長変換部材、及び、波長変換部材に励起光を照射する光源を備えてなる発光デバイスに関する。
本発明によれば、無機蛍光体を含有する波長変換材料に用いられるガラスであって、製造時における焼成により無機蛍光体の特性劣化が少なく、かつ、機械強度及び耐侯性に優れた波長変換部材を作製することが可能なガラスを提供することができる。
本発明のガラスは、波長変換材料に用いられるものであり、質量%で、SiO2 40~70%、B2O3 0~25%、Al2O3 0.1~20%、Li2O 0~10%、Na2O 0~15%、K2O 0~15%、Li2O+Na2O+K2O 0.1~25%、BaO 0.1~20%及びZnO 0~20%を含有する。当該組成を含有するガラスであれば、低温焼成が可能なため、無機蛍光体とともに焼成した場合に、無機蛍光体が劣化しにくく、かつ、無機蛍光体と反応しにくいという特徴がある。また、当該ガラスを用いて得られた波長変換部材は、機械強度及び耐候性に優れているため、当該波長変換部材を用いた発光デバイスの設計の自由度を広げることができ、かつ、高信頼性の発光デバイスが作製可能である。
以下に、上記のようにガラス組成範囲を限定した理由を説明する。
SiO2はガラスネットワークを形成する成分である。SiO2の含有量は40~70%であり、好ましくは45~70%である。SiO2の含有量が少なすぎると、耐候性や機械強度が低下する傾向がある。一方、SiO2の含有量が多すぎると、焼結温度が高温になり、焼成時に無機蛍光体が劣化しやすくなる。
B2O3は溶融温度を低下させて溶融性を著しく改善する成分である。B2O3の含有量は0~25%であり、好ましくは0.1~20%である。B2O3の含有量が多すぎると、耐候性が低下する傾向がある。
Al2O3は耐候性や機械強度を向上させる成分である。Al2O3の含有量は0.1~20%であり、好ましくは2~15%である。Al2O3の含有量が少なすぎると、上記効果が得られにくくなる。一方、Al2O3の含有量が多すぎると、溶融性が低下する傾向がある。
Li2O、Na2O、K2O及びBaOは溶融温度を低下させて溶融性を改善する成分である。また、軟化点を低下させる成分である。なお、BaOは当該効果に加えて、ガラスと無機蛍光体の反応を抑制する効果も有する。
Li2Oの含有量は0~10%であり、好ましくは0.1~5%である。Li2Oの含有量が多すぎると、耐候性が低下する傾向がある。
Na2Oの含有量は0~15%であり、好ましくは0.1~10%である。Na2Oの含有量が多すぎると、耐候性が低下する傾向がある。
K2Oの含有量は0~15%であり、好ましくは0.1~10%である。K2Oの含有量が多すぎると、耐候性が低下する傾向がある。
なお、耐候性を維持しつつ、軟化点を低下させるためには、Li2O+Na2O+K2Oの含有量を0.1~20%とすることが好ましく、1~18%とすることがより好ましく、5~17%とすることがさらに好ましい。Li2O+Na2O+K2Oの含有量が少なすぎると、軟化点が低下しにくくなる。一方、Li2O+Na2O+K2O含有量が多すぎると、耐候性が低下しやすくなる。
BaOの含有量は0.1~20%であり、好ましくは2~15%である。BaOの含有量が少なすぎると、前記効果が得られにくい。一方、BaOの含有量が多すぎると、耐候性が低下する傾向がある。
ZnOは溶融温度を低下させて溶融性を改善する成分である。ZnOの含有量は0~20%であり、好ましくは0~15%、より好ましくは0~10%、さらに好ましくは1~7%である。ZnOの含有量が多すぎると、耐候性が低下する傾向がある。
また、上記成分以外にも、本発明の効果を損なわない範囲で種々の成分を含有させることができる。例えば、P2O5、La2O3、Ta2O3、TeO2、TiO2、Nb2O5、Gd2O3、Y2O3、CeO2、Sb2O3、SnO2、Bi2O3及びZrO等を合量で30%以下の範囲で含有させてもよい。なお、TiO2はガラスを着色させやすく、発光効率低下の原因となるため、その含有量は、好ましくは10%以下、より好ましくは5%以下、さらに好ましくは1%以下であり、含有しないことが特に好ましい。
本発明のガラスにおいて、耐候性を向上させるため、耐候性向上に寄与する成分であるSiO2及びAl2O3の合量と、耐候性低下の原因となる成分であるB2O3、アルカリ金属酸化物(=Li2O+Na2O+K2O)、及び、BaOを除くアルカリ土類金属酸化物(=MgO+CaO+SrO)の含量の比率を適宜調整することが好ましい。具体的には、(B2O3+Li2O+Na2O+K2O+MgO+CaO+SrO)/(SiO2+Al2O3)が0.5以下であることが好ましく、0.4以下であることがより好ましい。当該比率が大きすぎると、耐候性が著しく低下する傾向がある。
本発明のガラスの軟化点は700℃未満であり、好ましくは698℃以下、より好ましくは695℃以下である。軟化点が高すぎると、本発明のガラスと無機蛍光体を含有する波長変換材料の焼結温度が高くなるため、焼成時に無機蛍光体が劣化しやすくなる。なお、軟化点の下限は特に限定されないが、低すぎると機械強度及び耐候性が低下しやすくなる。そのため、軟化点は400℃以上であることが好ましく、450℃以上であることがより好ましく、500℃以上であることがさらに好ましい。
なお一般に、無機蛍光体はガラスよりも屈折率が高い場合が多い。波長変換部材において、無機蛍光体とガラスマトリクスの屈折率差が大きいと、無機蛍光体とガラスマトリクスの界面で励起光が散乱されやすくなる。その結果、無機蛍光体に対する励起光の照射効率が高くなり、発光効率が向上しやすくなる。ただし、無機蛍光体とガラスマトリクスの屈折率差が大きすぎると、励起光の散乱が過剰になり、散乱損失となって逆に発光効率が低下する傾向がある。以上に鑑み、本発明のガラスの屈折率(nd)は、好ましくは1.45~1.8、より好ましくは1.47~1.75、さらに好ましくは1.48~1.6である。なお、無機蛍光体とガラスマトリクスの屈折率差は0.001~0.5程度であることが好ましい。
本発明のガラスの形状は特に限定されないが、粉末状であることが好ましい。粉末状のガラスであれば、粉末状の無機蛍光体と混合して焼成することで、ガラスマトリクス中に均一に無機蛍光体が分散した波長変換部材を容易に作製することが可能となる。
本発明のガラスが粉末状(すなわち、ガラス粉末)である場合、その粒度は特に限定されないが、例えば、最大粒子径Dmaxが200μm以下(特に150μm以下、さらには105μm以下)、かつ、平均粒子径D50が0.1μm以上(特に1μm以上、さらには2μm以上)であることが好ましい。ガラス粉末の最大粒子径Dmaxが大きすぎると、得られる波長変換部材において、励起光が散乱しにくくなり発光効率が低下しやすくなる。また、平均粒子径D50が小さすぎると、得られる波長変換部材において、励起光が過剰に散乱して発光効率が低下しやすくなる。
なお、本発明において、最大粒子径Dmax及び平均粒子径D50はレーザー回折法により測定した値を指す。
本発明のガラスは、無機蛍光体と組み合わせることにより波長変換材料として使用される。
本発明において使用可能な無機蛍光体としては、一般に市場で入手できるものであれば特に限定されない。例えば、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体、酸化物蛍光体(YAG蛍光体等のガーネット系蛍光体を含む)、硫化物蛍光体、酸硫化物蛍光体、ハロゲン化物蛍光体(ハロリン酸塩化物等)及びアルミン酸塩蛍光体等が挙げられる。これらは単独で使用してもよく、2種以上を混合して使用してもよい。これらの無機蛍光体のうち、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体及び酸化物蛍光体は耐熱性が高く、焼成時に比較的劣化しにくいため好ましい。なお、窒化物蛍光体及び酸窒化物蛍光体は、近紫外~青の励起光を緑~赤という幅広い波長領域に変換し、しかも発光強度も比較的高いという特徴を有している。そのため、窒化物蛍光体及び酸窒化物蛍光体は、特に白色LED素子用波長変換部材に用いられる無機蛍光体として有効である。
上記無機蛍光体としては、波長300~500nmに励起帯を有し波長380~780nmに発光ピークを有するもの、特に青色(波長440~480nm)、緑色(波長500~540nm)、黄色(波長540~595nm)、赤色(波長600~700nm)に発光するものが挙げられる。
波長300~440nmの紫外~近紫外の励起光を照射すると青色の発光を発する無機蛍光体としては、(Sr,Ba)MgAl10O17:Eu2+、(Sr,Ba)3MgSi2O8:Eu2+等が挙げられる。
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を発する無機蛍光体としては、SrAl2O4:Eu2+、SrBaSiO4:Eu2+、Y3(Al,Gd)5O12:Ce3+、SrSiOn:Eu2+、BaMgAl10O17:Eu2+,Mn2+、Ba2MgSi2O7:Eu2+、Ba2SiO4:Eu2+、Ba2Li2Si2O7:Eu2+、BaAl2O4:Eu2+等が挙げられる。
波長440~480nmの青色の励起光を照射すると緑色の蛍光を発する無機蛍光体としては、SrAl2O4:Eu2+、SrBaSiO4:Eu2+、Y3(Al,Gd)5O12:Ce3+、SrSiON:Eu2+、β-SiAlON:Eu2+等が挙げられる。
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を発する無機蛍光体としては、La3Si6N11:Ce3+等が挙げられる。
波長440~480nmの青色の励起光を照射すると黄色の蛍光を発する無機蛍光体としては、Y3(Al,Gd)5O12:Ce3+、Sr2SiO4:Eu2+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を発する無機蛍光体としては、CaGa2S4:Mn2+、MgSr3Si2O8:Eu2+,Mn2+、Ca2MgSi2O7:Eu2+,Mn2+等が挙げられる。
波長440~480nmの青色の励起光を照射すると赤色の蛍光を発する無機蛍光体としては、CaAlSiN3:Eu2+、CaSiN3:Eu2+、(Ca,Sr)2Si5N8:Eu2+、α-SiAlON:Eu2+等が挙げられる。
なお、励起光や発光の波長域に合わせて、複数の無機蛍光体を混合して用いてもよい。例えば、紫外域の励起光を照射して白色光を得る場合は、青色、緑色、黄色、赤色の蛍光を発する無機蛍光体を混合して使用すればよい。
本発明のガラス及び無機蛍光体を含有する波長変換材料を焼成することにより、波長変換部材を得ることができる。焼成温度は、ガラスの軟化点±150℃以内、好ましくは±100℃以内の範囲で適宜調整される。焼成温度が低すぎると、ガラスが流動せず、緻密な焼結体が得られにくい。一方、焼成温度が高すぎると、無機蛍光体がガラス中に溶出して発光強度が低下したり、無機蛍光体に含まれる成分がガラス中に拡散してガラスが着色し、発光強度が低下するおそれがある。
また、焼成は減圧雰囲気中で行うことが好ましい。具体的には、焼成は、好ましくは1.013×105Pa未満、より好ましくは1000Pa以下、さらに好ましくは400Pa以下の雰囲気下で行う。それにより、波長変換部材中に残存する気泡の量を少なくすることができる。その結果、波長変換部材内の散乱因子を少なくすることができ、発光効率を向上させることができる。なお、焼成工程全体を減圧雰囲気中で行ってもよいし、例えば焼成工程のみを減圧雰囲気中で行い、その前後の昇温工程や降温工程を、減圧雰囲気ではない雰囲気(例えば大気圧下)で行ってもよい。
波長変換部材の発光効率(lm/W)は、ガラス中に分散した無機蛍光体の種類や含有量、さらには波長変換部材の厚み等によって変化する。無機蛍光体の含有量と波長変換部材の厚みは、発光効率が最適になるように適宜調整すればよい。無機蛍光体の含有量が多くなりすぎると、焼結しにくくなったり、気孔率が大きくなって、励起光が効率良く無機蛍光体に照射されにくくなったり、波長変換部材の機械強度が低下しやすくなる等の問題が生じる。一方、無機蛍光体の含有量が少なすぎると、所望の発光強度を得ることが困難になる。このような観点から、本発明の波長変換部材における無機蛍光体の含有量は、質量%で、好ましくは0.01~30%、より好ましくは0.05~25%、さらに好ましくは0.08~20%の範囲で調整される。
なお、波長変換部材において発生した蛍光を、励起光入射側へ反射させ、主に蛍光のみを外部に取り出すことを目的とした波長変換部材においては、上記の限りではなく、発光強度が最大になるように、無機蛍光体の含有量を多くする(例えば、30%~80%、さらには40~75%)ことができる。
本発明の波長変換部材には、ガラス及び無機蛍光体以外にも、例えばアルミナやシリカ等の光拡散材を合量で30%まで含有していてもよい。
本発明の波長変換部材の形状は特に制限されず、例えば、板状、柱状、半球状、半球ドーム状等、それ自身が特定の形状を有する部材だけでなく、ガラス基板やセラミック基板等の基材表面に形成された被膜状の焼結体等も含まれる。
図1に、本発明の発光デバイスの実施形態を示す。図1に示すように、発光デバイス1は波長変換部材2及び光源3を備えてなる。光源3は、波長変換部材2に対して励起光を照射する。波長変換部材2に入射した励起光は、別の波長の光に変換され、光源3とは反対側から出射する。この際、波長変換後の光と、波長変換されずに透過した励起光との合成光を出射させるようにしてもよい。
以下に、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(1)ガラスの作製
表1及び2は実施例(試料A~G)及び比較例(試料H~J)に係るガラスを示している。
表1及び2は実施例(試料A~G)及び比較例(試料H~J)に係るガラスを示している。
まず、表1及び2に示す組成となるように原料を調合した。原料を白金坩堝内において800~1500℃の温度で1~2時間溶融してガラス化し、溶融ガラスを一対の冷却ローラー間に流し出すことによりフィルム状に成形した。フィルム状のガラスをボールミルで粉砕した後、分級して平均粒径D50が2.5μmのガラス粉末を得た。得られたガラス粉末につき、下記の方法により、軟化点、全光線透過率、機械強度及び耐候性を測定した。
軟化点は、ファイバーエロンゲーション法を用い、粘度が107.6dPa・sとなる温度を採用した。
全光線透過率は次のようにして測定した。ガラス粉末を金型で加圧成型して直径1cmの円柱状予備成型体を作製し、表1及び2に示す焼成温度で焼成することにより円柱状焼結体を得た。得られた焼結体に対し、切断、研磨等の加工を施すことにより、直径8mm、厚さ1mmの円盤状の評価用試料を作製した。得られた評価用試料について、可視光域における全光線透過率を島津製作所製UV-2500PCを用いて測定した。表中には、波長555nmの透過率を示した。
機械強度は次のようにして測定した。上記の円柱状焼結体を40×4×3mmの直方体状に加工し、評価用試料を作製した。得られた評価用試料について、島津製作所製強度試験機AG-1Sを用いて、JIS-R1601に準拠した方法で3点曲げ試験を行った。
耐候性は、平山製作所製HAST試験機PC-242HSR2を用いて、上記円柱状焼結体試料を121℃、95%RH、2気圧の条件下、300時間保持し、試料表面を観察することによって評価した。具体的には、試験前後で顕微鏡観察にて、試料表面に変化がないものは「○」、試料表面にガラス成分が析出していたり、光沢が失われたりしたものを「×」として評価した。
表1に示すように、実施例である試料A~Jのガラスは、軟化点が698℃以下、全光線透過率が60%以上、機械強度が80MPa以上であり、いずれも耐候性に優れていた。一方、表2に示すように、比較例である試料Hのガラスは軟化点が850℃と高く、試料I及びJのガラスは、機械強度が65MPa以下と低く、かつ、耐候性に劣っていた。また、試料H~Jはいずれも全光線透過率が59%以下と低かった。
(2)波長変換部材の作製
表3~8は実施例(試料1~7、11~17、21~27)及び比較例(8~10、18~20、28~30)に係る波長変換部材を示している。
表3~8は実施例(試料1~7、11~17、21~27)及び比較例(8~10、18~20、28~30)に係る波長変換部材を示している。
表1及び2に記載の各ガラス粉末試料に、表3~8に示す無機蛍光体粉末を所定の質量比で混合して混合粉末を得た。混合粉末を金型で加圧成型して直径1cmの円柱状予備成型体を作製した。この予備成型体を焼成した後、得られた焼結体に加工を施すことにより、直径8mm、厚さ0.2mmの円盤状の波長変換部材を得た。なお、焼成温度は、使用したガラスに応じて、表1及び2に記載の焼成温度を採用した。得られた波長変換部材について、発光スペクトルを測定し、発光効率を算出した。結果を表3~8に示す。
発光効率は次のようにして求めた。まず、励起波長460nmの光源上に波長変換部材を設置し、積分球内で、試料上面から発せられる光のエネルギー分布スペクトルを測定した。次に、得られたスペクトルに標準比視感度を掛け合わせて全光束を計算し、全光束を光源の電力で除して発光効率を算出した。
表3及び4から明らかなように、無機蛍光体としてα-SiAlONを使用した場合、実施例である試料1~7は発光効率が5.5lm/W以上であったのに対し、比較例である試料8~10は発光効率が5.3lm/W以下と低かった。
表5及び6から明らかなように、無機蛍光体としてCaAlSiN3を使用した場合、実施例である試料11~17は発光効率が5.3lm/W以上であったのに対し、比較例である試料18~20は発光効率が4.7lm/W以下と低かった。
表7及び8から明らかなように、無機蛍光体としてYAGを使用した場合、実施例である試料21~27は発光効率が10.9lm/W以上であったのに対し、比較例である試料28~30は発光効率が9.5lm/W以下と低かった。
本発明のガラスは、白色LED等の一般照明、特殊照明(例えば、プロジェクター光源、自動車のヘッドランプ光源)等に使用される波長変換部材用材料として好適である。
1 発光デバイス
2 波長変換部材
3 光源
2 波長変換部材
3 光源
Claims (9)
- 波長変換材料に用いられるガラスであって、質量%で、SiO2 40~70%、B2O3 0~25%、Al2O3 0.1~20%、Li2O 0~10%、Na2O 0~15%、K2O 0~15%、Li2O+Na2O+K2O 0.1~25%、BaO 0.1~20%及びZnO 0~20%を含有し、かつ、軟化点が700℃未満であるガラス。
- 軟化点が400℃以上である請求項1に記載のガラス。
- 粉末状である請求項1または2に記載のガラス。
- 請求項1~3のいずれかに記載のガラスと、無機蛍光体と、を含有する波長変換材料。
- 無機蛍光体が、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体、酸化物蛍光体、硫化物蛍光体、酸硫化物蛍光体、ハロゲン化物蛍光体及びアルミン酸塩蛍光体から選択される1種以上である請求項4に記載の波長変換材料。
- 無機蛍光体が、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体及び酸化物蛍光体から選択される1種以上である請求項4に記載の波長変換材料。
- 請求項4~6のいずれか一項に記載の波長変換材料を焼成してなる波長変換部材。
- ガラスマトリクス中に無機蛍光体が分散してなる波長変換部材であって、ガラスマトリクスが、質量%で、SiO2 40~70%、B2O3 0~25%、Li2O 0~10%、Na2O 0~15%、K2O 0~15%、Li2O+Na2O+K2O 0.1~25%、BaO 0.1~20%、Al2O3 0.1~20%及びZnO 0~20%を含有し、かつ、軟化点が700℃未満であるガラスからなる波長変換部材。
- 請求項7または8に記載の波長変換部材、及び、波長変換部材に励起光を照射する光源を備えてなる発光デバイス。
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