JP2019015848A - 波長変換部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラスに蛍光体が封止された波長変換層を備え、その波長変換層における蛍光体の濃度に依らず、優れた光学特性及び光取出効率を有する波長変換部材、及びその製造方法を提供する。【解決手段】一実施の形態として、平板状のガラス１０ａ及びガラス１０ａに含まれる蛍光体１０ｂを有する第１の波長変換層１０と、第１の波長変換層１０の一方の面上に形成されたガラス層１１と、ガラス層１１の第１の波長変換層１０と反対側の面上に形成された反射層１２と、を備えた、波長変換部材１を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、波長変換部材及びその製造方法に関する。

従来、セラミックス基材の表面に、ガラス粉末及び無機蛍光体粉末を含む無機粉末焼結体層が形成されてなる蛍光体複合部材であって、励起光が照射されたときに、セラミックス基材及び無機粉末焼結体層が互いに異なる波長の蛍光を発する蛍光体複合部材が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の蛍光体複合部材は、透過型の波長変換部材であり、セラミックス基材から発せられる黄色の蛍光と、無機粉末焼結体層から発せられる赤色及び／又は緑色の蛍光が、蛍光体複合部材中を透過する青色の励起光と合成されて白色光が得られる。

特開２０１２−５２０６１号公報

特許文献１に記載の蛍光体複合部材は透過型の波長変換部材であるが、反射型の波長変換部材においては、通常、光を反射するための反射層が含まれ、また、ガラスに蛍光体が封止された波長変換層により効率的に光を散乱させるため、その波長変換層における蛍光体の濃度を高めることが求められる。

しかしながら、本発明者らは、ガラスに蛍光体が封止された波長変換層における赤色蛍光体の濃度が高くなると、波長変換層中に空隙が発生することを発見した。そしてさらに、反射層の形成前には、下地となる層の表面に研磨処理を施して鏡面化させる必要があるが、空隙の生じた波長変換層の上に反射層を直接形成しようとすると、波長変換層の空隙に研磨剤が侵入して波長変換層の光学特性に悪影響を与えること、また、空隙が多いと研磨しても鏡面化することができず、高品質の反射層を形成することができないことを発見した。

本発明の目的は、ガラスに蛍光体が封止された波長変換層を備え、その波長変換層における蛍光体の濃度に依らず、優れた光学特性及び光取出効率を有する波長変換部材、及びその製造方法を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、以下の［１］〜［７］の波長変換部材、及び［８］、［９］の波長変換部材の製造方法を提供する。

［１］平板状のガラス及び前記ガラスに含まれる蛍光体を有する第１の波長変換層と、前記第１の波長変換層の一方の面上に形成されたガラス層と、前記ガラス層の前記第１の波長変換層と反対側の面上に形成された反射層と、を備えた、波長変換部材。

［２］前記蛍光体が赤色蛍光体である、上記［１］に記載の波長変換部材。

［３］前記第１の波長変換層の任意の断面における前記赤色蛍光体の断面積比率が５４％以上である、上記［１］又は［２］に記載の波長変換部材。

［４］前記ガラス層の厚さが５μｍ以上である、上記［１］〜［３］のいずれか１項に記載の波長変換部材。

［５］前記第１の波長変換層の前記ガラス層と反対側の面上に形成された、黄色蛍光体を含む第２の波長変換層を備えた、上記［１］〜［４］のいずれか１項に記載の波長変換部材。

［６］前記第２の波長変換層がＹＡＧ系蛍光体の単結晶からなり、前記第１の波長変換層の厚さと前記ガラス層の厚さの合計が３００μｍ以下である、上記［５］に記載の波長変換部材。

［７］前記第２の波長変換層と前記第１の波長変換層との界面が凹凸形状である、上記［５］又は［６］に記載の波長変換部材。

［８］赤色蛍光体を含むガラスからなる第１の波長変換層を形成する工程と、前記第１の波長変換層の一方の面上にガラス層を形成する工程と、前記ガラス層の表面に研磨処理を施す工程と、前記研磨処理が施された前記ガラス層の表面上に、反射層を形成する工程と、を含む、波長変換部材の製造方法。

［９］前記第１の波長変換層の任意の断面における前記赤色蛍光体の断面積比率が５４％以上である、上記［８］に記載の波長変換部材の製造方法。

本発明によれば、ガラスに蛍光体が封止された波長変換層を備え、その波長変換層における蛍光体の濃度に依らず、優れた光学特性及び光取出効率を有する波長変換部材、及びその製造方法を提供することができる。

図１は、実施の形態に係る波長変換部材の垂直断面図である。 図２（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態に係る波長変換部材の製造工程を示す垂直断面図である。 図３（ａ）は、第１の波長変換層における赤色蛍光体の断面積比率が４６％であるときの第１の波長変換層の断面のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）観察像であり、図３（ｂ）は、第１の波長変換層における赤色蛍光体の断面積比率が５４％であるときの第１の波長変換層の断面のＳＥＭ観察像である。 図４は、研磨された空隙を含む第１の波長変換層の表面の光学顕微鏡による観察像である。 図５は、積層された第１の波長変換層、ガラス層、及び第２の波長変換層の厚さ方向の断面のＳＥＭ観察像である。

（波長変換部材の構成）
図１は、実施の形態に係る波長変換部材１の垂直断面図である。波長変換部材１は、平板状のガラス１０ａ及びガラス１０ａに含まれる赤色蛍光体１０ｂを有する第１の波長変換層１０と、第１の波長変換層１０の一方の面上に形成されたガラス層１１と、ガラス層１１の第１の波長変換層１０と反対側の面上に形成された反射層１２と、第１の波長変換層１０のガラス層１１と反対側の面上に形成された、黄色蛍光体を含む第２の波長変換層１３と、反射層１２のガラス層１１と反対側の面上に接合層１５により接合された放熱部材１４とを備える。

波長変換部材１は、第２の波長変換層１３側から励起光を入射させて、励起光と蛍光の混合光を励起光の入射側から取り出す反射型の波長変換部材である。第１の波長変換層１０と第２の波長変換層１３のうち、第２の波長変換層１３が光取り出し側にあるのは、放熱性を高めるためである。蛍光体から発せられた熱は、主に光取出し面の逆側の面（反射膜面）から放熱されるため、黄色蛍光体よりも発熱し易い赤色蛍光体を放熱側（反射膜側）に設けることによって、赤色蛍光体で発生した熱が放熱され易くなり、蛍光体全体での発熱量が抑えられる。

反射型の波長変換部材１においては、第１の波長変換層１０において効率的に光を散乱させるため、第１の波長変換層１０における赤色蛍光体１０ｂの濃度を高めることが求められる。しかしながら、第１の波長変換層１０における赤色蛍光体１０ｂの濃度が高くなると、第１の波長変換層１０に空隙が生じる。

一方で、反射層１２の形成前には、下地となる層の表面に研磨処理を施して鏡面化させる必要があるが、空隙の生じた第１の波長変換層１０の上に反射層１２を直接形成しようとすると、第１の波長変換層１０の空隙に研磨剤が侵入して第１の波長変換層１０の光学特性に悪影響を与える。また、空隙が多いと研磨しても鏡面化することができず、高品質の反射層１２を形成することができないという問題も生じ得る。

そこで、実施の形態に係る波長変換部材１の製造においては、第１の波長変換層１０の上に蛍光体を含まないガラス層１１を形成し、そのガラス層１１を研磨して鏡面化させ、その上に反射層１２を形成している。

このため、第１の波長変換層１０が空隙を含む場合であっても、空隙に研磨剤が侵入することや、反射層１２の下地の鏡面化が妨げられることがなく、第１の波長変換層１０が空隙による第１の波長変換層１０の光学特性の劣化や反射層１２の品質の低下を防ぐことができる。

したがって、第１の波長変換層１０における赤色蛍光体１０ｂの濃度が空隙を発生させるほど高い場合に、特に波長変換部材１の構成は効果的であるといえる。

例えば、第１の波長変換層１０が赤色蛍光体１０ｂをガラス１０ａ中に含み、第１の波長変換層１０の任意の断面における赤色蛍光体１０ｂの断面積比率（ある断面における第１の波長変換層１０全体の面積に対する赤色蛍光体１０ｂの面積の比の値）が５４％以上である場合に空隙が発生しやすい。

ここで、第１の波長変換層１０における赤色蛍光体１０ｂの濃度がおよそ５０質量％以上である場合に、第１の波長変換層１０の任意の断面における赤色蛍光体１０ｂの断面積比率が５４％以上になる。

また、第１の波長変換層１０が赤色蛍光体１０ｂ以外の無機材、例えば他の蛍光体や散乱材、をガラス１０ａ中に含む場合は、第１の波長変換層１０の任意の断面における赤色蛍光体１０ｂの断面積比率が５４％未満（第１の波長変換層１０における赤色蛍光体１０ｂの濃度が５０質量％未満）であっても空隙が発生する場合がある。

第１の波長変換層１０のガラス１０ａは、低融点ガラスからなり、特に、Ｂｉ_２Ｏ_３−ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３等の融点が５００℃以下の低融点ガラスからなることが好ましい。ガラス１０ａの材料として低融点ガラスを用いることにより、第１の波長変換層１０の形成時における、ガラス１０ａを溶融させるための熱による赤色蛍光体１０ｂの劣化を抑えることができる。

第１の波長変換層１０の赤色蛍光体１０ｂは、波長５９０〜７８０ｎｍに中心波長を有する蛍光を発する蛍光体であり、例えば、（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉ（Ｎ，Ｏ）_３：Ｅｕを赤色蛍光体１０ｂとして用いることができる。

ガラス層１１は、第１の波長変換層１０のガラス１０ａと同様に、第１の波長変換層１０の赤色蛍光体１０ｂの熱による劣化を抑えるために、低融点ガラスからなる。また、ガラス層１１を構成する低融点ガラスとして、第１の波長変換層１０のガラス１０ａを構成する低融点ガラスと同じものを用いてもよい。

ガラス層１１の下の第１の波長変換層１０が露出して波長変換部材１の光学的特性に悪影響を及ぼすことを考慮して、研磨後の厚さが５μｍ以上となるような設計値でガラス層１１を形成することが好ましい。すなわち、完成した波長変換部材１におけるガラス層１１の厚さは５μｍ以上であることが好ましい。

ガラス層１１はスクリーン印刷等により形成されるが、形成後、１０μｍ程度の厚さのばらつきが存在することが多い。このため、鏡面化に十分な研磨厚さで研磨し、かつ研磨後の厚さを５μｍ以上とするために、ガラス層１１の研磨前の厚さは１５μｍ以上であることが好ましい。また、ガラス層１１の形成後のＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）による研磨処理の研磨厚さが最大で１０μｍ程度ばらつくことがあるため、ガラス層１１の下の第１の波長変換層１０が露出することをより確実に防ぐために、ガラス層１１の研磨前の厚さは２５μｍ以上であることがより好ましく、３０μｍ以上であることがさらに好ましい。

反射層１２は、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｇ合金等の金属や、二酸化ケイ素と酸化チタン等からなる多層膜誘電体からなる。

第２の波長変換層１３は、第１の波長変換層１０の赤色蛍光体１０ｂとは中心波長が異なる蛍光を発する蛍光体、例えば、波長５３５〜５９０ｎｍに中心波長を有する蛍光を発する黄色蛍光体を含む、平板状の蛍光体含有部材である。また、第２の波長変換層１３は、例えば、赤色蛍光体１０ｂとは中心波長が異なる蛍光を発する蛍光体の単結晶や、赤色蛍光体１０ｂとは中心波長が異なる蛍光を発する蛍光体を含むセラミックスからなる。

第２の波長変換層１３に含まれる黄色蛍光体としては、(Ｌｕ，Ｇｄ，Ｙ)_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ（ＹＡＧ系蛍光体）等を用いることができる。

第２の波長変換層１３が黄色蛍光体を含む場合、例えば、波長４３０〜４７０ｎｍに中心波長を有する青色光を励起光として波長変換部材１に照射することにより、第１の波長変換層１０及び第２の波長変換層１３から発せられる蛍光と波長変換部材１に吸収されずに反射される励起光との混合光として白色光を取り出すことができる。

なお、波長変換部材１においては、第１の波長変換層１０の赤色蛍光体１０ｂの濃度を高くすることができ、また、第２の波長変換層１３を単結晶やセラミックスから形成することができるため、波長変換部材１は優れた放熱特性を有する。このため、波長変換部材１に励起光を照射する光源として、レーザー光源等の光出力の光源を用いることができる。

第１の波長変換層１０と第２の波長変換層１３が厚いと、熱膨張係数差により第１の波長変換層１０と第２の波長変換層１３との剥がれが発生しやすくなる。このため、例えば、第２の波長変換層１３がＹＡＧ系蛍光体の単結晶からなる場合は、第１の波長変換層とガラス層の厚さの合計を１００μｍ以下とすることが好ましい。また、第２の波長変換層１３の第１の波長変換層１０との接合面に粗面化処理を施して密着性を高める場合は、第１の波長変換層とガラス層の厚さの合計が３００μｍ以下であればよい。

第２の波長変換層１３と第１の波長変換層１０との密着性を向上させて剥がれを防ぐため、第２の波長変換層１３と第１の波長変換層１０との界面が凹凸形状であることが好ましい。

また、第２の波長変換層１３と第１の波長変換層１０を剥がれ難くするために、第１の波長変換層１０のガラス１０ａと第２の波長変換層１３の線膨張係数差が第１の波長変換層１０を基準として１ｐｐｍ以下であることが好ましい。

また、第１の波長変換層１０のガラス１０ａと第２の波長変換層１３の屈折率差が±０．２以下であることが好ましい。励起光がレーザー光で第２の波長変換層１３が単結晶のように透過性が高い材料からなる場合に、第１の波長変換層１０と第２の波長変換層１３の屈折率差が大きいと、第１の波長変換層１０と第２の波長変換層１３の界面でレーザー光が正反射して、レーザー光が散乱されなくなる場合があるためである。

放熱部材１４は、例えば、Ｃｕ、ＣｕＷ、Ａｌ等の金属や、ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３等のセラミックスからなる。また、接合層１５は、ＡｕＳｎはんだ、ＳｕＡｇＣｕはんだ、銀ペースト等からなる。

（波長変換部材の製造方法）
以下に、実施の形態に係る波長変換部材１の製造工程の一例について説明する。

図２（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態に係る波長変換部材１の製造工程を示す垂直断面図である。

初めに、図２（ａ）に示されるように、第２の波長変換層１３上に第１の波長変換層１０を形成する。

まず、第１の波長変換層１０の原料である赤色蛍光体１０ｂ、ガラス１０ａを含む混合液と、第２の波長変換層１３を準備する。

第１の波長変換層１０の原料である混合液は、ガラス１０ａとしての低融点フリットガラスと、赤色蛍光体１０ｂと、希釈剤ビヒクルとをガラス容器上で混合した後、０．１ｋＰａの圧力下で２分間の真空脱気を施すことにより得られる。

第２の波長変換層１３は、平板状の蛍光体含有部材としての平板状のＹＡＧ系単結晶の表面を有機洗浄し、さらに表面の汚れを焼き飛ばすための１０００℃での熱処理を施すことにより得られる。

そして、第１の波長変換層１０の原料である混合液をスクリーン印刷により第２の波長変換層１３上に塗布する。その後、塗布された混合液に０．１ｋＰａの圧力下で２分間の真空脱気を施す。最後に、大気雰囲気で４８０℃の温度下で２０分間の焼成を行い、第１の波長変換層１０を得る。

第２の波長変換層１３と第１の波長変換層１０との界面を凹凸形状にする場合は、凹凸加工を施した第２の波長変換層１３の面上に第１の波長変換層１０を形成すればよい。

次に、図２（ｂ）に示されるように、第１の波長変換層１０の第２の波長変換層１３と反対側の面上にガラス層１１を形成する。

まず、ガラス層１１の原料である混合液を準備する。この混合液は、低融点フリットガラスと、希釈剤ビヒクルとをガラス容器上で混合した後、０．１ｋＰａの圧力下で２分間の真空脱気を施すことにより得られる。

そして、ガラス層１１の原料である混合液をスクリーン印刷により第１の波長変換層１０上に塗布する。その後、塗布された混合液に０．１ｋＰａの圧力下で２分間の真空脱気を施す。そして最後に、大気雰囲気で４８０℃の温度下で２０分間の焼成を行い、ガラス層１１を得る。

ここで、上述のように、ガラス層１１は、１５μｍ以上の厚さに形成されることが好ましく、２５μｍ以上の厚さに形成されることがより好ましく、３０μｍ以上の厚さに形成されることがさらに好ましい。

次に、図２（ｃ）に示されるように、ガラス層１１の第１の波長変換層１０と反対側の面にＣＭＰによる研磨処理を施し、鏡面化させる。このとき、第１の波長変換層１０が露出しないように、研磨厚さをガラス層１１の厚さ未満にする。

また、上述のように、ガラス層１１には１０μｍ程度の厚さのばらつきが存在することが多いため、より確実に鏡面化を行うため、１０μｍ以上の研磨厚さで研磨を行うことが好ましい。

次に、図２（ｄ）に示されるように、蒸着法やスパッタリング法により、鏡面化したガラス層１１の第１の波長変換層１０と反対側の面上に反射層１２を形成する。

その後、反射層１２のガラス層１１と反対側の面上に接合層１５を用いて放熱部材１４を接合し、波長変換部材１を得る。

（実施の形態の効果）
上記実施の形態によれば、ガラスに蛍光体が封止された波長変換層を備え、その波長変換層における蛍光体の濃度に依らず、優れた光学特性及び光取出効率を有する波長変換部材、及びその製造方法を提供することができる。

図３（ａ）は、赤色蛍光体１０ｂの断面積比率が４６％である第１の波長変換層１０の断面のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）観察像であり、図３（ｂ）は、赤色蛍光体１０ｂの断面積比率が５４％である第１の波長変換層１０の断面のＳＥＭ観察像である。

図３（ａ）、（ｂ）に示される第１の波長変換層１０においては、赤色蛍光体１０ｂのみがガラス１０ａに含まれ、他の無機材は含まれない。また、ガラス１０ａ、赤色蛍光体１０ｂとして、それぞれＢｉ_２Ｏ_３−ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３、（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉ（Ｎ，Ｏ）_３：Ｅｕが用いられている。

図３（ａ）、（ｂ）によれば、赤色蛍光体１０ｂの断面積比率が４６％である第１の波長変換層１０の断面には空隙はほとんど含まれず、赤色蛍光体１０ｂの断面積比率が５４％である第１の波長変換層１０の断面には多くの空隙２０が含まれる。

なお、図３（ａ）に示される第１の波長変換層１０における赤色蛍光体１０ｂの濃度はおよそ２５質量％であり、図３（ｂ）に示される第１の波長変換層１０における赤色蛍光体１０ｂの濃度はおよそ５０質量％である。

図４は、研磨された空隙を含む第１の波長変換層１０の表面の光学顕微鏡による観察像である。図４の観察像において観察される黒い点の集合は、第１の波長変換層１０の空隙内に侵入した研磨剤である。

図４は、空隙を含む第１の波長変換層１０に研磨を施すと、空隙に研磨剤が侵入することを示している。第１の波長変換層１０中に侵入した研磨剤は、第１の波長変換層１０の光学特性を劣化させる。

図５は、積層された第１の波長変換層１０、研磨前のガラス層１１、及び第２の波長変換層１３の厚さ方向の断面のＳＥＭ観察像である。

図５に示される第１の波長変換層１０においては、赤色蛍光体１０ｂのみがガラス１０ａに含まれ、他の無機材は含まれない。また、ガラス１０ａ、赤色蛍光体１０ｂとして、それぞれＢｉ_２Ｏ_３−ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３、（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉ（Ｎ，Ｏ）_３：Ｅｕが用いられている。また、ガラス層１１としてＢｉ_２Ｏ_３−ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３が用いられ、第２の波長変換層１３としてＹＡＧ系蛍光体が用いられている。

図５に示される第１の波長変換層１０、ガラス層１１、及び第２の波長変換層１３は、上記実施の形態に示される方法により形成されたものである。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。

また、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１…波長変換部材、 １０…第１の波長変換層、 １０ａ…ガラス、 １０ｂ…赤色蛍光体１０ｂ、 １１…ガラス層、 １２…反射層、 １３…第２の波長変換層、 １４…放熱部材、 ２０…空隙

Claims (9)

1. 平板状のガラス及び前記ガラスに含まれる蛍光体を有する第１の波長変換層と、
   前記第１の波長変換層の一方の面上に形成されたガラス層と、
   前記ガラス層の前記第１の波長変換層と反対側の面上に形成された反射層と、
   を備えた、波長変換部材。
2. 前記蛍光体が赤色蛍光体である、
   請求項１に記載の波長変換部材。
3. 前記第１の波長変換層の任意の断面における前記赤色蛍光体の断面積比率が５４％以上である、
   請求項１又は２に記載の波長変換部材。
4. 前記ガラス層の厚さが５μｍ以上である、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の波長変換部材。
5. 前記第１の波長変換層の前記ガラス層と反対側の面上に形成された、黄色蛍光体を含む第２の波長変換層を備えた、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の波長変換部材。
6. 前記第２の波長変換層がＹＡＧ系蛍光体の単結晶からなり、
   前記第１の波長変換層の厚さと前記ガラス層の厚さの合計が３００μｍ以下である、
   請求項５に記載の波長変換部材。
7. 前記第２の波長変換層と前記第１の波長変換層との界面が凹凸形状である、
   請求項５又は６に記載の波長変換部材。
8. 赤色蛍光体を含むガラスからなる第１の波長変換層を形成する工程と、
   前記第１の波長変換層の一方の面上にガラス層を形成する工程と、
   前記ガラス層の表面に研磨処理を施す工程と、
   前記研磨処理が施された前記ガラス層の表面上に、反射層を形成する工程と、
   を含む、波長変換部材の製造方法。
9. 前記第１の波長変換層の任意の断面における前記赤色蛍光体の断面積比率が５４％以上である、
   請求項８に記載の波長変換部材の製造方法。