波長轉換部件及其制造方法以及發光裝置與流程

文檔序號:18176795發布日期:2019-07-13 10:15
波長轉換部件及其制造方法以及發光裝置與流程

本發明涉及將發光二極管(LED:Light Emitting Diode)或激光二極管(LD:Laser Diode)等所發射的光的波長轉換為其他的波長的波長轉換部件及其制造方法、以及使用波長轉換部件的發光裝置。



背景技術:

近年來,作為代替熒光燈或白熾燈的下一代的發光裝置,從低電力消耗、小型輕量、容易的光量調節這樣的觀點考慮,對使用了LED或LD等激發光源的發光裝置的關注提高了。作為這樣的下一代發光裝置的一個例子,例如在專利文獻1中公開了在射出藍色光的LED上配置有吸收來自LED的光的一部分并將其轉換成黃色光的波長轉換部件的發光裝置。該發光裝置發射作為從LED射出的藍色光和從波長轉換部件射出的黃色光的合成光的白色光。

作為波長轉換部件,目前使用了在樹脂基質分散有熒光體粉末的部件。然而,使用該波長轉換部件時,由于來自激發光源的光,存在樹脂劣化而發光裝置的亮度容易變低這樣的問題。特別而言,由于激發光源產生的熱或高能量的短波長(藍色~紫外)光,存在模樹脂劣化而引起變色或變形這樣的問題。

因此,提出了代替樹脂基質在玻璃基質中分散固定有熒光體粉末的完全由無機固體構成的波長轉換部件(例如參照專利文獻2和3)。該波長轉換部件具有作為母材的玻璃不容易因LED的熱或照射光而劣化、不容易發生變色或變形這樣的問題的特征。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1:日本特開2000-208815號公報

專利文獻2:日本特開2003-258308號公報

專利文獻3:日本專利第4895541號公報



技術實現要素:

發明要解決的技術問題

近年來,以大功率化為目的,用作激發光源的LED或LD的輸出提高了。隨之,由于來自激發光源的熱或由照射了激發光的熒光體產生的熱,波長轉換部件的溫度上升,作為其結果,存在發光強度隨著時間經過而下降(溫度消光)這樣的問題。另外,根據情況,波長轉換部件的溫度上升變得顯著,構成材料(玻璃基質等)可能熔解。

鑒于以上情況,本發明的目的在于,提供照射大功率的激發光時能夠抑制經時的發光強度的下降和構成材料的熔解的波長轉換部件及其制造方法、以及使用該波長轉換部件的發光裝置。

用于解決技術問題的技術方案

本發明的波長轉換部件是在無機粘合劑中分散有熒光體粉末和導熱性填料的波長轉換部件,其特征在于,無機粘合劑與導熱性填料的折射率差為0.2以下,無機粘合劑與導熱性填料的各自的含量的體積比為40﹕60~5﹕95。如上述構成那樣,通過使波長轉換部件所含的導熱性填料的含量相對于無機粘合劑較多,激發光自身的熱或向波長轉換部件照射激發光時由熒光體粉末產生的熱經由導熱性填料傳導,從而高效地向外部釋放。由此,能夠抑制波長轉換部件的溫度上升,抑制經時的發光強度的下降和構成材料的熔解。另外,通過如上所述使導熱性填料與無機粘合劑的折射率差變小,能夠減輕因導熱性填料和無機粘合劑的界面反射而導致的光散射,并能夠提高激發光或從熒光體粉末發出的熒光的光取出效率。

本發明的波長轉換部件優選空隙率為10%以下。這樣,在波長轉換部件內部,導熱性低的空氣的存在比例下降,能夠提高波長轉換部件的導熱率。另外,能夠降低因無機粘合劑、導熱性填料或熒光體粉末與空隙所含的空氣的折射率差而導致的光散射,因此,能夠提高波長轉換部件的透光性。

本發明的波長轉換部件優選鄰近的多個導熱性填料彼此的距離、和/或導熱性填料和與其鄰近的熒光體粉末之間的距離為0.08mm以下。特別優選多個導熱性填料彼此、和/或導熱性填料與熒光體粉末接觸。這樣,在導熱性低的無機粘合劑傳熱的距離變短,并且在多個導熱性填料間形成導熱路徑,因此,容易使波長轉換部件內部所產生的熱向外部傳導。

本發明的波長轉換部件優選導熱性填料的平均粒徑D50為1~50μm。這樣,能夠使多個導熱性填料間或導熱性填料與熒光體粉末的距離變短,因此,容易高效地將熱向外部釋放。

本發明的波長轉換部件優選導熱性填料具有比熒光體粉末高的導熱率。

本發明的波長轉換部件例如可以使用包括氧化物陶瓷的填料作為導熱性填料。具體而言,導熱性填料優選為選自氧化鋁、氧化鎂、氧化釔、氧化鋅和鎂氧尖晶石中的至少1種。

本發明的波長轉換部件優選無機粘合劑的軟化點為1000℃以下。

本發明的波長轉換部件優選無機粘合劑為玻璃。

本發明的波長轉換部件優選厚度為1000μm以下。

本發明的波長轉換部件優選熱擴散率為1mm2/s以上。

本發明的波長轉換部件的制造方法是上述的波長轉換部件的制造方法,其特征在于,包括:將無機粘合劑、熒光體粉末和導熱性填料的混合粉末放入燒結用模具的工序;和對混合粉末進行熱壓的工序。這樣,導熱性填料彼此或者導熱性填料與熒光體粉末容易接觸。另外,波長轉換部件內部不容易殘留空隙,能夠得到致密的波長轉換部件。

本發明的波長轉換部件的制造方法優選利用熱壓裝置、放電等離子體燒結裝置或熱等靜壓裝置進行熱壓。

本發明的波長轉換部件的制造方法優選進行熱壓時的溫度為1000℃以下。這樣,能夠抑制熱壓時的熒光體粉末的熱劣化。

本發明的發光裝置的特征在于,具有上述的波長轉換部件和向波長轉換部件照射激發光的光源。

本發明的發光裝置優選光源為激光二極管。這樣,能夠提高發光強度。另外,使用激光二極管作為光源時,波長轉換部件的溫度容易上升,因此,容易發揮本發明的效果。

發明效果

利用本發明,能夠提供一種照射大功率的激發光時能夠抑制經時的發光強度的下降和構成材料的熔解的波長轉換部件及其制造方法、以及使用該波長轉換部件的發光裝置。

附圖說明

圖1是表示本發明的一個實施方式所涉及的波長轉換部件的示意截面圖。

圖2是表示本發明的一個實施方式所涉及的使用波長轉換部件的發光裝置的示意側視圖。

圖3是實施例的No.1的波長轉換部件的部分截面照片。

符號的說明

1 無機粘合劑

2 熒光體粉末

3 導熱性填料

4 光源

10 波長轉換部件

20 發光裝置

具體實施方式

以下,使用附圖對本發明的實施方式進行詳細說明。但是,本發明不受以下的實施方式任何限定。

(波長轉換部件)

圖1是表示本發明的一個實施方式所涉及的波長轉換部件的示意截面圖。波長轉換部件10是將熒光體粉末2和導熱性填料3分散于無機粘合劑1中而成的部件。本實施方式所涉及的波長轉換部件10是透射型的波長轉換部件。從波長轉換部件10的一個主面照射激發光時,所入射的激發光的一部分利用熒光體粉末2進行波長轉換而形成熒光,該熒光從另一個主面向外部照射。波長轉換部件10的形狀沒有特別限定,通常為平面形狀是矩形或圓形的板狀。

如圖1所示,在本實施方式中,多個導熱性填料3彼此鄰近或接觸。由此,存在于多個導熱性填料3之間的導熱性低的無機粘合劑1的距離變短了。特別是在多個導熱性填料3彼此接觸的部位形成了導熱路徑。另外,在本實施方式中,導熱性填料3與熒光體粉末2鄰近或接觸,由此存在于熒光體粉末2與導熱性填料3之間的導熱性低的無機粘合劑1的距離變短了。特別是在導熱性填料3與熒光體粉末2接觸的部位形成了導熱路徑。鄰近的多個導熱性填料3彼此的距離、和/或導熱性填料3和與其鄰近的熒光體粉末2之間的距離優選為0.08mm以下,特別為0.05mm以下。這樣,容易使熒光體粉末2所產生的熱向外部傳導,能夠抑制波長轉換部件10的溫度不當地上升。

其中,鄰近的多個導熱性填料3彼此的距離、以及導熱性填料3和與其鄰近的熒光體粉末2之間的距離可以利用波長轉換部件10的反射電子像的截面圖像測定。

以下,對各構成要素進行詳細說明。

作為無機粘合劑1,若考慮制造時的燒制工序中的熒光體粉末2的熱劣化,則優選使用軟化點為1000℃以下的無機粘合劑。作為這樣的無機粘合劑1,可以列舉玻璃。玻璃與樹脂等有機系基質相比,耐熱性優異,并且利用熱處理容易軟化流動,因此,具有容易使波長轉換部件10的結構致密化這樣的特征。玻璃的軟化點優選為250~1000℃,更優選為300~950℃,進一步優選處于400~900℃的范圍內,特別優選處于400~850℃的范圍內。玻璃的軟化點過低時,有時波長轉換部件10的機械強度和化學耐久性下降。另外,由于玻璃自身的耐熱性低,可能因熒光體粉末2所產生的熱而發生軟化變形。另一方面,玻璃的軟化點過高時,有時在制造時的燒制工序中熒光體粉末2劣化,波長轉換部件10的發光強度下降。另外,從提高波長轉換部件10的化學穩定性和機械強度的觀點考慮,玻璃的軟化點優選為500℃以上、600℃以上、700℃以上、800℃以上,特別為850℃以上。作為這樣的玻璃,可以列舉硼硅酸鹽系玻璃、硅酸鹽系玻璃、鋁硅酸鹽系玻璃等。但是,玻璃的軟化點變高時,燒制溫度也變高,作為結果,有制造成本變高的傾向。另外,熒光體粉末2的耐熱性低時,燒制時可能劣化。因此,在廉價地制造波長轉換部件10的情況下,或者在使用耐熱性低的熒光體粉末2的情況下,玻璃基質的軟化點優選為550℃以下、530℃以下、500℃以下、480℃以下,特別為460℃以下。作為這樣的玻璃,可以列舉錫磷酸鹽系玻璃、鉍酸鹽系玻璃、碲化物系玻璃。

另外,作為無機粘合劑1所使用的玻璃,通常使用玻璃粉末。玻璃粉末的平均粒徑優選為50μm以下、30μm以下、10μm以下,特別為5μm以下。玻璃粉末的平均粒徑過大時,不容易得到致密的燒結體。玻璃粉末的平均粒徑的下限沒有特別限定,通常為0.5μm以上,進一步為1μm以上。

其中,在本說明書中,平均粒徑是指利用激光衍射法測得的值,表示:在利用激光衍射法進行測定時得到的體積基準的累計粒度分布曲線中,從小的顆粒開始累計,其累計量為50%的粒徑(D50)。

熒光體粉末2只要可以因激發光的入射而射出熒光,就沒有特別限定。作為熒光體粉末2的具體例,例如可以列舉選自氧化物熒光體、氮化物熒光體、氮氧化物熒光體、氯化物熒光體、氯氧化物熒光體、硫化物熒光體、硫氧化物熒光體、鹵化物熒光體、硫屬化合物熒光體、鋁酸鹽熒光體、鹵磷酸鹽化物熒光體、石榴石系化合物熒光體中的至少1種。另外,使用藍色光作為激發光時,例如可以使用射出綠色光、黃色光或紅色光作為熒光的熒光體。

熒光體粉末2的平均粒徑優選為1~50μm,特別為5~30μm。熒光體粉末2的平均粒徑過小時,發光強度容易下降。另一方面,熒光體粉末2的平均粒徑過大時,有發光色不均勻的傾向。

波長轉換部件10中的熒光體粉末2的含量優選為1~70體積%、1~50體積%,特別為1~30體積%。熒光體粉末2的含量過少時,不容易得到所希望的發光強度。另一方面,熒光體粉末2的含量過多時,波長轉換部件10的熱擴散率容易變低而散熱性下降。

導熱性填料3具有比無機粘合劑1高的導熱率。特別而言,導熱性填料3優選具有比無機粘合劑1和熒光體粉末2高的導熱率。具體而言,導熱性填料3的導熱率優選為5W/m·K以上、20W/m·K以上、40W/m·K以上,特別為50W/m·K以上。

作為導熱性填料3,優選氧化物陶瓷。作為氧化物陶瓷的具體例,可以列舉氧化鋁、氧化鎂、氧化釔、氧化鋅、鎂氧尖晶石(MgAl2O4)等。這些可以單獨使用,也可以將2種以上混合使用。其中,優選使用導熱率比較高的氧化鋁或氧化鎂,特別而言,更優選使用導熱率高且光吸收少的氧化鎂。另外,從比較容易獲得且廉價的方面考慮,優選鎂氧尖晶石。

導熱性填料3的平均粒徑優選為1μm以上、5μm以上、10μm以上,特別為20μm以上。導熱性填料3的平均粒徑過小時,導熱性填料3彼此不容易接近,或者不容易形成因導熱性填料3彼此的接觸而導致的導熱路徑,因此,不容易獲得充分的散熱效果。另外,導熱性填料3的平均粒徑過大時,形成于多個導熱性填料3之間的空間變大,波長轉換部件10的致密性容易下降,因此,優選為50μm以下、40μm以下,特別為30μm以下。

波長轉換部件10中的無機粘合劑1與導熱性填料3的各自的含量的體積比為40:60~5:95,優選為38:62~10:90,更優選為37:63~15:85,進一步優選為35:65~20:80。導熱性填料3的含量過少(無機粘合劑1的含量過多)時,不容易獲得所希望的散熱效果。另一方面,導熱性填料3的含量過多(無機粘合劑1的含量過少)時,波長轉換部件10中的空隙變多,因此,無法獲得所希望的散熱效果,波長轉換部件10內部的光散射變得過剩,熒光強度容易下降。

其中,基本上根據熒光體粉末2的含量決定波長轉換部件10中的無機粘合劑1和導熱性填料3的含量。具體而言,若考慮熒光體粉末2的含量,則優選在30~99體積%、50~99體積%、特別是70~99體積%的范圍內調整波長轉換部件10中的無機粘合劑1和導熱性填料3的合計量。

波長轉換部件10中的空隙率(體積%)優選為10%以下、5%以下,特別為3%以下??障堵蔬^大時,散熱效果容易下降。另外,波長轉換部件10內部的光散射變得過剩,熒光強度容易下降。

無機粘合劑1與導熱性填料3的折射率差(nd)為0.2以下,優選為0.15以下,特別為0.1以下。該折射率差過大時,無機粘合劑1與導熱性填料3的界面的反射變大,作為其結果,光散射變得過剩,熒光強度容易下降。

波長轉換部件10的厚度優選為1000μm以下,更優選為500μm以下,進一步優選為300μm以下。波長轉換部件10過厚時,有波長轉換部件10的光的散射或吸收變得過大、熒光的射出效率下降的傾向。另外,波長轉換部件10的溫度變高,容易發生經時的發光強度的下降和構成材料的熔解。另外,波長轉換部件10的厚度的下限值優選為30μm左右。波長轉換部件10過薄時,機械強度容易下降,激發光不容易被熒光體粉末2吸收,發光強度容易下降。

在波長轉換部件10的激發光入射側表面,以降低激發光的反射損失或抑制向入射側的熒光泄漏為目的,可以設置防反射膜、帶通濾光器,還可以設計蛾眼結構等的微觀結構。

波長轉換部件10通過具有上述構成而具有更優異的熱擴散性。具體而言,波長轉換部件10的熱擴散率優選為1mm2/s以上、2mm2/s以上、3mm2/s以上,特別為4mm2/s以上。

還可以將波長轉換部件10與金屬、陶瓷等其他的散熱部件接合使用。這樣,能夠更進一步高效地將波長轉換部件10所產生的熱向外部釋放。

(波長轉換部件的制造方法)

波長轉換部件10可以利用將無機粘合劑1、熒光體粉末2和導熱性填料3的混合粉末放入燒結用模具的工序和對混合粉末進行熱壓的工序制造。

熱壓例如可以利用熱壓裝置、放電等離子體燒結裝置或熱等靜壓裝置進行。通過使用這些裝置,能夠容易地得到致密的燒結體。

進行熱壓時的溫度優選為1000℃以下、950℃以下,特別為900℃以下。進行熱壓時的溫度過高時,熒光體粉末2容易熱劣化。另外,進行熱壓時的溫度過低時,不容易得到致密的燒結體,因此,優選為250℃以上、300℃以上,特別為400℃以上。

為了得到致密的燒結體,例如優選在10~100MPa、特別是20~60MPa的范圍內適當調整熱壓時的壓力。

燒制時的氣氛優選為真空等的減壓氣氛。這樣,容易促進燒制時的脫泡,得到致密的燒結體。

燒結用模具的材質沒有特別限定,例如可以使用碳制模具。

(發光裝置)

圖2是表示使用上述的實施方式所涉及的波長轉換部件的發光裝置的示意側視圖。如圖2所示,發光裝置20具有波長轉換部件10和光源4。從光源4射出的激發光L0被波長轉換部件10轉換為熒光L1。另外,激發光L0的一部分直接透過波長轉換部件10。因此,從波長轉換部件10射出激發光L0和熒光L1的合成光L2。例如,激發光L0為藍色光且熒光L1為黃色光時,能夠得到白色的合成光L2。

由于在發光裝置20中使用了上述的波長轉換部件10,能夠高效地將因向波長轉換部件10照射激發光L0而產生的熱向外部釋放。因此,能夠抑制波長轉換部件10的溫度不當地上升。

作為光源4,可以列舉LED、LD。從提高發光裝置20的發光強度的觀點考慮,光源4優選使用能夠射出高強度的光的LD。使用LD作為光源時,波長轉換部件10的溫度容易上升,因此,容易發揮本發明的效果。

實施例

以下,利用實施例對本發明的波長轉換部件進行詳細說明,但本發明并不限定于以下的實施例。

表1表示本發明的實施例(No.1~10)和比較例(No.11~13)。

[表1]

通過以表1所記載的比例混合導熱性填料、無機粘合劑和熒光體粉末,得到混合粉末。其中,在表中,熒光體粉末的含量為占混合粉末的含量,導熱性填料和無機粘合劑占剩余部分。作為各材料,使用以下的化合物。

(a)導熱性填料

MgO(導熱率:約42W/m·K,平均粒徑D50:43μm或8μm)

Al2O3(導熱率:約20W/m·K,平均粒徑D50:9μm)

MgAl2O4(導熱率:約16W/m·K,平均粒徑D50:20μm)

(b)無機粘合劑

無機粘合劑A(硅酸鋇系玻璃粉末,軟化點:790℃,折射率(nd):1.71,平均粒徑D50:2.5μm)

無機粘合劑B(硼硅酸鹽系玻璃,軟化點:850℃,折射率(nd):1.56,平均粒徑D50:1.4μm)

無機粘合劑C(錫磷酸鹽系玻璃,軟化點:380℃,折射率(nd):1.82,平均粒徑D50:3.8μm)

無機粘合劑D(鉍系玻璃,軟化點:450℃,折射率(nd):1.91,平均粒徑D50:2.7μm)

無機粘合劑E(硼硅酸系玻璃,軟化點:775℃,折射率(nd):1.49,平均粒徑D50:1.3μm)

(c)熒光體粉末

YAG熒光體(Y3Al5O12、平均粒徑:15μm)

CASN熒光體(CaAlSiN3、平均粒徑:18μm)

將所得到的混合粉末加入設置于富士電波工業制造的熱壓爐(High Multi 5000)內的碳制模具中,進行熱壓。作為熱壓的條件,在真空氣氛下升溫至表1所示的熱處理溫度,以40MPa的壓力加壓20分鐘后,一邊導入N2氣體一邊緩慢冷卻,并冷卻至常溫。通過對所得到的燒結體實施切削加工,得到5mm×5mm×1mm的板狀的波長轉換部件。

對于所得到的波長轉換部件,按照以下的方法對空隙率、熱擴散率、激發光的透射率和耐熱性進行評價。將結果示于表1。另外,將No.1的波長轉換部件的部分截面照片示于圖3。

關于空隙率,對于波長轉換部件的利用反射電子像的截面照片,使用圖像分析軟件Winroof進行二值化,由所得到的處理圖像中空隙所占的面積比例進行計算。

熱擴散率利用ai-Phase公司制造的熱擴散率測定裝置i-phase測定。

激發光的透射率按照如下的操作測定。準備中央部形成有的開口部的30mm×30mm×2mm的鋁板2塊,將波長轉換部件夾持并固定于該2塊鋁板之間。固定波長轉換部件,使其位于鋁板的大致中央部,從各鋁板的開口部露出波長轉換部件。從鋁板的一個開口部對所露出的波長轉換部件照射LD的激發光(波長445nm、輸出3W)。將從鋁板的另一個開口部射出的光引入積分球內部后,導入利用標準光源校正后的分光器,測定光的能量分布譜。將所得到的譜中的激發光波長的峰高作為P1。另外,將LD的激發光直接引入積分球內部,將同樣測得的光的能量分布譜的激發光波長峰高作為P0。此時,將P1/P0的值作為“激發光的透射率”。

波長轉換部件的耐熱性按照如下的操作評價。在上述的激發光的透射率的測定試驗中,對波長轉換部件照射60秒LD,觀察波長轉換部件的玻璃基質的狀態。將玻璃基質沒有發生變化的情形評價為“○”,將玻璃基質熔解的情形評價為“×”。

由表1可以明確,作為實施例的No.1~10的波長轉換部件的熱擴散率高至2.32mm2/s以上,耐熱性也良好。另一方面,作為比較例的No.11的波長轉換部件由于導熱性填料與無機粘合劑的折射率差大至0.24,兩者的界面的光散射變得過強,波長轉換部件的激發光的透射率低至0.08。No.12的波長轉換部件由于導熱性填料的比率過小,熱擴散率低至0.44mm2/s,耐熱性差。No.13的波長轉換部件由于導熱性填料的比率過大,空隙率變大。作為其結果,光散射變大,激發光的透射率低至0.04。如上所述,可知No.1~10的波長轉換部件能夠高效地將內部所產生的熱向外部釋放,并且光取出效率優異,耐熱性也優異。

產業上的可利用性

本發明的波長轉換部件適合作為白色LED等的一般照明、特殊照明(例如投影儀光源、汽車的前照燈光源、內視鏡的光源)等的構成部件。

再多了解一些
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