(57)【要約】  特定波長の光を出射するＬＥＤチップ１と、ＬＥＤチップ１の光が入射し、ＬＥＤチップ１とは別に設けられた光学素子３と、を有する発光装置１００において、光学素子３には、特定波長の光を変換する蛍光体を含有し、ポリシラザンを原料として作成したセラミック層４が形成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定波長の光を出射するＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子の光が入射し、ＬＥＤ素子とは別に設けられた波長変換素子と、を有する発光装置において、
前記波長変換素子には、特定波長の光を変換する蛍光体を含有し、ポリシラザンを原料として作成したセラミック層が形成されていることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記セラミック層に含有される蛍光体量は、重量％濃度で５０ｗｔ％以上９５ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記セラミック層の最大厚みは、５μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記ポリシラザンは溶液中に、重量％濃度で５ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下で溶解していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項５】
前記蛍光体は、中心粒径５μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、照明等の用途においてＬＥＤ素子からの光を励起光として用いて蛍光体を発光させることで、白色光を得る発光装置が開発されている。
このような発光装置としては、例えば、ＬＥＤ素子から出射された青色光により黄色光を出射する蛍光体を用い、それぞれの光を混色させることで白色光とする発光装置や、ＬＥＤ素子から出射された紫外光により、青色、緑色、赤色の光を出射する蛍光体を用いて、蛍光体から出射された３色の光を混色させることで白色光とする発光装置などが知られている。
このような発光装置の構成として、蛍光体が分散された硬化性樹脂により直接ＬＥＤチップを封止することで、発光装置としたものが開発されている。しかし、これらの用途が、自動車のヘッドライト等の高輝度が求められる領域に拡大していることもあり、現在、白色ＬＥＤの高出力化が進行し、ＬＥＤチップの発熱を招いているため、上述のように、封止材に分散された形で直接ＬＥＤ素子上に設けられる場合には、ＬＥＤ素子の発熱により蛍光体が熱劣化する場合がある。【０００３】
このような問題を解決するために蛍光体を樹脂ではなく、セラミック中に分散し、ＬＥＤを封止することで封止剤の劣化を防ぐ技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３４９３４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、一般的なゾル−ゲル法などによるセラミック層の作成は７００℃以上の高温での焼成過程が必要となるため、蛍光体やＬＥＤ素子の劣化を引き起こしてしまう。
また、一般的なゾル−ゲル法ではその特性上、数百μｍ以上の膜厚の作成は困難であり、仮にＬＥＤ素子全体を覆い、封止するとクラックが発生してしまい、バリア性が得られなかったり、ＬＥＤ素子から発せられる光がクラックにより散乱して色ずれや色ムラの原因になってしまうという問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、クラックや失活がなく蛍光強度が高く、しかも、色ムラの発生を防ぐことのできる発光装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、特定波長の光を出射するＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子の光が入射し、ＬＥＤ素子とは別に設けられた波長変換素子と、を有する発光装置において、
前記波長変換素子には、特定波長の光を変換する蛍光体を含有し、ポリシラザンを原料として作成したセラミック層が形成されていることを特徴とする発光装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、クラックや失活がなく蛍光強度が高く、しかも、色ムラの発生を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明（実施例）の発光装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】変形例の発光装置の概略構成を示す断面図である。
【図３】比較例の発光装置の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について説明する。
図１は、発光装置の概略構成を示す断面図である。
本発明の発光装置１００は、特定波長の光を出射するＬＥＤチップ（ＬＥＤ素子）１と、ＬＥＤチップ１を収納するＬＥＤ収納部２と、ＬＥＤチップ１の上方に設けられた光学素子３と、光学素子３に設けられてＬＥＤチップ１からの出射光が入射されて、入射された光を特定波長の光に変換する蛍光体を含有し、ポリシラザンを原料として作成されたセラミック層４と、を備えている。図中では、光学素子３は平板状部材とされているが、少なくとも一方の面がレンズ形状を有して、集光作用を持たせた光学素子とされることも好ましい形態である。
【００１０】
ＬＥＤチップ１は、第１の所定波長の光を出射するものであり、本実施の形態においては青色光を出射するようになっている。但し、本発明のＬＥＤチップ１の波長及び蛍光体の出射光の波長は限定されず、ＬＥＤチップ１による出射光の波長と、蛍光体による出射光の波長とが補色関係にあり合成された光が白色光となる組合せであればものであれば、使用可能であるが、本発明の効果を得るためには、ＬＥＤチップ１の出射光及び蛍光体の出射光の波長はそれぞれ可視光であることが好ましい。
なお、このようなＬＥＤチップ１としては、公知の青色ＬＥＤチップを用いることができる。青色ＬＥＤチップとしては、ＩｎxＧａ1-xＮ系をはじめ既存のあらゆるものを使用することができる。青色ＬＥＤチップの発光ピーク波長は４４０〜４８０ｎｍのものが好ましい。また、ＬＥＤチップの形態としては、基板上にＬＥＤチップを実装し、そのまま上方または側方に放射させるタイプ、又は、サファイア基板などの透明基板上に青色ＬＥＤチップを実装し、その表面にバンプを形成した後、裏返して基板上の電極と接続する、いわゆるフリップチップ接続タイプなど、どのような形態のＬＥＤチップでも適用することが可能だが、高輝度タイプやレンズ使用タイプの製造方法により適するフリップチップタイプがより好ましい。
【００１１】
ＬＥＤ収納部２は、略箱状をなしており、底面中央にＬＥＤチップ１が固定されている。ＬＥＤ収納部２の内壁面２aには、例えばＡｌ、Ａｇ等のミラー部材が設けられていることが好ましい。また、ＬＥＤ収納部２としては、特に限定はされないが、光反射性に優れ、ＬＥＤチップ１からの光に対して劣化しにくい材料を用いるのが好ましい。
【００１２】
ＬＥＤ収納部２の上端面で、ＬＥＤチップ１の上方にはセラミック層４が形成された光学素子３が設けられている。
光学素子３は、ＬＥＤチップ１から出射された第１の所定波長の光（青色光）及び蛍光体から出射された第２の所定波長の光（黄色光）を透過させるものである。光学素子３は、略平板状をなしてＬＥＤ収納部２の上端開口を覆うようにして設けられている。光学素子３は、低融点ガラスや金属ガラス、樹脂等からなる。
【００１３】
そして、このような光学素子３の下面に、蛍光体を含有するポリシラザンを原料として作成されたセラミック層４が設けられて波長変換素子として機能している。
（ポリシラザン）
本発明で用いられるポリシラザンとは下記一般式（１）で表される。
（Ｒ１Ｒ２SiNＲ３）n・・・（１）
式中、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３はそれぞれ独立して水素原子またはアルキル基、アリール基、ビニル基、シクロアルキル基を表し、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３のうち少なくとも１つは水素原子であり、好ましくはすべてが水素原子であり、nは１〜６０の整数を表す。
ポリシラザンの分子形状はいかなる形状であってもよく、例えば、直鎖状または環状であってもよい。
上記式（１）に示すポリシラザンと必要に応じた反応促進剤を、適切な溶媒に溶かして塗布し、加熱やエキシマー光処理、UV光処理を行うことで硬化し、耐熱性、耐光性の優れたセラミック膜を作成することができる。
反応促進剤としては酸、塩基などを用いることが好ましいが用いなくても良い。反応促進剤としては例えばトリエチルアミン、ジエチルアミン、N,N-ジエチルエタノールアミン、N,N-ジメチルエタノールアミン、トリエタノールアミン、トリエチルアミン、塩酸、シュウ酸、フマル酸、スルホン酸、酢酸やニッケル、鉄、パラジウム、イリジウム、白金、チタン、アルミニウムを含む金属カルボン酸塩などが挙げられるがこれに限られない。
反応促進剤を用いる場合に特に好ましいのは金属カルボン酸塩であり、添加量はポリシラザンを基準にして０．０１〜５ｍｏｌ％が好ましい添加量である。
溶媒としては脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、ハロゲン炭化水素、エーテル類、エステル類を使用することができる。好ましくはメチルエチルケトン、テトラヒドロフラン、ベンゼン、トルエン、キシレン、ジメチルフルオライド、クロロホルム、四塩化炭素、エチルエーテル、イソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、エチルブチルエーテルである。
また、ポリシラザン濃度は高い方が好ましいが、濃度の上昇はポリシラザンの保存期間の短縮につながるため、ポリシラザンは、溶媒中に５ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下で溶解していることが好ましい。
【００１４】
（蛍光体）
蛍光体は、ＬＥＤチップ１から出射される第１の所定波長の光を第２の所定波長に変換する蛍光体を有している。本実施形態では、ＬＥＤチップ１から出射される青色光を黄色光に変換するようになっている。
セラミック層に含有される蛍光体量は、重量％濃度で５０ｗｔ％以上９５ｗｔ％以下であることが好ましい。蛍光大量を上記範囲としたのは、蛍光体濃度は高いほど分散性が向上する結果が得られており、成膜性の観点も考慮したためである。
また、含有される蛍光体は中心粒径５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。一般的に分散される蛍光体は、中心粒径５μｍ以上のものが多く、溶媒中のポリシラザン濃度と蛍光体濃度は蛍光体の分散性に大きな影響を与えるためである。
【００１５】
このような蛍光体は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ａｌ、Ｌａ及びＧａの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して加圧し成形体を得る。成形体を坩堝に詰め、空気中１３５０〜１４５０°Ｃの温度範囲で２〜５時間焼成して、蛍光体の発光特性を持った焼結体を得ることができる。
【００１６】
また、このようにして得られた蛍光体を、溶媒に溶かしたポリシラザンをバインダーとして用い、当該バインダーと蛍光体との混合材料を光学素子３の下面に塗布、硬化する。これによって蛍光体粒子を含有するポリシラザンを原料としたセラミック層４とすることができる。
セラミック層の最大厚みは、５μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。特に、セラミック層の最大厚みの下限値については、限定されるものではないが、蛍光体粒子よりセラミック層の厚みが厚いことで、表面の不要な散乱を抑制することが可能である。また、セラミック層の厚さはクラック発生防止の観点で５００μｍ以下とされることが好ましい。
【００１７】
そして、上記の光学素子３と、ＬＥＤ収納部２とは、光学素子３の下面のセラミック層４とＬＥＤ収納部２の上端面とが密着した状態で封止材等により接合されている。
そして、セラミック層４の下面とＬＥＤ収納部３の底面との間に空間５が形成され、ＬＥＤチップ１は空間５内部に密閉されることとなり、外気の酸素や湿度による劣化を抑制することができる。
また、上記空間５は、光学素子３の屈折率よりも低い低屈折率層とすることが好ましい。低屈折率層としては、例えば、気体が充填された気体層や空気層、樹脂層とすることが好ましい。気体層としては、例えば窒素等の気体がパージされることが好ましい。低屈折率層を気体層とすることによって、蛍光体から光学素子３側へ放射した光がＬＥＤ収納部２の内壁面２aにより全反射されやすく、蛍光体からの出射光の利用効率が高い配置となる。
【００１８】
続いて、発光装置１００の動作について説明する。
まず、ＬＥＤチップ１が外側に向かって青色光を出射すると、この青色光はセラミック層４の蛍光体に入射する。すると、この青色光によって励起された蛍光体から黄色光が出射する。
これにより、青色光と、蛍光体で生じた黄色光とが重ね合わされて、白色光としてＬＥＤ収納部２の外側へ出射される。
なお、以上の発光装置１００は、自動車用のヘッドライトなどとして好適に使用することができる。
【００１９】
なお、本発明の発光装置１００の構成としては、図１に示す構成に限らず、例えば図２に示す構成の発光装置１００Ａとしても良い。
図２に示す発光装置１００Ａでは、セラミック層４Ａが、ドーム状の光学素子３Ａの内面である曲面に設けられている場合である。光学素子３Ａは、略平板状の基板２Ａの上面中央に固定されたＬＥＤチップ１の上方に設けられている。
【００２０】
そして、光学素子３Ａの下面に、蛍光体を含有するポリシラザンが塗布されてセラミック層４Ａが形成されている。光学素子３Ａと、基板２Ａとは、光学素子３Ａ及びセラミック層４Ａの下面と、基板２Ａの上面とが密着した状態で封止材等により接合されている。
なお、セラミック層４Ａと基板２Ａの上面との間の空間５Ａは、図１と同様に光学素子３Ａの屈折率よりも低屈折率層とすることが好ましい。
【００２１】
また、光学素子３，３Ａの出射面の形状と入射面の形状は、上記平板状、ドーム状に限らず、非球面状、シリンドリカル形状など、集光特性や配光特性等を考慮して所望に設計された形状を任意に用いることができる。また、出射面を、集光性を持たせたフレネル構造とすることで薄型で高い集光性能を有する光学素子とすることができ、発光装置をさらに小型化することが可能となる。
【００２２】
本発明では、セラミック層４の原料としてポリシラザンを用いることで５００℃以下の低温で蛍光体が劣化することなく、蛍光体を含有したセラミック層４を形成することができる。また、ＬＥＤチップ１側を蛍光体を含有したセラミック層４で封止するのではなく、別に用意された光学素子３に蛍光体を含有したセラミック層４を形成し、波長変換部位とする。これにより、微細クラックなどの発生を防ぎ、色ムラや色ずれの発生を防止することができる。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明について実施例及び比較例を用いて具体的に説明する。
すべてのサンプルに使用する青色ＬＥＤは1000μm×1000μm×100μmの大きさの物を用いてフリップチップタイプで実装した。
（蛍光体の作成）
黄色蛍光粒子は下記の方法で作成したものを用いた。下記蛍光体原料を十分に混合した混合物をアルミ坩堝に充填し、これにフラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合し、水素含有窒素ガスを流通させた還元雰囲気中において、1350℃〜1450℃の温度範囲で２〜５時間焼成して焼成品（（Y0.72Gd0.24）3Al5O12:Ce0.04）を得た。
Y2O3・・・7.41ｇ
Gd23・・・4.01g
CeO2・・・0.63g
Al2O3・・・7.77g
その後、得られた焼成品を粉砕、洗浄、分離、乾燥することで所望の蛍光体を得た。得られた蛍光体を粉砕することで10μm程度の粒径の蛍光体粒子としたものを用いた。得られた蛍光体について、組成を調べたところ、所望の蛍光体であることを確認でき、波長４６５nmの励起光における発光波長を調べたところ、おおよそ波長570nmにピーク波長を有していた。【００２４】
（検討１）
作成したサンプルの蛍光強度と色ムラについて測定し、下記の評価を行った。
（比較例１）
アルコキシシロキサンをイソプロピルアルコール中に20wt%で混合した。この溶液1g中に作成した蛍光体0.8gを混合し、図３に示すＬＥＤ収納部２に滴下後150℃で１時間焼成した。その後、さらに700℃で３時間焼成を行い比較例１のサンプルを作成した。なお、図３中、符号１，２は図１と同様のものを指し、４Ｂはセラミック層、１００Ｂは発光装置である。【００２５】
（比較例２）
アルコキシシロキサンをイソプロピルアルコール中に20wt%で混合した。この溶液1g中に作成した蛍光体0.8gを混合し、1ｍｍ厚のガラス基板（図１の光学素子３）上にスピンコートで塗布した。塗布後、150℃で１時間焼成し、さらに700℃で３時間焼成を行い比較例２のサンプルを作成した。このときの最大膜厚は50μmであった。【００２６】
（比較例３）
ポリシラザン20wt%ののジブチルエーテル溶液であるアクアミカＮＬ１２０(AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製)1g中に作成した蛍光体0.8gを混合し、図３に示すＬＥＤ収納部２に滴下後150℃で１時間焼成した。塗布後、250℃で１時間焼成して比較例３のサンプルを作成した。【００２７】
（実施例１）
ポリシラザン20wt%ののジブチルエーテル溶液であるアクアミカＮＬ１２０(AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製)1g中に作成した蛍光体0.8gを混合し、1ｍｍ厚のガラス基板（図１の光学素子３）上にスピンコートで塗布した。塗布後、250℃で１時間焼成して実施例１のサンプルを作成した。このときの最大膜厚は50μmであった。【００２８】
（検討２）
作成したサンプルの蛍光強度と色ムラについて測定し、評価を行った。
（比較例４）：蛍光体濃度が20wt%
ポリシラザン20wt%ののジブチルエーテル溶液であるアクアミカＮＬ１２０(AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製)1g中に作成した蛍光体0.05gを混合し、1ｍｍ厚のガラス基板（図１の光学素子３）上にスピンコートで塗布した。塗布後、250℃で１時間焼成して比較例４のサンプルを作成した。このときの最大膜厚は50μmであった。【００２９】
（比較例５）：ポリシラザン濃度が2wt%
ポリシラザン2wt%ののジブチルエーテル溶液であるアクアミカＮＬ１２０(AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製)1g中に作成した蛍光体0.08gを混合し、1ｍｍ厚のガラス基板（図１の光学素子３）上にスピンコートで塗布した。塗布後、250℃で１時間焼成して比較例５のサンプルを作成した。このときの膜厚は50μmであった。【００３０】
（実施例２）：蛍光体濃度が50wt%
ポリシラザン20wt%ののジブチルエーテル溶液であるアクアミカＮＬ１２０(AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製)1g中に作成した蛍光体0.2gを混合し、1ｍｍ厚のガラス基板（図１の光学素子３）上にスピンコートで塗布した。塗布後、250℃で１時間焼成して実施例２のサンプルを作成した。このときの最大膜厚は50μmであった。【００３１】
（実施例３）：最大膜厚が500μm
ポリシラザン20wt%ののジブチルエーテル溶液であるアクアミカＮＬ１２０(AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製)1g中に作成した蛍光体0.8gを混合し、1ｍｍ厚のガラス基板（図１の光学素子３）上にスピンコートで塗布した後、250℃で１時間焼成を行った。スピンコートによる塗布と焼成を繰り返して目的の膜厚を作成した。このときの最大膜厚は500μmであった。【００３２】
（実施例４）：ポリシラザン濃度が5wt%
ポリシラザン5wt%ののジブチルエーテル溶液であるアクアミカＮＬ１２０(AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製)1g中に作成した蛍光体0.2gを混合し、1ｍｍ厚のガラス基板（図１の光学素子３）上にスピンコートで塗布した後、250℃で１時間焼成して実施例４のサンプルを作成した。このときの最大膜厚は50μmであった。【００３３】
[評価方法]
下記の評価をそれぞれ行い、その結果を下記表１、表２に示した。
（濃度）
蛍光体層の測定箇所からサンプルを削り取り、EDX（エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置）を用いて、作成した蛍光体含有セラミック中の構成成分の濃度比を測定した。【００３４】
（厚み）
蛍光体層の測定箇所を削り、削る前後での高さの差をミツトヨ製  測定顕微鏡  MF-A505Hを用いて測定することで蛍光体層の厚みを測定した。【００３５】
（蛍光体の蛍光強度測定）
セラミック層中の蛍光体含有量を同一にして各サンプルを作成する。作成したサンプルから蛍光体含有セラミックを削り取り、紛体状態としてそれぞれの蛍光強度を測定。
実施例１の強度に対して
90％以上ならば・・・◎
80％以上90％未満ならば・・・○
70％以上80％未満ならば・・・△
70％未満ならば・・・×【００３６】
（色ムラ測定）
色ムラとは発光面内の色分布を意味しており、発光点から離れるほど光源の面積の影響は小さくなり、色ムラの影響は小さくなる。そこで、発光素子を一定の距離で照射し目視で色ムラ具合を評価した。セラミック膜にクラックが発生していたり、蛍光体の分散状態が悪いと色ムラが低下すると考えられる。
光源から20cmの距離に照射すると色ムラが識別できる・・・×
光源から10cmの距離に照射すると色ムラが識別できる・・・△
光源から5cmの距離に照射すると色ムラが識別できる・・・○
光源から5cm未満の距離に照射しても色ムラ無し・・・◎
（△までは許容範囲）【００３７】
【表１】
2011077547.tif 000003
【表２】
2011077547.tif 000004
【００３８】
（検討１の結果）
比較例１に示すように、ゾル−ゲル法でＬＥＤを封止すると、膜厚が厚すぎるためにクラックが発生し、色ムラが発生した。また、比較例２の膜厚でも、ゾル−ゲル法でセラミック層を設けた場合、色ムラが低下し、わずかに微細クラックが発生した。また、焼成温度が高いために、比較例１、２は蛍光体の失活による蛍光強度の低下も生じた。ポリシラザンを用いた比較例３も膜厚が厚いため、クラックが発生した。
以上より、ＬＥＤ側と別に設けたレンズや基板上に、ポリシラザン中に蛍光体を分散して、本発明の規定内の膜厚になるように塗布することで、クラックや失活がなく蛍光強度の高い、波長変換部位（セラミック層）を作成することができる。【００３９】
（検討２の結果）
比較例４は、蛍光体濃度が低いため蛍光体の分散性が悪く、色ムラが少し生じた。比較例５は、ポリシラザン濃度が低いため蛍光体の分散性が悪く、色ムラが少し生じた。
以上より、蛍光体濃度、ポリシラザン濃度及び最大膜厚を本発明の規定内とすることで、色ムラの発生を防ぐことができる。
【符号の説明】
【００４０】
１  ＬＥＤチップ（ＬＥＤ素子）
２  ＬＥＤ収納部
３  光学素子（波長変換素子） 
４、４Ａ  セラミック層
１００、１００Ａ  発光装置
【図１】
2011077547.tif 000005
【図２】
2011077547.tif 000006
【図３】
2011077547.tif 000007
【国際調査報告】
2011077547.tif 000008
2011077547.tif 000009
2011077547.tif 000010
2011077547.tif 000011