(57)【要約】【課題】黒色化せず発光効率の高い蛍光部材、その製造方法および発光装置を提供する。【解決手段】アルミナのセラミックスマトリックスと、セラミックスマトリックス中に分散された、ＣｅがドープされたＹＡＧの蛍光体粒子と、を備え、合計１００ｖｏｌ％に対して、ＹＡＧの蛍光体粒子が２０〜９０ｖｏｌ％、アルミナのセラミックスマトリックスが８０〜１０ｖｏｌ％を占め、開気孔率が１〜１５％である。このように、開気孔率が１〜１５％であることにより、高い熱伝導率を維持しつつ蛍光部材の黒色化を防止することができ、発光効率を高くすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナのセラミックスマトリックスと、前記セラミックスマトリックス中に分散された、ＣｅがドープされたＹＡＧの蛍光体粒子と、を備え、
合計１００ｖｏｌ％に対して、前記ＹＡＧの蛍光体粒子が２０〜９０ｖｏｌ％、前記アルミナのセラミックスマトリックスが８０〜１０ｖｏｌ％を占め、
開気孔率が１〜１５％であることを特徴とする蛍光部材。
【請求項２】
熱伝導率が８Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１記載の蛍光部材。
【請求項３】
前記セラミックマトリックスを形成するアルミナの純度は９９．９９％以上であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の蛍光部材。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の蛍光部材と、
前記蛍光部材上に設けられた発光素子と、
前記発光素子に電力を供給する電力供給部と、を備えることを特徴とする発光装置。
【請求項５】
純度９９．９９％、平均粒径０．５μｍ以下のアルミナの粉末を準備する工程と、
平均粒径１０〜２０μｍのＣｅがドープされたＹＡＧの混合粉末を準備する工程と、
合計１００ｖｏｌ％に対して、前記アルミナの粉末２０〜９０ｖｏｌ％、前記ＹＡＧの混合粉末８０〜１０ｖｏｌ％で構成されるように、前記アルミナの粉末と前記ＹＡＧの混合粉末とを混合して成形体を作製する工程と、
前記成形体を、真空を含む不活性雰囲気下で、１５００〜１７５０℃で焼成する工程と、を含むことを特徴とする蛍光部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の照射により蛍光する蛍光部材、その製造方法および発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、白色照明のハイパワー化が進んでおり、その光源としてＬＤ（Laser Diode）が注目されている。ＬＤは、現在使用されているＬＥＤ（Light Emitting Diode）よりも輝度や指向性が高いという特徴を有している。一方で、ＬＤを白色照明に適用した場合、ＬＥＤよりも大きな温度上昇を伴い、高温下において発光効率が低下する。
【０００３】
ＬＥＤ照明では、使用時の温度が１００℃程度であるため、一般的に、蛍光体材料を樹脂マトリックス内に分散させた蛍光体プレートが用いられている。しかしながら、ＬＤ照明では、使用時の温度が３００℃程度となるため、樹脂を用いることができない。したがって、ＬＤ照明では、高温耐久性に優れた無機マトリックス内に蛍光体材料を分散させた蛍光体プレートの開発が不可欠となっている。
【０００４】
このような背景において、特許文献１に記載されているように、蛍光体材料を無機バインダーで封止した蛍光体プレートが提案されている。この蛍光体プレートは、十分な耐熱性を有するものの、発光効率が低い。発光効率低下の原因は、蛍光体プレートが気孔を多く含む組織を有しており、熱伝導率が低く、熱拡散し難いため、同一の励起光量の照射下では、温度上昇が顕著となり、温度消光現象が発生するためである。
【０００５】
これに対し、特許文献２のように、蛍光体プレートをＹＡＧとアルミナの複合セラミックスとする提案がなされている。しかしながら、蛍光体の発光効率は、蛍光体プレート内の構造により大きな影響を受けるはずであるところ、特許文献２では、このことに言及されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２８０８７７号公報
【特許文献２】特開２０１１−０１２２１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、ＹＡＧとアルミナの複合セラミックスで構成された蛍光体プレートにおいては、蛍光体プレート内の気孔の大きさおよび存在量、蛍光体材料の粒子径により発光効率が低下しうる。また、ＹＡＧおよびアルミナのような金属酸化物は真空や不活性雰囲気中で焼成すると、その還元作用から格子中の酸素欠損が発生し、黒色化する。これにより、励起光が吸収され、発光効率が大幅に低下する。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、黒色化せず発光効率の高い蛍光部材、その製造方法および発光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）上記の目的を達成するため、本発明の蛍光部材は、アルミナのセラミックスマトリックスと、前記セラミックスマトリックス中に分散された、ＣｅがドープされたＹＡＧの蛍光体粒子と、を備え、合計１００ｖｏｌ％に対して、前記ＹＡＧの蛍光体粒子が２０〜９０ｖｏｌ％、前記アルミナのセラミックスマトリックスが８０〜１０ｖｏｌ％を占め、開気孔率が１〜１５％であることを特徴としている。このように、開気孔率を１％以上とすることで、蛍光部材の黒色化を防止し、励起光の吸収を抑えて発光効率を高くすることができる。また、開気孔率を１５％以下とすることで、熱伝導率を高く維持することができ、温度消光による発光効率の低下を防止できる。
【００１０】
（２）また、本発明の蛍光部材は、熱伝導率が８Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴としている。これにより、熱拡散を促し、同一の励起光量の照射下での温度上昇を抑えて温度消光現象を防止して発光効率を高くすることができる。
【００１１】
（３）また、本発明の蛍光部材は、前記セラミックマトリックスを形成するアルミナの純度は９９．９９％以上であることを特徴としている。これにより、励起光が吸収されなくなり発光効率がさらに向上する。
【００１２】
（４）また、本発明の発光装置は、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の蛍光部材と、前記蛍光部材上に設けられた発光素子と、前記発光素子に電力を供給する電力供給部と、を備えることを特徴としている。これにより、発光効率の高い発光装置を実現できる。
【００１３】
（５）また、本発明の蛍光部材の製造方法は、純度９９．９９％、平均粒径０．５μｍ以下のアルミナの粉末を準備する工程と、平均粒径１０〜２０μｍのＣｅがドープされたＹＡＧの粉末を準備する工程と、合計１００ｖｏｌ％に対して、前記アルミナの粉末２０〜９０ｖｏｌ％、前記ＹＡＧの粉末８０〜１０ｖｏｌ％で構成されるように、前記アルミナの粉末と前記ＹＡＧの粉末とを混合して成形体を作製する工程と、前記成形体を、真空を含む不活性雰囲気下で、１５００〜１７５０℃で焼成する工程と、を含むことを特徴としている。これにより、開気孔率が１〜１５％で黒色化を防止した蛍光部材を生成でき、高い熱伝導率を維持しつつ蛍光部材において励起光の吸収を抑えて発光効率を高くすることができる。なお、「平均粒径」とは、ＪＩＳ  Ｒ  １６２「ファインセラミックス原料のレーザ回折・散乱法による粒子径分布測定方法」に準拠し、日機装社製マイクロトラック９３０−Ｘ１００により測定したものをいう。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、黒色化せず発光効率の高い蛍光部材を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】各実施例、比較例の実験条件および実験結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
ＹＡＧおよびアルミナの黒色化は、焼結時に緻密化する際に、顕著に発生する。本発明者らは、特に、ＹＡＧとアルミナの複合セラミックス構造体の開気孔率を１〜１５％に制御することで、黒色化せずに、熱伝導率が８Ｗ／ｍ・Ｋ以上を維持しつつ、十分な発光効率を有する蛍光部材の製造が可能であることを見出した。以下に、本発明の実施形態を説明する。
【００１７】
［蛍光部材の構成］
本発明の蛍光部材は、アルミナのセラミックスマトリックスと、セラミックスマトリックス中に分散されたＣｅがドープされたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）の蛍光体粒子とを備えており、多孔質のセラミックス構造を有する。なお、多孔質とは、緻密質に対する用語であり、後述のように開気孔率が１〜１５％であることをいう。
【００１８】
蛍光部材を形成するＹＡＧの蛍光体粒子およびアルミナのセラミックスマトリックスからなる合計１００ｖｏｌ％の体積のうち、ＹＡＧの蛍光体粒子は２０〜９０ｖｏｌ％、アルミナのセラミックスマトリックスは８０〜１０ｖｏｌ％を占めている。下表に示すように、アルミナの熱伝導率は、ＹＡＧの熱伝導率の約３倍であり、アルミナが８０〜１０ｖｏｌ％を占めていることにより熱伝導率が向上するため、放熱特性が向上する。よって、使用時の冷却能力が向上し、温度消光による発光効率の低下を抑制できる。また、アルミナの純度は９９．９９％以上であることが好ましい。これにより、励起光が吸収されなくなり発光効率がさらに向上する。なお、アルミナの結晶粒子径は、１０μｍ以下であることが好ましい。
【表１】
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【００１９】
ＹＡＧの蛍光体粒子の結晶粒子径は１０〜２０μｍである。これにより発光に十分なＹＡＧの蛍光体粒子の粒子径を確保し、蛍光部材の発光効率を向上させている。
【００２０】
蛍光部材の開気孔率は１〜１５％である。このように、開気孔率が１％以上であることから、蛍光部材の黒色化を防止し、励起光の吸収を抑えて発光効率を高くすることができる。また、開気孔率が、１５％以下であることから、熱伝導率を高く維持することができ、温度消光による発光効率の低下を防止できる。
【００２１】
［蛍光部材の製造方法］
上記のように構成される蛍光部材の製造方法を説明する。まず、純度９９．９９％、平均粒径０．５μｍ以下のアルミナの粉末を準備する。次に、平均粒径１０〜２０μｍのＣｅがドープされたＹＡＧの粉末を準備する。
【００２２】
そして、アルミナの粉末とＹＡＧの粉末を合わせた合計１００ｖｏｌ％に対して、それぞれの比率がアルミナの粉末２０〜９０ｖｏｌ％、ＹＡＧの粉末８０〜１０ｖｏｌ％となるように、アルミナの粉末とＹＡＧの粉末とを、エタノールを用いたボールミル混合等で混合する。そして、混合して得られた粉末材料により成形体を作製する。
【００２３】
このようにして得られた成形体を、真空、アルゴン雰囲気等を含む不活性雰囲気下で、１５００〜１７５０℃で焼成する。これにより、開気孔率が１〜１５％で黒色化を防止した蛍光部材を生成でき、高い熱伝導率を維持しつつ蛍光部材において発光効率を高くすることができる。なお、蛍光部材中のＹＡＧの結晶粒子径は、１０〜２０μｍのままであり、アルミナの結晶粒子径は０．２〜１０μｍ程度となる。
【００２４】
［発光装置］
上記のような蛍光部材は、白色照明の発光装置等の用途において、高温下の環境においても、広範囲の励起光量で高い発光効率を有する構成部材として提供できる。例えば、発光装置は、以下のように凹部を有する蛍光部材と、蛍光部材の凹部に設けられた発光素子と、蛍光部材が表面に実装された配線基板とで構成できる。
【００２５】
蛍光部材は、上記の通り、例えばプレート状に形成されている。そして、蛍光部材の表面には凹部が形成され、凹部の底面は平坦面となっている。この平坦な底面に発光素子が設置される。また、凹部の内周面および中心部を除き、蛍光部材の表面には配線パターンが形成される。
【００２６】
発光素子は、例えば青色発光ダイオードであって、各層には電極部が接合される。そして、各電極部が配線パターンと電気的に接続され、配線パターンを介して発光素子に電力が供給される。その結果、青色光が発生し、蛍光部材内の蛍光体粒子により青色光の一部が黄色光に変換され、青色光と黄色光の混色により白色光が得られる。このような発光装置に上記の蛍光部材を用いることで放熱特性が高く、発光効率の高い発光装置を実現できる。
【００２７】
配線基板は平板状であって、表面には配線パターンが形成される。そして、凹部の底面と背向する蛍光部材の裏面を配線基板に対向させ、裏面端部に設けられた配線パターンが配線基板上の配線パターンに接合される。
【００２８】
［実施例、比較例］
（実験条件）
蛍光部材について、以下の通り、実験を行った。図１は、各実施例、比較例の実験条件および実験結果を示す表である。
【００２９】
まず、アルミナ原料として、純度９９．９〜９９．９９％、平均粒径０．２μｍの粉末を準備した。ＹＡＧ原料として、平均粒径１５μｍのＣｅがドープされたＹＡＧの粉末を準備した。
【００３０】
ボールミルを用いて、これらの原料をエタノール中で１６時間混合し、ロータリーエバポレーターでエタノールを乾燥させ、混合粉末を作製した。アルミナ、ＹＡＧの各原料の配合は、図１に示す体積比の通りである。
【００３１】
混合粉末に対し、１０ＭＰａで一軸加圧成形を行った後、１００ＭＰａで冷間静水圧成形を行って、φ１５ｍｍ、厚さ１０ｍｍの成形体を作製した。得られた成形体を、アルゴン雰囲気下で、１５００〜１７５０℃で焼結し、複合セラミックス焼結体を作製した。
【００３２】
複合セラミックス焼結体については、ＪＩＳＲ １６３４に従い、アルキメデス法によりかさ密度、開気孔率を測定した。このときＹＡＧ、アルミナの真密度は、それぞれ４．５６、３．９９×１０３ｋｇ／ｍ３として、体積比に応じて理論密度を計算し、相対密度（かさ密度÷理論密度）を算出した。
【００３３】
また、レーザーフラッシュ法により、京都電子工業社製ＬＦＡ−５０２を用いて複合セラミックス焼結体の熱伝導率を測定した。発光効率として、日本分光社製ＦＰ−８５００を用いて、試料裏面に水冷機能を付与し、３００℃に加熱時の励起光量１．５Ｗにおける内部量子効率を測定した。比較として、ＹＡＧ粉末を石英ガラスで充填した試料についても同様に評価を行った。
【００３４】
結晶粒子径は、インターセプト法により測定した粒径（平均粒径）であり、具体的には、例えば、以下のようにして測定する。すなわち、まず、蛍光部材の表面を研削加工により平面を得る。その後、ダイヤモンドディスク等を用いて平面の鏡面研磨を行う。その後、サーマルエッチングを行う。次に、ＳＥＭ観察により、１０００倍の倍率で、組織面像を得る。この組織の面像上に直線を数本ランダムに引く。そして、直線が横切る粒子数を数えて、画像上での直線長さを粒子数で除した値を結晶粒子径とする。測定の結果、蛍光部材中のＹＡＧの結晶粒子径は、混合時の平均粒径と同一であり、１５μｍのままであり、アルミナの結晶粒子径は０．２〜１０μｍ程度であった。
【００３５】
（実験結果）
焼成温度１５００〜１８００℃、ＹＡＧ蛍光体１５〜１００ｖｏｌ％、アルミナ８５〜０ｖｏｌ％の体積比率の各組み合わせで複合セラミックス焼結体を作製したところ（実施例１〜９、比較例１〜７）、ＹＡＧ蛍光体１５ｖｏｌ％の試料（比較例１）は、色調は薄黄であり、適当な開気孔率を有するが、熱伝導率は高く、発光効率も高いが、ＹＡＧ蛍光体そのものの体積割合が低いため、発光強度（外部量子効率）が低く、蛍光部材として機能しなかった。また、アルミナ５ｖｏｌ％および０ｖｏｌ％の試料（比較例６、７）は、いずれも色調は濃黄であり、適当な開気孔率を有するが、熱伝導率が低い値となり、発光効率も低くなった。
【００３６】
ＹＡＧ蛍光体２０ｖｏｌ％、アルミナ８０ｖｏｌ％の体積比率の場合、焼成温度が１６００℃の試料（比較例２）は、熱伝導率は高いものの、開気孔率が低く、色調が灰となり、発光効率が１８．５％の低い値となった。一方、焼成温度が１５００℃の試料（実施例１）は、適当な開気孔率を有し、熱伝導率が高く、色調が薄黄であり、発光効率が９３．２％の高い値となった。
【００３７】
ＹＡＧ蛍光体４０ｖｏｌ％、アルミナ６０ｖｏｌ％の体積比率の場合、焼成温度が１７００℃の試料（比較例３）は、熱伝導率は高いものの、開気孔率が低く、色調が灰となり、発光効率が１９．５％の低い値をとった。一方、焼成温度が１５５０〜１６５０℃の試料（実施例２〜４）は、適当な開気孔率を有し、熱伝導率が高く、色調が黄であり、発光効率が９０％以上の高い値となった。
【００３８】
ＹＡＧ蛍光体７０ｖｏｌ％、アルミナ３０ｖｏｌ％の体積比率の場合、焼成温度が１７５０℃の試料（比較例４）は、熱伝導率は高いものの、開気孔率が低く、色調が深緑となり、発光効率が１８．２％の低い値をとった。また、焼成温度が１５００℃の試料（比較例５）は、色調は濃黄であるが、開気孔率が高すぎ、熱伝導率が低くなり、発光効率が６５．４％の不十分な値となった。一方、焼成温度が１５５０〜１７００℃の試料（実施例５〜８）は、適当な開気孔率を有し、熱伝導率も十分であり、色調が濃黄であり、発光効率が８５％以上の高い値となった。
【００３９】
ＹＡＧ蛍光体９０ｖｏｌ％、アルミナ１０ｖｏｌ％の体積比率で、焼成温度が１７５０℃の試料（実施例９）は、適当な開気孔率を有し、熱伝導率も十分であり、色調が濃黄であり、発光効率が８５％以上の高い値となった。
【００４０】
ＹＡＧ蛍光体７０ｖｏｌ％、アルミナ（純度９９．９９％）３０ｖｏｌ％の試料（実施例７）に対して他の条件を同一にし、アルミナ純度のみ９９．９％とした試料（比較例８）では、相対密度および熱伝導率は高いが、発光効率が１８．７％と低い値となった。これは励起光がアルミナ内で吸収されたためと考えられる。
【００４１】
ＹＡＧの第二粒子と第一粒子の体積比を０から０．３５まで変えた試料（比較例５〜６、実施例６、９〜１１）については、ＹＡＧの第二粒子と第一粒子の体積比が０、０．３５の試料（比較例５、６）では、相対密度および熱伝導率が低くなり、温度消光の影響により発光効率が９０％より低くなった。ＹＡＧの第二粒子と第一粒子の体積比が０．０６〜０．３０の試料（実施例９〜１１）は、適当な相対密度および十分な熱伝導率を有するが、色調が黄で、発光効率が１８．９％と低くなった。
【００４２】
ＹＡＧ粉末を石英ガラスで充填した試料（比較例９）は、熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋで、発光効率も１５．４％であり、アルミナをセラミックスマトリックスとし、充填性を高めた蛍光部材と比べて低くなった。
【図１】
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