本发明涉及将特定范围的波长的光转换成其他波长的光、并且将透过的光作为照射光的透射型的波长转换构件以及发光装置。
背景技术：
作为发光元件，公知一种配置有例如以与蓝色led元件接触的方式使荧光体粒子分散到以环氧树脂、硅等为代表的树脂中而成的波长转换构件的发光元件。并且，近年来，代替led而使用能量效率高、且容易应对小型化、高输出化的激光二极管(ld)的应用正在增加。
激光器局部地照射高能量的光，因此，被集中地照射了激光的树脂的照射部位烧焦。对此，提出了一种通过将波长转换构件形成为环状并且一边使其高速旋转一边照射激光来抑制烧焦的改进对策(专利文献1)。
然而，在上述改进对策中，导致器具、装置的大型化、复杂化，系统受到大的制约。另一方面，提出了代替构成波长转换构件的树脂而使用无机粘合剂，使用仅由无机材料形成的波长转换构件(专利文献2～7)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-94777号公报
专利文献2：日本特开2015-90887号公报
专利文献3：日本特开2015-38960号公报
专利文献4：日本特开2015-65425号公报
专利文献5：日本特开2014-241431号公报
专利文献6：日本特开2015-119172号公报
专利文献7：日本特开2015-138839号公报
技术实现要素：
发明所要解决的课题
在上述使用无机粘合剂的波长转换构件中，材料自身的耐热性提高。但是，对于激光功率的荧光体粒子发热，如果蓄热持续进行，则有时荧光体粒子的发光性能消失。因此，实际上，难以在高能量环境下使用波长转换构件。
本发明是鉴于这样的情形而完成的，其目的在于，提供一种热阻低、能够防止荧光体层的温度上升、并且即使照射强度大的光源光也能够维持荧光性能的波长转换构件以及发光装置。
用于解决课题的技术方案
(1)为了达到上述目的，本发明提供一种波长转换构件，是将特定范围的波长的光转换成其他波长的光、并且将透过的光作为照射光的透射型的波长转换构件，其特征在于，具备：基材，由无机材料构成，使光透过；以及荧光体层，设置于所述基材上，由对于吸收光发出转换光的荧光体粒子和将所述荧光体粒子彼此结合的透光性陶瓷构成，所述荧光体层的厚度与所述荧光体粒子的平均粒径之比低于30。由此，热阻低，能够防止荧光体层的温度上升，并且即使照射强度大的光源光，也能够维持荧光性能。
具体来说，对于特定范围的波长的光源光，在所述光源光的功率密度是5w/mm2时，所述荧光体层的荧光强度是所述荧光体层的最大荧光强度的50％以上，从而即使以高输出发光，荧光性能也不会降低。
(2)另外，本发明的波长转换构件的特征在于，满足以下的条件：(a)在所述荧光体粒子的平均粒径低于1μm的情况下，所述荧光体层的厚度与所述荧光体粒子的平均粒径之比为2以上且低于30；(b)在所述荧光体粒子的平均粒径为1μm以上且低于5μm的情况下，所述荧光体层的厚度与所述荧光体粒子的平均粒径之比为2以上且低于15；(c)在所述荧光体粒子的平均粒径为5μm以上且低于10μm的情况下，所述荧光体层的厚度与所述荧光体粒子的平均粒径之比为2以上且低于10；及(d)在所述荧光体粒子的平均粒径为10μm以上的情况下，所述荧光体层的厚度与所述荧光体粒子的平均粒径之比为1.5以上且低于5。
这样，波长转换构件在被用作透射型的情况下，荧光体层内的粒子数的密度不会变得过高，能够降低粒界的热阻，另一方面，能够使荧光体层内的构造均匀，得到均匀的光。本发明中的均匀的光是指“在使用二维色彩亮度计(柯尼卡美能达ca-2500)来进行测定时，相对于面内的吸收光(激励光)的光谱峰值的平均值，局部的吸收光(激励光)的光谱峰值低于2倍”。
(3)另外，本发明的波长转换构件的特征在于，在将空隙部分的体积相对于所述荧光体层的一定厚度的层的表观体积的比例定义为空隙率的情况下，所述荧光体层的所述空隙率是30～70％，所述一定厚度的层是所述荧光体层的由与所述荧光体粒子的最外表面相接的平面和与所述基材相接的平面夹着的层，所述空隙部分的体积是通过从所述表观体积减去所述表观体积内包含的固体成分的体积而计算出的。由此，在荧光体层内具有大量分散的气孔，因此，所照射的光在荧光体层内分散(漫反射)，容易对荧光体粒子照射光。
(4)另外，本发明的波长转换构件的特征在于，所述基材由蓝宝石构成。由此，能够维持高的导热性，能够抑制荧光体层的温度上升。
(5)另外，本发明的发光装置的特征在于，具备：光源，产生特定范围的波长的光源光；以及上述(1)至(4)中的任一项所述的波长转换构件，吸收所述光源光，将所述光源光转换成其他波长的光并发光。由此，能够实现即使照射强度大的光源光也能够维持荧光性能的发光装置。
发明效果
根据本发明，热阻低，能够防止荧光体层的温度上升，并且即使照射强度大的光源光，也能够维持荧光性能。
附图说明
图1是示出本发明的发光装置的示意图。
图2(a)、图2(b)、图2(c)分别是示出本发明的波长转换构件的制作工序的剖视图。
图3(a)、图3(b)分别是示出对于波长转换构件的透射型、反射型的评价系统的剖视图。
图4(a)、图4(b)分别是示出改变基材时的发光特性的图表。
图5(a)、图5(b)分别是示出对于恒定的荧光体粒径而改变荧光体层的厚度时的发光特性的图表。
图6(a)、图6(b)分别是示出改变荧光体粒子的平均粒径时的发光特性的图表。
图7(a)、图7(b)分别是示出空隙率与荧光的发光强度以及饱和点之间的关系的图表。
图8(a)、图8(b)分别是示出烧结体与波长转换构件的发光特性的图表。
具体实施方式
接下来，参照附图，说明本发明的实施方式。为了容易理解说明，在各附图中，对相同的结构要素附加相同的附图标记，省略重复的说明。此外，在结构图中，概念性地示出各结构要素的大小，并非表示实际的尺寸比率。
[透射型的发光装置的结构]
图1是示出透射型的发光装置10的示意图。如图1所示，发光装置10具备光源50以及波长转换构件100，使透过了波长转换构件100的光源光以及在波长转换构件100内通过基于光源光的激励而产生的光结合而放射照射光。照射光例如能够设为白色光。
光源50能够使用led(lightemittingdiode，发光二极管)或者ld(laserdiode，激光二极管)的芯片。led根据发光装置10的设计，产生具有特定范围的波长的光源光。例如，led产生蓝色光。另外，在使用ld的情况下，能够产生波长、相位的偏差少的相干光。此外，光源50不限于这些，也可以产生可见光以外的光，但优选产生紫外光、蓝色光或者绿色光，特别优选产生蓝色光。
[透射型的波长转换构件的结构]
波长转换构件100具备基材110以及荧光体层120，形成为板状，在使光源光透过的同时，对光源光进行激励而产生波长不同的光。例如能够在使蓝色光透过的同时，产生绿和红的荧光、黄色的荧光，放射白色光。基材110形成为板状，例如能够由使光源光透过的玻璃、蓝宝石等无机材料构成。基材110优选由具有高的导热性的蓝宝石构成。其结果是，能够抑制荧光体层120的蓄热，并抑制温度上升，能够防止由发热导致的温度消光。
荧光体层120在基材110上作为膜而设置，由荧光体粒子122和透光性陶瓷121形成。透光性陶瓷121将荧光体粒子122彼此结合，并且将基材110与荧光体粒子122结合。相对于荧光体粒径，荧光体层120的厚度薄，因此，能够将在荧光体层120中产生的热高效地向基材110传导，防止荧光体层120的温度上升。其结果是，即使照射强度大的光源光，也能够维持荧光性能。
即，即使在将高能量密度激光设为光源光的情况下，通过形成在能够实现所需的颜色设计的范围内尽可能薄的荧光体层120，也能够抑制由荧光体粒子122的发热(蓄热)导致的温度消光。此外，如果考虑导热性，则荧光体层120的厚度优选如下表所示。
在将荧光体层的热阻率或者热导率以及面积设为恒定的情况下，表示热的传递难易程度的热阻取决于厚度，越厚则热阻越增加。在照射激光的情况下，热阻越小，即厚度越薄，则热越容易传递，不易引起蓄热，能够抑制由发热(蓄热)导致的温度消光。
[表1]
透光性陶瓷121是用于保持荧光体粒子122的无机粘合剂，例如由二氧化硅(sio2)、磷酸铝构成。荧光体粒子122例如能够使用钇·铝·石榴石系荧光体(yag系荧光体)以及镏·铝·石榴石系荧光体(lag系荧光体)。
此外，荧光体粒子根据发光的颜色的设计，能够从如下材料中选择。例如，可列举bamgal10o17：eu、zns：ag、cl、baal2s4：eu或者camgsi2o6：eu等蓝色系荧光体、zn2sio4：mn、(y，gd)bo3：tb、zns：cu、al、(m1)2sio4：eu、(m1)(m2)2s：eu、(m3)3al5o12：ce、sialon：eu、casialon：eu、(m1)si2o2n：eu或者(ba，sr，mg)2sio4：eu、mn等黄色或者绿色系荧光体、(m1)3sio5：eu或者(m1)s：eu等黄色、橙色或者红色系荧光体、(y，gd)bo3：eu、y2o2s：eu、(m1)2si5n8：eu、(m1)alsin3：eu或者ypvo4：eu等红色系荧光体。此外，在上述化学式中，m1包括由ba、ca、sr以及mg构成的组中的至少一个，m2包括ga以及al中的至少一个，m3包括由y、gd、lu以及te构成的组中的至少一个。此外，上述荧光体粒子是一个例子，在波长转换构件中使用的荧光体粒子并非一定限于上述。
荧光体层120的空隙率优选为30％以上且70％以下。气孔在荧光体层120内大量形成，因此，即使荧光体层120薄，光也在内部分散，高效地对荧光体粒子122照射光源光。
关于荧光体层120的厚度，根据荧光体粒子122的平均粒径，该荧光体层的厚度与荧光体粒子的平均粒径之比优选处于规定范围。膜厚相对于荧光体粒子的粒径低于规定倍数，因此，荧光体层120内的粒子数的密度不会变得过高，能够降低粒界的热阻。因此，能够构成即使以高输出进行发光而荧光性能也不降低的发光装置10。这样的发光装置10如果应用于例如工厂、球场、美术馆等公共设施的照明、或者汽车的前照灯等，则能够预见有好的效果。另一方面，膜厚相对于荧光体粒子的粒径为规定倍数以上，因此，能够使荧光体层120内的构造均匀，维持荧光体层120的强度，并且，能够得到均匀的光。
通过上述结构，波长转换构件100优选为，在光源光的功率密度是5w/mm2时，荧光体层120的荧光强度荧光体层120的最大荧光强度的50％以上。这样的特性的波长转换构件100的膜的透射性在适当的范围内，能够充分地有效利用基于荧光体层120的荧光的转换性能。
[波长转换构件的制作方法]
图2(a)、图2(b)、图2(c)分别是示出本发明的波长转换构件的制作工序的剖视图。首先，准备无机粘合剂、溶剂、荧光体粒子。作为优选的无机粘合剂，能够使用例如使硅的前驱物溶解于乙醇而得到的硅酸乙酯。
此外，无机粘合剂也可以是通过使包括由通过水解或者氧化而变成氧化硅的氧化硅前驱物、硅氧化合物、二氧化硅以及非晶二氧化硅构成的组中的至少1种的原料在常温下反应、或者在500℃以下的温度下进行热处理而得到的。作为氧化硅前驱物，例如可列举以全氢聚硅氮烷、硅酸乙酯、甲基硅酸盐作为主要成分的物质。
另外，作为溶剂，能够使用丁醇、异佛尔酮、萜品醇、甘油等高沸点溶剂。作为荧光体粒子，例如能够使用yag、lag等粒子。根据对于光源光而想要得到的照射光，调整荧光体粒子的种类、量。例如，在对于蓝色光而想要得到白色光的情况下，分别适量选择通过基于蓝色光的激励而放射绿色光以及红色光或者黄色光的荧光体粒子。
如图2(a)所示，将这些无机粘合剂、溶剂、荧光体粒子混合来制作糊状物(墨)410。在混合中能够使用球磨机等。另一方面，准备无机材料的基材。作为基材，能够使用玻璃、蓝宝石等。基材优选为板状。另外，通过作为基材而使用铝，还能够制作反射型的波长转换构件。
接下来，如图2(b)所示，使用丝网印刷法，以使所得到的糊状物410相对于平均粒径而成为上述表所示的范围的膜厚的方式，将糊状物410涂敷于基材110。丝网印刷能够通过用油墨刮刀510将糊状物410按压到用框张开的丝网520而进行。除丝网印刷法以外，还能够列举喷射法、由分配器实施的描绘法、喷墨法，但为了稳定地形成薄的厚度的荧光体层，优选丝网印刷法。
然后，通过使所印刷的糊状物410干燥，在炉600内进行热处理，从而使溶剂飞散、并且使无机粘合剂的有机成分飞散而使无机粘合剂中的主金属氧化(在主金属是si的情况下进行sio2化)，此时将荧光体层120与基材110粘接。通过这样，能够得到波长转换构件。
然后，能够通过在led芯片上粘接、或者在led芯片发出的光的主要的放射方向上空出一定距离地设置使用了透射性陶瓷的基材的波长转换构件，来制作发光装置。
[实施例]
(1.对于基材的消光状态的确认)
(1-1)样品的制作方法
首先，以如下方式制作波长转换构件。使用丝网印刷法，在作为基材的玻璃、蓝宝石、铝的板上，以成为40μm的厚度的方式分别涂敷将硅酸乙酯和萜品醇与yag荧光体粒子(平均粒径18μm)混合而制作的糊状物，并进行热处理，得到波长转换构件的样品。
(1-2)评价方法
对通过上述制作方法得到的波长转换构件照射激光，调查对于激光输入值的荧光的发光强度和发光效率维持率。图3(a)、图3(b)分别是示出对于波长转换构件的透射型、反射型的评价系统700、800的剖视图。如图3(a)所示，透射型的评价系统700包括光源710、平面凸透镜720、双凸透镜730、带通滤波器735及功率计740。此外，带通滤波器735是将波长480nm以下的光切掉的滤波器，为了在测定荧光的发光强度时将透过的光源光(激励光)与荧光分开，而设置于双凸透镜与功率计之间。
进入到平面凸透镜720的光源光向波长转换构件100上的焦点会聚。然后，用双凸透镜730会聚从波长转换构件100产生的放射光，关于该会聚而得到的光，用功率计740测定切掉波长480nm以下的光后的光的强度。将该测定值设为荧光的发光强度。另一方面，如图3(b)所示，反射型的评价系统800的结构要素与评价系统700相同，但将各要素配置成能够会聚来自波长转换构件100的反射光并进行测定。通过用透镜会聚激光，使照射面积收缩，从而通过低输出的激光，也能够提升每单位面积的能量密度。将该能量密度设为激光功率密度。
适当地区分使用上述2种评价系统700、800而进行波长转换构件的评价。在透射型的评价系统700中，使用上述玻璃或者蓝宝石的基材的样品，在反射型的评价系统800中，使用铝的基材的样品。此外，荧光的发光强度是指在使用上述评价系统的情况下将亮度计所示出的数字无量纲化而得到的相对强度，发光效率维持率是指发光效率相对于能够忽略发热、蓄热的影响的低的激光功率密度下的、将发光效率设为100％的情况下的各激光功率密度的比例。
(1-3)评价结果
作为上述评价结果，能够确认对于基材的发光特性。图4(a)、图4(b)分别是示出改变基材时的发光特性的图表。关于3种基材，确认到直至恒定的激光功率密度为止，伴随着功率密度的增加而荧光的发光强度基本成以比例的关系增加。在蓝宝石基材的情况下，激光功率密度是48w/mm2，在铝基材的情况下是27w/mm2，在玻璃基材的情况下是11w/mm2以上，发光减少。因此，可以说3种基材中的、蓝宝石基材特别能够抑制荧光体的消光。
荧光体粒子由于温度的上升，在温度消光中发光性能降低。但是，蓝宝石的热导率比玻璃高。因此，认为在蓝宝石基材的情况下，不易将来自荧光体粒子的发热蓄热到波长转换构件内，抑制荧光体的消光。
另外，根据上述结果，与热导率高的铝基材相比，蓝宝石基材更能够抑制消光。这被认为是由于，在透射型的蓝宝石基材的测定中，使激光从基材入射，因此，蓄热于荧光体的热立即向基材散热。
(2.在蓝宝石基材的情况下，对于荧光体层的膜厚/平均粒径的温度消光状态的确认)
(2-1)样品的制作方法
使用丝网印刷法，在作为基材的蓝宝石板上，以分别成为9、14、30、60、70μm的厚度的方式涂敷将硅酸乙酯和萜品醇与yag系荧光体粒子(平均粒径6μm)混合而制作的糊状物，如下表所示，得到波长转换构件的样品。
[表2]
(2-2)评价方法
关于通过上述波长转换构件的制作方法而得到的波长转换构件，使用透射型的评价系统700，进行激光照射，调查对于激光功率密度的荧光的发光强度以及发光效率维持率。
(2-3)评价结果
作为上述评价结果，能够确认荧光体层的发光特性。图5(a)、图5(b)分别是示出对于恒定的荧光体粒径而改变荧光体层的厚度时的发光特性的图表。关于各条件，分别示出对于激光功率密度的荧光的发光强度以及发光效率维持率。
如图5(a)、图5(b)所示，在荧光体层的膜厚/荧光体粒子的粒径之比是2～12的情况下，确认到越低则荧光的发光强度越大的倾向。认为通过使荧光体层的膜厚/荧光体粒子的粒径适度地变小，从而荧光体层的光透射性变得最佳，最大限度地发挥基于荧光体的激励光的光转换性能，并且容易使大量的光透过。
另一方面，在荧光体层的膜厚/荧光体粒子的平均粒径之比是1.5的情况下，与是2的情况相比，荧光的发光强度减少。这被认为是，膜厚相对于粒径过度地变薄，激励光不进行光转换而透过的情况较多，无法充分发挥荧光体的光转换的性能，荧光的发光强度减少。另外，认为如果膜厚相对于粒径过度地厚，则荧光体层的光透射性减少，向与激励光前进的方向相同的方向放出的荧光的发光强度减少。
(3.按膜厚/平均粒径区分的荧光的发光强度以及发光效率维持率的确认)
(3-1)样品的制作方法
使用丝网印刷法，在作为基材的蓝宝石板(透射型)上涂敷将硅酸乙酯和萜品醇与yag系荧光体粒子混合而制作的糊状物。
(3-2)评价方法
关于通过上述波长转换构件的制作方法而得到的波长转换构件，使用透射型的评价系统700，进行激光照射，调查5w/mm2的激光功率密度下的荧光的发光强度。在5w/mm2的低激光功率密度下，测定膜厚/平均粒径在包括上表1所示的范围的适当范围内、粒径相同并且使膜厚变化而得到的样本的发光强度。将具有值最大的膜厚的样本的发光强度值设为基准值(中心)，其他样本(粒径与作为基准值的样本相同、膜厚不同)的各膜厚下的值与基准值相比如果是50％以上，则认为合格，如果低于50％，则认为不合格。
在使用利用荧光体进行光转换而得到的光转换光的情况下，为了得到作为目标的色调，产生希望使作为激励光的光积极地透过的情况、尽可能地不使作为激励光的光透过的情况。当在任一状况下从荧光体得到的荧光的发光强度(下面，在表中设为荧光强度)都低于最大荧光强度的50％的情况下，判断为得不到作为照明设备的利用价值，将基准值设定为50％。
(3-3)评价结果
下表是将条件和结果汇总而成的表。
[表3]
关于透射型的波长转换构件，能够确认到荧光体粒子的平均粒径以及荧光体层的厚度/荧光体粒子的平均粒径在表1的范围内，满足判断基准。
(4.基于荧光体粒子的种类的差异)
(4-1)样品的制作方法
使用丝网印刷法，在作为基材的蓝宝石板上，以使膜厚成为40μm的方式涂敷将硅酸乙酯和萜品醇与yag系荧光体粒子混合而制作的糊状物。荧光体粒子使用6、13、18μm这3种平均粒径的荧光体粒子。
(4-2)评价方法
关于通过上述波长转换构件的制作方法而得到的蓝宝石基材的波长转换构件，使用透射型的评价系统700，进行激光照射，调查对于激光功率密度的荧光的发光强度以及发光效率维持率。
(4-3)评价结果
图6(a)、图6(b)分别是示出改变荧光体粒子的平均粒径时的发光特性的图表。如图6(a)、图6(b)所示，确认到荧光体粒子的平均粒径越大，则荧光的发光强度越高。认为是由于荧光体粒子越大则转换效率越高、以及荧光体粒子彼此的触点变少而能够防止蓄热这两种效果所引起的。
(5.关于空隙率)
(5-1)样品的制作方法
使用丝网印刷法，在作为基材的蓝宝石板上，以成为40μm的厚度的方式涂敷将硅酸乙酯和萜品醇与yag系荧光体粒子(平均粒径18μm)混合而制作的糊状物，得到波长转换构件的样品。
(5-2)评价方法
关于所得到的波长转换构件，进行空隙率的计算以及激光照射试验，确认到空隙率与荧光的发光强度以及饱和点之间的关系。空隙率定义为荧光体膜内的空隙部分的体积相对于用直线连结荧光体膜上的荧光体粒子的最外表面而得到的表观体积的比例来计算。空隙部分的体积是从表观体积减去固体成分的体积而计算出的。
(5-3)评价结果
图7(a)、图7(b)分别是示出空隙率与荧光的发光强度以及饱和点之间的关系的图表。根据图7(a)、图7(b)所示的空隙率与荧光的发光强度以及饱和点之间的关系，确认到在空隙率为30～70％的范围内荧光的发光强度、饱和点稳定。在空隙率低于30％时，由于制作时的热处理，发生剥离，难以制造波长转换构件。该剥离的原因被认为是由于基材与荧光体层的热膨胀之差所引起的。另外，在空隙率为70％以上时，难以维持荧光体层的构造，难以制造。
(6.与烧结体的比较)
(6-1)评价方法
关于通过上述波长转换构件的制作方法而得到的本发明的波长转换构件(膜厚40μm)与烧结体(一边为20.0mm、厚度为1.0mm的正方板形状)的荧光体板，使用透射型的评价系统700进行激光照射，调查对于激光功率密度的荧光的发光强度，确认出由空隙率引起的荧光的发光强度的变化。
空隙率定义为相对于用直线连接荧光体膜上的荧光体粒子的最外表面而得到的表观体积的、荧光体膜内的空隙部分的体积的比例来计算。空隙部分的体积是从表观体积减去固体成分的体积而计算出的。波长转换构件的空隙率是40％，烧结体的空隙率低于1％。
(6-2)评价结果
图8(a)、图8(b)分别是示出烧结体和波长转换构件的发光特性的图表。确认到在图8(a)、图8(b)所示的波长转换构件的情况下，荧光的发光强度较高。这被认为是由于波长转换构件的层内的空隙而引起光的散射，为了高效地对光进行转换，荧光的发光强度变高。另一方面，认为由于空隙少的烧结体是致密的，因此，内部的光的散射少而使激光透过。
在空隙率少的烧结体的情况下，即使有厚度1mm(1000μm)的厚度，仍使激光透过，与此相对地，本发明的波长转换构件尽管厚度为40μm，仍能够包括最佳的空隙，使光散射而高效地取出荧光，因此认为非常有效。
标号说明
10发光装置
50光源
100波长转换构件
110基材
120荧光体层
121透光性陶瓷
122荧光体粒子
410糊状物
510油墨刮刀
520丝网
600炉
700、800评价系统
710光源
720平面凸透镜
730双凸透镜
735带通滤波器
740功率计