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JP2018026550A - 発光装置、照明装置、画像表示装置及び車両表示灯 - Google Patents

発光装置、照明装置、画像表示装置及び車両表示灯 Download PDF

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JP2018026550A JP2017144585A JP2017144585A JP2018026550A JP 2018026550 A JP2018026550 A JP 2018026550A JP 2017144585 A JP2017144585 A JP 2017144585A JP 2017144585 A JP2017144585 A JP 2017144585A JP 2018026550 A JP2018026550 A JP 2018026550A
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Abstract

【課題】高変換効率、高輝度、かつ、励起光強度及び温度の変化による明るさ変化・色ズレの少ない、優れた発光装置及び照明装置を提供する。【解決手段】窒化物蛍光体、及びフッ化物無機バインダを含む焼結蛍光体3と、光源としてガリウムナイトライド系LED又はレーザーとを備え、焼結蛍光体は光源の光の少なくとも一部を吸収して、光源と異なる波長を有する光を発することを特徴とする発光装置。【選択図】図10

Description

本発明は、窒化物蛍光体及びフッ化物無機バインダを含む焼結蛍光体とガリウムナイトライド系LEDまたはレーザーとを含む発光装置に関する。
発光ダイオード(LED)は、光スペクトルの特定の領域にピーク波長を有する光を発生させることが可能な半導体発光装置、または半導体光源として、広く知られている。通常LEDは、照明器具、標識、車載ヘッドランプおよびディスプレイの光源として使用される。LEDと蛍光体を用いた発光デバイスとして、青色の発光を行うLEDチップと、青色光を黄色に変換するYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)蛍光体と、を組み合わせた白色に発光する発光デバイスが知られている。YAG蛍光体は、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂に分散させた波長変換発光層として、LEDチップの周囲に配置される。また、前記樹脂に分散させた波長変換発光層以外に、蛍光体からなるセラミック層、あるいは蛍光体をセラミックに分散させた、無機材料のみからなる波長変換発光層(発光セラミック層)が例示される(特許文献1)。
一方、近年、三元系以上の元素から構成される窒化物について、多くの新規物質が製造されており、特に最近では、窒化珪素をベースとした多元系窒化物や酸窒化物において、優れた特性を有する蛍光体材料が開発され、波長変換発光層に用いられている。これらの蛍光体材料は、青色LED又は近紫外LEDによって励起され、黄色ないし赤色の発光を示すことが知られており、酸化物系蛍光体に比べて、高輝度であり、高変換効率であり、更に発光効率の温度依存性が優れている(特許文献2)。
従来、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの有機バインダに分散させた波長変換発光層では、耐久性、耐熱性、発光強度が十分ではなかった。そのため、より耐久性、耐熱性に優れた波長変換発光層を得るために、特許文献1に例示されるように、無機材料のみからなる波長変換発光層(発光セラミック層)を作製する方法が研究されている。
特許文献3では、フッ化カルシウム、フッ化ストロンチウム及びフッ化ランタンのうちのいずれか1種からなるか、又は、フッ化カルシウム及びフッ化ストロンチウムからなる無機バインダ中に、YAG:Ce蛍光体粒子を分散させた蛍光体セラミックスが例示されている。
特許文献4では、Y3(Al,Ga)512:Ce酸化物蛍光体、Lu3Al512:Ce酸化物蛍光体とCaSiAlN3:Eu窒化物蛍光体の組み合わせを、放電プラズマ焼結法を用いて、200℃以上のガラス転移点を持つガラス粉末を溶融させることで、無機材料のみからなる波長変換発光層を作製している。
特表2008−502131号公報 国際公開第2008/132954号 国際公開第2009/154193号 特開2009−91546号公報
しかし、特許文献1では、発光セラミック層として、アルミニウムガーネット蛍光体を用いている。これは、Y23、Al23(99.999%)、CeO2からYAG粉末を作製し、YAG粉末のみからなる成型体を得た後、1300℃で焼成することにより得られたYAG焼結蛍光体を発光セラミック層として使用している。該発光セラミック層は、無機バインダを用いておらず、YAG酸化物系蛍光体のみで焼結体を形成している。そのため、高輝度であり、高変換効率であり、更に発光効率の温度依存性に優れた窒化物蛍光体の焼結蛍光体が求められていた。
また、特許文献3に例示されているとおり、YAG酸化物蛍光体相とフッ化物マトリックス相とのセラミック複合体は、内部量子効率がいずれも55%以下という低い値であるという問題があった。
特許文献4では、YAG酸化物蛍光体又はLuAG酸化物蛍光体とCASN窒化物蛍光体の組み合わせを、ガラス粉末を溶融させることで、ガラス中に分散させて波長変換発光層を作製しているが、無機バインダがガラスであるため、耐熱性はあるものの、熱伝導率は2〜3W/mKと低く、更に放熱性が低いために、蛍光体の温度が上昇し輝度が低下(蛍光体の劣化)するという課題がある。
このような状況の中、励起光の強度が変化した場合や、長時間の高温下での使用においても輝度が低下せず、また色ズレが小さい焼結蛍光体、及びそれを用いた発光装置が求められていた。
従来、酸化物蛍光体とフッ化物無機バインダを焼結させると、一般的には、蛍光体の酸素と無機バインダのフッ素のイオン半径が近いため固溶置換が起こり、酸フッ化物を形成し、内部量子効率の低下を招くと考えられていた。そこで、窒化物蛍光体とフッ化物無機バインダとを混合し、焼結させたところ、本来の窒化物蛍光体の内部量子効率を維持することが可能となることを、本発明者らは見出した。これは、イオン半径に差のある窒素とフッ素では容易に固溶置換が起こらないことによるものと考えられる。
また、フッ化物無機バインダを用いることで、例えばAl23を無機バインダとして用いた場合に比べて、焼結温度を下げることができるために、窒化物蛍光体と無機バインダとの反応を抑制させることができる。このようにして、内部量子効率の高い窒化物蛍光体の焼結蛍光体が得られることに、本発明者らは想到した。
更に、例えば三方晶系であるAl23は複屈折を有するため、焼結体とするとAl23が多結晶体となり透光性が不十分であるのに対し、CaF2、BaF2、SrF2等の結晶系が立方晶のフッ化物無機バインダを用いれば、複屈折がなく、透明性の高い焼結蛍光体を製造することが可能である。
これにより、本発明者らは、窒化物蛍光体を用いて、内部量子効率が高く、高耐熱性、高透過率、低吸収率、かつ、高熱伝導率のLED用焼結蛍光体を発明するに至った。更に該焼結蛍光体を高出力のガリウムナイトライド系光源と組み合わせて用い、高変換効率、高輝度、かつ、励起光強度及び温度の変化による明るさ変化・色ズレの少ない、優れた発光装置及び照明装置を発明するに至った。
本発明は以下のとおりである。
(1)窒化物蛍光体、及びフッ化物無機バインダを含む焼結蛍光体と、光源としてガリウムナイトライド系LED又はレーザーとを備え、
前記焼結蛍光体は、前記光源の光の少なくとも一部を吸収して、光源と異なる波長を有する光を発することを特徴とする、発光装置。
(2)前記焼結蛍光体に含まれる窒化物蛍光体が、次の一般式で表されるLSN;LnxSiyn:Z(式中Lnは賦活剤として用いる元素を除いた希土類元素である。Zは賦活
剤である。2.7≦x≦3.3、5.4≦y≦6.6、10≦n≦12を満たす。)、次の一般式で表されるβサイアロン;Si6-zAlzz8-z:Eu、式中0<z<4.2)、CaAlSiN3、次の一般式で表されるSCASN;(Ca,Sr,Ba,Mg)AlSiN3:Eu及び/又は(Ca,Sr,Ba)AlSi(N,O)3:Eu、並びに次の一般式で表されるSr2Si58;(Sr,Ca,Ba)2AlxSi5-xx8-x:Eu(式中0≦x≦2)からなる群から選択される窒化物蛍光体のうち少なくとも1種を含む、(1)に記載の発光装置。
(3)前記焼結蛍光体が矩形である、(1)又は(2)に記載の発光装置。
(4)前記焼結蛍光体は、波長450nmの青色光で励起したときに焼結蛍光体から出射される光の色度点Cyと、焼結蛍光体の変換効率CE(Lm/W)とをCy−CE図でプロットした際、Cyが0.25以上0.45以下の範囲で、CE≧100×Cy+120を充足する、(1)〜(3)のいずれかに記載の発光装置。
(5)前記焼結蛍光体のうち光源の発光面に対して光の出射方向鉛直上の領域において、領域温度200℃以上で1000時間駆動した時の変換効率の低下が10%未満であることを特徴とする、(1)〜(4)のいずれかに記載の発光装置。
(6)前記焼結蛍光体のうち光源の発光面に対して光の出射方向鉛直上の領域において、領域温度200℃以上で1000時間駆動した時の色度点の変化が5/1000以下であることを特徴とする、(1)〜(5)のいずれかに記載の発光装置。
(7)(1)〜(6)のいずれかに記載の発光装置を備えることを特徴とする、照明装置。
(8)(1)〜(6)のいずれかに記載の発光装置を備えることを特徴とする、画像表示装置。
(9)(1)〜(6)のいずれかに記載の発光装置を備えることを特徴とする、車両用表示灯。
本発明により、高耐熱性、高熱伝導性、高輝度、高変換効率を有するLED用焼結蛍光体を用いた、励起光強度及び温度の変化による明るさ変化・色ズレの少ない発光装置、並びに、当該発光装置を用いた照明装置及び車両用表示灯を提供することができる。特に、長時間の高温下での使用においても輝度が低下せず、また色ズレが小さいといった、信頼性の高い発光装置、並びに、当該発光装置を用いた照明装置及び車両用表示灯を提供することができる。
本発明の実施態様に係る発光装置の構成例を示す模式図である。 本発明の実施態様に係る発光装置の構成例を示す模式図である。 本発明の実施例1で用いた焼結蛍光体の、LED光量に対する光学特性を示すグラフである。(a)は電流と変換効率、(b)は電流と変換効率及び色度点、(c)は電流と相対光束、の関係を示す。 本発明の実施例2で用いた焼結蛍光体の、色度点と変換効率の関係を示すグラフである。 本発明の実施例3で用いた焼結蛍光体の信頼性試験結果を示すグラフである。(a)及び(b)は時間と色度点、(c)は時間と光量、の関係を示す。 本発明の実施例で用いた評価用発光装置の模式図である。 本発明の実施例で用いた評価用発光装置の模式図である。 本発明の実施例で用いた評価用発光装置の模式図である。 本発明の実施例で用いた評価用発光装置の模式図である。 本発明の実施例で用いたLED、焼結蛍光体、サンプルホルダー、及びパッケージの位置関係を示す模式図である。 本発明の実施例4で用いた測定装置の模式図である。(a)は反射光スペクトル測定装置の模式図、(b)透過光スペクトル測定装置の模式図である。 本発明の実施例4で用いた焼結蛍光体の、昇温開始前の発光効率を1とした場合の昇温後の光束維持率を示すグラフである。Rは反射測定によるものであり、Tは透過測定によるものである。 本発明の実施例4で用いた、LSN蛍光体の焼結蛍光体、未加工のLSN蛍光体(粉体)、樹脂封止したLSN蛍光体の焼結蛍光体(高耐熱性樹脂中に焼結蛍光体を包埋)を対象とした、(a)昇温開始前の発光効率を1とした場合の昇温後の光束維持率を示すグラフ、(b)雰囲気温度と色度座標Cxとの関係を示すグラフ、(c)雰囲気温度と色度座標Cyとの関係を示すグラフである。Rは反射測定によるものであり、Tは透過測定によるものである。 本発明の実施例5で用いた評価用発光装置の模式図である。 (a)本発明の実施例5に係る、焼結蛍光体又は樹脂封止を用いた発光装置の電流IFと相対光束との関係を示すグラフである。(b)本発明の実施例5に係る、焼結蛍光体、樹脂封止、又はLEDのみを用いた発光装置の電流IFと温度との関係を示すグラフである。
本明細書中の蛍光体の組成式において、各組成式の区切りは読点(、)で区切って表わす。また、カンマ(,)で区切って複数の元素を列記する場合には、列記された元素のうち一種又は二種以上を任意の組み合わせおよび組成で含有していてもよいことを示している。例えば、「(Ca,Sr,Ba)Al:Eu」という組成式は、「CaAl:Eu」と、「SrAl:Eu」と、「BaAl:Eu」と、「Ca1−xSrAl:Eu」と、「Sr1−xBaAl:Eu」と、「Ca1−xBaAl:Eu」と、「Ca1−x−ySrBaAl:Eu」(但し、式中、0<x<1、0<y<1、0<x+y<1である。)とを全て包括的に示しているものとする。
<焼結蛍光体>
本発明の実施形態に係る焼結蛍光体は、窒化物蛍光体、及びフッ化物無機バインダを含む焼結蛍光体である。好ましくは、窒化物蛍光体がフッ化物無機バインダ中に分散された状態であり、主として結晶性無機バインダ同士が焼結することにより蛍光体を保持する複合体であって、窒化物蛍光体とフッ化物無機バインダが物理的及び/または化学的な結合によって、一体化された複合体である。用いられるフッ化物無機バインダは、少なくとも耐熱性があり、熱伝導率が大きいことが好ましい。
本実施形態に係る焼結蛍光体の熱伝導率を確認するための手法としては、定常加熱法、レーザーフラッシュ法、周期加熱法により測定する方法が挙げられる。
焼結蛍光体の熱伝導率は、通常3.0W/(m・K)以上、好ましくは5.0W/(m・K)以上、より好ましくは10.0W/(m・K)以上である。熱伝導率が3.0W/(m・K)より小さいと、強励起光照射による焼結体の温度が上昇し、蛍光体及び周辺部材を劣化させる傾向がある。このため上記範囲が好ましい。
焼結蛍光体の製造方法は特段限定されず、例えば窒化物蛍光体及びフッ化物無機バインダ粒子を主たる原料とし、これらの混合物を圧密・焼結することで、複合体である焼結蛍光体を製造することができる。より具体的には、以下の工程のいずれかを含むことが好ましい。
(工程1)窒化物蛍光体(又はガーネット系蛍光体及び窒化物蛍光体)と無機バインダ粒子を撹拌・混合し、加圧プレス成形し、成形体を焼結する工程
(工程2)窒化物蛍光体(又はガーネット系蛍光体及び窒化物蛍光体)と無機バインダ粒子を撹拌・混合し、加圧プレスと同時に焼結する工程
焼結蛍光体は製作されたままの状態で用いてもよいが、通常所定の厚みでスライスし、更に研削・研磨により所定の厚みプレート状まで加工することで、板状の焼結蛍光体が得られる。研削・研磨条件は、特に限定されるものではないが、例えば、♯800のダイヤモンド砥石で、砥石回転数80rpm、ワーク回転数80rpm、50g/cm2として研磨を行い、プレート状に加工する。最終的な焼結蛍光体の厚みは、下限が、通常30μm以上、好ましくは50μm以上、より好ましくは100μm以上であり、上限が、通常2000μm以下、好ましくは1000μm以下、さらに好ましくは800μm以下、より好ましくは500μm以下である。焼結蛍光体プレートの厚みがこの範囲以下では破損しやすく、一方この範囲を超えると光が透過しにくくなる。
さらに表面を適宜研磨した後、適宜ウエットエッチング処理、ドライウェットエッチング処理等により、凹凸加工を施してもよい。
焼結蛍光体プレートはダイシング等により、光源との組み合わせに適した、任意の形状に加工して使用できる。例えば、円板状であってもよく、矩形板状であってもよい。矩形とする場合には、大きさは特段限定されず、光源に応じて適宜設定することができるが、通常1辺が1mmであり、好ましくは5mm以上であり、また通常10cm以下であり、好ましくは5cm以下である。
焼結蛍光体は、放熱性の面から熱伝導率のより高い装置内部材との接触面積が大きくなるように固定されることが好ましいが、熱膨張係数差による応力緩和のために焼結蛍光体の一部のみを接着してもよく、もしくは、ザグリ部分に落とし込むようにして設置することで接着固定しない方法も挙げられる。また、焼結蛍光体の熱を放出させるための放熱部材を設置することもできる。
本実施形態に係る焼結蛍光体は、色度が変化した場合であっても高い変換効率を維持することが可能である。即ち、波長450nmの青色光で励起したときに焼結蛍光体から出射される光の色度点Cy(CIE−y)と、焼結蛍光体の変換効率CE(Lm/W)とをCy−CE図でプロットした際、Cyが0.25以上0.45以下の範囲で、CE≧100×Cy+120を充足することが好ましい。
CyはCIE表色系におけるyであってこれをx軸とし、変換効率であるCEをy軸としたCy−CE図は、出射光の色度が変化した際の変換効率の推移を示しており、上記範囲を充足することで、焼結蛍光体から出射される光の色度変化に対して高い変換効率を維持することが可能な焼結蛍光体であるといえる。CE≧100×Cy+125を充足することがより好ましい。
上記範囲を充足するためには、焼結蛍光体内のボイドを低減すること、焼結蛍光体内のグレインサイズを小さくすることなどがあげられ、更には焼結の際の昇温温度、焼結時間などの調整が有効である。
<窒化物蛍光体>
窒化物蛍光体は、少なくとも発光素子から放出された励起光を吸収して波長変換を行い、発光素子と異なる波長の光を発することを特徴とするものである。また、窒素を蛍光体組成に含む蛍光体であればその種類は特に限定されるものではなく、例えば、ストロンチウム及びケイ素を結晶相に含む窒化物蛍光体(具体的には、SCASN、Sr2Si58)、カルシウム及びケイ素を結晶相に含む窒化物蛍光体(具体的には、SCASN、CASN、CASON)、ストロンチウム、ケイ素、及びアルミニウムを結晶相に含む窒化物蛍光体(具体的には、SCASN)、カルシウム、ケイ素、及びアルミニウムを結晶相に含む窒化物蛍光体(具体的には、SCASN、CASN、CASON)、バリウム、ケイ素を結晶相に含む窒化物蛍光体(具体的にはBSON)が挙げられる。
窒化物蛍光体の別の側面からの分類としては、ランタンニトリドシリケート(具体的に
は、LSN)、アルカリ土類金属ニトリドシリケート(具体的には、Sr2Si58)、アルカリ土類金属ニトリドシリケート(CASN、SCASN、αサイアロン、(Ca,Sr)AlSi47)などが挙げられる。
さらに、具体的には、例えば、
次の一般式で表すことができるβサイアロン;Si6-zAlzz8-z:Eu(式中0<z<4.2)、αサイアロン、
次の一般式で表されるLSN;LnxSiyn:Z(式中Lnは賦活剤として用いる元素を除いた希土類元素である。Zは賦活剤である。2.7≦x≦3.3、5.4≦y≦6.6、10≦n≦12を満たす。)
次の一般式で表されるCASN;CaAlSiN3:Eu、
次の一般式で表すことができるSCASN;(Ca,Sr,Ba,Mg)AlSiN3:Eu及び/又は(Ca,Sr,Ba)AlSi(N,O)3:Eu、
次の一般式で表すことができるCASON;(CaAlSiN31-x(Si22O)x:Eu(式中0<x<0.5)、
次の一般式で表すことができるCaAlSi47;Euy(Sr,Ca,Ba)1-y:Al1+xSi4-xx7-x(式中、0≦x<4、0≦y<0.2)、
次の一般式で表すことができるSr2Si58;(Sr,Ca,Ba)2AlxSi5-xx8-x:Eu(式中0≦x≦2)
次の一般式で表すことができるBSON;MxBay(Sr,Ca,Mg,Zn)z6122(式中、MはCr、Mn、Fe、ランタノイド(La、Pm、Gd、Luは除く)から選ばれる付活元素を表し、LはSiを含有する周期律表第4族又は第14族に属する金属元素を表し、x、y、zは、各々独立に下記式を満たす値である。0.03≦x≦0.9、0.9≦y≦2.95、x+y+z=3)等の蛍光体が挙げられる。
これらの蛍光体の中でも、焼結蛍光体にした時の輝度が低下しないという観点からは、構成元素として酸素を含まない窒化物蛍光体(不可避的に混入する酸素は含む)、即ち、LSN、CaAlSiN3、SCASN、Sr2Si58、βサイアロン、BSON等の窒化物蛍光体を用いることが好ましい。
焼結蛍光体の全体積に対する窒化物蛍光体の体積分率は、通常1%以上、50%以下である。窒化物蛍光体の体積分率が低すぎると、任意の色度に制御するために蛍光体層を厚くする必要があることから透光性が低下し、体積分率が高すぎると焼結度が低下し透光性も低下するからである。
<フッ化物無機バインダ>
フッ化物無機バインダは窒化物蛍光体を分散させるマトリックスとして用いられ、結晶質のマトリックスであることが好ましい。マトリックスとしては、フッ化物無機バインダ以外を含んでいてもよいが、結晶性の化合物であることが好ましい。当該フッ化物無機バインダは、発光素子から放出された励起光の一部又は窒化物蛍光体から放出された光の少なくとも一部が透過するものが好ましい。また、窒化物蛍光体から放出される光を効率的に取り出すために、フッ化物無機バインダの屈折率が、蛍光体の屈折率に近いことが好ましい。更に、強励起光照射による生じる発熱に耐え、かつ放熱性を有することが好ましい。また、フッ化物無機バインダを用いることで、焼結蛍光体の成型性が良好となる。
フッ化物無機バインダとしては、具体的には、CaF2(フッ化カルシウム)、MgF2(フッ化マグネシウム)、BaF2(フッ化バリウム)、SrF2(フッ化ストロンチウム)、LaF3(フッ化ランタン)、YF(フッ化イットリウム)、AlF(フッ化アルミニウム)等のアルカリ土類金属、希土類金属のフッ化物や典型金属のフッ化物、及び、これらの複合体からなる群から選ばれる何れか1種以上のものがあげられる。特に好ましくは、CaF2である。
フッ化物無機バインダは、フッ化物無機バインダと同じ組成からなる粒子が物理的及び/または化学的に結合されて構成される。
焼結蛍光体の全体積に対する窒化物蛍光体とフッ化物無機バインダの合計体積分率は、好ましくは80%以上であり、さらに好ましくは90%以上であり、特に好ましくは95%以上である。合計体積分率が低いと本発明の効果を発揮することができなくなるからである。
また、窒化物蛍光体とフッ化物無機バインダの全体積に対するフッ化物無機バインダの体積分率は、通常50%以上、好ましくは60%以上、より好ましくは70%以上、また通常99%以下、好ましくは98%以下、より好ましくは97%以下である。
フッ化物無機バインダの原料であるフッ化物バインダ粒子は、その体積メジアン径が、通常0.01μm以上、好ましくは0.02μm以上、より好ましくは0.03μm以上、特に好ましくは0.05μm以上であり、また、通常15μm以下、好ましくは10μm以下、より好ましくは5μm以下である。フッ化物無機バインダ粒子が上記範囲であることで、焼結温度を低減させることが可能となり、窒化物蛍光体と無機バインダが反応することによる窒化物蛍光体の失活を抑制することができ、焼結蛍光体の内部量子効率の低下を抑制できる。なお、体積メジアン径は、例えば前述のコールターカウンター法で測定でき、その他の代表的な装置としては、レーザー回折粒度分布測定、走査型電子顕微鏡(SEM)、透過型電子顕微鏡(TEM)、精密粒度分布測定装置マルチサイザー(ベックマンコールター社製)等を用いて測定する。
フッ化物無機バインダ粒子の屈折率nbは、窒化物蛍光体の屈折率npとの比nb/npが、1以下、好ましくは0.8以下、より好ましくは0.6以下である。また通常0より大きい値である。屈折率比が1より大きいと、焼結後の光取り出し効率を低下させる傾向がある。このため上記範囲が好ましい。
フッ化物無機バインダ粒子は、その融点が低いことが好ましい。融点が低いフッ化物無機バインダ粒子を用いることで、焼結温度を低減させることが可能となり、窒化物蛍光体と無機バインダが反応することによる窒化物蛍光体の失活を抑制することができ、焼結蛍光体の内部量子効率の低下を抑制できる。具体的には、融点が1500℃以下であることが好ましい。下限温度は特段限定されず、通常500℃以上である。
<発光装置>
本発明の実施形態は、焼結蛍光体とガリウムナイトライド系の発光素子を備える発光装置である。
本実施形態に係る発光装置は、少なくとも青色半導体発光素子(青色発光ダイオード、又は、青色半導体レーザー)と、青色光の波長を変換する波長変換部材である本発明の実施形態に係る焼結蛍光体を含有するものである。青色半導体発光素子と焼結蛍光体とは密着していても、離間していてもよく、その間に透明樹脂を備えていてもよく、空間を有していてもよい。図1に模式図として示す様に半導体発光素子1と焼結蛍光体3との間に空間を有する構造であることが好ましい。
<発光素子>
ガリウムナイトライド系材料は、半導体発光素子(LED)や半導体レーザ(LD)などの発光素子を作製するために現在広く用いられている。主としてサファイア基板を用いてc(+)方向([0001]軸方向)にn型層、p型層を形成し、当該n型層及びp型層間にInGaN系量子井戸発光層が作製されている。光取り出し効率を高めるためにサファイア基板を剥離した垂直構造タイプのLEDや、ワイヤーを使用しないフリップチップタイプのLEDも製作されている。
サファイア基板を用いた発光素子は、サファイア基板とガリウムナイトライド系材料と
の格子定数のミスマッチのために、貫通転位の発生が避けられないという課題を有している。そのため、高光密度・大光束の光が求められる場合には、特性および信頼性の確保のために自立ガリウムナイトライド基板を用いて作製された発光素子を用いることが挙げられる。
以下、その構成を図1及び図2を用いて説明する。
図2は、本発明の具体的実施形態に係る発光装置の模式図である。
発光装置10は、その構成部材として、少なくとも青色半導体発光素子1と焼結蛍光体3を有する。青色半導体発光素子1は、焼結蛍光体3に含有される蛍光体を励起するための励起光を発する。
青色半導体発光素子1は、通常ピーク波長が425nm〜475nmの励起光を発し、好ましくはピーク波長が430nm〜470nmの励起光を発する。青色半導体発光素子1の数は、装置が必要とする励起光の強さにより適宜設定することが可能である。
一方青色半導体発光素子1の代わりに、紫色半導体発光素子を用いることができる。紫色半導体発光素子は、通常ピーク波長が390nm〜425nmの励起光を発し、好ましくはピーク波長が395〜415nmの励起光を発する。
青色半導体発光素子1は、配線基板2のチップ実装面2aに実装される。配線基板2には、これら青色半導体発光素子1に電極を供給するための配線パターン(図示せず)が形成され、電気回路を構成する。図2中、配線基板2に焼結蛍光体3が載っているように表示されているがこの限りではなく、配線基板2と焼結蛍光体3が他の部材を介して配置されていてもよい。
例えば図1では、配線基板2と焼結蛍光体3が、枠体4を介して配置される。枠体4は、光に指向性を持たせるために、テーパ状になっていてもよい。また、枠体4は反射材であってもよい。
発光装置10の発光効率を向上させる観点から、配線基板2は、電気絶縁性に優れて良好な放熱性を有し、かつ、反射率が高いことが好ましいが、配線基板2のチップ実装面上で青色半導体発光素子1の存在しない面上、もしくは配線基板2と焼結蛍光体3を接続する他の部材の内面の少なくとも一部に反射率の高い反射板を設ける事もできる。
焼結蛍光体3は、青色半導体発光素子1が発する入射光の一部を波長変換し、入射光とは異なる波長の出射光を放射する。焼結蛍光体3は、無機バインダと窒化物蛍光体を含有する。窒化物蛍光体(図示せず)、又は黄色若しくは緑色に発光するガーネット系蛍光体及び赤色に発光する窒化物蛍光体、の種類は特段限定されず、発光装置が白色発光装置であれば、半導体発光素子の励起光の種類に合わせて、白色光を発するように蛍光体の種類を適宜調整すればよい。
半導体発光素子が青色半導体発光素子である場合、窒化物蛍光体として黄色蛍光体を用い、かつ窒化物蛍光体として赤色蛍光体を用いることで、白色光を発する発光装置とすることができる。蛍光体として、ガーネット系蛍光体を用いてもよい。また、焼結蛍光体3は、青色半導体発光素子1との間に距離を有することが好ましい。焼結蛍光体3と青色半導体発光素子1との間は、空間であってもよく、透明樹脂が備えられていてもよい。このように、焼結蛍光体3と青色半導体発光素子1との間に距離を有する態様により、青色半導体発光素子1が発する熱によって焼結蛍光体3及び焼結蛍光体に含まれる蛍光体の劣化を抑制することができる。青色半導体発光素子1と焼結蛍光体3との間の距離は、10μm以上が好ましく、100μm以上がさらに好ましく、1.0mm以上が特に好ましい、一方1.0m以下が好ましく、500mm以下がさらに好ましく、100mm以下が特に好ましい。
本実施形態に係る発光装置は、白色光を放射する発光装置であることが好ましい。白色光を放射する発光装置は、発光装置から放射される光が、光色の黒体輻射軌跡からの偏差duvが−0.0200〜0.0200であることが好ましい。
このように白色光を出射する発光装置は、照明装置に好適に備えられる。本実施形態に係る発光装置は、発光時の光束・色度等の温度変化が小さいことが望ましい。蛍光体にLSN、LYSNを使用した焼結蛍光体を使用することで、200℃環境下でも変換効率の低下を10%程度に抑制した発光装置を提供できる。
本実施形態に係る発光装置は、焼結蛍光体のうち光源の発光面に対して光の出射方向鉛直上の領域において、領域温度200℃以上で1000時間駆動した時の変換効率の低下が10%未満であることが好ましい。また、焼結蛍光体のうち光源の発光面に対して光の出射方向鉛直上の領域において、領域温度200℃以上で1000時間駆動した時の色度点の変化が5/1000以下であることが好ましい。このような範囲にある発光装置は、長時間の高温下での使用後も輝度が低下せず、また色ズレが小さいといった、信頼性が高い発光装置であり、好ましい。
図10に示す焼結蛍光体3において、光源である青色半導体発光素子1の発光面に対して光の出射方向鉛直上の領域は破線6で示される。この領域は半導体発光素子やレーザーなどの光源から出射される光の強度が高い領域であり、焼結蛍光体の劣化が最も生じやすい領域である。本実施形態では、このような焼結蛍光体の劣化が最も生じやすい領域であっても、領域温度200℃以上で1000時間駆動した時の変換効率の低下が10%未満であったり、色度点の変化が5/1000以下であるような高性能の発光装置を提供できる。
<照明装置>
本発明の別の実施形態は、上記発光装置を備える照明装置である。
上記のように、発光装置からは高い全光束が出射されるため、全光束の高い照明器具を得ることが出来る。照明器具は、消灯時に焼結蛍光体の色が目立たないように、発光装置中の焼結蛍光体を覆う拡散部材を配置することが好ましい。
<画像表示装置>
本発明の別の実施形態は、上記発光装置を備える画像表示装置である。
上記発光装置を画像表示装置の光源として用いる場合には、その画像表示装置の具体的構成に制限は無いが、カラーフィルタとともに用いることが好ましい。例えば、画像表示装置として、カラー液晶表示素子を利用したカラー画像表示装置とする場合は、上記発光装置をバックライトとし、液晶を利用した光シャッターと赤、緑、青の画素を有するカラーフィルタとを組み合わせることにより画像表示装置を形成することができる。
<車両用表示灯>
本発明の別の実施形態は、上記発光装置を備える車両用表示灯である。
車両用表示灯に用いる発光装置は、白色光を放射する発光装置であることが好ましい。白色光を放射する発光装置は、発光装置から放射される光が、光色の黒体輻射軌跡からの偏差duvが−0.0200〜0.0200であり、かつ色温度が5000K以上、30000K以下であることが好ましい。
車両用表示灯は、車両のヘッドランプ、サイドランプ、バックランプ、ウインカー、ブレーキランプ、フォグランプなど、他の車両や人等に対して何らかの表示を行う目的で車両に備えられた照明を含む。
次に実施例により本発明の具体的態様を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの例に
よって限定されるものではない。
{測定方法}
(光学特性)
発光面強度2W/mm2の光が照射可能なLEDチップ(ピーク波長450nm)から発光させた青色光を照射することで焼結蛍光体の発光を得ることができる発光装置を作製した。その装置から発光スペクトルを1m積分球(Labspher社製)および分光器MC−9800(大塚電子社製)を用いて観測し、発光面強度2W/mm2の光で励起した際の色温度、色度座標、光束(lumen)を計測した。さらに、光束(lumen)とLEDチップの照射エネルギー(W)から変換効率(lm/W)を各強度で算出した。
また、発光面強度1W/mm2の光が照射可能なLEDチップ(ピーク波長450nm)を4つ配置し、最小□2mmサイズの焼結蛍光体を組み合わせて発光を得ることができる発光装置を作製した。その装置から発光スペクトルを1m積分球(Labspher社製)および分光器MC−9800(大塚電子社製)を用いて観測し、発光面強度を変化させながら励起した際の色温度、色度座標、光束(lumen)を計測した。さらに、光束(lumen)とLEDチップの照射エネルギー(W)から変換効率(lm/W)を各強度で算出した。
(信頼性)
発光面強度1W/mm2の光が照射可能なLEDチップ(ピーク波長450nm)を4つ配置し、□3mmサイズの焼結蛍光体を組み合わせて発光を得ることができる発光装置を作製した。その装置を1,000時間まで駆動して、光束(lumen)および色度座標の変化を計測した。焼結蛍光体の特性を調べるため、装置から焼結蛍光体のみ取り出して別の装置に組み込み、発光スペクトルをLabspher社製1m積分球、および大塚電子社製分光器MC−9800用いて観測した。
[焼結蛍光体の製造方法]
(製造例1)
焼結蛍光体のフッ化物無機バインダ材料として、CaF2粉末(高純度化学研究所)を10.0g用い、蛍光体として、LSN蛍光体(La3Si611:Ce)を焼結体中の蛍光体濃度が5体積%となるように秤量し、混合した。これらの粉末に3mmΦのアルミナビーズ50gを加え、ボールミルによって6時間乾式混合した後、篩分け(目開き90μmの篩)し、焼結用蛍光体原料に供した。
この原料2.0gを上部パンチ、下部パンチと円柱状ダイからなる一軸プレス用ダイ(ステンレス製、Φ20mm)にセット後、30MPaのプレス加圧をかけ、5min保持後、Φ20mm、厚さ3mmのペレットを得た。
得られたペレットを真空ラミネートパックし、冷間静水圧成形(CIP)装置(日機装 ラバープレス)に導入し、300MPaで1min加圧した。この後、焼成炉(管状炉)(入江製作所 管状炉IRH)に導入し、10℃/minで1200℃まで昇温し、60min保持後、炉冷し、Φ20mm、厚さ3mmの焼結体を得た。
得られたΦ20mm、厚さ5mmの焼結蛍光体から、ダイヤモンドカッターで厚み0.5mm程度に切断し、さらにグラインダー研削を用いて、Φ20mm、厚み0.2mmの板状焼結蛍光体を作製した。また、当該板状焼結蛍光体を□3mmサイズに切り出した焼結蛍光体を作製した。
(製造例2)
蛍光体として、LYSN蛍光体((La,Y)3Si611:Ce)を用いたことと焼結体中の蛍光体濃度が6体積%となるように秤量し、混合した以外は、製造例1と同様にし
て焼結蛍光体を作製した。
(製造例3)
蛍光体として、YAG蛍光体(Y3Al512:Ce)を用いたこと以外は、製造例1と同様にして焼結蛍光体を作製した。
{発光装置の製造および評価}
<実施例1>
(焼結蛍光体部の変換効率)
図6に示すように垂直構造型LED(□1mm)をパッケージにAuSn共晶半田を介して実装し、パッケージのリフレクターの高さと同じ位置(LEDチップ表面から約0.35mm離れた位置)に製造例1の焼結蛍光体を設置して光学特性の評価を実施した。
また、図7に示すように垂直構造型LED(□1mm)をパッケージにAuSn共晶半田を介して2直2並列で実装し、LEDチップ表面上約2.5mmの位置に厚さ1mmアルミニウム製サンプルホルダーを設置し(図9参照)、サンプルホルダーの最もLED発光密度が高くなる位置に形成されたφ2mmの絞り上に製造例1の焼結蛍光体を設置して、LEDの光量に対する焼結蛍光体の特性を確認した。
表1および図3に示すが如く、本発明における焼結蛍光体は、有機バインダでは変形や割れ等の問題が発生しやすい光密度においても、高い変換効率を維持しうる。そのため、本発明の発光装置は、耐久性および耐熱性に優れる。
<実施例2>
(焼結蛍光体部の光学特性)
図6に示すように、垂直構造型LED(□1mm)をパッケージにAuSn共晶半田を介して実装し、パッケージのリフレクター上(LEDチップ表面から約0.35mmの位置)に厚さ2mmのアルミニウム製サンプルホルダーを設置し(図9参照)、サンプルホルダーの最もLED発光密度が高くなる位置に形成されたφ2mmの絞り上に製造例1の焼結蛍光体を設置して光学特性の評価を実施した。
結果を図4に示す。波長450nmの青色光で励起したときの色度点Cyと焼結蛍光体の変換効率CE(Lm/W)をCy−CE図でプロットした際、Cy=0.35付近ではCEとCyに相関が見られる。本実施形態で使用される焼結蛍光体は、Cyが0.25以上0.45以下の範囲で、y=100×Cy+120で表される値よりも高い変換効率を示す。
<実施例3>
(発光装置の製造方法)
連続点灯用として、図7に示すように垂直構造型LED(□1mm)をパッケージにAuSn共晶半田を介して2直2並列で実装し、LEDチップ表面上約2.5mmの位置に厚さ2mmアルミナ製サンプルホルダーを設置し(図9参照)、サンプルホルダーの最も
LED発光密度が高くなる位置に形成されたφ2.8mmの絞り上に製造例1の焼結蛍光体を設置した。LEDパッケージはアルミニウム製ヒートシンク(100x100x40mm)上に熱伝導グリスを介して設置した。
(焼結蛍光体部の信頼性試験)
図6に示すように、垂直構造型LED(□1mm)をパッケージにAuSn共晶半田を介して実装し、パッケージのリフレクター上(LEDチップ表面から約0.35mmの位置)に厚さ2mmのアルミニウム製サンプルホルダーを設置し(図9参照)、サンプルホルダーの最もLED発光密度が高くなる位置に形成されたφ2mmの絞り上に、発光装置から取り出した焼結蛍光体を設置して光学評価を実施した。
連続点灯用の発光装置において、LED1個当たりの電流を1,000mAとして10分経過した時の各部位の温度は下表2の通り。この条件下で1,000時間までの点灯試験を実施した。尚、PKGとはパッケージのことである。
表2および図5に示すが如く、焼結蛍光体部分の温度が有機バインダでは使用上問題が発生する温度域に達している環境下で1,000時間まで通電を実施したところ、色度点Cx:−1/1000未満、Cy:−3/1000程度、光束維持率:約93%と問題無く動作したことから、本発明の発光装置は長時間の使用にも安定した特性を発揮できる。
<実施例4>
(焼結蛍光体部の温度特性)
図11に示すように、光源をオーブン外に設置して、光ファイバーを用いてオーブン内部に設置された製造例1、製造例2又は製造例3で製造した焼結蛍光体へ導光することで、温度が変化した場合の焼結蛍光体部のみの光学特性の評価を実施した。図11(a)の装置を用いて、焼結蛍光体の反射光スペクトルを測定した(反射測定)。図11(b)の装置を用いて、焼結蛍光体の透過光スペクトルを測定した(透過測定)。
次に、オーブン内部の温度を室温から250℃まで昇温した際の、光ファイバー出射端での励起光密度0.16mW/mm、パルス幅1msec、光ファイバー出射端から焼結蛍光体までの距離を約1.1mmとした時の発光スペクトルの変化を測定した。昇温開始前の発光効率を1として、昇温後の光束維持率の結果を図12に示す。なお、LSNおよびLYSNと表示された本実施形態で使用される焼結蛍光体は、150℃で室温比約95%、250℃でも室温比80%以上の光束維持率があった。
また、製造例1で用いたものと同一のLSN蛍光体を、焼結蛍光体、未加工のもの(粉体)、又は樹脂封止した焼結蛍光体(高耐熱性樹脂中に蛍光体を包埋)として、同条件で温度が変化した場合の光束維持率を評価した。その結果を図13(a)に示す。さらに、温度が変化した場合の色度座標の変化を評価した。その結果を図13(b)、(c)に示す。
図13に示すように、同一蛍光体であっても、本実施形態で使用される焼結蛍光体に加工することで、光束維持率および色度点変化の改善傾向が見られる。
<実施例5>
(焼結蛍光体部の熱伝導)
図14に示すように、製造例1で作製した焼結蛍光体、または、製造例1で用いたものと同一のLSN蛍光体をシリコーン樹脂中に包埋して作製した蛍光体シート(樹脂封止)を、Thin GaNタイプ・□1mmサイズのLEDの直上に貼り合わせた時の光学特性の評価および温度測定を実施した。光学特性は積分球全光束測定システムを用いて点灯10秒後に測定して評価した。また、温度測定はサーモグラフィを用いて点灯してから約30秒後の発光部の値を読み取った。
その結果を図15(a)および(b)に示す。図15(a)より、樹脂封止(蛍光体シート)と比較して焼結蛍光体は電流IFが大きくなっても相対光束は低下しないことが分かる。また、図15(b)より、樹脂封止(蛍光体シート)と比較して焼結蛍光体は温度上昇が抑制されていることが分かる。
10 発光装置
1 青色半導体発光素子
2 配線基板
2a チップ実装面
3 板状焼結蛍光体
4 枠体
5 サンプルホルダー
6 光の出射方向鉛直上の領域
LED 半導体発光素子
PKG パッケージ

Claims (9)

  1. 窒化物蛍光体、及びフッ化物無機バインダを含む焼結蛍光体と、光源としてガリウムナイトライド系LED又はレーザーとを備え、
    前記焼結蛍光体は、前記光源の光の少なくとも一部を吸収して、光源と異なる波長を有する光を発することを特徴とする、発光装置。
  2. 前記焼結蛍光体に含まれる窒化物蛍光体が、次の一般式で表されるLSN;LnxSiyn:Z(式中Lnは賦活剤として用いる元素を除いた希土類元素である。Zは賦活剤である。2.7≦x≦3.3、5.4≦y≦6.6、10≦n≦12を満たす。)、次の一般式で表されるβサイアロン;Si6-zAlzz8-z:Eu、式中0<z<4.2)、CaAlSiN3、次の一般式で表されるSCASN;(Ca,Sr,Ba,Mg)AlSiN3:Eu及び/又は(Ca,Sr,Ba)AlSi(N,O)3:Eu、並びに次の一般式で表されるSr2Si58;(Sr,Ca,Ba)2AlxSi5-xx8-x:Eu(式中0≦x≦2)からなる群から選択される窒化物蛍光体のうち少なくとも1種を含む、請求項1に記載の発光装置。
  3. 前記焼結蛍光体が矩形である、請求項1又は2に記載の発光装置。
  4. 前記焼結蛍光体は、波長450nmの青色光で励起したときに焼結蛍光体から出射される光の色度点Cyと、焼結蛍光体の変換効率CE(Lm/W)とをCy−CE図でプロットした際、Cyが0.25以上0.45以下の範囲で、CE≧100×Cy+120を充足する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の発光装置。
  5. 前記焼結蛍光体のうち光源の発光面に対して光の出射方向鉛直上の領域において、領域温度200℃以上で1000時間駆動した時の変換効率の低下が10%未満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。
  6. 前記焼結蛍光体のうち光源の発光面に対して光の出射方向鉛直上の領域において、領域温度200℃以上で1000時間駆動した時の色度点の変化が5/1000以下であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の発光装置。
  7. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の発光装置を備えることを特徴とする、照明装置。
  8. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の発光装置を備えることを特徴とする、画像表示装置。
  9. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の発光装置を備えることを特徴とする、車両用表示灯。
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