JP6946706B2 - 光変換装置の製造方法及び光変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、光変換装置の製造方法及び光変換装置に関する。

従来、励起光を放出する光源、ダイクロイックミラー、及び励起光を変換光に変換する蛍光体等からなる光変換装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特表２０１４−５０７０５５号公報

特許文献１に記載のような従来技術は、励起光が照射される箇所の開口部の発光面積は大きなものである。よって、蛍光体から発光される変換光は色ムラが生じる恐れがある。また、蛍光体の温度は、励起出力により上昇するため、変換光の色度がシフトし、狙いの波長の発光色を得ることができない恐れがある。

本開示はこのような状況に鑑みてなされたものであり、色ムラを軽減させつつ、狙いの波長の発光色を得ることができるようにするものである。

本開示の第１の側面である光変換装置の製造方法は、励起光を放出する光源と、前記光源から放出される前記励起光を透過させる光学多層膜と、前記光学多層膜に隣接して配置されるシリコン基板と、前記シリコン基板のうち、前記光学多層膜と接する面の一部に形成され、前記励起光を通過させる励起開口部と、前記シリコン基板に形成され、前記励起開口部から逆テーパー形状又は垂直形状となるホーン部と、前記ホーン部に充填され、前記励起光の少なくとも一部を変換光に変換する蛍光体を含む光変換層と、を備えた光変換装置の製造方法であって、前記シリコン基板をエッチング処理して前記励起開口部を形成する工程を備えるものである。

よって、励起開口部は、エッチング処理によりシリコン基板に形成されるものであるため、微細加工された極小のスルーホールである。よって、励起開口部を通過する励起光の光束密度が上がるため、色ムラの発生を抑制することができる。

また、蛍光体は、発光するときに一部のエネルギーが熱に変わり、自己発熱を起こすものであるが、シリコン基板に形成されたホーン部に充填されているものである。シリコン基板は、１８０Ｗ／ｍ・Ｋと非常に高い熱伝導率があるため、蛍光体の励起出力により温度が上昇したとしても、効率良く放熱することができる。

したがって、色ムラを軽減させつつ、狙いの波長の発光色を得ることができる。

また、前記励起光は、少なくとも４５０ｎｍの波長を含む青色光であり、前記変換光は、少なくとも５７０ｎｍの波長を含む黄色光である、ことが好ましい。

また、前記シリコン基板は、熱酸化膜が形成され、前記励起開口部は、前記熱酸化膜の一部を排除して形成され、前記熱酸化膜は、ＳｉＯ_２の支持層が成膜され、前記支持層は、前記熱酸化膜と、前記光学多層膜との間にあり、少なくとも５０μｍ以上の膜厚とされる、ことが好ましい。

また、前記光学多層膜は、前記励起光のうち、前記青色光を透過するものである、ことが好ましい。

また、前記ホーン部は、金属膜が形成され、前記光変換層は、前記金属膜の上に形成される、ことが好ましい。

また、本開示の第２の側面である光変換装置は、励起光を放出する光源と、前記光源から放出される前記励起光を透過させる光学多層膜と、前記光学多層膜に隣接して配置されるシリコン基板と、前記シリコン基板のうち、前記光学多層膜と接する面の一部に形成されたスルーホールであって、前記励起光を通過させる励起開口部と、前記シリコン基板に形成され、前記励起開口部から逆テーパー形状又は垂直形状となるホーン部と、前記ホーン部に充填され、前記励起光の少なくとも一部を変換光に変換する蛍光体を含む光変換層と、を備え、前記励起開口部と相対する前記ホーン部の開口部の面積は、前記励起開口部の面積より広い又は前記励起開口部の面積より同じであるものであり、色ムラを軽減させつつ、狙いの波長の発光色を得ることができる。

本開示の第１及び第２の側面によれば、色ムラを軽減させつつ、狙いの波長の発光色を得ることができる。

本開示を適用した光変換装置１の全体構成例を示す図である。 シリコン基板２１に熱酸化膜３１が形成されている一例を示す図である。 熱酸化膜３１にＳｉＯ_２の支持層１５が形成されている一例を示す図である。 支持層１５に光学多層膜１３が積層されている一例を示す図である。 シリコン基板２１に形成されたエッチングウィンドウ４１の一例を示す図である。 シリコン基板２１に形成されたホーン部２５の一例を示す図である。 シリコン基板２１に形成されたホーン部２５の別の一例を示す図である。 ホーン部２５に充填された光変換層３５の一例を示す図である。 ホーン部２５に充填された光変換層３５の別の一例を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限られるものではない。図１は、本開示を適用した光変換装置１の全体構成例を示す図である。図１に示すように、光変換装置１は、光源１１と、光学多層膜１３と、支持層１５と、シリコン基板２１と、励起開口部２３と、ホーン部２５と、光変換層３５と、を備える。

光源１１は、励起光を放出するものであって、例えばレーザーダイオード、発光ダイオード、又はマルチチップＬＥＤ等により構成されるものである。励起光は、少なくとも４５０ｎｍの波長を含む青色光である。光学多層膜１３は、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、又はＭｇフッ化物等の多層膜を積層して形成されるものであり、光源１１から放出される励起光を透過させるものである。光学多層膜１３の膜厚は、光源１１が放出する励起光の波長の整数倍又は半整数倍となり、いわゆる光の強め合い又は弱め合いの特性を考慮されたものであって、励起光の波長に依存して決定されるものである。

上記特性は、膜厚をｄとし、屈折率をｎとし、励起光の波長をλとし、ｍを整数とすると、２ｄｎ＝（Ａ）λで表されるものである。ただしＡ＝ｍ又は１−ｍ／２となるものである。つまり、光学多層膜１３は、膜厚でどの波長の光を透過させるかが決まるものである。

シリコン基板２１は、光学多層膜１３に隣接して配置される。励起開口部２３は、シリコン基板２１のうち、光学多層膜１３と接する面の一部にエッチング処理により形成され、励起光を通過させるものである。ホーン部２５は、シリコン基板２１に形成され、励起開口部２３から逆テーパー形状となるものである。光変換層３５は、ホーン部２５に充填され、励起光の少なくとも一部を変換光に変換する蛍光体を含むものである。光変換層３５は、透明樹脂に蛍光体を分散させたものがホーン部２５に充填されたものとなる。

蛍光体は、特定の波長変換物質だけでなく、全ての波長変換物質が想定されるものであり、例えば蛍光材料又はリン光材料等により構成されるものである。蛍光体は、蛍光体成分を１つより多く含むものであってもよく、例えば２つ以上の蛍光体成分を混合したものであってもよい。

変換光は、使用される蛍光体の種類に依存するものであるが、少なくとも５７０ｎｍの波長を含む黄色光であって、励起光よりも長波長の光が該当するものとする。つまり、光変換装置１は、励起光をダウンコンバートすることにより変換光に変換するものである。つまり、光変換装置１は、。励起光である青色光と、変換光である黄色光とが混合されることにより、擬似的に白色光を生成するものである。

次に、光変換装置１の製造工程を順に説明する。図２は、シリコン基板２１に熱酸化膜３１が形成されている一例を示す図である。なお、励起開口部２３は、熱酸化膜３１の一部を排除して形成されるものである。

図３は、熱酸化膜３１にＳｉＯ_２の支持層１５が形成されている一例を示す図である。支持層１５は、熱酸化膜３１に、プラズマＣＤ又はスパッタ等によりＳｉＯ_２を成膜することで形成されるものであり、透明支持基板となるものである。支持層１５は、熱酸化膜３１と、光学多層膜１３との間にあり、光学的歪みが大きくならないように、少なくとも５０μｍ以上の膜厚となる。なお、支持層１５は、ＳｉＯ_２以外の材料からなるものであれば、膜厚が上記条件とは異なるものとなる。

図４は、支持層１５に光学多層膜１３が積層されている一例を示す図である。光学多層膜１３は、支持層１５に、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、又はＭｇフッ化物等を成膜することにより、ダイクロイックを形成した構造体となる。光学多層膜１３は、膜厚に応じた波長を透過させるダイクロイックミラーとして機能するものである。つまり、光学多層膜１３は、青色光を透過させ、黄色光を反射させるものであって、光の波長に応じて透過させる光を選択できるものである。

図５は、シリコン基板２１に形成されたエッチングウィンドウ４１の一例を示す図である。エッチングウィンドウ４１は、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により、ＳｉＯ_２の一部を排除して形成されたものである。このエッチングウィンドウ４１を用いて、異方性エッチング又は等方性エッチングを施すことにより、ホーン部２５が形成される。なお、熱酸化膜３１がストップエッチング層となるため、支持層１５まで極端にエッチングされることはない。また、異方性エッチングとして、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）による垂直エッチングを施してもよい。

図６は、シリコン基板２１に形成されたホーン部２５の一例を示す図である。図７は、シリコン基板２１に形成されたホーン部２５の別の一例を示す図である。図８は、ホーン部２５に充填された光変換層３５の一例を示す図である。図９は、ホーン部２５に充填された光変換層３５の別の一例を示す図である。ホーン部２５は、金属膜３３が形成されている。金属膜３３は、ホーン部２５の表面に、銀又はアルミニウムを蒸着させることにより形成されるものである。光変換層３５は、金属膜３３の上に形成されるものである。なお、励起開口部２３は、励起光の照射面積よりも広いものである。

なお、光変換装置１は、車両用灯具として使用されてもよい。

以上の説明から、本開示を適用した光変換装置１によれば、励起開口部２３は、エッチング処理によりシリコン基板２１に形成されるものであるため、微細加工された極小のスルーホールである。よって、励起開口部２３を通過する励起光の光束密度が上がるため、色ムラの発生を抑制することができる。

また、蛍光体は、発光するときに一部のエネルギーが熱に変わり、自己発熱を起こすものであるが、シリコン基板２１に形成されたホーン部２５に充填されているものである。シリコン基板２１は、１８０Ｗ／ｍ・Ｋと非常に高い熱伝導率があるため、蛍光体の励起出力により温度が上昇したとしても、効率良く放熱することができる。

したがって、色ムラを軽減させつつ、狙いの波長の発光色を得ることができる。なお、ホーン部２５にＲＩＥによる垂直エッチングが施された場合、ホーン部２５は垂直形状となる。このような垂直加工の場合には、ホーン部２５が逆テーパー形状となる場合と比べ、光変換層３５において、光が放出される側の面積は、光が入射される側の面積と同等になるため、色ムラをさらに軽減することができる。

また、励起光は、少なくとも４５０ｎｍの波長を含む青色光である。変換光は、少なくとも５７０ｎｍの波長を含む黄色光である。青色と黄色とは補色関係にある。よって、光変換装置１は、励起光である青色光と、変換光である黄色光とが混合することにより、擬似的に白色光を作り出すことができる。

また、シリコン基板２１には熱酸化膜３１が形成される。熱酸化膜３１は、ストップエッチング層として機能するため、極端にエッチングされることがない。また、熱酸化膜３１は、少なくとも５０μｍ以上の膜厚の支持層１５が成膜されるものであるため、蛍光体を含む樹脂の液垂れを防ぐことができる。

また、光学多層膜１３は、励起光のうち、青色光を透過するものである。よって、変換光である黄色光が光学多層膜１３に回り込んできたとしても、光学多層膜１３は黄色光を透過させることがない。よって、光変換装置１は、迷光が少なくなるため、ランバーシアンの配光に近づかせることができ、配光制御をしやすくなる。

また、ホーン部２５は、金属膜３３が形成されている。金属膜３３は光を反射しやすいため、青色光と黄色光とによる擬似的な白色光の出力効率を向上させることができる。

以上、本開示を適用した光変換装置１を実施形態に基づいて説明したが、本開示はこれに限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。

例えば、単一の光源１１から放出される励起光を変換する光変換装置１の一例について説明したが、特にこれに限定されるものではない。例えば、複数の光源１１から放出されるそれぞれの励起光を混合させたものを変換する光変換装置１であってもよい。

１ 光変換装置
１１ 光源
１３ 光学多層膜
１５ 支持層
２１ シリコン基板
２３ 励起開口部
２５ ホーン部
３１ 熱酸化膜
３３ 金属膜
３５ 光変換層
４１ エッチングウィンドウ

Claims (4)

1. 励起光を放出する光源と、
   前記光源から放出される前記励起光を透過させる光学多層膜と、
   前記光学多層膜に隣接して配置されるシリコン基板と、
   前記シリコン基板のうち、前記光学多層膜と接する面の一部に形成され、前記励起光を通過させる励起開口部と、
   前記シリコン基板に形成され、前記励起開口部から逆テーパー形状又は垂直形状となる
   ホーン部と、
   前記ホーン部に充填され、前記励起光の少なくとも一部を変換光に変換する蛍光体を含む光変換層と、を備えた光変換装置の製造方法であって、
   前記シリコン基板をエッチング処理して前記励起開口部を形成する工程を備える
   光変換装置の製造方法。
2. 前記シリコン基板は、
   熱酸化膜が形成され、
   前記励起開口部は、
   前記熱酸化膜の一部を排除して形成され、
   前記熱酸化膜は、
   ＳｉＯ２の支持層が成膜され、
   前記支持層は、
   前記熱酸化膜と、前記光学多層膜との間にあり、少なくとも５０μｍ以上の膜厚とされる
   請求項１に記載の光変換装置の製造方法。
3. 前記ホーン部は、
   金属膜が形成され、
   前記光変換層は、
   前記金属膜の上に形成される、
   請求項１又は２の何れか一項に記載の光変換装置の製造方法。
4. 励起光を放出する光源と、
   前記光源から放出される前記励起光を透過させる光学多層膜と、
   前記光学多層膜に隣接して配置されるシリコン基板と、
   前記シリコン基板のうち、前記光学多層膜と接する面の一部に形成されたスルーホールであって、前記励起光を通過させる励起開口部と、
   前記シリコン基板に形成され、前記励起開口部から逆テーパー形状又は垂直形状となるホーン部と、
   前記ホーン部に充填され、前記励起光の少なくとも一部を変換光に変換する蛍光体を含む光変換層と、を備え、
   前記励起開口部と相対する前記ホーン部の開口部の面積は、前記励起開口部の面積より広い又は前記励起開口部の面積より同じである、
   光変換装置。

Images