産総研ら,低温で液相から成形できるLED用ガラスを開発

産業技術総合研究所(産総研)は,石塚硝子と共同で,液相法によって500℃程度で作製できる,耐水性,耐熱性,耐光性を持つ無色透明な低融点ガラスを開発した(ニュースリリース)。

シリカガラスに代表される一般的なガラスを溶融・成形するためには高い温度を必要とするため,一般のユーザーが自由に成形することは難しい。一方,有機高分子(樹脂)は,耐熱性,耐光性,光透過性の点ではガラスに劣るものの,成形温度が低く,かつ,安価なため,LED用の封止剤やレンズなどの光学材料に用いられている。

溶融・成形温度の低いガラスを開発できれば,ガラスの特性を生かし,光学デバイスの耐久性,性能が向上すると期待できる。例えば,近年,LEDデバイスは高輝度化,短波長化が進んでおり,樹脂製のレンズや封止剤用樹脂の劣化が大きな課題となっているが,無色透明なガラスで代替して解決できると期待されている。そのため,ガラスを樹脂に近い低温度域で,液相合成から成形加工までを行なえるプロセス技術が必要とされていた。

低温でガラスを作製する手法としては,金属アルコキシドを液相中で反応させるゾルゲル法が知られているが,反応で得られたゲルはそのままでは光学材料として使えず,緻密なガラスを得るために,さらに1000℃程度で焼成する必要があった。

今回開発した技術は,常温で流動性を示すリン酸と,物性を制御するための種々の金属化合物を原料とし,ガラスの前駆体液を調製する。この前駆体液を加熱すると,500℃程度で流動性を示すガラス融液が得られ,これを型に流し出し冷却することで,ガラスが得られる。ガラスの屈折率などの物性は,前駆体液に添加物を加えておくことで調整できる。

さらに,組成及びプロセスを検討・改良することで,低融性,耐水性,耐光性,耐熱性を併せ持つガラスの開発に成功した。今回開発したガラスは,有機物を含まない材料でありながら,低温で軟化するため(ガラス転移温度:約235℃,屈伏点:約260℃),低温で成形加工できる。

一般に,リン酸を主成分とするガラス(リン酸塩ガラス)は耐水性が悪いが,今回開発したリン酸塩ガラスは,組成を改良することで実用に耐える耐水性を持つ。また,屈折率は波長633nmで1.65程度であり,シリコーンやエポキシ,ポリカーボネイトといった樹脂,BK7ガラスや,ソーダライムガラスに比べて高い。この屈折率は,工業的に用いられている半導体素子の屈折率との差が小さいので,発光素子に用いれば,光の取り出しに有利と予想される。

さらに,ガラスの利点には,樹脂と比べて高い耐光性,耐熱性がある。今後,LED光源が高輝度化するに伴い,その部材にも耐熱性が求められると予想されるが,今回,開発したガラスは低温で成形可能であり,耐熱性と耐光性を併せ持つため,LED用のレンズや封止材としての利用が期待できる。

また,低温で作製・加工できるため,低温の溶融設備しか保有していない幅広いユーザーが利用でき,様々な型を用いた多様な形状のガラスが比較的簡便に作製ができる。現在,エンジニアリングプラスチックが用いられている分野でも,将来的に、優れた耐光性・耐熱性を持つガラスが活用される可能性を広げたとしている。

今後,今回開発した低融点ガラスの実用化を目指し,構造解析を基にした反応プロセスの最適化や,用途に合わせた材料設計などの検討を進める。また,レンズ,封止剤などの光学用途を想定しているが,光学用途にとらわれない幅広い応用を検討してゆく。

その他関連ニュース

  • 東大,フェムト秒レーザーのガラス加工速度を5000倍に 2018年08月07日
  • 京セラ,海中の光を模した「アクアリウムLED照明」を発売 2018年07月31日
  • コーニング,「Gorilla Glass」シリーズに新製品を追加 2018年07月24日
  • ウシオ,オフセット枚葉印刷機用UV-LED乾燥装置を発売 2018年07月23日
  • 筑波大ら,植物工場のレタスは旨味が多いことを発見 2018年06月28日
  • 凸版ら,サイネージ向け高精細LEDディスプレーを開発 2018年06月26日
  • 三菱電機,超小型・高機能LEDヘッドランプを開発 2018年06月12日
  • 凸版,自然光を再現するLED照明の販売を開始 2018年06月12日