JP2008095091A - 蛍光体及びその製造方法、蛍光体含有組成物、発光装置、並びに画像表示装置及び照明装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ケイ酸塩とSi3N4とを混合し、還元雰囲気下で焼成する工程を少なくとも実施することにより、オキシケイ素窒化物からなる蛍光体を製造する。
【選択図】なし
Description
現在実用化されている白色発光ダイオードの殆どは、青色発光ダイオードに黄色蛍光体を被覆した構造のものであり、黄色蛍光体としては(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ceの組成式で表されるもの(以下「YAG蛍光体」と略記する場合がある。)がよく使われている。
サイアロン蛍光体は通常、高圧の窒素雰囲気で合成されるが、SiON蛍光体は常圧の還元性雰囲気により合成可能であることが報告されている。
SiON蛍光体の合成方法としては、例えば、化学量論比のM3N2、Si3N4、SiO2、及びEu2O3を十分混合し、この混合物を常圧のアンモニア雰囲気下で、1450℃或いは1500℃の温度で5時間加熱するという手法が報告されている(特許文献2及び特許文献3参照)。
しかしながら、非特許文献1の合成法では、各原料の仕込み量の比率から判断すると、所望のMSi2O2N2の他に、未反応原料が残っていると考えられる。
SiON蛍光体は、構成元素であるアルカリ土類元素の種類や比率を変えても、広い範囲に亘り同じ結晶構造を保つことができる。また、発光イオンの濃度を高くしても発光効率があまり低下しないため、発光イオンの濃度についても広く変化させることができる。
本発明は上述の課題に鑑みてなされたもので、その目的は、単一相を有し、発光効率に優れたSiON蛍光体を得ることができる、実用性の高い蛍光体の製造方法と、単一相を有し、発光効率に優れた新規なSiON蛍光体を提供すること、並びに、この蛍光体を用いた蛍光体含有組成物及び発光装置と、この発光装置を用いた画像表示装置及び照明装置を提供することである。
ここで、前記オキシケイ素窒化物が、下記一般式[1]で表わされる組成を有することが好ましい(請求項2)。
また、前記ケイ酸塩が、下記一般式[2]で表わされる組成を有することが好ましい(請求項3)。
また、少なくともMI源、MII源及びSi源を混合し、焼成することにより、前記一般式[2]の組成を有するケイ酸塩を得る工程を更に有することが好ましい(請求項4)。
また、本発明の別の要旨は、前記一般式[1]で表わされる組成を有するとともに、CuKαX線を用いた粉末X線回折パターンにおいて、回折角2θが30°以上、33°以下に存在する最も強度の高い回折線の強度を100%とした場合に、回折角2θが11°以上、14°以下に存在する最も強度の高い回折線の強度が50%以上であり、回折角2θが23°以上、27°以下に存在する最も強度の高い回折線の強度が200%以上であり、その他の回折線の強度が何れも50%以下であることを特徴とする、蛍光体に存する(請求項6)。
また、前記一般式[1]において、MIIが少なくともEuを含有することが好ましい(請求項8)。
また、本発明の別の要旨は、上述の蛍光体と、液状媒体とを含有することを特徴とする、蛍光体含有組成物に存する(請求項9)。
ここで、前記第2の発光体が、前記第1の蛍光体とは発光波長の異なる少なくとも1種以上の蛍光体を、第2の蛍光体として含有することが好ましい(請求項11)。
また、前記第1の発光体が、300nm以上420nm以下の波長範囲に発光ピークを有し、前記第2の発光体が、前記第2の蛍光体として、420nm以上490nm以下の波長範囲に発光ピークを有する少なくとも一種の蛍光体と、570nm以上680nm以下の波長範囲に発光ピークを有する少なくとも一種の蛍光体とを含有することも好ましい(請求項13)。
また、本発明の別の要旨は、上述の発光装置を光源として備えることを特徴とする、画像表示装置に存する(請求項15)。
また、本発明の蛍光体は、特徴的な粉末X線回折パターンを示し、新規な結晶形態を有する蛍光体である。
また、本発明の蛍光体を含有する組成物を用いることによって、高効率及び高特性な発光装置を得ることができる。この発光装置は、画像表示装置や照明装置の用途に好適に用いられる。
なお、明細書における色名と色度座標との関係は、全てJIS規格に基づくものである(JISZ8110)。
また、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及び組成で含有していてもよいことを示している。但し、括弧内に併記される元素の合計は1モルである。例えば、「(Ba,Sr,Ca)Al2O4:Eu」という組成式は、「BaAl2O4:Eu」と、「SrAl2O4:Eu」と、「CaAl2O4:Eu」と、「Ba1-xSrxAl2O4:Eu」と、「Ba1-xCaxAl2O4:Eu」と、「Sr1-xCaxAl2O4:Eu」と、「Ba1-x-ySrxCayAl2O4:Eu」とを全て包括的に示しているものとする(但し、前記式中、0<x<1、0<y<1、0<x+y<1である。)。
[1.蛍光体]
〔1−1.蛍光体の特徴〕
本発明の蛍光体は、緑色から緑黄色にかけての発光を有する蛍光体(以下適宜「緑色/緑黄色蛍光体」と略称する。)としての用途が期待されるものであって、以下に挙げる特徴を有する。
本発明の蛍光体は、下記一般式[1]で表わされる組成を有する。
MIの例としては、アルカリ土類金属元素や、電気陰性度及びイオン半径の大きさがアルカリ土類金属元素と近い元素が挙げられる。
具体的に、2価元素の好ましい例としては、カルシウム(Ca)、バリウム(Ba)、亜鉛(Zn)、及びマグネシウム(Mg)が挙げられ、3価元素の好ましい例としては、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、ガドリニウム(Gd)、ルテニウム(Lu)が挙げられる。
なお、MIとしては、上記例示の元素を何れか一種単独で用いてもよく、二種以上を任意の比率及び組み合わせで併用してもよい。
前記一般式[1]中、MIIは、付活元素として挙げられているもので、1種以上の希土類元素を表わす。
MIIとしては、上記例示の元素を何れか一種単独で用いてもよく、二種以上を任意の比率及び組み合わせで併用してもよい。
中でも、MIIとしては、少なくともEuを含むことが好ましく、MII全体に対するEuのモル比が0.7以上であることがより好ましく、MIIの全てがEuであることが特に好ましい。
具体的に、xの下限値は、通常0以上、好ましくは0.1以上である。
一方、xの上限値は通常1以下、好ましくは1未満、より好ましくは0.9以下、更に好ましくは0.8以下である。xの値が大き過ぎると、発光強度が低下する場合がある。
具体的に、yの下限値は、通常0より大きく、好ましくは0.01以上、より好ましくは0.02以上である。yの値が小さ過ぎると、発光中心イオンの濃度が低くなるため、発光強度が高くならない場合がある。
また、本発明の蛍光体は、前記一般式[1]に記載された元素、即ちMI、MII、Sr(ストロンチウム)、Si(ケイ素)、O(酸素)、及びN(窒素)以外に、更に、1価の元素、2価の元素、3価の元素、−1価の元素及び−3価の元素からなる群から選ばれる元素(これを以下適宜「フラックス元素」という。)を含有していてもよい。
<粉末X線回折スペクトルに関する特徴>
本発明の蛍光体は、CuKαX線を用いた粉末X線回折パターンにおいて、回折角2θが30°以上、33°以下に存在する最も強度の高い回折線(これを以下適宜「基準回折線」という。)の強度を100%とした場合に、以下の(i)〜(iii)の条件を全て満たす点を特徴とする。
(i)回折角2θが11°以上、14°以下に存在する最も強度の高い回折線(これを以下適宜「第1特定回折線」という。)の強度が、通常50%以上、好ましくは100%以上、より好ましくは200%以上、更に好ましくは300%以上である。
(ii)回折角2θが23°以上、27°以下に存在する最も強度の高い回折線(これを以
下適宜「第2特定回折線」という。)の強度が、通常200%以上、好ましくは300%以上、より好ましくは400%以上、更に好ましくは500%以上である。
(iii)基準回折線、第1特定回折線、及び第2特定回折線を除く、他の全ての回折線の強度が、通常50%以下、好ましくは40%以下、より好ましくは30%以下である。
なお、第1特定回折線が観察される回折角2θの範囲(11°≦2θ≦14°)は、面間隔dが8.037Å≧d≧6.321Åとなる範囲に対応する。
また、第2特定回折線が観察される回折角2θの範囲(23°≦2θ≦27°)は、面間隔dが3.864Å≧d≧3.300Åとなる範囲に対応する。
なお、本発明の蛍光体の結晶構造は層状であるが、第1特定回折線及び第2特定回折線は、層に平行な面によるものと考えられる。
また、本発明の蛍光体は、その結晶子径が大きいほど好ましい。ここで、結晶子径とは、粉末X線回折において半値幅を測定することにより求めることができるものである。結晶子間の界面では、無輻射失活が起こり、発光エネルギーの熱エネルギーへの変換が起こると考えられている。結晶子が大きいと、結晶子界面が少なくなるため、熱エネルギーへの変換が少なく、輝度が高くなる。
本発明の蛍光体は、緑黄色蛍光体としての用途に鑑みて、波長430〜470nmの青色光で励起して得られる発光スペクトルを測定した場合に、以下に記述する特徴を有することが好ましい。
発光スペクトルにおける発光ピーク波長λp(nm)は、通常525nm以上、中でも530nm以上、また、通常600nm以下、中でも590nm以下の範囲であることが好ましい。発光ピーク波長λpが短過ぎると緑味を帯びる傾向がある一方で、長過ぎると赤味を帯びる傾向がある。
また、本発明の蛍光体の発光スペクトルの測定、並びにその発光ピーク波長、ピーク相対強度及びピーク半値幅の算出は、例えば、日本分光社製蛍光測定装置等の装置を用いて行なうことができる。
本発明の蛍光体の励起波長は特に限定されないが、発光波長525〜600nmのうち何れかの波長において励起スペクトルを測定した場合に、通常230nm以上、470nm以下の波長範囲内に励起ピークを有することが好ましく、中でも、当該波長範囲内における何れの光で励起しても常に発光することがより好ましい。即ち、本発明の蛍光体は、青色領域の光、及び/又は、近紫外領域の光で励起可能であるため、半導体発光素子等を第1の発光体とする発光装置に好適に使用することができる。
<重量メジアン径>
本発明の蛍光体は、その重量メジアン径が、通常5μm以上、中でも10μm以上、また、通常30μm以下、中でも20μm以下の範囲であることが好ましい。重量メジアン径が小さ過ぎると、輝度が低下し、蛍光体粒子が凝集してしまう傾向がある。一方、重量メジアン径が大き過ぎると、塗布ムラやディスペンサー等の閉塞が生じる傾向がある。
<その他>
本発明の蛍光体は、その内部量子効率が高いほど好ましい。その値は、通常0.5以上、好ましくは0.6以上、更に好ましくは0.7以上である。内部量子効率が低いと発光効率が低下する傾向にある。
〔1−2.蛍光体の製造方法〕
本発明の蛍光体を製造する方法は特に制限されないが、ケイ酸塩とSi3N4とを混合し、還元雰囲気下で焼成する工程を有する方法(これを以下「本発明の蛍光体の製造方法」或いは単に「本発明の製造方法」と称する。)によって製造することが好ましい。
本発明の製造方法は、通常は以下の工程によって行なわれる。
まず、上述の一般式[1]における、Srの原料(以下適宜「Sr源」という。)、金属元素MIの原料(以下適宜「MI源」という。)、Siの原料(以下適宜「Si源」という。)、及び、付活元素である元素MIIの原料(以下適宜「MII源」という。)を混合し(この工程を「一次混合工程」と呼ぶ。)、得られた混合物を焼成する(この工程を「一次焼成工程」と呼ぶ。)ことにより、上記一般式[2]で表わされる組成の多元系ケイ酸塩を得る。
また、必要に応じて適宜、上記原料に加えて更にフラックス等を混合する。フラックスは一次混合工程で混合してもよいが、好適には二次混合工程で混合する。
本発明の蛍光体の製造に使用されるSr源、MI源、Si源、及びMII源としては、MI、Si及びMIIの各元素の酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、蓚酸塩、カルボン酸塩、ハロゲン化物等が挙げられる。これらの化合物の中から、複合酸化物への反応性や、焼成時におけるNOx、SOx等の発生量の低さ等を考慮して、適宜選択すればよい。
これらのSr源は、何れか一種を単独で用いてもよく、二種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
Ba源の具体例としては、BaO、Ba(OH)2・8H2O、BaCO3、Ba(NO3)2、BaSO4、Ba(OCO)2・2H2O、Ba(OCOCH3)2、BaCl2等が挙げられる。中でもBaCO3、BaCl2等が好ましい。
Ca源の具体例としては、CaO、Ca(OH)2、CaCO3、Ca(NO3)2・4H2O、CaSO4・2H2O、Ca(OCO)2・H2O、Ca(OCOCH3)2・H2O、CaCl2等が挙げられる。中でもCaCO3、CaCl2等が好ましい。
Mg源の具体例としては、MgCO3、MgO、MgSO4、Mg(C2O4)・2H2O等が挙げられる。
これらのMI源は、何れか一種を単独で用いてもよく、二種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
これらのSi源は、何れか一種を単独で用いてもよく、二種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
MII源のうち、Eu源の具体例としては、Eu2O3、Eu2(SO4)3、Eu2(OCO)6、EuCl2、EuCl3、Eu(NO3)3・6H2O等が挙げられる。中でもEu2O3、EuCl2等が好ましい。
これらのMII源は、何れか一種を単独で用いてもよく、二種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
また、目的とする本発明の蛍光体の組成に応じて、他の元素を含有する化合物を原料として使用してもよい。例えば、Geを含む組成の蛍光体を製造する場合、Ge源の具体例としては、GeO2、Ge(OH)4、Ge(OCOCH3)4、GeCl4等が挙げられる。中でもGeO2等が好ましい。
<一次混合工程>
まず、一次混合工程において、上述のSr源、MI源、Si源及びMII源、並びに必要に応じて用いられるその他の原料を混合する。混合の手法は特に制限されないが、例としては、下記の(A)及び(B)の手法が挙げられる。
(A)ハンマーミル、ロールミル、ボールミル、ジェットミル等の乾式粉砕機、又は、乳鉢と乳棒等を用いる粉砕と、リボンブレンダー、V型ブレンダー、ヘンシェルミキサー等の混合機、又は、乳鉢と乳棒を用いる混合とを組み合わせ、Sr源、MI源、Si源及びMII源等の原料を粉砕混合する乾式混合法。
(B)Sr源、MI源、Si源及びMII源等の原料に水等の溶媒又は分散媒を加え、粉砕機、乳鉢と乳棒、又は蒸発皿と撹拌棒等を用いて混合し、溶液又はスラリーの状態とした上で、噴霧乾燥、加熱乾燥、又は自然乾燥等により乾燥させる湿式混合法。
次いで、一次混合工程にて得られた、Sr源、MI源、Si源及びMII源等の原料の混合物(以下「一次混合物」という場合がある。)に対し、焼成(一次焼成)を行なう。
一次焼成は通常、上述の一次混合工程にて得られた一次混合物を、各原料と反応性の低い材料からなるルツボやトレイ等の耐熱容器中に入れ、加熱することにより行なう。
一次焼成時の圧力は、焼成温度等によっても異なるが、通常常圧以上である。
一次焼成時の雰囲気は特に制限されないが、本発明では後述のように、酸素濃度の低い雰囲気下で焼成を行なうことが好ましい。
具体的に、一次焼成時の酸素濃度は、好ましくは100ppm以下、更に好ましくは50ppm以下、特に好ましくは20ppm以下であり、理想的には、酸素が全く存在しないことが好ましい。具体例としては、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素、水素、アルゴン等の気体のうち、何れか一種単独の雰囲気下、或いは、二種以上の混合雰囲気下で行なう。この中でも、一酸化炭素、水素等の還元性の気体を含むことが好ましく、特に、水素含有窒素雰囲気下が好ましい。
<二次混合工程>
上述の一次焼成工程による生成物として、組成式{(Sr(1-x)MI x)(1-y)MII y}2SiO4で表わされる多元系ケイ酸塩が得られる。この一次焼成工程により得られた生成物を、通常はボールミル等で粉砕してから、Si3N4と混合する。
<二次焼成工程>
次いで、二次混合工程にて得られた、多元系ケイ酸塩及びSi3N4等の混合物(以下「二次混合物」という場合がある。)に対し、焼成(二次焼成)を行なう。
二次焼成時の温度は、通常1100℃以上、好ましくは1200℃以上、より好ましくは1300℃以上、また、通常1500℃以下、好ましくは1400℃以下の範囲である。焼成温度が低過ぎると充分に結晶が成長せず、粒径が小さくなる場合がある一方で、焼成温度が高過ぎると結晶が成長しすぎて粒径が大きくなり過ぎる場合がある。
二次焼成の時間は、焼成時の温度や圧力等によっても異なるが、通常1時間以上、好ましくは2時間以上、また、通常24時間以下、好ましくは10時間以下、より好ましくは8時間以下の範囲である。
二次焼成時の雰囲気は特に制限されないが、本発明では上述のように、酸素濃度の低い雰囲気下で焼成を行なうことが好ましい。
<固体カーボン>
本発明の蛍光体を製造するためには、本発明の付活元素MIIが発光に寄与するイオン状態(価数)となるように、必要な雰囲気を選択する。例えば、本発明の蛍光体における緑色発光をもたらす好ましいMII元素の一つである付活元素のEuは、少なくともその一部が2価イオンであることが望ましい。具体的に、全Euに占めるEu2+の割合は高いほど好ましく、通常50%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上、最も好ましくは95%以上である。しかしながら、Euの原料として通常は、Eu2O3等の3価のEuイオンを含む化合物が用いられる。従って、2価イオンであるEu2+を含有し、緑色発光をもたらす蛍光体を得るために、従来は、3価イオンEu3+を2価イオンEu2+に還元するべく、一酸化炭素、窒素/水素、水素などの何らかの還元雰囲気下で焼成するのが一般的であった。しかし、これらの焼成雰囲気下でも、原料等由来の酸素が含まれてしまうため、酸素濃度を充分に低減することは困難であった。また、MII元素としてSm、Tm、Yb等を用いる場合にも、上述のEuの場合と同様の課題があった。
共存させる固体カーボンの量は、その他の焼成条件にもよるが、焼成対象となる混合物(一次焼成工程の場合は一次混合物、二次焼成工程の場合は二次混合物。以下「焼成原料」と略称する。)に対して通常0.1重量%以上、好ましくは1重量%以上、更に好ましくは10重量%以上、特に好ましくは30重量%以上であり、50重量%以上が最も好ましい。
なお、ルツボに蓋をする等、密閉した条件下で焼成を行なうことが好ましい。
なお、固体カーボンは、一次焼成工程時のみに用いてもよく、二次焼成工程時のみに用いてもよく、一次焼成工程及び二次焼成工程の双方で用いてもよいが、少なくとも二次焼成工程時に用いることが好ましく、一次焼成工程及び二次焼成工程の双方で用いることが特に好ましい。
本発明の製造方法においては、良好な結晶を成長させる観点から、反応系にフラックスを共存させることが好ましい。
フラックスの種類は特に制限されないが、1価の元素又は原子団と−1価の元素とを含有する化合物、1価の元素又は原子団と−3価の元素又は原子団とを含有する化合物、2価の金属元素と−1価の元素とを含有する化合物、2価の元素と−3価の元素又は原子団とを含有する化合物、3価の元素と−1価の元素とを含有する化合物、並びに、3価の元素と−3価の元素又は原子団を含有する化合物とからなる群から選ばれる化合物をフラックスとして使用することが好ましい。
2価の元素は、例えば、アルカリ土類金属元素、及び亜鉛(Zn)からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であることが好ましく、ストロンチウム(Sr)又はバリウム(Ba)であることがより好ましい。
−1価の元素は、例えば、ハロゲン元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であることが好ましく、塩素(Cl)又はフッ素(F)であることが好ましい。
上記の中でも、フラックスとしては、アルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、亜鉛ハロゲン化物、イットリウム(Y)、アルミニウム(Al)、スカンジウム(Sc)、及び希土類元素からなる群から選ばれる3価の元素のハロゲン化物、アルカリ金属リン酸塩、アルカリ土類金属リン酸塩、リン酸亜鉛、イットリウム(Y)、アルミニウム(Al)、ランタン(La)、及びスカンジウム(Sc)からなる群から選ばれる3価の元素のリン酸塩からなる群から選ばれる化合物を使用することが好ましい。
これらのフラックスは、一種を単独で使用してもよく、二種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよいが、二種以上を組み合わせて用いると以下のような効果が得られる。
フラックスの種類や焼成条件等によっても異なるが、一般的に、フラックスを蛍光体原料中に共存させると、蛍光体の結晶成長が促進され、粒径の大きい蛍光体が得られる傾向にある。また、本発明の蛍光体は、粒径が大きいほど輝度が高くなる傾向にある。以上より、フラックスを蛍光体原料中に共存させると、一見、輝度が向上して好ましいように思われるが、粒径が大き過ぎると塗布ムラやディスペンサー等の閉塞が生じる等、取り扱い性が悪くなる傾向にある。
また、フラックスを反応系に混合するタイミングは特に制限されず、一次混合工程時に加えてもよく、二次混合工程時に加えてもよい。更には、複数回に分けて加えてもよい。但し、少なくとも二次混合工程時にフラックスを加えて混合することにより、二次焼成工程時にフラックスを反応系に共存させるようにすることが好ましい。
上述の焼成工程後、必要に応じて洗浄、乾燥、分級等の処理を行なうことにより、本発明の蛍光体を得ることができる。
なお、本発明の蛍光体を用いて、後述の方法で発光装置を製造する際には、必要に応じて公知の表面処理、例えば燐酸カルシウム処理を行なってから、使用に供することが好ましい。
本発明の蛍光体は、蛍光体を使用する任意の用途に用いることができるが、特に、青色光又は近紫外光に対する変換効率に優れているという特性を生かして、各種の発光装置(後述する「本発明の発光装置」)に好適に用いることができる。
特に、本発明の蛍光体は緑色/緑黄色蛍光体であることから、緑色から緑黄色の波長範囲の発光を発する発光装置(以下適宜「緑色/緑黄色発光装置」という。)に用いれば、高効率の緑色/緑黄色発光装置を実現することができる。
また、近紫外光を発する励起光源に、本発明の蛍光体と、青色蛍光体(青色の蛍光を発する蛍光体)、赤色蛍光体(赤色の蛍光を発する蛍光体)を組み合わせても、白色発光装置を製造することができる。
こうして得られた本発明の発光装置は、例えば、画像表示装置の発光部(特に液晶用バックライトなど)や照明装置として使用することができる。
本発明の蛍光体を発光装置等の用途に使用する場合には、これを液体媒体中に分散させた形態で用いることが好ましい。本発明の蛍光体を液体媒体中に分散させたものを、適宜「本発明の蛍光体含有組成物」と呼ぶものとする。
本発明の蛍光体含有組成物に使用可能な液状媒体としては、所望の使用条件下において液状の性質を示し、本発明の蛍光体を好適に分散させると共に、好ましくない反応等を生じないものであれば、任意のものを目的等に応じて選択することが可能である。液状媒体の例としては、硬化前の熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂が挙げられ、例えば、付加反応型シリコーン樹脂、縮合反応型シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられる。また、無機系材料、例えば、セラミック前駆体ポリマー若しくは金属アルコキシドを含有する溶液をゾル−ゲル法により加水分解重合して成る溶液を用いることができる。これらの液状媒体は1種を単独で使用してもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。なお、上記の液状媒体に有機溶媒を含有させることもできる。
なお、これらその他の成分は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
[2.発光装置]
次に、本発明の発光装置について説明する。本発明の発光装置は、第1の発光体と、第1の発光体からの光の照射によって可視光を発する第2の発光体とを、少なくとも備えて構成される。
本発明の発光装置における第1の発光体は、後述する第2の発光体を励起する光を発光するものである。第1の発光体の発光波長は、後述する第2の発光体の吸収波長と重複するものであれば、特に制限されず、幅広い発光波長領域の発光体を使用することができる。通常は、近紫外領域から青色領域までの発光波長を有する発光体が使用され、具体的数値としては、通常300nm以上、好ましくは330nm以上、また、通常500nm以下、好ましくは480nm以下の発光波長を有する発光体が使用される。この際、近紫外領域の光としては、300nm異常、420nm以下の波長の光が好ましく、青色領域の光としては、420nm異常、500nm以下の波長の光が好ましい。この第1の発光体としては、一般的には半導体発光素子が用いられ、具体的には発光ダイオード(light emitting diode。以下適宜「LED」と略称する。)や半導体レーザーダイオード(semiconductor laser diode。以下適宜「LD」と略称する。)等が使用できる。他には、有機エレクトロルミネッセンス発光素子、無機エレクトロルミネッセンス発光素子等も使用できる。但し、勿論これらに限るものではない。
GaN系LEDはこれら発光層、p層、n層、電極、及び基板を基本構成要素としたものであり、発光層をn型とp型のAlXGaYN層、GaN層、又はInXGaYN層などでサンドイッチにしたヘテロ構造を有しているものが、発光効率が高く、好ましく、更にヘテロ構造を量子井戸構造にしたものが、発光効率が更に高く、より好ましい。
本発明の発光装置における第2の発光体は、上述した第1の発光体からの光の照射によって可視光を発する発光体であり、後述する第1の蛍光体(緑色/緑黄色蛍光体)を含有するとともに、その用途等に応じて適宜、後述する第2の蛍光体(赤色蛍光体、青色蛍光体、橙色蛍光体等)を含有する。また、例えば、第2の発光体は、第1及び第2の蛍光体を封止材料中に分散させて構成される。
具体的には、蛍光体として以下に挙げるものを用いることが可能であるが、これらはあくまでも例示であり、本発明で使用できる蛍光体はこれらに限られるものではない。
本発明の発光装置における第2の発光体は、第1の蛍光体として、少なくとも上述の本発明の蛍光体を含有する。本発明の蛍光体は、何れか1種を単独で使用してもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。また、第1の蛍光体としては、本発明の蛍光体以外にも、本発明の蛍光体と同色の蛍光を発する蛍光体(同色併用蛍光体)を用いてもよい。通常、本発明の蛍光体は緑色/緑黄色蛍光体であるので、第1の蛍光体として、本発明の蛍光体と共に他種の緑色蛍光体を併用することができる。
本発明の蛍光体以外の緑色蛍光体としては、例えば、破断面を有する破断粒子から構成され、緑色領域の発光を行なう(Ba,Ca,Sr,Mg)2SiO4:Euで表わされるユウロピウム付活アルカリ土類シリケート系蛍光体等が挙げられる。
本発明の発光装置に使用される第1の蛍光体の発光ピーク波長λp(nm)は、通常525nm以上、中でも530nm以上、また、通常600nm以下、中でも590nm以下の範囲であることが好ましい。この発光ピーク波長λpが短過ぎると緑味が強くなり過ぎる場合がある一方で、長過ぎると赤味を帯びる傾向があり、何れも緑色/緑黄色光としての特性が低下する場合がある。
また、本発明の発光装置に使用される第1の蛍光体の発光ピークの半値幅(FWHM)は、通常75nm以上、中でも80nm以上、更には82nm以上、また、通常89nm以下、中でも88nm以下、更には86nm以下の範囲であることが好ましい。この半値幅FWHMが狭過ぎると発光強度が低下する場合があり、広過ぎると色純度が低下する場合がある。
本発明の発光装置における第2の発光体は、その用途に応じて、上述の第1の蛍光体以外にも蛍光体(即ち、第2の蛍光体)を含有していてもよい。この第2の蛍光体は、第1の蛍光体とは発光波長が異なる蛍光体である。通常、これらの第2の蛍光体は、第2の発光体の発光の色調を調節するために使用されるため、第2の蛍光体としては第1の蛍光体とは異なる色の蛍光を発する蛍光体を使用することが多い。上記のように、通常は第1の蛍光体として緑色/緑黄色蛍光体を使用するので、第2の蛍光体としては、例えば黄色蛍光体、青色蛍光体、橙色ないし赤色蛍光体等の、緑色/緑黄色蛍光体以外の蛍光体を用いる。
第2の蛍光体として橙色ないし赤色蛍光体を使用する場合、当該橙色ないし赤色蛍光体は本発明の効果を著しく損なわない限り任意のものを使用することができる。この際、橙色ないし赤色蛍光体の発光ピーク波長は、通常580nm以上、好ましくは585nm以上、また通常780nm以下、好ましくは700nm以下の波長範囲にあることが好適である。このような橙色ないし赤色蛍光体としては、例えば、赤色破断面を有する破断粒子から構成され、赤色領域の発光を行なう(Mg,Ca,Sr,Ba)2Si5N8:Euで表わされるユウロピウム付活アルカリ土類シリコンナイトライド系蛍光体、規則的な結晶成長形状としてほぼ球形状を有する成長粒子から構成され、赤色領域の発光を行なう(Y,La,Gd,Lu)2O2S:Euで表わされるユウロピウム付活希土類オキシカルコゲナイド系蛍光体等が挙げられる。
以上の例示の中でも、赤色蛍光体としては、(Ca,Sr,Ba)1-x/2AlSiN3-xOx:Eu(0≦x<1)、(Ca,Sr,Ba)1-x/2AlSiN3-xOx:Ce(0≦x<1)、(La,Y)2O2S:Euが好ましく、(Sr,Ca)1-x/2AlSiN3-xOx:Eu(0≦x<1)、(La,Y)2O2S:Euが特に好ましい。
(青色蛍光体)
第2の蛍光体として青色蛍光体を使用する場合、当該青色蛍光体は本発明の効果を著しく損なわない限り任意のものを使用することができる。この際、青色蛍光体の発光ピーク波長は、通常420nm以上、好ましくは430nm以上、より好ましくは440nm以上、また、通常490nm以下、好ましくは470nm以下、より好ましくは460nm以下の波長範囲にあることが好適である。
以上の例示の中でも、青色蛍光体としては、BaMgAl10O17:Eu、(Ba,Ca,Mg)2SiO4:Eu、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO4)6Cl2:Euが好ましく、BaMgAl10O17:Euが特に好ましい。
第2の蛍光体として黄色蛍光体を使用する場合、当該青色蛍光体は本発明の効果を著しく損なわない限り任意のものを使用することができる。この際、黄色蛍光体の発光ピーク波長は、通常530nm以上、好ましくは540nm以上、より好ましくは550nm以上、また、通常620nm以下、好ましくは600nm以下、より好ましくは580nm以下の波長範囲にあることが好適である。
特に、RE3M5O12:Ce(ここで、REは、Y、Tb、Gd、Lu、及びSmからなる群から選ばれる少なくとも1種類の元素を表わし、Mは、Al、Ga、及びScからなる群から選ばれる少なくとも1種類の元素を表わす。)やMa 3Mb 2Mc 3O12:Ce(ここで、Maは2価の金属元素、Mbは3価の金属元素、Mcは4価の金属元素を表わす。)等で表わされるガーネット構造を有するガーネット系蛍光体、AE2MdO4:Eu(ここで、AEは、Ba、Sr、Ca、Mg、及びZnからなる群から選ばれる少なくとも1種類の元素を表わし、Mdは、Si、及び/又はGeを表わす。)等で表わされるオルソシリケート系蛍光体、これらの系の蛍光体の構成元素の酸素の一部を窒素で置換した酸窒化物系蛍光体、AE1-x/2AlSiN3-xOx:Ce(0≦x<1)(ここで、AEは、Ba、Sr、Ca、Mg及びZnからなる群から選ばれる少なくとも1種類の元素を表わす。)等のCa1-x/2AlSiN3-xOx(0≦x<1)構造を有する窒化物系蛍光体等のCeで付活した蛍光体が挙げられる。
また、黄色蛍光体としては、例えば、brilliant sulfoflavine FF (Colour Index Number 56205)、basic yellow HG (Colour Index Number 46040)、eosine (Colour Index Number 45380)、rhodamine 6G (Colour Index Number 45160)等の蛍光染料等を用いることも可能である。
本発明の発光装置に使用される第2の蛍光体の重量メジアン径は、通常10μm以上、中でも15μm以上、また、通常30μm以下、中でも20μm以下の範囲であることが好ましい。重量メジアン径が小さ過ぎると、輝度が低下し、蛍光体粒子が凝集してしまう傾向がある。一方、重量メジアン径が大き過ぎると、塗布ムラやディスペンサー等の閉塞が生じる傾向がある。
本発明の発光装置において、以上説明した第2の蛍光体(赤色蛍光体、青色蛍光体、橙色蛍光体等)の使用の有無及びその種類は、発光装置の用途に応じて適宜選択すればよい。例えば、本発明の発光装置を緑色/緑黄色発光の発光装置として構成する場合には、第1の蛍光体(緑色/緑黄色蛍光体)のみを使用すればよく、第2の蛍光体の使用は通常は不要である。
(i)第1の発光体として青色発光体(青色LED等)を使用し、第1の蛍光体として緑色/緑黄色蛍光体(本発明の蛍光体等)を使用し、第2の蛍光体として赤色蛍光体(好ましくは、発光ピーク波長が570nm以上、680nm以下のもの等)を使用する。この場合、赤色蛍光体としては、(Sr,Ca)1-x/2AlSiN3-xOx:Eu(0≦x<1)及び(Mg,Ca,Sr,Ba)2-y/2Si5N8-yOy:Eu(0≦y≦4)からなる群より選ばれる一種又は二種以上の赤色蛍光体が好ましい。中でも、青色LEDと、本発明の蛍光体と、赤色蛍光体としてCa1-x/2AlSiN3-xOx:Eu(0≦x<1)とを組み合わせて用いることが好ましい。
(ii)第1の発光体として近紫外発光体(近紫外LED等)を使用し、第1の蛍光体として緑色/緑黄色蛍光体(本発明の蛍光体等)を使用し、第2の蛍光体として青色蛍光体及び赤色蛍光体(好ましくは、発光ピーク波長が570nm以上、680nm以下のもの等)を併用する。この場合、青色蛍光体としては、BaMgAl10O17:Euが好ましい。また、赤色蛍光体としては、(Sr,Ca)1-x/2AlSiN3-xOx:Eu(0≦x<1)、(Mg,Ca,Sr,Ba)2-y/2Si5N8-yOy:Eu(0≦y≦4)及びLa2O2S:Euからなる群より選ばれる一種又は二種以上の赤色蛍光体が好ましい。中でも、近紫外LEDと、本発明の蛍光体と、青色蛍光体としてBaMgAl10O17:Euと、赤色蛍光体としてCa1-x/2AlSiN3-xOx:Eu(0≦x<1)及び/又はLa2O2S:Euとを組み合わせて用いることが好ましい。
(iii)第1の発光体として青色発光体(青色LED等)を使用し、第1の蛍光体として緑色/緑黄色蛍光体(本発明の蛍光体等)を使用し、第2の蛍光体として橙色蛍光体(好ましくは、発光ピーク波長が580nm以上、620nm以下のもの等)を使用する。この場合、橙色蛍光体としては(Sr,Ba)3SiO5:Euが好ましい。
第2の発光体は、例えば、上述の第1の蛍光体及び必要に応じて使用される第2の蛍光体を、封止材料に分散させて構成される。
封止材料の例を挙げると、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂等が挙げられる。具体的には、ポリメタアクリル酸メチル等のメタアクリル樹脂;ポリスチレン、スチレン−アクリロニトリル共重合体等のスチレン樹脂;ポリカーボネート樹脂;ポリエステル樹脂;フェノキシ樹脂;ブチラール樹脂;ポリビニルアルコール;エチルセルロース、セルロースアセテート、セルロースアセテートブチレート等のセルロース系樹脂;エポキシ樹脂;フェノール樹脂;シリコーン樹脂等が挙げられる。また、無機系材料、例えば、金属アルコキシド、セラミック前駆体ポリマー若しくは金属アルコキシドを含有する溶液をゾル−ゲル法により加水分解重合して成る溶液又はこれらの組み合わせを固化した無機系材料、例えばシロキサン結合を有する無機系材料を用いることができる。
上記の中でも、本発明の蛍光体と共に用いる場合、シリコーン樹脂やシリコーン系材料を用いることが好ましく、シリコーン樹脂を用いることがより好ましい。
また、このような封止材料のうちでは、特に、以下の特徴〈1〉〜〈3〉のうち1つ以上を有するシリコーン系材料やシリコーン樹脂が好ましい。
〈1〉固体Si−核磁気共鳴(NMR)スペクトルにおいて、下記(a)及び/又は(b)のピークを少なくとも1つ有する。
(b)ピークトップの位置がケミカルシフト−80ppm以上、−40ppm未満の領域にあり、ピークの半値幅が0.3ppm以上5.0ppm以下であるピーク。
〈2〉ケイ素含有率が20重量%以上である。
〈3〉シラノール含有率が0.1重量%以上、10重量%以下である。
以下、これらの特徴〈1〉〜〈3〉について説明する。以下において、上記の特徴〈1〉〜〈3〉を有するシリコーン系材料を「本発明に用いられるシリコーン系材料」と称する。
ケイ素を主成分とする化合物は、SiO2・nH2Oの示性式で表わされるが、構造的には、ケイ素原子Siの四面体の各頂点に酸素原子Oが結合され、これらの酸素原子Oに更にケイ素原子Siが結合してネット状に広がった構造を有する。そして、以下に示す模式図は、上記の四面体構造を無視し、Si−Oのネット構造を表わしたものであるが、Si−O−Si−O−の繰り返し単位において、酸素原子Oの一部が他の成員(例えば−H、−CH3など)で置換されているものもあり、一つのケイ素原子Siに注目した場合、模式図の(A)に示す様に4個の−OSiを有するケイ素原子Si(Q4)、模式図の(B)に示す様に3個の−OSiを有するケイ素原子Si(Q3)等が存在する。そして、固体Si−NMR測定において、上記の各ケイ素原子Siに基づくピークは、順次に、Q4ピーク、Q3ピーク、・・・と呼ばれる。
これに対し、酸素原子が3つ結合し、それ以外の原子(通常は炭素である。)が1つ結合しているケイ素原子は、一般にTサイトと総称される。Tサイトに由来するピークはQサイトの場合と同様に、T0〜T3の各ピークとして観測される。本発明においてはTサイトに由来する各ピークをTnピーク群と呼ぶこととする。Tnピーク群は一般にQnピーク群より高磁場側(通常ケミカルシフト−80ppm〜−40ppm)の領域に連続した多峰性のピークとして観測される。
ケミカルシフト毎に整理すると、本発明に用いられるシリコーン系材料において、ピークトップの位置が−80ppm以上−40ppm未満に観測されるTnピーク群の半値幅は、通常5.0ppm以下、好ましくは4.0ppm以下、また、通常0.3ppm以上、好ましくは0.4ppm以上の範囲である。
上記のケミカルシフト領域において観測されるピークの半値幅が上記の範囲より大きいと、分子運動の拘束が大きくひずみの大きな状態となり、クラックが発生し易く、耐熱・耐候耐久性に劣る部材となる場合がある。例えば、四官能シランを多用した場合や、乾燥工程において急速な乾燥を行ない大きな内部応力を蓄えた状態などにおいて、半値幅範囲が上記の範囲より大きくなる。
なお、本発明に用いられるシリコーン系材料の組成は、系内の架橋が主としてシリカを始めとする無機成分により形成される場合に限定される。即ち、大量の有機成分中に少量のSi成分が含まれるシリコーン系材料において−80ppm以上に上述の半値幅範囲のピークが認められても、良好な耐熱・耐光性及び塗布性能は得ることができない。
{固体Si−NMRスペクトル測定及びシラノール含有率の算出}
シリコーン系材料について固体Si−NMRスペクトルを行なう場合、以下の条件で固体Si−NMRスペクトル測定及び波形分離解析を行なう。また、得られた波形データより、シリコーン系材料について、各々のピークの半値幅を求める。また、全ピーク面積に対するシラノール由来のピーク面積の比率より、全ケイ素原子中のシラノールとなっているケイ素原子の比率(%)を求め、別に分析したケイ素含有率と比較することによりシラノール含有率を求める。
装置:Chemagnetics社 Infinity CMX−400 核磁気共鳴分光装置
29Si共鳴周波数:79.436MHz
プローブ:7.5mmφCP/MAS用プローブ
測定温度:室温
試料回転数:4kHz
測定法:シングルパルス法
1Hデカップリング周波数:50kHz
29Siフリップ角:90゜
29Si90゜パルス幅:5.0μs
繰り返し時間:600s
積算回数:128回
観測幅:30kHz
ブロードニングファクター:20Hz
{データ処理法}
シリコーン系材料については、512ポイントを測定データとして取り込み、8192ポイントにゼロフィリングしてフーリエ変換する。
フーリエ変換後のスペクトルの各ピークについてローレンツ波形及びガウス波形或いは両者の混合により作成したピーク形状の中心位置、高さ、半値幅を可変パラメータとして、非線形最小二乗法により最適化計算を行なう。
なお、ピークの同定は、AIChE Journal, 44(5), p.1141, 1998年等を参考にする。
本発明に用いられるシリコーン系材料は、ケイ素含有率が20重量%以上である(特徴〈2〉)。
従来のシリコーン系材料の基本骨格は炭素−炭素及び炭素−酸素結合を基本骨格としたエポキシ樹脂等の有機樹脂であるが、これに対し本発明のシリコーン系材料の基本骨格はガラス(ケイ酸塩ガラス)などと同じ無機質のシロキサン結合である。このシロキサン結合は、下記表1の化学結合の比較表からも明らかなように、シリコーン系材料として優れた以下の特徴がある。
(I)結合エネルギーが大きく、熱分解・光分解し難いため、耐光性が良好である。
(II)電気的に若干分極している。
(III)鎖状構造の自由度は大きく、フレキシブル性に富む構造が可能であり、シロキサン鎖中心に自由回転可能である。
(IV)酸化度が大きく、これ以上酸化されない。
(V)電気絶縁性に富む。
なお、シリコーン系材料のケイ素含有率は、例えば以下の方法を用いて誘導結合高周波プラズマ分光(inductively coupled plasma spectrometry:以下適宜「ICP」と略する。)分析を行ない、その結果に基づいて算出することができる。
シリコーン系材料の単独硬化物を100μm程度に粉砕し、白金るつぼ中にて大気中、450℃で1時間、次いで750℃で1時間、950℃で1.5時間保持して焼成し、炭素成分を除去した後、得られた残渣少量に10倍量以上の炭酸ナトリウムを加えてバーナー加熱し溶融させ、これを冷却して脱塩水を加え、更に塩酸にてpHを中性程度に調整しつつケイ素として数ppm程度になるよう定容し、ICP分析を行なう。
本発明に用いられるシリコーン系材料は、シラノール含有率が、通常0.1重量%以上、好ましくは0.3重量%以上、また、通常10重量%以下、好ましくは8重量%以下、更に好ましくは5重量%以下の範囲である(特徴〈3〉)。本発明に用いられるシリコーン系材料は、シラノール含有率が低いため経時変化が少なく、長期の性能安定性に優れ、吸湿・透湿性何れも低い優れた性能を有する。但し、シラノールが全く含まれない部材は密着性に劣るため、シラノール含有率に上記のごとく最適な範囲が存在する。
また、本発明に用いられるシリコーン系材料は、適当な触媒の存在下で加熱することにより、デバイス表面の水酸基との間に脱水縮合による共有結合を形成し、更に強固な密着性を発現することができる。
(硬度測定値)
本発明に用いられるシリコーン系材料は、エラストマー状を呈することが好ましい。具体的には、デュロメータタイプAによる硬度測定値(ショアA)が、通常5以上、好ましくは7以上、より好ましくは10以上、また、通常90以下、好ましくは80以下、より好ましくは70以下である(特徴〈4〉)。上記範囲の硬度測定値を有することにより、クラックが発生し難く、耐リフロー性及び耐温度サイクル性に優れるという利点を得ることができる。
本発明に用いられるシリコーン系材料は、封止部材の屈折率を調整するために、高い屈折率を有する金属酸化物を与えることのできる金属元素を封止部材中に存在させることができる。高い屈折率を有する金属酸化物を与える金属元素の例としては、Si、Al、Zr、Ti、Y、Nb、B等が挙げられる。これらの金属元素は単独で使用されてもよく、2種以上が任意の組み合わせ及び比率で併用されてもよい。
本発明に用いられるシリコーン系材料としては、具体的には、例えば特願2006−176468号明細書に記載のシリコーン系材料を挙げることができる。
〔2−3.発光装置の構成〕
本発明の発光装置は、上述の第1の発光体及び第2の発光体を備えていれば、その他の構成は特に制限されないが、通常は、適当なフレーム上に上述の第1の発光体及び第2の発光体を配置してなる。この際、第1の発光体の発光によって第2の発光体が励起されて(即ち、第1及び第2の蛍光体が励起されて)発光を生じ、且つ、この第1の発光体の発光及び/又は第2の発光体の発光が、外部に取り出されるように配置されることになる。この場合、第1の蛍光体と第2の蛍光体とは必ずしも同一の層中に混合されなくてもよく、例えば、第1の蛍光体を含有する層の上に第2の蛍光体を含有する層が積層する等、蛍光体の発色毎に別々の層に蛍光体を含有するようにしてもよい。
以下、本発明の発光装置について、具体的な実施の形態を挙げて、より詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において任意に変形して実施することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る発光装置の構成を模式的に示す図である。本実施形態の発光装置1は、フレーム2と、光源である青色LED(第1の発光体)3と、青色LED3から発せられる光の一部を吸収し、それとは異なる波長を有する光を発する蛍光体含有部(第2の発光体)4からなる。
更に、フレーム2には、青色LED3に電力を供給するための金製のワイヤ6が取り付けられている。つまり、青色LED3の上面に設けられた電極(図示は省略している。)とは、ワイヤ6を用いてワイヤボンディングによって結線されていて、このワイヤ6を通電することによって青色LED3に電力が供給され、青色LED3が青色光を発するようになっている。なお、ワイヤ6は青色LED3の構造にあわせて1本又は複数本が取り付けられる。
本実施形態の発光装置は以上のように構成されているので、青色LED3が発光すると、蛍光体発光部4内の緑色蛍光体と赤色蛍光体とが励起されて発光する。これにより、発光装置からは、青色LED3が発する青色光、緑色/緑黄色蛍光体が発する緑色/緑黄色光、及び、赤色蛍光体が発する赤色光からなる白色の光が発せられることになるのである。
なお、NTSC比の測定方法は以下の通りである。
R(0.67,0.33)、G(0.21,0.71)、B(0.14,0.08)
このRGBの3点で形成される三角形の面積を100とした時、求めるディスプレイのR、G、Bで形成される三角形の面積、具体的には求めるディスプレイで単色RGBを発現させて色度(x,y)を測定し、CIE色度図上にプロットして得られる三角形の面積をNTSCの標準三角形の面積で割った値に100を掛けた値をNTSC比(%)と定義する。
例えば、第1の発光体として面発光型のものを使用し、第2の発光体として膜状のものを用いることができる。この場合、第1の発光体の発光面に、直接膜状の第2の発光体を接触させた形状とすることが好ましい。なお、ここでいう接触とは、第1の発光体と第2の発光体とが空気や気体を介さないでぴたりと接している状態をつくることを言う。その結果、第1の発光体からの光が第2の発光体の膜面で反射されて外にしみ出るという光量損失を避けることができるので、装置全体の発光効率を良くすることができる。
〔2−5.発光装置の用途〕
本発明の発光装置の用途は特に制限されず、通常の発光装置が用いられる各種の分野に使用することが可能であるが、色再現範囲が広く、且つ、演色性も高いことから、中でも画像表示装置や照明装置の光源として、とりわけ好適に用いられる。なお、本発明の発光装置を画像表示装置の光源として用いる場合には、カラーフィルター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ー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。
[比較例1]
Sr0.85Eu0.15Si2O2N2に相当する化学量論比を満たす、2.091gのSrCO3(Sr源)、0.501gのSiO2(Si源)、0.440gのEu2O3(Eu源)、及び1.169gのSi3N4に、エタノールを加えてスラリー状にして混合し、自然乾燥後、得られた混合物をアルミナるつぼに入れ、1400℃で大気圧下で6時間焼成を行なった。この焼成中に、窒素ガスを毎分3Lの流速で、また、水素5%とアルゴン95%の混合ガスを毎分1Lの流速で、それぞれ反応炉内に流した。得られた生成物(比較例1の蛍光体)について粉末X線回折測定を行なったところ、SrSi2O2N2の他にSrSiO3の粉末X線回折パターンが含まれていた。
組成式{(Sr1-xBax)1-yEuy}2SiO4においてx=0、y=0.15に相当する化学量論比を満たす、2.091gのSrCO3(Sr源)、0.501gのSiO2(Si源)、及び0.440gのEu2O3(Eu源)に、エタノールを加えてスラリー状にして混合し、自然乾燥後、得られた混合物をアルミナるつぼに入れ、950℃で大気圧下で3時間焼成することにより、一次焼成を行なった。この一次焼成中に、窒素ガスを毎分3Lの流速で、水素5%とアルゴン95%の混合ガスを毎分1Lの流速で、それぞれ反応炉内に流した。
次に、(一次焼成の生成物):Si3N4:NH4Cl=1:1:0.05(モル比)となるように、一次焼成の生成物に1.169gのSi3N4及び0.045gのNH4Clを加えて混合し、得られた混合物をアルミナるつぼに入れ、1400℃で大気圧下で6時間焼成することにより、二次焼成を行なった。この二次焼成中にも、上記の一次焼成時と同じ混合ガスを反応炉内に流した。
ここで、回折角2θが約31°の回折線(基準回折線)の強度を100%とすると、最強線である約25°の回折線(第1特定回折線)の強度は260%であり、約12°の回折線(第2特定回折線)の強度は50%である。
なお、実施例1の蛍光体の結晶構造は層状であるが、約12°及び約25°の回折線は、何れも層に平行な面によるものと考えられる。
発光スペクトルは、励起光源として150Wキセノンランプを、スペクトル測定装置としてマルチチャンネルCCD検出器C7041(浜松フォトニクス社製)を備える蛍光測定装置(日本分光社製)用いて測定した。励起光源からの光を焦点距離が10cmである回折格子分光器に通し、波長460nmの励起光のみを光ファイバーを通じて蛍光体に照射した。励起光の照射により蛍光体から発生した光を焦点距離が25cmである回折格子分光器により分光し、300nm以上800nm以下の波長範囲においてスペクトル測定装置により各波長の発光強度を測定し、パーソナルコンピュータによる感度補正等の信号処理を経て発光スペクトルを得た。なお、測定時には、受光側分光器のスリット幅を1nmに設定して測定を行なった。
[実施例2]
実施例1の手順において、NH4Clを使用しなかった他は、実施例1と同様の条件で操作を行なうことにより、生成物(実施例2の蛍光体)を得た。
また、実施例2の蛍光体について、実施例1と同様の手順により、波長460nmの青色光で励起した場合の発光スペクトルを測定したところ、その発光ピーク強度は、比較例1の蛍光体の発光ピーク強度の1.3倍であった。
実施例1の手順において、一次焼成温度を下記表2の様に変更した他は、実施例1と同様の条件で操作を行ない、生成物(実施例3〜6の蛍光体)を得た。
また、一次焼成後に得られた生成物の組成を、粉末X線回折測定により分析した。実施例1及び実施例3〜6における一次焼成後の生成物の組成の同定結果を下記表2に示す。
また、実施例3〜6の蛍光体について、実施例1と同様の手順により波長460nmの青色光で励起した場合の発光スペクトルを測定した。実施例1及び実施例3〜6の蛍光体の相対発光ピーク強度を下記表2に示す。
実施例1及び実施例3〜6では、この一段合成対照蛍光体として、比較例1の蛍光体を用いた。
組成式{(Sr1-xBax)1-yEuy}2SiO4においてx=0.25、y=0.15に相当する化学量論比を満たす、SrCO3、BaCO3、SiO2、及びEu2O3に、エタノールを加えてスラリー状にして混合し、自然乾燥後、得られた混合物をアルミナるつぼに入れ、後述の表3の実施例7〜11に示す温度で大気圧下で3時間焼成することにより、一次焼成を行なった。一次焼成時には、実施例1と同様の混合ガスを反応炉内に流した。また、一次焼成により得られた生成物の粉末X線回折測定を行ない、その組成を分析した。その同定結果を下記表3に示す。
実施例8の蛍光体の粉末X線回折パターンを図6に示す。
ここで、回折角2θが約31°の回折線(基準回折線)の強度を100%とすると、最強線である約25°の回折線(第1特定回折線)の強度は625%であり、約12°の回折線(第2特定回折線)の強度は225%である。
なお、実施例8の蛍光体の結晶構造は層状であるが、約12°及び約25°の回折線は、何れも層に平行な面によるものと考えられる。
なお、実施例7〜11の相対発光ピーク強度を求める際の一段合成対照蛍光体として、原料の組成比を実施例7〜11と同様にした他は、上述の比較例1と同様の手順により得られた蛍光体を用いた。
得られた実施例8の蛍光体の発光波長550nmにおける励起スペクトルを、Y3Al5O12:Ceの発光波長550nmにおける励起スペクトルと合わせて図7に示す。図7から明らかなように、実施例8の蛍光体は、234〜470nmの波長範囲内における何れの波長の光で励起しても、常に一定以上の発光強度が得られている。ここから、本発明の蛍光体は、近紫外〜青色LEDが示す何れの波長の光で励起しても、その緑色/緑黄色の発光強度が変化しないことが分かる。
実施例8の手順において、二次焼成温度を下記表4の様に変更した他は、実施例8と同様の条件で操作を行ない、生成物(実施例12〜14の蛍光体)を得た。
実施例12〜14の蛍光体の相同定を、粉末X線回折測定により行なった。その同定結果を下記表4に示す。実施例12及び実施例13の蛍光体は、目的物である(Sr0.75Ba0.25)0.85Eu0.15Si2O2N2と、(Sr0.75Ba0.25)2SiO4:Euとの混合物であると考えられる。一方、実施例14の蛍光体は、目的物である(Sr0.75Ba0.25)0.85Eu0.15Si2O2N2の単一相であると考えられる。
なお、実施例12〜14の相対発光ピーク強度を求める際の一段合成対照蛍光体として、原料の組成比を実施例12〜14と同様にし、焼成時間を実施例12〜14の二次焼成時間と同様にした他は、上述の比較例1と同様の手順により得られた蛍光体を用いた。
一般式{(Sr1-xBax)1-yEuy}2SiO4のyを0.15に固定し、xを後述の表5に示すように変化させ、各々に相当する化学量論比を満たす比率の原料(SrCO3、BaCO3、SiO2、Eu2O3)を用いた他は、実施例1と同様の条件で操作を行ない、生成物(実施例15〜17の蛍光体)を得た。
また、実施例15〜17の蛍光体について、実施例1と同様の手順により、波長460nmの青色光で励起した場合の発光スペクトルを測定した。実施例1、実施例8及び実施例15〜17の蛍光体の相対発光ピーク強度を下記表5に示す。
一般式{(Sr1-xBax)1-yEuy}2SiO4のxを0.25に固定し、xを後述の表6に示すように変化させ、各々に相当する化学量論比を満たす比率の原料(SrCO3、BaCO3、SiO2、Eu2O3)を用いた他は、実施例8と同様の条件で操作を行ない、生成物(実施例18〜21の蛍光体)を得た。
実施例1及び実施例18〜21の蛍光体について、実施例18(y=0.01)の蛍光体の発光ピーク強度を100%とした場合の相対発光ピーク強度、及び、一段合成対照蛍光体を基準とした場合の相対発光ピーク強度を、それぞれ下記表6に示す。
(一次焼成)
組成式Sr1.4Ba0.5Eu0.1SiO4(=(Sr0.74Ba0.26)1.9Eu0.1SiO4)となるように、SrCO3(白辰化学社製、純度98%)を5.37g、BaCO3(白辰化学社製、純度98%)を2.58g、Eu2O3(信越化学社製、純度99.99%)を0.48g、SiO2(龍森社製、99.99%)を1.57gとそれぞれ秤量し、アルミナ乳鉢にて十分に湿式混合した。次いで、この混合原料粉から250μm以下の粒径を有するものを篩い分けにより分取し、アルミナ坩堝に密充填した。このアルミナ坩堝を温度調節つき抵抗加熱式管状電気炉内に置き、大気圧下、流量0.5l/分の窒素96体積%+水素4体積%の混合気流中、室温から110℃まで、0.94℃/分の昇温速度で、110℃から200℃まで1℃/分、200℃から800℃まで4.6℃/分で、次いで、800℃から1250℃まで4.5℃/分で加熱し、その温度で3時間保持した。焼成後、室温まで放冷し、これを取り出してアルミナ乳鉢にて粉砕・混合を行った。
次に、1次焼成の生成物7.6gと、α−Si3N4(宇部興産製、SN−E10)3.6g及びフラックス剤としてNH4Cl(関東化学社製、純度99.0%)0.08g(0.67重量%)とを秤量し、アルミナ乳鉢にて湿式混合し、この混合粉から250μm以下の粒径を有するものを篩い分けにより分取し、アルミナ乳鉢に密充填した。このアルミナ坩堝を温度調節つき抵抗加熱式管状電気炉内に置き、大気圧下、流量0.5l/分の窒素96体積%+水素4体積%の混合気流中、室温から120℃まで、1.05℃/分の昇温速度で、120℃から200℃まで0.89℃/分、200℃から800℃まで4.6℃/分で、次いで、800℃から1450℃まで4.3℃/分で加熱し、その温度で8時間保持した。焼成後、室温まで放冷し、これを取り出してアルミナ乳鉢にて粉砕・混合を行い、Sr0.7Ba0.25Eu0.05Si2O2N2を得た。この蛍光体の発光特性を表7に示す。ここで、相対ピーク強度及び相対輝度は、化成オプトニクス社製P46−Y3を波長455nmの光で励起した場合の値をそれぞれ100としたときの相対値を示すものである。
実施例22の(二次焼成)において、α−Si3N4の代わりにα−Si3N4を加熱処理して得たβ−Si3N4を用いた以外は同様にして蛍光体を得た。この蛍光体の発光特性を表7に示す。
実施例22の(二次焼成)において、α−Si3N4の代わりにβ−Si3N4を用い、さらに焼成温度をそれぞれ1500℃(実施例24)又は1550℃(実施例25)とした以外は実施例22と同様にして蛍光体を得た。この蛍光体の発光特性を表8に示す。
(一次焼成)において、炭酸塩が熱分解して生成する炭酸ガスが還元雰囲気炉の発熱体を腐食するために、(一次焼成)の焼成炉を箱型電気炉(モトヤマ社製、RH‐2035D)に替えて、大気圧下、室温から110℃まで、0.94℃/分の昇温速度で、110℃から200℃まで1℃/分、200℃から800℃まで4.6℃/分で、次いで、800℃から1250℃まで4.5℃/分で加熱し、その温度で3時間保持した。焼成後、室温まで放冷し、これを取り出してアルミナ乳鉢にて粉砕・混合を行った。次いで、(二次焼成)の焼成時間を4時間とした以外は実施例25と同様にして焼成物を得た。これを取り出し、アルミナ乳鉢で粉砕処理後、1N‐塩酸中で15分間攪拌した。攪拌後上澄み液を捨て残存物を水で洗浄し乾燥させて、蛍光体を得た。この蛍光体の発光特性を表9に示す。これにより、1次焼成の焼成雰囲気を変化させても、同程度の特性を有する蛍光体を得ることができることがわかる。
(二次焼成)のフラックス剤として用いたNH4Clに替えて、それぞれ0.11g(0.87重量%)のZnCl2(実施例27)、0.12g(1.00重量%)のSrCl2(実施例28)、0.03g(0.27重量%)のNaF(実施例29)又は0.08g(0.69重量%)のZnF2(実施例30)用いた以外は実施例26と同様にして蛍光体を得た。この蛍光体の特性を表10に示す。
〔吸収効率、内部量子効率、及び外部量子効率の測定方法〕
以下のようにして、蛍光体の吸収効率αq、内部量子効率ηi、及び、外部量子効率効率ηo、を求めた。
この積分球に、蛍光体を励起するための発光光源(150WのXeランプ)から光ファイバーを用いて光を導入した。前記の発光光源からの光の発光ピーク波長を455nmの単色光となるようにモノクロメーター(回折格子分光器)等を用いて調整した。この単色光を励起光として、測定対象の蛍光体サンプルに照射し、分光測定装置(大塚電子株式会社製MCPD7000)を用いて、蛍光体サンプルの発光(蛍光)および反射光についてスペクトルを測定した。積分球内の光は、光ファイバーを用いて分光測定装置に導いた。
まず、後者の励起光の全フォトン数Nは、下記(式A)で求められる数値に比例する。そこで、励起光に対してほぼ100%の反射率Rを持つ反射板であるLabsphere製「Spectralon」(波長450nmの励起光に対して98%の反射率Rを持つ。)を、測定対象として、蛍光体サンプルと同様の配置で上述の積分球に取り付け、励起光を照射し、分光測定装置で測定することにより反射スペクトルIref(λ)を測定し、下記(式A)の値を求めた。
蛍光体サンプルによって吸収された励起光のフォトン数Nabsは下記(式B)で求められる量に比例する。
次に、内部量子効率ηiを以下のようにして求めた。内部量子効率ηiは、蛍光現象に由来するフォトンの数NPLを蛍光体サンプルが吸収したフォトンの数Nabsで割った値で
ある。
ここで、NPLは、下記(式C)で求められる量に比例する。そこで、下記(式C)で求められる量を求めた。
以上により、ηi=(式C)/(式B)を計算し、内部量子効率ηiを求めた。
なお、デジタルデータとなったスペクトルから積分を行うことに関しては、吸収効率αqを求めた場合と同様に行った。
そして、上記のようにして求めた吸収効率αqと内部量子効率ηiの積をとることで外部量子効率ηoを求めた。
また、上述のような特性を有する本発明の蛍光体を用いた本発明の発光装置は、通常の発光装置が用いられる各種の分野に使用可能であるが、中でも画像表示装置や照明装置の光源としてとりわけ好適に用いられる。
2 フレーム
2A フレームの凹部
3 青色LED(第1の発光体)
4 蛍光体含有部(第2の発光体)
5 銀ペースト
6 ワイヤ
7 モールド部
8 発光装置
9 基板
10 面発光型GaN系LD(第1の発光体)
11 第2の発光体
12 面発光照明装置
13 保持ケース
14 拡散板
Claims (16)
- オキシケイ素窒化物からなる蛍光体を製造する方法であって、
ケイ酸塩とSi3N4とを混合し、還元雰囲気下で焼成する工程を有する
ことを特徴とする、蛍光体の製造方法。 - 少なくともMI源、MII源、及びSi源を混合し、焼成することにより、前記一般式[2]の組成を有するケイ酸塩を得る工程を更に有する
ことを特徴とする、請求項3記載の蛍光体の製造方法。 - 焼成時にフラックスを用いる
ことを特徴とする、請求項1〜4の何れか一項に記載の蛍光体の製造方法。 - 下記一般式[1]で表わされる組成を有するとともに、
CuKαX線を用いた粉末X線回折パターンにおいて、回折角2θが30°以上、33°以下に存在する最も強度の高い回折線の強度を100%とした場合に、
回折角2θが11°以上、14°以下に存在する最も強度の高い回折線の強度が50%以上であり、
回折角2θが23°以上、27°以下に存在する最も強度の高い回折線の強度が200%以上であり、
その他の回折線の強度が何れも50%以下である
ことを特徴とする、蛍光体。
(前記一般式[1]中、
MIは、Sr以外の2価及び/又は3価の原子価を取り得る1種以上の金属元素を表わす。
MIIは、1種以上の希土類元素を表わす。
x及びyはそれぞれ、0≦x≦1、0<y≦1を満たす数を表わす。) - 前記一般式[1]において、xが1未満である
ことを特徴とする、請求項6記載の蛍光体。 - 前記一般式[1]において、MIIが少なくともEuを含有する
ことを特徴とする、請求項6又は請求項7に記載の蛍光体。 - 請求項6〜8の何れか一項に記載の蛍光体と、液状媒体とを含有する
ことを特徴とする、蛍光体含有組成物。 - 第1の発光体と、該第1の発光体からの光の照射によって可視光を発する第2の発光体とを備え、
該第2の発光体が、請求項6〜8の何れか一項に記載の蛍光体を少なくとも1種以上、第1の蛍光体として含有する
ことを特徴とする、発光装置。 - 前記第2の発光体が、前記第1の蛍光体とは発光波長の異なる少なくとも1種以上の蛍光体を、第2の蛍光体として含有する
ことを特徴とする、請求項10記載の発光装置。 - 前記第1の発光体が、420nm以上500nm以下の波長範囲に発光ピークを有し、
前記第2の発光体が、前記第2の蛍光体として、570nm以上680nm以下の波長範囲に発光ピークを有する少なくとも一種の蛍光体を含有する
ことを特徴とする、請求項11記載の発光装置。 - 前記第1の発光体が、300nm以上420nm以下の波長範囲に発光ピークを有し、
前記第2の発光体が、前記第2の蛍光体として、420nm以上490nm以下の波長範囲に発光ピークを有する少なくとも一種の蛍光体と、570nm以上680nm以下の波長範囲に発光ピークを有する少なくとも一種の蛍光体とを含有する
ことを特徴とする、請求項11記載の発光装置。 - 前記第1の発光体が、420nm以上500nm以下の波長範囲に発光ピークを有し、
前記第2の発光体が、前記第2の蛍光体として、580nm以上620nm以下の波長範囲に発光ピークを有する少なくとも1種の蛍光体を含有する
ことを特徴とする、請求項11記載の発光装置。 - 請求項10〜14の何れか一項に記載の発光装置を光源として備える
ことを特徴とする、画像表示装置。 - 請求項10〜14の何れか一項に記載の発光装置を光源として備える
ことを特徴とする、照明装置。
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