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JP2013060568A - Upconversion phosphor - Google Patents

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JP2013060568A
JP2013060568A JP2011201687A JP2011201687A JP2013060568A JP 2013060568 A JP2013060568 A JP 2013060568A JP 2011201687 A JP2011201687 A JP 2011201687A JP 2011201687 A JP2011201687 A JP 2011201687A JP 2013060568 A JP2013060568 A JP 2013060568A
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JP
Japan
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atoms
phosphor
rare earth
cerium
conversion
Prior art date
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Application number
JP2011201687A
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Japanese (ja)
Inventor
Tsuneyuki Tomita
恒之 冨田
Noriyuki Naruse
則幸 成瀬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokai University
Original Assignee
Tokai University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Tokai University filed Critical Tokai University
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Abstract

【課題】実用的な輝度を有するセラミックスであるアップコンバージョン型蛍光体、特にセリウム酸化物系セラミックスであるアップコンバージョン型蛍光体を提供すること。
【解決手段】母材である酸化セリウム(CeO2)に、シリコン原子(Si)および少なくとも1種の希土類原子がドープされ、該シリコン原子(Si)、セリウム原子(Ce)および全希土類原子の総数を100原子%としたときに、該シリコン原子(Si)を0.1〜50原子%含有するセラミックスであるアップコンバージョン型蛍光体。
【選択図】図2
An up-conversion type phosphor, which is a ceramic having practical luminance, and more particularly, an up-conversion type phosphor, which is a cerium oxide-based ceramic.
A cerium oxide (CeO 2 ) as a base material is doped with silicon atoms (Si) and at least one rare earth atom, and the total number of the silicon atoms (Si), cerium atoms (Ce), and all rare earth atoms. An up-conversion phosphor, which is a ceramic containing 0.1 to 50 atomic percent of the silicon atom (Si) when the content is 100 atomic percent.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、各種分野での利用が期待されている蛍光体、特にバイオ・メディカル分野などでの利用が期待されているアップコンバージョン型蛍光体に関する。   The present invention relates to a phosphor expected to be used in various fields, and more particularly to an up-conversion phosphor expected to be used in a biomedical field.

蛍光体は、取り込んだ外部エネルギーを可視光に変換する物質であって、蛍光灯、白色LED(light-emitting diode)、CRT(cathode-ray tube)ディスプレイ、プラズマディスプレイ、液晶ディスプレイ用バックライトなどの照明やディスプレイなどに広汎に使用利用されている。
上記蛍光体で起こる蛍光現象は、賦活剤となる原子において、電磁波の外部エネルギーを吸収することによって励起した電子が基底状態に戻る際に、可視光領域の波長の蛍光を放出する現象である。このような蛍光体で起こる外部エネルギーの可視光への変換は、大きく次の二つに分類される。
A phosphor is a substance that converts external energy taken into visible light, such as a fluorescent lamp, a white LED (light-emitting diode), a CRT (cathode-ray tube) display, a plasma display, a backlight for a liquid crystal display, etc. Widely used and used for lighting and displays.
The fluorescence phenomenon that occurs in the phosphor is a phenomenon in which, in an atom serving as an activator, when electrons excited by absorbing external energy of electromagnetic waves return to the ground state, fluorescence having a wavelength in the visible light region is emitted. The conversion of external energy into visible light that occurs in such a phosphor is roughly classified into the following two.

1つは、ダウンコンバージョンとして知られ、これは、蛍光体が、吸収した外部エネルギーよりも低いエネルギーを蛍光として放出する現象をいう。
より具体的には、通常紫外光、電子線あるいはX線のように可視光領域のエネルギーよりも高いエネルギーを有する外部エネルギーがダウンコンバージョン型蛍光体に吸収され、吸収された外部エネルギーよりも低いエネルギーである可視光をダウンコンバージョン型蛍光体から放出して、エネルギーの変換を行う方法である。
One is known as down-conversion, which refers to a phenomenon in which a phosphor emits energy as fluorescence that is lower than the absorbed external energy.
More specifically, external energy having energy higher than that in the visible light region, such as normal ultraviolet light, electron beam, or X-ray, is absorbed by the down-conversion phosphor, and energy lower than the absorbed external energy. This is a method for converting energy by emitting visible light from a down-conversion type phosphor.

そのような変換を行う物質としては、例えば、赤色蛍光体であるYVO4:Eu、青色蛍光体であるBaMgAl1017:Eu、緑色蛍光体であるZn2SiO4:Mnが知られている。 As substances that perform such conversion, for example, red phosphor YVO 4 : Eu, blue phosphor BaMgAl 10 O 17 : Eu, and green phosphor Zn 2 SiO 4 : Mn are known. .

もう1つは、アップコンバージョンとして知られ、これは、上記ダウンコンバージョンとは逆に、蛍光体が、吸収した外部エネルギーよりも高いエネルギーを蛍光として放出してエネルギーの変換を行う方法である。
より具体的には、通常は、赤外光のように可視光よりも長波長の低いエネルギー線である外部エネルギーがアップコンバージョン型蛍光体に吸収され、吸収された赤外光よりも高いエネルギーを有する赤外光よりも短波長である可視光を放出させて、エネルギーの変換を行う方法である。
The other is known as up-conversion, which is a method of converting energy by emitting a higher energy than the absorbed external energy as fluorescence, contrary to the down-conversion.
More specifically, normally, external energy, which is an energy line having a wavelength lower than that of visible light, such as infrared light, is absorbed by the up-conversion phosphor and has higher energy than the absorbed infrared light. This is a method of converting energy by emitting visible light having a shorter wavelength than infrared light.

アップコンバージョン型蛍光体としては、例えば、NaYF4:Er,Yb、Y23:Er,Yb、Gd23:Er,Ybが知られている。
これら蛍光体のうち、アップコンバージョン型蛍光体では、ダウンコンバージョン型蛍光体とは異なり、被照射対象物に損傷などの何らかの影響を与えがちな紫外光を外部エネルギーとして用いる必要がない。そこで、被照射対象物が例えば生体組織などであっても、被照射対象物にほとんどダメージを与えることがなく透過する赤外光、特に近赤外光を外部エネルギーとして用いることができ、特にバイオ・メディカル分野への応用が大きく期待されている。
For example, NaYF 4 : Er, Yb, Y 2 O 3 : Er, Yb, Gd 2 O 3 : Er, Yb are known as up-conversion phosphors.
Of these phosphors, up-conversion phosphors, unlike down-conversion phosphors, do not require the use of ultraviolet light, which tends to affect the irradiated object, as external energy. Therefore, even if the object to be irradiated is, for example, a living tissue, infrared light that transmits the object to be irradiated with little damage, particularly near infrared light can be used as external energy.・ It is highly expected to be applied to the medical field.

従来バイオ・メディカル分野では、蛍光タンパク質、ナノダウンコンバージョン蛍光体、および量子ドットがバイオイメージング用として利用されてきた。しかし、それら物質の化学安定性や安全性が懸念されていることから、それらに代わってアップコンバージョン型蛍光体が注目されている。
そのようなアップコンバージョン型蛍光体となる物質の一例として、母材であるハロゲン化物に希土類原子をドープした、NaYF4:Er,Ybのようなフッ化物系セラミックスや、母材である酸化物に希土類原子をドープした、CeO2:Er,Ybのような酸化物系セラミックスが知られている(特許文献1および特許文献2)。
Conventionally, in the biomedical field, fluorescent proteins, nano-down conversion phosphors, and quantum dots have been used for bioimaging. However, since there is a concern about the chemical stability and safety of these substances, up-conversion phosphors are attracting attention instead.
As an example of such a substance that becomes an up-conversion type phosphor, a fluoride ceramic such as NaYF 4 : Er, Yb in which a halide as a base material is doped with a rare earth atom, or an oxide as a base material is used. Oxide ceramics such as CeO 2 : Er, Yb doped with rare earth atoms are known (Patent Document 1 and Patent Document 2).

このような特殊な金属フッ化物に希土類原子をドープした前者のフッ化物系セラミックスは高輝度を示すが、酸化物に希土類原子をドープした後者の酸化物系セラミックスでは未だ十分な実用的な輝度は達成されていない。   The former fluoride-based ceramics doped with rare earth atoms in such a special metal fluoride show high brightness, but the latter oxide-based ceramics doped with rare earth atoms in oxides still have sufficient practical brightness. Not achieved.

特開2006−117864号公報JP 2006-117864 A 特開2004−107612号公報JP 2004-107612 A

本発明の目的は、実用的な輝度を有するセラミックスであるアップコンバージョン型蛍光体、特にセリウム酸化物系セラミックスであるアップコンバージョン型蛍光体を提供することにある。
また、本発明は、高い化学的安定性を示すと同時に製造が容易であるアップコンバージョン型蛍光体の提供を目的としている。
さらに、本発明は、赤外光領域にピークを有する赤外光を用いて可視光領域にピークを有する高輝度の可視光の蛍光を発光することができるアップコンバージョン型蛍光体の提供を目的としている。
また、さらに本発明は、幅広い用途に使用することができるアップコンバージョン型蛍光体を提供することを目的としている。
なお、本明細書において、「高輝度」とは、例えば、CeO2:Er,Ybなどの従来の酸化物系セラミックスの輝度に比べて高い輝度をいう。
An object of the present invention is to provide an up-conversion type phosphor that is a ceramic having practical luminance, in particular, an up-conversion type phosphor that is a cerium oxide-based ceramic.
Another object of the present invention is to provide an up-conversion phosphor that exhibits high chemical stability and is easy to manufacture.
A further object of the present invention is to provide an upconversion phosphor capable of emitting high-luminance visible light fluorescence having a peak in the visible light region using infrared light having a peak in the infrared light region. Yes.
Another object of the present invention is to provide an up-conversion type phosphor that can be used for a wide range of applications.
In the present specification, “high luminance” means higher luminance than the luminance of conventional oxide ceramics such as CeO 2 : Er, Yb.

本発明は、母材である酸化セリウム(CeO2)に、シリコン原子(Si)および少なくとも1種の希土類原子がドープされ、該シリコン原子(Si)、セリウム原子(Ce)および全希土類原子の総数を100原子%としたときに、該シリコン原子(Si)を0.1〜50原子%含有するセラミックスであるアップコンバージョン型蛍光体である。 In the present invention, the base material cerium oxide (CeO 2 ) is doped with silicon atoms (Si) and at least one rare earth atom, and the total number of silicon atoms (Si), cerium atoms (Ce) and all rare earth atoms Is an up-conversion type phosphor that is a ceramic containing 0.1 to 50 atomic percent of the silicon atom (Si) when the atomic percentage is 100 atomic percent.

ここで、前記希土類原子は、エルビウム原子(Er)および/またはイッテルビウム原子(Yb)であることが望ましい。
また本発明のセラミックスは、電子顕微鏡を用いて測定して求めた数平均粒子径が1〜200nmの範囲にある微粒子群から構成されることが望ましい。
そして、本発明のアップコンバージョン型蛍光体は、960〜1000nmの近赤外光を吸収して、450〜750nmの可視光を発光するセラミックス蛍光体であることが好ましい。
Here, the rare earth atoms are preferably erbium atoms (Er) and / or ytterbium atoms (Yb).
The ceramic of the present invention is preferably composed of a group of fine particles having a number average particle diameter determined by measurement using an electron microscope in the range of 1 to 200 nm.
The up-conversion phosphor of the present invention is preferably a ceramic phosphor that absorbs near infrared light of 960 to 1000 nm and emits visible light of 450 to 750 nm.

本発明によれば、従来の酸化物系セラミックス蛍光体の中では輝度が高いとされてきたCeO2:Er,Ybよりもさらに輝度が高く、しかも耐水性のように環境に起因する負荷に対する耐性のような化学的安定性も高い酸化セリウム系セラミックスであるアップコンバージョン型蛍光体を提供することができる。 According to the present invention, the brightness is higher than that of CeO 2 : Er, Yb, which has been considered to have a high brightness among the conventional oxide ceramic phosphors, and the resistance to the load caused by the environment such as water resistance. Thus, it is possible to provide an up-conversion type phosphor that is a cerium oxide ceramic having high chemical stability.

そしてこのアップコンバージョン型蛍光体は、母材である酸化セリウム(CeO2)にシリコン原子(Si)が希土類原子と共にドープされている。
従って、母材である酸化セリウム(CeO2)にシリコン原子(Si)がドープされていないセラミックス蛍光体に比して、より小さい一次粒子群から構成され、該一次粒子群の粒度分布の標準偏差が小さく平均粒径がそろった状態であり、例えば平均粒径が1〜200nmの微粒子群を構成する。
In this up-conversion type phosphor, silicon atoms (Si) are doped together with rare earth atoms in the base material, cerium oxide (CeO 2 ).
Therefore, it is composed of smaller primary particle groups than the ceramic phosphor in which the base material cerium oxide (CeO 2 ) is not doped with silicon atoms (Si), and the standard deviation of the particle size distribution of the primary particle groups Is a state in which the average particle size is uniform, for example, a fine particle group having an average particle size of 1 to 200 nm is formed.

このような、本発明によれば、例えば、バイオ・メディカル分野への利用が可能なサイズの粒子を容易に提供できる。   According to the present invention as described above, for example, particles of a size that can be used in the biomedical field can be easily provided.

CeO2の計算値(シミュレーションパターン)および3〜7、参考例1および比較例1で得られたセラミックスのX線回折分析結果であり、角度(2θ)と強度(a.u.)との関係を示すパターンである(「CeO2 Cubic ICSD#29046」は「CeO2の計算値」であり、「%」は「原子%」である)。The calculated values (simulation pattern) of CeO 2 and the results of X-ray diffraction analysis of ceramics obtained in 3 to 7, Reference Example 1 and Comparative Example 1, and the relationship between angle (2θ) and strength (au) (“CeO 2 Cubic ICSD # 29046” is “calculated value of CeO 2 ” and “%” is “atomic%”). 実施例1および比較例1で得られたセラミックスに980nmの近赤外光を照射したときの、発光した光の波長と強度(a.u.)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the wavelength of emitted light, and intensity | strength (au) when 980 nm near-infrared light is irradiated to the ceramics obtained in Example 1 and Comparative Example 1. FIG. 実施例1および比較例1で得られたセラミックスの走査型電子顕微鏡写真(SEM)を示す。The scanning electron micrograph (SEM) of the ceramics obtained in Example 1 and Comparative Example 1 is shown. 実施例1、2、4および比較例1で得られたセラミックスに980nmの電磁波を照射した時の、セラミックス中のケイ素原子(Si)の量(%)と560nmでの蛍光強度(a.u.)との関係を示す図である(「%」は「原子%」である)。When the ceramics obtained in Examples 1, 2, 4 and Comparative Example 1 were irradiated with electromagnetic waves of 980 nm, the amount (%) of silicon atoms (Si) in the ceramics and the fluorescence intensity (au) at 560 nm. ("%" Is "atomic%"). 実施例8および比較例2で得られたセラミックスに980nmの近赤外光を照射したときの、発光した光の波長と強度(a.u.)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the wavelength of emitted light, and intensity | strength (au) when 980 nm near-infrared light is irradiated to the ceramics obtained in Example 8 and Comparative Example 2. FIG.

[定義]
本明細書においては、下記用語を次の通り定義する。
「可視光」とは、波長が380〜750nmの電磁波をいい、可視光線ともいう。
「紫外光」とは、波長が10nm以上380nm未満の電磁波をいい、紫外線ともいう。
「赤外光」とは、波長が750nmを越えて1000000nm以下の電磁波をいい、赤外線ともいう。
「近赤外光」とは、赤外光のうち、波長が750nmを越えて2500nm以下の電磁波をいい、近赤外線ともいう。
[Definition]
In this specification, the following terms are defined as follows.
“Visible light” refers to an electromagnetic wave having a wavelength of 380 to 750 nm, and is also referred to as visible light.
“Ultraviolet light” refers to an electromagnetic wave having a wavelength of 10 nm or more and less than 380 nm, and is also referred to as ultraviolet light.
“Infrared light” refers to electromagnetic waves having a wavelength of more than 750 nm and less than or equal to 1000000 nm, and are also referred to as infrared rays.
“Near-infrared light” refers to an electromagnetic wave having a wavelength exceeding 750 nm and not more than 2500 nm among infrared light, and is also referred to as near-infrared light.

セラミックスの組成を、例えば、「Ce0.841.98:Er0.035Yb0.0044Si0.12」のように、組成式、コロン(:)、元素記号および数字(元素毎に全て表示)で表した場合は、コロンの左側の組成式はセラミックスの基本骨格構造の組成式を表し、コロンの右側の元素記号は母材にドープされた原子の種類を表し、下付き数字はシリコン原子(Si)、セリウム原子(Ce)および全希土類原子の総数を1とした時の各原子の数をそれぞれ表す。この表記は、例えば元素分析測定などで決定されたセラミックスの実際の組成を示す。なお、コロンを省略する場合がある。 When the ceramic composition is expressed by a composition formula, colon (:), element symbol and number (all displayed for each element), for example, “Ce 0.84 O 1.98 : Er 0.035 Yb 0.0044 Si 0.12 ”, the colon The composition formula on the left side of the ceramics represents the composition formula of the basic skeleton structure of the ceramic, the element symbol on the right side of the colon represents the type of atoms doped in the base material, and the subscript numbers are silicon atoms (Si), cerium atoms (Ce) ) And the total number of all rare earth atoms is 1, respectively. This notation indicates the actual composition of ceramics determined by, for example, elemental analysis measurement. Note that the colon may be omitted.

これに対して、例えば、「CeO2:Er,Yb」のように、コロンの右側に数字を記載しない場合には、コロンの左側は母材を表し、コロンの右側はドーパントの種類を表す。この表記は、セラミックスの実際の組成(各原子の構成比)を示すものではない。なお、コロンを省略する場合がある。 On the other hand, for example, when no number is written on the right side of the colon as in “CeO 2 : Er, Yb”, the left side of the colon represents the base material, and the right side of the colon represents the type of dopant. This notation does not indicate the actual composition of ceramics (composition ratio of each atom). Note that the colon may be omitted.

「母材」とは、シリコン原子(Si)や希土類原子などドーパントがドープ(ドーピング)される被ドープ体(被ドーピング体)を構成するものをいう。「母材」の組成は、セラミックス中における実際の組成を示すものではない。セラミックス中における実際の組成を示す場合には、別途「基本構造骨格」として表記する。例えば、後述する「Ce0.841.98:Er0.035Yb0.0044Si0.12」の組成を有するセラミックスでは、母材の組成が「酸化セリウム(CeO2)」であり、基本構造骨格が「Ce0.841.98」である。但し、X線回折測定では、基本構造骨格がCeO2と異なっていても、そのピーク値は「CeO2」に一致する。
また、Y23やGd23などを母材として用いることはできるが、CeO2を母材とする態様に比して、セラミックスの発光蛍光強度が劣るため、本発明においてはCeO2を母材とする。
“Base material” refers to a material constituting a doped body (doped body) doped with a dopant such as silicon atoms (Si) and rare earth atoms. The composition of the “base material” does not indicate the actual composition in the ceramic. When the actual composition in ceramics is indicated, it is separately indicated as “basic structure skeleton”. For example, in a ceramic having a composition of “Ce 0.84 O 1.98 : Er 0.035 Yb 0.0044 Si 0.12 ” to be described later, the composition of the base material is “cerium oxide (CeO 2 )” and the basic structural skeleton is “Ce 0.84 O 1.98 ”. It is. However, in the X-ray diffraction measurement, even if the basic structural skeleton is different from CeO 2 , the peak value coincides with “CeO 2 ”.
Although Y 2 O 3 and Gd 2 O 3 and the like may be used as a base material, a CeO 2 as compared with the embodiment in which a base material, since the emission fluorescence intensity of ceramics is inferior, in the present invention CeO 2 Is the base material.

「酸化セリウム」とは、特に断りがない限り、化学式「CeO2」で表される4価の酸化セリウムをいう。なお、化学式「CeO2」で表される4価の酸化セリウムは、化学式「Ce23」で表される3価の酸化セリウムに比べて、得られる蛍光体の輝度が非常に高い点で優位である。 “Cerium oxide” refers to tetravalent cerium oxide represented by the chemical formula “CeO 2 ” unless otherwise specified. In addition, the tetravalent cerium oxide represented by the chemical formula “CeO 2 ” is extremely brighter than the trivalent cerium oxide represented by the chemical formula “Ce 2 O 3 ”. It is an advantage.

「ドープ」あるいは「ドーピング」とは、少量の不純物(ドーパント)を母材に対して添加することをいう。ドーパントは、母材である酸化セリウム(CeO2)に何らかの形で存在していればよく、該酸化セリウム(CeO2)の結晶格子の原子と置換されていてもよいし、該酸化セリウム(CeO2)の結晶格子とドーパントとが混在する混合状態でもよい。 “Doping” or “doping” refers to adding a small amount of impurities (dopant) to a base material. Dopant has only to be present in some form of cerium oxide (CeO 2) as the base material, it may be substituted with the crystal lattice of atoms of oxide cerium (CeO 2), oxide of cerium (CeO 2 ) A mixed state in which the crystal lattice and the dopant are mixed may be used.

「酸化セリウム(CeO2)の結晶格子」とは、酸化セリウム(CeO2)の結晶格子のみならず、酸化セリウム(CeO2)の少なくとも一部の原子がドーパントに由来する原子などにより置換されている結晶格子をも含めていう。「酸化セリウム(CeO2)の結晶構造」についても同様である。 “Crystal lattice of cerium oxide (CeO 2 )” means that not only the crystal lattice of cerium oxide (CeO 2 ) but also at least a part of atoms of cerium oxide (CeO 2 ) are substituted by atoms derived from a dopant. This includes the crystal lattice. The same applies to “the crystal structure of cerium oxide (CeO 2 )”.

「ドープ量」とは、母材にドープされた量(母材に含有されるドーパントの量)をいう。
「原子%」とは、特定の原子群の総数を100原子%とした時の、対象原子数の割合(百分率)をいう。
「a.u.」は、「arbitrary unit」の略であり、任意単位であることを示す.
以下、本発明について説明する。
1.アップコンバージョン型蛍光体
本発明に係るアップコンバージョン型蛍光体は、母材である酸化セリウム(CeO2)に、シリコン原子(Si)および少なくとも1種の希土類原子が特定量ドープされたセラミックスである。ドーパントであるシリコン原子(Si)および少なくとも1種の希土類原子は、該アップコンバージョン型蛍光体中に均一に分布している。
The “doping amount” refers to an amount doped in the base material (amount of dopant contained in the base material).
“Atom%” refers to the ratio (percentage) of the number of target atoms when the total number of specific atomic groups is 100 atomic%.
“Au” is an abbreviation for “arbitrary unit” and indicates an arbitrary unit.
The present invention will be described below.
1. Up-conversion type phosphor The up-conversion type phosphor according to the present invention is a ceramic in which a specific amount of silicon atoms (Si) and at least one rare earth atom is doped into a base material, cerium oxide (CeO 2 ). The silicon atoms (Si), which are dopants, and at least one rare earth atom are uniformly distributed in the upconversion phosphor.

1−1.アップコンバージョン型蛍光体の構成
<母材:酸化セリウム(CeO 2 )>
上記アップコンバージョン型蛍光体の母材である酸化セリウム(CeO2)には、その結晶構造中に希土類原子が、例えば、アップコンバージョン発光できる状態に担持されているか、あるいは、原子置換などにより取込まれたりしている。このようにして、希土類原子がドープされている。
母材である酸化セリウムは、励起光に対して透明性を有するものであればよく、4価の酸化セリウムであれば特に限定されない。ここで、「励起光に対して透明性を有する」とは、励起光を吸収したり、励起光と相互作用を起こして散乱などを生じたりしないことをいう。
1-1. Configuration of up-conversion phosphor
<Base material: Cerium oxide (CeO 2 )>
The cerium oxide (CeO 2 ), which is the base material of the upconversion phosphor, has rare earth atoms supported in its crystal structure, for example, in a state capable of upconversion emission, or incorporated by atomic substitution or the like. It is rare. In this way, rare earth atoms are doped.
The cerium oxide as the base material is not particularly limited as long as it is transparent to excitation light as long as it is tetravalent cerium oxide. Here, “having transparency with respect to the excitation light” means that the excitation light is not absorbed or does not cause scattering due to interaction with the excitation light.

<希土類原子>
本発明のアップコンバージョン型蛍光体には、母材である酸化セリウム(CeO2)に希土類原子がドープされている。
上記酸化セリウムにドープされる希土類原子としては、エルビウム原子(Er)、ホルミウム原子(Ho)、プラセオジム原子(Pr)、ツリウム原子(Tm)、ネオジム原子(Nd)、ガドリニウム原子(Gd)、ユウロピウム原子(Eu)、イッテルビウム原子(Yd)、およびサマリウム原子(Sm)が挙げられる。
これらは、1種単独で上記酸化セリウム(CeO2)にドープされてもよいし、2種以上が組み合わされて上記酸化セリウム(CeO2)にドープされてもよいが、発光色の種類の選択幅や輝度(蛍光度)の高さの観点から、2種またはそれ以上を組合せて上記酸化セリウムにドープされることが好ましい。
<Rare earth atoms>
In the up-conversion type phosphor of the present invention, rare earth atoms are doped in cerium oxide (CeO 2 ) as a base material.
The rare earth atoms doped in the cerium oxide include erbium atoms (Er), holmium atoms (Ho), praseodymium atoms (Pr), thulium atoms (Tm), neodymium atoms (Nd), gadolinium atoms (Gd), europium atoms. (Eu), ytterbium atom (Yd), and samarium atom (Sm).
These may be doped singly into the cerium oxide (CeO 2 ), or two or more may be combined and doped into the cerium oxide (CeO 2 ). From the viewpoint of width and brightness (fluorescence), the cerium oxide is preferably doped in combination of two or more.

これらの希土類原子は、発光色の波長および輝度(蛍光度)を考慮して適宜選択することができるが、特にエルビウム原子(Er)および/またはイッテルビウム原子(Yd)を選択するあるいは組合せることが、高輝度のアップコンバージョン型蛍光体を提供できる観点より好ましい。なかでも、エルビウム原子(Er)を賦活剤とし、他の希土類原子を共賦活剤とする組合せが好ましく、特にエルビウム原子(Er)およびイッテルビウム原子(Yd)を組合せて用いると、希土類原子を1種単独で用いた態様やその他の組合せで希土類原子を用いた態様に比して、アップコンバージョン型蛍光体の蛍光挙動の再現性が高く、また、アップコンバージョン型蛍光体がより高い輝度の蛍光を発する傾向にある。   These rare earth atoms can be appropriately selected in consideration of the wavelength and luminance (fluorescence) of the emission color. In particular, erbium atoms (Er) and / or ytterbium atoms (Yd) can be selected or combined. From the viewpoint of providing a high-brightness up-conversion phosphor. Especially, the combination which uses an erbium atom (Er) as an activator and another rare earth atom as a coactivator is preferable, and when a combination of erbium atom (Er) and ytterbium atom (Yd) is used, one kind of rare earth atom is used. Compared to the mode of using alone or other rare earth atoms in combination, the upconversion type phosphor has higher reproducibility of the fluorescence behavior, and the upconversion type phosphor emits fluorescence with higher brightness. There is a tendency.

<シリコン原子(Si)>
本発明のアップコンバージョン型蛍光体には、母材である酸化セリウム(CeO2)に上記希土類原子の他に、シリコン原子(Si)もドープされている。
該アップコンバージョン型蛍光体には、シリコン(Si)がドープされているので、シリコン(Si)がドープされていないアップコンバージョン型蛍光体に比して、高い輝度の蛍光を発する。
<Silicon atom (Si)>
In the upconversion phosphor of the present invention, cerium oxide (CeO 2 ) as a base material is doped with silicon atoms (Si) in addition to the rare earth atoms.
Since the up-conversion phosphor is doped with silicon (Si), it emits fluorescence with higher brightness than an up-conversion phosphor not doped with silicon (Si).

<その他成分>
本発明のアップコンバージョン型蛍光体には、上記母材である酸化セリウム(CeO2)、ドーパントである希土類原子およびシリコン原子(Si)以外にも、本発明の目的を損なわない範囲内で、例えばアルミニウム(Al)などのその他成分が必要に応じて含まれていてもよい。
しかし、その他成分原子を添加することにより得られる蛍光体の輝度が低下する傾向があるという観点からは、本発明のアップコンバージョン型蛍光体は、上記母材である酸化セリウム(CeO2)、ドーパントである希土類原子およびシリコン原子(Si)以外のその他成分が、通常の場合、0.1重量%以下であることが望ましい。
<Other ingredients>
In the up-conversion type phosphor of the present invention, in addition to cerium oxide (CeO 2 ) as a base material, rare earth atoms and silicon atoms (Si) as dopants, the scope of the present invention is not impaired. Other components such as aluminum (Al) may be included as necessary.
However, from the viewpoint that the luminance of the phosphor obtained by adding other component atoms tends to decrease, the up-conversion phosphor of the present invention is composed of cerium oxide (CeO 2 ), which is the base material, and a dopant. In general, the other components other than rare earth atoms and silicon atoms (Si) are preferably 0.1% by weight or less.

1−2.アップコンバージョン型蛍光体の組成
本発明のアップコンバージョン型蛍光体の組成は下記式(1)で表すことができる。
Cemn:RxSiyz・・・(1)
式(1)中、Rは希土類原子(1種または2種以上)を表し、Aは上記その他成分を表す。m、n、x、yおよびzは、それぞれ順に、セリウム原子(Ce)数、酸素原子(O)数、全希土類原子(R)数、シリコン原子(Si)数、その他成分(A)の原子数を表す。
いずれの原子も、それぞれ、アップコンバージョン型蛍光体が高い輝度の光を放出するという観点より、次に示す量でアップコンバージョン型蛍光体に含まれることが望ましい。
1-2. Composition of Upconversion Phosphor The composition of the upconversion phosphor of the present invention can be represented by the following formula (1).
Ce m O n: R x Si y A z ··· (1)
In formula (1), R represents a rare earth atom (one or more), and A represents the above-mentioned other components. m, n, x, y, and z are, respectively, the number of cerium atoms (Ce), the number of oxygen atoms (O), the number of all rare earth atoms (R), the number of silicon atoms (Si), and the other component (A) atoms. Represents a number.
Each of the atoms is preferably contained in the upconversion phosphor in the following amounts from the viewpoint that the upconversion phosphor emits light with high luminance.

<シリコン原子(Si)、セリウム原子(Ce)および全希土類原子の総数を100原子%としたとき(m+x+y=1)>
上記アップコンバージョン型蛍光体中のシリコン原子(Si)、セリウム原子(Ce)および全希土類原子の総数を100原子%としたとき(m+x+y=1)に:
セリウム原子(Ce)は、通常50〜99.9原子%(m=0.50〜0.999)、好ましくは70〜89原子%(m=0.70〜0.89)、より好ましくは79〜89原子%(m=0.79〜0.86)であり;
希土類原子は、Erおよび/またはYb(Rx=Erx1、Ybx2、または、Erx1Ybx2、x1およびx2は、それぞれ順に、エルビウム原子(Er)数、イッテルビウム原子(Yb)数を表す)であるときは、
Erが、通常0.1〜20原子%(x1=0.001〜0.2)、好ましくは1〜10原子%(x1=0.01〜0.1)、より好ましくは3〜5原子%(x1=0.03〜0.05)であり、
Ybが、0.05〜30原子%(x2= 0.0005〜0.3)、好ましくは0.1〜20原子%(x2=0.001〜0.2)、より好ましくは0.3〜3原子%(x2= 0.003〜0.03)であり;
シリコン原子(Si)の添加量(ドープ量)は、(酸化セリウム(CeO2)にドープする希土類原子の種類や所望する輝度の程度(蛍光度の強度)によっても変るが)通常0.1〜50原子%(y=0.001〜0.5)、好ましくは1〜20原子%(y=0.01〜0.2)、より好ましくは10〜20原子%(y=0.10〜0.20)、さらに好ましくは11〜13原子%(y=0.11〜0.13)であり;
その他成分(A)は、1原子%以下であることが好ましく、(z≦1)、0.1原子%以下であることがより好ましく(z≦0.1)、0原子%(z=0)であることが特に好ましい。なお、酸素原子(O)の量は、他の原子の酸化数との関係により自ずと決定される。
<When the total number of silicon atoms (Si), cerium atoms (Ce) and all rare earth atoms is 100 atomic% (m + x + y = 1)>
When the total number of silicon atoms (Si), cerium atoms (Ce) and all rare earth atoms in the upconversion phosphor is 100 atomic% (m + x + y = 1):
The cerium atom (Ce) is usually 50 to 99.9 atomic% (m = 0.50 to 0.999), preferably 70 to 89 atomic% (m = 0.70 to 0.89), more preferably 79. -89 atomic% (m = 0.79-0.86);
Rare earth atoms are Er and / or Yb (R x = Er x1 , Yb x2 , or Er x1 Yb x2 , x1 and x2 represent the number of erbium atoms (Er) and the number of ytterbium atoms (Yb), respectively) When
Er is usually 0.1 to 20 atomic% (x1 = 0.001 to 0.2), preferably 1 to 10 atomic% (x1 = 0.01 to 0.1), more preferably 3 to 5 atomic%. (X1 = 0.03-0.05),
Yb is 0.05 to 30 atomic% (x2 = 0.005 to 0.3), preferably 0.1 to 20 atomic% (x2 = 0.001 to 0.2), more preferably 0.3 to 3 atomic% (x2 = 0.003 to 0.03);
The addition amount (doping amount) of silicon atoms (Si) is usually 0.1 to 0.1 (although it varies depending on the kind of rare earth atoms doped in cerium oxide (CeO 2 ) and the desired brightness level (fluorescence intensity)). 50 atomic% (y = 0.001 to 0.5), preferably 1 to 20 atomic% (y = 0.01 to 0.2), more preferably 10 to 20 atomic% (y = 0.10 to 0) 20), more preferably 11-13 atomic% (y = 0.1-10.13);
The other component (A) is preferably 1 atomic% or less, (z ≦ 1), more preferably 0.1 atomic% or less (z ≦ 0.1), and 0 atomic% (z = 0). Is particularly preferred. The amount of oxygen atom (O) is naturally determined by the relationship with the oxidation number of other atoms.

<セリウム原子(Ce)数を1としたとき(m=1)>
上記アップコンバージョン型蛍光体中のセリウム原子(Ce)数を1としたとき(m=1)に:
希土類原子(Er)数(x)は、通常0.0012〜0.2395、好ましくは0.012〜0.12、より好ましくは0.036〜0.06であり;
希土類原子がErおよび/またはYbであるときは、
希土類原子(Yb)数(x')は、通常0.0006〜0.36、好ましくは0.0012〜0.24、より好ましくは0.0036〜0.036であり;
シリコン原子(Si)数(y)は、酸化セリウム(CeO2)にドープする希土類原子の種類や所望する輝度の程度(蛍光度の強度)にもよるが、通常0.0012〜0.6、好ましくは0.012〜0.24、より好ましくは0.12〜0.24、さらに好ましくは0.13〜0.16であり;
その他成分(A)の原子数(z)は、0.1以下であることが好ましく、0であることがより好ましい。なお、酸素原子(O)の量は、他の原子の酸化数との関係により自ずと決定される。
<When the number of cerium atoms (Ce) is 1 (m = 1)>
When the number of cerium atoms (Ce) in the upconversion phosphor is 1 (m = 1):
The rare earth atom (Er) number (x) is usually 0.0012 to 0.2395, preferably 0.012 to 0.12, more preferably 0.036 to 0.06;
When the rare earth atom is Er and / or Yb,
The rare earth atom (Yb) number (x ′) is usually 0.0006 to 0.36, preferably 0.0012 to 0.24, more preferably 0.0036 to 0.036;
The number of silicon atoms (Si) (y) depends on the kind of rare earth atoms doped in cerium oxide (CeO 2 ) and the desired brightness level (fluorescence intensity), but is usually 0.0012 to 0.6, Preferably it is 0.012-0.24, More preferably, it is 0.12-0.24, More preferably, it is 0.13-0.16;
The number of atoms (z) of the other component (A) is preferably 0.1 or less, and more preferably 0. The amount of oxygen atom (O) is naturally determined by the relationship with the oxidation number of other atoms.

特に、上記希土類原子としてエルビウム原子(Er)およびイッテルビウム原子(Yb)を酸化セリウムにドープする場合には、好ましい態様として、下記式(2)で表されるアップコンバージョン型蛍光体を例示すると、
Cemn:Erx1Ybx2Siy・・・(2)
(式(2)中、m、n、yは、上記式(1)の定義と同じ。x1、x2は前述の通り。)、
上記アップコンバージョン型蛍光体中のセリウム原子(Ce)の量を1としたとき(m=1)に、エルビウム原子(Er)の数(x1)は、好ましくは0.001〜0.2、より好ましくは0.01〜0.1、0.03〜0.05であり、同じくイッテルビウム原子(Yb)数(x2)は、好ましくは0.0005〜0.2、より好ましくは0.001〜0.1、特に好ましくは0.003〜0.03である。
In particular, in the case where cerium oxide is doped with erbium atoms (Er) and ytterbium atoms (Yb) as the rare earth atoms, as an example, an upconversion phosphor represented by the following formula (2) is exemplified.
Ce m O n: Er x1 Yb x2 Si y ··· (2)
(In the formula (2), m, n, and y are the same as the definitions in the above formula (1). X1 and x2 are as described above.),
When the amount of cerium atoms (Ce) in the upconversion phosphor is 1 (m = 1), the number (x1) of erbium atoms (Er) is preferably 0.001 to 0.2. Preferably it is 0.01-0.1, 0.03-0.05, and the ytterbium atom (Yb) number (x2) is preferably 0.0005-0.2, more preferably 0.001-0. .1, particularly preferably 0.003 to 0.03.

<その他>
シリコン原子(Si)数(y)は、全希土類原子の総数を1(x=1)とした時に、好ましくは0.1〜23、より好ましくは1〜6、さらに好ましくは2.5〜5.6、特に好ましくは2.5〜4.0である。
<Others>
The number of silicon atoms (Si) (y) is preferably 0.1 to 23, more preferably 1 to 6, and further preferably 2.5 to 5 when the total number of all rare earth atoms is 1 (x = 1). .6, particularly preferably 2.5 to 4.0.

1−3.アップコンバージョン型蛍光体の性状など
上記アップコンバージョン型蛍光体は、フィールドエミッション型走査型電子顕微鏡(以下、FE−SEMともいう)を用いて次の通り求めた数平均粒子径が、好ましくは1〜200nm、より好ましくは10〜150nm、特に好ましくは20〜80nmの範囲にある微粒子群から構成されることが望ましい。
1-3. The above-mentioned up-conversion phosphor such as the properties of the up-conversion phosphor preferably has a number average particle diameter determined as follows using a field emission scanning electron microscope (hereinafter also referred to as FE-SEM), preferably 1 to It is desirable to be composed of fine particle groups in the range of 200 nm, more preferably 10 to 150 nm, particularly preferably 20 to 80 nm.

数平均粒径の求め方:
FE−SEMを用いて撮影した倍率100,000倍の電子顕微鏡写真において、任意の1220nm×910nmの領域内で任意の30個の粒子を選択し、それぞれの粒子について長径(nm)と短径(nm)を測定する。
ここで、各粒子は、球形とは限らないので、最も長い径の長さを長径とし、該長径の方向(長軸)に対して粒子形内部で垂直方向(短軸)に交わる垂直二等分線の長さを短径とする。球形の場合は、長径=短径である。
次に、各粒子について、下記式(1)より長径と短径の平均径を求める。
長径と短径の平均径(nm)={長径(nm)+短径(nm)}/2 ・・・(1)
次に、下記式(2)より数平均粒子径を求める。
数平均粒子径(nm)={30個の粒子の、長径と短径の平均径の合計(nm)
/30} ・・・(2)
How to find the number average particle size:
In an electron micrograph of a magnification of 100,000, which was taken using an FE-SEM, arbitrary 30 particles were selected within an arbitrary 1220 nm × 910 nm region, and the major axis (nm) and minor axis ( nm).
Here, since each particle is not necessarily spherical, the length of the longest diameter is taken as the major axis, and the perpendicular second etc. intersecting the perpendicular direction (minor axis) inside the particle shape with respect to the major axis direction (major axis) The length of the branch line is the minor axis. In the case of a sphere, the major axis is the minor axis.
Next, about each particle | grain, the average diameter of a major axis and a minor axis is calculated | required from following formula (1).
Average diameter of major axis and minor axis (nm) = {major axis (nm) + minor axis (nm)} / 2 (1)
Next, a number average particle diameter is calculated | required from following formula (2).
Number average particle diameter (nm) = {total of major diameter and minor diameter of 30 particles (nm)
/ 30} (2)

また、該アップコンバージョン型蛍光体は、高い輝度を示す観点から、数平均粒子径および粒子形状がそろった微粒子群から構成されることが好ましい。
具体的には、上記アップコンバージョン型蛍光体を構成する上記微粒子群の数平均粒子径が上記範囲にあり、同じくFE−SEMを用いて次の通り求めた粒度分布の標準偏差が0〜25であることが好ましい。
In addition, the up-conversion phosphor is preferably composed of a group of fine particles having the same number average particle diameter and particle shape from the viewpoint of high brightness.
Specifically, the number average particle diameter of the fine particle group constituting the upconversion phosphor is in the above range, and the standard deviation of the particle size distribution obtained as follows using the FE-SEM is 0 to 25. Preferably there is.

粒度分布の標準偏差の求め方:
平均粒子径の求め方の項目で述べた方法で、30個の粒子のそれぞれの長径と短径の平均径(nm)と数平均粒子径(nm)を求める。
次に、各粒子について、「長径と短径の平均径(nm)−数平均粒子径(nm)」の2乗値を求め、それらの合計を30で除して分散値を求める。
次に、分散値の平方根を求め、標準偏差とする。
How to find the standard deviation of particle size distribution:
The average diameter (nm) and the number average particle diameter (nm) of the major axis and minor axis of each of the 30 particles are determined by the method described in the item for determining the average particle diameter.
Next, for each particle, a square value of “average diameter of major axis and minor axis (nm) −number average particle diameter (nm)” is obtained, and the total is divided by 30 to obtain a dispersion value.
Next, the square root of the variance value is obtained and set as the standard deviation.

このアップコンバージョン型蛍光体を生体中に取り込ませ、該生体外から近赤外光を該セラミックスに照射して体内で可視光を発光させる、いわゆるバイオ・メディカル分野、特にバイオイメージングの分野で利用する場合には、該アップコンバージョン型蛍光体を構成する微粒子群の一次粒子の平均粒子径は高分散性を担保することから20〜80nmの範囲に調整されていることが望ましい。アップコンバージョン型蛍光体を構成する微粒子群の一次粒子の平均粒子径の制御は、後述する液相法などによって容易に行うことが可能である。   This up-conversion phosphor is taken into a living body, and near-infrared light is irradiated from outside the living body to emit visible light in the body, so that it is used in the so-called biomedical field, particularly in the field of bioimaging. In this case, it is desirable that the average particle diameter of the primary particles of the fine particle group constituting the upconversion phosphor is adjusted to a range of 20 to 80 nm in order to ensure high dispersibility. Control of the average particle diameter of the primary particles of the fine particle group constituting the up-conversion phosphor can be easily performed by a liquid phase method described later.

アップコンバージョン発光させるためにアップコンバージョン型蛍光体に照射する励起光である外部エネルギーとしては、アップコンバージョン型蛍光体に励起光を照射する際に共に励起光にさらされる生体組織等の被照射物に損傷を与えないという観点から、波長が500〜2000nmの範囲の光(電磁波)が好ましく、700〜1600nmの範囲の光がより好ましく、800〜1100nmの範囲の光が特により好ましく、960〜1000nmの範囲の光が最も好ましい。   The external energy, which is the excitation light that irradiates the up-conversion phosphor to cause up-conversion emission, can be applied to an irradiated object such as a living tissue that is exposed to the excitation light when the up-conversion phosphor is irradiated with the excitation light. From the viewpoint of not damaging, light (electromagnetic wave) having a wavelength in the range of 500 to 2000 nm is preferable, light in the range of 700 to 1600 nm is more preferable, light in the range of 800 to 1100 nm is particularly preferable, and light in the range of 960 to 1000 nm is preferable. A range of light is most preferred.

このような波長の光を励起光として用いて照射を行うと、アップコンバージョン型蛍光体から可視光が生じるが、セラミックスの母材である酸化セリウムにドープされた希土類原子の種類により、波長が400nm以上500nm未満の領域にある青色、波長が500nm以上600nm未満の領域にある緑色および/または波長が600nm以上800nm未満の領域にある赤色の発光が生じる。   When irradiation is performed using light having such a wavelength as excitation light, visible light is generated from the upconversion phosphor, but the wavelength is 400 nm depending on the type of rare earth atoms doped in the ceramic base material cerium oxide. Blue light in the region of 500 nm or less, green light in the wavelength region of 500 nm or more and less than 600 nm, and / or red light in the region of wavelength of 600 nm or more and less than 800 nm are generated.

具体的には、TmとYbを共にドーパントとして用いた場合(Tm、Yb共ドープ)には、400nm以上500nm未満の領域にある青色の発光が生じ、Erと、必要に応じて励起光をより効率良く吸収させるためのYbとを、ドーパントとして用いた場合には、波長が500nm以上600nm未満の領域にある緑色の発光および600nm以上800nm未満の領域にある赤色の発光が生じ、HoのみあるいはHoとYbとをドーパントとして用いた場合には、波長が500nm以上600nm未満の領域にある緑色の発光が生じる。また、上記のうち、複数の色の光を発する蛍光体の発色光を(分光せずに)視認する場合には、それら複数の発色光の混合色として観測されるので、ドーパントの種類や量比を適宜調節することで、上記の色以外にも所望の色の光を発光させることも可能である。   Specifically, when both Tm and Yb are used as dopants (Tm and Yb co-doping), blue light emission in the region of 400 nm or more and less than 500 nm occurs, and Er and, if necessary, more excitation light. When Yb for efficient absorption is used as a dopant, green light emission in a wavelength region of 500 nm or more and less than 600 nm and red light emission in a region of 600 nm or more and less than 800 nm are generated, and only Ho or Ho When Yb and Yb are used as dopants, green light emission in a region having a wavelength of 500 nm or more and less than 600 nm occurs. In addition, among the above, when the colored light of a phosphor that emits light of a plurality of colors is viewed (without spectroscopy), it is observed as a mixed color of the plurality of colored light, so the type and amount of dopant By appropriately adjusting the ratio, it is possible to emit light of a desired color in addition to the above color.

これら態様の中でも、960〜1000nmの近赤外光を吸収したときに、450〜750nmの可視光を発光するアップコンバージョン型蛍光体が、前述の生体組織等の被照射物への損傷がない点や発光した光の検出が容易である点などから好ましい。   Among these aspects, the up-conversion phosphor that emits visible light of 450 to 750 nm when absorbing near-infrared light of 960 to 1000 nm does not damage the irradiated object such as the above-described living tissue. And is preferable from the viewpoint of easy detection of emitted light.

<アップコンバージョン型蛍光体の具体例>
以下に、希土類原子としてエルビウム(Er)およびイッテルビウム(Yd)を使用したセラミックス蛍光体を例にあげて、本発明のアップコンバージョン型蛍光体について、より詳細に説明する。
<Specific examples of up-conversion phosphors>
Hereinafter, the up-conversion phosphor of the present invention will be described in more detail with reference to a ceramic phosphor using erbium (Er) and ytterbium (Yd) as rare earth atoms.

希土類原子としてエルビウム原子(Er)およびイッテルビウム原子(Yd)を使用したアップコンバージョン型蛍光体では、エルビウム原子(Er)およびイッテルビウム原子(Yd)の添加量(ドープ量)を一定にしてシリコン原子(Si)の添加量(ドープ量)を変更した時、シリコン原子(Si)、セリウム原子(Ce)および全希土類原子の総数を100原子%とした時のシリコン原子(Si)のドープ量が12原子%のときに最大輝度を示し、その前後のドープ量での輝度は最大輝度よりも低下している(図4参照)。   In an up-conversion phosphor using erbium atoms (Er) and ytterbium atoms (Yd) as rare earth atoms, silicon atoms (Si) with a constant addition amount (doping amount) of erbium atoms (Er) and ytterbium atoms (Yd) are used. ) Addition amount (doping amount), the doping amount of silicon atoms (Si) when the total number of silicon atoms (Si), cerium atoms (Ce) and all rare earth atoms is 100 atomic% is 12 atomic% In this case, the maximum luminance is shown, and the luminance at the doping amount before and after that is lower than the maximum luminance (see FIG. 4).

シリコン原子(Si)、セリウム原子(Ce)および全希土類原子の総数を100原子%とした時のシリコン(Si)添加量が12原子%であるアップコンバージョン型蛍光体の全組成を、一例として挙げれば、
Ce0.84O1.98Er0.035Yb0.0044Si0.12
である。
このようなアップコンバージョン型蛍光体の詳細な構造は未だ明確に解析されてはいない。
As an example, the total composition of the up-conversion phosphor in which the silicon (Si) addition amount is 12 atomic% when the total number of silicon atoms (Si), cerium atoms (Ce) and all rare earth atoms is 100 atomic% can be cited. If
Ce 0.84 O 1.98 Er 0.035 Yb 0.0044 Si 0.12
It is.
The detailed structure of such an up-conversion phosphor has not yet been clearly analyzed.

しかし、図1に示した希土類原子としてエルビウム原子(Er)およびイッテルビウム原子(Yd)を使用したアップコンバージョン型蛍光体のX線回折分析によれば、シリコン原子(Si)、セリウム原子(Ce)および全希土類原子の総数を100原子%とした時のSi原子の含有量(ドープ量)を67原子%まで増加させても、X線回折強度が増加することはなく、またピークシフトも生じていないことがわかる。   However, according to the X-ray diffraction analysis of the up-conversion phosphor using erbium atoms (Er) and ytterbium atoms (Yd) as the rare earth atoms shown in FIG. 1, the silicon atoms (Si), cerium atoms (Ce) and Even when the Si atom content (doping amount) is increased to 67 atom% when the total number of all rare earth atoms is 100 atom%, the X-ray diffraction intensity does not increase and no peak shift occurs. I understand that.

従って、酸化セリウム(CeO2)結晶格子中に希土類原子およびシリコン原子(Si)が共に入り込んだ構造、すなわち酸化セリウム(CeO2)のセリウム原子(Ce)がシリコン原子(Si)で置換された構造ではなく、酸化セリウム(CeO2)結晶格子中に希土類原子が入り込んで酸化セリウム(CeO2)のセリウム原子(Ce)が希土類原子で置換された酸化セリウム(CeO2)結晶構造と、後述するシリコン化合物の酸化により生じたSiO4の四面体とが接近して、互いに何らかのインターラクション(相互作用)を生じているものと推測される。 Therefore, a structure in which a rare earth atom and a silicon atom (Si) coexist in the cerium oxide (CeO 2 ) crystal lattice, that is, a structure in which the cerium atom (Ce) of cerium oxide (CeO 2 ) is replaced by a silicon atom (Si). rather, the cerium atoms (Ce) cerium oxide substituted with a rare earth atom (CeO 2) crystal structure enters rare earth atom of cerium oxide (CeO 2) to cerium oxide (CeO 2) in the crystal lattice, silicon described later It is presumed that the SiO 4 tetrahedron produced by the oxidation of the compound approaches and causes some kind of interaction (interaction) with each other.

いずれにせよ、母材である酸化セリウム(CeO2)に、希土類原子およびシリコン原子(Si)をドープすることで、CeO2:Er,Ybの組成を有するセラミックス蛍光体に比して輝度がより一層向上したアップコンバージョン型蛍光体を提供できるという効果が奏される。 In any case, by doping rare earth atoms and silicon atoms (Si) into the base material cerium oxide (CeO 2 ), the luminance is higher than that of a ceramic phosphor having a composition of CeO 2 : Er, Yb. There is an effect that a further improved up-conversion type phosphor can be provided.

2.アップコンバージョン型蛍光体の製造方法
本発明の酸化セリウム系セラミックスの微粒子群から構成されるアップコンバージョン型蛍光体は、セリウム化合物に適量の希土類金属塩およびシリコン化合物(必要に応じてその他成分)を加えて充分に均一混合してセラミックス(アップコンバージョン型蛍光体)の前駆体(以下「セラミックス前駆体」ともいう)を製造し、その後得られたセラミックス前駆体の高温焼成を適宜の時間行い、必要に応じてさらに得られた焼成物を粉砕処理して微粒子群が製造される。
2. Production method of up-conversion type phosphor The up-conversion type phosphor composed of fine particles of the cerium oxide ceramics according to the present invention comprises an appropriate amount of rare earth metal salt and silicon compound (other components as required) added to the cerium compound. To produce a ceramic (up-conversion type phosphor) precursor (hereinafter also referred to as “ceramic precursor”), and then subject the resulting ceramic precursor to high-temperature firing for an appropriate time. In accordance with this, the obtained fired product is pulverized to produce fine particles.

以下、より具体的に説明する。
なお、特に断りがない限り、製造方法における圧力条件は実質的に常圧である。
2−1.製造条件など
本発明のアップコンバージョン型蛍光体の製造方法は、少なくともセラミックス前駆体の調製工程および該セラミックス前駆体の焼成工程を含む。また、本発明のアップコンバージョン型蛍光体の製造方法は、例えば、焼成物の粉砕工程などのその他工程を必要に応じて含んでもよい。
More specific description will be given below.
Unless otherwise noted, the pressure condition in the production method is substantially normal pressure.
2-1. The manufacturing method of the up-conversion type phosphor of the present invention such as manufacturing conditions includes at least a ceramic precursor preparation step and a ceramic precursor firing step. Moreover, the manufacturing method of the up-conversion type | mold phosphor of this invention may also include other processes, such as a grinding | pulverization process of a baked material, as needed.

以下、順に説明する。
<セラミックス前駆体の調製工程>
セラミックス前駆体の調製工程では、本発明のアップコンバージョン型蛍光体(セラミックス)の前駆体である未焼成セラミックス前駆体を調製する。
Hereinafter, it demonstrates in order.
<Preparation process of ceramic precursor>
In the ceramic precursor preparation step, an unfired ceramic precursor, which is a precursor of the upconversion phosphor (ceramics) of the present invention, is prepared.

該未焼成セラミックス前駆体の製造方法としては、固相法、液相法、気相法が挙げられる。
固相法は、作業工程が簡易であり、低コストで大量生産が可能であり、生産性が高い。したがって、例えば、工場スケールで製造する場合において採用されることが一般に多い。その一方で、固体中におけるイオンの拡散速度が非常に遅く、望ましい微粒子が得られ難い傾向にある。
液相法は、均一反応が進み易く、液体中のイオン拡散速度も速く、その上高純度の微粒子が容易に得られるという利点がある。
気相法は、大量生産には向いていないが、高純度で化学量論比通りの反応が進行し、超微粒子が合成できる利点がある。
Examples of the method for producing the unfired ceramic precursor include a solid phase method, a liquid phase method, and a gas phase method.
The solid phase method has a simple work process, can be mass-produced at low cost, and has high productivity. Therefore, for example, it is generally often used when manufacturing on a factory scale. On the other hand, the diffusion rate of ions in the solid is very slow, and it tends to be difficult to obtain desirable fine particles.
The liquid phase method has an advantage that a homogeneous reaction easily proceeds, an ion diffusion rate in the liquid is high, and fine particles with high purity can be easily obtained.
The gas phase method is not suitable for mass production, but has the advantage that the reaction proceeds according to the stoichiometric ratio with high purity, and ultrafine particles can be synthesized.

いずれの方法を採用しても未焼成セラミックス前駆体を製造できるので、生産性および所望する物性などを勘案して、適宜採用する方法を選択すればよいが、液相法が、高輝度でかつ均一な粒子径を有する微粒子からなる未焼成セラミックス前駆体が得られ易いという利点の観点から、より好都合である。   Since any method can be used to produce an unfired ceramic precursor, a method to be appropriately employed may be selected in consideration of productivity and desired physical properties, but the liquid phase method has high brightness and From the viewpoint of the advantage that an unfired ceramic precursor composed of fine particles having a uniform particle diameter is easily obtained, it is more convenient.

[液相法]
以下、液相法について、より詳細に説明する。
液相法は、少なくとも原料を、一旦溶液状態としてから、それらを充分に混合して未焼成セラミックス前駆体を調製する方法である。未焼成セラミックス前駆体は、焼成工程に供される。
そのため、液相法は、固相法あるいは気相法に比して全体的に製造工程が長くなる傾向にある。しかしその一方で、イオンレベルで原料などが均一に分布した反応系を構築して所定の反応を進めやすく、また、液相法で得られた未焼成セラミックス前駆体は焼成することで結晶化することが容易であり、結晶性の高いセラミックスを容易に製造できる。
[Liquid phase method]
Hereinafter, the liquid phase method will be described in more detail.
The liquid phase method is a method of preparing an unfired ceramic precursor by mixing at least raw materials once in a solution state and then thoroughly mixing them. The unsintered ceramic precursor is subjected to a firing process.
Therefore, the liquid phase method tends to require a longer manufacturing process as compared with the solid phase method or the gas phase method. However, on the other hand, it is easy to proceed a predetermined reaction by constructing a reaction system in which raw materials are uniformly distributed at the ion level, and the unfired ceramic precursor obtained by the liquid phase method is crystallized by firing. Ceramics with high crystallinity can be easily manufactured.

その結果、液相法で得られた未焼成セラミックス前駆体は、高純度な未焼成セラミックスであり、しかも、励起光エネルギーの蛍光エネルギーへの変換率である蛍光取り出し効率が高く、平均粒径や粒子の形態が揃った微粒子群からなるセラミックスを製造することが容易である。
よって、製造するセラミックスの蛍光体としての性状を重要視する場合には、液相法は固相法や気相法よりも望ましい製造方法である。
液相法の具体的な手段として、沈澱法、共沈法、錯体重合法等が挙げられるが、中でも錯体重合法の採用が、原料などが均一に分布した未焼成セラミックス前駆体を製造できる点から好ましい。
As a result, the unfired ceramic precursor obtained by the liquid phase method is a high-purity unfired ceramic, and has a high fluorescence extraction efficiency, which is a conversion rate of excitation light energy to fluorescence energy. It is easy to produce ceramics composed of a group of fine particles with uniform particle morphology.
Therefore, when importance is attached to the properties of the ceramics to be manufactured as a phosphor, the liquid phase method is a more preferable manufacturing method than the solid phase method or the gas phase method.
Specific means of the liquid phase method include a precipitation method, a coprecipitation method, a complex polymerization method, etc. Among them, the adoption of the complex polymerization method can produce an unfired ceramic precursor in which raw materials are uniformly distributed. To preferred.

(錯体重合法)
以下、錯体重合法について、詳述する。
錯体重合法により、焼成工程へ供するための未焼成セラミックス前駆体を製造することができる。
錯体重合法では、例えばポリエステルなどの重合体中にセリウム化合物、希土類金属塩およびシリコン化合物を均一分散させる。
次いで、金属―カルボン酸錯体(ここで、「金属−カルボン酸錯体」を構成する「金属」はセリウムおよび希土類金属、以下同じ)を一旦合成し、その後それを高温下で加熱して重合体を熱分解させて未焼成セラミックス前駆体を製造する。
このセラミックス前駆体の調製工程で得られた未焼成セラミックス前駆体は、必要に応じてその他工程を経た後、焼成工程で、例えば加熱炉を用いて通常の方法でその前駆体を高温焼成する。
(Complex polymerization method)
Hereinafter, the complex polymerization method will be described in detail.
By the complex polymerization method, an unfired ceramic precursor for use in the firing step can be produced.
In the complex polymerization method, for example, a cerium compound, a rare earth metal salt, and a silicon compound are uniformly dispersed in a polymer such as polyester.
Next, a metal-carboxylic acid complex (where “metal” constituting the “metal-carboxylic acid complex” is cerium and a rare earth metal, the same shall apply hereinafter) is once synthesized and then heated at a high temperature to form a polymer. An unfired ceramic precursor is produced by thermal decomposition.
The unsintered ceramic precursor obtained in this ceramic precursor preparation step undergoes other steps as necessary, and then, in the firing step, the precursor is fired at a high temperature by a normal method using, for example, a heating furnace.

このように、セラミックス前駆体の調製工程で得られたシリコン化合物および金属―カルボン酸錯体を含む未焼成セラミックス前駆体から、目的とするセラミックス蛍光体を製造することができる。ここで得られる未焼成セラミックス前駆体は、セリウム酸化物中に希土類原子およびシリコン原子が均一に分布し、所望の組成を有するセラミックス蛍光体である。   Thus, the target ceramic phosphor can be produced from the unfired ceramic precursor containing the silicon compound and the metal-carboxylic acid complex obtained in the ceramic precursor preparation step. The green ceramic precursor obtained here is a ceramic phosphor in which rare earth atoms and silicon atoms are uniformly distributed in cerium oxide and has a desired composition.

(錯体重合法を用いた液相法の具体例)
セラミックス前駆体の調製工程を、一例を挙げて、より詳細に説明すれば次の通りである。
(Specific example of liquid phase method using complex polymerization method)
The preparation process of the ceramic precursor will be described in more detail with an example as follows.

例えば、セリウムの硝酸塩のようなセリウム化合物および上記希土類金属塩の硝酸塩を水に溶解させて水溶液を調製する。このときの温度条件は通常20〜90℃である。
次いで、得られた水溶液に、水溶性シリコン化合物およびクエン酸のようなカルボン酸化合物を加えることによりセリウムおよび希土類金属にカルボン酸化合物が配位した錯体(多座配位子を有する錯体)とシリコン化合物とを含む混合物が生じる。
For example, a cerium compound such as cerium nitrate and a nitrate of the rare earth metal salt are dissolved in water to prepare an aqueous solution. The temperature condition at this time is usually 20 to 90 ° C.
Next, by adding a water-soluble silicon compound and a carboxylic acid compound such as citric acid to the obtained aqueous solution, a complex in which the carboxylic acid compound is coordinated to cerium and a rare earth metal (a complex having a multidentate ligand) and silicon A mixture containing the compound is formed.

次いで、得られた混合物に、エチレングリコールあるいはプロピレングリコール等のポリオールを加え、得られた混合物を120〜150℃で300〜600分間加熱すると、カルボン酸化合物とポリオールとの脱水縮合反応が進んでポリエステルが生成し、上記セリウムおよび希土類金属にカルボン酸化合物が配位した錯体とシリコン化合物とが均一分散したポリエステルが得られる。また、カルボン酸および/またはポリオールが3つ以上の反応性官能基を有する場合には、ゲル状の生成物が得られる。   Next, a polyol such as ethylene glycol or propylene glycol is added to the obtained mixture, and when the obtained mixture is heated at 120 to 150 ° C. for 300 to 600 minutes, a dehydration condensation reaction between the carboxylic acid compound and the polyol proceeds and polyester is obtained. A polyester in which a complex in which a carboxylic acid compound is coordinated to the cerium and rare earth metal and a silicon compound are uniformly dispersed is obtained. When the carboxylic acid and / or polyol has three or more reactive functional groups, a gel product is obtained.

次いで、加熱炉を用いて通常の方法で上記生成物を特定の範囲内の温度で加熱して、セラミックス前駆体を製造する。該加熱温度は、上記で得られた重合体の種類にもよるが、おおよそ400〜500℃に加熱すると、上記生成物中の重合体の分解反応が進行する。   Subsequently, the product is heated at a temperature within a specific range by a normal method using a heating furnace to produce a ceramic precursor. The heating temperature depends on the type of polymer obtained above, but when heated to about 400 to 500 ° C., the decomposition reaction of the polymer in the product proceeds.

<焼成工程>
焼成工程は、少なくとも上記セラミックス前駆体の調製工程を経た後に実施される。
セラミックス前駆体の焼成は、加熱炉を用いて従来法に従い、通常800〜1500℃、好ましくは1000〜1200℃の温度条件で、60〜600分行えばよい。
このようにして得られたセラミックス(アップコンバージョン型蛍光体)は、一次粒子の平均粒径が小さく、かつ、形状および平均粒径が揃った結晶性の微粒子群を得ることができ、良好な蛍光性を示す。
<Baking process>
The firing step is performed after at least the preparation step of the ceramic precursor.
The firing of the ceramic precursor may be performed for 60 to 600 minutes under a temperature condition of usually 800 to 1500 ° C., preferably 1000 to 1200 ° C. according to a conventional method using a heating furnace.
The ceramics thus obtained (up-conversion type phosphor) can obtain a group of crystalline fine particles having a small average particle size of primary particles and a uniform shape and average particle size. Showing gender.

<その他工程>
上記アップコンバージョン型蛍光体の製造方法は、上記セラミックス前駆体の調製工程と焼成工程以外の工程を含んでいてもよい。
例えば、セラミックス前駆体の調製工程で得られたセラミックス前駆体を含む混合物を、焼成工程前に、残存原料を除去するなどしてもよい。
また、例えば、焼成工程後に、得られたセラミックスを、ボールミルやビーズミルなどの粉砕機などに供して粉砕することで、前述の範囲の1〜200nmの平均粒径と粒度分布を有するアップコンバージョン型蛍光体を製造してもよい。
上記セラミックス前駆体の調製工程においては、上記原料など以外のものを添加して混合してもよく、そのようなものとしては、例えば結晶性を挙げるためのホウ素などが挙げられる。
<Other processes>
The method for producing the up-conversion phosphor may include steps other than the ceramic precursor preparation step and the firing step.
For example, the residual raw material may be removed from the mixture containing the ceramic precursor obtained in the ceramic precursor preparation step before the firing step.
In addition, for example, after the firing step, the obtained ceramic is subjected to pulverization using a pulverizer such as a ball mill or a bead mill, so that the up-conversion type fluorescence having an average particle diameter of 1 to 200 nm and a particle size distribution in the above-described range. The body may be manufactured.
In the step of preparing the ceramic precursor, materials other than the above materials may be added and mixed. Examples of such a material include boron for increasing crystallinity.

[原料]
<セリウム化合物>
本発明のアップコンバージョン型蛍光体を製造するにあたり、母材である酸化セリウム(CeO2)のセリウム原子源として、セリウム化合物が原料として用いられる。
[material]
<Cerium compound>
In producing the up-conversion type phosphor of the present invention, a cerium compound is used as a raw material as a cerium atom source of cerium oxide (CeO 2 ) as a base material.

セリウム化合物は、後述の焼成過程が終了するまでに酸化されて、母材である酸化セリウムを構成するものであればよい。そのようなセリウム化合物としては、硝酸セリウム、塩化セリウム、酢酸セリウム、炭酸セリウムなどが挙げられる。
その中でも、硝酸セリウムが、水に対する溶解性の観点から好ましい。
セリウム化合物の純度は、98.0%以上であることが安定した組成を得るとの観点から好ましい。
The cerium compound should just be oxidized by the time the baking process mentioned later is complete | finished, and comprises the cerium oxide which is a base material. Examples of such a cerium compound include cerium nitrate, cerium chloride, cerium acetate, and cerium carbonate.
Among these, cerium nitrate is preferable from the viewpoint of solubility in water.
The purity of the cerium compound is preferably 98.0% or more from the viewpoint of obtaining a stable composition.

セリウム化合物は、シリコン化合物のシリコン原子(Si)、セリウム化合物のセリウム原子(Ce)および希土類金属塩の全希土類原子の総数を100原子%とした時に、セリウム原子(Ce)数換算で、通常50〜99.85原子%、好ましくは70〜98.9原子%、より好ましくは92〜96.7原子%となる量で用いられる。
このような量でセリウム化合物を用いると、上記組成のアップコンバージョン型蛍光体を製造することができる。
The cerium compound is usually 50 in terms of the number of cerium atoms (Ce) when the total number of silicon atoms (Si) of the silicon compound, cerium atoms (Ce) of the cerium compound and all rare earth atoms of the rare earth metal salt is 100 atomic%. It is used in an amount of ˜99.85 atomic%, preferably 70 to 98.9 atomic%, more preferably 92 to 96.7 atomic%.
When the cerium compound is used in such an amount, an upconversion phosphor having the above composition can be produced.

<希土類金属塩>
上記希土類原子を酸化セリウムにドープするために、希土類金属塩が、アップコンバージョン型蛍光体を製造する際に用いられる。
希土類金属塩としては、酸化セリウムにドープする希土類原子の硝酸塩、塩化物、酢酸塩、炭酸塩などが挙げられる。なお、これらは結晶水を含む水和物であってもよい。
具体的には、硝酸エルビウム(Er(NO33)、硝酸イッテルビウム(Yb(NO33)、塩化エルビウム(ErCl3)、塩化イッテルビウム(YbCl3)などが挙げられる。
<Rare earth metal salt>
In order to dope the rare earth atoms into cerium oxide, rare earth metal salts are used in the production of upconversion phosphors.
Examples of rare earth metal salts include nitrates, chlorides, acetates and carbonates of rare earth atoms doped into cerium oxide. These may be hydrates containing crystal water.
Specifically, erbium nitrate (Er (NO 3) 3) , ytterbium nitrate (Yb (NO 3) 3) , erbium chloride (ErCl 3), ytterbium chloride (YbCl 3), and the like.

希土類金属塩の純度は、99.98%以上であることが安定した組成を得るとの観点から好ましい。
希土類金属塩は、セリウム化合物のセリウム原子1mmolに対して、希土類金属原子換算で、好ましくは0.010〜0.60mmol、より好ましくは0.15〜0.40mmol、特に好ましくは0.04〜0.10mmolの量で用いられる。
また、希土類金属塩は、シリコン化合物のシリコン原子(Si)、セリウム化合物のセリウム原子(Ce)および希土類金属塩の全希土類原子の総数を100原子%としたときに、希土類金属数に換算すると、通常0.1〜50原子%、好ましくは1〜30原子%、より好ましくは10〜20原子%、さらに好ましくは11〜13原子%となる量で用いられる。
The purity of the rare earth metal salt is preferably 99.98% or more from the viewpoint of obtaining a stable composition.
The rare earth metal salt is preferably from 0.010 to 0.60 mmol, more preferably from 0.15 to 0.40 mmol, particularly preferably from 0.04 to 0, in terms of rare earth metal atoms, per 1 mmol of cerium atom of the cerium compound. Used in an amount of 10 mmol.
Moreover, when the total number of silicon atoms (Si) of the silicon compound, cerium atoms (Ce) of the cerium compound and the total rare earth atoms of the rare earth metal salt is 100 atomic%, the rare earth metal salt is converted into the number of rare earth metals, Usually, it is used in an amount of 0.1 to 50 atomic%, preferably 1 to 30 atomic%, more preferably 10 to 20 atomic%, and still more preferably 11 to 13 atomic%.

特に、上記希土類金属塩としてエルビウム塩およびイッテルビウム塩を用いる場合には、セリウム化合物のセリウム原子1mmolに対して、エルビウム塩は、エルビウム原子(Er)換算で、好ましくは0.0012〜0.24mmol、より好ましくは0.012〜0.12mmol、特に好ましくは0.036〜0.060mmolの量で用いられ、イッテルビウム塩は、イッテルビウム原子(Yb)換算で、好ましくは0.00060〜0.36mmol、より好ましくは0.0012〜0.24mmol、特に好ましくは0.0036〜0.036mmolの量で用いられる。
このような量で希土類金属塩を用いると母材である酸化セリウムに希土類原子が上記の量でドープされたアップコンバージョン型蛍光体を製造することができる。
In particular, when an erbium salt and an ytterbium salt are used as the rare earth metal salt, the erbium salt is preferably 0.0012 to 0.24 mmol in terms of erbium atom (Er) relative to 1 mmol of cerium atom of the cerium compound, More preferably, it is used in an amount of 0.012-0.12 mmol, particularly preferably 0.036-0.060 mmol. The ytterbium salt is preferably 0.00060-0.36 mmol in terms of ytterbium atom (Yb), more preferably It is preferably used in an amount of 0.0012 to 0.24 mmol, particularly preferably 0.0036 to 0.036 mmol.
When the rare earth metal salt is used in such an amount, an up-conversion phosphor in which rare earth atoms are doped in the above amount in cerium oxide as a base material can be produced.

<シリコン化合物>
ケイ素原子を酸化セリウムにドープするために、シリコン化合物がアップコンバージョン型蛍光体を製造する際に用いられる。
シリコン化合物としては、シラン化合物、二酸化ケイ素、フッ化ケイ素、テトラエトキシシラン、テトラ(2−ヒドロキシプロポキシ)シランなどが挙げられる。
これらの中でも、テトラ(2−ヒドロキシプロポキシ)シランなどの水溶性シリコン化合物が水溶性および不揮発性の観点から好ましく、その中でもテトラ(2−ヒドロキシプロポキシ)シラン(Si(OCH2CH(OH)―CH34)が好都合である。
<Silicon compound>
In order to dope silicon atoms into cerium oxide, silicon compounds are used in the production of upconversion phosphors.
Examples of the silicon compound include silane compounds, silicon dioxide, silicon fluoride, tetraethoxysilane, and tetra (2-hydroxypropoxy) silane.
Among these, water-soluble silicon compounds such as tetra (2-hydroxypropoxy) silane are preferable from the viewpoint of water solubility and non-volatility, and among them, tetra (2-hydroxypropoxy) silane (Si (OCH 2 CH (OH) —CH 3 ) 4 ) is convenient.

シリコン化合物の純度は、90%以上であることが、不純物原子による輝度の低下を抑制するという観点から好ましい。シリコン化合物は、シリコン化合物中のケイ素原子、セリウム化合物中のセリウム原子および全希土類金属塩の全希土類原子の総数を100原子%とした時に、シリコン原子を原子数換算して、通常0.1〜50原子%、好ましくは1〜20原子%、好ましくは10〜20原子%、より好ましくは11〜13原子%となる量で用いられる。
また、シリコン化合物は、セリウム化合物のセリウム原子およびドーパント原子の全希土類原子1mmolに対して、ケイ素原子換算で、好ましくは0.01〜1mmol、より好ましくは0.11〜0.25mmol、特に好ましくは0.12〜0.15mmolの量で用いられる。
このような量でシリコン化合物を用いると、母材である酸化セリウムにケイ素原子が上記の量でドープされたセラミックス蛍光体を製造することができる。
The purity of the silicon compound is preferably 90% or more from the viewpoint of suppressing a decrease in luminance due to impurity atoms. When the total number of silicon atoms in the silicon compound, cerium atoms in the cerium compound, and all rare earth atoms in the all rare earth metal salt is 100 atomic%, the silicon compound is converted to the number of atoms, and usually 0.1 to It is used in an amount of 50 atomic%, preferably 1 to 20 atomic%, preferably 10 to 20 atomic%, more preferably 11 to 13 atomic%.
In addition, the silicon compound is preferably 0.01 to 1 mmol, more preferably 0.11 to 0.25 mmol, and particularly preferably, in terms of silicon atom, with respect to 1 mmol of all rare earth atoms of the cerium compound and dopant atoms of the cerium compound. Used in an amount of 0.12-0.15 mmol.
When a silicon compound is used in such an amount, a ceramic phosphor in which silicon atoms are doped in the above amount in cerium oxide as a base material can be produced.

<カルボン酸化合物>
カルボン酸化合物は、特に限定されるものではないが、例えばクエン酸、乳酸、グリコール酸、酒石酸などが挙げられる。その中でも、カルボキシル基を3つ以上有するカルボン酸化合物が、錯体形成能の観点から好ましく、クエン酸((CH2COOH)2C(OH)(COOH))が同観点から特に好都合である。
<Carboxylic acid compound>
The carboxylic acid compound is not particularly limited, and examples thereof include citric acid, lactic acid, glycolic acid, and tartaric acid. Among these, a carboxylic acid compound having three or more carboxyl groups is preferable from the viewpoint of complex forming ability, and citric acid ((CH 2 COOH) 2 C (OH) (COOH)) is particularly advantageous from the same viewpoint.

カルボン酸化合物は、セリウム化合物中のセリウム原子および全希土類金属塩の全希土類原子ならびにシリコン化合物中のシリコンの合計に対して、好ましくは1〜10倍当量、より好ましくは2〜8倍当量、特に好ましくは2.5〜5倍当量となる量で用いられる。
このような量でカルボン酸化合物を用いると、上記組成を有するアップコンバージョン型蛍光体を製造することができ、また、錯体重合法を採用する場合には、上記原料が均一に分布した重合体を製造することができる。
The carboxylic acid compound is preferably 1 to 10 times equivalent, more preferably 2 to 8 times equivalent to the total of the cerium atom in the cerium compound and the total rare earth atom of the all rare earth metal salt and silicon in the silicon compound. Preferably it is used in an amount of 2.5 to 5 times equivalent.
When the carboxylic acid compound is used in such an amount, an upconversion phosphor having the above composition can be produced. When the complex polymerization method is employed, a polymer in which the above raw materials are uniformly distributed is obtained. Can be manufactured.

<ポリオール化合物>
ポリオールは、特に限定されるものではないが、例えばエチレングリコール、プロピレングリコールを含むアルキレングリコールなどが挙げられる。その中でも、低毒性である観点からエチレングリコール、プロピレングリコールが好都合である。
<Polyol compound>
Although a polyol is not specifically limited, For example, the alkylene glycol containing ethylene glycol and propylene glycol etc. are mentioned. Among these, ethylene glycol and propylene glycol are advantageous from the viewpoint of low toxicity.

ポリオールは、セリウム化合物中のセリウム原子および全希土類金属塩の全希土類原子の合計に対して、好ましくは5〜50倍当量、より好ましくは8〜30倍当量、特に好ましくは10〜20倍当量となる量で用いられる。
錯体重合法を採用する場合に、このような量のポリオールを用いると、上記原料が均一に分布した重合体を製造することができる。
The polyol is preferably 5 to 50 times equivalent, more preferably 8 to 30 times equivalent, particularly preferably 10 to 20 times equivalent to the total of cerium atoms in the cerium compound and all rare earth atoms of all rare earth metal salts. Is used in an amount.
When the complex polymerization method is employed, when such an amount of polyol is used, a polymer in which the raw materials are uniformly distributed can be produced.

3.アップコンバージョン型蛍光体の用途
本発明のアップコンバージョン型蛍光体は、例えば、バイオ・メディカル分野、化学分析分野(蛍光分析や環境試験分析用)や光線力学療法などへの応用が期待されており、前述の観点より、特にバイオイメージングを含めたバイオ・メディカル分野において好適に用いることができる。
上記バイオ・メディカル分野で利用する態様としては、例えばIRレーザーと光学顕微鏡とによる生体細胞のイメージングなどが挙げられる。
3. Applications of up-conversion phosphors The up-conversion phosphors of the present invention are expected to be applied to, for example, the biomedical field, chemical analysis field (for fluorescence analysis and environmental test analysis), photodynamic therapy, and the like. From the above viewpoint, it can be suitably used particularly in the biomedical field including bioimaging.
Examples of the mode used in the biomedical field include imaging of living cells using an IR laser and an optical microscope.

以下、実施例および比較例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
なお、下記実施例および比較例において、特に断りがない限りいずれの操作も常圧下で行った。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further in detail, this invention is not limited to an Example.
In the following Examples and Comparative Examples, all operations were performed under normal pressure unless otherwise specified.

[原料など]
下記実施例および比較例で用いた原料などは次の通りである。
硝酸セリウム:Ce(NO33・6H2O、和光純薬工業製、純度98.0%、
硝酸エルビウム:Er(NO33、日本イットリウム製、純度99.9%、
硝酸イッテルビウム:Yb(NO33、日本イットリウム製、純度99.9%、
クエン酸:(CH2COOH)2C(OH)(COOH)、和光純薬工業製、純度98%、
プロピレングリコール:和光純薬工業製、純度99%、
テトラ(2−ヒドロキシプロポキシ)シラン:テトラ(2−ヒドロキシエチル)シランとプロピレングリコールとをモル比で1:4の割合(プロピレングリコール0.4mol、テトラ(2−ヒドロキシエチル)シラン0.1mol)で混合してから、塩酸を数滴(0.1mlに相当)加えて、80℃で30分間撹拌し、次いで、得られた反応液に蒸留水を加えて、ケイ素のモル濃度で1mol/Lに調整したもの、
五塩化タンタル:TaCl5、高純度化学社製、純度99.90%、
五塩化ニオブ:NbCl5、フルウチ化学社製、純度99.9%、
バナジン酸アンモニウム:NH4VO3、和光純薬工業社製、純度99%
オキシ硝酸ジルコニウム:ZrO(NO32、和光純薬工業社製、純度99%、
硝酸イットリウム:Y(NO33、日本イットリウム社製、純度99.9%、
硝酸アルミニウム:Al(NO33、関東化学社製、純度99%、
モリブデン酸アンモニウム:(NH46Mo724・4H2O、関東化学社製、純度99%。
[Raw materials]
The raw materials used in the following examples and comparative examples are as follows.
Cerium nitrate: Ce (NO 3 ) 3 · 6H 2 O, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, purity 98.0%,
Erbium nitrate: Er (NO 3 ) 3 , made of Japanese yttrium, purity 99.9%,
Ytterbium nitrate: Yb (NO 3 ) 3 , made of Japanese yttrium, purity 99.9%,
Citric acid: (CH 2 COOH) 2 C (OH) (COOH), manufactured by Wako Pure Chemical Industries, purity 98%,
Propylene glycol: Wako Pure Chemical Industries, purity 99%,
Tetra (2-hydroxypropoxy) silane: tetra (2-hydroxyethyl) silane and propylene glycol in a molar ratio of 1: 4 (propylene glycol 0.4 mol, tetra (2-hydroxyethyl) silane 0.1 mol) After mixing, add a few drops of hydrochloric acid (corresponding to 0.1 ml), stir at 80 ° C. for 30 minutes, then add distilled water to the resulting reaction solution to a molar concentration of silicon of 1 mol / L. Adjusted,
Tantalum pentachloride: TaCl 5 , high purity chemical company, purity 99.90%,
Niobium pentachloride: NbCl 5 , manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd., purity 99.9%
Ammonium vanadate: NH 4 VO 3 , Wako Pure Chemical Industries, 99% purity
Zirconium oxynitrate: ZrO (NO 3 ) 2 , Wako Pure Chemical Industries, 99% purity
Yttrium nitrate: Y (NO 3 ) 3 , manufactured by Japan Yttrium, purity 99.9%,
Aluminum nitrate: Al (NO 3 ) 3 , manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., purity 99%,
Ammonium molybdate: (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 · 4H 2 O, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., purity 99%.

(実施例1)
硝酸セリウム0.84mmol、硝酸エルビウム0.035mmolおよび硝酸イッテルビウム0.0044mmolを、蒸留水10mLに溶解させた。
次いで、テトラ(2−ヒドロキシプロポキシ)シラン0.12mmolを含む水溶液0.12mLを加えた。
得られた液に、先に使用した化合物の全金属およびシリコンの合計量の約2.5倍モルに相当する量(2.5mmol)のクエン酸を加えた。
さらに、得られた液に、前記全金属及びシリコンの合計量の約10倍モルに相当する量(10mmol)のプロピレングリコールを加え、70℃の温度条件下で12時間放置した。
次いで、得られた液を、120〜150℃の温度条件下で加熱して、水分を蒸発させるとともにエステル化反応を進め、高分子ゲルを得た。
次いで、得られた高分子ゲルを、450℃に温度設定したサンドバス上で加熱して、高分子ゲル中のポリエステルを熱分解した。さらに、ポリエステルの熱分解後に得られた残渣を、1200℃に温度設定した電気炉で300分間加熱して焼成した。
このようにして、焼成品(セラミックス)を得た。
Example 1
Cerium nitrate 0.84 mmol, erbium nitrate 0.035 mmol and ytterbium nitrate 0.0044 mmol were dissolved in 10 mL of distilled water.
Next, 0.12 mL of an aqueous solution containing 0.12 mmol of tetra (2-hydroxypropoxy) silane was added.
An amount (2.5 mmol) of citric acid corresponding to about 2.5 times mol of the total amount of all metals and silicon of the compound used previously was added to the obtained liquid.
Furthermore, propylene glycol in an amount (10 mmol) corresponding to about 10 times mol of the total amount of all metals and silicon was added to the resulting liquid, and the mixture was allowed to stand at 70 ° C. for 12 hours.
Next, the obtained liquid was heated under a temperature condition of 120 to 150 ° C. to evaporate the water and proceed the esterification reaction to obtain a polymer gel.
Next, the obtained polymer gel was heated on a sand bath set at 450 ° C. to thermally decompose the polyester in the polymer gel. Furthermore, the residue obtained after the thermal decomposition of the polyester was baked by heating for 300 minutes in an electric furnace set at 1200 ° C.
In this way, a fired product (ceramics) was obtained.

[元素分析]
得られた焼成品の元素分析を、エネルギー分散型X線分析装置(EDX)(堀場製作所製、EMAX−2770)を用いて行ったところ、該焼成品は、次の組成を有し、シリコン原子(Si)、セリウム原子(Ce)および全希土類原子の総数を100原子%とした時に、Siを12原子%の量で含有するセラミックスであった。
Ce0.84O1.98Er0.035Yb0.0044Si0.12
次いで、得られた焼成品について、X線回折分析、励起光として波長が980nmの半導体レーザを照射したときに発生した蛍光の輝度の測定、電子顕微鏡写真の撮影を下記の通り行った。
[Elemental analysis]
When the elemental analysis of the obtained fired product was performed using an energy dispersive X-ray analyzer (EDX) (manufactured by Horiba, EMAX-2770), the fired product had the following composition and was a silicon atom. When the total number of (Si), cerium atoms (Ce) and all rare earth atoms was 100 atomic%, the ceramic contained Si in an amount of 12 atomic%.
Ce 0.84 O 1.98 Er 0.035 Yb 0.0044 Si 0.12
Next, the obtained fired product was subjected to X-ray diffraction analysis, measurement of luminance of fluorescence generated when a semiconductor laser having a wavelength of 980 nm was irradiated as excitation light, and photographing of an electron micrograph as follows.

[X線回折分析]
X線回折分析は、粉末X線回折分析装置((株)理学電気製、GeigerFlex RAD-2X)を使用し、X線源(CuKα)を用いて行った。
得られた焼成品のX線回折パターンは、標準物質であるCeO2のX線回折パターンに一致していた。
結果を図1最上段(CeO2計算値)に示す。
[X-ray diffraction analysis]
X-ray diffraction analysis was performed using an X-ray source (CuKα) using a powder X-ray diffraction analyzer (manufactured by Rigaku Corporation, GeigerFlex RAD-2X).
The X-ray diffraction pattern of the obtained fired product coincided with the X-ray diffraction pattern of CeO 2 which is a standard substance.
The result is shown in the uppermost part of FIG. 1 (CeO 2 calculated value).

[蛍光強度の測定(輝度の評価)]
蛍光強度の測定は、980nmの半導体レーザー(500mA、THORLABS、TCLD-M9)を光源に使用し、発生した蛍光をマルチチャンネル分光光度計により検出した。
得られた焼成品は、上記測定において、550nm付近の緑色の蛍光および660nm付近の赤色の蛍光を発した。
500nm〜700nmの蛍光強度を走査した結果を図2(実線)に示し、560nmでの蛍光強度の測定結果を図4(Si(%)=12)に示す。なお、いずれも、横軸は波長(nm)、縦軸は強度(a.u.)である。
[Measurement of fluorescence intensity (evaluation of luminance)]
The fluorescence intensity was measured using a 980 nm semiconductor laser (500 mA, THORLABS, TCLD-M9) as a light source, and the generated fluorescence was detected by a multichannel spectrophotometer.
The obtained fired product emitted green fluorescence around 550 nm and red fluorescence around 660 nm in the above measurement.
The result of scanning the fluorescence intensity of 500 nm to 700 nm is shown in FIG. 2 (solid line), and the measurement result of the fluorescence intensity at 560 nm is shown in FIG. 4 (Si (%) = 12). In both cases, the horizontal axis represents wavelength (nm) and the vertical axis represents intensity (au).

[電子顕微鏡写真の測定]
前述の方法に従って電子顕微鏡写真を撮影した。
得られた焼成品の電子顕微鏡写真(倍率:×100000)を図3(右図)に示す。
その結果、粒径が30〜200nmの範囲にある微粒子群が観察された。
前述の方法に従って求めた数平均粒子径は、74.9nmであり、粒度分布の標準偏差は23.1であった。
[Measurement of electron micrograph]
Electron micrographs were taken according to the method described above.
An electron micrograph (magnification: × 100,000) of the obtained fired product is shown in FIG. 3 (right figure).
As a result, a group of fine particles having a particle size in the range of 30 to 200 nm was observed.
The number average particle size determined according to the method described above was 74.9 nm, and the standard deviation of the particle size distribution was 23.1.

また、実施例1で得られた焼成品の、980nmの近赤外線を照射したときの560nmにおける発光強度(以下、「発光強度(980、560)」ともいう)は、後述の比較例1の発光強度(980、560)を1とすると、1.9であった。   In addition, the emission intensity at 560 nm (hereinafter also referred to as “emission intensity (980, 560)”) of the fired product obtained in Example 1 when irradiated with near-infrared radiation of 980 nm is the emission of Comparative Example 1 described later. When the strength (980, 560) was 1, it was 1.9.

(実施例2〜8、参考例1、比較例1〜9)
実施例1において、表1〜5に記載された化合物の配合量を表1〜5の通りとした以外は、実施例1と同様に焼成品を得た。得られた焼成品について、実施例1と同様にX線回折分析、蛍光強度の測定、電子顕微鏡写真の撮影を行った。
(Examples 2-8, Reference Example 1, Comparative Examples 1-9)
In Example 1, the baked goods were obtained similarly to Example 1 except having set the compounding quantity of the compound described in Tables 1-5 as Tables 1-5. The obtained fired product was subjected to X-ray diffraction analysis, fluorescence intensity measurement, and electron micrograph photography in the same manner as in Example 1.

各例における原料などの仕込み量と得られた焼成品の組成とを、表1〜5に示す。
また、X線回折分析の結果を、実施例3〜7、参考例1、比較例1について、図1(それぞれの例において、Siの原子%が一致するデータ)に示す。
980nmの近赤外線を照射したときの、500〜700nmの波長領域の蛍光強度を測定した結果を、比較例1について、図2(破線)に示し、実施例8および比較例2について、図5(順に実線、破線)に示す。
980nmの近赤外線を照射したときの、560nmにおける発光強度を測定した結果を、比較例1、実施例2及び実施例5について、図4(それぞれの例において、Siの原子%が一致するデータ)に示す。
電子顕微鏡写真の撮影の結果を、比較例1について、図3(左図)に示す。
Tables 1 to 5 show preparation amounts of raw materials and the like and compositions of the obtained fired products in each example.
Further, the results of X-ray diffraction analysis are shown in FIG. 1 (data in which atomic% of Si in each example matches) for Examples 3 to 7, Reference Example 1 and Comparative Example 1.
The result of measuring the fluorescence intensity in the wavelength region of 500 to 700 nm when irradiated with near infrared rays of 980 nm is shown in FIG. 2 (broken line) for Comparative Example 1, and for Example 8 and Comparative Example 2, FIG. (Solid line, broken line)
The results of measuring the emission intensity at 560 nm when irradiated with near infrared rays of 980 nm are shown in FIG. 4 for Comparative Example 1, Example 2 and Example 5 (data in which the atomic percentage of Si in each example matches). Shown in
The result of taking an electron micrograph is shown in FIG.

なお、実施例2で得られた焼成品の発光強度(980、560)は、比較例1の焼成品の発光強度(980、560)を1としたときに、1.5であり、実施例4で得られた焼成品の発光強度(980、560)は、比較例1の焼成品の発光強度(980、560)を1としたときに、1.7であった。   The light emission intensity (980, 560) of the fired product obtained in Example 2 is 1.5 when the light emission intensity (980, 560) of the fired product of Comparative Example 1 is 1. The light emission intensity (980, 560) of the fired product obtained in 4 was 1.7 when the light emission intensity (980, 560) of the fired product of Comparative Example 1 was 1.

*表1〜5中、「原料など」の欄の「−」は、該当化合物が配合されなかったことを示す。 * In Tables 1 to 5, “-” in the column of “raw material etc.” indicates that the corresponding compound was not blended.

本発明で得られたアップコンバージョン蛍光体は、蛍光分析や環境試験分析用の蛍光体として使用することができる。バイオ・メディカル分野にも使用可能であり、例えば、バイオイメージングなどを利用する画像診断や、励起光として生体組織にダメージを与えない近赤外光を用いたがんなどの新規の治療および診断方法、さらにはそれらのための装置や薬剤の提供への応用が期待できる。   The upconversion phosphor obtained in the present invention can be used as a phosphor for fluorescence analysis or environmental test analysis. It can also be used in the biomedical field, for example, image diagnosis using bioimaging, and novel treatment and diagnosis methods for cancer using near infrared light that does not damage living tissue as excitation light Furthermore, it can be expected to be applied to the provision of devices and drugs for them.

Claims (4)

母材である酸化セリウム(CeO2)にシリコン原子(Si)および少なくとも1種の希土類原子がドープされ、
該シリコン原子(Si)、セリウム原子(Ce)および全希土類原子の総数を100原子%としたときに、該シリコン原子(Si)を0.1〜50原子%の量で含有するセラミックスであることを特徴とするアップコンバージョン型蛍光体。
The base material cerium oxide (CeO 2 ) is doped with silicon atoms (Si) and at least one rare earth atom,
It is a ceramic containing the silicon atom (Si) in an amount of 0.1 to 50 atomic% when the total number of the silicon atoms (Si), cerium atoms (Ce) and all rare earth atoms is 100 atomic%. Up-conversion type phosphor characterized by
前記希土類原子が、エルビウム(Er)および/またはイッテルビウム(Yb)であることを特徴とする請求項1に記載のアップコンバージョン型蛍光体。   The up-conversion phosphor according to claim 1, wherein the rare earth atom is erbium (Er) and / or ytterbium (Yb). 前記セラミックスについて電子顕微鏡を用いて測定して求めた数平均粒子径が1〜200nmの範囲にある微粒子群から構成されることを特徴とする請求項1または2に記載のアップコンバージョン型蛍光体。   The up-conversion phosphor according to claim 1 or 2, wherein the up-conversion type phosphor is composed of a group of fine particles having a number average particle diameter of 1 to 200 nm determined by measuring the ceramics with an electron microscope. 上記アップコンバージョン型蛍光体が、960〜1000nmの近赤外光を吸収したときに、450〜750nmの可視光を発光することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のアップコンバージョン型蛍光体。   The up-conversion type phosphor according to any one of claims 1 to 3, wherein the up-conversion type phosphor emits visible light of 450 to 750 nm when absorbing near-infrared light of 960 to 1000 nm. Phosphor.
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