DE102012111876B4

DE102012111876B4 - Oxynitridbasierender Leuchtstoff und lichtemittierende Vorrichtung mit demselben

Info

Publication number: DE102012111876B4
Application number: DE102012111876.0A
Authority: DE
Inventors: Hyong Sik Won; Kee Sun Sohn; Un Bae PARK
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd; Industry Academy Cooperation Foundation of SCNU
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd; Industry Academy Cooperation Foundation of SCNU
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2022-12-15
Anticipated expiration: 2032-12-07
Also published as: CN103146378B; CN103146378A; KR101856534B1; US20130147342A1; DE102012111876A1; US8686626B2; KR20130063731A

Abstract

Oxynitridbasierender Leuchtstoff, aufweisend:ein Seltenerdelement, welches in einem Wirtsmaterial gelöst ist, wobei das Wirtsmaterial durch eine allgemeine Formel dargestellt ist:Ca15Si20O10N30,wobei das Seltenerdelement zumindest eines ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Mangan (Mn), Cerium (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Dysprosium (Dy), Terbium (Tb), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm) und Ytterbium (Yb) ist, unddas Wirtsmaterial ein Kristallgitter gemäß einem Peak eines Röntgenpulverdiffraktometriemusters besitzt, wobei das Kristallgitter eine kubische Kristallstruktur besitzt,wobei der oxynitridbasierende Leuchtstoff mit Bezug auf Anregungslicht mit einem Peak-Wellenlängenbereich von 250 bis 550 nm eine lichtemittierende Peak-Wellenlänge von 600 bis 660 nm aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Anmeldung betrifft einen oxynitridbasierenden Leuchtstoff mit einer neuartigen Kristallstruktur und eine lichtemittierende Vorrichtung mit demselben.
Hintergrund
Im Allgemeinen enthält eine weißlichtemittierende Diode (LED), welche aufgrund ihrer Verwendung in Beleuchtungsvorrichtungen, LCD-Hintergrundbeleuchtungen, Automobil-Beleuchtungsvorrichtungen und dergleichen kürzlich Bekanntheit erlangte, eine LED, welche blaues oder nahezu ultraviolettes Licht emittiert, als eine Anregungsquelle, und einen Leuchtstoff zum Wandeln einer Wellenlänge des von der LED emittierten Lichts in sichtbares Licht.
Ein repräsentatives Verfahren zum Implementieren der weißen LED enthält Einsetzen einer blauen LED, welche aus einem InGaN-basierten Material mit einer Wellenlänge von 450 bis 550 nm gebildet ist, als ein lichtemittierendes Element, und Einsetzen eines YAG-basierten Leuchtstoffs, welcher gelbes Licht emittiert und welcher durch eine Zusammensetzungsformel von (Y,Gd)₃(Al,Ga)₅O₁₂ repräsentiert ist, als einen Leuchtstoff. Bei der weißen LED trifft blaues Licht, welches von dem lichtemittierenden Element emittiert wird, auf eine Leuchtstoffschicht und wird innerhalb der Leuchtstoffschicht wiederholt absorbiert und gestreut. Gelbes Licht, welches durch wellenlängengewandeltes blaues Licht gebildet ist, und ein Teil des einfallenden blauen Lichts werden derart vermischt, dass das blaue Licht, welches durch den wiederholten Vorgang in dem Leuchtstoff absorbiert wird, dem menschlichen Auge als weißes Licht erscheinen kann.
Jedoch besitzt die weiße LED mit solch einer Struktur wenige Rotlicht-Komponenten in dem Licht davon, eine hohe Farbtemperatur und unzureichend Grünlicht-Komponenten und dient daher lediglich als Beleuchtung mit mangelhaften Farbwiedergabeeigenschaften.
Zusätzlich tendieren oxidbasierende Leuchtstoffe im Allgemeinen dazu, hinsichtlich der Lichtstärke verschlechtert zu sein, wenn eine Wellenlänge einer Anregungsquelle etwa 400 nm beträgt, und entsprechend sind diese zum Implementieren von weißem Licht mit hoher Helligkeit unter Verwendung von blauem Licht nicht geeignet.
Dadurch haben oxynitridbasierende Leuchtstoffe mit hervorragender Lichtausbeute in dem Fall, bei dem eine Wellenlänge einer Anregungsquelle etwa 400 nm beträgt, während diese eine Stabilität gleich oder größer als diese von oxidbasierenden Leuchtstoffen besitzen, in Weiß-LED-Anwendungsgebieten kürzlich Aufmerksamkeit erlangt. Die oxynitridbasierenden Leuchtstoffe sind Materialien, welche ursprünglich als technische Keramiken entwickelt wurden, und daher besitzen diese eine geringe Wirkungsgradreduktion und ein niedriges Niveau einer Farbveränderung aufgrund von Feuchtigkeit oder Hitze.
Jedoch wurde bezüglich oxynitridbasierender Leuchtstoffe, welche in einem Zusammensetzungsbereich außerhalb von α-Typ oder β-Typ-Sialon (Si-Al-O-N) Leuchtstoff vorliegen, keine größere Forschung betrieben oder ist kaum bekannt. Die Patentanmeldung JP 2011-225803 A offenbart einen oxynitridbasierenden Leuchtstoff aus dem Stand der Technik.
Kurzfassung
Ein Aspekt der vorliegenden Anmeldung sieht einen oxynitridbasierenden Leuchtstoff mit ausgezeichneter Strukturstabilität, insbesondere mit ausgezeichneter Leuchthelligkeit in einem Rotlicht-Wellenlängenbereich und einer neuartigen Kristallstruktur, welche Verbesserungen der Leuchthelligkeit erleichtert, vor, um dadurch in LED-Anwendungsgebieten geeignet verwendet zu werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Anmeldung sieht außerdem eine lichtemittierende Vorrichtung mit dem oxynitridbasierenden Leuchtstoff vor.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung ist ein oxynitridbasierender Leuchtstoff mit einem Seltenerdelement vorgesehen, welches in einem Wirtsmaterial gelöst ist, das durch eine allgemeine Formel dargestellt ist: Ca₁₅Si₂₀O₁₀N₃₀. Das Seltenerdelement ist zumindest eines ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Mangan (Mn), Cerium (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Dysprosium (Dy), Terbium (Tb), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm) und Ytterbium (Yb). Das Wirtsmaterial besitzt ein Kristallgitter gemäß einem Peak eines Röntgenpulverdiffraktometriemusters, wobei das Kristallgitter eine kubische Kristallstruktur besitzt. Der oxynitridbasierende Leuchtstoff weist mit Bezug auf Anregungslicht mit einem Peak-Wellenlängenbereich von 250 bis 550 nm eine lichtemittierende Peak-Wellenlänge von 600 bis 660 nm auf.
Wenn das Seltenerdelement als Re bezeichnet wird, kann der oxynitridbasierende Leuchtstoff durch eine allgemeine Formel dargestellt werden: (Ca_1-x)₁₅Si₂₀O₁₀N₃₀:Re_x (0,0001 < x < 0,2).
Bei der kubischen Kristallstruktur des Wirtsmaterials ist eine Gitterkonstante a = 1,548978 nm und eine Veränderungsrate der Gitterkonstante a kann gleich 10% oder weniger sein.
Das Seltenerdelement kann Eu²⁺ sein.
Eine Raumgruppe der kubischen Kristallstruktur kann Pa-3 sein.
Der oxynitridbasierende Leuchtstoff kann eine durchschnittliche Partikelgröße von 1 bis 20 µm besitzen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Anmeldung ist eine lichtemittierende Vorrichtung mit einem lichtemittierenden Element zum Emittieren von Anregungslicht vorgesehen. Eine Wellenlängen-Wandlungseinheit absorbiert das Anregungslicht und emittiert sichtbares Licht. Die Wellenlängen-Wandlungseinheit kann einen oxynitridbasierenden Leuchtstoff mit einem Seltenerdelement enthalten, welches in einem Wirtsmaterial gelöst ist, das durch eine allgemeine Formel dargestellt ist: Ca₁₅Si₂₀O₁₀N₃₀. Das Seltenerdelement ist zumindest eines ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Mangan (Mn), Cerium (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Dysprosium (Dy), Terbium (Tb), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm) und Ytterbium (Yb). Das Wirtsmaterial besitzt ein Kristallgitter gemäß einem Peak eines Röntgenpulverdiffraktometriemusters, wobei das Kristallgitter eine kubische Kristallstruktur besitzt.
Die lichtemittierende Vorrichtung kann eine ultraviolettes Licht emittierende Diode oder eine blaulichtemittierende Diode sein.
Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Anmeldung ist ein Verfahren zum Vorbereiten eines oxynitridbasierenden Leuchtstoffs vorgesehen. Das Verfahren enthält Mixen eines Seltenerdoxids mit einem Wirtsmaterial mit einer allgemeinen Formel: Ca₁₅Si₂₀O₁₀N₃₀, um ein Gemisch zu bilden. Das Gemisch wird in einer Gasatmosphäre bei einer Temperatur von etwa 1400 bis 1600 °C gebrannt. Das Seltenerdelement ist zumindest eines ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Mangan (Mn), Cerium (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Dysprosium (Dy), Terbium (Tb), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm) und Ytterbium (Yb). Das Wirtsmaterial besitzt ein Kristallgitter gemäß einem Peak eines Röntgenpulverdiffraktometriemusters. Das Kristallgitter besitzt eine kubische Kristallstruktur.
Zusätzliche Vorteile und neuartige Merkmale werden zum Teil in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt und werden dem Fachmann zum Teil bei der Prüfung des Nachfolgenden und aus den beigefügten Abbildungen ersichtlich werden, oder können durch die Produktion oder die Wirkungsweise der Beispiele verstanden werden. Die Vorteile der vorliegenden Lehren können durch die Anwendung oder Verwendung von verschiedenen Aspekten der Methodiken, Mittel und Kombinationen, welche in den nachstehend diskutierten detaillierten Beispielen dargelegt sind, realisiert werden.
Figurenliste
Die vorstehenden und weitere Aspekte, Merkmale und weitere Vorteile der vorliegenden Anmeldung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung deutlicher zu verstehen, welche in Zusammenhang mit den beigefügten Abbildungen ausgeführt ist, bei welchen:

1 ein ternäres Zusammensetzungsdiagramm ist, welches einen oxynitridbasierenden Leuchtstoff gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung schematisch darstellt;
2 bis 4 Diagramme sind, welche XRD-Muster bzw. -Spektren darstellen, in welchen Kristallstrukturen von Materialien, welche in Abhängigkeit der Brenntemperatur erhalten werden, während ein Verhältnis von CaO und SiN_4/3 variiert wird, die als Rohmaterialien vorgesehen sind, analysiert sind;
5 eine Abbildung ist, welche XRD-Muster von vier Typen von im Stand der Technik bekannten Kristallstrukturen darstellt, um mit den XRD-Mustern der 2 bis 4 verglichen zu werden;
6 und 7 Diagramme sind, welche XRD-Muster von Zusammensetzungen darstellen, welche durch präzises Anpassen eines Verhältnisses von CaO und SiN_4/3 in Abhängigkeit der Brenntemperatur von 1500 bzw. 1600 °C erhalten werden;
8 ein Diagramm ist, welches Photolumineszenz (PL)-Charakteristiken von Leuchtstoffen gemäß Beispielen 1 bis 9 der vorliegenden Anmeldung darstellt;
9 ein Diagramm ist, welches die Kristallstruktur-Analyseergebnisse des Leuchtstoffs gemäß den Beispielen der vorliegenden Anmeldung unter Verwendung einer Röntgenbeugung (XRD) nachdem der Leuchtstoff hergestellt ist darstellt;
10 eine Abbildung ist, welche die Kristallstruktur-Analyseergebnisse darstellt, welche unter Verwendung des Rietveld-Verfahrens erhalten werden; und
11 eine Abbildung ist, welche eine Kristallstruktur des Leuchtstoffs gemäß einem Beispiel der vorliegenden Anmeldung schematisch darstellt.

Detaillierte Beschreibung
Nachfolgend werden Beispiele der vorliegenden Anmeldung mit Bezug auf die beigefügten Abbildungen detailliert beschrieben. Diese Beispiele sind dazu vorgesehen, dass diese Offenbarung genau und vollständig ist und dem Fachmann den Schutzumfang der Erfindung in vollem Umfange vermitteln wird. In den Abbildungen können die Gestaltungen und Dimensionen von Elementen zur Klarheit hervorgehoben sein und es werden durchgängig die gleichen Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder ähnliche Elemente zu bezeichnen.
Ein oxynitridbasierender Leuchtstoff gemäß einem Beispiel der vorliegenden Anmeldung besitzt ein Seltenerdelement, welches in einem Wirtsmaterial gelöst ist, das durch eine allgemeine Formel dargestellt ist: Ca₁₅Si₂₀O₁₀N₃₀. Das Seltenerdelement ist zumindest eines aus einer Gruppe bestehend aus Mangan (Mn), Cerium (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Dysprosium (Dy), Terbium (Tb), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm) und Ytterbium (Yb). Das Wirtsmaterial besitzt ein Kristallgitter gemäß einem Peak eines Röntgenpulverdiffraktometriemusters, wobei das Kristallgitter eine kubische Kristallstruktur besitzt. Insbesondere wenn das Seltenerdelement als Re bezeichnet wird, kann der oxynitridbasierende Leuchtstoff durch eine allgemeine Formel dargestellt sein: (Ca_1-x)₁₅Si₂₀O₁₀N₃₀:Re_x (0,0001 < x < 0,2). Die Zusammensetzungsformel des Leuchtstoffs gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung kann in dem ternären Zusammensetzungsdiagramm von 1 dargestellt werden.
Insbesondere beschreibend das Wirtsmaterial sind Gitterkonstante a = 1,548978 nm und α = γ = β = 90° in der kubischen Kristallstruktur erfüllt. Zusätzlich wird bestätigt, dass eine Raumgruppe der kubischen Kristallstruktur Pa-3 entspricht. In diesem Fall, wenn Veränderungsraten der Gitterkonstante a bzw. der Raumgruppe gleich 10% oder weniger sind, kann angenommen werden, dass die gleiche Zusammensetzung verwendet wird.
Der oxynitridbasierende Leuchtstoff mit der vorstehend erwähnten Struktur besitzt eine neuartige Kristallstruktur, welche im Stand der Technik nicht bekannt ist. Insbesondere in dem Fall, bei dem Eu oder dergleichen als ein Beleuchtungs-Metallelement gelöst wird, wenn ultraviolettes Licht oder sichtbares Licht als eine Anregungsquelle darauf gestrahlt wird, besitzt der oxynitridbasierende Leuchtstoff einen hervorragenden Wirkungsgrad in Wellenlängenbereichen, die von einem grünen Wellenlängenbereich hin zu einem roten Wellenlängenbereich reichen, insbesondere einem Wellenlängenbereich von etwa 600-660 nm. Der oxynitridbasierende Leuchtstoff dient als eine Wellenlängen-Wandlungseinheit, um dadurch für ein lichtemittierendes Element, wie eine lichtemittierende Diode oder dergleichen, als ein Leuchtstoff geeignet verwendet zu werden. Durch das Verwenden des lichtemittierenden Elements und einer Leuchtstoffzusammensetzung kann eine lichtemittierende Vorrichtung, insbesondere eine lichtemittierende Vorrichtung, welche in der Lage ist, weißes Licht zu emittieren, implementiert bzw. realisiert werden. Eine detaillierte Beschreibung einer neuartigen Kristallstruktur des oxynitridbasierenden Leuchtstoffs wird nachstehend bereitgestellt.
Gemäß der durch den/die Erfinder durchgeführten Versuchsdurchführung wird in dem Fall außerhalb der Zusammensetzungs-Bedingungen die Kristallstruktur anstatt einer kubischen Kristallstruktur variiert, so dass gewünschte Charakteristiken des Leuchtstoffs nicht erhalten werden können. Jedoch ist das Erfüllen der Zusammensetzungs-Bedingungen nicht notwendigerweise erforderlich, um die kubische Kristallstruktur zu erhalten, und falls die kubische Kristallstruktur selbst in dem Fall außerhalb der Zusammensetzungs-Bedingungen erhalten wird, kann erkannt werden, dass diese in dem Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung enthalten sind.
Dabei kann der Leuchtstoff mit der vorstehend erwähnten Struktur aus Oxynitrid hergestellt sein und dadurch eine hervorragende Strukturstabilität besitzen, so dass der Leuchtstoff in Umgebungen mit einer Oxidations-Atmosphäre oder einer feuchten Umgebung eine verbesserte Stabilität besitzt.
Bei bestimmten Beispielen ist eine Leuchtstoffzusammensetzung mit der Zusammensetzungsformel in einer einzigen Phase konfiguriert, kann jedoch eine amorphe Kristallphase, welche während eines Herstellungsverfahrens in einem unmerklichen Betrag zwangsläufig erzeugt wird, oder andere Kristallphasen statt einer kubischen Kristallphase enthalten. Die Leuchtstoffzusammensetzung kann eine Verbindung mit der amorphen Kristallsphase oder anderen Kristallphasen enthalten, solange Charakteristiken davon dadurch nicht betroffen sind.
Dabei kann sich eine durchschnittliche Partikelgröße des Leuchtstoffs gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung in dem Bereich von 1 bis 20µm befinden. Dies liegt daran, da, wenn die durchschnittliche Partikelgröße kleiner als 1 µm ist, eine Licht-Absorptionsrate aufgrund von Streuen vermindert sein kann und eine gleichmäßige Verteilung auf einem Harzmaterial, welches eine LED einschließt, nicht erleichtert werden kann, wohingegen, wenn die durchschnittliche Partikelgröße größer als 20µm ist, eine Unregelmäßigkeit der Leuchtintensität und Farbe auftreten kann.
Nachfolgend wird ein Verfahren zum Herstellen des oxynitridbasierenden Leuchtstoffs mit der vorstehend erwähnten Struktur anhand eines Beispiels beschrieben.
Betreffend die Rohmaterialien zum Herstellen des Leuchtstoffs wurden Siliziumnitrid (Si₃N₄)-Pulver, Calciumoxid (CaO)-Pulver und Europiumoxid (Eu₂O₃)-Pulver als Hauptkomponenten Ca, Si und Eu verwendet. Die Rohmaterialien, wie CaO, α-Si₃N₄ und Eu₂O₃ wurden gewogen und gemischt, um eine vorbestimmte Zusammensetzung zu besitzen, und in diesem Fall betrug der Betrag des Gemisches pro Probe 1g. Der Mischvorgang der Rohmaterialien wurde in einer Umgebungsatmosphäre 10 min lang manuell ausgeführt.
Die wie vorstehend erhaltenen Gemischproben wurden unter einer Stickstoffgasatmosphäre gebrannt, in welcher Stickstoffgas mit einem höheren Druck als Atmosphärendruck und einem niedrigeren Druck als ein Luftdruck von 20 atm als eine Hauptkomponente, und H₂-Gas von 0-25% vorgesehen waren. Beim Durchführen des Brennens unter der Stickstoffgasatmosphäre, wie vorstehend, kann ein Abbau eines Nitrids, welches während des Hochtemperatur-Brennens synthetisiert wird, verhindert oder gehemmt werden, und eine Zusammensetzungs-Abweichung des produzierten Nitrids kann reduziert werden, um die Herstellung einer Leuchtstoffzusammensetzung mit hervorragender Leistungsfähigkeit zu ermöglichen. Dabei bedeutet die Tatsache, dass Stickstoffgas als eine Hauptkomponente vorgesehen ist, dass Stickstoffgas mit einem Betrag von 75% oder mehr des gesamten Gases enthalten ist. Zusätzlich kann eine Brenntemperatur etwa 1400-1600°C betragen. Zusätzlich kann eine Brennzeit innerhalb eines Bereichs von etwa 30 Minuten bis 100 Stunden vorgesehen sein, kann jedoch bei anderen Beispielen unter Betrachtung der Qualität und Produktivität 2 bis 12 Stunden betragen. Bei diesem Beispiel wurde das Brennen bei einer Brenntemperatur von etwa 1525°C für etwa 8 Stunden unter atmosphärischem Druck und einer Hochrein-Stickstoff (99,999%)-Gasatmosphäre durchgeführt. Ein Zerkleinerungsvorgang wurde darauf durchgeführt, um einen Leuchtstoff herzustellen.
Der/Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung bestätigten, dass der Leuchtstoff mit der Zusammensetzungsformel gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung durch Anpassen eines Mischungsverhältnisses der Rohmaterialien und einer Brenntemperatur dafür unter Verwendung des vorstehend erwähnten Herstellungsverfahrens praktisch synthetisiert wurde. Diesbezüglich wird mit Bezug auf XRD-Muster-Analyseergebnisse der 2 bis 7 eine detaillierte Beschreibung vorgesehen. Die 2 bis 4 stellen XRD-Muster dar, bei denen Kristallstrukturen von Materialien, welche in Abhängigkeit der Brenntemperaturen erhalten werden, während ein Verhältnis von CaO und Si₃N₄ variiert wird, die als Rohmaterialien vorgesehen sind, analysiert werden. 5 stellt XRD-Muster von vier Typen von im Stand der Technik bekannten Kristallstrukturen dar, um mit den XRD-Mustern der 2 bis 4 verglichen zu werden. Unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 wurde ein Ca₁₅Si₂₀O₁₀N₃₀-Kristall unter der Bedingung erhalten, bei welcher sich ein Verhältnis von CaO und Si₃N₄ in einem Bereich von 3:7 bis 5:5 und eine Brenntemperatur bei ungefähr 1400°C bis 1500°C befand.
Die 6 und 7 stellen XRD-Muster von Zusammensetzungen dar, welche durch präzises Anpassen eines Verhältnisses von CaO und SiN_4/3 in Abhängigkeit der Brenntemperaturen von ungefähr 1500°C bzw. 1600 °C erhalten werden. Im Falle einer Brenntemperatur von etwa 1400°C zeigten sich ähnliche Ergebnisse wie in dem Fall einer Brenntemperatur von 1500°C. In den 6 und 7 wird, wenn ein Verhältnis von CaO und SiN_4/3 bei einer Brenntemperatur von 1500°C auf 15:16 ~ 15:21 verändert wurde, bestätigt, dass ein Ca₁₅Si₂₀O₁₀N₃₀-Kristall erhalten wurde. Im Unterschied hierzu war es bei einer Brenntemperatur von 1600°C schwierig den Ca₁₅Si₂₀O₁₀N₃₀-Kristall zu synthetisieren.
Basierend auf den XRD-Muster-Analyseergebnissen wurden Leuchtstoffzusammensetzungen mit unterschiedlichen Gehalten des Aktivators (Eu) hergestellt, wie in den nachfolgenden Beispielen beschrieben ist.
[Beispiel 1]
Als Rohpulver-Materialien für eine Leuchtstoffzusammensetzung gemäß Beispiel 1 wurden 0,4641g von CaO, 0,5212g von α-Si₃N₄ und 0,0147g von Eu₂O₃ entsprechend abgewogen und dann unter Verwendung eines Mörsers unter einer Umgebungsatmosphäre manuell vermischt, um 1g eines Rohpulver-Gemisches zu erhalten. Das 1g des Rohpulver-Gemisches wurde in einen Tiegel eingebracht und Stickstoffgas wurde mit einem Betrag von 500 cm³ pro Minute in das Innere eines Brennofens eingeführt. Eine Brennbehandlung durch Erhitzen wurde bei etwa 1525°C für etwa 8 Stunden durchgeführt und dann wurde ein Zerkleinerungsvorgang darauf ausgeführt, um eine Leuchtstoffzusammensetzung zu erhalten. Wenn die Leuchtstoffzusammensetzung durch eine Lichtquelle von 460 nm angeregt wurde, wurde bestätigt, dass ein zentraler lichtemittierender Peak davon etwa 609 nm betrug.
[Beispiel 2]
Als Rohpulver-Materialien für eine Leuchtstoffzusammensetzung gemäß Beispiel 2 wurden 0,4548g von CaO, 0,5160g von α-Si₃N₄ und 0,0291g von Eu₂O₃ entsprechend abgewogen und dann unter Verwendung eines Mörsers unter einer Umgebungsatmosphäre manuell vermischt, um 1g eines Rohpulver-Gemisches zu erhalten. Das 1g des Rohpulver-Gemisches wurde in einen Tiegel eingebracht und Stickstoffgas wurde mit einem Betrag von 500 cm³ pro Minute in das Innere eines Brennofens eingeführt. Eine Brennbehandlung durch Erhitzen wurde bei etwa 1525°C für etwa 8 Stunden durchgeführt und dann wurde ein Zerkleinerungsvorgang darauf ausgeführt, um eine Leuchtstoffzusammensetzung zu erhalten. Wenn die Leuchtstoffzusammensetzung durch eine Lichtquelle von 460 nm angeregt wurde, wurde bestätigt, dass ein zentraler lichtemittierender Peak davon etwa 630 nm betrug.
[Beispiel 3]
Als Rohpulver-Materialien für eine Leuchtstoffzusammensetzung gemäß Beispiel 3 wurden 0,4458g von CaO, 0,5110g von α-Si₃N₄ und 0,0433g von Eu₂O₃ entsprechend abgewogen und dann unter Verwendung eines Mörsers unter einer Umgebungsatmosphäre manuell vermischt, um 1g eines Rohpulver-Gemisches zu erhalten. Das 1g des Rohpulver-Gemisches wurde in einen Tiegel eingebracht und Stickstoffgas wurde mit einem Betrag von 500 cm³ pro Minute in das Innere eines Brennofens eingeführt. Eine Brennbehandlung durch Erhitzen wurde bei etwa 1525°C für etwa 8 Stunden durchgeführt und dann wurde ein Zerkleinerungsvorgang darauf ausgeführt, um eine Leuchtstoffzusammensetzung zu erhalten. Wenn die Leuchtstoffzusammensetzung durch eine Lichtquelle von 460 nm angeregt wurde, wurde bestätigt, dass ein zentraler lichtemittierender Peak davon etwa 641 nm betrug.
[Beispiel 4]
Als Rohpulver-Materialien für eine Leuchtstoffzusammensetzung gemäß Beispiel 4 wurden 0,4369g von CaO, 0,5060g von α-Si₃N₄ und 0,0571g von Eu₂O₃ entsprechend abgewogen und dann unter Verwendung eines Mörsers unter einer Umgebungsatmosphäre manuell vermischt, um 1g eines Rohpulver-Gemisches zu erhalten. Das 1g des Rohpulver-Gemisches wurde in einen Tiegel eingebracht und Stickstoffgas wurde mit einem Betrag von 500 cm³ pro Minute in das Innere eines Brennofens eingeführt. Eine Brennbehandlung durch Erhitzen wurde bei etwa 1525°C für etwa 8 Stunden durchgeführt und dann wurde ein Zerkleinerungsvorgang darauf ausgeführt, um eine Leuchtstoffzusammensetzung zu erhalten. Wenn die Leuchtstoffzusammensetzung durch eine Lichtquelle von 460 nm angeregt wurde, wurde bestätigt, dass ein zentraler lichtemittierender Peak davon etwa 641 nm betrug.
[Beispiel 5]
Als Rohpulver-Materialien für eine Leuchtstoffzusammensetzung gemäß Beispiel 5 wurden 0,4282g von CaO, 0,501 1g von α-Si₃N₄ und 0,0707g von Eu₂O₃ entsprechend abgewogen und dann unter Verwendung eines Mörsers unter einer Umgebungsatmosphäre manuell vermischt, um 1g eines Rohpulver-Gemisches zu erhalten. Das 1g des Rohpulver-Gemisches wurde in einen Tiegel eingebracht und Stickstoffgas wurde mit einem Betrag von 500 cm³ pro Minute in das Innere eines Brennofens eingeführt. Eine Brennbehandlung durch Erhitzen wurde bei etwa 1525°C für etwa 8 Stunden durchgeführt und dann wurde ein Zerkleinerungsvorgang darauf ausgeführt, um eine Leuchtstoffzusammensetzung zu erhalten. Wenn die Leuchtstoffzusammensetzung durch eine Lichtquelle von 460 nm angeregt wurde, wurde bestätigt, dass ein zentraler lichtemittierender Peak davon etwa 648 nm betrug.
[Beispiel 6]
Als Rohpulver-Materialien für eine Leuchtstoffzusammensetzung gemäß Beispiel 6 wurden 0,4196g von CaO, 0,4963g von α-Si₃N₄ und 0,0840g von Eu₂O₃ entsprechend abgewogen und dann unter Verwendung eines Mörsers unter einer Umgebungsatmosphäre manuell vermischt, um 1g eines Rohpulver-Gemisches zu erhalten. Das 1g des Rohpulver-Gemisches wurde in einen Tiegel eingebracht, Stickstoffgas wurde mit einem Betrag von 500 cm³ pro Minute in das Innere eines Brennofens eingeführt, eine Brennbehandlung durch Erhitzen wurde bei etwa 1525°C für etwa 8 Stunden durchgeführt und dann wurde ein Zerkleinerungsvorgang darauf ausgeführt, um eine Leuchtstoffzusammensetzung zu erhalten. Wenn die Leuchtstoffzusammensetzung durch eine Lichtquelle von 460 nm angeregt wurde, wurde bestätigt, dass ein zentraler lichtemittierender Peak davon etwa 655 nm betrug.
[Beispiel 7]
Als Rohpulver-Materialien für eine Leuchtstoffzusammensetzung gemäß Beispiel 7 wurden 0,4112g von CaO, 0,4916g von α-Si₃N₄ und 0,0971g von Eu₂O₃ entsprechend abgewogen und dann unter Verwendung eines Mörsers unter einer Umgebungsatmosphäre manuell vermischt, um 1g eines Rohpulver-Gemisches zu erhalten. Das 1g des Rohpulver-Gemisches wurde in einen Tiegel eingebracht und Stickstoffgas wurde mit einem Betrag von 500 cm³ pro Minute in das Innere eines Brennofens eingeführt. Eine Brennbehandlung durch Erhitzen wurde bei etwa 1525°C für etwa 8 Stunden durchgeführt und dann wurde ein Zerkleinerungsvorgang darauf ausgeführt, um eine Leuchtstoffzusammensetzung zu erhalten. Wenn die Leuchtstoffzusammensetzung durch eine Lichtquelle von 460 nm angeregt wurde, wurde bestätigt, dass ein zentraler lichtemittierender Peak davon etwa 654 nm betrug.
[Beispiel 8]
Als Rohpulver-Materialien für eine Leuchtstoffzusammensetzung gemäß Beispiel 8 wurden 0,4030g von CaO, 0,4870g von α-Si₃N₄ und 0,1100g von Eu₂O₃ entsprechend abgewogen und dann unter Verwendung eines Mörsers unter einer Umgebungsatmosphäre manuell vermischt, um 1g eines Rohpulver-Gemisches zu erhalten. Das 1g des Rohpulver-Gemisches wurde in einen Tiegel eingebracht und Stickstoffgas wurde mit einem Betrag von 500 cm³ pro Minute in das Innere eines Brennofens eingeführt. Eine Brennbehandlung durch Erhitzen wurde bei etwa 1525°C für etwa 8 Stunden durchgeführt, und dann wurde ein Zerkleinerungsvorgang darauf ausgeführt, um eine Leuchtstoffzusammensetzung zu erhalten. Wenn die Leuchtstoffzusammensetzung durch eine Lichtquelle von 460 nm angeregt wurde, wurde bestätigt, dass ein zentraler lichtemittierender Peak davon etwa 655 nm betrug.
[Beispiel 9]
Als Rohpulver-Materialien für eine Leuchtstoffzusammensetzung gemäß Beispiel 9 wurden 0,3949g von CaO, 0,4825g von α-Si₃N₄ und 0,1226g von Eu₂O₃ entsprechend abgewogen und dann unter Verwendung eines Mörsers unter einer Umgebungsatmosphäre manuell vermischt, um 1g eines Rohpulver-Gemisches zu erhalten. Das 1g des Rohpulver-Gemisches wurde in einen Tiegel eingebracht und Stickstoffgas wurde mit einem Betrag von 500 cm³ pro Minute in das Innere eines Brennofens eingeführt. Eine Brennbehandlung durch Erhitzen wurde bei etwa 1525°C für etwa 8 Stunden durchgeführt und dann wurde ein Zerkleinerungsvorgang darauf ausgeführt, um eine Leuchtstoffzusammensetzung zu erhalten. Wenn die Leuchtstoffzusammensetzung durch eine Lichtquelle von 460 nm angeregt wurde, wurde bestätigt, dass ein zentraler lichtemittierender Peak davon etwa 660 nm betrug.

Die Mischungsverhältnisse der Rohmaterialien gemäß der Beispiele 1 bis 9 und die resultierenden lumineszierenden Eigenschaften davon wurden in nachstehender Tabelle 1 angeordnet. In diesem Fall wurden Werte der Peak-Wellenlängen näherungsweise hergeleitet. [Tabelle 1]

Beispiel	Mischungsverhältnisse der Rohmaterialien			Peak-Wellenlänge (nm)
	CaO	Si₃N₄	Eu₂O₃ (Molverhältnis)
1	0,4641	0,5212	0,0147 (0,01%)	609
2	0,4548	0,5160	0,0291 (0,02%)	630
3	0,4458	0,5110	0,0433 (0,03%)	641
4	0,4369	0,5060	0,0571 (0,04%)	641
5	0,4282	0,5011	0,0707 (0,05%)	648
6	0,4196	0,4963	0,0840 (0,06%)	655
7	0,4121	0,4916	0,0971 (0,07%)	654
8	0,4030	0,4870	0,1100 (0,08%)	655
9	0,3949	0,4825	0,1226 (0,09%)	660

Wie in 8 gezeigt ist, wurden die lumineszierenden Eigenschaften der Leuchtstoffzusammensetzungen, wie vorstehend hergestellt, unter Verwendung einer Photolumineszenz (PL)-Vorrichtung analysiert und die Helligkeit und Varianz bei der Zentralwellenlänge wurde in Abhängigkeit der Konzentration von Eu² gezeigt. Wie in dem Graphen von 8 dargestellt ist, ist eine Peak-Wellenlänge in Zusammenhang mit einem Anstieg des Betrages von Eu erhöht. 9 ist ein Diagramm, welches Kristallstruktur-Analyseergebnisse des Leuchtstoffs gemäß den Beispielen der vorliegenden Anmeldung unter Verwendung einer Röntgenbeugung (XRD) nachdem der Leuchtstoff hergestellt ist darstellt. Um eine Kristallstruktur präzise zu analysieren, wurde bei den Leuchtstoffzusammensetzungen, welche nach der XRD-Analyse ausgewählt wurden, ein Profilabgleich durchgeführt. In diesem Fall beträgt die bei der Analyse verwendete Leuchtstoffzusammensetzung (Ca_1-x)₁₅Si₂₀O₁₀N₃₀:Eu_x (x = 0,04). Ferner wurde eine Kristallstruktur einer Leuchtstoffprobe mit der Zusammensetzung unter Verwendung des Rietveld-Verfahrens analysiert.
Das Rietveld-Verfahren ist ein Verfahren zum Vergleichen einer praktisch gemessenen Beugungsintensität eines Röntgenstrahls, welche durch praktische Messung erhalten wird, und einer Beugungsintensität eines Röntgenstrahls, welche durch eine theoretische Berechnung aus einem Kristallstruktur-Modell erhalten wird, welches durch Vorherbestimmen einer Kristallstruktur konfiguriert ist, und Verfeinern von verschiedenen Strukturparametern des Gittermodells unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate, um eine Differenz zwischen beiden Intensitäten zu reduzieren, wodurch ein genaues Kristallstruktur-Modell hervorgebracht wird.
Die Analyseergebnisse gemäß dem Rietveld-Verfahren wurden in 10 gezeigt und exakte Atompositionen der Leuchtstoffzusammensetzung können mit den Analyseergebnissen nachvollzogen werden. Folglich ist in 11 und Tabelle 2 eine Kristallstruktur der Leuchtstoffzusammensetzung gezeigt und in diesem Fall bezieht sich eine blaue Farbe auf ein Stickstoffatom, eine rote Farbe bezieht sich auf ein Sauerstoffatom, eine grüne Farbe bezieht sich auf ein Calcium (Ca)-Atom und ein Atom, welches innerhalb einer viereckigen Pyramide vorliegt, bezieht sich auf ein Silizium (Si)-Atom. In diesem Fall können gemäß den Beispielen Differenzen erzeugt werden, jedoch kann, wie vorstehend beschrieben, solange die Differenzen innerhalb eines Veränderungsverhältnisses von ungefähr 10% erzeugt werden, angenommen werden, dass die gleichen Zusammensetzungen verwendet werden. [Tabelle 2]

Zusammensetzung Ca₁₅Si₂₀O₁₀N₃₀

Raumgruppe Pa-3

a (nm) 1,548978 (8)

V (nm³) 3,716514

Z 4
Wie vorstehend gemäß Ausführungsformen der Anmeldung dargelegt, ist ein oxynitridbasierender Leuchtstoff mit ausgezeichneter Strukturstabilität, insbesondere mit ausgezeichneter Leuchthelligkeit in einem Rotlicht-Wellenlängenbereich und einer neuartigen Kristallstruktur, welche Verbesserungen der Leuchthelligkeit erleichtert, um dadurch in LED-Anwendungsgebieten geeignet verwendet zu werden, und eine lichtemittierende Vorrichtung mit demselben vorgesehen.

Claims

Oxynitridbasierender Leuchtstoff, aufweisend: ein Seltenerdelement, welches in einem Wirtsmaterial gelöst ist, wobei das Wirtsmaterial durch eine allgemeine Formel dargestellt ist: Ca₁₅Si₂₀O₁₀N₃₀, wobei das Seltenerdelement zumindest eines ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Mangan (Mn), Cerium (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Dysprosium (Dy), Terbium (Tb), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm) und Ytterbium (Yb) ist, und das Wirtsmaterial ein Kristallgitter gemäß einem Peak eines Röntgenpulverdiffraktometriemusters besitzt, wobei das Kristallgitter eine kubische Kristallstruktur besitzt, wobei der oxynitridbasierende Leuchtstoff mit Bezug auf Anregungslicht mit einem Peak-Wellenlängenbereich von 250 bis 550 nm eine lichtemittierende Peak-Wellenlänge von 600 bis 660 nm aufweist.
Oxynitridbasierender Leuchtstoff nach Anspruch 1, wobei, wenn das Seltenerdelement als Re bezeichnet wird, der oxynitridbasierende Leuchtstoff durch eine allgemeine Formel dargestellt ist: (Ca_1-x)₁₅Si₂₀O₁₀N₃₀:Re_x (0,0001 < x < 0,2).
Oxynitridbasierender Leuchtstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei in der kubischen Kristallstruktur des Wirtsmaterials eine Gitterkonstante a = 1,548978 nm und eine Veränderungsrate der Gitterkonstante a gleich 10% oder weniger ist.
Oxynitridbasierender Leuchtstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Seltenerdelement Eu²⁺ ist.
Oxynitridbasierender Leuchtstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Raumgruppe der kubischen Kristallstruktur Pa-3 ist.
Oxynitridbasierender Leuchtstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der oxynitridbasierende Leuchtstoff eine durchschnittliche Partikelgröße von 1 bis 20 µm besitzt.
Lichtemittierende Vorrichtung, aufweisend: ein lichtemittierendes Element, welches zum Emittieren von Anregungslicht konfiguriert ist; und eine Wellenlängen-Wandlungseinheit, welche zum Absorbieren des Anregungslichts und Emittieren von sichtbarem Licht konfiguriert ist, wobei die Wellenlängen-Wandlungseinheit enthält: einen oxynitridbasierenden Leuchtstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das lichtemittierende Element eine ultraviolettes Licht emittierende Diode oder eine blaulichtemittierende Diode ist.