JP2002507630A - Self-activating rare earth oxide nanoparticles - Google Patents
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- Compounds Of Alkaline-Earth Elements, Aluminum Or Rare-Earth Metals (AREA)
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Abstract
(57)【要約】 式 Z2O3:ZX+(式中、Zは、希土類金属であり、xは、2〜4である。)で表される化合物とそのナノ粒子、およびその製造法並びにその使用を開示している。 (57) [Summary] A compound represented by the formula Z 2 O 3 : Z X + (where Z is a rare earth metal and x is 2 to 4), nanoparticles thereof, and a method for producing the same As well as its use.
Description
【0001】 (技術分野) 本発明は、希土類活性化蛍燐光体に関する。そのような蛍燐光体は、優れた光
出力と色表現特性を有することが知られており、多くのディスプレイ技術にうま
く利用されている。一つの特に好結果の材料である、ユーロピウム活性化イット
リウム酸化物(Y2O3:Eu3+)は、電界放出ディスプレイの分野で特に有望な
結果を現している。TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to rare earth activated phosphors. Such phosphors are known to have excellent light output and color rendering properties and have been successfully utilized in many display technologies. One in particular of successful materials, europium-activated yttrium oxide (Y 2 O 3: Eu 3+ ) is represents a particularly promising results in the field of field emission displays.
【0002】 平面ディスプレイまたはFED型(電荷放出)ディスプレイで使用するための
低電圧蛍燐光体が必要とされている。電圧を下げることにより、画像発生を制御
するのに使用される駆動電力のコストが低下する。このためには、数nmのオー
ダーの非常に小さな粒子寸法が必要である。しかしながら、ユーロピウム活性化
イットリウム酸化物のような蛍燐光体の粒子寸法の減少は、発光効率の低下をも
たらす。これは、表面欠陥状態を介した無輻射再結合によって引き起こされる。
だが、粒子の調製中に特定の工程をとれば、この表面状態を不動態化でき、それ
によって効率良く発光する蛍燐光体のナノ粒子寸法を生じさせることができる。
しかし、ユーロピウム活性化イットリウム酸化物のような通常の蛍燐光体のナノ
粒子(すなわり、≦100nm)を調製するのに必要な特定の工程は、製造コスト が高いという結果ゆえに、複雑である。また、有意な規模でそのような粒子を製
造し得ることも困難である。There is a need for low voltage phosphors for use in flat panel displays or FED type (charge emission) displays. Reducing the voltage reduces the cost of the drive power used to control image generation. This requires very small particle sizes on the order of a few nm. However, a reduction in the particle size of a phosphor such as europium-activated yttrium oxide results in reduced luminous efficiency. This is caused by radiationless recombination via surface defect states.
However, if certain steps are taken during the preparation of the particles, this surface state can be passivated, thereby producing efficient phosphor nanoparticle dimensions.
However, the specific steps required to prepare ordinary phosphor nanoparticles (ie, ≦ 100 nm), such as europium-activated yttrium oxide, are complicated due to the high manufacturing costs. . It is also difficult to produce such particles on a significant scale.
【0003】 そのため、この製造困難性を回避する蛍燐光体をナノ粒子の形態で製造する方
法が必要である。驚くべきことに、本発明によれば、新しい類の希土類酸化物の
ナノ粒子が容易に得られることが分かった。これは、活性イオンが酸化物と同じ
元素の活性イオンであるものである。従って、本発明は、式 Z2O3:ZX+(式
中、Zは、希土類元素であり、xは、2〜4、一般には3である。)で表される
化合物を提供する。[0003] Therefore, there is a need for a method of producing a phosphor in the form of nanoparticles that avoids this production difficulty. Surprisingly, it has been found that according to the present invention, a new class of rare earth oxide nanoparticles is easily obtained. In this, the active ions are active ions of the same element as the oxide. Accordingly, the present invention has the formula Z 2 O 3: Z X + ( wherein, Z is a rare earth element, x is 2-4, generally a 3.) To provide a compound represented by.
【0004】 好ましい希土類元素/金属としては、テルビウム、ユーロピウムおよびセリウ
ムが挙げられる。[0004] Preferred rare earth elements / metals include terbium, europium and cerium.
【0005】 好ましくは、蛍燐光体は、ナノ粒子の形態であり、特に2〜10nm、特に5n
mを超えない(例えば、約4nm)粒子寸法を有するものである。Preferably, the phosphor is in the form of nanoparticles, in particular 2-10 nm, especially 5n
m (for example, about 4 nm).
【0006】 本発明の蛍燐光体は、単純な沈殿法で容易に製造できる。この方法では、アル
カリを、金属複合表面活性分子の存在下で、希土類金属塩、特に塩化物の溶液に
添加する。[0006] The phosphor of the present invention can be easily manufactured by a simple precipitation method. In this method, an alkali is added to a solution of a rare earth metal salt, especially a chloride, in the presence of a metal complex surfactant molecule.
【0007】 上述のように、好ましい塩は、塩化物であり、塩化物の存在は、ディスプレイ
技術を向上させるが、溶解性塩から(例えば、硝酸塩から)の塩素が全く存在し
ない発光ナノ粒子も製造できると考えられる。As mentioned above, the preferred salt is chloride, and the presence of chloride enhances display technology, but also luminescent nanoparticles that are completely free of chlorine from soluble salts (eg, from nitrates). It can be manufactured.
【0008】 表面活性分子は、希土類イオンと結合し、活性化して、無輻射再結合し得る表
面状態を不動態化する。すなわち、それは、表面キャッピング効果を有する。こ
の結合活性は、表面ダングリングボンド状態を介しての再結合の見込みを減らす
ため、光学特性に有益でもある。使用され得る好適な表面活性分子としては、好
ましくはトリオクチルホスフィン酸化物(TOPO)、またナトリウムヘキサメ
タホスフェート、クラウンエーテルおよびアミンも挙げられる。一般には、金属
を含有しない純粋な有機分子を使用する方がよい。[0008] Surfactant molecules bind and activate rare earth ions and passivate a surface state that can undergo non-radiative recombination. That is, it has a surface capping effect. This binding activity is also beneficial to the optical properties as it reduces the likelihood of recombination via surface dangling bond states. Suitable surface-active molecules which can be used preferably also include trioctylphosphine oxide (TOPO), as well as sodium hexametaphosphate, crown ethers and amines. Generally, it is better to use pure organic molecules that do not contain metals.
【0009】 用いられるアルカリの性質は、使用される溶媒に溶解するのであれば、特に重
要ではない。典型的なアルカリとしては、水酸化アンモニウムや水酸化ナトリウ
ムが挙げられる。[0009] The nature of the alkali used is not particularly important as long as it is soluble in the solvent used. Typical alkalis include ammonium hydroxide and sodium hydroxide.
【0010】 典型的に、この方法は、塩と表面活性分子とを共通の溶媒中で、例えば、約15
分間混合し、次いでその溶媒にアルカリを添加して、数分間かけてコロイド状沈
殿を生じさせることにより行なわれる。[0010] Typically, this method involves combining the salt and the surface-active molecule in a common solvent, eg, about 15
This is done by mixing for one minute and then adding the alkali to the solvent to form a colloidal precipitate over several minutes.
【0011】 2つの溶媒は単一相を形成するように互いに親和性でなければ成らないが、必
ずしも同じでなくてよい。一般に、チオールやアルコールのように、僅かに還元
または脱水している溶媒(当然、塩を溶解できなければならない)を使用するこ
とが望ましく、グリコール(例えば、エチレングリコール)および脂肪族アルコ
ール(エタノール、プロパノール、および非常に好ましくはメタノール)が挙げ
られる。[0011] The two solvents must be, but need not be, compatible with each other to form a single phase. In general, it is desirable to use slightly reducing or dehydrating solvents, such as thiols and alcohols (which must, of course, be able to dissolve the salt), glycols (eg, ethylene glycol) and aliphatic alcohols (ethanol, Propanol, and very preferably methanol).
【0012】 この方法は、水酸化物の形成を促進しやすいため、水を殆どまたは全く用いず
に行なうことが好ましい。pHは、一般に、5〜9でなければならない(メタノ
ール中での測定;5.7は、水中での約8に相当する。)。This method is preferred to be performed with little or no water, since it facilitates the formation of hydroxides. The pH should generally be between 5 and 9 (measured in methanol; 5.7 corresponds to about 8 in water).
【0013】 反応は通常、室温で行なわれる。温度を上げると、粒子寸法が増えたり、逆に
減少したりする傾向がある。従って、典型的な温度範囲は、20℃〜40℃である。The reaction is usually performed at room temperature. Increasing the temperature tends to increase or conversely decrease the particle size. Thus, a typical temperature range is between 20C and 40C.
【0014】 希土類塩と表面活性分子との相対モル量は、一般に、著しい過剰は不必要であ
るが、最小0.3〜2.0までの範囲である。好ましくは、表面活性分子:希土類塩の
モル比は、約1:1〜2:1である。50nm以下の範囲の粒子寸法は、この比を
変えることによって変更でき、好ましい比が5nm以下の範囲の粒子を提供し得
る。添付の図3は、Eu2O3ナノ粒子に関する粒子寸法により、ルミネッセンス
効率がどのように変化するかを示しており、括弧内の数字は、希土類塩:表面活
性分子(TOPO)の比である。The relative molar amounts of the rare earth salt and the surface-active molecule generally range from a minimum of 0.3 to 2.0, although no significant excess is necessary. Preferably, the molar ratio of the surface active molecule to the rare earth salt is from about 1: 1 to 2: 1. Particle sizes in the range of 50 nm or less can be varied by varying this ratio, with preferred ratios providing particles in the range of 5 nm or less. FIG. 3 of the accompanying drawings shows how the luminescence efficiency changes with particle size for Eu 2 O 3 nanoparticles, the number in parentheses is the ratio of rare earth salt: surface active molecule (TOPO). .
【0015】 典型的に、溶液中の希土類金属塩の濃度は、0.0001〜0.5モル(例えば、0.000
5〜0.1モル)である。より高い濃度では凝集が生じる傾向がある。Typically, the concentration of the rare earth metal salt in the solution is between 0.0001 and 0.5 molar (eg, 0.000
5 to 0.1 mol). At higher concentrations, aggregation tends to occur.
【0016】 得られる沈殿物と溶媒は、蒸発により濃厚化でき、得られる粒子は分離して乾
燥できる。所望によりまたは必要に応じて、特定の粒子寸法は、この分野で知ら
れている様々な方法を用いて選択することができる。The precipitate and the solvent obtained can be thickened by evaporation, and the particles obtained can be separated and dried. If desired or necessary, the particular particle size can be selected using various methods known in the art.
【0017】 この方法を用いて、良好な寸法均一性を有しかつ良好な結晶構造を有する粒子
を得ることができることが分かった。これは、焼成、粉砕/ボールミル粉砕など
を伴う先の手順によって、製造されるより大きな粒子を減らそうとするときには
、そうではない。It has been found that particles having good dimensional uniformity and good crystal structure can be obtained using this method. This is not the case when trying to reduce the larger particles produced by previous procedures involving firing, milling / ball milling, and the like.
【0018】 本発明の好ましい化合物は、Tb2O3:Tb3+、Ce2O3:Ce3+およびEu 2 O3:Eu3+を包含する。得られる種々の希土類酸化物の特性は、同じである。
典型的に、それらは、発光(紫外線域のもののあるが、大抵は可視域である)を
生じさせる吸収スペクトルに強いピークを有する。例えば、(平均粒子寸法4n
mで得られる)Tb2O3:Tb3+の場合、添付の図1に示すように、ピークは23
0nmにある。この材料の光ルミネッセンススペクトルは、添付の図2に示す。 これは、緑色光の発光をもたらす500nmと540nmにピークを提供することが分
かる。得られる粒子の典型的な量子効率は、10〜40%の範囲である。対応するセ
リウムとユーロピウム粒子は、青色/UVと赤色領域でそれぞれ発光する。当業
者には分かるように、適した希土類前駆体材料を用いることによって全スペクト
ルに亙る色の範囲が達成できることは高く評価されるであろう。すなわち、対応
するジスプロジウム(Dy)化合物は白色発光を、サマリウム(Sm)化合物は
オレンジ色の発光を、ホルミウム(Ho)化合物は青色発光を、およびエルビウ
ム(Er)化合物またはネオジム(Nd)化合物は近赤外線域での発光をもたら
す。対応するEu2+化合物も調製できる。A preferred compound of the present invention is TbTwoOThree: Tb3+, CeTwoOThree: Ce3+And Eu Two OThree: Eu3+Is included. The properties of the various rare earth oxides obtained are the same.
Typically, they emit light (some in the ultraviolet range, but mostly in the visible range).
The resulting absorption spectrum has a strong peak. For example, (average particle size 4n
m) TbTwoOThree: Tb3+In the case of, as shown in the attached FIG.
At 0 nm. The photoluminescence spectrum of this material is shown in FIG. This can be seen to provide peaks at 500 nm and 540 nm which result in green light emission.
Call Typical quantum efficiencies of the resulting particles are in the range of 10-40%. Corresponding
Lium and europium particles emit light in the blue / UV and red regions, respectively. Business
By using suitable rare earth precursor materials, all
It will be appreciated that a gamut of colors can be achieved. That is, corresponding
(Dy) compound emits white light, and samarium (Sm) compound
The compound emits orange light, the holmium (Ho) compound emits blue light, and
(Er) compounds or neodymium (Nd) compounds provide near-infrared light emission
You. Corresponding Eu2+Compounds can also be prepared.
【0019】 本発明のナノ粒子は、FED型ディスプレイでの使用に適している。このため
に、粒子は、ディップ塗布、スピン塗布およびメニスカス塗布を含む様々な方法
により、またはエアガンスプレーを用いることにより、好適なプラスチック材料
中に固定できる。従って、本発明は、本発明のナノ粒子を組み込むプラスチック
材料も提供する。The nanoparticles of the present invention are suitable for use in FED type displays. For this purpose, the particles can be fixed in a suitable plastics material by various methods, including dip coating, spin coating and meniscus coating, or by using an air gun spray. Accordingly, the present invention also provides a plastic material incorporating the nanoparticles of the present invention.
【0020】 使用できる好適なポリマーとしては、ポリアクリル酸、ポリスチレンおよびポ
リメチルメタクリレートが挙げられる。そのようなプラスチック材料は、光ルミ
ネッセンス用途や、AC電流を使用する電気ルミネッセンス用途にも使用できる
。DC電流が使用される場合には、導電性ポリマー(例えば、ポリビニルカルバ
ゾール、ポリフェニレンビニリデンおよびポリメチルフェニルシラン)が使用で
きる。ポリ2-(4-ビフェニリル)-5-(4-tert-アリールブチルフェニル)-1,3,4-オ キシジアゾール(ブチル−PBD)も使用できる。望ましくは、このポリマーは
、プラスチック材料に粒子を塗布する際に、使用される溶媒(典型的にはメタノ
ール)と相溶性でなければならない。Suitable polymers that can be used include polyacrylic acid, polystyrene and polymethyl methacrylate. Such plastic materials can also be used for photoluminescence applications and for electroluminescence applications using AC current. If a DC current is used, conductive polymers such as polyvinylcarbazole, polyphenylenevinylidene and polymethylphenylsilane can be used. Poly 2- (4-biphenylyl) -5- (4-tert-arylbutylphenyl) -1,3,4-oxydiazole (butyl-PBD) can also be used. Desirably, the polymer must be compatible with the solvent (typically methanol) used to apply the particles to the plastic material.
【0021】 典型的に、粒子は、典型的には、厚さ0.5〜15μmのプラスチック材料の薄層 に適用される。Typically, the particles are applied to a thin layer of plastic material, typically 0.5 to 15 μm thick.
【0022】 粒子の最大濃度は、一般的には、約35重量%であって、ポリマー65重量%を含
む。濃度がこの値を超えると、ポリマーにクラックが生じやすい。典型的な最小
濃度は、約2重量%である(ポリマー98重量%)。濃度がこの値より減少すると
、プラスチック材料に「孔」が形成され易くなる。The maximum concentration of the particles is generally about 35% by weight and comprises 65% by weight of polymer. If the concentration exceeds this value, cracks tend to occur in the polymer. A typical minimum concentration is about 2% by weight (98% polymer by weight). If the concentration falls below this value, "pores" are likely to be formed in the plastic material.
【0023】 以下の手順は、本発明の典型的な合成法を示している。 HPLC級メタノール中の5×10-3MのTbCl3・6H2O 5mLを、メタ
ノール中の5×10-3MのTOPO 5mLと10分間混合した。ここへ、メタノー
ル中5×10-3MのNaOH 1.3mLをナノ粒子を沈殿させるために滴下した。 溶液を更に10分間混合した。 図4には、180個の酸化テルビウムナノ粒子の代表的な試料における粒子寸法 分布を示す。溶液中の粒子を一滴、レース状の炭素フィルム上に落として、メタ
ノールを蒸発させた。粒子の寸法は、高解像度透過型電子顕微鏡を用いて決定し
た。 図5は、同様の方法で得られたユーロピアナノ粒子の透過型電子顕微鏡写真で
ある。The following procedure illustrates a typical synthetic method of the present invention. 5 mL of 5 × 10 −3 M TbCl 3 .6H 2 O in HPLC grade methanol was mixed with 5 mL of 5 × 10 −3 M TOPO in methanol for 10 minutes. To this, 1.3 mL of 5 × 10 −3 M NaOH in methanol was added dropwise to precipitate the nanoparticles. The solution was mixed for another 10 minutes. FIG. 4 shows the particle size distribution of a representative sample of 180 terbium oxide nanoparticles. One drop of the particles in the solution was dropped on a lace-like carbon film, and methanol was evaporated. Particle size was determined using a high resolution transmission electron microscope. FIG. 5 is a transmission electron micrograph of europia nanoparticles obtained by the same method.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図1】 Tb2O3:Tb3+の吸収スペクトルを示す。FIG. 1 shows an absorption spectrum of Tb 2 O 3 : Tb 3+ .
【図2】 Tb2O3:Tb3+の光ルミネッセンススペクトルを示す。FIG. 2 shows a photoluminescence spectrum of Tb 2 O 3 : Tb 3+ .
【図3】 Eu2O3ナノ粒子の粒子寸法によって発光効率がどのように変化
するかを示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing how luminous efficiency changes depending on the particle size of Eu 2 O 3 nanoparticles.
【図4】 180個の酸化テルビウムナノ粒子における粒子寸法分布を示すグ ラフである。FIG. 4 is a graph showing the particle size distribution of 180 terbium oxide nanoparticles.
【図5】 ユーロピアナノ粒子の透過型電子顕微鏡写真である。FIG. 5 is a transmission electron micrograph of europia nanoparticles.
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書[Procedural Amendment] Submission of translation of Article 34 Amendment of the Patent Cooperation Treaty
【提出日】平成12年4月4日(2000.4.4)[Submission date] April 4, 2000 (200.4.4)
【手続補正1】[Procedure amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】特許請求の範囲[Correction target item name] Claims
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【特許請求の範囲】[Claims]
【手続補正2】[Procedure amendment 2]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0006[Correction target item name] 0006
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【0006】 本発明の蛍燐光体は、単純な沈殿法で容易に製造できる。この方法では、アル
カリを、表面キャッピング効果を有する金属複合表面活性分子の存在下で、希土
類金属塩、特に塩化物の溶液に添加する。[0006] The phosphor of the present invention can be easily manufactured by a simple precipitation method. In this method, an alkali is added to a solution of a rare earth metal salt, especially a chloride, in the presence of a metal complex surface active molecule having a surface capping effect.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ギャレス・ウェイクフィールド イギリス、オーエックス1・3ピージェ イ、オックスフォード、パークス・ロー ド、デパートメント・オブ・エンジニアリ ング・サイエンス、ユニバーシティ・オ ブ・オックスフォード Fターム(参考) 4G076 AA02 AB04 BA13 BB03 BC02 CA02 CA26 DA11 DA30 4H001 CA02 CA04 CF01 XA00 XA08 XA21 XA39 XA58 XA63 XA65 YA00 YA21 YA39 YA58 YA63 YA65 4J002 AA001 BC021 BG011 BG051 BJ001 CE001 CM031 CP011 DB006 DD076 DE096 FB086 FD111 GP03 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Gareth Wakefield UK, Ox 1.3 PJ, Oxford, Parks Road, Department of Engineering Sciences, University of Oxford F term (reference) 4G076 AA02 AB04 BA13 BB03 BC02 CA02 CA26 DA11 DA30 4H001 CA02 CA04 CF01 XA00 XA08 XA21 XA39 XA58 XA63 XA65 YA00 YA21 YA39 YA58 YA63 YA65 4J002 AA001 BC021 BG011 BG051BJ01 CP011B0101
Claims (18)
1または2記載の化合物。3. The compound according to claim 1, wherein Z is europium, terbium or cerium.
ように希土類金属塩の溶液にアルカリを添加することを含む、請求項1〜7のい
ずれかに記載の化合物を調製する方法。8. A method according to claim 1, comprising adding an alkali to the solution of the rare earth metal salt to precipitate the rare earth oxide in the presence of the metal-extracting surface-active molecule. how to.
を添加する請求項8記載の方法。9. The method according to claim 8, wherein a solution of the salt and the surface active molecule is prepared, and an alkaline solution is added thereto.
法。10. The method according to claim 8, wherein the solvent is an aliphatic alcohol.
が少なくとも0.3である請求項8〜10のいずれかに記載の方法。11. The method according to claim 8, wherein the molar concentration of the surface active molecule relative to the molar concentration of the rare earth metal salt is at least 0.3.
:1である請求項11記載の方法。12. The molar ratio of the surface active molecule to the rare earth metal salt is from 1: 1 to 2
The method of claim 11, wherein the ratio is 1: 1.
記載の方法。13. The method according to claim 8, wherein the rare earth metal salt is chloride.
3のいずれかに記載の方法で調製される粒子を含有するプラスチック材料。14. The particles according to claim 4 or claims 8 to 1.
A plastic material containing particles prepared by the method according to any one of the preceding claims.
項14または15記載の材料。16. The material according to claim 14, which contains 2 to 35% by weight of particles based on the weight of the material.
かに記載の材料。17. The material according to claim 14, which is manufactured from a conductive polymer.
チレンから製造される請求項14〜16のいずれかに記載の材料。18. The material according to claim 14, which is produced from polyacrylic acid, polymethyl methacrylate or polystyrene.
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