JP2006199794A - 発光体の製造方法、発光体、及び発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高輝度かつ長寿命の発光体を製造する発光体の製造方法、発光体、及び発光装置の提供。
【解決手段】 裏面電極１１、誘電体層１２、発光層１３、誘電体層１４、透明電極１５をこの順に積層した無機ＥＬ素子１０において、発光層１３を、硫化ストロンチウム（ＳｒＳ）を母体材料とし、Ｐｒ、Ｍｎ、及びＡｕ、並びにＧａＡｓ及びＩｎＰを添加して製造した発光体と紫外線硬化型誘電物質とを混合して形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、希土類硫化物を母体材料とした発光体の製造方法、発光体、及び該発光体を用いた発光装置に関する。

エレクトロルミネッセンス素子（以下、ＥＬ素子という）は、物質に電界をかけた際に発生する発光現象を利用した発光素子であり、アルミキノリノール錯体等の有機物質を母体材料とする有機ＥＬ素子と、ＺｎＳ、ＳｒＳ等の無機物質を母体材料とする無機ＥＬ素子とに大別される。このうち無機ＥＬ素子は、有機ＥＬ素子と比較して耐久性に優れ、消費電力を低く抑えることができることができるため、液晶ディスプレイ装置のバックライト、終夜灯、緊急灯等の照明装置への応用が期待されている。

ＺｎＳを母体材料とする無機ＥＬ素子としては、母体材料に対し微量のＭｎを添加したもの、又は微量のＣｕ、Ｃｌを添加したもの等が知られており、前者は黄橙色、後者は青緑色に発光することが確認されている（例えば、特許文献１参照）。また、ＳｒＳを母体材料とする無機ＥＬ素子としては、母体材料に対し微量のＣｅを添加したものが知られており、青緑色に発光することが確認されている。
特開２００２−２４１７５３号公報

しかしながら、従来の無機ＥＬ素子は発光輝度が低いため、実用面を考慮した場合、前述したような液晶ディスプレイ装置のバックライト、終夜灯、緊急灯等に適用することが困難であるという問題点を有している。例えば、液晶ディスプレイ装置では、液晶分子、蛍光体、偏光板等により光の吸収が起こり、当初の１０％程度まで光の強度が低減するため、少なくとも数千ｃｄ／ｍ² 程度の発光輝度を有するバックライトが要求される。しかしながら、特許文献１に記載されている比較的高輝度な無機ＥＬ素子であっても、その発光輝度は５００ｃｄ／ｍ² 程度であり、現状では無機ＥＬ素子を用いて実用上十分な明るさを持つ液晶ディスプレイ装置を作成することは困難であった。

また、無機ＥＬ素子への印加電圧を上げることにより発光輝度を高めることも可能であるが、無機ＥＬ素子の寿命（すなわち、ＥＬ発光の半減期）は印加電圧に比例して短くなるという現象が見られるため、ＥＬ発光の半減期を低下させることなく高輝度発光を得ることができる発光装置の開発が望まれている。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、高輝度の発光体を製造することができる発光体の製造方法、及び高輝度の発光体を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、高輝度の発光が可能であり、しかも長寿命化を実現することが可能な発光装置を提供することにある。

第１発明に係る発光体の製造方法は、希土類硫化物を母体材料とする発光体の製造方法において、前記母体材料とＰｒ、Ｍｎ、及びＡｕを含み、前記母体材料を活性化する活性化剤との混合物を生成し、生成した混合物を加熱して前記母体材料を活性化することを特徴とする。

第１発明にあっては、希土類硫化物からなる母体材料とＰｒ、Ｍｎ、及びＡｕを含む活性化剤との混合物を生成し、生成した混合物を加熱して母体材料を活性化することにより、発光輝度の高い発光体が得られる。

第２発明に係る発光体の製造方法は、第１発明に係る発光体の製造方法において、前記希土類硫化物は、ＳｒＳであることを特徴とする。

第２発明にあっては、ＳｒＳからなる母体材料とＰｒ、Ｍｎ、及びＡｕを含む活性化剤との混合物を生成し、生成した混合物を加熱して母体材料を活性化することにより、３０００ｃｄ／ｍ² 程度の輝度を有する発光体が得られる。

第３発明に係る発光体の製造方法は、第１発明又は第２発明に係る発光体の製造方法において、前記母体材料を活性化した後、ＧａＡｓ及びＩｎＰを添加し、硫黄ガスを含む窒素雰囲気下、７９８℃以上の温度で焼成することを特徴とする。

第３発明にあっては、母体材料を活性化した後、ＧａＡｓ及びＩｎＰを添加し、硫黄ガスを含む窒素雰囲気下、７９８℃以上の温度で焼成することにより、４５００ｃｄ／ｍ² 程度の輝度を有する発光体が得られる。

第４発明に係る発光体は、希土類硫化物を母体材料とする発光体において、前記母体材料に対しＰｒ、Ｍｎ、及びＡｕを添加してあることを特徴とする。

第４発明にあっては、希土類硫化物からなる母体材料に対しＰｒ、Ｍｎ、及びＡｕを添加する構成とすることにより、高輝度の発光が得られる。

第５発明に係る発光体は、第４発明に係る発光体において、前記希土類硫化物は、ＳｒＳであることを特徴とする。

第５発明にあっては、ＳｒＳからなる母体材料に対しＰｒ、Ｍｎ、及びＡｕを添加する構成とすることにより、３０００ｃｄ／ｍ² 程度の発光輝度が得られる。

第６発明に係る発光体は、第４発明又は第５発明に係る発光体において、ＧａＡｓ及びＩｎＰを更に添加してあることを特徴とする。

第６発明にあっては、ＧａＡｓ及びＩｎＰを更に添加する構成とすることにより、４５００ｃｄ／ｍ² 程度の発光輝度が得られる。

第７発明に係る発光装置は、第４発明乃至第６発明の何れか１つに記載の発光体と、該発光体に交流電圧を印加する手段とを備えることを特徴とする。

第７発明にあっては、第４発明から第６発明に記載した発光体と、この発光体に対して交流電圧を印加する手段とを備える構成とすることにより、高輝度の発光が得られ、各種の光源として機能することとなる。

第８発明に係る発光装置は、第７発明に係る発光装置において、前記発光体の発光強度を一定にすべく前記交流電圧の大きさを制御する手段を更に備えることを特徴とする。

第８発明にあっては、発光強度を一定にするために発光体に印加すべき交流電圧の大きさを制御する構成としているため、高輝度発光かつ長寿命化が実現される。

第９発明に係る発光装置は、第７発明に係る発光装置において、前記発光体の発光強度を計測する手段と、該手段にて計測した発光強度に基づいて前記発光体に印加すべき交流電圧の大きさを制御する手段とを備えることを特徴とする。

第９発明にあっては、発光体の発光強度を計測する手段と、計測した発光強度に基づいて発光体に印加すべき交流電圧の大きさを制御する構成としているため、高輝度発光かつ長寿命化が実現される。

第１発明による場合は、希土類硫化物からなる母体材料とＰｒ、Ｍｎ、及びＡｕを含む活性化剤との混合物を生成し、生成した混合物を加熱して母体材料を活性化する。このようにして製造された発光体は、従来の無機ＥＬ材料と比較して高い発光輝度を有しており、液晶ディスプレイ装置のバックライト、緊急灯、終夜灯等への適用が可能となる。

第２発明による場合は、ＳｒＳからなる母体材料とＰｒ、Ｍｎ、及びＡｕを含む活性化剤との混合物を生成し、生成した混合物を加熱して母体材料を活性化する。このようにして製造された発光体は、３０００ｃｄ／ｍ² 程度の輝度を有しており、例えば、液晶ディスプレイ装置のバックライトとして利用することができる。

第３発明による場合は、母体材料を活性化した後、ＧａＡｓ及びＩｎＰを添加し、硫黄ガスを含む窒素雰囲気下、７９８℃以上の温度で焼成する。このようにして製造された発光体は、４５００ｃｄ／ｍ² 程度の輝度を有しており、例えば、液晶ディスプレイ装置のバックライトとして利用することができる。

第４発明による場合は、希土類硫化物からなる母体材料に対しＰｒ、Ｍｎ、及びＡｕを添加している。このような発光体は、従来の無機ＥＬ材料と比較して発光輝度が高く、液晶ディスプレイ装置のバックライト、緊急灯、終夜灯等への適用が可能となる。

第５発明による場合は、ＳｒＳからなる母体材料に対しＰｒ、Ｍｎ、及びＡｕを添加している。このような発光体は、３０００ｃｄ／ｍ² 程度の発光輝度が得られるため、例えば、液晶ディスプレイ装置のバックライトとして利用することができる。

第６発明による場合は、ＧａＡｓ及びＩｎＰを更に添加している。このような発光体は、４５００ｃｄ／ｍ² 程度の発光輝度が得られるため、例えば、液晶ディスプレイ装置のバックライトとして利用することができる。

第７発明による場合は、第４発明から第６発明に記載した発光体と、この発光体に対して交流電圧を印加する手段とを備えている。このような発光装置は、高輝度の発光が得られるため、液晶ディスプレイ装置のバックライト、緊急灯、終夜灯等の照明装置への適用が可能となる。

第８発明による場合は、発光強度を一定にするために発光体に印加すべき交流電圧の大きさを制御する構成としている。このような発光装置では、発光体の高輝度化かつ長寿命化を図ることができるため、例えば、液晶ディスプレイ装置のバックライトとして実用化が可能となる。

第９発明による場合は、発光体の発光強度を計測する手段と、計測した発光強度に基づいて発光体に印加すべき交流電圧の大きさを制御する構成としている。このような発光装置では、発光体の高輝度化かつ長寿命化を図ることができるため、例えば、液晶ディスプレイ装置のバックライトとして実用化が可能となる。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る発光装置の構成を示す模式的構成図である。図中１０は、裏面電極１１、誘電体層１２、発光層１３、誘電体層１４、及び透明電極１５をこの順に積層して形成した無機ＥＬ素子である。本実施の形態に係る発光装置は、この無機ＥＬ素子１０と交流電源２０とを備えており、無機ＥＬ素子１０に対して交流電圧を印加することにより発光層１３内でＥＬ発光を発生させる構成となっている。なお、本実施の形態では、無機ＥＬ素子１０に対する防湿効果を高めるために、無機ＥＬ素子１０をＰＥＴフィルム１６（PET : Polyethyrene terephthalete）により封入している。ＰＥＴフィルム１６による封入は、例えばラミネート加工法を利用することができる。

以下、無機ＥＬ素子１０の構成について説明する。
裏面電極１１は、ガラス、プラスチック等の基板上に導電性カーボンをスクリーン印刷することによって形成される。なお、エポキシ樹脂に銀（Ａｇ）の微粉末を練り込んだ銀ペーストを用いてスクリーン印刷を行い、電極を設ける構成としてもよい。

誘電体層１２，１４は、チタン酸バリウム含有インク等を用いたスクリーン印刷により、裏面電極１１の上層、及び発光層１３の上層に１０μｍ程度の厚みで形成される。誘電体層１２，１４を形成することによって、裏面電極１１、発光層１３、及び透明電極１５を形成する際の歩留まりが向上すると共に、発光中の絶縁破壊に強い、安定した素子が得られる。

発光層１３は、本発明に係る発光体と紫外線硬化型誘電物質からなるバインダとを混合したものであり、スクリーン印刷によって誘電体層１２上に形成される。厚みが増すと発光輝度が低くなり、薄すぎる場合には輝度ムラが起こるため、本実施の形態では、２０〜１００μｍの厚みを持つ発光層１３を設けている。

透明電極１５は、酸化インジウム（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を用いたスクリーン印刷により、誘電体層１４上に形成される。また、透明電極１５の表面の一部に銀ペーストにより形成した集電電極を別途設ける構成としてもよい。

次に、発光層１３で用いる発光体の製造方法について説明する。製造方法は、大別して２つの工程に分かれる。

（第１工程）
硫化ストロンチウム（ＳｒＳ）と、主たる活性化剤としてのプラセオジウム硫黄（Ｓ：Ｐｒ⁺³）及び炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ₄ ）と、ＴａＣｌ₁₂、ＭｇＣｌ₂ 、ＮａＣｌのような融剤物質とを配合した原材料１００ｇを、マンガン（Ｍｎ）８ｇ、及び金（Ａｕ）１ｇと共にプラスチックボトルに入れ、攪拌機により２０分間機械的に混合する。

攪拌して得られた混合物をボートに入れ、真空（１０^-5Ｔｏｒｒ）にしたベルジャー中、２２５０℃の温度で１時間程度焼成して焼成ケークを形成する。そして、焼成ケークをベルジャーから取り出した後、冷却し、脱イオン水でｐＨ６以下になるまで洗浄する。脱イオン水で洗浄することにより融剤物質を除去し、乾燥させる。

（第２工程）
次いで、乾燥させた焼成ケークをボルテックス理論の分級粉砕機により粉砕して粒径５〜２０μｍにする。そして、粒径１〜３μｍの砒化ガリウム（ＧａＡｓ）及び燐化インジウム（ＩｎＰ）と共にプラスチックボトルに入れ、機械的攪拌機により攪拌混合を２０分間行う。攪拌して得られた混合物を円筒管状電気炉内に設置した坩堝に入れ、石英管中において硫黄ガス６％の窒素気体中略８００℃の温度で３時間程度焼成してプラセオジウムの晶系転移を誘発させる。プラセオジウムの晶系転移は六方晶系から立方晶系への転移であり、その転移温度は７９８℃である。そのため、７９８℃以上の温度で焼成して晶系転移を誘発させるようにしている。

その後、焼成された生成物１００ｇ当たり、脱イオン水１ｌに対し１５０ｍｌの氷酢酸を混合した混合液にて洗浄し、過剰の化合物、融和添加剤、及び不純物を除去する。そして、脱イオン水でｐＨ６以下になるまで洗浄し、洗浄された生成物を濾過し、約１８０℃で２時間乾燥させる。生成物を冷却した後、ボルテックス理論の分級機による篩い分けを行い、本発明の発光体を得る。

次に、前述のようにして製造された発光体の特性について説明する。
図２は発光輝度の時間変化を示すグラフであり、図３は開始時点、２４時間経過後、及び１００時間経過後の発光輝度を示す図表である。図２に示したグラフの横軸は、交流電圧を印加した時点（開始時点）からの経過時間、縦軸は発光層１３の輝度を表している。ここで、試料Ａのラベルを付した曲線は、ＺｎＳを母体材料とし、Ｃｕ及びＣｌを添加した従来の無機ＥＬ材料により製造された発光体によるものである。試料Ｂ及び試料Ｃのラベルを付した曲線は何れも本発明の発光体によるものであるが、試料ＢについてはＧａＡｓ及びＩｎＰを添加する前の工程（第１工程）を最終工程として製造された発光体、試料ＣについてはＧａＡｓ及びＩｎＰを添加し、６％の硫黄ガスを含む窒素雰囲気下で焼成処理を施した材料を用いて製造された発光体である。

図２のグラフに示したように、試料Ａの発光体については交流電圧を印加した時点で６９１ｃｄ／ｍ² の輝度を有しており、経過時間と共に輝度が単調に減少してゆくことが分かる。なお、グラフから読みとれる試料Ａの半減期は１２０時間程度である。試料Ｂの発光体については交流電圧を印加した時点で２８００ｃｄ／ｍ²の輝度を有しており、従来の無機ＥＬ材料に対して輝度を４倍程度改善できることが分かった。グラフから読みとれる試料Ｂの半減期は１４０時間程度である。試料Ｃの発光体については更に輝度を改善することができ、交流電圧の印加開始時点で４４１１／ｍ²の輝度を有しており、従来の無機ＥＬ材料に対して６倍程度輝度が改善した。また、グラフから読みとれる試料Ｃの半減期は１８５時間程度であり、素子の寿命についても改善できることが分かった。

実施の形態２．
実施の形態１では、無機ＥＬ素子１０に対して一定の交流電圧を印加する構成としたが、印可する交流電圧を制御し、無機ＥＬ素子１０の発光強度（輝度）を略一定に保つようにしてもよい。

図４は実施の形態２に係る発光装置の構成を示す模式的構成図である。本実施の形態に係る発光装置は、無機ＥＬ素子１０と発光強度制御部３０とを備えている。無機ＥＬ素子１０は、実施の形態１で説明したものと同一であり、裏面電極１１、誘電体層１２、発光層１３、誘電体層１４、及び透明電極１５をこの順に積層して形成されたものである。また、無機ＥＬ素子１０はＰＥＴフィルム１６により封入されている。

発光強度制御部３０は、無機ＥＬ素子１０の発光強度を略一定に保つために無機ＥＬ素子１０に対する印加電圧を制御する。そのため、発光強度制御部３０は、無機ＥＬ素子１０に接続された交流電源、印加電圧についての設定値を記憶したメモリ、及びこのメモリに記憶されている設定値に従って交流電源を駆動するマイクロコンピュータ（不図示）等を備えている。

図５は印加電圧の設定例を示すグラフである。横軸は発光層１３に交流電圧を印加した時点からの経過時間、縦軸は印加電圧に対する設定値を表している。この例では、開始時点の印加電圧をＶ１（例えば、１８０Ｖ）とすることが設定されている。そして、経過時間がｈ１（例えば、１２０時間）になるまで印加電圧を単調に増加させてゆき、経過時間がｈ１となった時点で印加電圧をＶ２（例えば、２４０Ｖ）に設定し、ｈ１以降の印加電圧をＶ２に保持することが設定されている。前述したメモリには経過時間に対して規定した印加電圧（設定値）が記憶されており、マイクロコンピュータは図に示していない内蔵タイマの出力を基にメモリから設定値を読み出し、読み出した設定値に従って交流電源の駆動を制御する。なお、メモリには、グラフ上の値を離散的に記憶するようにしてもよく、経過時間に対する関数として記憶するようにしてもよい。

印加電圧を可変とした場合の発光装置の輝度特性を次に説明する。図６は発光輝度の時間変化を示すグラフである。横軸は交流電圧を印加した時点（開始時点）からの経過時間、縦軸は実施の形態３に係る発光装置の輝度を表している。なお、比較対象として、実施の形態１で説明した試料Ｃに一定の交流電圧を印加した場合の輝度の時間変化を併せて描いている。両者は発光層１３に用いる発光体を同一のものとしているが、発明者らの検討結果により、印加電圧を最適化することで発光輝度が安定化する現象が見られることが分かった。すなわち、印加電圧を図５に示したように可変制御することによって、無機ＥＬ素子１０の発光輝度がおよそ１２０時間で安定状態に入り、その後、少なくとも１０００時間にわたって発光輝度の変動が観測されないことが分かった。図６のグラフに基づく減衰予想曲線から見積もったＥＬ発光の半減期は２００００時間以上となり、実用上十分な寿命を有する発光装置の製造が可能であることが分かった。

実施の形態３．
実施の形態２では、無機ＥＬ素子１０に印加する交流電圧を予め定めた設定値に従って制御する構成としたが、無機ＥＬ素子１０から放射される光の強度を計測し、計測した値に基づいて無機ＥＬ素子１０に対する印加電圧を定めるようにしてもよい。

図７は実施の形態３に係る発光装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る発光装置は、実施の形態１で説明した無機ＥＬ素子１０の他、光センサ４１、比較回路４２、発光強度設定部４３、及びインバータ回路４４を備えている。

光センサ４１は、無機ＥＬ素子１０から放射される光の強度を計測するために、図に示していないフォトダイオード等を備えている。光センサ４１は、光が照射されたときにフォトダイオードに流れる光電流を電圧に変換し、その値（電圧値）を比較回路４２へ出力する。

発光強度設定部４３は、無機ＥＬ素子１０の発光強度に対する設定値を定めている。この設定値は、例えば、製品の出荷時、又はユーザの設置環境下において任意に設定される値である。比較回路４２は、光センサ４１から出力される電圧値と発光強度設定部４３での設定値とを比較し、その比較結果に応じて出力を変化させる回路である。インバータ回路４４は、無機ＥＬ素子１０を駆動するための電源回路であり、駆動する際の印加電圧は比較回路４２の出力により制御される。

次に、前述した構成の発光装置の動作について説明する。無機ＥＬ素子１０がある強度で発光している場合、光センサ４１はその強度に応じた電圧値（Ｓ１とする）を比較回路４２へ出力する。比較回路４２は、その電圧値Ｓ１と発光強度設定部４３にて設定されている設定値（Ｓ２とする）とを比較する。その結果、電圧値Ｓ１が設定値Ｓ２よりも小さいと判断した場合、発光強度が弱いと判断できるため、無機ＥＬ素子１０に対する印加電圧を高くするために比較回路４２の出力を大きくする。このとき、インバータ回路４４は無機ＥＬ素子１０の発光強度を強くするように動作する。

一方、比較回路４２が光センサ４１の電圧値Ｓ１と発光強度設定部４３の設定値Ｓ２とを比較した結果、電圧値Ｓ１が設定値Ｓ２よりも大きいと判断した場合、環境温度の上昇、又は発光装置自体の発熱等により無機ＥＬ素子１０の発光強度が強くなったと判断できるため、無機ＥＬ素子１０に対する印加電圧を低くするために比較回路４２の出力を小さくする。このとき、インバータ回路４４は無機ＥＬ素子１０の発光強度を弱くするように動作する。

このように、本実施の形態の発光装置は、フィードバック動作によって光センサ４１の電圧値Ｓ１と発光強度設定部４３の設定値Ｓ２とが等しくなるように動作する。その結果、無機ＥＬ素子１０の発光強度（輝度）が略一定に保持され、実施の形態２と同様に長寿命の発光装置を構成する。

実施の形態１に係る発光装置の構成を示す模式的構成図である。 発光輝度の時間変化を示すグラフである。 開始時点、２４時間経過後、及び１００時間経過後の発光輝度を示す図表である。 実施の形態２に係る発光装置の構成を示す模式的構成図である。 印加電圧の設定例を示すグラフである。 発光輝度の時間変化を示すグラフである。 実施の形態３に係る発光装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０ 無機ＥＬ素子
１１ 裏面電極
１２ 誘電体層
１３ 発光層
１４ 誘電体層
１５ 透明電極
１６ ＰＥＴフィルム
２０ 交流電源
３０ 発光強度制御部
４１ 光センサ
４２ 比較回路
４３ 発光強度設定部
４４ インバータ回路

Claims (9)

1. 希土類硫化物を母体材料とする発光体の製造方法において、
   前記母体材料とＰｒ、Ｍｎ、及びＡｕを含み、前記母体材料を活性化する活性化剤との混合物を生成し、生成した混合物を加熱して前記母体材料を活性化することを特徴とする発光体の製造方法。
2. 前記希土類硫化物は、ＳｒＳであることを特徴とする請求項１に記載の発光体の製造方法。
3. 前記母体材料を活性化した後、ＧａＡｓ及びＩｎＰを添加し、硫黄ガスを含む窒素雰囲気下、７９８℃以上の温度で焼成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光体の製造方法。
4. 希土類硫化物を母体材料とする発光体において、
   前記母体材料に対しＰｒ、Ｍｎ、及びＡｕを添加してあることを特徴とする発光体。
5. 前記希土類硫化物は、ＳｒＳであることを特徴とする請求項４に記載の発光体。
6. ＧａＡｓ及びＩｎＰを更に添加してあることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の発光体。
7. 請求項４乃至請求項６の何れか１つに記載の発光体と、該発光体に交流電圧を印加する手段とを備えることを特徴とする発光装置。
8. 前記発光体の発光強度を一定にすべく前記交流電圧の大きさを制御する手段を更に備えることを特徴とする請求項７に記載の発光装置。
9. 前記発光体の発光強度を計測する手段と、該手段にて計測した発光強度に基づいて前記発光体に印加すべき交流電圧の大きさを制御する手段とを備えることを特徴とする請求項７に記載の発光装置。

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