JP2008174665A - 粉末蛍光体及びその製造方法、並びに粉末蛍光体を有する発光装置、表示装置及び蛍光ランプ - Google Patents

粉末蛍光体及びその製造方法、並びに粉末蛍光体を有する発光装置、表示装置及び蛍光ランプ Download PDF

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Abstract

【課題】粉砕工程等を必要とせず、高密度に配向可能で、発光装置、表示装置、蛍光ランプなどに最適な酸化亜鉛単結晶粉末を低コストで製造する。
【解決手段】アスペクト比が5以上の針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶(ZnO)を主成分とする粉末蛍光体を、原料溶液(A)として亜鉛イオンを含有するアルカリ性溶液、原料溶液(B)として亜鉛イオンとドーパント用元素のイオンを含有する溶液、及び該原料溶液(A)と原料溶液(B)との混合溶液から選択される原料溶液作製工程と、該混合液を密閉容器中で亜臨界又は超臨界の温度及び圧力で水熱反応させる水熱反応工程とで製造する。
【選択図】図2

Description

本発明は、表示装置、例えば、テレビジョンやパーソナルコンピュータのディスプレイ、装置制御盤用ディスプレイ、及び公共表示や広告表示のためのディスプレイ、並びに各種照明などに用いられる針状酸化亜鉛粉末蛍光体及びその製造方法に関するものである。並びに、該粉末蛍光体を有する発光装置、表示装置及び蛍光ランプに関するものである。
表示装置として、陰極線管(Cathode Ray Tube,CRT)、液晶表示装置、蛍光表示管(Vacuum Fluorescent Display,VFD)、発光ダイオード(Light Emitting Diode,LED)、エレクトロルミネッセンス表示装置(Electroluminescence,EL)などが普及している。近年、情報化技術の著しい進歩などに伴い、表示装置に対する高性能化や高機能化の要求が非常に高まっている。高い表示品位(高輝度、高精細、大面積化、広視野角など)、低消費電力化、省スペースや軽量化などの要求性能に対応するため、広く普及している表示装置の高性能化が活発に行われている。更に、近年、プラズマ・ディスプレイ・パネル(Plasma Display Panel,PDP)が製品化されている他、将来有望な表示装置として、フィールド・エミッション・ディスプレイ(Field Emission Display,FED)やフラットパネル型蛍光表示管についても、活発な研究開発が行われている。
一方、酸化亜鉛(ZnO)の中には、電子線や紫外線照射によって、青緑色発光、すなわち青色成分を含む緑色発光を示すものがある。加速電圧1kV以下の低速電子線照射により高い発光効率を示す特性を利用して、粉末状の酸化亜鉛蛍光体は、蛍光表示管に実用化されている。しかし、フィールド・エミッション・ディスプレイやフラットパネル型蛍光 表示管のような新規の表示装置に対して応用するには、蛍光 体粉末はいくつかの欠点がある。
酸化亜鉛(ZnO)の蛍光は、他のスルフィドベースのリン材料に比べてあることから注目されている。酸化亜鉛(ZnO)の蛍光特性は、酸化亜鉛(ZnO)の表面欠陥が励起バンドと励起強度に重要な役割を演じることから、その組織形態に影響される。
薄膜状酸化亜鉛蛍光体を形成するため、電子線蒸着法、スパッタ法、パルスレーザ蒸着法、噴霧熱分解法などの手法を用いて試みられてきたが、実用化可能な高輝度および高発光効率を示す蛍光体薄膜は未だ得られていない。また、これらの従来手法では、高い基板加熱温度や高温での加熱処理が必要であるため、透明導電層やカラーフィルターを劣化させることなくそれらの上に酸化亜鉛蛍光体薄膜を成膜させることは困難で、発光輝度、及び色純度の低下を招く欠点があった。
ところで、下記特許文献1には、水熱合成法を用いた酸化亜鉛(ZnO)単結晶の製造方法が開示されている。具体的には、低抵抗化のための前段熱処理と平坦化のための後段熱処理の2段階の熱処理工程を含む酸化亜鉛単結晶ウェハーの製造方法が開示されている。
特開2005−039131号公報
上記特許文献1に開示された発明は、水熱合成法を用いた酸化亜鉛(ZnO)単結晶の製造方法ではあるが、目的物が酸化亜鉛単結晶ウェハーである。酸化亜鉛(ZnO)単結晶を発光装置、表示装置、蛍光ランプなどに用いるためには、高密度に配向可能な粉末蛍光体が望まれていた。酸化亜鉛単結晶ウェハーなどの塊状物から粉末蛍光体を得るには粉砕工程が必要となるが、粉砕に伴う結晶表面の欠陥や不純物の混入が生じやすいという致命的問題がある。
そこで、本発明は、粉砕工程等を必要とせず、高密度に配向可能で、発光装置、表示装置、蛍光ランプなどに最適な酸化亜鉛単結晶粉末を低コストで製造することを目的とする。
本発明者らは、特定の製造法で得られる特定構造の酸化亜鉛単結晶粉末が粉末蛍光体として優れた特性を有することを見出し、本発明に到達した。
即ち、第1に、本発明は、アスペクト比が5以上の針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶(ZnO)を主成分とする粉末蛍光体である。本発明の粉末蛍光体は、アスペクト比が5以上の針状又は繊維状であることから、高密度に配向可能であり、発光装置、表示装置、蛍光ランプなどの蛍光体として最適である。
本発明の粉末蛍光体は、ドーパントとしてCo、Mn、Cd、Fe、Ni、Al、Snから選択される1種以上を含むことが可能である。Coなどをドープすることにより、多彩なピーク波長(蛍光色)が得られる他、単結晶の形態を変えることが可能となる。
本発明の粉末蛍光体は、各種波長のものが得られるが、フォトルミネッセンス(PL)評価にて600nm近傍に発光ピークを有するものが代表的である。また、フォトルミネッセンス(PL)評価にて500nm近傍と600nm近傍に2つの発光ピークを有するものも得られる。
第2に、本発明は、上記のアスペクト比が5以上の針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶(ZnO)を主成分とする粉末蛍光体の製造方法の発明であって、原料溶液(A)として亜鉛イオンを含有するアルカリ性溶液、原料溶液(B)として亜鉛イオンとドーパント用元素のイオンを含有する溶液、及び該原料溶液(A)と原料溶液(B)との混合溶液から選択される原料溶液作製工程と、該混合液を密閉容器中で亜臨界又は超臨界の温度及び圧力で水熱反応させる水熱反応工程とを、含むことを特徴とする。本発明では、アスペクト比が5以上の針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶(ZnO)の粉末蛍光体が、粉砕工程等を経ずして直接的に製造できる。
本発明の粉末蛍光体の製造方法では、前記原料溶液(A)、原料溶液(B)、及び該原料溶液(A)と原料溶液(B)との混合溶液中で、前記亜鉛イオンが不飽和、半飽和、又は飽和のいずれかであることが可能である。
本発明の粉末蛍光体の製造方法では、前記ドーパント用元素のイオンが、Co、Mn、Cd、Fe、Ni、Al、Snから選択される1種以上の元素のイオンであることが好ましいことは上述の通りである。
本発明の粉末蛍光体の製造方法では、前記水熱反応工程の条件として、200℃〜250℃で1時間〜30時間の反応であることが好ましく例示される。また、前記水熱反応工程が1段階の場合だけでなく、200℃〜250℃で1時間〜30時間で反応させた後、400℃〜600℃で30分〜10時間で反応させる2段階の場合が好ましく例示される。
第3に、本発明は、上記の粉末蛍光体の用途の係るものであり、上記の粉末蛍光体からなる発光層を有するLEDなどの発光素子や、該発光素子を具備する表示装置が挙げられる。また、水銀を含む封入ガスが充填された透光性ガラス管と、この透光性ガラス管内壁に設けられた蛍光膜と、前記封入ガス中で陽光柱放電を維持するための手段とを具備する蛍光ランプにおいて、該蛍光膜として、上記の粉末蛍光体を含有すること蛍光ランプが挙げられる。
本発明の粉末蛍光体は、アスペクト比が5以上の針状又は繊維状であることから、高密度に配向可能であり、発光装置、表示装置、蛍光ランプなどの蛍光体として最適である。また、本発明の粉末蛍光体の製造方法は、アスペクト比が5以上の針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶(ZnO)の粉末蛍光体が、粉砕工程等を経ずして直接的に製造できる。
以下、本発明の実施例及び比較例を示す。
1:試薬
市販試薬特級のZnCl、及びドーパント用にCoSO・7HO、MnSO・5HO、Cd(NO・4HO、FeCl・6HO、NiSO・6HO、SnCl、Al(NO)・9HOを用いた。
2:原料溶液の調製
溶液A:
(1)ドーパント用試薬のいずれかの0.01M水溶液50mlに8MのNaOH水溶液50mlを加える。
(2)上記の操作により沈殿物が生成するが、さらにその沈殿を含む溶液に0.3MのZnCl水溶液100mlを加える。
(3)沈殿物をろ過した透明溶液を溶液Aとする。
溶液B:
4MのNaOH水溶液100mlと0.3MのZnCl水溶液100mlを混合して得られる透明溶液を溶液Bとする。
ここで、濃度単位Mは、mol/溶液1000mlを示す。溶液Aはアルカリ性で、そのアルカリ性溶液は全てのZnが溶解しておりドーパント金属イオンで飽和しているが、その濃度は金属によって異なる。溶液Aと溶液Bは、NaOHとZnClの濃度は同じであるが、溶液Aはドープしようとする金属イオンを含む。
3:水熱処理方法
(1)溶液Aと溶液Bを混合する方法(half saturated)
溶液Aと溶液B各30mlをテフロン(商標名)内張(内容積80ml)に入れ、その内張をステンレス製オートクレーブに装填して、エアーオーブン内に静置し、220℃、飽和蒸気圧(23.7MPa)で10時間加熱した。昇温時間は約1時間、処理後は電源を切りオーブン内で自然冷却した。
(2)溶液Aを用いる方法(saturated)
溶液Aを60mlを使用し、上記と同じ方法により水熱処理を行った。
(3)(over saturated)
溶液Aを調製する際に沈殿物をろ過したが、ろ過せずに沈殿物が残存する状態のまま、上記と同じ水熱処理を行った。
4:蛍光評価
表1に、ドーパント用元素のイオンとして、Co、Mn、Cd、Fe、Niを用いた実施例1〜20、及びドープなしの実施例21〜24の粉末蛍光体について、出発溶液と水熱反応の合成条件などを示す。また、参考のために、市販の比較例1〜3の粉末蛍光体を示す。この内、実施例1、3、5、7、9、11、13、15、17、19は2段階加熱の水熱反応であり、実施例2、4、6、8、10、12、14、16、18、20は2段階加熱の水熱反応である。
Figure 2008174665
また、表2に、表1の各粉末蛍光体について、蛍光特性(ピーク波長及びピーク強度)と単結晶の形態(最大結晶サイズ及びアスペクト比)を示す。なお、蛍光(PL)特性の評価方法は下記の通りである。
(1)試料粉末をエタノールを摘下してガラス板上に分散
(2)分光器:SPEX1702
(3)グレーティング:1200 grooves/mm(ブレーズ波長 500nm)
回折格子で蛍光を分光する方法
(4)励起光源:He−Cd レーザ325nm@ 5mW
(5)検出器:フォトマルティプライヤー:光電子増幅管R1387
(6)測定温度:室温
(7)測定波長:400〜750nm
(8)粉末で測定しているため強度値は±数10%
Figure 2008174665
表2の結果より、本発明の実施例の各粉末蛍光体は各ピーク波長の蛍光を強く示すとともに、アスペクト比が5.0以上であるのに対して、比較例の各粉末蛍光体は各ピーク波長の蛍光が弱いか、アスペクト比が5.0以下であることが分かる。特に、実施例2、10、14、及び24の粉末蛍光体は2つのピーク波長を有することがわかる。
図1に、ドーパント用元素のイオンとして、Co、Mn、Cd、Fe、Niを用いた粉末蛍光体及びドープなしの粉末蛍光体の蛍光波長スペクトルを示す。
表3に、ドーパント用元素のイオンとして、Co、Mn、Cd、Fe、Niを用いた他の実施例25〜39、及びドープなしの実施例40〜42の粉末蛍光体について、出発溶液と水熱反応の合成条件などを示す。
Figure 2008174665
また、表4に、表3の各粉末蛍光体について、蛍光特性(ピーク波長及びピーク強度)と単結晶の形態(最大結晶サイズ及びアスペクト比)を示す。
Figure 2008174665
表4の結果より、本発明の実施例の各粉末蛍光体は各ピーク波長の蛍光を強く示すとともに、アスペクト比が5.0以上であることが分かる。特に、実施例34の粉末蛍光体は2つのピーク波長を有することがわかる。
表5に、ドーパント用元素のイオンとして、Al、Sn、Mn、Co、Cd、Feを用いた他の実施例43〜53、及びドープなしの実施例54と55の粉末蛍光体について、出発溶液と水熱反応の合成条件などを示す。
Figure 2008174665
また、表6に、表5の各粉末蛍光体について、蛍光特性(ピーク波長及びピーク強度)と単結晶の形態(最大結晶サイズ及びアスペクト比)を示す。
Figure 2008174665
表6の結果より、本発明の実施例の各粉末蛍光体は各ピーク波長の蛍光を強く示すとともに、アスペクト比が5.0以上であることが分かる。特に、実施例43、46、54、55の粉末蛍光体は2つのピーク波長を有することがわかる。
図2(a)〜(c)に、実施例43の粉末蛍光体のSEM写真を示す。図2(a)〜(c)から明らかなように、本発明の粉末蛍光体は、針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶(ZnO)であることが分かる。
酸化亜鉛(ZnO)の結晶は気相法(CVD)でも柱状晶となるが、この方法では膜の中で柱状晶が配列しているだけで、分散した粉末状結晶は得ることはできない。柱状晶の成長方向はC軸であり、柱状晶に成長する原因は結晶構造に起因するものと思われる。これに対して、水熱合成法でアスペクト比が大きくなる理由は、水熱条件では気相成長よりも成長速度が高いために、C軸方向への成長がより顕者になるためと考えられる。水熱条件でも成長速度を下げることにより針状ではなくバルク状の大型結晶を育成することが可能である。
水熱合成で得られた針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶(ZnO)は、単分散で柱状の形態を有しており、蛍光材料として各種システムへ適用する場合に有利と考えられる。例えば、柱状単結晶は特定の結晶面に配向するため蛍光体特性の効率が通常の形態を有する酸化亜鉛結晶(ZnO)よりも高くなります。本発明の針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶(ZnO)では、高密度の圧粉体が得られる、成形がし易い、凝集しにくい等の特性がシステムの小型化、薄肉化に効果を示す。
蛍光(PL)特性にて、ピークが2つある酸化亜鉛単結晶(ZnO)粉末蛍光体に関して説明する。蛍光材料は、白色LED、プラズマディスプレイ・パネル(PDP)、次世代照明、無機ELディスプレイ、蓄光材料、発光ディスプレイ等に必須な基本材料です。市販の酸化亜鉛(ZnO)蛍光体は紫色を発光しますが、本発明の酸化亜鉛単結晶(ZnO)粉末蛍光体は黄色に発光する。蛍光(PL)特性に2つのピークがある材料は、黄色〜橙色ピークと橙色〜緑色ピークを示す。つまり黄色〜緑の中間色が得られる。このように、本発明の針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶(ZnO)粉末発光体は、発光色をコントロールできること、発光色の選択支が増えること利点である。
本発明の粉末蛍光体は、アスペクト比が5以上の針状又は繊維状であることから、高密度に配向可能であり、発光装置、表示装置、蛍光ランプなどの蛍光体として最適である。特に、LED用蛍光体や次世代の照明用として期待される。
ドーパント用元素のイオンとして、Co、Mn、Cd、Fe、Niを用いた粉末蛍光体及びドープなしの粉末蛍光体の蛍光波長スペクトルを示す。 実施例43の粉末蛍光体のSEM写真を示す。

Claims (12)

  1. アスペクト比が5以上の針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶(ZnO)を主成分とする粉末蛍光体。
  2. ドーパントとしてCo、Mn、Cd、Fe、Ni、Al、Snから選択される1種以上を含むことを特徴とする請求項1に記載の粉末蛍光体。
  3. フォトルミネッセンス(PL)評価にて600nm近傍に発光ピークを有することを特徴とする請求項1又は2に記載の粉末蛍光体。
  4. フォトルミネッセンス(PL)評価にて500nm近傍と600nm近傍に2つの発光ピークを有することを特徴とする請求項1又は2に記載の粉末蛍光体。
  5. アスペクト比が5以上の針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶(ZnO)を主成分とする粉末蛍光体の製造方法であって、原料溶液(A)として亜鉛イオンを含有するアルカリ性溶液、原料溶液(B)として亜鉛イオンとドーパント用元素のイオンを含有する溶液、及び該原料溶液(A)と原料溶液(B)との混合溶液から選択される原料溶液作製工程と、該混合液を密閉容器中で亜臨界又は超臨界の温度及び圧力で水熱反応させる水熱反応工程とを、含むことを特徴とする粉末蛍光体の製造方法。
  6. 前記原料溶液(A)、原料溶液(B)、及び該原料溶液(A)と原料溶液(B)との混合溶液中で、前記亜鉛イオンが不飽和、半飽和、又は飽和のいずれかであることを特徴とする請求項5に記載の粉末蛍光体の製造方法。
  7. 前記ドーパント用元素のイオンが、Co、Mn、Cd、Fe、Ni、Al、Snから選択される1種以上の元素のイオンであることを特徴とする請求項5又は6に記載の粉末蛍光体の製造方法。
  8. 前記水熱反応工程が、200℃〜250℃で1時間〜30時間の反応であることを特徴とする請求項5乃至7のいずれかに記載の粉末蛍光体の製造方法。
  9. 前記水熱反応工程が、200℃〜250℃で1時間〜30時間で反応させた後、400℃〜600℃で30分〜10時間の反応であることを特徴とする請求項5乃至7のいずれかに記載の粉末蛍光体の製造方法。
  10. 請求項1乃至4のいずれかに記載の粉末蛍光体からなる発光層を有することを特徴とする発光素子。
  11. 請求項10に記載の発光素子を具備する表示装置。
  12. 水銀を含む封入ガスが充填された透光性ガラス管と、この透光性ガラス管内壁に設けられた蛍光膜と、前記封入ガス中で陽光柱放電を維持するための手段とを具備する蛍光ランプにおいて、前記蛍光膜は、請求項1乃至4のいずれかに記載の粉末蛍光体を含有することを特徴とする蛍光ランプ。
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