JP2008274117A - Process for preparing phosphor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、蛍光体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a phosphor.
化合物半導体を主たる構成材料とする無機組成物は、蛍光、リン光などの発光材料、蓄光材料などの分野で用いられている。これらには、電気エネルギーによって光を発する特性を有するものもあり、光源として用いられ、表示などの用途で一部用いられている。しかしながら、現在知られている材料は、電気エネルギーの光変換効率が不十分であり、そのため発熱、消費電力などの問題があり、用途が限定されている。 Inorganic compositions mainly composed of compound semiconductors are used in the fields of light emitting materials such as fluorescence and phosphorescence, and phosphorescent materials. Some of these have the property of emitting light by electrical energy, and are used as light sources, and are partially used for applications such as display. However, currently known materials have insufficient light conversion efficiency of electric energy, and thus have problems such as heat generation and power consumption, and are limited in application.
これらの材料は、一般にベースとなる化合物半導体に、焼成などの方法によって、微量の金属元素をドーピングすることによって製造される(特許文献1)。また、液相反応で化合物半導体を生成させるときに、同時に微量の金属元素をドーピングする方法によって製造されている(特許文献2)。さらに、これらの方法により得られた蛍光体を、複雑な工程を経て効率を高めようとする方法が知られている(特許文献3)。また、簡便な方法として、金属塩を溶解した水溶液を直接火炎中に噴霧して微量の金属元素をドーピングする方法も知られている(特許文献4)。
しかしながら、これらの方法で得られた蛍光体は、発光輝度が充分でなかったり、エネルギー効率が充分でないので、さらに煩雑な処理が必要であり、経済的に有利な方法であるとはいい難い。したがって、本発明の目的は、経済的に有利な蛍光体の製造方法を提供することにある。 However, the phosphors obtained by these methods do not have sufficient light emission luminance or energy efficiency, and thus require more complicated processing and are not economically advantageous. Accordingly, an object of the present invention is to provide an economically advantageous method for producing a phosphor.
本発明者らは鋭意検討し、II−VI族化合物半導体とドーピングする元素を含む塩を混合し、混合物をキャリアガスとともに火炎内に導入し、火炎の温度を制御して火炎中でII−VI族化合物半導体中にドーピングすることにより上記目的を達成することができることを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventors diligently studied, mixed a group II-VI compound semiconductor and a salt containing an element to be doped, introduced the mixture into a flame together with a carrier gas, and controlled the temperature of the flame to control the II-VI in the flame. It has been found that the above object can be achieved by doping in a group compound semiconductor, and the present invention has been completed.
すなわち本発明は、II−VI族化合物半導体とドーピング元素を含む塩とを含む混合物をキャリアガスとともに温度を1700℃〜2700℃に制御した火炎内に導入することを特徴とする蛍光体の製造方法である。 That is, the present invention introduces a mixture containing a group II-VI compound semiconductor and a salt containing a doping element into a flame whose temperature is controlled at 1700 ° C. to 2700 ° C. together with a carrier gas. It is.
本発明の蛍光体の製造方法によれば、経済的に有利にエネルギー効率のよい蛍光体を製造することができる。本発明は、予め結晶化しているII−VI族化合物半導体とドーパント化合物とを所定条件で火炎を通過させるという極めて簡便な方法により蛍光体を製造できるという新規知見に基づくものであり、特に、本発明には火炎処理後の焼成工程を経なくても蛍光体が製造できるという利点がある。よって、本発明は産業上極めて有用である。 According to the phosphor manufacturing method of the present invention, an energy efficient phosphor can be manufactured economically and advantageously. The present invention is based on the novel finding that a phosphor can be produced by a very simple method of allowing a flame to pass through a preliminarily crystallized II-VI group compound semiconductor and a dopant compound under predetermined conditions. The invention has the advantage that the phosphor can be produced without going through the firing step after the flame treatment. Therefore, the present invention is extremely useful industrially.
本発明に使用するII−VI族化合物半導体は特に制限されるものではなく、例えば、硫化亜鉛、硫化カドミウム、セレン化亜鉛、セレン化カドミウムなど何れのものを使用しても構わない。これらは、単独で使用しても、複合化して使用してもよい。II−VI族化合物半導体を構成する結晶構造は特に制限されるものではなく、六方晶、立方晶のいずれの単独体であってもよく、これらの混成体であってもよい。 The II-VI group compound semiconductor used in the present invention is not particularly limited. For example, zinc sulfide, cadmium sulfide, zinc selenide, cadmium selenide, or the like may be used. These may be used alone or in combination. The crystal structure constituting the II-VI group compound semiconductor is not particularly limited, and may be either a hexagonal crystal or a cubic crystal, or a hybrid thereof.
本発明において、II−VI族化合物半導体にドーピングされる元素は特に制限されるものではなく、例えば、銅、銀、マンガン、イリジウムなどの遷移金属類、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ユーロピウムなどの希土類元素を挙げることができる。これらは単独で使用してもよく、複数を混合して使用しても構わない。特に、蛍光体特性を考慮すると、マンガン、プラセオジムなどの直接励起型蛍光体を形成する元素を添加するのが好ましい。 In the present invention, the element doped in the II-VI group compound semiconductor is not particularly limited, for example, transition metals such as copper, silver, manganese, iridium, and rare earth elements such as cerium, praseodymium, samarium, and europium. Can be mentioned. These may be used alone or in combination. In particular, in consideration of the phosphor characteristics, it is preferable to add an element that forms a directly excited phosphor such as manganese or praseodymium.
ドーピング元素を含む塩の種類としては、特に限定されるものではないが、塩酸塩、硝酸塩、硫酸塩などの鉱酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩などの有機酸塩、アセチルアセトネートなどの有機金属錯体などを挙げることができる。入手性、水への溶解性などを考慮して、塩酸塩、硝酸塩、酢酸塩の使用が好ましい。 The kind of the salt containing the doping element is not particularly limited, but is a mineral salt such as hydrochloride, nitrate or sulfate, an organic acid salt such as acetate or oxalate, and an organic acid salt such as acetylacetonate. A metal complex etc. can be mentioned. In view of availability, solubility in water, etc., it is preferable to use hydrochloride, nitrate, or acetate.
ドーピングされる元素の量としては、特に限定されるものではないが、あまり多すぎると、経済的ではなく、濃度消光を引き起こすことがあり、また、あまり低すぎると、高い蛍光効率を引き出すに十分な発光中心を持たなくなるため、通常、ICP発光分析で、得られる蛍光体中5〜5000ppmとするのが好ましく、10〜1000ppmとするのがより好ましい。 The amount of the element to be doped is not particularly limited, but if it is too much, it is not economical and may cause concentration quenching, and if it is too low, it is sufficient to extract high fluorescence efficiency. In general, it is preferably 5 to 5000 ppm and more preferably 10 to 1000 ppm in the obtained phosphor by ICP emission analysis.
本発明では、II−VI族化合物半導体とドーピング元素を含む塩の無機組成物を火炎内に直接導入し、火炎中で微粒子を生成する。このような本発明に係る蛍光体微粒子の製造方法では、火炎内でII−VI族化合物半導体を一度だけ加熱すればよい。本発明の方法によれば、火炎の中にII−VI族化合物半導体を直接導入して微粒子を加熱生成するため、従来とは異なって高温中で微粒子を生成することができるので、結晶性のよい微粒子を製造することができる。 In the present invention, an inorganic composition of a salt containing a II-VI group compound semiconductor and a doping element is directly introduced into a flame to produce fine particles in the flame. In such a method for producing phosphor fine particles according to the present invention, the II-VI group compound semiconductor may be heated only once in a flame. According to the method of the present invention, since the II-VI group compound semiconductor is directly introduced into the flame to generate the fine particles by heating, the fine particles can be generated at a high temperature unlike conventional methods. Good fine particles can be produced.
火炎を生成するためには、例えば、メタン、プロパン、エチレン、プロピレン、アセチレンなどの燃料ガスと酸素が用いられる。II−VI族化合物半導体とドーピング元素を含む塩との材料混合物はキャリアガスとともに火炎中に導入されるが、キャリアガスとしては、窒素、アルゴン、水素などの中性または還元性のガスが好ましい。 In order to generate a flame, for example, fuel gas such as methane, propane, ethylene, propylene, acetylene and oxygen are used. The material mixture of the II-VI group compound semiconductor and the salt containing the doping element is introduced into the flame together with the carrier gas. The carrier gas is preferably a neutral or reducing gas such as nitrogen, argon, or hydrogen.
燃焼に必要な空気または酸素は単独で供給してもよいが、空気または酸素をキャリアガスとして供給してもよいし、空気または酸素を上記のキャリアガスとともに供給してもよい。本発明において、火炎の温度は、燃料ガスの流量を制御することにより、1700℃〜2700℃に制御される。 Air or oxygen necessary for combustion may be supplied alone, but air or oxygen may be supplied as a carrier gas, or air or oxygen may be supplied together with the above carrier gas. In the present invention, the flame temperature is controlled to 1700 ° C. to 2700 ° C. by controlling the flow rate of the fuel gas.
本発明では、II−VI族化合物半導体とドーピング元素の塩の混合物がキャリアガスとともに火炎に導入されるが、導入速度としては、キャリアガス量にも依存するが、通常、0.1g〜500g/分が好ましく、操作性、安全性を考慮して1g〜100g/分がより好ましい。 In the present invention, a mixture of a II-VI group compound semiconductor and a salt of a doping element is introduced into the flame together with the carrier gas. The introduction rate depends on the amount of the carrier gas, but is usually 0.1 g to 500 g / Minutes are preferable, and 1 to 100 g / min is more preferable in consideration of operability and safety.
火炎に導入されたII−VI族化合物半導体とドーピング元素の塩の混合物は、火炎中で元素がドーピングされたII−VI族化合物半導体となり、火炎外に放出される。放出先の雰囲気は特に限定されるものではないが、空気との接触により、酸化等の過剰反応が起こることを防ぐには、窒素、アルゴンなどの不活性ガス中に放出することも可能である。 The mixture of the II-VI compound semiconductor introduced into the flame and the salt of the doping element becomes an II-VI compound semiconductor doped with the element in the flame, and is released out of the flame. The atmosphere of the release destination is not particularly limited, but it can be released into an inert gas such as nitrogen or argon in order to prevent an excessive reaction such as oxidation by contact with air. .
得られた微粒子は、金属板などの上に吹き付け、塗付されたものとして回収することもできるし、フィルター様のもので捕集することも可能である。より速やかに冷却して微粒子の凝集を抑制するために、低温に維持した金属板に得られた微粒子を接触させてその微粒子を冷却するのが好ましい。 The obtained fine particles can be collected by being sprayed on a metal plate or the like and collected as a coated material, or collected by a filter-like material. In order to cool more rapidly and suppress aggregation of fine particles, it is preferable to cool the fine particles by bringing the obtained fine particles into contact with a metal plate maintained at a low temperature.
蛍光体が形成されたことは、量子効率を測定することによって確認することができる。量子効率とは、入射光による励起によって放出された光子の数と物質に吸収された入射光の光子の数との比であり、この数値が大きいほどドーピング効果が高いことを意味する。量子効率は分光蛍光光度計によって測定することができる。得られた微粒子は、そのまま蛍光体として用いることができる。 The formation of the phosphor can be confirmed by measuring the quantum efficiency. Quantum efficiency is the ratio between the number of photons emitted by excitation by incident light and the number of photons of incident light absorbed by the material, and the larger this value, the higher the doping effect. Quantum efficiency can be measured with a spectrofluorometer. The obtained fine particles can be used as phosphors as they are.
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例1
堺化学株式会社製硫化亜鉛(RAK−N)300gに硝酸マンガン(II)1.619gを混合し、ボールミルにて1時間混合し、II−VI族化合物半導体と金属塩の混合物を得た。この粉末混合物をテロダイン2000(日本ユテック製)溶射装置を用い、燃焼ガスにプロパンを、キャリアガスに酸素を用いて粉末を2000℃の火炎中に導入した。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.
Example 1
1.619 g of manganese nitrate (II) was mixed with 300 g of zinc sulfide (RAK-N) manufactured by Sakai Chemical Co., Ltd., and mixed with a ball mill for 1 hour to obtain a mixture of a II-VI group compound semiconductor and a metal salt. This powder mixture was introduced into a flame at 2000 ° C. using a Terodyne 2000 (manufactured by Nippon Yutec Co., Ltd.) thermal spraying apparatus using propane as the combustion gas and oxygen as the carrier gas.
ガス流量を調整し、火炎の長さを200mmに調整したところから、粉末混合物を10g/分で導入し、窒素ガスで充填されたチャンバー中に放出、自然冷却した。10分間放出を続け、堆積した微粒子粉末68gを回収した。得られた蛍光体のICP発光分析によるMnドーピング量を表1に、蛍光体の発光波長および量子効率を表2に示す。 After adjusting the gas flow rate and adjusting the flame length to 200 mm, the powder mixture was introduced at 10 g / min, released into a chamber filled with nitrogen gas, and naturally cooled. The discharge was continued for 10 minutes, and 68 g of the deposited fine particle powder was recovered. Table 1 shows the Mn doping amount of the obtained phosphor by ICP emission analysis, and Table 2 shows the emission wavelength and quantum efficiency of the phosphor.
実施例2
実施例1において、硝酸マンガンの使用量を8.12gとした以外は実施例1と同様に行い、微粒子粉末71gを回収した。得られた蛍光体のICP発光分析によるMnドーピング量を表1に、蛍光体の発光波長および量子効率を表2に示す。
Example 2
In Example 1, except that the amount of manganese nitrate used was 8.12 g, the same procedure as in Example 1 was performed to recover 71 g of fine particle powder. Table 1 shows the Mn doping amount of the obtained phosphor by ICP emission analysis, and Table 2 shows the emission wavelength and quantum efficiency of the phosphor.
実施例3
実施例1において、硝酸マンガンを酢酸プラセオジム0.92gとした以外は実施例1と同様に行い、微粒子粉末66gを回収した。得られた蛍光体のICP発光分析によるプラセオジムドーピング量を表1に、蛍光体の発光波長および量子効率を表2に示す。
Example 3
In Example 1, except that the manganese nitrate was changed to 0.92 g of praseodymium acetate, the same procedure as in Example 1 was carried out to recover 66 g of fine particle powder. Table 1 shows the amount of praseodymium doping by ICP emission analysis of the obtained phosphor, and Table 2 shows the emission wavelength and quantum efficiency of the phosphor.
実施例4
実施例1において、酸素の量を調整し、粉末を1800℃の火炎中に導入した以外は実施例1と同様に行い、微粒子粉末77gを回収した。得られた蛍光体のICP発光分析によるMnドーピング量を表1に、蛍光体の発光波長および量子効率を表2に示す。
Example 4
In Example 1, except that the amount of oxygen was adjusted and the powder was introduced into a flame at 1800 ° C., it was carried out in the same manner as in Example 1, and 77 g of fine particle powder was recovered. Table 1 shows the Mn doping amount of the obtained phosphor by ICP emission analysis, and Table 2 shows the emission wavelength and quantum efficiency of the phosphor.
実施例5
実施例1において、酸素の量を調整し、粉末を2600℃の火炎中に導入した以外は実施例1と同様に行い、微粒子粉末49gを回収した。得られた蛍光体のICP発光分析によるMnドーピング量を表1に、蛍光体の発光波長および量子効率を表2に示す。
Example 5
In Example 1, except that the amount of oxygen was adjusted and the powder was introduced into a flame at 2600 ° C., the same operation as in Example 1 was carried out to recover 49 g of fine particle powder. Table 1 shows the Mn doping amount of the obtained phosphor by ICP emission analysis, and Table 2 shows the emission wavelength and quantum efficiency of the phosphor.
比較例1
実施例1において、酸素の量を調整し、粉末を2800℃の火炎中に導入した以外は実施例1と同様に行ったところ、粉末は気散し、粉末の回収率は0%であった。
Comparative Example 1
In Example 1, except that the amount of oxygen was adjusted and the powder was introduced into a 2800 ° C. flame, the same procedure as in Example 1 was carried out. The powder was diffused, and the powder recovery rate was 0%. .
比較例2
実施例1において、酸素の量を調整し、粉末を1500℃の火炎中に導入した以外は実施例1と同様に行い、微粒子粉末82gを回収した。得られた蛍光体のICP発光分析によるMnドーピング量を表1に、蛍光体の発光波長および量子効率を表2に示す。
Comparative Example 2
In Example 1, except that the amount of oxygen was adjusted and the powder was introduced into a flame at 1500 ° C., the same operation as in Example 1 was carried out to recover 82 g of fine particle powder. Table 1 shows the Mn doping amount of the obtained phosphor by ICP emission analysis, and Table 2 shows the emission wavelength and quantum efficiency of the phosphor.
なお、分光蛍光光度計の測定条件は以下のとおりであった。
測定装置:日本分光製 FP−6500
励起波長:350nm
励起バンド幅:5nm
ソフトウェア:Spectra Manager for Windows(登録商標) 95/NT Ver1.00.00 2005 日本分光株式会社製
The measurement conditions of the spectrofluorometer were as follows.
Measuring device: FP-6500 manufactured by JASCO
Excitation wavelength: 350 nm
Excitation bandwidth: 5 nm
Software: Spectra Manager for Windows (registered trademark) 95 / NT Ver1.00.00 2005 manufactured by JASCO Corporation
蛍光体の量子効率は20%以上であることが好ましいが、本発明の方法により得られた蛍光体はいずれも20%以上の量子効率を有することが上記実施例の結果によって示された。 Although the quantum efficiency of the phosphor is preferably 20% or more, the results of the above examples show that the phosphors obtained by the method of the present invention all have a quantum efficiency of 20% or more.
本発明の蛍光体の製造方法によれば、経済的に有利に蛍光体を製造することができ、産業上有用である。 According to the method for producing a phosphor of the present invention, the phosphor can be advantageously produced economically, which is industrially useful.
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