JP2010254933A - 蛍光体と、その蛍光体を用いた蛍光体含有組成物及び発光装置、並びに、その発光装置を用いた画像表示装置及び照明装置 - Google Patents

蛍光体と、その蛍光体を用いた蛍光体含有組成物及び発光装置、並びに、その発光装置を用いた画像表示装置及び照明装置 Download PDF

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Abstract

【課題】発光ピークの半値幅が狭く、発光特性に優れた赤色蛍光体と、この蛍光体を用いた蛍光体含有組成物及び発光装置と、この発光装置を用いた画像表示装置及び照明装置を提供する。
【解決手段】蛍光体粒子の化学組成が下記式[1]で表されることを特徴とする、蛍光体。
2+x ・・・ 式[1]
(但し、Mは、アルカリ金属元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の1価の金属元素を表す。Mは、少なくともSiを含有する4価の金属元素を必須とし、さらに3価の金属元素、及び5価の金属元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素を含有する金属元素を表す。Rは、少なくともMnを含有する付活元素を表す。また、x、y、z、及びnは、以下の式を満たす数を表す。
−1≦x≦1、0.9≦y+z≦1.1、0.001≦z≦0.4、5≦n≦7)
【選択図】なし

Description

本発明は、赤色系の蛍光を発する蛍光体と、その蛍光体を用いた蛍光体含有組成物及び発光装置、並びに、その発光装置を用いた画像表示装置及び照明装置に関する。
近年、GaN(窒化ガリウム)系半導体発光素子(以下、「半導体発光素子」を「LED」と称する場合がある。)と、波長変換材料としての蛍光体とを組み合わせて構成される白色発光装置が、消費電力が小さく長寿命であるという特徴を活かして画像表示装置や照明装置の発光源として注目されている。中でも、In添加GaN系青色LEDと、Ce付活イットリウム・アルミニウム・ガーネット系黄色蛍光体とを組み合わせた白色発光装置が代表的な発光装置として挙げられる。
このような白色発光装置は、ディスプレイ用バックライトなどの新たな用途への使用が期待されており、それに伴い、半導体発光素子と組み合わせる蛍光体の研究開発も進められている。
例えば、特許文献1〜3に、半導体発光素子にMn4+で付活されたフッ素錯体蛍光体を組み合わせた発光装置が開示されている。特許文献1〜3に例示されているフッ素錯体蛍光体は、フッ素イオンの配位中心となる金属イオンとして、3価、4価、または5価のイオンを有するものである。
米国特許公開2006/0071589号公報 米国特許公開2006/0169998号公報 米国特許公開2007/0205712号公報
しかしながら、特許文献1〜3に記載の発光装置では、未だ蛍光体の輝度が不充分であり、加えて、使用されるMn4+で付活されたフッ素錯体蛍光体が経時的に劣化する傾向にあり、実用化に耐えないものであることが、本発明者等の検討により明らかとなった。
Mn4+で付活されたフッ素錯体蛍光体を使用した発光装置を実用化するためには、Mn4+で付活されたフッ素錯体蛍光体の耐久性の向上が望まれる。
本発明者等は上記課題に鑑み、フッ素錯体蛍光体の組成について詳細に検討した。その結果、下記式[2]に記載の化学組成を有する蛍光体において、Siを必須とする4価の金属元素に加えて、特定の金属元素(3価、または5価の金属元素)を加えると、耐久性を向上させることができることを見出し、本発明を完成させた。
2+x2’ ・・・ 式[2]
(但し、Mは、アルカリ金属元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の1価の金属元素を表す。M2’は、少なくともSiを含有する4価の金属元素を表す。Rは、少なくともMnを含有する付活元素を表す。
また、x、y、z、及びnは、以下の式を満たす数を表す。
−1≦x≦1
0.9≦y+z≦1.1
0.001≦z≦0.4
5≦n≦7)
また、本発明者等は、前記蛍光体が、表示装置、照明装置等の用途に好適に使用できることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、本発明の要旨は、次の(1)〜(9)に存する。
(1)蛍光体粒子の化学組成が下記式[1]で表されることを特徴とする、蛍光体。
2+x ・・・ 式[1]
(但し、Mは、アルカリ金属元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の1価の金属元素を表す。Mは、少なくともSiを含有する4価の金属元素を必須とし、さらに3価の金属元素、及び5価の金属元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素を含有する金属元素を表す。Rは、少なくともMnを含有する付活元素を表す。
また、x、y、z、及びnは、以下の式を満たす数を表す。
−1≦x≦1
0.9≦y+z≦1.1
0.001≦z≦0.4
5≦n≦7)
(2)前記式[1]において、Mが、3価の金属元素としてAlを含有することを特徴とする、(1)に記載の蛍光体。
(3)前記式[1]において、Mが、少なくともKを含有し、K以外のアルカリ金属元素も含むことを特徴とする、(1)または(2)に記載の蛍光体。
(4)前記式[1]において、Mが、K以外のアルカリ金属元素としてNaを含有することを特徴とする、(3)に記載の蛍光体。
(5)(1)〜(4)のいずれかに記載の蛍光体と、液体媒体とを含有することを特徴とする、蛍光体含有組成物。
(6)第1の発光体と、該第1の発光体からの光の照射によって可視光を発する第2の発光体とを備える発光装置であって、該第2の発光体として(1)〜(4)のいずれかに記載の蛍光体の1種以上を含む第1の蛍光体を含有することを特徴とする、発光装置。
(7)前記第2の発光体として、前記第1の蛍光体とは発光ピーク波長の異なる1種以上の蛍光体を含む第2の蛍光体を含有することを特徴とする、(6)に記載の発光装置。
(8)(6)または(7)に記載の発光装置を備えることを特徴とする照明装置。
(9)(6)または(7)に記載の発光装置を備えることを特徴とする画像表示装置。
本発明によれば、実用的な輝度を保持しつつ、フッ素錯体蛍光体の耐久性を向上させることができる。
また、本発明の蛍光体を用いれば、高効率、及び高演色性の発光装置、画像表示装置、照明装置を提供することができる。
本発明の半導体発光装置の一実施例を示す模式的斜視図である。 図2(a)は、本発明の砲弾型発光装置の一実施例を示す模式的断面図であり、図2(b)は、本発明の表面実装型発光装置の一実施例を示す模式的断面図である。 本発明の照明装置の一実施例を示す模式的断面図である。 実施例1−1の蛍光体の励起スペクトル、及び発光スペクトルである。 実施例1−1のSEM観察像である。 実施例1−2のSEM観察像である。 実施例1−3のSEM観察像である。 比較例1−1のSEM観察像である。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
また、本明細書中の蛍光体の組成式において、各組成式の区切りは読点(、)で区切って表わす。また、カンマ(,)で区切って複数の元素を列記する場合には、列記された元素のうち一種又は二種以上を任意の組み合わせ及び組成で含有していてもよいことを示している。例えば、「(Ca,Sr,Ba)Al:Eu」という組成式は、「CaAl:Eu」と、「SrAl:Eu」と、「BaAl:Eu」と、「Ca1−xSrAl:Eu」と、「Sr1−xBaAl:Eu」と、「Ca1−xBaAl:Eu」と、「Ca1−x−ySrBaAl:Eu」とを全て包括的に示しているものとする(但し、前記式中、0<x<1、0<y<1、0<x+y<1)。
[1.蛍光体]
[1−1.蛍光体の組成]
本発明の蛍光体は、蛍光体粒子の化学組成が下記式[1]で表されることを特徴とする蛍光体である。
2+x ・・・ 式[1]
(但し、Mは、アルカリ金属元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の1価の金属元素を表す。
は、少なくともSiを含有する4価の金属元素を必須とし、さらに3価の金属元素、及び5価の金属元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素を含有する金属元素を表す。
Rは、少なくともMnを含有する付活元素を表す。
また、x、y、z、及びnは、以下の式を満たす数を表す。
−1≦x≦1
0.9≦y+z≦1.1
0.001≦z≦0.4
5≦n≦7)
なお、本明細書における蛍光体粒子とは、単粒子を意味するものである。ここで、単粒子とは、SEM観察上、粒子と粒子との境界が鮮明に見分けることができる粒子のことをいう。
上記式[1]において、Mは、アルカリ金属元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の1価の金属元素を表す。ここで、アルカリ金属元素とは、Li、Na、K、Rb、Cs、Frのことをいう。Mは、これらのアルカリ金属元素のうち一種を単独で含有していてもよく、二種以上を任意の比率で併有していてもよい。
としては、K及びNaからなる群より選ばれる1種以上の元素を含有することが好ましく、少なくともKを含有することが好ましい。通常、全M量に対してKが90モル%以上、好ましくは93モル%以上、より好ましくは95モル%以上、さらに好ましくは97モル%以上である。
としては、耐久性が向上することから、少なくともKを含有し、Kに加えて、K以外のアルカリ金属元素を含むことが好ましい。ここで、K以外のアルカリ金属元素としては、Li、Na、Rb、及びCsからなる群から選ばれる1種または2種以上の元素が好ましく、Naが特に好ましい。耐久性向上効果が顕著であるからである。
K以外のアルカリ金属元素の含有量としては、通常、全M量に対して0.001モル%以上、好ましくは0.01モル%以上、より好ましくは0.1モル%以上、さらに好ましくは0.5モル%以上であり、また、通常10モル%以下、好ましくは8モル%以下、より好ましくは5モル%以下である。
なお、上記の他にその性能に影響を与えない限りにおいて、(NH)を一部含有していてもよい。(NH)の含有量としては通常全M量に対して10モル%以下である。
上記式[1]において、Mは、少なくともSiを含有する4価の金属元素を必須とし、さらに3価の金属元素、及び5価の金属元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素を含有する金属元素である。
が含有する3価の金属元素としては、B、Al、Ga、In、Y、Sc、及び希土類元素からなる群から選ばれる1種または2種以上が挙げられる。中でも、Siのイオン半径に最も近いことから、Alが好ましい。
が含有する5価の金属元素としては、V、P、Nb、及びTaからなる群から選ばれる1種または2種以上の元素が挙げられる。中でも、安全性を考慮し、Taが好ましい。
上述した中でも、Mが、少なくともSiを含有する4価の金属元素と共に、3価の金属元素を含有することが好ましく、該3価の金属元素がAlであることがより好ましい。
3価の金属元素、及び5価の金属元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素の含有量としては、全M量に対して、0.001モル%以上、好ましくは0.01モル%以上、より好ましくは0.1モル%以上、さらに好ましくは0.5モル%以上であり、また、通常10モル%以下、好ましくは8モル%以下、より好ましくは5モル%以下である。
また、Mは、4価の金属元素として、Si以外に、Ge、Sn、Ti、Zr、Re、及びHfからなる群から選ばれる1種または2種以上の元素を含んでいてもよい。
ここで、Siの含有量は、通常、Mに含まれる4価の金属元素の全量に対してSiが90モル%以上、好ましくは93モル%以上、より好ましくは95モル%以上、さらに好ましくは97モル%以上であり、Mに含まれる4価の金属元素の全てがSiであることが特に好ましい。
上記式[1]において、Rは、少なくともMnを含有する付活元素である。Rとして、Mn以外に含まれていてもよい付活元素としては、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Ru、及びAgからなる群から選ばれる1種又は2種以上が挙げられる。
Rは、Mnを、全R量に対して通常90モル%以上含むことが好ましく、95モル%以上含むことがより好ましく、98モル%以上を含むことがさらに好ましく、Mnのみを含むことが特に好ましい。
上記式[1]におけるFは、フッ素を表す。但し、発光特性に影響を与えない程度にフッ素以外のハロゲン元素を含んでいてもよい。
上記式[1]における「2+x」は、Mのモル数を表す数である。xは、通常−1以上、好ましくは−0.5以上であり、また、通常1以下、好ましくは0.5以下の数を表す。xの値が大きすぎても小さすぎても、発光特性が低下する傾向にある。
上記式[1]におけるzは、Rのモル数を表す数である。zは、通常0.001以上、好ましくは0.005以上、より好ましくは0.01以上であり、また、通常0.4以下、好ましくは0.2以下の数を表す。zの値が大きすぎても小さすぎても、発光特性が低下する傾向にある。
上記式[1]におけるnは、F(フッ素)のモル数を表す数である。nは、通常5以上、好ましくは5.5以上であり、また、通常7以下、好ましくは6.5以下の数を表し、nが6であることが特に好ましい。zの値が大きすぎても小さすぎても、耐久性が低下する傾向にある。
また、上記式[1]における「y+z」の値は、通常0.9以上、好ましくは0.95以上であり、また、通常1.1以下、好ましくは1.05以下である。「y+z」の値が大きすぎても小さすぎても、発光特性が低下する傾向にある。
このようなフッ素イオンの配位中心となる金属イオンとして、4価のイオンに加え、3価、又は5価のイオンが共存するフッ素錯体蛍光体は、前述の特許文献1〜3には記載も示唆もなく、新規な蛍光体である。
本発明の蛍光体は、好ましくは、後述の蛍光体の製造方法に記載される方法により製造されるが、当該蛍光体の製造方法において、以下の理由により、蛍光体原料の仕込み組成と得られる蛍光体の組成とに若干のずれが生じる。本発明の蛍光体は、蛍光体製造時の原料の仕込み組成ではなく、得られる蛍光体の組成として、上記の特定の組成を有することを特徴とする。
本発明の蛍光体において、3価の金属元素、または5価の金属元素がどのような状況で蛍光体粒子中に存在するかはまだ十分明らかになっていない。
しかしながら、次に示すように、走査型電子顕微鏡・エネルギー分散型X線分析装置(Scanning Electron Microscope and Energy Dispersive X-ray microanalyzer;以下、「SEM−EDX」と称する。)を用いて蛍光体粒子の組成分析を行うことによって、蛍光体粒子中に含まれる元素を同定することができる。本発明の蛍光体は、蛍光体粒子から、K、Si、Mn以外の元素(Na、Al、Ta等)をSEM−EDXにより検出することができるものである。即ち、本発明の蛍光体を構成する蛍光体粒子は、その化学組成にK、Si、Mn以外の元素(Na、Al、Ta等)を有するものであると考えられる。
本発明の蛍光体は、SEM−EDXにより求める、MとMnとの合計モル数に対するMnの割合(本発明において、この割合を以下「Mn濃度」と称す。)が、0.1モル%以上40モル%以下であることが好ましい。このMn濃度が少な過ぎると、蛍光体による励起光の吸収効率が小さくなるので、輝度が低下する傾向にあり、多過ぎると、吸収効率は大きくなるものの、濃度消光により内部量子効率及び輝度が低下する傾向にある。好ましいMn濃度は、0.4モル%以上、更に好ましくは1モル%以上、特に好ましくは2モル%以上であり、また、30モル%以下、さらに好ましくは25モル%以下、またさらに好ましくは8モル%以下、特に好ましくは6モル%以下である。
本発明の蛍光体は、SEM−EDXにより求める、全Mの合計モル数に対するNaの割合(本発明において、この割合を以下「Na濃度」と称す。)が、0.001モル%以上、好ましくは0.01モル%以上、より好ましくは0.1モル%以上、さらに好ましくは0.5モル%以上であり、また、通常10モル%以下、好ましくは8モル%以下、より好ましくは5モル%以下である。
本発明の蛍光体は、SEM−EDXにより求める、MとMnとの合計モル数に対するAlの割合(本発明において、この割合を以下「Al濃度」と称す。)が、0.001モル%以上、好ましくは0.01モル%以上、より好ましくは0.1モル%以上、さらに好
ましくは0.5モル%以上であり、また、通常10モル%以下、好ましくは8モル%以下、より好ましくは5モル%以下である。
なお、SEM−EDX法は、走査型電子顕微鏡(SEM)測定において、蛍光体に電子線(例えば、加速電圧20kV)を照射し、蛍光体中に含まれる各元素から放出される特性X線を検出して元素分析を行うものである。測定装置としては、例えば、日立製作所社製SEM(S−3400N)と、堀場製作所社製エネルギー分散X線分析装置(EDX)(EX−250x−act)とを用いて行うことができる。
[1−2.蛍光体の特性]
<発光スペクトル>
本発明の蛍光体は、ピーク波長455nmの光で励起して発光スペクトルを測定した場合に、以下の特徴を有することが好ましい。
上述の発光スペクトルにおけるピーク波長λp(nm)が、通常600nmより大きく、中でも605nm以上、さらには610nm以上、また、通常660nm以下、中でも650nm以下の範囲であることが好ましい。この発光ピーク波長λpが短過ぎると黄味を帯びる傾向がある一方で、長過ぎると暗赤味を帯びる傾向があり、何れも橙色ないし赤色光としての特性が低下する場合があるので好ましくない。
また、本発明の蛍光体は、上述の発光スペクトルにおける発光ピークの半値幅(Full width at half maximum。以下適宜「FWHM」と略称する。)が、通常1nmより大きく、中でも2nm以上、更には3nm以上、また、通常50nm未満、中でも30nm以下、更には10nm以下、また更には8nm以下であり、この中でも7nm以下の範囲であることが好ましい。この半値幅(FWHM)が狭過ぎると発光ピーク強度が低下する場合があり、広過ぎると色純度が低下する場合がある。
本発明の蛍光体は、Mn4+を付活元素としている為、シャープな複数の発光ピークを有するスペクトル形状を有する。上記発光ピーク波長、及び半値幅の説明は、各発光ピークに対するものであるが、少なくとも主発光ピークがこれを満たしていればよい。
なお、上記の蛍光体をピーク波長455nmの光で励起するには、例えば、キセノン光源を用いることができる。また、本発明の蛍光体の発光スペクトルの測定は、例えば、励起光源として150Wキセノンランプを、スペクトル測定装置としてマルチチャンネルCCD検出器C7041(浜松フォトニクス社製)を備える蛍光測定装置(日本分光社製)等を用いて行うことができる。発光ピーク波長、及び発光ピークの半値幅は、得られる発光スペクトルから算出することができる。
<量子効率・吸収効率>
本発明の蛍光体は、その内部量子効率が高いほど好ましい。その値は、通常50%以上、好ましくは75%以上、更に好ましくは85%以上、特に好ましくは90%以上である。内部量子効率が低いと発光効率が低下する傾向にあり、好ましくない。
本発明の蛍光体は、その外部量子効率が高いほど好ましい。その値は、通常20%以上、好ましくは25%以上、更に好ましくは30%以上、特に好ましくは35%以上である。外部量子効率が低いと発光効率が低下する傾向にあり、好ましくない。
本発明の蛍光体は、その吸収効率も高いほど好ましい。その値は通常25%以上、好ましくは30%以上、更に好ましくは42%以上、特に好ましくは50%以上である。吸収効率が低いと発光効率が低下する傾向にあり、好ましくない。
なお、上記内部量子効率、外部量子効率、及び吸収効率は、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
<重量メジアン径D50
本発明の蛍光体は、その重量メジアン径D50が、通常3μm以上、中でも10μm以上、また、通常50μm以下、中でも30μm以下であることが好ましい。重量メジアン径D50が小さすぎると、輝度が低下する場合や、蛍光体粒子が凝集してしまう場合がある。一方、重量メジアン径D50が大きすぎると、塗布ムラやディスペンサー等の閉塞が生じる傾向がある。
なお、本発明における蛍光体の重量メジアン径D50は、例えば、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置等の装置を用いて測定することができる。
<比表面積>
本発明の蛍光体の比表面積は、通常1.3m/g以下、好ましくは1.1m/g以下、特に好ましくは1.0m/g以下で、通常0.05m/g以上、中でも0.1m/g以上であることが好ましい。蛍光体の比表面積が小さすぎると蛍光体粒子が大きいことから、塗布ムラやディスペンサー等の閉塞を生じる傾向にあり、大きすぎると蛍光体粒子が小さいことから外部との接触面積が大きくなり、耐久性に劣るものとなる。
なお、本発明における蛍光体の比表面積は、BET1点法により、例えば、大倉理研社製全自動比表面積測定装置(流動法)(AMS1000A)を用いて測定される。
<粒度分布>
本発明の蛍光体は、その粒度分布において、ピーク値が一つであることが好ましい。
ピーク値が2以上あることは、単粒子によるピーク値と、その凝集体によるピーク値とがあることを示す。そのため、ピーク値が2以上あることは、単粒子が非常に小さいことを意味する。
従って、その粒度分布のピーク値が一つである蛍光体は、単粒子が大きく、凝集体が非常に少ないものである。これにより、輝度が向上するという効果や、また、単粒子が大きく成長できたことに起因して比表面積が小さくなり、耐久性が向上するという効果を有する。
なお、本発明における蛍光体の粒度分布は、例えば、堀場製作所社製レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置(LA−300)により測定することができる。測定にあたっては、分散溶媒としてエタノールを用い、蛍光体を分散させてから、光軸上の初期透過率を90%前後に調整し、マグネット回転子で分散溶媒を攪拌しながら凝集による影響を最小限に抑えて測定することが好ましい。
また、上記粒度分布のピークの幅は、狭い方が好ましい。具体的には、蛍光体粒子の粒度分布の四分偏差(QD)が、通常0.18以上、好ましくは0.20以上であり、また通常0.60以下であり、好ましくは0.40以下、より好ましくは0.35以下、さらに好ましくは0.30以下、特に好ましくは0.25である。
なお、粒度分布の四分偏差とは、蛍光体粒子の粒径が揃っているほど、小さくなる。即ち、粒径分布の四分偏差が小さいということは、粒度分布のピークの幅が狭く、蛍光体粒子の大きさが揃っていることを意味する。
また、粒度分布の四分偏差は、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて測定した粒度分布曲線を用いて算出することができる。
<粒子形状>
本発明のSEM写真の観察から認められる本発明の蛍光体の粒子形状は、3軸方向に均等に成長した粒状であることが好ましい。粒子形状が3軸方向に均等に成長すると比表面積が小さくなり、外部との接触面積が小さいので耐久性に優れる。
なお、このSEM写真は例えば日立製作所社製SEM(S−3400N)により撮影す
ることができる。
<耐久性>
本発明の蛍光体は、耐久性に優れる。具体的には、本発明の蛍光体を用いて発光装置を作製し、室温85℃、相対湿度85%の条件下で点灯させないで150時間放置した後の輝度維持率が、通常75%以上、好ましくは85%以上、より好ましくは90%以上である。
なお、輝度維持率は、実施例に記載の方法で求めることができる。
[1−3.蛍光体の製造方法]
本発明の蛍光体を製造する方法には特に制限はないが、以下の(1)の方法のように貧溶媒を用いる方法と、以下の(2)の方法のように貧溶媒を使用しない方法に大別される。
以下に、MがK、及びNaを有し、Mが4価の金属元素としてSiを、3価の金属元素としてAlを有する場合を代表例として、各々の製造方法について説明する。
(1) 貧溶媒析出法。
(2) K、Al、Na、Si、Mn、及びFからなる群から選ばれる1種以上の元素を含む溶液の2種以上を混合し、混合液中において過飽和させることにより、蛍光体を析出させる方法。
上記(2)の方法において、混合する溶液に、製造する蛍光体を構成する元素の全ての元素が含まれていることが好ましい。例えば、少なくともNaとSiとMnとFとを含有する溶液と、少なくともKとAlとFとを含有する溶液とを混合する方法が挙げられる。
ただし、上記の組み合わせに限らず、貧溶媒を添加することなく、室温において、目的とする組成の原料を含む水溶液を混合した後、混合溶液中でフッ化物が過飽和して析出するように構成元素を組み合わせてもよい。
(1)貧溶媒析出法
この方法は、例えば、原料化合物としてM SiFと、M 3AlFと、M
RFとを用い(ただし、M、及びRは、前記式[1]におけると同義である。)、これらを所定の割合でフッ化水素酸中に添加して攪拌下に溶解させて反応させ、その後、蛍光体の貧溶媒を添加して、蛍光体を析出させる方法である。例えば、米国特許第3576756号公報に記載される方法と同様に行うことができる。
米国特許第3576756号公報に記載の方法では、得られる蛍光体粒子が細かく、輝度も低く、実用的でないという問題があった。これに対し、本発明者らは、この貧溶媒を添加して蛍光体を析出させるに当たり、貧溶媒を一度に入れるのではなく、貧溶媒の添加速度を遅くしたり、分割添加したりすることにより、より高輝度の蛍光体が得られることを見出した。
この貧溶媒析出法で用いる原料化合物の組み合わせとしては、
1)KSiFとKNaAlFとKMnFとの組み合わせ、
2)KSiFとKAlFとNaFとKMnFとの組み合わせ、
3)KSiFとKAlFとNaAlFとKMnFとの組み合わせ、
4)KSiFとKFとNaAlFとKMnFとの組み合わせ、
5)KSiFとKNaAlFとKMnOとの組み合わせ、
6)KSiFとKAlFとNaFとKMnOとの組み合わせ、
7)KSiFとKAlFとNaAlFとKMnO
8)KSiFとKFとNaAlFとKMnOとの組み合わせ、
9)KSiFとKMnClとの組み合わせ、
10)KSiFとKAlFとNaFとKMnClとの組み合わせ、
11)KSiFとKAlFとNaAlFとKMnClとの組み合わせ、12)KSiFとKFとNaAlFとKMnClとの組み合わせ、
等が挙げられる。
ここで、KSiFの代わりに、水溶性カリウム塩(KF、KHF、KOH、KCl、KBr、KI、酢酸カリウム、KCO等。以下、同様。)とフッ化水素酸とHSiF水溶液との組み合わせ、水溶性カリウム塩とフッ化水素酸とケイ酸塩類(SiO、Siアルコキシド等。以下、同様。)との組み合わせ、ケイ酸カリウム(KSiO)とフッ化水素酸との組み合わせを用いても良い。
なお、水溶性カリウム塩とは、15℃における水に対する溶解度が10重量%以上であるカリウム塩をいう(後述の(2)の方法においても同様である)。
これらの原料化合物は、目的とする組成の蛍光体が得られるような割合で用いるが、前述の如く、蛍光体原料の仕込み組成と得られる蛍光体の組成とには若干のずれが生じるため、得られる蛍光体の組成が目的組成となるように調整することが重要である。
フッ化水素は、その濃度が通常10重量%以上、好ましくは20重量%以上、より好ましくは30重量%以上、また、通常70重量%以下、好ましくは60重量%以下、より好ましくは50重量%以下の水溶液として用いる。例えば、フッ化水素酸濃度が40〜50重量%である場合は、KSiF1gに対するフッ化水素酸(濃度40〜50重量%)の割合が30〜60ml程度となるように用いることが好ましい。
反応は、大気圧、室温(20〜30℃)で行うことができる。
通常、フッ化水素酸に原料化合物を所定の割合で添加混合し、原料化合物がすべて溶解したら、貧溶媒を添加する。
貧溶媒としては、通常、溶解パラメーターが10以上23.4未満、好ましくは10〜15の有機溶媒が用いられる。ここで溶解パラメーターとは、以下に定義されるものである。
(溶解パラメーターの定義)
正則溶液理論では溶媒−溶質間に作用する力は分子間力のみとモデル化されているので、液体分子を凝集させる相互作用が分子間力のみであると考えることが出来る。液体の凝集エネルギーは蒸発エンタルピーと等価であることから、モル蒸発熱ΔHとモル体積Vより、溶解パラメーターをδ=√(ΔH/V−RT)で定義する。すなわち、1モル体積の液体が蒸発するために必要な蒸発熱の平行根(cal/cm1/2から計算される。
実際の溶液が正則溶液であることは稀であり、溶媒−溶質分子間には水素結合等分子間力以外の力も作用し、2つの成分が混合するか相分離するかはそれらの成分の混合エンタルピーと混合エントロピーの差で熱力学的に決定される。しかし経験的に溶解パラメーター(Solubility Parameter;以下、「SP値」と称する場合がある。)が近い物質は混ざりやすい傾向を持つ。そのためSP値は溶質と溶媒の混ざりやすさを判断する目安ともなる。
正則溶液論では溶媒−溶質間に作用する力は分子間力のみと仮定されるので溶解パラメーターは分子間力を表す尺度として使用される。実際の溶液は正則溶液とは限らないが、2つの成分のSP値の差が小さいほど溶解度が大となることが経験的に知られている。
このような貧溶媒としては、アセトン(溶解パラメーター:10.0)、イソプロパノール(溶解パラメーター:11.5)、アセトニトリル(溶解パラメーター:11.9)、ジメチルホルムアミド(溶解パラメーター:12.0)、酢酸(溶解パラメーター:1
2.6)、エタノール(溶解パラメーター:12.7)、クレゾール(溶解パラメーター:13.3)、ギ酸(溶解パラメーター:13.5)、エチレングリコール(溶解パラメーター:14.2)、フェノール(溶解パラメーター:14.5)、メタノール(溶解パラメーター:14.5〜14.8)等が挙げられる。中でも水酸基(−OH)を含まず、水によく溶解することからアセトンが好ましい。これらの貧溶媒は1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
貧溶媒の使用量は、その種類によって異なるが、通常、蛍光体原料含有フッ化水素酸に対して通常50体積%以上、好ましくは60体積%以上、より好ましくは70体積%以上、また、通常200体積%以下、好ましくは150体積%以下、より好ましくは120体積%以下とすることが好ましい。
貧溶媒の添加は、分割添加でも連続添加でも良いが、蛍光体原料含有フッ化水素酸に対する貧溶媒の添加速度として、通常400ml/時以下、好ましくは100〜350ml/時と、比較的遅い添加速度とすることが、目的とする比表面積の小さい、高輝度の蛍光体を得る上で好ましい。ただし、この添加速度が過度に遅いと生産性が損なわれる。
貧溶媒の添加により析出した蛍光体は、濾過等により固液分離して回収し、エタノール、水、アセトン等の溶媒で洗浄する。その後、通常100℃以上、好ましくは120℃以上、より好ましくは150℃以上、また、通常300℃以下、好ましくは250℃以下、より好ましくは200℃以下で蛍光体に付着した水分を蒸発する。乾燥時間は、特に制限はないが、例えば、1〜2時間程度である。
(2)少なくともNaとSiとMnとFとを含有する溶液と、少なくともKとAlとFとを含有する溶液とを混合して生成物(蛍光体)を析出させる方法
この方法は、貧溶媒を使用しないことが特徴であり、引火性の有機溶媒を貧溶媒として使用しないため、工業的に安全性が向上する;有機溶媒を用いないので、コストダウンを図ることができる;同量の蛍光体を合成する際に必要なフッ化水素酸が上記(1)の方法に比べて2分の1程度に削減されるため、更なるコストダウンを図ることができる;上記(1)の方法に比べて、さらに粒子成長が促進され、比表面積が小さく、粒径が大きく、耐久性に優れた高輝度の蛍光体を得ることができる;等の利点がある。
少なくともNaとSiとMnとFとを含有する溶液(以下「溶液I」と称す場合がある。)としては、NaとSiF源とMn源を含有するフッ化水素酸が挙げられる。
この溶液IのSiF源としては、SiとFとを含む化合物であって、溶液への溶解性に優れるものであればよく、HSiF、NaSiF、(NHSiF、RbSiF、CsSiF等を用いることができる。これらのうち、水への溶解度が高く、不純物としてアルカリ金属元素を含まないことにより、HSiFが好ましい。これらのSiF源は1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
また、Na源とは、水溶性のNaを含む化合物であって、溶液への溶解性に優れるものであればよく、NaF、NaHF、NaOH、NaCl、NaBr、NaI、酢酸ナトリウム、NaCO等を用いることができる。これらのNa源は1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
また、Mn源としては、KMnF、KMnO、KMnCl等を用いることができる。中でも、KMnFが好ましい。結晶格子を歪ませて不安定化させる傾向にあるCl元素を含まないこと等から、付活することのできる酸化数(4価)を維持しながら、MnF錯イオンとしてフッ化水素酸中に安定して存在することができるからである。
なお、Mn源のうち、Kを含むものは、K源を兼ねるものとなる。
この溶液Iのフッ化水素酸のフッ化水素濃度は通常10重量%以上、好ましくは20重
量%以上、より好ましくは30重量%以上、また、通常70重量%以下、好ましくは60重量%以下、より好ましくは50重量%以下であることが好ましい。また、SiF源濃度は通常10重量%以上、好ましくは20重量%以上、また、通常60重量%以下、好ましくは40重量%以下であることが好ましい。溶液I中のフッ化水素濃度が低過ぎると、後述するMn源を含む溶液を溶液Iに添加した際にMnイオンが加水分解しやすくなり、付活されるMn濃度が変化し、合成される蛍光体中のMn付活量が制御しにくくなることから蛍光体の発光効率のバラつきが大きくなる傾向にあり、高過ぎると作業上の危険性が高くなる傾向にある。また、SiF源濃度が低過ぎると蛍光体の収率が下がる傾向にあると共に蛍光体の粒子成長が抑制される傾向にあり、高過ぎると蛍光体粒子が大きくなり過ぎる傾向にある。
一方、少なくともKとAlとFとを含有する溶液(以下「溶液II」と称す場合がある。)としては、K源とMn源とを含むフッ化水素酸が挙げられる。
溶液IIのK源としては、KF、KHF、KOH、KCl、KBr、KI、酢酸カリウム、KCO等の水溶性カリウム塩を用いることができる。中でも、KHFが好ましい。溶液中のフッ化水素濃度を下げることなく溶解することができ、また、溶解熱が小さいために安全性が高いからである。
また、Al源としては、AlF、KAlF、NaAlF、KAlF、NaAlFを用いることができる。
これらのK源、Al源は、それぞれ1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
この溶液IIのフッ化水素酸のフッ化水素濃度は、通常10重量%以上、好ましくは20重量%以上、より好ましくは30重量%以上であり、また、通常70重量%以下、好ましくは60重量%以下、より好ましくは50重量%以下であることが好ましい。また、K源及びAl源濃度は、合計で通常5重量%以上、好ましくは10重量%以上、より好ましくは15重量%以上、また、通常45重量%以下、好ましくは40重量%以下、より好ましくは35重量%以下であることが好ましい。フッ化水素濃度が低過ぎると溶液Iに含まれる付活元素の原料KMnFが不安定で加水分解しやすくなり、Mn濃度が激しく変化するので、合成される蛍光体中のMn付活量が制御しにくくなることから蛍光体の発光効率のバラつきが大きくなる傾向にあり、高過ぎると作業上の危険性が高くなる傾向にある。また、K源及びAl源濃度が低過ぎると蛍光体の収率が下がる傾向にあると共に、蛍光体の粒子成長が抑制される傾向にあり、高過ぎると蛍光体粒子が大きくなり過ぎる傾向にある。
溶液Iと溶液IIとの混合方法としては特に制限はなく、溶液Iを攪拌しながら溶液IIを添加して混合しても良く、溶液IIを攪拌しながら溶液Iを添加して混合しても良い。また、溶液Iと溶液IIとを一度に容器に投入して攪拌混合しても良い。
溶液Iと溶液IIとを混合することにより、所定の割合でSiF源とK源とNa源とAl源とMn源とが反応して目的の蛍光体の結晶が析出するため、この結晶を濾過等により固液分離して回収し、エタノール、水、アセトン等の溶媒で洗浄する。その後、通常100℃以上、好ましくは120℃以上、より好ましくは150℃以上、また、通常300℃以下、好ましくは250℃以下、より好ましくは200℃以下で蛍光体に付着した水分を蒸発する。乾燥時間は、特に制限はないが、例えば、1〜2時間程度である。
なお、この溶液Iと溶液IIとの混合に際しても、前述の蛍光体原料の仕込み組成と得られる蛍光体の組成とのずれを考慮して、生成物としての蛍光体の組成が目的の組成となるように、溶液Iと溶液IIの混合割合を調整する必要がある。
[1−4.蛍光体の表面処理]
本発明に使用される蛍光体は、蛍光体粒子の不要な凝集を防ぐ目的で、公知の手法を適
用し、表面処理が行われていてもよい。ただし、かかる表面処理によって蛍光体を劣化させることがないように留意する必要がある。
[1−5.蛍光体の用途]
本発明の蛍光体は、蛍光体を使用する任意の用途に用いることができる。また、本発明の蛍光体は、本発明の蛍光体を単独で使用することも可能であるが、本発明の蛍光体を2種以上併用したり、本発明の蛍光体とその他の蛍光体とを併用したりした、任意の組み合わせの蛍光体混合物として用いることも可能である。
また、本発明の蛍光体は、特に、青色光で励起可能であるという特性を生かして、各種の発光装置(後述する「本発明の発光装置」)に好適に用いることができる。本発明の蛍光体が通常は赤色発光蛍光体であることから、例えば、本発明の蛍光体に、青色光を発する励起光源を組み合わせれば、紫色〜ピンク色の発光装置を製造することができる。また、本発明の蛍光体に、青色光を発する励起光源、及び緑色光を発光する蛍光体を組み合わせるか、近紫外光を発する励起光源、青色光を発光する蛍光体、及び緑色を発光する蛍光体を組み合わせれば、本発明の蛍光体が、青色光を発する励起光源、又は、青色光を発光する蛍光体からの青色光で励起されて赤色光を発光するので、白色発光装置を製造することができる。
発光装置の発光色としては白色に制限されず、蛍光体の組み合わせや含有量を適宜選択することにより、電球色(暖かみのある白色)やパステルカラー等、任意の色に発光する発光装置を製造することができる。こうして得られた発光装置を、画像表示装置の発光部(特に液晶用バックライトなど)や照明装置として使用することができる。
[2.蛍光体含有組成物]
本発明の蛍光体は、液体媒体と混合して用いることもできる。特に、本発明の蛍光体を発光装置等の用途に使用する場合には、これを液体媒体中に分散させた形態で用いることが好ましい。本発明の蛍光体を液体媒体中に分散させたものを、適宜「本発明の蛍光体含有組成物」と呼ぶものとする。
[2−1.蛍光体]
本発明の蛍光体含有組成物に含有させる本発明の蛍光体の種類に制限は無く、上述したものから任意に選択することができる。また、本発明の蛍光体含有組成物に含有させる本発明の蛍光体は、1種のみであってもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。更に、本発明の蛍光体含有組成物には、本発明の効果を著しく損なわない限り、本発明の蛍光体以外の蛍光体を含有させてもよい。
[2−2.液体媒体]
本発明の蛍光体含有組成物に用いられる液体媒体の種類は特に限定されず、通常、半導体発光素子を覆ってモールディングすることのできる硬化性材料を用いることができる。硬化性材料とは、流体状の材料であって、何らかの硬化処理を施すことにより硬化する材料のことをいう。ここで、流体状とは、例えば液状又はゲル状のことをいう。硬化性材料は、半導体発光素子から発せられた光を蛍光体へ導く役割を担保するものであれば、具体的な種類に制限は無い。また、硬化性材料は、1種のみを用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。したがって、硬化性材料としては、無機系材料及び有機系材料並びに両者の混合物のいずれを用いることも可能である。
無機系材料としては、例えば、金属アルコキシド、セラミック前駆体ポリマー若しくは金属アルコキシドを含有する溶液をゾル−ゲル法により加水分解重合して成る溶液、またはこれらの組み合わせを固化した無機系材料(例えばシロキサン結合を有する無機系材料)等を挙げることができる。
一方、有機系材料としては、例えば、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂等が挙げられる。具体例を挙げると、ポリ(メタ)アクリル酸メチル等の(メタ)アクリル樹脂;ポリスチレン、スチレン−アクリロニトリル共重合体等のスチレン樹脂;ポリカーボネート樹脂;ポリエステル樹脂;フェノキシ樹脂;ブチラール樹脂;ポリビニルアルコール;エチルセルロース、セルロースアセテート、セルロースアセテートブチレート等のセルロース系樹脂;エポキシ樹脂;フェノール樹脂;シリコーン樹脂等が挙げられる。
本発明の蛍光体含有組成物は、フッ素錯体蛍光体を有するので、これら硬化性材料の中では、半導体発光素子からの発光に対して劣化が少なく、耐アルカリ性、耐酸性、耐熱性にも優れる珪素含有化合物を使用することが好ましい。珪素含有化合物とは分子中に珪素原子を有する化合物をいい、ポリオルガノシロキサン等の有機材料(シリコーン系化合物)、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素等の無機材料、及びホウケイ酸塩、ホスホケイ酸塩、アルカリケイ酸塩等のガラス材料を挙げることができる。中でも、透明性、接着性、ハンドリングの容易さ、機械的、熱適応力の緩和特性に優れる等の点から、シリコーン系材料が好ましい。
シリコーン系材料とは、通常、シロキサン結合を主鎖とする有機重合体をいい、例えば、縮合型、付加型、改良ゾルゲル型、光硬化型等のシリコーン系材料を用いることができる。
縮合型シリコーン系材料としては、例えば、特開2007−112973〜112975号公報、特開2007−19459号公報、特開2008−34833号公報等に記載の半導体発光デバイス用部材を用いることができる。縮合型シリコーン系材料は半導体発光デバイスに用いられるパッケージや電極、発光素子などの部材との接着性に優れるため、密着向上成分の添加を最低限とすることが出来、架橋はシロキサン結合主体のため耐熱性・耐光性に優れる利点がある。
付加型シリコーン系材料としては、例えば、特開2004−186168号公報、特開2004−221308号公報、特開2005−327777号公報等に記載のポッティング用シリコーン材料、特開2003−183881号公報、特開2006−206919号公報等に記載のポッティング用有機変性シリコーン材料、特開2006−324596号公報に記載の射出成型用シリコーン材料、特開2007−231173号公報に記載のトランスファー成型用シリコーン材料等を好適に用いることができる。付加型シリコーン材料は、硬化速度や硬化物の硬度などの選択の自由度が高い、硬化時に脱離する成分が無く硬化収縮しにくい、深部硬化性に優れるなどの利点がある。
また、縮合型の一つである改良ゾルゲル型シリコーン系材料としては、例えば、特開2006−077234号公報、特開2006−291018号公報、特開2007−119569号公報等に記載のシリコーン材料を好適に用いることができる。改良ゾルゲル型のシリコーン材料は高架橋度で耐熱性・耐光性高く耐久性に優れ、ガス透過性低く耐湿性の低い蛍光体の保護機能にも優れる利点がある。
光硬化型シリコーン系材料としては、例えば特開2007−131812号公報、特開2007−214543号公報等に記載のシリコーン材料を好適に用いることが出来る。紫外硬化方シリコーン材料は、短時間に硬化するため生産性に優れる、硬化に高い温度をかける必要が無く発光素子の劣化が起こりにくいなどの利点がある。
これらのシリコーン系材料は単独で使用してもよいし、混合することにより硬化阻害が起きなければ複数のシリコーン系材料を混合して用いてもよい。
[2−3.液体媒体及び蛍光体の含有率]
液体媒体の含有率は、本発明の効果を著しく損なわない限り任意であるが、本発明の蛍
光体含有組成物全体に対して、通常25重量%以上、好ましくは40重量%以上であり、また、通常99重量%以下、好ましくは95重量%以下、より好ましくは80重量%以下である。液体媒体の量が多い場合には特段の問題は起こらないが、半導体発光装置とした場合に所望の色度座標、演色指数、発光効率等を得るには、通常、上記のような配合比率で液体媒体を用いることが望ましい。一方、液体媒体が少な過ぎると流動性が低下し取り扱い難くなる可能性がある。
液体媒体は、本発明の蛍光体含有組成物において、主にバインダーとしての役割を有する。液体媒体は、一種を単独で用いてもよいが、二種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。例えば、耐熱性や耐光性等を向上させることを目的として珪素含有化合物を使用する場合は、当該珪素含有化合物の耐久性を損なわない程度に、エポキシ樹脂など他の熱硬化性樹脂を含有してもよい。この場合、他の熱硬化性樹脂の含有量は、バインダーである液体媒体全量に対して通常25重量%以下、好ましくは10重量%以下とすることが望ましい。
本発明の蛍光体含有組成物中の蛍光体の含有率は、本発明の効果を著しく損なわない限り任意であるが、本発明の蛍光体含有組成物全体に対して、通常1重量%以上、好ましくは5重量%以上、より好ましくは20重量%以上であり、通常75重量%以下、好ましくは60重量%以下である。また、蛍光体含有組成物中の蛍光体に占める本発明の蛍光体の割合についても任意であるが、通常30重量%以上、好ましくは50重量%以上であり、通常100重量%以下である。蛍光体含有組成物中の蛍光体含有量が多過ぎると蛍光体含有組成物の流動性が劣り、取り扱いにくくなることがあり、蛍光体含有量が少な過ぎると発光装置の発光の効率が低下する傾向にある。
[2−4.その他の成分]
本発明の蛍光体含有組成物には、本発明の効果を著しく損なわない限り、蛍光体及び液体媒体以外に、その他の成分、例えば、後述の屈折率調整のための金属酸化物や、拡散剤、フィラー、粘度調整剤、紫外線吸収剤等の添加剤を含有させても良い。その他の成分は、1種のみを用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
[3.発光装置]
本発明の発光装置(以下、適宜「発光装置」という)は、第1の発光体(励起光源)と、当該第1の発光体からの光の照射によって可視光を発する第2の発光体とを有する発光装置であって、該第2の発光体として前述の[1.蛍光体]の項で記載した本発明の蛍光体を1種以上含む第1の蛍光体を含有するものである。
本発明の蛍光体としては、通常は、励起光源からの光の照射下において、赤色領域の蛍光を発する蛍光体(以下「本発明の赤色蛍光体」と言う場合がある。)を使用する。本発明の赤色蛍光体は、600nm以上650nm以下の波長範囲に発光ピークを有するものが好ましい。本発明の赤色蛍光体は、何れか一種を単独で使用してもよく、二種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
本発明の赤色蛍光体を使用することにより、本発明の発光装置は、青色領域の発光を有する励起光源(第1の発光体)に対して高い発光効率を示し、更には、照明装置、液晶ディスプレイ用光源等の白色発光装置に使用した場合に優れた発光装置となる。
また、本発明の発光装置に用いられる本発明の赤色蛍光体の好ましい具体例としては、前述の[1.蛍光体]の欄に記載した本発明の蛍光体や、後述の[実施例]の欄の各実施例に用いた蛍光体が挙げられる。
本発明の発光装置は、第1の発光体(励起光源)を有し、且つ、第2の発光体として少
なくとも本発明の蛍光体を使用している他は、その構成は制限されず、公知の装置構成を任意にとることが可能である。装置構成の具体例については後述する。
本発明の発光装置の発光スペクトルにおける赤色領域の発光ピークとしては、600nm以上650nm以下の波長範囲に発光ピークを有するものが好ましい。
なお、発光装置の発光スペクトルは、気温25±1℃に保たれた室内において、オーシャンオプティクス社製の色・照度測定ソフトウェア及びUSB2000シリーズ分光器(積分球仕様)を用いて20mA通電して測定を行なうことができる。この発光スペクトルの380nm〜780nmの波長領域のデータから、JIS Z8701で規定されるXYZ表色系における色度座標として色度値(x,y,z)を算出できる。この場合、x+y+z=1の関係式が成立する。本明細書においては、前記XYZ表色系のうち、色度値xとyについてのみを示しているものを、通常(x,y)で表記している。
また、本発明の発光装置は、その発光効率が、通常10lm/W以上、中でも30lm/W以上、特には50lm/W以上であることが好ましい。なお、発光効率は、前述のような発光装置を用いた発光スペクトル測定の結果から全光束を求め、そのルーメン(lm)値を消費電力(W)で割ることにより求められる。消費電力は、20mAを通電した状態で、Fluke社のTrue RMS Multimeters Model 187&189を用いて電圧を測定し、電流値と電圧値の積で求められる。
本発明の発光装置のうち、特に白色発光装置として、具体的には、第1の発光体として後述するような励起光源を用い、上述のような赤色蛍光体の他、後述するような青色の蛍光を発する蛍光体(以下、適宜「青色蛍光体」という)、緑色の蛍光を発する蛍光体(以下、適宜「緑色蛍光体」という)、黄色の蛍光を発する蛍光体(以下、適宜「黄色蛍光体」という)等の公知の蛍光体を任意に組み合わせて使用し、公知の装置構成をとることにより得られる。
ここで、該白色発光装置の白色とは、JIS Z 8701により規定された、(黄みの)白、(緑みの)白、(青みの)白、(紫みの)白及び白の全てを含む意であり、このうち好ましくは白である。
[3−1.発光装置の構成]
<3−1−1.第1の発光体>
本発明の発光装置における第1の発光体は、後述する第2の発光体を励起する光を発光するものである。
第1の発光体の発光ピーク波長は、後述する第2の発光体の吸収波長と重複するものであれば、特に制限されず、幅広い発光波長領域の発光体を使用することができる。通常は、紫外領域から青色領域までの発光波長を有する発光体が使用され、青色領域の発光波長を有する発光体を使用することが特に好ましい。
第1の発光体の発光ピーク波長の具体的数値としては、通常200nm以上が望ましい。このうち、青色光を励起光として用いる場合には、通常420nm以上、好ましくは430nm以上、より好ましくは440nm以上、また、通常480nm以下、好ましくは470nm以下、より好ましくは460nm以下の発光ピーク波長を有する発光体を使用することが望ましい。一方、近紫外光を励起光として用いる場合には、本発明の蛍光体が、近紫外光により励起されて青色光を発する蛍光体からの青色光で励起されるので、当該青色蛍光体の励起帯に合うような波長を有する励起光(近紫外光)を選ぶことが好ましい。具体的には、通常300nm以上、好ましくは330nm以上、より好ましくは360nm以上、また、通常420nm以下、好ましくは410nm以下、より好ましくは400nm以下の発光ピーク波長を有する発光体を使用することが望ましい。
第1の発光体としては、一般的には半導体発光素子が用いられ、具体的には発光ダイオード(LED)やレーザーダイオード(LD)等が使用できる。その他、第1の発光体として使用できる発光体としては、例えば、有機エレクトロルミネッセンス発光素子、無機エレクトロルミネッセンス発光素子等が挙げられる。但し、第1の発光体として使用できるものは本明細書に例示されるものに限られない。
中でも、第1の発光体としては、GaN系化合物半導体を使用したGaN系LEDやLDが好ましい。なぜなら、GaN系LEDやLDは、この領域の光を発するSiC系LED等に比し、発光出力や外部量子効率が格段に大きく、前記蛍光体と組み合わせることによって、低電力で非常に明るい発光が得られるからである。例えば、20mAの電流負荷に対し、通常GaN系LEDやLDはSiC系の100倍以上の発光強度を有する。GaN系LEDやLDとしては、AlGaN発光層、GaN発光層又はInGaN発光層を有しているものが好ましい。中でも、発光強度が非常に高いことから、GaN系LEDとしては、InGaN発光層を有するものが特に好ましく、InGaN層とGaN層との多重量子井戸構造のものがさらに好ましい。
なお、上記においてX+Yの値は通常0.8〜1.2の範囲の値である。GaN系LEDにおいて、これら発光層にZnやSiをドープしたものやドーパント無しのものが発光特性を調節する上で好ましいものである。
GaN系LEDはこれら発光層、p層、n層、電極、及び基板を基本構成要素としたものであり、発光層をn型とp型のAlGaN層、GaN層、又はInGaN層などでサンドイッチにしたヘテロ構造を有しているものが、発光効率が高くて好ましく、更にヘテロ構造を量子井戸構造にしたものが、発光効率が更に高いため、より好ましい。
なお、第1の発光体は、1個のみを用いてもよく、2個以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
<3−1−2.第2の発光体>
本発明の発光装置における第2の発光体は、上述した第1の発光体からの光の照射によって可視光を発する発光体であり、本発明の赤色蛍光体を含む第1の蛍光体を含有するとともに、その用途等に応じて適宜、後述する第2の蛍光体(青色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、橙色蛍光体等)を含有する。また、例えば、第2の発光体は、第1及び第2の蛍光体を封止材料中に分散させて構成される。
上記第2の発光体中に用いられる、本発明の蛍光体以外の蛍光体の組成には特に制限はないが、母体結晶となる、Y、YVO、ZnSiO、YAl12、SrSiO等に代表される金属酸化物、SrSi等に代表される金属窒化物、Ca(POCl等に代表されるリン酸塩及びZnS、SrS、CaS等に代表される硫化物、YS、LaS等に代表される酸硫化物等にCe、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb等の希土類金属のイオンやAg、Cu、Au、Al、Mn、Sb等の金属のイオンを付活元素又は共付活元素として組み合わせたものが挙げられる。
下表に、好ましい結晶母体の具体例を示す。
但し、上記の母体結晶及び付活元素又は共付活元素は、元素組成には特に制限はなく、同族の元素と一部置き換えることもでき、得られた蛍光体は近紫外から可視領域の光を吸収して可視光を発するものであれば用いることが可能である。
具体的には、蛍光体として以下に挙げるものを用いることが可能であるが、これらはあくまでも例示であり、本発明で使用できる蛍光体はこれらに限られるものではない。なお、以下の例示では、前述の通り、構造の一部のみが異なる蛍光体を、適宜省略して示している。
<3−1−2−1.第1の蛍光体>
本発明の発光装置における第2の発光体は、少なくとも上述の本発明の蛍光体を含む第1の蛍光体を含有する。本発明の蛍光体は、何れか1種を単独で使用してもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
また、第1の蛍光体としては、本発明の蛍光体以外にも、本発明の蛍光体と同色の蛍光を発する蛍光体(同色併用蛍光体)を用いてもよい。通常、本発明の蛍光体は赤色蛍光体であるので、第1の蛍光体として、本発明の蛍光体と共に他種の赤色蛍光体ないし橙色の蛍光を発する蛍光体(以下、適宜「橙色蛍光体」という)を併用することができる。
本発明の発光装置に使用される第1の蛍光体の重量メジアン径は、通常2μm以上、中でも5μm以上、また、通常30μm以下、中でも20μm以下の範囲であることが好ましい。重量メジアン径が小さ過ぎると、輝度が低下し、蛍光体粒子が凝集してしまう傾向がある。一方、重量メジアン径が大き過ぎると、塗布ムラやディスペンサー等の閉塞が生じる傾向がある。
本発明の蛍光体と併用し得る橙色ないし赤色蛍光体としては、本発明の効果を著しく損なわない限り任意のものを使用することができる。
この際、同色併用蛍光体である橙色ないし赤色蛍光体の発光ピーク波長は、通常570nm以上、好ましくは580nm以上、より好ましくは585nm以上、また、通常780nm以下、好ましくは700nm以下、より好ましくは680nm以下の波長範囲にあることが好適である。
このような橙色ないし赤色蛍光体として使用できる蛍光体を下表に示す。
以上の中でも、赤色蛍光体としては、(Ca,Sr,Ba)Si(N,O):Eu、(Ca,Sr,Ba)Si(N,O):Eu、(Ca,Sr,Ba)AlSi(N,O):Eu、(Sr,Ba)SiO:Eu、(Ca,Sr)S:Eu、(La,Y)S:Eu、Eu(ジベンゾイルメタン)・1,10−フェナントロリン錯体等のβ−ジケトン系Eu錯体、カルボン酸系Eu錯体、KSiF:Mnが好ましく、(Ca,Sr,Ba)Si(N,O):Eu、(Sr,Ca)AlSi(N,O):Eu、(La,Y)S:Eu、KSiF:Mnがより好ましい。
また、橙色蛍光体としては、(Sr,Ba)SiO:Eu、(Sr,Ba)SiO:Eu、(Ca,Sr,Ba)Si(N,O):Eu、(Ca,Sr,Ba)AlSi(N,O):Ceが好ましい。
<3−1−2−2.第2の蛍光体>
本発明の発光装置における第2の発光体は、その用途に応じて、上述の第1の蛍光体以外にも蛍光体(即ち、第2の蛍光体)を含有していてもよい。この第2の蛍光体は、第1の蛍光体とは発光ピーク波長が異なる1種以上の蛍光体である。通常、これらの第2の蛍
光体は、第2の発光体の発光の色調を調節するために使用されるため、第2の蛍光体としては第1の蛍光体とは異なる色の蛍光を発する蛍光体を使用することが多い。上記のように、通常は第1の蛍光体として赤色蛍光体を使用するので、第2の蛍光体としては、例えば青色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体等の赤色蛍光体以外の蛍光体を用いる。
本発明の発光装置に使用される第2の蛍光体の重量メジアン径D50は、通常2μm以上、中でも5μm以上、また、通常30μm以下、中でも20μm以下の範囲であることが好ましい。重量メジアン径D50が小さ過ぎると、輝度が低下し、蛍光体粒子が凝集してしまう傾向がある。一方、重量メジアン径が大き過ぎると、塗布ムラやディスペンサー等の閉塞が生じる傾向がある。
<青色蛍光体>
本発明の蛍光体に加えて青色蛍光体を使用する場合、当該青色蛍光体は本発明の効果を著しく損なわない限り任意のものを使用することができる。この際、青色蛍光体の発光ピーク波長は、通常420nm以上、好ましくは430nm以上、より好ましくは440nm以上、また、通常490nm以下、好ましくは480nm以下、より好ましくは470nm以下、更に好ましくは460nm以下の波長範囲にあることが好適である。使用する青色蛍光体の発光ピーク波長がこの範囲にあると、本発明の蛍光体の励起帯と重なり、当該青色蛍光体からの青色光により、本発明の蛍光体を効率良く励起することができるからである。
このような青色蛍光体として使用できる蛍光体を下表に示す。
以上の中でも、青色蛍光体としては、(Ca,Sr,Ba)MgAl1017:Eu、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO(Cl,F):Eu、(Ba,Ca,
Mg,Sr)SiO:Eu、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO(Cl,F):Eu、(Ba,Ca,Sr)MgSi:Euが好ましく、(Ba,Sr)MgAl1017:Eu、(Ca,Sr,Ba)10(PO(Cl,F):Eu、BaMgSi:Euがより好ましく、Sr10(POCl:Eu、BaMgAl1017:Euが特に好ましい。
<緑色蛍光体>
本発明の蛍光体に加えて緑色蛍光体を使用する場合、当該緑色蛍光体は本発明の効果を著しく損なわない限り任意のものを使用することができる。この際、緑色蛍光体の発光ピーク波長は、通常500nmより大きく、中でも510nm以上、更には515nm以上、また、通常550nm以下、中でも542nm以下、更には535nm以下の範囲であることが好ましい。この発光ピーク波長が短過ぎると青味を帯びる傾向がある一方で、長過ぎると黄味を帯びる傾向があり、何れも緑色光としての特性が低下する場合がある。
このような緑色蛍光体として利用できる蛍光体を下表に示す。
以上の中でも、緑色蛍光体としては、Y(Al,Ga)12:Ce、CaSc:Ce、Ca(Sc,Mg)Si12:Ce、(Sr,Ba)SiO
Eu、(Si,Al)(O,N):Eu(β−sialon)、(Ba,Sr)Si12:N:Eu、SrGa:Eu、BaMgAl1017:Eu,Mnが好ましい。
得られる発光装置を照明装置に用いる場合には、Y(Al,Ga)12:Ce、CaSc:Ce、Ca(Sc,Mg)Si12:Ce、(Sr,Ba)SiO:Eu、(Si,Al)(O,N):Eu(β−sialon)、(Ba,Sr)Si12:N:Euが好ましい。
また、得られる発光装置を画像表示装置に用いる場合には、(Sr,Ba)SiO:Eu、(Si,Al)(O,N):Eu(β−sialon)、(Ba,Sr)Si12:N:Eu、SrGa:Eu、BaMgAl1017:Eu,Mnが好ましい。
<黄色蛍光体>
本発明の蛍光体に加えて黄色蛍光体を使用する場合、当該黄色蛍光体は本発明の効果を著しく損なわない限り任意のものを使用することができる。この際、黄色蛍光体の発光ピーク波長は、通常530nm以上、好ましくは540nm以上、より好ましくは550nm以上、また、通常620nm以下、好ましくは600nm以下、より好ましくは580nm以下の波長範囲にあることが好適である。
このような黄色蛍光体として利用できる蛍光体を下表に示す。
以上の中でも、黄色蛍光体としては、YAl12:Ce、(Y,Gd)Al12:Ce、(Sr,Ca,Ba,Mg)SiO:Eu、(Ca,Sr)Si:Euが好ましい。
具体的に、本発明の発光装置を白色発光の発光装置として構成する場合における、半導体発光素子と、Mn4+で付活されたフッ素錯体蛍光体と、他の蛍光体との好ましい組み合わせの例としては、以下の(A)〜(C)の組み合わせが挙げられる。
(A)半導体発光素子として青色発光体(青色LED等)を使用し、赤色蛍光体として本発明の蛍光体を使用し、他の蛍光体として緑色蛍光体または黄色蛍光体を使用する。緑色蛍光体としては、(Ba,Sr,Ca,Mg)SiO:Eu系蛍光体、(Ca,Sr)Sc:Ce系蛍光体、Ca(Sc,Mg)Si12:Ce系蛍光体、SrGa:Eu系蛍光体、Eu付活β−サイアロン系蛍光体、(Mg,Ca,Sr,Ba)Si:Eu系蛍光体、及びMSi12:Eu(但し、Mはアルカリ土類金属元素を表わす。)からなる群より選ばれる一種又は二種以上の緑色蛍光
体が好ましい。黄色蛍光体としてはYAl12:Ce系蛍光体、(Ba,Sr,Ca,Mg)SiO:Eu系蛍光体、及びα−サイアロン系蛍光体からなる群より選ばれる一種又は二種以上の黄色蛍光体が好ましい。なお、緑色蛍光体と黄色蛍光体を併用してもよい。
(B)半導体発光素子として近紫外発光体(近紫外LED等)を使用し、赤色蛍光体として本発明の蛍光体を使用し、他の蛍光体として青色蛍光体及び緑色蛍光体を使用する。この場合、青色蛍光体としては、(Ba,Sr,Ca)MgAl1017:Eu、(Sr,Ba)MgSi:Eu、及び(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO(Cl,F):Euからなる群より選ばれる一種又は二種以上の青色蛍光体が好ましい。また、緑色蛍光体としては、前述の(A)の項で例示した緑色蛍光体に加え、(Ba,Sr)MgAl1017:Eu,Mn、(Ba,Sr,Ca)Al1425:Eu、及び(Ba,Sr,Ca)Al:Euからなる群より選ばれる一種又は二種以上の緑色蛍光体が好ましい。
(C)半導体発光素子として青色発光体(青色LED等)を使用し、赤色蛍光体として本発明の蛍光体を使用し、さらに橙色蛍光体を使用する。この場合、橙色蛍光体としては(Sr,Ba)SiO:Euが好ましい。
また、上述した蛍光体の組み合わせについて、以下により具体的に説明する。
半導体発光素子として青色LED等の青色発光のものを使用し、画像表示装置のバックライトに用いるときは、下表に示す組み合わせとすることが好ましい。
また、表6に示した組み合わせの中でもより好ましい組み合わせを表7に示す。
さらに、特に好ましい組み合わせを表8に示す。
表6〜8に示す各色蛍光体は、青色領域の光で励起され、それぞれ赤色領域、および緑色領域の中でも狭帯域で発光し、かつ温度変化による発光ピーク強度の変化が少ないという優れた温度特性を有している。
よって、青色領域の光を発する半導体発光素子にこれら各色蛍光体を含む2種以上の蛍光体を組み合わせることで、発光効率を従来よりも高く設定しうる、本発明のカラー画像表示装置用のバックライトに用いる光源に適した半導体発光装置とすることができる。
また、近紫外ないし紫外領域の光を発する半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせて用いる場合は、上記表6〜8に記載の蛍光体の組み合わせにさらに(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO(Cl,F):Eu、及び(Sr,Ba)MgSi:Eu、(Ba,Sr,Ca)MgAl1017:Euからなる群から選ばれる1種以上の青色蛍光体を組み合わせることが好ましく、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO(Cl,F):Eu、又は(Ba,Sr,Ca)MgAl1017:Euを組み合わせることがより好ましい。この際、緑色蛍光体としては、BaMgAl1017:Eu,Mnを組み合わせることが好ましい。
[4.発光装置の実施形態]
[4−1.発光装置の実施形態]
以下、本発明の発光装置について、具体的な実施の形態を挙げて、より詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において任意に変形して実施することができる。
本発明の発光装置の一例における、励起光源となる第1の発光体と、蛍光体を有する蛍光体含有部として構成された第2の発光体との位置関係を示す模式的斜視図を図1に示す。図1中の符号1は蛍光体含有部(第2の発光体)、符号2は励起光源(第1の発光体)としての面発光型GaN系LD、符号3は基板を表す。相互に接触した状態をつくるために、LD(2)と蛍光体含有部(第2の発光体)(1)とそれぞれ別個に作製し、それらの面同士を接着剤やその他の手段によって接触させてもよいし、LD(2)の発光面上に蛍光体含有部(第2の発光体)を製膜(成型)させてもよい。これらの結果、LD(2)と蛍光体含有部(第2の発光体)(1)とを接触した状態とすることができる。
このような装置構成をとった場合には、励起光源(第1の発光体)からの光が蛍光体含有部(第2の発光体)の膜面で反射されて外にしみ出るという光量損失を避けることができるので、装置全体の発光効率を良くすることができる。
図2(a)は、一般的に砲弾型と言われる形態の発光装置の代表例であり、励起光源(第1の発光体)と蛍光体含有部(第2の発光体)とを有する発光装置の一実施例を示す模式的断面図である。該発光装置(4)において、符号5はマウントリード、符号6はインナーリード、符号7は励起光源(第1の発光体)、符号8は蛍光体含有部、符号9は導電性ワイヤ、符号10はモールド部材をそれぞれ指す。
また、図2(b)は、表面実装型と言われる形態の発光装置の代表例であり、励起光源(第1の発光体)と蛍光体含有部(第2の発光体)とを有する発光装置の一実施例を示す模式的断面図である。図中、符号22は励起光源(第1の発光体)、符号23は蛍光体含有部(第2の発光体)、符号24はフレーム、符号25は導電性ワイヤ、符号26及び符号27は電極をそれぞれ指す。
[4−2.発光装置の用途]
本発明の発光装置の用途は特に制限されず、通常の発光装置が用いられる各種の分野に使用することが可能であるが、演色性が高い、及び色再現範囲が広いことから、中でも照明装置や画像表示装置の光源として、とりわけ好適に用いられる。
<4−2−1.照明装置>
本発明の発光装置を照明装置に適用する場合には、前述のような発光装置を公知の照明装置に適宜組み込んで用いればよい。例えば、図3に示されるような、前述の発光装置(4)を組み込んだ面発光照明装置(11)を挙げることができる。
図3は、本発明の照明装置の一実施形態を模式的に示す断面図である。この図3に示すように、該面発光照明装置は、内面を白色の平滑面等の光不透過性とした方形の保持ケース(12)の底面に、多数の発光装置(13)(前述の発光装置(4)に相当)を、その外側に発光装置(13)の駆動のための電源及び回路等(図示せず。)を設けて配置し、保持ケース(12)の蓋部に相当する箇所に、乳白色としたアクリル板等の拡散板(14)を発光の均一化のために固定してなる。
そして、面発光照明装置(11)を駆動して、発光装置(13)の励起光源(第1の発光体)に電圧を印加することにより光を発光させ、その発光の一部を、蛍光体含有部(第2の発光体)としての蛍光体含有樹脂部における前記蛍光体が吸収し、可視光を発光し、一方、蛍光体に吸収されなかった青色光等との混色により演色性の高い発光が得られ、この光が拡散板(14)を透過して、図面上方に出射され、保持ケース(12)の拡散板(14)面内において均一な明るさの照明光が得られることとなる。
<4−2−2.画像表示装置>
本発明の発光装置を画像表示装置の光源として用いる場合には、その画像表示装置の具体的構成に制限は無いが、カラーフィルターとともに用いることが好ましい。例えば、画像表示装置として、カラー液晶表示素子を利用したカラー画像表示装置とする場合は、上記発光装置をバックライトとし、液晶を利用した光シャッターと赤、緑、青の画素を有するカラーフィルターとを組み合わせることにより画像表示装置を形成することができる。
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り以下の実施例に限定されるものではない。
[物性値の測定方法]
後述する各実施例、及び比較例で得られる蛍光体の物性値は、以下の方法で測定、及び算出した。
{発光特性}
<発光スペクトル>
発光スペクトルは、室温(25℃)において、励起光源として150Wキセノンランプを、スペクトル測定装置としてマルチチャンネルCCD検出器C7041(浜松フォトニクス社製)を備える蛍光測定装置(日本分光社製)を用いて測定した。
より具体的には、励起光源からの光を焦点距離が10cmである回折格子分光器に通し、波長455nm以下の励起光のみを光ファイバーを通じて蛍光体に照射した。励起光の照射により蛍光体から発生した光を焦点距離が25cmである回折格子分光器により分光し、300nm以上800nm以下の波長範囲においてスペクトル測定装置により各波長の発光強度を測定し、パーソナルコンピュータによる感度補正等の信号処理を経て発光スペクトルを得た。なお、測定時には、受光側分光器のスリット幅を1nmに設定して測定した。
<輝度>
相対輝度は、上述の方法で得られた可視領域における発光スペクトルから励起波長域を除いた範囲で、JIS Z8724に準拠して算出したXYZ表色系における刺激値Yか
ら、同様に波長455nmの励起光で化成オプトニクス株式会社製の黄色蛍光体YAl12:Ce(製品番号:P46−Y3)を励起して得られた発光スペクトルから励起波長を除いた範囲で同様に求めた刺激値Yの値を100%とした相対値(以下、単に「輝度」と称する場合がある。)として算出した。
<励起スペクトル>
励起スペクトルは、室温(25℃)において、日立製作所製蛍光分光光度計F−4500を用いて測定した。より具体的には、630nmの赤色発光ピークをモニターして、300nm以上550nm以下の波長範囲内の励起スペクトルを得た。
{蛍光体粒子の形状}
<走査型電子顕微鏡(SEM)写真>
日立製作所社製SEM(S−3400N)を用いて蛍光体の粒子の形状等を観察した。
{化学組成の分析}
<SEM−EDX法>
蛍光体中に含まれるMn濃度の化学組成分析は、測定装置として、日立製作所社製SEM(S−3400N)と、堀場製作所社製エネルギー分散X線分析装置(EDX)EX−250 x−actとを用いて、SEM−EDX法により測定を行なった。具体的には、走査型電子顕微鏡(SEM)測定において、蛍光体に加速電圧20kVで電子線を照射し、蛍光体中に含まれる各元素から放出される特性X線を検出して元素分析を行った。
<X線光電子分光法(以下、「XPS」と称する。)>
{表面化学組成の分析}
(XPS分析)
試料(蛍光体)についてPHI社製Quantum2000を用いて、以下の測定条件で測定を行った。
・X線源:単色化Al−Kα,出力16kV−34W(X線発生面積170μmφ)
・帯電中和:電子銃2μA,イオン銃併用
・分光系:パスエネルギー
187.85eV=ワイドスペクトル
58.7eV=ナロースペクトル[O1s,Na1s,Al2p,Mn2p]
29.35eV=ナロースペクトル[C1s,F1s,Si2p,K2p]
・測定領域:300μmφ
・取り出し角:45°(表面より)
{量子効率}
<吸収効率α、内部量子効率η、及び外部量子効率η
量子効率(吸収効率α、内部量子効率η及び外部量子効率η)を求めるに際し、まず、測定対象となる蛍光体サンプル(例えば蛍光体の粉末等)を、測定精度が保たれるように、十分に表面を平滑にしてセルに詰め、積分球等の集光装置に取り付けた。
該集光装置に、蛍光体サンプルを励起するための発光源として、Xeランプを取り付けた。また、発光源の発光ピーク波長が455nmの単色光となるように、フィルターやモノクロメーター(回折格子分光器)等を用いて調整を行なった。
この発光ピーク波長が調整された発光源からの光を、測定対象の蛍光体サンプルに照射し、発光(蛍光)及び反射光を含むスペクトルを分光測定装置(大塚電子株式会社製 MCPD7000)で測定した。
<吸収効率α
吸収効率αは、蛍光体サンプルによって吸収された励起光のフォトン数Nabsを、励起光の全フォトン数Nで割った値として算出した。
具体的な算出手順は以下の通りである。
まず、後者の励起光の全フォトン数Nを、次のようにして求めた。
すなわち、励起光に対してほぼ100%の反射率Rを持つ物質、例えばLabsphere製「Spectralon」(455nmの励起光に対して98%の反射率Rを持つ)等の白色反射板を測定対象として、蛍光体サンプルと同様の配置で上述の集光装置に取り付け、該分光測定装置を用いて反射スペクトルを測定した(この反射スペクトルを以下「Iref(λ)」とする)。
この反射スペクトルIref(λ)から、下記(式I)で表わされる数値を求めた。なお、下記(式I)の積分区間は、435nm〜465nmとした。下記(式I)で表わされる数値は、励起光の全フォトン数Nに比例する。
また、吸収効率αの測定対象となる蛍光体サンプルを集光装置に取り付けたときの反射スペクトルI(λ)から、下記(式II)で表わされる数値を求めた。なお、上記(式II)の積分区間は、上記(式I)で定めた積分区間と同じとした。下記(式II)で求められる数値は、蛍光体サンプルによって吸収された励起光のフォトン数Nabsに比例する。
以上より、吸収効率αを次の式により算出した。
吸収効率α = Nabs/N =(式II)/(式I)
<内部量子効率η
内部量子効率ηは、蛍光現象に由来するフォトンの数NPLを、蛍光体サンプルが吸収したフォトンの数Nabsで割った値として算出した。
上記のI(λ)から、下記式(III)で表わされる数値を求めた。なお、(式III)の積分区間の下限は、466nm〜780nmとした。下記(式III)で求められる数値は、
蛍光現象に由来するフォトンの数NPLに比例する。
以上より、内部量子効率ηを次の式により算出した。
η = (式III)/(式II)
<外部量子効率η
外部量子効率ηは、上記の手順により求めた吸収効率αと内部量子効率ηとの積をとることで算出した。
{粉末X線回折測定 一般同定用}
粉末X線回折はPANalytical製粉末X線回折装置X’Pertにて精密測定した。測定条件は以下の通りである。
CuKα管球使用
X線出力=45kV、40mA
発散スリット=自動、照射幅10mm×10mm
検出器=半導体アレイ検出器X’Celerator使用、Cuフィルター使用
走査範囲 2θ=10〜65度
読み込み幅=0.0167度
計数時間=10秒
[使用原料]
後述の実施例及び比較例にて使用した原料を下表に示す。
(合成例1)KMnFの製造
MnFは、下記で示される反応式によって得ることができる。
すなわち、KF粉体をフッ化水素酸(47.3重量%)に溶解させてから、KMnO粉体を溶液に入れて溶解させた。溶液を攪拌しながら、過酸化水素水を滴下していき、KMnOとHとのモル比が1.5になった時に黄色い沈殿物を得た。その沈殿物を
アセトンで洗浄して130℃で1時間乾燥させることにより、KMnFを得た。
以下の実施例及び比較例では、上記のようにして合成したKMnFを用いた。
[蛍光体製造の実施例及び比較例]
<実施例1−1>
KHFを4.73g、KAlFを2.04g秤量し、フッ化水素酸(47.3重量%)80mlに溶解させた。
一方、KMnFを0.8678g、NaFを0.3318g秤量し、HSiF水溶液(33重量%)10mlとフッ化水素酸(47.3重量%)40mlとの混合溶液に添加して溶解させ、溶液を調製した。
この溶液を26℃で攪拌しながら、前記のKHFとKAlFとを溶解させたフッ化水素酸をこの溶液に添加して、黄色の結晶を析出させた。得られた結晶を、No.5Cの濾紙で濾過した後、30mlのエタノールで3回洗浄し、150℃で2時間乾燥して蛍光体4.8gを得た。
<実施例1−2>
MnFを0.6509g、NaFを0.3317g秤量し、HSiF水溶液(33重量%)5mlとフッ化水素酸(47.3重量%)20mlとの混合溶液に添加して溶解させ、溶液を調製した。
一方、KHFを2.2627g、KAlFを2.0407g秤量し、フッ化水素酸(47.3重量%)40mlに溶解させた。
この溶液を26℃で攪拌しながら、前記のKMnFとNaFとを溶解したHSiF水溶液(33重量%)とフッ化水素酸の混合溶液を、この溶液に添加して、黄色の結晶を析出させた。得られた結晶を、No.5Cの濾紙で濾過した後、30mlのエタノールで3回洗浄し、150℃で2時間乾燥して蛍光体2.4gを得た。
<実施例1−3>
MnFを3.4712g、NaFを1.3252g秤量し、HSiF水溶液(33重量%)40mlとフッ化水素酸(47.3重量%)160mlとの混合溶液に添加して溶解させた溶液を調製した。
一方、KHFを18.92g、KAlFを8.16g秤量し、フッ化水素酸(47.3重量%)320mlに溶解させた。
この溶液を26℃で攪拌しながら、前記のKMnFとNaFとを溶解した33重量%HSiF水溶液とフッ化水素酸の混合溶液を、この溶液に添加して、黄色の結晶を析出させた。得られた結晶を、No.5Cの濾紙で濾過した後、50mlのエタノールで3回洗浄し、150℃で2時間乾燥して蛍光体19.6gを得た。
<比較例1−1>
蛍光体の各原料の仕込み組成が、KSi0.9Mn0.1となるように原料化合物として、KSiF(1.7783g)とKMnF(0.2217g)を大気圧、室温のもとで、フッ化水素酸(47.3重量%)70mlに攪拌しながら添加して溶解させた。各原料化合物が全部溶解した後、溶液を攪拌しながら、アセトン70mlを一気に添加して蛍光体を貧溶媒析出させた。得られた蛍光体をそれぞれエタノールで洗浄し、130℃で1時間乾燥して蛍光体1.7gを得た。
<実施例1−1、1−2、1−3、及び比較例1−1で得られた蛍光体の比較>
実施例1−1、1−2、1−3、及び比較例1−1で得られた蛍光体について、SEM−EDXによる組成分析の結果求められたNa、Al、Mn濃度(表10における「分析濃度(mol%)」)、455nmの波長の光により励起して得られる発光スペクトルか
ら求められる輝度(化成オプトニクス株式会社製の黄色蛍光体P46−Y3を100とした場合の相対値)を表10に示す。実施例1−3については、XPS法による表面組成分析値も行なった。その結果を表10に示す。表10から、実施例1−3の蛍光体は、表面にも多くのNaやAlが存在していることがわかる。
また、実施例1−1の蛍光体の発光スペクトル、及び励起スペクトルを図4に示す。
また、蛍光体の粒子の形状等を観測するため、各実施例及び比較例において、SEM(日立社製、S−3400N)を用いて1000倍(実施例1−1)、500倍(実施例1−2、1−3)、または5000倍(比較例1−1)でSEM写真を撮影した。その結果を図5に示す。図5から、本願実施例の蛍光体は、比較例1−1と比べて、各々の蛍光体粒子が大きいことがわかる。
以上の結果より、実施例で得られた蛍光体は、その蛍光体粒子の組成にNaイオン、及びAlイオンを含有していることがわかる。また、実施例で得られた蛍光体は、従来公知の製法で製造され、NaイオンやAlイオンを含有しない比較例の蛍光体と比較して、輝度が顕著に向上していることがわかる。
[発光装置作製の実施例]
<実施例2−1>
(蛍光体含有層形成液の製造)
前述の実施例1−1で合成した蛍光体を使用して、蛍光体含有層形成液を製造した。具体的には、下記の表11に示す配合比で、封止剤液及び蛍光体を計量した後、シンキー社製攪拌脱泡装置「泡取り錬太郎AR−100」にて混合した。
(発光装置の作製)
青色発光ダイオード(以下、適宜「LED」と略する。)として、昭和電工社製の350μm角チップGU35R460Tを用いた。具体的には、このLEDをシリコーン樹脂ベースの透明ダイボンドペーストで、3528SMD型PPA樹脂パッケージの凹部の底
の端子に接着し、その後、150℃で2時間加熱し、透明ダイボンドペーストを硬化させた後、青色LEDとパッケージの電極とを直径25μmの金線を用いてワイヤーボンディングしたものを用いた。このLEDは、ドミナント発光波長455nm〜465nm(発光ピーク波長451nm〜455nm)で発光ピークの半値幅が22〜28nmで発光するものである。
手動ピペットを用いて、上述の(蛍光体含有層形成液の製造)で得られた蛍光体含有層形成液(赤色蛍光体として、実施例1−1で合成した蛍光体を含む。)を4μl計量し、上述のLEDを設置した発光装置に注液した。この発光装置を、減圧することができるデシケーターボックス中、25℃、1kPaの条件下で5分間保持することにより、注液時に生じた巻き込み気泡や溶存空気、水分を除去した。その後、この半導体発光装置を、100℃で1時間保持し、次いで、150℃で5時間保持することにより形成液を硬化させ、発光装置2−1を得た。
<実施例2−2>
前述の(蛍光体含有層形成液の製造)において、実施例1−1で合成した蛍光体の代わりに実施例1−2で合成した蛍光体を使用したこと以外は実施例2−1と同様の操作で実施例2−2の発光装置を得た。
<実施例2−3>
前述の(蛍光体含有層形成液の製造)において、実施例1−1で合成した蛍光体の代わりに実施例1−3で合成した蛍光体を使用したこと以外は実施例2−1と同様の操作で実施例2−3の発光装置を得た。
[実施例2−1、2−2、及び2−3の発光装置の評価]
以上のようにして得られた、各実施例及び各比較例の発光装置について、以下に記載の方法で非点灯試験を行うことにより、耐久性の評価を行った。
<非点灯試験>
実施例で得られた発光装置に20mAの電流を通電し、点灯開始直後(この時点を以下「0時間」という。)に、ファイバマルチチャンネル分光器(オーシャンオプティクス社製USB2000(積算波長範囲:200nm〜1100nm、受光方式:積分球(直径1.5インチ))を用いて、発光スペクトルを測定した。
次いで、エージング装置、LED AGING SYSTEM 100ch LED環境試験装置(山勝電子工業(株)製、YEL−51005)を用いて、温度85℃、相対湿度85%の条件下で、発光装置を通電せずに保管して、150時間の時点において、測定時のみ通電して、前記0時間の場合と同様にして発光スペクトルを測定した。
得られた発光スペクトルより算出された各種発光特性の値(輝度(lm))を、0時間の測定値を100%とした相対値で表12に示す。
なお、非点灯試験の際、発光スペクトルの測定には、分光器本体の温度変化によるデータ外乱を防ぐため、分光器を25℃恒温槽内に保持して測定した。
以上の結果から、本願発明の蛍光体を用いた発光装置は、耐久性が高いことがわかる。これは、発光装置に用いた実施例1−1、1−2、及び1−3の蛍光体自身の耐久性向上に起因するものと考えられる。即ち、本願発明の蛍光体は、優れた発光特性と、耐久性とを併せ持つ蛍光体である。
本発明は、光を用いる任意の分野において用いることができ、例えば屋内及び屋外用の照明などのほか、携帯電話、家庭用電化製品、屋外設置用ディスプレイ等の各種電子機器の画像表示装置などに好適に用いることができる。
1 蛍光体含有部(第2の発光体)
2 励起光源(第1の発光体)(LD)
3 基板
4 発光装置
5 マウントリード
6 インナーリード
7 励起光源(第1の発光体)
8 蛍光体含有部
9 導電性ワイヤ
10 モールド部材
11 面発光照明装置
12 保持ケース
13 発光装置
14 拡散板
23 蛍光体含有部(第2の発光体)
24 フレーム
25 導電性ワイヤ
26 電極
27 電極

Claims (9)

  1. 蛍光体粒子の化学組成が下記式[1]で表される
    ことを特徴とする、蛍光体。
    2+x ・・・ 式[1]
    (但し、Mは、アルカリ金属元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の1価の金属元素を表す。
    は、少なくともSiを含有する4価の金属元素を必須とし、
    さらに3価の金属元素、及び5価の金属元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素を含有する金属元素を表す。
    Rは、少なくともMnを含有する付活元素を表す。
    また、x、y、z、及びnは、以下の式を満たす数を表す。
    −1≦x≦1
    0.9≦y+z≦1.1
    0.001≦z≦0.4
    5≦n≦7)
  2. 前記式[1]において、Mが、3価の金属元素としてAlを含有する
    ことを特徴とする、請求項1に記載の蛍光体。
  3. 前記式[1]において、Mが、少なくともKを含有し、K以外のアルカリ金属元素も含む
    ことを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の蛍光体。
  4. 前記式[1]において、Mが、K以外のアルカリ金属元素としてNaを含有する
    ことを特徴とする、請求項3に記載の蛍光体。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の蛍光体と、液体媒体とを含有することを特徴とする、蛍光体含有組成物。
  6. 第1の発光体と、該第1の発光体からの光の照射によって可視光を発する第2の発光体とを備える発光装置であって、
    該第2の発光体として、請求項1〜4のいずれか1項に記載の蛍光体の1種以上を含む第1の蛍光体を含有することを特徴とする、発光装置。
  7. 前記第2の発光体として、前記第1の蛍光体とは発光ピーク波長の異なる1種以上の蛍光体を含む第2の蛍光体を含有することを特徴とする、請求項6に記載の発光装置。
  8. 請求項6または請求項7に記載の発光装置を備えることを特徴とする照明装置。
  9. 請求項6または請求項7に記載の発光装置を備えることを特徴とする画像表示装置。
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