JP2014077027A - 蛍光体の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】LEDなどの発光素子の光を吸収して赤色を発光する(Sr,Ca)AlSiN結晶と同一の結晶構造を母体結晶とする発光効率に優れた蛍光体の製造方法において、従来よりも高い生産性でかつ高い信頼性蛍光体を得ることができる製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、原料を混合する混合工程と、混合工程後の混合体を焼成する焼成工程を有し、(Sr,Ca)AlSiN結晶相と同一の結晶構造を母体結晶とする蛍光体を製造する蛍光体の製造方法である。原料の一部として窒化ストロンチウムを用い、窒化ストロンチウムの粉末X線回折法による結晶相解析における主結晶相がSrN、SrNのいずれか単体又は混合体である。窒化ストロンチウムの窒素含有量が5mass%以上12mass%以下である。
【選択図】図1

Description

本発明は、LEDなどの発光素子の光を吸収して赤色を発光する(Sr,Ca)AlSiN結晶相と同一の結晶構造を母体結晶とする蛍光体の製造方法に関する。さらに詳しくは、製造時の収率が高く、また異相が少なく、蛍光相対ピーク強度が高く優れた蛍光体の製造方法に関する。
白色LEDは、半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせることにより白色光を発光するデバイスであり、その代表的な例として、青色LEDとYAG黄色蛍光体の組み合わせが知られている。しかし、YAG蛍光体は、赤色発光成分が少ないために、照明用途では演色性が低く、液晶バックライトの様な画像表示装置では色再現性が悪いという問題がある。そこで、白色LEDの赤色成分を補うために、YAG蛍光体とともに、赤色を発光する窒化物系蛍光体を併用することが提案されている(特許文献1)。
橙色や赤色を発光する窒化物系蛍光体として、CaAlSiN結晶相と同一の結晶構造を有する無機化合物を母体結晶とし、光学活性な元素、なかでもEuを発光中心としたCaAlSiN系窒化物又は酸窒化物材料が特に高い輝度の橙色や赤色を発することが知られている(特許文献2)。CaAlSiN系窒化物蛍光体の製造方法として、蛍光体を構成する各元素の窒化物の混合物を用いる方法が提案されている(特許文献3)。そこでは、蛍光体を構成する各元素の窒化物を混合後、窒素ガスを用いた焼成炉内で焼成することにより、蛍光体が製造される。
特開2004−071726号公報 国際公開第2005/052087号 特開2006−063323号公報
Eu2+付活したCaAlSiN系窒化物蛍光体のCaの一部をSrに置き換えた(Sr,Ca)AlSiN系窒化物蛍光体は、CaAlSiN系窒化物蛍光体よりも発光波長が短く、発光色の視感度が高いことから、高輝度白色LED用の赤色蛍光体として有効である。しかし、(Sr,Ca)AlSiN系窒化物蛍光体の製造において、原料の一部に窒化ストロンチウムを用いた場合、焼成中にSrが分解揮発しやすいため、焼成時の制御が難しく、SrSi、AlNなどの異相成分が生成されるいといった問題があった。
本発明は、窒化物原料を用いた(Sr,Ca)AlSiN系窒化物蛍光体の製造において、従来よりも高い生産性でかつ高い信頼性蛍光体を得ることができる製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決すべく、原料の一部に用いる窒化ストロンチウムの窒素含有量の範囲を鋭意検討した結果、主結晶相がSrN、SrNの単体又は混合体であって、窒素含有量が特定の範囲内にある窒化ストロンチウムを用いた場合に、高い生産性でかつ高い信頼性の蛍光体の製造が可能となることを見出し、本発明に至ったものである。
すなわち、本発明は、原料を混合する混合工程と、混合工程後の混合体を焼成する焼成工程を有し、(Sr,Ca)AlSiN結晶相と同一の結晶構造を母体結晶とする蛍光体を製造する蛍光体の製造方法であって、原料の一部として窒化ストロンチウムを用い、前記窒化ストロンチウムの粉末X線回折法による結晶相解析における主結晶相がSrN、SrNのいずれか単体又は混合体であり、前記窒化ストロンチウムの窒素含有量が5mass%以上12mass%以下である蛍光体の製造方法である。
本発明にあっては、混合工程前の窒化ストロンチウムの最大粒径を300μm以下にする分級工程を有することが好ましく、前記窒化ストロンチウムの酸素含有量を0.2〜1mass%とするのが好ましい。
原料としては、窒化ストロンチウム粉末、窒化カルシウム粉末、窒化ケイ素粉末、窒化アルミニウム粉末及びユーロピウム化合物粉末からなるのが好ましく。焼成工程が、窒素雰囲気中1500℃以上1900℃以下で加熱する工程であるのが好ましい。
本発明の蛍光体の製造方法は、従来の(Sr,Ca)AlSiN系窒化物蛍光体の製造方法に比べ、製造時の収率が高く、また異相が少なく、蛍光相対ピーク強度が高く優れた信頼性の高い蛍光体の製造方法である。
実施例1に用いた窒化ストロンチウムのX線回折パターンの説明図 実施例2に用いた窒化ストロンチウムのX線回折パターンの説明図
本発明は、(Sr,Ca)AlSiN結晶相と同一の結晶構造を母体結晶とする蛍光体の製造方法である。(Sr,Ca)AlSiN結晶相の骨格構造は、(Si,Al)−N正四面体が結合することにより構成され、その間隙にSr原子及びCa原子が位置するものである。Sr2+又はCa2+の一部が発光中心として作用するEu2+で置換された場合に、赤色蛍光体となる。
蛍光体には、不可避的な酸素(O)が微量含まれる。蛍光体の組成は、Ca元素及びSr元素の占有率、Si/Al比、N/O比のパラメータの全体により電気的中性が保たれる。
本発明は、原料を混合する混合工程と、混合工程後の混合体を焼成する焼成工程を有し、(Sr,Ca)AlSiN結晶相と同一の結晶構造を母体結晶とする蛍光体を製造する蛍光体の製造方法であって、原料の一部として窒化ストロンチウムを用い、前記窒化ストロンチウムの粉末X線回折法による結晶相解析における主結晶相がSrN、SrNのいずれか単体又は混合体であり、前記窒化ストロンチウムの窒素含有量が5mass%以上12mass%以下である蛍光体の製造方法である。
窒化ストロンチウムの窒素含有量が5mass%よりも低いと、ストロンチウムの窒化が不充分であり、(Sr,Ca)AlSiN系窒化物蛍光体の焼成時において、原料の窒化による反応熱が大きくなり、結果として凝集した塊状の焼成粉が多く形成されてしまい、焼成後の適正な粒径以下に分級する篩通しにおいて収率が低下してしまう。窒化ストロンチウムの窒素含有量が12mass%より高い窒化ストロンチウムを得ることは、工業的に難しく、例え得られたとしても大幅なコストアップになってしまう。
本発明において、混合工程前の窒化ストロンチウムの最大粒径を300μm以下にする分級工程を有することが好ましく、前記窒化ストロンチウムの酸素含有量を0.2〜1mass%とするのが好ましい。分級工程としては、窒化ストロンチウムを目開き300μm以下の篩を通過したものだけにする工程がある。
窒化ストロンチウム粉末の粒径が300μm以下にする分級工程を設けたのは、粒径があまりに大きいと、高温での焼成時に蛍光体の合成反応が不均質になり、蛍光強度のバラツキや異相の生成を引き起こすためである。
酸素含有量の好ましい範囲を設けたのは、酸素含有量があまりに多いと最終的に得られる蛍光体の蛍光強度が低下する傾向にあり、酸素含有量があまりに少ないのは技術的に困難であるためである。
本発明において、原料として、窒化ストロンチウム粉末、窒化カルシウム粉末、窒化ケイ素粉末、窒化アルミニウム粉末及びユーロピウム化合物粉末が好ましく、焼成工程は、窒素雰囲気中1500℃以上1900℃以下で加熱する工程であるのが好ましい。
窒化ストロンチウムの結晶相としては、結晶構造解析におけるX線回折パターンのデータベースであるJCPDS(Joint Committee on Power Diffraction Standards)カードより、SrN、SrN、SrN、Sr、があり、本発明では、他の結晶相よりも比較的安定的なSrN、SrNの単体又は混合体が好ましい。
原料としての窒化ストロンチウムの結晶相解析は、X線回折法を用いて行なうことができる。窒化ストロンチウムのX線回折パターンと、前述のJCPDSカードとの比較を行なうことで、結晶構造を同定することができる。
本発明の蛍光体の製造方法として、Sr0.9Ca0.1AlSiN式で表される組成物を構成しうる原料混合粉末を窒素雰囲気中において所定の温度範囲で焼成する方法を例示する。
蛍光体の原料の配合は、(Sr,Ca)AlSiN系窒化物蛍光体の原料粉中に含まれる元素数比率を(Sr+Ca+Eu):Al:Si=1:1:1になるようにするのが好ましい。焼成後の(Sr,Ca)AlSiN系窒化物蛍光体の各元素数比率は、この化学量論組成からずれる場合がある。化学量論組成からのずれは結晶欠陥形成による発光効率低下の原因となるので、焼成前後の化学量論組成からのずれを見越して各原料の配合割合を調整することもできる。
Eu含有率は、あまりに少ないと発光への寄与が小さくなる傾向にあり、あまりに多いとEu2+間のエネルギー伝達による蛍光体の濃度消光が起こる傾向にあるため、0.01at%以上0.3at%以下、好ましくは0.04at%以上0.2at%以下、さらに好ましくは0.06at%以上0.15at%以下である。
焼成工程における原料は、焼成容器に収納される。焼成容器の材質は、高温の窒素雰囲気下でも安定し原料混合粉末及びその反応生成物と反応し難いものが好ましく、窒化ホウ素が好ましい。
本発明の焼成工程での焼成温度は、あまりに低いと未反応残存量が多くなり、あまりに高いと(Sr,Ca)AlSiNと同一結晶構造の主相が分解するため、1500℃以上1900℃以下が好ましい。
本発明の焼成工程での焼成時間は、未反応物を少なくするため、粒成長不足を少なくするため、生産性の低下を抑制するため、1時間以上24時間以下が好ましい。
本発明の焼成工程での焼成雰囲気の圧力は、雰囲気圧力が高いほど蛍光体の分解温度は高くなるが、工業的生産性を考慮すると1MPa未満が好ましい。
本発明の製造方法によって得た蛍光体は、本発明の条件設定により、原料の窒化による反応熱が適度に抑制され、凝集した塊状の焼成粉の生成を抑制できるので、LED用蛍光体として好適な粒径5μm以上30μm以下の範囲内のものである。この粒径の蛍光体は、さらに解砕、粉砕、分級のいずれかを行なうことにより粒径の調整をすることができる。
本発明の蛍光体の製造方法にあっては、製造された蛍光体に対して不純物を除去する目的の酸処理工程、結晶性を向上する目的のアニール処理工程を行うことが好ましい。
製造された蛍光体中に存在する結晶相は、結晶単相が好ましく、異相が少ない方が良いため、異相の量が10mass%以下であることが好ましい。異相の量は、粉末X線回折法で評価した際の結晶相の最強回折線強度に対する他の結晶相の回折線強度で求めることができる。本発明に係る蛍光体の場合、異相としてのSrSi及びAlNの質量割合を算出し、これら異相が10mass%以下であることが好ましい。
本発明の製造方法により得られた蛍光体は、発光光源と蛍光体とから構成される発光装置に使用できる。特に350nm以上500nm以下の波長を含有する紫外光や可視光を励起源として照射することにより、波長620〜650nmに蛍光ピークのある発光特性を有するため、紫外LED又は青色LEDといった発光光源と組み合わせることにより、あるいは必要に応じてさらに緑〜黄色蛍光体及び/又は青色蛍光体と組み合わせることにより、容易に白色光が得られる。
本発明の製造方法により得られた蛍光体は安定性に優れた(Sr,Ca)AlSiN結晶相と同一の結晶構造を有することから、高温での輝度低下が少なく、高温に曝しても劣化せず、耐熱性に優れており、酸化雰囲気及び水分環境下における長期間の安定性にも優れている。このため、この蛍光体を用いた発光装置はその輝度低下及び色ズレが小さく、高輝度かつ長寿命を実現する。
本発明の実施例を、表1を参照しつつ詳細に説明する。表1は、実施例及び比較例の蛍光体の製造方法において、使用した窒化ストロンチウムの特性、焼成温度及び蛍光体の特性を示したものである。
Figure 2014077027
(窒化ストロンチウム)
窒化ストロンチウム、以下の方法により製造した。
金属ストロンチウム(Strem Chemicals Inc.製38−0074グレード、純度99.9%)を、雰囲気を窒素置換したグローブボックス内でアルミナボートに載せ、アルミナボートを石英管内にセットし、石英管の両端を閉じ、グローブボックスから石英管ごと金属ストロンチウムを取り出す。石英管を管状炉にセット後、石英管に窒素ガスの配管、石英管及び窒素ガスラインの真空引きを行なう。石英管に窒素ガスを導入し、窒素フローしながら600℃に加熱、3時間温度を保持後、850℃に温度を上げ、1時間温度を保持後、加熱を止め冷却する。石英管両端を閉じ、グローブボックス内で窒化したストロンチウムを回収し、目開き290μmの篩を通ったものだけに分級して、窒化ストロンチウムを得た。
得られた窒化ストロンチウムについて、X線回折装置(株式会社リガク製UltimaIV)を用い、CuKα線を用いた粉末X線回折を行った。得られたX線回折パターンを図1に示す。JCPDSカードと照らし合わせることにより、SrN結晶相と同一のものであることが確認された。
窒素及び酸素の含有量を、酸素窒素分析装置(堀場製作所製EMGA−920)により測定した。実施例1では、表1に示すように、11mass%、0.23mass%であった。
(蛍光体の製造)
蛍光体の原料としてのα型窒化ケイ素粉末(宇部興産株式会社製SN−E10グレード、酸素含有量1.0mass%)52.2mass%、窒化アルミニウム粉末(トクヤマ株式会社製Eグレード、酸素含有量0.8mass%)45.8mass%、酸化ユーロピウム(信越化学工業株式会社製RUグレード)2.0mass%を、ナイロン製ポットと窒化ケイ素製ボールを使用し溶媒としてエタノールを使用して、ボールミル混合を行った。溶媒を乾燥除去後、目開き75μmの篩を通ったものだけに分級して、凝集物を取り除いた。
混合して分級した原料と、先に得られた窒化ストロンチウム、及び、窒化カルシウム粉末(Materion社製、純度99%、粒径75μm以下、酸素含有量0.6mass%)を、雰囲気を窒素置換したグローブボックス内に搬入し、これらを乳鉢により混合した。混合比は、前記混合粉末:窒化ストロンチウム:窒化カルシウム=49.5mass%:47.8mass%:2.7mass%とした。
乳鉢で混合した原料を、グローブボックス内で蓋付きの円筒型窒化ホウ素製容器(電気化学工業株式会社製N−1グレード)に充填し、グローブボックスから取り出し、カーボンヒーターの電気炉に速やかにセットし、電気炉内を0.1Pa以下まで十分に真空排気した。真空排気したまま、加熱を開始し、600℃で窒素ガスを導入し、炉内雰囲気圧力を0.9MPaとした。窒素ガス導入後もそのまま1800℃まで昇温し、1800℃で4時間の焼成し、蛍光体を製造した。
電気炉への通電を止めて製造された蛍光体を常温にまで冷却した。常温となった蛍光体に対してボールミルを用いて解砕を行い、目開き45μmの振動篩により分級した。分級時の収率を表1に示す。実施例1の蛍光体の通篩収率は100%に近い値であった。分級後の蛍光体を水洗後、さらなる分級で微粉を除去した。
(蛍光体特性)
<異相>
表1の蛍光体特性における異相SrSi及びAlNは、本来製造すべき蛍光体である(Sr,Ca)AlSiN結晶相の異相であり、表1の数値は、X線回折装置を用い、リートベルト解析によるSrSi及びAlNの質量割合を算出した結果である。これら異相は10mass%以下が好ましい。
<蛍光相対ピーク強度>
表1の蛍光相対ピーク強度は、蛍光スペクトルのピーク強度を指標とし、以下の実施例、比較例において、実施例1と全く同じサンプリング方法及び条件でピーク強度を測定し、実施例1を100%とした場合の相対値とした。蛍光測定は、ローダミンBと副標準光源により補正を行った分光蛍光光度計(日立ハイテクノロジーズ社製、F−7000)を用いて行った。測定には、光度計に付属の固体試料ホルダーを使用し、励起波長455nmでの蛍光スペクトルを求めた。蛍光スペクトルのピーク波長は630nmで、半値幅が87nmであった。
実施例2の蛍光体の製造方法は、実施例1における金属ストロンチウムの窒化の条件において、窒素フローしながら600℃程度に加熱、3時間程度温度を保持後、850℃まで温度を上げる工程を経ずに、加熱を止め冷却し、それ以外は実施例1と同様の方法により窒化ストロンチウム粉末を得たものである。得られた窒化ストロンチウムについて、X線回折装置を用いて得られたX線回折パターンを図2に示す。JCPDSカードと照らし合わせることにより、SrN結晶相と同一のものであることが確認された。実施例1と同様の方法により得た蛍光体の評価結果を表1に示す。実施例1と比較して窒化ストロンチウムの窒素含有量は減少しているが、得られた蛍光体の蛍光ピーク強度は実施例1とほぼ同等であり、異相成分の混入も少なかった。
実施例3の蛍光体の製造方法は、実施例1で用いた窒化ストロンチウムと実施例2で用いた窒化ストロンチウムを同質量で混合することで得られたSrN結晶相とSrN結晶相の混合粉を使用し、実施例1と同様の製造方法である。得られた蛍光体の蛍光ピーク強度は実施例1とほぼ同等であり、異相成分の混入も少なかった。
実施例4の蛍光体の製造方法は、実施例1における金属ストロンチウムを窒化後、目開き77μmの篩で分級した他は、実施例1と同様の製造方法である。窒化ストロンチウム中に含まれる酸素含有量は実施例1よりも多いが、得られた蛍光体の蛍光ピーク強度は実施例1に対し、10%以下の低下に抑えられており、異相成分の混入も少なかった。
実施例5の蛍光体の製造方法は、実施例1における焼成温度を1800℃から1500℃に変更した他は、実施例1と同様の製造方法である。窒化ストロンチウム中に含まれる酸素含有量は実施例1よりも多いが、得られた蛍光体の蛍光ピーク強度は実施例1に対し、10%以下の低下に抑えられており、異相成分の混入も10%以内であった。
<比較例1>
比較例1の蛍光体の製造方法は、実施例1における金属ストロンチウムの窒化の条件において、窒素フローしながら450℃程度に加熱、3時間程度温度を保持後、加熱を止め冷却した以外は実施例1と同様の製造方法である。この窒化ストロンチウムの窒素含有量を測定した結果、3.3mass%と低い値であった。実施例1と比較して焼成後の篩通し収率が大幅に減少した。窒化ストロンチウムの合成における窒化が不充分であり、焼成時の窒化による反応熱が大きくなり、凝集した塊状の焼成粉が多く形成されてしまったためである。
実施例6の蛍光体の製造方法は、実施例1における金属ストロンチウムを窒化後、目開き630μmの篩通しを行なった他は、実施例1と同様の製造方法である。実施例1と比較して、焼成後の篩通し収率は90%以上であるものの、焼成後の異相成分であるSrSi相の割合が10mass%を超えていた。窒化ストロンチウム粉末の粒径が300μmを超えたことにより、高温での焼成時に蛍光体の合成反応が不均質になったためである。
実施例7の蛍光体の製造方法は、実施例1における金属ストロンチウムを窒化後、目開き45μmの篩で分級を行なった他は実施例1と同様の製造方法である。窒化ストロンチウム中に含まれる酸素含有量が1mass%を超えており、焼成後の篩通し収率は90%以上であるものの、得られた蛍光体の蛍光ピーク強度が実施例1に対し、15%低下した。
<実施例8、9>
実施例8は実施例1における焼成温度を1800℃から1450℃に変更したものであり、実施例9は焼成温度を1950℃に変更したものである。実施例8、9いずれも焼成後の篩通し収率は90%以上であるものの、実施例8では、蛍光体の蛍光ピーク強度が実施例1に対し、20%低下した。焼成温度が低すぎたため結晶性が低くなったためである。実施例9では異相成分であるSrSi及びAlNともに10mass%を超えた。焼成温度が高すぎたために(Sr,Ca)AlSiN結晶相の分解が進行したためである。
実施例1〜5と比較例1との対比から明らかなように、原料である窒化ストロンチウムの窒素含有量を5mass%以上12mass%以下に制御することにより、焼成後の篩通し収率が大幅に減少した。実施例6〜9では、焼成後の篩通し収率は90%以上であるものの、実施例1と実施例6との対比から、目開き300μm以下の篩での分級をした前記窒化ストロンチウムを用いることで、異相の含有量を抑えることができた。実施例1と実施例7との対比から、窒化ストロンチウムの酸素含有量が0.2〜1mass%に制御することにより、発光効率に優れた赤色蛍光体が得られた。実施例1と実施例8〜9との対比から、焼成温度を1500℃以上1900℃以下とすることで、異相の含有量を抑えるとともに発光効率に優れた赤色蛍光体が得られた。

Claims (4)

  1. 原料を混合する混合工程と、混合工程後の混合体を焼成する焼成工程を有し、(Sr,Ca)AlSiN結晶相と同一の結晶構造を母体結晶とする蛍光体を製造する蛍光体の製造方法であって、原料の一部として窒化ストロンチウムを用い、前記窒化ストロンチウムの粉末X線回折法による結晶相解析における主結晶相がSrN、SrNのいずれか単体又は混合体であり、前記窒化ストロンチウムの窒素含有量が5mass%以上12mass%以下である蛍光体の製造方法。
  2. 混合工程前の窒化ストロンチウムの最大粒径を300μm以下にする分級工程を有する請求項1記載の蛍光体の製造方法。
  3. 混合工程前の窒化ストロンチウムの酸素含有量が0.2〜1mass%である請求項1又は2記載の蛍光体の製造方法。
  4. 原料が、窒化ストロンチウム粉末、窒化カルシウム粉末、窒化ケイ素粉末、窒化アルミニウム粉末及びユーロピウム化合物粉末であり、焼成工程が、窒素雰囲気中1500℃以上1900℃以下で加熱する工程である請求項1乃至3のいずれか一項記載の蛍光体を製造する蛍光体の製造方法。
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