JP2017501264A - Eu2+活性化蛍光体 - Google Patents

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Abstract

本発明は、Eu2+活性化蛍光体に、その製造方法に、電気デバイスおよび電気光学デバイス、例えば発光ダイオード(LED)および態様電池におけるこれらの蛍光体の使用に、および特には該マグネシウムアルミノケイ酸ベースの蛍光体を含む照明ユニットに関する。

Description

本発明は、Eu2+活性化蛍光体に、これらの蛍光体の製造方法に、電気デバイスおよび/または電気光学デバイス、例えば発光ダイオード(LED(light emitting diodes))および太陽電池におけるこれらの蛍光体の使用に、および特には、該蛍光体を含む照明ユニットに関する。
白色発光ダイオード(LED)は、高効率、長寿命、少ない環境影響、水銀の欠如、短い応答時間、さまざまな大きさの最終製品における適用可能性、および多くのより好ましい特性を呈する。それらは、液晶ディスプレイ、ノートブックコンピューターのモニター、携帯電話画面のためのバックライト源として、および一般照明において、注意を増している。
赤色、緑色、および青色放射蛍光体を、第1光源として280〜400nmの範囲にわたる波長の光を典型的に発する、近UVのLEDと組み合わせることにより、より良好な発光強さ、およびより優れた白色を有する3色白色LEDを得ることが可能である。
典型的には、まず、赤色、緑色、および青色放射蛍光体を好適な樹脂中で混合する。そして、得られたゲルをUV−LEDチップまたは近UV−LEDチップ上に提供し、UV照射、アニーリング、または類似のプロセスによって硬化させる。樹脂中の蛍光体混合物は、できるだけ均質に分散させ、一様な白色、一方で、全ての角度からチップ上で白色様相(looking)を観察するようにすべきである。しかし、それらの異なる粒子径、形状および/または樹脂におけるそれらの密度のため、一定の分布の異なる蛍光体を樹脂中で得るのは、なお困難である。それゆえ、3種より少ない蛍光体を使用するのが有利である。
しかし、2つの蛍光体の混合物を用いて、UVまたは近UVLEDを用いる白色LEDを作り出すためには、異なる大きさ、粒子形状、および密度を有する蛍光体を樹脂中で均一に混合することは、なお困難である。さらに、蛍光体は、可視範囲に位置する波長により励起されるべきではない。例えば、緑色蛍光体の放射スペクトルが赤色蛍光体の励起スペクトルと重複する場合、そのとき色調整は困難になる。加えて、2種または3種以上の蛍光体の混合物を用いて、第1光源として青色放射LEDを用いる白色LEDを作り出す場合、それぞれの蛍光体の励起波長は、LEDの青色放射波長と効率的に重複すべきである。
専門家に公知のように、白色LEDはまた、黄色放射蛍光体を青色放射LEDに加えることにより、得ることができる。
典型的には、かかる適用に用いられる黄色蛍光体は、例えばS. Nakamura, G. Fasol, ,,The Blue Laser Diode'', (1997) p. 343に記載される、Ce3+,YAl12:Ce3+、(YAG:Ce)により活性化されるイットリウムアルミニウムガーネットである。また同じく、例えばG. Blasse, et al., Philips Res. Rep., 23 (1968) 189に開示される、黄色〜橙色放射体として用いられるオルトケイ酸塩が、MSiO:Eu2+(M=Ca、Sr、Ba)が提唱されている。さらに、H. A. Hoeppe, H. Lutz, P. Morys, W. Schnick, A. Seilmeier, J. Phys. Chem. Solids 61 (2000) 2001に記載される、二価のユウロピウムまたは三価のセリウムイオンでドープされたさまざまな窒化物および酸化窒化物、例えばMSi:Eu2+(M=Sr、Ba)が、利用され得る。
しかし、前述の材料は、カバーされるスペクトル領域は暖白色光を作り出すには十分ではないという事実に苛まれる。さらに、窒化物および酸化窒化物は、出発窒化物材料の物理的特性、つまり吸湿性および周囲環境への敏感性のため、高価なホスト格子である。
従って、未だに改善の余地が存在し、近年の発光材料は、好ましくは、以下の特性の1つまたは2つ以上を呈するべきである:
− 高い演色評価数(CRI(colour rendering indices))を呈する、
− VIS光の範囲における、特には赤色範囲のスペクトルにおける広範な放射帯を呈する、
− 青色光または近UV放射第1光源により、効果的に励起可能である、
− 広範な励起帯を呈する、
− 高い量子収量を呈する、
− 高い相純度を呈する、
− 長期の使用期間にわたって高い効率を呈する、
− 好ましくは湿気または蒸気に対して、高い化学安定性を有する、
− 高い温度消光抵抗性を有する、および
− 費用効率的であり、かつ大量生産プロセスに特に好適であるべき製造方法により、得ることができる。
引用された先行技術および近年の発光材料に対する上述の要件の観点において、先行技術の利用可能な蛍光体の欠点を好ましくは呈さず、またはそうであったとしてもより少ない程度で呈する、代替の材料に対する、かなりの要求が未だに存在する。
発明の開示
驚くべきことに本発明者らは、本発明のEu2+活性化蛍光体が、先行技術の既知の蛍光体の優れた代替を示し、先行技術の観点における上述の要件の1つまたは2つ以上を好ましくは改善し、またはより好ましくは、同時に上述の要件を充足することを見出した。
他の有益な特性に加えて、本発明による蛍光体は、青色または近UV放射線による励起に際し、VIS光範囲における、好ましくはおよそ500nm〜およそ800nmの範囲にわたる、広範な放射ピークを呈する。さらには、それらは、LEDにおいて利用される間に、低い温度消光抵抗性を呈し、高い化学安定性を有し、かつ高い演色特性を有する。
それゆえ、本発明は、式I

II III:Eu2+

式中、
IIは、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、およびZnの群から選択される1つまたは2つ以上の二価の元素を示し、
IIIは、B、Al、Ga、In、Tl、Sc、Y、La、Ce、Gd、およびLuの群から選択される1つまたは2つ以上の三価の元素を示し、および
は、V、Nb、Ta、As、Sb、およびBiの群から選択される1つまたは2つ以上の五価の元素を示す、
で表される化合物に関する。
本発明はさらに、本発明による化合物の製造方法、青色または近UV放射線の全ての部分または幾何かの部分をより長い波長へと変換する変換蛍光体としての本発明による化合物の使用、本発明による少なくとも1種の化合物を含む混合物、本発明による化合物または本発明による化合物を含む混合物の、電気デバイスおよび/または電気光学デバイス、例えば発光ダイオード(LED)および太陽電池における使用、および特には本発明による化合物を含む照明ユニットに関する。
図1はSrInTaO6:Eu2+のXRDパターン(波長CuKαにより測定)を示す図である。 図2は450nmの波長の放射線での励起の際のSrInTaO6:Eu2+の放射スペクトルを示す図である。 図3は575nmの発光波長に関するBaInTaO6:Eu2+の放射スペクトルを示す図である。 図4は450nmの波長の放射線での励起の際のBaInTaO6:Eu2+の放射スペクトルを示す図である。 図5は560nmの放射波長に関するBaInTaO6:Eu2+の励起スペクトルを示す図である。 図6は450nmの波長の放射線での励起の際のCaInTaO6:Eu2+の放射スペクトルを示す図である。 図7は595nmの発光波長に関するCaInTaO6:Eu2+の励起スペクトルを示す図である。 450nmの青色LED放射第1光におけるSrInTaO6 : Eu2+の例示的なLEDスペクトルを示す図である。
発明の詳細な説明
本発明の好ましい態様において、式Iで表される化合物は式Ia

II (2−x)III:Eu2+ Ia

式中、
II、MIII、およびMは、式Iにおいて上に与えられるのと同じ意味を有し、
および
0<x≦2
で表される化合物から選択される。
好ましい態様において、MIIIは、B、Al、Ga、In、Tl、Sc、Y、La、Ce、Gd、およびLuの群から選択される、1種または2種以上の、好ましくは2種または3種以上の元素から選択される。
好ましくは、式Iで表される化合物は、式Ia−1

II (2−x)(M (a−b) )M:Eu2+ Ia−1

式中、
x、MIIIおよびMは、式Iaにおいて上で与えられるのと同じ意味を有し、
およびMは、それぞれ、かつ他から独立して、B、Al、Ga、In、Tl、Sc、Y、La、Ce、Gd、またはLuから選択される1元素を示し、ここでM≠M
0<a≦1、0≦b<1、および
a+b=1、
で表される化合物の群から選択される。
さらに好ましい化合物は、式Ia−1で表される化合物であって、式中、MがInを示す、該化合物の群から選択され、例えば、
である。
より好ましくは、本発明による化合物は、式Ia−1で表される化合物であって、式中、bが0である、該化合物の群から選択される。
好ましくは、それらは、式Ia−1で表される化合物であって、式中M1がInを示す、式中bが0でありかつMがInを示す、該化合物の群から選択される。
特に好ましい化合物は、式I、IaまたはIa−1で表される化合物であって、好ましくは式中MIIIがInを示す、および式中MIIが、Be、Mg、Ca、Sr、Baおよび/またはZnから選択される、好ましくはSr、Ca、および/またはBaから選択される少なくとも1種の二価の元素を示す、なおより好ましくはMIIがSrを示す、該化合物の群から選択される。
特には、好ましい化合物は、式I、Ia、Ia−1で表される化合物であって、好ましくは式中MIIIがInを示す、および式中MがV、Nb、Ta、As、Sb、および/またはBiから選択される、より好ましくはTa、V、Nb、および/またはSbから選択される、なおより好ましくはNbおよび/またはTaから選択される少なくとも1種の二価の元素を示す、該化合物の群から選択される。
より特には、好ましい化合物は、以下の従属式から選択される。
最も好ましい化合物は、式IaおよびIa−1で表される化合物であって、式中、0<x<0.3、好ましくは0.03≦x<0.2、より好ましくは0.05≦x<0.1の該化合物の群から選択される。
好ましくは、本発明による化合物は典型的には、およそ300nm〜およそ525nmの範囲の波長を有する放射線を励起する、人工または天然の放射線源により励起される。
好ましくは、本発明による化合物は典型的には、およそ475nm〜およそ725nmの範囲の波長を有する放射線を発する。
本発明による化合物は、およそ300nm〜およそ500nmの範囲の波長の放射線の、好ましくはおよそ400nm〜500nmの範囲の波長を有する放射線の全ての部分または少なくとも幾何か部分を、より長い波長を有する放射線へと、好ましくはおよそ500nm〜およそ800nmの範囲の波長を有する放射線へと、より好ましくはおよそ500nm〜およそ700nmの範囲の波長を有する放射線へと変換するのに、特に好適である。
本発明の文脈において、用語「UV放射線」は、他に明示的に述べなければ、およそ100nm〜およそ400nmの範囲の波長を有する電磁放射線の意味を有する。
加えて、用語「近UV放射線」は、他に明示的に述べなければ、およそ300nm〜およそ400nmの範囲の波長を有するUV放射線の範囲の電磁放射線の意味を有する。
さらに、用語「VIS光またはVIS光領域」は、他に明示的に述べなければ、およそ400nm〜およそ800nmの範囲の波長を有する電磁放射線の意味を有する。
用語「青色放射線」は、400nm〜500nmの波長に言及する。
それゆえ、本発明はまた、式I、Ia、およびIa−1で表される化合物の、変換蛍光体、または短縮して「蛍光体(phosphors)」としての使用に関する。
本願の文脈において、用語「変換蛍光体」および用語「蛍光体」は、同じ様式で用いられる。
好適な人工的な「放射線源」または「光源」は専門家には一般的に公知であり、以下においてより詳細に説明されるであろう。
本発明の文脈において、用語「天然放射線源」は、太陽光照射または日光を意味する。
放射源の発光スペクトルおよび本発明による化合物の吸収スペクトルが、10面積%より多く、好ましくは30面積%より多く、より好ましくは60面積%より多く、および最も好ましくは90面積%より多く重複するのが、好ましい。
用語「吸収」は、材料の吸光度を意味し、これは、材料上に当たる放射線の、材料を透過した放射に対する対数比に対応する。
用語「放射(emission)」は、原子および分子における電子遷移による電磁波の放射を意味する。
好ましくは本発明による蛍光体は、VIS光領域において少なくとも1つの放射ピークを呈し、一方でおよそ300nm〜およそ500nmの範囲の波長を有する光により励起される。好ましくは、主要な放射ピークは、約500nm〜約700nmに、より好ましくは約525nm〜約650nmに、その放射極大を有する。
式I、Ia、およびIa−1で表される化合物の組成を、特にパラメーターMIIに関して変化させることにより、放射特性を特異的に変化させることが可能である。例えば、Srの、Baによる段階的な置換により、より短い波長を有する放射を誘導し、一方でSrの、Caによる段階的な置換により、より長い波長を有する放射を誘導する。
本発明による化合物は好ましくは、少なくとも50nm以上、好ましくは75nm以上、より好ましくは100nm以上、および最も好ましくは少なくとも125nmのFWHMを有する、VIS光領域における少なくとも1つの放射ピークを呈する。
半値全幅(FWHM(full width at half maximum))は、曲線または関数上の「ピーク」の幅を記載するのに汎用されているパラメーターである。それは、関数がその極大値の半分に達する、曲線上のポイントの間の距離により与えられる。
当業者に公知であるように、蛍光体の量子効率は、蛍光体の大きさが低減するにつれ、減少する。好ましくは蛍光体は、少なくとも80%の、より好ましくは少なくとも90%の量子効率を呈する。
好適な蛍光体粒子の粒子径は典型的には、およそ50nm〜およそ100μm、より好ましくは50nm〜50μm、およびなおより好ましくはおよそ50nm〜およそ25μmの範囲である。
粒子径は、その直径により、一義的にかつ定量的に定義することができる。それは、当業者に公知の方法、例えば動的光散乱または静的光散乱になどにより、決定することができる。
LED用途における動作温度は典型的には、約150℃である。好ましくは、本発明による化合物は、約100℃以上にまでの、より好ましくは約150℃以上にまでの、およびなおより好ましくは約200℃以上にまでの、高い温度消光抵抗性を呈する。
用語「温度消光抵抗性」は、25℃における元来の強度に比較しての、より高温での放射強度低下を意味する。
本発明の式I、Ia、およびIa−1で表される化合物は、高い化学安定性を、さらに特徴とする。それゆえ、式I、Ia、およびIa−1で表される化合物は、酸化および加水分解に抵抗性である。
本発明による化合物の製造のための出発材料は商業的に利用可能であり、本発明による化合物の好適な製造方法は、2つの一般的なプロセスクラスにまとめることができる:
− 第1に、固体状態拡散法、および
− 第2に、湿式化学法。
本願の文脈において、用語「固体状態拡散法」は、以下のステップを含む、任意の混合点火方法または固体状態方法に言及する:
a) Euを含有する少なくとも1種の塩、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、およびZnから選択される少なくとも1つの元素を含む1種または2種以上の塩、B、Al、Ga、In、Tl、Sc、Y、La、Ce、Gd、およびLuから選択される少なくとも1つの元素を含む1種または2種以上の塩、V、Nb、Ta、As、Sb、およびBから選択される少なくとも1つの元素を含む1種または2種以上の塩を、既定のモル比で混合する、
b)任意に、該混合物を粉砕する、
c)該混合物に、800〜1300℃の範囲の温度で、酸化雰囲気下で、第1の熱処理を実行する;および
d)該混合物に、1200〜1700℃の範囲の温度で、還元雰囲気下で、第2の熱処理を実行する。
一般に、元素MII、MIII、Mおよびユウロピウムの好適な塩は、好ましくは、対応する酸化物、ハロゲン化物、硫酸水素塩または炭酸塩から、より好ましくは炭酸塩、酸化物またはハロゲン化物から、特には塩化物から選択される。
本明細書において、用語「還元雰囲気」は、還元特性を有する雰囲気、好ましくは一酸化炭素、フォーミングガスもしくは水素の雰囲気、または真空もしくは酸素欠乏雰囲気、好ましくはアルゴン、水素、窒素またはそれらの任意の混合物の流れ中において、を意味する。
本明細書において、用語「酸化雰囲気」は、酸化特性を有する雰囲気、好ましくは空気または酸素の雰囲気の意味を有する。
本願の文脈において、用語「湿式化学法」は好ましくは、以下のステップを含む:
a)Euを含有する少なくとも1種の塩、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、およびZnから選択される少なくとも1つの元素を含む1種または2種以上の塩、B、Al、Ga、In、Tl、Sc、Y、La、Ce、Gd,およびLuから選択される少なくとも1つの元素を含む1種または2種以上の塩、V、Nb、Ta、As、Sb,およびBiから選択される少なくとも1つの元素を含む1種または2種以上の塩を、既定のモル比で、好適な溶媒中で混合する、
b)沈降剤を添加する;
c)該混合物に、800〜1300℃の範囲の温度で、酸化雰囲気下で、第1の熱処理を実行する;および
d)該混合物に、1200〜1700℃の範囲の温度で、還元雰囲気下で、第2の熱処理を実行する。
「湿式化学法」のステップa)は好ましくは、マイクロリアクター、つまり1mm〜100mm幅の範囲の内部径を有する、小さな限局領域の流路中で実行し、ここで2または3以上の溶液を該流路に通過させて混合する。マイクロリアクター中において、混合溶液の化学反応が、典型的には数ミリメートルより小さい横寸法を有する限定域(confinement)内で生じる。
「湿式化学法」のステップa)における混合物の調製のために、塩または粉体としての成分のいくつかまたは全ての混合物を調製して溶媒を添加すること、または直接的に溶媒中で混合物を段階的に調製することが可能である。しかし、上述の塩は、沈降ステップ前(ステップbの前)の任意の時に、混合物に加えることができる。
用語「溶媒」は、必ずしも塩を溶解させない溶媒を意味するものとする。水およびアルコール類、例えばメタノール、エタノールなどは、本発明による好ましい溶媒である。
ここでまた、元素MII、MIII、Mおよびユウロピウムの好適な塩は好ましくは、対応する酸化物、ハロゲン化物、硫酸水素塩または炭酸塩、より好ましくは炭酸塩、酸化物またはハロゲン化物、特に好ましくは塩化物から選択される。
「湿式化学法」のステップb)における好ましい沈降剤は、炭酸水素ナトリウム、塩化ナトリウム、または炭酸水素アンモニウムから選択され、より好ましくは沈降剤は塩化アンモニウムである。
本発明の好ましい態様において、沈降剤は好適な溶媒中で添加し、好ましくは対応する溶媒の融点より上かつ溶媒の沸点より下の温度で、溶媒とともに混合する。より好ましくは、約70℃にまでの、なおより好ましくは約60℃にまでの温度範囲においてであり、および好ましくは少なくとも1h以上、より好ましくは少なくとも2h以上である。
本発明の好ましい態様において、「湿式化学法」のステップb)の実行後かつステップc)の実行前に、前加熱処理を任意に実行して、ステップb)の混合物から溶媒を蒸発させることができる。専門家に広く公知であるように、好適な温度条件は主に、用いられる溶媒に依存する。しかし、好ましい温度条件は100℃にまで、より好ましくは90℃にまで、およびなおより好ましくは80℃にまでの範囲である。
好適な蒸発雰囲気は特には、圧力または雰囲気に関し、いかなる特別な条件には限定されない。しかし、好ましくは、溶媒の蒸発は、空気雰囲気下で実行され、ならびに、減圧条件を適用することも、本発明の意味においては適用可能である。
記載されるプロセスの両方において、および特にはステップc)に関して、好ましくは、専門家に公知のアニール炉を、酸化雰囲気下で動作させる。本発明のさらに好ましい態様において、広く公知の酸化炉を、ステップc)において用いる。
記載されるプロセスの両方において、および特にはステップc)に関して、好ましくは、専門家に公知の、アニール炉を、還元雰囲気下で動作させる。本発明のさらに好ましい態様において、広く公知の還元炉を、ステップd)において用いる。
記載されるプロセスの両方において、最終生成物は任意に、粉砕する、および/または篩い分ける。
さらに好ましい態様において、粒子形態の蛍光体は、SiO、TiO、Al、ZnO、ZrOおよび/またはYまたはそれらの混合酸化物からなる連続表面コーティングを有する。この表面コーティングは、コーティング材料の反射率の好適な等級化により、反射率を周囲環境に合致させることができるという有利を有する。この場合において、蛍光体の表面での光の散乱は低減し、より高い割合の光が蛍光体中に進入し、その中で吸収されて変換されることができる。加えて、反射率が合致した表面コーティングにより、合計の内部反射が低減されるため、より多くの光が蛍光体から結合放出(coupled out)されることができる。
加えて、蛍光体がカプセル化されなければならない場合には、連続層が有利である。これは、拡散している水または直近の環境中の他の材料に対する、蛍光体またはその一部分の敏感性に対抗するために、必要であり得る。閉じられた殻でのカプセル化のためのさらなる理由は、チップ中で作り出された熱からの、実際の蛍光体の熱的脱カップリングである。この熱は蛍光体の蛍光収率における低減をもたらし、蛍光色にもまた影響を及ぼし得る。最終的に、このタイプのコーティングを為すと、環境への伝播から蛍光体中に生じる格子振動を妨げることにより、蛍光体の効率を増加させることができる。
加えて、蛍光体が、SiO、TiO、Al、ZnO、ZrOおよび/またはYもしくはその混合物からなる、または蛍光体組成物からなる、多孔質な表面コーティングを有することが、好ましい。これらの多孔質なコーティングは、単層の反射率をさらに低減させる可能性を提供する。このタイプの多孔質なコーティングは、例えばWO 03/027015、これは参照の様式によりその全範囲を、本願の本文に組み入れる、に記載される、3つの慣用の方法により製造することができる:ガラス(例えば、ソーダ石灰ガラス(US 4019884を参照されたい))のエッチング、多孔質層の適用、および多孔質層およびエッチング操作の組み合わせ。
さらに好ましい態様において、蛍光体粒子は、好ましくはエポキシまたはシリコーン樹脂からなる、周囲環境への化学的結合を促進する官能基を担持する表面を有する。これらの官能基は、例えば、オキソ基を介して結合し、エポキシドおよび/またはシリコーンに基づく結合剤の構成成分への結合を形成することができる、エステルまたは他の誘導体で有り得る。このタイプの表面は、結合剤中への蛍光体の均質な組み込みを促進させるという有利を有する。さらにそれにより、蛍光体/結合剤系の直交特性ならびにポット寿命を、ある程度に調整することができる。それゆえ、混合物の加工が単純化される。
LEDチップに適用される本発明による蛍光体は好ましくは、バルクキャスティングにより適用される、シリコーンと均質な蛍光体粒子の混合物からなり、該シリコーンは表面張力を有するため、この蛍光体層は顕微鏡レベルでは均質ではないか、または層の厚さは全体にわたっては一定ではない。蛍光体がバルクキャスティング法によってではなく、代わりに、高度に濃縮した薄い蛍光体層が静電法を用いてチップの表面に直接的に適用される、いわゆるチップレベル転換プロセスで適用される場合、このことがまた、一般的にあてはまる。
上述のプロセスを用いると、任意の所望の外形の蛍光体粒子、例えば球形粒子、フレークおよび構造化された材料およびセラミクスを作り出すことが可能である。
さらなる好ましい態様としての、フレーク状蛍光体の製造は、対応する金属塩および/または希土類塩からの慣用の方法により実行される。製造方法はEP 763573およびDE 102006054331に詳細に記載され、これらをその全範囲で本願の本文に、参照の様式により組み込む。これらのフレーク状蛍光体は、天然のもしくは合成的に製造された、高度に安定な支持体、または非常に大きなアスペクト比、原子的に平坦な表面および調整可能な厚さを有する、例えばマイカ、SiO、Al、ZrO、ガラスまたはTiOフレークを含む基体を、水性分散または懸濁中での製造反応による蛍光体層とともにキャスティングすることにより、製造することができる。マイカ、ZrO、SiO、Al、ガラスまたはTiOまたはそれらの混合物に加え、フレークはまた、蛍光体材料自体からなっていても、または1つの材料から構築されていてもよい。フレーク自体が単に、蛍光体キャスティングのための支持体としての役割をする場合、後方はLEDの一次放射に対して透過性である材料からなっていなければならないか、または1次放射を吸収して、このエネルギーを蛍光体層へと移送しなければならない。フレーク状蛍光体を樹脂(例えばシリコーンまたはエポキシ樹脂)中に拡散させ、この拡散体をLEDチップに適用する。フレーク状蛍光体は、50nm〜約20μm、好ましくは150nm〜5μmの厚さで、多大な工業的規模で製造することができる。径はここでは、50nm〜20μmである。
それは一般には、1:1〜400:1、および特には3:1〜100:1のアスペクト比(径の、粒子厚さに対する比)を有する。フレーク寸法(長さ×幅)は、配置に依存する。フレークはまた、特に小さな径を有する場合には特には、変換層内の拡散の中心として好適である。LEDチップに面する本発明によるフレーク状蛍光体の表面は、LEDチップにより発せられる1次放射に関し、抗反射作用を有するコーティングを備えることができる。これにより、一次放射の背部拡散の低下がもたらされ、後方が本発明による蛍光体ボディ中に良好に結合することが可能となる。
例えば、マッチした屈折率のコーティングが、この目的には好適であり、これは以下の厚さd:d=[LEDチップの1次放射の波長/(4蛍光体セラミックの屈折率)]を有していなければならない、例えばGerthsen, Physik [Physics], Springer Verlag, 18th Edition, 1995を参照されたい。このコーティングはまたフォトニック結晶からなっていてもよく、これはフレーク状蛍光体の表面の構造化を含んで、ある機能性を達成する。
セラミック体の形態での本発明による蛍光体の製造は、DE 102006037730(Merck)に記載される方法と類似して実行され、これをその全範囲を本願の本文に参照の様式により組み入れる。このプロセスにおいて、蛍光体は、対応する出発材料およびドーパントを混合することによって、湿式化学法により製造し、次いで静水圧プレス成形に施し、均質で、薄く、かつ非多孔質なフレークの形態でチップの表面に直接的に適用する。それゆえ、励起の非位置依存性変形および蛍光体の発光が存在し、これは、これを以って提供されたLEDが一定色の均質な光錐を発し、高い光出力を有することを意味する。セラミック蛍光体ボディは、例えば数百nm〜約500μmの厚さのフレークで、多大な工業的規模で製造することができる。フレーク寸法(長さ×幅)は、配置に依存する。チップへの直接適用の場合において、フレークのサイズは、好適なチップ配置(例えばフリップチップ配置)でのチップ表面の約10%〜30%の、あるオーバーサイズを有するチップ寸法(約100μm100μm〜数mm)に従って、または相応して、選択されるべきである。蛍光体フレークを最終LEDにわたって設置する場合、全体の励起光錐がフレークを通過する。
セラミック蛍光体ボディの側面表面は、軽金属または貴金属、好ましくはアルミニウムまたは銀で被覆することができる。金属コーティングは、光が蛍光体ボディから側方に抜け出ないという効果を有する。光が側方に抜け出ると、LEDを出て結合される光束を低減させ得る。セラミック蛍光体ボディの金属コーティングは、静水圧プレス成形でロッドまたはフレークとしたあとのプロセスステップで実行され、ここでロッドまたはフレークは金属コーティング前に任意に、必要なサイズにカットすることができる。この目的のために、側方表面は、例えば窒化銀およびグルコースを含む溶液で、湿らせ、次いで高温のアンモニア雰囲気に露出させる。銀コーティングは、例えば、プロセスにおいて、側方表面に形成する。代わりに、現行の低度な金属化のプロセスもまた好適であり、例えばHollemann-Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie [Textbook of Inorganic Chemistry], Walter de Gruyter VerlagまたはUllmanns Enzyklopaedie der chemischen Technologie [Ullmann's Encyclopaedia of Chemical Technology]を参照されたい。
セラミック蛍光体は、必要である場合、水−ガラス溶液を用いて、LEDチップのベースボードに固定することができる。
さらなる態様において、セラミック蛍光体ボディは、LEDチップに対向する側に、構造化された(例えばピラミッド状)表面を有する。これにより、できるだけ多くの光が、蛍光体ボディから出て、結合することが可能となる。蛍光体ボディ上の構造化された表面は、構造化された圧力プレートを有する圧縮型を用いる静水圧プレスを実行し、このようにして構造を表面にエンボス加工することにより、作り出すことができる。可能な限り最も薄い蛍光体ボディまたはフレークを製造することが目的である場合、構造化された表面が所望される。プレス条件は当業者に公知である(Kriegsmann, Technische keramische Werkstoffe [Industrial Ceramic Materials], Chapter 4, Deutscher Wirtschaftsdienst, 1998を参照されたい)。用いられるプレス温度が、プレスされる物質の融点の2/3〜5/6であることが、重要である。
本発明の化合物は、良好なLED品質である。本願の文脈において、LED品質は、周知のパラメーター、例えば演色評価数(CRI(color rendering index))、相関色温度(CCT(Correlated Color Temperature))、ルーメン当量または絶対ルーメン、およびCIE xおよびy座標における色点により決定する。
専門家に公知である、演色評価数(CRI)は、測光的な大きさではない単位であり、これは人工光源の色忠実度を、太陽光またはフィラメント光源のもの(後者の2つは100のCRIを有する)と比較する。
専門家に公知である、相関色温度(CCT)は、単位ケルビンを有する測光変数である。数が高いほど、光の青色成分が大きくなり、かつ人口光源の白色がより冷たく観者に見えるようになる。CCTは、色温度がCIEダイアグラムにおいていわゆるPlanckの曲線を記載する、ブラックライト青色ランプの概念に従う。
専門家に公知である、ルーメン当量は、単位lm/Wを有する測光変数である。ルーメン当量は、単位ワットを有する比放射測光放射出力における、光源の測光光束のサイズを記載する。ルーメン当量が高くなるほど、光源はより高効率となる。
専門家に公知である、ルーメンは、光源により発せられた、VIS域における全放射の単位である、光源の光束を記載する、測光変数である。光出力が大きくなるほど、光源は観察者により明るく見える。
CIE xおよびCIEyは、CIE色度ダイアグラム(ここでは1931標準観察者)の座標であり、これは光源の色を記載する。
上記の変数の全ては、光源の放射スペクトルから、専門家に公知の方法により計算することができる。
本発明による蛍光体は、得られたままで、または他の蛍光体との混合物中で用いることができる。従って、本発明はまた、本発明による1種または2種以上の化合物を含む、放射変換材料に関する。
本発明による混合物または放射変換材料に好適な蛍光体は、例えば以下のものである:
上述のとおり、本発明による蛍光体を、約300nm〜500nmにわたる、広い範囲にわたって、励起させることができる。
従って、本発明はまた、発光ダイオードからの青色または近UV放射の部分的なまたは完全な変化のための変換蛍光体としての、本発明による少なくとも1種の化合物の使用に関する。
本発明はまた、300nm〜500nmの範囲に放射極大を有する一次光源を含む、光源に関し、この放射の全てまたは一部は、本発明による化合物または放射変換材料により、より長い波長の放射へと変換される。
好ましくは、照明ユニットは、青色または近UV LEDおよび本発明による少なくとも1種の化合物を含む。かかる照明ユニットは好ましくは、特にはCIE x=0.12〜0.43およびCIE y=0.07〜0.43、より好ましくはCIE x=0.15〜0.35およびCIE y=0.10〜0.35を有する、白色光発光性である。
好ましいのはさらには、CIR>60、好ましくは>70、より好ましくは>80を有することを特徴とする、特には一般照明のための、照明ユニットである。
他の態様において、照明ユニットは、ある色点を有する光を発する(カラーオンデマンド原理)。カラーオンデマンド概念は、1種または2種以上の蛍光体を用いるpCLED(=蛍光体変換LED(phosphor-converted LED))を用いる、ある色点を有する色を作り出すことを意味する。例えば、この概念は、例えば照明会社ロゴ、商標など、ある企業デザインを作り出すために、用いられる。
特に、ある色空間が確立されるべき目的のためには、蛍光体は好ましくは、それぞれの場合において個別でまたは1種または2種以上の賦活化イオン、例えばCe、Eu、Mn、Crおよび/またはBiなど、とのその混合物で、酸化物、モリブデン酸塩、タングステン酸塩、バナジウム酸塩、ガーネット、ケイ酸塩、アルミン酸塩、窒化物およびオキシ窒化物と混合する。
好適な緑色発光蛍光体は好ましくは、Ceドープルテチウム含有ガーネットまたはイットリウム含有ガーネット、Euドープスルホセレン化物、チオガレート、BaMgAl1017:Eu,Mn(BAM:Eu,Mn)、および/またはCeドープおよび/またはEuドープ窒化物含有蛍光体および/またはβ−SiAlON:Eu、および/またはEuドープアルカリ土類オキソオルトケイ酸塩、および/またはZnドープアルカリ土類オルトケイ酸塩から選択される。
好適な青色発光蛍光体は好ましくは、BAM:Euおよび/またはSr10(POCl:Eu、および/またはCaWO、および/またはZnS:(Au,Cu,Al)、および/またはSrAl1425:Eu、および/またはSr(POCl:Eu、および/またはSr:Euから選択される。
黄色光を発する好適な蛍光体は好ましくは、ガーネット蛍光体(例えば、(Y,Tb,Gd)(Al,Ga)12:Ce)、オルトケイ酸塩蛍光体(例えば、(Ca,Sr,Ba)SiO:Eu)、および/またはサイアロン蛍光体(例えば、α−SiAlON:Eu)、および/または(Ca,Sr,Ba)AlSi:Ceから選択することができる。
用語「青色発光蛍光体」は、435nm〜507nmに少なくとも1つの放射極大を有する波長を発する蛍光体に言及する。
用語「緑色発光蛍光体」は、508nm〜550nmに少なくとも1つの放射極大を有する波長を発する蛍光体に言及する。
用語「黄色発光蛍光体」は、551nm〜585nmに少なくとも1つの放射極大を有する波長を発する蛍光体に言及する。
用語「赤色発光蛍光体」は、586〜670nmに少なくとも1つの放射極大を有する波長を発する蛍光体に言及する。
好ましい態様において、本発明による照射ユニットは、特に式InGaAlN、式中0≦i、0≦j、0≦k、およびi+j+k=1、で表される、発光性インジウムアルミニウムガリウム窒化物である、光源、および/または発光性インジウムガリウム窒化物(InxGa1−xN、式中0<x<0.4)である、光源を含む。
本発明による照明ユニットの他の好ましい態様において、光源は、ZnO、TCO(透過性導電酸化物(transparent conducting oxide))、ZnSeもしくはSiCに基づく発光性アレンジメント、または有機発光層に基づくアレンジメント(OLED)である。
本発明による照明ユニットのさらに好ましい態様において、光源は、エレクトロルミネッセンスおよび/またはフォトルミネッセンスを呈する源である。光源はさらにまた、プラズマ源または放電源であり得る。このタイプの光源の可能な形態は、当業者に公知である。これらは、さまざまな構造の発光LEDチップで有り得る。
本発明による化合物は、樹脂(例えばエポキシ樹脂またはシリコーン樹脂)中に分散させるか、または好適なサイズ比率の場合、用途に応じて、光源上に直接配置するか、または代替的にそこから離れて配置し得る(後者のアレンジメントはまた「遠隔蛍光体技術」を含む)。遠隔蛍光体技術の利点は、当業者に公知であり、例えば以下の文献:Japanese Journal of Appl. Phys. Vol. 44, No. 21 (2005). L649-L651により、明らかにされている。
本発明による化合物はまた、およそ500nmより小さい波長を有する太陽光照射の、太陽電池中のさまざまな半導体材料により、より有効に利用されることができる、およそ500nmより大きな波長の放射への、変換パーツに好適である。
それゆえ、本発明はまた、本発明による少なくとも1種の化合物の、太陽電池のための波長変換材料としての使用に関する。
したがって、本発明はまた、太陽電池モジュール中の半導体材料の吸収特性のために通常は用いることができない太陽光照射スペクトルの短波部分の波長変換のおかげで、光利用効率および電力産生効率を増加させることができる、本発明による蛍光体を含むポリマー膜を例えば適用することによる、太陽電池モジュールの改善方法に関する。
本発明は、本明細書において、好ましい態様を特に参照して記載される。様々な変形および改変が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、その中でなされ得ると理解されるべきである。
本明細書に言及される化合物およびその混合物の多くが、商業的に利用可能である。有機化合物は、公知であるか、または文献において(例えば、標準的な著作物、例えばHouben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie [有機化学の方法], Georg-Thieme-Verlag, Stuttgartなどにおいて)記載されるように、自体公知である方法により、かかる反応に公知かつ好適な反応条件下で正確に、製造することができる。
文脈が明確に他に示さない限り、本明細書で用いる用語の複数形は、本明細書では、単数形を含むものと考えられるべきであり、逆もまたあてはまる。
本願をとおして、他に明確に述べなければ、全ての濃度は重量パーセントで与えられ、それぞれの完全な混合物に対してであり、全ての温度は摂氏度(セルシウス)で与えられ、温度の全ての差異は摂氏度においてである。
本願の詳細な説明および特許請求の範囲をとおして、単語「含む(comprise)」および「含有する(contain)」およびそれらの単語の変形、例えば「含んでいる(comprising)」および「含む(comprises)」は、「含むがそれらには限定されない」を意味し、他の成分を除外することを意図しない(かつ除外しない)。他方で、用語「含む」はまた、用語「からなる(consisting of)」を包含するが、それに限定されない。
本発明の前述の態様に対する変形が、なおも本発明の範囲内にあるままで、為すことができると考えられるべきである。同じ、均等の、または類似の目的の役割をする代替の特徴は、他に述べられない限り、本明細書に開示されるそれぞれの特徴を置き換え得る。したがって、他に述べられない限り、開示されるそれぞれの特徴は、一般的な一連の均等物または類似の特徴の一例であるのみである。
本明細書に開示される特徴の全ては、かかる特徴および/またはステップの少なくともいくつかが互いに排他的である組み合わせを除く、任意の組み合わせで組み合わせられ得る。特に、本発明の好ましい特徴は、発明の全ての側面に適用可能であり、任意の組み合わせで用いられ得る。同様にして、必須でない組み合わせで記載される特徴は、(組み合わせではなく)分離して用いられ得る。
上に記載される特徴の、特には好ましい態様の多くが、それら自体が発明的であり、本発明の態様の一部分にすぎないものではない、と考えられるべきである。現在特許請求されている全ての発明に加えて、または代替的に、独立した保護がこれらの特徴に対して探求され得る。
説明的であるのみであり、かつ本発明の範囲を限定しない、以下の実施例を参照して、今、本発明を詳細に記載する。
例1: Sr 1.92 Eu 0.08 InTaO
7.985gのIn、17.680g SrCO、13.223g Ta、0.211g Euを秤量し、スピードミキサーを用いて1800rpmで5分間混合する。
得られた混合物を1100℃で空気中で8時間燃やす。次いで、得られた粉体を挽き、1500℃で4時間、アルゴン雰囲気下で2回目の燃焼をし、ここで周囲温度から1250℃までへのヒートアップ期間にN雰囲気を適用する。
原料生成物を機械めのう乳鉢およびピストンを用いて挽き、得られた粉体を50μmナイロン篩いを用いて篩い分ける。
生成物をXRDにより特徴付けする(図1)。式Sr 1.92 Eu 0.08 InTaO で表される蛍光体の、対応する放射および励起スペクトルを、図2および図3に描く。
例2: Ba 1.92 Eu 0.08 InTaO
7.985gのIn2O3、23.833g BaCO3、13.223g Ta2O5、0.211g Eu2O3を秤量し、スピードミキサーを用いて1800rpmで5分間混合する。
得られた混合物を1100℃で空気中で8時間燃やす。次いで、得られた粉体を挽き、1500℃で4時間アルゴン雰囲気下で2回目の燃焼をし、ここで、周囲温度から1250℃までへのヒートアップ期間の間にN雰囲気を適用する。
原料生成物を機械めのう乳鉢およびピストンを用いて挽き、得られた粉体を50μmナイロン篩いを用いて篩い分ける。
例3: Sr 1.92 Eu 0.08 InVO
7.985gのIn2O3、17.680g SrCO3、5.4425g V2O5、0.211g Eu2O3を秤量し、スピードミキサーを用いて1800rpmで5分間混合する。
得られた混合物を1100℃で空気中で8時間燃やす。次いで、得られた粉体を挽き、1500℃で4時間アルゴン雰囲気下で2回目の燃焼をし、ここで、周囲温度から1250℃までへのヒートアップ期間の間にN雰囲気を適用する。
原料生成物を機械めのう乳鉢およびピストンを用いて挽き、得られた粉体を50μmナイロン篩いを用いて篩い分ける。
例4: Sr 1.92 Eu 0.08 InNbO
7.985gのIn2O3、17.680g SrCO3、7.954g Nb2O5、0.211g Eu2O3を秤量し、スピードミキサーを用いて1800rpmで5分間混合する。
得られた混合物を1100℃で空気中で8時間燃やす。次いで、得られた粉体を挽き、1500℃で4時間アルゴン雰囲気下で2回目の燃焼をし、ここで、周囲温度から1250℃までへのヒートアップ期間の間にN雰囲気を適用する。
原料生成物を機械めのう乳鉢およびピストンを用いて挽き、得られた粉体を50μmナイロン篩いを用いて篩い分ける。
例5: Sr 1.92 Eu 0.08 InSbO
7.985gのIn2O3、17.680g SrCO3、9.681g Sb2O5、0.211g Eu2O3を秤量し、スピードミキサーを用いて1800rpmで5分間混合する。
得られた混合物を1100℃で空気中で8時間燃やす。次いで、得られた粉体を挽き、1500℃で4時間アルゴン雰囲気下で2回目の燃焼をし、ここで、周囲温度から1250℃までへのヒートアップ期間の間にN雰囲気を適用する。
原料生成物を機械めのう乳鉢およびピストンを用いて挽き、得られた粉体を50μmナイロン篩いを用いて篩い分ける。
例6: Ca 1.92 Eu 0.08 InNbO
7.985gのIn2O3、11.986g CaCO3、7.954g Nb2O5、0.211g Eu2O3を秤量し、スピードミキサーを用いて1800rpmで5分間混合する。
得られた混合物を1100℃で空気中で8時間燃やす。次いで、得られた粉体を挽き、1500℃で4時間アルゴン雰囲気下で2回目の燃焼をし、ここで、周囲温度から1250℃までへのヒートアップ期間の間にN雰囲気を適用する。
原料生成物を機械めのう乳鉢およびピストンを用いて挽き、得られた粉体を50μmナイロン篩いを用いて篩い分ける。
LED例
例1: Sr 1.92 Eu 0.08 InTaO
蛍光体の例のスペクトルを、図4に与え、ここで450nmに狭い放射バンドが青色LEDチップから生じ、一方で広い帯域スペクトル特徴は青色LED励起下の蛍光体の放射である。

Claims (15)

  1. 式I

    II III:Eu2+

    式中、
    IIは、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、およびZnの群から選択される1つまたは2つ以上の二価の元素を示し、
    IIIは、B、Al、Ga、In、Tl、Sc、Y、La、Ce、Gd、およびLuの群から選択される1つまたは2つ以上の三価の元素を示し、および
    は、V、Nb、Ta、As、Sb、およびBiの群から選択される1つまたは2つ以上の五価の元素を示す、
    で表される化合物。
  2. 請求項1に記載の化合物であって、式Iで表される化合物が式Ia

    II (2−x)III:Eu2+ Ia

    式中、
    II、MIII、およびMは、請求項1において与えられるのと同じ意味を有し、および
    0<x≦2
    から選択される、前記化合物。
  3. 請求項1または2に記載の化合物であって、式Iで表される化合物が式Ia−1

    II (2−x)(M (a−b) )M:Eu2+ Ia−1

    式中、
    x、MIIおよびMは、請求項1において与えられるのと同じ意味を有し、
    およびMは、それぞれかつ互いに独立して、B、Al、Ga、In、Tl、Sc、Y、La、Ce、Gd、またはLuから選択される元素を示し、ここでM≠M
    0<a≦1、0≦b<1、および
    a+b=1
    から選択される、前記化合物。
  4. b=0を特徴とする、請求項3に記載の化合物。
  5. がInを示すことを特徴とする、請求項3または4に記載の化合物。
  6. IIが、Be、Mg、Ca、Sr、Baおよび/またはZnから選択される少なくとも1つの二価の元素を示すことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の化合物。
  7. が、V、Nb、Ta、As、Sb、またはBiから選択される1つの五価の元素を示すことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載の化合物。
  8. 0<x<0.3を特徴とする、請求項2〜7のいずれか一項に記載の化合物。
  9. 請求項1〜8のいずれか一項に記載の化合物の製造方法であって、以下のステップ:
    a) Euを含有する少なくとも1種の塩、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、およびZnから選択される少なくとも1つの元素を含む1種または2種以上の塩、B、Al、Ga、In、Tl、Sc、Y、La、Ce、Gd、およびLuから選択される少なくとも1つの元素を含む1種または2種以上の塩、V、Nb、Ta、As、Sb、およびBiから選択される少なくとも1つの元素を含む1種または2種以上の塩を、予め決定したモル比で混合すること;
    b) 任意に、該混合物をすりつぶすこと;
    b) 該混合物に、800〜1300℃の温度範囲で、酸化雰囲気下で、第1の熱処理を実行すること;および
    c) 該混合物に、1200〜1700℃の温度範囲で、還元雰囲気下で、第2の熱処理を実行すること
    を含む、前記方法。
  10. ステップa)における塩が、酸化物、ハロゲン化物、硫酸水素塩、または炭酸塩の群から選択される、請求項9に記載の方法。
  11. 請求項1〜8のいずれか一項に記載の少なくとも1種の化合物の、青色放射または近UV放射の部分的なまたは完全な変換のための変換蛍光体としての、使用。
  12. 請求項1〜8のいずれか一項に記載の化合物を含む、放射変換材料。
  13. 300nm〜500nmの範囲の放射極大を有する第1光源、および請求項1〜8のいずれか一項に記載の化合物または請求項12に記載の放射変換材料を含む、光源。
  14. 第1光源が、発光性インジウムアルミニウムガリウム窒化物、および/またはインジウムガリウム窒化物である、請求項13に記載の光源。
  15. 請求項13または14に記載の少なくとも1つの光源を含む、照明ユニット。
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