JP4399624B2 - メカノルミネッセンス材料 - Google Patents

Description

本発明は、機械的な外力を加えることによって発光する、いわゆるメカノルミネッセンス材料に関するものである。

従来、物質が外部からの刺激を与えられることによって、室温等の低温度で可視光や可視域付近の光を発する現象は、いわゆる蛍光現象としてよく知られている。このような蛍光現象を生じる物質、すなわち蛍光体は、蛍光ランプなどの照明灯や、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）いわゆるブラウン管などのディスプレイとして使用されている。
この蛍光現象を生じさせる外部からの刺激は、通常、紫外線、電子線、Ｘ線、放射線、電界、化学反応などによって与えられているが、これまで、機械的な外力等の刺激によって発光する材料はあまり知られていない。

本発明者らは、先に非化学量論的量組成を有するアルミン酸塩の少なくとも１種からなり、かつ機械的エネルギーによって励起されたキャリアーが基底状態に戻る際に発光する格子欠陥をもつ物質、又はこの母体物質中に希土類金属イオン及び遷移金属イオンの中から選ばれた少なくとも１種の金属イオンを発光中心の中心イオンとして含む物質からなる高輝度応力発光材料（特許文献１参照）及びＹ₂ＳｉＯ₅、Ｂａ₃ＭｇＳｉ₂Ｏ₈、ＢａＳｉ₂Ｏ₅を母体材料とした発光材料（特許文献２参照）を提案したが、これらの発光材料は、実用に供するためには、まだその発光強度が十分ではなく、さらに発光強度の高いものが求められていた。

特開２００１−４９２５１号公報（特許請求の範囲その他） 特開２０００−３１３８７８号公報（特許請求の範囲その他）

本発明は、前記のような事情のもとで、広い範囲から選択を可能とし、それによってさらに高い発光強度を示すメカノルミネッセンス材料を得ることを目的としてなされたものである。

本発明者らは、より高い発光強度を示すメカノルミネッセンス材料を開発するために鋭意研究を重ねた結果、ある種のバリウムの複合酸化物を母体材料として用いると、高い発光強度のメカノルミネッセンス材料が得られることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。

すなわち、本発明は、一般式
ｘＢａＯ・ｙＡｌ₂Ｏ₃・ｚＳｉＯ₂（Ｉ）
（式中のＢａはその一部がＮａ、Ｋ及びＭｇの中の少なくとも１種で置き換えられていてもよく、ｘ、ｙ及びｚは１以上の数である）
ｘＢａＯ・ｙＡｌ₂Ｏ₃ （ＩＩ）
（式中のＢａはその一部がＭｇで置き換えられていてもよく、ｘ及びｙは前記と同じ意味をもつ）
又は
ｘＢａＯ・ｙＳｉＯ₂（ＩＩＩ）
（式中のＢａはその一部がＭｇ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｚｎ及びＢｅの中の少なくとも１種で置き換えられていてもよく、ｘ及びｙは前記と同じ意味をもつ）
で表わされる組成をもつバリウムの複合酸化物の中から選ばれた少なくとも１種の酸化物からなる母体材料に、機械的エネルギーによって励起された電子が基底状態に戻る際に発光する希土類金属又は遷移金属の中から選ばれた少なくとも１種の発光中心を添加してなるメカノルミネッセンス材料を提供するものである。

本発明のメカノルミネッセンス材料は、母体材料に発光中心を添加した構成を有するが、この母体材料としては、前記の一般式（Ｉ）ないし（ＩＩＩ）で表わされるバリウムの複合酸化物の中から選ばれた酸化物が用いられる。

上記の一般式（Ｉ）で表わされるものとしては、例えば
Ｂａ₂（Ｍｇ，Ａｌ）（Ａｌ，Ｓｉ）ＳｉＯ₇、
Ｂａ₂Ａｌ₂ＳｉＯ₇、
ＢａＡｌ₂Ｓｉ₂Ｏ₈、
ＢａＮａＡｌＳｉ₂Ｏ₇
などを挙げることができる。なお、かっこ内の元素はたがいに置き換えることができるものを示している。

次に一般式（ＩＩ）で表わされるものとしては、例えば
ＢａＡｌ₈Ｏ₁₃、
ＢａＭｇＡｌ₆Ｏ₁₁
などが、また、一般式（ＩＩＩ）で表わされるものとしては、例えば
Ｂａ（Ｚｎ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｍｇ）Ｓｉ₂Ｏ₆、
Ｂａ₂（Ｍｇ，Ｆｅ）Ｓｉ₂Ｏ₇、
Ｂａ₂ＢｅＳｉ₂Ｏ₇、
Ｂａ₂ＭｇＳｉ₂Ｏ₇、
Ｂａ₂ＭｇＳｉＯ₇
などがある。

これらの中で特に発光強度の大きいものは、Ｂａ₂Ａｌ₂ＳｉＯ₇、Ｂａ₂ＭｇＳｉ₂Ｏ₇、ＢａＡｌ₂Ｓｉ₂Ｏ₈、ＢａＡｌ₈Ｏ₁₃である。
これらの酸化物は、結晶構造的には点群

で表わされる結晶分類に属している。

これらの母体材料に、発光中心をドープさせると、発光強度を飛躍的に向上させることができる。この発光中心をドープするには、発光中心となる金属を母体材料とよく混合したのち、還元雰囲気中、６００〜１８００℃の高温で少なくとも３０分間焼成する。この際、ホウ酸のようなフラックスを添加すると、発光特性はさらに向上する。

このように、母体材料に発光中心として添加される希土類金属や遷移金属は、発光強度を飛躍的に向上させるためのものであり、このような希土類金属や遷移金属としては、第一イオン化エネルギーが８ｅＶ以下、中でも６ｅＶ以下のものが好ましい。

この希土類金属や遷移金属は、不安定な３ｄ、４ｄ、５ｄ又は４ｆ電子殻を有するものである。希土類金属としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕなどが、遷移金属としては、例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗなどがそれぞれ挙げられる。
不安定な３ｄ電子殻を有する遷移金属の中で好ましいのは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕなどであり、不安定な４ｄ電子殻をもつ遷移金属の中で好ましいのは、Ｎｂ、Ｍｏであり、不安定な５ｄ電子殻をもつ遷移金属の中で好ましいのは、Ｔａ、Ｗである。他方、不安定な４ｆ電子殻をもつ希土類金属の中で好ましいのは、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙなどである。

この発光中心となる金属の添加量は、通常０．００１〜２０質量％の範囲内で選ばれる。この量が０．００１質量％未満では、十分な発光強度が得られないし、また２０質量％を超えると母体材料の結晶構造が維持できなくなり、発光効率が低下し、利用できなくなる。

本発明のメカノルミネッセンス材料の発光強度は、励起源となる機械的な作用力の性質に依存するが、一般的には加えた機械的な作用力が大きいほど高くなる傾向がある。したがって、発光強度を測定することによって、発光材料に加えられている機械的な作用力を知ることができる。これによって、材料にかかる応力状態を無接触で検知できるようになり、応力状態を可視化することも可能であるため、応力検知器その他の広い分野での応用が期待できる。

本発明のメカノルミネッセンス材料は、その塗膜を耐熱性基材の表面に設けることにより、積層材料とすることができる。
この塗膜は、所定母体材料を形成しうる化合物、例えば硝酸塩やハロゲン化物やアルコキシ化合物などを溶剤に溶解して調製した塗布液を耐熱性基材の表面に塗布したのち、焼成することにより形成される。
この耐熱性基材については特に限定されないが、その材質として例えば石英、シリコン、グラファイト、石英ガラスやバイコールガラス等の耐熱ガラス、アルミナや窒化ケイ素や炭化ケイ素やケイ化モリブデン等のセラミックス、ステンレス鋼のような耐熱鋼やニッケル、クロム、チタン、モリブデン等の耐熱性金属又は耐熱性合金、サーメット、セメント、コンクリートなどが挙げられる。

本発明によれば、摩擦力、せん断力、衝撃力、圧力などの機械的な外力によって効果的に発光する新しい応力発光材料を得ることができ、また、上記機械的な外力をそれが作用する材料自体の発光により、直接光に変換することができるため、全く新しい光素子としての利用の可能性など、広い応用が期待できる。

次に、実施例により本発明を実施するための最良の形態を説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。

母体材料としてＢａ₂Ａｌ₂ＳｉＯ₇の粉末を用い、この中に発光中心となるＥｕ₂Ｏ₃０．０５質量％と、フラックスとしてのホウ酸１０質量％を加えて混合し、水素２．５質量％を含むアルゴン雰囲気中、１３００℃において４時間焼成することによりメカノルミネッセンス材料を製造した。
次に、この粉末をエポキシ樹脂〔Ｓｔｒｕｅｒｓ社製、スペシフィックス−４０（商品名）〕１００質量部に２０質量部の配合割合で埋め込み、ペレット状にして試料とした。このものの発光強度を表１に示す。

実施例１における母体材料のＢａ₂Ａｌ₂ＳｉＯ₇の代りに、Ｂａ₂ＭｇＳｉ₂Ｏ₇・Ｅｕを用いて、実施例１と同様にして、母体材料と発光中心をもつメカノルミネッセンス材料を製造し、その発光強度（ｃｐｓ）を測定した。その結果を表１に示す。

実施例１と同様にして、表２に示す母体材料と、発光中心としてユウロピウムを用いたメカノルミネッセンス材料を製造し、発光強度（ｃｐｓ）を測定した。その結果を表２に示す。

本発明のメカノルミネッセンス材料は、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する素子として広い分野での利用可能性を有する。

Claims (1)

1. 一般式
   ｘＢａＯ・ｙＡｌ₂Ｏ₃・ｚＳｉＯ₂
   （式中のＢａはその一部がＮａ、Ｋ及びＭｇの中の少なくとも１種で置き換えられていてもよく、ｘ、ｙ及びｚは１以上の数である）
   ｘＢａＯ・ｙＡｌ₂Ｏ₃
   （式中のＢａはその一部がＭｇで置き換えられていてもよく、ｘ及びｙは前記と同じ意味をもつ）
   又は
   ｘＢａＯ・ｙＳｉＯ₂
   （式中のＢａはその一部がＭｇ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｚｎ及びＢｅの中の少なくとも１種で置き換えられていてもよく、ｘ及びｙは前記と同じ意味をもつ）
   で表わされる組成をもつバリウムの複合酸化物の中から選ばれた少なくとも１種の酸化物からなる母体材料に、機械的エネルギーによって励起された電子が基底状態に戻る際に発光する希土類金属又は遷移金属の中から選ばれた少なくとも１種の発光中心を添加してなるメカノルミネッセンス材料。