JP4509667B2 - 赤色発光蛍光体およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、青色光線等の短波長領域の可視光線や紫外線を吸収し、赤色や緑色等のより長波長の可視光を発する蛍光体に関し、さらに発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）等の半導体発光素子と組み合わせることにより、演色性が改善された白色発光素子を構成することができる蛍光体に関する。

青色光線等の短波長領域の可視光線や紫外線を吸収し、赤色や緑色等のより長波長の可視光に波長変換をする蛍光体を用い、これを組み合わせることで白色等の可視光を得ることは古くから知られている。
特に、短波長領域の可視光線や紫外線の光源として、半導体発光素子、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）系青色発光ダイオード等を用いて、波長変換材料としての蛍光体とを組み合わせて構成し、白色等の可視光を発光する発光素子は、消費電力が小さく長寿命であるという特徴があり、近年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。

この発光素子は、例えば変換材料としての蛍光体が、ＧａＮ系青色発光ダイオードの発する青色領域の可視光を吸収して黄色光を発光し、さらに蛍光体に吸収されなかった発光ダイオードの青色光との混色により、白色の発光が得られるものである（例えば、特許文献１参照。）。
しかしながら、この白色光は青色とその補色である黄色とで形成されるため、演色性に欠けるという問題がある。

また、この青色と黄色とで形成された白色光の演色性を改善したものとして、例えば青色発光ダイオードと緑色発光蛍光体と赤色発光蛍光体とを組み合わせて白色光を形成するものがある（例えば特許文献２参照。）。

上記の赤色発光蛍光体や、緑色発光蛍光体の一つとして、岩塩型結晶構造をもつアルカリ土類金属硫化物、例えば硫化カルシウム（ＣａＳ）や硫化ストロンチウム（ＳｒＳ）を母体とし、賦活剤としてユウロピウム（Ｅｕ）やセリウム（Ｃｅ）を含有した蛍光体が知られている。このとき、ユウロピウム（Ｅｕ）を賦活した蛍光体は赤色系に発光し、セリウム（Ｃｅ）を賦活した蛍光体は緑色系に発光する。しかしながら、これらアルカリ土類金属硫化物系の蛍光体は、水分により加水分解されるため、耐水性や寿命に問題があった。（例えば非特許文献１参照。）。

これらアルカリ土類金属硫化物蛍光体の耐水性を向上させるため、蛍光体表面をコーティングする手段がいくつか提案されている（例えば特許文献３参照。）。
しかしながら、これら蛍光体の上にコーティング層を形成する方法では、蛍光体表面を完全にカバーしたコーティング層を形成するのが難しく、このため耐水性や寿命が不充分であるという問題がある。
特開平１０−２４２５１３号公報 （第２頁） 特開２００２−６０７４７号公報 （第１頁、第２頁） 特開２００２−２２３００８号公報 （第２頁） 「ジャーナル・オブ・エレクトロケミカル・ソサエティ(Journal of the Electrochemical Society)」，（米国），１９８７年，第１３４巻，第１０号，ｐ．２６２０−２６２４

本発明は、前述の従来技術に鑑み、耐水性が高く長寿命なアルカリ土類金属硫化物系蛍光体を提供することを目的とする。

本発明者等は、前記課題を解決すべく種々の実験を行なった結果、硫黄（Ｓ）を加えてアルカリ土類金属硫化物を焼成する際に、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）または焼成時に酸化マグネシウムに変化する化合物、例えば塩基性炭酸マグネシウム等を加えて焼成することにより、耐水性が高く長寿命な蛍光体が得られることを見出した。

請求項１記載の赤色発光蛍光体は、母体が（Ｃａ_１−ｘＳｒ_ｘ）Ｓ・ａＭｇＯで表され、賦活剤として少なくともユウロピウム（Ｅｕ）を含有し、ｘは０≦ｘ≦０．５であり、ａは０．０１≦ａ≦０．３であることを特徴としている。
そして、賦活剤として少なくともユウロピウムを含有した上で、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の割合ａを０．０１≦ａ≦０．３とすることで、従来の同種の蛍光体と比べ発光輝度を低下させることなく、かつ優れた耐水性を有する赤色発光蛍光体となる。

ここで、酸化マグネシウムの割合ａが０．０１未満の場合は、耐水性の効果が酸化マグネシウムを加えない蛍光体とほとんど変わらず好ましくなく、ａが０．３を超える場合は、耐水性の効果は高いものの発光輝度の低下が大きくなり、やはり好ましくない。
このため、酸化マグネシウムの割合ａを０．０１≦ａ≦０．３とすることで、従来の同種の蛍光体と比べ発光輝度を低下させることなく、かつ優れた耐水性を有する赤色発光蛍光体が得られる。

さらに、ストロンチウム（Ｓｒ）元素の濃度ｘがゼロ、すなわちストロンチウムをまったく加えずに硫化カルシウムを母体とした場合において、酸化マグネシウムの割合ａを上記の範囲とすることで、従来の同種の蛍光体と比べ優れた耐水性をもつ赤色発光蛍光体が得られるが、ここで、ストロンチウムの濃度ｘを０．５まで増加した場合、すなわちカルシウムの一部をストロンチウムで５０％まで置換した場合には、上記効果に加えて、発光スペクトルが若干短波長側に変化するため、視感度が向上し、また発光色調を調整したい場合等に有効である。しかし、ストロンチウムの濃度ｘが０．５を超えた場合、蛍光体の化学的安定性、特に耐水性に問題が出てくるため、好ましくない。
このため、ストロンチウム（Ｓｒ）元素の濃度ｘを０≦ｘ≦０．５とすることで、従来の同種の蛍光体と比べ発光輝度を低下させることなく、かつ優れた耐水性を有する赤色発光蛍光体が得られる。

なお、前述の非特許文献１には、カルシウム（Ｃａ）とマグネシウム（Ｍｇ）を含む硫化物系蛍光体、「（Ｃａ，Ｍｇ）Ｓ：Ｍｎ」が記載されている。この蛍光体は、本願発明の蛍光体と構成元素が類似している。
しかしながら、この非特許文献１には、この「（Ｃａ，Ｍｇ）Ｓ：Ｍｎ」蛍光体においても容易に加水分解されることが記載されており、さらにマグネシウムを含むことで加水分解によりｐＨの変化が大きくなることが記載されている。このことは、硫化カルシウム（ＣａＳ）より容易に加水分解されやすい硫化マグネシウム（ＭｇＳ）が上記蛍光体に含まれているためと推察される。

また、非特許文献１には、この「（Ｃａ，Ｍｇ）Ｓ：Ｍｎ」蛍光体の製造方法として、カルシウムおよびマグネシウム化合物と賦活剤であるマンガン化合物とを焼成することにより、これを一度酸化物とし、さらに硫化水素（Ｈ_２Ｓ）雰囲気中で焼成することにより酸化物を硫化物に変化させる手段が記載されている。この手法を用いることで、カルシウムおよびマグネシウムの硫化物が確実に生成される。

これに比べて、本願発明の母体は、カルシウムおよびストロンチウムの硫化物に、さらに酸化マグネシウムを含むことで構成されており、酸化マグネシウムを含む構成とすることにより耐水性が向上し長寿命化がはかれている。このことから、本願発明の蛍光体は、構成元素が前記費特許文献１の蛍光体に類似していても、まったく別の性質をもつ蛍光体であることがわかる。

さらに、本願発明の蛍光体は、例えばカルシウム化合物およびストロンチウム化合物と賦活剤の原料化合物と硫黄に、さらに酸化マグネシウムまたは焼成時に酸化マグネシウムに変化する化合物として例えば塩基性炭酸マグネシウムなどを加え、これを焼成することで得ることができる。このように各金属元素の原料に硫黄を加え、さらに酸化マグネシウムまたは焼成時に酸化マグネシウムに変化する化合物を加えた後に焼成することで、カルシウムやストロンチウムはこの条件で硫化されるが、マグネシウムはこの条件では硫化されにくいために、硫化マグネシウムが生成されるよりも目的の母体「（Ｃａ_１−ｘＳｒ_ｘ）Ｓ・ａＭｇＯ」をもつ蛍光体が生成されるものと推察される。
従って、以上のことより、本願発明は、非特許文献１に記載された蛍光体とは、母体も耐水性等の特徴も、全くも異なった蛍光体である。

請求項１記載の蛍光体によれば、母体が（Ｃａ_１−ｘＳｒ_ｘ）Ｓ・ａＭｇＯで表され、賦活剤として少なくともユウロピウム（Ｅｕ）を含有し、ｘは０≦ｘ≦０．５とし、ａは０．０１≦ａ≦０．３としたことで、従来の同種の蛍光体と比べ発光輝度を低下させることなく、かつ優れた耐水性を有する赤色発光蛍光体を得ることができる。

以下、本発明の一実施の形態における蛍光体を製造する工程を説明する。
まず、カルシウム（Ｃａ）の原料として例えば炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）と、ストロンチウム（Ｓｒ）の原料として例えば炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ_３）と、賦活剤としてのユウロピウム（Ｅｕ）の原料として例えば酸化ユウロピウム（Ｅｕ_２Ｏ_３）等と、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）または焼成時に酸化マグネシウムに変化する化合物として例えば塩基性炭酸マグネシウム等と、フラックスとしてのハロゲン化物として例えば塩化リチウム（ＬｉＣｌ）や塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）等と、硫黄（Ｓ）とを、各々所定量秤量して充分に混合して混合物を得る。このとき、硫黄（Ｓ）は化学量論比の２〜３倍程度の量を用いる。この混合物を例えば不透明石英るつぼ等に詰め、るつぼに蓋をした後に、中性ないし弱還元性雰囲気中にて、例えば約９００℃から約１１００℃の焼成温度で、約１時間から４時間、より好ましくは約２〜３時間程度焼成し、その後冷却し、必要に応じて水以外による洗浄工程、乾燥工程、分級工程、アニール工程等を経て、所定の粒度の蛍光体を得る。

こうして得られた蛍光体は、母体が（Ｃａ_１−ｘＳｒ_ｘ）Ｓで表され、賦活剤として少なくともユウロピウム（Ｅｕ）を含有し、ｘは０≦ｘ≦０．５であり、ａは０．０１≦ａ≦０．３となる。

ここで、ストロンチウムの濃度ｘは、０≦ｘ≦０．５の範囲にあるのが好ましい。
さらに、酸化マグネシウムの割合ａは、０．０１≦ａ≦０．３の範囲にあるのが好ましい。
また、賦活剤としてのユウロピウムの量は、一般的なアルカリ土類金属硫化物系蛍光体において好適である濃度範囲であればよく、この範囲であれば本願発明の蛍光体でも好ましい結果が得られる。例えば、母体に対して０．００５モル％〜３モル％程度が好ましく、さらに０．０５モル％〜０．２モル％程度がより好ましい。

また、焼成時に酸化マグネシウムとなる化合物としては、例えば炭酸マグネシウム、塩基性炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２）等を用いてもよい。

次に、上記一実施の形態の実施例として、酸化マグネシウムの量ａを変化させたときの蛍光体の特性について説明する。

まず、カルシウム（Ｃａ）の原料として炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）80.07g（Ｃａ元素として０．８モル）とストロンチウム（Ｓｒ）の原料として炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ_３）29.53g（Ｓｒ元素として０．２モル）に、ユウロピウム（Ｅｕ）の原料として酸化ユウロピウム（Ｅｕ_２Ｏ_３）3.52g（Ｅｕ元素として０．０２モル）と、酸化マグネシウム403mg（０．０１モル）と、硫黄（Ｓ）96.2g（３モル）とを加え、さらにフラックスとしてのハロゲン化物として、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）3.4g（０．０８モル）と塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）5.35g（０．１モル）とを加え、充分に混合して混合物を得る。この混合物を不透明石英るつぼに詰め、るつぼに蓋をした後に、中性雰囲気中にて９００℃の焼成温度で２時間焼成し、その後冷却し、アルコール中で洗浄し、乾燥、分級、アニール工程を経て、得られた蛍光体を試料１−（２）とした。
この試料１−（２）の蛍光体は、（Ｃａ_０．８Ｓｒ_０．２）Ｓ・０．０１ＭｇＯ：Ｅｕ_０．０２で表され、ここで酸化マグネシウムの割合ａは０．０１、ストロンチウムの濃度ｘは０．３となる。

同様にして、添加する塩基性炭酸マグネシウムの量を、表１に示すように酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の割合ａとして０．００５，０．０５，０．１，０．３，０．３５となるように変化させたほかは試料１−（２）と同一の条件で蛍光体を作成し、これを試料１−（１）、試料１−（３）ないし試料１−（６）とした。

また、比較用として、塩基性炭酸マグネシウムを全く加えないほかは上記試料１−（２）と同様の条件で蛍光体を作成し、これを比較例１とした。この比較例１は、（Ｃａ_０．８Ｓｒ_０．２）Ｓ：Ｅｕ_０．０２で表される。

まず、比較例１と試料１−（４）について、発光スペクトルを分光蛍光光度計（Ｆ−４５００型 日立製作所製）を用いて測定した。この結果を図１に示す。この図１より、従来のユウロピウム賦活硫酸カルシウム系蛍光体である比較例１と、本願発明の試料１−（４）とで、ほぼ同様の発光スペクトルを持っている事がわかる。

次に、試料１−（１）ないし試料１−（６）および比較例１の蛍光体を試料皿に入れ、波長４６５ｎｍの青色光を照射したときに得られる蛍光の輝度を、輝度計（輝度計ＬＳ−１１０ コニカミノルタ製）を用いて測定した。このとき、輝度計の手前に５００ｎｍ以下の波長をカットする光学フィルタを設けて、青色光光源からの影響を低減した。
その結果を、比較例１の輝度を１００とした場合の相対輝度として表１に示した。

さらに、蛍光体の耐水性を調べるため、試料１−（１）ないし試料１−（６）および比較例１の蛍光体を１０ｇずつ取り、１００ｃｃの純水中に１時間浸漬した後、乾燥して耐水性評価用サンプルを得た。このサンプルについても、上記と同様にして４６５ｎｍの青色光を照射して輝度測定し、浸漬前の輝度を１００％としたときの輝度の維持率を求めた。その結果も表１に示す。

この、表１に示す結果より、試料１−（２）ないし試料２−（６）すなわち酸化マグネシウムの割合ａが０．０１以上の蛍光体における、浸漬後の輝度維持率はいずれも８０％を超えており、酸化マグネシウムを一切加えない比較例１の浸漬後の輝度維持率である３０％に比べて、大幅に耐水性が向上しているのがわかる。さらに、試料１−（２）ないし試料１−（５）すなわち酸化マグネシウムの割合ａが０．０１以上０．３以下の蛍光体において、比較例１に比べて輝度の向上が確認された。
しかしながら、試料１−（１）すなわち酸化マグネシウムの割合ａが０．０１未満の０．００５の場合、耐水性においても輝度においても、比較例１と大きな違いはなく、また試料１−（６）すなわち酸化マグネシウムの割合ａが０．３を超えて０．３５の場合、比較例１に比べて耐水性にはすぐれているものの、輝度の低下があり好ましくない。
これらの結果より、ストロンチウムの濃度ｘが０．０２の場合において、酸化マグネシウムの割合ａが０．０１から０．３の範囲において、従来の蛍光体に比べ発光輝度を低下させることなく、かつ優れた耐水性を有する蛍光体となることがわかる。

次に、実施例２としてストロンチウム（Ｓｒ）の濃度ｘを変化させたときの蛍光体の特性について説明する。

まず、カルシウム（Ｃａ）の原料として炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）90.07g（Ｃａ元素として０．９モル）とストロンチウム（Ｓｒ）の原料として炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ_３）14.76g（Ｓｒ元素として０．１モル）に、ユウロピウム（Ｅｕ）の原料として酸化ユウロピウム（Ｅｕ_２Ｏ_３）5.28g（Ｅｕ元素として０．０３モル）と、酸化マグネシウム1.21g（０．０３モル）と、硫黄（Ｓ）96.2g（３モル）とを加え、さらにフラックスとしてのハロゲン化物として、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）2.97g（０．０７モル）と塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）6.42g（０．１２モル）とを加え、充分に混合して混合物を得る。この混合物を実施例１の試料１−（２）と同様の方法で焼成等を行い、蛍光体を得る。この蛍光体を試料２−（２）とした。
この試料２−（２）の蛍光体は、（Ｃａ_０．９Ｓｒ_０．１）Ｓ・０．０３ＭｇＯ：Ｅｕ_０．０３で表され、ここで酸化マグネシウムの割合ａは０．０３、ストロンチウムの濃度ｘは０．１となる。

同様にして、カルシウムとストロンチウムの量を、表２に示すようにストロンチウムの濃度ｘとして０，０．２，０．３，０．５，０．６となるように変化させたほかは試料２−（２）と同一の条件で蛍光体を作成し、これを試料２−（１）、試料２−（３）ないし試料２−（６）とした。

まず、試料２−（１）ないし試料２−（６）の発光スペクトルを分光蛍光光度計（Ｆ−４５００型 日立製作所製）を用いて測定した。得られた結果のうち、発光ピーク波長を表２に示す。

さらに、蛍光体の耐水性を調べるため、実施例１と同様に、試料２−（１）ないし試料２−（６）の蛍光体についても、各々を純粋中に浸漬させ、浸漬前後の輝度の維持率より耐水性を調べた。これを同じく表２に示した。

これら表２に示す結果より、ストロンチウムの濃度ｘが増加するにしたがって、発光ピーク波長は短波長側にシフトしていくことがわかる。このことを利用して、ストロンチウムの濃度ｘを調整することで、目的にあわせた発光ピーク波長をもつ蛍光体を得ることができるのがわかる。
また、ストロンチウムの濃度ｘが増加するに従って、加水分解されやすい硫化ストロンチウム（ＳｒＳ）の成分が増加するため、蛍光体の耐水性は悪くなっていく傾向にあるのがわかる。従って、実施例１に示したように、たとえ酸化マグネシウムを添加されたことによって耐水性の向上がはかられていたとしても、試料２−（６）すなわちストロンチウムの濃度が０．５を超えて０．６の場合では、浸漬後の輝度維持率が８０％を満たさず７５％に低下してしまっており、好ましくない。
このほか、酸化マグネシウムの割合ａを上記０．０３以外として、同様にストロンチウムの濃度ｘと耐水性について検討したところ、ストロンチウムの濃度ｘが０．５を超える場合では、ほぼ同様の傾向として耐水性の低下がみられることが確認された。
これらの結果より、ストロンチウムの濃度ｘは、０以上０．５以下の範囲において、従来の蛍光体に比べ優れた耐水性を有する蛍光体となることがわかる。

本発明の蛍光体は、青色光線等の短波長領域の可視光線等を発光する発光素子と組み合わせることにより、蛍光体から発する長波長側の可視光との混色により、白色系の発光素子を構成することができる。さらに、発光素子として発光ダイオードやレーザーダイオード等を用いることで、より高輝度な優れた白色系の発光素子を構成できる。
これら白色系の可視光発光素子は、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広く利用できる。

さらに、本発明の蛍光体は、上記の用途に限らず、例えばＣＲＴ，ＶＦＤ、ＦＥＤ等の表示デバイス用蛍光体としても利用できる。

さらに、本発明の蛍光体の別の一例として、付活剤としてユウロピウムの他にさらにツリウム（Ｔｍ）を例えばユウロピウムの濃度の１ないし１０倍程度含有することで、赤色系の残光を有し、かつ耐水性にも優れた赤色系の蓄光性蛍光体としても利用できる。

本発明の一実施の形態の赤色発光蛍光体の、発光スペクトルを表すグラフである。

Claims (1)

1. 母体が（Ｃａ_１−ｘＳｒ_ｘ）Ｓ・ａＭｇＯで表され、賦活剤として少なくともユウロピウム（Ｅｕ）を含有する蛍光体であって、
   ｘは０≦ｘ≦０．５であり、
   ａは０．０１≦ａ≦０．３であることを特徴とした赤色発光蛍光体。

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