JP4869317B2 - 赤色蛍光体およびそれを用いた発光装置 - Google Patents
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Description
(M1−xECx)aM1M2 b OcNd (1)
(式中、MはSrであり、
ECはEuであり、
M1は、Alであり、
M2は、Siであり、
0<x<0.4,
0.65<a<0.70、
2<b<3、
0.3<c<0.6、
4<d<5)
で表わされる組成を有するSr 2 Al 3 Si 7 ON 13 属結晶を含む蛍光体であって、前記Sr 2 Al 3 Si 7 ON 13 属結晶は、その結晶構造における格子定数および原子座標から計算されたM1−NおよびM2−Nの化学結合の長さが、Sr2Al3Si7ON13の格子定数と原子座標から計算されたAl−NおよびSi−Nの化学結合の長さに比べて、それぞれ±15%以内であることを特徴とするものである。
(M1−xECx)aM1M2 b OcNd (1)
(式中、MはSrであり、
ECはEuであり、
M1は、Alであり、
M2は、Siであり、
0<x<0.4,
0.65<a<0.70、
2<b<3、
0.3<c<0.6、
4<d<5)
で表わされる組成を有するSr 2 Al 3 Si 7 ON 13 属結晶を含む蛍光体であって、前記Sr 2 Al 3 Si 7 ON 13 属結晶は、そのXRDプロファイルの回折ピークのうちの回折強度の強い10本のピーク位置が、Sr2Al3Si7ON13 のXRDプロファイルの回折ピークのピーク位置と一致することを特徴とするものである。
本発明の一実施態様である赤色蛍光体(R)は、波長250〜500nmの光で励起した際に波長580〜650nmの間にピークを有する発光を示すものである。そしてその構造は、金属元素Mと、前記金属元素Mとは異なる3価の元素群から選ばれる元素M1と、前記金属元素Mとは異なる4価の元素群から選ばれる元素M2と、OおよびNの一方または両方を含む組成を有し、前記金属元素Mの一部が発光中心元素ECにより置換された無機化合物を含む蛍光体であって、前記蛍光体の結晶構造における格子定数および原子座標から計算されたM1−NおよびM2−Nの化学結合の長さが、Sr2Al3Si7ON13の格子定数と原子座標から計算されたAl−NおよびSi−Nの化学結合の長さに比べて、それぞれ±15%以内であることを特徴とするものである。
ここで、金属元素Mと元素M1またはM2には、同一の元素が包含されているが、本発明における蛍光体においては、M1およびM2は、Mとは異なる元素が選択される。
本発明における蛍光体は、これらの元素M、M1、M2、ならびにO、および/またはNを基本とする結晶構造を有するが、Mの一部が発光中心元素ECに置換されていることが必要である。
発光中心元素ECとしては、例えば、Eu、Ce、Mn、Tb、Yb、Dy、Sm、Tm、Pr、Nd、Pm、Ho、Er、Cr、Sn、Cu、Zn、As、Ag、Cd、Sb、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、およびFeなどが挙げられる。発光波長の可変性等を考慮すると、これらのうち、EuおよびMnの少なくとも1種を用いることが好ましい。
(M1−xECx)aSibAlOcNd (1)
(1)中、MおよびECは前記した通りであり、
0<x<0.4、好ましくは0.02≦x≦0.2、
0.65<a<0.70、好ましくは0.66≦a≦0.69、
2<b<3、好ましくは2.2≦b≦2.4、
0.3<c<0.6、好ましくは0.43≦c≦0.51、
4<d<5、好ましくは4.2≦d≦4.3である。
本発明において用いられる緑色蛍光体(G)は、基本とする結晶構造が異なるが、前記した赤色蛍光体と近似した定義をすることができる。
すなわち、本発明において用いられる緑色蛍光体(G)は、金属元素M’と、前記金属元素M’とは異なる3価の元素群から選ばれる元素M’1と、前記金属元素M’とは異なる4価の元素群から選ばれる元素M’2と、OおよびNの一方または両方を含む組成を有し、前記金属元素M’の一部が発光中心元素EC’により置換された無機化合物を含む蛍光体であって、前記蛍光体の結晶構造における格子定数および原子座標から計算されたM’1−NおよびM’2−Nの化学結合の長さが、Sr3Al3Si13O2N21の格子定数と原子座標から計算されたAl−NおよびSi−Nの化学結合の長さに比べて、それぞれ±15%以内であるものである。
そして、本発明による緑色蛍光体(G)は、波長250〜500nmの光で励起した際、励起光よりも長波長であり、青緑色から黄緑色にわたる領域の発光、すなわち波長490〜580nmの間にピークを有する発光を示すものである。
(M’1−xEC’x)3−yAl3+zSi13−zO2+uN21−w (2)
式中、Mは’IA族元素、IIA族元素、IIIA族元素、IIIB族元素、希土類元素、およびIVA族元素から選択される元素であり、
EC’は、Eu、Ce、Mn、Tb、Yb、Dy、Sm、Tm、Pr、Nd、Pm、Ho、Er、Cr、Sn、Cu、Zn、As、Ag、Cd、Sb、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、およびFeから選ばれる元素であり、
0<x≦1、好ましくは0.001≦x≦0.5、
−0.1≦y≦0.15、好ましくは−0.09≦y≦0.07、
−1≦z≦1、好ましくは0.2≦z≦1、
−1<u−w≦1、好ましくは−0.1≦u−w≦0.3、である。
本発明の実施形態にかかる赤色蛍光体、および緑色蛍光体は、例えば、元素M(またはM’)の窒化物、またはその他シアナミド等の炭化物、Alなどの元素M1(またはM’1)やSiなどの元素M2(またはM’2)の、窒化物、酸化物、または炭化物、および発光中心元素ECの酸化物、窒化物、または炭酸塩を出発原料として用いて、合成することができる。より具体的には、元素M(またはM’)としてSrを含有し、発光中心元素EC(またはEC’)としてEuを含有する蛍光体を目的とする場合には、Sr3N2、AlN、Si3N4、Al2O3およびEuNを出発原料として用いることができる。Sr3N2の代わりにCa3N2、Ba3N2、Sr2NあるいはSrN等、もしくはこれらの混合物を用いてもよい。これらを所望の組成になるように秤量混合し、得られた混合粉末を焼成することによって、目的の蛍光体が得られる。混合に当たっては、例えば、グローブボックス中で乳鉢混合するといった手法が挙げられる。また、るつぼの材質は、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、カーボン、窒化アルミニウム、サイアロン、酸化アルミ、モリブデンあるいはタングステン等としてもよい。
青色蛍光体
本発明による発光装置は、後述するように前記した赤色蛍光体と緑色蛍光体とを組み合わせて用いるが、さらに青色蛍光体を組み合わせることもできる。このように用いられる青色蛍光体は、400〜490nmの間にピークを有する発光を示すものであれば、特に限定されない。
本発明による発光装置は、前記した蛍光体と、それを励起することができる発光素子とを具備するものである。
このような観点から、蛍光体として赤色蛍光体と緑色蛍光体とを用いた蛍光装置においては、発光素子(S1)は、250〜500nmの波長の光を放射するものが選択され、蛍光体として赤色蛍光体と緑色蛍光体と青色蛍光体とを用いた蛍光装置においては、発光素子(S2)は、250〜430nmの波長の光を放射するものが選択さる。
出発原料としてSr3N2、EuN、Si3N4、Al2O3およびAlNを用意した。これら各々2.676g、0.398g、6.080g、0.680g、0.683gをバキュームグローブボックス中で秤量後、めのう乳鉢内で乾式混合したものを、BNるつぼに充填し、7.5気圧のN2雰囲気中、1850℃で4時間焼成して、設計組成が(Sr0.92Eu0.08)3Al3Si13O2N21であるような蛍光体(G1)を合成した。
実施例1と同様にして緑色蛍光体(G1)を合成した。また、Sr3N2、EuNの秤量を各々2.660g、0.093gに変えた以外は実施例1と同様にして、設計組成が(Sr0.98Eu0.02)2Al3Si7ON13であるような赤色蛍光体(R2)を合成した。この赤色蛍光体(R2)の457nm励起における発光スペクトルおよび組成分析結果(Al濃度で規格化したモル比)を図4および表3に各々示す。
実施例1と同様にして緑色蛍光体(G1)を合成した。また、Sr3N2、EuNの秤量を各々2.443g、0.465gに変えた以外は実施例1と同様にして、(Sr0.9Eu0.1)2Al3Si7ON13赤色蛍光体(R3)を合成した。この赤色蛍光体(R3)の457nm励起における発光スペクトルおよび組成分析結果(Al濃度で規格化したモル比)を図4および表3に各々示す。
実施例1と同様にして緑色蛍光体(G1)を合成した。また、Sr3N2、EuNの秤量を各々2.308g、0.697gに変えた以外は実施例1と同様にして、(Sr0.85Eu0.15)2Al3Si7ON13赤色蛍光体(R4)を合成した。この赤色蛍光体(R4)の457nm励起における発光スペクトルおよび組成分析結果(Al濃度で規格化したモル比)を図4および表3に各々示す。
実施例1と同様にして緑色蛍光体(G1)を合成した。また、実施例1と焼成雰囲気のみ異なる方法で赤色蛍光体(R5)を合成した。発光ピーク波長390nmの発光ダイオードを、8mm角のAlNパッケージ上に半田を用いて接合し、金ワイヤーを介して電極に接続した。この発光ダイオード上にドーム状に透明樹脂を塗布し、その上にピーク波長598nmの赤色発光蛍光体(R5)を30重量%混入させた透明樹脂を層状に塗布し、その上に緑色蛍光体(G1)を30重量%混入させた透明樹脂を層状に塗布し、その上に青色蛍光体(Ba0.9Eu0.1)MgAl10O17(B1)を30重量%混入させた透明樹脂を層状に塗布し、発光装置を製造した。緑色蛍光体(G1)、赤色蛍光体(R5)および青色蛍光体(B1)の発光強度の温度依存性を、室温における発光強度を1として規格化して図15に示す。
この発光装置を積分球内に設置し、20mA、3.1Vで駆動させたところ、色度(0.345,0.352)、色温度5000K、光束効率62.39lm/W、Ra=90であった。この発光装置の発光スペクトルを図18に示す。
実施例2と同様にして緑色蛍光体(G1)を合成した。また、実施例2と焼成雰囲気のみ異なる方法で赤色蛍光体(R6)を合成した。発光ピーク波長390nmの発光ダイオードを、8mm角のAlNパッケージ上に半田を用いて接合し、金ワイヤーを介して電極に接続した。この発光ダイオード上にドーム状に透明樹脂を塗布し、その上にピーク波長577nmの赤色発光蛍光体(R6)を30重量%混入させた透明樹脂を層状に塗布し、その上に緑色蛍光体(G1)を30重量%混入させた透明樹脂を層状に塗布し、その上に青色蛍光体(B1)を30重量%混入させた透明樹脂を層状に塗布し、発光装置を製造した。
実施例3と同様にして緑色蛍光体(G1)を合成した。また、実施例3と焼成雰囲気のみ異なる方法で赤色蛍光体(R7)を合成した。発光ピーク波長390nmの発光ダイオードを、8mm角のAlNパッケージ上に半田を用いて接合し、金ワイヤーを介して電極に接続した。この発光ダイオード上にドーム状に透明樹脂を塗布し、その上にピーク波長607nmの赤色発光蛍光体(R7)を30重量%混入させた透明樹脂を層状に塗布し、その上に緑色蛍光体(G1)を30重量%混入させた透明樹脂を層状に塗布し、その上に青色蛍光体(B1)を30重量%混入させた透明樹脂を層状に塗布し、発光装置を製造した。この発光装置を積分球内に設置し、20mA、3.1Vで駆動させたところ、色度(0.345,0.352)、色温度5000K、光束効率59.79lm/W、Ra=92であった。この発光装置の発光スペクトルを図20に示す。
実施例4と同様にして緑色蛍光体(G1)を合成した。また、実施例4と焼成雰囲気のみ異なる方法でおよび赤色蛍光体(R4)を合成した。発光ピーク波長390nmの発光ダイオードを、8mm角のAlNパッケージ上に半田を用いて接合し、金ワイヤーを介して電極に接続した。この発光ダイオード上にドーム状に透明樹脂を塗布し、その上にピーク波長615nmの赤色発光蛍光体(R4)を30重量%混入させた透明樹脂を層状に塗布し、その上に緑色蛍光体(G1)を30重量%混入させた透明樹脂を層状に塗布し、その上に青色蛍光体(B1)を30重量%混入させた透明樹脂を層状に塗布し、発光装置を製造した。この発光装置を積分球内に設置し、20mA、3.1Vで駆動させたところ、色度(0.345,0.352)、色温度5000K、光束効率53.14lm/W、Ra=94であった。この発光装置の発光スペクトルを図22に示す。
出発原料としてSrCO3、Eu2O3、Si3N4およびAlNを用意した。これら各々0.664g、0.792g、3.788g、7.009gを秤量後、めのう乳鉢内で乾式混合したものを、BNるつぼに充填し、7.5気圧のN2雰囲気中、1800℃で4時間焼成して、設計組成が(Sr0.50Eu0.50)3Al19Si9ON31であるような蛍光体(B2)を合成した。
実施例1と同様にして緑色蛍光体(G1)を合成した。また、Sr3N2、EuN、Si3N4、Al2O3およびAlNを用意した。これら各々1.357g、2.324g、4.583g、0.476g、1.339gをバキュームグローブボックス内で秤量後、めのう乳鉢内で乾式混合したものを、BNるつぼに充填し、7.5気圧のN2雰囲気中、1850℃で4時間焼成して、設計組成が(Sr0.50Eu0.50)2Al13Si7ON13であるような蛍光体(R9)を合成した。
発光ピーク波長455nmの発光ダイオードを、8mm角のAlNパッケージ上に半田を用いて接合し、金ワイヤーを介して電極に接続した。この発光ダイオード上にドーム状に透明樹脂を塗布し、その上にピーク波長585nmの赤色発光蛍光体(Ba0.1Sr0.8Ca0.1)2SiO4:Eu2+を40重量%混入させた透明樹脂を層状に塗布し、その上に(Ba0.1Sr0.8)2SiO4:Eu2+を30重量%混入させた透明樹脂を層状に塗布して、図6に示された構造を有する発光装置を製造した。この緑色蛍光体と赤色蛍光体の発光強度の温度依存性を、室温における発光強度を1として規格化して図31に示す。この発光装置を積分球内に設置し、20mA、3.1Vで駆動させたところ、色度(0.345,0.352)、色温度5000K、光束効率68.6lm/W、Ra=86であった。20mA駆動における発光スペクトルを図32に示す。
101 リード
102 リード
103 樹脂部
104 反射面
105 凹部
106 発光チップ
107 ボンディングワイヤー
108 ボンディングワイヤー
109 蛍光層
110 蛍光体
111 樹脂層
301 Sr
302 SiまたはAl
303 OまたはN
601 AlNパッケージ
602 発光ダイオード
603 ボンディングワイヤー
604 透明樹脂層
605 赤色蛍光体層
606 緑色蛍光体層
801−JIS規格 昼光色の色度範囲
802−JIS規格 昼白色の色度範囲
803−JIS規格 白色の色度範囲
804−JIS規格 温白色の色度範囲
805−JIS規格 電球色の色度範囲
806−黒体輻射の色軌跡
Claims (6)
- 斜方晶系に属し、下記一般式(1):
(M1−xECx)aM1M2 b OcNd (1)
(式中、MはSrであり、
ECはEuであり、
M1は、Alであり、
M2は、Siであり、
0<x<0.4,
0.65<a<0.70、
2<b<3、
0.3<c<0.6、
4<d<5)
で表わされる組成を有するSr 2 Al 3 Si 7 ON 13 属結晶を含む蛍光体であって、前記Sr 2 Al 3 Si 7 ON 13 属結晶は、その結晶構造における格子定数および原子座標から計算されたM1−NおよびM2−Nの化学結合の長さが、Sr2Al3Si7ON13の格子定数と原子座標から計算されたAl−NおよびSi−Nの化学結合の長さに比べて、それぞれ±15%以内であることを特徴とする蛍光体。 - 波長250〜500nmの光で励起した際に波長570〜650nmの間にピークを有する発光を示す、請求項1に記載の蛍光体。
- 前記元素Mの窒化物または炭化物、前記元素M1の窒化物、酸化物、または炭化物、前記元素M2の窒化物、酸化物、または炭化物、および前記発光中心元素ECの酸化物、窒化物、または炭酸塩を原料として用い、これらの原料を混合してから焼成することにより製造されたものである、請求項1または2に記載の蛍光体。
- 斜方晶系に属し、下記一般式(1):
(M1−xECx)aM1M2 b OcNd (1)
(式中、MはSrであり、
ECはEuであり、
M1は、Alであり、
M2は、Siであり、
0<x<0.4,
0.65<a<0.70、
2<b<3、
0.3<c<0.6、
4<d<5)
で表わされる組成を有するSr 2 Al 3 Si 7 ON 13 属結晶を含む蛍光体であって、前記Sr 2 Al 3 Si 7 ON 13 属結晶は、そのXRDプロファイルの回折ピークのうちの回折強度の強い10本のピーク位置が、Sr2Al3Si7ON13 のXRDプロファイルの回折ピークのピーク位置と一致することを特徴とする蛍光体。 - 波長250〜500nmの光で励起した際に波長570〜650nmの間にピークを有する発光を示す、請求項4に記載の蛍光体。
- 前記元素Mの窒化物または炭化物、前記元素M1の窒化物、酸化物、または炭化物、前記元素M2の窒化物、酸化物、または炭化物、および前記発光中心元素ECの酸化物、窒化物、または炭酸塩を原料として用い、これらの原料を混合してから焼成することにより製造されたものである、請求項4または5に記載の蛍光体。
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