JP4896927B2 - 新規組成のCe3+賦活カルシウムシリケート黄色蛍光体とそれを含有する白色発光ダイオード - Google Patents

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Description

本発明は、Ce3+で賦活されたシリケート系蛍光体及びこれを利用した白色発光ダイオードに関する。より詳細には、カルシウムシリケート母体に活性剤成分としてセリウムオキサイド(CeO2)を添加して混合させる工程と、特定の条件による熱処理工程が実行されることによって、発光ダイオードまたは能動発光型液晶ディスプレイにこれを適用させたとき、高い発光効率を有することのできるCe3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体と、その製造方法、及びこれを利用した白色発光ダイオードに関する。
白色発光ダイオード(以下、発光ダイオードをLEDともいう。)は、従来の一般照明用の光源を代替することのできる次世代発光素子の1つである。白色LEDは、その消費電力が従来の光源より非常に少なく、かつ高効率と高輝度を発揮するとともに、長寿命と早い応答速度を有するメリットがある。
白色LEDの作製方法としては、高輝度の赤色、緑色及び青色LEDを一緒に組合せて作製する方法、長波長紫外線LEDの上に赤色、緑色及び青色発光蛍光体をコーティングする方法(特許文献1)、青色LEDの上に黄色発光蛍光体をコーティングする方法(特許文献2及び非特許文献1)の3つの方法が挙げられるが、以下の問題がある。
まず、前記第1の方法は、赤色、緑色及び青色LEDチップを組合せて実装・作製する方法であり、3種のLEDチップを組合せて1つの発光装置とするので、互いに異なる半導体薄膜によって青色、緑色、赤色を発光させるLEDチップを作製する必要があり、このLED製造工程には多額の投資を要するのでコストアップの問題がある。
前記第2の方法は、長波長紫外線LEDチップの上に赤色、緑色及び青色の発光蛍光体をコーティングする方法であり(特許文献1)、3原色蛍光物質に紫外線を透過させて、3波長の白色光を作り出す最も理想的な方法と云える。しかし、LEDからの激しい熱の放出により、発光効率が悪いという問題がある。なお、長波長紫外線に対する発光効率の良好な蛍光体が未だ発見されていない。日本国の日亜化学や豊田合成社製品の場合も、僅か2乃至3mWの出力を示すだけである。その理由は、長波長紫外線LEDチップをコーティングする透明な樹脂が開発されていないので、大部分の場合、有機樹脂が使用されている。しかし、前記有機樹脂は紫外線を吸収するとともに劣化させるため、LEDの寿命と品質を低下させる要因となる問題がある。
前記第3の方法は、青色LEDチップ上に黄色発光蛍光体をコーティングして白色LEDを作製する方法であり(特許文献2及び非特許文献1)、青色LEDチップ上に黄色発光蛍光体をコーティングして白色LEDを作製する技術であって、現在最も広範囲の研究対象となっている。なお、その技術構造が簡単で作製が容易であるのみならず、高輝度の白色光を得ることができるというメリットがある。
この方法は、LEDから発光された青色の光が、イットリウムアルミニウムガーネット(Y3Al512:Ce3+;以下、YAGと略記する)の蛍光体に吸収された後、黄色の光を発光させることによって、青色光と黄色光の組合せて、白色光とするものである。しかし、前記YAG系の発光蛍光体は、発光波長の特性上、赤色領域の発光強度が相対的に弱いので、優秀な演色特性(color rendering characteristic)を得ることが難しく、色温度に敏感であるため、照明及びLCDのカラー背景光源としては好適ではないという問題がある。
一方、上記第3の方法に用いる蛍光体として、韓国化学研究院によって、Eu2+で賦活されたストロンチウムシリケート蛍光体(Sr3SiO5:Eu2+)が提案されている(特許文献3)。しかし、中心波長が約570nm程度であり、発光波長帯の幅が狭いので黄色ではなくオレンジ色の発光を呈し、青色LEDと結合するときに望む白色光を得ることができないという問題がある。
また、韓国化学研究院によってEu2+で賦活されたSr2SiO4蛍光体が提案されている(特許文献4)。しかし、発光波長帯の幅が狭く、優秀な演色特性を得ることができないという問題がある。
国際公開第98/039805号パンフレット 国際公開第98/005078号パンフレット 韓国公開特許公報2004-0085039号 韓国特許出願10-2003-0005976号 S.Nakamura, "The Blue Laser Diode", Springer-Verlag, P.216-219, 1997
本発明の目的は、発光波長帯が広く、青色LEDによって励起される黄色蛍光体、及びこの蛍光体を利用した白光LEDの製造方法を提供することにある。
本発明者らは、黄色蛍光体について鋭意研究したところ、下記組成式(1)
(Ca1-yy2-x-zSiO4:Ce3+ x、M’+ z・・・式(1)
(式中、xは0<x≦0.5、yは0≦y≦0.5、zは0<z≦0.5の数を示し、MはMg、Sr及びBaから選ばれる1種又は2種以上の原子を示し、M’はLi、Na、K及びRbから選ばれる1種又は2種以上の原子を示す。)
で表される新規Ce3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体が、広い発光波長帯を持つことを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、組成式(1)で表されるCe3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体を提供するものである。
また、本発明は、(A)カルシウムカーボネイト(CaCO3)と、
アルカリ金属カーボネイト(M’2CO3)(式中、M’は前記と同じ。)、フッ化物(M’F)及び塩化物(M’Cl)(式中、M’は前記と同じ。)から選ばれる1種又は2種以上の金属化合物と、
シリカ(SiO2)と、セリウムオキサイド(CeO2)との混合物を造成する段階と、
(B)前記混合物を乾燥する段階と、
(C)還元雰囲気下で熱処理する段階とを包含するCe3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体の製造方法を提供するものである。
また、本発明は、メーンピーク波長が400〜470nmである発光ダイオードチップ、及び前記発光ダイオードチップから出射された光によって励起される蛍光体を含有する発光ダイオードであって、該蛍光体が、組成式(1)
で表されるCe3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体である発光ダイオードを提供するものである。
本発明によれば、Ce3+賦活シリケート系黄色蛍光体を製造することができ、広い波長の発光スペクトルを有し、青色LEDチップを励起エネルギー源として使用することにより効率的に発光する蛍光体を得ることができる。
また、本発明の蛍光体を長波長紫外線LEDチップに適用する場合にも高輝度の白色光を具現することができる。
本発明の蛍光体は、青色LEDチップ、長波長紫外線LEDチップ及び液晶ディスプレイの背面光源として適用させたとき、高輝度の発光効率及び広い発光バンドを表すため、照明装置、ノートブック、携帯電話などの液晶ディスプレイ用背面光源として使用するとき、特に効果的である。
Ce 3+ 賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体
本発明の蛍光体は、CaとSiを母体とするCe3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体であり、Ce3+は活性剤として作用する。
式(1)において、xは、0<x≦0.5の数であるが、Ce3+の活性作用の点で、0.001<x≦0.5の数が好ましい。また、xが0.5を超えると、濃度消光現象(Concentration quenching effect)による輝度低下が大きくなる点で好ましくない。
式(1)において、yは、0≦y≦0.5の数であるが、発光波長帯の点で、0が好ましい。
また、前記Ce3+がCe2+の位置に置換されるので、電荷均衡(charge balance)を合わせるために1価のアルカリ元素を置換させる。このとき、前記組成式(1)において、M’がLi、Naの場合には、zは0<z≦0.3が好ましく、前記M’がKの場合には、zは0<z≦0.5が好ましい。
MはMg、Sr及びBaから選ばれる1種又は2種以上の原子を示す。
M’はLi、Na、K及びRbから選ばれる1種又は2種以上の原子を示すが、発光波長帯の点で、Liが好ましい。
Ce 3+ 賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体の製造方法
本発明のCe3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体は、
(A)カルシウムカーボネイト(CaCO3)と、
アルカリ金属カーボネイト(M’2CO3)(式中、M’は前記と同じ。)、フッ化物(M’F)及び塩化物(M’Cl)(式中、M’は前記と同じ。)から選ばれる1種又は2種以上の金属化合物と、
シリカ(SiO2)と、セリウムオキサイド(CeO2)との混合物を造成する段階と、
(B)前記混合物を乾燥する段階と、
(C)還元雰囲気下で熱処理する段階とを包含する製造方法により製造できる。
また、本発明の製造方法の前記段階(A)において、アルカリ土類金属カーボネイト(MCO3)(式中、Mは前記と同じ。)及び酸化物(MO)(式中、Mは前記と同じ。)から選ばれる1種又は2種以上の化合物をさらに混合物させてもよい。
また、前記段階(A)において、混合物は、溶媒存在下で造成するのが好ましい。該溶媒としては、エタノールが好ましい。
また、段階(A)において、混合物の造成は、各化合物が混合される方法で行えばよいが、例えば、段階(A)は、所望の割合で、各化合物を秤量し、エタノール存在下で、ボールミル粉砕又はメノウ乳鉢のような混合器を使用して混合することにより造成できる。
前記段階(B)においては、段階(A)で造成した混合物を乾燥させる。このときの乾燥温度は、80〜150℃が好ましい。
また、前記段階(B)において、乾燥時間としては、1〜24時間が好ましい。
また、当該乾燥は、例えばオーブン等により行うことができる。
前記段階(C)において、熱処理の温度は、発光効率及び輝度の点で、800〜1600℃が好ましく、熱処理の時間は、1〜36時間が好ましい。
また、前記段階(C)において、還元雰囲気は、水素混合ガスを使用し還元雰囲気とするのが好ましい。水素混合ガスとしては、2〜25体積%の比率で窒素が混合された水素混合ガスが好ましい。
また、前記熱処理は、例えば、段階(B)で乾燥された混合物を高純度アルミナチューブに充填し、前記アルミナチューブを電気炉に入れた後、水素混合ガスの還元雰囲気下で熱処理をすることにより行うことができる。
本発明のCe3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体は、前記の段階(C)で熱処理した後の焼成物を、常温まで冷却させた後、十分に粉砕して、好ましくは5〜20μmサイズの直径を有する粉末状にすることで得られる。
発光ダイオードの製造方法
本発明の発光ダイオードは、前記Ce3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体を、LEDチップに塗布することで作製できる。
前記塗布においては、Ce3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体とエポキシ樹脂又はシリコーン系樹脂とを混合してコーティングし、130〜200℃で硬化させるのが好ましい。
また、前記塗布においては、Ce3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体をエポキシ樹脂またはシリコーン系樹脂に対して1〜40wt%配合するのが好ましい。
また、前記LEDチップとしては、青色発光ダイオードチップ又は長波長紫外線発光ダイオードチップが好ましく、前記LEDチップのメーンピークとしては、400〜470nmが好ましい。
また、前記LEDチップは、InGaN系LED、GaN系LED、ZnO系LED等が好ましく、InGaN系LED、GaN系LEDがより好ましくい。
本発明の発光ダイオードの発光する光の波長帯としては、480〜800nmが好ましく、LEDチップが青色発光ダイオードチップの場合は、420〜470nmがより好ましく、LEDチップが長波長紫外線発光ダイオードチップの場合は、380〜800nmがより好ましい。
以下、前記の実施形態を具体的な実験を通じて詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例1 Ce 3+ 賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体の製造
カルシウムカボネート(CaCO3)、シリカ(SiO2)、セリウムオキサイド(CeO2)及びリチウムカボネート(Li2CO3)を所定の割合に秤量し、エタノールを混合溶媒として使用した。混合器としてはボールミル粉砕器、またはメノウ乳鉢を使用して均一な組成になるように十分混合させた。
前記により得られた混合物を、オーブンにて、乾燥温度120℃、乾燥時間24時間にて、乾燥させた。その後、熱処理温度1350℃、熱処理時間36時間にて熱処理をした。熱処理においては、還元雰囲気を造成するために2〜25%の水素混合ガスを使用した。
前記熱処理した後の焼成物を、常温まで冷却させた後、十分に粉砕して5〜20μmサイズの直径を有する粉末状にし、Ca1.968SiO4:Ce3+ 0.016、Li+ 0.016で表されるCe3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体を得た。
実施例2 InGaN系LEDとCe 3+ 賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体を利用した白色LED
実施例1で得られたCe3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体と、455nm帯のメーンピークを有するInGaN系の発光ダイオードを使用して白色LEDを製造した。
図1は、本発明による青色LEDを使用した白色LEDの概略模式図である。
図1を参照すると、本発明の白色LEDは、反射カップ111と前記反射カップ111上に設置されるInGaN系のLEDチップ113と、前記LEDチップ113から出射された光によって励起される蛍光体117と、前記LEDチップ113に連結される電極線115と前記LEDチップ113をシールする光透光性エポキシ樹脂119が包含される。
より詳細には、前記InGaN系のLEDチップ113は、電極線115によって外部電源と連結される。また、前記InGaN系LEDチップ113から出射された光によって励起される蛍光体117がエポキシ樹脂119と混合されて、LEDチップ113の外部に形成される。
つまり、前記蛍光体117はエポキシ樹脂の他にもシリコン樹脂とも混合されて前記LEDチップ113の周囲をモールディングする方式によっても白色LEDを構成することができる。
ここで、光透光性樹脂としてはエポキシ樹脂の他にシリコン樹脂を使用することができる。また、前記蛍光体117は、前記LEDチップ113の外側に形成され前記LEDチップ113の発光層から出射される光が前記蛍光体117の励起光として作用するようにする。ここで、前記InGaN系のLEDチップ113は、455nmのメーンピークを有する波長の青色光を発生し、前記LEDチップ113によって励起される蛍光体117は、本発明によるCa1.968SiO4:Ce3+ 0.016、Li+ 0.016の式(1)で表されるCe3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体を使用する。
さらに、白色光が具現される過程を詳細に説明する。前記LEDチップ113から出射された青色光(455nm)は、前記Ce3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体を通過する。このとき、一部の光はCe3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体からなる黄色蛍光体を励起させて黄色の具現に使用されるとともに、残りの光は青色光のまま透過することになる。したがって、前記のように黄色蛍光体から発光する黄色光と、黄色蛍光体をそのまま透過した青色光が互に重なって白色光を具現することになる。
図2は、本発明によるCe3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体のXRD回折パターンを示すグラフである。図2から確認することができるように、本蛍光体は斜方晶系相(Orthorhombic phase)のカルシウムシリケート相が良好に形成されていることを確認することができる。
図3は、本発明によるCe3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体(実線)と比較例のオレンジ色発光Eu2+賦活Sr3SiO5蛍光体(破線)、またEu2+賦活Sr2SiO4蛍光体(点線)のPL(Photoluminescence)を測定した結果である。オレンジ色発光Eu2+賦活ストロンチウムシリケート系蛍光体の場合、緑色領域の発光強度が弱いので演色特性が劣る反面、本発明のCe3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体は、広い波長のスペクトルを示して緑色領域から赤色領域まで優秀な発光強度を示す。また、本発明のCe3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体は、Eu2+賦活Sr2SiO4及びSr3SiO5蛍光体より広い発光バンドを示している。
図4は、本発明のCe3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体を略455nmのメーンピークを有するInGaNチップ上に塗布して製造した白色LEDに対する発光スペクトルを示したグラフである。実線は本実施例による黄色発光蛍光体(組成式;Ca1.968SiO4:Ce3+ 0.016、Li+ 0.016)を利用して作製した白色LEDのスペクトルを示している。
図4を参照するとき、本実施例によるCe3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体がLEDからの青色光によって励起された後の放出する光の波長は、480〜800nmの広い波長のスペクトルを示し、前記蛍光体を使用して作製された白色LEDは420〜800nmの広い波長のスペクトルを示すとともに、優秀な発光強度を示している。
実施例3 長波長紫外線LEDとCe 3+ 賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体を使用した白色LED
実施例1で得られたCe3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体と、405nm帯のメーンピークを有するGaNの長波長紫外線LEDを使用して、長波長紫外線白色LEDを実施例2と同様にして製造した。
得られた長波長紫外線白色LEDの発光スペクトルを図5に示す。
従来のGaNやZnO長波長紫外線LEDチップを使用する場合、YAG系蛍光体は吸収が殆どないので黄色発光が殆ど現出されず、白色光が具現されない。反面、実施例3の長波長紫外線白色LEDは、405nmにおいても優秀な励起特性を示して広い領域で黄色発光を示すので、長波長紫外線蛍光体と結合して優秀な白色光を示している。
本発明によるCe3+で賦活されたカルシウムシリケート系蛍光体を使用した発光ダイオードの概略模式図である。 本発明によるCe3+で賦活されたカルシウムシリケート系蛍光体のXRDパターンを示す図である。 本発明によるCe3+で賦活されたカルシウムシリケート系蛍光体及びEu2+で賦活されたSr2SiO4蛍光体及びEu2+で賦活されたSr3SiO5蛍光体の発光スペクトルを示す図である。 本発明によるCe3+で賦活されたカルシウムシリケート系蛍光体と青色LEDを利用した白色LEDの発光スペクトルを示す図である。 本発明によるCe3+で賦活されたカルシウムシリケート系蛍光体と長波長紫外線LEDチップを使用した白色LEDの発光スペクトルを示す図である。
符号の説明
111:反射カップ
113:LEDチップ
115:電極線
117:蛍光体
119:エポキシ樹脂

Claims (8)

  1. 下記組成式(1)
    Ca 2-x-z SiO4:Ce3+ x、M'+ z・・・式(1)
    (式中、xは0.001<x≦0.5、zは、M’がLi又はNaのときは0<z≦0.3の数を示し、M’がKのときは0<z≦0.5の数を示し、M'はLi、Na又はKを示す。)で表されるCe3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体。
  2. (A)カルシウムカーボネイト(CaCO3)と、
    アルカリ金属カーボネイト(M'2CO3)(式中、M'はLi、Na又はKを示す。)、フッ化物(M'F)及び塩化物(M'Cl)(式中、M'は前記と同じ。)から選ばれる1種又は2種以上の金属化合物と、
    シリカ(SiO2)と、セリウムオキサイド(CeO2)との混合物を造成する段階と、
    (B)前記混合物を乾燥する段階と、
    (C)還元雰囲気下で熱処理する段階とを包含する
    下記組成式(1)
    Ca 2-x-z SiO 4 :Ce 3+ x 、M' + z ・・・式(1)
    (式中、xは0.001<x≦0.5、zは、M’がLi又はNaのときは0<z≦0.3の数を示し、M’がKのときは0<z≦0.5の数を示し、M'は前記と同じ。)で表されるCe3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体の製造方法。
  3. 前記乾燥段階における乾燥温度が、80〜150℃である請求項記載の製造方法。
  4. 前記熱処理段階における熱処理温度が、800〜1600℃である請求項2又は3記載の製造方法。
  5. 前記熱処理段階における還元雰囲気が、水素混合ガスとして2〜25体積%の窒素を含有するものである請求項2〜のいずれか1項に記載の製造方法。
  6. メーンピーク波長が400〜470nmである発光ダイオードチップ、及び前記発光ダイオードチップから出射された光によって励起される蛍光体を含有する発光ダイオードであって、該蛍光体が、組成式(1)
    Ca 2-x-z SiO4:Ce3+ x、M'+ z・・・式(1)
    (式中、xは0.001<x≦0.5、zは、M’がLi又はNaのときは0<z≦0.3の数を示し、M’がKのときは0<z≦0.5の数を示し、M'はLi、Na又はKを示す。)
    で表されるCe3+賦活カルシウムシリケート系黄色蛍光体である発光ダイオード。
  7. 前記蛍光体によって発光する光は、青色発光ダイオード及び長波長紫外線発光ダイオードによって励起される場合、480〜800nm波長帯であり、発光ダイオードのスペクトルにおいて蛍光体によって発光する波長の青色発光ダイオードを利用する場合、420〜800nm波長帯の発光バンドを示し、長波長紫外線発光ダイオードを利用する場合、380〜800nm波長帯の発光バンドを示す請求項に記載の発光ダイオード。
  8. 前記蛍光体を励起させる発光ダイオードチップは、青色発光ダイオードチップ又は長波長紫外線発光ダイオードチップであることを特徴とする請求項に記載の発光ダイオード。
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