JP4975029B2 - 赤色蛍光体、その製造方法、及びそれを用いた発光素子 - Google Patents

Description

本発明は赤色蛍光体、その製造方法、及びそれを用いた発光素子に関する。

発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｄｉｏｄｅ；ＬＥＤ）は、半導体のｐ−ｎ接合構造を有する化合物半導体であって、少数キャリア（電子または正孔）の再結合により所定の光を発する素子を言い、ＧａＡｓＰｂなどを用いた赤色発光ダイオード、ＧａＰなどを用いた緑色発光ダイオード、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮダブルへテロ構造を用いた青色発光ダイオードなどがある。

発光ダイオードを用いた発光素子は、消費電力が低く、長寿命であり、しかも、狭小な空間に設置可能である他、振動に強い、といった特性を有する。最近には、単一色成分、例えば、赤色、青色、または緑色の発光素子に加えて、白色発光素子が上市されている。白色発光素子は自動車用及び照明用の製品に応用され、これに伴い、その需要が急増すると見込まれる。

上述した発光素子技術において、白色を得る方式は、大きく２種類に大別できる。一つは、赤色、青色及び緑色の発光ダイオードチップを隣設させ、各素子の発光を混色させて白色を得る方式である。しかしながら、各発光ダイオードチップは、熱的または時間的な特性が異なるため、使用環境に応じて色調が変わり、特に、色むらが発生するなど均一な混色が得られず、輝度が高くないという欠点がある。また、各発光ダイオードチップの駆動を考慮した回路構成が複雑であり、チップの位置に応じて三色光が混合される最適な条件が一般的に成り立ち難いため、完全な白色光を得ることが困難である。さらに、演色性値は４０程度と低いため、一般照明やフラッシュ光源として適用するには不向きであるという問題点がある。

もう一つは、蛍光体を発光ダイオードチップに配設し、発光ダイオードチップの１次発光の一部と蛍光体により波長変換された２次発光が混色されて白色を得る方式である。例えば、青色を発光する発光ダイオードチップの上にその光の一部を励起源として黄緑色または黄色を発光する蛍光体を取り付けて発光ダイオードチップの青色発光と蛍光体の黄緑色または黄色発光により白色が得られる。しかしながら、この種の発光素子は、単一黄色蛍光体の発光であり、緑色と赤色領域のスペクトル欠乏により演色性が低いという不都合がある。

上記のように演色性が低いという不都合を解消するために、青色発光ダイオードチップ、及び青色光により励起されて緑色及び赤色を発光する蛍光体を用いて白色発光素子を製造する。すなわち、青色光と、青色光により励起されて発せられる緑色光及び赤色光の混色により８５以上の高い演色性値を有する白色光が得られる。このとき、緑色発光蛍光体としては、青色光により励起されて緑色から黄色帯域までの光を発光可能なチオガレート（ｔｈｉｏｇａｌｌａｔｅ）基が用いられる。代表的なチオガレート基の組成は、（Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）_２Ｓ_４：Ｅｕ（又はＣｅ）で表わされる。中でも、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ蛍光体は高い発光強度を有する緑色発光蛍光体である。一方、赤色発光蛍光体としては、青色光により励起されて赤色帯域の光を発光可能なＳｒＳ：Ｅｕ、（Ｓｒ、Ｃａ）Ｓ：Ｅｕ、ＣａＳ：Ｅｕなどが用いられる。

しかしながら、赤色蛍光体の場合、発光特性が極めて悪いため、発光効率に優れた赤色蛍光体の開発が望まれているのが現状である。特に、（Ｓｒ、Ｃａ）Ｓ：Ｅｕで表わされる赤色発光蛍光体は、発光強度が低く、水分に対する化学安定性に劣るという深刻な問題点を抱いている。これにより、一般照明とＬＣＤ背面照明装置への適用に制約を受けている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、信頼性が向上するとともに発光効率が改善された赤色蛍光体及びこの製造方法を提供するところにある。

本発明の他の目的は、向上した信頼性と高い発光効率を有する赤色蛍光体を用いてより優れた色再現性と光特性を有する発光素子を提供するところにある。

上述した目的を達成するために、本発明は、下記一般式（１）で表わされ、
（Ｃａ、Ｓｒ）_{１−ｘ−ｙ}Ｅｕ_ｘＰｂ_ｙＳ … （１）
式中、ｘは０．０００５≦ｘ≦０．０１であり、ｙは０．００１≦ｙ≦０．０５であることを特徴とする赤色蛍光体を提供する。
好ましくは、前記ｘは０．００１≦ｘ≦０．００５であり、前記ｙは０．００５≦ｙ≦０．０３である。

前記赤色蛍光体は、６００ｎｍ〜６６０ｎｍの波長の光を発することができる。

本発明は、Ｓｒ、Ｃａ、Ｅｕ、Ｐｂをそれぞれ含む出発物質を定量して硝酸または塩酸に溶解させるステップと、（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３または（ＮＨ_４）_２Ｃ_２Ｏ_４を添加し、それぞれの出発物質が分散された状態で沈殿させるステップ及び前記沈殿物を乾燥させた後、二酸化硫黄の雰囲気下、９００〜１２５０℃の温度において１〜５時間かけて熱処理するステップを含むことを特徴とする赤色蛍光体の製造方法を提供する。
前記出発物質としてＳｒＣＯ_３、ＣａＣＯ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｐｂ（ＮＯ_３）_２を用いることができる。

本発明は、発光ダイオードチップと蛍光体を含む発光素子において、上記の赤色蛍光体を有することを特徴とする発光素子を提供する。
前記発光ダイオードチップは、青色光または紫外線を発することを特徴とする。
前記発光ダイオードチップは青色光を発し、発光素子がさらに緑色発光蛍光体を含んでいてもよく、前記緑色発光蛍光体は、（Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ）_２ＳｉＯ_４：ＥｕまたはＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕであってもよい。

前記発光ダイオードチップは基体の上に実装され、前記基体の上部に前記発光ダイオードチップを封止するモールド部を備え、前記モールド部には、前記蛍光体が混合されて分布されていてもよい。前記基体は、基板、ヒートシンクまたはリード端子のいずれかであってもよい。

本発明は、Ｐｂ元素の部分的な置換による新規な組成を用いて発光強度に優れた赤色蛍光体を製造することができる。また、従来、赤色蛍光体が水分に対する化学的な安定性に劣っていたという問題点を解消して、信頼性が向上するというメリットがある。

本発明による赤色蛍光体は、長波長の紫外線領域及び青色光領域の励起下で発光効率に極めて優れた赤色光を発光することにより、青色光を用いた白色発光ダイオードだけではなく、紫外光を用いた白色発光ダイオードの製造に当たっても優れた光源として使用可能である。

また、本発明は、安定した信頼性と向上した発光効率を有する本発明の赤色蛍光体を用いて、優れた色再現性と光特性を有する発光素子を製造することができる。このような本発明の発光素子によれば、９０以上の高演色性の白色光が得られるので、一般照明として使用可能であるだけではなく、高い演色性と色再現性によりＬＥＤ背面光源としても使用可能である。

以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。しかし、本発明は後述する実施の形態に限定されるものではなく、それとは異なる形で実現可能であり、これらの実施の形態は、単に本発明の開示を完全なものにし、且つ、この技術分野における通常の知識を持った者に発明のスコープを完全に報知するために提供されるものである。図中、同一の符号は同様の構成要素を示す。

図１は、本発明による赤色蛍光体の走査電子顕微鏡写真である。

図２は、本発明による赤色蛍光体の、Ｐｂ比率による発光強度の変化を示すグラフである。

図３は、従来の赤色蛍光体と本発明の赤色蛍光体を用いて製造した発光素子の光度及び色変化を比較して示すグラフである。

図４は、本発明によるチップ型発光素子を示す断面図である。

図５は、本発明によるランプ型発光素子を示す断面図である。

蛍光体は、ホスト格子と、予め決められた個所に不純物でドープされた活性イオンと、から構成されるが、活性イオンの役割は、発光過程に与かるエネルギー準位を決めることにより発光色を決めることであり、その発光色は、結晶構造内において活性イオンが有する基底状態と励起状態のエネルギー差により決まる。すなわち、活性イオンを有する蛍光体が有する発光中心色は、究極的に、活性イオンの電子状態、すなわち、エネルギー準位により決まる。例えば、Ｔｂ^３＋イオンの場合、ホスト格子内における５ｄ→７ｆ遷移が最も実現し易く、緑黄色発光形状を示す。

かようなエネルギー差を用いた蛍光体は、その種類が極めて多岐に亘り、これを用いて種々の発光色を有する発光ダイオードを製造することができ、特に、白色発光ダイオードを製造することができる。

本発明は、既存の（Ｓｒ、Ｃａ）Ｓ：Ｅｕで表わされる赤色発光蛍光体において、Ｐｂ元素を部分的に置換導入することにより、発光効率と水分に対する化学的な安定性に極めて優れた新規な組成の蛍光体を提供する。

本発明の赤色蛍光体は、下記一般式（１）の構造を有する。

（Ｃａ、Ｓｒ）_{１−ｘ−ｙ}Ｅｕ_ｘＰｂ_ｙＳ … （１）

式中、ｘは０．０００５≦ｘ≦０．０１であり、ｙは０．００１≦ｙ≦０．０５である。より好ましくは、前記ｘは０．００１≦ｘ≦０．００５であり、前記ｙは０．００５≦ｙ≦０．０３である。

少量のＥｕは、ｆ−ｄ励起準位からｆ基底状態への電子のエネルギー遷移を通じて発光を引き起こす発光中心元素である。

式中の蛍光体の組成に応じて、すなわち、Ｓｒ、Ｃａ、Ｐｂの比率に応じて発光波長が調節可能であり、最低６００ｎｍから最高６６０ｎｍまでの優れた発光スペクトルが得られる。

以下、上述した赤色蛍光体の製造方法について説明する。

先ず、蛍光体の合成のための出発物質を用意する。Ｓｒ、Ｃａ、Ｅｕ、Ｐｂの出発物質としては、各々、ＳｒＣＯ_３、ＣａＣＯ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｐｂ（ＮＯ_３）_２を用いることができる。すなわち、アルカリ土金属としてのＳｒＣＯ_３とＣａＣＯ_３及びＰｂ（ＮＯ_３）_２と、活性剤としてのＥｕ_２Ｏ_３を用意した後、これを所望の組成に見合うモル比で混合して硝酸又は塩酸に溶解させる。また、過量の（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３または（ＮＨ_４）_２Ｃ_２Ｏ_４などを添加してそれぞれの出発物質が分散された状態で沈殿させる。前記沈殿物を完全に乾燥させた後、二酸化硫黄の雰囲気下、９００〜１２５０℃の温度において１〜５時間かけて熱処理を繰り返し行い、前記沈殿物の、炭化物から硫黄化物への切り換えを終える。

このような製造工程を経て製造された赤色蛍光体は２〜３０μｍの粒子分布を有し、高い赤色光の発光強度を示す。

図１は、本発明による赤色蛍光体において、Ｐｂが０．０１の比率で置換導入されたＣａ_{０．９８７}Ｅｕ_{０．００３}Ｐｂ_０．０１Ｓ蛍光体を走査電子顕微鏡により観察した結果を示す。図１を参照すれば、本発明による赤色蛍光体は、２〜３０μｍの粒子分布を示している。

また、図２は、本発明による赤色蛍光体において、Ｃａ_{０．９９７−ｙ}Ｅｕ_{０．００３}Ｐｂ_ｙＳ蛍光体のＰｂ比率による発光強度の変化を示すグラフである。図２を参照すれば、Ｐｂが部分的に置換導入された本発明の赤色蛍光体は、Ｐｂ未含有の既存の赤色蛍光体に比べて高い発光強度を示している。特に、Ｃａ_{０．９９２}Ｅｕ_{０．００３}Ｐｂ_{０．００５}Ｓ蛍光体の場合、Ｃａ_{０．９９７}Ｅｕ_{０．００３}Ｓよりも約１０％程度高い発光強度を示している。

上述したように、既存の（Ｓｒ、Ｃａ）Ｓ：Ｅｕで表わされる赤色蛍光体は、青色光の励起により赤色光を発する成分として汎用されている。しかしながら、（Ｓｒ、Ｃａ）Ｓ：Ｅｕは水分と容易に反応して化学的な構造が二硫化水素とアルカリ土金属硫化物に変わる。このようにして、（Ｓｒ、Ｃａ）Ｓ：Ｅｕ赤色蛍光体は、水分との化学反応により、その赤色光のスペクトルが次第に消滅され、副産物としての二硫化水素は、発光素子内の金属成分を腐食させて光特性が急激に劣化するという現象を引き起こす。

これに対し、本発明は、上述した製造工程を経て（Ｃａ、Ｓｒ）_{１−ｘ−ｙ}Ｅｕ_ｘＰｂ_ｙＳで表わされる赤色蛍光体を製造することにより、水分に対する化学反応を防ぐことができ、化学的な不安定性を除去して信頼性を高めることができる。

図３は、従来の赤色蛍光体と本発明の赤色蛍光体を用いて製造した発光素子の光度及び色変化を比較して示すグラフである。既存のＣａ_{０．９９７}Ｅｕ_{０．００３}Ｓ蛍光体を用いた発光素子、及び本発明によりＰｂが部分的に置換導入されたＣａ_{０．９８７}Ｅｕ_{０．００３}Ｐｂ_０．０１Ｓ蛍光体を用いた発光素子に対し、温度６０℃及び湿度９０％の外部環境下で信頼性試験を行い、初期値を１００にしたときの初期値に対する光度変化を示している。ここで、光度が経時的に漸減する理由は、蛍光体の組成が水分との反応により分解されて光特性が失われるためである。同図から明らかなように、本発明によりＰｂが部分的に置換導入された赤色蛍光体は、従来の赤色蛍光体に比べて光度減少がかなり少ない。すなわち、本発明の赤色蛍光体は、水分に対する安定性に優れていることから、化学的な反応による光特性の低下を防ぐことができる。

このように、本発明は、既存の（Ｓｒ、Ｃａ）Ｓ：Ｅｕで表わされる赤色蛍光体にＰｂ元素を部分的に置換導入することにより、長波長の紫外線領域及び青色光領域の励起下で極めて優れた赤色光が得られ、水分に対する化学的な安定性を確保して向上した信頼性を有する赤色蛍光体を製造することができる。

以下、添付図面に基づき、上述した蛍光体を用いた本発明の発光素子について説明する。

図４は、本発明の赤色蛍光体を用いて製造したチップ型発光素子を示す断面図である。

同図を参照すれば、発光素子は、基板１０と、基板１０の上に形成された第１、第２の電極３０、３５と、第１の電極３０を基体として、その上に実装された発光ダイオードチップ２０と、発光ダイオードチップ２０を封止するモールド部４０と、を備える。前記モールド部４０には、上述した赤色蛍光体が均一に混合されて分布されている。

前記基板１０は、発光ダイオードチップ２０が実装される中心領域に、底面と側壁面を有する所定の溝を形成し、溝の側壁面に所定の勾配を持たせることができる。このとき、前記発光ダイオードチップ２０は、基体である基板１０の溝の底面に実装され、所定の勾配を有する側壁面により発光ダイオードチップ２０から発せられる光の反射を極大化して発光効率を高めることができる。

また、前記基板１０は、発光ダイオードチップ２０の熱を外部に放出するためのヒートシンクをさらに備えていてもよい。例えば、基板１０上の発光ダイオードチップ２０が実装される所定の領域を除去して貫通孔を形成し、その内部にヒートシンクを挿着し、そのヒートシンクを基体としてその上部に発光ダイオードチップ２０を実装してもよい。ヒートシンクとして熱伝導性に優れた物質を用いることが好ましく、熱伝導性及び電気伝導性に優れた金属を用いることが最も好ましい。

前記第１、第２の電極３０、３５は、基板１０の上に形成された電極であって、発光ダイオードチップ２０の陽極端子及び陰極端子に各々接続される。前記第１及び第２の電極３０、３５は印刷技法により形成することができる。第１及び第２の電極３０、３５は、伝導性に優れた銅またはアルミニウムを含む金属物質から形成するが、このとき、第１の電極３０と第２の電極３５は電気的に絶縁させる。

前記発光ダイオードチップ２０としては、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮ系の、青色光を発光する発光ダイオードチップを用いる。この実施形態においては、４２０〜４８０ｎｍ範囲の青色光を発する発光ダイオードチップを採用している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、青色光だけではなく、紫外線（ＵＶ）を発する発光ダイオードチップを用いてもよい。なお、発光ダイオードチップ２０の数には制限がなく、単一であってもよく、必要に応じて多数設けてもよい。

前記発光ダイオードチップ２０は第１の電極３０の上に実装され、ワイヤー６０を介して第２の電極３５と電気的に接続される。また、発光ダイオードチップ２０が電極３０、または３５の上に実装されることなく、基板１０の上に形成される場合に、２本のワイヤー６０を介してそれぞれ第１の電極３０または第２の電極３５と接続されてもよい。

また、基板１０の上部には、前記発光ダイオードチップ２０を封止するためのモールド部４０が形成される。前記モールド部４０内には、上述したように、（Ｃａ、Ｓｒ）_{１−ｘ−ｙ}Ｅｕ_ｘＰｂ_ｙＳで表わされる赤色蛍光体５０が均一に混合されて分布されている。モールド部４０は、所定の透明エポキシまたはシリコン樹脂と前記蛍光体５０との混合物を用いた射出工程により形成することができる。また、別途の鋳型を用いて製作した後、これを加圧または熱処理してモールド部４０を形成することができる。モールド部４０は、光学レンズ状、平板状や表面に所定の凹凸を有する形状など種々の形状に形成することができる。

前記蛍光体５０は、図示のごとく、モールド部４０内に均一に混合されて分布されていてもよく、または、発光ダイオードチップ２０の上にドッティング（ｄｏｔｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）により形成されてもよい。

図５は、本発明の赤色蛍光体を用いて製造したランプ型発光素子を示す断面図である。

同図を参照すれば、発光素子は、基体である、反射部が設けられた第１のリード端子７０と、前記第１のリード端子７０から所定の間隔だけ離れた第２のリード端子７５と、を備える。前記第１のリード端子７０の反射部内に発光ダイオードチップ２０が実装され、ワイヤー６０を介して第２のリード端子７５と電気的に接続される。前記発光ダイオードチップ２０の上部には蛍光体５０を有するモールド部４０が形成され、リード端子７０、７５の先端には成形型を用いて成形した外周モールド部４５が設けられる。前記モールド部４０内には、前記発光ダイオードチップ２０から発せられた光を吸収して赤色の波長に光を波長変換する、（Ｃａ、Ｓｒ）_{１−ｘ−ｙ}Ｅｕ_ｘＰｂ_ｙＳで表わされる赤色蛍光体５０が均一に混合されている。前記外周モールド部５５は、発光ダイオードチップ２０から発せられた光の透過率を高める目的で、透明なエポキシまたはシリコン樹脂から製作される。

このような本発明の発光素子は、発光ダイオードチップ２０から１次光が発せられ、１次光により蛍光体５０は波長変換された２次光を発して、これらの混色により所望のスペクトル領域の色を得ている。すなわち、青色発光ダイオードチップから青色光が発せられ、青色光により赤色蛍光体は優れた発光強度を有する赤色波長の光を発する。従って、１次光である青色光の一部と２次光である赤色光とが混色されてピンク色から紫色に至るパステル系の光が得られる。

また、所望の色を得るために、種々の組成の蛍光体をさらに含んでいてもよい。特に、白色発光を実現するために、発光素子は、発光ダイオードチップの上に前記（Ｃａ、Ｓｒ）_{１−ｘ−ｙ}Ｅｕ_ｘＰｂ_ｙＳで表わされる赤色蛍光体に加えて、緑色蛍光体をさらに含んでいてもよい。前記緑色蛍光体としては、（Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ）_２ＳｉＯ_４：ＥｕまたはＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ蛍光体を含むことができる。このとき、青色発光ダイオードチップから青色光が発せられ、青色光により赤色蛍光体は赤色波長の光を発し、緑色蛍光体は緑色波長の光を発する。このようにして、１次光である青色光の一部と、２次光である赤色光及び緑色光が混色されて白色光が得られる。このような白色発光ダイオードによれば、青色発光ダイオードチップとＹＡＧ：Ｃｅ黄色蛍光体を用いて８５以下の演色性値を得ていた従来の白色発光素子に比べて、最大１０％程度増加した９０の演色性値を得ることができる。

このように、本発明の発光素子は、従来に比べて演色性の高い白色光を得ることができ、発光効率に優れた赤色蛍光体を用いることにより、色再現性と色均一度を高めることができる。さらに、本発明の発光素子は、従来に比べて赤色蛍光体の水分に対する安定性に優れていることから、赤色蛍光体の寿命を延ばすことができ、これは、発光素子の信頼性の向上につながる。

本発明の技術的な要旨は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、種々の修正と変形が可能であり、種々の構造の製品に応用可能である。

本発明は、Ｐｂ元素の部分的な置換による新規な組成を用いて発光強度に優れた赤色蛍光体を製造することができる。また、従来、赤色蛍光体が水分に対する化学的な安定性に劣っていたという問題点を解消して、信頼性が向上するというメリットがある。

本発明による赤色蛍光体は、長波長の紫外線領域及び青色光領域の励起下で発光効率に極めて優れた赤色光を発光することにより、青色光を用いた白色発光ダイオードだけではなく、紫外光を用いた白色発光ダイオードの製造に当たっても優れた光源として使用可能である。

また、本発明は、安定した信頼性と向上した発光効率を有する本発明の赤色蛍光体を用いて、優れた色再現性と光特性を有する発光素子を製造することができる。このような本発明の発光素子によれば、９０以上の高演色性の白色光が得られるので、一般照明として使用可能であるだけではなく、高い演色性と色再現性によりＬＥＤ背面光源としても使用可能である。

は、本発明による赤色蛍光体の走査電子顕微鏡写真である。 は、図２は、本発明による赤色蛍光体の、Ｐｂ比率による発光強度の変化を示すグラフである。 は、従来の赤色蛍光体と本発明の赤色蛍光体を用いて製造した発光素子の光度及び色変化を比較して示すグラフである。 は、本発明によるチップ型発光素子を示す断面図である。 は、本発明によるランプ型発光素子を示す断面図である。

符号の説明

１０：基板
２０：発光ダイオードチップ
３０、３５：電極
４０：モールド部
５０：蛍光体
６０：ワイヤー
７０、７５：リード端子

Claims (3)

1. 下記一般式（１）で表わされ、
   Ｃａ _{１−ｘ−ｙ}Ｅｕ_ｘＰｂ_ｙＳ … （１）
   式中、ｘは０．０００５≦ｘ≦０．０１であり、ｙは０．００１≦ｙ≦０．０５であることを特徴とする赤色蛍光体。
2. 前記ｘは０．００１≦ｘ≦０．００５であり、前記ｙは０．００５≦ｙ≦０．０３であることを特徴とする請求項１に記載の赤色蛍光体。
3. 前記赤色蛍光体は、６００ｎｍ〜６６０ｎｍの波長の光を発することを特徴とする請求項１に記載の赤色蛍光体。