JP5192854B2 - Phosphor and display panel using the same - Google Patents

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Description

本発明は、蛍光体に関し、より詳細には、蛍光体を用いた表示装置や光源、特にエレクトロルミネッセンス表示装置やフィールドエミッションディスプレイ、フィールドエミッションランプ、白色LED等に用いる薄膜状又は粉末状の蛍光体と、この蛍光体を用いた表示パネルに関する。   The present invention relates to a phosphor, and more particularly, a display device or a light source using the phosphor, particularly a thin-film or powder phosphor used for an electroluminescence display device, a field emission display, a field emission lamp, a white LED, or the like. And a display panel using this phosphor.

従来より、液晶用バックライトや照明用途を中心に冷陰極蛍光灯(CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp)が用いられてきた。   Conventionally, cold cathode fluorescent lamps (CCFLs) have been used mainly for liquid crystal backlights and lighting applications.

しかし、蛍光灯は、小型化すると急激に発光効率が低下し、消費電力効率が悪化することに加えて、水銀を使用するため、環境的な負荷が大きいという課題がある。   However, when fluorescent lamps are downsized, luminous efficiency is drastically decreased and power consumption efficiency is deteriorated. In addition, since mercury is used, there is a problem that an environmental load is large.

これに対して、冷陰極電子源から放出される電子線を蛍光体に照射した際の発光を使用するディスプレイ用途としてフィールドエミッションディスプレイ(FED: Field Emission Display)、あるいは、液晶バックライトや照明光源用途としてフィールドエミッションランプ(FEL: Field Emission Lamp)が注目されるようになってきた。   In contrast, a field emission display (FED), or a liquid crystal backlight or illumination light source is used as a display application that uses light emission when a phosphor is irradiated with an electron beam emitted from a cold cathode electron source. As a result, field emission lamps (FEL) have attracted attention.

これらFEDやFELに用いられる蛍光体は、ブラウン管(CRT:Cathode Ray Tube)と同様に、電子線を蛍光体に照射した際の発光(カソードルミネッセンス)を利用している。   The phosphors used in these FEDs and FELs utilize light emission (cathode luminescence) when an electron beam is irradiated onto the phosphors, similarly to a cathode ray tube (CRT).

また、高電界中で加速されたキャリヤで蛍光体を発光させる方式としてエレクトロルミネッセンス(EL: Electroluminescence)がある。このELをディスプレイとして応用したものは、特に、エレクトロルミネッセントディスプレイ(ELD: Electroluminescent Display)と総称されている。   Further, there is electroluminescence (EL) as a method for causing a phosphor to emit light with a carrier accelerated in a high electric field. In particular, a display using this EL as a display is generally called an electroluminescent display (ELD).

さらに、紫外線や波長の短い青色光を蛍光体に照射することにより、波長の長い発光を得る方式として、フォトルミネッセンス(PL: Photoluminescence)がある。このPLの中でも、特に白色LED(W−LED: White-Light Emitting Diode)の分野の開発研究は盛んに行われている。   Furthermore, there is photoluminescence (PL) as a method for obtaining light emission with a long wavelength by irradiating a phosphor with ultraviolet light or blue light with a short wavelength. Among the PLs, particularly, development research in the field of white LEDs (W-LEDs) has been actively conducted.

FED、FEL、ELD、及びW−LEDは、いずれも蛍光体材料を用いる点において共通する。また、FED、FEL、ELD、及びW−LEDに用いられる蛍光体の形態としては、薄膜又は粉末がある。   FED, FEL, ELD, and W-LED are all common in that a phosphor material is used. Moreover, there exist a thin film or powder as a form of the fluorescent substance used for FED, FEL, ELD, and W-LED.

このような蛍光体の材料として、硫化ストロンチウム(SrS)や硫化カルシウム(CaS)を母体にした蛍光体は、発光効率が高く、高輝度を得られることから精力的に研究開発が行われてきた(例えば、特許文献1、2参照)。
特開平08−102359号公報 特開平09−274991号公報
As such a phosphor material, phosphors based on strontium sulfide (SrS) or calcium sulfide (CaS) have been intensively researched and developed because of their high luminous efficiency and high brightness. (For example, refer to Patent Documents 1 and 2).
Japanese Patent Laid-Open No. 08-102359 Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-274991

ところで、今日まで、硫化ストロンチウム(SrS)や硫化カルシウム(CaS)等を母体にした蛍光体材料は、化学反応性が強く、吸湿性があるという化学的に不安定な材料であり、水の浸入によって容易に分解されるため、実用化に至っていない。   By the way, to date, phosphor materials based on strontium sulfide (SrS), calcium sulfide (CaS), etc., are chemically unstable materials that have strong chemical reactivity and are hygroscopic, and intrude into water. Has not yet been put to practical use.

このような蛍光体材料の耐久性を高める一つの手法として、硫化ストロンチウム(SrS)等の吸湿性のある材料を、硫化亜鉛(ZnS)等の耐湿性のある材料薄膜と積層する手法がある。例えば、ZnS/SrS:Ce/ZnS/SrS:Ce/・・・/ZnSの多層薄膜が報告されている(R. H. Mauch et. al. 1992 SID International Sympo. (1992)p.178)。   One technique for increasing the durability of such a phosphor material is to stack a hygroscopic material such as strontium sulfide (SrS) with a moisture-resistant material thin film such as zinc sulfide (ZnS). For example, a multilayer thin film of ZnS / SrS: Ce / ZnS / SrS: Ce /.../ ZnS has been reported (R. H. Mauch et. Al. 1992 SID International Sympo. (1992) p.178).

ここで、硫化ストロンチウム:セリウム/硫化亜鉛(SrS:Ce/ZnS)の表示は、発光中心となるセリウム(Ce)をドープした硫化ストロンチウム(SrS)層と、何もドープしていない硫化亜鉛(ZnS)層とを積層することを意味する。   Here, the indication of strontium sulfide: cerium / zinc sulfide (SrS: Ce / ZnS) includes a strontium sulfide (SrS) layer doped with cerium (Ce) serving as a light emission center and an undoped zinc sulfide (ZnS). ) Layer.

しかしながら、この硫化ストロンチウム:セリウム/硫化亜鉛(SrS:Ce/ZnS)多層膜の作製においては、例えば、真空蒸着法を用いると、硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)は500℃以上、硫化亜鉛(ZnS)は200℃以下の基板温度にすることが必要であり、それぞれの材料の最適基板温度が大きく異なるために、製造上、歩留まりの問題やコスト等の問題が生じる。さらに、これに加えて、多層膜の場合には、異なる材料同士の界面で歪みが発生し、あるいは、水分等の浸入が発生し、これによって剥離が発生すると、積層膜の破損に至る可能性がある。   However, in the production of this strontium sulfide: cerium / zinc sulfide (SrS: Ce / ZnS) multilayer film, for example, when vacuum deposition is used, strontium sulfide: cerium (SrS: Ce) is 500 ° C. or higher and zinc sulfide ( ZnS) needs to have a substrate temperature of 200 ° C. or less, and the optimum substrate temperatures of the respective materials are greatly different, which causes problems such as yield and cost in manufacturing. In addition to this, in the case of a multilayer film, distortion may occur at the interface between different materials, or intrusion of moisture, etc., which may lead to damage of the laminated film if peeling occurs. There is.

また、例えば、硫化ストロンチウム:セリウム/硫化亜鉛(SrS:Ce/ZnS)の場合、硫化ストロンチウム(SrS)及び硫化亜鉛(ZnS)のバンドギャップは、それぞれ4.3eV及び3.6eVであり、励起されるべき蛍光体材料である硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)のバンドギャップの方が、発光中心材料をドープしていない硫化亜鉛(ZnS)よりワイドギャップとなっている。このため、ナローギャップの硫化亜鉛(ZnS)の領域で励起キャリヤが再結合しやすく、発光効率の低下を招きやすいという課題があった。   For example, in the case of strontium sulfide: cerium / zinc sulfide (SrS: Ce / ZnS), the band gaps of strontium sulfide (SrS) and zinc sulfide (ZnS) are 4.3 eV and 3.6 eV, respectively, and are excited. The band gap of strontium sulfide: cerium (SrS: Ce), which is the phosphor material to be used, is wider than that of zinc sulfide (ZnS) not doped with the luminescent center material. For this reason, there has been a problem that the excited carriers are likely to recombine in the narrow gap zinc sulfide (ZnS) region, and the light emission efficiency is likely to be reduced.

そこで、本発明は、高い発光効率を有するとともに、簡易かつ安価に作製(形成)することができ、特に耐久性及び信頼性に優れた薄膜状又は粉末状の蛍光体と、この蛍光体を用いた表示パネルを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has a high luminous efficiency and can be produced (formed) easily and inexpensively. In particular, a thin-film or powder phosphor excellent in durability and reliability, and the phosphor are used. An object is to provide a display panel.

本発明の一局面の蛍光体は、化学的に不安定な第1母体材料を含む第1蛍光体材料と、前記第1蛍光体材料の周囲を覆い、化学的に安定で前記第1母体材料よりもバンドギャップが大きい第2母体材料を含む第2蛍光体材料とを有し、前記第1蛍光体材料はSrS:Ceであり、前記第2蛍光体材料はSrGa 又はSrGa :Ce,MnであるThe phosphor according to one aspect of the present invention includes a first phosphor material including a chemically unstable first host material, and a first phosphor material that covers the periphery of the first phosphor material and is chemically stable. have a second phosphor material comprising a second host material is larger band gap than the first phosphor material SrS: a Ce, the second phosphor material SrGa 2 S 4 or SrGa 2 S 4 : Ce, Mn .

また、前記第1蛍光体材料は粒径が1〜10nmに超微粒子化されていてもよい。   The first phosphor material may be ultrafine particles having a particle size of 1 to 10 nm.

本発明の一局面の表示パネルは、前記いずれかに記載の蛍光体を用いる。     A display panel according to one aspect of the present invention uses any of the phosphors described above.

本発明によれば、高い発光効率を有するとともに、簡易かつ安価に作製(形成)することができ、特に耐久性及び信頼性に優れた薄膜状又は粉末状の蛍光体と、これを用いた表示パネルを提供することができるという特有の効果が得られる。   According to the present invention, it is possible to produce (form) easily and inexpensively with high luminous efficiency, and in particular, a thin-film or powder phosphor excellent in durability and reliability, and a display using the same A specific effect that a panel can be provided is obtained.

以下、本発明の蛍光体と、これを用いた表示パネルを適用した実施の形態について説明する。   Hereinafter, embodiments in which the phosphor of the present invention and a display panel using the phosphor are applied will be described.

本実施の形態では、化学的に不安定な蛍光体を、この蛍光体よりもバンドギャップが大きく、しかも化学的に安定な材料中に埋め込むことにより、化学的安定性を確保しつつ、しかも高い発光効率を有する蛍光体を実現する。   In the present embodiment, a chemically unstable phosphor is embedded in a chemically stable material having a larger band gap than that of the phosphor, while ensuring high chemical stability. A phosphor having luminous efficiency is realized.

また、本実施の形態において、母体材料の表記については次のように定義する。蛍光体材料は、通常「母体材料:発光中心材料」で表記される。例えば、硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)において、母体材料は硫化ストロンチウム(SrS)であり、発光中心材料はセリウム(Ce)である。この場合、発光中心材料は通常イオンの形で母体材料中に存在し、この例の場合はセリウムイオン(Ce3+)として存在することになる。このような場合において、本実施の形態では、発光中心材料は全て元素名(この例ではCe)で統一的に記述することとする。なお、これは、特許請求の範囲における表記においても同様である。 In the present embodiment, the notation of the base material is defined as follows. The phosphor material is usually expressed as “matrix material: luminescent center material”. For example, in strontium sulfide: cerium (SrS: Ce), the base material is strontium sulfide (SrS), and the emission center material is cerium (Ce). In this case, the luminescent center material is usually present in the base material in the form of ions, and in this case, it is present as cerium ions (Ce 3+ ). In such a case, in this embodiment, all the emission center materials are described in a unified manner by element names (Ce in this example). This also applies to the notation in the claims.

また、発光中心材料のドーピングの形態としては、元素名(この例ではCe)よりなる元素が含有されていればよく、その形態については、例えば、塩化セリウム(CeCl)、フッ化セリウム(CeF)三硫化二セリウム(Ce)等があるが、その形態については特に問わない。 In addition, as a form of doping of the luminescent center material, an element having an element name (Ce in this example) may be contained. Examples of the form include cerium chloride (CeCl 3 ) and cerium fluoride (CeF). 3 ) Although there is dicerium trisulfide (Ce 2 S 3 ) and the like, the form is not particularly limited.

本実施の形態では硫化ストロンチウム(SrS)や硫化カルシウム(CaS)など吸湿性があり化学的に不安定な母体にもつ蛍光体材料を、これら硫化ストロンチウム(SrS)や硫化カルシウム(CaS)よりもバンドギャップが大きく(ワイドギャップ)、しかも化学的に安定で、かつ耐湿性のある材料中に埋め込む。   In the present embodiment, a phosphor material having a hygroscopic and chemically unstable base material such as strontium sulfide (SrS) or calcium sulfide (CaS) is more banded than these strontium sulfide (SrS) and calcium sulfide (CaS). It is embedded in a material having a large gap (wide gap) and chemically stable and moisture resistance.

これにより、高い発光効率を得るとともに、簡易かつ安定に作製でき、しかも耐久性及び信頼性に優れた薄膜状又は粉末状の蛍光体を提供することができる。   As a result, it is possible to provide a phosphor in the form of a thin film or powder that has high luminous efficiency, can be easily and stably manufactured, and is excellent in durability and reliability.

このような蛍光体を実現するためには、本実施の形態では、ワイドギャップの母体材料がSrCa1−x(GaAl1−y(x=0〜1、y=0〜1)中に、蛍光体の母体材料が硫化ストロンチウム(SrS)、硫化カルシウム(CaS)、又は硫化亜鉛マグネシウム(ZnMg1−xS(x=0.50〜0.95))で表される組成より選ばれるうちの一形態の材料を埋め込む。 To realize such a phosphor, in the present embodiment, the base material of the wide gap Sr x Ca 1-x (Ga y Al 1-y) 2 S 4 (x = 0~1, y = 0-1), the host material of the phosphor is strontium sulfide (SrS), calcium sulfide (CaS), or magnesium magnesium sulfide (Zn x Mg 1-x S (x = 0.50 to 0.95)). One form of material selected from the compositions shown is embedded.

この場合に、埋め込まれる蛍光体が硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)、硫化ストロンチウム:銅(SrS:Cu)、又は硫化カルシウム:銅(CaS:Cu)であれば青色から緑色の発光が得られ、硫化ストロンチウム:ユウロピウム(SrS:Eu)、又は硫化カルシウム:ユウロピウム(CaS:Eu)であれば赤色発光が得られ、硫化亜鉛マグネシウム:マンガン(ZnMg1−xS:Mn(x=0.50〜0.95))であれば緑色からオレンジ色の発光を得ることができる。 In this case, if the embedded phosphor is strontium sulfide: cerium (SrS: Ce), strontium sulfide: copper (SrS: Cu), or calcium sulfide: copper (CaS: Cu), blue to green light emission can be obtained. , Strontium sulfide: europium (SrS: Eu), or calcium sulfide: europium (CaS: Eu), red light emission can be obtained, and zinc magnesium sulfide: manganese (Zn x Mg 1-x S: Mn (x = 0.0)). 50 to 0.95)), green to orange light emission can be obtained.

すでに、非特許文献(T. E. Peters and J. A. Baglio: J. Electrochem. Soc., 119,
230(1972))に明確に述べられているように、SrGa及びCaGaは、SrSやCaSに比べて加水分解しないため耐湿性があり、化学的安定性の点で優れた性質を有していることが知られている。
Already, non-patent literature (TE Peters and JA Baglio: J. Electrochem. Soc., 119,
230 (1972)), SrGa 2 S 4 and CaGa 2 S 4 have moisture resistance because they are not hydrolyzed compared to SrS and CaS, and are excellent in terms of chemical stability. It is known to have properties.

また、この組成の範囲を拡げたSrCa1−x(GaAl1−y(x=0〜1、y=0〜1)においては、同一の結晶構造(斜方晶 D2h 24_Fddd)をとるため、上記のxおよびyの範囲で固溶体を作ることがすでに知られている(P. C. Donohue and J. E. Hanlon: J. Electrochem. Soc., 121, 137(1974))。このため、これらの材料は化学的及び物理的性質が類似しており、上記のxおよびyの範囲で同一の作製法が適用可能である。 In the Sr x Ca 1-x where increased performance range of this composition (Ga y Al 1-y) 2 S 4 (x = 0~1, y = 0~1), the same crystal structure (orthorhombic D 2h 24_Fddd ) is already known to make a solid solution in the above x and y range (PC Donohue and JE Hanlon: J. Electrochem. Soc., 121, 137 (1974)). For this reason, these materials have similar chemical and physical properties, and the same manufacturing method can be applied in the above ranges of x and y.

また、現在までに、吸湿性があるため実用化されていない材料の発光色として、例えば硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)、硫化ストロンチウム:銅(SrS:Cu)は青色から緑色の発光(S. Tanaka et. al., Digest of 1985 SID International Symposium (1985) 218. および W. Lehmann: J. Electrochem. Soc., 117, 1389(1970))が得られ、硫化ストロンチウム:ユウロピウム(SrS:Eu)であれば赤色(William, M. Yen and Marvin J. Weber eds. “INORGANIC PHOSPHORS” CRC Press (2004)206)、硫化カルシウム:ユウロピウム(CaS:Eu)であれば赤色(既出S. Tanaka et. al., Digest of 1985 SID International Symposium (1985)218)、ZnMg1−xS:Mn(x=0.50〜0.95)であれば緑色からオレンジ色(A. Mikami et. al., Proc. Of 8th International Workshop on Electroluminescence (1996)369))になることが既に知られている。 Furthermore, as luminescent colors of materials that have not been put into practical use because of their hygroscopicity, for example, strontium sulfide: cerium (SrS: Ce) and strontium sulfide: copper (SrS: Cu) emit light from blue to green (S Tanaka et. Al., Digest of 1985 SID International Symposium (1985) 218. and W. Lehmann: J. Electrochem. Soc., 117, 1389 (1970)), strontium sulfide: europium (SrS: Eu) Red (William, M. Yen and Marvin J. Weber eds. “INORGANIC PHOSPHORS” CRC Press (2004) 206), red if calcium sulfide: europium (CaS: Eu) (existing S. Tanaka et. Al. , Digest of 1985 SID International Symposium (1985) 218), Zn x Mg 1-x S: Mn (x = 0.50-0.95), green to orange (A. Mikami et. Al., Proc. Of 8 th International Workshop on Electroluminescence (1996) 369)) to become that It is already known.

このため、この埋め込まれる硫化ストロンチウム(SrS)や硫化カルシウム(CaS)等を母体にした蛍光体材料の発光に加えて、周囲の材料側のワイドギャップを有する母体材料にも適当な発光中心材料をドーピングすることにより発光させることもでき、両者の発光を加色混合した発光を得ることができる。周囲のワイドギャップ母体材料に発光中心を形成するためのドーピング材料としては、種々の遷移元素及び希土類元素が挙げられるが、マンガン(Mn)、セリウム(Ce)、ユウロピウム(Eu)、又はテルビウム(Tb)のうちの一又は複数を含む材料が好適である。   For this reason, in addition to the emission of the phosphor material based on the embedded strontium sulfide (SrS), calcium sulfide (CaS), etc., an appropriate emission center material is also used for the matrix material having a wide gap on the surrounding material side. It is possible to emit light by doping, and it is possible to obtain light emission in which both light emissions are added and mixed. Examples of the doping material for forming the luminescent center in the surrounding wide gap base material include various transition elements and rare earth elements. Manganese (Mn), cerium (Ce), europium (Eu), or terbium (Tb) ) Are preferred.

例えば、周囲のワイドギャップ母体材料がストロンチウムチオガレイト(SrGa)であって、これにセリウム(Ce)とマンガン(Mn)が共添加された蛍光体材料(SrGa:Ce,Mn)である場合には、この蛍光体材料から赤色発光が得られる。この場合に、埋め込まれる蛍光体材料が硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)であれば、SrGa:Ce,Mnの赤色発光と硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)の青緑発光を加色混合することができ、白色発光を得ることができる。 For example, the surrounding wide gap base material is strontium thiogallate (SrGa 2 S 4 ), and phosphor material (SrGa 2 S 4 : Ce, in which cerium (Ce) and manganese (Mn) are co-added to this is used. In the case of Mn), red light emission can be obtained from this phosphor material. In this case, when the phosphor material to be embedded is strontium sulfide: cerium (SrS: Ce), red emission of SrGa 2 S 4 : Ce, Mn and blue-green emission of strontium sulfide: cerium (SrS: Ce) are added. Colors can be mixed and white light emission can be obtained.

また、この埋め込み構造においては、周囲のワイドギャップ母体材料(例えばSrGa)と埋め込まれる蛍光体の母体材料(例えばSrS)とに共通の構成元素(例えばSr及びS)が含まれる割合が高いと、それらの材料(例えばSrGaとSrS)の接合界面における欠陥密度を低減することができる。このような欠陥密度の低減は、共通の構成元素が含まれる割合が低い場合よりも容易であるため、埋め込まれた蛍光体表面において電子正孔対が失活(消滅)することを抑制できる。 Also, in this embedded structure, there is a ratio in which the common constituent elements (for example, Sr and S) are included in the surrounding wide gap matrix material (for example, SrGa 2 S 4 ) and the embedded phosphor matrix material (for example, SrS). If it is high, the defect density at the junction interface of those materials (for example, SrGa 2 S 4 and SrS) can be reduced. Such a reduction in the defect density is easier than in the case where the ratio of the common constituent elements is low, so that it is possible to suppress the deactivation (extinction) of electron-hole pairs on the embedded phosphor surface.

また、本実施の形態においては、周囲の材料が埋め込まれる材料よりワイドギャップであるため、埋め込まれる材料の粒径(サイズ)を超微粒子化し、ナノメートル程度(1〜10nm)にすることにより、更に発光効率を向上させることも可能である。   In this embodiment, since the surrounding material has a wider gap than the material to be embedded, the particle size (size) of the embedded material is made ultrafine and made about nanometers (1 to 10 nm), Furthermore, the luminous efficiency can be improved.

この場合、埋め込まれる材料の母体材料(SrSやCaS)で吸収されたエネルギーが、超微粒子の1〜10nmの領域から散逸することなく、効率良く発光中心イオンに移動できるため、高効率なエネルギー移動を利用することができ、発光効率の高い蛍光体を作製することができる。また、この高効率化の別の要因としては、1〜10nmの領域に電子と正孔が空間的に閉じ込められているために、熱解離が生じにくくなっていることによるとも考えられる。   In this case, energy absorbed by the base material (SrS or CaS) of the material to be embedded can be efficiently transferred to the luminescent center ion without being dissipated from the 1 to 10 nm region of the ultrafine particles, so that highly efficient energy transfer Can be used, and a phosphor with high emission efficiency can be manufactured. Another factor for this high efficiency is considered to be that thermal dissociation is less likely to occur because electrons and holes are spatially confined in the region of 1 to 10 nm.

本実施の形態によれば、吸湿性があり化学的に不安定なため、従来は実用化されなかった硫化ストロンチウム(SrS)や硫化カルシウム(CaS)等を母体にした蛍光体材料を用いて、高い発光効率を有しながら、しかも耐久性及び信頼性に優れた薄膜状又は粉末状の蛍光体を簡易かつ安価に作製(形成)することができる。   According to the present embodiment, since it is hygroscopic and chemically unstable, a phosphor material based on strontium sulfide (SrS), calcium sulfide (CaS) or the like that has not been put into practical use in the past is used. A thin-film or powder-like phosphor having high luminous efficiency and excellent durability and reliability can be produced (formed) easily and inexpensively.

以下、実施例1乃至3の薄膜状の蛍光体(以下、薄膜状蛍光体)について説明する。   Hereinafter, the thin film phosphors of Examples 1 to 3 (hereinafter referred to as thin film phosphors) will be described.

「実施例1」
実施例1では、埋め込まれる蛍光体に硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)を用い、埋め込む側のワイドギャップ母体材料としてストロンチウムチオガレイト(SrGa)を用いた薄膜状蛍光体の作製方法について説明する。ここでは、薄膜状蛍光体の作製方法として、MBE(Molecular Beam Epitaxy)装置による多源蒸着法を用いる。
"Example 1"
In Example 1, a method for producing a thin-film phosphor using strontium sulfide: cerium (SrS: Ce) as a phosphor to be embedded and strontium thiogallate (SrGa 2 S 4 ) as a wide gap base material on the embedding side Will be described. Here, a multi-source vapor deposition method using an MBE (Molecular Beam Epitaxy) apparatus is used as a method for manufacturing a thin film phosphor.

表1は、実施例1の薄膜状蛍光体の作製条件を示す表である。   Table 1 is a table showing conditions for producing the thin film phosphor of Example 1.

Figure 0005192854

MBE装置のクヌーセンセル(Knudsen Cell,以下、「Kセル」と称す)に充填された原料は、それぞれの温度で蒸発し、基板上では、以下の化学反応によりストロンチウムチオガレイト(SrGa)母体結晶薄膜が成長する。
Figure 0005192854

The raw material filled in the Knudsen Cell (hereinafter referred to as “K cell”) of the MBE apparatus evaporates at each temperature, and strontium thiogallate (SrGa 2 S 4) is formed on the substrate by the following chemical reaction. ) A matrix crystal thin film grows.

Sr+2Ga→SrGa+2GaS(↑)・・・・・(1)
なお、(1)式において、硫化ガリウム(GaS)は基板上で全て再蒸発し、ストロンチウムチオガレイト(SrGa)中に硫化ガリウム(GaS)は残留しない。
Sr + 2Ga 2 S 3 → SrGa 2 S 4 + 2GaS (↑) (1)
In the formula (1), all of gallium sulfide (GaS) is re-evaporated on the substrate, and gallium sulfide (GaS) does not remain in strontium thiogallate (SrGa 2 S 4 ).

また、(1)式の反応に加えて次式(2)の反応も同時に起こる。   In addition to the reaction of the formula (1), the reaction of the following formula (2) also occurs simultaneously.

Sr+Ga→SrS+2GaS(↑)・・・・・・・・・・(2)
なお、(2)式において、硫化ガリウム(GaS)は基板上で全て再蒸発し、硫化ストロンチウム(SrS)中に硫化ガリウム(GaS)は残留しない。
Sr + Ga 2 S 3 → SrS + 2GaS (↑) (2)
In the equation (2), all of gallium sulfide (GaS) is re-evaporated on the substrate, and gallium sulfide (GaS) does not remain in strontium sulfide (SrS).

このとき、同時に三塩化セリウム(CeCl)のKセルを加熱することにより、セリウム(Ce)が硫化ストロンチウム(SrS)結晶中に取り込まれて硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)がストロンチウムチオガレイト(SrGa)中に埋め込まれる形で析出する。 At this time, by simultaneously heating the K cell of cerium trichloride (CeCl 3 ), cerium (Ce) is taken into the strontium sulfide (SrS) crystal and strontium sulfide: cerium (SrS: Ce) is strontium thiogallate. It precipitates in a form embedded in (SrGa 2 S 4 ).

図1は、実施例1で得た薄膜状蛍光体に電子線を照射した際の発光スペクトルを示す図である。   FIG. 1 is a diagram showing an emission spectrum when the thin film phosphor obtained in Example 1 is irradiated with an electron beam.

ストロンチウムチオガレイト(SrGa)母体材料中に硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)の相を混入させた蛍光体に電子線を照射した場合におけるセリウムイオン(Ce3+)の発光バンドのピーク波長は、498nm付近にある青緑色発光になる。 Peak of luminescence band of cerium ion (Ce 3+ ) when strontium thiogallate (SrGa 2 S 4 ) base material is mixed with a strontium sulfide: cerium (SrS: Ce) phase and a phosphor is irradiated with an electron beam The wavelength is blue-green light emission in the vicinity of 498 nm.

以上、実施例1によれば、埋め込まれる蛍光体に硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)を用い、周囲の材料側のワイドギャップ母体材料としてストロンチウムチオガレイト(SrGa)を用い、ストロンチウムチオガレイト(SrGa)母体材料中に硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)の相を混入させることにより、発光効率が高く、耐久性及び信頼性に優れ、青緑色発光を得ることのできる薄膜状蛍光体を簡易かつ安価に作製することができる。 As described above, according to Example 1, strontium sulfide: cerium (SrS: Ce) is used as the phosphor to be embedded, and strontium thiogallate (SrGa 2 S 4 ) is used as the wide gap base material on the surrounding material side, and strontium is used. By mixing the strontium sulfide: cerium (SrS: Ce) phase into the thiogallate (SrGa 2 S 4 ) base material, it has high luminous efficiency, excellent durability and reliability, and can obtain blue-green light emission. A thin-film phosphor that can be produced can be produced easily and inexpensively.

「実施例2」
実施例2では、埋め込まれる蛍光体の粒径をナノメートル程度(1〜10nm)に制御する。ここでは埋め込まれる蛍光体材料として硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)を用い、周囲の材料側のワイドギャップ母体材料としてストロンチウムチオガレイト(SrGa)を用いる。
"Example 2"
In Example 2, the particle size of the phosphor to be embedded is controlled to about nanometers (1 to 10 nm). Here, strontium sulfide: cerium (SrS: Ce) is used as the phosphor material to be embedded, and strontium thiogallate (SrGa 2 S 4 ) is used as the wide gap base material on the surrounding material side.

図2は、実施例2の薄膜状蛍光体の断面構造を模式的に示す図である。この図は、断面構造を模式的に示している。実際の薄膜状蛍光体の構造では、ナノメートルという極微小領域において埋め込まれる粒子状蛍光体の周期間隔の乱れや界面での凹凸が生じるが、説明の便宜上、この模式図では省略する。   FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the thin film phosphor of the second embodiment. This figure schematically shows a cross-sectional structure. In the actual thin-film phosphor structure, the periodic interval of the particulate phosphor embedded in an extremely small area of nanometers and irregularities at the interface are generated, but this is not shown in the schematic diagram for convenience of explanation.

実施例2では、薄膜状蛍光体の作製方法として、MBE装置による多源蒸着法を用いる。表2は、ストロンチウムチオガレイト(SrGa)の各材料の作製条件を示し、表3は、硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)の各材料の作製条件を示す。 In Example 2, a multi-source vapor deposition method using an MBE apparatus is used as a method for producing a thin film phosphor. Table 2 shows the production conditions for each material of strontium thiogallate (SrGa 2 S 4 ), and Table 3 shows the production conditions for each material of strontium sulfide: cerium (SrS: Ce).

MBE装置のKセルに充填された原料は、それぞれの蒸発温度で蒸発され、基板上でストロンチウムチオガレイト(SrGa)及び硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)(但し、異相としてSrGaを含有する)がそれぞれ成長される。この成長時にMBE装置のKセルの各シャッターを順次開閉することにより、図2に示すように、ストロンチウムチオガレイト(SrGa)で構成される薄膜1の内部に、硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)で構成される超微粒子蛍光体2が埋め込まれた断面構造の薄膜状蛍光体を成長させることができる。 The raw material filled in the K cell of the MBE apparatus is evaporated at each evaporation temperature, and strontium thiogallate (SrGa 2 S 4 ) and strontium sulfide: cerium (SrS: Ce) (however, SrGa 2 as a different phase). containing S 4) are grown, respectively. By sequentially opening and closing the shutters of the K cells of the MBE apparatus during this growth, as shown in FIG. 2, strontium sulfide: cerium (cerium) is formed inside the thin film 1 made of strontium thiogallate (SrGa 2 S 4 ). It is possible to grow a thin-film phosphor having a cross-sectional structure in which the ultrafine particle phosphor 2 composed of SrS: Ce is embedded.

Figure 0005192854
Figure 0005192854

Figure 0005192854

表2及び表3において、特に同一の基板温度とKセル温度を使用していることが実施例2の特徴であり、Kセルのシャッターを開閉するだけで図2の構造を有する薄膜を容易に作製することが可能となる。
Figure 0005192854

In Table 2 and Table 3, the same substrate temperature and K cell temperature are used in particular, which is a feature of the second embodiment. The thin film having the structure of FIG. 2 can be easily formed by simply opening and closing the shutter of the K cell. It can be produced.

また、表2に示す蒸着原料(ZnS)は、ストロンチウムチオガレイト(SrGa)の作製に必要な硫黄(S)の供給源として機能し、表2の基板温度を含む400℃以上の温度に対して、Zn成分は基板上で完全に再蒸発し、成長後の薄膜中に残留することはない。 Moreover, the vapor deposition raw material (ZnS) shown in Table 2 functions as a supply source of sulfur (S) necessary for the production of strontium thiogallate (SrGa 2 S 4 ), and has a temperature of 400 ° C. or higher including the substrate temperature shown in Table 2. With respect to temperature, the Zn component completely re-evaporates on the substrate and does not remain in the grown thin film.

この場合、硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)の層厚は2nmと薄いため、島状(ドット状)に形成されて粒径2nmの超微粒子と同等になるため、等価的に図2の構造を有する薄膜が形成される。   In this case, since the layer thickness of strontium sulfide: cerium (SrS: Ce) is as thin as 2 nm, it is formed in an island shape (dot shape) and is equivalent to an ultrafine particle having a particle size of 2 nm. Is formed.

また、ストロンチウムチオガレイト(SrGa)の層厚が、例えば5nm以上になると、界面での凹凸が減少して、硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)とストロンチウムチオガレイト(SrGa)との単純な積層構造になるが、このような場合でも、硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)層は、硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)単一相ではなく異相としてストロンチウムチオガレイト(SrGa)相を含有した層になっているため、容易にSrS:Ceの微粒子をストロンチウムチオガレイト(SrGa)中に埋め込むことができる。 Further, when the layer thickness of strontium thiogallate (SrGa 2 S 4 ) becomes, for example, 5 nm or more, the unevenness at the interface decreases, and strontium sulfide: cerium (SrS: Ce) and strontium thiogallate (SrGa 2 S). 4 ), even in such a case, the strontium sulfide: cerium (SrS: Ce) layer is not a strontium sulfide: cerium (SrS: Ce) single phase but a strontium thiogallate as a different phase. Since it is a layer containing a (SrGa 2 S 4 ) phase, SrS: Ce fine particles can be easily embedded in strontium thiogallate (SrGa 2 S 4 ).

以上、実施例2によれば、ここでは埋め込まれる蛍光体材料として硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)を用い、埋め込む側のワイドギャップ母体材料としてストロンチウムチオガレイト(SrGa)を用い、埋め込まれる蛍光体の粒径をナノメートル程度(1〜10nm)に制御することにより、発光効率が高く、耐久性及び信頼性に優れ、青緑色発光を得ることのできる薄膜状蛍光体を簡易かつ安価に作製することができる。 As described above, according to Example 2, here, strontium sulfide: cerium (SrS: Ce) is used as the phosphor material to be embedded, and strontium thiogallate (SrGa 2 S 4 ) is used as the embedded wide gap base material. By controlling the particle size of the embedded phosphor to about nanometers (1 to 10 nm), a thin-film phosphor that has high luminous efficiency, excellent durability and reliability, and can obtain blue-green light emission is simple and simple. It can be manufactured at low cost.

「実施例3」
実施例3では、埋め込まれる蛍光体として硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)を用い、埋め込む側のワイドギャップ材料としてSrGa:Ce,Mnの赤色発光を用いて、白色発光を得ることのできる薄膜状蛍光体を作製する方法について説明する。
"Example 3"
In Example 3, white light emission can be obtained by using strontium sulfide: cerium (SrS: Ce) as the phosphor to be embedded, and red emission of SrGa 2 S 4 : Ce, Mn as the embedded wide gap material. A method for producing a thin film phosphor that can be produced will be described.

実施例3において、Kセルにストロンチウム(Sr)、三硫化二ガリウム(Ga)、マンガン(Mn)、及び三塩化セリウム(CeCl)を充填し、調温器を用いてKセルを加熱し、基板上に供給する。 In Example 3, the K cell was filled with strontium (Sr), digallium trisulfide (Ga 2 S 3 ), manganese (Mn), and cerium trichloride (CeCl 3 ). Heat and feed onto substrate.

実施例3では、実施例1の作成条件に加えて、マンガン(Mn)と三塩化セリウム(CeCl)のKセルを同時に加熱することにより、ストロンチウムチオガレイト(SrGa)結晶中にマンガン(Mn)とセリウム(Ce)が取り込まれてSrGa:Mn,Ce結晶薄膜を成長することができる。 In Example 3, in addition to the preparation conditions of Example 1, by simultaneously heating a K cell of manganese (Mn) and cerium trichloride (CeCl 3 ), strontium thiogallate (SrGa 2 S 4 ) Manganese (Mn) and cerium (Ce) are taken in to grow a SrGa 2 S 4 : Mn, Ce crystal thin film.

このとき、SrGa:Mn,Ce薄膜中に硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)が埋め込まれる形で析出する。Kセルの温度、基板温度、及び成膜速度の各条件は下記表4に示す通りである。 At this time, strontium sulfide: cerium (SrS: Ce) is deposited in a form embedded in the SrGa 2 S 4 : Mn, Ce thin film. Each condition of the temperature of the K cell, the substrate temperature, and the deposition rate is as shown in Table 4 below.

Figure 0005192854
図3は、実施例3の薄膜状蛍光体に電子線を照射した際の発光スペクトルを示す図である。
Figure 0005192854
FIG. 3 is a diagram showing an emission spectrum when the thin-film phosphor of Example 3 is irradiated with an electron beam.

図4は、実施例3の薄膜状蛍光体の色度座標の変化特性を示す図である。   FIG. 4 is a graph showing the change characteristics of the chromaticity coordinates of the thin film phosphor of the third embodiment.

ストロンチウムチオガレイト(SrGa)母体材料にマンガン(Mn)とセリウム(Ce)が取り込まれたSrGa:Ce,Mn蛍光体材料中に、硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)が埋め込まれる形で析出させた蛍光体に電子線を照射した場合におけるセリウムイオン(Ce3+)の発光バンドのピーク波長は、498nm付近の青緑発光である。また、マンガン(Mn)による赤色発光バンドのピーク波長は、694nm付近にある。 In the SrGa 2 S 4 : Ce, Mn phosphor material in which manganese (Mn) and cerium (Ce) are incorporated into the strontium thiogallate (SrGa 2 S 4 ) base material, strontium sulfide: cerium (SrS: Ce) is present. The peak wavelength of the emission band of cerium ion (Ce 3+ ) when the phosphor deposited in an embedded form is irradiated with an electron beam is blue-green light emission around 498 nm. Further, the peak wavelength of the red emission band due to manganese (Mn) is in the vicinity of 694 nm.

このように、ストロンチウムチオガレイト(SrGa)母体材料にマンガン(Mn)とセリウム(Ce)が取り込まれたSrGa:Ce,Mn蛍光体材料中に硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)の相を埋め込ませた薄膜状蛍光体では、セリウム(Ce)とマンガン(Mn)のドーピング濃度を変化させると、図4の実線部分に沿って薄膜状蛍光体の発光色の色度座標を変化させることができる。このため、x=0.30,y=0.38の色純度の良好なペイパーホワイトの白色光を得ることができる。 As described above, strontium sulfide: cerium (SrS: SrS) is incorporated into the SrGa 2 S 4 : Ce, Mn phosphor material in which manganese (Mn) and cerium (Ce) are incorporated into the strontium thiogallate (SrGa 2 S 4 ) base material. In the thin film phosphor in which the Ce) phase is embedded, when the doping concentration of cerium (Ce) and manganese (Mn) is changed, the chromaticity coordinates of the emission color of the thin film phosphor along the solid line portion of FIG. Can be changed. Therefore, it is possible to obtain paper white light with good color purity of x = 0.30 and y = 0.38.

なお、実施例3に加えて、実施例2と同様に硫化亜鉛(ZnS)を共蒸着し、シャッター制御することにより、埋め込まれる硫化ストロンチウム:セリウム(SrS:Ce)蛍光体の粒径をナノメートル程度(1〜10nm)に制御することも可能である。   In addition to Example 3, zinc sulfide (ZnS) is co-evaporated as in Example 2, and the particle size of the embedded strontium sulfide: cerium (SrS: Ce) phosphor is reduced to nanometers by shutter control. It is also possible to control to the extent (1 to 10 nm).

また、上述した実施形態のものでは、薄膜状蛍光体の作製方法として、MBE装置を用いた多源蒸着法について説明しているが、他の薄膜作製方法、例えば具体的には、電子線蒸着法、スパッタリング法、CVD法、イオンプレーティング法等を用いることも可能である。   In the above-described embodiment, the multi-source vapor deposition method using the MBE apparatus has been described as a thin film phosphor production method. However, other thin film production methods, for example, electron beam vapor deposition are specifically described. It is also possible to use a method, a sputtering method, a CVD method, an ion plating method, or the like.

以上、実施例として、特に薄膜形状の蛍光体について述べたが、通常の焼結法を用いることで、同一の埋め込み構造を有する粉末状の蛍光体を作製することも可能である。   As described above, the thin film phosphor has been described as an example. However, it is also possible to produce a powder phosphor having the same embedded structure by using a normal sintering method.

「表示装置への適用」
図5は、薄膜状蛍光体と電子源を対向させた構造を持つFED素子を示す図であり、図6は、薄膜状蛍光体を発光層とする薄膜EL素子を示す図である。
"Application to display devices"
FIG. 5 is a diagram showing an FED element having a structure in which a thin film phosphor and an electron source are opposed to each other, and FIG. 6 is a diagram showing a thin film EL element using the thin film phosphor as a light emitting layer.

FED素子は、図5に示すように、ガラス基板3の一方の面3Aに、ITO(Indium Tin Oxide:酸化インジウムスズ)等で構成される透明な導電性薄膜4と薄膜状蛍光体5を積層し、電子放出源6と対向配置させた構成を有する。図5には示さないが、ガラス基板3と電子放出源6の間は、封止体によって密封されて真空に保持される。電子放出源6から発射される電子が薄膜状蛍光体5に照射されることにより発光を得る。   As shown in FIG. 5, the FED element has a transparent conductive thin film 4 and a thin-film phosphor 5 made of ITO (Indium Tin Oxide) or the like laminated on one surface 3A of a glass substrate 3. The electron emission source 6 is disposed opposite to the electron emission source 6. Although not shown in FIG. 5, the space between the glass substrate 3 and the electron emission source 6 is sealed by a sealing body and kept in a vacuum. The thin film phosphor 5 is irradiated with electrons emitted from the electron emission source 6 to obtain light emission.

また、薄膜EL素子は、図6に示すように、ガラス基板7の上にITO等で構成される透明な導電性薄膜8、第1絶縁層10a、及び薄膜状蛍光体9を積層し、薄膜状蛍光体9を覆う第2絶縁層10bを介して背面電極11が配設された構成を有する。導電性薄膜8と背面電極11の間に電圧を印加すると、薄膜状蛍光体9の発光を得る。図5は、FEDパネル、また、図6は、薄膜ELディスプレイの一画素に相当する素子の構造を示しており、公知の技術により、これらの構造を並べる(マトリクス化する)ことで、平面型ディスプレイ(パネル)とすることが可能である。   Further, as shown in FIG. 6, the thin film EL element is formed by laminating a transparent conductive thin film 8 made of ITO or the like, a first insulating layer 10a, and a thin film phosphor 9 on a glass substrate 7. The back electrode 11 is disposed via the second insulating layer 10b that covers the phosphor 9. When a voltage is applied between the conductive thin film 8 and the back electrode 11, light emission from the thin film phosphor 9 is obtained. FIG. 5 shows the structure of an FED panel, and FIG. 6 shows the structure of an element corresponding to one pixel of a thin film EL display. By arranging these structures (matrixing) using a known technique, a planar type is shown. It can be a display (panel).

実施例1及び実施例2では青緑色発光の得られる薄膜状蛍光体の作製方法について説明し、実施例3では白色薄膜状蛍光体の作製方法について説明した。これらの薄膜状蛍光体は、図5に示すようなFED素子の薄膜状蛍光体5、図6に示すような薄膜EL素子の薄膜状蛍光体9、あるいは、FEL(図示せず)の薄膜状蛍光体に用いることができる。また、近紫外又は青色LEDでこれらの薄膜状蛍光体を励起することにより、白色LED(図示せず)を作製することが可能となる。   In Example 1 and Example 2, a method for producing a thin film phosphor capable of obtaining blue-green light emission was described, and in Example 3, a method for producing a white thin film phosphor was described. These thin-film phosphors are thin-film phosphors 5 of FED elements as shown in FIG. 5, thin-film phosphors 9 of thin-film EL elements as shown in FIG. 6, or thin-film phosphors of FEL (not shown). It can be used for a phosphor. Moreover, it becomes possible to produce a white LED (not shown) by exciting these thin-film phosphors with a near-ultraviolet or blue LED.

以上、本発明の例示的な実施の形態の蛍光体について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。   The phosphor of the exemplary embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the specifically disclosed embodiment, and does not depart from the scope of the claims. Various modifications and changes are possible.

実施例1で得た蛍光薄膜に電子線を照射した際の発光スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the emission spectrum at the time of irradiating an electron beam to the fluorescent thin film obtained in Example 1. FIG. 実施例2の薄膜状蛍光体の断面構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-section of the thin film fluorescent substance of Example 2. FIG. 実施例3の薄膜状蛍光体に電子線を照射した際の発光スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the emission spectrum at the time of irradiating an electron beam to the thin film fluorescent substance of Example 3. 実施例3の薄膜状蛍光体の色度座標の変化特性を示す図である。It is a figure which shows the change characteristic of the chromaticity coordinate of the thin film fluorescent substance of Example 3. FIG. 薄膜状蛍光体と電子源を対向させた構造を持つFED素子を示す図である。It is a figure which shows the FED element which has a structure where the thin film fluorescent substance and the electron source were made to oppose. 薄膜状蛍光体を発光層とする薄膜EL素子を示す図である。It is a figure which shows the thin film EL element which uses a thin film phosphor as a light emitting layer.

符号の説明Explanation of symbols

1 薄膜
2 超微粒子蛍光体
3、7 ガラス基板
4、8 導電性薄膜
5、9 薄膜状蛍光体
6 電子放出源
10a 第1絶縁層
10b 第2絶縁層
11 背面電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thin film 2 Ultrafine particle fluorescent substance 3, 7 Glass substrate 4, 8 Conductive thin film 5, 9 Thin film fluorescent substance 6 Electron emission source 10a 1st insulating layer 10b 2nd insulating layer 11 Back electrode

Claims (3)

化学的に不安定な第1母体材料を含む第1蛍光体材料と、
前記第1蛍光体材料の周囲を覆い、化学的に安定で前記第1母体材料よりもバンドギャップが大きい第2母体材料を含む第2蛍光体材料と
を有し、
前記第1蛍光体材料はSrS:Ceであり、前記第2蛍光体材料はSrGa 又はSrGa :Ce,Mnである蛍光体。
A first phosphor material comprising a chemically unstable first host material;
Covering the periphery of the first phosphor material, it has a second phosphor material comprising a chemically stable second base material having a band gap larger than the first base material,
The phosphor in which the first phosphor material is SrS: Ce and the second phosphor material is SrGa 2 S 4 or SrGa 2 S 4 : Ce, Mn .
前記第1蛍光体材料は粒径が1〜10nmに超微粒子化されている、請求項に記載の蛍光体。 The phosphor according to claim 1, wherein the first phosphor material has an ultrafine particle size of 1 to 10 nm. 請求項1又は2に記載の蛍光体を用いた表示パネル。 A display panel using a phosphor according to claim 1 or 2.
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