JP5331981B2 - 複数の発光ピークを有するケイ酸塩ベースの発光材料、当該発光材料を調製するための方法、及び当該発光材料を用いた発光デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、光電子及び半導体照明の技術分野にあり、発光材料、特に、半導体発光素子(LEDなど)を含めた白色発光デバイスにおいて使用する発光材料、当該発光材料の調製方法、及び当該発光材料を使用する発光デバイスに関する。
白色光LEDの出現は、標識機能から照明機能へのLEDの実質的な進展を表している。白色光LEDによって放出される光は、太陽光に最も近く、照射下の物体の真の色をより良く反射することができる。技術の観点から言えば、白色光LEDは、無公害、超寿命、耐ショック性及び衝撃性というそのさらに際立った特徴により、間違いなく最先端のLED技術であり、新世代の光源、21世紀における第4世代の電気的光源となるであろう。白色光LEDには、非常に幅広い範囲の用途が見込まれる。
本発明の目的は、広い励起波長域(240nm〜475nm)と、370〜760nmの波長域内にある少なくとも2つの発光ピークと、高い光変換効率と、優れた耐老朽化性とを有する、広い励起スペクトル及び複数の発光ピークを特徴とするケイ酸塩発光材料を提供することである。本発明の別の目的は、このようなケイ酸塩発光材料を製造するための方法を提供することである。本発明の第3の目的は、本発明に係るケイ酸塩発光材料を含む発光デバイス、特に白色光LEDを提供することである。
aAO・bA’O・cSiO2:xEu・yLn・zM・δN (1)
式中、Aは、Sr、Ca、Ba及びこれらの組合せからなる群から選択され、A’は、Mg、Zn及びこれらの組合せからなる群から選択され、Lnは、Nd、Dy、Ho、Tm、La、Ce、Er、Pr、Bi、Sm、Sn、Y、Lu、Ga、Sb、Tb、Mn及びPbからなる群から選択される少なくとも1種の元素のイオン(複数可)であり、Mは、Cl−、F−、Br−、I−及びこれらの組合せからなる群から選択され、Nは、Li+、Na+、K+及びこれらの組合せからなる群から選択され、a、b、c、d、x、y、z及びδはモル係数であり、1.0≦a≦5.0、0≦b≦2.0、0.5≦c≦2.5、0.001≦x≦0.2、0≦y≦0.5、0<z<0.5、0<δ<0.2であり、1≦(a+b)/c≦4である。240〜475nmの紫外光〜青色光領域に発光スペクトルを有する励起光源としての発光素子による励起の下、発光材料が励起光源からの光の少なくとも一部を吸収し、それにより370〜760nmの範囲内に少なくとも2つのピークを有する発光スペクトルを生成し、これらの発光が組み合わさって白色光を生じる。
A:1.0〜5、
A’:0〜2.0、
Si:0.5〜2.5、
Eu:0.001〜0.2
Ln:0.0〜0.5
M:0〜0.5
N:0〜0.2
ここで、Aは、Sr、Ca及びBaのうちの1種又は複数の化合物を表し、A’はMg及びZnのうちの1種又は2種の化合物を表し、SiはSiの化合物を表し、EuはEuの化合物を表し、Lnは、Nd、Dy、Ho、Tm、La、Ce、Er、Pr、Bi、Sm、Sn、Y、Lu、Ga、Sb、Tb、Mn及びPbのうちの1種又は複数の化合物を表し、Mは、Cl、F、Br及びIのうちの1種又は複数の化合物を表し、Nは、Li、Na、K及びAgのうちの1種又は複数の化合物を表す。
この発光素子は、240〜475nmの紫外光〜青色光領域にピークのある発光スペクトルを有し、この発光素子の第1の発光スペクトルの波長の少なくとも一部を、370〜760nmの波長域内に少なくとも2つのピークのある発光材料の第2の発光スペクトルを生じるように変更し、発光材料の少なくとも1種が、式(1)によって表される化学組成を有する発光材料である。
本発明の実施例を以下に説明する。本発明がこれらの実施例によって制限されることはないことを理解されたい。
実施例2〜36の発光材料を、実施例1で説明した手順に従って調製したが、基材組成物中の元素A及びA’の種類と量とは、発光ピークの所望の位置に従って変化させた。焼結温度は、炉の容量、材料の重量並びに材料の種類及び配合に応じて1000〜1300℃の範囲内で変化した。還元雰囲気は、水素ガス、アンモニアガス、窒素と水素との混合物又は微粒炭素によって提供した。以下の化学組成の発光ピークを2つ有する発光材料が得られた。
実施例2: 2.03SrO・0.92MgO・1.0SiO2:0.03Eu2+・0.02F−・0.07Li+
実施例3: 3.07SrO・0.95MgO・2.05SiO2:0.005Eu2+・0.1 Mn2+・0.015F−・0.035Li+
実施例4: 1.9CaO・1.0MgO・1.9SiO2:0.004Eu2+・0.008Dy3+・0.0001Cl−・0.0005K+
実施例5: 1.0BaO・2.0MgO・2.0SiO2:0.01Eu2+・0.2Mn2+・0.15F−・0.05Cl−・0.075Li+
実施例6: 2.0BaO・1.0ZnO・2.1SiO2:0.001Eu2+・0.05Mn2+・0.0042F−・0.08Li+
実施例7: 3.0CaO・0.97MgO・2.0SiO2:0.1Eu2+・0.03Mn2+・0.15Cl−・0.035Ag+
実施例8: 2.03SrO・0.92MgO・1.0SiO2:0.03Eu2+・0.05Mn2+・0.02F−・0.07Li+
実施例9: 2.97BaO・1.02MgO・2.01SiO2:0.01Eu2+・0.135F−・0.15Cl−・0.055Li+
実施例10: 1.0BaO・1.05CaO・1.05MgO・2.0SiO2:0.08Eu2+・0.02F−・0.05Li+
実施例11: 3.1SrO・1.05MgO・1.98SiO2:0.08Eu2+・0.01F−・0.05Li+
実施例12: 1.5SrO・0.5SiO2:0.05Eu2+・0.08Mn3+・0.06F−・0.19Li+
実施例13:
1.2BaO・1.5SrO・0.3CaO・1.05MgO・2.0SiO2:0.01Eu2+・0.05Mn2+・0.001F−・0.015Li+
実施例14: 2.0CaO・0.98MgO・1.0SiO2:0.05Eu2+・0.12Mn2+・0.06F−・0.06Li+
実施例15: 2.0BaO・0.5MgO・0.5ZnO・1.8SiO2:0.008Eu2+・0.05Mn2+・0.04F−・0.05Li+
実施例16: 0.5BaO・1.5CaO・1.03MgO・1.0SiO2:0.1Eu2+・0.23Mn2+・0.03Cl−・0.03Ag+
実施例17: 2.0BaO・0.98MgO・1.0SiO2:0.05Eu2+・0.06F−・0.06Li+
実施例18: 1.5BaO・1.5SrO・0.98MgO・2.0SiO2:0.07Eu2+・0.3Mn2+・0.3F−・0.15Li+
実施例19: 2.0BaO・1.0MgO・1.0SiO2:0.05Eu2+・0.13Mn2+・0.06F−・0.06Li+
実施例20: 0.1SrO・1.9CaO・1.0MgO・2.0SiO2:0.04Eu2+・0.06F−・0.06Li+
実施例21: 2.0CaO・0.96MgO・1.0SiO2:0.05Eu2+・0.06F−・0.06Li+
実施例22: 2.3SrO・0.7BaO・1.0MgO・2.0SiO2:0.05Eu2+・0.1F−・0.001Ag+
実施例23:
0.2BaO・0.5SrO・1.3CaO・1.0MgO・2.0SiO2:0.06Eu2+・0.01Mn2+・0.09F−・0.1 Li+
実施例24: 1.3BaO・3.7CaO・1.25SiO2:0.05Eu2+・0.13Mn2+・0.06F−・0.08Li+
実施例25: 0.8BaO・1.3SrO・1.01MgO・1.0SiO2:0.03Eu2+・0.07Mn2+・0.07F−・0.05Li+
実施例26:
2.0CaO・0.96MgO・1.0SiO2:0.05Eu2+・0.001Ce3+・0.001Mn2+・0.06F−・0.06K+
実施例27: 0.2BaO・0.5SrO・1.3CaO・1.0ZnO・2.0SiO2:0.06Eu2+・0.01Mn2+・0.05F−・0.001K+・0.005Na+・0.001Li+
実施例28:
1.5CaO・0.5MgO・1.5SiO2:0.2Eu2+・0.05Tm3+・0.12Mn2+・0.06F−・0.06Ag+・0.5La3+
実施例29:
3.0BaO・1.8SiO2:0.15Eu2+・0.008Pr3+・0.008Bi3+・0.05Mn2+・0.04F−・0.05Li+
実施例30:
1.4BaO・1.3SrO・0.1CaO・2.0SiO2:0.03Eu2+・0.06Mn2+・0.5F−・0.015Li+・0.4Ag+
実施例31: 2.0BaO・0.98ZnO・1.0SiO2:0.05Eu2+・0.02Cl−・0.03Br−・0.06Li+
実施例32: 1.7BaO・1.2SrO・0.98ZnO・2.0SiO2:0.03Eu2+・0.3Mn2+・0.02F−・0.15Na+
実施例33: 0.6SrO・1.4CaO・2.0SiO2:0.04Eu2+・0.001Sm2+・0.06F−・0.06Ag+
実施例34:
0.2BaO・1.3CaO・0.4SrO・0.98MgO・1.0SiO2:0.06Eu2+・0.13Mn2+・0.04F−・0.02Ag+
実施例35: 1.9SrO・1.1BaO・2.0SiO2:0.05Eu2+・0.1F−・0.003K+
実施例36:
1.2BaO・1.3CaO・1.0MgO・0.5ZnO・2.5SiO2:0.05Eu2+・0.13Mn2+・0.06F−・0.06Li+
図5aに示すLEDパッケージング様式に従って、白色光LEDを作製した。具体的には、パッケージングプロセスを以下のように行った。整合された主発光ピーク波長(a matched main emission peak wavelength)を有するチップを、発光材料の有効励起波長域に従って選択した。この実施例においては、半導体発光チップの主発光ピーク波長が390nmであり、発光材料は実施例1で得られた発光材料であった。選択したこのチップに、結晶マウント(crystal mounting)、配線及び乾燥を施した。発光材料を秤量し、適切な比率で透明なエポキシ樹脂と均質に混合し、その後得られた混合物を、(接着剤を塗布して)半導体発光チップ上に均一にコーティングした。接着剤を塗布したリードカップを真空オーブン内で硬化させ、その後エポキシ樹脂を充填した鋳型に挿入し、真空オーブン内で硬化させ、その後成形品を取り出した。得られたデバイスの色度座標はX=0.3293及びY=0.3317、色温度は5637K、色調指数は90であった。紫外線チップからの紫外光の励起の下で、発光材料が白色光を放出したが、この白色光のスペクトルは、それぞれ青色光領域、緑色領域及び赤色光領域に3つのピークを有していた。
図5bに示すLEDパッケージング様式に従って、白色光LEDを作製した。この実施例においては、半導体発光チップの主発光ピーク波長が400nmであり、発光材料は、実施例7及び10で得た発光材料を適切な比率で混合することによって得た。パッケージングプロセスは、発光材料がエポキシ樹脂表面層内に均一に分布していることを除いて、実施例38で説明したパッケージングプロセスと同様である。この白色光LEDの発光スペクトルは、発光材料が紫外線チップからの紫外光によって励起された後に発光材料から放出される青色光、緑色光及び赤色光のスペクトルで構成されていた。白色光LEDの色度座標はX=0.3457及びY=0.3493、色温度は4962Kであった。
図5cに示すLEDパッケージング様式に従って、白色光LEDを作製した。この実施例においては、半導体発光チップの主発光ピーク波長が380nmであり、発光材料は、実施例6で得た発光材料と、実施例10で得た発光材料と、希土類ドーピング活性化ホウ酸ガドリニウムマグネシウム蛍光体(Gd0.65MgB9O16:Eu0.35、主発光ピーク波長が623nm)とを適切な比率で混合することによって得た。パッケージングプロセスは、発光材料が半導体発光チップを覆うエポキシ樹脂中に均一に分布していることを除いて、実施例38で説明したパッケージングプロセスと同様である。この白色光LEDの発光スペクトルは、励起された後実施例6の発光材料及び実施例10の発光材料によってそれぞれ放出される青色光及び緑色光の一部のスペクトルと、実施例7の発光材料からの緑色光の一部を吸収することによって励起された後ホウ酸ガドリニウムマグネシウム蛍光体によって放出される赤色光のスペクトルとで構成されていた。白色光LEDの色度座標はX=0.2947及びY=0.3013、色温度は8096Kであった。
(1)発光材料の有効励起波長域は、半導体発光チップの主発光ピーク波長及び/又は共に使用する他の1つ(又は複数の)蛍光体の主発光ピーク波長と一致すべきである。
(2)半導体発光チップの主発光ピーク波長が決まっている状況においては、LED製品によって放出される光の所望の色に従って発光材料を選択することができる。
(3)本発明のケイ酸塩発光材料の少なくとも1種を使用することを前提として、LED製品によって放出される光の所望の色に従って、本発明の発光材料以外の第2の発光材料及び/又は第3の発光材料及び/又は第4の発光材料を選択することができる。
Claims (18)
- 発光材料、特に、LEDを備える発光デバイスにおいて使用する発光材料であって、ケイ酸塩及び活性化剤イオンを主に含み、下記式によって表される化学組成を主として有することを特徴とし、
aAO・bA’O・cSiO2:xEu・yLn・zM・δN
式中、Aは、Sr、Ca、Ba及びこれらの組合せからなる群から選択され、A’は、Mg、Zn及びこれらの組合せからなる群から選択され、Lnは、Nd、Dy、Ho、Tm、La、Ce、Er、Pr、Bi、Sm、Sn、Y、Lu、Ga、Sb、Tb、Mn及びPbからなる群から選択される少なくとも1種の元素のイオン(複数可)であり、Mは、Cl−、F−、Br−、I−及びこれらの組合せからなる群から選択され、Nは、Li+、Na+、K+、Ag+及びこれらの組合せからなる群から選択され、a、b、c、x、y、z及びδはモル係数であり、1.0≦a≦5.0、0≦b≦2.0、0.5≦c≦2.5、0.001≦x≦0.2、0≦y≦0.5、0<z<0.5、0<δ<0.2であり、1≦(a+b)/c≦4であり、240〜475nmの紫外光〜青色光領域に発光スペクトルを有する励起光源としての発光素子による励起の下、前記発光材料が前記励起光源からの光の少なくとも一部を吸収し、それにより370〜760nmの範囲内に少なくとも2つのピークを有する発光スペクトルを生成し、前記発光が組み合わさって白色光を生じ、前記発光材料の発光ピーク波長が前記励起光源の長波長側の発光ピークの波長よりも長いことを特徴とする発光材料。 - 1≦(a+b)/c≦2である、請求項1に記載の発光材料。
- 前記化学組成を表す式において、Aは、Sr、Ca、Ba及びこれらの組合せからなる群から選択され、A’は、Mg、Zn及びこれらの組合せからなる群から選択され、Lnは、Nd、Dy、Ho、Tm、La、Ce、Er、Pr、Sm、Lu、Ga、Bi、Sb、Tb及びMnからなる群から選択される少なくとも1種の元素のイオン(複数可)であり、Mは、Cl−、F−及びこれらの組合せからなる群から選択され、Nは、Li+又はAg+又はこれらの組合せであり、1.0≦a≦4.0、0≦b≦2.0、0.7≦c≦2.2、0.001≦x≦0.1、0≦y≦0.25、0.001≦z<0.2、0.001≦δ<0.1であり、1.5≦(a+b)/c≦3であることを特徴とする、請求項1に記載の発光材料。
- 1.5≦(a+b)/c≦2である、請求項3に記載の発光材料。
- 240〜455nmの紫外光〜青紫色光領域に発光ピークを有する励起光源からの光によって励起され、370〜760nmの範囲内に2つのピークを有する発光スペクトルを発生することを特徴とする、請求項1に記載の発光材料。
- 240〜455nmの紫外光〜青紫色光領域に発光ピークを有する励起光源からの光によって励起され、370〜760nmの範囲内に3つのピークを有する発光スペクトルを発生することを特徴とする、請求項1に記載の発光材料。
- 455〜475nmの青色光領域に発光ピークを有する励起光源からの光によって励起され、370〜760nmの範囲内に2つのピークを有する発光スペクトルを発生することを特徴とする、請求項1に記載の発光材料。
- 455〜475nmの青色光領域に発光ピークを有する励起光源からの光によって励起され、370〜760nmの範囲内に3つのピークを有する発光スペクトルを発生することを特徴とする、請求項1に記載の発光材料。
- 励起光源として使用する発光素子と、前記励起光源からの光の少なくとも一部を変換することができる発光材料とを備える発光デバイスであって、
前記発光素子は、240〜475nmの紫外光〜青色光領域にピークのある発光スペクトルを有し、
前記発光素子の前記発光スペクトルの波長の少なくとも一部を変更することにより、370〜760nmの波長域内に少なくとも2つのピークがある前記発光材料の発光スペクトルを生じ、
前記発光材料の少なくとも1種が、請求項1〜8のいずれか一項に記載の発光材料であることを特徴とする発光デバイス。 - 前記励起光源としての前記発光素子が、前記発光材料が吸収帯を有する240〜475nmの紫外光〜青色光領域に、発光ピークを少なくとも1つ有することを特徴とする、請求項9に記載の発光デバイス。
- 前記発光素子の発光層が、窒化物半導体又はIn含有窒化物半導体から形成されることを特徴とする、請求項9又は10に記載の発光デバイス。
- 励起光源として使用する発光素子と、前記励起光源からの光の少なくとも一部を変換することができる発光材料とを備える発光デバイスであって、
前記発光素子は、240〜475nmの紫外光〜青色光領域にピークのある発光スペクトルを有し、
前記発光素子の前記発光スペクトルの波長の少なくとも一部を変更することにより、370〜760nmの波長域内に少なくとも2つのピークがある前記発光材料の発光スペクトルを生じ、
使用する前記発光材料が、請求項1〜8のいずれか一項に記載のケイ酸塩発光材料であることを特徴とする発光デバイス。 - 励起光源として使用する発光素子と、前記励起光源からの光の少なくとも一部を変換することができる発光材料とを備える発光デバイスであって、
前記発光素子は、240〜475nmの紫外光〜青色光領域にピークのある発光スペクトルを有し、
前記発光素子の前記発光スペクトルの波長の少なくとも一部を変更することにより、370〜760nmの波長域内に少なくとも2つのピークがある前記発光材料の発光スペクトルを生じ、
前記発光材料が、請求項1〜8のいずれか一項に記載のケイ酸塩発光材料の1つ又は組合せであり、前記発光材料が、前記励起光源から及び/又は前記組合せの中の他の発光材料からの光の少なくとも一部を吸収し、前記発光素子の前記発光スペクトルの波長の少なくとも一部を変更するように変換して、370〜760nmの波長域内に少なくとも2つのピークを有する異なる発光スペクトルを与えることにより、白色光が生じることを特徴とする発光デバイス。 - 励起光源として使用する発光素子と、前記励起光源からの光の少なくとも一部を変換することができる発光材料とを備える発光デバイスであって、
前記発光素子は、240〜475nmの紫外光〜青色光領域にピークのある発光スペクトルを有し、
前記発光素子の前記発光スペクトルの波長の少なくとも一部を変更することにより、370〜760nmの波長域内に少なくとも2つのピークがある前記発光材料の発光スペクトルを生じ、
前記発光材料の少なくとも1種が、請求項1〜8のいずれか一項に記載の発光材料であり、
前記発光材料は、請求項1〜8のいずれか一項に記載の発光材料の少なくとも1つと共に使用する第2の発光材料及び/又は第3の発光材料及び/又は第4の発光材料をさらに含み、
前記第2の発光材料及び/又は前記第3の発光材料及び/又は前記第4の発光材料が、前記励起光源からの光の一部及び/又は請求項1〜8のいずれか一項に記載のケイ酸塩発光材料からの光の少なくとも一部を変換して、それにより白色光を生じることを特徴とする発光デバイス。 - 前記励起光源としての前記発光素子が、紫外光〜青色光領域にピーク値のある発光スペクトルを有し、前記ケイ酸塩発光材料からの光の少なくとも一部並びに前記第2及び/又は第3及び/又は第4の発光材料からの光を含む、少なくとも2本の光線を複合することにより、白色光を形成することを特徴とする、請求項9に記載の発光デバイス。
- 前記第2及び/又は第3及び/又は第4の発光材料が、希土類ドーピング活性化酸窒化物蛍光体及び/又は希土類ドーピング活性化窒化物蛍光体及び/又は希土類ドーピング活性化ハロケイ酸塩蛍光体及び/又はガーネット型構造の希土類ドーピング活性化蛍光体及び/又は希土類ドーピング活性化硫化物蛍光体及び/又は希土類ドーピング活性化酸化物蛍光体及び/又は希土類ドーピング活性化酸化物−硫化物蛍光体及び/又は希土類ドーピング活性化アルミン酸塩蛍光体及び/又はMnドーピング活性化マグネシウム弗化ヒ酸(ゲルマン酸)塩蛍光体及び/又は希土類ドーピング活性化ホウ酸塩蛍光体及び/又は希土類ドーピング活性化リン酸塩蛍光体及び/又は希土類ドーピング活性化ハロリン酸塩蛍光体及び/又は希土類ドーピング活性化チタン酸塩蛍光体及び/又は希土類ドーピング活性化チオガリウム酸塩蛍光体であることを特徴とする、請求項14に記載の発光デバイス。
- 前記発光材料がチップと直接接触又は間接接触している発光変換LEDであることを特徴とする、請求項9に記載の発光デバイス。
- 前記発光材料を使用するLEDを少なくとも1つ備える照明デバイスであることを特徴とする、請求項9に記載の発光デバイス。
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