JP5847908B2 - オキシ炭窒化物蛍光体およびこれを使用する発光素子 - Google Patents

オキシ炭窒化物蛍光体およびこれを使用する発光素子 Download PDF

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Description

優先権の主張
本出願は、2010年5月14日に出願された米国仮特許出願第61/334,967号、および2010年9月10日に出願された米国仮特許出願第61/381,862号についての優先権を主張し、これら出願の開示はその全体が参照によってここに組み込まれる。
参考文献に関する主張
本明細書において言及される全ての特許、公報および非特許参考文献はその全体が参照によってこの明細書に組み込まれると見なされるものとする。
政府の財政的支援
この発明はエネルギー省認可番号DE−EE0003245の下で米国政府の支援を伴ってなされた。米国政府は本発明における所定の権利を有しうる。
近年、R&Dの取り組みが蛍光体変換LED(phosphor−converted LED;pcLED)についてのLEDチップおよび蛍光体の双方に集中されており、その結果、効率的な高出力LEDおよび効率的な蛍光体の双方が示されてきた。しかし、pcLEDにおいて駆動する蛍光体の独特の形態は蛍光体がLEDチップのすぐ近くにあり、かつLEDが高温で駆動することである。高出力LEDの典型的な接合部温度は100℃〜150℃の範囲にある。これら温度において、蛍光体の結晶は高振動励起状態にあり、励起エネルギーが、望まれるルミネセンス発光ではなく格子緩和による熱放射に向けられるようにする。さらに、これら格子緩和は振動励起で熱を生じさせ、それによりルミネセンス発光効率をさらに低下させる。これは既存の蛍光体材料の成功裏の適用をできなくする悪質なサイクルである。一般的な照明用途のためのpcLEDランプは、蛍光体結晶の内側で発生するストークスシフトによって追加の加熱を引き起こす高い光エネルギーフラックス(例えば、1ワット/mmより高い)を必要とする。一般的な照明のためのpcLEDランプの成功した開発は100℃〜150℃の温度で高効率で駆動しうる蛍光体を必要とする。このリスクは室温で90%の量子収率を達成することおよび100℃〜150℃での高い熱安定性を有することの双方が困難なことである。蛍光体のルミネセンスの熱安定性は蛍光体の固有の特性であり、これは結晶材料の組成および構造によって決定される。
酸窒化物蛍光体が、上述の高い温度範囲でのその優れたルミネセンス性能のせいで、pcLEDにおける使用に考慮されてきた。著名な例はサイアロン系蛍光体であって、そのホスト結晶はホスト結晶構造の骨格としてSi−N、Si−O、Al−NおよびSl−Oの化学結合によって構成されている。今までに見いだされた酸窒化物蛍光体のそれぞれは主として単一結晶相を含み、および多くの場合第2の相は「不純物」と見なされる。しかし、蛍光体は概して、非化学量論的比率を許容し、かつ通常不均質である材料である。本発明においては、オキシ炭窒化物蛍光体組成物の群が1より多い独特の結晶相を含んでなり、そのそれぞれが高効率で蛍光を発することが示される。
炭素または炭化物を結晶質蛍光体材料に導入することはルミネセンス性能を悪化させると従来は考えられてきた。多くの場合、暗い本体色の様々な炭化物が発光光の吸収もしくはクエンチングのソースであり得る。また、炭素または炭化物を利用して蛍光体を製造した後に残る残留未反応炭化物は蛍光体の発光強度を妨げうる。
炭窒化物蛍光体はホスト結晶中の炭素、窒素、ケイ素、アルミニウムおよび/または他の金属、並びにルミネセントアクチベータとして1種以上の金属ドーパントを含んでなる。この種の蛍光体は近年、近UV(nUV)もしくは青色光を緑、黄、橙および赤色光に変換することができる色コンバータとして出現している。炭窒化物蛍光体のホスト結晶は−N−Si−C−ネットワークを含んで成り、その中ではSi−CおよびSi−Nの強い共有結合が主構造構成要素として機能している。一般的に、Si−C結合によって形成されるネットワーク構造は全可視光スペクトル領域における強い吸収を有し、それ故に、従来は、高効率蛍光体のためのホスト材料での使用には適していないと考えられてきた。例えば、Ce3+がドーパントである所定の窒化物−ケイ素−炭化物蛍光体においては、Ce3+と−N−Si−C−ネットワークとの間の電子的相互作用が結果的に、400〜500nm波長における強い吸収を生じさせ、可視光のその特定のスペクトル領域において蛍光体を低反射率にする。この効果は高い発光効率を有する蛍光体を達成するのに有害である。
このたび、特定の炭窒化物蛍光体組成物において、特に、比較的高い温度(例えば、200℃〜400℃)で、炭化物が蛍光体のルミネセンスをクエンチするのではなく、実際に増大させることが見いだされた。本発明は、炭化物の量が増大するにつれて、可視光の波長範囲での特定のオキシ炭窒化物(oxycarbonitride)蛍光体の反射率が低下することを示す。これら炭化物含有蛍光体は発光の優れた熱安定性および高発光効率を有する。
ある実施形態においては、本発明は、
(1) M(II)Si:A
(式中、6<a<8、8<b<14、13<c<17、5<d<9、0<e<2、好ましくは、6.5<a<7.5、8.5<b<12.5、14<c<16、6<d<7.5、0<e<1)で表されるオキシ炭窒化物蛍光体の新規ファミリーに関する。M(II)は少なくとも1種の二価カチオンを含み、かつBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Co、Ni、Pd、Zn、Cdおよび他の二価遷移金属イオンを含む群から選択されうる。Aは結晶構造中に、M(II)に対して約0.001モル%〜約20モル%、好ましくは約0.1モル%〜約10モル%の濃度水準でドープされているルミネセンスアクチベータを含む。AはCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Bi、Sb、好ましくはEu2+、Ce3+、Tb3+、Yb2+およびMn2+を含む群から選択される少なくとも1種の金属イオンでありうる。
ある実施形態においては、本発明は、
(2) M(II)Al12−x−ySix+y25−xx−y:A
(式中、0<x≦12、0<y<x、および0<x+y≦12である)で表されるオキシ炭窒化物蛍光体の新規ファミリーに関する。M(II)は少なくとも1種の二価カチオンを含み、かつBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Co、Ni、Pd、Zn、Cdおよび他の二価遷移金属イオンを含む群から選択されうる。Aは結晶構造中に、M(II)に対して約0.001モル%〜約20モル%、好ましくは約0.1モル%〜約10モル%の濃度水準でドープされているルミネセンスアクチベータを含む。AはCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Bi、Sb、好ましくはEu2+、Ce3+、Tb3+、Yb2+およびMn2+を含む群から選択される少なくとも1種の金属イオンでありうる。
ある実施形態においては、本発明は、
(3) M(II)M(III)12−x−ySix+y25−xx−y:A
(式中、0<x≦12、0<x+y≦12、および0<y<xである)で表されるオキシ炭窒化物系蛍光体の新規ファミリーに関する。M(II)は少なくとも1種の二価カチオンを含み、かつBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Co、Ni、Pd、Zn、Cdおよび他の二価遷移金属イオンを含む群から選択されうる。M(III)は少なくとも1種の三価カチオンを含み、かつB、Al、Ga、In、Sc、Y、LaおよびGd、並びに他の三価金属イオンを含む群から選択されうる。Aは結晶構造中に、M(II)に対して約0.001モル%〜約20モル%、好ましくは約0.1モル%〜約10モル%の濃度水準でドープされているルミネセンスアクチベータを含む。AはCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Bi、Sb、好ましくはEu2+、Ce3+、Tb3+、Yb2+およびMn2+を含む群から選択される少なくとも1種の金属イオンでありうる。
ある実施形態においては、本発明は、
Figure 0005847908
(式中、0<x<12、0≦y<x、0<x+y≦12、0<δ≦3、およびδ<x+yである)で表されるオキシ炭窒化物系蛍光体の新規ファミリーに関する。M(II)は少なくとも1種の二価カチオンを含み、かつBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Co、Ni、Pd、Zn、Cdおよび他の二価遷移金属イオンを含む群から選択されうる。M(III)は少なくとも1種の三価カチオンを含み、かつB、Al、Ga、In、Sc、Y、LaおよびGd、並びに他の三価金属イオンを含む群から選択されうる。Aは結晶構造中に、M(II)およびM(I)に対して約0.001モル%〜約20モル%、好ましくは約0.1モル%〜約10モル%の濃度水準でドープされているルミネセンスアクチベータを含む。AはCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Bi、Sb、好ましくはEu2+、Ce3+、Tb3+、Yb2+およびMn2+を含む群から選択される少なくとも1種のイオンでありうる。
ある実施形態においては、本発明は、
Figure 0005847908
(式中、0<x<12、0≦y<x、0<z<x、0<x+y+z≦12、z<x+δ、および0<δ≦3である)で表されるオキシ炭窒化物系蛍光体の新規ファミリーに関する。M(II)は少なくとも1種の二価カチオンを含み、かつBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Co、Ni、Pd、Zn、Cdおよび他の二価遷移金属イオンを含む群から選択されうる。M(I)は少なくとも1種の一価カチオンを含み、かつLi、Na、K、Rb、Cu、AgおよびAuを含む群から選択されうる。M(III)は少なくとも1種の三価カチオンを含み、かつB、Al、Ga、In、Sc、Y、LaおよびGd、並びに他の三価金属イオンを含む群から選択されうる。Aは結晶構造中に、M(II)およびM(I)に対して約0.001モル%〜約20モル%、好ましくは約0.1モル%〜約10モル%の濃度水準でドープされているルミネセンスアクチベータを含む。AはCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Bi、Sb、好ましくはEu2+、Ce3+、Tb3+、Yb2+およびMn2+を含む群から選択される少なくとも1種のイオンでありうる。
ある実施形態においては、本発明は、
Figure 0005847908
(式中、0<x<12、0≦y<1、0<z<x、z<x+δ、0<δ≦3、0≦v<1、および0<x+y+z≦12である)で表されるオキシ炭窒化物系蛍光体の新規ファミリーに関する。M(II)は少なくとも1種の二価カチオンを含み、かつBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Co、Ni、Pd、Zn、Cdおよび他の二価遷移金属イオンを含む群から選択されうる。M(I)は少なくとも1種の一価カチオンを含み、かつLi、Na、K、Rb、Cu、AgおよびAuを含む群から選択されうる。M(III)は少なくとも1種の三価カチオンを含み、かつB、Al、Ga、In、Sc、Y、LaおよびGd、並びに他の三価金属イオンを含む群から選択されうる。Hは少なくとも1種の一価アニオンを含み、かつF、Cl、BrおよびIを含む群から選択されうる。Aは結晶構造中に、M(II)およびM(I)に対して約0.001モル%〜約20モル%、好ましくは約0.1モル%〜約10モル%の濃度水準でドープされているルミネセンスアクチベータを含む。AはCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Bi、Sb、好ましくはEu2+、Ce3+、Tb3+、Yb2+およびMn2+を含む群から選択される少なくとも1種のイオンでありうる。
ある実施形態においては、本発明は式
M(II)Si:A
(式中、6<a<8、8<b<14、13<c<17、5<d<9、および0<e<2である;M(II)は少なくとも1種の二価カチオンを含み;並びに、Aは蛍光体のホスト結晶においてドープされているルミネセンスアクチベータを含む)を有する蛍光体を含む組成物(1)に関する。ある実施形態においては、M(II)はBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Co、Ni、Pd、Zn、およびCdからなる群から選択される少なくとも1種の二価カチオンを含む。さらなる形態においては、M(II)は2種以上の異なる二価カチオンを含む。ある実施形態においては、AはCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Bi、およびSbからなる群から選択されるルミネセンスアクチベータを含む。Aは蛍光体のホスト結晶中に、M(II)に対して約0.001モル%〜約20モル%の濃度水準でドープされる。Aのモル%はこの範囲内で.0001の増分で調節されうる。ある実施形態においては、Aは蛍光体のホスト結晶中に、約0.01モル%〜約10モル%の濃度水準でドープされる。さらなる実施形態においては、Aは蛍光体のホスト結晶中に、約0.10モル%〜約5モル%の濃度水準でドープされる。
ある実施形態においては、組成物(1)の蛍光体は第1の結晶相を含む。さらなる実施形態においては、この第1の結晶相は斜方晶系であるかまたは三斜晶系である。ある実施形態においては、同じ第1の結晶相が、同程度の確実性で、斜方晶もしくは三斜晶として分類されうることが可能である。ある実施形態においては、蛍光体は単一の結晶相のみからなる。ある実施形態においては、蛍光体は他の結晶相を含まない。他の実施形態においては、蛍光体は少なくとも第1の結晶相および第2の結晶相を含む。ある実施形態においては、第1の結晶相が斜方晶系であり、かつ第2の結晶相が空間群P1(No.1)に属する三斜晶系である。他の実施形態においては、第1の結晶相が三斜晶系であり、かつ第2の結晶相が前記第1の結晶相とは異なっていてよい空間群P1(No.1)に属する三斜晶系である。
ある実施形態においては、蛍光体組成物(1)は斜方晶結晶系である結晶相を含み、そこでは、ホスト結晶の単位胞パラメータaが約11.071Å〜約11.471Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータbが約8.243Å〜約8.643Åであり;並びに、ホスト結晶の単位胞パラメータcが約7.667Å〜約8.067Åである。それぞれのこれら範囲内で、単位胞パラメータは0.001の増分で変動しうる。ある実施形態においては、ホスト結晶の単位胞パラメータaが約11.171Å〜約11.371Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータbが約8.343Å〜約8.543Åであり;並びに、ホスト結晶の単位胞パラメータcが約7.767Å〜約7.967Åである。別の実施形態においては、ホスト結晶の単位胞パラメータaが約11.271Å〜約11.371Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータbが約8.443Å〜約8.543Åであり;並びに、ホスト結晶の単位胞パラメータcが約7.867Å〜約7.967Åである。他の実施形態においては、ホスト結晶の単位胞パラメータaが約11.221Å〜約11.321Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータbが約8.393Å〜約8.493Åであり;並びに、ホスト結晶の単位胞パラメータcが約7.817Å〜約7.917Åである。好ましい実施形態においては、ホスト結晶の単位胞パラメータaが約11.271Å〜約11.301Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータbが約8.383Å〜約8.453Åであり;並びに、ホスト結晶の単位胞パラメータcが約7.807Å〜約7.907Åである。
別の実施形態においては、蛍光体組成物(1)は三斜晶系である結晶相を含み、ホスト結晶の単位胞パラメータaが約11.049Å〜約11.449Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータbが約8.231Å〜約8.631Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータcが約7.662Å〜約8.062Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータαが約87度〜約93度であり;ホスト結晶の単位胞パラメータβが約87度〜約93度であり;並びに、ホスト結晶の単位胞パラメータγが約87度〜約93度である。単位胞パラメータa、bおよびcについての各範囲内で、単位胞パラメータは0.001の増分で変動しうる。単位胞パラメータα、β、およびγについての範囲内で、単位胞パラメータは0.01の増分で変動しうる。ある実施形態においては、ホスト結晶の単位胞パラメータaが約11.149Å〜約11.349Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータbが約8.331Å〜約8.531Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータcが約7.762Å〜約7.962Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータαが約89度〜約91度であり;ホスト結晶の単位胞パラメータβが約89度〜約91度であり;並びに、ホスト結晶の単位胞パラメータγが約89度〜約91度である。ある実施形態においては、ホスト結晶の単位胞パラメータaが約11.249Å〜約11.349Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータbが約8.431Å〜約8.531Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータcが約7.862Å〜約7.962Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータαが約89.5度〜約90.5度であり;ホスト結晶の単位胞パラメータβが約89.5度〜約90.5度であり;並びに、ホスト結晶の単位胞パラメータγが約89.5度〜約90.5度である。ある実施形態においては、ホスト結晶の単位胞パラメータaが約11.199Å〜約11.299Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータbが約8.381Å〜約8.481Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータcが約7.812Å〜約7.912Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータαが約89.5度〜約90.5度であり;ホスト結晶の単位胞パラメータβが約89.5度〜約90.5度であり;並びに、ホスト結晶の単位胞パラメータγが約89.5度〜約90.5度である。好ましい実施形態においては、ホスト結晶の単位胞パラメータαが約89.5度〜約89.9度であり;ホスト結晶の単位胞パラメータβが約89.5度〜約89.9度であり;並びに、ホスト結晶の単位胞パラメータγが約89.5度〜約89.9度である。
ある実施形態においては、蛍光体組成物(1)は1種以上の追加の蛍光体をさらに含む。ある実施形態においては、蛍光体組成物は、
Ca1−xAlx−xySi1−x+xy2−x−xyxy:A、
Ca1−x−zNaM(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xyxy:A、
M(II)1−x−zM(I)M(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xyxy:A、
M(II)1−x−zM(I)M(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xy−2w/3xyw−v/2:A、および
M(II)1−x−zM(I)M(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xy−2w/3−v/3xy:A、
(式中、0<x<l、0<y<l、0≦z<l、0≦v<l、0<w<l、x+z<l、x>xy+z、v/2≦w、x−xy−2w/3−v/3<2、および0<x−xy−z<lであり;M(II)は少なくとも1種の二価カチオンであり、M(I)は少なくとも1種の一価カチオンであり、M(III)は少なくとも1種の三価カチオンであり;Hは少なくとも1種の一価アニオンであり;並びに、Aはルミネセンスアクチベータである)からなる群から選択される少なくとも1種の蛍光体をさらに含む。
ある実施形態においては、本発明は式
M(II)Al12−x−ySix+y25−xx−y:A (式中、0<x≦12、0<y<x、および0<x+y≦12;M(II)は少なくとも1種の二価カチオンを含み;並びにAは結晶構造中にドープされているルミネセンスアクチベータを含む)を有する蛍光体を含む組成物(2)に関する。ある実施形態においては、M(II)はBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Co、Ni、Pd、Zn、およびCdからなる群から選択される少なくとも1種の二価カチオンを含む。ある実施形態においては、M(II)は2種以上の異なる二価カチオンを含む。さらなる実施形態においては、AはCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Bi、およびSbからなる群から選択されるルミネセンスアクチベータを含む。ある実施形態においては、Aは蛍光体のホスト結晶中に、M(II)に対して0.001モル%〜20モル%の濃度水準でドープされる。Aのモル%はこの範囲内で.0001の増分で調節されうる。ある実施形態においては、Aは蛍光体のホスト結晶中に、約0.01モル%〜約10モル%の濃度水準でドープされる。さらなる実施形態においては、Aは蛍光体のホスト結晶中に、約0.10モル%〜約5モル%の濃度水準でドープされる。
ある実施形態においては、組成物(2)の蛍光体は、空間群P1(No.1)に属する三斜晶系である結晶相を含む。ある実施形態においては、蛍光体は単一の結晶相のみからなる。ある実施形態においては、蛍光体は他の結晶相を含まない。他の実施形態においては、蛍光体は少なくとも第1の結晶相および第2の結晶相を含む。ある実施形態においては、第1の結晶相が斜方晶系であり、かつ第2の結晶相が空間群P1(No.1)に属する三斜晶系である。他の実施形態においては、第1の結晶相が三斜晶系であり、かつ第2の結晶相が前記第1の結晶相とは異なっていてよい空間群P1(No.1)に属する三斜晶系である。ある実施形態においては、同じ結晶相が同程度の確実性で、斜方晶もしくは三斜晶として分類されることが可能である。
ある実施形態においては、蛍光体組成物(2)は、空間群P1(No.1)に属する三斜晶系である結晶相を含み、そこでは、ホスト結晶の単位胞パラメータaが約6.9011Å〜約7.3011Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータbが約7.0039Å〜約7.4039Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータcが約7.0728Å〜約7.4728Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータαが約85度〜約92度であり;ホスト結晶の単位胞パラメータβが約81度〜約88度であり;並びに、ホスト結晶の単位胞パラメータγが約72度〜約79度である。単位胞パラメータa、bおよびcについての各範囲内で、単位胞パラメータは0.0001の増分で変動しうる。単位胞パラメータα、β、およびγについての範囲内で、単位胞パラメータは0.001の増分で変動しうる。ある実施形態においては、ホスト結晶の単位胞パラメータaが約7.0011Å〜約7.2011Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータbが約7.1039Å〜約7.3039Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータcが約7.1728Å〜約7.3728Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータαが約87度〜約90度であり;ホスト結晶の単位胞パラメータβが約83度〜約86度であり;並びに、ホスト結晶の単位胞パラメータγが約74度〜約77度である。ある実施形態においては、ホスト結晶の単位胞パラメータaが約7.0511Å〜約7.1511Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータbが約7.1539Å〜約7.2539Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータcが約7.2228Å〜約7.3228Åであり;ホスト結晶の単位胞パラメータαが約88.431度〜約89.431度であり;ホスト結晶の単位胞パラメータβが約84.415度〜約84.515度であり;並びに、ホスト結晶の単位胞パラメータγが約75.593度〜約76.593度である。好ましい実施形態においては、ホスト結晶の単位胞パラメータαが約88.9度〜約89.9度であり;ホスト結晶の単位胞パラメータβが約84.5度〜約85.0度であり;並びに、ホスト結晶の単位胞パラメータγが約75.6度〜約76.5度である。
ある実施形態においては、蛍光体組成物(2)は1種以上の追加の蛍光体を含む。ある実施形態においては、この組成物は、
Ca1−xAlx−xySi1−x+xy2−x−xyxy:A、
Ca1−x−zNaM(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xyxy:A、
M(II)1−x−zM(I)M(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xyxy:A、
M(II)1−x−zM(I)M(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xy−2w/3xyw−v/2:A、および
M(II)1−x−zM(I)M(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xy−2w/3−v/3xy:A
(式中、0<x<l、0<y<l、0≦z<l、0≦v<l、0<w<l、x+z<l、x>xy+z、v/2≦w、x−xy−2w/3−v/3<2、および0<x−xy−z<lであり;M(II)は少なくとも1種の二価カチオンであり、M(I)は少なくとも1種の一価カチオンであり、M(III)は少なくとも1種の三価カチオンであり;Hは少なくとも1種の一価アニオンであり;並びに、Aはルミネセンスアクチベータである)からなる群から選択される少なくとも1種の蛍光体をさらに含む。
ある実施形態においては、本発明は以下のものからなる群から選択される式を有する蛍光体を含む組成物(3、4、4a、5、5a、6または6a)に関する:
(a) M(II)M(III)12−x−ySix+y25−xx−y:A 式中、0<x≦12、0<x+y≦12、および0<y<x、
Figure 0005847908
式中、M(II)は少なくとも1種の二価カチオンを含み;
M(I)は少なくとも1種の一価カチオンを含み;
M(III)は少なくとも1種の三価カチオンを含み;
Hは少なくとも1種の一価アニオンを含み;並びに、
Aは結晶構造中にドープされているルミネセンスアクチベータを含む。
組成物(3、4、4a、5、5a、6または6a)のある実施形態においては、M(II)は、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Co、Ni、Pd、ZnおよびCdからなる群から選択される少なくとも1種の二価カチオンを含み;M(III)はB、Al、Ga、In、Sc、Y、LaおよびGdからなる群から選択される少なくとも1種の三価カチオンを含み;M(I)はLi、Na、K、Rb、Cu、AgおよびAuからなる群から選択される少なくとも1種の一価カチオンを含み;並びにHはF、CI、BrおよびIからなる群から選択される少なくとも1種の一価アニオンを含む。ある実施形態においては、AはCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Bi、およびSbからなる群から選択される少なくとも1種のルミネセンスアクチベータを含む。さらなる実施形態においては、Aは蛍光体のホスト結晶中に、M(II)およびM(I)に対して0.001モル%〜20モル%の濃度水準でドープされる。Aのモル%はこの範囲内で.0001の増分で調節されうる。ある実施形態においては、Aは蛍光体のホスト結晶中に、約0.01モル%〜約10モル%の濃度水準でドープされる。さらなる実施形態においては、Aは蛍光体のホスト結晶中に、約0.10モル%〜約5モル%の濃度水準でドープされる。
ある実施形態においては、蛍光体組成物(3、4、4a、5、5a、6、または6a)は、空間群P1(No.1)に属する三斜晶系である結晶相を含む。ある実施形態においては、蛍光体は単一の結晶相のみからなる。ある実施形態においては、蛍光体は他の結晶相を含まない。他の実施形態においては、蛍光体は少なくとも第1の結晶相および第2の結晶相を含む。ある実施形態においては、第1の結晶相が斜方晶系であり、かつ第2の結晶相が空間群P1(No.1)に属する三斜晶系である。他の実施形態においては、第1の結晶相が三斜晶系であり、かつ第2の結晶相が前記第1の結晶相とは異なっていてよい空間群P1(No.1)に属する三斜晶系である。ある実施形態においては、同じ結晶相が同程度の確実性で、斜方晶もしくは三斜晶として分類されることが可能である。
ある実施形態においては、蛍光体組成物(3、4、4a、5、5a、6、または6a)は1種以上の追加の蛍光体をさらに含む。ある実施形態においては、この組成物は、
Ca1−xAlx−xySi1−x+xy2−x−xyxy:A、
Ca1−x−zNaM(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xyxy:A、
M(II)1−x−zM(I)M(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xyxy:A、
M(II)1−x−zM(I)M(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xy−2w/3xyw−v/2:A、および
M(II)1−x−zM(I)M(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xy−2w/3−v/3xy:A
(式中、0<x<l、0<y<l、0≦z<l、0≦v<l、0<w<l、x+z<l、x>xy+z、v/2≦w、x−xy−2w/3−v/3<2、および0<x−xy−z<lであり;M(II)は少なくとも1種の二価カチオンであり、M(I)は少なくとも1種の一価カチオンであり、M(III)は少なくとも1種の三価カチオンであり;Hは少なくとも1種の一価アニオンであり;並びに、Aはルミネセンスアクチベータである)からなる群から選択される少なくとも1種の蛍光体をさらに含む。
ある実施形態においては、本発明は少なくとも1つの炭素原子;少なくとも1つの二価カチオンM(II);少なくとも1つの酸素原子;および少なくとも1つの窒素原子を含む蛍光体を含む組成物であって、前記蛍光体が第1の結晶相を含み、前記第1の結晶相が斜方晶系または三斜晶系である組成物に関する。ある実施形態においては、M(II)はBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Co、Ni、Pd、Zn、およびCdからなる群から選択される少なくとも1種の二価カチオンを含む。ある実施形態においては、蛍光体は、M(II)に対して0.001モル%〜20モル%の濃度水準で、蛍光体のホスト結晶中にドープされているルミネセンスアクチベータAをさらに含む。Aのモル%はこの範囲内で.0001の増分で調節されうる。ある実施形態においては、Aは蛍光体のホスト結晶中に、約0.01モル%〜約10モル%の濃度水準でドープされる。さらなる実施形態においては、Aは蛍光体のホスト結晶中に、約0.10モル%〜約5モル%の濃度水準でドープされる。さらなる実施形態においては、蛍光体は少なくとも第2の結晶相をさらに含む。ある実施形態においては、第2の結晶相は空間群P1(No.1)に属する三斜晶系である。ある実施形態においては、蛍光体は光源によって励起される場合に、約400nm〜約650nmの単一発光スペクトルの光を放射する。
ある実施形態においては、本発明は、第1のルミネセンススペクトルを放射する光源;および前記光源からの光で照射される場合に第2のルミネセンススペクトルを有する光を放射する蛍光体組成物;を含む発光素子であって、
前記蛍光体組成物が
Figure 0005847908
(式中、M(II)は少なくとも1種の二価カチオンを含み;
M(I)は少なくとも1種の一価カチオンを含み;
M(III)は少なくとも1種の三価カチオンを含み;
Hは少なくとも1種の一価アニオンを含み;並びに、
Aは結晶構造中にドープされているルミネセンスアクチベータを含む)
からなる群から選択される少なくとも1種の蛍光体を含む、発光素子に関する。
発光素子のある実施形態においては、M(II)はBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Co、Ni、Pd、ZnおよびCdからなる群から選択される少なくとも1種の二価カチオンを含み;M(I)はLi、Na、K、Rb、Cu、AgおよびAuからなる群から選択される少なくとも1種の一価カチオンを含み;M(III)はB、Al、Ga、In、Sc、Y、LaおよびGdからなる群から選択される少なくとも1種の三価カチオンを含み;HはF、CI、BrおよびIからなる群から選択される少なくとも1種のアニオンを含み;並びに、AはCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Bi、およびSbからなる群から選択される少なくとも1種のルミネセンスアクチベータを含む。ある実施形態においては、Aは蛍光体のホスト結晶中に、M(II)に対して0.001モル%〜20モル%の濃度水準でドープされる。Aのモル%はこの範囲内で.0001の増分で調節されうる。ある実施形態においては、Aは蛍光体のホスト結晶中に、約0.01モル%〜約10モル%の濃度水準でドープされる。さらなる実施形態においては、Aは蛍光体のホスト結晶中に、約0.10モル%〜約5モル%の濃度水準でドープされる。
ある実施形態においては、第1のルミネセンススペクトルは約300nm〜約600nmである。さらなる実施形態においては、第1のルミネセンススペクトルは約400nm〜約550nmである。ある実施形態においては、光源は発光ダイオードもしくはレーザーダイオードである。ある実施形態においては、この素子は1種以上の追加の蛍光体をさらに含む。ある実施形態においては、追加の蛍光体は、光源によって励起される場合に赤色光を放射する。ある実施形態においては、発光素子は、
Ca1−xAlx−xySi1−x+xy2−x−xyxy:A、
Ca1−x−zNaM(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xyxy:A、
M(II)1−x−zM(I)M(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xyxy:A、
M(II)1−x−zM(I)M(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xy−2w/3xyw−v/2:A、および
M(II)1−x−zM(I)M(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xy−2w/3−v/3xy:A
(式中、0<x<l、0<y<l、0≦z<l、0≦v<l、0<w<l、x+z<l、x>xy+z、v/2≦w、x−xy−2w/3−v/3<2、および0<x−xy−z<lであり;M(II)は少なくとも1種の二価カチオンであり、M(I)は少なくとも1種の一価カチオンであり、M(III)は少なくとも1種の三価カチオンであり;Hは少なくとも1種の一価アニオンであり;並びに、Aはルミネセンスアクチベータである)からなる群から選択される式を有する第2の蛍光体を少なくともさらに含む。さらなる実施形態においては、発光素子は少なくとも2種の追加の蛍光体をさらに含む。
ある実施形態においては、発光素子は、光源によって励起される場合に、約480nm〜約660nmの波長範囲にピークを有する光を放射する少なくとも1種の追加の蛍光体をさらに含む。ある実施形態においては、この素子は、光源によって励起される場合に、約520nm〜約640nmの波長範囲にピークを有する光を放射する少なくとも1種の追加の蛍光体をさらに含む。ある実施形態においては、この素子は白色光を放射する。ある実施形態においては、この素子は冷白色光を放射する。他の実施形態においては、この素子は温白色光を放射する。さらなる実施形態においては、この素子は約480nm〜約600nmの波長値を有する緑色光を放射する。他の実施形態においては、この素子は約500nm〜約590nmの波長値を有する光を放射する。さらに他の実施形態においては、この素子は約380nm〜約750nmの波長値を有する光を放射する。さらなる実施形態においては、この素子は、約400nm〜約700nmの波長値を有する光を放射する。
ある実施形態においては、この素子は、Ca1−xSrS:Eu2+(0≦x≦1)、3.5MgO・0.5MgF・GeO:Mn4+、YS:Eu3+、MSi:Eu2+(M=Ca、Sr、Ba)、MAlSiN:Eu2+(M=Ca、Sr)、YSiC:Eu2+、CaSiN:Eu2+、Ca1−xSrGaS4:Eu2+(0≦x≦1)、Ca1−x−y−zMgSrBaSiO:Eu2+(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z≦1)、BaMgAl1017:Eu2+、Mn2+、 MYSi:Eu2+(M=Ca、Sr、Ba)、β−サイアロン:Eu2+、MSi:Eu2+(M=Ca、Sr、Ba)、BaSi12:Eu2+、MSi:Ce3+(M=Ca、Sr、Ba)、YSiCe3+、α−サイアロン:Yb2+、(MSiO・(SiO:Eu2+、X(M=Mg、Ca、Sr、Ba;X=F、Cl、Br、I;mは1または0であり、かつ(i)m=1の場合にはn>3、または(ii)m=0の場合にはn=l)、MAl:Eu2+(M=Mg、Ca、Sr)、BaMgAl1017:Eu2+、YAl12:Ce3+(セリウムドープガーネット系蛍光体)、並びにα−サイアロン:Eu2+からなる群から選択される少なくとも1種の蛍光体をさらに含む。
定義
本明細書において使用される場合、「アクチベータ」とはホスト結晶の支援を伴って光を放射する原子またはイオン種をいう。アクチベータは本明細書においてさらに記載されるように、ホスト結晶中に非常に少量ドープされうる。アクチベータは単一元素、例えば、限定されないが、Eu2+などを含んでいて良く、または複数元素(すなわち、コ−アクチベータ)、例えば、限定されないが、Eu2+、Ce3+、Tb3+、Yb2+およびMn2+の2以上の組み合わせなどを含んでいても良い。
本明細書において使用される場合、「蛍光体(phosphor)組成物」とは、特定の蛍光体のために特定される比率の原子を有する蛍光体を含む組成物をいう。それは化学量論的比率であってよいし、そうでなくてもよい。不純物および1以上の結晶相がこの組成物中に存在しうる。
本明細書において使用される場合、「コ−アクチベータ」とは、同じホスト結晶中の追加のアクチベータをいう。
本明細書において使用される場合、「ドーパント」とはホスト結晶中にドープされる原子またはイオン種をいう。
本明細書において使用される場合、「粒子」とは蛍光体の個々の結晶をいう。
本明細書において使用される場合、「グレイン」とは蛍光体粒子が粉体の蛍光体粒子と比較して容易に離散させられない、蛍光体粒子の塊、凝集体、多結晶体または多形体をいう。
本明細書において使用される場合、用語「蛍光体(phosphor)」とはあらゆる適切な形態の蛍光体、例えば、蛍光体粒子、蛍光体グレイン、または蛍光体粒子、グレインもしくはその組み合わせを含んでなる蛍光体粉体をいう。
本明細書において使用される場合、「光源」とは本発明の蛍光体を励起もしくは照射することができるあらゆる光源をいい、例えば、限定されないが、第III−V族半導体量子井戸系発光ダイオード、レーザーダイオード、または本発明の発光素子の蛍光体以外の蛍光体をいう。本発明の光源は蛍光体を直接励起/照射することができ、または別のシステムを励起して、それにより蛍光体のための励起エネルギーを間接的に提供することができる。
実質的な気相を伴うプロセスについて本明細書に記載される温度は反応物質自体の温度ではなく、対象となっているオーブンもしくは他の反応容器の温度である。
本明細書において使用される場合、「白色光」は特定の色度座標値の光(例えば、国際照明委員会(CIE))であり、これは当該技術分野において周知である。光源の相関色温度は、その光源と同等の色相の光を放射する理想的な黒体放射体の温度である。より高い色温度(5,000K以上)が寒色(または、冷白色)と称され、より低い色温度(2,700〜3,000K)が暖色(または、温白色)と称される。
本明細書全体にわたって、M(I)、M(II)およびM(III)についての言及がなされることができ、M(I)は少なくとも1種の一価カチオン、M(II)は少なくとも1種の二価カチオン、およびM(III)は少なくとも1種の三価カチオンである。特定の配合物に関して付与されうるこれら可変事項についての任意の値に加えて、M(II)はBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Co、Ni、Pd、Zn、およびCdからなる群から選択されることができ;M(I)はLi、Na、K、Rb、Cu、AgおよびAuからなる群から選択されることができ;並びに、M(III)はB、Al、Ga、In、Sc、Y、LaおよびGdからなる群から選択される。
本明細書に記載される実施例の目的のためには、量子効率(QE)は同じ内部標準サンプルに対して測定された。
他に特定されない限りは、本明細書において使用される全ての科学技術用語は本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書において使用される全ての科学技術用語は使用される際に同じ意味を有する。本明細書および特許請求の範囲において使用される場合、文脈が明らかに他のことを示さない限りは、単数形態「a」、「and」および「the」は複数への言及も含むことに留意されたい。
蛍光体組成物の説明において、従来の表記法が使用され、そこではホスト結晶についての化学式が最初に記載され、次いでコロン、そしてアクチベータ(単一もしくは複数)およびコ−アクチベータについての式が記載される。蛍光体のホスト結晶の構造が論じられる本明細書における特定の例においては、蛍光体の配合物を言及する際にアクチベータ(単一もしくは複数)が含まれない場合がある。
図1Aおよび1Bはそれぞれ、サンプル1.1aおよび1.1bの蛍光体組成物のXRDパターンを描く。 図1Aおよび1Bはそれぞれ、サンプル1.1aおよび1.1bの蛍光体組成物のXRDパターンを描く。 図2Aはサンプル1.1aの励起(左の曲線)および発光(右の曲線)スペクトルを描く。 図2Bはサンプル1.1bの発光スペクトルを描く。 図3はサンプル1.1aおよび1.1bの蛍光体組成物の熱クエンチング特性を描く。 図4Aはサンプル2.10の励起(左の曲線)および発光(右の曲線)スペクトルを描く。 図4Bはサンプル2.10の蛍光体組成物のXRDパターンを描き、これは三斜晶相の高い割合を示す。 図5はサンプル2.10の蛍光体組成物の熱クエンチング特性を描く。 図6は実施例2aの蛍光体組成物のXRDパターンを描く。 図7Aおよび7Bはそれぞれ、実施例2aの蛍光体組成物のXRDパターンのさらなる図を描く。図7Aは2θ=31.0〜32.6の範囲の拡大図を描く。 図7Aおよび7Bはそれぞれ、実施例2aの蛍光体組成物のXRDパターンのさらなる図を描く。図7Bは2θ=28.0〜28.8の範囲の拡大図を描く。 図8はサンプル2.7、2.8、2.5、2.10、および2.13の蛍光体組成物の励起特性(左の曲線)および発光スペクトル(右の曲線)を描く。 図9は実施例2a、サンプル2.6(炭素非含有)および2.5(炭素含有)の2つの蛍光体組成物の熱クエンチング特性を描く。 図10は実施例2bの蛍光体組成物のXRDパターンを描く。 図11は実施例2bの蛍光体組成物のXRDパターンのさらなる図を描く。 図12はサンプル3.2の蛍光体組成物の熱クエンチング特性を描く。 図13は実施例2cの蛍光体組成物のXRDパターンを描く。 図14Aおよび14Bはそれぞれ実施例2cの蛍光体組成物のXRDパターンのさらなる図を描く。図14Aは2θ=31.0〜32.4度の範囲の拡大図を描く。 図14Aおよび14Bはそれぞれ実施例2cの蛍光体組成物のXRDパターンのさらなる図を描く。図14Bは2θ=28.0〜29.0度の範囲の拡大図を描く。 図15はサンプル5.1、3.5、および5.6の蛍光体組成物の熱クエンチング特性を描く。 図16はサンプル5.9の蛍光体組成物の励起特性(左の曲線)および発光スペクトル(右の曲線)を描く。 図17はサンプル5.9の蛍光体組成物の反射スペクトルを描く。 図18はサンプル5.7の蛍光体組成物の励起特性(左の曲線)および発光スペクトル(右の曲線)を描く。 図19はサンプル5.7の蛍光体組成物の反射スペクトルを描く。 図20は本発明の発光素子の一実施形態を描く。 図21は本発明の発光素子の一実施形態を描く。 図22は本発明の発光素子の一実施形態を描く。 図23は本発明の発光素子の一実施形態を描く。 図24はサンプル3.2の蛍光体組成物およびおよび青色発光LEDチップを用いてパッケージングされたpcLEDの(様々な駆動電流での)発光スペクトルを描く。 図25は実施例5bのルミナンス特性を描く。 図26は実施例5bのpcLEDの発光スペクトルを描く。左の曲線は裸のLEDのスペクトルを描く。右の曲線は実施例5bに記載される蛍光体組成物と組み合わせられたLEDのスペクトルを描く。
ある実施形態においては、本発明は
(1) M(II)Si:A
(式中、6<a<8、8<b<14、13<c<17、5<d<9、および0<e<2、好ましくは、6.5<a<7.5、8.5<b<12.5、14<c<16、6<d<7.5、および0<e<1)で表されるオキシ炭窒化物蛍光体の新規ファミリーに関する。M(II)は少なくとも1つの二価カチオンを含み、かつBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Co、Ni、Pd、Zn、Cdおよび他の二価遷移金属イオンを含む群から選択されうる。Aは結晶構造中に、M(II)に対して約0.001モル%〜約20モル%、好ましくは約0.1モル%〜約10モル%の濃度水準でドープされているルミネセンスアクチベータを含む。Aは
Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Bi、Sb、好ましくはEu2+、Ce3+、Tb3+、Yb2+およびMn2+を含む群から選択される少なくとも1種の金属イオンでありうる。
これら蛍光体は1つの結晶相または、選択的に2以上の結晶相を含んでいて良い。ある実施形態においては、このファミリーの蛍光体は斜方晶相または三斜晶相を示す。他の実施形態においては、このファミリーの蛍光体は高い比率の斜方晶相を示す。他の実施形態においては、これら蛍光体は空間群P1(No.1)に属する第2の三斜晶相を示す。
ある実施形態においては、本発明は、
(2) M(II)Al12−x−ySix+y25−xx−y:A
(式中、0<x≦12、0<y<x、および0<x+y≦12である)で表されるオキシ炭窒化物蛍光体の新規ファミリーに関する。M(II)は少なくとも1種の二価カチオンを含み、かつBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Co、Ni、Pd、Zn、Cdおよび他の二価遷移金属イオンを含む群から選択されうる。Aは結晶構造中に、M(II)に対して約0.001モル%〜約20モル%、好ましくは約0.1モル%〜約10モル%の濃度水準でドープされているルミネセンスアクチベータを含む。AはCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Bi、Sb、好ましくはEu2+、Ce3+、Tb3+、Yb2+およびMn2+を含む群から選択される少なくとも1種の金属イオンでありうる。
組成的に、組成物(2)のホスト結晶質物質はSrAl1225として設計される化合物中のAl−O結合に対するSi−N結合の交差置換の生成物であろう。SrAl1225はP−3の空間群の三方晶系で結晶化することが知られている。SrAl1225のAl−O結合は高温での固体状態反応における窒素源SiおよびNからのSi−N結合によって置換されうるであろう:
SrAl1225+xSi→SrAl12−xSi25−x
理論的には、この置換が少しの割合である場合には、SrAl1225の構造が残るが、その一方で、Al−O結合のかなりの量がSi−N結合によって置換される場合にはこの構造は変化するであろう。さらに、Al−NはSiCで置換されることができ、この場合、以下に示される出発組成物において、SiはAlの位置を占め、およびCはNの位置を占める:
M(II)Al12−xSi25−x+ySi→M(II)Al12−x−ySix+yx−y
出発組成物、すなわち、M(II)Al12−xSi25−xにおいてOによって、またはOとNとの双方によって占有されていた位置をCが占めて、組成物M(II)Al12−x−ySi25−x−2yまたはM(II)Al12−x−ySi25−x−yx−2/3y(これはO位置またはN位置またはその両方をCが占めることができることを表す)を形成することも可能である。
ある実施形態においては、このファミリーの蛍光体は空間群P1(No.1)に属する単一の三斜晶相を示す。他の実施形態においては、このファミリーの蛍光体は空間群P1(No.1)に属する三斜晶相の高い比率を示す。他の実施形態においては、これら蛍光体は、斜方晶系もしくは三斜晶系として分類されうる第2の結晶相を示す。
ある実施形態においては、本発明は、
(3) M(II)M(III)12−x−ySix+y25−xx−y:A
(式中、0<x≦12、0<x+y≦12、および0<y<xである)で表されるオキシ炭窒化物蛍光体の新規ファミリーに関する。M(II)は少なくとも1種の二価カチオンを含み、かつBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Co、Ni、Pd、Zn、Cdおよび他の二価遷移金属イオンを含む群から選択されうる。M(III)は少なくとも1種の三価カチオンを含み、かつB、Al、Ga、In、Sc、Y、LaおよびGd、並びに他の三価金属イオンを含む群から選択されうる。Aは結晶構造中に、M(II)に対して約0.001モル%〜約20モル%、好ましくは約0.1モル%〜約10モル%の濃度水準でドープされているルミネセンスアクチベータを含む。AはCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Bi、Sb、好ましくはEu2+、Ce3+、Tb3+、Yb2+およびMn2+を含む群から選択される少なくとも1種の金属イオンでありうる。
ある実施形態においては、本発明は、
Figure 0005847908
(式中、0<x<12、0≦y<x、0<x+y≦12、0<δ≦3、およびδ<x+yである)で表されるオキシ炭窒化物系蛍光体の新規ファミリーに関する。M(II)は少なくとも1種の二価カチオンを含み、かつBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Co、Ni、Pd、Zn、Cdおよび他の二価遷移金属イオンを含む群から選択されうる。M(III)は少なくとも1種の三価カチオンを含み、かつB、Al、Ga、In、Sc、Y、LaおよびGd、並びに他の三価金属イオンを含む群から選択されうる。Aは結晶構造中に、M(II)に対して約0.001モル%〜約20モル%、好ましくは約0.1モル%〜約10モル%の濃度水準でドープされているルミネセンスアクチベータを含む。AはCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Bi、Sb、好ましくはEu2+、Ce3+、Tb3+、Yb2+およびMn2+を含む群から選択される少なくとも1種のイオンでありうる。
組成物(4)の蛍光体においては、OおよびN原子が、1.5(酸素)対1(窒素)、または3δ/2(酸素)対δ(窒素)の比率で互いに交換されうる。NでのOの置換はSi原子が様々な比率でOおよびN原子と配位するのを可能にする。しかし、組成物(4)においてOがNで置き換えられる、すなわち、1.5個のO原子が1個のN原子に置き換わる場合、配位した原子の合計数が一定のままでないことが指摘される。配位した原子(O、NおよびC)の数が一定のままであるためには、この組成物は以下のように表されうる:
Figure 0005847908
ある実施形態においては、本発明は、
Figure 0005847908
(式中、0<x<12、0≦y<x、0<z<x、0<x+y+z≦12、z<x+δ、および0<δ≦3である)で表されるオキシ炭窒化物系蛍光体の新規ファミリーに関する。M(II)は少なくとも1種の二価カチオンを含み、かつBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Co、Ni、Pd、Zn、Cdおよび他の二価遷移金属イオンを含む群から選択されうる。M(I)は少なくとも1種の一価カチオンを含み、かつLi、Na、K、Rb、Cu、AgおよびAuを含む群から選択されうる。M(III)は少なくとも1種の三価カチオンを含み、かつB、Al、Ga、In、Sc、Y、LaおよびGd、並びに他の三価金属イオンを含む群から選択されうる。Aは結晶構造中に、M(II)およびM(I)の合計モル%に対して約0.001モル%〜約20モル%、好ましくは約0.1モル%〜約10モル%の濃度水準でドープされているルミネセンスアクチベータを含む。AはCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Bi、Sb、好ましくはEu2+、Ce3+、Tb3+、Yb2+およびMn2+を含む群から選択される少なくとも1種のイオンでありうる。
組成物(5)の蛍光体においては、OおよびN原子が、1.5(酸素)対1(窒素)、または3δ/2(酸素)対δ(窒素)の比率で互いに交換されうる。NでのOの置換はSi原子が様々な比率でOおよびN原子と配位するのを可能にする。しかし、組成物(5)においてOがNで置換される、すなわち、1.5個のO原子が1個のN原子に置き換わる場合、配位した原子の合計数が一定のままでない。配位した原子(O、NおよびC)の数が一定のままであるためには、この組成物は以下のように表されうる:
Figure 0005847908
ある実施形態においては、本発明は
Figure 0005847908
(式中、0<x<12、0≦y<1、0<z<x、z<x+δ、0<δ≦3、0≦v<1、および0<x+y+z≦12である)で表されるオキシ炭窒化物蛍光体の新規ファミリーに関する。M(II)は少なくとも1種の二価カチオンを含み、かつBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Co、Ni、Pd、Zn、Cdおよび他の二価遷移金属イオンを含む群から選択されうる。M(I)は少なくとも1種の一価カチオンを含み、かつLi、Na、K、Rb、Cu、AgおよびAuを含む群から選択されうる。M(III)は少なくとも1種の三価カチオンを含み、かつB、Al、Ga、In、Sc、Y、LaおよびGd、並びに他の三価金属イオンを含む群から選択されうる。Hは少なくとも1種の一価アニオンを含み、かつF、Cl、BrおよびIを含む群から選択されうる。Aは結晶構造中に、M(II)およびM(I)の合計モル%に対して約0.001モル%〜約20モル%、好ましくは約0.1モル%〜約10モル%の濃度水準でドープされているルミネセンスアクチベータを含む。AはCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Bi、Sb、好ましくはEu2+、Ce3+、Tb3+、Yb2+およびMn2+を含む群から選択される少なくとも1種のイオンでありうる。
組成物(6)の蛍光体においては、酸素および窒素原子が、1.5(酸素)対1(窒素)、または3δ/2(酸素)対δ(窒素)の比率で互いに交換されうる。NでのOの置換はSi原子が様々な比率でOおよびN原子と配位するのを可能にする。しかし、組成物(6)においてOがNで置換される、すなわち、1.5個のO原子が1個のN原子に置き換わる場合、配位した原子の合計数が一定のままでない。配位した原子(O、NおよびC)の数が一定のままであるためには、この組成物は以下のように表されうる:
Figure 0005847908
ある実施形態においては、発光素子のための波長コンバータ(wavelength converter)として本発明の蛍光体組成物の少なくとも1種が使用される。発光素子は、約300nm〜約600nmの波長範囲の光を放射する第1の発光体、並びに第1の発光体からの光での照射の際に可視光を放射する第2の発光体を有し、この第2の発光体は少なくとも1種の本発明の蛍光体を含む。第1の発光体は、例えば、約300nm〜約600nm、好ましくは約400nm〜550nm、より好ましくは約420nm〜約500nmの波長範囲の光を放射しうる。ある実施形態においては、第1の発光体はレーザーダイオードまたは発光ダイオード(LED)である。1種以上の本発明の蛍光体組成物を含む第2の発光体が第1の発光体からの光に照射される場合には、それは、例えば、約460nm〜約660nm、好ましくは約480nm〜約600nm、より好ましくは約500nm〜約590nmの波長範囲にピークを有する光を放射することができる。
ある実施形態においては、第2の発光体は少なくとも1種の追加の蛍光体を含む。この追加の蛍光体(単一もしくは複数)は、例えば、約480nm〜約660nm、好ましくは約500nm〜約650nm、より好ましくは約520nm〜約640nmの波長範囲にピークを有する光を放射することができる。
本発明の蛍光体組成物においては、ルミネセンスアクチベータAは、それぞれの二価および一価カチオンの合計モル%に対して、約0.001モル%〜約20モル%の濃度水準で、置換的にもしくは侵入的に蛍光体のホスト結晶中にドープされうる。ある実施形態においては、Aは二価および一価カチオンの合計モル%に対して、約0.01モル%〜約7モル%の濃度水準で蛍光体の結晶構造中にドープされる。他の実施形態においては、Aは二価および一価カチオンの合計モル%に対して、約0.05モル%〜約5モル%の濃度水準で蛍光体の結晶構造中にドープされる。
ある実施形態においては、Aは少なくとも1種のコ−アクチベータを含む。このコ−アクチベータは、限定されないが、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Bi、Sb、好ましくはEu2+、Ce3+、Tb3+、Yb2+およびMn2+を含む群、並びにハロゲンアニオンF、Cl、BrおよびIを含む群から選択されうる。コ−アクチベータの濃度水準はアクチベータに対して約0.001%〜約50%であり得る。
ある実施形態においては、本発明の蛍光体組成物は少なくとも1種の結晶相を含み、この結晶相は、空間群P1(No.1)に属する三斜晶系、斜方晶系、または別の三斜晶系である。ある実施形態においては、本発明の蛍光体組成物は以下から選択される少なくとも2種の異なる結晶相を含む:空間群P1(No.1)に属する三斜晶系、斜方晶系、または別の三斜晶系。ある実施形態においては、同程度の確実性で結晶相が斜方晶もしくは三斜晶として分類されうることが可能である。
ある実施形態においては、本発明の蛍光体組成物は250℃までの温度で少なくとも70%のその相対発光強度を維持する。他の実施形態においては、本発明の蛍光体組成物は250℃までの温度で少なくとも85%のその相対発光強度を維持する。他の実施形態においては、本発明の蛍光体組成物は250℃までの温度で少なくとも90%のその相対発光強度を維持する。ある実施形態においては、本発明の蛍光体組成物は200℃までの温度で少なくとも70%のその相対発光強度を維持する。ある実施形態においては、本発明の蛍光体組成物は200℃までの温度で少なくとも85%のその相対発光強度を維持する。他の実施形態においては、本発明の蛍光体組成物は200℃までの温度で少なくとも90%のその相対発光強度を維持する。さらなる実施形態においては、本発明の蛍光体組成物は150℃までの温度で少なくとも90%のその相対発光強度を維持する。他の実施形態においては、本発明の蛍光体組成物は150℃までの温度で少なくとも95%のその相対発光強度を維持する。
ある実施形態においては、本発明の蛍光体粒子のメジアン直径が約2〜約50ミクロン、好ましくは約4〜約30ミクロン、より好ましくは約5〜約20ミクロンでありうる。ある実施形態においては、蛍光体はグレインである。他の実施形態においては、蛍光体は粒子である。
ある実施形態においては、本発明は約200〜約600nm、好ましくは約350〜約490nmの波長の光を放射する光源;および少なくとも1種の本発明の蛍光体を含む発光素子であって、前記蛍光体が前記光源からの光出力の少なくとも一部分を吸収するように配置され、かつ前記光源から吸収された光の色を効率的に変えて、結果的に前記光源から吸収された光の波長よりも長い波長の発光をもたらす発光素子をさらに提供する。例えば、本発明の蛍光体組成物はシリコーン樹脂と混合されてスラリーを形成しうる。この蛍光体充填シリコーンは図20〜23に示されるようなLEDチップに適用されうる。このLEDは近紫外(nUV)範囲(例えば、約405nm)または青色範囲(例えば、約450nm)の光を放射する。
本発明に使用される光源は、例えば、量子井戸構造(quantum well structure)を含む発光層を有する窒化ガリウム系LEDを含むことができる。発光素子は本発明の蛍光体およびLEDまたは発光体からの光を向ける様に配置される反射体(図20を参照)を含むことができる。本発明の蛍光体はLEDの表面に配置されていてよく(図20および21)またはそれらから離されていてよい(図22)。発光素子は、図20〜23に認められるように、LEDおよび蛍光体を封止する半透明材料をさらに含むことができる。
ある実施形態においては、本発明の発光素子は、励起エネルギーを作り出すために、または別の系を励起してそれにより本発明の蛍光体のための励起エネルギーを提供するために光源、例えば、LEDを含む。本発明を使用する素子には、例えば、限定されないが、白色光発生発光素子、インジゴ色光発生発光素子、青色光発生発光素子、緑色光発生発光素子、黄色光発生発光素子、橙色光発生発光素子、ピンク色光発生発光素子、赤色光発生発光素子、または本発明の蛍光体の色度と少なくとも1つの第2の光源の色度との間のラインによって定義される出力色度を有する発光素子が挙げられうる。ヘッドライトまたは車両のための他のナビゲーション光は本発明の発光素子を用いて製造されうる。発光素子は、携帯電話および個人用デジタル補助装置(PDA)などの小さな電子装置のための出力インジケータであることができる。本発明の発光素子はTV、携帯電話、PDAおよびラップトップコンピュータのための液晶ディスプレイのバックライトでありうる。一般的な照明目的のための照明装置も本発明の発光素子で製造されうる。適切な電力供給を前提として、室内照明が本発明の素子に基づくことができる。本発明の発光素子の暖かさ(すなわち、黄色/赤色色度)は本発明の蛍光体からの光と、第2の光源(例えば、第2の蛍光体)からの光との比率の選択によって操作されうる。半導体光源ベースの白色光素子が、例えば、オーディオシステム、家庭用電化製品、測定装置、医療器具などの表示部分上のあらかじめ決定されたパターンまたはグラフィックデザインを表示するための自己発光型ディスプレイにおいて使用されうる。このような半導体光源ベースの光素子も、例えば、限定されないが、液晶ダイオード(LCD)ディスプレイ、プリンタヘッド、ファクシミリ、コピー装置などのためのバックライトの光源として使用されうる。
本発明における使用に適する半導体光源は本発明の蛍光体組成物を励起する光を作り出すもの、または異なる蛍光体を励起し、その異なる蛍光体が次に本発明の蛍光体を励起するものでもある。この半導体光源は、例えば、限定されないが、GaN(窒化ガリウム)型半導体光源;In−Al−Ga−N型半導体光源、例えば、InAlGaN(式中、i+j+k=約1であり、並びにi、jおよびkの1以上は0であり得る);BN;SiC;ZnSe;BAlGaN(式中、i+j+k=約1であり、並びにi、jおよびkの1以上は0であり得る);並びに、BInAlGaN(式中、i+j+k+l=約1であり、並びにi、j、kおよびlの1以上は0であり得る)をはじめとする光源;並びに他のこのような類似の光源であり得る。半導体光源(例えば、半導体チップ)はIII−VもしくはII−VI量子井戸構造(第III族からの化学元素と第V族からのものとの、または第II族からの元素と第VI族からのものとの、周期表の元素を組み合わせた化合物を含む構造を意味する)をベースにしていてもよい。ある実施形態においては、青色または近紫外(nUV)発光半導体光源が使用される。
ある実施形態においては、本発明の蛍光体組成物は主光源、例えば、約300〜約500nm、約350nm〜約480nm、もしくは約330nm〜約390nmの波長範囲で発光する半導体光源(例えば、LED)からの光、または第2の光源からの光、例えば、約300nm〜約500nm、もしくは約350nm〜約420nmの波長範囲で発光する他の蛍光体(単一もしくは複数)からの放射によって励起されうる。励起光が二次的であって、本発明の蛍光体組成物に関連している場合には、この励起で誘起される光が関連する光源である。本発明の蛍光体組成物を使用する素子は、例えば、限定されないが、本発明の蛍光体組成物によって生じた光を素子の内側に向けるのではなく、その光を光出力に向ける反射鏡、例えば、誘電体反射鏡を含むことができる(例えば、一次光源)。
光源(例えば、LED)は、ある実施形態においては、少なくとも約200nm、少なくとも約250nm、少なくとも約255nm、少なくとも約260nmなどで、5nmの増分で、少なくとも約600nmまでの光を放射することができる。ある実施形態においては、光源は、600nmを超える光を放射する。光源は、ある実施形態においては、約600nm以下、約595nm以下、約590nm以下などで、5nmずつの下降分で、約200nm以下までの光を放射することができる。ある実施形態においては、光源は200nm未満の光を放射する。ある実施形態においては、光源は半導体光源である。LEDチップが使用される場合には、LEDチップは、図20〜23に示されるようにドーム状の形状の透明封止材で有利に満たされる。封止材は1つには機械的保護を提供し、他方では、封止材は光学特性をさらに向上させる(LEDダイの向上した発光)。
蛍光体組成物は封止材中に分散されうる。封止材によって、基体上に配置されたLEDチップと、ポリマーレンズとが、できるだけガスを含むことなく結合される。LEDダイは封止材によって直接密封されうる。しかし、LEDダイが透明封止材で密封されることも可能である(すなわち、この場合には、透明封止材と、蛍光体組成物を収容するための封止材とが存在する)。互いに近い屈折率のせいで、この界面での反射による損失はほとんどない。
構造修飾において、1以上のLEDチップが反射鏡内で基体上に配置され、かつ蛍光体組成物が、反射鏡上に配置されたレンズ中に分散させられる。あるいは、1以上のLEDチップは反射鏡内で基体上に配置されることができ、かつ蛍光体は反射鏡上にコーティングされうる。
ある実施形態においては、本発明の蛍光体組成物はシリコーンおよびエポキシ樹脂のような封止材中に分散されうる。蛍光体混合封止材組成物がLEDチップ上に配置されることができ、このLEDチップは基体上に搭載されている。蛍光体混合封止材組成物と組み合わせられたLEDの構造体は保護層としての透明封止材によって密封されうる。ある実施形態においては、外側透明封止材層は出力光を方向づけかつ分布させるためにドーム形状に形作られる(図20〜23)。代替的な素子構造においては、1以上のLEDチップが基体上に搭載され、および蛍光体混合封止材組成物がこの複数チップ素子上に配置される(図23)。
ある実施形態においては、本発明の蛍光体組成物は、バインダー、固化剤、分散剤、充填剤などと共に発光素子内に分散されうる。バインダーは、例えば、限定されないが、光硬化性ポリマー、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリカルボナート樹脂、シリコーン樹脂、ガラス、石英などでありうる。本発明の蛍光体は当該技術分野において知られている方法によってバインダー中に分散されうる。例えば、ある場合には、蛍光体は懸濁されたポリマーと共に溶媒中に懸濁されることができ、よって蛍光体含有スラリー組成物を形成し、ついで、これが発光素子上に適用されることができ、そしてそこから溶媒が蒸発させられうる。ある実施形態においては、蛍光体は液体中に懸濁されることができ、例えば、あらかじめ硬化された前駆体を樹脂に懸濁してスラリーを形成し、次いで、そのスラリーが発光素子上に分散されることができ、そしてその上でポリマー(樹脂)が硬化されうる。硬化は、例えば、熱、UV、または前駆体と混合された硬化剤(例えば、フリーラジカル開始剤)によることができる。本明細書において使用される場合、「硬化」とは物質またはその混合物を重合または固化するプロセスであるか、そのプロセスに関し、多くの場合、その物質またはその混合物の安定性もしくは有用性を向上させる。ある実施形態においては、発光素子中に蛍光体粒子を分散させるために使用されるバインダーは熱で液化されることができ、それによって、スラリーを形成し、次いでそのスラリーが発光素子上に分散させられ、そしてその場での固化を可能にする。分散剤(1つの物質の別の物質との混合物(例えば、懸濁物)の形成および安定化を促進する物質を意味する)には、例えば、限定されないが、二酸化チタン、酸化アルミニウム、チタン酸バリウム、酸化ケイ素などが挙げられる。
ある実施形態においては、少なくとも1種の追加の蛍光体が以下から選択される:
(1)赤色光を放射する1種以上の蛍光体組成物、例えば、限定されないが、Ca1−xSrS:Eu2+(0≦x≦1)、3.5MgO・0.5MgF・GeO:Mn4+、YS:Eu3+、MSi:Eu2+(M=Ca、Sr、Ba)、MAlSiN:Eu2+(M=Ca、Sr)、YSiC:Eu2+、およびCaSiN:Eu2+、(2)緑色光を放射する1種以上の蛍光体組成物、例えば、限定されないが、Ca1−xSrGaS4:Eu2+(0≦x≦1)、Ca1−x−y−zMgSrBaSiO:Eu2+(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z≦1)、BaMgAl1017:Eu2+、Mn2+、MYSi:Eu2+(M=Ca、Sr、Ba)、β−サイアロン:Eu2+、MSi:Eu2+(M=Ca、Sr、Ba)、BaSi12:Eu2+、MSi:Ce3+(M=Ca、Sr、Ba)、YSiC:Ce3+、およびα−サイアロン:Yb2+、(3)青色光を放射する1種以上の蛍光体組成物、例えば、限定されないが、(MSiO・(SiO:Eu2+、X(M=Mg、Ca、Sr、Ba;X=F、Cl、Br、I;mは1または0であり、かつ(i)m=1の場合にはn>3、または(ii)m=0の場合にはn=l)、MAl:Eu2+(M=Mg、Ca、Sr)、およびBaMgAl1017:Eu2+、並びに(4)黄色光を放射する1種以上の蛍光体組成物、例えば、限定されないが、YAl12:Ce3+(セリウムドープガーネット系蛍光体)、並びにα−サイアロン:Eu2+
好ましい実施形態においては、1種以上の追加の蛍光体組成物が本発明の蛍光体組成物に追加されて、例えば、限定されないが、白色光LEDランプを作成する。この追加の蛍光体の組成物は、限定されないが、以下のものが挙げられる:
(a)Ca1−xAlx−xySi1−x+xy2−x−xyxy:A、
(b)Ca1−x−zNaM(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xyxy:A、
(c)M(II)1−x−zM(I)M(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xyxy:A、
(d)M(II)1−x−zM(I)M(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xy−2w/3xyw−v/2:A、および
(e)M(II)1−x−zM(I)M(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xy−2w/3−v/3xy:A
式中、0<x<l、0<y<l、0≦z<l、0≦v<l、0<w<l、x+z<l、x>xy+z、v/2≦w、x−xy−2w/3−v/3<2、および0<x−xy−z<lであり;
M(II)は少なくとも1種の二価カチオンであり;
M(I)は少なくとも1種の一価カチオンであり;
M(III)は少なくとも1種の三価カチオンであり;
Hは少なくとも1種の一価アニオンであり;並びに、
Aはルミネセンスアクチベータである。
複数の蛍光体組成物が使用される場合には、複数の蛍光体組成物がそれぞれのマトリックス中に懸濁されていることが有利であり得る、そしてその場合には、これらマトリックスは光伝播方向の前後に配置されうる。それにより、マトリックス濃度は、異なる蛍光体組成物が一緒に分散されそして混合される場合と比べて低減されうる。
本発明は以下の実施例における具体的な実施形態によって範囲を限定されず、以下の実施例は本発明の代表例としてのみ意図される。実際、本明細書に記載され示されたものに加えて、本発明の様々な改変は、当業者にとって明らかとなるであろうし、かつ特許請求の範囲内に含まれることが意図される。
製造方法
本明細書に記載される全ての実施例については、SrCO、CaCO、BaCO、4MgCO・Mg(OH)・4HO、またはMgO、SrF、CaF、LiCO、AlN、Al、Si、SiO、SiC、およびEuから選択される固体粉体が以下の例において特定される設計比率で混合された。次いで、この混合物はボールミリングもしくはグラインディングで長期間、例えば、6時間にわたって、乾燥もしくは湿潤ミリングによって粉砕された。粉砕された混合物は乾燥させられ、ふるいにかけられ、次いで、焼成るつぼ内に入れられた。その後、この混合物は1300〜1600℃で6〜12時間にわたって不活性もしくは還元雰囲気下で、例えば、形成ガス(N/H)またはN中で、高温炉内で焼成された。焼成後、生成物粉体は室温まで冷却され、粉砕され、ふるいにかけられた。
実施例1:ファミリー(1)の蛍光体組成物の製造
この実施例においては、ファミリー(1)の代表的な蛍光体組成物である、M(II)Si:Aが示され、ここでM(II)はSrであり;A はEu2+であり;並びに、6.5<a<7.5、8.5<b<12.5、14<c<16、6<d<7.5、および0<e<lである。この代表的な製造は、表1に示される設計された比率の出発材料の混合物を焼成することによって行われた。このプロセスによって得られる蛍光体組成物は、表1に示される出発量を基準にしてサンプル番号1.1および1.2で表されるオキシ炭窒化物の目標組成を有している。得られる蛍光体組成物は緑黄本体色の結晶質粉体である。この得られた蛍光体組成物のルミネセンス特性も表1Aおよび1Bに示される。サンプル1.1aおよび1.1bは同じ出発材料で作り出されるが、サンプル1.1bはさらに以下に記載されるような長時間アニーリングかけられたことに留意されたい。
表1A.実施例1の出発材料の量(グラム)および得られた蛍光体組成物のルミネセンス特性。
Figure 0005847908
表1B.実施例1の出発材料の量(グラム)および長時間アニーリングを伴って得られた蛍光体組成物のルミネセンス特性。
Figure 0005847908
蛍光体材料はX線粉体回折(XRD)によって特徴付けられた。このXRDパターンは加熱条件に応じて、この蛍光体が1つの結晶相かまたは別のものであることができることを示す。サンプル1.1aおよび1.1bについての代表的なXRDパターンが図1Aおよび図1Bにそれぞれ示される。図1Aに示されるXRDパターンはサンプル1.1aが主として1つの結晶相(これは斜方晶(構造I)または三斜晶系(構造II)についての指標であり得る)を含むことを示す。サンプル1.1aについて観察されたX線粉体回折データは表2Aに示される。構造Iおよび構造IIについての単位胞パラメータが表2Bおよび2Cにまとめられる。約9〜12時間の追加の時間にわたる約1100℃〜1300℃での長時間加熱およびアニーリングを用いると、図1Bに示されるように、少量のケイ酸ストロンチウム相と共にこの結晶質サンプルは別の三斜晶相(構造III)に変換した。構造IIIについての観察されたXRDデータおよび単位胞パラメータが表3Aおよび3Bにまとめられる。
表2A.サンプル1.1aについて観察されたX線回折データ
Figure 0005847908
表2B.斜方晶系(構造I)についての指標とされるサンプル1.1aの結晶単位胞パラメータ。
Figure 0005847908
表2C.三斜晶系(構造II)についての指標とされるサンプル1.1bの結晶単位胞パラメータ。
Figure 0005847908
表3A.三斜晶系(構造III)についての指標とされるサンプル1.1bの観察されたX線粉体回折データ。
Figure 0005847908
表3B.三斜晶系(構造III)についての指標とされるサンプル1.1bの結晶単位胞パラメータ。
Figure 0005847908
サンプル1.1aおよび1.1bのルミネセンス励起および発光スペクトルがそれぞれ図2Aおよび2Bに示される。このルミネセンスは410nm〜490nmの波長範囲で効率的に励起され、かつ510nm〜600nmの範囲の、約540nmでピークとなるルミネセンス発光が出る。サンプル1.1aおよび1.1bの熱クエンチング特性が図3に示される。150℃でのサンプル1.1aの蛍光体組成物のルミネセンス維持は室温でのそれの約85%である。低い温度において、サンプル1.1bはサンプル1.1aと比較してわずかにより良好なルミネセンス維持を示した。しかし、約100℃を超える温度では、サンプル1.1aはサンプル1.1bと比べて優れたルミネセンス維持を示した。
実施例2:ファミリー(2)の蛍光体組成物の製造
実施例2a:SrAl12−x−ySix+y25−xx−y:Eu2+、(x+y=12)
ファミリー(2)の代表的な蛍光体組成物であるSrAl12−x−ySix+y25−xx−y:Eu2+(x+y=12)、すなわちSrSi1225−xx−y:Eu2+を製造するために、表4に示された設計比率で出発材料が混合された。これらサンプルは上述の製造プロセスに従って製造された。このプロセスによって得られた蛍光体組成物は、表4に示された出発量に基づいて、SrSi1225−xx−y:Eu2+で表される目標組成物のオキシ炭窒化物を有する(図6も参照)。得られた蛍光体組成物は緑色または黄緑色本体色の結晶質粉体である。得られた蛍光体組成物のルミネセンス特性も表4に示される。
表4.実施例2a(SrAl12−x−ySix+y25−xx−y:Eu2+、x+y=12)における得られた蛍光体組成物の出発材料の量およびルミネセンス特性。
Figure 0005847908
図4Aはサンプル2.10のルミネセンス励起および発光スペクトルを示す。図4Bにおいて示されるサンプル2.10についてのXRDパターンはこの蛍光体組成物が主として1つの結晶相をふくんでいることを示す。代表的サンプル2.10の回折パターンは空間群P1(NO.1)に属する三斜晶系であることを意図しうる。サンプル2.10の得られる単位胞パラメータは表5にまとめられる。この構造は上述の構造IIIに類似する。
表5.サンプル2.10の結晶構造パラメータ
Figure 0005847908
サンプル2.10のルミネセンスは約410nm〜約490nmの波長範囲で効率的に励起され、かつ約510nm〜約600nmの範囲の、約540nmでピークとなるルミネセンス発光が出る。サンプル1.1aと比較して、サンプル2.10の励起特性は、サンプル1.1aの励起特性とは異なっており、かつサンプル2.10の発光曲線もサンプル1.1の発光曲線とは異なっていることが観察される。これら事実は、サンプル2.10とサンプル1.1aとの間の異なる結晶構造が、異なるルミネセンス特性をもたらすことを示す。2.10の熱クエンチング特性が図5に示される。それは、各サンプルの150℃でのルミネセンス維持が室温でのそれの約90%であることを示す。
組成物(2)の代表的サンプルである2.5、2.7、2.8、2.9および2.13は主として2つの相、実施例1において示されるような構造I(または、構造II)およびサンプル2.10によって示される構造IIIを含む。これら蛍光体組成物は主として2つの結晶相を含み、かつ可変量の炭素を含む。図6におけるXRDパターンによって示されるように、一連の2.7、2.8、2.9および2.10において炭素含量が変化するにつれて、構造IIIの量に対する構造I(または構造II)の量は変化させられることに着目されたい。一方、炭素含量が増加するにつれて、回折(−2 1 0)のピークは、より高い2θ角に向かってシフトさせられ(図7Aおよび7B)、三斜晶(P1)相の格子の収縮を示す。
組成物(2)の代表的なサンプルのルミネセンス発光スペクトルが図8に示される。これら蛍光体組成物は、青またはnUV光励起下で、緑色もしくは黄緑色光を放射する。図9に示される2つのサンプルの熱クエンチング特性は、25〜150℃の温度でほぼ同じであり、150℃より高い温度で異なることとなっている。その構造中に炭素を有しない蛍光体(例えば、2.6)と比較して、その構造中に炭素を有する蛍光体組成物(2.5)はより高い熱安定性を有する。
実施例2b:(Sr,Mg)Al12−x−ySix+y25−xx−y:Eu2+、(x+y=12)
組成(Sr,Mg)Al12−x−ySix+y25−xx−y:Eu2+、(x+y=12)、すなわち(Sr,Mg)Si1225−xx−y:Eu2+の蛍光体が上記プロセスによって製造された。出発材料は表6に示される設計比率で混合された。実施例2aの組成物と比較して、Mgが組成物中に組み込まれている。
表6.実施例2b((Sr,Mg)Al12−x−ySix+y25−xx−y:Eu2+、(x+y=12))の出発材料の量(グラム)および得られた蛍光体組成物のルミネセンス特性。
Figure 0005847908
一連のサンプル3.1、3.2、.3および3.4については、XRDパターン(図10参照)は各蛍光体組成物が主として2つの相、実施例1および実施例2aにおいてそれぞれ観察されるような斜方晶相および三斜晶相を含むことを示す。、組成物中で炭素含量が増加するにつれて、三斜晶相からの回折は、図11におけるピーク(−2 1 0)によって典型的に示されるように、より高い2θ角に向かってシフトさせられる。この観察は、組成物中で炭素含量が増加し、かつそれに伴う格子における酸素含量の増大に従った、結晶格子の収縮を示す。
図12はサンプル3.2のルミネセンス発光の熱クエンチング特性を示す。サルーメン維持は150℃で約95%であり、この蛍光体組成物の非常に高いルーメン維持を示す。
図2c:(Sr,Mg)Al12−x−ySix+y25−xx−y:Eu2+、(x+y=12)
組成(Sr,Mg)Al12−x−ySix+y25−xx−y:Eu2+、(x+y=12)、すなわち(Sr,Mg)Si1225−xx−y:Eu2+の蛍光体が上記プロセスによって製造された。原料は表7に示される設計比率で混合された。実施例2aおよび2bの組成物と比較して、この実施例2cにおいては炭素の含量が系統的に変えられているが、一方で、SiOからの酸素の含量は組成物中で一定に維持されている。
表7.実施例2c((Sr,Mg)Al12−x−ySix+y25−xx−y:Eu2+、(x+y=12))の出発材料の量(グラム)および蛍光体のルミネセンス特性。
Figure 0005847908
これら代表的な組成物についてのXRDパターンが図13に示される。実施例2bのものと同様に、このXRDデータは、各蛍光体が主として2つの相、構造I(斜方晶)または構造II(三斜晶)と、構造III(三斜晶)とを含むことを示す。一連の4.1、4.2、4.3、4.4および4.5において炭素の含量が変化するにつれて、構造I(または構造II)の量に対する構造IIIの量が変化し、炭素含量が結晶構造に及ぼす影響を示すことが見いだされている。酸素の含量が固定されている場合には、炭素の含量が増大するにつれて、構造III(−2 1 0)の回折はより高い2θ角に向けてシフトされ(図14Aおよび14B)、これはSi−C組み込みによる格子収縮に対応する。
実施例3:ファミリー(4)の蛍光体組成物の製造
組成
Figure 0005847908
(M(II)=Sr、Ba、Ca;x+y=12)すなわち、
Figure 0005847908
が上記プロセスによって製造された。原料は表8に示される設計比率で混合された。実施例2の組成物と比較して、この実施例3の製造における窒素と酸素との比率は、M(II)の種類の変更、並びに開始材料中のSiOとSiとの量を変えることによって系統的に変えられる。
表8.実施例3
Figure 0005847908
の出発材料の量(グラム)および蛍光体組成物のルミネセンス特性。
Figure 0005847908
サンプル5.1、5.6および3.5についての発光強度の温度依存性が図15に示される。高温、例えば、150℃での発光維持は、N/Oの比率が増大するにつれて増大する。このことは、組成物中のN/O比が、高温範囲におけるルミネセンス発光の熱安定性に明らかに影響することを示す。サンプル5.9についての励起および発光スペクトルが図16に示され、並びにその反射スペクトルが図17に示される。サンプル5.7についての励起および発光スペクトルが図18に示され、並びにその反射スペクトルが図19に示される。図18に示されるように、サンプル5.7は本発明の代表的な他のサンプルと比較して狭い帯域幅、約39nmを有するが、ほとんどの他のサンプルは約70〜80nmの帯域幅を有する。サンプル5.7は500nm未満にピークを有することにも留意されたい。
実施例4:ファミリー(6)の蛍光体組成物の製造
組成
Figure 0005847908
M(II)=Sr、M(I)=Li、M(III)=Al、H=F、およびA=Eu2+、すなわち、
Figure 0005847908
が上記プロセスによって製造された。原料は表9に示される設計比率で混合された。この組成物においては、一価金属Liおよび一価アニオンFが組成物に組み込まれている。
表9.実施例4の出発材料の量(グラム)および蛍光体のルミネセンス特性。
Figure 0005847908
実施例5:pcLEDの製造
実施例5a:青色発光LEDと組み合わせられた緑色発光蛍光体組成物
本発明の緑色発光オキシ炭窒化物蛍光体組成物であるサンプル3.2が、図21に示されるデザインで青色発光LEDチップ上に適用された。この蛍光体組成物はシリコーン樹脂(シリコーン、Shin−Etsu LPS−2511)と混合された。蛍光体充填封止材組成物が次いでAlGaN系青色発光LEDチップ上にインジェクトされ、次いで、製造者の硬化スケジュールに従って硬化処理を行った。様々な駆動電流でのpcLEDの発光スペクトルが図24に示される。
実施例5b:赤色発光蛍光体および青色発光LEDと組み合わせられた緑色発光蛍光体組成物
本発明の緑色発光オキシ炭窒化物蛍光体組成物であるサンプル3.2が、白色光を生じさせるために、第2の赤色発光蛍光体組成物(Ca0.62Eu0.0034Na0.0235Sr0.013Al0.2370.0255Si0.5621.940.0875)と組み合わせられた。この蛍光体組成物ブレンドはシリコーン樹脂と混合され、実施例5aに記載された手順に従って、青色発光LEDチップに適用された。得られたpcLEDのルミナンス特性が図25に示される。pcLEDの発光スペクトルが図26に示される。この本発明の蛍光体組成物ブレンドの特定の実施形態は温白色光を生じさせ、その色度座標は〜2800Kの相関色温度(CCT)および94の演色評価数(CRI)を有する黒体領域の非常に近くに位置する。

Claims (6)

  1. Figure 0005847908
    (式中、0<x<12、0≦y<x、0<z<x、0<x+y+z≦12、z<x+δ、および0<δ≦3である)
    Figure 0005847908
    (式中、0<x<12、0≦y<x、0<z<x、0<x+y+z≦12、z<x+δ、および0<δ≦3である)
    Figure 0005847908
    (式中、0<x<12、0≦y<1、0<z<x、z<x+δ、0<δ≦3、0≦v<1、および0<x+y+z≦12である)並びに
    Figure 0005847908
    (式中、0<x<12、0≦y<1、0<z<x、z<x+δ、0<δ≦3、0≦v<1、および0<x+y+z≦12である)
    からなる群から選択される式を有する蛍光体を含む組成物であって、
    上記式中、
    M(II)がBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Co、Ni、Pd、Zn、およびCdからなる群から選択される少なくとも1種の二価カチオンを含み、
    M(I)がLi、Na、K、Rb、Cu、AgおよびAuからなる群から選択される少なくとも1種の一価カチオンを含み、
    M(III)がB、Al、Ga、In、Sc、Y、LaおよびGdからなる群から選択される少なくとも1種の三価カチオンを含み、
    HがF、Cl、BrおよびIからなる群から選択される少なくとも1種の一価アニオンを含み、並びに
    Aが、結晶構造中にドープされているCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、BiおよびSbからなる群から選択されるルミネセンスアクチベータを含む、
    組成物。
  2. 第1のルミネセンススペクトルを放射する光源、
    前記光源からの光で照射される場合に第2のルミネセンススペクトルを有する光を放射する蛍光体組成物、
    を含む発光素子であって、
    前記蛍光体組成物が請求項1のものである、発光素子。
  3. (a) Ca1−xAlx−xySi1−x+xy2−x−xyxy:A、
    (b) Ca1−x−zNaM(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xyxy:A、
    (c) M(II)1−x−zM(I)M(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xyxy:A、
    (d) M(II)1−x−zM(I)M(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xy−2w/3xyw−v/2:A、および
    (e) M(II)1−x−zM(I)M(III)x−xy−zSi1−x+xy+z2−x−xy−2w/3−v/3xy:A
    (式中、0<x<l、0<y<l、0≦z<l、0≦v<l、0<w<l、x+z<l、x>xy+z、v/2≦w、x−xy−2w/3−v/3<2、および0<x−xy−z<lであり、
    M(II)は少なくとも1種の二価カチオンであり、
    M(I)は少なくとも1種の一価カチオンであり、
    M(III)は少なくとも1種の三価カチオンであり、
    Dは少なくとも1種の一価アニオンであり、並びに、
    Aはルミネセンスアクチベータである)
    からなる群から選択される式を有する第2の蛍光体をさらに含む、請求項2に記載の発光素子。
  4. 少なくとも2種の追加の蛍光体をさらに含む、請求項2に記載の発光素子。
  5. 前記素子が白色光を放射する、請求項2に記載の発光素子。
  6. Ca1−xSrS:Eu2+(0≦x≦1)、3.5MgO・0.5MgF・GeO:Mn4+、YS:Eu3+、MSi:Eu2+(M=Ca、Sr、Ba)、MAlSiN:Eu2+(M=Ca、Sr)、YSiC:Eu2+、CaSiN:Eu2+、Ca1−xSrGa:Eu2+(0≦x≦1)、Ca1−x−y−zMgSrBaSiO:Eu2+(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z≦1)、BaMgAl1017:Eu2+、Mn2+、MYSi:Eu2+(M=Ca、Sr、Ba)、β−サイアロン:Eu2+、MSi:Eu2+(M=Ca、Sr、Ba)、BaSi12:Eu2+、MSi:Ce3+(M=Ca、Sr、Ba)、YSiCe3+、α−サイアロン:Yb2+、(MSiO・(SiO:Eu2+、X(M=Mg、Ca、Sr、Ba;X=F、Cl、Br、I;mは1または0であり、かつ(i)m=1の場合にはn>3、または(ii)m=0の場合にはn=l)、MAl:Eu2+(M=Mg、Ca、Sr)、BaMgAl1017:Eu2+、YAl12:Ce3+(セリウムドープガーネット系蛍光体)、並びにα−サイアロン:Eu2+からなる群から選択される少なくとも1種の蛍光体をさらに含む、請求項2に記載の発光素子。
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