JP6291675B2 - 窒化物蛍光体の製造方法、窒化物蛍光体及び発光装置 - Google Patents
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Description
前記式(I)で示される組成を有する焼成物を準備し、
前記焼成物と、20℃における比誘電率が10以上70以下の極性溶媒とを混合する工程を含むことを特徴とする窒化物蛍光体の製造方法である。
Ma vMb wMc xMd yNz (I)
(式(I)中、Maは、Sr、Ca、Ba及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、MbはLi、Na及びKからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、Mcは、Eu、Mn、Tb及びCeからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、Mdは、Al、B、Ga及びInからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、v、w、x、y及びzはそれぞれ、0.8≦v≦1.1、0.8≦w≦1.1、0.001<x≦0.1、2.0≦y≦4.0、3.0≦z≦5.0を満たす数である。)
前記焼成物と、極性溶媒とを混合する工程を含み、
前記極性溶媒が、0.01質量%以上12質量%以下の水を含有するアルコール及び/又はケトンであることを特徴とする窒化物蛍光体の製造方法である。
Ma vMb wMc xMd yNz (I)
(式(I)中、Maは、Sr、Ca、Ba及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、MbはLi、Na及びKからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、Mcは、Eu、Mn、Tb及びCeからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、Mdは、Al、B、Ga及びInからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、v、w、x、y及びzはそれぞれ、0.8≦v≦1.1、0.8≦w≦1.1、0.001<x≦0.1、2.0≦y≦4.0、3.0≦z≦5.0を満たす数である。)
Ma vMb wMc xMd yNz (I)
(式(I)中、Maは、Sr、Ca、Ba及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、MbはLi、Na及びKからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、Mcは、Eu、Mn、Tb及びCeからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、Mdは、Al、B、Ga及びInからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、v、w、x、y及びzはそれぞれ、0.8≦v≦1.1、0.8≦w≦1.1、0.001<x≦0.1、2.0≦y≦4.0、3.0≦z≦5.0を満たす数である。)
本発明の実施形態に係る窒化物蛍光体の製造方法は、下記式(I)で示される組成を有する焼成物を含み、酸素元素の含有量が2質量%以上4質量%以下である窒化物蛍光体の製造方法であって、上記式(I)で示される組成を有する焼成物を準備し、前記焼成物と、20℃における比誘電率が10以上70以下の極性溶媒と混合する工程を含むことを特徴する窒化物蛍光体の製造方法である。
Ma vMb wMc xMd yNz (I)
ここで、式(I)中、Maは、Sr、Ca、Ba及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、MbはLi、Na及びKからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、Mcは、Eu、Mn、Tb及びCeからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、Mdは、Al、Si、B、Ga、In、Ge及びSnからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、特にAl、B、Ga及びInからなる群より選択される少なくとも1種の元素が好ましく、v、w、x、y及びzはそれぞれ、0.8≦v≦1.1、0.8≦w≦1.1、0.001<x≦0.1、2.0≦y≦4.0、3.0≦z≦5.0を満たす数である。
本実施形態の製造方法は、焼成物を得るために、各原料を混合した原料混合物を用いて、この原料混合物を熱処理し、上記式(I)で示される組成を有する焼成物を準備することを含む。
本実施形態の製造方法において用いられる原料混合物は、上記式(I)で示される組成を有する焼成物を得ることができれば、その原料混合物に含まれる材料は特に制限されない。例えば、原料混合物は、上記式(I)で示される組成を構成する金属元素の単体及びそれらの金属化合物からなる群から選択される少なくとも1種の原料を含むことができる。このような金属化合物としては、水素化物、窒化物、フッ化物、酸化物、炭酸塩、塩化物等を挙げることができる。原料は、発光特性を向上させる観点から、水素化物、窒化物及びフッ化物からなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。原料混合物が金属化合物として、酸化物、炭酸塩、塩化物等を含む場合、それらの含有量は原料混合物中に5質量%以下であることが好ましく、1質量%以下であることがより好ましい。金属化合物中、フッ化物又は塩化物は、陽イオンの元素比率を目的組成になるような化合物として原料混合物に加えることもでき、後述するフラックス成分としての効果も有する。
Liを含む第二の金属化合物として具体的には、Li3N、LiN3、LiH及びLiAlH4からなる群から選択される少なくとも1種が好ましい。
第三の金属化合物として、Alを含む金属化合物は、具体的には、AlN、AlH3、AlF3、LiAlH4等を挙げることができ、これらからなる群から選択される少なくとも1種が好ましい。
第三の金属化合物は1種単独でも、2種以上を組合せて用いてもよい。
第四の金属化合物は、Euを含む金属化合物であることが好ましく、賦活剤としてのEuを含むが、Euの一部がSc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等で置換されていてもよい。Euの一部を他の元素で置換することにより、他の元素は例えば共賦活剤として作用すると考えられる。共賦活剤を用いることにより、窒化物蛍光体は、発光特性の調整を行うことができる。Euを必須とする混合物を窒化物蛍光体として使用する場合、所望により配合比を変えることができる。ユウロピウムは、主に2価と3価のエネルギー準位を持つが、本実施形態の窒化物蛍光体は、少なくともEu2+を賦活剤として用いる。
本実施形態の製造方法は、上記の原料混合物を窒素雰囲気中で熱処理し、上記式(I)で示される組成を有する焼成物を準備することを含む。
上記式(I)で示される組成を有する焼成物は、原料を混合した混合物を、例えば、温度が1000℃以上1400℃以下、圧力が0.2MPa以上200MPa以下の窒素ガスを含む雰囲気中で熱処理することにより準備することができる。
窒素ガスを含む加圧雰囲気下、所定の温度で原料混合物を熱処理することで、所望の組成を有し、高い発光強度を有する粒子状の焼成物を効率よく製造することができる。焼成物の粒子は、蛍光体粒子として用いることも可能である。
本実施形態の製造方法は、上記式(I)で示される組成を有する焼成物と、極性溶媒とを混合する工程を含む。
本実施形態の製造方法は、上記式(I)で示される組成を有する焼成物と極性溶媒とを混合する工程によって、焼成物の粒子が分散される。その過程で、焼成物の粒子の表面の少なくとも一部が極性溶媒の影響を受けて、焼成物の粒子の表面に例えば水酸化物や酸化物が形成されると考えられる。このようにして得られた蛍光体が、表面の少なくとも一部に蛍光体の組成とは異なる化合物を有していることにより、蛍光体の粒子の表面近くで例えば屈折率が調整されることで、効率よく光が取り出され、その結果として、蛍光体の発光強度を高めていると考えることができる。
また、本実施形態の製造方法は、上記式(I)で示される組成を有する前記焼成物の粒子と極性溶媒を混合する工程を含むことによって、焼成物の粒子の分散と、焼成物の粒子の表面における屈折率の調節との両方を併せて行うことができるので、発光強度が高い窒化物蛍光体を効率よく製造することができる。
本発明の実施形態に係る製造方法において、極性溶媒は、20℃における比誘電率が10以上70以下である極性溶媒であるか、0.01質量%以上12質量%以下の水を含有するアルコール及び/又はケトンである。
極性溶媒は、20℃における比誘電率がより好ましくは10以上、さらに好ましくは15以上である。また、極性溶媒は、20℃における比誘電率が35以下のものが好ましい。
極性溶媒が0.01質量%以上12質量%以下の水を含有するアルコール及び/又はケトンである場合においても、20℃における比誘電率が10以上35以下のものであることが好ましい。
極性溶媒は、20℃における比誘電率が10未満のものであると、水との親和性が低いため、蛍光体粒子の表面と水との反応が起きにくく、焼成物の分散性が低下するため好ましくない。極性溶媒は、20℃における比誘電率が70を超えるものであると、水との親和性が高すぎることにより、水との反応で焼成物(蛍光体)の分解が進行する傾向があるため好ましくない。
本実施形態の製造方法は、焼成物と、極性溶媒とを混合する工程の後、窒化物蛍光体を分級し、平均粒径4.0μm以上の窒化物蛍光体を得る工程を含んでいてもよい。分級工程によって、窒化物蛍光体の平均粒径を所定値以上とすることができ、窒化物蛍光体への励起光の吸収率及び発光強度をより向上させた窒化物蛍光体を得ることができる。分級工程は、具体的には、篩い分け、溶液中での重力による沈降分級、遠心分離等を使用して、平均粒径が4.0μm以上の窒化物蛍光体を得ることができる。本実施形態の製造方法によれば、分級工程によって、平均粒径が4.0〜20μmの窒化物蛍光体を得ることが好ましく、平均粒径が5.0〜18μmの窒化物蛍光体を得ることがより好ましい。
窒化物蛍光体に含まれる酸素元素は、焼成物と極性溶媒とを混合することによって形成されると考えられる水酸化物や酸化物に含まれる酸素元素の他に、蛍光体の粒子を大気中に放置することによって粒子の表面に形成される水酸化物や酸化物に由来する酸素元素が含まれていてもよい。蛍光体の粒子を大気中に放置することで生じる水酸化物や酸化物は極微量であると推測される。
本実施形態の製造方法によって得られる窒化物蛍光体は、上記式(I)で示される組成を有し、更にフッ素元素を含有してもよい。窒化物蛍光体に含まれるフッ素は、原料混合物や前述のフラックスからの由来であると考えられる。
本発明の実施形態に係る窒化物蛍光体は、下記式(I)で表される組成を有する焼成物を含み、酸素元素の含有量が2質量%以上4質量%以下である。
Ma vMb wMc xMd yNz (I)
ここで、式(I)中、Maは、Sr、Ca、Ba及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、MbはLi、Na及びKからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、Mcは、Eu、Mn、Tb及びCeからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、Mdは、Al、Si、B、Ga、In、Ge及びSnからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、特にAl、B、Ga及びInからなる群から選択される少なくとも1種の元素が好ましく、v、w、x、y及びzはそれぞれ、0.8≦v≦1.1、0.8≦w≦1.1、0.001<x≦0.1、2.0≦y≦4.0、3.0≦z≦5.0を満たす数である。
窒化物蛍光体中の酸素元素の含有量が4質量%を超えると、酸素の含有量が多くなり、酸素が蛍光体粒子表面にとどまらず内部にも及び、発光強度が低くなる傾向がある。一方、窒化物蛍光体中の酸素元素の含有量が2質量%未満であると、蛍光体粒子の表面近くで蛍光体粒子外部への光の取り出しを向上し得るだけの水酸化物や酸化物が形成されているとは考え難く、発光強度を向上させることが困難となる傾向がある。
また、式(I)において、Mbは、結晶構造の安定性の観点から、少なくともLiを含むことが好ましい。MbがLiを含む場合、Mbに含まれるLiのモル比率は、例えば80モル%以上であり、90モル%以上が好ましい。
更に、式(I)において、McがEuであり、MdがAlであることが好ましい。式(I)において、McがEuであり、MdがAlであると、発光スペクトルの半値幅が狭く、望ましい波長領域の窒化物蛍光体を得ることができる。
次に、窒化物蛍光体を波長変換部材として利用した発光装置について説明する。本発明の実施形態の発光装置は、上記の窒化物蛍光体と、励起光源とを備える。励起光源は、400nm以上570nm以下の範囲の光を発するものであることが好ましい。
(Y,Gd,Tb,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce (IIa)
(Ba,Sr,Ca)2SiO4:Eu (IIb)
Si6−pAlpOpN8−p:Eu(0<p≦4.2) (IIc)
(Ca,Sr)8MgSi4O16(Cl,F,Br)2:Eu (IId)
(Ba,Sr,Ca)Ga2S4:Eu (IIe)
(Ba,Sr,Ca)2Si5N8:Eu (IIf)
(Sr,Ca)AlSiN3:Eu (IIg)
K2(Si,Ge,Ti)F6:Mn (IIh)
(Ba,Sr)MgAl10O17:Mn (IIi)
Ma vMb wMc xMd yNzで示される組成を有する焼成物を含む窒化物蛍光体を得るために、MaをSr、MbをLi、McをEu、MdをAlとし、SrNu(u=2/3相当、SrN2とSrNの混合物)、SrF2、LiAlH4、AlN、EuF3を各原料として用い、それを仕込み量比としてのモル比が、Sr:Li:Eu:Al=0.9925:1.2:0.0075:3になるように、不活性雰囲気のグローブボックス内で計量、混合して原料混合物を得た。ここでSrNuとSrF2の質量比は94:6とした。また、Liは焼成時に飛散しやすいため、目的とする組成の値より多めに配合した。原料混合物をルツボに充填し、窒素ガス雰囲気で、ガス圧力をゲージ圧として0.92MPa(絶対圧力では1.02MPa)として、温度1100℃で、熱処理を3時間行って、焼成物1の粉体を得た。
エタノール(純度99.5%以上、20℃における比誘電率24、含有水分量0.03質量%)80mlに製造例1で得られた焼成物1を30g加え、3時間撹拌処理を行った。撹拌処理後に分級処理によって粗大粒子や微小粒子を取り除き、更に固液分離して乾燥を行い、表1に示すように平均粒径(Dm)を調整した実施例1の窒化物蛍光体を得た。
製造例1で得られた焼成物1を比較例1の窒化物蛍光体とした。
エタノール中の水の含有量が1質量%になるように純水を添加したこと以外は、実施例1と同じ条件で実施例2の窒化物蛍光体を得た。
エタノール中の水の含有量が5質量%となるように純水を添加したこと以外は、実施例1と同じ条件で実施例3の窒化物蛍光体を得た。
エタノール中の水の含有量が10質量%となるように純水を添加したこと以外は、実施例1と同じ条件で実施例4の窒化物蛍光体を得た。
エタノール中の水の含有量が12.5質量%となるように純水を添加したこと以外は、実施例1と同じ条件で比較例2の窒化物蛍光体を得た。
エタノール中の水の含有量が15.0質量%となるように純水を添加したこと以外は、実施例1と同じ条件で比較例3の窒化物蛍光体を得た。
エタノール中の水の含有量が17.5質量%となるように純水を添加したこと以外は、実施例1と同じ条件で比較例4の窒化物蛍光体を得た。
エタノール中の水の含有量が20質量%となるように純水を添加したこと以外は、実施例1と同じ条件で比較例5の窒化物蛍光体を得た。
エタノール中の水の含有量が50質量%となるように純水を添加したこと以外は、実施例1と同じ条件で比較例6の窒化物蛍光体を得た。
エタノールを2−プロパノール(純度99.7%以上、20℃における比誘電率18、含有水分量0.11質量%)に変更した以外は実施例1と同様の条件で、実施例5の窒化物蛍光体を得た。
エタノールをヘキサン(純度96%以上、20℃における比誘電率2、含有水分量0.01質量%未満)に変更した以外は実施例1と同様の条件で、比較例7の窒化物蛍光体を得た。
(X線回折スペクトル)
得られた窒化物蛍光体について、X線回折スペクトル(XRD)を測定した。測定は、試料水平型多目的X線回折装置(製品名:UltimaIV、株式会社リガク製)を用い、CuKα線を用いて測定を行った。得られたXRDパターンの例を図2に示す。
得られた窒化物蛍光体について、レーザー回折式粒度分布測定装置(MALVERN社製MASTER SIZER 2000)により平均粒径を測定した。その結果を表1に示す。
得られた窒化物蛍光体について、発光特性を測定した。窒化物蛍光体の粉体の発光特性は、分光蛍光光度計:QE−2000(大塚電子株式会社製)で励起光の波長を450nmとして測定した。その得られた発光スペクトルから相対発光強度Ip(%)、発光ピーク波長λp(nm)、内部量子効率(%)、外部量子効率(%)を求めた。その結果を表1に示す。なお、相対発光強度Ip(%)は、比較例1の窒化物蛍光体を基準として算出した。
また、図3は、比較例1及び実施例1で得られた窒化物蛍光体の発光スペクトルを示す。図3の発光スペクトルは、波長に対する相対発光強度を示す。
得られた窒化物蛍光体について、誘導結合プラズマ発光分析装置(Perkin Elmer(パーキンエルマー)社製)を用いてICP発光分析法により、Sr、Li、Eu、Al及びNの各元素の組成比(モル比)を、測定した。また、得られた窒化物蛍光体のO、Fの含有量(質量%)は、堀場製作所製の酸素・窒素分析装置により測定した。その結果を表2に示す。なお、各元素の組成比(モル比)は、Alの組成比(モル比)3を基準として算出した値である。
走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、実施例1、実施例4、及び比較例6の窒化物蛍光体のSEM写真を得た。図4は実施例1の窒化物蛍光体のSEM写真であり、図5は実施例4の窒化物蛍光体のSEM写真であり、図6は比較例6の窒化物蛍光体のSEM写真である。
図2に示すように、比較例1、5〜7、実施例1、4、5の化合物は、SLANのXRDパターンと同様のパターンを有しており、いずれも組成がSrLiAl3N4で表される化合物であることを確認できた。ただし、比較例5、6はSrLiAl3N4に加えてSr3Al2(OH)12、LiAl2(OH)7・2H2Oなどのピークが存在しており、蛍光体粒子の一部が分解していると考えられる。図2に示すように、比較例5、6は、SrLiAl3N4に加えて、別の化合物が少量存在していることから、目的の化合物の一部が分解しており、相対発光強度及び内部量子効率とも低下したと考えられる。比較例7は、20℃における比誘電率が2であるヘキサンをエタノールの代わりに用いたものである。比較例7は、相対発光強度が実施例1〜5ほど大きくなっておらず、内部量子効率も他の比較例と同程度であり、発光特性の改善は見られない。
Claims (5)
- 下記式(I)で示される組成を有する焼成物を準備し、
前記焼成物と、極性溶媒とを混合する工程を含み、
前記極性溶媒が、0.01質量%以上12質量%以下の水を含有するアルコール及び/又はケトンであることを特徴とする窒化物蛍光体の製造方法。
Ma vMb wMc xMd yNz (I)
(式(I)中、Maは、Sr、Ca、Ba及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、MbはLi、Na及びKからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、Mcは、Eu、Mn、Tb及びCeからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、Mdは、Al、B、Ga及びInからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、v、w、x、y及びzはそれぞれ、0.8≦v≦1.1、0.8≦w≦1.1、0.001<x≦0.1、2.0≦y≦4.0、3.0≦z≦5.0を満たす数である。) - 前記極性溶媒中の水の含有量が0.1質量%以上10質量%以下である、請求項1に記載の窒化物蛍光体の製造方法。
- 前記極性溶媒が、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール及びアセトンからなる群より選択される少なくとも1種である、請求項1又は2に記載の窒化物蛍光体の製造方法。
- 前記工程の後、前記焼成物を分級し、平均粒径4.0μm以上の窒化物蛍光体を得る工程を含む請求項1から3のいずれか1項に記載の窒化物蛍光体の製造方法。
- 前記式(I)において、MaがSr及びCaの少なくとも一方を含み、MbがLiを含み、McがEuであり、MdがAlである請求項1から4のいずれか1項に記載の窒化物蛍光体の製造方法。
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