JP6406109B2 - 蛍光体およびそれを用いた発光装置ならびに蛍光体の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、蛍光体およびこれを用いた発光装置ならびに蛍光体の製造方法に関し、より詳しくは緑色から黄色に発光する窒化物蛍光体およびこれを用いた発光装置ならびに蛍光体の製造方法に関する。
光源と、光源からの光で励起されて光源の色相とは異なる色相の光を放出可能な波長変換部材とを組み合わせることで、光の混色の原理により多様な色相の光を放出可能な発光装置が開発されている。例えば、紫外光から可視光に相当する短波長側領域の一次光を発光素子より出射し、この一次光により蛍光体を励起する。その結果、一次光の少なくとも一部が波長変換されて、赤色、青色、緑色等の所望の光を得ることができる。また、これらの各成分光を加法混色させることにより、白色系の混色光を実現することができる。
この原理を利用して、光源に発光ダイオード(Light Emitting Diode:以下、「LED」とよぶ)を用いたLEDランプが、信号灯、携帯電話、各種電飾、車載用表示器、各種の表示装置等の多くの分野に利用されている。特に、LEDと蛍光体とを組み合わせて構成され、白色系の光を発光し得る発光装置(以下、「白色発光装置」ともよぶ)は、液晶表示器のバックライト、小型ストロボ等へと盛んに応用されており、普及が進んでいる。また、最近では照明装置への利用も試みられている。白色発光装置は長寿命、水銀フリーといった長所を有するため、環境負荷を低減することができ、蛍光灯に代替し得る光源として期待されている。
白色発光装置の構成としては、LEDと黄色蛍光体とを組み合わせた構成が挙げられる(例えば、特許文献1参照)。このような発光装置は、LEDからの光と、この光の一部が黄色蛍光体により波長変換されることにより得られる黄色光とを混色することにより、白色系の混色光をもたらすことができる。このような発光装置に用いられる蛍光体としては、LEDから発光される420nm〜470nmの波長の光によって効率よく励起され、黄色に発光する特性を有するものが求められる。
一方で、白色発光装置の発光特性を向上させる研究も盛んに行われている。例えば、白色光の輝度を高めるためには、各色の成分光の輝度をそれぞれ向上させることが重要となる。そのため、LEDからの一次光を高い効率でエネルギー変換できる蛍光体を用いることが好ましい。また、白色光の演色性や色純度を高めるためには、各成分光が所定の色で発光することが重要である。従って、所定の波長域にピーク波長を有する蛍光体を用いることが望ましい。
このような黄色蛍光体としては、セリウム付活イットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体が知られている。また、セリウム付活イットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体のYの一部がLu、Tb、Gd等で置換された蛍光体や、Alの一部がGa等で置換された蛍光体が知られている。このようなセリウム付活イットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体は、組成を調整することにより発光波長を幅広く調整することが可能である。
一方で、セリウム付活イットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体のような酸化物蛍光体とは異なる窒化物蛍光体も、他の無機化合物にはない特性を持つことが知られている。近年は、三元系以上の元素から構成される窒化物蛍光体が広く研究されており、可視光から近紫外光を発するLEDにより励起されて、青色から赤色に発光する化合物が存在することが報告されている。
また、発光スペクトルの異なる蛍光体を組み合わせることにより、白色発光装置の特性を更に高めることができる。例えば、白色発光装置において、橙色や赤色に発光する窒化物系蛍光体である(Sr,Ca)AlSiN:Eu蛍光体と、セリウム付活イットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体等の黄色蛍光体とを組み合わせて用いることにより、演色性や色再現範囲を向上させることができる(例えば、特許文献2参照)。
別法として、黄色蛍光体であるセリウム付活イットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体を他の蛍光体に置き換えることによって、演色性や色再現範囲を向上させることもできる。このような蛍光体として、例えば、LaSi11:Ceが報告されている(例えば、特許文献3参照)。
特許3503139号公報 特開2006−8721号公報 特開2008−88362号公報
白色発光装置等の発光装置においてLaSi11:Ce系の蛍光体を用いる場合、蛍光体の発光特性をより一層向上させることが求められている。例えば、蛍光体がより高い輝度を有すること、およびより広い波長範囲にわたる励起光によって蛍光を発し得ることが求められている。本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、輝度が向上し、かつ幅広い波長範囲にわたる励起光によって蛍光が発生可能である蛍光体を提供することを目的とする。
本発明者らは、LaSi11:Ce系の蛍光体を製造する際に、フラックス剤としてBaFおよび/またはSrFを用いることにより、蛍光体の輝度が向上し、かつ蛍光体が幅広い波長範囲にわたる励起光によって蛍光を発生させ得ることを見出し、本発明を完成させるに至った。
本発明の第1の要旨によれば、一般式LaCeSi8+x+y(式中、2.0≦x≦3.5、0<y≦1.0)で表される蛍光体であって、Baおよび/またはSrを10〜10000ppm含有し、400〜510nmの波長域において、励起強度がその最大値の70%となる第1波長および第2波長が存在し、第2波長は第1波長より長く、第1波長と第2波長の差が70nm以上である、蛍光体が提供される。
本発明の第2の要旨によれば、一般式LaCeSi8+x+y(式中、2.0≦x≦3.5、0<y≦1.0)で表される蛍光体であって、Baおよび/またはSrを10〜10000ppm含有し、350〜450nmの波長域において、励起強度の最小値が、400〜510nmの波長域における励起強度の最大値の50%以上である、蛍光体蛍光体が提供される。
本発明の第3の要旨によれば、紫外領域から青色領域の光を発する励起光源と、上述の蛍光体とを備える発光装置が提供される。
本発明の第4の要旨によれば、一般式LaCeSi8+x+y(式中、2.0≦x≦3.5、0<y≦1.0)で表される蛍光体の製造方法であって、La、CeおよびSiの単体、酸化物、窒化物、炭酸塩、リン酸塩、ケイ酸塩またはハロゲン化物を、蛍光体の組成の化学量論比となるように秤量し、フラックス剤として少なくともBaFおよび/またはSrFと共に粉砕および混合することにより原料混合物を得る工程と、原料混合物を還元雰囲気下で焼成して焼成物を得る工程と、焼成物を粉砕し、粉末状の蛍光体を得る工程とを含む、方法が提供される。
本発明に係る蛍光体は、上記特徴を有することにより、輝度が向上し、かつ幅広い波長範囲にわたる励起光によって蛍光が発生可能であるという利点を有する。また、本発明に係る発光装置は、上記特徴を有することにより、優れた発光特性を実現することができる。更に、本発明に係る蛍光体の製造方法は、上記特徴を有することにより、高い輝度を有し、かつ幅広い波長範囲にわたる励起光によって蛍光を発生させ得る蛍光体をもたらすことができる。
図1は、本発明の一の実施形態に係る発光装置の概略断面図である。 図2は、本発明の実施例および比較例の蛍光体の発光スペクトルである。 図3は、本発明の実施例および比較例の蛍光体の励起スペクトルである。 図4は、実施例1の蛍光体のSEM像である。 図5は、比較例1の蛍光体のSEM像である。 図6は、本発明の実施例および比較例の発光装置の発光スペクトルである。
以下、本発明の一の実施形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための蛍光体およびその製造方法ならびにその蛍光体を用いた発光装置を例示するものであり、本発明は、以下に示す蛍光体およびその製造方法ならびにその蛍光体を用いた発光装置に限定されるものではない。
本明細書において、色名と色度座標との関係、光の波長範囲と単色光の色名との関係等はJIS Z8110の規定に従う。具体的には、380nm〜410nmが紫色、410nm〜455nmが青紫色、455nm〜485nmが青色、485nm〜495nmが青緑色、495nm〜548nmが緑色、548nm〜573nmが黄緑色、573nm〜584nmが黄色、584nm〜610nmが黄赤色、610nm〜780nmが赤色である。
[蛍光体]
本実施形態に係る蛍光体は、一般式LaCeSi8+x+y(式中、2.0≦x≦3.5、0<y≦1.0)で表される。本実施形態に係る蛍光体は、Baおよび/またはSrを10〜10000ppm含有する。なお、蛍光体がBaおよびSrの両方を含有する場合、BaおよびSrの含有量の合計を10〜10000ppmとする。Baおよび/またはSrの含有量が10ppm以上であることにより、蛍光体の発光特性を向上させることができる。Baおよび/またはSrの含有量が10000ppm以下であることにより、蛍光体の輝度を高くすることができる。Baおよび/またはSrの含有量は、好ましくは500〜10000ppmである。Baおよび/またはSrの含有量が上記範囲内であると、蛍光体の発光特性をより一層向上させることができる。また、Baの含有量は、500〜2000ppmであることがより好ましく、Srの含有量は、500〜5000ppmであることがより好ましい。なお、本明細書において、「ppm」は重量比を意味する。蛍光体に含まれるBaおよび/またはSrの少なくとも一部は、上述の組成式中のLaサイトの一部を置換して存在していると考えられる。また、蛍光体に含まれるBaおよび/またはSrの一部は、Fと化合物を形成して不純物相としても存在し得ると考えられる。本実施形態に係る蛍光体は、400〜510nmの波長域において、励起強度がその最大値の70%となる第1波長および第2波長を有し、第1波長と第2波長の差は70nm以上である。本明細書において、「第2波長」は「第1波長」より長いものとする。即ち、励起スペクトルの上記波長域において、励起強度が最大となる励起強度を100%として、その70%となる波長のうち、最も長い波長を「第2波長」とし、その次に長い波長を「第1波長」とする。本実施形態に係る蛍光体について、励起強度が最大となる波長は、約450nmである。第1波長と第2波長の差が70nm以上であると、幅広い波長範囲にわたる励起光によって蛍光を発生させることが可能であり、従って、幅広い種類の励起光源と組み合わせて用いることができる。第1波長と第2波長の差は、好ましくは80nm以上である。波長差が80nm以上であると、より一層幅広い種類の励起光源と組み合わせて用いることができる。
第1波長と第2波長の差は、450nm付近に励起スペクトルの強度ピークを有する励起スペクトルの波長域の幅(励起スペクトルの幅)を示す指標となる。第1波長と第2波長の差が大きいほど、450nm付近に励起スペクトルの強度ピークを有する励起スペクトルの幅が大きいことを意味する。一方、紫外領域から青色領域の光を発する発光素子の発光スペクトルは通常、波長450nm付近に強度ピークを有する。従って、励起光源として紫外領域から青色領域の光を発する発光素子を用いる場合、第1波長と第2波長の差が大きいほど、即ち励起スペクトルの幅が大きいほど、蛍光体は、幅広い波長範囲にわたって発光素子からの光を励起光へと変換することができる。また、400〜510nmの波長域における励起強度の最大値に対して、350〜450nmの波長域における励起強度の最小値の割合が大きいほど、蛍光体は、幅広い波長範囲にわたって発光素子からの光を励起光へと変換することができる。350〜450nmの波長域において、励起強度の最小値は、400〜510nmの波長域における励起強度の最大値の50%以上、好ましくは60%以上である。励起強度の最大値に対する励起強度の最小値の割合が上記範囲内であると、蛍光体は、励起光によってより強く励起可能である。以上のような励起スペクトルを有する蛍光体により、紫外領域から青色領域の光を発する発光素子と本発明に係る蛍光体とを組み合わせた発光装置の発光効率を向上させることができると期待される。
xについて、好ましくは2.0<x<3.3、より好ましくは2.0<x<3.0である。xの値が2.0以上、好ましくは2.0より大きいと、目的とする組成の蛍光体を効率良く得ることができる。蛍光体を製造する際、目的とする組成を有する蛍光体に加えて、目的とする組成とは異なる組成を有する蛍光体(例えばLaSi)が副生成物として得られることがある。このような場合、分級等の方法により、目的とする組成の蛍光体と、それ以外の組成の蛍光体とを分離する操作が別途必要となってしまう。これに対し、xの値を2.0以上に設定することにより、目的とする組成の蛍光体を高確率で容易に得ることができる。そのため、分級等の追加の操作が不要になる。また、xの値は3.5以下、好ましくは3.3未満、より好ましくは3.0未満である。xの値が3.5以下であると、蛍光体中にLaの原料であるLaN等が残存することを防止することができる。その結果、目的とする組成を有し、従って優れた特性を有する蛍光体を高い効率で得ることができる。xの値が上記範囲内であると、目的相のLaSi11:Ceが効率よく得られ、更に付活剤のCeを含む元素分布が均一な状態となり、蛍光体の特性を向上させることができる。
yについては、好ましくは0<y<0.8、より好ましくは0<y<0.5である。付活剤としてセリウムを添加することにより、目的とする波長の発光を得ることができる。yの値が1.0以下、好ましくは0.8未満、より好ましくは0.5未満であると、付活剤であるセリウム元素が互いに干渉し合うことを防ぐことができ、高い輝度を有する蛍光体を得ることができる。
本実施形態に係る蛍光体は、10〜10000ppmのFを含有することが好ましい。Fの含有量が上記範囲内であると、より一層高い発光特性を有する蛍光体を得ることができる。また、Fの含有量は、10〜1000ppmであることがより好ましく、50〜200ppmであることが更に好ましい。
本実施形態に係る蛍光体は、少なくとも一部が結晶相を有することが好ましい。蛍光体がガラス体等の非晶質である場合、非晶質は構造が不均一であるため、蛍光体中の成分比率が不均一になることがあり、それにより色度が不均一になるおそれがある。色度が不均一になるのを回避するためには、生産工程における反応条件が一様になるように厳密に制御する必要がある。これに対し、蛍光体の少なくとも一部が結晶相を有する場合、蛍光体中の成分比率を均一にすることが容易であるので、反応条件を厳密に制御する必要がなく、均一な色度を有する蛍光体を得ることができる。また、蛍光体の少なくとも一部が結晶相を有する場合、蛍光体をガラス相でなく結晶相を有する粉体または粒体の形態で得ることができるので、製造および加工が容易である。このような蛍光体は、有機媒体に均一に溶解することができ、発光性プラスチックやポリマー薄膜材料等の調製を容易に実現することができる。本実施形態に係る蛍光体は、好ましくは少なくとも50重量%以上、より好ましくは80重量%以上が結晶相を有している。なお、本明細書において、「結晶相」とは、発光性を有する結晶相を意味する。蛍光体の50重量%以上が結晶相を有する場合、より優れた発光特性を得ることができる。蛍光体における結晶相の割合が高いほど、蛍光体の輝度が高くなり、発光特性が向上する。また、蛍光体における結晶相の割合が高いほど、蛍光体の加工性が高くなる。従って、蛍光体の80重量%以上が結晶相を有する場合、優れた発光特性を有し、かつ加工性に優れた蛍光体を得ることができる。
発光装置に搭載することを考慮すれば、蛍光体の平均粒径は、好ましくは15μm〜40μm、より好ましくは20μm〜40μmである。蛍光体の平均粒径が上記範囲内であると、光の吸収率および変換効率をより一層高くすることができる。また、蛍光体の平均粒径が20μm以上である場合、凝集体の形成を効果的に抑制することができる。また、蛍光体において、上述の平均粒径の値を有する蛍光体の頻度分布が高いことが好ましい。更に、蛍光体の粒度分布に関しては、狭い範囲に分布していることが好ましい。このように粒径および粒度分布のばらつきが小さく、光学的に優れた特徴を有する蛍光体を用いることにより、色むらがより一層抑制された、良好な色調を有する発光装置を得ることができる。
なお、本明細書において、「平均粒径」は、コールター原理に基づく細孔電気抵抗法(電気的検知帯法)により測定される平均粒径を意味する。細孔電気抵抗法は、電気抵抗を利用した粒子測定法であり、具体的には、電解質溶液中に蛍光体を分散させ、アパーチャーチューブの細孔を通過するときに生じる電気抵抗に基づいて蛍光体の粒径を求める方法である。
[蛍光体の製造方法]
以下に、本実施形態に係る蛍光体の製造方法の一例について説明する。本実施形態に係る蛍光体の製造方法は、La、CeおよびSiの単体、酸化物、窒化物、炭酸塩、リン酸塩、ケイ酸塩またはハロゲン化物を、目的とする蛍光体の組成の化学量論比となるように秤量し、フラックス剤として少なくともBaFおよび/またはSrFと共に粉砕および混合することにより原料混合物を得る工程と、原料混合物を還元雰囲気下で焼成して焼成物を得る工程と、焼成物を粉砕し、粉末状の蛍光体を得る工程とを含む。
まず、原料として、La、CeおよびSiの単体、酸化物、窒化物、炭酸塩、リン酸塩、ケイ酸塩またはハロゲン化物を、一般式LaCeSi8+x+y(式中、2.0≦x≦3.5、0<y≦1.0)で表される蛍光体の組成の化学量論比となるように秤量する。
Laの原料としては、窒化物、酸化物等を用いることが好ましいが、その他の化合物または単体も用いることができる。Laの窒化物または単体を原料として用いる場合、得られる蛍光体中に含まれる酸素元素の量を低減することができ、より一層高い特性を有する蛍光体を得ることができる。Laの原料としては、例えば、LaN、La、LaSi、LaSi等が挙げられる。Laの原料としては、1種類の原料を単独で用いてよく、あるいは2種類以上の原料を組み合わせて用いてもよい。
付活剤であるCeの原料としては、窒化物、酸化物等を用いることが好ましいが、その他の化合物または単体も用いることができる。Ceの窒化物または単体を原料として用いる場合、得られる蛍光体中に含まれる酸素元素の量を低減することができ、より一層高い特性を有する蛍光体を得ることができる。付活剤であるCeの原料としては、例えば、ハロゲン化物、炭酸塩、リン酸塩、ケイ酸塩等が挙げられる。また、付活剤であるCeの原料としてフッ化物であるフッ化セリウムを使用する場合、フッ化セリウムは、蛍光体の原料としてのみならず、フラックス剤としても機能する。従って、Ceの原料としてフッ化セリウムを用いることが好ましい。Ceの原料としては、1種類の原料を単独で用いてよく、あるいは2種類以上の原料を組み合わせて用いてもよい。
Siの原料としては、窒化物または酸化物を用いることが好ましいが、イミド化合物、アミド化合物等を用いることもできる。Siの窒化物または単体を原料として用いる場合、得られる蛍光体中に含まれる酸素元素の量を低減することができ、より一層高い特性を有する蛍光体を得ることができる。Siの原料としては、例えば、Si、SiO、Si(NH)等が挙げられる。一方、Si単体のみを使用した場合であっても、安価で結晶性の良好な蛍光体を合成することができる。Siの原料の純度は2N以上であることが好ましいが、Li、Na、K、B等の異なる元素を含有してもよい。更に、Siの一部をAl、Ga、In、Tl、Ge、Sn、Ti、Zr、Hf等で置換してもよい。Siの原料としては、1種類の原料を単独で用いてよく、あるいは2種類以上の原料を組み合わせて用いてもよい。
また、上述の各原料に加えて、後述の焼成温度において液相を生成し、反応を促進させる機能を有するフラックス剤を添加する。フラックス剤を添加することにより、蛍光体の輝度を向上させることができ、かつ幅広い波長範囲にわたる励起光によって蛍光を発することが可能になる。フラックス剤としては、BaFおよびSrFを用いることができる。本実施形態に係る方法において、1種類のフラックス剤を単独で用いてよく、あるいは2種類のフラックス剤を組み合わせて用いてもよい。原料混合物におけるフラックス剤の含有量は、0.01〜15.0重量%であることが好ましい。フラックス剤の含有量が0.01重量%以上であると、より一層優れた発光特性を有する蛍光体を得ることができる。フラックス剤の含有量が15.0重量%以下であると、より高い輝度を有する蛍光体を得ることができる。更に、フラックス剤として、BaFおよび/またはSrFに加えて、アルカリ金属のハロゲン化物ならびに/またはBaおよびSr以外のアルカリ土類金属のハロゲン化物を用いてもよい。
秤量された各原料を、フラックス剤として少なくともBaFおよび/またはSrFと共に粉砕および混合することにより、原料混合物を得る。各原料の粉砕および混合は、混合機を用いて乾式または湿式で行うことができる。粉砕および混合は、工業的に通常用いられているボールミルの他、振動ミル、ロールミル、ジェットミル、乳鉢−乳棒等の粉砕機と、リボンブレンダー、V型ブレンダー、ヘンシェルミキサー等の混合機とを組み合わせることにより行うことができる。原料の粉砕を行うことにより、原料の比表面積を大きくすることができる。また、原料粉末の比表面積を一定範囲とするために、工業的に通常用いられている沈降槽、ハイドロサイクロン、遠心分離器等の湿式分離機、サイクロン、エアセパレータ等の乾式分級機を用いて分級することもできる。原料が大気中で不安定である場合、アルゴン雰囲気または窒素雰囲気のグローブボックス内で粉砕および混合を行ってよい。このように粉砕および混合を行うことにより、原料混合物が得られる。
次に、以下に説明する手順で、原料混合物を還元雰囲気下で焼成して焼成物を得る。まず、上述の原料混合物を、SiC、石英、アルミナ、BN等の坩堝に詰め、N、H等の還元雰囲気の下で焼成を行う。焼成は、アルゴン雰囲気、アンモニア雰囲気、一酸化炭素雰囲気、炭化水素雰囲気等の下で行うこともできる。焼成は、1000〜2000℃の温度で1〜30時間行うことが好ましい。焼成圧力は、大気圧以上10気圧以下であることが好ましい。焼成は、管状炉、高周波炉、メタル炉、雰囲気炉、ガス加圧炉等において行うことができる。このように焼成を行うことにより、焼成物が得られる。
次に、得られた焼成物を粉砕し、粉末状の蛍光体を得る。粉砕により得られる粉末状の蛍光体を、水中に分散させた後、固液分離により回収することにより、不純物を除去してよい。固液分離は濾過、吸引濾過、加圧濾過、遠心分離、デカンテーション等の工業的に通常用いられる方法により行うことができる。固液分離により回収された蛍光体は、真空乾燥機、熱風加熱乾燥機、コニカルドライヤー、ロータリーエバポレーター等の工業的に通常用いられる装置を用いて乾燥させることができる。また、蛍光体を酸性溶液で処理することにより、目的とする結晶相以外の部分を除去することができ、蛍光体に含まれる不純物相の含有量を低減させることができる。その結果、蛍光体の発光効率をより一層向上させることができる。
[発光装置]
以下に、本実施形態に係る蛍光体を搭載した発光装置の一例について説明する。本実施形態に係る発光装置は、紫外領域から青色領域の光を発する励起光源と、本発明に係る蛍光体とを備える。本実施形態に係る発光装置において、蛍光体および励起光源は、励起光源が発する光の一部を蛍光体が吸収して発光し、かつ励起光源からの光および蛍光体からの光を発光装置から取り出し得るように配置されていればよく、蛍光体および励起光源の配置は特定の形態に限定されるものではない。発光装置としては、例えば、蛍光ランプ等の照明器具、ディスプレイおよびレーダー等の表示装置、液晶用バックライト等が挙げられる。また、励起光源としては、近紫外から可視光の短波長領域の光を発する発光素子、例えばLEDを用いることが好ましい。特に、半導体発光素子は、小型で電力効率が良く、鮮やかな色の発光をするので好ましい。他の励起光源として、既存の蛍光灯に使用される水銀灯等を適宜利用することができる。
励起光源として発光素子を搭載した発光装置は、いわゆる砲弾型や表面実装型など種々の種類のものが存在する。本実施形態においては、表面実装型の発光装置について図1を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係る発光装置100の概略断面図である。本実施形態に係る発光装置100は、凹部を有するパッケージ40と、励起光源としての発光素子10と、発光素子10を被覆する封止部材50とを備える。
発光素子10は、パッケージ40に形成された凹部の底面に配置されており、パッケージ40に配置された正負一対のリード電極20、30に導電性ワイヤ60によって電気的に接続されている。
封止部材50は、発光素子10を覆うように凹部内に充填されている。封止部材50は、蛍光体70を含む。封止部材50は、発光素子10その他の部材を外部環境から保護すると共に、波長変換部材としても機能する。
正負一対のリード電極20、30は、その一端がパッケージ40の外側面に露出している。これらのリード電極20、30を介して、外部から電力の供給を受けて発光装置100が発光する。以下に、本実施形態に係る発光装置を構成する各部材について説明する。
(発光素子)
発光素子10は、紫外線領域から可視光領域までの光を発することができる。発光素子10が発する光のピーク波長は、240nm〜520nmであることが好ましく、420nm〜470nmであることがより好ましい。発光素子10としては、例えば、窒化物半導体素子(InAlGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)を用いることができる。発光素子10として窒化物半導体素子を用いることにより、機械的衝撃に強い安定した発光装置を得ることができる。
(封止部材)
発光装置100において、封止部材50は、パッケージ40に形成された凹部内に載置された発光素子10を覆うように充填される。封止部材50としては、透光性の樹脂やガラスを用いることができる。製造のしやすさを考慮すると、封止部材50は、透光性樹脂であることが好ましい。透光性樹脂としては、シリコーン樹脂組成物を用いることが好ましいが、エポキシ樹脂組成物、アクリル樹脂組成物等の絶縁性樹脂組成物を用いることもできる。封止部材50は、蛍光体70を含む。封止部材50は更に、添加部材を適宜含むこともできる。例えば、封止部材50が光拡散材を含むことにより、発光素子10からの指向性を緩和させ、視野角を増大させることができる。
(蛍光体)
本実施形態における蛍光体70は、上述の本発明に係る蛍光体を含む。蛍光体70は、励起光源(発光素子10)が発する光の一部を吸収して発光する。図1に示す発光装置100において、蛍光体70は、封止部材50中で部分的に偏在するよう配合されている。封止部材50は、蛍光体70を含むことにより、発光素子10や蛍光体70を外部環境から保護するための部材としてのみならず、波長変換部材としても機能する。図1に示すように蛍光体70を発光素子10に接近して載置することにより、発光素子10からの光を効率よく波長変換することができ、発光装置100の発光効率をより一層向上させることができる。なお、蛍光体70を含む波長変換部材と発光素子10との配置は、これらを互いに接近して配置する形態に限定されるものではなく、発光素子10が発する熱が蛍光体70に与える影響を考慮して、発光素子10と蛍光体70を含む波長変換部材との間隔を空けて配置することもできる。また、蛍光体70を封止部材50中にほぼ均一に分散して存在させることにより、色むらの小さい光を発する発光装置を得ることもできる。
発光装置において、1種類の蛍光体を単独で用いてよく、あるいは2種類以上の蛍光体を組み合わせて用いてもよい。例えば、本実施形態に係る発光装置において、青色光を放出する発光素子と、本発明に係る蛍光体との組み合わせに加えて、赤色光を発する蛍光体を併用することで、演色性に優れた白色光を得ることができる。
赤色光を発する赤色蛍光体としては、(Ca1−xSr)AlSiN:Eu(0≦x≦1.0)又は(Ca1−x−ySrBaSi:Eu(0≦x≦1.0、0≦y≦1.0、x+y≦1.0)等の窒化物蛍光体、K(Si1−a−bGeTi)F:Mn(0≦a≦1、0≦b≦1、a+b≦1.0)等のハロゲン化物蛍光体を、本発明に係る蛍光体と併用して用いることができる。これらの赤色光を発する蛍光体を併用することで、三原色に相当する成分光の半値幅を広くできるため、より暖色系に富んだ白色光を得ることができる。
また、赤色蛍光体として、Mn4+付活Mgフルオロジャーマネート蛍光体(3.5MgO・0.5MgF・GeO:Mn4+)またはM :Mn4+(M=Li、Na、K、Rb、Cs、NH ;M=Si、Ge、Sn、Ti、Zr)を用いることもできる。これらの赤色蛍光体を併用することで、三原色に相当する成分光の半値幅を狭くすることができるため、液晶バックライトユニットの光源としたときに、より色再現性に富んだ白色光が得られる。
その他、更に併用できる蛍光体の一例として、赤色光を発する蛍光体としては、(La,Y)S:Eu等のEu付活酸硫化物蛍光体、(Ca,Sr)S:Eu等のEu付活硫化物蛍光体、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(POCl:Eu,Mn等のEu,Mn付活ハロリン酸塩蛍光体、LuCaMg(Si,Ge)12:Ce等のCe付活酸化物蛍光体、α型サイアロン等のEu付活酸窒化物蛍光体を用いることができる。
また、本実施形態に係る発光装置において、緑色蛍光体や青色蛍光体を更に組み合わせて用いることもできる。本発明に係る蛍光体と発光ピーク波長が異なる緑色光を発する蛍光体や青色光を発する蛍光体を更に追加することで、色再現性や演色性を更に向上させることができる。また、紫外線を吸収して青色光を発する蛍光体を追加し、青色光を発する発光素子の代わりに紫外光を発する発光素子を組み合わせることにより、色再現性や演色性を向上させることもできる。
緑色光を発する緑色蛍光体としては、例えば、(Ca,Sr,Ba)SiO:Eu、CaScSi12:Ce等のケイ酸塩蛍光体、CaMgSi16Cl2−δ:Eu,Mn(0≦δ≦1.0)等のクロロシリケート蛍光体、(Ca,Sr,Ba)Si:Eu、(Ca,Sr,Ba)Si12:Eu、(Ca,Sr,Ba)Si:Eu、CaSc:Ce、Si6−zAl8−z:Eu(0<z≦4.2)等のβ型サイアロン等の酸窒化物蛍光体、(Y,Lu)(Al,Ga)12:Ce等のCe付活アルミン酸塩蛍光体、SrGa:Eu等のEu付活硫化物蛍光体を用いることができる。
また、青色光を発する青色蛍光体としては、例えば、(Sr,Ca,Ba)Al:Eu、(Sr,Ca,Ba)Al1425:Eu、(Ba,Sr,Ca)MgAl1017:Eu、BaMgAl1425:Eu,Tb,Sm等のEu付活アルミン酸塩蛍光体、(Ba,Sr,Ca)MgAl1017:Eu,Mn等のEu,Mn付活アルミン酸塩蛍光体、SrGa:Ce、CaGa:Ce等のCe付活チオガレート蛍光体、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(POl2:Eu等のEu付活ハロリン酸塩蛍光体を用いることができる。
以下に説明する手順で、実施例1〜4および比較例1〜3の蛍光体を合成した。
[実施例1]
Laの原料として窒化ランタン(LaN)、Siの原料として窒化ケイ素(Si)、Ceの原料として窒化セリウム(CeN)をそれぞれ用いた。フラックス剤としては、フッ化バリウム(BaF)を用いた。各元素のモル比がLa:Si:Ce:Ba=3:6:0.15:0.25となるように、各原料を秤量した。具体的には、LaNを5.69g、Siを3.48g、CeNを0.29g、BaFを0.54g秤量した。
秤取した原料を乾式で十分に粉砕および混合して原料混合物を得た。原料混合物におけるフラックス剤の含有量は5.4重量%であった。得られた原料混合物を坩堝に詰め、還元雰囲気下で1500℃にて10時間焼成して焼成物を得た。得られた焼成物を粉砕し、酸性溶液で処理を行った後、水中に分散させ、固液分離により回収し、乾燥させることにより、粉末状の蛍光体を得た。
[実施例2]
各元素のモル比がLa:Si:Ce:Ba=3:6:0.15:0.35となるように各原料を秤量した以外は実施例1と同様の手順で、実施例2の蛍光体を合成した。原料混合物におけるフラックス剤の含有量は7.4重量%であった。
[実施例3]
各元素のモル比がLa:Si:Ce:Ba=3:6:0.15:0.45となるように各原料を秤量した以外は実施例1と同様の手順で、実施例3の蛍光体を合成した。原料混合物におけるフラックス剤の含有量は9.4重量%であった。
[実施例4]
フラックス剤としてBaFの代わりにフッ化ストロンチウム(SrF)を使用し、各元素のモル比がLa:Si:Ce:Sr=3:6:0.15:0.225となるように各原料を秤量した以外は実施例1と同様の手順で、実施例4の蛍光体を合成した。原料混合物におけるフラックス剤の含有量は3.6重量%であった。
[比較例1]
Laの原料として窒化ランタン(LaN)、Siの原料として窒化ケイ素(Si)、Ceの原料としてフッ化セリウム(CeF)をそれぞれ用いた。比較例1において、実施例で使用したフラックス剤は使用しなかった。各元素のモル比がLa:Si:Ce=3:6:0.15となるように、各原料を秤量した。具体的には、LaNを5.97g、Siを3.65g、CeFを0.38g秤量した。秤量した各原料を用いて、実施例1と同様の手順で比較例1の蛍光体を合成した。
[比較例2]
フラックス剤としてSrFの代わりにフッ化マグネシウム(MgF)を使用した以外は実施例4と同様の手順で、比較例2の蛍光体を合成した。原料混合物におけるフラックス剤の含有量は1.8重量%であった。
[比較例3]
フラックス剤としてSrFの代わりにフッ化カルシウム(CaF)を使用した以外は実施例4と同様の手順で、比較例2の蛍光体を合成した。原料混合物におけるフラックス剤の含有量は2.3重量%であった。
実施例1〜4および比較例1〜3の蛍光体の組成を、ICP分析(誘導結合プラズマ発光分析)によって分析した。分析結果に基づいて求めた各蛍光体の組成(モル比)ならびに各蛍光体におけるBa、Sr、Mg、Ca、FおよびOの含有量(ppm)を表1に示す。なお、表1における符号「<」は、Ba含有量が示される数値よりも小さいことを意味する。表1より、実施例1〜3の蛍光体がBaを610〜1800ppm含有したのに対し、比較例1の蛍光体におけるBa含有量は10ppm未満であったことがわかる。また、フラックス剤としてSrFを用いた実施例4の蛍光体は、Srを4400ppm含有し、フラックス剤としてMgFを用いた比較例2の蛍光体は、Mgを49ppm含有し、フラックス剤としてCaFを用いた比較例3の蛍光体は、Caを5900ppm含有した。
Figure 0006406109
各実施例および比較例の蛍光体の平均粒径Dm(μm)を、コールター原理に基づく細孔電気抵抗法(電気的検知帯法)により測定した。また、各実施例および比較例の蛍光体の色度(x,y)、輝度、励起波長を、蛍光分光光度計F−4500(日立ハイテク製)により測定した。各蛍光体の平均粒径Dm(μm)および色度(x,y)の測定結果を表2に示す。
実施例1〜4および比較例1〜3の蛍光体の発光スペクトルおよび励起スペクトルを測定した。結果を図2および図3に示す。なお、図2および図3においては、実施例1および比較例1の結果を代表として示している。図3に示す励起スペクトルは、各蛍光体の違いを分かりやすくするため、波長450nmにおける強度で規格化したものである。発光スペクトルの測定結果より、各実施例および比較例の蛍光体の発光輝度について、比較例1の輝度を100%としたときの輝度比を計算した。また、励起スペクトルの測定結果より、各実施例および比較例の蛍光体について、400〜510nmの波長域において励起強度がその最大値の70%となる第1波長および第2波長を求め、第1波長と第2波長の差を算出した。各蛍光体の輝度比(%)、第1波長(nm)、第2波長(nm)および第1波長と第2波長の差(nm)を表2に示す。なお、表2において、「波長差」とは、第1波長と第2波長の差を意味する。また、各実施例および比較例の蛍光体について、励起スペクトルの350〜450nmの波長域における励起強度の最小値を求めた。波長450nmにおける励起強度の最大値を100%としたときの、上述の励起強度の最小値の相対強度を表2に示す。
Figure 0006406109
(粒径)
表2より、フラックス剤としてBaFを使用した実施例1〜3の蛍光体は、フラックス剤を使用しなかった比較例1の蛍光体よりも平均粒径が大きくなったことがわかる。フラックス剤としてSrFを使用した実施例4の蛍光体は、比較例1の蛍光体と同等の平均粒径を有した。フラックス剤としてMgFまたはCaFを使用した比較例2および3の蛍光体は、比較例1の蛍光体よりも平均粒径が小さくなった。
(SEM測定)
実施例1の蛍光体のSEM(走査型電子顕微鏡)像を図4、比較例1のSEM像を図5に示す。図4および図5より、フラックス剤としてBaFを使用した実施例1の蛍光体は、フラックス剤を使用しなかった比較例1の蛍光体と比較して、粒径が大きくなったことがわかる。同様に、実施例2および3の蛍光体の粒径が比較例1の蛍光体の粒径よりも大きいことが、SEM測定により確認できた。
(発光スペクトル)
図2より、実施例1の蛍光体の発光スペクトルのピークは、比較例1の蛍光体の発光スペクトルのピークよりも長波長側にあったことがわかる。同様に、実施例2〜4の蛍光体の発光スペクトルのピークは、比較例1の蛍光体の発光スペクトルのピークよりも長波長側にあった。更に、実施例1〜4の蛍光体の発光スペクトルピークの長波長側へのシフトは、視感度の高い方向へのシフトであったため、実施例1〜4の蛍光体の輝度をより高くすることができたと考えられる。また、色度の測定結果より、比較例1〜3の蛍光体は、実施例1〜4の蛍光体と比較して色相の違いが生じたことがわかる。
(輝度)
表2より、実施例1〜4の蛍光体の輝度は、フラックス剤を使用していない比較例1の蛍光体の輝度と比較して、約11〜20%高くなったことがわかる。また、フラックス剤としてMgFまたはCaFを使用した比較例2および3の蛍光体の輝度は、比較例1の蛍光体の輝度と同等以下であったことがわかる。
(励起スペクトル)
表2より、フラックス剤としてBaFまたはSrFを使用した実施例1〜4の蛍光体は、これらのフラックス剤を使用しなかった比較例1の蛍光体と比較して、第1波長と第2波長の差が大きくなったことがわかる。その理由として、フラックス剤として使用したBaFまたはSrFの元素の一部がLaと置換することにより蛍光体の励起スペクトルの幅が広がったこと、およびフラックス剤としてBaFまたはSrFを用いることにより蛍光体の結晶性が改善され、その結果、蛍光体の励起スペクトルの幅が広がったこと、の少なくとも二点が考えられる。その一方、フラックス剤としてMgFまたはCaFを使用した比較例2および3の蛍光体は、比較例1の蛍光体と比較して、第1波長と第2波長の差が小さくなったことがわかる。その理由として、比較例1の蛍光体の原料として用いたCeFがフラックス剤としても働いており、フラックス剤としてMgFまたはCaFを使用した比較例2および3の蛍光体は、その比較例1の蛍光体よりも結晶性が改善されなかったことが考えられる。以上より、実施例1〜4の蛍光体は、比較例1〜3の蛍光体と比較して、より幅広い波長範囲にわたる励起光によって励起可能であることがわかった。また、表2より、実施例1〜4の蛍光体は、励起強度の最小値が、励起強度の最大値を100%として、50%以上であったことが分かる。更に、フラックス剤としてBaFを使用した実施例1〜3は、励起強度の最小値が、励起強度の最大値を100%として、60%以上であったことが分かる。このことから、実施例1〜4の蛍光体は、比較例1〜3の蛍光体と比較して、励起光によってより強く励起可能であることがわかった。
以上の結果より、実施例1〜4の蛍光体は、比較例1〜3の蛍光体と比較して、高い輝度を有し、幅広い波長範囲の光によって励起可能であり、優れた発光特性を有することがわかった。
更に、上記比較例1および実施例1〜3の蛍光体を用いてそれぞれ、比較例4および実施例5〜7の発光装置を作製した。比較例4および実施例5〜7の発光装置は、図1に示すような表面実装型の発光装置であった。各実施例および比較例において、外形寸法が500μm×290μmであり、ピーク波長が450nmの光を発する窒化物半導体発光素子を励起光源として使用し、封止部材としてシリコーン樹脂を使用した。発光装置のパッケージに形成された凹部に上述の発光素子を配置し、この発光素子を覆うように、比較例1および実施例1〜3のいずれかの蛍光体を含有するシリコーン樹脂を凹部内に充填することにより、比較例4および実施例5〜7の発光装置を作製した。このようにして得られた比較例4および実施例5〜7の発光装置をそれぞれ順電流150mA、順電圧3.3Vの条件の下で駆動して、光束を測定した。発光装置の光束は、積分式全光束測定装置を用いて測定した。光束の測定結果より、各実施例および比較例の発光装置について、比較例4の光束を100としたときの光束比を計算した。結果を表3および図6に示す。図6は、比較例4および実施例5の発光装置の発光スペクトルを代表として示している。表3に示すように、実施例1〜3の蛍光体をそれぞれ用いた実施例5〜7の発光装置は、比較例1の蛍光体を用いた比較例4の発光装置と比較して、高い光束値を示したことが確認された。また、図6に示すように、実施例5の発光装置は、緑色を含む波長領域において比較例4の発光装置よりも発光強度が大きくなったことが確認された。実施例6および7の発光装置についても同様に、比較例4の発光装置より発光強度が大きくなったことが確認された。
Figure 0006406109
本発明に係る蛍光体は、特に青色発光ダイオードまたは紫外線発光ダイオードを光源とする発光特性に極めて優れた白色の照明用光源、LEDディスプレイ、バックライト光源、信号機、照明式スイッチ、各種センサおよび各種インジケータ等に好適に利用することができる。
100 発光装置
10 発光素子
20、30 リード電極
40 パッケージ
50 封止部材
60 導電性ワイヤ
70 蛍光体

Claims (10)

  1. 一般式LaCeSi8+x+y(式中、2.0≦x≦3.5、0<y≦1.0)で表される蛍光体であって、
    Baおよび/またはSrを10〜10000ppm含有し、
    400〜510nmの波長域において、励起強度がその最大値の70%となる第1波長および第2波長が存在し、前記第2波長は前記第1波長より長く、前記第1波長と前記第2波長の差が70nm以上86nm以下である、蛍光体。
  2. 前記第1波長と前記第2波長の差が80nm以上である、請求項1に記載の蛍光体。
  3. 350〜450nmの波長域における励起強度の最小値が、400〜510nmの波長域における励起強度の最大値の50%以上である、請求項1または2に記載の蛍光体。
  4. 一般式LaCeSi8+x+y(式中、2.0≦x≦3.5、0<y≦1.0)で表される蛍光体であって、
    Baおよび/またはSrを10〜10000ppm含有し、
    350〜450nmの波長域における励起強度の最小値が、400〜510nmの波長域における励起強度の最大値の50%以上66.3%以下である、蛍光体。
  5. Baおよび/またはSrを500〜10000ppm含有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の蛍光体。
  6. Fを10〜10000ppm含有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の蛍光体。
  7. 前記蛍光体の平均粒径が15〜40μmである、請求項1〜6のいずれか1項に記載の蛍光体。
  8. 紫外領域から青色領域の光を発する励起光源と、請求項1〜7のいずれか1項に記載の蛍光体とを備える発光装置。
  9. 一般式LaCeSi8+x+y(式中、2.0≦x≦3.5、0<y≦1.0)で表される蛍光体の製造方法であって、
    La、CeおよびSiの単体、酸化物、窒化物、炭酸塩、リン酸塩、ケイ酸塩またはハロゲン化物を、前記蛍光体の組成の化学量論比となるように秤量し、フラックス剤として少なくともBaFおよび/またはSrFと共に粉砕および混合することにより原料混合物を得る工程と、
    前記原料混合物を還元雰囲気下で焼成して焼成物を得る工程と、
    前記焼成物を粉砕し、粉末状の蛍光体を得る工程と
    を含む、方法。
  10. 前記原料混合物におけるフラックス剤の含有量が0.01〜15.0重量%である、請求項9に記載の方法。
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