JP6418208B2 - 窒化物蛍光体及び発光装置 - Google Patents
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Description
そこで、本発明の一実施形態は、耐久性に優れた窒化物蛍光体及びそれを用いた発光装置を提供することを目的とする。
本発明の第一の実施形態は、Ca、Sr、Ba及びMgからなる群より選択される少なくとも1種の元素と、Li、Na及びKからなる群より選択される少なくとも1種の元素と、Eu、Ce、Tb及びMnからなる群より選択される少なくとも1種の元素と、Alと、Nとを含む組成を有する窒化物蛍光体であって、フーリエ変換赤外分光装置(以下、「FT−IR」と称する場合がある。)によって測定される前記窒化物蛍光体の赤外吸収スペクトルにおいて、450cm−1以上900cm−1未満の波数領域における吸光度の最大値を1としたときに、1200cm−1から1600cm−1の波数領域の両端の吸光度値を結ぶ直線をベースラインAとし、前記ベースラインAと1200cm−1以上1600cm−1未満の波数領域における吸光度スペクトルで囲われた領域の積分値Z1が、4.0以下、及び/又は、2700cm−1から3680cm−1の波数領域の両端の吸光度値を結ぶ直線をベースラインBとし、前記ベースラインBと2700cm−1以上3680cm−1未満の波数領域における吸光度スペクトルで囲われた領域の積分値Z2が、5.0以下である、窒化物蛍光体である。
Ma vMb wMc xAl3−ySiyNz (I)
(式中、Maは、Ca、Sr、Ba及びMgからなる群より選択される少なくとも一種の元素であり、Mbは、Li、Na及びKからなる群より選択される少なくとも一種の元素であり、Mcは、Eu、Ce、Tb及びMnからなる群より選択される少なくとも一種の元素であり、v、w、x、y及びzは、それぞれ0.80≦v≦1.05、0.80≦w≦1.05、0.001<x≦0.1、0≦y≦0.5、3.0≦z≦5.0を満たす数である。)
FT−IRによってSLAN系窒化物蛍光体を測定した赤外吸収スペクトルにおいて、1200cm−1以上1600cm−1未満の波数領域に検出される吸光度スペクトルの吸収ピークが大きい場合には、SLAN系蛍光体の表面近傍の元素が二酸化炭素、水分等と反応して、炭酸塩が生成されていることが推測できる。
また、FT−IRによってSLAN系窒化物蛍光体を測定した赤外吸収スペクトルにおいて、2700cm−1以上3680cm−1以下の波数領域に検出される吸光度スペクトルの吸収ピークが大きい場合には、SLAN系窒化物蛍光体の表面又は表面近傍の元素が、水分と反応して、水酸化物が生成されていることが推測できる。
特定の波数領域における吸収ピークの大小は、FT−IRによってSLAN系窒化物蛍光体を測定した赤外吸収スペクトルにおいて、450cm−1以上900cm−1未満の波数領域における吸光度の最大値を1としたときに、1200cm−1から1600cm−1の両端の吸光度値を結ぶ直線をベースラインAとし、このベースラインAと1200cm−1以上1600cm−1未満の波数領域における吸光度スペクトルで囲われた領域の積分値Z1、及び/又は、2700cm−1から3680cm−1の両端の吸光度値を結ぶ直線をベースラインBとし、このベースラインBと2700cm−1以上3680cm−1未満の波数領域における吸光度スペクトルで囲われた領域の積分値Z2を比較することによって測定することができる。
前記積分値Z1は、1200cm−1以上1600cm−1未満の波数領域における吸光度スペクトルの全体の積分値Z01とし、この全体の積分値Z01から、1200cm−1以上1600cm−1未満の波数領域における吸光度スペクトルのベースラインA以下の略台形の面積の積分値Zt1をバックグラウンドとして除去することによって、スペクトル上に現れる変動要因を除き、安定した積分値Z1を得ることができる。
また、前記積分値Z2は、2700cm−1以上3680cm−1未満の波数領域における吸光度スペクトルの全体の積分値Z02とし、この全体の積分値Z02から、2700cm−1以上3680cm−1未満の波数領域における吸光度スペクトルのベースラインB以下の略台形の面積の積分値Zt2をバックグラウンドとして除去することによって、スペクトル上に現れる変動要因を除き、安定した積分値Z2を得ることができる。
本発明の一実施形態に係るSLAN系窒化物蛍光体は、前記積分値Z1が、好ましくは2.0以下、より好ましくは1.5以下、さらに好ましくは1.4以下、特に好ましくは1.3以下である。また、前記積分値Z1は、通常0.1以上である。
前記積分値Z1が4.0以下であり、前記積分値Z2が5.0以下であることによって、SLAN系窒化物蛍光体を構成するアルカリ土類金属(Ca、Sr、Ba、Mg)又はアルカリ金属(Li、Na、K)が二酸化炭素、水分等のいずれとも反応が抑制されていることが確認できる。
本発明の一実施形態に係るSLAN窒化物蛍光体は、蛍光体の表面又は内部において、Nの一部がOに置き換わっていてもよい。
フッ素元素の含有量を上記範囲内とすることで、蛍光体の表面近傍に形成された膜状のフッ素を含む化合物を保護膜として機能させることができる。
SLAN系窒化物蛍光体のフッ素元素の含有量が1質量%未満であると、フッ素元素の含有量が少なすぎて、フッ素を含む化合物による保護膜の機能を発揮することができず、耐久性を向上することができない場合がある。SLAN系窒化物蛍光体のフッ素元素の含有量が7質量%を超えると、SLAN系窒化物蛍光体を構成する結晶構造中に、結晶構造を形成する前記Ma元素、Mb元素、及びAlからなる元素と、酸素(O)、フッ素(F)等が反応して、これらの元素を含む結晶構造を形成する化合物とは異なる化合物が形成され、SLAN系窒化物蛍光体を発光装置に用いた場合に、色度が変化する場合がある。
またMbは、結晶構造安定性の観点から、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。
次に、本発明の一実施形態に係る発光装置について説明する。図7は、本発明の一実施態様の発光装置100を示す概略断面図である。発光装置100は、少なくとも本発明の一実施形態に係るSLAN系窒化物蛍光体を含む第一蛍光体71と、400nm以上570nm以下の波長範囲の光を発する励起光源とを備える。
発光素子には例えば、窒化物系半導体(InXAlYGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)を用いた半導体発光素子を用いることが好ましい。光源として半導体発光素子を用いることによって、高効率で入力に対する出力のリニアリティが高く、機械的衝撃にも強い安定した発光装置を得ることができる。
(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)
本発明の一実施形態に係る窒化物蛍光体は、Ca、Sr、Ba及びMgからなる群より選択される少なくとも1種の元素と、Li、Na及びKからなる群より選択される少なくとも1種の元素と、Eu、Ce、Tb及びMnからなる群より選択される少なくとも1種の元素と、Alと、Nとを含む組成(以下、「SLAN系の組成」と称する場合がある。)を有する焼成物を準備し、前記焼成物とフッ素含有物質とを接触させ、200℃以上500℃以下の温度で熱処理することによって製造することができる。
焼成物の組成中に、Alの一部にSiを含む場合には、金属元素としてSiを含む金属化合物を用いることが好ましい。Siを含む金属化合物としては、SiO2、Si3N4、SiC、SiCl4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種を用いることができる。Siを含む金属化合物は、1種単独でも、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
第四金属化合物がEuの場合、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。窒化物蛍光体を共賦活とすることにより色調を変化させることができ、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、本実施形態に係る窒化物蛍光体に用いる焼成物は、少なくともEu2+を賦活剤として用いる。
フッ素含有物質が気体である場合には、フッ素含有物質を含む雰囲気中に焼成物を配置して接触させ、200℃以上500℃以下で熱処理を行なうことが好ましい。200℃以上500℃以下の熱処理を続けて行なう時間は、好ましくは1時間以上10時間以下である。
フッ素含有物質がF2(フッ素ガス)であり、F2を含む雰囲気中で焼成物を200℃以上500℃以下で熱処理する場合には、雰囲気中のF2濃度は、好ましくは2体積%以上25体積%以下であることが好ましい。
熱処理は、不活性ガス雰囲気中で行なうことが好ましい。不活性ガス雰囲気とは、アルゴン、ヘリウム、窒素等を雰囲気中の主成分とする雰囲気を意味する。不活性ガス雰囲気は、不可避的不純物として酸素を含むことがあるが、ここでは、雰囲気中に含まれる酸素の濃度が15体積%以下であれば不活性ガス雰囲気とする。不活性ガス雰囲気中の酸素の濃度は、好ましくは10体積%以下、特に好ましくは1体積%以下である。具体的には、特願2016−037616号に記載の方法によって、本発明の一実施形態に係るSLAN系窒化物蛍光体を製造することができる。
Sr、Li、Eu、Al、及びNを含む組成を有する蛍光体を製造した。
具体的には、一般式(I)のMa vMb wMc xAl3−ySiyNzで表される組成を有する蛍光体として、MaがSr、MbがLi、McがEuとし、SrNu(u=2/3、Sr2N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:N=0.9925:1.2:0.0075:3になるように、不活性ガス雰囲気のグローブボックス内で計量した後、混合して原料混合物を得た。ここでSrNuとSrF2の重量比は94:6とした。また、Liは焼成時に飛散しやすいため、理論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、温度が1100℃で、熱処理を3時間行い、Sr0.9925LiEu0.075Al3N4で表される組成を有する焼成物を得た。その後、この焼成物を分散、分級処理を行い、焼成物1を得た。
焼成物1をフッ素ガス(F2)と窒素ガス(N2)とを含み、フッ素ガス濃度が20体積%、窒素ガス濃度が80体積%以上である雰囲気中、温度を350℃、処理時間を8時間として熱処理を行い、実施例1のSLAN系窒化物蛍光体の粉末を得た。
焼成物1を比較例1のSLAN系窒化物蛍光体とした。
熱処理の温度を150℃にし、この熱処理の温度以外は各熱処理の初期条件を実施例1と同じ条件にして8時間の熱処理を3回繰り返して行った以外は、実施例1と同じ条件で、実施例2のSLAN系窒化物蛍光体の粉末を得た。
フッ素ガス濃度を10体積%にし、熱処理温度を400℃にする以外は、実施例1と同じ条件で、実施例3のSLAN系窒化物蛍光体の粉末を得た。
熱処理の温度を150℃にする以外は、実施例1と同じ条件で、比較例2のSLAN系窒化物蛍光体の粉末を得た。
(フーリエ変換赤外分光装置によって測定される赤外吸収スペクトル)
得られた窒化物蛍光体について、フーリエ変換赤外分光装置(製品名:NicoletiS50、サーモフィッシャー サイエンティフィック社製)を用いて、赤外吸収スペクトルを測定した。結果を図1に示す。前記FT−IRを用いて、各窒化物蛍光体の赤外吸収スペクトルにおける450cm−1以上900cm−1未満の波数領域における吸光度の最大値を1としたときに、1200cm−1から1600cm−1の波数領域の両端の吸光度値を結ぶ直線をベースラインAとし、このベースラインAと1200cm−1以上1600cm−1未満の波数領域における吸光度スペクトルで囲われた領域の積分値Z1と、2700cm−1から3680cm−1の波数領域の両端の吸光度値を結ぶ直線をベースラインBとし、このベースラインBと2700cm−1以上3680cm−1未満の波数領域における吸光度スペクトルで囲われた領域の積分値Z2を求めた。
具体的には、各窒化物蛍光体の赤外吸収スペクトルにおいて、450cm−1以上900cm−1未満の波数領域における吸光度の最大値を1としたときに、まず、1200cm−1以上1600cm−1未満の波数領域の吸光度スペクトルの全体の積分値Z01を算出する。次に、1200cm−1から1600cm−1の波数領域の両端の吸光度値を結ぶ直線をベースラインAとする。吸光度値0から波数1200cm−1における吸光度値を結ぶ直線と、ベースラインAと、吸光度値0から波数1600cm−1における吸光度値を結ぶ直線とで囲われた略台形の面積の積分値Zt1をバックグラウンドとして算出する。最後に、前記ベースラインAと1200cm−1以上1600cm−1未満の波数領域における吸光度スペクトルで囲われた領域の積分値Z1は、前記積分値Z01からバックグラウンドである前記積分値Zt1を除いた差分を積分値Z1として算出した。
また、各窒化物蛍光体の赤外吸収スペクトルにおいて、450cm−1以上900cm−1未満の波数領域における吸光度の最大値を1としたときに、まず、2700cm−1以上3680cm−1未満の波数領域の吸光度スペクトルの全体の積分値Z02を算出する。次に、2700cm−1から3680cm−1の波数領域の両端の吸光度値を結ぶ直線をベースラインBとする。吸光度値0から波数2700cm−1における吸光度値を結ぶ直線と、ベースラインBと、吸光度値0から波数3680cm−1における吸光度値を結ぶ直線とで囲われた略台形の面積の積分値Zt2をバックグラウンドとして算出する。最後に、
前記ベースラインBと2700cm−1以上3680cm−1未満の波数領域における吸光度スペクトルで囲われた領域の積分値Z2は、前記積分値Z02からバックグラウンドである前記積分値Zt2を除いた差分を積分値Z2として算出した。
FT−IRを用いた赤外吸収スペクトルは、波数分解能を4.0cm−1とし、積算回数を32回として測定した。
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、組成分析を行ない、窒化物蛍光体中のフッ素元素の含有量を求めた。窒化物蛍光体中のフッ素元素の含有量(質量%)を表1に示す。
得られた窒化物蛍光体を用いて発光装置をそれぞれ作製した。各実施例及び比較例の窒化物蛍光体を第一の蛍光体71とし、緑色蛍光体であるβサイアロンを第二の蛍光体72として、シリコーン樹脂に分散した蛍光部材50で、主波長451nmの窒化物系半導体発光素子を被覆して、色度(x,y)=(0.250,0.220)付近となる表面実装型の発光装置100を作製した。この発光装置を温度が85℃、相対湿度が85%で100時間保管した後、色度xを測定し、保管試験前の色度xに対する変化量(絶対値)として求めた。結果を表1に示す。
得られた窒化物蛍光体をエポキシ樹脂に包埋し、窒化物蛍光体の断面がでるように切削し、表面を紙やすりで研磨した後、クロスセクションポリッシャー(CP)で表面を仕上げ、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、実施例1及び比較例1,2の各窒化物蛍光体の断面SEM画像を得た。図3は、実施例1の窒化物蛍光体の断面を拡大したSEM写真であり、図4は、実施例1の窒化物蛍光体の断面を示すSEM写真である。図5は、比較例1の窒化物蛍光体の断面を示すSEM写真である。図6は、比較例2の窒化物蛍光体の断面を示すSEM写真である。
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(製品名:MASTER SIZER(マスターサイザー)2000、MALVERN(マルバーン)社製)により平均粒径を測定した。平均粒径は、体積平均粒径(メジアン径)である。結果を表1に示す。
一方、比較例1及び2の窒化物蛍光体は、前記積分値Z1が4.0を超えていることから、また、前記積分値Z2が5.0を超えていることから、窒化物蛍光体を構成する元素と二酸化炭素、水分等との反応による影響が大きいと推測された。比較例1及び2の窒化物蛍光体を用いた発光装置は、色度xの変化が大きく、耐久性に問題があった。
実施例1から3の窒化物蛍光体は、Sr0.9925LiEu0.075Al3N4の組成を有し、フッ素の含有量が1質量%以上7質量%以下であり、前述のとおり、実施例1から3の窒化物蛍光体を用いた発光装置は、保管後の色度xの変化が少なく、実施例1から3の窒化物蛍光体の表面近傍には、後述のSEM写真で確認できるフッ素を含む化合物が膜状に形成され、この膜状のフッ素を含む化合物が保護膜として機能していると考えられた。
一方、図1及び図2に示すように比較例1及び2の窒化物蛍光体は、FT−IRによって測定された赤外吸収スペクトルにおいて450cm−1以上900cm−1未満の波数領域における吸光度の最大値を1としたときに、1200cm−1以上1600cm−1未満の波数領域と、2700cm−1以上3680cm−1未満の波数領域に、それぞれ炭酸基(CO3 2−)と、水酸基(OH)に由来する比較的大きなピークがあることが確認できた。この結果から、比較例1及び2の窒化物蛍光体は、表面近傍の元素が二酸化炭素、水分等と反応して炭酸塩や水酸化物が生成されていることが推測できる。
Claims (11)
- Ca、Sr、Ba及びMgからなる群より選択される少なくとも1種の元素と、Li、Na及びKからなる群より選択される少なくとも1種の元素と、Eu、Ce、Tb及びMnからなる群より選択される少なくとも1種の元素と、Alと、Nとを含む組成を有する窒化物蛍光体であって、
フーリエ変換赤外分光装置によって測定される前記窒化物蛍光体の赤外吸収スペクトルにおいて、450cm−1以上900cm−1未満の波数領域における吸光度の最大値を1としたときに、1200cm−1から1600cm−1の波数領域の両端の吸光度値を結ぶ直線をベースラインAとし、前記ベースラインAと1200cm−1以上1600cm−1未満の波数領域における吸光度スペクトルで囲われた領域の積分値Z1が、4.0以下、及び/又は、2700cm−1から3680cm−1の波数領域の両端の吸光度値を結ぶ直線をベースラインBとし、前記ベースラインBと2700cm−1以上3680cm−1未満の波数領域における吸光度スペクトルで囲われた領域の積分値Z2が、5.0以下である、窒化物蛍光体。 - 前記積分値Z1が、4.0以下であり、前記積分値Z2が、5.0以下である、請求項1に記載の窒化物蛍光体。
- 前記積分値Z1が、2.0以下である、請求項1又は2に記載の窒化物蛍光体。
- 前記積分値Z2が、4.0以下である、請求項1又は2に記載に記載の窒化物蛍光体。
- 前記積分値Z2が、1.0以下である、請求項1、2及び4のいずれか一項に記載の窒化物蛍光体。
- 下記式(I)で示される組成を有する、請求項1から5のいずれか一項に記載の窒化物蛍光体。
Ma vMb wMc xAl3−ySiyNz (I)
(式中、Maは、Ca、Sr、Ba及びMgからなる群より選択される少なくとも一種の元素であり、Mbは、Li、Na及びKからなる群より選択される少なくとも一種の元素であり、Mcは、Eu、Ce、Tb及びMnからなる群より選択される少なくとも一種の元素であり、v、w、x、y及びzは、それぞれ0.80≦v≦1.05、0.80≦w≦1.05、0.001<x≦0.1、0≦y≦0.5、3.0≦z≦5.0を満たす数である。) - フッ素元素の含有量が1質量%以上7質量%以下である、請求項1から6のいずれか一項に記載の窒化物蛍光体。
- 窒化物蛍光体の表面に、Ca、Sr、Ba及びMgからなる群より選択される少なくとも一種の元素を含むフッ素化合物を含む第一の膜と、前記第一の膜の下に、Ca、Sr、Ba及びMgからなる群より選択される少なくとも一種の元素と、Alと、Nを含むフッ素化合物を含む第二の膜を有する、請求項1から7のいずれか一項に記載の窒化物蛍光体。
- 請求項1から8のいずれか一項に記載の窒化物蛍光体と、励起光源とを含む発光装置。
- Ca、Sr、Ba及びMgからなる群より選択される少なくとも1種の元素と、Li、Na及びKからなる群より選択される少なくとも1種の元素と、Eu、Ce、Tb及びMnからなる群より選択される少なくとも1種の元素と、Alと、Nとを含む組成を有する焼成物を準備することと、
前記焼成物とフッ素含有物質とを接触させ、200℃以上500℃以下の温度で熱処理することとを、含み、
フーリエ変換赤外分光装置によって測定される窒化物蛍光体の赤外吸収スペクトルにおいて、450cm −1 以上900cm −1 未満の波数領域における吸光度の最大値を1としたときに、1200cm −1 から1600cm −1 の波数領域の両端の吸光度値を結ぶ直線をベースラインAとし、前記ベースラインAと1200cm −1 以上1600cm −1 未満の波数領域における吸光度スペクトルで囲われた領域の積分値Z1が、4.0以下、及び/又は、2700cm −1 から3680cm −1 の波数領域の両端の吸光度値を結ぶ直線をベースラインBとし、前記ベースラインBと2700cm −1 以上3680cm −1 未満の波数領域における吸光度スペクトルで囲われた領域の積分値Z2が、5.0以下である、窒化物蛍光体を得る、窒化物蛍光体の製造方法。 - 前記熱処理を、不活性ガス雰囲気で行う、請求項10に記載の窒化物蛍光体の製造方法。
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