JP6435514B2 - Phosphor - Google Patents

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Description

本開示は、室内照明や車のヘッドライトなどの照明装置の光源や、プロジェクタやスマートフォンなどのディスプレイの光源として用いられる発光装置と、その発光装置に用いることができる蛍光体に関するものである。   The present disclosure relates to a light-emitting device used as a light source of an illumination device such as indoor lighting or a car headlight, a light source of a display such as a projector or a smartphone, and a phosphor that can be used in the light-emitting device.

近年、光源の発光波長が380nm〜480nm(紫外〜青色)である半導体発光素子と、それらの放射光の一部を吸収して放射光よりも長波長の蛍光を放射する蛍光体とを組み合わせた発光装置が盛んに開発されている。たとえば、セリウムを賦活したイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG:Ce)蛍光体は、波長450nmの青色光を吸収し、青色の補色である黄色にて発光する。この蛍光体は温度特性や変換効率も優れているため、これを搭載した白色発光ダイオードとして既に実用化されている。   In recent years, a combination of a semiconductor light emitting device having a light emission wavelength of 380 nm to 480 nm (ultraviolet to blue) and a phosphor that absorbs a part of the emitted light and emits fluorescence having a longer wavelength than the emitted light is combined. Light emitting devices have been actively developed. For example, a cerium-activated yttrium aluminum garnet (YAG: Ce) phosphor absorbs blue light having a wavelength of 450 nm and emits light in yellow, which is a complementary color of blue. Since this phosphor has excellent temperature characteristics and conversion efficiency, it has already been put into practical use as a white light emitting diode equipped with the phosphor.

短波長の光源を励起光源とし、なおかつ蛍光体によって可視光変換するようなディスプレイ装置について考える。これを実現するには、励起光を吸収し、なおかつそれぞれ赤、緑、青の3原色に変換できる蛍光体材料が必要となる。プロジェクタとして鮮明な映像を表示するためには、各原色の蛍光体がそれぞれ適切な波長にて発光する必要がある。   Consider a display device in which a short wavelength light source is used as an excitation light source and visible light is converted by a phosphor. In order to realize this, a phosphor material that absorbs excitation light and can be converted into the three primary colors of red, green, and blue is required. In order to display a clear image as a projector, each primary color phosphor needs to emit light at an appropriate wavelength.

ここでは、赤色について考える。赤色は、人間の肌色の質感や、肉や花などの鮮やかさを再現するうえで、重要な色である。そのため、赤色の発光ピーク波長は約620nm近傍でなければならない。もしそれよりも短波長になると映像は黄色っぽくなる。一方、長波長になると視感度が低くなるため、暗く見えてしまう。また、発光スペクトルの半値幅も重要な要素であり、半値幅はなるべく狭い方がよい。半値幅が広いと、短波長側では黄色成分が混合してしまう。黄色は赤色よりも視感度が高いため、混合が少なくとも、映像としては黄色っぽくなってしまう。一方、スペクトルが赤外領域にのびていると、人間にはほとんど見えないため、赤色とは認識されず、非発光成分と同等になってしまう。そのため、赤色蛍光体に必要な要素は、適切な発光ピーク波長と狭い半値幅の2点である。   Here, red is considered. Red is an important color for reproducing the texture of human skin color and the vividness of meat and flowers. Therefore, the red light emission peak wavelength must be around 620 nm. If the wavelength is shorter than that, the image becomes yellowish. On the other hand, when the wavelength becomes long, the visibility becomes low, so it looks dark. The half width of the emission spectrum is also an important factor, and the half width is preferably as narrow as possible. When the half width is wide, the yellow component is mixed on the short wavelength side. Since yellow has higher visibility than red, the mixing is at least yellowish as an image. On the other hand, if the spectrum extends in the infrared region, it is almost invisible to humans, so it is not recognized as red and is equivalent to a non-light emitting component. Therefore, the elements necessary for the red phosphor are two points, an appropriate emission peak wavelength and a narrow half-value width.

近年では、いくつかの赤色蛍光体が開発され、実用化されている。たとえば、アルファサイアロン系蛍光体は、2価のユウロピウムによって賦活されたアルミニウムおよびシリコンの酸窒化物蛍光体で、結晶構造は窒化珪素のアルファ構造を取る。非特許文献1によると、アルファサイアロン系蛍光体は中心波長約600nmにて発光し、映像表示装置への使用が可能である。   In recent years, several red phosphors have been developed and put into practical use. For example, the alpha sialon-based phosphor is an aluminum and silicon oxynitride phosphor activated by divalent europium, and has a silicon nitride alpha structure. According to Non-Patent Document 1, the alpha sialon phosphor emits light at a central wavelength of about 600 nm and can be used for an image display device.

フジクラ技報第108号(2005年4月)第1ページ〜第5ページFujikura Technical Review No. 108 (April 2005) Page 1 to Page 5

しかしながら上記に述べた発光装置において特に赤色の蛍光体に関しては次のような課題が挙げられる。まず、YAG:Ce系蛍光体は、上記に述べたように発光波長中心が黄色領域に位置するためディスプレイ用赤色蛍光体としては緑純度が不十分である。もし赤色蛍光体として用いる場合、黄色領域の光を全てフィルタカットしてしまう必要があり、効率としては大幅な損失となる。   However, in the light emitting device described above, the following problems are particularly raised with respect to the red phosphor. First, since the YAG: Ce-based phosphor has the emission wavelength center located in the yellow region as described above, the green purity is insufficient as a red phosphor for display. If it is used as a red phosphor, it is necessary to filter out all the light in the yellow region, resulting in a significant loss in efficiency.

一方、アルファサイアロン系蛍光体は、非特許文献1にもあるように、焼成には窒素雰囲気下にて高温(1700℃)かつ加圧条件にて行なう必要がある。そのため、焼成炉は耐圧性の確保などで、一般の電気炉よりも大掛かりとなってしまい、その結果、蛍光体は一般的な酸化物蛍光体よりも割高となってしまう。また、ほとんどの赤色蛍光体は半値幅が100nm程度ある。半値幅が広いと、純赤色として有効に利用することができない。   On the other hand, as described in Non-Patent Document 1, the alpha sialon-based phosphor needs to be fired under a nitrogen atmosphere at a high temperature (1700 ° C.) and under a pressurized condition. For this reason, the firing furnace is larger than a general electric furnace for ensuring pressure resistance, and as a result, the phosphor is more expensive than a general oxide phosphor. Most red phosphors have a full width at half maximum of about 100 nm. If the full width at half maximum is wide, it cannot be used effectively as pure red.

以上より、本発明は、高圧焼成が不要な尿素を窒化剤に用いた焼成方法によって、赤色の純度が高く、なおかつ半値幅が狭く、実効的な変換効率の高い蛍光体を提供することである。   As described above, the present invention is to provide a phosphor having a high red purity, a narrow half-value width, and a high effective conversion efficiency by a firing method using urea, which does not require high-pressure firing, as a nitriding agent. .

上記課題を解決するために本発明の蛍光体は、Euを賦活剤とし、Ca、Sr、Baのうち少なくとも1つを有するアルカリ土類元素と、シリコンと、窒素とを主成分とし、かつ発光ピーク波長が600nm以上かつ650nm以下であることを特徴とする。この構成により、演色性の高い蛍光体を実現することができる。   In order to solve the above problems, the phosphor of the present invention comprises Eu as an activator, an alkaline earth element having at least one of Ca, Sr, and Ba, silicon, and nitrogen as main components, and light emission. The peak wavelength is 600 nm or more and 650 nm or less. With this configuration, a phosphor with high color rendering properties can be realized.

本発明の蛍光体は、さらに酸素を含有し、そのモル量は窒素に比べて少ないことが好ましい。この好ましい構成によれば、電気陰性度の大きな酸素が含まれることで、酸素のない場合にくらべて蛍光体は短波長に蛍光ピークを持つことになる。そして、酸素含有量を、窒素含有量を越えない範囲で制御することにより、望みの演色性の高い赤色蛍光体を実現することができる。   The phosphor of the present invention further contains oxygen, and its molar amount is preferably smaller than that of nitrogen. According to this preferred configuration, oxygen having a large electronegativity is contained, so that the phosphor has a fluorescence peak at a short wavelength as compared with the case without oxygen. Then, by controlling the oxygen content within a range not exceeding the nitrogen content, a desired red phosphor having a high color rendering property can be realized.

本発明の蛍光体は、さらに発光半値幅が100nm未満であることが好ましい。この好ましい構成によれば、不要な波長成分のカット量を抑制することができるため、高効率な蛍光体を実現することができる。   The phosphor of the present invention preferably further has a light emission half width of less than 100 nm. According to this preferable configuration, it is possible to suppress a cut amount of unnecessary wavelength components, so that a highly efficient phosphor can be realized.

本発明の蛍光体は、さらに組成比がSr:Si=2:1、O:N=1:3であることが好ましい。この好ましい構成によれば、本赤色蛍光体は化学量論的に安定な組成となる。つまり、耐熱性が増し、光劣化も減少することから、信頼性のより高い蛍光体を実現することができる。   The phosphor of the present invention preferably further has a composition ratio of Sr: Si = 2: 1 and O: N = 1: 3. According to this preferred configuration, the red phosphor has a stoichiometrically stable composition. That is, the heat resistance is increased and the light deterioration is reduced, so that a phosphor with higher reliability can be realized.

本発明の蛍光体には、さらに組成比がSr:Si=5:1、O:N=9:1である混合物が存在することが好ましい。この好ましい構成によれば、窒素に比べて酸素含有量が多い場合、黄緑色近傍で発光させることができる。これを一部混入させることにより、赤色の演色性を微調整することができ、本蛍光体は、再現性よく発光ピーク波長を緑色領域に持たせることができる。   In the phosphor of the present invention, it is preferable that a mixture having a composition ratio of Sr: Si = 5: 1 and O: N = 9: 1 is further present. According to this preferred configuration, when the oxygen content is higher than that of nitrogen, light can be emitted in the vicinity of yellowish green. By partially mixing this, the color rendering property of red can be finely adjusted, and the phosphor can have the emission peak wavelength in the green region with good reproducibility.

本発明の蛍光体は、さらに粒状であり、その中心部には面状欠陥があり、なおかつ粒径は2μm以上あることが好ましい。この好ましい構成によれば、本蛍光体は中心部に面状欠陥を有しており、その周りを単結晶状の蛍光体結晶層が取り囲むような構造をしている。また、本蛍光体の外部量子効率は内部量子効率とほぼ同値であることから、蛍光体粒において十分に励起光吸収され、蛍光できることを意味する。とくに吸収の大きさから、蛍光体として機能する部分は蛍光体粒の外側がほとんどである。そのため、面状欠陥が表面から十分に離れている、すなわち、粒径が2μm以上あると、励起光は中心部にほとんど至ることがなく、面状欠陥によって失活することはなく、高効率な蛍光体を実現することができる。   It is preferable that the phosphor of the present invention is further granular, has a planar defect at the center, and has a particle size of 2 μm or more. According to this preferred configuration, the phosphor has a planar defect at the center, and has a structure in which the single crystal phosphor crystal layer surrounds it. Further, since the external quantum efficiency of the phosphor is almost the same as the internal quantum efficiency, it means that the phosphor particles are sufficiently absorbed by the excitation light and can be fluorescent. In particular, due to the magnitude of absorption, the portion that functions as a phosphor is mostly outside the phosphor particles. Therefore, when the planar defect is sufficiently separated from the surface, that is, when the particle size is 2 μm or more, the excitation light hardly reaches the central portion, and is not deactivated by the planar defect, and is highly efficient. A phosphor can be realized.

本発明の蛍光体は、さらに窒素原料は尿素であることが好ましい。この好ましい構成によれば、本蛍光体は、安価にて実現することができる。   In the phosphor of the present invention, the nitrogen material is preferably urea. According to this preferable configuration, the phosphor can be realized at low cost.

本発明によると、高効率な赤色蛍光体を実現することができる。   According to the present invention, a highly efficient red phosphor can be realized.

蛍光体の蛍光ピーク波長と半値幅に対する実効的な変換効率を表したグラフである。It is the graph showing the effective conversion efficiency with respect to the fluorescence peak wavelength and half value width of a fluorescent substance. (a)は本発明の蛍光体にかかる蛍光スペクトルを示す図であり、(b)は本発明の蛍光体にかかるCIE1931色座標での位置を表す図である。(A) is a figure which shows the fluorescence spectrum concerning the fluorescent substance of this invention, (b) is a figure showing the position in the CIE1931 color coordinate concerning the fluorescent substance of this invention. 本発明の蛍光体にかかる励起・蛍光スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the excitation and the fluorescence spectrum concerning the fluorescent substance of this invention. 本発明の蛍光体にかかる焼成条件を変えた際の蛍光体粉末の外観写真と焼成温度および時間との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the external appearance photograph of the fluorescent substance powder when changing the baking conditions concerning the fluorescent substance of this invention, baking temperature, and time. 本発明の蛍光体の元素組成分析結果を示す図である。It is a figure which shows the elemental composition analysis result of the fluorescent substance of this invention. 本発明の蛍光体にかかる様々な混合状態の蛍光スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the fluorescence spectrum of the various mixed state concerning the fluorescent substance of this invention. (a)は本発明の蛍光体の断面透過型電子顕微鏡像を示す全体図であり、(b)は同蛍光体の断面透過型電子顕微鏡像の部分拡大図である。(A) is the whole figure which shows the cross-sectional transmission electron microscope image of the fluorescent substance of this invention, (b) is the elements on larger scale of the cross-sectional transmission electron microscope image of the same fluorescent substance.

本発明の実施の形態について、以下に図面を用いて説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(1)蛍光体の発光スペクトルの半値幅と赤色光の変換効率との関係について
図1は、蛍光体の発光スペクトルをガウス型と仮定し、ピーク波長と半値幅を変えたとき、スペクトルのうち、赤色として認識可能な成分の割合をコンタープロットした図である。図1において、SiAlON、SSN、SSE、CASNは蛍光体を表す。図1における等高線は、全発光スペクトルのうち純赤色光が得られる割合すなわち純赤としての換算効率を表す。図1において25%、40%の等高線は、それぞれ純赤としての換算効率が25%、40%であることを表す。また、図1における矢印の向きは、純赤としての換算効率が増加する方向を表す。なお、赤色の領域を波長590nmから650nmの範囲として定義している。半値幅が非常に狭い場合、ピーク波長が赤色波長域にあれば、ほとんどの光が純赤色として有効利用できる。一方、半値幅が広くなるにつれて、有効利用できる割合は指数関数的に減少していく。半値幅が100nmの場合、全発光スペクトルのうちの約25%しか純赤色として利用できない。一方、半値幅が80nmである場合、約40%の成分が純赤色として利用することができる。つまり、半値幅を2割下げると、実効的な変換効率を5割程度向上させるのと同等の効果がある。
(1) Regarding the relationship between the half-value width of the phosphor emission spectrum and the conversion efficiency of red light FIG. 1 assumes that the emission spectrum of the phosphor is Gaussian and changes the peak wavelength and half-value width. FIG. 6 is a contour plot of the ratio of components that can be recognized as red. In FIG. 1, SiAlON, SSN, SSE, and CASN represent phosphors. The contour lines in FIG. 1 represent the proportion of pure red light in the total emission spectrum, that is, the conversion efficiency as pure red. In FIG. 1, the contour lines of 25% and 40% indicate that the conversion efficiency as pure red is 25% and 40%, respectively. Moreover, the direction of the arrow in FIG. 1 represents the direction in which the conversion efficiency as pure red increases. The red region is defined as a wavelength range of 590 nm to 650 nm. When the full width at half maximum is very narrow, most light can be effectively used as pure red if the peak wavelength is in the red wavelength range. On the other hand, as the full width at half maximum increases, the proportion of effective use decreases exponentially. When the half width is 100 nm, only about 25% of the entire emission spectrum can be used as pure red. On the other hand, when the half width is 80 nm, about 40% of the component can be used as pure red. That is, reducing the half-value width by 20% has the same effect as improving the effective conversion efficiency by about 50%.

(2)製造方法
本実施形態にかかる本発明の蛍光体の製造方法について、以下に説明する。
(2) Manufacturing method The manufacturing method of the phosphor of the present invention according to this embodiment will be described below.

まず原料として、炭酸ストロンチウム(化学式SrCO)、シリカ粉末(化学式SiO)、酸化ユウロピウム(化学式Eu)を準備する。それらは全て白色の粉末である。炭酸ストロンチウムとシリカは本蛍光体において母結晶の構成物となる。また酸化ユウロピウムは、母結晶内において蛍光賦活剤として取り込まれる。First, strontium carbonate (chemical formula SrCO 3 ), silica powder (chemical formula SiO 2 ), and europium oxide (chemical formula Eu 2 O 3 ) are prepared as raw materials. They are all white powders. Strontium carbonate and silica are constituents of the mother crystal in the phosphor. Europium oxide is incorporated as a fluorescence activator in the mother crystal.

これらの原料を、たとえば、シリカ5gに対して、炭酸ストロンチウム36g、酸化ユウロピウム0.8gの割合にて混合する。混合後は十分に攪拌し、均等に混ざるようにする。   For example, these raw materials are mixed at a ratio of 36 g of strontium carbonate and 0.8 g of europium oxide to 5 g of silica. After mixing, mix well to ensure even mixing.

次に混合物を電気炉にセットする。焼成条件は、1100℃、4時間としており、雰囲気は常圧大気中である。この結果、ユウロピウムを含むストロンチウムとシリコンの酸化物が得られる。このときのユウロピウムは酸化焼成によって3価を取っている。   Next, the mixture is set in an electric furnace. The firing conditions are 1100 ° C. and 4 hours, and the atmosphere is atmospheric pressure. As a result, an oxide of strontium and silicon containing europium is obtained. Europium at this time is trivalent by oxidation firing.

次に、上記酸化物に尿素を加える。上記酸化物1gに対し、尿素を8g程度添加し、均等攪拌のために純水を3cm程度加えて攪拌を行なう。この作業は、焼成酸化物の周囲に一旦水溶した尿素を均一に付着させ、反応性を向上するためである。Next, urea is added to the oxide. About 8 g of urea is added to 1 g of the oxide, and about 3 cm 3 of pure water is added for uniform stirring. This operation is for improving the reactivity by uniformly adhering once water-soluble urea around the calcined oxide.

得られた混合物を、電気炉にセットする。アニール条件は1500℃を2時間としており、炉内の雰囲気は窒素ガスで常圧としている。アニール前は白色粉末であったが、アニールを行なった後は、本条件では赤い蛍光体粉末として形成される。   The obtained mixture is set in an electric furnace. The annealing conditions are 1500 ° C. for 2 hours, and the atmosphere in the furnace is normal pressure with nitrogen gas. Although it was white powder before annealing, it is formed as red phosphor powder under this condition after annealing.

なお、本実施の形態では、Eu源を酸化ユウロピウムとしているが、硝酸ユウロピウム(化学式Eu(NO)およびその水和物であってもよい。なお、本実施の形態では、窒化剤として尿素を用いているが、カルバミド系化合物(たとえば化学式C(NH)(NH)(OH))や、ヒドラジン系化合物の水和物(たとえば化学式N・HO)、アジド系化合物(たとえば化学式NaN)を用いても、同様の効果が得られる。特に、カルバミド系化合物は尿素と分子構造が非常に近いので、尿素と同様に好ましい効果が得られる。また、本作製方法では、一度大気焼成を行なっているが、完全窒化された蛍光体を得る場合、その大気焼成工程を省いてもよい。この場合、ほとんど酸素を含まない赤色蛍光体ができる。一方、大気焼成の温度を1100℃よりもさらに上げたり、窒化焼成の時間短縮や低温度化を行なうと、窒素に比べてより酸素割合の高い蛍光体が形成される。In the present embodiment, the Eu source is europium oxide, but europium nitrate (chemical formula Eu (NO 2 ) 3 ) and hydrates thereof may be used. In this embodiment, urea is used as the nitriding agent. However, carbamide-based compounds (for example, chemical formula C (NH 2 ) (NH) (OH)) and hydrazine-based compound hydrates (for example, chemical formula N 2 H 2 · H 2 O), also using the azide compound (e.g. formula NaN 3), the same effect can be obtained. In particular, since the carbamide compound has a molecular structure very close to that of urea, a preferable effect can be obtained similarly to urea. Further, in this manufacturing method, atmospheric firing is performed once. However, when a completely nitrided phosphor is obtained, the atmospheric firing step may be omitted. In this case, a red phosphor containing almost no oxygen is produced. On the other hand, when the temperature of atmospheric baking is further raised above 1100 ° C. or the time for nitriding baking is shortened or the temperature is lowered, a phosphor having a higher oxygen ratio than nitrogen is formed.

(3)本発明の蛍光体の特性について
次に本発明にかかる蛍光体の光学特性を説明する。
(3) Characteristics of the phosphor of the present invention Next, optical characteristics of the phosphor according to the present invention will be described.

まず、図2は本発明にかかる蛍光体の蛍光スペクトル(図2(a))とそのCIE1931色座標(図2(b))である。なお、図2(a)においてはピーク波長でのピーク高さを1として規格化している。なお、図2(a)においては、本発明にかかる蛍光体の写真を併せて添付している。図2(a)に示す通り、本蛍光体は中心ピーク波長622nmにて赤色に発光している。また半値幅は約79nmと狭く、隣接する波長域(波長590nm未満および650nm以上)における蛍光成分が少ないことが特徴である。これは、尿素によって効果的に原料の窒化が行なわれているためである。フィルタなどで波長590nmから650nmまでの範囲のみを赤色として用いる場合を考えると、図2に示した実際のスペクトル形状から、4割程度のカット(実効効率は約6割)で済むことがわかる。   First, FIG. 2 shows the fluorescence spectrum of the phosphor according to the present invention (FIG. 2A) and its CIE1931 color coordinates (FIG. 2B). In FIG. 2A, the peak height at the peak wavelength is normalized as 1. In addition, in Fig.2 (a), the photograph of the fluorescent substance concerning this invention is attached together. As shown in FIG. 2A, the phosphor emits red light at a central peak wavelength of 622 nm. Further, the half-value width is as narrow as about 79 nm, and it is characterized in that there are few fluorescent components in adjacent wavelength regions (wavelengths less than 590 nm and 650 nm or more). This is because the raw material is effectively nitrided with urea. Considering the case where only the wavelength range from 590 nm to 650 nm is used as a red color with a filter or the like, it can be seen that about 40% cut (effective efficiency is about 60%) can be obtained from the actual spectrum shape shown in FIG.

一方で得られたピーク波長と半値幅を元に図1から実効効率を求めると、約4割程度となる。実際のスペクトルから算出した実効効率が高い理由は、スペクトル形状がガウス型ではなく、ピーク部分がブロードな台形に近いためである。すなわち、本蛍光体は赤色光源として、より適したスペクトル形状を有していることがわかる。その結果、純赤色に近い高演色かつ高効率な蛍光体として機能することができる。   On the other hand, when the effective efficiency is obtained from FIG. 1 based on the obtained peak wavelength and half width, it is about 40%. The reason why the effective efficiency calculated from the actual spectrum is high is that the spectrum shape is not Gaussian and the peak portion is close to a broad trapezoid. That is, it turns out that this fluorescent substance has a more suitable spectrum shape as a red light source. As a result, it can function as a phosphor with high color rendering and high efficiency close to pure red.

また図2(b)のCIE1931色座標を見ると、sRGBで示される三角形の外側に位置している。このことは、sRGBにて必要とされる赤色よりも、さらに高純度な赤色(色座標(x,y)=(0.620,0.378))を、本蛍光体によって実現できることを意味している。   In addition, when viewing the CIE1931 color coordinates in FIG. 2B, it is located outside the triangle indicated by sRGB. This means that a higher-purity red color (color coordinates (x, y) = (0.620, 0.378)) than that required for sRGB can be realized by this phosphor. ing.

次に、得られた蛍光体の励起・発光スペクトルを図3に示す。図3中、特に左縦軸のIQEおよびEQEはそれぞれ、内部および外部量子効率を意味している。図3において右縦軸のEm.intensityとは発光スペクトル強度を示す。なお右縦軸の単位は任意単位(arbitrary unit)である。図3より、励起スペクトルは紫外領域から黄色(波長約550nm)域まで非常に広帯域で、なおかつフラットであることがわかる。このことは、紫外域から黄色域まで幅広い励起光源を用いることができることを意味しており、本発明にかかる蛍光体は赤色の発光物として非常に広範囲な応用が可能であることがわかる。また、外部量子効率と内部量子効率の差は1割程度しかないことも特徴である。 Next, the excitation / emission spectrum of the obtained phosphor is shown in FIG. In FIG. 3, IQE and EQE in particular on the left vertical axis mean internal and external quantum efficiencies, respectively. In FIG. Intensity indicates the emission spectrum intensity. The unit on the right vertical axis is an arbitrary unit. FIG. 3 shows that the excitation spectrum is very broad from the ultraviolet region to the yellow (wavelength of about 550 nm) region and is flat. This means that a wide range of excitation light sources from the ultraviolet region to the yellow region can be used, and it can be seen that the phosphor according to the present invention can be applied in a very wide range as a red luminescent material. Also, the difference between the external quantum efficiency and the internal quantum efficiency is only about 10%.

さらに、焼成温度を変えて焼成物の変化を確認した。焼成条件は1300℃から1600℃までの100℃きざみ4条件(サンプルA〜D)で、焼成時間については非常に短い場合(6分、サンプルE)についても調べた。なお、その他の条件については上述の通りとしている。サンプルA〜Eの焼成条件について、表1にまとめる。   Furthermore, changes in the fired product were confirmed by changing the firing temperature. The firing conditions were 4 conditions (samples A to D) in increments of 100 ° C. from 1300 ° C. to 1600 ° C., and the case where the firing time was very short (6 minutes, sample E) was also examined. Other conditions are as described above. The firing conditions for Samples A to E are summarized in Table 1.

サンプルA〜Eの違いについて、図4に図示する。図4より、低温条件では緑色の焼成物となり、特に1300℃では全て緑色焼成物となっている(サンプルA)。1500℃において、全て赤色蛍光体となっており(サンプルC)、さらに温度を上げるとほとんど何も残らない(サンプルD)結果となった。これは、焼成物が熱分解されて消失してしまうためと考えられる。以上の焼成温度実験の結果、本実施形態では1500℃が赤色蛍光体を得るための最適温度条件であることがわかった。また、焼成時間を極端に短くすると(サンプルE)、図4に示すとおり緑色の焼成物を含む割合がかなり高くなった。このことは、酸化物を尿素によって十分に窒化し、所望の酸窒化物蛍光体を得るには、十分な焼成時間を必要とすることがわかった。   The difference between samples A to E is illustrated in FIG. From FIG. 4, it becomes a green fired product under low temperature conditions, and in particular, it is a green fired product at 1300 ° C. (sample A). At 1500 ° C., all were red phosphors (Sample C), and when the temperature was further increased, almost nothing remained (Sample D). This is probably because the fired product is thermally decomposed and disappears. As a result of the above firing temperature experiment, it was found that 1500 ° C. is the optimum temperature condition for obtaining a red phosphor in the present embodiment. Moreover, when baking time was shortened extremely (sample E), as shown in FIG. 4, the ratio containing a green baking thing became quite high. This indicates that sufficient firing time is required to sufficiently nitride the oxide with urea and obtain a desired oxynitride phosphor.

次に、緑色(サンプルA)および赤色(サンプルC)の焼成物について、EDX(エネルギー分散型X線分光)分析を行なった。その元素組成分析の結果を表2に示す。調べた元素はストロンチウム、シリコン、酸素、窒素、ユウロピウムであり、電子ビームの加速電圧は5kVとしている。なお、表2における値は、焼成物の構成元素を100としたときの、それぞれの元素の原子数の割合すなわち原子数%である。   Next, EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy) analysis was performed on the green (sample A) and red (sample C) fired products. The results of elemental composition analysis are shown in Table 2. The investigated elements are strontium, silicon, oxygen, nitrogen, and europium, and the acceleration voltage of the electron beam is 5 kV. In addition, the value in Table 2 is the ratio of the number of atoms of each element, that is, the number of atoms, when the constituent element of the fired product is 100.

表2より、緑色および赤色とも、調べた元素全てを含んでいるものの、各元素の構成比率は有意に異なることがわかった。まず緑色焼成物(サンプルA)では、シリコンに比べてストロンチウムの割合が非常に高く、また、窒素に比べて酸素の含有割合が非常に高かった。元素の構成比率(組成比)はSr:Si=5:1、O:N=9:1であり、ほぼ整数比となっていた。一方、赤色蛍光体(サンプルC)の元素組成では、窒素含有量が酸素に比べて圧倒的に高い。構成比率(組成比)は、Sr:Si=2:1、O:N=1:3であり、ほぼ整数比をなしていることが明らかとなった。両者ともほぼ整数比をなしていることから、固有の結晶相であることがわかる。なお、当該組成比は、製造上の誤差も含む意味である。   From Table 2, it was found that both green and red contained all the examined elements, but the constituent ratio of each element was significantly different. First, in the green fired product (sample A), the ratio of strontium was very high compared to silicon, and the content ratio of oxygen was very high compared to nitrogen. The constituent ratio (composition ratio) of the elements was Sr: Si = 5: 1 and O: N = 9: 1, which was almost an integer ratio. On the other hand, in the elemental composition of the red phosphor (sample C), the nitrogen content is overwhelmingly higher than oxygen. The composition ratio (composition ratio) was Sr: Si = 2: 1 and O: N = 1: 3, and it was revealed that the ratio was almost an integer. Since both have an almost integer ratio, it can be seen that they are intrinsic crystal phases. Note that the composition ratio includes a manufacturing error.

図4において、焼成温度1400℃では緑色と赤色の混合焼成物(サンプルB、サンプルE)となっており、励起光を照射すると、緑色の焼成物は緑色、赤色の焼成物は赤色にそれぞれ蛍光する。また、緑色と赤色領域の中間では、見かけ上、黄色に蛍光している。これについて詳細に調べるため、図5に示すようにサンプルBについて場所a〜eごとの蛍光スペクトルを測定した。なお、場所aは緑色領域、場所bは黄緑色領域、場所cは黄色領域、場所dは燈色領域、場所eは赤色領域を表す。その結果を図6に示す。図6より、緑色領域(場所a)そのものは、ピーク波長540nmを有していることがわかった。なお、赤色領域(場所e)については前述の通りである。また、混合領域(場所b、場所c、場所d)のスペクトルは黄色領域(波長560nm近傍)にはピークを持っておらず、前述の緑色蛍光体と赤色蛍光体から別々に放射される蛍光の混合であることがわかる。このように、焼成条件をうまく制御することにより、本蛍光体の蛍光色を緑色から赤色まで自由に変えることができる。   In FIG. 4, a green and red mixed fired product (sample B and sample E) is obtained at a firing temperature of 1400 ° C. When irradiated with excitation light, the green fired product becomes green and the red fired product becomes fluorescent in red. To do. In addition, in the middle of the green and red regions, it appears to be fluorescent in yellow. In order to examine this in detail, as shown in FIG. Note that the location a represents a green region, the location b represents a yellow-green region, the location c represents a yellow region, the location d represents a dark blue region, and the location e represents a red region. The result is shown in FIG. FIG. 6 shows that the green region (location a) itself has a peak wavelength of 540 nm. The red region (location e) is as described above. Further, the spectrum of the mixed region (location b, location c, location d) does not have a peak in the yellow region (wavelength near 560 nm), and the fluorescence emitted separately from the green phosphor and the red phosphor described above. It turns out that it is mixing. Thus, the fluorescent color of the present phosphor can be freely changed from green to red by well controlling the firing conditions.

焼成温度1500℃にて得られた赤色蛍光体の断面透過型電子顕微鏡像を観察した。図7はその観察結果で、向かって左側の写真(図7(a))が蛍光粒子の全体像、右側の写真(図7(b))がその一部拡大像となっている。拡大領域は、左側写真(図7(a))内に白枠にて明示してある。図7より、本蛍光体は結晶構造を有しており、特に周縁部では、欠陥が非常に少なくなっていることがわかる。一方、中心部では多くの面状欠陥が見受けられる。中心部に欠陥が多い理由は、本蛍光体の形成機構に由来している。つまり、炉内においてユウロピウム添加されたストロンチウムシリコン酸化物を窒化焼成する際、高い還元性のため、酸化物からは酸素が脱離していく。残ったストロンチウムやシリコンは、焼成温度1500℃では固体を保っておらず、特にストロンチウムは沸点1382℃であるため、気体となっている。ユウロピウムおよびシリコンは、液体と化している。ここに尿素の分解反応によって生成されたアンモニアが供給されると、各元素は窒化されて結晶成長が起こる。既に種結晶が存在する場合、その表面上にエピタキシャルに結晶成長が起こる。一方、種結晶のない焼成初期の場合では、偶発的に種結晶が形成されることになる。このとき、初期は結晶面方位が定まらないため、欠陥を多く含むことになる。一度種結晶が形成されると、あとはエピタキシャルに欠陥の少ない良質な結晶が得られる。このことは、本蛍光体は中心に成長起点となる欠陥領域を持つことが特徴であると言える。   A cross-sectional transmission electron microscope image of the red phosphor obtained at a firing temperature of 1500 ° C. was observed. FIG. 7 shows the observation results. The left-hand photograph (FIG. 7A) is an overall image of the fluorescent particles, and the right-hand photograph (FIG. 7B) is a partially enlarged image thereof. The enlarged region is clearly indicated by a white frame in the left photograph (FIG. 7A). From FIG. 7, it can be seen that the present phosphor has a crystal structure, and the number of defects is extremely reduced particularly in the peripheral portion. On the other hand, many planar defects can be seen in the center. The reason why there are many defects in the center is derived from the formation mechanism of the phosphor. That is, when strontium silicon oxide doped with europium is nitrided and fired in the furnace, oxygen is desorbed from the oxide because of high reducibility. The remaining strontium and silicon are not kept solid at a firing temperature of 1500 ° C., and particularly strontium has a boiling point of 1382 ° C., and thus is a gas. Europium and silicon are in liquid form. When ammonia generated by the decomposition reaction of urea is supplied here, each element is nitrided and crystal growth occurs. If a seed crystal already exists, crystal growth occurs epitaxially on the surface. On the other hand, in the case of the initial stage of firing without a seed crystal, a seed crystal is accidentally formed. At this time, since the crystal plane orientation is not initially determined, many defects are included. Once the seed crystal is formed, a good quality crystal with few defects is obtained epitaxially. This can be said to be characterized in that the phosphor has a defect region as a growth starting point at the center.

図3の励起・発光スペクトルにて示したとおり、本蛍光体は吸収が強いことが特徴である。ユウロピウム2価の蛍光体では、ユウロピウム2価の軌道と母結晶が持つバンド構造と結合しているため、幅広い励起波長域を有し、その結果、高い吸収を持つ。本蛍光体を用いて高効率に蛍光変換する場合、結晶の粒径はなるべく大きくし、結晶性の高い周縁部を欠陥の多い中心部からなるべく遠ざけるようにすべきである。特に、粒径は2μm以上あることが望ましい。このような赤色蛍光体を得るには、焼成時間をなるべく長くすることが良い。焼成温度を上げることは、結晶性の向上には有効である。しかし、アンモニアと反応できずに昇華してしまう原料が増えるため、成長速度が低下してしまい、その結果、結晶性の高い周縁部があまり厚くならない。たとえ周縁部の結晶性が向上しても、その層厚が薄い場合、周縁部において十分に吸収・変換されず、中心部の高欠陥領域において励起光が多く吸収されてしまうために、蛍光体全体の変換効率は低下してしまうことになる。 As shown in the excitation / emission spectrum of FIG. 3, this phosphor is characterized by strong absorption. Europium divalent phosphors are coupled with the band structure of the europium divalent orbitals and the mother crystal, and thus have a wide excitation wavelength range, and as a result, have high absorption. When fluorescent conversion is performed with high efficiency using the present phosphor, the crystal grain size should be as large as possible, and the peripheral part with high crystallinity should be kept as far as possible from the center part with many defects. In particular, the particle size is desirably 2 μm or more. In order to obtain such a red phosphor, it is preferable to make the firing time as long as possible. Increasing the firing temperature is effective for improving crystallinity. However, since the raw material that cannot be reacted with ammonia and sublimates increases, the growth rate decreases, and as a result, the peripheral portion having high crystallinity is not so thick. Even if the crystallinity of the peripheral portion is improved, if the layer thickness is thin, it is not sufficiently absorbed and converted in the peripheral portion, and a lot of excitation light is absorbed in the high defect region in the central portion. The overall conversion efficiency will decrease.

以上まとめると、尿素を用いて焼成することで組成式AE(l)Si(m)O(p)N(q):Zである酸窒化物蛍光体を得ることができた。ここでAEはカルシウム、ストロンチウム、バリウムのうち少なくとも1つであるアルカリ土類元素、Siはシリコン、Oは酸素、Nは窒素で、Zは希土類元素を示す。また、l、m、p、qは元素量を示す。本蛍光体は300〜550nmの波長域に励起スペクトルを有する。また、本蛍光体の蛍光スペクトルは中心波長約620nmで、半値幅は約80nmと狭い。すなわち、尿素を用いて焼成することで純赤色として利用できる蛍光体を得ることができるのである。   In summary, it was possible to obtain an oxynitride phosphor having the composition formula AE (l) Si (m) O (p) N (q): Z by firing with urea. Here, AE is an alkaline earth element that is at least one of calcium, strontium, and barium, Si is silicon, O is oxygen, N is nitrogen, and Z is a rare earth element. In addition, l, m, p, and q represent element amounts. This phosphor has an excitation spectrum in the wavelength region of 300 to 550 nm. Further, the fluorescent spectrum of the present phosphor has a center wavelength of about 620 nm and a half width of about 80 nm. That is, a phosphor that can be used as pure red can be obtained by firing with urea.

また、緑色から赤色までの蛍光体を得るにあたり、尿素を原料として用いて焼成することは、蛍光体の蛍光スペクトルの半値幅を狭くでき、それにより蛍光体から生じる蛍光の利用効率を上げることができるのである。   Further, in obtaining phosphors from green to red, firing with urea as a raw material can narrow the half-value width of the fluorescence spectrum of the phosphor, thereby increasing the utilization efficiency of fluorescence generated from the phosphor. It can be done.

本発明によれば、半値幅が狭く、非視感度領域での発光の少ない高効率蛍光体によって、高効率かつ演色性の優れた光源を実現することができる。また、尿素窒化による焼成方法により、安価な蛍光体を提供することができる。   According to the present invention, a highly efficient and excellent color rendering property light source can be realized by a highly efficient phosphor having a narrow half-value width and less light emission in a non-visibility region. Further, an inexpensive phosphor can be provided by a firing method using urea nitriding.

a〜e 場所   ae place

Claims (7)

Euを賦活剤とし、
Ca、Sr、Baのうち少なくとも1つを有するアルカリ土類元素と、シリコンと、窒素と、酸素とからなり、
発光ピーク波長が600nm以上かつ650nm以下であり、かつ組成比が前記アルカリ土類元素:Si=5:1、O:N=9:1であることを特徴とする、蛍光体。
Eu as an activator,
It consists of an alkaline earth element having at least one of Ca, Sr, and Ba, silicon, nitrogen, and oxygen,
Above emission peak wavelength 600nm and Ri der below 650 nm, and the composition ratio of the alkaline earth elements: Si = 5: 1, O : N = 9: characterized in that it is a 1, the phosphor.
Euを賦活剤とし、
Ca、Sr、Baのうち少なくとも1つを有するアルカリ土類元素と、シリコンと、窒素と、窒素と、酸素とからなり、かつ発光ピーク波長が600nm以上かつ650nm以下である蛍光体であって、
前記蛍光体は粒状であり、その中心部には面状欠陥があり、なおかつ粒径は2μm以上であることを特徴とする、蛍光体。
Eu as an activator,
A phosphor composed of an alkaline earth element having at least one of Ca, Sr, and Ba, silicon, nitrogen, nitrogen, and oxygen, and having an emission peak wavelength of 600 nm or more and 650 nm or less ,
The phosphor is granular, has a planar defect at the center, and has a particle size of 2 μm or more .
前記蛍光体において、酸素のモル量は窒素に比べて少ないことを特徴とする、請求項に記載の蛍光体。 The phosphor according to claim 2 , wherein the phosphor has a smaller molar amount of oxygen than nitrogen. 前記蛍光体の発光半値幅は、100nm未満であることを特徴とする、請求項1または2に記載の蛍光体。 The phosphor according to claim 1 or 2 , wherein the phosphor has a light emission half width of less than 100 nm. 前記蛍光体の組成比は、Sr:Si=2:1、O:N=1:3であることを特徴とする、請求項に記載の蛍光体。 The phosphor according to claim 2 , wherein the composition ratio of the phosphor is Sr: Si = 2: 1 and O: N = 1: 3. 前記蛍光体の窒素原料は尿素であることを特徴とする、請求項1または2に記載の蛍光体。 The phosphor according to claim 1 or 2 , characterized in that the nitrogen material of the phosphor is urea. 前記アルカリ土類元素:Si=5:1は、Sr:Si=5:1であることを特徴とする、請求項1に記載の蛍光体。 The phosphor according to claim 1, wherein the alkaline earth element: Si = 5: 1 is Sr: Si = 5: 1 .
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