JP6572373B1 - β型サイアロン蛍光体の製造方法 - Google Patents
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近年、発光装置の高出力化に伴い、蛍光体の耐熱性および耐久性に対する要求が高まっており、結晶構造が安定したβ型サイアロン蛍光体が注目されている。
ユウロピウムが固溶したβ型サイアロン蛍光体の製造方法であって、
第一ユウロピウム化合物を含む第一原料粉末を焼成して、β型サイアロン粒子を含む第一焼成粉を得る第一焼成工程と、
得られた第一焼成粉および第二ユウロピウム化合物を含む第二原料粉末を焼成することによって、上記第一焼成粉中のEu元素の含有量を低下させる第二焼成工程と、
を含み、
前記第一焼成粉および前記第二ユウロピウム化合物の合計を100質量%としたとき、
前記第二ユウロピウム化合物の割合が1.0質量%以上18.0質量%以下であるβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
[2]
上記[1]に記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
上記第一焼成粉および上記第二ユウロピウム化合物の合計を100質量%としたとき、
上記第二ユウロピウム化合物の割合が2.0質量%以上17.0質量%以下であるβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
[3]
上記[1]または[2]に記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
上記第二ユウロピウム化合物が酸化ユウロピウムを含むβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
[4]
上記[1]乃至[3]のいずれか一つに記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
上記第一原料粉末および上記第二原料粉末中に含まれるユウロピウムの総量が、最終的に得られたβ型サイアロン蛍光体に固溶したユウロピウム量の3倍以上であるβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
[5]
上記[1]乃至[4]のいずれか一つに記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
上記第一原料粉末中に含まれるユウロピウム量が、最終的に得られたβ型サイアロン蛍光体に固溶したユウロピウム量より多いβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
[6]
上記[1]乃至[5]のいずれか一つに記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
上記第二焼成工程の焼成温度が1800℃以上2100℃以下であるβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
[7]
上記[1]乃至[6]のいずれか一つに記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
上記第一焼成工程の焼成温度が1800℃以上2100℃以下であるβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
[8]
上記[1]乃至[7]のいずれか一つに記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
上記第二焼成工程後に、上記第二焼成工程の焼成温度よりも低い温度で加熱するアニール工程をさらに備えるβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
[9]
上記[1]乃至[8]のいずれか一つに記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
上記第二焼成工程で得られた第二焼成粉または上記第二焼成粉のアニール処理物を、酸処理、アルカリ処理および/またはフッ素処理する工程をさらに備えるβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
β型サイアロン蛍光体は、ホスト結晶であるβ型サイアロンが一般式:Si6−ZAlZOZN8−Z(0<Z≦4.2)で示され、Z値とユウロピウムの含有量は特に限定されないが、Z値は例えば0を超えて4.2以下であり、0.005以上1.0以下であることが好ましく、またユウロピウムの含有量は0.1質量%以上2.0質量%以下であることが好ましい。
ここで、第二焼成工程において、第一焼成工程で得られた第一焼成粉中のEu元素の含有量を低下させる方法としては、例えば、第二ユウロピウム化合物を従来の基準よりも多く添加する方法、より具体的には、第二焼成工程において、β型サイアロンに固溶可能なEu量よりもEu量が過剰になるように第二ユウロピウム化合物を添加する方法が挙げられる。
第二焼成工程において、β型サイアロンに固溶可能なEu量よりもEu量が過剰になるように第二ユウロピウム化合物を添加することによって、第一焼成工程で得られた第一焼成粉中のEu元素の含有量が低下する理由は明らかではないが、第二焼成工程においてEuがAlおよびSi等とともに異相成分となって析出したからだと考えられる。ここで、異相成分とは、例えば、Eu元素やAl元素、Si元素を含有する酸化物のような粒子である。
また、このβ型サイアロン蛍光体の製造方法は、第二焼成粉をさらに焼成して第三の焼成粉を得る第三の焼成工程を1回以上さらに含んでもよく、その際にさらにユウロピウム化合物を加えてもよい。
また、本実施形態において「第一ユウロピウム化合物」とは第一焼成工程で添加されるユウロピウム化合物のことを意味し、「第二ユウロピウム化合物」とは第二焼成工程で添加されるユウロピウム化合物のことを意味する。
また、本実施形態において「第一原料粉末」とは第一焼成工程に用いる原料粉末のことを意味し、「第二原料粉末」とは第二焼成工程に用いる原料粉末のことである。それぞれの原料粉末は混合されていることが好ましい。
また、本実施形態において「第一焼成粉」とは第一焼成工程で得られる生成物のことを意味し、「第二焼成粉」とは第二焼成工程で得られる生成物のことを意味し、「第三の焼成粉」とは第三の焼成工程で得られる生成物のことを意味する。
また、第一原料粉末は、β型サイアロンをさらに含有してもよい。β型サイアロンは、骨材または核となる材料である。
第一原料粉末に含有される上記各成分の形態は、特に限定されないが、いずれも粉末状であることが好ましい。
ここで、本実施形態に係るβ型サイアロン蛍光体の製造方法では、第一焼成工程で得られた第一焼成粉中のEu元素の含有量が低下するように、第二焼成工程を制御することにより、得られるβ型サイアロン蛍光体の輝度を向上させることができる。
この理由は明らかではないが、β型サイアロン蛍光体の輝度向上に寄与しないEuが第二焼成工程において異相成分として効果的に除去できるからだと考えられる。
また、本実施形態に係るβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、第二ユウロピウム化合物の割合が上記範囲内であると、β型サイアロン蛍光体の輝度向上に寄与しないEuをより一層効果的に除去できるとともに、酸処理で不溶な異相成分の発生を抑制できるため、異相成分を除去する製造工程等を簡略でき、その結果、β型サイアロン蛍光体の製造時間を短縮することが可能である。
また、第一原料粉末と第二原料粉末に含まれるユウロピウムの総量は特に限定されないが、最終的に得られたβ型サイアロン蛍光体に固溶したユウロピウム量の25倍以下であることが好ましく、22倍以下であることがより好ましい。これにより、酸処理で不溶な異相成分の発生量を低下させることができ、得られるβ型サイアロン蛍光体の輝度をより一層向上させることができる。
また、第一原料粉末中に含まれるユウロピウム量は、最終的に得られるβ型サイアロン蛍光体に固溶したユウロピウム量の3倍以下であることが好ましい。これにより、酸処理で不溶な異相成分の発生量を低下させることができ、得られるβ型サイアロン蛍光体の輝度をより一層良好にすることができる。
焼成温度が上記下限値以上であると、β型サイアロン蛍光体の粒成長がより効果的に進行するため、光吸収率、内部量子効率及び外部量子効率をより一層良好にすることができる。
焼成温度が上記上限値以下であると、β型サイアロン蛍光体の分解をより一層抑制できるため、光吸収率、内部量子効率および外部量子効率をより一層良好にすることができる。
各焼成工程における昇温時間、昇温速度、加熱保持時間および圧力などの他の条件も特に限定されず、使用する原料に応じて適宜調整すればよい。典型的には、加熱保持時間は3〜30時間が好ましく、圧力は0.6〜10MPaが好ましい。
具体的な処理方法としては、例えば、焼結体をボールミルや振動ミル、ジェットミルなどの一般的な粉砕機を使用して所定の粒度に粉砕する方法が挙げられる。ただし、過度の粉砕は、光を散乱し易い微粒子を生成するだけでなく、粒子表面に結晶欠陥をもたらすため、β型サイアロンの発光効率の低下を引き起こすことがあるので留意すべきである。なお、この処理は、後述する酸処理やアルカリ処理後に行ってもよい。
ここで、本実施形態において「平均粒子径」とは、JIS R1629:1997に準拠したレーザー回折散乱法による体積基準の積算分率における50%径を意味する。
このアニール工程は希ガス、窒素ガスなどの不活性ガス、水素ガス、一酸化炭素ガス、炭化水素ガス、アンモニアガスなどの還元性ガス、若しくはこれらの混合ガス、または真空中などの純窒素以外の非酸化性雰囲気中で行うことが好ましく、特に好ましくは水素ガス雰囲気中やアルゴン雰囲気中である。
また、アニール工程は、大気圧下または加圧下のいずれで行ってもよい。アニール工程における熱処理温度は、特に限定されないが、1200〜1700℃が好ましく、1300℃〜1600℃がより好ましい。
このアニール工程を行うことにより、β型サイアロン蛍光体の発光効率をより一層向上させることができる。また、元素の再配列により、ひずみや欠陥が除去されるため、透明性も向上させることができる。なお、アニール工程では、異相が発生する場合があるが、これは後述する酸処理などによって除去することができる。
ここで、酸処理またはアルカリ処理は、例えば、酸性またはアルカリ性の液体と、第二焼成粉または第二焼成粉のアニール処理物と、を接触させる処理である。フッ素処理は、例えば、フッ素を含むガスと、第二焼成粉または第二焼成粉のアニール処理物と、を接触させる工程である。
このような工程を行うことにより、焼成工程やアニール工程などで発生した異相成分(発光阻害因子)を溶解除去することができるため、β型サイアロン蛍光体の光吸収率、内部量子効率および外部量子効率をより一層向上させることができる。
酸性の液体としては、例えば、フッ化水素酸、硫酸、リン酸、塩酸、硝酸から選ばれる1種以上の酸を含む水溶液を用いることができる。アルカリ性の液体としては、例えば、水酸化カリウム、アンモニア水、水酸化ナトリウムから選ばれる1種以上のアルカリを含む水溶液を用いることができるが、より好ましくは酸性の水溶液であり、特に好ましくはフッ化水素酸と硝酸の混合水溶液である。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
以下、本発明の参考形態の一例を示す。
[1]
ユウロピウムが固溶したβ型サイアロン蛍光体の製造方法であって、
第一ユウロピウム化合物を含む第一原料粉末を焼成して、β型サイアロン粒子を含む第一焼成粉を得る第一焼成工程と、
得られた第一焼成粉および第二ユウロピウム化合物を含む第二原料粉末を焼成することによって、上記第一焼成粉中のEu元素の含有量を低下させる第二焼成工程と、
を含むβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
[2]
上記[1]に記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
上記第一焼成粉および上記第二ユウロピウム化合物の合計を100質量%としたとき、
上記第二ユウロピウム化合物の割合が1.0質量%以上18.0質量%以下であるβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
[3]
上記[1]または[2]に記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
上記第一焼成粉および上記第二ユウロピウム化合物の合計を100質量%としたとき、
上記第二ユウロピウム化合物の割合が2.0質量%以上17.0質量%以下であるβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
[4]
上記[1]乃至[3]のいずれか一つに記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
上記第二ユウロピウム化合物が酸化ユウロピウムを含むβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
[5]
上記[1]乃至[4]のいずれか一つに記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
上記第一原料粉末および上記第二原料粉末中に含まれるユウロピウムの総量が、最終的に得られたβ型サイアロン蛍光体に固溶したユウロピウム量の3倍以上であるβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
[6]
上記[1]乃至[5]のいずれか一つに記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
上記第一原料粉末中に含まれるユウロピウム量が、最終的に得られたβ型サイアロン蛍光体に固溶したユウロピウム量より多いβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
[7]
上記[1]乃至[6]のいずれか一つに記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
上記第二焼成工程の焼成温度が1800℃以上2100℃以下であるβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
[8]
上記[1]乃至[7]のいずれか一つに記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
上記第一焼成工程の焼成温度が1800℃以上2100℃以下であるβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
[9]
上記[1]乃至[8]のいずれか一つに記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
上記第二焼成工程後に、上記第二焼成工程の焼成温度よりも低い温度で加熱するアニール工程をさらに備えるβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
[10]
上記[1]乃至[9]のいずれか一つに記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
上記第二焼成工程で得られた第二焼成粉または上記第二焼成粉のアニール処理物を、酸処理、アルカリ処理および/またはフッ素処理する工程をさらに備えるβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
V型混合機(筒井理化学器械社製S−3)を用いて、宇部興産社製のα型窒化ケイ素粉末(SN−E10グレード、酸素含有量1.0質量%)95.80質量%、トクヤマ社製の窒化アルミニウム粉末(Fグレード、酸素含有量0.8質量%)2.74質量%、大明化学社製の酸化アルミニウム粉末(TM−DARグレード)0.56質量%および信越化学工業社製の酸化ユウロピウム粉末(RUグレード)0.90質量%を混合し、次いで、得られた混合物を目開き250μmの篩に通過させて凝集物を取り除き、第一原料混合粉末を得た。ここでの配合比(第一配合組成(質量%)と呼ぶ。)は、β型サイアロンの一般式:Si6−ZAlZOZN8−Zにおいて、酸化ユウロピウムを除いて、Si/Al比から算出してZ=0.22となるように設計したものである。
粉末X線回折測定を行った結果、存在する結晶相はβ型サイアロン単相であり、β型サイアロン蛍光体が得られていることがわかった。ICP発光分光分析により測定したEu含有量は、0.72質量%であった。
ここで、実施例1における第一配合組成および第二配合組成を表1に示す。
β型サイアロン蛍光体の蛍光特性は、以下の方法で測定したピーク強度およびピーク波長により評価した。
装置としては、ローダミンB法および標準光源により校正した分光蛍光光度計(日立ハイテクノロジーズ社製、F−7000)を用いた。得られた蛍光体粉末を専用の固体試料ホルダーに充填し、次いで、分光蛍光光度計を用いて、波長455nmに分光した励起光を照射したときの蛍光スペクトルを測定し、得られた蛍光スペクトルからピーク強度およびピーク波長を求めた。得られた結果を表2に示す。
なお、ピーク強度は測定装置や条件によって変化するため単位は任意単位であり、各実施例および比較例において同一条件で測定し、各実施例および比較例のβ型サイアロン蛍光体を連続して測定し、比較を行った。表2では、実施例5のβ型サイアロン蛍光体のピーク強度を100%とした場合、蛍光体のピーク強度を示している。
第二配合組成を表1に示す配合比に変更した以外は、実施例1と同じ方法によりβ型サイアロン蛍光体粉末をそれぞれ得た。得られたβ型サイアロン蛍光体に対して、粉末X線回折測定を行った結果、いずれも存在する結晶相はβ型サイアロン単相であった。
ICP発光分光分析により測定したEu含有量および蛍光特性の結果を表2にそれぞれ示す。
第一配合組成を表1に示す配合比に変更し、かつ、実施例1の第二焼成工程に相当する工程を実施しない以外は実施例1と同様の方法でβ型サイアロン蛍光体粉末を得た。なお、第一焼成粉には赤い異相が多量に含まれていることが目視で確認できた。
粉末X線回折測定を行った結果、β型サイアロン結晶相と共に、帰属不明の異相由来と推測される回折ピークが観察された。
ICP発光分光分析により測定したEu含有量および蛍光特性の結果を表2にそれぞれ示す。実施例1〜6と比較して、著しくEu含有量が高いが、これは上記異相成分が酸処理後も残存したためであり、それによりピーク強度も著しく減少していることがわかる。
Claims (9)
- ユウロピウムが固溶したβ型サイアロン蛍光体の製造方法であって、
第一ユウロピウム化合物を含む第一原料粉末を焼成して、β型サイアロン粒子を含む第一焼成粉を得る第一焼成工程と、
得られた第一焼成粉および第二ユウロピウム化合物を含む第二原料粉末を焼成することによって、前記第一焼成粉中のEu元素の含有量を低下させる第二焼成工程と、
を含み、
前記第一焼成粉および前記第二ユウロピウム化合物の合計を100質量%としたとき、
前記第二ユウロピウム化合物の割合が1.0質量%以上18.0質量%以下であるβ型サイアロン蛍光体の製造方法。 - 請求項1に記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
前記第一焼成粉および前記第二ユウロピウム化合物の合計を100質量%としたとき、
前記第二ユウロピウム化合物の割合が2.0質量%以上17.0質量%以下であるβ型サイアロン蛍光体の製造方法。 - 請求項1または2に記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
前記第二ユウロピウム化合物が酸化ユウロピウムを含むβ型サイアロン蛍光体の製造方法。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
前記第一原料粉末および前記第二原料粉末中に含まれるユウロピウムの総量が、最終的に得られたβ型サイアロン蛍光体に固溶したユウロピウム量の3倍以上であるβ型サイアロン蛍光体の製造方法。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
前記第一原料粉末中に含まれるユウロピウム量が、最終的に得られたβ型サイアロン蛍光体に固溶したユウロピウム量より多いβ型サイアロン蛍光体の製造方法。 - 請求項1乃至5のいずれか一項に記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
前記第二焼成工程の焼成温度が1800℃以上2100℃以下であるβ型サイアロン蛍光体の製造方法。 - 請求項1乃至6のいずれか一項に記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
前記第一焼成工程の焼成温度が1800℃以上2100℃以下であるβ型サイアロン蛍光体の製造方法。 - 請求項1乃至7のいずれか一項に記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
前記第二焼成工程後に、前記第二焼成工程の焼成温度よりも低い温度で加熱するアニール工程をさらに備えるβ型サイアロン蛍光体の製造方法。 - 請求項1乃至8のいずれか一項に記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法において、
前記第二焼成工程で得られた第二焼成粉または前記第二焼成粉のアニール処理物を、酸処理、アルカリ処理および/またはフッ素処理する工程をさらに備えるβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
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