JP6715778B2 - 蛍光体、発光装置及び蛍光体の製造方法 - Google Patents

蛍光体、発光装置及び蛍光体の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、青色光で励起された際に効率良く赤色を発光する蛍光体、それを用いた発光装置及び蛍光体の製造方法に関する。
特許文献1には、A2[MF6]:Mn4+(元素Aは、Li、Na、K、Rb、Cs、NH4など、元素MはGe、Si、Sn、Ti、Zrなど)で表される赤色発光蛍光体及びその製造方法が開示されている。この製造方法は、蛍光体の母体となるA2[MF6]結晶と発光中心となるMnを含むK2MnF6結晶をフッ化水素酸中に溶解し、蒸発乾固させる製造方法である。
特表2009−528429号公報
しかしながら、この蛍光体は、光学特性が不十分であり、実用化には更なる蛍光強度の向上が必要である。従って、本発明の目的は、蛍光強度の高いA2MF6:Mn4+蛍光体、この蛍光体を用いた高輝度の発光装置及び蛍光体の製造方法を提供することにある。
本発明は、一般式:A2MF6:Mn(元素Aはアルカリ金属元素であり、元素MはSi、Ge、Sn、Ti、Zr及びHfから選ばれる一種以上の四価の金属元素である。)で表される蛍光体であって、波長300nm以上350nm以下に現れる光吸収率の極小値が67%以下であり、波長400nm以上500nm以下での最大の光吸収率が65%以上で、Mn含有量が0.3質量%以上1.5質量%以下である蛍光体である。この蛍光体の平均粒径は10μm以上35μm以下が好ましい。
本発明は、前記蛍光体と、発光光源とを含有する発光装置であって、前記発光光源のピーク波長が420nm以上480nm以下の発光装置である。
この発光装置は、蛍光体として、前記蛍光体と、励起光455nmを受けた際のピーク波長が510nm以上550nm以下の緑色蛍光体を有することが好ましい。この発光装置の緑色蛍光体としては、Eu付活βサイアロンが好ましい。
本発明は、上述の蛍光体を製造する蛍光体の製造方法であり、原料をフッ化水素酸に溶解する溶解工程と、溶解工程後の溶液から蛍光体を析出させる析出工程、及び、不純物を除去する洗浄工程を有し、溶解工程で得られるフッ化水素酸水溶液が元素A、元素M及びMnを含有し、析出工程での析出を溶解工程後のフッ化水素酸水溶液の水溶液を蒸発させる手段とした蛍光体の製造方法である。
本発明は、上述の蛍光体を製造する蛍光体の製造方法であり、原料をフッ化水素酸に溶解する溶解工程と、溶解工程後の溶液から蛍光体を析出させる析出工程、及び、不純物を除去する洗浄工程を有し、溶解工程で得られるフッ化水素酸水溶液が元素A、元素M及びMnを含有し、析出工程での析出をフッ化水素酸水溶液に貧溶媒を投入する手段とした蛍光体の製造方法である。
前記貧溶媒は水であることが好ましい。
本発明は、上述の蛍光体を製造する蛍光体の製造方法であり、原料をフッ化水素酸に溶解する溶解工程と、溶解工程後の溶液から蛍光体を析出させる析出工程、及び、不純物を除去する洗浄工程を有し、溶解工程で元素A、元素M及びMnを含有する二種類以上のフッ化水素酸水溶液を調製し、析出工程での析出を前記二種類以上のフッ化水素酸水溶液を混合して反応させる手段とした蛍光体の製造方法である。
本発明の蛍光体は、励起光を効率良く蛍光発光させ、蛍光強度が高い蛍光体である。本発明の発光装置は当該蛍光体を用いているので、高輝度の発光装置である。本発明の蛍光体の製造方法は、蛍光強度の高い蛍光体を製造することができる。
実施例1及び比較例4の蛍光体の吸収率の励起波長依存性を示す参考図。
本発明は、一般式:A2MF6:Mn(元素Aはアルカリ金属元素であり、元素MはSi、Ge、Sn、Ti、Zr及びHfから選ばれる一種以上の四価の金属元素である。)で表される蛍光体であって、波長300nm以上350nm以下に現れる光吸収率の極小値が67%以下であり、波長400nm以上500nm以下での最大の光吸収率が65%以上で、Mn含有量が0.3質量%以上1.5質量%以下である蛍光体である。前記元素Aはアルカリ金属元素であり、結晶構造の観点から、好ましくはNa、K、Rbから選ばれる一種以上の元素である。
前記Mは、Si、Ge、Sn、Ti、Zr及びHfから選ばれる一種以上の金属元素であり、蛍光特性と化学的安定性からSi、Ge、Tiが好ましい。前記蛍光体の蛍光特性は元素Mの種類に影響される。Fはフッ素であり、Mnはマンガンである。Mnは様々な酸化数を取るが、その中でもMn4+が本発明の蛍光体の発光中心物質として機能する。
蛍光体の付活イオンであるMn4+は、300nm以上400nm以下の波長域と400nm以上500nm以下の波長域に励起帯を有する。励起帯のピーク波長は元素Mの種類に応じて異なり、その長波長側の励起帯ピーク波長は440nm以上480nm以下である。
この長波長側の励起帯ピーク波長は、白色LEDの励起源として使用される青色LEDの発光波長と一致している。この波長域での光吸収率が65%未満であると、この蛍光体を使用した発光装置の輝度が十分に得られないので、波長400nm以上500nm以下での最大の光吸収率は65%以上が好ましく、より好ましくは66%以上、さらに好ましくは68%以上、さらにより好ましくは78%以上であってよい。
本発明の蛍光体において、波長300nm以上350nm以下に現れる光吸収率の極小値を67%以下としたのは、次の理由による。
この理由は、波長300nm以上350nm以下の領域の紫外光の光吸収が、蛍光体の内部量子効率(吸収した励起フォトンを蛍光フォトンに変換する効率)と負の相関があるためである。
光吸収の原因には、Mn4+の励起以外に、不純物、及び、結晶欠陥がある。この結晶欠陥は、Mn4+が励起した電子をトラップし、発光を抑制する。本発明者らは、結晶欠陥に由来する紫外光域の吸収と波長350nm付近のMn4+の吸収帯が重なることを見出した。
波長300nm以上350nm以下で光吸収率の極小値があり、この極小値が低いほど蛍光体の内部量子効率が高いため、「波長300nm以上350nm以下に現れる光吸収率の極小値を67%以下」とした。好ましくは当該極小値は66%以下、より好ましくは56%以下とすることができる。
本発明の蛍光体において、波長400nm以上500nm以下での最大の光吸収率が65%以上としたのは、本発明の蛍光体を使用する発光装置で十分な輝度を得るためである。
本発明の蛍光体におけるMn含有量は、0.3質量%以上1.5質量%以下である。Mn含有量があまりに少ないと十分な蛍光発光が得られない傾向にあり、あまりに多いと結晶欠陥増大及び濃度消光による蛍光発光の低下が起こる傾向にあるためである。
本発明の蛍光体の平均粒径は、10μm以上35μm以下が好ましい。当該平均粒径は、レーザー回折散乱法により測定される粒度分布曲線から求められる体積メディアン径である。
平均粒径があまりに小さいと、光吸収率が大幅に低下するために蛍光強度が低くなる傾向にあり、平均粒径があまりに大きいと、所定の色を得るための蛍光体添加量が多くなり、実装時のディスペンサー閉塞を引き起こす傾向にある。
本発明は、前記蛍光体と、発光光源とを含有する発光装置であって、前記発光光源のピーク波長が420nm以上480nm以下の発光装置である。発光光源のピーク波長を420nm以上480nm以下としたのは、蛍光体中の発光中心であるMn4+が効率良く励起されるとともに、発光装置の青色光として利用するためである。
本発明の蛍光体は、上述の構成により、高い蛍光強度を有する。本発明において高い蛍光強度とは、具体的には、内部量子効率で70%以上、外部量子効率で57%以上のことをいう。
この発光装置は、蛍光体として、前記蛍光体と、励起光455nmを受けた際のピーク波長が510nm以上550nm以下の緑色蛍光体を有することが好ましい。この発光装置は、青色の発光光源、赤色蛍光体及び緑色蛍光体で白色を発光でき、さらに、蛍光体の配合比の違いにより異なる色域を発光させることができる。緑色蛍光体として半値幅の狭い蛍光スペクトルのEu付活βサイアロン蛍光体を用いると、高色域の液晶用バックライト光源が得られる。
本発明の蛍光体の製造方法としては次の方法がある。
1)溶媒蒸発方法:フッ化水素酸溶媒中に蛍光体の原料となる元素を溶解させた後、溶媒を蒸発させる方法
2)貧溶媒添加析出方法:貧溶媒を添加して蛍光体を析出させる方法
3)混合反応析出方法:蛍光体の原料となる元素を溶解させた二種以上のフッ化水素酸溶液を混合して蛍光体を反応析出させる方法
いずれの製造方法においても、結晶成長の過程でMn4+の励起した電子をトラップし発光を抑制してしまう結晶欠陥の生成をできるだけ低減することが肝要である。
実施例、比較例に基づいて、本発明を詳細に説明する。
実施例1の蛍光体は、一般式:A2MF6:Mnの蛍光体であり、元素AとしてK(カリウム)、元素MとしてSi(ケイ素)、波長300nm以上350nm以下に現れる光吸収率の極小値が55.5%であり、波長400nm以上500nm以下での最大の光吸収率が78.1%で、Mn含有量が0.75質量%で、平均粒径が29.8μmの蛍光体である。これらの特性値と後述する発明の効果を表1に示す。
Figure 0006715778
実施例1の蛍光体の特性値の測定方法及び製造方法について説明する。
実施例1の蛍光体の光吸収率の励起波長依存性は、次の方法により、常温下で測定した。
積分球(φ60mm)の側面開口部(φ10mm)に反射率が99%の標準反射板(Labsphere社製スペクトラロン)をセットした。この積分球に、発光光源としてのXeランプから所定の波長に分光した単色光を励起光として、光ファイバーにより導入し、標準反射板の反射光スペクトルを分光光度計(大塚電子株式会社製MCPD−7000)により220〜800nmの波長範囲で測定した。励起光は、300nm以上700nm以下の範囲において5nm間隔で照射し、それぞれの励起光に対して反射光のスペクトルを測定した。
凹型のセルに表面が平滑になるように蛍光体を充填したものを積分球の開口部にセットし、上記標準反射板の場合と同様に、単色光を300nm以上700nm以下の範囲において5nm間隔で照射し、各々の波長の励起光でスペクトルを測定した。
得られたスペクトルは、励起光の反射スペクトルと赤色付近の蛍光スペクトルであった。
得られたスペクトルにおいて、励起設定波長の−5nm〜+10nmの範囲で励起反射光フォトン数を算出し、蛍光体における励起反射光フォトン数を標準反射板の値で除して、各励起波長での蛍光体の光吸収率を算出した。この様にして測定した実施例1の蛍光体の光吸収率を励起波長に対してプロットしたものを図1に示す。
光吸収率は、Mn4+の励起により、励起波長が350nmと450nmに最大の光吸収率を示しており、波長300nm以上350nm以下の範囲に現れる光吸収率の極小値が55.5%であり、波長400nm以上500nm以下の範囲での最大の光吸収率が78.1%であった。
実施例1の蛍光体に含まれるMn含有量は、ICP(Inductively Coupled Plasma)発光分光分析により測定した結果、0.75質量%であった。
実施例1の蛍光体の平均粒径は、粒度分布をレーザー回折散乱式の粒度分布測定装置(ベックマン・コールター社製LC13 320)により測定し、得られた累積粒度分布曲線から、平均粒径(50体積%径(D50))を求めた。実施例1の蛍光体の平均粒径は29.8μmであった。前記測定装置における測定溶媒には、エタノールを用いた。
励起波長455nmの場合の内部量子効率と外部量子効率を、次の方法で求めた。
反射標準板に対するスペクトルにおいて、450nm以上465nm以下の波長範囲のスペクトルから励起光フォトン数(Qex)を算出した。
蛍光体に対するスペクトルから励起反射光フォトン数(Qref)及び蛍光フォトン数(Qem)を算出した。
励起反射光フォトン数は、励起光フォトン数と同じ波長範囲で、蛍光フォトン数は、465〜800nmの範囲で算出した。得られたフォトン数から外部量子効率(=Qem/Qex×100)、内部量子効率(=Qem/(Qex−Qref)×100)を求めた。
実施例1の蛍光体の波長455nm励起での内部量子効率、外部量子効率はそれぞれ82.5%、64.4%であった。
実施例1の蛍光体の製造方法について説明する。
実施例1の蛍光体は、上述の貧溶媒添加析出方法で製造した蛍光体である。貧溶媒添加析出方法として、原料をフッ化水素酸に溶解する溶解工程と、溶解工程後の溶液から蛍光体を析出させる析出工程で、及び、不純物を除去する洗浄工程を採用した。
蛍光体の原料は、K2SiF6(森田化学株式会社製、純度98%以上)及びK2MnF6を採用した。いずれも粉末状である。K2MnF6の製造工程について説明する。
<K2MnF6の製造工程>
容量1リットルのテフロン(登録商標)製のビーカーに濃度40質量%フッ化水素酸800mlを入れ、粉末状のKHF2(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)260g及び過マンガン酸カリウム粉末(和光純薬工業株式会社製、試薬1級)12gを溶解させた。
このフッ化水素酸反応液をマグネティックスターラーで撹拌しながら、30%過酸化水素水(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)8mlを少しずつ滴下した。
過酸化水素水の滴下量が一定量を超えると黄色粒子が析出し始め、反応液の色が紫色から変化し始めた。過酸化水素水を一定量滴下後、しばらく撹拌を続けた後、撹拌を止め、析出粒子を沈殿させた。上記反応は全て常温下で行った。
<K2MnF6の洗浄工程>
沈殿後、上澄み液を除去し、メタノールを加え、撹拌・静置し、上澄み液を除去し、更にメタノールを加えるという操作を、液が中性になるまで繰り返した。
その後、ろ過で析出粒子を回収し、更に乾燥を行い、メタノールを完全に蒸発除去し、粉末状のK2MnF6を19g得た。
<蛍光体の製造工程>
容量3000mlのテフロン(登録商標)製のビーカーに濃度55質量%フッ化水素酸1000mlを入れ、粉末状のK2SiF6(森田化学株式会社製、純度98%以上)30gと前述のK2MnF6を5g加え、十分に撹拌して溶解した。
このフッ化水素酸水溶液を撹拌しながら、蒸留水1500mlをビーカーにより約1分間で注ぎ入れた。蒸留水の投入により、反応液中に黄色粉末が生成していることを目視にて確認した。これら製造工程は全て常温で行った。
<蛍光体の洗浄工程>
蒸留水全量を入れた後、更に、20分間撹拌し、その後、静置して固形分を沈殿させた。沈殿確認後、上澄み液を除去し、20質量%のフッ化水素酸及びメタノールでの洗浄を行い、濾過により固形部を分離回収し、更に乾燥処理により、残存メタノールを蒸発除去し、黄色の蛍光体粉末を得た。
実施例1の蛍光体に対して、X線回折装置(リガク株式会社製Ultima IV)を用いてX線回折パターンの測定を行った。その結果、実施例1の蛍光体は、K2SiF6結晶と単一相であった。
[実施例2〜4、比較例1〜3]
実施例2〜4、比較例1〜3は、表1の原料の欄に示すK2SiF6及びK2MnF6の添加量を変えた以外は、実施例1と同じ方法で製造した蛍光体である。
比較例1の蛍光体は、波長300nm以上350nm以下に現れる光吸収率の極小値が67%より大きく、Mn含有量が1.5質量%より多かったので、内部量子効率及び外部量子効率が合格値でなかった。
比較例2の蛍光体は、波長400nm以上500nm以下に現れる光吸収率の極小値が65%より小さく、Mn含有量が1.5質量%より多かったので、外部量子効率が合格値でなかった。
比較例3の蛍光体は、波長300nm以上350nm以下に現れる光吸収率の極小値が67%より大きかったので、外部量子効率が合格値でなかった。
[比較例4]
比較例4の蛍光体は、表1には示さなかったが、上述の実施例とは異なる製造方法である混合反応析出方法で製造した蛍光体である。
常温下で、容量500mlのテフロン(登録商標)製のビーカーに濃度55質量%フッ化水素酸250mlを入れ、SiO2粉末(高純度化学株式会社製、純度99.9%)12g及びK2MnF6粉末(実施例1で製造したK2MnF6)4gを加えて溶解し、フッ化水素酸溶液Xを調製した。
他方、容量300mlのテフロン(登録商標)製のビーカーに濃度55質量%フッ化水素酸100mlにKHF2粉末(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)46.9gを溶解し、フッ化水素酸溶液Yを調製した。
スターラーで撹拌を行っているフッ化水素酸溶液Xにフッ化水素酸溶液Yを添加した。Y液の添加によりX液中に蛍光体が析出し、Y液を全量入れた後、20分間撹拌し、その後、静置して固形分を沈殿させた。
沈殿確認後、上澄み液を除去し、20質量%のフッ化水素酸及びメタノールでの洗浄を行い、濾過により固形部を分離回収し、更に乾燥処理により、黄色の蛍光体粉末を得た。
比較例4の蛍光体は、K2SiF6結晶と単一相であり、波長300nm〜350nmの範囲に現れる光吸収率の極小値が67.3%であり、波長400〜500nmの範囲内での最大の光吸収率が81.5%であった。そのMn含有量は0.68質量%であり、その平均粒径は、30.2μmであった。
図1に、比較例4の光吸収率の励起波長依存性を示す。
比較例4の蛍光体の内部量子効率、外部量子効率はそれぞれ68.9%、56.1%であった。比較例4の蛍光体は、Mn含有量と粒度分布が実施例1の蛍光体に類似しているが、図1に示す様に光吸収率の励起波長依存性の違いを反映して、内部量子効率及び外部量子効率が共に低い値であった。
[実施例5]
実施例5の蛍光体は、一般式:A2MF6:Mnの蛍光体であり、元素AとしてK(カリウム)、元素MとしてGe(ゲルマニウム)、波長300nm以上350nm以下に現れる光吸収率の極小値が46.0%であり、波長400nm以上500nm以下での最大の光吸収率が79.6%で、Mn含有量が0.61質量%で、平均粒径が38.4μmの蛍光体である。これらの特性値と後述する発明の効果を表2に示す。
Figure 0006715778
実施例5の蛍光体の製造方法について説明する。
この実施例5での蛍光体の製造方法は、混合反応析出方法である。
常温下で、容量500mlのテフロン(登録商標)製のビーカーに濃度48質量%フッ化水素酸250mlを入れ、GeO2粉末(高純度化学株式会社製、純度99.99%)20.9g及びK2MnF6粉末(実施例1で製造したK2MnF6)3gを加えて溶解し、フッ化水素酸溶液を調製した。
この溶液に対して、実施例5では、濃度48質量%フッ化水素酸100mlにKHF2粉末46.9gを溶解した溶液を添加した。
KHF2のフッ化水素酸溶液により蛍光体が析出した。KHF2のフッ化水素酸溶液を全量入れた後、20分間撹拌し、その後、静置して固形分を沈殿させた。沈殿確認後、上澄み液を除去した。
沈殿物を鮮やかな黄色になるまで20質量%のフッ化水素酸で繰り返し洗浄し、更にメタノールでの洗浄を行い、濾過により固形部を分離回収し、更に乾燥処理により、残存メタノールを蒸発除去し、実施例5の蛍光体を得た。
実施例5の内部量子効率及び外部量子効率はいずれも合格値であった。
比較例5の蛍光体は、その製造方法を、実施例5での「濃度48質量%フッ化水素酸100mlにKHF2粉末46.9gを溶解した溶液」を、「KHF2粉末46.9g」にした蛍光体であり、特性値及び評価は表2に示すとおりである。
比較例5は、300nm近傍で見られる光吸収率の極小値が非常に高く、粒径が小さく、450nm付近での光吸収率が低くなったために、内部量子効率、外部量子効率が実施例5に比べ低い値であった。KHF2の添加方法を溶液から粉末に変更したことは、結晶成長性を低下させた。
実施例6及び実施例7は、表には示さなかったが、実施例1の平均粒径を8μm、40μmとした蛍光体である。内部量子効率及び外部量子効率は、実施例1よりも低かったが、いずれも合格値であった。
実施例として示さないが、溶媒蒸発方法であっても、結晶欠陥の生成をできるだけ抑えた合成を行うことにより、実施例1と同等の蛍光体を得ることができた。
実施例8は、実施例1の蛍光体と、発光光源としてのLEDを有する発光装置であって、前記LEDのピーク波長が455nmの発光装置である。当該発光装置は、具体的には照明装置である。実施例8の発光装置は、実施例1の蛍光体を用いたので、高い発光強度を有する発光装置であった。
実施例9は、実施例8の蛍光体として、実施例1の蛍光体と、励起光455nmを受けた際のピーク波長が528nmの緑色蛍光体とした発光装置である。緑色蛍光体は、具体的には、(Ba,Sr)2SiO4:Euである。当該発光装置は、緑色蛍光体を用いたので、白色を発光する発光装置である。
実施例9は、実施例1の蛍光体を用いたので、高い発光強度を有する発光装置であった。
実施例10は、実施例9(Ba,Sr)2SiO4:EuをEu付活βサイアロンにした発光装置である。
実施例10は、実施例9よりも、優れた高温安定性、耐湿性を有する発光装置であった。

Claims (6)

  1. 一般式:A2MF6:Mn(元素Aはアルカリ金属元素であり、元素MはSi、Ge、Sn、Ti、Zr及びHfから選ばれる一種以上の四価の金属元素である。)で表される蛍光体であって、波長300nm以上350nm以下に現れる光吸収率の極小値が67%以下であり、波長400nm以上500nm以下での最大の光吸収率が65%以上で、Mn含有量が0.3質量%以上1.5質量%以下である蛍光体。
  2. 平均粒径が10μm以上35μm以下である請求項1記載の蛍光体。
  3. 請求項1又は請求項2記載の蛍光体と、発光光源とを含有する発光装置であって、前記発光光源のピーク波長が420nm以上480nm以下である発光装置。
  4. 蛍光体として、請求項1又は請求項2記載の蛍光体と、励起光455nmを受けた際のピーク波長が510nm以上550nm以下の緑色蛍光体を有する請求項3記載の発光装置。
  5. 前記緑色蛍光体がEu付活βサイアロンである請求項4記載の発光装置。
  6. 請求項1又は2に記載の蛍光体を製造する蛍光体の製造方法であり、原料をフッ化水素酸に溶解する溶解工程と、溶解工程後の溶液から蛍光体を析出させる析出工程、及び、不純物を除去する洗浄工程を有し、溶解工程で得られるフッ化水素酸水溶液が元素A、元素M及びMnを含有し、析出工程での析出をフッ化水素酸水溶液にを投入する手段とした蛍光体の製造方法。
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