JP7269570B2 - 蛍光体組成物、及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の蛍光体組成物は、シリカを主成分とする固体ガラスと、前記固体ガラス中に分散した炭素系量子ドットとを含有するものである。本発明において「シリカを主成分とする」とは、ガラスの金属成分中のSi元素の含有量が、60モル%以上である場合を指し、好ましくは80モル%以上であり、より好ましくは90~100モル%である。
シリカを主成分とする固体ガラスとしては、シリカガラスであることが好ましい。シリカガラスには、他の金属成分として、Al、Ca、Cu、Fe、Na、K、Li、Mg、Mn、Tiを含有していてもよい。但し、これらの金属成分の含有量は、金属成分中に20モル%以下が好ましく、好ましくは10モル%以下であり、より好ましくは0~5モル%である。
量子ドットは、量子化学、量子力学に従う独特な光学特性を持つナノスケールの粒子のことを指し、粒子サイズによって光学特性を調節することが可能であるため、粒径に依存した特徴的な発光特性を持つ。本発明では量子ドットのうち、炭素原子間のπ結合に起因して、粒径に依存した発光特性を有する炭素系量子ドットを使用することができる。
グラフェン量子ドットとしては、非官能化グラフェン量子ドット、官能化グラフェン量子ドット、原初の(pristine)グラフェン量子ドット、およびこれらの組み合わせが挙げられる。
(カーボン量子ドット)
カーボン量子ドットは、グラフェンのような環状構造を持っていない量子ドットである。pH値によってグラフェン量子ドットより影響を受け易く、発光強度、ピーク位置が変化する性質を有する。
本発明の蛍光体組成物の蛍光特性としては、汎用性の高い蛍光材料を提供する観点から、励起光300nm~470nmの少なくとも何れかの波長に対して、発光波長(ピーク波長)が400nm~750nmであることが好ましく、発光波長が450nm~650nmであることがより好ましく、発光波長が500nm~600nmであることが更に好ましい。このような発光波長は、単結晶YAG・Ceとほぼ同じ領域の発光となり、本発明の蛍光体組成物により置き換えが可能になる。
本発明の蛍光体組成物は、固体ガラスの合成時に炭素系量子ドットを分散させる方法、又は合成等によって得られた固体ガラスを微粉砕した後に、粉砕物中に炭素系量子ドットを分散させ固化させる方法などにより得ることができる。
本発明の製造方法は、シリカを主成分とする固体ガラスの前駆体と、その前駆体中に分散した炭素系量子ドットとを含有する分散液を得る分散工程と、前記前駆体をゾル-ゲル反応により固化させて、固体ガラスとその固体ガラス中に分散した炭素系量子ドットとを含有する蛍光体組成物を得る反応工程と、を含むものである。
分散工程は、シリカを主成分とする固体ガラスの前駆体と、その前駆体中に分散した炭素系量子ドットとを含有する分散液を得るものである。炭素系量子ドットの分散は、固体ガラスの前駆体の各成分とともに混合・撹拌すればよい。攪拌にはスターラー、攪拌羽根などを用いることができる。
Xm-Si(OR’)4-m
(式中、Xは、アミノアルキル基、メルカプトアルキル基等、R’はC1-3のアルキル基、m=1,2又は3を示す)
で表されるオルガノアルコキシシランを添加しても良い。オルガノアルコキシシランとしては、3-アミノプロピルトリメトキシシラン(APS)、3-メルカプトプロピルトリメトキシシラン(MPS)等が挙げられる。通常、金属アルコキシドとオルガノアルコキシシランのモル比は、100:0~90:10程度であればよい。
反応工程は前駆体をゾル-ゲル反応により固化させて、固体ガラスとその固体ガラス中に分散した炭素系量子ドットとを含有する蛍光体組成物を得るものである。この反応は所望の内面形状を有する型内で行なうことも可能である。
本発明の蛍光体成形物は、以上で説明した本発明の蛍光体組成物を所定の形状に成形してなるものである。蛍光体成形物の形状は、いずれでもよいが、例えば、棒状、板状、円盤状、ドーナツ形状、凸レンズ形状、球状、などが挙げられる。
本発明の蛍光体組成物は、上記のような成形物としてだけでなく、コーティング塗膜、得られた蛍光体を粉砕した粉末、粉末にした蛍光体を適当な分散剤と混合することでインクなどとして使用することができる。具体的には、従来の蛍光体に替えて以下に示すような各種用途に利用できる。
液体の試料については、測定用セルを使用し、円板状の蛍光体については、測定セルと同じ形状に加工した測定用試料を作成し、蛍光分光光度計(RF-5300PC、島津製作所製)を用いて蛍光スペクトルを測定した。このとき、各試料について、まず励起光による発光強度が最大になる励起光波長をスキャンして決定し、次いで決定した波長の励起光を用いて、試料の蛍光スペクトルを測定した。
円板状の蛍光体の体積(cm3)を水中投下して溢れた水の体積から求め、測定した蛍光体の質量(g)を体積で除して求めた。
実施例1と同様にして製造した、0.01重量%のグラフェン量子ドットを分散させた蛍光体生成物を短冊状に切断し試料ホルダーに並べ、浜松ホトニクス社製のQuantaurus-QY絶対PL量子収率測定装置C11347を用いて測定を行ったところ、励起波長445nmの時58%の量子粒率を得た。
グラフェン量子ドットの水分散体(GSアライアンス株式会社製、グラフェン量子ドット、量子収率70%)について、前述した方法により励起光波長370nmで蛍光スペクトルを測定した。その結果を図1に示した。この水分散体1の発光のピーク波長は445nmであり、半値幅は75nmであった。
カーボン量子ドットの水分散体(GSアライアンス株式会社製、カーボン量子ドット、量子収率40%))について、前述した方法により励起光波長365nmで蛍光スペクトルを測定した結果を図2に示した。この水分散体2の発光のピーク波長は445nmであり、半値幅は70nmであった。
Si(OC2H5)4(TEOS):エタノール(C2H5OH):水(H2O)のモル比が2:1:4の比率となるように、TEOSをポリプロピレンビーカーにテフロン(登録商標)製メスピペットを用いて秤量し、メスピペットを用いて秤量したエタノールを加え、室温(25℃)にてスターラーで撹拌し、完全に混和した後、グラフェン量子ドットの水分散体1を水のモル比が4になるよう(量子ドット濃度は蛍光体中2質量%)と水とを加え(合計の水の比率を4とした)、さらに室温(25℃)で撹拌した。このとき、TEOS1モル(208.37g)に対して0.8mgのクエン酸水和物(C6H8O7・H2O)を加えた。この溶液に酸触媒である1M硝酸水溶液(HNO2)を20ml添加し、ゲル化が開始するまで撹拌した。その後、底面が円形の容器に流し込み、室温(25℃)で60日間放置して、反応と乾燥を生じさせて、円板状(直径2cm、厚み10mm)の蛍光体を製造した。その際、エタノールの除去を適宜行なった。この蛍光体は、図3に示すように、グラフェン量子ドットが均一に分散したものであり、クラック、欠けなどは存在しないものであった。
実施例1において、グラフェン量子ドットの濃度を2質量%とする代わりに、蛍光体中に0.1質量%となるようにグラフェン量子ドットの水分散体を混合したこと以外は、実施例1と同じ条件で同じ形状の蛍光体を製造した。この蛍光体はグラフェン量子ドットが均一に分散したものであり、クラック、欠けなどは存在しないものであった。
実施例1において、グラフェン量子ドットの水分散体1を用いる代わりに、カーボン量子ドットの水分散体2を水のモル比が4になるよう(量子ドット濃度は蛍光体中0.1質量%)用いたこと以外は、実施例1と同じ条件で同じ形状の蛍光体を製造した。この蛍光体はカーボン量子ドットが均一に分散したものであり、クラック、欠けなどは存在しないものであった。
実施例1において、室温(25℃)で60日間放置する代わりに、加熱装置中で70℃14日加熱した後、200℃で20時間加熱したこと以外は、実施例1と同じ条件で同じ形状の蛍光体を製造した。この蛍光体はグラフェン量子ドットが均一に分散したものであり、クラック、欠けなどは存在しないものであった。
実施例1において、クエン酸水和物(C6H8O7・H2O)を加えないこと以外は、実施例1と同じ条件で蛍光体を製造した。このとき、実施例1と同じ形状にすると、クラックが生じ易くなるため、原料の混合後に少量の混合物を用いて(組成は同じ)、厚さ5mmの薄膜状の蛍光体を作成した。この蛍光体はグラフェン量子ドットが均一に分散したものであり、クラック、欠けなどは存在しないものであった。
Claims (9)
- シリカを主成分とする固体ガラスと、前記固体ガラス中に分散した炭素系量子ドットと、多塩基酸及び/又はその残基成分と、を含有する蛍光体組成物。
- 前記炭素系量子ドットの含有量が、蛍光体組成物中に0.0001~10質量%である請求項1に記載の蛍光体組成物。
- 励起光300nm~470nmの少なくとも何れかの波長に対して、発光波長が400nm~750nmである請求項1又は2に記載の蛍光体組成物。
- 前記炭素系量子ドットの水分散体における蛍光特性が、励起光300nm~420nmの少なくとも何れかの波長に対して、発光波長が380nm~600nmである請求項1~3いずれか1項に記載の蛍光体組成物。
- シリカを主成分とする固体ガラスの前駆体と、その前駆体中に分散した炭素系量子ドットとを含有する分散液を得る分散工程と、前記前駆体をゾル-ゲル反応により固化させて、固体ガラスとその固体ガラス中に分散した炭素系量子ドットとを含有する蛍光体組成物を得る反応工程と、を含む蛍光体組成物の製造方法。
- 前記固体ガラスの前駆体は、金属アルコキシド、アルコール、水、および酸触媒を含有するものである請求項5に記載の蛍光体組成物の製造方法。
- 前記固体ガラスの前駆体は、更に多塩基酸を含有する請求項6に記載の蛍光体組成物の製造方法。
- 前記多塩基酸の含有量は、得られる蛍光体組成物中に0.0001~10質量%である請求項7に記載の蛍光体組成物の製造方法。
- 請求項1~4いずれか1項に記載の蛍光体組成物を所定の形状に成形してなる蛍光体成形物。
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