JPS63103840A - 発光石英ガラスおよびその製造方法 - Google Patents
発光石英ガラスおよびその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
本発明はガラス マトリックス酸化物として、主として
S102、および5in2のモル当り0〜0.15モル
のMO(こ−にMOは少なくとも1種の酸化物Al2O
3゜B2O3,P、O,ZrO2,5c203. Y2
O3,La2O3,Gd2O3,Lu2O3を示す)、
アルカリ金属酸化物およびアルカリ土類金属酸化物から
なり、かつ稀土類金属で活性化された発光石英ガラスに
関する。また、本発明はかかる発光石英ガラスの製造方
法、およびこの発光石英ガラスを具えた発光スクリーン
に関する。 発光石英ガラスは比較的に古くから知られている。例え
ば、米国特許第3527711.3634711.38
55144および3935119号明細書にはS10□
含有量を著しく高くした(一般に少なくとも99重量%
)石英ガラスについて記載されており、この場合稀土類
金属を活性化剤として使用するのが好ましいことが記載
されている。これらの稀土類金属活性化剤は5000p
pmの最大濃度のように極めて低い濃度で使用されてい
る(Si原子に対する稀土類金属原子)。また、多くの
稀土類金属を活性化剤として用いる場合には、すべての
組合わせた活性化剤の濃度はこの最大値を越えないよう
にし、好ましくは2000ppmの制限を越えないよう
にしている。SiO□に対する(三価)稀土類金属酸化
物をモル%において、5000および2000ppmの
上記制限ではそれぞれ0.25および0.1モル%であ
る。上記米国特許明細書には、与えられた最大値の活性
他剤濃度を越える場合には透明でない製品が得られるこ
とが記載されている。透明でなく、かつ着色された発光
材料は光束が極めて低い欠点を有しており、このために
実際上、使用することができない。 米国特許第3459673号明細書には稀土類金属で活
性化された石英ガラスの製造方法について記載されてお
り、この場合、出発材料は加水分解しうる珪素化合物、
および水溶性稀土類金属の塩の水溶液である。また、極
めて低い活性化濃度(例えば数IQQppm程度の濃度
)であることが示されている。 上述するタイプの発光石英ガラスについてはオランダ特
許出願第6605957号明細書に記載されている。こ
のオランダ特許出願明細書にはテルビウム活性化ガラス
について記載されており、ガラスマトリックス、すなわ
ち、活性他剤酸化物でないガラス組成物が主としてSi
O□からなり、かつS10□のモルに対して約0.20
モルまでの他の酸化物からなることが記載されている。 このオランダ特許出願明細書においては、他の酸化物の
添加によってテルビウム濃度をできるだけ高くすること
が記載されている。しかながら、最大濃度は5in2の
モルに対してTb2O3は0.5モル%、すなわち、上
述する米国特許明細書に記載されている最大濃度より2
高いファクターである。 既知の発光石英ガラスの大きい欠点は結晶質発光材料と
比べて効率が低いことである。特に、紫外線により励起
される際の量子効率は、効果的な結晶質材料により達成
できる量子効率より5〜10低いファクターであること
が確められている。 本発明は、本明細書の初めに記載しているタイプの発光
石英ガラスにおいて、ガラスが活性化剤酸化物としてガ
ラス マトリックス酸化物に対して計算して0.75〜
15モル%の割合の少なくとも1種の酸化物Tb2O3
およびCe2O3を含むことを特徴とする。 本発明は、石英ガラスにおいて活性化剤として用いた場
合に、稀土類金属TbおよびCeが従来最適と思われて
いた範囲より高い濃度範囲で用いる場合に最適効果を有
するという認識に基づくものである。本発明による石英
ガラスにおける活性化濃度は結晶質発光材料における濃
度と同じ程度で選択でき、紫外線による励起において結
晶質材料の効率と比敵しうる効率を達成できることを確
めた。 ガラス マ) IJフックス励起紫外線を透過すること
は、マ) IJフックス体に吸収されるために励起エネ
ルギーを失い、ガラスが不純物を著しい程度に含まない
ようにする。透明な(transparent) Si
n□のほかに、マトリックスには5i02のモルに対し
て0〜0.15モルのMOで示す酸化物を含ませること
ができ、すべてのマ) IJフックス紫外線を透過する
。 本明細書および特許請求の範囲において「アルカリ金属
」とはL i、 Na、 K、 Rb、 およびCs
元素を意味し、および「アルカリ土類金属」とは!、I
g、 Ca、 Sr、 BaおよびZn元素を意味する
。 本発明の発光石英ガラスにおいて、励起紫外線の有効な
吸収は活性化剤Tbおよび/またはCeに作用する。こ
の目的のために、石英ガラスにはガラス マトリックス
酸化物に対して少なくとも0.75モル%のTb、03
および/またはCe2O3を含ませる。 低含有量の場合には、励起紫外線の吸収が余りに低いた
めに、極めて低い光束が得られる。高い値において、い
わゆる濃度減少(conc6ntrationquen
ching)により、余りに低い光束が再び生ずるため
に、活性化側酸化物の含有量は約15モル%に等しくな
るように選択する。Tb”の特有の緑色発光(gree
n−1ine emission) (約540 +n
mで最大)を有する石英ガラスはテルビウムで活性化す
る際に得られ、およびセリウムによる活性化の際にスペ
クトルの近紫外部分に青色のバンドで得られる。Ceお
よびTbを用いる場合には、CeからTbへの励起エネ
ルギーの移動が生ずる。 主としてSiO□からなるガラス マトリックスにAI
、 B、 P、 Zr、 Y、 La、 Gd、 Lu
元素の1または2種以上の透明な酸化物、アルカリ金属
およびアルカリ土類金属(Sin2のモル当り0.15
モルまで)を添加することは、所望の高い活性北側濃度
を得るのに必要でない。この添加は、石英ガラスを製造
する場合にガラスの形成を容易にし、かつ低温度で作用
しやすくできる利益がある。 1〜7モル%のTb2O3および/またはCe2O3か
らなる本発明による石英ガラスは最高の光束が得られる
ために好ましい。 本発明の発光石英ガラスの他の好適例において、ガラス
はTb2O3および/またはCe2O3のモル当り0.
5〜5モルのA1゜03からなる。実際上、この割合で
Al2O3を添加することはガラス マトリックスに混
合する活性化剤の望ましい原子価(三価)を維持するま
たは得ることができることを確めた。 特に、この事はセリウムの場合に適用される。 本発明の発光石英ガラスの極めて有利な例は、ガラスが
0.75〜15モル%のTb2O3)および活性化側酸
化物としてガラス マトリックス酸化物に対して計算し
て0.2モル%以下の分量のEu2O3,からなる場合
である。発光石英ガラスにおけるTb”が、励起エネル
ギーを効果的に発光する3 u 3 *に移動させる驚
くべきことを見出した。極めて少量のEu2O3がEu
3+の特有の赤色線発光(red−line emis
sion)に貢献することを確めた。0.0005%の
Eu2O3を用いる場合、ガラスは、なお、主として緑
色(Tb”−発光)に発光するが、しかし赤色E u
3 +発光がすでに顕著である。Eu2O3の含有量を
増加するのに伴って、E 113 s−発光が増し、T
b”−発光が減少し、このために発光色(emissi
on colours)を有する発光ガラスを緑から優
勢な赤の全範囲にわたって得ることができる。特に、実
用のために極めて有利である極めて効果的な黄色発光石
英ガラスを得ることができる。 活性化側酸化物としてEu2O3のみを高い濃度でおよ
び低い濃度で使用しても、効果的な発光ガラスが得られ
ない。なぜならば、E u 3 s−における直接励起
では極めて低い童子効率が得られるためである。 それ故、本発明においては、所望の発光色を得るのに適
当であるTbおよびEu2O,含有量に励起エネルギー
を吸収するために、比較的に高いTb2O3含有量を選
択する。0.05モル%の比較的に低いEu2O3含有
量では、この発光色は赤がすでに優勢である。0.2モ
ル%以上のEu2O3含有量は、Eu”における競争吸
収により量子効率が余りに小さくなるために、用いるこ
とができない。 Tb”およびE u 3+により活性化され、かつ5i
O9のモル当り0.旧モル以下のMOからなる石英ガラ
スが好ましい。なぜならば、これらの石英ガラスではT
b3+からE U 3 a−への移動が極めて効果的に
生ずるためである。 ガラスが2〜7モル%のTb2O3および0.001〜
0.05モル%のEu2O3からなる場合に、Tb”お
よびEu 3 +活性化石英ガラスによって最もよい結
果が得られる。このために、このガラスが好ましい。 本発明の発光石英ガラスは、一般に複合酸化物(高純度
を有する)の出発混合物、または炉の温度を少なくとも
融点に達するまでの極めて高い温度に高めることにより
上記酸化物を生成する化合物の出発混合物を加熱するこ
とによって得ることができる。融点は組成により影響し
、例えばA1□03をSiO□のモル当り0.02〜0
.10モルの量で用いる場合には、その融点は約220
0℃である。混合物をモリブデン坩堝に入れて加熱する
のが好ましい場合には、加熱中還元ガスを炉内に通して
Tbおよび/またはCeを三価状態で得るようにするか
、まては三価状態に維持するようにする。融成物はある
時間、高温で維持し、次いで冷却する。 テルビウムで、またはテルビウムおよびユーロピウムで
活性化した発光石英ガラスは本発明の方法により作るの
が好ましく、本発明の方法はアルコキシシランのアルコ
ール性溶液を作り、この溶液にTbをSiのモル当り0
.015〜0.30モルの割合で添加し、およびこれに
EuをSiのモル当り0.004モル以下の割合で添加
し、更に1または2種以上のAI、 B、 P、 Zr
、 Sc、 Y、 La、 GdおよびLu、 アル
カリ金属およびアルカリ土類金属をSiのモル当り上記
元素の酸化物の0〜0.15モルに相当する割合で上記
元素のアルコキシド、硝酸塩、炭酸塩および酢酸塩の群
からの少なくとも1種の化合物のアルコール性溶液の形
態で添加し、混合物にゲル化を生ずるような分量の水を
含有させ、次いで得られたゲルを乾燥し、乾燥ゲルを5
00〜1200℃の温度で加熱することを特徴とする。 本発明の方法は、高SiO2含有量を有するガラスの製
造にそれ自体知られている技術、および一般に云われて
いるゾル−ゲル技術を用いることができる。初めにアル
コキシシランのアルコール溶液を用いる。極めて適当な
出発材料はアルコール、好ましくは関連するアルコール
、例えばメタノールおよびエタノールのそれぞれに溶解
するテトラメトキシシランおよびテトラエトキシシラン
である。Tbおよび/またはEuの所望量、およびガラ
スマキリックスにSiO゜のほかに酸化物として混合す
る元素の所望量は上記溶液に関連する元素のアルコキシ
ド、硝酸塩、炭酸塩および/または酢酸塩のアルコール
性溶液の形態で添加する。更に、水はシランを完全に加
水分解するのに十分な量で添加するのが好ましい。加水
分解のためにゾルを生じ、ある時間後に凝縮してゲルを
形成する。生成したゲルを乾燥し、次いで500〜12
00℃の温度を加熱し、このために生成物を微粉砕後、
極めて均質な組成を有するガラス粉末を得ることができ
る。テトラエトキシシランを用いる場合には、好ましく
は、例えばエタノールのリットル当り少なくとも1モル
のシランを含む溶液を作り、これに加水分解を完全にす
るためにシランのモル当り少なくとも2モルの水を添加
する。本発明の方法においては、出発混合物を複合酸化
物とするのが極めて有利である。実際上、高純度の極め
て均質な生成物が得られ、所望の加熱工程は比較的に低
い温度(500〜1200℃)で行うことができる。 本発明の方法は、1または2種以上のアルコール性溶液
を酸で7以下のpH値にし、混合物を揮発性塩基の添加
により7以上のpH値にしてゲル化を促進するようにす
るのが好ましい。酸の使用は所望の加水分解を促進し、
塩基の使用はゲルへの凝縮を促進する。酸および/また
は塩基の水溶液を用いる場合には、添加する水の量は加
水分解に要する水の量を考慮する必要がある。 本発明の発光石英ガラスは、高い量子効率のために、結
晶質発光材料の代りに用いることができる。加工および
形成しやすくするために、石英ガラスを発光ガラス礒維
に用いることができ、また陰極線管およびソリッドステ
ート レーザーに用いることができる。 本発明の発光石英ガラスは、ガラスからなる発光層を具
え、および支持体に設けることができる発光スクリーン
に好ましく用いることができる。 このスクリーンは、例えば、低圧水銀蒸気放電灯の如き
放電灯に用いることができる。 次に、本発明を発光石英ガラスの多くの例について、お
よび本発明の方法について説明する。 添付図面は本発明の2種類の石英ガラスの輻射線の特定
のエネルギー分布を示すグラフを示している。 実施例1 均質混合物を1モルのSiO2および0.02モルのC
eAID3から作った。この混合物をモリブデン坩堝内
において高周波炉で2200℃に加熱した。溶融混合物
をこの温度で1時間維持した。加熱中、還元ガス(10
容量%のH2を有する)1e)を炉に通した。次いで、
融成物を冷却した。得られた石英ガラスを破壊し、粉砕
した。微粉砕生成物(Sin2のモル当り0.01モル
のCe2[]3および0.02モルのAl2O3を含む
5in2) は254 nm輻射線で励起(吸収へ−
76%)した際に量子効率q=43%を有するのを確め
た。発光(emission)は約410 nmに最大
を有するバンドを有していた。 実施例2 1モルのSin2、0.01モルのCeO2,0,03
モルのTbTb2O3および0.07モルのAl2O3
の混合物から出発し、実施例1に記載すると同時に行っ
た。かようにして得られたガラス(S i O2のモル
当り0.005モルのCe2O3)o、 03 モルの
Tb2O3およびQ、 07 % /l/のAl2O3
を含むSin。)は254 nm励起(A=63%〉に
おいて量子効率q−48%を有していた。発光は主とし
て特有のTb’+輻射線からなっていた(〉95%)。 実施例3 1モルのSi (OC2H5) 、を4モルのC2H5
0Hに溶解して溶液を作った。この溶液に10モルの水
を添加し、しかる後に50℃である時間にわたり加熱し
た。次いで、この加熱溶液に0.06モルのTb(NO
3)3・5H20を2モルのC2H5叶に溶解した溶液
を撹拌しなから添加した。加水分解および濃縮により、
ゲル化を生じた。ゲル化時間を約2週間にした。得られ
たゲルを乾燥し、次いで空気中で850℃に加熱した。 冷却後、生成物を粉砕し、3モル%のTb2O3を含む
極めて純粋のSiO□からなる細いガラス粉末を得た。 短波紫外線(2541m)で励起した際に、ガラスは6
6%の量子効率を有していることを確めた。励起輻射線
の吸収Aは81%であった。発光は特有のTb”輻射線
からなっていた。 実施例4 6モルの水の代りに、108gの0.1NHCI水溶液
(6モルの水)を添加する以外は、実施例3に記載する
方法を繰返した。この場合、ゲル化には約4日かかった
。得られた生成物は実施例3において得られた生成物と
殆んど等しく、A=80%およびq=96%であった。 実施例5 溶液を、1モルのSi (OC2H3) 、を4モルの
C2H50ftに溶解して作った。この溶液に36gの
0.1N HCI水溶液(2モルの水)を添加し、しか
る後にこの混合溶液を50℃で1時間30分にわたって
撹拌しながら加熱した。かようにして得た澄んだ溶液に
、0.06モルのTb (NO3) 3・5H20を2
モルのC2H50Hに溶解した溶液を添加した。約10
分間撹拌した後、混合溶液にNH,OH水溶液(pH=
12)を添加し、ゲル化が速やかに生じた(ゲル化は約
10分間後、殆んど完了していた)。形成したゲルを乾
燥し、次いで空気中850℃で1/4時間にわたり加熱
した。かようにして得た塊状物を約15分間にわたり粉
砕し、細い粉末を得(3モル%のTb20.を含む極め
て純粋な5iO7)、この粉末を使用に倶した。254
[1m励起(A=59%)において粉末は79″!、の
量子効率を有していた。 実施例6〜11 実施例5に記載するようにして異なる組成の6種の発光
石英ガラスを作った。しかしながら、これらの実施例6
〜11において熱処理を空気中900℃で174時間に
わたって行った。次の表には各ガラスの組成、並びに励
起254nm輻射線の吸収Aおよび量子効率qの測定値
を示している。実施例9.10および11においては、
KおよびNaのそれぞれをエタルレートとして添加した
。 実施例 組成 A(%)
q(%)6 1 S]02・0.05 ’rb2
o363 597 15102・0.06 Tb2
0334 328 15102・0.07 Tb2
O3653690,97Si口。 ・0.03に20
・0.03Tb2o3 80 801
0 0.92 Sin。・0.0IEa2o・0.0
5’rb2o356 7211 0.855iO7
・0.125Na2[1・0.05Tb2[13687
1実施例12〜19 実施例5に記載するようにして8種類の発光石英ガラス
を得た。この場合、すべてのガラスは5モル%のTb2
O3および式 l5iL ・0.05Tb2O3 ・X Eu2O
3による異なる量のEu20aからなる。しかしながら
、空気中900℃で加熱した。次の表にはEu2O3含
有量×1および励起254nm輻射線の吸収A、量子効
率qおよび赤色Eu 3 (−発光の割合を示している
。 実施例 X A(%) q(%) Eu”
−em(%)12 0.000015 69 4
6 3713 0.000035 71 5
8 5314 0.00005 66 54
6915 0.00009 70 46
8016 0.00028 66 49
8917 0.00054 81 33
9118 0.00107 70 34 9
719 0.00196 77 23 97
実施例13および16において得られた石英ガラスの発
光スペクトルを添付図面に示している。この場合、波長
λをグラフの横軸にnmでプロットし、光子電流(ph
oton current) Iを縦軸に任意単位でプ
ロットした。最大光子電流は両開線において100にセ
ットした。実施例13におけるガラスの発光は目で黄色
に観察され、および実施例16におけるガラスは赤色が
優勢であった。 実施例20 式l5102 ’0.075Tb203’O,0O0
3Eu203で規定された石英ガラスを実施例5に記載
するようにして作った。254nm輻射線による励起に
おいて(A=85%)、52.5%の量子効率qを測定
した、発光輻射線は91%の赤色Bu3″″発光からな
っていた。 4)
S102、および5in2のモル当り0〜0.15モル
のMO(こ−にMOは少なくとも1種の酸化物Al2O
3゜B2O3,P、O,ZrO2,5c203. Y2
O3,La2O3,Gd2O3,Lu2O3を示す)、
アルカリ金属酸化物およびアルカリ土類金属酸化物から
なり、かつ稀土類金属で活性化された発光石英ガラスに
関する。また、本発明はかかる発光石英ガラスの製造方
法、およびこの発光石英ガラスを具えた発光スクリーン
に関する。 発光石英ガラスは比較的に古くから知られている。例え
ば、米国特許第3527711.3634711.38
55144および3935119号明細書にはS10□
含有量を著しく高くした(一般に少なくとも99重量%
)石英ガラスについて記載されており、この場合稀土類
金属を活性化剤として使用するのが好ましいことが記載
されている。これらの稀土類金属活性化剤は5000p
pmの最大濃度のように極めて低い濃度で使用されてい
る(Si原子に対する稀土類金属原子)。また、多くの
稀土類金属を活性化剤として用いる場合には、すべての
組合わせた活性化剤の濃度はこの最大値を越えないよう
にし、好ましくは2000ppmの制限を越えないよう
にしている。SiO□に対する(三価)稀土類金属酸化
物をモル%において、5000および2000ppmの
上記制限ではそれぞれ0.25および0.1モル%であ
る。上記米国特許明細書には、与えられた最大値の活性
他剤濃度を越える場合には透明でない製品が得られるこ
とが記載されている。透明でなく、かつ着色された発光
材料は光束が極めて低い欠点を有しており、このために
実際上、使用することができない。 米国特許第3459673号明細書には稀土類金属で活
性化された石英ガラスの製造方法について記載されてお
り、この場合、出発材料は加水分解しうる珪素化合物、
および水溶性稀土類金属の塩の水溶液である。また、極
めて低い活性化濃度(例えば数IQQppm程度の濃度
)であることが示されている。 上述するタイプの発光石英ガラスについてはオランダ特
許出願第6605957号明細書に記載されている。こ
のオランダ特許出願明細書にはテルビウム活性化ガラス
について記載されており、ガラスマトリックス、すなわ
ち、活性他剤酸化物でないガラス組成物が主としてSi
O□からなり、かつS10□のモルに対して約0.20
モルまでの他の酸化物からなることが記載されている。 このオランダ特許出願明細書においては、他の酸化物の
添加によってテルビウム濃度をできるだけ高くすること
が記載されている。しかながら、最大濃度は5in2の
モルに対してTb2O3は0.5モル%、すなわち、上
述する米国特許明細書に記載されている最大濃度より2
高いファクターである。 既知の発光石英ガラスの大きい欠点は結晶質発光材料と
比べて効率が低いことである。特に、紫外線により励起
される際の量子効率は、効果的な結晶質材料により達成
できる量子効率より5〜10低いファクターであること
が確められている。 本発明は、本明細書の初めに記載しているタイプの発光
石英ガラスにおいて、ガラスが活性化剤酸化物としてガ
ラス マトリックス酸化物に対して計算して0.75〜
15モル%の割合の少なくとも1種の酸化物Tb2O3
およびCe2O3を含むことを特徴とする。 本発明は、石英ガラスにおいて活性化剤として用いた場
合に、稀土類金属TbおよびCeが従来最適と思われて
いた範囲より高い濃度範囲で用いる場合に最適効果を有
するという認識に基づくものである。本発明による石英
ガラスにおける活性化濃度は結晶質発光材料における濃
度と同じ程度で選択でき、紫外線による励起において結
晶質材料の効率と比敵しうる効率を達成できることを確
めた。 ガラス マ) IJフックス励起紫外線を透過すること
は、マ) IJフックス体に吸収されるために励起エネ
ルギーを失い、ガラスが不純物を著しい程度に含まない
ようにする。透明な(transparent) Si
n□のほかに、マトリックスには5i02のモルに対し
て0〜0.15モルのMOで示す酸化物を含ませること
ができ、すべてのマ) IJフックス紫外線を透過する
。 本明細書および特許請求の範囲において「アルカリ金属
」とはL i、 Na、 K、 Rb、 およびCs
元素を意味し、および「アルカリ土類金属」とは!、I
g、 Ca、 Sr、 BaおよびZn元素を意味する
。 本発明の発光石英ガラスにおいて、励起紫外線の有効な
吸収は活性化剤Tbおよび/またはCeに作用する。こ
の目的のために、石英ガラスにはガラス マトリックス
酸化物に対して少なくとも0.75モル%のTb、03
および/またはCe2O3を含ませる。 低含有量の場合には、励起紫外線の吸収が余りに低いた
めに、極めて低い光束が得られる。高い値において、い
わゆる濃度減少(conc6ntrationquen
ching)により、余りに低い光束が再び生ずるため
に、活性化側酸化物の含有量は約15モル%に等しくな
るように選択する。Tb”の特有の緑色発光(gree
n−1ine emission) (約540 +n
mで最大)を有する石英ガラスはテルビウムで活性化す
る際に得られ、およびセリウムによる活性化の際にスペ
クトルの近紫外部分に青色のバンドで得られる。Ceお
よびTbを用いる場合には、CeからTbへの励起エネ
ルギーの移動が生ずる。 主としてSiO□からなるガラス マトリックスにAI
、 B、 P、 Zr、 Y、 La、 Gd、 Lu
元素の1または2種以上の透明な酸化物、アルカリ金属
およびアルカリ土類金属(Sin2のモル当り0.15
モルまで)を添加することは、所望の高い活性北側濃度
を得るのに必要でない。この添加は、石英ガラスを製造
する場合にガラスの形成を容易にし、かつ低温度で作用
しやすくできる利益がある。 1〜7モル%のTb2O3および/またはCe2O3か
らなる本発明による石英ガラスは最高の光束が得られる
ために好ましい。 本発明の発光石英ガラスの他の好適例において、ガラス
はTb2O3および/またはCe2O3のモル当り0.
5〜5モルのA1゜03からなる。実際上、この割合で
Al2O3を添加することはガラス マトリックスに混
合する活性化剤の望ましい原子価(三価)を維持するま
たは得ることができることを確めた。 特に、この事はセリウムの場合に適用される。 本発明の発光石英ガラスの極めて有利な例は、ガラスが
0.75〜15モル%のTb2O3)および活性化側酸
化物としてガラス マトリックス酸化物に対して計算し
て0.2モル%以下の分量のEu2O3,からなる場合
である。発光石英ガラスにおけるTb”が、励起エネル
ギーを効果的に発光する3 u 3 *に移動させる驚
くべきことを見出した。極めて少量のEu2O3がEu
3+の特有の赤色線発光(red−line emis
sion)に貢献することを確めた。0.0005%の
Eu2O3を用いる場合、ガラスは、なお、主として緑
色(Tb”−発光)に発光するが、しかし赤色E u
3 +発光がすでに顕著である。Eu2O3の含有量を
増加するのに伴って、E 113 s−発光が増し、T
b”−発光が減少し、このために発光色(emissi
on colours)を有する発光ガラスを緑から優
勢な赤の全範囲にわたって得ることができる。特に、実
用のために極めて有利である極めて効果的な黄色発光石
英ガラスを得ることができる。 活性化側酸化物としてEu2O3のみを高い濃度でおよ
び低い濃度で使用しても、効果的な発光ガラスが得られ
ない。なぜならば、E u 3 s−における直接励起
では極めて低い童子効率が得られるためである。 それ故、本発明においては、所望の発光色を得るのに適
当であるTbおよびEu2O,含有量に励起エネルギー
を吸収するために、比較的に高いTb2O3含有量を選
択する。0.05モル%の比較的に低いEu2O3含有
量では、この発光色は赤がすでに優勢である。0.2モ
ル%以上のEu2O3含有量は、Eu”における競争吸
収により量子効率が余りに小さくなるために、用いるこ
とができない。 Tb”およびE u 3+により活性化され、かつ5i
O9のモル当り0.旧モル以下のMOからなる石英ガラ
スが好ましい。なぜならば、これらの石英ガラスではT
b3+からE U 3 a−への移動が極めて効果的に
生ずるためである。 ガラスが2〜7モル%のTb2O3および0.001〜
0.05モル%のEu2O3からなる場合に、Tb”お
よびEu 3 +活性化石英ガラスによって最もよい結
果が得られる。このために、このガラスが好ましい。 本発明の発光石英ガラスは、一般に複合酸化物(高純度
を有する)の出発混合物、または炉の温度を少なくとも
融点に達するまでの極めて高い温度に高めることにより
上記酸化物を生成する化合物の出発混合物を加熱するこ
とによって得ることができる。融点は組成により影響し
、例えばA1□03をSiO□のモル当り0.02〜0
.10モルの量で用いる場合には、その融点は約220
0℃である。混合物をモリブデン坩堝に入れて加熱する
のが好ましい場合には、加熱中還元ガスを炉内に通して
Tbおよび/またはCeを三価状態で得るようにするか
、まては三価状態に維持するようにする。融成物はある
時間、高温で維持し、次いで冷却する。 テルビウムで、またはテルビウムおよびユーロピウムで
活性化した発光石英ガラスは本発明の方法により作るの
が好ましく、本発明の方法はアルコキシシランのアルコ
ール性溶液を作り、この溶液にTbをSiのモル当り0
.015〜0.30モルの割合で添加し、およびこれに
EuをSiのモル当り0.004モル以下の割合で添加
し、更に1または2種以上のAI、 B、 P、 Zr
、 Sc、 Y、 La、 GdおよびLu、 アル
カリ金属およびアルカリ土類金属をSiのモル当り上記
元素の酸化物の0〜0.15モルに相当する割合で上記
元素のアルコキシド、硝酸塩、炭酸塩および酢酸塩の群
からの少なくとも1種の化合物のアルコール性溶液の形
態で添加し、混合物にゲル化を生ずるような分量の水を
含有させ、次いで得られたゲルを乾燥し、乾燥ゲルを5
00〜1200℃の温度で加熱することを特徴とする。 本発明の方法は、高SiO2含有量を有するガラスの製
造にそれ自体知られている技術、および一般に云われて
いるゾル−ゲル技術を用いることができる。初めにアル
コキシシランのアルコール溶液を用いる。極めて適当な
出発材料はアルコール、好ましくは関連するアルコール
、例えばメタノールおよびエタノールのそれぞれに溶解
するテトラメトキシシランおよびテトラエトキシシラン
である。Tbおよび/またはEuの所望量、およびガラ
スマキリックスにSiO゜のほかに酸化物として混合す
る元素の所望量は上記溶液に関連する元素のアルコキシ
ド、硝酸塩、炭酸塩および/または酢酸塩のアルコール
性溶液の形態で添加する。更に、水はシランを完全に加
水分解するのに十分な量で添加するのが好ましい。加水
分解のためにゾルを生じ、ある時間後に凝縮してゲルを
形成する。生成したゲルを乾燥し、次いで500〜12
00℃の温度を加熱し、このために生成物を微粉砕後、
極めて均質な組成を有するガラス粉末を得ることができ
る。テトラエトキシシランを用いる場合には、好ましく
は、例えばエタノールのリットル当り少なくとも1モル
のシランを含む溶液を作り、これに加水分解を完全にす
るためにシランのモル当り少なくとも2モルの水を添加
する。本発明の方法においては、出発混合物を複合酸化
物とするのが極めて有利である。実際上、高純度の極め
て均質な生成物が得られ、所望の加熱工程は比較的に低
い温度(500〜1200℃)で行うことができる。 本発明の方法は、1または2種以上のアルコール性溶液
を酸で7以下のpH値にし、混合物を揮発性塩基の添加
により7以上のpH値にしてゲル化を促進するようにす
るのが好ましい。酸の使用は所望の加水分解を促進し、
塩基の使用はゲルへの凝縮を促進する。酸および/また
は塩基の水溶液を用いる場合には、添加する水の量は加
水分解に要する水の量を考慮する必要がある。 本発明の発光石英ガラスは、高い量子効率のために、結
晶質発光材料の代りに用いることができる。加工および
形成しやすくするために、石英ガラスを発光ガラス礒維
に用いることができ、また陰極線管およびソリッドステ
ート レーザーに用いることができる。 本発明の発光石英ガラスは、ガラスからなる発光層を具
え、および支持体に設けることができる発光スクリーン
に好ましく用いることができる。 このスクリーンは、例えば、低圧水銀蒸気放電灯の如き
放電灯に用いることができる。 次に、本発明を発光石英ガラスの多くの例について、お
よび本発明の方法について説明する。 添付図面は本発明の2種類の石英ガラスの輻射線の特定
のエネルギー分布を示すグラフを示している。 実施例1 均質混合物を1モルのSiO2および0.02モルのC
eAID3から作った。この混合物をモリブデン坩堝内
において高周波炉で2200℃に加熱した。溶融混合物
をこの温度で1時間維持した。加熱中、還元ガス(10
容量%のH2を有する)1e)を炉に通した。次いで、
融成物を冷却した。得られた石英ガラスを破壊し、粉砕
した。微粉砕生成物(Sin2のモル当り0.01モル
のCe2[]3および0.02モルのAl2O3を含む
5in2) は254 nm輻射線で励起(吸収へ−
76%)した際に量子効率q=43%を有するのを確め
た。発光(emission)は約410 nmに最大
を有するバンドを有していた。 実施例2 1モルのSin2、0.01モルのCeO2,0,03
モルのTbTb2O3および0.07モルのAl2O3
の混合物から出発し、実施例1に記載すると同時に行っ
た。かようにして得られたガラス(S i O2のモル
当り0.005モルのCe2O3)o、 03 モルの
Tb2O3およびQ、 07 % /l/のAl2O3
を含むSin。)は254 nm励起(A=63%〉に
おいて量子効率q−48%を有していた。発光は主とし
て特有のTb’+輻射線からなっていた(〉95%)。 実施例3 1モルのSi (OC2H5) 、を4モルのC2H5
0Hに溶解して溶液を作った。この溶液に10モルの水
を添加し、しかる後に50℃である時間にわたり加熱し
た。次いで、この加熱溶液に0.06モルのTb(NO
3)3・5H20を2モルのC2H5叶に溶解した溶液
を撹拌しなから添加した。加水分解および濃縮により、
ゲル化を生じた。ゲル化時間を約2週間にした。得られ
たゲルを乾燥し、次いで空気中で850℃に加熱した。 冷却後、生成物を粉砕し、3モル%のTb2O3を含む
極めて純粋のSiO□からなる細いガラス粉末を得た。 短波紫外線(2541m)で励起した際に、ガラスは6
6%の量子効率を有していることを確めた。励起輻射線
の吸収Aは81%であった。発光は特有のTb”輻射線
からなっていた。 実施例4 6モルの水の代りに、108gの0.1NHCI水溶液
(6モルの水)を添加する以外は、実施例3に記載する
方法を繰返した。この場合、ゲル化には約4日かかった
。得られた生成物は実施例3において得られた生成物と
殆んど等しく、A=80%およびq=96%であった。 実施例5 溶液を、1モルのSi (OC2H3) 、を4モルの
C2H50ftに溶解して作った。この溶液に36gの
0.1N HCI水溶液(2モルの水)を添加し、しか
る後にこの混合溶液を50℃で1時間30分にわたって
撹拌しながら加熱した。かようにして得た澄んだ溶液に
、0.06モルのTb (NO3) 3・5H20を2
モルのC2H50Hに溶解した溶液を添加した。約10
分間撹拌した後、混合溶液にNH,OH水溶液(pH=
12)を添加し、ゲル化が速やかに生じた(ゲル化は約
10分間後、殆んど完了していた)。形成したゲルを乾
燥し、次いで空気中850℃で1/4時間にわたり加熱
した。かようにして得た塊状物を約15分間にわたり粉
砕し、細い粉末を得(3モル%のTb20.を含む極め
て純粋な5iO7)、この粉末を使用に倶した。254
[1m励起(A=59%)において粉末は79″!、の
量子効率を有していた。 実施例6〜11 実施例5に記載するようにして異なる組成の6種の発光
石英ガラスを作った。しかしながら、これらの実施例6
〜11において熱処理を空気中900℃で174時間に
わたって行った。次の表には各ガラスの組成、並びに励
起254nm輻射線の吸収Aおよび量子効率qの測定値
を示している。実施例9.10および11においては、
KおよびNaのそれぞれをエタルレートとして添加した
。 実施例 組成 A(%)
q(%)6 1 S]02・0.05 ’rb2
o363 597 15102・0.06 Tb2
0334 328 15102・0.07 Tb2
O3653690,97Si口。 ・0.03に20
・0.03Tb2o3 80 801
0 0.92 Sin。・0.0IEa2o・0.0
5’rb2o356 7211 0.855iO7
・0.125Na2[1・0.05Tb2[13687
1実施例12〜19 実施例5に記載するようにして8種類の発光石英ガラス
を得た。この場合、すべてのガラスは5モル%のTb2
O3および式 l5iL ・0.05Tb2O3 ・X Eu2O
3による異なる量のEu20aからなる。しかしながら
、空気中900℃で加熱した。次の表にはEu2O3含
有量×1および励起254nm輻射線の吸収A、量子効
率qおよび赤色Eu 3 (−発光の割合を示している
。 実施例 X A(%) q(%) Eu”
−em(%)12 0.000015 69 4
6 3713 0.000035 71 5
8 5314 0.00005 66 54
6915 0.00009 70 46
8016 0.00028 66 49
8917 0.00054 81 33
9118 0.00107 70 34 9
719 0.00196 77 23 97
実施例13および16において得られた石英ガラスの発
光スペクトルを添付図面に示している。この場合、波長
λをグラフの横軸にnmでプロットし、光子電流(ph
oton current) Iを縦軸に任意単位でプ
ロットした。最大光子電流は両開線において100にセ
ットした。実施例13におけるガラスの発光は目で黄色
に観察され、および実施例16におけるガラスは赤色が
優勢であった。 実施例20 式l5102 ’0.075Tb203’O,0O0
3Eu203で規定された石英ガラスを実施例5に記載
するようにして作った。254nm輻射線による励起に
おいて(A=85%)、52.5%の量子効率qを測定
した、発光輻射線は91%の赤色Bu3″″発光からな
っていた。 4)
【図面の簡単な説明】
添付図面は本発明の2種類の石英ガラスの輻射線の特定
のエネルギー分布を示すグラフである。
のエネルギー分布を示すグラフである。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1)ガラスマトリツクス酸化物として、主としてSiO
_2、およびSiO_2のモル当り0〜0.15モルの
MO(こゝにMOは少なくとも1種の酸化物Al_2O
_3,B_2O_3,P_2O_5,ZrO_2,Sc
_2O_3,Y_2O_3,La_2O_3,Gd_2
O_3,Lu_2O_3を示す)、アルカリ金属酸化物
およびアルカリ土類金属酸化物からなり、かつ稀土類金
属で活性化された発光石英ガラスにおいて、ガラスが活
性化剤酸化物としてガラスマトリツクス酸化物に対して
計算して 0.75〜15モル%の割合の少なくと1種の酸化物T
b_2O_3およびCe_2O_3含むことを特徴とす
る発光石英ガラス。 2)ガラスが1〜7モル%のTb_2O_3および/ま
たはCe_2O_3を含む特許請求の範囲第1項記載の
発光石英ガラス。 3)ガラスがTb_2O_3および/またはCe_2O
_3のモル当り0.5〜5モルのAl_2O_3を含む
特許請求の範囲第1項または2項記載の発光石英ガラス
。 4)ガラスが0.75〜15モル%のTb_2O_3、
および活性化剤酸化物としてガラス マトリツクス酸化
物に対して計算して0.2モル%以下のEu_2O_3
を含む特許請求の範囲第1,2または3項記載の発光石
英ガラス。 5)ガラスがSiO_2のモル当り0.01モル以下の
MOを含む特許請求の範囲第4項記載の発光石英ガラス
。 6)ガラスが2〜7モル%のTb_2O_3および0.
001〜0.05モル%のEu_2O_3を含む特許請
求の範囲第4または5項記載の発光石英ガラス。 7)ガラスマトリツクス酸化物として、主としてSiO
_2、およびSiO_2のモル当り0〜0.15モルの
MO(こゝにMOは少なくとも1種の酸化物Al_2O
_3,B_2O_3,P_2O_5,ZrO_2,Sc
_2O_3,Y_2O_3,La_2O_3Gd_2O
_3,Lu_2O_3を示す)、アルカリ金属酸化物お
よびアルカリ土類金属酸化物からなり、かつテルビウム
でまたはテルビウムおよびユーロピウムで活性化された
発光石英ガラスの製造方法において、アルコキシシラン
のアルコール性溶液を作り、この溶液にTbをSiのモ
ル当り0.015〜0.30モルの割合で添加し、およ
びこれにEuをSiのモル当り0.004モル以下の割
合で添加し、更に1または2種以上のAl,B,P,Z
r,Sc,Y,La,GdおよびLu,アルカリ金属お
よびアルカリ土類金属をSiのモル当りこれらの元素の
酸化物の0〜0.15モルに相当する割合で上記元素の
アルコキシド、硝酸塩、炭酸塩および酢酸塩の群からの
少なくとも1種の化合物のアルコール性溶液の形態で添
加し、混合物にゲル化を生ずるような分量の水を含有さ
せ、次いで得られたゲルを乾燥し、乾燥ゲルを500〜
1200℃の温度に加熱することを特徴とする発光石英
ガラスの製造方法。 8)1または2種以上のアルコール性溶液を酸により7
以下のpH値にし、混合物を揮発性塩基の添加により7
以上のpH値にしてゲル化を促進する特許請求の範囲第
7項記載の方法。
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