JPWO2005123875A1 - 発光材料、発光体、および発光方法 - Google Patents

Abstract

材料原子中の電子の放射遷移によって発光する発光材料母材にナノ粒子が添加・分散されてなる発光材料を用いることにより、低励起性に優れ、高輝度な発光体を得るとともに、励起エネルギーの低減と高輝度化を同時に実現可能とし、それによって、広範囲な発光体に対してその励起エネルギーを低減可能とするとともに輝度の大幅な向上を簡易な構成により達成することのできる発光材料および該発光材料を有する発光体および発光方法を提供する。

Description

本発明は、照明などに用いられる発光体に用いて好適な発光材料および該発光材料を用いた発光体および発光方法に関するものである。さらに詳しくは、発光に要する励起エネルギーが少なくて済み、また励起エネルギーに対する発光輝度が非常に高い発光材料および該発光材料を用いた低励起・高輝度発光体に関するものである。

照明は、人類にとって格段に重要な技術であり、樹木や獣脂を用いた灯火（発光体）の利用から始まって今日まで多くの発光体技術が開発されてきた。今日の発光体技術は多岐に亘っており、主に一般照明に利用される白熱灯、蛍光灯、水銀灯、ナトリウム灯や、各種ディスプレイに多用されるネオン管、プラズマディスプレイ、各種レーザ発光体、発光ダイオードなどが実用化されるに至っている。

前記発光体技術の新旧を問わず、発光体に常に要求されることは、（１）発光に要するエネルギーをできるだけ少なくすること、換言すれば、低励起性であることと、（２）一定の励起エネルギーに対する輝度ができるだけ高いこととの２点が主な点である。前記発光体技術の進歩によって、励起エネルギーがより少なくなり、より高輝度化してきているが、さらに低励起性、高輝度化が求められているのが実情である。このことは、近年の化石エネルギー使用による環境への悪影響、化石燃料の近い将来における枯渇問題などを考慮した場合、より切実な要求でもある。

前記低励起性の向上、高輝度化の要求に対して、従来、様々な取り組みがなされている。例えば、低励起性を向上する取り組みの一例として、蛍光体の発光効率を向上させるためにナノクリスタル蛍光体を用いる技術が提案されている（特許文献１）。このナノクリスタル蛍光体は、例えば、溶媒中で酢酸マンガンと酢酸亜鉛とを硫化ナトリウムとともに反応させることにより得られる。この場合、マンガンがドープされた硫化亜鉛ナノクリスタル蛍光体が得られる。

特開２０００−１０４０５８号公報

しかしながら、前記特許文献１に開示の技術では、蛍光体超微結晶を化学反応により調製しなければならず、製造工程が複雑になるという問題点がある。さらに発光体として蛍光体というごく限られた範囲においてのみ発光効率の改善がなされるのであって、広い範囲の発光体における低励起性の向上、高輝度化は達成されていない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題は、広範囲な発光体に対してその励起エネルギーを低減可能とするとともに輝度の大幅な向上を簡易な構成により達成することのできる発光材料および該発光材料を有する発光体を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明者等は、鋭意実験、検討を重ねたところ、下記のような知見を得るに至った。

すなわち、発光体の発光原理としては、白熱電灯、ハロゲン灯におけるように物質が高温状態にて発光することを利用したもの、水銀灯、キセノン灯、ナトリウム灯、蛍光灯などの放電等によって励起することによって発光体物質の電子の放射遷移を生じて発光することを利用したもの、発光ダイオードなどの電気エネルギーが直接的に光に変換されるエレクトロルミネッセンス現象を利用したものが、主なものである。これらのうち加熱により発光させる発光体技術によるものは、エネルギー効率が低く、これからの主流の照明にはなり得ない。残りの放電などの励起手段により発光体物質の電子の放射遷移を生じさせて発光させるものと、エレクトロルミネッセンス現象を利用して発光させるものが、今後の発光体として有望であると予想される。これらのうち、製造方法がより簡易であり、製造コストがより低いのは、前者の電子の放射遷移を利用した発光体である。本発明者等は、この電子の放射遷移を利用した発光体を主な対象として、低励起性の向上と高輝度化の技術を確立することを目指した。放電により発光体物質の電子の放射遷移を利用した照明灯として最も簡易な構造を有するものは、ナトリウム灯である。まず、このナトリウム灯の低励起性の向上、高輝度化を実現すべく、実験、検討を繰り返した。その実験において種々試行錯誤した結果、次に示すような種々の現象を確認することができた。

ナトリウム灯をモデル構造として極く簡略化して考察するために、発光材料であるナトリウムを、不活性ガス雰囲気下で、ルツボに投入し、ルツボを３５０℃程度に維持してナトリウムを液体化した。この状態では、ナトリウムには充分量の励起エネルギーが印加されていないので、その電子の放射遷移による発光（Ｄ線発光）は、例え、環境を暗闇にしても、肉眼はもとより光検出器によっても確認することはできない。この極く低レベルのＤ線発光は、例えば、ナトリウムに波長可変レーザなどの高エネルギーを印加することにより励起して初めて可視化可能なレベルに高輝度化することができる。しかしながら、理論的には、この状態でも極く低レベルでのＤ線発光は生じているということはできる。そこで、この液体ナトリウムにナノ粒子であるニッケル超微粒子（本実験では、粒径が１０〜４０ナノメートルの超微粒子を使用）を所定量（１０〜１００ｐｐｍ）均一分散させた。このナノ粒子を均一分散させた状態で、環境を暗闇にし、肉眼にて観察したところ、ルツボ中のナトリウム表面上に炎状の発光が確認された。この現象は、発光材料であるナトリウム中に少量のナノ粒子を分散させるだけで、そのＤ線発光を可視化可能なレベルにまで大幅に高輝度化することができることを、意味している。Ｄ線発光（５８９．６ナノメートル波長光）は、すなわち、ナトリウム灯の照明光である。この現象について、条件を種々調整して追試したところ、充分な再現性、信頼性を確認することができた。

前記低励起状態でのナトリウムＤ線発光のナノ粒子添加による高輝度化現象のメカニズムは、現在のところ十分に解明するに至っていないが、その再現性、信頼性は、確認できている。この場合、ナノ粒子の物質の種類は大きな要因ではなく、そのサイズが重要な要因であると思われる。

前記ナノ粒子の構成物質としては、金属および非金属から選ばれる少なくとも一種が用いられる。前記金属としては、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）等の単元素金属およびそれらの酸化物、窒化物、ケイ化物等の金属化合物、ステンレス鋼やクロムモリブデン鋼等の合金などが挙げられる。また、前記非金属としては、ケイ素や、炭素などが挙げられる。これら金属または非金属物質を粒径１，０００ナノメートル以下、好ましくは０．１〜５００ナノメートル、より好ましくは１〜１００ナノメートルに粉砕することでナノ粒子を得ることができる。また、ナノ粒子として現在市販されているものがあり、例えば、住友電工株式会社製の「ニッケル微粉末」、「銅微粉末」、「コバルト微粉末」；日本ナノテク株式会社製の「ニッケルメタルナノパウダー」、「銅メタルナノパウダー」、「コバルトメタルナノパウダー」等が入手可能である。

前記発光高輝度化効果の信頼性を高めるためには、ナノ粒子が発光体母材中に均一に分散している必要があることも判明した。そして、この均一分散を可能にするためには、ナノ粒子の表面に酸化膜が形成されていないことが重要な因子であることが分かった。ナノ粒子の表面に酸化膜があると、母材である液体ナトリウムとの親和性（親液性）が良くない。そのため、液体ナトリウムの撹拌を充分に行いながらナノ粒子を混合させても、ナノ粒子は液体ナトリウム中で部分的に凝集してしまい、均一に分散しない。これに対して、ナノ粒子の表面の酸化膜を除去もしくは還元して酸化膜が存在しない状態にすると、母材である液体ナトリウムとの親和性が良好となる。その結果、液体ナトリウムを撹拌しながらナノ粒子を混合すると、容易に分散し、かつ均一化する。

前記ナノ粒子表面に酸化膜がない状態を実現するためには、まず、大きく分けて、（ａ）ナノ粒子を液体ナトリウムに混合する前に酸化膜を除去する方法と、（ｂ）混合しながら酸化膜を除去する方法と、（ｃ）ナノ粒子を製造する際にナトリウム原子で粒子の表面を覆ってしまう方法、換言すればナノ粒子の表面に酸化膜が形成される前に表面をナトリウム原子で覆ってしまう方法とが実現可能である。

前記（ａ）の方法は具体的には酸化膜が形成されているナノ粒子を水素ガス雰囲気下に置くことで実現される。次に（ｂ）の方法は液体ナトリウムにナノ粒子を混合する前または後に酸素除去剤を混入して撹拌することにより実現される。酸化膜は撹拌処理中に還元される。最後の（ｃ）の方法は新規な装置により実現される。すなわち、不活性ガス雰囲気下で、ナトリウムと、前記ナノ粒子とする物質とを気化混合する蒸発チャンバーと、前記蒸発チャンバーに細孔を介して連結され、該細孔から噴出された前記蒸発チャンバー内の気化混合物を真空雰囲気下で受けて、該気化混合物中の、ナノ粒子の表面にナトリウム原子が吸着した形態のナノ粒子・ナトリウム複合体と、その他の原子状のナトリウムおよびナノ粒子とを質量差により分離する分子線チャンバーと、前記分子線チャンバーに連結され、前記分離されたナノ粒子・ナトリウム複合体を真空雰囲気下で捕集する捕集チャンバーとを少なくとも有する製造装置によって、ナトリウム原子で表面を覆われて表面酸化膜のないナノ粒子を得ることができる。

ナトリウム灯は、不活性ガスとしてアルゴンガスが封入されたガラス管（発光管）内にさらにナトリウムが封入され、発光管の両端に取り付けられた電極間に電圧をかけて発光管内に放電を生じさせる構造を有している。なお、前記発光管はさらに保護外管で覆われ、保護外管内には窒素ガスが充填され、電極灯の金属部品の酸化による劣化を防ぐ構造となっている。このナトリウム灯では、前記放電エネルギーによってナトリウムを励起させ、その電子の放射遷移を生じさせて、発光させる。

前記ナトリウム灯におけるナトリウムの発光メカニズムは、その電子の放射遷移を生じさせる点にある。電子の放射遷移を生じさせる励起手段としては、理論的には放電に限定されるものではなく、前述の波長可変レーザ光などの高強度な光照射や、電界印加、プラズマ生成、熱エネルギーの印加によるイオン化等の手段も可能である。また、発光材料としては、ナトリウムに限らず、その電子の放射遷移によって発光する特性を有する物質であれば、全てが適用可能である。例えば、周知の水銀、各種蛍光物質、ネオン等の希ガスなどが、本発明の発光材料の母材として、使用可能である。

また、従来のナトリウム灯では、電極とナトリウムの両方を封入した構造となっており、製造コストの低減化のネックとなっている。これに対して、ガラス管内にはナノ粒子を含有させたナトリウムのみを封入し、高周波放電を利用することでガラス管内に放電現象を生じさせることによって、電極をガラス管内に封入せずに、製造コストの低減化を図った高輝度なナトリウム灯を構成することができる。

本発明は前述の知見に基づいてなされたものである。
すなわち、本発明の［請求項１］にかかる発光材料は、発光材料母材にナノ粒子が添加されてなることを特徴とする。

本発明の［請求項２］にかかる発光材料は、前記［請求項１］に記載の発光材料において、発光材料母材が材料原子中の電子の放射遷移によって発光する物質からなることを特徴とする。

本発明の［請求項３］にかかる発光材料は、前記［請求項１］に記載の発光材料において、前記ナノ粒子が前記発光材料母材に均一に分散されていることを特徴とする。

本発明の［請求項４］にかかる発光材料は、前記［請求項１］に記載の発光材料において、前記ナノ粒子の添加・分散により低励起・高輝度発光特性を発揮することを特徴とする。

本発明の［請求項５］にかかる発光材料は、前記［請求項１］に記載の発光材料において、発光が放電によって生じることを特徴とする。

本発明の［請求項６］にかかる発光材料は、前記［請求項５］に記載の発光材料において、前記放電がアーク放電であることを特徴とする。

本発明の［請求項７］にかかる発光材料は、前記［請求項６］に記載の発光材料において、前記発光材料母材がナトリウム、水銀、蛍光物質のいずれか一つであることを特徴とする。

本発明の［請求項８］にかかる発光材料は、前記［請求項６］に記載の発光材料において、前記発光材料母材がナトリウム、水銀、蛍光物質の少なくとも２種類以上で構成されていることを特徴とする。

本発明の［請求項９］にかかる発光材料は、前記［請求項５］に記載の発光材料において、前記放電がグロー放電であり、前記発光材料母材が希ガスであることを特徴とする。

本発明の［請求項１０］にかかる発光材料は、前記［請求項１］に記載の発光材料において、発光が電界印加、プラズマ生成、加熱によるイオン化、光照射のいずれか一つによって生じることを特徴とする。

本発明の［請求項１１］にかかる発光材料は、前記［請求項１］に記載の発光材料において、前記ナノ粒子が、金属または非金属から選ばれる少なくとも一種の超微粒子体であることを特徴とする。

本発明の［請求項１２］にかかる発光材料は、前記［請求項１］に記載の発光材料において、前記ナノ粒子の粒径が直径で１，０００ナノメートル以下であることを特徴とする。

本発明の［請求項１３］は発光体に関し、この発光体は、発光材料母材にナノ粒子が添加されてなる発光材料を有することを特徴とする。

本発明の［請求項１４］の発光体は、前記［請求項１３］に記載の発光体において、前記発光材料母材が材料原子中の電子の放射遷移によって発光する物質からなることを特徴とする。

本発明の［請求項１５］の発光体は、前記［請求項１３］に記載の発光体において、前記ナノ粒子が前記発光材料母材に均一に分散されていることを特徴とする。

本発明の［請求項１６］の発光体は、前記［請求項１３］に記載の発光体において、前記ナノ粒子の添加・分散により低励起・高輝度発光特性を発揮することを特徴とする。

本発明の［請求項１７］の発光体は、前記［請求項１３］に記載の発光体において、発光が放電によって生じることを特徴とする。

本発明の［請求項１８］の発光体は、前記［請求項１７］に記載の発光体において、前記放電がアーク放電であることを特徴とする。

本発明の［請求項１９］の発光体は、前記［請求項１８］に記載の発光体において、前記発光材料母材がナトリウム、水銀、蛍光物質のいずれか一つであることを特徴とする。

本発明の［請求項２０］の発光体は、前記［請求項１８］に記載の発光体において、前記発光材料母材がナトリウム、水銀、蛍光物質、の少なくとも２種類以上で構成されていることを特徴とする。

本発明の［請求項２１］の発光体は、前記［請求項１７］に記載の発光体において、前記放電がグロー放電であり、前記発光材料母材が希ガスであることを特徴とする。

本発明の［請求項２２］の発光体は、前記［請求項１３］に記載の発光体において、発光が電界印加、プラズマ生成、加熱によるイオン化、光照射のいずれか一つによって生じることを特徴とする。

本発明の［請求項２３］の発光体は、前記［請求項１３］に記載の発光体において、前記ナノ粒子が、金属または非金属から選ばれる少なくとも一種の超微粒子体であることを特徴とする。

本発明の［請求項２４］の発光体は、前記［請求項１３］に記載の発光体において、前記ナノ粒子の粒径が直径で１，０００ナノメートル以下であることを特徴とする。

本発明の［請求項２５］は発光方法に関し、この発光方法は、発光材料に所定の励起エネルギーを印加することにより発光させる発光方法において、前記発光材料は、発光材料母材にナノ粒子を添加し発光材料としておくことを特徴とする。

本発明の［請求項２６］の発光方法は、前記［請求項２５］に記載の発光方法において、前記発光材料は、材料原子中の電子の放射遷移によって発光する物質を発光材料母材として用いることを特徴とする。

本発明の［請求項２７］の発光方法は、前記［請求項２５］に記載の発光方法において、前記ナノ粒子を前記発光材料母材に均一に分散させ発光材料とすることにより発光の高輝度化を図ることを特徴とする。

本発明の［請求項２８］の発光方法は、前記［請求項２５］に記載の発光方法において、前記ナノ粒子を前記発光材料母材に均一に分散させ発光材料とすることにより発光に要する励起エネルギーの低減化を図ることを特徴とする。

本発明の［請求項２９］の発光方法は、前記［請求項２５］に記載の発光方法において、前記励起エネルギーとして放電エネルギーを用いることを特徴とする。

本発明の［請求項３０］の発光方法は、前記［請求項２９］に記載の発光方法において、前記発光材料母材としてナトリウム、水銀、蛍光物質のいずれか一つを用いることを特徴とする。

本発明の［請求項３１］の発光方法は、前記［請求項２９］に記載の発光方法において、前記発光材料母材としてナトリウム、水銀、蛍光物質の少なくとも２種類以上を用いることを特徴とする。

本発明の［請求項３２］の発光方法は、前記［請求項２９］に記載の発光方法において、前記放電エネルギーとしてグロー放電エネルギーを用い、前記発光材料母材として希ガスを用いることを特徴とする。

本発明の［請求項３３］の発光方法は、前記［請求項２５］に記載の発光方法において、前記励起エネルギーとして電界エネルギー、プラズマ、加熱によるイオン化、照射光のいずれか一つを用いることを特徴とする。

本発明の［請求項３４］の発光方法は、前記［請求項２５］に記載の発光方法において、前記ナノ粒子として金属または非金属から選ばれる少なくとも一種の超微粒子体を用いることを特徴とする。

本発明の［請求項３５］の発光方法は、前記［請求項２５］に記載の発光方法において、前記ナノ粒子の粒径を直径で１，０００ナノメートル以下とすることを特徴とする。

本発明にかかる発光材料および該発光材料を有する発光体は、従来の発光材料にナノ粒子を少量添加し、分散させるだけで、低励起性の向上と、高輝度化を実現できるので、各種照明、ディスプレイに用いられる発光体の消費エネルギーを大幅に削減することができ、さらに発光体の高輝度化、長寿命化、小型化、および発光応答速度の高速化等の効果を奏することができ、その産業上の利用効果は絶大である。

［図１］図１は、本発明の第１の実施の形態を説明するためのもので、ナノ粒子の表面酸化膜の還元と該ナノ粒子の液状流体への均一分散とを同時に行うことによりナノ粒子分散ナトリウム発光材料を製造する装置の概略構成図である。
［図２］図２は、本発明の第１の実施の形態を説明するためのもので、ナトリウム灯をシミュレートした環境下におけるルツボ内のナノ粒子分散ナトリウム発光材料が発光している状態を示す斜視図である。
［図３］図３は、図２に示した発光領域を映像化し、その映像から求めた発光輝度をグラフ化して示した図である。
［図４］図４は、本発明の第５の実施の形態を説明するためのもので、ナトリウム灯を模擬したＨ型放電管を用いた発光および発光強度測定装置の概略構成図である。
［図５］図５は、本発明の第６の実施の形態を説明するためのもので、ナノ粒子を分散させたナトリウムを発光材料として組み込んだ本発明にかかるナトリウム灯の切り欠いて示した内部構造図である。
［図６］図６は、本発明の第９の実施の形態を説明するためのもので、放電電源を変えることでランプの構造を簡素化したナトリウム灯の概略構成図である。
［図７］図７は、本発明の第１０の実施の形態を説明するためのもので、ナノ粒子を分散させた蛍光材料を発光材料として用いた本発明にかかる蛍光灯の一部切り欠いて示した構造図である。

符号の説明

１ ルツボ
２ マントルヒータ
３ 液体ナトリウム
４ 撹拌装置
４ａ 撹拌プロペラ
５ 熱電対
６ アルミニウム線（酸素除去剤）
１０ 発光領域
２０ Ｈ型放電管
２１ 吸引管
２２ 真空ポンプ
２３ 圧力計
２４ 供給管
２５ ルツボ
２６ ヘリウムボンベ
２７ 流量計
２８ 温調器
２９ スライダック
３０ ネオントランス
３１ 分光器
３２ オシロスコープ
４０ ガラス製の外管
４１ 発光管
４１ａ，４１ｂ 電極
４２ 金属部材
５０ ガラス管
５１，５２ 金属管
５３ 高周波電源
５４ 放電プラズマ
６０ ガラス管（放電管もしくは蛍光管）
６１ａ，６２ａ 接触ピン
６１，６２ 口金
６３ 電極
６４ 電極のフィラメント
６５ 蛍光材料

以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を好適に説明するための例示に過ぎず、なんら本発明を限定するものではない。

（第１の実施の形態）
この実施の形態では、本発明の原理的な構成および効果を確認するために行った実験例を図１を参照して説明する。
図中符号１はマントルヒータ２内に設置されたセラミック製ルツボであり、内部には液体ナトリウム３が満たされており、２５０℃〜３５０℃に維持され、不活性ガス下に置かれている。このルツボ１のほぼ中央には撹拌装置４の撹拌プロペラ４ａが挿入され、側壁近くには温度測定用の熱電対５が挿入されている。さらにルツボ１内には内壁に沿って螺旋をなすように成形されたアルミニウム線６が酸素除去剤として設置されている。

ナノ粒子として、例えば、ニッケル超微粒子を用いる。このニッケル超微粒子は通常製造直後に既に酸化膜が形成されるので、表面酸化膜が存在することは前提で使用される。このナノ粒子をルツボ１内の液体ナトリウム３にナトリウム全量の２０から３０質量％になるまで徐々に添加していく。この間、撹拌プロペラ４ａを常時回転させて液体ナトリウム３を充分に撹拌する。アルミニウム線６を構成するアルミニウムは、その酸化物を生成する場合の標準生成自由エネルギーがナトリウムやニッケルより低いので、ニッケルに結合している酸素はニッケルから遊離してアルミニウムに結合することになる。その結果、ニッケル超微粒子の表面酸化膜が還元され、ニッケル超微粒子の表面には酸化膜が存在しない状態になる。表面に酸化膜を持たないニッケル超微粒子は液体ナトリウム３と親和性が良好であるので、容易に分散し、液体ナトリウム３中に均一に分布するようになる。正確には不図示のステンレス製のサンプリング管などを用いてサンプリングし、そのサンプル中のニッケル微粒子の濃度を原子吸光分析により測定することにより確認できる。

このように液状発光材料中に予め酸素除去剤を投入しておき、液状発光材料を撹拌しながらナノ粒子を混合することで、ナノ粒子の表面酸化膜を除去しつつナノ粒子の均一分散を図るので、効率的にナノ粒子分散ナトリウム発光材料を製造できる。

図２に示すように、前述のようにして得たナノ粒子分散ナトリウム発光材料（ルツボ１中の液体ナトリウム）を、暗闇の環境下に置くと、ルツボ１中の液体ナトリウムが肉眼にて確認できる程の輝度で発光していることを確認した。ナノ粒子を混合しない液体ナトリウムは、肉眼にて確認できる程の輝度を持たないため、例えば、波長可変レーザ装置を用いてレーザ光によりナトリウムＤ線発光を励起しなければ光検出器にても検出できない。それが、ナノ粒子を均一に分散させるだけで肉眼にて確認できる程に高輝度化される。

次に、前記ルツボ１を暗闇環境に置き、ルツボ１内のナノ粒子分散ナトリウム発光材料からの炎形状の発光領域１０およびその近傍をＣＣＤ撮像素子によって映像化した。その映像画像のピクセルの輝度を分析し、デジタル化することによって、炎形状の発光領域中心からの距離を横軸にとるとともに縦軸に発光輝度をとって、グラフ化した。そのグラフを図３に示した。このグラフは発光輝度の尺度としてピクセル数で表したものである。従来のナノ粒子を添加しない液体ナトリウムのみの場合を同様に映像化しても輝度ピクセルが生じないので、グラフ化することはできない。この図３に無理に表示するならば、グラフの基底線に重なることになる。図３のグラフによってナノ粒子分散ナトリウム発光材料では発光領域の相対的輝度の上昇割合が極端に高いことが確認できる。

（第２の実施の形態）
前記第１の実施の形態では、添加するナノ粒子としてニッケル超微粒子を用いた。本第２の実施の形態では、添加するナノ粒子としてチタン超微粒子を用いた。チタン超微粒子を用いた以外は、前記第１の実施の形態と同様にしてナノ粒子分散ナトリウム発光材料を作成した。
このナノ粒子分散ナトリウム発光材料を前記第１の実施の形態と同様にして暗闇環境下でＣＣＤ撮像素子による測定を行った。その結果、前記第１の実施の形態と同様、同程度の発光を確認した。

（第３の実施の形態）
この第３の実施の形態では、添加するナノ粒子として銀超微粒子を用いた。銀超微粒子を用いた以外は、前記第１の実施の形態と同様にしてナノ粒子分散ナトリウム発光材料を作成した。
このナノ粒子分散ナトリウム発光材料を前記第１の実施の形態と同様にして暗闇環境下でＣＣＤ撮像素子による測定を行った。その結果、前記第１の実施の形態と同様、同程度の発光を確認した。

（第４の実施の形態）
この第４の実施の形態では、添加するナノ粒子としてステンレス超微粒子を用いた。ステンレス超微粒子を用いた以外は、前記第１の実施の形態と同様にしてナノ粒子分散ナトリウム発光材料を作成した。
このナノ粒子分散ナトリウム発光材料を前記第１の実施の形態と同様にして暗闇環境下でＣＣＤ撮像素子による測定を行った。その結果、前記第１の実施の形態と同様、同程度の発光を確認した。

この第４の実施の形態に用いたナノ粒子の金属は、第１の実施の形態に用いたニッケル、第２の実施の形態に用いたチタン、および第３の実施の形態に用いた銀などの単原子金属と異なり、合金、すなわち複数の原子からなる金属である。また、前記各金属の化学的特性は互いに異なっている。このような化学的構造、化学的特性の違いにもかかわらず、ナノ粒子の添加によって、同様の発光の高輝度化が実現されている。したがって、本発明のナノ粒子分散ナトリウム発光材料の発光におけるナノ粒子による寄与は、ナノ粒子を構成する物質の特性によるものではなく、ナノサイズおよび分散の度合いによるものと、推測することができる。

（第５の実施の形態）
この第５の実施の形態では、ナトリウム中へのナノ粒子分散によるナトリウム灯の高性能化を検証するために、ナトリウム灯を模擬したＨ型放電管を用いた発光管を作成し、発光させた。この発光に用いた装置の概略構成を図４に示した。

図４において、符号２０はナトリウム灯を模擬したＨ型放電管である。このＨ型放電管２０の内部は、その一端に吸引管２１を介して連結された真空ポンプ２２によって減圧されるようになっている。その真空度は吸引管２１に介装した圧力計２３によって検出することができる。また、Ｈ型放電管２０の他端には供給管２４が連結され、供給管２４の他端はルツボ２５内に連結している。ルツボ２５内には、必要に応じてナトリウム単体またはナノ粒子分散ナトリウムが投入され、加熱されるようになっている。ルツボ２５にはヘリウムボンベ２６が接続され、流量計２７で調節された一定流量のヘリウムガスが供給されるようになっている。したがって、ルツボ２５内で温調器２８により加熱されて蒸気状態となったナトリウム単体またはナノ粒子分散ナトリウムは、ヘリウムガスをキャリアとして前記Ｈ型放電管２０内に送り込まれることになる。Ｈ型放電管２０にナトリウム単体またはナノ粒子分散ナトリウムが充填された後、スライダック２９によって調節されるネオントランス３０により放電状態に置かれることにより、発光が生じる。この時の発光強度は、分光器３１により計測され、オシロスコープ３２によって確認される。

ナノ粒子分散ナトリウムのナノ粒子にはチタン超微粒子を用いた。前記構成の装置おいて、ナトリウム単体またはナノ粒子分散ナトリウムの蒸気導入温度を２５０℃〜２７５℃に制御し、放電管の印加電圧を１２００Ｖに設定した。この条件にて発光および発光強度の測定を行った。

その結果、（１）発光現象の発光母体はナトリウムＤ線であった。（２）ナノ粒子の分散によるナトリウム発光強度は１〜２割の増加があった。（３）ナノ粒子による発光強度の測定は、発光開始から１時間以上の長時間に亘り行ったが、測定終了まで発光強度の低下は生じなかった。なお、ナノ粒子であるチタン超微粒子の分散は、発光の計測によりチタンの発光線（３３６ナノメートル）の波長が検出されたことにより確認された。

かかる計測結果により、ナノ粒子分散ナトリウム（発光体材料）をナトリウム灯に適用することで、長時間持続可能な発光増幅効果が得られることが確認できた。また、発光増幅効果は２割にも及んだが、その増幅効果は、従来のナトリウム灯を用いた照明の８３％（１／１．２）の消費電力や、ランプ球の設置数で、従来と同等の照明能力を達成することに相当する。その結果の経済的効果は、大変大きなものとなる。

（第６の実施の形態）
この第６の実施の形態では、例えば、前述のようにして得たナノ粒子分散ナトリウムを発光材料として用いたナトリウム灯（発光体）の構成を図５に示す。
ガラス製の外管４０の内部に透光性アルミナセラミックス製の発光管４１と金属部材４２とが収納されている。前記発光管４１の上下端には、放電を発生させるための電極４１ａ、４１ｂが装着されている。この発光管４１の内部には、発光材料として、例えば、前記実施例１により調整されたナノ粒子分散ナトリウムとアルゴンガスが封入されている。この発光管４１と外管４０との間には窒素ガスが封入され、発光に伴う温度上昇から金属部材４２の酸化を防ぐようになっている。
かかる構成のナトリウム灯と従来のナトリウム灯の違いは、発光材料としてナノ粒子分散ナトリウムが使用されているか、ナトリウム単体が使用されているかの点のみである。

この実施の形態のナトリウム灯を従来と同様の印加電圧条件で使用すると、ほぼ２割増という大幅な輝度の増加が期待できる。従来のナトリウム灯と同等の輝度で良ければ、印加電圧を低減させればよい。また、従来のナトリウム灯と同等の輝度で良ければ、より小型化することができる。さらに励起エネルギー（放電電力）が低減しても従来と同等以上の輝度を得ることができるので、照明コストの削減が可能となる。

（第７の実施の形態）
前述の図５に示すランプ構造において、発光管内のナトリウムの代わりに水銀を封入すれば水銀灯になる。水銀灯の場合、発光管は石英ガラスで充分であるため、石英ガラス製である。この水銀灯においても水銀の中に少量のナノ粒子を分散させておけば、低励起で従来と同等以上の輝度が得られる。

（第８の実施の形態）
また、図５のランプ構造において、発光材料母材として水銀の他にナトリウム（Ｎａ）やスカンジウム（Ｓｃ）などの金属ハロゲン化物質を封入すれば、メタルハライド灯になる。このメタルハライド灯においでも発光材料母材の中に少量のナノ粒子を分散させておけば、低励起で従来と同等以上の輝度が得られる。

（第９の実施の形態）
この第９の実施の形態では、放電電源を変えることでランプの構造を簡素化し、ランプの製造コストの低減化を図った点に特徴がある。

従来のナトリウム灯では、電極とナトリウムの両方を同じガラス管内に封入した構造となっている。電極をガラス管内に設置すると同時にナトリウムを封入するには工程が複雑になるため、製造コストを低減することが難しい。そこで、この実施の形態では、高周波放電を使用することによって、ガラス管内に電極を設置せずに、ガラス管内にプラズマを発生させる機構により、ランプの構造を簡素化した。

図６に示すように、ナノ粒子分散ナトリウムを投入したガラス管５０の外側に一対の金属管５１，５２を巻き付ける。これら金属管５１，５２間に高周波電源５３から高周波を印加する構成の放電機構を採用する。前記高周波の印加によって、金属管５１と５２との間のガラス管５０内には放電プラズマ５４が発生し、このプラズマ発生によりナトリウム発光が生じる。

ガラス管封入時に不純物として残存する酸素は消光剤として作用し、発光強度を減少させるが、ナノ粒子（例えば、チタン超微粒子）の効果で発光強度の減少が抑制され、安定した発光が可能となる。また、ガラス管５０内では、ナトリウムとガラスとが反応することで、ガラス管５０の内壁が黒色化し、発光強度を低下させるが、金属管５１，５２の外側に位置する部分ではナトリウムとガラスとが反応しにくいため、金属管５１，５２の外側のガラス管壁はほとんど黒色化しない。したがって、ガラス管５０の長手方向（図中の矢印方向）に光を取り出すように構成すれば、経時的に発光強度が安定したナトリウム灯を得ることができる。

ナノ粒子分散ナトリウムを発光体として用いた前記構成のナトリウム灯は、構成が簡素で、製造が容易であり、製造コストを低減化することが可能となる。発光母材であるナトリウム中にナノ粒子が存在することで、放電ガス中の不純物酸素の管理が容易となり、ナトリウム灯の製造コストを低減できる。

この実施の形態では、放電電源として高周波電源を採用しているが、放電管内部に電極を必要としない無電極放電が可能である構成、例えば、マイクロ波電源とマイクロ波放電管の組み合わせでも、同様の効果を得ることができる。

（第１０の実施の形態）
図７は、本実施の形態の蛍光灯（発光体）の一部切り欠いて示した側面図である。
ガラス管（放電管もしくは蛍光管とも称する）６０の両端には、２個の接触ピン６１ａ，６１ａ、６２ａ，６２ａを有する口金６１、６２が設けられており、電極６３のフィラメント６４には電子放射遷移を盛んにするためのＢａ、Ｓｒ、Ｃａなどの酸化物が被覆されている。また、管内には数ｍｍＨｇのアルゴンガスが封入されており、管の内壁には１種もしくは数種の蛍光材料６５が塗布されている。この蛍光材料６５には蛍光材料全体の１０〜１００ｐｐｍのナノ粒子が分散されている。

この実施の形態の蛍光灯を従来と同様の印加電圧条件で使用すると大幅な輝度の増加が期待できる。従来の蛍光灯と同等の輝度で良ければ、印加電圧を低減させればよい。また、従来の蛍光灯と同等の輝度で良ければ、より小型化することができる。さらに励起エネルギー（放電電力）が低減しても従来と同等以上の輝度を得ることができるので、照明コストの削減が可能となる。

（第１１の実施の形態）
この第１１の実施の形態では、前述の図５に示すランプ構造において、発光管４１内にはナトリウム単体を封入し、電極４１ａ，４１ｂにナノ粒子を添加しておく。電極に添加しておいたナノ粒子（金属粉末）は、放電によりプラズマ中に放出され、ナトリウム発光の消光剤となる酸素と反応することで、ナトリウムの発光強度が増大する。ナトリウムの酸化物ＮａＯの解離エネルギーは６５Ｋｃａｌ／ｍｏｌと低く、容易に解離して再度ナトリウムと反応することが予想されるが、例えば、ナノ粒子としてチタン超微粒子を用いた場合、ＴｉＯの解離エネルギーは１５６Ｋｃａｌ／ｍｏｌと高いので、解離しにくく、酸素が消光剤として機能しにくくなる。そのため、ナトリウムの発光が安定する。

この実施の形態によれば、電極にナノ粒子を添加することで、予めナトリウムにナノ粒子を分散させる工程が不要となり、製造コストを低減することができる。ナノ粒子が放電プラズマ中に存在することで、消光剤となる酸素があっても安定した放電が可能となるので、従来のランプと比べて、発光管内に残存する酸素や、放電ガス中の不純物酸素の管理が容易となり、ランプの製造コストを低減化できる。

（第１２の実施の形態）
周知のように、プラズマディスプレイの内面には、蛍光体がパターンにしたがって、積層されており、この多数の蛍光体近傍に電圧印加による放電を発生させ、この放電のエネルギーによって各蛍光体から蛍光を生じさせることによって、情報が表示されるようになっている。前記多数の蛍光体は、プラズマディスプレイの基板内面に形成された多数の隔壁によって区画されてなる複数の放電蛍光空間に蛍光体組成物を充填することによって、形成されている。本実施の形態では、前記蛍光体組成物中にその全量の１０〜１００ｐｐｍのナノ粒子が分散されている。

この実施の形態のプラズマディスプレイ（発光体）を従来と同様の放電エネルギーにより駆動すると、その表示画面の輝度を大幅に増加させることができる。従来のディスプレイと同等の輝度で良ければ、印加電圧を低減させればよい。また、従来のディスプレイと同等の輝度で良ければ、より小型化することも可能である。さらに励起エネルギー（放電電力）が低減しても従来と同等以上の輝度を得ることができるので、表示コストの削減が可能となる。

（第１の実施の形態）から（第１２の実施の形態）の中での実験に使用したナノ粒子の粒径は次のとおりである。単位はナノメートルで表わした。（第１の実施の形態）では、粒径が１０〜４０のニッケル超微粒子、（第２の実施の形態）では、粒径が１０〜５０のチタン超微粒子、（第３の実施の形態）では、粒径が２０〜４０の銀超微粒子、（第４の実施の形態）では、粒径が１０〜３０のステンレス超微粒子、（第５の実施の形態）では、粒径が１０〜５０のチタン超微粒子、（第９の実施の形態）では、粒径が１０〜５０のチタン超微粒子、をそれぞれ使用した。

以上説明したように、本発明にかかる発光材料および該発光材料を有する発光体は、従来の発光材料にナノ粒子を少量添加し、分散させるだけで、低励起性の向上と、高輝度化を実現できるので、各種照明、ディスプレイに用いられる発光体の消費エネルギーを大幅に削減することができ、さらに発光体の高輝度化、長寿命化、小型化、および発光応答速度の高速化等の効果を奏することができる。したがって、その利用による産業全体に対する技術的、経済的波及効果は絶大である。

Claims (35)

1. 発光材料母材にナノ粒子が添加されてなる発光材料。
2. 前記発光材料母材が材料原子中の電子の放射遷移によって発光する物質からなることを特徴とする請求項１に記載の発光材料。
3. 前記ナノ粒子が前記発光材料母材に均一に分散されていることを特徴とする請求項１に記載の発光材料。
4. 前記ナノ粒子の添加・分散により低励起・高輝度発光特性を発揮することを特徴とする請求項１に記載の発光材料。
5. 発光が放電によって生じることを特徴とする請求項１に記載の発光材料。
6. 前記放電がアーク放電であることを特徴とする請求項５に記載の発光材料。
7. 前記発光材料母材がナトリウム、水銀、蛍光物質、のいずれか一つであることを特徴とする請求項６に記載の発光材料。
8. 前記発光材料母材がナトリウム、水銀、蛍光物質、の少なくとも２種類以上で構成されていることを特徴とする請求項６に記載の発光材料。
9. 前記放電がグロー放電であり、前記発光材料母材が希ガスであることを特徴とする請求項５に記載の発光材料。
10. 発光が電界印加、プラズマ生成、加熱によるイオン化、光照射のいずれか一つによって生じることを特徴とする請求項１に記載の発光材料。
11. 前記ナノ粒子が、金属または非金属から選ばれる少なくとも一種の超微粒子体であることを特徴とする請求項１に記載の発光材料。
12. 前記ナノ粒子の粒径が直径で１，０００ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光材料。
13. 発光材料母材にナノ粒子が添加されてなる発光材料を有することを特徴とする発光体。
14. 前記発光材料母材が材料原子中の電子の放射遷移によって発光する物質からなることを特徴とする請求項１３に記載の発光体。
15. 前記ナノ粒子が前記発光材料母材に均一に分散されていることを特徴とする請求項１３に記載の発光体。
16. 前記ナノ粒子の添加・分散により低励起・高輝度発光特性を発揮することを特徴とする請求項１３に記載の発光体。
17. 発光が放電によって生じることを特徴とする請求項１３に記載の発光体。
18. 前記放電がアーク放電であることを特徴とする請求項１７に記載の発光体。
19. 前記発光材料母材がナトリウム、水銀、蛍光物質のいずれか一つであることを特徴とする請求項１８に記載の発光体。
20. 前記発光材料母材がナトリウム、水銀、蛍光物質、の少なくとも２種類以上で構成されていることを特徴とする請求項１８に記載の発光体。
21. 前記放電がグロー放電であり、前記発光材料母材が希ガスであることを特徴とする請求項１７に記載の発光体。
22. 発光が電界印加、プラズマ生成、加熱によるイオン化、光照射のいずれか一つによって生じることを特徴とする請求項１３に記載の発光体。
23. 前記ナノ粒子が、金属または非金属から選ばれる少なくとも一種の超微粒子体であることを特徴とする請求項１３に記載の発光体。
24. 前記ナノ粒子の粒径が直径で１，０００ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１３に記載の発光体。
25. 発光材料に所定の励起エネルギーを印加することにより発光させる発光方法において、
    前記発光材料は、発光材料母材にナノ粒子を添加し発光材料としておくことを特徴とする発光方法。
26. 前記発光材料は、材料原子中の電子の放射遷移によって発光する物質を発光材料母材として用いることを特徴とする請求項２５に記載の発光方法。
27. 前記ナノ粒子を前記発光材料母材に均一に分散させ発光材料とすることにより発光の高輝度化を図ることを特徴とする請求項２５に記載の発光方法。
28. 前記ナノ粒子を前記発光材料母材に均一に分散させ発光材料とすることにより発光に要する励起エネルギーの低減化を図ることを特徴とする請求項２５に記載の発光方法。
29. 前記励起エネルギーとして放電エネルギーを用いることを特徴とする請求項２５に記載の発光方法。
30. 前記発光材料母材としてナトリウム、水銀、蛍光物質のいずれか一つを用いることを特徴とする請求項２９に記載の発光方法。
31. 前記発光材料母材としてナトリウム、水銀、蛍光物質、の少なくとも２種類以上を用いることを特徴とする請求項２９に記載の発光方法。
32. 前記放電エネルギーとしてグロー放電エネルギーを用い、前記発光材料母材として希ガスを用いることを特徴とする請求項２９に記載の発光方法。
33. 前記励起エネルギーとして電界エネルギー、プラズマ、加熱によるイオン化、照射光のいずれか一つを用いることを特徴とする請求項２５に記載の発光方法。
34. 前記ナノ粒子として金属または非金属から選ばれる少なくとも一種の超微粒子体を用いることを特徴とする請求項２５に記載の発光方法。
35. 前記ナノ粒子の粒径を直径で１，０００ナノメートル以下とすることを特徴とする請求項２５に記載の発光方法。

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