JPWO2006106883A1 - 蛍光体、蛍光体シートおよびその製造方法、並びに当該蛍光体を用いた発光装置 - Google Patents

蛍光体、蛍光体シートおよびその製造方法、並びに当該蛍光体を用いた発光装置 Download PDF

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Abstract

青色の範囲(ピーク波長が400nm〜500nm)にブロードな発光スペクトルを持ち、また、近紫外・紫外の範囲に広く平坦な励起帯を持つ、発光効率および発光強度・輝度に優れた蛍光体を提供すること。一般式MmAaBbOoNn:Zで表記される蛍光体であって(M元素はII価の価数をとる1種類以上の元素であり、A元素はIII価の価数をとる1種類以上の元素であり、B元素はIV価の価数をとる1種類以上の元素であり、Oは酸素であり、Nは窒素であり、Zは1種類以上の付活剤である。)、5.0<(a+b)/m<9.0、0≦a/m≦2.0、0≦o<n、n=2/3m+a+4/3b−2/3oであり、波長250nmから430nmの範囲の光で励起したとき、発光スペクトルにおける最大ピーク波長が400nmから500nmの範囲にあることを特徴とする蛍光体である。

Description

本発明は、ブラウン管(CRT)、フィールドエミッションディスプレイ(FED)、プラズマディスプレイ(PDP)などのディスプレイや、蛍光灯、蛍光表示管などの照明装置や、液晶バックライト等の発光器具に使用される、窒素を含有する蛍光体、蛍光体シートおよびその製造方法、並びに半導体発光素子(LED)と当該蛍光体とを組み合わせた白色LED照明を始めとする発光装置に関する。
現在、照明装置として用いられている放電式蛍光灯や白熱電球などは、水銀などの有害な物質が含まれている、寿命が短いといった諸問題を抱えている。ところが、近年になって近紫外・紫外 〜 青色に発光する高輝度LEDが次々と開発され、そのLEDから発生する近紫外・紫外 〜 青色の光と、その波長域に励起帯を持つ蛍光体から発生する光とを混ぜ合わせて白色光を作りだし、その白色光を次世代の照明として利用できないかといった研究、開発が盛んに行われている。この白色LED照明が実用化されれば、電気エネルギーを光へ変換する効率が高く熱の発生が少ないこと、LEDと蛍光体から構成されているため、従来の白熱電球のように切れることがなく長寿命であること、水銀などの有害な物質を含んでいないこと、また照明装置を小型化できるといった利点があり、理想的な照明装置が得られる。
この高輝度LEDと蛍光体とを組み合わせて白色光を作り出す白色LED照明の方式はワンチップ型方式と呼ばれ、高輝度の赤色LED、緑色LED、青色LEDの3原色LEDを使用し白色を作り出すマルチチップ型方式に比べ、演色性に優れ、低コストで製造できるといった優位点を有することから、次世代照明として注目されている。
ワンチップ型方式の白色LED照明としては、高輝度青色LEDと、当該LEDから発生する青色の光により励起されて黄色発光する蛍光体とを組み合わせたものがあり、例えば、InGaN系材料を使った高輝度青色LEDとガーネット系黄色蛍光体(Y,Gd)(Al,Ga)12:Ce(YAG:Ce)、TbAl12:Ce、CaScSi12:Ceなどと組み合わせたものがある。この白色LED照明は光の青色と黄色が補色関係にあることを利用している。当初、この白色LED照明は高輝度ではあるものの、可視光領域の長波長側の発光、つまり赤色成分の発光が不足していたため、照明として重要となる演色性が悪いといった問題があったが、最近になって発光ピーク波長が黄色から赤色の範囲にあり、発光スペクトルがブロードなピークを持つ蛍光体で、更に、近紫外・紫外〜青色の範囲に良好な励起帯を持つ、窒素を含有した蛍光体が次々と開発され、この蛍光体を加えることで演色性が改善されている。この窒素を含有した蛍光体は、例えば、CaSi:Eu、SrSi:Eu、BaSi:Eu、Ca(Al,Si)12(O,N)16:Eu(0<x≦1.5)、(Ca,Sr,Ba)Si:Eu、CaAlSi:Eu、CaSiN:Eu、CaAlSiN:Euなどが代表的である。
しかし、高輝度青色LEDとガーネット系黄色蛍光体を組み合わせた白色LED照明は、ガーネット系黄色蛍光体が励起波長460nm付近に平坦な励起帯を持っていないこと、高輝度青色LEDの発光強度、ピーク波長にバラツキがあること、また、LEDの上に蛍光体を塗布した場合には、膜厚によって透過する青色光の発光強度が変化してしまうため、青色と黄色の発光強度のバランスが崩れてしまい白色光の色調が変化するという問題が発生する。
この問題を解決するために現在、研究が盛んに行われているのが、近紫外・紫外発光するLEDと、当該LEDから発生する近紫外・紫外の光により励起され赤色(R)発光する蛍光体、緑色(G)発光する蛍光体、青色(B)発光する蛍光体とから得られる光の混色を利用して白色を得る白色LED照明方式である。この方式は、R・G・Bの組み合わせや混合比などにより、白色光以外にも任意の発光色を得ることが可能であることや、光の補色関係ではなく混色関係により白色発光を得ていること、そして、発光スペクトルがブロードなR・G・Bその他蛍光体を使用することにより、高輝度青色LEDとガーネット系黄色蛍光体とを組み合わせたものに比べ、太陽光に近い発光スペクトルが得られるため、より演色性に優れている。更に、高輝度青色LEDの様に発光強度にバラツキがあった場合でも、近紫外・紫外線は光の混色に利用しているわけではないため白色光の色調が変化する現象が生ぜず、演色性に優れた、色調のバラツキのない白色LED照明を作成することが可能となる。
そして、当該用途に使用される蛍光体としては、赤色蛍光体であれば、例えば、YS:Eu、LaS:Eu、3.5MgO・0.5MgF・GeO:Mn、(La,Mn,Sm)S・Ga:Euなどがあり、緑色蛍光体であれば、例えば、ZnS:Cu,Al、CaGa:Eu、SrGa:Eu、BaGa:Eu、SrAl:Eu、BAM:Eu,Mn、(Ba,Sr,Ca)SiO:Eu、などがあり、青色蛍光体であれば、例えば、BAM:Eu、Sr(POCl:Eu、ZnS:Ag、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(POCl:Euなどがある。また、上述したCaSi:Eu、SrSi:Eu、BaSi:Eu、Ca(Al,Si)12(O,N)16:Eu(0<x≦1.5)、(Ca,Sr,Ba)Si:Eu、CaAlSi:Eu、CaSiN:Eu、CaAlSiN:Euは近紫外・紫外においても高効率な励起帯を持ち、発光スペクトルがブロードなピークを持つため、近紫外・紫外LEDとR・G・Bその他蛍光体とを組合わせた白色LED照明においても、輝度、演色性が改善している。しかし、高輝度青色LEDとガーネット系黄色蛍光体との組合わせで使用されるYAG:Ce蛍光体のような、高効率で高輝度なR・G・Bその他蛍光体が無いため、満足のいく白色LED照明を得ることができていない。
そのため、各色蛍光体について、より発光特性に優れた新規蛍光体の開発が行われ、青色蛍光体についても、現状のBAM:Eu、Sr(POCl:Eu、ZnS:Ag、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(POCl:Euを越える、新規青色蛍光体の開発が盛んに行われており、窒素を含有した蛍光体として、最近ではLa1−xSi:Ce(例えば、特許文献1参照)が報告されている。
特開2003−96446号公報
しかしながら、上記特許文献1の窒素を含有した蛍光体は、発光スペクトルがブロードなピークを持つ青色蛍光体ではあるものの、近紫外・紫外の励起光により励起された場合の発光効率が満足すべき水準になく、十分な発光強度および輝度が得られていないため、発光装置に用いるには不十分であると考えられる。
本発明の目的は、上述の課題を考慮してなされたものであり、青色の範囲(ピーク波長が400nm〜500nm)にブロードな発光スペクトルを持ち、また、近紫外・紫外の範囲に広く平坦な励起帯を持つ、発光効率および発光強度・輝度に優れた新規な蛍光体、蛍光体シートおよびその製造方法、並びに当該蛍光体を用いた白色LED照明を始めとする発光装置を提供することにある。
本発明は、上述の課題を解決するため、多種の窒素を含有した蛍光体組成に関する研究を進めた結果、構成元素、構成元素のモル比、焼成条件などを最適化することにより、下記一般式に示される窒素を含有した新規な青色蛍光体が得られることが判明した。
上述の課題を解決する第1の構成は、
一般式MmAaBbOoNn:Zで表記される蛍光体であって(M元素はII価の価数をとる1種類以上の元素であり、A元素はIII価の価数をとる1種類以上の元素であり、B元素はIV価の価数をとる1種類以上の元素であり、Oは酸素であり、Nは窒素であり、Zは1種類以上の付活剤である。)、
5.0<(a+b)/m<9.0、0≦a/m≦2.0、0≦o<n、n=2/3m+a+4/3b−2/3oであり、波長250nmから430nmの範囲の光で励起したとき、発光スペクトルにおける最大ピーク波長が400nmから500nmの範囲にあることを特徴とする蛍光体である。
第2の構成は、第1の構成に記載の蛍光体であって、
0.0≦a/m≦2.0、4.0≦b/m≦8.0、6.0≦(a+b)/m≦8.0、0<o/m≦3.0であることを特徴とする蛍光体である。
第3の構成は、第1または第2の構成に記載の蛍光体であって、0≦x≦2としたとき、
a=x×m、b=(6−x)×m、o=(1+x)×m、n=(8−x)×m、であることを特徴とする蛍光体である。
第4の構成は、第1から第3の構成のいずれかに記載の蛍光体であって、
波長350nmから430nmの範囲の単色光で励起したとき、波長400nmから500nmの範囲における最大の発光強度をPmaxとし、最小の発光強度をPminとしたとき、Pmin/Pmaxが30%以上あることを特徴とする蛍光体である。
第5の構成は、第1から第4の構成のいずれかに記載の蛍光体であって、
M元素はMg、Ca、Sr、Ba、Zn、II価の価数をとる希土類元素、から選択される1種類以上の元素であり、
A元素はAl、Ga、In、Tl、Y、Sc、P、As、Sb、Bi、から選択される1種類以上の元素であり、
B元素はSi、Ge、Sn、Ti、Hf、Mo、W、Cr、Pb、Zr、から選択される1種類以上の元素であり、
Z元素は希土類元素、遷移金属元素から選択される1種類以上の元素であることを特徴とする蛍光体である。
第6の構成は、第1から第5の構成のいずれかに記載の蛍光体であって、
M元素はMg、Ca、Sr、Ba、Znから選択される1種類以上の元素であり、
A元素はAl、Ga、Inから選択される1種類以上の元素であり、
B元素はSiおよび/またはGeであり、
Z元素はEu、Ce、Pr、Tb、Yb、Mnから選択される1種類以上の元素であることを特徴とする蛍光体である。
第7の構成は、第1から第6の構成のいずれかに記載の蛍光体であって、
M元素はSrであり、A元素はAlであり、B元素はSiであり、Z元素はEuであることを特徴とする蛍光体である。
第8の構成は、第1から第7の構成のいずれかに記載の蛍光体であって、
一般式MmAaBbOoNn:Zzと表記したとき、M元素とZ元素とのモル比であるz/(m+z)の値が、0.0001以上、0.5以下であることを特徴とする蛍光体である。
第9の構成は、第1から第8の構成のいずれかに記載の蛍光体であって、
16.0重量%以上、25.0重量%以下のSrと、2.0重量%以上、9.0重量%以下のAlと、0.5重量%以上、11.5重量%以下のOと、23.0重量%以上、32.0重量%以下のNと、0を超え3.5重量%以下のEuとを含み、波長250nmから430nmの範囲の光で励起したとき、発光スペクトルにおける最大ピーク波長が400nmから500nmの範囲にあることを特徴とする蛍光体である。
第10の構成は、第1から第9の構成のいずれかに記載の蛍光体であって、
CoKα線を用いた粉末法によるX線回折パターンにおいて、ブラッグ角度(2θ)が35°から37°の範囲に最も強度の強い回折ピークを示し、さらに、当該粉末法によるX線回折パターンのブラッグ角度(2θ)が、23.6°から25.6°、33°から35°、39.7°から40.7°、43°から44°の範囲にそれぞれ、2つ、2つ、1つ、1つの特徴的な回折ピークが見られ、ブラッグ角度(2θ)が35°から37°の範囲に見られる最も強度の強い回折ピークの相対強度を100%としたとき、これらの回折ピークの相対強度は2.0%以上、40%以下を示すことを特徴とする蛍光体である。
第11の構成は、第1から第10の構成のいずれかに記載の蛍光体であって、
当該蛍光体に含まれる生成相の結晶が、斜方晶系の構造をもつことを特徴とする蛍光体である。
第12の構成は、第1から第11の構成のいずれかに記載の蛍光体であって、
当該蛍光体に含まれる生成相の結晶格子の単位体積が、345Å以上、385Å以下であることを特徴とする蛍光体である。
第13の構成は、第1から第11の構成のいずれかに記載の蛍光体であって、
当該蛍光体に含まれる生成相の結晶格子の単位体積が、353Å以上、385Å以下であることを特徴とする蛍光体である。
第14の構成は、第1から第13の構成のいずれかに記載の蛍光体であって、
当該蛍光体に含まれる生成相の結晶格子の格子定数が、aは7.85Å以上、8.28Å以下、bは9.26Å以上、9.58Å以下、cは4.80Å以上、4.92Å以下であることを特徴とする蛍光体である。
第15の構成は、第1から第14の構成のいずれかに記載の蛍光体であって、
当該蛍光体粒子に含まれる生成相の結晶子の大きさ(Dx)が、50nm以上であることを特徴とする蛍光体である。
第16の構成は、第1から第14の構成のいずれかに記載の蛍光体であって、
当該蛍光体粒子に含まれる生成相の結晶子の大きさ(Dx)が、80nm以上であることを特徴とする蛍光体である。
第17の構成は、第1から第16の構成のいずれかに記載の蛍光体であって、
粒径50μm以下の1次粒子と、当該1次粒子が凝集した凝集体を含み、当該1次粒子および凝集体を含んだ蛍光体粉末の平均粒子径(D50)が、1.0μm以上、50μm以下であることを特徴とする蛍光体である。
第18の構成は、第1から第17の構成のいずれかに記載の蛍光体の製造方法であって、
当該蛍光体の原料粉体を秤量、混合して混合物を得る工程と、
前記混合物を焼成炉内で焼成して焼成物を得る工程と
前記焼成物を解砕して蛍光体を得る工程とを有し、
前記混合物を焼成して焼成物を得る工程において、当該焼成時の雰囲気ガスとして、窒素、希ガス等の不活性ガス、アンモニア、アンモニアと窒素の混合ガス、または、窒素と水素の混合ガスのいずれかを用いることを特徴とする蛍光体の製造方法である。
第19の構成は、第18の構成に記載の蛍光体の製造方法であって、
前記該焼炉内の雰囲気ガスとして、窒素ガスを80%以上含むガスを用いることを特徴とする蛍光体の製造方法である。
第20の構成は、第18または第19の構成に記載の蛍光体の製造方法であって、
前記混合物を焼成炉内で焼成して焼成物を得る工程において、
前記混合物の焼成を2回以上行い、当該焼成と焼成との間で、焼成された混合物の粉砕混合を行うことを特徴とする蛍光体の製造方法である。
第21の構成は、第18から第20の構成のいずれかに記載の蛍光体の製造方法であって、
前記混合物を焼成炉内で焼成して焼成物を得る工程において、前記焼成炉内の雰囲気ガスを0.1ml/min以上流通させながら焼成することを特徴とする蛍光体の製造方法である。
第22の構成は、第21の構成に記載の蛍光体の製造方法であって、まず、前記焼成炉内の雰囲気ガスを0.1ml/min以上流通させながら焼成し、次に、前記焼成炉内の雰囲気ガスの流通を行わずに焼成することを特徴とする蛍光体の製造方法である。
第23の構成は、第18から第22の構成のいずれかに記載の蛍光体の製造方法であって、
前記混合物を焼成炉内で焼成して焼成物を得る工程において、前記焼成炉内の雰囲気ガスを0.001MPa以上、1.0MPa以下の加圧状態とすることを特徴とする蛍光体の製造方法である。
第24の構成は、第18から第23の構成のいずれかに記載の蛍光体の製造方法であって、
焼成用るつぼとして窒化物からなるるつぼを使用することを特徴とする蛍光体の製造方法である。
第25の構成は、第1から第17の構成のいずれかに記載の蛍光体が、樹脂またはガラス中に分散されているものであることを特徴とする蛍光体シート。
第26の構成は、第1から第17の構成のいずれかに記載の蛍光体または第25の構成に記載の蛍光体シートと、第1の波長の光を発する発光部とを有し、前記第1の波長の光の一部または全てを励起光とし、前記蛍光体から前記第1の波長と異なる波長の光を発光させることを特徴とする発光装置である。
第27の構成は、第26の構成に記載の発光装置であって、
第1の波長とは、250nm〜430nmの波長であることを特徴とする発光装置である。
第28の構成は、
前記発光装置の相関色温度が、10000Kから2000Kの範囲にあることを特徴とする第26または第27の構成に記載の発光装置である。
第29の構成は、
前記発光装置の相関色温度が、7000Kから2500Kの範囲にあることを特徴とする第26または第27の構成に記載の発光装置である。
第30の構成は、
前記発光装置の平均演色評価数Raが、80以上であることを特徴とする第26から第29の構成のいずれかに記載の発光装置である。
第31の構成は、
前記発光装置の特殊演色評価数R15が、80以上であることを特徴とする第26から第30の構成のいずれかに記載の発光装置である。
第32の構成は、
前記発光装置の特殊演色評価数R9が、60以上であることを特徴とする第26から第31の構成のいずれかに記載の発光装置である。
第33の構成は、
第26から第32の構成のいずれかに記載の発光装置であって、
第1の波長を発する発光部が発光素子(LED)であることを特徴とする発光装置である。
第1から第16の構成のいずれかに記載の蛍光体によれば、近紫外・紫外の範囲に高効率な励起帯を持ち、近紫外・紫外の範囲の光で励起した場合、青色の範囲(ピーク波長が400nm〜500nm)に発光スペクトルを持ち、発光効率および発光強度・輝度に優れた蛍光体である。
第17の構成に記載の蛍光体によれば、得られた蛍光体は粉末状であるため、解砕が容易であることや、ペーストとして様々な場所に塗布することができる。また、当該蛍光体の平均粒子径(D50)は1.0μm以上、50.0μm以下であるため塗布密度を上げることができ、発光強度および輝度の高い塗布膜を得ることが可能となる。
第18から第24の構成のいずれかに記載の蛍光体の製造方法によれば、第1から第17の構成のいずれかに記載の蛍光体を、安価な製造コストで容易に製造することができる。
第25の構成に記載の蛍光体シートによれば、当該蛍光体シートと種々の発光部とを組み合わせることで、多様な発光装置を容易に製造することが出来る。
第26から第33の構成のいずれかに記載の発光装置によれば、所望の発光色を有し、発光強度および輝度が高い、高効率な発光装置を得ることができる。
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本実施形態の蛍光体は、一般式MmAaBbOoNn:Zで表記される母体構造を有する蛍光体である。ここでM元素は、前記蛍光体中においてII価の価数をとる元素から選択される1種類以上の元素である。A元素は、前記蛍光体中においてIII価の価数をとる元素から選択される1種類以上の元素である。B元素は、前記蛍光体中においてIV価の価数をとる元素から選択される1種類以上の元素である。O元素は酸素である。N元素は窒素である。Z元素は、前記蛍光体中において付活剤として作用する元素であって、希土類元素または遷移金属元素から選択される1種類以上の元素である。
さらに、当該蛍光体において、(a+b)/mが5.0<(a+b)/m<9.0の範囲にあり、a/mが0≦a/m≦2.0の範囲にあり、酸素と窒素の関係が0≦o<nとなり、窒素がn=2/3m+a+4/3b−2/3oであることを特徴としている。
上述の特徴を有する本実施形態の蛍光体は、近紫外・紫外の範囲において高効率な励起帯を持ち、波長250nmから430nmの範囲の光の一部または全てで励起したとき、ブロードなピークを持つ発光スペクトルを示し、最大ピーク波長は400nmから500nmの範囲にあり、高効率な発光が得られるので、当該蛍光体と適宜な他色の蛍光体とを混合し、近紫外・紫外LED等の発光部と組み合わせることで、所望の発光色を有し、発光強度および輝度が高く高効率な発光装置を得ることができる。
この本実施形態の蛍光体は、これまでに報告されている窒素を含有した蛍光体La1−xSi:Ce(例えば、特許文献1参照)に比べ、発光強度および輝度が優れていることはもちろんのこと、現在、白色LED照明用青色蛍光体として用いられているBAM:Eu、Sr(POCl:Eu、ZnS:Ag、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(POCl:Euと比較した場合にも、優れた発光特性を示し、より高輝度の白色LED照明を作製することが可能となる。
現在、使用されている酸化物蛍光体BAM:Euやハロりん酸塩蛍光体SCAP:Euの励起帯は、近紫外・紫外領域である波長380nm以上の長波長側では励起帯が急激に落ち込んでしまう。これに対し、本実施形態の蛍光体は、窒素を含有しているため、酸化物蛍光体と比較して共有結合の割合が多く、現在、使用されている酸化物蛍光体やハロりん酸塩蛍光体に比べ、長波長側まで、平坦で良好な励起帯を持つ。そのため、近紫外・紫外LEDと組み合わせて白色LED照明を作製した際、白色光の色調のバラツキを抑えることが可能となる。
本実施形態の蛍光体は、近紫外・紫外の範囲において高効率な励起帯を持ち、波長250nmから430nmの範囲の光で励起したとき、ブロードなピークを持つ発光スペクトルを示し、最大ピーク波長は400nmから500nmの範囲にあり、高効率な発光が得られる。この詳細な理由は不明であるが、概ね次のように考えられる。
まず、本実施形態の蛍光体が一般式MmAaBbOoNn:Zにおいて、m、a、b、o、nの値が、5.0<(a+b)/m<9.0、0≦a/m≦2.0、0≦o<n、n=2/3m+a+4/3b−2/3oの範囲にあることで、当該蛍光体がとる結晶構造において、発光中心となる付活剤が濃度消光が生じない距離で規則的に存在でき、また、励起光により与えられた、発光に使用される励起エネルギーの伝達が効率よく行われるため、発光効率が向上したと考えられる。
更に、当該蛍光体が上述の構成をとると、化学的に安定な組成となるため、当該蛍光体中に、発光に寄与しない不純物相が生じ難くなり、発光強度の低下が抑制されるのではないかと考えられる。つまり、不純物相が多く生じた場合には、単位面積当たりの蛍光体が減少し、更に、生じた不純物相が励起光や蛍光体から発生した光を吸収することで発光効率が低下し、高い発光強度が得られなくなってしまう。
即ち、(a+b)/mが5.0<(a+b)/m<9.0の範囲、a/mが0≦a/m≦2.0の範囲にあると、不純物相として黄色や橙色に発光する相の生成が回避され、青色の発光強度が弱くなるのを回避することができ好ましい。また、酸素と窒素の関係が0≦o<nの関係にあると、窒素のモル比に比べ酸素のモル比が大きくなった場合に起きるガラス化を回避することができるので、結晶性の低下による発光特性の低下を回避することができ好ましい。
その上、上述の一般式MmAaBbOoNn:Zの組成を有する蛍光体において、M元素が+II価、A元素が+III価、B元素が+IV価の元素であり、窒素が−III価の元素であることから、m、a、b、o、nが、n=2/3m+a+4/3b−2/3oの関係をとると、各元素の価数を足し合わせた場合にゼロとなり、当該蛍光体は安定な化合物となり好ましい。
当該蛍光体は、本実施形態の蛍光体の一般式MmAaBbOoNn:Zにおいて、m、a、b、o、nの値が、5.0<(a+b)/m<9.0、0≦a/m≦2.0、0≦o<n、n=2/3m+a+4/3b−2/3oの範囲であれば良いわけだが、更には、4.0≦b/m≦8.0、6.0≦(a+b)/m≦8.0、0<o/m≦3.0であることが好ましい。これは、m、bの値によって、上記範囲内で最適なa、oを設定することにより、不純物相の生成を著しく抑制させることができ、また、ガラス化による結晶性の低下を回避できるからである。更に、a/mが2.0以下の場合には、A元素、B元素、酸素、窒素により構造的に規則的で安定なネットワークを組むことができ、また、原料であるAlNが未反応原料として残らずに、[SiN]もしくは[(Al,Si)(O,N)]からなる四面体のネットワーク中にほぼ全固溶できると考えられるためである。さらに、a、b、o、nの値が、a=x×m、b=(6−x)×m、o=(1+x)×m、n=(8−x)×mをとることにより、M元素が[SiN]または[(Al,Si)(O,N)]の四面体に囲まれた、より理想的な構造をとることになり、蛍光体のとしての発光効率が高まり好ましい。ここでxは0≦x≦2の範囲をとり、さらに好ましくは0≦x≦1.0である。
一方、当該蛍光体は、波長350nmから430nmの範囲の単色光で励起したとき、波長400nmから500nmにおける発光スペクトルの最大の発光強度をPmaxとし、最小の発光強度をPminとしたとき、Pmin/Pmaxは30%以上であることが好ましい。Pmin/Pmaxが30%以上を保持していると、波長350nmから430nmの紫外または近紫外を発光する様々な励起源または発光素子の発光波長が、バラついたり変動したりしても、所定の波長の光を効率よく安定して発光する蛍光体となるからである。
一方、前記M元素は、Mg、Ca、Sr、Ba、Zn、II価の価数をとる希土類元素、の中から選ばれる1種類以上の元素であることが好ましく、さらには、Mg、Ca、Sr、Ba、Znから選択される1種類以上の元素であることがより好ましく、最も好ましくはSrまたはBaである。そして、いずれの場合であっても、M元素の中にSrが含まれていることが好ましい。
前記A元素は、Al、Ga、In、Tl、Y、Sc、P、As、Sb、Biの中から選ばれる1種類以上の元素であることが好ましく、さらには、Al、Ga、Inから選択される1種類以上の元素であることがより好ましく、最も好ましくはAlである。Alは、窒化物であるAlNが一般的な熱伝材料や構造材料として用いられており、入手容易で且つ安価であり加えて環境負荷も小さく好ましい。
前記B元素は、Si、Ge、Sn、Ti、Hf、Mo、W、Cr、Pb、Zrの中から選ばれる1種類以上の元素であることが好ましく、さらには、Siおよび/またはGeであることが好ましく、最も好ましくはSiである。Siは、窒化物であるSiが一般的な熱伝材料や構造材料として用いられており、入手容易で且つ安価であり加えて環境負荷も小さく好ましい。
前記Z元素は、蛍光体の母体構造におけるM元素の一部を置換した形で配合され、希土類元素または遷移金属元素から選択される1種類以上の元素である。本実施形態の蛍光体を用いた白色LED照明を始めとする各種の光源に十分な演色性を発揮させる観点からは、当該蛍光体の発光スペクトルにおけるピークの半値幅は広いことが好ましい。そして、当該観点からZ元素は、Eu、Ce、Pr、Tb、Yb、Mnから選択される1種類以上の元素であることが好ましい。中でもZ元素としてEuを用いると、当該蛍光体は、青色で発光強度の高いブロードな発光スペクトルを示すため、白色LED照明を始めとする各種光源の付活剤として好ましい。
Z元素の添加量は、本実施形態の蛍光体を一般式MmAaBbOoNn:Zz(但し、5.0<(a+b)/m<9.0、0≦a/m≦2.0、0≦o<n、n=2/3m+a+4/3b−2/3o)と表記した際、M元素と付活剤Z元素とのモル比z/(m+z)において、0.0001以上、0.50以下の範囲にあることが好ましい。M元素とZ元素とのモル比z/(m+z)が当該範囲にあれば、付活剤(Z元素)の含有量が過剰であることに起因して濃度消光が生じ、これにより発光効率が低下することを回避でき、他方、付活剤(Z元素)の含有量が過少であることに起因して発光寄与原子が不足し、これにより発光効率が低下することも回避できる。さらに、当該z/(m+z)の値が、0.001以上、0.30以下の範囲内であればより好ましい。但し、当該z/(m+z)の値の範囲の最適値は、付活剤(Z元素)の種類およびM元素の種類により若干変動する。さらに、付活剤(Z元素)の添加量制御によっても、当該蛍光体の発光のピーク波長をシフトして設定することができ、得ようとする光源において輝度や色度の調整の際に有益である。
また、Z元素を選択することにより、本実施形態の蛍光体における発光のピーク波長を可変することができ、また、種類の異なるZ元素を複数付活することによって、ピーク波長の可変、更には増感作用により、発光強度および輝度を向上させることが可能である。
本発明に係る蛍光体の組成分析結果を行った結果、16.0重量%以上、25.0重量%以下のSrと、2.0重量%以上、9.0重量%以下のAlと、0.5重量%以上、11.5重量%以下のOと、23.0重量%以上、32.0重量%以下のNと、0を超え3.5重量%以下のEuとを含んでいた。但し、Sr、Alには±2.0重量%の分析誤差が見込まれ、残りの重量はSiおよび他の元素である。
尚、蛍光体の発光強度低下回避の観点から、蛍光体中におけるFe,Ni,Coの各元素の濃度は、100ppm以下、B(ホウ素)、C(カーボン)の濃度は0.1重量%以下であることが好ましい。
尚、組成分析結果より算出した各元素のm、a、b、o、nの値と、使用される原料の配合比より算出したm、a、b、o、nの値とを比較した場合に若干のずれが生じるのは、焼成中にごくわずかの原料が分解したり、蒸発してしまうこと、さらには分析誤差によるものと考えられる。特に、oを算出する場合には、当初から原料に含有していた酸素や表面に付着していた酸素、原料の秤量時、混合時および焼成時において原料の表面が酸化したことで混入する酸素、さらに焼成後に蛍光体表面に吸着される、水分や酸素等を考慮していないためであると考えられる。また、窒素ガスおよび/またはアンモニアガスを含んだ雰囲気で焼成した場合には、焼成時に原料中の酸素が抜け窒素に置換されてしまいo、nに若干のずれが生ずると考えられる。
次に、本発明に係る蛍光体が示す粉末X線回折パターンについて、図2を参照しながら説明する。図2は、本発明に係る蛍光体の一例として後述する実施例2、4、6、及び比較例2に係る蛍光体のCoKα線による粉末X線回折パターンであり、主要なピークのブラッグ角度(2θ)と強度とを比較した図である。最も下部に示す回折パターンはJCPDSカード(53−0636)、および非特許文献 J.Mater.Chem.,1999,9 1019−1022に記載されたSrAlSi1014結晶の回折パターンである。
図2に示す本実施例で得られた回折ピークとの比較から明らかなように、本発明に係る蛍光体と、JCPDSカードに記載されたSrAlSi1014結晶の主要なピークの全体的なパターンは類似している。しかし、詳細に見ていくと、本発明に係る蛍光体のピークは、JCPDSカードに記載されたSrAlSi1014結晶の主要なピークと比較して、いずれもブラッグ角度(2θ)が大きくなる方向へシフトしており、両者は類似してはいるものの、結晶面間隔の異なる結晶構造を有していると考えられる。ここで、両者の結晶構造の差をもたらす要因としては、両者の結晶構造中に存在する酸素の量に差があること、および、本発明に係る蛍光体ではSrの一部がEuに置換していることなどが考えられる。尤も、主要なピークの全体的なパターンは類似していることから、本発明に係る蛍光体の生成相の結晶も、JCPDSカードに記載されたSrAlSi1014結晶と同様に空間群Imm2で示される斜方晶系の結晶系を有していると考えられる。
以上のことから、本発明者らは本発明に係る蛍光体が、JCPDSカードに記載されたSrAlSi1014結晶と類似してはいるものの、結晶面間隔の異なる新規な結晶構造を有していると考え、当該新規な結晶構造を有している本発明に係る蛍光体の構造を、当該蛍光体の示すX線回折パターン、および結晶軸の長さ(格子定数)、および結晶格子の単位体積にて規定することとした。
当該実施形態によって得られた蛍光体は、CoKα線を用いた粉末法によるX線回折パターンにおいて、ブラッグ角度(2θ)が、35°から37°の範囲に最も強度の強い回折ピークを示し、さらに、当該粉末法によるX線回折パターンのブラッグ角度(2θ)が、23.6°から25.6°、33°から35°、39.7°から40.7°、43°から44°の範囲にそれぞれ、2つ、2つ、1つ、1つの特徴的な回折ピークが見られ、ブラッグ角度(2θ)が、35°から37°の範囲に見られる最も強度の強い回折ピークの相対強度を100%としたとき、これらの回折ピークの相対強度は2.0%以上、40%以下を示すという特徴がある。この特徴を満たすことにより、波長250nmから430nmの範囲の光で励起したとき、発光スペクトルにおける最大ピーク波長が400nmから500nmの範囲にあるより発光効率の良い蛍光体を得ることが可能である。
また、当該粉末法によるX線回折パターンにおいて、ブラッグ角度(2θ)が26°から33°、38.7°から39.7°、42.0°から42.8°の範囲には、ブラッグ角度(2θ)が35°から37°の範囲に見られる最も強度の強い回折ピークの相対強度を100%としたとき、相対強度が10%以上の回折ピークが無いことが好ましい。これは、上記範囲に見られる回折ピークは波長400nm〜500nmの範囲に発光スペクトルのピークを示す相とは異なる不純物相によるものであると考えられるためである。つまり、当該不純物相が少なければ、生じた不純物相の為に励起光や蛍光体から発生した光が吸収されることに起因する発光効率低下を回避でき、高い発光強度が得らると考えられるためである。
さらに、CoKα線を用いた粉末法によるX線回折パターンにおいて、ブラッグ角度(2θ)が、35°から37°の範囲にある最も強度の強い回折ピークに注目すると、構成元素にAlが含まれることによって、ピークが2つになっていることが解る(後述の、図2及び図8における、実施例2、4、6、実施例13、20、45、49、52の各蛍光体試料のX線回折パターン参照)。そして、Alを加え、ピークが2つになったものの方が、発光特性が優れている傾向にある。
さらに、本発明者らは上記XRDのピーク位置の測定と伴に、前記粉末X線測定結果を基としてリートベルト手法を用い、蛍光体試料の結晶構造解析を行った。リートベルト手法とは、実際の測定から得られたX線の実測回折強度と、その結晶構造を予測して組み立てた結晶構造モデルから理論的に計算で得られるX線の回折強度とを比較し、両者の差を小さくするように、後者のモデルにおける種々の構造パラメータを、最小二乗法により精密化することで、より正確な結晶構造のモデルを導くものである。リートベルト解析にはプログラム“RIETAN−2000”を用い、参考とした結晶構造は、JCPDSカード 53−0636に記載されたSrAlSi1014の結晶構造を用いた。
当該リートベルト手法による結晶構造解析の結果、蛍光体試料の発光特性の向上には、当該蛍光体試料のa軸、b軸、c軸、各結晶格子の格子定数はJCPDSカードに記載されたSrAlSi1014の結晶構造よりも小さく、また体積も小さいほど良い傾向が見られた。一方、非特許文献 Z.Anorg.Allg.Chem.,2004,630,1729 に報告のあるSrSi結晶構造と比較した場合は、当該蛍光体試料のa軸、b軸、c軸、各結晶格子はSrSi結晶構造よりも大きく、また体積も大きいほど良い傾向が見られた。この現象の詳細な理由は不明であるが、蛍光体試料中に含まれるSi原子とAl原子とが、または、窒素原子と酸素原子とが置き換わることにより結晶格子および体積が変化したと考えられる。
さらに、本発明者らは、結晶構造の結晶格子および体積は結晶構造中に含まれるAlおよび酸素量により関係していることから、当該蛍光体の発光効率を始めとする発光特性はAlおよび酸素量が影響を与えているのではないかという観点に想到した。そして、当該Alおよび酸素量が蛍光体の結晶格子の体積を規定していることから、発光効率の良い蛍光体を得ることが出来る結晶格子の体積があることに想到し、当該結晶格子の体積が345Å以上385Å以下、さらに好ましくは体積が353Å以上385Å以下であることを見出した。さらに、当該Alまたは酸素の量が蛍光体の結晶格子の格子定数も規定していることから、発光効率の良い蛍光体を得ること出来る結晶格子の格子定数もあることに想到し、当該格子定数が、aは7.85Å以上、8.28Å以下、bは9.26Å以上、9.58Å以下、cは4.80Å以上、4.92Å以下であることを見出した。(尚、本発明において、a軸、b軸、c軸の採り方はJCPDSカート゛を参考に示している。従って、原子座標の採り方によりa軸、b軸、c軸の順が入れ替わっても同義である。)
また、本発明者らは、蛍光体の結晶子サイズが、当該蛍光体の発光効率を始めとする発光特性に影響を与えているのではないかという観点に想到した。
そこで、本発明に係る蛍光体試料について、粉末X線回折測定により得られた回折パターンの複数の回折ピークについて半価幅Bを算出し、シェラーの式Dx=0.9λ/Bcosθ(ここで、Dxは結晶子の大きさ、λは測定に用いたX線の波長、Bは回折ピークの半価幅、θは回折ピークのブラッグ角である。)を用いて、2θが、39.7°から40.7°、43°から44°、66°から66.5°の範囲にある3つの回折ピークから、結晶子の大きさ(Dx)を平均化して求めた。ここで、結晶子サイズが大きいほど、作製した蛍光体粒子の結晶性が良いことを表しており、発光効率の向上が見込まれた。当該観点より本発明者らは、結晶子サイズが20nm以上、好ましくは50nm以上、さらに好ましくは80nm以上、であれば、当該蛍光体を発光装置として用いた場合十分な発光強度を得ることが出来ることを見い出した。
本発明に係る蛍光体を粉体の形で用いる場合は、当該蛍光体粉体の平均粒径が50μm以下であることが好ましい。これは、蛍光体粉体において発光は主に粒子表面で起こると考えられるため、平均粒径(尚、本発明において平均粒径とは、中位径(D50)のことである。)が50μm以下であれば、粉体単位重量あたりの表面積を確保でき輝度の低下を回避できるからである。さらに、当該粉体をペースト状とし、発光体素子等に塗布した場合にも当該粉体の密度を高めることができ、この観点からも輝度の低下を回避することができる。また、本発明者らの検討によると、詳細な理由は不明であるが、蛍光体粉末の発光効率の観点から、平均粒径が1.0μmより大きいことが好ましいことも判明した。以上のことより、本発明に係る蛍光体粉体の平均粒径は、1.0μm以上50μm以下、さらに好ましくは5.0μm以上、30μm以下の粒子径であることが好ましい。ここでいう平均粒子径(D50)は、ベックマン・コールター社製 LS230(レーザー回折散乱法)により測定された値である。また、上記観点から、本発明に係る蛍光体粉末の比表面積(BET)の値は0.05m/g以上、5.00m/g以下であることが好ましい。
本実施形態の蛍光体は、発光スペクトルのピークを400nm〜500nmの範囲に持ち、ピーク形状はブロードであり、発光強度および輝度に優れているため白色LED照明用蛍光体としてふさわしい。さらに、近紫外・紫外の範囲に良好な励起帯を有するため、例えば、ワンチップ型白色LED照明として提案されている近紫外・紫外発光(波長380〜410nm付近)するLEDと、当該LEDから発生する近紫外・紫外光により励起されて赤色(R)発光する蛍光体、緑色(G)発光する蛍光体、青色(B)発光する蛍光体とを組み合わせ、当該R・G・B他の蛍光体から得られる光の混色を利用して白色を得る方式の白色LED照明に使用した場合には、最高の発光強度に近い状態で使用することが可能である。即ち、近紫外・紫外の光を発する発光部と当該蛍光体を組み合わせることにより、高出力、演色性の良い白色光源および白色LED照明、さらにはこれらを使用した照明ユニットを得ることができる。
粉末状となった本実施形態の青色蛍光体と、公知の緑色蛍光体、赤色蛍光体とを組み合わせ、本実施形態の蛍光体を含む蛍光体混合物を作成し、波長域250nmから450nm、好ましくは波長域350nmから430nmのいずれかの光を発光する発光部と組み合わせることで、各種の照明装置や、主にディスプレイ装置用バックライト等を製造することができる。
組み合わせる緑色蛍光体としては、例えばSrAlSi:Ce、SrAlSi10ON14:Ce 、SrAl1+xSi4−x7−x:Ce(0≦x≦1)、(Ba,Sr,Ca)Si:Eu、ZnS:Cu,Al、ZnS:Cu、SrAl:Eu、BAM:Eu,Mn、(Ba,Sr,Ca,Mg)SiO:Eu、Sr3SiO5:Euが挙げられるが、この限りではない。また、組み合わせる赤色蛍光体としては、YS:Eu、LaS:Eu、3.5MgO・0.5MgF・GeO:Mn、(La,Mn,Sm)S・Ga:Eu、SrS:Eu、CaS:Eu、SrSi:Eu、(Ca,Sr)Si:Eu、(Ba,Sr,Ca)MgSi:Eu,Mn、CaAlSiN:Euが挙げられるが、この限りではない。
発光部として、例えば、紫外から近紫外のいずれかの範囲で発光するLED発光素子、紫外光を発生する放電灯を用いることができる。例えば、本実施形態の蛍光体を含んだ蛍光体混合物を、紫外光を発生する放電灯と組み合わせることで蛍光灯や照明ユニットやディスプレイ装置、また、紫外から近紫外発光するLED発光素子と組み合わせることでも、照明ユニットやディスプレイ装置を製造することができる。さらに、本発明に係る蛍光体を、電子線を発生する装置と組み合わすことによってもディスプレイ装置を製造することができる。
本実施形態の蛍光体の混合物と発光部との組み合わせの方法は、公知の方法で行っても良いが、発光部にLEDを用いた発光装置の場合は、下記のようにして発光装置を作製することが出来る。以下、図面を参照しながら、発光部にLEDを用いた発光装置について説明する。
図15(A)〜(C)は、砲弾型LED発光装置の模式的な断面図であり、図16(A)〜(E)は、反射型LED発光装置の模式的な断面図である。尚、各図面において、相当する部分については同様の符号を付し、説明を省略する場合がある。
まず、図15(A)を用いて、発光部にLEDを用い、前記蛍光体混合物と組み合わせた発光装置の1例について説明する。砲弾型LED発光装置においては、リードフレーム3の先端に設けられたカップ状の容器5内に、LED発光素子2が設置され、これらが透光性の樹脂4にてモールドされている。当該実施の形態では、前記蛍光体混合物または前記蛍光体混合物をシリコンやエポキシ等の透光性のある樹脂に分散させた混合物(以下、混合物1と記載する。)を、カップ状の容器5内の全てに埋め込むものである。樹脂中にSiOやAlなどの光の分散材を含有させる構成も好ましい。
次に、図15(B)を用いて、異なる発光装置の1例について説明する。当該実施の形態では、混合物1をカップ状の容器5上およびLED発光素子2上面に塗布したものである。
次に、図15(C)を用いて、さらに異なる発光装置の1例について説明する。当該実施の形態では、蛍光体混合物1をLED発光素子2の上部に設置したものである。
以上、図15(A)〜(C)を用いて説明した砲弾型LED発光装置は、LED発光素子2からの光の放出方向は上方向であるが、光の放出方向が下方向でも同様の方法で発光装置の作成は可能である。例えば、当該LED発光素子2の光の放出方向に反射面、反射板を設け、同発光素子2から放出される光を反射面に反射させて外部に発光させるのが反射型LED発光装置である。そこで、図16(A)〜(E)を用い、反射型LED発光装置と本実施形態の蛍光体混合物とを、組み合わせた発光装置の例について説明する。
まず、図16(A)を用いて、発光部に反射型LED発光装置を用い、本実施形態の蛍光体混合物と組み合わせた発光装置の1例について説明する。反射型LED発光装置においては、片方のリードフレーム3の先端にLED発光素子2が設置され、このLED発光素子2からの発光は、下方に向かい反射面8により反射されて上方より放出される。当該実施の形態では、混合物1を反射面8上に塗布するものである。尚、反射面8が形成する凹部内には、LED発光素子2を保護するため透明モールド材9が充填される場合もある。
次に、図16(B)を用いて、異なる発光装置の1例について説明する。当該実施の形態では、混合物1をLED発光素子2の下部に設置したものである。
次に、図16(C)を用いて、異なる発光装置の1例について説明する。当該実施の形態では、混合物1を、反射面8が形成する凹部内に充填したものである。
次に、図16(D)を用いて、異なる発光装置の1例について説明する。当該実施の形態では、混合物1を、LED発光素子2を保護するための前記透明モールド材9の上部に塗布したものである。
次に、図16(E)を用いて、異なる発光装置の1例について説明する。当該実施の形態では、混合物1を、LED発光素子2の表面に塗布したものである。
砲弾型LED発光装置と反射型LED発光装置とは、用途に応じて使い分ければよいが、反射型LED発光装置には、薄くできる、光の発光面積を大きくできる、光の利用効率を高められる等のメリットがある。
以上説明した発光装置を高演色性照明用光源として使用する場合には、演色性に優れる発光スペクトルを有していることが必要であるので、JIS Z 8726の評価方法を用いて、本実施形態の蛍光体を含む蛍光体混合物を組み込んだ発光装置の演色性を評価した。JIS Z 8726の評価において、当該光源の平均演色評価数Raが80以上であれば、優れた発光装置といえる。そして、好ましくは、日本人女性の肌色の成分を示す指標である特殊演色評価数R15が80以上であれば、非常に優れた発光装置といえる。ただし、演色性を求めない用途や異なる目的によっては上記指標を満たさなくても良い。そこで、波長250nmから430nmの範囲のいずれかの発光をおこなう発光部からの光が本実施形態の蛍光体を含む蛍光体混合物へ照射され、当該蛍光体混合物が発光をおこなう発光装置を作製した。尚、発光部としては405nmに発光する紫外LEDを用いた。その結果、本発明に係る蛍光体を混合することで、当該発光装置の相関色温度を10000Kから2000K(さらに好ましくは、7000Kから2500K)の範囲としたとき、当該発光装置の平均演色評価数Raが80以上、さらに好ましいことにR15が80以上、R9が60以上を有する演色性に優れた発光装置となった。即ち、当該発光装置は、高輝度で非常に演色性に優れた光源であることが判明した。
一方、本実施形態に係る蛍光体混合物を樹脂中等に分散させ、蛍光体シートとする構成も好ましい。
当該蛍光体シートを製造する際に用いられる媒体となる材料としては、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、を始めとする各種の樹脂、または、ガラス等が考えられる。当該蛍光体シートの使用例としては、当該蛍光体シートと適宜な発光を行う光源とを組み合わせ、所定の発光を行うことが可能である。なお、当該蛍光体シートを励起する励起光は、波長250nmから430nmの光であれば良く、LED等の発光素子を始めとして、Hg放電による紫外線光源、レーザーによる光源等でもよい。
次に、本実施形態に係る蛍光体の製造方法について、SrAlSi6−x1+x8−x:Eu(但し、x=0.8、Eu/(Sr+Eu)=0.030である。)の製造を例として説明する。
尚、蛍光体原料の焼成時における蒸発のため、原料の仕込み組成と、焼成後の生成した組成とが異なる。特に、1700℃以上の焼成および長時間の焼成においては、Siが当該焼成によって次第に昇華していくため、狙いのモル比より多めに仕込んでおいた方が好ましい。ただし、昇華量は焼成時の条件により変化するため、仕込み量は、各々の焼成条件によって調整することが好ましい。そこで以下の説明においては、便宜上、蛍光体原料の配合比率より算定した組成式を示している。従って、本実施形態では蛍光体を、原料の仕込み時の組成式SrAlSi6.51.259.50:Euを以て標記し、製造方法について説明する。ここで、z/(m+z)とEu/(Sr+Eu)とは同じ意味である。尚、仕込み時において付活剤元素の原料中に含まれる酸素量は少量のため無視している。
一般的に蛍光体は固相反応により製造されるものが多く、本実施形態の蛍光体の製造方法も固相反応によって得ることができる。しかし、製造方法はこれらに限定されるものではない。M元素、A元素、B元素の各原料は窒化物、酸化物、炭酸塩、水酸化物、塩基性炭酸塩などの市販されている原料でよいが、純度は高い方が好ましいことから、好ましくは2N以上、さらに好ましくは3N以上のものを準備する。各原料粒子の粒径は、一般的には、反応を促進させる観点から微粒子の方が好ましいが、原料の粒径、形状により、得られる蛍光体の粒径、形状も変化する。このため、最終的に得られる蛍光体に求められる粒径や形状に合わせて、近似の粒径を有する窒化物等の原料を準備すればよいが、好ましくは50μm以下の粒子径、さらに好ましくは0.1μm以上10.0μm以下の粒子径の原料を用いると良い。Z元素も原料は市販の窒化物、酸化物、炭酸塩、水酸化物、塩基性炭酸塩、もしくは単体金属が好ましい。勿論、各原料の純度は高い方が好ましく、2N以上、さらに好ましくは3N以上のものを準備する。特に、M元素の原料として炭酸塩を使用した場合には、本実施形態の蛍光体の構成元素に含まれない元素からなる化合物を、フラックス(反応促進剤)として添加することなく、フラックス効果を得ることができるため好ましい構成である。
組成式SrAl0.8Si5.21.87.2:Euの製造であれば、焼成後の各元素のモル比がSr:Al:Si:O:Eu=0.970:0.8:5.2:1.8:0.030となるように、焼成時の原料組成の減少分を調整し仕込み組成を決めればよい。ここでは、仕込み組成式SrAlSi6.51.259.50:Eu(但し、Eu/(Sr+Eu)=0.030)として製造した。各元素の原料として例えば、M元素、A元素、B元素の原料として、それぞれSrCO(3N)、Al(3N)、AlN(3N)、Si(3N)を準備し、Z元素としては、Eu(3N)を準備するとよい。これらの原料をそれぞれ、SrCOを0.970mol、Alを0.25/3 mol、AlNを(1.0−0.25/3×2)mol、Siを6.5/3mol、Euを0.030/2mol秤量し混合する。Sr原料として炭酸塩を使用したのは、酸化物原料は融点が高くフラックス効果が期待できないのに対し、炭酸塩など低融点の原料を使用した際には、原料自体がフラックスとして働き、反応が促進され、発光特性が向上するためである。なお、原料中にわずかなC(炭素)を添加し、焼成時に還元性を高めても良い、ただし焼成後の試料にCの濃度が多く残ると、発光特性を低下させるため、焼成後の試料に含まれるCの濃度は0.1重量%以下になるように調整する必要がある。また、原料として酸化物を使用した場合、フラックス効果を得るために、フラックスとして別の物質を添加してもよいが、その場合には当該フラックスが不純物となり、蛍光体の特性を悪化させる可能性があることに注意する必要がある。
当該秤量・混合については、大気中で行っても良いが、各原料元素の窒化物が水分の影響を受けやすいため、水分を十分取り除いた不活性雰囲気下のグローブボックス内での操作が便宜である。混合方式は湿式、乾式どちらでも構わないが、湿式混合の溶媒として水を用いると原料が分解するため、適当な有機溶媒または液体窒素を選定する必要がある。装置としてはボールミルや乳鉢等を用いる通常のものでよい。尚、当該フラックス効果については、実施例においても説明する。
混合が完了した原料をるつぼに入れ、焼成炉内に雰囲気ガスを流通させながら1600℃以上、より好ましくは1700℃以上2000℃以下で30分間以上保持して焼成する。焼成温度が1600℃以上であれば、固相反応が良好に進行して発光特性に優れた蛍光体を得ることが可能となる。また2000℃以下で焼成すれば、過剰な焼結や、融解が起こることを防止できる。尚、焼成温度が高いほど固相反応が迅速に進むため、保持時間を短縮出来る。一方、焼成温度が低い場合でも、当該温度を長時間保持することにより目的の発光特性を得ることが出来る。しかし、焼成時間が長いほど粒子成長が進み、粒子形状が大きくなるため、目的とする粒子サイズに応じて焼成時間を設定すればよい。
焼成炉内に流通させる雰囲気ガスとしては、窒素に限らず、希ガス等の不活性ガス、アンモニア、アンモニアと窒素との混合ガス、または窒素と水素との混合ガスのいずれかを用いると良い。但し、当該雰囲気ガス中に酸素が含有されていると蛍光体粒子の酸化反応が起こるため、不純物として含まれる酸素はできるだけ少なく、例えば100ppm以下であることが好ましい。さらに雰囲気ガス中に水分が含有されていると、酸素と同様、焼成時に蛍光体粒子の酸化反応が起こるため、不純物として含まれる水分もできるだけ少なく、例えば100ppm以下であることが好ましい。ここで、雰囲気ガスとして単一ガスを用いる場合は窒素ガスが好ましい。アンモニアガスの単独使用による焼成も可能であるが、窒素ガスに比べアンモニアガスはコスト的に高いことや、腐食性ガスであることのため、装置および低温時の排気方法に特別な処置が必要となるので、アンモニアを用いる場合には、窒素との混合ガスとするなど、アンモニアを低濃度にして用いる方が好ましい。例えば、窒素ガスとアンモニアの混合ガスを用いる場合、窒素は80%以上、アンモニアは20%以下とすることが好ましい。また、窒素と他のガスとの混合ガスを用いる場合も、窒素以外のガス濃度が高まると、雰囲気ガス中の窒素の分圧が低くなるので、蛍光体の窒化反応を促進する観点からは、80%以上の窒素を含む不活性または還元性ガスを用いると良い。
さらに、当該焼成中に上述した雰囲気ガスを、例えば、0.1ml/min以上流量させる状態を設けることが好ましい。これは、蛍光体原料の焼成中には当該原料からガスが発生するが、上述の窒素、希ガス等の不活性ガス、アンモニア、アンモニアと窒素との混合ガス、または窒素と水素との混合ガスから選択される1種類以上のガスを含んだ雰囲気を流動(フロー)させることにより、原料から発生したガスが炉内に充満して反応に影響を与えることを防止でき、この結果、蛍光体の発光特性の低下を防止できるからである。特に、蛍光体原料として炭酸塩、水酸化物、塩基性炭酸塩など、高温で酸化物に分解する原料を使用した際には、ガスの発生量が多いため、焼成炉内にガスを流通させ、発生したガスを排気させる構成を採ることが好ましい。
一方、蛍光体製造における蛍光体原料焼成の段階において、焼成炉内の圧力は、炉内に大気中の酸素が混入しないよう加圧状態であることが好ましい。ただし、該加圧が1.0MPa(本発明において、炉内圧力とは大気圧からの加圧分の意味である。)を超えると炉設備の設計上、特殊な耐圧設計が必要となることから、生産性を考慮すると該加圧は1.0MPa以下であることが好ましい。また、該加圧が高くなると、蛍光体粒子間の焼結が進み過ぎ、焼成後の粉砕が困難となることがあるため、当該焼成中の炉内圧力は1.0MPa以下が好ましく、更に好ましくは0.001MPa以上、0.1MPa以下であることが好ましい。
尚、るつぼとしてはAlるつぼ、Siるつぼ、AlNるつぼ、サイアロンるつぼ、C(カーボン)るつぼ、BN(窒化ホウ素)るつぼなどの、上述したガス雰囲気中で使用可能なものを用いれば良いが、なかでも、窒化物からなるるつぼが好ましく、特にBNるつぼを用いると、るつぼからの不純物混入を回避することができ好ましい。焼成後に含まれる不純物量としては、B(ホウ素)および/またはCが0.1重量%以下であれば、発光特性を阻害することなく好ましい。
焼成が完了した後、焼成物をるつぼから取り出し、乳鉢、ボールミル等の粉砕手段を用いて、所定の平均粒径となるように粉砕し、組成式SrAl0.8Si5.21.87.2:Euで示される蛍光体を製造することができる。得られた蛍光体はこの後、必要に応じて、洗浄、分級、表面処理、熱処理を行う。洗浄方法としてはフッ酸、塩酸、硫酸、硝酸などを用いた酸性溶液中での洗浄が、粒子表面に付着したFe等の金属原子や、未反応で残留した原料粒子を溶解するため好ましい。ここで、得られた蛍光体に含まれるFe、Ni、Coの量は100ppm以下であることが好ましい。
M元素、A元素、B元素、Z元素として、他の元素を用いた場合、および付活剤であるZ元素の付活量を変更した場合も、各原料の仕込み時の配合量を所定の組成比に合わせることで、上述したものと同様の製造方法により蛍光体を製造することができる。ただし、焼成条件によっては、焼成時に原料の蒸発、昇華等が起こるため、その分の原料の仕込み組成を考慮した原料の混合・焼成を行う。
以下、実施例に基づいて、本発明をより具体的に説明する。
(実施例1から6、および、比較例1、2)
実施例1から6では、本発明に係る原料の仕込み組成式SrAlSiON:Eu(Eu/(Sr+Eu)=0.030、n=2/3m+a+4/3b−2/3o、m=1、a=1、o=1)で示される蛍光体において、Sr、Al、Oのモル比をそれぞれ1、1、1に固定し、b/m比を変えた試料を調製し、当該試料の発光特性、および構造について検討した。
まず、以下の手順により実施例1に係る試料を製造した。
SrCO(3N)、AlN(3N)、Si(3N)、Eu(3N)を準備し、各元素のモル比がSr:Al:Si:Eu=0.970:1:4:0.030となるように各原料を、SrCOを0.970mol、AlNを1mol、Siを4/3mol、Euを0.030/2mol秤量し、大気中にて乳鉢を用いて混合した。SrCOについては焼成時に分解しSrOとなるため、酸素の量の計算ではSrOとして計算した。混合した原料をBNるつぼに入れ、炉内を一度真空引きした後、流通する窒素雰囲気中(フロー状態、20.0L/min)、炉内圧0.05MPaで1800℃まで15℃/minで昇温し、1800℃で3時間保持・焼成した後、1800℃から50℃まで1時間30分間で冷却した。その後、焼成試料を大気中にて適当な粒径になるまで乳鉢を用いて解砕し、b/m=4.0である実施例1に係る蛍光体試料を得た。尚、当該組成式は、使用した原料の配合比率より算定した組成である。従って、焼成時にSiの昇華や酸素の減少が起こるため、焼成後の蛍光体生成物においては、原料の配合比率(仕込み組成比)よりもSiや酸素の少ない組成となっていると考えられる。
次に、当該b/m比を、b/m=5(実施例2)、b/m=6(実施例3)、b/m=7(実施例4)、b/m=8(実施例5)、b/m=9(実施例6)となるように、各原料の混合比を調整した以外は、実施例1と同様にして実施例2から6に係る蛍光体試料を製造した。
また、当該b/m比を、b/m=2(比較例1)、b/m=3(比較例2)となるように混合比を調整した以外は、実施例1と同様にして比較例1、2に係る蛍光体試料を製造した。
製造した実施例1から6、比較例1、2に係る試料について、発光のピーク波長および発光強度を測定した。当該測定結果を表1、図1に示す。
ここで、実施例1から6、比較例1、2においては、発光のピーク波長とは、ある波長の光またはエネルギーを蛍光体に照射した際、当該蛍光体から放出される光のスペクトルの最大ピークが示す波長のことであり、発光強度とは、当該発光のピーク波長における強度のことである。なお、発光スペクトル、および後に示す励起スペクトルの測定には日本分光(株)社製分光蛍光光度計FP−6500を用いて測定した。
実施例1から6、比較例1、2においては、励起光として波長405nmの光を蛍光体に照射した。そして、b/m=7(実施例4)のピーク波長における発光強度の値を100%と規格化して、各実施例の発光強度を示した。
図1は、縦軸に当該蛍光体試料の発光強度の相対強度をとり、横軸にはb/m比の値をとったグラフである。
次に、実施例2、4、6、および比較例2に係る試料に対し粉末法によるX線回折パターンを測定した。さらに、実施例4に係る試料に対しリートベルト解析を行った。当該結果を図2に示す。図2には、上から、比較例2、実施例2、4、6、実施例4のリートベルト解析結果、JCPDSカード(53−0636)の回折パターンの順でX線回折パターンを示した。
表1、図1の結果から明らかなように、実施例1から6に係る蛍光体の発光強度は、b/m比の値が大きくなるにつれ強くなり、b/m=6からb/m=7付近で最も強い発光強度を示した。
また、比較例1、2に係るb/m比の値が3以下の試料は、波長400nm〜500nmの範囲に、発光スペクトルのピークが見られず、波長630nm付近に発光スペクトルのピークを持つ橙色蛍光体であった。

ここで、図2の粉末法によるX線回折パターンの測定方法について説明する。
測定する蛍光体は、焼成後に乳鉢、ボールミル等の粉砕手段を用いて所定(好ましくは1.0μm〜50.0μm)の平均粒径となるように粉砕し、材質がチタン製のホルダーに平らになるように詰め、XRD装置 理学電気株式会社製「RINT 2000」にて測定を行った。
測定条件を下記に示す。
使用測定機:理学電気株式会社製「RINT 2000」
X線管球:CoKα
管電圧:40kV
管電流:30mA
スキャン方法:2θ/θ
スキャン速度:0.3°/min
サンプリング間隔:0.01°
スタート角度(2θ):10°
ストップ角度(2θ):90°
また、ブラッグ角度(2θ)のズレについては、X線が照射される試料面が平らでないこと、X線の測定条件、特にスキャンスピードの違いなどにより生じていると考えられる。そのため、特徴的な回折ピークが見られる範囲も若干のズレが起きることは許容されると考えられる。当該ズレをなるべく抑えるために、スキャンスピードを0.3°/minとした上で、蛍光体試料中にSiを混ぜ、X線の測定後にSiピークのズレを補正することにより、ブラッグ角度(2θ)および面間隔d(Å)を求めている。以下、後述する、図8に示す実施例13、20、45、49、52に係る試料、および図13に示す実施例45、比較例3に係る試料についても同様に測定を行った。
図2の粉末法によるX線回折パターンの結果から明らかなように、強い発光強度を示す実施例4と波長400nm〜500nmの範囲に発光ピークを有さない比較例2、実施例4よりも発光ピークの小さな実施例2、6との回折パターンを比較してみる。すると、比較例2および実施例2、6においては、実施例4で回折ピークが見られないブラッグ角度(2θ)に多くの回折ピークを確認することができ、特にブラッグ角度(2θ)が26°〜33°、38.7°〜42.8°の範囲において回折ピークを確認することができた。さらに、比較例2の回折パターンには、実施例4と同様の回折パターンも見られるが、その生成割合は、全蛍光体生成相の40%程度であり、黄色蛍光体と考えられる他の生成相が多く含まれていることが判明した。
即ち、ブラッグ角度(2θ)が26°〜33°、38.7°〜42.8の範囲にある回折ピークは、波長400nm〜500nmの範囲に発光スペクトルのピークを示す相とは異なる相(不純物相)に起因するものであると考えられる。従って、波長400nm〜500nmの範囲に発光スペクトルのピークを持ち、発光強度の強い蛍光体を得るには、上記生成相(SrAlSi6−x1+x8−xと同様な相)を50%以上含み、これらの不純物相が示す回折ピークを有しない蛍光体であることが好ましい。
さらに図2には、JCPDSカード(53−0636)で報告されているSrAlSi1014の結晶構造を基にシミュレートした回折パターンと、SrAlSi1014と結晶構造を基に、実施例4のX線回折パターンをリートベルト解析して求めたシミュレーション結果を示している。リートベルト法とは実施に測定して得られた実測回折強度と、その結晶構造を予測して組み立てた結晶構造モデルから、理論的に計算で得られる回折強度を比較し、両方の差を小さくするように後者のモデルにおける種々の構造パラメータを最小二乗法により精密化して、より正確な結晶構造を導くものである。
JCPDSカード(53−0636)、にて報告されているSrAlSi1014の結晶構造は空間群Imm2で示される斜方晶系であり、格子定数はa=8.279Å、b=9.576Å、c=4.916Åと報告されている。ここで、実施例4の解析結果によると、結晶構造は同様に斜方晶系であるが、格子定数はa=7.902Å、b=9.278Å、c=4.838Åとなり、結晶単位格子は、JCPDSカードが従来報告しているものよりも非常に小さい結果となっていた。実施例3、5、6においても全て同様の結果であった。実施例4〜6において、格子定数がJCPDSカードの値よりも小さくなった理由は、SrAlSi6−x1+x8−xの組成式で示される当該蛍光体生成相において、xの値が1以下の組成をとっているか、または、x=1であっても酸素原子が欠損した組成をとっている為、格子が縮んでいるものと考えられる。
一方、非特許文献Z.Anorg.Allg.Chem.,2004,630,1729に報告のあるSrSi結晶構造は、上記JCPDSカードに記載されたSrAlSi1014結晶同様の斜方晶系の結晶を有しているが、Al原子および酸素原子が少ないことによって、格子定数はa=7.855Å、b=9.260Å、c=4.801Åと報告されており、本実施例で得られた蛍光体よりもさらに小さな格子定数を有している。
以上のことから、本発明者らは本発明に係る蛍光体が、JCPDSカードに記載されたSrAlSi1014およびZ.Anorg.Allg.Chem.,2004,630,1729 に記載されたSrSiの結晶構造と同様の類似してはいるものの、Alまたは酸素原子の存在量を変化させたことで、結晶面間隔の異なる新規な結晶構造を有しSrAlSi6−x1+x8−xで示される組成式を有する新規な蛍光体であることに想到した。よって、発光効率の良い蛍光体を得るためには、結晶格子の体積が、SrAlSi1014の結晶構造とSrSiの結晶構造との間にあること。即ち、結晶体積が345Å以上、385Å以下であること。さらに好ましくは各結晶格子の格子定数が、aは7.85Å以上、8.28Å以下、bは9.26Å以上、9.58Å以下、cは4.80Å以上、4.92Å以下であれば良い。また、xの範囲としては0≦x≦2であり、より格子定数および単位格子の小さな0≦x≦1.0が好ましい。
また、実施例4の解析結果より、発光強度の強い蛍光体を得るには、解析結果から得られた回折パターンに近く、26°から33°、38.7°から39.7°、42.0°から42.8°にみられる不純物相の回折ピークがないことが良いことが判明した。これは、原料の混合段階や焼成条件において、目的とする組成よりもSiまたはAlN原料が過剰に存在すると、これらが、わずかであるが不純物相となり回折ピークとして現れてくる為であると考えられる。したがって、各焼成条件にあった原料の混合比などを調整することにより、これら不純物相を低減することが可能である。上記不純物ピークは35°から37°の範囲に見られる最も強度の強い回折ピークの相対強度を100%としたとき、10.0%以下で有ることが好ましい。
つまり、本発明に係る試料において、b/m=6からb/m=7付近で最も強い発光強度を示すのは、b/m=6、b/m=7付近のb/m比であれば、波長400nm〜500nmの範囲に発光スペクトルのピークを示す組成式SrAlSi6−x1+x8−xで示される相の割合を50%以上の含む形で生成させることができ、当該b/m比がb/m=6、b/m=7から大きく外れてしまって不純物相が生成されてしまうのを回避できるためであると考えられる。実際に焼成後の試料を観察すると、b/m=6、b/m=7の試料は全体がほぼ白色であるが、それ以外の試料は黄色や橙色の不純物相を確認することができる。(励起光として405 nmの光を当てた場合、白色の部分が青色に発光し、黄色、橙色の部分はそれぞれ黄色、橙色に発光する。)しかし、注意しなければならないのは、組成式がSrAlSi6−x1+x8−xで示されることから理解できるように、b/m比の値が、常にb/m=6からb/m=7にあることが適正なわけではなく、a/m比が変化すると、b/m比の適正値も若干変化すると考えられることである。これは、当該蛍光体は[SiN]がネットワークを組んだ構造を基本としており、AlはそのSiの一部のサイトを置換していると考えられるためである。そのため、Alによる置換量が変化した場合、Si量も若干変化させて、発光に適した構造をとるようにすることが好ましい。具体的には、上記構造式に即し、変化したAlの置換量に対応してSiの量を変化させ、発光に適した構造を取るようにすればよい。
また、解析結果から推定される蛍光体生成相の組成と、原料の仕込み組成とのSiの比率は異なっている。これは、上述したように原料としたSiが、1700℃付近から蒸発または分解を起こすため、焼成時にSiが減少し、組成比がズレる為であると考えられる。ここで、焼成時の焼成温度、焼成時間、焼成圧力などの条件により、Siまたは他の元素の減少量は異なるため、目的の生成物を得るには、各焼成条件に適した原料の仕込の量を予め調整すればよい。
(実施例7から15、および、実施例16から24)
実施例7から24では、原料秤量・混合時のSiの仕込み組成と酸素量とを変化させ、強い発光強度を有する蛍光体を得る為の仕込み組成および目的組成を検討した。
まず、実施例7から15は、実施例1から6で最も優れた発光強度を示したb/m=7(実施例4)の試料について、今度は、o/m比を変化させた場合の発光強度について検討したものである。
実施例7から15を以下の手順により製造した。
原料として市販のSr(2N)、SrCO(3N)、Al(3N)、AlN(3N)、Si(3N)、Eu(3N)を準備し、原料仕込みの組成SrAlSi7.0:Eu(Eu/(Sr+Eu)=0.030、n=2/3m+a+4/3b−2/3o、m=1、a=1、b=7)で示される蛍光体において、Sr、Al、Siのモル比を、それぞれ1、1、7に固定し、o/m比をo/m=0(実施例7)とした以外は、実施例1と同様にして蛍光体試料を製造した。同様に、o/m=0.50(実施例8)、o/m=0.75(実施例9)、o/m=1.00(実施例10)、o/m=1.25(実施例11)、o/m=1.50(実施例12)、o/m=1.75(実施例13)、o/m=2.00(実施例14)、o/m=2.50(実施例15)の各試料を製造した。
製造した実施例7から15に係る試料についてピーク波長、発光強度を測定した。当該測定結果について表2、図3に示す。ここで、図3は縦軸に当該蛍光体試料の発光強度の相対強度をとり、横軸にはo/m比の値をとっている。尚、発光強度においては、o/m=1.75(実施例13)のピーク波長における発光強度の値を100%と規格化した。尚、励起光として波長405nmの光を用いた。
表2、図3の結果から明らかなように、当該各蛍光体の発光強度は、o/m比の値が大きくなるにつれ強くなり、o/m=1.75付近で最も強い発光強度を示した。
上述したように、実施例7から15は、実施例1から6で最も優れた発光強度を示したb/m=7(実施例4)の試料について、o/m比を変化させた場合の発光強度について調査をした結果である。b/m比だけでなく、さらにo/m比も最適化することにより、優れた発光強度を示す蛍光体が得られることが解った。実施例1から6では、b/m=7、o/m=1の試料において最も優れた発光強度を示したが、この実施例7から15では、b/m=7、o/m=1.75とすることで、さらに約20%発光強度が改善することが判明した。この理由としては、SrAlSi6−x1+x8−xで示される組成式から分かるように、Siのサイトの一部を、+IV価のSiよりイオン半径の大きな+III価のAlにより置換することで、電荷のバランスが崩れると共に結晶構造が歪んでしまうと考えられるが、その歪みを緩和するため、−III価であるNのサイトの一部を、Nよりイオン半径の小さな−II価であるOに置換することで電荷のバランスが保たれ、発光に適した結晶構造となるものと考えられる。したがって、AlやSiの比率によってOの適正量が変化すると考えられる。

次に、実施例16から24は、上述した実施例7から15において設定したb/m=7を、b/m=6.5に変更して検討したものである。
まず、実施例16から24を以下の手順により製造した。
原料仕込み組成式SrAlSi6.5:Eu(Eu/(Sr+Eu)=0.030、n=2/3m+a+4/3b−2/3o、m=1、a=1、b=6.5)で示される蛍光体において、Sr、Al、Siのモル比を、それぞれ1、1、6.5に固定し、o/m=0(実施例16)とした以外は、実施例1と同様にして蛍光体試料を製造した。同様に、o/m=0.50(実施例17)、o/m=0.75(実施例18)、o/m=1.00(実施例19)、o/m=1.25(実施例20)、o/m=1.50(実施例21)、o/m=1.75(実施例22)、o/m=2.00(実施例23)、o/m=2.50(実施例24)の各試料を製造した。
製造した実施例16から24に係る試料についてピーク波長、発光強度を測定した。当該測定結果について表3、図4に示す。ここで、図4は縦軸に当該蛍光体試料の発光強度の相対強度をとり、横軸にはo/m比の値をとっている。尚、発光強度においては、o/m=1.25(実施例20)のピーク波長における発光強度の値を100%と規格化した。尚、励起光として波長405nmの光を用いた。
表3、図4の結果から明らかなように、当該各蛍光体の発光強度は、o/m比の値が大きくなるにつれ強くなり、o/m=1.00からo/m=1.75付近で最も強い発光強度を示した。
実施例16から24は、実施例7から15の組成式におけるb/m比を、b/m=7からb/m=6.5に変更したものであるが、表3、図4の結果から、実施例16から24の結果と同様、b/m比を変化させると最適なo/m比も変化してしまうということが解る。つまり、実施例7から15にも記したように、SrAlSi6−x1+x8−xの構造式に即したAl、Si、O、Nのバランスをとることが重要である。また、仕込み組成時の酸素濃度の増加により試料の融点が低下し、それが試料の、固相反応の促進および結晶性の向上に働いていると考えられ、焼成時の焼成温度の低下や焼成時間の短縮にも利用できると考えられる。

(実施例25から30)
実施例25から30では、a/m比の値を変化させ、強い発光強度を有する蛍光体を得る為の仕込み組成および目的組成を検討した。
即ち、原料仕込みの組成SrAlSi6.5ON:Eu(Eu/(Sr+Eu)=0.030、n=2/3m+a+4/3b−2/3o、m=1、o=1、b=6.5)で示される蛍光体において、Sr、Si、Oのモル比を、それぞれ1、6.5、1に固定し、a/m比を0.5から2.0の範囲で設定した試料を混合・焼成し、発光強度を測定した。(b/m=6.5、o/m=1.0)
まず、実施例25から30を以下の手順により製造した。各試料の製造においては、原料として市販のSrCO(3N)、Al(3N)、AlN(3N)、Si(3N)、Eu(3N)を準備し、各原料を所定のa/m比となるように各原料の混合比を調整した以外は、実施例1と同様にして蛍光体試料を製造した。但し、a/m比の値は、a/m=0.50(実施例25)、a/m=0.75(実施例26)、a/m=1.00(実施例27)、a/m=1.50(実施例28)、a/m=1.75(実施例29)、a/m=2.00(実施例30)とした。
製造した実施例25から30に係る蛍光体試料について、励起光として波長405nmの光を照射し、ピーク波長、発光強度を測定した。そして、発光強度の測定においては、a/m=1.00(実施例27)のピーク波長における発光強度の値を100%と規格化して測定した。当該実施例25から30に係る蛍光体試料の原料仕込み量および測定結果について、表4、図5に示す。図5は縦軸に当該蛍光体試料の発光強度の相対強度をとり、横軸にはa/m比の値をとり、実施例25から30に係る蛍光体試料の発光強度をプロットしたグラフである。
表4、図5の結果から明らかなように、当該各蛍光体の発光強度は、a/m=1.00付近で最も強い発光強度を示した。このことから、b/m=6.5におけるAlの比率は、a/m=1.00付近が好ましいと考えられる。一方、a/mの値が1.25を超えると、発光特性として青色の発光も示すが、波長600nm付近に発光ピークをもつ黄色の発光も強くなる。この原因として、実施例7から15の説明と同様に、a/mの値が1.25を超えると、Al、Si、O、Nのバランスが崩れ、狙いの生成相とは異なる黄色や橙色を発光する不純物相が生成し、本来の青色の発光特性を低下させていると考えられる。
尤も、この波長600nm付近に発光ピークを持つ不純物相は、本発明者らが特願2005−61627に示したSr−Al−Si−O−N:Eu系の蛍光体に相当すると考えられる。そしてa/mの値が1.25を超えた蛍光体においては、本発明に係る青色蛍光体と、当該不純物相として生成した黄色や橙色蛍光体とが、同時に生成して混合していると考えられることから、波長250nmから430nmの励起光を照射することで、青色と黄色の光が混色されることで白色の発光色が得られるため、単独で白色発光を示す発光装置用蛍光体として利用可能であると考えられる。

(実施例31から35)
実施例31から35は、実施例20にて製造した蛍光体において、付活剤Z元素(Eu)の濃度と発光強度との関係を検討した。ここで、実施例20にて製造した蛍光体の組成式において、付活剤EuとSrとの関係がm+z=1となるように、SrとEuとの原料仕込み比を調整して測定試料を製造した。
まず、実施例31から35を以下の手順により製造した。
実施例20と同様に試料を製造するが、原料として市販のSrCO(3N)、AlN(3N)、Si(3N)、Eu(3N)の各原料の混合比を調整し、Eu付活濃度を、Eu/(Sr+Eu)=0.001(実施例31)、Eu/(Sr+Eu)=0.005(実施例32)、Eu/(Sr+Eu)=0.020(実施例33)、Eu/(Sr+Eu)=0.050(実施例34)、Eu/(Sr+Eu)=0.100(実施例35)として実施例20と同様に、実施例31から35の試料を製造した。
製造した実施例31から35に係る蛍光体試料について、励起光として波長405nmの光を照射し、ピーク波長、発光強度を測定した。
そして、発光強度の測定においては、Eu/(Sr+Eu)=0.050(実施例34)のピーク波長における発光強度の値を100%と規格化して測定した。当該実施例31から35に係る蛍光体試料の原料仕込み量および測定結果について、表5、図6に示す。図6は縦軸に当該蛍光体試料の発光強度の相対強度をとり、横軸にはEu/(Sr+Eu)の値をとり、実施例31から35に係る蛍光体試料の発光強度をプロットしたグラフである。
表5および図6の結果から明らかなように、Eu/(Sr+Eu)の値が小さな領域では、Eu/(Sr+Eu)の値の増加と共に発光強度は上昇し、Eu/(Sr+Eu)=0.050付近でピークとなる。これは、Eu/(Sr+Eu)=0.050付近が最も適正な付活剤濃度であり、付活剤濃度が0.05未満であれば、過剰なEuに起因する濃度消光が回避できたからであると考えられる。
一方、表5の結果から明らかなように、Eu/(Sr+Eu)の値の増加と共に、発光スペクトルのピーク波長の値が長波長側にシフトしていくことが確認された。

(実施例36から44)
実施例37から44では、実施例20の組成を有する蛍光体試料へ、MnO、SrF、BaCl、AlF、BaO、SrCl、GaN、LiCOを添加した試料を製造し、得られた蛍光体粉末の、平均粒子径(D50)、比表面積(BET)、および発光特性(発光強度、ピーク波長)を測定した。
まず、実施例36から44を以下の手順により製造した。
原料として市販のSrCO(3N)、AlN(3N)、Al(3N)、Si(3N)、Eu(4N)を準備し、添加剤としては市販のSrF、BaCl、AlF、MnO、BaO、SrCl、GaN、LiCOを準備した。実施例20と同様に各原料を秤量し混合原料とした。当該焼成前の混合原料中へ、各添加剤を1.0重量%添加し、大気中にて乳鉢を用いて混合した。ここで、実施例37ではMnOを、実施例38ではSrFを、実施例39ではBaClを、実施例40ではAlFを、実施例41ではBaOを、実施例42ではSrClを、実施例43ではGaNを、実施例44ではLiCOを、それぞれ添加した。実施例36へは添加剤を添加せず、実施例20と同様の組成とした。混合した原料をBNるつぼに入れ、炉内を一度真空引きした後、20.0L/minの流通状態とした窒素雰囲気中、炉内圧0.05MPaにて1800℃まで15℃/minで昇温し、1800℃で3時間保持・焼成した後、1800℃から50℃まで1時間30分間で冷却して焼成試料とした。その後、当該焼成試料を、大気中にて適当な粒径になるまで乳鉢を用いて解砕し、実施例36から44に係る蛍光体試料を得た。
製造した実施例36から44に係る蛍光体試料について、平均粒子径(D50)、比表面積(BET)を測定し、励起光として波長405nmの光を照射し、ピーク波長、発光強度を測定した。
そして、発光強度の測定においては、(実施例36)のピーク波長における発光強度の値を100%と規格化して測定した。当該測定結果を表6に示す。
表6の結果より、本発明に係る蛍光体の構成元素の塩であるSrFを添加した実施例38、およびAlFを添加した実施例40は無添加の実施例36と比較した場合、高い発光特性を維持したままBETの低い(または、平均粒子径D50の大きな)蛍光体粉末となっていた。また、各試料についてSEM観察を行った結果、いずれの試料も粒子表面が平滑であることが判明した。粒子表面が平滑であると、当該粒子を用いて蛍光体膜を作製したとき、緻密な膜を作製でき、例えば、当該蛍光体膜をディスプレイ用等の塗布型の蛍光体膜として使用した場合には、輝度の高い膜を得ることが可能となる。即ち、本発明に係わる蛍光体において、フッ素を含有させることにより、輝度の高い蛍光体や蛍光体膜を得られるという効果が得られることが判明した。
一方、BaClを添加した実施例39およびMnOを添加した実施例37を、無添加の実施例36と比較した場合、当該添加剤の添加により発光スペクトルのピーク波長が約5.0nm程度、長波長側にシフトすることが判明した。ここで、組成分析結果より、実施例39ではBaが2.0wt%、実施例37ではMnが1.2wt%含有されているという結果が得られていることから、蛍光体母体中にBa、Mnを固溶させたことにより、発光スペクトルのピーク波長を長波長側にシフトさせることができることが解った。当該シフトによって、視感度の高い長波長側に発光スペクトルがシフトすることとなるため、例えば、当該蛍光体を組み込んだ白色LEDの輝度を高めたり、様々な色味の白色LEDの製造もできる。
さらに、BaOを添加した実施例41、SrClを添加した実施例42、GaNを添加した実施例43、およびLiCOを添加した実施例44においても、無添加の実施例36と比較した場合、発光強度はほぼ変わらず、粒子径が小さな蛍光体粉末となっていた。即ち、添加剤として塩化物、酸化物、窒化物を用いた場合、ピークシフトによる輝度の高い蛍光体や、粒子径の低下による緻密な蛍光体膜を得られる場合があることが判明した。

(実施例45から実施例50)
実施例45から50では、a/m=0において、o/m比の値を変化させ、強い発光強度を有する蛍光体を得る為の仕込み組成および目的組成を検討した。
即ち、Alを含まない原料仕込みの組成SrSi:Eu(Eu/(Sr+Eu)=0.030、n=2/3m+a+4/3b−2/3o、a/m=0)で示される蛍光体において、Sr、Siのモル比を、それぞれ1、7に固定し、o/m比の値を0.0から1.5の範囲で設定した試料を製造し、発光強度を測定した。
まず、実施例45から50を以下の手順により製造した。
原料として市販のSr(2N)、Si(3N)、Eu(3N)を準備し、各元素のモル比がSr:Si:Eu=0.970:7:0.030となるように各原料を、Srを0.970/3mol、Siを7/3mol、Euを0.030/2mol秤量し、グローブボックス中にて乳鉢を用いて混合した。混合した原料をBNるつぼに入れ、炉内を一度真空引きした後、窒素雰囲気中(フロー状態、20.0L/min)、炉内圧0.05MPaで1800℃まで15℃/minで昇温し、1800℃で3時間保持・焼成した後、1800℃から50℃まで1時間30分間で冷却した。その後、焼成試料を大気中にて適当な粒径になるまで乳鉢を用いて解砕し、仕込み組成式SrSi10:Eu(但し、Eu/(Sr+Eu)=0.030)で示される実施例45の蛍光体を得た。
実施例46から実施例50においては、実施例45の試料のo/m比(酸素濃度)を0.5から1.5の範囲で設定した場合の特性変化を調査した。各試料の製造においては、原料として市販のSr(2N)、Si(3N)、Eu(3N)以外に、酸素を供給する原料としてSrCO(3N)、SiO(3N)を準備し、各原料を所定のモル比で仕込むことにより実施例45の試料のN(窒素)の一部をO(酸素)に置換した以外は、実施例45と同様にして作製した。
設定したo/m比が、o/m=0.50(実施例46)、o/m=0.75(実施例47)については、原料としてSr、SrCO、Si、Euを使用し、o/m=1.00(実施例48)については、SrCO、Si、Euを使用し、o/m=1.25(実施例49)、o/m=1.50(実施例50)については、SrCO、SiO、Si、Euを使用している。
例えば、実施例46においては、SrCOを0.50mol、Srを(0.970−0.50)/3mol、Siを7/3mol、Euを0.030/2mol秤量すると良く、実施例49においては、SrCOを0.970mol、SiOを(1.25−1.00)/2mol、Siを(7−(1.25−1.00)/2)/3mol、Euを0.030/2mol秤量すると良い。
製造した実施例45から50に係る蛍光体試料について、励起光として波長405nmの光を照射し、ピーク波長、発光強度を測定した。当該測定結果について、表7、図7に示す。ここで、図7は縦軸に当該蛍光体試料の発光強度の相対強度をとり、横軸にはo/m比の値をとっている。尚、発光強度においては、o/m=1.25(実施例49)のピーク波長における発光強度の値を100%とした。
表7、図7の結果から明らかなように、当該各蛍光体の発光強度は、o/m比の値が大きくなるにつれ強くなり、o/m=1.25のとき最も強い発光強度を示す。さらに、o/m比の値が1.50以上になると発光強度は著しく低下した。
これは、N(窒素)の一部をO(酸素)で置換することにより、母体が吸収した励起光からのエネルギーを発光中心まで効率よく伝達できる構造になったこと、および、Sr原料として用いたSrCOがフラックスとして働き、固相反応を促進したためと考えられる。しかし、o/m比が1.25より大きくなった場合には、試料がガラス化してしまい、発光中心となるEuイオンの周囲の構造が不規則になってしまうため、発光中心同士の間隔にバラツキが生じてしまい、発光強度が低下したと考えられる。
つまり、酸素を含まない実施例45よりも、若干の酸素を含んだ実施例46から50の組成の方が、結晶構造が最適化され、優れた発光特性の蛍光体を得ることが可能となる。
尚、表7に示した焼成後の蛍光体の組成分析結果より、SiとOとが、仕込み組成式よりも減少している傾向が見られた。従って、実施例45から50においては、Siの少ないSrSiを母体としたSrSi:Eu、または、SrAlSi6−x1+x8−xの構造であってx=0の組成であるSrSiO:Euという従来報告されたことのない新規な構造を有する蛍光体が生成していると考えられる。

(実施例51、52)
実施例51、52においては、蛍光体試料中における酸素濃度の均一化やEu元素の均一分散を実現することを目的とし、焼成工程において、焼成を複数回数に分けて行った。
まず、実施例51では、原料としてSrCO(3N)、AlN(3N)、Si(3N)、Eu(3N)を準備し、蛍光体試料中における各元素のモル比がSr:Al:Si:Eu=0.950:1:6.0:0.050となるように、各原料を、SrCOを0.950mol、AlNを0.83mol、Alを0.08mol、Siを6/3mol、Euを0.050/2mol秤量した。当該秤量された各原料を、大気中にて乳鉢を用いて混合した。つぎに、混合された原料をBNるつぼに入れ焼成炉内に設置し、炉内を一度真空引きした後、流通する窒素雰囲気中(窒素フロー量を20.0L/minとした。)、炉内圧0.05MPaにおいて、1600℃まで15℃/minで昇温し、1600℃で3時間保持して1回目の焼成を行った後、1600℃から50℃まで1時間30分間で冷却した。
その後、焼成試料を炉内から取り出し、大気中にて、適当な粒径になるまで乳鉢を用いて解砕し、再度るつぼに入れ焼成炉内に設置した。そして、炉内を一度真空引きした後、流通する窒素雰囲気中(窒素フロー量を20.0L/minとした。)、炉内圧0.05MPaにおいて、1800℃まで15℃/minで昇温し、1800℃で3時間保持して2回目の焼成した後、1800℃から50℃まで1時間30分間で冷却し焼成試料を炉内から取り出した。得られた試料を大気中にて適当な粒径になるまで乳鉢を用いて解砕し、実施例51の蛍光体を得た。
次に、実施例52においては、実施例51と同様の焼成条件ではあるが、2回目の焼成の際、窒素雰囲気を流通させずに焼成炉内を密閉して焼成を行い、試料を製造した。
製造した実施例51、52に係る試料について、発光特性として、発光のピーク波長、発光強度を測定した。当該測定結果を表8に示す。尚、発光強度の測定においては、前述した実施例20のピーク波長における発光強度の値を100%と規格化して測定した。尚、励起光として波長405nmの単色光を用いた。
表8の結果から明らかなように、焼成工程において、焼成を複数回に分けて行うことにより、製造される蛍光体試料の発光強度が10%以上向上することが判明した。これは、1回目の焼成後の蛍光体試料を混合・攪拌したことと、当該混合・攪拌された蛍光体試料に対し、2回目以降の焼成を行うこととで、蛍光体試料において組成の一層の均一化が起こり、発光特性が向上したものと考えられる。
加えて、実施例51、52に係る試料を比較してみると、実施例52では、実施例51よりさらに発光特性の向上が見られた。
これは、蛍光体試料の焼成時においては、高温のために酸素の減少が急速に進むが、2回目以降の焼成の際、窒素雰囲気を流通させずに焼成炉内を密閉して焼成を行ったことで、蛍光体試料中の過剰な酸素を放出させ、且つ、適正な蛍光体組成の維持に必要な酸素量を超えて酸素が減少してしまう現象を抑える効果が発揮されたものと考えられる。従って、焼成炉内を密閉して焼成を行う為には、密閉前の焼成段階において、蛍光体試料中の酸素濃度を、適正な蛍光体組成の維持に必要な酸素量に調製しておく。具体的には、当該蛍光体試料中の酸素濃度決定用の試料を作製し、条件を振りながら1回目の焼成を行って最適酸素濃度を求めた。
焼成炉の密閉方法としては、蛍光体試料が装填されたるつぼに蓋をする方法などが簡便で好ましいが、雰囲気ガスの流通を停止させることによっても密閉の効果が得られるため、雰囲気ガスの流通を所定時間停止する方法でも、同様に密閉の効果を得ることが出来る。

(実施例53、54、55、56、57)
実施例53から57は、実施例20に係る蛍光体試料と同様であるが、当該蛍光体試料のSr元素をCa元素、Ba元素に代替した蛍光体試料を製造したものである。
まず、実施例53から57に係る蛍光体試料の製造においては、蛍光体の原料であるSrCO(3N)、CaCO(3N)、BaCO(3N)を、所定のモル比で配合し仕込むことにより、蛍光体試料組成式中のM元素の組成を変更したものである。ここで、M元素として1種以上の元素を混合使用する際には、これら複数の元素を含むM元素の合計のモル数が一定となるように調整して混合した。具体的には、調整されたM元素の配合比を、実施例20の試料のM元素においてSr1.0としたとき、実施例53の試料はSr0.75:Ba0.25、実施例54の試料はSr0.5:Ba0.5、実施例55の試料はSr0.25:Ba0.75、実施例56の試料はBa1.0、実施例57の試料はCa0.25:Sr0.75とした。そして、蛍光体試料の製造方法は、実施例20と同様に行い、製造された実施例53から57に係る蛍光体試料の発光強度および輝度を測定した。
当該測定結果について、表9を参照しながら説明する。尚、発光強度および輝度の測定においては、実施例20に係る蛍光体試料の発光のピーク波長における、発光強度および輝度の値を100%と規格化した。尚、励起光として波長405nmの光を用いた。
表9の結果より、M元素がSrからCa、Baに代替されることにより、発光波長は460nm付近となり、実施例20よりも長波長側にシフトする傾向が見られた。一方、発光強度および輝度は、実施例20よりもやや低下する傾向が見られた。しかし、M元素におけるSr元素のBa元素置換率が50%以下であれば、蛍光体試料の発光強度をそれほど低下させることなく、発光波長を長波長側にシフトさせることが可能なことも判明した。従って、M元素におけるSr元素のBa元素置換率は、長波長の発光色を得る為には有用な方法であることが判明した。

(XRDの測定結果による蛍光体中の不純物の検討)
図8に示す実施例13、20、45、49、52の各蛍光体の粉末法によるX線回折パターンと、図2に示す実施例2、4、6の各蛍光体についての粉末法によるX線回折パターンとを比較することにより、XRDの測定結果による蛍光体中の不純物の検討を行った。
図8の回折パターンから明らかなように、実施例13、20、45、49、52の各蛍光体は、CoKα線を用いた粉末法によるX線回折パターンにおいて、ブラッグ角度(2θ)が、35°から37°の範囲に最も強度の強い回折ピークを示す。さらに、当該粉末法によるX線回折パターンのブラッグ角度(2θ)が、23.6°から25.6°、33°から35°、39.7°から40.7°、43°から44°の範囲にそれぞれ、2つ、2つ、1つ、1つの特徴的な回折ピークが見られ、ブラッグ角度(2θ)が、35°から37°の範囲に見られる最も強度の強い回折ピークの相対強度を100%としたとき、これらの回折ピークの相対強度は2.0%以上、40%以下の回折ピークを示す。
また、図8に示す実施例13、20、45、49、52の各蛍光体についての粉末法によるX線回折パターンにおいても、図2に示す実施例2、4、6と同様、ブラッグ角度(2θ)が26°から33°、38.7°から39.7°、42.0°から42.8°の範囲にある回折ピーク強度は、小さいほど好ましい。具体的には、ブラッグ角度(2θ)が、35°から37°の範囲に見られる最も強度の強い回折ピークの相対強度を100%としたとき、相対強度が10%以下であることが好ましい。結晶相の解析結果からも、上記範囲に見られる回折ピークを示す相は、波長400nm〜500nmの範囲に発光スペクトルのピークを示す相とは異なる不純物相であると考えられる。
さらに、図2、8に示すCoKα線を用いた粉末法によるX線回折パターンにおいて、ブラッグ角度(2θ)が、35°から37°の範囲にある最も強度の強い回折ピークに注目すると、実施例45、49に示したAlが混入していない回折パターンでは回折ピークが1つなのに対し、実施例2、4、6、13、20、52の各蛍光体では、構成元素にAlが含まれることによって、ピークが2つになっていることが解る。実施例2、4、6、13、20、52の各蛍光体は実施例45、49よりも発光特性が優れている結果から判断して、当該Alが含まれピークが2つになったものの方が、発光特性が優れている傾向にあることが解った。
(蛍光体の組成分析、粒径、真密度の検討)
実施例13、実施例20、実施例49、実施例52において製造した試料の組成分析結果、粒径、真密度の検討をおこなった。
各蛍光体について、組成分析、平均粒径、比表面積の結果を表10、実施例20の試料のSEM写真を図9に示す。ここで、図9では、(A)が250倍の写真であり、(B)が1000倍の写真である。
まず、表10に示す組成分析の結果についてみると、構成元素の構成比から求めた理論値と組成式SrAlSi6−x1+x8−xとの間にズレはあるものの、実施例13、20、52においてはx=0.8〜0.9、実施例49においてはx=0のときの値と等しい値となっている。当該ズレの要因としては、測定誤差や蛍光体作製中に混入した不純物によるものとも考えられるが、試料中に不純物として存在するSiのため、見掛け上SrやAlの比率が低く出ている為とも考えられる。加えて、実施例13、20、52の酸素量は理論組成よりも数%低めになっていることから、生成した試料は、理論組成よりも酸素が欠損した構造か、または少ない構造となっている可能性がある。従って、製造条件を制御することで、蛍光体試料中の酸素量を適正に調整することが出来れば、より結晶構造が適正化され効率の高い蛍光体が得られると考えられる。 なお、実施例13、20、42、52のいずれの試料とも、Fe、Ni、Co元素の濃度は100ppm以下であり、C,Bの濃度についても200ppm以下であり、発光特性を低下させる元素濃度は非常に少ない分析結果であった。
また、実施例13、20、49、52の試料について、レーザー回折散乱法で平均粒子径(D50)を測定したところ、いずれの試料も1.0μm以上、50.0μm以下であり、ペーストにして塗布した際には塗布密度を上げることができ、発光強度および輝度の高い塗布膜を得ることが可能となる。また、図9のSEM写真から明らかなように、得られた蛍光体粉末は粒径50.0μm以下の1次粒子と、当該1次粒子が凝集した凝集体を含み、当該1次粒子および凝集体からなることが解る。なお、一次粒子が成長するにつれ板状の粒子の形成が見られるため、結晶性の向上および発光特性の向上という点からは、1次粒子中に板状粒子を含むことが好ましい。
さらに実施例13、20、49、52の試料について真密度測定を行ったところ、各蛍光体は、3.42g/cc付近の数値を示していることが判明した。尚、真密度の測定にはQUANTACHROME社製のUltrapycnometer 1000を使用した。理想的なSrAlSi1014構造において真密度は3.60g/cc 付近の数値を示すが、当該蛍光体の親密度は理想値に比べ低い値となった。この原因として、生成した当該蛍光体試料は、組成分析結果に示すように理論組成よりも酸素が欠損しているか、または少ない構造となっている為であると考えられる。即ち、酸素原子が欠損した分もしくは減少した分の真密度が低下したか、または、当該蛍光体試料の生成相が、真密度の低いSiと混在しているため、見掛け上真密度が低下したとも考えられる。尤も、当該蛍光体試料は、酸素原子の欠損、不純物相の含有があったとしても、上述のように良好な発光特性を示していることから、本発明に係る蛍光体の真密度は、3.40g/ccから3.65g/ccの範囲あれば良いことが解った。

実施例13、20、49、52に係る各蛍光体試料のXRDパターンから、各蛍光体試料の結晶格子の格子定数と結晶体積、蛍光体の結晶子サイズについて解析を行った。解析結果を表11に示す。解析結果から、実施例13、20、49、52に係る各蛍光体試料の結晶体積は345Å以上、385Å以下であり、各結晶格子の格子定数aは7.85Å以上、8.28Å以下、bは9.26Å以上、9.58Å以下、cは4.80Å以上、4.92Å以下であり、結晶子サイズは50nm以上であった。ここで、各蛍光体試料の発光特性と結晶格子体積との関連をみると、結晶格子体積の増加と共に発光特性が向上している。即ち、結晶格子体積としては353Å以上がより好ましいことが判明した。
次に、図8に示した実施例13、20、49、52に係る各蛍光体試料のXRDパターンを解析した結果、いずれの蛍光体粉体とも(130)面の回折強度が高く選択配向しており、2bサイトの酸素原子が欠損していることが判明した。
一方、実施例52で得られた蛍光体粉体は、実施例13、20、49で得られた蛍光体粉体に比較して2bサイトの酸素原子の欠損量が少なく、また、表10に示す組成分析結果からも、蛍光体粉体中の酸素濃度がやや高い。従って、実施例52で得られた蛍光体粉体は、結晶格子中の欠損した酸素サイトに酸素原子が補充され、より適正化されることにより結晶格子体積が増加し、発光特性が向上したものと考えられる。

(蛍光体の温度特性の検討)
表12、図10は実施例13、20、49、52の試料について、25℃から300℃における発光強度の温度特性を測定した結果である。
まず、蛍光体の温度25℃における発光強度P25、温度T℃における発光強度P、および当該発光強度の変化の測定について説明する。
上記発光強度P25とは、当該蛍光体を25℃の環境に置き、後述する所定波長の励起光を照射した際に、当該発光体が発する光のスペクトルを測定する。当該測定スペクトル中で最大の強度を有するピークを最大ピークとして定め、そのピークの相対強度の値をP25とし、この値を1.0とする。次に、当該蛍光体を25℃より昇温してT℃の環境に置き、25℃での測定時と同様の励起光を照射し、当該蛍光体が発する光のスペクトルを測定する。当該測定スペクトル中において、25℃測定時に最大ピークと定めたピークに相当するピークの相対強度を求め、その値をPとする。
表12は実施例13、20、49、52の試料に、波長405nmの光を励起光として用い、試料の温度を変化させた場合の結果示し、図10は横軸に測定温度T℃、縦軸に発光強度の相対強度をとったグラフである。尚、図10に係るグラフの縦軸の発光強度の相対強度は、上述の通り、各試料P25を基準として1.0とし、横軸の測定温度は25℃、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃である。そして、実施例13を細実線、実施例20を細破線、実施例49を太実線、実施例52を一点鎖線でプロットした。
表12、図10の結果から、実施例13、20、49、52の蛍光体は、発光部の発熱などにより蛍光体の温度が上昇した場合(白色LED照明では100℃から200℃付近迄上昇すると考えられる。)にも、蛍光体の発光強度の低下が小さいため、高い発光強度および高輝度を維持して色調の変化が少ない発光を得ることができ、照明装置に使用される蛍光体として適していると考えられる。
ここで、上述した観点からすると、蛍光体の発光強度における室温から200℃での低下率は50%以下((P25−P200)/P25≦0.50)であること、さらに、室温から100℃における低下率は15%以下((P25−P200)/P25≦0.15)であることが好ましい。そして、蛍光体の発光強度における温度特性においては、構成元素にAlを含まない実施例49に比べ、構成元素にAlを含む実施例13、20、52の方が改善されており、特に、実施例13、20、52のなかでも蛍光体組成中の酸素濃度が多い実施例52は、発光特性と共に温度特性も改善されていることが判明した。これは蛍光体組成中の酸素濃度が適正化されることにより蛍光体の結晶構造全体が適正化されたことで、周囲の温度変化に対し、安定且つ強固な結晶構造を形成したためであると考えられる。

(比較例3〜5)
比較例3〜5に係る試料と、上述した実施例13、20、45、49、51、52の試料とを比較する。
比較例3について説明する。
比較例3は、刊行物「On new rare−earth doped M−Si−Al−O−N materials」 Van Krevel著、TU Eindhoven 2000、ISBN 90−386−2711−4、および、特表2003−515655号公報に記載されている蛍光体BaSi10:Euにおいて、BaをSrに置き換えた蛍光体SrSi10:Euに相当すると考えられる蛍光体である。これらの文献には、組成式BaSi10:Euを有する蛍光体を1400℃から1565℃の焼成で製造し、波長640nm〜680nmの範囲に発光スペクトルのピークを持つ赤色蛍光体を製造した旨が記載されている。そこで、実施例45と組成は同様であるが、焼成温度を1600℃とした蛍光体試料を製造し比較例3とした。
比較例4、5について説明する。
比較例4は、現在、近紫外・紫外LEDとR・G・Bその他蛍光体とを組合わせて作製されている白色LED照明の青色蛍光体として使用されている、市販のBaMgAl1017:Eu(BAM:Eu)蛍光体である。
比較例5は、現在、近紫外・紫外LEDとR・G・Bその他蛍光体とを組合わせて作製されている白色LED照明の青色蛍光体として使用されている、市販の(Sr,Ca,Ba,Mg)10(POCl:Eu蛍光体である。
製造した比較例3〜5に係る試料についてピーク波長、発光強度を測定し、比較例4、5に係る試料について励起スペクトルを測定した。
当該測定結果を実施例13、20、49、51、52の試料と伴に、表13、発光スペクトルを図11、励起スペクトルを図12に示す。実施例13は太実線、実施例20は細実線、実施例49は太破線、実施例51は太一点鎖線、実施例52は長破線、比較例3は細破線、比較例4は細一点鎖線、比較例5は細二点鎖線で示した。
そして、図13に、実施例45と比較例3に係る蛍光体の粉末法によるX線回折パターンの測定結果を示す。
まず、実施例45と比較例3とについて検討する。
表7、13、図11、13の結果から明らかなように、実施例45と比較例3では、異なる焼成温度を用いて組成式SrSi10:Eu(但し、Eu/(Sr+Eu)=0.030)で示される蛍光体を製造しているが、当該焼成温度である1600℃と1800℃とでは、全く異なる特性を示す蛍光体が生成され、実施例45に係る蛍光体は1600℃の焼成では生成しないことが判明した。
ここで、1800℃で焼成した実施例45には表7に示すように、波長400nm〜500nmの範囲に発光スペクトルのピークが見られるが、比較例3では、波長400nm〜500nmの範囲に発光スペクトルのピークを確認することができず、波長625nm付近に発光スペクトルのピークが見られる。
また、図13に示すように、実施例45に見られる波長400nm〜500nmの範囲に発光スペクトルのピークを示す相の代表的な回折ピークが、比較例3の回折パターンからは確認できないか、できたとしても強度は非常に弱い。従って、焼成温度が1600℃以下であれば、波長400nm〜500nmの範囲に発光スペクトルのピークを持つ本発明に係る蛍光体の相は生成していないものと考えられる。
次に、実施例13、20、49、51、52と、比較例4、5とについて検討する。
表13、図11、図12の結果から明らかなように、実施例13、20、49、51、52の各蛍光体は、波長405nmの光を照射した際に、比較例3および、現在LED照明用青色蛍光体として使用されている比較例4のBaMgAl1017:Eu(BAM:Eu)、および、比較例5の(Sr,Ca,Ba,Mg)10(POCl:Eu蛍光体に比べ、約40%発光強度が強く、また、励起帯については、酸化物蛍光体である比較例4や、ハロりん酸塩蛍光体である比較例5と比較して共有結合の割合が多いため、若干長波長側まで良好な励起帯を持っている。特に波長300nmから430nmの範囲において優れた励起帯を有していることが解る。よって、近紫外・紫外LEDとR・G・Bその他蛍光体とを組合わせて作製される白色LED照明の青色蛍光体として使用することで、より高輝度な白色LED照明を得ることが可能となる。
また、図12に示すように、実施例13、20、49、51、52に係わる蛍光体の励起帯については、比較例4に係る酸化物蛍光体や、比較例5に係るハロりん酸塩蛍光体と比較して、長波長側まで平坦で良好な励起帯を持っており、特に波長300nmから430nmの範囲において優れた励起帯を有していることが解った。
ここで、波長400nmから500nmに最大発光ピークを持つ青色の蛍光体において、励起源として波長350nm以上の紫外または近紫外の波長を用いる発光装置に用いる場合、波長350nmから430nmの単色光で励起したとき、波長400nmから500nmにおける発光スペクトルの最大発光強度をPmaxとし、最小の発光強度をPminとしたとき、Pmin/Pmaxが30%以上であることが好ましい。この観点から、図12で示す波長250nm以上に励起スペクトルを有し、波長400nmから500nmに最大発光ピークを持つ青色の蛍光体である実施例13、20、49、51、52に係る蛍光体は、表10に示すようにPmin/Pmaxが30%以上を示し、励起光を発する発光素子の波長バラツキがあっても、効率よく安定して発光する蛍光体として用いることができ、白色光の色調のバラツキを抑えることが可能となる。一方、比較例4、5のPmin/Pmaxの値は表13に示すようにPmin/Pmaxが22%以下を示し、励起光を発する発光素子の波長バラツキがあった場合、白色光の色調のバラツキを抑えることが困難であることが判明した。

(蛍光体を組み込んだ発光装置としての評価)
(実施例58)
実施例58おいては、波長405nmに発光する発光素子(LED)で励起させた場合に、相関色温度5200Kの発光を行う蛍光体混合物を製造し、当該蛍光体混合物の発光特性、演色性を評価した。
1)蛍光体の準備
青色蛍光体SrAl0.8Si5.21.87.2:Eu(実施例20の蛍光体)は実施の形態で説明した方法により製造、準備した。
緑色蛍光体SrAlSi10ON16:Ceを、以下の方法により製造した。
市販のSrCO(2N)、AlN(3N)、Si(3N)、CeO(3N)を準備し、焼成後の各元素のモル比がSr:Al:Si:Ce=0.970:1:5:0.030となるように各原料を秤量し、大気中において乳鉢を用いて混合した。混合した原料を、粉末の状態で窒素雰囲気中で1800℃まで15℃/minの昇温速度で昇温し、1800℃で3時間保持・焼成した後、1800℃から200℃まで1時間で冷却し、組成式SrAlSi10ON16:Ceの蛍光体を得た。得られた試料を粉砕、分級し準備した。
また、赤色蛍光体CaAlSiN:Euを、以下の方法により製造した。
市販のCa(2N)、AlN(3N)、Si(3N)、Eu(3N)を準備し、各元素のモル比がCa:Al:Si:Eu=0.970:1:1:0.030となるように各原料を秤量し、窒素雰囲気下のグローブボックス中において乳鉢を用いて混合した。混合した原料を、窒素雰囲気中で1500℃まで15℃/minの昇温速度で昇温し、1500℃で3時間保持・焼成した後、1500℃から200℃まで1時間で冷却し、組成式CaAlSiN:Euの蛍光体を得た。得られた試料を粉砕、分級し準備した。
2)蛍光体混合物の調製
前記SrAl0.8Si5.21.87.2:Eu、SrAlSi10ON16:Ce、およびCaAlSiN:Euの3種類の各蛍光体を、波長403.5nmの励起光で励起させた場合の発光スペクトルを測定し、当該発光スペクトルから蛍光体混合物の相関色温度が5200Kとなる相対混合比をシミュレーションにより求めた。シミュレーションの結果は、(SrAl0.8Si5.21.87.2:Eu):(SrAlSi10ON16:Ce):(CaAlSiN:Eu)=31.8:65.2:3.0であったので、当該結果に基づき、各蛍光体を秤量し混合して蛍光体混合物を得た。但し、発光部の発光波長(蛍光体混合物の励起波長)、当該発光波長による蛍光体の発光効率により、好ましい混合比がシミュレーションの結果よりずれる場合がある。このような場合には、適宜、蛍光体の配合比を調整して、実際の発光スペクトル形状を整えればよい。
3)発光素子での評価
窒化物半導体を有する紫外光のLED(発光波長403.5nm)を発光部とし、当該LED上に、前記蛍光体混合物と樹脂の混合物を設置した。当該蛍光体と樹脂の混合比は前記結果を基に色温度5200K相当の昼白色が得られるよう調整し、公知の方法で当該LEDの発光部と組み合わせて白色LED照明(発光装置)を作製した。結果、得られた白色LED照明の発光素子に20mAを通電させた際の発光スペクトルを図14に示す。この図14は、縦軸に相対発光強度をとり、横軸に発光波長(nm)をとったグラフである。
当該蛍光体混合物は、発光部が発する紫外光により励起・発光し、波長400nmから700nmの範囲にブロードなピークを有する発光スペクトルの白色光を放つ白色LED照明を得ることが出来た。当該発光の色温度または色度を測定したところ、色温度5193K、x=0.3402、y=0.3529であった。また、白色LED照明の平均演色係数(Ra)は91、特殊演色係数R9は74、R10は80、R11は90、R12は78、R13は91、R14は95、R15は91であった。さらに、混合する蛍光体の配合量と樹脂配合量とを適宜変更することにより、異なる色温度の発光色を得ることもできた。
実施例58の色度、演色評価数、色温度等の測定データの一覧表を表14に記載する。

(実施例59)
実施例59では、実施例58で製造した蛍光体混合物を樹脂中に分散させて蛍光体シートを作製し、当該蛍光体シートとLED素子を組み合わせて白色LEDを製造した。
まず、媒体となる樹脂としてシリコン系樹脂を用い、実施例58に係る蛍光体混合物を10wt%分散させ蛍光体シートを製造した。次に、当該蛍光体シートを、図15(C)の符号1に示す様に、波長405nmの光を放出するLED素子上に設置したLEDを製造した。そして、当該LEDを発光させたところ実施例58と同様に白色光を発光させることが出来た。
実施例1から6、比較例1、2の各蛍光体について発光強度を測定した測定結果を示すグラフである。 実施例2、4、6、比較例2の各蛍光体の粉末法によるX線回析パターンを測定した測定結果、及び、JCPDSカード(53−0636)のSrAlSi1014の結晶構造を基にシュミレートした回折パターンと、SrAlSi1014の結晶構造を基に、実施例4のX線回折パターンをリートベルト解析して求めたシミュレーション結果を示すグラフである。 実施例7から15の各蛍光体について発光強度を測定した測定結果を示すグラフである。 実施例16から24の各蛍光体について発光強度を測定した測定結果を示すグラフである。 実施例25から実施例30の各蛍光体について発光強度を測定した測定結果を示すグラフである。 実施例31から実施例35の各蛍光体について発光強度を測定した測定結果を示すグラフである。 実施例45から実施例50の各蛍光体について発光強度を測定した測定結果を示すグラフである。 実施例13、20、45、49、52の各蛍光体について粉末法によるX線回析パターンの測定結果を示すグラフである。 実施例20の蛍光体粉末を示すSEM写真である。 実施例13、20、49、52の各蛍光体について発光強度の温度特性を示すグラフである 実施例13、20、49、51、52及び比較例3、4、5の各蛍光体について発光スペクトルを示すグラフである。 実施例13、20、49、51、52及び比較例4、5の各蛍光体について励起スペクトルを示すグラフである。 実施例45と比較例3の蛍光体の粉末法によるX線回析パターンの測定結果を示すグラフである。 蛍光体混合物と発光部とを組み合わせた発光装置の発光スペクトルを示すグラフである。 砲弾型LED発光装置を示す模式的な断面図である。 反射型LED発光装置を示す模式的な断面図である。
符号の説明
1 混合物
2 発光素子
3 リードフレーム
4 樹脂
5 容器
8 反射面
9 透明モールド材

Claims (33)

  1. 一般式MmAaBbOoNn:Zで表記される蛍光体であって(M元素はII価の価数をとる1種類以上の元素であり、A元素はIII価の価数をとる1種類以上の元素であり、B元素はIV価の価数をとる1種類以上の元素であり、Oは酸素であり、Nは窒素であり、Zは1種類以上の付活剤である。)、
    5.0<(a+b)/m<9.0、0≦a/m≦2.0、0≦o<n、n=2/3m+a+4/3b−2/3oであり、波長250nmから430nmの範囲の光で励起したとき、発光スペクトルにおける最大ピーク波長が400nmから500nmの範囲にあることを特徴とする蛍光体。
  2. 請求項1に記載の蛍光体であって、
    0.0≦a/m≦2.0、4.0≦b/m≦8.0、6.0≦(a+b)/m≦8.0、0.0<o/m≦3.0であることを特徴とする蛍光体。
  3. 請求項1または2に記載の蛍光体であって、
    0≦x≦2としたとき、a=x×m、b=(6−x)×m、o=(1+x)×m、n=(8−x)×m、であることを特徴とする蛍光体。
  4. 請求項1から3のいずれかに記載の蛍光体であって、
    波長350nmから430nmの範囲の単色光で励起したとき、波長400nmから500nmの範囲における発光スペクトルの最大の発光強度をPmaxとし、最小の発光強度をPminとしたとき、Pmin/Pmaxが30%以上あることを特徴とする蛍光体。
  5. 請求項1から4のいずれかに記載の蛍光体であって、
    M元素はMg、Ca、Sr、Ba、Zn、II価の価数をとる希土類元素、から選択される1種類以上の元素であり、
    A元素はAl、Ga、In、Tl、Y、Sc、P、As、Sb、Bi、から選択される1種類以上の元素であり、
    B元素はSi、Ge、Sn、Ti、Hf、Mo、W、Cr、Pb、Zr、から選択される1種類以上の元素であり、
    Z元素は希土類元素、遷移金属元素から選択される1種類以上の元素であることを特徴とする蛍光体。
  6. 請求項1から5のいずれかに記載の蛍光体であって、
    M元素はMg、Ca、Sr、Ba、Znから選択される1種類以上の元素であり、
    A元素はAl、Ga、Inから選択される1種類以上の元素であり、
    B元素はSiおよび/またはGeであり、
    Z元素はEu、Ce、Pr、Tb、Yb、Mnから選択される1種類以上の元素であることを特徴とする蛍光体。
  7. 請求項1から6のいずれかに記載の蛍光体であって、
    M元素はSr、A元素はAl、B元素はSi、Z元素はEu、であることを特徴とする蛍光体。
  8. 請求項1から7のいずれかに記載の蛍光体であって、
    一般式MmAaBbOoNn:Zzと表記したとき、M元素とZ元素とのモル比であるz/(m+z)の値が、0.0001以上、0.5以下であることを特徴とする蛍光体。
  9. 請求項1から8のいずれかに記載の蛍光体であって、
    16.0重量%以上、25.0重量%以下のSrと、2.0重量%以上、9.0重量%以下のAlと、0.5重量%以上、11.5重量%以下のOと、23.0重量%以上、32.0重量%以下のNと、0を超え3.5重量%以下のEuとを含み、波長250nmから430nmの範囲の光で励起したとき、発光スペクトルにおける最大ピーク波長が400nmから500nmの範囲にあることを特徴とする蛍光体。
  10. 請求項1から9のいずれかに記載の蛍光体であって、
    CoKα線を用いた粉末法によるX線回折パターンにおいて、ブラッグ角度(2θ)が35°から37°の範囲に最も強度の強い回折ピークを示し、さらに、当該粉末法によるX線回折パターンのブラッグ角度(2θ)が、23.6°から25.6°、33°から35°、39.7°から40.7°、43°から44°の範囲にそれぞれ、2つ、2つ、1つ、1つの特徴的な回折ピークが見られ、ブラッグ角度(2θ)が35°から37°の範囲に見られる最も強度の強い回折ピークの相対強度を100%としたとき、これらの回折ピークの相対強度は2.0%以上、40%以下を示すことを特徴とする蛍光体。
  11. 請求項1から10のいずれかに記載の蛍光体であって、
    当該蛍光体に含まれる生成相の結晶が、斜方晶系の構造をもつことを特徴とする蛍光体。
  12. 請求項1から11のいずれかに記載の蛍光体であって、
    当該蛍光体に含まれる生成相の結晶格子の単位体積が、345Å以上、385Å以下であることを特徴とする蛍光体。
  13. 請求項1から11のいずれかに記載の蛍光体であって、
    当該蛍光体に含まれる生成相の結晶格子の単位体積が、353Å以上、385Å以下であることを特徴とする蛍光体。
  14. 請求項1から13のいずれかに記載の蛍光体であって、
    当該蛍光体に含まれる生成相の結晶格子の格子定数が、aは7.85Å以上、8.28Å以下、bは9.26Å以上、9.58Å以下、cは4.80Å以上、4.92Å以下であることを特徴とする蛍光体。
  15. 請求項1から14のいずれかに記載の蛍光体であって、
    当該蛍光体粒子に含まれる生成相の結晶子の大きさ(Dx)が、50nm以上であることを特徴とする蛍光体。
  16. 請求項1から14のいずれかに記載の蛍光体であって、
    当該蛍光体粒子に含まれる生成相の結晶子の大きさ(Dx)が、80nm以上であることを特徴とする蛍光体。
  17. 請求項1から16のいずれかに記載の蛍光体であって、
    粒径50μm以下の1次粒子と、当該1次粒子が凝集した凝集体を含み、当該1次粒子および凝集体を含んだ蛍光体粉末の平均粒子径(D50)が、1.0μm以上、50μm以下であることを特徴とする蛍光体。
  18. 請求項1から17のいずれかに記載の蛍光体の製造方法であって、
    当該蛍光体の原料粉体を秤量、混合して混合物を得る工程と、
    前記混合物を焼成炉内で焼成して焼成物を得る工程と
    前記焼成物を解砕して蛍光体を得る工程とを有し、
    前記混合物を焼成して焼成物を得る工程において、当該焼成時の雰囲気ガスとして、窒素、希ガス等の不活性ガス、アンモニア、アンモニアと窒素の混合ガス、または、窒素と水素の混合ガスのいずれかを用いることを特徴とする蛍光体の製造方法。
  19. 請求項18に記載の蛍光体の製造方法であって、
    前記該焼炉内の雰囲気ガスとして、窒素ガスを80%以上含むガスを用いることを特徴とする蛍光体の製造方法。
  20. 請求項18または19に記載の蛍光体の製造方法であって、
    前記混合物を焼成炉内で焼成して焼成物を得る工程において、
    前記混合物の焼成を2回以上行い、当該焼成と焼成との間で、焼成された混合物の粉砕混合を行うことを特徴とする蛍光体の製造方法。
  21. 請求項18から20のいずれかに記載の蛍光体の製造方法であって、
    前記混合物を焼成炉内で焼成して焼成物を得る工程において、前記焼成炉内の雰囲気ガスを0.1ml/min以上流通させながら焼成することを特徴とする蛍光体の製造方法。
  22. 請求項21に記載の蛍光体の製造方法であって、まず、焼成炉内の雰囲気ガスを0.1ml/min以上流通させながら焼成し、次に、前記焼成炉内の雰囲気ガスの流通を行わずに焼成することを特徴とする蛍光体の製造方法。
  23. 請求項18から22のいずれかに記載の蛍光体の製造方法であって、
    前記混合物を焼成炉内で焼成して焼成物を得る工程において、前記焼成炉内の雰囲気ガスを0.001MPa以上、1.0MPa以下の加圧状態とすることを特徴とする蛍光体の製造方法。
  24. 請求項18から23のいずれかに記載の蛍光体の製造方法であって、焼成用るつぼとして窒化物からなるるつぼを使用することを特徴とする蛍光体の製造方法。
  25. 請求項1から17のいずれかに記載の蛍光体が、樹脂またはガラス中に分散されているものであることを特徴とする蛍光体シート。
  26. 請求項1から17のいずれかに記載の蛍光体または請求項25に記載の蛍光体シートと、第1の波長の光を発する発光部とを有し、前記第1の波長の光の一部または全てを励起光とし、前記蛍光体から前記第1の波長と異なる波長の光を発光させることを特徴とする発光装置。
  27. 請求項26に記載の発光装置であって、
    第1の波長とは、250nm〜430nmの波長であることを特徴とする発光装置。
  28. 前記発光装置の相関色温度が、10000Kから2000Kの範囲にあることを特徴とする請求項26または27に記載の発光装置。
  29. 前記発光装置の相関色温度が、7000Kから2500Kの範囲にあることを特徴とする請求項26または27に記載の発光装置。
  30. 前記発光装置の平均演色評価数Raが、80以上であることを特徴とする請求項26から29のいずれかに記載の発光装置。
  31. 前記発光装置の特殊演色評価数R15が、80以上であることを特徴とする請求項26から30のいずれかに記載の発光装置。
  32. 前記発光装置の特殊演色評価数R9が、60以上であることを特徴とする請求項26から31のいずれかに記載の発光装置。
  33. 請求項26から32のいずれかに記載の発光装置であって、
    第1の波長を発する発光部が発光素子(LED)であることを特徴とする発光装置。
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