JPWO2010114061A1 - 蛍光体、蛍光体の製造方法、蛍光体含有組成物、発光装置、照明装置及び画像表示装置 - Google Patents

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Abstract

高輝度で、かつ温度特性に優れ、他色蛍光体との混合した際に高輝度な黄色〜橙色蛍光体を提供する。下記式[I]で表される結晶相を含有する蛍光体であって、かつ、物体色をL*a*b*表色系で表した場合のa*、b*及び(a*2+b*2)1/2の値が、それぞれ、−20≦a*≦−2、71≦b*及び71≦(a*2+b*2)1/2を満たすことを特徴とする蛍光体。R3−x−y−z+w2MzA1.5x+y−w2Si6−w1−w2Alw1+w2Oy+w1N11−y−w1[I]

Description

本発明は、複合窒化物や酸窒化物等の窒素含有化合物からなる蛍光体、その製造方法、該蛍光体を含有する蛍光体含有組成物、該蛍光体を用いた発光装置、並びに、該発光装置を備える画像表示装置及び照明装置に関するものである。更に詳しくは、第1の発光体である半導体発光素子等の励起光源からの光の照射によって黄色ないし橙色光を発光する蛍光体、その製造方法、該蛍光体を含有する蛍光体含有組成物、該蛍光体を用いた高効率の発光装置、並びに、該発光装置を備えた画像表示装置及び照明装置に関するものである。
近年、発光ダイオード(light emitting diode;以下これを「LED」と略称することがある。)等の光源と蛍光体とを組み合わせた半導体発光装置(LED発光装置)が実用化されている。中でも、青色LEDとセリウム付活イットリウム・アルミニウム・ガーネット系黄色蛍光体とを組み合わせた発光装置は、白色発光装置としてよく用いられており、その点から、黄色蛍光体の需要は非常に多い。
これに伴い、既存のセリウム付活イットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体とは異なる新規な黄色蛍光体の研究も活発に行なわれており、中でも特許文献1及び2に記載されているような窒化物蛍光体がセリウム付活イットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体よりも演色性に優れることが知られている。
特開2008−088362号公報 WO2008/132954号公報
しかしながら、上記のような発光装置の市場では、常により性能の高いものの出現が望まれている。
本発明は上記の課題に鑑みて創案されたもので、上記窒化物系黄色蛍光体において、LED発光装置に適用した場合に、より発光効率が高い蛍光体を得ることを第1の目的とし、さらには、該蛍光体の製造方法、該蛍光体を用いた蛍光体含有組成物及び発光装置、並びに、該発光装置を備えた照明装置及び画像表示装置を提供することを目的とする。
本発明者等は上記課題を解決するべく鋭意検討した結果、蛍光体の物体色をL表色系で表した場合のa、b及び(a*2+b*21/2の値が、特定の範囲内となる蛍光体を発光装置に用いた場合に、擬似白色の色目が優れ、かつ発光効率が高くなることを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて成し遂げられたものである。
即ち、本発明は、以下の(1)〜(22)を要旨とするものである。
(1)下記式[I]で表される結晶相を含有する蛍光体であって、かつ、物体色をL表色系で表した場合のa、b及び(a*2+b*21/2の値が、それぞれ、−20≦a≦−2、71≦b及び71≦(a*2+b*21/2を満たすことを特徴とする蛍光体。
3−x−y−z+w21.5x+y−w2Si6−w1−w2Alw1+w2y+w111−y−w1 [I]
(式[I]中、
Rは、La、Gd、Lu、Y及びScからなる群より選ばれる少なくとも1種類の希土類元素を示し、Mは、Ce、Eu、Mn、Yb、Pr及びTbからなる群より選ばれる少なくとも1種類の金属元素を示し、Aは、Ba、Sr、Ca、Mg及びZnからなる群より選ばれる少なくとも1種類の二価の金属元素を示し、x、y、z、w1及びw2は、それぞれ以下の範囲の数値を示す。
(1/7)≦(3−x−y−z+w2)/6<(1/2)、0≦(1.5x+y−w2)/6<(9/2)、0≦x<3、0≦y<2、0<z<1、0≦w1≦5、0≦w2≦5、0≦w1+w2≦5 )
(2)0<(1.5x+y−w2)/6<(9/2)である上記(1)に記載の蛍光体。
(3)b及び(a*2+b*21/2の値が、それぞれ、71≦b≦105及び71≦(a*2+b*21/2≦105を満たすことを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の蛍光体。
(4)xが0<x<3であることを特徴とする上記(1)(1)〜(3)に記載の蛍光体。
(5)0≦(1.5x+y−w2)<(9/2)である上記(1)、(3)、(4)のいずれかに記載の蛍光体。
(6)吸収効率が88%以上であることを特徴とする上記(1)〜(5)のいずれかに記載の蛍光体。
(7)少なくともR元素、A元素及びSi元素を含有する蛍光体製造用合金を窒化することによる下記式[I]で表される結晶相を含有する蛍光体の製造方法であって、該合金をフラックスの存在下で焼成を行うことを特徴とする製造方法。
3−x−y−z+w21.5x+y−w2Si6−w1−w2Alw1+w2y+w111−y−w1 [I]
(式[I]中、Rは、La、Gd、Lu、Y及びScからなる群より選ばれる少なくとも1種類の希土類元素を示し、Mは、Ce、Eu、Mn、Yb、Pr及びTbからなる群より選ばれる少なくとも1種類の金属元素を示し、Aは、Ba、Sr、Ca、Mg及びZnからなる群より選ばれる少なくとも1種類の二価の金属元素を示し、x、y、z、w1及びw2は、それぞれ以下の範囲の数値を示す。
(1/7)≦(3−x−y−z+w2)/6<(1/2)、0≦(1.5x+y−w2)/6<(9/2)、0≦x<3、0≦y<2、0<z<1、0≦w1≦5、0≦w2≦5、0≦w1+w2≦5 )
(8)0<(1.5x+y−w2)/6<(9/2)である上記(7)記載の蛍光体の製造方法。
(9)0≦(1.5x+y−w2)<(9/2)である上記(7)記載の蛍光体の製造方法。
(10)蛍光体製造用合金の窒化反応時の、TG−DTA(熱重量・示差熱)測定により求められる発熱ピークの低温側の少なくとも一部に相当する温度範囲における、焼成時の昇温速度が0.5℃/分以下となるような温度条件で焼成を行うことを特徴とする上記(7)〜(9)に記載の製造方法。
(11)焼成を、水素含有窒素ガス雰囲気で行うことを特徴とする(7)〜(10)のいずれかに記載の製造方法。
(12)焼成後、得られる焼成物を酸性水溶液で洗浄することを特徴とする上記(7)〜(11)のいずれかに記載の製造方法。
(13)下記式[I’]で表される組成を含有する蛍光体であって、かつ、物体色をL***表色系で表した場合のa*、b*及び(a*2+b*21/2の値が、それぞれ、−20≦a*≦−2、71≦b*及び71≦(a*2+b*21/2を満たすことを特徴とする蛍光体。
(Ln,Ca,Ce)3+αSi11 [I’]
(式[I’]中、LnはLa、Gd、Lu、Y及びScからなる群より選ばれる少なくとも1種類の希土類元素を示し、αは、−0.1≦α≦1.5の範囲の数値を示す。)
(14)上記(1)〜(6)のいずれかに記載の蛍光体と、液体媒体とを含有することを特徴とする蛍光体含有組成物。
(15)第1の発光体と、該第1の発光体からの光の照射によって可視光を発する第2の発光体とを有する発光装置であって、該第2の発光体が、第1の蛍光体として、上記(1)〜(6)のいずれかに記載の蛍光体から選ばれる少なくとも1種の蛍光体を含有することを特徴とする発光装置。
(16)該第1の発光体が、420nm以上450nm以下の波長範囲に発光ピーク波長を有することを特徴とする上記(15)に記載の発光装置。
(17)該第2の発光体が、第2の蛍光体として、該第1の蛍光体とは発光ピーク波長の異なる少なくとも1種の蛍光体を含有することを特徴とする上記(15)又は(16)に記載の発光装置。
(18)該第1の発光体が、420nm以上500nm以下の波長範囲に発光ピークを有し、該第2の発光体が、第2の蛍光体として、565nm以上780nm以下の波長範囲に発光ピークを有する少なくとも1種の蛍光体を含有することを特徴とする上記(15)に記載の発光装置。
(19)該第1の発光体が、300nm以上420nm以下の波長範囲に発光ピークを有し、該第2の発光体が、第2の蛍光体として、420nm以上500nm以下の波長範囲に発光ピークを有する少なくとも1種の蛍光体を含有することを特徴とする上記(15)に記載の発光装置。
(20)該第1の発光体が300nm以上420nm以下の波長範囲に発光ピークを有し、該第2の発光体が、第2の蛍光体として、420nm以上500nm以下の波長範囲に発光ピークを有する少なくとも1種の蛍光体、500nm以上550nm以下の波長範囲の波長範囲に発光ピークを有する少なくとも1種の蛍光体及び565nm以上780nm以下の波長範囲に発光ピークを有する少なくとも1種の蛍光体を含有することを特徴とする上記(15)に記載の発光装置。
(21)上記(15)〜(20)のいずれかに記載の発光装置を備えることを特徴とする照明装置。
(22)上記(15)〜(20)のいずれかに記載の発光装置を備えることを特徴とする画像表示装置。
本発明によれば、発光装置に用いた場合に、従来よりも擬似白色の色目が優れ、かつ輝度や発光効率が高い黄色窒化物蛍光体を提供することができる。それを用いて、蛍光体含有組成物、高効率の発光装置、照明装置及び画像表示装置を実現することができる。
本発明の発光装置の一例における、励起光源(第1の発光体)と蛍光体含有部(第2の発光体)との位置関係を示す模式的斜視図である。 図2(a)及び図2(b)は何れも、励起光源(第1の発光体)と蛍光体含有部(第2の発光体)とを有する発光装置の一実施例を示す模式的断面図である。 本発明の照明装置の一実施形態を模式的に示す断面図である。 実施例A1で製造した蛍光体の粉末X線回折パターン図である。 実施例A7で製造した蛍光体の粉末X線回折パターン図である。
以下、本発明について実施形態や例示物を示して説明するが、本発明は以下の実施形態や例示物等に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において任意に変更して実施することができる。また、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。さらに、本明細書における色目と色度座標との関係は、すべてJIS規格(JIS Z8110)に基づくものである。
また、本明細書中の蛍光体の組成式において、各組成式の区切りは読点(、)で区切って表わす。また、カンマ(,)で区切って複数の元素を列記する場合には、列記された元素のうち一種又は二種以上を任意の組み合わせ及び組成で含有していてもよいことを示している。例えば、「(Ba,Sr,Ca)Al:Eu」という組成式は、「BaAl:Eu」と、「SrAl:Eu」と、「CaAl:Eu」と、「Ba1−xSrAl:Eu」と、「Ba1−xCaAl:Eu」と、「Sr1−xCaAl:Eu」と、「Ba1−x−ySrCaAl:Eu」とを全て包括的に示しているものとする(但し、上記式中、0<x<1、0<y<1、0<x+y<1である)。
[1.本発明の蛍光体]
本発明の蛍光体は、上記のとおり、式[I]:
3−x−y−z+w21.5x+y−w2Si6−w1−w2Alw1+w2y+w111−y−w1 [I]
(式[I]中、Rは、La、Gd、Lu、Y及びScからなる群より選ばれる少なくとも1種類の希土類元素を示し、Mは、Ce、Eu、Mn、Yb、Pr及びTbからなる群より選ばれる少なくとも1種類の金属元素を示し、Aは、Ba、Sr、Ca、Mg及びZnからなる群より選ばれる少なくとも1種類の二価の金属元素を示し、x、y、z、w1及びw2は、それぞれ以下の範囲の数値を示す。(1/7)≦(3−x−y−z+w2)/6<(1/2)、0<(1.5x+y−w2)/6<(9/2)、0≦x<3、0≦y<2、0<z<1、0≦w1≦5、0≦w2≦5、0≦w1+w2≦5 )で表される結晶相を含有する蛍光体であって、かつ、物体色をL表色系で表した場合のa、b及び(a*2+b*21/2の値が、それぞれ、−20≦a≦−2、71≦b及び71≦(a*2+b*21/2を満たすことを特徴とするものである。
以下、先ず、式[I]で表わされる結晶相についてより詳細に説明する。
[1−1.本発明の蛍光体の結晶相の組成]
上記式[I]において、Rは、La、Gd、Lu、Y及びScからなる群より選ばれる少なくとも1種類の希土類元素を示す。中でも、Rは、La、Gd及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種類の希土類元素であることが好ましく、その中でも、Rは、La及びGdからなる群より選ばれる少なくとも1種類の希土類元素であることが好ましく、その中でも、Laであることが特に好ましい。
また、Rは、1種の希土類元素のみを用いてもよいが、2種以上の希土類元素を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。Rとして2種以上の希土類元素を使用することにより、本発明の蛍光体の励起波長や発光波長を変更して、CIE色度座標(x、y)を調節することができる。
ただし、Rが2種以上の元素からなる場合には、La、又は、LaとGdの混合物、又は、LaとGdとYの混合物のRに占める割合が、通常70モル%以上、中でも80モル%以上、特に95モル%以上使用することが好ましい。これにより、輝度や発光強度を向上させることができる。また、輝度や発光強度の点から、LaとGdとYの総量に対するLaの割合は、通常70モル%以上、中でも80モル%以上、特に95モル%以上使用することが好ましい。また、LaとGdとYの総量に対するGdとYの総量の割合は、発光色の黄色の良好な色目の点から、通常3〜20モル%、中でも5〜15モル%として使用することが好ましい。
上記式[I]において、Mは、Ce、Eu、Mn、Yb、Pr及びTbからなる群より選ばれる少なくとも1種類の金属元素を示す。このとき、Mは付活元素として機能するものである。また、Mは、上記の金属元素のうち、1種類のみを用いてもよく、2種類以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。中でも、Mとしては、発光効率及び発光ピーク波長の点で、少なくともCeを含有するものが好ましく、Ceのみを用いることがより好ましい。
付活元素であるCeは、本発明の蛍光体中において、少なくともその一部が3価のカチオンとして存在することになる。この際、付活元素Ceは3価及び4価の価数を取りうるが、3価のカチオンの存在割合が高い方が好ましい。具体的には、全Ce量に対するCe3+の割合は、通常20モル%以上、好ましくは50モル%以上、より好ましくは80モル%以上、特に好ましくは90モル%以上、最も好ましくは100モル%である。
また、Ce以外の他の付活元素である、Eu、Mn、Yb、Pr及びTbについてもCeと同様に価数の異なるカチオンが共存する場合がある。これらの元素の微量添加により増感効果が発現し、輝度が向上する場合がある。
なお、本発明の蛍光体に含まれる全Ce中のCe3+の割合は、例えば、X線吸収微細構造(X-ray Absorption Fine Structure)の測定によって調べることができる。即ち、Ce原子のL3吸収端を測定すると、Ce3+とCe4+が別々の吸収ピークを示すので、その面積から比率を定量できる。また、本発明の蛍光体に含まれる全Ce中のCe3+の割合は、電子スピン共鳴(ESR)の測定によっても知ることができる。また、上述のMについて、Ceの場合と同様にX線吸収微細構造の測定により、目的とする価数の原子の量を測定することができる。
上記式[I]において、Aは、Ba、Sr、Ca、Mg及びZnからなる群より選ばれる少なくとも1種類の二価の金属元素を示す。この際、Aは、好ましくはSr、Ca及びMgからなる群より選ばれる少なくとも1種類の二価の金属元素であり、より好ましくはCa及びMgであり、更に好ましくはCaである。なお、上記Aとしては、これらの元素のうち何れか1種類のみを用いてもよく、2種類以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
上記式[I]で表わされる結晶相の基本系は、SiN四面体に囲まれて、RとAが共存する系である。式[I]で表わされる結晶相では3価のRを減少させて2価のAを増加させられる(以下、この置換を「R−A置換」という)が、このとき、Rの減少分だけAの増加が起こるのではなく、その1.5倍のAの増加が起こることにより電荷補償されるというユニークな結晶相である。
また、本発明の蛍光体では、上記R−A置換以外の方式でRの一部をAに置換してもよく、その場合、NアニオンがR置換数だけOアニオンに置換される。
さらに、上記の結晶相の基本系においては、Siの一部をAlで置換してもかまわない。このため、式[I]にAlが現れている。このとき、NアニオンがOアニオンに置換される、及び/又は、2価のAが3価のRに置換される。
上記式[I]において、1.5xは、上記R−A置換によりRの一部に置換したAの量を表わす数値である。焼成前の仕込み時のx値は、小さすぎると、焼成時に副生物ができやすくなる。しかし、このxの値は、焼成中に低下していくので、最終的な蛍光体の中のx値は、蛍光体を結晶成長させて高輝度とする点においては、小さいほど好ましい。このときのx値は、赤み成分を含む黄色発光を利用する場合は、通常2.5以下、好ましくは2.2以下、より好ましくは1.5以下である。一方、黄色発光そのものを利用する場合は、通常1.5以下、好ましくは1.0以下、より好ましくは0.5以下、更に好ましくは、0.2以下である。x値の下限は0でもよく、0を超える値でもよい。
上記式[I]において、yは、上記R−A置換以外の方式でRの一部に置換したAの量を表わす数値である。ところで、混入する酸素は少なければ少ないほどよいが、原料から、又は、焼成中に、酸素がわずかばかり混入する場合がある。この場合、蛍光体中のNアニオンがOアニオンで置換され、その電荷補償のために、このタイプのAの置換が必要となる。yは0を含んでも良いが、通常0より大きく、好ましくは0.002以上、より好ましくは0.005以上、更に好ましくは0.008以上であり、また、赤み成分を含む黄色発光を利用する場合は、通常2.5以下、好ましくは2.2以下、より好ましくは1.5以下である。一方、黄色発光そのものを利用する場合は、通常1.5以下、好ましくは1.0以下、より好ましくは0.5以下、更に好ましくは、0.2以下である。
上記式[I]において、zは、付活元素Mの量を表わす数値であり、通常0より大きく、好ましくは0.002以上、より好ましくは0.01以上、更に好ましくは0.05以上、また、通常1未満、好ましくは0.7以下、より好ましくは0.6以下である。zの値が大きすぎると濃度消光により発光強度が低下する可能性がある。
上記式[I]において、Alの置換モル数はw1及びw2で表わされる。このw1の範囲は、通常0以上、好ましくは0.002以上、より好ましくは0.005以上であり、また、通常5以下、好ましくは2以下、より好ましくは1以下、更に好ましくは0.5以下である。一方、w2の範囲は、通常0以上、好ましくは0.002以上であり、また、通常5以下、好ましくは2以下、より好ましくは1以下、更に好ましくは0.5以下である。Alの置換により、本発明の蛍光体の発光色の色調を調節することができる。また、w1及びw2を上記の範囲とすることで結晶構造を保ったまま発光色を調整できる。
さらに、上記式[I]において、上述したx、y及びzは、以下の2つの式の関係を満たす。(1/7)≦(3−x−y−z+w2)/6<(1/2)、0≦(1.5x+y−w2)/6<(9/2)。
即ち、式[I]において、「(3−x−y−z+w2)/6」は、1/7以上、また、1/2未満の数値を表わす。
また、式[I]において、「(1.5x+y−w2)/6」は、0以上、また、9/2未満の数値を表わす。そしてより好ましくは、0より大きいことである。
さらに、発光強度の観点から、式[I]において、酸素のモル数(y+w1)は、好ましくは2未満、より好ましくは1.7未満、更に好ましくは1.5未満である。また、製造しやすさの観点から、上記の酸素のモル数(y+w1)は、好ましくは0.01以上、より好ましくは0.04以上である。
また、発光強度の観点から、式[I]において、Alのモル数(w1+w2)は、通常5以下、好ましくは3以下、より好ましくは1以下である。一方、下限としては、製造のし易さの観点から0に近いことが好ましく、0であることが特に好ましい。
本蛍光体は多少のアニオン又はカチオンの欠損を生じていても良好な性能を示す。式[I]ではカチオン欠損、アニオン欠損がないものとしての通常の式となっているため、欠損が生じたときに、実際の元素分析値からx,y,z,w1,w2を決定できない場合がある。
なお、本発明の蛍光体を、実際に分析する場合には、各元素の係数は、測定誤差、表面吸着した酸素や窒素、あるいは少量の不純物などを分離することが困難である場合もあり、実際にはx,y,z,w1,w2の値は、ある程度の許容範囲を有することは、いうまでもない。
さらに、本発明の蛍光体は、下記式[I’]で表される組成を含有する蛍光体であって、かつ、物体色をL***表色系で表した場合のa*、b*及び(a*2+b*21/2の値が、それぞれ、−20≦a*≦−2、71≦b*及び71≦(a*2+b*21/2を満たすことを特徴とする蛍光体であることが特に好ましい。
(Ln,Ca,Ce)3+αSi11 ‥‥[I’]
(式[I’]中、LnはLa、Gd、Lu、Y及びScからなる群より選ばれる少なくとも1種類の希土類元素を示し、αは、−0.1≦α≦1.5の範囲の数値を示す。)
かかる式[I']の蛍光体は、本質的には式[I]の蛍光体と同じものであるが、アニオン欠損やカチオン欠損を生じたり、あるいは上述のように、実際に得られた蛍光体を分析する場合、分析誤差や、生成した蛍光体中に、本発明以外の組成の不純物相などを生じたり、あるいは故意に不純物元素などの影響を避けるため、本来必要なLn、Ca、Ceの合計量を調整する場合を含め、本発明の典型的な蛍光体において、蛍光体全体として許容されるLn、Ca、Ceの合計量の範囲の組成を記載したものである。この場合−0.1≦α≦1.5が好ましく、より好ましくは−0.1≦α≦1.0である。特に輝度を向上させようとした場合、−0.1≦α≦0.1が特に好ましい。
尚、式[I']の蛍光体は、カチオン欠損やアニオン欠損等の理由によりNの量も若干変動することがある。その許容範囲をβとすると、Nの係数は11+βとなる。このとき−0.2≦β≦0.5の範囲が好ましく、より好ましくは0≦β≦0.3であり、より好ましくは0≦β≦0.1である。以上の数値はSiのモル比を6にした場合の数値になる。更に酸素は、Siを6モルとした時に、式[I’]に加えて1モル以下含まれていてもよく、より好ましくは0.5モル以下、より好ましくは0.3モル以下、特に好ましくは0.1モル以下である。尚、酸素は分析上、蛍光体中に含まれるものと、表面や内部に吸着あるいは結晶とは別に存在することが考えられる。輝度の観点から、式[I’]において、Caの量は2モル未満が好ましく、1モル未満がより好ましく、0.5モル未満が更により好ましく、0.2モル未満が最も好ましい。前記に記載したGdやY等による発光色の調節に加え、Caのモル数によっても、0〜0.5モルの範囲で、緑にやや近い黄色〜橙色まで発光色を調節することができる。
上記式[I]の化学組成のうち、好ましいものの具体例を以下に挙げるが、本発明の蛍光体が有する結晶相の組成は以下の例示に限定されるものではない。式[I]の化学組成のうち酸素が混入していないものとして好ましい例としては、次のもの挙げられる。La1.37Ce0.03Ca2.40Si11、La2.15Ce0.10Ca1.23Si11、La2.57Ce0.03Ca0.60Si11、La1.17Ce0.03Ca2.70Si11、La2.68Ce0.30Ca0.03Si11、La2.74Ce0.20Ca0.09Si11、La2.50Ce0.30Ca0.30Si11、La2.70Ce0.30Si11、La2.5Gd0.20Ce0.30Si11、La2.3Gd0.40Ce0.30Si11、La2.49Gd0.15Ce0.30Ca0.09Si11、La2.50.20Ce0.30Si11、La2.67Ce0.03Ca0.45Si11、La2.60Ce0.10Ca0.45Si11
また、酸素が存在する好ましい例としては、次のものが挙げられる。La1.71Ce0.10Ca1.57Si0.4410.56、La1.17Ce0.03Ca2.20Si1.0010.00、La2.37Ce0.03Ca0.75Si0.3010.70、La2.68Ce0.30Ca0.02Si0.0210.98、La2.74Ce0.20Ca0.15Si0.0610.94、La2.50Ce0.30Ca0.20Si0.2010.80、La2.49Ce0.30Ca0.30Si0.0310.57、La1.25Ce0.25Ca2.20Si0.1010、La2.66Ce0.20Ca0.15Si0.1210.88、La2.61Ce0.30Ca0.09Si0.0910.91、La2.57Gd0.15Ce0.25Ca0.03Si0.0310.97
さらに、酸素が少量存在し、Caが存在しない結晶相も好ましいものとして挙げられる。その場合、La又はSiの極一部が欠損した結晶相となる。
上述した式[I]で表わされる結晶相は、本質的には、アルカリ土類金属元素−希土類元素(Ln)−Si−N系の中で新しい構造(空間群とサイト構成比)をなすものである。以下、この結晶相と、公知物質の結晶相との違いを述べる。
上記式[I]で表わされる結晶相の空間群はP4bm又はその類似空間群であるのに対し、公知のSrYbSi、BaYbSiの空間群はP6mcであり(Zeitschrift fur Anorganische und Allgemeine Chemie、1997年、623巻、212頁参照)、公知のBaEu(Ba0.5Eu0.5)YbSi11の空間群はP23である(H.Huppertz、博士論文、Bayreuth大学、1997年参照)。このように、式[I]で表わされる結晶相は従来公知の蛍光体とは空間群が大きく異なる。また、式[I]で表わされる結晶相は、そのベースとなる粉末X線回折パターンが従来公知の蛍光体とは大きく異なり、結晶構造が異なることが明らかである。
上記式[I]で表わされる結晶相は、SiN四面体に囲まれたSiより低価数のカチオンの総数がSiN四面体の個数に対して3/6を超えたユニークなサイト構成比をなす。一方、公知のCe賦活LaSi11は、SiN四面体に囲まれたSiより低価数のカチオンの総数がSiN四面体の個数に対してちょうど3/6となっており(特開2003−206481号公報参照)、公知のLnAl(Si6−zAl)N10−z:Ce蛍光体は、Si(又はAl)N(又はO)四面体に囲まれたSiより低価数のカチオンの総数がSi(又はAl)N(又はO)四面体の個数に対して2/6となっている(特許文献1参照)。したがって、式[I]で表わされる結晶相と従来公知の蛍光体とは、構造を特徴づける各サイトの構成比が明らかに異なる。
なお、本発明の蛍光体は、その性能を損なわない限りにおいて、上記式[I]で表される結晶相の構成元素の一部が欠損又は他の原子で置換されていてもよい。その他の元素の例としては、以下のようなものが挙げられる。
例えば、式[I]において、Mの位置に、Nd、Sm、Dy、Ho、Er及びTmからなる群より選ばれる少なくとも1種類の遷移金属元素又は希土類元素が置換していてもよい。中でも、希土類元素であるSm及び/又はTmが置換していることが好ましい。
さらに、例えば、式[I]において、Alの全部又は一部をBに置き換えてもかまわない。BN容器に原料を入れて焼成して本発明の蛍光体を製造する場合、Bが得られる蛍光体に混入しうるため、上記のようにAlがBで置換された蛍光体が製造できる。また、例えば、式[I]において、O及び/又はNの位置に、S、Cl及び/又はF等の陰イオンが置換していてもよい。
さらに、式[I]において、Siの一部をGe及び/又はCに置換えることができる。その置換率は10モル%以下が好ましく、5モル%以下がより好ましく、0モル%が更に好ましい。また、発光強度の大幅な減少を招かないという理由により、式[I]におけるR、A、Si、Al、O、Nの各サイトには、5モル%以下で元素が置換されていてもよいし、各サイトに10モル%以下で欠損が起こっていてもよい。ただし、両者とも0モル%がより好ましい。
ただし、本発明の利点を顕著に得るために、当該蛍光体全体が、上述した式[I]の化学組成を有する結晶相からなることが好ましい。
[1−2.本発明の蛍光体の物体色]
一般的に、無機質結晶の着色の原因は、次の3通りに分けられる。(1)配位子吸収帯による着色(結晶場着色)、(2)分子軌道間の遷移による着色、(3)エネルギー帯を持つ物質内の遷移による着色。このうち、(1)の着色は遷移金属元素、希土類元素のような内殻を完全に満たしていない電子状態を有する元素の存在による。即ち、不完全な内殻は不対電子を有するため、この励起状態が可視スペクトルに対応して物質に色がつくことになる。多くの蛍光体に使用される発光中心元素は遷移金属元素、または希土類元素であり、発光中心元素を含まない母体結晶の場合は着色がないことを考えると(1)の要件を備えている。
以上のことから、上記蛍光体の物体色は可視光を吸収して蛍光体自身が発光する光と同時に分光反射率が高い領域の光が反射されるために蛍光体に独自の着色が観察されると考えられる。物体色は、通常L、a、b表色系を用いて表示する(JIS Z8113参照)。ここでLは、一般的に照射光で発光しない物体を扱うので100を超える事は無いが、本発明の蛍光体は照射光源で励起されて発光が反射光に重畳されるので100を超えることもあり、上限としては通常L≦110である。なお、本発明の蛍光体の物体色の測定は、例えば、市販の物体色測定装置(例えば、ミノルタ社製、CR−300)を用いて行うことができる。
本発明の蛍光体は、上記のとおり、物体色をL表色系で表した場合のa、b及び(a*2+b*21/2の値が、それぞれ、−20≦a≦−2、71≦b及び71≦(a*2+b*21/2を満たすことに特徴を有するものである。
色相の観点から、aは、通常−20以上、好ましくは−19以上、より好ましくは−18以上、更に好ましくは−17以上であり、通常−2以下、好ましくは−5以下、より好ましくは−8以下、更により好ましくは−9以下、最も好ましくは−11以下である。aがあまり小さいと、黄緑色となってしまい、黄色蛍光体としての機能を果たし難くなる。aがあまり大きいと、赤みがかった黄色となってしまい、良好な黄色蛍光体としての機能を果たし難くなる。
を、上記範囲とすることにより、純正な黄色の物体色が得られる。これは、黄色と補色関係にある青色において、吸収される青色光が純正な青色光であることを意味する。それ故、本範囲内のaを有する蛍光体は、青色LEDを光源として、他の発光色の蛍光体、例えば、緑色蛍光体や、青緑色蛍光体等と組み合わせて、所望の発光色を出す装置とした場合に、第2蛍光体の発光色を吸収してしまうことが非常に抑制されるので、発光効率の良い発光装置を提供することができる。
このような蛍光体組合せのときの、本aに関する良い特徴は、黄色蛍光体単独での黄色の発光特性、例えば、黄色光輝度などの因子だけでは到達できない重要な特徴である。すなわち、黄色蛍光体と他の蛍光体を組み合わせて発光装置とする場合に、例えば同じ輝度をもつ黄色蛍光体であっても、本範囲内のaをもつものは全体の発光効率が良好となる。
同じく、色相の観点から、bは、通常71以上、好ましくは72以上、より好ましくは73以上、更に好ましくは74以上であり、上限は特に設けないが、通常105以下、好ましくは102以下、より好ましくは100以下、更に好ましくは98以下である。bがあまり小さいと、黒っぽい黄色となってしまい、良好な黄色蛍光体としての機能を果たし難くなる。
*2を、上記範囲とすることにより、黒っぽくない黄色の物体色が得られる。黒っぽい黄色の物体色をもつ物質は、黄色と補色関係にある青色以外に、緑色領域や赤色領域など、青色光の波長以外の可視光も吸収することを意味する。それ故、本範囲内のbを有する、黒っぽくない黄色の物体色を有する蛍光体は、青色LEDを光源として、他の発光色の蛍光体、例えば、赤色蛍光体、緑色蛍光体等と組み合わせて、電球色発光や温白色発光など、所望の発光色を出す装置とした場合に、第2蛍光体の緑色や赤色の発光を吸収してしまうことが非常に抑制されるので、発光効率の良い発光装置を提供することができる。
このような蛍光体組合せのときの、本bに関する良い特徴は、黄色蛍光体単独での黄色の発光特性、例えば、黄色光輝度などの因子だけでは到達できない重要な特徴である。すなわち、黄色蛍光体と他の蛍光体を組み合わせて発光装置とする場合に、例えば同じ輝度をもつ黄色蛍光体であっても、本範囲内のbをもつものは全体の発光効率が良好となる。
また、彩度の観点から、(a*2+b*21/2は、通常71以上、好ましくは72以上、より好ましくは74以上、更に好ましくは76以上であり、上限は特に設けないが通常105以下、好ましくは102以下、より好ましくは100以下、更に好ましくは98以下である。(a*2+b*21/2があまり小さいと、くすんだ黄色となってしまい、(a*2+b*21/2が高いほど、鮮やかな黄色となり、黄色蛍光体として好ましい。
(a*2+b*21/2を、上記範囲とすることにより、くすみの少ない黄色の物体色が得られる。くすみのある黄色の物体色をもつ物質は、物質固体内の欠陥などにより、黄色と補色関係にある青色以外の可視光も吸収することを意味する。それ故、本範囲内の(a*2+b*21/2を有する、くすみの少ない黄色の物体色を有する蛍光体は、青色LEDを光源として、他の発光色の蛍光体、例えば、赤色蛍光体、緑色蛍光体等と組み合わせて、電球色発光や温白色発光など、所望の発光色を出す装置とした場合に、第2蛍光体の緑色や赤色の発光を吸収してしまうことが非常に抑制されるので、発光効率の良い発光装置を提供することができる。このような蛍光体組合せのときの、本(a*2+b*21/2に関する良い特徴は、黄色蛍光体単独での黄色の発光特性、例えば、黄色光輝度などの因子だけでは到達できない重要な特徴である。
[1−3.本発明の蛍光体の吸収効率]
蛍光体の吸収効率は、励起光の光子数に対し、蛍光体が吸収する光子数の割合を意味する。本発明の蛍光体の吸収効率は特に限定されないが、高いほど好ましい。具体的には、本発明の蛍光体を波長455nmの光で励起した場合における吸収効率は、通常88%以上、好ましくは89%以上、より好ましくは90%以上、更に好ましくは91%である。蛍光体の吸収効率が低過ぎると、所定の発光を得るために必要な励起光量が大きくなり、消費エネルギーが大きくなるため、発光効率が低下する傾向がある。吸収効率の測定方法は、後述の[実施例]の項で示す通りである。
[1−4.本発明の蛍光体の他の特性]
[1−4−1.発光色]
本発明の蛍光体は、通常は黄色〜橙色に発光する。即ち、本発明の蛍光体は、通常は黄色〜橙色蛍光体となる。本発明の蛍光体の蛍光の色度座標は、通常、(x,y)=(0.400,0.420)、(0.400,0.590)、(0.570,0.590)及び(0.570,0.420)で囲まれる領域内の座標となり、好ましくは、(x,y)=(0.420,0.450)、(0.420,0.560)、(0.560,0.560)及び(0.560,0.450)で囲まれる領域内の座標となる。よって、本発明の蛍光体の蛍光の色度座標においては、色度座標xは、通常0.400以上、好ましくは0.420以上であり、通常0.570以下、好ましくは0.560以下である。一方、色度座標yは、通常0.420以上、好ましくは0.450以上、また、通常0.590以下、好ましくは0.560以下である。
特に輝度を重視する場合には、やや緑に近い黄色とすることも好ましく、その場合色度座標xは0.41〜0.43、色度座標yは0.55〜0.56が最も有利な範囲となる。
なお、蛍光の色度座標は、後述する発光スペクトルから算出することができる。さらに、上記の色度座標x,yの値は、波長455nmの光で励起したときの発光色のCIE標準座標系における色度座標の値を表わす。元素Rの一部を他の希土類元素、例えばLaの一部をY,Gd等の元素で置換ると発光色の色度座標(x、y)値を制御することが可能となり、後述する各種デバイスの設計に幅をもたせることができる。
[1−4−2.発光スペクトル]
本発明の蛍光体が発する蛍光のスペクトル(発光スペクトル)に特に制限は無いが、黄色〜橙色蛍光体としての用途に鑑みれば、波長455nmの光で励起した場合のその発光スペクトルの発光ピーク波長が、通常480nm以上、好ましくは500nm以上、さらに好ましくは515nm以上、より好ましくは525nm以上であり、また、通常640nm以下、好ましくは610nm以下、より好ましくは600nm以下の範囲にあるものである。また輝度を特に重視する場合には、発光ピーク波長を530nm〜535nmとすることが好ましい。
また、本発明の蛍光体は、波長455nmの光で励起した場合の発光ピークの半値幅(full width at half maximum;以下これを「FWHM」ということがある。)が、通常100nm以上、好ましくは110nm以上、より好ましくは115nm以上である。このように半値幅が広いことにより、本発明の蛍光体を青色LED等と組み合わせた場合、発光装置等の演色性を良好にすることができる。なお、発光ピークの半値幅の上限に制限は無いが、通常280nm以下である。
本発明の蛍光体の発光スペクトルの測定、並びにその発光領域、発光ピーク波長及びピーク半値幅の算出は、例えば、室温(通常は25℃)において、日本分光社製蛍光測定装置等の装置を用いて行うことができる。
[1−4−3.励起波長]
本発明の蛍光体を励起する光の波長(励起波長)は本発明の蛍光体の組成などに応じて様々であるが、通常は近紫外領域から青色領域の波長範囲の光によって好適に励起される。励起波長の具体的な範囲を挙げると、通常300nm以上、好ましくは340nm以上、また、通常500nm以下、好ましくは480nm以下である。
[1−4−4.重量メジアン径]
本発明の蛍光体は、その重量メジアン径が、通常0.1μm以上、中でも0.5μm以上、また、通常30μm以下、中でも20μm以下の範囲であることが好ましい。重量メジアン径が小さすぎると、輝度が低下し、蛍光体粒子が凝集してしまう傾向がある。一方、重量メジアン径が大きすぎると、塗布ムラやディスペンサー等の閉塞が生じる傾向がある。
[1−5.本発明の蛍光体の利点]
上述したように、本発明の蛍光体は、黄緑色〜橙色成分を多く含み、半値幅の広い蛍光を発することができる。即ち、本発明の蛍光体は、黄緑色〜橙色の長波長領域に充分な発光強度を有し、また、発光スペクトルにおいて極めて半値幅の広い発光ピークを有する光を発することができる。したがって、本発明の蛍光体を白色発光装置に適用した場合には、その白色発光装置は、ニーズに合わせて、様々な色味を持つ、高演色性の白色光を発することが可能となる。
また、本発明の蛍光体は、通常、近紫外発光又は青色発光の半導体発光素子で特に効率よく励起され、黄緑色〜橙色の蛍光を発する蛍光体である。さらに、本発明の蛍光体は、通常、従来から白色発光装置に多く使用されているYAG:Ce蛍光体に比べて温度上昇に伴う発光効率の低下が少ない。
[1−6.本発明の蛍光体の用途]
本発明の蛍光体の用途に制限は無いが、上記の利点を利用して、例えば、照明、画像表示装置等の分野に好適に使用できる。中でも、一般照明用LEDの中でも特に高出力ランプ、とりわけ高輝度、高演色で比較的色温度の低い電球色用白色LEDを実現する目的に適している。また、上記のように本発明の蛍光体が温度上昇に伴う発光効率の低下が小さいため、本発明の蛍光体を発光装置に用いれば、発光効率が高く、温度上昇に伴う発光効率の低下が少なく、高輝度で色再現範囲の広い優れた発光装置を実現することができる。
特に、本発明の蛍光体は、青色光又は近紫外光で励起可能であるという特性を生かして、各種の発光装置(例えば、後述する「本発明の発光装置」)に好適に用いることができる。この際、組み合わせる蛍光体の種類や使用割合を調整することで、様々な発光色の発光装置を製造することができる。特に、本発明の蛍光体は、通常は黄色〜橙色蛍光体であることから、青色光を発する励起光源と組み合わせれば、白色発光装置を製造することができる。これにより、いわゆる擬似白色[例えば、青色LEDと黄色の蛍光を発する蛍光体(黄色蛍光体)を組み合わせた発光装置の発光色]
の発光スペクトルと類似した発光スペクトルを得ることもできる。
さらに、上記の白色発光装置に赤色蛍光体を組み合わせ、さらに必要に応じて緑色蛍光体を組み合わせれば、赤色の演色性に極めて優れた発光装置や電球色(暖かみのある白色)に発光する発光装置を実現することができる。近紫外光を発する励起光源を使用した場合は、本発明の蛍光体に加えて青色蛍光体、赤色蛍光体及び/または緑色蛍光体の発光波長を調整することにより、好みの発光色が得られる白色光源にすることができる。
なお、発光装置の発光色としては白色に制限されない。例えば、本発明の蛍光体を波長変換材料として用いて発光装置を構成する場合、本発明の蛍光体以外に、その他の蛍光体等を組み合わせて、蛍光体の種類や使用割合を調整することにより、任意の色に発光する発光装置を製造することができる。こうして得られた発光装置を、画像表示装置の発光部(特に液晶用バックライトなど)や照明装置として使用することができる。
その他の蛍光体としては、例えば、青、青緑、緑、黄緑、赤色、または深赤色の発光を示す蛍光体が好ましい。特に、本発明の蛍光体と、緑色、または、赤色の蛍光体と、励起光源としての青色発光ダイオードとを組み合わせることにより、白色の発光装置を構成することができるので、より好ましい。さらに、本発明の蛍光体と、近紫外発光ダイオードと青色蛍光体と赤色蛍光体と緑色蛍光体とを組み合わせることによっても好ましい白色の発光装置を構成することができる。これらの白色発光装置には、赤色から深赤色に発光する蛍光体を追加することで更に演色性を向上させることができる。
[2.本発明の蛍光体の製造方法]
本発明の蛍光体の製造方法に制限は無く、上記した特性をもつ蛍光体が得られる方法であれば、任意の方法を採用することができる。例えば、原料として蛍光体前駆体を用意し、その蛍光体前駆体を必要に応じて混合し、混合した蛍光体前駆体を焼成する工程(焼成工程)を経て製造することができる。これら製造方法の中で、合金を、原料の少なくとも一部とする方法、さらに詳しくは、少なくとも上記式[I]におけるR元素、A元素及びSi元素を含有する合金(以下これを「蛍光体製造用合金」ということがある。)を、フラックスの存在下で焼成する工程を有する方法により製造することが好ましい。
即ち、本発明により、少なくともR元素、A元素及びSi元素を含有する蛍光体製造用合金を窒化することによる下記式[I]:
3−x−y−z+w21.5x+y−w2Si6−w1−w2Alw1+w2y+w111−y−w1 [I]
(式[I]中、R、M、A、x、y、z、w1、w2は、上記と同義である。)で表される結晶相を含有する蛍光体の製造方法であって、該合金をフラックスの存在下で焼成することを特徴とする製造方法が提供される。
上記製造方法において、蛍光体製造用合金の窒化反応時の、TG−DTA(熱重量・示差熱)測定により求められる発熱ピークの低温側の少なくとも一部に相当する温度範囲における、焼成時の昇温速度が0.5℃/分以下となるような温度条件で焼成を行うことが好ましい。また、焼成を、水素含有窒素ガス雰囲気で行うことが好ましい。さらに、焼成後、得られる焼成物を酸性水溶液で洗浄することが好ましい。かかる方法を必要に応じて組み合わせて用いることにより、高輝度で特定の物体色をもつ本発明の蛍光体を、特に好適に調製することができる。
以下、本発明の蛍光体の製造方法の一例として、この蛍光体製造用合金を用いる方法について、さらに詳細に説明する。
[2−1.蛍光体製造用合金]
一般的に、工業的に広く使用されている金属単体の精製方法には、昇華精製、フローティングゾーン法、蒸留法等が知られている。このように金属単体は金属化合物に比べ精製が容易となる元素が多く存在する。したがって、蛍光体を製造するに当たり必要な金属元素単体を出発原料として用い、これらを合金化し、得られた蛍光体製造用合金から蛍光体を製造する方法が、金属化合物を原料とする方法よりも純度の高い原料を得やすい点で優れている。また、付活元素の結晶格子内での均一分散という観点においても、構成元素となる原料が金属単体であれば、これらを融解し合金とすることにより、付活元素を容易に均一分布させることができる。
以上の観点から、目的とする蛍光体を構成する金属元素の少なくとも一部を含有する蛍光体製造用合金、好ましくは目的とする蛍光体を構成する金属元素すべてを含有する蛍光体製造用合金を原料とし、これを窒化して蛍光体を製造することにより、高性能な蛍光体を工業的に生産することができる。
[2−1−1.合金の組成]
蛍光体製造用合金としては、少なくとも上記式[I]におけるR元素、A元素及びSi元素を含有する合金であれば、如何なる組成の合金であってもよい。ここで、合金を構成するこれら元素の種類と好ましいものは、上記のとおりである。
蛍光体製造用合金として好ましいものは、下記式[II]で表される組成をもつものである。
Si6Al [II]
(式[II]中、Rは、La、Gd、Lu、Y及びScからなる群より選ばれる少なくとも1種類の希土類元素を示し、Mは、Ce、Eu、Mn、Yb、Pr及びTbからなる群より選ばれる少なくとも1種類の金属元素を示し、Aは、Ba、Sr、Ca、Mg及びZnからなる群より選ばれる少なくとも1種類の二価の金属元素を示し、a、b、c、d及びeは、それぞれ以下の範囲の数値を示す。1≦a≦4、0≦b≦1、0<c≦4、0≦e≦2 )
ここで、式[II]におけるR元素、M元素、A元素の種類と好ましいものは、上記式[I]と同じである。カチオン欠陥抑制の点から、a+b+cの値が3+e/2の値以上であることがより好ましい。式[II]の合金原料は、単相が最も好ましいが、必ずしも、単相である必要はなく、単相となっている主相に別相が緻密に、例えば、μmオーダーや100nmオーダーで混じりあっているものが使用できる。例えば、Ca0.45La2.6Ce0.1Si6の場合、Ca0.3La2.6Ce0.1Si6単相にCa0.15が緻密に混じりあっているものが例として挙げられる。
[2−1−2.合金の粒径]
蛍光体製造用合金の平均粒径(重量メジアン径D50)は、通常1μm以上、好ましくは2μm以上、より好ましくは3μmであり、また、通常8μm以下、好ましくは7.5μm以下、より好ましくは7μm以下である。仮に合金に不均一部分があってもこの粉砕工程によりマクロには均質化されるわけであるが、ミクロに見ると粉砕された粒子が異なる組成であることは好ましい状態ではない。したがって、合金全体が均質であることが望ましい。
[2−1−3.合金中の炭素及び酸素の含有量]
合金中に含まれる不純物としては、種々の元素の可能性があるが、その中でも炭素含有量が1重量%未満である合金を蛍光体製造用の原料として使用するのが好ましい。上限は、通常1重量%以下、好ましくは0.3%以下、より好ましくは0.1%以下、更に好ましくは0.01%以下である。下限に特に制限はない。ただし、生産上の品質安定のために、0.01%以下の一定量を添加してもよい。
上記の炭素量を含有する合金を蛍光体化する工程において、水素含有窒素を雰囲気ガス中で焼成した場合には蛍光体中の炭素量は大幅に減少する。合金中の炭素が水素と反応し、炭化水素化するためと推定される。
また、合金中の酸素は合金製造工程のうち種々の工程で混入する可能性があるが、酸素含有量が2重量%未満である合金を蛍光体製造用原料として使用するのが好ましい。輝度の観点から、上限は、通常2重量%未満、好ましくは0.6%以下、より好ましくは0.1%以下である。あまり多いと、焼成中の酸素コンタミ量が多くなり、輝度の高い本発明の蛍光体が得られなくなる。下限に特に制限はない。
上記の酸素量を含有する合金を蛍光体化する工程において、水素含有窒素を雰囲気ガスとして使用した場合には蛍光体中の酸素含有量が維持されるか減少する。通常焼成工程を経ると出発原料中の酸素含有量より蛍光体中の酸素量が増大する場合が多いが、CO化及び/又はHO化することにより、蛍光体中の酸素量は維持または減少するものと推定される。ここで、合金中の炭素及び酸素含有量は、後述の[実施例]の項で示す方法で測定できる。
[2−2.蛍光体製造用合金の調製]
上記の組成、物性をもつ蛍光体製造用合金は、次のとおり調製することができる。まず、蛍光体の原料となる蛍光体製造用合金を用意する。蛍光体製造用合金を用意する際には、通常、金属単体、金属合金等の出発原料(以下これを「原料金属」ということがある。)を融解させて蛍光体製造用合金を得る。この際、融解方法に制限は無いが、例えばアーク融解法、高周波誘導加熱法(高周波融解法)などの公知の融解方法が使用できる。
[2−2−1.原料金属の種類]
原料金属としては、金属、当該金属の合金などを用いることができる。また、本発明の蛍光体が含む元素に対応した原料金属は後述する融解工程での一部成分の揮発などの損失を考慮した任意の組み合わせ及び比率としてもよい。ただし、原料金属の中でも、付活元素である金属元素Mの原料金属(例えば、Eu、Ceなどに対応した原料金属)としては、Eu金属やCe金属を使用することが好ましい。これらは原料の入手が容易であるからである。
式[II]以外の、本発明の蛍光体製造用合金の原料としては、例えば、LaSi、CeLa1−xSi(0<x<1)、LaSi、LaSi、LaSi、Ca24Si60、Ca28Si60、CaSi、Ca31Si60、Ca14Si19、CaSi、CaSi、CaSi、CaSi、CaLa3−xSi(0<x<3)、CeCaLa3−x−ySi(0<x<3、0<y<3)、CaSi、CaSi、CaSi、CaSi、CaSi、Ca14Si19、CaSi、SrSi、SrSi、SrSi、SrSi、SrSiなどが挙げられる。さらに、Si、アルミニウム、アルカリ土類金属を含む合金としては、例えば、Ca(Si1−xAl、Sr(Si1−xAl、Ba(Si1−xAl、Ca1−xSr(Si1−yAl等の合金相を適宜組み合わせたものが挙げられる。特に、LaSi、LaSi、LaSi、および、そのLa位置の一部をCeで置換した合金が好ましい。この中ではLaの比率が低いために取り扱いにおける安全性の高いLaSiが好ましい。この場合、LaSi11結晶を得るためにはSiが不足するので、シリコン源を添加した原料を加熱することにより蛍光体を合成する必要がある。そのシリコン源としては、Siが好ましい。
[2−2−2.原料金属の純度]
蛍光体製造用合金の原料金属として使用される金属の純度は、高いことが好ましい。具体的には、合成される蛍光体の発光特性の点から、付活元素Mに対応した原料金属としては不純物が、通常0.1モル%以下、好ましくは0.01モル%以下まで精製された金属を使用することが好ましい。また、付活元素M以外の元素の原料金属として使用される金属も、付活元素Mと同様の理由から、いずれも含有される不純物濃度は0.1モル%以下であることが好ましく、0.01モル%以下であることがより好ましい。例えば、不純物としてFe、Ni、及びCoからなる群から選ばれる少なくとも一種を含有する場合、各々の不純物元素の含有量は、通常500ppm以下、好ましくは100ppm以下である。
[2−2−3.原料金属の形状]
原料金属の形状に制限は無いが、通常、直径数mm〜数十mmの粒状又は塊状のものが用いられる。なお、ここでは直径10mm以上のものを塊状、それ未満のものを粒状と呼んでいる。
また、アルカリ土類金属元素に対応する原料金属は、粒状、塊状など形状は問わないが、当該原料金属の化学的性質に応じて適切な形状を選択することが好ましい。例えば、Caは粒状、塊状のいずれでも大気中で安定であり、使用可能であるが、Srは化学的により活性であるため、塊状の原料を用いることが好ましい。
なお、融解時に揮発や坩堝材質との反応等により損失する金属元素については、必要に応じて、予め過剰に秤量し使用してもよい。
[2−2−4.原料金属の融解]
原料金属の秤量後、当該原料金属を融解させて合金化して蛍光体製造用合金を製造する(融解工程)。原料金属の融解にあたっては、特に、Siと希土類元素及びアルカリ土類元素を含む蛍光体製造用合金を製造する場合、次の問題点がある。
Siの融点は1410℃であり、アルカリ土類金属の沸点と同程度である(例えば、Caの沸点は1494℃、Srの沸点は1350℃、Baの沸点は1537℃である)。そのため、融解中にアルカリ土類金属が揮発し所望の組成の合金が得られない問題があった。
そこで、本発明では、Siと希土類元素合金の共晶点組成、例えばSi−La系の場合、LaSiの共晶点温度は1205℃であり、Si単体の融点より低くなることを利用して出来上がった合金の組成を制御する。即ち、まず共晶点に近い融点をもつ組成の合金が先にできるように工夫する。例えば、(La,Ca)Siが先にできて、次に、残りの金属がそれに融解するように仕込みを工夫することにより、所定の組成の合金が得られることを見出し、上記の問題を解決した。さらに、得られる合金の純度が向上し、それを原料とする蛍光体の特性が著しく向上するという効果も奏する。
得られる蛍光体製造用合金は、本発明の蛍光体を構成する金属元素のうち少なくともR元素、A元素及びSi元素を含有するものであり、好ましくは上記式[II]で表される組成をもつものが好ましい。なお、本発明の蛍光体を構成する金属元素を1つの蛍光体製造用合金が全て含有していなくても、後述の焼成工程において、2種以上の蛍光体製造用合金及び/又は他の原料(金属等)を併用することにより、本発明の蛍光体を製造することができる。
原料金属を融解する方法に特に制限はなく、任意の方法を採用することができる。例えば、抵抗加熱法、電子ビーム法、アーク融解法、高周波誘導加熱法(高周波融解法)等を用いることができる。また、これらの方法を2種以上任意に組み合わせて融解することもできる。
また、融解時に使用可能な坩堝材質としては、アルミナ、カルシア、黒鉛、モリブデン、窒化ホウ素、イリジウム等が挙げられる。また、ルツボ材質の混入を防止するためには、水冷銅るつぼを用いた高周波融解法(スカル溶解法あるいはコールドクルーシブル溶解法と呼ばれる)を用いることができる。この方法は、融点が1500℃を超えるような本蛍光体用合金の製造方法として大変好ましい。
ただし、Siとアルカリ土類金属元素等、同時に融解することのできない金属元素を含む蛍光体製造用合金を製造する場合は、母合金を製造した後で、他の金属原料を混合することにより蛍光体製造用合金を製造するとよい。この場合の詳細な方法については、WO2006/106948号公報を参照することができる。
ところで、いずれの原料金属を融解する場合でも、原料金属の融解時の具体的な温度条件及び融解させる時間は、用いる原料金属に応じて適切な温度及び時間を設定すればよい。また、原料金属の融解時の雰囲気は蛍光体製造用合金が得られる限り任意であるが、不活性ガス雰囲気が好ましく、中でもアルゴン雰囲気が好ましい。なお、不活性ガスは1種のみを用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。さらに、原料金属の融解時の圧力は蛍光体製造用合金が得られる限り任意であるが、1×10Pa以上が好ましく、1×10Pa以下が好ましい。更に、安全性の面から、大気圧以下で行なうことが望ましい。
[2−2−5.溶湯の鋳造]
上述した原料金属の融解により蛍光体製造用合金が得られる。この蛍光体製造用合金は通常は合金溶湯として得られるが、この合金溶湯から直接蛍光体を製造するには技術的課題が多く存在する。そのため、この合金溶湯を金型に注入して成型する鋳造工程を経て、凝固体(以下これを「合金塊」ということがある。)を得ることが好ましい。
ただし、この鋳造工程において溶融金属の冷却速度によって偏析が生じ、溶融状態で均一組成であった蛍光体製造用合金が組成分布に偏りを生じることもある。従って、冷却速度はできるだけ速いことが望ましい。また、金型は銅などの熱伝導性のよい材料を使用することが好ましく、熱が放散しやすい形状であることが好ましい。また、必要に応じて水冷などの手段により金型を冷却する工夫をすることも好ましい。
このような工夫により、例えば厚さに対して底面積の大きい金型を用い、溶湯を金型へ注湯後、できるだけ早く凝固させることが好ましい。
また、蛍光体製造用合金の組成によって偏析の程度は異なるので、必要な分析手段、例えばICP発光分光分析法などによって、得られた凝固体の数箇所より試料を採取して組成分析を行い、偏析の防止に必要な冷却速度を定めることが好ましい。
なお、鋳造時の雰囲気は、不活性ガス雰囲気が好ましく、中でもアルゴン雰囲気が好ましい。この際、不活性ガスは1種のみを用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
[2−2−6.合金塊の粉砕]
蛍光体製造用合金は、塊状であっても粉末状であってもよいが、塊状のままでは蛍光体化する反応が進行し難いため、焼成に先立ち、所定の粒径に粉砕することが好ましい。そこで、鋳造により得られた合金塊を粉砕することにより(粉砕工程)、所望の粒径、粒度分布を有する蛍光体製造用合金粉末(以下これを「合金粉末」ということがある。)とする。
ここで、高輝度な蛍光体、安全な原料製造の観点から、合金の粒径が大きすぎると、窒化が起こりにくくなり、得られる蛍光体の輝度が低下する。また、小さすぎると、粉の粉砕工程において、粉の大気へのリークや大気の粉へのリークにより粉が発火する危険性が高まるとともに、酸素のコンタミ量の増大により、輝度低下がおこりやすくなる。
粉砕方法に特に制限はないが、例えば、乾式法や、エチレングリコール、ヘキサン、アセトン等の有機溶媒を用いる湿式法で行うことができる。
以下、乾式法を例に詳しく説明する。この粉砕工程は、必要に応じて、粗粉砕工程、中粉砕工程、微粉砕工程等の複数の工程に分けてもよい。この場合、全粉砕工程を同じ装置を用いて粉砕することもできるが、工程によって使用する装置を変えてもよい。
ここで、粗粉砕工程とは、合金粉末のおおよそ90重量%が粒径1cm以下になるように粉砕する工程であり、例えば、ジョークラッシャー、ジャイレトリークラッシャー、クラッシングロール、インパクトクラッシャーなどの粉砕装置を使用することができる。中粉砕工程とは、合金粉末のおおよそ90重量%が粒径1mm以下になるように粉砕する工程であり、例えば、コーンクラッシャー、クラッシングロール、ハンマーミル、ディスクミルなどの粉砕装置を使用することができる。微粉砕工程とは、合金粉末が後述する重量メジアン径になるように粉砕する工程であり、例えば、ボールミル、チューブミル、ロッドミル、ローラーミル、スタンプミル、エッジランナー、振動ミル、ジェットミルなどの粉砕装置を使用することができる。
中でも、不純物の混入を防止する観点から、最終の粉砕工程においては、ジェットミルを使用することが好ましい。ジェットミルを用いるためには、粒径2mm以下程度になるまで予め合金塊を粉砕しておくことが好ましい。ジェットミルでは、主に、ノズル元圧から大気圧に噴射される流体の膨張エネルギーを利用して粒子の粉砕を行うため、粉砕圧力により粒径を制御すること、不純物の混入を防止することができる。粉砕圧力は、装置によっても異なるが、ゲージ圧で通常0.01MPa以上、好ましくは0.05MPa以上、より好ましくは0.1MPa以上であり、通常2MPa以下、好ましくは0.4MPa以下、より好ましくは0.3MPa以下である。ゲージ圧が低すぎると得られる粒子の粒径が大きすぎる可能性があり、高すぎると得られる粒子の粒径が小さすぎる可能性がある。
いずれの場合も粉砕工程中に鉄等の不純物の混入が起こらないよう、粉砕機の材質と被粉砕物の関係を適切に選択することが好ましい。例えば、接粉部は、セラミックライニングが施されていることが好ましく、セラミックの中でも、アルミナ、窒化ケイ素、タングステンカーバイド、ジルコニア等が好ましい。なお、これらは1種のみを用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
合金粉末の酸化を防ぐため、粉砕工程は不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。不活性ガスの種類に特に制限はないが、通常、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの気体のうち1種単独雰囲気又は2種以上の混合雰囲気を用いることができる。中でも、経済性の観点から窒素が特に好ましい。
雰囲気中の酸素濃度は合金粉末の酸化が防止できる限り特に制限はないが、通常10体積%以下、特に5体積%以下が好ましい。また、酸素濃度の下限としては、通常10ppm程度である。特定の範囲の酸素濃度とすることによって、粉砕中に合金の表面に酸化被膜が形成され、安定化すると考えられる。酸素濃度が5体積%より高い雰囲気中で粉砕工程を行う場合、粉砕中に粉塵が爆発する可能性があるため、粉塵を生じさせないような設備を設けることが好ましい。
なお、粉砕工程中に合金粉末の温度が上がらないように必要に応じて冷却してもよい。
[2−2−7.合金粉末の分級]
上述したようにして得られた合金粉末は、例えば、バイブレーティングスクリーン、シフターなどの網目を使用した篩い分け装置;エアセパレータ等の慣性分級装置;サイクロン等の遠心分離機などを使用して、所望の重量メジアン径D50及び粒度分布に調整(分級工程)してから、これ以降の工程に供することが好ましい。
なお、粒度分布の調整においては、粗粒子を分級し、粉砕機にリサイクルすることが好ましく、分級及び/又はリサイクルが連続的であることがさらに好ましい。
分級工程についても、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。不活性ガスの種類に特に制限はないが、通常、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの1種単独雰囲気又は2種以上の混合雰囲気が用いられ、経済性の観点から窒素が特に好ましい。また、不活性ガス雰囲気中の酸素濃度は10体積%以下、特に5体積%以下が好ましい。
[2−2−8.アトマイズ法等による合金の調製]
蛍光体製造用合金は、上述した方法により製造するほか、次の(a)〜(c)の工程を経て製造することもできる。これにより、安息角が45度以下である蛍光体製造用合金粉末を得ることができる。(a)蛍光体を構成する金属に対応した原料金属のうち、2種以上を溶融させて、これらの元素を含む合金溶湯を用意する(融解工程)。(b)合金溶湯を不活性ガス中で微細化する(微細化工程)。(c)微細化した合金溶湯を凝固させ、合金粉末を得る(凝固工程)。
即ち、この方法は、合金溶湯をガス中で微細化し、これを凝固させて粉末を得るものである。上記(b)微細化工程及び(c)凝固工程は、例えば、合金溶湯を噴霧する方法、ロールやガス流により急冷し、リボン状に微細化する方法やアトマイズ法等により粉末化することが好ましく、中でもアトマイズ法を用いることが好ましい。具体的には、WO2007/135975号公報に記載の公知の方法を、適宜変更して用いることができる。
[2−3.焼成工程]
得られた蛍光体製造用合金を、フラックス存在下で焼成し、窒化することにより、本発明の蛍光体を得ることができる。ここで焼成は、後述するとおり、水素含有窒素ガス雰囲気下で行うのが好ましい。
[2−3−1.原料の混合]
蛍光体製造用合金に含有される金属元素の組成が、式[I]で表される結晶相に含まれる金属元素の組成に一致していれば蛍光体製造用合金のみを焼成すればよい。一方、一致していない場合には、別の組成を有する蛍光体製造用合金、金属単体、金属化合物などを蛍光体製造用合金と混合して、原料中に含まれる金属元素の組成が式[I]で表される結晶相に含まれる金属元素の組成に一致するように調整し、焼成を行う。
なお、蛍光体製造用合金に含有される金属元素の組成が、式[I]で表される結晶相に含まれる金属元素の組成に一致している場合であっても、蛍光体製造用合金に窒化物又は酸窒化物(付活元素を含む窒化物又は酸窒化物であっても、本発明の蛍光体そのものであってもよい)を混合すると、WO2007/135975号公報に記載されている通り、窒化時の単位体積当たりの発熱速度を抑制し、窒化反応を円滑に進行させることができるようになるため、高特性の蛍光体が高い生産性で得られるようになる。本発明の蛍光体を製造するにあたっては、WO2007/135975号公報を参照し、適宜変更を加えることにより適切な窒化物又は酸窒化物の存在下で窒化処理を行ってもよい。
この際、蛍光体製造用合金と混合して用いることができる金属化合物に制限はなく、例えば、窒化物、酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、蓚酸塩、カルボン酸塩、ハロゲン化物等が挙げられる。具体的な種類は、これらの金属化合物の中から、目的物への反応性や焼成時におけるNO、SO等の発生量の低さ等を考慮して適宜選択すればよいが、本発明の蛍光体が窒素含有蛍光体である観点から、窒化物及び/又は酸窒化物を用いることが好ましい。中でも、窒素源としての役割も果たすため、窒化物を用いることが好ましい。
窒化物及び酸窒化物の具体例としては、AlN、Si、Ca、Sr、EuN等の蛍光体を構成する元素の窒化物、CaAlSiN、(Sr,Ca)AlSiN、(Sr,Ca)Si、CaSiN、SrSiN、BaSi等の蛍光体を構成する元素の複合窒化物等が挙げられる。また、上記の窒化物は、微量の酸素を含んでいてもよい。窒化物における酸素/(酸素+窒素)の割合(モル比)は本発明の蛍光体が得られる限り任意であるが、通常5%以下、好ましくは1%以下、より好ましくは0.5%以下、更に好ましくは0.3%以下、特に好ましくは0.2%以下とする。窒化物中の酸素の割合が多すぎると輝度が低下する可能性がある。
金属化合物の重量メジアン径D50は、他の原料との混合に支障がない限り特に制限は無い。ただし、他の原料と混合しやすいことが好ましく、例えば、合金粉末と同程度であることが好ましい。金属化合物の具体的な重量メジアン径D50の値は、蛍光体が得られる限り任意であるが、200μm以下であることが好ましく、より好ましくは100μm以下、特に好ましくは80μm以下、さらに好ましくは60μm以下、また、0.1μm以上であることが好ましく、より好ましくは0.5μm以上である。なお、上記の混合する蛍光体製造用合金、金属単体、金属化合物などは、いずれも、1種のみを用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
蛍光体を構成する金属元素の全てを含む蛍光体製造用合金を用意し、これを焼成して蛍光体を製造することが好ましい。これにより、少ない工程で良好な蛍光体を簡単に製造できる。また、従来のように合金を使用しない製造方法では原料に含まれる金属元素の組成比が焼成等により変化して所望の元素組成比を有する蛍光体が得られないことがあったが、蛍光体製造用合金を使用することにより、目的とする蛍光体の化学量論通りに金属元素を仕込むだけで、目的とする組成比を有する蛍光体を簡単に得ることができる。
[2−3−2.フラックス]
焼成工程においては、良好な結晶を成長させる観点から、反応系にフラックスを共存させるのが好ましい。
フラックスの種類は特に制限されないが、例えば、NHCl、NHF・HF等のハロゲン化アンモニウム;NaCO、LiCO等のアルカリ金属炭酸塩;LiCl、NaCl、KCl、CsCl、LiF、NaF、KF、CsF等のアルカリ金属ハロゲン化物;CaCl、BaCl、SrCl、CaF、BaF、SrF、MgCl、MgF等のアルカリ土類金属ハロゲン化物;BaO等のアルカリ土類金属酸化物;B、HBO、Na等のホウ素酸化物、ホウ酸及びアルカリ金属又はアルカリ土類金属のホウ酸塩化合物;LiPO、NHPO等のリン酸塩化合物;AlF等のハロゲン化アルミニウム;ZnCl、ZnF等のハロゲン化亜鉛、酸化亜鉛等の亜鉛化合物;Bi等の周期表第15族元素化合物;LiN、Ca、Sr、Ba、BN等のアルカリ金属、アルカリ土類金属又は第13族元素の窒化物などが挙げられる。
さらに、フラックスとして、例えば、LaF、LaCl、GdF、GdCl、LuF、LuCl、YF、YCl、ScF、ScCl等の希土類元素のハロゲン化物、La、Gd、Lu、Y、Sc等の希土類元素の酸化物も挙げられる。
上記フラックスとしては、ハロゲン化物が好ましく、具体的には、例えばアルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、Znのハロゲン化物、希土類元素のハロゲン化物が好ましい。また、ハロゲン化物の中でも、フッ化物、塩化物が好ましく、更に好ましくはフッ化物である。具体的にはアルカリ金属フッ化物、アルカリ土類金属フッ化物、ZnF2、希土類元素のフッ化物が好ましく、特に希土類金属フッ化物、アルカリ土類金属フッ化物が好ましい。
ここで、上記フラックスのうち潮解性のあるものについては、無水物を用いる方が好ましい。また、フラックスは1種のみを使用してもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
さらに好適なフラックスとして、MgFが挙げられるが、それ以外にCeF、LaF、YF、GdF等も好適に使用できる。このうちYF、GdF等は発光色の色度座標(x、y)を変化させる効果を有する。CeFを用いる場合は、母体結晶を構成する原料(合金や合金と窒化物の混合物)の中に発光中心であるCeを含んでいなくても良いため、好ましい。Ceは合金中に含ませた場合、量が少ないため、偏析等により偏って存在してしまう可能性があるので、製造上の安定性の点から、CeF3を使用することは特に好ましい。
フラックスの使用量は、原料の種類やフラックスの材料等によっても異なり任意であるが、原料全体に対して、通常0.01重量%以上、好ましくは0.1重量%以上、より好ましくは0.3重量%以上、また、通常20重量%以下、好ましくは10重量%以下の範囲が適当である。フラックスの使用量が少な過ぎると、フラックスの効果が現れない可能性があり、フラックスの使用量が多過ぎると、フラックス効果が飽和したり、母体結晶に取り込まれて発光色を変化させたり、輝度低下を引き起こしたり、焼成炉の劣化を引き起こしたりする場合がある。
[2−3−3.加熱条件]
このようにして得られた合金粉末及び必要に応じて添加したその他の化合物を、通常は坩堝、トレイ等の容器に充填し、雰囲気制御が可能な加熱炉に納める。この際、容器の材質としては、金属化合物との反応性が低いことから、ここで使用する焼成容器の材質は、例えば、窒化ホウ素、窒化珪素、炭素、窒化アルミニウム、モリブデン、タングステン等が挙げられる。中でも、モリブデン、窒化ホウ素が耐食性に優れることから好ましい。
なお、上記の材質は、1種のみを用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
ここで、使用する焼成容器の形状は任意である。例えば、焼成容器の底面が、円形、楕円形等の角のない形や、三角形、四角形等の多角形であってもよいし、焼成容器の高さも加熱炉に入る限り任意であり、低いものでも高いものでもよい。中でも、放熱性のよい形状を選択することが好ましい。
そして、合金粉末を加熱することにより、本発明の蛍光体を得ることができる。ただし、上記の合金粉末は、40%以下の体積充填率に保持した状態で焼成することが好ましい。なお、体積充填率は、(混合粉末の嵩密度)/(混合粉末の理論密度)×100[%]、により求めることが出来る。
この蛍光体原料を充填した焼成容器を、焼成装置(以下これを「加熱炉」ということがある。)に納める。ここで使用する焼成装置としては、本発明の効果が得られる限り任意であるが、装置内の雰囲気を制御できる装置が好ましく、さらに圧力も制御できる装置が好ましい。例えば、熱間等方加圧装置(HIP)、抵抗加熱式真空加圧雰囲気熱処理炉等が好ましい。また、加熱開始前に、焼成装置内に窒素を含むガスを流通して系内を十分にこの窒素含有ガスで置換することが好ましい。必要に応じて、系内を真空排気した後、窒素含有ガスを流通しても良い。
窒化処理の際に使用する窒素含有ガスとしては、窒素元素を含むガス、例えば窒素、アンモニア、或いは窒素と水素の混合気体等が挙げられる。また、窒素含有ガスは、1種のみを用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。これらの中で、窒素含有ガスとしては、水素を含む窒素ガス(水素含有窒素ガス)が好ましい。なお、水素含有窒素ガスにおける水素の混合割合は4体積%以下が爆発限界外で有り、安全上好ましい。
合金を原料として水素ガス含有窒素ガスを試用することにより高輝度で特定の物体色をもつ窒化物黄色蛍光体を実現できた第1の有力な理由は次のとおりと考える。すなわち、金属が窒化を受けるためには窒素分子が解離する必要があるが、合金表面上に水素ラジカルが生成し、それが窒素分子の解離を助け、解離窒素による合金窒化を促進していることが強く推定される。気相の窒素分子が遷移金属等の金属表面上へ解離吸着するときに、Hラジカルがそれを助け、窒素の二原子分子が解離したNHx種が容易に表面上に形成されることが知られている。
また、高輝度で特定の物体色が実現できた第2の理由として、気相の水素が焼成中少量の炭素と反応して、蛍光体中の炭素量を抑制しており、共存炭素による輝度低減を抑制していると強く考えられる。N−H下焼成後、固体内炭素量が半減していることが確認された。このように、合金を原料とする場合、窒素原子以外に水素原子が共存することは、炭素除去、窒素欠損の少ない良好な窒化を助ける良い効果があると考えられる。その意味で、窒素原子と水素原子を共有するアンモニアガスを使用することも、焼成炉の機密性を保つ工夫がなされれば、好ましい。
系内の酸素濃度は製造される蛍光体の酸素含有量に影響し、余り高い含有量となると高い発光が得られなくなるため、窒化処理雰囲気中の酸素濃度は、低いほど好ましく、通常0.1体積%以下、好ましくは100ppm以下、より好ましくは10ppm以下、更に好ましくは5ppm以下とする。また、必要に応じて、炭素、モリブデン等の酸素ゲッターを系内加熱部分に入れて、酸素濃度を低下させても良い。なお、酸素ゲッターは、1種のみで用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
窒化処理は、水素含有窒素ガスを充填した状態或いは流通させた状態で蛍光体原料を加熱することにより行なうが、その際の圧力は大気圧よりも幾分減圧、大気圧或いは加圧の何れの状態でも良い。ただし、大気中の酸素の混入を防ぐためには大気圧以上とすることが好ましい。圧力を大気圧未満にすると加熱炉の密閉性が悪い場合には多量の酸素が混入して特性の高い蛍光体を得ることができない可能性がある。水素含有窒素ガスの圧力は少なくともゲージ圧で0.1MPa以上(常圧以上)が好ましい。あるいは、20MPa以上の高圧下で加熱することもできる。また、200MPa以下が好ましい。その後、窒素を含むガスを流通して、系内を十分にこのガスで置換する。必要に応じて、系内を真空排気した後、ガスを流通しても良い。
ところで、金属の窒化反応は、通常は発熱反応である。したがって、合金法による蛍光体の製造時には、急激に放出される反応熱により合金が再度融解し、表面積が減少する可能性がある。このように表面積が減少すると、気体窒素と合金との反応を遅延させることがある。このため、合金法では、合金が融解しない反応速度を維持することが、高性能の蛍光体を安定に製造することができるために好ましい。特に、その窒化熱生成が激しい1150〜1400℃なる焼成温度領域の、少なくとも、発熱ピークの立ち上がりがおこる温度領域において、1.5℃/分以下の低速度で昇温させて焼成することが好ましい。昇温速度の上限は、通常1.5℃/分以下、好ましくは0.5℃/分以下、より好ましくは0.1℃/分以下である。また、下限に特に制限はなく、工業生産としての経済的観点より定めればよい。ここで、発熱ピークとは、TG−DTA(熱重量・示差熱)測定により求められる発熱ピークである。
本方法により、合金の窒化熱の急激な生成を抑制することができ、局所的な温度上昇を抑制し、良好な蛍光体が得られるとともに、窒化熱を生成しない他の温度領域を高い昇温速度に設定することにより、全体の焼成時間を短縮した効率的な蛍光体の製造が達成される。
また、加熱温度は、蛍光体製造用合金の組成等によっても異なるが、通常1000℃以上1800℃以下であり、1400℃以上1700℃以下がより好ましい。また、上記の温度は、加熱処理の際の炉内温度、即ち、焼成装置の設定温度をさす。
合金の窒化により蛍光体をつくる場合、従来は、合金の窒化段階でフラックスを添加することなく、合金の窒化のあとに、二回目の焼成時にフラックス下で粒子を成長させていた。本発明におけるフラックス下合金窒化の優位点を次に挙げる。第一に、本窒化物蛍光体は、合成時の酸素混入で簡単に輝度低下してしまうが、1回だけの焼成とすることで、途中に大気接触して不安定副生物の酸化による酸素の混入を防ぐことができる。第二に、焼成中フラックスの融解や一部蒸発が、合金の窒化熱の低減効果をもたらし、局所的な温度上昇を抑制し、良好な蛍光体粒子合成に寄与する。第三に、窒化した部分から、フラックス下で結晶成長が開始するため、効率的な結晶成長が達成され、高輝度化に有利となる。
窒化処理時の加熱時間(最高温度での保持時間)は、蛍光体原料と窒素との反応に必要な時間で良いが、通常1分以上、好ましくは10分以上、より好ましくは30分以上、更に好ましくは60分以上とする。加熱時間が1分より短いと窒化反応が完了せず特性の高い蛍光体が得られない可能性がある。また、加熱時間の上限は生産効率の面から決定され、通常50時間以下であり、好ましくは24時間以下である。
本発明の製造方法において、必要に応じて、蛍光体製造用合金を予備的に窒化(一次窒化)した後に、上述した窒化処理を行ってもよい。具体的には、窒素含有雰囲気下、所定の温度域で所定の時間、蛍光体製造用合金を加熱することにより予備的な窒化を行なうことになる。このような一次窒化工程の導入により、その後の窒化処理における合金と窒素との反応性を制御することができ、合金から蛍光体を工業的に生産が容易となる可能性がある。
また、窒化処理は、必要に応じて、複数回に渡って繰り返して行なってもよい。この場合、1回目の焼成(一次焼成)の条件と2回目の焼成(二次焼成)以降の焼成条件は、いずれも上述の通りである。二次焼成以降の条件は、一次焼成と同じ条件でもよく異なる条件に設定してもよい。このように蛍光体原料に対して窒化処理することにより、窒化物又は酸窒化物を母体とする本発明の蛍光体を得ることができる。
[2−4.後処理]
本発明の製造方法においては、上述した工程以外にも、必要に応じてその他の工程を行ってもよい。例えば、上述の焼成工程後、必要に応じて粉砕工程、洗浄工程、分級工程、表面処理工程、乾燥工程などを行なってもよい。
[2−4−1.粉砕工程]
粉砕工程には、例えば、ハンマーミル、ロールミル、ボールミル、ジェットミル、リボンブレンダー、V型ブレンダー、ヘンシェルミキサー等の粉砕機、乳鉢と乳棒を用いる粉砕などが使用できる。このとき、生成した蛍光体結晶の破壊を抑え、二次粒子の解砕等の目的とする処理を進めるためには、例えば、アルミナ、窒化珪素、ZrO、ガラス等の容器中にこれらと同様の材質又は鉄芯入りウレタン等のボールを入れてボールミル処理を10分〜24時間程度の間で行うことが好ましい。この場合、有機酸やヘキサメタリン酸などのアルカリリン酸塩等の分散剤を0.05重量%〜2重量%用いても良い。
[2−4−2.洗浄工程]
洗浄工程は、例えば、脱イオン水等の水、エタノール等の有機溶剤、アンモニア水等のアルカリ性水溶液などで行うことができる。使用されたフラックスを除去する等、蛍光体の表面に付着した不純物相を除去し発光特性を改善するなどの目的のために、例えば、塩酸、硝酸、硫酸、王水、フッ化水素酸と硫酸との混合物などの無機酸;酢酸などの有機酸などを含有する酸性水溶液を使用することもできる。
不純物相である非晶質分を除去する目的のためにフッ化水素酸、フッ化アンモニウム(NHF)、フッ化水素アンモニウム(NHHF)、フッ化水素ナトリウム、フッ化水素カリウム等を含有する酸性水溶液等が使用できる。これらの中で、NHHF水溶液が好ましい。NHHF水溶液の濃度は、通常1重量%〜30重量%、好ましくは5重量%〜25重量%である。また、必要に応じてこれらの薬剤を適宜混合して使用することもできる。
また、アリカリ性水溶液や酸性水溶液中で洗浄処理した後に、水で更に洗浄することが好ましい。上記の洗浄工程により、蛍光体の輝度、発光強度、吸収効率、物体色を向上させることができる。
洗浄工程の一例を挙げると、洗浄後の焼成物を重量比で10倍量の10重量%NHHF水溶液中で一時間攪拌を行った後、水に分散後、1時間静置して得られる上澄み液のpHが中性(pH5〜9程度)となる程度まで洗浄を行うことが好ましい。上記の上澄み液が塩基性又は酸性に偏っていると、後述の液体媒体等と混合するときに液体媒体等に悪影響を与える可能性があるためである。
酸洗浄中に発生する不純物を除去するために、1種目の液での洗浄後、2種目の液での洗浄を行う方法や、2種以上の物質を混合した液での洗浄の方法も好ましい。前者の例として、NHHF水溶液での洗浄の後、塩酸での洗浄、最後に水洗という工程を挙げることができる。後者の例として、NHHFとHNOの混合水溶液での洗浄後、水洗する工程を挙げることができる。
上記洗浄の程度は、洗浄後の蛍光体を重量比で10倍の水に分散後、1時間静置して得られる上澄み液の電気電導度でも表すことができる。上記電気伝導度は、発光特性の観点からは低いほど好ましいが、生産性も考慮すると通常10mS/m以下、好ましくは5mS/m以下、より好ましくは4mS/m以下となるまで洗浄処理を繰り返し行うことが好ましい。
電気伝導度は、蛍光体の10重量倍の水中で所定時間(例えば10分間)撹拌して分散させた後、1時間静置して水よりも比重の重い粒子を自然沈降させ、このときの上澄み液の電気伝導度を、例えば東亜ディケーケー社製電気伝導度計「EC METER CM−30G」等を用いて測定すればよい。洗浄処理や電気伝導度の測定に用いる水としては、特に制限はないが、脱塩水又は蒸留水が好ましい。中でも特に電気伝導度が低いものが好ましく、通常0.0064mS/m以上、また、通常1mS/m以下、好ましくは0.5mS/m以下のものを用いる。なお、電気伝導度の測定は、通常、室温(25℃程度)にて行う。
[2−4−3.分級工程]
分級工程は、例えば、水篩を行う、あるいは、各種の気流分級機や振動篩など各種の分級機を用いることにより行うことができる。中でも、ナイロンメッシュによる乾式分級を用いると、重量メジアン径10μm程度の分散性の良い蛍光体を得ることができる。
また、ナイロンメッシュによる乾式分級と、水簸処理とを組み合わせて用いると、重量メジアン径20μm程度の分散性の良い蛍光体を得ることができる。ここで、水篩や水簸処理では、通常、水媒体中に0.1重量%〜10重量%程度の濃度で蛍光体粒子を分散させる、また、蛍光体の変質を抑えるために、水媒体のpHを、通常4以上、好ましくは5以上、また、通常9以下、好ましくは8以下とする。また、上記のような重量メジアン型の蛍光体粒子を得るに際して、水篩及び水簸処理では、例えば50μm以下の粒子を得てから、30μm以下の粒子を得るといった、2段階での篩い分け処理を行う方が作業効率と収率のバランスの点から好ましい。また、下限としては、通常1μm以上、好ましくは5μm以上のものを篩い分ける処理を行うのが好ましい。
[2−4−4.表面処理工程]
本発明の蛍光体を用いて発光装置を製造する際には、耐湿性等の耐候性を一層向上させるために、又は後述する発光装置の蛍光体含有部における樹脂に対する分散性を向上させるために必要に応じて、蛍光体の表面を異なる物質で被覆する等の表面処理を行っても良い。
蛍光体の表面に存在させることのできる物質(以下これを「表面処理物質」ということがある。)としては、例えば、有機化合物、無機化合物、およびガラス材料などを挙げることができる。
有機化合物としては、例えば、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエチレン等の熱溶融性ポリマー、ラテックス、ポリオルガノシロキサン等が挙げられる。
無機化合物としては、例えば、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化スズ、酸化ゲルマニウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化バナジウム、酸化硼素、酸化アンチモン、酸化亜鉛、酸化イットリウム、酸化ビスマス等の金属酸化物、窒化珪素、窒化アルミニウム等の金属窒化物、燐酸カルシウム、燐酸バリウム、燐酸ストロンチウム等のオルト燐酸塩、ポリリン酸塩、燐酸ナトリウムと硝酸カルシウムとの組合せのようなアルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属の燐酸塩とカルシウム塩との組合せ、等が挙げられる。
ガラス材料としては、例えばホウ珪酸塩、ホスホ珪酸塩、アルカリ珪酸塩等が挙げられる。これらの表面処理物質は、1種のみを用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
上記の表面処理により得られる本発明の蛍光体は、表面処理物質の存在が前提であるが、その態様は、例えば下記のものが挙げられる。(i)上記表面処理物質が連続膜を構成して蛍光体表面を被覆する態様。(ii)上記表面処理物質が多数の微粒子となって、蛍光体の表面に付着することにより蛍光体表面を被覆する態様。
蛍光体の表面への表面処理物質の付着量ないし被覆量は、本発明の効果を著しく損なわない限り任意であるが、蛍光体の重量に対して、通常0.1重量%以上、好ましくは1重量%以上、より好ましくは5重量%以上、さらに好ましくは10重量%以上であり、通常50重量%以下、好ましくは30重量%以下、より好ましくは20重量%以下である。蛍光体に対する表面処理物質量が多すぎると蛍光体の発光特性が損なわれることがあり、少なすぎると表面被覆が不完全となって、耐湿性、分散性の改善が見られないことがある。
また、表面処理により形成される表面処理物質の膜厚(層厚)は、本発明の効果を著しく損なわない限り任意であるが、通常10nm以上、好ましくは50nm以上であり、通常2000nm以下、好ましくは1000nm以下である。この膜厚が厚すぎると蛍光体の発光特性が損なわれることがあり、薄すぎると表面被覆が不完全となって、耐湿性、分散性の改善が見られないことがある。
表面処理の方法には特に制限は無いが、例えば下記のような金属酸化物(酸化珪素)による被覆処理法を挙げることができる。
本発明の蛍光体をエタノール等のアルコール中に混合して、攪拌し、さらにアンモニア水等のアルカリ水溶液を混合して、攪拌する。次に、加水分解可能なアルキル珪酸エステル、例えばテトラエチルオルト珪酸を混合して、攪拌する。得られた溶液を3分間〜60分間静置した後、スポイト等により蛍光体表面に付着しなかった酸化珪素粒子を含む上澄みを除去する。次いで、アルコール混合、攪拌、静置、上澄み除去を数回繰り返した後、120℃〜150℃で10分〜5時間、例えば2時間の減圧乾燥工程を経て、表面処理蛍光体を得る。
蛍光体の表面処理方法としては、この他、例えば球形の酸化珪素微粉を蛍光体に付着させる方法(特開平2−209989号公報、特開平2−233794号公報参照)、蛍光体に珪素系化合物の皮膜を付着させる方法(特開平3−231987号公報参照)、蛍光体微粒子の表面をポリマー微粒子で被覆する方法(特開平6−314593号公報参照)、蛍光体を有機材料、無機材料及びガラス材料等でコーティングする方法(特開2002−223008号公報参照)、蛍光体の表面を化学気相反応法によって被覆する方法(特開2005−82788号公報参照)、金属化合物の粒子を付着させる方法(特開2006−28458号公報参照)等の公知の方法を用いることができる。
[3.蛍光体含有組成物]
本発明の蛍光体含有組成物は、本発明の蛍光体と液体媒体とを含有するものである。本発明の蛍光体を発光装置等の用途に使用する場合には、これを液状媒体中に分散させた形態、即ち、蛍光体含有組成物の形態で用いることが好ましい。
本発明の蛍光体含有組成物に使用可能な液状媒体としては、所望の使用条件下において液状の性質を示し、本発明の蛍光体を好適に分散させると共に、好ましくない反応等を生じないものであれば、任意のものを目的等に応じて選択することができる。液状媒体の例としては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリビニル系樹脂、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリエステル系樹脂等が挙げられる。これらの液状媒体は1種を単独で使用してもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。なお、上記の液状媒体に有機溶媒を含有させることもできる。
液状媒体の使用量は、用途等に応じて適宜調整すればよいが、一般的には、本発明の蛍光体に対する液状媒体の重量比で、通常3重量%以上、好ましくは5重量%以上、また、通常30重量%以下、好ましくは15重量%以下の範囲である。液状媒体が少なすぎると、体積あたりの蛍光体含有組成物からの発光量が低下する傾向にあり、多すぎると、蛍光体粉の分散性が悪くなり、色むらが起こる傾向にある。
本発明の蛍光体含有組成物は、本発明の蛍光体及び液状媒体に加え、その用途等に応じて、その他の任意の成分を含有していてもよい。その他の成分としては、拡散剤、増粘剤、増量剤、干渉剤等が挙げられる。具体的には、アエロジル等のシリカ系微粉、アルミナ等が挙げられる。なお、これらその他の成分は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
蛍光体含有組成物を発光装置等の構成部材(例えば、後述する第2の発光体)に用いる場合には、液状媒体を硬化させることにより当該蛍光体含有組成物を上記構成部材とすることができる。
[4.発光装置]
次に、本発明の発光装置について説明する。本発明の発光装置は、第1の発光体と、該第1の発光体からの光の照射によって可視光を発する第2の発光体とを有する発光装置であって、該第2の発光体として、本発明の蛍光体を1種以上含む第1の蛍光体を含有してなるものである。
[4−1.第1の発光体]
本発明の発光装置における第1の発光体は、後述する第2の発光体を励起する光を発光するものである。第1の発光体の発光波長は、後述する第2の発光体の吸収波長と重複するものであれば、特に制限されず、幅広い発光波長領域の発光体を使用することができる。さらに、好適に使用される第1の発光体としては、例えば、300nm以上420nm以下の波長範囲に発光ピークを有するもの、420nm以上450nm以下の波長範囲に発光ピーク波長を有するもの、420nm以上500nm以下の波長範囲に発光ピークを有するもの等が挙げられる。
通常は、近紫外領域から青色領域までの発光波長を有する発光体が使用され、具体的数値としては、通常300nm以上、好ましくは330nm以上、また、通常500nm以下、好ましくは480nm以下の発光波長を有する発光体が使用される。
この第1の発光体としては、一般的には半導体発光素子が用いられ、具体的には発光ダイオード(LED)や半導体レーザーダイオード(semiconductor laser diode;以下これを「LD」と略称することがある。)等が使用できる。
中でも、第1の発光体としては、GaN系化合物半導体を使用したGaN系LEDやLDが好ましい。なぜなら、GaN系LEDやLDは、この領域の光を発するSiC系LED等に比し、発光出力や外部量子効率が格段に大きく、上記蛍光体と組み合わせることによって、非常に低電力で非常に明るい発光が得られるからである。例えば、20mAの電流負荷に対し、通常GaN系LEDやLDはSiC系の100倍以上の発光強度を有する。GaN系LEDやLDにおいては、AlGaN発光層、GaN発光層、またはInGaN発光層を有しているものが好ましい。GaN系LEDにおいては、それらの中でInGaN発光層を有するものが、発光強度が非常に強いので特に好ましい。GaN系LDにおいては、InGaN層とGaN層の多重量子井戸構造のものが、発光強度が非常に強いので特に好ましい。
なお、上記においてX+Yの値は通常0.8〜1.2の範囲の値である。GaN系LEDにおいて、これら発光層にZnやSiをドープしたものやドーパント無しのものが発光特性を調節する上で好ましい。
GaN系LEDはこれら発光層、p層、n層、電極、および基板を基本構成要素としたものであり、発光層をn型とp型のAlGaN層、GaN層、またはInGaN層などでサンドイッチにしたヘテロ構造を有しているものが、発光効率が高く、好ましく、さらにヘテロ構造を量子井戸構造にしたものが、発光効率がさらに高く、より好ましい。これらLEDやLDは、既に市販されており容易に入手できる。
[4−2.第2の発光体]
本発明の発光装置における第2の発光体は、上述した第1の発光体からの光の照射によって可視光を発する発光体であり、第1の蛍光体(本発明の蛍光体)を含有するとともに、その用途等に応じて適宜、第2の蛍光体を含有する。また、例えば、第2の発光体は、第1及び/又は第2の蛍光体を封止材料中に分散させて構成される。
[4−2−1.第1の蛍光体]
本発明の発光装置において、第2の発光体は、上記の本発明の蛍光体を含有するものであり、第1の蛍光体として、少なくとも、1種以上の本発明の蛍光体を含有する。また、第1の蛍光体としては、本発明の蛍光体以外にも、本発明の蛍光体と同色の蛍光を発する蛍光体(以下これを「同色併用蛍光体」ということがある。)を同時に用いても良い。通常、本発明の蛍光体は黄色蛍光体であるので、第1の蛍光体として、本発明の蛍光体と共に他種の黄色〜橙色蛍光体(同色併用蛍光体)を併用することができる。
同色併用蛍光体としては、例えば、YAl12:Ce、Eu付活M(Si,Al)12(O,N)16(ここで、Mは、Ca、Y等の金属元素を示し、xは、酸素原子のモル数をMの平均価数で割ったものであり、酸素原子のモル数は、通常、0より大きく、4.3以下である。)等が挙げられる。なお、これらは1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
同色併用蛍光体の発光ピーク波長λ(nm)に制限は無いが、通常500nm以上、好ましくは520nm以上、また、通常650nm以下、好ましくは630nm以下の波長範囲である。第1の蛍光体の発光ピーク波長が短すぎても、長すぎても、第1の発光体や第2の蛍光体との組み合わせにおいて、良好な白色が得られ難い傾向にある。
同色併用蛍光体の発光ピークの半値幅(FWHM)に制限は無いが、通常110nm以上、好ましくは120nm以上、また、通常280nm以下である。この半値幅が狭過ぎると演色性が低下する可能性がある。
第1の蛍光体として本発明の蛍光体とその他の蛍光体(同色併用蛍光体)とを用いる場合、両者の比率は本発明の効果を著しく損なわない限り任意である。ただし、本発明の蛍光体の比率が大きいほうが好ましい。具体的には、第1の蛍光体全体に占める本発明の蛍光体の比率が、通常40重量%以上、好ましくは60重量%以上、より好ましくは70重量%以上である。ただし、第1の蛍光体として本発明の蛍光体のみを使用することが特に好ましい。
[4−2−2.第2の蛍光体]
本発明の発光装置における第2の発光体は、その用途に応じて、上述の第1の蛍光体以外にも蛍光体(即ち、第2の蛍光体)を含有していてもよい。この第2の蛍光体は、第1の蛍光体とは発光波長が異なる蛍光体である。通常、これらの第2の蛍光体は、第2の発光体の発光の色調を調節するために使用されるため、第2の蛍光体としては第1の蛍光体とは異なる色の蛍光を発する蛍光体を使用することが多い。
上記のように、通常は第1の蛍光体として本発明の蛍光体を使用するので、第2の蛍光体としては、例えば、565nm以上780nm以下の波長範囲に発光ピークを有する蛍光体(以下これを「橙色ないし赤色蛍光体」ということがある。)、420nm以上500nm以下の波長範囲に発光ピークを有する蛍光体(以下これを「青色蛍光体」ということがある。)、500nm以上550nm以下の波長範囲に発光ピークを有する蛍光体(以下これを「緑色蛍光体」ということがある。)等の蛍光体を用いることが好ましい。
なお、第2の蛍光体としては、1種類の蛍光体を単独で使用してもよく、2種以上の蛍光体を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。また、第1の蛍光体と第2の蛍光体との比率も、本発明の効果を著しく損なわない限り任意である。したがって、第2の蛍光体の使用量、並びに、第2の蛍光体として用いる蛍光体の組み合わせ及びその比率などは、発光装置の用途などに応じて任意に設定すればよい。次に、第2の蛍光体について、さらに具体的に説明する。
[4−2−2−1.橙色ないし赤色蛍光体]
橙色ないし赤色蛍光体の発光ピーク波長は、通常565nm以上、好ましくは575nm以上、より好ましくは580nm以上、また、通常780nm以下、好ましくは700nm以下、より好ましくは680nm以下の波長範囲にあることが好適である。
このような橙色ないし赤色蛍光体としては、例えば、赤色破断面を有する破断粒子から構成され、赤色領域の発光を行う(Mg,Ca,Sr,Ba)Si:Euで表わされるユーロピウム賦活アルカリ土類シリコンナイトライド系蛍光体、規則的な結晶成長形状としてほぼ球形状を有する成長粒子から構成され、赤色領域の発光を行う(Y,La,Gd,Lu)S:Euで表わされるユーロピウム賦活希土類オキシカルコゲナイド系蛍光体等が挙げられる。
赤色蛍光体の発光ピークの半値幅は、通常1nm〜100nmの範囲である。また、外部量子効率は、通常60%以上、好ましくは70%以上であり、重量メジアン径は、通常1μm以上、好ましくは5μm以上、さらに好ましくは10mμ以上であり、通常30μm以下、好ましくは20μm以下、さらに好ましくは15μm以下である。
更に、特開2004−300247号公報に記載された、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、W、及びMoよりなる群から選ばれる少なくも1種類の元素を含有する酸窒化物及び/又は酸硫化物を含有する蛍光体であって、Al元素の一部又は全てがGa元素で置換されたアルファサイアロン構造をもつ酸窒化物を含有する蛍光体も、本発明において用いることができる。
そのほか、赤色蛍光体としては、(La,Y)S:Eu等のEu付活酸硫化物蛍光体、Y(V,P)O:Eu、Y:Eu等のEu付活酸化物蛍光体、(Ba,Mg)SiO:Eu,Mn、(Ba,Sr,Ca,Mg)SiO:Eu,Mn等のEu,Mn付活珪酸塩蛍光体、LiW:Eu、LiW:Eu,Sm、Eu、Eu:Nb、Eu:Sm等のEu付活タングステン酸塩蛍光体、(Ca,Sr)S:Eu等のEu付活硫化物蛍光体、YAlO:Eu等のEu付活アルミン酸塩蛍光体、Ca(SiO:Eu、LiY(SiO:Eu、(Sr,Ba,Ca)SiO:Eu、SrBaSiO:Eu等のEu付活珪酸塩蛍光体、(Y,Gd)Al12:Ce、(Tb,Gd)Al12:Ce等のCe付活アルミン酸塩蛍光体、(Mg,Ca,Sr,Ba)Si(N,O):Eu、(Mg,Ca,Sr,Ba)Si(N,O):Eu、(Mg,Ca,Sr,Ba)AlSi(N,O):Eu等のEu付活酸化物、窒化物又は酸窒化物蛍光体、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(POCl:Eu,Mn等のEu,Mn付活ハロリン酸塩蛍光体、BaMgSi:Eu,Mn、(Ba,Sr,Ca,Mg)(Zn,Mg)Si:Eu,Mn等のEu,Mn付活珪酸塩蛍光体、3.5MgO・0.5MgF・GeO:Mn等のMn付活ゲルマン酸塩蛍光体、Eu付活αサイアロン等のEu付活酸窒化物蛍光体、(Gd,Y,Lu,La):Eu,Bi等のEu,Bi付活酸化物蛍光体、(Gd,Y,Lu,La)S:Eu,Bi等のEu,Bi付活酸硫化物蛍光体、(Gd,Y,Lu,La)VO:Eu,Bi等のEu,Bi付活バナジン酸塩蛍光体、SrY:Eu,Ce等のEu,Ce付活硫化物蛍光体、CaLa:Ce等のCe付活硫化物蛍光体、(Ba,Sr,Ca)MgP:Eu,Mn、(Sr,Ca,Ba,Mg,Zn):Eu,Mn等のEu,Mn付活リン酸塩蛍光体、(Y,Lu)WO:Eu,Mo等のEu,Mo付活タングステン酸塩蛍光体、(Ba,Sr,Ca)Si:Eu,Ce(但し、x、y、zは、1以上の整数を表わす。)等のEu,Ce付活窒化物蛍光体、(Ca,Sr,Ba,Mg)10(PO(F,Cl,Br,OH):Eu,Mn等のEu,Mn付活ハロリン酸塩蛍光体、((Y,Lu,Gd,Tb)1−x−yScCe(Ca,Mg)1−r(Mg,Zn)2+rSiz−qGe12+δ等のCe付活珪酸塩蛍光体等を用いることもできる。
赤色蛍光体としては、β−ジケトネート、β−ジケトン、芳香族カルボン酸、又は、ブレンステッド酸等のアニオンを配位子とする希土類元素イオン錯体からなる赤色有機蛍光体、ペリレン系顔料(例えば、ジベンゾ{[f,f']−4,4',7,7'−テトラフェニル}ジインデノ[1,2,3−cd:1',2',3'−lm]ペリレン)、アントラキノン系顔料、レーキ系顔料、アゾ系顔料、キナクリドン系顔料、アントラセン系顔料、イソインドリン系顔料、イソインドリノン系顔料、フタロシアニン系顔料、トリフェニルメタン系塩基性染料、インダンスロン系顔料、インドフェノール系顔料、シアニン系顔料、ジオキサジン系顔料を用いることもできる。
以上の中でも、赤色蛍光体としては、(Ca,Sr,Ba)Si(N,O):Eu、(Ca,Sr,Ba)Si(N,O):Eu、(Ca,Sr,Ba)AlSi(N,O):Eu、(Ca,Sr,Ba)AlSi(N,O):Ce、(Sr,Ba)SiO:Eu、(Ca,Sr)S:Eu、(La,Y)S:Eu又はEu錯体を含むことが好ましく、より好ましくは(Ca,Sr,Ba)Si(N,O):Eu、(Ca,Sr,Ba)Si(N,O):Eu、(Ca,Sr,Ba)AlSi(N,O):Eu、(Ca,Sr,Ba)AlSi(N,O):Ce、(Sr,Ba)SiO:Eu、(Ca,Sr)S:Eu又は(La,Y)S:Eu、もしくはEu(ジベンゾイルメタン)・1,10−フェナントロリン錯体等のβ−ジケトン系Eu錯体又はカルボン酸系Eu錯体を含むことが好ましく、(Ca,Sr,Ba)Si(N,O):Eu、(Sr,Ca)AlSi(N,O):Eu又は(La,Y)S:Euが特に好ましい。
また、以上の例示の中でも、橙色蛍光体としては(Sr,Ba)SiO:Euが好ましい。なお、橙色ないし赤色蛍光体は、1種のみを用いても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
[4−2−2−2.青色蛍光体]
青色蛍光体の発光ピーク波長は、通常420nm以上、好ましくは430nm以上、より好ましくは440nm以上、また、通常500nm以下、好ましくは480nm以下、より好ましくは470nm以下、更に好ましくは460nm以下の波長範囲にあることが好適である。
青色蛍光体の発光ピークの半値幅は、通常20nm〜80nmの範囲である。また、外部量子効率は、通常60%以上、好ましくは70%以上であり、重量メジアン径は、通常1μm以上、好ましくは5μm以上、さらに好ましくは10mμ以上であり、通常30μm以下、好ましくは20μm以下、さらに好ましくは15μm以下である。
このような青色蛍光体としては、規則的な結晶成長形状としてほぼ六角形状を有する成長粒子から構成され、青色領域の発光を行う(Ba,Sr,Ca)MgAl1017:Euで表わされるユーロピウム賦活バリウムマグネシウムアルミネート系蛍光体、規則的な結晶成長形状としてほぼ球形状を有する成長粒子から構成され、青色領域の発光を行う(Mg,Ca,Sr,Ba)(PO(Cl,F):Euで表わされるユウロピウム賦活ハロリン酸カルシウム系蛍光体、規則的な結晶成長形状としてほぼ立方体形状を有する成長粒子から構成され、青色領域の発光を行う(Ca,Sr,Ba)Cl:Euで表わされるユウロピウム賦活アルカリ土類クロロボレート系蛍光体、破断面を有する破断粒子から構成され、青緑色領域の発光を行う(Sr,Ca,Ba)Al:Eu又は(Sr,Ca,Ba)Al1425:Euで表わされるユウロピウム賦活アルカリ土類アルミネート系蛍光体等が挙げられる。
そのほか、青色蛍光体としては、Sr:Sn等のSn付活リン酸塩蛍光体、(Sr,Ca,Ba)Al:Eu又は(Sr,Ca,Ba)Al1425:Eu、BaMgAl1017:Eu、(Ba,Sr,Ca)MgAl1017:Eu、BaMgAl1017:Eu,Tb,Sm、BaAl13:Eu等のEu付活アルミン酸塩蛍光体、SrGa:Ce、CaGa:Ce等のCe付活チオガレート蛍光体、(Ba,Sr,Ca)MgAl1017:Eu,Mn等のEu,Mn付活アルミン酸塩蛍光体、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(POCl:Eu、(Ba,Sr,Ca)(PO(Cl,F,Br,OH):Eu,Mn,Sb等のEu付活ハロリン酸塩蛍光体、BaAlSi:Eu、(Sr,Ba)MgSi:Eu等のEu付活珪酸塩蛍光体、Sr:Eu等のEu付活リン酸塩蛍光体、ZnS:Ag、ZnS:Ag,Al等の硫化物蛍光体、YSiO:Ce等のCe付活珪酸塩蛍光体、CaWO等のタングステン酸塩蛍光体、(Ba,Sr,Ca)BPO:Eu,Mn、(Sr,Ca)10(PO・nB:Eu、2SrO・0.84P・0.16B:Eu等のEu,Mn付活硼酸リン酸塩蛍光体、SrSi・2SrCl:Eu等のEu付活ハロ珪酸塩蛍光体、SrSiAl19ON31:Eu、EuSiAl19ON31等のEu付活酸窒化物蛍光体、La1−xCeAl(Si6−zAl)(N10−z)(ここで、x、及びyは、それぞれ0≦x≦1、0≦z≦6を満たす数である。)、La1−x−yCeCaAl(Si6−zAl)(N10−z)(ここで、x、y、及びzは、それぞれ、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦6を満たす数である。)等のCe付活酸窒化物蛍光体等を用いることもできる。
また、青色蛍光体としては、例えば、ナフタル酸イミド系、ベンゾオキサゾール系、スチリル系、クマリン系、ピラリゾン系、トリアゾール系化合物の蛍光色素、ツリウム錯体等の有機蛍光体等を用いることもできる。
以上の例示の中でも、青色蛍光体としては、(Ca,Sr,Ba)MgAl1017:Eu、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO(Cl,F):Eu又は(Ba,Ca,Mg,Sr)SiO:Euを含むことが好ましく、(Ca,Sr,Ba)MgAl1017:Eu、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO(Cl,F):Eu又は(Ba,Ca,Sr)MgSi:Euを含むことがより好ましく、BaMgAl1017:Eu、Sr10(PO(Cl,F):Eu又はBaMgSi:Euを含むことがより好ましい。また、このうち照明用途及びディスプレイ用途としては(Sr,Ca,Ba,Mg)10(POCl:Eu又は(Ca,Sr,Ba)MgAl1017:Euが特に好ましい。なお、青色蛍光体は、1種のみを用いても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
[4−2−2−3.緑色蛍光体]
緑色蛍光体の発光ピーク波長は、通常500nmより大きく、中でも510nm以上、さらには515nm以上であることが好ましく、また、通常550nm以下、中でも540nm以下、さらには535nm以下の範囲であることが好ましい。この発光ピーク波長λpが短過ぎると青味を帯びる傾向がある一方で、長過ぎると黄味を帯びる傾向があり、何れも緑色光としての特性が低下する可能性がある。
緑色蛍光体の発光ピークの半値幅は、通常40nm〜80nmの範囲である。また、外部量子効率は、通常60%以上、好ましくは70%以上であり、重量メジアン径は、通常1μm以上、好ましくは5μm以上、さらに好ましくは10mμ以上であり、通常30μm以下、好ましくは20μm以下、さらに好ましくは15μm以下である。
緑色蛍光体の具体例としては、破断面を有する破断粒子から構成され、緑色領域の発光を行う(Mg,Ca,Sr,Ba)Si:Euで表わされるユウロピウム付活アルカリ土類シリコンオキシナイトライド系蛍光体等が挙げられる。
その他の緑色蛍光体としては、SrAl1425:Eu、(Ba,Sr,Ca)Al:Eu等のEu付活アルミン酸塩蛍光体、(Sr,Ba)AlSi:Eu、(Ba,Mg)SiO:Eu、(Ba,Sr,Ca,Mg)SiO:Eu、(Ba,Sr,Ca)(Mg,Zn)Si:Eu、(Ba,Ca,Sr,Mg)(Sc,Y,Lu,Gd)(Si,Ge)24:Eu等のEu付活珪酸塩蛍光体、YSiO:Ce,Tb等のCe,Tb付活珪酸塩蛍光体、Sr−Sr:Eu等のEu付活硼酸リン酸塩蛍光体、SrSi−2SrCl:Eu等のEu付活ハロ珪酸塩蛍光体、ZnSiO:Mn等のMn付活珪酸塩蛍光体、CeMgAl1119:Tb、YAl12:Tb等のTb付活アルミン酸塩蛍光体、Ca(SiO:Tb、LaGaSiO14:Tb等のTb付活珪酸塩蛍光体、(Sr,Ba,Ca)Ga:Eu,Tb,Sm等のEu,Tb,Sm付活チオガレート蛍光体、Y(Al,Ga)12:Ce、(Y,Ga,Tb,La,Sm,Pr,Lu)(Al,Ga)12:Ce等のCe付活アルミン酸塩蛍光体、CaScSi12:Ce、Ca(Sc,Mg,Na,Li)Si12:Ce等のCe付活珪酸塩蛍光体、CaSc:Ce等のCe付活酸化物蛍光体、Eu付活βサイアロン等のEu付活酸窒化物蛍光体、BaMgAl1017:Eu,Mn等のEu,Mn付活アルミン酸塩蛍光体、SrAl:Eu等のEu付活アルミン酸塩蛍光体、(La,Gd,Y)S:Tb等のTb付活酸硫化物蛍光体、LaPO:Ce,Tb等のCe,Tb付活リン酸塩蛍光体、ZnS:Cu,Al、ZnS:Cu,Au,Al等の硫化物蛍光体、(Y,Ga,Lu,Sc,La)BO:Ce,Tb、NaGd:Ce,Tb、(Ba,Sr)(Ca,Mg,Zn)B:K,Ce,Tb等のCe,Tb付活硼酸塩蛍光体、CaMg(SiOCl:Eu,Mn等のEu,Mn付活ハロ珪酸塩蛍光体、(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga,In):Eu等のEu付活チオアルミネート蛍光体やチオガレート蛍光体、(Ca,Sr)(Mg,Zn)(SiOCl:Eu,Mn等のEu,Mn付活ハロ珪酸塩蛍光体、MSi:Eu、MSi12:Eu(但し、Mはアルカリ土類金属元素を表わす。)等のEu付活酸窒化物蛍光体等を用いることもできる。
また、緑色蛍光体としては、ピリジン−フタルイミド縮合誘導体、ベンゾオキサジノン系、キナゾリノン系、クマリン系、キノフタロン系、ナルタル酸イミド系等の蛍光色素、テルビウム錯体等の有機蛍光体を用いることもできる。以上に例示した緑色蛍光体は、何れか一種のみを使用してもよく、二種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
[4−2−3.第1及び第2の蛍光体のその他の特性]
第1の蛍光体及び第2の蛍光体の重量メジアン径は本発明の効果を著しく損なわない限り任意であるが、通常0.1μm以上、中でも0.5μm以上、また、通常30μm以下、中でも20μm以下の範囲であることが好ましい。重量メジアン径が小さすぎると、輝度が低下し、蛍光体粒子が凝集してしまう傾向がある。一方、重量メジアン径が大きすぎると、塗布ムラやディスペンサー等の閉塞が生じる傾向がある。
[4−3.第1の発光体、第1の蛍光体、第2の蛍光体の組合せ]
本発明の発光装置において、以上説明した第2の蛍光体(赤色蛍光体、青色蛍光体、緑色蛍光体等)の使用の有無及びその種類は、発光装置の用途に応じて適宜選択すればよい。例えば、第1の蛍光体が黄色蛍光体である場合には、本発明の発光装置を黄色に発光する発光装置として構成する場合には、第1の蛍光体のみを使用すればよく、第2の蛍光体の使用は通常は不要である。
一方、所望の色の光が得られるように、第2の発光体が含有する蛍光体として、第1の蛍光体(黄色蛍光体)と第2の蛍光体とを適切に組み合わせて発光装置を構成することもできる。
発光装置を構成する場合における、第1の発光体と、第1の蛍光体と、第2の蛍光体との好ましい組み合わせの例としては、以下の(i)〜(iv)の組み合わせが挙げられる。
(i)第1の発光体として、420nm以上450nm以下の波長範囲に発光ピーク波長を有する青色発光体(短波長青色LED等)を使用し、第1の蛍光体として黄色蛍光体(本発明の蛍光体等)を使用する。これにより、擬似白色に発光する発光装置を構成できる。
(ii)第1の発光体として、420nm以上500nm以下の波長範囲に発光ピーク波長を有する青色発光体(青色LED等)を使用し、第1の蛍光体として黄色蛍光体(本発明の蛍光体等)を使用し、第2の蛍光体として赤色蛍光体を使用する。これにより、電球色に発光する発光装置を構成できる。
(iii)第1の発光体として、300nm以上420nm以下の波長範囲に発光ピーク波長を有する近紫外発光体(近紫外LED等)を使用し、第1の蛍光体として黄色蛍光体(本発明の蛍光体等)を使用し、第2の蛍光体として青色蛍光体を使用する。これにより、擬似白色に発光する発光装置を構成できる。
(iv)第1の発光体として、300nm以上420nm以下の波長範囲に発光ピーク波長を有する近紫外発光体(近紫外LED等)を使用し、第1の蛍光体として黄色蛍光体(本発明の蛍光体等)を使用し、第2の蛍光体として青色蛍光体、緑色蛍光体及び赤色蛍光体を使用する。これにより、電球色に発光する発光装置を構成できる。
[4−4.封止材料]
本発明の発光装置において、上記第1及び/又は第2の蛍光体は、通常、封止材料である液体媒体に分散させて封止した後、熱や光によって硬化させて用いられる。液体媒体としては、上記[3.蛍光体含有組成物]の項で記載したのと同様のものが挙げられる。
また、該液体媒体は、封止部材の屈折率を調整するために、高い屈折率を有する金属酸化物となり得る金属元素を含有させることができる。高い屈折率を有する金属酸化物を与える金属元素の例としては、Si、Al、Zr、Ti、Y、Nb、B等が挙げられる。これらの金属元素は単独で使用してもよく、2種以上を任意の組合せ及び比率で併用してもよい。
このような金属元素の存在形態は、封止部材の透明度を損なわなければ特に限定されず、例えば、メタロキサン結合として均一なガラス層を形成していても、封止部材中に粒子状で存在していてもよい。粒子状で存在している場合、その粒子内部の構造はアモルファス状であっても結晶構造であってもよいが、高屈折率を与えるためには結晶構造であることが好ましい。また、その粒子径は、封止部材の透明度を損なわないために、通常は、半導体発光素子の発光波長以下、好ましくは100nm以下、更に好ましくは50nm以下、特に好ましくは30nm以下である。例えばシリコーン系材料に、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化イットリウム、酸化ニオブ等の粒子を混合することにより、上記の金属元素を封止部材中に粒子状で存在させることができる。
上記液体媒体としては、更に、拡散剤、フィラー、粘度調整剤、紫外線吸収剤等公知の添加剤を含有していてもよい。なお、これらの添加剤は、1種のみを用いても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
[4−5.発光装置の構成(その他)]
本発明の発光装置は、上述の第1の発光体及び第2の発光体を備えていれば、そのほかの構成は特に制限されないが、通常は、適当なフレーム上に上述の第1の発光体及び第2の発光体を配置してなる。この際、第1の発光体の発光によって第2の発光体が励起されて(即ち、第1及び第2の蛍光体が励起されて)発光を生じ、且つ、この第1の発光体の発光及び/又は第2の発光体の発光が、外部に取り出されるように配置されることになる。この場合、第1の蛍光体と第2の蛍光体とは必ずしも同一の層中に混合されなくてもよく、例えば、第1の蛍光体を含有する層の上に第2の蛍光体を含有する層が積層する等、蛍光体の発色毎に別々の層に蛍光体を含有するようにしてもよい。
本発明の発光装置では、上述の励起光源(第1の発光体)、蛍光体(第2の発光体)及びフレーム以外の部材を用いてもよい。その例としては、前述の封止材料が挙げられる。該封止材料は、発光装置において、蛍光体(第2の発光体)を分散させる目的以外にも、励起光源(第1の発光体)、蛍光体(第2の発光体)及びフレーム間を接着する目的で用いたりすることができる。
[4−6.発光装置の実施形態]
以下、本発明の発光装置について、具体的な実施の形態を挙げて、より詳細に説明するが、本発明の発光装置は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において任意に変更して実施することができる。
本発明の発光装置の一例における、励起光源となる第1の発光体と、蛍光体を有する蛍光体含有部として構成された第2の発光体との位置関係を示す模式的斜視図を図1に示す。図1中の符号1は蛍光体含有部(第2の発光体)、符号2は励起光源(第1の発光体)としての面発光型GaN系LD、符号3は基板を表す。相互に接触した状態をつくるために、LD(2)と蛍光体含有部(第2の発光体)(1)とそれぞれ別個に作製し、それらの面同士を接着剤やその他の手段によって接触させてもよいし、LD(2)の発光面上に蛍光体含有部(第2の発光体)を製膜(成型)させてもよい。これらの結果、LD(2)と蛍光体含有部(第2の発光体)(1)とを接触した状態とすることができる。
このような装置構成をとった場合には、励起光源(第1の発光体)からの光が蛍光体含有部(第2の発光体)の膜面で反射されて外にしみ出るという光量損失を避けることができるので、装置全体の発光効率を良くすることができる。
図2(a)は、一般的に砲弾型と言われる形態の発光装置の代表例であり、励起光源(第1の発光体)と蛍光体含有部(第2の発光体)とを有する発光装置の一実施例を示す模式的断面図である。該発光装置(4)において、符号5はマウントリード、符号6はインナーリード、符号7は励起光源(第1の発光体)、符号8は蛍光体含有樹脂部、符号9は導電性ワイヤ、符号10はモールド部材をそれぞれ指す。
図2(b)は、表面実装型と言われる形態の発光装置の代表例であり、励起光源(第1の発光体)と蛍光体含有部(第2の発光体)とを有する発光装置の一実施例を示す模式的断面図である。図中、符号22は励起光源(第1の発光体)、符号23は蛍光体含有部(第2の発光体)としての蛍光体含有樹脂部、符号24はフレーム、符号25は導電性ワイヤ、符号26及び符号27は電極をそれぞれ指す。
[4−7.発光装置の用途]
本発明の発光装置の用途は特に制限されず、通常の発光装置が用いられる各種の分野に使用可能であるが、色再現範囲が広く、且つ、演色性も高いことから、中でも照明装置や画像表示装置の光源として、とりわけ好適に用いられる。
[5.照明装置]
本発明の照明装置は、本発明の発光装置を備えるものである。本発明の発光装置を照明装置に適用する場合には、前述のような発光装置を公知の照明装置に適宜組み込んで用いればよい。例えば、図3に示されるような、前述の発光装置(4)を組み込んだ面発光照明装置(11)を挙げることができる。
図3は、本発明の照明装置の一実施形態を模式的に示す断面図である。この図3に示すように、該面発光照明装置は、内面を白色の平滑面等の光不透過性とした方形の保持ケース(12)の底面に、多数の発光装置(13)(前述の発光装置(4)に相当)を、その外側に発光装置(13)の駆動のための電源及び回路等(図示せず。)を設けて配置し、保持ケース(12)の蓋部に相当する箇所に、乳白色としたアクリル板等の拡散板(14)を発光の均一化のために固定してなる。
そして、面発光照明装置(11)を駆動して、発光装置(13)の励起光源(第1の発光体)に電圧を印加することにより光を発光させ、その発光の一部を、蛍光体含有部(第2の発光体)としての蛍光体含有樹脂部における前記蛍光体が吸収し、可視光を発光し、一方、蛍光体に吸収されなかった青色光等との混色により演色性の高い発光が得られ、この光が拡散板(14)を透過して、図面上方に出射され、保持ケース(12)の拡散板(14)面内において均一な明るさの照明光が得られることとなる。
[6.画像表示装置]
本発明の画像表示装置は、本発明の発光装置を備えるものである。本発明の発光装置を画像表示装置の光源として用いる場合には、その画像表示装置の具体的構成に制限は無いが、カラーフィルターとともに用いることが好ましい。例えば、画像表示装置として、カラー液晶表示素子を利用したカラー画像表示装置とする場合は、上記発光装置をバックライトとし、液晶を利用した光シャッターと赤、緑、青の画素を有するカラーフィルターとを組み合わせることにより画像表示装置を形成することができる。
このときのカラーフィルター透過後の光による色再現範囲としては、NTSC比で、通常60%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上、さらに好ましくは100%以上であり、通常150%以下である。また、カラーフィルター全体からの透過光の量に対する、各カラーフィルターからの透過光の量(光の利用効率)としては、通常20%以上、好ましくは25%以上、より好ましくは28%以上、さらに好ましくは30%以上である。利用効率は高ければ高いほど好ましいが、赤、緑及び青の3つのフィルターを用いている関係上、通常33%以下となる。
以下、実施例、比較例を示して本発明について更に具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において任意に変更して実施することができる。なお、実施例、比較例の蛍光体の発光特性等の測定は、次の方法で行った。
[測定方法]
[発光スペクトル]
発光スペクトルは、励起光源として150Wキセノンランプを、スペクトル測定装置としてマルチチャンネルCCD検出器C7041(浜松フォトニクス社製)を備える蛍光測定装置(日本分光社製)を用いて測定した。励起光源からの光を焦点距離が10cmである回折格子分光器に通し、波長460nmの励起光のみを光ファイバーを通じて蛍光体に照射した。励起光の照射により蛍光体から発生した光を焦点距離が25cmである回折格子分光器により分光し、300nm以上800nm以下の波長範囲においてスペクトル測定装置により各波長の発光強度を測定し、パーソナルコンピュータによる感度補正等の信号処理を経て発光スペクトルを得た。なお、測定時には、受光側分光器のスリット幅を1nmに設定して測定を行なった。
[色度座標]
x、y表色系(CIE 1931表色系)の色度座標は、上述の方法で得られた発光スペクトルの420nm〜800nmの波長領域のデータから、JIS Z8724に準じた方法で、JIS Z8701で規定されるXYZ表色系における色度座標xとyとして算出した。
[吸収効率]
以下のようにして、蛍光体の吸収効率αを求めた。まず、測定対象となる蛍光体サンプルを、測定精度が保たれるように、十分に表面を平滑にしてセルに詰め、積分球に取り付けた。
この積分球に、蛍光体を励起するための発光光源(150WのXeランプ)から光ファイバーを用いて光を導入した。前記の発光光源からの光の発光ピーク波長を455nmの単色光となるようにモノクロメーター(回折格子分光器)等を用いて調整した。この単色光を励起光として、測定対象の蛍光体サンプルに照射し、分光測定装置(大塚電子社製MCPD7000)を用いて、蛍光体サンプルの発光(蛍光)および反射光についてスペクトルを測定した。積分球内の光は、光ファイバーを用いて分光測定装置に導いた。
吸収効率αは、蛍光体サンプルによって吸収された励起光のフォトン数Nabsを励起光の全フォトン数Nで割った値である。
後者の励起光の全フォトン数Nは、下記(式a)で求められる数値に比例する。そこで、励起光に対してほぼ100%の反射率Rを持つ反射板であるLabsphere社製「Spectralon」(455nmの光源に対して98.8%の反射率Rを持つ。)を、測定対象として、蛍光体サンプルと同様の配置で上述の積分球に取り付け、励起光を照射し、分光測定装置で測定することにより反射スペクトルIref(λ)を測定し、下記(式a)の値を求めた。
Figure 2010114061
ここで、積分区間は、励起波長が455nmに対して、410nm〜480nmとした。蛍光体サンプルによって吸収された励起光のフォトン数Nabsは下記(式b)で求められる量に比例する。
Figure 2010114061
そこで、吸収効率αを求める対象としている蛍光体サンプルを取り付けたときの、反射スペクトルI(λ)を求めた。(式b)の積分範囲は(式a)で定めた積分範囲と同じにした。実際のスペクトル測定値は、一般にはλに関するある有限のバンド幅で区切ったデジタルデータとして得られるため、(式a)および(式b)の積分は、そのバンド幅に基づいた和分によって求めた。以上より、α=Nabs/N=(式b)/(式a)を計算した。なお、本蛍光体において吸収や発光が殆ど起こらない波長780nmの光を用いて反射率を求めた。
[物体色]
物体色の測定は、ミノルタ社製色彩色差計CR300を用いて、標準光をD65として行なった。サンプルを円形のセルに詰めて表面を平らにし、平らな面を色差計の測定部に押しつけて測定した。
[炭素含有量、酸素含有量]
試料をインパルス炉に入れ、加熱により、酸素及び炭素を抽出して、非分散赤外検出により、酸素含有濃度及び炭素含有濃度を決定した。
[SEM−EDX]
一部の蛍光体粒子の元素組成、例えば、GdやY等の組成を、SEM−EDX(Scanning Electron Microscope - Energy Dispersive X-ray spectrometer、走査電子顕微鏡−エネルギー分散形X線分析装置)(日立製作所社製、S−3400N)により分析した。
[実施例1]
(合金の製造)
金属元素組成比がCa:La:Ce:Si=0.45:2.5:0.1:6(モル比)となるように、Ca金属塊、La金属塊、Ce金属塊及びSi金属塊の各金属原料を秤量し、高周波融解炉にて融解させ、合金を得た後、ジェットミルにより合金を粉砕して、中央径が4.3μmの合金粉末を得た。
(原料の焼成)
作業雰囲気を窒素としたグローブボックス内で該合金粉末1g、MgF0.06g(合金原料に対して6重量%)、及び、CeF0.08g(合金原料に対してを8重量%)をアルミナ乳鉢で混合し、その混合物を30mmΦのモリブデン製トレイ上に敷詰め、タングステン製ヒーターのモリブデン製内壁電気炉にセットした。室温から120℃まで真空引きした後、4%水素含有窒素ガスを常圧まで導入し、0.5L/分の供給速度を保ちながら、800℃まで昇温し、800℃から1550℃までを0.5℃/分で昇温し、1550℃で15h(時間)焼成し、アルミナ乳鉢で粉砕した。
(焼成物の処理)
得られた焼成物をメノウ乳鉢にて粉砕し、得られた粉体を濃度10重量%のNHHF水溶液で攪拌・洗浄を1時間行った後、水洗、乾燥し、蛍光体を得た。この蛍光体の焼成条件等、特性評価結果(発光特性、吸収効率、物体色)を表1に示す。なお、表1中、輝度(%)及び発光強度(%)は、YAG市販品(化成オプトニクス社製P46−Y3)を100%とする相対値である。実施例1の蛍光体は、対P46−Y3輝度が119%もあり、物体色を表すa、bがそれぞれ−14、88であり、彩度(a*2+b*21/2が89と非常に高く、吸収効率が92%と非常に高かった。
[実施例2]
フッ化水素アンモニウム(NHHF)水溶液での洗浄を行わなかった以外は、実施例1と同様の方法で蛍光体を得て、その特性評価を行った。この蛍光体の焼成条件等、特性評価結果を表1に示す。実施例2の蛍光体は、対P46−Y3輝度が106%、物体色を表すa、bが、それぞれ−11、83、彩度(a*2+b*21/2が84、吸収効率が92%であった。実施例2を実施例1と比較すると吸収効率は同等であるが、その他の値は実施例1が勝っており、NHHF水溶液による洗浄効果が顕著であることが分かる。
[実施例3]
CeFの添加量を6重量%とした以外は、実施例1と同様の方法で蛍光体を得て、その特性評価を行った。この蛍光体の焼成条件等、特性評価結果を表1に示す。
実施例3で得られた蛍光体の炭素の含有濃度は0.03wt%であった。この蛍光体の原料合金の炭素含有濃度0.3wt%、酸素含有濃度は0.6wt%であった。このことから、4%水素含有窒素ガス下での焼成で、蛍光体としては炭素含有量が0.03wt%にまで低下していることが分かる。すなわち、本実施例においては、水素含有窒素雰囲気下での焼成が最終的に蛍光体の炭素量の低減に寄与しており、その結果極めて高い輝度が発現していることが分かる。このように、本願発明の方法によれば、黒鉛製坩堝を使用して製造された合金を使用して高輝度の蛍光体を得ることができる。
この実施例3の試料を更に1N塩酸洗浄を施した後、実施例A1と同様の化学分析をしたところ、得られた蛍光体の化学式がCa0.04La2.7Ce0.30Si6N11O0.26と判明した。
[実施例4]
NHHF水溶液での洗浄を行わなかった以外は、実施例3と同様の方法で蛍光体を得て、その特性評価を行った。この蛍光体の焼成条件等、特性評価結果を表1に示す。実施例3と実施例4を比較すると、NHHF水溶液洗浄の輝度及び発光強度の向上効果が顕著であることが分かる。
[実施例5]
CeFの添加量を4重量%とした以外は、実施例1と同様の方法で蛍光体を得て、その特性評価を行った。この蛍光体の焼成条件等、特性評価結果を表1に示す。
[実施例6]
NHHF水溶液での洗浄を行わなかった以外は、実施例5と同様の方法で蛍光体を得て、その特性評価を行った。この蛍光体の焼成条件等、特性評価結果を表1に示す。実施例5と実施例6を比較すると、NHHF水溶液洗浄により輝度及び吸収効率が向上していることが分かる。
[実施例7]
CeFの添加量を2重量%とした以外は、実施例1と同様の方法で蛍光体を得て、その特性評価を行った。この蛍光体の焼成条件等、特性評価結果を表1に示す。
[実施例8]
NHHF水溶液での洗浄を行わなかった以外は、実施例7と同様の方法で蛍光体を得て、その特性評価を行った。この蛍光体の焼成条件等、特性評価結果を表1に示す。実施例7と実施例8を比較すると、NHHF水溶液洗浄の輝度及び発光強度の向上効果が顕著であることが分かる。
[実施例9]
MgFのみを6%添加し、CeFを添加しなかったこと以外は、実施例1と同様の方法で蛍光体を得て、その特性評価を行った。この蛍光体の焼成条件等、特性評価結果を表1に示す。この蛍光体の焼成条件等、発光特性、吸収効率、物体色を表1に示す。
[比較例1]
NHHF水溶液での洗浄を行わなかった以外は、実施例9と同様の方法で蛍光体を得て、その特性評価を行った。この蛍光体の焼成条件等、特性評価結果を表1に示す。実施例9と比較例1を比較すると、NHHF水溶液洗浄により輝度、発光強度及び物体色が向上していることが分かる。
[実施例10]
MgF6%、CeF6%、LaF2%としたこと及び加熱保持時間を40時間とした以外は、実施例1と同様の方法で蛍光体を得て、その特性評価を行った。この蛍光体の焼成条件等、特性評価結果を表1に示す。実施例10の蛍光体は、対P46−Y3輝度が118%と高く、物体色を表すa、bが、それぞれ−13、89であり、彩度(a*2+b*21/2が90と高く、吸収効率が93%と高い値を示した。
[実施例11]
NHHF水溶液での洗浄を行わなかった以外は、実施例10と同様の方法で蛍光体を得て、その特性評価を行った。この蛍光体の焼成条件等、特性評価結果を表1に示す。実施例11の蛍光体は、対P46−Y3輝度が97%と高く、物体色を表すa、bがそれぞれ−10、79であり、彩度(a*2+b*21/2が80と高く、吸収効率が94%と高い値を示した。実施例11を実施例10と比較すると吸収効率はほぼ同等であるが、その他の値は実施例10が勝っており、NHHF水溶液による洗浄効果が明らかであることが分かる。
[実施例12]
フラックスの種類と配合量を表1に示すとおりとした以外は、実施例10と同様の方法で蛍光体を得て、その特性評価を行った。この蛍光体の焼成条件等、特性評価結果を表1に示す。
[実施例13]
NHHF水溶液での洗浄を行わなかった以外は、実施例12と同様の方法で蛍光体を得て、その特性評価を行った。この蛍光体の焼成条件等、特性評価結果を表1に示す。実施例12と実施例13を比較すると、NHHF水溶液洗浄の輝度向上効果が顕著であることが分かる。
[実施例14]
フラックスの種類と配合量を表1に示すとおりとした以外は、実施例10と同様の方法で蛍光体を得て、その特性評価を行った。この蛍光体の焼成条件等、特性評価結果を表1に示す。
[実施例15]
NHHF水溶液での洗浄を行わなかった以外は、実施例14と同様の方法で蛍光体を得て、その特性評価を行った。この蛍光体の焼成条件等、特性評価結果を表1に示す。実施例14と実施例15を比較すると、NHHF水溶液洗浄の輝度向上効果が顕著であることが分かる。
[実施例16]
フラックスの種類と配合量を表1に示すとおりとした以外は、実施例10と同様の方法で蛍光体を得て、その特性評価を行った。この蛍光体の焼成条件等、特性評価結果を表1に示す。
[実施例17]
NHHF水溶液での洗浄を行わなかった以外は、実施例16と同様の方法で蛍光体を得て、その特性評価を行った。この蛍光体の焼成条件等、特性評価結果を表1に示す。実施例16と実施例17を比較すると、NHHF水溶液洗浄により輝度及び物体色が向上していることが分かる。
[実施例18]
CeFを添加しなかった以外は、実施例16と同様の方法で蛍光体を得て、その特性評価を行った。この蛍光体の焼成条件等、特性評価結果を表1に示す。
[比較例2]
NHHF水溶液での洗浄を行わなかった以外は、実施例18と同様の方法で蛍光体を得て、その特性評価を行った。この蛍光体の焼成条件等、特性評価結果を表1に示す。実施例18と比較例2を比較すると、NHHF水溶液洗浄により輝度、吸収効率及び物体色が向上していることが分かる。
Figure 2010114061
[比較例3]
CaSiN、LaN、CeO及びSi(電気化学社製、平均粒径0.5μm、酸素含有量0.93重量%、α型含有量92%)を秤量して原料とし、窒化ホウ素製坩堝中で、原料混合物1.7gを、窒素0.92MPa下、2000℃で焼成して、蛍光体を得た。なお、各原料の仕込み量、焼成条件等は、特開2008−285659号公報の実施例8と同様である。仕込み量及び焼成条件等を表2に示す。また、得られた蛍光体の特性評価結果(発光特性、吸収効率、物体色)を表3に示す。
Figure 2010114061
Figure 2010114061
比較例3の蛍光体においては、物体色を表すa、bが、それぞれ、8、59であり、彩度(a*2+b*21/2が59と低く、また、吸収効率が85%と比較的低い値を示した。この結果から、実施例1〜18の本発明の蛍光体が、比較例3(特開2008−285659の実施例8)の蛍光体よりも輝度が高く、高い彩度と高い吸収効率を有し、異なる物体色a、bの値を有していることが分かる。
[比較例4]
CaSiN粉末、α-Si粉末、LaN粉末、LaCeSi10合金粉末を、それぞれ、0.352、0.975、1.574、0.468の重量比で混合し、その混合物の約0.7gを窒化ホウ素製坩堝中に仕込み、窒素0.92MPa下、2000℃で焼成(一次焼成)し、続いてMgFフラックス下で二次焼成して、蛍光体を得た。この比較例4の原料、仕込み量、焼成条件等は、WO2008−132954号公報の実施例II−6と同様である。比較例4の蛍光体の仕込み原料及び焼成条件等を表4に示す。また、得られた蛍光体の特性評価結果(発光特性、吸収効率、物体色)を表5に示す。
[比較例5]
CaSiN粉末、β-Si粉末、LaN粉末、LaCeSi10合金粉末を、それぞれ、0.261、0.723、1.168、0.347の重量比で混合し、その混合物の約1.2gを窒化ホウ素製坩堝中に仕込み、窒素0.92MPa下、2000℃で焼成(一次焼成)し、続いてMgFフラックス下で二次焼成して、蛍光体を得た。比較例5の蛍光体の仕込み原料及び焼成条件等を表4に示す。また、得られた蛍光体の特性評価結果(発光特性、吸収効率、物体色)を表5に示す。
Figure 2010114061
Figure 2010114061
比較例4及び5の蛍光体において、物体色を表すa、bが、それぞれ、−8及び−7、62及び70であり、彩度(a*2+b*21/2が、それぞれ、62及び71と低く、吸収効率が、それぞれ、83及び87%と比較的低い値を示した。
これらの結果から、実施例1〜18の本発明の蛍光体は、WO2008−132954号公報の実施例に記載された蛍光体よりも輝度が高く、高い彩度と高い吸収効率を有し、異なる物体色a、bの値を有していることが分かる。
[実施例19]
(合金窒化温度領域の低速昇温) 実施例9において、1250〜1350℃の温度領域だけを0.5℃/分から0.1℃/分へと昇温速度を変更したこと以外は、実施例9と同様の条件で焼成し、蛍光体を得た。この蛍光体の特性評価結果(発光特性、吸収効率、物体色)を表6に示す。なお、実施例9の蛍光体の評価結果を、表6中に比較として示す。
Figure 2010114061
実施例19の蛍光体は、対P46−Y3輝度が112%となり、実施例9の輝度105%を上回った。この温度範囲は、原料合金の窒化反応時の発熱ピークの立ち上がりから終了までの部分に相当する。この温度範囲での昇温速度を下げることにより高輝度化が図れることが分かった。
[実施例20、21]
(合金組成) 実施例19において、フラックスをMgF6重量%、CeF6重量%、CaF2重量%と変えたこと以外は、実施例19と同じ条件で実験をした(実施例20)。この実施例20において、仕込み原料をCa0.75La2.6Ce0.1Siの合金に変えたこと以外は、実施例20と同じ条件で実験した(実施例21)。実施例20、21の蛍光体の仕込み原料(合金組成)及び焼成条件等を表7に示す。また、得られた蛍光体の特性評価結果(発光特性、吸収効率、物体色)を表8に示す。
Figure 2010114061
Figure 2010114061
実施例20、21の結果より、合金のCa量を0.45から0.75に変えると、色度座標x値が顕著に増大しながら、高輝度が保たれることが分かる。
この実施例21の試料を更に1N塩酸洗浄を施した後、実施例A1と同様の化学分析をしたところ、得られた蛍光体の、Si量を6モルとした化学式がCa0.10La2.6Ce0.29Si6N11O0.05と判明した。これはx=0.03, y=0.05, z=0.29, w1=w2=0 にほぼ一致する。
[実施例22〜24]
(希土類フッ化物の効果) 実施例19において、フラックスをMgF6重量%、CeF6重量%と変えたこと以外は、実施例19と同じ条件で実験をした(実施例22)。この実施例22において、フラックスをMgF6重量%、CeF6重量%、GdF6重量%と変えたこと以外は、実施例22と同じ条件で実験をした(実施例23)。実施例22において、フラックスをMgF6重量%、CeF6重量%、YF3重量%と変えたこと以外は、実施例22と同じ条件で実験をした(実施例24)。実施例22〜24の蛍光体の焼成条件、得られた蛍光体の特性評価結果(発光特性)を表9に示す。
Figure 2010114061
実施例22〜24の結果より、YFやGdFは色度座標x値を増大させる効果があることが分かる。SEM−EDXの測定から、このGdF系の蛍光体(実施例23)、YF系の蛍光体(実施例24)の結晶粒子にはGdとYが導入されていることがわかった。実施例23の結晶粒子には、Si6モルに対してGdが約0.14モル導入されていた。LaをGdやYが置換して、Ce賦活元素近傍の結晶場に影響を与え、発光色を変化させていることが推察された。
[実施例25〜30]
(フラックスの種類) 実施例1において、800℃からの昇温速度を10℃/分と高くし、焼成温度を1450℃に変え、フラックスを、それぞれ、MgF、LiF、NaCl、KCl、BaCl又はCaFに変えた以外は、実施例1と同様に実験した(実施例25〜30)。実施例25〜30の蛍光体の焼成条件(フラックス)、得られた蛍光体の特性評価結果(発光特性)を表10に示す。
Figure 2010114061
実施例25〜30の結果より、MgFに対して、LiF、NaCl、KCl、BaCl、CaFは色度座標x値を高める効果があることが分かる。
[実施例31〜36]
焼成条件を表11に示す条件に変えた以外は、実施例1と同様の方法で得た蛍光体について酸洗浄の効果を検討した(実施例31〜36)。これら蛍光体の酸洗浄の条件と発光特性を表12に示す。
Figure 2010114061
Figure 2010114061
実施例31と32の比較から、フッ化水素アンモニウム(NHHF)5%の場合、処理前後で相対輝度が16%増大し、実施例31と33の比較から、10%の場合、9%増大することが分かる。実施例34〜36の結果より、10%フッ化水素アンモニウムの代わりに35%硝酸に変えても、処理前後の輝度が12%と増大することが分かる。
[実施例A1]
(合金の製造)
La金属とSi金属を混合してアルゴン雰囲気にてアーク溶解法により溶解しLaSi合金を得た。これをジェットミルにより粉砕して、重量メジアン径が7μmの合金粉末を得た。
(原料の焼成)
作業雰囲気を窒素としたグローブボックス内で該合金粉末2.254g、α窒化ケイ素(宇部興産製SN−E10)0.631g及び、CeF0.177gをアルミナ乳鉢で混合し、その混合物を20mmΦのモリブデン製るつぼに充填し、モリブデン箔でふたをして、雰囲気焼成電気炉にセットした。室温から300℃まで真空引きした後、4%水素含有窒素ガスを常圧まで導入し、1500℃まで昇温し、1500℃で12時間保持したのち、冷却して取り出した。
(焼成物の処理)
得られた焼成物をアルミナ乳鉢にて粉砕し、得られた粉体を1mol/Lの塩酸によって繰り返し攪拌・洗浄・静置・上澄み排水を行い、さらに1昼夜静置したのち、水洗、乾燥し、蛍光体を得た。
(評価)
この蛍光体の製造条件と特性評価結果(発光特性、吸収効率、物体色等)を表12-5と12-6に示す。なお、輝度(%)及び発光強度(%)は、YAG市販品(化成オプトニクス社製P46−Y3)を100%とする相対値である。実施例A1の蛍光体は、対P46−Y3輝度が137%と非常に高く、物体色を表すa、bがそれぞれ−19.4、81.3であり、彩度(a*2+b*21/2が83.5と高く、吸収効率が92%と非常に高かった。
この蛍光体の組成分析の結果、La、Ce、Si、N、Oの含有量はそれぞれ、52.0、3.74、22.3、20.9、1.0重量%だった。これをもとにLaとCeのモル数合計を3としてモル比率を計算すると、La:Ce:Si:N:O=2.8:0.2:6.0:11:0.47だった。なお、La,Ce,Siの含有量は、蛍光体をアルカリ溶融処理したものを酸に溶解し、その溶液を用いて誘導結合プラズマ発光分析法により測定した。OとNの含有量は、LECO社製酸素窒素分析装置TC600により測定した。この蛍光体は、塩酸での洗浄を充分に行ったため、蛍光体の一部が溶解して酸化物や水酸化物になったと推測され、このために酸素が若干検出されたものと考えられる。それ以外のLa,Ce,Si,Nの比率は、(La,Ce)Si11結晶の組成と一致した。
この蛍光体の粉末X線回折パターンを図4に示す。LaSi11の標準パターンであるICDD―JCPDS―PDFデータの48−1805番にほぼ一致したパターンを得た。
[実施例A2〜A6]
原料の組成を以下のように変更した以外は実施例A1と同様の処理を行い、蛍光体を得た。
Figure 2010114061
得られた蛍光体の製造条件と特性評価結果を表12-5と12-6に示す。
実施例A2は、YHを添加することで発光波長が長波長側にシフトしたが、輝度などを低下した。
実施例A3は、実施例A2と同じY量(モル量)を添加したが、YHの一部をYFとして添加したため、系内のフッ素量が増加し、結晶成長が促進されて蛍光体に取り込まれるYの量も多くなり、発光波長がより長波長側にシフトした。同時に、結晶性が高くなったため、発光強度は実施例A2より高くなった。
実施例A4は、実施例A2と比較して、YH量を半分としたものである。色度座標xや輝度は、実施例A1とA2の中間の値となった。
実施例A5は、Siの添加量を減らしたこと以外は実施例A3と同じ手順によって得られた蛍光体である。窒化ケイ素を減らすことにより、輝度や彩度が大きく低下したが、これは、発光を阻害する副生成物が多くなったためと思われる。
実施例A6は、Siの添加量を増加したこと以外は実施例A3と同じ手順によって得られた蛍光体である。窒化ケイ素の増量により、輝度や彩度が向上したが、これは実施例A5とは逆に発光を阻害する副生成物が減ったためと考えられる。
[実施例A7]
La金属とSi金属を混合してアルゴン雰囲気にてアーク溶解法により溶解しLaSi合金を得た。作業雰囲気を窒素としたグローブボックス内で、これをアルミナ乳鉢で粉砕して、目開き25ミクロンのナイロンメッシュを通過させた。
作業雰囲気を窒素としたグローブボックス内で当該合金粉末7.032g、α窒化ケイ素(宇部興産製SN−E10)1.97g及び、CeF0.541gをアルミナ乳鉢で混合し、その混合物を3.1g取り分けて、20mmΦのモリブデン製るつぼに充填し、モリブデン箔でふたをして、雰囲気焼成電気炉にセットした。室温から300℃まで真空引きした後、4%水素含有窒素ガスを常圧まで導入し、1500℃まで昇温し、1500℃で12時間保持したのち、冷却して取り出した。
得られた焼成物をアルミナ乳鉢にて粉砕し、得られた粉体を1mol/Lの塩酸で攪拌・洗浄を行った後、水洗、乾燥し、蛍光体を得た。
この蛍光体の製造条件と特性評価結果(発光特性、吸収効率、物体色等)を表12-5と12-6に示す。本実施例は実施例A1とほぼ同じ手順で行ったものだが、合金の粉砕方法が異なるため、その輝度や彩度などの特性値は、実施例A1のものと若干異なった。
この蛍光体の組成分析の結果 La、Ce、Si、N、Oの含有量はそれぞれ、53.0、3.69、22.3、21.0、0.2重量%だった。これをもとにLaとCeのモル数合計を3としてモル比率を計算すると、La:Ce:Si:N:O=2.8:0.2:5.9:11:0.08だった。
なお、定量測定は実施例A1の蛍光体で行ったのと同じ方法で行った。このように、目的とする(La,Ce)Si11蛍光体の組成にほぼ一致した測定結果が得られた。この蛍光体粉末X線回折パターンを図5に示す。LaSi11の標準パターンであるICDD―JCPDS―PDFデータの48−1805番にほぼ一致したパターンを得た。
[実施例A8]
La金属とSi金属を混合してアルゴン雰囲気にてアーク溶解法により溶解しLaSi合金を得た。これをジェットミルにより粉砕して、重量メジアン径が10μmの合金粉末を得た。以下の重量比で原料を秤量し、アルミナ乳鉢で混合した。
LaSi合金=2.344g、Si=0.656g、CeF=0.18g
その後の手順は実施例A1と同様とし、蛍光体を製造した。得られた蛍光体の製造条件と特性評価結果を表12-5と12-6に示す。この蛍光体は洗浄処理を行っていないため、塩酸で洗浄処理を行った蛍光体(後述の実施例A9)に比較して、輝度や彩度が劣った。
[実施例A9]
実施例A8の蛍光体を1mol/Lの塩酸に入れて撹拌した。これを水洗、乾燥して蛍光体を得た。得られた蛍光体の製造条件と特性評価結果を表12-5と12-6に示す。本実施例の蛍光体の輝度は、実施例A1とほぼ同じであり、本実施例の蛍光体の彩度は、実施例A1の蛍光体よりも高くなった。
[実施例A10]
La金属とSi金属を混合して、アルゴン雰囲気にて水冷銅るつぼ中で高周波融解法により溶解しLaSi合金を得た。これをジェットミルにより粉砕して、重量メジアン径が11μmの合金粉末を得た。以下の重量比で原料を秤量し、アルミナ乳鉢で混合した。
これを用いて、実施例A8,A9と同様の手順によって蛍光体を製造した。得られた蛍光体の製造条件と特性評価結果を表12-5と12-6に示す。
[実施例A11]
La、Ce、Y,Siの比率が0.42:0.03:0.05:0.5となるように、それぞれの金属原料を混合し、アルゴン雰囲気にてアーク溶解法により溶解して、(La,Ce,Y)Si合金を得た。これを窒素雰囲気のグローブボックス中でアルミナ乳鉢により粉砕し、目開き37ミクロンのナイロンメッシュを通過させた。
この合金を用いて、調合原料及び重量比を以下のように変更した以外は実施例A1と同様の手順を行い、蛍光体を得た。
(La,Ce,Y)Si合金=2.328g、Si=0.672g、LaF=0.18g
得られた蛍光体の製造条件と特性評価結果を表12-5と12-6に示す。
[実施例A12]
La、Ce、Y,Siの比率が0.42:0.03:0.05:0.5となるように、それぞれの金属原料を混合し、アルゴン雰囲気にて水冷銅るつぼ中で高周波溶解法により溶解して、(La,Ce,Y)Si合金を得た。これをジェットミルにより粉砕して、重量メジアン径が12μmの合金粉末を得た。
この合金を用いて、調合原料及び重量比を以下のように変更した以外は実施例A1と同様の手順を行い、蛍光体を得た。
(La,Ce,Y)Si合金=2.390g、Si=0.610g、LaF=0.18g
得られた蛍光体の製造条件と特性評価結果を表12-5と12-6に示す。
[実施例A13]
La金属とCe金属とSi金属をLa:Ce:Siの比率を2.9:0.1:3.0となるように混合し、アルゴン雰囲気にてアーク溶解法により溶解しLaSi合金を得た。これを窒素雰囲気のグローブボックス中でアルミナ乳鉢により粉砕し、目開き25ミクロンのナイロンメッシュを通過させた。
作業雰囲気を窒素としたグローブボックス内で該合金粉末2.345g、α窒化ケイ素(宇部興産製SN−E10)0.656g及び、CeF0.180gをアルミナ乳鉢で混合し、その混合物を20mmΦのモリブデン製るつぼに充填し、モリブデン箔でふたをして、雰囲気焼成電気炉にセットした。室温から300℃まで真空引きした後、4%水素含有窒素ガスを常圧まで導入し、1500℃まで昇温し、1500℃で12時間保持したのち、冷却して取り出した。
得られた焼成物をアルミナ乳鉢にて粉砕し、得られた粉体を1mol/Lの塩酸に入れ、攪拌した。1昼夜静置したのち、上澄み排水を行い、さらに水洗、乾燥し、蛍光体を得た。
この蛍光体の製造条件と特性評価結果(発光特性、吸収効率、物体色等)を表12-5と12-6に示す。
[実施例A14〜A17,比較例A1]
合金の組成と調合の組成を以下のように変更した以外は実施例A13と同様に行い、蛍光体を得た。
Figure 2010114061
蛍光体の製造条件と特性評価結果(発光特性、吸収効率、物体色等)を表12-5と12-6に示す。比較例A1の蛍光体は、フッ化物を添加していないため、輝度が低く、彩度も小さかった。
実施例A14、A15のように原料中のCe量を変えることで発光色調(色度座標)を変化させることが出来る。実施例A16、A17のように、合金にGdを入れることにより発光色調を変化させることが出来る。
[実施例A18]
La金属とCe金属とSi金属をLa:Ce:Siの比率を4.05:0.45:5.5となるように混合し、アルゴン雰囲気にてアーク溶解法により溶解しLaSi合金を得た。これを窒素雰囲気のグローブボックス中でアルミナ乳鉢により粉砕し、目開き25ミクロンのナイロンメッシュを通過させた。
作業雰囲気を窒素としたグローブボックス内で該合金粉末2.481g、α窒化ケイ素(宇部興産製SN−E10)0.520g及び、LaF0.180gをアルミナ乳鉢で混合し、その混合物を20mmΦのモリブデン製るつぼに充填し、モリブデン箔でふたをして、雰囲気焼成電気炉にセットした。室温から300℃まで真空引きした後、4%水素含有窒素ガスを常圧まで導入し、1500℃まで昇温し、1500℃で12時間保持したのち、冷却して取り出した。
得られた焼成物をアルミナ乳鉢にて粉砕し、得られた粉体を1mol/Lの塩酸に入れ、攪拌した。1昼夜静置したのち、上澄み排水を行い、さらに水洗、乾燥し、蛍光体を得た。
この蛍光体の製造条件と特性評価結果(発光特性、吸収効率、物体色等)を表12-5と12-6に示す。
[実施例A19からA22]
合金の組成と調合の組成を以下のように変更した以外は実施例A18と同様に処理して蛍光体を得た。
Figure 2010114061
これらの蛍光体の製造条件と特性評価結果(発光特性、吸収効率、物体色等)を表12-5と12-6に示す。
実施例A18からA22の蛍光体は、(La+Ce)とSiの比率が異なる合金とSiを目的とする蛍光体の組成になるよう混合し、さらにフッ化物フラックスを混合した原料より合成したものである。このような原料を用いても(La,Ce)Si11蛍光体を合成できることがわかった。
[実施例A23]
La金属とSi金属を混合してアルゴン雰囲気にてアーク溶解法により溶解しLaSi合金を得た。これを窒素雰囲気のグローブボックス中でアルミナ乳鉢により粉砕し、目開き37ミクロンのナイロンメッシュを通過させた。
作業雰囲気を窒素としたグローブボックス内で該合金粉末2.344g、α窒化ケイ素(宇部興産製SN−E10)0.656g及び、CeF 0.180gをアルミナ乳鉢で混合し、その混合物を20mmΦのモリブデン製るつぼに充填し、モリブデン箔でふたをして、雰囲気焼成電気炉にセットした。室温から300℃まで真空引きした後、4%水素含有窒素ガスを常圧まで導入し、1500℃まで昇温し、1500℃で36時間保持したのち、冷却して取り出した。
得られた焼成物をアルミナ乳鉢にて粉砕し、得られた粉体を1mol/Lの塩酸に入れ、攪拌した。1昼夜静置したのち、上澄み排水を行い、さらに水洗、乾燥し、蛍光体を得た。
[実施例A24]
実施例A23の手順において、加熱温度及び時間を1550℃12時間と変更して蛍光体を得た。
Figure 2010114061
Figure 2010114061
[実施例37〜40]
(蛍光体(LCSN)の製造)
実施例19において、フラックスを、MgF6重量%及びCeF6重量%と変え、焼成後の処理として、10%NHHF水溶液での攪拌・洗浄の後に、5N塩酸での攪拌・洗浄を追加したこと以外は、実施例19と同様に実験を行って蛍光体粉末(LCSN)を得た。この蛍光体の455nm励起における発光特性は、色度座標x値が0.451、y値が0.533、発光ピーク波長が546nm、対P46−Y3輝度が113%であった。
(発光装置の製造)
得られた蛍光体(LCSN)と、短波長青色発光GAN系LEDチップ(Epistar社製、ES−CEDBV15)とを組み合わせて、白色発光装置を作製した。なお、上記の蛍光体粉末を分散し、封止するために、封止材シリコーン樹脂(信越化学工業社製、SCR−1011)と分散材(徳山社製、レオロシールQS−30)を使用した。蛍光体(LCSN):封止材(SCR1011):分散材(QS30)の重量比は、それぞれをw:100:2とした場合、wを表13に示すとおりとし、蛍光体組成物を作製した。これらの混合物を70℃で1時間加熱後、150℃で5時間加熱して硬化させることにより、蛍光体含有部を形成させ、表面実装型の白色発光装置を得た。
(発光特性)
得られた発光装置のスペクトル特性を表13に示す。表13の色度座標x値とy値にみられるように、本蛍光体1種類だけで白色発光が容易に実現することが分かる。実施例38の発光装置における(x,y)=(0.330,0.327)の白色光の場合に、平均演色評価数Raは68.2、発光効率は81.5Lm/Wであった。LCSNの充填量をかえることにより、自在に青白色〜黄白色まで発光色をかえることができる。
Figure 2010114061
[実施例41〜44]
(蛍光体の製造)
実施例37〜40と同様の方法で蛍光体粉末(LCSN)を得た。
(発光装置の製造)
得られた蛍光体(LCSN)と、長波長青色発光GAN系LEDチップ(昭和電工社製、NL8436W)とを組み合わせて、白色発光装置を作製した。なお、上記蛍光体粉末を分散し、封止するために、封止材シリコーン樹脂(信越化学工業社製、SCR−1011)と分散材(徳山社製、レオロシールQS−30)を使用した。蛍光体(LCSN):封止材(SCR1011):分散材(QS30)の重量比は、それぞれをw:100:2とした場合、wを表14に示すとおりとし、蛍光体組成物を作製した。これらの混合物を70℃で1時間加熱後、150℃で5時間加熱して硬化させることにより、蛍光体含有部を形成させ、表面実装型の白色発光装置を得た。
(発光特性)
得られた白色発光装置のスペクトル特性を表14に示す。表14の色度座標x値とy値にみられるように、本蛍光体1種類だけで白色発光が容易に実現することが分かる。また、LCSNの充填量をかえることにより、自在に青白色〜黄白色まで発光色をかえられることができる。実施例42の発光装置における(x,y)=(0.349,0.369)の白色光の場合に、平均演色評価数Raは68.3、発光効率は77.7Lm/Wであった。同じ発光色で比べたときに、長波長青色LED使用の表14の結果より、短波長青色LED使用の表13の結果の方が、高発光効率であることが分かる。
Figure 2010114061
[実施例45〜48]
(蛍光体(LCSN)の製造)
実施例37〜40と同様の方法で蛍光体粉末(LCSN)を得た。
(赤色蛍光体(SCASN)の製造)
金属元素組成比がAl:Si=1:1(モル比)となるように各金属を秤量した。黒鉛製坩堝を用い、アルゴン雰囲気で高周波溶融炉を用いて原料金属を溶融した後、坩堝から金型へ注湯して凝固させ、金属元素組成元素比がAl:Si=1:1である合金(母合金)を得た。
Eu:Sr:Ca:Al:Si=0.008:0.792:0.2:1:1(モル比)となるように、上述の母合金及びその他の原料金属を秤量した。炉内を5×10−2Paまで真空排気した後、排気を中止し、炉内にアルゴンを所定圧まで充填した。この炉内で、カルシア製坩堝内で母合金を融解し、次いでSrを融解し、坩堝から溶湯を金型へ注湯して凝固させ、蛍光体原料合金を得た。
得られた蛍光体原料合金を、窒素雰囲気下、アルミナ乳鉢上で粗粉砕した後、超音速ジェット粉砕機を用い、窒素雰囲気下、粉砕圧力0.15MPa、原料供給速度0.8kg/hrで粉砕した。得られた合金粉末を水洗、分級処理、乾燥することにより、蛍光体粉末Sr0.792Ca0.200AlEu0.008SiN(SCASN)を得た。
(発光装置の製造)
得られた蛍光体(LCSN)と赤色蛍光体(SCASN)、長波長青色発光GAN系LEDチップ(昭和電工社製、NL8436W)とを組み合わせて、白色発光装置を作製した。なお、上記の蛍光体粉末を分散し、封止するために、封止材シリコーン樹脂(信越化学工業社製、SCR−1011)と分散材(徳山社製、レオロシールQS−30)を使用した。蛍光体(LCSN):赤色蛍光体(SCASN):封止材(SCR1011):分散材(QS30)の重量比は、それぞれをu:v:100:2とした場合、u及びvを表15に示すとおりとし、蛍光体組成物を作製した。これらの混合物を70℃で1時間加熱後、150℃で5時間加熱して硬化させることにより、蛍光体含有部を形成させ、表面実装型の白色発光装置を得た。
(発光特性)
得られた白色発光装置のスペクトル特性を表15に示す。表15の色度座標x値とy値にみられるように、温白色や電球色の白色発光が容易に実現することが分かる。実施例45の発光装置における(x,y)=(0.410,0.395)の温白色光の場合に、平均演色評価数Raは72.2であった。同様の発光色で、実施例43の発光装置における長波長青色LEDとLCSNのみの組み合わせ、例えば、実施例43の発光装置における(x,y)=(0.391,0.430)でのRa63.5と比べたときに、赤色蛍光体SCASNを組み合わせたときの方が、演色性が高くなっていることが分かる。
Figure 2010114061
[実施例49〜54]
(蛍光体(LCSN)の製造)
実施例37〜40と同様の方法で蛍光体粉末(LCSN)を得た。
(青色蛍光体(BAM)の製造)
蛍光体の各原料の仕込み組成がBa0.7Eu0.3MgAl1017となるように、炭酸バリウム(BaCO)0.7モル、酸化ユウロピウム(Eu)0.15モル、塩基性炭酸マグネシウム(Mg1モルあたりの質量93.17)1モル(Mgとして)、α−アルミナ(Al)5モルを、それぞれ秤量し、乳鉢にて30分間混合し、アルミナ製坩堝に充填した。これを箱型焼成炉にて窒素を流通させながら1200℃、5時間焼成し、冷却後に坩堝から取り出し解砕して蛍光体の前駆体を得た。この前駆体に、AlFを0.3重量%添加し、乳鉢にて30分間粉砕・混合し、アルミナ製坩堝に充填し、箱型雰囲気焼成炉にて水素を4体積%含む窒素ガス中にて1450℃、3時間焼成し、冷却後に得られた焼成物を解砕し、淡い青色の粉末を得た。
この粉末に、AlFを0.42重量%添加し、乳鉢にて30分間粉砕・混合し、アルミナ製坩堝に充填し、坩堝周囲の空間にビーズ状グラファイトを設置し、箱型焼成炉に窒素を毎分4リットル流通して1550℃、5時間焼成した。得られた焼成物をボールミルで6時間解砕し、分級した後に水洗処理を行って青色蛍光体粉末(BAM)を得た。得られた青色蛍光体(BAM)の発光ピーク波長は455nm、発光ピーク半値幅は51nmであった。
(発光装置の製造)
得られた蛍光体(LCSN)と青色蛍光体(BAM)、近紫外光発光GAN系LEDチップ(Cree社製、C395MB290)とを組み合わせて、白色発光装置を作製した。なお、上記の蛍光体粉末を分散し、封止するために、封止材シリコーン樹脂(三菱化学社製、U111)と分散材(日本アエロジル社製、アエロジルRX200)を使用した。青色蛍光体(BAM):蛍光体(LCSN):封止材(U111):分散材(RX200)の重量比は、それぞれをp:q:100:15とした場合、p及びqを表16に示すとおりとし、蛍光体組成物を作製した。これらの混合物を70℃で1時間加熱後、150℃で5時間加熱して硬化させることにより、蛍光体含有部を形成させ、表面実装型の白色発光装置を得た。
(発光特性)
得られた白色発光装置のスペクトル特性を表16に示す。表16の色度座標x値とy値にみられるように青白色〜黄白色の高演色白色発光が容易に実現することが分かる。実施例52の発光装置における(x,y)=(0.321,0.361)の白色光の場合に、平均演色評価数Raは78.3と高かった。同様の発光色をもつ実施例42の長波長青色LEDとLCSNのみの組み合わせの発光装置と比べたときに、Raは68.3を上回る値となっており、演色性が向上しているのが分かる。
Figure 2010114061
[実施例55〜58]
(蛍光体(LCSN)の製造]
実施例37〜40と同様の方法で蛍光体粉末(LCSN)を得た。
(青色蛍光体(BAM)の製造)
実施例49〜54と同様の方法で、青色蛍光体粉末(BAM)を得た。
(赤色蛍光体(CASON)の製造)
Ca(CERAC社製、200mesh pass)、AlN(トクヤマ社製、グレードF)、Si(宇部興産社製、SN−E10)、Eu(信越化学社製)を、酸素濃度が1ppm以下である窒素で満たされたグローブボックス内で電子天秤によりモル比でEu:Ca:Al:Si=0.008:0.992:1:1.14となるように秤量した。このグローブボックス内で、これら全ての蛍光体原料をアルミナ乳鉢で均一になるまで20分間粉砕混合した。得られた原料混合物を窒化ホウ素製坩堝に充填し、窒素0.5MPa、1800℃で2時間焼成した。洗浄、分散、分級を行って、重量メジアン径(D50)8μm〜10μmである赤色蛍光体粉末(CASON)を得た。得られた蛍光体の組成は仕込み組成でCa0.992Eu0.008AlSi1.143.180.01であり、発光ピーク波長は650nm、半値幅は92nmであった。
(発光装置の製造)
得られた蛍光体(LCSN)と青色蛍光体(BAM)、赤色蛍光体(CASON)、近紫外光発光GAN系LEDチップ(Cree社製、C395MB290)とを組み合わせて、白色発光装置を作製した。なお、上記蛍光体粉末を分散し、封止するために、封止材シリコーン樹脂(三菱化学社製、U111)と分散材(日本アエロジル社製、アエロジルRX200)を使用した。青色蛍光体(BAM):蛍光体(LCSN):赤色蛍光体(CASON):封止材(U111):分散材(RX200)の重量比は、それぞれをr:s:t:100:15とした場合、r、s及びtを表17に示すとおりとし、蛍光体組成物を作製した。これらの混合物を70℃で1時間加熱後、150℃で5時間加熱して硬化させることにより、蛍光体含有部を形成させ、表面実装型の白色発光装置を得た。
(発光特性)
得られた白色発光装置のスペクトル特性を表17に示す。表17の色度座標x値とy値にみられるように高演色温白色又は電球色発光が容易に実現することが分かる。実施例55の発光装置における(x,y)=(0.408,0.417)の温白色光の場合に、平均演色評価数Raは77.1であった。同様の発光色をもつ実施例53のCASONを加えない組み合わせの発光装置と比べたときに、Raは64.8を上回る値となっており、演色性が向上しているのが分かる。
Figure 2010114061
[実施例59、60]
(蛍光体(LCSN)の製造)
実施例37〜40と同様の方法で蛍光体(LCSN)粉末を得た。
(青色蛍光体(BAM)の製造)
実施例49〜54と同様の方法で、青色蛍光体粉末(BAM)を得た。
(緑色蛍光体(BSON)の製造)
蛍光体の各原料の仕込み組成が、Ba2.7Eu0.3Si6.9123.2となるように原料化合物として、BaCO(267g)、SiO(136g)及びEu(26.5g)を十分に攪拌混合した後、アルミナ乳鉢に充填した。これを温度調節器つき抵抗加熱式電気炉内に置き、大気圧下、5℃/分の昇温速度で1100℃まで加熱し、その温度で5時間保持した後、室温まで放冷した。得られた試料をアルミナ乳鉢上で、100μm以下まで粉砕した。
上記で得られた試料(295g)と原料化合物であるSi(45g)を十分に攪拌混合した後、1次焼成として、アルミナ乳鉢に充填し、これを大気圧下、窒素96体積%、水素4体積%の混合ガス0.5L/分での流通下で1200℃まで加熱し、その温度で5時間保持したあと室温まで放冷した。得られた焼成粉をアルミナ乳鉢上で100μm以下になるまで粉砕した。
上記1次焼成で得られた焼成粉300gとフラックスであるBaF(6g)と、BaHPO(6g)を十分に攪拌混合した後、アルミナ乳鉢に充填し、2次焼成として大気圧下、窒素96体積%、水素4体積%の混合ガス0.5L/分での流通下で1350℃まで加熱し、その温度で8時間保持したあと室温まで放冷した。得られた焼成粉をアルミナ乳鉢上で100μm以下になるまで粉砕した。
上記2次焼成で得られた試料(70g)と、フラックスであるBaCl(5.6g)と、BaHPO(3.5g)を十分に攪拌混合した後、アルミナ乳鉢に充填し、3次焼成として大気圧下、窒素96体積%、水素4体積%の混合ガス0.5L/分での流通下で1200℃まで加熱し、その温度で5時間保持したあと室温まで放冷した。得られた焼成粉を、ガラスビーズを用いてスラリー化して分散し、100μm以下を篩分けした後、洗浄処理を行い、カルシウム溶液と燐酸塩溶液を用いて、燐酸カルシウム塩による表面コートを行った。
得られた蛍光体2gを、直径30mmの石英容器を用いて大気中で700℃まで約40分で昇温し、700℃で10分間保持したのち、石英容器を炉内から取り出して、耐熱煉瓦上で室温まで冷却し、緑色蛍光体粉末(BSON)を得た。
(赤色蛍光体(CASON)の製造)
実施例55〜58と同様の方法で、赤色蛍光体粉末(CASON)を得た。
(発光装置の製造)
得られた蛍光体(LCSN)と青色蛍光体(BAM)、緑色蛍光体(BSON)、赤色蛍光体(CASON)、近紫外光発光GAN系LEDチップ(Cree社製、C395MB290)とを組み合わせて、白色発光装置を作製した。なお、上記の蛍光体粉末を分散し、封止するために、封止材シリコーン樹脂(三菱化学社製、U111)と分散材(日本アエロジル社製、アエロジルRX200)を使用した。青色蛍光体(BAM):緑色蛍光体(BSON):蛍光体(LCSN):赤色蛍光体(CASON):封止材(U111):分散材(RX200)の重量比は、それぞれをh:k:l:m:100:2とした場合、h、k、l及びmを表18に示すとおりとし、蛍光体組成物を作製した。これらの混合物を70℃で1時間加熱後、150℃で5時間加熱して硬化させることにより、蛍光体含有部を形成させ、表面実装型の白色発光装置を得た。
(発光特性)
得られた白色発光装置のスペクトル特性を表18に示す。表18の色度座標x値とy値にみられるように高演色の温白色又は電球色の白色発光が容易に実現することが分かる。実施例60の発光装置における(x,y)=(0.442,0.426)の電球色光の場合に、平均演色評価数Raは83.1と高かった。同様の発光色をもつ実施例56のBSONを加えない組み合わせの発光装置と比べたときに、Raは71.4を上回る値となっており、演色性が非常に向上しているのが分かる。
Figure 2010114061
[比較例6]
特開2008−285659号公報の実施例の39に記載のLEDデバイスを、本出願における比較例6として提示する。本比較例のLEDデバイスは、蛍光体(CaSiN粉末、窒化ランタン粉末、酸化セリウム粉末、窒化ケイ素粉末、及び、0.5重量%CaFフラックスの混合物を0.92MPa窒素下2000℃で5分間焼成したもので、仕込み組成Ca0.75La2.4Ce0.1Si11のもの)と、青色発光GAN系LEDチップ(Cree社製、460EZ)を組み合わせたものである。硬化条件は実施例37と同じである。比較例6の発光装置の原料混合量、発光特性等を表19に示す。
比較例6の発光装置において、(x,y)=(328,313)の白色光が得られ、そのルミナスパワーは281Lm/Wであった。同様の発光色をもつ実施例38の発光装置におけるルミナスパワーは319Lm/Wであり、比較例6より高く、本出願の蛍光体をLEDに搭載した方が、同じ出力時、より明るい白色光を出力できることが分かる。
Figure 2010114061
[実施例61]
(合金の製造)
金属元素組成比がLa:Ce:Si=2.9:0.1:6(モル比)となるように、La金属塊、Ce金属塊及びSi金属塊の各金属原料を秤量し、軽く混合し、アーク融解炉(大亜真空株式会社製ACM−CO1P)に導入し、炉内を1×10−2Paに真空排気した後、アルゴンを導入し、アルゴン雰囲気下で原料金属に電流を約100mA流して、融解した。融解した金属が電磁誘導の原理により十分回転するのを確認した後、電流印加を停止し、自然法令により凝固させ、蛍光体原料用合金を得た。得られた蛍光体原料用合金が均一な上記金属元素組成比の合金となっていることをSEM−EDXにて確認した。アルミナ乳鉢とナイロンメッシュの篩を用いて、蛍光体原料用合金を粉砕し、粒径37μm以下の合金粉末とし、これを窒化処理用の原料とした。
(原料の焼成)
作業雰囲気を窒素としたグローブボックス内で該合金粉末1g及びCeF0.06g(合金原料に対してを6重量%)をアルミナ乳鉢で混合し、その混合物を30mmΦのモリブデン製トレイ上に敷詰め、タングステン製ヒーターのモリブデン製内壁電気炉にセットした。室温から120℃まで真空引きした後、4%水素含有窒素ガスを常圧まで導入し、0.5L/分の供給速度を保ちながら、800℃まで昇温し、800℃〜1250℃、及び、1350℃〜1550℃の範囲を0.5℃/分で昇温し、1250℃〜1350℃の範囲を0.1℃/分で昇温し、1550℃で15h(時間)焼成し、アルミナ乳鉢で粉砕した。
(焼成物の処理)
得られた焼成物をメノウ乳鉢にて粉砕し、得られた粉体を濃度10重量%のNHHF水溶液で攪拌・洗浄を1時間行った後、水洗し、次に、5N塩酸で攪拌・洗浄を1時間行い、乾燥し、蛍光体を得た。この蛍光体の特性評価結果(発光特性と物体色)を表20に示す。なお、表20中、輝度(%)及び発光強度(%)は、YAG市販品(化成オプトニクス社製P46−Y3)を100%とする相対値である。
実施例61の蛍光体は、対P46−Y3輝度が121%もあり、物体色を表すa、bがそれぞれ−17、82であり、彩度(a*2+b*21/2が84と非常に高かった。一方、NHHF水溶液も塩酸処理もせずに評価をした結果は、対P46−Y3輝度92%であった。
[実施例62〜68]
実施例61において、原料合金の組成を、La2.9Ce0.1Siから表20の実施例62〜68の行に記載した組成に変えたこと以外は、全て実施例61と同様に実験した。得られた蛍光体の特性評価結果(発光特性と物体色)を表20に示す。
Gd、Y、Sc等の含有合金やCe量を0.15〜0.45と増やした合金を原料として得られた蛍光体は、色度座標x値が0.425から0.431乃至0.458と増大しており、発光色を真の黄色とするのに効果があることがわかる。これらの蛍光体(実施例62〜68)のa、bが、それぞれ、−8〜−14、73〜88であり、彩度(a*2+b*21/2が73〜89と非常に高く、物体色の良好な蛍光体であることがわかる。
また、La2.9Ce0.1Si、La2.75Gd0.15Ce0.1Si、La2.6Gd0.3Ce0.1Siを原料として得られた蛍光体(それぞれ実施例61、65、66)中に混ざってくるわずかな副生物Ce賦活LaSi系による青発光強度は、455nm励起P46−Y3の黄色発光強度に対する相対強度で示すと、それぞれ、9.6%、5.9%、5.9%となり、GdがCe賦活LaSi系による青発光を大幅に抑制する効果があることがわかる。
Figure 2010114061
以上の結果から明らかなように本発明の蛍光体を用いた発光装置は実用上有益な用途に使用できる特性を備えていることがわかった。
本発明の蛍光体の用途は特に制限されず、通常の蛍光体が用いられる各種の分野に使用可能であるが、温度特性に優れているという特性を生かして、近紫外LEDや青色LED等の光源で励起される一般照明用発光体を実現する目的に適している。また、上述のような特性を有する本発明の蛍光体を用いた本発明の発光装置は、通常の発光装置が用いられる各種の分野に使用可能であるが、中でも画像表示装置や照明装置の光源としてとりわけ好適に用いられる。
なお、2009年3月31日に出願された日本特許出願2009−086840号及び2009年10月13日に出願された日本特許出願2009−236147号の、明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
1:第2の発光体
2:面発光型GaN系LD
3:基板
4:発光装置
5:マウントリード
6:インナーリード
7:第1の発光体
8:蛍光体含有樹脂部
9:導電性ワイヤー
10:モールド部材
11:面発光照明装置
12:保持ケース
13:発光装置
14:拡散板
22:第1の発光体
23:第2の発光体
24:フレーム
25:導電性ワイヤ
26,27:電極

Claims (22)

  1. 下記式[I]で表される結晶相を含有する蛍光体であって、かつ、物体色をL表色系で表した場合のa、b及び(a*2+b*21/2の値が、それぞれ、−20≦a≦−2、71≦b及び71≦(a*2+b*21/2を満たすことを特徴とする蛍光体。
    3−x−y−z+w21.5x+y−w2Si6−w1−w2Alw1+w2y+w111−y−w1 [I]
    (式[I]中、
    Rは、La、Gd、Lu、Y及びScからなる群より選ばれる少なくとも1種類の希土類元素を示し、
    Mは、Ce、Eu、Mn、Yb、Pr及びTbからなる群より選ばれる少なくとも1種類の金属元素を示し、
    Aは、Ba、Sr、Ca、Mg及びZnからなる群より選ばれる少なくとも1種類の二価の金属元素を示し、
    x、y、z、w1及びw2は、それぞれ以下の範囲の数値を示す。
    (1/7)≦(3−x−y−z+w2)/6<(1/2)、
    0≦(1.5x+y−w2)/6<(9/2)、
    0≦x<3、
    0≦y<2、
    0<z<1、
    0≦w1≦5、
    0≦w2≦5、
    0≦w1+w2≦5 )
  2. 0<(1.5x+y−w2)/6<(9/2)である請求項1に記載の蛍光体。
  3. 及び(a*2+b*21/2の値が、それぞれ、71≦b≦105及び71≦(a*2+b*21/2≦105を満たすことを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の蛍光体。
  4. xが0<x<3であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の蛍光体。
  5. 0≦(1.5x+y−w2)<(9/2)である請求項1、3、4のいずれか1項に記載の蛍光体。
  6. 吸収効率が88%以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の蛍光体。
  7. 少なくともR元素、A元素及びSi元素を含有する蛍光体製造用合金を窒化することによる下記式[I]で表される結晶相を含有する蛍光体の製造方法であって、該合金をフラックスの存在下で焼成を行うことを特徴とする製造方法。
    3−x−y−z+w21.5x+y−w2Si6−w1−w2Alw1+w2y+w111−y−w1 [I]
    (式[I]中、
    Rは、La、Gd、Lu、Y及びScからなる群より選ばれる少なくとも1種類の希土類元素を示し、
    Mは、Ce、Eu、Mn、Yb、Pr及びTbからなる群より選ばれる少なくとも1種類の金属元素を示し、
    Aは、Ba、Sr、Ca、Mg及びZnからなる群より選ばれる少なくとも1種類の二価の金属元素を示し、
    x、y、z、w1及びw2は、それぞれ以下の範囲の数値を示す。
    (1/7)≦(3−x−y−z+w2)/6<(1/2)、
    0≦(1.5x+y−w2)/6<(9/2)、
    0≦x<3、
    0≦y<2、
    0<z<1、
    0≦w1≦5、
    0≦w2≦5、
    0≦w1+w2≦5 )
  8. 0<(1.5x+y−w2)/6<(9/2)である請求項7に記載の蛍光体の製造方法。
  9. 0≦(1.5x+y−w2)<(9/2)である請求項7に記載の蛍光体の製造方法。
  10. 蛍光体製造用合金の窒化反応時の、TG−DTA(熱重量・示差熱)測定により求められる発熱ピークの低温側の少なくとも一部に相当する温度範囲における、焼成時の昇温速度が0.5℃/分以下となるような温度条件で焼成を行うことを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載の製造方法。
  11. 焼成を、水素含有窒素ガス雰囲気で行うことを特徴とする請求項7〜10のいずれか1項に記載の製造方法。
  12. 焼成後、得られる焼成物を酸性水溶液で洗浄することを特徴とする請求項7〜11のいずれか1項に記載の製造方法。
  13. 下記式[I’]で表される組成を含有する蛍光体であって、かつ、物体色をL***表色系で表した場合のa*、b*及び(a*2+b*21/2の値が、それぞれ、−20≦a*≦−2、71≦b*及び71≦(a*2+b*21/2を満たすことを特徴とする蛍光体。
    (Ln,Ca,Ce)3+αSi11 [I’]
    (式[I’]中、
    LnはLa、Gd、Lu、Y及びScからなる群より選ばれる少なくとも1種類の希土類元素を示し、
    αは、−0.1≦α≦1.5の範囲の数値を示す。)
  14. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の蛍光体と、液体媒体とを含有することを特徴とする蛍光体含有組成物。
  15. 第1の発光体と、該第1の発光体からの光の照射によって可視光を発する第2の発光体とを有する発光装置であって、
    該第2の発光体が、第1の蛍光体として、請求項1〜6のいずれか1項に記載の蛍光体から選ばれる少なくとも1種の蛍光体を含有することを特徴とする発光装置。
  16. 該第1の発光体が、420nm以上450nm以下の波長範囲に発光ピーク波長を有することを特徴とする請求項15に記載の発光装置。
  17. 該第2の発光体が、第2の蛍光体として、該第1の蛍光体とは発光ピーク波長の異なる少なくとも1種の蛍光体を含有することを特徴とする請求項15又は16に記載の発光装置。
  18. 該第1の発光体が、420nm以上500nm以下の波長範囲に発光ピークを有し、該第2の発光体が、第2の蛍光体として、565nm以上780nm以下の波長範囲に発光ピークを有する少なくとも1種の蛍光体を含有することを特徴とする請求項15に記載の発光装置。
  19. 該第1の発光体が、300nm以上420nm以下の波長範囲に発光ピークを有し、該第2の発光体が、第2の蛍光体として、420nm以上500nm以下の波長範囲に発光ピークを有する少なくとも1種の蛍光体を含有することを特徴とする請求項15に記載の発光装置。
  20. 該第1の発光体が、420nm以上500nm以下の波長範囲に発光ピークを有し、該第2の発光体が、第2の蛍光体として、565nm以上780nm以下の波長範囲に発光ピークを有する少なくとも1種の蛍光体を含有することを特徴とする請求項15に記載の発光装置。
  21. 請求項15〜20のいずれか1項に記載の発光装置を備えることを特徴とする照明装置。
  22. 請求項15〜20のいずれか1項に記載の発光装置を備えることを特徴とする画像表示装置。
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