JPWO2017057671A1 - フッ化物蛍光体、発光装置及びフッ化物蛍光体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】一般式:A2SiF6:Mn(元素Aは少なくともカリウムを含有するアルカリ金属元素)で表されるフッ化物蛍光体の製造方法であって、溶媒に元素A及びフッ素が溶解した水溶液を調製する工程と、当該水溶液に固体状の二酸化ケイ素及び+7価以外のマンガンを供給するマンガン化合物を添加する工程とを含み、マンガン化合物の添加量が、フッ化物蛍光体におけるMn含有量が0.1質量%以上1.5質量%以下となる範囲であり、水溶液中に二酸化ケイ素が溶解していくのと並行してフッ化物蛍光体が析出することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
そこで、青色LEDとYAG蛍光体とを組み合わせた白色LEDの演色性及び色再現性を改善するために、YAG蛍光体の他に、もしくはYAG蛍光体に代えて、青色LEDで励起可能な赤色蛍光体及びEu付活β型サイアロンやオルソシリケートなどの緑色蛍光体を組み合わせた白色LEDが開発されている。
本発明の目的は、蛍光強度及び信頼性の高いフッ化物蛍光体、この蛍光体を用いた高輝度の発光装置、及びこの蛍光体の製造方法を提供することである。
この製造方法において、二酸化ケイ素の添加と同時にマンガン化合物を添加すること、あるいは、二酸化ケイ素の添加後にマンガン化合物を断続的に添加して水溶液中のマンガン濃度を維持することが好ましい。マンガン化合物は+4価のマンガンを供給するものが好ましい。このようなマンガン化合物としては、水溶液に溶解した際にMnF6 2−錯イオンを生成する化合物であることが好ましく、特にK2MnF6であることが好ましい。また、二酸化ケイ素は粉末状であることが好ましく、特にその比表面積が0.1〜2m2/gであることが好ましい。溶媒はフッ化水素濃度40〜70質量%のフッ化水素酸であることが好ましい。水溶液はA2SiF6結晶が析出しない濃度範囲でケイ素を含んでいてもよい。
このフッ化物蛍光体は、波長520nmの緑色光を照射したときの吸収率が15%以下であることが好ましい。また、体積基準のメディアン径(D50)が5μm以上35μm以下であり、体積基準の累積90%径(D90)が10μm以上50μm以下であることが好ましい。
この発光装置は、温度60℃、相対湿度90%、150mA通電環境下で1000時間放置した後の発光輝度の低下率が5%未満であることが好ましい。この発光装置は、波長455nmの励起光を受けた際のピーク波長が510nm以上550nm以下の緑色蛍光体をさらに有することが好ましい。緑色蛍光体はEu付活βサイアロン蛍光体であることが好ましい。
本発明に係るフッ化物蛍光体の製造方法は、一般式:A2SiF6:Mn(元素Aは少なくともKを含有するアルカリ金属元素)で表されるフッ化物蛍光体の製造方法であって、(1)溶媒に元素A及びフッ素が溶解した水溶液を調製する工程と、(2)この水溶液に固体状の二酸化ケイ素及び+7価以外のマンガンを供給するマンガン化合物を添加する工程とを含む。
この工程では、溶媒に元素Aとフッ素が溶解した水溶液を調製する。
溶媒にフッ化水素酸を用いる場合、フッ化水素濃度は40〜70質量%であることが好ましい。特に、原料であるカリウム化合物の飽和溶解度もフッ化水素濃度に依存するため、生産性の観点からフッ化水素濃度を48質量%以上とすることが好ましい。しかし、フッ化水素濃度は高すぎると蒸気圧が高くなり取扱が困難になることから、70質量%以下とすることが好ましい。フッ化水素酸は多くの物質を溶解するため、これを取り扱うための器具や容器等は不純物が混入しないようにフッ素樹脂製であることが好ましい。
この工程では、(1)で得られた水溶液に固体状の二酸化ケイ素及びマンガン化合物を添加する。
マンガン化合物の添加量は、フッ化物蛍光体におけるMn含有量が0.1質量%以上1.5質量%以下となる範囲である。マンガン化合物の添加量があまりに少ないと十分な蛍光発光が得られず、あまりに多いと結晶欠陥の増大や濃度消光による蛍光発光の低下が起こる傾向にある。
さらに、固体状の二酸化ケイ素及びマンガン化合物を添加した後の水溶液に、カリウム、フッ素、溶媒を追加してもよい。また、場合によっては、固体状の二酸化ケイ素及びマンガン化合物に対して水溶液を注いでもよい。
このため、本発明のフッ化物蛍光体を効率よく生成するためには、水溶液中に含まれるケイ素、マンガン以外のフッ化物蛍光体の構成元素が、固体状の二酸化ケイ素に含まれるケイ素の化学量論量より多く、もしくは大過剰に含まれていることが好ましい。具体的には、溶解する固体状の二酸化ケイ素が有するケイ素の化学量論量の少なくとも等倍以上、好ましくは1.5倍以上、より好ましくは2倍以上である。
洗浄工程は、水溶液中で析出したフッ化物蛍光体をろ過等により固液分離して回収し、メタノール、エタノール、アセトン等の有機溶剤で洗浄することである。洗浄工程において、フッ化物蛍光体を水で洗浄してしまうと、蛍光体の一部が加水分解して茶色のマンガン化合物が生成し、蛍光体の特性が低下することがある。そのため、洗浄工程では有機溶剤を用いる。有機溶剤での洗浄前にフッ化水素酸で数回洗浄を行うと、微量生成していた不純物をより確実に溶解除去することができる。洗浄に用いるフッ化水素酸の濃度は、フッ化物蛍光体の加水分解抑制の観点から、15質量%以上が好ましい。洗浄工程には、乾燥させて洗浄液を完全に蒸発させる乾燥工程を設けることが好ましい。
分級工程は、フッ化物蛍光体の粒度のばらつきを抑制し、一定範囲内に調整するものであり、具体的には、所定の大きさの開口部のある篩を通過したものと、しなかったものとを分ける工程である。
本発明に係るフッ化物蛍光体は、一般式:A2SiF6:Mnで表される。
前記一般式中の元素Aは、カリウムを少なくとも含むアルカリ金属元素であり、具体的にはカリウム単独、またはカリウムとリチウム、ナトリウム、ルビジウム、セシウムの中から選ばれる少なくとも1種以上のアルカリ金属元素との組み合わせである。化学的安定性の観点から、カリウムの含有割合は高い方が好ましく、最も好ましくはカリウム単独である。
前記一般式中のSiはケイ素であり、Fはフッ素であり、Mnはマンガンである。
本発明に係るフッ化物蛍光体は、蛍光体を300℃に加熱する前に環境温度100℃で5分間暴露したときの蛍光積分強度に対して、300℃で5分間加熱した後に再度環境温度100℃で5分間暴露したときの蛍光積分強度の低下率が3%以下である。
この蛍光積分強度の低下率は、300℃加熱前の蛍光積分強度(I(0))と、300℃加熱後の蛍光積分強度(I(T))から、以下の式により求められる。
蛍光積分強度の低下率(%)=(1−[I(T)]/[I(0)])×100
蛍光積分強度の低下率が3%以下であれば長期使用にも十分な耐熱性を示し、さらに2%以下、1%以下であることがより好ましい。
一方、(2)の波長域については、二つの励起帯の谷間、即ち励起スペクトルにおいて極小となる波長395nm付近にも発光に寄与するMn4+の吸収が若干存在するため、単純にその波長域の吸収率の大小から非発光吸収量を見積もることができない。そこで、本発明では、Mn4+が最も効率よく励起される波長455nmの青色光を照射した時の赤色光への変換率(内部量子効率)に対する、波長395nmの紫外光に対する内部量子効率の比を指標とする。即ち、以下の式:
[励起波長395nmでの内部量子効率]/[励起波長455nmでの内部量子効率]×100
によって表される比(%)に基づいて評価する。以下、便宜上この比を「IQE(395)/IQE(455)比」と表記する。この比は100%に近いほど非発光吸収が少ないことを意味する。本発明のフッ化物蛍光体では、IQE(395)/IQE(455)比が78%以上であり、好ましくは80%以上である。
また、体積基準の累積90%径(D90)は10μm以上50μm以下であることが好ましい。この範囲以外では、実装したLEDの色バラツキの原因となったり、実装時にディスペンサー閉塞の要因となる場合がある。
本発明に係る発光装置は、前記フッ化物蛍光体と、発光光源とを有する発光装置である。
発光光源のピーク波長は420nm以上480nm以下、好ましくは430nm以上470nm以下、さらに好ましくは440nm以上460nm以下である。発光光源のピーク波長を420nm以上480nm以下としたのは、蛍光体中の発光中心であるMn4+が効率よく励起されるとともに、発光装置の青色光としても利用するためである。
<K2MnF6の製造工程>
実施例及び比較例のフッ化物蛍光体を製造する際の原料として用いるK2MnF6を以下の方法で作製した。
容量2000mlのフッ素樹脂製ビーカーに濃度40質量%フッ化水素酸800mlを入れ、フッ化水素カリウム粉末(和光純薬工業社製、特級試薬)260g及び過マンガン酸カリウム粉末(和光純薬工業社製、試薬1級)12gを溶解させた。このフッ化水素酸溶液をマグネティックスターラーで撹拌しながら、30%過酸化水素水(和光純薬工業社製、特級試薬)8mlを少しずつ滴下した。過酸化水素水の滴下量が一定量を超えると黄色粉末が析出し始め、反応液の色が紫色から変化し始めた。過酸化水素水を一定量滴下し、しばらく撹拌を続けた後に撹拌を止め、析出粉末を沈殿させた。沈殿後、上澄み液を除去してメタノールを加えるという操作を、液が中性になるまで繰り返した。その後、ろ過により析出粉末を回収し、さらに乾燥を行ってメタノールを完全に蒸発除去して黄色粉末を19g得た。これらの操作は全て常温で行った。得られた黄色粉末のX線回折パターンをX線回折装置(リガク社製Ultima IV)を用いて測定した結果、K2MnF6結晶単相であることを確認した。
以下の方法で、K2SiF6:Mnで表されるフッ化物蛍光体を製造した。始めに、常温下で、容量500mlのフッ素樹脂製ビーカーに濃度55質量%フッ化水素酸200mlを入れ、KHF2粉末(和光純薬工業社製、特級試薬)25.50gを溶解させ、水溶液(A)を調製した。この水溶液にK2MnF6粉末1.1gを添加して完全に溶解させた後に、二酸化ケイ素粉末(デンカ株式会社製、FB−50R、非晶質、平均粒径55μm)6.90gを入れた。二酸化ケイ素粉末を水溶液に添加すると溶解熱の発生により溶液の温度が上昇した。溶液温度は二酸化ケイ素粉末を添加して約3分後に最高温度に到達し、その後は二酸化ケイ素粉末の溶解が終了したために溶液温度は下降した。なお、二酸化ケイ素粉末を添加すると直ぐに水溶液中で黄色粉末が生成し始めていることが目視で確認された。
二酸化ケイ素粉末が完全に溶解した後、しばらく水溶液を撹拌し、黄色粉末の析出を完了させた後、水溶液を静置して固形分を沈殿させた。沈殿確認後、上澄み液を除去し、濃度20質量%のフッ化水素酸及びメタノールを用いて黄色粉末を洗浄し、さらにこれを濾過して固形部を分離回収し、さらに乾燥処理により、残存メタノールを蒸発除去した。乾燥処理後、目開き75μmのナイロン製篩を用い、この篩を通過した黄色粉末だけを分級して回収し、最終的に19.81gの黄色粉末を得た。
実施例1で得た黄色粉末の結晶相を測定し、母結晶の組成を求めた。即ち、X線回折装置(リガク社製Ultima4、CuKα管球使用)を用いて、X線回折パターンを測定した。得られたX線回折パターンを図1に示す。その結果、実施例1で得られたサンプルのX線回折パターンは、K2SiF6結晶と同一パターンであることから、K2SiF6:Mnが単相で得られたことを確認した。
実施例1と原料の添加順序を変えてフッ化物蛍光体を製造した。即ち、常温下で、容量500mlのフッ素樹脂製ビーカーに濃度55質量%フッ化水素酸200mlを入れ、KHF2粉末(和光純薬工業社製、特級試薬)25.50gを溶解させ、水溶液(B)を調製した。この水溶液に、二酸化ケイ素粉末(デンカ株式会社製、FB−50R)6.90g及びK2MnF6粉末1.1gを入れた。溶液温度が二酸化ケイ素粉末の溶解とともに上昇し始め、それに伴い、黄色粉末が生成し始めていることを目視にて確認した。3分撹拌後、溶液温度が最高温度から下降しており、溶液中での二酸化ケイ素粉末及びK2MnF6の溶解が終了したことを確認した。その後、静置して固形分を沈殿させた。沈殿確認後、上澄み液を除去し、20質量%のフッ化水素酸及びメタノールでの洗浄を行い、濾過により固形部を分離回収し、さらに乾燥処理により、残存メタノールを蒸発除去した。乾燥処理後の蛍光体に対し、目開き75μmのナイロン製篩を用い、この篩を通過したものだけを分級し、最終的に黄色粉末19.76gを得た。この黄色粉末も、実施例1と同様にX線回折パターンを測定し、得られた結果から、実施例2の黄色粉末はK2SiF6:Mnの単相であることを確認した。
実施例1及び2とは原料の添加順序を変えてフッ化物蛍光体を製造した。即ち、常温下で、容量500mlのフッ素樹脂製ビーカーに濃度55質量%フッ化水素酸200mlを入れ、KHF2粉末(和光純薬工業社製、特級試薬)25.50g、少量の二酸化ケイ素粉末(デンカ株式会社製、FB−50R)0.10gを溶解させ、水溶液(C)を調製した。この水溶液に、二酸化ケイ素粉末(デンカ株式会社製、FB−50R)6.80g及びK2MnF6粉末1.1gを入れた。溶液温度が二酸化ケイ素粉末の溶解とともに上昇し始め、それに伴い、黄色粉末が生成し始めていることを目視にて確認した。3分撹拌後、溶液温度が最高温度から下降しており、溶液中での二酸化ケイ素粉末及びK2MnF6の溶解が終了したことを確認した。沈殿確認後、上澄み液を除去し、20質量%のフッ化水素酸及びメタノールでの洗浄を行い、濾過により固形部を分離回収し、さらに乾燥処理により、残存メタノールを蒸発除去した。乾燥処理後の蛍光体に対し、目開き75μmのナイロン製篩を用い、この篩を通過したものだけを分級し、最終的に黄色粉末19.90gを得た。この黄色粉末も、実施例1、2と同様にX線回折パターンを測定し、得られた結果から、実施例3の黄色粉末はK2SiF6:Mnの単相であることを確認した。
比較例1として、特許文献2に開示されているように、フッ化水素酸水溶液に酸化剤であるKMnO4を加えて調製した混合液にシリコン含有材料を浸漬する方法により、フッ化物蛍光体を製造した。
即ち、常温下で、容量500mlのフッ素樹脂製ビーカーに濃度48質量%フッ化水素酸100mlを入れ、KMnO4粉末(和光純薬工業社製、試薬1級)6.00g、H2O100mlを混合し、溶液を調製した。一方で、超音波を付与しながら先ずアセトン洗浄を10分間、続いてメタノール洗浄を10分間にわたって行う脱脂洗浄を実施し、その後5%HF水溶液を使用して自然酸化膜を除去したn型Si単結晶基板0.38gを準備し、前述の溶液に入れた。室温(25℃)の環境下で2日間放置し、その後、上澄み液を除去した。浸漬していたn型Si単結晶基板上に黄色粉末が生成していることを確認した。Si基板上から生成した黄色粉末を目視で単離し、メタノールで洗浄し、濾過により固形部を分離回収し、さらに乾燥処理により、残存メタノールを蒸発除去し、最終的に淡黄色粉末1.48gを得た。
X線回折装置(リガク社製Ultima4、CuKα管球使用)を用いて、X線回折パターンを測定したところ、実施例1と同様にK2SiF6結晶と同一パターンを示した(図1)。
比較例2として、特許文献3に開示されているように、ケイ素のフッ化物を含む第1溶液とアルカリ元素を含む第2溶液とを混合して固体生成物を回収する方法により、フッ化物蛍光体を製造した。
即ち、常温下で、容量500mlのフッ素樹脂製ビーカーに濃度48質量%フッ化水素酸140mlを入れ、二酸化ケイ素粉末(高純度化学研究所製、純度99%)6.86g、K2MnF61.70gを溶解させ、第1溶液を調製した。また、容量500mlのフッ素樹脂製ビーカーに濃度48質量%フッ化水素酸60mlを入れ、フッ化カリウム19.93gを溶解させ、第2溶液を調製した。これらの溶液を混合し、その後、静置して固形分を沈殿させた。沈殿確認後、上澄み液を除去し、20質量%のフッ化水素酸及びエタノールでの洗浄を行い、濾過により固形部を分離回収し、さらに乾燥処理により、残存エタノールを蒸発除去した。乾燥処理後、最終的に黄色粉末21.69gを得た。
実施例1、2、3、及び比較例1、2の製造方法により得られた、各フッ化物蛍光体の発光特性を、以下の方法で吸収率、内部量子効率、外部量子効率を測定することにより評価した。
積分球(φ60mm)の側面開口部(φ10mm)に反射率が99%の標準反射板(Labsphere社製、スペクトラロン)をセットした。この積分球に、発光光源(Xeランプ)から455nmの波長に分光した単色光を光ファイバーにより導入し、反射光のスペクトルを分光光度計(大塚電子社製、MCPD−7000)により測定した。その際、450〜465nmの波長範囲のスペクトルから励起光フォトン数(Qex)を算出した。次に、凹型のセルに表面が平滑になるように蛍光体を充填したものを積分球の開口部にセットし、波長455nmの単色光を照射し、励起の反射光及び蛍光のスペクトルを分光光度計により測定した。得られたスペクトルデータから励起反射光フォトン数(Qref)及び蛍光フォトン数(Qem)を算出した。励起反射光フォトン数は、励起光フォトン数の測定と同じ波長範囲で算出し、蛍光フォトン数は465〜800nmの範囲で算出した。得られた三種類のフォトン数から外部量子効率(=Qem/Qex×100)、吸収率(=(1−Qref/Qex)×100)、内部量子効率(=Qem/(Qex−Qref)×100)を求めた。
生産性がほぼ同等な実施例1及び比較例2の製造方法について、フッ化物蛍光体の合成をそれぞれ10回実施し、10回の製造毎に得られたサンプルの発光特性(外部量子効率)を測定し、品質バラツキを比較評価した。各回に製造されたサンプルの外部量子効率、それらの平均値及び標準偏差を表2に示す。表2に示す通り、実施例1の製造方法で合成したフッ化物蛍光体の外部量子効率の平均値及び標準偏差は、62%、1.2%であった。一方、比較例2のフッ化物蛍光体の外部量子効率の平均値及び標準偏差は、41%、1.9%であった。実施例1の製造方法で得られたフッ化物蛍光体の方が、比較例2より良好な発光特性を示し、しかも品質バラツキも少なかった。
実施例1、2、3、及び比較例1、2の各フッ化物蛍光体の耐熱特性を、以下の方法で評価した。まず、内径15mm、深さ3mmの円筒状石英セルに表面が平滑になるように蛍光体を充填し、それを暗箱内に設置された顕微鏡用加熱ステージ(ジャパンハイテック社製)上にセットした。この暗箱内では、上部から光ファイバーを介して励起光を試料に対して垂直方向に照射でき、その際に試料から発せられる蛍光スペクトルを、励起光に対して45度の角度で設置された光ファイバーを介して分光光度計(大塚電子社製、MCPD−7000)により測定することが可能である。試料をセットした後に、加熱ステージを100℃に設定し、温度モニタで100℃になったことを確認してから10分間保持し、Xeランプから分光した波長455nmの単色光を試料に照射し、蛍光スペクトルを測定した。得られた蛍光スペクトルから465〜800nmの波長範囲の蛍光積分強度I(0)を算出した。その後、加熱ステージを300℃に設定し、温度モニタで300℃であることを確認してそのまま10分間保持した。保持終了後、加熱ステージを再度100℃に設定し、温度モニタで100℃になったことを確認してから10分間保持し、上述の測定方法により蛍光スペクトルの蛍光積分強度I(T)を求めた。得られた蛍光積分強度I(0)、I(T)から以下の式に従って蛍光積分強度の低下率を算出した。
蛍光積分強度の低下率(%)=(1−[I(T)]/[I(0)])×100
実施例4、5、6では、実施例1、2、3のフッ化物蛍光体を、比較例3、4では比較例1、2のフッ化物蛍光体を、それぞれβサイアロン緑色蛍光体(デンカ株式会社製、GR−MW540K)とともにシリコーン樹脂に添加し、脱泡・混練後、ピーク波長455nmの青色LED素子を接合した表面実装タイプのパッケージにポッティングし、さらにそれを熱硬化させることにより白色LEDを作製した。フッ化物蛍光体とβサイアロン緑色蛍光体の添加量比は、通電発光時に白色LEDの色度座標(x、y)が(0.28、0.27)になるように調整した。
実施例4、5、6、及び比較例3、4の発光装置の高温高湿条件下における安定性を、以下の方法で評価した。
それぞれ、温度60℃、相対湿度90%、150mA通電環境下に1000時間放置した。高温高湿環境への曝露前後におけるそれぞれの発光輝度を測定し、試験前の発光輝度を基準として試験後の発光輝度低下率を算出した。
常温下で、容量2000mlのフッ素樹脂製ビーカーに濃度55質量%フッ化水素酸1000mlを入れ、フッ化水素カリウム粉末(和光純薬工業社製、特級試薬)127.5gを溶解させて水溶液を調製した。この水溶液を撹拌しながら、二酸化ケイ素粉末(デンカ株式会社製、FB−50R、非晶質、比表面積0.4m2/g)34.5gとK2MnF6粉末4.5gを同時に添加した。粉末を水溶液に加えると、二酸化ケイ素の溶解熱により水溶液の温度が上昇した。溶液温度は粉末を添加して約3分後に最高温度(約40℃)に到達し、その後は二酸化ケイ素の溶解が終了したために溶液温度は下降した。白色の二酸化ケイ素粉末を加えると直ちに水溶液中で黄色粉末が生成し始めていることから、二酸化ケイ素粉末の溶解と黄色粉末の析出とが同時に起こっていることが確認された。
二酸化ケイ素粉末が完全に溶解した後もしばらく水溶液を撹拌し、黄色粉末の析出を完了させた。その後、溶液を静置して固形分を沈殿させた。沈殿確認後、上澄み液を除去し、濃度20質量%のフッ化水素酸及びメタノールを用いて黄色粉末を洗浄し、さらにこれをろ過して固形分をろ過回収し、乾燥処理により残存メタノールを蒸発除去した。乾燥処理終了後、目開き75μmのナイロン製篩を用い、この篩を通過した黄色粉末だけを分級して回収して、最終的に99gの黄色粉末を得た。
実施例7の蛍光体の吸収率の励起波長依存性を、次の方法により常温下で測定した。積分球(φ60mm)の側面開口部(φ10mm)に反射率99%の標準反射板(Labsphere社製スペクトラロン)をセットした。この積分球に、発光光源としてのXeランプからの所定波長に分光した単色光を励起光として光ファイバーにより導入し、標準反射板の反射スペクトルを分光光度計(大塚電子社製MCPD−7000)により220〜800nmの波長範囲で測定した。励起光は、300nm以上700nm以下の範囲において5nm間隔で照射し、それぞれの励起光に対して反射光のスペクトルを測定した。次に、凹型のセルに表面が平滑になるように蛍光体を充填したものを積分球の開口部にセットし、上記反射板の場合と同様に、単色光を300nm以上700nm以下の範囲において5nm間隔で照射し、各々の波長の励起光でスペクトルを測定した。
吸収率(%)=(1−[蛍光体の励起反射光フォトン数]/[標準反射板の励起反射光フォトン数])×100
に従って各励起波長での蛍光体の吸収率を算出した。このようにして測定した実施例7の蛍光体の吸収率を励起波長に対してプロットしたものを図3に示す。吸収率は、Mn4+の励起により、励起波長が350nmと450nmに極大値を示している。
なお、緑色蛍光体との組み合わせを考えた場合に重要な指標となる波長520nmの吸収率は9%であった。
Mn4+の二つの吸収帯の谷間である波長395nmと長波長側の吸収帯の最大値近傍である波長455nmの光を照射した時の内部量子効率を以下の方法により測定した。まず、前記吸収率を求める場合と同様の測定を行って、波長395nm及び波長455nmのそれぞれに対して、標準反射板の励起反射光フォトン数(Qex)と蛍光体の励起反射光フォトン数(Qref)を測定し、蛍光体の吸収フォトン数(Qex−Qref)を求めた。さらに、各波長での蛍光フォトン数(Qem)を465〜800nmの範囲で算出した。得られた蛍光フォトン数(Qem)を蛍光体の吸収フォトン数(Qex−Qref)で除して、波長395nm及び455nm励起での内部量子効率IQE(395)及びIQE(455)を求め、IQE(395)/IQE(455)比を算出した。実施例7のフッ化物蛍光体のIQE(395)/IQE(455)比は90%であった。
Mn含有量を、ICP(Inductively Coupled Plasma)発光分光分析により測定した。実施例7のフッ化物蛍光体に含まれるMn含有量は0.58質量%であった。
フッ化物蛍光体の粒度分布を、レーザー回折散乱式の粒度分布測定装置(ベックマン・コールター社製LC13 320)により測定した。得られた累積粒度分布曲線から体積基準のメディアン径(D50)と体積基準の累積90%径(D90)を求めた。実施例7のフッ化物蛍光体のD50、D90はそれぞれ29μm、42μmであった。前記測定装置における測定溶媒にはエタノールを使用した。
比較例として、特許文献3に開示されている方法に従ってフッ化物蛍光体を合成した。この方法では、以下に詳しく説明するように、ケイ素及びK2MnF6で表されるマンガン化合物を溶解させた第1溶液と、フッ化水素カリウムを溶解させた第2溶液又はフッ化水素カリウム粉末とを混合するものである。
まず、常温下で容量2000mlのフッ素樹脂製ビーカーに濃度48質量%のフッ化水素酸700mlを入れ、二酸化ケイ素粉末(高純度化学研究所社製、純度99%)を34.3gとK2MnF6を8.5g溶解させて第1溶液を調製した。
また、容量500mlのフッ素樹脂製ビーカーに濃度48質量%のフッ化水素酸300mlを入れ、フッ化水素カリウム100gを溶解させて第2溶液を調製した。
比較例6のフッ化物蛍光体の波長300nm、520nmにおける吸収率は、それぞれ48%、10%であった。IQE(395)/IQE(455)比は51%であった。また、Mn濃度は0.78質量%であり、D50、D90はそれぞれ14.9μm、22.0μmであった。
実施例7及び比較例5、6のフッ化物蛍光体をシリコーン樹脂に添加し、脱泡・混練後、ピーク波長450nmの青色LED素子を接合した表面実装タイプのパッケージにポッティングし、さらにそれを熱硬化させることにより単色パッケージを作製した。フッ化物蛍光体の添加量は、通電発光時に単色パッケージの色度座標(x、y)が(0.245、0.078)になるように調整した。得られた白色LEDから色度xが0.240〜0.250の範囲の10個をピックアップし、通電発光させた際の全光束を大塚電子社製の全光束測定装置(直径300mm積分半球と分光光度計/MCPD−9800の組合せ)により測定し、平均値を算出した。図4に実施例7のフッ化物蛍光体を用いた単色パッケージのスペクトルを示す。比較例5のフッ化物蛍光体を用いた単色パッケージの平均全光束を100%とした場合、実施例7、比較例6のフッ化物蛍光体を用いた単色パッケージの平均全光束はそれぞれ108%、87%であった。
実施例7のフッ化物蛍光体を用いることにより、比較例の蛍光体を用いた場合と比べて、輝度に優れ、信頼性の高いLEDが得られることが確認された。
実施例8と9、比較例7では、K2MnF6及び二酸化ケイ素の添加量を下記の表5に示すように変更したこと以外は、実施例7と同じ方法でフッ化物蛍光体を製造した。実施例10と11では、溶媒であるフッ化水素酸の濃度を表5に示すように変更したこと以外は、実施例7と同じ方法でフッ化物蛍光体を得た。
実施例12と13では、二酸化ケイ素粉末の比表面積を表5に示すように変更したこと以外は、実施例7と同じ方法でフッ化物蛍光体を得た。
実施例14では、二酸化ケイ素粉末の添加と同時に2.25gのK2MnF6粉末を添加し、その添加から1分30秒後の、二酸化ケイ素が完全に溶けきらずに一部が粉末状のまま水溶液中に残存しているところに残りの2.25gのK2MnF6粉末を添加した。それ以外は、実施例7と同様の方法によりフッ化物蛍光体を得た。
また、実施例7〜14及び比較例5〜7のフッ化物蛍光体の波長300nm、520nmでの吸収率、IQE(395)/IQE(455)比、粒度分布(D50、D90)、Mn含有量、及び単色パッケージの全光束及び色度xのずれ(Δx)を表6に示す。
比較例8では、特許文献1に開示されている方法に準じて、フッ化物蛍光体を合成した。常温下で、容量3000mlのフッ素樹脂製ビーカーに濃度55重量%フッ化水素酸1000mlを入れ、K2SiF6粉末(森田化学社製、純度98%以上)30g及びK2MnF6粉末5gを加え、十分に撹拌して溶解した。次に、このフッ化水素酸水溶液を撹拌しながら、蒸留水1500mlをビーカーにより約1分間で注ぎ入れた。蒸留水の投入により、反応液中に黄色粉末が生成していることを目視にて確認した。蒸留水全量を入れたのち、さらに、20分間撹拌し、その後、静置して固形分を沈殿させた。沈殿確認後、上澄み液を除去し、20重量%のフッ化水素酸及びメタノールでの洗浄を行い、濾過により固形部を分離回収し、さらに乾燥処理により、残存メタノールを蒸発除去し、黄色の蛍光体粉末を10.5g得た。
実施例15では、実施例14のフッ化物蛍光体を、比較例10では比較例5のフッ化物蛍光体を、それぞれβサイアロン緑色蛍光体(デンカ株式会社製、GR−MW540K)とともにシリコーン樹脂に添加し、脱泡・混練後、ピーク波長450nmの青色LED素子を接合した表面実装タイプのパッケージにポッティングし、さらにそれを熱硬化させることにより白色LEDを作製した。フッ化物蛍光体とβサイアロン緑色蛍光体の添加量比は、通電発光時に白色LEDの色度座標(x、y)が(0.28、0.27)になるように調整した。実施例15の白色LEDのスペクトルを図6に示す。
得られた白色LEDから色度xが0.275〜0.285、色度yが0.265〜0.275の範囲の10個をピックアップし、通電発光させた際の全光束を測定し、平均値を算出した。比較例10の白色LEDの平均全光束を100%とした場合、実施例15の白色LEDの平均全光束は108%であった。
Claims (18)
- 一般式:A2SiF6:Mn(元素Aは少なくともカリウムを含有するアルカリ金属元素)で表されるフッ化物蛍光体の製造方法であって、
溶媒に元素A及びフッ素が溶解した水溶液を調製する工程と、
当該水溶液に固体状の二酸化ケイ素及び+7価以外のマンガンを供給するマンガン化合物を添加する工程とを含み、
マンガン化合物の添加量が、フッ化物蛍光体におけるMn含有量が0.1質量%以上1.5質量%以下となる範囲であり、
水溶液中に二酸化ケイ素が溶解していくのと並行してフッ化物蛍光体が析出する、フッ化物蛍光体の製造方法。 - 二酸化ケイ素の添加と同時にマンガン化合物を添加する、請求項1記載の製造方法。
- 二酸化ケイ素の添加後にマンガン化合物を断続的に添加して水溶液中のマンガン濃度を維持する、請求項1記載の製造方法。
- マンガン化合物が+4価のマンガンを供給する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の製造方法。
- マンガン化合物が水溶液に溶解した際にMnF6 2−錯イオンを供給する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の製造方法。
- マンガン化合物がK2MnF6である、請求項5記載の製造方法。
- 二酸化ケイ素が粉末状である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の製造方法。
- 二酸化ケイ素の比表面積が0.1〜2m2/gである、請求項7記載の製造方法。
- 溶媒がフッ化水素濃度40〜70質量%のフッ化水素酸である、請求項1〜8のいずれか一項に記載の製造方法。
- 水溶液がA2SiF6結晶が析出しない濃度範囲でケイ素を含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載の製造方法。
- 一般式:A2SiF6:Mn(元素Aは少なくともカリウムを含有するアルカリ金属元素)で表される粉末状のフッ化物蛍光体であって、蛍光体を300℃に加熱する前に環境温度100℃で5分間暴露したときの蛍光積分強度に対して、300℃で5分間加熱した後に再度環境温度100℃で5分間暴露したときの蛍光積分強度の低下率が3%以下であるフッ化物蛍光体。
- 一般式:A2SiF6:Mn(元素Aは少なくともカリウムを含有するアルカリ金属元素)で表される粉末状のフッ化物蛍光体であって、波長300nmの紫外光を照射したときの吸収率が50%以下であり、励起波長455nmでの内部量子効率に対する励起波長395nmでの内部量子効率の比が78%以上であり、Mn含有量が0.1質量%以上1.5質量%以下であるフッ化物蛍光体。
- 波長520nmの緑色光を照射したときの吸収率が15%以下である、請求項11又は12記載のフッ化物蛍光体。
- 体積基準のメディアン径(D50)が5μm以上35μm以下であり、体積基準の累積90%径(D90)が10μm以上50μm以下である、請求項11〜13のいずれか一項に記載のフッ化物蛍光体。
- 請求項11〜14のいずれか一項に記載のフッ化物蛍光体と発光光源とを有する発光装置であって、発光光源のピーク波長が420nm以上480nm以下である発光装置。
- 温度60℃、相対湿度90%、150mA通電環境下で1000時間放置した後の発光輝度の低下率が5%未満である、請求項15記載の発光装置。
- 波長455nmの励起光を受けた際のピーク波長が510nm以上550nm以下の緑色蛍光体をさらに有する、請求項15又は16に記載の発光装置。
- 緑色蛍光体がEu付活βサイアロン蛍光体である、請求項17記載の発光装置。
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