KR20210128006A - 형광체 입자, 복합체, 발광 장치 및 형광체 입자의 제조 방법 - Google Patents

형광체 입자, 복합체, 발광 장치 및 형광체 입자의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

Eu를 함유하는 α형 사이알론 형광체 입자. 이 α형 사이알론 형광체 입자의 표면에는 적어도 하나의 미소 오목부가 형성되어 있다. 이 α형 사이알론 형광체 입자는 바람직하게는 원료의 혼합 공정, 가열 공정, 분쇄 공정 및 산 처리 공정을 거침으로써 제조된다.

Description

형광체 입자, 복합체, 발광 장치 및 형광체 입자의 제조 방법
본 발명은 형광체 입자, 복합체, 발광 장치 및 형광체 입자의 제조 방법에 관한 것이다.
질화물, 산질화물 형광체로서, 특정의 희토류 원소가 부활된 α형 사이알론 형광체는 유용한 형광 특성을 갖는 것이 알려져 있고, 백색 LED 등에 적용되어 있다. α형 사이알론 형광체는 α형 질화규소 결정의 Si-N 결합이 부분적으로 Al-N 결합과 Al-O 결합으로 치환되고, 전기적 중성을 유지하기 위해, 결정 격자간에 특정의 원소(Ca, 그리고 Li, Mg, Y, 또는 La와 Ce를 제외한 란타나이드 금속)가 격자 내에 침입 고용된 구조를 갖고 있다. 침입 고용되는 원소의 일부를 발광 중심이 되는 희토류 원소로 함으로써 형광 특성이 발현된다. 그 중에서도 Ca를 고용시키고, 그의 일부를 Eu로 치환한 α형 사이알론 형광체는 자외 내지 청색 영역의 폭넓은 파장 영역에서 비교적 효율적으로 여기되어, 황색 내지 주황색 발광을 나타낸다. 이러한 α형 사이알론 형광체의 형광 특성을 더 향상시키는 시도로서, 예를 들어 분급 처리에 의해, 특정의 평균 입경을 갖는 α형 사이알론 형광체를 선별하는 것이 제안되어 있다(특허문헌 1).
일본 특허 공개 제2009-96882호 공보
본 발명자는 α형 사이알론 형광체의 형광 특성의 향상에 대하여 예의 검토한 바, α형 사이알론 형광체의 형광 특성이 α형 사이알론 형광체 입자의 표면 형상에 따라 변화되는 것을 알아내었다. 또한, 어떠한 표면 형상이 α형 사이알론 형광체의 형광 특성에 이바지하는지 검토를 진행한 결과, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것이다. 본 발명은 α형 사이알론 형광체 입자의 형광 특성의 한층 더한 향상을 실현하는 기술을 제공한다.
본 발명에 따르면, Eu를 함유하는 α형 사이알론 형광체 입자이며, 상기 α형 사이알론 형광체 입자의 표면에 적어도 하나의 미소 오목부가 형성되어 있는 형광체 입자가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상술한 형광체 입자와, 상기 형광체 입자를 밀봉하는 밀봉재를 구비하는 복합체가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 여기광을 발하는 발광 소자와, 상기 여기광의 파장을 변환하는 상술한 복합체를 구비하는 발광 장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상술한 형광체 입자의 제조 방법이며, Eu를 함유하는 α형 사이알론 형광체 입자를 구성하는 원소를 포함하는 원료를 혼합하는 혼합 공정과, 원료의 혼합물을 가열하여, α형 사이알론 형광체를 얻는 가열 공정과, 상기 가열 공정에서 얻어진 α형 사이알론 형광체를 분쇄하여, α형 사이알론 형광체 입자를 얻는 분쇄 공정과, 상기 분쇄 공정에서 얻어진 α형 사이알론 형광체 입자에 산 처리를 실시함으로써, 상기 α형 사이알론 형광체 입자의 표면에 미소 오목부를 형성하는 공정을 구비하는 형광체 입자의 제조 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, α형 사이알론 형광체 입자의 형광 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1의 (a)는, α형 사이알론 형광체 입자의 표면에 마련된 미소 오목부의 모식도이다. 도 1의 (b)는 도 1의 (a)의 A-A선을 따른 단면에 있어서의 미소 오목부의 모식도이다.
도 2는 실시 형태에 관한 발광 장치의 구조를 도시하는 개략 단면도이다.
도 3은 실시예 1의 α형 사이알론 형광체 입자의 SEM상이다.
도 4는 실시예 2의 α형 사이알론 형광체 입자의 SEM상이다.
도 5의 (a)는, 실시예 1의 α형 사이알론 형광체 입자의 미소 오목부의 해석에 사용한 영역의 SEM상이다. 도 5의 (b)는 실시예 1의 α형 사이알론 형광체 입자의 미소 오목부의 해석에 사용한 영역의 2치화 화상이다.
도 6의 (a)는, 실시예 2의 α형 사이알론 형광체 입자의 미소 오목부의 해석에 사용한 영역의 SEM상이다. 도 6의 (b)는 실시예 2의 α형 사이알론 형광체 입자의 미소 오목부의 해석에 사용한 영역의 2치화 화상이다.
도 7은 추가 비교예의 α형 사이알론 형광체 입자의 SEM상이다.
도 8은 추가 비교예의 α형 사이알론 형광체 입자의 SEM상이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세히 설명한다.
실시 형태에 관한 형광체 입자는 부활 물질로서 Eu를 함유하는 α형 사이알론 형광체 입자를 포함한다. 당해 α형 사이알론 형광체 입자의 표면에 적어도 하나의 미소 오목부가 형성되어 있다.
여기서 미소 오목부란, α형 사이알론 형광체 입자의 표면에 형성된 크레이터상(단, 오목부의 에지가 고조되어 있는 것을 필요로 하지 않음)의 오목부이며, 그의 직경이 미크론부터 서브미크론 레벨, 깊이가 서브미크론 레벨인 것을 말한다.
또한, 실시 형태에 관한 형광체 입자를 포함하는 집합체(분말)에 있어서는, 표면에 상술한 미소 오목부가 형성되어 있지 않은 α형 사이알론 형광체 입자를 포함해도 된다.
본 실시 형태의 α형 사이알론 형광체 입자에 따르면, 종래의 α형 사이알론 형광체 입자가 갖는 여기 파장 영역 및 형광 파장 영역을 유지하면서, 그의 형광 특성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 결과적으로 α형 사이알론 형광체 입자를 사용한 발광 장치의 발광 특성을 향상시킬 수 있다.
이 이유로서, 상세한 메커니즘은 분명치 않지만, 예를 들어 α형 사이알론 형광체 입자의 표면에 형성된 미소 오목부는 형광에 기여하지 않는 이상(異相)이 제거된 흔적으로서 특징적인 오목부 구조일 수 있다. 이러한 미소 오목부가 형성된 α형 사이알론 형광체 입자에서는, 미소 오목부가 형성된 영역 이외의 α형 사이알론 형광체 입자의 표면에 있어서도, 형광에 기여하지 않는 이상이 광범위에 걸쳐 제거되어 있다고 추정된다. 이 결과, α형 사이알론 형광체 입자의 표면에 있어서, 형광에 기여하는 형광체의 모결정의 비율이 증대됨으로써 α형 사이알론 형광체 입자의 형광 특성이 향상되는 것이 생각된다.
이것에 더하여, 미소 오목부 내에 입사된 광이 α형 사이알론 형광체 입자의 내부에 도입되고, 효율적으로 취출된 결과, α형 사이알론 형광체 입자의 형광 특성이 향상되는 것이 생각된다.
(α형 사이알론 형광체 입자)
Eu를 함유하는 α형 사이알론 형광체 입자는 이하에 설명하는 α형 사이알론 형광체로 구성된다.
α형 사이알론 형광체는 일반식: (M1x, M2y, Euz)(Si12-(m+n)Alm+n)(OnN16-n)(단, M1은 1가의 Li 원소이며, M2는 Mg, Ca 및 란타나이드 원소(La와 Ce를 제외함)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 2가의 원소)로 나타내는 Eu 원소를 함유하는 α형 사이알론 형광체이다.
α형 사이알론 형광체의 고용 조성은, 상기 일반식에 있어서의 x, y, z 및 그것에 부수되는 Si/Al비나 O/N비에 의해 결정되는 m과 n으로 표시되고, 0≤x<2.0, 0≤y<2.0, 0<z≤0.5, 0<x+y, 0.3≤x+y+z≤2.0, 0<m≤4.0, 0<n≤3.0이다. 특히 M2로서 Ca를 사용하면, 폭넓은 조성 범위에서 α형 사이알론 형광체가 안정화된다. 그 Ca의 일부를 발광 중심이 되는 Eu로 치환함으로써, 자외부터 청색의 폭넓은 파장 영역의 광으로 여기되고, 황색부터 주황색의 가시 발광을 나타내는 형광체가 얻어진다.
조명 용도에 있어서 전구색의 광을 얻는다는 관점에서는, α형 사이알론 형광체는 고용 조성으로서 Li를 포함하지 않거나, 포함한다고 해도 소량인 것이 바람직하다. 상기 일반식으로 말하면 0≤x≤0.1인 것이 바람직하다. 또한/또는 α형 사이알론 형광체 입자 중의 Li의 비율은 0질량％ 이상 1질량％ 이하인 것이 바람직하다.
일반적으로, α형 사이알론 형광체는 당해 α형 사이알론 형광체와는 다른 제2 결정상이나 불가피하게 존재하는 비정질상으로 인해, 조성 분석 등에 의해 고용 조성을 엄밀하게 규정할 수 없다. α형 사이알론 형광체의 결정상으로서는 α형 사이알론 단상이 바람직하고, 그 밖의 결정상으로서 질화알루미늄 또는 그의 폴리타이포이드 등을 포함하고 있어도 된다.
α형 사이알론 형광체 입자에서는 복수의 등축상의 1차 입자가 소결되어 괴상의 2차 입자를 형성한다. 본 실시 형태에서의 1차 입자란, 전자 현미경 등으로 관찰 가능한 단독으로 존재할 수 있는 최소 입자를 말한다.
α형 사이알론 형광체 입자의 평균 입경의 하한은 1㎛ 이상이 바람직하고, 5㎛ 이상이 보다 바람직하고, 10㎛ 이상이 더욱 바람직하다. 또한, α형 사이알론 형광체 입자의 평균 입경의 상한은 30㎛ 이하가 바람직하고, 20㎛ 이하가 보다 바람직하다. α형 사이알론 형광체 입자의 평균 입경은 상기 2차 입자에 있어서의 치수이다. α형 사이알론 형광체 입자의 평균 입경을 5㎛ 이상으로 함으로써, 후술하는 복합체의 투명성을 보다 높일 수 있다. 한편, α형 사이알론 형광체 입자의 평균 입경을 30㎛ 이하로 함으로써, 다이서 등으로 복합체를 절단 가공할 때 치핑이 생기는 것을 억제할 수 있다.
여기서 α형 사이알론 형광체 입자의 평균 입경이란, JIS R1629:1997에 준거한 레이저 회절 산란법에 의한 체적 기준의 적산 분율에 있어서의 메디안 직경(D50)을 의미한다.
α형 사이알론 형광체 입자의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 형상으로서는, 구상체, 입방체, 기둥상체, 부정형 등을 들 수 있다.
(α형 사이알론 형광체 입자의 표면에 형성되는 미소 오목부)
α형 사이알론 형광체 입자의 표면에는 적어도 하나의 미소 오목부가 형성되어 있다. α형 사이알론 형광체 입자의 표면에 있어서의 미소 오목부의 유무는, 예를 들어 주사형 전자 현미경(SEM)에 의해 확인할 수 있다. 미소 오목부의 직경에 대해서는 SEM에 의해 얻어진 상을 사용하여 측정할 수 있다. 미소 오목부의 깊이에 대해서는 주사형 원자간력 현미경(AFM)에 의해 측정할 수 있다.
도 1의 (a)는, α형 사이알론 형광체 입자의 표면에 마련된 미소 오목부의 모식도이다. 도 1의 (a)에 도시하는 바와 같이, 미소 오목부(20)는 α형 사이알론 형광체 입자(10)의 표면에 형성된 크레이터상의 오목부이다.
도 1의 (b)에 도시하는 바와 같이, 미소 오목부(20)의 직경 W는 α형 사이알론 형광체 입자(10)의 표면에 있어서의, 미소 오목부(20)의 개구 폭이다. 미소 오목부(20)의 직경 W는, 특정의 미소 오목부(20)에 있어서 직경을 측정하는 선을 어디에 취할지에 따라 다를 수 있다. 미소 오목부(20)의 최대 직경 Wmax는 미소 오목부(20)의 직경 W 중 최대가 되는 값이다. α형 사이알론 형광체 입자(10)는 최대 직경 Wmax가 50㎚ 이상 2000㎚ 이하인 미소 오목부(20)를 적어도 하나 포함하는 것이 바람직하다. 최대 직경 Wmax의 하한은 100㎚ 이상이 보다 바람직하고, 150㎚ 이상이 더욱 바람직하다. 최대 직경 Wmax의 상한은 1500㎚ 이하가 보다 바람직하고, 1000㎚ 이하가 더욱 바람직하다.
미소 오목부(20)의 폭 Wmax의 하한을 상기 범위로 함으로써, α형 사이알론 형광체 입자(10)의 형광 특성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
또한, 미소 오목부(20)의 최대 직경 Wmax의 상한을 상기 범위로 함으로써, α형 사이알론 형광체 입자(10)의 강도를 유지하면서, α형 사이알론 형광체 입자(10)의 형광 특성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
특정의 α형 사이알론 형광체 입자(10)에 있어서, 그의 표면에 최대 직경 Wmax가 다른 복수의 미소 오목부(20)가 형성되어 있어도 된다. 구체적으로 특정의 α형 사이알론 형광체 입자(10)는, 최대 직경 Wmax가 1000㎚ 초과 2000㎚ 이하인 미소 오목부를 적어도 하나 포함하며, 또한 최대 직경 Wmax가 500㎚ 초과 1000㎚ 이하인 미소 오목부를 적어도 하나 포함하는 것이 바람직하다.
이에 따르면, α형 사이알론 형광체 입자(10)의 형광 특성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
또한, 상기에 더하여, 최대 직경 Wmax가 50㎚ 이상 500㎚ 이하인 미소 오목부를 적어도 하나 포함하는 것이 바람직하다.
이에 따르면, α형 사이알론 형광체 입자(10)의 형광 특성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
미소 오목부(20)의 깊이 D는 미소 오목부(20)를 가로지르는 일 단면에 있어서의, α형 사이알론 형광체 입자(10)의 표면으로부터 미소 오목부(20)의 저부까지의 길이이다. 미소 오목부(20)의 깊이 D는 특정의 미소 오목부(20)에 있어서의 단면에 따라 다를 수 있다.
미소 오목부(20)를 가로지르는 일 단면에 있어서, 미소 오목부(20)의 깊이 D의 하한은 5㎚ 이상이 바람직하고, 10㎚ 이상이 보다 바람직하고, 20㎚ 이상이 더욱 바람직하다. 한편, 미소 오목부(20)의 깊이 D의 상한은 500㎚ 이하가 바람직하고, 400㎚ 이하가 보다 바람직하고, 300㎚ 이하가 더욱 바람직하다.
미소 오목부(20)를 가로지르는 일 단면에 있어서 깊이 D의 하한을 상기 범위로 함으로써, α형 사이알론 형광체 입자(10)의 형광 특성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
또한, 미소 오목부(20)의 깊이 D의 상한을 상기 범위로 함으로써, α형 사이알론 형광체 입자(10)의 강도를 유지하면서, α형 사이알론 형광체 입자(10)의 형광 특성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
α형 사이알론 형광체 입자(10)는 그의 표면에 복수의 미소 오목부(20)끼리 인접하고 있는 미소 오목부군(22)을 갖는 것이 바람직하다.
「미소 오목부(20)끼리 인접하고 있다」는 것은, 다른 미소 오목부(20)끼리의 간격이 어느 한 쪽의 미소 오목부(20)의 최대 직경 Wmax의 1/2 이하인 경우를 말한다. 다른 미소 오목부(20)끼리의 간격이 실질적으로 없는거나 다름없고, 2개의 미소 오목부(20)가 연결되어 있는 형태도 「미소 오목부(20)끼리 인접하고 있다」는 것에 포함된다.
α형 사이알론 형광체 입자(10)의 표면에 미소 오목부군(22)이 형성됨으로써, α형 사이알론 형광체 입자(10)의 형광 특성을 한층 더 향상시킬 수 있다고 생각된다.
α형 사이알론 형광체 입자(10)의 표면에 있어서 복수의 미소 오목부(20)가 차지하고 있는 영역의 면적 비율, 즉 α형 사이알론 형광체 입자(10)의 표면의 면적에 대한, 복수의 미소 오목부(20)가 차지하는 합계 면적의 비율의 하한은 10％ 이상이 바람직하고, 12％ 이상이 보다 바람직하고, 15％ 이상이 더욱 바람직하다. 한편, 복수의 미소 오목부(20)가 차지하는 합계 면적의 비율의 상한은 25％ 이하가 바람직하고, 23％ 이하가 보다 바람직하고, 20％ 이하가 더욱 바람직하다.
복수의 미소 오목부(20)가 차지하는 합계 면적의 비율의 하한이 상기 범위임으로써, 형광 특성이 한층 더 향상된다고 생각된다. 한편, 복수의 미소 오목부(20)가 차지하는 합계 면적의 비율의 상한이 상기 범위임으로써, α형 사이알론 형광체 입자(10)의 강도를 유지하기 쉽다.
이상 설명한 형광체 입자에 따르면, 입자 표면에 미소 오목부를 가짐으로써 형광 특성의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 이상 설명한 형광체 입자(미소 오목부를 가짐)를 포함하는 형광체 분말은 전술한 작용 효과, 즉 형광 특성의 향상이라는 작용 효과를 발휘한다.
(형광체 입자의 제조 방법)
본 실시 형태의 α형 사이알론 형광체 입자의 제조 방법에 대하여 설명한다. α형 사이알론 형광체 입자에서는, 합성 과정에 있어서 주로 원료 분말의 일부가 반응하여 액상이 형성되고, 그 액상을 통하여 각 원소가 이동함으로써 고용체 형성과 입성장이 진행된다.
우선, Eu를 함유하는 α형 사이알론 형광체 입자를 구성하는 원소를 포함하는 원료를 혼합한다. 칼슘 원료로서 질화칼슘을 사용하여 합성한 산소 함유율이 낮은 α형 사이알론 형광체 입자에서는, 칼슘이 고농도로 고용된다. 특히 Ca 고용 농도가 높은 경우, 산화물 원료를 사용한 종래 조성보다 고파장측(590㎚ 이상, 보다 구체적으로는 590㎚ 이상 610㎚ 이하, 더욱 구체적으로는 592㎚ 이상 608㎚ 이하)에 발광 피크 파장을 갖는 형광체가 얻어진다. 구체적으로는 상기 일반식에 있어서, 1.5<x+y+z≤2.0이 바람직하다. Ca의 일부를 Li, Mg, Sr, Ba, Y 및 란타나이드 원소(La와 Ce를 제외함)로 치환하고, 발광 스펙트럼의 미세 조정을 행할 수도 있다.
상기 이외의 원료 분말로서는, 질화규소, 질화알루미늄 및 Eu 화합물을 들 수 있다. Eu 화합물로서는, 산화유로퓸, 가열 후에 산화유로퓸이 되는 화합물, 및 질화유로퓸이 있다. 계 내의 산소량을 저감시킬 수 있는 질화유로퓸이 바람직하다.
미리 합성한 α형 사이알론 형광체 입자를 적량 원료 분말에 첨가하면, 이것이 입성장의 기점이 되고, 비교적 단축 직경이 큰 α형 사이알론 형광체 입자를 얻을 수 있고, 첨가하는 α형 사이알론 입자의 형태를 바꿈으로써 입자 형상을 제어할 수 있다.
상기한 각 원료를 혼합하는 방법으로서는, 건식 혼합하는 방법, 원료 각 성분과 실질적으로 반응하지 않는 불활성 용매 중에서 습식 혼합한 후에 용매를 제거하는 방법이 있다. 혼합 장치로서는, V형 혼합기, 로킹 믹서, 볼 밀, 진동 밀이 있다. 대기 중에서 불안정한 질화칼슘의 혼합에 대해서는, 그의 가수분해나 산화가 합성품 특성에 영향을 미치기 때문에, 불활성 분위기의 글로브 박스 내에서 행하는 것이 바람직하다.
혼합하여 얻은 분말(이하, 간단히 원료 분말이라고 함)을 원료 및 합성되는 형광체와 반응성이 낮은 재질의 용기, 예를 들어 질화붕소제 용기 내에 충전한다. 그리고 질소 분위기 중에서, 소정 시간 가열한다. 이와 같이 함에 따라 α형 사이알론 형광체를 얻을 수 있다. 가열 처리의 온도는 1650℃ 이상 1950℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.
가열 처리의 온도를 1650℃ 이상으로 함으로써, 미반응 생성물의 잔존하는 양을 억제하고, 충분히 1차 입자를 성장시킬 수 있다. 또한, 가열 처리의 온도를 1950℃ 이하로 함으로써, 현저한 입자간의 소결을 억제할 수 있다.
원료 분말의 용기 내로의 충전은, 가열 중에 입자간 소결을 억제하는 관점에서 부피를 크게 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 원료 분말의 용기에 충전할 때 벌크 밀도를 0.6g/㎤ 이하로 하는 것이 바람직하다.
가열 처리에 있어서의 가열 시간은, 미반응물이 많이 존재하거나, 1차 입자가 성장 부족이거나, 입자간의 소결이 발생해 버리거나 하는 문제가 생기지 않는 시간 범위로서, 2시간 이상 24시간 이하가 바람직하다.
상술한 공정에 의해 외형이 잉곳상인 α형 사이알론 형광체가 생성된다. 이 잉곳상의 α형 사이알론 형광체를 크러셔, 유발 분쇄, 볼 밀, 진동 밀, 제트 밀 등의 분쇄기에 의한 분쇄 공정과, 이들 분쇄 처리 후의 체 분급 공정에 의해, 2차 입자의 D50 입경이 조정된 α형 사이알론 형광체 입자를 포함하는 분말을 얻을 수 있다. 또한, 수용액 중에 분산시켜 입경이 작고 침강되기 어려운 2차 입자를 제거하는 공정에서 행함으로써, 2차 입자의 D50 입경을 조정할 수 있다.
본 실시 형태에 관한 α형 사이알론 형광체 입자는 상술한 공정을 실시한 후, 산 처리 공정을 실시함으로써 제작할 수 있다.
산 처리 공정에서는, 예를 들어 산성 수용액 중에 α형 사이알론 형광체 입자가 침지된다. 산성 수용액으로서는, 불산, 질산, 염산 등의 산으로부터 선택되는 1종의 산을 포함하는 산성 수용액, 또는 상기 산으로부터 2종 이상을 혼합하여 얻어지는 혼산 수용액을 들 수 있다. 이 중에서도 불산을 단독으로 포함하는 불산 수용액 및 불산과 질산을 혼합하여 얻어지는 혼산 수용액이 보다 바람직하다. 산성 수용액의 원액 농도는 사용하는 산의 강도에 따라 적절하게 설정되지만, 예를 들어 0.7％ 이상 100％ 이하가 바람직하고, 0.7％ 이상 40％ 이하가 보다 바람직하다. 또한, 산 처리를 실시할 때의 온도는 60℃ 이상 90℃ 이하가 바람직하고, 반응 시간(침지 시간)으로서는 15분 이상 80분 이하가 바람직하다.
교반은 고속으로 행함으로써, 입자 표면의 산 처리가 충분하게 이루어지기 쉽다. 여기서의 「고속」이란 사용하는 교반 장치에도 의존하는데, 실험실 레벨의 자기 교반 막대를 사용하는 경우에는, 교반 속도는 예를 들어 400rpm 이상, 현실적으로는 400rpm 이상 500rpm 이하이다. 입자 표면에 항상 새로운 산을 공급한다고 하는 통상의 교반 목적으로 보면 교반 속도는 200rpm 정도로 충분하지만, 400rpm 이상의 고속 교반을 행함으로써, 화학적인 작용에 더하여 물리적인 작용에 의해 입자 표면의 처리가 충분하게 이루어지기 쉬워진다.
α형 사이알론 형광체 입자의 표면에 형성되는 미소 오목부의 수, 분포의 방법, 직경 및 깊이는 산 처리에 사용하는 산성 수용액의 원액 농도, 산 처리 시의 온도, 반응 시간 등을 최적으로 조절함으로써 제어할 수 있다. 예를 들어 후술하는 풍부한 실시예를 참고로, 실시예에서 사용한 산성 수용액의 원액 농도, 산 처리 시의 온도, 반응 시간의 조합에 근사하는 조건을 채용해 산 처리를 실시함으로써, α형 사이알론 형광체 입자의 표면에 원하는 수, 분포의 방법, 직경 및 깊이의 미소 오목부를 형성할 수 있다.
(복합체)
실시 형태에 관한 복합체는 상술한 형광체 입자와, 당해 형광체 입자를 밀봉하는 밀봉재를 구비한다. 본 실시 형태에 관한 복합체에서는, 상술한 형광체 입자가 밀봉재 중에 복수 분산되어 있다. 밀봉재로서는, 주지의 수지나 유리, 세라믹스 등의 재료를 사용할 수 있다. 밀봉재에 사용하는 수지로서는, 예를 들어 실리콘 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지 등의 투명 수지를 들 수 있다.
복합체를 제작하는 방법으로서는, 액체상의 수지 또는 분말상의 유리 또는 세라믹스에 본 실시 형태의 α형 사이알론 형광체 입자를 포함하는 분말을 첨가하고, 균일하게 혼합하고, 그 후 가열 처리에 의해 경화 또는 소결시켜 제작하는 방법을 들 수 있다.
(발광 장치)
도 2는, 실시 형태에 관한 발광 장치의 구조를 도시하는 개략 단면도이다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 발광 장치(100)는 발광 소자(120), 히트 싱크(130), 케이스(140), 제1 리드 프레임(150), 제2 리드 프레임(160), 본딩 와이어(170), 본딩 와이어(172) 및 복합체(40)를 구비한다.
발광 소자(120)는 히트 싱크(130) 상면의 소정 영역에 실장되어 있다. 히트 싱크(130) 상에 발광 소자(120)를 실장함으로써, 발광 소자(120)의 방열성을 높일 수 있다. 또한, 히트 싱크(130)를 대신해 패키지용 기판을 사용해도 된다.
발광 소자(120)는 여기광을 발하는 반도체 소자이다. 발광 소자(120)로서는, 예를 들어 근자외부터 청색광에 상당하는 300㎚ 이상 500㎚ 이하의 파장의 광을 발생하는 LED 칩을 사용할 수 있다. 발광 소자(120)의 상면측에 배치된 한쪽의 전극(도시하지 않음)이 금선 등의 본딩 와이어(170)를 통하여 제1 리드 프레임(150)의 표면과 접속되어 있다. 또한, 발광 소자(120)의 상면에 형성되어 있는 다른 쪽의 전극(도시하지 않음)은 금선 등의 본딩 와이어(172)를 통하여 제2 리드 프레임(160)의 표면과 접속되어 있다.
케이스(140)에는, 저면으로부터 상방을 향하여 구멍 직경이 서서히 확대되는 대략 깔때기 형상의 오목부가 형성되어 있다. 발광 소자(120)는 상기 오목부의 저면에 마련되어 있다. 발광 소자(120)를 둘러싸는 오목부의 벽면은 반사판의 역할을 담당한다.
복합체(40)는, 케이스(140)에 의해 벽면이 형성되는 상기 오목부에 충전되어 있다. 복합체(40)는 발광 소자(120)로부터 발해지는 여기광을 보다 장파장의 광으로 변환하는 파장 변환 부재이다. 복합체(40)로서 본 실시 형태의 복합체가 사용되고, 수지 등의 밀봉재(30) 중에 본 실시 형태의 형광체 입자(1)가 분산되어 있다. 발광 장치(100)는 발광 소자(120)의 광과, 이 발광 소자(120)의 광을 흡수하여 여기되는 형광체 입자(1)로부터 발생하는 광의 혼합 색을 발한다. 발광 장치(100)는, 발광 소자(120)의 광과 형광체 입자(1)로부터 발생하는 광의 혼색에 의해 백색을 발광하는 것이 바람직하다.
본 실시 형태의 발광 장치(100)에서는, 상술한 바와 같이 형광체 입자(1)로서 표면에 미소 오목부가 형성되어 있는 α형 사이알론 형광체 입자를 사용함으로써, 형광체 입자(1) 및 복합체(40)의 형광 특성이 향상되고, 나아가 발광 장치(100)의 발광 강도의 향상을 도모할 수 있다.
도 2에서는 표면 실장형의 발광 장치가 예시되어 있다. 그러나, 발광 장치는 표면 실장형에만 한정되지는 않는다. 발광 장치는 포탄형이나 COB(칩 온 보드)형, CSP(칩 스케일 패키지)형이어도 된다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하였지만, 이들은 본 발명의 예시이며, 상기 이외의 다양한 구성을 채용할 수도 있다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
글로브 박스 내에서, 원료 분말의 배합 조성으로서, 질화규소 분말(우베 고산 가부시키가이샤제, E10 그레이드)을 62.4질량부, 질화알루미늄 분말(도꾸야마 가부시키가이샤제, E 그레이드)을 22.5질량부, 산화유로퓸 분말(신에쓰 가가쿠 고교사제 RU 그레이드)을 2.2질량부, 질화칼슘 분말(고쥰도 가가쿠 겐뀨쇼사제)을 12.9질량부로 하고, 원료 분말을 드라이 블렌드 후, 눈 크기 250㎛의 나일론제 체를 통과시켜 원료 혼합 분말을 얻었다. 그 원료 혼합 분말 120g을, 내부의 용적이 0.4리터인 덮개를 구비한 원통형 질화붕소제 용기(덴카 가부시키가이샤제, N-1 그레이드)에 충전하였다.
이 원료 혼합 분말을 용기마다 카본 히터의 전기로에서 대기압 질소 분위기 중, 1800℃에서 16시간의 가열 처리를 행하였다. 원료 혼합 분말에 포함되는 질화칼슘은 공기 중에서 용이하게 가수분해되기 쉬우므로, 원료 혼합 분말을 충전한 질화붕소제 용기는 글로브 박스로부터 취출한 후, 신속하게 전기로에 세팅하고, 즉시 진공 배기하여, 질화칼슘의 반응을 방지하였다.
합성물은 유발로 가볍게 해쇄하고, 눈 크기 150㎛의 체를 전체 통과시켜 형광체 분말을 얻었다. 이 형광체 분말에 대하여, CuKα선을 사용한 분말 X선 회절 측정(X-ray Diffraction)에 의해 결정상을 조사한 바, 존재하는 결정상은 Eu 원소를 함유하는 Ca-α형 사이알론(Ca를 포함하는 α형 사이알론)이었다.
다음에, 50％ 불산 1.2ml와, 70％ 질산 2.8ml를 혼합하여 혼합 원액으로 하였다. 혼합 원액에 증류수 396ml를 첨가하고, 혼합 원액의 농도를 1％로 희석하고, 혼산 수용액 400ml를 조제하였다. 이 혼산 수용액에, 상술한 α형 사이알론 형광체 입자를 포함하는 분말 30g을 첨가하고, 혼산 수용액의 온도를 80℃로 유지하고, 자기 교반 막대를 사용하여 회전 속도 450rpm으로 교반하면서, 30분 침지하는 산 처리를 실시하였다. 산 처리 후의 분말은 증류수로 충분히 산을 세정하여 여과하고, 건조시킨 후, 눈 크기 45㎛의 체를 통과시켜 실시예 1의 α형 사이알론 형광체 입자를 포함하는 분말을 제작하였다.
(실시예 2)
실시예 1에서 사용한 혼산 수용액 대신에, 50％ 불산 2.0ml와, 70％ 질산 2.0ml를 혼합한 혼합 원액에 증류수 396ml를 첨가하여 원액 농도 1.0％의 혼산 수용액을 조제한 것을 제외하고, 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 실시예 2의 α형 사이알론 형광체 입자를 포함하는 분말을 제작하였다.
(실시예 3)
실시예 1에서 사용한 혼산 수용액 대신에, 50％ 불산 50ml와, 70％ 질산 50ml를 혼합한 혼합 원액에 증류수 300ml를 첨가하여, 원액 농도 25％의 혼산 수용액을 조제한 것, 및 혼산 수용액의 온도를 80℃로 유지하면서 형광체 분말을 60분 침지한 것을 제외하고, 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 실시예 3의 α형 사이알론 형광체 입자를 포함하는 분말을 제작하였다.
(실시예 4)
실시예 1에서 사용한 혼산 수용액 대신에, 50％ 불산 3.2ml와, 70％ 질산 0.8ml를 혼합한 혼합 원액에 증류수 396ml를 첨가하여 원액 농도 1.0％의 혼산 수용액을 조제한 것을 제외하고, 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 실시예 4의 α형 사이알론 형광체 입자를 포함하는 분말을 제작하였다.
(실시예 5)
실시예 1에서 사용한 혼산 수용액 대신에, 50％ 불산 100ml(원액)에 증류수 300ml를 첨가하여 원액 농도 25％의 불산 수용액을 조제한 것을 제외하고, 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 실시예 5의 α형 사이알론 형광체 입자를 포함하는 분말을 제작하였다.
(비교예 1)
실시예 1에서 사용한 혼산 수용액 대신에, 50％ 불산 1.0ml와, 70％ 질산 1.0ml를 혼합한 혼합 원액에 증류수 398ml를 첨가하여, 원액 농도 0.5％의 혼산 수용액을 사용한 것, 및 혼산 수용액의 온도를 80℃로 유지하고, 자기 교반 막대를 사용하여 회전 속도 300rpm으로 교반하면서, 30분 침지하는 산 처리를 실시한 것을 제외하고, 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 비교예 1의 α형 사이알론 형광체 입자를 포함하는 분말을 제작하였다.
비교예 1의 α형 사이알론 형광체 입자를 포함하는 분말의 제작 방법에서는, 산 처리에 사용하는 혼산 수용액의 원액 농도를 종래 실시하고 있던 수준으로 하였다.
(특성 평가)
[발광 특성]
얻어진 각 α형 사이알론 형광체를 포함하는 분말에 관하여, 흡수율, 내부 양자 효율, 외부 양자 효율을 분광 광도계(오츠카 덴시 가부시키가이샤제 MCPD-7000)에 의해 측정하고, 이하의 수순으로 산출하였다.
실시예, 비교예의 α형 사이알론 형광체 입자를 포함하는 분말을 오목형 셀의 표면이 평활해지도록 충전하고, 적분구를 설치하였다. 이 적분구에, 발광 광원(Xe 램프)으로부터 455㎚의 파장으로 분광한 단색광을 광파이버를 사용하여 도입하였다. 이 단색광을 여기원으로 하여 형광체의 시료에 조사하고, 시료의 형광 스펙트럼 측정을 행하였다.
시료부에 반사율이 99％인 표준 반사판(Labsphere사제 스펙트랄론)을 설치하여, 파장 455㎚의 여기광의 스펙트럼을 측정하였다. 그때, 450㎚ 이상 465㎚ 이하의 파장 범위의 스펙트럼으로부터 여기광 포톤수(Qex)를 산출하였다.
시료부에 α형 사이알론 형광체 입자를 포함하는 분말을 설치하고, 얻어진 스펙트럼 데이터로부터 여기 반사광 포톤수(Qref) 및 형광 포톤수(Qem)를 산출하였다. 여기 반사광 포톤수는 여기광 포톤수와 같은 파장 범위에서, 형광 포톤수는 465㎚ 이상 800㎚ 이하의 범위에서 산출하였다.
흡수율=(Qex-Qref)/Qex×100
내부 양자 효율=(Qem/(Qex-Qref))×100
외부 양자 효율=(Qem/Qex)×100
상기 측정 방법을 사용하여 가부시키가이샤 사이알론으로부터 판매하고 있는 표준 시료 NSG1301을 측정한 경우, 외부 양자 효율은 55.6％, 내부 양자 효율 74.8％가 되었다. 이 시료를 표준으로 하여 장치를 교정하였다.
참고로, 실시예 1 내지 5의 α형 사이알론 형광체 입자를 포함하는 분말의 상기 측정(조사한 광의 파장: 455㎚)으로 얻어진 발광 스펙트럼의 피크 파장은, 모두 600㎚(비교적 고파장)였다.
[입도 측정]
입도는 Microtrac MT3300EX II(마이크로트랙ㆍ벨 가부시키가이샤)를 사용하여, JIS R1629:1997에 준거한 레이저 회절 산란법에 의해 측정하였다. 이온 교환수 100cc에 α형 사이알론 형광체 입자 0.5g을 투입하고, 거기에 Ultrasonic Homogenizer US-150E(가부시키가이샤 니혼 세이키 세이사쿠쇼, 칩 사이즈 φ20㎜, Amplitude 100％, 발진 주파수 19.5KHz, 진폭 약 31㎛)로 3분간 분산 처리를 행하고, 그 후 MT3300EX II로 입도 측정을 행하였다. 얻어진 입도 분포로부터 메디안 직경 D50을 구하였다.
[미소 오목부의 확인]
주사형 전자 현미경(SEM)에 의해 α형 사이알론 형광체 입자의 표면에 미소 오목부가 형성되어 있는지 여부를 확인하였다. 도 3, 도 4는 각각 실시예 1, 실시예 2의 α형 사이알론 형광체 입자의 SEM상이다. 도 3, 도 4에 도시하는 바와 같이, 실시예 1, 실시예 2에서는 α형 사이알론 형광체 입자의 표면에 미소 오목부가 형성되어 있는 것이 확인되었다. 보다 상세하게는, 실시예 1, 2 모두 고립된 미소 오목부에 더하여, 미소 오목부끼리 인접한 미소 오목부군이 분포하고 있는 것이 확인되었다.
또한, 실시예 3 내지 5의 α형 사이알론 형광체 입자에 대해서도, 실시예 1, 2와 마찬가지로 표면에 미소 오목부가 형성되어 있는 것이 확인되었다.
이에 반하여, 비교예 1에서는 형광체 입자의 표면에 미소 오목부가 존재하지 않는 것이 확인되었다.
[미소 오목부의 면적 및 치수 측정]
실시예 1의 α형 사이알론 형광체 입자의 SEM 화상 중, 도 5의 (a)에 나타내는 해석 영역(4.4㎛×6.4㎛)을 2치화하고, 미소 오목부를 추출하였다(도 5의 (b) 참조). 도 5의 (b)에 나타내는 바와 같이 추출된 각 미소 오목부를 넘버링하고, 해석 소프트웨어(닛떼츠 스미킨 테크놀로지사제, Version 3.5)를 사용하여, 각 미소 오목부의 최대 직경, 최소 직경, 원 상당 직경, 면적 및 면적률을 산출하였다.
마찬가지로, 실시예 2의 α형 사이알론 형광체 입자의 SEM 화상 중, 도 6의 (a)에 나타내는 해석 영역(4.4㎛×6.4㎛)을 2치화하고, 미소 오목부를 추출하였다(도 6의 (b) 참조). 도 6의 (b)에 나타내는 바와 같이 추출된 각 미소 오목부를 넘버링하고, 상술한 해석 소프트웨어를 사용하여 각 미소 오목부의 최대 직경, 최소 직경, 원 상당 직경, 면적 및 해석 영역(4.4㎛×6.4㎛)을 기준 영역으로 하는 면적 비율을 산출하였다. 또한, 해석 영역(4.4㎛×6.4㎛)을 기준 영역으로 하여 당해 기준 영역 중에 있어서 미소 오목부가 차지하고 있는 영역의 면적 비율, 즉 α형 사이알론 형광체 입자의 표면의 면적에 대한, 미소 오목부가 차지하는 합계 면적의 비를 산출하였다. 실시예 1, 2의 α형 사이알론 형광체 입자에 대하여 얻어진 결과를 각각 표 2, 표 3에 나타낸다.
[미소 오목부의 깊이 측정]
실시예 1, 실시예 2의 α형 사이알론 형광체 입자에 대하여, 도 5의 (b) 및 도 6의 (b)에서 넘버링된 미소 오목부의 깊이를 주사형 원자간력 현미경(AFM)을 사용하여 계측하였다. 실시예 1, 2의 α형 사이알론 형광체 입자에 대하여 얻어진 결과를 각각 표 2, 표 3에 나타낸다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
표 1에 나타내는 바와 같이, 표면에 미소 오목부가 형성된 실시예 1 내지 5의 각 α형 사이알론 형광체 입자에서는, 비교예 1에 비하여 내부 양자 효율 및 외부 양자 효율이 모두 높아지고, 형광 특성이 향상됨이 확인되었다. 또한, 실시예 1, 2의 α형 사이알론 형광체 입자는 이하와 같은 미소 오목부를 가짐으로써, 형광 특성이 향상됨이 확인되었다.
ㆍ미소 오목부를 가로지르는 일 단면에 있어서, 깊이가 5㎚ 이상 500㎚ 이하이다.
ㆍ최대 직경이 50㎚ 이상 2000㎚ 이하인 미소 오목부를 적어도 하나 포함한다.
ㆍ최대 직경이 1000㎚ 초과 2000㎚ 이하인 상기 미소 오목부를 적어도 하나 포함하며, 또한 최대 직경이 500㎚ 초과 1000㎚ 이하인 상기 미소 오목부를 적어도 하나 포함한다.
ㆍ최대 직경이 50㎚ 이상 500㎚ 이하인 상기 미소 오목부를 적어도 하나 포함한다.
(추가 비교예: 실시예 1에 있어서, 산 처리 조건을 변경한 예)
자기 교반 막대에 의한 교반 속도를 450rpm으로부터 통상의 수준인 200rpm으로 한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여, α형 사이알론 형광체 입자를 포함하는 형광체 입자를 얻었다. 이 추가 비교예에 있어서 얻어진 형광체 입자의 메디안 직경 D50은 14.5㎛였다. 그리고, 얻어진 형광체 입자를 다양한 시야에서 SEM 관찰하였지만, 표면에 미소 오목부가 형성된 형광체 입자는 없었다. 참고를 위해, 얻어진 형광체 입자의 SEM 화상을 도 7 및 도 8에 도시한다.
또한, 추가 비교예에서 얻어진 형광체 입자의 내부 양자 효율은 75.4％, 외부 양자 효율은 66.6％이며, 실시예 1(및 기타 실시예)의 수준보다 뒤떨어져 있다.
이 출원은 2019년 3월 29일에 출원된 일본 특허 출원 제2019-069106호를 기초로 하는 우선권을 주장하고, 그 개시의 모두를 여기에 도입한다.
1: 형광체 입자
10: α형 사이알론 형광체 입자
20: 미소 오목부
22: 미소 오목부군
30: 밀봉재
40: 복합체
100: 발광 장치
120: 발광 소자
130: 히트 싱크
140: 케이스
150: 제1 리드 프레임
160: 제2 리드 프레임
170: 본딩 와이어
172: 본딩 와이어

Claims (15)

  1. Eu를 함유하는 α형 사이알론 형광체 입자이며,
    상기 α형 사이알론 형광체 입자의 표면에 적어도 하나의 미소 오목부가 형성되어 있는, 형광체 입자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 미소 오목부를 가로지르는 일 단면에 있어서, 깊이가 5㎚ 이상 500㎚ 이하인, 형광체 입자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 최대 직경이 50㎚ 이상 2000㎚ 이하인 상기 미소 오목부를 적어도 하나 포함하는, 형광체 입자.
  4. 제3항에 있어서, 최대 직경이 1000㎚ 초과 2000㎚ 이하인 상기 미소 오목부를 적어도 하나 포함하며, 또한
    최대 직경이 500㎚ 초과 1000㎚ 이하인 상기 미소 오목부를 적어도 하나 포함하는, 형광체 입자.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 최대 직경이 50㎚ 이상 500㎚ 이하인 상기 미소 오목부를 적어도 하나 포함하는, 형광체 입자.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 상기 미소 오목부가 인접하고 있는 미소 오목부군을 갖는, 형광체 입자.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 형광체 입자의 표면에 있어서 상기 미소 오목부가 차지하고 있는 영역의 면적 비율이 10％ 이상 25％ 이하인, 형광체 입자.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 α형 사이알론 형광체 입자는, 일반식: (M1x, M2y, Euz)(Si12-(m+n)Alm+n)(OnN16-n)(단, M1은 1가의 Li 원소이며, M2는 2가의 Ca 원소임)으로 표시되는 Eu 원소를 함유하는 α형 사이알론 형광체로 구성되고, 상기 일반식에 있어서, 0≤x<2.0, 0≤y<2.0, 0<z≤0.5, 0<x+y, 0.3≤x+y+z≤2.0, 0<m≤4.0, 0<n≤3.0인, 형광체 입자.
  9. 제8항에 있어서, 1.5<x+y+z≤2.0인, 형광체 입자.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 0≤x≤0.1인, 형광체 입자.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 발광 피크 파장이 590㎚ 이상인, 형광체 입자.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미소 오목부는 이상(異相)이 제거된 흔적인, 형광체 입자.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 형광체 입자와, 상기 형광체 입자를 밀봉하는 밀봉재
    를 구비하는, 복합체.
  14. 여기광을 발하는 발광 소자와,
    상기 여기광의 파장을 변환하는 제13항에 기재된 복합체
    를 구비하는, 발광 장치.
  15. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 형광체 입자의 제조 방법이며,
    Eu를 함유하는 α형 사이알론 형광체 입자를 구성하는 원소를 포함하는 원료를 혼합하는 혼합 공정과,
    원료의 혼합물을 가열하여, α형 사이알론 형광체를 얻는 가열 공정과,
    상기 가열 공정에서 얻어진 α형 사이알론 형광체를 분쇄하여, α형 사이알론 형광체 입자를 얻는 분쇄 공정과,
    상기 분쇄 공정에서 얻어진 α형 사이알론 형광체 입자에 산 처리를 실시함으로써, 상기 α형 사이알론 형광체 입자의 표면에 미소 오목부를 형성하는 공정
    을 구비하는, 형광체 입자의 제조 방법.
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