JP2006282809A - 窒素を含有する蛍光体およびその製造方法、並びに発光装置 - Google Patents
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Abstract
蛍光体表面の変質および構造の乱れにより、発光輝度が低下したり、発光の色調が変化することのない蛍光体の提供、及びその製造方法、並びに当該蛍光体を用いた白色発光ダイオードを始めとする発光装置を提供する。
【解決手段】
組成式が2.75SrO・Si3N4:Euである蛍光体の表面に窒素雰囲気中でSiO2コートを施し、この蛍光体をBNるつぼに充填し、窒素雰囲気中で300℃まで昇温し、12時間保持して熱処理をおこなって被熱処理部を設け、蛍光体粒子を得た。
【選択図】なし
Description
被熱処理部を有し、且つ表面にSiO2膜を有する蛍光体粒子を含むことを特徴とする窒素を含有する蛍光体である。
第1の構成に記載の窒素を含有する蛍光体であって、
前記SiO2膜の膜厚が0.5 nm以上、400 nm以下であることを特徴とする窒素を含有する蛍光体である。
第1または第2の構成に記載の窒素を含有する蛍光体であって、
前記窒素を含有する蛍光体粒子は、組成式MmAaBbOoNn:Zで表記され、
M元素はII価の価数をとる1種類以上の元素であり、A元素はIII価の価数をとる1種類以上の元素であり、B元素はIV価の価数をとる1種類以上の元素であり、Oは酸素であり、Nは窒素であり、Z元素は希土類元素、遷移金属元素から選択される1種類以上の付活剤元素であることを特徴とする窒素を含有する蛍光体である。
第3の構成に記載の窒素を含有する蛍光体であって、
m = c + p、a = 0、b = 3、o = c + q、n = 4 + rとしたとき、cが0 < c ≦ 6であり、pが-c/2 < p < c/2であり、qが-c/2 < q < 2cであり、rは-2 < r < 2であることを特徴とする窒素を含有する蛍光体である。
第4の構成に記載の窒素を含有する蛍光体であって、
cが2 ≦ c ≦ 4であることを特徴とする窒素を含有する蛍光体である。
第3の構成に記載の窒素を含有する蛍光体であって、
m = 1、a + b < 8、o ≦ 1、n = 2/3m + a + 4/3b - 2/3oであることを特徴とする窒素を含有する蛍光体である。
第6の構成に記載の窒素を含有する蛍光体であって、
1.8 ≦ a/m ≦ 5.0、3.0 ≦ b/m ≦6.2であることを特徴とする窒素を含有する蛍光体である。
第6の構成に記載の窒素を含有する蛍光体であって、
a = 1、b = 1であることを特徴とする窒素を含有する蛍光体である。
第3から第8の構成のいずれかに記載の窒素を含有する蛍光体であって、
M元素はMg、Ca、Sr、Ba、Znから選択される1種類以上の元素であり、A元素はAl、Gaから選択される1種類以上の元素であり、B元素はSi、Geから選択される1種類以上の元素であり、Z元素はEu、Ce、Pr、Tb、Yb、Mnから選択される1種類以上の元素であることを特徴とする窒素を含有する蛍光体である。
第3から第9の構成のいずれかに記載の窒素を含有する蛍光体であって、
M元素はCa、Srから選択される1種類以上の元素、A元素はAl、B元素はSi、Z元素はEuであることを特徴とする窒素を含有する蛍光体である。
第1から第10の構成のいずれかに記載の窒素を含有する蛍光体であって、
当該蛍光体中に、窒素を5.0wt%以上、50.0wt%以下含有することを特徴とする窒素を含有する蛍光体である。
第1から第11の構成のいずれかに記載の窒素を含有する蛍光体であって、
当該蛍光体へ、波長300nmから500nmの範囲にある所定の励起光を照射した際、25℃における発光スペクトル中の最大ピークの相対強度の値をBPとし、
当該蛍光体を、300℃の大気中に4時間置いた後、25℃にもどし、前記の励起光を照射した際の、発光スペクトル中の前記最大ピークの相対強度の値をAPとしたとき、
(BP - AP)/ BP ≦ 0.3であることを特徴とする窒素を含有する蛍光体である。
第1から第12の構成のいずれかに記載の窒素を含有する蛍光体であって、
前記蛍光体粒子の平均粒径が、20μm以下、1.0μm以上であることを特徴とする窒素を含有する蛍光体である。
第1から第13の構成のいずれかに記載の窒素を含有する蛍光体であって、
前記蛍光体は粉末状であることを特徴とする窒素を含有する蛍光体である。
第1から第14の構成のいずれかに記載の窒素を含有する蛍光体の製造方法であって、
前記蛍光体粒子の原料を焼成して蛍光体粒子を得る工程と、
前記蛍光体粒子を、1000℃以下200℃以上の窒素を含む雰囲気ガス中で熱処理して被熱処理部を有する蛍光体粒子を得る工程と、
前記被熱処理部を有する蛍光体粒子を、解砕する工程と、
水溶性の有機溶媒中へ、前記解砕された被熱処理部を有する蛍光体粒子と、オルガノシラン化合物と、水と、を投入して混合した後に、ゲル化剤を投入して、被熱処理部を有し、且つ、表面にSiO2膜を有する、窒素を含有する蛍光体粒子を製造する工程と、を有すること特徴とする窒素を含有する蛍光体の製造方法。
第1から第14の構成のいずれかに記載の窒素を含有する蛍光体の製造方法であって、
前記蛍光体粒子の原料を焼成して蛍光体粒子を得る工程と、
前記蛍光体粒子を、解砕する工程と、
水溶性の有機溶媒中へ、前記解砕された蛍光体粒子と、オルガノシラン化合物と、水と、を投入して混合した後に、ゲル化剤を投入して、表面にSiO2膜を有する蛍光体粒子を得る工程と、
前記表面にSiO2膜を有する蛍光体粒子を、1000℃以下200℃以上の窒素を含む雰囲気ガス中で熱処理して、被熱処理部を有し、且つ、表面にSiO2膜を有する、窒素を含有する蛍光体粒子を製造する工程と、を有すること特徴とする窒素を含有する蛍光体の製造方法である。
第1から第14の構成のいずれかに記載の窒素を含有する蛍光体と、発光部と、を有することを特徴とする発光装置である。
前記発光部が発する光の波長が、300 nm 〜 500 nmであることを特徴とする第17の構成に記載の発光装置である。
前記発光部としてLED(発光ダイオード)を用いることを特徴とする第17または第19の構成に記載の発光装置である。
まず、本発明者らが解明した、発光装置の長時間の点灯や、製造工程における熱処理工程により、製造された蛍光体や発光装置の輝度が低下し色味が変化するという劣化原因である、窒素を含む蛍光体の劣化機構について説明する。
例えば、m = c + p、a = 0、b = 3、o = c + q、n = 4 + rとしたとき、cが0 < c ≦ 6であり、pが-c/2 < p < c/2であり、qが-c/2 < q < 2cであり、rは-2 < r < 2を満たす蛍光体、当該蛍光体であって、さらにcが2 ≦ c ≦ 4である蛍光体がある。
また例えば、m = 1、a + b < 8、o ≦ 1、n = 2/3m + a + 4/3b - 2/3oを満たした蛍光体、当該蛍光体であって、さらに1.8 ≦ a/m ≦ 5.0、3.0 ≦ b/m ≦ 6.2である蛍光体、同じく当該蛍光体であって、さらにa=1、b=1である蛍光体がある。
焼成後の蛍光体粒子は、乳鉢、ボールミル、ジェットミル、サンプルミル、ローラーミル、等を用いて解砕を行う。尚、後述する理由により、当該解砕は平均粒子径1.0μm以上、20μm以下となるよう行うことが好ましい。
蛍光体粒子表面へ、SiO2膜をコートする方法としては、所謂ゾル・ゲル法が好ましい。ゾル・ゲル法とは、まず蛍光体粒子表面に、コーティング物質の加水分解生成物を被着させた後、触媒などによって、当該加水分解生成物を縮合反応させる方法である。そこで本発明の場合、蛍光体へのSiO2コートは、有機溶媒中で蛍光体粒子とオルガノシラン化合物と水とを混合し、ゾルの加水分解反応を行うことから始まる。
熱処理の方法としては、本焼成の後に、窒素を構成元素に含む雰囲気ガス中で本焼成より低い温度で熱処理する。
尤も、SiO2膜コートを先に、熱処理を後に行った場合、SiO2ゲルの膜中に含まれる水分の除去、およびSiO2膜の結晶性向上による光の取り出し効率アップという効果を得ることができる。他方、熱処理を先に、SiO2膜コートを後に行った場合は、蛍光体粒子に残留する歪みを十分に解消することができ、発光特性の向上という効果を得ることができる。さらに、両方の効果を求める場合は、まず熱処理を行い、次にSiO2膜コート、さらに熱処理を行うことも好ましい構成である。
(実施例1)
市販のCa3N2(2N)、AlN(3N)、Si3N4(3N)、Eu2O3(3N)を準備し、各元素のモル比がCa:Al:Si:Eu = 0.980:1:1:0.020となるように各原料をCa3N2を0.980/3 mol、AlNを1 mol、Si3N4を1/3 mol、Eu2O3を0.020/2 mol秤量し、窒素雰囲気下のグローブボックス中において乳鉢を用いて混合した。混合した原料をBNるつぼに入れ、窒素雰囲気中1500℃で24時間保持・焼成した後、1500℃から200℃まで1時間で冷却し、組成式Ca0.980AlSiN3:Eu0.020で示される蛍光体を得た。ここで、Eu2O3の添加量は少量であるため、得られた蛍光体の組成式はCa0.980AlSiN3:Eu0.020で問題ないと考えるが、厳密にはCa0.980AlSiO0.030N2.967:Eu0.020となる。得られた蛍光体の平均粒子径(D50)は、5.76μmと白色LED用蛍光体として好ましい1.0μm以上、20μm以下の範囲であった。
比較例1では、蛍光体粒子に被熱処理部を設けない以外は、実施例1と同様の処理をして蛍光体粒子を得た。当該蛍光体粒子の酸素濃度 2.96%、窒素濃度 29.4%であり、平均粒子径(D50)は 6.00μmであった。
比較例2では、蛍光体粒子に被熱処理部および表面にSiO2コートを設けない以外は、実施例1と同様の処理をして蛍光体粒子を得た。得られた蛍光体粒子の酸素濃度 2.92%、窒素濃度 26.8%であり、平均粒子径(D50)は 5.76μmであった。
図1に、実施例1及び比較例1、2に係る蛍光体粒子の、平均粒径(D50)、酸素濃度(wt%)、窒素濃度(wt%)、25℃で波長460nmの励起光により励起されたときの発光特性(ピーク波長(nm)、発光強度(比較例2の強度を1と規格化した場合の相対強度)、色度(x、y)、当該蛍光体へ300℃の熱をかけ、当該加熱時間0minの時の発光強度を1.00と規格化したときの、加熱時間0minから240min(4時間)後の相対発光強度及びその変位を示す。また、図2は、縦軸に相対発光強度をとり、横軸に熱劣化時間(加熱時間)をとったグラフであり、実施例1及び比較例1、2に係る蛍光体の当該相対発光強度の時間変化を、実施例1は○、比較例1は◆、比較例2は●でプロットし、当該プロット点を、実施例1のデータは実線、比較例1のデータは一点鎖線、比較例2のデータは破線を用いて結んだものである。
まず、測定対象の蛍光体試料を波長460nmの光で励起して発光強度を測定した。次に、当該測定用の蛍光体粒子を約2.0g秤量し、BNるつぼに入れ、マッフル炉を用いて大気中で300℃で所定時間の加熱を行い、熱劣化後の試料を得た。そして、当該熱劣化後の試料に対し波長460nmの光で励起して発光強度を測定し、熱劣化に伴う発光強度の変化を測定した。
市販のSrCO3(3N)、Si3N4(3N)、Eu2O3(3N)を準備し、各々のモル比がSrCO3 : Si3N4 : Eu2O3= 2.708 : 1 : 0.021となるように各原料を秤量する。この秤量した原料を大気中にて回転ボールミルを用いて混合した。混合した原料をBNるつぼに充填し、窒素雰囲気6.0kgf/cm2の加圧下において、1600℃まで15℃/minの昇温速度で昇温し、1600℃で24h保持して焼成した後、1600℃から200℃まで1時間で冷却し、得られた焼成物を乳鉢を用いて粉砕し蛍光体試料を得た。当該蛍光体試料の原料仕込みからの組成式は、2.75SrO・Si3N4:Euである。得られた蛍光体の平均粒子径(D50)は、6.73μmと白色LED用蛍光体として好ましい1.0μm以上、20μm以下の範囲であった。
比較例3では、蛍光体粒子に被熱処理部を設けない以外は、実施例2と同様の処理をして蛍光体粒子を得た。当該蛍光体粒子の酸素濃度 15.9%、窒素濃度 9.34%であり、平均粒子径(D50)は 7.05μmであった。
比較例4では、蛍光体粒子に被熱処理部および表面にSiO2コートを設けない以外は、実施例2と同様の処理をして蛍光体粒子を得た。得られた蛍光体粒子の酸素濃度 15.9%、窒素濃度 10.0%であり、平均粒子径(D50)は 6.73μmであった。
尚、当該蛍光体の加熱による熱劣化測定は、実施例1および比較例1、2と同様におこなった。
まず、図4、5の結果から解るように、比較例4に係る2.75SrO・Si3N4:Euで表記される蛍光体は、上述した比較例2に係るCaAlSiN3:Euで表記される蛍光体に比べ、熱劣化に対しての変化率:(BP - AP)/ BPの値が大きく、熱劣化の影響を受け易くて、大気中で300℃、240min(4時間)熱劣化させると、発光強度が熱劣化前と比較して60%程度も低下してしまう場合がある。ところが、当該比較例4にSiO2コートを設けた場合は、比較例3に示すように50%程度の低下となり、さらに、本発明に係る被熱処理部およびSiO2コートを設けた場合は、実施例2に示すように28%程度に改善することが解った。つまり、2.75SrO・Si3N4:Euで表記される蛍光体は、発光特性が熱劣化を受けやすいが、蛍光体表面にSiO2コートを施すことにより蛍光体表面への酸素供給を遮断し、さらに、被熱処理部を設けることで欠陥や歪みを除去することにより、当該熱劣化を大きく抑制できることが判明した。
従って、本発明に係る蛍光体を用いた各種照明装置の製品化工程において、60min以上の熱処理工程があった場合でも、本発明に係る処理を行った蛍光体を用いた場合には、製品化工程における発光特性低下を、大きく抑制することが可能であることが判明した。
Claims (19)
- 被熱処理部を有し、且つ表面にSiO2膜を有する蛍光体粒子を含むことを特徴とする窒素を含有する蛍光体。
- 請求項1に記載の窒素を含有する蛍光体であって、
前記SiO2膜の膜厚が0.5 nm以上、400 nm以下であることを特徴とする窒素を含有する蛍光体。 - 請求項1または2に記載の窒素を含有する蛍光体であって、
前記窒素を含有する蛍光体粒子は、組成式MmAaBbOoNn:Zで表記され、
M元素はII価の価数をとる1種類以上の元素であり、A元素はIII価の価数をとる1種類以上の元素であり、B元素はIV価の価数をとる1種類以上の元素であり、Oは酸素であり、Nは窒素であり、Z元素は希土類元素、遷移金属元素から選択される1種類以上の付活剤元素であることを特徴とする窒素を含有する蛍光体。 - 請求項3に記載の窒素を含有する蛍光体であって、
m = c + p、a = 0、b = 3、o = c + q、n = 4 + rとしたとき、cが0 < c ≦ 6であり、pが-c/2 < p < c/2であり、qが-c/2 < q < 2cであり、rは-2 < r < 2であることを特徴とする窒素を含有する蛍光体。 - 請求項4に記載の窒素を含有する蛍光体であって、
cが2 ≦ c ≦ 4であることを特徴とする窒素を含有する蛍光体。 - 請求項3に記載の窒素を含有する蛍光体であって、
m = 1、a + b < 8、o ≦ 1、n = 2/3m + a + 4/3b - 2/3oであることを特徴とする窒素を含有する蛍光体。 - 請求項6に記載の窒素を含有する蛍光体であって、
1.8 ≦ a/m ≦ 5.0、3.0 ≦ b/m ≦6.2であることを特徴とする窒素を含有する蛍光体。 - 請求項6に記載の窒素を含有する蛍光体であって、
a = 1、b = 1であることを特徴とする窒素を含有する蛍光体。 - 請求項3から8のいずれかに記載の窒素を含有する蛍光体であって、
M元素はMg、Ca、Sr、Ba、Znから選択される1種類以上の元素であり、A元素はAl、Gaから選択される1種類以上の元素であり、B元素はSi、Geから選択される1種類以上の元素であり、Z元素はEu、Ce、Pr、Tb、Yb、Mnから選択される1種類以上の元素であることを特徴とする窒素を含有する蛍光体。 - 請求項3から9のいずれかに記載の窒素を含有する蛍光体であって、
M元素はCa、Srから選択される1種類以上の元素、A元素はAl、B元素はSi、Z元素はEuであることを特徴とする窒素を含有する蛍光体。 - 請求項1から10のいずれかに記載の窒素を含有する蛍光体であって、
当該蛍光体中に、窒素を5.0wt%以上、50.0wt%以下含有することを特徴とする窒素を含有する蛍光体。 - 請求項1から11のいずれかに記載の窒素を含有する蛍光体であって、
当該蛍光体へ、波長300nmから500nmの範囲にある所定の励起光を照射した際、25℃における発光スペクトル中の最大ピークの相対強度の値をBPとし、
当該蛍光体を、300℃の大気中に4時間置いた後、25℃にもどし、前記の励起光を照射した際の、発光スペクトル中の前記最大ピークの相対強度の値をAPとしたとき、
(BP - AP)/ BP ≦ 0.3であることを特徴とする窒素を含有する蛍光体。 - 請求項1から12のいずれかに記載の窒素を含有する蛍光体であって、
前記蛍光体粒子の平均粒径が、20μm以下、1.0μm以上であることを特徴とする窒素を含有する蛍光体。 - 請求項1から13のいずれかに記載の窒素を含有する蛍光体であって、
前記蛍光体は粉末状であることを特徴とする窒素を含有する蛍光体。 - 請求項1から14のいずれかに記載の窒素を含有する蛍光体の製造方法であって、
前記蛍光体粒子の原料を焼成して蛍光体粒子を得る工程と、
前記蛍光体粒子を、1000℃以下200℃以上の窒素を含む雰囲気ガス中で熱処理して被熱処理部を有する蛍光体粒子を得る工程と、
前記被熱処理部を有する蛍光体粒子を、解砕する工程と、
水溶性の有機溶媒中へ、前記解砕された被熱処理部を有する蛍光体粒子と、オルガノシラン化合物と、水と、を投入して混合した後に、ゲル化剤を投入して、被熱処理部を有し、且つ、表面にSiO2膜を有する、窒素を含有する蛍光体粒子を製造する工程と、を有すること特徴とする窒素を含有する蛍光体の製造方法。 - 請求項1から14のいずれかに記載の窒素を含有する蛍光体の製造方法であって、
前記蛍光体粒子の原料を焼成して蛍光体粒子を得る工程と、
前記蛍光体粒子を、解砕する工程と、
水溶性の有機溶媒中へ、前記解砕された蛍光体粒子と、オルガノシラン化合物と、水と、を投入して混合した後に、ゲル化剤を投入して、表面にSiO2膜を有する蛍光体粒子を得る工程と、
前記表面にSiO2膜を有する蛍光体粒子を、1000℃以下200℃以上の窒素を含む雰囲気ガス中で熱処理して、被熱処理部を有し、且つ、表面にSiO2膜を有する、窒素を含有する蛍光体粒子を製造する工程と、を有すること特徴とする窒素を含有する蛍光体の製造方法。 - 請求項1から14のいずれかに記載の窒素を含有する蛍光体と、発光部と、を有することを特徴とする発光装置。
- 前記発光部が発する光の波長が、300 nm 〜 500 nmであることを特徴とする請求項17に記載の発光装置。
- 前記発光部としてLED(発光ダイオード)を用いることを特徴とする請求項17または18に記載の発光装置。
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