JP6531509B2 - 窒化物蛍光体、その製造方法及び発光装置 - Google Patents
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Description
従って、本開示に係る一実施形態の目的は、発光効率に優れる窒化物蛍光体を提供することにある。
第一の態様は、下記式(I)で示される組成を有し、400nm以上570nm以下の波長範囲の光で励起され、発光ピーク波長が630nm以上670nm以下の範囲にあり、650nmにおける反射率の460nmにおける反射率に対する比が2以上である窒化物蛍光体である。
Ma wMb xEuyAl3Nz (I)
式中、Maは、Ca、Sr、Ba及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、MbはLi、Na及びKからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、w、x、y及びzはそれぞれ、0.8≦w<1.0、0.5≦x<1.0、0.001<y≦0.1、z=(2/3)w+(1/3)x+(2/3)y+3を満たす。
Ma wMb xEuyAl3Nz (I)
式中、Maは、Ca、Sr、Ba及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、MbはLi、Na及びKからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、w、x、y及びzはそれぞれ、0.8≦w<1.0、0.5≦x<1.0、0.001<y≦0.1、z=(2/3)w+(1/3)x+(2/3)y+3を満たす。
本実施形態に係る窒化物蛍光体は、下記式(I)で示される組成を有し、400nm以上570nm以下の波長範囲の光で励起され、発光ピーク波長が630nm以上670nm以下の範囲にあり、650nmにおける反射率の460nmにおける反射率に対する比が2以上である。
Ma wMb xEuyAl3Nz (I)
式中、Maは、Ca、Sr、Ba及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、MbはLi、Na及びKからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、w、x、y及びzはそれぞれ、0.8≦w<1.0、0.5≦x<1.0、0.001<y≦0.1、z=(2/3)w+(1/3)x+(2/3)y+3を満たす。
またMbは、結晶構造安定性の観点から、少なくともLiを含むことが好ましい。MbがLiを含む場合、Mbに含まれるLiのモル比率は、例えば80モル%以上であり、90モル%が好ましい。
窒化物蛍光体の発光スペクトルは、発光ピーク波長が630nm以上670nm以下の範囲にあるが、640nm以上660nm以下の範囲にあることが好ましい。また発光スペクトルの半値幅は、例えば65nm以下であり、60nm以下が好ましい。半値幅の下限は特に制限されず、例えば45nm以上である。
平均粒径は大きいほうが、励起光の吸収率及び発光効率がより高くなる傾向がある。このように、光学特性に優れた窒化物蛍光体を後述する発光装置に含有させることにより、発光装置の発光効率がより向上する。
また窒化物蛍光体は、上記の平均粒径値を有する蛍光体粒子が、頻度高く含有されていることが好ましい。すなわち、粒度分布は狭い範囲に分布していることが好ましい。粒度分布のバラツキが小さい蛍光体を用いることにより、より色ムラが抑制され、より良好な色調を有する発光装置が得られる。
本実施形態の製造方法は、下記式(I)で示される組成を有する窒化物蛍光体の製造方法であって、原料混合物を、温度が1000℃以上1300℃以下、圧力が0.2MPa以上200MPa以下の窒素ガスを含む雰囲気中で処理することを含む、窒化物蛍光体の製造方法である。
Ma wMb xEuyAl3Nz (I)
式中、Maは、Ca、Sr、Ba及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、MbはLi、Na及びKからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、w、x、y及びzはそれぞれ、0.8≦w<1.0、0.5≦x<1.0、0.001<y≦0.1、z=(2/3)w+(1/3)x+(2/3)y+3を満たす。
本実施形態の製造方法は、既述の本実施形態に係る窒化物蛍光体の製造方法に適用することができる。すなわち、本実施形態の製造方法によって製造される窒化物蛍光体は、前記窒化物蛍光体の態様を具備することができる。
中でも原料混合物は、Ca、Sr、Ba及びMgからなる群から選択される金属元素を含む金属化合物、Li、Na及びKからなる群から選択される金属元素を含む金属化合物、Alを含む金属化合物及びEuを含む金属化合物からなる群から選択される少なくとも1種の金属化合物を含むことが好ましい。
第一の金属化合物は、Ca及びSrの少なくとも一方を含むことが好ましい。第一の金属化合物がSrを含む場合、Srの一部がCa、Mg、Ba等で置換されていてもよい。また第一の金属化合物がCaを含む場合、Caの一部がSr、Mg、Ba等で置換されていてもよい。これにより、窒化物蛍光体の発光ピーク波長を調整することができる。第一の金属化合物がCaを含む場合、Li、Na、K、B、Al等をさらに含有していてもよい。
第一の金属化合物は、単体を使用することが好ましいが、イミド化合物、アミド化合物等の化合物を使用することもできる。第一の金属化合物は1種単独でも、2種以上を組合せて用いてもよい。
Liを含む第二の金属化合物として具体的には、Li3N、LiN3、LiH、LiAlH4等を挙げることができ、これらからなる群から選択される少なくとも1種が好ましい。
第二の金属化合物は1種単独でも、2種以上を組合せて用いてもよい。
第三の金属化合物として具体的には、AlN、AlH3、AlF3、LiAlH4等を挙げることができ、これらからなる群から選択される少なくとも1種が好ましい。
第三の金属化合物は1種単独でも、2種以上を組合せて用いてもよい。
一般には、窒化物蛍光体組成中の酸素のモル比を制御することで、蛍光体の結晶構造を変化させ、蛍光体の発光ピーク波長をシフトさせることが可能である。しかし一方で、発光効率の観点からは、窒化物蛍光体に含まれる酸素は少ない方が好ましい。窒化物蛍光体が酸素原子を含む場合、その含有量は例えば6質量%以下である。
原料混合物がフラックスを含む場合、その含有量は原料混合物中に例えば10質量%以下であり、5質量%以下が好ましい。またその含有量は例えば2質量%以上である。
熱処理は、0.2MPa以上200MPa以下の加圧雰囲気で行う。目的とする窒化物蛍光体は高温になるほど分解し易くなるが、加圧雰囲気にすることにより、分解が抑えられて、より優れた発光特性を達成することができる。加圧雰囲気はゲージ圧として、0.2MPa以上1.0MPa以下が好ましく、0.8MPa以上1.0MPa以下がより好ましい。
次に、上記の窒化物蛍光体を波長変換部材の構成要素として利用した発光装置について説明する。本実施形態の発光装置は、前記窒化物蛍光体を含む第一の蛍光体と、400nm以上570nm以下の波長範囲の光を発する励起光源とを備える。
発光素子には半導体発光素子を用いることが好ましい。光源として半導体発光素子を用いることによって、高効率で入力に対する出力のリニアリティが高く、機械的衝撃にも強い安定した発光装置を得ることができる。
半導体発光素子としては、例えば、窒化物系半導体(InXAlYGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)を用いた青色、緑色等に発光する半導体発光素子を用いることができる。
発光装置に含まれる第一の蛍光体の含有量は特に制限されず、励起光源等に応じて適宜選択することができる。例えば第一の蛍光体の含有量は、封止樹脂100質量部に対して1〜50質量部とすることができ、2〜30質量部であることが好ましい。
(Y,Gd,Tb,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce (IIa)
(Ba,Sr,Ca)2SiO4:Eu (IIb)
Si6−pAlpOpN8−p:Eu(0<p≦4.2) (IIc)
(Ca,Sr)8MgSi4O16(Cl,F,Br)2:Eu (IId)
(Ba,Sr,Ca)Ga2S4:Eu (IIe)
(Ba,Sr,Ca)2Si5N8:Eu (IIf)
(Sr,Ca)AlSiN3:Eu (IIg)
K2(Si,Ge,Ti)F6:Mn (IIh)
組成式(IIc)中、pは、0.01<p<2を満たすことが好ましい。
発光装置は第二の蛍光体を1種単独でも、2種以上を組合せて含んでいてもよい。
封止材料中の蛍光体の総含有量は特に制限されず、目的等に応じて適宜選択することができる。蛍光体の総含有量は、例えば、封止樹脂100質量部に対して5〜300質量部とすることができ、10〜250質量部が好ましく、15〜230質量部がより好ましく、15〜200質量部がさらに好ましい。封止材料中の蛍光体の含有量が上記範囲であると、発光素子を充分に被覆することができ、発光素子から発光した光を蛍光体で効率よく波長変換することができ、より効率よく発光することができる。
封止材料がフィラーを含む場合、その含有量は目的等に応じて適宜選択することができる。フィラーの含有量は例えば、封止樹脂100質量部に対して1〜20質量部とすることができる。
Ma wMb xEuyAl3Nzで表される組成を有する蛍光体として、Ma=Sr、Mb=Liとし、SrNx(x=2/3相当)、LiAlH4、AlN、EuF3を各原料として用い、それを仕込み量比としてのモル比が、Sr:Li:Eu:Al=0.993:1.1:0.007:3になるように、不活性雰囲気のグローブボックス内で計量、混合して原料混合物を得た。ここでLiは焼成時に飛散しやすいため、理論値より多めに配合した。原料混合物をルツボに充填し、窒素ガス雰囲気で、ガス圧力をゲージ圧として0.92MPa(絶対圧力では1.02MPa)として、温度が1000℃で、熱処理を3時間行って、実施例1の窒化物蛍光体の粉末を得た。
熱処理の温度を1100℃に変更した以外は実施例1と同様の条件にして、実施例2の窒化物蛍光体の粉末を得た。
熱処理の温度を1200℃に変更した以外は実施例1と同様の条件にして、実施例3の窒化物蛍光体の粉末を得た。
熱処理の温度を1300℃に変更した以外は実施例1と同様の条件にして、実施例4の窒化物蛍光体の粉末を得た。
実施例1において、Liの仕込み量を1.1から1.2に増量変更した以外は実施例1と同様の条件にして、実施例5の窒化物蛍光体の粉末を得た。
実施例3において、Liの仕込み量を1.1から1.2に増量変更した以外は実施例3と同様の条件にして、実施例6の窒化物蛍光体の粉末を得た。
ガス雰囲気を窒素(N2)/水素(H2)=9/1の混合ガス雰囲気とし、ガス圧力を大気圧(ゲージ圧として1.0kPa、絶対圧力として0.10MPa)として、温度が1000℃で、熱処理を3時間した以外は実施例1と同様の条件にして、比較例1の窒化物蛍光体の粉末を得た。
比較例1において、熱処理温度を1100℃に変更した以外は比較例1と同様の条件にして、比較例2の窒化物蛍光体の粉末を得た。
比較例1において、熱処理温度を1200℃に変更した以外は比較例1と同様の条件にして、比較例3の窒化物蛍光体の粉末を得た。
比較例1において、熱処理温度を1300℃に変更した以外は比較例1と同様の条件にして、比較例4の窒化物蛍光体の粉末を得た。
比較例1において、ガス雰囲気を窒素ガス雰囲気に変更した以外は比較例1と同様の条件にして、比較例5の窒化物蛍光体の粉末を得た。
比較例1において、ガス雰囲気を窒素ガス雰囲気に変更し、熱処理温度を1100℃に変更した以外は比較例1と同様の条件にして、比較例6の窒化物蛍光体の粉末を得た。
比較例1において、ガス雰囲気を窒素ガス雰囲気に変更し、熱処理温度を1200℃に変更した以外は比較例1と同様の条件にして、比較例7の窒化物蛍光体の粉末を得た。
比較例1において、ガス雰囲気を窒素ガス雰囲気に変更し、熱処理温度を1300℃に変更した以外は比較例1と同様の条件にして、比較例8の窒化物蛍光体の粉末を得た。
(X線回折スペクトル)
得られた窒化物蛍光体について、X線回折スペクトル(XRD)を測定した。測定はリガク製UltimaIVを用い、CuKα線を用いて行った。得られたXRDパターンの例を図2に示す。
図2に示すように比較例1、実施例1及び実施例2の化合物は組成がSrLiAl3N4で表される化合物であることを確認できた。
なお、図2では、下から順に、参考のために示すSrLiAl3N4で表される化合物(SLAN)、比較例1の窒化物蛍光体、実施例1の窒化物蛍光体及び実施例2の窒化物蛍光体のXRDパターンを示す。
得られた窒化物蛍光体について、ICP発光分析法により、Sr、Li、Eu及びAlの各元素の組成比を求めた。仕込み時のLi量比とEu量比、得られた分析値より各元素の化学組成比を算出した結果を表1に示す。なお、組成分析による各元素の組成比は、Alを基準値3として求めた。
得られた窒化物蛍光体について、平均粒径を測定した。得られた粉末の平均粒径は、F.S.S.S.No.(Fisher Sub Sieve Sizer's No.)であり、空気透過法で得られる平均粒径を指す。具体的には、気温25℃、湿度70%の環境下において、1cm3分の試料を計り取り、専用の管状容器にパッキングした後、一定圧力の乾燥空気を流し、差圧から比表面積を読み取り、平均粒径に換算した。結果を表2に示す。
得られた窒化物蛍光体について、発光特性を測定した。粉体の発光特性は分光蛍光光度計:F−4500(株式会社日立ハイテクノロジーズ製)で励起光の波長を460nmとして測定した。その得られた発光スペクトルから相対発光強度(相対Ip:%)とピーク波長(λp:nm)と半値幅(FWHM:nm)を求めた。結果を表2に示す。なお、相対発光強度は比較例1の窒化物蛍光体を基準として求めた。
また図3に比較例1、2及び実施例1から3で得られた窒化物蛍光体の発光スペクトルを他の実施例及び比較例に代表して示す。図3の発光スペクトルは、波長に対する相対発光強度を示す。
得られた窒化物蛍光体について、反射スペクトルを測定した。反射スペクトルは発光特性と同様に分光蛍光光度計:F−4500を用いて測定した。なお、反射率の基準にはCaHPO4を用いた。
反射率の測定は測定範囲について1nm間隔で行った。450nm以上470nm以下の波長範囲における平均反射率は、450nm以上470nm以下の21点について反射率を測定し、その算術平均値として算出した。640nm以上660nm以下の平均反射率についても同様にして算出した。
460nmにおける反射率に対する650nmにおける反射率の比(R650/R460)と、450nm以上470nm以下における平均反射率に対する640nm以上660nm以下における平均反射率の比(R640−660/R450−470)をそれぞれ求めた。
図4に比較例1、2及び実施例1から3で得られた窒化物蛍光体の反射スペクトルを他の実施例及び比較例に代表して示す。
460nmにおける反射率は、比較例1から4、7及び8の反射率が35%よりも大きいのに対し、実施例1から6の反射率は35%以下であり、460nm付近に発光スペクトルの発光ピークを有する励起光源を備えた発光装置に用いた場合、励起光の高い吸収があり、使用に好適な粒径等の特性を有していることが分かる。
反射率比(R650/R460)は、窒化物蛍光体における励起光の吸収と、発光波長での吸収の比率を示すと考えられる。例えば、窒化物蛍光体の発光波長での吸収が多いと、励起光を吸収して発光したとしても、実際に窒化物蛍光体の外へ取り出される発光が少なくなる。つまり、反射率比(R650/R460)が大きいと、励起光の吸収が多く、更に発光波長での吸収が少ないことを示し、発光効率の指標となる。発光強度が高くなり、更に反射率比(R650/R460)が大きくなる原因として、熱処理時に高圧にすることにより、組成ずれが抑制され、より理想的な結晶形に近づくためであることが影響していると考えられる。
実施例1から6の蛍光体粒子の平均粒径はいずれも4μm以上となっており、比較例3、4、7及び8の平均粒径よりも大きくなっている。特に実施例2から6の蛍光体粒子の平均粒径はいずれも4.5μmよりも大きくなっており、比較例1から8の平均粒径よりも大きくなっている。これにより、相対発光強度がより向上していると考えられる。
実施例2において、仕込み時のLi量比とEu量比を表3に示すように変更した以外は実施例2と同様の条件にして、実施例7〜10、比較例9の窒化物蛍光体の粉末をそれぞれ得た。なお、Eu量比は、Sr量比と合計した値が、Alを3とする場合に1となるように調整した。
得られた実施例7〜10、比較例9の窒化物蛍光体の粉末について上記と同様に評価を行った。組成分析からの組成比を表3に示し、発光特性の評価結果を表4に示す。
表4に示すようにEu量比を変更している実施例7〜9の窒化物蛍光体においても相対発光強度は実施例2と同等に高くなる傾向であり、反射率比(R650/R460)も実施例2と同等か、それよりも高いことが分かる。また、Eu量比が実施例2や実施例7〜9よりも高い0.05である実施例10の窒化物蛍光体は、相対発光強度が実施例2や実施例7〜9よりも低いものの、反射率比(R650/R460)は実施例2と同等に比較例9よりも高いことが分かる。一方、Eu量比が実施例2や実施例7〜10よりも低い0.001である比較例9の窒化物蛍光体は実施例2や実施例7〜10よりも相対発光強度が低く、反射率比(R650/R460)が低くなっている。
実施例2において、Srの一部をCaに変更し、更にEu量比を変更した以外は実施例2と同様の条件にして、実施例11の窒化物蛍光体の粉末を得た。
なお、実施例11はSr:Ca:Li:Eu:Al=0.891:0.1:1.2:0.009:3.0となるように原料混合物を配合した。
得られた実施例11の窒化物蛍光体の粉末について上記と同様に評価を行った。組成分析からの組成比を表5に示し、発光特性の評価結果を表6に示す。
実施例2において、Srの一部をBaに変更した以外は実施例2と同様の条件にして、実施例12の窒化物蛍光体の粉末を得た。
なお、実施例12はSr:Ba:Li:Eu:Al=0.893:0.1:1.1:0.007:3.0となるように原料混合物を配合した。
得られた実施例12の窒化物蛍光体の粉末について上記と同様に評価を行った。組成分析からの組成比を表5に示し、発光特性の評価結果を表6に示す。
実施例Aに係る発光装置は、発光ピーク波長が453nmのLEDと、第一の蛍光体として実施例2の窒化物蛍光体と、第二の蛍光体として544nmに発光ピーク波長を有するβサイアロン蛍光体(Si6−pAlpOpN8−p:Eu、0<p≦4.2)とを組み合わせて、通常の方法で作製した。青色LEDと各蛍光体を組み合わせた発光装置の混色発光の色度を色度座標(x,y)でx=0.25、y=0.20付近に合わせた。
比較例Aに係る発光装置は、第一の蛍光体として比較例2の窒化物蛍光体とする他は、実施例Aと同様に、通常の方法で作製した。また、実施例Aと同様に発光装置の混色発光の色度を上記色度座標付近に合わせた。
実施例Bに係る発光装置は、発光ピーク波長が455nmのLEDと、第一の蛍光体として実施例2の窒化物蛍光体と、第二の蛍光体としてY3(Al,Ga)5O12:Ceなる組成を有する蛍光体とを組み合わせて、通常の方法により作製した。青色LEDと各蛍光体を組み合わせた発光装置の混色発光の色度を色度座標(x,y)でx=0.34、y=0.35付近に合わせた。
比較例Bに係る発光装置は、第一の蛍光体として比較例2の窒化物蛍光体を用いた以外は、実施例Bと同様に、通常の方法で作製した。また、実施例Bと同様に発光装置の混色発光の色度を上記色度座標付近に合わせた。
Claims (11)
- 下記式(I)で示される組成を有する窒化物蛍光体の製造方法であって、M b で表される元素を含む金属化合物を理論量よりも多く含む原料混合物を、温度が1000℃以上1400℃以下、圧力がゲージ圧として0.2MPa以上1.0MPa以下の窒素ガスを含む雰囲気中で処理することを含む窒化物蛍光体の製造方法。
Ma wMb xEuyAl3Nz (I)
(式中、Maは、Ca、Sr、Ba及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、MbはLi、Na及びKからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、w、x、y及びzはそれぞれ、0.8≦w<1.0、0.5≦x<1.0、0.001<y≦0.1、z=(2/3)w+(1/3)x+(2/3)y+3を満たす。) - 前記原料混合物が、前記組成を構成する金属元素を含む、水素化物、窒化物及びフッ化物からなる群から選択される少なくとも1種の金属化合物を含む請求項1に記載の窒化物蛍光体の製造方法。
- 圧力がゲージ圧として0.8MPa以上1.0MPa以下である請求項1又は2に記載の窒化物蛍光体の製造方法。
- 前記原料混合物が、M a で表される元素の窒化物、M b で表される元素を含む水素化アルミニウム化合物、窒化アルミニウム及びフッ化ユウロピウムを含む請求項1から3のいずれか1項に記載の窒化物蛍光体の製造方法。
- 原料混合物を処理する温度が、1100℃以上1300℃以下である請求項1から4のいずれか1項に記載の窒化物蛍光体の製造方法。
- 前記窒化物蛍光体の平均粒径が、4.0μm以上20μm以下である請求項1から5のいずれか1項に記載の窒化物蛍光体の製造方法。
- 前記窒化物蛍光体は、400nm以上570nm以下の波長範囲の光で励起されるとき、発光ピーク波長が630nm以上670nm以下の範囲にある請求項1から6のいずれか1項に記載の窒化物蛍光体の製造方法。
- 前記窒化物蛍光体は、650nmにおける反射率の460nmにおける反射率に対する比が2以上である請求項1から7のいずれか1項に記載の窒化物蛍光体の製造方法。
- 前記窒化物蛍光体は、460nmにおける反射率が30%以下である請求項1から8のいずれか1項に記載の窒化物蛍光体の製造方法。
- 前記式(I)において、M a がCa及びSrの少なくとも一方を含み、M b がLiを含む請求項1から9のいずれか1項に記載の窒化物蛍光体の製造方法。
- 前記式(I)において、xが0.7以上1.0未満である請求項1から10のいずれか1項に記載の窒化物蛍光体の製造方法。
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