説明

放射線負荷に対する安定性及び大気湿度に対する耐性が改善されたストロンチウムオキシオルトシリケート蛍光体

本発明の各実施例は、最終放射線負荷下で改善された安定性を有し、大気湿度に対して改善された耐性を有するシリケート化合物に基づく無機蛍光体に関するものであり、本発明にかかる蛍光体は、より高いエネルギ励起放射、すなわち、紫外線(UV)又は青色光を可視スペクトル範囲内のより長い波長放射に高い効率で変換させることができる。一般式Sr3―x―y―zCaIISiO:Euを有するシリケート蛍光体に0〜0.05の値を有するカルシウムのモル分率xが添加される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の各実施例は、より高いエネルギ励起放射、すなわち、紫外線(UV)又は青色光を可視スペクトル範囲内のより長い波長放射に高い効率で変換することのできるシリケート化合物に基づく無機蛍光体に関する。
【背景技術】
【0002】
蛍光体は、有色の、又は白色の光を放射する発光ダイオード(LED)などの光源に用いられる。LEDにおいて、蛍光体は、さらなる発光体と組み合わせて使用可能であり、LEDから発生する紫外線又は青色一次放射をより長い波長の2次放射、特に白色光に変換する際に使用される。
【0003】
セリウム―ドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット、ユーロピウム―活性アルカリ土類金属オルトシリケート及び類似した形でドープされた他の組成の窒化物などの高い発光出力を有する多様な蛍光体がこのような用途に対して既に開示されているが、LEDに使用するための向上した物質を開発するためのさらなる努力がなされている。開発動向は、改善された温度特性を有し、最終放射線負荷及び大気湿度とその他の環境的要因の影響下においてより高い安定性を有する蛍光体を発見することにある。このような発光体は、相対的に高い消費電力及び向上した寿命を有するLEDランプの製造に必要とされる。
【0004】
一般式SrSiO:Euを有するユーロピウム―活性アルカリ土類金属オキシオルトシリケートは、有色の、又は白色の光を放射するLEDで使用されることが知られている。このような蛍光体は、例えば、特許文献1及び特許文献2、そして、「Application of Strontium Silicate Yellow Phosphor for White Light―emitting Diodes」(非特許文献1)及び「Photoluminescence properties of Eu2+―activated SrSiO phosphors」(非特許文献2)などの多様な科学的刊行物に開示されている。
【0005】
公知となった発光体は、黄色からオレンジ色の範囲の可視スペクトルで光を放射し、最大250℃の温度以下での高い発光効率及び極めて低い熱的クエンチング(quenching)によって区別される。この点で、それらは、温白色LEDに対する蛍光体混合物中のオレンジ色の成分であって、同様に、580〜610nmで放射するオルトシリケートに比べて非常に優れ、それらの有利な性質及び非常に低い製造コストのため、これらの用途においてますます好まれる赤色放射窒化物蛍光体と競合する。
【0006】
しかし、特定の使用条件下において、このような蛍光体から製造されたLEDは相対的に短い寿命を有し得る。この有害な挙動が生じる原因は、ユーロピウム―ドープされたアルカリ土類金属オキシオルトシリケートの相対的に高い湿度敏感性にあり得る。その結果、これら発光体の産業的利用が限定されたり、特定領域では複雑化されたりすることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】国際公開第2004/085570号
【特許文献2】国際公開第2006/081803号
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】Park,Joung―Kyu,et al.,in Appl.,Phys.Lett.84(2004),1647―49
【非特許文献2】Jee,Soon―Duc,et al.,in J.Mater.Sci.41(2006),3139―41
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明の各実施例は、多様な技術的用途で使用するための効率的な放射線変換器に適した、大気湿度への露出下で向上した安定性を有する化学的に変形されたオキシオルトシリケート蛍光体を提供する。
【0010】
本発明のさらなる特徴は、以下の詳細な説明に記載されており、その一部は詳細な説明から明らかになり、又は、その一部は本発明の実施を通して知ることができる。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の実施例は、一般式Sr3―x―y―zCaIISiO:Euを有するシリケート蛍光体を開示し、ここで、MIIは、Mg、Ba、Cu、Zn及びMnのうち少なくとも一つを含む2価金属イオンであり、0≦x≦0.05、0≦y≦0.5、及び0<z≦0.25である。
【0012】
上述した一般的な説明及び以下の詳細な説明は、例示的でかつ説明のためのものであって、特許請求の範囲に記載された本発明に対するさらなる説明を提供するためのものである。
【発明の効果】
【0013】
本発明の各実施例によると、多様な技術的用途で使用するための効率的な放射線変換器に適した、大気湿度への露出下で向上した安定性を有する化学的に変形されたオキシオルトシリケート蛍光体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】異なる組成を有するSrSiO:Eu蛍光体のX線回折ダイヤグラムである。
【図2】選択的に非常に低いCa分率を有する発光体と比較発光体との放射スペクトルである。
【図3】回折ダイヤグラムから計算された異なる結晶相の格子定数及び分率を示す図である。
【図4】低いCa分率を有する典型的な蛍光体と各比較材料の光学及び性能パラメータとを示す図である。
【図5】低いCa分率を有する本発明に係るオキシオルトシリケート蛍光体とシリケート混合相との湿気安定性の調査結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明の各実施例を添付の図面を参照して詳細に説明する。しかし、本発明は、多様な形態で実現されてもよく、ここで説明した各実施例に限定されるものと理解されてはならない。反対に、これらの実施例は、完全に説明されるように提供されるものであり、当該技術分野における当業者に対して本発明の思想を完全に伝達するものである。各図面において、各層及び各領域の大きさ及び相対的な大きさは、明確性のために誇張される場合がある。各図面において、同一の参照番号は同一の構成要素を示す。
【0016】
所定の構成要素又は層が他の構成要素又は層の「上に」あるか、又はそれ「に接続」されていると言及される場合、それは、他の構成要素や層の直上にあるか、又は直接接続されていたり、又は介在要素や他の層が存在し得るものと理解される。対照的に、所定の構成要素が他の構成要素又は層の「直上に」あるか、又はそれに「直接接続」されると言及される場合、介在要素や層は存在しない。
【0017】
一実施例によると、少量のストロンチウム(Sr)は、母(parent)蛍光体格子SrSiOの化合物の化学量論及びその結晶構造を変化させずにカルシウム(Ca)に選択的に置換されてもよい。このような置換は、大気湿度及びその他の環境的要因への露出下で、対応するユーロピウム―活性オキシオルトシリケート発光体の向上した安定性をもたらし、それから製造された発光ダイオード(LED)の寿命向上をもたらす。
【0018】
カルシウム置換の効果は、選択された狭いカルシウム濃度範囲に限定される。この範囲を超えると、カルシウムのSrSiO基質(matrix)への連続的な含有の結果、好ましいアルカリ土類金属オキシオルトシリケートが基本的な蛍光体合成物としてこれ以上形成されず、対応するオルトシリケート組成物(Sr,Ca)SiOがほぼ排他的に形成され得る。
【0019】
上述した特許文献2に開示されている一般式(Sr1―x―yCaBaSiO:Euを有する混合シリケートの場合、xは、最大0.3の値と見なすことができるが、x線構造検査によると、好ましいアルカリ土類金属オキシオルトシリケート蛍光体が公知の製造条件下でx>0.05のカルシウム分率においてはこれ以上合成されず、代わりにアルカリ土類金属オルトシリケートが優勢な量で形成される。
【0020】
しかし、x<0.05のカルシウムの少量の含有は、SrSiO格子の形成に干渉せず、対応するユーロピウム―ドープされた発光体の湿度耐性の実質的な改善及びそれから製造されたLED寿命の相当な増加をもたらす。
【0021】
最終放射線負荷に対する向上した安定性及び大気湿度の影響に対する耐性を有する典型的な実施例に係るストロンチウムオキシオルトシリケート蛍光体は、一般式Sr3―x―y―zCaIISiO:Euによって表現することができ、カルシウムのモル分率xを0〜0.05の値にする一方、ユーロピウムのモル分率zに対して≦0.25の範囲の値にすることが典型的である。活性体の最適な濃度は、蛍光体の特定の使用条件に応じて異なり、実験的に容易に決定されてもよい。
【0022】
前記一般式で、MIIは、マグネシウム(Mg)、バリウム(Ba)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)及びマンガン(Mn)元素からなる群より選ばれた2価金属イオンを示し、これらのイオンは、母蛍光体格子内に選択的にさらに含有されてもよい。バリウムの場合、ストロンチウムに対して完全に置換することが可能であり、ストロンチウムに加えて含有される他の2価金属イオンの分率はy=0.5以下であってもよい。
【0023】
ユーロピウム(Eu)の他に、サマリウム(Sm)又はイットリウム(Yb)などの2価稀土類イオン、又は、例えば、セリウムイオン(Ce3+)などの特定の3価稀土類イオンが活性体として適している。
【0024】
発光性質及び安定性挙動を最適化する目的で、これらの蛍光体は、これらの組成物において追加的に変形されてもよい。したがって、例えば、シリコン(Si)は、ゲルマニウム(Ge)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、ホウ素(B)又はリン(P)に置換されてもよい。しかし、上述した特定の場合に電荷均衡を維持するための適切な措置が必要となり、これは、例えば、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)及びカリウム(K)などの1価陽イオン、又は、フルオリン(F)、塩素(Cl)、ブロム(Br)又はヨード(I)などの陰イオンを母格子内に追加的に含有させることを含んでもよい。
【0025】
一実施例において、最終放射線負荷の下における向上した安定性及び大気湿度の影響に対する耐性を有する蛍光体は、一般式Sr3―x―y―zCaBaSiO:Euを有し、ここで、モル分率は0<x≦0.05、0≦y≦0.5、及びz≦0.25である。
【0026】
高いエネルギ放射で励起すると、蛍光体は、それらの特定の化学的組成によってスペクトルの可視部分、好ましくは、560〜620nmの範囲内で放射する。Eu2+発光の励起は、220nmの紫外線で550nmの可視光線の範囲であり、これは、発光体が緑色光に励起されて黄色及びオレンジ色又は赤色光を発生させ得ることを意味する。また、強度が高く、技術的に使用可能な発光過程は、一実施例に係る非常に低いCa分率を有する蛍光体が電子ビーム、X線又はガンマ線によって照射されるときに発生する。
【0027】
一実施例に係る非常に低いCa分率を有する蛍光体は、イオン化ガンマ線、X線、電子ビーム、そして、紫外線、青色又は緑色光を黄色、オレンジ色及び赤色のスペクトル範囲内のより長い波長の可視光に変換させる放射線変換器として使用されてもよい。したがって、前記蛍光体は、多様な技術装置、例えば、陰極線管及び他の映像生成システム(スキャニングレーザービームシステム)、X線映像変換器、蛍光ランプ、及び有色又は白色の光を放射するLED、太陽電池又は温室シート及びガラスにおいて、単独で又は他の青色、緑色、黄色及び/又は赤色の放射蛍光体と組み合わせて、放射線変換器として多様に使用されてもよい。
【0028】
実施例に係る各蛍光体は、出発物質として使用されるアルカリ土類金属炭酸塩又は対応する酸化物と微細に分割されたSiOとの間の選択的な多段階高温固相反応に基づいて製造される。反応を促進し、生成された各発光体の粒子サイズ分布を調節するために、例えば、NHCl、NHF、又は特定のアルカリ金属又はアルカリ土類金属フッ化物などの一定量のフラックス又はミネラル化添加剤を反応混合物に添加してもよい。これらの出発物質は、完全に混合された後、不活性又は還元雰囲気で1300〜1700℃の温度で1〜48時間焼成される。この主たる焼成段階は、蛍光体の性質を最適化させるために選択的に異なる温度範囲で複数の焼成段階を有してもよい。焼成工程が終了した後、サンプルは常温に冷却され、例えば、フラックス残留物の除去、表面欠陥の最小化又は粒子サイズ分布の精密な調整を目的とする適切な後処理工程を行う。微細に分割されたシリカの代わりに、窒化ケイ素(Si)をアルカリ土類金属化合物と反応するための反応体として代替的に使用してもよい。
【0029】
低いCa分率を有する蛍光体の製造に関する詳細な情報を以下に開示する。
【0030】
実施例1
【0031】
組成Sr2.9285Ca0.03Cu0.0015SiO:Eu0.04の低いCa分率を有する蛍光体を製造するために、432.4gのSrCO、3.0gのCaCO、0.12gのCuO、7.04gのEu2O3及び60.94gのSiOが出発物質として使用され、これに1.5gのNHFがフラックスとして添加される。完全に均質化された後、バッチ混合物が高温炉に配置されたコランダムるつぼに移される。ここで、固体混合物は、1200℃で3時間維持する第1の段階と、1550℃で5時間維持する第2の段階とを有する焼成形態で実行される。焼成は、1550℃ランプに到逹するまでは純粋な酸素中で行われ、1550℃段階は20%の水素を含むN/H混合ガス中で行われる。冷却された焼成材料の後処理は、ミリング、洗浄工程の実施及び最終生成物の乾燥及びスクリーニングを含む。
【0032】
実施例2
【0033】
本発明の組成Sr2.91Ca0.04Ba0.01SiO:Eu0.04のアルカリ土類金属オキシオルトシリケート蛍光体を製造するために、429.6gのSrCO、1.97gのBaCO、4.01gのCaCO、7.04gのEu、60.9gのSiO及び0.54gのNHClが完全に混合された後、20%の水素を有するN/H雰囲気で1380℃の温度で6時間焼成される。焼成過程が終了した後、焼成された材料はミリングによって均質化され、その後、少なくとも5%の水素濃度を有する低減されたN/H雰囲気で1350℃で再び2時間熱処理を行う。合成された蛍光体サンプルの最終後処理は、実施例1に記載された方式で行われる。
【0034】
図1は、添加されたカルシウムの分率が互いに異なるユーロピウム―活性ストロンチウムオキシオルトシリケート蛍光体のX線回折ダイヤグラムを示す。回折ダイヤグラム1は、比較物質Sr2.95Ba0.01Eu0.04SiOに関する。回折ダイヤグラム2は、SrSiO蛍光体Sr2.95Ba0.01Ca0.02Eu0.04SiOに適用される。回折ダイヤグラム3は、SrSiO蛍光体Sr2.8Ba0.01Ca0.15Eu0.04SiOを示す。前記ダイヤグラムにおいて、各矢印は、SrSiOの外部相構造の反射特性を示す。
【0035】
図2は、選択的に非常に低いカルシウムの比率を有する発光体及び比較物質の放射スペクトルを示す。比較物質Sr2.95Ba0.01Eu0.04SiOはスペクトル1を有する。SrSiO蛍光体Sr2.95Ba0.01Ca0.02Eu0.04SiOのスペクトルは2であることを特徴とし、SrSiO蛍光体Sr2.8Ba0.01Ca0.15Eu0.04SiOのスペクトルは3であることを特徴とする。
【0036】
純粋なSrSiOの場合、及びx=0.05のカルシウムのモル分率を有するSr3―x―y―zCaBa0.01SiO母格子の場合のいずれにおいても、各文献で公知となったSrSiO構造類型の反射のみが回折図に表れ、カルシウム置換された物質の回折角度は、予想どおりに純粋なSrSiO相の回折角度に対して相対的にやや移動する。対照的に、x=0.1のカルシウム分率を有するSr3―x―y―zCaBa0.01SiO:Eu蛍光体の製造物において、その物質の回折図は、SrSiO形態のオルトシリケート化合物に対して特徴的な反射がSrSiO相に対する反射に加えて高強度で得られたことを示す。
【0037】
図3は、実施例1に記述した一連の製造方法と類似する方法で合成され、カルシウム量が増加してSrSiO基質に含有される一連の化合物の分率ダイヤグラムから計算された、異なる結晶相の分率及び格子定数を列挙する。図3に示したように、さらなるカルシウムの増加は、最初は原則的にSrSiO相の格子定数の減少につながるが、本発明に係るx<0.05のカルシウムのモル分率を有する発光体に対して対応する値は互いにやや異なっている。公知となった文献の値及び基準材料の格子定数から、より大きな偏差はx>0.05のカルシウム含有の場合のみに発生する。
【0038】
しかし、増加したカルシウム濃度の効力は、格子定数のさらなる減少に限定されない。増加したカルシウム添加の場合、結果として生じる各材料のパーセンテージ相組成において図3に列挙されたデータが示すとおり、SrSiO及びSrSiO相の混合物がカルシウム分率の増加に伴って増加するように形成されるが、SrSiO構造類型のオキシオルトシリケートの代わりにオルトシリケート相の分率は、x=0.1のカルシウム分率である場合において全体の混合物に対して既に42%である。
【0039】
図3から、カルシウムを含まない基準材料のみならず、本発明に係る低いカルシウム含有量を有するオキシオルトシリケート蛍光体が微量の対応するオルトシリケート外部相を有することも明らかである。この現象は公知となっており、対応する各焼成材料の冷却時の部分的な相変化に起因し得るが、これは、非常に多大な努力によって蛍光体の高温合成によれば排除することができる。しかし、オキシオルトシリケート発光体の効率は、この外部相の極端に小さな分率によって影響を受けないことが証明されたものと見なすことができる。
【0040】
本実施例に係る各蛍光体の発光効率及びその温度依存性は、いずれも商業的に入手可能なSrSiO:Eu蛍光体に比べて劣っていない。
【0041】
対応する測定値において図4に列挙した結果によって立証されるように、同等な又はより高い発光出力を有する蛍光体を実施例1及び2において説明した製造方法に基づいて製造することができる。
【0042】
前記蛍光体の場合、カルシウム含有量の増加によって放射最大値でより大きな波長への少量の移動が初期に発見される。これは、格子定数の減少のために増加する結晶フィールド(crystal field)のためであり得る。結晶学的な発見とともに、このような発光体の光学的パラメータの移動は、本発明に係る添加されたカルシウムの量が説明された濃度範囲内で実際にSrSiO格子に含有されたことを示す信頼できる指標である。
【0043】
一方、x=0.05の領域を超えるカルシウム添加は、シリケート混合相をもたらすが、この発光性質は、効率の減少、放射スペクトルの拡大、及び温度安定性の減少を特徴とする。これは、本発明に係る低いカルシウム分率を有する蛍光体の放射スペクトルを、基準材料及びカルシウムが多く混合された相と比較している図2からも明らかである。
【0044】
各材料の湿度安定性を評価するために、該当する蛍光体サンプルがコンディショニングされたチャンバで温度85℃及び相対湿度85%で7日間貯蔵される。その後、各発光体が150℃で乾燥され、その後、発光収率の比較測定が行われる。そのような検査の典型的な結果が図5に列挙されている。図5のデータは、商業的に入手可能なSrSiO:Eu及び参考目的で製造された(Sr2.95Ba0.01Eu0.04)SiO蛍光体が、いずれも湿度雰囲気での貯蔵を含む前記の説明された過程後に元の発光効率の約70%のみを有することを示す。
【0045】
しかし、驚くべきことに、本実施例においてストロンチウムの小さな分率が選択的にカルシウムに置換されたSrSiO:Eu類型のユーロピウム―ドープされたオキシオルトシリケート蛍光体は、SrSiO構造の形成に悪影響を及ぼさないとともに、非常に向上した湿度耐性を有する。85℃/85%の相対湿度雰囲気で7日間貯蔵した後、90%以上の大きな発光収率、最適化されたサンプルの場合は95%以上の大きな発光効率を依然として示す。
【0046】
当業者にとって、本発明の思想及び範囲を逸脱しない限り、本発明に多様な変形及び修正をしてもよいことは明らかであろう。したがって、前記変形及び修正が請求項の範囲又はその均等物の範囲内にある場合、本発明は、前記変形例及び修正例を包括する。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
一般式Sr3―x―y―zCaIISiO:Euを含むシリケート蛍光体を含み、
前記MIIは、マグネシウム(Mg)、バリウム(Ba)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)及びマンガン(Mn)のうちの少なくとも一つを含む2価金属イオンであり、
0≦x≦0.05、
0≦y≦0.5、及び
0<z≦0.25である蛍光体。
【請求項2】
前記一般式Sr3―x―y―zCaIISiO:Euにおいて、SrがBaに完全に置換された、請求項1に記載の蛍光体。
【請求項3】
一般式Sr3―x―y―zCaIISiO:Dを含み、
前記MIIは、マグネシウム(Mg)、バリウム(Ba)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)及びマンガン(Mn)のうちの少なくとも一つを含む2価金属イオンであり、
Dは、ユーロピウム(Eu)、サマリウム(Sm)、イットリウム(Yb)及びセリウム(Ce)のうちの少なくとも一つを含む活性体であり、
0≦x≦0.05、
0≦y≦0.5、及び
0<z≦0.25である蛍光体。
【請求項4】
前記一般式Sr3―x―y―zCaIISiO:Dにおいて、SrがBaに完全に置換された、請求項3に記載の蛍光体。
【請求項5】
前記一般式Sr3―x―y―zCaIISiO:Euにおいて、シリコン(Si)がゲルマニウム(Ge)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、ボロン(B)及びリン(P)のうちの少なくとも一つに置換された、請求項3に記載の蛍光体。
【請求項6】
リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、フルオリン(F)、塩素(Cl)、ブロム(Br)及びヨード(I)のうちの少なくとも一つをさらに含む、請求項5に記載の蛍光体。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公表番号】特表2013−515129(P2013−515129A)
【公表日】平成25年5月2日(2013.5.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−545834(P2012−545834)
【出願日】平成22年8月30日(2010.8.30)
【国際出願番号】PCT/KR2010/005836
【国際公開番号】WO2011/078464
【国際公開日】平成23年6月30日(2011.6.30)
【出願人】(507194969)ソウル セミコンダクター カンパニー リミテッド (66)
【住所又は居所原語表記】148−29,Gasan−dong,Geumcheon−gu,Seoul,Republic of Korea
【出願人】(511306952)ライテック−エルピー ゲーエムベーハー (2)
【Fターム(参考)】