発光素子、その製造方法およびそれを用いる発光方法
本発明は、発光基体；および当該発光基体の表面上に形成される、金属微細組織を有する金属層；を含む発光素子を提供し、この際、発光基体は組成Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂである発光材料を含む。本発明はまた、当該発光素子の製造方法および発光方法を提供する。本発明に係る発光素子は、発光の均一性が高い、発光の効率が高い、発光の安定性が良好であり、および構造が簡単であり、超高輝度の発光デバイスに応用することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光材料に関する。具体的に、ガラス基材の発光材料を有する発光素子、その製造方法および発光方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
伝統的な発光基体の材料として、蛍光体、ナノクリスタルおよびガラスなどが挙げられる。クリスタルおよび蛍光体に対して、ガラスは、透明性、耐久性、良好な化学安定性および優れた光学性質を持つ。さらに、ガラスは、より加工し易く、様々な形状や大きさが異なる製品に加工しうる。例えば、形状またはサイズが異なる表示装置または照明の光源が挙げられる。
【０００３】
例えば、真空マイクロエレクトロニクス領域において、電界放出デバイスは通常、ガラスを発光体として用いる。電界放出デバイスは、照明および表示の技術領域において、大きな可能性を示し、国内外の研究機関に多くの注目を集めている。電界放出デバイスの原理とは、真空中で、陽極が、加速電界を形成するために、電界放出陰極アレイ（Ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓｉｖｅ ａｒｒａｙｓ、ＦＥＡｓ）に正電圧を印加し、陰極から放出された電子は高速で陽極基板上の発光材料にぶつかることによって発光することである。電界放出デバイスは、動作温度範囲が広く（−４０℃〜８０℃）、応答時間が短く（＜１ｍｓ）、構造が簡単であり、電力消費が少なく、グリーン環境保護の要件に満たしている。さらに、蛍光体、発光ガラス、発光フィルム等の材料は、電界放出デバイス中の発光材料として用いることができる。しかしながら、それらは、本質的に発光効率が低いという問題があるため、電界放出デバイスへの応用に制限されてしまい、特に照明領域への応用が制限されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発明の開示
本発明は、発光の均一性が高い、発光の効率が高い、安定性が優れる、構造が簡単な発光素子、および製造工程が簡単で、低コストの発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
本発明はまた、操作簡単で、安全性があり、発光材料の発光効率を大きく向上させる発光素子の発光方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の発光素子は、発光基体を含む。前記発光基体の表面に、金属微細組織を有する金属層が形成される。前記発光基体は、化学組成がＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂである発光材料を含む。
【０００７】
本発明による発光素子の製造方法は以下の工程を含む：
化学組成がＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂである発光材料を含む発光基体を製造し；
前記発光基体の表面に金属層を形成し；および
前記発光基体および金属層を真空焼き鈍し処理を行うことによって、前記金属層が金属微細組織を形成し、冷却することによって前記発光素子を形成する。
【０００８】
また、本発明による発光素子の発光方法は以下の工程を含む：
上述の発光素子の製造方法に従って発光素子を得て；および
前記金属層に対して陰極線を発射し、当該陰極線の励起によって前記金属層と前記発光ガラスとの間に表面プラズモンが形成されることによって、発光ガラスを発光させる。
【発明の効果】
【０００９】
上述した発光素子において、微細構造を有する金属層を発光基体上に設置し、陰極線照射の下で当該金属層と発光基体との間の界面に表面プラズモンが形成される。表面プラズモン現象を介して、発光基体の内部量子効率が大幅に向上される。すなわち、発光ガラスの自然放出が増加する。したがって、発光基体の発光効率が大幅に向上することによって、発光材料の低発光効率であるという課題を解決することができる。したがって、発光素子の発光方法において、金属層に対して陰極線を発射するだけで、金属層と発光基体との間に表面プラズモンが形成されるため、発光基体の発光効率を向上させることができ、発光の安定性の向上につながる。発光素子は、発光基体と金属層とを含み、構造が簡単である。また、発光基体と金属層との間に均一的な界面が形成されるため、優れた発光均一性および安定性を達成することが可能となる。発光素子の発光方法において、金属層に対して陰極線を発射するだけで、金属層と発光基体との間に表面プラズモンが形成されるため、発光基体の発光効率を向上させることができ、発光の安定性を高めることが可能となる。
【００１０】
上述した発光素子の製造方法において、発光ガラス上に金属層を形成するだけで、その後焼き鈍し処理を経て、前記発光素子を得ることができる。したがって、当該製造方法は、製造工程が簡単であり、低コストであり、幅広い生産性および応用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例に係る発光素子の構造の概略図である。
【図２】本発明の実施例に係る発光素子の製造方法のフローチャートである。
【図３】本発明の実施例に係る発光素子の発光方法のフローチャートである。
【図４】実施例１の発光素子の発光スペクトルと金属層を含まない発光ガラスの発光スペクトルとの比較図（電子線を加速電圧５ＫＶで照射した時の発光スペクトル）である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の目的、技術手段および発明の効果をより明白するために、本発明の実施形態とともに図面および実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。ただし、以下に示す具体的な実施例は、本発明をより明白に解釈するためであって、本発明が以下のものに限定されないことは理解すべきである。
【００１３】
図１は、本発明の実施例に係る発光素子１０の概略図を示す。発光素子１０は、発光基体１３および発光基体１３の表面に設置される金属層１４を含む。金属層１４は金属微細組織を有する。当該微細構造は、場合によって、マイクロナノ構造とも称する。さらに、当該金属微細組織は、非周期的であり、すなわち、不規則的に並ぶ金属から構成される。
【００１４】
本発明の一実施形態において、発光基体１３は、発光材料Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂを含有する発光ガラスであってもよい。前記ガラスの組成および当該組成のモル部は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である。当該ガラスは、本明細書で記述するガラス材料に限らず、低融点のガラス粉末を用いる。この際、発光材料Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂは、発光基体中における質量パーセントが５％〜３５％である。
【００１５】
本発明の他の実施形態において、発光基体１３は、透明または半透明の基板と、当該基板上に形成される、化学組成がＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂである発光フィルムとを含み、金属層１４は当該発光フィルム表面上に形成される。
【００１６】
この際、金属層１４は、例えば酸化腐食され難い金属などの化学的に安定な金属から形成されてもよく、汎用金属から形成されてもよい。金、銀、アルミニウム、銅、チタン、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、白金、パラジウム、マグネシウム、および亜鉛中からなる群から選択される少なくとも１種類の金属から形成するのが好ましく、金、銀およびアルミニウム中から選択される少なくとも１種類の金属から形成することがより好ましい。また、金属層１４の金属は、上記例挙した金属を単独で用いてもよく、それらの複合金属であってもよい。複合金属は、上記例挙した金属の２種類以上の合金であってもよい、例えば、金属層１４は、銀−アルミニウム合金層または金−アルミニウム合金層であってもよく、この際、銀または金の重量部は好適には７０％以上である。金属層１４の厚さは、好ましくは０．５ｎｍ〜２００ｎｍであり、より好ましくは１ｎｍ〜１００ｎｍである。
【００１７】
発光素子として、上述の発光素子１０は、超高輝度および超高速動作の発光デバイスに幅広く応用することができる。例えば、発光素子１０は電界放出ディスプレイ、電界放出型光源、または広告用大型ディスプレイなど製品に応用される。電界放出ディスプレイを例として以下のように説明する。加速電界を形成するために、陽極が電解放出陰極に正の電圧を印加する。陰極が放出する電子、すなわち金属層１４に対して放出する陰極線１６は、微細構造を有する金属層１４と発光基体１３との間に、表面プラズモンを形成する。この表面プラズモン現象を介して、発光基体１３の内部量子効率が大幅に向上し、その結果、発光ガラスの自然放出を増加させることができる。したがって、発光基体の発光効率が大幅に向上されることによって、発光材料の低発光効率であるという課題を解決することができる。また、発光基体１３の表面に形成された金属層であるため、当該金属層と発光基体１３との間に均一な界面を形成することができ、発光の均一性を高めることができる。
【００１８】
図１および図２を参照して、本発明の実施例に係る発光素子の製造方法のフローチャートを説明する。当該製造方法は以下の工程を含む：
Ｓ０１：化学組成がＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂである発光材料を含む発光基体１３を製造する；
Ｓ０２：発光基体１３の表面に金属層１４を形成する；および
Ｓ０３：発光基体１３および金属層１４を真空焼き鈍し処理を行うことによって、金属層１４が金属微細組織を形成し、冷却することによって発光素子１０を形成する。
【００１９】
工程Ｓ０１において、上述した２種類の構造を有する発光基体１３（第１の構造は発光材料Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂを有する発光ガラスであり、第２の構造は基板上に化学組成がＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂである発光フィルムが形成されてなる。）に合わせて、それぞれの製造方法を説明する。第１の発光基体１３の製造方法は、以下の工程を含む：Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光材料とガラス粉末とを混合し、次いで１０００〜１３００℃の温度で溶融し、その後室温まで冷却し、発光材料Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂを有する発光ガラスを得る。この場合において、発光材料Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂも粉末状であり、ガラス粉末に対し、１：１９〜７：１３の質量比で混合し、混合後の発光材料Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂは、混合物全体に対して、５％〜３５％の質量パーセントを占める。次いで、混合物を１０００〜１３００℃の温度で溶融し、スチールプレートに流し込んで室温まで冷却し、望ましい基体１３を得る。溶融温度は好ましくは１２００℃である。
【００２０】
第２の発光基体の製造方法は、以下の工程を含む：半透明または透明基板を基板として選択し、当該基板上にＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを形成する。この際、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムは、マグネトロンスパッタリング、電子ビーム蒸着、化学気相成長法、分子線エピタキシー法、パルスレーザーアグレーション法または噴霧熱分解法などの方法を用いて、基板上に堆積し形成される。
【００２１】
前記の構成と類似して、ここでの金属層１４は、例えば酸化腐食され難い金属などの化学的に安定な金属から堆積して形成されてもよく、汎用金属から堆積して形成されてもよい。金、銀、アルミニウム、銅、チタン、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、白金、パラジウム、マグネシウム、および亜鉛中からなる群から選択される少なくとも１種類の金属から形成するのが好ましく、金、銀およびアルミニウム中から選択される少なくとも１種類の金属から形成することがより好ましい。工程Ｓ０２において、当該金属層１４は、上記の少なくとも１種類の金属が、スパッタリング法や蒸着法などに限らず、物理または化学気相成長法によって、発光基体１３の表面に形成してなる。金属層１４の厚さは、好ましくは０．５ｎｍ〜２００ｎｍであり、より好ましくは１ｎｍ〜１００ｎｍである。
【００２２】
工程Ｓ０３を具体的に以下のように説明する：発光基体１３の表面に金属層１４を形成された後に、５０℃〜６５０℃で真空焼き鈍し処理をし、焼き鈍し時間が５ｍｉｎ〜５ｈであり、その後室温まで自然冷却させる。この際、好ましい焼き鈍し温度は１００℃〜５００℃であり、焼き鈍し時間が１５ｍｉｎ〜３ｈである。
【００２３】
図１および図３を参照して、本発明の実施例に係る発光素子の発光方法のフローチャートを説明する。当該発光方法は以下の工程を含む：
Ｓ１１：上記の発光素子の製造方法に従って、発光素子１０を得る；
Ｓ１２：金属層１４に対して、陰極線１６を発射し、陰極線１６の励起によって、金属層１４と発光基体１３との間に表面プラズモンが形成されることによって、発光基体１３を発光させる。
【００２４】
発光素子１０は、前記の各種構造および組成などの特徴を有する。実際の応用において、工程Ｓ１２を実現するには、電界放出ディスプレイまたは照明の光源を用いて、真空環境で、陽極が電解放出陰極に正の電圧を印加し、加速電界を形成する。陰極が陰極線１６を放出する。この陰極線１６により励起され、電子ビームはまず金属層を透過し、発光基体１３の発光を誘発する。この一連の過程において、金属層１４と発光基体１３との界面に表面プラズモン現象が生じる。当該現象を介して、発光基体１３の内部量子効率が大幅に向上し、その結果、発光材料の自然放出を増加させることができる。したがって、発光材料の発光効率が大幅に向上する。
【００２５】
上述のように、発光基体１３は２種類の構造を有する。第１種類の構造において、電子ビームは金属層１４を透過し、発光ガラス中に存在するＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂの発光を誘発する。表面プラズモンがＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂを含有する発光ガラス表面と金属層１４との間に形成されることによって、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光材料の発光を促進する。第２種類の構造において、電子ビームは金属層１４を透過し、直接的にＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムの発光を誘発し、表面プラズモンがＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムと金属層１４との間に形成されることにより、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂの発光を促進する。
【００２６】
表面プラズモン（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ、ＳＰ）は、金属と媒体との界面に沿って伝播する波であり、その振幅が界面から離れるにつれ、指数関数的に減衰する。金属の表面構造が変更すると、表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎｓ、ＳＰＰｓ）の性質、分散関係、励起モード、カップリング効果などが大きく変化する。ＳＰＰｓによって引き起こされる電磁場は、光波がサブ波長スケールで伝播することを制限できるだけでなく、光周波数からマイクロ波帯までの電磁場放射を生じかつ制御することができ、光伝播の制御を実現する。したがって、本発明の実施例は、当該ＳＰＰｓの励起性能を利用して、発光基体の光学密度を増大し、その自然放出速度および効率を促進する；さらに、発光基体が発光する際に、表面プラズモンのカップリング効果を利用してカップリング共鳴が生じる。それによって、発光基体の内部量子効率が大幅に向上し、発光基体の発光効率が大幅に向上する。
【実施例】
【００２７】
以下、複数の実施例に基づき、本発明の発光素子の異なる組成、製造方法、および性能などについて例示的に説明するが、本発明は、係る実施例等に何ら限定されるものではない。また、本発明の精神および原則内における置き換えや改良などの行為は本発明の特許請求の範囲にあたる。
【００２８】
以下の各実施例において、市販のＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光材料を直接的に用いることができる。
【００２９】
実施例１
Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ蛍光粉体とガラス粉末（組成および当該組成のモル部は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である）とを１：４の質量比で混合し、溶融し、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光材料を含有する発光ガラスが得られた。次いで、マグネトロンスパッタ装置を用いて、当該発光ガラスの表面に、厚さが２ｎｍである金属銀層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、３００℃で、３０分間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例１の発光素子が得られた。
【００３０】
前記製造された発光素子の発光スペクトルを分析した。電子銃から生じた陰極線を当該発光元素に衝突させ、電子ビームが金属層を透過し、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂを含有する発光ガラスを発光させ、図４に示す発光スペクトルが得られた。図４のスペクトルは、発光材料が緑光の発光材料であることを示す。図４において、曲線１１は金属層不含の発光ガラスの発光スペクトルを示し、曲線１２は、本実施例１で製造された金属構成のある発光素子の発光スペクトルを示す。図４から、金属層と発光ガラスとの間に表面プラズモンが生じたため、本発明の金属構成を有する発光素子の３５０ｎｍ〜７００ｎｍにおける発光積分強度が金属層不含の発光ガラスの同範囲内の発光積分強度の４倍であり、本発明に係る発光素子の発光性能が大きく向上されることが分かった。
【００３１】
以下の各実施例において、得られた各発光素子の発光スペクトル、およびそれらから判断される発光強度効果ついては全て実施例１と類似しているため、当該記述を省略する。
【００３２】
実施例２
Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ蛍光粉体とガラス粉末（組成および当該組成のモル部は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である）とを１：１９の質量比で混合し、溶融し、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光材料を含有する発光ガラスが得られた。次いで、マグネトロンスパッタ装置を用いて、当該発光ガラスの表面に、厚さが０．５ｎｍである金属金層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、２００℃で、１時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例２の発光素子が得られた。
【００３３】
実施例３
Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ蛍光粉体とガラス粉末（組成および当該組成のモル部は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である）とを７：１３の質量比で混合し、溶融し、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光材料を含有する発光ガラスが得られた。次いで、マグネトロンスパッタ装置を用いて、当該発光ガラスの表面に、厚さが２００ｎｍである金属アルミニウム層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、５００℃で、５時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例３の発光素子が得られた。
【００３４】
実施例４
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨したサファイア基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが１００ｎｍの金属マグネシウム層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、６５０℃で、５分間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例４の発光素子が得られた。
【００３５】
実施例５
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した酸化マグネシウム基板上に、分子線エピタキシー法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが１ｎｍの金属パラジウム層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、１００℃で、３時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例５の発光素子が得られた。
【００３６】
実施例６
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した酸化マグネシウム基板上に、噴霧熱分解法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが５ｎｍの金属白金層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、４５０℃で、１５分間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例６の発光素子が得られた。
【００３７】
実施例７
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した石英基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが２０ｎｍの金属鉄層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、５０℃で、５時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例７の発光素子が得られた。
【００３８】
実施例８
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した石英基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが１０ｎｍの金属チタン層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、１５０℃で、２時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例８の発光素子が得られた。
【００３９】
実施例９
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した石英基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが５０ｎｍの金属銅層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、２００℃で、２．５時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例９の発光素子が得られた。
【００４０】
実施例１０
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した石英基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが１５０ｎｍの金属亜鉛層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、３５０℃で、０．５時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例１０の発光素子が得られた。
【００４１】
実施例１１
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した石英基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが１２０ｎｍの金属クロム層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、２５０℃で、２時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例１１の発光素子が得られた。
【００４２】
実施例１２
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した石英基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが４０ｎｍの金属ニッケル層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、８０℃で、４時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例１２の発光素子が得られた。
【００４３】
実施例１３
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した石英基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが１８０ｎｍの金属コバルト層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、４００℃で、１時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例１３の発光素子が得られた。
実施例１４
Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ蛍光粉体とガラス粉末（組成および当該組成のモル部は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である）とを３：１７の質量比で混合し、溶融し、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光材料を含有する発光ガラスが得られた。次いで、マグネトロンスパッタ装置を用いて、当該発光ガラスの表面に、厚さが０．５ｎｍである金属金−アルミニウム層を堆積して形成した。この際、金−アルミニウム層において、金およびアルミニウムはそれぞれ約８０質量％および約２０質量％である。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、２００℃で、１時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例１４の発光素子が得られた。
実施例１５
Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ蛍光粉体とガラス粉末（組成および当該組成のモル部は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である）とを３：７の質量比で混合し、溶融し、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光材料を含有する発光ガラスが得られた。次いで、マグネトロンスパッタ装置を用いて、当該発光ガラスの表面に、厚さが１５ｎｍである金属銀−アルミニウム層を堆積して形成した。この際、銀−アルミニウム層において、銀およびアルミニウムはそれぞれ約９０質量％および約１０質量％である。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、２００℃で、１時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例１５の発光素子が得られた。
【００４４】
実施例１６
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した石英基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが１０ｎｍの金属銀−アルミニウム層を堆積して形成した。この際、銀−アルミニウム層において、銀およびアルミニウムはそれぞれ約８０質量％および約２０質量％である。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、１５０℃で、２時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例１６の発光素子が得られた。
【００４５】
実施例１６
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した酸化マグネシウム基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが１０ｎｍの金属金−アルミニウム層を堆積して形成した。この際、金−アルミニウム層において、金およびアルミニウムはそれぞれ約９０質量％および約１０質量％である。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、１５０℃で、２時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例１７の発光素子が得られた。
【００４６】
上述の各実施例において、微細組織を有する金属層１４を発光基体１３に設置し、当該金属層１４が陰極線を照射されることにより発光基体１３との界面に表面プラズモンを形成することができる。当該表面プラズモンの効果に起因して、発光基体１３の内部量子効率が大幅に向上する。したがって、発光材料の自然放出を増加させることができる。故に、発光材料の発光効率が大幅に向上する。したがって、発光材料の発光効率が低いという課題を解決することができる。発光素子１０は、発光性基体１３および金属層１４を含む単純な二層構造を有する。加えて、発光性基材１３と金属層１４との間に均一な界面が形成され、その結果、優れた発光の均一性および安定性が達成される。発光素子の発光方法において、金属層１４に対して陰極線を発射するだけで、金属層１４と発光基体１３との間に表面プラズモンが形成される。これによって、発光基体１３の発光効率が向上し、発光の安定性を高めることができる。
【００４７】
本発明の実施例に開示される発光素子の製造方法において、金属層１４を発光基体１３に形成させるだけで、その後焼き鈍しを行うことによって、望ましい発光素子１０を得ることができる。当該製造方法は、製造工程が簡単であり、幅広く生産応用が可能であり、特に、例えば電界放出ディスプレイなどの超高輝度および超高速動作の発光デバイスに応用できる。
【００４８】
以上の実施例は本発明の好ましい実施例であり、本発明を限定されない。また、本発明の精神および原則内における置き換えや改良などの行為は本発明の特許請求の範囲にあたる。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 発光素子
１３ 発光基体
１４ 金属層
１６ 陰極線
１１ 金属層を含まない発光ガラスの発光スペクトル
１２ 実施例１の発光素子の発光スペクトル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光材料に関する。具体的に、ガラス基材の発光材料を有する発光素子、その製造方法および発光方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
伝統的な発光基体の材料として、蛍光体、ナノクリスタルおよびガラスなどが挙げられる。クリスタルおよび蛍光体に対して、ガラスは、透明性、耐久性、良好な化学安定性および優れた光学性質を持つ。さらに、ガラスは、より加工し易く、様々な形状や大きさが異なる製品に加工しうる。例えば、形状またはサイズが異なる表示装置または照明の光源が挙げられる。
【０００３】
例えば、真空マイクロエレクトロニクス領域において、電界放出デバイスは通常、ガラスを発光体として用いる。電界放出デバイスは、照明および表示の技術領域において、大きな可能性を示し、国内外の研究機関に多くの注目を集めている。電界放出デバイスの原理とは、真空中で、陽極が、加速電界を形成するために、電界放出陰極アレイ（Ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓｉｖｅ ａｒｒａｙｓ、ＦＥＡｓ）に正電圧を印加し、陰極から放出された電子は高速で陽極基板上の発光材料にぶつかることによって発光することである。電界放出デバイスは、動作温度範囲が広く（−４０℃〜８０℃）、応答時間が短く（＜１ｍｓ）、構造が簡単であり、電力消費が少なく、グリーン環境保護の要件に満たしている。さらに、蛍光体、発光ガラス、発光フィルム等の材料は、電界放出デバイス中の発光材料として用いることができる。しかしながら、それらは、本質的に発光効率が低いという問題があるため、電界放出デバイスへの応用に制限されてしまい、特に照明領域への応用が制限されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発明の開示
本発明は、発光の均一性が高い、発光の効率が高い、安定性が優れる、構造が簡単な発光素子、および製造工程が簡単で、低コストの発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
本発明はまた、操作簡単で、安全性があり、発光材料の発光効率を大きく向上させる発光素子の発光方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の発光素子は、発光基体を含む。前記発光基体の表面に、金属微細組織を有する金属層が形成される。前記発光基体は、化学組成がＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂである発光材料を含む。
【０００７】
本発明による発光素子の製造方法は以下の工程を含む：
化学組成がＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂである発光材料を含む発光基体を製造し；
前記発光基体の表面に金属層を形成し；および
前記発光基体および金属層を真空焼き鈍し処理を行うことによって、前記金属層が金属微細組織を形成し、冷却することによって前記発光素子を形成する。
【０００８】
また、本発明による発光素子の発光方法は以下の工程を含む：
上述の発光素子の製造方法に従って発光素子を得て；および
前記金属層に対して陰極線を発射し、当該陰極線の励起によって前記金属層と前記発光ガラスとの間に表面プラズモンが形成されることによって、発光ガラスを発光させる。
【発明の効果】
【０００９】
上述した発光素子において、微細構造を有する金属層を発光基体上に設置し、陰極線照射の下で当該金属層と発光基体との間の界面に表面プラズモンが形成される。表面プラズモン現象を介して、発光基体の内部量子効率が大幅に向上される。すなわち、発光ガラスの自然放出が増加する。したがって、発光基体の発光効率が大幅に向上することによって、発光材料の低発光効率であるという課題を解決することができる。したがって、発光素子の発光方法において、金属層に対して陰極線を発射するだけで、金属層と発光基体との間に表面プラズモンが形成されるため、発光基体の発光効率を向上させることができ、発光の安定性の向上につながる。発光素子は、発光基体と金属層とを含み、構造が簡単である。また、発光基体と金属層との間に均一的な界面が形成されるため、優れた発光均一性および安定性を達成することが可能となる。発光素子の発光方法において、金属層に対して陰極線を発射するだけで、金属層と発光基体との間に表面プラズモンが形成されるため、発光基体の発光効率を向上させることができ、発光の安定性を高めることが可能となる。
【００１０】
上述した発光素子の製造方法において、発光ガラス上に金属層を形成するだけで、その後焼き鈍し処理を経て、前記発光素子を得ることができる。したがって、当該製造方法は、製造工程が簡単であり、低コストであり、幅広い生産性および応用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例に係る発光素子の構造の概略図である。
【図２】本発明の実施例に係る発光素子の製造方法のフローチャートである。
【図３】本発明の実施例に係る発光素子の発光方法のフローチャートである。
【図４】実施例１の発光素子の発光スペクトルと金属層を含まない発光ガラスの発光スペクトルとの比較図（電子線を加速電圧５ＫＶで照射した時の発光スペクトル）である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の目的、技術手段および発明の効果をより明白するために、本発明の実施形態とともに図面および実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。ただし、以下に示す具体的な実施例は、本発明をより明白に解釈するためであって、本発明が以下のものに限定されないことは理解すべきである。
【００１３】
図１は、本発明の実施例に係る発光素子１０の概略図を示す。発光素子１０は、発光基体１３および発光基体１３の表面に設置される金属層１４を含む。金属層１４は金属微細組織を有する。当該微細構造は、場合によって、マイクロナノ構造とも称する。さらに、当該金属微細組織は、非周期的であり、すなわち、不規則的に並ぶ金属から構成される。
【００１４】
本発明の一実施形態において、発光基体１３は、発光材料Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂを含有する発光ガラスであってもよい。前記ガラスの組成および当該組成のモル部は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である。当該ガラスは、本明細書で記述するガラス材料に限らず、低融点のガラス粉末を用いる。この際、発光材料Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂは、発光基体中における質量パーセントが５％〜３５％である。
【００１５】
本発明の他の実施形態において、発光基体１３は、透明または半透明の基板と、当該基板上に形成される、化学組成がＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂである発光フィルムとを含み、金属層１４は当該発光フィルム表面上に形成される。
【００１６】
この際、金属層１４は、例えば酸化腐食され難い金属などの化学的に安定な金属から形成されてもよく、汎用金属から形成されてもよい。金、銀、アルミニウム、銅、チタン、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、白金、パラジウム、マグネシウム、および亜鉛中からなる群から選択される少なくとも１種類の金属から形成するのが好ましく、金、銀およびアルミニウム中から選択される少なくとも１種類の金属から形成することがより好ましい。また、金属層１４の金属は、上記例挙した金属を単独で用いてもよく、それらの複合金属であってもよい。複合金属は、上記例挙した金属の２種類以上の合金であってもよい、例えば、金属層１４は、銀−アルミニウム合金層または金−アルミニウム合金層であってもよく、この際、銀または金の重量部は好適には７０％以上である。金属層１４の厚さは、好ましくは０．５ｎｍ〜２００ｎｍであり、より好ましくは１ｎｍ〜１００ｎｍである。
【００１７】
発光素子として、上述の発光素子１０は、超高輝度および超高速動作の発光デバイスに幅広く応用することができる。例えば、発光素子１０は電界放出ディスプレイ、電界放出型光源、または広告用大型ディスプレイなど製品に応用される。電界放出ディスプレイを例として以下のように説明する。加速電界を形成するために、陽極が電解放出陰極に正の電圧を印加する。陰極が放出する電子、すなわち金属層１４に対して放出する陰極線１６は、微細構造を有する金属層１４と発光基体１３との間に、表面プラズモンを形成する。この表面プラズモン現象を介して、発光基体１３の内部量子効率が大幅に向上し、その結果、発光ガラスの自然放出を増加させることができる。したがって、発光基体の発光効率が大幅に向上されることによって、発光材料の低発光効率であるという課題を解決することができる。また、発光基体１３の表面に形成された金属層であるため、当該金属層と発光基体１３との間に均一な界面を形成することができ、発光の均一性を高めることができる。
【００１８】
図１および図２を参照して、本発明の実施例に係る発光素子の製造方法のフローチャートを説明する。当該製造方法は以下の工程を含む：
Ｓ０１：化学組成がＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂである発光材料を含む発光基体１３を製造する；
Ｓ０２：発光基体１３の表面に金属層１４を形成する；および
Ｓ０３：発光基体１３および金属層１４を真空焼き鈍し処理を行うことによって、金属層１４が金属微細組織を形成し、冷却することによって発光素子１０を形成する。
【００１９】
工程Ｓ０１において、上述した２種類の構造を有する発光基体１３（第１の構造は発光材料Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂを有する発光ガラスであり、第２の構造は基板上に化学組成がＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂである発光フィルムが形成されてなる。）に合わせて、それぞれの製造方法を説明する。第１の発光基体１３の製造方法は、以下の工程を含む：Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光材料とガラス粉末とを混合し、次いで１０００〜１３００℃の温度で溶融し、その後室温まで冷却し、発光材料Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂを有する発光ガラスを得る。この場合において、発光材料Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂも粉末状であり、ガラス粉末に対し、１：１９〜７：１３の質量比で混合し、混合後の発光材料Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂは、混合物全体に対して、５％〜３５％の質量パーセントを占める。次いで、混合物を１０００〜１３００℃の温度で溶融し、スチールプレートに流し込んで室温まで冷却し、望ましい基体１３を得る。溶融温度は好ましくは１２００℃である。
【００２０】
第２の発光基体の製造方法は、以下の工程を含む：半透明または透明基板を基板として選択し、当該基板上にＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを形成する。この際、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムは、マグネトロンスパッタリング、電子ビーム蒸着、化学気相成長法、分子線エピタキシー法、パルスレーザーアグレーション法または噴霧熱分解法などの方法を用いて、基板上に堆積し形成される。
【００２１】
前記の構成と類似して、ここでの金属層１４は、例えば酸化腐食され難い金属などの化学的に安定な金属から堆積して形成されてもよく、汎用金属から堆積して形成されてもよい。金、銀、アルミニウム、銅、チタン、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、白金、パラジウム、マグネシウム、および亜鉛中からなる群から選択される少なくとも１種類の金属から形成するのが好ましく、金、銀およびアルミニウム中から選択される少なくとも１種類の金属から形成することがより好ましい。工程Ｓ０２において、当該金属層１４は、上記の少なくとも１種類の金属が、スパッタリング法や蒸着法などに限らず、物理または化学気相成長法によって、発光基体１３の表面に形成してなる。金属層１４の厚さは、好ましくは０．５ｎｍ〜２００ｎｍであり、より好ましくは１ｎｍ〜１００ｎｍである。
【００２２】
工程Ｓ０３を具体的に以下のように説明する：発光基体１３の表面に金属層１４を形成された後に、５０℃〜６５０℃で真空焼き鈍し処理をし、焼き鈍し時間が５ｍｉｎ〜５ｈであり、その後室温まで自然冷却させる。この際、好ましい焼き鈍し温度は１００℃〜５００℃であり、焼き鈍し時間が１５ｍｉｎ〜３ｈである。
【００２３】
図１および図３を参照して、本発明の実施例に係る発光素子の発光方法のフローチャートを説明する。当該発光方法は以下の工程を含む：
Ｓ１１：上記の発光素子の製造方法に従って、発光素子１０を得る；
Ｓ１２：金属層１４に対して、陰極線１６を発射し、陰極線１６の励起によって、金属層１４と発光基体１３との間に表面プラズモンが形成されることによって、発光基体１３を発光させる。
【００２４】
発光素子１０は、前記の各種構造および組成などの特徴を有する。実際の応用において、工程Ｓ１２を実現するには、電界放出ディスプレイまたは照明の光源を用いて、真空環境で、陽極が電解放出陰極に正の電圧を印加し、加速電界を形成する。陰極が陰極線１６を放出する。この陰極線１６により励起され、電子ビームはまず金属層を透過し、発光基体１３の発光を誘発する。この一連の過程において、金属層１４と発光基体１３との界面に表面プラズモン現象が生じる。当該現象を介して、発光基体１３の内部量子効率が大幅に向上し、その結果、発光材料の自然放出を増加させることができる。したがって、発光材料の発光効率が大幅に向上する。
【００２５】
上述のように、発光基体１３は２種類の構造を有する。第１種類の構造において、電子ビームは金属層１４を透過し、発光ガラス中に存在するＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂの発光を誘発する。表面プラズモンがＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂを含有する発光ガラス表面と金属層１４との間に形成されることによって、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光材料の発光を促進する。第２種類の構造において、電子ビームは金属層１４を透過し、直接的にＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムの発光を誘発し、表面プラズモンがＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムと金属層１４との間に形成されることにより、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂの発光を促進する。
【００２６】
表面プラズモン（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ、ＳＰ）は、金属と媒体との界面に沿って伝播する波であり、その振幅が界面から離れるにつれ、指数関数的に減衰する。金属の表面構造が変更すると、表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎｓ、ＳＰＰｓ）の性質、分散関係、励起モード、カップリング効果などが大きく変化する。ＳＰＰｓによって引き起こされる電磁場は、光波がサブ波長スケールで伝播することを制限できるだけでなく、光周波数からマイクロ波帯までの電磁場放射を生じかつ制御することができ、光伝播の制御を実現する。したがって、本発明の実施例は、当該ＳＰＰｓの励起性能を利用して、発光基体の光学密度を増大し、その自然放出速度および効率を促進する；さらに、発光基体が発光する際に、表面プラズモンのカップリング効果を利用してカップリング共鳴が生じる。それによって、発光基体の内部量子効率が大幅に向上し、発光基体の発光効率が大幅に向上する。
【実施例】
【００２７】
以下、複数の実施例に基づき、本発明の発光素子の異なる組成、製造方法、および性能などについて例示的に説明するが、本発明は、係る実施例等に何ら限定されるものではない。また、本発明の精神および原則内における置き換えや改良などの行為は本発明の特許請求の範囲にあたる。
【００２８】
以下の各実施例において、市販のＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光材料を直接的に用いることができる。
【００２９】
実施例１
Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ蛍光粉体とガラス粉末（組成および当該組成のモル部は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である）とを１：４の質量比で混合し、溶融し、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光材料を含有する発光ガラスが得られた。次いで、マグネトロンスパッタ装置を用いて、当該発光ガラスの表面に、厚さが２ｎｍである金属銀層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、３００℃で、３０分間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例１の発光素子が得られた。
【００３０】
前記製造された発光素子の発光スペクトルを分析した。電子銃から生じた陰極線を当該発光元素に衝突させ、電子ビームが金属層を透過し、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂを含有する発光ガラスを発光させ、図４に示す発光スペクトルが得られた。図４のスペクトルは、発光材料が緑光の発光材料であることを示す。図４において、曲線１１は金属層不含の発光ガラスの発光スペクトルを示し、曲線１２は、本実施例１で製造された金属構成のある発光素子の発光スペクトルを示す。図４から、金属層と発光ガラスとの間に表面プラズモンが生じたため、本発明の金属構成を有する発光素子の３５０ｎｍ〜７００ｎｍにおける発光積分強度が金属層不含の発光ガラスの同範囲内の発光積分強度の４倍であり、本発明に係る発光素子の発光性能が大きく向上されることが分かった。
【００３１】
以下の各実施例において、得られた各発光素子の発光スペクトル、およびそれらから判断される発光強度効果ついては全て実施例１と類似しているため、当該記述を省略する。
【００３２】
実施例２
Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ蛍光粉体とガラス粉末（組成および当該組成のモル部は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である）とを１：１９の質量比で混合し、溶融し、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光材料を含有する発光ガラスが得られた。次いで、マグネトロンスパッタ装置を用いて、当該発光ガラスの表面に、厚さが０．５ｎｍである金属金層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、２００℃で、１時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例２の発光素子が得られた。
【００３３】
実施例３
Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ蛍光粉体とガラス粉末（組成および当該組成のモル部は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である）とを７：１３の質量比で混合し、溶融し、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光材料を含有する発光ガラスが得られた。次いで、マグネトロンスパッタ装置を用いて、当該発光ガラスの表面に、厚さが２００ｎｍである金属アルミニウム層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、５００℃で、５時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例３の発光素子が得られた。
【００３４】
実施例４
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨したサファイア基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが１００ｎｍの金属マグネシウム層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、６５０℃で、５分間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例４の発光素子が得られた。
【００３５】
実施例５
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した酸化マグネシウム基板上に、分子線エピタキシー法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが１ｎｍの金属パラジウム層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、１００℃で、３時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例５の発光素子が得られた。
【００３６】
実施例６
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した酸化マグネシウム基板上に、噴霧熱分解法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが５ｎｍの金属白金層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、４５０℃で、１５分間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例６の発光素子が得られた。
【００３７】
実施例７
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した石英基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが２０ｎｍの金属鉄層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、５０℃で、５時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例７の発光素子が得られた。
【００３８】
実施例８
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した石英基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが１０ｎｍの金属チタン層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、１５０℃で、２時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例８の発光素子が得られた。
【００３９】
実施例９
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した石英基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが５０ｎｍの金属銅層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、２００℃で、２．５時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例９の発光素子が得られた。
【００４０】
実施例１０
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した石英基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが１５０ｎｍの金属亜鉛層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、３５０℃で、０．５時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例１０の発光素子が得られた。
【００４１】
実施例１１
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した石英基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが１２０ｎｍの金属クロム層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、２５０℃で、２時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例１１の発光素子が得られた。
【００４２】
実施例１２
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した石英基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが４０ｎｍの金属ニッケル層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、８０℃で、４時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例１２の発光素子が得られた。
【００４３】
実施例１３
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した石英基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが１８０ｎｍの金属コバルト層を堆積して形成した。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、４００℃で、１時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例１３の発光素子が得られた。
実施例１４
Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ蛍光粉体とガラス粉末（組成および当該組成のモル部は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である）とを３：１７の質量比で混合し、溶融し、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光材料を含有する発光ガラスが得られた。次いで、マグネトロンスパッタ装置を用いて、当該発光ガラスの表面に、厚さが０．５ｎｍである金属金−アルミニウム層を堆積して形成した。この際、金−アルミニウム層において、金およびアルミニウムはそれぞれ約８０質量％および約２０質量％である。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、２００℃で、１時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例１４の発光素子が得られた。
実施例１５
Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ蛍光粉体とガラス粉末（組成および当該組成のモル部は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である）とを３：７の質量比で混合し、溶融し、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光材料を含有する発光ガラスが得られた。次いで、マグネトロンスパッタ装置を用いて、当該発光ガラスの表面に、厚さが１５ｎｍである金属銀−アルミニウム層を堆積して形成した。この際、銀−アルミニウム層において、銀およびアルミニウムはそれぞれ約９０質量％および約１０質量％である。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、２００℃で、１時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例１５の発光素子が得られた。
【００４４】
実施例１６
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した石英基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが１０ｎｍの金属銀−アルミニウム層を堆積して形成した。この際、銀−アルミニウム層において、銀およびアルミニウムはそれぞれ約８０質量％および約２０質量％である。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、１５０℃で、２時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例１６の発光素子が得られた。
【００４５】
実施例１６
大きさが１×１ｃｍ２の両面光学研磨した酸化マグネシウム基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いてＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを製造した。電子ビーム蒸発装置を用いて、当該発光フィルムの表面に、厚さが１０ｎｍの金属金−アルミニウム層を堆積して形成した。この際、金−アルミニウム層において、金およびアルミニウムはそれぞれ約９０質量％および約１０質量％である。その後、真空度が１×１０−３Ｐａ以上の真空環境において、１５０℃で、２時間焼き鈍し行った。次いで、室温まで冷却をすることによって、実施例１７の発光素子が得られた。
【００４６】
上述の各実施例において、微細組織を有する金属層１４を発光基体１３に設置し、当該金属層１４が陰極線を照射されることにより発光基体１３との界面に表面プラズモンを形成することができる。当該表面プラズモンの効果に起因して、発光基体１３の内部量子効率が大幅に向上する。したがって、発光材料の自然放出を増加させることができる。故に、発光材料の発光効率が大幅に向上する。したがって、発光材料の発光効率が低いという課題を解決することができる。発光素子１０は、発光性基体１３および金属層１４を含む単純な二層構造を有する。加えて、発光性基材１３と金属層１４との間に均一な界面が形成され、その結果、優れた発光の均一性および安定性が達成される。発光素子の発光方法において、金属層１４に対して陰極線を発射するだけで、金属層１４と発光基体１３との間に表面プラズモンが形成される。これによって、発光基体１３の発光効率が向上し、発光の安定性を高めることができる。
【００４７】
本発明の実施例に開示される発光素子の製造方法において、金属層１４を発光基体１３に形成させるだけで、その後焼き鈍しを行うことによって、望ましい発光素子１０を得ることができる。当該製造方法は、製造工程が簡単であり、幅広く生産応用が可能であり、特に、例えば電界放出ディスプレイなどの超高輝度および超高速動作の発光デバイスに応用できる。
【００４８】
以上の実施例は本発明の好ましい実施例であり、本発明を限定されない。また、本発明の精神および原則内における置き換えや改良などの行為は本発明の特許請求の範囲にあたる。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 発光素子
１３ 発光基体
１４ 金属層
１６ 陰極線
１１ 金属層を含まない発光ガラスの発光スペクトル
１２ 実施例１の発光素子の発光スペクトル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光基体を含む発光素子であって、前記発光基体の表面に、金属微細組織を有する金属層が形成され、前記発光基体は、化学組成がＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂである発光材料を含むことを特徴とする、発光素子。
【請求項２】
前記発光基体が、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光材料を含有する発光ガラスであり、前記ガラスの組成は、２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２であることを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記発光材料Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂが、発光基体中においての質量パーセントが５％〜３５％であることを特徴とする、請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記発光基体が、透明または半透明基板と、当該基板上に形成される化学組成がＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂである発光フィルムとを含み、前記金属層は前記発光基体の表面上に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
前記金属層の金属が、金、銀、アルミニウム、銅、チタン、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、白金、パラジウム、マグネシウム、および亜鉛からなる群から選択される少なくとも１種類の金属であることを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
【請求項６】
前記金属層の厚さが、０．５ｎｍ〜２００ｎｍであることを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
【請求項７】
化学組成がＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂである発光材料を含む発光基体を製造し；
前記発光基体の表面に金属層を形成し；および
前記発光基体および金属層を真空焼き鈍し処理を行うことによって、前記金属層が金属微細組織を形成し、冷却することによって前記発光素子を形成すること
を含む、発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記発光基体の製造は、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光材料と組成が２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２であるガラス粉末とを混合し、次いで１０００〜１３００℃の温度で溶融し、その後室温まで冷却し、発光材料Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂを有する発光ガラスを得ることを特徴とする請求項７に記載の発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記発光基体の製造工程は、半透明または透明基板を基板として選択し、当該基板上にＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを形成することを特徴とする請求項７に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法に従って、発光素子を得て；および
前記金属層に対して陰極線を発射し、該陰極線の励起によって前記金属層と前記発光基体との間に表面プラズモンが形成されることによって、発光基体を発光させること
を含む、発光素子の発光方法。
【請求項１】
発光基体を含む発光素子であって、前記発光基体の表面に、金属微細組織を有する金属層が形成され、前記発光基体は、化学組成がＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂである発光材料を含むことを特徴とする、発光素子。
【請求項２】
前記発光基体が、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光材料を含有する発光ガラスであり、前記ガラスの組成は、２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２であることを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記発光材料Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂが、発光基体中においての質量パーセントが５％〜３５％であることを特徴とする、請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記発光基体が、透明または半透明基板と、当該基板上に形成される化学組成がＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂである発光フィルムとを含み、前記金属層は前記発光基体の表面上に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
前記金属層の金属が、金、銀、アルミニウム、銅、チタン、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、白金、パラジウム、マグネシウム、および亜鉛からなる群から選択される少なくとも１種類の金属であることを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
【請求項６】
前記金属層の厚さが、０．５ｎｍ〜２００ｎｍであることを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
【請求項７】
化学組成がＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂである発光材料を含む発光基体を製造し；
前記発光基体の表面に金属層を形成し；および
前記発光基体および金属層を真空焼き鈍し処理を行うことによって、前記金属層が金属微細組織を形成し、冷却することによって前記発光素子を形成すること
を含む、発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記発光基体の製造は、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光材料と組成が２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２であるガラス粉末とを混合し、次いで１０００〜１３００℃の温度で溶融し、その後室温まで冷却し、発光材料Ｙ２ＳｉＯ５：Ｔｂを有する発光ガラスを得ることを特徴とする請求項７に記載の発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記発光基体の製造工程は、半透明または透明基板を基板として選択し、当該基板上にＹ２ＳｉＯ５：Ｔｂ発光フィルムを形成することを特徴とする請求項７に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法に従って、発光素子を得て；および
前記金属層に対して陰極線を発射し、該陰極線の励起によって前記金属層と前記発光基体との間に表面プラズモンが形成されることによって、発光基体を発光させること
を含む、発光素子の発光方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２０１３−５０３４１６（Ｐ２０１３−５０３４１６Ａ）
【公表日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２５８３９（Ｐ２０１２−５２５８３９）
【出願日】平成２１年８月２６日（２００９．８．２６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＮ２００９／０７３５２０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２２８８０
【国際公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【出願人】（５１２０１６９２８）海洋王照明科技股▲ふん▼有限公司 (14)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２６日（２００９．８．２６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＮ２００９／０７３５２０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２２８８０
【国際公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【出願人】（５１２０１６９２８）海洋王照明科技股▲ふん▼有限公司 (14)
【Ｆターム（参考）】
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