発光素子、その製造方法および発光方法
発光素子は、発光基板；および発光基板の表面上に形成された、金属微細構造を有する金属層；を含み；この際、発光基板は、化学組成：Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光材料を含む。また発光素子の製造方法および発光方法も提供される。発光素子は良好な発光均質性、高い発光効率、良好な発光安定性および単純な構造を有し、極めて高い輝度を有する発光装置において用いることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、発光材料に関し、より詳細には、発光材料からなるガラス基板を含む発光素子、その製造方法および発光方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光基板として用いられる従来の材料は、蛍光体、ナノ結晶、ガラスなどが挙げられる。結晶および蛍光体と比較すると、ガラスは透明であり、強固であり、優れた化学的安定性および優れた蛍光特性の利点を有する。また、ガラスは、種々の形およびサイズを有するディスプレイ装置や光源のような種々の形を有する製品に容易に加工することができる。
【０００３】
例えば、真空マイクロエレクトロニクスにおいて、フィールド・エミッション素子は発光体として発光基板を用いており、かような素子は照明およびディスプレイ技術において大きな可能性を示しており、内外の研究機関に注目されている。フィールド・エミッション素子の作動原理は、加速電場を形成させるために、真空下で電解放出アレイ（ＦＥＡｓ）にアノードが正電圧を印加する。カソードから放出された電子は、発光材料をアノードプレート上で衝突させるために加速され、それが放射される。フィールド・エミッション素子は広い操作温度（−４０℃−８０℃）、短い応答時間（ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｉｍｅ）（＜１ｍｓ）、単純な構造、低いエネルギー消費を有し、環境保護の要求を満たす。さらに、蛍光体、発光基板、発光フィルムのような材料は、フィールド・エミッション素子において発光材料として有用であるが、これらは全て発光効率が低いという重大な問題を有し、フィールド・エミッション素子の用途、特に照明への適用を大幅に限定するものとなっている。
【発明の概要】
【０００４】
発明の要約
本開示の一態様において、良好な発光均質性、高い発光効率、良好な発光安定性および単純な構造を有する発光素子および簡便な工程および低コストである製造方法が求められる。
【０００５】
本開示の他の態様において、単純な操作、良好な信頼性、および発光効率を向上させる発光素子の発光方法も求められる。
【０００６】
発光素子は、発光基板；および発光基板の表面上に形成された、金属微細構造を有する金属層；を含み、この際、発光基板は、化学組成：Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光材料を含む。
【０００７】
発光素子の製造方法は以下の段階を含む：
化学組成：Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光材料を含む、発光基板を準備し；
発光基板上に金属層を形成させ；
金属層の金属微細構造を形成させるために真空中で発光基板および金属層を焼鈍し、次いで、発光素子を形成するために発光基板および金属層を冷却する。
【０００８】
発光素子の蛍光方法は、下記段階を含む：
上述した製造方法によって発光素子を得て；金属層に陰極線を放射し、陰極線の放射によって金属層および発光基板の間に表面プラズモンを形成させ、次いで発光基板に放射線をあてる。
【０００９】
上述の発光素子において、金属微細構造を有する金属層が発光基板の表面上に形成し、陰極線が放射され、金属層および発光基板の間に表面プラズモンが発生する。表面プラズモン効果により、発光基板の内部量子効率が非常に増加し、発光基板の自然放出が非常に増加し、その結果、発光基板の発光効率が向上し、発光材料の低効率問題を克服することができる。したがって、発光素子の発光方法において、陰極線が一旦金属層に放射されると、表面プラズモンが金属層および発光基板の間に形成され、発光効率および信頼性が向上する。発光素子は、発光基板および金属層を含む単純な２層構造を有する。また、発光基板および金属層の間に形成された均一な界面が存在し、その結果良好な発光均質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、陰極線が一旦金属層に放射されると、表面プラズモンが金属層および発光基板間に形成され、発光基板の発光効率および信頼性が向上するであろう。
【００１０】
発光素子の製造方法の一実施形態において、発光基板上に金属層を形成させ、発光基板および金属層を焼鈍することによって発光素子を得ることができ、したがって、製造方法は単純で安価である。発光素子は、生産性が高く、幅広い適用可能性を有している。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
図面の簡単な説明
図面の構成要素は必ずしも尺度に沿って描かれておらず、本開示の原理を明確に説明する目的で強調されている。
【図１】図１は、本開示の一実施形態による発光素子の概略図である。
【図２】図２は、発光素子の製造方法の一実施形態のフローチャートである。
【図３】図３は、発光素子を用いた発光方法の一実施形態のフローチャートである。
【図４】図４は、金属層なしの発光基板と比較した実施例１の発光素子の発光スペクトルである。陰極線の発光スペクトルは、５ＫＶ加速電圧を用いた電子線によって励起したときに試験した。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
詳細な説明
本開示は例示のために説明されるものあり、添付の図面の図に限定する目的ではなく、図中、同様の参照は同様の構成要素を示す。なお、本開示における「一」実施形態の意味するところは、必ずしも同じ実施形態ではなく、かような言及は少なくとも一を意味する。
【００１３】
図１を参照すると、発光基板１３および発光基板１３の表面上に形成される金属層１４を含む発光素子１０の一実施形態が示される。金属層１４は、ミクロ−ナノ構造とも称される金属微細構造を有する。また、金属微細構造は非周期的である、すなわち、不規則な配列の金属結晶から構成される。
【００１４】
本開示の一実施形態において、発光基板１３は発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕでドープされた発光ガラスである。発光ガラスの化学的組成は、２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２であり、好適にはガラスは低融点のガラス粉末からなり、ガラスはここで述べたガラス材料に限定されない。発光基板中の発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕの質量パーセンテージは、５％〜３５％の範囲である。
【００１５】
本開示の他の実施形態において、発光基板１３は、透明または半透明基板および基板上に形成される化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムを含む。金属層１４は発光フィルムの表面上に形成される。
【００１６】
金属層１４は、抗酸化性、耐食性金属のような、良好な化学的安定性を有する金属、または通常の金属からなる。金属層１４は、好適には、Ａｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ｐｄ、Ｍｇ、およびＺｎからなる群から選択される少なくとも一の金属からなり、より好ましくは、Ａｕ、Ａｇ、およびＡｌからなる群から選択される少なくとも一の金属からなる。金属層１４は、一の金属または複合金属からなりうる。複合金属は、上述の２以上の合金でありうる。例えば、金属層１４は、Ａｇ／Ａｌ合金層またはＡｕ／Ａｌ合金層であり、この際、ＡｇまたはＡｕの質量パーセンテージは、好ましくは７０％を超える。金属層１４の厚さは０．５−２００ｎｍの範囲であり、好ましくは１−１００ｎｍの範囲である。
【００１７】
発光素子（ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｅｌｅｍｅｎｔ）として、発光素子１０は、電界放出ディスプレー、電解放出光源、および大画面の広告ディスプレイなどのような超高輝度およびハイスピードの動きを有する発光装置に広く適用できる。電界放出ディスプレーを例にとると、加速電場を形成するために、アノードが電界放出陰極に正電圧を印加し、表面プラズモンが金属層１４および発光基板１３の間に形成されるように、カソードが電子、すなわち陰極線１６を金属層１４に対して放出する。表面プラズモン効果により、発光基板１３の内部量子効率は非常に高くなり、発光基板の発光効率が向上し、発光材料の低効率問題が克服されるほどに発光基板の自然放出は非常に高まる。また、金属層が発光基板１３の表面上に形成されているので、全金属層および発光基板１３の間に均一な界面が形成され、発光均一性が向上する。
【００１８】
図１および図２を参照して、発光素子の製造方法の一実施形態のフローチャートを示し、該方法は、以下の工程を含む：
工程Ｓ０１、Ｙ２Ｏ３：Ｅｕの化学組成を有する発光材料を含む発光基板１３を準備する；
工程Ｓ０２、発光基板１３の表面上に金属層１４を形成させる；そして
工程Ｓ０３、金属層１４の金属微細構造を形成させるために、真空中で発光基板１３および金属層１４を焼鈍し、次いで、発光素子を形成するために発光基板１３および金属層１４を冷却する。
【００１９】
工程Ｓ０１において、一は発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕでドープされた発光ガラスであり、他は基板上に形成された発光フィルムＹ２Ｏ３：Ｅｕである、上述した発光基板１３の２つの構造によると、２つの異なる方法がある。前者の発光基板１３の製造方法は次の工程を含む：発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕおよびガラス粉末を混合し、１０００〜１３００℃で溶融し、次いで、室温まで冷却し、発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕでドープされた発光ガラスが得られる。この際、ガラス粉末の化学組成は、２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２であり、粉末である発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕは、１：１９−７：１３の質量比にしたがってガラス粉末と混合される。混合物中の混合された発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕの質量パーセンテージは、５％−３５％の範囲である。混合物を１０００〜１３００℃で溶融し、鋼板上に注ぎ、次いで室温まで冷却し、かようにして基板１３が得られる。混合物を溶融するために用いられる温度は好ましくは１２００℃である。
【００２０】
後者の発光基板１３の製造方法は以下の工程を含む：基板として透明または半透明基板を選択し、基板上に発光フィルムＹ２Ｏ３：Ｅｕを蒸着させる。この際、発光フィルムＹ２Ｏ３：Ｅｕはマグネトロンスパッタリング、電子ビーム蒸着、ＣＶＤ、ＭＢＥ、ＰＬＤまたは噴霧熱分解などのような方法を用いて基板上に蒸着され、形成される。
【００２１】
前述したように、金属層１４は、抗酸化性および耐食性金属のような優れた化学的安定性を有する金属源または通常の金属を蒸着することによって形成される。金属層１４は好ましくは、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、およびＺｎからなる群から選択される、少なくとも一の金属からなり、より好ましくは、Ａｕ、Ａｇ、およびＡｌからなる群から選択される、少なくとも一の金属からなる。工程Ｓ０２において、金属層１４は、例えば、次の２つの技術に限定されるものではないが、スパッタリングまたは蒸着などによって、上述の少なくとも一の金属を用いて、ＰＶＤまたはＣＶＤによって発光基板１３の表面上に形成される。金属層１４の厚さは、好ましくは０．５〜２００ｎｍの範囲であり、より好ましくは１〜１００ｎｍの範囲である。
【００２２】
工程Ｓ０３において、発光基板１３上への金属層１４の形成後、金属層１４および発光基板１３を５０〜６５０℃で５分から５時間焼鈍（アニール）し、次いで室温まで冷却する。好適なアニール（焼鈍）温度は、１００〜５００℃であり、好適なアニール時間は、１５分から３時間である。
【００２３】
図１〜３を参照して、発光素子の発光方法のフローチャートを示し、該方法は、以下の工程を含む：
工程Ｓ１１、前述の製造方法によって発光素子１０を得る。
【００２４】
工程Ｓ１２、金属層１４に陰極線１６を放射する。陰極線１６の放射によって、表面プラズモンが金属層１４および発光基板１３の間に形成し、次いで発光基板１３に放射線があてられる。
【００２５】
発光素子１０は、前述のとおりの構造および組成の特徴を有する。応用において、電界放出ディスプレーまたは照明光源によって、工程Ｓ１２を行うことができる。加速電場を形成するために、真空下、カソードが陰極線１６を放出するようにアノードが電界放出陰極に正電圧を印加する。陰極線１６によって励起されると、電子線は金属層１４を透過し、発光基板１３に放射線があてられる。かような工程の間、表面プラズモンが金属層１４および発光基板１３の間に形成される。表面プラズモン効果により、発光基板１３の内部量子効率は非常に高くなり、発光基板の発光効率が向上するほどに発光基板の自然放出は非常に高まる。
【００２６】
発光基板１３は上述のような２つの構造を有する。前述した構造において、電子線は金属層１４を透過し、次いで発光ガラス中にドープされた発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕは、発光させるために励起される。発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕでドープされた発光ガラスの表面および金属層１４の間に形成される表面プラズモンによって発光するように発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕは励起される。後者の構造では、電子線は金属層１４を透過し、発光するように発光フィルムＹ２Ｏ３：Ｅｕを直接励起する。発光フィルムＹ２Ｏ３：Ｅｕおよび金属層１４の間に形成される表面プラズモンによって発光するように発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕは励起される。
【００２７】
表面プラズモン（ＳＰと略する）は、金属および媒体間の界面に沿って広がる波であり、その大きさは界面から距離が遠ざかるにつれて指数関数的に減衰する。金属の表面構造を変化させると、表面プラズモンポラリトン（以降、ＳＰＰｓと称する）の特徴、分散関係、励起モード、連成効果はわずかに変化する。ＳＰＰｓによって引き起こされる電磁場は、サブ波長サイズ構造中の光波の広がりを抑制することができるばかりでなく、光周波数からマイクロ波帯までの電磁放射線を操作することができ、よって、光拡散の能動的操作を行える。したがって、本実施形態では発光基板の光学密度を増加させ、発光基板の自発的放出速度を高めるために、ＳＰＰｓの励起を用いる。また、表面プラズモンの連成（カップリング）効果を用いることができ、発光基板に放射線を当てる際、共振現象が起き、これにより発光基板の発光効率が向上するほどに発光基板の内部量子効率が非常に高まる。
【００２８】
発光素子の異なる組成および製造方法、ならびにその性能を説明するために複数の実施例を記載する。
【００２９】
実施例１
化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する蛍光体およびガラス粉末（ガラス粉末の化学組成は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である）を１：４の質量比で混合し、次いで発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕでドープした発光ガラスを製造するために溶融する。マグネトロンスパッタリング装置を用いて、発光ガラスの表面上にＡｇ層を２ｎｍの厚さで蒸着し、次いで発光ガラスとともに、Ａｇ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、３００℃で３０分間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００３０】
図４による発光スペクトルは、初めは金属層を通過し、次いでＹ２Ｏ３：Ｅｕでドープされた発光ガラスを発光させるために励起させる電子銃によって発生させた陰極線を用いて発光素子を照射することによる、発光素子の発光スペクトルを試験した際に得られたものである。図４によるスペクトルは、発光材料が赤色を放つことができることを示す。図４中のカーブ１１は、Ａｇ層なしの発光ガラスの発光スペクトルを示し、カーブ１２は、本実施形態の金属構造が追加された発光ガラスの発光スペクトルを表す。図４によると、金属層および発光ガラス間に産生した表面プラズモン効果により、金属層なしの発光ガラスと比較すると、金属構造を有する発光ガラスの３５０ｎｍ〜７００ｎｍの発光積分強度は、金属層がない発光ガラスより１．３倍であり、発光ガラスの発光特性は向上している。
【００３１】
他の実施例は実施例１と同様の発光スペクトルおよび発光特性を有し、この後には触れない。
【００３２】
実施例２
化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する蛍光体およびガラス粉末（ガラス粉末の化学組成は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である）を１：１９の質量比で混合し、次いで発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕでドープした発光ガラスを製造するために溶融する。マグネトロンスパッタリング装置を用いて、発光ガラスの表面上にＡｕ層を０．５ｎｍの厚さで蒸着し、次いで発光ガラスとともに、Ａｕ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、２００℃で１時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００３３】
実施例３
化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する蛍光体およびガラス粉末（ガラス粉末の化学組成は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である）を７：１３の質量比で混合し、次いで発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕでドープした発光ガラスを製造するために溶融する。マグネトロンスパッタリング装置を用いて、発光ガラスの表面上にＡｌ層を２００ｎｍの厚さで蒸着し、次いで発光ガラスとともに、Ａｌ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、５００℃で５時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００３４】
実施例４
１×１ｃｍ２の両面磨きサファイア基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをマグネトロンスパッタリング法を用いて基板上に形成する。厚さ１００ｎｍのＭｇ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＭｇ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、６５０℃で５分間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００３５】
実施例５
１×１ｃｍ２の両面磨きＭｇＯ基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをＭＢＥ法を用いて基板上に形成する。厚さ１ｎｍのＰｄ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＰｄ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、１００℃で３時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００３６】
実施例６
１×１ｃｍ２の両面磨きＭｇＯ基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムを噴霧熱分解法を用いて基板上に形成させる。厚さ５ｎｍのＰｔ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＰｔ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、４５０℃で１５分間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００３７】
実施例７
１×１ｃｍ２の両面磨き石英基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをマグネトロンスパッタリング法を用いて基板上に形成する。厚さ２０ｎｍのＦｅ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＦｅ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、５０℃で５時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００３８】
実施例８
１×１ｃｍ２の両面磨き石英基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをマグネトロンスパッタリング法を用いて基板上に形成する。厚さ１０ｎｍのＴｉ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＴｉ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、１５０℃で２時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００３９】
実施例９
１×１ｃｍ２の両面磨き石英基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをマグネトロンスパッタリング法を用いて基板上に形成する。厚さ５０ｎｍのＣｕ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＣｕ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、２００℃で２．５時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００４０】
実施例１０
１×１ｃｍ２の両面磨き石英基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをマグネトロンスパッタリング法を用いて基板上に形成する。厚さ１５０ｎｍのＺｎ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＺｎ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、３５０℃で３０分間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００４１】
実施例１１
１×１ｃｍ２の両面磨き石英基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをマグネトロンスパッタリング法を用いて基板上に形成する。厚さ１２０ｎｍのＣｒ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＣｒ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、２５０℃で２時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００４２】
実施例１２
１×１ｃｍ２の両面磨き石英基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをマグネトロンスパッタリング法を用いて基板上に形成する。厚さ４０ｎｍのＮｉ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＮｉ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、８０℃で４時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００４３】
実施例１３
１×１ｃｍ２の両面磨き石英基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをマグネトロンスパッタリング法を用いて基板上に形成する。厚さ１８０ｎｍのＣｏ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＣｏ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、４００℃で１時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００４４】
実施例１４
化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する蛍光体およびガラス粉末（ガラス粉末の化学組成は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である）を３：１７の質量比で混合し、次いで発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕでドープした発光ガラスを製造するために溶融する。マグネトロンスパッタリング装置を用いて、発光ガラスの表面上にＡｕ／Ａｌ層を０．５ｎｍの厚さで蒸着し、次いで発光ガラスとともに、Ａｕ／Ａｌ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、２００℃で１時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。この際、Ａｕ／Ａｌ層中のＡｕおよびＡｌの質量パーセンテージは、それぞれ８０％および２０％である。
【００４５】
実施例１５
化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する蛍光体およびガラス粉末（ガラス粉末の化学組成は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である）を３：７の質量比で混合し、次いで発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕでドープした発光ガラスを製造するために溶融する。マグネトロンスパッタリング装置を用いて、発光ガラスの表面上にＡｇ／Ａｌ層を１５ｎｍの厚さで蒸着し、次いで発光ガラスとともに、Ａｇ／Ａｌ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、２００℃で１時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。この際、Ａｇ／Ａｌ層中のＡｇおよびＡｌの質量パーセンテージは、それぞれ９０％および１０％である。
【００４６】
実施例１６
１×１ｃｍ２の両面磨き石英基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをマグネトロンスパッタリング法を用いて基板上に形成する。厚さ１０ｎｍのＡｇ／Ａｌ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＡｇ／Ａｌ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、１５０℃で２時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。この際、Ａｇ／Ａｌ層中のＡｇおよびＡｌの質量パーセンテージは、それぞれ８０％および２０％である。
【００４７】
実施例１７
１×１ｃｍ２の両面磨きＭｇＯ基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをマグネトロンスパッタリング法を用いて基板上に形成する。厚さ１０ｎｍのＡｕ／Ａｌ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＡｕ／Ａｌ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、１５０℃で２時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。この際、Ａｕ／Ａｌ層中のＡｕおよびＡｌの質量パーセンテージは、それぞれ９０％および１０％である。
【００４８】
上述した実施例において、金属微細構造を有する金属層１４が発光基板１３の表面上に形成され、表面プラズモンが金属層１４および発光基板１３の間に形成されうるように陰極線が照射される。発光基板の蛍光効率が上昇し、発光材料の低効率の問題が克服されるほどに、表面プラズモン効果によって、発光基板１３の内部量子効率は非常に高くなり、発光基板の自然放出は非常に高まる。発光素子の発光方法において、金属層１４に一旦陰極線が放射されると、表面プラズモンが金属層１４および発光基板１３の間に形成され、発光効率および信頼性が向上する。発光素子１０は、発光基板１３および金属層１４を含む単純な２層構造を有する。また、発光基板１３および金属層１４の間に形成された均一な界面が存在し、優れた蛍光均一性および安定性が達成される。蛍光素子を用いた発光方法において、一旦金属層１４に陰極線を放射すると、表面プラズモンが金属層１４および発光基板１３間に形成され、発光基板１３の発光効率および信頼性が向上する。
【００４９】
発光素子の製造方法の一実施形態において、発光素子は発光基板上に金属層を形成させ、発光基板および金属層を焼鈍させることによって得ることができ、故に該製造方法は単純でコストが安い。電界放出ディスプレーのような超高輝度および高スピードの動きを持つ発光装置に広く適用することができる。
【００５０】
構造的特徴および／または方法論的作用に特有の言葉で本発明を記載してきたが、添付の特許請求の範囲で規定された本発明は記載された特定の構造または作用に必ずしも限定されないと理解されるべきである。むしろ、特定の特徴および作用は、特許請求の範囲の発明を実施するサンプル型として開示されている。
【技術分野】
【０００１】
本開示は、発光材料に関し、より詳細には、発光材料からなるガラス基板を含む発光素子、その製造方法および発光方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光基板として用いられる従来の材料は、蛍光体、ナノ結晶、ガラスなどが挙げられる。結晶および蛍光体と比較すると、ガラスは透明であり、強固であり、優れた化学的安定性および優れた蛍光特性の利点を有する。また、ガラスは、種々の形およびサイズを有するディスプレイ装置や光源のような種々の形を有する製品に容易に加工することができる。
【０００３】
例えば、真空マイクロエレクトロニクスにおいて、フィールド・エミッション素子は発光体として発光基板を用いており、かような素子は照明およびディスプレイ技術において大きな可能性を示しており、内外の研究機関に注目されている。フィールド・エミッション素子の作動原理は、加速電場を形成させるために、真空下で電解放出アレイ（ＦＥＡｓ）にアノードが正電圧を印加する。カソードから放出された電子は、発光材料をアノードプレート上で衝突させるために加速され、それが放射される。フィールド・エミッション素子は広い操作温度（−４０℃−８０℃）、短い応答時間（ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｉｍｅ）（＜１ｍｓ）、単純な構造、低いエネルギー消費を有し、環境保護の要求を満たす。さらに、蛍光体、発光基板、発光フィルムのような材料は、フィールド・エミッション素子において発光材料として有用であるが、これらは全て発光効率が低いという重大な問題を有し、フィールド・エミッション素子の用途、特に照明への適用を大幅に限定するものとなっている。
【発明の概要】
【０００４】
発明の要約
本開示の一態様において、良好な発光均質性、高い発光効率、良好な発光安定性および単純な構造を有する発光素子および簡便な工程および低コストである製造方法が求められる。
【０００５】
本開示の他の態様において、単純な操作、良好な信頼性、および発光効率を向上させる発光素子の発光方法も求められる。
【０００６】
発光素子は、発光基板；および発光基板の表面上に形成された、金属微細構造を有する金属層；を含み、この際、発光基板は、化学組成：Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光材料を含む。
【０００７】
発光素子の製造方法は以下の段階を含む：
化学組成：Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光材料を含む、発光基板を準備し；
発光基板上に金属層を形成させ；
金属層の金属微細構造を形成させるために真空中で発光基板および金属層を焼鈍し、次いで、発光素子を形成するために発光基板および金属層を冷却する。
【０００８】
発光素子の蛍光方法は、下記段階を含む：
上述した製造方法によって発光素子を得て；金属層に陰極線を放射し、陰極線の放射によって金属層および発光基板の間に表面プラズモンを形成させ、次いで発光基板に放射線をあてる。
【０００９】
上述の発光素子において、金属微細構造を有する金属層が発光基板の表面上に形成し、陰極線が放射され、金属層および発光基板の間に表面プラズモンが発生する。表面プラズモン効果により、発光基板の内部量子効率が非常に増加し、発光基板の自然放出が非常に増加し、その結果、発光基板の発光効率が向上し、発光材料の低効率問題を克服することができる。したがって、発光素子の発光方法において、陰極線が一旦金属層に放射されると、表面プラズモンが金属層および発光基板の間に形成され、発光効率および信頼性が向上する。発光素子は、発光基板および金属層を含む単純な２層構造を有する。また、発光基板および金属層の間に形成された均一な界面が存在し、その結果良好な発光均質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、陰極線が一旦金属層に放射されると、表面プラズモンが金属層および発光基板間に形成され、発光基板の発光効率および信頼性が向上するであろう。
【００１０】
発光素子の製造方法の一実施形態において、発光基板上に金属層を形成させ、発光基板および金属層を焼鈍することによって発光素子を得ることができ、したがって、製造方法は単純で安価である。発光素子は、生産性が高く、幅広い適用可能性を有している。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
図面の簡単な説明
図面の構成要素は必ずしも尺度に沿って描かれておらず、本開示の原理を明確に説明する目的で強調されている。
【図１】図１は、本開示の一実施形態による発光素子の概略図である。
【図２】図２は、発光素子の製造方法の一実施形態のフローチャートである。
【図３】図３は、発光素子を用いた発光方法の一実施形態のフローチャートである。
【図４】図４は、金属層なしの発光基板と比較した実施例１の発光素子の発光スペクトルである。陰極線の発光スペクトルは、５ＫＶ加速電圧を用いた電子線によって励起したときに試験した。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
詳細な説明
本開示は例示のために説明されるものあり、添付の図面の図に限定する目的ではなく、図中、同様の参照は同様の構成要素を示す。なお、本開示における「一」実施形態の意味するところは、必ずしも同じ実施形態ではなく、かような言及は少なくとも一を意味する。
【００１３】
図１を参照すると、発光基板１３および発光基板１３の表面上に形成される金属層１４を含む発光素子１０の一実施形態が示される。金属層１４は、ミクロ−ナノ構造とも称される金属微細構造を有する。また、金属微細構造は非周期的である、すなわち、不規則な配列の金属結晶から構成される。
【００１４】
本開示の一実施形態において、発光基板１３は発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕでドープされた発光ガラスである。発光ガラスの化学的組成は、２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２であり、好適にはガラスは低融点のガラス粉末からなり、ガラスはここで述べたガラス材料に限定されない。発光基板中の発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕの質量パーセンテージは、５％〜３５％の範囲である。
【００１５】
本開示の他の実施形態において、発光基板１３は、透明または半透明基板および基板上に形成される化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムを含む。金属層１４は発光フィルムの表面上に形成される。
【００１６】
金属層１４は、抗酸化性、耐食性金属のような、良好な化学的安定性を有する金属、または通常の金属からなる。金属層１４は、好適には、Ａｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ｐｄ、Ｍｇ、およびＺｎからなる群から選択される少なくとも一の金属からなり、より好ましくは、Ａｕ、Ａｇ、およびＡｌからなる群から選択される少なくとも一の金属からなる。金属層１４は、一の金属または複合金属からなりうる。複合金属は、上述の２以上の合金でありうる。例えば、金属層１４は、Ａｇ／Ａｌ合金層またはＡｕ／Ａｌ合金層であり、この際、ＡｇまたはＡｕの質量パーセンテージは、好ましくは７０％を超える。金属層１４の厚さは０．５−２００ｎｍの範囲であり、好ましくは１−１００ｎｍの範囲である。
【００１７】
発光素子（ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｅｌｅｍｅｎｔ）として、発光素子１０は、電界放出ディスプレー、電解放出光源、および大画面の広告ディスプレイなどのような超高輝度およびハイスピードの動きを有する発光装置に広く適用できる。電界放出ディスプレーを例にとると、加速電場を形成するために、アノードが電界放出陰極に正電圧を印加し、表面プラズモンが金属層１４および発光基板１３の間に形成されるように、カソードが電子、すなわち陰極線１６を金属層１４に対して放出する。表面プラズモン効果により、発光基板１３の内部量子効率は非常に高くなり、発光基板の発光効率が向上し、発光材料の低効率問題が克服されるほどに発光基板の自然放出は非常に高まる。また、金属層が発光基板１３の表面上に形成されているので、全金属層および発光基板１３の間に均一な界面が形成され、発光均一性が向上する。
【００１８】
図１および図２を参照して、発光素子の製造方法の一実施形態のフローチャートを示し、該方法は、以下の工程を含む：
工程Ｓ０１、Ｙ２Ｏ３：Ｅｕの化学組成を有する発光材料を含む発光基板１３を準備する；
工程Ｓ０２、発光基板１３の表面上に金属層１４を形成させる；そして
工程Ｓ０３、金属層１４の金属微細構造を形成させるために、真空中で発光基板１３および金属層１４を焼鈍し、次いで、発光素子を形成するために発光基板１３および金属層１４を冷却する。
【００１９】
工程Ｓ０１において、一は発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕでドープされた発光ガラスであり、他は基板上に形成された発光フィルムＹ２Ｏ３：Ｅｕである、上述した発光基板１３の２つの構造によると、２つの異なる方法がある。前者の発光基板１３の製造方法は次の工程を含む：発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕおよびガラス粉末を混合し、１０００〜１３００℃で溶融し、次いで、室温まで冷却し、発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕでドープされた発光ガラスが得られる。この際、ガラス粉末の化学組成は、２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２であり、粉末である発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕは、１：１９−７：１３の質量比にしたがってガラス粉末と混合される。混合物中の混合された発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕの質量パーセンテージは、５％−３５％の範囲である。混合物を１０００〜１３００℃で溶融し、鋼板上に注ぎ、次いで室温まで冷却し、かようにして基板１３が得られる。混合物を溶融するために用いられる温度は好ましくは１２００℃である。
【００２０】
後者の発光基板１３の製造方法は以下の工程を含む：基板として透明または半透明基板を選択し、基板上に発光フィルムＹ２Ｏ３：Ｅｕを蒸着させる。この際、発光フィルムＹ２Ｏ３：Ｅｕはマグネトロンスパッタリング、電子ビーム蒸着、ＣＶＤ、ＭＢＥ、ＰＬＤまたは噴霧熱分解などのような方法を用いて基板上に蒸着され、形成される。
【００２１】
前述したように、金属層１４は、抗酸化性および耐食性金属のような優れた化学的安定性を有する金属源または通常の金属を蒸着することによって形成される。金属層１４は好ましくは、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、およびＺｎからなる群から選択される、少なくとも一の金属からなり、より好ましくは、Ａｕ、Ａｇ、およびＡｌからなる群から選択される、少なくとも一の金属からなる。工程Ｓ０２において、金属層１４は、例えば、次の２つの技術に限定されるものではないが、スパッタリングまたは蒸着などによって、上述の少なくとも一の金属を用いて、ＰＶＤまたはＣＶＤによって発光基板１３の表面上に形成される。金属層１４の厚さは、好ましくは０．５〜２００ｎｍの範囲であり、より好ましくは１〜１００ｎｍの範囲である。
【００２２】
工程Ｓ０３において、発光基板１３上への金属層１４の形成後、金属層１４および発光基板１３を５０〜６５０℃で５分から５時間焼鈍（アニール）し、次いで室温まで冷却する。好適なアニール（焼鈍）温度は、１００〜５００℃であり、好適なアニール時間は、１５分から３時間である。
【００２３】
図１〜３を参照して、発光素子の発光方法のフローチャートを示し、該方法は、以下の工程を含む：
工程Ｓ１１、前述の製造方法によって発光素子１０を得る。
【００２４】
工程Ｓ１２、金属層１４に陰極線１６を放射する。陰極線１６の放射によって、表面プラズモンが金属層１４および発光基板１３の間に形成し、次いで発光基板１３に放射線があてられる。
【００２５】
発光素子１０は、前述のとおりの構造および組成の特徴を有する。応用において、電界放出ディスプレーまたは照明光源によって、工程Ｓ１２を行うことができる。加速電場を形成するために、真空下、カソードが陰極線１６を放出するようにアノードが電界放出陰極に正電圧を印加する。陰極線１６によって励起されると、電子線は金属層１４を透過し、発光基板１３に放射線があてられる。かような工程の間、表面プラズモンが金属層１４および発光基板１３の間に形成される。表面プラズモン効果により、発光基板１３の内部量子効率は非常に高くなり、発光基板の発光効率が向上するほどに発光基板の自然放出は非常に高まる。
【００２６】
発光基板１３は上述のような２つの構造を有する。前述した構造において、電子線は金属層１４を透過し、次いで発光ガラス中にドープされた発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕは、発光させるために励起される。発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕでドープされた発光ガラスの表面および金属層１４の間に形成される表面プラズモンによって発光するように発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕは励起される。後者の構造では、電子線は金属層１４を透過し、発光するように発光フィルムＹ２Ｏ３：Ｅｕを直接励起する。発光フィルムＹ２Ｏ３：Ｅｕおよび金属層１４の間に形成される表面プラズモンによって発光するように発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕは励起される。
【００２７】
表面プラズモン（ＳＰと略する）は、金属および媒体間の界面に沿って広がる波であり、その大きさは界面から距離が遠ざかるにつれて指数関数的に減衰する。金属の表面構造を変化させると、表面プラズモンポラリトン（以降、ＳＰＰｓと称する）の特徴、分散関係、励起モード、連成効果はわずかに変化する。ＳＰＰｓによって引き起こされる電磁場は、サブ波長サイズ構造中の光波の広がりを抑制することができるばかりでなく、光周波数からマイクロ波帯までの電磁放射線を操作することができ、よって、光拡散の能動的操作を行える。したがって、本実施形態では発光基板の光学密度を増加させ、発光基板の自発的放出速度を高めるために、ＳＰＰｓの励起を用いる。また、表面プラズモンの連成（カップリング）効果を用いることができ、発光基板に放射線を当てる際、共振現象が起き、これにより発光基板の発光効率が向上するほどに発光基板の内部量子効率が非常に高まる。
【００２８】
発光素子の異なる組成および製造方法、ならびにその性能を説明するために複数の実施例を記載する。
【００２９】
実施例１
化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する蛍光体およびガラス粉末（ガラス粉末の化学組成は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である）を１：４の質量比で混合し、次いで発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕでドープした発光ガラスを製造するために溶融する。マグネトロンスパッタリング装置を用いて、発光ガラスの表面上にＡｇ層を２ｎｍの厚さで蒸着し、次いで発光ガラスとともに、Ａｇ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、３００℃で３０分間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００３０】
図４による発光スペクトルは、初めは金属層を通過し、次いでＹ２Ｏ３：Ｅｕでドープされた発光ガラスを発光させるために励起させる電子銃によって発生させた陰極線を用いて発光素子を照射することによる、発光素子の発光スペクトルを試験した際に得られたものである。図４によるスペクトルは、発光材料が赤色を放つことができることを示す。図４中のカーブ１１は、Ａｇ層なしの発光ガラスの発光スペクトルを示し、カーブ１２は、本実施形態の金属構造が追加された発光ガラスの発光スペクトルを表す。図４によると、金属層および発光ガラス間に産生した表面プラズモン効果により、金属層なしの発光ガラスと比較すると、金属構造を有する発光ガラスの３５０ｎｍ〜７００ｎｍの発光積分強度は、金属層がない発光ガラスより１．３倍であり、発光ガラスの発光特性は向上している。
【００３１】
他の実施例は実施例１と同様の発光スペクトルおよび発光特性を有し、この後には触れない。
【００３２】
実施例２
化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する蛍光体およびガラス粉末（ガラス粉末の化学組成は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である）を１：１９の質量比で混合し、次いで発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕでドープした発光ガラスを製造するために溶融する。マグネトロンスパッタリング装置を用いて、発光ガラスの表面上にＡｕ層を０．５ｎｍの厚さで蒸着し、次いで発光ガラスとともに、Ａｕ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、２００℃で１時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００３３】
実施例３
化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する蛍光体およびガラス粉末（ガラス粉末の化学組成は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である）を７：１３の質量比で混合し、次いで発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕでドープした発光ガラスを製造するために溶融する。マグネトロンスパッタリング装置を用いて、発光ガラスの表面上にＡｌ層を２００ｎｍの厚さで蒸着し、次いで発光ガラスとともに、Ａｌ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、５００℃で５時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００３４】
実施例４
１×１ｃｍ２の両面磨きサファイア基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをマグネトロンスパッタリング法を用いて基板上に形成する。厚さ１００ｎｍのＭｇ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＭｇ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、６５０℃で５分間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００３５】
実施例５
１×１ｃｍ２の両面磨きＭｇＯ基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをＭＢＥ法を用いて基板上に形成する。厚さ１ｎｍのＰｄ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＰｄ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、１００℃で３時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００３６】
実施例６
１×１ｃｍ２の両面磨きＭｇＯ基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムを噴霧熱分解法を用いて基板上に形成させる。厚さ５ｎｍのＰｔ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＰｔ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、４５０℃で１５分間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００３７】
実施例７
１×１ｃｍ２の両面磨き石英基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをマグネトロンスパッタリング法を用いて基板上に形成する。厚さ２０ｎｍのＦｅ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＦｅ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、５０℃で５時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００３８】
実施例８
１×１ｃｍ２の両面磨き石英基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをマグネトロンスパッタリング法を用いて基板上に形成する。厚さ１０ｎｍのＴｉ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＴｉ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、１５０℃で２時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００３９】
実施例９
１×１ｃｍ２の両面磨き石英基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをマグネトロンスパッタリング法を用いて基板上に形成する。厚さ５０ｎｍのＣｕ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＣｕ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、２００℃で２．５時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００４０】
実施例１０
１×１ｃｍ２の両面磨き石英基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをマグネトロンスパッタリング法を用いて基板上に形成する。厚さ１５０ｎｍのＺｎ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＺｎ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、３５０℃で３０分間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００４１】
実施例１１
１×１ｃｍ２の両面磨き石英基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをマグネトロンスパッタリング法を用いて基板上に形成する。厚さ１２０ｎｍのＣｒ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＣｒ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、２５０℃で２時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００４２】
実施例１２
１×１ｃｍ２の両面磨き石英基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをマグネトロンスパッタリング法を用いて基板上に形成する。厚さ４０ｎｍのＮｉ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＮｉ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、８０℃で４時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００４３】
実施例１３
１×１ｃｍ２の両面磨き石英基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをマグネトロンスパッタリング法を用いて基板上に形成する。厚さ１８０ｎｍのＣｏ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＣｏ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、４００℃で１時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。
【００４４】
実施例１４
化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する蛍光体およびガラス粉末（ガラス粉末の化学組成は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である）を３：１７の質量比で混合し、次いで発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕでドープした発光ガラスを製造するために溶融する。マグネトロンスパッタリング装置を用いて、発光ガラスの表面上にＡｕ／Ａｌ層を０．５ｎｍの厚さで蒸着し、次いで発光ガラスとともに、Ａｕ／Ａｌ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、２００℃で１時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。この際、Ａｕ／Ａｌ層中のＡｕおよびＡｌの質量パーセンテージは、それぞれ８０％および２０％である。
【００４５】
実施例１５
化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する蛍光体およびガラス粉末（ガラス粉末の化学組成は２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である）を３：７の質量比で混合し、次いで発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕでドープした発光ガラスを製造するために溶融する。マグネトロンスパッタリング装置を用いて、発光ガラスの表面上にＡｇ／Ａｌ層を１５ｎｍの厚さで蒸着し、次いで発光ガラスとともに、Ａｇ／Ａｌ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、２００℃で１時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。この際、Ａｇ／Ａｌ層中のＡｇおよびＡｌの質量パーセンテージは、それぞれ９０％および１０％である。
【００４６】
実施例１６
１×１ｃｍ２の両面磨き石英基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをマグネトロンスパッタリング法を用いて基板上に形成する。厚さ１０ｎｍのＡｇ／Ａｌ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＡｇ／Ａｌ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、１５０℃で２時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。この際、Ａｇ／Ａｌ層中のＡｇおよびＡｌの質量パーセンテージは、それぞれ８０％および２０％である。
【００４７】
実施例１７
１×１ｃｍ２の両面磨きＭｇＯ基板を選択する。化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムをマグネトロンスパッタリング法を用いて基板上に形成する。厚さ１０ｎｍのＡｕ／Ａｌ層を電子線蒸着装置を用いて発光フィルム上に蒸着し、基板および発光フィルムとともにＡｕ／Ａｌ層を真空度１×１０−３Ｐａより低い真空装置に導入し、１５０℃で２時間焼鈍し、室温まで冷却して本実施形態の発光素子を得る。この際、Ａｕ／Ａｌ層中のＡｕおよびＡｌの質量パーセンテージは、それぞれ９０％および１０％である。
【００４８】
上述した実施例において、金属微細構造を有する金属層１４が発光基板１３の表面上に形成され、表面プラズモンが金属層１４および発光基板１３の間に形成されうるように陰極線が照射される。発光基板の蛍光効率が上昇し、発光材料の低効率の問題が克服されるほどに、表面プラズモン効果によって、発光基板１３の内部量子効率は非常に高くなり、発光基板の自然放出は非常に高まる。発光素子の発光方法において、金属層１４に一旦陰極線が放射されると、表面プラズモンが金属層１４および発光基板１３の間に形成され、発光効率および信頼性が向上する。発光素子１０は、発光基板１３および金属層１４を含む単純な２層構造を有する。また、発光基板１３および金属層１４の間に形成された均一な界面が存在し、優れた蛍光均一性および安定性が達成される。蛍光素子を用いた発光方法において、一旦金属層１４に陰極線を放射すると、表面プラズモンが金属層１４および発光基板１３間に形成され、発光基板１３の発光効率および信頼性が向上する。
【００４９】
発光素子の製造方法の一実施形態において、発光素子は発光基板上に金属層を形成させ、発光基板および金属層を焼鈍させることによって得ることができ、故に該製造方法は単純でコストが安い。電界放出ディスプレーのような超高輝度および高スピードの動きを持つ発光装置に広く適用することができる。
【００５０】
構造的特徴および／または方法論的作用に特有の言葉で本発明を記載してきたが、添付の特許請求の範囲で規定された本発明は記載された特定の構造または作用に必ずしも限定されないと理解されるべきである。むしろ、特定の特徴および作用は、特許請求の範囲の発明を実施するサンプル型として開示されている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光基板；および
発光基板の表面上に形成された、金属微細構造を有する金属層；
を含み、
この際、前記発光基板は、化学組成：Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光材料を含む、発光素子。
【請求項２】
前記発光基板は、Ｙ２Ｏ３：Ｅｕの発光材料でドープされた発光ガラスであり、前記発光ガラスの化学組成は、２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記発光基板中のＹ２Ｏ３：Ｅｕの発光材料の質量パーセンテージは、５％−３５％の範囲である、請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記発光基板が、透明または半透明基板および化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する透明または半透明基板上に形成される発光フィルムを含み、前記金属層が前記発光フィルムの表面上に形成されている、請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
前記金属層の材料が、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＭｇおよびＺｎからなる群から選択される少なくとも一の金属である、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、０．５〜２００ｎｍの範囲である、請求項１に記載の発光素子。
【請求項７】
化学組成：Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光材料を含む、発光基板を準備し；
発光基板の表面上に金属層を形成させ；
金属層の金属微細構造を形成させるために真空中で発光基板および金属層を焼鈍し、次いで、発光素子を形成するために発光基板および金属層を冷却することを含む、
発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記発光基板の製造は、前記発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕおよびガラス粉末を混合し、混合物を形成させるために１０００〜１３００℃で溶融し；発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕでドープされた発光ガラスを形成させるために室温まで前記混合物を冷却することを含む、請求項７に記載の製造方法。
【請求項９】
前記発光基板の製造は、基板として透明または半透明基板を選択し、基板上に化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムを形成させることを含む、請求項７に記載の製造方法。
【請求項１０】
請求項７〜１０のいずれかの製造方法によって発光素子を得て；前記金属層に陰極線を放射し、前記陰極線の放射によって前記金属層および発光基板の間に表面プラズモンを形成させ、次いで発光基板に放射線をあてることを含む、発光素子の発光方法。
【請求項１】
発光基板；および
発光基板の表面上に形成された、金属微細構造を有する金属層；
を含み、
この際、前記発光基板は、化学組成：Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光材料を含む、発光素子。
【請求項２】
前記発光基板は、Ｙ２Ｏ３：Ｅｕの発光材料でドープされた発光ガラスであり、前記発光ガラスの化学組成は、２０Ｎａ２Ｏ−２０ＢａＯ−３０Ｂ２Ｏ３−３０ＳｉＯ２である、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記発光基板中のＹ２Ｏ３：Ｅｕの発光材料の質量パーセンテージは、５％−３５％の範囲である、請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記発光基板が、透明または半透明基板および化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する透明または半透明基板上に形成される発光フィルムを含み、前記金属層が前記発光フィルムの表面上に形成されている、請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
前記金属層の材料が、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＭｇおよびＺｎからなる群から選択される少なくとも一の金属である、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、０．５〜２００ｎｍの範囲である、請求項１に記載の発光素子。
【請求項７】
化学組成：Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光材料を含む、発光基板を準備し；
発光基板の表面上に金属層を形成させ；
金属層の金属微細構造を形成させるために真空中で発光基板および金属層を焼鈍し、次いで、発光素子を形成するために発光基板および金属層を冷却することを含む、
発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記発光基板の製造は、前記発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕおよびガラス粉末を混合し、混合物を形成させるために１０００〜１３００℃で溶融し；発光材料Ｙ２Ｏ３：Ｅｕでドープされた発光ガラスを形成させるために室温まで前記混合物を冷却することを含む、請求項７に記載の製造方法。
【請求項９】
前記発光基板の製造は、基板として透明または半透明基板を選択し、基板上に化学組成Ｙ２Ｏ３：Ｅｕを有する発光フィルムを形成させることを含む、請求項７に記載の製造方法。
【請求項１０】
請求項７〜１０のいずれかの製造方法によって発光素子を得て；前記金属層に陰極線を放射し、前記陰極線の放射によって前記金属層および発光基板の間に表面プラズモンを形成させ、次いで発光基板に放射線をあてることを含む、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２０１３−５０２３７４（Ｐ２０１３−５０２３７４Ａ）
【公表日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２５８３５（Ｐ２０１２−５２５８３５）
【出願日】平成２１年８月２６日（２００９．８．２６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＮ２００９／０７３５１５
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２２８７６
【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２４日（２０１３．１．２４）
【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／ＣＮ２００９／０７３５１５
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２２８７６
【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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