発光素子、その製造方法および発光方法
発光素子は:発光性基材と;該発光性基材の表面上に形成された金属微細構造を有する金属層と;を含み、前記発光性基材は、Y3AlxGa5-xO12:Tbかつ０≦ｘ≦５の化学組成を有する発光体を含む。発光素子の製造方法および発光方法もまた提供される。前記発光素子は、良好な発光の均一性、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ており、極めて高い輝度を有する発光装置において用いられうる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜発明の分野＞
本開示は、発光体に関連し、特に、発光体で作られた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連する。
【背景技術】
【０００２】
＜背景＞
発光性基材として用いられる従来の材料として、蛍光体、ナノ結晶、ガラス等が挙げられる。結晶および蛍光体と比較して、ガラスは透明であり、硬く、そして高い化学的安定性および優れた発光性能を有している。加えて、ガラスは、多様な形状および大きさを備えた表示装置や発光性の光源といった様々な形状の製品に容易に加工することができる。
【０００３】
たとえば、真空電子工学において、電界放出素子（電界放出素子）は通常、発光性基材を光源として使用しており、発光性基材は、照明およびディススプレー技術において広い展望を示していると共に、国内および海外の研究機関の高い関心を集めている。電界放出素子の動作原理とは、真空中、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。電界放出素子は広い動作温度幅（−４０℃〜８０℃）、短い応答時間（＜１ｍｓ）、単純な構造、低いエネルギー消費量を有していると共に、環境保護の要請に適合している。さらに、蛍光体といった材料、発光性基材、発光性フィルム等は、電界放出素子において発光体としての役割を果たしうるものであるが、しかしながら、これらはすべて低い発光特性という重大な問題点を抱えており、したがって、特に照明の用途において、電界放出素子の利用が著しく制限されている。
【発明の概要】
【０００４】
＜発明の要約＞
本開示の一態様において、発光の均一性が高く、安定性が良好であり、単純な構造を有する発光素子、および簡易な工程を備え、廉価な製造方法が求められている。
【０００５】
本開示の他の態様において、簡単な操作、良好な信頼性を有し、さらに発光効率が改善した発光素子の発光方法もまた、求められている。
【０００６】
発光素子は、発光性基材と;該発光性基材の表面上に形成された金属微細構造を有する金属層と;を含み、前記発光性基材は、Y3AlxGa5-xO12:Tbかつ０≦ｘ≦５の化学組成を有する。
【０００７】
発光素子の製造方法は、Y3AlxGa5-xO12:Tbかつ０≦ｘ≦５の化学組成を有する発光体を含む発光性基材を作製し；前記発光性基材の表面上に金属層を形成し；前記発光性基材および前記金属層を真空中でアニールして（annealing）前記金属層の金属微細構造を形成し、続いて、前記発光性基材および前記金属層を冷却して発光素子を形成することを含む。
【０００８】
発光素子の発光方法は、上述の製造方法により発光素子を得て;陰極線を前記金属層に放射し、前記陰極線の放射により前記金属層と前記発光性基材との間に表面プラズモンを生じさせ、続いて、前記発光性基材を発光させることを含む。
【０００９】
上述の発光素子において、金属微細構造を有する前記金属層は、発光性基材の表面上に形成され、陰極線が照射され、前記金属層と前記発光性基材との間に表面プラズモンが生じうる。表面プラズモン効果に起因して、発光性基材の内部量子効率が極めて増大し、発光性基材の自然放出が極めて増加し、その結果、発光性基材の発光効率が改善され、発光体の低い発光効率の問題が克服される。したがって、発光素子の発光方法において、ひとたび金属層に陰極線を放出すると、金属層と発光性基材との間に表面プラズモンが生じ、こうして発光効率および信頼性が改善される。発光素子は、発光性基材および金属層を含む単純な二層構造を有する。加えて、発光性基材と金属層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、ひとたび陰極線を金属層に放射すると、金属層と発光性基材との間に表面プラズモンが生じ、こうして、発光効率および発光性基材の信頼性が改善される。
【００１０】
上述の発光素子の製造方法において、発光素子は、発光性基材上に金属層を形成し、発光性基材および金属層をアニールすることにより得られうる。したがって、製造方法は単純かつ廉価である。発光素子は、電界放出ディスプレーといった、超高輝度および高速動作を伴う発光装置に広く応用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
＜図面の簡単な説明＞
図面中の構成要素は必ずしも一定の縮尺であるわけではなく、代わりに、本開示の原理を明瞭に図示することに重点が置かれている。
【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、金属層を備えない発光性基材と比較した実施例１の発光素子の発光スペクトルであり、この発光スペクトルは、５ＫＶの加速電圧の陰極線により励起されたShimadzu RF-5301PC分光計により測定されたものである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜詳細な説明＞
開示は例示としてものであって、添付の図面の形状により制限されるものではなく、図面中、類似の参照番号は類似の要素を示す。本開示における「一」または「１つの」実施形態の参照は、必ずしも同じ実施形態を参照するものではなく、このような参照は、少なくとも１つを意味するものであると認められる。
【００１３】
図１を参照すると、発光素子の一実施形態は、発光性基材１３および該発光性基材１３の表面上に形成された金属層１４を含んでいる。前記金属層１４は、金属微細構造を有し、金属微細構造は、マイクロ−ナノ構造と称されうる。さらに、前記金属微細構造は非周期的であり、すなわち、不規則な配向の金属結晶から成る。
【００１４】
本開示の一実施形態において、発光性基材１３は、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体がドープされた（doped）発光ガラスでありうるものであり、前記ガラスは20Na2O-20BaO-30B2O3-30SiO2の化学組成を有している。前記ガラスは低融点のガラス粉末から形成されうるが、このガラスは上記材料に限定されるものではない。発光性基材中において、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体の質量百分率は５％〜３５％であり、かつ０≦ｘ≦５である。通常、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体は、Ｔｂがドープされたガーネット系材料と称されうるものであり、Y3Al5O12:TbまたはY3(Al，Ga)5O12:Tb材料とも呼ばれうる。
【００１５】
本開示の他の実施形態において、前記発光性基材１３としては、透明または半透明の基材、および該基材上に形成されたY3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光性フィルムが挙げられ、前記金属層１４は発光性フィルム上に形成される。
【００１６】
前記金属層１４は、抗酸化性および耐食性金属といった、高い化学的安定性を有する金属、または一般的な金属から形成されうるものである。前記金属層１４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１つの金属により形成されると好ましく、Ａｕ，Ａｇ，およびＡｌからなる群から選択される少なくとも１つの金属により形成されるとより好ましい。前記金属層１４は、一種類の金属または複合金属によって形成されうる。複合金属は、二種類以上の上記金属の合金でありうる。たとえば、金属層１４は、Ａｇ／Ａｌ合金層またはＡｕ／Ａｌ合金層でありうるが、ＡｇまたはＡｕの重量百分率は、７０％より多いと好ましい。前記金属層１４は、０．５〜２００ｎｍの範囲の厚みを有しており、好ましくは、１〜１００ｎｍの範囲である。
【００１７】
発光素子として、発光素子１０は、電界放出ディスプレー、電界放出光源、および大きな広告ディスプレー等の超高輝度および高速動作を伴う発光装置に広く応用することができる。電界放出ディスプレーを例にとると、陽極は、加速電界を形成するために電界放出陰極に正電位を印加し、陰極は電子、すなわち陰極線１６を金属層１４に放出し、その結果、金属層１４と発光性基材１３との間に表面プラズモンが生じる。表面プラズモン効果に起因して、発光性基材１３の内部量子効率は極めて増大し、発光性基材の自然放出が極めて増加し、その結果、発光性基材の発光効率が改善され、発光体の低い発光効率の問題が克服される。さらに、金属層が発光性基材１３の表面上に形成されるため、金属層全体と発光性基材１３との間に均一な接触面が形成され、このようにして発光の均一性が改善される。
【００１８】
図１および図２を参照すると、発光素子の製造方法の一実施形態のフローチャートが示されており、このフローチャートは、以下の工程を含んでいる：
工程Ｓ０１、発光性基材13がY3AlxGa5-xO12:Tbかつ０≦ｘ≦５の化学組成で作製される。
【００１９】
工程Ｓ０２、金属層１４が発光性基材１３上に形成される。
【００２０】
工程Ｓ０３、金属層１４の金属微細構造を形成するため、発光性基材１３および金属層１４が真空中アニールされ（annealed）、その後、発光素子１０を形成するため、発光性基材１３および金属層１４が冷却される。
【００２１】
工程Ｓ０１において、上述の発光性基材１３は、２つの構造を採りうる：第１の発光構造は、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体がドープされた発光ガラスであり、第２の発光構造は、基板上に形成されたY3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光性フィルムである。第１の発光構造の形成は：発光体およびガラス粉末を混合し；１０００〜１３００℃の温度範囲で溶融させ;室温まで冷却し、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体を添加した発光ガラスを得ることを含んでいる。前記ガラス粉末は、20Na2O-20BaO-30B2O3-30SiO2の化学組成を有している。Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体もまた、粉末であってもよい。発光体およびガラス粉末を、１：１９〜７：１３の質量比率で混合し、（このとき、発光体は、混合物の５％〜３５％を占める）；１０００〜１３００℃の温度範囲で前記混合物を溶融させ；鋼板上に前記混合物を載置して室温に冷却し；発光性基材１３を得る。好ましい実施形態において、溶融温度は、１２００℃でありうる。
【００２２】
第２の発光構造の形成は、透明または半透明の基材の表面上に発光性フィルムを形成することを含み、前記発光性フィルムは、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する。Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光性フィルムは、マグネトロンスパッタリング、電子ビーム蒸着、化学蒸着、分子線エピタキシー、パルスレーザー蒸着、またはスプレー熱分解処理により、前記基材の表面上に形成されうる。
【００２３】
上述の通り、金属層１４は、抗酸化性および耐食性金属といった、高い化学的安定性を有する金属、または一般的な金属といった金属源を被覆することにより形成される。金属層１４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１つの金属により形成されると好ましく、Ａｕ，Ａｇ，およびＡｌからなる群から選択される少なくとも１つの金属により形成されるとより好ましい。工程Ｓ０２において、金属層１４は、スパッタリングまたは蒸着などの方法に限定されるものではないが、ＰＶＤ法またはＣＶＤ法によって、上述の金属の少なくとも１つを用いて発光性基材１３の表面上に形成される。金属層１４は、０．５〜２００ｎｍの幅の厚さを有しており、好ましくは、１〜１００ｎｍである。
【００２４】
工程Ｓ０３において、発光性基材１３上に金属層１４を形成した後、金属層１４および発光性基材１３が５０〜６５０℃の温度幅で、５分〜５時間アニールされ、室温まで冷却される。好ましいアニール温度幅は、１００〜６００℃であり、好ましいアニール時間の幅は１５分から３時間である。
【００２５】
図１および図３を参照すると、発光素子の発光方法のフローチャートが示されており、このフローチャートは、以下の工程を含んでいる：
工程Ｓ１１、発光素子１０が上記記載の製造方法にしたがって得られる。
【００２６】
工程Ｓ１２、陰極線１６が金属層１４に放射される。陰極線１６の放射により、金属層１４と発光性基材１３との間に表面プラズモンが生じ、発光性基材１３を発光させる。
【００２７】
発光素子１０は、上述のような構造および組成の特徴を有している。応用において、工程Ｓ１２は、電界放出ディスプレーまたは光源によって実行される。真空中、陽極は、加速電界を形成するために電界放出陰極に正電位を印加し、陰極は陰極線１６を放出する。陰極線１６により励起され、電子ビームは金属層１４を貫通し、発光性基材１３を発光させる。かような工程の間、金属層１４と発光性基材１３との間に表面プラズモンが生じる。表面プラズモン効果に起因して、発光性基材１３の内部量子効率が極めて増大し、発光性基材の自然放出が極めて増加し、その結果、発光性基材の発光効率が改善される。
【００２８】
上述の通り、発光性基材１３は２つの構造を有しており、第１の構造に基づくと、電子ビームは金属層１４を貫通し、発光ガラス中のY3AlxGa5-xO12:Tbを発光させる。かような工程の間、Y2SiO5:Tbがドープされた発光ガラスの表面と金属層１４との間に表面プラズモンが生じ、表面プラズモンによりY2SiO5:Tbが発光する。第２の構造に基づくと、電子ビームは金属層１４を貫通し、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光性フィルムを発光させる。かような工程の間、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光性フィルムの表面と金属層１４との間に表面プラズモンが生じ、表面プラズモンによりY2SiO5:Tbが発光する。
【００２９】
表面プラズモン（ＳＰ）は、金属と媒質との間の界面に沿って広がる波であり、その振幅は、界面からの距離が増大するにしたがっ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（ＳＰＰｓ）の特性、分散関係、励起モード、カップリング効果は著しく変化する。ＳＰＰｓにより生じる電磁場は、波長以下の大きさの構造において、光波の伝播を抑制することができるだけでなく、電磁波放射を生じさせると共に、電磁波放射を光周波数からマイクロ波帯まで制御することができ、このようにして、光の伝播の能動的な制御が実行される。したがって、本実施形態は、発光性基材の光学密度を増加させ、また、発光性基材の自然放出速度を向上させるためにＳＰＰｓの励起を用いる。さらに、表面プラズモンのカップリング効果を用いることができ、発光性基材が発光する際、共鳴振動現象が生じ、こうして、発光性基材の内部量子効率が極めて増大し、その結果、発光性基材の発光効率が改善される。
【００３０】
発光素子の異なる組成や製造方法、およびこれらの性能を説明するため、複数の実施例を挙げる。以下の実施形態において、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体は市販品を用いることができる。
【００３１】
（実施例１）
Y3(Al,Ga)5O12:Tbの組成を有する蛍光体およびガラス粉末を、質量比で１：４となるように混合し、溶融させてY3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光体がドープされた発光ガラスを得た。ガラス粉末は、20Na2O-20BaO-30B2O3-30SiO2の化学組成を有するものを用いた。厚さが２ｎｍである銀の単層を、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被覆させた。前記発光ガラスおよび前記銀層を、３００℃で３０分間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００３２】
上記で得られた発光素子のスペクトルを測定した。作製された発光素子に電子銃からの陰極線を衝突させて電子ビーム金属層に貫通させ、Y3(Al, Ga)5O12:Tbがドープされた発光ガラスを発光させた。その結果、図４に示す発光スペクトルが得られた。図４に示されるように、発光体は緑色の発光体であり、曲線１１は、金属層を有さない発光性基材の発光スペクトルを示し、曲線１２は、金属層を有する実施例１の発光素子の発光スペクトルを示す。図４に示されるように、表面プラズモンが金属層と発光性基材との間に生じるため、波長が３５０〜７００ｎｍの範囲において、金属層を有さない発光性基材と比較して、金属層を有する実施例１の発光素子は、発光の積分強度が２．６倍も大きく、したがって、発光性能が極めて改善されている。
【００３３】
他の例は、実施例１と類似の発光スペクトルおよび発光性能を有しており、以下では説明を省略する。
【００３４】
（実施例２）
Y3Al5O12:Tbの組成を有する蛍光体およびガラス粉末を、質量比で１：１９となるように混合し、溶融させてY3Al5O12:Tbの組成を有する発光体がドープされた発光ガラスを得た。ガラス粉末は、20Na2O-20BaO-30B2O3-30SiO2の化学組成を有するものを用いた。厚さが０．５ｎｍである金の単層を、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被覆させた。前記発光ガラスおよび前記金層を、２００℃で１時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００３５】
（実施例３）
Y3Al5O12:Tbの組成を有する蛍光体およびガラス粉末を、質量比で７：１３となるように混合し、溶融させてY3Al5O12:Tbの組成を有する発光体がドープされた発光ガラスを得た。ガラス粉末は、20Na2O-20BaO-30B2O3-30SiO2の化学組成を有するものを用いた。厚さが２００ｎｍであるアルミニウムの単層を、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被覆させた。前記発光ガラスおよび前記アルミニウム層を、５００℃で５時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００３６】
（実施例４）
両面が研磨された１×１ｃｍ２のサファイア基板を選択した。Y3Al5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、マグネトロンスパッタリングを用いてサファイア基板上に形成し、厚さが１００ｎｍであるマグネシウムの単層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。前記発光性フィルムおよび前記マグネシウム層を、６５０℃で５分間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００３７】
（実施例５）
両面が研磨された１×１ｃｍ２のマグネシウム酸化物基板を選択した。Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、分子線エピタキシーを用いてマグネシウム酸化物基板上に形成し、厚さが１ｎｍであるパラジウムの単層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。前記発光性フィルムおよび前記パラジウム層を、１００℃で３時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００３８】
（実施例６）
両面が研磨された１×１ｃｍ２のマグネシウム酸化物基板を選択した。Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、スプレー熱分解によってマグネシウム酸化物基板上に形成し、厚さが５ｎｍである白金の単層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。前記発光性フィルムおよび前記白金層を、４５０℃で１５分間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００３９】
（実施例７）
両面が研磨された１×１ｃｍ２の石英基板を選択した。Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、マグネシウムスパッタリングを用いて石英基板上に形成し、厚さが２０ｎｍである鉄の単層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。前記発光性フィルムおよび前記鉄層を、５０℃で５時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００４０】
（実施例８）
両面が研磨された１×１ｃｍ２の石英基板を選択した。Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、マグネシウムスパッタリングを用いて石英基板上に形成し、厚さが１０ｎｍであるチタンの単層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。前記発光性フィルムおよび前記チタン層を、１５０℃で２時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００４１】
（実施例９）
両面が研磨された１×１ｃｍ２の石英基板を選択した。Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、マグネシウムスパッタリングを用いて石英基板上に形成し、厚さが５０ｎｍである銅の単層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。前記発光性フィルムおよび前記銅層を、２００℃で２．５時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００４２】
（実施例１０）
両面が研磨された１×１ｃｍ２の石英基板を選択した。Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、マグネシウムスパッタリングを用いて石英基板上に形成し、厚さが１５０ｎｍである亜鉛の単層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。前記発光性フィルムおよび前記亜鉛層を、３５０℃で３０分間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００４３】
（実施例１１）
両面が研磨された１×１ｃｍ２の石英基板を選択した。Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、マグネシウムスパッタリングを用いて石英基板上に形成し、厚さが１２０ｎｍであるクロムの単層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。前記発光性フィルムおよび前記クロム層を、２５０℃で２時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００４４】
（実施例１２）
両面が研磨された１×１ｃｍ２の石英基板を選択した。Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、マグネシウムスパッタリングを用いて石英基板上に形成し、厚さが４０ｎｍであるニッケルの単層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。前記発光性フィルムおよび前記ニッケル層を、８０℃で４時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００４５】
（実施例１３）
両面が研磨された１×１ｃｍ２の石英基板を選択した。Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、マグネシウムスパッタリングを用いて石英基板上に形成し、厚さが１８０ｎｍであるコバルトの単層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。前記発光性フィルムおよび前記コバルト層を、４００℃で１時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００４６】
（実施例１４）
Y3Al5O12:Tbの組成を有する蛍光体およびガラス粉末を、質量比で３：１７となるように混合し、溶融させてY3Al5O12:Tbの組成を有する発光体がドープされた発光ガラスを得た。ガラス粉末は、20Na2O-20BaO-30B2O3-30SiO2の化学組成を有するものを用いた。厚さが０．５ｎｍである金／アルミニウム層を、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被覆させた。金／アルミニウム層において、金は約８０重量％を占め、アルミニウムは約２０％を占めていた。前記発光ガラスおよび前記金／アルミニウム層を、２００℃で１時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００４７】
（実施例１５）
Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する蛍光体およびガラス粉末を、質量比で３：７となるように混合し、溶融させてY3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光体がドープされた発光ガラスを得た。ガラス粉末は、20Na2O-20BaO-30B2O3-30SiO2の化学組成を有するものを用いた。厚さが１５ｎｍである銀／アルミニウム層を、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被覆させた。銀／アルミニウム層において、銀は約９０重量％を占め、アルミニウムは約１０％を占めていた。前記発光ガラスおよび前記銀／アルミニウム層を、２００℃で１時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００４８】
（実施例１６）
両面が研磨された１×１ｃｍ２の石英基板を選択した。Y3Al5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、マグネシウムスパッタリングを用いて石英基板上に形成し、厚さが１０ｎｍである銀／アルミニウム層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。銀／アルミニウム層において、銀は約８０重量％を占め、アルミニウムは約２０％を占めていた。前記発光性フィルムおよび前記銀／アルミニウム層を、１５０℃で２時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００４９】
（実施例１７）
両面が研磨された１×１ｃｍ２のマグネシウム酸化物基板を選択した。Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、マグネシウムスパッタリングを用いてマグネシウム酸化物基板上に形成し、厚さが１０ｎｍである金／アルミニウム層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。金／アルミニウム層において、金は約９０重量％を占め、アルミニウムは約１０％を占めていた。前記発光性フィルムおよび前記金／アルミニウム層を、１５０℃で２時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００５０】
上述の実施例において、金属微細構造を有する金属層１４が発光性基材１３の表面上に形成され、陰極線が照射されることにより、表面プラズモンが金属層１４と発光性基材１３との間に生じうる。表面プラズモン効果に起因して、発光性基材１３の内部量子効率が極めて増大し、発光性基材の自然放出が極めて増加し、その結果、発光性基材の発光効率が改善され、発光体の低い発光効率の問題が克服される。発光素子の発光方法において、ひとたび金属層１４に陰極線を放出すると、金属層１４と発光性基材１３との間に表面プラズモンが生じ、こうして発光効率および信頼性が改善される。発光素子１０は、発光性基材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、ひとたび陰極線を金属層１４に放射すると、金属層１４と発光性基材１３との間に表面プラズモンが生じ、こうして、発光効率および発光性基材１３の信頼性が改善される。
【００５１】
発光素子の製造方法の実施形態において、発光素子は、発光性基材上に金属層を形成し、発光性基材および金属層をアニールすることにより得られうる。したがって、製造方法は単純かつ廉価である。発光素子は、電界放出ディスプレーといった、超高輝度および高速動作を伴う発光装置に広く応用されうる。
【００５２】
構造上の特徴および／または方法論的行為に特定的な表現で本発明を記載してきたが、添付の特許請求の範囲に定義された発明は、記載された特定的特徴や行為に必ずしも限定されないことが理解される。むしろ、特定的特徴や行為は、特許請求の範囲に記載された発明を実装する形態の例として開示されている。
【技術分野】
【０００１】
＜発明の分野＞
本開示は、発光体に関連し、特に、発光体で作られた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連する。
【背景技術】
【０００２】
＜背景＞
発光性基材として用いられる従来の材料として、蛍光体、ナノ結晶、ガラス等が挙げられる。結晶および蛍光体と比較して、ガラスは透明であり、硬く、そして高い化学的安定性および優れた発光性能を有している。加えて、ガラスは、多様な形状および大きさを備えた表示装置や発光性の光源といった様々な形状の製品に容易に加工することができる。
【０００３】
たとえば、真空電子工学において、電界放出素子（電界放出素子）は通常、発光性基材を光源として使用しており、発光性基材は、照明およびディススプレー技術において広い展望を示していると共に、国内および海外の研究機関の高い関心を集めている。電界放出素子の動作原理とは、真空中、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。電界放出素子は広い動作温度幅（−４０℃〜８０℃）、短い応答時間（＜１ｍｓ）、単純な構造、低いエネルギー消費量を有していると共に、環境保護の要請に適合している。さらに、蛍光体といった材料、発光性基材、発光性フィルム等は、電界放出素子において発光体としての役割を果たしうるものであるが、しかしながら、これらはすべて低い発光特性という重大な問題点を抱えており、したがって、特に照明の用途において、電界放出素子の利用が著しく制限されている。
【発明の概要】
【０００４】
＜発明の要約＞
本開示の一態様において、発光の均一性が高く、安定性が良好であり、単純な構造を有する発光素子、および簡易な工程を備え、廉価な製造方法が求められている。
【０００５】
本開示の他の態様において、簡単な操作、良好な信頼性を有し、さらに発光効率が改善した発光素子の発光方法もまた、求められている。
【０００６】
発光素子は、発光性基材と;該発光性基材の表面上に形成された金属微細構造を有する金属層と;を含み、前記発光性基材は、Y3AlxGa5-xO12:Tbかつ０≦ｘ≦５の化学組成を有する。
【０００７】
発光素子の製造方法は、Y3AlxGa5-xO12:Tbかつ０≦ｘ≦５の化学組成を有する発光体を含む発光性基材を作製し；前記発光性基材の表面上に金属層を形成し；前記発光性基材および前記金属層を真空中でアニールして（annealing）前記金属層の金属微細構造を形成し、続いて、前記発光性基材および前記金属層を冷却して発光素子を形成することを含む。
【０００８】
発光素子の発光方法は、上述の製造方法により発光素子を得て;陰極線を前記金属層に放射し、前記陰極線の放射により前記金属層と前記発光性基材との間に表面プラズモンを生じさせ、続いて、前記発光性基材を発光させることを含む。
【０００９】
上述の発光素子において、金属微細構造を有する前記金属層は、発光性基材の表面上に形成され、陰極線が照射され、前記金属層と前記発光性基材との間に表面プラズモンが生じうる。表面プラズモン効果に起因して、発光性基材の内部量子効率が極めて増大し、発光性基材の自然放出が極めて増加し、その結果、発光性基材の発光効率が改善され、発光体の低い発光効率の問題が克服される。したがって、発光素子の発光方法において、ひとたび金属層に陰極線を放出すると、金属層と発光性基材との間に表面プラズモンが生じ、こうして発光効率および信頼性が改善される。発光素子は、発光性基材および金属層を含む単純な二層構造を有する。加えて、発光性基材と金属層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、ひとたび陰極線を金属層に放射すると、金属層と発光性基材との間に表面プラズモンが生じ、こうして、発光効率および発光性基材の信頼性が改善される。
【００１０】
上述の発光素子の製造方法において、発光素子は、発光性基材上に金属層を形成し、発光性基材および金属層をアニールすることにより得られうる。したがって、製造方法は単純かつ廉価である。発光素子は、電界放出ディスプレーといった、超高輝度および高速動作を伴う発光装置に広く応用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
＜図面の簡単な説明＞
図面中の構成要素は必ずしも一定の縮尺であるわけではなく、代わりに、本開示の原理を明瞭に図示することに重点が置かれている。
【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、金属層を備えない発光性基材と比較した実施例１の発光素子の発光スペクトルであり、この発光スペクトルは、５ＫＶの加速電圧の陰極線により励起されたShimadzu RF-5301PC分光計により測定されたものである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜詳細な説明＞
開示は例示としてものであって、添付の図面の形状により制限されるものではなく、図面中、類似の参照番号は類似の要素を示す。本開示における「一」または「１つの」実施形態の参照は、必ずしも同じ実施形態を参照するものではなく、このような参照は、少なくとも１つを意味するものであると認められる。
【００１３】
図１を参照すると、発光素子の一実施形態は、発光性基材１３および該発光性基材１３の表面上に形成された金属層１４を含んでいる。前記金属層１４は、金属微細構造を有し、金属微細構造は、マイクロ−ナノ構造と称されうる。さらに、前記金属微細構造は非周期的であり、すなわち、不規則な配向の金属結晶から成る。
【００１４】
本開示の一実施形態において、発光性基材１３は、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体がドープされた（doped）発光ガラスでありうるものであり、前記ガラスは20Na2O-20BaO-30B2O3-30SiO2の化学組成を有している。前記ガラスは低融点のガラス粉末から形成されうるが、このガラスは上記材料に限定されるものではない。発光性基材中において、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体の質量百分率は５％〜３５％であり、かつ０≦ｘ≦５である。通常、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体は、Ｔｂがドープされたガーネット系材料と称されうるものであり、Y3Al5O12:TbまたはY3(Al，Ga)5O12:Tb材料とも呼ばれうる。
【００１５】
本開示の他の実施形態において、前記発光性基材１３としては、透明または半透明の基材、および該基材上に形成されたY3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光性フィルムが挙げられ、前記金属層１４は発光性フィルム上に形成される。
【００１６】
前記金属層１４は、抗酸化性および耐食性金属といった、高い化学的安定性を有する金属、または一般的な金属から形成されうるものである。前記金属層１４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１つの金属により形成されると好ましく、Ａｕ，Ａｇ，およびＡｌからなる群から選択される少なくとも１つの金属により形成されるとより好ましい。前記金属層１４は、一種類の金属または複合金属によって形成されうる。複合金属は、二種類以上の上記金属の合金でありうる。たとえば、金属層１４は、Ａｇ／Ａｌ合金層またはＡｕ／Ａｌ合金層でありうるが、ＡｇまたはＡｕの重量百分率は、７０％より多いと好ましい。前記金属層１４は、０．５〜２００ｎｍの範囲の厚みを有しており、好ましくは、１〜１００ｎｍの範囲である。
【００１７】
発光素子として、発光素子１０は、電界放出ディスプレー、電界放出光源、および大きな広告ディスプレー等の超高輝度および高速動作を伴う発光装置に広く応用することができる。電界放出ディスプレーを例にとると、陽極は、加速電界を形成するために電界放出陰極に正電位を印加し、陰極は電子、すなわち陰極線１６を金属層１４に放出し、その結果、金属層１４と発光性基材１３との間に表面プラズモンが生じる。表面プラズモン効果に起因して、発光性基材１３の内部量子効率は極めて増大し、発光性基材の自然放出が極めて増加し、その結果、発光性基材の発光効率が改善され、発光体の低い発光効率の問題が克服される。さらに、金属層が発光性基材１３の表面上に形成されるため、金属層全体と発光性基材１３との間に均一な接触面が形成され、このようにして発光の均一性が改善される。
【００１８】
図１および図２を参照すると、発光素子の製造方法の一実施形態のフローチャートが示されており、このフローチャートは、以下の工程を含んでいる：
工程Ｓ０１、発光性基材13がY3AlxGa5-xO12:Tbかつ０≦ｘ≦５の化学組成で作製される。
【００１９】
工程Ｓ０２、金属層１４が発光性基材１３上に形成される。
【００２０】
工程Ｓ０３、金属層１４の金属微細構造を形成するため、発光性基材１３および金属層１４が真空中アニールされ（annealed）、その後、発光素子１０を形成するため、発光性基材１３および金属層１４が冷却される。
【００２１】
工程Ｓ０１において、上述の発光性基材１３は、２つの構造を採りうる：第１の発光構造は、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体がドープされた発光ガラスであり、第２の発光構造は、基板上に形成されたY3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光性フィルムである。第１の発光構造の形成は：発光体およびガラス粉末を混合し；１０００〜１３００℃の温度範囲で溶融させ;室温まで冷却し、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体を添加した発光ガラスを得ることを含んでいる。前記ガラス粉末は、20Na2O-20BaO-30B2O3-30SiO2の化学組成を有している。Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体もまた、粉末であってもよい。発光体およびガラス粉末を、１：１９〜７：１３の質量比率で混合し、（このとき、発光体は、混合物の５％〜３５％を占める）；１０００〜１３００℃の温度範囲で前記混合物を溶融させ；鋼板上に前記混合物を載置して室温に冷却し；発光性基材１３を得る。好ましい実施形態において、溶融温度は、１２００℃でありうる。
【００２２】
第２の発光構造の形成は、透明または半透明の基材の表面上に発光性フィルムを形成することを含み、前記発光性フィルムは、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する。Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光性フィルムは、マグネトロンスパッタリング、電子ビーム蒸着、化学蒸着、分子線エピタキシー、パルスレーザー蒸着、またはスプレー熱分解処理により、前記基材の表面上に形成されうる。
【００２３】
上述の通り、金属層１４は、抗酸化性および耐食性金属といった、高い化学的安定性を有する金属、または一般的な金属といった金属源を被覆することにより形成される。金属層１４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１つの金属により形成されると好ましく、Ａｕ，Ａｇ，およびＡｌからなる群から選択される少なくとも１つの金属により形成されるとより好ましい。工程Ｓ０２において、金属層１４は、スパッタリングまたは蒸着などの方法に限定されるものではないが、ＰＶＤ法またはＣＶＤ法によって、上述の金属の少なくとも１つを用いて発光性基材１３の表面上に形成される。金属層１４は、０．５〜２００ｎｍの幅の厚さを有しており、好ましくは、１〜１００ｎｍである。
【００２４】
工程Ｓ０３において、発光性基材１３上に金属層１４を形成した後、金属層１４および発光性基材１３が５０〜６５０℃の温度幅で、５分〜５時間アニールされ、室温まで冷却される。好ましいアニール温度幅は、１００〜６００℃であり、好ましいアニール時間の幅は１５分から３時間である。
【００２５】
図１および図３を参照すると、発光素子の発光方法のフローチャートが示されており、このフローチャートは、以下の工程を含んでいる：
工程Ｓ１１、発光素子１０が上記記載の製造方法にしたがって得られる。
【００２６】
工程Ｓ１２、陰極線１６が金属層１４に放射される。陰極線１６の放射により、金属層１４と発光性基材１３との間に表面プラズモンが生じ、発光性基材１３を発光させる。
【００２７】
発光素子１０は、上述のような構造および組成の特徴を有している。応用において、工程Ｓ１２は、電界放出ディスプレーまたは光源によって実行される。真空中、陽極は、加速電界を形成するために電界放出陰極に正電位を印加し、陰極は陰極線１６を放出する。陰極線１６により励起され、電子ビームは金属層１４を貫通し、発光性基材１３を発光させる。かような工程の間、金属層１４と発光性基材１３との間に表面プラズモンが生じる。表面プラズモン効果に起因して、発光性基材１３の内部量子効率が極めて増大し、発光性基材の自然放出が極めて増加し、その結果、発光性基材の発光効率が改善される。
【００２８】
上述の通り、発光性基材１３は２つの構造を有しており、第１の構造に基づくと、電子ビームは金属層１４を貫通し、発光ガラス中のY3AlxGa5-xO12:Tbを発光させる。かような工程の間、Y2SiO5:Tbがドープされた発光ガラスの表面と金属層１４との間に表面プラズモンが生じ、表面プラズモンによりY2SiO5:Tbが発光する。第２の構造に基づくと、電子ビームは金属層１４を貫通し、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光性フィルムを発光させる。かような工程の間、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光性フィルムの表面と金属層１４との間に表面プラズモンが生じ、表面プラズモンによりY2SiO5:Tbが発光する。
【００２９】
表面プラズモン（ＳＰ）は、金属と媒質との間の界面に沿って広がる波であり、その振幅は、界面からの距離が増大するにしたがっ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（ＳＰＰｓ）の特性、分散関係、励起モード、カップリング効果は著しく変化する。ＳＰＰｓにより生じる電磁場は、波長以下の大きさの構造において、光波の伝播を抑制することができるだけでなく、電磁波放射を生じさせると共に、電磁波放射を光周波数からマイクロ波帯まで制御することができ、このようにして、光の伝播の能動的な制御が実行される。したがって、本実施形態は、発光性基材の光学密度を増加させ、また、発光性基材の自然放出速度を向上させるためにＳＰＰｓの励起を用いる。さらに、表面プラズモンのカップリング効果を用いることができ、発光性基材が発光する際、共鳴振動現象が生じ、こうして、発光性基材の内部量子効率が極めて増大し、その結果、発光性基材の発光効率が改善される。
【００３０】
発光素子の異なる組成や製造方法、およびこれらの性能を説明するため、複数の実施例を挙げる。以下の実施形態において、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体は市販品を用いることができる。
【００３１】
（実施例１）
Y3(Al,Ga)5O12:Tbの組成を有する蛍光体およびガラス粉末を、質量比で１：４となるように混合し、溶融させてY3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光体がドープされた発光ガラスを得た。ガラス粉末は、20Na2O-20BaO-30B2O3-30SiO2の化学組成を有するものを用いた。厚さが２ｎｍである銀の単層を、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被覆させた。前記発光ガラスおよび前記銀層を、３００℃で３０分間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００３２】
上記で得られた発光素子のスペクトルを測定した。作製された発光素子に電子銃からの陰極線を衝突させて電子ビーム金属層に貫通させ、Y3(Al, Ga)5O12:Tbがドープされた発光ガラスを発光させた。その結果、図４に示す発光スペクトルが得られた。図４に示されるように、発光体は緑色の発光体であり、曲線１１は、金属層を有さない発光性基材の発光スペクトルを示し、曲線１２は、金属層を有する実施例１の発光素子の発光スペクトルを示す。図４に示されるように、表面プラズモンが金属層と発光性基材との間に生じるため、波長が３５０〜７００ｎｍの範囲において、金属層を有さない発光性基材と比較して、金属層を有する実施例１の発光素子は、発光の積分強度が２．６倍も大きく、したがって、発光性能が極めて改善されている。
【００３３】
他の例は、実施例１と類似の発光スペクトルおよび発光性能を有しており、以下では説明を省略する。
【００３４】
（実施例２）
Y3Al5O12:Tbの組成を有する蛍光体およびガラス粉末を、質量比で１：１９となるように混合し、溶融させてY3Al5O12:Tbの組成を有する発光体がドープされた発光ガラスを得た。ガラス粉末は、20Na2O-20BaO-30B2O3-30SiO2の化学組成を有するものを用いた。厚さが０．５ｎｍである金の単層を、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被覆させた。前記発光ガラスおよび前記金層を、２００℃で１時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００３５】
（実施例３）
Y3Al5O12:Tbの組成を有する蛍光体およびガラス粉末を、質量比で７：１３となるように混合し、溶融させてY3Al5O12:Tbの組成を有する発光体がドープされた発光ガラスを得た。ガラス粉末は、20Na2O-20BaO-30B2O3-30SiO2の化学組成を有するものを用いた。厚さが２００ｎｍであるアルミニウムの単層を、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被覆させた。前記発光ガラスおよび前記アルミニウム層を、５００℃で５時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００３６】
（実施例４）
両面が研磨された１×１ｃｍ２のサファイア基板を選択した。Y3Al5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、マグネトロンスパッタリングを用いてサファイア基板上に形成し、厚さが１００ｎｍであるマグネシウムの単層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。前記発光性フィルムおよび前記マグネシウム層を、６５０℃で５分間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００３７】
（実施例５）
両面が研磨された１×１ｃｍ２のマグネシウム酸化物基板を選択した。Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、分子線エピタキシーを用いてマグネシウム酸化物基板上に形成し、厚さが１ｎｍであるパラジウムの単層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。前記発光性フィルムおよび前記パラジウム層を、１００℃で３時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００３８】
（実施例６）
両面が研磨された１×１ｃｍ２のマグネシウム酸化物基板を選択した。Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、スプレー熱分解によってマグネシウム酸化物基板上に形成し、厚さが５ｎｍである白金の単層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。前記発光性フィルムおよび前記白金層を、４５０℃で１５分間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００３９】
（実施例７）
両面が研磨された１×１ｃｍ２の石英基板を選択した。Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、マグネシウムスパッタリングを用いて石英基板上に形成し、厚さが２０ｎｍである鉄の単層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。前記発光性フィルムおよび前記鉄層を、５０℃で５時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００４０】
（実施例８）
両面が研磨された１×１ｃｍ２の石英基板を選択した。Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、マグネシウムスパッタリングを用いて石英基板上に形成し、厚さが１０ｎｍであるチタンの単層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。前記発光性フィルムおよび前記チタン層を、１５０℃で２時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００４１】
（実施例９）
両面が研磨された１×１ｃｍ２の石英基板を選択した。Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、マグネシウムスパッタリングを用いて石英基板上に形成し、厚さが５０ｎｍである銅の単層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。前記発光性フィルムおよび前記銅層を、２００℃で２．５時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００４２】
（実施例１０）
両面が研磨された１×１ｃｍ２の石英基板を選択した。Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、マグネシウムスパッタリングを用いて石英基板上に形成し、厚さが１５０ｎｍである亜鉛の単層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。前記発光性フィルムおよび前記亜鉛層を、３５０℃で３０分間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００４３】
（実施例１１）
両面が研磨された１×１ｃｍ２の石英基板を選択した。Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、マグネシウムスパッタリングを用いて石英基板上に形成し、厚さが１２０ｎｍであるクロムの単層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。前記発光性フィルムおよび前記クロム層を、２５０℃で２時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００４４】
（実施例１２）
両面が研磨された１×１ｃｍ２の石英基板を選択した。Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、マグネシウムスパッタリングを用いて石英基板上に形成し、厚さが４０ｎｍであるニッケルの単層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。前記発光性フィルムおよび前記ニッケル層を、８０℃で４時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００４５】
（実施例１３）
両面が研磨された１×１ｃｍ２の石英基板を選択した。Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、マグネシウムスパッタリングを用いて石英基板上に形成し、厚さが１８０ｎｍであるコバルトの単層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。前記発光性フィルムおよび前記コバルト層を、４００℃で１時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００４６】
（実施例１４）
Y3Al5O12:Tbの組成を有する蛍光体およびガラス粉末を、質量比で３：１７となるように混合し、溶融させてY3Al5O12:Tbの組成を有する発光体がドープされた発光ガラスを得た。ガラス粉末は、20Na2O-20BaO-30B2O3-30SiO2の化学組成を有するものを用いた。厚さが０．５ｎｍである金／アルミニウム層を、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被覆させた。金／アルミニウム層において、金は約８０重量％を占め、アルミニウムは約２０％を占めていた。前記発光ガラスおよび前記金／アルミニウム層を、２００℃で１時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００４７】
（実施例１５）
Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する蛍光体およびガラス粉末を、質量比で３：７となるように混合し、溶融させてY3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光体がドープされた発光ガラスを得た。ガラス粉末は、20Na2O-20BaO-30B2O3-30SiO2の化学組成を有するものを用いた。厚さが１５ｎｍである銀／アルミニウム層を、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被覆させた。銀／アルミニウム層において、銀は約９０重量％を占め、アルミニウムは約１０％を占めていた。前記発光ガラスおよび前記銀／アルミニウム層を、２００℃で１時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００４８】
（実施例１６）
両面が研磨された１×１ｃｍ２の石英基板を選択した。Y3Al5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、マグネシウムスパッタリングを用いて石英基板上に形成し、厚さが１０ｎｍである銀／アルミニウム層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。銀／アルミニウム層において、銀は約８０重量％を占め、アルミニウムは約２０％を占めていた。前記発光性フィルムおよび前記銀／アルミニウム層を、１５０℃で２時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００４９】
（実施例１７）
両面が研磨された１×１ｃｍ２のマグネシウム酸化物基板を選択した。Y3(Al, Ga)5O12:Tbの組成を有する発光性フィルムを、マグネシウムスパッタリングを用いてマグネシウム酸化物基板上に形成し、厚さが１０ｎｍである金／アルミニウム層を、電子ビーム蒸着装置を用いて発光性フィルムの表面上に被覆させた。金／アルミニウム層において、金は約９０重量％を占め、アルミニウムは約１０％を占めていた。前記発光性フィルムおよび前記金／アルミニウム層を、１５０℃で２時間、１×１０−３Ｐａよりも低い真空度の真空中でアニールし、室温まで冷却し、発光素子を得た。
【００５０】
上述の実施例において、金属微細構造を有する金属層１４が発光性基材１３の表面上に形成され、陰極線が照射されることにより、表面プラズモンが金属層１４と発光性基材１３との間に生じうる。表面プラズモン効果に起因して、発光性基材１３の内部量子効率が極めて増大し、発光性基材の自然放出が極めて増加し、その結果、発光性基材の発光効率が改善され、発光体の低い発光効率の問題が克服される。発光素子の発光方法において、ひとたび金属層１４に陰極線を放出すると、金属層１４と発光性基材１３との間に表面プラズモンが生じ、こうして発光効率および信頼性が改善される。発光素子１０は、発光性基材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、ひとたび陰極線を金属層１４に放射すると、金属層１４と発光性基材１３との間に表面プラズモンが生じ、こうして、発光効率および発光性基材１３の信頼性が改善される。
【００５１】
発光素子の製造方法の実施形態において、発光素子は、発光性基材上に金属層を形成し、発光性基材および金属層をアニールすることにより得られうる。したがって、製造方法は単純かつ廉価である。発光素子は、電界放出ディスプレーといった、超高輝度および高速動作を伴う発光装置に広く応用されうる。
【００５２】
構造上の特徴および／または方法論的行為に特定的な表現で本発明を記載してきたが、添付の特許請求の範囲に定義された発明は、記載された特定的特徴や行為に必ずしも限定されないことが理解される。むしろ、特定的特徴や行為は、特許請求の範囲に記載された発明を実装する形態の例として開示されている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光性基材と；
該発光性基材の表面上に形成された金属微細構造を有する金属層と；を含み、
前記発光性基材は、Y3AlxGa5-xO12:Tbかつ０≦ｘ≦５の化学組成を有する発光体を含む、発光素子。
【請求項２】
前記発光性基材は、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体がドープされた発光ガラスであり、
該ガラスは、20Na2O-20BaO-30B2O3-30SiO2の化学組成を有する、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記発光性基材中、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体の質量百分率は、５％〜３５％である、請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記発光性基材は、
透明または半透明の基材と、
該基材上に形成されたY3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光性フィルムと、を含み、
前記金属層は、前記発光性フィルム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１つの金属により形成される、請求項１に記載の発光素子。
【請求項６】
前記金属層は、０．５〜２００ｎｍの範囲の厚みを有する、請求項１に記載の発光素子。
【請求項７】
Y3AlxGa5-xO12:Tbかつ０≦ｘ≦５の化学組成を有する発光体を含む発光性基材を作製し；
前記発光性基材の表面上に金属層を形成し；
前記発光性基材および前記金属層を真空中でアニールして前記金属層の金属微細構造を形成し、続いて、前記発光性基材および前記金属層を冷却して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】
前記発光性基材の作製は、
Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体および20Na2O-20BaO-30B2O3-30SiO2の化学組成を有するガラス粉末を混合し;
１０００〜１３００℃の温度範囲で溶融させ;
室温まで冷却し、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体を添加した発光ガラスを得ることを含む、請求項７に記載の製造方法。
【請求項９】
前記発光性基材の作製は、透明または半透明の基材の表面上に、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光性フィルムを形成することを含む、請求項７に記載の製造方法。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれか１項に記載の製造方法により発光素子を得て;
陰極線を前記金属層に放射し、前記陰極線の放射により前記金属層と前記発光性基材との間に表面プラズモンを生じさせ、続いて、前記発光性基材を発光させることを含む、発光素子の発光方法。
【請求項１】
発光性基材と；
該発光性基材の表面上に形成された金属微細構造を有する金属層と；を含み、
前記発光性基材は、Y3AlxGa5-xO12:Tbかつ０≦ｘ≦５の化学組成を有する発光体を含む、発光素子。
【請求項２】
前記発光性基材は、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体がドープされた発光ガラスであり、
該ガラスは、20Na2O-20BaO-30B2O3-30SiO2の化学組成を有する、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記発光性基材中、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体の質量百分率は、５％〜３５％である、請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記発光性基材は、
透明または半透明の基材と、
該基材上に形成されたY3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光性フィルムと、を含み、
前記金属層は、前記発光性フィルム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１つの金属により形成される、請求項１に記載の発光素子。
【請求項６】
前記金属層は、０．５〜２００ｎｍの範囲の厚みを有する、請求項１に記載の発光素子。
【請求項７】
Y3AlxGa5-xO12:Tbかつ０≦ｘ≦５の化学組成を有する発光体を含む発光性基材を作製し；
前記発光性基材の表面上に金属層を形成し；
前記発光性基材および前記金属層を真空中でアニールして前記金属層の金属微細構造を形成し、続いて、前記発光性基材および前記金属層を冷却して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】
前記発光性基材の作製は、
Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体および20Na2O-20BaO-30B2O3-30SiO2の化学組成を有するガラス粉末を混合し;
１０００〜１３００℃の温度範囲で溶融させ;
室温まで冷却し、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光体を添加した発光ガラスを得ることを含む、請求項７に記載の製造方法。
【請求項９】
前記発光性基材の作製は、透明または半透明の基材の表面上に、Y3AlxGa5-xO12:Tbの化学組成を有する発光性フィルムを形成することを含む、請求項７に記載の製造方法。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれか１項に記載の製造方法により発光素子を得て;
陰極線を前記金属層に放射し、前記陰極線の放射により前記金属層と前記発光性基材との間に表面プラズモンを生じさせ、続いて、前記発光性基材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２０１３−５０２４９９（Ｐ２０１３−５０２４９９Ａ）
【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２０１２−５２５８３８（Ｐ２０１２−５２５８３８）
【出願日】平成２１年８月２６日（２００９．８．２６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＮ２００９／０７３５１８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２２８７９
【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／ＣＮ２００９／０７３５１８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２２８７９
【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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