説明

蛍光体、蛍光ランプ、EL用蛍光体及び蛍光体の製造方法

【課題】表面酸化物が少ないため表面の比抵抗が大きく、ELデバイス用蛍光体として用いた場合、印加した電界が蛍光体表面を伝ってリークするのを抑制することを目的とする。
【解決手段】蛍光体母体の一般式が、Zn(1-x)xS(式中のAは、Be、Mg、Ca、Sr及びBaの群から選ばれる少なくとも1種の2A族元素、0<x<1)で表され、付活剤と共付活剤を含有した蛍光体であって、酸素量が全体の2wt%以下であることを特徴とする蛍光体である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は発光材料であって、特に紫外線領域の光を放射する蛍光体、蛍光ランプ、EL用蛍光体に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年の環境問題から、有害物質や細菌・ウイルスなどを分離、分解、または殺菌する手段が強く要求されている。このような分解・殺菌を行う手段として光触媒材料が注目されている。代表的な光触媒はアナターゼ型TiO2であり、これは一般には波長が400nm以下の紫外線により光触媒機能を発揮する。最近では、アナターゼ型TiO2よりは機能は低いものの、420nmくらいの波長まで機能するルチル型TiO2も開発されている。
【0003】
このような波長の光を放射させるデバイスとしては、水銀ランプや発光ダイオードもあるが、点または線光源であるため、大面積の光触媒を均一に励起するには適さない。大面積を均一に発光させるデバイスとして無機エレクトロルミネッセンス(EL)デバイスがある。これは、光を放射する機能を持つ蛍光体粉末を誘電体樹脂に分散させて、主として交流電界を印加して発光させるものである。
【0004】
高効率で発光する蛍光体としてはZnS蛍光体があり、これはZnSにCuやAg等を付活剤、ClやAl等を共付活剤としてドーピングしたものであるが、発光スペクトルのピーク波長は450nm以上である。これに対して、ZnMgSなどZnSに2A族硫化物を混晶化した蛍光体に付活剤と共付活剤をドーピングした蛍光体は、短波長可視光〜紫外発光することができる蛍光体である。この蛍光体は、母体の一般式が、Zn(1-x)x
S(式中のAは、Be、Mg、Ca、Sr及びBaの群から選ばれる少なくとも1種の2A族元素、0<x)で表され、2A族硫化物の含有量に依存して発光波長を変化させることができる。ドーピングされた付活剤は、一般的にはZnや2A族元素からなる陽イオンの位置を置換してアクセプターになり、共付活剤は硫黄の位置または陽イオンの位置を置換してドナーになり、これらの準位間での発光が起こるため、ドナー−アクセプター(DA)ペア型発光と呼ばれる。
【0005】
一方、付活剤が陽イオンを置換するのではなく、母体結晶の格子間位置に侵入すると、陽イオンと格子間元素の会合による新しい準位が生成し、Blue−Cu型発光(以下、「B−Cu型発光」とする。)と呼ばれるDAペア型発光よりも高エネルギー(短波長)の発光が起こる。
このような混晶蛍光体の製法は、例えばZnMgS系の場合、ZnSとMgS粉末を出発原料とし、これらに付活剤、共付活剤を添加した混合粉末を焼成することで得られる。
【0006】
しかし、ZnSと2A族元素の硫化物粉末を出発原料とし、これらに付活剤、共付活剤を添加した混合粉末を焼成することで得られる蛍光体は多量の酸素を含むため、発光効率が高くないという課題があった。この理由を、2A族元素としてMgを用いた場合を例に説明する。
【0007】
一般にMgSのような岩塩構造を持つ硫化物は極めて酸化されやすく、表面がMgOに転化してしまっていることに加え、硫化物の表面には多量の吸着水やOH基が強固に吸着しているため、これを出発原料として用いて蛍光体を作製した場合、多量の酸素を含むZnMgS系蛍光体となる。混合工程を不活性ガス中で行ったとしても、炉内に設置する時の酸化は避けられない。
【0008】
上記工程で作製した蛍光体は多量の酸素を含み、その大部分は蛍光体の表面に存在する。ZnMgS系蛍光体の場合、蛍光体表面はZnMgO、ZnO、またはMgOに転化していると考えられる。ZnOやZnMgOは比抵抗が小さいため、このような酸化物が蛍光体表面に存在すると、以下の問題が生じる。
【0009】
(1)蛍光ランプ用蛍光体として:
蛍光体を電子線で励起した場合、電子線の大部分は表面の酸化物に吸収されてしまうため、発光輝度が低くなる。
【0010】
(2)EL用蛍光体として:
蛍光体を樹脂中に分散させた分散型ELデバイスとし、交流電界を印加した時、電界が表面を通ってリークしてしまい、実際に蛍光体に印加される電界が低くなり発光強度が低下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
そこで本発明は、ZnSと2A族硫化物との混晶蛍光体であって、蛍光体表面の酸化物量が少ないため、電子線を照射した場合、酸化物による電子線吸収を抑制することができ、電子線で励起する蛍光ランプ用蛍光体として優れた蛍光体を提供することを目的とする。また、表面酸化物が少ないため表面の比抵抗が大きく、ELデバイス用蛍光体として用いた場合、印加した電界が蛍光体表面を伝ってリークするのを抑制することができ、EL用蛍光体として優れた蛍光体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
発明者らは、酸素含有量の少ない以下の蛍光体により、上記課題が解決されることを見いだした。すなわち、本発明は以下の構成を有する。
【0013】
(1)蛍光体母体の一般式がZn(1-x)xS(式中のAは、Be、Mg、Ca、Sr及びBaの群から選ばれる少なくとも1種の2A族元素、0<x<1)で表され、付活剤と共付活剤を含有した蛍光体であって、酸素量が全体の2wt%以下である蛍光体である。
(2)前記酸素量が1wt%以下である前記(1)に記載の蛍光体である。
(3)前記酸素量が0.5wt%以下である前記(2)に記載の蛍光体である。
【0014】
(4)前記付活剤が、Ag、Cu、Auの少なくとも一種であり、前記共付活剤が3B族または7B族元素から選ばれる少なとも1種であることを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれか一に記載の蛍光体である。
(5)前記xが、0<x≦0.5である前記(1)〜(4)のいずれか一に記載の蛍光体である。
(6)B−Cu型発光機能を持つ前記(1)〜(5)のいずれか一に記載の蛍光体である。
(7)前記(1)〜(6)のいずれか一に記載の蛍光体からなる蛍光ランプ用蛍光体である。
(8)前記(1)〜(6)のいずれか一に記載の蛍光体からなるEL用蛍光体である。
【0015】
(9)ZnSと、Mg、Be、Ca、Sr、Ba又はこれらの窒化物の少なくとも一種と、付活剤と、および共付活剤とを混合して混合粉末を作製する第一の工程と、該混合粉末をH2Sを含むガス中で焼成する第二の工程とを有する上記(1)〜(8)のいずれか一に記載の蛍光体の製造方法である。
(10)ZnSと、Mg、Be、Ca、Sr、Ba又はこれらの窒化物の少なくとも一種と、硫黄と、付活剤と、および共付活剤とを混合して混合粉末を作製する第一の工程と、該混合粉末を不活性ガス中またはH2Sを含むガス中で焼成する第二の工程とを有する上記(1)〜(8)のいずれか一に記載の蛍光体の製造方法である。
(11)前記ZnSが、多量の双晶を含むEL用ZnSであることを特徴とする前記(9)又は(10)に記載の蛍光体の製造方法である。
【0016】
本発明の蛍光体は以下のようにして作製できる。すなわち、ZnS、Mgまたは窒化マグネシウム等の少なくとも一種、付活剤、および共付活剤とを混合して混合粉末を作製する第一の工程と、これをH2Sを含むガス中で焼成する第二の工程とを有する製法によって作製できる。MgSの代わりに金属マグネシウムや窒化マグネシウム(Mg32)を用いると、硫黄の不足が生じ、生成する蛍光体には硫黄欠損が生成して発光強度や波長に影響を及ぼすため、H2Sガスを含むガス中で焼成する必要がある。または、ZnS、Mgまたは窒化マグネシウムの少なくとも一種、付活剤、および共付活剤に加えて、硫黄を添加しておくと、H2Sを含むガス中で焼成する必要がなくなる。
【0017】
MgやMg32粉末の表面も若干は酸化されているが、MgSに比べると遙かに少ないので、これらを原料に用いることで、酸素含有量の少ない蛍光体となる。なお、できるだけ硫化物の表面に吸着水やOH基が吸着しないように原料粉末の混合を行なうことが好ましい。高い発光強度が得られるのは、酸素含有量が全体の2wt%以下である必要がある。2wt%より多いとMgSを用いるのと差がなくなるためである。より好ましくは1wt%以下、さらに好ましくは0.5wt%以下である。
【0018】
また、EL用蛍光体とするためには、多量の双晶を含むEL用ZnS蛍光体を用いることが好ましい。ZnMgS蛍光体は微量のMgの固溶により結晶系が六方晶になる。一般的なZnS粉末にも双晶は形成されているが、EL用ZnS蛍光体と比べると遙かに少ない。このようなZnSとMgまたはMg32を反応させてZnMgSを生成させても、六方晶ZnMgS内部には双晶が形成されにくいのでEL発光強度は低い。これに対して、多量の双晶を含むEL用ZnS蛍光体を出発原料とした場合は、MgまたはMg32と反応させても、その双晶を消滅させることなく維持することができるので、発光強度の高いEL用蛍光体となる。
【0019】
蛍光体の付活剤はAg、Cu、Auの少なくとも一種、共付活剤は3B族または7B族元素から選ばれる少なくとも1種を用いるのが好ましい。付活剤の種類により発光波長は変化し、Agを用いると短波長発光が得られる。特に、蛍光体中に固溶するAg量を共付活剤量よりも大きくすると、B−Cu型発光が出現し、最も短波長の紫外発光が起こる。共付活剤としてAgを用いた蛍光体は、蛍光ランプ用蛍光体として高い発光強度を示す。Cuを用いた蛍光体は、蛍光体内部に導電性の高いCu2Sのような化合物を含むためEL用蛍光体として用いることができる。
【0020】
これらの付活剤を組み合わせて用いても良い。例えば、AgとAuを同時に用いると、主としてイオン半径の小さなAgが固溶して発光中心を形成し、イオン半径の大きなAuが蛍光体内部に掃き出されて導電相として機能するので、短波長EL用蛍光体とすることもできる。
【0021】
xは、0<x≦0.5で特に効果がある。x=0(ZnS)ではMgやMg32を用いなくても酸素含有量の少ない蛍光体は作製できる。xが0.5を超えると、ZnSに固溶できないMgSが岩塩構造MgSとして析出しはじめ、大気中で容易に酸化されるので好ましくない。
本発明では、Mgの代わりにCa、Sr、Ba、Beまたはこれらの窒化物を用いても同様の効果がある。
【発明の効果】
【0022】
本発明の蛍光体は、電子線照射や電界印加により短波長発光する硫化物蛍光体であり、硫化物表面の酸化物量が少ないため、電子線照射時に酸化物での吸収が抑制されるため、効率よく硫化物蛍光体自体を励起できるので高輝度でカソードルミネッセンス発光するので蛍光ランプ用蛍光体として優れる。
また、EL用蛍光体として用いた場合、硫化物蛍光体表面に存在する比抵抗の小さい酸化物による電界のリークが防止できるため、硫化物自体へ効率よく電界を印加できるので、高輝度EL発光する優れたEL用蛍光体となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0023】
[実施例1]
(蛍光ランプ用蛍光体の作製方法)
(1)原料(蛍光体母体)
ZnS(第一出発原料):平均粒径1μm
2A族元素源(第二出発原料):平均粒径1μmのMg、Ca、Sr、Ba、またはこれらの窒化物、比較としてMgS、CaS、SrS、BaS
硫黄:平均粒径3μm、純度99.999%
付活剤:平均粒径1μmのAg2S粉末
共付活剤:平均粒径20μmのNaCl、KBr、KF粉末
【0024】
(2)混合
原料粉末を所定のドーピング組成になるように、窒素中、乾式混合した。
(3)焼成
回収した原料混合物は、20×200×20mm(高さ)の蓋付きの石英るつぼに投入し、バッチ式窒素炉を用い、1気圧の各種ガス中、各温度で8時間焼成を行った後、炉内で室温まで自然放冷した。
(4)酸素量分析
試料をカーボンるつぼに装填し、真空中、2200℃で溶解させてCO化した。この時の赤外吸収スペクトルを測定し、ピーク強度から酸素量を決定した。
【0025】
(発光波長の評価方法)
蛍光体粉末を市販の水ガラスに分散した後、50×50×1mmのITO膜を0.2μmコーティングした石英ガラス基板を浸漬し、自然放置してITO膜上に蛍光体粉末を約20μmの厚さで付着させて陽極とした。
これとは別に、8×38×1mm(厚さ)サイズのソーダライムガラス基板上に形成されたアルミ電極(厚さ0.1μm)上にカーボンナノチューブと有機バインダーからなるスラリーをスクリーン印刷機により塗布し、アルゴンガス中、400℃で1時間焼成して冷陰極を作製した。
【0026】
冷陰極と陽極を10mmの距離で平行に設置し、さらに冷陰極と陽極の間に、冷陰極上200μmの距離で、冷陰極と同じ面積のメッシュ状のグリッド電極、および、予めゲッターとしての酸化バリウムを0.1μm蒸着しておいた各種の制御電極を設置して配線した。これらを真空槽に入れ、内部を1×10-7Paまで脱気した。
陰極と陽極に通電し、陰極から電子線を発生させ、陽極の蛍光体表面に衝突させた。
発光スペクトルはフォトニックアナライザを用い、同じ感度で測定した。一部の試料に関して発光強度の比較を行った。得られた発光スペクトルのピーク波長の強度を相対比較した。
結果を表1に示す。
【0027】
【表1】

【0028】
第二出発原料として金属単体または窒化物を用いると発光強度が増大した(蛍光体No.1及び2と3との比較、4及び5と6との比較、7及び8と9との比較)。これらの蛍光体は、付活剤であるAg量と共付活剤であるCl量が同量なのでDAペア型発光していると考えられる。
酸素量が少ないほど発光強度が増大した(蛍光体No.2と5と8との比較)。酸素量が2wt%以下では発光強度が高くなった。特に0.5wt%以下では高い発光強度であった。
【0029】
蛍光体No.10〜12は、付活剤であるAg量が共付活剤であるBr量よりも多く、蛍光体No.1〜9に比べて短波長発光しているので、B−Cu型発光が出現したと考えられる。これらの試料についても酸素量が少ないほど高発光強度であった。
Mgの代わりに、Sr、Ca、Baまたはこれらの元素の窒化物を用いても、同様の効果があった(蛍光体No.13〜18を参照)。
【0030】
[実施例2]
(EL用蛍光体の作製方法)
(1)原料(蛍光体母体)
EL用ZnS(第一出発原料):実施例1のZnSに付活剤として0.5mol%(ZnSに対して)のCuS、共付活剤として0.2mol%のKClを添加し、温度1000℃で窒素中で8時間焼成した後、室温まで自然放冷させて蛍光体を作製した。
2A族元素源(第二出発原料):平均粒径1μmのMg、Ca、Sr、Baの窒化物
比較としてMgS、CaS、SrS、BaS
付活剤:0.5mol%(ZnSに対して)のCu
共付活剤:0.2mol%のKCl
【0031】
(2)混合
原料粉末を所定のドーピング組成になるように、窒素中、乾式混合した。
(3)焼成
回収した原料混合物は、20×200×20mm(高さ)の蓋付きの石英るつぼに投入し、管状炉を用い、予め1気圧のH2Sガスを流しながら、885℃に保持した炉内に一気に挿入し、10分焼成を行った後、炉内の温度が100℃のゾーンに一気に移動させた。
(4)酸素量分析
試料をカーボンるつぼに装填し、真空中、2200℃で溶解させてCO化した。この時の赤外吸収スペクトルを測定し、ピーク強度から酸素量を決定した。
【0032】
(発光波長の評価方法)
50×50×1mmの石英ガラス基板に、40×40×50μm深さの凹加工を施した後、アルミを0.1μm厚さ蒸着して裏面電極とした。蛍光体をひまし油に、35vol%の体積分率で超音波混合してスラリーにし、これを凹部に流し込んだ。最後に、厚さ0.1μmの透明導電膜(表面電極)がコーティングされた50×50×1mmの石英ガラス基板で蓋をしてELデバイスとした。
両電極にリード線を取り付け、電圧500V、周波数3000Hzの交流電圧を印加した。発光スペクトルはフォトニックアナライザを用い、同じ感度で測定した。一部の試料に関して発光強度の比較を行った。得られた発光スペクトルのピーク波長の強度を相対比較した。
結果を表2に示す。
【0033】
【表2】

【0034】
これらの蛍光体は、付活剤量が共付活剤量よりも多いのでB−Cu型発光したと考えられる。ZnS源としてEL用蛍光体を用いた場合でも、2A族窒化物を用いたほうが高輝度発光した(蛍光体No.20、22及び26参照)。これは、蛍光体表面に存在する酸化物が少ないため、硫化物蛍光体粉末自体に相対的に高電界が印加されたためと考えられる。
【0035】
[実施例3]
(EL用蛍光体の作製方法)
(1)原料(蛍光体母体)
EL用ZnS(第一出発原料):実施例1のZnSに、付活剤として平均粒径0.5μmのAgS、平均粒径10nmのAu(無添加の場合もあり)、共付活剤として0.2mol%のKClを添加し、温度1000℃で窒素中で8時間焼成した後、室温まで自然放冷させて蛍光体を作製した。
2A族元素源(第二出発原料):平均粒径1μmのMg、Ca、Sr、Baの窒化物
比較としてMgS
付活剤:平均粒径0.5μmのAg2S、平均粒径10nmのAu又は無添加
共付活剤:0.2mol%のKCl
【0036】
(2)混合
原料粉末を所定のドーピング組成になるように、窒素中、乾式混合した。
(3)焼成
回収した原料混合物は、20×200×20mm(高さ)の蓋付きの石英るつぼに投入し、管状炉を用い、予め1気圧のHSガスを流しながら、885℃に保持した炉内に一気に挿入し、10分焼成を行った後、炉内の温度が100℃のゾーンに一気に移動させた。
(4)酸素量分析
試料をカーボンるつぼに装填し、真空中、2200℃で溶解させてCO化した。この時の赤外吸収スペクトルを測定し、ピーク強度から酸素量を決定した。
【0037】
(発光波長の評価方法)
50×50×1mmの石英ガラス基板に、40×40×50μm深さの凹加工を施した後、アルミを0.1μm厚さ蒸着して裏面電極とした。蛍光体をひまし油に、35vol%の体積分率で超音波混合してスラリーにし、これを凹部に流し込んだ。最後に、厚さ0.1μmの透明導電膜(表面電極)がコーティングされた50×50×1mmの石英ガラス基板で蓋をしてELデバイスとした。
両電極にリード線を取り付け、電圧500V、周波数3000Hzの交流電圧を印加した。発光スペクトルはフォトニックアナライザを用い、同じ感度で測定した。一部の試料に関して発光強度の比較を行った。得られた発光スペクトルのピーク波長の強度を相対比較した。
結果を表3に示す。
【0038】
【表3】

【0039】
AgとAuを同時に添加するとEL発光した(蛍光体No.27,28,30及び31と29との比較)。これは、Auが双晶界面に析出したためと考えられる。第一付活剤であるAg量が共付活剤量よりも多いのでB−Cu型発光したと考えられる。第二付活剤としてAuを添加しない場合はEL発光しなかった(蛍光体No.29)。
このように、ZnS源としてEL用ZnMgS:Ag,Au,Cl蛍光体を用いた場合でも、2A族窒化物を用いたほうが高輝度発光した(蛍光体No.28及び31)。これは、蛍光体表面に存在する酸化物が少ないため、硫化物蛍光体粉末自体に相対的に高電界が印加されたためと考えられる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
蛍光体母体の一般式が、Zn(1-x)xS(式中のAは、Be、Mg、Ca、Sr及びBaの群から選ばれる少なくとも1種の2A族元素、0<x<1)で表され、付活剤と共付活剤を含有した蛍光体であって、酸素量が全体の2wt%以下であることを特徴とする蛍光体。
【請求項2】
前記酸素量が、1wt%以下であることを特徴とする請求項1に記載の蛍光体。
【請求項3】
前記酸素量が、0.5wt%以下であることを特徴とする請求項2に記載の蛍光体。
【請求項4】
前記付活剤が、Ag、Cu、Auの少なくとも一種であり、前記共付活剤が3B族または7B族元素から選ばれる少なとも1種であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一に記載の蛍光体。
【請求項5】
前記xが、0<x≦0.5であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一に記載の蛍光体。
【請求項6】
前記蛍光体が、Blue−Cu型発光機能を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一に記載の蛍光体。
【請求項7】
請求項1〜6のいずれか一に記載の蛍光体からなることを特徴とする蛍光ランプ用蛍光体。
【請求項8】
請求項1〜6のいずれか一に記載の蛍光体からなることを特徴とするEL用蛍光体。
【請求項9】
ZnSと、Mg、Be、Ca、Sr、Ba又はこれらの窒化物の少なくとも一種と、付活剤と、および共付活剤とを混合して混合粉末を作製する第一の工程と、該混合粉末をH2Sを含むガス中で焼成する第二の工程とを有することを特徴とする請求項1〜8のいずれか一に記載の蛍光体の製造方法。
【請求項10】
ZnSと、Mg、Be、Ca、Sr、Ba又はこれらの窒化物の少なくとも一種と、硫黄と、付活剤と、および共付活剤とを混合して混合粉末を作製する第一の工程と、該混合粉末を不活性ガス中またはH2Sを含むガス中で焼成する第二の工程とを有することを特徴とする請求項1〜8のいずれか一に記載の蛍光体の製造方法。
【請求項11】
前記ZnSが、多量の双晶を含むEL用ZnSであることを特徴とする請求項9又は10に記載の蛍光体の製造方法。

【公開番号】特開2007−131655(P2007−131655A)
【公開日】平成19年5月31日(2007.5.31)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−323137(P2005−323137)
【出願日】平成17年11月8日(2005.11.8)
【出願人】(000002130)住友電気工業株式会社 (12,747)
【Fターム(参考)】