説明

蛍光体の製造方法

【課題】本発明は、従来の高温長時間を要する焼成法、水熱法による課題を解決するものであり、発光素子として、簡便にして十分な輝度を得る蛍光体製造方法を提供する。
【解決手段】無機化合物半導体又はそれを含む混合物にマイクロ波を照射し加熱処理をすることによる、励起発光性の蛍光体製造方法である。また内部にマイクロ波吸収体を形成した断熱性セラミックス加熱容器の底辺に、基板を配置し、この基板上に前記無機化合物半導体又はそれを含む混合物粉末試料を配置したり、また前記基板が、マイクロ波吸収体の耐熱セラミックスであったり、また前記基板上に配置する前記化合物半導体又はその粉末試料を、マイクロ波電力半減深度以内の厚さにほぼ均一に平たく配置したことを特徴とする蛍光体製造方法である。また前記無機化合物半導体が、硫黄を含む2元または3元系半導体であるか、または2−6族化合物半導体である蛍光体製造方法である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、硫化亜鉛、硫化ストロンチウムなどの母体に発光中心となる賦活剤を含む蛍光体の新規な製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
フォトルミネッセンス(PL)、エレクトロルミネッセンス(EL)に供する蛍光体の製造方法は、例えば特開昭61−296085号に記載されているように、硫化亜鉛、銅化合物、ハロゲン化物の混合物を、1000〜1200℃で数時間1次焼成し、六方晶系の中間蛍光体粉末を形成し、これに常圧下で静水圧を加えた後、700〜950℃で数時間熱処理するか、熱間プレスして立方晶系に全部または一部転移させ、高輝度の蛍光体粉末を得る方法が記載されている。このように、1000℃以上数時間で1次焼成し、1000℃以下数時間で2次焼成して、大変手間と時間を要して作製している。
【0003】
また特開2006−199794号では、硫化ストロンチウムを母剤とする各種賦活剤を含む系で、真空中、2000℃以上、1時間で第1の焼成工程を行い、硫黄ガスを6%含む窒素雰囲気中、800℃で第2の焼成を行い蛍光体を得る方法が記載されている。
【0004】
また特開2005−264108号では、上記の固相反応とはことなり、高温で水を溶媒とする水熱合成法によって調整される硫化亜鉛の合成層が記載されている。これは亜鉛イオン水溶液、硫黄イオン水溶液に銅などの賦活剤イオンの水溶液を助剤とともに適当量混合し、数時間から数十時間、200〜400℃でオスワルド熟成をする。
【0005】
一方、マイクロ波による加熱は、ヒーターなどの外部加熱とことなり、物体の内部から加熱されるため、従来溶液系の化学反応を促進する方法や、窒化珪素、窒化アルミニウムなどの無機材料の迅速合成方法として研究され、一部有効な方法として実用されてきた。
【特許文献1】特開昭61−296085号公報
【特許文献2】特開2005−264108号公報
【特許文献3】特開2006−199794号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、従来の高温長時間の焼成法や、高温の水を介して製造する水熱法の課題を解決するものであり、発光素子として、簡便にして十分な輝度を得る製造方法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】
【0007】
本発明による解決手段は、無機化合物半導体又はそれを含む混合物にマイクロ波を照射し加熱処理をすることによる、励起発光性の蛍光体製造方法である。
【0008】
また内部にマイクロ波吸収体を形成した断熱性セラミックス加熱容器の底辺に、基板を配置し、この基板上に前記無機化合物半導体又はそれを含む混合物粉末試料を配置した蛍光体製造方法である。
【0009】
また前記基板が、マイクロ波吸収体の耐熱セラミックスである蛍光体製造方法である。
【0010】
また前記基板が炭化珪素からなる蛍光体製造方法である。
【0011】
また前記基板上に配置する前記化合物半導体又はその粉末試料を、マイクロ波電力半減深度以内の厚さにほぼ均一に平たく配置したことを特徴とする蛍光体製造方法である。
【0012】
また前記無機化合物半導体が、硫黄を含む2元または3元系半導体であるか、または2−6族化合物半導体である蛍光体製造方法である。
【0013】
また前記無機化合物半導体粉末に、還元作用または触媒作用を行う物質を添加したことを特徴とする蛍光体製造方法である。
【0014】
また前記無機化合物半導体粉末に、1種類以上の賦活剤を添加したことを特徴とする蛍光体製造方法である。
【0015】
また前記無機化合物半導体粉末に、還元作用または触媒作用を行う物質と1種類以上の賦活剤を添加したことを特徴とする蛍光体製造方法である。
【0016】
また前記還元作用を行う物質が、グラファイト、炭素、ガリウム、またはそれを含む炭化物、窒化物の化合物である蛍光体製造方法である。
【0017】
また前記触媒物質が、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、ジルコニウム、またはそれを含む化合物である請求項6から10の蛍光体製造方法である。
【0018】
また前記賦活剤が、セリウム、ガリウム、マンガン、銅、アルミニウム、インジウム、ユーロピウム、フッソ、塩素、ヨウ素、単独またはその化合物である蛍光体製造方法である。
【0019】
また減圧下で無機化合物半導体そして又はその混合物にマイクロ波を照射し加熱処理をすることにより、励起発光する蛍光体の製造方法である。
【0020】
またマイクロ波が2.45GHZから28GHZまでの周波数であることを特徴とする蛍光体の製造方法である。
【0021】
またマイクロ波照射プロセスが、高温に達する第1段階のプロセスとより低温の第2段階のプロセスからなる蛍光体製造方法である。
【発明の効果】
【0022】
本発明の製造方法により、短時間のマイクロ波照射により、乾式法で蛍光体母剤中に簡単に賦活剤を導入し、高い輝度の蛍光体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0023】
マイクロ波は周波数300MHZから300GHZまでの電磁波の通称であるが、本発明による蛍光体の製造方法に用いられるマイクロ波は、家庭用電子レンジで用いられる周波数2.45GHZのほか通称ミリ波加熱法と言われる装置で用いられる28GHZの周波数を用いてもよい。更にこれ以外の周波数のマイクロ波を用いることもできる。特に10g程度の少量蛍光体の試作レベルであれば、家庭用の電子レンジを改造した小型加熱装置を用いることができる。マイクロ波の発信器としては、家庭用レンジなどに用いられるマグネトロン発振管や、ミリ波加熱装置に用いられるジャイロトロン発振管などが用いられる。
【0024】
マイクロ波加熱では、被加熱体の比誘電率、誘電損失が大きいほど、効率よく加熱される。その発熱量は、周波数、比誘電率、誘電損失、投入電力に比例する。また、そのマイクロ波電力半減深度は、逆に周波数、比誘電率、誘電損失に逆比例的に依存する。この特性を有効に生かす必要がある。例えばSiCの場合、比誘電率30、誘電損失(タンジェントデルタ)0.1と置くと約2cmの電力半減深度になる。
【0025】
図1は本発明に用いるマイクロ波加熱装置(2.45GHZ、700W)及び加熱容器の断面図をしめす。マイクロ波加熱装置1の中に断熱性セラミックス容器2を配置する。発泡性酸化ケイ素を主成分とする中空の断熱性セラミックス容器2の内部壁面には炭化珪素(SiC)などのマイクロ波吸収体3を塗布したものを用いる。SiCの塗布部は左右前後または円筒周囲だけでもよい。一般にこの状態だけで、容器底部にアルミナなどの耐熱性基板4を配置し、その上に目的の試料5を置いて、試料のマイクロ波加熱をすることができる。このようなマイクロ波用オーブンは市販もされている。本発明に関わる効果を促進するためには、試料を置く基板を、アルミナだけでなく、マイクロ波をよく吸収するSiCを主成分とする基板4を用いると加熱効率がいっそう向上する。SiC基板は純度99%以上の焼結体でも、99.9%以上の物理化学的気相成長法で作製したものでも利用できる。
【0026】
マイクロ波による加熱温度は、SiC基板4に100mm直径、厚さ5〜6mmのものを用いたとき、700wのマイクロ波照射で、5分後500℃、10分後650℃、15分後850℃、20分後1000℃のSiC表面温度を得ることができ、迅速な蛍光体実験や、製造を行える。なお、温度測定はマイクロ波を照射直後に白金―白金ロジウムなどの温度計6をすばやく図1のように挿入し、測定することができる。
【0027】
マイクロ波加熱装置に排気系を具備した真空マイクロ波加熱装置をもちいると、試料の酸化を望まない目的によっては、いっそうの効果を発揮できる。
【0028】
この様な加熱装置の基板4上に、未処理状態では蛍光を発しない無機化合物半導体やそれに賦活剤や還元剤や触媒などを含む混合物の粉末試料を平たく乗せ、マイクロ波加熱をすると、適切な条件下、適切な試料の組合せにより、蛍光体を作製することができることを見出した。上記化合物半導体やその混合物を、同等の温度下、通常の大気中での外部加熱法を用いても発光は観測できない。窒素ガスや、水素を含む窒素ガスなどの還元性雰囲気中での外部加熱法にすると、若干発光を観測することができる。それに対し適切な条件下でマイクロ波加熱すると、きわめて大きな輝度の発光を観測することができる。このマイクロ波効果のメカニズムは現在明らかではないが、実験的にきわめて有効であることを確認した。
【0029】
無機化合物半導体としては、硫黄Sを含む2元またが3元の化合物や、硫黄に限らず2−6族半導体、3−5族半導体を用いることができる。とりわけ、2−6族半導体である硫化亜鉛(ZnS)や、硫化ストロンチウム(SrS)や、ZnSの硫黄Sの代わりにセレン(Se)、テルル(Te)を用いてもよい。亜鉛Znの代わりに、カルシウムCa、ストロンチウムSr、バリウムBaをもちいてもよい。3元系化合物としては、亜鉛、ガリウムGa、硫黄の(Zn−Ga−S)系、Sr−Ga−S、Ca−Ga−Sの系などが有効である。
【0030】
賦活剤としては、セリウムCe,ガリウム、マンガンMn,銅Cu,アルミニウムAl,インジウムIn,塩素Cl、フッソF,臭素Br,ヨウ素I及び、その化合物が有効である。その化合物としては、硫化銅CuS、塩化セリウムCeCl、塩化銅CuCL、ガリウム砒素GaAs,塩化マクネシウムMgClなどが望ましい。また希土類としてセリウムの他、ユーロピウムEu,プラセオジムPr,テルビウムTb,サマリウムSmも有効である。
【0031】
還元剤の効果は、これを含まないでマイクロ波加熱すると、上記化合物半導体の一部が酸化されるためである。また大きな発光強度が得られにくい。ZnSの場合、還元剤がないとZnSの結晶系のほか、酸化亜鉛ZnOの結晶系がエックス線解析で多く観測されるようになる。還元剤としては、グラファイト、カーボンやその他の炭化物、窒化ガリウムなどの窒化物が有効である。カーボンやグラファイトなど黒色体は母剤に対して微量(0.5重量%以下)であれば、酸化して白色化し、母剤の色に影響を与えない。
【0032】
触媒作用をする材料は、蛍光体の賦活に有効である。これは還元剤と同様な効果の他、マイクロ波効果を促進するのに寄与している。このような触媒効果材料には、通常触媒として用いられる白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、ジルコニウムまたはこれらを含む化合物が有効である。
【実施例】
【0033】
更に実施例を用いて詳細を説明する。本発明は以下の実施例に例示された内容に限定されるものではない。
実施例1
【0034】
図1に示すような、マイクロ波加熱装置(2.45GHZ、最大出力700W)及び加熱容器、試料用基材を用いた。加熱装置1は松下電器製電子レンジNE−EZ2を温度が測定できるように上面に孔をあけ改造した装置を用いた。断熱性セラミックス容器2として、ふたつき円筒状の断熱セラミックスであるアートボックス(内径110mm、旭物産製)を用いた。この内部壁面はSiC塗布加工されている。この容器底部にSiC製基板(外径100mm、厚さ6mm)を置き、基板上部面に一様に試料粉末を約5gから10g薄く広げて配置した。この状態でマイクロ波電力を700Wに設定し、15分間加熱した。事前に測定したSiC基板上の温度は約850℃に達した。以上は大気雰囲気で行い、降温は自然冷却によった。
【0035】
母剤として、ZnS(堺化学製、商品名RAK−S、純度99%)7000mgを、100mm直径のSiC基板上に数mmの厚さ以下に均一に配置した。
【0036】
蛍光体を発光させるための紫外線UV源は365nmの波長のUVランプを用いた。
マイクロ波加熱前では、立方晶のみの結晶系で、かつUVランプでは発光しなかった試料が、加熱後では、室内の蛍光灯下でも視認できる強度の発光を確認した。またエックス線解析(XRD)で、立方晶のほか、六方晶系も現れ、混晶系となっていた。また、2つの晶系のZnSだけでなく、酸化亜鉛ZnOも形成されていることもわかった。
【0037】
このようにマイクロ波を照射して、元々発光しない試料が、発光体になることを確認したが、そのマイクロ波効果を以下のように考察している。1000℃以上で発現し安定に存在するといわれているZnSの六方晶系が1000℃以下で安定な立方晶系と混在していること。また比較例1、2に示すように、単なる1000℃前後の外部加熱では、発光体は形成できないことも考えあわせると、マイクロ波加熱は単なる熱的効果だけでなく、マイクロ波の周波数で結晶格子を振動させることにより、混晶系が発現したり、ZnS中の銅を含む不純物が、ZnS格子の適切なサイト(混晶系の面欠陥など)に入り、発光中心になっていると考えることができる。またZnSの比誘電率が約10と相対的に大きいことも、マイクロ波効果に相乗されていると考えられる。なお、上記実施例では純度99%のZnSを用いたが、99.99%純度(高純度化学製)のものでも結果は大差なかった。
比較例1
【0038】
上述の母剤試料を用いて、電気炉(バーンステッド社製、ファーネス1300)を用い、大気雰囲気で1000℃まで昇温し、30分保持後、自然冷却した。この試料のUV光照射による発光は全く観測されなかった。
比較例2
【0039】
上述の母剤試料を用いて、還元性ガスが導入できるマッフル炉(KDF社製、S90G)を用い、窒素ガス雰囲気で1000℃まで昇温し、30分保持後、自然冷却した。この試料のUV光照射による発光は、ガスと接触する試料表面に発光が観測されたが、実施例1と比較すると、発光レベルは低いものであった。また試料内部では発光は確認できなかった。
比較例3
【0040】
実施例1の中でZnS試料を平たく配置せず、中央部に高く盛り上げて、同様なマイクロ波電力を印加して実験した。この時は、表層とSiC基材近くのZnSが発光に寄与し、内部のZnSの発光はすくなかった。
実施例2
【0041】
上記母剤7000mgに、還元剤としてグラファイト(高純度化学製、純度99.99%)を16mg混入し、混合した試料を上述のSiC基板上に配置した。そして、上述の加熱源を用い、700w、20分の加熱を行った。この時のSiC基板面温度は事前実験で約1000℃に達していた。
【0042】
この試料では、実施例1の発光強度より強い強度の発光を得ることができた。またXRD解析により、酸化亜鉛ZnOの強度ピークは低くなっていた。グラファイトは酸化され、白化していることが確認された。このことにより、ZnS自身が酸化される確率が減少したと考えられる。上記グラファイトのほか、99%のグラファイト(東海カーボン製)でもよく、炭素粉、窒化ガリウムなどの還元作用を行うものでも同様な効果が得られた。
実施例3
【0043】
上記母剤7000mgに、賦活剤として塩化セリウムCeCl(高純度化学製、)を13mg混入し、混合した資料を用意し、実施例2と同様な条件で実験を行った。この場合も、実施例2と同等以上のUV照射による発光強度を得た。塩化セリウムの代わりに、塩化マグネシウムMgCl, ガリウム砒素GaAsを用いた実験でも、ほぼ同様な結果が得られた。
実施例4
【0044】
ZnSに賦活剤銅をドープする目的で以下の実験を行った。実施例2に記載した方法で得た蛍光体(ZnSに還元剤を混合した系)5700mgに硫化銅Cu2S14mg、マンガンMn15mgを混入し、混合した試料を、上述のようにSiC基板上に配置し、700wの電力で10分間加熱した。このときの事前温度評価では、SiC上の温度は約650℃であった。この試料でのUV光による発光強度は、実施例2の発光強度より若干下がるレベルになるが、銅を含む系としては、発光レベルの高いものが得られた。このような2段階の加熱法で、銅を賦活剤とする蛍光体を得ることができた。
比較例4
【0045】
前記実施例4に対し、最初からZnS,グラファイト、硫化銅、マンガンを同様な配合比で混入した試料を用意し、7000w、20分のマイクロ波加熱を行った。この場合のUV光による発光強度は極端に低下し、暗室下でわずかに確認できるレベルであった。この理由は明らかではないが、酸化されやすい銅を含む系に初めから、高い電力を加えることに問題があったと考えられる。
実施例5
【0046】
母剤として硫化ストロンチウムSrS5000mg、銅13mg、ガリウム砒素GaAs12mg、グラファイト18mgを混合し、前述と同様にSiC基板に配置し、7000w、20分の加熱を行った。この場合のUV光による発光は、実施例1と同程度の発光強度を得た。ZnS系と異なるのは、マイクロ波照射前後でZnS系が重量減少することに対して、SrS系は重量が10%程度増加する点である。これは、SrSの融点は2000℃以上と安定であるのに対して、ZnSは沸点が1180℃、融点が1718℃と昇華性であることによると考えられる。またSrSはマイクロ波で励起されている間に酸素、窒素などを吸収するためと思われる。
【0047】
上記実験の中で、GaAsがない場合でも同様な結果が得られた。
比較例5
【0048】
母剤として硫化ストロンチウムSrSを5000mgだけを前述と同様にSiC基板に配置し、7000w、20分の加熱を行った。この場合のUV光による発光は、実施例5よりも、かなり小さな発光強度であった。
実施例6
【0049】
実施例5で得た蛍光体を用いて、以下のように交流駆動型のエレクトロルミネッセンス(EL)膜を作製し、ELとしての発光を確認した。EL膜は、透明導電膜(ITO)を形成したポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上に、ポリエステル樹脂をバインダーとし、蛍光体:樹脂の重量比率が6:1になるように、有機溶剤(シクロヘキサノン、イソホロン、石油系のセルベッソ100などの混合液)と共に混合して、ペースト化し、スクリーン印刷機で製膜した。更にこの蛍光体膜上に市販の誘電体ペースト(藤倉化成製、FEL615。チタン酸バリウムなどの強誘電体と誘電率の高いフッソ系などの樹脂からなるペースト)を用いて、積層膜を作製、その上にカーボンインク、銀インクを重ねて製膜し、EL膜とした。これにパルス電圧500v(ピーク値)(周波数1.7KHz)を印加し、EL発光が
発現したのを確認した。
実施例7
【0050】
実施例と同様なマイクロ波加熱装置で、上部または側面から真空排気系が付いた試作装置を用いて、実施例1と同様な実験を行った。700w出力で20分加熱した。真空度は30トール(0.04気圧)程度の低真空であるが、XRDから酸化亜鉛ZnO構造の大幅な減少が確認され、UV光による発光強度も実施例2以上を得た。
実施例8
【0051】
28GHZミリ波加熱装置(富士電波工業製、FMW−3−28)を用い、実施例1と同様な試料を用いて、28GHzのミリ波加熱を行った。真空度は100パスカル(0.001気圧)で、ミリ波出力は1KW、10分間の加熱を行った。この結果の実施例7と同様に、XRD解析から酸化亜鉛ZnO構造の大幅な減少が確認され、UV光による発光強度も実施例2以上を得た。
【産業上の利用可能性】
【0052】
発光ダイオード(LED)やEL用の色変換蛍光体および、プラズマディスプレイ、蛍光放電管、電子放射(フィールドエミッション)型ディスプレイの蛍光体など面発光体やディスプレイ用の蛍光体に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【0053】
【図1】本発明のマイクロ波加熱装置及び加熱容器
【符号の説明】
【0054】
1:マイクロ波加熱装置
2:断熱性セラミックス加熱容器
3:マイクロ波吸収体
4:基板
5:試料

【特許請求の範囲】
【請求項1】
無機化合物半導体又はそれを含む混合物にマイクロ波を照射し加熱処理をすることによる、励起発光性の蛍光体製造方法。
【請求項2】
内部にマイクロ波吸収体を形成した断熱性セラミックス加熱容器の底辺に、基板を配置し、この基板上に前記無機化合物半導体又はそれを含む混合物粉末試料を配置した請求項1の蛍光体製造方法。
【請求項3】
前記基板が、マイクロ波吸収体の耐熱セラミックスである請求項2の蛍光体製造方法。
【請求項4】
前記基板が炭化珪素からなる請求項2から3の蛍光体製造方法。
【請求項5】
前記基板上に配置する前記化合物半導体又はその粉末試料を、マイクロ波電力半減深度以内の厚さにほぼ均一に平たく配置したことを特徴とする請求項1から4の蛍光体製造方法。
【請求項6】
前記無機化合物半導体が、硫黄を含む2元または3元系半導体であるか、または2−6族化合物半導体である請求項1から5の蛍光体製造方法。
【請求項7】
前記無機化合物半導体粉末に、還元作用または触媒作用を行う物質を添加したことを特徴とする請求項6の蛍光体製造方法。
【請求項8】
前記無機化合物半導体粉末に、1種類以上の賦活剤を添加したことを特徴とする請求項6から7の蛍光体製造方法。
【請求項9】
前記無機化合物半導体粉末に、還元作用または触媒作用を行う物質と1種類以上の賦活剤を添加したことを特徴とする請求項6から8の蛍光体製造方法。
【請求項10】
前記還元作用を行う物質が、グラファイト、炭素、ガリウム、またはそれを含む炭化物、窒化物の化合物である請求項6から9の蛍光体製造方法。
【請求項11】
前記触媒物質が、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、ジルコニウム、またはそれを含む化合物である請求項6から10の蛍光体製造方法。
【請求項12】
前記賦活剤が、セリウム、ガリウム、マンガン、銅、アルミニウム、ユーロピウム、インジウム、フッソ、塩素、ヨウ素の単独またはその化合物である請求項6から11の蛍光体製造方法。
【請求項13】
減圧下で無機化合物半導体そして又はその混合物にマイクロ波を照射し加熱処理をすることにより、励起発光する請求項1から12の蛍光体の製造方法。
【請求項14】
マイクロ波が2.45GHZから28GHZまでの周波数であることを特徴とする請求項1から13までの蛍光体の製造方法。
【請求項15】
マイクロ波照射プロセスが、高温に達する第1段階のプロセスとより低温の第2段階のプロセスからなる前記1から14までの蛍光体製造方法。

【図1】
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