蛍光体及びその利用
【課題】従来の窒化物や酸窒化物蛍光体より高輝度の発光を示し、橙色や赤色の蛍光体として優れ、さらに励起源に曝された場合の輝度の低下が少ない蛍光体を提供する。
【解決手段】下記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体。
(1−a−b)(Ln’pMII’1-pMIII’MIV’N3)・a(MIV’(3n+2)/4NnO)・b(AMIV’2N3) …[1]
(Ln’はランタノイド、Mn及びTiから選ばれる金属元素、MII’はLn’元素以外の2価の金属元素、MIII’は3価の金属元素、MIV’は4価の金属元素、AはLi、Na、及びKから選ばれる金属元素、0<p≦0.2、0≦a、0≦b、a+b>0、0≦n、0.002≦(3n+2)a/4≦0.9)
【解決手段】下記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体。
(1−a−b)(Ln’pMII’1-pMIII’MIV’N3)・a(MIV’(3n+2)/4NnO)・b(AMIV’2N3) …[1]
(Ln’はランタノイド、Mn及びTiから選ばれる金属元素、MII’はLn’元素以外の2価の金属元素、MIII’は3価の金属元素、MIV’は4価の金属元素、AはLi、Na、及びKから選ばれる金属元素、0<p≦0.2、0≦a、0≦b、a+b>0、0≦n、0.002≦(3n+2)a/4≦0.9)
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、無機化合物を主体とする蛍光体と、この蛍光体の有する性質、すなわち570nm以上の長波長の蛍光を発光する特性、を利用した照明器具、画像表示装置、蛍光体混合物、蛍光体含有組成物、顔料、及び紫外線吸収剤に関する。
【背景技術】
【0002】
蛍光体は、蛍光灯、蛍光表示管(VFD)、フィールドエミッションディスプレイ(FED)、プラズマディスプレイパネル(PDP)、陰極線管(CRT)、白色発光装置などに用いられている。これらのいずれの用途においても、蛍光体を発光させるためには、蛍光体を励起するためのエネルギーを蛍光体に供給する必要があり、蛍光体は真空紫外線、紫外線、可視光線、電子線などの高いエネルギーを有する励起源により励起されて、紫外線、可視光線、赤外線を発する。しかしながら、蛍光体は前記のような励起源に曝される結果、輝度が低下するという問題があり、励起源に曝されても輝度低下のない蛍光体が求められている。
【0003】
そこで、従来のケイ酸塩蛍光体、リン酸塩蛍光体、アルミン酸塩蛍光体、ホウ酸塩蛍光体、硫化物蛍光体、酸硫化物蛍光体などの蛍光体に代わり、輝度低下の少ない蛍光体として、サイアロン蛍光体が提案されている。
【0004】
従来、このサイアロン蛍光体は、窒化ケイ素(Si3N4)、窒化アルミニウム(AlN)、炭酸カルシウム(CaCO3)、及び酸化ユーロピウム(Eu2O3)を所定のモル比に混合し、1気圧(0.1MPa)の窒素中において1700℃の温度で1時間保持するホットプレス法で焼成することにより製造されている(例えば、特許文献1参照)。このプロセスで得られるEuイオンを付活したα−サイアロンは、波長450から500nmの青色光で励起されて波長550から600nmの黄色の光を発する蛍光体となることが報告されている。
【0005】
しかしながら、紫外発光ダイオードを励起源とする白色発光装置やプラズマディスプレイなどの用途には、黄色だけでなく橙色や赤色に発光する蛍光体も求められていた。また、青色発光ダイオードを励起源とする白色発光装置においては、演色性向上のため橙色や赤色に発光する蛍光体が求められていた。
【0006】
赤色に発光する蛍光体として、Ba2Si5N8結晶にEuを付活した無機物質(Ba2-aEuaSi5N8:a=0.14〜1.16)が報告されている(非特許文献1参照)。また、種々の組成のアルカリ金属とケイ素の3元窒化物、MbSicNd(M=Ca、Sr、Ba、Zn;b、c、dは種々の値)を母体とする蛍光体が報告されている(非特許文献2参照)。同様に、MeSifNg:Eu(M=Ca、Sr、Ba、Zn;g=2/3e+4/3f)も、報告されている(特許文献2参照)。
【0007】
別のサイアロン、窒化物、又は酸窒化物蛍光体として、MSi3N5、M2Si4N7、M4Si6N11、M9Si11N23、M16Si15O6N32、M13Si18Al12O18N36、MSi5Al2ON9、M3Si5AlON10(ただし、MはBa、Ca、Sr、又は希土類元素)を母体結晶として、これにEuやCeを付活した蛍光体が知られており、これらの中には赤色に発光する蛍光体も報告されている(特許文献3)。また、これらの蛍光体を用いたLED照明ユニットが知られている。さらに、Sr2Si5N8やSrSi7N10結晶にCeを付活した蛍光体が報告されている(特許文献4)。
【0008】
特許文献5には、LhMiN(2/3h+4/3i):Z(LはCa、Sr、Baなどの2価元素、MはSi、Geなどの4価元素、ZはEuなどの付活剤;h=2,i=5又はh=1,i=7)蛍光体に関する記載があり、微量のAlを添加すると残光を抑える効果があることが記載されている。また、この蛍光体と青色LEDとを組み合わせることによる、やや赤みを帯びた暖色系の白色の発光装置が知られている。さらに、特許文献6には、LjMkN(2/3j+4/3k):Z蛍光体として種々のL元素、M元素、Z元素で構成した蛍光体が報告されている。また、特許文献7には、L−M−N:Eu,Z系に関する幅広い組み合わせの記述があるが、特定の組成物や結晶相を母体とする場合の発光特性向上の効果は示されていない。
【0009】
以上に述べた特許文献2から7に代表される蛍光体は、2価元素と4価元素の窒化物を母体結晶とするものであり、種々の異なる結晶相を母体とする蛍光体が報告されており、赤色に発光するものも知られているが、青色の可視光での励起では赤色の発光輝度は十分ではなかった。また、組成によっては化学的に不安定であり、耐久性に問題があった。
【0010】
一方、照明装置の従来技術として、青色発光ダイオードと青色吸収黄色発光蛍光体との組み合わせによる白色発光装置が公知であり、各種照明用途に実用化されている。その代表例としては、特許文献8、特許文献9、特許文献10などが例示される。これらの発光ダイオードで、特によく用いられている蛍光体は一般式(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce3+で表される、セリウムで付活したイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体である。
【0011】
しかしながら、青色発光ダイオードとイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体とから成る白色発光装置は、赤色成分の不足から青白い発光となる特徴を有し、演色性に偏りがみられるという問題があった。
【0012】
このような背景から、2種の蛍光体を混合・分散させることによりイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体で不足する赤色成分を別の赤色蛍光体で補う白色発光装置が検討された。このような発光装置としては、特許文献11、特許文献5などを例示することができる。しかし、これらの特許文献に記載される発光装置においても演色性に関してまだ改善すべき問題点は残されており、その課題を解決した発光装置が求められていた。また、特許文献11に記載の赤色蛍光体はカドミウムを含んでおり、環境汚染の問題がある。また、特許文献5に記載の、Ca1.97Si5N8:Eu0.03を代表例とする赤色発光蛍光体はカドミウムを含まないが、蛍光体の輝度が低いため、その発光強度についてはさらなる改善が望まれていた。
【0013】
また、特許文献12には、Ceを必須とする少なくとも1種である希土類元素で賦活されるシリコンナイトライド系蛍光体であって、代表的にはCa2(Si,Al)5N8:Ceで表されるシリコンナイトライド系蛍光体が開示され、この蛍光体は、従来のSr2Si5N8:Ce3+で表される蛍光体よりも、種々の色味を実現することができる旨記載されている。また、特許文献13にはEu2+イオンを発光中心とするSr2Al2Si3O2N6
:Eu蛍光体に代表される暖色又は赤色発光酸窒化物蛍光体が開示されている。
【0014】
このような要望にこたえるものとして、耐熱材料として知られるCaAlSiN3結晶と同一の結晶構造を有する無機化合物を母体結晶とし、光学活性な元素、なかでもEu2+を発光中心として添加した結晶は、特に高い輝度の橙色や赤色の発光を有する蛍光体となることから、この蛍光体を用いることにより、高い発光効率を有する赤み成分に富む演色性の良い白色発光装置が得られるとの知見に基く特許出願が先になされた(特許文献14。以下「先願」という。)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0015】
【特許文献1】特開2002−363554号公報
【特許文献2】米国特許第6682663号公報
【特許文献3】特開2003−206481号公報
【特許文献4】特開2002−322474号公報
【特許文献5】特開2003−321675号公報
【特許文献6】特開2003−277746号公報
【特許文献7】特開2004−10786号公報
【特許文献8】特許第2900928号公報
【特許文献9】特許第2927279号公報
【特許文献10】特許第3364229号公報
【特許文献11】特開平10−163535号公報
【特許文献12】特開2004−244560号公報
【特許文献13】特開2005−48105号公報
【特許文献14】特開2006−8721号公報
【非特許文献】
【0016】
【非特許文献1】H.A.Hoppe ほか4名“Journal of Physics and Chemistry of Solids” 2000年、61巻、2001〜2006ページ
【非特許文献2】「On new rare−earth doped M−Si−Al−O−N materials」J.W.H.van Krevel著、TU Eindhoven 2000、ISBN 90−386−2711−4
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0017】
先願に開示される、CaAlSiN3結晶と同一の結晶構造を有する無機化合物を結晶母体とする蛍光体は、653nmに発光波長の中心を有し、かつ発光効率の高い優れた蛍光体である。
【0018】
ところで一般的に蛍光体を照明用、又はディスプレイ用として使用する場合、発光効率が高いことはもちろんであるが、任意の発光波長の蛍光体が選択できることが望ましい。なぜなら、照明用の場合は使用条件により演色性が優先される場合もあれば光束が優先される場合もある。例えば、視感度の高い緑色側に蛍光体の発光中心がシフトすれば、演色性は低下する傾向となるが光束は増大する。このように蛍光体の発光波長が任意のものが得られれば、照明装置の設計の自由度が高まり有用である。また、ディスプレイの場合は、用途に応じて色再現性範囲を変更することができ、ディスプレイ装置設計の自由度が高まる。
【0019】
先願においては、発光中心波長がより短波長である蛍光体を得る手段としてCaの一部をSrに置き換える方法が開示されているが、同様の趣旨で実用可能な新規蛍光体を提供することが本発明の目的である。
【0020】
すなわち、本発明は、従来の窒化物又は酸窒化物蛍光体より高輝度の発光を示し、橙色や赤色の蛍光体として優れ、さらに励起源に曝された場合の輝度の低下が少なく、また、原料の種類や配合割合等を変更するのみで発光波長を変更することができる蛍光体を提供することを目的とする。
本発明はまた、このような蛍光体を用いて、発光効率が高く、設計自由度の高い発光装置と照明装置及び画像表示装置(ディスプレイ装置)を提供することを目的とする。
本発明はまた、このような蛍光体を用いた蛍光体混合物、蛍光体含有組成物、顔料、及び紫外線吸収剤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】
【0021】
本発明者らは、上記課題を解決すべく、各種の窒化物及び酸窒化物蛍光体を鋭意検討した結果、特定の化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体が、上記課題を解決する優れた蛍光体であることを見出し、本発明に到達した。
本発明はこのような知見のもとに達成されたものであり、以下を要旨とする。
【0022】
(1) 2価のアルカリ土類金属元素及び2価〜4価の希土類金属元素を含有する窒化物又は酸窒化物蛍光体であって、下記(i)及び/又は(ii)であることを特徴とする窒化物又は酸窒化物蛍光体。
(i)前記アルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素及び/又は空孔で置換されている。
(ii)前記希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素及び/又は空孔で置換されている。
【0023】
(2) 蛍光体に含まれる窒素イオンが、酸素イオンで置換されていることを特徴とする(1)に記載の窒化物又は酸窒化物蛍光体。
【0024】
(3) 1価又は0価のアルカリ土類金属元素、及び2価の希土類元素を含有することを特徴とする(1)又は(2)に記載の窒化物又は酸窒化物蛍光体。
【0025】
(4) 下記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相を含有することを特徴とする蛍光体。
(1−a−b)(Ln’pMII’1-pMIII’MIV’N3)・a(MIV’(3n+2)/4NnO)・b(AMIV’2N3) …[1]
(上記一般式[1]において、Ln’はランタノイド、Mn及びTiからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素であり、MII’はLn’元素以外の2価の金属元素からなる群から選ばれる1種又は2種以上の元素であり、MIII’は3価の金属元素からなる群から選ばれる1種又は2種以上の元素であり、MIV’は4価の金属元素からなる群から選ばれる1種又は2種以上の元素であり、AはLi、Na、及びKからなる群から選ばれる1種類以上の1価の金属元素であり、pは0<p≦0.2を満足する数であり、a、b及びnは、0≦a、0≦b、a+b>0、0≦n、及び0.002≦(3n+2)a/4≦0.9を満足する数である。)
【0026】
(5) 前記結晶相の結晶構造が空間群Cmc21又はP21に属することを特徴とする(4)に記載の蛍光体。
【0027】
(6) 前記一般式[1]において、MII’は、CaとSrの合計が80mol%以上を占めることを特徴とする(4)又は(5)に記載の蛍光体。
【0028】
(7) 前記一般式[1]において、MII’がCaであり、MIII’がAlであり、MIV’がSiであることを特徴とする(4)〜(6)に記載の蛍光体。
【0029】
(8) 前記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相と、該結晶相とは異なる結晶構造の結晶相(以下「他の結晶相」と称す。)及び/又はアモルファス相との混合物であり、該混合物中の前記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相の割合が20質量%以上であることを特徴とする(4)〜(7)に記載の蛍光体。
【0030】
(9) 前記他の結晶相及び/又はアモルファス相が導電性の無機物質であることを特徴とする(8)に記載の蛍光体。
【0031】
(10) 前記導電性の無機物質が、Zn、Al、Ga、In、及びSnよりなる群から選ばれる1種又は2種以上の元素を含む、酸化物、酸窒化物、窒化物、あるいはこれらの混合物からなることを特徴とする(9)に記載の蛍光体。
【0032】
(11) 前記他の結晶相及び/又はアモルファス相が、前記一般式[1]で表される化学組成とは異なる化学組成の無機蛍光体であることを特徴とする(8)〜(10)に記載の蛍光体。
【0033】
(12) 励起源を照射することにより550nmから700nmの範囲の波長にピークを持つ蛍光を発光することを特徴とする(4)〜(11)に記載の蛍光体。
【0034】
(13) 該励起源が100nm以上570nm以下の波長を持つ紫外線又は可視光であることを特徴とする(12)に記載の蛍光体。
【0035】
(14) 下記一般式[10]で表される化学組成を有する結晶相を含有することを特徴とする(4)〜(13)に記載の蛍光体。
(EuyLn''WMII1-y-WMIIIMIVN3)1-x(MIV(3n+2)/4NnO)x …[10]
(上記一般式[10]において、Ln''はEuを除いたランタノイド、Mn及びTiからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素であり、MIIはMg、Ca、Sr、Ba、及びZnの合計が90mol%以上を占める2価の金属元素であり、MIIIはAlが80mol%以上を占める3価の金属元素であり、MIVはSiが90mol%以上を占める4価の金属元素であり、yは0<y≦0.2を満足する数であり、wは0≦w<0.2を満足する数であり、xは0<x≦0.45を満足する数であり、nは0≦nを満足する数であり、nとxは、0.002≦(3n+2)x/4≦0.9を満足する数である。)
【0036】
(15) 下記一般式[11]で表される化学組成を有する結晶相を含有することを特徴とする(14)に記載の蛍光体。
(EuyMII1-yMIIIMIVN3)1-x(MIV(3n+2)/4NnO)x …[11]
(上記一般式[11]において、MIIは、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnの合計が90mol%以上を占める2価の金属元素であり、MIIIは、Alが80mol%以上を占める3価の金属元素であり、MIVは、Siが90mol%以上を占める4価の金属元素であり、yは、0.0001≦y≦0.1を満足する数であり、xは、0<x≦0.45を満足する数であり、nは0≦nを満足する数であり、nとxは、0.002≦(3n+2)x/4≦0.9を満足する数である。)
【0037】
(16) 上記一般式[10]又は[11]において、MIIは、CaとSrの合計が80mol%以上を占めることを特徴とする(14)又は(15)に記載の蛍光体。
【0038】
(17) 上記一般式[10]又は[11]において、xが0.2≦x≦0.4を満足し、かつ、nとxが、0.4≦(3n+2)x/4≦0.8を満足することを特徴とする(14)〜(16)に記載の蛍光体。
【0039】
(18) 上記一般式[10]又は[11]において、MIIがCaであり、MIIIがAlであり、MIVがSiであることを特徴とする(14)〜(17)に記載の蛍光体。
【0040】
(19) 下記一般式[21]で表される化学組成を有する結晶相を含有することを特徴とする(4)〜(13)に記載の蛍光体。
(CeyLnzMII1-y-zMIIIMIVN3)1-x(MIV(3n+2)/4NnO)x …[21]
(上記一般式[21]において、LnはCeを除いたランタノイド、Mn及びTiからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素であり、MIIはMg、Ca、Sr、Ba及びZnの合計が90mol%以上を占める2価の金属元素であり、MIIIはAlが80mol%以上を占める3価の金属元素であり、MIVはSiが90mol%以上を占める4価の金属元素であり、xは0≦x≦0.45を満足する数であり、yは0<y≦0.2を満足する数であり、zは0≦z≦0.2を満足する数であり、nは0≦nを満足するものであり、nとxは0.002≦(3n+2)x/4≦0.9を満足する数である。)
【0041】
(20) 上記一般式[21]において、MIIは、CaとSrの合計が80mol%以上を占めることを特徴とする(19)に記載の蛍光体。
【0042】
(21) 上記一般式[21]において、xが0.15≦x≦0.3を満足し、かつ、nとxが、0.3≦(3n+2)x/4≦0.6を満足することを特徴とする(19)又は
(20)に記載の蛍光体。
【0043】
(22) 上記一般式[21]において、MIIがCaであり、MIIIがAlであり、MIVがSiであることを特徴とする(19)〜(21)に記載の蛍光体。
【0044】
(23) 下記一般式[30]で表される化学組成を有する結晶相を含有することを特徴とする(4)〜(13)に記載の蛍光体。
(EuyLn''WMII1-y-WMIIIMIVN3)1-x'(AMIV2N3)x' …[30]
(上記一般式[30]において、Ln''はEuを除いたランタノイド、Mn及びTiからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素であり、MIIは、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnの合計が90mol%以上を占める2価の金属元素であり、MIIIは、Alが80mol%以上を占める3価の金属元素であり、MIVは、Siが90mol%以上を占める4価の金属元素であり、AはLi、Na、及びKからなる群から選ばれる1種以上の金属元素であり、x’は0<x’<1.0を満足する数であり、yは0<y≦0.2を満足する数であり、wは0≦w<0.2を満足する数である。)
【0045】
(24) 下記一般式[31]で表される化学組成を有する結晶相を含有することを特徴とする(23)に記載の蛍光体。
(EuyMII1-yMIIIMIVN3)1-x'(AMIV2N3)x' …[31]
(上記一般式[31]において、MIIは、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnの合計が90mol%以上を占める2価の金属元素であり、MIIIは、Alが80mol%以上を占める3価の金属元素であり、MIVは、Siが90mol%以上を占める4価の金属元素であり、AはLi、Na、及びKからなる群から選ばれる1種以上の金属元素であり、x’は0<x’<0.5を満足する数であり、yは0<y≦0.2を満足する数である。)
【0046】
(25) 上記一般式[30]又は[31]において、MIIは、CaとSrの合計が80mol%以上を占めることを特徴とする(23)又は(24)に記載の蛍光体。
【0047】
(26) 上記一般式[30]又は[31]において、x’が0.03≦x’≦0.35を満足することを特徴とする(23)〜(25)に記載の蛍光体。
【0048】
(27) 上記一般式[30]又は[31]において、MIIがCaであり、MIIIがAlであり、MIVがSiであることを特徴とする(23)〜(26)に記載の蛍光体。
【0049】
(28) 下記一般式[41]で表される化学組成を有する結晶相を含有することを特徴とする(4)〜(13)に記載の蛍光体。
(CeyLnzMII1-y-zMIIIMIVN3)1-x'(AMIV2N3)x' …[41]
(上記一般式[41]において、LnはCeを除いたランタノイド、Mn及びTiからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素であり、MIIは、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnの合計が90mol%以上を占める2価の金属元素であり、MIIIは、Alが80mol%以上を占める3価の金属元素であり、MIVは、Siが90mol%以上を占める4価の金属元素であり、AはLi、Na、及びKからなる群から選ばれる1種以上の金属元素であり、x’は0<x’<1.0を満足する数であり、yは0<y≦0.2を満足する数であり、zは0≦z≦0.2を満足する数である。)
【0050】
(29) 上記一般式[41]において、MIIは、CaとSrの合計が80mol%以上を占めることを特徴とする(28)に記載の蛍光体。
【0051】
(30) 上記一般式[41]において、x’が0.03≦x’≦0.35を満足することを特徴とする(28)又は(29)に記載の蛍光体。
【0052】
(31) 上記一般式[41]において、MIIがCaであり、MIIIがAlであり、MIVがSiであることを特徴とする(28)〜(30)に記載の蛍光体。
【0053】
(32) アルカリ土類金属元素、ケイ素、及び窒素を含有する蛍光体であって、当該蛍光体と同一の結晶構造を有する無機化合物(但し、当該蛍光体の固溶体は除く。)を固溶させたことを特徴とする蛍光体。
【0054】
(33) 330nm〜500nmの波長の光を発生する第1の発光体と、該第1の発光体からの光の照射によって可視光を発生する第2の発光体とを有する発光装置において、該第2の発光体が、(1)〜(32)に記載の蛍光体を含有してなることを特徴とする発光装置。
【0055】
(34) 該第1の発光体がレーザーダイオード又は発光ダイオードであることを特徴とする(33)に記載の発光装置。
【0056】
(35) 該第1の発光体が330nm〜420nmの波長の光を発する発光ダイオードであり、該第2の発光体として、(1)〜(32)に記載の赤色蛍光体と、波長330nm〜420nmの励起光により420nm〜500nmの波長に発光ピークを持つ蛍光を発光する青色蛍光体と、波長330nm〜420nmの励起光により500nm〜570nmの波長に発光ピークを持つ蛍光を発光する緑色蛍光体とを用いることにより、赤、緑、青色の光を混ぜて白色光を発することを特徴とする(34)に記載の発光装置。
【0057】
(36) 該第1の発光体が420nm〜500nmの波長の光を発する発光ダイオードであり、該第1の発光体からの光により(1)〜(32)に記載の蛍光体が励起されて発した発光と、当該発光ダイオード自体が発する青色光とを併せて白色光を発することを特徴とする(34)に記載の発光装置。
【0058】
(37) 該第1の発光体が420nm〜500nmの波長の光を発する発光ダイオードであり、該第2の発光体として、(1)〜(32)に記載の蛍光体と、波長420nm〜500nmの励起光により500nm〜570nmの波長に発光ピークを持つ蛍光を発光する緑色蛍光体とを用いることにより、白色光を発することを特徴とする(34)に記載の発光装置。
【0059】
(38) 該第1の発光体が420nm〜500nmの波長の光を発する発光ダイオードであり、該第2の発光体として、(1)〜(32)に記載の蛍光体と、波長420nm〜500nmの励起光により550nm〜600nmの波長に発光ピークを持つ蛍光を発光する黄色蛍光体とを用いることにより、白色光を発することを特徴とする(34)に記載の発光装置。
【0060】
(39) (33)〜(38)に記載の発光装置を用いたことを特徴とする照明器具。
【0061】
(40) 励起源と蛍光体とを有する画像表示装置において、該蛍光体として少なくとも(1)〜(32)に記載の蛍光体を用いたことを特徴とする画像表示装置。
【0062】
(41) 該励起源が、波長100nm〜190nmの真空紫外線、波長190nm〜380nmの紫外線、又は電子線であることを特徴とする(40)に記載の画像表示装置。
【0063】
(42) 該蛍光体として、(1)〜(32)に記載の蛍光体と、前記励起源により蛍光を発光する青色蛍光体と、前記励起源により蛍光を発光する緑色蛍光体とを用いたことを特徴とする(41)に記載の画像表示装置。
【0064】
(43) (33)〜(38)に記載の発光装置を用いたことを特徴とする画像表示装置。
【0065】
(44) 画像表示装置が、蛍光表示管(VFD)、フィールドエミッションディスプレイ(FED)、プラズマディスプレイパネル(PDP)、又は陰極線管(CRT)であることを特徴とする(40)〜(43)に記載の画像表示装置。
【0066】
(45) (1)〜(32)に記載の蛍光体を含むことを特徴とする蛍光体混合物。
【0067】
(46) (1)〜(32)に記載の蛍光体と、液状媒体とを含むことを特徴とする蛍光体含有組成物。
【0068】
(47) (1)〜(32)に記載の蛍光体を含むことを特徴とする顔料。
【0069】
(48) (1)〜(32)に記載の蛍光体を含むことを特徴とする紫外線吸収剤。
【発明の効果】
【0070】
本発明の蛍光体は、従来の窒化物又は酸窒化物蛍光体より高輝度の発光を示し、橙色や赤色の蛍光体として優れている。
この蛍光体では、Ceの添加量、第2の付活剤であるLnの種類及び/又は添加量並びに酸素イオンの割合をかえることにより、発光波長や発光ピーク幅を調節することができる。そして、発光ピークの低波長化により、視感度が増大するため、光束が顕著に増大する発光デバイスを得ることができる。
しかも、本発明の蛍光体は、励起源に曝された場合でも、輝度が低下することなく、蛍光灯、FED、PDP、CRT、白色発光装置などに好適に使用される。
【0071】
このような本発明の蛍光体を用いることにより、発光効率が高く、耐久性に優れ、かつ、用途に応じて演色性や光束を任意に調整することができる、装置の設計の自由度の高い発光装置及び照明器具、並びに、色再現範囲を任意に変更することができる、装置の設計の自由度の高い画像表示装置が提供される。
【0072】
本発明の蛍光体は、母体の色が橙色ないし赤色であり、紫外線を吸収することから、橙色ないし赤色の顔料及び紫外線吸収剤としても有用である。
【図面の簡単な説明】
【0073】
【図1】Euy(1-x)Ca(1-y)(1-x)Al1-xSi1+xN3-xOxにおいてx=0,0.11,0.33である物質のXRDパターン(酸素源:Al2O3、1900℃×2時間焼成、Euモル数y=0.008)を示す図である。
【図2】実施例I−2(x=0.33)、実施例I−3(x=0.11)及び比較例I−2(x=0)の各蛍光体の465nm励起下発光スペクトルを示す図である。
【図3】本発明の照明器具(白色LED)の実施の形態を示す概略構成図である。
【図4】本発明の画像表示装置(PDP)の実施の形態を示す概略構成図である。
【図5】CaAlSiN3の結晶構造モデルを示す図である。
【図6】Si2N2Oの結晶構造モデルを示す図である。
【図7】(Eu0.009Ca0.991AlSiN3)0.89(Si(3n+2)/4NnO)0.11においてn=0、0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0である物質のXRDパターンを示す図である。
【図8】(Eu0.009Ca0.991AlSiN3)0.89(Si(3n+2)/4NnO)0.11においてn=0、0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0である物質の465nm励起下発光スペクトルを示す図である。
【図9】(Eu0.008/(1-x)Ca(1-0.008/(1-x))CaAlSiN3)1-x(Si1.25NO)x及び(Eu0.008/(1-x)Ca(1-0.008/(1-x))AlSiN3)1-x(Si2N2O)xにおいてx=0、0.11、0.18、0.33である物質の465nm励起下発光スペクトルを示す図である。
【図10】実施例II−1、5、8、10及び比較例II−1で得られた蛍光体の波長465nm励起下の発光スペクトルを示す図である。
【図11】実施例II−1、5、8、10及び比較例1で得られた蛍光体のXRDパターンを示す図である。
【図12】実施例III−1〜4及び比較例III−1で得られた蛍光体の波長465nm励起下の発光スペクトルを示す図である。
【図13】実施例IV−1で得られた蛍光体(Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3)1-x(LiSi2N3)xのXRDパターンと、Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3のXRDパターンを示す図である。
【図14】実施例IV−1で得られた蛍光体(Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3)1-x(LiSi2N3)xと、Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3を波長455nmの光で励起したときの発光スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0074】
以下に本発明の実施の形態を詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例(代表例)であり、本発明はその要旨を超えない限り、これらの内容に特定はされない。また、本明細書において、「〜」はその両端の数値を含む範囲であることを意味し、平均粒径は、重量メジアン径(D50)を意味する。
【0075】
[蛍光体]
本発明の蛍光体は、2価のアルカリ土類金属元素及び2価〜4価の希土類金属元素を含有する窒化物又は酸窒化物蛍光体であって、下記(i)及び/又は(ii)であることを特徴とする窒化物又は酸窒化物蛍光体である。
(i)前記アルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素及び/又は空孔で置換されている。
(ii)前記希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素及び/又は空孔で置換されている。
(i)の場合、当該アルカリ土類金属元素より低原子価の元素としては、例えばLi、Na、K等が挙げられる。
(ii)の場合、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素としては、アルカリ土類金属元素又はアルカリ金属元素が挙げられ、好ましくはCa、Sr、Ba、Li、Na、K等が挙げられる。
【0076】
この蛍光体は、1価又は0価のアルカリ土類金属元素、及び2価の希土類元素を含有することが好ましい。
このような構造とすることにより、アルカリ土類金属元素の位置に欠陥を導入することができる。
【0077】
さらに、蛍光体に含まれる窒素イオンが、酸素イオンで置換されていることが好ましい。
上記のような構造とすることにより、蛍光体の化学安定性が良好になり、水や酸に対する耐性が良好になるため、輝度が高く、耐久性に優れる蛍光体を得ることができる。
【0078】
このような蛍光体としては、アルカリ土類金属元素、ケイ素、及び窒素を含有する蛍光体であって、当該蛍光体と同一の結晶構造を有する無機化合物(但し、当該蛍光体の固溶体は除く。)を固溶させた蛍光体が挙げられる。
【0079】
このような蛍光体としては、例えば、Sr2Si5N8を母体とする蛍光体、CaAlSiN3を母体とする蛍光体等が挙げられる。
Sr2Si5N8を母体とする本発明の蛍光体としては、例えばSr2AlqSi5-qN8-qOq:Eu、Sr2AlqSi5-qN8-qOq:Ce等が挙げられる。
【0080】
このような蛍光体の製造方法は、特に限定されないが、通常、一般的な固相反応法によって合成することができる。例えば、蛍光体を構成する金属元素源となる原料化合物を、乾式法或いは湿式法により、粉砕・混合して粉砕混合物を調製し、得られた粉砕混合物を加熱処理して反応させることにより製造することができる。
また、蛍光体を構成する金属元素を少なくとも2種類以上含有する合金、好ましくは蛍光体を構成する金属元素を全て含有する合金を作成し、得られた合金を窒素含有雰囲気中、加圧下で加熱処理することにより、製造することができる。また、蛍光体を構成する金属元素の一部を含有する合金を作成し、得られた合金を窒素含有雰囲気中、加圧下で加熱処理した後、更に蛍光体を構成する残りの金属元素源となる原料化合物と混合して、加熱処理することにより、製造することもできる。このように合金を経て製造された蛍光体は、不純物が少なく、輝度が高い蛍光体となる。
【0081】
以下、CaAlSiN3を母体とする蛍光体について、更に、詳細に説明する。
【0082】
このような蛍光体としては、下記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相を含有することを特徴とする蛍光体が挙げられる。
(1−a−b)(Ln’pMII’1-pMIII’MIV’N3)・a(MIV’(3n+2)/4NnO)・b(AMIV’2N3) …[1]
上記一般式[1]において、Ln’はランタノイド、Mn及びTiからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素であり、MII’はLn’元素以外の2価の金属元素からなる群から選ばれる1種又は2種以上の元素であり、MIII’は3価の金属元素からなる群から選ばれる1種又は2種以上の元素であり、MIV’は4価の金属元素からなる群から選ばれる1種又は2種以上の元素であり、AはLi、Na、及びKからなる群から選ばれる1種類以上の1価の金属元素であり、pは0<p≦0.2を満足する数であり、a、b及びnは、0≦a、0≦b、a+b>0、0≦n、及び0.002≦(3n+2)a/4≦0.9を満足する数である。
【0083】
上記一般式[1]において、Ln’としては、Ce、Eu、Tb、Sm、Mn、Dy,Ybから選ばれる少なくとも1種の金属元素が輝度の点から好ましい。
【0084】
MII’としては、Mg、Ca、Sr、Ba、およびZnよりなる群から選ばれる1種または2種以上を合計で90mol%以上含むことが好ましい。蛍光体の輝度の点から、MII’中のMg、Ca、Sr、Ba、Zn以外の元素としては、Mn、Sm、Eu、Tm、Yb、Pb、Sn等が挙げられる。蛍光体の輝度の点から、MII’は、特に、Caおよび/またはSrを合計で80mol%以上を含むことが好ましく、90mol%以上含むことが更に好ましく、100mol%であることが最も好ましい。また、MII’中のCaとSrの合計に対するCaの割合が10mol%を超えることが好ましく、100mol%であること、すなわちMII’はCaのみからなることが最も好ましい。
【0085】
MIII’としては、Alが80mol%以上を占めることが好ましい。蛍光体の輝度の点から、MIII’中のAl以外の元素としては、Ga、In、B、Sc、Y、Bi、Sb、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等が挙げられるが、この中でも、Ga、In、B、Bi、Sc、Y、La、Ce、Gd、Luが好ましい。蛍光体の輝度の点から、MIII’は、Alを90mol%以上含むことが好ましく、100mol%であること、すなわちMIII’はAlのみからなることが最も好ましい。
【0086】
MIV’としては、Siが90mol%以上を占めることが好ましい。蛍光体の輝度の点から、MIV’中のSi以外の元素としては、Ge、Sn、Ti、Zr、Hf等が挙げられ、この中でもGeが好ましい。蛍光体の輝度の点から、MIV’はSiのみからなることが最も好ましい。
【0087】
上記蛍光体は、前記結晶相の結晶構造が空間群Cmc21又はP21に属するものである。
【0088】
本発明では、蛍光発光の点からは、前記一般式[1]で表される化学組成の結晶相(以下「結晶相[1]」と称す場合がある。)を高純度にかつ極力多く含むこと、最も好ましくは結晶相[1]の単相から構成されていることが望ましいが、特性が低下しない範囲で、結晶相[1]と、結晶相[1]とは異なる結晶構造の結晶相(以下「他の結晶相」と称す。)及び/又はアモルファス相との混合物であっても良い。この場合、蛍光体中の結晶相[1]の含有量が20質量%以上であることが高い輝度を得るために望ましい。さらに好ましくは蛍光体中の結晶相[1]の含有量50質量%以上で輝度が著しく向上する。なお、蛍光体中の結晶相[1]の含有割合はX線回折測定を行い、結晶相[1]とそれ以外の相の最強ピークの強さの比から求めることができる。
【0089】
本発明の蛍光体を電子線で励起する用途に使用する場合は、導電性の無機物質を、他の結晶相及び/又はアモルファス相として結晶相[1]に混合して蛍光体に導電性を付与することができる。ここで、導電性の無機物質としては、Zn、Al、Ga、In、及びSnから選ばれる1種又は2種以上の元素を含む、酸化物、酸窒化物、窒化物、あるいはこれらの混合物を挙げることができる。
前記他の結晶相及び/又はアモルファス相は、前記一般式[1]で表される化学組成とは異なる化学組成の無機蛍光体であることが好ましい。
【0090】
本発明の蛍光体は特定の結晶母体と付活元素の組み合わせにより赤色に発色させることができるが、黄色、緑色、青色などの他の色との混合が必要な場合は、必要に応じてこれらの色を発色する無機蛍光体を混合することができる。
前記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体は、励起源を照射することにより550nmから700nmの範囲の波長にピークを持つ蛍光を発光するものであることが好ましい。励起源としては、100nm〜570nmの波長を持つ紫外線又は可視光であることが好ましい。
【0091】
以下、前記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体について、更に詳細に説明する。
【0092】
まず、前記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体としては、下記一般式[10]で表される化学組成を有する結晶相を含有することが好ましい。
(EuyLn''WMII1-y-WMIIIMIVN3)1-x(MIV(3n+2)/4NnO)x …[10]
上記一般式[10]において、Ln''はEuを除いたランタノイド、Mn及びTiからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素であり、これらの中では、Ce、Tb、Sm、Mn、Dy、Ybから選ばれる少なくとも1種の金属元素が輝度の点から好ましい。MIIは、2価の金属元素であり、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnよりなる群から選ばれる1種又は2種以上を合計で90mol%以上含むものである。MIIIはAlが80mol%以上を占める3価の金属元素であり、MIVはSiが90mol%以上を占める4価の金属元素であり、yは0<y≦0.2を満足する数であり、wは0≦w<0.2を満足する数であり、xは0<x≦0.45を満足する数であり、nは0≦nを満足する数であり、nとxは、0.002≦(3n+2)x/4≦0.9を満足する数である。
【0093】
上記一般式[10]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体の中でも、下記一般式[11]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体が好ましい。
(EuyMII1-yMIIIMIVN3)1-x(MIV(3n+2)/4NnO)x …[11]
【0094】
上記一般式[11]において、MIIは、2価の金属元素であり、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnよりなる群から選ばれる1種又は2種以上を合計で90mol%以上含むものである。蛍光体の輝度の点から、MII中のMg、Ca、Sr、Ba、Zn以外の元素としては、Mn、Sm、Eu、Tm、Yb、Pb、Sn等が挙げられる。蛍光体の輝度の点から、MIIは、特に、Ca及び/又はSrを合計で80mol%以上を含むことが好ましく、90mol%以上含むことが更に好ましく、100mol%であることが最も好ましい。また、MII中のCaとSrの合計に対するCaの割合が10mol%を超えることが好ましく、100mol%であること、すなわちMIIはCaのみからなることが最も好ましい。
【0095】
MIIIは、3価の金属元素であり、Alが80mol%以上含むものである。蛍光体の輝度の点から、MIII中のAl以外の元素としては、Ga、In、B、Sc、Y、Bi、Sb、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等が挙げられるが、この中でも、Ga、In、B、Bi、Sc、Y、La、Ce、Gd、Luが好ましい。蛍光体の輝度の点から、MIIIは、Alを90mol%以上含むことが好ましく、100mol%であること、すなわちMIIIはAlのみからなることが最も好ましい。
【0096】
MIVは、4価の金属元素であり、Siが90mol%以上含むものである。輝度の点から、MIV中のSi以外の元素としては、Ge、Sn、Ti、Zr、Hf等が挙げられ、この中でもGeが好ましい。輝度の点から、MIVはSiのみからなることが最も好ましい。
【0097】
蛍光体の輝度の顕著な低下をきたさない限りにおいて、2価、3価、4価以外の価数である1価、5価、6価の元素を[11]式上0.05mol以下([11]式の1molに対して0.05mol以下)の範囲で導入しても良い。この場合、電荷補償を維持して導入することが、輝度低下の原因となる格子欠損をおこしにくいので、好ましい。
【0098】
yは、付活元素Euのモル比であり、0.0001≦y≦0.1を満足する数である。蛍光体の発光強度の点から、0.001≦y≦0.1が好ましく、0.003≦y≦0.05がより好ましい。yが0.1を超えると濃度消光をおこし、0.0001を下回ると発光が不十分となる傾向がある。
【0099】
xとnは、CaAlSiN3:Euを代表とするEuMIIMIIIMIVN3:EuとSi2N2Oを代表とするMIV(3n+2)/4NnOの和に対するMIV(3n+2)/4NnOのmol割合であり、0<x≦0.45を満足し、0.002≦(3n+2)x/4≦0.9を満足する数である。蛍光体の輝度の点から、
0.01≦x≦0.45かつ0.02≦(3n+2)x/4≦0.9が好ましく、
0.04≦x≦0.4かつ0.08≦(3n+2)x/4≦0.8がより好ましく、
0.1≦x≦0.4かつ0.16≦(3n+2)x/4≦0.8が更に好ましく、
0.2≦x≦0.4かつ0.4≦(3n+2)x/4≦0.8が最も好ましい。
【0100】
なお、前記一般式[11]は、本発明の理論上の物質を表す式である。実際に使用される原料のSi3N4やAlNに不純物として入っている酸素の影響や、原料の混合から焼成までの操作中に原料のCa3N2等が僅かに酸化されるなどの原因による酸素の混入により一般式[11]の理論式と異なることが想定されるが、以下においてはこの理論式を用いて述べることとする。
【0101】
次に本発明の蛍光体の結晶構造について述べる。
【0102】
先願においても酸素を含有するCaAlSiN3を母体とする蛍光体が開示されている。
そこで、先願に係る蛍光体と本発明の蛍光体との相違を以下に説明する。
先願に開示された蛍光体の結晶構造は図5に示すとおりCaの位置はすべて満たされており、酸素はSi−NをAl−Oで置き換えることにより導入される。組成式で示せばCaAl1+xSi1-xN3-xOxとなる。
【0103】
これに対して、本発明の蛍光体は、具体的な例で示すと図6に示す結晶構造の鉱物名Sinoiteとして知られているSi2N2OとCaAlSiN3が互いに固溶した化合物と考えることができ、Siの位置をSi又はAlが占め、かつOの位置の一部をNが占め、かつSi−N−Oで形成される骨格の空間のところどころにCaが入る構造と推定される。組成式では例えば(CaAlSiN3)1-x(Si2N2O)xのカッコをはずせばCa1-xAl1-xSi1+xN3-xOxとなる。この点が先願の蛍光体において、組成式CaAl1+xSi1-xN3-xOxのxを変更しても波長が変化しなかったのに対し、本発明の組成Ca1-xAl1-xSi1+xN3-xOxにおいてはxに応じて波長が変化する原因と考えられる。
先に本発明者らは、CaAlSiN3結晶の結晶構造解析により、本結晶がCmc21又はP21なる空間群に属し、下記表1に示す原子座標位置を占めることを明らかにし、リートベルト解析により原子座標を決定した。すなわち、CaAlSiN3 結晶自体は斜方晶系で、格子定数は、a=9.8007(4)Å、b=5.6497(2)Å、c=5.0627(2)Åである。またSi2N2Oの結晶構造についても表1にまとめた。両化合物が同一の空間群Cmc21又はP21に属することがわかる。
【0104】
【表1】
【0105】
CaAlSiN3結晶は、同じ斜方晶系又は単斜晶系で同じ空間群Cmc21又はP21を持つSi2N2O結晶と照らし合わせると、Si2N2O結晶のSiの位置をSi及びAlが占め、N及びOの位置をNが占め、Si−N−Oで形成される骨格の空間にCaが侵入型元素として取り込まれた結晶であり、SiとAlは不規則的に分布(ディスオーダー)した状態でSi2N2O結晶のSi位置を占める。
【0106】
Si2N2O構成元素をCaAlSiN3:Euの構成元素に添加して焼成したところ、CaAlSiN3とSi2N2Oが固溶化した結晶母体にEuが付活された物質が得られることがわかり、かつ、これが良好な発光特性をもつ蛍光体であることがわかった。その発光特性については、前述のとおりである。すなわち、Euy(1-x)Ca(1-y)(1-x)Al1-xSi1+xN3-xOxの組成となるよう原料を混合し高温焼成して無機化合物結晶を得た。X線回折パターンの解析から、斜方晶系又は単斜晶系で空間群Cmc21又はP21を持ち、CaAlSiN3とSi2N2Oの中間領域の格子定数を持つ結晶が得られていることがわかった。図1に、Al2O3を酸素源として1900℃で2時間焼成して得られた、それぞれx=0,0.11,0.33の物質のX線回折パターンを示す。また、表2に、決定された各ピークの面指数と2θの実測値と計算値を示す。計算値は、斜方晶系のa軸、b軸、c軸の格子定数をそれぞれa,b,cとし、面指数を(hkl)として、次式から求めた。
2θ=2sin-1[0.5λ(h2/a2+k2/b2+l2/c2)0.5]
なお、λはX線源として用いたCuのKα線の波長1.54056Åである。
【0107】
【表2】
【0108】
図1において、各ピークが全て一連の斜方晶系の面指数で表され、Si2N2Oの仕込み割合xの増大に伴い、各XRDピークの2θ位置が高い側にシフトしていくが、これは、表2より、CaAlSiN3結晶の各面指数(hkl)が斜方晶系の三つの格子定数の変化に対応して各(hkl)の面間隔が変化するからであることがわかる。各(hkl)の2θのシフトが、格子定数のシフトからの計算値にほぼ一致している。
【0109】
更に、本発明者らは、リートベルト解析により、結晶中の原子座標を明らかにした。CaAlSiN3結晶のNの位置をNとOが占め、お互いディスオーダーであるAlとSiの位置をやはりAlとSiが占め、Caの位置をCaとベーカンシーが占める構造である。
表2にみられる解析から、xの値を0,0.11,0.33と増大させると、a軸の格子定数が9.7873,9,6899,9.4588、b軸の格子定数が5.6545,5.6537,5.6604、c軸の格子定数が5.0600,5.0413,4.9864とそれぞれ変化していくことがわかる。
このように、本発明で得られた蛍光体はCaAlSiN3:EuとSi2N2Oが固溶化した結晶中に発光中心であるEu2+イオンが分布している無機化合物結晶であると結論できる。
【0110】
以上、具体的な化合物が存在するCaAlSiN3とSi2N2Oの場合について詳述したが、Si2N2Oを一般化したMIV(3n+2)/4NnOについても同様の結果が得られることは実施例の中で例示する。
【0111】
ここで、最近公開された特許文献13(特開2005−48105号公報)と本発明の違いについて説明する。まず、特許文献13は一般式a((1−x−y)MO・xEuO・yCe2O3)・bSi3N4・cAlNの組成式を有する蛍光体では温色系、赤色系の発光が得られることを開示している。ここで、Mはアルカリ土類金属でSrが最も好ましいとしている。特許文献13は上記一般式MOの表記より明瞭なようにアルカリ土類金属のイオン数と同数の酸素のイオンが含まれていることが必須であり、明細書中に焼成によりアルカリ土類金属酸化物に変化する物質を原料とする旨、記載していることからも裏付けられる。また、得られた蛍光体の結晶構造は明確に開示されていないが、Sr2Al2Si3O2N6を母体結晶とする蛍光体である可能性を示唆している。翻って本発明においては、先願で開示したCaAlSiN3を母体結晶とし、これに発光中心元素イオンを導入することによって高輝度で深い赤色発光の蛍光体の研究を進め、CaAlSiN3と同じ結晶構造を有する酸窒化物結晶中では発光波長が短波長側にシフトし、ブロードな発光ピークとなることを見出し、本発明に到達したものである。即ち、蛍光体母体結晶構造の深い理解に基づき本発明に到達したものである。また、本発明は前記一般式[11]において酸素イオンの係数xが0<x≦0.45を満足することを要件としていることから特許文献13の組成範囲とは重なる部分がない。以上のことから、本発明と特許文献13とは母体の結晶構造が異なり、組成範囲も異なる別の発明といえる。
【0112】
本発明の蛍光体を粉体として用いる場合は、樹脂への分散性や粉体の流動性などの点から平均粒径0.1μm以上20μm以下であることが好ましい。また、粉体をこの範囲の単結晶粒子とすることにより、より発光輝度が向上する。
【0113】
発光輝度が高い蛍光体を得るには、蛍光体中に含まれる不純物は極力少ない方が好ましい。特に、Fe、Co、Ni不純物元素が多く含まれると発光が阻害されるので、これらの元素の合計が500ppm以下となるように、原料粉末の選定及び合成工程の制御を行うとよい。
【0114】
本発明では、蛍光発光の点からは、前記一般式[11]で表される化学組成の結晶相(以下「結晶相[11]」と称す場合がある。)を高純度にかつ極力多く含むこと、最も好ましくは結晶相[11]の単相から構成されていることが望ましいが、特性が低下しない範囲で、結晶相[11]以外の他の結晶相及び/又はアモルファス相との混合物であっても良い。この場合、蛍光体中の結晶相[11]の含有量が20質量%以上であることが高い輝度を得るために望ましい。さらに好ましくは蛍光体中の結晶相[11]の含有量50質量%以上で輝度が著しく向上する。なお、蛍光体中の結晶相[11]の含有割合はX線回折測定を行い、結晶相[11]とそれ以外の相の最強ピークの強さの比から求めることができる。
【0115】
本発明の蛍光体を電子線で励起する用途に使用する場合は、導電性の無機物質を、他の結晶相及び/又はアモルファス相として結晶相[11]に混合して蛍光体に導電性を付与することができる。ここで、導電性の無機物質としては、Zn、Al、Ga、In、及びSnから選ばれる1種又は2種以上の元素を含む、酸化物、酸窒化物、窒化物、あるいはこれらの混合物を挙げることができる。
【0116】
本発明の蛍光体は特定の結晶母体と付活元素の組み合わせにより赤色に発色させることができるが、黄色、緑色、青色などの他の色との混合が必要な場合は、必要に応じてこれらの色を発色する無機蛍光体を混合することができる。
【0117】
前述の如く、本発明の蛍光体は、MIV(3n+2)/4NnOの固溶化の割合、すなわちXの値を変えることにより、発光波長や発光ピーク幅を調節することができる。その態様は、用途に基づいて必要とされるスペクトルに設定すればよい。なかでも、CaAlSiN3相にEuを0.0001≦(Euの原子数)/{(Euの原子数)+(Caの原子数)}≦0.1となる組成で添加したものは、200nm〜600nmの範囲の波長の光で励起されたとき550nm〜700nmの範囲の波長にピークを持つ発光を示し、高輝度赤色の蛍光として優れた発光特性を示すため、このようなCaAlSiN3:Eu相にSi(3n+2)/4NnOを様々な割合で固溶化することにより、発光特性に優れ、かつ発光波長や発光ピーク幅の調節が可能な蛍光体が提供される。
【0118】
このように本発明の蛍光体は、通常の酸化物蛍光体や既存のサイアロン蛍光体と比べて、電子線やX線、及び紫外線から可視光の幅広い励起範囲を持つこと、550nm以上の橙色や赤色の発光をすること、特に特定の組成では550nm〜700nmの赤色を呈し、かつ、発光波長や発光ピーク幅が調節可能であることが特徴である。しかして、このような発光特性により、本発明の蛍光体は、照明器具、画像表示装置、顔料、紫外線吸収剤に好適である。本発明の蛍光体はまた、高温にさらしても劣化しないことから耐熱性に優れており、酸化雰囲気及び水分環境下での長期間の安定性にも優れているという利点をも有し、耐久性に優れた製品を提供し得る。
【0119】
このような本発明の蛍光体の製造方法は特に規定されないが、例えば、金属化合物の混合物であって、焼成することにより、前記一般式[11]で表される組成物を構成しうる原料混合物を、窒素を含有する不活性雰囲気中において1200℃以上2200℃以下の温度範囲で焼成することにより得ることができる。本発明の主結晶は空間群Cmc21に属するが、焼成温度等の合成条件により、一部斜方晶でなく単斜晶になり、Cmc21と異なる空間群となる結晶が混入する場合がありうるが、この場合においても、発光中心元素Euサイトの発光特性の変化は僅かであるため高輝度蛍光体として使用することができる。
【0120】
特に、上記方法により、本発明の蛍光体を製造する場合、窒化ユーロピウム及び/又は酸化ユーロピウムと、窒化カルシウムと、窒化ケイ素と、窒化アルミニウムの他に、Si2N2Oの酸素源としてアルミナ、シリカ、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、又は、AlとSiの複合酸化物、AlとCaの複合酸化物、SiとCaの複合酸化物、或いは、Al、Si及びCaの複合酸化物等の金属化合物の混合粉末を出発原料とするのがよい。
【0121】
原料混合物の焼成に当たっては、上記の金属化合物の混合粉末は、40%以下の体積充填率に保持した状態で焼成するとよい。なお、体積充填率は、(混合粉末の嵩密度)/(混合粉末の理論密度)×100[%]により求めることが出来る。体積充填率を40%以下の状態に保持したまま焼成するのは、原料粉末の周りに自由な空間がある状態で焼成すると、反応生成物であるCaAlSiN3属結晶が自由な空間に結晶成長することにより結晶同士の接触が少なくなるため、表面欠陥が少ない結晶を合成することが出来るためである。
【0122】
原料粉末を保持する容器の材質としては、金属化合物との反応性が低いことから、窒化ホウ素焼結体が適している。
【0123】
焼成に用いる炉は、焼成温度が高温であり、また焼成雰囲気が窒素を含有する不活性雰囲気であることから、金属抵抗加熱抵抗加熱方式又は黒鉛抵抗加熱方式で、炉の高温部の材料として炭素を用いた電気炉が好適である。焼成の手法は、常圧焼結法やガス圧焼結法などの外部から機械的な加圧を施さない焼結手法が好ましい。
【0124】
なお、焼成時間は焼成温度によっても異なるが、通常1〜10時間程度である。
【0125】
焼成により得られた粉体凝集体が固く固着している場合は、例えばボールミル、ジェットミル等の工業的に通常用いられる粉砕機により粉砕する。粉砕は、粉体の平均粒径が20μm以下、特に平均粒径0.1μm以上5μm以下となるように行うことが好ましい。平均粒径が20μmを超える粉体では、流動性と樹脂への分散性が悪くなり、発光光源又は励起源と組み合わせて照明器具や画像表示装置を形成する際に、部位により発光強度が不均一になる。平均粒径が0.1μm未満になるまで粉砕すると、蛍光体粉体表面の欠陥量が多くなるため、蛍光体の組成によっては発光強度が低下する。
【0126】
また、蛍光体を構成する金属元素を少なくとも2種類以上含有する合金、好ましくは蛍光体を構成する金属元素を全て含有する合金を作成し、得られた合金を窒素含有雰囲気中、加圧下で加熱処理することにより、製造することができる。また、蛍光体を構成する金属元素の一部を含有する合金を作成し、得られた合金を窒素含有雰囲気中、加圧下で加熱処理した後、更に蛍光体を構成する残りの金属元素源となる原料化合物と混合して、加熱処理することにより、製造することもできる。このように合金を経て製造された蛍光体は、不純物が少なく、輝度が高い蛍光体となる。
【0127】
得られた蛍光体は必要に応じて公知の表面処理、例えば燐酸カルシウム処理を行ってから樹脂中に分散することができる。
【0128】
次に、前記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体としては、下記一般式[21]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体が好ましい。好ましくは、この結晶相の結晶構造は、CaAlSiN3と同じ空間群Cmc21に属する。
(CeyLnzMII1-y-zMIIIMIVN3)1-x(MIV(3n+2)/4NnO)x …[21]
【0129】
一般式[21]において、Lnとしては、Ceを除くランタンイド、即ち、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、LuとMn及びTiからなる群から選ばれる少なくとも1種が挙げられるが、これらのうち、Eu、Tb、Sm、Mn、Dy、Ybからなる群から選ばれる少なくとも1種が輝度の点から好ましい。
【0130】
MIIは、2価の金属元素であり、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnよりなる群から選ばれる1種又は2種以上を合計で90mol%以上含むものである。蛍光体の輝度の点から、MII中のMg、Ca、Sr、Ba、Zn以外の元素としては、Pb、Sn等が挙げられる。蛍光体の輝度の点から、MIIは、特に、Ca及び/又はSrを合計で80mol%以上を含むことが好ましく、90mol%以上含むことが更に好ましく、100mol%であることが最も好ましい。また、MII中のCaとSrの合計に対するCaの割合が10mol%を超えることが好ましく、100mol%であること、すなわちMIIはCaのみからなることが最も好ましい。
【0131】
MIIIは、3価の金属元素であり、Alを80mol%以上含むものである。蛍光体の輝度の点から、MIII中のAl以外の元素としては、Ga、In、B、Sc、Y、Bi、Sb等が挙げられるが、この中でも、Ga、In、Sc、Yが好ましい。蛍光体の輝度の点から、MIIIは、Alを90mol%以上含むことが好ましく、100mol%であること、すなわちMIIIはAlのみからなることが最も好ましい。
【0132】
MIVは、4価の金属元素であり、Siを90mol%以上含むものである。輝度の点から、MIV中のSi以外の元素としては、Ge、Sn、Zr、Hf等が挙げられ、この中でもGeが好ましい。輝度の点から、MIVはSiのみからなることが最も好ましい。
【0133】
蛍光体の輝度の顕著な低下をきたさない限りにおいて、2価、3価、4価以外の価数である1価、5価、6価の元素を、前記一般式[21]上0.05mol以下([21]式の1molに対して0.05mol以下)の範囲で導入しても良い。この場合、電荷補償を維持して導入することが、輝度低下の原因となる格子欠損をおこしにくいので、好ましい。
【0134】
次に前記一般式[21]の各パラメーターについて説明する。
y及びzは付活剤の量を表すパラメーターである。yは付活元素Ceのモル比であり、0<y≦0.2を満足する数である。付活剤がEu単独の場合に比較してCe単独の場合は発光波長が短波側に移動する。yが0.2を超えると濃度消光をおこし、0.0005を下回ると発光が不十分となる傾向がある。従って、yは好ましくは0.0005<y≦0.1である。
【0135】
zは第2付活元素Lnのモル比であり、0≦z≦0.2を満足する数である。発光強度の点から、0.0001≦z≦0.01が好ましく、0.0003≦z≦0.05がより好ましい。
【0136】
xは母体結晶の酸素原子の存在状態を表すパラメーターである。酸素イオンが結晶中に導入される場合の第1はCaの位置はすべて満たされており、酸素はSi−NをAl−Oで置き換えることにより導入される。第2はSiの位置をSi又はAlが占め、かつOの位置の一部をNが占め、かつSi−N−Oで形成される骨格の空間のところどころにCaが入ることにより導入される。第3は第1と第2が同時に起こる場合である。このような観点から酸素イオン導入に伴うMII、MIII及びMIVイオンに対し電気的中性の原則が保たれるようxを導入したものであり、xは0≦x≦0.45を満足する数である。輝度の点から、xは0≦x≦0.3が好ましく、0.002≦x≦0.3がより好ましく、0.15≦x≦0.3が更に好ましい。
【0137】
nは0又は正の数であり、n=0はSiO2を表し、n=2はSi2N2O(Sinoite)を表す。nは、xとの関係において、0.002≦(3n+2)x/4≦0.9を満足する数である。輝度の点から、nはxとの関係において、0.004≦(3n+2)x/4≦0.6が好ましく、0.3≦(3n+2)x/4≦0.6が更に好ましい。
【0138】
なお、前記一般式[21]は、理論上の物質を表す式である。原料のSi3N4やAlN中に不純物として入っている酸素の影響や、原料の混合から焼成までの操作中に原料のCa3N2等がわずかに酸化される原因となる試料外酸素の混入の影響等により、実際に得られる物質中の酸素と窒素の含有量が理論値と異なることがあるが、このことによる酸素と窒素の含有量の多少のずれは発光特性に悪影響を与えるものでないので、実際の酸素の含有率や窒素の含有率が上記[21]式の値と多少ずれていてもよい。
【0139】
次に本発明の蛍光体の結晶構造について述べる。
【0140】
先願においても酸素を含有するCaAlSiN3を母体とする蛍光体が開示されている。
そこで、先願に係る蛍光体と本発明の蛍光体との相違を以下に説明する。
先願に開示された蛍光体の結晶構造は図5に示すとおりCaの位置はすべて満たされており、酸素はSi−NをAl−Oで置き換えることにより導入される。組成式で示せばCaAl1+xSi1-xN3-xOxとなる。
【0141】
これに対して、本発明の蛍光体は具体的な例で示すと図6に示す結晶構造の鉱物名Sinoiteとして知られるSi2N2OとCaAlSiN3が互いに固溶した化合物と考えることができる。即ち、Siの位置をSi又はAlが占め、かつOの位置の一部をNが占め、かつSi−N−Oで形成される骨格の空間のところどころにCaが入る構造と推定される。組成式で示せば例えば(CaAlSiN3)1-x(Si2N2O)xとなり、括弧をはずすとCa1-xAl1-xSi1+xN3-xOxとなる。この点が先願の蛍光体において、組成式CaAl1+xSi1-xN3-xOxのxを変更しても発光波長が変化しなかったのに対し、本発明のCa1-xAl1-xSi1+xN3-xOxにおいてはxに応じて波長が変化する原因と考えられる。以上、具体例としてCaAlSiN3とSi2N2Oの固溶系について説明したが、一般式で示せばMIIMIIIMIVN3とMIV(3n+2)/4NnOの固溶系となる。この系において付活剤をCeとすると、発光ピークの短波長化と輝度が顕著に増大する。また、MIIMIIIMIVN3単独の場合に付活剤としてCeにLnを加えることによっても発光ピークの短波長化が可能である。
【0142】
先に本発明者らは、CaAlSiN3結晶の結晶構造解析により、本結晶がCmc21(又はP21)なる空間群に属し、下記表3に示す原子座標位置を占めることを明らかにし、リートベルト解析により原子座標を決定した。すなわち、CaAlSiN3結晶自体は斜方晶系で、格子定数は、a=9.8007(4)Å、b=5.6497(2)Å、c=5.0627(2)Åである。またSi2N2Oの結晶構造についても表3にまとめた。両化合物が同一の空間群Cmc21(又はP21)に属することがわかる。
【0143】
【表3】
【0144】
CaAlSiN3結晶は、同じ斜方晶系(又は単斜晶系)で同じ空間群Cmc21(又はP21)を持つSi2N2O結晶と照らし合わせると、Si2N2O結晶のSiの位置をSi及びAlが占め、N及びOの位置をNが占め、Si−N−Oで形成される骨格の空間にCaが侵入型元素として取り込まれた結晶であり、SiとAlは不規則的に分布(ディスオーダー)した状態でSi2N2O結晶のSi位置を占める。
【0145】
(CeyLnzMII1-y-zMIIIMIVN3)1-x(MIV(3n+2)/4NnO)x …[21]
上記一般式[21]において、MII=Ca、MIII=Al、MIV=Siを選択し、x=0.18、y(1−x)=0.032、z(1−x)=0となるよう各原料を添加し、高温焼成すると、X線回折パターンの解析から、斜方晶系(又は単斜晶系)で空間群Cmc21(又はP21)を持ち、CaAlSiN3とSi2N2Oの中間領域の格子定数を持つ結晶が得られていることがわかった。図1に、CeO2及びAl2O3を酸素源として1900℃で、2時間焼成して得られた物質のX線回折パターンを示す。
【0146】
次に、前述の特許文献13と本発明の違いについて説明する。
特許文献13は一般式a((1−x−y)MO・xEuO・yCe2O3)・bSi3N4・cAlNの組成式を有する蛍光体が温色系、赤色系の発光が得られることを開示している。ここでMはアルカリ土類金属でSrが最も好ましいとしている。特許文献13では、上記一般式において「MO」の表記より明瞭なように、アルカリ土類金属イオンの数と同数の酸素イオンが含まれていることが必須であり、明細書中に焼成によりアルカリ土類金属酸化物に変化する物質を原料とする旨、記載していることからも裏付けられる。また、得られた蛍光体の結晶構造は明確に開示されていないが、Sr2Al2Si3O2N6を母体結晶とする蛍光体である可能性を示唆している。
【0147】
翻って本発明においては、先願で開示したCaAlSiN3を母体結晶とし、これに発光中心元素イオンを導入することによって高輝度で深い赤色発光の蛍光体の研究を進め、CaAlSiN3と同じ結晶構造を有するSi2N2OとCaAlSiN3が固溶した結晶中では発光波長が短波長側にシフトし、ブロードな発光ピークとなることを見出し本発明に到達したものである。即ち、蛍光体母体結晶構造の深い理解に基づき本発明に到達したものである。また、本発明は前記一般式[21]において酸素イオンの係数xが0≦x≦0.45を満足することを要件としていることから、特許文献13の組成範囲とは重なる部分がない。
以上のことから本発明と特許文献13とは母体の結晶構造が異なり、組成範囲も異なる別の発明といえる。
【0148】
本発明の蛍光体における主結晶相は好ましくは空間群Cmc21に属する。ただし、焼成温度等の合成条件により、一部が斜方晶でなく単斜晶になり、Cmc21と異なる空間群になる場合がありうるが、この場合においても、発光特性の変化は僅かであるため、高輝度蛍光体として使用することができる。
【0149】
本発明の蛍光体を粉体として用いる場合は、樹脂への分散性や粉体の流動性などの点から平均粒径0.1μm以上20μm以下であることが好ましい。また、粉体をこの範囲の単結晶粒子とすることにより、より発光輝度が向上する。
【0150】
発光輝度が高い蛍光体を得るには、蛍光体中に含まれる不純物は極力少ない方が好ましい。特に、Fe、Co、Ni不純物元素が多く含まれると発光が阻害されるので、これらの元素の合計が500ppm以下となるように、原料粉末の選定及び合成工程の制御を行うとよい。
【0151】
本発明では、蛍光発光の点からは、前記一般式[21]で表される化学組成の結晶相(以下「結晶相[21]」と称す場合がある。)を高純度にかつ極力多く含むこと、最も好ましくは結晶相[21]の単相から構成されていることが望ましいが、特性が低下しない範囲で、結晶相[21]以外の他の結晶相及び/又はアモルファス相との混合物であっても良い。この場合、蛍光体中の結晶相[21]の含有量が20質量%以上であることが高い輝度を得るために望ましい。さらに好ましくは蛍光体中の結晶相[21]の含有量50質量%以上で輝度が著しく向上する。なお、蛍光体中の結晶相[21]の含有割合はX線回折測定を行い、結晶相[21]とそれ以外の相の最強ピークの強さの比から求めることができる。
【0152】
本発明の蛍光体を電子線で励起する用途に使用する場合は、導電性の無機物質を、他の結晶相及び/又はアモルファス相として結晶相[21]に混合して蛍光体に導電性を付与することができる。ここで、導電性の無機物質としては、Zn、Al、Ga、In、及びSnから選ばれる1種又は2種以上の元素を含む、酸化物、酸窒化物、窒化物、あるいはこれらの混合物を挙げることができる。
【0153】
本発明の蛍光体は特定の結晶母体と付活元素の組み合わせにより橙色から赤色まで発色させることができるが、黄色、緑色、青色などの他の色との混合が必要な場合は、必要に応じてこれらの色を発色する無機蛍光体を混合することができる。
【0154】
前述の如く、本発明の蛍光体は、Ceの添加量、第2の付活剤Lnの種類及び/又は添加量並びに酸素イオンの割合をかえることにより、発光波長や発光ピーク幅を調節することができる。その態様は、用途に基づいて必要とされるスペクトルに設定すればよい。
【0155】
このように本発明の蛍光体は、通常の酸化物蛍光体や既存の窒化物又は酸窒化物蛍光体と比べて、電子線やX線、及び紫外線から可視光の幅広い励起範囲を持つこと、570nm以上の橙色や赤色に発光し、かつ、発光波長や発光ピーク幅が調節可能であることが特徴である。しかして、この発光特性により、本発明の蛍光体は、発光装置、照明器具、画像表示装置、顔料、紫外線吸収剤に好適である。これに加えて、本発明の蛍光体は、高温にさらしても劣化しないことから耐熱性に優れており、酸化雰囲気及び水分環境下での長期間の安定性にも優れている。
【0156】
このような本発明の蛍光体は製造方法は特に規定されないが、例えば、金属化合物の混合物であって、焼成することにより、前記一般式[21]で表される組成物を構成しうる原料混合物を、窒素を含有する不活性雰囲気中において1200℃以上2200℃以下の温度範囲で焼成することにより、本発明の高輝度蛍光体を得ることができる。
【0157】
特に、上記方法により、LnがEuである本発明の蛍光体を製造する場合、酸化セリウムと、窒化ユーロピウム及び/又は酸化ユーロピウムと、窒化カルシウムと、窒化ケイ素と、窒化アルミニウムの他に、酸素源としてアルミナ、シリカ、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、又は、AlとSiの複合酸化物、AlとCaの複合酸化物、SiとCaの複合酸化物、或いは、Al、Si及びCaの複合酸化物等の金属化合物の混合粉末を出発原料とするのがよい。
【0158】
原料混合物の焼成に当っては、上記の金属化合物の混合粉末は、40%以下の体積充填率に保持した状態で焼成するとよい。なお、体積充填率は、(混合粉末の嵩密度)/(混合粉末の理論密度)×100[%]により求めることが出来る。体積充填率を40%以下の状態に保持したまま焼成するのは、原料粉末の周りに自由な空間がある状態で焼成すると、反応生成物であるCaAlSiN3属結晶が自由な空間に結晶成長することにより結晶同士の接触が少なくなるため、表面欠陥が少ない結晶を合成することが出来るためである。
【0159】
原料粉末を保持する容器の材質としては、本発明に使用する金属化合物との反応性が低いことから、窒化ホウ素焼結体が適している。
【0160】
焼成に用いる炉は、焼成温度が高温であり、また焼成雰囲気が窒素を含有する不活性雰囲気であることから、金属抵抗加熱抵抗加熱方式又は黒鉛抵抗加熱方式で、炉の高温部の材料として炭素を用いた電気炉が好適である。焼成の手法は、常圧焼結法やガス圧焼結法などの外部から機械的な加圧を施さない焼結手法が、体積充填率40%以下に保った状態で焼成するために好ましい。
【0161】
なお、焼成時間は焼成温度によっても異なるが、通常1〜10時間程度である。
【0162】
焼成により得られた粉体凝集体が固く固着している場合は、例えばボールミル、ジェットミル等の工業的に通常用いられる粉砕機により粉砕する。粉砕は、粉体の平均粒径が20μm以下、特に平均粒径0.1μm以上5μm以下となるように行うことが好ましい。平均粒径が20μmを超える粉体では、流動性と樹脂への分散性が悪くなり、発光光源又は励起源と組み合わせて照明器具や画像表示装置を形成する際に、部位により発光強度が不均一になる。平均粒径が0.1μm未満になるまで粉砕すると、蛍光体粉体表面の欠陥量が多くなるため、蛍光体の組成によっては発光強度が低下する。
【0163】
また、蛍光体を構成する金属元素を少なくとも2種類以上含有する合金、好ましくは蛍光体を構成する金属元素を全て含有する合金を作成し、得られた合金を窒素含有雰囲気中、加圧下で加熱処理することにより、製造することができる。また、蛍光体を構成する金属元素の一部を含有する合金を作成し、得られた合金を窒素含有雰囲気中、加圧下で加熱処理した後、更に蛍光体を構成する残りの金属元素源となる原料化合物と混合して、加熱処理することにより、製造することもできる。このように合金を経て製造された蛍光体は、不純物が少なく、輝度が高い蛍光体となる。
【0164】
得られた蛍光体は必要に応じて公知の表面処理、例えば燐酸カルシウム処理を行ってから樹脂中に分散することが好ましい。
【0165】
次に、前記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体としては、下記一般式[30]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体が好ましい。好ましくは、この結晶相の結晶構造は、CaAlSiN3と同じ空間群Cmc21に属する。
(EuyLn''WMII1-y-WMIIIMIVN3)1-x'(AMIV2N3)x' …[30]
【0166】
上記一般式[30]において、Ln''はEuを除いたランタノイド、Mn及びTiからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素であり、これらの中では、Ce、Tb、Sm、Mn、Dy、Ybから選ばれる少なくとも1種の金属元素が輝度の点から好ましい。MIIは2価の金属元素であり、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnよりなる群から選ばれる1種又は2種以上を合計で90mol%以上含むものである。MIIIは3価の金属元素であり、Alを80mol%以上含むものである。MIVは4価の金属元素であり、Siを90mol%以上含むものであり、AはLi、Na、及びKからなる群から選ばれる1種以上の金属元素である。x’は0<x’<1.0を満足する数であり、yは0<y≦0.2を満足する数であり、wは0≦w<0.2を満足する数である。
【0167】
上記一般式[30]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体の中でも、下記一般式[31]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体が好ましい。
(EuyMII1-yMIIIMIVN3)1-x'(AMIV2N3)x' …[31]
【0168】
上記一般式[31]において、MIIは、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnの合計が90mol%以上を占める2価の金属元素であり、MIIIは、Alが80mol%以上を占める3価の金属元素であり、MIVは、Siが90mol%以上を占める4価の金属元素であり、AはLi、Na、及びKからなる群から選ばれる1種以上の金属元素であり、x’は0<x’<0.5を満足する数であり、yは0<y≦0.2を満足する数である。
【0169】
一般式[31]において、MIIは、2価の金属元素であり、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnよりなる群から選ばれる1種又は2種以上を合計で90mol%以上含むものである。蛍光体の輝度の点から、MIIは、特に、Ca及び/又はSrを合計で80mol%以上含むことが好ましく、90mol%以上含むことが更に好ましく、100mol%であることが最も好ましい。また、MII中のCaとSrの合計に対するCaの割合が10mol%を超えることが好ましく、100mol%であること、すなわちMIIはCaのみからなることが最も好ましい。MII中には、Mnのような、Euとともに共付活できる元素が含まれていてもよい。
【0170】
MIIIは、3価の金属元素であり、Alを80mol%以上含むものである。蛍光体の輝度の点から、MIII中のAl以外の元素としては、Ga、In、B、Sc、Y、Bi、Sb等が挙げられるが、この中でも、Ga、In、Sc、Yが好ましい。蛍光体の輝度の点から、MIIIは、Alを90mol%以上含むことが好ましく、100mol%であること、すなわちMIIIはAlのみからなることが最も好ましい。
【0171】
MIVは、4価の金属元素であり、Siを90mol%以上含むものである。輝度の点から、MIV中のSi以外の元素としては、Ge、Sn、Zr、Hf等が挙げられ、この中でもGeが好ましい。輝度の点から、MIVはSiのみからなることが最も好ましい。
【0172】
Aは、Li、Na及びKからなる群から選ばれる1種以上の1価の金属元素であり、輝度の点から、AはLi及び/又はNaが好ましく、より好ましくはLiである。
【0173】
蛍光体の輝度の顕著な低下をきたさない限りにおいて、1価、2価、3価、4価以外の価数である5価、6価の元素を[31]式上0.05mol以下([31]式の1molに対して0.05mol以下)の範囲で導入しても良い。この場合、電荷補償を維持して導入することが、輝度低下の原因となる格子欠損をおこしにくいので、好ましい。
【0174】
次に前記一般式[31]の各パラメーターについて説明する。
yはEuの量を表すパラメーターである。yはEuのモル比であり、0<y≦0.2を満足する数である。yが0.2を超えると濃度消光をおこし、0.003を下回ると発光が不十分となる傾向がある。従って、yは好ましくは0.003≦y≦0.2である。
【0175】
x’は母体結晶中のAであるLi、Na及びKからなる群から選ばれる1種以上の1価の金属元素の存在状態を表すパラメーターである。Li、Na、Kのいずれか1以上のイオン導入に伴い、MII、MIII、及びMIVイオンに対し電気的中性の原則が保たれるようx’を導入した。xは0<x’<0.5を満足する数である。輝度の点から、xは0.002≦x’≦0.4が好ましく、0.03≦x’≦0.35がより好ましい。
【0176】
なお、前記一般式[31]は、理論上の物質を表す式である。原料のSi3N4やAlN中に不純物として入っている酸素の影響や、原料の混合から焼成までの操作中に原料のCa3N2等がわずかに酸化される原因となる試料外酸素の混入の影響等により、実際に得られる物質中の酸素と窒素の含有量が理論値と異なることがあるが、このことによる酸素と窒素の含有量の多少のずれは発光特性に悪影響を与えるものでないので、実際の酸素の含有率や窒素の含有率が上記[31]式の値と多少ずれていてもよい。
【0177】
次に本発明の蛍光体の結晶構造について述べる。
【0178】
本発明の蛍光体の母体結晶はCaAlSiN3と同じ結晶構造を有するASi2N3(ここで、AはLi、Na、及びKからなる群から選ばれる1種以上の金属元素である。)とCaAlSiN3が互いに固溶した化合物と考えることができる。組成式で示せば、例えば、(CaAlSiN3)1-x’(ASi2N3)x’となり、括弧をはずすとCa1-x’Ax’Al1-x’Si1+x’N3となる。ここで、具体例としてCaAlSiN3とASi2N3の固溶系について説明したが、一般式で示せばMIIMIIIMIVN3とAMIV2N3の固溶系で、MII1-x’Ax’MIII1-x’MIV1+x’N3となる。
本発明者らは、この系において付活剤をEuとすると、Euの添加量や、AMIV2N3の固溶割合により発光特性を変化させることができることを見出した。
【0179】
先に本発明者らは、CaAlSiN3結晶の結晶構造解析により、本結晶がCmc21(又はP21)なる空間群に属し、下記表4(先願の表5)に示す原子座標位置を占めることを明らかにし、リートベルト解析により原子座標を決定した。すなわち、CaAlSiN3結晶自体は斜方晶系で、格子定数は、a=9.8007(4)Å、b=5.6497(2)Å、c=5.0627(2)Åである。またSi2N2Oの結晶構造についても表4にまとめた。両化合物が同一の空間群Cmc21(又はP21)に属することがわかる。
【0180】
【表4】
【0181】
CaAlSiN3結晶は、同じ斜方晶系(又は単斜晶系)で同じ空間群Cmc21(又はP21)を持つSi2N2O結晶と照らし合わせると、Si2N2O結晶のSiの位置をSi及びAlが占め、N及びOの位置をNが占め、Si−N−Oで形成される骨格の空間にCaが侵入型元素として取り込まれた結晶であり、SiとAlは不規則的に分布(ディスオーダー)した状態でSi2N2O結晶のSi位置を占める。
【0182】
(EuyMII1-yMIIIMIVN3)1-x'(AMIV2N3)x' …[31]
上記一般式[31]において、MII=Ca、MIII=Al、MIV=Si、A=Liを選択し、y(1−x’)=0.008と固定し、x'=0、x'=0.18、x'=0.33、となるよう各原料を添加し、高温焼成したものについて測定したX線回折のピーク位置と、空間群をCmc21と仮定して原子座標より計算したピーク位置は表5に示すように良い一致を示す。
【0183】
【表5】
【0184】
表5は、面指数(hkl)が(400)、(020)、(002)の場合の2θ実測値から、下記[2]式を用いてCmc21の斜方晶におけるa,b,c格子定数を決定し、この定数を使用して他の面指数の2θ値を計算したものである。小さな誤差内で2θの実験値と計算値が一致する。
2θ=2sin-1[0.5λ(h2/a2+k2/b2+l2/c2)0.5] …[2]
【0185】
なお、λはX線源として用いたCuのKα線の波長1.54056Åである。X線回折パターンの解析から、斜方晶系で空間群Cmc21に属し、CaAlSiN3とLiSi2N3の中間領域の格子定数を持つ結晶が得られていることがわかった。
【0186】
本発明の蛍光体における主結晶相は好ましくは空間群Cmc21に属する。ただし、焼成温度等の合成条件により、一部が斜方晶でなく単斜晶になり、Cmc21と異なる空間群になる場合がありうるが、この場合においても、発光特性の変化は僅かであるため、高輝度蛍光体として使用することができる。
【0187】
本発明の蛍光体を粉体として用いる場合は、樹脂への分散性や粉体の流動性などの点から平均粒径0.1μm以上20μm以下であることが好ましい。また、粉体をこの範囲の単結晶粒子とすることにより、より発光輝度が向上する。
【0188】
発光輝度が高い蛍光体を得るには、蛍光体中に含まれる不純物は極力少ない方が好ましい。特に、Fe、Co、Ni不純物元素が多く含まれると発光が阻害されるので、これらの元素の合計が500ppm以下となるように、原料粉末の選定及び合成工程の制御を行うとよい。
【0189】
本発明では、蛍光発光の点からは、前記一般式[31]で表される化学組成の結晶相(以下「結晶相[31]」と称す場合がある。)を高純度にかつ極力多く含むこと、最も好ましくは結晶相[31]の単相から構成されていることが望ましいが、特性が低下しない範囲で、結晶相[31]以外の他の結晶相及び/又はアモルファス相との混合物であっても良い。この場合、蛍光体中の結晶相[31]の含有量が20質量%以上であることが高い輝度を得るために望ましい。さらに好ましくは蛍光体中の結晶相[31]の含有量50質量%以上で輝度が著しく向上する。なお、蛍光体中の結晶相[31]の含有割合はX線回折測定を行い、結晶相[31]とそれ以外の相の最強ピークの強さの比から求めることができる。
【0190】
本発明の蛍光体を電子線で励起する用途に使用する場合は、導電性の無機物質を、他の結晶相及び/又はアモルファス相として結晶相[31]に混合して蛍光体に導電性を付与することができる。ここで、導電性の無機物質としては、Zn、Al、Ga、In、及びSnから選ばれる1種又は2種以上の元素を含む、酸化物、酸窒化物、窒化物、あるいはこれらの混合物を挙げることができる。
【0191】
本発明の蛍光体は特定の結晶母体と付活元素の組み合わせにより橙色から赤色まで発色させることができるが、黄色、緑色、青色などの他の色との混合が必要な場合は、必要に応じてこれらの色を発色する無機蛍光体を混合することができる。
【0192】
前述の如く、本発明の蛍光体は、付活剤Euの添加量やAMIV2N3の固溶割合を変えることにより、発光波長や発光ピーク幅を調節することができる。その態様は、用途に基づいて必要とされるスペクトルに設定すればよい。
【0193】
このように本発明の蛍光体は、通常の酸化物蛍光体や既存の窒化物又は酸窒化物蛍光体と比べて、電子線やX線、及び紫外線から可視光の幅広い励起範囲を持つこと、570nm以上の橙色や赤色に発光し、かつ、発光波長や発光ピーク幅が調節可能であることが特徴である。しかして、この発光特性により、本発明の蛍光体は、発光装置、照明器具、画像表示装置、顔料、紫外線吸収剤に好適である。これに加えて、本発明の蛍光体は、高温にさらしても劣化しないことから耐熱性に優れており、酸化雰囲気及び水分環境下での長期間の安定性にも優れている。
【0194】
このような本発明の蛍光体の製造方法は特に規定されないが、例えば、金属化合物の混合物であって、焼成することにより、前記一般式[31]で表される組成物を構成しうる原料混合物を、窒素を含有する不活性雰囲気中において1200℃以上2200℃以下の温度範囲で焼成することにより、本発明の高輝度蛍光体を得ることができる。
【0195】
特に、上記方法により、MIIがCaで、MIIIがAlで、MIVがSiで、AがLiである本発明の蛍光体:(EuyCa1-yAlSiN3)1-x’(LiSi2N3)x’を合成する場合は、窒化ユーロピウム、窒化カルシウム、窒化リチウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム粉末の混合物を出発原料とするのがよい。
【0196】
原料混合物の焼成に当って、原料化合物を保持する容器としては種々の耐熱性材料が使用しうるが、本発明に使用する金属窒化物に対する材質劣化の悪影響が低いことから、学術雑誌Journal of the American Ceramic Society 2002年85巻5号1229ページないし1234ページに記載の、α−サイアロンの合成に使用された窒化ホウ素をコートしたグラファイトるつぼに示されるように、窒化ホウ素焼結体が適している。
【0197】
焼成に用いる炉は、焼成温度が高温であり、また焼成雰囲気が窒素を含有する不活性雰囲気であることから、金属抵抗加熱方式又は黒鉛抵抗加熱方式で、炉の高温部の材料として炭素を用いた電気炉が好適である。焼成の手法は、常圧焼結法やガス圧焼結法などの外部から機械的な加圧を施さない焼結手法が好ましい。
【0198】
なお、焼成時間は焼成温度によっても異なるが、通常1〜10時間程度である。
【0199】
焼成により得られた粉体凝集体が固く固着している場合は、例えばボールミル、ジェットミル等の工業的に通常用いられる粉砕機により粉砕する。粉砕は、粉体の平均粒径が20μm以下、特に平均粒径0.1μm以上5μm以下となるように行うことが好ましい。平均粒径が20μmを超える粉体では、流動性と樹脂への分散性が悪くなり、発光光源又は励起源と組み合わせて照明器具や画像表示装置を形成する際に、部位により発光強度が不均一になる。平均粒径が0.1μm未満になるまで粉砕すると、蛍光体粉体表面の欠陥量が多くなるため、蛍光体の組成によっては発光強度が低下する。
【0200】
また、蛍光体を構成する金属元素を少なくとも2種類以上含有する合金、好ましくは蛍光体を構成する金属元素を全て含有する合金を作成し、得られた合金を窒素含有雰囲気中、加圧下で加熱処理することにより、製造することができる。また、蛍光体を構成する金属元素の一部を含有する合金を作成し、得られた合金を窒素含有雰囲気中、加圧下で加熱処理した後、更に蛍光体を構成する残りの金属元素源となる原料化合物と混合して、加熱処理することにより、製造することもできる。このように合金を経て製造された蛍光体は、不純物が少なく、輝度が高い蛍光体となる。
【0201】
得られた蛍光体は必要に応じて公知の表面処理、例えば燐酸カルシウム処理を行ってから樹脂中に分散することが好ましい。
【0202】
また、前記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体としては、下記一般式[41]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体が好ましい。好ましくは、この結晶相の結晶構造は、CaAlSiN3と同じ空間群Cmc21に属する。
(CeyLnzMII1-y-zMIIIMIVN3)1-x'(AMIV2N3)x' …[41]
【0203】
上記一般式[41]において、Lnとしては、Ceを除くランタンイド、即ち、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、LuとMn及びTiからなる群から選ばれる少なくとも1種が挙げられるが、これらのうち、Eu、Tb、Sm、Mn、Dy、Ybなどからなる群から選ばれる少なくとも1種が輝度の点から好ましい。
【0204】
MIIは、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnの合計が90mol%以上を占める2価の金属元素であり、MIIIは、Alが80mol%以上を占める3価の金属元素であり、MIVは、Siが90mol%以上を占める4価の金属元素であり、AはLi、Na、及びKからなる群から選ばれる1種以上の金属元素であり、x’は0<x’<1.0を満足する数であり、yは0<y≦0.2を満足する数であり、zは0≦z≦0.2を満足する数である。
【0205】
MIIは、2価の金属元素であり、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnよりなる群から選ばれる1種又は2種以上を合計で90mol%以上含むものである。蛍光体の輝度の点から、MIIは、特に、Ca及び/又はSrを合計で80mol%以上含むことが好ましく、90mol%以上含むことが更に好ましく、100mol%であることが最も好ましい。また、MII中のCaとSrの合計に対するCaの割合が10mol%を超えることが好ましく、100mol%であること、すなわちMIIはCaのみからなることが最も好ましい。MII中には、Mnのような、Ceとともに共付活できる元素が含まれていてもよい。
【0206】
MIIIは、3価の金属元素であり、Alを80mol%以上含むものである。蛍光体の輝度の点から、MIII中のAl以外の元素としては、Ga、In、B、Sc、Y、Bi、Sb等が挙げられるが、この中でも、Ga、In、Sc、Yが好ましい。蛍光体の輝度の点から、MIIIは、Alを90mol%以上含むことが好ましく、100mol%であること、すなわちMIIIはAlのみからなることが最も好ましい。
【0207】
MIVは、4価の金属元素であり、Siを90mol%以上含むものである。輝度の点から、MIV中のSi以外の元素としては、Ge、Sn、Zr、Hf等が挙げられ、この中でもGeが好ましい。輝度の点から、MIVはSiのみからなることが最も好ましい。
【0208】
Aは、Li、Na及びKからなる群から選ばれる1種以上の1価の金属元素であり、輝度の点から、AはLi及び/又はNaが好ましく、より好ましくはLiである。
【0209】
蛍光体の輝度の顕著な低下をきたさない限りにおいて、1価、2価、3価、4価以外の価数である5価、6価の元素を[41]式上0.05mol以下([41]式の1molに対して0.05mol以下)の範囲で導入しても良い。この場合、電荷補償を維持して導入することが、輝度低下の原因となる格子欠損をおこしにくいので、好ましい。
【0210】
次に前記一般式[41]の各パラメーターについて説明する。
yはCeの量を表すパラメーターである。yはCeのモル比であり、0<y≦0.2を満足する数である。yが0.2を超えると濃度消光をおこし、0.003を下回ると発光が不十分となる傾向がある。従って、yは好ましくは0.003≦y≦0.2である。
【0211】
x’は母体結晶中のAであるLi、Na及びKからなる群から選ばれる1種以上の1価の金属元素の存在状態を表すパラメーターである。Li、Na、Kのいずれか1以上のイオン導入に伴い、MII、MIII、及びMIVイオンに対し電気的中性の原則が保たれるようx’を導入した。xは0<x’<1.0を満足する数である。輝度の点から、xは0.002≦x’≦0.4が好ましく、0.03≦x’≦0.35がより好ましい。
【0212】
zは第2付活元素Lnのモル比であり、0≦z≦0.2を満足する数である。
【0213】
なお、前記一般式[41]は、理論上の物質を表す式である。原料のSi3N4やAlN中に不純物として入っている酸素の影響や、原料の混合から焼成までの操作中に原料のCa3N2等がわずかに酸化される原因となる試料外酸素の混入の影響等により、実際に得られる物質中の酸素と窒素の含有量が理論値と異なることがあるが、このことによる酸素と窒素の含有量の多少のずれは発光特性に悪影響を与えるものでないので、実際の酸素の含有率や窒素の含有率が上記[41]式の値と多少ずれていてもよい。
【0214】
前記一般式[41]で表される化学組成を有する結晶相の結晶構造は、前述した一般式[31]で表される化学組成を有する結晶相の結晶構造と同様である。主結晶相は好ましくは空間群Cmc21に属する。ただし、焼成温度等の合成条件により、一部が斜方晶でなく単斜晶になり、Cmc21と異なる空間群になる場合がありうるが、この場合においても、発光特性の変化は僅かであるため、高輝度蛍光体として使用することができる。
【0215】
本発明の蛍光体を粉体として用いる場合は、樹脂への分散性や粉体の流動性などの点から平均粒径0.1μm以上20μm以下であることが好ましい。また、粉体をこの範囲の単結晶粒子とすることにより、より発光輝度が向上する。
【0216】
発光輝度が高い蛍光体を得るには、蛍光体中に含まれる不純物は極力少ない方が好ましい。特に、Fe、Co、Ni不純物元素が多く含まれると発光が阻害されるので、これらの元素の合計が500ppm以下となるように、原料粉末の選定及び合成工程の制御を行うとよい。
【0217】
本発明では、蛍光発光の点からは、前記一般式[41]で表される化学組成の結晶相(以下「結晶相[41]」と称す場合がある。)を高純度にかつ極力多く含むこと、最も好ましくは結晶相[41]の単相から構成されていることが望ましいが、特性が低下しない範囲で、結晶相[41]以外の他の結晶相及び/又はアモルファス相との混合物であっても良い。この場合、蛍光体中の結晶相[41]の含有量が20質量%以上であることが高い輝度を得るために望ましい。さらに好ましくは蛍光体中の結晶相[41]の含有量50質量%以上で輝度が著しく向上する。なお、蛍光体中の結晶相[41]の含有割合はX線回折測定を行い、結晶相[41]とそれ以外の相の最強ピークの強さの比から求めることができる。
【0218】
本発明の蛍光体を電子線で励起する用途に使用する場合は、導電性の無機物質を、他の結晶相及び/又はアモルファス相として結晶相[41]に混合して蛍光体に導電性を付与することができる。ここで、導電性の無機物質としては、Zn、Al、Ga、In、及びSnから選ばれる1種又は2種以上の元素を含む、酸化物、酸窒化物、窒化物、あるいはこれらの混合物を挙げることができる。
【0219】
本発明の蛍光体は特定の結晶母体と付活元素の組み合わせにより橙色から赤色まで発色させることができるが、黄色、緑色、青色などの他の色との混合が必要な場合は、必要に応じてこれらの色を発色する無機蛍光体を混合することができる。
【0220】
前述の如く、本発明の蛍光体は、付活剤Euの添加量やAMIV2N3の固溶割合を変えることにより、発光波長や発光ピーク幅を調節することができる。その態様は、用途に基づいて必要とされるスペクトルに設定すればよい。
【0221】
このように本発明の蛍光体は、通常の酸化物蛍光体や既存の窒化物又は酸窒化物蛍光体と比べて、電子線やX線、及び紫外線から可視光の幅広い励起範囲を持つこと、570nm以上の橙色や赤色に発光し、かつ、発光波長や発光ピーク幅が調節可能であることが特徴である。しかして、この発光特性により、本発明の蛍光体は、発光装置、照明器具、画像表示装置、顔料、紫外線吸収剤に好適である。これに加えて、本発明の蛍光体は、高温にさらしても劣化しないことから耐熱性に優れており、酸化雰囲気及び水分環境下での長期間の安定性にも優れている。
【0222】
このような本発明の蛍光体の製造方法は特に規定されないが、例えば、金属化合物の混合物であって、焼成することにより、前記一般式[41]で表される組成物を構成しうる原料混合物を、窒素を含有する不活性雰囲気中において1200℃以上2200℃以下の温度範囲で焼成することにより、本発明の高輝度蛍光体を得ることができる。
【0223】
特に、上記方法により、z=0、MIIがCaで、MIIIがAlで、MIVがSiで、AがLiである本発明の蛍光体:(CeyCa1-y-zAlSiN3)1-x’(LiSi2N3)x’を合成する場合は、窒化セリウム、窒化カルシウム、窒化リチウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム粉末の混合物を出発原料とするのがよい。
【0224】
原料混合物の焼成に当って、原料化合物を保持する容器としては種々の耐熱性材料が使用しうるが、本発明に使用する金属窒化物に対する材質劣化の悪影響が低いことから、学術雑誌Journal of the American Ceramic Society 2002年85巻5号1229ページないし1234ページに記載の、α−サイアロンの合成に使用された窒化ホウ素をコートしたグラファイトるつぼに示されるように、窒化ホウ素焼結体が適している。
【0225】
焼成に用いる炉は、焼成温度が高温であり、また焼成雰囲気が窒素を含有する不活性雰囲気であることから、金属抵抗加熱方式又は黒鉛抵抗加熱方式で、炉の高温部の材料として炭素を用いた電気炉が好適である。焼成の手法は、常圧焼結法やガス圧焼結法などの外部から機械的な加圧を施さない焼結手法が好ましい。
【0226】
なお、焼成時間は焼成温度によっても異なるが、通常1〜10時間程度である。
【0227】
焼成により得られた粉体凝集体が固く固着している場合は、例えばボールミル、ジェットミル等の工業的に通常用いられる粉砕機により粉砕する。粉砕は、粉体の平均粒径が20μm以下、特に平均粒径0.1μm以上5μm以下となるように行うことが好ましい。平均粒径が20μmを超える粉体では、流動性と樹脂への分散性が悪くなり、発光光源又は励起源と組み合わせて照明器具や画像表示装置を形成する際に、部位により発光強度が不均一になる。平均粒径が0.1μm未満になるまで粉砕すると、蛍光体粉体表面の欠陥量が多くなるため、蛍光体の組成によっては発光強度が低下する。
【0228】
また、蛍光体を構成する金属元素を少なくとも2種類以上含有する合金、好ましくは蛍光体を構成する金属元素を全て含有する合金を作成し、得られた合金を窒素含有雰囲気中、加圧下で加熱処理することにより、製造することができる。また、蛍光体を構成する金属元素の一部を含有する合金を作成し、得られた合金を窒素含有雰囲気中、加圧下で加熱処理した後、更に蛍光体を構成する残りの金属元素源となる原料化合物と混合して、加熱処理することにより、製造することもできる。このように合金を経て製造された蛍光体は、不純物が少なく、輝度が高い蛍光体となる。
【0229】
得られた蛍光体は必要に応じて公知の表面処理、例えば燐酸カルシウム処理を行ってから樹脂中に分散することが好ましい。
【0230】
以下、本発明の蛍光体の用途について、説明する。
[蛍光体混合物及び蛍光体含有組成物]
本発明の蛍光体を発光装置等の用途に使用する場合には、これを液体媒体中に分散させた形態で用いることが好ましい。また、本発明の蛍光体を含有する蛍光体混合物として用いることもできる。本発明の蛍光体を液体媒体中に分散させたものを、適宜「蛍光体含有組成物」と呼ぶものとする。
【0231】
本発明の蛍光体含有組成物に使用可能な液体媒体としては、所望の使用条件下において液状の性質を示し、本発明の蛍光体を好適に分散させると共に、好ましくない反応等を生じないものであれば、任意のものを目的等に応じて選択することが可能である。液体媒体の例としては、硬化前の付加反応型シリコーン樹脂、縮合反応型シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリビニル系樹脂、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリエステル系樹脂等が挙げられる。これらの液体媒体は一種を単独で使用してもよく、二種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
【0232】
液状媒体の使用量は、用途等に応じて適宜調整すればよいが、一般的には、本発明の蛍光体に対する液状媒体の重量比で、通常3重量%以上、好ましくは5重量%以上、また、通常30重量%以下、好ましくは15重量%以下の範囲である。
【0233】
また、本発明の蛍光体含有組成物は、本発明の蛍光体及び液状媒体に加え、その用途等に応じて、その他の任意の成分を含有していてもよい。その他の成分としては、拡散剤、増粘剤、増量剤、干渉剤等が挙げられる。具体的には、アエロジル等のシリカ系微粉、アルミナ等が挙げられる。
【0234】
[発光装置]
次に、本発明の発光装置について説明する。本発明の発光装置は、第1の発光体と、第1の発光体からの光の照射によって可視光を発する第2の発光体とを、少なくとも備えて構成される。
【0235】
本発明の発光装置における第1の発光体は、後述する第2の発光体を励起する光を発光するものである。第1の発光体の発光波長は、後述する第2の発光体の吸収波長と重複するものであれば、特に制限されず、幅広い発光波長領域の発光体を使用することができる。通常は、近紫外領域から青色領域までの発光波長を有する発光体が使用される。具体的数値としては、通常300nm以上、好ましくは330nm以上、また、通常500nm以下の発光波長を有する発光体が使用される。中でも330nm〜420nmの波長の光を発する紫外(又は紫)発光体や420nm〜500nmの波長の光を発する青色発光体が好ましい。
【0236】
この第1の発光体としては、一般的には半導体発光素子が用いられ、具体的には発光ダイオード(light emitting diode。以下適宜「LED」と略称する。)や半導体レーザーダイオード(semiconductor laser diode。以下適宜「LD」と略称する。)等が使用できる。
【0237】
中でも、第1の発光体としては、GaN系化合物半導体を使用したGaN系LEDやLDが好ましい。なぜなら、GaN系LEDやLDは、この領域の光を発するSiC系LED等に比し、発光出力や外部量子効率が格段に大きく、前記蛍光体と組み合わせることによって、非常に低電力で非常に明るい発光が得られるからである。例えば、20mAの電流負荷に対し、通常GaN系LEDやLDはSiC系の100倍以上の発光強度を有する。GaN系LEDやLDにおいては、AlXGaYN発光層、GaN発光層、又はInXGaYN発光層を有しているものが好ましい。GaN系LEDにおいては、それらの中でInXGaYN発光層を有するものが発光強度が非常に強いので、特に好ましく、GaN系LDにおいては、InXGaYN層とGaN層の多重量子井戸構造のものが発光強度が非常に強いので、特に好ましい。
【0238】
なお、上記においてX+Yの値は通常0.8〜1.2の範囲の値である。GaN系LEDにおいて、これら発光層にZnやSiをドープしたものやドーパント無しのものが発光特性を調節する上で好ましいものである。
【0239】
GaN系LEDはこれら発光層、p層、n層、電極、及び基板を基本構成要素としたものであり、発光層をn型とp型のAlXGaYN層、GaN層、又はInXGaYN層などでサンドイッチにしたヘテロ構造を有しているものが、発光効率が高く好ましく、さらにヘテロ構造を量子井戸構造にしたものが、発光効率がさらに高く、より好ましい。
【0240】
本発明の発光装置における第2の発光体は、上述した本発明の蛍光体を1種又は2種以上含有するものであり、第1の発光体からの光の照射によって可視光を発する発光体である。その用途等に応じて、所望の発光色を得るために、適宜、後述するその他の蛍光体(赤色蛍光体、黄色蛍光体、緑色蛍光体、青色蛍光体等)を1種又は2種以上含有してもよい。
【0241】
本発明の発光装置の一例として、330nm〜420nmの波長の光を発する紫外LEDと、この波長で励起され420nm〜500nmの波長に発光ピークを持つ蛍光を発光する青色蛍光体と、500nm〜570nmの波長に発光ピークを持つ蛍光を発光する緑色蛍光体と、上述した本発明の蛍光体との組み合わせがある。この場合の青色蛍光体としてはBaMgAl10O17:Euを、緑色蛍光体としてはBaMgAl10O17:Eu、Mnを挙げることができる。この構成では、LEDが発する紫外線が蛍光体に照射されると、赤、緑、青の3色の光が発せられ、これらの混合により白色の発光装置となる。
【0242】
別の手法として、420nm〜500nmの波長の光を発する青色LEDと、この波長で励起されて550nm〜600nmの波長に発光ピークを持つ蛍光を発光する黄色蛍光体と、上述した本発明の蛍光体との組み合わせがある。この場合の黄色蛍光体としては、前記特許文献9に記載の(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ceや前記特許文献1に記載のα−サイアロン:Euを挙げることができる。なかでもEuを固溶させたCa−α−サイアロンは発光輝度が高いので好ましい。この構成では、LEDが発する青色光が蛍光体に照射されると、赤、黄の2色の光が発せられ、これらとLED自身の青色光が混合されて白色又は赤みがかった電球色の発光装置となる。
【0243】
別の手法として、420nm〜500nmの波長の光を発する青色LED発光素子とこの波長で励起されて500nm〜570nm以下の波長に発光ピークを持つ蛍光を発する緑色蛍光体と、上述した本発明の蛍光体との組み合わせがある。この場合の緑色蛍光体としては、Y3Al5O12:Ceを挙げることができる。この構成では、LEDが発する青色光が蛍光体に照射されると、赤、緑の2色の光が発せられ、これらとLED自身の青色光が混合されて白色の発光装置となる。
【0244】
さらに、別の手法として、
420nm〜500nmの波長の光を発する青色LED発光素子と上述した本発明の蛍光体との組み合わせがある。この構成では、LEDが発する青色光が蛍光体に照射されると、本発明の蛍光体の発光色とLED自身の青色光が混合されて白色の発光装置となる。
【0245】
(その他の蛍光体)
本発明の発光装置においては、その他の蛍光体として以下のものを使用することができる。
【0246】
赤色蛍光体としては、例えば、赤色破断面を有する破断粒子から構成され、赤色領域の発光を行なう(Mg,Ca,Sr,Ba)2Si5N8:Euで表わされるユウロピウム付活アルカリ土類シリコンナイトライド系蛍光体、規則的な結晶成長形状としてほぼ球形状を有する成長粒子から構成され、赤色領域の発光を行なう(Y,La,Gd,Lu)2O2S:Euで表わされるユウロピウム付活希土類オキシカルコゲナイド系蛍光体等が挙げられる。
【0247】
さらに、特開2004−300247号公報に記載された、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、W、及びMoよりなる群から選ばれる少なくも1種の元素を含有する酸窒化物及び/又は酸硫化物を含有する蛍光体であって、Al元素の一部又は全てがGa元素で置換されたアルファサイアロン構造をもつ酸窒化物を含有する蛍光体も、本実施形態において用いることができる。なお、これらは酸窒化物及び/又は酸硫化物を含有する蛍光体である。
【0248】
また、そのほか、赤色蛍光体としては、(La,Y)2O2S:Eu等のEu付活酸硫化物蛍光体、Y(V,P)O4:Eu、Y2O3:Eu等のEu付活酸化物蛍光体、(Ba,Sr,Ca,Mg)2SiO4:Eu,Mn、(Ba,Mg)2SiO4:Eu,Mn等のEu,Mn付活珪酸塩蛍光体、(Ca,Sr)S:Eu等のEu付活硫化物蛍光体、YAlO3:Eu等のEu付活アルミン酸塩蛍光体、LiY9(SiO4)6O2:Eu、Ca2Y8(SiO4)6O2:Eu、(Sr,Ba,Ca)3SiO5:Eu、Sr2BaSiO5:Eu等のEu付活珪酸塩蛍光体、(Y,Gd)3Al5O12:Ce、(Tb,Gd)3Al5O12:Ce等のCe付活アルミン酸塩蛍光体、(Ca,Sr,Ba)2Si5N8:Eu、(Mg,Ca,Sr,Ba)SiN2:Eu、(Mg,Ca,Sr,Ba)AlSiN3:Eu等のEu付活窒化物蛍光体、(Mg,Ca,Sr,Ba)AlSiN3:Ce等のCe付活窒化物蛍光体、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO4)6Cl2:Eu,Mn等のEu,Mn付活ハロリン酸塩蛍光体、(Ba3Mg)Si2O8:Eu,Mn、(Ba,Sr,Ca,Mg)3(Zn,Mg)Si2O8:Eu,Mn等のEu,Mn付活珪酸塩蛍光体、3.5MgO・0.5MgF2・GeO2:Mn等のMn付活ゲルマン酸塩蛍光体、Eu付活αサイアロン等のEu付活酸窒化物蛍光体、(Gd,Y,Lu,La)2O3:Eu,Bi等のEu,Bi付活酸化物蛍光体、(Gd,Y,Lu,La)2O2S:Eu,Bi等のEu,Bi付活酸硫化物蛍光体、(Gd,Y,Lu,La)VO4:Eu,Bi等のEu,Bi付活バナジン酸塩蛍光体、SrY2S4:Eu,Ce等のEu,Ce付活硫化物蛍光体、CaLa2S4:Ce等のCe付活硫化物蛍光体、(Ba,Sr,Ca)MgP2O7:Eu,Mn、(Sr,Ca,Ba,Mg,Zn)2P2O7:Eu,Mn等のEu,Mn付活リン酸塩蛍光体、(Y,Lu)2WO6:Eu,Mo等のEu,Mo付活タングステン酸塩蛍光体、(Ba,Sr,Ca)xSiyNz:Eu,Ce(但し、x、y、zは、1以上の整数)等のEu,Ce付活窒化物蛍光体、(Ca,Sr,Ba,Mg)10(PO4)6(F,Cl,Br,OH):Eu,Mn等のEu,Mn付活ハロリン酸塩蛍光体、((Y,Lu,Gd,Tb)1−xScxCey)2(Ca,Mg)1−r(Mg,Zn)2+rSiz−qGeqO12+δ等のCe付活珪酸塩蛍光体等を用いることも可能である。
【0249】
赤色蛍光体としては、β−ジケトネート、β−ジケトン、芳香族カルボン酸、又は、ブレンステッド酸等のアニオンを配位子とする希土類元素イオン錯体からなる赤色有機蛍光体、ペリレン系顔料(例えば、ジベンゾ{[f,f’]−4,4’,7,7’−テトラフェニル}ジインデノ[1,2,3−cd:1’,2’,3’−lm]ペリレン)、アントラキノン系顔料、レーキ系顔料、アゾ系顔料、キナクリドン系顔料、アントラセン系顔料、イソインドリン系顔料、イソインドリノン系顔料、フタロシアニン系顔料、トリフェニルメタン系塩基性染料、インダンスロン系顔料、インドフェノール系顔料、シアニン系顔料、ジオキサジン系顔料を用いることも可能である。
【0250】
また、赤色蛍光体のうち、ピーク波長が580nm以上、好ましくは590nm以上、また、620nm以下、好ましくは610nm以下の範囲内にあるものは、橙色蛍光体として好適に用いることができる。このような橙色蛍光体の例としては、(Sr,Ba)3SiO5:Eu、(Sr,Mg)3(PO4)2:Sn2+、SrCaAlSiN3:Eu等が挙げられる。
【0251】
緑色蛍光体としては、例えば、破断面を有する破断粒子から構成され、緑色領域の発光を行なう(Mg,Ca,Sr,Ba)Si2O2N2:Euで表わされるユウロピウム付活アルカリ土類シリコンオキシナイトライド系蛍光体、破断面を有する破断粒子から構成され、緑色領域の発光を行なう(Ba,Ca,Sr,Mg)2SiO4:Euで表わされるユウロピウム付活アルカリ土類シリケート系蛍光体等が挙げられる。
【0252】
また、そのほか、緑色蛍光体としては、Sr4Al14O25:Eu、(Ba,Sr,Ca)Al2O4:Eu等のEu付活アルミン酸塩蛍光体、(Sr,Ba)Al2Si2O8:Eu、(Ba,Mg)2SiO4:Eu、(Ba,Sr,Ca,Mg)2SiO4:Eu、(Ba,Sr,Ca)2(Mg,Zn)Si2O7:Eu等のEu付活珪酸塩蛍光体、Y2SiO5:Ce,Tb等のCe,Tb付活珪酸塩蛍光体、Sr2P2O7−Sr2B2O5:Eu等のEu付活硼酸リン酸塩蛍光体、Sr2Si3O8−2SrCl2:Eu等のEu付活ハロ珪酸塩蛍光体、Zn2SiO4:Mn等のMn付活珪酸塩蛍光体、CeMgAl11O19:Tb、Y3Al5O12:Tb等のTb付活アルミン酸塩蛍光体、Ca2Y8(SiO4)6O2:Tb、La3Ga5SiO14:Tb等のTb付活珪酸塩蛍光体、(Sr,Ba,Ca)Ga2S4:Eu,Tb,Sm等のEu,Tb,Sm付活チオガレート蛍光体、Y3(Al,Ga)5O12:Ce、(Y,Ga,Tb,La,Sm,Pr,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce等のCe付活アルミン酸塩蛍光体、Ca3Sc2Si3O12:Ce、Ca3(Sc,Mg,Na,Li)2Si3O12:Ce等のCe付活珪酸塩蛍光体、CaSc2O4:Ce等のCe付活酸化物蛍光体、SrSi2O2N2:Eu、(Sr,Ba,Ca)Si2O2N2:Eu、Eu付活βサイアロン、Eu付活αサイアロン等のEu付活酸窒化物蛍光体、BaMgAl10O17:Eu,Mn等のEu,Mn付活アルミン酸塩蛍光体、SrAl2O4:Eu等のEu付活アルミン酸塩蛍光体、(La,Gd,Y)2O2S:Tb等のTb付活酸硫化物蛍光体、LaPO4:Ce,Tb等のCe,Tb付活リン酸塩蛍光体、ZnS:Cu,Al、ZnS:Cu,Au,Al等の硫化物蛍光体、(Y,Ga,Lu,Sc,La)BO3:Ce,Tb、Na2Gd2B2O7:Ce,Tb、(Ba,Sr)2(Ca,Mg,Zn)B2O6:K,Ce,Tb等のCe,Tb付活硼酸塩蛍光体、Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu,Mn等のEu,Mn付活ハロ珪酸塩蛍光体、(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga,In)2S4:Eu等のEu付活チオアルミネート蛍光体やチオガレート蛍光体、(Ca,Sr)8(Mg,Zn)(SiO4)4Cl2:Eu,Mn等のEu,Mn付活ハロ珪酸塩蛍光体等を用いることも可能である。
【0253】
また、緑色蛍光体としては、ピリジン−フタルイミド縮合誘導体、ベンゾオキサジノン系、キナゾリノン系、クマリン系、キノフタロン系、ナルタル酸イミド系等の蛍光色素、テルビウム錯体、例えばヘキシルサリチレートを配位子として有するテルビウム錯体等の有機蛍光体を用いることも可能である。
【0254】
青色蛍光体としては、例えば、規則的な結晶成長形状としてほぼ六角形状を有する成長粒子から構成され、青色領域の発光を行なうBaMgAl10O17:Euで表わされるユウロピウム付活バリウムマグネシウムアルミネート系蛍光体、規則的な結晶成長形状としてほぼ球形状を有する成長粒子から構成され、青色領域の発光を行なう(Ca,Sr,Ba)5(PO4)3Cl:Euで表わされるユウロピウム付活ハロリン酸カルシウム系蛍光体、規則的な結晶成長形状としてほぼ立方体形状を有する成長粒子から構成され、青色領域の発光を行なう(Ca,Sr,Ba)2B5O9Cl:Euで表わされるユウロピウム付活アルカリ土類クロロボレート系蛍光体、破断面を有する破断粒子から構成され、青緑色領域の発光を行なう(Sr,Ca,Ba)Al2O4:Eu又は(Sr,Ca,Ba)4Al14O25:Euで表わされるユウロピウム付活アルカリ土類アルミネート系蛍光体等が挙げられる。
【0255】
また、そのほか、青色蛍光体としては、Sr2P2O7:Sn等のSn付活リン酸塩蛍光体、Sr4Al14O25:Eu、BaMgAl10O17:Eu、BaAl8O13:Eu等のEu付活アルミン酸塩蛍光体、SrGa2S4:Ce、CaGa2S4:Ce等のCe付活チオガレート蛍光体、(Ba,Sr,Ca)MgAl10O17:Eu、BaMgAl10O17:Eu,Tb,Sm等のEu付活アルミン酸塩蛍光体、(Ba,Sr,Ca)MgAl10O17:Eu,Mn等のEu,Mn付活アルミン酸塩蛍光体、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO4)6Cl2:Eu、(Ba,Sr,Ca)5(PO4)3(Cl,F,Br,OH):Eu,Mn,Sb等のEu付活ハロリン酸塩蛍光体、BaAl2Si2O8:Eu、(Sr,Ba)3MgSi2O8:Eu等のEu付活珪酸塩蛍光体、Sr2P2O7:Eu等のEu付活リン酸塩蛍光体、ZnS:Ag、ZnS:Ag,Al等の硫化物蛍光体、Y2SiO5:Ce等のCe付活珪酸塩蛍光体、CaWO4等のタングステン酸塩蛍光体、(Ba,Sr,Ca)BPO5:Eu,Mn、(Sr,Ca)10(PO4)6・nB2O3:Eu、2SrO・0.84P2O5・0.16B2O3:Eu等のEu,Mn付活硼酸リン酸塩蛍光体、Sr2Si3O8・2SrCl2:Eu等のEu付活ハロ珪酸塩蛍光体等を用いることも可能である。
【0256】
また、青色蛍光体としては、例えば、ナフタル酸イミド系、ベンゾオキサゾール系、スチリル系、クマリン系、ピラリゾン系、トリアゾール系化合物の蛍光色素、ツリウム錯体等の有機蛍光体等を用いることも可能である。
【0257】
なお、上記その他の蛍光体は1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
これらの蛍光体粒子の平均粒径は特に限定されないが、通常100nm以上、好ましくは2μm以上、特に好ましくは5μm以上、また、通常100μm以下、好ましくは50μm以下、特に好ましくは20μm以下である。
【0258】
図3に、本発明の照明器具の実施の形態の一例である照明装置としての白色発光装置の概略構造図を示す。
1は蛍光体であり、例えば、本発明の蛍光体と青色蛍光体と緑色蛍光体の混合物、本発明の蛍光体と緑色蛍光体の混合物、或いは本発明の蛍光体と黄色蛍光体との混合物である。図3の照明器具は、この蛍光体1を分散させた樹脂層6で、容器7内に配置された発光光源としてのLED2を被覆した構造とされている。LED2は導電性端子3上に直接接続され、また、導電性端子4とワイヤーボンド5で接続されている。
導電性端子3,4に電流を流すと、LED2は所定の光を発し、この光で蛍光体1が励起されて蛍光を発し、LEDの光と蛍光、或いは蛍光同士が混合されて白色〜電球色の光を発する照明装置として機能する。
【0259】
[画像表示装置]
本発明の画像表示装置は少なくも励起源と本発明の蛍光体で構成される。好ましくは、さらにカラーフィルターを構成要素として有していることが好ましい。画像表示装置としては、蛍光表示管(VFD)、フィールドエミッションディスプレイ(FED)、プラズマディスプレイパネル(PDP)、陰極線管(CRT)などがある。
【0260】
本発明の蛍光体は、波長100nm〜190nmの真空紫外線、波長190nm〜380nmの紫外線、電子線などの励起で発光することが確認されており、これらの励起源と本発明の蛍光体との組み合わせで、上記のような画像表示装置を構成することができる。
【0261】
図4に、本発明の画像表示装置の実施の形態である画像表示装置としてのPDPの概略構成図を示す。このPDPでは、本発明の蛍光体8と緑色蛍光体9及び青色蛍光体10がそれぞれのセル11、12、13の内面に塗布されている。電極14、15、16と電極17との間に通電すると、セル11、12、13中でXe放電により真空紫外線が発生し、これにより各蛍光体8〜10が励起されて、赤、緑、青の可視光を発し、この光が保護層20、誘電体層19、ガラス基板22を介して外側から観察され、画像表示として機能する。18,21はそれぞれ背面側の誘電体層、ガラス基板である。
【0262】
[顔料]
特定の化学組成を有する無機化合物結晶相よりなる本発明の蛍光体は、赤色の物体色を持つことから赤色顔料又は赤色蛍光顔料として使用することができる。すなわち、本発明の蛍光体に太陽光や蛍光灯などの照明を照射すると赤色の物体色が観察されるが、その発色がよいこと、そして長期間に渡り劣化しないことから、本発明の蛍光体は赤色無機顔料に好適である。このため、塗料、インキ、絵の具、釉薬、プラスチック製品に添加する着色剤などに用いると長期間に亘って良好な発色を高く維持することができる。
【0263】
[紫外線吸収剤]
本発明の窒化物蛍光体は、紫外線を吸収するため紫外線吸収剤としても好適である。このため、塗料として用いたり、プラスチック製品の表面に塗布したり内部に練り込んだりすると、紫外線の遮断効果が高く、製品を紫外線劣化から効果的に保護することができる。
【実施例】
【0264】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例により何ら限定されるものではない。
【0265】
[結晶相[11]を含む蛍光体の実施例と比較例]
以下の実施例及び比較例では、原料粉末として次のものを用いた。
・平均粒径0.5μm、酸素含有量0.93重量%、α型含有量92%の窒化ケイ素(Si3N4)粉末
・比表面積3.3m2/g、酸素含有量0.79重量%の窒化アルミニウム(AlN)粉末
・窒化カルシウム(Ca3N2)粉末
・アルミナ(Al2O3)粉末
・金属ユーロピウムをアンモニア中で窒化して合成した窒化ユーロピウム(EuN)粉末
・二酸化ケイ素(SiO2)粉末
・酸化ユーロピウム(Eu2O3)粉末
【0266】
実施例I−1〜11、比較例I−1〜5
表6に示す理論組成式の化合物を得るべく、表6に示す原料粉末をそれぞれ表6に示す重量(g)だけ秤量し、メノウ乳棒と乳鉢で10分間混合後、得られた混合物を窒化ホウ素製のるつぼに充填した(体積充填率38%)。なお、粉末の秤量、混合の各工程は全て、水分1ppm以下、酸素1ppm以下の窒素雰囲気を保持することができるグローブボックス中で操作を行った。
【0267】
この混合粉末を窒化ホウ素製のるつぼに入れて黒鉛抵抗加熱方式の電気炉にセットした。焼成の操作は、まず、拡散ポンプにより焼成雰囲気を真空とし、室温から800℃まで毎時500℃の速度で昇温し、800℃において純度が99.999体積%の窒素を導入して圧力を0.5MPaとし、毎時500℃で表3に示す焼成温度まで毎時500℃で昇温し、表3に示す焼成温度で2時間保持して行った。焼成後、得られた焼成体を粗粉砕の後、窒化ケイ素焼結体製のるつぼと乳鉢を用いて手で粉砕して蛍光体粉末を得た。
【0268】
焼成によって得られる物質の理論化学式は表6に示す通りであり、それぞれの仕込み原料に対して、前記一般式[11]におけるx値とy値がそれぞれに変化したEuy(1-x)Ca(1-y)(1-x)Al1-xSi1+xN3-xOxなる物質が得られた。
【0269】
なお、得られた物質の組成分析は以下のようにして行った。
まず、試料50mgを白金るつぼに入れて、炭酸ナトリウム0.5gとホウ酸0.2gを添加して加熱融解した後に、塩酸2mlに溶かして100mlの定容として測定用溶液を作製した。この液体試料をICP発光分光分析することにより、粉体試料中の、Si、Al、Eu、Ca量を定量した。また、試料20mgをスズカプセルに投入し、これをニッケルバスケットに入れたものを、LECO社製TC−436型酸素窒素分析計を用いて、粉体試料中の酸素と窒素を定量した。
【0270】
【表6】
【0271】
各蛍光体のXRDパターンにおける各ピークの指数付けの結果は、前掲の表2に示す通りである。表2より、格子定数のシフトがおこるとして面指数から求められる2θの計算値と実測値とがほぼ一致すること;結晶の空間群Cmc21、斜方晶の状態が維持されていること;CaAlSiN3構造の固溶体が形成されていること;がわかる。
【0272】
上記実施例で得られた蛍光体は、蛍光体に含まれるアルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されている、或いは、蛍光体に含まれる希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されているものである。
また、比較例で得られた蛍光体は、蛍光体に含まれるアルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されていない、或いは、蛍光体に含まれる希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されていないものである。
なお、x=0(比較例I−2)、x=0.11(実施例I−3)、x=0.33(実施例I−2)の蛍光体の465nm励起下発光スペクトルは図2に示す通りである。
【0273】
各蛍光体に波長465nmの光を発するランプで励起したときの発光スペクトルを蛍光分光光度計で測定し、発光ピーク波長と、比較例3の蛍光体の発光輝度を100としたときの相対輝度を求め、結果を表7に示した。
【0274】
また、実施例I−6,9及び比較例I−3の蛍光体については、波長465nmでの励起強度(発光スペクトルのピーク値)に対する緑色光の波長535nmでの励起強度(発光スペクトルのピーク値)の比を求め、結果を表7に併記した。
【0275】
【表7】
【0276】
これらの結果から、1800℃、1900℃、2000℃のいずれの焼成温度においても、また、付活元素源がEuN、Eu2O3いずれの場合でも、また、酸素源がAl2O3、SiO2いずれの場合でも、Si2N2Oを固溶させたものの方が赤色光のピーク波長が顕著にシフトし、また相対輝度が高くなっていることがわかる。
【0277】
また、2000℃での焼成体である実施例I−6,9及び比較例I−3について、励起スペクトルを比較したところ、青色LEDの波長465nmでの励起強度に対する緑色光の波長535nmでの励起強度の比は、Si2N2Oを33%(x=0.33)固溶させた方が非固溶系に比べて低くなっており、青色LED/緑色蛍光体/赤色蛍光体からなる白色光デバイスにおいて、本固溶系が緑色蛍光体からの緑色光を励起しにくい、すなわち、損失させにくい蛍光体となっていることが確認された。
【0278】
実施例I−12〜22
次に、Si2N2Oの代わりに一般式Si(3n+2)/4NnOを用いた場合についての実施例I−12〜22を示す。
実施例I−12〜22では、(Eu0.008/(1-x)Ca(1-0.008/(1-x))AlSiN3)1-x(Si(3n+2)/4NnO)xにおいてn及びxが異なる蛍光体を、実施例I−1と同様の製造方法により、製造した。試験方法も実施例I−1と同様に行った。
得られた各蛍光体を波長465nmの光を発するランプで励起したときの発光スペクトルを蛍光分光光度計で測定した。発光ピーク波長と、比較例I−3の蛍光体の発光輝度を100としたときの相対輝度を求め、結果を表8に示した。
なお、表8には実施例I−9と比較例I−3、5の値も併記した。
【0279】
上記実施例で得られた蛍光体は、蛍光体に含まれるアルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されている、或いは、蛍光体に含まれる希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されているものである。
【0280】
【表8】
【0281】
図7に、実施例I−12〜18で得られた蛍光体のX線回折結果(XRDパターン)を示す。
これらの結果より、n=0、0.5、1、1.5、2、3及び4の組成から得られた蛍光体は同一の結晶構造を有することがわかる。
図8に、実施例I−12〜18で得られた蛍光体の発光スペクトルを示す。
これらの実施例ではすべてx=0.11、y=0.008と一定の値である。
図8から、nが増加するにつれピーク波長が短波長側に移動し、半値幅が増大していることがわかる。
図9にn=2及び1の場合にxをそれぞれ0.11、0.18、0.33と変化させた蛍光体を波長465nmの光で励起したときの発光スペクトルを示す(実施例I−9、14及び19〜22)。参考のためx=0(比較例I−3及び5)の場合も図9中に示した。xの増加に伴いピーク波長が短波長側に移動し、半値幅が増大していることがわかる。nについてはn=1よりn=2の効果が大きいことがわかる。
【0282】
[結晶相[21]を含む蛍光体の実施例と比較例]
以下の実施例及び比較例では、原料粉末として次のものを用いた。
・平均粒径0.5μm、酸素含有量0.93重量%、α型含有量92%の窒化ケイ素(Si3N4)粉末
・比表面積3.3m2/g、酸素含有量0.79重量%の窒化アルミニウム(AlN)粉末
・窒化カルシウム(Ca3N2)粉末
・アルミナ(Al2O3)粉末
・金属ユーロピウムをアンモニア中で窒化して合成した窒化ユーロピウム(EuN)粉末
・酸化セリウム(CeO2)粉末
【0283】
実施例II−1〜10、比較例II−1〜3
表9に示す理論組成式の物質を得るべく、表9に示す原料粉末をそれぞれ表9に示す仕込み重量(g)だけ秤量し、メノウ乳棒と乳鉢で10分間混合後、得られた混合物を、内径20mm、内側高さ20mmの窒化ホウ素製のるつぼに充填した。なお、粉末の秤量、混合の各工程は全て、水分1ppm以下、酸素1ppm以下の窒素雰囲気を保持することができるグローブボックス中で操作を行った。
【0284】
この混合粉末を窒化ホウ素製のるつぼに入れて黒鉛抵抗加熱方式の電気炉にセットした。焼成の操作は、まず、拡散ポンプにより焼成雰囲気を真空とし、室温から800℃まで毎時500℃の速度で昇温し、800℃において、純度が99.999体積%の窒素を導入して圧力を0.5MPaとし、毎時500℃で1800℃まで昇温し、1800℃で2時間保持して行った。焼成後、得られた焼成体を粗粉砕の後、窒化ケイ素焼結体製のるつぼと乳鉢を用いて手で粉砕して蛍光体粉末を得た。
【0285】
焼成によって得られる物質の理論組成式は表9に示す通りであり、それぞれの仕込み原料に対して、前記一般式[21]において、n=2であり、x、y(1−x)、z(1−x)値が表10に示す如くそれぞれに変化した物質が得られた。
【0286】
なお、得られた物質の組成分析は以下のようにして行った。
まず、試料50mgを白金るつぼに入れて、炭酸ナトリウム0.5gとホウ酸0.2gを添加して加熱融解した後に、塩酸2mlに溶かして100mlの定容として測定用溶液を作製した。この液体試料をICP発光分光分析することにより、粉体試料中の、Si、Al、Eu、Ce、Ca量を定量した。また、試料20mgをスズカプセルに投入し、これをニッケルバスケットに入れたものを、LECO社製TC−436型酸素窒素分析計を用いて、粉体試料中の酸素と窒素を定量した。
【0287】
【表9】
【0288】
図11に、実施例II−1,5,8,10及び比較例II−1の蛍光体のX線回折の結果を示す。図11より、結晶の空間群Cmc21、斜方晶の状態が維持されていることがわかる。
【0289】
上記実施例II−1〜4、6、9、10で得られた蛍光体は、蛍光体に含まれるアルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されている、或いは、蛍光体に含まれる希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されているものである。
上記実施例II−5、7及び8得られた蛍光体は、蛍光体に含まれるアルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されていない、或いは、蛍光体に含まれる希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されていないものである。
また、比較例で得られた蛍光体は、蛍光体に含まれるアルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されておらず、蛍光体に含まれる希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されてもいないものである。
【0290】
また、得られた蛍光体に波長465nmの光を発するランプで励起したときの発光スペクトルを蛍光分光光度計で測定した。発光ピーク波長と、比較例II−1の蛍光体の発光輝度を100としたときの相対輝度を求め、結果を表10に示した。なお、図10に実施例II−1、5、8、10及び比較例II−1で得られた蛍光体を波長465nmの光で励起したときの発光スペクトルを示す。
【0291】
また、波長465nmでの励起強度(発光スペクトルのピーク値)に対する緑色光の波長535nmでの励起強度(発光スペクトルのピーク値)の比を求め、結果を表10に併記した。
【0292】
【表10】
【0293】
以上の結果から次のことが分かる。
付活剤がCe単独である実施例II−5とEu単独である比較例II−1とを比較すると、EuがCeに換わったことにより発光波長ピークが短波長にシフトした。また、CeとEu両者を添加した実施例II−8ではほぼ両者の中間の波長範囲の発光が見られる。更に視点を変え、実施例II−3、4より、CaAlSiN3にSi2N2Oを固溶させた母体結晶に付活剤としてCeを添加すると赤色光のピーク波長が576nmから587nmの橙色光へと顕著にシフトし、また相対輝度も高くなっていることがわかる。一方、実施例II−10に示すように、この系にさらにEuを添加すると、波長変化の程度は小さくなる。
【0294】
本発明になる蛍光体で励起スペクトルを比較したところ、青色LEDの波長465nmでの励起強度に対する緑色光の波長535nmでの励起強度の比は、輝度が低すぎる比較例II−2とII−3を除いて、Ce含有系の方(実施例II−1〜10)がCe非含有、Eu単独系(比較例II−1)に比べて低くなっており、青色LED/緑色蛍光体/赤色蛍光体からなる白色光デバイスにおいて、本系が緑色蛍光体からの緑色光を励起しづらい、即ち、損失させにくい蛍光体となっていることがわかる。
【0295】
[結晶相[31]を含む蛍光体の実施例と比較例]
以下の実施例及び比較例では、原料粉末として次のものを用いた。
・平均粒径0.5μm、酸素含有量0.93重量%、α型含有量92%の窒化ケイ素(Si3N4)粉末
・比表面積3.3m2/g、酸素含有量0.79重量%の窒化アルミニウム(AlN)粉末
・窒化カルシウム(Ca3N2)粉末
・窒化リチウム(Li3N)粉末
・金属ユーロピウムをアンモニア中で窒化して合成した窒化ユーロピウム(EuN)粉末
【0296】
実施例III−1〜4、比較例III−1
表11に示す理論組成式の物質を得るべく、表11に示す原料粉末をそれぞれ表11に示す仕込み重量(g)だけ秤量し、メノウ乳棒と乳鉢で10分間混合後、得られた混合物を、窒化ホウ素製のるつぼに充填した。なお、粉末の秤量、混合の各工程は全て、水分1ppm以下、酸素1ppm以下の窒素雰囲気を保持することができるグローブボックス中で操作を行った。
【0297】
この混合粉末を入れた窒化ホウ素製るつぼを黒鉛抵抗加熱方式の電気炉にセットした。焼成の操作は、まず、拡散ポンプにより焼成雰囲気を真空とし、室温から800℃まで毎時500℃の速度で昇温し、800℃において、純度が99.999体積%の窒素を導入して圧力を0.5MPaとし、毎時500℃で最高温度1800℃まで昇温し、この最高温度で2時間保持(この最高温度での保持時間を焼成時間とする。)して行った。焼成後、得られた焼成体を粗粉砕の後、窒化ケイ素焼結体製のるつぼと乳鉢を用いて手で粉砕した。
【0298】
焼成によって得られる物質の理論組成式は表11に示す通りであり、それぞれの仕込み原料に対して、前記一般式[31]において、x’、y(1−x’)値が表12に示す如くそれぞれに変化した物質が得られた。
【0299】
なお、得られた物質の組成分析は以下のようにして行った。
まず、試料50mgを白金るつぼに入れて、炭酸ナトリウム0.5gとホウ酸0.2gを添加して加熱融解した後に、塩酸2mlに溶かして100mlの定容として測定用溶液を作製した。この液体試料をICP発光分光分析することにより、粉体試料中の、Si、Al、Eu、Ce、Ca量を定量した。また、試料20mgをスズカプセルに投入し、これをニッケルバスケットに入れたものを、LECO社製TC−436型酸素窒素分析計を用いて、粉体試料中の酸素と窒素を定量した。
【0300】
得られた蛍光体に波長465nmの光を発するランプで励起したときの発光スペクトルを蛍光分光光度計で測定した。発光ピーク波長と、比較例III−1の蛍光体の発光輝度を100としたときの相対輝度と相対発光積分強度を求め、結果を表12に示した。なお、図12に実施例III−1〜4及び比較例III−1で得られた蛍光体を波長465nmの光で励起したときの発光スペクトルを示す。
【0301】
また、波長465nmでの励起強度(発光スペクトルのピーク値)に対する緑色光の波長535nmでの励起強度(発光スペクトルのピーク値)の比を求め、結果を表12に併記した。
【0302】
比較例III−2,3
窒化ホウ素の添加効果を見るために、比較例III−1の原料組成に外割りで窒化ホウ素を2000ppm及び4000ppm添加したこと以外は実施例III−1と同様に実施し、評価結果を表12に示した。
【0303】
比較例III−4,5
焼成温度又は焼成雰囲気の影響を見るために、比較例III−1の原料組成において、表11に示す焼成条件としたこと以外は実施例III−1と同様に実施し、評価結果を表12に示した。
【0304】
【表11】
【0305】
【表12】
【0306】
実施例III−1〜4の結果から、x’が0より大きいと、相対輝度が増大することがわかる。
比較例III−2,3のように、窒化ホウ素の使用法として、容器への使用の上に更に焼成前に原料中への混入を実施しても発光特性の向上は見られなかった。
比較例III−4,5の結果から、焼成温度や焼成雰囲気中の水素の有無は、得られる蛍光体の発光特性に大きな差を与えないことが分かる。
【0307】
なお、前述の表5に示すように、実施例III−1,3及び比較例III−1の蛍光体のX線回折の結果、測定結果と計算強度がよく一致していることから、これらの結晶の空間群Cmc21、斜方晶の状態が維持されていることがわかる。
【0308】
上記実施例III−1〜4で得られた蛍光体は、蛍光体に含まれるアルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されている、或いは、蛍光体に含まれる希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されているものである。
また、比較例III−1〜5で得られた蛍光体は、蛍光体に含まれるアルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されていない、或いは、蛍光体に含まれる希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されていないものである。
【0309】
[結晶相[1]を含む蛍光体の実施例と比較例]
以下の実施例及び比較例では、原料粉末として次のものを用いた。
・平均粒径0.5μm、酸素含有量0.93重量%、α型含有量92%の窒化ケイ素(Si3N4)粉末
・窒化リチウム(Li3N)粉末
・(Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075)AlSi合金を190MPaの窒素雰囲気下、1900℃において焼成することによって窒化して合成した(Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075)AlSiN3蛍光体
【0310】
実施例IV−1
以下に示す理論組成式の化合物を得るべく、表13に示す原料粉末をそれぞれ表13に示す重量(g)だけ秤量し、メノウ乳棒と乳鉢で10分間混合後、得られた混合物を窒化ホウ素製のるつぼに充填した(体積充填率38%)。なお、粉末の秤量、混合の各工程は全て、水分1ppm以下、酸素1ppm以下の窒素雰囲気を保持することができるグローブボックス中で操作を行った。
理論組成式:(Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3)0.61(LiSi2N3)0.39
【0311】
【表13】
【0312】
この混合粉末を窒化ホウ素製のるつぼに入れて黒鉛抵抗加熱方式の電気炉にセットした。焼成の操作は、まず、拡散ポンプにより焼成雰囲気を真空とし、室温から800℃まで毎時1200℃の速度で昇温し、800℃において、純度が99.999体積%の窒素を導入して圧力を0.992MPaとし、表13に示す焼成温度まで、毎時1250℃で昇温し、表13に示す焼成温度で4時間保持して行った。焼成後、得られた焼成体は余分なLi3Nを水洗で取り除き、次いで、粗粉砕の後、アルミナ乳鉢を用いて手で粉砕して蛍光体粉末を得た。
【0313】
得られた蛍光体粉末のXRDパターンを図13に示す。
比較のために、Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3のXRDパターンも図13に示す。格子定数のシフトが起こるとして2θの計算値と実測値とがほぼ一致すること;結晶の空間群Cmc21、斜方晶の状態が維持されていること;(Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3)1-x(LiSi2N3)xに関するCaAlSiN3構造の固溶体が形成されていること;がわかる。また、図13のXRDパターンの比較から(Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3)1-x(LiSi2N3)xのピーク全てがCa0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3のそれら全てに対して高角側にシフトしていることがわかる
【0314】
得られた蛍光体を波長455nmの光で励起したときの発光スペクトルを図14に示す。図14から分かるように、(Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3)1-x(LiSi2N3)xは、Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3が示す発光強度よりも高い発光強度が得られた。
【0315】
また、上記実施例IV−1で得られた蛍光体は、蛍光体に含まれるアルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されている、或いは、蛍光体に含まれる希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されているものである。
【産業上の利用可能性】
【0316】
本発明の蛍光体は、従来の窒化物蛍光体又は酸窒化物蛍光体より高輝度の発光を示し、橙色や赤色の蛍光体として優れる。さらに励起源に曝された場合の輝度の低下が少なく耐久性に優れるため、白色発光装置、照明器具、VFD、FED、PDP、CRTなどに好適に使用される。また、本発明の蛍光体は、容易に発光波長や発光ピーク幅を調整できるため産業上の有用性は大きく、今後、各種発光装置、照明、画像表示装置における材料設計において大いに活用され、産業の発展に寄与することが期待できる。
【符号の説明】
【0317】
1 蛍光体
2 LED
3,4 導電性端子
5 ワイヤーボンド
6 樹脂層
7 容器
8 本発明の赤色蛍光体
9 緑色蛍光体
10 青色蛍光体
11,12,13 セル
14,15,16,17 電極
18,19 誘電体層
20 保護層
21,22 ガラス基板
【技術分野】
【0001】
本発明は、無機化合物を主体とする蛍光体と、この蛍光体の有する性質、すなわち570nm以上の長波長の蛍光を発光する特性、を利用した照明器具、画像表示装置、蛍光体混合物、蛍光体含有組成物、顔料、及び紫外線吸収剤に関する。
【背景技術】
【0002】
蛍光体は、蛍光灯、蛍光表示管(VFD)、フィールドエミッションディスプレイ(FED)、プラズマディスプレイパネル(PDP)、陰極線管(CRT)、白色発光装置などに用いられている。これらのいずれの用途においても、蛍光体を発光させるためには、蛍光体を励起するためのエネルギーを蛍光体に供給する必要があり、蛍光体は真空紫外線、紫外線、可視光線、電子線などの高いエネルギーを有する励起源により励起されて、紫外線、可視光線、赤外線を発する。しかしながら、蛍光体は前記のような励起源に曝される結果、輝度が低下するという問題があり、励起源に曝されても輝度低下のない蛍光体が求められている。
【0003】
そこで、従来のケイ酸塩蛍光体、リン酸塩蛍光体、アルミン酸塩蛍光体、ホウ酸塩蛍光体、硫化物蛍光体、酸硫化物蛍光体などの蛍光体に代わり、輝度低下の少ない蛍光体として、サイアロン蛍光体が提案されている。
【0004】
従来、このサイアロン蛍光体は、窒化ケイ素(Si3N4)、窒化アルミニウム(AlN)、炭酸カルシウム(CaCO3)、及び酸化ユーロピウム(Eu2O3)を所定のモル比に混合し、1気圧(0.1MPa)の窒素中において1700℃の温度で1時間保持するホットプレス法で焼成することにより製造されている(例えば、特許文献1参照)。このプロセスで得られるEuイオンを付活したα−サイアロンは、波長450から500nmの青色光で励起されて波長550から600nmの黄色の光を発する蛍光体となることが報告されている。
【0005】
しかしながら、紫外発光ダイオードを励起源とする白色発光装置やプラズマディスプレイなどの用途には、黄色だけでなく橙色や赤色に発光する蛍光体も求められていた。また、青色発光ダイオードを励起源とする白色発光装置においては、演色性向上のため橙色や赤色に発光する蛍光体が求められていた。
【0006】
赤色に発光する蛍光体として、Ba2Si5N8結晶にEuを付活した無機物質(Ba2-aEuaSi5N8:a=0.14〜1.16)が報告されている(非特許文献1参照)。また、種々の組成のアルカリ金属とケイ素の3元窒化物、MbSicNd(M=Ca、Sr、Ba、Zn;b、c、dは種々の値)を母体とする蛍光体が報告されている(非特許文献2参照)。同様に、MeSifNg:Eu(M=Ca、Sr、Ba、Zn;g=2/3e+4/3f)も、報告されている(特許文献2参照)。
【0007】
別のサイアロン、窒化物、又は酸窒化物蛍光体として、MSi3N5、M2Si4N7、M4Si6N11、M9Si11N23、M16Si15O6N32、M13Si18Al12O18N36、MSi5Al2ON9、M3Si5AlON10(ただし、MはBa、Ca、Sr、又は希土類元素)を母体結晶として、これにEuやCeを付活した蛍光体が知られており、これらの中には赤色に発光する蛍光体も報告されている(特許文献3)。また、これらの蛍光体を用いたLED照明ユニットが知られている。さらに、Sr2Si5N8やSrSi7N10結晶にCeを付活した蛍光体が報告されている(特許文献4)。
【0008】
特許文献5には、LhMiN(2/3h+4/3i):Z(LはCa、Sr、Baなどの2価元素、MはSi、Geなどの4価元素、ZはEuなどの付活剤;h=2,i=5又はh=1,i=7)蛍光体に関する記載があり、微量のAlを添加すると残光を抑える効果があることが記載されている。また、この蛍光体と青色LEDとを組み合わせることによる、やや赤みを帯びた暖色系の白色の発光装置が知られている。さらに、特許文献6には、LjMkN(2/3j+4/3k):Z蛍光体として種々のL元素、M元素、Z元素で構成した蛍光体が報告されている。また、特許文献7には、L−M−N:Eu,Z系に関する幅広い組み合わせの記述があるが、特定の組成物や結晶相を母体とする場合の発光特性向上の効果は示されていない。
【0009】
以上に述べた特許文献2から7に代表される蛍光体は、2価元素と4価元素の窒化物を母体結晶とするものであり、種々の異なる結晶相を母体とする蛍光体が報告されており、赤色に発光するものも知られているが、青色の可視光での励起では赤色の発光輝度は十分ではなかった。また、組成によっては化学的に不安定であり、耐久性に問題があった。
【0010】
一方、照明装置の従来技術として、青色発光ダイオードと青色吸収黄色発光蛍光体との組み合わせによる白色発光装置が公知であり、各種照明用途に実用化されている。その代表例としては、特許文献8、特許文献9、特許文献10などが例示される。これらの発光ダイオードで、特によく用いられている蛍光体は一般式(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce3+で表される、セリウムで付活したイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体である。
【0011】
しかしながら、青色発光ダイオードとイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体とから成る白色発光装置は、赤色成分の不足から青白い発光となる特徴を有し、演色性に偏りがみられるという問題があった。
【0012】
このような背景から、2種の蛍光体を混合・分散させることによりイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体で不足する赤色成分を別の赤色蛍光体で補う白色発光装置が検討された。このような発光装置としては、特許文献11、特許文献5などを例示することができる。しかし、これらの特許文献に記載される発光装置においても演色性に関してまだ改善すべき問題点は残されており、その課題を解決した発光装置が求められていた。また、特許文献11に記載の赤色蛍光体はカドミウムを含んでおり、環境汚染の問題がある。また、特許文献5に記載の、Ca1.97Si5N8:Eu0.03を代表例とする赤色発光蛍光体はカドミウムを含まないが、蛍光体の輝度が低いため、その発光強度についてはさらなる改善が望まれていた。
【0013】
また、特許文献12には、Ceを必須とする少なくとも1種である希土類元素で賦活されるシリコンナイトライド系蛍光体であって、代表的にはCa2(Si,Al)5N8:Ceで表されるシリコンナイトライド系蛍光体が開示され、この蛍光体は、従来のSr2Si5N8:Ce3+で表される蛍光体よりも、種々の色味を実現することができる旨記載されている。また、特許文献13にはEu2+イオンを発光中心とするSr2Al2Si3O2N6
:Eu蛍光体に代表される暖色又は赤色発光酸窒化物蛍光体が開示されている。
【0014】
このような要望にこたえるものとして、耐熱材料として知られるCaAlSiN3結晶と同一の結晶構造を有する無機化合物を母体結晶とし、光学活性な元素、なかでもEu2+を発光中心として添加した結晶は、特に高い輝度の橙色や赤色の発光を有する蛍光体となることから、この蛍光体を用いることにより、高い発光効率を有する赤み成分に富む演色性の良い白色発光装置が得られるとの知見に基く特許出願が先になされた(特許文献14。以下「先願」という。)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0015】
【特許文献1】特開2002−363554号公報
【特許文献2】米国特許第6682663号公報
【特許文献3】特開2003−206481号公報
【特許文献4】特開2002−322474号公報
【特許文献5】特開2003−321675号公報
【特許文献6】特開2003−277746号公報
【特許文献7】特開2004−10786号公報
【特許文献8】特許第2900928号公報
【特許文献9】特許第2927279号公報
【特許文献10】特許第3364229号公報
【特許文献11】特開平10−163535号公報
【特許文献12】特開2004−244560号公報
【特許文献13】特開2005−48105号公報
【特許文献14】特開2006−8721号公報
【非特許文献】
【0016】
【非特許文献1】H.A.Hoppe ほか4名“Journal of Physics and Chemistry of Solids” 2000年、61巻、2001〜2006ページ
【非特許文献2】「On new rare−earth doped M−Si−Al−O−N materials」J.W.H.van Krevel著、TU Eindhoven 2000、ISBN 90−386−2711−4
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0017】
先願に開示される、CaAlSiN3結晶と同一の結晶構造を有する無機化合物を結晶母体とする蛍光体は、653nmに発光波長の中心を有し、かつ発光効率の高い優れた蛍光体である。
【0018】
ところで一般的に蛍光体を照明用、又はディスプレイ用として使用する場合、発光効率が高いことはもちろんであるが、任意の発光波長の蛍光体が選択できることが望ましい。なぜなら、照明用の場合は使用条件により演色性が優先される場合もあれば光束が優先される場合もある。例えば、視感度の高い緑色側に蛍光体の発光中心がシフトすれば、演色性は低下する傾向となるが光束は増大する。このように蛍光体の発光波長が任意のものが得られれば、照明装置の設計の自由度が高まり有用である。また、ディスプレイの場合は、用途に応じて色再現性範囲を変更することができ、ディスプレイ装置設計の自由度が高まる。
【0019】
先願においては、発光中心波長がより短波長である蛍光体を得る手段としてCaの一部をSrに置き換える方法が開示されているが、同様の趣旨で実用可能な新規蛍光体を提供することが本発明の目的である。
【0020】
すなわち、本発明は、従来の窒化物又は酸窒化物蛍光体より高輝度の発光を示し、橙色や赤色の蛍光体として優れ、さらに励起源に曝された場合の輝度の低下が少なく、また、原料の種類や配合割合等を変更するのみで発光波長を変更することができる蛍光体を提供することを目的とする。
本発明はまた、このような蛍光体を用いて、発光効率が高く、設計自由度の高い発光装置と照明装置及び画像表示装置(ディスプレイ装置)を提供することを目的とする。
本発明はまた、このような蛍光体を用いた蛍光体混合物、蛍光体含有組成物、顔料、及び紫外線吸収剤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】
【0021】
本発明者らは、上記課題を解決すべく、各種の窒化物及び酸窒化物蛍光体を鋭意検討した結果、特定の化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体が、上記課題を解決する優れた蛍光体であることを見出し、本発明に到達した。
本発明はこのような知見のもとに達成されたものであり、以下を要旨とする。
【0022】
(1) 2価のアルカリ土類金属元素及び2価〜4価の希土類金属元素を含有する窒化物又は酸窒化物蛍光体であって、下記(i)及び/又は(ii)であることを特徴とする窒化物又は酸窒化物蛍光体。
(i)前記アルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素及び/又は空孔で置換されている。
(ii)前記希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素及び/又は空孔で置換されている。
【0023】
(2) 蛍光体に含まれる窒素イオンが、酸素イオンで置換されていることを特徴とする(1)に記載の窒化物又は酸窒化物蛍光体。
【0024】
(3) 1価又は0価のアルカリ土類金属元素、及び2価の希土類元素を含有することを特徴とする(1)又は(2)に記載の窒化物又は酸窒化物蛍光体。
【0025】
(4) 下記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相を含有することを特徴とする蛍光体。
(1−a−b)(Ln’pMII’1-pMIII’MIV’N3)・a(MIV’(3n+2)/4NnO)・b(AMIV’2N3) …[1]
(上記一般式[1]において、Ln’はランタノイド、Mn及びTiからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素であり、MII’はLn’元素以外の2価の金属元素からなる群から選ばれる1種又は2種以上の元素であり、MIII’は3価の金属元素からなる群から選ばれる1種又は2種以上の元素であり、MIV’は4価の金属元素からなる群から選ばれる1種又は2種以上の元素であり、AはLi、Na、及びKからなる群から選ばれる1種類以上の1価の金属元素であり、pは0<p≦0.2を満足する数であり、a、b及びnは、0≦a、0≦b、a+b>0、0≦n、及び0.002≦(3n+2)a/4≦0.9を満足する数である。)
【0026】
(5) 前記結晶相の結晶構造が空間群Cmc21又はP21に属することを特徴とする(4)に記載の蛍光体。
【0027】
(6) 前記一般式[1]において、MII’は、CaとSrの合計が80mol%以上を占めることを特徴とする(4)又は(5)に記載の蛍光体。
【0028】
(7) 前記一般式[1]において、MII’がCaであり、MIII’がAlであり、MIV’がSiであることを特徴とする(4)〜(6)に記載の蛍光体。
【0029】
(8) 前記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相と、該結晶相とは異なる結晶構造の結晶相(以下「他の結晶相」と称す。)及び/又はアモルファス相との混合物であり、該混合物中の前記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相の割合が20質量%以上であることを特徴とする(4)〜(7)に記載の蛍光体。
【0030】
(9) 前記他の結晶相及び/又はアモルファス相が導電性の無機物質であることを特徴とする(8)に記載の蛍光体。
【0031】
(10) 前記導電性の無機物質が、Zn、Al、Ga、In、及びSnよりなる群から選ばれる1種又は2種以上の元素を含む、酸化物、酸窒化物、窒化物、あるいはこれらの混合物からなることを特徴とする(9)に記載の蛍光体。
【0032】
(11) 前記他の結晶相及び/又はアモルファス相が、前記一般式[1]で表される化学組成とは異なる化学組成の無機蛍光体であることを特徴とする(8)〜(10)に記載の蛍光体。
【0033】
(12) 励起源を照射することにより550nmから700nmの範囲の波長にピークを持つ蛍光を発光することを特徴とする(4)〜(11)に記載の蛍光体。
【0034】
(13) 該励起源が100nm以上570nm以下の波長を持つ紫外線又は可視光であることを特徴とする(12)に記載の蛍光体。
【0035】
(14) 下記一般式[10]で表される化学組成を有する結晶相を含有することを特徴とする(4)〜(13)に記載の蛍光体。
(EuyLn''WMII1-y-WMIIIMIVN3)1-x(MIV(3n+2)/4NnO)x …[10]
(上記一般式[10]において、Ln''はEuを除いたランタノイド、Mn及びTiからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素であり、MIIはMg、Ca、Sr、Ba、及びZnの合計が90mol%以上を占める2価の金属元素であり、MIIIはAlが80mol%以上を占める3価の金属元素であり、MIVはSiが90mol%以上を占める4価の金属元素であり、yは0<y≦0.2を満足する数であり、wは0≦w<0.2を満足する数であり、xは0<x≦0.45を満足する数であり、nは0≦nを満足する数であり、nとxは、0.002≦(3n+2)x/4≦0.9を満足する数である。)
【0036】
(15) 下記一般式[11]で表される化学組成を有する結晶相を含有することを特徴とする(14)に記載の蛍光体。
(EuyMII1-yMIIIMIVN3)1-x(MIV(3n+2)/4NnO)x …[11]
(上記一般式[11]において、MIIは、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnの合計が90mol%以上を占める2価の金属元素であり、MIIIは、Alが80mol%以上を占める3価の金属元素であり、MIVは、Siが90mol%以上を占める4価の金属元素であり、yは、0.0001≦y≦0.1を満足する数であり、xは、0<x≦0.45を満足する数であり、nは0≦nを満足する数であり、nとxは、0.002≦(3n+2)x/4≦0.9を満足する数である。)
【0037】
(16) 上記一般式[10]又は[11]において、MIIは、CaとSrの合計が80mol%以上を占めることを特徴とする(14)又は(15)に記載の蛍光体。
【0038】
(17) 上記一般式[10]又は[11]において、xが0.2≦x≦0.4を満足し、かつ、nとxが、0.4≦(3n+2)x/4≦0.8を満足することを特徴とする(14)〜(16)に記載の蛍光体。
【0039】
(18) 上記一般式[10]又は[11]において、MIIがCaであり、MIIIがAlであり、MIVがSiであることを特徴とする(14)〜(17)に記載の蛍光体。
【0040】
(19) 下記一般式[21]で表される化学組成を有する結晶相を含有することを特徴とする(4)〜(13)に記載の蛍光体。
(CeyLnzMII1-y-zMIIIMIVN3)1-x(MIV(3n+2)/4NnO)x …[21]
(上記一般式[21]において、LnはCeを除いたランタノイド、Mn及びTiからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素であり、MIIはMg、Ca、Sr、Ba及びZnの合計が90mol%以上を占める2価の金属元素であり、MIIIはAlが80mol%以上を占める3価の金属元素であり、MIVはSiが90mol%以上を占める4価の金属元素であり、xは0≦x≦0.45を満足する数であり、yは0<y≦0.2を満足する数であり、zは0≦z≦0.2を満足する数であり、nは0≦nを満足するものであり、nとxは0.002≦(3n+2)x/4≦0.9を満足する数である。)
【0041】
(20) 上記一般式[21]において、MIIは、CaとSrの合計が80mol%以上を占めることを特徴とする(19)に記載の蛍光体。
【0042】
(21) 上記一般式[21]において、xが0.15≦x≦0.3を満足し、かつ、nとxが、0.3≦(3n+2)x/4≦0.6を満足することを特徴とする(19)又は
(20)に記載の蛍光体。
【0043】
(22) 上記一般式[21]において、MIIがCaであり、MIIIがAlであり、MIVがSiであることを特徴とする(19)〜(21)に記載の蛍光体。
【0044】
(23) 下記一般式[30]で表される化学組成を有する結晶相を含有することを特徴とする(4)〜(13)に記載の蛍光体。
(EuyLn''WMII1-y-WMIIIMIVN3)1-x'(AMIV2N3)x' …[30]
(上記一般式[30]において、Ln''はEuを除いたランタノイド、Mn及びTiからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素であり、MIIは、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnの合計が90mol%以上を占める2価の金属元素であり、MIIIは、Alが80mol%以上を占める3価の金属元素であり、MIVは、Siが90mol%以上を占める4価の金属元素であり、AはLi、Na、及びKからなる群から選ばれる1種以上の金属元素であり、x’は0<x’<1.0を満足する数であり、yは0<y≦0.2を満足する数であり、wは0≦w<0.2を満足する数である。)
【0045】
(24) 下記一般式[31]で表される化学組成を有する結晶相を含有することを特徴とする(23)に記載の蛍光体。
(EuyMII1-yMIIIMIVN3)1-x'(AMIV2N3)x' …[31]
(上記一般式[31]において、MIIは、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnの合計が90mol%以上を占める2価の金属元素であり、MIIIは、Alが80mol%以上を占める3価の金属元素であり、MIVは、Siが90mol%以上を占める4価の金属元素であり、AはLi、Na、及びKからなる群から選ばれる1種以上の金属元素であり、x’は0<x’<0.5を満足する数であり、yは0<y≦0.2を満足する数である。)
【0046】
(25) 上記一般式[30]又は[31]において、MIIは、CaとSrの合計が80mol%以上を占めることを特徴とする(23)又は(24)に記載の蛍光体。
【0047】
(26) 上記一般式[30]又は[31]において、x’が0.03≦x’≦0.35を満足することを特徴とする(23)〜(25)に記載の蛍光体。
【0048】
(27) 上記一般式[30]又は[31]において、MIIがCaであり、MIIIがAlであり、MIVがSiであることを特徴とする(23)〜(26)に記載の蛍光体。
【0049】
(28) 下記一般式[41]で表される化学組成を有する結晶相を含有することを特徴とする(4)〜(13)に記載の蛍光体。
(CeyLnzMII1-y-zMIIIMIVN3)1-x'(AMIV2N3)x' …[41]
(上記一般式[41]において、LnはCeを除いたランタノイド、Mn及びTiからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素であり、MIIは、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnの合計が90mol%以上を占める2価の金属元素であり、MIIIは、Alが80mol%以上を占める3価の金属元素であり、MIVは、Siが90mol%以上を占める4価の金属元素であり、AはLi、Na、及びKからなる群から選ばれる1種以上の金属元素であり、x’は0<x’<1.0を満足する数であり、yは0<y≦0.2を満足する数であり、zは0≦z≦0.2を満足する数である。)
【0050】
(29) 上記一般式[41]において、MIIは、CaとSrの合計が80mol%以上を占めることを特徴とする(28)に記載の蛍光体。
【0051】
(30) 上記一般式[41]において、x’が0.03≦x’≦0.35を満足することを特徴とする(28)又は(29)に記載の蛍光体。
【0052】
(31) 上記一般式[41]において、MIIがCaであり、MIIIがAlであり、MIVがSiであることを特徴とする(28)〜(30)に記載の蛍光体。
【0053】
(32) アルカリ土類金属元素、ケイ素、及び窒素を含有する蛍光体であって、当該蛍光体と同一の結晶構造を有する無機化合物(但し、当該蛍光体の固溶体は除く。)を固溶させたことを特徴とする蛍光体。
【0054】
(33) 330nm〜500nmの波長の光を発生する第1の発光体と、該第1の発光体からの光の照射によって可視光を発生する第2の発光体とを有する発光装置において、該第2の発光体が、(1)〜(32)に記載の蛍光体を含有してなることを特徴とする発光装置。
【0055】
(34) 該第1の発光体がレーザーダイオード又は発光ダイオードであることを特徴とする(33)に記載の発光装置。
【0056】
(35) 該第1の発光体が330nm〜420nmの波長の光を発する発光ダイオードであり、該第2の発光体として、(1)〜(32)に記載の赤色蛍光体と、波長330nm〜420nmの励起光により420nm〜500nmの波長に発光ピークを持つ蛍光を発光する青色蛍光体と、波長330nm〜420nmの励起光により500nm〜570nmの波長に発光ピークを持つ蛍光を発光する緑色蛍光体とを用いることにより、赤、緑、青色の光を混ぜて白色光を発することを特徴とする(34)に記載の発光装置。
【0057】
(36) 該第1の発光体が420nm〜500nmの波長の光を発する発光ダイオードであり、該第1の発光体からの光により(1)〜(32)に記載の蛍光体が励起されて発した発光と、当該発光ダイオード自体が発する青色光とを併せて白色光を発することを特徴とする(34)に記載の発光装置。
【0058】
(37) 該第1の発光体が420nm〜500nmの波長の光を発する発光ダイオードであり、該第2の発光体として、(1)〜(32)に記載の蛍光体と、波長420nm〜500nmの励起光により500nm〜570nmの波長に発光ピークを持つ蛍光を発光する緑色蛍光体とを用いることにより、白色光を発することを特徴とする(34)に記載の発光装置。
【0059】
(38) 該第1の発光体が420nm〜500nmの波長の光を発する発光ダイオードであり、該第2の発光体として、(1)〜(32)に記載の蛍光体と、波長420nm〜500nmの励起光により550nm〜600nmの波長に発光ピークを持つ蛍光を発光する黄色蛍光体とを用いることにより、白色光を発することを特徴とする(34)に記載の発光装置。
【0060】
(39) (33)〜(38)に記載の発光装置を用いたことを特徴とする照明器具。
【0061】
(40) 励起源と蛍光体とを有する画像表示装置において、該蛍光体として少なくとも(1)〜(32)に記載の蛍光体を用いたことを特徴とする画像表示装置。
【0062】
(41) 該励起源が、波長100nm〜190nmの真空紫外線、波長190nm〜380nmの紫外線、又は電子線であることを特徴とする(40)に記載の画像表示装置。
【0063】
(42) 該蛍光体として、(1)〜(32)に記載の蛍光体と、前記励起源により蛍光を発光する青色蛍光体と、前記励起源により蛍光を発光する緑色蛍光体とを用いたことを特徴とする(41)に記載の画像表示装置。
【0064】
(43) (33)〜(38)に記載の発光装置を用いたことを特徴とする画像表示装置。
【0065】
(44) 画像表示装置が、蛍光表示管(VFD)、フィールドエミッションディスプレイ(FED)、プラズマディスプレイパネル(PDP)、又は陰極線管(CRT)であることを特徴とする(40)〜(43)に記載の画像表示装置。
【0066】
(45) (1)〜(32)に記載の蛍光体を含むことを特徴とする蛍光体混合物。
【0067】
(46) (1)〜(32)に記載の蛍光体と、液状媒体とを含むことを特徴とする蛍光体含有組成物。
【0068】
(47) (1)〜(32)に記載の蛍光体を含むことを特徴とする顔料。
【0069】
(48) (1)〜(32)に記載の蛍光体を含むことを特徴とする紫外線吸収剤。
【発明の効果】
【0070】
本発明の蛍光体は、従来の窒化物又は酸窒化物蛍光体より高輝度の発光を示し、橙色や赤色の蛍光体として優れている。
この蛍光体では、Ceの添加量、第2の付活剤であるLnの種類及び/又は添加量並びに酸素イオンの割合をかえることにより、発光波長や発光ピーク幅を調節することができる。そして、発光ピークの低波長化により、視感度が増大するため、光束が顕著に増大する発光デバイスを得ることができる。
しかも、本発明の蛍光体は、励起源に曝された場合でも、輝度が低下することなく、蛍光灯、FED、PDP、CRT、白色発光装置などに好適に使用される。
【0071】
このような本発明の蛍光体を用いることにより、発光効率が高く、耐久性に優れ、かつ、用途に応じて演色性や光束を任意に調整することができる、装置の設計の自由度の高い発光装置及び照明器具、並びに、色再現範囲を任意に変更することができる、装置の設計の自由度の高い画像表示装置が提供される。
【0072】
本発明の蛍光体は、母体の色が橙色ないし赤色であり、紫外線を吸収することから、橙色ないし赤色の顔料及び紫外線吸収剤としても有用である。
【図面の簡単な説明】
【0073】
【図1】Euy(1-x)Ca(1-y)(1-x)Al1-xSi1+xN3-xOxにおいてx=0,0.11,0.33である物質のXRDパターン(酸素源:Al2O3、1900℃×2時間焼成、Euモル数y=0.008)を示す図である。
【図2】実施例I−2(x=0.33)、実施例I−3(x=0.11)及び比較例I−2(x=0)の各蛍光体の465nm励起下発光スペクトルを示す図である。
【図3】本発明の照明器具(白色LED)の実施の形態を示す概略構成図である。
【図4】本発明の画像表示装置(PDP)の実施の形態を示す概略構成図である。
【図5】CaAlSiN3の結晶構造モデルを示す図である。
【図6】Si2N2Oの結晶構造モデルを示す図である。
【図7】(Eu0.009Ca0.991AlSiN3)0.89(Si(3n+2)/4NnO)0.11においてn=0、0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0である物質のXRDパターンを示す図である。
【図8】(Eu0.009Ca0.991AlSiN3)0.89(Si(3n+2)/4NnO)0.11においてn=0、0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0である物質の465nm励起下発光スペクトルを示す図である。
【図9】(Eu0.008/(1-x)Ca(1-0.008/(1-x))CaAlSiN3)1-x(Si1.25NO)x及び(Eu0.008/(1-x)Ca(1-0.008/(1-x))AlSiN3)1-x(Si2N2O)xにおいてx=0、0.11、0.18、0.33である物質の465nm励起下発光スペクトルを示す図である。
【図10】実施例II−1、5、8、10及び比較例II−1で得られた蛍光体の波長465nm励起下の発光スペクトルを示す図である。
【図11】実施例II−1、5、8、10及び比較例1で得られた蛍光体のXRDパターンを示す図である。
【図12】実施例III−1〜4及び比較例III−1で得られた蛍光体の波長465nm励起下の発光スペクトルを示す図である。
【図13】実施例IV−1で得られた蛍光体(Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3)1-x(LiSi2N3)xのXRDパターンと、Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3のXRDパターンを示す図である。
【図14】実施例IV−1で得られた蛍光体(Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3)1-x(LiSi2N3)xと、Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3を波長455nmの光で励起したときの発光スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0074】
以下に本発明の実施の形態を詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例(代表例)であり、本発明はその要旨を超えない限り、これらの内容に特定はされない。また、本明細書において、「〜」はその両端の数値を含む範囲であることを意味し、平均粒径は、重量メジアン径(D50)を意味する。
【0075】
[蛍光体]
本発明の蛍光体は、2価のアルカリ土類金属元素及び2価〜4価の希土類金属元素を含有する窒化物又は酸窒化物蛍光体であって、下記(i)及び/又は(ii)であることを特徴とする窒化物又は酸窒化物蛍光体である。
(i)前記アルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素及び/又は空孔で置換されている。
(ii)前記希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素及び/又は空孔で置換されている。
(i)の場合、当該アルカリ土類金属元素より低原子価の元素としては、例えばLi、Na、K等が挙げられる。
(ii)の場合、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素としては、アルカリ土類金属元素又はアルカリ金属元素が挙げられ、好ましくはCa、Sr、Ba、Li、Na、K等が挙げられる。
【0076】
この蛍光体は、1価又は0価のアルカリ土類金属元素、及び2価の希土類元素を含有することが好ましい。
このような構造とすることにより、アルカリ土類金属元素の位置に欠陥を導入することができる。
【0077】
さらに、蛍光体に含まれる窒素イオンが、酸素イオンで置換されていることが好ましい。
上記のような構造とすることにより、蛍光体の化学安定性が良好になり、水や酸に対する耐性が良好になるため、輝度が高く、耐久性に優れる蛍光体を得ることができる。
【0078】
このような蛍光体としては、アルカリ土類金属元素、ケイ素、及び窒素を含有する蛍光体であって、当該蛍光体と同一の結晶構造を有する無機化合物(但し、当該蛍光体の固溶体は除く。)を固溶させた蛍光体が挙げられる。
【0079】
このような蛍光体としては、例えば、Sr2Si5N8を母体とする蛍光体、CaAlSiN3を母体とする蛍光体等が挙げられる。
Sr2Si5N8を母体とする本発明の蛍光体としては、例えばSr2AlqSi5-qN8-qOq:Eu、Sr2AlqSi5-qN8-qOq:Ce等が挙げられる。
【0080】
このような蛍光体の製造方法は、特に限定されないが、通常、一般的な固相反応法によって合成することができる。例えば、蛍光体を構成する金属元素源となる原料化合物を、乾式法或いは湿式法により、粉砕・混合して粉砕混合物を調製し、得られた粉砕混合物を加熱処理して反応させることにより製造することができる。
また、蛍光体を構成する金属元素を少なくとも2種類以上含有する合金、好ましくは蛍光体を構成する金属元素を全て含有する合金を作成し、得られた合金を窒素含有雰囲気中、加圧下で加熱処理することにより、製造することができる。また、蛍光体を構成する金属元素の一部を含有する合金を作成し、得られた合金を窒素含有雰囲気中、加圧下で加熱処理した後、更に蛍光体を構成する残りの金属元素源となる原料化合物と混合して、加熱処理することにより、製造することもできる。このように合金を経て製造された蛍光体は、不純物が少なく、輝度が高い蛍光体となる。
【0081】
以下、CaAlSiN3を母体とする蛍光体について、更に、詳細に説明する。
【0082】
このような蛍光体としては、下記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相を含有することを特徴とする蛍光体が挙げられる。
(1−a−b)(Ln’pMII’1-pMIII’MIV’N3)・a(MIV’(3n+2)/4NnO)・b(AMIV’2N3) …[1]
上記一般式[1]において、Ln’はランタノイド、Mn及びTiからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素であり、MII’はLn’元素以外の2価の金属元素からなる群から選ばれる1種又は2種以上の元素であり、MIII’は3価の金属元素からなる群から選ばれる1種又は2種以上の元素であり、MIV’は4価の金属元素からなる群から選ばれる1種又は2種以上の元素であり、AはLi、Na、及びKからなる群から選ばれる1種類以上の1価の金属元素であり、pは0<p≦0.2を満足する数であり、a、b及びnは、0≦a、0≦b、a+b>0、0≦n、及び0.002≦(3n+2)a/4≦0.9を満足する数である。
【0083】
上記一般式[1]において、Ln’としては、Ce、Eu、Tb、Sm、Mn、Dy,Ybから選ばれる少なくとも1種の金属元素が輝度の点から好ましい。
【0084】
MII’としては、Mg、Ca、Sr、Ba、およびZnよりなる群から選ばれる1種または2種以上を合計で90mol%以上含むことが好ましい。蛍光体の輝度の点から、MII’中のMg、Ca、Sr、Ba、Zn以外の元素としては、Mn、Sm、Eu、Tm、Yb、Pb、Sn等が挙げられる。蛍光体の輝度の点から、MII’は、特に、Caおよび/またはSrを合計で80mol%以上を含むことが好ましく、90mol%以上含むことが更に好ましく、100mol%であることが最も好ましい。また、MII’中のCaとSrの合計に対するCaの割合が10mol%を超えることが好ましく、100mol%であること、すなわちMII’はCaのみからなることが最も好ましい。
【0085】
MIII’としては、Alが80mol%以上を占めることが好ましい。蛍光体の輝度の点から、MIII’中のAl以外の元素としては、Ga、In、B、Sc、Y、Bi、Sb、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等が挙げられるが、この中でも、Ga、In、B、Bi、Sc、Y、La、Ce、Gd、Luが好ましい。蛍光体の輝度の点から、MIII’は、Alを90mol%以上含むことが好ましく、100mol%であること、すなわちMIII’はAlのみからなることが最も好ましい。
【0086】
MIV’としては、Siが90mol%以上を占めることが好ましい。蛍光体の輝度の点から、MIV’中のSi以外の元素としては、Ge、Sn、Ti、Zr、Hf等が挙げられ、この中でもGeが好ましい。蛍光体の輝度の点から、MIV’はSiのみからなることが最も好ましい。
【0087】
上記蛍光体は、前記結晶相の結晶構造が空間群Cmc21又はP21に属するものである。
【0088】
本発明では、蛍光発光の点からは、前記一般式[1]で表される化学組成の結晶相(以下「結晶相[1]」と称す場合がある。)を高純度にかつ極力多く含むこと、最も好ましくは結晶相[1]の単相から構成されていることが望ましいが、特性が低下しない範囲で、結晶相[1]と、結晶相[1]とは異なる結晶構造の結晶相(以下「他の結晶相」と称す。)及び/又はアモルファス相との混合物であっても良い。この場合、蛍光体中の結晶相[1]の含有量が20質量%以上であることが高い輝度を得るために望ましい。さらに好ましくは蛍光体中の結晶相[1]の含有量50質量%以上で輝度が著しく向上する。なお、蛍光体中の結晶相[1]の含有割合はX線回折測定を行い、結晶相[1]とそれ以外の相の最強ピークの強さの比から求めることができる。
【0089】
本発明の蛍光体を電子線で励起する用途に使用する場合は、導電性の無機物質を、他の結晶相及び/又はアモルファス相として結晶相[1]に混合して蛍光体に導電性を付与することができる。ここで、導電性の無機物質としては、Zn、Al、Ga、In、及びSnから選ばれる1種又は2種以上の元素を含む、酸化物、酸窒化物、窒化物、あるいはこれらの混合物を挙げることができる。
前記他の結晶相及び/又はアモルファス相は、前記一般式[1]で表される化学組成とは異なる化学組成の無機蛍光体であることが好ましい。
【0090】
本発明の蛍光体は特定の結晶母体と付活元素の組み合わせにより赤色に発色させることができるが、黄色、緑色、青色などの他の色との混合が必要な場合は、必要に応じてこれらの色を発色する無機蛍光体を混合することができる。
前記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体は、励起源を照射することにより550nmから700nmの範囲の波長にピークを持つ蛍光を発光するものであることが好ましい。励起源としては、100nm〜570nmの波長を持つ紫外線又は可視光であることが好ましい。
【0091】
以下、前記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体について、更に詳細に説明する。
【0092】
まず、前記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体としては、下記一般式[10]で表される化学組成を有する結晶相を含有することが好ましい。
(EuyLn''WMII1-y-WMIIIMIVN3)1-x(MIV(3n+2)/4NnO)x …[10]
上記一般式[10]において、Ln''はEuを除いたランタノイド、Mn及びTiからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素であり、これらの中では、Ce、Tb、Sm、Mn、Dy、Ybから選ばれる少なくとも1種の金属元素が輝度の点から好ましい。MIIは、2価の金属元素であり、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnよりなる群から選ばれる1種又は2種以上を合計で90mol%以上含むものである。MIIIはAlが80mol%以上を占める3価の金属元素であり、MIVはSiが90mol%以上を占める4価の金属元素であり、yは0<y≦0.2を満足する数であり、wは0≦w<0.2を満足する数であり、xは0<x≦0.45を満足する数であり、nは0≦nを満足する数であり、nとxは、0.002≦(3n+2)x/4≦0.9を満足する数である。
【0093】
上記一般式[10]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体の中でも、下記一般式[11]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体が好ましい。
(EuyMII1-yMIIIMIVN3)1-x(MIV(3n+2)/4NnO)x …[11]
【0094】
上記一般式[11]において、MIIは、2価の金属元素であり、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnよりなる群から選ばれる1種又は2種以上を合計で90mol%以上含むものである。蛍光体の輝度の点から、MII中のMg、Ca、Sr、Ba、Zn以外の元素としては、Mn、Sm、Eu、Tm、Yb、Pb、Sn等が挙げられる。蛍光体の輝度の点から、MIIは、特に、Ca及び/又はSrを合計で80mol%以上を含むことが好ましく、90mol%以上含むことが更に好ましく、100mol%であることが最も好ましい。また、MII中のCaとSrの合計に対するCaの割合が10mol%を超えることが好ましく、100mol%であること、すなわちMIIはCaのみからなることが最も好ましい。
【0095】
MIIIは、3価の金属元素であり、Alが80mol%以上含むものである。蛍光体の輝度の点から、MIII中のAl以外の元素としては、Ga、In、B、Sc、Y、Bi、Sb、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等が挙げられるが、この中でも、Ga、In、B、Bi、Sc、Y、La、Ce、Gd、Luが好ましい。蛍光体の輝度の点から、MIIIは、Alを90mol%以上含むことが好ましく、100mol%であること、すなわちMIIIはAlのみからなることが最も好ましい。
【0096】
MIVは、4価の金属元素であり、Siが90mol%以上含むものである。輝度の点から、MIV中のSi以外の元素としては、Ge、Sn、Ti、Zr、Hf等が挙げられ、この中でもGeが好ましい。輝度の点から、MIVはSiのみからなることが最も好ましい。
【0097】
蛍光体の輝度の顕著な低下をきたさない限りにおいて、2価、3価、4価以外の価数である1価、5価、6価の元素を[11]式上0.05mol以下([11]式の1molに対して0.05mol以下)の範囲で導入しても良い。この場合、電荷補償を維持して導入することが、輝度低下の原因となる格子欠損をおこしにくいので、好ましい。
【0098】
yは、付活元素Euのモル比であり、0.0001≦y≦0.1を満足する数である。蛍光体の発光強度の点から、0.001≦y≦0.1が好ましく、0.003≦y≦0.05がより好ましい。yが0.1を超えると濃度消光をおこし、0.0001を下回ると発光が不十分となる傾向がある。
【0099】
xとnは、CaAlSiN3:Euを代表とするEuMIIMIIIMIVN3:EuとSi2N2Oを代表とするMIV(3n+2)/4NnOの和に対するMIV(3n+2)/4NnOのmol割合であり、0<x≦0.45を満足し、0.002≦(3n+2)x/4≦0.9を満足する数である。蛍光体の輝度の点から、
0.01≦x≦0.45かつ0.02≦(3n+2)x/4≦0.9が好ましく、
0.04≦x≦0.4かつ0.08≦(3n+2)x/4≦0.8がより好ましく、
0.1≦x≦0.4かつ0.16≦(3n+2)x/4≦0.8が更に好ましく、
0.2≦x≦0.4かつ0.4≦(3n+2)x/4≦0.8が最も好ましい。
【0100】
なお、前記一般式[11]は、本発明の理論上の物質を表す式である。実際に使用される原料のSi3N4やAlNに不純物として入っている酸素の影響や、原料の混合から焼成までの操作中に原料のCa3N2等が僅かに酸化されるなどの原因による酸素の混入により一般式[11]の理論式と異なることが想定されるが、以下においてはこの理論式を用いて述べることとする。
【0101】
次に本発明の蛍光体の結晶構造について述べる。
【0102】
先願においても酸素を含有するCaAlSiN3を母体とする蛍光体が開示されている。
そこで、先願に係る蛍光体と本発明の蛍光体との相違を以下に説明する。
先願に開示された蛍光体の結晶構造は図5に示すとおりCaの位置はすべて満たされており、酸素はSi−NをAl−Oで置き換えることにより導入される。組成式で示せばCaAl1+xSi1-xN3-xOxとなる。
【0103】
これに対して、本発明の蛍光体は、具体的な例で示すと図6に示す結晶構造の鉱物名Sinoiteとして知られているSi2N2OとCaAlSiN3が互いに固溶した化合物と考えることができ、Siの位置をSi又はAlが占め、かつOの位置の一部をNが占め、かつSi−N−Oで形成される骨格の空間のところどころにCaが入る構造と推定される。組成式では例えば(CaAlSiN3)1-x(Si2N2O)xのカッコをはずせばCa1-xAl1-xSi1+xN3-xOxとなる。この点が先願の蛍光体において、組成式CaAl1+xSi1-xN3-xOxのxを変更しても波長が変化しなかったのに対し、本発明の組成Ca1-xAl1-xSi1+xN3-xOxにおいてはxに応じて波長が変化する原因と考えられる。
先に本発明者らは、CaAlSiN3結晶の結晶構造解析により、本結晶がCmc21又はP21なる空間群に属し、下記表1に示す原子座標位置を占めることを明らかにし、リートベルト解析により原子座標を決定した。すなわち、CaAlSiN3 結晶自体は斜方晶系で、格子定数は、a=9.8007(4)Å、b=5.6497(2)Å、c=5.0627(2)Åである。またSi2N2Oの結晶構造についても表1にまとめた。両化合物が同一の空間群Cmc21又はP21に属することがわかる。
【0104】
【表1】
【0105】
CaAlSiN3結晶は、同じ斜方晶系又は単斜晶系で同じ空間群Cmc21又はP21を持つSi2N2O結晶と照らし合わせると、Si2N2O結晶のSiの位置をSi及びAlが占め、N及びOの位置をNが占め、Si−N−Oで形成される骨格の空間にCaが侵入型元素として取り込まれた結晶であり、SiとAlは不規則的に分布(ディスオーダー)した状態でSi2N2O結晶のSi位置を占める。
【0106】
Si2N2O構成元素をCaAlSiN3:Euの構成元素に添加して焼成したところ、CaAlSiN3とSi2N2Oが固溶化した結晶母体にEuが付活された物質が得られることがわかり、かつ、これが良好な発光特性をもつ蛍光体であることがわかった。その発光特性については、前述のとおりである。すなわち、Euy(1-x)Ca(1-y)(1-x)Al1-xSi1+xN3-xOxの組成となるよう原料を混合し高温焼成して無機化合物結晶を得た。X線回折パターンの解析から、斜方晶系又は単斜晶系で空間群Cmc21又はP21を持ち、CaAlSiN3とSi2N2Oの中間領域の格子定数を持つ結晶が得られていることがわかった。図1に、Al2O3を酸素源として1900℃で2時間焼成して得られた、それぞれx=0,0.11,0.33の物質のX線回折パターンを示す。また、表2に、決定された各ピークの面指数と2θの実測値と計算値を示す。計算値は、斜方晶系のa軸、b軸、c軸の格子定数をそれぞれa,b,cとし、面指数を(hkl)として、次式から求めた。
2θ=2sin-1[0.5λ(h2/a2+k2/b2+l2/c2)0.5]
なお、λはX線源として用いたCuのKα線の波長1.54056Åである。
【0107】
【表2】
【0108】
図1において、各ピークが全て一連の斜方晶系の面指数で表され、Si2N2Oの仕込み割合xの増大に伴い、各XRDピークの2θ位置が高い側にシフトしていくが、これは、表2より、CaAlSiN3結晶の各面指数(hkl)が斜方晶系の三つの格子定数の変化に対応して各(hkl)の面間隔が変化するからであることがわかる。各(hkl)の2θのシフトが、格子定数のシフトからの計算値にほぼ一致している。
【0109】
更に、本発明者らは、リートベルト解析により、結晶中の原子座標を明らかにした。CaAlSiN3結晶のNの位置をNとOが占め、お互いディスオーダーであるAlとSiの位置をやはりAlとSiが占め、Caの位置をCaとベーカンシーが占める構造である。
表2にみられる解析から、xの値を0,0.11,0.33と増大させると、a軸の格子定数が9.7873,9,6899,9.4588、b軸の格子定数が5.6545,5.6537,5.6604、c軸の格子定数が5.0600,5.0413,4.9864とそれぞれ変化していくことがわかる。
このように、本発明で得られた蛍光体はCaAlSiN3:EuとSi2N2Oが固溶化した結晶中に発光中心であるEu2+イオンが分布している無機化合物結晶であると結論できる。
【0110】
以上、具体的な化合物が存在するCaAlSiN3とSi2N2Oの場合について詳述したが、Si2N2Oを一般化したMIV(3n+2)/4NnOについても同様の結果が得られることは実施例の中で例示する。
【0111】
ここで、最近公開された特許文献13(特開2005−48105号公報)と本発明の違いについて説明する。まず、特許文献13は一般式a((1−x−y)MO・xEuO・yCe2O3)・bSi3N4・cAlNの組成式を有する蛍光体では温色系、赤色系の発光が得られることを開示している。ここで、Mはアルカリ土類金属でSrが最も好ましいとしている。特許文献13は上記一般式MOの表記より明瞭なようにアルカリ土類金属のイオン数と同数の酸素のイオンが含まれていることが必須であり、明細書中に焼成によりアルカリ土類金属酸化物に変化する物質を原料とする旨、記載していることからも裏付けられる。また、得られた蛍光体の結晶構造は明確に開示されていないが、Sr2Al2Si3O2N6を母体結晶とする蛍光体である可能性を示唆している。翻って本発明においては、先願で開示したCaAlSiN3を母体結晶とし、これに発光中心元素イオンを導入することによって高輝度で深い赤色発光の蛍光体の研究を進め、CaAlSiN3と同じ結晶構造を有する酸窒化物結晶中では発光波長が短波長側にシフトし、ブロードな発光ピークとなることを見出し、本発明に到達したものである。即ち、蛍光体母体結晶構造の深い理解に基づき本発明に到達したものである。また、本発明は前記一般式[11]において酸素イオンの係数xが0<x≦0.45を満足することを要件としていることから特許文献13の組成範囲とは重なる部分がない。以上のことから、本発明と特許文献13とは母体の結晶構造が異なり、組成範囲も異なる別の発明といえる。
【0112】
本発明の蛍光体を粉体として用いる場合は、樹脂への分散性や粉体の流動性などの点から平均粒径0.1μm以上20μm以下であることが好ましい。また、粉体をこの範囲の単結晶粒子とすることにより、より発光輝度が向上する。
【0113】
発光輝度が高い蛍光体を得るには、蛍光体中に含まれる不純物は極力少ない方が好ましい。特に、Fe、Co、Ni不純物元素が多く含まれると発光が阻害されるので、これらの元素の合計が500ppm以下となるように、原料粉末の選定及び合成工程の制御を行うとよい。
【0114】
本発明では、蛍光発光の点からは、前記一般式[11]で表される化学組成の結晶相(以下「結晶相[11]」と称す場合がある。)を高純度にかつ極力多く含むこと、最も好ましくは結晶相[11]の単相から構成されていることが望ましいが、特性が低下しない範囲で、結晶相[11]以外の他の結晶相及び/又はアモルファス相との混合物であっても良い。この場合、蛍光体中の結晶相[11]の含有量が20質量%以上であることが高い輝度を得るために望ましい。さらに好ましくは蛍光体中の結晶相[11]の含有量50質量%以上で輝度が著しく向上する。なお、蛍光体中の結晶相[11]の含有割合はX線回折測定を行い、結晶相[11]とそれ以外の相の最強ピークの強さの比から求めることができる。
【0115】
本発明の蛍光体を電子線で励起する用途に使用する場合は、導電性の無機物質を、他の結晶相及び/又はアモルファス相として結晶相[11]に混合して蛍光体に導電性を付与することができる。ここで、導電性の無機物質としては、Zn、Al、Ga、In、及びSnから選ばれる1種又は2種以上の元素を含む、酸化物、酸窒化物、窒化物、あるいはこれらの混合物を挙げることができる。
【0116】
本発明の蛍光体は特定の結晶母体と付活元素の組み合わせにより赤色に発色させることができるが、黄色、緑色、青色などの他の色との混合が必要な場合は、必要に応じてこれらの色を発色する無機蛍光体を混合することができる。
【0117】
前述の如く、本発明の蛍光体は、MIV(3n+2)/4NnOの固溶化の割合、すなわちXの値を変えることにより、発光波長や発光ピーク幅を調節することができる。その態様は、用途に基づいて必要とされるスペクトルに設定すればよい。なかでも、CaAlSiN3相にEuを0.0001≦(Euの原子数)/{(Euの原子数)+(Caの原子数)}≦0.1となる組成で添加したものは、200nm〜600nmの範囲の波長の光で励起されたとき550nm〜700nmの範囲の波長にピークを持つ発光を示し、高輝度赤色の蛍光として優れた発光特性を示すため、このようなCaAlSiN3:Eu相にSi(3n+2)/4NnOを様々な割合で固溶化することにより、発光特性に優れ、かつ発光波長や発光ピーク幅の調節が可能な蛍光体が提供される。
【0118】
このように本発明の蛍光体は、通常の酸化物蛍光体や既存のサイアロン蛍光体と比べて、電子線やX線、及び紫外線から可視光の幅広い励起範囲を持つこと、550nm以上の橙色や赤色の発光をすること、特に特定の組成では550nm〜700nmの赤色を呈し、かつ、発光波長や発光ピーク幅が調節可能であることが特徴である。しかして、このような発光特性により、本発明の蛍光体は、照明器具、画像表示装置、顔料、紫外線吸収剤に好適である。本発明の蛍光体はまた、高温にさらしても劣化しないことから耐熱性に優れており、酸化雰囲気及び水分環境下での長期間の安定性にも優れているという利点をも有し、耐久性に優れた製品を提供し得る。
【0119】
このような本発明の蛍光体の製造方法は特に規定されないが、例えば、金属化合物の混合物であって、焼成することにより、前記一般式[11]で表される組成物を構成しうる原料混合物を、窒素を含有する不活性雰囲気中において1200℃以上2200℃以下の温度範囲で焼成することにより得ることができる。本発明の主結晶は空間群Cmc21に属するが、焼成温度等の合成条件により、一部斜方晶でなく単斜晶になり、Cmc21と異なる空間群となる結晶が混入する場合がありうるが、この場合においても、発光中心元素Euサイトの発光特性の変化は僅かであるため高輝度蛍光体として使用することができる。
【0120】
特に、上記方法により、本発明の蛍光体を製造する場合、窒化ユーロピウム及び/又は酸化ユーロピウムと、窒化カルシウムと、窒化ケイ素と、窒化アルミニウムの他に、Si2N2Oの酸素源としてアルミナ、シリカ、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、又は、AlとSiの複合酸化物、AlとCaの複合酸化物、SiとCaの複合酸化物、或いは、Al、Si及びCaの複合酸化物等の金属化合物の混合粉末を出発原料とするのがよい。
【0121】
原料混合物の焼成に当たっては、上記の金属化合物の混合粉末は、40%以下の体積充填率に保持した状態で焼成するとよい。なお、体積充填率は、(混合粉末の嵩密度)/(混合粉末の理論密度)×100[%]により求めることが出来る。体積充填率を40%以下の状態に保持したまま焼成するのは、原料粉末の周りに自由な空間がある状態で焼成すると、反応生成物であるCaAlSiN3属結晶が自由な空間に結晶成長することにより結晶同士の接触が少なくなるため、表面欠陥が少ない結晶を合成することが出来るためである。
【0122】
原料粉末を保持する容器の材質としては、金属化合物との反応性が低いことから、窒化ホウ素焼結体が適している。
【0123】
焼成に用いる炉は、焼成温度が高温であり、また焼成雰囲気が窒素を含有する不活性雰囲気であることから、金属抵抗加熱抵抗加熱方式又は黒鉛抵抗加熱方式で、炉の高温部の材料として炭素を用いた電気炉が好適である。焼成の手法は、常圧焼結法やガス圧焼結法などの外部から機械的な加圧を施さない焼結手法が好ましい。
【0124】
なお、焼成時間は焼成温度によっても異なるが、通常1〜10時間程度である。
【0125】
焼成により得られた粉体凝集体が固く固着している場合は、例えばボールミル、ジェットミル等の工業的に通常用いられる粉砕機により粉砕する。粉砕は、粉体の平均粒径が20μm以下、特に平均粒径0.1μm以上5μm以下となるように行うことが好ましい。平均粒径が20μmを超える粉体では、流動性と樹脂への分散性が悪くなり、発光光源又は励起源と組み合わせて照明器具や画像表示装置を形成する際に、部位により発光強度が不均一になる。平均粒径が0.1μm未満になるまで粉砕すると、蛍光体粉体表面の欠陥量が多くなるため、蛍光体の組成によっては発光強度が低下する。
【0126】
また、蛍光体を構成する金属元素を少なくとも2種類以上含有する合金、好ましくは蛍光体を構成する金属元素を全て含有する合金を作成し、得られた合金を窒素含有雰囲気中、加圧下で加熱処理することにより、製造することができる。また、蛍光体を構成する金属元素の一部を含有する合金を作成し、得られた合金を窒素含有雰囲気中、加圧下で加熱処理した後、更に蛍光体を構成する残りの金属元素源となる原料化合物と混合して、加熱処理することにより、製造することもできる。このように合金を経て製造された蛍光体は、不純物が少なく、輝度が高い蛍光体となる。
【0127】
得られた蛍光体は必要に応じて公知の表面処理、例えば燐酸カルシウム処理を行ってから樹脂中に分散することができる。
【0128】
次に、前記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体としては、下記一般式[21]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体が好ましい。好ましくは、この結晶相の結晶構造は、CaAlSiN3と同じ空間群Cmc21に属する。
(CeyLnzMII1-y-zMIIIMIVN3)1-x(MIV(3n+2)/4NnO)x …[21]
【0129】
一般式[21]において、Lnとしては、Ceを除くランタンイド、即ち、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、LuとMn及びTiからなる群から選ばれる少なくとも1種が挙げられるが、これらのうち、Eu、Tb、Sm、Mn、Dy、Ybからなる群から選ばれる少なくとも1種が輝度の点から好ましい。
【0130】
MIIは、2価の金属元素であり、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnよりなる群から選ばれる1種又は2種以上を合計で90mol%以上含むものである。蛍光体の輝度の点から、MII中のMg、Ca、Sr、Ba、Zn以外の元素としては、Pb、Sn等が挙げられる。蛍光体の輝度の点から、MIIは、特に、Ca及び/又はSrを合計で80mol%以上を含むことが好ましく、90mol%以上含むことが更に好ましく、100mol%であることが最も好ましい。また、MII中のCaとSrの合計に対するCaの割合が10mol%を超えることが好ましく、100mol%であること、すなわちMIIはCaのみからなることが最も好ましい。
【0131】
MIIIは、3価の金属元素であり、Alを80mol%以上含むものである。蛍光体の輝度の点から、MIII中のAl以外の元素としては、Ga、In、B、Sc、Y、Bi、Sb等が挙げられるが、この中でも、Ga、In、Sc、Yが好ましい。蛍光体の輝度の点から、MIIIは、Alを90mol%以上含むことが好ましく、100mol%であること、すなわちMIIIはAlのみからなることが最も好ましい。
【0132】
MIVは、4価の金属元素であり、Siを90mol%以上含むものである。輝度の点から、MIV中のSi以外の元素としては、Ge、Sn、Zr、Hf等が挙げられ、この中でもGeが好ましい。輝度の点から、MIVはSiのみからなることが最も好ましい。
【0133】
蛍光体の輝度の顕著な低下をきたさない限りにおいて、2価、3価、4価以外の価数である1価、5価、6価の元素を、前記一般式[21]上0.05mol以下([21]式の1molに対して0.05mol以下)の範囲で導入しても良い。この場合、電荷補償を維持して導入することが、輝度低下の原因となる格子欠損をおこしにくいので、好ましい。
【0134】
次に前記一般式[21]の各パラメーターについて説明する。
y及びzは付活剤の量を表すパラメーターである。yは付活元素Ceのモル比であり、0<y≦0.2を満足する数である。付活剤がEu単独の場合に比較してCe単独の場合は発光波長が短波側に移動する。yが0.2を超えると濃度消光をおこし、0.0005を下回ると発光が不十分となる傾向がある。従って、yは好ましくは0.0005<y≦0.1である。
【0135】
zは第2付活元素Lnのモル比であり、0≦z≦0.2を満足する数である。発光強度の点から、0.0001≦z≦0.01が好ましく、0.0003≦z≦0.05がより好ましい。
【0136】
xは母体結晶の酸素原子の存在状態を表すパラメーターである。酸素イオンが結晶中に導入される場合の第1はCaの位置はすべて満たされており、酸素はSi−NをAl−Oで置き換えることにより導入される。第2はSiの位置をSi又はAlが占め、かつOの位置の一部をNが占め、かつSi−N−Oで形成される骨格の空間のところどころにCaが入ることにより導入される。第3は第1と第2が同時に起こる場合である。このような観点から酸素イオン導入に伴うMII、MIII及びMIVイオンに対し電気的中性の原則が保たれるようxを導入したものであり、xは0≦x≦0.45を満足する数である。輝度の点から、xは0≦x≦0.3が好ましく、0.002≦x≦0.3がより好ましく、0.15≦x≦0.3が更に好ましい。
【0137】
nは0又は正の数であり、n=0はSiO2を表し、n=2はSi2N2O(Sinoite)を表す。nは、xとの関係において、0.002≦(3n+2)x/4≦0.9を満足する数である。輝度の点から、nはxとの関係において、0.004≦(3n+2)x/4≦0.6が好ましく、0.3≦(3n+2)x/4≦0.6が更に好ましい。
【0138】
なお、前記一般式[21]は、理論上の物質を表す式である。原料のSi3N4やAlN中に不純物として入っている酸素の影響や、原料の混合から焼成までの操作中に原料のCa3N2等がわずかに酸化される原因となる試料外酸素の混入の影響等により、実際に得られる物質中の酸素と窒素の含有量が理論値と異なることがあるが、このことによる酸素と窒素の含有量の多少のずれは発光特性に悪影響を与えるものでないので、実際の酸素の含有率や窒素の含有率が上記[21]式の値と多少ずれていてもよい。
【0139】
次に本発明の蛍光体の結晶構造について述べる。
【0140】
先願においても酸素を含有するCaAlSiN3を母体とする蛍光体が開示されている。
そこで、先願に係る蛍光体と本発明の蛍光体との相違を以下に説明する。
先願に開示された蛍光体の結晶構造は図5に示すとおりCaの位置はすべて満たされており、酸素はSi−NをAl−Oで置き換えることにより導入される。組成式で示せばCaAl1+xSi1-xN3-xOxとなる。
【0141】
これに対して、本発明の蛍光体は具体的な例で示すと図6に示す結晶構造の鉱物名Sinoiteとして知られるSi2N2OとCaAlSiN3が互いに固溶した化合物と考えることができる。即ち、Siの位置をSi又はAlが占め、かつOの位置の一部をNが占め、かつSi−N−Oで形成される骨格の空間のところどころにCaが入る構造と推定される。組成式で示せば例えば(CaAlSiN3)1-x(Si2N2O)xとなり、括弧をはずすとCa1-xAl1-xSi1+xN3-xOxとなる。この点が先願の蛍光体において、組成式CaAl1+xSi1-xN3-xOxのxを変更しても発光波長が変化しなかったのに対し、本発明のCa1-xAl1-xSi1+xN3-xOxにおいてはxに応じて波長が変化する原因と考えられる。以上、具体例としてCaAlSiN3とSi2N2Oの固溶系について説明したが、一般式で示せばMIIMIIIMIVN3とMIV(3n+2)/4NnOの固溶系となる。この系において付活剤をCeとすると、発光ピークの短波長化と輝度が顕著に増大する。また、MIIMIIIMIVN3単独の場合に付活剤としてCeにLnを加えることによっても発光ピークの短波長化が可能である。
【0142】
先に本発明者らは、CaAlSiN3結晶の結晶構造解析により、本結晶がCmc21(又はP21)なる空間群に属し、下記表3に示す原子座標位置を占めることを明らかにし、リートベルト解析により原子座標を決定した。すなわち、CaAlSiN3結晶自体は斜方晶系で、格子定数は、a=9.8007(4)Å、b=5.6497(2)Å、c=5.0627(2)Åである。またSi2N2Oの結晶構造についても表3にまとめた。両化合物が同一の空間群Cmc21(又はP21)に属することがわかる。
【0143】
【表3】
【0144】
CaAlSiN3結晶は、同じ斜方晶系(又は単斜晶系)で同じ空間群Cmc21(又はP21)を持つSi2N2O結晶と照らし合わせると、Si2N2O結晶のSiの位置をSi及びAlが占め、N及びOの位置をNが占め、Si−N−Oで形成される骨格の空間にCaが侵入型元素として取り込まれた結晶であり、SiとAlは不規則的に分布(ディスオーダー)した状態でSi2N2O結晶のSi位置を占める。
【0145】
(CeyLnzMII1-y-zMIIIMIVN3)1-x(MIV(3n+2)/4NnO)x …[21]
上記一般式[21]において、MII=Ca、MIII=Al、MIV=Siを選択し、x=0.18、y(1−x)=0.032、z(1−x)=0となるよう各原料を添加し、高温焼成すると、X線回折パターンの解析から、斜方晶系(又は単斜晶系)で空間群Cmc21(又はP21)を持ち、CaAlSiN3とSi2N2Oの中間領域の格子定数を持つ結晶が得られていることがわかった。図1に、CeO2及びAl2O3を酸素源として1900℃で、2時間焼成して得られた物質のX線回折パターンを示す。
【0146】
次に、前述の特許文献13と本発明の違いについて説明する。
特許文献13は一般式a((1−x−y)MO・xEuO・yCe2O3)・bSi3N4・cAlNの組成式を有する蛍光体が温色系、赤色系の発光が得られることを開示している。ここでMはアルカリ土類金属でSrが最も好ましいとしている。特許文献13では、上記一般式において「MO」の表記より明瞭なように、アルカリ土類金属イオンの数と同数の酸素イオンが含まれていることが必須であり、明細書中に焼成によりアルカリ土類金属酸化物に変化する物質を原料とする旨、記載していることからも裏付けられる。また、得られた蛍光体の結晶構造は明確に開示されていないが、Sr2Al2Si3O2N6を母体結晶とする蛍光体である可能性を示唆している。
【0147】
翻って本発明においては、先願で開示したCaAlSiN3を母体結晶とし、これに発光中心元素イオンを導入することによって高輝度で深い赤色発光の蛍光体の研究を進め、CaAlSiN3と同じ結晶構造を有するSi2N2OとCaAlSiN3が固溶した結晶中では発光波長が短波長側にシフトし、ブロードな発光ピークとなることを見出し本発明に到達したものである。即ち、蛍光体母体結晶構造の深い理解に基づき本発明に到達したものである。また、本発明は前記一般式[21]において酸素イオンの係数xが0≦x≦0.45を満足することを要件としていることから、特許文献13の組成範囲とは重なる部分がない。
以上のことから本発明と特許文献13とは母体の結晶構造が異なり、組成範囲も異なる別の発明といえる。
【0148】
本発明の蛍光体における主結晶相は好ましくは空間群Cmc21に属する。ただし、焼成温度等の合成条件により、一部が斜方晶でなく単斜晶になり、Cmc21と異なる空間群になる場合がありうるが、この場合においても、発光特性の変化は僅かであるため、高輝度蛍光体として使用することができる。
【0149】
本発明の蛍光体を粉体として用いる場合は、樹脂への分散性や粉体の流動性などの点から平均粒径0.1μm以上20μm以下であることが好ましい。また、粉体をこの範囲の単結晶粒子とすることにより、より発光輝度が向上する。
【0150】
発光輝度が高い蛍光体を得るには、蛍光体中に含まれる不純物は極力少ない方が好ましい。特に、Fe、Co、Ni不純物元素が多く含まれると発光が阻害されるので、これらの元素の合計が500ppm以下となるように、原料粉末の選定及び合成工程の制御を行うとよい。
【0151】
本発明では、蛍光発光の点からは、前記一般式[21]で表される化学組成の結晶相(以下「結晶相[21]」と称す場合がある。)を高純度にかつ極力多く含むこと、最も好ましくは結晶相[21]の単相から構成されていることが望ましいが、特性が低下しない範囲で、結晶相[21]以外の他の結晶相及び/又はアモルファス相との混合物であっても良い。この場合、蛍光体中の結晶相[21]の含有量が20質量%以上であることが高い輝度を得るために望ましい。さらに好ましくは蛍光体中の結晶相[21]の含有量50質量%以上で輝度が著しく向上する。なお、蛍光体中の結晶相[21]の含有割合はX線回折測定を行い、結晶相[21]とそれ以外の相の最強ピークの強さの比から求めることができる。
【0152】
本発明の蛍光体を電子線で励起する用途に使用する場合は、導電性の無機物質を、他の結晶相及び/又はアモルファス相として結晶相[21]に混合して蛍光体に導電性を付与することができる。ここで、導電性の無機物質としては、Zn、Al、Ga、In、及びSnから選ばれる1種又は2種以上の元素を含む、酸化物、酸窒化物、窒化物、あるいはこれらの混合物を挙げることができる。
【0153】
本発明の蛍光体は特定の結晶母体と付活元素の組み合わせにより橙色から赤色まで発色させることができるが、黄色、緑色、青色などの他の色との混合が必要な場合は、必要に応じてこれらの色を発色する無機蛍光体を混合することができる。
【0154】
前述の如く、本発明の蛍光体は、Ceの添加量、第2の付活剤Lnの種類及び/又は添加量並びに酸素イオンの割合をかえることにより、発光波長や発光ピーク幅を調節することができる。その態様は、用途に基づいて必要とされるスペクトルに設定すればよい。
【0155】
このように本発明の蛍光体は、通常の酸化物蛍光体や既存の窒化物又は酸窒化物蛍光体と比べて、電子線やX線、及び紫外線から可視光の幅広い励起範囲を持つこと、570nm以上の橙色や赤色に発光し、かつ、発光波長や発光ピーク幅が調節可能であることが特徴である。しかして、この発光特性により、本発明の蛍光体は、発光装置、照明器具、画像表示装置、顔料、紫外線吸収剤に好適である。これに加えて、本発明の蛍光体は、高温にさらしても劣化しないことから耐熱性に優れており、酸化雰囲気及び水分環境下での長期間の安定性にも優れている。
【0156】
このような本発明の蛍光体は製造方法は特に規定されないが、例えば、金属化合物の混合物であって、焼成することにより、前記一般式[21]で表される組成物を構成しうる原料混合物を、窒素を含有する不活性雰囲気中において1200℃以上2200℃以下の温度範囲で焼成することにより、本発明の高輝度蛍光体を得ることができる。
【0157】
特に、上記方法により、LnがEuである本発明の蛍光体を製造する場合、酸化セリウムと、窒化ユーロピウム及び/又は酸化ユーロピウムと、窒化カルシウムと、窒化ケイ素と、窒化アルミニウムの他に、酸素源としてアルミナ、シリカ、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、又は、AlとSiの複合酸化物、AlとCaの複合酸化物、SiとCaの複合酸化物、或いは、Al、Si及びCaの複合酸化物等の金属化合物の混合粉末を出発原料とするのがよい。
【0158】
原料混合物の焼成に当っては、上記の金属化合物の混合粉末は、40%以下の体積充填率に保持した状態で焼成するとよい。なお、体積充填率は、(混合粉末の嵩密度)/(混合粉末の理論密度)×100[%]により求めることが出来る。体積充填率を40%以下の状態に保持したまま焼成するのは、原料粉末の周りに自由な空間がある状態で焼成すると、反応生成物であるCaAlSiN3属結晶が自由な空間に結晶成長することにより結晶同士の接触が少なくなるため、表面欠陥が少ない結晶を合成することが出来るためである。
【0159】
原料粉末を保持する容器の材質としては、本発明に使用する金属化合物との反応性が低いことから、窒化ホウ素焼結体が適している。
【0160】
焼成に用いる炉は、焼成温度が高温であり、また焼成雰囲気が窒素を含有する不活性雰囲気であることから、金属抵抗加熱抵抗加熱方式又は黒鉛抵抗加熱方式で、炉の高温部の材料として炭素を用いた電気炉が好適である。焼成の手法は、常圧焼結法やガス圧焼結法などの外部から機械的な加圧を施さない焼結手法が、体積充填率40%以下に保った状態で焼成するために好ましい。
【0161】
なお、焼成時間は焼成温度によっても異なるが、通常1〜10時間程度である。
【0162】
焼成により得られた粉体凝集体が固く固着している場合は、例えばボールミル、ジェットミル等の工業的に通常用いられる粉砕機により粉砕する。粉砕は、粉体の平均粒径が20μm以下、特に平均粒径0.1μm以上5μm以下となるように行うことが好ましい。平均粒径が20μmを超える粉体では、流動性と樹脂への分散性が悪くなり、発光光源又は励起源と組み合わせて照明器具や画像表示装置を形成する際に、部位により発光強度が不均一になる。平均粒径が0.1μm未満になるまで粉砕すると、蛍光体粉体表面の欠陥量が多くなるため、蛍光体の組成によっては発光強度が低下する。
【0163】
また、蛍光体を構成する金属元素を少なくとも2種類以上含有する合金、好ましくは蛍光体を構成する金属元素を全て含有する合金を作成し、得られた合金を窒素含有雰囲気中、加圧下で加熱処理することにより、製造することができる。また、蛍光体を構成する金属元素の一部を含有する合金を作成し、得られた合金を窒素含有雰囲気中、加圧下で加熱処理した後、更に蛍光体を構成する残りの金属元素源となる原料化合物と混合して、加熱処理することにより、製造することもできる。このように合金を経て製造された蛍光体は、不純物が少なく、輝度が高い蛍光体となる。
【0164】
得られた蛍光体は必要に応じて公知の表面処理、例えば燐酸カルシウム処理を行ってから樹脂中に分散することが好ましい。
【0165】
次に、前記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体としては、下記一般式[30]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体が好ましい。好ましくは、この結晶相の結晶構造は、CaAlSiN3と同じ空間群Cmc21に属する。
(EuyLn''WMII1-y-WMIIIMIVN3)1-x'(AMIV2N3)x' …[30]
【0166】
上記一般式[30]において、Ln''はEuを除いたランタノイド、Mn及びTiからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素であり、これらの中では、Ce、Tb、Sm、Mn、Dy、Ybから選ばれる少なくとも1種の金属元素が輝度の点から好ましい。MIIは2価の金属元素であり、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnよりなる群から選ばれる1種又は2種以上を合計で90mol%以上含むものである。MIIIは3価の金属元素であり、Alを80mol%以上含むものである。MIVは4価の金属元素であり、Siを90mol%以上含むものであり、AはLi、Na、及びKからなる群から選ばれる1種以上の金属元素である。x’は0<x’<1.0を満足する数であり、yは0<y≦0.2を満足する数であり、wは0≦w<0.2を満足する数である。
【0167】
上記一般式[30]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体の中でも、下記一般式[31]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体が好ましい。
(EuyMII1-yMIIIMIVN3)1-x'(AMIV2N3)x' …[31]
【0168】
上記一般式[31]において、MIIは、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnの合計が90mol%以上を占める2価の金属元素であり、MIIIは、Alが80mol%以上を占める3価の金属元素であり、MIVは、Siが90mol%以上を占める4価の金属元素であり、AはLi、Na、及びKからなる群から選ばれる1種以上の金属元素であり、x’は0<x’<0.5を満足する数であり、yは0<y≦0.2を満足する数である。
【0169】
一般式[31]において、MIIは、2価の金属元素であり、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnよりなる群から選ばれる1種又は2種以上を合計で90mol%以上含むものである。蛍光体の輝度の点から、MIIは、特に、Ca及び/又はSrを合計で80mol%以上含むことが好ましく、90mol%以上含むことが更に好ましく、100mol%であることが最も好ましい。また、MII中のCaとSrの合計に対するCaの割合が10mol%を超えることが好ましく、100mol%であること、すなわちMIIはCaのみからなることが最も好ましい。MII中には、Mnのような、Euとともに共付活できる元素が含まれていてもよい。
【0170】
MIIIは、3価の金属元素であり、Alを80mol%以上含むものである。蛍光体の輝度の点から、MIII中のAl以外の元素としては、Ga、In、B、Sc、Y、Bi、Sb等が挙げられるが、この中でも、Ga、In、Sc、Yが好ましい。蛍光体の輝度の点から、MIIIは、Alを90mol%以上含むことが好ましく、100mol%であること、すなわちMIIIはAlのみからなることが最も好ましい。
【0171】
MIVは、4価の金属元素であり、Siを90mol%以上含むものである。輝度の点から、MIV中のSi以外の元素としては、Ge、Sn、Zr、Hf等が挙げられ、この中でもGeが好ましい。輝度の点から、MIVはSiのみからなることが最も好ましい。
【0172】
Aは、Li、Na及びKからなる群から選ばれる1種以上の1価の金属元素であり、輝度の点から、AはLi及び/又はNaが好ましく、より好ましくはLiである。
【0173】
蛍光体の輝度の顕著な低下をきたさない限りにおいて、1価、2価、3価、4価以外の価数である5価、6価の元素を[31]式上0.05mol以下([31]式の1molに対して0.05mol以下)の範囲で導入しても良い。この場合、電荷補償を維持して導入することが、輝度低下の原因となる格子欠損をおこしにくいので、好ましい。
【0174】
次に前記一般式[31]の各パラメーターについて説明する。
yはEuの量を表すパラメーターである。yはEuのモル比であり、0<y≦0.2を満足する数である。yが0.2を超えると濃度消光をおこし、0.003を下回ると発光が不十分となる傾向がある。従って、yは好ましくは0.003≦y≦0.2である。
【0175】
x’は母体結晶中のAであるLi、Na及びKからなる群から選ばれる1種以上の1価の金属元素の存在状態を表すパラメーターである。Li、Na、Kのいずれか1以上のイオン導入に伴い、MII、MIII、及びMIVイオンに対し電気的中性の原則が保たれるようx’を導入した。xは0<x’<0.5を満足する数である。輝度の点から、xは0.002≦x’≦0.4が好ましく、0.03≦x’≦0.35がより好ましい。
【0176】
なお、前記一般式[31]は、理論上の物質を表す式である。原料のSi3N4やAlN中に不純物として入っている酸素の影響や、原料の混合から焼成までの操作中に原料のCa3N2等がわずかに酸化される原因となる試料外酸素の混入の影響等により、実際に得られる物質中の酸素と窒素の含有量が理論値と異なることがあるが、このことによる酸素と窒素の含有量の多少のずれは発光特性に悪影響を与えるものでないので、実際の酸素の含有率や窒素の含有率が上記[31]式の値と多少ずれていてもよい。
【0177】
次に本発明の蛍光体の結晶構造について述べる。
【0178】
本発明の蛍光体の母体結晶はCaAlSiN3と同じ結晶構造を有するASi2N3(ここで、AはLi、Na、及びKからなる群から選ばれる1種以上の金属元素である。)とCaAlSiN3が互いに固溶した化合物と考えることができる。組成式で示せば、例えば、(CaAlSiN3)1-x’(ASi2N3)x’となり、括弧をはずすとCa1-x’Ax’Al1-x’Si1+x’N3となる。ここで、具体例としてCaAlSiN3とASi2N3の固溶系について説明したが、一般式で示せばMIIMIIIMIVN3とAMIV2N3の固溶系で、MII1-x’Ax’MIII1-x’MIV1+x’N3となる。
本発明者らは、この系において付活剤をEuとすると、Euの添加量や、AMIV2N3の固溶割合により発光特性を変化させることができることを見出した。
【0179】
先に本発明者らは、CaAlSiN3結晶の結晶構造解析により、本結晶がCmc21(又はP21)なる空間群に属し、下記表4(先願の表5)に示す原子座標位置を占めることを明らかにし、リートベルト解析により原子座標を決定した。すなわち、CaAlSiN3結晶自体は斜方晶系で、格子定数は、a=9.8007(4)Å、b=5.6497(2)Å、c=5.0627(2)Åである。またSi2N2Oの結晶構造についても表4にまとめた。両化合物が同一の空間群Cmc21(又はP21)に属することがわかる。
【0180】
【表4】
【0181】
CaAlSiN3結晶は、同じ斜方晶系(又は単斜晶系)で同じ空間群Cmc21(又はP21)を持つSi2N2O結晶と照らし合わせると、Si2N2O結晶のSiの位置をSi及びAlが占め、N及びOの位置をNが占め、Si−N−Oで形成される骨格の空間にCaが侵入型元素として取り込まれた結晶であり、SiとAlは不規則的に分布(ディスオーダー)した状態でSi2N2O結晶のSi位置を占める。
【0182】
(EuyMII1-yMIIIMIVN3)1-x'(AMIV2N3)x' …[31]
上記一般式[31]において、MII=Ca、MIII=Al、MIV=Si、A=Liを選択し、y(1−x’)=0.008と固定し、x'=0、x'=0.18、x'=0.33、となるよう各原料を添加し、高温焼成したものについて測定したX線回折のピーク位置と、空間群をCmc21と仮定して原子座標より計算したピーク位置は表5に示すように良い一致を示す。
【0183】
【表5】
【0184】
表5は、面指数(hkl)が(400)、(020)、(002)の場合の2θ実測値から、下記[2]式を用いてCmc21の斜方晶におけるa,b,c格子定数を決定し、この定数を使用して他の面指数の2θ値を計算したものである。小さな誤差内で2θの実験値と計算値が一致する。
2θ=2sin-1[0.5λ(h2/a2+k2/b2+l2/c2)0.5] …[2]
【0185】
なお、λはX線源として用いたCuのKα線の波長1.54056Åである。X線回折パターンの解析から、斜方晶系で空間群Cmc21に属し、CaAlSiN3とLiSi2N3の中間領域の格子定数を持つ結晶が得られていることがわかった。
【0186】
本発明の蛍光体における主結晶相は好ましくは空間群Cmc21に属する。ただし、焼成温度等の合成条件により、一部が斜方晶でなく単斜晶になり、Cmc21と異なる空間群になる場合がありうるが、この場合においても、発光特性の変化は僅かであるため、高輝度蛍光体として使用することができる。
【0187】
本発明の蛍光体を粉体として用いる場合は、樹脂への分散性や粉体の流動性などの点から平均粒径0.1μm以上20μm以下であることが好ましい。また、粉体をこの範囲の単結晶粒子とすることにより、より発光輝度が向上する。
【0188】
発光輝度が高い蛍光体を得るには、蛍光体中に含まれる不純物は極力少ない方が好ましい。特に、Fe、Co、Ni不純物元素が多く含まれると発光が阻害されるので、これらの元素の合計が500ppm以下となるように、原料粉末の選定及び合成工程の制御を行うとよい。
【0189】
本発明では、蛍光発光の点からは、前記一般式[31]で表される化学組成の結晶相(以下「結晶相[31]」と称す場合がある。)を高純度にかつ極力多く含むこと、最も好ましくは結晶相[31]の単相から構成されていることが望ましいが、特性が低下しない範囲で、結晶相[31]以外の他の結晶相及び/又はアモルファス相との混合物であっても良い。この場合、蛍光体中の結晶相[31]の含有量が20質量%以上であることが高い輝度を得るために望ましい。さらに好ましくは蛍光体中の結晶相[31]の含有量50質量%以上で輝度が著しく向上する。なお、蛍光体中の結晶相[31]の含有割合はX線回折測定を行い、結晶相[31]とそれ以外の相の最強ピークの強さの比から求めることができる。
【0190】
本発明の蛍光体を電子線で励起する用途に使用する場合は、導電性の無機物質を、他の結晶相及び/又はアモルファス相として結晶相[31]に混合して蛍光体に導電性を付与することができる。ここで、導電性の無機物質としては、Zn、Al、Ga、In、及びSnから選ばれる1種又は2種以上の元素を含む、酸化物、酸窒化物、窒化物、あるいはこれらの混合物を挙げることができる。
【0191】
本発明の蛍光体は特定の結晶母体と付活元素の組み合わせにより橙色から赤色まで発色させることができるが、黄色、緑色、青色などの他の色との混合が必要な場合は、必要に応じてこれらの色を発色する無機蛍光体を混合することができる。
【0192】
前述の如く、本発明の蛍光体は、付活剤Euの添加量やAMIV2N3の固溶割合を変えることにより、発光波長や発光ピーク幅を調節することができる。その態様は、用途に基づいて必要とされるスペクトルに設定すればよい。
【0193】
このように本発明の蛍光体は、通常の酸化物蛍光体や既存の窒化物又は酸窒化物蛍光体と比べて、電子線やX線、及び紫外線から可視光の幅広い励起範囲を持つこと、570nm以上の橙色や赤色に発光し、かつ、発光波長や発光ピーク幅が調節可能であることが特徴である。しかして、この発光特性により、本発明の蛍光体は、発光装置、照明器具、画像表示装置、顔料、紫外線吸収剤に好適である。これに加えて、本発明の蛍光体は、高温にさらしても劣化しないことから耐熱性に優れており、酸化雰囲気及び水分環境下での長期間の安定性にも優れている。
【0194】
このような本発明の蛍光体の製造方法は特に規定されないが、例えば、金属化合物の混合物であって、焼成することにより、前記一般式[31]で表される組成物を構成しうる原料混合物を、窒素を含有する不活性雰囲気中において1200℃以上2200℃以下の温度範囲で焼成することにより、本発明の高輝度蛍光体を得ることができる。
【0195】
特に、上記方法により、MIIがCaで、MIIIがAlで、MIVがSiで、AがLiである本発明の蛍光体:(EuyCa1-yAlSiN3)1-x’(LiSi2N3)x’を合成する場合は、窒化ユーロピウム、窒化カルシウム、窒化リチウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム粉末の混合物を出発原料とするのがよい。
【0196】
原料混合物の焼成に当って、原料化合物を保持する容器としては種々の耐熱性材料が使用しうるが、本発明に使用する金属窒化物に対する材質劣化の悪影響が低いことから、学術雑誌Journal of the American Ceramic Society 2002年85巻5号1229ページないし1234ページに記載の、α−サイアロンの合成に使用された窒化ホウ素をコートしたグラファイトるつぼに示されるように、窒化ホウ素焼結体が適している。
【0197】
焼成に用いる炉は、焼成温度が高温であり、また焼成雰囲気が窒素を含有する不活性雰囲気であることから、金属抵抗加熱方式又は黒鉛抵抗加熱方式で、炉の高温部の材料として炭素を用いた電気炉が好適である。焼成の手法は、常圧焼結法やガス圧焼結法などの外部から機械的な加圧を施さない焼結手法が好ましい。
【0198】
なお、焼成時間は焼成温度によっても異なるが、通常1〜10時間程度である。
【0199】
焼成により得られた粉体凝集体が固く固着している場合は、例えばボールミル、ジェットミル等の工業的に通常用いられる粉砕機により粉砕する。粉砕は、粉体の平均粒径が20μm以下、特に平均粒径0.1μm以上5μm以下となるように行うことが好ましい。平均粒径が20μmを超える粉体では、流動性と樹脂への分散性が悪くなり、発光光源又は励起源と組み合わせて照明器具や画像表示装置を形成する際に、部位により発光強度が不均一になる。平均粒径が0.1μm未満になるまで粉砕すると、蛍光体粉体表面の欠陥量が多くなるため、蛍光体の組成によっては発光強度が低下する。
【0200】
また、蛍光体を構成する金属元素を少なくとも2種類以上含有する合金、好ましくは蛍光体を構成する金属元素を全て含有する合金を作成し、得られた合金を窒素含有雰囲気中、加圧下で加熱処理することにより、製造することができる。また、蛍光体を構成する金属元素の一部を含有する合金を作成し、得られた合金を窒素含有雰囲気中、加圧下で加熱処理した後、更に蛍光体を構成する残りの金属元素源となる原料化合物と混合して、加熱処理することにより、製造することもできる。このように合金を経て製造された蛍光体は、不純物が少なく、輝度が高い蛍光体となる。
【0201】
得られた蛍光体は必要に応じて公知の表面処理、例えば燐酸カルシウム処理を行ってから樹脂中に分散することが好ましい。
【0202】
また、前記一般式[1]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体としては、下記一般式[41]で表される化学組成を有する結晶相を含有する蛍光体が好ましい。好ましくは、この結晶相の結晶構造は、CaAlSiN3と同じ空間群Cmc21に属する。
(CeyLnzMII1-y-zMIIIMIVN3)1-x'(AMIV2N3)x' …[41]
【0203】
上記一般式[41]において、Lnとしては、Ceを除くランタンイド、即ち、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、LuとMn及びTiからなる群から選ばれる少なくとも1種が挙げられるが、これらのうち、Eu、Tb、Sm、Mn、Dy、Ybなどからなる群から選ばれる少なくとも1種が輝度の点から好ましい。
【0204】
MIIは、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnの合計が90mol%以上を占める2価の金属元素であり、MIIIは、Alが80mol%以上を占める3価の金属元素であり、MIVは、Siが90mol%以上を占める4価の金属元素であり、AはLi、Na、及びKからなる群から選ばれる1種以上の金属元素であり、x’は0<x’<1.0を満足する数であり、yは0<y≦0.2を満足する数であり、zは0≦z≦0.2を満足する数である。
【0205】
MIIは、2価の金属元素であり、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnよりなる群から選ばれる1種又は2種以上を合計で90mol%以上含むものである。蛍光体の輝度の点から、MIIは、特に、Ca及び/又はSrを合計で80mol%以上含むことが好ましく、90mol%以上含むことが更に好ましく、100mol%であることが最も好ましい。また、MII中のCaとSrの合計に対するCaの割合が10mol%を超えることが好ましく、100mol%であること、すなわちMIIはCaのみからなることが最も好ましい。MII中には、Mnのような、Ceとともに共付活できる元素が含まれていてもよい。
【0206】
MIIIは、3価の金属元素であり、Alを80mol%以上含むものである。蛍光体の輝度の点から、MIII中のAl以外の元素としては、Ga、In、B、Sc、Y、Bi、Sb等が挙げられるが、この中でも、Ga、In、Sc、Yが好ましい。蛍光体の輝度の点から、MIIIは、Alを90mol%以上含むことが好ましく、100mol%であること、すなわちMIIIはAlのみからなることが最も好ましい。
【0207】
MIVは、4価の金属元素であり、Siを90mol%以上含むものである。輝度の点から、MIV中のSi以外の元素としては、Ge、Sn、Zr、Hf等が挙げられ、この中でもGeが好ましい。輝度の点から、MIVはSiのみからなることが最も好ましい。
【0208】
Aは、Li、Na及びKからなる群から選ばれる1種以上の1価の金属元素であり、輝度の点から、AはLi及び/又はNaが好ましく、より好ましくはLiである。
【0209】
蛍光体の輝度の顕著な低下をきたさない限りにおいて、1価、2価、3価、4価以外の価数である5価、6価の元素を[41]式上0.05mol以下([41]式の1molに対して0.05mol以下)の範囲で導入しても良い。この場合、電荷補償を維持して導入することが、輝度低下の原因となる格子欠損をおこしにくいので、好ましい。
【0210】
次に前記一般式[41]の各パラメーターについて説明する。
yはCeの量を表すパラメーターである。yはCeのモル比であり、0<y≦0.2を満足する数である。yが0.2を超えると濃度消光をおこし、0.003を下回ると発光が不十分となる傾向がある。従って、yは好ましくは0.003≦y≦0.2である。
【0211】
x’は母体結晶中のAであるLi、Na及びKからなる群から選ばれる1種以上の1価の金属元素の存在状態を表すパラメーターである。Li、Na、Kのいずれか1以上のイオン導入に伴い、MII、MIII、及びMIVイオンに対し電気的中性の原則が保たれるようx’を導入した。xは0<x’<1.0を満足する数である。輝度の点から、xは0.002≦x’≦0.4が好ましく、0.03≦x’≦0.35がより好ましい。
【0212】
zは第2付活元素Lnのモル比であり、0≦z≦0.2を満足する数である。
【0213】
なお、前記一般式[41]は、理論上の物質を表す式である。原料のSi3N4やAlN中に不純物として入っている酸素の影響や、原料の混合から焼成までの操作中に原料のCa3N2等がわずかに酸化される原因となる試料外酸素の混入の影響等により、実際に得られる物質中の酸素と窒素の含有量が理論値と異なることがあるが、このことによる酸素と窒素の含有量の多少のずれは発光特性に悪影響を与えるものでないので、実際の酸素の含有率や窒素の含有率が上記[41]式の値と多少ずれていてもよい。
【0214】
前記一般式[41]で表される化学組成を有する結晶相の結晶構造は、前述した一般式[31]で表される化学組成を有する結晶相の結晶構造と同様である。主結晶相は好ましくは空間群Cmc21に属する。ただし、焼成温度等の合成条件により、一部が斜方晶でなく単斜晶になり、Cmc21と異なる空間群になる場合がありうるが、この場合においても、発光特性の変化は僅かであるため、高輝度蛍光体として使用することができる。
【0215】
本発明の蛍光体を粉体として用いる場合は、樹脂への分散性や粉体の流動性などの点から平均粒径0.1μm以上20μm以下であることが好ましい。また、粉体をこの範囲の単結晶粒子とすることにより、より発光輝度が向上する。
【0216】
発光輝度が高い蛍光体を得るには、蛍光体中に含まれる不純物は極力少ない方が好ましい。特に、Fe、Co、Ni不純物元素が多く含まれると発光が阻害されるので、これらの元素の合計が500ppm以下となるように、原料粉末の選定及び合成工程の制御を行うとよい。
【0217】
本発明では、蛍光発光の点からは、前記一般式[41]で表される化学組成の結晶相(以下「結晶相[41]」と称す場合がある。)を高純度にかつ極力多く含むこと、最も好ましくは結晶相[41]の単相から構成されていることが望ましいが、特性が低下しない範囲で、結晶相[41]以外の他の結晶相及び/又はアモルファス相との混合物であっても良い。この場合、蛍光体中の結晶相[41]の含有量が20質量%以上であることが高い輝度を得るために望ましい。さらに好ましくは蛍光体中の結晶相[41]の含有量50質量%以上で輝度が著しく向上する。なお、蛍光体中の結晶相[41]の含有割合はX線回折測定を行い、結晶相[41]とそれ以外の相の最強ピークの強さの比から求めることができる。
【0218】
本発明の蛍光体を電子線で励起する用途に使用する場合は、導電性の無機物質を、他の結晶相及び/又はアモルファス相として結晶相[41]に混合して蛍光体に導電性を付与することができる。ここで、導電性の無機物質としては、Zn、Al、Ga、In、及びSnから選ばれる1種又は2種以上の元素を含む、酸化物、酸窒化物、窒化物、あるいはこれらの混合物を挙げることができる。
【0219】
本発明の蛍光体は特定の結晶母体と付活元素の組み合わせにより橙色から赤色まで発色させることができるが、黄色、緑色、青色などの他の色との混合が必要な場合は、必要に応じてこれらの色を発色する無機蛍光体を混合することができる。
【0220】
前述の如く、本発明の蛍光体は、付活剤Euの添加量やAMIV2N3の固溶割合を変えることにより、発光波長や発光ピーク幅を調節することができる。その態様は、用途に基づいて必要とされるスペクトルに設定すればよい。
【0221】
このように本発明の蛍光体は、通常の酸化物蛍光体や既存の窒化物又は酸窒化物蛍光体と比べて、電子線やX線、及び紫外線から可視光の幅広い励起範囲を持つこと、570nm以上の橙色や赤色に発光し、かつ、発光波長や発光ピーク幅が調節可能であることが特徴である。しかして、この発光特性により、本発明の蛍光体は、発光装置、照明器具、画像表示装置、顔料、紫外線吸収剤に好適である。これに加えて、本発明の蛍光体は、高温にさらしても劣化しないことから耐熱性に優れており、酸化雰囲気及び水分環境下での長期間の安定性にも優れている。
【0222】
このような本発明の蛍光体の製造方法は特に規定されないが、例えば、金属化合物の混合物であって、焼成することにより、前記一般式[41]で表される組成物を構成しうる原料混合物を、窒素を含有する不活性雰囲気中において1200℃以上2200℃以下の温度範囲で焼成することにより、本発明の高輝度蛍光体を得ることができる。
【0223】
特に、上記方法により、z=0、MIIがCaで、MIIIがAlで、MIVがSiで、AがLiである本発明の蛍光体:(CeyCa1-y-zAlSiN3)1-x’(LiSi2N3)x’を合成する場合は、窒化セリウム、窒化カルシウム、窒化リチウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム粉末の混合物を出発原料とするのがよい。
【0224】
原料混合物の焼成に当って、原料化合物を保持する容器としては種々の耐熱性材料が使用しうるが、本発明に使用する金属窒化物に対する材質劣化の悪影響が低いことから、学術雑誌Journal of the American Ceramic Society 2002年85巻5号1229ページないし1234ページに記載の、α−サイアロンの合成に使用された窒化ホウ素をコートしたグラファイトるつぼに示されるように、窒化ホウ素焼結体が適している。
【0225】
焼成に用いる炉は、焼成温度が高温であり、また焼成雰囲気が窒素を含有する不活性雰囲気であることから、金属抵抗加熱方式又は黒鉛抵抗加熱方式で、炉の高温部の材料として炭素を用いた電気炉が好適である。焼成の手法は、常圧焼結法やガス圧焼結法などの外部から機械的な加圧を施さない焼結手法が好ましい。
【0226】
なお、焼成時間は焼成温度によっても異なるが、通常1〜10時間程度である。
【0227】
焼成により得られた粉体凝集体が固く固着している場合は、例えばボールミル、ジェットミル等の工業的に通常用いられる粉砕機により粉砕する。粉砕は、粉体の平均粒径が20μm以下、特に平均粒径0.1μm以上5μm以下となるように行うことが好ましい。平均粒径が20μmを超える粉体では、流動性と樹脂への分散性が悪くなり、発光光源又は励起源と組み合わせて照明器具や画像表示装置を形成する際に、部位により発光強度が不均一になる。平均粒径が0.1μm未満になるまで粉砕すると、蛍光体粉体表面の欠陥量が多くなるため、蛍光体の組成によっては発光強度が低下する。
【0228】
また、蛍光体を構成する金属元素を少なくとも2種類以上含有する合金、好ましくは蛍光体を構成する金属元素を全て含有する合金を作成し、得られた合金を窒素含有雰囲気中、加圧下で加熱処理することにより、製造することができる。また、蛍光体を構成する金属元素の一部を含有する合金を作成し、得られた合金を窒素含有雰囲気中、加圧下で加熱処理した後、更に蛍光体を構成する残りの金属元素源となる原料化合物と混合して、加熱処理することにより、製造することもできる。このように合金を経て製造された蛍光体は、不純物が少なく、輝度が高い蛍光体となる。
【0229】
得られた蛍光体は必要に応じて公知の表面処理、例えば燐酸カルシウム処理を行ってから樹脂中に分散することが好ましい。
【0230】
以下、本発明の蛍光体の用途について、説明する。
[蛍光体混合物及び蛍光体含有組成物]
本発明の蛍光体を発光装置等の用途に使用する場合には、これを液体媒体中に分散させた形態で用いることが好ましい。また、本発明の蛍光体を含有する蛍光体混合物として用いることもできる。本発明の蛍光体を液体媒体中に分散させたものを、適宜「蛍光体含有組成物」と呼ぶものとする。
【0231】
本発明の蛍光体含有組成物に使用可能な液体媒体としては、所望の使用条件下において液状の性質を示し、本発明の蛍光体を好適に分散させると共に、好ましくない反応等を生じないものであれば、任意のものを目的等に応じて選択することが可能である。液体媒体の例としては、硬化前の付加反応型シリコーン樹脂、縮合反応型シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリビニル系樹脂、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリエステル系樹脂等が挙げられる。これらの液体媒体は一種を単独で使用してもよく、二種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
【0232】
液状媒体の使用量は、用途等に応じて適宜調整すればよいが、一般的には、本発明の蛍光体に対する液状媒体の重量比で、通常3重量%以上、好ましくは5重量%以上、また、通常30重量%以下、好ましくは15重量%以下の範囲である。
【0233】
また、本発明の蛍光体含有組成物は、本発明の蛍光体及び液状媒体に加え、その用途等に応じて、その他の任意の成分を含有していてもよい。その他の成分としては、拡散剤、増粘剤、増量剤、干渉剤等が挙げられる。具体的には、アエロジル等のシリカ系微粉、アルミナ等が挙げられる。
【0234】
[発光装置]
次に、本発明の発光装置について説明する。本発明の発光装置は、第1の発光体と、第1の発光体からの光の照射によって可視光を発する第2の発光体とを、少なくとも備えて構成される。
【0235】
本発明の発光装置における第1の発光体は、後述する第2の発光体を励起する光を発光するものである。第1の発光体の発光波長は、後述する第2の発光体の吸収波長と重複するものであれば、特に制限されず、幅広い発光波長領域の発光体を使用することができる。通常は、近紫外領域から青色領域までの発光波長を有する発光体が使用される。具体的数値としては、通常300nm以上、好ましくは330nm以上、また、通常500nm以下の発光波長を有する発光体が使用される。中でも330nm〜420nmの波長の光を発する紫外(又は紫)発光体や420nm〜500nmの波長の光を発する青色発光体が好ましい。
【0236】
この第1の発光体としては、一般的には半導体発光素子が用いられ、具体的には発光ダイオード(light emitting diode。以下適宜「LED」と略称する。)や半導体レーザーダイオード(semiconductor laser diode。以下適宜「LD」と略称する。)等が使用できる。
【0237】
中でも、第1の発光体としては、GaN系化合物半導体を使用したGaN系LEDやLDが好ましい。なぜなら、GaN系LEDやLDは、この領域の光を発するSiC系LED等に比し、発光出力や外部量子効率が格段に大きく、前記蛍光体と組み合わせることによって、非常に低電力で非常に明るい発光が得られるからである。例えば、20mAの電流負荷に対し、通常GaN系LEDやLDはSiC系の100倍以上の発光強度を有する。GaN系LEDやLDにおいては、AlXGaYN発光層、GaN発光層、又はInXGaYN発光層を有しているものが好ましい。GaN系LEDにおいては、それらの中でInXGaYN発光層を有するものが発光強度が非常に強いので、特に好ましく、GaN系LDにおいては、InXGaYN層とGaN層の多重量子井戸構造のものが発光強度が非常に強いので、特に好ましい。
【0238】
なお、上記においてX+Yの値は通常0.8〜1.2の範囲の値である。GaN系LEDにおいて、これら発光層にZnやSiをドープしたものやドーパント無しのものが発光特性を調節する上で好ましいものである。
【0239】
GaN系LEDはこれら発光層、p層、n層、電極、及び基板を基本構成要素としたものであり、発光層をn型とp型のAlXGaYN層、GaN層、又はInXGaYN層などでサンドイッチにしたヘテロ構造を有しているものが、発光効率が高く好ましく、さらにヘテロ構造を量子井戸構造にしたものが、発光効率がさらに高く、より好ましい。
【0240】
本発明の発光装置における第2の発光体は、上述した本発明の蛍光体を1種又は2種以上含有するものであり、第1の発光体からの光の照射によって可視光を発する発光体である。その用途等に応じて、所望の発光色を得るために、適宜、後述するその他の蛍光体(赤色蛍光体、黄色蛍光体、緑色蛍光体、青色蛍光体等)を1種又は2種以上含有してもよい。
【0241】
本発明の発光装置の一例として、330nm〜420nmの波長の光を発する紫外LEDと、この波長で励起され420nm〜500nmの波長に発光ピークを持つ蛍光を発光する青色蛍光体と、500nm〜570nmの波長に発光ピークを持つ蛍光を発光する緑色蛍光体と、上述した本発明の蛍光体との組み合わせがある。この場合の青色蛍光体としてはBaMgAl10O17:Euを、緑色蛍光体としてはBaMgAl10O17:Eu、Mnを挙げることができる。この構成では、LEDが発する紫外線が蛍光体に照射されると、赤、緑、青の3色の光が発せられ、これらの混合により白色の発光装置となる。
【0242】
別の手法として、420nm〜500nmの波長の光を発する青色LEDと、この波長で励起されて550nm〜600nmの波長に発光ピークを持つ蛍光を発光する黄色蛍光体と、上述した本発明の蛍光体との組み合わせがある。この場合の黄色蛍光体としては、前記特許文献9に記載の(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ceや前記特許文献1に記載のα−サイアロン:Euを挙げることができる。なかでもEuを固溶させたCa−α−サイアロンは発光輝度が高いので好ましい。この構成では、LEDが発する青色光が蛍光体に照射されると、赤、黄の2色の光が発せられ、これらとLED自身の青色光が混合されて白色又は赤みがかった電球色の発光装置となる。
【0243】
別の手法として、420nm〜500nmの波長の光を発する青色LED発光素子とこの波長で励起されて500nm〜570nm以下の波長に発光ピークを持つ蛍光を発する緑色蛍光体と、上述した本発明の蛍光体との組み合わせがある。この場合の緑色蛍光体としては、Y3Al5O12:Ceを挙げることができる。この構成では、LEDが発する青色光が蛍光体に照射されると、赤、緑の2色の光が発せられ、これらとLED自身の青色光が混合されて白色の発光装置となる。
【0244】
さらに、別の手法として、
420nm〜500nmの波長の光を発する青色LED発光素子と上述した本発明の蛍光体との組み合わせがある。この構成では、LEDが発する青色光が蛍光体に照射されると、本発明の蛍光体の発光色とLED自身の青色光が混合されて白色の発光装置となる。
【0245】
(その他の蛍光体)
本発明の発光装置においては、その他の蛍光体として以下のものを使用することができる。
【0246】
赤色蛍光体としては、例えば、赤色破断面を有する破断粒子から構成され、赤色領域の発光を行なう(Mg,Ca,Sr,Ba)2Si5N8:Euで表わされるユウロピウム付活アルカリ土類シリコンナイトライド系蛍光体、規則的な結晶成長形状としてほぼ球形状を有する成長粒子から構成され、赤色領域の発光を行なう(Y,La,Gd,Lu)2O2S:Euで表わされるユウロピウム付活希土類オキシカルコゲナイド系蛍光体等が挙げられる。
【0247】
さらに、特開2004−300247号公報に記載された、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、W、及びMoよりなる群から選ばれる少なくも1種の元素を含有する酸窒化物及び/又は酸硫化物を含有する蛍光体であって、Al元素の一部又は全てがGa元素で置換されたアルファサイアロン構造をもつ酸窒化物を含有する蛍光体も、本実施形態において用いることができる。なお、これらは酸窒化物及び/又は酸硫化物を含有する蛍光体である。
【0248】
また、そのほか、赤色蛍光体としては、(La,Y)2O2S:Eu等のEu付活酸硫化物蛍光体、Y(V,P)O4:Eu、Y2O3:Eu等のEu付活酸化物蛍光体、(Ba,Sr,Ca,Mg)2SiO4:Eu,Mn、(Ba,Mg)2SiO4:Eu,Mn等のEu,Mn付活珪酸塩蛍光体、(Ca,Sr)S:Eu等のEu付活硫化物蛍光体、YAlO3:Eu等のEu付活アルミン酸塩蛍光体、LiY9(SiO4)6O2:Eu、Ca2Y8(SiO4)6O2:Eu、(Sr,Ba,Ca)3SiO5:Eu、Sr2BaSiO5:Eu等のEu付活珪酸塩蛍光体、(Y,Gd)3Al5O12:Ce、(Tb,Gd)3Al5O12:Ce等のCe付活アルミン酸塩蛍光体、(Ca,Sr,Ba)2Si5N8:Eu、(Mg,Ca,Sr,Ba)SiN2:Eu、(Mg,Ca,Sr,Ba)AlSiN3:Eu等のEu付活窒化物蛍光体、(Mg,Ca,Sr,Ba)AlSiN3:Ce等のCe付活窒化物蛍光体、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO4)6Cl2:Eu,Mn等のEu,Mn付活ハロリン酸塩蛍光体、(Ba3Mg)Si2O8:Eu,Mn、(Ba,Sr,Ca,Mg)3(Zn,Mg)Si2O8:Eu,Mn等のEu,Mn付活珪酸塩蛍光体、3.5MgO・0.5MgF2・GeO2:Mn等のMn付活ゲルマン酸塩蛍光体、Eu付活αサイアロン等のEu付活酸窒化物蛍光体、(Gd,Y,Lu,La)2O3:Eu,Bi等のEu,Bi付活酸化物蛍光体、(Gd,Y,Lu,La)2O2S:Eu,Bi等のEu,Bi付活酸硫化物蛍光体、(Gd,Y,Lu,La)VO4:Eu,Bi等のEu,Bi付活バナジン酸塩蛍光体、SrY2S4:Eu,Ce等のEu,Ce付活硫化物蛍光体、CaLa2S4:Ce等のCe付活硫化物蛍光体、(Ba,Sr,Ca)MgP2O7:Eu,Mn、(Sr,Ca,Ba,Mg,Zn)2P2O7:Eu,Mn等のEu,Mn付活リン酸塩蛍光体、(Y,Lu)2WO6:Eu,Mo等のEu,Mo付活タングステン酸塩蛍光体、(Ba,Sr,Ca)xSiyNz:Eu,Ce(但し、x、y、zは、1以上の整数)等のEu,Ce付活窒化物蛍光体、(Ca,Sr,Ba,Mg)10(PO4)6(F,Cl,Br,OH):Eu,Mn等のEu,Mn付活ハロリン酸塩蛍光体、((Y,Lu,Gd,Tb)1−xScxCey)2(Ca,Mg)1−r(Mg,Zn)2+rSiz−qGeqO12+δ等のCe付活珪酸塩蛍光体等を用いることも可能である。
【0249】
赤色蛍光体としては、β−ジケトネート、β−ジケトン、芳香族カルボン酸、又は、ブレンステッド酸等のアニオンを配位子とする希土類元素イオン錯体からなる赤色有機蛍光体、ペリレン系顔料(例えば、ジベンゾ{[f,f’]−4,4’,7,7’−テトラフェニル}ジインデノ[1,2,3−cd:1’,2’,3’−lm]ペリレン)、アントラキノン系顔料、レーキ系顔料、アゾ系顔料、キナクリドン系顔料、アントラセン系顔料、イソインドリン系顔料、イソインドリノン系顔料、フタロシアニン系顔料、トリフェニルメタン系塩基性染料、インダンスロン系顔料、インドフェノール系顔料、シアニン系顔料、ジオキサジン系顔料を用いることも可能である。
【0250】
また、赤色蛍光体のうち、ピーク波長が580nm以上、好ましくは590nm以上、また、620nm以下、好ましくは610nm以下の範囲内にあるものは、橙色蛍光体として好適に用いることができる。このような橙色蛍光体の例としては、(Sr,Ba)3SiO5:Eu、(Sr,Mg)3(PO4)2:Sn2+、SrCaAlSiN3:Eu等が挙げられる。
【0251】
緑色蛍光体としては、例えば、破断面を有する破断粒子から構成され、緑色領域の発光を行なう(Mg,Ca,Sr,Ba)Si2O2N2:Euで表わされるユウロピウム付活アルカリ土類シリコンオキシナイトライド系蛍光体、破断面を有する破断粒子から構成され、緑色領域の発光を行なう(Ba,Ca,Sr,Mg)2SiO4:Euで表わされるユウロピウム付活アルカリ土類シリケート系蛍光体等が挙げられる。
【0252】
また、そのほか、緑色蛍光体としては、Sr4Al14O25:Eu、(Ba,Sr,Ca)Al2O4:Eu等のEu付活アルミン酸塩蛍光体、(Sr,Ba)Al2Si2O8:Eu、(Ba,Mg)2SiO4:Eu、(Ba,Sr,Ca,Mg)2SiO4:Eu、(Ba,Sr,Ca)2(Mg,Zn)Si2O7:Eu等のEu付活珪酸塩蛍光体、Y2SiO5:Ce,Tb等のCe,Tb付活珪酸塩蛍光体、Sr2P2O7−Sr2B2O5:Eu等のEu付活硼酸リン酸塩蛍光体、Sr2Si3O8−2SrCl2:Eu等のEu付活ハロ珪酸塩蛍光体、Zn2SiO4:Mn等のMn付活珪酸塩蛍光体、CeMgAl11O19:Tb、Y3Al5O12:Tb等のTb付活アルミン酸塩蛍光体、Ca2Y8(SiO4)6O2:Tb、La3Ga5SiO14:Tb等のTb付活珪酸塩蛍光体、(Sr,Ba,Ca)Ga2S4:Eu,Tb,Sm等のEu,Tb,Sm付活チオガレート蛍光体、Y3(Al,Ga)5O12:Ce、(Y,Ga,Tb,La,Sm,Pr,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce等のCe付活アルミン酸塩蛍光体、Ca3Sc2Si3O12:Ce、Ca3(Sc,Mg,Na,Li)2Si3O12:Ce等のCe付活珪酸塩蛍光体、CaSc2O4:Ce等のCe付活酸化物蛍光体、SrSi2O2N2:Eu、(Sr,Ba,Ca)Si2O2N2:Eu、Eu付活βサイアロン、Eu付活αサイアロン等のEu付活酸窒化物蛍光体、BaMgAl10O17:Eu,Mn等のEu,Mn付活アルミン酸塩蛍光体、SrAl2O4:Eu等のEu付活アルミン酸塩蛍光体、(La,Gd,Y)2O2S:Tb等のTb付活酸硫化物蛍光体、LaPO4:Ce,Tb等のCe,Tb付活リン酸塩蛍光体、ZnS:Cu,Al、ZnS:Cu,Au,Al等の硫化物蛍光体、(Y,Ga,Lu,Sc,La)BO3:Ce,Tb、Na2Gd2B2O7:Ce,Tb、(Ba,Sr)2(Ca,Mg,Zn)B2O6:K,Ce,Tb等のCe,Tb付活硼酸塩蛍光体、Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu,Mn等のEu,Mn付活ハロ珪酸塩蛍光体、(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga,In)2S4:Eu等のEu付活チオアルミネート蛍光体やチオガレート蛍光体、(Ca,Sr)8(Mg,Zn)(SiO4)4Cl2:Eu,Mn等のEu,Mn付活ハロ珪酸塩蛍光体等を用いることも可能である。
【0253】
また、緑色蛍光体としては、ピリジン−フタルイミド縮合誘導体、ベンゾオキサジノン系、キナゾリノン系、クマリン系、キノフタロン系、ナルタル酸イミド系等の蛍光色素、テルビウム錯体、例えばヘキシルサリチレートを配位子として有するテルビウム錯体等の有機蛍光体を用いることも可能である。
【0254】
青色蛍光体としては、例えば、規則的な結晶成長形状としてほぼ六角形状を有する成長粒子から構成され、青色領域の発光を行なうBaMgAl10O17:Euで表わされるユウロピウム付活バリウムマグネシウムアルミネート系蛍光体、規則的な結晶成長形状としてほぼ球形状を有する成長粒子から構成され、青色領域の発光を行なう(Ca,Sr,Ba)5(PO4)3Cl:Euで表わされるユウロピウム付活ハロリン酸カルシウム系蛍光体、規則的な結晶成長形状としてほぼ立方体形状を有する成長粒子から構成され、青色領域の発光を行なう(Ca,Sr,Ba)2B5O9Cl:Euで表わされるユウロピウム付活アルカリ土類クロロボレート系蛍光体、破断面を有する破断粒子から構成され、青緑色領域の発光を行なう(Sr,Ca,Ba)Al2O4:Eu又は(Sr,Ca,Ba)4Al14O25:Euで表わされるユウロピウム付活アルカリ土類アルミネート系蛍光体等が挙げられる。
【0255】
また、そのほか、青色蛍光体としては、Sr2P2O7:Sn等のSn付活リン酸塩蛍光体、Sr4Al14O25:Eu、BaMgAl10O17:Eu、BaAl8O13:Eu等のEu付活アルミン酸塩蛍光体、SrGa2S4:Ce、CaGa2S4:Ce等のCe付活チオガレート蛍光体、(Ba,Sr,Ca)MgAl10O17:Eu、BaMgAl10O17:Eu,Tb,Sm等のEu付活アルミン酸塩蛍光体、(Ba,Sr,Ca)MgAl10O17:Eu,Mn等のEu,Mn付活アルミン酸塩蛍光体、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO4)6Cl2:Eu、(Ba,Sr,Ca)5(PO4)3(Cl,F,Br,OH):Eu,Mn,Sb等のEu付活ハロリン酸塩蛍光体、BaAl2Si2O8:Eu、(Sr,Ba)3MgSi2O8:Eu等のEu付活珪酸塩蛍光体、Sr2P2O7:Eu等のEu付活リン酸塩蛍光体、ZnS:Ag、ZnS:Ag,Al等の硫化物蛍光体、Y2SiO5:Ce等のCe付活珪酸塩蛍光体、CaWO4等のタングステン酸塩蛍光体、(Ba,Sr,Ca)BPO5:Eu,Mn、(Sr,Ca)10(PO4)6・nB2O3:Eu、2SrO・0.84P2O5・0.16B2O3:Eu等のEu,Mn付活硼酸リン酸塩蛍光体、Sr2Si3O8・2SrCl2:Eu等のEu付活ハロ珪酸塩蛍光体等を用いることも可能である。
【0256】
また、青色蛍光体としては、例えば、ナフタル酸イミド系、ベンゾオキサゾール系、スチリル系、クマリン系、ピラリゾン系、トリアゾール系化合物の蛍光色素、ツリウム錯体等の有機蛍光体等を用いることも可能である。
【0257】
なお、上記その他の蛍光体は1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
これらの蛍光体粒子の平均粒径は特に限定されないが、通常100nm以上、好ましくは2μm以上、特に好ましくは5μm以上、また、通常100μm以下、好ましくは50μm以下、特に好ましくは20μm以下である。
【0258】
図3に、本発明の照明器具の実施の形態の一例である照明装置としての白色発光装置の概略構造図を示す。
1は蛍光体であり、例えば、本発明の蛍光体と青色蛍光体と緑色蛍光体の混合物、本発明の蛍光体と緑色蛍光体の混合物、或いは本発明の蛍光体と黄色蛍光体との混合物である。図3の照明器具は、この蛍光体1を分散させた樹脂層6で、容器7内に配置された発光光源としてのLED2を被覆した構造とされている。LED2は導電性端子3上に直接接続され、また、導電性端子4とワイヤーボンド5で接続されている。
導電性端子3,4に電流を流すと、LED2は所定の光を発し、この光で蛍光体1が励起されて蛍光を発し、LEDの光と蛍光、或いは蛍光同士が混合されて白色〜電球色の光を発する照明装置として機能する。
【0259】
[画像表示装置]
本発明の画像表示装置は少なくも励起源と本発明の蛍光体で構成される。好ましくは、さらにカラーフィルターを構成要素として有していることが好ましい。画像表示装置としては、蛍光表示管(VFD)、フィールドエミッションディスプレイ(FED)、プラズマディスプレイパネル(PDP)、陰極線管(CRT)などがある。
【0260】
本発明の蛍光体は、波長100nm〜190nmの真空紫外線、波長190nm〜380nmの紫外線、電子線などの励起で発光することが確認されており、これらの励起源と本発明の蛍光体との組み合わせで、上記のような画像表示装置を構成することができる。
【0261】
図4に、本発明の画像表示装置の実施の形態である画像表示装置としてのPDPの概略構成図を示す。このPDPでは、本発明の蛍光体8と緑色蛍光体9及び青色蛍光体10がそれぞれのセル11、12、13の内面に塗布されている。電極14、15、16と電極17との間に通電すると、セル11、12、13中でXe放電により真空紫外線が発生し、これにより各蛍光体8〜10が励起されて、赤、緑、青の可視光を発し、この光が保護層20、誘電体層19、ガラス基板22を介して外側から観察され、画像表示として機能する。18,21はそれぞれ背面側の誘電体層、ガラス基板である。
【0262】
[顔料]
特定の化学組成を有する無機化合物結晶相よりなる本発明の蛍光体は、赤色の物体色を持つことから赤色顔料又は赤色蛍光顔料として使用することができる。すなわち、本発明の蛍光体に太陽光や蛍光灯などの照明を照射すると赤色の物体色が観察されるが、その発色がよいこと、そして長期間に渡り劣化しないことから、本発明の蛍光体は赤色無機顔料に好適である。このため、塗料、インキ、絵の具、釉薬、プラスチック製品に添加する着色剤などに用いると長期間に亘って良好な発色を高く維持することができる。
【0263】
[紫外線吸収剤]
本発明の窒化物蛍光体は、紫外線を吸収するため紫外線吸収剤としても好適である。このため、塗料として用いたり、プラスチック製品の表面に塗布したり内部に練り込んだりすると、紫外線の遮断効果が高く、製品を紫外線劣化から効果的に保護することができる。
【実施例】
【0264】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例により何ら限定されるものではない。
【0265】
[結晶相[11]を含む蛍光体の実施例と比較例]
以下の実施例及び比較例では、原料粉末として次のものを用いた。
・平均粒径0.5μm、酸素含有量0.93重量%、α型含有量92%の窒化ケイ素(Si3N4)粉末
・比表面積3.3m2/g、酸素含有量0.79重量%の窒化アルミニウム(AlN)粉末
・窒化カルシウム(Ca3N2)粉末
・アルミナ(Al2O3)粉末
・金属ユーロピウムをアンモニア中で窒化して合成した窒化ユーロピウム(EuN)粉末
・二酸化ケイ素(SiO2)粉末
・酸化ユーロピウム(Eu2O3)粉末
【0266】
実施例I−1〜11、比較例I−1〜5
表6に示す理論組成式の化合物を得るべく、表6に示す原料粉末をそれぞれ表6に示す重量(g)だけ秤量し、メノウ乳棒と乳鉢で10分間混合後、得られた混合物を窒化ホウ素製のるつぼに充填した(体積充填率38%)。なお、粉末の秤量、混合の各工程は全て、水分1ppm以下、酸素1ppm以下の窒素雰囲気を保持することができるグローブボックス中で操作を行った。
【0267】
この混合粉末を窒化ホウ素製のるつぼに入れて黒鉛抵抗加熱方式の電気炉にセットした。焼成の操作は、まず、拡散ポンプにより焼成雰囲気を真空とし、室温から800℃まで毎時500℃の速度で昇温し、800℃において純度が99.999体積%の窒素を導入して圧力を0.5MPaとし、毎時500℃で表3に示す焼成温度まで毎時500℃で昇温し、表3に示す焼成温度で2時間保持して行った。焼成後、得られた焼成体を粗粉砕の後、窒化ケイ素焼結体製のるつぼと乳鉢を用いて手で粉砕して蛍光体粉末を得た。
【0268】
焼成によって得られる物質の理論化学式は表6に示す通りであり、それぞれの仕込み原料に対して、前記一般式[11]におけるx値とy値がそれぞれに変化したEuy(1-x)Ca(1-y)(1-x)Al1-xSi1+xN3-xOxなる物質が得られた。
【0269】
なお、得られた物質の組成分析は以下のようにして行った。
まず、試料50mgを白金るつぼに入れて、炭酸ナトリウム0.5gとホウ酸0.2gを添加して加熱融解した後に、塩酸2mlに溶かして100mlの定容として測定用溶液を作製した。この液体試料をICP発光分光分析することにより、粉体試料中の、Si、Al、Eu、Ca量を定量した。また、試料20mgをスズカプセルに投入し、これをニッケルバスケットに入れたものを、LECO社製TC−436型酸素窒素分析計を用いて、粉体試料中の酸素と窒素を定量した。
【0270】
【表6】
【0271】
各蛍光体のXRDパターンにおける各ピークの指数付けの結果は、前掲の表2に示す通りである。表2より、格子定数のシフトがおこるとして面指数から求められる2θの計算値と実測値とがほぼ一致すること;結晶の空間群Cmc21、斜方晶の状態が維持されていること;CaAlSiN3構造の固溶体が形成されていること;がわかる。
【0272】
上記実施例で得られた蛍光体は、蛍光体に含まれるアルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されている、或いは、蛍光体に含まれる希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されているものである。
また、比較例で得られた蛍光体は、蛍光体に含まれるアルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されていない、或いは、蛍光体に含まれる希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されていないものである。
なお、x=0(比較例I−2)、x=0.11(実施例I−3)、x=0.33(実施例I−2)の蛍光体の465nm励起下発光スペクトルは図2に示す通りである。
【0273】
各蛍光体に波長465nmの光を発するランプで励起したときの発光スペクトルを蛍光分光光度計で測定し、発光ピーク波長と、比較例3の蛍光体の発光輝度を100としたときの相対輝度を求め、結果を表7に示した。
【0274】
また、実施例I−6,9及び比較例I−3の蛍光体については、波長465nmでの励起強度(発光スペクトルのピーク値)に対する緑色光の波長535nmでの励起強度(発光スペクトルのピーク値)の比を求め、結果を表7に併記した。
【0275】
【表7】
【0276】
これらの結果から、1800℃、1900℃、2000℃のいずれの焼成温度においても、また、付活元素源がEuN、Eu2O3いずれの場合でも、また、酸素源がAl2O3、SiO2いずれの場合でも、Si2N2Oを固溶させたものの方が赤色光のピーク波長が顕著にシフトし、また相対輝度が高くなっていることがわかる。
【0277】
また、2000℃での焼成体である実施例I−6,9及び比較例I−3について、励起スペクトルを比較したところ、青色LEDの波長465nmでの励起強度に対する緑色光の波長535nmでの励起強度の比は、Si2N2Oを33%(x=0.33)固溶させた方が非固溶系に比べて低くなっており、青色LED/緑色蛍光体/赤色蛍光体からなる白色光デバイスにおいて、本固溶系が緑色蛍光体からの緑色光を励起しにくい、すなわち、損失させにくい蛍光体となっていることが確認された。
【0278】
実施例I−12〜22
次に、Si2N2Oの代わりに一般式Si(3n+2)/4NnOを用いた場合についての実施例I−12〜22を示す。
実施例I−12〜22では、(Eu0.008/(1-x)Ca(1-0.008/(1-x))AlSiN3)1-x(Si(3n+2)/4NnO)xにおいてn及びxが異なる蛍光体を、実施例I−1と同様の製造方法により、製造した。試験方法も実施例I−1と同様に行った。
得られた各蛍光体を波長465nmの光を発するランプで励起したときの発光スペクトルを蛍光分光光度計で測定した。発光ピーク波長と、比較例I−3の蛍光体の発光輝度を100としたときの相対輝度を求め、結果を表8に示した。
なお、表8には実施例I−9と比較例I−3、5の値も併記した。
【0279】
上記実施例で得られた蛍光体は、蛍光体に含まれるアルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されている、或いは、蛍光体に含まれる希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されているものである。
【0280】
【表8】
【0281】
図7に、実施例I−12〜18で得られた蛍光体のX線回折結果(XRDパターン)を示す。
これらの結果より、n=0、0.5、1、1.5、2、3及び4の組成から得られた蛍光体は同一の結晶構造を有することがわかる。
図8に、実施例I−12〜18で得られた蛍光体の発光スペクトルを示す。
これらの実施例ではすべてx=0.11、y=0.008と一定の値である。
図8から、nが増加するにつれピーク波長が短波長側に移動し、半値幅が増大していることがわかる。
図9にn=2及び1の場合にxをそれぞれ0.11、0.18、0.33と変化させた蛍光体を波長465nmの光で励起したときの発光スペクトルを示す(実施例I−9、14及び19〜22)。参考のためx=0(比較例I−3及び5)の場合も図9中に示した。xの増加に伴いピーク波長が短波長側に移動し、半値幅が増大していることがわかる。nについてはn=1よりn=2の効果が大きいことがわかる。
【0282】
[結晶相[21]を含む蛍光体の実施例と比較例]
以下の実施例及び比較例では、原料粉末として次のものを用いた。
・平均粒径0.5μm、酸素含有量0.93重量%、α型含有量92%の窒化ケイ素(Si3N4)粉末
・比表面積3.3m2/g、酸素含有量0.79重量%の窒化アルミニウム(AlN)粉末
・窒化カルシウム(Ca3N2)粉末
・アルミナ(Al2O3)粉末
・金属ユーロピウムをアンモニア中で窒化して合成した窒化ユーロピウム(EuN)粉末
・酸化セリウム(CeO2)粉末
【0283】
実施例II−1〜10、比較例II−1〜3
表9に示す理論組成式の物質を得るべく、表9に示す原料粉末をそれぞれ表9に示す仕込み重量(g)だけ秤量し、メノウ乳棒と乳鉢で10分間混合後、得られた混合物を、内径20mm、内側高さ20mmの窒化ホウ素製のるつぼに充填した。なお、粉末の秤量、混合の各工程は全て、水分1ppm以下、酸素1ppm以下の窒素雰囲気を保持することができるグローブボックス中で操作を行った。
【0284】
この混合粉末を窒化ホウ素製のるつぼに入れて黒鉛抵抗加熱方式の電気炉にセットした。焼成の操作は、まず、拡散ポンプにより焼成雰囲気を真空とし、室温から800℃まで毎時500℃の速度で昇温し、800℃において、純度が99.999体積%の窒素を導入して圧力を0.5MPaとし、毎時500℃で1800℃まで昇温し、1800℃で2時間保持して行った。焼成後、得られた焼成体を粗粉砕の後、窒化ケイ素焼結体製のるつぼと乳鉢を用いて手で粉砕して蛍光体粉末を得た。
【0285】
焼成によって得られる物質の理論組成式は表9に示す通りであり、それぞれの仕込み原料に対して、前記一般式[21]において、n=2であり、x、y(1−x)、z(1−x)値が表10に示す如くそれぞれに変化した物質が得られた。
【0286】
なお、得られた物質の組成分析は以下のようにして行った。
まず、試料50mgを白金るつぼに入れて、炭酸ナトリウム0.5gとホウ酸0.2gを添加して加熱融解した後に、塩酸2mlに溶かして100mlの定容として測定用溶液を作製した。この液体試料をICP発光分光分析することにより、粉体試料中の、Si、Al、Eu、Ce、Ca量を定量した。また、試料20mgをスズカプセルに投入し、これをニッケルバスケットに入れたものを、LECO社製TC−436型酸素窒素分析計を用いて、粉体試料中の酸素と窒素を定量した。
【0287】
【表9】
【0288】
図11に、実施例II−1,5,8,10及び比較例II−1の蛍光体のX線回折の結果を示す。図11より、結晶の空間群Cmc21、斜方晶の状態が維持されていることがわかる。
【0289】
上記実施例II−1〜4、6、9、10で得られた蛍光体は、蛍光体に含まれるアルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されている、或いは、蛍光体に含まれる希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されているものである。
上記実施例II−5、7及び8得られた蛍光体は、蛍光体に含まれるアルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されていない、或いは、蛍光体に含まれる希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されていないものである。
また、比較例で得られた蛍光体は、蛍光体に含まれるアルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されておらず、蛍光体に含まれる希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されてもいないものである。
【0290】
また、得られた蛍光体に波長465nmの光を発するランプで励起したときの発光スペクトルを蛍光分光光度計で測定した。発光ピーク波長と、比較例II−1の蛍光体の発光輝度を100としたときの相対輝度を求め、結果を表10に示した。なお、図10に実施例II−1、5、8、10及び比較例II−1で得られた蛍光体を波長465nmの光で励起したときの発光スペクトルを示す。
【0291】
また、波長465nmでの励起強度(発光スペクトルのピーク値)に対する緑色光の波長535nmでの励起強度(発光スペクトルのピーク値)の比を求め、結果を表10に併記した。
【0292】
【表10】
【0293】
以上の結果から次のことが分かる。
付活剤がCe単独である実施例II−5とEu単独である比較例II−1とを比較すると、EuがCeに換わったことにより発光波長ピークが短波長にシフトした。また、CeとEu両者を添加した実施例II−8ではほぼ両者の中間の波長範囲の発光が見られる。更に視点を変え、実施例II−3、4より、CaAlSiN3にSi2N2Oを固溶させた母体結晶に付活剤としてCeを添加すると赤色光のピーク波長が576nmから587nmの橙色光へと顕著にシフトし、また相対輝度も高くなっていることがわかる。一方、実施例II−10に示すように、この系にさらにEuを添加すると、波長変化の程度は小さくなる。
【0294】
本発明になる蛍光体で励起スペクトルを比較したところ、青色LEDの波長465nmでの励起強度に対する緑色光の波長535nmでの励起強度の比は、輝度が低すぎる比較例II−2とII−3を除いて、Ce含有系の方(実施例II−1〜10)がCe非含有、Eu単独系(比較例II−1)に比べて低くなっており、青色LED/緑色蛍光体/赤色蛍光体からなる白色光デバイスにおいて、本系が緑色蛍光体からの緑色光を励起しづらい、即ち、損失させにくい蛍光体となっていることがわかる。
【0295】
[結晶相[31]を含む蛍光体の実施例と比較例]
以下の実施例及び比較例では、原料粉末として次のものを用いた。
・平均粒径0.5μm、酸素含有量0.93重量%、α型含有量92%の窒化ケイ素(Si3N4)粉末
・比表面積3.3m2/g、酸素含有量0.79重量%の窒化アルミニウム(AlN)粉末
・窒化カルシウム(Ca3N2)粉末
・窒化リチウム(Li3N)粉末
・金属ユーロピウムをアンモニア中で窒化して合成した窒化ユーロピウム(EuN)粉末
【0296】
実施例III−1〜4、比較例III−1
表11に示す理論組成式の物質を得るべく、表11に示す原料粉末をそれぞれ表11に示す仕込み重量(g)だけ秤量し、メノウ乳棒と乳鉢で10分間混合後、得られた混合物を、窒化ホウ素製のるつぼに充填した。なお、粉末の秤量、混合の各工程は全て、水分1ppm以下、酸素1ppm以下の窒素雰囲気を保持することができるグローブボックス中で操作を行った。
【0297】
この混合粉末を入れた窒化ホウ素製るつぼを黒鉛抵抗加熱方式の電気炉にセットした。焼成の操作は、まず、拡散ポンプにより焼成雰囲気を真空とし、室温から800℃まで毎時500℃の速度で昇温し、800℃において、純度が99.999体積%の窒素を導入して圧力を0.5MPaとし、毎時500℃で最高温度1800℃まで昇温し、この最高温度で2時間保持(この最高温度での保持時間を焼成時間とする。)して行った。焼成後、得られた焼成体を粗粉砕の後、窒化ケイ素焼結体製のるつぼと乳鉢を用いて手で粉砕した。
【0298】
焼成によって得られる物質の理論組成式は表11に示す通りであり、それぞれの仕込み原料に対して、前記一般式[31]において、x’、y(1−x’)値が表12に示す如くそれぞれに変化した物質が得られた。
【0299】
なお、得られた物質の組成分析は以下のようにして行った。
まず、試料50mgを白金るつぼに入れて、炭酸ナトリウム0.5gとホウ酸0.2gを添加して加熱融解した後に、塩酸2mlに溶かして100mlの定容として測定用溶液を作製した。この液体試料をICP発光分光分析することにより、粉体試料中の、Si、Al、Eu、Ce、Ca量を定量した。また、試料20mgをスズカプセルに投入し、これをニッケルバスケットに入れたものを、LECO社製TC−436型酸素窒素分析計を用いて、粉体試料中の酸素と窒素を定量した。
【0300】
得られた蛍光体に波長465nmの光を発するランプで励起したときの発光スペクトルを蛍光分光光度計で測定した。発光ピーク波長と、比較例III−1の蛍光体の発光輝度を100としたときの相対輝度と相対発光積分強度を求め、結果を表12に示した。なお、図12に実施例III−1〜4及び比較例III−1で得られた蛍光体を波長465nmの光で励起したときの発光スペクトルを示す。
【0301】
また、波長465nmでの励起強度(発光スペクトルのピーク値)に対する緑色光の波長535nmでの励起強度(発光スペクトルのピーク値)の比を求め、結果を表12に併記した。
【0302】
比較例III−2,3
窒化ホウ素の添加効果を見るために、比較例III−1の原料組成に外割りで窒化ホウ素を2000ppm及び4000ppm添加したこと以外は実施例III−1と同様に実施し、評価結果を表12に示した。
【0303】
比較例III−4,5
焼成温度又は焼成雰囲気の影響を見るために、比較例III−1の原料組成において、表11に示す焼成条件としたこと以外は実施例III−1と同様に実施し、評価結果を表12に示した。
【0304】
【表11】
【0305】
【表12】
【0306】
実施例III−1〜4の結果から、x’が0より大きいと、相対輝度が増大することがわかる。
比較例III−2,3のように、窒化ホウ素の使用法として、容器への使用の上に更に焼成前に原料中への混入を実施しても発光特性の向上は見られなかった。
比較例III−4,5の結果から、焼成温度や焼成雰囲気中の水素の有無は、得られる蛍光体の発光特性に大きな差を与えないことが分かる。
【0307】
なお、前述の表5に示すように、実施例III−1,3及び比較例III−1の蛍光体のX線回折の結果、測定結果と計算強度がよく一致していることから、これらの結晶の空間群Cmc21、斜方晶の状態が維持されていることがわかる。
【0308】
上記実施例III−1〜4で得られた蛍光体は、蛍光体に含まれるアルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されている、或いは、蛍光体に含まれる希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されているものである。
また、比較例III−1〜5で得られた蛍光体は、蛍光体に含まれるアルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されていない、或いは、蛍光体に含まれる希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されていないものである。
【0309】
[結晶相[1]を含む蛍光体の実施例と比較例]
以下の実施例及び比較例では、原料粉末として次のものを用いた。
・平均粒径0.5μm、酸素含有量0.93重量%、α型含有量92%の窒化ケイ素(Si3N4)粉末
・窒化リチウム(Li3N)粉末
・(Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075)AlSi合金を190MPaの窒素雰囲気下、1900℃において焼成することによって窒化して合成した(Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075)AlSiN3蛍光体
【0310】
実施例IV−1
以下に示す理論組成式の化合物を得るべく、表13に示す原料粉末をそれぞれ表13に示す重量(g)だけ秤量し、メノウ乳棒と乳鉢で10分間混合後、得られた混合物を窒化ホウ素製のるつぼに充填した(体積充填率38%)。なお、粉末の秤量、混合の各工程は全て、水分1ppm以下、酸素1ppm以下の窒素雰囲気を保持することができるグローブボックス中で操作を行った。
理論組成式:(Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3)0.61(LiSi2N3)0.39
【0311】
【表13】
【0312】
この混合粉末を窒化ホウ素製のるつぼに入れて黒鉛抵抗加熱方式の電気炉にセットした。焼成の操作は、まず、拡散ポンプにより焼成雰囲気を真空とし、室温から800℃まで毎時1200℃の速度で昇温し、800℃において、純度が99.999体積%の窒素を導入して圧力を0.992MPaとし、表13に示す焼成温度まで、毎時1250℃で昇温し、表13に示す焼成温度で4時間保持して行った。焼成後、得られた焼成体は余分なLi3Nを水洗で取り除き、次いで、粗粉砕の後、アルミナ乳鉢を用いて手で粉砕して蛍光体粉末を得た。
【0313】
得られた蛍光体粉末のXRDパターンを図13に示す。
比較のために、Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3のXRDパターンも図13に示す。格子定数のシフトが起こるとして2θの計算値と実測値とがほぼ一致すること;結晶の空間群Cmc21、斜方晶の状態が維持されていること;(Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3)1-x(LiSi2N3)xに関するCaAlSiN3構造の固溶体が形成されていること;がわかる。また、図13のXRDパターンの比較から(Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3)1-x(LiSi2N3)xのピーク全てがCa0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3のそれら全てに対して高角側にシフトしていることがわかる
【0314】
得られた蛍光体を波長455nmの光で励起したときの発光スペクトルを図14に示す。図14から分かるように、(Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3)1-x(LiSi2N3)xは、Ca0.2Sr0.7925Ce0.0075AlSiN3が示す発光強度よりも高い発光強度が得られた。
【0315】
また、上記実施例IV−1で得られた蛍光体は、蛍光体に含まれるアルカリ土類金属元素が、当該アルカリ土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されている、或いは、蛍光体に含まれる希土類金属元素が、当該希土類金属元素よりも低原子価の元素又は空孔で置換されているものである。
【産業上の利用可能性】
【0316】
本発明の蛍光体は、従来の窒化物蛍光体又は酸窒化物蛍光体より高輝度の発光を示し、橙色や赤色の蛍光体として優れる。さらに励起源に曝された場合の輝度の低下が少なく耐久性に優れるため、白色発光装置、照明器具、VFD、FED、PDP、CRTなどに好適に使用される。また、本発明の蛍光体は、容易に発光波長や発光ピーク幅を調整できるため産業上の有用性は大きく、今後、各種発光装置、照明、画像表示装置における材料設計において大いに活用され、産業の発展に寄与することが期待できる。
【符号の説明】
【0317】
1 蛍光体
2 LED
3,4 導電性端子
5 ワイヤーボンド
6 樹脂層
7 容器
8 本発明の赤色蛍光体
9 緑色蛍光体
10 青色蛍光体
11,12,13 セル
14,15,16,17 電極
18,19 誘電体層
20 保護層
21,22 ガラス基板
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アルカリ土類金属元素、ケイ素、及び窒素を含有する蛍光体であって、当該蛍光体と同一の結晶構造を有する無機化合物(但し、当該蛍光体の固溶体は除く。)を固溶させたことを特徴とする蛍光体。
【請求項1】
アルカリ土類金属元素、ケイ素、及び窒素を含有する蛍光体であって、当該蛍光体と同一の結晶構造を有する無機化合物(但し、当該蛍光体の固溶体は除く。)を固溶させたことを特徴とする蛍光体。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【公開番号】特開2012−46766(P2012−46766A)
【公開日】平成24年3月8日(2012.3.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−257687(P2011−257687)
【出願日】平成23年11月25日(2011.11.25)
【分割の表示】特願2006−144329(P2006−144329)の分割
【原出願日】平成18年5月24日(2006.5.24)
【出願人】(301023238)独立行政法人物質・材料研究機構 (1,333)
【出願人】(000005968)三菱化学株式会社 (4,356)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年3月8日(2012.3.8)
【国際特許分類】
【出願日】平成23年11月25日(2011.11.25)
【分割の表示】特願2006−144329(P2006−144329)の分割
【原出願日】平成18年5月24日(2006.5.24)
【出願人】(301023238)独立行政法人物質・材料研究機構 (1,333)
【出願人】(000005968)三菱化学株式会社 (4,356)
【Fターム(参考)】
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