説明

蛍光性錯体及びそれを用いた照明装置

【課題】光度および長寿命を有する蛍光性錯体とそれを用いた照明装置の提供。
【解決手段】希土類原子と、複数の配位基が環状に結合された構造を有する配位子とからなる蛍光性錯体で、前記配位基が、P=O、S=O,O=S=O及びC=Oから選択される構造を有し、前記希土類原子に配位結合している。照明装置は、発光素子2と発光素子の発光面側に配置された、該蛍光性錯体を含む蛍光層3とを具備している。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高光度及び長寿命を有する蛍光性錯体及び照明装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年LED素子の光度向上、寿命向上は著しく、照明用途を中心に幅広い市場展開が進行中である。
【0003】
現在主流である、無機蛍光体を用いるLED素子は、その発光効率が飛躍的に向上しつつあり、特に白色LEDは、将来、蛍光灯の発光効率を凌駕すると言われる状況である。しかしながら、LEDを照明装置に用いる場合、発光効率のみならず演色性にも優れている必要がある用途も多く、無機蛍光体のみを用いるLEDでは、これらの特性をすべて満たすことが困難であるのが現状である。
【0004】
LEDに有機蛍光体を用いるという概念はすでに公知である。しかし、発光体として有機蛍光体を用いるLEDは、以下の問題から、未だ照明用途として実用化されていないのが現状である。
1)特に、現在主流となりつつある近紫外LEDを光源とし、R、G、およびBのそれぞれの発光体を用いるLEDに有機蛍光体を用いる場合、紫外線による有機化合物の劣化が顕著である。有機化合物は一般に紫外線に弱いためである。
2)有機蛍光体はその濃度によって蛍光スペクトルが変化することがあり、スペクトル制御が困難である。また、蛍光強度にも濃度依存性があり、高濃度領域では濃度消光が生じてしまう。
3)有機蛍光体を分散するポリマーの種類によって、蛍光スペクトルが変化してしまうことがある。
【0005】
一般に、希土類錯体からなる蛍光体は、通常の有機蛍光体と比較して、以下の利点を挙げることができる。
1)発光波長は希土類特有のものであり、色素濃度、分散するポリマーの種類の影響を受けにくく、蛍光スペクトルは安定している。
2)配位子は有機化合物であるが、配位子が光を吸収して励起状態になると、中心元素に対するエネルギー移動によって基底状態に戻るため、励起状態から不可逆的な化学変化を起す機会が減少する。よって紫外線に対する耐久性を期待することが出来る。
【0006】
しかしながら、一般照明市場に展開するためには、さらなる光度と長寿命が要求される。
耐久性に大きく影響する特性として、配位子自身の光化学反応に対する安定性を挙げることができる。LEDで照射される蛍光体は、熱、光が強い過酷な条件にさらされるため、ラジカル的な(酸化)劣化が進行し易い。配位子が化学変化を起こすと、配位能が低下して配位子がはずれることにより、蛍光強度が劣化したり、変化した配位子が失活の原因となる場合がある。
【0007】
一方、高光度を実現するためには、蛍光性錯体の樹脂に対する溶解性または分散性が大きいことが要求される。溶解性または分散性が小さく、蛍光体が樹脂中で粒子状に存在する場合、光散乱のため十分な光度を得ることはできない。
【0008】
また、希土類錯体を溶解するポリマーはLED素子の光度に大きく影響する。即ち希土類錯体、特にユーロピウム錯体は、イオン近傍にC−H結合、O−H結合が存在すると振動失活を起こして消光してしまう。即ち溶解するポリマーにC−H、O−H結合が存在すると、蛍光強度が減衰してしまう傾向がある。しかしながら、ポリマーにおいてすべての上記結合を無くすことは事実上困難である。
【0009】
例えばクラウンエーテルを配位させた希土類錯体も知られている(特許文献1)。しかし、従来知られていたこのような錯体は、エーテル基を構成する酸素が配位基であるが、配位能が比較的低いために錯体としての安定性に改良の余地があり、また引用文献1に記載されたクラウンエーテルを配位子として有する錯体は、錯体を樹脂等に溶解させたときに近傍に存在するC−HまたはO−H結合に対する遮蔽効果にも改良の余地があった。
【特許文献1】米国特許第6656608号明細書
【非特許文献1】Journal of the Chemical Society, Abstract, 4685-7, 1956.
【非特許文献2】Journal of Organic Chemistry, 30(1), 101-5, 1965.
【非特許文献3】Tetrahedron 1991, V47(3) p403-10
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明は、上記事情の下になされ、照明装置としての用途に耐え得る高光度、長寿命の照明装置を実現することをその目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明者らは、上記課題に対し鋭意検討した結果、特定の配位子を導入した蛍光性錯体を用いた場合に高光度と高耐久性が実現されることを見出し、本発明を成すに至った。即ち本発明による蛍光性錯体は、希土類原子と、それに配位する少なくとも一つの環状複座配位子とからなる希土類錯体であって、前記環状複座配位子が、複数の配位基が環状に結合された構造を有することを特徴とするものである。
【0012】
また、本発明による照明装置は、発光素子と、前記発行素子の発光面側に配置された、前記の蛍光性錯体を含んでなる蛍光層とを具備してなることを特徴とするものである。
【0013】
さらに本発明によるカメラおよびカメラ付き携帯電話は、発光素子と、前記発行素子の発光面側に配置された、前記の蛍光性錯体を含んでなる蛍光層とを備える照明装置を具備してなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0014】
本発明による蛍光性錯体は、樹脂等に分散または溶解された場合に、中心の希土類原子が蛍光性錯体の周囲を取り巻く分子量が比較的小さい環状複座配位子によって、振動消失の原因となるC−H結合またはO−H結合から遮蔽されるために強い蛍光と長寿命を実現することができる新規な化合物であり、かつ得られる蛍光スペクトルはシャープである。本発明による蛍光性錯体をカメラ付き携帯電話フラッシュに用いた場合、人物画像を鮮明に撮影することが可能になり、また照明機器に用いた場合、自然光に近いくつろぎの照明空間を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
本発明による蛍光性錯体は、希土類原子と、それに配位する少なくとも一つの環状複座配位子とからなる。そしてその環状複座配位子が、複数の配位基が環状に結合された構造を有する。ここで配位基とは、希土類原子と配位結合することができる孤立電子対を有する原子団または原子をさす。より具体的には、P=O、S=O、O=S=O、およびC=Oなどの、孤立電子対を有するO原子を有する原子団、ならびに孤立電子対を有するN原子、およびSe原子が挙げられる。
【0016】
そして本発明による蛍光性錯体に含まれる環状複座配位子は、それらの配位基の2個以上が環状に結合された構造を有する。ここで配位基を結合する結合基は特に限定されないが、鎖状または分岐構造を有する炭素鎖が一般的である。この結合基は必要に応じて、エーテル結合を含んでいてもよく、また水酸基、カルボキシル基、スルホン酸基、アミノ基などの置換基を含んでいてもよい。
【0017】
このような環状複座配位子において、好ましいものは下記の一般式(A)で表されるものである。
【化1】

(式中、Xは、P、SおよびCからなる群から選ばれる原子であり、分子中のそれぞれのXは複数存在する場合にはそれぞれ同一であっても異なっていてもよく、
Rは、結合するXがPである場合には、置換または非置換の、炭素数が20以下の直鎖または分岐構造を有するアルキル基およびアルコキシ基、フェニル基、ビフェニル基、ナフチル基、ならびにヘテロ環基からなる群から選ばれる置換基であり、C原子である場合には存在せず、S原子である場合には存在しないか、S原子と二重結合を介して結合する酸素であり、分子中のRは複数存在する場合にはそれぞれ同一であっても異なっていてもよく、
Yは、水素、炭素数20以下のアルキル基またはアルコキシ基であり、分子中のそれぞれのYは同一であっても異なっていてもよく、また、Yは分子中の他のYとの間で酸素を含んでいてもよい炭素鎖により相互に結合して架橋環構造を形成していてもよく、
Zは、−O−、−NY−、−S−、および−Se−からなる群から選ばれる2価基であり、ここでYaは置換または非置換の、炭素数が20以下の直鎖または分岐構造を有するアルキル基およびアルコキシ基、フェニル基、ビフェニル基、ナフチル基、ならびにヘテロ環基からなる群から選ばれる置換基であり、また、Yは分子中の他のYまたはYとの間で酸素を含んでいてもよい炭素鎖により相互に結合して架橋環構造を形成していてもよく、分子中のそれぞれのZは複数存在する場合にはそれぞれ同一であっても異なっていてもよく、
m1およびm3はそれぞれ0を含む整数であり、
m1+m3は2以上であり、
m2はm1+m3以上の整数であり、
式中の−X(=O)R−、−CY−、および−Z−はランダムに配列され、互いに環状に結合されている。)
【0018】
ここで、各結合単位である−X(=O)R−、−CY−、および−Z−はそれぞれがブロックを結合しているのではなく、各結合単位がランダムに結合しているが、帰属的に結合していてもよい。
【0019】
この式において環状複座配位子の配位基として機能するのはX=OまたはZである。これらのうち、好ましいのはXがP、SまたはCであるもの、あるいは−NY−または−Se−であるものである。特に好ましい配位基はP=O、S=O、O=S=O、またはC=Oであり、最も好ましいのはP=O、S=O、またはO=S=Oである。言い換えれば、m1が2以上であることが最も好ましく、このときm3は0であってもよい。
【0020】
これらの配位基は、必要に応じて連結基−CY−を介して、環状に結合されている。配位基の総数は2以上であり、好ましくは4である。
【0021】
また、本発明による蛍光性錯体は、このような環状複座配位子が希土類原子に配位結合したものであるが、複数の配位基により形成される環が大きすぎないことが好ましい。詳細は後述するが、そのような理由からこのような環状複座配位子の、より好ましいものとして、以下の(A1)、(A2)および(A3)が挙げられる。
【化2】

式中、XおよびRの定義は前記したとおりであり、n1〜n6はそれぞれ0以上の整数であり、好ましくは1〜3、好ましくは1である。
【0022】
これらの配位子は、蛍光性錯体の中心金属となる希土類原子の種類に応じて選択されるが、配位子の分子量は一般に2000以下、好ましくは1000以下である。デンドリマーなどを蛍光性錯体の配位子に用いることにより、中心希土類イオンの遮蔽効果を高めることもできるが、デンドリマーの分子量は数千に達し、その巨大な構造のために有効な蛍光層を得ることができないことが多い。
【0023】
これらの環状複座配位子は、必要に応じて、相互に化学結合を介して結節されていてもよい。すなわち、環状複座配位子同士が分子鎖により連結された2量体や3量体、さらには重合体になっていてもよい。具体的には、上記一般式におけるRやYから延長されたアルキレン基、エーテル結合、またはエステル結合等を介して結合されていてもよい。
【0024】
式(A1)〜(A3)の環状複座配位子は、X=Oの酸素原子がルイス塩基性であるため、ルイス酸性である希土類イオンと配位結合を形成することができるものである。
【0025】
このような環状複座配位子が希土類原子に配位する場合、環が希土類原子を取り囲むような構造となる。このとき、希土類原子の中心と、複数の配位基により構成される面とが一致しないことが好ましい。環状複座配位子の配位基が4つ以上の場合、環状複座配位子の構造(コンフォーメンション)によって、すべての配位基が単一平面上に位置するとは限らないが、それぞれの配位基の位置の重心点から求められる配位子平面から、希土類原子が飛び出した構造が好ましい。言い換えれば、希土類原子の中心に対して、それぞれの配位子が対称の位置に存在しないことが好ましい。このような構造は、それぞれの配位子により画成される空間が小さい場合、言い換えると配位子が構成する環が小さい場合に生じやすい。このため、環状複座配位子の環は大きすぎないことが好ましい。
【0026】
本発明において用いられる蛍光性錯体は、このような構造を有することで、配位子場に非対称性が生じている。このため蛍光性錯体の吸収効率が増大し、結果的に発光効率が高いものになっている。
【0027】
この発光効率は、複数種類の配位子を組み合わせて希土類原子に配位させることでさらに増大する傾向にある。例えば、それぞれ前記した構造を有する環状複座配位子を2種類以上組み合わせたり、前記した構造を有する環状複座配位子と、それ以外の配位子を組み合わせることができる。前記した構造を有する環状複座配位子とは異なる配位子としては、従来知られている任意の配位化合物を用いることができるが、例えばホスフィンオキシド系化合物、カルボニル系化合物、ピリジン系化合物、スルホキシド系化合物、およびスルホン系化合物などが挙げられる。このような配位子の組み合わせにより、蛍光性錯体の樹脂等に対する溶解性または分散性が改良されたり、配位子場の非対称化により発光効率が増大する傾向にある。
【0028】
前記した環状複座配位子は任意の方法で調整することができる。例えば、ヘテロクラウンのリン原子(三価)を、ホスフィンの酸化に用いる手法にて酸化することによって得ることができる。酸化反応としては、例えば非特許文献1または2に記載の方法を用いることができる。また、非特許文献3に示されるような環化反応によっても得ることができる。
【0029】
本発明による蛍光性錯体は前記した配位子を希土類原子に配位させたものである。用いることができる希土類原子としては、任意のものを選ぶことができるが、発光効率や赤色の演色性の観点から特にユーロピウムであることが好ましい。本発明による蛍光性錯体は、このような希土類原子を含む塩、例えば塩化物、硝酸塩、水酸化物等を、前記した配位子と溶媒中で、必要に応じて加熱し、反応させることにより調製することができる。溶媒としては、一般に、水、アルコール類、エステル系溶媒などを用いる。
【0030】
本発明による蛍光性錯体は、光を吸収し、それよりも長波長の光を発光する特性を有する。この特性を利用すると、電気エネルギー等を利用して発光する発光素子に組み合わせることで、その発光素子とは異なった波長の光を発生させることができる。さらには、YAG蛍光体や色素などを組み合わせることで演色性に優れた発光素子とすることができる。
【0031】
このような発光素子の一例の断面図は図1に示すとおりである。基板1上に設けられたLEDチップ2(一般に複数)の上に、本発明による蛍光性錯体をフッ素系樹脂等に分散させた蛍光層3を配置する。必要に応じて反射層5を設けることもできる。LEDチップ2は、基板に1上に設けられた電極4により電気エネルギーを供給されて発光する。LEDチップから放射される光を吸収した蛍光性錯体は、吸収した光とは異なる波長の光を放射する。これにより、LEDチップから放射される光と蛍光性錯体から放射される光が、発光素子から放射される。蛍光層に他の蛍光体を組み合わせることで、さらに放射される光の演色性を変化させることもできる。
【0032】
このような発光素子においては、蛍光層を構成する樹脂としてフッ素系樹脂を用いることが好ましい。これは、樹脂に含まれるC−H結合、O−H結合が少ないためである。従ってフッ素化率が高い樹脂がより好ましいが、用いられる蛍光性錯体やその他の成分の溶解性または分散性等の条件に応じて適宜選択される。用いることができる樹脂としては、セントラル硝子社製セフラルコートFG700X、A402B、およびA610X、旭硝子社製ルミフロン、日本ゼオン社製ゼオノア、アトフィナジャパン社製KYNAR、KYNAR FLEX、日本ペイント社製デュフロン、ならびに住友3M社製Dyneon THV220、310、および415などが挙げられる。また、蛍光層には本発明による蛍光性錯体のほかに、YAG蛍光体、アルカリ土類金属ケイ酸塩蛍光体、アルカリ土類金属リン酸塩蛍光体、ハロリン酸塩蛍光体、BAM:Eu, Mn、BAM:Eu、ZnS、SrGa:Eu、オキシナイトライド:Eu、SrAlO4:Eu、アルカリ土類アパタイト:Eu、Caアパタイト:Eu,Mn、CaS:Ce、YSiO:Tb、Sr:Eu,Mn、およびSrAl:Euなどを用いることができ、さらにそれらのいくつかを組み合わせ、白色発光を実現することもできる。
【0033】
このような発光素子は、それ自体を照明装置に用いることができるが、その他にも短い発光寿命を利用したフラッシュ装置にも適用できる。特に本発明による発光素子は、LEDのような電気エネルギー消費量の少ない素子を利用するため、カメラ付き携帯電話用フラッシュとして用いることが有用である。このような用途においては、他の一般的な発光素子と同様に用いることができる。図2および図3は本発明による蛍光性錯体を用いた発光素子をフラッシュとして具備してなるカメラおよびカメラ付き携帯電話の概念図である。
【0034】
それぞれ、フラッシュ6、レンズ7、シャッターボタン8(図3においては図示せず)を具備してなり、装置自体の構成は従来のものとなんら代わりはない。ただし、フラッシュ6としては本発明による発光素子を備えている。このような装置において本発明による発光素子は、演色性にすぐれ、長寿命であることから好適に用いることができる。
【0035】
以下本発明の実施例を示すが、本発明な実施例の範囲の制約を受けることはない。
【0036】
合成例
式(1)の環状化合物は、非特許文献3に示される方法で合成した。即ち、臭素化ホスフィンジオキシド(Br(CHP(O)Ph(CHP(O)Ph(CHBr)と1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパンを作用させて合成した。
【化3】

【0037】
実施例1
式(1)に示す環状化合物をエタノール溶液中塩基存在下、EuClと作用させて配位させた。ここにトリフェニルホスフィンオキシド、トリオクチルホスフィンオキシドをEuClに対してそれぞれ1モル当量加え、2時間加熱攪拌後、溶媒を除去した。
こうして得られた個体20wt%とYAG蛍光体をフッ素系樹脂であるセントラル化学社製フッ素系ポリマー「セフラルFG700X」に分散し、分散した蛍光層タイプ2を用い、極大波長は460nmのチップ上に蛍光層を設置して図2のLEDフラッシュ装置を試作した。1チップにつき20mA、3.4Vの定格駆動条件(チップ数4個)の条件で測定した。本照明装置の光度は6.0cd、平均演色性評価指数は85であった。
【0038】
実施例2
式(2)に示す配位子を用いる他は実施例1と全く同様にしてLEDフラッシュ装置を作成した。
本照明装置の光度は5.0cd、平均演色性評価指数は80であった。
【化4】

【0039】
実施例3
式(3)に示す配位子を用いる他は実施例1と全く同様にしてLEDフラッシュ装置を作成した。
本照明装置の光度は5.5cd、平均演色性評価指数は85であった。
【化5】

【0040】
比較例1
式(4)の希土類錯体をユーロピウムイオンが実施例1と同一のモル濃度になるようにして蛍光層を形成した図2のLEDフラッシュを試作した。
本照明装置の光度は3.0cd、平均演色性評価指数は60であった。式(4)のユーロピウム錯体の樹脂に対する溶解性または分散性は不十分であるため蛍光層で光散乱が生じ、またフッ素系樹脂セフラルの残基OHによる振動失活のため、光度は小さく、レッドの発光が弱まるため演色性評価数が小さいと思われる。
【化6】

【図面の簡単な説明】
【0041】
【図1】本発明による蛍光性錯体を用いたLEDフラッシュ装置の断面図。
【図2】本発明により蛍光性錯体を用いたフラッシュを具備してなるカメラ。
【図3】本発明による蛍光性錯体を用いたフラッシュを具備してなるカメラ付き携帯電話。
【符号の説明】
【0042】
1 基板
2 LEDチップ
3 蛍光層
4 電極
5 反射板
6 フラッシュ
7 レンズ
8 シャッター

【特許請求の範囲】
【請求項1】
希土類原子と、それに配位する少なくとも一つの環状複座配位子とからなる希土類錯体であって、前記環状複座配位子が、複数の配位基が環状に結合された構造を有することを特徴とする蛍光性錯体。
【請求項2】
前記配位基が、P=O、S=O、O=S=O、およびC=Oからなる群から選択される少なくとも一つの構造を有し、前記希土類原子に配位結合しているものである、請求項1に記載の蛍光性錯体。
【請求項3】
前記配位基が、N原子またはSe原子を有し、前記希土類原子に配位結合しているものである、請求項1に記載の蛍光性錯体。
【請求項4】
前記環状複座配位子が、2個以上の配位基を有するものである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の蛍光性錯体。
【請求項5】
希土類原子と2種類以上の環状複座配位子とからなる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の蛍光性錯体。
【請求項6】
環状構造を有していない配位子をさらに有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の蛍光性錯体。
【請求項7】
前記環状複座配位子が、以下の式(A)の構造を有する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の蛍光性錯体。
【化1】

(式中、Xは、P、SおよびCからなる群から選ばれる原子であり、分子中のそれぞれのXは複数存在する場合にはそれぞれ同一であっても異なっていてもよく、
Rは、結合するXがPである場合には、置換または非置換の、炭素数が20以下の直鎖または分岐構造を有するアルキル基およびアルコキシ基、フェニル基、ビフェニル基、ナフチル基、ならびにヘテロ環基からなる群から選ばれる置換基であり、C原子である場合には存在せず、S原子である場合には存在しないか、S原子と二重結合を介して結合する酸素であり、分子中のRは複数存在する場合にはそれぞれ同一であっても異なっていてもよく、
Yは、水素、炭素数20以下のアルキル基またはアルコキシ基であり、分子中のそれぞれのYは同一であっても異なっていてもよく、また、Yは分子中の他のYとの間で酸素を含んでいてもよい炭素鎖により相互に結合して架橋環構造を形成していてもよく、
Zは、−O−、−NY−、−S−、および−Se−からなる群から選ばれる2価基であり、ここでYは置換または非置換の、炭素数が20以下の直鎖または分岐構造を有するアルキル基およびアルコキシ基、フェニル基、ビフェニル基、ナフチル基、ならびにヘテロ環基からなる群から選ばれる置換基であり、また、Yは分子中の他のYまたはYとの間で酸素を含んでいてもよい炭素鎖により相互に結合して架橋環構造を形成していてもよく、分子中のそれぞれのZは複数存在する場合にはそれぞれ同一であっても異なっていてもよく、
m1およびm3はそれぞれ0を含む整数であり、
m1+m3は2以上であり、
m2はm1+m3以上の整数であり、
式中の−X(=O)R−、−CY−、および−Z−はランダムに配列され、互いに環状に結合されている。)
【請求項8】
前記m3が0である、請求項7に記載の蛍光性錯体。
【請求項9】
前記環状複座配位子が、以下の式(A1)〜(A3)のいずれかの構造を有する、請求項8に記載の蛍光性錯体。
【化2】

(式中、XおよびRの定義は前記したとおりであり、n1〜n6はそれぞれ0以上の整数である。)
【請求項10】
複数の前記環状複座配位子が相互に化学結合を介して結節されている、請求項1〜9のいずれか1項に記載の蛍光性錯体。
【請求項11】
前記希土類原子がユーロピウム原子である、請求項1〜10のいずれか1項に記載の蛍光性錯体。
【請求項12】
発光素子と、前記発光素子の発光面側に配置された、請求項1〜11のいずれか1項に記載の蛍光性錯体を含んでなる蛍光層とを具備してなることを特徴とする照明装置。
【請求項13】
発光素子と、前記発光素子の発光面側に配置された、請求項1〜11のいずれか1項に記載の蛍光性錯体を含んでなる蛍光層とを備える照明装置をフラッシュとして具備してなることを特徴とするカメラ。
【請求項14】
発光素子と、前記発光素子の発光面側に配置された、請求項1〜11のいずれか1項に記載の蛍光性錯体を含んでなる蛍光層とを備える照明装置をフラッシュとして具備してなることを特徴とするカメラ付き携帯電話。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2007−1880(P2007−1880A)
【公開日】平成19年1月11日(2007.1.11)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−180421(P2005−180421)
【出願日】平成17年6月21日(2005.6.21)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】