説明

黄色蛍光体およびその製造方法

【課題】黄色蛍光体の発光強度(輝度)をより高める。
【解決手段】M12a(M2bc)M3d4で表される黄色蛍光体は、少なくともM1、M2、及びLを含む原料混合物とSiOとを混合したものを焼成することによって製造される。但し、M1はアルカリ金属から選択される少なくとも一種であり、M2はアルカリ土類金属から選択される少なくとも一種であり、M3はSiおよびGeから選択される少なくとも一種であり、Lは希土類元素、BiおよびMnから選択される少なくとも一種である。aは、0.1以上、1.5以下であり、bは、0.8以上、1.2以下であり、cは、0.005以上、0.2以下であり、dは、0.8以上、1.2以下である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は黄色蛍光体およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
白色LEDは、紫外から青色の領域の光(波長が380〜500nm程度)を放出するLEDチップと、該LEDチップから放出される光で励起されて発光する蛍光体とを組み合わせて構成されるものであり、その組み合わせによって様々な色温度の白色を実現することができる。
【0003】
紫外から青色の領域の光によって励起され発光する蛍光体は、白色LEDに好適に用いることができる。白色LED用の蛍光体として、例えば、特許文献1にはY3Al512:Ce(YAG:Ce)で示される蛍光体が開示されている。この蛍光体では、Y3Al512が蛍光体の母体結晶であり、Ceが母体結晶に賦活される発光イオンである。
【0004】
また特許文献2、3には、Li2SrSiO4:Euで示される蛍光体が開示されている。Li2SrSiO4:Euは、発光色に優れ、青色LEDから放出される青色光を効率よく吸収し、570nm付近にピークを有するブロードな黄色発光を示すとともに、高温に曝された状態でも発光強度を十分に維持できるといった優れた特性を示す。しかし、Li2SrSiO4:Euは、さらなる発光強度の向上が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平10−242513号公報
【特許文献2】国際公開第03/80763号パンフレット
【特許文献3】特開2006−237113号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の目的は、発光強度がより高い(高輝度)黄色蛍光体を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、M12a(M2bc)M3d4で表される黄色蛍光体の製造方法に関するものであり、この黄色蛍光体は、少なくともM1、M2、及びLを含む原料混合物とSiOとを混合したものを焼成することによって製造される。但し、M1はアルカリ金属から選択される少なくとも一種であり、M2はアルカリ土類金属から選択される少なくとも一種であり、M3はSiおよびGeから選択される少なくとも一種であり、Lは希土類元素、BiおよびMnから選択される少なくとも一種である。aは、0.1以上、1.5以下であり、bは、0.8以上、1.2以下であり、cは、0.005以上、0.2以下であり、dは、0.8以上、1.2以下である。前記製造方法では、SiOとは異なる物質をM3含有原料として含む前記原料混合物をSiOと混合して焼成してもよく、この場合、蛍光体中の元素M3のうち0.001原子%以上、50原子%以下が、SiOに由来するのが好ましい。前記Lが少なくともEuを含む一種以上であることが好ましく、Euが少なくとも2価のEuを含むことがより好ましい。また、M1がLiであり、M3がSiであり、M2が、Srのみであるか、SrとBa、またはSrとCaであるであるのが好ましい。前記aは0.9以上、1.1以下であるのが好ましく、b+c=1、d=1であるのが好ましい。
【0008】
本発明には上記製造方法によって得られる黄色蛍光体、この黄色蛍光体を用いた発光装置又は白色LEDも含まれる。
なお本明細書で用語「金属元素」は、Si、Geなどの半金属元素も含む意味で使用する。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、SiOを用いて焼成しているため、得られる黄色蛍光体M12a(M2bc)M3d4の発光強度(輝度)をより高めることができる。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本発明は黄色発光を示す蛍光体(黄色蛍光体)に関する発明である。黄色発光とは波長560nm〜590nm付近にピークがある発光を指す。本発明の対象となる黄色蛍光体は、式M12a(M2bc)M3d4(式中、M1はアルカリ金属から選択される少なくとも一種を示し、M2はアルカリ土類金属(Ca、Sr、Ba)から選択される少なくとも一種を示し、M3はSiおよびGeから選択される少なくとも一種であり、Lは希土類元素、BiおよびMnよりなる群から選択される少なくとも一種を示す。aは、0.1以上、1.5以下であり、bは、0.8以上、1.2以下であり、cは、0.005以上、0.2以下であり、dは、0.8以上、1.2以下である)で表される。
【0011】
前記M1は、好ましくはLi、Na、及びKから選択される一種又は二種以上(特に一種)であり、より好ましくはLiである。
2は、好ましくはCa、Sr及びBaから選択される一種又は二種以上(特に一種)であり、より好ましくはSrである。またM2がSrを含むときは、このM2はさらにBa及び/又はCa(特にCa)を含むことも好ましい。
【0012】
Lは発光イオンとして賦活される元素であり、このLは、少なくともEuを含むことが好ましく、この場合のLは、Eu単独、或いはEuとEu以外のL元素(希土類元素、Bi、Mn)の一種以上との組合せである。特に好ましいLは、Euである。さらに、Euは、少なくとも2価のEuを含むことが好ましい。
【0013】
3は、好ましくはSiである。なおM3がSiのとき、M1がLiであることが好ましい。
【0014】
前記aの下限は、好ましくは0.5以上、より好ましくは0.8以上、さらに好ましくは0.9以上であり、特に0.95以上が好ましい。またaの上限は、好ましくは1.2以下、さらに好ましくは1.1以下、特に1.05以下である。
前記bは、好ましくは0.8以上(特に0.9以上)、1.1以下(特に1.05以下)である。
前記cは、好ましくは0.01以上(特に0.015以上)、0.1以下(特に0.05以下)である。
b+cの値及びdは、同一又は異なって、好ましくは0.9以上(特に0.95以上)、1.1以下(さらに好ましくは1.05以下)であり、より好ましくは1である。
【0015】
aとb+cの比(a/(b+c))、aとdの比(a/d)、b+cとdの比((b+c)/d)は、同一又は異なって、例えば、0.9〜1.1、好ましくは0.95〜1.05である。
本発明の蛍光体の組成は、a、b+c、dの値がいずれも1±0.03(特に1)であり、M1がLi、M3がSiであり、かつM2についてはSr単独であること、またはSrとCaであることが好ましい。
【0016】
前記蛍光体は、六方晶または三方晶であることが好ましい。
【0017】
前記蛍光体は、少なくともM1、M2、及びLを含む原料混合物とSiOとを混合したものを焼成することによって製造できる。通常シリケート系蛍光体のSi成分の原料としてはSiO2が一般的であるのに対し、本発明はSi成分の原料としてSiOを用いる点で従来とは異なる。SiOは、M3成分供給源として作用するだけでなく、L成分(特にユウロピウム)を効率的に還元する作用も有している。そのためL成分を十分に還元することができ、黄色蛍光体の輝度を高めることができる。なお前記SiOとしては粉末を利用することが好ましい。
【0018】
前記原料混合物は、より詳細には、元素M1を含む物質(第1原料)、元素M2を含む物質(第2原料)、元素Lを含む物質(第3原料)の混合物である。なおM3成分はSiOから供給されるため、原料混合物は必ずしもM3を含む物質(M3含有原料;第4原料)を含む必要はないが、好ましくは第4原料(ただしSiOは除く)も含む。前記元素M1、M2、L、及びM3はいずれも金属元素(半金属元素を含む)であるため、本明細書では前記第1〜第4原料を金属元素含有物質と称する場合があり、それらの混合物を金属化合物混合物と称する場合がある。前記金属元素含有物質は、各金属M1、M2、L、又はM3の酸化物又は高温(特に焼成温度)で分解又は酸化して酸化物を形成する物質であり、この酸化物を形成する物質には、水酸化物、窒化物、酸窒化物、酸誘導体、塩(炭酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩など)などが含まれる。
【0019】
第1原料としては、好ましくは金属M1(特にリチウム)の水酸化物、酸化物、炭酸塩が挙げられ、特に好ましい第1原料には水酸化リチウム(LiOH)、酸化リチウム(Li2O)、炭酸リチウム(Li2CO3)が含まれる。これら第1原料は、単独で使用してもよく、複数を組み合わせてもよい。
【0020】
第2原料の好ましい例には、金属M2(特にストロンチウム、バリウム、カルシウムなど)の水酸化物、酸化物、炭酸塩が含まれ、より具体的には、水酸化ストロンチウム(Sr(OH)2)、酸化ストロンチウム(SrO)、炭酸ストロンチウム(SrCO3)などが例示できる。これら第2原料は、単独で使用してもよく、複数を組み合わせてもよい。
【0021】
第3原料は、金属L(特にユウロピウム)の水酸化物、酸化物、炭酸塩、塩化物が好ましく、例えば、水酸化ユウロピウム(Eu(OH)2、Eu(OH)3)、酸化ユウロピウム(EuO、Eu23)、炭酸ユウロピウム(EuCO3、Eu2(CO33)、塩化ユウロピウム(EuCl2、EuCl3)、硝酸ユウロピウムEu(NO32、Eu(NO33)などが挙げられる。これら第3原料は、単独で使用してもよく、複数を組み合わせてもよい。
【0022】
第4原料(M3含有原料)としては、好ましくは金属M3(特に珪素)の酸化物、酸誘導体、塩などが挙げられ、例えば、二酸化珪素、珪酸、珪酸塩が含まれる。
【0023】
第1から第4原料、及びSiOは、各原料から供給される元素M1、M2、L、M3の原子比が、式M12a(M2bc)M3d4におけるa、b、c、dの関係を満足する範囲で混合する。
またSiOの使用量は、還元剤として使用する場合には、原料混合物の質量を1とした時、0.001以上、1以下であり、好ましくは0.005以上、0.5以下、さらに好ましくは0.1以上、0.3以下である。SiOを原料として使用する場合には、SiOとは異なる物質もM3含有原料として原料混合物に配合することができ、蛍光体中の元素M3のうち0.001原子%以上、50原子%以下、好ましくは0.005原子%以上、20原子%以下がSiOに由来する程度の量のSiOを使用することが推奨される。
【0024】
例えば、本発明の蛍光体の好ましい組成の一つであるLi1.96Sr0.98Eu0.02SiO4を得るために、例えばSiO(SiOの使用割合は、全Si含有物質に対して1.0原子%)を用い、原料混合物(金属化合物混合物)としてSrCO3、Li2CO3、SiO2およびEu23を用いる場合、Li:Sr:Eu:Siのモル比が1.96:0.98:0.02:1.0となるようにSiOおよび金属元素含有物質の混合比率を定めればよい。このとき、SiOの使用割合は、全Si含有物質に対して1.0原子%であるので、SiO2:SiO=0.99:0.01となればよい。
【0025】
前記第1〜第3原料(好ましくは第1〜第4原料)及びSiOは、湿式で混合してもよく、乾式で混合してもよい。この混合では、汎用装置、例えば、ボールミル、V型混合機、攪拌機などが使用できる。
【0026】
原料混合物とSiOの混合物の焼成では、従来のM12a(M2bc)M3d4の焼成に採用されている条件と同等の条件を採用できる。例えば、焼成雰囲気は、不活性ガス雰囲気、酸化性ガス雰囲気、還元性ガス雰囲気のいずれでも良い。なお強い還元性雰囲気で焼成する場合には、上記原料混合物(金属化合物混合物)に適量の炭素を添加して焼成しても良い。
【0027】
前記不活性ガスとしては、窒素、アルゴンが例示できる。前記酸化性ガスとしては、例えば、酸素、酸素を含有する不活性ガス(窒素、アルゴンなど)、空気が挙げられる。前記還元性ガスには、例えば、0.1〜10体積%の水素と不活性ガス(窒素、アルゴンなど)との混合ガス、10〜100体積%(好ましくは50〜100体積%)のNH3の不活性ガス(窒素、アルゴンなど)との混合ガスが含まれる。これらガスは、必要に応じて、加圧してもよい。
【0028】
好ましい焼成雰囲気は、0.1〜10体積%(より好ましくは2〜8体積%、特に4〜6体積%)水素と不活性ガス(特に窒素)の混合ガスである。
【0029】
焼成は、複数回繰り返してもよい。このとき、第一回目の焼成と、第二回目の焼成とで雰囲気を変更してもよく、第三回目以降の焼成でも雰囲気を変更してもよい。例えば、不活性ガス雰囲気又は酸化性ガス雰囲気で焼成した場合は、その後さらに還元性ガス雰囲気で焼成を行うことが好ましい。
【0030】
焼成温度は、通常、700〜1000℃であり、好ましくは750〜950℃、より好ましくは800〜900℃である。焼成時間は、通常、1〜100時間であり、好ましくは10〜90時間であり、より好ましくは20〜80時間である。
【0031】
なお前記焼成に先立って、必要に応じて、焼成よりも低温(例えば500〜800℃)で所定時間(例えば1〜100時間、好ましくは10〜90時間)保持して、仮焼を行ってもよい。
【0032】
本発明では、必要により、反応促進剤の存在下で仮焼又は焼成してもよい。反応促進剤を用いることによって、得られる蛍光体の発光強度をより向上できる。反応促進剤としては、例えばアルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属炭酸水素塩、ハロゲン化アンモニウム、ホウ素の酸化物(B23)、ホウ素のオキソ酸(H3BO3)などを用いることができる。前記アルカリ金属ハロゲン化物は、好ましくはアルカリ金属のフッ化物またはアルカリ金属の塩化物であり、例えば、LiF、NaF、KF、LiCl、NaCl、KClなどである。前記アルカリ金属炭酸塩は、例えば、Li2CO3、Na2CO3、K2CO3である。前記アルカリ金属炭酸水素塩は、例えば、NaHCO3である。前記ハロゲン化アンモニウムは、例えば、NH4Cl、NH4Iである。
【0033】
本発明の蛍光体は、原料混合物に由来するハロゲン元素、すなわちF、Cl、BrおよびIの1種以上を含有していてもよい。ハロゲン元素の合計含有量は、原料中に含有されるハロゲン元素の合計量に対して同量以下であれば良く、好ましくは50%以下、さらに好ましくは25%以下である。
【0034】
仮焼物や焼成物に対して、必要により、粉砕、洗浄、分級のいずれか一つ以上の処理をしてもよい。粉砕には、例えば、ボールミル、ジェットミルなどが使用できる。
【0035】
上記製法によって得られる黄色蛍光体は発光強度が高いため、発光装置、例えば白色LEDを用いた発光装置に好適に用いることができる。白色LEDは、紫外から青色の光(波長が200〜550nm程度、好ましくは380〜500nm程度)を放出する発光素子(LEDチップ)と、蛍光体から構成される。この白色LEDは、例えば、特開平11−31845号公報、特開2002−226846号公報等に開示の方法によって製造することができる。すなわち前記発光素子を、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの透光性樹脂で封止し、その表面を蛍光体で覆うことで白色LEDを製造できる。蛍光体の量を適宜設定すれば、白色LEDが所望の白色を発光するようになる。
【0036】
前記蛍光体としては、本発明の黄色蛍光体を単独で用いても良いし、他の蛍光体と併用しても良い。他の蛍光体としては、BaMgAl1017:Eu、(Ba,Sr,Ca)(Al,Ga)24:Eu、BaMgAl1017:(Eu,Mn)、BaAl1219:(Eu,Mn)、(Ba,Sr,Ca)S:(Eu,Mn)、YBO3:(Ce,Tb)、Y23:Eu、Y22S:Eu、YVO4:Eu、(Ca,Sr)S:Eu、SrY24:Eu、Ca−Al−Si−O−N:Eu、(Ba,Sr,Ca)Si222:Eu、β−サイアロン、CaSc24:Ce、Li−(Ca,Mg)−Ln−Al−O−N:Eu(ただし、LnはEu以外の希土類金属元素を表す)などが挙げられる。
【0037】
波長200nm〜550nmの光を発する発光素子としては、紫外LEDチップ、青色LEDチップなどが挙げられ、これらLEDチップには発光層としてGaN、IniGa1-iN(0<i<1)、IniAljGa1-i-jN(0<i<1、0<j<1、i+j<1)などの層を有する半導体が用いられる。発光層の組成を変化させることにより、発光波長を変化させることができる。
【0038】
蛍光体は、白色LED以外の発光装置、例えば、蛍光体励起源が真空紫外線である発光装置(例えば、PDP);蛍光体励起源が紫外線である発光装置(例えば、液晶ディスプレイ用バックライト、三波長形蛍光ランプ);蛍光体励起源が電子線である発光装置(例えば、CRTやFED)などにも使用できる。
【実施例】
【0039】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【0040】
なお以下の実施例で得られる蛍光体の発光強度は、蛍光分光測定装置(日本分光(株)製FP−6500)を用いて決定した。蛍光体のX線回折(XRD)測定には、X線回折装置(リガク製RINT2000)を用いた。蛍光体中のEuの価数割合は、X線吸収微細構造(XAFS)測定によって評価した。
【0041】
XAFS測定は、SPring−8においてビームラインBL14B2を用いて透過法で行った。Eu−L3吸収端である6650〜7600eVを測定領域とした。Eu2+(6972eV)の標準試料としてBaMgAl1017:Eu2+(BAM)を用い、Eu3+(6980eV)の標準試料として酸化ユウロピウム(信越化学工業株式会社製、純度99.99%)を用いた。解析プログラム(リガク製REX2000)を用い、各試料のXAFSデータをバックグラウンド処理し、X線吸収端近傍構造(XANES)スペクトルを得た後、Eu2+標準試料及びEu3+標準試料のXANESスペクトルを用いて、各試料のXANESスペクトルのパターンフィッティングを行い、Eu2+ピークの割合から、試料中のEu2+の割合を算出した。
【0042】
比較例1
炭酸リチウム(関東化学株式会社製、純度99%)、炭酸ストロンチウム(堺化学工業株式会社製、純度99%以上)、酸化ユウロピウム(信越化学工業株式会社製、純度99.99%)、及び二酸化珪素(日本アエロジル株式会社製:純度99.99%)を、Li:Sr:Eu:Siの原子比が1.96:0.98:0.02:1.0となるように秤取し、乾式ボールミルにより6時間混合して金属化合物混合物を得た。
【0043】
5体積%のH2を含有するN2雰囲気中、前記金属化合物混合物を温度800℃で24時間加熱(焼成)した。これを室温まで徐冷して、式Li1.96(Sr0.98Eu0.02)SiO4で表される化合物を含有する蛍光体を得た。
蛍光体の全Eu中の2価のEu(Eu2+)の割合は14%であった。
【0044】
比較例2
炭酸リチウム(関東化学株式会社製、純度99%)、炭酸ストロンチウム(堺化学工業株式会社製、純度99%以上)、酸化ユウロピウム(信越化学工業株式会社製、純度99.99%)、及び二酸化珪素(日本アエロジル株式会社製:純度99.99%)を、Li:Sr:Eu:Siの原子比が1.96:0.98:0.02:1.0となるように秤取し、乾式ボールミルにより6時間混合して金属化合物混合物を得た。
【0045】
5体積%のH2を含有するN2雰囲気中、前記金属化合物混合物を温度800℃で24時間加熱(焼成)し、室温まで徐冷した。得られた焼成物を粉砕し、さらに5体積%のH2を含有するN2雰囲気中で、温度800℃で24時間加熱(焼成)することで式Li1.96(Sr0.98Eu0.02)SiO4で表される化合物を含有する蛍光体を得た。
蛍光体の全Eu中の2価のEu(Eu2+)の割合は17%であった。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくともM1、M2、及びLを含む原料混合物とSiOとを混合したものを焼成することを特徴とするM12a(M2bc)M3d4で表される黄色蛍光体の製造方法。
但し、M1はアルカリ金属から選択される少なくとも一種であり、
2はアルカリ土類金属から選択される少なくとも一種であり、
3はSiおよびGeから選択される少なくとも一種であり、
Lは希土類元素、BiおよびMnから選択される少なくとも一種であり、
aは、0.1以上、1.5以下、
bは、0.8以上、1.2以下、
cは、0.005以上、0.2以下、
dは、0.8以上、1.2以下である。
【請求項2】
SiOとは異なる物質をM3含有原料として含む前記原料混合物をSiOと混合して焼成しており、蛍光体中の元素M3のうち0.001原子%以上、50原子%以下が、SiOに由来する請求項1に記載の製造方法。
【請求項3】
Lが少なくともEuを含む一種以上である請求項1または2に記載の製造方法。
【請求項4】
Euが少なくとも2価のEuを含む請求項3に記載の製造方法。
【請求項5】
1がLi、M3がSiである請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法。
【請求項6】
2が、Srのみであるか、SrとBa、またはSrとCaである請求項1〜5のいずれかに記載の製造方法。
【請求項7】
aが、0.9以上、1.1以下である請求項1〜6のいずれかに記載の製造方法。
【請求項8】
b+c=1、d=1である請求項1〜7のいずれかに記載の製造方法。
【請求項9】
請求項1〜8のいずれかに記載の方法によって製造される黄色蛍光体。
【請求項10】
請求項9に記載の黄色蛍光体を用いた発光装置。
【請求項11】
請求項9に記載の黄色蛍光体を有する白色LED。

【公開番号】特開2012−116980(P2012−116980A)
【公開日】平成24年6月21日(2012.6.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−269353(P2010−269353)
【出願日】平成22年12月2日(2010.12.2)
【出願人】(304027279)国立大学法人 新潟大学 (310)
【出願人】(000002093)住友化学株式会社 (8,981)
【Fターム(参考)】