JP5900342B2 - 蛍光体、およびそれを用いた発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、緑色系の蛍光を発する蛍光体、および該蛍光体を用いた発光装置に関する。
温度上昇に伴う輝度低下が小さく、耐久性に優れた蛍光体として、最近、結晶構造が安定である窒化物や酸窒化物の蛍光体が注目されている。
窒化物、酸窒化物蛍光体としては、窒化ケイ素の固溶体であるサイアロンが代表的である。窒化ケイ素と同様にサイアロンには、α型、β型の二種類の結晶系が存在する。特定の希土類元素を付活させたβ型サイアロンは、有用な蛍光特性を有することが知られており、白色LED等への適用が検討されている。
特許文献1によれば、一般式Si6-xAlxx8-xで示され、Euを含有するβ型サイアロンを主成分とする蛍光体が、紫外光から可視光の幅広い波長域で励起され、520nm以上550nm以下の範囲内に主波長を有する緑色光を高効率で発光するため、緑色の蛍光体として優れていることが開示されている。また、この蛍光体を、単独もしくは他の蛍光体と組み合わせて種々の発光素子、特に紫外LEDや青色LEDを光源とする白色LEDに好適に使用できることも開示されている。
また、特許文献1には、Euを含有するβ型サイアロンを生成させる第一の工程と、窒素雰囲気中、真空中、または窒素以外のガスを主成分とする不活性雰囲気中でそれぞれの最適温度時間で熱処理する第二の工程が開示されている。
これらの工程を採用することによる効果は上記のとおりであるが、特に第二の工程を採用することで、加熱処理雰囲気中の窒素分圧を下げ、結晶欠陥濃度が高く、不安定な窒化物又は酸窒化物相を分解させることができると記載されている。
特許文献2によれば、β型Si34結晶構造を有する酸窒化物の結晶中に含まれる酸素濃度を低減した緑色蛍光体が開示され、従来のサイアロン蛍光体よりピークの幅が狭く、シャープな光を放つ優れた緑色蛍光を呈することが開示されている。特に、蛍光体中のEu濃度が高く、かつ、酸素濃度が低い(例えば、実施例21〜23)と、発光効率が高くなる傾向にあることが示されている(表6、表7参照)。
WO2008/062781国際公開パンフレット 特開2008−303331号公報
しかしながら、上記特許文献1、および2に開示のβ型サイアロン蛍光体は、実用化においては輝度が十分とはいえず、さらなる輝度向上が求められていた。本発明は、従来のβ型サイアロン蛍光体よりも輝度を向上させた蛍光体を提供することを課題とする。
本発明者らは、製造後のβ型サイアロン蛍光体の組成について詳細に検討を行った結果、組成が公知文献において汎用されている一般式Si6-xAlxx8-xから特定量のズレが生じている場合に輝度が向上することを見出した。そして、製造後のβ型サイアロン蛍光体中に、Al、O(酸素)、Euを特定濃度で含有する場合に、蛍光体の輝度が向上することを見出し、本発明を完成させた。
即ち、本発明の要旨は、次の(1)乃至(9)である。
(1)Si、Al、O、N、およびEuを含有するβ型サイアロン蛍光体であって、蛍光体中のAl濃度が0.80質量%以上、2.20質量%以下であり、O濃度が0.60質量%より大きく、1.15質量%以下であり、Eu濃度が0.40質量%以上、0.80質量%以下であり、かつO濃度に対するAl濃度の比(Al/O)が2.0以上、3.0以下であることを特徴とする、β型サイアロン蛍光体。
(2)CIE色度座標のx値が、0.335以上、0.365以下であり、かつ、CIE色度座標のy値が、0.600以上、0.630以下であることを特徴とする、(1)に記載のβ型サイアロン蛍光体。
(3)蛍光体中のAl濃度が0.90質量%以上、2.20質量%以下であることを特徴とする、(1)または(2)に記載のβ型サイアロン蛍光体
(4Si、Al、O、N、およびEuを含有し、Al濃度が0.80質量%以上、2.25質量%以下であり、O濃度が0.36質量%以上、1.15質量%以下であり、Eu濃度が0.40質量%以上、0.80質量%以下であり、かつO濃度に対するAl濃度の比(Al/O)が2.0以上、3.0以下であるβ型サイアロン蛍光体を製造する方法であって、
蛍光体原料を、Si、Al、Eu、およびNからなる群より選ばれる一つ以上の元素と、炭素とを含む化合物の存在下で焼成する工程を有することを特徴とする、β型サイアロン蛍光体の製造方法。
)蛍光体原料を、SiO2の存在下で焼成する工程を有することを特徴とする、(4
に記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
(6)焼成する工程で得られた蛍光体をさらに熱処理する工程を有することを特徴とする、(4)または(5)に記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
(7)焼成する工程または熱処理する工程の後に、洗浄工程を有することを特徴とする、(4)〜(6)のいずれかに記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
(8)洗浄工程が、20℃において固体であり、かつ、20℃における溶解度が0.01g/水100ml以上、400g/水100ml以下であるフッ化物の水溶液Aと、少なくとも一種のフッ化水素酸以外の無機酸を含む水溶液Bとを用いて行われることを特徴と
する、(7)に記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
(9)第1の発光体と、該第1の発光体からの光を可視光に変換して発光し得る第2の発光体とを備え、該第2の発光体は、(1)〜()のいずれかに記載の蛍光体を少なくとも含有することを特徴とする、発光装置。
本発明により、従来のβ型サイアロン蛍光体よりも輝度が向上した蛍光体を提供することができる。また、発光装置に該蛍光体を用いることで、高輝度な発光装置を提供することができる。
本発明の発光装置の一実施態様を示す模式的断面図である。 (a)は砲弾型発光装置の一実施態様を示す模式的断面図であり、(b)は表面実装型発光装置の一実施態様を示す模式的断面図である。 本発明の発光装置を備えた照明装置の一実施態様を示す模式的断面図である。 実施例1および2、並びに比較例1で製造した蛍光体への、粉末X線回折により得られたX線パターンである。 実施例1で製造した蛍光体のSEM観察結果を示す(図面代用写真)。 実施例2で製造した蛍光体のSEM観察結果を示す(図面代用写真)。 比較例1で製造した蛍光体のSEM観察結果を示す(図面代用写真)。 実施例1〜11および比較例1〜4のそれぞれのAlとO(酸素)の質量濃度比(Al/O)と輝度との関係を示すグラフである。 実施例1〜11および比較例1〜4のそれぞれのO(酸素)とEuの質量濃度比(O/Eu)と輝度との関係を示すグラフである。 実施例1〜11および比較例1〜4のそれぞれのAlとEuの質量濃度比(Al/Eu)と輝度との関係を示すグラフである。 実施例1〜11および比較例1〜4のそれぞれのEuの質量濃度と輝度との関係を示すグラフである。 実施例1〜11および比較例1〜4のそれぞれのAlの質量濃度と輝度との関係を示すグラフである。 実施例1〜11および比較例1〜4のそれぞれのO(酸素)の質量濃度と輝度との関係を示すグラフである。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
なお、本明細書中の蛍光体の組成式において、各組成式の区切りは読点(、)で区切って表わす。また、カンマ(,)で区切って複数の元素を列記する場合には、列記された元素のうち一種又は二種以上を任意の組み合わせ及び組成で含有していてもよいことを示している。例えば、「(Ca,Sr,Ba)Al24:Eu」という組成式は、「CaAl24:Eu」と、「SrAl24:Eu」と、「BaAl24:Eu」と、「Ca1-xSrxAl24:Eu」と、「Sr1-xBaxAl24:Eu」と、「Ca1-xBaxAl24:Eu」と、「Ca1-x-ySrxBayAl24:Eu」とを全て包括的に示しているものとする(但し、前記式中、0<x<1、0<y<1、0<x+y<1)。
[1.蛍光体]
(蛍光体の組成)
本発明の蛍光体は、Si、Al、O、N、およびEuを含有するβ型サイアロン蛍光体であって、蛍光体中のAl濃度が0.80質量%以上、2.25質量%以下であり、O(酸素)濃度が0.36質量%以上、1.15質量%以下であり、Eu濃度が0.40質量%以上、0.80質量%以下であり、かつO(酸素)濃度に対するAl濃度の比(Al/O)が2.0以上、3.0以下であることを特徴とする。
一般的にβ型サイアロンは、例えば特許文献1に示されるように、一般式Si6-xAlxx8-xで示される。即ち、β型サイアロンの組成は、AlとO(酸素)との比が1:1であると考えられてきた。
しかしながら、本発明者らは、β型サイアロン蛍光体において、発光中心として働くEu2+イオンが固溶する際は、電荷バランスの観点から、蛍光体の組成が、上記一般式で表される組成から構成元素の組成比がずれるべきであると考え、組成について詳細に検討した結果、AlとO(酸素)との元素比が1:1ではなく、AlがO(酸素)より多く固溶する場合、より具体的には、蛍光体中のAl濃度が0.80質量%以上、2.25質量%以下であり、O濃度が0.36質量%以上、1.15質量%以下であり、Eu濃度が0.40質量%以上、0.80質量%以下であり、かつO濃度に対するAl濃度の比(Al/O)が2.0以上、3.0以下である場合に、β型サイアロン蛍光体が高輝度となることを見出した。
なお、本発明者らは、組成に特定量のズレが生じている場合に、β型サイアロン蛍光体の輝度が向上する理由は以下のように推測している。
β型サイアロン蛍光体を構成する元素のうち、Siは+4価、Alは+3価、Nは−3価、O(酸素)は−2価の電荷を有する。蛍光体(結晶)中の電荷の合計はゼロになる必要があるので、SiとN、AlとO(酸素)のペアで組成が変化することで、電荷のバランスを保っている。よって、AlとO(酸素)の組成比が同一の値、すなわち元素比が1:1となっていると考えられる。したがって前述の通り従来のβ型サイアロン蛍光体の組成は、一般式Si6-xAlxx8-xで表される。
しかしながら、そのような組成比を有する蛍光体の結晶中にEu2+が固溶すると電荷のバランスが崩れてしまい、Euの+2価分をSiとAlによって補って結晶全体の電荷のバランスをとろうとすると考えられる。しかし、上記の従来の組成比下では電荷バランスが十分にとれず、Eu2+は結晶中に固溶されにくく、蛍光体は化学的に不安定となる。
してみると、β型サイアロン蛍光体の結晶中にEu2+を固溶させるには、1個のEu2+の固溶に対応するべく、Si+4が2個減ってAl3+が2個増えた組成とし全体としては−2価とすることが、電荷バランスの保持の観点から良好であると考えられる。
したがって、以下に説明するような組成、即ち、公知文献に開示された蛍光体の組成である一般式Si6-xAlxx8-xからズレた組成である場合の方が、電荷バランスが保たれながらEu2+がより固溶されやすくなり、その結果輝度が向上するものと考えられる。
本発明では、蛍光体のEu濃度と酸素濃度が特定範囲であり、かつ、Al濃度が特定範囲であることから電荷バランスが保たれやすく、特にEuの周りの電荷バランスが良好となり、輝度が向上するものと考えられる。
以下、本発明の蛍光体の組成について、詳細に説明する。
本発明の蛍光体中、Al濃度は0.80質量%以上、2.25質量%以下である。好ましい下限値は0.90質量%以上であり、1.00質量%以上であることがより好ましく、1.10質量%以上であることがさらに好ましく、1.50質量%以上であることが特に好ましい。好ましい上限値は2.20質量%以下であり、2.10質量%以下であることがより好ましく、1.80質量%以下であることがさらに好ましく、1.70質量%未満であることが特に好ましい。Al濃度が上記範囲であると、付活元素であるEuの電荷補償が適切に行われるとともに、不純物相が少なくなるので、発光特性を向上させることができる。Al濃度が高すぎると、未反応のAlNなどが残存し、発光特性が低下する傾向にある。一方で、Al濃度が低すぎると、Euの電荷補償が充分に行われず、蛍光体中に含有されるEuが少なくなり発光特性が低下する傾向にある。
本発明の蛍光体中、O(酸素)濃度は0.36質量%以上、1.15質量%以下である。好ましい下限値は0.60質量%より大きく、0.65質量%以上であることがより好ましく、0.7質量%以上であることがさらに好ましい。好ましい上限値は1.10質量%以下であり、1.05質量%以下であることがより好ましい。O(酸素)が上記範囲であると、蛍光体粒子が充分に成長し、産業的な利用に必要な発光特性を提供することができる。O(酸素)濃度が低すぎると、粒子成長が進まず、発光特性が低下する傾向にある。一方で、O(酸素)濃度が高すぎると、得られる蛍光体粒子が小さくなり、発光特性が低下する傾向にある。
本発明の蛍光体中、Eu濃度は0.40質量%以上、0.80質量%以下である。好ましい下限値は0.45質量%以上であり、0.50質量%以上であることがより好ましい。好ましい上限値は0.75質量%以下であり、0.70質量%以下であることがより好ましく、0.65質量%以下であることが特に好ましい。Euが上記範囲であると、産業的な利用に必要な発光特性を提供することができる。Eu濃度が低すぎると、励起光を充分に吸収して波長変換することが難しくなり、いわゆる輝度飽和により発光特性が低下する傾向にある。一方で、Eu濃度が高すぎると、Eu濃度に起因する濃度消光により発光特性が低下する傾向にある。
本発明の蛍光体中のAl、O(酸素)、Euの各濃度が上記範囲を満たさない場合には、得られる蛍光体の輝度が低下する傾向にある。
なお、本発明の蛍光体中、Si濃度は、56.0質量%以上、61.0質量%以下の範囲であることが好ましい。また、本発明の蛍光体中、N(窒素)濃度は、37.0質量%以上、41.0質量%以下の範囲であることが好ましい。
また、本発明の蛍光体は、上記Al、O(酸素)、Euの各濃度要件を満たすことに加えて、O(酸素)濃度に対するAl濃度の比(Al/O)が2.0以上、3.0以下であることを特徴とする。Al/Oの値が上記範囲となることで、結晶全体の電荷バランスを適切にすることが可能となり、結晶成長が促進され、蛍光体が高い輝度を有する。好ましい下限値は2.0よりも大きく、2.1以上であることがより好ましく、2.2以上であることがさらに好ましく、2.3以上であることが特に好ましい。好ましい上限値は2.9以下であり、2.8以下であることがより好ましく、2.5以下であることが特に好ましい。
Al/Oの値が2.0を下回る場合には、固溶したEuの量に対し酸素が多すぎるため、例えば原料としてAl23を用いた場合にはAl23が残存することで、酸窒化物の不純物がガラス相に残存し、蛍光体の発光特性が低下する傾向にある。一方、Al/Oの値が3.0を超える場合には、固溶したEuの量に対しアルミニウムが多すぎるため、例えば原料としてAlNを用いた場合にはAlNが残存することで、酸窒化物の不純物がガラス相に残存し、蛍光体の発光特性が低下する傾向にある。
上述した中でも、蛍光体中のO(酸素)濃度が0.6質量%より大きいと輝度が高くなる傾向にあることから、本発明の蛍光体としては、Si、Al、O、N、およびEuを含有するβ型サイアロン蛍光体であって、蛍光体中のAl濃度が0.9質量%以上、2.25質量%以下であり、O濃度が0.60質量%より大きく、1.15質量%以下であり、Eu濃度が0.4質量%以上、0.8質量%以下であり、かつO濃度に対するAl濃度の比(Al/O)が2.0以上、3.0以下であるβ型サイアロン蛍光体が好ましい。
一方で、後述するように、蛍光体原料を、Si、Al、Eu、およびNからなる群より選ばれる一つ以上の元素と、炭素とを含む化合物の存在下で焼成すると、蛍光体中のAl濃度が0.80質量%以上、1.00質量%以下の範囲であり、かつ、O(酸素)濃度が0.36質量%以上、0.60質量%以下の範囲である場合であっても電荷バランスが適切な蛍光体を得ることができる。
本発明においてO(酸素)濃度は、LECO社製TC600型などの酸素窒素分析計を用いて、測定することができる。酸素濃度の測定には、不活性ガス融解赤外線吸収法を用いることができる。
また、Al濃度、およびEu濃度は、堀場製作所社製ULTIMA2CなどのICP発光分光法により測定することができる。
また、本発明の蛍光体中の上記Al、O(酸素)、Euの各濃度は、蛍光体原料における仕込み比を調整することや、蛍光体の製造工程において仕込み原料をよく混合すること、具体的には、混合時間を長くしたり、複数回別の手法で混合を行ったりすることなどで、所望の濃度とすることができる。
[蛍光体の特性]
(発光ピーク波長)
本発明により得られる蛍光体は、200nm〜530nmの光により励起され、その発光ピーク波長が、通常510nm以上、好ましくは520nm以上であり、また、通常560nm以下、好ましくは550nm以下である。
(量子効率)
また、本発明により得られる蛍光体は、その内部量子効率が高いほど好ましい。その値は、通常60%以上、好ましくは70%以上である。
本発明により得られる蛍光体は、その吸収効率が高いほど好ましい。その値は通常60%以上、好ましくは65%以上である。吸収効率が低いと発光効率が低下する傾向にある。
本発明により得られる蛍光体は、その外部量子効率が高いほど好ましい。その値は、通常40%以上、好ましくは45%以上、より好ましくは50%以上である。外部量子効率が低いと発光効率が低下する傾向にある。
なお、上記内部量子効率、外部量子効率、及び吸収効率は、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
(一次粒子の大きさ)
本発明の蛍光体は、特定の組成を有することで結晶粒子の成長が促進されるため、その一次粒子が大きい傾向にある。ここで、「一次粒子」とは、粒子間の界面が明瞭に観察することができる粒子のことであり、複数の一次粒子が凝集した粒子は除かれる。
具体的には、一次粒子の太さ(短径)が4μm以上の粒子が、全体の、通常35個数%以上、好ましくは40個数%以上、より好ましくは50個数%以上、特に好ましくは60個数%以上を占める。理想的には、この一次粒子の太さが4μm以上である粒子が100%であることが好ましい。一次粒子の太さが大きい粒子は励起光に対する吸収効率が高く、輝度が明るくなる傾向がある。一次粒子の太さの上限に特に制限はないが、取り扱い性を考慮して、通常50μm以下、好ましくは25μm以下である。
なお、一次粒子の太さが4μm以上の粒子の比率は、顕微鏡写真(倍率は、例えば、1000倍とする。)の5視野中の粒子80個以上を無作為に選び、それらの粒子の短径を測定することにより求める。
一次粒子の太さ(短径)を上記の範囲にすることは、例えばSiO2存在下で蛍光体原料を焼成することにより達成できる。焼成時にSiO2が存在することで、焼成工程における蛍光体の各構成元素の移動が円滑となり、蛍光体の粒子成長が促進されやすいからである。
(一次粒子のアスペクト比)
本発明の蛍光体は、その一次粒子のアスペクト比に特徴を有する。即ち、アスペクト比が2.0以上の一次粒子が、全体の、通常75個数%以上、好ましくは80個数%以上、より好ましくは90個数%以上を占める。
アスペクト比の値が2.0以上の針状の粒子を多く含む蛍光体は、液体媒体と混合した蛍光体含有組成物を塗布する際に、蛍光体を粒子の長手方向に配向性良く塗布することができる。
なお、前記のアスペクト比が2.0以上の粒子の比率は、顕微鏡写真の5視野中の粒子80個以上を無作為に選び、それらの粒子の長径と短径を測定し、長径/短径の値をアスペクト比として算出し、アスペクト比が2.0以上の粒子の割合を計算することにより求める。
(一次粒子の太さ、長さ、及びアスペクト比)
本発明の蛍光体は、その一次粒子の太さ(短径)、長さ(長径)、及びアスペクト比にも特徴を有する。即ち、太さが4μm以上、長さが50μm以下の一次粒子であり、かつ、同一の粒子のアスペクト比が2.0以上の一次粒子が、全体の、通常26個数%以上、好ましくは50個数%以上、より好ましくは75個数%以上を占める。
また、太さが4μm以上、長さが50μm以下の一次粒子であり、かつ、同一の粒子のアスペクト比が3.0以上の一次粒子が、全体の、通常10個数%以上、好ましくは30個数%以上、より好ましくは50個数%以上を占める。
太さが4μm以上であり、かつ、アスペクト比の値が2.0以上の針状の一次粒子を多く含む蛍光体は、実用上求められる輝度を提供することができ、さらに、液体媒体と混合した蛍光体含有組成物を塗布する際に、蛍光体を粒子の長手方向に配向性良く塗布することができる。しかし、一次粒子の長さが長すぎると、ディスペンサーの目詰まりになる傾向があるので、一次粒子の長さは通常50μm以下、好ましくは40μm以下である。
なお、上述したような比率は、顕微鏡写真の5視野中の粒子80個以上を無作為に選び、それらの一次粒子の長径と短径を測定し、短径を太さとし、長径を長さとし、長径/短径の値をアスペクト比として算出し、各々の条件を満たす一次粒子の割合を計算することにより求める。
(重量メジアン径D50、及びその標準偏差)
重量メジアン径D50、及びその標準偏差は、何れも粒径に関する値である。
本発明において、重量メジアン径D50(以下、「メジアン径D50」と称す)は、以下のように定義される。
メジアン径D50とは、レーザー回折・散乱法により粒度分布を測定して得られる、重量基準粒度分布曲線から求められる値である。具体的には、分散剤を含む水溶液中に蛍光体を分散させ、レーザー回折式粒度分布測定装置(堀場製作所 LA−300)により、粒径範囲0.1μm以上600μm以下にて測定して得られる。メジアン径D50とは、この重量基準粒度分布曲線において、積算値が50%のときの粒径値を意味する。同様にして、該重量基準粒度分布曲線において、積算値が25%及び75%の時の粒径値を、それぞれD25、D75と表記する。
本発明の蛍光体のメジアン径D50は、通常1μm以上、好ましくは5μm以上であり、また、通常50μm以下、好ましくは30μm以下である。使用する用途や、組み合わせる蛍光体、適用する装置構成等に応じて粒径を選択することが好ましく、取り扱い性を重視する場合は5μm以上15μm以下の範囲に、蛍光体自体の輝度を重視する場合は15μm以上25μm以下の範囲にすることが特に好ましい。
(CIE色度座標)
本発明の蛍光体の発光色はCIE色度座標で表したときのx値が、通常0.335以上、好ましくは0.340以上、さらに好ましくは0.345以上であり、また、通常0.365以下、好ましくは0.360以下、さらに好ましくは0.355以下である。x値が小さすぎると、発光色が緑色に近づき、輝度が低下する傾向にある。一方、x値が大きすぎると、発光色が黄色に近づき、色再現範囲が狭くなる傾向にある。
また、本発明の蛍光体の発光色はCIE色度座標で表したときのy値が、通常0.600以上、好ましくは0.605以上、さらに好ましくは0.610以上であり、また、通常0.630以下、好ましくは0625以下、さらに好ましくは0.620以下である。y値が小さすぎると、色再現範囲が狭くなる傾向にある。一方、y値が大きすぎると、輝度が低下する傾向にある。
[2.蛍光体の製造方法]
(蛍光体原料の仕込み組成)
β型サイアロン蛍光体は、特許文献1に記載のSi6-xAlxx8-xで表される組成にEuを追加した組成となるように、即ち、Alの組成比とO(酸素)の組成比とが同量になるように調製した蛍光体原料の混合物を焼成することにより製造できるものとされている。
しかしながら、本発明においては、蛍光体原料を、Alの組成比が、O(酸素)の組成比よりも大きくなるように仕込み、混合することが好ましい。中でも、下記式[1]で表される組成比となるように蛍光体原料を仕込み、混合することで混合物を調製し、該混合物を焼成することにより製造することが好ましい。なお、下記式[1]のO(酸素)の組成比には、Si源、Al源、Eu源に含まれる酸素量も含まれる。
SiaAlbcd:Eue ・・・[1]
前記式[1]において、a、b、c、d、およびeは、5.65≦a≦5.95、0.10≦b≦0.35、0.01≦c≦0.12、7.80≦d≦7.99、0.007≦e≦0.020を満たし、b>cである。蛍光体原料の仕込み組成をこのような組成比となるように混合することで、本発明の組成を有する蛍光体を得られやすくなる。好ましくは、5.65≦a≦5.95、0.10≦b≦0.30、0.015≦c≦0.12、7.80≦d≦7.98、0.007≦e≦0.019を満たし、b>cであり、より好ましくは、5.70≦a≦5.90、0.15≦b≦0.25、0.02≦c≦0.10、7.83≦d≦7.95、0.012≦e≦0.018である。
蛍光体原料としては、通常は金属化合物を用いる。すなわち、金属化合物を所定の組成となるように秤量し、混合した後に焼成することにより製造することができる。例えば、上記式[1]で表わされる蛍光体を製造する場合、Siの原料(以下適宜「Si源」という)、Alの原料(以下適宜「Al源」という)、Euの原料(以下適宜「Eu源」という)から必要な組み合わせを混合し(混合工程)、得られた混合物を焼成し(焼成工程)、必要に応じて得られた焼成物を洗浄する(洗浄工程)ことにより製造することができる。
(蛍光体原料)
本発明の蛍光体を製造するために使用される蛍光体原料としては、公知のものを用いることができ、例えば、窒化ケイ素(Si34)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化ケイ素(SiO2)及び/又は酸化アルミニウム(Al23)、更にはEuの金属、酸化物、炭酸塩、塩化物、フッ化物、窒化物又は酸窒化物から選ばれるEu化合物を用いることができる。また、Si源としてSi金属を用いることもできるが、蛍光体に含まれる酸素濃度が少なくなる傾向にあるため、本発明においては窒化ケイ素(Si34)を用いることが好ましい。
なお、前記式[1]におけるO(酸素)やN(窒素)は、Si源、Al源、Eu源から供給されてもよいし、N(窒素)は、焼成雰囲気から供給されてもよい。また、各原料には、不可避的不純物が含まれていてもよい。
(混合工程)
目的組成が得られるように蛍光体原料を秤量し、ボールミル等を用いて充分に混合し、蛍光体原料混合物を得る(混合工程)。本発明においては、各構成元素(特に、付活元素であるEu)が均一に分布するように、充分に混合することが好ましい。
上述したように、Euが結晶中に固溶すると電荷のバランスが崩れてしまい、Euの+2価分をSiとAlによって、結晶全体の電荷のバランスをとっていると考えられ、Si+4が2個減ってAl3+が2個増えた場合、全体としては−2価となりEu2+の固溶に対応すると考えられる。このように考えると、蛍光体原料混合物中で、AlとEuとが近傍に存在し、結晶中に固溶する際に、Al3+とEu2+とが近くに存在することが好ましい。
充分に混合すると、蛍光体原料混合物中でEuが均一に分布していることで、AlとEuの偏りが少なくなり、焼成時にEu2+とAlが均一に分布するため、蛍光体の結晶中でEuがEu2+の形で固溶する際に結晶中の電荷のバランスが保たれやすくなり、輝度が向上するものと考えられる。
一方、不均一な混合で、Al化合物がEuの近くに存在せずに偏った存在状態の場合には、焼成中のイオン拡散でもAlがEuの近傍にたどり着かず、電荷バランスが保たれないものと考えられる。電荷のバランスが保たれない場合には、Eu2+イオンの形で結晶中に固溶しにくくなるので、励起光の吸収効率、発光輝度などの、蛍光体を発光装置に備えて実用化する際に必要な発光特性が低下する傾向にある。一方、電荷のバランスが取れた結晶を含有する蛍光体は化学的により安定であり、発光特性に優れた蛍光体となる。
上記混合の方法は特に限定はされないが、具体的には、下記(A)及び(B)の手法が挙げられる。
(A)例えばハンマーミル、ロールミル、ボールミル、ジェットミル、振動ミル等の乾式粉砕機、又は、乳鉢と乳棒等を用いる粉砕と、例えばリボンブレンダー、V型ブレンダー、ヘンシェルミキサー、ロッキングミキサー等の混合機、又は、乳鉢と乳棒を用いる混合とを組み合わせ、前述の蛍光体原料を粉砕混合する乾式混合法。
(B)前述の蛍光体原料に水等の溶媒又は分散媒を加え、例えば粉砕機、乳鉢と乳棒、又は蒸発皿と撹拌棒等を用いて混合し、溶液又はスラリーの状態とした上で、噴霧乾燥、加熱乾燥、又は自然乾燥等により乾燥させる湿式混合法。
蛍光体原料の混合は、上記湿式混合法又は乾式混合法のいずれでもよいが、水分による蛍光体原料の汚染を避けるために、乾式混合法や非水溶性溶媒を使った湿式混合法、および、水の中でも安定な蛍光体原料成分を先に水溶性溶媒中で湿式混合して乾燥してから、水の中では不安定な原料成分を添加して乾式で混合する、などの方法が挙げられる。
蛍光体原料の十分な混合のためには、(A)の手法による混合の場合には、少なくとも60分間を超える時間、混合することが好ましく、90分間以上混合することがより好ましく、120分間以上混合することが更に好ましい。また、混合、粉砕の2段階の混合手法により混合することが好ましい。(B)の手法による混合の場合には、溶液又はスラリーの状態で少なくとも60分間以上混合することが好ましい。加えて、付活元素であるEuを原料中でよく混合するためには、例えば、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、塩化物などの水溶性のEu化合物を水に溶解させ、その後その他の蛍光体原料と混合する方法が好ましい。
(焼成工程)
混合工程で得られた原料の混合物を焼成する(焼成工程)。上述の蛍光体原料混合物を、必要に応じて乾燥後、少なくとも当該原料が接する面が窒化ホウ素からなる坩堝等の容器内に充填し、焼成炉、加圧炉等を用いて焼成を行う。
焼成温度については、所望する蛍光体の組成により異なるので、一概に規定できないが、一般的には1820℃以上2200℃以下の温度範囲で、安定して蛍光体が得られる。焼成温度が1820℃以上であればEuがβ型サイアロン結晶中に入り込むことができ、十分な輝度を有する蛍光体が得られる。また、加熱温度が2200℃以下であれば、非常に高い窒素圧力をかけてβ型サイアロンの分解を抑制する必要がなく、その為に特殊な装置を必要とすることもないので工業的に好ましい。
好ましい焼成温度としては、1850℃以上が好ましく、1900℃以上が特に好ましく、また、2200℃以下が好ましく、2100℃以下が特に好ましい。焼成工程における焼成雰囲気は、本発明の蛍光体が得られる限り任意であるが、通常は、窒素含有雰囲気である。具体的には、窒素雰囲気、水素含有窒素雰囲気が挙げられ、中でも窒素雰囲気が好ましい。
なお、焼成雰囲気の酸素含有量は、通常10ppm以下、好ましくは5ppm以下にするとよい。また、昇温速度は、通常2℃/分以上、好ましくは3℃/分以上、また、通常10℃/分以下、好ましくは5℃/分以下である。昇温速度が上記範囲であることで、焼成時間が徒に長くなることを避けることができるため好ましい。
焼成時間は、焼成時の温度や圧力等によっても異なるが、通常10分間以上、好ましくは1時間以上、また、通常24時間以下、好ましくは12時間以下である。焼成時の圧力は、焼成温度等によっても異なるが、通常0.1MPa以上、好ましくは0.5MPa以上であり、また、上限としては、通常2.0MPa以下、好ましくは1.5MPa以下である。このうち、工業的には0.6MPa以上1.2MPa程度以下がコスト及び手間の点で簡便であり好ましい。
また、蛍光体原料を焼成する際に、SiO2が存在することが好ましい。焼成時にSiO2が存在することで、焼成工程における蛍光体の各構成元素の移動が円滑となり、蛍光体の粒子成長が促進される傾向にあり、これにより、蛍光体の吸収効率が向上し、輝度が向上するものと考えられる。さらに、焼成工程において、特に付活元素であるEuの移動が円滑となるので、付活元素が蛍光体粒子内に均質に分散することを促し、付活元素の偏析による濃度消光を抑え、蛍光体の内部量子効率を向上することによって輝度を向上させることができるものと考えられる。
焼成時にSiO2を存在させる方法としては、原料と共にSiO2を混合してもよいし、焼成工程においてSiO2を添加してもよい。本発明の製造方法で用いるSiO2の種類としては、特に制限はないが、例えば、球状微粒子シリカを使用することができる。また、不純物の少ないSiO2を用いることが好ましく、例えば、Fe含有量が10ppm以下のものを用いることが好ましい。
上記SiO2の粒径としては、通常200nm以上、好ましくは500nm以上、より好ましくは1μm以上であり、また、通常10μm以下、好ましくは5μm以下、より好ましくは3μm以下である。粒径が大きすぎると、粒子成長を促す効果が全体へ行き届かず、粒子のばらつきが大きく、輝度が低下する傾向にあり、小さすぎると、SiO2同士が凝集していまい、作業性が低下する傾向にあり、さらに、粒子成長を促進する効果が全体へ行き届かず、粒子の大きさのばらつきが大きく、輝度が低下する傾向にある。
また、SiO2の添加量は、焼成物全体(蛍光体原料と、SiO2との合計)に対し、通常0.01重量%以上、好ましくは0.1重量%以上、より好ましくは0.2重量%以上であり、また、通常2.8重量%以下、好ましくは2重量%以下、より好ましくは1.2重量%以下、さらに好ましくは0.8重量%以下、特に好ましくは0.4重量%以下である。添加量が多すぎると、焼結が進みすぎて溶融したり、蛍光体の凝集が激しくなったりする傾向にあり、LED用の蛍光体粉体として使いにくくなる可能性があり、少なすぎると粒子成長を促す効果が全体へ行き届かず、粒子の大きさのばらつきが大きくなり、輝度が低下する傾向にある。
また、蛍光体原料を焼成する際に、Si、Al、Eu、およびNからなる群より選ばれる一つ以上の元素と、炭素とを含む化合物(以下、「炭素を含む化合物」と称することがある。)を存在させてもよい。特に、Al濃度が低い蛍光体を製造する場合において、前記炭素を含む化合物の存在下で焼成すると、原料中に必然的に含まれてしまう過剰な酸素を除去する効果があり、これにより、蛍光体粒子が溶融することや蛍光体粒子が細かくなることを防ぎ、発光特性が高くなるという効果が得られて好ましい。
炭素を含む化合物としては、SiC、Al43等が挙げられる。中でも、大気中で安定であり、作業性が良いことからSiCが好ましい。
炭素を含む化合物として、SiCを用いる場合において、焼成時にSiCを存在させる方法としては、原料と共にSiCを混合してもよいし、焼成工程においてSiCを添加してもよい。本発明の製造方法で用いるSiCの種類としては、特に制限はないが、不純物の少ないSiCを用いることが好ましく、例えば、Fe含有量が10ppm以下のものを用いることが好ましい。
上記SiCの粒径としては、通常100nm以上、好ましくは200nm以上、より好ましくは500nm以上であり、また、通常10μm以下、好ましくは5μm以下、より好ましくは3μm以下である。用いるSiCの粒径が大きすぎると、原料中の酸素とうまく反応せず、過剰な酸素が残存しやすく、得られる蛍光体の粒子が細かくなって発光特性が低下する傾向にある。一方、粒径が小さすぎると、SiC同士が凝集していまい、作業性が低下する傾向にあり、さらに、過剰な酸素を除去する効果が全体へ行き届かず、粒子の大きさのばらつきが大きくなり、得られる蛍光体の輝度が低下する傾向もある。
また、SiCの添加量は、焼成物全体(蛍光体原料と、SiCとの合計)に対し、通常0.01重量%以上、好ましくは0.1重量%以上、より好ましくは0.2重量%以上であり、また、通常2重量%以下、好ましくは1.5重量%以下、より好ましくは1.2重量%以下である。添加量が多すぎると、酸素を除去する効果が大きすぎて粒子成長が進まず、AlやEuが蛍光体中に拡散しにくくなり、電荷バランスが不適切となる傾向にあるため、蛍光体の発光特性が低下することがある。一方、添加量が少なすぎると、過剰な酸素により、蛍光体の凝集が激しくなってLED用蛍光体として作業性が損なわれたり、また、得られる蛍光体粒子が非常に細かくなったりして、発光特性が著しく低下してしまうことがある。
なお、SiO2とSiCの双方の存在下で焼成してもよい。
得られる焼成物は、粒状又は塊状となる。これを解砕、粉砕及び/又は分級操作を組み合わせて所定のサイズの粉末にする。ここでは、D50が約30μm以下になる様に処理すればよい。
具体的な処理の例としては、合成物を目開き45μm程度の篩分級処理し、篩を通過した粉末を次工程に回す方法、或いは合成物をボールミルや振動ミル、ジェットミル等の一般的な粉砕機を使用して所定の粒度に粉砕する方法が挙げられる。後者の方法において、過度の粉砕は、光を散乱しやすい微粒子を生成するだけでなく、粒子表面に結晶欠陥を生成し、発光効率の低下を引き起こす可能性がある。
(熱処理工程)
本発明の蛍光体を製造するためには、焼成工程で得られた蛍光体をさらに熱処理することが好ましい(熱処理工程)。酸窒化物の不純物相を熱分解させるためである。熱処理工程を行うと、蛍光体中に偏って分布していたEuなどのイオンが拡散しやすくなり、また、焼成工程中に蛍光体の表面に形成された不純物相の熱分解を促進させ、輝度を向上させることができる。
熱処理工程における適切な熱処理温度は、雰囲気等によっても異なるが、1200℃以上1550℃以下の温度範囲が好ましい。1200℃以上で不純物相の分解が進行する傾向にあり、1550℃以下でβ型サイアロンの急激な分解が抑制できる。
熱処理の雰囲気としては、窒素雰囲気、水素含有窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、水素含有アルゴン雰囲気、真空雰囲気等が挙げられ、アルゴン雰囲気が好ましい。
熱処理時の圧力は、熱処理温度等によっても異なるが、通常0.09MPa以上、好ましくは0.1MPa以上であり、また、上限としては、通常1MPa以下、好ましくは0.5MPa以下である。
熱処理時間は、熱処理時の温度や圧力等によっても異なるが、通常10分間以上、好ましくは1時間以上、また、通常24時間以下、好ましくは12時間以下である。
尚、焼成工程と熱処理工程とは、上述の焼成工程における加熱後の冷却時に連続して行っても構わないが、所定の粒度まで調整した後に、熱処理を行った方が効果的である。これは、焼成時に形成させる結晶欠陥だけではなく、解砕や粉砕時に形成させる結晶欠陥も取り除くことができるからである。
(洗浄工程)
β型サイアロン蛍光体は、焼成工程や熱処理工程において、熱分解により蛍光体表面にSi金属が生成する傾向にある。蛍光体の特性向上のためには、このSi金属をできる限り除去する必要がある。そのため焼成工程及び熱処理工程の後に洗浄工程を設けることが好ましい。洗浄工程により、焼成工程や熱処理工程で蛍光体の表面に生成されたSi金属やSi金属ではない不純物相を除去することができる。これにより、蛍光体からの発光を吸収する成分が減少し、発光特性が向上するという効果がある。
本発明においては、不純物を除去することができれば洗浄方法に特に制限はない。例えば、フッ化水素酸と硝酸とを用いて洗浄することができるが、安全性、環境負荷等を考慮する場合は、後述する水溶液Aと水溶液Bとを用いて洗浄するとよい。
上記水溶液Aは、20℃において固体であり、かつ、20℃における溶解度が0.01g/水100ml以上、400g/水100ml以下であるフッ化物を含む水溶液である。上記水溶液Bは、硝酸、硫酸、塩酸、シュウ酸、及びリン酸からなる群から選ばれる少なくとも一種を含む水溶液である。即ち、洗浄工程に用いる混酸の成分として、従来、フッ化水素酸と硝酸が使用されていたが、本発明においては、急性毒性物質であるフッ化水素酸の使用量を減らすため、例えば、フッ化ナトリウム(融点が993℃の安定な固体である。)の水溶液と硝酸とを用いることが好ましい。これにより、前記Si金属を含む不純物を安全に、かつ、効率よく除去することができ、さらに、洗浄工程における歩留まりも向上させることができるので産業的利便性が向上する。
本発明で用いる水溶液Aは、フッ化水素酸に比べ、人体に対して安全であり環境に対する負担が小さく、保管・運搬などの作業工程においても取扱が容易である。
前記水溶液Aに含まれるフッ化物としては、20℃における溶解度が0.1g/水100ml以上であるものが好ましく、0.5g/水100ml以上であるものがより好ましく、また、100g/水100ml以下であるものが好ましい。このようなフッ化物は、常温で固体であるがゆえに、取り扱い性、作業性が良好であり、安全に製造作業を行うことができる。また、このようなフッ化物を含む水溶液Aは、Si、SiO2などの不純物について腐食性を示すので、単独でもこれらの化合物を除去することができるが、Si、SiO2などの不純物が、酸窒化物の不純物相で皮膜されている場合には、前記の水溶液A単独では除去することが難しい傾向にある。そのため、前記の水溶液Aに、硝酸、硫酸、塩酸、シュウ酸、及びリン酸からなる群から選ばれる少なくとも一種を含む水溶液Bを併用することで、酸窒化物の不純物相を除去し、Si、SiO2などの不純物も効率よく除去することができる。
水溶液Aに用いることができるフッ化物を具体的に例示すれば、LiF、NaF、KF、RbF、CsF、NH4F、NaHF2、KHF2、RbHF2、NH52、AlF3、ZnF2・4H2O、ZrF4、Na2TiF6、K2TiF6、(NH42TiF6、Na2SiF6、K2SiF6、ZnSiF6・6H2O、MgSiF6・6H2O、Na2ZrF6、K2ZrF6、(NH42ZrF6、KBF4、NH4BF4、Mg(BF42・6H2O、KPF6、K3AlF6、Na3AlF6、SrF2等が挙げられる。例示した中でも、溶解度が適度高く、潮解性が低いことから、NaFが好ましい。
また、前記水溶液Bとして用いることができる酸としては、フッ化水素酸以外の無機酸であり、具体的には、硝酸、硫酸、塩酸、シュウ酸、及びリン酸からなる群から選ばれる少なくとも一種以上である(以下、これらの酸を「水溶液Bの無機酸」と称する)。中でも、酸化力が高いことから、硝酸が好ましい。
水溶液Bの無機酸の濃度としては、水溶液Aと水溶液Bとの合計量に対し、通常10重量%以上、好ましくは15重量%以上、より好ましくは20重量%以上であり、通常70重量%以下である。水溶液Aと水溶液Bとの合計量に対する、水溶液Bの無機酸の濃度が前記範囲となれば、水溶液Bにおける、水溶液Bの無機酸の濃度に特に制限はなく、例えば、希硝酸でも濃硝酸でも用いることができる。
水溶液Aと水溶液Bとの組み合わせとしては、NaFと硝酸との組み合わせが好ましい。これらの混合水溶液による溶解処理は、速やかにSiを除去して蛍光体の特性を向上することができるとともに、環境負担を減らしながら、作業性、産業的利便性が向上させることができることから好ましい。
本発明の洗浄工程においては、焼成工程で得られた蛍光体を、水溶液Aと水溶液Bとの混合液に浸漬することにより行われる。この際、水溶液Aと水溶液Bとを合わせることができればその混合方法に特に制限はなく、水溶液Aに水溶液Bを加えても、水溶液Bに水溶液Aを加えてもよい。
ここで、浸漬している間、静置することにしても構わないが、作業効率の観点から、洗浄時間を短縮することができる程度に攪拌することが好ましい。また、通常、室温(25℃程度)で作業を行うが、必要に応じて水溶液を加熱してもよい。
蛍光体を、水溶液Aと水溶液Bとの混合液に浸漬する時間は、攪拌条件等によっても異なるが、通常1時間以上、好ましくは2時間以上であり、また、通常24時間以下、好ましくは12時間以下である。
本発明の洗浄工程において、水溶液Aと水溶液Bとの混合液に蛍光体を浸漬する作業を行った後、一般的な水洗、ろ過を行うことが好ましい。水洗における洗浄媒としては、通常、室温(25℃程度)の水を用いるが、必要に応じて加熱してもよい。
上述した蛍光体の水洗は、洗浄後の蛍光体について、次のような水分散試験を行い、その時の上澄み液の電気伝導度が所定の値以下となるまで行う。 即ち、洗浄後の蛍光体を、必要に応じて乾式ボールミル等で解砕ないし粉砕し、篩又は水簸により分級を行って所望の重量メジアン径に整粒し、その後、当該蛍光体の10重量倍の水中で所定時間、例えば10分間撹拌して分散させた後、1時間静置することにより、水よりも比重の重い蛍光体粒子を自然沈降させる。このときの上澄み液の電気伝導度を測定し、その電気伝導度が通常、100μS/cm以下、好ましくは50μS/cm以下、最も好ましくは10μS/cm以下となるまで、必要に応じて上述の洗浄操作を繰り返す。
この蛍光体の水分散試験に用いられる水としては、特に制限はないが、洗浄媒の水と同様に脱塩水又は蒸留水が好ましく、特に電気伝導度は、通常0.01μS/cm以上、好ましくは0.1μS/cm以上、また、通常10μS/cm以下、好ましくは1μS/cm以下である。また、上記蛍光体の水分散試験に用いられる水の温度は、通常、室温(25℃程度)である。
このような洗浄を行うことにより、蛍光体を重量比で10倍の水に分散後、1時間静置して得られる上澄み液の電気伝導度が10μS/cm以下である本発明の蛍光体を得ることができる。 なお、上記蛍光体の水分散試験における上澄み液の電気伝導度の測定は、株式会社堀場製作所製、電気伝導度計「ES−12」等を用いて行うことができる。
また、上記洗浄工程後は、蛍光体を付着水分がなくなるまで乾燥させて、使用に供する。また、さらに、必要に応じて、凝集をほぐすために分散・分級処理を行ってもよい。
[3.蛍光体の用途]
本発明の蛍光体は、蛍光体を使用する任意の用途に用いることができる。また、本発明により得られる蛍光体は、本発明により得られる蛍光体を単独で使用することも可能であるが、本発明により得られる蛍光体を2種以上併用したり、本発明により得られる蛍光体とその他の蛍光体とを併用したりした、任意の組み合わせの蛍光体混合物として用いることも可能である。
本発明の蛍光体は、公知の液体媒体(例えば、シリコーン系化合物等)と混合して、蛍光体含有組成物として用いることもできる。
また、本発明により得られる蛍光体は、特に、近紫外光ないし青色光で励起可能であるという特性を生かして、近紫外光ないし青色光を発する光源と組み合わせることで、各種の発光装置に好適に用いることができる。本発明により得られる蛍光体が通常は緑色発光蛍光体であることから、例えば、本発明により得られる蛍光体に、青色光を発する励起光源を組み合わせれば、青色〜緑色の発光装置を製造することができる。また、本発明により得られる蛍光体に、青色光を発する励起光源、及び赤色光を発光する蛍光体を組み合わせるか、近紫外光を発する励起光源、青色光を発光する蛍光体、及び赤色を発光する蛍光体を組み合わせれば、本発明により得られる蛍光体が緑色光を発光するので、白色発光装置を製造することができる。
発光装置の発光色としては白色に制限されず、蛍光体の組み合わせや含有量を適宜選択することにより、電球色(暖かみのある白色)やパステルカラー等、任意の色に発光する発光装置を製造することができる。こうして得られた発光装置を、画像表示装置の発光部(特に液晶用バックライトなど)や照明装置として使用することができる。
[4.蛍光体含有組成物]
本発明の蛍光体は、液体媒体と混合して用いることもできる。特に、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。本発明の蛍光体を液体媒体中に分散させたものを、適宜「本発明の蛍光体含有組成物」と呼ぶものとする。
[4−1.蛍光体]
上記蛍光体含有組成物に含有させる本発明の蛍光体の種類に制限は無く、任意に選択することができる。また、蛍光体含有組成物に含有させる本発明の蛍光体は、1種のみであってもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。更に、蛍光体含有組成物には、本発明の効果を著しく損なわない限り、本発明の蛍光体以外の蛍光体を含有させてもよい。
[4−2.液体媒体]
蛍光体含有組成物に用いられる液体媒体の種類は特に限定されず、通常、半導体発光素子を覆ってモールディングすることのできる硬化性材料を用いることができる。硬化性材料とは、流体状の材料であって、何らかの硬化処理を施すことにより硬化する材料のことをいう。ここで、流体状とは、例えば液状又はゲル状のことをいう。硬化性材料は、固体発光素子から発せられた光を蛍光体へ導く役割を担保するものであれば、具体的な種類に制限は無い。また、硬化性材料は、1種のみを用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。したがって、硬化性材料としては、無機系材料及び有機系材料並びに両者の混合物のいずれを用いることも可能である。
無機系材料としては、例えば、金属アルコキシド、セラミック前駆体ポリマー若しくは金属アルコキシドを含有する溶液をゾル−ゲル法により加水分解重合して成る溶液、またはこれらの組み合わせを固化した無機系材料(例えばシロキサン結合を有する無機系材料)等を挙げることができる。
一方、有機系材料としては、例えば、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂等が挙げられる。具体例を挙げると、ポリ(メタ)アクリル酸メチル等の(メタ)アクリル樹脂;ポリスチレン、スチレン−アクリロニトリル共重合体等のスチレン樹脂;ポリカーボネート樹脂;ポリエステル樹脂;フェノキシ樹脂;ブチラール樹脂;ポリビニルアルコール;エチルセルロース、セルロースアセテート、セルロースアセテートブチレート等のセルロース系樹脂;エポキシ樹脂;フェノール樹脂;シリコーン樹脂等が挙げられる。
これら硬化性材料の中では、半導体発光素子からの発光に対して劣化が少なく、耐アルカリ性、耐酸性、耐熱性にも優れる珪素含有化合物を使用することが好ましい。珪素含有化合物とは分子中に珪素原子を有する化合物をいい、ポリオルガノシロキサン等の有機材料(シリコーン系化合物)、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素等の無機材料、及びホウケイ酸塩、ホスホケイ酸塩、アルカリケイ酸塩等のガラス材料を挙げることができる。中でも、透明性、接着性、ハンドリングの容易さ、機械的、熱的応力の緩和特性に優れる等の点から、シリコーン系材料が好ましい。
シリコーン系材料とは、通常、シロキサン結合を主鎖とする有機重合体をいい、例えば、縮合型、付加型、改良ゾルゲル型、光硬化型等のシリコーン系材料を用いることができる。
縮合型シリコーン系材料としては、例えば、特開2007−112973〜112975号公報、特開2007−19459号公報、特開2008−34833号公報等に記載の半導体発光デバイス用部材を用いることができる。縮合型シリコーン系材料は半導体発光デバイスに用いられるパッケージや電極、発光素子などの部材との接着性に優れるため、密着向上成分の添加を最低限とすることが出来、架橋はシロキサン結合主体のため耐熱性・耐光性に優れる利点がある。
付加型シリコーン系材料としては、例えば、特開2004−186168号公報、特開2004−221308号公報、特開2005−327777号公報等に記載のポッティング用シリコーン材料、特開2003−183881号公報、特開2006−206919号公報等に記載のポッティング用有機変性シリコーン材料、特開2006−324596号公報に記載の射出成型用シリコーン材料、特開2007−231173号公報に記載のトランスファー成型用シリコーン材料等を好適に用いることができる。付加型シリコーン材料は、硬化速度や硬化物の硬度などの選択の自由度が高い、硬化時に脱離する成分が無く硬化収縮しにくい、深部硬化性に優れるなどの利点がある。
また、縮合型の一つである改良ゾルゲル型シリコーン系材料としては、例えば、特開2006−077234号公報、特開2006−291018号公報、特開2007−119569号公報等に記載のシリコーン材料を好適に用いることができる。改良ゾルゲル型のシリコーン材料は高架橋度で耐熱性・耐光性高く耐久性に優れ、ガス透過性低く耐湿性の低い蛍光体の保護機能にも優れる利点がある。
光硬化型シリコーン系材料としては、例えば特開2007−131812号公報、特開2007−214543号公報等に記載のシリコーン材料を好適に用いることが出来る。紫外硬化方シリコーン材料は、短時間に硬化するため生産性に優れる、硬化に高い温度をかける必要が無く発光素子の劣化が起こりにくいなどの利点がある。
これらのシリコーン系材料は単独で使用してもよいし、混合することにより硬化阻害が起きなければ複数のシリコーン系材料を混合して用いてもよい。
[4−3.液体媒体及び蛍光体の含有率]
液体媒体の含有率は、本発明の効果を著しく損なわない限り任意であるが、本発明の蛍光体含有組成物全体に対して、通常25重量%以上、好ましくは40重量%以上であり、また、通常99重量%以下、好ましくは95重量%以下、より好ましくは80重量%以下である。液体媒体の量が多い場合には特段の問題は起こらないが、半導体発光装置とした場合に所望の色度座標、演色指数、発光効率等を得るには、通常、上記のような配合比率で液体媒体を用いることが望ましい。一方、液体媒体が少な過ぎると流動性が低下し取り扱い難くなる可能性がある。
液体媒体は、本発明の蛍光体含有組成物において、主にバインダーとしての役割を有する。液体媒体は、一種を単独で用いてもよいが、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。例えば、耐熱性や耐光性等を向上させることを目的として珪素含有化合物を使用する場合は、当該珪素含有化合物の耐久性を損なわない程度に、エポキシ樹脂など他の熱硬化性樹脂を含有してもよい。この場合、他の熱硬化性樹脂の含有量は、バインダーである液体媒体全量に対して通常25重量%以下、好ましくは10重量%以下とすることが望ましい。
蛍光体含有組成物中の蛍光体の含有率は、本発明の効果を著しく損なわない限り任意であるが、本発明の蛍光体含有組成物全体に対して、通常1重量%以上、好ましくは5重量%以上、より好ましくは20重量%以上であり、通常75重量%以下、好ましくは60重量%以下である。また、蛍光体含有組成物中の蛍光体に占める本発明の蛍光体の割合についても任意であるが、通常30重量%以上、好ましくは50重量%以上であり、通常100重量%以下である。蛍光体含有組成物中の蛍光体含有量が多過ぎると蛍光体含有組成物の流動性が劣り、取り扱いにくくなることがあり、蛍光体含有量が少な過ぎると発光装置の発光の効率が低下する傾向にある。
[4−4.その他の成分]
蛍光体含有組成物には、本発明の効果を著しく損なわない限り、蛍光体及び液体媒体以外に、その他の成分、例えば、屈折率調整のための金属酸化物や、拡散剤、フィラー、粘度調整剤、紫外線吸収剤等の添加剤を含有させても良い。その他の成分は、1種のみを用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
[5.発光装置]
本発明の発光装置(以下、適宜「発光装置」という)は、第1の発光体(励起光源)と、当該第1の発光体からの光を可視光に変換して、可視光を発し得る第2の発光体とを有する発光装置であって、該第2の発光体として前述の[1.蛍光体]の項で記載した本発明の蛍光体を1種以上含む第1の蛍光体を含有するものである。
本発明の発光装置に用いられる本発明の蛍光体の好ましい具体例としては、前述の[1.蛍光体]の欄に記載した本発明の蛍光体や、後述の[実施例]の欄の各実施例に用いた蛍光体が挙げられる。また、本発明の蛍光体は、何れか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。
本発明の発光装置は、第1の発光体(励起光源)を有し、且つ、第2の発光体として少なくとも本発明の蛍光体を使用している他は、その構成は制限されず、公知の装置構成を任意にとることが可能である。装置構成の具体例については後述する。
本発明の発光装置のうち、特に白色発光装置として、具体的には、第1の発光体として後述するような励起光源を用い、本発明の蛍光体の他、後述するような青色の蛍光を発する蛍光体(以下、適宜「青色蛍光体」という)、緑色の蛍光を発する蛍光体(以下、適宜「緑色蛍光体」という)、赤色の蛍光を発する蛍光体(以下、適宜「赤色蛍光体」という)、黄色の蛍光を発する蛍光体(以下、適宜「黄色蛍光体」という)等の公知の蛍光体を任意に組み合わせて使用し、公知の装置構成をとることにより得られる。
ここで、該白色発光装置の白色とは、JIS Z 8701により規定された、(黄みの)白、(緑みの)白、(青みの)白、(紫みの)白及び白の全てを含む意であり、このうち好ましくは白である。
[5−1.発光装置の構成]
<5−1−1.第1の発光体>
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の発光体の発光ピーク波長は、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、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。
第1の発光体の発光ピーク波長の具体的数値としては、通常200nm以上が望ましい。このうち、青色光を励起光として用いる場合には、通常420nm以上、好ましくは430nm以上、より好ましくは440nm以上、また、通常480nm以下、好ましくは470nm以下、より好ましくは460nm以下の発光ピーク波長を有する発光体を使用することが望ましい。一方、近紫外光を励起光として用いる場合には、通常300nm以上、好ましくは330nm以上、より好ましくは360nm以上、また、通常420nm以下、好ましくは410nm以下、より好ましくは400nm以下の発光ピーク波長を有する発光体を使用することが望ましい。
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(LED)やレーザーダイオード(LD)等が使用できる。その他、第1の発光体として使用できる発光体としては、例えば、有機エレクトロルミネッセンス発光素子、無機エレクトロルミネッセンス発光素子等が挙げられる。但し、第1の発光体として使用できるものは本明細書に例示されるものに限られない。
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、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としては、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。中でも、発光強度が非常に高いことから、GaN系LEDとしては、InXGaYN発光層を有するものが特に好ましく、InXGaYN層とGaN層との多重量子井戸構造のものがさらに好ましい。
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。
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、発光効率が高くて好ましく、更にヘテロ構造を量子井戸構造にしたものが、発光効率が更に高いため、より好ましい。
なお、第1の発光体は、1個のみを用いてもよく、2個以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
<5−1−2.第2の発光体>
本発明の発光装置における第2の発光体は、上述した第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り、第1の蛍光体として本発明の蛍光体を1種以上含有するとともに、その用途等に応じて適宜、後述する第2の蛍光体(青色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、橙色蛍光体、赤色蛍光体等)を含有する。また、例えば、第2の発光体は、第1及び第2の蛍光体を封止材料中に分散させて構成される。
上記第2の発光体中に用いられる、本発明の蛍光体以外の蛍光体(即ち、第2の蛍光体)の組成には特に制限はないが、母体結晶となる、Y23、YVO4、Zn2SiO4、Y3Al512、Sr2SiO4等に代表される金属酸化物、Sr2Si58等に代表される金属窒化物、Ca5(PO43Cl等に代表されるリン酸塩及びZnS、SrS、CaS等に代表される硫化物、Y22S、La22S等に代表される酸硫化物等にCe、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb等の希土類金属のイオンやAg、Cu、Au、Al、Mn、Sb等の金属のイオンを付活元素又は共付活元素として組み合わせたものが挙げられる。
表1に、好ましい結晶母体の具体例を示す。

但し、上記の母体結晶及び付活元素又は共付活元素は、元素組成には特に制限はなく、同族の元素と一部置き換えることもでき、得られた蛍光体は近紫外から可視領域の光を吸収して可視光を発するものであれば用いることが可能である。
具体的には、蛍光体として以下に挙げるものを用いることが可能であるが、これらはあくまでも例示であり、本発明で使用できる蛍光体はこれらに限られるものではない。なお、以下の例示では、前述の通り、構造の一部のみが異なる蛍光体を、適宜省略して示している。
<5−1−2−1.第1の蛍光体>
本発明の発光装置における第2の発光体は、少なくとも上述の本発明の蛍光体を含む第1の蛍光体を含有する。本発明の蛍光体は、何れか1種を単独で使用してもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよく、所望の発光色となるよう、本発明の蛍光体の組成を適宜調整すればよい。
<5−1−2−2.第2の蛍光体>
本発明の発光装置における第2の発光体は、その用途に応じて、上述の第1の蛍光体以外にも蛍光体(即ち、第2の蛍光体)を含有していてもよい。通常、これらの第2の蛍光体は、第2の発光体の発光の色調を調節するために使用されるため、第2の蛍光体としては第1の蛍光体とは異なる色の蛍光を発する蛍光体を使用することが多い。例えば、第1の蛍光体として緑色蛍光体を使用する場合、第2の蛍光体としては、青色蛍光体、赤色蛍光体、黄色蛍光体等の緑色蛍光体以外の蛍光体を用いるとよい。但し、第1の蛍光体と同色の蛍光体を第2の蛍光体として用いることも可能である。
本発明の発光装置に使用される第2の蛍光体の重量メジアン径D50は、通常2μm以上、中でも5μm以上、また、通常30μm以下、中でも20μm以下の範囲であることが好ましい。重量メジアン径D50が小さ過ぎると、輝度が低下し、蛍光体粒子が凝集してしまう傾向がある。一方、重量メジアン径が大き過ぎると、塗布ムラやディスペンサー等の閉塞が生じる傾向がある。
<青色蛍光体>
本発明の蛍光体に加えて青色蛍光体を使用する場合、当該青色蛍光体は本発明の効果を著しく損なわない限り任意のものを使用することができる。この際、青色蛍光体の発光ピーク波長は、通常420nm以上、好ましくは430nm以上、より好ましくは440nm以上、また、通常490nm以下、好ましくは480nm以下、より好ましくは470nm以下、更に好ましくは460nm以下の波長範囲にあることが好適である。使用する青色蛍光体の発光ピーク波長がこの範囲にあると、本発明の蛍光体の励起帯と重なり、当該青色蛍光体からの青色光により、本発明の蛍光体を効率良く励起することができるからである。このような青色蛍光体として使用できる蛍光体を表2に示す。
以上の中でも、青色蛍光体としては、(Ca,Sr,Ba)MgAl1017:Eu、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO46(Cl,F)2:Eu、(Ba,Ca,Mg,Sr)2SiO4:Eu、(Ba,Ca,Sr)3MgSi2O8:Euが好ましく、(Ba,Sr)MgAl1017:Eu、(Ca,Sr,Ba)10(PO46(Cl,F)2:Eu、Ba3MgSi28:Euがより好ましく、Sr10(PO46Cl2:Eu、BaMgAl1017:Euが特に好ましい。
<緑色蛍光体>
本発明の蛍光体に加えて緑色蛍光体を使用する場合、当該緑色蛍光体は本発明の効果を著しく損なわない限り任意のものを使用することができる。この際、緑色蛍光体の発光ピーク波長は、通常500nmより大きく、中でも510nm以上、更には515nm以上、また、通常550nm以下、中でも542nm以下、更には535nm以下の範囲であることが好ましい。この発光ピーク波長が短過ぎると青味を帯びる傾向がある一方で、長過ぎると黄味を帯びる傾向があり、何れも緑色光としての特性が低下する場合がある。このような緑色蛍光体として利用できる蛍光体を表3に示す。
以上の中でも、緑色蛍光体としては、Y3(Al,Ga)512:Tb、CaSc24:Ce、Ca3(Sc,Mg)2Si312:Ce、(Sr,Ba)2SiO4:Eu、(Si,Al)6(O,N)8:Eu(β−sialon)、(Ba,Sr)3Si612:N2:Eu、SrGa24:Eu、BaMgAl1017:Eu,Mnが好ましい。
得られる発光装置を照明装置に用いる場合には、Y3(Al,Ga)512:Tb、CaSc24:Ce、Ca3(Sc,Mg)2Si312:Ce、(Sr,Ba)2SiO4:Eu、(Si,Al)6(O,N)8:Eu(β−sialon)、(Ba,Sr)3Si6122:Euが好ましい。
また、得られる発光装置を画像表示装置に用いる場合には、(Sr,Ba)2SiO4:Eu、(Si,Al)6(O,N)8:Eu(β−sialon)、(Ba,Sr)3Si6122:Eu、SrGa24:Eu、BaMgAl1017:Eu,Mnが好ましい。
<黄色蛍光体>
本発明の蛍光体に加えて黄色蛍光体を使用する場合、当該黄色蛍光体は本発明の効果を著しく損なわない限り任意のものを使用することができる。この際、黄色蛍光体の発光ピーク波長は、通常530nm以上、好ましくは540nm以上、より好ましくは550nm以上、また、通常620nm以下、好ましくは600nm以下、より好ましくは580nm以下の波長範囲にあることが好適である。このような黄色蛍光体として利用できる蛍光体を表4に示す。
以上の中でも、黄色蛍光体としては、Y3Al512:Ce、(Y,Gd)3l512:Ce、(Sr,Ca,Ba,Mg)2SiO4:Eu、(Ca,Sr)Si222:Euが好ましい。
<橙色ないし赤色蛍光体>
本発明の蛍光体に加えて橙色ないし赤色蛍光体を使用する場合、当該橙色ないし赤色蛍光体は本発明の効果を著しく損なわない限り任意のものを使用することができる。この際、橙色ないし赤色蛍光体の発光ピーク波長は、通常570nm以上、好ましくは580nm以上、より好ましくは585nm以上、また、通常780nm以下、好ましくは700nm以下、より好ましくは680nm以下の波長範囲にあることが好適である。このような橙色ないし赤色蛍光体として使用できる蛍光体を表5に示す。
以上の中でも、赤色蛍光体としては、(Ca,Sr,Ba)2Si5(N,O)8:Eu、(Ca,Sr,Ba)Si(N,O)2:Eu、(Ca,Sr,Ba)AlSi(N,O)3:Eu、(Sr,Ba)3SiO5:Eu、(Ca,Sr)S:Eu、(La,Y)22S:Eu、Eu(ジベンゾイルメタン)3・1,10−フェナントロリン錯体等のβ−ジケトン系Eu錯体、カルボン酸系Eu錯体、K2SiF6:Mnが好ましく、(Ca,Sr,Ba)2Si5(N,O)8:Eu、(Sr,Ca)AlSi(N,O)3:Eu、(La,Y)22S:Eu、K2SiF6:Mnがより好ましい。
また、橙色蛍光体としては、(Sr,Ba)3SiO5:Eu、(Sr,Ba)2SiO4:Eu、(Ca,Sr,Ba)2Si5(N,O)8:Eu、(Ca,Sr,Ba)AlSi(N,O)3:Ceが好ましい。
[6.発光装置の実施形態]
[6−1.発光装置の実施形態]
以下、本発明の発光装置について、具体的な実施の形態を挙げて、より詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において任意に変形して実施することができる。
本発明の発光装置の一例における、励起光源となる第1の発光体と、蛍光体を有する蛍光体含有部として構成された第2の発光体との位置関係を示す模式的斜視図を図1に示す。図1中の符号1は蛍光体含有部(第2の発光体)、符号2は励起光源(第1の発光体)としての面発光型GaN系LD、符号3は基板を表す。相互に接触した状態をつくるために、LD2と蛍光体含有部1(第2の発光体)とそれぞれ別個に作製し、それらの面同士を接着剤やその他の手段によって接触させてもよいし、LD2の発光面上に蛍光体含有部1(第2の発光体)を製膜(成型)させてもよい。これらの結果、LD2と蛍光体含有部1(第2の発光体)とを接触した状態とすることができる。
このような装置構成をとった場合には、励起光源(第1の発光体)からの光が蛍光体含有部(第2の発光体)の膜面で反射されて外にしみ出るという光量損失を避けることができるので、装置全体の発光効率を良くすることができる。
図2(a)は、一般的に砲弾型と言われる形態の発光装置の代表例であり、励起光源(第1の発光体)と蛍光体含有部(第2の発光体)とを有する発光装置の一実施態様を示す模式的断面図である。該発光装置4において、符号5はマウントリード、符号6はインナーリード、符号7は励起光源(第1の発光体)、符号8は蛍光体含有部、符号9は導電性ワイヤ、符号10はモールド部材をそれぞれ指す。
また、図2(b)は、表面実装型と言われる形態の発光装置の代表例であり、励起光源(第1の発光体)と蛍光体含有部(第2の発光体)とを有する発光装置の一実施態様を示す模式的断面図である。図中、符号22は励起光源(第1の発光体)、符号23は蛍光体含有部(第2の発光体)、符号24はフレーム、符号25は導電性ワイヤ、符号26及び符号27は電極をそれぞれ指す。
[6−2.発光装置の用途]
本発明の発光装置の用途は特に制限されず、通常の発光装置が用いられる各種の分野に使用することが可能であるが、演色性が高い、及び色再現範囲が広いことから、中でも照明装置や画像表示装置の光源として、とりわけ好適に用いられる。
<6−2−1.照明装置>
本発明の発光装置を照明装置に適用する場合には、前述のような発光装置を公知の照明装置に適宜組み込んで用いればよい。例えば、図3に示されるような、前述の発光装置4を組み込んだ面発光照明装置11を挙げることができる。
図3は、本発明の照明装置の一実施形態を模式的に示す断面図である。この図3に示すように、該面発光照明装置は、内面を白色の平滑面等の光不透過性とした方形の保持ケース12の底面に、多数の発光装置13(前述の発光装置4に相当)を、その外側に発光装置13の駆動のための電源及び回路等(図示せず。)を設けて配置し、保持ケース12の蓋部に相当する箇所に、乳白色としたアクリル板等の拡散板14を発光の均一化のために固定してなる。
そして、面発光照明装置11を駆動して、発光装置13の励起光源(第1の発光体)に電圧を印加することにより光を発光させ、その発光の一部を、蛍光体含有部(第2の発光体)としての蛍光体含有樹脂部における前記蛍光体が吸収し、可視光を発光し、一方、蛍光体に吸収されなかった青色光等との混色により演色性の高い発光が得られ、この光が拡散板14を透過して、図面上方に出射され、保持ケース12の拡散板14面内において均一な明るさの照明光が得られることとなる。
<6−2−2.画像表示装置>
本発明の発光装置を画像表示装置の光源として用いる場合には、その画像表示装置の具体的構成に制限は無いが、カラーフィルターとともに用いることが好ましい。例えば、画像表示装置として、カラー液晶表示素子を利用したカラー画像表示装置とする場合は、上記発光装置をバックライトとし、液晶を利用した光シャッターと赤、緑、青の画素を有するカラーフィルターとを組み合わせることにより画像表示装置を形成することができる。
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、これらの実施例により何ら限定されるものではない。なお、以下では、実施例2、3、6を、それぞれ参考例2、3、6とする。
[実施例1]
原料として、Si34(宇部興産社製、SN−E10グレード)を95.25重量%、Eu23(信越化学社製、RUグレード)を1.06重量%、AlN(トクヤマ社製、Fグレード)を3.29重量%、Al23(大明化学社製、TM―DARグレード)を0.40重量%、秤量した。
上述の原料を目開き100μmのナイロン製篩に全通させ、ロッキングミキサー(愛知電機社製「RM−10」)を用いて60分間乾式で混合した。そして、振動ミール(中央加工機社製MB―1型)を用いて60分間振動混合した。更に目開き100μmのナイロン製篩に全通させた。
得られた蛍光体原料混合物を、外径9cm高さ10cmの窒化ホウ素製ルツボに200g充填し、富士電波社製加圧窒化炉FVPS−R−160/150で窒素圧0.92MPaの雰囲気下で、2000℃で12時間保持することにより焼成した。得られた焼成粉体を、ナイロンメッシュ(N―No.305T, 目開き48um)をパスさせた。
その後、得られた粉体を、外径6cm高さ3.5cmの窒化ホウ素製ルツボに入れて管状炉に設置し、アルゴンガスを0.5L/分で流しながら、1450℃で8時間加熱することにより、熱処理を行った。
前記熱処理により得られた粉体を、ナイロンメッシュ(N―No.305T,目開き48um)に全量通した。
得られた蛍光体粉体1gに対し、NaF(和光純薬工業社製、純度99%)0.5gを純水9mlに溶解させた水溶液と、硝酸(和光純薬工業社製、68〜70重量%)4mlの比率で混合した水溶液に入れて、6時間、スターラーを用いて攪拌することにより、洗浄した。洗浄した粉体を、電気伝導度が10μS/cm以下になるまで通常のろ過、水洗を繰り返した後、150℃で2時間乾燥して実施例1の蛍光体を得た。表6に原料の仕込み組成を示し、表6に記載の原料の仕込み組成をSiaAlbcd:Eueで表した場合のa乃至eのモル比を表7に示す。
また、得られた蛍光体について、粉末X線回折を行ったところ、得られたX線パターン(図4)からβ型Si34構造であることがわかる。したがって、β型サイアロン蛍光体であることが確認できた。
[実施例2]
仕込み組成を表6に示した組成にした以外は実施例1と同様にして、実施例2の蛍光体を得た。粉末X線回折により得られたX線パターン(図4)からβ型Si34構造であることがわかる。したがって、β型サイアロン蛍光体であることが確認できた。
[実施例3〜10]
仕込み組成を表6に示した組成にし、特に実施例3及び実施例6の蛍光体は和光純薬工業社製の粒径0.27μmのSiCを1.0重量%添加した以外は実施例1と同様にして、実施例3〜10までの蛍光体を得た。これらについても、粉末X線回折によりβ型サイアロン蛍光体であることが確認できた。
[実施例11]
仕込み組成を表6に示した組成にし、特にアドマテック社製酸化ケイ素(SO−E5)0.35質量%添加した以外は実施例1と同様にして、実施例11の蛍光体を得た。これについても、粉末X線回折によりβ型サイアロン蛍光体であることが確認できた。
[比較例1]
仕込み組成を表6に示した組成にした以外は実施例1と同様にして、比較例1の蛍光体を得た。粉末X線回折により得られたX線パターン(図4)からβ型Si34構造であることがわかる。したがって、β型サイアロン蛍光体であることが確認できた。
[比較例2〜4]
仕込み組成を表6に示した組成にした以外は実施例1と同様にして、比較例2から4までの蛍光体を得た。これらについても、粉末X線回折によりβ型サイアロン蛍光体であることが確認できた。
<相対輝度>
まず、室温(25℃)において、日立製作所製蛍光分光光度計F−4500を用いて測定した。より具体的には、波長455nmの励起光を上記製造した蛍光体に照射し、480nm以上800nm以下の波長範囲内の発光スペクトルを得た。
上述の方法で得られた可視領域における発光スペクトルから励起波長域を除いた範囲で、JIS Z8724に準拠して算出したXYZ表色系における刺激値Yから、同様に波長455nmの励起光で三菱化学株式会社製の黄色蛍光体Y3Al512:Ce(製品番号:P46−Y3)を励起して得られた発光スペクトルから励起波長を除いた範囲で同様に求めた刺激値Yの値を100%とした相対値を相対輝度として算出し(以下、単に「輝度」と称する場合がある。)、各実施例及び比較例で得られた蛍光体の輝度並びにCIE座標のx値及びy値を表8に示す。
<量子効率(吸収効率αq、内部量子効率ηi、及び外部量子効率ηo)>
量子効率(吸収効率αq、内部量子効率ηi及び外部量子効率ηo)を求めるに際し、まず、測定対象となる蛍光体サンプル(例えば蛍光体の粉末等)を、測定精度が保たれるように、十分に表面を平滑にしてセルに詰め、積分球等の集光装置に取り付けた。
該集光装置に、蛍光体サンプルを励起するための発光源として、Xeランプを取り付けた。また、発光源の発光ピーク波長が450nmの単色光となるように、フィルターやモノクロメーター(回折格子分光器)等を用いて調整を行なった。
この発光ピーク波長が調整された発光源からの光を、測定対象の蛍光体サンプルに照射し、発光(蛍光)及び反射光を含むスペクトルを分光測定装置(大塚電子株式会社製 MCPD7000)で測定した。
(吸収効率αq
吸収効率αqは、蛍光体サンプルによって吸収された励起光のフォトン数Nabsを、励起光の全フォトン数Nで割った値として算出した。具体的な算出手順は以下の通りである。
まず、後者の励起光の全フォトン数Nを、次のようにして求めた。
すなわち、励起光に対してほぼ100%の反射率Rを持つ物質、例えばLabsphere製「Spectralon」(450nmの励起光に対して98%の反射率Rを持つ)等の白色反射板を測定対象として、蛍光体サンプルと同様の配置で上述の集光装置に取り付け、該分光測定装置を用いて反射スペクトルを測定した(この反射スペクトルを以下「Iref(λ)」とする)。
この反射スペクトルIref(λ)から、下記(式I)で表わされる数値を求めた。なお、下記(式I)の積分区間は、435nm〜465nmとした。下記(式I)で表わされる数値は、励起光の全フォトン数Nに比例する。
また、吸収効率αqの測定対象となる蛍光体サンプルを集光装置に取り付けたときの反射スペクトルI(λ)から、下記(式II)で表わされる数値を求めた。なお、上記(式II)の積分区間は、上記(式I)で定めた積分区間と同じとした。下記(式II)で求められる数値は、蛍光体サンプルによって吸収された励起光のフォトン数Nabsに比例する。
以上より、吸収効率αqを次の式により算出した。
吸収効率αq = Nabs/N =(式II)/(式I)
(内部量子効率ηi
内部量子効率ηiは、蛍光現象に由来するフォトンの数NPLを、蛍光体サンプルが吸収したフォトンの数Nabsで割った値として算出した。
上記のI(λ)から、下記式(III)で表わされる数値を求めた。なお、(式III)の積 分区間の下限は、466nm〜780nmとした。下記(式III)で求められる数値は、蛍光現象に由来するフォトンの数NPLに比例する。
以上より、内部量子効率ηiを次の式により算出した。
ηi = (式III)/(式II)
(外部量子効率ηo
外部量子効率ηoは、上記の手順により求めた吸収効率αqと内部量子効率ηiとの積をとることで算出し、実施例1及び2並びに比較例1で得られた蛍光体の外部量子効率を表9に示す。
(組成分析)
実施例1〜11及び比較例1〜4で得られた蛍光体について、組成分析を行った。
Si濃度、Al濃度およびEu濃度は堀場製作所社製ULTIMA2Cを用いて、ICP発光分光法により測定した。
また、酸素濃度および窒素濃度はLECO社製TC600型酸素窒素分析計を用いて測定した。酸素濃度の測定には不活性ガス融解赤外線吸収法、窒素濃度の測定には不活性ガス融解熱伝導法を用いた。
測定結果を表10に示す。また、得られた組成分析結果から算出した、各実施例と各比較例のAl/Oの質量濃度比とO/Euの質量濃度比及びAl/Euの質量濃度比を、表11に示す。
(蛍光体粒子の形状)
<走査型電子顕微鏡(SEM)写真>
蛍光体の粒子の形状等を観測するため、実施例1及び2並びに比較例1において、SEM(日立社製、S−3400N)を用いて1000倍でSEM写真を撮影し、それぞれ図5〜図7に示す。実施例1及び2の蛍光体は、比較例1の蛍光体と比較すると、粒子が大きく、結晶成長が促進されていることがわかる。
(蛍光体組成と輝度)
実施例1〜11および比較例1〜4それぞれのAlとO(酸素)の質量濃度比(Al/O)と輝度との関係を図8に示す。同様に、実施例1〜11および比較例1〜4それぞれのO(酸素)とEuの質量濃度比(O/Eu)と輝度との関係を図9に、AlとEuの質量濃度比(Al/Eu)と輝度との関係を図10に、Euの質量濃度と輝度との関係を図11に、Alの質量濃度と輝度との関係を図12に、O(酸素)の質量濃度と輝度との関係を図13に示す。
図9から図13までを見ると、βサイアロン蛍光体の各組成元素の含有量と発光特性である輝度との関係はばらつきがあり、発光特性が優れるβサイアロン蛍光体の組成は一概に決まらない。一方、図8からはAlとO(酸素)の質量濃度比(Al/O)が2.0以上になると、著しく輝度が向上していることがわかる。これは、βサイアロンに含まれるEuに対する電荷補償に深い関係があることを明確に示す。
本発明の製造方法により製造された蛍光体は、光を用いる任意の分野において用いることができ、例えば屋内及び屋外用の照明などのほか、携帯電話、家庭用電化製品、屋外設置用ディスプレイ等の各種電子機器の画像表示装置などに好適に用いることができる。
1 蛍光体含有部(第2の発光体)
2 励起光源(第1の発光体)(LD)
3 基板
4 発光装置
5 マウントリード
6 インナーリード
7 励起光源(第1の発光体)
8 蛍光体含有部
9 導電性ワイヤ
10 モールド部材
11 面発光照明装置
12 保持ケース
13 発光装置
14 拡散板
22 励起光源(第1の発光体)
23 蛍光体含有部(第2の発光体)
24 フレーム
25 導電性ワイヤ
26 電極
27 電極

Claims (9)

  1. Si、Al、O、N、およびEuを含有するβ型サイアロン蛍光体であって、蛍光体中のAl濃度が0.80質量%以上、2.20質量%以下であり、O濃度が0.60質量%より大きく、1.15質量%以下であり、Eu濃度が0.40質量%以上、0.80質量%以下であり、かつO濃度に対するAl濃度の比(Al/O)が2.0以上、3.0以下であることを特徴とする、β型サイアロン蛍光体。
  2. CIE色度座標のx値が、0.335以上、0.365以下であり、かつ、CIE色度座標のy値が、0.600以上、0.630以下であることを特徴とする、請求項1に記載のβ型サイアロン蛍光体。
  3. 蛍光体中のAl濃度が0.90質量%以上、2.20質量%以下であることを特徴とする、請求項1、または請求項2に記載のβ型サイアロン蛍光体。
  4. Si、Al、O、N、およびEuを含有し、Al濃度が0.80質量%以上、2.25質量%以下であり、O濃度が0.36質量%以上、1.15質量%以下であり、Eu濃度が0.40質量%以上、0.80質量%以下であり、かつO濃度に対するAl濃度の比(Al/O)が2.0以上、3.0以下であるβ型サイアロン蛍光体を製造する方法であって、
    蛍光体原料を、Si、Al、Eu、およびNからなる群より選ばれる一つ以上の元素と、炭素とを含む化合物の存在下で焼成する工程を有することを特徴とする、β型サイアロン蛍光体の製造方法。
  5. 蛍光体原料を、SiO2の存在下で焼成する工程を有することを特徴とする、請求項
    に記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
  6. 焼成する工程で得られた蛍光体をさらに熱処理する工程を有することを特徴とする、請求項4または5に記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
  7. 焼成する工程または熱処理する工程の後に、洗浄工程を有することを特徴とする、請求
    項4〜6のいずれか一項に記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
  8. 洗浄工程が、20℃において固体であり、かつ、20℃における溶解度が0.01g/水100ml以上、400g/水100ml以下であるフッ化物の水溶液Aと、少なくとも一種のフッ化水素酸以外の無機酸を含む水溶液Bとを用いて行われることを特徴とする、請求項7に記載のβ型サイアロン蛍光体の製造方法。
  9. 第1の発光体と、該第1の発光体からの光を可視光に変換して発光し得る第2の発光体とを備え、該第2の発光体は、請求項1〜のいずれか一項に記載の蛍光体を少なくとも含有することを特徴とする、発光装置。
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