(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記a、b、c、d、e、f、gの範囲は、8≦a≦15、5≦b≦10、23≦c≦28、35≦d≦40、0≦e≦10、0.05≦f≦0.8、0.2≦g≦1であることを特徴とする請求項1に記載のホウ珪酸塩発光材料。
前記a、b、c、d、e、f、gの範囲は、8≦a≦15、5≦b≦10、23≦c≦28、35≦d≦40、0≦e≦10、0.05≦f≦0.8、0.2≦g≦1であることを特徴とする請求項3の記載にホウ珪酸塩発光材料の製造方法。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明が解決しようとする課題は、製造工程が簡単で、製品の品質が優れ、コストが低く、広く適用されるホウ珪酸塩発光材料及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記課題を解決するために、本発明に係る珪酸塩発光材料は、一般式が
aMxO・bLn
2O
3・cAl
2O
3・dR
2O
3・eSiO
2・fCeO
2・gTb
2O
3であり、ここで、Mはアルカリ金属又はアルカリ土類金属であり、
Mがアルカリ金属である場合にx=2、Mがアルカリ土類金属である場合にx=1、LnはY及びGdの中から選ばれる少なくとも一種であり、RはB及びPの中から選ばれる少なくとも一種であり、a、b、c、d、e、f、gはそれぞれモル分率であり、且つ6≦a≦20、3≦b≦12、20≦c≦30、32≦d≦45、0≦e≦12、0.01≦f≦1、0.05≦g≦1.5である。
【0006】
また、本発明に係る珪酸塩発光材料の製造方法は、化学量論比に基づいて、
Mイオンを源とする化合物、Ln
3+を源とする化合物、Al
3+を源とする化合物、R
3+を源とする化合物、珪素を源とする化合物、Ce
3+を源とする化合物及びTb
3+を源とする化合物を秤量し、前記化学量論比とは、一般式:
aMxO・bLn
2O
3・cAl
2O
3・dR
2O
3・eSiO
2・fCeO
2・gTb
2O
3に応じる元素のモル比を指し、ここで、a、b、c、d、e、f、gはそれぞれモル分率であり、且つ6≦a≦20、3≦b≦12、20≦c≦30、32≦d≦45、0≦e≦12、0.01≦f≦1、0.05≦g≦1.5であり、Mはアルカリ金属又はアルカリ土類金属であり、
Mがアルカリ金属である場合にx=2、Mがアルカリ土類金属である場合にx=1、LnはY及びGdの中から選ばれる少なくとも一種であり、RはB及びPの中から選ばれる少なくとも一種であるステップS01と、各々の前記源とする化合物を混合させ、研磨するステップS02と、混合された混合物に対して焼成予備処理を行い、研磨するステップS03と、研磨された産物を還元雰囲気中で焼成し、冷却させた後、ホウ珪酸塩発光材料を得るステップS04と、を含む。
【0007】
また、本発明に係る珪酸塩発光材料の製造方法において、前記
Mイオン、Ln
3+、Al
3+、Ce
3+及びTb
3+を源とする化合物は、各々の、炭酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、及び酸化物の中から選ばれる少なくとも一種であり、前記珪素を源とする化合物は、二酸化珪素であり、前記R
3+を源とする化合物は、ホウ酸塩又はリン酸塩である。
【0008】
また、本発明に係る珪酸塩発光材料の製造方法において、上記ステップS03における上記焼成予備処理は、空気中で行われており、焼成温度は850℃〜950℃であり、焼成時間は、2時間〜8時間である。
【0009】
また、本発明に係る珪酸塩発光材料の製造方法において、上記ステップS04における還元雰囲気中で行われる上記焼成処理として、焼成温度は750℃〜880℃であり、焼成時間は、2時間〜6時間である。
【0010】
また、本発明に係る珪酸塩発光材料の製造方法において、前記還元雰囲気は、水素、一酸化炭素、又は窒素と水素との混合気体雰囲気である。
【0011】
また、本発明に係る珪酸塩発光材料の製造方法において、前記アルカリ土類金属Mは、Ca、Sr、及びBaの中から選ばれる少なくとも一種である。
【0012】
また、本発明に係る珪酸塩発光材料の製造方法において、前記アルカリ金属Mは、Li、Na、及びKの中から選ばれる少なくとも一種である。
【0013】
また、本発明に係る珪酸塩発光材料の製造方法において、前記a、b、c、d、e、f、gの範囲は、8≦a≦15、5≦b≦10、23≦c≦28、35≦d≦40、0≦e≦10、0.05≦f≦0.8、0.2≦g≦1である。
【発明の効果】
【0014】
本発明に係るホウ珪酸塩発光材料は、CeイオンがTbイオンと高効率で無輻射のエネルギー伝達を利用することによって、即ち、発光中心が励起されると、励起エネルギーが発光体のある箇所から他の箇所へ、又はある発光中心から他の発光中心へ伝達することによって、高輝度を有する発光材料を得ることができる。本発明に係るホウ珪酸塩発光材料は、安定性が高く、光励起による発光効率が高い特徴を有する。特に、350nm〜370nm範囲で本発明に係るホウ珪酸塩発光材料を励起することで得られた発光強度は、市販のLaPO
4:Ce,Tb及びZnS:Cuがそれぞれの最適な励起ピーク条件下で得られた発光強度よりも強い。本発明に係るホウ珪酸塩発光材料の製造方法は、酸化と還元という二階段の反応を行うことによって、希土活性化イオンがホウ珪酸塩発光材料中で拡散することに有利であり、且つ発光材料の結晶体の成長に有利である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、実施例及び図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳しく説明する。なお、以下の実施例はあくまで例示の目的であり、これらの実施例のみ限定されるものではない。
【0017】
本発明に係るホウ珪酸塩発光材料の一般式は
aMxO・bLn
2O
3・cAl
2O
3・dR
2O
3・eSiO
2・fCeO
2・gTb
2O
3である。ここで、Mはアルカリ金属又はアルカリ土類金属であり、
Mがアルカリ金属である場合にx=2、Mがアルカリ土類金属である場合にx=1、LnはY及びGdの中から選ばれる少なくとも一種であり、RはB及びPの中から選ばれる少なくとも一種であり、a、b、c、d、e、f、gはそれぞれモル分率であり、且つ6≦a≦20、3≦b≦12、20≦c≦30、32≦d≦45、0≦e≦12、0.01≦f≦1、0.05≦g≦1.5である。
【0018】
前記アルカリ金属Mは、Li、Na、及びKの中から選ばれる少なくとも一種である。前記アルカリ土類金属Mは、Ca、Sr、及びBaの中から選ばれる少なくとも一種である。高強度の緑色光を得るために、前記a、b、c、d、e、f、gの範囲を、8≦a≦15、5≦b≦10、23≦c≦28、35≦d≦40、0≦e≦10、0.05≦f≦0.8、0.2≦g≦1とすることが好ましい。
【0019】
本発明は、CeイオンがTbイオンと高効率で無輻射のエネルギー伝達を利用することによって、即ち、発光中心が励起されると、励起エネルギーが発光体のある箇所から他の箇所へ、又はある発光中心から他の発光中心へ伝達することによって、高輝度を有する発光材料を得る。本発明に係る発光材料は、安定性が高く、光励起による発光効率が高い等特徴を有する。特に、350nm〜370nm範囲で本発明に係る発光材料を励起することで得られた発光強度は、市販のLaPO
4:Ce,Tb及びZnS:Cuがそれぞれの最適な励起ピーク条件下で得られた発光強度よりも強い。
【0020】
図5は、本発明に係るホウ珪酸塩発光材料の製造方法のフローチャートである。その製造方法は、以下のステップを含む。
【0021】
ステップS01では、化学量論比に基づいて、
Mイオンを源とする化合物、Ln
3+を源とする化合物、Al
3+を源とする化合物、R
3+を源とする化合物、珪素を源とする化合物、Ce
3+を源とする化合物及びTb
3+を源とする化合物を秤量する。前記化学量論比とは、一般式:
aMxO・bLn
2O
3・cAl
2O
3・dR
2O
3・eSiO
2・fCeO
2・gTb
2O
3に応じる元素のモル比を指し、ここで、a、b、c、d、e、f、gはそれぞれモル分率であり、且つ6≦a≦20、3≦b≦12、20≦c≦30、32≦d≦45、0≦e≦12、0.01≦f≦1、0.05≦g≦1.5であり、Mはアルカリ金属又はアルカリ土類金属であり、
Mがアルカリ金属である場合にx=2、Mがアルカリ土類金属である場合にx=1、LnはY及びGdの中から選ばれる少なくとも一種であり、RはB及びPの中から選ばれる少なくとも一種である。
【0022】
ステップS02では、各々の前記源とする化合物を混合させ、研磨する。
【0023】
ステップS03では、混合された混合物に対して焼成予備処理を行い、研磨する。
【0024】
ステップS04では、研磨された産物を還元雰囲気中で焼成し、冷却させた後、ホウ珪酸塩発光材料を得る。
【0025】
上述ステップS01において、前記
Mイオン、Ln
3+、Al
3+、Ce
3+及びTb
3+を源とする化合物は、それぞれ、これらのイオンの、炭酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、及び酸化物の中から選ばれる少なくとも一種であり、前記珪素を源とする化合物は、二酸化珪素であり、前記R
3+を源とする化合物は、ホウ酸塩又はリン酸塩である。
【0026】
ステップS03における焼成予備処理は、空気中で行われており、焼成温度は850℃〜950℃であり、焼成時間は、2時間〜8時間である。
【0027】
ステップS04において、前記研磨された産物を還元雰囲気(水素、窒素と水素との混合気体、又は一酸化炭素)中で還元させ、炉の容量、原料の重量、原料の種類及び組成によって、750℃〜880℃で2時間〜6時間焼成処理を行い、冷却させた後、ホウ珪酸塩発光材料を得る。
【0028】
本発明に係る製造方法は、酸化と還元という二階段の反応を行うことによって、希土活性化イオンがホウ珪酸塩発光材料中で拡散することに有利であり、且つ発光材料の結晶体の成長に有利である前記発光材料の基質(結晶体)は吸収したエネルギーを前記希土イオンに効果的に伝達でき、且つ前記希土イオンの間の敏感化作用により、発光材料の発光が向上する。
【0029】
以下、複数の実施例を挙げてホウ珪酸塩発光材料の異なる組成及びその製造方法について説明する。
【0030】
(実施例1)
5.54gの炭酸リチウム、8.75gの酸化イットリウム、13.39gの酸化アルミニウム、24.8gのホウ酸、3gの二酸化珪素、0.43gの酸化セリウム及び1.869gの酸化テルビウムを秤量し、30分間ボールミルした。次に、均一に混合された粉末を空気中で、930℃で焼成し、且つ6時間保温した後、その粉末に対して研磨した。最後に、研磨された粉末を還元雰囲気(N
2とH
2との混合気体)中で、820℃まで焼成し、且つ6時間保温して、化学式が15Li
2O・7.75Y
2O
3・26.25Al
2O
3・40B
2O
3・10SiO
2・0.5CeO
2・1Tb
2O
3である緑色発光材料を得た。
図1は、各々が最適の励起条件下での本発明の発光材料の発射スペクトル図と市販のLaPO
4:Ce,Tb及びZnS:Cuの発射スペクトル図である。
図1に示したように、曲線1は、本発明の実施例1の発光材料の発射スペクトルであり、曲線2は、市販のLaPO
4:Ce,Tbの発射スペクトルであり、曲線3は、市販のZnS:Cuの発射スペクトル図である。本発明に係る発光材料の発光強度は、市販の蛍光粉末の発光強度より顕著に高い。なお、上記テストに使用された設備は、島津製作所製の蛍光分光計RF−5301PCであり、テスト条件は、低感度であり、スリットは、1.5nmである。
【0031】
(実施例2)
7.95gの炭酸ナトリウム、8.75gの酸化イットリウム、13.39gの酸化アルミニウム、24.8gのホウ酸、3gの二酸化珪素、0.043gの酸化セリウム及び1.4954gの酸化テルビウムを秤量し、30分間ボールミルした。次に、均一に混合された粉末を空気中で900℃で焼成した後、その粉末に対して研磨した。最後に、研磨された粉末を還元雰囲気(N
2とH
2との混合気体)中で880℃まで焼成し、且つ4時間保温して、化学式が15Na
2O・7.75Y
2O
3・26.25Al
2O
3・40B
2O
3・10SiO
2・0.05CeO
2・0.8Tb
2O
3である緑色発光材料を得た。当該緑色発光材料の励起波長は、363nmであり、青緑色光を発する。
図2に示したように、曲線4は、本発明の実施例2の発光材料の励起スペクトルであり、曲線5は、本発明の実施例2の発光材料の発射スペクトルである。なお、上記テストに使用された設備は、島津製作所製の蛍光分光計RF−5301PCであり、テスト条件は、低感度であり、スリットは、1.5nmである。
【0032】
(実施例3)
7.95gの炭酸ナトリウム、8.75gの酸化イットリウム、13.39gの酸化アルミニウム、24.8gのホウ酸、3gの二酸化珪素、0.43gの酸化セリウム及び1.6823gの酸化テルビウムを秤量し、30分間ボールミルした。次に、均一に混合された粉末を空気中で920℃で焼成した後、その粉末に対して研磨した。最後に、研磨された粉末を還元雰囲気(H
2気体)中で800℃まで焼成し、且つ2時間保温して、化学式が15Na
2O・7.75Y
2O
3・26.25Al
2O
3・40B
2O
3・10SiO
2・0.5CeO
2・0.9Tb
2O
3である緑色発光材料を得た。当該緑色発光材料の励起波長は、363nmであり、青緑色光を発する。
図3に示したように、曲線6は、本発明の実施例3の発光材料の励起スペクトルであり、曲線7は、本発明の実施例3の発光材料の発射スペクトルである。なお、上記テストに使用された設備は、島津製作所製の蛍光分光計RF−5301PCであり、テスト条件は、低感度であり、スリットは、1.5nmである。
【0033】
(実施例4)
3.18gの炭酸ナトリウム、21.75gの酸化ガドリニウム、15.3gの酸化アルミニウム、27.9gのホウ酸、2.1gの二酸化珪素、0.86gの酸化セリウム及び2.804gの酸化テルビウムを秤量し、30分間ボールミルした。次に、均一に混合された粉末を空気の中で、880℃で焼成し、且つ8時間保温した後、その粉末に対して研磨した。最後に、研磨された粉末を還元雰囲気(カーボン粉末)中で750℃まで焼成し、且つ 6時間保温して、化学式が6Na
2O・7.75Y
2O
3・30Al
2O
3・45B
2O
3・7SiO
2・1CeO
2・1.5Tb
2O
3である緑色発光材料を得た。
【0034】
(実施例5)
16.62gのシュウ酸カリウム、13.78gの硝酸イットリウム、42.6gの硝酸アルミニウム、27.9gのホウ酸、3gの二酸化珪素、0.0115gの炭酸セリウム及び0.1245gの炭酸テルビウムを秤量し、30分間ボールミルした。次に、均一に混合された粉末を空気の中で、900℃で焼成し、且つ8時間保温した後、その粉末に対して研磨した。最後に、研磨された粉末を還元雰囲気(一酸化炭素)中で800℃まで焼成し、且つ 5時間保温して、化学式が6K
2O・5Y
2O
3・20Al
2O
3・45B
2O
3・10SiO
2・0.01CeO
2・0.05Tb
2O
3である緑色発光材料を得た。
【0035】
(実施例6)
17gの硝酸ナトリウム、5.36gの炭酸イットリウム、23.4gの炭酸アルミニウム、31.59gの五酸化リン、3.6gの二酸化珪素、1.304gの硝酸セリウム及び2.5875gの硝酸テルビウムを秤量し、30分間ボールミルした。次に、均一に混合された粉末を空気の中で、850℃で焼成し、且つ8時間保温した後、その粉末に対して研磨した。最後に、研磨された粉末を還元雰囲気(N
2とH
2との混合気体)中で750℃まで焼成し、且つ 4時間保温して、化学式が20Na
2O・3Y
2O
3・20Al
2O
3・45P
2O
3・12SiO
2・0.8CeO
2・1.5Tb
2O
3である緑色発光材料を得た。
【0036】
(実施例7)
6.17gの炭酸リチウム、9.709gの酸化イットリウム、14.892gの酸化アルミニウム、26.64gのホウ酸、0.473gの酸化セリウム及び2.056gの酸化テルビウムを秤量し、30分間ボールミルした。次に、均一に混合された粉末を空気中で、930℃で焼成し、且つ4時間保温した後、その粉末に対して研磨した。最後に、研磨された粉末を還元雰囲気(N
2とH
2との混合気体)中で、790℃まで焼成し、且つ2時間保温して、化学式が16.7Li
2O・8.6Y
2O
3・29.2Al
2O
3・44.4B
2O
3・0.55CeO
2・1.1Tb
2O
3である緑色発光材料を得た。前記緑色発光材料の励起波長は、367nmであり、且つ青緑色光を発する。
図4に示したように、曲線8は、本発明の実施例7の発光材料の励起スペクトルであり、曲線9は、本発明の実施例7の発光材料の発射スペクトルである。なお、上記テストに使用された設備は、島津製作所製の蛍光分光計RF−5301PCであり、テスト条件は、低感度であり、スリットは、1.5nmである。
【0037】
(実施例8)
11.07gの炭酸ストロンチウム、17.13gのシュウ酸イットリウム、41.73gのシュウ酸アルミニウム、28.4gの五酸化リン、3gの二酸化珪素、0.6804gのシュウ酸セリウム及び2.91gのシュウ酸テルビウムを秤量し、30分間ボールミルした。次に、均一に混合された粉末を空気中で、850℃で焼成し、且つ8時間保温した後、その粉末に対して研磨した。最後に、研磨された粉末を還元雰囲気(N
2とH
2との混合気体)中で、760℃まで焼成し、且つ4時間保温して、化学式が15SrO・7.75Y
2O
3・26.25Al
2O
3・40P
2O
3・10SiO
2・0.5CeO
2・1Tb
2O
3である緑色発光材料を得た。
【0038】
(実施例9)
15.87gの硝酸ストロンチウム、19.16gの炭酸ガドリニウム、30.7gの炭酸アルミニウム、28.4gの五酸化リン、3gの二酸化珪素、0.92gの炭酸セリウム及び2.987gの炭酸テルビウムを秤量し、30分間ボールミルした。次に、均一に混合された粉末を空気中で、850℃で焼成し、且つ8時間保温した後、その粉末に対して研磨した。最後に、研磨された粉末を還元雰囲気(H
2気体)中で、780℃まで焼成し、且つ6時間保温して、化学式が15SrO・7.75Y
2O
3・26.25Al
2O
3・40P
2O
3・10SiO
2・0.8CeO
2・1.2Tb
2O
3である緑色発光材料を得た。
【0039】
(実施例10)
10.2gのシュウ酸リチウム、13.78gの硝酸イットリウム、23.4gの炭酸アルミニウム、31.95gの五酸化リン、3gの二酸化珪素、0.086gの酸化セリウム及び1.308gの酸化テルビウムを秤量し、30分間ボールミルした。次に、均一に混合された粉末を空気中で、850℃で焼成し、且つ8時間保温した後、その粉末に対して研磨した。最後に、研磨された粉末を還元雰囲気(H
2気体)中で、780℃まで焼成し、且つ8時間保温して、化学式が20Li
2O・5Y
2O
3・20Al
2O
3・45P
2O
3・10SiO
2・0.1CeO
2・0.7Tb
2O
3である緑色発光材料を得た。
【0040】
(実施例11)
12.3gの硝酸カルシウム、22.42gのシュウ酸ガドリニウム、41.74gのシュウ酸アルミニウム、24.8gのホウ酸、3gの二酸化珪素、1.63gの硝酸セリウム及び1.869gの酸化テルビウムを秤量し、30分間ボールミルした。次に、均一に混合された粉末を空気中で、880℃で焼成し、且つ6時間保温した後、その粉末に対して研磨した。最後に、研磨された粉末を還元雰囲気(H
2気体)中で、780℃まで焼成し、且つ7時間保温して、化学式が15CaO・7.75Gd
2O
3・26.25Al
2O
3・40B
2O
3・10SiO
2・1CeO
2・1Tb
2O
3である緑色発光材料を得た。
【0041】
(実施例12)
20.277gのシュウ酸バリウム、14.312gの炭酸イットリウム、34.98gのシュウ酸アルミニウム、24.8gのホウ酸、3gの二酸化珪素、1.035gの炭酸セリウム及び2.803gの酸化テルビウムを秤量し、30分間ボールミルした。次に、均一に混合された粉末を空気中で、880℃で焼成し、且つ8時間保温した後、その粉末に対して研磨した。最後に、研磨された粉末を還元雰囲気(H
2気体)中で、780℃まで焼成し、且つ6時間保温して、化学式が18BaO・8Y
2O
3・22Al
2O
3・40B
2O
3・10SiO
2・0.9CeO
2・1.5Tb
2O
3である緑色発光材料を得た。
【0042】
(実施例13)
12.8gのシュウ酸カルシウム、29.67gの炭酸ガドリニウム、59.64gの硝酸アルミニウム、24.8gのホウ酸、0.688gの酸化セリウム及び2.43gの酸化テルビウムを秤量し、30分間ボールミルした。次に、均一に混合された粉末を空気中で、850℃で焼成し、且つ8時間保温した後、その粉末に対して研磨した。最後に、研磨された粉末を還元雰囲気(H
2とN
2との混合気体)中で、800℃まで焼成し、且つ6時間保温して、化学式が20CaO・12Gd
2O
3・28Al
2O
3・40B
2O
3・0.8CeO
2・1.3Tb
2O
3である緑色発光材料を得た。
【0043】
(実施例14)
7.5gの炭酸カルシウム、14.05gの酸化ガドリニウム、13.39gの酸化アルミニウム、28.4gの五酸化リン、3gの二酸化珪素、0.258gの酸化セリウム及び1.869gの酸化テルビウムを秤量し、30分間ボールミルした。次に、均一に混合された粉末を空気中で、850℃で焼成し、且つ8時間保温した後、その粉末に対して研磨した。最後に、研磨された粉末を還元雰囲気(H
2とN
2との混合気体)中で、760℃まで焼成し、且つ6時間保温して、化学式が15CaO・7.75Gd
2O
3・26.25Al
2O
3・40P
2O
3・10SiO
2・0.3CeO
2・1Tb
2O
3である緑色発光材料を得た。
【0044】
(実施例15)
11.1gのシュウ酸ナトリウム、12.36gの炭酸ガドリニウム、10.2gの酸化アルミニウム、27.9gのホウ酸、3gの二酸化珪素、0.086gの酸化セリウム及び1.75gの炭酸テルビウムを秤量し、30分間ボールミルした。次に、均一に混合された粉末を空気中で、850℃で焼成し、且つ8時間保温した後、その粉末に対して研磨した。最後に、研磨された粉末を還元雰囲気(H
2気体)中で、780℃まで焼成し、且つ6時間保温して、化学式が20Na
2O・5Gd
2O
3・20Al
2O
3・45B
2O
3・10SiO
2・0.1CeO
2・0.7Tb
2O
3である緑色発光材料を得た。
【0045】
(実施例16)
15.15gの硝酸カリウム、19.16gの炭酸ガドリニウム、13.39gの酸化アルミニウム、24.8gのホウ酸、3gの二酸化珪素、0.258gの酸化セリウム及び2.485gの炭酸テルビウムを秤量し、30分間ボールミルした。次に、均一に混合された粉末を空気中で、850℃で焼成し、且つ8時間保温した後、その粉末に対して研磨した。最後に、研磨された粉末を還元雰囲気(H
2気体)中で、750℃まで焼成し、且つ6時間保温して、化学式が15K
2O・7.75Gd
2O
3・26.25Al
2O
3・40B
2O
3・10SiO
2・0.3CeO
2・1Tb
2O
3である緑色発光材料を得た。
【0046】
上記の説明は、本発明の好適な実施例に関するものであり、本発明はそれに限定されず、本発明の主旨範囲内にある様々な修正や等価変換・変更などは、全て本発明の保護範囲内のものである。