(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記無機保護膜を形成するためのゾル溶液を、前記無機ナノ蛍光体粒子の表面に付着させた後、乾燥することにより前記無機保護膜を形成する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の波長変換部材の製造方法。
【背景技術】
【0002】
近年、発光ダイオード(LED)や半導体レーザー(LD)等の励起光源を用い、これらの励起光源から発生した励起光を蛍光体に照射し、それによって発生する蛍光を照明光として用いる発光装置が検討されている。また、蛍光体として、半導体ナノ微粒子または量子ドットと呼ばれる無機ナノ蛍光体粒子を用いることが検討されている。無機ナノ蛍光体粒子は、その直径を変えることにより蛍光波長の調整が可能であり、高い発光効率を有する。
【0003】
しかしながら、無機ナノ蛍光体粒子は、空気中の水分や酸素と接触すると劣化しやすいという性質を有している。このため、無機ナノ蛍光体粒子は、外部環境と接しないように封止して用いる必要がある。封止材として、樹脂を用いると、励起光が蛍光体によって波長変換される際、エネルギーの一部が熱に変換されるため、その熱により樹脂が変色するという問題がある。また、樹脂は耐水性に劣り、水分を透過しやすいため、蛍光体が劣化しやすいという問題がある。
【0004】
特許文献1においては、封止材として、樹脂の代わりにガラスを用いた波長変換部材が提案されている。具体的には、特許文献1には、無機ナノ蛍光体粒子とガラス粉末を含む混合物を焼成することにより、ガラスを封止材として用いた波長変換部材が提案されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、無機ナノ蛍光体粒子とガラス粉末を含む混合物を焼成して、無機ナノ蛍光体粒子をガラス中に封止すると、無機ナノ蛍光体粒子がガラスと反応し、劣化してしまうという問題があった。
【0007】
本発明の目的は、無機ナノ蛍光体粒子とガラスとの反応を抑制し、無機ナノ蛍光体粒子の劣化を抑制することができる波長変換部材の製造方法及び波長変換部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の波長変換部材の製造方法は、無機ナノ蛍光体粒子の表面に無機保護膜を形成する工程と、無機保護膜を形成した無機ナノ蛍光体粒子とガラス粉末を混合し、無機保護膜が残存する温度領域で焼成する工程とを備えることを特徴としている。
【0009】
無機保護膜は、SiO
2系保護膜であることが好ましい。
【0010】
本発明においては、複数の無機ナノ蛍光体粒子からなる凝集体の表面に無機保護膜を形成してもよい。
【0011】
本発明においては、例えば、無機保護膜を形成するためのゾル溶液を、無機ナノ蛍光体粒子の表面に付着させた後、乾燥することにより無機保護膜を形成することができる。
【0012】
焼成する温度領域は、350℃以下であることが好ましい。
【0013】
本発明におけるガラス粉末は、SnO−P
2O
5系ガラス、SnO−P
2O
5−B
2O
3系ガラス、SnO−P
2O
5−F系ガラス、及びBi
2O
3系ガラスからなるグループより選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。
【0014】
本発明の波長変換部材は、無機ナノ蛍光体粒子と、無機ナノ蛍光体粒子が分散されたガラスマトリクスと、無機ナノ蛍光体粒子とガラスマトリクスとの間に設けられ、ガラスマトリクスと異なる組成を有する無機保護層とを備えることを特徴としている。
【0015】
無機保護層は、SiO
2系保護層であることが好ましい。
【0016】
無機保護層は、複数の無機ナノ蛍光体粒子からなる凝集体とガラスマトリクスとの間に設けられていてもよい。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、無機ナノ蛍光体粒子とガラスとの反応を抑制し、無機ナノ蛍光体粒子の劣化を抑制することができる。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。
【0020】
図1は、本発明の一実施形態の波長変換部材を示す模式的断面図である。
図1に示すように、本実施形態の波長変換部材10は、無機ナノ蛍光体粒子1と、無機ナノ蛍光体粒子1が分散されたガラスマトリクス4と、無機ナノ蛍光体粒子1とガラスマトリクス4との間に設けられ、ガラスマトリクス4と異なる組成を有する無機保護層2とを備えている。本実施形態においては、複数の無機ナノ蛍光体粒子1からなる凝集体の表面に無機保護層2が形成され、保護層付着蛍光体粒子3が構成されている。したがって、ガラスマトリクス4中に保護層付着蛍光体粒子3が分散することにより、波長変換部材10が構成されている。
【0021】
以下、本実施形態の波長変換部材10の製造方法について説明する。
【0022】
図2は、表面に無機保護膜が形成された無機ナノ蛍光体粒子を示す模式的断面図である。
図2に示す保護膜付着蛍光体粒子6は、無機ナノ蛍光体粒子1の表面に無機保護膜5を形成することにより構成されている。本実施形態においては、複数の無機ナノ蛍光体粒子1からなる凝集体の表面に無機保護膜5が形成されている。無機保護膜5は、焼成することにより
図1における無機保護層2となる。また、保護膜付着蛍光体粒子6は、焼成することにより
図1における保護層付着蛍光体粒子3となる。本実施形態の製造方法では、まず、無機ナノ蛍光体粒子1の表面に無機保護膜5を形成することにより、保護膜付着蛍光体粒子6を作製する。
【0023】
無機ナノ蛍光体粒子1としては、粒径が1μm未満である無機結晶からなる蛍光体粒子を用いることができる。このような無機ナノ蛍光体粒子としては、一般に、半導体ナノ微粒子または量子ドットと呼ばれるものを用いることができる。このような無機ナノ蛍光体粒子の半導体としては、II−VI族化合物、及びIII−V族化合物が挙げられる。
【0024】
II−VI族化合物としては、CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTeなどが挙げられる。III−V族化合物としては、InP、GaN、GaAs、GaP、AlN、AlP、AlSb、InN、InAs、InSbなどが挙げられる。これらの化合物から選択される少なくとも1種、またはこれら2種以上の複合体を本発明の無機ナノ蛍光体粒子として用いることができる。複合体としては、コアシェル構造のものが挙げられ、例えばCdSe粒子表面がZnSによりコーティングされたコアシェル構造のものが挙げられる。
【0025】
無機ナノ蛍光体粒子1の粒径は、例えば100nm以下、50nm以下、特に1〜30nm、1〜15nm、さらには1.5〜12nmの範囲で適宜選択される。
【0026】
本実施形態では、複数の無機ナノ蛍光体粒子1からなる凝集体の表面に無機保護膜5を形成している。凝集体の表面に無機保護膜5を形成することにより、ガラスマトリクス4と無機ナノ蛍光体粒子1との反応を抑えることができ、その結果、無機ナノ蛍光体粒子1の劣化を抑えることができる。凝集体の大きさは、その直径として、20〜1000nmであることが好ましく、100〜700nmであることがさらに好ましい。本実施形態では、凝集体の表面に無機保護膜5を形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、単一の無機ナノ蛍光体粒子1の表面に無機保護膜5を形成してもよい。
【0027】
無機保護膜5は、保護膜付着蛍光体粒子6とガラス粉末を混合し、ガラス粉末を焼成してガラスマトリクス4とする際に、ガラスマトリクス4と無機ナノ蛍光体粒子1との反応を抑制することができるものであれば特に限定されるものではない。無機保護膜5の具体例としては、SiO
2系保護膜、ZrO
2系保護膜等の酸化物系保護膜が挙げられる。
【0028】
無機保護膜5の無機ナノ蛍光体粒子1に対する付着量としては、無機ナノ蛍光体粒子1の1体積部に対し、無機保護膜5を37〜4.5×10
6体積部付着させることが好ましく、1.0×10
3〜3.0×10
6体積部付着させることがより好ましく、4.5×10
3〜1.6×10
6体積部付着させることがさらに好ましい。無機保護膜5の付着量が少なすぎると、ガラスマトリクス4と無機ナノ蛍光体粒子1との反応を十分に抑制することができない場合がある。一方、無機保護膜5の付着量が多すぎると、無機ナノ蛍光体粒子1の発光強度が低下する場合がある。
【0029】
無機保護膜5は、例えば、ゾルゲル法により作製したゾル溶液と、無機ナノ蛍光体粒子1とを接触させた後、乾燥することにより、無機ナノ蛍光体粒子1の表面に付着させることができる。ゾル溶液と無機ナノ蛍光体粒子1とを接触させる方法としては、ゾル溶液に無機ナノ蛍光体粒子1を添加し混合する方法が挙げられる。
【0030】
ゾル溶液は、無機保護膜5が金属酸化物から形成される場合、該金属のアルコキシド化合物を、酸や塩基を用いて加水分解することにより作製することができる。無機保護膜5がSiO
2系保護膜である場合、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシラン等のケイ素のアルコキシド化合物を加水分解することにより、SiO
2系ゾル溶液を作製する。無機ナノ蛍光体粒子1をこのゾル溶液と混合し、その後乾燥することによって、SiO
2系保護膜を無機ナノ蛍光体粒子1の表面に付着させることができる。
【0031】
次に、本実施形態の製造方法では、無機保護膜5が形成された無機ナノ蛍光体粒子1、すなわち保護膜付着蛍光体粒子6と、ガラス粉末とを混合する。この混合物を焼成することにより、保護膜付着蛍光体粒子6が保護層付着蛍光体粒子3となり、保護層付着蛍光体粒子3がガラスマトリクス4中に均一に分散した波長変換部材10を製造することができる。
【0032】
保護膜付着蛍光体粒子6とガラス粉末を混合する方法としては、ガラス粉末を、保護膜付着蛍光体粒子6が分散した液に添加する方法、保護膜付着蛍光体粒子6が分散した液をガラス粉末の予備成形体に浸透させる方法などが挙げられる。ガラス粉末の予備成形体としては、ガラス粉末を加圧・加熱して成形した圧粉体などが挙げられる。
【0033】
保護膜付着蛍光体粒子6を分散させる分散媒としては、保護膜付着蛍光体粒子6を分散させることができるものであれば特に限定されない。一般には、ヘキサン、オクタン等の適当な揮発性を有する無極性溶媒が好ましく用いられる。しかしながら、これらに限定されるものではなく、適当な揮発性を有する極性溶媒であってもよい。
【0034】
焼成は、保護膜付着蛍光体粒子6の無機保護膜5が、無機保護層2として残存する温度領域で行われる。焼成温度は、具体的には、350℃以下であることが好ましく、300℃以下であることがより好ましく、250℃以下であることがさらに好ましい。焼成温度を低くすることにより、無機ナノ蛍光体粒子1とガラスマトリクス4との反応をさらに抑制することができる。
【0035】
焼成時の雰囲気は、真空雰囲気や窒素やアルゴンを用いた不活性雰囲気であることが好ましい。それにより、焼結時にガラス粉末の劣化や着色を抑制することができる。特に、真空雰囲気であれば、波長変換部材10における気泡の発生を抑制することができる。
【0036】
焼成温度を低くする観点から、ガラス粉末は、軟化点の低いものが好ましい。具体的には、ガラス粉末としては、350℃以下、より好ましくは300℃以下、より好ましくは250℃以下の軟化点を有するガラスからなるものを用いることが好ましい。
【0037】
このようなガラス粉末としては、SnO−P
2O
5系ガラス、SnO−P
2O
5−B
2O
3系ガラス、SnO−P
2O
5−F系ガラス、Bi
2O
3系ガラスなどが挙げられる。
【0038】
SnO−P
2O
5系ガラスとしては、ガラス組成として、モル%表示で、SnO 40〜85%、P
2O
5 15〜60%を含有するもの、特にSnO 60〜80%、P
2O
5 20〜40%を含有するものが好ましい。
【0039】
SnO−P
2O
5−B
2O
3系ガラスとしては、ガラス組成として、モル%で、SnO 35〜80%、P
2O
5 5〜40%、B
2O
3 1〜30%を含有するものが好ましい。
【0040】
SnO−P
2O
5系ガラス及びSnO−P
2O
5−B
2O
3系ガラスには、さらに任意成分として、Al
2O
3 0〜10%、SiO
2 0〜10%、Li
2O 0〜10%、Na
2O 0〜10%、K
2O 0〜10%、MgO 0〜10%、CaO 0〜10%、SrO 0〜10%及びBaO 0〜10%を含有していても構わない。また、上記成分以外にも、Ta
2O
5、TiO
2、Nb
2O
5、Gd
2O
3、La
2O
3などの耐候性を向上させる成分や、ZnOなどのガラスを安定化させる成分などをさらに含有させることもできる。
【0041】
SnO−P
2O
5−F系ガラスとしては、カチオン%で、P
5+ 10〜70%、Sn
2+ 10〜90%、アニオン%で、O
2− 30〜100%、F
− 0〜70%を含有するものが好ましい。さらに、耐候性を向上させるために、B
3+、Si
4+、Al
3+、Zn
2+またはTi
4+を合量で0〜50%含有していても構わない。
【0042】
Bi
2O
3系ガラスとしては、ガラス組成として、質量%で、Bi
2O
3 10〜90%、B
2O
3 10〜30%を含有するものが好ましい。さらに、ガラス形成成分として、SiO
2、Al
2O
3、B
2O
3、P
2O
5をそれぞれ0〜30%含有していても構わない。
【0043】
SnO−P
2O
5系ガラス及びSnO−P
2O
5−B
2O
3系ガラスの軟化点を低下させ、かつガラスを安定化させる観点から、SnOとP
2O
5のモル比(SnO/P
2O
5)は、0.9〜16の範囲内であることが好ましく、1.5〜10の範囲内であることがより好ましく、2〜5の範囲内であることがさらに好ましい。モル比(SnO/P
2O
5)が小さすぎると、低温での焼成が困難になり、無機ナノ蛍光体粒子が焼結時に劣化しやすくなる場合がある。また、耐候性が低くなりすぎる場合がある。一方、モル比(SnO/P
2O
5)が大きすぎると、ガラスが失透しやすくなり、ガラスの透過率が低くなりすぎる場合がある。
【0044】
ガラス粉末の平均粒子径D50は0.1〜100μm、特に1〜50μmであることが好ましい。ガラス粉末の平均粒子径D50が小さすぎると、焼結時に気泡が発生しやすくなる。このため、得られる波長変換部材の機械的強度が低下する場合がある。また、波長変換部材中に発生した気泡が原因で光散乱ロスが大きくなり、発光効率が低下する場合がある。一方、ガラス粉末の平均粒子径D50が大きすぎると、無機ナノ蛍光体粒子がガラスマトリクス中に均一に分散されにくくなり、その結果、得られる波長変換部材の発光効率が低くなる場合がある。ガラス粉末の平均粒子径D50は、レーザー回折式粒度分布測定装置により測定することができる。
【0045】
以上のようにして、
図1に示す波長変換部材10を製造することができる。
【実施例】
【0046】
<波長変換部材の製造>
(実施例1)
無機ナノ蛍光体粒子として、CdSe(コア)/ZnS(シェル)のコアシェル構造を有し、粒径が3nm(緑色)と6nm(赤色)のものを用いた。トルエンに無機ナノ蛍光体粒子が3μMとなる様に調整し、テトラエトキシシランを0.02μMとなる様に添加し20時間攪拌を行った。続けて、トルエン10mlにエーロゾルOTを1.5gを添加、混合した後、上記の無機ナノ蛍光体粒子の溶液を0.3ml加え、さらに6.25質量%のアンモニア水溶液を0.3ml加え、テトラエトキシシランを20μl加えて20時間攪拌した。その後、50℃の温度で乾燥し、保護膜付着蛍光体粒子を作製した。得られた保護膜付着蛍光体粒子においては、約1個〜5個の無機ナノ蛍光体粒子からなる凝集体が無機保護膜で被覆されていた。凝集体の平均粒子径は、200nmであった。また、無機ナノ蛍光体粒子の1体積部に対し、無機保護膜が約4.5×10
3〜1.3×10
5体積部付着していた。
【0047】
ガラス粉末として、カチオン%で、Sn
2+ 56.3%、P
5+ 43.8%、アニオン%で、F
− 24.8%、O
2− 75.2%の組成を有し、平均粒子径D50が4μmであり、軟化点が180℃であるガラス粉末を用いた。このガラス粉末を加熱・加圧して、予備成形体としての圧粉体を作製した。この圧粉体に、分散媒としてのトルエン中に上記保護膜付着蛍光体粒子が20質量%含まれる分散液を浸透させ、その後分散媒を除去することにより、保護膜付着蛍光体粒子が混入したガラス粉末の予備成形体を作製した。
【0048】
この予備成形体を、真空雰囲気中で、焼成温度150℃で焼成して、波長変換部材を製造した。
【0049】
(比較例1)
焼成温度を500℃とする以外は、実施例1と同様にして、波長変換部材を製造した。
【0050】
(比較例2)
保護膜付着蛍光体粒子を作製せずに、無機ナノ蛍光体粒子のまま、分散媒としてのトルエン中に20質量%含まれるように分散させて分散液を調製し、この分散液を、実施例1と同様にして圧粉体に混入させて予備成形体を作製した。この予備成形体を、実施例1と同様にして焼成し、波長変換部材を製造した。
【0051】
<発光強度の評価>
実施例1では、得られた波長変換部材の色が、無機ナノ蛍光体粒子と同じ色をしているのに対して、比較例1の波長変換部材は、無機ナノ蛍光体粒子の色が焼成により消滅した。比較例2の波長変換部材は、無機ナノ蛍光体粒子と同じ色をしていた。
【0052】
各波長変換部材に対し、励起光(波長465nm)を照射したところ、実施例1の波長変換部材からは発光が観察されたが、比較例1の波長変換部材からは発光が観察されなかった。比較例2の波長変換部材からは発光が観察されたが、実施例1に比べて発光強度が低かった。このように、実施例1では、焼成やガラスとの反応による無機ナノ蛍光体粒子の劣化を抑制できた。
【0053】
<残存膜の確認>
実施例1で用いたガラス粉末と同じガラス組成を有するガラス板の上に、実施例1で調製したゾル溶液を塗布し、厚さ20nmの無機保護膜を形成した。無機保護膜を形成したガラス板を、実施例1と同じ150℃の温度で焼成した。焼成後、ガラス板の上に無機保護膜が無機保護層として残存していることを確認した。
【0054】
これに対し、比較例1と同じ500℃の温度で焼成した場合、ガラス板は溶融状態となり、表面の無機保護膜の残存は確認することができなかった。