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JP2018131605A - 蛍光体および発光装置 - Google Patents

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宣明 長尾
充 新田
Mitsuru Nitta
充 新田
安寿 稲田
Yasuhisa Inada
安寿 稲田
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Abstract

【課題】高出力の光放射が可能であり、色制御が容易な白色光を放射する発光装置を実現するためのＣｅを発光中心とした赤色蛍光体の提供。【解決手段】蛍光体は、化学組成ＣｅxＹyＬａ3-x-yＳｉ6Ｎ11を有する結晶相を含有し、０＜ｘ≦０．６であり、（１．５−ｘ）≦ｙ≦（３−ｘ）であり、波長６００ｎｍ以上６６０ｎｍ以下の範囲内に発光スペクトルのピークを有し、波長４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲内に励起スペクトルの第一のピークを有する。【選択図】図１０

Description

本開示は、蛍光体および発光装置に関する。
近年、白色ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、レーザー励起光源などの固体光源が広く用いられるようになってきている。現在の一般的な白色ＬＥＤは、青色発光素子である青色ＬＥＤチップと蛍光体を組み合わせた構成を有している。このような一般的な白色ＬＥＤでは、青色ＬＥＤチップからの光の一部を蛍光体で色変換し、青色ＬＥＤチップからの青色光と蛍光体からの発光とを混色して白色光が作り出されている。より近年では、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）と蛍光体との組み合わせによる高出力白色発光装置の開発も行われている。白色固体光源としては、現在、青色ＬＥＤチップまたは青色ＬＤと黄色蛍光体との組み合わせが主流である。演色性、色再現性等を高める目的、あるいは色温度の低い白色を得る目的で、青色光源と黄色蛍光体とに加えて赤色蛍光体を組み合わせた白色光源の開発が行われている。
従来、一般式Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+（以下ＹＡＧ：Ｃｅと略する）、または特許文献１に示されている一般式Ｌａ3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ3+（以下ＬＳＮ：Ｃｅと略する）のように、Ｃｅを発光中心とした黄色蛍光体が知られている。また、特許文献２に示されている一般式（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ3：Ｅｕ2+（以下ＣＡＳＮ：Ｅｕと略する）のように、Ｅｕを発光中心とした赤色蛍光体が知られている。
特許第４４５９９４１号公報 特許第３８３７５８８号公報
本開示は、Ｃｅを発光中心とした蛍光体を提供する。
本開示の一態様における蛍光体は、化学組成ＣｅxＹyＬａ3-x-yＳｉ6Ｎ11を有する結晶相を含有し、０＜ｘ≦０．６であり、（１．５−ｘ）≦ｙ≦（３−ｘ）であり、波長６００ｎｍ以上６６０ｎｍ以下の範囲内に発光スペクトルのピークを有し、波長４８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲内に励起スペクトルの第一ピークを有する。
本開示の包括的または具体的な態様は、蛍光体、素子、装置、システム、車両、方法、または、これらの任意な組み合わせで実現されてもよい。
本開示によれば、Ｃｅを発光中心とした蛍光体を実現することができる。
図１Ａは、希土類イオンの４ｆ軌道および５ｄ軌道の分裂を示す概念図である。 図１Ｂは、Ｃｅ3+、Ｅｕ2+およびＹｂ2+の４ｆ軌道および５ｄ軌道の分裂を示す概念図である。 図２は、真空中および結晶中におけるＣｅ3+のエネルギー準位図である。 図３は、４ｆ軌道と５ｄ軌道間の配位座標モデル図である。 図４は、（Ｌａ，Ｙ）3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ蛍光体について、励起波長と発光波長の関係を表したグラフを示す図である。 図５は、（Ｌａ，Ｙ）3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ蛍光体について、Ｙ3+の置換量ｘとａ軸の格子定数の関係、およびＹ3+の置換量ｘとｃ軸の格子定数の関係を表したグラフを示す図である。 図６は、（Ｌａ，Ｙ）3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ蛍光体について、平均配位距離ｒaveと励起波長λexの関係、および平均配位距離ｒaveと発光波長λemの関係を表したグラフを示す図である。 図７は、Ｌａ3Ｓｉ6Ｎ11の結晶構造およびＬａの２種類のサイトを示す図である。 図８Ａは、（Ｌａ，Ｙ）3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ蛍光体について、試料番号１の結晶構造を示す図である。 図８Ｂは、（Ｌａ，Ｙ）3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ蛍光体について、試料番号２の結晶構造を示す図である。 図８Ｃは、（Ｌａ，Ｙ）3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ蛍光体について、試料番号３の結晶構造を示す図である。 図８Ｄは、（Ｌａ，Ｙ）3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ蛍光体について、試料番号４の結晶構造を示す図である。 図８Ｅは、（Ｌａ，Ｙ）3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ蛍光体について、試料番号５の結晶構造を示す図である。 図８Ｆは、（Ｌａ，Ｙ）3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ蛍光体について、試料番号６の結晶構造を示す図である。 図８Ｇは、（Ｌａ，Ｙ）3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ蛍光体について、試料番号７の結晶構造を示す図である。 図８Ｈは、（Ｌａ，Ｙ）3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ蛍光体について、試料番号８の結晶構造を示す図である。 図８Ｉは、（Ｌａ，Ｙ）3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ蛍光体について、試料番号９の結晶構造を示す図である。 図８Ｊは、（Ｌａ，Ｙ）3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ蛍光体について、試料番号１０の結晶構造を示す図である。 図９は、図８Ａから８Ｊに示された試料番号１から１０の蛍光体の結晶構造から算出した粉末ＸＲＤ回折パターン結果を示す図である。 図１０は、実施形態２に係るＬＥＤ発光装置の模式的な断面図である。 図１１は、実施形態３に係るＬＤ発光装置の模式的な断面図である。 図１２は、実施形態４に係るＬＤ発光装置の模式的な断面図である。 図１３は、実施形態５に係る照明装置の模式的な断面図である。 図１４は、実施形態６に係る照明装置の模式的な断面図である。 図１５は、実施形態７に係る車両の模式的な断面図である。
（本開示の基礎となった知見）
ＬＥＤを用いた白色発光装置としては、以下の方式の装置が考えられる。
一つ目は、青色ＬＥＤと黄色蛍光体ＹＡＧ：Ｃｅとを組み合わせた擬似白色光源である。この方式の発光装置は、消費電力を低減することができ、ＬＥＤの駆動制御を容易に行えることから広く使用されている。しかしながら、この白色光源では色成分が２色しかないため、電球色などの暖かみのある光を演出することができず、色制御が困難である。
二つ目は、青色ＬＥＤと黄色蛍光体ＹＡＧ：Ｃｅと赤色蛍光体ＣＡＳＮ：Ｅｕとを組み合わせた白色光源である。この方式の発光装置では、白色が３色の色成分の混色であるため、色成分それぞれの光強度を調整することで任意の白色光を演出することができる。したがって、この方式の発光装置は、色成分が２色である前述の方式の発光装置と比較すると、色制御が容易である。この発光装置に用いられる黄色蛍光体ＹＡＧ：Ｃｅは、発光の量子効率が高く、また高出力の青色ＬＥＤあるいは青色ＬＤで励起しても発光の量子効率がほとんど変化しない。一方、赤色蛍光体ＣＡＳＮ：Ｅｕは、高出力光で励起すると発光の量子効率が低下するという問題があり、比較的低出力の光源にしか搭載されていない。これは、Ｅｕを発光中心とした蛍光体は、Ｃｅを発光中心とした蛍光体と比較して発光寿命が長いため、高出力励起時に輝度飽和しやすいためである。そのため、従来、高出力かつ色制御が容易な白色光源を実現することができなかった。
そこで、高出力の光放射が可能であり、色制御が容易な白色光を放射する発光装置を実現するために、本発明者らは、Ｃｅを発光中心とした赤色蛍光体を得るべく、鋭意研究した。
（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１の態様に係る蛍光体は、化学組成ＣｅxＹyＬａ3-x-yＳｉ6Ｎ11を有する結晶相を含有し、０＜ｘ≦０．６であり、（１．５−ｘ）≦ｙ≦（３−ｘ）であり、波長６００ｎｍ以上６６０ｎｍ以下の範囲内に発光スペクトルのピークを有し、波長４８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲内に励起スペクトルの第一ピークを有する。
本開示の第１の態様によれば、Ｃｅを発光中心とした蛍光体を実現することができる。
第２の態様において、例えば、第１の態様に係る蛍光体の前記ｘおよび前記ｙが、（１．５−０．５ｘ）≦ｙ≦（３−ｘ）を満たしてよい。
第２の態様に係る蛍光体によれば、発光波長および励起波長の長波長化を実現できる。
第３の態様において、例えば、第２の態様に係る蛍光体の前記ｘおよび前記ｙが、１．５≦ｙ≦（３−ｘ）を満たしてよい。
第３の態様に係る蛍光体によれば、発光波長および励起波長のさらなる長波長化を実現できる。
第４の態様において、例えば、第１から第３の態様の少なくともいずれか１つの態様に係る蛍光体では、前記結晶相が正方晶（テトラゴナル）の結晶構造を有してよい。
第５の態様において、例えば、第１から第４の態様の少なくともいずれか１つの態様に係る蛍光体は、波長３５０ｎｍ以上４８０ｎｍ未満の範囲内に前記励起スペクトルの第二のピークを有してよい。
第５の態様に係る蛍光体は、例えば青色ＬＥＤの４５０ｎｍや青紫ＬＤの４０５ｎｍ等の、より短波長の励起光でも発光させることができるため、励起光源の選択肢が広がる。
第６の態様において、例えば、第１から第５の態様の少なくともいずれか１つの態様に係る蛍光体の前記結晶相の１／ｅ発光寿命が、１００ｎｓ以下であってよい。
第６の態様に係る蛍光体は、輝度飽和特性に優れているので、高出力時でも量子効率が高い赤色蛍光体として有望である。
第７の態様において、例えば、第１から第６の態様の少なくともいずれか１つの態様に係る蛍光体の前記結晶相が、ＣｅがＬａ3Ｓｉ6Ｎ11の結晶構造におけるＬａ（２ａ）サイトの少なくとも一部を置換している結晶構造を有してよい。
第７の態様に係る蛍光体は、より長波長の励起光でも発光させることができるため、例えば緑色励起光源との組み合わせに適している。
第８の態様において、例えば、第１から第７の態様の少なくともいずれか１つの態様に係る蛍光体の前記結晶相が、ＹがＬａ3Ｓｉ6Ｎ11の結晶構造におけるＬａ（４ｃ）サイトの少なくとも一部を置換している結晶構造を有してよい。
第８の態様に係る蛍光体では、ＹがＬａ3Ｓｉ6Ｎ11の結晶構造におけるＬａ（４ｃ）サイトの少なくとも一部を置換しているので、結晶格子のａ軸とｂ軸の格子定数が減少し、相対的にｃ軸が伸びる。このため、格子ひずみが増加し、その結果、４ｆ−５ｄ軌道間のエネルギー差が減少して、発光波長が長波長化され得る。
第９の態様において、例えば、第８の態様に係る蛍光体の前記結晶相が、ＹがＬａ3Ｓｉ6Ｎ11の結晶構造におけるＬａ（４ｃ）サイトの過半数を置換している結晶構造を有してよい。
第９の態様に係る蛍光体では、結晶ひずみが急増し、その結果、長波長側への波長シフトが急増するので、赤色発光が可能となる。
本開示の第１０の態様に係る発光装置は、波長６００ｎｍ以下の光を発する励起光源と、第１から第９の態様の少なくともいずれか１つの態様に係る蛍光体である第一の蛍光体と、を備える。前記第一の蛍光体は、前記励起光源の発する光を照射され、前記光よりも長波長の蛍光を発する。
第１０の態様に係る発光装置は、第１から第９の態様の少なくともいずれか１つの態様に係る蛍光体を備えているので、高出力時において従来の発光装置よりも量子効率を向上させることができる。さらに、第１０の態様に係る発光装置を白色発光装置として構成した場合には、高い演色性および色再現性を実現できる。
第１１の態様において、例えば、第１０の態様に係る発光装置の前記励起光源が、波長４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光を発してよい。
第１１の態様に係る発光装置によれば、蛍光体を効率的に励起することができる。
第１２の態様において、例えば、第１０の態様に係る発光装置の前記励起光源が、波長４２０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の光を発してよい。
第１２の態様に係る発光装置によれば、ＧａＮ系の青色ＬＥＤや青色ＬＤを励起光源として使用することができる。
第１３の態様において、例えば、第１０から第１２の態様の少なくともいずれか１つの態様に係る発光装置は、前記励起光源がＬＥＤまたはＬＤであってよい。
第１３の態様によれば、高出力の発光装置を実現できる。
第１４の態様において、例えば、第１０から第１３の態様の少なくともいずれか１つの態様に係る発光装置は、前記励起光源の発する光を照射され、前記光よりも長波長の蛍光を発する第二の蛍光体をさらに備えてよく、前記第二の蛍光体が、波長４８０ｎｍ以上６００ｎｍ未満の範囲内に発光スペクトルのピークを有してよい。
第１４の態様の発光装置は、発光波長が異なる少なくとも２種類の蛍光体を備えているので、発光色を制御することができる。
第１５の態様において、例えば、第１４の態様に係る発光装置は、前記第二の蛍光体が黄色光を発する蛍光体であり、前記励起光源の発する光を照射され、前記光よりも長波長の蛍光を発する第三の蛍光体をさらに備えてよく、前記第三の蛍光体が緑色光を発してよい。
第１５の態様の発光装置は、黄色光を発する蛍光体と緑色光を発する蛍光体との少なくとも２種類の蛍光体を備えているので、発光色を制御することができる。
（本開示の実施の形態）
以下、本開示の実施の形態について詳細に説明する。当然ながら、本開示はこれらの実施形態に限定されるものでなく、本開示の技術的範囲を逸脱しない範囲で適宜変更して実施することができる。
［実施形態１］
実施形態１では、本開示の蛍光体の実施形態について説明する。以下に、本発明者らが本開示の蛍光体に到達した経緯を含め、本開示の蛍光体の実施形態について説明する。
＜希土類蛍光体の発光原理＞
以下に、本発明者らが、希土類蛍光体の発光原理について考察を行い、Ｃｅ3+蛍光体に着目した経緯について説明する。
希土類元素のうちＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、ＴｍおよびＹｂは、２価または３価のイオンの状態で、４ｆ軌道に価電子を有する。このうち、ほとんどの希土類イオンは４ｆに複数の電子を有するので、図１Ａに概念的に示したように４ｆ軌道の縮退が解けて大きく分裂する。これにより、ある４ｆ準位から別の４ｆ準位への遷移（ｆ−ｆ遷移）を利用して発光を得ることができる。ｆ−ｆ遷移は禁制遷移であるため、励起状態の電子の寿命が長いという特徴を有している。そのため、希土類イオンを含む蛍光体は、レーザー媒質としてよく利用されている。しかしながら、このような蛍光体を一般の照明などのインコヒーレントな光源として利用すると、すぐに発光強度が飽和してしまう。
一方、Ｃｅ3+は、価電子として４ｆ軌道に１つしか電子を有さない。これにより、図１Ｂに概念的に示したように、Ｃｅ3+の４ｆ軌道の分裂は他の希土類イオンに比べて極めて小さい。また、例外として、Ｅｕ2+およびＹｂ2+の４ｆ軌道のエネルギー分裂も小さい。これは、Ｅｕ2+が４ｆ軌道に７つの電子を有する半閉殻であり、および、Ｙｂ2+が４ｆ軌道に１４の電子を有する閉殻であるためである。
Ｃｅ3+、Ｅｕ2+およびＹｂ2+は４ｆ軌道の分裂が小さいため、４ｆ基底準位と５ｄ軌道との間のエネルギー差が大きい。また、４ｆ基底準位と５ｄ軌道との間に大きなエネルギーを持つ４ｆ軌道が存在しない。よって、４ｆと５ｄとの間の遷移（４ｆ−５ｄ遷移）を利用しやすい。
４ｆ−５ｄ遷移は許容遷移であるため、励起状態の電子の寿命が短い。従って、励起すればすぐに発光するため、強い励起光で励起しても飽和（輝度飽和）しにくい。
本発明者らは、さらに、Ｃｅ3+、Ｅｕ2+およびＹｂ2+のうちＣｅ3+に着目した。Ｃｅ3+は４ｆ−５ｄ遷移に関わる電子は１つであるため、５ｄの励起状態から４ｆの基底状態に落ちる際に、４ｆの軌道が全て空いている、すなわち遷移に関わる４ｆ軌道の状態密度が大きい。このため、本発明者らは、Ｃｅ3+は発光寿命が最も短いと考えた。一方、Ｅｕ2+は、５ｄに電子を励起しても４ｆに６つの電子が残っており、Ｙｂ2+は、５ｄに電子を励起しても４ｆに１３つの電子が残っている。このため、Ｅｕ2+およびＹｂ2+は、４ｆ軌道の状態密度が小さく、Ｃｅ3+よりも長い発光寿命を有すると予測できる。従って、Ｃｅ3+蛍光体は希土類の中で最も発光寿命が短く、輝度飽和しにくいと考えられる。実際に、ＹＡＧ：Ｃｅでは１／ｅ発光寿命が７０ｎｓ程度であるのに対して、ＣＡＳＮ：Ｅｕでは１／ｅ発光寿命が６００から８００ｎｓ程度である。
この考えに基づけば、Ｃｅ3+蛍光体の方がＥｕ2+蛍光体よりも優れていると言える。実際に、市販されている白色ＬＥＤでは、ほぼ全てにＹＡＧ：Ｃｅが利用されている。しかしながら、赤色蛍光体としてはＣＡＳＮ：Ｅｕがよく使われている。本発明者らは、この理由として、赤色発光するＣｅ3+蛍光体の実現は難しく、未だ有望な材料が見つかっていないからであると考えている。以下に、発光波長が決まる原理とともに、その理由を説明する。
＜蛍光体の発光波長＞
Ｃｅ3+を発光中心とする蛍光体およびＥｕ2+発光中心とする蛍光体においては、基底状態である４ｆ軌道から励起状態である５ｄ軌道への遷移（４ｆ−５ｄ遷移）を利用する。Ｃｅ3+およびＥｕ2+が蛍光体の母体となる結晶に導入されると、主に結合している最近接のアニオン原子（配位子）の影響を受け、４ｆおよび５ｄ軌道のエネルギーが変化し、発光波長が変わる。すなわち、蛍光体の発光波長は、母体結晶によって決まる。
配位子の影響としては、４ｆまたは５ｄ軌道のエネルギーがシフトすること、および５ｄ軌道の５つの準位の縮退が解けること（すなわち、５ｄ軌道の分裂）がある。前者のエネルギーシフトについては、４ｆまたは５ｄ軌道の波動関数の広がり方と配位子の位置関係とが大きく影響する。また、後者の５ｄ軌道の分裂に関しては、図２に示すように５ｄ軌道の５つの準位のトータルエネルギーを保ったまま５ｄ軌道が分裂する。よって、ある準位のエネルギーが大きくなれば、他の準位のエネルギーは小さくなる。従って、５ｄ軌道の分裂を大きくすることで、５ｄ軌道の最低エネルギーを小さくすることができる。
４ｆ−５ｄ遷移の発光は、図２に示すように５ｄ軌道の最低エネルギーの準位から４ｆに落ちる際に起きる。このため、Ｃｅ3+またはＥｕ2+を結晶に導入することで、４ｆ−５ｄ間のエネルギー差を小さくし、発光波長を長波長化することができる。
Ｃｅ3+は真空中（すなわち、結晶に未導入の状態）においては４ｆ−５ｄ間のエネルギー差が大きく深紫外域の発光を示すが、Ｅｕ2+は青色発光を示す。即ち、Ｅｕ2+の方が少ない長波長シフト量で赤色発光が実現でき、実際にＣＡＳＮ：Ｅｕが実用化されている。一方、Ｃｅ3+蛍光体で実用化されている最も長波長なものは黄色蛍光体のＹＡＧ：Ｃｅであり、赤色蛍光体は実現されていない。
＜発明者らの検討＞
本発明者らは、Ｃｅの赤色蛍光体を実現するためには、図３に示すように、５ｄ軌道または４ｆ軌道をシフトさせる必要があると考え、検討を進めた。
より５ｄ軌道または４ｆ軌道をシフトさせるためには、Ｃｅ3+の配位子として、（１）配位子距離が小さいこと、および（２）配位子の対称性が低いこと、を満たすことが重要であると考えた。
まず（１）に関して、Ｃｅ3+から最近接のアニオンまでの配位子距離が小さいと、４ｆ軌道または５ｄ軌道のいずれか、あるいは両方がアニオンの軌道からより大きく影響を受け、大きくエネルギーシフトする。このとき４ｆ軌道のエネルギーが増加する、あるいは５ｄ軌道の分裂が大きくなり５ｄ軌道の最低エネルギー準位が下がる。この効果により４ｆ−５ｄ間のエネルギー差が小さくなる。（２）に関しては、配位子の対称性が低いことで、配位子が存在しない方向への広がりが大きい波動関数を持つ５ｄ軌道がより安定化される。これにより、４ｆ−５ｄ間のエネルギー差が小さくなる。
本発明者らは、これらの方針のもとに新しい材料の探索を行った。具体的には、結晶構造シミュレーションにより発光波長を計算する検討を行った。これらの取り組みで、赤色を示す複数の新規赤色蛍光体に到達した。以下でこれらの取り組みについて説明する。
＜Ｃｅ蛍光体の発光波長の計算について＞
本発明者らは、Ｃｅを発光中心として用いた蛍光体の発光波長と励起波長との関係を明らかにするため、シミュレーションにより各種の結晶にＣｅをドープした場合の発光波長と励起波長とについて検討を行った。以下に、結晶構造シミュレーションの結果および考察を示す。
本発明者らは、文献「Ｙ Ｊｉａ ｅｔ ａｌ．， ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ Ｂ ９３， １５５１１１ （２０１６）」に開示されている手法で発光波長の計算を行った。この手法は、基底状態の平衡点における全エネルギーとその原子座標での励起状態の全エネルギーとの差から励起波長を計算する。また、この手法は、励起状態が緩和した平衡点における全エネルギーとその原子座標での基底状態の全エネルギーとの差から発光波長を計算する。これにより、上記文献によると、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＬａＳｉ3Ｎ5：Ｃｅ、Ｌａ3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅの３種類の蛍光体の発光波長と励起波長との計算値が実験値とほぼ一致することが確認されている。今回、本発明者らが、ＬａＳｉ3Ｎ5：Ｃｅ、Ｌａ3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅに加えてＹＡｌＯ3：Ｃｅについて発光波長と励起波長との計算を行ったところ、上記文献と同様に高精度に実験結果を再現することを確認した。表１にシミュレーションにより求めた各蛍光体の励起波長と発光波長とを示す。
Figure 2018131605
＜新規組成系（Ｌａ，Ｙ）3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ蛍光体＞
まず、本発明者らは、配位子距離を短くするために、Ｌａ3Ｓｉ6Ｎ11：ＣｅのＬａ3+サイトにＹ3+を置換することを考えた。
Ｙ3+はＬａ3+に比べてイオン半径が小さいために、Ｌａ3+サイトを置換すれば格子定数を小さくする可能性がある。格子定数の低下に伴い、配位子距離も短くすることができる期待がある。
上記の計算手法により、新規組成系である（Ｌａ，Ｙ）3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ蛍光体について検討を行った。この組成系の蛍光体は、Ｌａ3Ｓｉ6Ｎ11：ＣｅのＬａ3+サイトをＹ3+で置換した組成を有している。Ｌａ3+に比べてＹ3+のイオン半径が小さいので、（Ｌａ，Ｙ）3Ｓｉ6Ｎ11におけるＣｅ3+の配位子距離は、Ｌａ3Ｓｉ6Ｎ11に比べて小さくなる。これにより、発光波長が長波長化することが期待できる。Ｙ3+の置換量を変えて、Ｃｅ−Ｎ間の平均配位距離ｒave、励起波長λexおよび発光波長λemを計算した結果を表２に示す。また、図４に、励起波長と発光波長との関係を表したグラフを示す。図５に、Ｙ3+の置換量ｘとａ軸の格子定数との関係、およびＹ3+の置換量ｘとｃ軸の格子定数との関係を示す。図６に、平均配位距離ｒaveと励起波長λexとの関係、および平均配位距離ｒaveと発光波長λemとの関係を示す。図７に、Ｌａ3Ｓｉ6Ｎ11の結晶構造およびＬａの２種類のサイトを示す。なお、図７中、Ｌａ（２ａ）サイトを破線で、Ｌａ（４ｃ）サイトを一点鎖線で示している。図８Ａから８Ｊに、試料番号１から１０の結晶構造を示す。図９に、試料番号１から１０の結晶構造から算出した粉末ＸＲＤ回折パターン結果を示す。なお、表２中の※印は、その試料が比較例であることを示している。また、表２の「Ｙ置換サイトと置換量」欄においては、Ｙ置換サイトとＹ置換量とが「Ｙ置換サイト←Ｙ置換量」と表記されている。
Figure 2018131605
表２および図４から、Ｙ3+の置換量が増加すると発光波長が大きくなる傾向が読みとれる。また、励起ピーク波長も、発光波長の長波長化に伴い大きくなっていることがわかる。発光波長が６００ｎｍ以上を示す赤色発光となる試料７から試料１０の組成系においては、励起波長のピークが４９０ｎｍ以上の緑色領域となることがわかる。また、図５から明らかなように、Ｙ3+の置換量が増加するほどａ軸の格子定数が減少し、ｃ軸の格子定数が増加するのがわかる。また表２および図６から明らかなように、Ｙ3+の置換量が増加するほどＣｅ−Ｎ間の平均配位距離ｒaveが減少し、ｒaveの減少と共に、発光波長および励起波長ともに増化することがわかる。
Ｅｕ2+の発光寿命は、Ｃｅ3+の発光寿命と比較して、とても長い。発光寿命は、Ｅｕ2+Ｃｅ3+それぞれの４ｆ−５ｄ遷移の遷移確率と相関があり、発光寿命が長いほど遷移確率が低いといえる。つまり、Ｅｕ2+の４ｆ−５ｄ遷移の励起確率は、Ｃｅ3+の４ｆ−５ｄ遷移の励起確率と比較して、とても低いといえる。しかしながら、Ｅｕ2+は５ｄ励起準位が母体材料（（Ｌａ，Ｙ）3Ｓｉ6Ｎ11）のコンダクションバンドと重なりやすい。よって、Ｅｕ2+の４ｆ基底準位と母体材料のコンダクションバンドとの間で効率的にエネルギーを吸収することが可能となる。この吸収エネルギーは、青色光領域のエネルギーに相当する。またＥｕ2+は４ｆ軌道に７つの電子があり、それぞれの電子のエネルギー準位が幅を有するため、励起波長はブロードとなる。つまりＥｕ2+を発光中心として用いた赤色蛍光体の励起波長は、青色領域をピークとしたブロードな励起波長となる。そのため、Ｅｕ2+を発光中心として用いた赤色蛍光体を使用した光源では、励起光源には最も吸収効率の高くなる青色光が用いられている。
一方、Ｃｅ3+を発光中心として用いた蛍光体の場合では、５ｄ励起準位が母体材料のコンダクションバンドと重なりにくい。よって、４ｆ基底準位と母体材料のコンダクションバンドとの間でのエネルギー吸収は期待できない。そのため、４ｆ−５ｄ遷移がエネルギー吸収の主体となる。
本発明者らは、上述の検討の結果により、Ｃｅ3+を用いた赤色蛍光体の場合には、４ｆ−５ｄ遷移間のエネルギー差が緑色光領域のエネルギー差になることを明らかにした。したがって、Ｃｅ3+を用いた赤色蛍光体の場合には、励起光源に青色光を用いるよりも緑色光を用いた方が、蛍光体の吸収効率が高くなる。よって緑色光を用いることにより、光出力を高めることができる。さらに、青色光から赤色光へ変換する従来の方式と比較して、緑色光から赤色光へ変換する本願の方式の方が、エネルギー変換ロス（ストークス・ロス）を小さくできるため、より高出力の光を放射することが可能となる。
＜実施形態１の蛍光体＞
以上の結果から、本発明者らは、本開示の一実施形態の蛍光体として、化学組成ＣｅxＹyＬａ3-x-yＳｉ6Ｎ11を有する結晶相を含有し、０＜ｘ≦０．６であり、（１．５−ｘ）≦ｙ≦（３−ｘ）である、新規赤色蛍光体に到達した。以下に、実施形態１の蛍光体について、より詳しく説明する。
上記のとおり、実施形態１の蛍光体の化学組成において、ｘは、０＜ｘ≦０．６を満たす。ｘは０より大きいので、Ｃｅによる発光を得ることができる。ｘは、発光強度増大の観点から、望ましくは０．０００３以上、より望ましくは０．０１５以上である。蛍光体が発光し得る限りｘの最大値に特に制限はない。しかし、ｘが大きくなりすぎる場合には、濃度消光により発光強度が低下する。そのため、ｘを０．６以下とすることにより、発光強度の低下を抑制できる。また、ｘは、発光強度増大の観点から、望ましくは０．３以下、より望ましくは０．１５以下である。
実施形態１の蛍光体では、発光波長および励起波長の長波長化の観点から、ＹによるＬａの置換量が大きいことが望ましい。したがって、本実施形態の蛍光体の化学組成において、ｘおよびｙは、（１．５−０．５ｘ）≦ｙ≦（３−ｘ）を満たすことが望ましく、１．５≦ｙ≦（３−ｘ）を満たすことがより望ましい。
実施形態１の蛍光体は、波長６００ｎｍ以上６６０ｎｍ以下の範囲内に発光スペクトルのピークを有する。実施形態１の蛍光体は、例えば、波長６０５ｎｍ以上の発光スペクトルのピークを有してもよい。実施形態１の蛍光体は、例えば、波長６４０ｎｍ以下の発光スペクトルのピークを有してもよく、波長６３６ｎｍ下の発光スペクトルピークを有してもよい。
実施形態１の蛍光体は、波長４８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲内に励起スペクトルのピークを有する。実施形態１の蛍光体は、例えば、波長４９０ｎｍ以上の励起スペクトルのピークを有してもよく、波長４９５ｎｍ以上の励起スペクトルピークを有してもよい。実施形態１の蛍光体は、例えば、波長５３０ｎｍ以下の励起スペクトルのピークを有してもよく、波長５０８ｎｍ下の励起スペクトルピークを有してもよい。
実施形態１の蛍光体は、波長４８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲の励起スペクトルのピークを第一の励起スペクトルのピークとした場合に、波長３５０ｎｍ以上４８０ｎｍ未満の範囲内に、第二の励起スペクトルのピークをさらに有してもよい。第一または第二の励起スペクトルのピークは、励起スペクトルの最大ピークであってもよい。
また、実施形態１の蛍光体の結晶相の１／ｅ発光寿命は、１００ｎｓ以下の値を示してもよい。発光寿命は、輝度飽和特性に影響する。従来の赤色蛍光体であるＣＡＳＮ：ＥｕなどのＥｕを含む蛍光体は、Ｃｅを含む蛍光体と比較して発光寿命が長い。そのため、Ｅｕを含む蛍光体は、高出力励起時に量子効率が低下することで輝度飽和しやすい。したがって、Ｃｅを発光中心とした実施形態１の蛍光体は、従来の赤色蛍光体と比較して、高出力時でも量子効率が高い赤色蛍光体として有望である。
また、実施形態１の蛍光体における母体材料の結晶が正方晶（テトラゴナル）であってよい。換言すると、実施形態１の蛍光体における化学組成ＣｅxＹyＬａ3-x-yＳｉ6Ｎ11を有する結晶相が、正方晶（テトラゴナル）の結晶構造を有してもよい。また、当該結晶相は、一般式Ｌａ3Ｓｉ6Ｎ11で表される結晶と、ほとんど同じ結晶構造を有してもよい。
実施形態１の蛍光体の結晶相は、ＣｅがＬａ3Ｓｉ6Ｎ11の結晶構造におけるＬａ（２ａ）サイトの少なくとも一部を置換している結晶構造を有してもよい。また実施形態１の蛍光体の結晶相は、ＹがＬａ3Ｓｉ6Ｎ11の結晶構造におけるＬａ（４ｃ）サイトの少なくとも一部を置換している結晶構造を有してもよく、ＹがＬａ3Ｓｉ6Ｎ11の結晶構造におけるＬａ（４ｃ）サイトの過半数を置換している結晶構造を有してもよい。
Ｌａ3Ｓｉ6Ｎ11の結晶構造におけるＬａの配位状態には、図７に示すように、Ｌａ（２ａ）サイトと、Ｌａ（４ｃ）サイトとの２種類が存在する。Ｌａ（２ａ）サイトは対称性が高く、Ｌａ（４ｃ）サイトは対称性が低い。例えば、対称性が高いＬａ（２ａ）サイトのＬａがイオン半径の大きいＣｅで置換された場合、第一原理計算から求めた生成エンタルピーが約４８ｍｅＶ程度低く、熱力学的に安定である。この観点から、実施形態１の蛍光体の結晶相は、ＣｅがＬａ3Ｓｉ6Ｎ11の結晶構造におけるＬａ（２ａ）サイトの少なくとも一部を置換している結晶構造を有することが望ましい。また、例えば、対称性が低いＬａ（４ｃ）サイトのＬａがＹで置換された場合、格子ひずみが大きいためＣｅの５ｄ軌道の分裂が大きくなる。よって、４ｆ−５ｄ軌道間のエネルギー差が減少するため、励起波長および発光波長を長波長側へシフトさせることができる。この観点から、実施形態１の蛍光体の結晶相は、ＹがＬａ3Ｓｉ6Ｎ11の結晶構造におけるＬａ（４ｃ）サイトの少なくとも一部を置換している結晶構造を有することが望ましい。さらに、ＹがＬａ3Ｓｉ6Ｎ11の結晶構造におけるＬａ（４ｃ）サイトの過半数を置換している結晶構造を有することがより望ましい。
＜蛍光体の製造方法＞
以下、実施形態１の蛍光体の製造方法について説明する。
原料としては、例えば、Ｃｅ、Ｌａ、ＳｉおよびＹをそれぞれ含有する化合物を用いてもよいし、Ｃｅ、Ｌａ、ＳｉおよびＹそれぞれの単体を用いてもよい。化合物としては、窒素雰囲気下での焼成により窒化物になる化合物、高純度（純度９９％以上）の窒化物、金属合金、などを用いることができる。また、反応を促進するために、フッ化物（フッ化アンモニウム等）を少量添加してもよい。
例えば、ＣｅxＹyＬａ3-x-yＳｉ6Ｎ11（０＜ｘ≦０．６、（１．５−ｘ）≦ｙ≦（３−ｘ）で表される化学組成比となるように、Ｃｅ化合物、Ｌａ化合物、Ｓｉ化合物およびＹ化合物を用意してもよい。ここで、Ｓｉ化合物に代えてＳｉ単体を用意してもよい。具体的な原料としては、例えば、ＣｅＦ3粉末、ＬａＮ粉末、Ｓｉ3Ｎ4粉末および、ＹＮ粉末を用いてもよい。ここで、ＣｅＦ3粉末に代えてＣｅＮ粉末を用いてもよい。また、Ｓｉ3Ｎ4粉末に代えてＳｉ単体の粉末を用いてもよい。また、ＬａＮ粉末は、理論値よりも２４％程度過剰に用意してもよい。ＬａＮは焼成時に分解しやすいため、原料配合時に過剰に仕込むことで、副生成物であるＬａＳｉ3Ｎ5結晶の生成を抑制できる。
実施形態１の蛍光体の製造は、上記の原料を混合し、焼成して行う。原料の混合方法は、溶液中での湿式混合でも、乾燥粉体の乾式混合でもよい。工業的に通常用いられるボールミル、媒体撹拌ミル、遊星ミル、振動ミル、ジェットミル、Ｖ型混合機、攪拌機等を用いることができる。焼成は、窒素により加圧した雰囲気中において１５００〜２０００℃の温度範囲で１〜５０時間程度行う。このときの圧力は、通常３気圧以上、望ましくは４気圧以上、より望ましくは８気圧以上である。焼成後の蛍光体は、例えば、濃度１０％の硝酸溶液中で１時間洗浄してもよい。得られた蛍光体粉末を、ボールミルやジェットミルなどを用いて再度粉砕し、さらに必要に応じて洗浄または分級することにより、蛍光体粉末の粒度分布や流動性を調整してもよい。
＜蛍光体を用いた発光装置＞
実施形態１の蛍光体は、発光装置に利用されうる。本実施形態における発光装置は、励起光源と、第一の蛍光体と、を少なくとも備える。励起光源は、波長６００ｎｍ以下の光を発する。第一の蛍光体は、励起光源の発する光を照射され、励起光源の発する光よりも長波長の蛍光を発する。第一の蛍光体は、例えば、実施形態１で説明した何れかの蛍光体である。以上の構成によれば、高出力時においても量子効率の高い発光装置を構成することができる。
また、励起光源の発する光は、波長４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下であってもよい。実施形態１の蛍光体は、典型的には、波長４８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲内に励起スペクトルのピークを有するため、上記波長範囲の光を発する励起光源を用いることにより、効率的に励起することができる。また、励起光源の発する光は、波長２００ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の光を含んでいてもよいし、波長４２０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の光を含んでいてもよい。実施形態１の蛍光体は、波長４８０ｎｍ以下においても励起光を吸収し得る。また、波長２００ｎｍ以下の光は、空気による吸収で減衰するため、波長２００ｎｍ以上の光を発する励起光源が望ましい。なお、上記の励起光源としては、例えば、ＬＥＤまたはＬＤが挙げられる。
また、本実施形態における発光装置は、波長５００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲内に発光スペクトルのピークを有する第二の蛍光体をさらに含んでもよい。すなわち、発光装置は、第一の蛍光体と第二の蛍光体の組合せを含んでよい。第二の蛍光体は、励起光源が発する光を照射されることで、励起光源が発する光よりも長波長の蛍光を発する。第二の蛍光体としては、化学組成Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ（ＹＡＧ：Ｃｅ）の結晶相を含有する蛍光体や、化学組成Ｌａ3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ（ＬＳＮ：Ｃｅ）を有する結晶相を含有する蛍光体などを用いてもよい。
また、第二の蛍光体は、例えば、黄色光を発する蛍光体であってもよい。発光装置は、さらに、緑色光を発する第三の蛍光体を含んでもよい。すなわち、発光装置は、第一の蛍光体と、黄色光を発する第二の蛍光体と、緑色光を発する第三の蛍光体との組合せを含んでよい。第三の蛍光体は、励起光源が発する光を照射されることで、励起光源が発する光よりも長波長の蛍光を発する。第三の蛍光体としては、化学組成Ｌｕ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ（ＬｕＡＧ：Ｃｅ）の結晶相を含有する蛍光体や、化学組成Ｙ3（Ａｌ，Ｇａ）5Ｎ12：Ｃｅ（ＹＡＧＧ：Ｃｅ）を有する結晶相を含有する蛍光体などを用いてもよい。なお、第二の蛍光体および／または第三の蛍光体が発する光を利用して、実施形態１の蛍光体を励起してもよい。なお、緑色光とは、ＣＩＥ色度座標値において、（０．１≦ｘ≦０．４、０．５≦ｙ≦０．８）の範囲に位置する光をいう。また、黄色光とは、ＣＩＥ色度座標値において、（０．４≦ｘ≦０．６、０．４≦ｙ≦０．６）の範囲に位置する光をいう。
実施形態１の蛍光体を含む発光装置における、励起光源および第二、第三の蛍光体は、発光装置の用途に応じて、上述の範囲内で自由に選択することができる。したがって、実施形態１の蛍光体を含む発光装置は、赤色発光装置のみならず、白色発光装置などとしても有用である。具体的には、青色光を発する励起光源と、黄色光を発する蛍光体と、本実施形態の赤色蛍光体と、を組み合わせることで、演色性の高い高出力の発光装置や電球色に発光する高出力の発光装置を実現できる。
［実施形態２］
実施形態２では、本開示の発光装置の一例として、発光素子としてのＬＥＤチップを光源とするＬＥＤ発光装置について説明する。図１０は、実施形態２のＬＥＤ発光装置の一実施形態を示す模式的な断面図である。図１０に示すように、ＬＥＤ発光装置１０は、蛍光体１１と、ＬＥＤチップ１５と、ＬＥＤ封止体２４と、を備える。また、ＬＥＤ発光装置１０は支持体２３を備えてもよい。支持体２３は、ＬＥＤチップ１５を支持する。本実施形態では、ＬＥＤ発光装置１０は、面実装が可能な構造を備えているため、支持体２３は基板である。
本実施形態は高輝度ＬＥＤ発光装置に用いることができる。例えば、ＬＥＤチップ１５で発生した熱を効率的に外部へ放熱することができるよう、支持体２３は高い熱伝導率を有している。例えば、アルミナや窒化アルミニウムなどからなるセラミック基板を支持体２３として用いることができる。
ＬＥＤチップ１５には、例えば、紫外から黄色領域で発光するものが用いられ、波長２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲内に発光スペクトルのピークを有するものが用いられる。ＬＥＤチップ１５として、具体的には、黄色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ、青色ＬＥＤチップ、青紫色ＬＥＤチップ、近紫外ＬＥＤチップ、紫外ＬＥＤチップ等が用いられる。ＬＥＤチップ１５は、支持体２３上において、出射面１５ａが支持体２３と接する面とならないように、半田２７などによって支持体２３に固定されている。また、ＬＥＤチップ１５はボンディングワイヤ２１によって支持体２３に設けられた電極２２に電気的に接続されている。ＬＥＤチップ１５は、ＬＥＤ封止体２４で覆われている。
ＬＥＤ封止体２４には、例えばシリコーン樹脂が使用されている。蛍光体１１が、ＬＥＤ封止体２４中に分散している。シリコーン樹脂には、半導体発光素子の封止樹脂として用いられる種々の化学式で規定される構造のシリコーン樹脂を用いることができる。シリコーン樹脂は、例えば、耐変色性が高いジメチルシリコーンを含んでいる。また、耐熱性の高いメチルフェニルシリコーン等もシリコーン樹脂として用いることができる。シリコーン樹脂は１種類の化学式で規定されるシロキサン結合による主骨格を持つ単独重合体であってもよい。また、２種類以上の化学式で規定されるシロキサン結合を有する構造単位を含む共重合体や２種類以上のシリコーンポリマーのアロイであってもよい。
本実施形態では、ＬＥＤ封止体２４中のシリコーン樹脂は硬化後の状態にある。したがって、ＬＥＤ封止体２４も硬化した状態にある。以下において説明するように、ＬＥＤ封止体２４は、未硬化のシリコーン樹脂を用いて作製することができる。シリコーン樹脂は、主剤および硬化剤を混合することにより硬化が促進される２液型であることが一般的である。しかし、熱硬化型、あるいは、光などのエネルギーを照射することによって硬化するエネルギー硬化型のシリコーン樹脂を用いることもできる。なお、ＬＥＤ封止体２４には、シリコーン樹脂以外のものを使用してもよい。例えば、ガラス、エポキシ樹脂、ＺｎＯで構成される無機材料等を用いてもよい。また、蛍光体１１は、ＬＥＤ封止体２４中に分散させずに、ＬＥＤ封止体２４上に蛍光体板の形態で配置してもよい。
上述した例では、ＬＥＤチップはワイヤボンディングされていたが、本実施形態で用いられるＬＥＤチップは他の構成であってもよい。すなわち、本実施形態で用いられるＬＥＤチップは、フェイスアップで実装されるものであっても、フリップチップで実装されるものであってもよい。また本実施形態で用いられるＬＥＤチップは、一般的な極性面（ｃ面）の成長面を有する窒化物半導体から形成される発光層を備えるものであってもよい。
＜蛍光体の概要＞
蛍光体１１は、ＬＥＤチップ１５から出射される近紫外から黄色領域の光（例えば、近紫外光）のうち、一部の波長成分、あるいは、すべての波長成分を吸収し、蛍光を発する。吸収する光の波長および蛍光の波長は、蛍光体１１に含まれる蛍光材料の種類によって決まる。蛍光体１１は、光の混色により白色光が作り出されるように、複数の異なる色の蛍光体を含む混合蛍光体であってもよい。蛍光体１１は、緑色蛍光体および赤色蛍光体の混合蛍光体であってもよい。赤色蛍光体としては、実施形態１の蛍光体が用いられる。
緑色蛍光体としては、例えば、ＭII 2ＭｇＳｉ2Ｏ7：Ｅｕ2+（ＭII＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＳｒＳｉ5ＡｌＯ2Ｎ7：Ｅｕ2+、ＳｒＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｅｕ2+、ＢａＡｌ2Ｏ4：Ｅｕ2+、ＢａＺｒＳｉ3Ｏ9：Ｅｕ2+、ＭII 2ＳｉＯ4：Ｅｕ2+（ＭII＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＢａＳｉ3Ｏ4Ｎ2：Ｅｕ2+、Ｃａ8Ｍｇ（ＳｉＯ4）4Ｃl2：Ｅｕ2+、Ｃａ3ＳｉＯ4Ｃl2：Ｅｕ2+、β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ2+などの蛍光体を用いることができる。
別の態様として、蛍光体１１は、黄色蛍光体および赤色蛍光体の混合蛍光体であってもよい。赤色蛍光体としては、実施形態１の蛍光体が用いられる。黄色蛍光体としては、例えば、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+、ＣａＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｅｕ2+、（Ｂａ，Ｓｒ）Ｓｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｅｕ2+、Ｃａ3Ｓｃ2Ｓｉ3Ｏ12：Ｃｅ3+、ＣａＳｃ2Ｏ4：Ｃｅ3+、α−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ2+、Ｌａ3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ3+などの蛍光体を用いることができる。
また、蛍光体１１の粒子径は、例えば、それぞれ１μｍ以上８０μｍ以下である。本明細書において、粒子径とは、顕微鏡法による円相当径で表したものをいう。
蛍光体１１は、例えば、封止体１００重量部に対して、３重量部以上７０重量部以下の割合でＬＥＤ封止体２４に含まれている。蛍光体１１の含有量が３重量部よりも少ない場合、十分な強度の蛍光が得られないため、所望の波長の光を発光するＬＥＤ発光装置１０を実現できなくなる場合がある。蛍光体１１に用いる各色に発光する蛍光体の重量比は、所望する白色光の色調と、それぞれの蛍光体の発光強度に応じて適宜決定することができる。なお、蛍光体１１を、実施形態１の赤色蛍光体のみにすることによって、あるいは、他の色の蛍光体と組み合わせることによって、ＬＥＤ発光装置を、白色以外の色を発するＬＥＤ発光装置として構成することもできる。
実施形態１の赤色蛍光体以外の上記の蛍光体は、公知方法に従って製造することができる。具体的には、酸化物蛍光体を作製する場合、原料としては、水酸化物、蓚酸塩、硝酸塩など、焼成により酸化物になる化合物、または、酸化物を用いることができる。ここで、反応を促進するために、フッ化物（例えば、フッ化カルシウム等）や塩化物（例えば、塩化カルシウム等）を少量添加することができる。蛍光体の製造は、上記の原料を混合し、焼成して行う。
原料の混合方法としては、溶媒中での湿式混合でも、乾燥粉体の乾式混合でもよい。工業的に通常用いられるボールミル、媒体撹拌ミル、遊星ミル、振動ミル、ジェットミル、Ｖ型混合機、攪拌機等を用いることができる。蛍光体原料の焼成は、大気中または還元性雰囲気下において、１１００〜１７００℃の温度範囲で１〜５０時間程度行う。焼成に用いる炉は、工業的に通常用いられる炉を用いることができる。例えば、プッシャー炉等の連続式またはバッチ式の電気炉やガス炉、または、プラズマ焼結（ＳＰＳ）や熱間静水圧加圧焼結（ＨＩＰ）等の加圧焼成炉を用いることができる。得られた蛍光体粉末を、ボールミルやジェットミルなどを用いて再度粉砕し、さらに必要に応じて洗浄または分級することにより、蛍光体粉末の粒度分布や流動性を調整することができる。
［実施形態３］
実施形態３では、本開示の発光装置の一例として、発光素子としてのＬＤを光源とするＬＤ発光装置について説明する。図１１は、実施形態３に係るＬＤ発光装置６０の概略構成を示している。ＬＤ発光装置６０は、ＬＤ素子５８と、波長変換部材６１と、を備える。波長変換部材６１は、蛍光体を含む。蛍光体は、ＬＤ素子５８からの出射光を、より長波長の光に波長変換する。
ＬＤ素子５８は、ＬＥＤよりも高い光パワー密度の光を出射することができる。よって、ＬＤ素子５８の使用により高出力のＬＤ発光装置６０を構成することができる。ＬＤ素子５８から蛍光体に照射される光パワー密度は、ＬＤ発光装置６０の高出力化の観点から、例えば、０．５Ｗ／ｍｍ2以上である。また、蛍光体に照射される光パワー密度は、２Ｗ／ｍｍ2以上であってもよく、３Ｗ／ｍｍ2以上であってもよく、１０Ｗ／ｍｍ2以上であってよい。一方で、蛍光体に照射される光パワー密度が高すぎると、蛍光体からの発熱量が増大して、ＬＤ発光装置６０に悪影響を及ぼすおそれがある。よって、蛍光体に照射される光パワー密度は、１５０Ｗ／ｍｍ2以下であってもよく、１００Ｗ／ｍｍ2以下であってもよく、５０Ｗ／ｍｍ2以下であってもよく、２０Ｗ／ｍｍ2以下であってもよい。
ＬＤ素子５８には、蛍光体を励起可能な波長の光を出射するものを特に制限なく使用することができる。例えば、青紫光を出射するＬＤ素子、青色光を出射するＬＤ素子、緑色光を出射するＬＤ素子、黄色光を出射するＬＤ素子等を使用することができる。本実施形態では、ＬＤ素子５８が、青色光を出射する場合について説明する。本明細書において、青色光とは、ピーク波長が４２０ｎｍ以上４８０ｎｍ未満の光をいう。一般に、青色光を出射するＬＤ素子５８は、紫外光を出射するＬＤ素子よりも発光効率が高く、発光ピーク波長が４４５ｎｍの場合には、最も発光効率が高くなる。ＬＤ素子５８の発光ピーク波長は、４２５ｎｍ以上であってもよく、４３０ｎｍ以上であってもよい。一方で、ＬＤ素子５８の発光ピーク波長は、４７５ｎｍ以下であってもよく、４７０ｎｍ以下であってもよい。
ＬＤ素子５８は、１つのＬＤから構成されたものであってもよく、複数のＬＤを光学的に結合させたものであってもよい。ＬＤ素子５８は、例えば、非極性面または半極性面である成長面を有する窒化物半導体から形成される発光層を備えてもよい。
波長変換部材６１の蛍光体は、実施形態１の赤色蛍光体を含む。波長変換部材６１は、発光装置の所望の発光色に応じて、実施形態１の赤色蛍光体以外の蛍光体をさらに含んでいてもよい。例えば、波長変換部材６１が、黄色蛍光体および緑色蛍光体をさらに含む場合には、ＬＤ発光装置６０を白色発光装置として構成することができる。黄色蛍光体および緑色蛍光体としては、実施形態２で例示したものを使用することができる。波長変換部材６１は、複数種の蛍光体が混合された一層の波長変換層であってもよく、単一種あるいは複数種の蛍光体を含む波長変換層が少なくとも２層以上積層されたものであってもよい。本実施形態では、特に、赤色蛍光体１２で構成される第１の蛍光体層６２と、黄色蛍光体１３で構成される第２の蛍光体層６３とを積層した構成を有する波長変換部材６１が用いられる場合について説明する。
第１の蛍光体層６２、第２の蛍光体層６３は、それぞれ、バインダー６８，６９を用いて構成されている。バインダー６８，６９は、例えば、樹脂、ガラスまたは透明結晶などの媒体である。バインダー６８，６９は、同じ材質であってもよく、異なる材質であってもよい。なお、各蛍光体層は、蛍光体粒子のみで構成されていてもよい。
波長変換部材６１とＬＤ素子５８との間には、ＬＤ素子５８の光を第２の蛍光体層６３に導く入射光学系５９が設けられていてもよい。入射光学系５９は、例えば、レンズ、ミラー、または光ファイバーなどを備えている。
次に、ＬＤ発光装置６０の動作について説明する。ＬＤ素子５８から出射された青色光は、入射光学系５９を通り、波長変換部材６１の第２の蛍光体層６３に入射する。この入射光により、第２の蛍光体層６３の複数の黄色蛍光体１３が励起されて黄色光を出射する。また、第２の蛍光体層６３で吸収されずに透過したＬＤ素子５８から出射された青色光は、第１の蛍光体層６２に入射する。この入射により、第１の蛍光体層６２の複数の赤色蛍光体１２が励起され赤色光を出射する。また、第２の蛍光体層６３から放射された黄色光が、第１の蛍光体層６２に入射する。この入射光の一部により、第１の蛍光体層６２の複数の赤色蛍光体１２が励起され赤色光を出射してもよい。また、第１の蛍光体層６２でも第２の蛍光体層６３でも吸収されずに透過したＬＤ素子５８から出射された青色光は、外部へと放射される。これらの赤色光、黄色光、および青色光が混合して、白色光となる。
なお、各蛍光体層の厚みは、ＬＤ素子５８から出射された青色光が第１の蛍光体層６２を透過しないように調整してもよい。また、第２の蛍光体層６３から放射された黄色光が、第１の蛍光体層６２を透過しないように調整してもよい。この場合には、外部へ赤色光のみが放射される。別の態様として、第２の蛍光体層６３で用いている黄色蛍光体１３に代えて、実施形態２で説明した緑色蛍光体を用いてもよい。
［実施形態４］
実施形態４では、本開示の発光装置の一例として、発光素子としてのＬＤを光源とするＬＤ発光装置について説明する。図１２は、実施形態４に係るＬＤ発光装置８０の概略構成を示している。実施形態３と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。ＬＤ発光装置８０は、ＬＤ素子５８と、波長変換部材８１と、を備える。
波長変換部材８１は、蛍光体を含む。蛍光体は、ＬＤ素子５８からの出射光を、より長波長の光に波長変換する。波長変換部材８１の蛍光体は、赤色蛍光体１２と、黄色蛍光体１３および緑色蛍光体１４からなる群より選ばれる少なくとも１種とが混合された波長変換層を有する。赤色蛍光体１２としては、実施形態１の蛍光体が用いられる。黄色蛍光体および緑色蛍光体としては、実施形態２で例示したものを使用することができる。本実施形態では、特に、波長変換部材８１が、赤色蛍光体１２、黄色蛍光体１３、および緑色蛍光体１４の３種を混合して形成した蛍光体層である場合を説明する。３種の蛍光体の混合比率は、所望の白色光の色調や、各蛍光体の発光強度などに応じて、適宜調整することが可能である。
波長変換部材８１である蛍光体層は、バインダー６８を用いて構成されている。バインダー６８は、例えば、樹脂、ガラス、または透明結晶などの媒体である。バインダー６８は、単一の材質であってもよく、場所により異なる材質であってもよい。なお、蛍光体層は、蛍光体粒子のみで構成されていてもよい。
ＬＤ素子５８から出射された青色光は、入射光学系５９を通り、波長変換部材８１中の赤色蛍光体１２、黄色蛍光体１３、および緑色蛍光体１４により、それぞれ赤色光、黄色光、緑色光に変換される。蛍光体で吸収されなかったＬＤ素子５８から出射された青色光と、赤色蛍光体１２、黄色蛍光体１３および緑色蛍光体１４によりそれぞれ変換された赤色光、黄色光、緑色光とを混合して、白色光となる。なお、赤色蛍光体１２は、緑色蛍光体１４により出射された緑色光の一部の入射により励起されて、赤色光を出射する。
上述のように、実施形態２〜４の発光装置によれば、実施形態１の赤色蛍光体を用いるため、高出力時において従来よりも量子効率を向上させることができる。さらに、白色発光装置として構成した場合には、高い演色性および色再現性を実現できる。
［実施形態５］
実施形態５では、本開示の照明装置の一例について説明する。図１３は、実施形態５に係る照明装置１２０の概略構成を示している。照明装置１２０は、光源１２１と、光源１２１が発する光を前方に導く出射光学系１２２と、を備える。光源からの発光色を調整するために、光源からの光を吸収または反射する波長カットフィルター１２３を設けてもよい。光源１２１は、実施形態１の赤色蛍光体を含む。また、光源１２１は、実施形態２〜４の発光装置１０、６０または８０であってもよい。出射光学系１２２は、例えば、リフレクタであってもよい。出射光学系１２２は、例えば、ＡｌまたはＡｇなどの金属膜、または、表面に保護膜が形成されたＡｌ膜を有してもよい。
実施形態５の照明装置によれば、実施形態１の赤色蛍光体を用いるため、高出力時において従来の照明装置よりも量子効率を向上させることができる。さらに、白色照明装置として構成した場合には、高い演色性および色再現性を実現できる。
［実施形態６］
実施形態６では、本開示の照明装置の一例として、光ファイバーを用いた照明装置について説明する。図１４は、実施形態６に係る照明装置１３０の概略構成を示している。照明装置１３０は、ＬＤ素子５８と、入射光学系５９と、光ファイバー１３２と、波長変換部材１３１と、出射光学系１２２と、を備える。
ＬＤ素子５８が発する光は、入射光学系５９を通り、光ファイバー１３２へと導かれる。光ファイバー１３２は、その光を出射部へと導く。出射部は、例えば、波長変換部材１３１と、出射光学系１２２と、を備える。波長変換部材１３１は、実施形態１の赤色蛍光体を含む。また、波長変換部材１３１は、実施形態３〜４の波長変換部材６１または８１であってもよい。なお、波長変換部材１３１は、図１４のように光ファイバー１３２よりも出射側に位置してもよいが、光ファイバー１３２よりも入射側（例えば、ＬＤ素子５８と入射光学系５９との間、または、入射光学系５９と光ファイバー１３２との間）に位置してもよい。
実施形態６の照明装置によれば、光ファイバーを用いることで、光の照射方向を簡便に変更することができる。
また、実施形態１の赤色蛍光体を用いるため、高出力時において従来の照明装置よりも量子効率を向上させることができる。さらに、白色照明装置として構成した場合には、高い演色性および色再現性を実現できる。
［実施形態７］
実施形態７では、本開示の照明装置の応用例として、照明装置を備えた車両について説明する。図１５は、実施形態７に係る車両１４０の概略構成を示している。車両１４０は、実施形態５の照明装置１２０である車両用ヘッドランプと、電力供給源１４１と、を備える。また、車両１４０は、エンジン等の駆動源によって回転駆動され、電力を発生する発電機１４２を有してもよい。発電機１４２が生成した電力は、電力供給源１４１に蓄えられてもよい。電力供給源１４１は、充放電が可能な２次電池であってもよい。照明装置１２０は、電力供給源１４１からの電力によって点灯する。車両１４０は、例えば、自動車、２輪車、または特殊車両である。また、車両１４０は、エンジン車、電気車、またはハイブリッド車であってもよい。
実施形態７の車両によれば、実施形態１の赤色蛍光体を含む車両用ヘッドランプを用いるため、高出力時において従来よりも前方を明るく照らすことができる。さらに、白色照明装置として構成した場合には、高い演色性および色再現性を実現できる。
本開示の蛍光体は、発光装置などとして有用である。本開示の蛍光体は、例えば、シーリングライト等の一般照明装置、スポットライト、スタジアム用照明、スタジオ用照明等の特殊照明装置、ヘッドランプ等の車両用照明装置、プロジェクター、ヘッドアップディスプレイ等の投影装置、内視鏡用ライト、デジタルカメラ、携帯電話機、スマートフォンなどの撮像装置、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）用モニター、ノート型パーソナルコンピュータ、テレビ、携帯情報端末（ＰＤＸ）、スマートフォン、タブレットＰＣ、携帯電話などの液晶ディスプレイ装置等における光源として用いることができる。
１０ ＬＥＤ発光装置
１１ 蛍光体
１２ 赤色蛍光体
１３ 黄色蛍光体
１４ 緑色蛍光体
１５ ＬＥＤチップ
２１ ボンディングワイヤ
２２ 電極
２３ 支持体
２４ ＬＥＤ封止体
２７ 半田
５８ ＬＤ素子
５９ 入射光学系
６０ ＬＤ発光装置
６１ 波長変換部材
６２ 第１の蛍光体層
６３ 第２の蛍光体層
６８ バインダー
６９ バインダー
８０ ＬＤ発光装置
８１ 波長変換部材
１２０ 照明装置
１２１ 光源
１２２ 出射光学系
１２３ 波長カットフィルター
１３０ 照明装置
１３１ 波長変換部材
１３２ 光ファイバー
１４０ 車両
１４１ 電力供給源
１４２ 発電機

Claims (14)

  1. 化学組成ＣｅxＹyＬａ3-x-yＳｉ6Ｎ11を有する結晶相を含有し、
    ０＜ｘ≦０．６であり、
    （１．５−ｘ）≦ｙ≦（３−ｘ）であり、
    波長６００ｎｍ以上６６０ｎｍ以下の範囲内に発光スペクトルのピークを有する、
    蛍光体。
  2. 前記ｘおよび前記ｙは、（１．５−０．５ｘ）≦ｙ≦（３−ｘ）を満たす、
    請求項１に記載の蛍光体。
  3. 前記ｘおよび前記ｙは、１．５≦ｙ≦（３−ｘ）を満たす、
    請求項２に記載の蛍光体。
  4. 前記結晶相が正方晶（テトラゴナル）の結晶構造を有する、
    請求項１から３のいずれか１項に記載の蛍光体。
  5. 前記結晶相の１／ｅ発光寿命が１００ｎｓ以下である、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の蛍光体。
  6. 前記結晶相は、ＣｅがＬａ3Ｓｉ6Ｎ11の結晶構造におけるＬａ（２ａ）サイトの少なくとも一部を置換している結晶構造を有する、
    請求項１から５のいずれか１項に記載の蛍光体。
  7. 前記結晶相は、ＹがＬａ3Ｓｉ6Ｎ11の結晶構造におけるＬａ（４ｃ）サイトの少なくとも一部を置換している結晶構造を有する、
    請求項１から６のいずれか１項に記載の蛍光体。
  8. 前記結晶相は、ＹがＬａ3Ｓｉ6Ｎ11の結晶構造におけるＬａ（４ｃ）サイトの過半数を置換している結晶構造を有する、
    請求項７に記載の蛍光体。
  9. 波長６００ｎｍ以下の光を発する励起光源と、
    請求項１から８のいずれか１項に記載の蛍光体である第一の蛍光体と、
    を備え、
    前記第一の蛍光体は、前記励起光源の発する光を照射され、前記光よりも長波長の蛍光を発する、
    発光装置。
  10. 前記励起光源は、波長４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光を発する、
    請求項９に記載の発光装置。
  11. 前記励起光源は、波長４２０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の光を発する、
    請求項９に記載の発光装置。
  12. 前記励起光源は、ＬＥＤまたはＬＤである、
    請求項９から１１のいずれか１項に記載の発光装置。
  13. 前記励起光源の発する光を照射され、前記光よりも長波長の蛍光を発する、第二の蛍光体をさらに備え、
    前記第二の蛍光体は、波長４８０ｎｍ以上６００ｎｍ未満の範囲内に発光スペクトルのピークを有する、
    請求項９から１２のいずれか１項に記載の発光装置。
  14. 前記第二の蛍光体は、黄色光を発する蛍光体であり、
    前記励起光源の発する光を照射され、前記光よりも長波長の蛍光を発する、第三の蛍光体をさらに備え、
    前記第三の蛍光体は、緑色光を発する、
    請求項１３に記載の発光装置。
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