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JP4190258B2 - 蛍光体の製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の波長光で励起されて発光し、発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）チップを包囲する包囲部を備え、ディスプレイ、照明、液晶バックライト等に用いられる発光ダイオードに含まれる蛍光体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光装置であるＬＥＤは、小型であって、効率が良く鮮やかな色の発光を行うことができ、駆動特性に優れ、振動及びＯＮ／ＯＦＦ点灯の繰り返しに強いという特徴を有する。そのため、各種インジケータ及び種々の光源として用いられている。
半導体発光素子であるＬＥＤチップとしては、窒化ガリウム系半導体を発光層として含み、紫外、青、青緑等の色を発光する短波長ＬＥＤチップ、及び高輝度赤色ＬＥＤチップ等、種々の色の光を発光するＬＥＤチップが実用化されており、例えば青、赤、緑の３つのＬＥＤチップを搭載し、各ＬＥＤチップの輝度を調整して発色することにより、種々の色を発光するＬＥＤランプが実用化され、フルカラーディスプレイ等に用いられている。そして、複数のＬＥＤチップをひとつのランプに搭載させるか、又はＬＥＤチップと蛍光体とを組み合わせることにより、白色発光するＬＥＤランプが将来の照明用光源として期待されている。
【０００３】
ＬＥＤチップの発光色を蛍光体で色変換させるＬＥＤとしては、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されたＬＥＤがある。これらのＬＥＤにおいては、ＹＡＧ（Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12）：Ｃｅ系の蛍光体をＬＥＤチップを包囲する合成樹脂製の包囲部に含有させることで、１種類のＬＥＤチップの色を白色等に色変換させることができる。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２９２７２７９号公報
【特許文献２】
特許第３２４６３８６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のＹＡＧ：Ｃｅの蛍光体をＬＥＤチップ包囲部に含有させてＬＥＤを作製した場合、ＬＥＤの発光光度及び発光効率が不十分であり、発光光度及び発光効率を向上させて、ＬＥＤの省電力化を図ることが可能となる蛍光体の開発が求められていた。
また、蛍光体は、ＬＥＤチップから発する高エネルギーの光に曝されており、経時的に劣化して黒変し、色変換が不均一になってＬＥＤの発光が不均一になるとともに、ＬＥＤの発光の外部取り出し効率が低下するという問題がある。水分が包囲部の内部に混入した場合には、ＬＥＤチップからの高エネルギー光及び熱等によって、蛍光体の劣化が促進され、上述の問題が発生し易くなる。従って、蛍光体が水と反応し難く、経時的に劣化しないことも求められていた。
【０００６】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、ＣａＳ、Ｇａ2 Ｓ3 、ＥｕＳを、モル比が１−ｘ：ａ：ｘとなるように秤量して（但し、０．００１≦ｘ≦０．２、１．２≦ａ≦５とする）混合し、焼結する過程を含むことにより、ＬＥＤチップを包囲する包囲部に含有させてＬＥＤを作製した場合に、ＬＥＤチップから発光した光により効率良く励起されて発光し、良好にＬＥＤチップの発光色を色変換し、ＬＥＤが良好な発光効率及び高い発光光度を有するとともに、ＬＥＤが輝度及び色を均一に、安定して発光することができ、ＬＥＤの発光効率が経時的に低下しない蛍光体の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
さらに、本発明は、ＣａＳ、Ｇａ2 Ｓ3 、ＥｕＳ、Ｃｅ2 Ｓ3 を、モル比が１−ｘ：ａ：ｘ：ｙとなるように秤量して混合する過程（但し、０．００１≦ｘ≦０．２、０．０００１≦ｙ≦０．０２、１．２≦ａ≦５とする）を含むことにより、さらに励起発光効率が良好になり、ＬＥＤチップを包囲する包囲部に含有させてＬＥＤを作製した場合に、ＬＥＤがさらに安定的に、良好な発光効率及び高い発光光度を有して発光することができる蛍光体の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１発明の蛍光体の製造方法は、ＣａＳ、Ｇａ2 Ｓ3 、ＥｕＳを、モル比が１−ｘ：ａ：ｘとなるように秤量し、混合する過程と、該過程により得られた混合物を石英ガラス管に封入し、８００〜１１００℃で３０分〜５時間焼結する過程と、該過程により得られた焼結物を冷却する過程と、該過程により冷却された焼結物を粉砕し、混合する過程とを含むことを特徴とする。但し、０．００１≦ｘ≦０．２、１．２≦ａ≦５とする。
【００２０】
第１発明においては、Ｅｕによって賦活化されており、発光ダイオードチップを包囲する包囲部に含有させて発光ダイオードを作製した場合に、発光ダイオードチップから発光した光により効率良く励起されて発光し、良好に発光ダイオードチップの発光色を色変換する蛍光体が得られる。従って、この蛍光体を包囲部に含有する発光ダイオードは良好な発光効率を有し、高い発光光度を有する。
そして、この蛍光体は水と反応し難く、経時的に劣化しないので、発光ダイオードは、輝度及び色を均一に、安定して発光することができ、発光効率が経時的に低下しない。
第１発明において、得られる蛍光体を包囲部に含有させて発光ダイオードを作製した場合に、ｘが０．００１未満では発光ダイオードの輝度が低下し、０．２より大きくなると、濃度消光が生じるので、ｘは０．００１以上、０．２以下とする。
そして、ａが１．２未満では発光ダイオードの発光光度が不十分であり、５より大きくなると発光光度が減少するので、ａは１．２以上、５以下とする。
【００２１】
第２発明の蛍光体の製造方法は、ＣａＳ、Ｇａ2 Ｓ3 、ＥｕＳ、Ｃｅ2 Ｓ3 を、モル比が１−ｘ：ａ：ｘ：ｙとなるように秤量し、混合する過程と、該過程により得られた混合物を石英ガラス管に封入し、８００〜１１００℃で３０分〜５時間焼結する過程と、該過程により得られた焼結物を冷却する過程と、該過程により冷却された焼結物を粉砕し、混合する過程とを含むことを特徴とする。但し、０．００１≦ｘ≦０．２、０．０００１≦ｙ≦０．０２、１．２≦ａ≦５とする。
【００２２】
第２発明においては、Ｅｕによって賦活化されており、発光ダイオードチップを包囲する合成樹脂製の包囲部に含有させて発光ダイオードを作製した場合に、発光ダイオードチップから発光した光によりさらに効率良く励起されて発光し、さらに良好に発光ダイオードチップの発光色を色変換する蛍光体が得られる。従って、この蛍光体を包囲部に含有する発光ダイオードは良好な発光効率を有し、高い発光光度を有する。
第２発明において、得られる蛍光体を包囲部に含有させて発光ダイオードを作製した場合に、ｘが０．００１未満では発光ダイオードの輝度が低下し、０．２より大きくなると、濃度消光が生じるので、ｘは０．００１以上、０．２以下とする。
また、ｙが０．０００１未満では機能せず、０．０２より大きくなると、濃度消光が生じるので、ｙは０．０００１以上、０．０２以下とする。
そして、ａが１．２未満では発光ダイオードの発光光度が不十分であり、５より大きくなると発光光度が減少するので、ａは１．２以上、５以下とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて、具体的に説明する。
実施の形態１．
実施の形態１に係る蛍光体の製造方法は、ＣａＳ、Ｇａ2 Ｓ3 、ＥｕＳを、モル比が１−ｘ：ａ：ｘとなるように混合し、焼結して蛍光体を得るものである。
但し、０．００１≦ｘ≦０．２、１．２≦ａ≦５とする。
ここで、この蛍光体を包囲部に含有させてＬＥＤを作製した場合に、ｘが０．００１未満ではＬＥＤの輝度が低下し、０．２より大きくなると、濃度消光が生じるので、ｘは０．００１以上、０．２以下とする。
そして、ａが１．２未満ではＬＥＤの発光光度が不十分であり、５より大きくなると発光光度が減少するので、ａは１．２以上、５以下とする。実験により、ａが１．５前後である場合に発光光度が最高値を示し、それ以上では減少傾向を示し、ａが５である場合に略９０％の減少範囲にあることが確認されている。
【００２４】
この蛍光体を製造する場合、まず、ＣａＳ、Ｇａ2 Ｓ3 、ＥｕＳの粉末を、モル比が１−ｘ：ａ：ｘ：となるようにボールミル中に投入し、略１時間、混合する。
次に、この混合物を石英ガラス管内に封入し、雰囲気炉中で１０００℃で略１時間焼結する。
そして、冷却後、粉砕混合する。
最後に、洗浄及び分級して、本実施の形態の蛍光体を得る。
【００２５】
図１は、本実施の形態の製造方法により得られた蛍光体の励起スペクトル及び発光スペクトルを示すグラフである。縦軸は強度、横軸は波長を示す。
図中、ａは本実施の形態の蛍光体の励起スペクトル、ｂは発光スペクトルを示す。本実施の形態の蛍光体は、ＣａＳ、Ｇａ2 Ｓ3 、ＥｕＳの粉末を、モル比が０．９：１．２：０．１となるように秤量して混合し、焼結して得られたものである。
図１より、本実施の形態の蛍光体の発光スペクトルは、５５５ｎｍ付近でピークを有しており、４９０〜６７０ｎｍの幅広い範囲で励起発光効率が高いことが判る。ピークの半値幅は略４９ｎｍである。
【００２６】
図２は、実施の形態１に係る製造方法により得られた蛍光体を含むＬＥＤランプ（ＬＥＤ）を示す断面図であり、図中、１はリードフレームである。
リードフレーム１の上部に設けられた凹部１ａには、ＧａＮ系化合物半導体を発光層として有し、主ピークが４３０〜５００ｎｍの波長域にある、青色光を発光するＬＥＤチップ２がダイボンディングにより接着固定されており、ＬＥＤチップ２の一方の電極は、金線４によりリードフレーム１と、他方の電極は金線４によりリードフレーム３とワイヤボンディングされている。
凹部１ａには、本実施の形態に係る蛍光体５〜３０重量％とシリコーン樹脂９５〜７０重量％との混合物が凸状に充填されており、ＬＥＤチップ２を封止するＬＥＤチップ封止部（包囲部）５が形成されている。
ＬＥＤチップ封止部５が形成されたリードフレーム１及び３の上部は、先端部が凸状のレンズ部をなす、エポキシ樹脂製のモールド部６に収納されている。
【００２７】
このＬＥＤランプを製造する場合、まず、リードフレーム１の凹部１ａに、ＬＥＤチップ２をダイボンディングし、ＬＥＤチップ２の電極をリードフレーム１及び３と各々ワイヤボンディングする。
次に、上述のようにして得られた蛍光体５〜３０重量部と、シリコーン樹脂９５〜７０重量部とを混合し、この混合物を凹部１ａに注入又は塗布した後、硬化させて、ＬＥＤチップ封止部５を形成する。さらに、砲弾型の型枠にエポキシ樹脂を未硬化の状態で流し込み、この型枠にＬＥＤチップ封止部５が形成されたリードフレーム１及び３を逆向きに挿入して、エポキシ樹脂を硬化させ、モールド部６を形成する。
【００２８】
本実施の形態のＬＥＤランプにおいては、ＬＥＤチップ２が主ピークが４３０〜５００ｎｍの波長域にある光を発光し、ＬＥＤチップ封止部５に含有される蛍光体は、ＬＥＤチップ２から発光した光により効率良く励起されて発光し、良好にＬＥＤチップ２が発した青色光を白色に変換するので、ＬＥＤは良好な発光効率を有し、高い発光光度を有する。
ＣａＳ、Ｇａ2 Ｓ3 、ＥｕＳを、モル比が０．９：１．２：０．１となるように混合し、焼結して得られた蛍光体２０重量％とシリコーン樹脂８０重量％との混合物によりＬＥＤチップ封止部５を形成して作製したＬＥＤランプの発光光度は、従来のＹＡＧ（Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12）：Ｃｅ系蛍光体２０重量％とシリコーン樹脂８０重量％との混合物によりＬＥＤチップ封止部５を形成して作製したＬＥＤランプと比較して、略４０％増加したことが確認された。
【００２９】
また、上述の蛍光体を水中に１０時間放置した後、これをシリコーン樹脂と混合させてＬＥＤランプを作製した場合においても、発光効率の低下は見られず、本実施の形態に係る蛍光体は水と反応し難く、経時的に劣化しないことが確認された。従って、ＬＥＤは、輝度及び色を均一に、安定して発光することができる。
【００３０】
実施の形態２．
実施の形態２に係る蛍光体の製造方法は、ＣａＳ、Ｇａ2 Ｓ3 、ＥｕＳ、Ｃｅ2 Ｓ3 を、モル比が１−ｘ：ａ：ｘ：ｙとなるように混合し、焼結して蛍光体を得るものである。
但し、０．００１≦ｘ≦０．２、１．２≦ａ≦５、０．０００１≦ｙ≦０．０２とする。
ここで、この蛍光体を包囲部に含有させてＬＥＤを作製した場合に、ｘが０．００１未満ではＬＥＤの輝度が低下し、０．２より大きくなると、濃度消光が生じるので、ｘは０．００１以上、０．２以下とする。
また、ｙが０．０００１未満では機能せず、０．０２より大きくなると、濃度消光が生じるので、ｙは０．０００１以上、０．０２以下とする。そして、ａが１．２未満ではＬＥＤの発光光度が不十分であり、５より大きくなると発光光度が減少するので、ａは１．２以上、５以下とする。実験により、ａが１．５前後である場合に発光光度が最高値を示し、それ以上では減少傾向を示し、ａが５である場合に略９０％の減少範囲にあることが確認されている。
【００３１】
この蛍光体を製造する場合、まず、ＣａＳ、Ｇａ2 Ｓ3 、ＥｕＳ、Ｃｅ2 Ｓ3 の粉末を、モル比が１−ｘ：ａ：ｘ：ｙとなるようにボールミル中に投入し、略１時間、混合する。
次に、この混合物を石英ガラス管内に封入し、雰囲気炉中で１０００℃で略１時間焼結する。
そして、冷却後、粉砕混合する。
最後に、洗浄及び分級して、本実施の形態の蛍光体を得る。
【００３２】
図３は、本実施の形態の蛍光体の励起スペクトル及び発光スペクトルを示すグラフである。縦軸は強度、横軸は波長を示す。
図中、ａは本実施の形態の蛍光体の励起スペクトル、ｂは発光スペクトルを示す。本実施の形態の蛍光体は、ＣａＳ、Ｇａ2 Ｓ3 、ＥｕＳ、Ｃｅ2 Ｓ3 の粉末を、モル比が０．８９：１．２：０．１：０．００５となるように秤量して混合し、焼結して得られたものである。
図３より、本実施の形態の蛍光体の発光スペクトルは、５５５ｎｍ付近でピークを有しており、４９０〜６７０ｎｍの幅広い範囲で励起発光効率が高いことが判る。ピークの半値幅は略４９ｎｍである。
【００３３】
上述のようにして得られた蛍光体を用いて、実施の形態１に係る、図２のＬＥＤランプと同様のＬＥＤランプを作製した。
このＬＥＤランプのＬＥＤチップ封止部５は、実施の形態１のＬＥＤランプの場合と同様に、蛍光体５〜３０重量部と、シリコーン樹脂９５〜７０重量部とを混合し、この混合物をリードフレーム１の凹部１ａに注入又は塗布した後、硬化させて形成する。
【００３４】
本実施の形態のＬＥＤランプにおいては、ＬＥＤチップ２が主ピークが４３０〜５００ｎｍの波長域にある光を発光し、ＬＥＤチップ封止部５に含有される蛍光体は、ＬＥＤチップ２から発光した光により効率良く励起されて発光し、良好にＬＥＤチップ２が発した青色光を白色に変換するので、ＬＥＤは良好な発光効率を有し、高い発光光度を有する。
【００３５】
ＣａＳ、Ｇａ2 Ｓ3 、ＥｕＳ、Ｃｅ2 Ｓ3 を、モル比が０．８９：１．２：０．１：０．００５となるように秤量して混合し、焼結して得られた蛍光体２０重量％とシリコーン樹脂８０重量％との混合物によりＬＥＤチップ封止部５を形成して作製したＬＥＤランプの発光光度は、従来のＹＡＧ（Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12）：Ｃｅ系蛍光体２０重量％とシリコーン樹脂８０重量％との混合物によりＬＥＤチップ封止部５を形成して作製したＬＥＤランプと比較して、略５０％増加したことが確認された。
【００３６】
また、上述の蛍光体を水中に１０時間放置した後、これをシリコーン樹脂と混合させてＬＥＤチップ封止部５を形成してＬＥＤを作製した場合においても、発光効率の低下は見られず、本実施の形態に係る蛍光体は水と反応し難く、経時的に劣化しないことが確認された。従って、ＬＥＤは、輝度及び色を均一に、安定して発光することができる。
【００３７】
図４は、表面実装型ＬＥＤの構造を示す断面図であり、図中、１０は基板である。
ガラスエポキシ樹脂等からなる基板１０の両端には、外部回路に接続するための外部電極１１，１３が設けられている。外部電極１１の中央部には、基板１０の中央側に張り出させてチップ搭載部１１ａが設けられており、その端部に、ＧａＮ系化合物半導体を発光層として有し、主ピークが４３０〜５００ｎｍの波長域にある、青色光を発光するＬＥＤチップ１２が実装されている。外部電極１３の中央部には、チップ搭載部１１ａに対向させて、内部電極１３ａが設けられている。
ＬＥＤチップ１２の一方の電極は、金線１４によりチップ搭載部１１ａと、他方の電極は金線１４により内部電極１３ａと接続されている。
ＬＥＤチップ１２は、実施の形態２の蛍光体と同一の蛍光体５〜３０重量％とエポキシ樹脂９５〜７０重量％との混合物からなるモールド部（包囲部）１５により封止されている。
【００３８】
表面実装型ＬＥＤを製造する場合、まず、基板１０上のチップ搭載部１１ａにＬＥＤチップ１２を銀ペースト等で実装し、ＬＥＤチップ１２の一方の電極をチップ搭載部１１ａと、他方の電極を内部電極１３ａと、金線１４，１４により各々接続する。
そして、実施の形態２と同様にして得られた蛍光体５〜３０重量％とエポキシ樹脂９５〜７０重量との混合物を、モールド部１５に対応する凹部を有する型の凹部に流し込み、この混合物を硬化させて、モールド部１５を形成する。
【００３９】
表面実装型ＬＥＤにおいては、ＬＥＤチップ１２が主ピークが４３０〜５００ｎｍの波長域にある光を発光し、モールド部１５に含有される蛍光体が、ＬＥＤチップ１２から発光した光により効率良く励起されて発光し、良好にＬＥＤチップ１２が発した光の青色を白色に変換するので、良好な発光効率を有し、高い発光光度を有する。
ＣａＳ、Ｇａ2 Ｓ3 、ＥｕＳ、Ｃｅ2 Ｓ3 を、モル比が０．８９：１．２：０．１：０．００５となるように秤量して混合し、焼結して得られた蛍光体２０重量％とエポキシ樹脂８０重量％との混合物によりモールド部１５を形成して作製した表面実装型ＬＥＤの発光光度は、従来のＹＡＧ（Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12）：Ｃｅ系蛍光体とエポキシ樹脂との混合物によりモールド部１５を形成して作製した表面実装型ＬＥＤと比較して、略５０％増加したことが確認された。
【００４０】
また、上述したように、本実施の形態に係る蛍光体は水と反応し難く、経時的に劣化しないので、表面実装型ＬＥＤは、輝度及び色を均一に、安定して発光することができ、発光効率が経時的に低下しない。
この表面実装型ＬＥＤは、広範囲から視認でき、視野角が広いので、種々のディスプレイ、液晶バックライト、センサ及びインジケータ等に用いることができる。
【００４１】
なお、前記実施の形態１及び２においては、ＬＥＤチップ封止部５の主成分をシリコーン樹脂とした場合につき説明しているが、これに限定されるものではない。
また、前記実施の形態１及び２においては、モールド部６及びモールド部１５の主成分をエポキシ樹脂とした場合につき説明しているが、これに限定されるものではない。
そして、ＬＥＤチップ２及びＬＥＤチップ１２がＧａＮ系化合物半導体を発光層として有する場合につき説明しているが、これに限定されるものではない。
さらに、ＬＥＤチップ２及びＬＥＤチップ１２が主ピークが４３０〜５００ｎｍの波長域にある光を発光する場合につき説明しているが、これに限定されるものではなく、本発明の製造方法により得られた蛍光体は、主ピークが４３０〜５５０ｎｍの波長域にある光を発光するＬＥＤチップを包囲する包囲部に含有させることが可能である。
【００４２】
【発明の効果】
以上、詳述したように、第１発明の蛍光体の製造方法による場合は、発光ダイオードチップを包囲する合成樹脂製の包囲部に含有させて発光ダイオードを作製した場合に、発光ダイオードチップから発光した光により効率良く励起されて発光し、良好に発光ダイオードチップの発光色を色変換する蛍光体が得られる。
そして、この蛍光体は水と反応し難く、経時的に劣化しないので、発光ダイオードは、輝度及び色を均一に、安定して発光することができ、発光効率が経時的に低下しない。
【００４８】
第２発明の蛍光体の製造方法による場合は、発光ダイオードチップを包囲する合成樹脂製の包囲部に含有させて発光ダイオードを作製した場合に、発光ダイオードチップから発光した光によりさらに効率良く励起されて発光し、さらに良好に発光ダイオードチップの発光色を色変換する蛍光体が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１に係る製造方法により得られた蛍光体の励起スペクトル及び発光スペクトルを示すグラフである。
【図２】 本発明の実施の形態１に係る製造方法により得られた蛍光体を含むＬＥＤランプを示す断面図係るＬＥＤランプを示す断面図である。
【図３】 本発明の実施の形態２に係る製造方法により得られた蛍光体の励起スペクトル及び発光スペクトルを示すグラフである。
【図４】 表面実装型ＬＥＤの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１ リードフレーム
２ ＬＥＤチップ
３ リードフレーム
４ 金線
５ ＬＥＤチップ封止部
６ モールド部
１０ 基板
１１ 外部電極
１１ａ チップ搭載部
１２ ＬＥＤチップ
１３ 外部電極
１３ａ 内部電極
１４ 金線
１５ モールド部

Claims (2)

  1. ＣａＳ、Ｇａ2 Ｓ3 、ＥｕＳを、モル比が１−ｘ：ａ：ｘとなるように秤量し、混合する過程と、
    該過程により得られた混合物を石英ガラス管に封入し、８００〜１１００℃で３０分〜５時間焼結する過程と、
    該過程により得られた焼結物を冷却する過程と、
    該過程により冷却された焼結物を粉砕し、混合する過程と
    を含むことを特徴とする蛍光体の製造方法。但し、０．００１≦ｘ≦０．２、１．２≦ａ≦５とする。
  2. ＣａＳ、Ｇａ2 Ｓ3 、ＥｕＳ、Ｃｅ2 Ｓ3 を、モル比が１−ｘ：ａ：ｘ：ｙとなるように秤量し、混合する過程と、
    該過程により得られた混合物を石英ガラス管に封入し、８００〜１１００℃で３０分〜５時間焼結する過程と、
    該過程により得られた焼結物を冷却する過程と、
    該過程により冷却された焼結物を粉砕し、混合する過程と
    を含むことを特徴とする蛍光体の製造方法。但し、０．００１≦ｘ≦０．２、０．０００１≦ｙ≦０．０２、１．２≦ａ≦５とする。
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