(57)【要約】【課題】粉砕工程等を必要とせず、高密度に配向可能で、発光装置、表示装置、蛍光ランプなどに最適な酸化亜鉛単結晶粉末を低コストで製造する。【解決手段】アスペクト比が５以上の針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶（ＺｎＯ）を主成分とする粉末蛍光体を、原料溶液（Ａ）として亜鉛イオンを含有するアルカリ性溶液、原料溶液（Ｂ）として亜鉛イオンとドーパント用元素のイオンを含有する溶液、及び該原料溶液（Ａ）と原料溶液（Ｂ）との混合溶液から選択される原料溶液作製工程と、該混合液を密閉容器中で亜臨界又は超臨界の温度及び圧力で水熱反応させる水熱反応工程とで製造する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アスペクト比が５以上の針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶（ＺｎＯ）を主成分とする粉末蛍光体。
【請求項２】
ドーパントとしてＣｏ、Ｍｎ、Ｃｄ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｓｎから選択される１種以上を含むことを特徴とする請求項１に記載の粉末蛍光体。
【請求項３】
フォトルミネッセンス（ＰＬ）評価にて６００ｎｍ近傍に発光ピークを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の粉末蛍光体。
【請求項４】
フォトルミネッセンス（ＰＬ）評価にて５００ｎｍ近傍と６００ｎｍ近傍に２つの発光ピークを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の粉末蛍光体。
【請求項５】
アスペクト比が５以上の針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶（ＺｎＯ）を主成分とする粉末蛍光体の製造方法であって、原料溶液（Ａ）として亜鉛イオンを含有するアルカリ性溶液、原料溶液（Ｂ）として亜鉛イオンとドーパント用元素のイオンを含有する溶液、及び該原料溶液（Ａ）と原料溶液（Ｂ）との混合溶液から選択される原料溶液作製工程と、該混合液を密閉容器中で亜臨界又は超臨界の温度及び圧力で水熱反応させる水熱反応工程とを、含むことを特徴とする粉末蛍光体の製造方法。
【請求項６】
前記原料溶液（Ａ）、原料溶液（Ｂ）、及び該原料溶液（Ａ）と原料溶液（Ｂ）との混合溶液中で、前記亜鉛イオンが不飽和、半飽和、又は飽和のいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の粉末蛍光体の製造方法。
【請求項７】
前記ドーパント用元素のイオンが、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｄ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｓｎから選択される１種以上の元素のイオンであることを特徴とする請求項５又は６に記載の粉末蛍光体の製造方法。
【請求項８】
前記水熱反応工程が、２００℃〜２５０℃で１時間〜３０時間の反応であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の粉末蛍光体の製造方法。
【請求項９】
前記水熱反応工程が、２００℃〜２５０℃で１時間〜３０時間で反応させた後、４００℃〜６００℃で３０分〜１０時間の反応であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の粉末蛍光体の製造方法。
【請求項１０】
請求項１乃至４のいずれかに記載の粉末蛍光体からなる発光層を有することを特徴とする発光素子。
【請求項１１】
請求項１０に記載の発光素子を具備する表示装置。
【請求項１２】
水銀を含む封入ガスが充填された透光性ガラス管と、この透光性ガラス管内壁に設けられた蛍光膜と、前記封入ガス中で陽光柱放電を維持するための手段とを具備する蛍光ランプにおいて、前記蛍光膜は、請求項１乃至４のいずれかに記載の粉末蛍光体を含有することを特徴とする蛍光ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示装置、例えば、テレビジョンやパーソナルコンピュータのディスプレイ、装置制御盤用ディスプレイ、及び公共表示や広告表示のためのディスプレイ、並びに各種照明などに用いられる針状酸化亜鉛粉末蛍光体及びその製造方法に関するものである。並びに、該粉末蛍光体を有する発光装置、表示装置及び蛍光ランプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
表示装置として、陰極線管（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ，ＣＲＴ）、液晶表示装置、蛍光表示管（Ｖａｃｕｕｍ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｓｐｌａｙ，ＶＦＤ）、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ，ＬＥＤ）、エレクトロルミネッセンス表示装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ，ＥＬ）などが普及している。近年、情報化技術の著しい進歩などに伴い、表示装置に対する高性能化や高機能化の要求が非常に高まっている。高い表示品位（高輝度、高精細、大面積化、広視野角など）、低消費電力化、省スペースや軽量化などの要求性能に対応するため、広く普及している表示装置の高性能化が活発に行われている。更に、近年、プラズマ・ディスプレイ・パネル（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ，ＰＤＰ）が製品化されている他、将来有望な表示装置として、フィールド・エミッション・ディスプレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ，ＦＥＤ）やフラットパネル型蛍光表示管についても、活発な研究開発が行われている。
【０００３】
一方、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の中には、電子線や紫外線照射によって、青緑色発光、すなわち青色成分を含む緑色発光を示すものがある。加速電圧１ｋＶ以下の低速電子線照射により高い発光効率を示す特性を利用して、粉末状の酸化亜鉛蛍光体は、蛍光表示管に実用化されている。しかし、フィールド・エミッション・ディスプレイやフラットパネル型蛍光 表示管のような新規の表示装置に対して応用するには、蛍光 体粉末はいくつかの欠点がある。
【０００４】
酸化亜鉛（ＺｎＯ）の蛍光は、他のスルフィドベースのリン材料に比べてあることから注目されている。酸化亜鉛（ＺｎＯ）の蛍光特性は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の表面欠陥が励起バンドと励起強度に重要な役割を演じることから、その組織形態に影響される。
【０００５】
薄膜状酸化亜鉛蛍光体を形成するため、電子線蒸着法、スパッタ法、パルスレーザ蒸着法、噴霧熱分解法などの手法を用いて試みられてきたが、実用化可能な高輝度および高発光効率を示す蛍光体薄膜は未だ得られていない。また、これらの従来手法では、高い基板加熱温度や高温での加熱処理が必要であるため、透明導電層やカラーフィルターを劣化させることなくそれらの上に酸化亜鉛蛍光体薄膜を成膜させることは困難で、発光輝度、及び色純度の低下を招く欠点があった。
【０００６】
ところで、下記特許文献１には、水熱合成法を用いた酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶の製造方法が開示されている。具体的には、低抵抗化のための前段熱処理と平坦化のための後段熱処理の２段階の熱処理工程を含む酸化亜鉛単結晶ウェハーの製造方法が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−０３９１３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１に開示された発明は、水熱合成法を用いた酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶の製造方法ではあるが、目的物が酸化亜鉛単結晶ウェハーである。酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶を発光装置、表示装置、蛍光ランプなどに用いるためには、高密度に配向可能な粉末蛍光体が望まれていた。酸化亜鉛単結晶ウェハーなどの塊状物から粉末蛍光体を得るには粉砕工程が必要となるが、粉砕に伴う結晶表面の欠陥や不純物の混入が生じやすいという致命的問題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、粉砕工程等を必要とせず、高密度に配向可能で、発光装置、表示装置、蛍光ランプなどに最適な酸化亜鉛単結晶粉末を低コストで製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、特定の製造法で得られる特定構造の酸化亜鉛単結晶粉末が粉末蛍光体として優れた特性を有することを見出し、本発明に到達した。
【００１１】
即ち、第１に、本発明は、アスペクト比が５以上の針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶（ＺｎＯ）を主成分とする粉末蛍光体である。本発明の粉末蛍光体は、アスペクト比が５以上の針状又は繊維状であることから、高密度に配向可能であり、発光装置、表示装置、蛍光ランプなどの蛍光体として最適である。
【００１２】
本発明の粉末蛍光体は、ドーパントとしてＣｏ、Ｍｎ、Ｃｄ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｓｎから選択される１種以上を含むことが可能である。Ｃｏなどをドープすることにより、多彩なピーク波長（蛍光色）が得られる他、単結晶の形態を変えることが可能となる。
【００１３】
本発明の粉末蛍光体は、各種波長のものが得られるが、フォトルミネッセンス（ＰＬ）評価にて６００ｎｍ近傍に発光ピークを有するものが代表的である。また、フォトルミネッセンス（ＰＬ）評価にて５００ｎｍ近傍と６００ｎｍ近傍に２つの発光ピークを有するものも得られる。
【００１４】
第２に、本発明は、上記のアスペクト比が５以上の針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶（ＺｎＯ）を主成分とする粉末蛍光体の製造方法の発明であって、原料溶液（Ａ）として亜鉛イオンを含有するアルカリ性溶液、原料溶液（Ｂ）として亜鉛イオンとドーパント用元素のイオンを含有する溶液、及び該原料溶液（Ａ）と原料溶液（Ｂ）との混合溶液から選択される原料溶液作製工程と、該混合液を密閉容器中で亜臨界又は超臨界の温度及び圧力で水熱反応させる水熱反応工程とを、含むことを特徴とする。本発明では、アスペクト比が５以上の針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶（ＺｎＯ）の粉末蛍光体が、粉砕工程等を経ずして直接的に製造できる。
【００１５】
本発明の粉末蛍光体の製造方法では、前記原料溶液（Ａ）、原料溶液（Ｂ）、及び該原料溶液（Ａ）と原料溶液（Ｂ）との混合溶液中で、前記亜鉛イオンが不飽和、半飽和、又は飽和のいずれかであることが可能である。
【００１６】
本発明の粉末蛍光体の製造方法では、前記ドーパント用元素のイオンが、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｄ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｓｎから選択される１種以上の元素のイオンであることが好ましいことは上述の通りである。
【００１７】
本発明の粉末蛍光体の製造方法では、前記水熱反応工程の条件として、２００℃〜２５０℃で１時間〜３０時間の反応であることが好ましく例示される。また、前記水熱反応工程が１段階の場合だけでなく、２００℃〜２５０℃で１時間〜３０時間で反応させた後、４００℃〜６００℃で３０分〜１０時間で反応させる２段階の場合が好ましく例示される。
【００１８】
第３に、本発明は、上記の粉末蛍光体の用途の係るものであり、上記の粉末蛍光体からなる発光層を有するＬＥＤなどの発光素子や、該発光素子を具備する表示装置が挙げられる。また、水銀を含む封入ガスが充填された透光性ガラス管と、この透光性ガラス管内壁に設けられた蛍光膜と、前記封入ガス中で陽光柱放電を維持するための手段とを具備する蛍光ランプにおいて、該蛍光膜として、上記の粉末蛍光体を含有すること蛍光ランプが挙げられる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の粉末蛍光体は、アスペクト比が５以上の針状又は繊維状であることから、高密度に配向可能であり、発光装置、表示装置、蛍光ランプなどの蛍光体として最適である。また、本発明の粉末蛍光体の製造方法は、アスペクト比が５以上の針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶（ＺｎＯ）の粉末蛍光体が、粉砕工程等を経ずして直接的に製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施例及び比較例を示す。
１：試薬
市販試薬特級のＺｎＣｌ２、及びドーパント用にＣｏＳＯ４・７Ｈ２Ｏ、ＭｎＳＯ４・５Ｈ２Ｏ、Ｃｄ（ＮＯ３）２・４Ｈ２Ｏ、ＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏ、ＮｉＳＯ４・６Ｈ２Ｏ、ＳｎＣｌ２、Ａｌ（ＮＯ３）・９Ｈ２Ｏを用いた。
【００２１】
２：原料溶液の調製
溶液Ａ：
（１）ドーパント用試薬のいずれかの０．０１Ｍ水溶液５０ｍｌに８ＭのＮａＯＨ水溶液５０ｍｌを加える。
（２）上記の操作により沈殿物が生成するが、さらにその沈殿を含む溶液に０．３ＭのＺｎＣｌ２水溶液１００ｍｌを加える。
（３）沈殿物をろ過した透明溶液を溶液Ａとする。
溶液Ｂ：
４ＭのＮａＯＨ水溶液１００ｍｌと０．３ＭのＺｎＣｌ２水溶液１００ｍｌを混合して得られる透明溶液を溶液Ｂとする。
ここで、濃度単位Ｍは、ｍｏｌ／溶液１０００ｍｌを示す。溶液Ａはアルカリ性で、そのアルカリ性溶液は全てのＺｎが溶解しておりドーパント金属イオンで飽和しているが、その濃度は金属によって異なる。溶液Ａと溶液Ｂは、ＮａＯＨとＺｎＣｌ２の濃度は同じであるが、溶液Ａはドープしようとする金属イオンを含む。
【００２２】
３：水熱処理方法
（１）溶液Ａと溶液Ｂを混合する方法（ｈａｌｆ ｓａｔｕｒａｔｅｄ）
溶液Ａと溶液Ｂ各３０ｍｌをテフロン（商標名）内張（内容積８０ｍｌ）に入れ、その内張をステンレス製オートクレーブに装填して、エアーオーブン内に静置し、２２０℃、飽和蒸気圧（２３．７ＭＰａ）で１０時間加熱した。昇温時間は約１時間、処理後は電源を切りオーブン内で自然冷却した。
（２）溶液Ａを用いる方法（ｓａｔｕｒａｔｅｄ）
溶液Ａを６０ｍｌを使用し、上記と同じ方法により水熱処理を行った。
（３）（ｏｖｅｒ ｓａｔｕｒａｔｅｄ）
溶液Ａを調製する際に沈殿物をろ過したが、ろ過せずに沈殿物が残存する状態のまま、上記と同じ水熱処理を行った。
【００２３】
４：蛍光評価
表１に、ドーパント用元素のイオンとして、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｄ、Ｆｅ、Ｎｉを用いた実施例１〜２０、及びドープなしの実施例２１〜２４の粉末蛍光体について、出発溶液と水熱反応の合成条件などを示す。また、参考のために、市販の比較例１〜３の粉末蛍光体を示す。この内、実施例１、３、５、７、９、１１、１３、１５、１７、１９は２段階加熱の水熱反応であり、実施例２、４、６、８、１０、１２、１４、１６、１８、２０は２段階加熱の水熱反応である。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
また、表２に、表１の各粉末蛍光体について、蛍光特性（ピーク波長及びピーク強度）と単結晶の形態（最大結晶サイズ及びアスペクト比）を示す。なお、蛍光（ＰＬ）特性の評価方法は下記の通りである。
（１）試料粉末をエタノールを摘下してガラス板上に分散
（２）分光器：ＳＰＥＸ１７０２
（３）グレーティング：１２００ ｇｒｏｏｖｅｓ／ｍｍ（ブレーズ波長  ５００ｎｍ）
回折格子で蛍光を分光する方法
（４）励起光源：Ｈｅ−Ｃｄ レーザ３２５ｎｍ＠ ５ｍＷ
（５）検出器：フォトマルティプライヤー：光電子増幅管Ｒ１３８７
（６）測定温度：室温
（７）測定波長：４００〜７５０ｎｍ
（８）粉末で測定しているため強度値は±数１０％
【００２６】
【表２】
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【００２７】
表２の結果より、本発明の実施例の各粉末蛍光体は各ピーク波長の蛍光を強く示すとともに、アスペクト比が５．０以上であるのに対して、比較例の各粉末蛍光体は各ピーク波長の蛍光が弱いか、アスペクト比が５．０以下であることが分かる。特に、実施例２、１０、１４、及び２４の粉末蛍光体は２つのピーク波長を有することがわかる。
【００２８】
図１に、ドーパント用元素のイオンとして、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｄ、Ｆｅ、Ｎｉを用いた粉末蛍光体及びドープなしの粉末蛍光体の蛍光波長スペクトルを示す。
【００２９】
表３に、ドーパント用元素のイオンとして、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｄ、Ｆｅ、Ｎｉを用いた他の実施例２５〜３９、及びドープなしの実施例４０〜４２の粉末蛍光体について、出発溶液と水熱反応の合成条件などを示す。
【００３０】
【表３】
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【００３１】
また、表４に、表３の各粉末蛍光体について、蛍光特性（ピーク波長及びピーク強度）と単結晶の形態（最大結晶サイズ及びアスペクト比）を示す。
【００３２】
【表４】
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【００３３】
表４の結果より、本発明の実施例の各粉末蛍光体は各ピーク波長の蛍光を強く示すとともに、アスペクト比が５．０以上であることが分かる。特に、実施例３４の粉末蛍光体は２つのピーク波長を有することがわかる。
【００３４】
表５に、ドーパント用元素のイオンとして、Ａｌ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｄ、Ｆｅを用いた他の実施例４３〜５３、及びドープなしの実施例５４と５５の粉末蛍光体について、出発溶液と水熱反応の合成条件などを示す。
【００３５】
【表５】
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【００３６】
また、表６に、表５の各粉末蛍光体について、蛍光特性（ピーク波長及びピーク強度）と単結晶の形態（最大結晶サイズ及びアスペクト比）を示す。
【００３７】
【表６】
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【００３８】
表６の結果より、本発明の実施例の各粉末蛍光体は各ピーク波長の蛍光を強く示すとともに、アスペクト比が５．０以上であることが分かる。特に、実施例４３、４６、５４、５５の粉末蛍光体は２つのピーク波長を有することがわかる。
【００３９】
図２（ａ）〜（ｃ）に、実施例４３の粉末蛍光体のＳＥＭ写真を示す。図２（ａ）〜（ｃ）から明らかなように、本発明の粉末蛍光体は、針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶（ＺｎＯ）であることが分かる。
【００４０】
酸化亜鉛（ＺｎＯ）の結晶は気相法（ＣＶＤ）でも柱状晶となるが、この方法では膜の中で柱状晶が配列しているだけで、分散した粉末状結晶は得ることはできない。柱状晶の成長方向はＣ軸であり、柱状晶に成長する原因は結晶構造に起因するものと思われる。これに対して、水熱合成法でアスペクト比が大きくなる理由は、水熱条件では気相成長よりも成長速度が高いために、Ｃ軸方向への成長がより顕者になるためと考えられる。水熱条件でも成長速度を下げることにより針状ではなくバルク状の大型結晶を育成することが可能である。
【００４１】
水熱合成で得られた針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶（ＺｎＯ）は、単分散で柱状の形態を有しており、蛍光材料として各種システムへ適用する場合に有利と考えられる。例えば、柱状単結晶は特定の結晶面に配向するため蛍光体特性の効率が通常の形態を有する酸化亜鉛結晶（ＺｎＯ）よりも高くなります。本発明の針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶（ＺｎＯ）では、高密度の圧粉体が得られる、成形がし易い、凝集しにくい等の特性がシステムの小型化、薄肉化に効果を示す。
【００４２】
蛍光（ＰＬ）特性にて、ピークが２つある酸化亜鉛単結晶（ＺｎＯ）粉末蛍光体に関して説明する。蛍光材料は、白色ＬＥＤ、プラズマディスプレイ・パネル（ＰＤＰ）、次世代照明、無機ＥＬディスプレイ、蓄光材料、発光ディスプレイ等に必須な基本材料です。市販の酸化亜鉛（ＺｎＯ）蛍光体は紫色を発光しますが、本発明の酸化亜鉛単結晶（ＺｎＯ）粉末蛍光体は黄色に発光する。蛍光（ＰＬ）特性に２つのピークがある材料は、黄色〜橙色ピークと橙色〜緑色ピークを示す。つまり黄色〜緑の中間色が得られる。このように、本発明の針状又は繊維状酸化亜鉛単結晶（ＺｎＯ）粉末発光体は、発光色をコントロールできること、発光色の選択支が増えること利点である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の粉末蛍光体は、アスペクト比が５以上の針状又は繊維状であることから、高密度に配向可能であり、発光装置、表示装置、蛍光ランプなどの蛍光体として最適である。特に、ＬＥＤ用蛍光体や次世代の照明用として期待される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】ドーパント用元素のイオンとして、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｄ、Ｆｅ、Ｎｉを用いた粉末蛍光体及びドープなしの粉末蛍光体の蛍光波長スペクトルを示す。
【図２】実施例４３の粉末蛍光体のＳＥＭ写真を示す。
【図１】
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【図２】
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