特集

ガラスに応用可能な蛍光体－設計から応用まで－

植物栽培用光源への応用を目指した蛍光体の開発
徳島文理大学理工学部ナノ物質工学科

國本崇

Development of phosphor materials for plant cultivation light source
Takashi Kunimoto
Dept. of Nano Material and Bio Engineering, Tokushima Bunri University

１．はじめにさく点光源に近いため，大面積で大光束を確保するには，アレイ化しなければならず光源コス

近年農業分野において光の積極的な利用が進トが高い。一方蛍光灯は，安価で大面積を照射められている。その代表は完全人工光型の植物可能な比較的効率が高い光源で広く用いられて工場である。植物工場は，気象変化に依存しないるが，植物工場でもヒトの視覚にあわせた一い安定生産，容易な病害虫管理，衛生面，特定般照明として作られたものを転用しているた

栄養素の付与など多くの利点があり，注目を集め，植物栽培に適したスペクトルとはなっておめている。植物は光合成により成長するだけでらず，また水銀を用いるため今後の利用が難しなく，光応答によりその生活環を作っており，い。植物工場の更なる発展には，拡散性を備え効率よい植物生産を行うためには光環境を整える植物栽培専用の安価な高輝度光源が必要であることが重要である。この意味で人工栽培のキる。我々は，（ 1 ）光合成／光応答にマッチしたーデバイスは照明光源である。蛍光灯を用いたスペクトルを持ち，（ 2 ）光合成反応に合わせた閉鎖型施設ができ，近年では LED がこの分野パルス幅と繰り返し周期，（ 3 ）高輝度拡散光，に持ち込まれた事で植物工場の開発や経営が活という特長を持つ大面積光源の開発を検討して性化した。LED は高効率光源であるが輝点が小いる。蛍光体を用いた薄型の外部電極型放電光源がこれらの要件を満たす一つの候補である。

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水銀フリーの要件から Xe 放電ランプが対象となるため，Xe 放電による真空紫外線によって励起可能な蛍光体の開発を行った結果の一部を紹介する。

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２．Xe 放電励起青色／深赤色発光蛍光体
母体は励起光の真空紫外光による劣化が少な

３．合成した Sr3MgSi2O8:Eu,Mn 蛍光体の発光特性いことが必要であるため，酸化物，特にケイ酸

Sr サ イ ト に Eu を Mg サ イ ト に Mn を そ れ塩を選択した。発光中心は，青〜深赤色域までぞれ置換するように仕込み，1400 ℃，H2/N2 雰をカバーし，マイクロ秒の発光減衰時間が得ら囲気下で，固相反応により蛍光体粉末を合成し2+れる Eu が好ましいが，酸化物母体で深赤色発た。この蛍光体は Eu2+ による吸収と青色発光，光を示すものがほとんどない。一方酸化物母体

さらに Eu2+ から Mn2+ へのエネルギー伝達に中では Mn2+ 付活で赤〜深赤領域に発光を示す

より Mn2+ の赤〜深赤色発光が得られることが蛍光体が多数ある 1 ）。このため青色域は Eu2+，明らかになっており 3 ，4 ），我々が合成した試料

赤〜深赤領域には，一般には減衰時定数が長くにおいてもフォトルミネッセンス（PL）測定のパルス発光には不利であるが Mn2+ を，それぞ結果，458nm 付近に Eu2+ の発光バンド，680nmれ発光中心に選んだ。この要件を満たす蛍光体

付近に Mn2+ の発光バンドが観測され（図 2 ），として図 1 に示すような Merwinite 構造を持それぞれのピークでモニタした PL 励起（PLE）

つ Sr3MgSi2O8 母体 2 ）に，Eu と Mn を共添加しスペクトルは何れも Eu2+ の 4f 7 → 4f 6 5d 遷移にた蛍光体 Sr3MgSi2O8：Eu,Mn を本研究のター

基 づ く 吸 収 が 観 測 さ れ て お り，Mn 発 光 はゲット材料とした。この Sr3MgSi2O8:Eu,Mn はEu → Mn のエネルギー移動によって得られて紫外線〜近紫外線励起によって青色および深赤いることが確認できる。このエネルギー移動は色域に発光を示すことが報告されている 3 ，4 ）。

Eu2+ の青色発光バンドと，Mn2+ の 6S → 4G 吸収

Eu 単独付活の Sr3MgSi2O8:Eu は真空紫外線励線のスペクトル重なりによる共鳴移動に基づく起で青色発光を示す蛍光体として報告されており 5 ），Sr サイトを Ba で部分置換したものがプ
ラズマディスプレイ用蛍光体として検討されたことから Xe 放電励起が可能であることが示唆される。

図１

 r3MgSi2O8 の 結 晶 構 造．VESTA6 ） で 描 画．
S
SiO4 四面体，MgO6 八面体で構成される層内と層間に Sr サイトが存在する。

図２

合 成 し た Sr3MgSi2O8:Eu,Mn 蛍 光 体 粉 末 の（a）
PL,（b）PLE スペクトル．

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が，アルカリ土類を Ba や Ca に置き換えたものの交換相互作用で結合したイオンペアは発光時を含めて既報の Eu および Mn の添加量は様々定数が減少することが知られており 16 ），発光強3, 4, 7-9 ）で，移動メカニズムの解析もまちまちで度に影響を与えるとともに，パルス発光を行うある。我々は Eu/Mn 量に対して Mn 発光強度際に有利に働くことから，相互作用の大きさのを最大化するように最適化を進めているが，高解析を行うための実験を進めている。

輝度化には Eu-Mn 間の相互作用に関する知見が必要となる。この情報を得るため電子スピン共鳴（ESR）による解析を試みた。

４．試作光源図 4 に我々が合成した Sr3MgSi2O8:Eu,Mn 蛍

図 3 に Sr3MgSi2O8:Eu,Mn の典型的な高周波

光 体 粉 末 を 用 い て 試 作 し た Xe 放 電 パ ネ ル

ESR スペクトルを示す。磁場マーカーとして入（ 10kHz パルス放電）の発光スペクトルを示す。

れた DPPH の吸収の高磁場側に一本のローレ

スペクトル形状は PL とほぼ同じである。比較ンツ型の幅広い吸収が観測された。Eu2+，Mn2+的強い発光が得られており，母体により吸収さともに希薄にドープした系ではゼロ磁場分裂とれたエネルギーの発光中心への伝達と，Eu か10-

ら Mn へエネルギー伝達した後，Mn は比較的，高濃度添加された系では，磁気双極子相互高速に発光緩和し，飽和が起こっていないこと14 ）と交換相互作用によが示唆される。光合成感度曲線の青色域およびが起こり一本の幅広い吸収に赤色域と十分な重なりを持ち，かつフィトクロ。Eu（ 2%）および Mn（ 5%）ムの吸収がある遠赤色域にも発光があることか

超微細構造によって多数の吸収線が現れるが13 ）作用によるブロード化る運動先鋭化

14 ）

マージされる15 ）を単独で仕込んで合成した試料でも図の矢印の位置にそれぞれ微細構造が全く無い一本の幅広い吸収が見られており，これらの試料の添加量

ら，植物栽培用光源として期待が持てる。

５．おわりにですでに交換相互作用がイオン間に働いている

植物栽培用光源への使用を意図した我々の粉ことが示唆される。また Eu と Mn を共添加し末蛍光体の開発例を紹介した。試作光源は小規

た試料の吸収ピークは図 3 のように Mn と Eu

模栽培で効果を検討しているところである。文をそれぞれ単独添加した試料の共鳴磁場の間に中ではガラスとの関わりには触れなかったが，ある。このことから Eu と Mn の間にも交換相紹介した光源以外でも，植物栽培において蛍光互作用が働いていることが示唆される。これら

体はフォトルミネッセンスにより適切な波長成図３20

 成した Sr3MgSi2O8:Eu,Mn 蛍光体粉末の高周波
合ESR スペクトル（@140GHz）． DPPH（g=2.003 ）は磁場マーカー．パルス強磁場中で透過法により神戸大分子フォトサイエンス研究センターにて測定．

図４

 成した Sr3MgSi2O8:Eu,Mn 蛍光体粉末を用いた
合パネルの発光スペクトル．挿入図は発光像（チューブを並べているため明部と暗部がある）．
（合）紫光技研の粟本健司氏の協力により作製．

NEW GLASS Vol. 33 No. 125 2018分へと変換する材料として使われる。屋内外に関わらず蛍光体の封止材もしくは結晶化ガラスとして使用する可能性も指摘されている。この分野への興味を持っていただけると幸いである。
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