10μmの微小な粒子1個の情報から新しい白色LED用蛍光体を開発

画期的な新材料開発の手法「単粒子診断法」を確立

2014.07.15

独立行政法人物質・材料研究機構

NIMSサイアロンユニットは、合成粉末試料中から取り出した10μmの極微小な粒子1個の情報からでも新しい蛍光体を開発でき、従来の開発スピードを大幅にアップする新手法を確立しました。

概要

独立行政法人物質・材料研究機構 (理事長 : 潮田資勝) サイアロンユニットの広崎尚登ユニット長、武田隆史主任研究員らの研究グループは、合成粉末試料中から取り出した10μmの極微小な粒子1個の情報からでも新しい蛍光体を開発でき、従来の開発スピードを大幅にアップする新手法を確立しました。また既にこの手法を用いた新しい白色LED用蛍光体の開発にも成功しました。
白色LEDは省エネルギー、長寿命、小型、水銀フリーの光源として照明や液晶バックライトとして急速に普及しており、今後は車のヘッドライト、大規模照明などその応用範囲は拡大の一途をたどると予想されています。蛍光体は白色LEDの演色性を高める (自然光に近い照明を実現する) 役割を担う白色LEDに欠かせない材料であるため、今後の応用範囲の広がりに伴い発光色、発光強度などでさらに高性能の新しい蛍光体が求められています。しかし、これまでの手法を用いた蛍光体開発では、新しく合成した蛍光体の均一な粒子を得ること (単一相化) や大きな粒子を得ることに多大な労力と時間を必要とするため、開発が極めて困難になっていました。
本研究グループは、従来、新蛍光体の開発には利用できなかった極微小の粒子1個の情報から新蛍光体を開発する手法を確立し、この手法を「単粒子診断法」と名付けました。新しい蛍光体を開発する際には、通常、この蛍光体は粉末状態で生成されますが、多くの場合、この粉末一粒一粒が異なる組成を持っています。従来はその中でも均一で大きい粒子しか利用できませんでした。しかし残りの微粒子にもまったく新しい蛍光体粒子が含まれている可能性があります。今回確立したのは、従来は分析が不可能だったこうした微粒子1個の情報を用いて新しい蛍光体の開発をおこなう手法です。
選び出した微粒子の蛍光体1個は、結晶構造、組成、発光特性を明らかにし、単一組成の粉末の大量合成に展開します。結晶構造解析には大型の単結晶が、量子効率測定には多量の粉末が必要でしたが、装置の改良や独自の装置開発により、蛍光体1個でも測定が可能となりました。「単粒子診断法」と名付けたこの新手法を用いてBa₃N₂-Si₃N₄-AlN系から黄色蛍光体Ba₅Si₁₁Al₇N₂₅:Eu²⁺と青色蛍光体BaSi₄Al₃N₉:Eu²⁺を開発しました。他の組成系も含めると40個以上の新しい蛍光体を見出しています。
白色LEDの性能向上には蛍光体の性能向上が欠かせません。本手法を用いることで新蛍光体の開発が加速され、蛍光体の性能向上、白色LEDの新用途に向けた展開が進むと期待されます。この「単粒子診断法」は蛍光体以外の分野でも展開可能であり、従来の粉末合成では困難となっていた分野での新材料開発が進むと期待されます。
本研究成果は、Chemistry of Materials誌に掲載予定で、ACS Editors' Choice Articleに選ばれました。

プレス資料中の図1 : 単粒子診断法による新蛍光体開発の流れ