CN101749642B - 一种蓝光激发的白光led用荧光玻璃透镜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于发光材料及光源制备领域，提供一种被蓝光激发的白光LED用荧光玻璃材料，其化学式为：2SrO-Al₂O₃-xB₂O₃-0.01EuO，其中x＝1.5～5.0。本发明同时提供一种上述荧光玻璃透镜的制备方法，该方法将原料混合物在还原气氛下，加热到1550～1700℃熔融并保持1～5h后，在纯Ar气氛中将步骤(2)得到的熔融体温度降至1150～1300℃，再倒入水冷装置中使其快速冷却，得到荧光玻璃中间体，之后将其在H₂气氛中，再次加热到1150～1300℃熔融并保持0.5～3h，然后倒入带有水冷的钢质透镜模具中成型并淬火，再经切割、抛光制得。本发明提供的荧光玻璃材料，能够替代荧光粉和树脂材料作为白光LED的透镜使用，可进一步提高白光LED的出光质量。

Description

一种蓝光激发的白光LED用荧光玻璃透镜及其制备方法

技术领域

本发明涉及发光材料及光源制备领域，尤其涉及一种蓝光激发的白光LED用荧光玻璃透镜及其制备方法。

背景技术

LED(Light Emitting Diode)半导体发光器件作为一种新型高效的固态光源，展现出传统光源所不可比拟的性能优势：低功耗、高光效、高稳定性、超长使用寿命、无频闪、无环境污染等等，是符合节能环保的“绿色照明”光源。LED现已广泛应用于移动通讯、城市景观照明、汽车灯、交通信号灯、LCD背光源、室内外普通照明等多种照明领域，并将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次质的飞跃。世界各发达国家均在21世纪初纷纷推出国家半导体照明计划，力争在新世纪抢占半导体产业新一轮制高点。同时，LED半导体照明产业对我国缓解能源和环保等国民经济发展瓶颈、改善人民生活质量具有重要意义，对传统产业的提升和优化、相关产业的促进与带动都将产生深刻影响。

由于白光LED具有各种优越的性能，并有望替代传统光源从而开启庞大的白光普通照明市场，因此专注于高端照明用白光LED产品的研究与生产单位越来越多。目前能实现白光LED的途径主要有3种：通过LED芯片所发光激发荧光粉，芯片和荧光粉发出的光混合形成白光，即荧光粉涂敷光转变法；利用红光、绿光、蓝光LED制备LED白光组件，即三基色LED组合法；采用多个活性层使LED直接发白光，即多量子阱法。其中，第一条途径是当前研究开发的技术主流。例如：20世纪末实现商品化的白光LED，就是由蓝色LED芯片与YAG:Ce³⁺黄色荧光粉相匹配制得；日本、美国等国家采用紫外或近紫外LED芯片，并在其上方涂覆红、绿、蓝三基色稀土荧光粉，同样制得了白光LED。

在商业化的白光LED生产中，出光质量在很大程度上取决于荧光粉的涂覆工艺。目前广泛采用的人工点胶涂覆工艺显现出诸多不足，如：荧光粉涂层厚度及形状不规整，能直接导致单颗白光LED出光的空间分布不均匀；人工涂覆操作不能保证产品一致性，同一批产品的出光质量存在很大差异，而且生产效率不高，难以适应工业化批量生产。

此外，为了实现白光LED替代传统灯具从而进入普通照明市场，则须不断提高单颗LED的输入电功率，而且还需多个大功率LED组合排列成统一的照明系统。然而实施此方法以提升灯具输出光通量的同时，也将导致LED芯片温度的升高，进而加速LED芯片上涂覆荧光粉及树脂的老化，严重降低了发光效率和使用寿命。

在LED芯片与荧光粉的组合中，除了以上制约白光LED出光性能的因素外，由于粉末状荧光材料对光的不可控反射和折射效应，还会不可避免地产生较大的光的再吸收损耗，限制了外量子效率的进一步提高。

发明内容

本发明目的之一是提供一种能被蓝光激发的荧光玻璃材料，用于替代荧光粉和树脂材料作为白光LED的透镜使用，从而克服现有白光LED制造中荧光粉涂覆工艺的不足、荧光粉及树脂易于老化变质、粉末状荧光材料对光的再吸收损耗较大等等不利因素，进一步提高白光LED的出光质量。该荧光玻璃材料的化学式为：2SrO-Al₂O₃-xB₂O₃-0.01EuO，其中x＝1.5～5.0。

本发明目的之二是提供一种被蓝光激发的白光LED用荧光玻璃透镜的制备方法，包括如下步骤：

(1)将SrO、Al₂O₃、H₃BO₃和Eu₂O₃，按照上述化学式的化学计量比，计算称量原料，研磨混合均匀，得到上述原料的混合物；

(2)将步骤(1)得到的混合物在还原气氛下，加热到1550～1700℃熔融并保持1～5h，所述还原气氛为体积含量3％～15％的H₂与Ar的混合气体；

(3)停止供应H₂，在纯Ar气氛中将步骤(2)得到的熔融体温度降至1150～1300℃，然后倒入水冷装置中使其快速冷却，得到荧光玻璃中间体。

(4)将步骤(3)得到的荧光玻璃中间体在H₂气氛中，再次加热到1150～1300℃熔融并保持0.5～3h，然后倒入带有水冷的钢质透镜模具中成型并淬火，再经切割、抛光，得到一种被蓝光激发的白光LED用荧光玻璃透镜。

上述制备方法中，所述水冷装置为由两块钢盘组成的扁形槽体，每块钢盘自带冷却水循环装置，且间距为3～6mm。

本发明具有下述技术效果：

1.本发明所制得的荧光玻璃透镜经X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外吸收光谱(FTIR)分析，确定其全部为组分均匀的透明无定形固态结构，并且从光吸收谱中可以看出，Eu²⁺离子在450nm波长附近形成了宽带吸收，未观察到Eu³⁺离子⁷F-⁵D跃迁所对应的线性吸收，表明该荧光玻璃为Eu²⁺离子掺杂情况。

2.本发明制得荧光玻璃透镜的激发光谱较宽，其激发主峰的范围为400～500nm，适合使用蓝光LED芯片激发。在波长为450nm蓝光激发下，荧光玻璃透镜的发射光谱呈现出400～700nm的宽带发射峰，且宽带发射最强谱峰位置随B₂O₃含量x的减小而产生红移，因此可以利用不同的B₂O₃含量调节荧光玻璃透镜的发光颜色从黄绿光覆盖至黄光区，再与LED芯片发出的蓝光相混合，产生适合于照明用的白光。

3.本发明制得的荧光玻璃透镜经抛光后透明且无气泡。将其替代荧光粉和树脂材料作为白光LED的透镜使用时，不仅可以大大降低粉末状荧光材料对光的再吸收损耗，也无需荧光粉涂覆工艺而避免了相应不足，而且导热和耐高温性能远优于树脂材料，不存在长期使用中出现的老化变色情况，同时还具有制造工艺简单、产品质量稳定、成本低、易于量产、弯曲强度大、易加工成各种形状及表面形貌以调配光路等特性。

附图说明

图1为不同B₂O₃浓度下荧光玻璃透镜的发射光谱图，激发波长为450nm。

图2为荧光玻璃透镜最强发射峰位置随B₂O₃含量的变化，激发波长为450nm。

图3不同B₂O₃浓度下荧光玻璃透镜的激发光谱图，其监控波长各自对应于不同浓度下最强发射峰位置。

具体实施方式

以下将参照附图和实施例详细说明本发明的优选实施方案。

实施例1

一种被蓝光激发的白光LED用荧光玻璃透镜的化学式为：2SrO-Al₂O₃-1.5B₂O₃-0.01EuO，其制备方法包括以下步骤：

1)按上述化学计量比称取SrO、Al₂O₃、H₃BO₃和Eu₂O₃原料，并研磨混合均匀；2)将原料混合物装入铂坩埚中，在体积含量为10％的H₂与Ar的混合还原气氛下，加热到1600℃熔融并保持2h；3)停止供应H₂，在纯Ar气氛中将熔融体的温度降至1200℃，然后倒入水冷装置内使其快速冷却，本发明采用的水冷装置为由可装卸的两块钢盘组成的扁形槽体，每块钢盘自带冷却水循环装置，且间距为3～6mm，也可以采用其他的水冷装置；4)将得到的荧光玻璃中间体放入坩埚，在H₂气氛中再次加热到1200℃再次熔融并保持1h，然后倒入带有水冷的钢质透镜模具中成型并淬火，再经切割、抛光，得到一种被蓝光激发的白光LED用荧光玻璃透镜。

上述方法所得荧光玻璃透镜的最强发射峰波长为573nm(激发波长450nm)，处于黄光区；在监控波长为573nm时，荧光玻璃透镜的最强激发峰波长为433nm，处于蓝光区。因此，该荧光玻璃透镜能很好的应用于蓝光激发的白光LED中。

实施例2

一种被蓝光激发的白光LED用荧光玻璃透镜的化学式为：2SrO-Al₂O₃-2.5B₂O₃-0.01EuO，其制备方法包括以下步骤：

1)按上述化学计量比称取SrO、Al₂O₃、H₃BO₃和Eu₂O₃原料，并研磨混合均匀；2)将原料混合物装入铂坩埚中，在体积含量为3％的H₂与Ar的混合还原气氛下，加热到1700℃熔融并保持5h；3)关闭H₂供应阀门，在纯Ar气氛中将熔融体的温度降至1300℃，然后倒入水冷装置内使其快速冷却，水冷装置同实施例1；4)将得到的荧光玻璃中间体放入坩埚，在H₂气氛中再次加热到1300℃再次熔融并保持3h，然后倒入带有水冷的钢质透镜模具中成型并淬火，再经切割、抛光，得到一种被蓝光激发的白光LED用荧光玻璃透镜。

上述方法所得荧光玻璃透镜的最强发射峰波长为531nm(激发波长450nm)，处于黄光区；在监控波长为531nm时，荧光玻璃透镜的最强激发峰波长为452nm，处于蓝光区。因此，该荧光玻璃透镜能很好的应用于蓝光激发的白光LED中。

实施例3

一种被蓝光激发的白光LED用荧光玻璃透镜的化学式为：2SrO-Al₂O₃-4B₂O₃-0.01EuO，其制备方法包括以下步骤：

1)按上述化学计量比称取SrO、Al₂O₃、H₃BO₃和Eu₂O₃原料，并研磨混合均匀；2)将原料混合物装入铂坩埚中，在体积含量为15％的H₂与Ar的混合还原气氛下，加热到1550℃熔融并保持1h；3)关闭H₂供应阀门，在纯Ar气氛中将熔融体的温度降至1150℃，然后倒入水冷装置内使其快速冷却，水冷装置同实施例1；4)将得到的荧光玻璃中间体放入坩埚，在H₂气氛中再次加热到1150℃再次熔融并保持0.5h，然后倒入带有水冷的钢质透镜模具中成型并淬火，再经切割、抛光，得到一种被蓝光激发的白光LED用荧光玻璃透镜。

上述方法所得荧光玻璃透镜的最强发射峰波长为516nm(激发波长450nm)，处于黄绿光区；在监控波长为516nm时，荧光玻璃透镜的最强激发峰波长为441nm，处于蓝光区。因此，该荧光玻璃透镜能较好的应用于蓝光激发的白光LED中。

实施例4

一种被蓝光激发的白光LED用荧光玻璃透镜的化学式为：2SrO-Al₂O₃-5B₂O₃-0.01EuO，其制备方法包括以下步骤：

1)按上述化学计量比称取SrO、Al₂O₃、H₃BO₃和Eu₂O₃原料，并研磨混合均匀；2)将原料混合物装入铂坩埚中，在体积含量为5％的H₂与Ar的混合还原气氛下，加热到1650℃熔融并保持4h；3)关闭H₂供应阀门，在纯Ar气氛中将熔融体的温度降至1250℃，然后倒入水冷装置内使其快速冷却，水冷装置同实施例1；4)将得到的荧光玻璃中间体放入坩埚，在H₂气氛中再次加热到1250℃再次熔融并保持2h，然后倒入带有水冷的钢质透镜模具中成型并淬火，再经切割、抛光，得到一种被蓝光激发的白光LED用荧光玻璃透镜。

上述方法所得荧光玻璃透镜的最强发射峰波长为503nm(激发波长450nm)，处于黄绿光区；在监控波长为503nm时，荧光玻璃透镜的最强激发峰波长为439nm，处于蓝光区。因此，该荧光玻璃透镜能较好的应用于蓝光激发的白光LED中。

图1为在激发波长为450nm时，不同B₂O₃浓度下荧光玻璃透镜的发射光谱图。图2为激发波长为450nm时，荧光玻璃透镜最强发射峰位置随B₂O₃含量的变化示意图。图3为在不同B₂O₃浓度下荧光玻璃透镜的激发光谱图，其监控波长各自对应于不同浓度下最强发射峰位置。

Claims (2)

1.一种被蓝光激发的白光LED用荧光玻璃透镜，构成该种透镜的荧光玻璃材料的化学式为：2SrO-Al₂O₃-xB₂O₃-0.01EuO，其中x＝1.5～5.0。

2.一种被蓝光激发的白光LED用荧光玻璃透镜的制备方法，其特征在于，构成该种透镜的荧光玻璃材料的化学式为2SrO-A1₂O₃-xB₂O₃-0.01EuO，其中x＝1.5～5.0，按照

下列步骤制备：

(1)将SrO、Al₂O₃、H₃BO₃和Eu₂O₃，按照上述化学式的化学计量比，计算称量原料，研磨混合均匀，得到上述原料的混合物；

(2)将步骤(1)得到的混合物在还原气氛下，加热到1550～1700℃熔融并保持1～5h，所述还原气氛为体积含量3％～15％的H₂与Ar的混合气体；

(3)停止供应H₂，在纯Ar气氛中将步骤(2)得到的熔融体温度降至1150～1300℃，然后倒入水冷装置中使其快速冷却，得到荧光玻璃中间体；

(4)将步骤(3)得到的荧光玻璃中间体在H₂气氛中，再次加热到1150～1300℃熔融并保持0.5～3h，然后倒入带有水冷的钢质透镜模具中成型并淬火，再经切割、抛光，得到一种被蓝光激发的白光LED用荧光玻璃透镜。

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