CN101953230B

CN101953230B - 具有半透明陶瓷板的发光装置

Info

Publication number: CN101953230B
Application number: CN2009801058276A
Authority: CN
Inventors: 中村年孝; 藤井宏中; 宮川浩明; 拉贾什·穆克尔吉; 张彬; 望月周
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2029-02-19
Also published as: WO2009105581A1; US20090212697A1; TWI493746B; US8502442B2; TW200947768A; JP5631745B2; US8169136B2; CN101953230A; JP2011513898A; US20120194066A1

Abstract

描述了一种发光装置，其包括：发光元件，其发射具有第一峰值波长的光；以及位于所述发光元件上的至少一个烧结的陶瓷板。至少一个烧结的陶瓷板能够吸收从所述发光元件发射的光的一部分并发射具有第二峰值波长的光，并且所述至少一个烧结的陶瓷板具有大于约40％的在所述第二峰值波长处的总光透射率。还公开了一种用于提高发光装置的发光强度的方法，其包括：提供发光元件；以及将上述至少一个烧结的陶瓷板安置在发光元件上。

Description

具有半透明陶瓷板的发光装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年2月21日递交的第61/030496号以及2009年2月17日递交的第61/153227号美国临时申请的优先权，这两个临时申请的全部内容以引用方式并入本文。

背景技术

发明领域

本发明涉及包括半透明陶瓷板的发光装置。

现有技术的描述

固态发光装置，如发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)或有时被称为有机电致发光装置(OEL)和无机电致发光装置(IEL)，已经广泛用于各种应用，如平板显示器、各种仪器的指示器、招牌、和装饰性照明灯。随着这些发光装置的发射效率不断改进，需要非常高的发光强度的应用，如汽车前灯和普通照明，不久将成为可能。对于这种应用，白色LED是有希望的候选物之一并已经吸引了很多关注。

如同在US 5,998,925和US 6,069,440中所公开的那样，传统的白色LED基于蓝色LED与发黄色光的YAG荧光粉的组合而制成，其中发黄色光的YAG荧光粉分散在如环氧树脂和硅树脂的塑料封装树脂中。通常的装置结构如图1A和1B所示。然而，由于用于该系统的YAG荧光粉的颗粒尺寸为约1-10μm，因此分散在封装树脂介质中的YAG荧光粉可能引起强烈的光散射。因此，如图2所示，来自蓝色LED的入射光以及来自YAG荧光粉的黄色发射光中相当大的部分最终后向散射并作为白色光发射的损耗而耗散。

对该问题的一个回应是形成由波长转变材料制成的单体陶瓷构件。然而，这种陶瓷构件也可能因在陶瓷形成过程中形成的空气空隙(void)而经受减小的发光度。这种空气空隙能够导致对LED发射的辐射的降低的透明度和/或增大的后向散射水平。由于空气与陶瓷材料相比折射率相对较大(约0.5至1.0)，因此微小量的这种气穴可能引起不相称的大量后向散射。

对该增大的后向散射问题的一种回应是对发光层中所使用的材料的折射率进行控制。例如，使其中嵌入有磷光体颗粒的介质的折射率增大以与磷光体颗粒的折射率更加接近地匹配(US 2003/0227249)。De Graaf等(WO 2006/097876)描述了嵌入基质中的复合结构，该结构为包括多晶氧化铝陶瓷材料的陶瓷复合结构。Sakata等(US 2006/0124951)描述了包括两个或更多基质相的固化体，其中基质相的各自成分为两种或更多种氧化物。然而，增大的不发光材料水平仍然能够导致增大的散射中心水平，并减小了陶瓷板的总体发光度。

减小后向散射的另一回应是通过减少散射中心来增加材料的透明度并因此使产生的后向散射最小化。然而，无散射中心的非常透明的陶瓷板的折射率与空气或封装树脂的折射率相比仍然保持较高的差异。这种较高的差异导致空气/陶瓷交界处或封装树脂/陶瓷交界处增大的临界角，这样因全内反射而导致在陶瓷板内捕获较高水平的辐射。这种高水平的被反射的辐射通常被视为陶瓷侧向边缘的明显光照(apparentillumination)。因而，尽管改善了透明度，但是装置的总体发光度实际上可能降低。

减小后向散射的又一作为涉及制备纳米级YAG磷光体颗粒，其颗粒尺寸远小于可见光的波长。例如，如在R.Kasuya等的“Characteristicoptical properties of transparent color conversion film prepared fromYAGiCe³⁺ nanoparticles(由YAGiCe³⁺纳米颗粒制备的透明颜色转换膜的特有光学性质)”，Applied Physics Letters(应用物理快报)，91，111916(2007)中所公开的那样，如果尺寸小于约30nm的纳米级YAG磷光体颗粒均匀地分散在封装树脂中，那么可以为用于白色LED的这种变色介质获得无后向散射的透明纳米组合物。然而众所周知的是，如果颗粒尺寸达到几十纳米或更少，那么发光强度(或内部量子效率)趋向于降低。这种小颗粒具有净增加的表面积与体积比，这意味着与相同量的封装微米级YAG磷光体颗粒相比，不利的表面缺陷点的总量较高。因此，具有纳米级YAG磷光体颗粒的LED的白色LED光输出实际上具有比基于微米级荧光粉的装置低的效率。尽管在基于纳米级荧光粉的装置中可以使后向散射最小化，但是较差的亮度性质可能超过了在减小后向散射方向的优势。此外，由于纳米级颗粒具有不可抗拒的强烈聚集倾向，因此制备透明或半透明的单分散纳米组合物并不容易。到目前为止，不存在任何有效的方式以在不牺牲荧光粉发光效率的情况下通过使后向散射损耗最小化而增强来自白色LED的光输出。

发明概述

为了提高白色LED装置的发光强度，可将一个或多个半透明烧结的陶瓷板与蓝色LED相结合使用以产生高强度的白色光。通过对烧结的陶瓷板的透明度进行控制，可在不牺牲发光特性的条件下使后向散射损耗最小化。

一个实施方式提供了一种发光装置，其包括：发光元件，其发射具有第一峰值波长的光；以及位于所述发光元件上的至少一个烧结的陶瓷板，其中，所述至少一个烧结的陶瓷板包括多相材料，所述多相材料包括约85％至约99.99％体积比的发射相以及约15％至约0.01％体积比的第二相。所述至少一个烧结的陶瓷板能够吸收从所述发光元件发射的光的至少一部分并发射具有第二峰值波长的光，其中所述至少一个烧结的陶瓷板在所述第二峰值波长处具有大于约40％的总光透射率。

另一实施方式提供了一种用于提高发光装置的发光强度的方法，其包括：提供发光元件；以及将包括多相材料的至少一个烧结的陶瓷板安置在所述发光元件上，所述多相材料包括约85％至约99.99％体积比的发射相以及约15％至约0.01％体积比的第二相，其中，所述至少一个烧结的陶瓷板在峰值透射波长处具有至少约40％的透射率，由此从所述发光装置发射白色光。

附图的简要说明

图1A和1B是两个传统白色LED装置结构的横截面图；

图2示出了从蓝色LED发射的光被白色LED装置中的微米级黄色荧光粉后向散射；

图3是具有根据本发明一个实施方式制成的半透明烧结的陶瓷板的白色LED装置的侧视图；

图4示出了用于对穿过烧结的陶瓷板的总光透射率进行测量的装置的一个实施方式的示意图；

图5示出了用于半透明烧结的陶瓷板的一个实施方式的制备流程图；

图6示出了白色LED的一个实施方式；

图7示出了白色LED的另一实施方式；

图8示出了白色LED的一个实施方式；

图9和10是根据本公开的实施方式所制备的两个白色LED的侧视图；

图11示出了具有基础LED阵列的光学装置的一个实施方式；

图12-14是根据所公开的实施方式制成的3个白色LED的横截面图；

图15示出了具有厚度不同的烧结的YAG:Ce陶瓷板的白色LED的3个实施方式的CIE色度图；

图16是具有烧结的YAG:Ce陶瓷板的白色LED的一个实施方式的发射光谱；

图17示出了陶瓷板的一个实施方式的总光透射率和光致发光光谱；

图18示出了来自根据公开的实施方式和比较样本制成的LED样本的白色发射的CIE色度图；

图19示出了来自根据公开的实施方式和比较样本制成的LED样本的白色光输出；以及

图20示出了根据公开的实施方式制成的陶瓷板的扫描电子显微镜(SEM)图像。

优选实施方式的详细描述

可通过使用透明或半透明的烧结的陶瓷板来制成改进的白色发光二极管(LED)，其中透明或半透明的烧结的陶瓷板能够对从基础LED发出的光中的至少一部分进行调制。一个实施方式提供了一种发光装置，其包括：发光元件，其发射具有第一峰值波长的光；以及位于发光元件上方的至少一个烧结的陶瓷板，其中，至少一个烧结的陶瓷板包括多相材料，所述多相材料包括约85％至约99.99％体积比的第一相(即，发射相)和约15％至约0.01％体积比的第二相。至少一个烧结的陶瓷板能够吸收从所述发光元件发射的光的至少一部分并发射具有第二峰值波长的光，其中，所述烧结的陶瓷板在第二峰值波长处具有大于约40％的总光透射率。

在一些实施方式中，所述发光装置可以是白色LED(即，发射白色光的LED)，其将基础LED用作发射具有第一峰值波长的光的发光元件，该具有第一峰值波长的光可至少部分地由包括多相材料的烧结的陶瓷板所吸收。在一些实施方式中，第一峰值波长落入约440nm与约470nm之间。然后，烧结的陶瓷板发射具有第二峰值波长的光，该第二峰值波长与由发光元件发射的峰值波长不同。来自发光元件的光中未被烧结的陶瓷板吸收的部分与从烧结的陶瓷板发射的光相结合以形成白色光。

参照图3，白色LED的一个实施方式包括：安装在子基板10上的传统的基础LED 11，位于基础LED 11上方的烧结的陶瓷板14，以及覆盖整个装置的封装树脂13。在一些实施方式中，基础LED 11可以是蓝色LED或发射蓝色光的LED。从蓝色LED发射的蓝色光的一部分被包括多相材料的烧结的陶瓷板14吸收，然后烧结的陶瓷板14发射具有不同波长的光，例如黄色光。蓝色光的其它部分可由蓝色LED发射而不被烧结的陶瓷板14吸收。从而，蓝色光和黄色光都从LED发出，人眼认为合成的或混合的光为白色光。通常通过使用基于AlInGaN的单晶半导体材料形成蓝色LED，并且该蓝色LED在安装在子基板10上时进行电连接。蓝色LED 11能够发射峰值波长为约440nm至约470nm的蓝色光。在一些实施方式中，基础LED 11还可以是UV LED 30，其发射峰值波长为约350nm至约410nm的光。在一些实施方式中，由磷光体材料制成的半透明的烧结的陶瓷板14置于蓝色LED 11上方，半透明烧结的陶瓷板14能够吸收来自蓝色LED 11的蓝色光并发射黄色光。烧结的陶瓷板14的尺寸可与蓝色LED 11的尺寸相匹配或者可以大于蓝色LED 11的尺寸。在一些实施方式中，可以通过改变陶瓷板在蓝色LED 11的尺寸上的覆盖率(即，变色介质)来控制白平衡。在一些实施方式中，烧结的陶瓷板14的尺寸可以小于蓝色LED 11的尺寸。

可以通过使用封装树脂13、特定的粘合剂、或机械保持件将烧结的陶瓷板14置于和/或固定于蓝色LED 11上方。封装树脂13和粘合剂可以包括硅树脂、环氧树脂、低熔点玻璃、透明粘合剂、或其它材料。在用UV LED 30代替蓝色LED 11的实施方式中，环氧树脂或者在从LED发射的UV光的波长区域内具有光吸收的其它材料可能退化。此外，如果LED像粉末(powder)LED那样在非常高的操作条件下被驱动，那么极接近LED表面的地方可能变热且粘合剂还可能退化。因此，可优选地采用如硅树脂和低熔点玻璃那样的耐热且耐UV的材料。

在一些实施方式中，还可以通过烧结的陶瓷板14的厚度对白平衡进行控制。如果烧结的陶瓷板14较薄，那么发射的光趋向于呈浅蓝色。相反，如果烧结的陶瓷板14较厚，那么发射的光的颜色趋向于浅黄色。在一些实施方式中，烧结的陶瓷板14的厚度一般处于约20μm至约500μm之间、约30μm至约300μm之间或者约50μm至约200μm之间。尽管用于白色光发射的烧结的陶瓷板14的优选厚度取决于作为激活剂的稀土金属的掺杂量以及陶瓷板14的散射程度。

在一些实施方式中，烧结的陶瓷板14在发射的峰值波长处或者在磷光体材料的光致发光光谱的峰值波长处的总光透射率至少大于理论的总光透射率的约40％，优选地大于理论的总光透射率的约60％，更优选地大于理论的总光透射率的约90％。理论的总光透射率的量取决于陶瓷材料的折射率。假设陶瓷材料不带有散射中心并具有折射率ns，可以通过使用以下等式对空气(n＝1)与陶瓷材料之间的表面反射率(R)和透射率(T)进行计算：

R = {(\frac{ns - 1}{ns + 1})}^{2}

T＝1-R

考虑上表面和底面反射，可以通过使用以下等式计算理论的总光透射率：

例如，通过使用这些方法，对于YAG:Ce(n＝1.83)陶瓷板的理论的总光透射率为从发光元件或辐射源发射的初始应用的辐射的约84.16％。图4示出了用于对穿过烧结的陶瓷板14的总光透射率进行测量的装置的一个实施方式的示意图。积分球15用于收集全部透射光22，包括散射的光。后向散射光19并不透射到积分球中，因此无法被探测器17探测到。如果烧结的陶瓷板14包含有大量空气空隙或缺陷，那么总的光透射率趋向于较低。空气空隙相当难以克服，因为折射率的巨大差异(空气与发射材料相比)使得控制难以进行。然而，如果对变色介质进行精细地烧结，这样导致充分大的晶粒结晶尺寸并且不存在空气空隙和缺陷，那么总的光透射率趋向于较高。在一些实施方式中，陶瓷板可具有处于约100nm与约100μm之间的平均晶粒尺寸。在其它实施方式中，陶瓷板可具有处于约1μm与约50μm之间或者约5μm与约30μm之间的平均晶粒尺寸。在一些实施方式中，烧结的陶瓷板可具有小于理论最大密度的约0.1％的孔隙率(porosity)。在其它实施方式中，陶瓷板可具有小于理论最大密度的约0.01％的孔隙率。烧结的陶瓷板的理论最大密度是这种无任何空气空隙的板的密度。

此外，如果入射光18的波长与用于制成烧结的陶瓷板14的磷光体材料的吸收区域重叠，那么将测量不到透射率，因为入射光主要通过磷光体吸收而耗散了。因此，在磷光体发射区域的波长处，尤其在磷光体材料的光致发光光谱的峰值波长附近进行总光透射率的测量。在一些实施方式中，如果磷光体不必在如在红外波长区域附近的波长区域具有光发射，那么总光透射率不一定较高。

对用于烧结的陶瓷板14的发射相的磷光体类型进行选择以通过考虑不同类型磷光体的吸收和发射光谱来获得期望的白点(即，色温)。在一些实施方式中，半透明的烧结的陶瓷板包括石榴石。石榴石可具有成分A₃B₅O₁₂，其中A和B独立地选自三价金属。在一些实施方式中，A可选自以下元素：Al、Ga、La和Tb；B可选自Al、Ga、和In。在一些实施方式中，石榴石掺杂有至少一种稀土金属。在一些实施方式中，稀土金属选自Ce、Gd、La、Tb、Pr和Eu。可用的磷光体的示例包括Y₃Al₅O₁₂:Ce、(Y，Tb)₃Al₅O₁₂:Ce、(Y，Gd)₃(Al，Ga)₅O₁₂:Ce、(Sr，Ca，Ba)₂SiO₄:Eu、Ca₃Sc₂Si₃O₁₂:Ce、Ba₃MgSi₂O₈:Eu、BaMgAl₁₀O₁₇:Eu、La₂O₂S:Eu、SrGa₂S₄:Eu、CaAlSiN₃:Eu、Ca₂Si₅N₈:Eu和CaSiAlON:Eu。在一个实施方式中，磷光体材料包括Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺。

随着空气空隙的减少，陶瓷更加透明并允许更多原辐射穿过。然而，通过全反射而诱捕的原辐射的量也会增加，从而减少实际上由陶瓷板发射的总光量。半透明陶瓷层通常具有高折射率，例如对于Y₂Al₅O₁₂:Ce³⁺而言为约1.83。陶瓷层与空气或者封装树脂之间的折射率差可足够大以导致高的全内反射。在一些实施方式中，可通过将第二相材料引入烧结的陶瓷板中来减少陶瓷磷光体/空气或者陶瓷磷光体/封装树脂的交界处的全内反射。在一些实施方式中，烧结的陶瓷板包括多相材料，该多相材料包括发射相和第二相。在一些实施方式中，发射相包括至少一种磷光体材料，第二相包括与发射相中的磷光体材料相对应的至少一种金属氧化物。磷光体材料的示例如上面所列出的。第二相材料的示例包括但不限于：Al₂O₃、Y₂O₃、CaO、TiO₂、MgO、La₂O₃、CeO₂、Nd₂O₃、Tb₄O₇、Eu₂O₃、BaO、Gd₂O₃等等。在一些实施方式中，发射相可包括掺杂有稀土金属(例如，Y₃Al₅O₁₂:Ce)的Y₃Al₅O₁₂，而第二相包括以下材料中的至少一种：Y₂O₃、Al₂O₃、YAlO₃(钇铝钙钛矿或YAP)和Y₄Al₁₂O₉(钇铝单斜晶或YAM)。

在一些实施方式中，发射相的体积为多相材料总体积的约85％至约99.99％。在一些实施方式中，第二相的体积为多相材料总体积的约15％到约0.01％。在一些实施方式中，发射相的体积百分比处于约90％与约99.99％之间、约95％与约99％之间、或者约98％与约99％之间；第二相的体积百分比处于约10％与约0.01％之间、约7％与约0.01％之间、约5％与约0.01％之间、约3％与约0.01％之间、约2％与约0.01％之间、或者约1％与约0.01％之间。

在一些实施方式中，当第一相与第二相的体积比为发射相占有显著比重时，例如，约85％的发射相和约15％的第二相、约90％的发射相和约10％的第二相、约95％的发射相和约5％的第二相、约98％的发射相和约2％的第二相以及约99％的发射相和约1％的第二相时，包括多相材料的成分在平衡高透明度与有限后向散射方面相当有效。

图5示出了半透明烧结的陶瓷板14的一个实施方式的制备流程图。首先，提供磷光体的未加工粉末。在一些实施方式中，用于制成烧结的陶瓷板14的磷光体材料的未加工粉末一般为纳米级颗粒，其平均颗粒尺寸不大于约1000nm，优选地不大于500nm，更优选地不大于200nm。如果颗粒尺寸不大于约1000nm，那么非常难以使总光透射率高于约50％，因为这种大颗粒甚至在高温和高压的烧结条件下都不容易相互熔合。结果可能是陶瓷板中趋向于保留大量空气空隙。另一方面，纳米级颗粒可容易地相互熔合，这使我们能够制备精细的且无空气气隙的陶瓷板。

可通过使用任何传统或适当的方法来制备纳米粉末，方法包括但不限于湿化学法和气相高温分解法。在题为“Method of ProducingNanoparticles Using Atomized Droplet(使用雾化液滴生产纳米颗粒的方法)”和“Rapid Thermal Heat Treatment Method for Nano-Sized PhosphorMaterial Production(用于纳米级磷光体材料生产的快速热处理方法)”的相关申请中公开了通过使用RF感应等离子炬生产纳米颗粒的方法，这两个申请的全部内容以引用方式并入本文。

未加工的不必具有与得到的磷光体陶瓷板相同的组成或晶体结构。在一个实施方式中，可通过使用YAG:Ce粉末、含有非晶体粉末的Y-Al-O-Ce、YAlO₃:Ce和Al₂O₃粉末的混合物、Y₂O₃、Al₂O₃和CeO₂粉末的混合物、以及上述物质的任意组合来制成YAG:Ce板。

在一些实施方式中，如果需要的化，可以使用少量助熔剂材料(例如，烧结助剂)，如SiO₂、MgO和原硅酸四乙酯(TEOS)，以改善烧结的性质。助熔剂材料的附加示例包括但不限于碱金属卤化物，如NaCl或KCl，以及有机化合物，如尿素。在一些实施方式中，烧结的陶瓷板包括约0.01％到约5％重量比、约0.05％到约5％重量比、约0.1％到约4％重量比、或约0.3％到约1％重量比的助熔剂材料或烧结助剂。可通过直接在用于形成陶瓷板的未加工的中添加特定的助烧结的剂、或通过采用包括期望的烧结助剂的充足的前体物质来提供烧结的陶瓷板中的烧结助剂。例如，在一些实施方式中，可将原硅酸四乙酯(TEOS)添加至前体物质中以提供所需量的烧结助剂。在一个实施方式中，向烧结的陶瓷板提供约0.05wt％至约5wt％的TEOS。在另一实施方式中，TEOS的量可处于约0.3wt％到约1wt％之间。

在一些实施方式中，可通过向未加工的粉末中不定期添加粘合剂树脂和溶剂来使混合和模制过程变得更加容易。粘合剂是对受热以形成陶瓷固体的组合物的颗粒的粘附进行改善的任何物质。粘合剂的一些非限制性示例包括聚乙烯醇、多乙酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚苯乙烯、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、和聚乙烯基丁醛等。在一些而非全部情形下，粘合剂充分地易挥发可能是有用的，这样在烧结阶段，粘合剂可被完全移除或去除。可通过使用研钵及研杵、球磨机、珠磨机或其它等同的设备来完成混合过程。对于模制过程而言，可以采用用于片剂成型(tablet molding)、热等静压(HIP)、或冷等静压(CIP)的简单模具。在一个实施方式中，将受控数量的未加工的粉末装载到铸模中，然后施加压力以形成板。

随后，在不超过产生的磷光体材料的熔点的高温下对所获得的板进行烧结。在一些实施方式中，可在施加压力的同时进行烧结。烧结的条件如温度曲线、大气压、压力、和持续时间取决于磷光体材料的类型。可以使用任何种类的适当的陶瓷烧结技术来制备半透明烧结的陶瓷板。应注意，如果磷光体材料的晶体结构具有各向异性方面，那么基本上难以制备半透明烧结的陶瓷板。由于烧结的陶瓷并非单晶体而是随机定向的晶粒的聚结，因此折射率根据结晶方向而轻微地变化并产生光散射性质。在一些实施方式中，还可以采用透明的单晶板来代替烧结的陶瓷板。

可通过使用通常与制作半透明陶瓷板相同的方法来制成包括多相材料的陶瓷板。在一些实施方式中，可通过对前体溶液的成分比率进行调整来引入用于形成第二相的材料。例如，通过增加前体溶液中九水合硝酸铝九水合物的量，通过感应耦合的RF热等离子高温分解然后进行退火而产生的纳米粉末将包括YAG和Al₂O₃。在一些实施方式中，对钇和铝前体溶液的比率进行调整可以产生这样的纳米粉末，该纳米粉末包括YAG和以下材料中的一个或多个：YAP、YAM、Y₂O₃、或Al₂O₃。

可以使用包含湿化学法或气相高温分解法的其它传统方法来制成适合于制成包括多相材料的陶瓷板的这种混合的纳米粉末。在其它实施方式中，可在烧结步骤之前将第二相材料引入磷光体纳米粉末中并将第二相材料混合在磷光体纳米粉末中。在一些实施方式中，可在烧结步骤之前以所需的化学计算量对包括市场上可获得的前体粉末的通过任何方法制成的前体粉末进行混合。例如，当通过作为发射相的Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺制成陶瓷板时，可以以化学计算量将Y₂O₃、Al₂O₃和CeO₂混合在一起以形成YAG:Ce相，并且可在烧结之前添加所需的额外量的Y₂O₃或Al₂O₃粉末以形成第二相。

在一些实施方式中，可以使用基础LED与磷光体材料的任何种类的颜色组合。在一些实施方式中，可将由具有不同发射峰值波长的不同的磷光体制成的两个或更多烧结的陶瓷板共同叠置在蓝色LED 11或UVLED 30上。图6示出了蓝色LED 11与叠置的发射黄色和红色光的磷光体陶瓷板31和32的组合，其中叠置的发射黄色和红色光的磷光体陶瓷板31和32位于蓝色LED 11上方以改善颜色再现性。在其它实施方式中，还可以使用发射绿色和红色光的磷光体陶瓷板组合。在另一实施方式中，可将红色荧光粉29或微晶体分散在黄色磷光体陶瓷板31中。在一些实施方式中，如图8中所示，可以采用UV LED 30与红色、绿色、和蓝色磷光体陶瓷板32、33和34的组合。

本发明不限于制作白色LED。例如，还可以基于蓝色或UV LED制成蓝色、浅蓝色、绿色、黄色、橙色、和红色LED。

尽管陶瓷板的形状通常类似于平面板，但是根据光学设计可以采用任何种类的形状或放置位置，如圆顶形、不同厚度、带有盖或容器形。

在一些实施方式中，如果陶瓷板的折射率大于封装树脂的折射率，那么来自磷光体的发射光的一部分可因全内反射而被约束在陶瓷板中，尤其是随着陶瓷板的总光透射率变得较高。在一些实施方式中，陶瓷板的表面可以是粗糙或不规则的如形成微透镜阵列以将被约束的光取出。

图9和10是根据本公开的实施方式制备的两个白色LED的侧视图。图11示出了具有基础LED 11阵列的光学装置，其中分开的烧结的陶瓷板14位于每个基础LED 11上方。可在子基板11上安装一个以上的基础LED以形成基础LED 11阵列，并且可在基础LED 11阵列上方安置由黄色磷光体制成的至少一个半透明的烧结的陶瓷板14。如图9所示，可以采用一个烧结的陶瓷板14以覆盖全部基础LED 11。如图10和11所示，还可在阵列中的每个基础LED 11上方安置分开的烧结的陶瓷板14。在一些实施方式中，还可在成排或成列的基础LED 11上方安置烧结的陶瓷板14的长带。全部的装置部件封装在封装树脂13中。

图12-14是根据所公开的实施方式制成的3个白色LED结构的横截面图。白色LED结构可包括金属阳极20，并且光发射层21位于金属阳极20上。金属阳极20提供用于对发射层21进行电连接的必要装置。发射层21可以是有机或无机蓝色发射层。将透明阳极23沉积在发射层21上，然后将玻璃子基板24沉积在透明阳极23上以对半透明烧结的陶瓷板进行支撑。在图13中，两个不同的陶瓷板，即红色磷光体陶瓷板32和绿色磷光体陶瓷板33安置在玻璃基板24上以吸收从绿色发射层21发射的光并发射具有不同波长的光。在图14中，由不同的磷光体(例如，红色磷光体和绿色磷光体)制成的较小或单独的陶瓷板安置在玻璃基板24上以对从发射层21发射的蓝色光进行调制。

尽管已经描述了包含LED的装置且将这些装置用作示例，但是这些LED仅代表实施方式中的一部分。用于并入烧结的陶瓷板的其它适当光学装置包括但不限于OLED和IEL。

这些实施方式通过将由磷光体材料制成的半透明烧结的陶瓷板而非传统的荧光粉/树脂系统用作变色介质，从而能够提供较少的后向散射损耗并保持或者甚至提高磷光体层的发光效率。在一个实施方式中，减少的空气气隙以及因此而增大的透明度，与通过采用第二相材料而实现的减小的或者受限量的后向散射相结合，实现了对烧结的陶瓷板性质进行较为精细的调节，因此降低了全内反射的效果并增大了总发光强度。因此，与传统的荧光粉/树脂复合系统相比，具体为LED的发光装置的白色光发射效率可以进一步得到提高。由于陶瓷板在抵抗热和光照射(甚至UV光)方面相当稳定，因此LED的操作特性的温度波动、耐久性、和寿命可得到改善。此外，由于制备陶瓷板的极为平坦的表面以及使厚度均匀并非很难，因此白平衡在产品之间的可再现性可以得到显著地改善，并且传统的粉末/树脂系统具有显著的白色波动，这种白色波动如源自于荧光粉在树脂中不均匀的分散、荧光粉因较大密度而产生的沉淀、以及变色介质自身的厚度变化。

一些实施方式提供了用于提高LED发光强度的方法。在一些实施方式中，至少一个半透明的烧结的陶瓷板安置在发光元件上，如蓝色LED或UV LED上，以提供来自LED的白光发射。半透明的烧结的陶瓷板包括至少一种磷光体材料并可具有处于峰值透射波长处的至少约40％的透射率。在一些实施方式中，烧结的陶瓷板的透射率可以为至少约60％，优选地为至少约80％且更优选地至少约90％。可通过使用平均颗粒尺寸小于约1000nm、优选地不大于约500nm、更优选地不大于约200nm的纳米级未加工的陶瓷粉末来制备至少一种烧结的陶瓷板。在一些实施方式中，烧结的陶瓷板包括多相材料，其中多相材料包括如上所述的发射相和第二相。

在一些实施方式中，烧结的陶瓷板可包括以不同峰值波长透射光的两种或更多种磷光体材料。在一些实施方式中，这两种或更多种磷光体材料包括发射红色光的磷光体和发射黄色光的磷光体。

在其它实施方式中，至少一种烧结的陶瓷板可包括两个或更多叠置的烧结的陶瓷板，并且叠置的烧结的陶瓷板中的每一个以不同的峰值波长透射光。发射的白色光可具有为(0.33±0.15，0.33±0.15)的CIE色度值。在一个实施方式中，发光元件是发射蓝色光的LED，烧结的陶瓷板中的至少一个发射黄色光。在上面已对烧结的陶瓷板的成分进行了描述。

现在对代表性实施方式进行描述，其中包括如何实现这种实施方式。可以理解，方法、材料、条件、过程参数、设备和类似物并不必然限制本发明的范围。

实施例1

通过使用感应耦合RF热等离子高温分解制备未加工颗粒

在250ml的去离子水中溶解0.14923mol(14.29g)硝酸钇六水合物(99.9％纯度，Sigma-Aldrich)、0.25mol(23.45g)硝酸铝九水合物(99.97％纯度，Sigma-Aldrich)和0.015mol(0.081g)硝酸铈六水合物(99.99％纯度，Sigma-Aldrich)，然后进行30分钟超声波处理以制备透明的前体溶液。使用液体泵通过雾化探针将0.4M的这种前体溶液输送到等离子反应腔室中。

通过运行于3.3MHz的RF感应等离子炬(TEKNA Plasma System，IncPL-35)进行全部的沉积试验。对于沉积试验而言，使腔室压力维持在约25kPa-35kPa，RF发生器板功率处于10-12kW范围内。板功率和沉积压力都是受用户控制的参数。将氩气作为漩涡状的鞘流气(swirling sheathgas)和中央等离子气体经由进气口引入等离子炬中。使鞘流气流速维持在30slm(每分钟标准升)，而中央气体流速为10slm。

使用径向雾化探针(TEKNA Plasma System，Inc SDR-772)进行反应物注射。在反应物注射过程中将探针安置于等离子炬的中心处。在沉积过程中将反应物以10ml/min的速率给送至等离子炬中。在氩气作为雾化气体以15slm的流速输送的条件下进行液体反应物的雾化。按照制造商的推荐，使供应至雾化探针的冷却水维持在4slm的流速和1.2MPa的压力。

使用通过Bruker AXS微衍射仪(CuKα)获得的X射线衍射(XRD)光谱对沉积的颗粒的晶相进行研究。将获得的样本的晶相认为是非晶质和钇铝钙钛矿(YAP)的混合物。基于从Micrometritics的Gemini 2365型气体吸附计获取的数据，由BET表面积获得平均颗粒直径(D_avg)。所获得的样本的D_avg为75nm。

由YAG:Ce磷光体材料制成的烧结的陶瓷板的制备

使用YAG:Ce磷光体纳米粉末制成烧结的陶瓷板。通过研钵及研杵良好地混合通过上述方法制备的4g纳米粉末、0.21g聚(乙烯缩丁醛-共-乙烯醇-共-乙酸乙烯酯)(poly(vinyl butyral-co-vinyl alcohole-co-vinylacetate)，平均Mw 90,000-120,000粉末，Sigma-Aldrich)、0.012克火成二氧化硅粉末(CAB-O-

HS-5，Cabot Corporation)和10ml甲醇，直到混合泥浆溶液变得非常调匀。通过吹入热空气形成干燥器并使研杵保持移动，将甲醇完全去除，然后获得干的粉末。通过将装载量改变为45.0、47.5、50.0和52.5mg，将所获得的干粉末分布到直径为3mm的模具组中(产品号：0012-6646，3mm KBr Die Set，International CrystalLaboratories，Inc)，然后通过使用液力压力机施加4000psi的压力。然后，在大气环境下通过使用箱式电炉将所获得的板在1500℃下烧结5小时(加热速率为5℃/min)。通过使用该方法制备具有黄色的由YAG:Ce磷光体制成的4个烧结的陶瓷板样本。通过XRD将全部陶瓷板样本的晶相确定为钇铝石榴石。通过使用传统的测微计测量陶瓷板的厚度，厚度汇总在表1中。

光学测量

在2.9V、DC 10mA的操作条件下将这4个陶瓷板样本逐个安装在蓝色LED末端。对于每个步骤而言，通过使用光电探测器以及积分球((MCPD 7000，Otsuka Electronics，Inc)获取白色光光谱。为了消除陶瓷板与LED末端之间的空气间隙，将石蜡油填充在间隙中。在这些测量过程中采用相同的LED末端和操作条件。由这些发射光谱计算CIE色度(x，y)，计算的CIE色度汇总在表1中并绘制在图15中。图15中还绘制了蓝色LED的(x，y)值。随着陶瓷板的厚度增加，发射的光的颜色从浅蓝色变为浅黄色。其中，样本1-3即将发射白色光，图16中给出了发射光谱。

此外，还通过使用如图4中所示的测量系统(MCPD 7000，OtsukaElectronics，Inc，配备有Xe灯、单色仪和积分球)对样本1-3的总光透射率数据进行测量。还通过使用相同的光电探测器获取样本1-3的由来自单色仪的蓝色光(峰值波长为460nm)激发的光致发光光谱。图17示出了陶瓷板(样本1-3)的总光透射率光谱和光致发光光谱。在图17中，YAG:Ce陶瓷板的峰值波长为约530nm，530nm处的总光透射率为约43％。

表1

样本号	样本1-1	样本1-2	样本1-3	样本1-4
					粉末装载	45.0mg	47.5mg	50.0mg	52.5mg
陶瓷板的厚度	122μm	143μm	162μm	188μm
					CIE色度	(0.281，0.375)	(0.303，0.414)	(0.325，0.449)	(0.339，0.483)

实施例2

通过使用退火的纳米粉末而非来自RF等离子体的合成初始态下的(as-synthesized)纳米粉末制成烧结的陶瓷板样本。在1atm下使用管状石英炉(MTI Corporation GSL-1600X)，在H₂/N₂＝3％/97％环境下将通过之前提到的RF等离子体法制备的纳米粉末在1200℃下退火2个小时。温度升高速率为10℃/min。在退火之后，获得浅黄色粉末并通过XRD确定钇铝石榴石晶相。从BET测量获得的退火后的平均直径为129nm。

依循与在实施例1中描述的相同的制备烧结的陶瓷板的过程。散布到直径为3mm的模具组中的干粉末的装载量为45.0、47.5、50.0、52.5、55.0和57.5mg。通过XRD将全部陶瓷板样本的晶相确定为钇铝石榴石。陶瓷板的厚度汇总在表2中。

以与在实施例1中所述相同的方式获得来自LED的发射光谱、CIE色度值、和总光透射率。其中，样本2-4即将发射白色光。YAG:Ce陶瓷板的峰值波长为约530nm，与实施例1中的样本1-3相同。530纳米处的总光透射率为约61.5％。

表2

比较例1

制备微米级YAG:Ce粉末/硅树脂复合层以进行比较。将0.4g微米级YAG:Ce磷光粉(P46-Y3，D_avg 6.6μm，Kasei Optonix，LTD.)和0.6g硅树脂混合在一起。将混合物铸造在0.55mm厚的玻璃滑动件上，然后使用热板将硅树脂在150℃下固化1小时以获得微米级YAG:Ce粉末/硅树脂复合层。位于玻璃滑动件上的复合层的厚度为约1mm。在与实施例1中所述相同的操作条件下将具有复合层的玻璃滑动件安装在相同的LED末端上，使得复合层侧面面向LED末端。在复合层与LED末端之间的空气间隙中填充石蜡油。起初，从LED样本发射的光的颜色为浅黄色，因为复合层太厚而无法产生白色光。通过使用砂纸将复合层的厚度锉薄并对厚度进行调整直到发射的光的颜色变为白色。最后，当复合层的厚度为148μm时，获得具有CIE色度(x，y)＝(0.322，0.378)的白色发射。

YAG:Ce/硅树脂的峰值波长为约550nm，其相比实施例1中的样本略微红移。550nm处的总光透射率为约38.4％。

比较例2

通过使用微米级YAG:Ce荧光粉制作烧结的陶瓷板。由于颗粒尺寸过大，可能无法制备使用模具组的厚度为约100至200μm的稳定的平板。在与实施例1中所使用的相同条件下对破断的板的一部分进行烧结。所获得的破断的陶瓷板呈现黄色，但是其看起来像黄色纸一样非常扩散。陶瓷板的厚度为大致150μm，在550nm处的总光透射率为23％。也将陶瓷板安装在蓝色LED上，获得发射光谱。然而，由于陶瓷板的强烈散射性质，发射颜色几乎为(x，y)值是(0.383，0.578)的黄色。即使当陶瓷板的厚度调整为小于100μm，也无法获得白色光。

比较例3

除了在1200℃而非1500℃进行烧结之外，制成与实施例1中相同的样本。尽管成功地制备了平板，但是该板还是相当不透明。与比较例2相似，即使当陶瓷层的厚度小于100μm，也无法实现白色。厚度为约95μm的陶瓷板在530nm处的总光透射率为约27％，所获得的(x，y)值为(0.369，0.545)。

实施例和比较例的总结

图18示出了当将样本1-3、样本2-4、和比较例1安装在蓝色LED上时来自LED样本的白色发射的CIE颜色图。表3中汇总了焦点特征。图19中显示了相同操作条件下的LED样本的白色发射光谱。

如图19中所示，来自具有纳米粉末制成的陶瓷板的LED的白色光输出比传统微米级荧光粉/树脂复合系统强的多。

相比于样本1-3与比较例1之间的白色光输出，总光透射率并没有很大不同，但是在光输出方面却可以看出显著差异。这可能归因于较高的结晶度。此外，总光透射率比样本1-3大的样本2-4可能因降低的后向散射损耗而表现出进一步改善的光输出。

表3

实施例3

通过使用实施例1中所述的RF等离子体法制成多相烧结的陶瓷板：样本1-3。通过在250ml的去离子水中溶解0.14923mol(14.29g)硝酸钇六水合物(99.9％纯度，Sigma-Aldrich)、0.25625mol(24.03g)硝酸铝九水合物(99.97％纯度，Sigma-Aldrich)、和0.015mol(0.081g)硝酸铈六水合物(99.99％纯度，Sigma-Aldrich)，然后进行30分钟超声波处理，以制备前体溶液。使用该前体溶液制备的纳米粉末具有附加的材料Al₂O₃以形成第二相。在H₂/N₂＝3％/97％环境下在1200℃下将纳米粉末退火2个小时。温度上升速率为5℃/min。在退火之后，获得浅黄色粉末，通过XRD确定钇铝石榴石晶相。根据富铝组合物中第二相材料的量探测到Al₂O₃相的较小XRD峰值。

依循与实施例1中所述相同的用于制备烧结的陶瓷板的过程。通过改变表4中所汇总的Y/Al比率来制备具有不同Al₂O₃量的附加样本。分散到直径为3mm的模具组中的干粉末的装载量为100.0mg。在真空条件下并在不同温度(1600℃和1700℃)下对受压的陶瓷压紧样本进行烧结。在表4中还汇总了陶瓷板的厚度和总光透射率。

以10,000kv加速电压、5000X放大倍率、10.5mm的工作距离、使用选定模式为A+B的BSED探测器以及9.07e-5Pa的真空压力，使用FEI Company Scanning Electron Microscope(Hillsboro，Ore，USA)的Inspect F型号上的扫描电子显微镜(SEM)。将用于SEM观测的样本表面仔细地抛光。通过SEM观测到具有不同对比度的结晶晶粒结构，通过使用元素分析将较亮对比度的结晶晶粒确定为YAG晶相，而将较暗对比度的确定为氧化铝相。通过使用图像处理技术，对氧化铝相在YAG相中所占的百分比进行数字计算，在表4中汇总了该百分比。图20中示出了样本3-3的SEM图像。计算的氧化铝第二相为约3％。

表4

结果表明，相比较高水平的Al₂O₃(如比较样本3-1和3-2中)，较低水平的Al₂O₃提供了较高水平的透射率。

Claims

1.一种发光装置，其包括：

发光元件，其发射第一峰值波长为440nm至470nm的光；以及

位于所述发光元件上方的至少一个烧结的陶瓷板，其中，所述至少一个烧结的陶瓷板包括多相材料，所述多相材料包括85％至99.99％体积比的发射相以及15％至0.01％体积比的第二相；

其中，所述至少一个烧结的陶瓷板能够吸收从所述发光元件发射的光的至少一部分并发射第二峰值波长的光，并且所述至少一个烧结的陶瓷板在所述第二峰值波长处具有大于40％的总光透射率。

2.如权利要求1所述的发光装置，其中，所述多相材料包括95％至99.5％体积比的发射相以及5％至0.5％体积比的第二相。

3.如权利要求1所述的发光装置，其中，所述多相材料包括98％至99.5％体积比的发射相以及2％至0.05％体积比的第二相。

4.如权利要求1所述的发光装置，其中，通过使用平均颗粒尺寸小于1000nm的纳米级未加工的陶瓷粉末来制备所述至少一个烧结的陶瓷板。

5.如权利要求1所述的发光装置，其中，所述至少一个烧结的陶瓷板还包括0.05％至5％重量比的烧结助剂。

6.如权利要求5所述的发光装置，其中，所述烧结助剂选自MgO、SiO₂和原硅酸四乙酯。

7.如权利要求1所述的发光装置，其中，所述发射相包括磷光体材料。

8.如权利要求7所述的发光装置，其中，所述磷光体材料包括由分子式A₃B₅O₁₂表示的石榴石，其中A和B是三价金属，其中A选自Y、Gd、La和Tb，B选自Al、Ga和In。

9.如权利要求8所述的发光装置，其中，所述石榴石掺杂有至少一种稀土金属。

10.如权利要求9所述的发光装置，其中，所述稀土金属选自Ce、Gd、La、Tb、Pr和Eu。

11.如权利要求7所述的发光装置，其中，所述磷光体材料包括Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺。

12.如权利要求1所述的发光装置，其中，所述第二相包括Y₂O₃、Al₂O₃、YAP和YAM中的一个或多个。

13.如权利要求1所述的发光装置，其中，所述第二相是Al₂O₃或Y₂O₃。

14.一种用于提高发光装置的发光强度的方法，包括：

提供发光元件；以及

将包括多相材料的至少一个烧结的陶瓷板安置在所述发光元件上方，所述多相材料包括85％至99.99％体积比的发射相以及15％至0.01％体积比的第二相，其中，所述至少一个烧结的陶瓷板在峰值透射波长处具有至少40％的透射率，由此从所述发光装置发射白色光。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述多相材料包括95％至99.5％体积比的发射相以及5％至0.5％体积比的第二相。

16.如权利要求14所述的方法，其中，所述多相材料包括98％至99.5％体积比的发射相以及2％至0.5％体积比的第二相。

17.如权利要求14所述的方法，其中，通过使用平均颗粒尺寸小于1000nm的纳米级未加工的陶瓷粉末来制备所述至少一个烧结的陶瓷板。

18.如权利要求14所述的方法，其中，所述至少一个烧结的陶瓷板还包括0.05％至5％重量比的烧结助剂。

19.如权利要求18所述的方法，其中，所述烧结助剂选自MgO、SiO₂和原硅酸四乙酯。

20.如权利要求14所述的方法，其中，所述发射相包括磷光体材料。

21.如权利要求20所述的方法，其中，所述磷光体材料包括由分子式A₃B₅O₁₂表示的石榴石，其中A和B是三价金属，其中A选自Y、Gd、La和Tb，B选自Al、Ga和In。

22.如权利要求21所述的方法，其中，所述石榴石掺杂有至少一种稀土金属。

23.如权利要求22所述的方法，其中，所述稀土金属选自Ce、Gd、La、Tb、Pr和Eu。

24.如权利要求20所述的方法，其中，所述磷光体材料包括Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺。

25.如权利要求14所述的方法，其中，所述第二相包括Y₂O₃、Al₂O₃、YAP和YAM中的一个或多个。

26.如权利要求14所述的方法，其中，所述第二相是Al₂O₃或Y₂O₃。