CN102044601B - 白光发光装置、其制造方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种白光发光装置、其制造方法及应用。该白光发光装置包含：一紫外光发光二极管芯片、一第一萤光粉、以及一第二萤光粉，其中该紫外光发光二极管芯片用于产生一第一辐射；该第一萤光粉是由Zn(C3N2H4)2粉末所构成，并通过该第一辐射所激发，以将部份该第一辐射转换成一第二辐射；且该第二萤光粉是通过该第一辐射及/或该第二辐射激发产生一第三辐射，该第三辐射并与该第一辐射及/或该第二辐射混合形成白光。本发明的白光发光装置能有效提光白色光源，且由于仅使用两种萤光粉，不仅成本较低廉，且在调配萤光粉比例以得到白光的技术上将更为容易。
Description
技术领域
本发明是关于一种发光装置及其制造方法；特定地说，本发明尤其关于一种白光发光装置及其制造方法。
背景技术
白光是一种多颜色的混合光，可被人眼感受为白光的光线至少包括两种以上波长的混合光。例如当人眼同时受红、蓝、及绿光的刺激时，或同时受蓝光及黄光的刺激时，均可感受为白光，故可依此原理制作能发出白光的LED。
近几年来，白光LED是最被看好且最受全球瞩目的新兴产品之一。相较于传统白炽灯泡而言，它具有体积小、无热幅射、耗电量低、寿命长及反应速度佳等优点，能解决非常多过去白炽灯泡所难以克服的问题。
有鉴于此，欧美及日本等先进国家基于节约能源与环境保护的共识，皆选择白光LED作为二十一世纪照明的新光源。若台湾四分之一的白炽灯泡及所有的日光灯皆以白光LED取代，则每年将可省下约110亿度的电力，此相当于一座核能电厂每年的发电量。由此可见，发展白光LED所得到的效益是多么地惊人。因此目前欧美和日本等先进国家都投注了非常多的人力推动研发。预计在未来十年内，白光LED将可普遍地替代传统照明器具。
最早白光LED的制作技术为日亚公司所研发，属于二波长混合光。其是在主要发光波长为460纳米的蓝光LED上涂一层钇铝石榴石萤光粉，利用蓝光LED激发乙铝石榴石萤光粉，以产生与蓝光互补的主要波长为555纳米的黄光，再利用透镜原理，将互补的黄光和蓝光予以混合，得到所需的白光。
由于日亚公司掌握上述方法的制作技术专利，因此现今业者大多投入在三波长光的开发。三波长光即是以无机紫外光芯片所发出的紫外光激发蓝光、绿光与红光三基色萤光粉，若发出的三基色光的成分适量，其混合光便是白光。惟，欲同时使多种萤光粉发出萤光，先决条件之一是所选用的激发光源必须恰可被该些萤光粉所吸收，且各萤光粉体对此激发光的吸收系数不能相差太多，连同光子转换的量子效率也应尽可能接近，因此适用的萤光材料种类显然将受到大幅限制。除选材困难的问题之外，根据混色原理，使用三种(或以上)萤光粉，其混色方程式为二次以上的非线性方程式，换言之，其颜色变化率为二维以上，因此欲调配三原色萤光粉比例以得到白光，在技术上将更加困难。
鉴于此，本案发明人经不断研究后，提供一种白色发光装置及其制造方法，仅需使用两种萤光粉即能提供所欲的白光。
发明内容
本发明的目的在于提供提供一种白色发光装置及其制造方法，仅需使用两种萤光粉即能提供所欲的白光。
根据本发明一方面提供一种白光发光装置，包含：
一紫外光发光二极管芯片，用于产生一第一辐射；
一第一萤光粉，是由Zn(C3N2H4)2粉末所构成，并通过该第一辐射所激发，以将部份该第一辐射转换成一具有较长波长的第二辐射；以及
一第二萤光粉，通过该第一辐射及/或该第二辐射激发产生一第三辐射，该第三幅射并与该第一辐射及/或该第二辐射混合形成白光。
根据本发明另一方面提供一种制造上述白光发光装置的方法，包含：
提供一紫外光发光二极管芯片，用以产生一第一辐射；
提供一第一萤光粉及一第二萤光粉；以及
混合该第一萤光粉及该第二萤光粉；
其中，该第一萤光粉是由Zn(C3N2H4)2粉末所构成，通过该第一辐射激发以产生一第二辐射，且该第二萤光粉是通过该第一辐射及/或该第二辐射激发产生一第三辐射，该第三辐射并与该第一辐射及/或该第二辐射混合形成白光。
本发明的有益技术效果是：本发明的白光发光装置能有效提光白色光源，且由于仅使用两种萤光粉，不仅成本较低廉，且在调配萤光粉比例以得到白光的技术上将更为容易。
附图说明
为让本发明的上述目的、技术特征及优点能更明显易懂，下面将配合附图对本发明的具体实施态样进行详细说明，其中：
图1所示是本发明发光装置的一实施态样；
图2A所示是将(SrBaEu)2SiO4粉末以紫外光激发后所得的发光光谱；
图2B所示是将本发明有机金属错合物Zn(C3N2H4)2粉末以紫外光激发后所得的发光光谱；以及
图3是一色度坐标图。
具体实施方式
以下将具体地描述根据本发明的部分具体实施态样，并配合附图进行详细说明；但在不背离本发明的精神下，本发明尚可以多种不同形式的态样来实践，不应将本发明保护范围解释为限于说明书所陈述者。此外，为明确起见，附图中可能夸示各元件及区域的尺寸，而未按照实际比例绘示。
本发明的白光发光装置包含：一紫外光发光二极管芯片，用于产生一第一辐射；一第一萤光粉，是由Zn(C3N2H4)2粉末所构成，并通过该第一辐射所激发，以将部份该第一辐射转换成一具有较长波长的第二辐射；以及一第二萤光粉，通过该第一辐射及/或该第二辐射激发产生一第三辐射，该第三幅射并与该第一辐射及/或该第二辐射混合形成白光。
紫外光发光二极管芯片所提供的第一辐射，可为任何可激发第一萤光粉以产生第二辐射的紫外光，如波长约350纳米至约430纳米的紫外光。
第一辐射激发第一萤光粉所产生的第二辐射，为波长约300纳米至600纳米的蓝光。于本发明的部分实施态样中，该第二辐射的主要波长为约440纳米。
第三幅射可为任何可与第一辐射及/或第二幅射混合而获得所欲白光的黄光；于本发明部分实施态样中，是以第二辐射激发第二萤光粉而产生第三辐射，其波长约500纳米至700纳米，且主要波长为约570纳米。
此外，于本发明发光装置的部分实施态样中，所提供白光的色温值(CorrelatedColor Temperature)是约6000K至7500K。
适用于本发明的第二萤光粉，可为任何可受第一辐射或第二辐射激发而产生可与第一辐射或第二辐射混合形成白光的萤光粉。一般而言，第二萤光粉包含：(i)一或多种选自Be、Mg、Ca、Sr及Ba的元素；(ii)一或多种选自C、Si、Ge、Sn、Ti、Zr及Hf的元素；以及(iii)一选自稀土族元素(如铕(Eu))、用以提高发光效能的活化体。举例说，但不以此为限，第二萤光粉可为以一般式MSiO4:R或MSi(OCl)4:R表示者，其中M为一或多种选自Ca、Sr、Ba的II族元素，R为铕离子，例如为(SrBa)2SiO4:Eu2+或(SrBa)2Si(OCl)4:Eu2+。于本发明的部分实施态样中，是使用(SrBa)2SiO4:Eu2+。
可视需要调整第一萤光粉与第二萤光粉的混合重量比，以获得所欲的白光。一般而言，第一萤光粉与第二萤光粉的混合重量比为约1∶2至约1∶6。于本发明的部分实施态样中，第一萤光粉与第二萤光粉的混合重量比为约1∶4，且所得的萤光粉混合物与硅胶是以例如约0.25∶1的重量比掺混，以所得的掺混物来提供萤光粉层103。
以下将以图1来进一步说明本发明的白光发光装置。
参考图1，白光发光装置1包含一支架10、一紫外光发光二极管芯片101、一萤光粉层103及一封装层16，萤光粉层103是通过将第一萤光粉及第二萤光粉以适当比例混合，并与封装树脂材料掺混所得的混合物所形成。在支架10内形成有一容置空间S，紫外光发光二极管芯片101设置在容置空间S内，且萤光粉层103充填于容置空间S并覆盖紫外光发光二极管芯片101，萤光粉层103并不限定于如图中所绘示，萤光粉层103可以是共形地(conformal)形成在紫外光发光二极管芯片101上。此外，紫外光发光二极管芯片101具有一第一电极12及一第二电极14与支架10电性相连，以提供紫外光发光二极管芯片101所需的电力。封装层16包覆萤光粉层103及部分支架10，封装层16的材料可例如为环氧树脂。
本发明另关于一种制造上述白光发光装置的方法，该方法包含：提供一紫外光发光二极管芯片，用以产生一第一辐射；提供一第一萤光粉，其是有机金属错合物Zn(C3N2H4)2粉末；提供一第一萤光粉及一第二萤光粉；以及混合该第一萤光粉及该第二萤光粉。该第一萤光粉通过该第一辐射激发以产生一第二辐射，且该第二萤光粉通过该第一辐射及/或该第二辐射激发产生一第三辐射，该第三辐射并与该第一辐射及/或该第二辐射混合形成白光。其中，该第一萤光粉、第二萤光粉及紫外光发光二极管芯片的特性及选用条件均如上所述。
可使用任何合宜的工艺以制造本发明的第一萤光粉，例如：水热法、固体-气态烧结法、溶胶-凝胶法、直接反应法及有机金属热分解法等。于一实施态样中，是以水热法制造该第一萤光粉。所谓的水热法，就是利用水为介质，外加适当的温度，在一密闭的反应器内产生压力以进行反应。其中，是先将反应物与水置于一密闭反应器内，于将反应器旋紧、密闭之后，将其置入加热炉中加热以进行反应，所采用的温度一般为约130℃至约250℃。水热法的一优点为，不需高温烧结即可直接获得结晶粉末，省去研磨及由此所致的杂质。所制得粉末的颗粒大小通常为数微米至数十纳米，且一般具有结晶佳、团聚少、纯度高、粒度分布窄、以及多数情况下形貌可控制等优点。
同样地，亦可使用如上所述的合宜的现有技术以制造用于本发明的第二萤光粉。以采用固态烧结法制备硅酸盐型萤光粉为例，是先将碳酸盐类(如BaCO3、SrCO3)与二氧化硅及视需要的金属氯化物(如EuCl2，用于提供活化体)混合后，进行一高温烧结步骤，即将所得的混合物置于一坩锅中并加温至一温度以使得碳酸盐类溶解，随后通入还原性气体并升温至一更高温度后，将反应所得的产物连同坩锅置入一溶液(如醋酸溶液)中，干燥后即得所欲的萤光粉末。
可以任何合宜的方法制造本发明的白光发光装置。举例言的，再次参见图1，可先将紫外光发光二极管芯片101固定于支架10的容置空间S，之后，将含有第一萤光粉与第二萤光粉的混合物填入容置空间S内作为萤光粉层103，其中紫外光发光二极管芯片101是通过第一电极12及第二电极14与支架10电性相连。随后再以任何合宜的封装技术及包装材料(如环氧树脂)形成封装层16，即制得如图1所示的白光发光二极管1。详细操作如后附实施例所描述。
现以下列具体实施态样进一步例示说明本发明。
实施例
萤光粉制备
第一萤光粉的制备：将约0.6克咪唑(Imidazole，IMZ)化合物、约1.151g克含水硝酸锌(Zn(NO3)2.4H2O)、及80毫升二甲基甲酰胺(DMF)置于一密闭反应器中，进行水热法以制造第一萤光粉，其中是以约5℃/分钟的升温速率将温度升高至约130℃，保持实质上恒温约24小时后，自然降至室温；随后进行一干燥程序，初步移除溶剂以生成有机金属错合物Zn(C3N2H4)2晶体后，再将所得的晶体置于真空状态下的85℃烘箱中干燥24小时，制得有机金属错合物Zn(C3N2H4)2粉末。
发射光谱测量
以主要波长为约350至约430纳米的紫外光发光二极管芯片作为激发光源，分别激发(SrBa)2SiO4:Eu2+粉末及有机金属错合物Zn(C3N2H4)2粉末，所获得的发射光谱分别如图2A及图2B所示，由图可知，通过紫外光发光二极管芯片激发的第一萤光粉能产生蓝色萤光，通过紫外光发光二极管芯片激发的第二萤光粉能产生黄色萤光。将上述发射光谱的数据以1931年由国际照明委员会(InternationalCommission on Illumination)所制定的色度坐标图的公式换算成萤光粉所代表的色度坐标，如图3所示，其中30是代表紫外光发光二极管芯片的色度坐标，32是代表第一萤光粉的色度坐标，34是代表第二萤光粉的色度坐标。
发光装置的制备
于图1所示的白光发光装置1中使用使用主要波长为约350至约430纳米的紫外光发光二极管芯片101，且所使用的萤光粉层103是将有机金属错合物Zn(C3N2H4)2粉末及(SrBaEu)2SiO4粉末以约1∶4的重量比混合后，再将所得的混合物与硅胶以重量比约的比例混合而成，并使用环氧树脂作为封装层16的材料。
将支架10与电路板相连，进行通电测试并记录所获得的白光的色温值及色度坐标于表1，并于图3标示其坐标位置36。
表1
由表1及图3的色度坐标36可知，本发明的白光发光装置确能提供白色光源。
综上所述，本发明的白光发光装置能有效提光白色光源，且由于仅使用两种萤光粉，不仅成本较低廉，且在调配萤光粉比例以得到白光的技术上将更为容易。
上述实施例仅为例示性说明本发明的原理及其功效，并阐述本发明的技术特征，而非用于限制本发明的保护范畴。任何熟悉本技术者在不违背本发明的技术原理及精神下，可轻易完成的改变或安排，均属本发明所主张的范围。因此，本发明的权利保护范围是如后附的本申请权利要求书所列。
Claims (19)
1.一种白光发光装置，包含：
一紫外光发光二极管芯片，用于产生一第一辐射；以及
仅二种萤光粉，包括：
一第一萤光粉，通过该第一辐射所激发，以将部份该第一辐射转换成一第二辐射，其中该第一萤光粉是由Zn(C3N2H4)2粉末所构成；以及
一第二萤光粉，通过该第一辐射及/或该第二辐射激发产生一第三辐射，该第三辐射并与该第一辐射及/或该第二辐射混合形成白光，其中该第二萤光粉包含一或多种选自Be、Mg、Ca、Sr及Ba的元素；一或多种选自C、Si、Ge、Sn、Ti、Zr及Hf的元素；以及一选自稀土族元素的活化体。
2.根据权利要求1的白光发光装置，其特征在于，该活化体为铕离子。
3.根据权利要求1的白光发光装置，其特征在于，该第二萤光粉是以一般式MSiO4:R或MSi(OCl)4:R表示，其中M为一或多种选自Ca、Sr、Ba的II族元素，R为铕离子。
4.根据权利要求3的白光发光装置，其特征在于，该第二萤光粉为(SrBa)2SiO4:Eu2+或(SrBa)2Si(OCl)4:Eu2+。
5.根据权利要求1的白光发光装置，其特征在于，该第一萤光粉与该第二萤光粉的重量比是1∶2至1∶6。
6.根据权利要求5的白光发光装置，其特征在于，该第一萤光粉与该第二萤光粉的重量比是1∶4。
7.根据权利要求1的白光发光装置，其特征在于，所提供白光的色温值是6000K至7500K。
8.根据权利要求1的白光发光装置，其特征在于，该第一辐射的波长是350纳米至430纳米，且该第二幅射的波长是300纳米至600纳米。
9.根据权利要求8的白光发光装置，其特征在于，该第一辐射的波长是350纳米至430纳米处，且该第二幅射的波长是440纳米。
10.根据权利要求8的白光发光装置，其特征在于，该第二萤光粉是以该第二辐射激发，且该第三幅射的波长是500纳米至700纳米。
11.根据权利要求1的白光发光装置，其特征在于，还包含一支架，在该支架内形成有一容置空间，该紫外光发光二极管芯片是设置于该容置空间内。
12.根据权利要求11的白光发光装置，其特征在于，该第一萤光粉及一第二萤光粉是充填于该容置空间内并包覆该紫外光发光二极管芯片。
13.根据权利要求12的白光发光装置，其特征在于，该第二萤光粉是以一般式MSiO4:R或MSi(OCl)4:R表示，其中M为选自Ca、Sr、Ba的II族元素，R为铕离子。
14.根据权利要求11的白光发光装置，其特征在于，该第一萤光粉与该第二萤光粉是共形地形成在该紫外光发光二极管芯片的一出光面上。
15.根据权利要求11的白光发光装置，其特征在于，该紫外光发光二极管芯片具有二电极，分别与该支架电性连接。
16.一种制作白光发光装置的方法，包含：
提供一紫外光发光二极管芯片，用以产生一第一辐射；
提供仅二种萤光粉，包括一第一萤光粉及一第二萤光粉；以及
混合该第一萤光粉及该第二萤光粉；
其中，该第一萤光粉是由Zn(C3N2H4)2粉末所构成，通过该第一辐射激发以产生一第二辐射，该第二萤光粉包含一或多种选自Be、Mg、Ca、Sr及Ba的元素；一或多种选自C、Si、Ge、Sn、Ti、Zr及Hf的元素；以及一选自稀土族元素的活化体，通过该第一辐射及/或该第二辐射激发产生一第三辐射，该第三辐射与该第一辐射及/或该第二辐射混合形成白光。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于，是以水热法制造Zn(C3N2H4)2粉末。
18.根据权利要求17的方法，其特征在于，该水热法是于一密闭反应器中，于130℃至250℃的温度下进行。
19.根据权利要求16的方法，其特征在于，该第二萤光粉是借助选自以下群组的方法所制得：化学合成法、固体-气态烧结法、溶胶-凝胶法、直接反应法及有机金属热分解法。
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