CN102106003B - 用于发光器件的光学元件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于发光器件的光学元件及其制备方法，其中该光学元件包括包含波长转换层(4)和散射层(5)的烧结陶瓷体(3)。更具体地，本发明涉及一种光学元件，其包括具有第一层(4)和布置在该第一层上的第二层(5)的烧结陶瓷体(3)，其中第一层包括波长转换材料，第二层的孔隙度高于第一层的孔隙度，并且第二层中的孔隙布置用于提供光束的散射。用于制备该光学元件的方法包括提供包括第一材料的第一层和第二材料的第二层的坯体；以及将所述各层共同烧结成烧结陶瓷体；调整第一层和第二层的成分，使得在烧结之后，第二层的孔隙度高于第一层的孔隙度，并且所述第二层中的孔隙布置用于提供光束的散射。

Description

用于发光器件的光学元件及其制备方法
技术领域
本发明涉及用于发光器件的光学元件及其制备方法，其中该光学元件包括包含波长转换层和散射层的烧结陶瓷体。
背景技术
发光器件包括至少一个发光二极管(LED)，该发光二极管通常与光学元件布置在一起。该光学元件通常包括波长转换层，该波长转换层包括对发出的光重定向的荧光剂和/或层。由此，可以通过各种方式来影响从LED发出的基色光。
上发射LED指的是这样的发光二极管：其具有光学元件，其中由LED生成的光在光学元件的上表面发出。对于上发射LED中的光学元件，期望诸如高透明度和最佳波长转换之类的属性。这优选地通过使用包括波长转换层的光学元件来完成，其中具有第一波长的光束由荧光剂变换成第二波长，继而透射通过该层。
侧发射LED指的是这样的发光二极管：其具有光学元件，其中由LED生成的光在光学元件的侧表面发出。对于侧发射LED中的光学元件，通常期望诸如高透明度和最佳波长转换之类的属性处于光学元件的下部，同时通常期望光学元件的上外部分的高反射率。这优选地通过使用包括第一波长转换层的光学元件来完成，其中光由荧光剂变换继而由第二层反射。
US 2007/0284600A1描述了包括波长转换层和反射体的侧发射LED。波长转换层可以是透明或半透明粘合剂中的烧结荧光剂颗粒或荧光剂颗粒，其可以是有机的或无机的。反射体可以是镜面反射体或漫反射体，其使得光以许多角度并且最终以小于临界角被反射。描述了镜面反射体可以由有机层或无机层形成，例如铝或其他反射性金属。此外，描述了漫反射体可以由沉积在粗糙化表面或漫反射材料(诸如合适的白漆)上的金属形成。
当光学元件包括波长转换层和散射层两者时，存在若干问题需要考虑。例如，期望获得良好的物理和光学接触；以及热稳定性以及避免化学退化。
波长转换层与散射层之间的良好物理接触是至关重要的，以便避免机械故障，诸如光学元件发生分层。当前，额外的粘合剂层被频繁使用以便取得光学元件中各层之间足够的粘合度。在使用过程中，光学元件受到温度变化，这可能导致由于在波长转换层和散射层中使用了具有不同热膨胀属性的材料而产生的热致应力。
波长转换层与散射层之间的良好光学接触是至关重要的，这是因为即便是两层之间非常细小的间隙也可能导致在侧面以不期望的角度发生光泄漏。这可能导致从正常光强度分布的不期望的偏离。
另外，波长转换层与散射层之间的化学相互作用可能导致光学元件的功能退化，诸如毁坏的发光或发射颜色的变化。
因此，在本领域中需要向发光器件提供包括波长转换层和散射层的光学元件及其制备方法，其中克服了这些缺点。
发明内容
本发明的一个目标是至少部分克服上文提到的现有技术中存在的问题并且满足本领域中的需求，从而向发光器件提供陶瓷光学元件及其制备方法。
本发明的另一目标是提供包括波长转换层和散射层的陶瓷光学元件，其中该光学元件适于在包括侧发射LED的发光器件的制备中使用。尤其是，期望不使用任何粘合剂的支持波长转换层与散射层之间高光学接触的紧密接触。
本发明的又一目标是提供包括烧结陶瓷体的光学元件的制备方法，其中提供了波长转换层与散射层之间的高物理接触，即，没有使用粘合剂。此外，本发明的目标是提供制备方法，其中光学元件的两个层在同一制备步骤中产生。此外，期望具有高耐久性的鲁棒材料结构、高制备性能以及生产光学元件的简易并且低成本的方法。
本发明的另一目标是提供如下发光器件，该发光器件具有至少一个包括新型光学元件的基本上侧发射的元件。
本发明的又一目标是提供用于提供发光器件的方法，该发光器件包括根据本发明的光学元件。这些目标和其他目标通过根据本发明的方法和产品来完成。
在第一方面中，本发明提供了如下侧发射光学元件，该侧发射光学元件包括具有第一层和布置在该第一层上的第二层的烧结陶瓷体，其中该第一层包括波长转换材料，其中第二层的孔隙度高于第一层的孔隙度，并且第二层中的孔隙被布置用于提供由光源生成的光束的散射，使得所述光束基本上在所述第一层的侧面发射。通过使用根据本发明的光学元件，通过在波长转换层和散射层两者中使用陶瓷材料提供了基本上侧发射的光学元件。根据本发明的光学元件具有若干优势。例如，在光学元件中只使用一个陶瓷体产生鲁棒的材料结构。另外，热不稳定性可以通过在两层中只使用陶瓷材料来显著减少或避免。此外，由于只使用了一个烧结陶瓷体，因此有可能取得两层之间的紧密接触，这会产生高效的光学耦合。另一有利之处是，本发明允许两个部件之间的完美物理接触而不需要使用任何粘合剂。
在本发明的实施方式中，光学元件的第二层的反射率可以＞90％。该高反射率会产生高侧发射能力。
在本发明的实施方式中，所述光学元件的第二层中孔隙的平均直径可以在从大约0.1μm到大约1μm的范围中。为了提供可见光的高效散射，该孔隙度优选在此区间内。
在本发明的实施方式中，光学元件的第一层的孔隙度优选可以低于大约10％。该低孔隙度使得第一层中几乎没有散射中心，这使得光高效透射通过第一层。
在本发明的实施方式中，光学元件的第一层的热膨胀系数和第二层的热膨胀系数可以相互匹配，即，各层中的热膨胀系数相互之间偏离不超过10％。通过使用具有相似热系数的材料，能够避免由受到热变化而导致的机械故障。由此，可以促进光学元件寿命的延长。
在本发明的实施方式中，光学元件的第一层的折射率与第二层的折射率可以相互匹配，即，各层中的折射率相互之间偏离不超过10％。通过在各层中使用具有相似折射率的陶瓷材料，光线基本上不会受到影响，从而可以避免不期望的效果。
在本发明的实施方式中，光学元件可以包括第一层和第二层，其中第一层包括第一材料并且第二层包括第二材料，其中第一材料和第二材料可以包括相同的主要成分。这里的主要成分指的是包括在坯体中的基本材料成分。如这里使用的，基本材料指的是浓度占5％以上的材料。通过使用相同的主要成分，化学相互作用和热不稳定性能够被减少或排除。另外，在各层中还能提供相似的折射率。
在本发明的实施方式中，第一层的助熔剂浓度可以高于第二层的助熔剂浓度。这里的助熔剂指的是该成分中的组分，该组分例如通过填充到孔隙中来增强烧结过程。助熔剂可以具有在比主要成分更低范围中的熔点。助熔剂的选择依赖于将要用于光学元件的陶瓷材料的主要成分，以及该主要成分的量。
在本发明的实施方式中，光学元件的第一层和第二层可以包括包含YAG结构的陶瓷材料。发现YAG是用于这种光学元件的合适材料，并且通过在光学元件中使用YAG结构的材料有可能取得良好的光学效果。这里的YAG结构的材料指的是钇铝石榴石结构，其中该结构中的晶格位置可以被取代并且/或者其中间隙位置可以被填充。
在本发明的其中光学元件包括YAG结构的材料的实施方式中，第一层可以包括浓度范围从大约200ppm到大约2000ppm的SiO2作为助熔剂，并且第二层可以包括浓度范围从大约0ppm到大约500ppm的SiO2。本发明人发现提供了几乎密实的第一层以及在第二层中获得了高效的散射。
在第二方面，本发明提供了包括至少一个LED和根据本发明的光学元件的侧发射发光器件，其中光学元件第一层面对LED布置用于接收至少部分由该LED发出的光。本发光器件具有良好的侧发射效果以及良好的热稳定性，这是因为两层中都使用了陶瓷材料。
在第三方面，本发明提供了用于制备侧发射光学元件的方法，包括提供包含第一波长转换材料的第一层和第二材料的第二层的坯体；以及将各层共同烧结至单个烧结陶瓷体；调整第一层和第二层的成分，使得在烧结之后，第二层的孔隙度高于第一层的孔隙度，并且第二层中的孔隙被布置用于提供由光源产生的光束的散射。
根据本发明的方法允许使用针对各层的共同烧结过程。该方法的优势在于多个方面。根据本方法，在同一制备步骤中产生两个层。另外，本方法促进了高制备性能，生产光学元件的简易和低成本的方法。此外，各层的共同烧结产生波长转换层与散射层之间的紧密接触，而不需要粘合剂。由于通过使用该方法可以获得非常好的粘合，因此提供了具有高耐久性的鲁棒光学元件。还提供了其他优势，例如，由于共同烧结的层提供了鲁棒的材料结构，因此该方法允许通常更易碎的第二层的改进的研磨能力。
在本方法的实施方式中，第一层可以包括如下材料成分，该材料成分在烧结期间具有比第二层更高的密实度。通过修改层的陶瓷成分，可以控制密实度水平。因此，密实结构可以在第一层中获得，同时孔隙层可以在第二层中获得。
在本方法的实施方式中，孔隙度可以通过在第一层中使用比第二层中更高量的助熔剂来控制。通过改变助熔剂的浓度，从而可以控制光学元件中的孔隙度和反射率。高浓度的助熔剂产生烧结到高密度的低温度。因此，优选在第一层(波长转换层)中使用高浓度的助熔剂，而第二层中的助熔剂浓度保持比在第一层中的低，以便提供散射。这会导致该密实化处理在第二层中效率较低，这产生出孔隙结构。
在本方法的实施方式中，第一层包括第一材料并且第二层包括第二材料，其中第一材料和第二材料包括相同的主要成分。因此，化学相互作用和热不稳定性可以被减少或排除。另外，在各层中提供了相似的折射率。
在第四方面，本发明提供了用于制备包括至少一个LED的侧发射发光器件的方法，包括：提供根据本产品权利要求的任意一项的、或通过本方法权利要求的任意一项可获得的光学元件；并且布置该光学元件来接收至少部分由发光二极管发出的光，并且使得第一层面对至少一个LED。通过在发光器件的制备中使用根据本发明的光学元件，提供了具有高耐用性的发光器件。
附图说明
参考所附示意图更加详细地描述本发明，通过示例的方式说明本发明当前优选的实施方式。
图1示出了安装在LED上的根据本发明的光学元件的示例。
具体实施方式
大体上，本发明涉及用于发光器件的光学元件及其制备方法，其中该光学元件包括由单个烧结陶瓷体形成的波长转换层和散射层。
图1中示出了关于本发明的一个实施方式的示意图，示出了包括发光二极管(LED)2和光学元件3的发光器件1，光学元件3包括具有第一层4和布置在该第一层4上的第二层5的烧结陶瓷体，其中第一层4包括波长转换材料，所述第二层5的孔隙度高于所述第一层4的孔隙度。发光器件1根据应用而不同地构造。发光器件1包括至少一个产生光束(诸如，可见光、紫外线辐射或红外线光)的LED 2。该LED 2可以根据常规已知的方法获得。如果需要，LED 2可以交换成任何其他光源。光学元件3包括烧结陶瓷体并且直接或间接面对LED 2布置。光学元件3包括第一层4和第二层5，该第一层4位于光学元件3的下部。
第一层4基本上是密实的陶瓷层，并且包括波长转换材料，诸如荧光剂。陶瓷材料可以包括能够被认为是陶瓷的任何材料。可以形成陶瓷波长转换层的荧光剂示例包括钇铝石榴石荧光剂，其具有通式(Lu1-x-y-a-bYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:CeaPrb，其中0＜x＜1、0＜y＜1、0＜z≤0.1、0＜a≤0.2以及0＜b≤0.1，诸如Lu3Al5O12:Ce3+和Y3Al5O12:Ce3+，其发出黄色-绿色范围中的光；以及(Sr1-x-yBaxCay)2-zSi5-aAlaN8-aOa:Euz 2+其中0≤a＜5、0＜x≤1、0≤y≤1以及0＜z≤1，诸如Sr2Si5N8:Eu2+，其发出红色范围中的光。合适的Y3Al5O12:Ce3+陶瓷板可以从Baikowski International Corporation of Charlotte，N.C购买。其他发绿色、黄色和红色光的荧光剂也可以是合适的，包括(Sr1-a-bCabBac)SixNyOz:Eua 2+(a＝0.002-0.2、b＝0.0-0.25、c＝0.0-0.25、x＝1.5-2.5、y＝1.5-2.5、z＝1.5-2.5)，包括例如SrSi2N2O2:Eu2+；(Sr1-u-v-xMguCavBax)(Ga2-y-zAlyInzS4):Eu2+，包括例如SrGa2S4:Eu2+；Sr1-xBaxSiO4:Eu2+；以及(Ca1-xSrx)S:Eu2+其中0＜x≤1，包括例如CaS:Eu2+和SrS:Eu2+。第一层的孔隙度优选低于大约10％，更优选地低于大约5％。
第二层5基本上是多孔陶瓷层，并且包括布置用于提供光束散射的孔隙。第二层可以设计用于反射任何特定波长区间，诸如可见光、紫外线辐射或红外线光。由此这里的术语孔隙度指的是在烧结之后出现在陶瓷材料中的大小从大约0.2μm至大约20μm的腔。
孔隙度优选平均分布在光学元件的整个第二层。孔隙的大小分布依赖于起始材料和烧结条件而变化。例如，在烧结期间，所得的孔隙度依赖于坯体使用的粉末的颗粒大小。同样已知在坯体压制期间的条件是重要的，以便避免大的不期望的孔隙。本领域技术人员知道如何优化压制条件，以便减少在坯体中出现这种偏差的风险。为了提供光束的高效散射，在烧结之后第二层中孔隙的大小应当在要散射的光束的对应波长的范围内。因此，为了可见光的散射，第二层中的平均孔隙直径优选为0.1-1μm。
应当注意，虽然相同的主要成分可以在两个层中使用，但是第一层中的不同基本材料的浓度可以有别于第二层。第一层的功能属性可以由例如掺杂到第一层的材料成分的掺杂剂的添加剂来提供。第二层的功能可以通过改变孔隙度来控制，例如通过改变助熔剂的浓度，这会导致两层的烧结速度彼此不同。
有利地，通过在第一层和第二层中使用相同的主要陶瓷成分，各层的热膨胀系数相互匹配。另外，第一层的折射率与第二层的折射率相互匹配。
现在返回图1，示出了本发明实施方式的示意图，示出了由LED
2生成的光束6。生成的光束6穿过光学元件的第一层，并且依赖于存在的不同波长转换材料而进行变换。光束6继而由第二层5反射，并且最终光束基本上在光学元件3的第一层4的侧表面7中的一个侧表面发出。
本发明还包括用于制备光学元件的方法，包括提供包括第一材料的第一层和第二材料的第二层的坯体；以及将各层共同烧结成烧结陶瓷体，其中调整第一层和第二层的成分，使得在烧结之后，第二层的孔隙度高于第一层的孔隙度。坯体可以通过压制粉末、热压制或任何其他常规已知的方法来获得。如这里使用的，术语“坯体”指的是没有经过烧结的压制体或压缩体。共同烧结会产生单个烧结体。烧结界面可以包括在各层的烧结过程期间形成的元素浓度梯度。共同烧结由已知技术在高温下执行，诸如包括压制和/或暴露在受控的气态氛围中。
两个层4和5的孔隙度可以通过在第一层中使用比在第二层中更高量的助熔剂来控制。通常，使用的助熔剂越多，在烧结期间密实化过程发生越快，这会产生缩小的孔隙大小以及减少的孔隙度。因此，可能获得几乎密实的第一层结构，而第二层可以包括大量的孔隙，这些孔隙可以用于光束的散射。
孔隙度还可以通过使用第一层4中的材料成分进行调整，该材料成分在烧结期间具有比第二层5更高的烧结速度。这可以通过改变两层中特定陶瓷主要成分或次要陶瓷成分的浓度来完成。因此，该方法可以包括：第一层和第二层的材料可以包括相同的主要或次要陶瓷成分，但是其中成分的浓度在该两个层中是不同的。
可选地，孔隙度可以通过改变与烧结之后获得的孔隙度相关的任何条件进行控制，诸如粉末的颗粒大小和/或使用两层的不同压制条件。
本发明的光学元件可以在包括至少一个LED的发光器件的制备中使用，其中该光学元件可以布置用于接收至少部分由发光器件发出的光，并且使得第一层面对至少一个LED。由此，可以提供包括基本上侧发射的LED的发光器件。
虽然本发明已经结合其特定实施方式进行了描述，但是应当理解本领域技术人员可以做出各种修改、变化和调整而不脱离所要求的范围。
例如，根据本发明的光学元件可以包括附加层，例如若干波长转换层。光学元件中的各个层可以是连续的或不连续的。另外，各层的厚度可以是不同的，只要能达到光学元件的目标。例如，光学元件的第二层的厚度可以是10-300nm，诸如80-150nm或120nm。在本发明的其他实施方式中，光学元件中的层不具有恒定的厚度。此外，其他附加层可以包括在光学元件中。
在本发明的实施方式中，该两个层中的至少一个层可以包括一种或多种添加剂，以便提供该一个或两个层的期望的材料属性或功能属性。相同或不同的添加剂可以在两个层中使用，并且浓度可以根据光学元件的应用而变化。
应当理解根据本发明的方法可以进行修改而不脱离本发明的范围。例如，坯体可以比如通过单独加热进行预处理，然后安装在一起，最后烧结。
本发明进一步由以下示例进行说明，其不应当解释为限制，而仅是作为本发明某些优选特征的说明。
示例1
根据本发明的光学元件的制备包括第一层(波长转换层)，以及具有散射属性的第二层，其中所述光学元件基于Y3Al5O12。
以下氧化物成分用于坯体：
Y2O3，比表面积15m2/g，可从Rodia获得；
Al2O3，比表面积8m2/g，可从Reynolds/Malakoff获得；
CeO2，比表面积4m2/g，可从Rodia获得；以及
Gd2O3(在红移波长转换层的情况下)，比表面积17m2/g。
另外，将用于烧结基于Y3Al5O12的陶瓷材料的适当助熔剂SiO2以200-2000ppm的浓度添加至第一层并且以0-500ppm的浓度添加至第二层。第一层掺杂有0.01-2％的Ce。
坯体通过一次性单轴向压制两个粉末层(图1中的层4和层5)，随后冷等静压制达到最大密实化，来进行制备。烧结继而在空气中以1650℃进行，使用125℃/hr的加热温度斜坡，在最高温度暴露4个小时，以及125℃/hr的下降温度斜坡。
由此两个层被反应地烧结，从而产生了包括两个层的Y3Al5O12型的一个陶瓷体。这是由于使用了上文的烧结参数，因此上文提到的第一粉末层中的SiO2浓度和第二粉末层中的SiO2浓度使得第一层变为几乎密实的，而第二层变为多孔的，其中第二层中的孔隙提供对于可见光的高效散射。

Claims (15)

1.一种侧发射光学元件(3)，包括具有第一层(4)和布置在所述第一层(4)上的第二层(5)的单个烧结陶瓷体，其中所述第一层和所述第二层被共同烧结至所述单个烧结陶瓷体，并且所述第一层(4)包括波长转换材料，所述第二层(5)的孔隙度高于所述第一层(4)的孔隙度，并且所述第二层(5)中的孔隙布置用于提供光束的散射，使得所述光束基本上在所述第一层(4)的侧面(7)发射。
2.根据权利要求1所述的侧发射光学元件(3)，其中所述第二层(5)的反射率＞90％。
3.根据权利要求1或2所述的侧发射光学元件(3)，其中所述第二层(5)中孔隙的平均直径在从0.1μm至1μm的范围内。
4.根据在前权利要求的任意一项所述的侧发射光学元件(3)，其中所述第一层(4)的孔隙度低于10％。
5.根据在前权利要求的任意一项所述的侧发射光学元件(3)，其中所述第一层(4)的热膨胀系数与所述第二层(5)的热膨胀系数相互匹配。
6.根据在前权利要求的任意一项所述的侧发射光学元件(3)，其中所述第一层(4)的折射率与所述第二层(5)的折射率相互匹配。
7.根据在前权利要求的任意一项所述的侧发射光学元件(3)，其中所述第一层(4)包括第一材料并且所述第二层(5)包括第二材料，其中所述第一材料和所述第二材料包括相同的主要成分。
8.根据在前权利要求的任意一项所述的侧发射光学元件(3)，其中所述第一层(4)的助熔剂浓度高于所述第二层(5)的助熔剂浓度。
9.根据在前权利要求的任意一项所述的侧发射光学元件(3)，其中所述第一层(4)和第二层(5)包括包含YAG结构的陶瓷材料。
10.根据权利要求9所述的侧发射光学元件(3)，其中所述第一层(4)包括浓度范围从200ppm-2000ppm的SiO2，并且第二层(5)包括浓度范围从0ppm-500ppm的SiO2。
11.一种包括至少一个发光二极管(2)和根据在前权利要求1-10的任意一项所述的侧发射光学元件(3)的侧发射发光器件(1)，其中所述光学元件的所述第一层(4)布置为面对所述发光二极管(2)以接收至少部分由所述发光二极管(2)发出的光。
12.一种用于制备根据权利要求1所述的侧发射光学元件(3)的方法，包括：
提供包括第一波长转换材料的第一层和第二材料的第二层的坯体；以及
将所述层共同烧结成单个烧结陶瓷体；
调节所述第一层和第二层的成分，使得在烧结之后，所述第二层(5)的孔隙度高于所述第一层(4)的孔隙度，并且所述第二层(5)中的孔隙布置用于提供光束的散射，使得所述光束基本上在所述第一层(4)的侧面(7)发射。
13.根据权利要求12所述的用于制备光学元件的方法，其中所述第一层(4)包括如下材料成分，所述材料成分在烧结期间具有比所述第二层(5)更高的烧结速率。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述孔隙度通过在所述第一层(4)中使用比所述第二层(5)中更高量的助熔剂进行控制。
15.一种用于制备包括至少一个发光二极管(2)的侧发射发光器件(1)的方法，包括：
提供根据权利要求1-10的任意一项所述的、或可以由权利要求12-14所述的方法得到的侧发射光学元件(3)；以及
布置所述光学元件(3)用于接收至少部分由所述发光二极管(2)发出的光，并且使得所述第一层(4)面对至少一个发光二极管。
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