CN102800794A

CN102800794A - 一种光学波长转换器件以及在白光发光器件的应用

Info

Publication number: CN102800794A
Application number: CN2012102940614A
Authority: CN
Inventors: 钱志强; 金正武
Original assignee: NANTONG MAIRUI PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: NANTONG MAIRUI PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-08-17
Filing date: 2012-08-17
Publication date: 2012-11-28

Abstract

一种光学波长转换器件以及在白光发光器件的应用，包含荧光体涂层的基板，包含荧光体的有机涂层制备在基板上，基板是透明的或半透明的；有机涂层包含一种或几种荧光体与有机溶剂及粘结剂的混合物。包括荧光体粉末与几种有机液体混合，调配成浆料，在透明的有机材质的基板或透明的玻璃基板上均匀涂覆，干燥涂覆浆料的基板，最终使得荧光体与基板粘接在一起形成一体化的含有荧光体的透明基板。将包含荧光体的透明基板安装到有蓝光发光原件的安装部上，就可以获得白光发光器件。

Description

一种光学波长转换器件以及在白光发光器件的应用

技术领域

本发明涉及一种光学波长转换涂层及制造方法以及白光发光器件的应用及制造方法。

背景技术

白光LED作为新型照明光源，具有节能、环保及长寿命等诸多优点，其工作原理是利用蓝光芯片与黄色的荧光粉组合（或其它组合方式）来获得白光。

目前主要是将硅胶或树脂与荧光粉混合后直接涂覆在蓝光芯片表面进行封装，然而这种封装方式有一些缺点。

在传统的封装工艺中硅胶或树脂与荧光粉混合后被直接涂覆在LED蓝光芯片上，荧光粉受激发出的光线部分会重新进入芯片被吸收，造成发光损失；此外，LED器件的散热不畅会导致器件工作温度升高，使得荧光体的发光波长发生漂移，发光强度下降。

发明内容

本发明的目的是：提出一种光学波长转换涂层的制造方法以及白光发光器件的应用，尤其是在透明基板上制造含荧光体涂层的方法，及利用含荧光体涂层的透明基板制造白光LED发光器件，该器件可以有效解决上述利用传统的LED封装工艺所制造的发光器件中出现的器件光效下降及荧光体发光特性劣化等问题。

光学波长转换器件，包含荧光体涂层的基板，包含荧光体的有机涂层制备在基板上，基板是透明的或半透明的；有机涂层包含一种或几种荧光体与有机溶剂及粘结剂的混合物；有机涂层在基板的软化温度以下被热固化。

基板的材质是亚克力(PMMA)、PMMA合金树脂、聚碳酸酯、PC合金树脂、环氧、丁苯、苯砜树脂、CR-39、MS、NAS、聚氨脂光学树脂、尼龙或PC增强的PMMA或 MS树脂。或透明的玻璃板。

基板是平面板，球面、椭球面、卵形面、双曲面或抛物面的一部分曲面形状的柱面板材。

有机涂层为一层或二层，其中的荧光体是LED黄色荧光粉、LED绿色荧光粉或LED红色荧光粉，或上述任意二种荧光粉的混合物；二层含荧光体涂层结构中，第一涂层和第二涂层中的荧光粉成分为上述的任意二种。

荧光体粉末与有机溶剂及粘结剂必须以一定比例混合一起混炼，形成浆料后涂覆在基板上，其中的荧光体粉末与有机溶剂加粘结剂混合物的体积比为1%～120%；通过加热使得有机液体与荧光体粉末固化在一起，固化温度低于有机基板的固化温度10 ^oC以上；使用玻璃基板时固化温度最高到150-180^oC。

本发明涉及的包含荧光体涂层的基板的制造方法，（示意图如图1所示）。将荧光体C的粉末与有机溶剂及粘结剂的混合物混炼调成均匀的浆料，将浆料均匀地涂覆在透明的基板A上。将涂有浆料的基板放到烘箱中干燥固化，可以在透明的有机基板A上得到含有荧光体的涂层。

上述有机基板A有如下特征：有机基板A可以是亚克力(PMMA)板，或聚碳酸脂(PC)板，或玻璃板，或其他的透明有机基板（如PS板）。

上述基板A有如下特征：有机基板A的软化温度高于涂层的固化温度10 ^oC以上。对于玻璃基板，涂层固化温度可以最高为135^oC。上述荧光体C的粉末有如下特征：荧光体C的粉末的粒径在1微米到60微米之间。上述荧光体C有如下特征：为了获得白光，荧光体C可以是LED黄色荧光粉。为了提高白光的显色指数，荧光体也可以是LED绿色荧光粉与LED红色荧光粉的混合物，或者是LED黄色荧光粉与少量LED红色荧光粉的混合物。上述有机溶剂可以是下列有机溶剂如松油醇,粘结剂可以是下列有机物中的一种或两种的混合物：丙烯酸类树脂、乙基纤维素等。上述有机溶剂与粘结剂的质量比为10：1~1：1，更优选为8:1~5:。

上述有机溶剂与粘结剂的质量之和与荧光体C粉末的体积之比为100:1~120。上述涂层的厚度在1微米到5毫米之间。干燥（固化）程序有如下特征：升温速率为1-10^oC/分钟，保温时间为10分钟-5小时，降温时间为20分钟-10小时。

本发明涉及的包含荧光体涂层的透明基板的制造方法还可以采用2层涂层结构，示意图如图2所示。所述涂层1和涂层2中的有机溶剂和粘结剂与上述的有机溶剂与粘结剂一致。所述涂层1和涂层2中的荧光体D和荧光体E可以是LED黄色荧光粉、或LED绿色荧光粉、或LED红色荧光粉，但是荧光体D和荧光体E成分不一样。所述涂层1和涂层2的制备方法与上述涂层制备方法一致。

本发明涉及的包含荧光体涂层的透明基板还可以是凸面（半球面、卵形面或椭球面的一部分、或双曲面或双曲面的一部分、抛物面或抛物面的一部分）型，如图3所示。所述涉及的包含荧光体涂层的透明基板的制造方法还可以采用2层涂层结构，示意图如图4所示。涂层1和涂层2的制备方法与包含荧光体涂层的基板的制造方法中的涂层制备方法一致。

本发明涉及的包含荧光体涂层的透明基板还可以是柱面型（其截面的轮廓线是一个半圆形，或一个圆弧的一部分，或抛物线型，或双曲线型，或其他任意弧线型），如图5所示。涉及的包含荧光体涂层的透明基板的制造方法还可以采用2层涂层结构，示意图如图6所示。所述涂层1和涂层2的制备方法与上述涂层制备方法一致。

光学波长转换器件构成的发光器件，发光器件包含支架、LED蓝光芯片或芯片组、光线反射或收集装置及光学波长转换器件，光学波长转换器件包含所述荧光体涂层的基板；发光器件中蓝光芯片或芯片组发出的蓝光激发荧光体涂层中的荧光体发出另外一种其它颜色或几种其它颜色的光，被激发出的一种其它颜色或几种其它颜色的光与蓝光芯片或芯片组发出的部分蓝光混合后得到白光，白光在包含荧光体涂层的基板的背对蓝光芯片的一面透出；光线反射或收集装置对LED蓝光芯片或芯片组的发光进行反射或收集（至光学波长转换器件）。

透明基板包含荧光体涂层的一面面对蓝光芯片背对蓝光芯片；发光器件中包含荧光体涂层的基板是一层或二层包含荧光体涂层的基板；二层涂层中的荧光体在发光器件中的蓝光芯片或芯片组所发出的蓝光激发下发出绿光、红光或黄光；或者是上述任意两种光的混合光；这些被激发出的混合光线与蓝光芯片或芯片组发出的部分蓝光混合后可以得到白光。

在含有蓝光激发下发出短波长光线的荧光体涂层设置在迎着蓝光芯片的第一层，之后是含有蓝光激发下发出较长波长光线的荧光体涂层；

含有蓝光激发下发出短波长光线（如绿光）的荧光体涂层被激发出的部分短波长光线还激发含有蓝光激发下发出较长波长光线（如红光）的荧光体涂层中的荧光体发出较长波长的光；适当增加含有蓝光激发下发出短波长光线（如绿光）的荧光体涂层的厚度来调节发光器件的白光质量。

含有蓝光激发下发出较长波长光线的荧光体涂层被激发出的较长波长光线不能激发含有蓝光激发下发出较短波长光线的荧光体涂层中的荧光体发出较短波长的光。包含荧光体的荧光体涂层的厚度根据蓝光芯片或芯片组所发出的蓝光的光通量（光强）来调节，以获得高质量的白光。

本发明中利用含荧光体涂层的透明基板制造白光LED发光器件的方法，示意图如图7所示。发光器件包含有热沉（3），LED蓝光芯片（4），芯片的电极引线（7），电极（5，6），光线反射装置（8），含有荧光体C涂层的透明基板A。

所述蓝光LED芯片可以是宝石(Al₂O₃)衬底上生长的蓝光芯片，也可以是SiC衬底上生长的蓝光芯片，或者是Si衬底上生长的蓝光芯片，或是在上述三种基板中的任意一种上生长后被转移到其他基板上的。所述光线反射（收集）罩的作用是将蓝光芯片4发出的光线汇聚到上面的含荧光体涂层的透明基板A上。在不损害本发明目的的范围内，发光器件的光线反射罩也可以设计成其它形状，它的作用就是将蓝光芯片发出的光线汇聚到上面的含荧光体涂层的基板上。

通过电极5和6给蓝光芯片4接通电源，芯片4就可以发出蓝光，如图7中的9所示。

芯片4发出的蓝光激发涂层B中的荧光体C，荧光体发出黄光，或绿光，或红光，或者是上述三种光中的某两种光的混合光线。具体荧光体发出何种光线取决于荧光体C的组分。荧光体C的组分由荧光粉C等的配方决定。

蓝光芯片4发出的蓝光与荧光体C受激发发出的光线混合可以发出白光，如图7中的10所示。

发光器件还可以采用图2所示的含2层荧光体涂层的透明基板。在制造这种发光器件时，同样要采取上述措施。2层涂层的涂覆顺序对发光器件的出光质量有影响，但这种影响可以通过调节第一涂层1和第二涂层2的涂覆厚度加以矫正。以透明有机基板A有涂层的一面朝向LED蓝光芯片的方向为例，调节第一涂层1和第二涂层2的厚度依据示意图8来说明。如图8所示，如果第一涂层1受蓝光激发发出绿光，第二涂层2受蓝光激发发出红光，制造第一涂层1和第二涂层2的顺序按图5所示来完成；如果第一涂层1受蓝光激发发出红光，第二涂层2受蓝光激发发出绿光，则第二涂层2受蓝光激发发出的绿光部分被第一涂层1中的荧光体C吸收而再度发出红光。这样，混合光线10中的蓝、绿和红光的总的光强比例就发生了变化。为了不使发光器件的出光质量发生劣化，可以适当增加涂层2的厚度来调节混合光线中的绿光的比例来改善器件的出光质量。

发光器件还可以采用图3所示的含荧光体涂层的凸面型透明基板，如图9所示。所述发光器件还可以采用图4所示的含2层荧光体涂层的凸面型透明基板，如图10所示。所述发光器件的涂层1和2的设置细则与上述2层涂层的涂覆顺序相同。发光器件还可以采用图5所示的含荧光体涂层的柱面型透明基板，如图11相同。所述发光器件还可以采用图6所示的含2层荧光体涂层的柱面型透明基板，如图12所示。所述发光器件的涂层1和2的设置细则与上述相同。

本发明的有益效果是，根据本发明制造的的发光器件中，不直接将硅胶或树脂与荧光体的混合物粘结在LED蓝光芯片上进行封装，LED蓝光芯片4散热效果大大增强，芯片的散热问题大大缓解；荧光体远离LED蓝光芯片4，有效避免了荧光体受激发出的光线部分重新进入芯片被吸收导致的发光损失；同时可以避免运用传统技术封装的LED发光器件中由于硅胶或树脂变质发黄导致的器件光效下降问题。根据本发明制造的发光器件中，芯片散热问题被有效解决，荧光体的环境温度低，因此不会发生因器件的高工作温度导致的发光性能劣化等问题。本发明所述的白光是指蓝光芯片或芯片组所发出的蓝光激发下发出绿光、红光或黄光；或者是上述任意两种光的混合光；这些被激发出的一色光或混合光与蓝光芯片或芯片组发出的部分蓝光混合后得到的二种及以上的多色谱混合的白光。

附图说明：

图1是包含荧光体涂层的透明基板的结构示意图。

图2是包含多层荧光体涂层的透明基板的结构示意图。

图3是包含荧光体涂层的凸面型透明基板的结构示意图。

图4是包含多层荧光体涂层的凸面型透明基板的结构示意图。

图5是包含荧光体涂层的柱面型透明基板的结构示意图。

图6是包含多层荧光体涂层的柱面型透明基板的结构示意图。

图7是利用含荧光体涂层的透明基板制造白光LED发光器件的结构示意图。

图8是利用含多层荧光体涂层的透明基板制造白光LED发光器件的结构示意图。

图9是利用含荧光体涂层的凸面型透明基板制造白光LED发光器件的结构示意图。

图10是利用含多层荧光体涂层的凸面型透明基板制造白光LED发光器件的结构示意图。

图11是利用含荧光体涂层的柱面型透明基板制造白光LED发光器件的结构示意图。

图12是利用含2层荧光体涂层的柱面型透明基板制造白光LED发光器件的结构示意图。

具体实施例

本发明包括荧光体（可以是黄色荧光粉，或者是绿色荧光粉与红色荧光粉的某种比例的混合物，或者是黄色荧光粉与少量红色荧光粉的混合物）粉末与几种有机液体混合，调配成浆料，在透明的有机材质的基板或透明的玻璃基板上均匀涂覆，干燥涂覆浆料的基板，最终使得荧光体与基板粘接在一起形成一体化的含有荧光体的透明基板。将包含荧光体的透明基板安装到有蓝光发光原件的安装部上，就可以获得白光发光器件。

在整个说明书中都参考了附图，在这些附图中，相同的附图标记表示相同的部件，图中：3是热沉（支架），4是蓝光LED芯片，5和6是LED芯片的电极，7是LED芯片的电极引线，8是发光器件的光线反射装置，9是蓝光LED芯片发出的蓝光，10是发光装置发出的白光。11为基板、12为第一涂层、14为第二涂层，13、16、17均为各色LED荧光粉。

实施例 1

以下按照附图来对本发明进行详细说明。

以附图1来对制造包含荧光体涂层的透明基板的方法进行详细说明。

作为具体实施例之一，图1中有机基板A为亚克力(PMMA)板，厚度1毫米。

作为具体实施例之一，图1中荧光体C为YAG黄色荧光粉，其粒径分布d₅₀为10微米。

将YAG黄色荧光粉3.5克加有机液体10g（松油醇与丙烯酸类树脂的混合物，质量比为6:1）进行混炼获得浆料。在不损害本发明目的的范围内，还可以在YAG黄色荧光粉中加进适量的二氧化硅颗粒或三氧化铝颗粒来增强光线散射，从而改善光线的混合效果。

运用刀片式涂布机将上述浆料均匀涂覆在清洁过的透明基板A上。

涂覆浆料的厚度通过调节刀片到透明基板的距离来控制。

将涂覆了浆料的基板在50 ^oC干燥1小时，然后冷却至室温。升温速率为7.5 ^oC/分钟，保温时间为3小时，降温时间为5小时。

在该实施例中涂覆的0.15毫米及0.07毫米的包含荧光体涂层的基板表面光滑，边缘无翘角。

使用1W的SiC基板上生长的蓝光芯片，发光器件的光线反射装置使用光铝结构，蓝光芯片发出的蓝光照射带有包含荧光体涂层的透明基板A后，获得明亮的白光(126 lm/W)。

实施例 2

本实施例与实施例1的区别在于使用如图2所示的含二层含荧光体涂层的透明基板，其中：涂层1为(Sr,Ca)S:Eu²⁺红色荧光粉与松油醇与丙烯酸类树脂的混合物，涂层2为YAG黄色荧光粉与松油醇与丙烯酸类树脂的混合物。两种荧光粉颗粒的粒径分布均为d₅₀=10微米。

本实施例与实施例1的区别还在于制备第一涂层时，刀刃至有机基板的距离为0.085毫米，而制备第二涂层时，刀刃至基板的距离为0.16毫米。

在该实施例中包含荧光体涂层的透明基板在固化后表面光滑，边缘无翘角。

使用1W的SiC基板上生长的蓝光芯片，蓝光芯片发出的蓝光照射带有含2层含荧光体涂层的透明基板A，获得明亮的白光(87lm/W)。

实施例 3

本实施例与实施例1的区别在于使用如图3所示的含荧光体涂层的凸面型透明基板。

本实施例与实施例1的区别在于浆料在透明基板表面采用气体喷涂的方式。

在该实施例中包含荧光体涂层的透明有机基板在固化后表面光滑，边缘无翘角。

使用1W的SiC基板上生长的蓝光芯片，蓝光芯片发出的蓝光照射含荧光体涂层的凸面型透明基板后获得明亮的白光(124 lm/W)。

本实施例与实施例1的区别在于发出的白光更发散。

实施例 4

本实施例与实施例1的区别在于使用的基板为聚碳酸酯板。

在该实施例中包含荧光体涂层的透明聚碳酸酯基板在固化后透明，表面光滑，边缘无翘角。

使用1W的SiC基板上生长的蓝光芯片，蓝光芯片发出的蓝光照射带有包含荧光体涂层的透明聚碳酸酯基板A后，获得明亮的白光(127 lm/W)。

实施例 5

本实施例与实施例1的区别在于使用的基板为普通钠钙玻璃，厚度为1毫米，在460纳米波长处折射率约为1.52, 玻璃化转变温度570^oC，软化温度620 ^oC。

本实施例与实施例1的区别在于固化程序为，将涂覆了浆料的玻璃基板在150 ^oC干燥1小时，然后冷却至室温。升温速率为10 ^oC/分钟，保温时间为2小时，降温时间为8小时。

在该实施例中包含荧光体涂层的透明玻璃基板在固化后透明，表面光滑，边缘无翘角。

使用1W的SiC基板上生长的蓝光芯片，蓝光芯片发出的蓝光照射带有包含荧光体涂层的透明玻璃基板A后，获得明亮的白光(128 lm/W)。

Claims

1.一种光学波长转换器件，包含荧光体涂层的基板，其特征在于，包含荧光体的有机涂层制备在基板上，基板是透明的或半透明的；有机涂层包含一种或几种荧光体与有机溶剂及粘结剂的混合物。

2.由权利要求1所述的光学波长转换器件，其特征在于，基板的材质是透明或半透明树脂是亚克力(PMMA)、PMMA合金树脂、聚碳酸酯、PC合金树脂、环氧、丁苯、苯砜树脂、CR-39、MS、NAS、聚氨脂光学树脂、尼龙或PC增强的PMMA或 MS树脂、亚克力板、聚碳酸脂板或PS有机基板或透明的玻璃板。

3.由权利要求1或2所述的光学波长转换器件，基板是平面板，或是球面、柱面、椭球面、卵形面、双曲面或抛物面的一部分曲面形状的板材。

4.由权利要求1所述的的光学波长转换器件，其特征在于，有机涂层为一层或二层，其中的荧光体是LED黄色荧光粉、LED绿色荧光粉或LED红色荧光粉，或上述任意二种荧光粉的混合物；二层含荧光体涂层结构中，第一涂层和第二涂层中的荧光粉成分为上述的任意二种。

5.由权利要求1所述的的光学波长转换器件，其特征在于，荧光体粉末与有机溶剂及粘结剂形成浆料后涂覆在基板上，其中的荧光体粉末与有机溶剂加粘结剂混合物的体积比为1%～120%；通过加热使得有机液体与荧光体粉末固化在一起，固化温度低于有机基板的固化温度10 ^oC以上；使用玻璃基板时固化温度最高到150-180^oC。

6.根据权利要求1-5之一所述的光学波长转换器件构成的白光发光器件，其特征在于：发光器件包含支架、LED蓝光芯片或芯片组、光线反射或收集装置及光学波长转换器件，光学波长转换器件包含所述荧光体涂层的基板；发光器件中蓝光芯片或芯片组发出的蓝光激发荧光体涂层中的荧光体发出另外一种其它颜色或几种其它颜色的光，被激发出的一种其它颜色或几种其它颜色的光与蓝光芯片或芯片组发出的部分蓝光混合后得到白光，白光在包含荧光体涂层的基板的背对蓝光芯片的一面透出；光线反射或收集装置对LED蓝光芯片或芯片组的发光进行反射或收集。

7.根据权利要求6中的光学波长转换器件构成的白光发光器件，其特征在于：透明基板包含荧光体涂层的一面面对蓝光芯片背对蓝光芯片；发光器件中包含荧光体涂层的基板是一层或二层包含荧光体涂层的基板；二层涂层中的荧光体在发光器件中的蓝光芯片或芯片组所发出的蓝光激发下发出绿光、红光或黄光；或者是上述任意两种光的混合光；这些被激发出的混合光线与蓝光芯片或芯片组发出的部分蓝光混合后得到白光。

8.权利要求6或7所述的学波长转换器件构成的白光发光器件发光器件，其特征在于：在含有蓝光激发下发出短波长光线的荧光体涂层设置在迎着蓝光芯片的第一层，之后是含有蓝光激发下发出较长波长光线的荧光体涂层。

9.根据权利要求6或7所述的学波长转换器件构成的白光发光器件，其特征在于：含有蓝光激发下发出短波长光线的荧光体涂层被激发出的部分短波长光线还激发含有蓝光激发下发出较长波长光线的荧光体涂层中的荧光体发出较长波长的光；适当增加含有蓝光激发下发出短波长光线的荧光体涂层的厚度来调节发光器件的白光质量。

10.根据权利要求6或7所述的学波长转换器件构成的白光发光器件，其特征在于：包含荧光体的荧光体涂层的厚度根据蓝光芯片或芯片组所发出的蓝光的光通量（光强）来调节。