CN102881808A

CN102881808A - 蓝宝石荧光板及其制造方法

Info

Publication number: CN102881808A
Application number: CN2011102082619A
Authority: CN
Inventors: 江德馨; 刘如熹; 江德信; 江长阳
Original assignee: Bell Ceramics Co ltd
Current assignee: Bell Ceramics Co ltd
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2013-01-16

Abstract

一种蓝宝石荧光板及其制造方法与用途，蓝宝石荧光板包含：蓝宝石基板及位于该蓝宝石基板上的荧光层；其中，荧光层由荧光材料与煅烧材料组成，且以荧光层的总重量计，荧光材料含量约为总重量的5％至约70％。本发明蓝宝石荧光板可用于发光二极管，改变发光颜色并可增强发光二极管的散热效果。

Description

蓝宝石荧光板及其制造方法

技术领域

本发明是关于一种蓝宝石荧光板及其制造方法与用途，尤其是关于一种可用于发光二极管的蓝宝石荧光板及其制造方法。

背景技术

近年由于节能议题及环保意识抬头，白光发光二极管已成为全球最受瞩目的新兴产品并逐渐取代传统照明设备，其具有尺寸小(可适应设备微型化的趋势)、耗电量低(用电量为一般灯泡的八分之一至十分之一，日光灯的二分之一)、寿命长(可达10万小时以上)、发热量低(热辐射低)、反应速度佳(可高频操作)等优点，可解决多项过去白炽灯泡(incandescent bulbs)所无法解决的问题，已成为二十一世纪照明的新光源。此外，白色发光二极管也因兼具省电与环保概念而被喻为“绿色照明光源”。

早期的白光发光二极管是由多种不同波长的发光二极管组合而成。然而，此种装置因体积过大、发光效率不明显、混色不均等因素，故难以应用在各种高照度的照明装置上。现在的白光发光二极管，就一般原理而言，大多由单波长的发光源(发光二极管芯片)及至少一种可被发光源激发的荧光材料所组成，其中，由荧光材料受激发所发射的荧光与发光源的发射光(未被荧光材料吸收者)混色成白光。在结构上，在现在的白光发光二极管中，荧光材料一般与如环氧树脂的封装材料混合成封装胶体，后以胶体包覆发光源，提供白光发光二极管。

然而，当上述发光装置使用达到一段时间后，常会遇到发光层黄化的现象，因其中的环氧树脂会因吸收紫外光或因二极管所产生的热量而过度交联，此黄化会相当程度地减缓发光装置的发光效益。此外，随着温度上升，发光层中之荧光材料亦会产生如热衰竭甚至热淬灭的现象。

目前业界大多致力于改善发光装置散热性，以求降低荧光材料热衰竭程度并延缓环氧树脂的黄化。其中，US 7,361,938揭露一种荧光板构件来改善上述的散热问题，专利直接将YAG荧光粉在约1700℃的温度烧结并以热压处理之方式接合在蓝宝石基板上。前述手段所得到的荧光板，虽可避免树脂荧光层黄化的困扰且可降低光散色现象，然而须使用大量荧光材料并进行多次高温热处理，花费昂贵。此外，前述手段须小心控制温度以确保YAG荧光粉于热处理过程中保存各个颗粒的型态(即避免烧结成熔块)，也大幅度增加制作难度。基于上述需求，本发明提供另一种蓝宝石荧光板及其制造方法，其可增强发光二极管的散热效果且可提升最终产品的质量并延长产品寿命。此外，本发明使用成本较低的煅烧粉并可在较低的温度下进行烧结，可减少制作成本并降低制备难度，一举克服现有技术中所面临之众多问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种蓝宝石荧光板，其包含蓝宝石基板及位于蓝宝石基板上的荧光层，其中荧光层由荧光材料与煅烧材料组成，且以荧光层之总重量计，荧光材料含量约为总重量的5％至70％。

本发明的另一目的是提供一种制造蓝宝石荧光板的方法，其包括：

(A)提供蓝宝石基板；

(B)混合荧光材料与煅烧材料形成生胚体薄层，其中以生胚体薄层的总重量计，荧光材料的用量约为总重量的5％至70％；以及

(C)将生坯体薄层置于蓝宝石基板上并进行热处理，其中热处理的温度为不低于煅烧材料的共熔点(eutectic point)。

本发明的再一目的是提供一种发光装置，其包含激发光源及前述的蓝宝石荧光板，其中激发光源是由粘合剂粘附在蓝宝石荧光板的蓝宝石基板上。

以下将参考附图具体地描述根据本发明的部分具体实施方式；但是，在不背离本发明的精神下，本发明还可以多种不同形式的实施方式来实践，不应将本发明保护范围解释为限于说明书所陈述。此外，在附图中，为明确起见可能夸张地表示各对象及区域的尺寸，而未按照实际比例绘示。另，除非文中有另外说明，在本发明说明书中(尤其是在后述权利要求中)所使用之“一”、“”类似用语应理解为包含单数及复数形式。

参考图1，是根据本发明的一个具体实施方式的蓝宝石荧光板的示意图。如图1所示，蓝宝石荧光板10是包含蓝宝石基板2及位于蓝宝石基板2上的荧光层1。其中，荧光层1是由荧光材料12与煅烧材料11组成，且以煅烧材料11为结构主体，荧光材料12分散于煅烧材料11中，且优选均匀地分散于其中。所谓的“以煅烧材料11为结构主体”，是指以煅烧材料11为空间上的主要连续相，用以支撑荧光层1的立体结构。除图1所示的分散方式以外，荧光材料12也可以例如菱形交错或斜纹等其它方式而分散于煅烧材料11中。

本发明所用煅烧材料包含第一成分与第二成分。其中，第一成分可选自任何合适的透光性陶瓷材料，例如氧化铝(Al₂O₃)、二氧化硅(SiO₂)及其组合，优选使用氧化铝与二氧化硅的组合作为第一成分。第二成分是选用可破坏第一成分(即陶瓷材料)的部分键结结构使其熔点下降，以降低材料热处理的温度，即提供助熔的效果。第二成分包含氧化钡，且除氧化钡之外，可根据需要还包含另一物质以取代部分氧化钡，另一物质可为例如其它碱土金属(即除钡以外的碱土金属)氧化物，如氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氧化锶(SrO)、及前述的任意组合等。另一物质的取代量可根据所希望达到的助熔效果、最终产品的应用及制作成本等加以调整，但通常不超过氧化钡约50％(摩尔比)。在本发明的部分实施方式中，使用a(BaO)·Al₂O₃·b(SiO₂)(2≤a≤3且8≤b≤12)作为煅烧材料。其中，当煅烧材料的第二成分还包含另一物质时，氧化钡与另一物质的总用量仍应使煅烧材料中各成分维持上述的比例关系。举例说明，当第二成分由氧化钡与氧化钙组成时，煅烧材料可表示为a((1-y)BaO、yCaO)·Al₂O₃·b(SiO₂)(0＜y≤05、2≤a≤3且8≤b≤12)，当第二成分由氧化钡、氧化钙与氧化镁构成时，煅烧材料可表示为a((1-w-z)BaO、wCaO、zMgO)·Al₂O₃·b(SiO₂)(0＜w+z≤0.5、2≤a≤3且8≤b≤12)，以此类推。在后面所附实施例中，使用a(BaO)·Al₂O₃·b(SiO₂)(2≤a≤3且9≤b≤11)作为煅烧材料。

可使用市面上常见的荧光材料在本发明中，以与煅烧材料组成蓝宝石荧光板中的荧光层，例如氮化物荧光材料、氮氧化物荧光材料、稀土荧光材料等。根据本发明的一个具体实施方式，是使用稀土荧光材料YAG荧光粉，例如Y_3-xAl₅O₁₂:Ce_x(0＜x≤0.5)。

根据比尔定律(Beer′s Law)，荧光效益是由荧光层中的荧光材料含量以及荧光层厚度决定，故可以基于此调整二参数以提供所希望的荧光效果。在本发明中，以荧光层的重量计，荧光材料的含量一般约为总重量的5％至70％，优选约为总重量的5％至60％，最优选约为总重量的20％至50％为佳。当荧光材料的含量过低时，无法提供足够、合意的发光效果；反之若含量过高，就容易产生荧光材料“浓度遮蔽”的现象，且煅烧材料(结构主体)含量相对过低，也可能有荧光层结构崩坏的危险。至于荧光层的厚度，通常系控制在约0.05毫米至约2毫米的范围，较佳约0.2毫米至约1.5毫米的范围。若荧光层厚度太薄，则在制备过程中荧光层易发生损坏；反之若厚度太厚，则无法满足现代微型化的需求。

本发明蓝宝石荧光板中的荧光层可根据需要包含多种不同波长的补色荧光材料，以调整发光装置的色温或演色性。举例说明，在使用蓝光发光源的情况下，可组合使用黄光荧光材料(如YAG荧光粉)与红光荧光材料，以达到全色域的效果。应注意的是，在使用多种荧光材料时，荧光材料的总含量及荧光层厚度优选也应控制在上述建议范围内。

本发明荧光板是采用蓝宝石(氧化铝)薄片作为基板，蓝宝石基板的热传导系数为约30瓦/公尺·K至40瓦/公尺·K，可增强所应用发光装置的散热效果并提升光转换效果，且蓝宝石基板的热膨胀系数(5.8×10^-6/K)与一般二极管材料(如氮化镓二极管为5.6×10^-6/K)相当，还可避免使用过程中因热应力而产生破裂现象。本发明可采用任何市售的蓝宝石基板，但考虑到成本效益，蓝宝石基板的厚度优选以约0.2毫米至约2毫米为宜，还优选为约0.3毫米至约0.6毫米。

在本发明荧光板中，是以煅烧材料取代传统树脂材料而封装荧光材料以制得荧光层，故可避免树脂层退化所导致的发光效率与质量下降的缺失，且搭配使用蓝宝石基板，更可提升所得荧光板的应用性。

本发明也提供一种制造蓝宝石荧光板的方法，包括：

(A)提供蓝宝石基板；

(B)混合荧光材料与煅烧材料以形成生胚体薄层，其中以生胚体薄层的总重量计，荧光材料的用量约为总重量的5％至约70％；以及

(C)将生坯体薄层置于蓝宝石基板上进行热处理，其中热处理的温度为不低于煅烧材料的共熔点(eutectic point)。

本发明方法所采用的蓝宝石基板，如上述，其厚度优选为约0.2毫米至约2毫米，更优选为约0.3毫米至约0.6毫米。在使用前，可对蓝宝石基板进行表面处理(例如酸洗、抛光等)，去除杂质或污染物并提供平滑表面，以供后续步骤使用。

在本发明方法中，混合荧光材料与煅烧材料以形成生胚体薄层(即步骤(B))。可用于本发明方法中的荧光材料与煅烧材料的种类、用量与变化方式均如前述。优选地，荧光材料为Y_3-xAl₅O₁₂:Ce_x(0＜x≤0.5)，煅烧材料为a(BaO)·Al₂O₃·b(SiO₂)(2≤a≤3且8≤b≤12)。在本发明方法的一个实施方式中，选用a(BaO)·Al₂O₃·b(SiO₂)(2≤a≤3且9≤b≤11)作为煅烧材料。根据本发明的方法，以生胚体薄层总重量计，荧光材料用量约为总重量的5％至约70％，优选约5％至约60％，特别优选约20％至约50％为佳。

在本发明方法的步骤(B)中，混合煅烧材料与荧光材料以形成生胚体薄层的手段并无任何特殊限制，可使用常见的干式压锭或湿浆成形。其中，当使用湿浆成形时，荧光材料的含量计算是以生胚体薄层的干料重量计(即不含溶剂或分散剂的重量)。此外，为增加生胚体薄层的结构强度，可视需要在其中混入少量的黏合剂，例如聚乙二醇，其可在约200℃的温度下完全分解脱逸，故不会影响后续的制备过程及产物特性。

根据本发明的方法，步骤(B)中所使用的煅烧材料除可直接从市面上取得外，亦可通过反应而从前驱物制得。例如，由(b1)提供前驱物混合物，接着(b2)在高于前驱物混合物中各成分的热分解温度的温度下，热处理前驱物混合物而提供，前述即所谓的固态反应法。

在上述固态反应法中，前驱物混合物包含第一前驱物成分与第二前驱物成分。第一前驱物成分选自以下群组：氧化铝、氧化铝前驱物、二氧化硅及二氧化硅前驱物、及前述的任意组合。所谓氧化铝前驱物是指可通过加热形成氧化铝的，例如含铝氢氧化物、有机酸盐、无机酸盐，具体例子如氢氧化铝、柠檬酸铝、醋酸铝、硝酸铝、碳酸铝等；所谓二氧化硅前驱物则指可通过加热形成二氧化硅的，例如硅烷化合物，具体例子如四乙氧基硅烷(tetraethoxysilane，TEOS)、二甲氧基二甲基硅烷(dimethoxydimethylsilane)等。第二前驱物成分包含可通过加热形成氧化钡的氧化钡前驱物，例如氢氧化钡、柠檬酸钡、醋酸钡、硝酸钡、碳酸钡等。在部分实施方式中，第二前驱物成分可还包含另一物质的前驱物，如其它碱土金属(即除钡以外)氧化物的前驱物。所谓其它碱土金属氧化物的前驱物，指可通过加热形成碱土金属氧化物者，例如含碱土金属氢氧化物、有机酸盐或无机酸盐，具体例子如氢氧化锶、氢氧化钙、柠檬酸锶、柠檬酸钙、醋酸锶、醋酸钙、硝酸锶、硝酸钙、碳酸锶、碳酸钙等。在本发明的部分实施方式，第一前驱物成分包含氧化铝与二氧化硅，第二前驱物成分则为碳酸钡。可用于本发明方法中的前驱物混合物的组成与用量，主要根据所要煅烧材料而定，其相关说明与变化方式如前述。

在获得前驱物混合物后，接着在高于前驱物混合物中各成分的热分解温度的温度下，热处理前驱物混合物，以获得煅烧材料(即，上述步骤(b1))。其中，“热分解温度”是指各前驱物成分可受热反应成高温稳定的陶瓷相(通常系氧化物型态)的最低温度。举例说明，当前驱物成分为碳酸钡时，其热分解温度为碳酸钡热分解为氧化钡的温度，而若前驱物成分已为高温稳定陶瓷相如氧化铝，则无须考虑其热分解温度。本发明所属领域中具有通常知识者，在参考本发明说明书后，可根据其知识与前驱物成分的种类，选择热处理前驱物混合物的合适条件。举例说明，可在空气氛围中、在约750℃至约950℃温度下进行热处理。

在本发明方法中，在获得蓝宝石基板及生胚体薄层后，接着通过热处理而接合二者，其中是先将生胚体薄层置于蓝宝石基板上，并在高于煅烧材料共熔点的温度下进行热处理(即步骤(C))。步骤(C)的热处理温度须高于煅烧材料共熔点，以使生胚体薄层的表面部分熔融并进一步与蓝宝石基板接合。步骤(C)的热处理温度一般是根据所使用的煅烧材料而定，综合考虑成本因素，优选在空气或还原氛围下，在低于约1500℃的温度下进行。在使用a(BaO)·Al₂O₃·b(SiO₂)(2≤a≤3且9≤b≤11)作为煅烧材料的情况下，步骤(C)可在空气氛围下，约1100℃至约1300℃热处理蓝宝石基板与生胚体薄层。

在本发明方法中，亦可根据生胚体薄层与蓝宝石基板间的界面接合性而根据需要使用粘合剂，当使用粘合剂时，通常可选用陶瓷黏合物，例如四乙氧基硅烷，其在热处理后会形成透明二氧化硅薄膜，不会对光穿透有不利影响且可提供良好的界面接合性。

本发明也提供一种发光装置，其包含激发光源及如上述的蓝宝石荧光板。图2为根据本发明具体实施方式的发光装置200的示意图，其中是通过粘合剂3粘附激发光源4与蓝宝石荧光板20的蓝宝石基板2。

在本发明的发光装置中，激发光源的发射光波长应与蓝宝石荧光板中的荧光材料互相协配，即激发光源的波长应可以激发蓝宝石荧光板中的荧光材料，且激发光源所发射的光可与荧光材料受激发后所发射的荧光相混成白光。优选的激发光源为蓝光或紫外光二极管(包含雷射二极管)，其可激发大多数的荧光材料。举例说明，蓝光激发光源搭配含有YAG荧光材料的蓝宝石荧光板即可发出白光，紫外光发光二极管则可搭配含多种荧光材料的蓝宝石荧光板材以获得白光。

根据本发明的发光装置，可通过粘合剂来黏合激发光源与蓝宝石基板。可用于本发明中的粘合剂通常选用透光性树脂粘合剂，包含如环氧树脂、聚酰胺树脂等，优选用金刚石粉、氮化铝粉、氧化铝粉或前述的任意组合等。

图3为根据本发明另一具体实施方式的发光装置300的示意图。如图3所示，发光装置300除图2所示发光装置200所含的组件以外，可还包含高导热基板6，其利用粘合剂5而粘附于激发光源4的一面(即与粘附蓝宝石基板2相对的另一面)，以增进发光装置之散热效果。在本发明中，高导热基板之材料通常为金属材料，优选为铜、铝或铜铝合金等。至于粘附激发光源与高导热基板的粘合剂的种类，除可使用上述粘附蓝宝石基板与激发光源的透光性树脂粘合剂之外，由于不需考虑透光性，故也可使用市面上的金属胶带如铜胶带，其具有良好的散热效果。

以下列具体实施方式进一步举例说明本发明，但所述方式仅作为说明的用途，并无限制本发明范围的含义。

附图说明

图1：根据本发明的具体实施方式的蓝宝石荧光板示意图。

图2：根据本发明的一个具体实施方式的发光装置示意图。

图3：根据本发明的另一具体实施方式的发光装置示意图。

图4：根据本发明实施例中发光装置I的发光光谱。

图5：根据本发明实施例中发光装置I的放射光所转换的CIE坐标图。

主要组件符号说明：

1发光层；10蓝宝石荧光板；11煅烧材料；12荧光材料；2蓝宝石基板；20蓝宝石荧光板；200发光装置；3粘合剂；300发光装置；4激发光源；5粘合剂；6高导热基板；

具体实施方式

实施例

制备蓝宝石荧光板

以2.5∶1∶10的摩尔比秤取BaCO₃、Al₂O₃及SiO₂并利用氧化铝球磨珠湿式球磨30分钟，后将所获得的球磨浆料干燥并获得煅烧材料前驱物混合物，随后在空气氛围下，在约850℃的温度下进行热处理约4小时，获得煅烧材料2.5(BaO)·Al₂O₃·10(SiO₂)。

以约36∶64的重量比秤取Y_2.93Al₅O₁₂:Ce_0.07及所得的煅烧材料2.5(BaO)·Al₂O₃·10(SiO₂)，随后研磨混合并以于式压锭的方式形成厚度约1毫米的生胚体薄层。

将所得的生胚体薄层置于厚度为0.425毫米的蓝宝石基板上，并在空气氛围及约1250℃的温度下热处理约2小时，获得荧光层厚度为0.8毫米的蓝宝石荧光板A，结构如图1所示。

制备发光装置

发光装置I

利用环氧树脂粘合剂将蓝宝石荧光板A粘附在蓝光发光二极管(氮化镓二极管)上，以获得发光装置I，如图2所示。

发光装置II

利用环氧树脂粘合剂在发光装置I的侧面(即与粘附蓝宝石基板相对的另一面)粘附铝基板，以获得发光装置II，如图3所示。

利用由杭州远方光电信息有限公司出厂型号为PMS-80之紫外-可见-近红外光谱分析仪，在电压为3伏特，电流为0.2安培条件下测试发光装置I的发光光谱，结果如图4所示。由图4可知，发光装置I的发光光谱主要由波长约为460纳米(蓝光)的窄峰及波长约为560纳米(黄光)的宽峰构成。将图4的结果转换至CIE(Commission Internatioale de i′Eclairage，国际发光照明委员会)坐标图即得到发光装置I的混色结果(如图5所示)，其可获得x＝0.3065与y＝0.3352的白光，此证实本发明的蓝宝石荧光板可替代传统的荧光材料胶体并获得白光。

上述实施例仅举例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。任何熟悉本领域技术的普通技术人员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，均属本发明所主张范围。因此，本发明的权利保护范围是申请专利范围所列。

Claims

1.一种蓝宝石荧光板，包含：

蓝宝石基板；以及

荧光层，位于所述的蓝宝石基板上；

其中，所述荧光层由荧光材料与煅烧材料组成，以荧光层的总重量计，所述荧光材料含量为5％至70％(重量)。

2.如权利要求1所述的蓝宝石荧光板，其特征在于，以荧光层的总重量计，所述荧光材料含量为5％至60％(重量)。

3.如权利要求1所述的蓝宝石荧光板，其中所述煅烧材料系包含第一成分与第二成分，所述第一成分选自以下群组：氧化铝、二氧化硅及其组合，所述第二成分包含氧化钡。

4.如权利要求3所述的蓝宝石荧光板，其特征在于，所述第二成分还包含除钡以外的碱土金属氧化物。

5.如权利要求1所述的蓝宝石荧光板，特征在于，荧光层由荧光材料Y_3-xAl₅O₁₂:Ce_x(0＜x≤0.5)与煅烧材料a(BaO)·Al₂O₃·b(SiO₂)(2≤a≤3且9≤b≤11)组成。

6.如权利要求1所述的蓝宝石荧光板，特征在于，所述荧光层的厚度是0.05毫米至2毫米。

7.一种制造蓝宝石荧光板的方法，其包括：

(A)提供蓝宝石基板；

(B)混合荧光材料与煅烧材料以形成生胚体薄层，其中以生胚体薄层的总重量计，荧光材料用量为5％至70％(重量)；以及

(C)将生坯体薄层置于蓝宝石基板上并进行热处理，其中热处理的温度不低于煅烧材料的共熔点(eutectic point)。

8.如权利要求7所述方法，其特征在于，以生胚体薄层的总重量计，荧光材料用量为总重量的5％至60％。

9.如权利要求7所述方法，其特征在于，煅烧材料由以下方式制得：

(b1)提供前驱物混合物，其包含第一前驱物成分与第二前驱物成分，第一前驱物成分选自以下群组：氧化铝、氧化铝前驱物、二氧化硅、二氧化硅前驱物、及前述的任意组合，第二前驱物成分包含氧化钡前驱物；以及

(b2)在高于所述前驱物混合物中各成分的热分解温度的温度下，热处理前驱物混合物。

10.如权利要求9所述方法，其特征在于，第二前驱物成分还包含除钡以外的碱土金属氧化物前驱物。

11.如权利要求9所述方法，其特征在于，第一前驱物成分包含氧化铝及二氧化硅，第二前驱物成分为碳酸钡。

12.如权利要求7所述方法，其特征在于，荧光材料为Y_3-xAl₅O₁₂:Ce_x(0＜x≤0.5)，煅烧材料为a(BaO)·Al₂O₃·b(SiO₂)(2≤a≤3且9≤b≤11)。

13.如权利要求9所述方法，其特征在于，步骤(b2)的热处理是在空气氛围中、750℃至950℃温度下进行。

14.如权利要求7所述方法，其特征在于，步骤(C)的热处理是在空气氛围或还原氛围中、1100℃至1300℃温度下进行。

15.一种发光装置，其包含：

激发光源；以及

权利要求1至6中任一项所述的蓝宝石荧光板或权利要求7至14中任一项所述方法制备得到的蓝宝石荧光板。

16.如权利要求15所述发光装置，其特征在于，激发光源为蓝光发光二极管。

17.如权利要求15所述发光装置，其特征在于，激发光源由粘合剂粘附在蓝宝石荧光板的蓝宝石基板上。

18.如权利要求15所述发光装置，其特征在于，还包含高导热基板，由粘合剂粘附在激发光源与粘附蓝宝石基板相对的另一面上。