CN102916113A - 荧光粉组成及使用该荧光粉组成的白色发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种荧光粉组成及一种使用该荧光粉组成的白光发光装置，用以解决上述已知的问题并实现高品质白光光源。该白光发光装置包括一蓝光发光二极管及一配置在该蓝光发光二极管上的荧光粉组成，该荧光粉组成包括一黄色镧硅氮化合物、一黄色β-硅铝氧氮化合物及一红色钙铝硅氮化合物，其中该黄色镧硅氮化合物、该黄色β-硅铝氧氮化合物及该红色钙铝硅氮化合物的重量百分比为1∶1∶0.3～0.45。

Description

荧光粉组成及使用该荧光粉组成的白色发光装置
技术领域
本发明是有关于一种荧光粉组成及使用该荧光粉组成的白色发光装置，且特别是有关于一种具有较佳光型、热稳定及无能量饱和问题的荧光粉组成及白色发光装置。
背景技术
基于节能减碳以及永续发展的环保意识，目前世界先进各国均逐步淘汰高耗能的传统照明，进而选择白色发光二极管。白色发光二极管的优点是体积小，可以配合应用设备来调整，其反应速度快，因此非常适合高频操作。白色发光二极管的耗电量低，仅有传统灯泡的1/8至1/10，日光灯的1/2，并且其寿命长，可达10万小时以上，可以解决白炽灯泡高耗能的问题，其可做为新的照明以及显示光源，并且兼具省电与环保概念，因此被喻为绿色照明光源。
白色发光二极管的技术在1990年代被提出，其是借由蓝光发光二极管(blueLED)激发由掺杂铈的钇铝石榴石荧光粉(Ce-doped YAG phosphor)产生黄光，荧光粉所发出的黄光与剩余蓝光混合而产生白光。然而，钇铝石榴石荧光粉使用于白光技术中有能量饱和(power saturation)的问题，即激发光源的亮度提升后，钇铝石榴石荧光粉吸收激发光源而发出黄光的亮度在到达一程度后，可以再增加的亮度就受到限制。
因此在2000年后，提出基于黄色硅酸盐荧光粉(silicate phosphor)的白色发光二极管作为白光技术的另一种选择。虽然硅酸盐荧光粉没有能量饱和的问题，但是却又面临热稳定(heat stability)的困扰，即硅酸盐荧光粉长时间处于发光二极管所产生的高热环境中，其黄光亮度会逐渐衰减(decay)，造成白光亮度的降低及色温的偏移，而且易受潮而分解。因此开发一种新的、可避免上述问题的荧光粉组成，是目前产业界一项重要的课题。
发明内容
本发明提供一种荧光粉组成及使用该荧光粉组成的白光发光装置，用以解决上述已知的问题并实现高品质白光光源。
本发明提供一种白光发光装置，包括一具有发光波长范围涵盖440-470nm的发光二极管及一配置在该蓝光发光二极管上的荧光粉组成，其中该荧光粉组成包括一第一黄色荧光粉，发光峰值波长为535-545nm；一第二黄色荧光粉，发光峰值波长为545-555nm；以及一红色荧光粉，发光峰值波长为645-655nm，其中白光的色度坐标范围为CIE x：0.25-0.3以及CIE y：022-0.28。
在本发明一实施例中，该第一黄色荧光粉、该第二黄色荧光粉及该红色荧光粉的重量百分比为1∶1∶0.3～0.45。
在本发明一实施例中，该红色荧光粉的比值为0.4。
在本发明一实施例中，该第一黄色荧光粉包括镧硅氮化合物。
在本发明一实施例中，该第一黄色荧光粉包括La3Si5N11:Ce2+。
在本发明一实施例中，该第二黄色荧光粉包括β-硅铝氧氮化合物(β-SiAlON)。
在本发明一实施例中，该第二黄色荧光粉包括Si6-zAlzNzO8-z:Eu2+，0＜z＜4.2。
在本发明一实施例中，该红色荧光粉包括钙铝硅氮化合物。
在本发明一实施例中，该红色荧光粉包括CaAlSiN3:Eu2+。
在本发明一实施例中，该发光二极管具有发光峰值波长450-460nm。
本发明提供一种白光发光装置，包括一蓝光发光二极管及一配置在该蓝光发光二极管上的荧光粉组成，该荧光粉组成包括一黄色镧硅氮化合物、一黄色β-硅铝氧氮化合物及一红色钙铝硅氮化合物，其中该黄色镧硅氮化合物、该黄色β-硅铝氧氮化合物及该红色钙铝硅氮化合物的重量百分比为1∶1∶0.3～0.45。
在本发明一实施例中，该红色钙铝硅氮化合物的比值为0.4。
在本发明一实施例中，该黄色镧硅氮化合物包括La3Si5N11:Ce2+。
在本发明一实施例中，该黄色β-硅铝氧氮化合物包括Si6-zAlzNzO8-z:Eu2+，0＜z＜4.2。
在本发明一实施例中，该红色钙铝硅氮化合物包括CaAlSiN3:Eu2+。
本发明提供一种白光发光装置，包括一蓝光发光二极管及一配置在该蓝光发光二极管上的荧光粉组成，该荧光粉组成包括一第一氮化合物荧光粉、一第二氮化合物荧光粉及一第三氮化合物荧光粉，其中该第二氮化合物荧光粉的发光波长峰值介于该第一氮化合物荧光粉与该第三氮化合物的发光波长峰值之间。
在本发明一实施例中，该第一氮化物荧光粉包括镧硅氮化合物，该第二氮化物荧光粉包括β-硅铝氧氮化合物，该第三氮化合物荧光粉包括钙铝硅氮化合物。
在本发明一实施例中，该第二氮化合物荧光粉包括Si6-zAlzNzO8-z:Eu2+，0＜z＜4.2。
在本发明一实施例中，该第一氮化物荧光粉、该第二氮化物荧光粉及该第三氮化合物荧光粉的重量百分比为1∶1∶0.3～0.45。
在本发明一实施例中，该第三氮化合物荧光粉的比值为0.4。
本发明提供一种荧光粉组成，包括一第一荧光粉、一第二荧光粉及一第三荧光粉，其中该第一荧光粉包括一镧硅氮化合物，该第二荧光粉包括一β-硅铝氧氮化合物，该第三荧光粉包括一钙铝硅氮化合物，其中该荧光粉组成在具有发光波长峰值450-460nm的蓝光光源激发下，混光产生一白光，该白光的NTSC色彩饱和度大于70％。
在本发明一实施例中，该第一荧光粉包括La3Si5N11:Ce2+。
在本发明一实施例中，该第一荧光粉、第二荧光粉及第三荧光粉的的重量百分比为1∶1∶0.3～0.45。
在本发明一实施例中，该第三荧光粉的比值为0.4。
在本发明一实施例中，该第二荧光粉包括Si6-zAlzNzO8-z:Eu2+，0＜z＜4.2。
在本发明一实施例中，该第三荧光粉包括CaAlSiN3:Eu2+。
本发明的白光发光装置及其所采用的荧光粉组成对热稳定且无能量饱和及受潮分解的问题，本发明白光发光装置所揭露的荧光粉组成可以取代已知钇铝石镏石荧光粉及硅酸盐荧光粉，因此对于供照明光源及显示器光源，可以提供更高品质的白光光源。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：
图1绘示本发明一实施例的白光发光装置的剖面示意图。
图2分别绘示本发明实施例荧光粉组成中各别荧光粉的的发光光谱曲线图
图3绘示根据本发明一实施例的白光发光装置的发光光谱曲线图。
图4绘示根据本发明实施例的白光发光装置的白光在CIE色度坐标图中的坐标范围。
主要元件符号说明：
100：白光发光装置
101：蓝光发光二极管
103：反射壳体
105：导电支架
107：焊线
109：封胶层
111：荧光粉组成
具体实施方式
图1绘示本发明一实施例的白光发光装置的剖面示意图。请参考图1，白光发光装置100包括一蓝光发光二极管101、一反射壳体103及一导电支架105，蓝光发光二极管101设置于反射壳体103之内，并借由焊线107与导电支架电性连接。一封胶层109填入反射壳体103中并封装蓝光发光二极管101，一荧光粉组成111混合于封胶层109中并位于蓝光发光二极管101上，荧光粉组成111包括第一黄色荧光粉、第二黄色荧光粉及红色荧光粉，用以将蓝光发光二极管101所发出的波长较短的蓝光的一部分转换成较长波长的可见光，之后与其余的蓝光混合而形成白光。
在上述白光发光装置100中，为产生良好色度坐标的白光，将荧光粉组成111中的第一黄色荧光粉、第二黄色荧光粉及红色荧光粉以适当的比例混合，荧光粉组成111的发光波长范围(range of emission wavelength)约从480nm到730nm，其中包括峰值波长(peak wavelength)为540nm左右的黄光、峰值波长为550nm左右的黄光及峰值波长为650nm左右的红光，而蓝光发光二极管101发光的波长范围约从410nm到480nm，其峰值波长约为450nm-460nm。
在上述本发明实施例的荧光粉组成111中，第一黄色荧光粉包括了掺杂铈的镧硅氮化合物，其发光峰值波长约为540±5nm，半波宽(FWHM，full width athalfmaximum)为80-100nm，其分子式例如是La3Si5N11:Ce2+，是购自三菱化学公司(MCC)，型号为BY201A。第二黄色荧光粉包括以铕活化的β-硅铝氧氮化合物(Eu-activated β-SiAlON)，其发光峰值波长约为550±5nm，半波宽为80-100nm，其分子式例如是Si6-zAlzNzO8-z:Eu2+，0＜z＜4.2，是购自电器化学(Denkachemicals)，型号为GR230LW。红色荧光粉包括以铕活化的钙铝硅氮化合物(Eu-activated CaAlSiN)，其发光峰值波长约为650±5nm，半波宽为80-110nm，其分子式例如是CaAlSiN3:Eu2+，是购自三菱化学公司，型号为BR101D。
图2分别绘示本发明实施例荧光粉组成111中各别荧光粉的的发光光谱曲线图。请参考图2，第一黄色荧光粉为La3Si5N11:Ce2+，在蓝光激发下，其发光峰值波长约为540nm；第二黄色荧光粉为Si6-zAlzNzO8-z:Eu2+，0＜z＜4.2(β-SiAlON)，在蓝光激发下，其发光峰值波长约为550nm；红色荧光粉为CaAlSiN3:Eu2+，在蓝光激发下，其发光峰值波长约为650nm。参考图1，在本发明白光发光装置100中，可以将图2中所示的各色荧光粉以适当的比例混合形成荧光粉组成111，并与透光封胶混合后，填入反射壳体103中形成封胶层109，借此封装蓝光发光二极管101。
参考图3，图3绘示根据本发明一实施例的白光发光装置的发光光谱曲线图。将图2所绘示的第一黄色荧光粉“La3Si5N11:Ce2+”、第二黄色荧光粉“Si6-zAlzNzO8-z:Eu2+，0＜z＜4.2”及红色荧光粉“CaAlSiN3:Eu2+”依一特定的比例混合而得一荧光粉组成，将此发光粉组成施加于具有峰值波长为450-460nm的蓝光发光二极管上，而得到如图3本发明实施例的白光发光装置的发光光谱曲线图，其中荧光粉组成里各色荧光粉的比例分别为第一黄色∶第二黄色∶红色＝1∶1∶0.3～0.45(w/w，重量比)，而更佳的比例是第一黄色∶第二黄色∶红色＝1∶1∶0.4(w/w)。
如图3所示，本实施例的白光发光装置的发光光谱具有460nm左右和545nm左右的峰值，并且整个发光光谱分布在相当宽的波长范围(400nm-730nm)内，本实施例的发光光谱显示具有良好色度坐标特性的白色混光，且其NTSC可大于72％，极适合于电视或动态显示器等液晶显示器背光的需求。另外，值得一提的是，在上述荧光粉组成中添加5-15％(w/w)且粒径大小D50为1-10μtm的扩散剂(diffuser)，将可以增加整个白光发光装置的发光亮度，上述扩散剂例如包括氧化锌(ZnO2)、氧化硅(SiO2)、氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)或其组合。
图4绘示根据本发明实施例的白光发光装置的白光在CIE色度坐标图中的坐标范围。参考图4，借由改变上述本发明荧光粉组成中的第一黄色荧光粉、第二黄色荧光粉及红色荧光粉的混合比例，可以得到在色度坐标中其范围为CIE x：0.25-0.3以及CIE y：022-0.28的白光，将可视实际的需求调整白光发光装置的发光的特性，实现高品质的白光，故特别适合于电视或动态显示器等背光的需求。
再者，在本发明实施例荧光粉组成中，其中所含的镧硅氮化物荧光粉(黄色)、β-硅铝氧氮化合物荧光粉(黄色)及钙铝硅氮化合物(红色)对于热的反应相当稳定，即使长时间处于发光光源所产生的高热环境中，并不会发生亮度衰减的问题，也不易因受潮而分解，或者是有如已知钇铝石榴石荧光粉能量饱和的问题。
值得一提的是，为增加发光二极管101对于荧光粉组成111的激发效率，荧光粉组成111的浓度还可以由封胶层109表面逐渐向发光二极管101表面逐渐增加，或者，可同时借由共形的荧光粉组成111覆盖于发光二极管101上，而共形的荧光粉组成111可借由喷涂、模铸、印刷等方式所形成。同时，荧光粉组成111并不限于需直接覆盖于发光二极管101上，荧光粉组成111还可借由远离发光二极管101的方式被发光二极管101所激发，例如于显示器或者于照明模块中，荧光粉组成111可与树脂混合形成一荧光粉模板或者是导光板，或者可涂布于树脂模板或者是导光板的上方，如此还可提升光均匀度，增加荧光粉组成111对于发光二极管101所产生的高温的耐受性。
综上所述，本发明的白光发光装置所采用的荧光粉组成没有已知荧光粉热不稳定、易受潮及能量饱和的问题，另外，借由适当改变上述本发明荧光粉组成中各荧光粉的比例，可动态调整本发明的白光发光装置的光谱型态(spectrumpattern)以符合实际的需求，因此本发明白光发光装置所揭露的荧光粉组成可以有效取代现有的钇铝石榴石荧光粉或硅酸盐荧光粉，因此对于供照明光源及显示器光源，可以提供更高品质的白光光源。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (21)

1.一种白光发光装置，包括：
一发光二极管，具有发光波长范围涵盖440-470nm；以及
一荧光粉组成，配置在该蓝光发光二极管上，该荧光粉组成包括：
一第一黄色荧光粉，发光峰值波长为535-545nm；
一第二黄色荧光粉，发光峰值波长为545-555nm；以及
一红色荧光粉，发光峰值波长为645-655nm，
其中白光的色度坐标范围为CIE x：0.25-0.3以及CIE y：022-0.28。
2.如权利要求1所述的白光发光装置，其特征在于，该第一黄色荧光粉、该第二黄色荧光粉及该红色荧光粉的重量百分比为1∶1∶0.3～0.45。
3.如权利要求2所述的白光发光装置，其特征在于，该红色荧光粉的比值为0.4。
4.如权利要求1所述的白光发光装置，其特征在于，该第一黄色荧光粉包括镧硅氮化合物。
5.如权利要求4所述的白光发光装置，其特征在于，该第一黄色荧光粉包括La3Si5N11:Ce2+。
6.如权利要求1所述的白光发光装置，其特征在于，该第二黄色荧光粉包括β-硅铝氧氮化合物。
7.如权利要求6所述的白光发光装置，其特征在于，该第二黄色荧光粉包括Si6-zAlzNzO8-z:Eu2+，0＜z＜4.2。
8.如权利要求1所述的白光发光装置，其特征在于，该红色荧光粉包括钙铝硅氮化合物。
9.如权利要求8所述的白光发光装置，其特征在于，该红色荧光粉包括CaAlSiN3:Eu2+。
10.如权利要求1所述的白光发光装置，其特征在于，该发光二极管具有发光峰值波长450-460nm。
11.一种白光发光装置，包括：
一蓝光发光二极管；以及
一荧光粉组成，配置在该蓝光发光二极管上，该荧光粉组成包括一第一氮化合物荧光粉、一第二氮化合物荧光粉及一第三氮化合物荧光粉，其中该第二氮化合物荧光粉的发光波长峰值介于该第一氮化合物荧光粉与该第三氮化合物的发光波长峰值之间。
12.如权利要求11所述的白光发光装置，其特征在于，该第一氮化物荧光粉包括镧硅氮化合物，该第二氮化物荧光粉包括β-硅铝氧氮化合物，该第三氮化合物荧光粉包括钙铝硅氮化合物。
13.如权利要求12所述的白光发光装置，其特征在于，该第二氮化合物荧光粉包括Si6-zAlzNzO8-z:Eu2+，0＜z＜4.2。
14.如权利要求13所述的白光发光装置，其特征在于，该第一氮化物荧光粉、该第二氮化物荧光粉及该第三氮化合物荧光粉的重量百分比为1∶1∶0.3～0.45。
15.如权利要求14所述的白光发光装置，其特征在于，该第三氮化合物荧光粉的比值为0.4。
16.一种荧光粉组成，包括：
一第一荧光粉，包括一镧硅氮化合物；
一第二荧光粉，包括一β-硅铝氧氮化合物；以及
一第三荧光粉，包括一钙铝硅氮化合物，其中该荧光粉组成在具有发光波长峰值450-460nm的蓝光光源激发下，混光产生一白光，该白光的NTSC色彩饱和度大于70％。
17.如权利要求16所述的荧光粉组成，其特征在于，该第一荧光粉包括La3Si5N11:Ce2+。
18.如权利要求16所述的荧光粉组成，其特征在于，该第一荧光粉、第二荧光粉及第三荧光粉的的重量百分比为1∶1∶0.3～0.45。
19.如权利要求18所述的荧光粉组成，其特征在于，该第三荧光粉的比值为0.4。
20.如权利要求16所述的荧光粉组成，其特征在于，该第二荧光粉包括Si6-zAlzNzO8-z:Eu2+，0＜z＜4.2。
21.如权利要求16所述的荧光粉组成，其特征在于，该第三荧光粉包括CaAlSiN3:Eu2+。
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