CN102945914B - 一种用于光学波长转换的荧光玻璃涂层及白光发光装置 - Google Patents

一种用于光学波长转换的荧光玻璃涂层及白光发光装置 Download PDF

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Abstract

一种用于光学波长转换的荧光玻璃涂层的制造方法，玻璃基板A上烧结制备荧光体C与玻璃B粉末的混合层；（1）将质量比为100:1－100:150的玻璃B的粉末与荧光体C的粉末、粘结剂和溶剂混和成均匀的糊状物；玻璃B和荧光体的粉末的粒径在1微米到60微米之间；（2）将糊状物均匀涂覆在玻璃基板A上，将涂有糊状物的玻璃基板A干燥，使溶剂挥发完全；（3）将干燥后的涂有糊状物的玻璃基板A烧结，在玻璃基板A表面得到含有荧光体的玻璃B涂层；步骤（3）中，荧光玻璃涂层的烧结温度高于玻璃B的玻璃化转变温度。

Description

一种用于光学波长转换的荧光玻璃涂层及白光发光装置
技术领域
本发明涉及用于光学波长转换的荧光玻璃涂层的制造方法及白光LED发光装置。
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。传统的LED封装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，然而这种封装方式有其固有的缺点。荧光体受激发出的光线部分会重新进入芯片被吸收导致发光损失。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。此外，硅胶或树脂经蓝光长期照射及器件工作时高工作温度的影响会变黄而影响器件的光效。
发明内容
本发明的目的是：提出一种用于光学波长转换的荧光玻璃涂层、制造方法及利用包含荧光玻璃涂层的玻璃基板制造白光LED发光装置，该装置可以有效解决上述利用传统的LED封装工艺所制造的发光装置中出现的器件光效下降及荧光体发光特性劣化等问题。
本发明所涉及的技术方案是：一种用于光学波长转换的荧光玻璃涂层的制造方法，玻璃基板A上烧结制备荧光体C与玻璃B粉末的混合层：
(1)将质量比为100:1－100:150的玻璃B的粉末与荧光体C的粉末、粘结剂和溶剂混和成均匀的糊状物；玻璃B和荧光体的粉末的粒径在1微米到60微米之间；
(2)将糊状物均匀涂覆在玻璃基板A上，将涂有糊状物的玻璃基板A干燥，使溶剂挥发完全；
(3)将干燥后的涂有糊状物的玻璃基板A烧结，在玻璃基板A表面得到含有荧光体的玻璃B涂层；
步骤(3)中，荧光玻璃涂层的烧结温度高于玻璃B的玻璃化转变温度，但低于玻璃A的玻璃化转变温度10℃以上。
步骤(1)中，水或有机溶剂与粘结剂的质量比为10：1－1：1，水或有机溶剂及粘结剂混练成均匀的糊状物；干燥温度为50－250℃；玻璃基板A是有碱玻璃、无碱玻璃或石英玻璃，或利用有碱玻璃、无碱玻璃或石英玻璃制备成的磨砂玻璃；玻璃基板A的截面的轮廓线是圆弧、抛物线、双曲线、椭圆或弧线的一部分；玻璃基板A上；玻璃基板A是球面、双曲面、椭圆面、卵形面或抛物面的凸面型的板材或为柱面型，或玻璃基板A的截面的轮廓线是圆弧、抛物线、双曲线、椭圆或弧线的一部分；玻璃B是SiO2-Nb2O5系、B2O3-F系、P2O5-ZnO系、P2O5-F系、SiO2-B2O3-La2O3系或SiO2-B2O3系低熔点玻璃。荧光体C是LED黄色荧光粉、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。
本发明用于光学波长转换的荧光玻璃涂层，玻璃基板A上设有烧结的荧光体C与玻璃B粉末的混合层；玻璃B是SiO2-Nb2O5系、B2O3-F系、P2O5-ZnO系、P2O5-F系、SiO2-B2O3-La2O3系或SiO2-B2O3系低熔点玻璃。荧光体C是LED黄色荧光粉、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；玻璃基板A玻璃化转变温度高于玻璃B玻璃化转变温度。制备时玻璃B和荧光体的粉末的粒径在1微米到60微米之间，以获得均匀的封装效果。
烧结的荧光体C与玻璃B粉末的混合层完成后在其表面涂覆SiO2或ZrO2膜。
所述的光学波长转换荧光玻璃涂层的白光LED发光装置，包括：底座、蓝光LED芯片、反光罩和用于光学波长转换的荧光玻璃涂层，反光罩的两端分别连接底座和荧光玻璃涂层的玻璃基板A，反光罩内部反射面上设有金属层，蓝光LED芯片的电极引线穿出底座；其中蓝光LED芯片为单颗芯片、一组串联、并联或混联的芯片。
玻璃基板A可以是有碱玻璃、无碱玻璃或石英玻璃等，也可以是利用有碱玻璃、无碱玻璃或石英玻璃制备成的磨砂玻璃。玻璃基板A可以是球面、双曲面、椭圆面、卵形面或抛物面的凸面型的板材，或是为柱面型，或基板的截面的轮廓线是圆弧、抛物线、双曲线、椭圆或其他的弧线的一部分。
玻璃B粉末可以是SiO2-Nb2O5系、B2O3-F系、P2O5-ZnO系、P2O5-F系、SiO2-B2O3-La2O3系或SiO2-B2O3系等低熔点玻璃。
荧光体C可以是LED黄色荧光粉，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。
玻璃B和荧光体的粉末的粒径在1微米到60微米之间，以获得均匀的封装效果。
为了提高涂层的化学稳定性，可以在涂层烧结完成后在其表面涂覆SiO2或ZrO2膜。涂覆可以采用化学方法，如溶胶－凝胶方法，或使用物理方法，如溅射方法等。
含有荧光体C的玻璃涂层的厚度为1微米到5毫米。
本发明涉及的包含荧光体的玻璃涂层可以采用2层涂层结构，示意图如图2所示。所述涂层1和涂层2制备过程中所用的有机溶剂和粘结剂与步骤(1)中所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。
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。
玻璃基板A可以是凸面型，如球面、或双曲面、或抛物面、或其他任意的凸面。
其中反射罩内部反射面上镀有金属薄膜、反光罩呈圆柱形，底座和凸面玻璃基板分别作为所述圆柱形的底面和盖。
其中反光罩呈倒圆台形或碗形，底座作为倒圆台的下底或碗底，凸面玻璃基板作为倒圆台形的上盖或位于碗口的位置。
其中反光罩呈长方体或倒棱台形，底座作为长方体的下底或倒棱台形的下底，凸面玻璃基板作为长方体的上盖或倒棱台形的上盖。
其中的基板可以是柱面型，其截面的轮廓线可以是圆弧的一部分、或抛物线、或双曲线、或其他的弧线。
其中反光罩呈长方体或倒棱台形，底座作为长方体的下底或倒棱台形的下底，柱面型玻璃基板作为长方体或倒棱台形的盖。
其中反光罩呈半圆柱形，底座沿着一条直线设置，该直线与半圆柱形的矩形面平行，且该直线落在通过柱轴并与半圆形的矩形面垂直的平面内，柱面型玻璃基板作为半圆柱形的盖。
其中反光罩的截面轮廓线呈抛物线型，底座沿着一条直线设置，该直线与抛物面的焦线重合，柱面型玻璃基板作为半圆柱形反光罩的盖。
其中反光罩呈细长长方体或细长倒棱台形，底座作为细长长方体或细长倒棱台形的下底，柱面型玻璃基板作为细长长方体或细长倒棱台形的盖。
本发明的有益效果是：根据本发明制造的的发光器件中，LED蓝光芯片表面未涂覆含荧光体的硅胶或树脂，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。荧光体远离LED蓝光芯片，避免了荧光体受激发出的光线部分重新进入芯片被吸收造成发光损失。采用的荧光玻璃涂层具有稳定的物理和化学性质，又具有极好的蓝光到白光的转换效率。本发明利用蓝光LED芯片发出的蓝光照射含有荧光体的玻璃B涂层来获得白光，缓解了散热问题，荧光体也不会出现因器件散热问题导致的发光波长漂移及发光效率下降等现象。
附图说明
图1是包含荧光体的玻璃涂层的凸面型玻璃基板的结构示意图。
图2是包含多层荧光体的玻璃涂层的凸面型玻璃基板的结构示意图。
图3是包含荧光体的玻璃涂层的柱面型玻璃基板的结构示意图。
图4是包含多层荧光体的玻璃涂层的柱面型基板的结构示意图。
图5为本发明实施例3的白光LED发光装置的示意图。
图6为本发明实施例4的白光LED发光装置的示意图。
图7为本发明实施例5的白光LED发光装置的示意图。
图8为本发明实施例6的白光LED发光装置的示意图。
图9为本发明实施例7的白光LED发光装置的示意图。
图10为本发明实施例8的白光LED发光装置的示意图。
图11为本发明实施例9的白光LED发光装置的示意图。
图12为本发明实施例10的白光LED发光装置的示意图。
图13为本发明实施例11的白光LED发光装置的示意图。
具体实施方式
一种玻璃基板表面制备包含荧光体的用于光学波长转换的另一种玻璃涂层的制造方法及利用此玻璃涂层得到白光发光装置的制造方法，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)粉末与玻璃B粉末及几种有机液体混合，调配成浆料，在玻璃基板A上均匀涂覆，经干燥固化和烧结，最终在玻璃基板A表面得到包含荧光体的玻璃B涂层。玻璃基板A可以是凸面型、或柱面型。将包含荧光体的玻璃涂层的玻璃基板安装到有蓝光发光原件的安装部上，就可以获得白光LED发光装置。
白光LED发光装置包括：底座、蓝光LED芯片、反光罩和包含荧光体的玻璃B涂层的玻璃基板A。反光罩的两端分别连接底座和玻璃基板，蓝光LED芯片设置在底座面对玻璃基板有包含荧光体的玻璃涂层的一面，且蓝光LED芯片的电极引线穿出底座。
本发明的制备方法：(1)将质量比为100:1－100:150的玻璃B的粉末与荧光体C的粉末、有机溶剂及粘结剂混练成均匀的糊状物；液体的醇、醚、酮、酯、烃类均可。粘结剂为溶于溶剂的聚合物(如溶于水的聚乙烯醇、羧基纤维素)、丙烯酸类树脂、苯乙烯树脂、缩丁醛树脂、乙基纤维素等等。
(2)将糊状物均匀涂覆在玻璃基板A上，将涂有糊状物的玻璃基板A干燥，使有机溶剂挥发完全；
(3)将干燥后的涂有糊状物的玻璃基板A烧结，在玻璃基板A表面得到含有荧光体的玻璃B涂层。
步骤(1)中，有机溶剂与粘结剂的质量比为10：1－1：1，有机溶剂为邻苯二甲酸酯、松油醇中的一种或其中两种任意比例的混合物；粘结剂为丙烯酸类树脂、苯乙烯树脂、缩丁醛树脂、乙基纤维素中的一种或其中任意两种任意比例的混合物。
步骤(2)中，干燥温度为50－250℃。
步骤(3)中，荧光玻璃涂层的烧结温度高于玻璃B的玻璃化转变温度，但低于玻璃A的玻璃化转变温度10℃以上。
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的玻璃涂层的玻璃基板的方法进行详细说明。
作为具体实施例之一，图1中玻璃基板A为普通钠钙玻璃，表面是球形面的一部分，厚度为1毫米，玻璃化转变温度570℃，软化温度620℃。
作为具体实施例之一，图1中玻璃B为一种低熔点磷酸盐玻璃，组分包含P2O5：41％，ZnO：34％，B2O3：19％，(Li2O3％+Na2O1.5％+K2O1.5％)：6％。玻璃化转变温度480℃，软化温度为526℃；
荧光体C为YAG黄色荧光粉，其粒径分布d50为10微米。
玻璃B粉末的粒径分布为d50＝15微米。
将玻璃B粉末20克与YAG黄色荧光粉3.5克加有机液体4g(松油醇与缩丁醛树脂的混合物，质量比为6：1)进行混炼获得糊状物。
运用气体喷涂方法将上述糊状物均匀涂覆在清洁过的玻璃A基板上，涂覆糊状物的厚度通过调节气体的气压等参数来控制。
将涂覆了糊状物的玻璃板在160℃干燥1小时，然后先冷却至室温。用1小时升温到430℃保温1小时，然后用21分钟快速升温到至540℃保温1小时，再用2小时降温至室温。这样在玻璃A的基板上就获得了包含荧光体的玻璃B涂层。
在该实施例中包含荧光体的玻璃涂层在烧结后透明，表面光滑，边缘无翘角。
为了提高磷酸盐玻璃涂层的化学稳定性，在其表面可以涂覆一层SiO2或ZrO2薄膜等。涂覆SiO2等膜可以采用化学方法，如溶胶－凝胶方法，或使用物理方法，如溅射方法等。
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的玻璃B涂层的玻璃A基板后，获得明亮的白光(126lm/W)。
在本实施例中，玻璃基板A还可以呈柱面型，示意图如图3所示。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于使用如图4所示的双层含荧光体的玻璃涂层结构，其中：
1为含(Sr,Ca)S:Eu2+红色荧光粉的玻璃涂层，2为含YAG黄色荧光粉的玻璃涂层。两层涂层的玻璃B的组分与实施例1相同。两种荧光粉颗粒的粒径分布为d50＝15微米。
在该实施例中包含荧光体的两层玻璃涂层在烧结后透明，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的玻璃B涂层的玻璃A基板后，获得明亮的白光(84lm/W)。
在本实施例中，玻璃基板A还可以呈柱面型。
实施例3
图5为本发明实施例3的白光LED发光装置的示意图。白光LED发光装置包括：底座1、蓝光LED芯片2、反光罩3和凸面玻璃基板5。反光罩3的两端分别连接底座1和凸面玻璃基板5，蓝光LED芯片2设置在底座1面对凸面玻璃基板5的一面，且蓝光LED芯片2的电极引线穿出底座1，凸面玻璃基板5的一个表面上涂覆含荧光体的玻璃涂层。反光罩3与凸面玻璃基板5之间设置连接部4。
作为具体实施例之一，为了获得白光，荧光体可以是LED黄色荧光粉。为了提高白光的显色指数，荧光体也可以是任意比例的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。可以通过调节荧光粉的比例来调节发光颜色，或者说色温，只要调节比例就可以获得全色温范围的LED光。
作为具体实施例之一，含有荧光体的玻璃涂层可以采用2层涂层结构，且每层的涂层厚度是3微米至5毫米。两层涂层中的玻璃材质一致，两层涂层中的荧光体可以分别是LED绿色荧光粉和LED红色荧光粉，或者分别是LED黄色荧光粉和LED红色荧光粉。但是两层涂层中的荧光体成分不一样。
作为具体实施例之一，发光装置的底座1兼有散热功能。
作为具体实施例之一，发光装置的LED蓝光芯片2可以是外延生长在SiC基板上的，或是生长在宝石(Al2O3)基板上的，或是生长在Si基板上的，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。
作为具体实施例之一，发光装置的LED蓝光芯片2可以是单颗的，或者是多颗(芯片组)的，多颗芯片组可以是通过连接线串联、或并联、或混联。
作为具体实施例之一，在LED蓝光芯片2与凸面玻璃基板之间设有反光罩3，目的是将LED蓝光芯片2发出的蓝光反射到包含荧光体的玻璃涂层上，激发荧光体发光，经与LED蓝光芯片2发出的部分蓝光混合后获得白光。
作为具体实施例之一，反光罩呈圆柱形，内部反射面可以镀上金属薄膜以加强光线反射效果。凸面玻璃基板5作为装置的上盖。
实施例4
图6为本发明实施例4的白光LED发光装置的示意图。
本实施例与实施例3的区别在于在反光罩与凸面玻璃基板之间设置连接部9。
本实施例与实施例3的区别在于反光罩8成倒圆台形，底座6作为倒圆台形的下底，凸面玻璃基板10作为装置的上盖。
实施例5
图7为本发明实施例5的白光LED发光装置的示意图。
本实施例与实施例3的区别在于在反光罩与凸面玻璃基板之间设置连接部14。
本实施例与实施例3的区别在于反光罩13呈碗形，底座11作为碗底，凸面玻璃基板15作为装置的上盖。
实施例6
图8为本发明实施例6的白光LED发光装置的示意图。
本实施例与实施例3的区别在于反光罩呈长方体，底座16作为长方体的下底，凸面玻璃基板21作为装置的上盖。反射罩由4个矩形的反射面18和19构成。4个反射面18和19中相对的一组反射面几何尺寸完全相同，相邻的两个反射面几何尺寸可以相同，也可以不同，其形状可以是正方形或长方形。
实施例7
图9为本发明实施例7的白光LED发光装置的示意图。
本实施例与实施例3的区别在于反光罩呈倒棱台形，底座22作为倒棱台形的下底，凸面玻璃基板27作为装置的上盖。反射罩由4个倒梯形的反射面24和25构成。4个反射面24和25中相对的一组反射面几何尺寸完全相同，相邻的两个反射面几何尺寸可以相同，也可以不同。
实施例8
图10为本发明实施例8的白光LED发光装置的示意图。
本实施例与实施例3的区别在于该装置不设反射罩，底座28的上表面30镀有金属薄膜，具有反射光线的功能。
本实施例与实施例3的区别在于凸面玻璃基板31直接安在底座28上。
实施例9
图11为本发明实施例9的白光LED发光装置的示意图。
本实施例与实施例3的区别在于玻璃基板是柱面型，其截面的轮廓线可以是圆弧线、抛物线、或双曲线、或其他任意的弧线。
本实施例与实施例3的区别在于反光罩呈长方体，底座32作为长方体的下底，柱面玻璃基板37作为长方体的盖。反射罩由4个矩形的反射面34和35构成。4个反射面34和35中相对的一组反射面几何尺寸完全相同，相邻的两个反射面几何尺寸可以相同，也可以不同，其形状可以是正方形或长方形。
实施例10
图12为本发明实施例10的白光LED发光装置的示意图。
本实施例与实施例3的区别在于,反光罩呈细长的长方体或细长的倒棱台形，底座38作为细长长方体或细长倒棱台形的下底，柱面玻璃基板43作为装置的上盖。反射罩由4个矩形或梯形的反射面40和41构成。4个反射面40和41中相对的一组反射面几何尺寸完全相同，相邻的两个反射面几何尺寸可以相同，也可以不同。
实施例11
图13为本发明实施例11的白光LED发光装置的示意图。
本实施例与实施例3的区别在于,反光罩呈半圆柱形，底座沿着一条直线设置，该直线与半圆柱形的矩形面平行，且该直线落在通过柱轴并与半圆形的矩形面垂直的平面内。反光罩具有反射面46和47，底座44与半圆柱形的矩形面平行设置，当然底座44也可以与半圆柱形的矩形面非平行设置，柱面玻璃基板49作为装置的盖。
本实施例与实施例3的区别在于,反光罩的截面轮廓线还可以呈抛物线型，底座沿着一条直线设置，该直线与抛物面的焦线重合。

Claims (1)

1.一种白光LED发光装置，其特征在于，包括：底座、蓝光LED芯片、反光罩和用于光学波长转换的荧光玻璃涂层，反光罩的两端分别连接底座和荧光玻璃涂层的玻璃基板A，反光罩内部反射面上设有金属层，蓝光LED芯片的电极引线穿出底座；其中蓝光LED芯片为单颗芯片、一组串联、并联或混联的芯片；
反光罩和底座具有如下结构之一：
1）反光罩呈圆柱形，底座作为所述圆柱形的底，凸面型玻璃基板A作为圆柱形反光罩的盖；
2）反光罩呈倒圆台形或碗形，底座作为倒圆台的下底或碗底，凸面型玻璃基板作为倒圆台形或碗形反光罩的盖；
3）反光罩呈长方体或倒棱台形，底座作为长方体或倒棱台形的下底，凸面型玻璃基板作为长方体或倒棱台形的盖；
反光罩与透明基板之间设有转接板或转接环；
所述用于光学波长转换的荧光玻璃涂层以下述方法制造，玻璃基板A上烧结制备荧光体C与玻璃B粉末的混合层；
（1）将质量比为100:1－100:150的玻璃B的粉末与荧光体C的粉末、粘结剂和溶剂混和成均匀的糊状物；玻璃B和荧光体C的粉末的粒径在1微米到60微米之间；
（2）将糊状物均匀涂覆在玻璃基板A上，将涂有糊状物的玻璃基板A干燥，使溶剂挥发完全；（3）将干燥后的涂有糊状物的玻璃基板A烧结，在玻璃基板A表面得到含有荧光体C与玻璃B粉末的混合涂层即荧光玻璃涂层；步骤（3）中，玻璃基板A表面含有荧光体C的荧光玻璃涂层的烧结温度高于玻璃B的玻璃化转变温度，但低于玻璃基板A的玻璃化转变温度10oC以上；
步骤（1）中，有机溶剂与粘结剂的质量比为10：1－1：1，有机溶剂及粘结剂混练成均匀的糊状物；干燥温度为50－250oC；玻璃基板A是有碱玻璃、无碱玻璃或石英玻璃，或利用有碱玻璃、无碱玻璃或石英玻璃制备成的磨砂玻璃；玻璃基板A的截面的轮廓线是弧线的一部分；玻璃基板A是球面、双曲面、椭圆面、卵形面或抛物面的凸面型的板材；玻璃B是SiO2-Nb2O5系、B2O3-F系、P2O5-ZnO系、P2O5-F系或SiO2-B2O3系低熔点玻璃；荧光体C是LED黄色荧光粉、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；
烧结的荧光体C与玻璃B粉末的混合层完成后在其表面涂覆SiO2或ZrO2膜。
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