CN103045266B

CN103045266B - 一种红色荧光体、其制备方法及含该荧光体的发光装置

Info

Publication number: CN103045266B
Application number: CN201110314975.8A
Authority: CN
Inventors: 何华强; 刘荣辉; 刘元红; 何涛; 胡运生; 黄小卫; 李红卫
Original assignee: Grirem Advanced Materials Co Ltd
Current assignee: Grirem Advanced Materials Co Ltd
Priority date: 2011-10-17
Filing date: 2011-10-17
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2031-10-17
Also published as: CN103045266A

Abstract

本发明提供一种红色荧光体及含该荧光体的发光装置，该荧光体由M、A、X、L和R元素组成，通式为M_mA_aX_bL_y:R_n，M元素至少含有Mg、Ca、Sr、Ba和Zn中的一种或一种以上元素；A元素至少含有Si、Ge、Sn、Ti、Zr和Hf中的一种或一种以上元素；X元素至少含有N、O和F中的一种或一种以上元素，L元素至少含有Se和Te中的一种或两种元素；R元素至少含有稀土元素或过渡金属元素中的一种或一种以上元素。其中，1.8≤m≤2.2，4.5≤a≤5.5，7.5≤b≤8.5，0.00001≤y≤0.02，0.0001≤n≤0.3。该荧光体可以被350nm-500nm波长范围的光有效激发，并发出550nm-700nm波长的红光。含有该红色荧光体发光装置显色性能优异。

Description

一种红色荧光体、其制备方法及含该荧光体的发光装置

技术领域

本发明涉及一种红色荧光体、其制备方法及含该荧光体的发光装置，属于荧光体技术领域。

背景技术

白光发光二极管(LED)具有低电压、高光效、少能耗、长寿命、无污染等优点，在半导体照明及液晶平板显示领域得到了成功的应用。目前白光LED主流的实现方式，是半导体发光材料与荧光体复合，其基本发光原理是半导体材料InGaN，AlGaN，GaN等在电子的作用下产生紫外、紫光或蓝光，此短波长的光激发封装在LED内部的荧光体转换为荧光体的特征发光，二者混合后可实现LED发光装置的白光发射。

目前主要采用蓝光LED复合能发出黄色光的(Y，Gd)₃(Al，Ga)₅O₁₂:Ce荧光体产生白光，制备的白光LED存在最大的问题是红色光的缺失造成白色光的显色性差、色温高、色域窄。因此，需要在荧光体中混合具有红光发射的荧光体，并且要求此类荧光体具有良好的发光性能。

2001年的专利文献EP1104799A1公开了一类氮化物红色荧光体，其分子式为M_xSi_yN_z:Eu(M为Ca/Sr/Ba中至少一种，z＝2/3x+4/3y)，具有代表性的荧光体有MSiN₂:Eu、M₂Si₅N₈:Eu和MSi₇N₁₀:Eu等，该类荧光体在紫外-紫光-蓝光区域均存在较强吸收，且在其发射区域有很强的红光发射。

2004年日亚化学的专利申请(公开号：CN1522291A)公开了一种氮化物荧光体，通式L_xM_yN_{((z/s)x +(4/3)y)}:R或L_xM_yO_zN_{((2/3)x+(4/3)y-(2/3)z)}:R(L选自Mg，Ca，Sr，Ba，Zn所组成的第II族元素的至少1种以上，M选自C，Si，Ge的中Si为必须的第IV族元素的至少1种。

2009年韩国三星的专利申请(公开号：CN101434839A)公开了一种氮(氧)化物荧光体，其通式为{M_(1-x)Eu_x}_aSi_bO_cN_d其中，M为碱土金属，并且0＜x＜1，1.8＜a＜2.2，4.5＜b＜5.5，0≤c＜8，0＜d≤8，0＜c+d≤8。

专利文献CN101914379A及CN101942302A在合成方法方面做了一定的改进。然而由于红色荧光体的加入明显改善白光LED显色性能同时，会使得光效有一定程度的降低。氮化物红色荧光体的发光效率的提升有助于改善该现象。另一方面，该类荧光体在制备工艺上普遍存在对设备要求比较苛刻的现象(通常需高温、高压环境)，成本高且工艺复杂。为了便于氮化物荧光体在白光LED上广泛应用，急需进一步提高该类荧光体发光效率及改进其制备工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高发光效率的红色荧光体。

本发明的另一目的在于提供一种上述红色荧光体的制备方法。

本发明的再一目的在于提供一种含有上述红色荧光体的显色性能优异的发光装置。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种红色荧光体，该荧光体由M、A、X、L和R元素组成，其中，M元素至少含有Mg、Ca、Sr、Ba和Zn中的一种或一种以上元素；A元素至少含有Si、Ge、Sn、Ti、Zr和Hf中的一种或一种以上元素；X元素至少含有N、O和F中的一种或一种以上元素，L元素至少含有Se和Te中的一种或两种元素；R元素至少含有稀土元素或过渡金属元素中的一种或一种以上元素。

本发明的红色荧光体的通式为M_mA_aX_bL_y:R_n，其中，1.8≤m≤2.2，4.5≤a≤5.5，7.5≤b≤8.5，0.00001≤y≤0.02，0.0001≤n≤0.3。

优选地，本发明的红色荧光体中，所述M元素至少含有Mg、Ca、Sr和Ba中的一种或一种以上元素；A元素至少含有Si和Ge中的一种或两种元素；X元素至少含有N和O中的一种或两种元素；L元素至少含有Se和Te中的一种或两种元素；R元素至少含有Eu、Ce、Mn、Dy和Bi中的一种或一种以上元素。

更优选地，本发明的红色荧光体中，所述M元素至少含有Ca和Sr中的一种或两种元素；A元素为Si；X元素至少含有N和O中的一种或两种元素；L元素为Se；R元素至少含有Eu，Ce和Mn中的一种或一种以上元素。

最优选地，本发明的红色荧光体中，所述M元素为Sr；A元素为Si；X元素为N；L元素为Se；R元素为Eu。

在本发明的红色荧光体中，所述M元素为Ca和Sr时，原子个数比Ca/(Ca+Sr)为w％，w满足的条件为3＜w＜20。

本发明的红色荧光体中还可以包含C元素，C元素在所述红色荧光体中的重量百分比介于0.001％到0.4％之间。

X元素中包含O元素时，O元素在所述红色荧光体中的重量百分比介于0.01％到5％之间。

优选地，本发明的红色荧光体中，所述红色荧光体中包含C元素，X元素中包含O元素，所述C元素在所述红色荧光体中的重量百分比介于0.001％到0.4％之间，O元素在所述红色荧光体中的重量百分比介于0.01％到5％之间。

本发明的红色荧光体中包含Se或Te元素。Se或Te加入后会对荧光体的结晶和发光性能产生影响。Se或Te会进入荧光体的晶格，使得发光中心周围的晶体场环境发生改变，进而影响荧光体发射峰的位置、形状及发光强度，得到具有不同光色性能的荧光体，拓宽了在白光LED上的应用范围。同时，Se或Te单质及其化合物原料在荧光体合成过程中，可以起到助熔的作用，强化荧光体的结晶，具有完善结晶的荧光体必然具有优良的发光特性。

在本发明的红色荧光体中，少量氧的引入，可使荧光体发射光谱的半宽度变宽，有利于实际应用时提高发光装置的显色指数，然而过高的氧含量会使荧光体的色纯度急剧下降，甚至对氮化物的晶体结构产生破坏作用，使得荧光体相对发光强度降低，本发明对氧的含量进行了限定，保障了该系列荧光体在LED上应用；同时，微量碳的存在有利于荧光体晶体结构的稳定，从而抑制发光中心Eu²⁺的氧化，防止转化成Eu3+而损害发光效率，然而过多碳的存在，会对荧光物质造成污染，不仅影响体色，而且光效也大幅下降。而且，为了满足不同发光装置对荧光体光色性能等的应用要求，本发明荧光体可以通过调节其通式中M所代表的二价元素的种类和比例来调节其发射主峰位置及发射峰的形状，进而调整荧光体的光色性能；

因此本发明的红色荧光体可被紫外、紫光或蓝光LED有效激发，具有激发波长范围广、发光效率高、热稳定性能优异的特点。

本发明的红色荧光体可以通过以下制备方法制得，该制备方法包括以下步骤：

(1)分别以含M元素的单质或化合物，含A元素的单质或化合物，含X元素的单质或化合物，含L元素的单质或化合物，R元素的单质或化合物为原料，且按照荧光体化学式要求的摩尔配比称取相应原料，其中必须包含一种或多种金属或非金属单质，然后充分混合均匀形成混合料。

(2)将上述的混合料在常压、1200-2000℃煅烧，煅烧时间为0.5-20小时，煅烧气氛为氮气或氮氢混合气。

上述的M元素、A元素、X元素、L元素、R元素的化合物为相对应的氧化物、氮化物、氢氧化物，碳酸盐、硝酸盐或硫酸盐。

上述制备方法中，采用部分金属及非金属单质混合在原材料中，通过其形成的低熔点中间化合物以及单质蒸汽，保证氮化物红色荧光体常压下即可合成。因此本发明红色荧光体的制备方法简单、易于操作、无污染、成本低。

本发明的荧光体可与紫外、紫光或蓝光LED芯片配合使用，或者与其它荧光体混合使用，用于高显色、低色温白光LED的制备，因此可以利用本发明的荧光体制成下述发光装置。

一种发光装置，该发光装置至少包含辐射源和本发明的LED红色荧光体，该荧光体由M、A、X、L和R元素组成，其中，M元素至少含有Mg、Ca、Sr、Ba和Zn中的一种或一种以上元素；A元素至少含有Si、Ge、Sn、Ti、Zr和Hf中的一种或一种以上元素；X元素至少含有N、O和F中的一种或一种以上元素，L元素至少含有Se和Te中的一种或两种元素；R元素至少含有稀土元素或过渡金属元素中的一种或一种以上元素。

在该发光装置中，所述辐射源为真空紫外发射源、紫外发射源、紫光发射源或蓝光发射源。

在发光装置中，还含有被所述辐射源激发发光的其他荧光体，其他荧光体为下列荧光体中一种或一种以上：(Y，Gd，Lu，Tb)₃(Al，Ga)₅O₁₂:Ce、(Mg，Ca，Sr，Ba)₂SiO₄:Eu、(Ca，Sr)₃SiO₅:Eu、(La，Ca)₃Si₆N₁₁:Ce、α-SiAlON:Eu、β-SiAlON:Eu、Ba₃Si₆O₁₂N₂:Eu、Ca₃(Sc，Mg)₂Si₃O₁₂:Ce、CaSc₂O₄:Eu、BaAl₈O₁₃:Eu、(Ca，Sr，Ba)Al₂O₄:Eu、(Sr，Ca，Ba)(Al，Ga，In)₂S₄:Eu、(Ca，Sr)₈(Mg，Zn)(SiO₄)₄Cl₂:Eu/Mn、(Ca，Sr，Ba)₃MgSi₂O₈:Eu/Mn、(Ca，Sr，Ba)₂(Mg，Zn)Si₂O₇:Eu、Zn₂SiO₄:Mn、(Y，Gd)BO₃:Tb、ZnS:Cu，Cl/Al、ZnS:Ag，Cl/Al、(Sr，Ca)₂Si₅N₈:Eu、(Li，Na，K)₃ZrF₇:Mn、(Li，Na，K)₂(Ti，Zr)F₆:Mn、(Ca，Sr，Ba)(Ti，Zr)F₆:Mn、Ba_0.65Zr_0.35F_2.7:Mn、(Sr，Ca)S:Eu、(Y，Gd)BO₃:Eu、(Y，Gd)(V，P)O₄:Eu、Y₂O₃:Eu、(Sr，Ca，Ba，Mg)₅(PO₄)₃Cl:Eu、(Ca，Sr，Ba)MgAl₁₀O₁₇:Eu、(Ca，Sr，Ba)Si₂O₂N₂:Eu、3.5MgO·0.5MgF₂·GeO₂:Mn，可以将荧光体或者掺有该荧光体的树脂、硅胶、塑料、玻璃、陶瓷等光转换膜材料，与紫外、紫光或蓝光辐射源组合形成发光装置，这些白光发光装置能够在照明或显示领域得到广泛应用。

本发明的优点在于：

(1)本发明的红色荧光体是一种新型的白光LED用红色荧光体，该系列荧光体具有更高的发光效率、较宽可调光色特性以及完善晶体结构、优良的发光特性。

(2)本发明提供的红色荧光体的制备方法简单易行。

(3)采用本发明的红色荧光体制成的发光装置，具有低色温、高光效、高显色性能的特点。

附图说明

图1为本发明实施例1的荧光体发射光谱。

图2为本发明实施例1的荧光体激发光谱谱。

具体实施方式

以下是本发明的实施例，本发明的保护范围不受这些实施例的限定，其保护范围由权利要求来决定。

对比实施例1

本实施例的氮化物红色荧光体产品的原料配比如表1所示，其制造方法为按照化学计量比称取氮化硅(4N)、氮化锶(4N)、氧化铕(4N)并混合均匀，将混合好的粉末状原料，在氮氢气氛、1MPa大气压以及1800℃下保温5小时之后，将温度降至100℃以下，取出后，进行研磨、洗涤、烘干及过筛后处理。

实施例1-5

本组实施例的氮化物红色荧光体产品的原料配比如表1所示，其制造方法为按照化学计量比称取氮化硅(4N)、氮化锶(4N)、氧化铕(4N)、氮化硒(4N)以及金属锶(重量比，金属锶/氮化锶＝5/95)，并混合均匀，将混合好的粉末状原料，在氮氢气氛下，1450℃下保温3小时之后，将温度降至100℃以下，取出后，进行研磨、洗涤、烘干及过筛后处理。所得荧光体的平均粒径为10μm，其激发光谱如图1所示，由图可知从325nm到500nm均存在较强的吸收，适应于紫外、近紫外、紫光及蓝光LED。图2为实施例1中所得荧光体的发射光谱，该发射是位于550-700nm的一个较宽发射峰，发射主峰位于612nm，呈现为纯正的红光发射。

表1 对比实施例1及实施例1-5的原料配比

	Sr	Si	N	Se	Eu
						对比实施例1	1.92	5	8	0	0.08
实施例1	1.92	5	8	0.00001	0.08
						实施例2	1.92	5	8	0.00005	0.08
实施例3	1.92	5	8	0.001	0.08
						实施例4	1.92	5	8	0.01	0.08
实施例5	1.92	5	8	0.02	0.08

表2 实施例1-5荧光体的光色特性

实施例6-12

本组实施例的氮化物红色荧光体产品，制造方法及后处理工艺与实施例1-5相同。区别在于实施例的原料配比不同，如表3所示，所得荧光体的色坐标及相对发光强度见表4。

表3 实施例6-12的原料配比

表4 实施例6-12的荧光体组成及发光性能

实施例13-39

本组实施例的氮化物红色荧光体产品，制造方法及后处理工艺与实施例1-5相同。所得荧光体发光特性详见表5。

表5 实施例13-39所得系列荧光体的发光性能

实施例40

本实施例采用蓝光LED芯片作为辐射源，将本发明的实施例3中红色荧光物质、白光LED黄色荧光物质(如Y₃Al₅O₁₂:Ce)、绿色荧光物质(如Ba₃Si₆O₁₂N₂:Eu)，三种荧光物质的重量比为：红∶黄∶绿＝20∶50∶30，将荧光物质均匀分散在硅胶(折射率1.41，透射率99％)中，将芯片与光转换膜组合在一起，焊接好电路、封结后得到白光照明器件，其色坐标为(0.3879，0.3404)，显色指数92.1，相关色温3469K。

实施例41

本实施例采用近紫光LED芯片(380nm)作为辐射源，将本发明的实施例23中红色荧光物质、蓝色荧光物质(如BaMgAl₁₀O₁₇:Eu)及绿色荧光物质(如(Y，Lu)₃(Al，Ga)₅O₁₂:Ce)，三种荧光物质的重量比为：红∶蓝∶绿＝15∶55∶30，将荧光物质均匀分散在环氧树脂(折射率1.6)中，将芯片与环氧树脂组合在一起，焊接好电路、封结后得到白光照明器件，其色坐标为(0.3391，0.3006)，显色指数94.4，相关色温5001K。

实施例42

本实施例采用紫外LED芯片(360nm)作为辐射源，将本发明的实施例31中红色荧光物质、蓝色荧光物质(如Sr₅(PO₄)₃Cl:Eu)及绿色荧光物质(如Zn₂SiO₄:Mn)，三种荧光物质的重量比为：红∶蓝∶绿＝15∶60∶25，并将荧光物质均匀分散在硅胶(折射率1.41，透射率99％)中，将芯片与硅胶组合在一起，焊接好电路、封结后得到白光照明器件，其色坐标为(0.4122，0.3638)显色指数92，相关色温3102K。

实施例43

本实施例采用紫光LED芯片(410nm)作为辐射源，将本发明的实施例39中红色荧光物质、蓝色荧光物质(如BaMgAl₁₀O₁₇:Eu)及绿色荧光物质(如β-SiAlON:Eu)，三种荧光物质的重量比为：红∶蓝∶绿＝10∶60∶30，并将荧光物质均匀分散在环氧树脂(折射率1.6)中，将芯片与环氧树脂组合在一起，焊接好电路、封结后得到白光照明器件，其色坐标为(0.3895，0.3726)，显色指数88.9，相关色温3724K。

Claims

1.一种红色荧光体，其特征在于：该荧光体由M、A、X、L和R元素组成，其中，M元素至少含有Mg、Ca、Sr、Ba和Zn中的一种或一种以上元素；A元素至少含有Si、Ge、Sn、Ti、Zr和Hf中的一种或一种以上元素，其中必含有Si；X元素至少含有N、O和F中的一种或一种以上元素，其中必含有N；L元素至少含有Se和Te中的一种或两种元素；R元素至少含有Eu、Ce和Mn中的一种或一种以上元素，其中必含有Eu；所述红色荧光体的通式为M_mA_aX_bL_y:R_n，其中，1.8≤m≤2.2，4.5≤a≤5.5，7.5≤b≤8.5，0.00001≤y≤0.02，0.0001≤n≤0.3。

2.根据权利要求1所述的红色荧光体，其特征在于：所述M元素至少含有Mg、Ca、Sr和Ba中的一种或一种以上元素；A元素至少含有Si和Ge中的一种或两种元素，其中必含有Si；X元素至少含有N和O中的一种或两种元素，其中必含有N。

3.根据权利要求2所述的红色荧光体，其特征在于：所述M元素至少含有Ca和Sr中的一种或两种元素；A元素为Si；L元素为Se。

4.根据权利要求3所述的红色荧光体，其特征在于：所述M元素为Sr；X元素为N；R元素为Eu。

5.根据权利要求1所述的红色荧光体，其特征在于：所述M元素中包含Ca。

6.根据权利要求5所述的红色荧光体，其特征在于：所述M元素为Ca和Sr。

7.根据权利要求6所述的红色荧光体，其特征在于：原子个数比Ca/(Ca+Sr)为w％，3<w<20。

8.根据权利要求1所述的红色荧光体，其特征在于：所述红色荧光体中还包含C元素，C元素在所述红色荧光体中的重量百分比介于0.001％到0.4％之间。

9.根据权利要求1所述的红色荧光体，其特征在于：所述X元素中包含O元素，O元素在所述红色荧光体中的重量百分比介于0.01％到5％之间。

10.根据权利要求1所述的红色荧光体，其特征在于：所述红色荧光体中包含C元素，X元素中包含O元素，所述C元素在所述红色荧光体中的重量百分比介于0.001％到0.4％之间，O元素在所述红色荧光体中的重量百分比介于0.01％到5％之间。

11.一种权利要求1所述红色荧光体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)分别以含M元素的单质或化合物，含A元素的单质或化合物，含X元素的单质或化合物，含L元素的单质或化合物，R元素的单质或化合物为原料，且按照所述荧光体化学式要求的摩尔配比称取相应原料，其中必须包含一种或多种金属或非金属单质，然后充分混合均匀形成混合料；

12.根据权利要求11所述的红色荧光体的制备方法，其特征在于：所述的M元素、A元素、X元素、L元素、R元素的化合物为相对应的氧化物、氮化物、氢氧化物，碳酸盐、硝酸盐或硫酸盐。

13.一种发光装置，其特征在于：所述发光装置至少包含辐射源和权利要求1-10任一项所述的红色荧光体。

14.根据权利要求13所述的发光装置，其特征在于：所述辐射源为真空紫外发射源、紫外发射源、紫光发射源或蓝光发射源。

15.根据权利要求13或14所述的发光装置，其特征在于：所述发光装置中还含有被所述辐射源激发发光的其他荧光体，所述其他荧光体为下列荧光体中一种或一种以上：(Y,Gd,Lu,Tb)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce、(Mg,Ca,Sr,Ba)₂SiO₄:Eu、(Ca,Sr)₃SiO₅:Eu、(La,Ca)₃Si₆N₁₁:Ce、α-SiAlON:Eu、β-SiAlON:Eu、Ba₃Si₆O₁₂N₂:Eu、Ca₃(Sc,Mg)₂Si₃O₁₂:Ce、CaSc₂O₄:Eu、BaAl₈O₁₃:Eu、(Ca,Sr,Ba)Al₂O₄:Eu、(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga,In)₂S₄:Eu、(Ca,Sr)₈(Mg,Zn)(SiO₄)₄Cl₂:Eu/Mn、(Ca,Sr,Ba)₃MgSi₂O₈:Eu/Mn、(Ca,Sr,Ba)₂(Mg,Zn)Si₂O₇:Eu、Zn₂SiO₄:Mn、(Y,Gd)BO₃:Tb、ZnS:Cu,Cl/Al、ZnS:Ag,Cl/Al、(Sr,Ca)₂Si₅N₈:Eu、(Li,Na,K)₃ZrF₇:Mn、(Li,Na,K)₂(Ti,Zr)F₆:Mn、(Ca,Sr,Ba)(Ti,Zr)F₆:Mn、Ba_0.65Zr_0.35F_2.7:Mn、(Sr,Ca)S:Eu、(Y,Gd)BO₃:Eu、(Y,Gd)(V,P)O₄:Eu、Y₂O₃:Eu、(Sr,Ca,Ba,Mg)₅(PO₄)₃Cl:Eu、(Ca,Sr,Ba)MgAl₁₀O₁₇:Eu、(Ca,Sr,Ba)Si₂O₂N₂:Eu、3.5MgO·0.5MgF₂·GeO₂:Mn。