CN103975041A

CN103975041A - 用于led的水玻璃中的磷光体

Info

Publication number: CN103975041A
Application number: CN201280062090.6A
Authority: CN
Inventors: S.库伊珀; G.巴辛
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Lumileds Holding BV
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2032-12-05
Also published as: EP2748277A1; EP2748277B1; KR20140108284A; CN103975041B; US9379291B2; US20150221833A1; KR102012294B1; JP2015510252A; WO2013088309A1; JP6185928B2

Abstract

本发明提供包括光源和光转换层的照明单元，其中光源配置成提供光源光并包括发光二极管（LED），其中光转换层包括含有颗粒状发光材料的碱式硅酸盐基质，并且其中光转换层配置成将至少部分的光源光转换为发光材料光。

Description

用于LED的水玻璃中的磷光体

技术领域

本发明涉及包括基于LED（发光二极管）的光源和光转换层的照明单元。

背景技术

带有转换层的基于LED的光源在本领域中是已知的。例如，WO/2007/073496描述了照明设备，其包括至少一个固态光发射器和与光发射器间隔的至少一个发光元件，发光元件的表面至少为光发射器的照明表面的两倍大。而且，该文献中描述了包括至少一个固态光发射器和与光发射器间隔的至少一个发光元件的照明设备，发光元件的投射的表面积至少为光发射器的投射的表面积的两倍大。

WO/2010/027672描述了光源和制造这种光源的方法。光源包括管芯（die）、光转换部件和散射环。管芯通过管芯的顶表面和管芯的一个或更多个侧表面发射第一波长的光，并被结合到安装基底。光转换部件将第一波长的光转换为第二波长的光，光转换部件具有结合至管芯的顶表面的底表面。光转换部件具有使管芯周围存在空隙的横向尺寸，该空隙由基底和光转换部件界定。散射环位于该空隙中，使得从管芯的侧表面发射的一部分光被散射到光转换部件中。

发明内容

磷光体-转换的LED用于许多应用中，包括照明、LCD背光照明和汽车。为了将蓝色光转换为白色光，利用了不同的发光材料系统。通常，利用有机或者混合的有机/无机系统将发光材料颗粒结合到LED表面。有机系统的典型实例是环氧树脂。有机/无机系统的典型实例是硅树脂。

环氧树脂可能不能用于高功率LED封装中，因为它们在高强度蓝色光的存在下降解（氧化）。硅树脂对于蓝色光稳定得多，但是在强烈蓝色光和高温的组合时它们也可能降解。在发光材料转换的LED中，由于斯托克斯频移，发光材料颗粒的表面上产生热量。热量影响围绕发光材料颗粒的聚合物基质，从而导致与发光材料接触的区域中的聚合物氧化。聚合物是隔热材料，并且因此限制了向位于GaN下面的散热器的热扩散。这将热量保持在发光材料颗粒的区域内。因而，发光材料颗粒的表面上的温度变得极其高，并且因此导致聚合物烧焦。发光材料颗粒的表面上的聚合物的降解可导致光输出中不期望的颜色偏移和损失。而且，发光材料温度越高，转换效率就越低。

因此，本发明的一个方面是提供替代性的基质，其优选地还至少部分地消除上述缺陷中的一个或多个。尤其是，替代性的基质比硅树脂基质更加导热和/或更加热稳定。而且，替代性的基质对于可见光是透明的。而且，优选地，替代性的基质具有与硅树脂（其可能被应用到基质的顶部）的折射率大体上相同的折射率。而且，优选地，该基质（或者更精确地，包括具有发光材料的基质的光转换层）可相对容易地应用到基底。

出人意料地，看起来水玻璃可满足以上指明的特性中的一个或更多个，并因此可用作基质。因此，本发明提供利用水玻璃作为发光材料的基质。这种基质可应用为LED管芯的顶部上的或者LED管芯的基底上的或者远离LED管芯的层（或者应用于所述层中）。

水玻璃能抵抗极其高的温度并且导热比硅树脂更好，是其的大约10倍。而且，水玻璃对于可见光是透明的。看起来折射率也与至少很多硅树脂的折射率相当。由于其无机性质，水玻璃在LED环境中（基本）不会遭受热降解。而且，其相对高的导热率保持发光材料的低温度。水玻璃涂层还可提供机械强度，并且因此代替层压玻璃晶片。

因此，在第一方面，本发明提供包括光源和光转换层的照明单元，其中光源配置成提供光源光并包括发光二极管（LED），其中光转换层包括含有颗粒状发光材料的碱式硅酸盐基质（“基质”），尤其是（固态）水玻璃，并且其中光转换层配置成将至少部分的光源光转换为发光材料光。术语“基质”可以指发光材料颗粒由基质包围这一事实，即颗粒嵌入基质中，尽管碱式硅酸盐基质的量可能是少的。术语“基质”还可以指基质可能基本上为连续相的事实。

如以上所指明的，这种照明单元可从以下事实获益，即，光转换层可以是稳定的、热能可更好地被导走、并且因此光转换可以是更有效率的。而且，该层的应用可相对简单。

术语光源在原则上可涉及本领域中任何已知的光源。优选地，光源为在工作期间至少发射选自200-490nm范围内的波长的光的光源，尤其是在工作期间至少发射选自400-490nm范围内的波长的光的光源。该光可部分地由发光材料（见下面）转换。在具体的实施例中，光源包括固态LED光源（例如LED或者激光二极管）。术语“光源”还可涉及多个光源，例如2-20个（固态）LED光源。因此，在具体的实施例中，光源包括发光二极管。更加特别地，光源（在工作中）配置成产生蓝色光。因此，至少部分蓝色光可由光转换层转换，例如，转换成黄色光、或者黄色和红色光、或者绿色和红色光，等等。

光转换层配置成将至少部分的光源光转换为发光材料光。光转换层可配置成透射配置，其中光源光入射在光转换层的一侧上，并且发光材料光和可选地光源光从光转换层的相对侧逃离（不排除发光材料光也从光转换层的所述一侧逃离和/或光源光在（从）光转换层的所述一侧被反射/散射）。光转换层也可配置成反射配置，其中光源光入射在光转换层的一侧上，并且发光材料光仅能够从同一侧的层逃离（也不排除光源光在（从）光转换层的所述一侧被反射/散射）。例如，当光转换层应用在LED管芯上或者出射窗上时可采用前一种配置。例如，后一种配置可应用在光腔的壁或者其它部分上，而不是例如反射层或者反射层的顶部。注意两种配置都可应用（在（同一）照明单元中）。

在实施例中光转换层可为多层，例如，第一层包括配置成产生红色光的发光材料，并且第二层包括配置成产生绿色和/或黄色光的发光材料。替代性地或者另外地，光转换层可包括（保护）涂层（也参见下文），该涂层在实施例中还可包括碱式硅酸盐（例如固态水玻璃），但是不包括发光材料，并且可选地具有不同的成分。

如上所指明的，光转换层可应用在LED的管芯上，但是也可应用在例如出射窗上。因此，在实施例中，光转换层可配置成远离光源，例如，配置在这种出射窗上。

正如从上文可清楚知道的，照明单元可以不同的方式配置。光转换可在管芯上和/或是远离管芯的，和/或可分散在（透射的）圆顶中，可在该圆顶上；可以透射的方式或者以反射的方式利用光转换层（尽管两种配置都可应用在同一照明单元中）；可对光转换层进行涂敷，等等。因此，照明单元可进一步包括配置在光转换层的下游的透射光学元件，其中透射光学元件可（例如）从由圆顶、涂层和支撑体构成的组中选择。

诸如环氧树脂圆顶的圆顶在本领域中是公知的，并且可用来支持从LED管芯的光提取。在实施例中，圆顶是光转换层，也就是说，发光材料分散在圆顶中。在另一实施例中，正如本文所描述的，发光材料被提供为LED管芯上的光转换层，并且圆顶布置在具有光转换层的管芯的上方。当在光转换层上采用涂层时，涂层可包括例如氧化硅和氮化硅中的一种或多种。替代性地或者另外地，涂层可包括硅树脂涂层，但是也可应用其它的（光学）涂层。

术语“上游”和“下游”涉及项目或者特征相对于来自光发生装置（在此尤其指第一光源）的光的传播的布置，其中相对于来自光发生装置的光束内的第一位置，更靠近光发生装置的光束中的第二位置是“上游”，并且离光发生装置更远的光束内的第三位置是“下游”。

碱式硅酸盐可特别地包括SiO₂*M₂O (“水玻璃”)，其中M包括从由Li, Na和K构成的组中选择的物种，尤其是至少包括Na，并且其中实施例中的SiO₂ 和M₂O之间的摩尔比在2:1-4:1 的范围内（也参见下文）。

不同类型的水玻璃碱式硅酸盐由它们的SiO₂:M₂O比例表征，该比例尤其可在 2:1-4:1之间变化 (也就是，2-4摩尔SiO₂ 比1摩尔M₂O)，尤其是在2:1和3.75:1之间。因此，在实施例中，由二氧化硅与碱金属氧化物的摩尔比限定的硅与碱金属的分子量比在2-4范围内，尤其是在2:1和3.75之间，更加特别地在 2.5-3.75之间，更加特别地在2.7-3.5之间，例如特别地在2.8-3.22之间。3(+/- 0.2)上下的比例似乎提供良好的涂层结果（也进一步参见下文）。

在具体的实施例中，碱式硅酸盐基质包括M₂SiO₃，其中M包括选自于由 Li, Na 和K构成的组中的物种。在实施例中，同一基质中存在两种或者更多种碱离子，例如，(Li,Na)₂SiO₃。例如，70%摩尔的M是钠且30%摩尔的M是锂。除了 M₂SiO₃之外，碱式硅酸盐基质还可包括M₂O和SiO₂中的一种或多种。尤其是，M至少包括Na (钠)。在具体的实施例中，碱式硅酸盐基质包括Na₂SiO₃。Na₂SiO₃ 通常被指明为钠水玻璃。当碳酸钠和二氧化硅熔化时发生反应形成硅酸钠和二氧化碳：Na₂CO₃ + SiO₂ → Na₂SiO₃ + CO₂。无水硅酸钠包括由角共享{SiO4}四面体组成的链式聚合阴离子。这也可适用于钾和锂变体。(M₂SiO₃)水玻璃的钾和锂变体分别被指明为钾水玻璃和锂水玻璃。

除了发光材料之外，碱式硅酸盐基质还可选地包括其它材料，比如反射材料、如甘油的有机材料（例如，为了改善层的形成）、强化纤维（尤其是玻璃纤维）等中的一种或多种。当添加诸如强化纤维（比如玻璃纤维）的其它材料时，（这种添加的材料的）折射率优选地接近于碱式硅酸盐基质或者水玻璃的折射率。尤其是，这种添加物的折射率可位于碱式硅酸盐基质的折射率+/- 0.20的范围内，例如位于碱式硅酸盐基质的折射率+/- 0.10的范围内，特别是碱式硅酸盐基质的折射率+/- 0.05的范围内。而且，碱式硅酸盐基质可包括（结晶）水。一般地，相对于光转换层的总重量，水的重量百分比在大约15%重量以下，尤其是在大约10%重量以下，更加特别地小于大约5%重量。

光转换层包括颗粒状发光材料，发光材料的颗粒（至少部分地）嵌入在碱式硅酸盐基质中。因此，后者可视为连续相。取决于相对量，碱式硅酸盐可形成带有平滑有光泽的外表的整体上基本平坦的层或者形成可能粗糙的层。特别地，相对于光转换层的总重量，光转换层包括至少2%重量的碱式硅酸盐（或者水玻璃），更加特别地，至少 10 %重量的碱式硅酸盐，更加特别地，至少 20%重量的碱式硅酸盐。在实施例中，光转换层中的碱式硅酸盐与发光材料的重量比在 50:1-1:50范围内，例如，20:1-1:20, 尤其是10:1-1:10, 比如5:1-1:5, 例如1:1-1:3。注意术语发光材料还可指多种不同的发光材料（也参见下文）。相对于光转换层的总重量，碱式硅酸盐和发光材料的总（也就是，组合的）量一般至少为 50%重量，更特别地至少为 60%重量，并且更特别地至少 70%重量。特别地，相对于光转换层的总重量，碱式硅酸盐和发光材料的总量可至少为 80%重量，尤其是至少 90%重量，例如至少95%重量。

发光材料在原则上可为适于吸收至少部分的光源光并能够将所吸收的光源光的至少部分转化为（尤其是可见光中的）光的任何发光材料。特别地，发光材料配置成吸收光源光的蓝色部分的至少部分（假定光源光包括蓝色光成分）。

在实施例中，颗粒状的发光材料包括从由含三价铈的石榴石、含二价铕的氮化物、含三价铈的氮氧化物和含二价铕的氮氧化物构成的组中选择的一种或更多的发光材料。特别地，这些发光材料在蓝色中是可激发的。这样，若需要，可以基于蓝色光源光和这些发光材料中的一种或多种（可选地，与一种或者多种另外的发光材料相结合）产生白色光。因此，在实施例中，光源配置成产生蓝色光源光，并且光源和光转换层配置成提供白色照明单元光。因而，在实施例中，光源光是蓝色的并且发光材料光包括一种或多种互补色，例如黄色、黄色和红色、或者绿色和红色，等等。

（这种）（无机的）发光材料的实例包括例如掺铈 (Ce)钇铝石榴石（YAG），例如YAG:Ce 分子比为2.1或者3.3，或者掺铈镥铝石榴石(LuAG)（例如，以相似的分子比）。适当的无机发光材料的具体实例例如是Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺、Y₂LuAl₅O₁₂:Ce³⁺、YGdTbAl₅O₁₂:Ce³⁺、Y_2.5Lu_0.5Al₅O₁₂:Ce³⁺、Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺、(Sr,Ba,Ca)₂SiO₄:Eu²⁺、(Sr,Ca,Ba)Si₂O₂N₂:Eu²⁺、(Ca,Sr,Ba)Ga₂S₄:Eu²⁺、(Ca,Sr,Ba)₂Si₅N₈: Eu²⁺等。也可应用其他的蓝色光可激发的发光材料。

在具体的实施例中，发光材料包括发光量子点。这种发光材料可能具有发射带可调的优势（如本领域中已知的，取决于颗粒的大小）。而且，这种系统可能提供饱和的光颜色。具有可见范围内的发射的最知名量子点是基于带有壳层的硒化镉(CdSe)，例如硫化镉（CdS）和（或）硫化锌(ZnS)壳层。也可采用不含镉的量子点，例如磷化铟（InP）、和/或铜铟硫化物（CuInS₂）和/或银铟硫化物（AgInS₂）。这种发光材料可嵌在透明材料中，例如上文或者下文指明的透明材料中的一种或更多种。

如上文所指明的，术语发光材料还可涉及多种不同的发光材料。因此，在实施例中，发光材料包括多种发光材料。当它们在同一激发波长下的发射光谱分布不同时，可认为发光材料是不同的。

颗粒状发光材料例如可包括具有0.5-10 μm范围内的颗粒大小的发光材料颗粒，尤其是，50%重量的或者更多的（例如至少85%重量的）（颗粒状发光材料的颗粒）具有0.5-10 μm范围内的尺寸。当然，量子点可以更小。

本文的术语白色光对本领域技术人员是公知的。其特别地涉及具有大约2000到20000K之间（尤其是2700-20000K）的相关色温（CCT）的光，对于一般的照明尤其是大约2700K到6500K范围内，并且对于背光照明目的尤其是大约7000K到20000K范围内，并且特别地是在距BBL（黑体轨迹）大约15 SDCM（标准配色偏差）内，特别地是在距BBL大约10 SDCM内，更特别地，是在距BBL大约5 SDCM内。

术语“紫色光”或者“紫色发射”特别地涉及具有大约380-440 nm范围内的波长的光。术语“蓝色光”或者“蓝色发射”特别地涉及具有大约440-490 nm范围内的波长的光（包括一些紫色和青色色调）。术语“绿色光”或者“绿色发射”特别地涉及具有大约490-540 nm范围内的波长的光。术语“黄色光”或者“黄色发射”特别地涉及具有大约540-570 nm范围内的波长的光。术语“桔色光”或者“桔色发射”特别地涉及具有大约570-600 nm范围内的波长的光。术语“红色光”或者“红色发射”特别地涉及具有大约600-750 nm范围内的波长的光。术语“可见”、“可见光”或者“可见发射”是指具有大约380-750 nm范围内的波长的光。

在另一方面，本发明提供了用于向基底提供光转换层的工艺，其中光转换层包括含有发光材料的碱式硅酸盐基质，发光材料包括颗粒（也就是，颗粒状发光材料），该工艺包括混合颗粒状发光材料、碱式硅酸盐基质前体液体和可选的一种或更多种其它成分，可选地在一个或者更多个另外的处理阶段之后将这样得到的混合物施加到基底的表面上，以及干燥这样形成的层以提供光转换层。

这可以是相对简单的工艺，总体上比提供光转换层的大多数现有工艺更容易，该工艺可得到如上描述的光转换层。例如，基底可包括LED（特别是LED管芯）、透射支撑体（例如意图作为出射窗）或者晶片（特别地包括多个LED管芯）。随后可以例如利用激光划片来对晶片进行划片。这也是特有的优势，因为光转换层在划片的同时基本上可以保持不被损害。可选地，支撑体可包括例如基于玻璃纤维的强化纤维织物。替换性地，在涂敷之前可以让短链纤维悬浮在水玻璃/磷光体悬浮物中。

碱式硅酸盐基质前体液体可以为例如液态水玻璃或者液化的固态水玻璃。可将水玻璃粉末与诸如水的液体混合，并且这样得到的液体（或溶液）与颗粒状发光材料以及可选的其它成分相结合。发光材料可导致颗粒状发光材料在液体中的悬浮物。

因为液体提供了导致基质在施加于基底上并干燥之后（至少部分地）包围颗粒状发光材料的建筑材料，所以采用了术语“基质前体”。这样，就形成了固态碱式硅酸盐基质。

特别地，液体是基于水的。可能存在的其它成分不仅可能例如是有机低温沸腾溶剂，例如乙醇、丙酮等，而且可能为其它的颗粒状材料，例如反射体颗粒或者诸如玻璃纤维的强化颗粒，尤其是在比例超过1时，例如等于或者大于2时。

“可选的一个或者更多个另外的处理阶段”可包括例如加热处理、（严格的）混合处理、混合一种或者更多种另外的成分等。

如以上所指明的，颗粒状发光材料在实施例中可包括多种不同的发光材料。这可能意味着两种（或更多种）类型的颗粒和/或也可能意味着在相应颗粒中的具有两种（或更多种）类型的发光材料的颗粒。

液体中酸性成分的存在或者在形成光转换层时光转换层上方的空气中酸性成分的存在可进一步影响光转换层的特性。因此，在实施例中，所述工艺还包括以下步骤中的一个或更多：（i）向混合物添加酸性成分，和（i）引导这样形成的光转换层上方的酸性气体或者酸性喷雾。这样可改善层的强度并增强耐湿性。

可采用本领域中已知的方法将层施加到表面以提供（液体）涂层。在干燥这样形成的层以提供光转换层时，该工艺可包括加热阶段。特别地，干燥包括将这样形成的层加热至向照明单元施加满功率时也能达到的温度。在实施例中，层（在施加至例如LED管芯或者透射支撑体的基底后）被加热至200-300℃范围内的温度。

在实施例中（也参加上文），颗粒状发光材料包括发光材料颗粒，其中50%重量或者更多的颗粒具有0.5-10 μm范围内的尺寸。而且，在实施例中，所述工艺包括提供厚度在5- 200 μm范围内的光转换层，所述厚度比如是10-100 μm，例如30-70 μm。

如上所述，固态水玻璃可用作颗粒状发光材料的基质，以作为照明单元中的光转换层。

本领域技术人员将理解本文的术语“基本上”，例如在“基本上所有的发射”中的或者“基本上包括”中的“基本上”。术语“基本上”还可包括具有“全部地”、“完全地”、“所有的”等的实施例。因此，在实施例中描述词“基本上”也可去除。在可用的场合，术语“基本上”还可能涉及90%或更高，例如95%或更高，特别地99%或更高，更特别地99.5%或更高，包括100%。术语“包括”还包括其中术语“包括”意为“由……构成”的实施例。

而且，说明书中和权利要求中的术语“第一”、“第二”、“第三”等用于区分类似的元件，并且不一定用于描述按照次序的或者按照时间前后排列的顺序。应理解这样使用的术语在适当的情形下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施例能够以不同于本文所描述或者说明的次序操作。

本文的设备是在操作期间描述的其它设备之中的。正如本领域技术人员将清楚的，本发明不限于操作方法或者操作中的设备。

应当注意，上面提到的实施例说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多替代性的实施例，而不脱离所附权利要求的范围。在权利要求中，置于圆括号之间的任何附图标记不应解释为对权利要求的限制。动词“包括”及其变化形式的使用不排除除了在权利要求中声明的元件或者步骤以外的其他元件或步骤的存在。在元件之前的冠词“一”或者“一个”不排除多个这种元件的存在。可借助包括一些分立元件的硬件，并借助适当编程的计算机来实施本发明。在列举一些装置的设备权利要求中，这些装置中的一些装置可由同一个硬件项目来实施。某些手段记载在相互不同的从属权利要求中的这一简单事实不表示不能有利地使用这些手段的组合。

本发明还应用于包括说明书中描述的和/或附图中显示的特性特征中的一个或更多的设备。本发明还关于包括说明书中描述的和/或附图中显示的特性特征中的一个或多个的方法或者工艺。

本专利中讨论的各个方面可相结合以提供另外的优势。而且，一些特征能够形成一个或者更多的分案申请的基础。

附图说明

现在将仅通过举例参照附随的示意图来描述本发明的实施例，其中相应的附图标记指示相应的部分，并且其中：

图1a-1d示意性地描绘了照明单元的一些实施例；和

图2a-2d示意性地描绘了本发明的一些进一步的方面。

附图不一定是按比例绘制的。

具体实施方式

图1a示意性地描绘了由附图标记100指示的本发明的照明单元的实施例。照明单元包括光源10，其在该示意图中为LED（发光二极管）。在该实施例中，光转换层20设置于光源10的顶部，此处为表面15上，因而在光源10的下游。该光转换层20包括碱式硅酸盐或者水玻璃基质40，其中发光材料颗粒55（见下面）位于基质40内。举例来说，例如，为了光提取特性，照明单元100还包括（透射）圆顶61。这是透射光学元件60的实施例，在该实施例中其布置在光源10的下游并且也在光转换层20的下游。光源10提供光源光11（该图中未指示，但也可参见图1c），光源光至少部分地被光转换层20转换为发光材料光51。从照明单元发出的光由附图标记101指示，并包含至少该发光材料光51，但是可选地，取决于光转换层（中的发光材料50）的吸收，也可包括光源光11。

图1b示意性地描绘了不带圆顶但具有可选的涂层62的另一实施例。该涂层62是透射光学元件60的另一实例。注意在实施例中涂层62可为不含有发光材料的碱式硅酸盐，但是在另一实施例中可能为聚合层、硅树脂层或者环氧树脂层。替代性地或者另外地，该层可由诸如氧化硅或者氮化硅层的无机涂层构成，其尤其具有保护碱式硅酸盐层不受诸如水的环境影响的功能。

在图1a-1b这两个示意性地描绘的实施例中，光转换层20与光源10物理接触，或者至少与其光出射表面接触，例如，LED的管芯（光出射表面15）。然而，在图1c中，光转换层20布置为远离光源10。在该实施例中，光转换层20配置在例如出射窗的透射（也就是，透射光的）支撑体30（也被视为光学元件60的实例）的上游。施加了光转换层20的支撑体30的表面用附图标记65指示。可选地，该表面65可能是有织纹的。在具体的实施例中，该表面包括强化纤维织物。注意，光转换层20也可布置在支撑体30的下游，或者在支撑体的两侧都施加光转换层20。光转换层20和光源之间的距离用附图标记d指示，并且其范围例如可为0.1mm-10cm。注意，在图1c的配置中，原则上也可以应用多于一个光源10。

图1d更加详细地示意性描绘了光源10和光转换层20，光转换层20包括带有发光材料颗粒55的基质40，所述颗粒包括发光材料50。用d1指示的光转换层的高度可能在例如5-200 μm的范围内，尤其是30-70 μm, 例如40-60 μm。举例来说，该示意图示出了光源光11部分地透射通过光转换层20，并且部分地由发光材料50转换以提供发光材料光51。发光材料光51和余下的光源光11一起提供照明单元光101。

图2a非常示意地描绘了具有基底表面75的基底70，光转换层可施加到基底表面。该基底可能为例如图1a-1b中示意性地描绘的LED的管芯，但是也可能为图1c的透射光学元件。随后，参见图2b，通过采用包括碱式硅酸盐基质前体液体和发光材料颗粒的液体涂敷基底表面75来施加光转换层20。在实施例中，基底70包括晶片76。在施加所述层（并且干燥）之后，可选地，可以施加类似于涂层的光学元件60。

图2d示意性地描绘了其中光转换层20包括非光滑的表面25的实施例。例如，以高重量百分比的发光材料可获得这种粗糙的表面。可选地，可施加另外的涂层（也参见上文）。

实例和另外的实施例

研究了水玻璃替代硅树脂作为白色光LED中发光材料颗粒的载体。

水玻璃（硅酸钠）是通过融合沙(SiO₂)和苏打灰(Na₂CO₃)的不同部分制成，其中CO₂ 被驱除。这些部分的比例决定了最终产品的特性。以SiO₂/Na₂O的比例和水中的浓度来表明该产品。钠也可由钾或者锂替代，以实现不同的特性。在将水玻璃作为薄膜施加后，水蒸发并留下固态的涂层。较低的SiO₂/Na₂O比例易于更好地保持水分，并因此蒸发得更慢。对于涂层应用，尤其推荐较高比例的溶液(大约2.8-3.22)。如果涂层完全脱水，则它们是极其耐用的（抵抗水和CO₂的吸收）。完全脱水可能要求干燥过程期间加热。建议在250℃的温度下固化硅酸盐层，该温度远低于发光材料能够经受的温度（基于氮化物的发光材料能够经受高达350℃的温度，而且基于YAG的发光材料能够经受甚至高得多的温度）。

使涂层耐用的另一种方法是利用化学沉降（chemical setting）。硅酸盐可与各种酸性的或者可溶解的金属化合物反应。中和碱式硅酸盐和酸性材料聚合硅石并形成凝胶。可用于这种方式的化学沉降剂包括：矿物和有机酸、CO₂气体和诸如碳酸氢钠的酸式盐。

当硅酸盐膜完全脱水时，它们提供了卓越的抗高温能力。大多数硅酸盐具有850℃左右的流点。在LED中永远不能达到这种温度。

水玻璃对于可见光是透明的，并且在低于400nm时透射性快速下降，在325nm处表现出大约40%的值。对于将蓝色光转换为白色光的LED，这个范围是足够的。

硅酸盐涂层可能是易碎的。如果需要较高程度的柔性，通常可添加5%重量的甘油。对于蓝色光，甘油具有非常高的透明度。然而，也可以添加其它的材料，例如，乙二醇、丙二醇、酒精等。替代性地或者额外地，可应用强化织物或者可添加强化纤维（也参见上文）。

涂敷程序

混合硅酸盐溶液和发光材料颗粒直到得到均匀的分散质。然后分散质可被施加到将覆盖LED的玻璃板的顶部上（远程应用）。其也可直接被施加到LED的表面上（也就是管芯上），从而避免了玻璃板的需要。例如，可通过旋涂或者喷涂来完成涂敷。然而，因为发光材料价格昂贵，所以优选的是损耗小的涂敷方法。丝网印刷或者浸渍涂敷会产生小的损耗。在沉积过程期间监控涂层的质量也是优选的，以得到期望的转换特性。

在已经施加涂层之后，允许基底在室温下干燥。在大部分的水已经蒸发后，基底在烘炉中被慢慢地加热至100-300℃（取决于SiO₂ 和 Na₂O的比例）以使涂层脱水。在水蒸发步骤之前，可应用采用例如 CO₂ 或者 HCl气体或者喷雾的后处理，以获得化学沉降。

可调整硅酸盐和发光材料的比例。大量的硅酸盐可能导致完全嵌入在硅酸盐中的发光材料颗粒并且涂层将具有平滑有光泽的外表。为了得到更佳的光输出耦合（对于没有采用圆顶的情形），可能期望的是减少硅酸盐含量以得到粗糙表面（还参见图2d）。硅酸盐含量的更进一步减少将导致多孔结构。多孔结构具有水分更易蒸发的优势。

从Merck获得作为10.6% 的Na₂O 和26.5% 的SiO₂的水溶液的水玻璃。YAG:Ce³⁺发光材料颗粒用于形成质量比为1：1的发光材料在水玻璃中的悬浮物。 3”晶片级模制封装晶片（硅模制化合物，SMC）的一半通过手工浸涂到悬浮物中而被涂敷。另一半被浸涂到纯净的水玻璃溶液中。在这两半之间，少数LED管芯不被涂敷以用于对照。晶片在空气中干燥一天，并且然后在烘炉中以50℃干燥四小时。检验表明，填充有发光材料的涂层是多孔的（开放的、连通的孔）。由于该原因，用纯净的水玻璃再次涂敷该半晶片的一半。这种纯净的水玻璃填满孔，并留下填充有发光材料的稠密涂层。因而，晶片包括三种不同的管芯：未涂敷的、用稠密的水玻璃中的发光材料涂敷的和用多孔的水玻璃中的发光材料涂敷的。晶片再次于室温下和50℃干燥。接着，其在90℃干燥一天，随后在120℃进行四小时的干燥步骤。最后，晶片在150℃干燥四小时。

在干燥之后，采用2W、266 nm UV 激光(JPSA)以20 mm/s的划片速度对晶片进行划片。水玻璃层以及SMC层在一个步骤中被激光切割。观察到水玻璃材料靠近切口再沉积。可通过采用剃刀片剃除而容易地将其移除，且不会损坏管芯。

在移除再沉积的水玻璃之后和分离管芯之后，可测量涂层的厚度。纯净的水玻璃大约30 μm厚，并且载有发光材料的稠密水玻璃大约60 μm。

水玻璃的表面如此硬以致其几乎不能被划伤。这意味着在管芯处理期间其可用作机械支撑/保障。其可代替层压玻璃晶片的使用。

在管芯分离之后，样本在回流炉中被焊接到基底上。

折射率

在测量管芯的光输出之前，测量水玻璃的折射率。通过将水玻璃液滴散布在聚乙烯箔片上，制备纯净的水玻璃涂层。在室温下进行干燥之后，箔片被移除，并且水玻璃薄层在50°、90℃和120°的温度下在烘炉中进一步被干燥。利用Abbe折射计，测量不同波长的折射率。看起来水玻璃的折射率与软的圆顶硅树脂材料的折射率紧密匹配。这是一个积极的结果，因为它意味着水玻璃和圆顶之间的界面将几乎不将光反射回管芯中。

光输出

在将管芯焊接到基底上并模制硅树脂圆顶后，测量光输出。结果显示，纯净的水玻璃相对于参考样本并没有严重改变光输出。由于圆顶和水玻璃相似的折射率，所以这似乎是合理的。具有多孔的发光材料的管芯产生的光是不具有发光材料的管芯的56%。

在这些试验中，得到了大约4200 K的色温。当然，也可得到其它的色点，这取决于发光材料的量和类型以及光源的波长（分布）。

因此，填充有发光材料的水玻璃相对于填充有发光材料的硅树脂具有一些优势，例如较低的成本、较高的导热率、和更佳的抵抗光和温度引起的降解的能力。水玻璃能够一步到位地替代硅树脂和层压玻璃晶片。水玻璃涂层可包括发光材料颗粒并且为刚性的，并且同时能耐划伤。水玻璃的折射率大体上等于硅树脂圆顶的折射率。具有纯净的水玻璃的管芯的光输出大体上等于不具有水玻璃的管芯的输出。采用填充有YAG的多孔水玻璃涂敷的管芯提供了良好的光输出。可采用深紫外激光切割水玻璃涂层。

Claims

1.照明单元（100），包括光源（10）和光转换层（20），其中光源（10）配置成提供光源光（11）并包括发光二极管（LED），其中光转换层（20）包括含有颗粒状发光材料（50）的碱式硅酸盐基质（40），并且其中光转换层（20）配置成将至少部分的光源光（11）转换为发光材料光（51）。

2.根据权利要求1所述的照明单元（100），其中碱式硅酸盐基质（40）包括SiO₂*M₂O，其中M包括从Li、Na和K构成的组中选择的物种，并且其中SiO₂ 和M₂O之间的摩尔比在2:1-4:1的范围内。

3.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的照明单元（100），其中碱式硅酸盐基质（40）包括M₂SiO₃, 其中M包括从Li、Na和K构成的组中选择的物种。

4.根据权利要求2-3中的任一权利要求所述的照明单元（100），其中M至少包括 Na。

5.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的照明单元（100），其中光源（10）配置成产生蓝色光源光（11），并且其中光源（10）和光转换层（20）配置成提供白色照明单元光（101）。

6.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的照明单元（100），其中颗粒状发光材料（50）包括从由含三价铈的石榴石、含二价铕的氮化物、含三价铈的氮氧化物和含二价铕的氮氧化物构成的组中选择的一种或更多种发光材料（50）。

7.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的照明单元（100），其中光转换层（20）包括至少10%重量的碱式硅酸盐，并且其中光转换层中的碱式硅酸盐与发光材料的重量比在20:1-1:20的范围内。

8.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的照明单元（100），其中光转换层（20）还包括玻璃纤维。

9.根据权利要求1-8中的任一权利要求所述的照明单元（100），还包括配置在光转换层（20）的下游的透射光学元件（60），其中透射光学元件（60）从由圆顶（61）、涂层（62）和支撑体（30）构成的组中选择。

10.根据权利要求1-8中的任一权利要求所述的照明单元（100），其中光转换层（20）配置成远离光源（10）。

11.用于向基底（70）提供光转换层（20）的工艺，其中光转换层（20）包括含有发光材料的碱式硅酸盐基质（40），发光材料包括颗粒（50），该工艺包括混合颗粒状发光材料（50）、碱式硅酸盐基质前体液体和可选的一种或更多种其它成分，可选地在一个或者更多的另外的处理阶段之后将这样得到的混合物施加到基底的表面（75），以及干燥这样形成的层以提供光转换层（20）。

12.根据权利要求11所述的工艺，其中基底（70）包括LED、透射支撑体或者晶片。

13.根据权利要求11-12中的任一权利要求所述的工艺，其中二氧化硅与碱金属氧化物的分子量比在2:1-4:1的范围内。

14.根据权利要求11-13中的任一权利要求所述的工艺，其中碱式硅酸盐基质前体液体包括液态水玻璃。

15.固态水玻璃作为颗粒状发光材料的基质以用作照明单元中的光转换层的用途。