CN105255495B - 一种氧氮化物荧光粉及制备方法和含该荧光粉的白光led光源 - Google Patents

一种氧氮化物荧光粉及制备方法和含该荧光粉的白光led光源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氧氮化物荧光粉及制备方法和含该荧光粉的白光LED光源，其荧光粉采用化学通式(Lu1‑xCex)Al5‑ySiyO12‑4y/3Nz+4y/3表示，各参数满足0<x≤0.3，0≤y≤1.8，0≤z≤1.5，y和z不同时为0；所采用的初始原料为纯氧化镥、硝酸铈、硝酸铝、氮化硅/氮化铝以及络合剂柠檬酸。所述氮化硅为α含量>95％、氧含量<2.0％、比表面积9‑13m2/g、平均粒径0.2μm的亚微米α‑Si3N4。氮化铝为含量≥99.9％、平均粒径0.2μm的亚微米级F型AlN。本发明的荧光粉在150℃下发光强度衰减不超过初始强度的15％；其包含很宽的激发和发射光谱，能被430‑470nm的蓝光有效激发，发出峰值波长范围在500‑625nm的橙黄光。将其涂覆在InGaN基的LED芯片上，制备了一种低色温、高显色性、长寿命、适合于普通室内照明的暖白光LED平面光源。

Description

一种氧氮化物荧光粉及制备方法和含该荧光粉的白光LED 光源
技术领域
本发明属于荧光粉技术领域，具体涉及一种具有石榴石晶体结构的高稳定性氧氮化物基荧光粉及其新型制备方法和包含该氧氮化物荧光粉的白光LED平面光源。
背景技术
白光发光二极管是一种新型固态照明光源，近几年得到了业内的广泛关注和快速发展，与传统的白炽灯及荧光灯相比，它具有节能、环保、寿命长、体积小、响应快、耐冲击等优点，被誉为是继白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯之后的第四代照明光源。
白光作为一种混合光，是根据三基色原理通过红绿蓝(RGB)三种颜色的光合理配比实现的。白光LED的实现主要有三种方式(R.J.Xie et al.,Sci.Technol.Adv.Mat.,8:588(2007))，其中，采用蓝光InGaN芯片结合石榴石结构的(Y1-aGda)3(Al1-bGab)O12:Ce3+，简称YAG:Ce黄色荧光粉(US Pat.5998925,6069440,7071616；S.Nakamura et al.,Springer,Berlin,1997)的方式是最为广泛采用的，具有性能稳定、生产成本低和易于实现的优点。但是，由于采用的YAG:Ce荧光粉缺乏长波段的红光发射，导致该类方式制备的白光LED光源显色指数偏低CRI<75，色温偏高CCT>5000K，难以满足普通室内照明的应用需求。而且，YAG：Ce较差的热稳定性缺陷，一直是其生产使用上的一大局限。因此，为了提高白光LED光源的显色指数，降低其色温，提高其热稳定性。近年来，许多研究者开展了Ce掺杂石榴石结构荧光粉的改性研究。
维尔纽斯大学的Katelnikovas等人(A.Katelnikovas et al.,J.Lumin.,129:1356(2009))通过Mg2+-Si4+离子对共同取代四面体和八面体位置的Al3+，可引起YAG:Ce3+发射光谱的红移。但和未取代的荧光粉相比，荧光粉的发光效率和热稳定性降低。此外，美国乔治亚大学的Setlur等人(A.A.Setlur et al.,Chem.Mater.,20:6277(2008)；US Pat.0,197,443)使用共价性更强的Si4+-N3-键取代YAG中相对较弱的Al3+-O2-键，合成了具有石榴石结构的氧氮化物荧光粉，和YAG:Ce荧光粉相比，该氧氮化物的发射光谱出现了明显的红移，使用该单一荧光粉结合蓝光InGaN的LED芯片研制的白光LED器件，CCT降低到4000K以下，CRI提高到了80。但同样也伴随着大的发光性能的降低和热猝灭。
LuAG:Ce荧光粉与YAG:Ce荧光粉同为石榴石结构，近年来也受到了研究人员的关注。但是作为白光LED用荧光粉，LuAG:Ce荧光粉的发射光谱偏绿，从而使其在LED应用上的研究比较缺乏。Qiyue的研究团队(Qiyue et al.,J.Lumin.131:1013(2011))指出，Lu3+取代Y3+可以大幅提高荧光粉的热稳定性。因此，如果在LuAG:Ce荧光粉中引入Si-N键，是否可以达到高热稳定性和长波长发射二者兼得的目的，目前尚缺乏该方面的具体研究和详细报道。此外，部分研究表明(Song et al.,Mater.Lett.184.67(2012))，如用部分Al3+-N3-键取代Al3+-O2-组合，虽然不能使YAG:Ce荧光粉的发射光谱产生大幅度的红移，但可增强其发光效率。因此，如果在引入Si-N键的基础上，同时引入Al3+-N3-键是否可在保证荧光粉高热稳定性和长波长发射的前提下，进一步提高其发光性能？也是本发明中需要证实的内容之一。
发明内容
本发明的目的在于克服传统YAG:Ce荧光粉热稳定性差，所制白光LED器件色温高，显色指数差等缺点，通过使用Lu3+离子取代传统YAG:Ce荧光粉中的Y3+离子从而提高荧光粉的热稳定性；并通过在配方中掺杂AlN或Si3N4，使荧光粉在保持尽量高的发光效率和热稳定性的前提下，发射光谱向长波段移动，使其适用于以蓝光InGaN基的LED芯片作为激发光源的暖白光LED器件。
本发明的另一目的在于克服目前氮氧化物荧光粉合成方法复杂、高温、高能耗、高成本的现状，通过湿化学法将初始原料首先在溶剂中分散、混合，得到在离子水平上均匀混合的前驱体，从而降低合成所需温度和保温时间，在保持其优异发光性能的同时，降低成本。方法工艺简单、技术成熟、成本低廉、有益于实现工业化生产。
为实现上述目的，本发明提供一种荧光粉，其特点是：采用化学通式(Lu1-xCex)Al5-ySiyO12-4y/3Nz+4y/3表示，其中各参数满足0<x≤0.3，0≤y≤1.8，0≤z≤1.5，y和z不同时为0；组成该化学通式所采用的初始原料为纯氧化镥、硝酸铈、硝酸铝、氮化硅/氮化铝以及络合剂柠檬酸。所述的氮化硅为α含量>95％、氧含量<2.0％、比表面积9-13m2/g、平均粒径0.2μm的亚微米α-Si3N4。氮化铝为含量≥99.9％、平均粒径0.2μm的亚微米级F型AlN。
一种上述的荧光粉的制备方法，该方法采用如下制备步骤：(1)称取原料：按所述化学通式的化学计量比计算并称取所需氧化镥、硝酸铈、硝酸铝分别溶解于浓度为30％的稀硝酸中得到溶液a，Lu和Ce总的浓度保持在0.75M；按照与金属摩尔比1:1的比例计算并称取所需柠檬酸溶解于溶液a得到混合溶液b；按化学通式的化学计量比计算并称取所需氮化硅和氮化铝，通过搅拌和超声分散于溶液b得到悬浊液c；(2)前驱体的制备：将悬浊液c放于磁力加热搅拌器上150℃加热并搅拌4h，蒸干悬浊液中多余的水分，随着水的不断蒸发，溶液首先形成乳白色溶胶并伴有红棕色气体(硝酸受热分解所得氮氧化物)，继续加热后得到黄褐色凝胶并停止加热；将盛有黄褐色凝胶的烧杯放入马弗炉中200℃保温4h发生燃烧反应，得到蓬松的乳白色固体；将所得的乳白色蓬松固体用玛瑙研钵研磨粉碎后得到所需前驱体；(3)高温气氛烧结反应：将步骤(2)中所得前驱体装入Al2O3坩埚置于中频烧结炉中，在95％/5％的N2/H2气氛下，气体流量为60sccm，1300℃－1500℃，保温2-4小时热处理，升温速率为10℃/h，合成的荧光粉体随炉自然冷却；(4)酸洗：将步骤(3)合成的荧光粉体放入盛有去离子水的烧杯中，加入浓度为36％-38％的稀盐酸，去离子水与稀盐酸的体积比为10：1，在100℃条件下搅拌30min，静置待荧光粉沉淀，滤掉上层澄清液后，用去离子水反复清洗至溶液呈中性，放入干燥箱中，80℃保温10小时，得到干燥的氧氮化物荧光粉成品。
所述荧光粉150℃下发光强度衰减不超过初始强度的15％。
一种包含所述荧光粉的白光LED平面光源，特点是：在LED发光器件上表面设有包含所述荧光粉的发光层；该单一基质荧光粉层的加入使LED平面光源在保证发光效率的前提下，显色指数和寿命大大提高，满足了其作为普通室内照明器件的应用需求。该LED平面光源采用的发光芯片为发射波长在430-470nm的InGaN基的LED芯片。
本发明与现有技术相比，与其他发明相比，具有如下优点：
1.首次将溶胶－凝胶的湿化学法工艺应用于石榴石结构的LuAG:Ce基氧氮化物荧光粉的合成，和现有的合成工艺相比，由于溶胶－凝胶工艺实现了原料在离子态水平的均匀混合，使石榴石基氧氮化物荧光粉在保持优异发光性能的前提下，反应烧结温度和反应时间降低，进而降低了能耗和成本；和常规的高温固相工艺相比，该工艺在保持荧光粉优异发光性能的前提下，方式更简便，低能耗。
2.在LuAG:Ce荧光粉中同时引入Si4+-N3-键和Al3+-N3-键，使合成的荧光粉在发射光谱不断红移的同时，发光效率和热稳定性大大提高。
3.合成的氧氮化物荧光粉的热稳定性显著提高，在150℃下发光强度衰减不超过初始强度的15％。
4.合成的氧氮化物荧光粉包含很宽的激发和发射光谱，能被430-470nm的蓝光有效激发，发出峰值波长范围在500-625nm的橙黄光。
5.合成的氧氮化物荧光粉涂覆在InGaN基的LED芯片上，制备了一种低色温、高显色性、长寿命、适合于普通室内照明的暖白光LED平面光源，其色坐标、显色指数和色温在很宽的范围内可调，可满足于不同环境的应用要求。
附图说明
图1为本发明中实施例1-5合成荧光粉的XRD图谱；
图2为本发明中实施例1，2合成的荧光粉的激发和发射光谱图；
图3为本发明中实施例2所合成荧光粉的SEM图；
图4为本发明中实施例1，2所合成荧光粉的热稳定性曲线图；
图5为本发明中实施例1，3所合成荧光粉的激发和发射光谱；
图6为本发明中实施例2，4，5合成荧光粉的激发和发射光谱图。
图7为本发明中实施例5所合成荧光粉的SEM图；
图8为本发明中采用实施例2和5所合成的荧光粉制成的白光LED平面光源的电致发光光谱图。
具体实施方式
实施例1
本例为比较例，采用原有工艺的材料配方并配以本发明中的制备步骤来制备，以此为基准说明Si3N4和AlN的添加对荧光粉光学性能的影响。
将4N或分析纯的如下初始原料：Lu2O3、Al(NO3)3·9H2O和Ce(NO3)3·6H2O按化学式Lu2.91Ce0.09Al5O12的严格比例配料，称取5.79g的Lu2O3、18.76g的Al(NO3)3·9H2O和0.39g的Ce(NO3)3·6H2O，其中Ce3+＝3at％。
(1)称取原料：按所述化学通式的化学计量比计算并称取所需氧化镥、硝酸铈、硝酸铝分别溶解于200ml浓度为30％的稀硝酸中得到溶液a；按照与金属摩尔比1:1的比例计算并称取所需柠檬酸溶解于溶液a得到混合溶液b；(2)前驱体的制备：将悬浊液b放于磁力加热搅拌器上150℃加热并搅拌4h，蒸干悬浊液中多余的水分，随着水的不断蒸发，溶液首先形成乳白色溶胶并伴有红棕色气体(硝酸受热分解所得氮的氧化物)，继续加热后得到黄褐色凝胶并停止加热；将盛有黄褐色凝胶的烧杯放入马弗炉中200℃保温4h发生燃烧反应，得到蓬松的乳白色固体；将所得的乳白色蓬松固体用玛瑙研钵研磨粉碎后得到所需前驱体；(3)高温气氛烧结反应：将步骤(2)中所得前驱体装入Al2O3坩埚置于中频烧结炉中，在95％/5％的N2/H2气氛下，气体流量为60sccm，1300℃－1500℃，保温2-4小时热处理，升温速率为10℃/h，合成的荧光粉体随炉自然冷却；(4)酸洗：将步骤(3)合成的荧光粉体放入盛有去离子水的烧杯中，加入浓度为36％-38％的稀盐酸，去离子水与稀盐酸的体积比为10：1，在100℃条件下搅拌30min，静置待荧光粉沉淀，滤掉上层澄清液后，用去离子水反复清洗至溶液呈中性，放入干燥箱中，80℃保温10小时，得到可被450nm蓝光有效激发，发射主波长在515nm的黄绿色LuAG:Ce荧光粉。
实施例2
将4N或分析纯的如下初始原料：Lu2O3、Al(NO3)3·9H2O、Ce(NO3)3·6H2O和α-Si3N4按化学式Lu2.91Ce0.09Al4.79Si0.21O11.72N0.28的严格比例配料，称取5.79g的Lu2O3、17.97g的Al(NO3)3·9H2O、0.39g的Ce(NO3)3·6H2O和0.098g的α-Si3N4，其中Ce3+＝3at％,Si3N4的相对含量为0.07mol。
(1)称取原料：按所述化学通式的化学计量比计算并称取所需氧化镥、硝酸铈、硝酸铝分别溶解于200ml浓度为30％的稀硝酸中得到溶液a；按照与金属摩尔比1:1的比例计算并称取所需柠檬酸溶解于溶液a得到混合溶液b；按化学通式的化学计量比计算并称取所需氮化硅，通过搅拌和超声分散于溶液b得到悬浊液c；(2)前驱体的制备：将悬浊液c放于磁力加热搅拌器上150℃加热并搅拌4h，蒸干悬浊液中多余的水分，随着水的不断蒸发，溶液首先形成乳白色溶胶并伴有红棕色气体(硝酸受热分解所得氮氧化物)，继续加热后得到黄褐色凝胶并停止加热；将盛有黄褐色凝胶的烧杯放入马弗炉中200℃保温4h发生燃烧反应，得到蓬松的乳白色固体；将所得的乳白色蓬松固体用玛瑙研钵研磨粉碎后得到所需前驱体；(3)高温气氛烧结反应：将步骤(2)中所得前驱体装入Al2O3坩埚置于中频烧结炉中，在95％/5％的N2/H2气氛下，气体流量为60sccm，1300℃－1500℃，保温2-4小时热处理，升温速率为10℃/h，合成的荧光粉体随炉自然冷却；(4)酸洗：将步骤(3)合成的荧光粉体放入盛有去离子水的烧杯中，加入浓度为36％-38％的稀盐酸，去离子水与稀盐酸的体积比为10：1，在100℃条件下搅拌30min，静置待荧光粉沉淀，滤掉上层澄清液后，用去离子水反复清洗至溶液呈中性，放入干燥箱中，80℃保温10小时，得到可被450nm蓝光有效激发，发射主波长在565nm的橙黄色Lu2.925Al4.79Si0.21O11.72N0.28:Ce荧光粉。
实施例3
将4N或分析纯的如下初始原料：Lu2O3、Al(NO3)3·9H2O、Ce(NO3)3·6H2O和AlN按化学式Lu2.91Ce0.09Al5O11.5N0.5的严格比例配料，其中Ce3+＝3at％，AlN的相对含量为0.5mol。将5.79g的Lu2O3、16.88g的Al(NO3)3·9H2O、0.39g的Ce(NO3)3·6H2O和0.21g的AlN按实施例2中所述工艺制备，得到可被蓝光有效激发，发射主波长在528nm的黄色Lu2.91Ce0.09Al5O11.5N0.5:Ce荧光粉。
实施例4
将4N或分析纯的如下初始原料：Lu2O3、Al(NO3)3·9H2O、Ce(NO3)3·6H2O、α-Si3N4和AlN按化学式Lu2.91Ce0.09Al4.79Si0.21O11.22N0.78的严格比例配料，其中Ce3+＝3at％，Si3N4的相对含量为0.07mol，AlN的相对含量为0.5mol。将5.79g的Lu2O3、16.09g的Al(NO3)3·9H2O、0.39g的Ce(NO3)3·6H2O、0.098g的α-Si3N4和0.21g的AlN按实例2中所述工艺制备，得到可被蓝光有效激发，发射主波长在562nm的橙黄色Lu2.925Al4.79Si0.21O11.22N0.78:Ce荧光粉。
实施例5
将4N或5N的如下初始原料：Lu2O3、Al(NO3)3·9H2O、Ce(NO3)3·6H2O、α-Si3N4、AlN和NaF按化学式Lu2.91Ce0.09Al4.79Si0.21O11.22N0.78的严格比例配料，其中Ce3+＝3at％，Si3N4的相对含量为0.07mol，AlN的相对含量为0.5mol，NaF作为助熔剂占全部原料的1.5wt％。将5.79g的Lu2O3、16.09g的Al(NO3)3·9H2O、0.39g的Ce(NO3)3·6H2O、0.098g的α-Si3N4和0.21g的AlN按实施例2中所述工艺制备，得到可被蓝光有效激发，发射主波长在557nm的橙黄色Lu2.925Al4.79Si0.21O11.22N0.78:Ce荧光粉。
实施例6
将上述制备方法所制得的荧光粉均匀分散在透明树脂或硅胶中形成悬浮液，然后将该悬浮液填充至事先布置好蓝光芯片的金属基板凹槽上，并置于真空干燥箱中150℃真空持温30min固化硅胶，得到所需的白光LED平面光源。
从图1可以看出，无论是实施例2中加入的0.7molSi3N4，实施施例3中引入0.5molAlN还是二者的共同加入或引入助熔剂NaF，都没有改变LuAG的晶格结构，所有的衍射峰都与标准卡片JCPDS18-0761一一对应。
通过实施例1和实施例2的对比，如图2所示，Si-N掺杂至LuAG:Ce晶格中，发射光谱出现了非常明显的红移和宽化，发射峰的位置从515nm红移至565nm，光谱的半高宽也从91增加至125nm，同时，发光强度有明显的降低。
图4给出了实施例1和实施例2所得到荧光粉的热稳定性测试结果，由此可以看出，在150℃下，所制荧光粉依然保持着85％以上的发光强度，优于市场通用的单一YAG基质荧光粉。
比较实施例1和3，从图5可见，Al3+-N3-的引入使得LuAG:Ce荧光粉的发光强度明显增强，其发射光谱也出现了少量红移。
图6展示了实施例2与实施例4、5的激发发射光谱，由此可以看出，通过烧结过程加入助熔剂NaF可以明显提高荧光粉的发光强度，同时其发射光谱略有少量的蓝移。
通过比较图3和图7所示的实施例2和实施例5的SEM照片可以看出，助熔剂NaF的添加使得荧光粉的结晶性增加，形貌明显改善，颗粒表面更加光滑。
采用实施例1，2和5所合成的荧光粉通过实施例6中所述方法制成的白光LED平面光源器件，在20mA的正向电流下，可以发射出明亮的暖白光，参见图8；其色坐标，显色指数，色温等光学性质由表1列出。通过表1可以看出所制成的白光LED平面光源满足于普通室内照明的应用需求，有望取代白炽灯和荧光灯，成为未来室内照明的主流产品。
表1本发明中采用实施例1，2和5所合成的荧光粉制成的白光LED平面光源的光学性质

Claims (2)

1.一种氧氮化物荧光粉的制备方法，以含硅氮的镥铝石榴石为基质，三价铈为发光离子，采用化学通式(Lu1-xCex)3Al5-ySiyO12-4y/3Nz+4y/3表示，其中各参数满足0<x≤0.3，0≤y≤1.8，0≤z≤1.5，y和z不同时为0；组成该化学通式所采用的初始原料为纯氧化镥、硝酸铈、硝酸铝、氮化硅、氮化铝以及柠檬酸；其中：所述的氮化硅为采用α含量>95％、氧含量<2.0％、比表面积9-13m2/g、平均粒径0.2μm的亚微米α-Si3N4；AlN为含量≥99.9％、平均粒径0.2μm的亚微米级F型AlN；所述柠檬酸被用作各反应物离子间的络合剂；其特征在于制备方法包括以下具体步骤：
(1)称取原料：按所述化学通式的化学计量比计算并称取所需氧化镥、硝酸铈、硝酸铝分别溶解于浓度为30％的稀硝酸中，得到溶液a，其中Lu和Ce的总浓度为0.75M；按照与金属摩尔比1:1的比例计算并称取所需柠檬酸溶解于溶液a得到混合溶液b；按化学通式的化学计量比计算并称取所需氮化硅和氮化铝，通过搅拌和超声分散于溶液b得到悬浊液c；
(2)前驱体的制备：将悬浊液c放于磁力加热搅拌器上150℃加热并搅拌4h，蒸干悬浊液中多余的水分，随着水的不断蒸发，溶液首先形成乳白色溶胶并伴有红棕色气体即硝酸受热分解所得氮氧化物，继续加热后得到黄褐色凝胶并停止加热；将盛有黄褐色凝胶的容器放入马弗炉中200℃保温4h发生燃烧反应，得到蓬松的乳白色固体；将所得的乳白色蓬松固体用玛瑙研钵研磨粉碎后得到所需前驱体；
(3)高温气氛烧结反应：将步骤(2)中所得前驱体装入Al2O3坩埚置于中频烧结炉中，在95％/5％的N2/H2气氛下，气体流量为60sccm，1300℃－1500℃，保温2-4小时热处理，升温速率为10℃/h，合成的荧光粉体随炉自然冷却；
(4)酸洗：将步骤(3)合成的荧光粉体放入盛有去离子水的烧杯中，加入浓度为36％-38％的稀盐酸，去离子水与稀盐酸的体积比为10：1，在100℃条件下搅拌30min，静置待荧光粉沉淀，滤掉上层澄清液后，用去离子水反复清洗至溶液呈中性，放入干燥箱中，80℃保温10小时，得到干燥的氧氮化物荧光粉成品。
2.一种包含权利要求1所制得荧光粉的白光LED平面光源，其特征在于：在LED发光器件上表面设有包含所述荧光粉的发光层，所用的发光芯片为发射波长在430-470nm的InGaN基的LED芯片。
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