CN109370593B - 一种荧光体混合物及其发光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种荧光混合物，所述荧光混合物包括：第一荧光体，组成中具有Mg且以Eu激活的硅酸盐，其发光峰值波长范围为440‑470nm；第二荧光体，组成中具有以Ce激活的稀土类铝酸盐，其发光峰值波长范围为500‑600nm；第三荧光体，组成中具有以Eu激活的钙(锶)铝硅氮，其发光峰值波长范围为600‑680nm。有效减少了荧光体的种类，降低了配方配置的复杂程度，获得了能够通过紫光芯片激发的白光荧光粉混合物。有效丰富白光光谱，提升色彩还原性和显色指数，显色指数Ra＞95，特殊显色指数R1～R15＞90，色温覆盖范围6500K～2700K；相较目前类似技术方案提升亮度。
Description
【技术领域】
本发明涉及LED光源转化的荧光体混合物，特别地涉及一种将紫光LED转化成照明应用的白光光源的荧光体混合物及其发光装置。
【背景技术】
目前LED白光发光装置，是将蓝色LED激发黄色荧光体组合而成。该荧光体吸收一部分LED的辐射光转化为黄色进行混色能发出白色系的光，但是白色颜色的光谱中，无法充分得到蓝绿色和红色部分的光谱辐射强度，从而导致被照物体的颜色还原度差，即显色指数较低。
日亚化学工业株式会社申请了专利号为201710382217.7的发光装置专利，应用的方案为LED紫光芯片(410-440nm)作为激发光源，激发五类荧光体的混合物发出白光系的光。
其五种荧光体覆盖分别为峰波长为430-500nm，化学式(Ca,Sr,Ba)5(PO4)3(CL,Br):Eu2+的荧光粉；峰波长为440-550nm，化学式(Ca,Sr,Ba)4Al14O25:Eu2+和化学式(Ca,Sr,Ba)8MgSi4O16(F,Cl,Br)2:Eu2+的荧光粉；峰波长为500-600nm，化学式(Y,Lu,Gd)3(Al,Ga)5O12：Ce3+；峰波长为610-650nm，化学式为(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+的荧光粉；峰波长为610-650nm，化学式为3.5Mg0.5MgF2GeO2：Mn的荧光粉。此方案特点是在400-780nm波段可以达到连续光谱，且显色指数Ra能大于95，特殊显色指数R1到R15能大于90，能达到类似太阳光光谱的效果。
此方案的缺点：第一，使用的荧光体种类太多，在使用过程中较为复杂。第二，所使用的(Ca,Sr,Ba)4Al14O25:Eu2+，(Ca,Sr,Ba)8MgSi4O16(F,Cl,Br)2:Eu2+荧光粉由于化学稳定性较差，最终会导致白光LED光衰大，难以满足长期使用要求。
因此，有必要提供一种新的白光方案。
【发明内容】
为了解决上述问题，本发明提供了一种能够利用紫光芯片激发而发出白光的荧光体混合物，其具体方案如下：
一种荧光混合物，其特征在于，所述荧光混合物包括：
第一荧光体，所述第一荧光体组成中具有Mg且以Eu激活的硅酸盐，所述第一荧光体的发光峰值波长范围为440-470nm；
第二荧光体，所述第二荧光体组成中具有以Ce激活的稀土类铝酸盐，所述第二荧光体的发光峰值波长范围为500-600nm；
第三荧光体，所述第三荧光体组成中具有以Eu激活的钙(锶)铝硅氮，所述第三荧光体的发光峰值波长范围为600-680nm。
进一步地，其中所述第一荧光体具有如下组成：(Sr，Ca)3MgSi2O8:Eu2+。
进一步地，其中所述第一荧光体还包括Eu激活的卤磷酸盐，具有如下组成：(Sr，Ca，Ba)5(PO4)3Cl:Eu2+。
进一步地，所述第二荧光体具有如下组成：(Y,Lu,Gd)3(Al,Ga)5O12：Ce3+。
进一步地，还包含树脂。
进一步地，所述第一荧光体占三种荧光体的质量总和的比例为：70％-90％。
进一步地，所述第二荧光体占三种荧光体的质量总和的比例为：6％-20％。
进一步地，所述第三荧光体占三种荧光体的质量总和的比例为：0.1％-10％。
一种发光装置，其特征在于，包括本发明所提出的荧光混合物。
进一步地，所述发光装置包括LED紫光芯片作为激发光源。
进一步地，所述激发光源具备在400-430nm范围内的发光峰值波长。进一步地，所述发光装置具有大于95的一般显色指数Ra。
进一步地，所述发光装置具有大于90的平均显色指数R1-R15。
进一步地，所述发光装置具有2700K至6500K的相关色温。
本发明的有益效果是：一，有效减少了荧光体的种类，降低了配方配置的复杂程度，获得了能够通过紫光芯片激发的白光荧光粉混合物。丰富白光光谱，提升色彩还原性和显色指数，显色指数Ra＞95，特殊显色指数R1～R15＞90，色温覆盖范围6500K～2700K；相较目前类似技术方案提升亮度。二，所使用的荧光粉化学结构稳定，具有优异的长时使用性，使用该荧光粉组合制备的白光LED长期光衰性能优异。
【附图说明】
图1为本发明实施例中发光装置的剖面示意图；
图2为本发明实施例1中发光装置的2700K光谱测试图；
图3为本发明实施例3中发光装置的4000K光谱测试图；
图4为本发明实施例5中发光装置的5000K光谱测试图；
图5为本发明实施例7中发光装置的6500K光谱测试图。
【具体实施方式】
下面通过具体实施方式结合附图1至附图5对本发明作进一步详细说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各方面的优点。在以下的实施例中，提供以下具体实施方式的目的是便于对本申请公开内容更清楚透彻的理解，而不是对本发明的限制。其中上、下、左、右等指示方位的字词仅是针对所示结构在对应附图中位置而言。
图1是本发明公开的1个实施方式所涉及的发光装置的简要截面图。本实施例中以常见发光装置的结构为例加以说明，例如发光装置100具备：基板10、环绕基板的侧壁20，基板10和侧壁20围成容纳发光芯片30的腔体40。发光芯片30设置在基板10上，覆盖在该发光芯片30之上的荧光混合体50。
具体地，本实施例中的发光芯片30例如采用在400nm以上且430nm以下的范围具有发光峰值波长的紫外激发芯片。荧光混合体50，该荧光混合物50至少包含第一荧光体51、第二荧光体52、第三荧光体53，其中，第一荧光体51在440nm以上且470nm以下的范围具有发光峰值波长，包含在组成中具有Mg且以Eu激活的硅酸盐，或者其中第一荧光体为硅酸盐和卤磷酸盐的混合物，即第一荧光体还包括Eu激活的卤磷酸盐，具有如下组成：(Sr，Ca，Ba)5(PO4)3Cl:Eu。第二荧光体52在500nm以上且600nm以下的范围具有发光峰值波长，包含以Ce激活的稀土类铝酸盐。第三荧光体53在600nm以上且680nm以下的范围具有发光峰值波长，第三荧光体组成中具有以Eu激活的钙(锶)铝硅氮。
通过具备具有特定的发光峰值波长的发光元件30、和至少包含3种特定的荧光体且以特定的范围的含量配比组合而成的荧光混合物50，从而能在显色评价数的计算所涉及的可见光区域的短波侧到长波侧的极广的范围内使发光装置100的发光光谱接近于基准光源的光谱,参见图2-5。由此，能达成卓越的显色性。另外，通过包含在特定的波段具有发光峰值的发光元件30，能实现作为光源的安全性和高的发光效率。
进而，本实施例通过特定的激发芯片30和相应的荧光混合物50，能有效提升发光装置的显色指数Ra。
太阳光的显色指数Ra定义为100，白炽灯的显色指数非常接近日光，因此被视为理想的基准光源。以8种彩度中等的标准色样来检验，比较在测试光源下与在同色温的基准下此8色的偏离(Deviation)程度，以测量该光源的显色指数，取平均偏差值Ra20-100，以100为最高，平均色差越大，Ra值越低。低于20的光源通常不适于一般用途。
发光装置100所发出的光是发光元件30的光和荧光混合物50所发出的荧光的混色光，例如能设为CIE1931所规定的色度坐标包含在x＝0.00到0.50且y＝0.00到0.50的范围的光，还能设为CIE1931所规定的色度坐标包含在x＝0.25到0.40且y＝0.25到0.40的范围的光。另外，发光装置100所发出的光的相关色温例如为2000K以上或2500K以上。另外，相关色温为7500K以下或6500K以下。
在本实施例中，发光芯片30的发光峰值波长处于400nm以上且430nm以下的范围，从发光效率的角度而言，优选处于410nm-420nm：。
通过将在该范围具有发光峰值波长的发光芯片30用作激发光源，发光峰值波长比近紫外区域更靠长波长侧，紫外线的成分较少，因此作为光源的安全性和发光效率优秀。
发光芯片30的发光光谱的半值宽度例如能设为30nm以下。
在发光芯片30中优选使用LED等半导体发光元件。通过将半导体发光元件用作光源，能得到效率高且输出相对于输入的线性高、还耐机械性冲击且稳定的发光装置100。
发光芯片30例如为基于氮化物半导体的半导体芯片。
在本实施例中，荧光混合物50例如包括第一荧光体51、第二荧光体52、第三荧光体53，以及树脂配置混合而成。其中，第一荧光体51吸收发光芯片30发出的光并发出蓝色的光，第二荧光体52吸收发光芯片30发出的光并发出黄色的光，第三荧光体53吸收发光芯片30发出的光并发出红色的光，由此，通过调整第一荧光体51、第二荧光体52、第三荧光体53的比例，能够将发光装置100的发光效率、显色性调整到预期范围内。
具体地，本实施例中的，第一荧光体51具有在440nm以上且470nm以下的范围具有发光峰值波长，包含在组成中具有Mg且以Eu激活的硅酸盐。第一荧光体51例如具有如下式(1)组成：
(Sr，Ca)3MgSi2O8:Eu2+。 (1)
由此，能比较容易地获得以下说明的第一荧光体51的各发光特性。
第一荧光体51的极大激发波长例如为360nm以上且440nm以下，优选为370nm以上且430nm以下。能在上述发光芯片30的发光峰值波长的范围内效率良好地被激发。第一荧光体51的发光峰值波长例如处于430nm以上且500nm以下的范围，优选处于440nm以上且480nm以下的范围。通过如此设置，对于发光装置100的发光光谱，特别是针对蓝色区域，第一荧光体51的发光光谱与发光芯片30的发光光谱以及第二荧光体52的发光光谱的重复变少。进而，对于发光装置100的发光光谱来说，利用第一荧光体51的发光光谱和发光芯片30的发光光谱，使得源自发光芯片30的蓝色区域的发光强度接近于基准光源，有效提升发光装置100的显色性。
第一荧光体51的发光光谱中的半值宽度例如为30以上且50以下，优选为35nm以上且40nm以下。通过设为这样的半值宽度的范围，能提升色纯度，使蓝色区域中的发光光谱接近于基准光源，能更加提升发光装置100的显色。
例如，在发出相关色温为2700K以上且6500K以下的光的发光装置100的情况下，荧光混合物50中各荧光体具有如下的比例组成参见表1。
此外，本发明中的，第一荧光体51还可以是在组成中具有Mg且以Eu激活的硅酸盐，以及以Eu激活的卤磷酸盐的混合物。例如具有如下组成：(Sr，Ca)3MgSi2O8:Eu与(Sr，Ca，Ba)5(PO4)3Cl:Eu2+的混合物。硅酸盐和卤磷酸盐的质量比例满足(70-90)％：(10-30)％。
(Sr，Ca)3MgSi2O8:Eu与(Sr，Ca，Ba)5(PO4)3Cl:Eu2+的混合物。硅酸盐和卤磷酸盐的质量比例优选满足75％：25％。封装亮度可以进一步提升1～2％。
具体地，本实施例中的，第二荧光体52具有在500nm以上且600nm以下的范围具有发光峰值波长，包含在组成中具有包含以Ce激活的稀土类铝酸盐。第二荧光体52例如具有如下式(3)组成：
(Y,Lu,Gd)3(Al,Ga)5O12：Ce (3)
优选地，具有如下式(4)的组成：
Y3(Al,Ga)5O12：Ce (4)
第二荧光体52的最佳激发波长例如为400nm以上且480nm以下，优选为420nm以上且470nm以下。发光芯片30发射的紫光可用于激发第二荧光体，但由于发光芯片30发射的紫光没有处于第二荧光体52的最佳激发位置，所以激发效果受到限制，但此时第一荧光体51发射的蓝光可有效激发第二荧光体52，通过第一荧光体51和第二荧光体52的有效组合，可获得优异的蓝(绿)光和绿(黄)光的发射效果。第二荧光体52的发光峰值波长例如处于500nm以上且580nm以下的范围，优选处于520nm以上且560nm以下的范围。通过如此设置，对于发光装置100的发光光谱，特别是针对黄色区域，第二荧光体52的发光光谱与发光芯片30的发光光谱以及第一荧光体51的发光光谱的重复变少。进而，对于发光装置100的发光光谱来说，利用第二荧光体52的发光光谱和发光芯片30的发光光谱，使得源自发光芯片30的黄色区域的发光强度接近于基准光源，有效提升发光装置100的显色性。
第二荧光体52的发光光谱中的半值宽度例如为80nm以上且115nm以下，优选为90nm以上且110nm以下。通过设为这样的半值宽度的范围，能提升显色性，使黄色区域中的发光光谱接近于基准光源，能更加提升发光装置100的显色性。
具体地，本实施例中的，第三荧光体53具有在600nm以上且680nm以下的范围具有发光峰值波长的红光荧光粉，例如为组成中具有Ca和Al且以Eu激活的氮化硅，具有如下式(5)组成：
(Ca，Sr)AlSiN3:Eu2+ (5)
第三荧光体53的极大激发波长例如为620nm以上且650nm以下，优选为630nm以上且645nm以下。对于发光装置100的发光光谱，特别是针对红色区域。进而，对于发光装置100的发光光谱来说，利用第三荧光体53的发光光谱和发光芯片30的发光光谱，使得源自发光芯片30的红色区域的发光强度接近于基准光源，有效提升发光装置100的显色性。
在本实施例中，第一荧光体51、第二荧光体52、第三荧光体53按照一定的质量比例混合，配以树脂调制成荧光混合物50。其中，第一荧光体51占总体荧光体的质量占比：70％-90％，第二荧光体52占总体荧光体的质量占比：6％-20％，第三荧光体53占总体荧光体的质量占比：0.1％-10％。
作为进一步的优选方案，第一荧光体51占总体荧光体的质量占比：80％，第二荧光体52占总体荧光体的质量占比：15％，第三荧光体53占总体荧光体的质量占比：5％。该优选方案，封装亮度提升1～2％，显色指数略有提升。
此外，还包括树脂，树脂例如可以是热塑性树脂以及热固化树脂，其中热固化树脂例如包括环氧树脂、硅树脂、环氧改性硅树脂等。
荧光混合物50还可以包括其它成分，例如二氧化硅、钛酸钡、氧化钛、氧化铝等填料，光稳定剂、着色剂等。其它成分的含量比如占树脂的0.01-20质量份。
具体的荧光粉的质量配比及应用于白光LED的性能参数测试如表1-4所列。
表1、表2、表3和表4对比了2700K、4000K、5000K、6500K色温下，本发明提出的三种荧光体方案(包含对比了第一类荧光体的两种粉)和对比例荧光体方案的比较；本发明提出的三种荧光体方案亮度和显色指数都高于对比例荧光体方案；其中含有磷酸盐成分的第一类荧光体亮度较不含磷酸盐成分的第一类荧光粉封装亮度高，但是显色指数低。
对比例荧光粉，包括A、B、C三类荧光体。其中A类荧光体，覆盖峰波长范围为430～500nm，化学式(Ca,Sr,Ba)5(PO4)3(CL,Br):Eu2+的荧光粉；B类荧光体，覆盖峰波长范围为500～600nm，化学式(Y,Lu,Gd)3(Al,Ga)5O12：Ce3+的荧光粉；C类荧光体，覆盖峰波长范围为600～680nm，化学式(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+的荧光粉。
表1
表2
表3
表4
表格中每一个实施例是对应的一个色温制作，X和Y值是CIE1931坐标系色温对于的XY坐标。
光效是用紫光芯片激发上述混合物荧光粉的发光效率值，即光通量除以功率。
Ra代表此紫光芯片激发荧光粉混合物发出白光的显色指数；R1～R15代表各颜色的特殊显色指数值。由测试结果可知，本发明的荧光混合物，获得Ra大于95，R1～R15大于95。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种荧光混合物，其特征在于，所述荧光混合物包括：
第一荧光体，所述第一荧光体组成中具有Mg且以Eu激活的硅酸盐，所述第一荧光体的发光峰值波长范围为440-470nm；所述第一荧光体具有如下组成：（Sr，Ca）3MgSi2O8:Eu2+，所述第一荧光体的发光光谱的半值宽度为30-50nm；
第二荧光体，所述第二荧光体组成中具有以Ce激活的稀土类铝酸盐，所述第二荧光体的发光峰值波长范围为500-600nm;所述第二荧光体被所述第一荧光体有效激发；所述第二荧光体具有如下组成：（Y,Lu,Gd）3（Al,Ga）5O12：Ce3+；
第三荧光体，所述第三荧光体组成中具有以Eu激活的钙（锶）铝硅氮，所述第三荧光体的发光峰值波长范围为600-680nm；
所述第一荧光体占三种荧光体的质量总和的比例为：70%-90%；
所述第二荧光体占三种荧光体的质量总和的比例为：6%-20%；
所述第三荧光体占三种荧光体的质量总和的比例为：0.1%-10%；
所述荧光混合物应用于LED照明，显色指数Ra大于95，特殊显色指数R1-R15大于90。
2.根据权利要求1所述的荧光混合物，其特征在于，其中所述第一荧光体还包括Eu激活的卤磷酸盐，具有如下组成：（Sr，Ca，Ba）5（PO4）3Cl:Eu2+。
3.根据权利要求2所述的荧光混合物，其特征在于：其中所述硅酸盐与所述卤磷酸盐的质量比例满足：（50-80）：（10-30）。
4.根据权利要求1-3任一项所述的荧光混合物，其特征在于，还包含树脂。
5.一种发光装置，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的荧光混合物。
6.根据权利要求5所述的发光装置，其特征在于，所述发光装置包括LED紫光芯片作为激发光源。
7.根据权利要求6所述的发光装置，其特征在于，所述激发光源具备在400-430nm范围内的发光峰值波长。
8.根据权利要求5所述的发光装置，其特征在于，所述发光装置具有2700K至6500K的相关色温。
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