CN111410427A

CN111410427A - 一种大功率白光led用微晶玻璃、制备方法及led器件

Info

Publication number: CN111410427A
Application number: CN202010221559.2A
Authority: CN
Inventors: 刘伟杰; 郭成觉; 刘志远; 李小双; 王波; 曾庆光
Original assignee: Wuyi University
Current assignee: Wuyi University
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2020-07-14

Abstract

本发明涉及玻璃技术领域，具体公开了一种大功率白光LED用微晶玻璃、制备方法及LED器件，该微晶玻璃的组分包括15‑35mol％的SiO₂，5‑15mol的Y₂O₃，15‑25mol％的BaCO₃，15‑25mol％的SrCO₃，10‑20mol％的Al₂O₃，0‑15mol％的B₂O₃，0‑5mol％的LiF，0‑15mol％的A₂CO₃(A＝Na、K)，0‑3mol％的ZrO₂，0.05‑0.5mol％的CeO₂。本发明的微晶玻璃制备工艺简单、成本低廉、无毒无污染，具有良好的热学和化学稳定性，发射波段覆盖黄光和红光波段；所述荧光微晶玻璃在蓝光波段激发下能产生470‑800纳米的宽发射光谱，且发光峰位为550‑600纳米的橙黄光，与蓝光芯片复合后可获得暖白光LED，在蓝色芯片激发的暖白光LED中具有广泛的应用前景。

Description

一种大功率白光LED用微晶玻璃、制备方法及LED器件

技术领域

本发明涉及玻璃术领域，特别是涉及一种大功率白光LED用微晶玻璃、制备方法及LED器件。

背景技术

白光LED相对于传统照明光源来说具有寿命长、节能、绿色环保、开启电压低等优点，被称为第四代照明光源。目前，市面上主流的白光LED主要是由蓝光芯片和分散在有机硅胶中的Y₂BaAl₃SiO₁₂:Ce³⁺(YAG)黄色荧光粉共同制成的荧光粉转换LED。这种封装方式存在两个问题：1)在高功率密度白光LED工作时会产生大量热量，传统有机封装材料(环氧树脂/硅胶)在长时间热辐照环境下极易发生老化和黄化，引起荧光粉的光衰和色偏，从而严重缩短LED实际使用寿命；2)YAG:Ce微米颗粒的折射率(n＝1.84)与环氧树脂/硅胶的折射率(n＝1.55)不匹配，匀胶后透明性查，光散射损失严重；3)YAG:Ce光谱成分中缺少红光成分，造成器件的显色性要差，在室内照明灯领域的应用存在障碍。为了解决上述问题，亟需研发光谱性能优异、热导率高、化学性能稳定的新型无机透明固体发光材料。

荧光微晶玻璃即是符合上述的材料，它是一种有微米/纳米级荧光粉晶体与特定组分的无机透明玻璃组成的复合材料，其结构特征是荧光微晶均匀分布在透明玻璃基体中。荧光微晶玻璃不仅具有与晶体相近甚至更好的光学性能，而且其制备技术简单、成本低、可制作异型器件；与环氧树脂或硅胶相比，它具有更高的玻璃转变温度、热导率与更低的热膨胀系数。

但是现有的荧光微晶玻璃在YAG:Ce光谱中红光成分不足，为了解决该问题，通常使用双色荧光粉共掺，即在掺入黄色荧光粉YAG的同时，掺入红粉，或者在玻璃基质中掺入双发光中心离子，以便获得多色发光。然而，这两种做法都存在缺点：一是，两种荧光粉将产生光谱重叠和重新收降低了发光效率，二是，在熔制微晶玻璃时，高温容易侵蚀荧光粉，降低发光效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种大功率白光LED用微晶玻璃、制备方法及LED器件，解决现有微晶玻璃荧光光谱红光成分缺失的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种大功率白光LED用微晶玻璃，所述微晶玻璃的组分包括15-35mol％的SiO₂，5-15mol的Y₂O₃，15-25mol％的BaCO₃，15-25mol％的SrCO₃，10-20mol％的Al₂O₃，0-15mol％的B₂O₃，0-5mol％的LiF，0-15mol％的A₂CO₃(A＝Na、K)，0-3mol％的ZrO₂，0.05-0.5mol％的CeO₂。

本发明还提供一种大功率白光LED用微晶玻璃制备方法，包括以下步骤：

S1、将原料按照配比精确称量转入球磨机研磨；

S2、将混合均匀的玻璃粉料移入刚玉坩埚并置于电阻炉加热，使之充分熔融；

S3、将玻璃熔体快速导入模具中成形，并放入电阻炉中消除内应力，从而得到块状前驱玻璃；

S4、将获得的前驱玻璃放入电阻炉中加热，进行等温热处理并随炉冷却，使之发生部分晶化，获得块状微晶玻璃。

作为优选方案，所述步骤S2中玻璃粉料熔融温度为1350-1500℃，保温时间为2-4小时。

作为优选方案，所述步骤S3中前驱玻璃退火温度为600-850℃，退火时间为1-3小时。

作为优选方案，所述步骤S4中微晶玻璃退火温度为950-1100℃，退火时间为2-5小时。

本发明还提供一种LED器件，包括如上所述的大功率白光LED用微晶玻璃和灯体，所述微晶玻璃设置于灯体灯口处。

本发明具有以下有益效果：

本发明的微晶玻璃制备工艺简单、成本低廉、无毒无污染，具有良好的热学和化学稳定性，发射波段覆盖黄光和红光波段；所述荧光微晶玻璃在蓝光波段激发下能产生470-800纳米的宽发射光谱，且发光峰位为550-600纳米的橙黄光，与蓝光芯片复合后可获得暖白光LED，在蓝色芯片激发的暖白光LED中具有广泛的应用前景。

附图说明

为了更清晰地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例2中微晶玻璃样品的X射线衍射图；

图2为实施例2中微晶玻璃样品的XRF图；

图3为实施例2中微晶玻璃样品的激发、发射和吸收谱；

图4为实施例2中微晶玻璃样品的量子效率测试曲线；

图5为实施例5中微晶玻璃构建的远程暖白光LED器件的结构示意图；

图6为实施例5中微晶玻璃搭配蓝光LED芯片得到的电致发光曲线。

附图标记：

1、散热基板；2蓝光LED；3、反光杯；4、混光室；5、微晶玻璃。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整的阐述，显然，所描述的实施例也紧紧是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，绝不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出任何创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明优选实施例提供一种大功率白光LED用微晶玻璃，所述微晶玻璃的组分包括15-35mol％的SiO₂，5-15mol的Y₂O₃，15-25mol％的BaCO₃，15-25mol％的SrCO₃，10-20mol％的Al₂O₃，0-15mol％的B₂O₃，0-5mol％的LiF，0-15mol％的A₂CO₃(A＝Na、K)，0-3mol％的ZrO₂，0.05-0.5mol％的CeO₂。

实施例2：

本发明还提供一种大功率白光LED用微晶玻璃制备方法，将分析纯的SiO₂、Y₂O₃、BaCO₃、Al₂O₃、B₂O³、LiF、Na₂CO₃、ZrO₂、和CeO₂粉体，各自的摩尔百分比为32mol％SiO₂、11.9mol％Y₂O₃、18mol％BaCO₃、18mol％Al₂O₃、11mol％B₂O₃、3mol％LiF、5mol％Na₂CO₃、2mol％ZrO₂、0.1mol％CeO₂，将原料称量好后置于球磨机中研磨，研磨后的混合物放入刚玉坩埚中，放入电阻炉中加热到1450℃保温2小时使之熔融，而后，将玻璃熔体取出并快速导入石墨模具中成形，接着放入760℃的电阻炉退火4小时以消除玻璃的内应力，从而获得块状前驱玻璃。将获得的前驱玻璃放入1000℃电阻炉中，进行4小时等温热处理，使之发射部分晶化，获得Y2BaAl3SiO12:Ce3+晶相的块状微晶玻璃。

参加图1，X射线衍射数据表明在玻璃基体中析出了Y₂BaAl₃SiO₁₂:Ce³⁺微米晶相。

参见图2，XRF扫描结果表明Y₂BaAl₃SiO₁₂:Ce³⁺微米晶相均匀分布在玻璃基体中。

参见图3，样品经过表明抛光后，用FLS980荧光光谱仪测量其室温激发、发射光谱和吸收谱，在蓝光455纳米激发的发射光谱上，出现了对应于Ce³⁺5d→4f的跃迁宽谱带橙黄光的发射，发射中心波长位于565纳米；参见图4，微晶玻璃样品的发光量子效率为92％。

实施例3：

将分析纯的SiO₂、Y₂O₃、BaCO₃、Al₂O₃、B₂O³、LiF、Na₂CO₃、ZrO₂、和CeO₂粉体，各自的摩尔百分比为34mol％SiO₂、9.9mol％Y₂O₃、20mol％BaCO₃、16mol％Al₂O₃、10mol％B₂O₃、4mol％LiF、4mol％Na₂CO₃、3mol％ZrO₂、0.1mol％CeO₂，将原料称量好后置于球磨机中研磨，研磨后的混合物放入刚玉坩埚中，放入电阻炉中加热到1430℃保温2小时使之熔融，而后，将玻璃熔体取出并快速导入石墨模具中成形，接着放入750℃的电阻炉退火4小时以消除玻璃的内应力，从而获得块状前驱玻璃。将获得的前驱玻璃放入1050℃电阻炉中，进行4小时等温热处理，使之发射部分晶化，获得Y₂BaAl₃SiO₁₂:Ce³⁺晶相的块状微晶玻璃。

经分析表明在玻璃基体中析出了Y₂BaAl₃SiO₁₂:Ce³⁺微米晶相。并均匀分布在玻璃基体中。样品经过表明抛光后，蓝光455纳米激发的发射光谱上，出现了对应于Ce³⁺5d→4f的跃迁宽谱带橙黄光的发射，微晶玻璃样品的发光量子效率为90％；将微晶玻璃与蓝光LED芯片耦合在一起测得光电参数为，显色指数为81，色温为4845K。

实施例4：

将分析纯的SiO₂、Y₂O₃、BaCO₃、Al₂O₃、B₂O³、LiF、Na₂CO₃、ZrO₂、和CeO₂粉体，各自的摩尔百分比为33mol％SiO₂、11.9mol％Y₂O₃、17mol％SrCO₃、16mol％Al₂O₃、13mol％B₂O₃、3mol％LiF、5mol％Na₂CO₃、2mol％ZrO₂、0.1mol％CeO₂，将原料称量好后置于球磨机中研磨，研磨后的混合物放入刚玉坩埚中，放入电阻炉中加热到1400℃保温2小时使之熔融，而后，将玻璃熔体取出并快速导入石墨模具中成形，接着放入740℃的电阻炉退火4小时以消除玻璃的内应力，从而获得块状前驱玻璃。将获得的前驱玻璃放入1000℃电阻炉中，进行5小时等温热处理，使之发射部分晶化，获得Y₂BaAl₃SiO₁₂:Ce³⁺晶相的块状微晶玻璃。

经分析表明在玻璃基体中析出了Y₂BaAl₃SiO₁₂:Ce³⁺微米晶相。并均匀分布在玻璃基体中。样品经过表明抛光后，蓝光450纳米激发的发射光谱上，出现了对应于Ce3⁺5d→4f的跃迁宽谱带橙黄光的发射，微晶玻璃样品的发光量子效率为85％；将微晶玻璃与蓝光LED芯片耦合在一起测得光电参数为，显色指数为78，色温为4925K。

综上，本发明的制备方法可以获得橙黄光微晶玻璃。该微晶玻璃在460纳米蓝光激发下，发出明亮的橙黄光。本发明的微晶玻璃制备工艺简单、成本低廉、无毒无污染，具有良好的热学和化学稳定性，发射波段覆盖黄光和红光波段，可用于蓝光LED芯片激发的高显示指数白光LED器件。

实施例5：

参见图5，一种LED器件，包括如上所述的大功率白光LED用微晶玻璃和灯体，所述微晶玻璃5设置于灯体灯口处；所述灯体包括散热基板1、蓝光LED2、反光杯3和混光室4；将微晶玻璃与蓝光LED芯片耦合在一起，测得的电致发光谱，结果如图6所示，显色指数为82，色温为4875K。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种大功率白光LED用微晶玻璃，其特征在于：所述微晶玻璃的组分包括15-35mol％的SiO₂，5-15mol的Y₂O₃，15-25mol％的BaCO₃，15-25mol％的SrCO₃，10-20mol％的Al₂O₃，0-15mol％的B₂O₃，0-5mol％的LiF，0-15mol％的A₂CO₃(A＝Na、K)，0-3mol％的ZrO₂，0.05-0.5mol％的CeO₂。

2.一种如权利要求1所述的大功率白光LED用微晶玻璃的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、将原料按照配比精确称量转入球磨机研磨；

3.如权利要求2所述的大功率白光LED用微晶玻璃制备方法，其特征在于:所述步骤S2中玻璃粉料熔融温度为1350-1500℃，保温时间为2-4小时。

4.如权利要求2所述的大功率白光LED用微晶玻璃制备方法，其特征在于:所述步骤S3中前驱玻璃退火温度为600-850℃，退火时间为1-3小时。

5.如权利要求2所述的大功率白光LED用微晶玻璃制备方法，其特征在于:所述步骤S4中微晶玻璃退火温度为950-1100℃，退火时间为2-5小时。

6.一种LED器件，其特征在于:包括如权利要求1所述的大功率白光LED用微晶玻璃和灯体，所述微晶玻璃设置于灯体灯口处。