CN113251326A

CN113251326A - 一种实现高品质暖白光激光照明光源的荧光转换器件

Info

Publication number: CN113251326A
Application number: CN202110625031.6A
Authority: CN
Inventors: 解荣军; 邓陶丽; 李淑星
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2021-06-04
Filing date: 2021-06-04
Publication date: 2021-08-13
Anticipated expiration: 2041-06-04
Also published as: CN113251326B

Abstract

本发明提供一种实现高品质暖白光激光照明光源的荧光转换器件；以(La_1‑x,Y_x)₃Si₆N₁₁:Ce(0≤x≤1)荧光粉作为材料，将其与玻璃粉、有机胶或高温胶以及第二相混合均匀，在高导热基板上刮涂成膜，烧结成型，得到具有特征微观结构的复相(La_1‑x,Y_x)₃Si₆N₁₁:Ce(0≤x≤1)+y％第二相(0<y≤20)荧光转换器件；本发明制备的荧光转换器件与以往单一荧光粉激光材料相比，色温更低，显色指数更高；通过第二相的掺杂，使复相荧光转换器的内量子效率提升比例大于10％，与蓝光激光器配合，可获得高光通量、高显色指数以及高均匀性的暖白光激光照明光源；此外，通过在复相(La_1‑x,Y_x)₃Si₆N₁₁:Ce+y％荧光层基础上进行多层结构刮涂叠加，可以进一步调控白光的色温与显色指数，对实现高品质暖白光激光照明光源具有巨大的应用潜力。

Description

一种实现高品质暖白光激光照明光源的荧光转换器件

技术领域

本发明属于激光照明技术领域，具体涉及一种实现高品质暖白光激光照明光源的荧光转换器件。

背景技术

当前，随着人们对更大功率、更高亮度、更高品质光源日益增长的需求，固态照明光源朝着高功率密度和高亮度的方向发展。LD芯片相比LED芯片，能够承受超过10W/mm²的功率密度且不存在“效率滚降”的问题，新一代激光照明技术应运而生。基于蓝光激光激发荧光材料的激光照明技术可以获得亮度高、准直性好、光衰低的白光，在高亮度照明和超大型显示领域优势明显。然而，在工作状态下，激光芯片功率密度极大，高于LED芯片激光密度近百倍，使得激光照明领域在应用过程中产生一系列前所未有的新问题。首先，缺乏红色光光材料，导致色温高与色彩饱和度差。目前，市场上多使用蓝光LD激发黄色荧光材料获得高亮度白光光源。但是，该组合模型产生的白光光谱中缺少红光光谱，获得的白光光源色温较高(>6000K)及显示指数较低(CRI＜65)，为了克服此问题，近年来利用蓝光LD芯片激发黄色(Y₃Al₅O₁₂:Ce)和红色荧光材料复合从而实现低色温、高显指白光激光光源，而目前市场上基本为Eu离子掺杂的的红色荧光材料，在高功率密度激光激发下，Eu离子掺杂的荧光材料会出现量子效率明显下降及其荧光寿命(0.6～1μs)高导致严重的饱和问题，使得激光转换材料饱和阈值普遍较低，光通量与光效难以提高。其次，在高功率密度激发下，热饱和现象明显，导致发光猝灭，而材料本身的产热与散热性能将直接影响最终承受的饱和阈值。最后，高功率密度激发下光色调控困难，光均匀性较差，在应用过程中，出现普遍的“中心蓝点”现象。

发明内容

为了解决上述提到的问题，提供一种实现高品质暖白光激光照明光源的荧光转换器件。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种实现高品质暖白光激光照明光源的荧光转换器件，包括高导热基板与薄膜，所述薄膜的组分包括玻璃粉、第二相、有机胶或高温胶及氮化物(La_1-x,Y_x)₃Si₆N₁₁:Ce荧光粉；

所述(La_1-x,Y_x)₃Si₆N₁₁:Ce为黄/橙色荧光粉，其中0≤x≤1，所述第二相为气孔、BN、AlN、Si₃N₄、SiO₂、TiO₂、Al₂O₃中的任意一种或多种。

进一步的，所述第二相掺杂量为荧光粉体比重的0％～20％；荧光粉与(玻璃粉+第二相)质量比(PtG)为1：3～2：1。

进一步的，所述高导热基板选用蓝宝石基底、铝板、高导热陶瓷板中的任意一种。

进一步的，所述荧光转换器件的制备方法如下：

1)将(La_1-x，Y_x)₃Si₆N₁₁:Ce荧光粉与第二相、玻璃粉、有机胶或高温胶搅拌混合获得均匀浆料；

2)将混合均匀的浆料在高导热基板上刮涂成均匀薄膜，然后进行烧结成型，制得荧光转换器件。

进一步的，步骤2)中刮膜的厚度为10～150μm。

进一步的，450nm蓝光激光激发下，荧光转换器件获得白光的色温CCT不高于5000K，显色指数CRI不低于65，光通量不低于300lm。

优选的，所述荧光转换器件的薄膜组分中还包括红色/绿色荧光粉。

优选的，由玻璃粉、第二相、有机胶或高温胶及(La_1-x,Y_x)₃Si₆N₁₁:Ce荧光粉构成的复相层叠加于红色/绿色荧光粉涂层的上方或下方；所述红色/绿色荧光粉涂层组分包括红色/绿色荧光粉与玻璃粉，有机胶或高温胶。

优选的，复相层及红色/绿色荧光粉涂层的刮膜厚度均控制在10～60μm。

在复相(La_1-x,Y_x)₃Si₆N₁₁:Ce(0≤x≤1)+y％第二相(0<y≤20)荧光层基础上进行多层结构叠加，其中，叠加层为红色/绿色荧光粉涂层。制备方法为，将红色/绿色荧光粉与玻璃粉，有机胶或高温胶搅拌混合获得均匀浆料。方案一，先将所述复相层在高导热基板上刮涂成膜，在马弗炉中烧结成型后，将红色/绿色荧光粉涂层刮涂于复相层之上进行叠加，最后于马弗炉中烧结成型。方案二，先将红色/绿色荧光粉涂层在高导热基板上刮涂成膜，在马弗炉中烧结成型后，再将所述复相荧光粉涂层(简称：复相层)刮涂于红色/绿色荧光粉涂层之上形成多层薄膜结构，每层刮膜厚度控制为10～60μm，最后于马弗炉中烧结成型。通过在复相层基础上进行多层结构叠加设计，可以实现更宽的色温调控以及高显色指数的白光。

上述复相层是由玻璃粉、第二相、有机胶或高温胶及(La_1-x,Y_x)₃Si₆N₁₁:Ce荧光粉混合成的浆料制得。

本发明进一步提供了高光学品质暖白光激光照明光源，包括蓝光激光光源与上述荧光转换器件，其中荧光转换器件分为两种，一种荧光转换器件的薄膜组分中不包含红色/绿色荧光粉；另一种光转换器件的薄膜组分中包含红色/绿色荧光粉。

其中La₃Si₆N₁₁:Ce(x＝0)粉体在450nm激发下，主发射波长538nm，色坐标落在黄色区域；(La_1-x,Y_x)₃Si₆N₁₁:Ce(x≠0)粉体在450nm激发下，主发射波长560nm，色坐标落在橙色区域。

本发明中(La_1-x,Y_x)₃Si₆N₁₁:CeLa₃Si₆N₁₁:Ce(0＜x≤1)荧光转换器件，在450nm蓝色激光激发下，白光调节色坐标移动趋势直线斜率低于La₃Si₆N₁₁:Ce(x＝0)荧光玻璃薄膜，实现了使用单一荧光粉所制备荧光转换器件与蓝色激光复合获得低色温，高显色指数的暖白光，其中获得白光色温数值不高于5000K，显指不低于65。

较佳的，在450nm蓝色激光激发下，(La_0.7,Y_0.3)₃Si₆N₁₁:Ce荧光转换器件中PtG＝2:3，厚度为65μm时，获得色温为4361K，显色指数CRI为70的白光。

与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

1)本发明制备的荧光转换器件与以往使用单一荧光粉所制备激光荧光材料相比获得白光具有色温更低(CCT≤5000K)，显色指数更高(CRI≥65)，通过第二相的引入，荧光转换器件的内量子效率，光通量，光效，以及光均匀性得到大幅度提升；此外，通过在复相(La_1-x,Y_x)₃Si₆N₁₁:Ce(0≤x≤1)+y％第二相(0<y≤20)荧光层基础上与红色/绿色荧光粉进行多层结构刮涂叠加设计，可以进一步调控白光的色温与显色指数，对于实现高品质暖白光激光照明光源具有十分重要的应用潜力。

2)本发明中，通过引入第二相，复相(La_1-x,Y_x)₃Si₆N₁₁:Ce(0≤x≤1)+y％第二相(0<y≤20)荧光转换器件的光学性能得到明显提升，具体为内量子效率，光通量，以及光效得到大幅度提高。其中，复相荧光转换器件内量子效率相对于无第二相掺杂时提升比例不低于10％。

3)在450nm蓝色激光激发下，复相(La_1-x,Y_x)₃Si₆N₁₁:Ce(0≤x≤1)+y％第二相(0<y≤20)荧光转换器件的中心光斑温度得到不同程度降低，与光学性能提升呈现同步趋势，揭示热饱和问题得到改善。

4)通过第二相的引入，增加光路在荧光转换器件中的散射过程，复相(La_1-x,Y_x)₃Si₆N₁₁:Ce(0≤x≤1)+y％第二相(0<y≤20)荧光转换器件光均匀性提高明显，“中心蓝点”现象消失。

附图说明

图1为高品质暖白光激光照明光源的荧光转换器件的组件结构示意图；

图2为实施例1制备的荧光转换器件白光调节色坐标直线移动趋势；

图3为实施例2制备的荧光转换器件的光通量与激光功率密度关系图；

图4为实施例2制备的荧光转换器件的光效与激光功率密度关系图；

图5为实施例2制备的荧光转换器件的色温余弦曲线图；

图6为实施例3制备的荧光转换器件的光通量与激光功率密度关系图；

图7为实施例4制备的荧光转换器件的光通量与激光功率密度关系图。

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，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明涉及一种实现高品质暖白光激光照明光源荧光转换器件。具体的，本发明通过采用(La_1-x,Y_x)₃Si₆N11:Ce(0≤x≤1)荧光粉作为初始材料，将其与玻璃粉，有机胶以及加入第二相，其中，第二相具体包括气孔、BN、AlN、Si₃N₄、SiO₂、TiO₂、Al₂O₃中的至少一种，所占荧光粉体质量比重为y％(0<y≤20)，搅拌混合获得均匀浆料，用刮刀将混合均匀的浆料刮涂于高导热基板上，烧结成型，烧结后得到具有特征微观结构的复相(La_1-x,Y_x)₃Si₆N₁₁:Ce(0≤x≤1)+y％第二相(0<y≤20)(第二相：气孔、BN、AlN、Si₃N₄、SiO₂、TiO₂、Al₂O₃中的至少一种)荧光转换器件。

实施例1

参照图1，图1为高品质暖白光激光照明光源的荧光转换器件的组件结构示意图。101为高导热基板，包括蓝宝石基底，铝板，高导热陶瓷中的至少一种；201为复相层中的低熔点玻璃，高温胶的至少一种；202为所述(La_1-x,Y_x)₃Si₆N₁₁:Ce(0≤x≤1)荧光粉；203为第二相，第二相具体包括气孔、BN、AlN、Si₃N₄、SiO₂、TiO₂、Al₂O₃中的至少一种；301为叠加层中的低熔点玻璃，高温胶的至少一种；302为绿色，红色荧光粉中的至少一种，其中，第3层为叠加层设计，在具体应用中可以选择是否使用，其刮涂位置也可以与第2层进行互换。

实施例2

将La₃Si₆N₁₁:Ce，(La_0.7,Y_0.3)₃Si₆N₁₁:Ce荧光粉(0.4g)，玻璃粉(0.6g)，有机胶(0.5g)搅拌混合获得均匀浆料，利用刮刀将混合均匀的浆料刮涂于高导热基板上，刮涂厚度为35μm，65μm，80μm，115μm，于马弗炉中烧结成型。

450nm蓝色激光激发下，La₃Si₆N₁₁:Ce荧光转换器件厚度为65μm时，获得色温为5397K，显色指数CRI为65的白光，光通量为479lm；(La_0.7,Y_0.3)₃Si₆N₁₁:Ce荧光转换器件厚度为65μm时，获得色温为4500K，显色指数CRI为70的白光，光通量为290lm。对比发现，(La_0.7,Y_0.3)₃Si₆N₁₁:Ce荧光转换器件白光调节色坐标移动趋势直线斜率低于La₃Si₆N₁₁:Ce，可实现使用单一荧光粉所制备荧光转换器与蓝色激光复合获得色温更低(CCT≤5000K)，显色指数更高(CRI≥65)白光激光光源，如图2所示。

实施例3

为了进一步提高(La_0.7,Y_0.3)₃Si₆N₁₁:Ce荧光转换器件在暖白光处的各项光学性能，由此引入六方相BN作为第二相为例，具体为称取(La_0.7,Y_0.3)₃Si₆N₁₁:Ce荧光粉(0.4g)，六方相BN(0.02g，0.04g，0.06g，0.08g)，玻璃粉(0.18g，0.16g，0.14g，0.12g)，有机胶(0.5g)，搅拌混合获得均匀浆料，利用刮刀将混合均匀的浆料刮涂于高导热基板上，刮涂厚度为35μm，置于马弗炉中进行烧结成型。

450nm蓝色激光激发下，(La_0.7,Y_0.3)₃Si₆N₁₁:Ce+y％BN(y＝5；10；15；20)荧光转换器件的光通量，光效以及饱和阈值随着第二相BN的掺杂，得到不用程度的提高，没有BN掺杂与掺杂15％BN时，光通量由255lm提高到460lm，光效由66lm/W提高到84lm/W，饱和阈值由7.63W/mm²提高到12.82W/mm²，如图3与图4所示，其内量子效率提升数值不低于10％，具体见表1所示。

随着不同含量的第二相BN掺杂，(La_0.7,Y_0.3)₃Si₆N₁₁:Ce+y％BN(y＝5；10；15；20)荧光转换器件在450nm蓝色激光激发下，中心光斑温度较没有掺杂BN时得到不同程度下降，其下降的趋势与各项光学性能提升趋势一致，如15％BN掺杂时，中心光斑温度最低，对应的光通量，光效与饱和阈值达到最佳，揭示热效应在荧光转换器件应用中起着关键性的作用，具体BN掺杂荧光转换器件中心光斑温度数值见表2。

450nm蓝色激光激发下，由于第二相的引入，增加光路在器件中的散射过程，复相(La_0.7,Y_0.3)₃Si₆N₁₁:Ce+y％BN(0<y≤20)荧光转换器件的光均匀性得到明显提升，“中心蓝点”现象消失，如图5所示。

实施例4

在(La_0.7,Y_0.3)₃Si₆N₁₁:Ce荧光转换器件中引入气孔结构作为第二相，具体为称取(La_0.7,Y_0.3)₃Si₆N₁₁:Ce荧光粉(0.4g)，造孔剂PMMA(0.02g)，玻璃粉(0.18g)，有机胶(0.5g)，搅拌混合获得均匀浆料，利用刮刀将混合均匀的浆料刮涂于高导热基板上，刮涂厚度为35μm，置于马弗炉中进行烧结成型。

450nm蓝色激光激发下，复相(La_0.7,Y_0.3)₃Si₆N₁₁:Ce+5％PMMA荧光转换器件的光通量，光效随着第二相气孔结构的引入，得到一定程度的提高，引入气孔结构后，内量子效率由57.5％提升至62.5％，光通量由228lm提高到372lm，光效由66lm/W提高到97.6lm/W，如图6所示。

实施例5

在La₃Si₆N₁₁:Ce荧光转换器件中引入具有高热导率的六方相BN作为第二相为例，具体为称取La₃Si₆N₁₁:Ce荧光粉(0.4g)，六方相BN(0.02g)，玻璃粉(0.18g)，有机胶(0.5g)，搅拌混合获得均匀浆料，利用刮刀将混合均匀的浆料刮涂于高导热基板上，刮涂厚度为35μm，置于马弗炉中进行烧结成型。

450nm蓝色激光激发下，复相La₃Si₆N₁₁:Ce+5％BN荧光转换器件的内量子效率，光通量，光效随着第二相BN的掺杂得到提高，没有BN掺杂与掺杂5％BN时，光通量由436lm提高到549lm，光效由93lm/W提高到117lm/W，具体性能如图7所示。

实施例6

将实施例2中所获得的复相荧光玻璃薄膜，与绿色荧光粉图层进行双层结构叠加。叠加层具体为称取Y₃(Al，Ga)₅O₁₂绿色荧光粉(0.4g)，玻璃粉(0.6g)，有机胶(0.5g)，搅拌混合获得均匀浆料，利用刮刀将混合均匀的浆料刮涂于复相荧光玻璃薄膜之上，刮涂厚度为35μm，置于马弗炉中进行烧结成型，形成双层薄膜结构。此多层结构设计可以进一步对获得白光的色温进行调控，提高其显色指数，最终实现高光学品质暖白光激光照明光源。

表1为本发明制备的荧光转换器件的内量子效率与吸收率

复相荧光转换器件	内量子效率(％)
		(La<sub>0.7</sub>,Y<sub>0.3</sub>)<sub>3</sub>Si<sub>6</sub>N<sub>11</sub>:Ce	57.5
(La<sub>0.7</sub>,Y<sub>0.3</sub>)<sub>3</sub>Si<sub>6</sub>N<sub>11</sub>:Ce+5％BN	69.1
		(La<sub>0.7</sub>,Y<sub>0.3</sub>)<sub>3</sub>Si<sub>6</sub>N<sub>11</sub>:Ce+10％BN	70.8
(La<sub>0.7</sub>,Y<sub>0.3</sub>)<sub>3</sub>Si<sub>6</sub>N<sub>11</sub>:Ce+15％BN	70
		(La<sub>0.7</sub>,Y<sub>0.3</sub>)<sub>3</sub>Si<sub>6</sub>N<sub>11</sub>:Ce+20％BN	62.7
(La<sub>0.7</sub>,Y<sub>0.3</sub>)<sub>3</sub>Si<sub>6</sub>N<sub>11</sub>:Ce+5％PMMA	62.5
		La<sub>3</sub>Si<sub>6</sub>N<sub>11</sub>:Ce	71.8
La<sub>3</sub>Si<sub>6</sub>N<sub>11</sub>:Ce+5％BN	74.4

表2为BN掺杂荧光转换器件中心光斑温度数值

(La<sub>0.7</sub>,Y<sub>0.3</sub>)<sub>3</sub>Si<sub>6</sub>N<sub>11</sub>:Ce+y％BN	0	5	10	15	20
						光斑中心温度(℃)	395.9	218.2	151.3	127.7	219.8

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种实现高品质暖白光激光照明光源的荧光转换器件，包括高导热基板与薄膜，其特征在于，所述薄膜的组分包括玻璃粉、第二相、有机胶或高温胶及(La_1-x,Y_x)₃Si₆N₁₁:Ce荧光粉；

所述(La_1-x,Y_x)₃Si₆N₁₁:Ce中0≤x≤1，所述第二相为气孔、BN、AlN、Si₃N₄、SiO₂、TiO₂、Al₂O₃中的任意一种或多种。

2.根据权利要求1所述的一种实现高品质暖白光激光照明光源的荧光转换器件，其特征在于，所述第二相掺杂量为荧光粉体比重的0％～20％；荧光粉与(玻璃粉+第二相)质量比为1：3～2：1。

3.根据权利要求2所述的一种实现高品质暖白光激光照明光源的荧光转换器件，其特征在于，所述高导热基板选用蓝宝石基底、铝板、高导热陶瓷板中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的一种实现高品质暖白光激光照明光源的荧光转换器件，其特征在于，所述荧光转换器件的制备方法如下：

1)将(La_1-x,Y_x)₃Si₆N₁₁:Ce荧光粉与第二相、玻璃粉、有机胶或高温胶搅拌混合获得均匀浆料；

5.根据权利要求4所述的一种实现高品质暖白光激光照明光源的荧光转换器件，其特征在于，步骤2)中刮膜的厚度为10～150μm。

6.根据权利要求4所述的一种实现高品质暖白光激光照明光源的荧光转换器件，其特征在于，450nm蓝光激光激发下，荧光转换器件获得白光的色温CCT不高于5000K，显色指数CRI不低于65，光通量不低于300lm。

7.根据权利要求1所述的一种实现高品质暖白光激光照明光源的荧光转换器件，其特征在于，所述荧光转换器件的薄膜组分中还包括红色/绿色荧光粉。

8.根据权利要求7所述的一种实现高品质暖白光激光照明光源的荧光转换器件，其特征在于，由玻璃粉、第二相、有机胶或高温胶及(La_1-x,Y_x)₃Si₆N₁₁:Ce荧光粉构成的复相层叠加于红色/绿色荧光粉涂层的上方或下方；所述红色/绿色荧光粉涂层组分包括红色/绿色荧光粉与玻璃粉，有机胶或高温胶。

9.根据权利要求8所述的一种实现高品质暖白光激光照明光源的荧光转换器件，其特征在于，复相层及红色/绿色荧光粉涂层的刮膜厚度均控制在10～60μm。

10.一种实现高品质暖白光激光照明光源，其特征在于，包括蓝光激光光源及如权利要求1-9之一所述的荧光转换器件。