CN1169909C - 可制得白光光源的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种可制得白光光源的方法，其主要是应用紫外光(UV)作为激发光源，以激发二种萤光材料，而产生主波长位于585nm至640nm的红光、500nm至570nm的绿光与430nm至490nm的蓝光，且其中之一种萤光材料可同时发出红、绿与蓝三原色光其中的二个波段萤光，而另一种萤光材料则发出前二个波段以外的萤光，借此，经适当地调配二种萤光材料的混合比例，即可制得一高亮度的白光发光组件。
Description
技术领域
本发明是一种可制得白光光源的方法，尤指一种可应用紫外光光源配合具萤光特性的材料，以制作成高亮度白光发光组件。
背景技术
白光是一种多颜色的混合光，可被人眼感觉为白光的至少包括二种以上波长的混合光。例如人眼同时受红、蓝、绿光的刺激时，或同时受到蓝光与黄光的刺激时均可感受为白光，故依此原理可制作发白光的LED光源。现有的白光LED制造方法主要有五种：
第一种方法是使用以磷化铝镓铟(InGaAIP)、氮化镓(GaN)与磷化镓(GaP)为材质的三颗LED，分别控制通过LED的电流而发出红、绿及蓝光。因这三颗晶粒是放在同一个灯泡(lamp)中，透镜可将发出的光加以混合而产生白光。
第二种方法是使用GaN与GaP为材质的二颗LED，亦分别控制通过LED电流而发出蓝及黄绿光以产生白光，前述两种方式的发光效率可达到20lm/W。
第三种则是1996年日本日亚化学公司(Nichia Chemical)发展出以氮化铟镓蓝光发光二极管配合发黄光的钛铝石榴石型萤光粉亦可成为一白光光源。此法的发光效率可达15lm/W，虽较前二种方法稍低，但只需一组LED芯片，可大幅降低制造成本，再加上所搭配的萤光粉调制技术己臻成熟，故目前已有商品呈现。
第四种可产生白光的方案是日本住友电工(Sumitomo ElectricIndustries，Ltd)在1991年1月研发出使用硒化锌(ZnSe)材料的白光LED，其技术是先在ZnSe单晶基板上形成CdZnSe薄膜，通电后薄膜会发出蓝光，同时部分的蓝光照射在基板上而发出黄光，最后蓝、黄光形成互补色而发出白光。由于此法采用单颗LED晶粒，其操作电压仅2.7V，比GaN的LED的3.5V要低，且不需要萤光物质即可得到白光。
第五种可产生白光的方案是目前正在开发中的紫外光白光LED，其原理是利用紫外光LED激发多种的萤光粉发出萤光，经混色后产生白光。
前述第一种与第二种可产生白光的方案，其共同缺点是这些同时使用的不同光色LED其中之一发生故障，则将无法得到正常的白光；且因其正向偏压各不相同，故需多组控制电路，致使成本较高，此皆为实际应用上的不利因素。
第三种可产生白光的方案，是利用互补色原理以产生白光，其光谱波长分布的连续性不如真实的太阳光，使色光混和后会在可见光光谱范围(400nm-700nm)出现色彩的不均匀，导致色彩饱合度较低；虽然人类的眼睛可以忽略这些现象，只会看见白色的光，但在一些精密度较高的光学检测器的感测下，例如摄影机或相机等，其演色性在实质上仍偏低，亦即物体色彩在还原时会产生误差，所以这种方式产生的白光光源只适合作为简单的照明用途。
第四种可产生白光的方案，其缺点是发光效率仅8lm/W，寿命也只有8000小时，在实用层面上仍须更进一步地突破。
第五种产生白光的方案，因为现有三波长型白光光源在制作时为提高其演色性，一般乃使用三种或以上萤光粉。而欲同时利用多种萤光粉体使其发出萤光，先决条件之一乃是所选用的激发光恰可被这些萤光粉所吸收，且各萤光体对此波长的光的吸收系数不能相差太多，连同光能转换的量子效率也尽可能接近为佳，因此大幅限制适用的萤光材料种类，造成选用萤光材料的困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一可制得高亮度白光光源的方法，是利用紫外光作为激发光源，配合二种萤光材料，该二种萤光材料可受选用波长的紫外光所激发而发出主波长位于585nm至640nm的红光、500nm至570nm的绿光与430nm至490nm的蓝光，此三波段的萤光经混合后即可产生白色光。
本发明的另一目的，在于提供一可制得高亮度白光光源的方法，将其与现有的三波长型白光光源必须使用三种或以上分别发出红、绿与蓝光的萤光材料相较，本案的特点在于只需使用二种萤光材料，其中之一种萤光材料可同时发出红、绿与蓝三原色光的二个波段萤光，故再配合可发出另一波段的萤光材料即可得到组成白光的三原色光。
本发明是一种可制得白光光源的方法，是利用紫外光作为激发光源，配合二种萤光材料(萤光粉或粉体)，其可受选用波长的紫外光所激发而发出主波长位于585nm至640nm的红光、500nm至570nm的绿光与430nm至490nm的蓝光，且其中之一种萤光材料可同时发出红、绿与蓝三原色光其中的二个波段萤光，而另一种萤光材料则发出前二个波段以外的萤光，借此，经调配二种萤光材料的混合比例，即可制得一高亮度的白光发光组件，如白光发光二极管。
欲使本发明的方法能产生作用在于制作出一种可同时发出二个波段的萤光粉。萤光体的发光性质是借添加或掺杂相对少量的异离子于主体材料中而获得，例如：Y2O3:Eu+3中的Eu+3。当一异离子被结合或并入一主体晶格形成一个能被激发而放光的位置时称其为活化中心。当一异离子被结合或并入一主体晶格且能转移其激发能量至附近的活化者，然后导致发光，则称其为敏感者，有时亦称为辅助活化剂或增感剂。有时可放光的活化中心对激发能量并无显著的吸收作用，但敏感者则可吸收激发能量，然后经由能量转移过程至活化中心，使其发射出本身的特性萤光。基于此原理，若可合成一萤光粉，其同时被添加或掺杂二种异离子作为活化中心，则可得到一种可同时发出二种波段的萤光的萤光粉。然而大部分的异离子所需的激发波长皆不尽相同，故此作法的可行性并不如预期地高。但是，若使用敏感者配合活化中心的设计，即可提高设计出一种可同时发出二波段萤光粉的可能性。例如，以BaMgAl10O17做为主体晶格时，添加或取代二价铕(Eu+2)于结构中，可以紫外光照射的得到蓝色的萤光。但若同时添加或取代二价铕与二价锰(Mn+2)于主体晶格中，除铕离子本身可发出蓝色萤光外，亦可经由铕离子所吸收的光能转移至锰离子而发出绿光。于是，此种萤光粉仅需要借由一种波长的紫外光的激发，而同时发出蓝色与绿色混合的蓝绿色萤光。
前述的激发光源可由发光二极管、电子束或电浆产生；
可同时发出二波段萤光的萤光材料为(Ba1-xEux)(Mg1-yMny)Al10O17，其中0＜x≤0.5；0＜y≤0.5，或(Ba1-xEux)(Mg2-yMny)Al16O27，其中0＜x≤0.5；0＜y≤0.5，所发出的萤光为蓝绿光；
可发出另一波段萤光的萤光材质为(Y2-xEux)O3，其中0＜x≤0.5、(Y2-xEux)O2S其中0＜x≤0.5或(Y3-xEux)Al5O12，其中0＜x≤0.5，所发出的萤光为红光或橘红光。
综上所述，相较于现有的三波长型白光光源，乃以紫外光激发于可同时产生蓝色、绿色与红色的三种(或以上)的萤光粉，再经由混光所产生的白光，本发明的方法具有下列有益效果：
1.因本发明的方法仅使用二种萤光粉，放宽激发光波长选择上的限制，亦即可取得较广的应用范围。
2.本发明的方法虽仅使用二种萤光粉，然在本质上仍具有三原色混合而得白光的特性，例如演色性高，且保有相当高的发光效率，不因粉体种类减少而降低。
3.由于本发明仅使用二种萤光粉，放在制程上较简化，制作成本较低。同时，对于调配出白光的便利性大幅地提高，极具产业应用的价值。
附图说明
图1是以波长610nm为检测处所测得(Y1.9Eu0.1)O3萤光粉的激发光谱；
图2是以波长396nm为激发源所测得(Y1.9Eu0.1)O3萤光粉的发射光谱；
图3是表示根据发射光谱分别计算得的二种萤光体的色度坐标A与B为端点所连成的虚线可通过色度坐标图的高色温白色区域；
图4是以波长488nm为检测处所测得(Ba0.9Eu0.1)(Mg0.96Mn0.04)Al10O17萤光粉的激发光谱；
图5是以波长396nm为激发源所测得(Ba0.9Eu0.1)(Mg0.96Mn0.04)Al10O17萤光粉的发射光谱；
图6是以波长488nm为检测处所测得(Ba0.9Eu0.1)(Mg0.96Mn0.04)Al10O17萤光粉的激发光谱；
图7是以波长396nm为激发源所测得(Ba0.9Eu0.1)(Mg0.96Mn0.04)Al10O17萤光粉的发射光谱；
图8是表示根据发射光谱分别计算得的二种萤光体的色度坐标A与C为端点所连成的虚线可通过色度坐标图的低色温白色区块。
具体实施方式
以下举例说明本发明的白光发光组件所需合成与调配的萤光粉。
实施例一(高色温的白光光源)
1.合成一配方为Y2O3:Eu型的萤光粉，如(Y1.9Eu0.1)O3，其合成方法可利用固态反应法、化学合成法，如柠檬酸盐凝胶法、共沉淀法等。
2.合成一配方为BaMgAl10O17:Eu，Mn型萤光粉，如(Ba0.9Eu0.1)(Mg0.96Mn0.04)Al10O17，其合成方法可利用固态反应法、化学合成法，如柠檬酸盐凝胶法、共沉淀法等。
3.以波长610nm为检测处测得(Y1.9Eu0.1)O3萤光粉的激发光谱，如图1，由该光谱知此Y2O3:Eu型萤光粉可被紫外光所激发。
4.以波长396nm的紫外光为激发源测量上述的(Y1.9Eu0.1)O3萤光粉的发射光谱，如图2，由光谱可知此Y2O3:Eu型萤光粉可产生红色萤光。将发射光谱的数据以1931年由国际照明委员会(commission internationaledel’Eclairage，CIE)所制定的色度坐标图(chromaticity diagram)的公式换算成此萤光体所代表的色度坐标，并以A点标记于图3中。
5.以波长488nm为检测处测得(Ba0.9Eu0.1)(Mg0.96Mn0.04)Al10O17，萤光粉的激发光谱，如图4，由该光谱可知此BaMgAl10O17:Eu，Mn型萤光粉可被紫外光所激发。
6.以波长396nm的紫外光为激发源测量(Ba0.9Eu0.1)(Mg0.96Mn0.04)Al10O17萤光粉的发射光谱，如图5，由光谱可知此萤光粉可同时产生蓝光与绿光(即为蓝绿光)，并将发射光谱的数据换算成此萤光体所代表的色度坐标，并以B点标记于图3中。
7.在色度坐标图中以虚线画出A、B二点间的联机，发现此色光混合联机可通过色度坐标图中的白色区域，亦即依色光混合的原理，当视神经同时受A点代表的颜色(此例为红色)与B点代表的颜色(此例为蓝绿色)的刺激时，可以产生白色的视觉。此外，因B点所处的位置较偏蓝光，所以该联机通过白光区的部份是属于色温较高的白光。
是故，将本发明的方法所得的二种萤光粉依适当的比例混合，配合可发出适当波长(此例为396m)的紫外光发光二极管作为激发光源，经适当封装后，施以适当的电流即可获得一发光特性的白光发光二极管。该封装形式可为灯泡型(Lamp)、表面粘着封装(surface mount device，SMD)或板上芯片(chip on board，COB)。
实施例二(低色温的白光光源)
1.合成一配方为Y2O3:Eu型的萤光粉，如(Y1.9Eu0.1)O3，其合成方法可利用固态反应法、化学合成法，如柠檬酸盐凝胶法、共沉淀法等。
2.合成一配方为BaMgAl10O17:Eu，Mn型萤光粉，如(Ba0.9Eu0.1)(Mg0.93Mn0.07)Al10O17，其合成方法可利用固态反应法、化学合成法，如柠檬酸盐凝胶法、共沉淀法等。
3.以波长610mn为检测处测得(Y1.9Eu0.1)O3萤光粉的激发光谱，如图1，由该光谱知此Y2O3:Eu型萤光粉可被紫外光所激发。
4.以波长396nm的紫外光为激发源测量上述的(Y1.9Eu0.1)O3萤光粉的发射光谱，将发射光谱的数据换算成此萤光体所代表的色度坐标，并以A点标记于图8中。
5.以波长488nm为检测处测得(Ba0.9Eu0.1)(Mg0.93Mn0.07)Al10O17，萤光粉的激发光谱，基于此光谱与(Y1.9Eu0.1)O3萤光粉的激发光谱所示结果，决定扫描发射光谱时的激发波长为396nm的紫外光。
6.以波长396nm的紫外光为激发源测量(Ba0.9Eu0.1)(Mg0.93Mn0.07)Al10O17萤光粉的发射光谱，如图7，由光谱可知此萤光粉可同时产生蓝光与绿光(即为蓝绿光)，并将发射光谱的数据换算成此萤光体所代表的色度坐标，并以C点标记于图8中。
7.在色度坐标图中以虚线画出A、C二点间的联机，发现此色光混合联机可通过色度坐标图中的白色区域，此外，因C点所处的位置较偏绿光，所以该联机通过白光区的部分是属于色温较低的白光。
是故，将本发明的方法所得的二种萤光粉依适当的比例混合，配合可发出适当波长(此例为396nm)的紫外光发光二极管作为激发光源，经适当封装后，施以适当的电流即可获得一发光特性的白光发光二极管。该封装形式可为灯泡型(Lamp)、表面粘着封装(surface mount device，SMD)或板上芯片(chip on board，COB)。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，但并不局限于此，任何以制作同时添加二种含以上光学活性中心或搭配增感剂于主体晶格中所制成的可同时发出红光(585nm至640nm)、绿光(500nm至570nm)与蓝光(430nm至490nm)等三原色光其中的二波段萤光的萤光粉，再搭配另一种萤光粉，其可发出前二个波段以外的属于三原色光的萤光。并依适当比例调配二种萤光粉，致可展现高色彩均匀度、高亮度等优良发光特性为目的，以制造一白光发光组件所实施的变化或修饰皆被涵盖在以下本案的专利范围内。
Claims (5)
1.一种可制得白光光源的方法，是用紫外光光源配合二种可被紫外光直接激发的具萤光特性的粉体，以制作成高亮度白光发光组件，该二种具萤光特性的粉体的其中之一是同时添加二种以上光学活性中心或搭配增感剂于主体晶格中所制成的萤光粉，其受紫外光激发后可同时发出红光、绿光与蓝光三原色光其中的二波段萤光，另一萤光粉则可发出前二波段以外的属于三原色光的萤光，其特征在于可同时发出二波段萤光的萤光粉为(Ba1-xEux)(Mg1-yMny)Al10O17，其中0＜x≤0.5；0＜y≤0.5，或(Ba1-xEux)(Mg2-yMny)Al16O27，其中0＜x≤0.5；0＜y≤0.5，所发出的萤光为蓝绿光，可发出一个波段萤光的萤光粉为(Y2-xEux)O3，其中0＜x≤0.5、(Y2-xEux)O2S，其中0＜x≤0.5或(Y3-xEux)Al5O12，其中0＜x≤0.5，所发出的萤光为红光或橘红光。
2.如权利要求1所述的可制得白光光源的方法，其特征在于所述的具萤光特性的粉体是以固态反应法或化学合成法制得。
3.如权利要求1所述的可制得白光光源的方法，其特征在于所述的二种粉体可依不同比例混合，配合可发出紫外光作为激发光源，经封装后施以电流，而获得一白光发光组件。
4.如权利要求3所述的可制得白光光源的方法，其特征在于所述的激发光源可由发光二极管、电子束或电浆产生。
5.如权利要求3所述的可制得白光光源的方法，其特征在于所述的封装形式可为灯泡型、表面粘着型或板上芯片型。
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