CN117383824A - 一种高功率led用荧光玻璃材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率LED用荧光玻璃材料及其制备方法与应用，涉及无机玻璃发光材料领域。本发明的技术方案包括如下成分：玻璃粉、荧光粉，且玻璃粉由SiO2，B2O3，Al2O3，CaO，Y2O3和Na2O组成，所述荧光粉为Y3Al5O12:Ce3+。将Y3Al5O12:Ce3+荧光粉与低熔点玻璃粉SiO2‑B2O3‑Al2O3‑CaO‑Y2O3‑Na2O混合后压坯成型并烧结，切割打磨抛光处理后获得黄色荧光转换材料。通过优化荧光粉浓度和荧光玻璃厚度，能轻易实现白光光谱色温、显色指数、色坐标的调控，最高发光效率可达~140lm/W，可用于高功率LED白光照明及显示领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种高功率LED用荧光玻璃材料及其制备方法与应用，属于无机发光材料技术领域。
背景技术
白光LED作为第四代照明光源，具有效率高、稳定性好、寿命长、体积小等诸多优点，在室内照明、户外照明等领域得到广泛应用。为进一步拓展至探照灯、投影显示、汽车前照灯等特种照明及显示领域，高功率白光LED得以快速发展。其中，高效稳定的全无机荧光转换材料是高功率LED发展的关键。荧光粉/玻璃复合材料适应于高功率条件下全新且更高要求的器件远程封装策略，能够很好地解决高功率条件下传统环氧树脂贴合式封装所带来的器件局部升温、老化、湿热劣化等可靠性和使用寿命问题。同时，荧光粉/玻璃复合材料的组合选择多样化，通过调节优化玻璃成分组成并与特定的荧光粉进行混合固化烧结，可获得集荧光粉高量子效率和玻璃基体高物化稳定性于一体的荧光玻璃材料。故荧光玻璃被视为高功率LED发展中最具优势的荧光转换材料候选者之一，在更高亮度、更长寿命以及更远照射距离等应用场景中展现出卓越的前景。
在荧光粉与玻璃基体复合制备形成荧光玻璃材料的过程中，所面临的最大问题来源于两者的界面反应，能否有效地控制界面反应对荧光粉的侵蚀或抑制界面侵蚀程度，以最大限度地保留荧光粉的完整性，将最终决定荧光玻璃的综合发光性能。这类反应的影响因素可首先归结为荧光粉与玻璃基体组成的匹配性，其次是荧光玻璃合成的热处理制度，其又显著依赖玻璃组分构成。因此，能否有效地协调荧光粉/玻璃组成匹配性和热处理制度是制备高性能荧光玻璃的关键所在。另外，工艺上的诸多问题也会影响最终材料的性能，如粉体颗粒的形貌、大小，烧结的气氛、环境等因素。
目前，多数研究者致力于荧光粉与商用玻璃粉直接复合制备荧光玻璃。中国专利CN107572777A公开了一种LED照明用碲酸盐透明荧光玻璃的制备方法，将Y3Al5O12:Ce3+荧光粉与TeO2-Na2CO3-H3BO3-ZnO玻璃基体复合制备荧光玻璃，该方案考虑折射率匹配问题来选择低熔点碲酸盐玻璃基体，忽略了界面反应的主导性影响，在10mA低电流条件下，材料的最高流明效率约100lm/W。同时，这类体系玻璃的可加工性不足，难于大规模批量生产。中国专利CN107176791A公开了一种高功率照明与显示用荧光玻璃陶瓷及其制备方法和应用，将Y3Al5O12:Ce3+荧光粉与SiO2-A2O-ZnO-MO(A代表碱金属，M代表碱土金属)玻璃基体复合制备荧光玻璃陶瓷，该方案考虑了热处理制度影响，即降低荧光玻璃陶瓷的烧结温度，忽略了荧光粉/玻璃基体组成匹配性与热处理制度之间的协调，封装白光LED器件的流明效率为100lm/W。中国专利CN110128019A公开了一种黄色荧光玻璃陶瓷的制备方法和应用，采取光固化/3D打印成型方式制得(Y,Gd)AG:Ce3+@多孔SiO2玻璃基荧光玻璃陶瓷，该方案所设计的玻璃基体与荧光粉匹配性低，同时所需热处理条件苛刻(＞1000℃，2h)，导致所得荧光玻璃陶瓷的内量子效率低于80％，封装器件的流明效率为96lm/W。归结而言，目前针对高功率LED设计的荧光玻璃仍存在较多不足，难于获得集荧光粉高量子效率和玻璃高物化稳定性于一体的荧光玻璃材料，其流明效率及可加工性等指标仍有待提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高功率LED用荧光玻璃材料及其制备方法与应用，以克服上述现有技术存在的缺陷。本发明通过协调Y3Al5O12:Ce3+荧光粉与玻璃基体组成的匹配性，调控相应的热处理制度以及兼顾其它工艺影响因素来抑制两相界面反应，降低对荧光粉的热侵蚀，以获得具有高内量子效率和高物化稳定性的荧光玻璃材料，并通过优化荧光粉浓度和荧光玻璃厚度，实现白光光谱色温、显色指数、色坐标的调控，同时获得高流明效率，用于高功率LED白光照明及显示领域。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高功率LED用荧光玻璃材料，包括玻璃粉和荧光粉，所述玻璃粉由SiO2，B2O3，Al2O3，CaO，Y2O3和Na2O按照40:23:6:8:7:16质量分数组成低熔点玻璃粉；所述荧光粉为Y3Al5O12:Ce3+，且发射波长位于～554nm；所述高功率LED用荧光玻璃材料通过优化荧光粉浓度和荧光玻璃厚度，实现白光光谱色温、显色指数、色坐标的调控，最高发光效率达～140lm/W。
作为改进的是，所述玻璃粉的组成按质量分数计为：40％的SiO2、23％的B2O3、6％的Al2O3、8％的CaO、7％的Y2O3，16％的Na2O，各组分质量分数之和为100％。
所述荧光粉的质量分数为玻璃粉总质量的10-50％。
所述高功率LED用荧光玻璃材料的厚度为0.15-0.40mm。
上述高功率LED用荧光玻璃材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按质量分数比称取玻璃粉的组成原料SiO2，B2O3，Al2O3，CaO，Y2O3和Na2O，并置于研钵中充分混合，研磨得到玻璃混合料；
(2)将玻璃混合料倒入刚玉坩埚后，再置入温度为1500℃的马弗炉中恒温熔融1h，将得到的熔融玻璃液淬冷处理，获得前驱玻璃，对辊球磨成粉，过200目的筛子，得到前驱玻璃粉；
(3)将步骤2制得的前驱玻璃粉与荧光粉混合均匀后，称取适量并置入φ20的模具中，在15MPa压力下压坯成型，置于电炉中，在大气压下加热至800℃后使之随炉冷却，制成高功率LED用荧光玻璃材料；
(4)将上述高功率LED用荧光玻璃材料进行机械加工，切割打磨抛光至0.15-0.40mm厚度的荧光玻璃片。
上述高功率LED用荧光玻璃材料在制备高功率LED白光照明或显示器件上的应用。
有益效果：
与现有技术相比，本发明一种高功率LED用荧光玻璃材料及其制备方法与应用，首先，选择在Y3Al5O12:Ce3+荧光粉中溶解度极低的SiO2作为玻璃的主要形成体；其次，在玻璃基体中引入适量的Al2O3、Y2O3成分，以抑制荧光相中Al、Y元素向玻璃相的单向扩散反应，同时Al2O3、Y2O3含量的优化能够避免玻璃相中Al、Y元素的反扩散过程，即化学势梯度的平衡设计方案。此外，引入Na2O来降低玻璃的转变温度以调节荧光玻璃的热处理制度，引入CaO来进一步保证玻璃的力学强度以满足可加工需求。针对碱金属Na+和碱土金属Ca2+在高温下的易扩散问题，本发明提供的体系中[BO4]-和[AlO4]-四面体的含量，来达到四面体规避原则以及电荷平衡要求下Na+、Ca2+的自扩散抑制。最终，实现荧光粉/玻璃组成匹配性和热处理制度之间的有效协调，制备得到集荧光粉高量子效率和玻璃高物化稳定性于一体的高性能荧光玻璃材料，即Y3Al5O12:Ce3+荧光粉的SiO2-B2O3-Al2O3-CaO-Y2O3-Na2O体系玻璃粉。由此可见，基于界面反应的角度，有效协调荧光粉/玻璃基体组成匹配性和热处理制度，同时兼顾制备工艺上的多种影响因素，开发出高效稳定的荧光玻璃材料用于高功率LED具有极为重要的理论意义及实用性价值。
具体优势如下：
1)本发明基于抑制界面反应的角度，独特地提出两相扩散平衡的玻璃配方，在Y3Al5O12:Ce3+荧光玻璃体系中取得显著效果，有望推及至多种荧光玻璃体系。
2)本发明的玻璃基体体系成分简单易得，成本低廉，且荧光玻璃的制备工艺简单、热处理制度温和、可加工性强，易于规模化工业生产，具有广阔的应用市场前景。
3)本发明的荧光玻璃材料，通过优化荧光粉浓度和荧光玻璃厚度，能轻易实现白光光谱色温、显色指数、色坐标的调控，封装白光LED器件在～3W的高功率条件下，最高发光效率可达～140lm/W，可用于高功率LED照明及显示领域，在结合热沉技术的条件下，有望应用于激光照明及显示领域，具有显著的实用经济价值。
附图说明
图1为本发明实施例1、3、4、5、6制得的荧光玻璃实物图；
图2为本发明实施例6与Y3Al5O12:Ce3+荧光粉对比的归一化激发光谱；
图3为本发明实施例6与Y3Al5O12:Ce3+荧光粉对比的归一化发射光谱；
图4为本发明实施例6与Y3Al5O12:Ce3+荧光粉对比的内量子效率；
图5为本发明实施例6与Y3Al5O12:Ce3+荧光粉对比的荧光寿命；
图6为本发明实施例1、3、4、5、6制得的荧光玻璃在450nm蓝光芯片激发下的色坐标图；
图7为本发明实施例7、8、9、10、11制得的荧光玻璃在450nm蓝光芯片激发下的色坐标图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例
分别称取40wt％SiO2、23wt％B2O3、6wt％Al2O3、8wt％CaO、7wt％Y2O3和16wt％Na2O的玻璃粉组成原料，然后将称取的原料置于研钵中充分混合，研磨得到玻璃混合料；将上述玻璃混合料倒入刚玉坩埚，置入温度为1500℃的马弗炉中恒温熔融1h，将得到的熔融玻璃液淬冷处理，获得前驱玻璃，对辊球磨成粉，过200目的筛子，得到前驱玻璃粉。
将上述制得的前驱玻璃粉与质量分数为10wt％(实施例1)、12wt％(实施例2)、20wt％(实施例3)、30wt％(实施例4)、40wt％(实施例5)、50wt％(实施例6)的Y3Al5O12:Ce3+荧光粉混合均匀后，称取适量并置入φ20的模具中，在15MPa压力下压坯成型，置于电炉中，在大气压下加热至800℃后使之随炉冷却，制成高功率LED用荧光玻璃材料；将上述高功率LED用荧光玻璃材料进行机械加工，切割打磨抛光至0.15mm厚度，再切割成长度为2-4mm，宽度为2-4mm的荧光玻璃片，封装在高功率LED蓝光芯片上。表1为各实施例1-6在3W高功率条件下的色温(CCT)、显色指数(CRI)、色坐标(CIE)、光通量(LF)以及流明效率(LE)值。
表1不同实施例的高功率LED用荧光玻璃材料的性能数据
实施例7-11
将实施例6的高功率LED用荧光玻璃材料分别切割打磨抛光至不同厚度，分别为0.15mm(实施例7)、0.20mm(实施例8)、0.25mm(实施例9)、0.30mm(实施例10)、0.40mm(实施例11)，再切割成长度为2-4mm，宽度为2-4mm的荧光玻璃片，采用有机树脂粘接方式直接封装在高功率LED蓝光芯片上。
如表2所示，为各实施例7-11在3W高功率条件下的色温(CCT)、显色指数(CRI)、色坐标(CIE)、光通量(LF)以及流明效率(LE)值。
表2不同规格下LED的性能数据
由表2的数据可知，通过调节荧光玻璃的厚度，能够轻易实现色温、显色指数以及色坐标的调控，且流明效率最高可接近140lm/W。
由图2和图3可知，实施例6制得的高功率LED用荧光玻璃材料与Y3Al5O12:Ce3+荧光粉的激发发射谱几乎重叠，形状未发生改变，表明Y3Al5O12:Ce3+荧光粉的光谱特性在所设计的玻璃基体中能够很好地保持。
由图4以及内量子效率计算公式:内量子效率＝材料产生的光子数总额/吸收光子数总额，可计算得到所制备荧光玻璃材料的内量子效率高达97％，与Y3Al5O12:Ce3+荧光粉几乎一致，表明荧光粉的完整性被很好地保留。
由图5以及荧光寿命计算公式:I(t)＝I0exp(-t/T)，可计算得到所制备荧光玻璃材料的荧光寿命为61.7ns，相对于荧光粉(62.3ns)仅下降约0.6ns，表明所设计的玻璃基体及相应的热处理制度没有对荧光粉产生显著的热侵蚀作用。
图6和图7表明通过荧光粉浓度和厚度的调节，能够轻易实现荧光玻璃的色坐标调控。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (6)
1.一种高功率LED用荧光玻璃材料，包括玻璃粉和荧光粉，其特征在于，所述玻璃粉由SiO2，B2O3，Al2O3，CaO，Y2O3和Na2O按照40:23:6:8:7:16质量分数组成低熔点玻璃粉；所述荧光粉为Y3Al5O12:Ce3+，且发射波长位于~554nm；所述高功率LED用荧光玻璃材料通过优化荧光粉浓度和荧光玻璃厚度，实现白光光谱色温、显色指数、色坐标的调控，最高发光效率达~140lm/W。
2.根据权利要求1所述的一种高功率LED用荧光玻璃材料，其特征在于，所述玻璃粉的组成按质量分数计为：40%的SiO2、23%的B2O3、6%的Al2O3、8%的CaO、7%的Y2O3，16%的Na2O，各组分质量分数之和为100%。
3.根据权利要求1所述的一种高功率LED用荧光玻璃材料，其特征在于，所述荧光粉的质量分数为玻璃粉总质量的10-50%。
4.根据权利要求1所述的一种高功率LED用荧光玻璃材料，其特征在于，所述高功率LED用荧光玻璃材料的厚度为0.15-0.40mm。
5.基于权利要求1所述的高功率LED用荧光玻璃材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按质量分数比称取玻璃粉的组成原料SiO2，B2O3，Al2O3，CaO，Y2O3和Na2O，并置于研钵中充分混合，研磨得到玻璃混合料；
（2）将玻璃混合料倒入刚玉坩埚后，再置入温度为1500℃的马弗炉中恒温熔融1h，将得到的熔融玻璃液淬冷处理，获得前驱玻璃，对辊球磨成粉，过200目的筛子，得到前驱玻璃粉；
（3）将步骤2制得的前驱玻璃粉与荧光粉混合均匀后，称取适量并置入φ20的模具中，在15MPa压力下压坯成型，置于电炉中，在大气压下加热至800℃后使之随炉冷却，制成高功率LED用荧光玻璃材料；
（4）将上述高功率LED用荧光玻璃材料进行机械加工，切割打磨抛光至0.15-0.40mm厚度的荧光玻璃片。
6.权利要求1所述的高功率LED用荧光玻璃材料在制备高功率LED白光照明或显示器件上的应用。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311327185.2A CN117383824A (zh) | 2023-10-13 | 2023-10-13 | 一种高功率led用荧光玻璃材料及其制备方法与应用 |
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| CN117383824A true CN117383824A (zh) | 2024-01-12 |
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|---|---|
| CN (1) | CN117383824A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115432924A (zh) * | 2022-08-30 | 2022-12-06 | 浙江嘉利（丽水）工业股份有限公司 | 一种车用新型led橙红荧光玻璃陶瓷及其制备方法 |
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2023
- 2023-10-13 CN CN202311327185.2A patent/CN117383824A/zh active Pending
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| CN115432924A (zh) * | 2022-08-30 | 2022-12-06 | 浙江嘉利（丽水）工业股份有限公司 | 一种车用新型led橙红荧光玻璃陶瓷及其制备方法 |
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