CN1233786C - 制作用于白光二极管的荧光粉的方法及其白光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明是涉及一种荧光材料的配方及其包含该荧光材料的发光装置,其具备的化学式为(YxMyCez)Al5O12,其中x+y=3,且x、y≠0,0.5>z>0,M是选自铽(Tb)、镥(Lu)及镱(Yb)等金属元素所组成的集合,其中(YxMyCez)Al5O12为其主体结构(host),Ce为发光中心(activator)。本发明是利用改变其主体结构中金属元素的组成,以调变化合物的晶格场(crystal field),使发光中心所感受的作用力的不同,进而造成其发光波长的改变。本发明还提供了一种包含该荧光材料的白光发光装置。

Description

制作用于白光二极管的荧光粉的方法及其白光二极管
技术领域
本发明涉及一种用于制作高亮度白光二极管的荧光粉,及其以此荧光粉,其成分为(YxMyCez)Al5O12,配合蓝紫光或蓝光发光二极管制作成的高亮度白光二极管。
背景技术
1996年日本日亚化学公司(Nichia Chemical)发展出以蓝光发光二极管激发荧光粉使其产生黄光,在经色光混合,可产主高亮度的白光,未来将可取代日光灯做为白光光源,至此开始了白光LED应用于照明的时代。在中国台湾专利(第1561771号)及美国专利(第5998925号)所揭示的黄光YAG:Ce荧光粉的一般式为(Y1-p-q-rGdpCeqSmr)3(Al1-sGas)5O12(其中0.8≥p≥0,0.2≥q≥0.003、0.08≥r≥0.003,l≥s≥0)。其利用蓝光LED照射一荧光物质以产生与蓝光互补的黄光,再利用透镜原理将黄光、蓝光予以混合,使人眼产生白光的视觉。其理论可由色度坐标图(C.I.E.chromicity diagram)解释,即蓝光与黄光间的联机可通过白光区。
白光为多颜色的混合光,可被人眼感觉的白光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,故依此原理可设计产生白光LED光源。以今日的技术而言,有三个方案可行。第一种是使用三颗红、蓝、绿光的LED,分别控制通过LED的电流以产生白光。第二种是使用二颗黄、蓝光LED也分别控制通过LED的电流而产生白光。但此二种方法有一缺点,即这些同时使用的不同颜色LED若其中的一发生故障,则将无法得到正常的白光。且同时使用多个LED,成本也较高,此均为实际应用的不利因素。第三种则是以氮化铟镓(InGaN)LED所产生的蓝光激发可发出黄色光的荧光染料或粉体时也可以得到白光。此方法不但无前述二种方法的缺点,还具有驱动电路设计简易的优点。生产容易、耗电量低与成本较低,故目前大部分白光LED均采用此法。然而目前商用InGaN型蓝光发光二极管,因大部分采用有机金属气相沉积法(Metalorganic chemical vapor deposition;MOCVD)制成,然此工艺方法难以控制只产生固定波长的蓝光。故如何发展一系列发光波长可调变的黄色荧光粉,使可适合430nm~490nm的蓝光,是为一重要的课题。
传统上如日亚公司所使用的光色调变方式多以添加另一异质离子,例如(Y1-p-q-rGdpCeqSmr)3(Al1-sGas)5O12当其组成为(Y1-qGeq)3Al5O12:可发出546nm的黄光,但添加Gd后(Y1-p-qGdpCeq)3Al5O12可使主波长产生红位移至556nm,如中国台湾专利(第1561771号)及美国专利(第5998925号)。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种荧光粉,用于制作白光发光二极管,该荧光粉的发光波长能够搭配不同发光波长的蓝光LED产生变化,从而可以混合产生白光。
为了实现上述目的,本发明提供了一种荧光材料的配方,其特点是,利用改变该荧光材料主体结构中金属元素的组成,以调变化合物的晶格场,进而造成其发光波长的改变,该荧光材料的化学式为(YxMyCez)Al5O12,其中x+y=3,且x、y≠0,0.5>z>0,M是选自铽(Tb)、镥(Lu)及镱(Yb)等金属元素所组成的集合,其中(YxMy)Al5O12为其主体结构,Ce为发光中心。
如上所述的一种荧光材料的配方,其中,所述的荧光材料的原料粉体可使用金属化合物的氧化物、硝酸盐、有机金属化合物或金属盐类。
如上所述的一种荧光材料的配方,其中,所述的荧光材料的合成方式可为固态烧结法或化学法。
如上所述的一种荧光材料的配方,其中,所述的化学法可为凝胶法或共沉法。
本发明还提供了一种白光发光二极管,包含依预定比例混合或组合的(YxMyCez)Al5O12荧光材料,及可发出预定波长与亮度的发光二极管作为一激发光源,经封装后施以电流,荧光材料与发光二极管两者所发出的光可混合形成白光,而制成白光发光二极管;其中,所述的(YxMyCez)Al5O12荧光材料,其中,x+y=3,x、y≠0且0.5>z>0,M是选自铽(Tb)、镥(Lu)及镱(Yb)等金属元素所组成的集合,其中(YxMy)Al5O12为其主体结构,Ce为发光中心;其中,所述的发光二极管所发出的光源主波长(λD:domination wavelength)为430nm至500nm之间。
如上所述的白光发光二极管,其中,所述的荧光材料所发出的光源主波长(λD:domination wavelength)为560nm至590nm之间。
如上所述的白光发光二极管,其中,所述的荧光材料的混合比例与发光二极管的波长与亮度,可以混色公式计算决定。
本发明以另一方式使主波长产生红位移,主要利用调整主体结构的晶格场大小以调变光色。三价Ce的电子组态为[Xe]4f1,其中4f轨域受自旋-轨域耦合作用(spin-orbital coupling)分裂为2F5/22F7/2;而其5d轨域则受到晶格场的作用产生分裂。随着晶格场的增加,5d轨域分裂也随之增大,而Ce3+激发后由5d轨域最低的能阶回到4f的能量差也随之降低,使发光波长产生红位移。
本发明以铽(Tb)、镥(Lu)及镱(Yb)取代现有的(Y1-xCex)Al5O12黄色荧光粉中的钇离子(Y),由于两者具有相同的价数与接近的离子半径,故相互取代程度极高,而可形成一单相结构的固态溶液。本发明即利用上述特性使荧光粉的发光波长产生变化,使其能够有效搭配不同发光波长的蓝光LED,借以混合产生白光。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
图1是本发明根据实施例一所合成配方为(Y180M1.20Ce0.05)Al5O12(其中M=Tb)荧光粉的激发图谱(左边的曲线)与发射光谱(右边的二曲线),其中发射光谱A为以470nm的蓝光激发,发射光谱B为以460nm的蓝光激发。
图2中C为依据比较例一所合成的配方为(Y3Ce0.05)Al5O12荧光粉的发射光谱;D为依据实施例二所合成的配方为(Y2.375Tb0.625Ce0.05)Al5O12荧光粉的发射光谱;E为依据实施例一所合成的配方为(Y1.80Tb1.20Ce0.05)Al5O12发射光谱。
图3是不同Tb与Y比例的荧光粉体的色度坐标图。其中F点为图2中的光谱C经程序转换后所得的色度坐标点,G点为图2中的光谱D经程序转换后所得的色度坐标点;H点为图2中的光谱E经程序转换后所得的色度坐标点。
具体实施方式
本发明是关于一种荧光粉,用于制作高亮度白光发光二极管。荧光粉成分为:(YxMyCez)Al5O12,(其中x+y=3,且x、y≠0,0.5>z>0),M是选自铽(Tb)、镥(Lu)及镱(Yb)等金属元素所组成的集合。如本案的实施例所用的蓝紫光或蓝光发光二极管配合上述适当波长的荧光粉体制作高亮度白光光源的方法。利用蓝紫光或蓝光作为激发光源,配合可被选用波长的蓝光所激发而发出黄光的材料,而此被激发产生的黄光混合LED产生的蓝光形成白光,即可制得一高亮度的白光光源。关于本发明的荧光粉粉体及白光光源制作方法以实施例作为进一步的说明:
本发明的荧光粉合成包括下列实施例:
实施例一:
一、依化学计量比分别取3.1750克的硝酸钇[Y(NO3)3·6H2O]、8.6400克的硝酸铝[Al(NO3)3·9H2O]、0.1000的硝酸铈[Ce(NO3)3·6H2O]克与8.6400克的氧化铽(Tb4O7),使其形成的配方为(Y1.80Tb1.20Ce0.05)Al5O12。将秤取的原料以研磨方式均匀混合。
二、将混合物置入坩埚中,并于空气中以5℃/min的升温速率加热至1000℃进行锻烧(calcination)。24小时后以5℃/min的降温速率冷却至室温。
三、研磨锻烧后的粉末,将其再置于坩埚中在空气中以1500℃烧结(sintering)24小时,烧结步骤的升降温速率仍是5℃/min。
四、研磨烧结后的粉末,再将其置于H2/N2(5%/95%)的还原气氛中以1500℃进行还原(reduction)12小时。这是为了将样品中的Ce4+离子还原成Ce3+借以提高其发光亮度,故此步骤视情形而定,并非绝对必要的步骤。
实施例二:
一、依化学计量比分别取4.1897克的硝酸钇[Y(NO3)3·6H2O]、8.6400克的硝酸铝[Al(NO3)3·9H2O]、0.1000克的硝酸铈[Ce(NO3)3·6H2O]与0.2836克的氧化铽(Tb4O7),使其形成的配方为(Y2.375Tb0.625Ce0.05)Al5O12。将秤取的原料以研磨方式均匀混合。
二、将混合物置入坩埚中,并于空气中以5℃/min的升温速率加热至1000℃进行锻烧(calcination),24小时后以5℃/min的降温速率冷却至室温。
三、研磨锻烧后的粉末,将其再置于坩埚中在空气中以1500℃烧结(sintering)24小时,烧结步骤的升降温速率仍是5℃/min。
四、研磨烧结后的粉末,再将其置于H2/N2(5%/95%)的还原气氛中以1500℃进行还原(reduction)12小时。
比较例一:
一、依化学计量比分别取5.2923克的硝酸钇[Y(NO3)3·6H2O]、8.6400克的硝酸铝[Al(NO3)3·9H2O]、0.1000的硝酸铈[Ce(NO3)3·6H2O],使其形成的配方为(Y3Ce0.05)Al5O12。将秤取的原料以研磨方式均匀混合。
二、将混合物置入坩埚中,并于空气中以5℃/min的升温速率加热至1000℃进行锻烧(calcination),24小时后以5℃/min的降温速率冷却至室温。
三、研磨锻烧后的粉末,将其再置于坩埚中在空气中以1500℃烧结(sintering)24小时,烧结步骤的升降温速率仍是5℃/min。
四、研磨烧结后的粉末,再将其置于H2/N2(5%/95%)的还原气氛中以1500℃进行还原(reduction)12小时。
最后,冷却至室温后取出依据上述各实施例及比较例所制得的荧光体,并以研钵研磨。将荧光体以光激发光谱仪测量其发光特性。
如图1至图3所示,其中的图1是本发明根据实施例一所合成的配方为(Y1.80M1.20Ce0.05)Al5O12(其中M=Tb)荧光粉的激发光谱(左边曲线)与发射光谱(右边曲线),其中光谱A为以470nm的蓝光激发,光谱B为以460nm的蓝光激发。由图1可知实施例一当以470nm的蓝光激发(Y1.80Tb1.20Ce0.05)Al5O12荧光粉时,较其以460nm的蓝光激发有较高的发光效率。故可知本发明确实在长波的蓝光下激发有较佳的效率。
图2中C为依据比较例一所合成的配方为(Y3Ce0.05)Al5O12荧光粉的发射光谱;D为依据实施例二所合成具配方为(Y2.375Tb0.625Ce0.05)Al5O12荧光粉的发射光谱:E为依据实施例一所合成的配方为(Y1.80Tb1.20Ce0.05)Al5O12光谱。由图2可知比较例一的(Y3Ce0.05)Al5O12荧光粉以470nm蓝光激发时其发射光谱的峰值为546nm;实施例二,经添加不同比例的钇离子及铽离子使其化学组成为(Y2.375Tb0.625Ce0.05)Al5O12,其发射光谱的峰值为548nm;光谱E为本发明的实施例一,其化学组成为(T1.80Tb1.20Ce0.05)Al5O12,发射光谱的峰值为552nm。由图3可知当Tb的比例逐渐增加时,光谱将产生红位移的现象。故本发明利用改变主体结构中金属元素的组成,以调变化合物的晶格场(crystal field),使发光中心所感受的作用力的不同,进而造成其发光波长的改变;在此获得证实。
图3是不同Tb与Y比例的荧光粉体的色度坐标图。其中F点为图2中的光谱C经程序转换后所得的色度坐标点;G点为图2中的光谱D经程序转换后所得的色度坐标点;H点为图2中的光谱E经程序转换后所得的色度坐标点。由图3的CIE色度坐标图可知,当Tb的比例逐渐增加时,色度坐标确实往长波长的方向移动,更加确定本发明在波长调变上的功效。
本发明是一种荧光材料,其具备的化学式为(YxMyCez)Al5O12,(其中x+y=3,且x、y≠0,0.5>z>0),M是选自铽(Tb)、镥(Lu)及镱(Yb)等金属元素所组成的集合,其中(YxMy)Al5O12为其主体结构,Ce为发光中心。本发明是利用改变其主体结构中金属元素的组成,以调变化合物的晶格场,使发光中心所受的作用力不同,造成Ce的5d轨域能阶分裂的大小不同。当Ce离子由4f的基态受到激发而跃迁至5d轨域能阶(激发态),因晶格场强度改变,使其由激发态的最低能阶经放光方式缓解至基态的能量改变,因而造成其发光波长与光色的改变。
本发明还关于一种白色发光装置,包括作为发光组件的发光二极管及含上述的荧光粉体。该装置以可发出波长为430nm至500nm的蓝紫光或蓝光发光二极管作为激发光源,配合可被该波段光源激发而发出主波长为560nm至590nm的黄绿光至橙黄光的荧光粉体,二者所发出的光经混合后产生白色光。
本发明的方法中,蓝紫光或蓝光光源由具有省电特性的发光二极管(light-emitting diode;LED)所产生,配合适当调配的荧光材料混合比例,经封装后施以极低的电流即可获得一发光特性佳的高亮度白光发光二极管。
本发明的荧光粉体具有由改变主体晶格组成即可调整其发光波长的特性,可搭配不同波长的蓝光LED混合形成白光,且利用简单的固态反应法即可合成,适于大量生产故极具产业应用价值。
与现有的白光发光二极管所使用的多种荧光材料相较,本发明所提出的方法具有下列几项优点:
一、因目前的蓝光LED制造工艺上,短波长的高亮度蓝光制造较为困难,本发明的荧光粉体所需搭配的蓝光可调整至较长的波长;且由激发光谱中可知,以较长波的470nm蓝光激发,其发光效率高于460nm的短波长蓝光。
二、本发明调整光色的方法为改变其主体晶格。相对于传统的改变异质离子的添加量的方式,因后者所需添加的异质离子比例较低,极易因原料的秤取误差产生光色的改变,所以本发明在制造过程上有较佳的稳定性。
以上所述的实施例仅为本发明的具体实施例,本发明的内容并不局限于此,任何以配方为(YxMyCez)Al5O12,(其中x+y=3,且x、y≠0,0.5>z>0),M是选自铽(Tb)、镥(Lu)及镱(Yb)等金属元素所组成的集合,并借改变其主体晶格的晶格场,实现可扩展可调变波长所制成的荧光体所实施的变化或修饰均包含在本案的专利范围内。

Claims (7)

1.一种荧光材料的配方,其特征在于,利用改变该荧光材料主体结构中金属元素的组成,以调变化合物的晶格场,进而造成其发光波长的改变,该荧光材料的化学式为(YxMyCez)Al5O12,其中x+y=3,且x、y≠0,0.5>z>0,M是选自铽、镥及镱所组成的集合,其中(YxMy)Al5O12为其主体结构,Ce为发光中心。
2.如权利要求1所述的一种荧光材料的配方,其特征在于,所述的荧光材料的原料粉体可使用金属化合物的氧化物、硝酸盐、有机金属化合物或金属盐类。
3.如权利要求1所述的一种荧光材料的配方,其特征在于,所述的荧光材料的合成方式可为固态烧结法或化学法。
4.如权利要求3所述的一种荧光材料的配方,其特征在于,所述的化学法可为凝胶法或共沉法。
5.一种白光发光二极管,其特征在于,包含依预定比例混合或组合的(YxMyCez)Al5O12荧光材料,及可发出预定波长与亮度的发光二极管作为一激发光源,经封装后施以电流,荧光材料与发光二极管两者所发出的光可混合形成白光,而制成白光发光二极管;其中,所述的(YxMyCez)Al5O12荧光材料,其中,x+y=3,x、y≠0且0.5>z>0,M是选自铽、镥及镱所组成的集合,其中(YxMy)Al5O12为其主体结构,Ce为发光中心;所述的发光二极管所发出的光源主波长为430nm至500nm之间。
6.如权利要求5所述的白光发光二极管,其特征在于,所述的荧光材料所发出的光源主波长为560nm至590nm之间。
7.如权利要求5所述的白光发光二极管,其特征在于,所述的荧光材料的混合比例与发光二极管的波长与亮度,可以混色公式计算决定。
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